JP4130217B2 - 多灯式照明装置および投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

この発明は、光混合部材及び多灯式照明装置及び投写型映像表示装置に関する。

従来より、大画面映像を表示する装置として、照明装置からの光を液晶パネルに照射し、この液晶パネルに表示されている画像をスクリーン上に拡大投写する液晶プロジェクタが知られており、その照明装置として複数の光源を用いる多灯式照明装置を用いるものが在る（特許文献１参照）。図９に示しているように、多灯式照明装置５０は、第１光源５１及び第２光源５２から出射された光束を、反射混合部材５３にて合成するように構成されたものである。前記反射混合部材５３は、図７にも示しているように、第１の反射面５３ａと第２の反射面５３ｂとを交互に備えている。反射混合部材５３はプリズムアレイとも呼ばれている。かかる多灯式照明装置５０は、小さな光源を複数用いることにより、個々の光源のアーク長を短くして長寿命化や集光の高効率化を図ると共に、光源の寿命による発光停止（ランプ切れ）が生じた場合でも投写の続行が可能となる。

ところで、前記反射混合部材５３の光出射側にインテグレータレンズが配置される構成が多くの場合に採用される。前記インテグレータレンズは、一対のフライアイレンズから成り個々の凸レンズ対が光源からの光を液晶表示パネルの全面に照射するように設計され、光源から出射された光に存在する部分的な輝度ムラを平均化して画面中央と周辺部とでの光量差を低減するものである。

特開２００２−２９６６７９号公報 特開２００１−１６６２７４号公報 特開平１１−１４９０６１号公報 特開２００１−２６８５８８号公報 特開平１１−２７１６６８号公報 特開平６−３０８４８５号公報

しかしながら、上記反射混合部材５３の光出射側にインテグレータレンズを配置する構成において、図６に示したように、反射混合部材５３における第１の反射面５３ａ及び第２の反射面５３ｂから成る三角柱部のピッチＷｐとインテグレータレンズにおける光入射側フライアイレンズ５５のレンズピッチＷｆとの比が例えば１：１となるときには、前記フライアイレンズ５５の各レンズ部５５ａに同一パターンの光束が入射されることになり、この同一パターンの光束が液晶表示パネル５５に集光され、液晶パネルに入射する光に輝度ムラが生じてしまう。

また、上記反射混合部材５３の光出射側にインテグレータレンズを配置する構成においては、図８に示すように、当然のことではあるが、インテグレータレンズの入射側フライアイレンズ５５の入射面には、その上部領域及び下部領域ともに同一の輝度ムラパターンで前記反射混合部材５３から光が導かれる。従って、前記上部領域上の各レンズ対で液晶パネル（ＬＣＤ）に導かれる光束パターンが図において「上半分」と表記された枠内のパターンであるとすれば、前記下部領域上の各レンズ対で液晶パネル（ＬＣＤ）に導かれる光束パターンも同じパターンとなる（図の「下半分」参照）。このため、液晶パネル（ＬＣＤ）上では前記パターンが強調され、投写映像に輝度ムラが生じてしまう。

特に、液晶パネルを３枚用いたプロジェクタでは、色分離合成系の小型化のために３原色のうち１色のみ光路長が異なる構成を採用し、光学的に光路長を一致させるためにリレー光学系を用いている。このため、上記１色のみが他の２色に対して上下左右に反転した状態で液晶パネルに光が入射することになり、他の２色と輝度分布に差が発生することになる。この各色での輝度分布の差により、スクリーン上の投写映像に輝度ムラや色ムラが発生する。人間の目にとって、色ムラは輝度ムラより感知しやすいため、この色ムラは表示映像品質を大きく劣化させることになる。

この発明は、この発明は、上記の事情に鑑み、輝度ムラおよび色ムラを生じさせない照明が行える光混合部材及び多灯式照明装置及び投写型映像表示装置を提供することを目的とする。

