JP4073368B2

JP4073368B2 - 照明装置及び投射型表示装置

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Publication number: JP4073368B2
Application number: JP2003172081A
Authority: JP
Inventors: 清次土川
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2008-04-09
Anticipated expiration: 2023-06-17
Also published as: JP2005010275A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明装置及び空間光変調素子を用いた投射型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
投射型表示装置においては、一般に輝度むらが少なく画面の隅々まで明るい表示を得ることが、映像品位向上のために重要であり、従来から、図１１に示すような２枚のレンズアレイを用いる技術が知られている。図１１に示す光学系は、光源部１１１と、多数のセルを有する第１レンズアレイ１１２と、同じく多数のセルを有する第２レンズアレイ１１３と、コンデンサレンズ１１４と、液晶パネル１１５と、投射レンズ１１６とを含んで構成されている。光源部１１１が出射する光束は、第１レンズアレイ１１２に入射する。この時点では、光源が有する配光特性のために照度分布は不均一な状態にある。
【０００３】
第１レンズアレイ１１２の各々のセルにより、第２レンズアレイ１１３の対となるセルに光束が集光する。これにより、第２レンズアレイ１１３の各セルは、第１レンズアレイの対応するセルの像を生成することができる。このセルの像は、レンズアレイのセル数だけ生成され、コンデンサレンズ１１４を介して液晶パネル１１５面で重なり合うように結像する。
【０００４】
このような構成によれば、第１レンズアレイ１１２に入射する光束がセルの数だけ細かく分割され、これらの微小光束の全てが重畳積分されるため、照明光の照度分布を非常に均一なものとすることができる。液晶パネル１１５を透過した映像光は、投射レンズ１１６によってスクリーンに拡大投射されるが、照明光が非常に均一な照度分布を有しているため、投射画面も隅々まで均一なものとなる。
【０００５】
上記投射型表示装置では、均一な照度分布を得るために２枚のレンズアレイを使用しているが、一般に、レンズアレイはガラスを精密成形して作製する高価な光学部品であるため、光学系のコストを引き上げる要因になる。また、２枚のレンズアレイは互いにある間隔をもって配置する必要があり、光学系のスペースを占有する要素にもなる。
【０００６】
そこで、占有スペースとレンズアレイ数の低減を目的として、図１２に示すように、リフレクター１２２にレンズアレイの作用を含ませ、光源１２１からの光に対して、１つのレンズアレイ１２４のみと、レンズ１２５とを用いて投射面１２６に投射される光を均一にする照明装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−１６０６４５公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載されているように、奥行きが深いリフレクター１２２において反射面を分割すると、リフレクター１２２の成形が困難になり、コストダウンの効果は大きく望めない。また、第１レンズアレイに相当するリフレクター１２２の反射面セルが大きく傾斜していることから、パネル面１２６における照明光の結像状態が悪化し、画面の明るさが低下してしまうという問題がある。
【０００９】
本発明は、小型でかつ輝度むらが少ない投射型表示装置を低コストで提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、一方の面上に複数のレンズセルが設けられている１枚のレンズアレイと、光源部と、前記レンズアレイの前記一方の面側又は該一方の面側と反対の他方の面側に配置された反射手段と、を有し、前記光源部から出射され前記レンズアレイに入射する第１の光束が、前記反射手段により反射され前記レンズアレイより第２の光束として出射し、前記反射手段による反射光が前記レンズセル近傍において焦点を結ぶよう設定されており、前記レンズアレイの前記一方の面は湾曲した面になっており、前記レンズアレイの前記一方又は前記他方の面のうちの少なくとも片方が、外部から見て凸面になっていることを特徴とする照明装置が提供される。
【００１１】
上記照明装置によれば、第１の光束と反射手段による反射光とが１枚のレンズアレイを透過する構成としたことにより、レンズアレイの枚数を減らすことができる。
【００１２】
前記反射手段による反射光は、前記レンズセル近傍において焦点を結ぶよう設定するのが好ましい。この場合には、例えば、前記レンズセルの各々が、前記反射手段との光学的距離の約２倍の焦点距離を有するようにするとよい。
