JP4121477B2 - 照明装置及び投写型映像表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は投写用の光を変調して得た光像を投写して表示する投写型映像表示装置及び当該投写型映像表示装置への利用に好適な照明装置に関する。

光源の光を画像信号に基づいて画素毎に変調することにより得た光像を、スクリーン等へ投写して表示する投写型映像表示装置が従来より知られている(例えば特許文献1)。特許文献1に開示される投写型映像表示装置は、光源からの入射光を変調する素子(ライトバルブと称される)として、光透過型素子であるLCD(液晶表示素子)を使用している。また、この従来装置は、投写光の光量を高めるために、光源として多数のLED(発光ダイオード)素子を配列したLEDアレイを用いると共に、各LED素子の出射光を実質的に平行光へ集束させるために各LED素子の前面に配置される集光レンズの群を有している。
特開平10−123512号公報

ところで、投写光の光量を更に高める上で、ライトバルブとして、DMD(デジタルマイクロミラー素子)に代表される光反射型素子を用いるのが望ましい。光反射型素子を用いた装置は、LCDを使用したものとは異なり、偏向依存性がない(即ち、入射光として偏向を用いる必要がない)という利点を有している。このため、光反射型素子を用いた装置では、同一光量の光源を用いても高光量の投写光像が得られることが期待できるからである。

しかしながら、ライトバルブとしてDMDを用いる場合には、DMDの受光面の一辺に対して略45°の方位角をもって受光面に光を入射させる必要がある。従って、LEDアレイを光源として用いた場合には、各LED素子が発生する光束を集光するためにLEDアレイに対向して配置すべきフライアイレンズの各単位レンズの配列として、例えば図6(a)の形態を想定することができる。即ち、LED素子31に対向するフライアイレンズの単位レンズ33は、DMDの受光面に対応する矩形をなしており、且つ単位レンズ33を配置し得る領域として光学系により定まる正方形の有効領域30内に、一辺が有効領域30の一辺に対して45°傾斜するように配列することとなる。

しかしながら、図6(a)に示すような配列では、有効領域30内に単位レンズ33が配置されない領域、いわば無駄領域が残ると同時に、単位レンズ33が互いに隙間なく配列しているために、対向するLED素子31も密に配列することとなり、損失熱の放熱効率が悪くなるという問題点がある。LEDアレイの損失熱の放熱効率が悪くなると、LEDアレイにおける温度上昇が著しいものとなる恐れがある。このことは、装置の小型化を進める場合には、これを阻害する要因ともなり得る。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、投写光の光量と光源の放熱効果とのバランスを図ることを可能にする投写型映像表示装置及び当該投写型映像表示装置への利用に好適な照明装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は照明装置であって、単位光源の群が配列してなる光源と、前記単位光源の群に対向して配列した集光レンズの群と前記集光レンズの群に対向して配列した矩形の単位レンズの群とを有し前記単位レンズの群の各々は対向する前記単位光源が発生し対向する前記集光レンズを透過した光を集光するレンズアレイと、前記単位レンズの群の各々を通過した前記光源の光を、照射面へ重なり合って斜め入射するように集光する照射光学系とを備え、前記単位レンズの群は、当該単位レンズの群を配置し得る領域として前記照射光学系により定まる矩形の有効領域内に間隙をもって配列しており、前記単位レンズの群の各々の一辺は前記有効領域の一辺に対して45°に傾斜しているものである。

請求項1記載の発明によれば、単位光源の群に対向して配列する集光レンズの群によって、集束された光束が得られる。更に、集光レンズの群に対向し有効領域内に配列する矩形の単位レンズの群と下流の照射光学系とによって、それぞれが矩形の断面形状を有する光束が、重なり合って照射面に斜め方向から入射する。それにより、単位光源の光量を集積した光量の断面矩形の光が照射面に照射される。

また、各単位レンズの矩形の一辺が有効領域の一辺に対して45°に傾斜するので、重なり合った光束が、照射面上の照射光の矩形断面の一辺に対して略45°の方位角をもって、照射面へ斜め入射する。従って、請求項1記載の照明装置は、照射面にライトバルブとしてマイクロミラーを有する反射型デバイスを配置した投写型映像表示装置への利用に好適なものとなる。

更に、単位レンズ群の間に間隙が設けられているので、対向する単位光源の群が互いに距離をもって配列することとなる。それによって、単位光源の群が発生する熱の分散化を図ることができるので、光源の放熱効果が向上する。矩形の単位レンズの群が有効領域内に45°に傾斜して配列する場合には、互いの間隙を無くして最高密度で配列したときであっても、通常において有効領域のうち単位レンズの群の周囲の部分に、単位レンズの群の配列に利用されない領域、いわば無駄領域が発生する。単位レンズの群を間隙をもって配列させることにより、無駄領域へ単位レンズの群を分散配列させることができる。

このように、単位レンズの群を間隙をもって配列させることにより、配列の形態によっては、照射光の光量を確保しつつ光源の放熱効果を向上させることができる。また一般に、単位レンズの群を間隙をもって配列させることにより、照射面への照射光の光量と光源の放熱効果とのバランスを図ることができる。なお、本発明において「単位レンズの群が間隙をもって配列する」とは、各単位レンズが、これに隣接する他の単位レンズの全てと間隔を保つ形態だけでなく、図4(b)及び図5(b)に例示するように、他のレンズの一部と間隔を保つ形態をも包含する趣旨である。

請求項2記載の発明は、請求項1記載の照明装置において、前記単位レンズの群の各々のアスペクト比が2未満であって、前記単位レンズの群は、当該単位レンズの群の各々の短辺の長さをVとして前記有効領域の直交する二辺に沿って√2×Vのピッチをもって配列しているものである。

