JP4144532B2 - 照明装置および投射型表示装置 - Google Patents
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Description
つまり、照明装置は、例えば投射型液晶表示装置に適した均一な照度分布を持つ一方の偏光を射出でき、偏光素子を新たに追加することなく、投射型液晶表示装置に用いることができ、投射型表示装置の小型化を図ることができる。
また、反射型偏光素子に反射された他方の直線偏光は、固体光源と反射型偏光素子との間を繰り返し反射している内に、一方の直線偏光に変換され、反射型偏光素子を透過することができる。そのため、固体光源から射出された光の利用効率の低下を防止することができ、液晶表示装置の照明に適した明るい光を射出することができる。
また、導光素子内に入射した光が、反射板により形成された筒形状の内面を全反射しながら伝搬するため、光の照度分布が均一化される。これにより、例えば、同様に照度分布を均一化するフライアイレンズと比較すると、導光素子の占めるスペースは小さく、照明装置の小型化を図ることができる。
また、光が導光素子内で反射を繰り返すごとにコリメート化(平行光化)されるため、形状がストレート形状の導光素子から射出された光と比較して、コリメート化された光を射出することができる。
そのため、例えば、導光素子のみで照度分布均一化された光が、投射型液晶表示装置の照明に不十分な(均一化が足りない)場合、新たに照度分布を均一化する手段を追加することなく、照度分布をさらに均一化することができ、投射型表示装置の小型化を図ることができる。
また、導光素子内に入射した光が、反射板により形成された筒形状の内面を全反射しながら伝搬するため、光の照度分布が均一化される。これにより、例えば、同様に照度分布を均一化するフライアイレンズと比較すると、導光素子の占めるスペースは小さく、照明装置の小型化を図ることができる。
また、光が導光素子内で反射を繰り返すごとにコリメート化(平行光化)されるため、形状がストレート形状の導光素子から射出された光と比較して、コリメート化された光を射出することができる。
この構成によれば、固体光源と導光素子とが直接接触しているため、固体光源から射出された光を、直接導光素子内に入射させることができる。そのため、固体光源から射出された光が外部に漏れ難くなり、光の利用効率低下を防止することができる。
この構成によれば、導光素子内に入射した光が、光透過性材料内を全反射しながら伝搬するため、光の照度分布が均一化される。
また、例えば、同様に照度分布を均一化するフライアイレンズと比較すると、導光素子の占めるスペースは小さく、照明装置の小型化を図ることができる。
この構成によれば、導光素子の光入射端面および光射出端面以外の面に、全反射角よりも大きな角度で入射する光も反射することができ、光の照度分布を均一化することができる。例えば、導光素子の光入射端面および光射出端面以外の面に反射膜が形成されていない場合と比較すると、全反射されないで透過していた光も反射でき、固体光源から射出された光の利用効率を向上させることができる。
この構成によれば、導光手段の光射出端面から射出された光を、被照明対象上に無駄なく照射することができ、固体光源から射出された光の利用効率を向上させることができる。
つまり、光射出端面の形状と被照明対象の形状とが相似形であるので、
適当な光学系を介することにより、光射出端面から射出された光の照明領域を被照明対象の形状と一致させることができ、固体光源から射出された光の利用効率を向上させることができる。
この構成によれば、導光素子の形状がテーパ形状の場合と比較して、導光素子の占めるスペースが小さく、照明装置の小型化を図ることができる。
この構成によれば、複数の固体光源に対して一つの被照明対象を対応させた場合と比較して、照明装置の占めるスペースを小さくすることができ、照明装置の小型化を図ることができる。例えば、この照明装置を投射型表示装置に用いる場合には、より小さな投射型表示装置を実現することができる。
この構成によれば、一つの固体光源に対して一つの被照明対象を対応させた場合と比較して、より多くの光を被照明対象に照射させることができる。例えば、この照明装置を投射型表示装置に用いる場合には、より明るい画像を表示することができる。
すなわち、本発明の投射型表示装置は、上記本発明の照明装置を用いることにより、明るさが均一な画像を投射することができるとともに、投射型表示装置の小型化を図ることができる。
