JP3868927B2 - 回折素子を有する光分離および結合素子を具備する照明光学系およびこれを具備する画像表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光学系およびこれを含む画像表示装置に係り、より詳細には回折素子が形成された光分離および結合素子を具備する照明光学系およびこれを含む画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、特許文献１に開示されたライトバルブを均一に照明するための装置を示す図面である。
【０００３】
図１を参照すれば、従来の照明装置には、フォーカシングミラー６を具備する光源４と、光源４に隣接して位置して光源４からの光を集光する集束レンズ８と、集束レンズ８を通過して集光された光が入射される光トンネル２とが具備されている。光トンネル２は、内部反射面を有する空洞で形成される空間、あるいは光に対して透明な物質で充填される空間であると定義できる。ここで、光トンネル２の長さはＬであり、四角形の断面を有する。
【０００４】
光は、光源４から出射されて光トンネル２の平面に対する法線１６に対して入射角ｕを有して入射された後、光トンネル２を通過しながら光度分布が均一にされる。光トンネル２を通過した光は、リレー手段１０を透過しながら定形化されてライトバルブ１２に到達する。
【０００５】
このような従来の照明装置には、カラー画像を具現するために集束レンズ８と光トンネル２との間の光路上にカラースイッチング素子としてカラーフィルター、カラーホイールまたはＸキューブをさらに具備して光を各波長帯域別に分離する。しかし、カラーホイールやカラーフィルターを使用して光を分離すれば白色光のうち一つの色光だけ前記カラーホイールやカラーフィルターの所定領域を通過するので光効率が低下する短所がある。またＸキューブを使用する場合には既存の光源から入射される光が発散されるので、Ｘキューブのコーティング膜が形成された境界面で光の反射率または透過率が低下して全体的に出射光の光量効率が低下する。これはＸキューブに形成されるコーティング膜の反射率または透過率が入射光の発散角に依存するからである。
【０００６】
さらに、前記特許文献１に開示された光トンネル２のような光の強度（光度）を均一にするための光学部材は、光源から入射される光の開口数が小さい場合に長さを延ばさねばならないので、これを具備する画像表示装置のコンパクト化を達成し難い。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第５，６２５，７３８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、照明光学系に具備される光分離および結合素子に入射される光の発散角度を調節することによって光度を均一にして光損失を減らし、必要なリレーレンズの枚数を減らしてコンパクトな照明光学系を提供し、これを具備する低コストの高輝度かつ高画質の画像表示装置を提供するところにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記技術的課題を達成するために、本発明は、光を出射する光源と、前記光を回折させ入射角を所定範囲内に狭める回折素子が少なくとも一つの入射面に設けられた光分離および結合素子と、を具備することを特徴とする照明光学系を提供する。
【００１０】
ここで、前記光分離および結合素子はＸキューブであり、前記回折素子はＨＯＥ（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）またはＤＯＥ（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）で製造される。すなわち、光分離および結合素子は、一方から白色光が入射されると、この光を分離して異なる波長帯域の複数の光として射出し、逆に、これらの分離された波長帯域の光が同じ径路を逆に辿るように入射されると、これらの光を一つの光として結合して射出する素子である。このように、光分離および結合素子は、一つの素子でありながら、光の進行方向によって光を分離したり結合したりするので、これら２つの機能を併せ持つ素子であることを明らかにするためにこのように呼ばれる。
【００１１】
前記光源と前記光分離および結合素子間の光路上に光ガイド手段をさらに具備することが望ましく、前記光ガイド手段は光ファイバである。
【００１２】
前記光源と前記光分離および結合素子間の光路上にリレーレンズ系をさらに具備することが望ましい。
【００１３】
前記光源と前記光分離および結合素子間の光路上に入射光は反射させて出射光は直進させる光路分離素子をさらに具備することが望ましい。
【００１４】
前記光路分離素子はＴＩＲ（Ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）プリズムである。