請求項2記載の発明によれば、各々のアスペクト比が2未満である単位レンズの群が、各短辺の長さVに対して、有効領域の直交する二辺に沿って√2×Vのピッチをもって配列しているので、単位レンズの群は上記した無駄領域を利用して有効領域内に効率よく分散配列することとなる。その結果、照射光の光量を確保しつつ光源の放熱効果を向上させることができる。

請求項3記載の発明は、請求項1記載の照明装置であって、前記単位レンズの群の各々のアスペクト比が2を超えており、前記単位レンズの群は、当該単位レンズの群の各々の長辺の長さをHとして前記有効領域の直交する二辺に沿って(1/√2)×Hのピッチをもって配列しているものである。

請求項3記載の発明によれば、各々のアスペクト比が2を超える単位レンズの群が、各長辺の長さHに対して、有効領域の直交する二辺に沿って(1/√2)×Hのピッチをもって配列しているので、単位レンズの群は上記した無駄領域を利用して有効領域内に効率よく分散配列することとなる。その結果、照射光の光量を確保しつつ光源の放熱効果を向上させることができる。

請求項4記載の発明は照明装置であって、単位光源の群が配列してなる光源と、前記単位光源の群に対向して配列した集光レンズの群と前記集光レンズの群に対向して配列した矩形の単位レンズの群とを有し前記単位レンズの群の各々は対向する前記単位光源が発生し対向する前記集光レンズを透過した光を集光するレンズアレイと、前記単位レンズの群の各々を通過した前記光源の光を、照射面へ重なり合って斜め入射するように集光する照射光学系とを備え、前記単位レンズの群は、当該単位レンズの群を配置し得る領域として前記照射光学系により定まる矩形の有効領域内に配列しており、前記単位レンズの群の各々の一辺は前記有効領域の一辺に対して45°に傾斜しており、前記単位レンズの群の各々のアスペクト比が2であって、前記単位レンズの群は、当該単位レンズの群の各々の短辺の長さをVとして前記有効領域の直交する二辺に沿って√2×Vのピッチをもって配列しているものである。

請求項4記載の発明によれば、請求項1記載の発明について述べた理由と同一の理由により、照射面にライトバルブとしてマイクロミラーを有する反射型デバイスを配置した投写型映像表示装置への利用に好適な照明装置が得られる。更に、各々のアスペクト比が2である単位レンズの群が、各短辺の長さVに対して、有効領域の直交する二辺に沿って√2×Vのピッチをもって配列しているので、単位レンズの群は有効領域内に互いの隙間をなくして広く配列することとなる。即ち、有効領域を無駄なく用いて照射光の光量を高めることができる。このことは、照明装置の寸法を同一にして照射光の光量を高め得ることを意味する。この配列は、有効領域を無駄なく用いつつ、放熱効果よりも照射光の光量を優先したものであり、各単位レンズのアスペクト比が2である場合に照射光の光量と放熱効果とのバランスを考慮した配列の中で、一つの選択肢を提供するものである。

請求項5記載の発明は、請求項1乃至4の何れかに記載の照明装置において、前記単位光源の群が、前記単位レンズの群と同一ピッチで配列しているものである。

請求項5記載の発明によれば、単位光源の群が単位レンズの群と同一ピッチで配列しているので、単位光源、集光レンズ及び単位レンズの位置関係が単純となる。このため、光学設計が容易となる。

請求項6記載の発明は、請求項1乃至5の何れかに記載の照明装置において、前記集光レンズの群が前記単位レンズの群と同一ピッチで配列しているものである。

請求項6記載の発明によれば、集光レンズの群が単位レンズの群と同一ピッチで配列しているので、単位光源、集光レンズ及び単位レンズの位置関係が単純となる。このため、光学設計が容易となる。

請求項7記載の発明は、請求項1乃至6の何れかに記載の照明装置であって、単位レンズの群が一体化した成型品であるものである。

請求項7記載の発明によれば、単位レンズの群が一体化した成型品であるので、寸法精度の高い単位レンズの群が容易に得られる。また、組立時の調整が簡略化される。

請求項8記載の発明は、請求項1乃至7の何れかに記載の照明装置であって、前記各集光レンズは、互いに対向する複数のレンズの組を有しており、前記集光レンズの群のうち、前記複数のレンズの組のうちの少なくとも1つが配列してなる群が、一体化した成型品であるものである。

請求項8記載の発明によれば、各集光レンズが互いに対向する複数のレンズの組、いわゆる組合せレンズを有しているので、単位光源の光を幅広く集光し且つ所定の方向、例えば実質的に平行な方向へ精度よく導くための光学設計が容易である。更に、集光レンズの群のうち、複数のレンズの組のうちの少なくとも1つが配列してなる群が、一体化した成型品である。従って、寸法精度の高い集光レンズの群が容易に得られる。また、組立時の調整が簡略化される。

集光レンズの群のうち、複数のレンズの組のうちの少なくとも1つが配列してなる群が、一体化した成型品である場合について、以下の例を挙げることができる。第1の例は、複数のレンズの組が、第1及び第2のレンズの組である場合に、そのうちの第1のレンズが配列してなる群が一体化した成型品である場合である。第2の例は、複数のレンズの組が、第1〜第3のレンズの組である場合に、そのうちの第1のレンズが配列してなる群が一体化した成型品であるとともに、第2のレンズが配列してなる群が別の一体化した成型品である場合である。第3例は、複数のレンズの組が、第1〜第3のレンズの組である場合に、第1のレンズが配列してなる群と第2のレンズが配列してなる群とが一体化した成型品である場合である。