以下、本発明における第1の実施の形態について図1から図9を参照して説明する。
まず、図1を参照しながら、本発明における第1の実施の形態に係る投射型表示装置について説明する。本実施形態の投射型表示装置は、固体光源から射出されたR(赤)、G(緑)、B(青)の異なる色光を、液晶ライトバルブによりそれぞれ空間変調して、クロスダイクロイックプリズムにより合成して、カラー画像を表示する三板式の投射型カラー表示装置である。
投射型表示装置は、図1に示すように、それぞれR、G、Bの異なる色光を射出する照明装置1r、1g、1bと、各色光を空間変調する液晶ライトバルブ(被照明対象、光変調手段)40r、40g、40bと、変調された各色光を合成してカラー画像とするクロスダイクロイックプリズム60と、カラー画像を投射する投射レンズ(投射手段)70とから概略構成されている。
LED10r、10g、10bは、電流が供給されるとそれぞれR、G、Bの色光を射出するとともに、LED10r、10g、10bには、光射出側から入射した光を再びテーパロッドレンズ20に向けて反射する光源反射膜11が配置されている。
テーパロッドレンズ20は、例えばガラスや樹脂などの光透過性を有する材料から中実な四角柱形状に形成されているとともに、図1および図2に示すように、その一方の端面(光入射端面)21から他方の端面(光射出端面)22に向かって断面積が次第に広くなるように形成されている。また、テーパロッドレンズ20は、光が入射される端面21の形状がLED10r、10g、10bと一致するように形成されているとともに、端面21とLED10r、10g、10bとの間には、テーパロッドレンズ20内への光の入射率低下を防止するために、屈折率の高い材料、例えばシリコンジェルを介在させている。
なお、上述のように一つのテーパロッドレンズ20に対して、一つのLED10r、10g、10bが用いられてもよいし、一つのテーパロッドレンズ20に対して、複数のLED10r、10g、10bが用いられてもよい。
なお、上述のように、2つのテーパロッドレンズ20を並列に配置してもよいし、さらに多くのテーパロッドレンズ20を並列またはマトリクス状に配置してもよい。
WGP30は、図1に示すように、テーパロッドレンズ20の端面22と同一形状に形成されるとともに、端面22と直接接触するように配置されている。WGP30を端面22と直接接触するように配置することで、端面22とWGP30との隙間から光が漏れることを防止することができ、光の利用効率低下を防止することができる。
また、WGP30は、図3に示すように、ガラス基板32上にアルミニウムなどの光反射性を有する金属からなる多数のリブ31が形成されたグリッド偏光子であり、リブ31は、入射光の波長よりも小さいピッチで形成されている。
なお、上述のようにWGP30とテーパロッドレンズ20とを別々に形成してもよいし、テーパロッドレンズ20の端面22に直接WGP30を形成してもよい。端面22に直接WGP30を形成することにより、端面22とWGP30との隙間から光が漏れることをより確実に防止することができ、光の利用効率低下を防止することができる。
なお、上述のように、WGP30を端面22上に接触するように配置してもよいし、図4に示すように、テーパロッドレンズ20の中、つまり端面21と端面22との間に配置してもよい。
また、液晶ライトバルブ40r、40g、40bには、画素スイッチング用素子として薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor、以下、TFTと略記する)を用いたTN(Twisted Nematic)モードのアクティブマトリクス方式透過型液晶セルが使用されている。
そして、液晶ライトバルブ40r、40g、40bは、変調した色光がクロスダイクロイックプリズム60の異なる面に入射されるように配置されている。
クロスダイクロイックプリズム60のカラー画像光の射出面には、投射レンズ70が配置され、カラー画像光をスクリーン71に投射している。
なお、LED10r、10g、10bから射出された各色光についての作用は同一であるので、LED10rから射出された色光Rについての作用を説明し、その他の色光G、Bについての作用は説明を省略する。
LED10rに電流が供給されると、図1に示すように、LED10rから色光Rがテーパロッドレンズ20に向けて射出される。