この発明にかかる多灯式照明装置は、上記の課題を解決するために、略平行光を出射する第１光源及び第２光源と、前記第１光源からの出射光を特定方向に導く第１光学要素と前記第２光源からの出射光を前記特定方向と平行な方向に導く第２光学要素とが交互に配置された光混合部材と、前記光混合部材の光出射側に設けられたフライアイレンズ対と、を備えた多灯式照明装置であって、前記フライアイレンズ対における光入射側のフライアイレンズの各レンズ部に、それぞれ異なった光強度分布の光束が入射されるように第１光学要素と第２光学要素との配置が設定されたことを特徴とする。

上記の構成であれば、フライアイレンズの各レンズ部に同一パターンの光束が入射されてしまうことがなくなるので、照明対象物に入射される光に輝度ムラが生じるのを防止でき、同時にスクリーン上の映像に色ムラを発生することを防止できる。

前記フライアイレンズのレンズピッチに対する第１光学要素及び第２光学要素から成る部分間のピッチの比が、１±０．２にならない範囲に設定されていてもよい。また、前記フライアイレンズのレンズピッチに対する第１光学要素及び第２光学要素から成る部分のピッチの比が、１／Ｎ（Ｎは自然数）にならない範囲に設定されていてもよい。また、第１光学要素及び第２光学要素から成る部分のピッチに変化を持たせることとしてもよい。

また、この発明の投写型映像表示装置は、照明装置から出射された光をライトバルブにより変調して投写する投写型映像表示装置において、前記照明装置として上述したいずれかの多灯式照明装置を備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかる光混合部材は、第１の方向から受けた光を特定方向に導く第１光学要素と第２の方向から受けた光を前記特定方向と平行な方向に導く第２光学要素とが交互に配置された形状を有する光混合部材であって、前記第１光学要素と第２光学要素との接合線に垂直な線を境に少なくとも二領域に分割され、各領域の前記接合線が互いに不一致となるように構成されたことを特徴とする。

上記構成の光混合部材において、複数の光学パーツを互いにずらして接合して成り、各光学パーツは第１光学要素と第２光学要素とが交互に配置された形状を有し、第１の方向からの入射光を第１光学要素によって特定方向に導き、第２の方向からの入射光を第２光学要素によって前記特定方向と平行な方向に導くように構成してもよい。また、これら構成の光混合部材と、前記第１の方向上に設けられて照明光を第１光学要素に向けて出射する第１の光源と、前記第２の方向上に設けられて照明光を第２光学要素に向けて出射する第２の光源と、を備えて多灯式照明装置を構成してもよい。

また、この発明の投写型映像表示装置は、照明装置から出射された光をライトバルブにより変調して投写する投写型映像表示装置において、前記照明装置として上記多灯式照明装置を備え、この多灯式照明装置の光出射側にフライアイレンズ対を備えたことを特徴とする。

このよう光混合部材が領域分割される構成では、各領域の接合線が互いに不一致とされるため、フライアイレンズの入射面には、例えば上部領域と下部領域とで異なった輝度ムラパターンで光混合部材から光が導かれる。従って、前記上部領域上の各フライアイレンズ対によってライトバルブに導かれる光束パターンと、前記下部領域上の各フライアイレンズ対によってライトバルブに導かれる光束パターンは異なるものとなり、輝度ムラが相殺されやすくなり投写映像上での輝度ムラが軽減される。

また、かかる構成の投写型映像表示装置において、前記フライアイレンズ対の入射側レンズ群におけるレンズ間谷部に前記光混合部材の領域境界線の像が導かれるように構成するのがよい。これによれば、領域境界線の像である暗線が各レンズ対にてライトバルブに導かれてしまうのを防止することができる。