請求項9記載の発明は、請求項1乃至8の何れかに記載の照明装置であって、前記光源が、波長の異なる3色の光を個別に発生する第1乃至第3光源を有しており、前記照射光学系は、前記第1乃至第3光源から前記照射面へ至る光路に介挿されることにより前記3色の光を合成する色合成手段を備えるものである。

請求項9記載の発明によれば、第1乃至第3光源が波長の異なる3色の光を個別に発生し、照射面へ至る光路に介挿される色合成手段が3色の光を合成する。それにより、照射面に有色の照射光を得ることができる。

請求項10記載の発明は、請求項9記載の照明装置であって、前記3色が、赤色、緑色及び青色であるものである。

請求項10記載の発明によれば、第1乃至第3光源が発生する3色の光が、赤色、緑色及び青色であるので、この発明は自然色のカラー画像を投写する投写型映像表示装置への利用に適する。

請求項11記載の発明は、請求項9又は10記載の照明装置において、前記第1乃至第3光源を時分割により順次に点灯させる光源制御部を更に備えるものである。

請求項11記載の発明によれば、光源制御部が3色の光を個別に発生する第1乃至第3光源を時分割により順次に点灯させるので、第1乃至第3光源の点灯動作に同期して照射光に変調を加えるライトバルブを照射面に配置することにより、有色の光学画像を投写する投写型映像表示装置を構成し得る。即ち、請求項11記載の照明装置は、有色の光学画像を投写する投写型映像表示装置への利用に適する。

請求項12記載の発明は、請求項1乃至11の何れかに記載の照明装置であって、前記単位光源が発光ダイオードであるものである。

請求項12記載の発明によれば、単位光源が低廉な発光ダイオードであるので、光源を安価に製造することができる。

請求項13記載の発明は、請求項1乃至11の何れかに記載の照明装置であって、前記単位光源がレーザ光源であるものである。

請求項13記載の発明によれば、単位光源がレーザ光源であるので、単位光源から指向性の高い光が得られる。その結果、集光レンズに強い集光性が要求されないので、集光レンズの群の構成を簡素化することができる。

請求項14記載の発明は、投写型映像表示装置であって、請求項1乃至13の何れかに記載の照明装置と、前記照明装置の前記照射面に配置されたライトバルブと、前記ライトバルブからの出射光を投写する投写光学系とを備えるものである。

請求項14記載の発明によれば、照明装置からの照射光がライトバルブによって変調され、それによって得られた出射光が投写光学系によって投写される。更に、照明装置が本発明の照明装置であるので、投写光の光量と光源の放熱効果とのバランスを図ることができる。

請求項15記載の発明は、請求項14記載の投写型映像表示装置であって、前記ライトバルブが微小偏向ミラー光学素子であるものである。

請求項15記載の発明によれば、ライトバルブが微小偏向ミラー光学素子であるので、光源の光量を同一にして投写光像の光量を高めることができる。

請求項16記載の発明は、請求項15記載の投写型映像表示装置であって、前記ライトバルブがDMDであるものである。

請求項16記載の発明によれば、ライトバルブが広く市販されているDMDであるので、製造コストを節減することができる。

以上に述べたように本発明の照明装置によれば、照射面への照射光の光量と光源の放熱効果とのバランスを図ることができる(請求項1〜13)。また、本発明の投写型映像表示装置によれば、投写光の光量と光源の放熱効果とのバランスを図ることができる(請求項14〜16)。従って、本発明の照明装置及び投写型映像表示装置は、高い投写光量で小型の投写型映像表示装置の実現に寄与する。

図1は本発明の一実施の形態による投写型映像表示装置の主要部の構成図である。この投写型映像表示装置100は、LED(発光ダイオード)アレイ1R、1G、1B、集光レンズ群2R、2G、2B、第1フライアイレンズ3R、3G、3B、ダイクロイックプリズム4、第2フライアイレンズ5、第1コンデンサレンズ6、第2コンデンサレンズ7、TIRプリズム8、DMD(デジタルマイクロミラー素子)9、投写レンズ10、光源制御部201、ライトバルブ制御部202、及び画像信号記憶部203を備えている。

LEDアレイ1R、1G、1Bの全体、又は各々は本発明の光源の具体例に該当する。また、LEDアレイ1R、1G、1Bは、全体を本発明の光源の具体例としたときに、各々は本発明の第1乃至第3光源、即ち第1、第2及び第3光源の具体例にも該当する。更に、集光レンズ群2R、2G、2Bと第1フライアイレンズ3R、3G、3Bとは本発明のレンズアレイの具体例に該当する。又、第1フライアイレンズ3R、3G、3Bを通過した光がDMD9へ到達するまでの経路を形成するダイクロイックプリズム4、第2フライアイレンズ5、第1コンデンサレンズ6、第2コンデンサレンズ7、及びTIRプリズム8は、本発明の照射光学系の具体例に該当する。その中で、ダイクロイックプリズム4は、本発明の色合成手段の具体例に該当する。更に、DMD9は本発明のライトバルブの具体例に該当する。また、投写レンズ10は、本発明の投写光学系の具体例に該当する。更に、光の経路に沿ってLEDアレイ1R、1G、1BからTIRプリズム8までの装置部分、即ちDMD9へ光を照射するための装置部分は、DMD9を照射面とする本発明の照明装置の具体例に該当する。