【００１５】
前記技術的課題を達成するために本発明はまた、光を出射する光源と、前記光を回折させて入射角を所定範囲内に狭める回折素子が少なくとも一つの入射面に設けられた光分離・結合素子を具備する照明光学系と、前記照明光学系から入射される光を変調して画像を形成する画像光学系と、前記画像光学系で反射された光をスクリーンに投射する投射光学系と、を含むことを特徴とする画像表示装置を提供する。
【００１６】
ここで、前記光分離および結合素子はＸキューブであることが望ましく、前記回折素子はＨＯＥまたはＤＯＥで形成する。
【００１７】
前記光源と前記光分離および結合素子間の光路上に光ガイド手段をさらに具備することが望ましく、前記光ガイド手段は光ファイバである。
【００１８】
ここで、前記画像光学系は、前記照明光学系から入射される光を、加えられる映像信号によって変調して画像を生成するパネルを具備する。
【００１９】
前記照明光学系は、前記光分離および結合素子と前記パネル間の光路上に光度を均一にするガラスロードをさらに具備することが望ましい。
【００２０】
前記画像光学系は、前記ガラスロードと前記パネル間の光路上に入射光は反射させて出射光は直進させる光路分離素子をさらに具備することが望ましいが、前記光路分離素子はＴＩＲプリズムである。
【００２１】
前記画像光学系は、前記ガラスロードと前記光路分離素子間の光路上に集束レンズをさらに具備することが望ましい。
【００２２】
ここで、前記投射光学系は、前記画像光学系で生成された画像をスクリーンに投射する投射レンズを具備する。
【００２３】
前記照明光学系は、前記光源と前記光分離および結合素子間の光路上にリレーレンズ系をさらに具備することが望ましい。
【００２４】
前記画像光学系は、前記光分離および結合素子と前記投射光学系間の光路上にリレーレンズ系をさらに具備することが望ましい。
【００２５】
前記画像光学系は、前記光源と前記光分離および結合素子間の光路上に入射光は反射させて出射光は直進させる光路分離素子を具備するが、前記光路分離素子はＴＩＲプリズムである。
【００２６】
本発明は光分離および結合素子と回折素子とを結合させることによって光分離および結合素子に入射される光の発散角を調節して光分離および結合素子内で反射される光の光効率を高めうる。また、この回折素子がパワーを有するように設計して光度を均一にするために導入されるリレーレンズの枚数を減らすことができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態による照明光学系およびこれを具備する画像表示装置について詳細に説明する。
【００２８】
図２は、本発明の第１実施形態による照明光学系およびこれを具備する画像表示装置を示す構成図である。
図２を参照すれば、本発明の第１実施形態による照明光学系２２は、相異なる波長帯域の各色光を出射する光源２２−１と、光源２２−１から入射される各色光の入射角を調節する回折素子２１が各入射面に形成されているＸキューブ２２−２とを具備する。光源２２−１とＸキューブ２２−２間の光路には、光ファイバ２３がさらに設けられて光の入射角を所定範囲内に調節してＸキューブ２２−２に伝送する。Ｘキューブ２２−２の光出射面の光路上にはガラスロード２５がさらに配列されて光度を均一にする。
【００２９】
回折素子２１にはＤＯＥ（回折光学素子）またはＨＯＥ（ホログラフィック光学素子）のような光学素子が使われるが、直接的にＸキューブ２２−２の入射面に形成されるか、別途に製造されてＸキューブ２２−２に付着される。Ｘキューブ２２−２は、光を透過および反射させるコーティング膜がＸ字状に形成された光分離および結合素子である。Ｘキューブ２２−２に塗布されたコーティング膜は光の入射角度によって反射率および透過率が変わるので、光損失を減らすために光を所定範囲内の入射角に調節してコーティング膜に入射させねばならない。
【００３０】
図３は、Ｘキューブの波長による透過率の入射角に対する関係を示すグラフである。図面を参照すれば、４００ｎｍないし７００ｎｍの波長範囲でＸキューブ２２−２のコーティング膜に対する入射角が０°（Ｘ−Ｃｕｂｅ−Ｐ＿０）である時に透過率が最も高く、入射角が大きくなるほど透過率が低下し、入射角が１１°（Ｘ−Ｃｕｂｅ−Ｐ＿１１）を超えて少なくとも１２°（Ｘ−Ｃｕｂｅ−Ｐ＿１２）になると、光透過率が５０％以下に低下することが分かる。
【００３１】
本発明の実施形態による照明光学系では、回折素子２１を具備して光ファイバ２３から入射される光を回折させてＸキューブ２２−２内のコーティング膜に最小０°から最大４〜８°以内の発散角で入射させ、Ｘキューブ２２−２での透過率を７０％以上にして透過光の損失を最小化する。ここで、図３に示したコーティング膜の入射光の発散角に対する透過率は一例に過ぎず、良質のコーティング膜を形成する場合には透過率を８０％以上にする。また、回折素子２１が結合される光分離および結合素子は、Ｘキューブ２２−２に限定されていない。