テーパロッドレンズ20内に入射した色光Rは、図5に示すように、テーパロッドレンズ20内で全反射を繰り返すことにより、その照度分布が均一化され端面22に向けて伝搬する。また、色光Rが端面22に向けて伝搬しながら、テーパロッドレンズ20内で全反射するたびにコリメート化(平行光化)される。その後、色光Rは、端面22からWGP30に入射される。
このように、WGP30を透過しないs偏光は、WGP30と光源反射膜11との間のテーパロッドレンズ20内を行き来するが、S偏光は常にこの偏光方向を維持しているわけではなく、テーパロッドレンズ20の内面で反射するときに偏光方向が回転して一部はP偏光に変換される。
そして、p偏光の状態でWGP30に到達するとWGP30を透過することができる。
クロスダイクロイックプリズム60には、同様に、映像信号に基づいて変調された色光Gのp偏光および色光Bのp偏光も入射される。これらの色光が、赤色光を反射するミラー面と青色光を反射するミラー面によって合成されてカラー画像を表す光が形成され、投射レンズ70に向けて射出される。投射レンズ70は、カラー画像を表す光をスクリーン71に向けて拡大投射して、カラー画像を表示する。
また、WGP30に反射されたs偏光は、光源反射膜11とWGP30との間を繰り返し反射している内に、p偏光に変換され、WGP30を透過することができる。そのため、LED10r、10g、10bから射出された光の利用効率の低下を防止することができ、投射型液晶表示装置の照明に適した明るい光を射出することができる。
図6に示す構成をとることにより、複数のテーパロッドレンズ20およびLEDに対して一つの液晶ライトバルブを対応させた場合と比較して、照明装置1r、1g、1bの占めるスペースを小さくすることができ、照明装置1r、1g、1bの小型化を図ることができる。
なお、テーパロッドレンズ20は、上述のように光透過性材料のみから中実に形成されてもよいし、図7に示すように、その側面(光が入射する端面21および光が射出する端面22以外の面)に光を反射する反射膜23が形成されていてもよい。
この構成によれば、テーパロッドレンズ20の端面21および端面22以外の面に、全反射角よりも大きな角度で入射する光も反射することができ、光の照度分布をより均一化することができる。例えば、テーパロッドレンズ20の端面21および端面22以外の面に反射膜23が形成されていない場合と比較すると、全反射されないで透過していた光も反射でき、LED10r、10g、10bから射出された光の利用効率を向上させることができる。
なお、テーパロッドレンズ20が、図8に示すように、反射面(光反射面)24を設けたガラスまたは金属板などの反射板25を筒状に貼り合わせが中空ロッドであってもよい。
この構成によれば、テーパロッドレンズ20内に入射した光が、反射板25により形成された筒形状の内面(反射面24)を反射しながら伝搬するため、光の照度分布が均一化される。また、例えば、フライアイレンズと比較すると、素子の占めるスペースは小さく、照明装置の小型化を図ることができる。
また、反射板25を金属板から形成し、テーパロッドレンズ20を金属鏡筒として形成する場合には、テーパロッドレンズ20を金属板からプレス加工で形成することができ、比較的容易に製造することができる。
なお、上述のようにテーパ形状のテーパロッドレンズ20を用いてもよいし、図9(a)に示すように、光を透過する材料から形成されるとともに、一方の端面21から他方の端面22に到るまで断面積、断面形状が変化しない中実な四角柱形状のロッドレンズ20Aを用いてもよいし、図9(b)に示すように、反射面24を設けた反射板25を筒状に貼り合せた中空ロッドであってもよい。
この構成によれば、ロッドレンズの形状がテーパ形状の場合と比較して、ロッドレンズ20Aの占めるスペースが小さく、照明装置1r、1g、1bの小型化を図ることができる。
次に、本発明における第1の実施形態の第1変形例について図10および図11を参照して説明する。
本変形例の投射型表示装置の基本構成は、第1の実施の形態と同様であるが、第1の実施の形態とは、照明装置の構成が異なっている。よって、本実施の形態においては、図10および図11を用いて照明装置周辺のみを説明し、液晶ライトバルブ等の説明を省略する。
図10は、本変形例における投射型表示装置を示す概略図である。
投射型表示装置は、図10に示すように、それぞれR、G、Bの異なる色光を射出する照明装置101r、101g、101bと、各色光を空間変調する液晶ライトバルブ40r、40g、40bと、変調された各色光を合成してカラー画像とするクロスダイクロイックプリズム60と、カラー画像を投射する投射レンズ70とから概略構成されている。