【００１３】
上記照明装置によれば、光源部からの光を透過させ反射手段により反射された折り返し光をレンズアレイのレンズセルに集光させる機能と、集光された光束を重畳させる機能と、の２つの機能を１枚のレンズアレイに持たせることができる。
【００１４】
前記レンズアレイを通過する光束は、前記反射手段により反射される前後で、異なるレンズセルを通過させてもよいし、同一のセルを通過するようにしてもよい。また、前記反射手段は、前記レンズアレイと一体的に前記他方の面に直接形成されていてもよい。
【００１５】
なお、前記レンズアレイに隣接して、前記第１の光束と前記第２の光束とを分離する光束分離手段を設けるのが好ましい。これにより、レンズアレイのセルに入射する光束の角度を小さくし、照明光の結像性能を向上させることができる。
【００１６】
また、上記照明装置を投射型表示装置に用いることより、投射型表示装置の小型化とコストダウンが可能となる。特に、前記空間光変調素子が反射型素子の場合、前記反射型素子に入射する照明光と前記反射型素子で反射された映像光の双方が通過する集光素子を設けることによって、より一層の小型化を図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る投射型表示装置は、１枚のレンズアレイのみを用い、この１枚のレンズアレイに２通りの機能を持たせたことを特徴とする。第１の機能は、レンズアレイ自身を透過した光に基づき、例えばミラーなどの反射手段を用いた折り返し光学系により折り返し光を生成し、この折り返し光をレンズアレイ上、例えばレンズ面上の１点に集光させる機能である。第２の機能は、集光された光を重畳させることにより均一化された光束を形成する機能である。
【００１８】
以下、本発明の第１の実施の形態による投射型表示装置について図面を参照しつつ説明を行う。図１は、本実施の形態による投射型表示装置を示す光学系の構成図である。本実施の形態において、光学系は、照明光源となる光源部１１と、多数のレンズセルがその表面に形成されているレンズアレイ１２及びその背面側に配置されるミラー１３と、レンズアレイ１２の表面側（本実施の形態では、光が照射される側を表面側と定義する）に配置され、レンズアレイ１２からの照明光を集光させるコンデンサレンズ１４と、コンデンサレンズ１４を介してレンズアレイ１２と反対側に配置され空間光変調素子として機能する液晶パネル１５と、液晶パネル１５を透過した映像光をスクリーンに映し出す投射レンズ１６と、を有している。
【００１９】
光源部１１は、放物リフレクター１１ａを備えたランプを使用しており、光源部１１から出射した平行光Ｌ１は、レンズアレイ１２にその表面側から入射する。レンズアレイ１２の各セルは、レンズアレイ１２の裏面側にレンズアレイ１２と隣接して配置されたミラー１３との光学的距離の約２倍に焦点距離が設定されている。このため、レンズアレイ１２に表面側から入射した光束Ｌ１は、ミラー１３で一度反射された後、折り返し光束Ｌ２としてレンズアレイ１２に戻り、レンズアレイ１２で焦点を結ぶようになっている。
【００２０】
本実施の形態においては、光源部１１からの光束Ｌ１を、レンズアレイ１２にレンズアレイ１２の面に対する法線方向に対して斜めの方向から入射させ、最初にレンズアレイ１２のセルを通過した光束Ｌ２が、ミラー１３により反射された後、２個隣りのセルに集光するように構成している。従って、レンズアレイ１２の各セルは、それぞれ２個隣りのセル像を生成することになる。レンズアレイ１２が生成する多数のセル像を含む光束Ｌ３は、コンデンサレンズ１４を介して光束Ｌ４として液晶パネル１５において重なり合って結像し、液晶パネル１５を非常に均一な照度分布で照明することができる。尚、コンデンサレンズ１４は、均一な照明光を得るため、パネル面に入射する照明光の主光線がほぼ平行となるよう設計するのが好ましい。
【００２１】
折り返し光束Ｌ２の焦点は、レンズアレイ１２のセルに、必ずしも合致していなくてもよい。レンズセル近傍で焦点を結ぶよう保ちながら、レンズセルの焦点距離を細かく調整することによって、光の伝達効率を低下させることなく、光束Ｌ３が含む多数のセル像の結像品位を最適化することが可能である。
【００２２】
レンズアレイ１２は、矩形状の有効領域を持つ液晶パネル１５を使用することを想定し、図５にその正面図が示されるように、そのセル形状を液晶パネル１５の矩形状の有効領域とほぼ相似な矩形状を有するセルにより構成する。これにより、矩形状の照明光が生成されるため、液晶パネル１５を無駄なく照明することができる。尚、上記の実施の形態においては、光源１１からレンズアレイ１２に入射した光束Ｌ１は折り返しにより２個隣りのセルに集光するにように構成しているが、３個以上離れたセルに集光させるように構成しても良いし、これより近くすなわち隣接する若しくは同一のセルに集光させるように構成しても良い。
【００２３】