【００３２】
このような回折素子が結合される光分離および結合素子としてＸキューブ２２−２を含む照明光学系２２は、全体的に図示したような画像表示装置を構成する。また、図２を参照すれば、照明光学系２２の光源２２−１から出射されて光ファイバ２３を全反射しながら進行した光は、Ｘキューブ２２−２のコーティング膜が形成された境界面で波長帯域別にＲ、ＧおよびＢ光に分離され、前記各色光Ｒ、Ｇ、Ｂは、画像光学系２４に入射されて、加えられる電気的な映像信号によって変調されて画像を生成した後、投射光学系２６を通過してスクリーン（図示せず）に投射される。
【００３３】
画像光学系２４は、ガラスロード２５から入射される光を集光する集光レンズ２７と、集光レンズ２７を通過した光を映像電気信号によって変調して画像を形成するパネル２４−１と、集光レンズ２７とパネル２４−１の光路間に位置して集光レンズ２７から入射される光をパネル２４−１に入射させ、パネル２４−１から反射された光を投射光学系２６に進行させる光路分離素子２４−２とを具備する。ここで、パネル２４−１としてＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｏｒｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）素子を、光路分離素子２４−２としてＴＩＲプリズムを具備するか、パネル２４−１としてＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）を、光路分離素子２４−２としてＰＢＳ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）を具備する。
【００３４】
投射光学系２６は、投射レンズ２６−１を備え、これにより、パネル２４−１で反射されて光路分離素子２４−２を通じて出射される光をスクリーン（図示せず）に照射してパネル２４−１で生成された画像を再現する。ここで、画像光学系２４および投射光学系２６は、必要に応じて集光レンズまたは光をガイドする光学素子をさらに具備できる。
【００３５】
図４Ａは、単一光源に対する光ファイバ２３および回折素子２１ａが入射面に形成されたＸキューブ２２−２を具備する本発明の実施形態による照明光学系をシミュレーションした図面であり、図４Ｂは、リングパターンで形成された回折素子２１ａを示す。
図４Ａを参照すれば、光ファイバ２３を通過した光は、回折素子２１ａで回折されてＸキューブ２２−２に最小０°から最大４〜８°範囲の発散角で入射されて最大光効率を有してＸキューブ２２−２を出射する。Ｘキューブ２２−２に形成されたリングパターンは約０．２ｎｍの半径を有するように形成されるが、機械的な凹凸として格子が形成されるＤＯＥまたは参照光と基準光との干渉パターンにより格子が形成されるＨＯＥである。ＨＯＥで回折素子２１ａを形成する場合に格子間隔、すなわち、ピッチと格子深度とを適切に調節して出射光の回折角度を調整できる。
【００３６】
図４Ｃは、Ｘキューブ２２−２の入射面に形成された回折素子２１ａの中心から半径に沿う回折効率を示すグラフである。図４Ｃを参照すれば、入射面の中心では回折効率が９８．７％であったが、半径が増加するにつれて回折効率が上昇と低下とを反復するが、最も小さな回折効率も９７％以上であることが分かる。図４Ｃのグラフから回折素子２１ａのピッチおよび格子深度を適切に形成して入射光の発散角を最大４〜８°範囲内に調節する回折素子は９７％以上の高い回折効率を示すことが分かる。
【００３７】
図５は、本発明の第２実施形態による照明光学系３２およびこれを具備する画像表示装置を示す構成図である。
図５を参照すれば、本発明の第２実施形態による照明光学系３２は、白色光を出射する光源３２−１と、光源３２−１から入射される光の発散角を調節する回折素子３１が入射面に形成され、前記入射光を各波長帯域別にＲ、ＧおよびＢの色光に分離して透過および反射するコーティング膜が形成されたＸキューブ３２−２とを具備する。光源３２−１とＸキューブ３２−２間の光路上にはガラスロード３３がさらに設けられて光度を均一に形成し、ガラスロード３３の前方の光路上にはリレーレンズ３５がさらに設けられて光度を均一化できる。リレーレンズ３５は、平行光を形成するために使われることもある。リレーレンズ３５とＸキューブ３２−２間の光路上には光路分離素子３２−３が位置して入射光はＸキューブ３２−２に反射させ、Ｘキューブ３２−２から出射される光はそのまま透過させて投射光学系３６に向かわせる。
【００３８】