LEDアレイ1R、1G、1Bは、それぞれ赤色(以下、Rと略記)、緑色(以下、Gと略記)、青色(以下、Bと略記)の光を生成するLEDがマトリクス状に配列されたものである。集光レンズ群2R、2G、2Bは、それぞれLEDアレイ1R、1G、1Bに対向するように配置され、対向するLEDアレイ1R、1G、1Bが発生する発散光を幅広く集光し、実質的に平行な光束を射出するものである。集光レンズ群2R、2G、2Bを構成する個々のレンズは、LEDアレイ1R、1R、1Bを構成するLEDに個別に対向している。なお、LEDアレイ1R、1G、1Bを構成する個々のLEDは、本発明の単位光源の具体例に該当する。

第1フライアイレンズ3R、3G、3Bは、同じくそれぞれLEDアレイ1R、1G、1Bに対向するように配置され、対向するLEDアレイ1R、1G、1Bが発生し集光レンズ群2R、2G、2Bを透過した光を集光するものである。第1フライアイレンズ3R、3G、3Bは何れも、マトリクス状に配列された単位レンズを有しており、各単位レンズは各LEDに一対一に対向している。また、各単位レンズは、DMD9の形状に対応して矩形をなしており、各単位レンズを通過した矩形の光束が、下流の照射光学系によりDMD9へ導かれる。

ダイクロイックプリズム4は、立方体又は直方体をなしており、接合された4個の直角プリズムを有する。接合部には、第1フライアイレンズ3Bを透過したBの光を45度の入射角に対して直角に反射し、R及びGの光を透過させる第1のダイクロイックミラー部41と、Rの光を45度の入射角に対して直角に反射し、G及びBの光を透過させる第2のダイクロイックミラー部42とが形成されている。従って、第1フライアイレンズ3R、3G、3Bを透過した3色の光は、何れも第2フライアイレンズ5へ入射する。

第2フライアイレンズ5は、第1フライアイレンズ3R、3G、3Bと同様に、マトリクス状に配列された矩形の単位レンズを有しており、各単位レンズは第1フライアイレンズ3R、3G、3Bの各単位レンズを透過した光を個別に集束する。従って、第2フライアイレンズ5の単位レンズは、第1フライアイレンズ3R、3G、3Bの各々の単位レンズとは、サイズ及び配列において相似となるように設定されている。好ましくは設計上の容易さの観点から、図1に示すように、第2フライアイレンズ5の単位レンズの群は、第1フライアイレンズ3R、3G、3Bの各々の単位レンズの群とサイズ及び配列において同一に設定される。なお、第1フライアイレンズ3R、3G、3B及び第2フライアイレンズ5において、各単位レンズは単一の凸レンズとして描かれているが、本発明はこれに限定されるものではない。

第2フライアイレンズ5を透過した光は、第1コンデンサレンズ6及び第2コンデンサレンズ7で集束させられ、TIRプリズム8により進路を曲げられ、DMD9へ導かれる。第1コンデンサレンズ6は、第2フライアイレンズ5の単位レンズを透過した光束をDMD9へ重ねて照射させるものである。一方、第2コンデンサレンズ7は、互いに重なって入射する光束を、DMD9に精度良く導くものである。TIRプリズム8は、第2コンデンサレンズ7を透過した光をTIR面81によって全反射することによりDMD9へ導く。

図2は、DMD9の機能説明図である。半導体プロセスを基盤としたマイクロマシン技術を用いたマイクロサイズのアクチュエータ、センサ等の可動・可変形機構とそれらの駆動回路(又は制御回路)とを集積化した微細デバイスは、MEMS(Micro Electro Mechanical System)と称される。DMD9はMEMSの一種である。DMD9では、図2(a)及び図2(d)に示すように、入射光21を受ける受光面91として機能する半導体基板の一主面に、表示すべき画像の画素数に対応する個数のマイクロミラー(即ち、微小サイズの鏡)92が配列している。各マイクロミラー92は、受光面91の二辺に沿った軸94、95に対して、45°に傾斜した回動軸93の周りに回動する。マイクロミラー92の回動にともない、その反射面は、受光面91に平行な位置を基準に、例えば−10°〜+10°の範囲で傾動する。

図2(b)に示すように、マイクロミラー92の回動位置が例えば−10°である場合には、TIRプリズム8を透過後に受光面91にある入射角θをもって斜め入射する入射光21を、受光面91の法線90の方向へ反射する。この例では、入射角θは20°に設定されている。法線90の方向へ反射された出射光22は、TIRプリズム8のTIR面81で全反射されることなく、TIR面81を透過し投写レンズ10へ入射する(図1)。

一方、図2(c)に示すように、マイクロミラー92の回動位置が例えば+10°である場合には、入射光21を、法線90から大きく外れた方向へ反射する。このとき、反射された出射光22は、TIRプリズム8のTIR面81へ入射しないか、或いは入射しても投写レンズ10へは入射しない(図1)。このように、DMD9の受光面91からの出射光22のうち、出射角ψがある範囲内にあるものが投写レンズ10へ選択的に入射する。

各マイクロミラー92の回動位置は、画像信号PSに基づいてライトバルブ制御部202によって個別に制御される。出射光22を投写レンズ10へ入射させるマイクロミラー92の回動位置(例えば−10°)をオン状態とし、入射させない回動位置(例えば+10°)をオフ状態として、ライトバルブ制御部202は、受信する画像信号PSに基づいて、各画素に対応するマイクロミラー92を個別にオン・オフ制御する。その制御形式は、好ましくはPWM(パルス幅変調)形式である。PWM制御による場合、ライトバルブ制御部202は、ある画素の輝度が高いほど、当該画素に対応するマイクロミラー92のオン状態にある時間を長くする。それにより、画像信号に従って各画素の階調が表現される。