尚、上記実施の形態においては、光が照射される表面側にレンズアレイを形成した例について説明したが、裏面側にレンズアレイを形成し、かつ、裏面側にミラー（反射素子）を配置しても良い。
【００２４】
本実施の形態において、入射した光束を入射したセルを基準にしてより離れたセルに集光させると、光源部から出射する光束と液晶パネルに向かう光束との角度差が大きくなり、両者を分離し易くなる利点がある。一方、より近くのセルに光束を集光させると、レンズアレイのセルに入射する光束の角度が小さくなり、照明光の結像性能が向上する利点がある。但し、この際には、光源部から出射する光束と液晶パネルに向かう光束とが互いに接近することになる。
【００２５】
このような場合に、例えば、レンズアレイに隣接して光束分離素子を配置することにより、光束を容易に分離することができる。光束分離素子を用いてミラーで反射される前後の光束を分離することにより、光路の干渉に伴う光の損失を抑えることができる。
【００２６】
以下に説明する各実施の形態においては、光束分離素子を利用した種々の例を示している。
【００２７】
まず、本発明の第２の実施の形態による投射型表示装置について、図面を参照しつつ説明を行う。図２に示すように、本実施の形態による投射型表示装置は、レンズアレイ２２に隣接して光束分離素子として機能する臨界角プリズム２７を配置した点に特徴を有する。本実施の形態による投射型表示装置においては、光源部２１から出射する光束Ｌ１１を、臨界角プリズム２７のエアギャップ２７ａにおいて全反射させて形成した光束Ｌ１２がレンズアレイ２２を透過し、ミラー２３により反射され（Ｌ１３）、レンズアレイ２２と臨界角プリズム２７とを透過する（Ｌ１４）。すなわち、レンズアレイ２２から液晶パネル２５に向かう光束Ｌ１４はエアギャップ２７ａを透過するように臨界角プリズム２７が配置されている。これにより、光束Ｌ１１とＬ１４とを精度よく分離することができる。すなわち、エアギャップ２７ａは、光束Ｌ１１を反射する機能を有するとともに、光束Ｌ１４を透過させる機能を有する。
【００２８】
図２に示す構成においては、光束Ｌ１４の光路を光源部が遮らない位置であって、光束Ｌ１４とほぼ垂直に交差する光束Ｌ１１を出射する位置に光源部を配置したとしても、レンズアレイ２２に入射する光束Ｌ１２をレンズアレイ面に対して垂直に近い方向から入射させることができる。
【００２９】
従って、光束Ｌ１２と光束Ｌ１４との成す角度を小さくすることができ、入射セルの近くのセルから出射させることができる。すなわち、レンズアレイ１２及びミラー１３と、コンデンサレンズ１４、液晶パネル１５とがほぼ一直線上に配置される図１の構成に対して、光源部の配置をより高い自由度で配置することができるため、装置を設計する際の自由度を高めることも可能である。加えて、上述のように、より近くのセルに光束を集光させることができるため、レンズアレイのセルに入射する光束の角度が小さくなり、照明光の結像性能が向上する利点がある。
【００３０】
尚、エアギャップにおける全反射と透過の関係が逆となるような配置を採用することも可能である。すなわち、光源からの光束が臨界角プリズムのエアギャップを透過する配置であって、折り返し光がエアギャップにより全反射して液晶パネル方向に向かう構成にすることも可能である。
【００３１】
次に、本発明の第３の実施の形態による投射型表示装置について図面を参照しつつ説明を行う。図３に示すように、本実施の形態による投射型表示装置は、光源３１と、光源部３１からの光束Ｌ２１の進行方向を、略法線方向とするレンズアレイ３２とミラー３３とを配置した構成を有するとともに、レンズアレイ３２に隣接してレンズアレイ３２よりも光源部３１側に順に配置されたλ／４板３８と偏光ビームスプリッター３７とを有しており、λ／４板３８と偏光ビームスプリッター３７とが光束分離素子として機能している。このような光学系において、レンズアレイ３２はそれに入射する光束Ｌ２１と、ミラー３３により反射した光束Ｌ２２とが同一のセルに集光する構成を有している。なお、λ／４板３８は、偏光ビームスプリッター３７とミラー３３の間に配置すればよく、例えば、レンズアレイ３２とミラー３３の間に配置してもよい。
【００３２】
光源部３１から出射する光束Ｌ２１は特定の偏光成分が偏光ビームスプリッター３７を透過する。次いで、λ／４板３８を往復することにより偏光軸が９０度回転し、上記法線方向とほぼ垂直に交差する方向に配置された液晶パネル３５に向かう光束（Ｌ２３）は偏光ビームスプリッター３７で反射され（光束Ｌ２４）コンデンサレンズ３４を通って（Ｌ２５）、液晶パネル３５に入射する。
【００３３】
上記の構成よれば、光源部３１とレンズアレイ３２と液晶パネル３５との配置を第１及び第２の実施の形態による投射型表示装置とは異なるようにすることもでき、配置の自由度を得ることができる。入射と反射とで同じセルに光束を集光させることができるため、照明光の結像性能が向上する利点がある。また、液晶パネル３５に向かう光束Ｌ２５が偏光光となっており、液晶パネルの入射偏光板の発熱量が軽減され、更にコントラスト改善にも寄与するなど、液晶パネルに好適な照明光を得ることもできる。