照明装置101r、101g、101bは、図11に示すように、照明光としての各色光を射出するLED10r、10g、10bと、各色光の照度分布を均一化するロッドレンズ(導光素子)120と、WGP30とから構成されている。
ロッドレンズ120は、メインロッドレンズ(導光素子)121と、テーパロッドレンズ20とから構成されている。メインロッドレンズ121は、例えばガラスや樹脂などの光透過性を有する材料から中実な四角柱形状に形成されているとともに、その一方の端面(光入射端面)122から他方の端面(光射出端面)123まで同一断面積および同一断面形状に形成されている。また、メインロッドレンズ121は、光が射出される端面123の形状が液晶ライトバルブの形状と一致するように形成されている。
なお、LED10r、10g、10bから射出された各色光についての作用は同一であるので、LED10rから射出された色光Rについての作用を説明し、その他の色光G、Bについての作用は説明を省略する。
LED10rに電流が供給されてから、WGP30から色光Rのp偏光が透過するまでの作用は、第1の実施の形態と同様であるので、図1および図2を示して、その説明を省略する。
WGP30を透過した色光Rのp偏光は、端面122からメインロッドレンズ121に入射し、メインロッドレンズ121内で全反射を繰り返し、その照度分布がさらに均一化され端面123から液晶ライトバルブ40rに向けて射出される。
色光Rのp偏光が液晶ライトバルブ40rに入射された後の作用は、第1の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
次に、本発明における第2の実施の形態について図12を参照して説明する。
本実施の形態に係る投射型表示装置は、固体光源から射出された白色光を、カラーフィルタを備えた液晶ライトバルブにより空間変調して、カラー画像を表示する単板式の投射型カラー表示装置である。なお、第1の実施の形態と同じ構成要素には、同じ符号を付しその説明を省略する。
図12は、本実施の形態に係る投射型表示装置の概略を示す図である。
投射型表示装置は、図12に示すように、白色光を射出する照明装置150と、白色光を空間変調してカラー画像を形成する液晶ライトバルブ(光変調手段)160と、カラー画像を投射する投射レンズ70とから概略構成されている。
LED10wは、電流が供給されると白色光を射出するとともに、LED10wには、光射出側から入射した光を再びテーパロッドレンズ20に向けて反射する光源反射膜11が配置されている。
また、液晶ライトバルブ160には、画素スイッチング用素子として薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor、以下、TFTと略記する)を用いたTN(Twisted Nematic)モードのアクティブマトリクス方式透過型液晶セルが使用されている。
さらに、液晶ライトバルブ160の光が入射する面には、白色光を液晶ライトバルブ160の画素に対応してR、G、Bの色光に変換するカラーフィルタ(図示せず)が配置されている。
LED10wに電流が供給されると、図12に示すように、LED10wから白色光がテーパロッドレンズ20に向けて射出される。
テーパロッドレンズ20内に入射した白色光は、その照度分布が均一化されるとともに、コリメート化(平行光化)され、端面22からWGP30に向けて射出される。
そして、p偏光の状態でWGP30に到達するとWGP30を透過することができる。
次に、本発明の第3の実施形態について図13から図15を参照して説明する。
本実施の形態に係る投射型表示装置の基本構成は、第1の実施の形態と同様であるが、第1の実施の形態とは、照明装置の構成が異なっている。よって、本実施の形態においては、図13および図15を用いて照明装置周辺のみを説明し、クロスダイクロイックプリズム等の説明を省略する。
図13は、本実施の形態に係る投射型表示装置の概略を示す図である。
投射型表示装置は、図13に示すように、それぞれR、G、Bの異なる色光を射出する照明装置170r、170g、170bと、各色光を空間変調する液晶ライトバルブ40r、40g、40bと、変調された各色光を合成してカラー画像とするクロスダイクロイックプリズム60と、カラー画像を投射する投射レンズ70とから概略構成されている。
