JP4166261B2 - 照明装置及び投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

この発明は、照明装置及び投写型映像表示装置に関する。

液晶プロジェクタなどに用いられる照明装置としては、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等のランプと、その照射光を平行光化するパラボラリフレクタから成るものが一般的である。また、かかる照明装置においては、照射面の光量むらを軽減するために、一対のフライアイレンズによるインテグレート機能（光学デバイスにより平面内にサンプリング形成された所定形状の複数照明領域を照明対象物上に重畳集光する機能をいう）を持たせたものがある。更に、近年においては、軽量小型化等の観点から、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として用いることも試みられている（特許文献１参照）。
特開平１０−１８６５０７号公報 特開２００１−２４９４００号公報 特開平１０−２９３５４５号公報 特開平１０−３０１２０１号公報

しかしながら、発光ダイオードを用いて実用的な照明装置を得るには至っていないのが実情である。更に、半導体レーザ（ＬＤ）を用いようとする場合、そのビーム断面が楕円であったり、また、発光強度分布がガウス分布になっているなど不都合がある。この発明は、上記事情に鑑み、ガウス分布が存在する半導体レーザ等の固体発光素子を用いて実用的な照明装置及びこれを用いた投写型映像表示装置を提供することを目的とする。

この発明の照明装置は、互いに発光強度分布が相違する複数の固体発光素子を配列してなる光源と、各固体発光素子から出射された光を照明対象物へインテグレートして導くインテグレート手段と、を備えたことを特徴とする。

上記の構成であれば、固体発光素子を複数配置した光源とするため、光量の増大を図ることができると共に、各固体発光素子から出射された光は照明対象物へインテグレートされて導かれるため、照明対象物上に固体発光素子配置に対応した明暗ができてしまうのを防止することができる。更に、互いに発光強度分布が相違する複数の固体発光素子を配列してなるので、照明対象物上での各箇所の明るさを平均化することができる。この構成において、２点発光の発光ダイオードから成る固体発光素子と半導体レーザから成る固体発光素子とを混在させてもよい。

固体発光素子として半導体レーザを備え、照明対象物を液晶表示パネルとし、半導体レーザの直線偏光方向と液晶表示パネルの偏光方向とを対応させるのが望ましい。また、固体発光素子として半導体レーザを備え、その発光の楕円長手方向を照明対象物の長手方向に対応させるのがよい。また、前記固体発光素子として半導体レーザを備え、この半導体レーザからの光を前記照明対象物に導く光学系における光学素子のアスペクト比を前記照明対象物のアスペクト比に対応させると共に、前記半導体レーザの発光の楕円長手方向を前記光学素子の長手方向に対応させるのがよい。

また、この発明の投写型映像表示装置は、上述したいずれかの照明装置を備えたことを特徴とする。

以上説明したように、この発明によれば、分布が存在する半導体レーザ等の固体発光素子を用いても実用的な照明装置及びこれを用いた投写型映像表示装置を提供できるという効果を奏する。

以下、この発明の実施形態の照明装置及び投写型映像表示装置を図１乃至図８に基づいて説明していく。

図１は３板式の投写型映像表示装置の光学系を示した図である。この投写型映像表示装置は３つの照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを備える（以下、個々の照明装置を特定しないで示すときには、符号”１”を用いる）。照明装置１Ｒは赤色光を出射し、照明装置１Ｇは緑色光を出射し、照明装置１Ｂは青色光を出射する。各照明装置１から出射された光は、集光レンズ２によって各色用の液晶表示パネル３Ｒ，３Ｇ，３Ｂに導かれる（以下、個々の液晶表示パネルを特定しないで示すときには、符号”３”を用いる）。各液晶表示パネル３は、入射側偏光板と、一対のガラス基板（画素電極や配向膜を形成してある）間に液晶を封入して成るパネル部と、出射側偏光板とを備えて成る。液晶表示パネル３Ｒ，３Ｇ，３Ｂを経ることで変調された変調光（各色映像光）は、ダイクロイックプリズム４によって合成されてカラー映像光となる。このカラー映像光は、投写レンズ５によって拡大投写され、スクリーン上に投影表示される。