光源制御部201は、3色の光を発生するLEDアレイ1R、1G、1Bを時分割により順次点灯させる。ライトバルブ制御部202は、光源制御部201の点灯制御に同期して、画像信号PSに基づくマイクロミラー92の制御を行う。その結果、投写レンズ10の出射光23として、不図示の外部のスクリーンに映出可能なカラーの光像が出射することとなる。なお、画像信号PSは、動画像の信号だけでなく、静止画像の信号であってもよい。

従って、図2に戻って、矩形をなす受光面91のアスペクト比、即ち、短辺V0に対する長辺H0の比(=H0/V0)は、表示する画像のアスペクト比に対応している。例えば、テレビジョン放送の標準的な規格であるNTSCに準拠した画像を表示するには、受光面91のアスペクト比は4/3に設定され、高解像度テレビジョン(HDTV;いわゆるハイビジョンTV)放送の規格に準拠した画像を表示するには、16/9に設定され、パーソナルコンピュータ用ディスプレイのSXGAに準拠した画像を表示するには、5/4に設定される。

ライトバルブ制御部202は、画像信号PSを外部からリアルタイムで受信してもよく、画像信号記憶部203が備わる場合には、画像信号記憶部203から読み出してもよい。画像信号記憶部203として、RAMなどの半導体メモリ、或いは小型のハードディスク等の磁気記録媒体の他、様々な形態を採り得る。また、ライトバルブ制御部202及び光源制御部201は、ソフトウェアを必要としないハードウェアで構成してもよく、ソフトウェアに基づいて動作するマイクロコンピュータで構成してもよい。

図2(a)及び図2(d)に示すように、入射光21は回動軸93に直行する面に沿って受光面91へ入射するのが理想である。言い換えると、入射光21は軸94又は軸95を基準として45°の方位角φをもって、受光面91へ入射するのが理想である。マイクロミラー92がオン状態にあるときに入射光21が反射され出射光22として投写レンズ10へ入射するためには、方位角φは45°を含むある範囲内にある必要がある。このいわば許容範囲内の方位角φをもって入射光21が受光面91へ入射するように、ダイクロイックプリズム4からTIRプリズム8へ至る照射光学系が構成される。同様に、入射角θについてもある許容範囲が存在する。従って、当該許容範囲内の入射角θをもって入射光21が受光面91へ入射するように、上記照射光学系が構成される。

図3は、フライアイレンズ3(以下、3R、3G、3Bを代表する場合には、単に符号3を付す)の形状及び位置と、DMD9の受光面91の形状及び位置との関係を簡略化して示す説明図である。図3では、ダイクロイックプリズム4及びTIRプリズム8による進行方向の変更は略して光路を描いている。ある平面Q−Qに受光面91が配置されており、これに平行なある平面P−Pに第1フライアイレンズ3が配置されているものとする。また、受光面91の中心を通る法線90と、同じく受光面91の中心を通る回動軸93とを含む平面X−Xを想定する。図3(a)は平面P−P、平面Q−Q及び平面X−Xの何れにも平行な方向、言い換えると平面P−Pと平面X−Xとの交線又は平面Q−Qと平面X−Xとの交線に沿った方向から、照射光学系等の配置を模式的に描いている。また、図3(b)は平面P−P上の第1フライアイレンズ3の正面図であり、図3(c)は平面Q−Q上のDMD9の正面図である。

第1フライアイレンズ3は、例えば9個の矩形の単位レンズを有し、これらの単位レンズを透過した光束が、第2フライアイレンズ5から第2コンデンサレンズ7へ至る光学系によって、受光面91の上に重ね合わされる。従って、各単位レンズの形状は受光面91に相似となるように設定される。即ち、各単位レンズと受光面91とは、アスペクト比が同一に設定される。

上記照射光学系の配置等により、受光面91への入射光21の入射角θは、ある範囲θmin〜θmaxの範囲に設定されており、この範囲は上記許容範囲内に収まるように設定されている。フライアイレンズ3の各単位レンズを透過した光束が、θmin〜θmaxの範囲の入射角θをもって受光面91へ入射するためには、各単位レンズは平面X−Xからの距離が、θmin〜θmaxの入射角の範囲に対応するDmin〜Dmaxの範囲内になければならない。

また、投写レンズ10の口径を有効に活用するためには、平面X−Xに沿ってDmax−Dminに等しい幅Wの中に各単位レンズを配列するのが望ましい。このため、上記照射光学系は、各単位レンズを配置し得る領域として正方形の有効領域30を規定するように構成される。なお、説明を簡略化するために、図3では第1フライアイレンズ3が位置する平面P−PとDMD9が位置する平面Q−Qとが平行である例を示したが、光の経路によっては一般に平面P−Pと平面Q−Qとは平行でない場合があり得る。その場合であっても、有効領域が略正方形となることは、図3を用いた説明から容易に理解することができる。従って、図1のように、ダイクロイックプロズム4及びTIRプリズム8が光路に介挿される場合であっても、同様に照射光学系の構成に基づいて正方形の有効領域30が定まる。

ところで、既に述べたように入射光21の方位角φは45°を含むある範囲内になければならない。従って、図3(b)に示すように、第1フライアイレンズ3を構成する矩形の各単位レンズは、その一辺が有効領域30の一辺に対して45°に傾斜するように形成される。この場合、図3(b)に示すように、第1フライアイレンズ3を構成する各単位レンズを、互いの間に隙間を設けずに密に配列すると、それに対応して、LEDアレイ1(以下、1R、1G、1Bを代表する場合には、単に符号1を付す。但し図面には現れない。)を構成するLED素子どうしの間隔が狭くなる。その結果、LEDアレイ1の損失熱の放散効率が悪くなり、LEDアレイ1における温度上昇が顕著となる恐れがある。