【００３４】
次に、本発明の第４の実施の形態による投射型表示装置について図面を参照しつつ説明を行う。図４は、本実施の形態による投射型表示装置の構成例を示す図であり、反射型の空間光変調素子を使用した場合の光学系の構成例を示す図である。本実施の形態による光学系では、光源部４１に楕円リフレクターを備えている。楕円リフレクターを備えると、図４に示すように、光源部４１から出射する光束Ｌ３１は、一点に集光することになる。この集光位置に、光の三原色を含むカラーフィルタを回転させながら切り替えていくカラーホイール４２が配置されている。カラーフィルタの回転に同期させて空間光変調素子４７のＯＮ／ＯＦＦを制御し、カラー画像を表示することを可能としている。
【００３５】
カラーホイール４２を通過した光束Ｌ３２は、第１のコンデンサレンズ４３及び第２のコンデンサレンズ４４によって平行度が調整され（Ｌ３３）、第２のコンデンサレンズ４４の背面にレンズセル形成面を向けて配置されているレンズアレイ４５に入射する。図８に示すように、レンズアレイ４５は、マイクロレンズが形成されたレンズ面４５ａとは反対側の面４５ｂにミラー（反射手段）を設けている。ミラーは、銀、アルミ又は誘電体多層膜などをレンズアレイに直接コートして形成することができる。或いは、レンズアレイ４５とミラーとを単純に接着してもよい。このように、レンズアレイ４５とミラーを一体とすることにより、両者のアライメント調整が不要となり、部品を保持するための機構を簡素なものとすることができる。
【００３６】
レンズアレイ４５から出射した光束Ｌ３４は、第２のコンデンサレンズ４４及び第３のコンデンサレンズ４６を通過し、空間光変調素子４７を斜め方向から照明する。第２のコンデンサレンズ４４は、レンズアレイ４５に隣接して配置され、レンズアレイ４５に入射する光束Ｌ３３とレンズアレイ４５から出射する光束Ｌ３４を、短い光路長で分離するための光束分離素子として機能する。第２のコンデンサレンズ４４は、その集光作用によって、簡素な構成でありながら効果的に光束を分離することを可能としている。同様に、集光素子である第３のコンデンサレンズ４６も、空間光変調素子４７に入射する照明光Ｌ３５と空間光変調素子から出射する映像光Ｌ３６との双方が通過するよう配置されており、照明光Ｌ３５と映像光Ｌ３６との分離を容易にしている。
【００３７】
尚、第２のコンデンサレンズ４４とレンズアレイ４５とは、図９又は図１０に示されるような湾曲した面９１及び面１０１上にセルを配列したレンズアレイを用いることによって代用することも可能である。図９又は図１０に示すレンズアレイも、レンズ面９１、１０１と反対側の面９２、１０２にミラーを設けている。このような構成にすることで、コンデンサレンズの機能をレンズアレイに取り込み、より一層の省スペース化を図ることができる。
【００３８】
本実施の形態において、空間光変調素子４７は、多数の微小なミラー７１、７２を２次元的に配列したデジタルマイクロミラーデバイス（以下「ＤＭＤ」と称する）を使用している。ＤＭＤは、図７に示されるような矩形の画素構造を有しており、個々の画素は、外部からの制御信号に応じて、矩形の画素の対角方向を回転軸として±１０度または±１２度程度の角度で傾斜角を変化させることができる可動ミラーである。ミラーが傾斜している第１の状態（７１）及び第２の状態（７２）のうち、一方をＯＮ状態、他方をＯＦＦ状態として、照明光の反射方向を変化させることにより映像を作り出している。
【００３９】
ＤＭＤは、ミラーが画素の対角方向に振れる構造となっているため、ＤＭＤが持つ矩形状の有効画素領域に対して、４５度斜めの方向から照明光を入射させる必要がある。従って、レンズアレイ４５においても、入射する光束Ｌ３３の方向を約４５度傾いたものとする必要がある。これに対応して、レンズアレイ４５のセル配列を図６に示す構成とする。図６に示すように、レンズアレイのセルが約４５度の傾きを有する直線６１上に配置されており、入射する光束の主光線と同一方向のセル配列を有するように構成することにより、光束をセルに対して効率良く集光することができるという利点がある。
【００４０】
以上、各実施の形態に沿って説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではなく、種々の変形が可能であるのは言うまでもない。また、上記の各実施の形態においては、主として投射型表示装置について説明したが、他の電子機器などに用いられる照明装置としても適用することができるのは言うまでもない。この場合でも、本実施の形態による照明系の設計の自由度の高さが利点となる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の照明装置及びこれを用いた投射型表示装置によれば、レンズアレイが１枚で済み、部品点数の削減によるコストダウンと光学系の小型化が可能となる。