照明装置１は、複数のＬＤ（レーザーダイオード）チップ１１…を配置して成る光源と、各ＬＤチップ１１の光出射側に設けられた平行化レンズ１２と、フライアイレンズ対１３とから成る。前記光源は複数のＬＤチップ１１…を配置して成るので、光量の増大を図ることができる。フライアイレンズ対１３は、図２にも示しているように、一対のレンズ群１３ａ，１３ｂにて構成されており、一つのＬＤチップ１１に複数のレンズ（レンズ群）を対応させている。各ＬＤチップ１１から出射され、平行化レンズ１２にて平行化された光は、それに対応する位置のレンズ群に導かれる。このレンズ群上（受光面上）ではＬＤチップ１１の発光強度分布が反映されているが、当該レンズ群における各レンズにより、受光面上の複数箇所の光の各々が（明るい領域及び暗い領域の各々が）液晶表示パネル３へインテグレートされて導かれることになる。これにより、液晶表示パネル３上（スクリーンの映像上）にＬＤチップ１１の配置に対応した明暗ができてしまうのを防止できると共に、ＬＤチップ１１に発光強度分布が存在しても、その発光強度分布の分散化が行なわれ、液晶表示パネル３上での各箇所の明るさを平均化することができる。

また、上記の例では、ＬＤチップ１１の直線偏光方向と液晶表示パネル３の直線偏光方向を一致又は略一致させている。更に、一対のレンズ群１３ａ，１３ｂにおける各レンズのアスペクト比、平行化レンズ１２のアスペクト比、及びＬＤチップ１１の光出射部形状のアスペクト比を、液晶表示パネル３のアスペクト比に一致又は略一致させている。更に、ＬＤチップ１１の発光の楕円長手方向を液晶表示パネル３の長手方向に一致又は略一致させている。これにより、ＬＤチップ１１から出射された光が液晶表示パネル３の略全面に無駄なく導かれ光利用効率が向上する。なお、光束形状関連要素（固体発光素子、レンズセル、フライアイレンズの各レンズ、ロッドインテグレータ）のアスペクト比を表示パネルのアスペクト比と異ならせ、アナモフィックレンズにて光束を表示パネルのアスペクトに一致又は略一致させることとしてもよい。この場合、フライアイレンズ対１３の全体に対して一つのアナモフィックレンズを備えればよい。

図３には、照明装置１の変形例を示している。この図３に示している照明装置の光源は、ＬＥＤ（発光ダイオード）チップ１４と放物面ミラー１５とから成っている。かかる構成においても、一つのＬＥＤチップ１４に対して複数のレンズ（レンズ群）を対応させており、各ＬＤチップ１１から出射された光を受けてその受光領域の複数箇所の光の各々について液晶表示パネル３へインテグレートして導くようになっている。放物面ミラー１５の光出射側形状は、略方形状に形成されており液晶表示パネル３のアスペクト比に一致又は略一致している。