本実施の形態による投写型映像表示装置100では、以下に図4及び図5を参照して説明するように、第1フライアイレンズ3を構成する単位レンズが、ある規則に従って間隔をもって配列する。投写型映像表示装置100は、それによってLEDアレイ1の光量を維持しつつ(従って、受光面91への照射光の光量、及び投写レンズ10からの投写光の光量を維持しつつ)放熱効果を高めている。

図4は、受光面91のアスペクト比(=H0/V0)が2以下であって、それに伴い、第1フライアイレンズ3を構成する矩形の単位レンズ33のアスペクト比(=H/V)が2以下である場合について、単位レンズ33の望ましい配列を示している。ここで、単位レンズ33の長辺の長さをHとし、短辺の長さをVとしている。既に述べたように、H/V=H0/V0の関係が成り立っている。なお、以下の図4〜図6において、第1フライアイレンズ3を構成する個々の単位レンズには符号33を付し、LEDアレイ1を構成する個々のLED素子には符号31を付す。

図4(a)に示すように、アスペクト比が2以下の単位レンズ33を互いの間隙をなくして最高密度で配列した場合であっても、通常においては有効領域30のうち単位レンズ33の群の周囲の部分に、単位レンズ33の配列に利用されない領域、いわば無駄領域が発生する。これに対して、投写型映像表示装置100では、図4(b)に示すように、単位レンズ33を、有効領域30の直交する二辺に沿って√2×VのピッチPをもって配列させる。それにより、単位レンズ33の個数を図4(a)と同一に保ちつつ、無駄領域を利用して有効領域30内に最も低い密度で、単位レンズ33を分散配列させることができる。

図4(b)において、有効領域30の辺とこれに接し互いに隣接する2個の単位レンズ33との間に形成される二等辺三角形の空隙の斜辺の長さa及びbは、短辺Vの√2倍となる。一方、斜辺a及びbは、何れも配列のピッチPに一致する。従って、図4(b)において、ピッチPは√2×Vに一致する。

なお、受光面91のアスペクト比(=H0/V0)が2に等しい場合には、図4(b)において、単位レンズ33は、互いに隙間なく配列することとなる。この場合は、与えられた有効領域30の中でLEDアレイ1の光量を最大にする配列であって、LEDアレイ1の光量と損失熱の放熱効果とのバランスにおいて、放熱効果よりも光量を優先する配列に該当する。

図5は、受光面91のアスペクト比(=H0/V0)が2を超えており、それに伴い、第1フライアイレンズ3を構成する矩形の単位レンズ33のアスペクト比(=H/V)が2を超える場合について、単位レンズ33の望ましい配列を示している。図5(a)に示すように、アスペクト比が2を超える単位レンズ33を互いの間隙をなくして最高密度で配列した場合であっても、通常においては有効領域30のうち単位レンズ33の群の周囲の部分に、上述の無駄領域が発生する。

これに対して、投写型映像表示装置100では、図5(b)に示すように、単位レンズ33を、有効領域30の直交する二辺に沿って(1/√2)×HのピッチPをもって配列させる。それにより、単位レンズ33の個数を図5(a)と同一に保ちつつ、無駄領域を利用して有効領域30内に最も低い密度で、単位レンズ33を分散配列させることができる。図5(b)において、有効領域30の一角とこれに最近接する単位レンズ33との間に形成される二等辺三角形の空隙の等辺の長さc及びdは、長辺Hの(1/√2)倍となる。一方、等辺c及びdは、何れも配列のピッチPに一致する。従って、図5(b)において、ピッチPは(1/√2)×Hに一致する。

図4(b)及び図5(b)の配列では、それぞれ図4(a)及び図5(a)の配列に対して、単位レンズ33の個数が同一に保たれるので、LEDアレイ1を構成するLED素子31の個数も同一に保たれる。更に、各単位レンズ33は同じく有効領域30内に配置されるので、受光面91における照射光の光量、ひいては投写レンズ10からの投写光の光量も同一に保たれる。一方、単位レンズ33が最も低い密度で分散配列するので、単位レンズ33に対向するLED素子31も、最も低い密度で分散配列することとなる。それにより、LEDアレイ1の放熱効果が向上する。このように、図4(b)及び図5(b)の配列を採ることにより、受光面91における照射光の光量、及び投写レンズ10からの投写光の光量を維持しつつ、光源としてのLEDアレイ1の放熱効率を高めることができる。このことは、照明装置及び投写型映像表示装置100の小型化に貢献する。

図6は、有効領域30に配列し得る最大限度の個数には至らない個数の単位レンズ33を配列した場合について、図4(b)の形態を採ることによる利点を説明するための図である。図6では、単位レンズ33のアスペクト比は2以下である。図6(a)では、最大限度未満の個数の単位レンズ33が密に配列している。一方、図6(b)では、図6(a)と同一個数の単位レンズ33が図4(b)の形態で配列している。図6(b)では、単位レンズ33が分散して配列すると共に、有効領域30が図6(a)に比べて縮小している。このように、図4(b)又は図5(b)の配列を採ることにより、有効領域30の小型化、ひいては照明装置及び投写型映像表示装置100の小型化をもたらすこともできる。

その他の実施形態として、本発明は以下の形態を採ることも可能である。

(1) 上記の実施形態では、第1フライアイレンズ3を構成する単位レンズ33は、図4(b)又は図5(b)のように配列した。これに対して、例えば図4(b)において、単位レンズ33の間に間隙を残しつつピッチPを√2×V未満に設定することも可能である。同様に、図5(b)において、単位レンズ33の間に間隙を残しつつピッチPを(1/√2)×H未満に設定することも可能である。この形態においても、図4(a)又は図5(a)の形態に比べると、同等の光量を維持しつつ、なお放熱効果の向上が相応に得られる。