この発明によれば、輝度ムラおよび色ムラを生じさせない照明を行うことができ、投写型映像表示装置において高品質な映像投影が行えるという効果を奏する。

（実施形態１）
以下、この発明の実施形態１の多灯式照明装置及び投写型映像表示装置を図１乃至図３に基づいて説明していく。

図１は、この発明の実施形態の多灯式照明装置及び投写型映像表示装置を示した概略の構成図である。この実施形態の多灯式照明装置及び投写型映像表示装置は、従来項でも示した特開２００２−２９６６７９号公報に開示の構成と基本的に略同じものとしている。多灯式照明装置１は、第１光源１１と、第２光源１２と、反射混合部材１３と、インテグレータレンズ（フライアイレンズ対）１４と、偏光変換装置１５と、を備えて成る。そして、投写型映像表示装置１０は、上記多灯式照明装置１と、コンデンサレンズ２，３，４と、液晶表示パネル５と、投写レンズ６とを備えて成る。なお、かかる図では、説明の簡略化のために単板構成的に光学系を示しているが、いわゆる三板式構成においては、例えば、色分離光学系（ダイクロイックミラー等）と色混合系（クロスダイクロイックプリズム等）とが加わる構成となる。

上記光源１１，１２における発光部は、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等から成り、その照射光はパラボラリフレクタによって略平行光となって出射される。反射混合部材１３は、例えばガラス基板表面に多数の三角柱部が形成され、前記三角柱部における斜面に高反射率を有する金属を蒸着し、当該斜面を第１，第２反射面１３ａ，１３ｂとした構造を有する。

図１においては、反射光の光軸と反射混合部材１３の法線Ｏを共通化して示している。前記光源１１から出射される光束の光軸と前記法線Ｏとは所定の角度αをなすように配置されている。同様に、前記光源１２から出射される光束の光軸と前記法線Ｏとは所定の角度αをなすように配置されている。なお、所定の角度αは、反射面１３ａ，１３ｂに対して垂直な平面内で形成される角度である。そして、第１光源１１から出射された光は反射面１３ａに反射されて法線Ｏに平行な方向に反射され、第２光源１２から出射された光は反射面１３ｂに反射されて法線Ｏに平行な方向に反射されるように、前記三角柱部における傾斜面（反射面１３ａ，１３ｂ）の角度（頂角）及び第１光源１１及び第２光源１２の位置（向き）が調整されている。

前記インテグレータレンズ１４は、前記反射混合部材１３に平行に（前記法線Ｏに対して垂直に）配置されている。インテグレータレンズ１４は、従来項でも説明したが、一対のフライアイレンズ１４ａ，１４ｂから成り個々の凸レンズ対が光源１１，１２からの光を液晶表示パネル５の全面に照射するように設計され、光源１１，１２から出射された光に存在する部分的な輝度ムラを平均化して画面中央と周辺部とでの光量差を低減するものである。

偏光変換装置１５は、偏光ビームスプリッタアレイ（以下、ＰＢＳアレイと称する）によって構成される。ＰＢＳアレイは、偏光分離膜と位相差板（１／２λ板）とを備える。ＰＢＳアレイの各偏光分離膜は、インテグレータレンズ１４からの光のうち例えばＰ偏光を通過させ、Ｓ偏光を９０°光路変更する。光路変更されたＳ偏光は隣接の偏光分離膜にて反射され、その前側（光出射側）に設けてある前記位相差板によってＰ偏光に変換されて出射される。一方、偏光分離膜を透過したＰ偏光は、そのまま出射される。すなわち、この場合には、ほぼ全ての光はＰ偏光に変換される。上記の例では、全ての光をＰ偏光に変換する構成に関して説明を行ったが、位相差板位置をＰ偏光出射位置に設けることで、全てＳ偏光に変換する構成にしてもよい。

上記多灯式照明装置１から出射された光は、コンデンサレンズ２，３，４を経て液晶表示パネル５に至る。この液晶表示パネル５に入射した光は、各画素において設定された光透過率に従って光強度変調を受けて映像光となり、投写レンズ６によって図示しないスクリーンに投影される。