光拡散素子180は、図13に示すように、テーパロッドレンズ20の端面22と同一形状に形成されるとともに、端面22と直接接触するように配置されている。
また、光拡散素子180は、図14に示すように、例えばガラスや樹脂などの透光性材料からなる基板181上に、同じく透光性材料からなる多数の台形柱182が形成された光拡散素子である。光は基板181側から入射し、台形柱182から射出されるときに周囲との屈折率の違いにより屈折して射出される。
なお、上述のように光拡散素子180として台形柱182が形成されたものを用いてもよいし、図15(a)に示すように、透光性材料からなる多数の三角柱183が形成されたものでもよいし、図15(b)に示すように、透光性材料からなる多数の半円柱184が形成されたものでもよいし、図15(c)に示すように、透光性材料からなる多数の半球182が形成されたものでもよい。
なお、上述のように、光拡散素子180を端面22上に接触するように配置してもよいし、テーパロッドレンズ20の中、つまり端面21と端面22との間に配置してもよい。
なお、LED10r、10g、10bから射出された各色光についての作用は同一であるので、LED10rから射出された色光Rについての作用を説明し、その他の色光G、Bについての作用は説明を省略する。
LED10rに電流が供給されると、図13に示すように、LED10rから色光Rがテーパロッドレンズ20に向けて射出される。
端面22から射出された色光Rは、図14に示すように、光拡散素子180の基板181側から入射する。そして、台形柱182から射出されるときに周囲との屈折率の違いにより屈折して射出され、さらにその照度分布が均一化される。
クロスダイクロイックプリズム60には、同様に、映像信号に基づいて変調された色光Gおよび色光Bも入射される。これらの色光が、赤色光を反射するミラー面と青色光を反射するミラー面によって合成されてカラー画像を表す光が形成され、投射レンズ70に向けて射出される。投射レンズ70は、カラー画像を表す光をスクリーン71に向けて拡大投射して、カラー画像を表示する。
例えば、上記の実施の形態においては、WGP30と、光拡散素子180とを別々に備えた実施の形態に適応して説明したが、このように、WGP30と、光拡散素子180とを別々に備えた実施の形態に限られることなく、WGP30と、光拡散素子180とをともに備えた実施の形態など、その他各種の実施の形態に適応することができるものである。
なお、WGP30と、光拡散素子180とをともに備えた実施の形態の場合、LED側からWGP30、光拡散素子180の順に配置することが望ましい。この配置とすることにより、光源反射膜11とWGP30とによる光のリサイクル効率低下を防止することができる。
Claims (5)
- 光を射出する固体光源と、前記固体光源から射出された光の照度分布を均一化する導光素子と、前記固体光源から射出された光が入射される反射型偏光素子と、を有し、
前記反射型偏光素子が、前記導光素子の内部に配置され、
前記固体光源は、前記反射型偏光素子により反射された光を光源反射膜により反射し、
前記導光素子は、光を反射する反射板を筒形状に配置してなり、該筒形状は内面が光反射面をなすとともに前記固体光源から被照明対象に向けて、その断面積が広くなるテーパ形状であり、
前記導光素子の光入射端面が、少なくともその外周部において、前記固体光源の光射出側の面と直接接触し、前記反射型偏光素子は前記導光素子の中央部に対して前記光入射端面側に配置されることを特徴とする照明装置。 - 前記導光素子の光射出端面の形状が、被照明対象の形状と相似形であることを特徴とする請求項1に記載の照明装置。
- 一つの前記固体光源に対して、一つの被照明対象が対応していることを特徴とする請求項1又は2に記載の照明装置。
- 複数の前記固体光源に対して、一つの被照明対象が対応していることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の照明装置。
- 光を照射する照明装置と、照射された光を変調する光変調手段と、変調された光を投射する投射手段と、を有する投射型表示装置であって、
前記照明装置が、請求項1から4のいずれかに記載の照明装置であることを特徴とする投射型表示装置。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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