更に一般には、フライアイレンズ3は、有効領域30内に、配列し得る最大限度未満の個数の単位レンズ33が、間隙をもって配列するものであってもよい。各単位レンズ33は、これに隣接する他の単位レンズ33の全てと間隔を保ってもよく、図4(b)及び図5(b)に例示するように、他のレンズの一部と間隔を保つものであってもよい。このような形態においても、受光面91への照射光の光量(ひいては、投写レンズ10からの投写光の光量)とLEDアレイ1R、1G、1B等の光源の放熱効果とのバランスを図ることができる。

(2) 上記の実施形態では、入射光21を画像信号に基づいて変調することにより光像を出射する素子であるライトバルブとして、DMD9を用いた。これに対して、ライトバルブとして、矩形の受光面の一辺に対して45°を中心としたある範囲の方位角をもって入射光21を斜め入射させることにより使用するのに適したマイクロミラーを備えた反射型デバイス一般、即ち微小偏向ミラー光学素子一般を用いてもよい。更に、矩形の受光面の一辺に対して45°を中心としたある範囲の方位角をもって入射光21を斜め入射させることにより使用するのに適したものであれば、透過型を含むライトバルブ一般を用いてもよい。但し、DMDは微小偏向ミラー光学素子のうち広く市販されている素子であり、入手が容易であるという利点を有する。従って、DMDを用いることにより、製造コストを節減することができる。

(3) 上記の実施形態では、光源としてLEDアレイ1R、1G、1Bを用いた。これに対して、光源を構成する単位光源として、LED素子31に限らず、例えばレーザ素子を用いても良く、更には固体発光素子一般を用いてもよい。固体発光素子は、小型のものが容易に入手可能であるため照明装置及び投写型映像表示装置の小型化に適しており、また寿命が長く、取り扱いも容易であるという利点がある。中でも、LED素子31は、安価であり、光源の製造コストを節減することができる。又、レーザ素子は、指向性の高い光を発生するので、集光レンズ群2R、2G、2Bに強い集光性が要求されない。従って、集光レンズ群2R、2G、2Bの構成を簡素化することができる。

(4) 上記の実施形態では、第1フライアイレンズ3R、3G、3BからDMD9へ至る光の経路を形成する照射光学系として、図1の構成を用いた。しかしながら、図3に照射光学系の原理を簡略化して例示したように、照射光学系は単位レンズ33の群の各々を通過した光源の光を、矩形の受光面91へ斜め入射するように集光するものであればよく、図1に例示する形態に限られない。

(5) 上記の実施形態では、光源として3色の光を発生するLEDアレイ1R、1G、1Bを用いた。これに対して、光源として白色LEDアレイなど白色の光を発生する光源を使用してもよい。この場合には、投写光23として、モノクロの光像が得られることとなる。また、この場合には、照射光学系からダイクロイックプリズム4を除去することができる。また、三原色に対応するR、G、Bだけでなく、互いに色の異なる(即ち、波長の異なる)3色を発生するLEDアレイを用いても良い。それにより、自然色のカラー画像とは異なるものの有色の光学画像が投写可能となる。

(6) 上記の実施形態では、第1フライアイレンズ3R、3G、3Bと第2フライアイレンズ5との間で、単位レンズの形状及び配置が同一である例を示した。既にのべたように、単位レンズの形状及び配置は、必ずしも同一であることを要しない。それに伴って、第1フライアイレンズ3R、3G、3Bの単位レンズの中心と、LEDアレイ1R、1G、1BのLED素子との間の位置関係は、正面視において必ずしも一致することを要しない。第1フライアイレンズ3R、3G、3Bと第2フライアイレンズ5との間での、単位レンズの形状及び配置の関係によっては、LED素子とこれに対向する第1フライアイレンズ3R、3G、3Bの単位レンズの中心とは、互いに位置をずらして配置するのが望ましい場合もあり得る。

同様に、集光レンズ群2R、2G、2Bを構成する個々のレンズの中心位置と、第1フライアイレンズ3R、3G、3Bを構成する個々の単位レンズの中心位置とは、正面視において必ずしも一致することを要しない。しかしながら、LEDアレイ1R、1G、1Bを構成する個々のLED素子の位置と、集光レンズ群2R、2G、2Bを構成する個々のレンズの中心位置と、第1フライアイレンズ3R、3G、3Bを構成する個々の単位レンズの中心位置とは、互いに正面視において一致することが望ましい。それにより、互いの位置関係が単純となり、光学設計が容易となる。

(7) 第1フライアイレンズ3R、3G、3Bは、個々の単位レンズを一体化した成型品であることが望ましい。それにより、寸法精度の高い第1フライアイレンズ3R、3G、3Bが容易に得られる。同様のことは、第2フライアイレンズ5についても当てはまる。

(8) 集光レンズ群2R、2G、2Bは、図7に例示するように、いわゆる組み合わせレンズとして構成してもよい。即ち、集光レンズ群2R、2G、2Bの構成要素としてマトリクス状に配列する個々のレンズは、互いに対向する複数のレンズの組を有してもよい。それにより、LEDが発生する光を幅広く集光し且つ実質的に平行な方向へ精度よく導くための光学設計が容易となる。更に、複数のレンズの組のうち、少なくとも一つがマトリクス状に配列してなる群を、一体化した成型品とすることにより、寸法精度の高い集光レンズの群を容易に得ることが可能となる。