従って、小型でかつ輝度むらが少ない投射型表示装置を低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による投射型表示装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態による投射型表示装置の構成例を示す図であり、臨界角プリズムを用いた光学系を備えた構成例を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態による投射型表示装置の構成例を示す図であり、偏向ビームスプリッターを用いた光学系を備えた構成例を示す図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態による投射型表示装置の構成例を示す図であり、空間光変調素子にＤＭＤを用いた光学系を備えた構成例を示す図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態による投射型表示装置に用いられるレンズアレイのセル配列の一例を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態による投射型表示装置に用いられるレンズアレイのセル配列の他の例を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態による投射型表示装置に用いられるＤＭＤの画素の構造を示す図である。
【図８】本発明の各実施の形態による投射型表示装置に用いることができるミラー付きレンズアレイの一例を示す図である。
【図９】本発明の各実施の形態による投射型表示装置に用いることができる湾曲したセル配列を持つレンズアレイの一例を示す図である。
【図１０】本発明の各実施の形態による投射型表示装置に用いることができる湾曲したセル配列を持つレンズアレイの他の例を示す図である。
【図１１】一般的な投射型表示装置の光学系の構成図である。
【図１２】別の技術による投射型表示装置の光学系の構成図である。
【符号の説明】
１１…光源部、１２…レンズアレイ、１３…ミラー、１４…コンデンサレンズ、１５…液晶パネル、１６…投射レンズ、２１…光源部、２２…レンズアレイ、２３…ミラー、２４…コンデンサレンズ、２５…液晶パネル、２６…投射レンズ、２７…臨界角プリズム、２７ａ…エアギャップ、３１…光源部、３２…レンズアレイ、３３…ミラー、３４…コンデンサレンズ、３５…液晶パネル、３６…投射レンズ、３７…偏光ビームスプリッター、３８…λ／４板、４１…光源部、４２…カラーホイール、４３…コンデンサレンズ、４４…コンデンサレンズ、４５…レンズアレイ、４６…フィールドレンズ、４７…ＤＭＤ、４８…投射レンズ、１１１…光源部、１１２…第１レンズアレイ、１１３…第２レンズアレイ、１１４…コンデンサレンズ、１１５…液晶パネル、１１６…投射レンズ。

Claims

一方の面上に複数のレンズセルが設けられている１枚のレンズアレイと、
光源部と、
前記レンズアレイの前記一方の面側又は該一方の面側と反対の他方の面側に配置された反射手段と、
を有し、
前記光源部から出射され前記レンズアレイに入射する第１の光束が、前記反射手段により反射され前記レンズアレイより第２の光束として出射し、前記反射手段による反射光が前記レンズセル近傍において焦点を結ぶよう設定されており、
前記レンズアレイの前記一方の面は湾曲した面になっており、
前記レンズアレイの前記一方又は前記他方の面のうちの少なくとも片方が、外部から見て凸面になっている
ことを特徴とする照明装置。
前記レンズアレイを通過する光束が、前記反射手段により反射される前後で、異なるレンズセルを通過することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記レンズアレイを通過する光束が、前記反射手段により反射される前後で、同じレンズセルを通過することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
前記反射手段は、前記レンズアレイと一体的に前記他方の面に直接形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の照明装置。
前記レンズアレイに隣接して、前記第１の光束と前記第２の光束とを分離する光束分離手段を設けていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の照明装置。
前記レンズアレイに隣接して、前記第１の光束と前記第２の光束とを分離する臨界角プリズムを設けていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の照明装置。
請求項１から６までのいずれか１項に記載の照明装置と、前記照明装置により照明される空間光変調素子とを有する投射型表示装置。
前記空間光変調素子が反射型素子であって、前記反射型素子に入射する照明光と前記反射型素子で反射された映像光の双方が通過する集光素子を備えていることを特徴とする請求項７に記載の投射型表示装置。