図２は、反射混合部材１３と光入射側のフライアイレンズ１４ａとの配置関係を示した説明図である。反射混合部材１３における三角柱部（反射面１３ａ及び反射面１３ｂから成る部分）のピッチＷｐは、フライアイレンズ１４ａのレンズピッチＷｆと略同じ大きさであるが、同一ではないように設定している。

すなわち、従来項で示した図６の構成では、Ｗｐ／Ｗｆ＝１となっていたが、図２に示す実施例では、Ｗｐ／Ｗｆ≠１となるようにしている。これにより、フライアイレンズ１４ａの各レンズ部に、それぞれ異なった分布の光束が入射されるようにピッチＷｐとレンズピッチＷｆとの関係が設定されたことになり、フライアイレンズ１４ａの各レンズ部に同一パターンの光束が入射されてしまうのが回避され、液晶表示パネル５に入射される光に輝度ムラが生じるのを防止できる。

図３は、シミュレーションによって得られたグラフであり、光源１１，１２におけるランプのアーク長を１．３ｍｍとし、ピッチＷｐとレンズピッチＷｆとの比（ピッチ比）を横軸にとり、縦軸に色ムラの度合い（Δｕ′ｖ′）をとり、ピッチ比に対する色ムラの変化を示している。このグラフにおいて、Ｗｐ／Ｗｆ＝１のとき、上記ピッチ比は１００％として表されることになる。また、液晶表示パネル５を縦横３×３の９エリアに分けて、各エリアの平均光量を算出し、各色の代表的な色座標と平均光量から各点での白の色座標（ｕ′，ｖ′）を導出し、９点間の（ｕ′，ｖ′）座標間の距離の最大値を上記Δｕ′ｖ′としている。また、このグラフにおいて、一つの光源（ここではアーク長を１．３ｍｍとしている）を用いる既存の単灯照明装置におけるΔｕ′ｖ′（０．００５０近傍）を併記している。このグラフから分かるように、多灯式照明装置が前記既存の単灯照明装置と同等の色ムラの低さを示すのは、ピッチ比が８０％〜１２０％以外の範囲、すなわち、Ｗｐ／Ｗｆ＝１±０．２以外の範囲となるので、Ｗｐ／Ｗｆ＝１±０．２以外の範囲となるようにＷｐ及びＷｆを設定するのがよい。

ところで、光源１１，１２における出射光の平行度は、ランプのアーク長に依存することになる。アーク長が極めて短い理想的な光源においては、Ｗｐ／Ｗｆ＝１±０．２以外の範囲であっても、Ｗｐ／Ｗｆ＝１／２或いはＷｐ／Ｗｆ＝１／３のごとく、分母が自然数となる場合において色ムラを生じてしまうと予想される。

そこで、Ｗｐ／Ｗｆ≠１／２或いはＷｐ／Ｗｆ≠１／３のごとく、分母が自然数以外の値となるようにＷｐ及びＷｆを設定する。これにより、フライアイレンズ１４ａの各レンズ部に、それぞれ異なった分布の光束が入射されるようにピッチＷｐとレンズピッチＷｆとの関係が設定されたことになり、フライアイレンズ１４ａの各レンズ部に同一パターンの光束が入射されてしまうのが回避され、たとえアーク長が極めて短い理想的な光源においても、液晶表示パネル５に入射される光に輝度ムラが生じるのを防止でき、同時にスクリーン上での色ムラを防止できることになる。