(9) 既にのべたように有効領域30は、投写レンズ10の口径を有効に活用するために、正方形となるように照射光学系が設計されるのが通常である。しかしながら、図4(b)又は図5(b)の配列は、有効領域30が正方形でない矩形であっても、単位レンズ33を有効領域30内に、有効に分散配置することを可能にする。

本発明の一実施の形態による投写型映像表示装置の主要部の構成図である。 図1の投写型映像表示装置のDMDの機能説明図である。 図1の投写型映像表示装置の照射光学系の動作原理を示す説明図である。 図1の投写型映像表示装置における単位レンズの配列の例を参考例と比較して示す正面図である。 図1の投写型映像表示装置における単位レンズの配列の別の例を参考例と比較して示す正面図である。 図4の配列の例を別の参考例と比較して示す正面図である。 集光レンズ群の別の形態の概略構成図である。

符号の説明

1R、1G、1B LED(発光ダイオード)アレイ(光源)
2R、2G、2B 集光レンズ 3R、3G、3B 第1フライアイレンズ
4 ダイクロイックプリズム(色合成手段) 5 第2フライアイレンズ
6 第1コンデンサレンズ 7 第2コンデンサレンズ
8 TIRプリズム 9 DMD(デジタルマイクロミラー素子)
10 投写レンズ 30 有効領域
31 LED素子(単位光源) 33 単位レンズ
91 受光面(照射面) 100 投写型映像表示装置
201 光源制御部 202 ライトバルブ制御部
H 長辺 V 短辺
P ピッチ PS 画像信号

Claims (16)

  1. 単位光源の群が配列してなる光源と、
    前記単位光源の群に対向して配列した集光レンズの群と前記集光レンズの群に対向して配列した矩形の単位レンズの群とを有し前記単位レンズの群の各々は対向する前記単位光源が発生し対向する前記集光レンズを透過した光を集光するレンズアレイと、
    前記単位レンズの群の各々を通過した前記光源の光を、照射面へ重なり合って斜め入射するように集光する照射光学系とを備え、
    前記単位レンズの群は、当該単位レンズの群を配置し得る領域として前記照射光学系により定まる矩形の有効領域内に間隙をもって配列しており、前記単位レンズの群の各々の一辺は前記有効領域の一辺に対して45°に傾斜している照明装置。
  2. 前記単位レンズの群の各々のアスペクト比が2未満であって、前記単位レンズの群は、当該単位レンズの群の各々の短辺の長さをVとして前記有効領域の直交する二辺に沿って√2×Vのピッチをもって配列している請求項1記載の照明装置。
  3. 前記単位レンズの群の各々のアスペクト比が2を超えており、前記単位レンズの群は、当該単位レンズの群の各々の長辺の長さをHとして前記有効領域の直交する二辺に沿って(1/√2)×Hのピッチをもって配列している請求項1記載の照明装置。
  4. 単位光源の群が配列してなる光源と、
    前記単位光源の群に対向して配列した集光レンズの群と前記集光レンズの群に対向して配列した矩形の単位レンズの群とを有し前記単位レンズの群の各々は対向する前記単位光源が発生し対向する前記集光レンズを透過した光を集光するレンズアレイと、
    前記単位レンズの群の各々を通過した前記光源の光を、照射面へ重なり合って斜め入射するように集光する照射光学系とを備え、
    前記単位レンズの群は、当該単位レンズの群を配置し得る領域として前記照射光学系により定まる矩形の有効領域内に配列しており、前記単位レンズの群の各々の一辺は前記有効領域の一辺に対して45°に傾斜しており、
    前記単位レンズの群の各々のアスペクト比が2であって、前記単位レンズの群は、当該単位レンズの群の各々の短辺の長さをVとして前記有効領域の直交する二辺に沿って√2×Vのピッチをもって配列している照明装置。
  5. 前記単位光源の群が、前記単位レンズの群と同一ピッチで配列している請求項1乃至4の何れかに記載の照明装置。
  6. 前記集光レンズの群が前記単位レンズの群と同一ピッチで配列している請求項1乃至5の何れかに記載の照明装置。
  7. 前記単位レンズの群が、一体化した成型品である請求項1乃至6の何れかに記載の照明装置。
  8. 前記各集光レンズは、互いに対向する複数のレンズの組を有しており、前記集光レンズの群のうち、前記複数のレンズの組のうちの少なくとも1つが配列してなる群が、一体化した成型品である請求項1乃至7の何れかに記載の照明装置。
  9. 前記光源が、波長の異なる3色の光を個別に発生する第1乃至第3光源を有しており、
    前記照射光学系は、
    前記第1乃至第3光源から前記照射面へ至る光路に介挿されることにより前記3色の光を合成する色合成手段を備える請求項1乃至8の何れかに記載の照明装置。
  10. 前記3色が、赤色、緑色及び青色である請求項9記載の照明装置。
  11. 前記第1乃至第3光源を時分割により順次に点灯させる光源制御部を更に備える請求項9又は10記載の照明装置。
  12. 前記単位光源が発光ダイオードである請求項1乃至11の何れかに記載の照明装置。
  13. 前記単位光源がレーザ光源である請求項1乃至11の何れかに記載の照明装置。
  14. 請求項1乃至13の何れかに記載の照明装置と、
    前記照明装置の前記照射面に配置されたライトバルブと、
    前記ライトバルブからの出射光を投写する投写光学系とを備える投写型映像表示装置。
  15. 前記ライトバルブが微小偏向ミラー光学素子である請求項14記載の投写型映像表示装置。
  16. 前記ライトバルブがDMDである請求項15記載の投写型映像表示装置。
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