Ｘキューブ３２−２の入射面に結合される回折素子３１は、本発明の第１実施形態による照明光学系３２に具備される回折素子２１と同じく入射光の発散角度を０°から最大４〜８°範囲内になるように格子を形成してＸキューブ３２−２での光の分離および結合時に光損失を最小化できる。また、本発明の第２実施形態による照明光学系に具備される回折素子３１がパワーを有するように製造されれば、光度を均一にするために導入されるリレーレンズ３５の枚数を減らすことができてコンパクトな照明光学系３２を実現できる。回折素子３１は、本発明の第１実施形態による回折素子２１と同じくＤＯＥまたはＨＯＥを使用できる。
【００３９】
図面を参照すれば、本発明の第２実施形態による照明光学系を具備する画像表示装置は、前記の照明光学系３２と、照明光学系３２から出射される光を受光して、加えられる電気的な映像信号によって変調して画像を生成する３つのパネル３４−１を具備する画像光学系３４と、画像光学系３４で反射された光をスクリーン（図示せず）に投射する投射レンズ３６−１を具備する投射光学系３６とからなる。画像光学系３４および投射光学系３６は、必要に応じて集光レンズまたは光をガイドする光学素子をさらに具備できる。
【００４０】
図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の第２実施形態による照明光学系でＸキューブ３１にＤＯＥが形成されていない場合とＤＯＥが形成されている場合それぞれに対してＸキューブ３１を出射する光の角度による相対的な光度を示すグラフである。
図６Ａを参照すれば、Ｘキューブ３１にＤＯＥが形成されていない場合に光度は０°ないし±１０°の範囲内で均一に分布されているので、光が進行するほど光損失が大きくなることが推測できる。
一方、図６Ｂを参照すれば、Ｘキューブ３１にＤＯＥが形成された場合に光度は０°周辺に集中してデルタ関数形態に分布しているので光が進行しても光損失が顕著に減ることが分かる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、Ｘキューブのような光分離および結合素子に回折素子を結合し、光分離および結合素子に入射される光の発散角を調節してＸキューブ内のコーティング膜を透過および反射させることによって光損失を減少させ、画像光学系および投射光学系に出射される光の光効率を高めることができる。また、回折素子がパワーを有することによってリレー光学系に具備されるリレーレンズの枚数を減らすことができてコンパクトな画像表示装置を具現できる。
【００４２】
前記説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは発明の範囲を限定するものというよりは、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。
【００４３】
例えば、本発明の属する技術分野で当業者であれば本発明の技術的思想により多様な回折素子とこれを具備する光分離および結合素子を採用できる。したがって、本発明の範囲は説明された実施形態ではなく特許請求の範囲に記載された技術的思想により定められねばならない。
【００４４】
前記のように本発明で提供される照明光学系およびこれを具備する画像表示装置の長所は、光分離および結合素子に回折素子を結合させることによって所定範囲内の発散角度で光を入射させて光分離および結合素子で発生する光損失を最小化でき、前記回折素子がパワーを有するように製造してリレーレンズの枚数を減らしてコンパクトな画像表示装置を提供できるということである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 特許文献１に開示されたライトバルブを均一に照明するための装置の構成図である。
【図２】 本発明の第１実施形態による照明光学系および画像表示装置の構成図である。
【図３】 Ｘキューブの波長による透過率を入射角の変化によって示す図である。
【図４Ａ】 単一光源に対する回折素子が入射面に形成されたＸキューブを具備する本発明の実施形態による照明光学系をシミュレーションした斜視図である。
【図４Ｂ】 図４ＡのＸキューブに形成されたリングパターンの回折素子の平面図である。
【図４Ｃ】 回折素子の半径に対する回折効率を示すグラフである。
【図５】 本発明の第２実施形態による照明光学系およびこれを具備する画像表示装置の構成図である。
【図６Ａ】 本発明の第２実施形態による照明光学系でＸキューブにＤＯＥが形成されていない場合において、Ｘキューブを出射する光の角度による相対的な光度を示すグラフである。
【図６Ｂ】 本発明の第２実施形態による照明光学系でＸキューブにＤＯＥが形成された場合において、Ｘキューブを出射する光の角度による相対的な光度を示すグラフである。
【符号の説明】
２１・・・回折素子
２２・・・照明光学系
２２−１・・・光源
２２−２・・・Ｘキューブ
２３・・・光ファイバ
２４・・・画像光学系