また、ピッチＷｐを全体に渡って同じとするのではなく、ピッチＷｐを部分的に異ならせる（ピッチＷｐに変化を持たせる）ようにしてもよいものである。例えば、三角柱部（反射混合部材１３における反射面１３ａ及び反射面１３ｂから成る部分）の間隔がピッチＷｐ′（ピッチＷｐ′≠ピッチＷｐ）となる箇所を５ピッチ毎に設定するなどのようにすればよい。この場合、ピッチＷｐについては、Ｗｐ／Ｗｆ＝１／２のごとく、分母が自然数となる場合でもよいことになる。このような構成とする場合も、フライアイレンズ１４ａの各レンズ部に、それぞれ異なった分布の光束が入射されるようにピッチＷｐとレンズピッチＷｆとの関係が設定されたことになり、フライアイレンズ１４ａの各レンズ部に同一パターンの光束が入射されてしまうのが回避され、液晶表示パネル５に入射される光に輝度ムラが生じるのを防止でき、同時にスクリーン上での色ムラを防止できる。

（実施形態２）
以下、この発明の実施形態２の光混合部材（反射混合部材）及び多灯式照明装置及び投写型映像表示装置を図４及び図５に基づいて説明していく。なお、多灯式照明装置及び投写型映像表示装置の基本構成は、実施形態１と同様であり、図１も参照して説明していく。

反射混合部材１３′は、図４（ａ）の平面図及び同図（ｂ）の側面図にも示しているように、領域Ａと領域Ｂを有して構成される。すなわち、三角柱部の稜線に垂直な線を境に二領域Ａ，Ｂに分割され、二領域Ａ，Ｂは三角柱部の稜線間ピッチの１／２の距離だけ互いにずれている。そして、各領域Ａ，Ｂは、必要な受光領域の１／２の大きさを有する二つの反射型光学パーツ（以下、反射型光学パーツについても符号Ａ，Ｂを付すことがある）によって構成され、反射混合部材１３′はこれら二つの反射型光学パーツＡ，Ｂを組み合わせたものとなっている。

反射型光学パーツＡ，Ｂは、例えばガラス基板表面に多数の三角柱部が形成され、前記三角柱部における斜面に高反射率を有する金属を蒸着し、当該斜面を第１，第２反射面１３′ａ，１３′ｂとした構造を有する。第１光源１１から出射された光は反射面１３′ａに反射されて法線Ｏに平行な方向に反射され、第２光源１２から出射された光は反射面１３′ｂに反射されて法線Ｏに平行な方向に反射されるように、反射型光学パーツＡ，Ｂにおける傾斜面（反射面１３′ａ，１３′ｂ）の角度（頂角）及び第１光源１１及び第２光源１２の位置（向き）が調整されている。

この実施形態では、反射混合部材１３′が上記のごとく領域分割され、各領域Ａ，Ｂの三角柱部の稜線（接合線）が互いに不一致であるため、入射側フライアイレンズ１４ａの入射面には、図５に示しているように、上部領域と下部領域とで異なった輝度ムラパターンで反射混合部材１３′から光が導かれる。従って、前記上部領域上の各フライアイレンズ対によって液晶表示パネル５に導かれる光束パターンと、前記下部領域上の各フライアイレンズ対によって液晶表示パネル５に導かれる光束パターンは異なるものとなり、輝度ムラが相殺されやすくなり投写映像上での輝度ムラが軽減される。

また、この実施形態では、各フライアイレンズは縦１０×横１２個のレンズセルを有してなり、上部領域と下部領域の境界はレンズセルの谷間に位置する。すなわち、前記フライアイレンズ対の入射側レンズ群におけるレンズ間谷部に反射混合部材１３′の領域境界線の像が導かれる。これによれば、領域境界線の像である暗線が各レンズ対にて液晶表示パネル５に導かれてしまうのを防止することができる。

上記の構成では、反射混合部材１３′はこれら二つの反射型光学パーツＡ，Ｂを互いにずらして接合したものとしたが、一枚の基台（ガラス基台等）を加工することによって、当該一枚の基台上に領域Ａ，Ｂを形成することができる。ただし、二つの反射型光学パーツＡ，Ｂを接合する構成の方が製造容易である。また、二領域に限らず、三領域以上に領域分けしてもよいものである。三領域とする場合には、三角柱部の稜線間ピッチの１／３の距離ずつ互いにずらせばよい。