図４には、照明装置１の変形例を示している。なお、この例では、発光パターン（強度分布プロファイル）が異なる発光チップのペアとして、ＬＤチップとＬＥＤチップを示したが、このような組み合わせに限定されるものではない。この図４に示している照明装置は、ＬＤチップ１１Ａ…とＬＥＤチップ１１Ｂ…とがアレイ状に配置され且つ各チップ１１Ａ，１１Ｂの光出射側にレンズセル１６…を配置して成る光源と、各チップ１１Ａ，１１Ｂから出射されて前記レンズセル１６にて平行化された光を液晶表示パネル３へインテグレートして導くためのフライアイレンズ対１３とから成る。このように、チップ１１Ａ，１１Ｂをアレイ状に配置するため、光量の増大を図ることができる。レンズセル１６は、方形状に形成されており、更に、液晶表示パネル３のアスペクト比に一致又は略一致したものとなっている。フライアイレンズ対１３は、一対のレンズ群１３ａ，１３ｂにて構成されており、個々のレンズ対が各チップ１１Ａ，１１Ｂから出射された光を液晶表示パネル３の全面へ導くようになっている。ここで、ＬＤチップ１１Ａは、図５（ａ）に示すように、単一発光点を有しており、その光強度分布は、同図（ｂ）に示すように、ガウス分布をなす。一方、ＬＥＤチップ１１Ｂは、同図（ｃ）に示すように、二発光点を有しており、その光強度分布は、同図（ｄ）に示すように、中央よりもサイドにピークを持つものとなる。このように、互いに光強度分布が相違するチップ１１Ａ，１１Ｂを配列し、各チップ１１Ａ，１１Ｂから出射された光を液晶表示パネル３の全面へインテグレートして導くので、液晶表示パネル３上での各箇所の明るさを平均化することができる。レンズセル１６はモールド樹脂により光源において一体的に形成されるものに限らず、レンズセルをモールド樹脂とは別個に樹脂やガラスにより作製することとしてもよい。この場合、レンズセルとモールド樹脂（チップ１１の保護樹脂）との間に空間を形成せずに、透明樹脂層を介在させるのがよい。前記透明樹脂層の屈折率はレンズセルやモールド樹脂の屈折率に一致又は近似しているのがよい。

なお、上記のような二つのパターンの光強度分布の他、三つ或いは四つといった数多くのパターンの光強度分布を持つようにチップを構成して配列するようにしてもよい。また、各ＬＤチップ１１Ａ…の楕円状のビーム断面における長手方向が互いに異なるようにＬＤチップ１１Ａ…を配置するようにしてもよい。

図６には、照明装置１の変形例を示している。この図６に示している照明装置では、数多くのパターンの光強度分布を持つチップを用いている。この照明装置は、ＬＤチップ１１Ａ…とＬＥＤチップ１１Ｂとがアレイ状に配置され、且つ各チップ１１Ａ，１１Ｂの光出射側にレンズセル１６…を配置して成る光源と、各チップ１１Ａ，１１Ｂから出射されて前記レンズセル１６にて平行化された光を液晶表示パネル３へインテグレートして導くフライアイレンズ対１３とから成る。フライアイレンズ対１３は、一対のレンズ群１３ａ，１３ｂにて構成されており、個々のレンズ対が各チップ１１Ａ，１１Ｂから出射された光を液晶表示パネル３へ導くようになっている。液晶表示パネルに導かれる各矩形光束の断面形状は同じであるが、各矩形光束の強度分布プロファイルは異なり、液晶表示パネル２０３上での各箇所の明るさを平均化することができる。

図７には、照明装置１の変形例を示している。この図７に示している照明装置は、複数のＬＤチップ１１…を配置して成る光源と、各ＬＤチップ１１から出射された光を受けてその強度分布を変換して出射する強度分布変換プリズム２６と平行化レンズ１２とフライアイレンズ対１３とから成る。フライアイレンズ対１３は、一対のレンズ群１３ａ，１３ｂにて構成されており、一つのＬＤチップ１１に複数のレンズ（レンズ群）を対応させている。

強度分布変換プリズム２６は、例えば、図８（ａ）（ｂ）に示すように、板状楔型のプリズムから成り、肉厚の側からＬＤチップ１１のレーザ光が入射されるように配置される。レーザ光は、同図（ａ）に示すように、細長の楕円状を有してプリズム２６の入射面に入射するが、このプリズム２６において屈折及び反射面（金属等の反射体をコーティングしている）による反射の作用が与えられることで、楕円の程度が緩和された楕円又は円形となって出射される。楕円とする場合、例えば、楕円の長手方向を液晶表示パネル３の長手方向に一致又は略一致させるのがよい。