２４−１・・・パネル
２４−２・・・光路分離素子
２５・・・ガラスロード
２６・・・投射光学系
２６−１・・・投射レンズ
２７・・・集光レンズ

Claims (23)

1. 光を出射する光源と、
   前記光を回折させ入射角を所定範囲内に狭める回折素子が少なくとも一つの入射面に設けられた光分離および結合素子と、を具備することを特徴とする照明光学系。
2. 前記光分離および結合素子は、Ｘキューブであることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記回折素子は、ＨＯＥまたはＤＯＥであることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
4. 前記光源と前記光分離および結合素子間の光路上に光ガイド手段をさらに具備することを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
5. 前記光ガイド手段は光ファイバであることを特徴とする請求項４に記載の照明光学系。
6. 前記光源と前記光分離および結合素子間の光路上にリレーレンズ系をさらに具備することを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
7. 前記光源と前記光分離および結合素子間の光路上に、入射光は反射させて出射光は直進させる光路分離素子をさらに具備することを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
8. 前記光路分離素子は、ＴＩＲプリズムであることを特徴とする請求項７に記載の照明光学系。
9. 光を出射する光源と、前記光を回折させて入射角を所定範囲内に狭める回折素子が少なくとも一つの入射面に設けられた光分離・結合素子を具備する照明光学系と、
   前記照明光学系から入射される光を変調して画像を形成する画像光学系と、
   前記画像光学系で反射された光をスクリーンに投射する投射光学系と、を含むことを特徴とする画像表示装置。
10. 前記光分離および結合素子はＸキューブであることを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
11. 前記回折素子はＨＯＥまたはＤＯＥであることを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
12. 前記光源と前記光分離および結合素子間の光路上に光ガイド手段をさらに具備することを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
13. 前記光ガイド手段は光ファイバであることを特徴とする請求項１２に記載の画像表示装置。
14. 前記画像光学系は、
    前記照明光学系から入射される光を、加えられる映像信号によって変調して画像を生成するパネルを具備することを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
15. 前記照明光学系は、
    前記光分離および結合素子と前記パネル間の光路上に光度を均一にするガラスロードをさらに具備することを特徴とする請求項１４に記載の画像表示装置。
16. 前記画像光学系は、
    前記ガラスロードと前記パネル間の光路上に入射光は反射させて出射光は直進させる光路分離素子をさらに具備することを特徴とする請求項１５に記載の画像表示装置。
17. 前記画像光学系は、
    前記ガラスロードと前記光路分離素子間の光路上に集束レンズをさらに具備することを特徴とする請求項１６に記載の画像表示装置。
18. 前記投射光学系は、
    前記画像光学系で生成された画像をスクリーンに投射する投射レンズを具備することを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
19. 前記照明光学系は、
    前記光源と前記光分離および結合素子間の光路上にリレーレンズ系をさらに具備することを特徴とする請求項９に記載の画像表示装置。
20. 前記画像光学系は、
    前記光分離および結合素子と前記投射光学系間の光路上にリレーレンズ系をさらに具備することを特徴とする請求項９または１４に記載の画像表示装置。
21. 前記画像光学系は、
    前記光源と前記光分離および結合素子間の光路上に入射光は反射させて出射光は直進させる光路分離素子を具備することを特徴とする請求項９または１４に記載の画像表示装置。
22. 前記光路分離素子はＴＩＲプリズムであることを特徴とする請求項１６に記載の画像表示装置。
23. 前記光路分離素子はＴＩＲプリズムであることを特徴とする請求項２１に記載の画像表示装置。

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