なお、これら実施例では、透過型の液晶表示パネル５を用いたが、これに代えて反射型の液晶表示パネルを用いてもよいし、或いは、液晶表示パネルに代えて例えば微小ミラーを個別に駆動するタイプの光変調素子を用いても用いてもよいものである。また、反射混合部材１３，１３′を用いて第１，第２光源１１，１２の両光を混合するようにしたが、例えばガラス基板表面に多数の三角柱部を形成した透明部材を用い、第１，第２光源１１，１２の両光を透過屈折させて混合するようにしてもよいものである。

この発明の実施形態１の多灯式照明装置及び投写型映像表示装置の光学系を示した説明図である。 図１の構成における反射混合部材と光入射側のフライアイレンズとの配置関係を示した説明図である。 多灯式照明装置におけるピッチ比に対する色ムラの変化を示したシミュレーションによるグラフである。 この発明の実施形態２を示した図であって、同図（ａ）は反射混合部の平面図であり、同図（ｂ）は同側面図である。 この発明の実施形態２を示した図であって、入射側フライアイレンズ上での輝度パターン及び液晶表示パネル上での輝度パターンを示した説明図である。 従来構成における反射混合部と光入射側のフライアイレンズとの配置関係を示した説明図である。 従来例を示した図であって、同図（ａ）は反射混合部の平面図であり、同図（ｂ）は同側面図である。 従来例を示した図であって、入射側フライアイレンズ上での輝度パターン及び液晶表示パネル上での輝度パターンを示した説明図である。 従来の多灯式照明装置を示した説明図である。

符号の説明

１多灯式照明装置
１１第１光源
１２第２光源
１３反射合成部
１４インテグレータレンズ
５液晶表示パネル
６投写レンズ

Claims (4)

1. 第１の方向から受けた光を特定方向に導く第１光学要素と第２の方向から受けた光を前記特定方向と平行な方向に導く第２光学要素とが交互に配置された形状を有する光混合部材であって、前記第１光学要素と前記第２光学要素との接合線に垂直な線を境に少なくとも二領域に分割され、各領域の前記接合線が互いに不一致となるように構成された光混合部材と、
   前記第１の方向上に設けられて照明光を前記第１光学要素に向けて出射する第１の光源と、
   前記第２の方向上に設けられて照明光を前記第２光学要素に向けて出射する第２の光源と、
   を備えたことを特徴とする多灯式照明装置。
2. 第１の方向から受けた光を特定方向に導く第１光学要素と第２の方向から受けた光を前記特定方向と平行な方向に導く第２光学要素とが交互に配置された形状を有する光混合部材であって、前記第１光学要素と前記第２光学要素との接合線に垂直な線を境に少なくとも二領域に分割され、各領域の前記接合線が互いに不一致となるように構成され、複数の光学パーツを互いにずらして接合して成り、各光学パーツは前記第１光学要素と前記第２光学要素とが交互に配置された形状を有し、前記第１の方向からの入射光を前記第１光学要素によって前記特定方向に導き、前記第２の方向からの入射光を前記第２光学要素によって前記特定方向と平行な方向に導く光混合部材と、
   前記第１の方向上に設けられて照明光を前記第１光学要素に向けて出射する第１の光源と、
   前記第２の方向上に設けられて照明光を前記第２光学要素に向けて出射する第２の光源と、
   を備えたことを特徴とする多灯式照明装置。
3. 請求項１または２記載の多灯式照明装置を備え、前記多灯式照明装置から出射された光をライトバルブにより変調して投写する投写型映像表示装置において、
   前記多灯式照明装置の光出射側にフライアイレンズ対を備えたことを特徴とする投写型映像表示装置。
4. 請求項３に記載の投写型映像表示装置において、
   前記フライアイレンズ対の入射側レンズ群におけるレンズ間谷部に前記光混合部材の領域境界線の像が導かれることを特徴とする投写型映像表示装置。

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