なお、以上の説明においては、インテグレート手段としてフライアイレンズ対を示したが、ロッドインテグレータを用いてもよいものである。また、ＬＤチップとしては、端面出射型に限らず、面発光レーザを用いてもよい。また、単一基板上に複数のＬＤが形成されたものを用いることもできる。また、投写型映像表示装置においては、透過型の液晶表示パネルに限らず、反射型の液晶表示パネルを用いてもよいし、これら液晶表示パネルに代えて画素となる微小ミラーを個々に駆動するタイプの表示パネルを用いることとしてもよい。また、各色光を出射する３つの照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを備えたが、白色光を出射する照明装置とし、ダイクロイックミラー等で分光したり或いは分光せずに単板のカラー表示パネルに導く構成としてもよい。白色光を出射する照明装置とする場合、各固体発光素子が白色光を出射してもよいし、赤色光と青色光と緑色光を出射する固体発光素子を適宜に並べた構成としてもよい。

また、図示はしていないが、集光レンズ２の手前位置などに偏光変換装置を設けておいてもよい。この偏光変換装置は、アレイ状に配置された偏光ビームスプリッタ（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、フライアイレンズ対１３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てそのまま出射される。一方、偏光分離膜を透過したＰ偏光はその前側（光出射側）に設けてある前記位相差板によってＳ偏光に変換されて出射される。すなわち、ほぼ全ての光はＳ偏光に変換される。前記偏光ビームスプリッタは細長い四角柱形状を有する。チップ１１の長手方向（更には、レンズセル１６、レンズ群１３ａ，１３ｂの長手方向）と前記偏光ビームスプリッタの長手方向とを一致させている。すなわち、前記偏光ビームスプリッタをＬＥＤチップ１１の短辺方向に並べており、これにより、光の利用効率が向上する。

この発明の実施形態の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の照明装置によるインテグレート作用を示した説明図である。 この発明の他の実施形態の照明装置の作用を示した説明図である。 この発明の他の実施形態の照明装置の作用を示した説明図である。 図４の照明装置におけるＬＤチップ及びＬＥＤチップの説明図である。 この発明の他の実施形態の照明装置の作用を示した説明図である。 この発明の他の実施形態の照明装置の作用を示した説明図である。 同図（ａ）（ｂ）は図７の照明装置で用いた強度分布変換プリズムを示した説明図である。

符号の説明

１ 照明装置（赤色光用：１Ｒ、緑色光用：１Ｇ、青色光用：１Ｂ）
２ 集光レンズ
３ 液晶表示パネル（赤色光用：３Ｒ、緑色光用：３Ｇ、青色光用：３Ｂ）
４ ダイクロイックプリズム
５ 投写レンズ
１１ レーザーダイオードチップ（ＬＤチップ：１１Ａ、ＬＥＤチップ：１１Ｂ）
１２ 平行化レンズ
１３ フライアイレンズ対（一対のレンズ群：１３ａ、１３ｂ）
１４ 発光ダイオードチップ
１５ 放物面ミラー
１６ レンズセル
２６ 強度分布変換プリズム

Claims (4)

1. 複数のレーザーダイオードと前記レーザーダイオードとは発光強度分布が相違する発光素子とを配列してなる光源と、前記光源から出射された光を照明対象物へインテグレートして導くインテグレート手段と、を備える照明装置において、
   前記インテグレート手段は、一対のレンズ群により構成されるフライアイレンズ対であり、
   前記フライアイレンズ対は、１つのレーザーダイオードに対して所定のレンズ対が対応すると共に１つの発光素子に対して他のレンズ対が対応するように配置され、前記レーザーダイオードと前記発光素子とから出射された光を前記照明装置へインテグレートして導く
   ことを特徴とする照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置において、
   前記発光素子は発光ダイオードであることを特徴とする照明装置。
3. 請求項１または２に記載の照明装置において、
   前記発光素子は少なくとも二つの発光点を有することを特徴とする照明装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の照明装置を備えたことを特徴とする投写型映像表示装置。

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