JP4247042B2 - 投写型表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は投写型表示装置に関し、特に光源からの投写光量を途中で減少させることなく投写画像の色合いを自在に調整することも可能な投写型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の投写型表示装置は、所定の光源より出射される照明光を赤色、緑色、青色の波長帯域に分離して液晶パネル等の光空間変調素子によりそれぞれ変調したのち、これら光空間変調素子の出射光を同一光軸上に重畳し、スクリーンに投写することによりカラーの画像を形成するようになされている。このような投写型表示装置においては、光源として可視光の波長帯域で発光効率の高い例えば超高圧水銀ランプを使用することにより、効率良く照明光を出射することができるようになされている。
【０００３】
一方、超高圧水銀ランプは図２３に概略の発光スペクトルを示すように、青色の波長帯域である４４０ｎｍ近辺の波長帯域、及び緑色の波長帯域である５５０ｎｍ近辺の波長帯域においては、十分な光量があるのに対し、赤色の波長帯域である６００ｎｍ以上の波長帯域においては、これら青色、緑色の波長帯域に比して、十分な光量を確保できないという特性があるため、従来の投写型表示装置においては、これら青色、緑色の波長帯域の出射光量を意図的に減衰して赤色の波長帯域の出射光量との比率調整を図り、適切な色合いを得るようになされている。
【０００４】
ところが、このように青色、緑色の波長帯域の出射光量を減衰して赤色の波長帯域の出射光量との比率調整を図ると、結局、光源から出射された照明光の一部が光損失となり、表示画面が暗くなるという問題があった。これに対して、例えば特開２００２−２９６６８０号公報（特許文献１）に開示された画像表示装置のように、超高圧水銀ランプからなる主の光源と発光ダイオード等からなる副の光源を設け、副の光源光に比して主の光源光の光量が少ない所定の波長帯域において、主の光源光を副の光源光に置き換えるようになされた発明が提案されている。
【０００５】
この構成によれば、主の光源光の発光スペクトラムの所定の波長帯域を副の光源光により強調して照明光を生成する照明光合成手段を有しているので、主の光源光の損失を可及的に抑制し、主の光源及び副の光源より出射される照明光を効率良く利用して、良好な色再現性と明るい画像の形成の両立が可能となるといった利点がある（例えば特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２９６６８０号公報（第３頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の投写型表示装置は、主の光源光の一部の波長領域を副の光源光と完全に置き換える構成となっているので、主の光源光の一部の波長領域は原理的には光損失となっており、光利用効率の更なる向上のためには阻害要因となっていた。
【０００８】
この発明は、上記のような従来技術の課題を解消するためになされたものであり、原理的に光損失が少なく、投写光束量を減少させることなく良好な色合いの投写画像が得られる投写型表示装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明によるの投写型表示装置は、ランプからの出射光を光変調素子により変調し映像表示する投写型表示装置において、上記ランプの発光波長領域の内、光強度を補うべき波長領域の光を出射する補助発光素子と、上記ランプの光を反射させる凹面反射鏡と、この凹面反射鏡から出射された光を順次入射させるように配設された第１のアレイレンズ及び第２のアレイレンズとを備え、上記凹面反射鏡と第１のアレイレンズとの間もしくは上記第１のアレイレンズと第２のアレイレンズとの間であって、上記凹面反射鏡の光軸に直交する同一平面内の上記凹面反射鏡の光軸中心近傍および周辺部のランプの光強度の小さい部分にそれぞれ上記補助発光素子を配設し、この補助発光素子の出射光を上記ランプからの出射光に重畳付加するようにしたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１ないし図５は本発明を実施するための実施の形態１による投写型表示装置を説明するための図であり、図１は光学系の全体構成を概略的に示す構成図、図２は図１の光学系の一部を直線状に展開して示す光路図、図３は第１のアレイレンズと半導体発光素子の立体的な配置を光入射方向（ランプ側）から示す斜視図、図４は第１のアレイレンズの面内におけるランプからの光束の強度分布の例を示す特性図、図５は用いた偏光変換素子近傍の構造を説明する要部断面図である。なお、各図を通じて同一符合は同一もしくは相当部分を示すものとする。
【００１１】
図１において、超高圧水銀ランプなどの主光源（以下、単にランプという）１は、凹面反射鏡２の内部に保持されている。凹面反射鏡２の前方の光路上には、第１のアレイレンズ４、第２のアレイレンズ５、偏光変換素子６、リレーレンズ７、及び反射鏡１３が順次配設され、補助発光素子としての半導体発光素子３は、この実施の形態１では上記凹面反射鏡２と第１のアレイレンズ４との間における所定位置に設けられている。
【００１２】
なお、８〜１２はリレーレンズ、１４〜１６は反射鏡、１７〜１８は誘電体多層膜ミラー、１９〜２４は偏光板、２５〜２７は光空間変調素子、２８は色合成プリズム、２９は投写レンズである。また、その他付随する例えば機械的な調整構成、電気的な制御回路などは図示を省略しているが、公知の従来技術は何れも特別な制限なく用いることができることは言うまでもない。
【００１３】
次に上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。図１、図２に示すように、投写型表示装置のランプ１から出射した光は、凹面反射鏡２で反射され、略平行光束１００となる。光束１００は第１のアレイレンズ４を構成する要素レンズ４ａに入射する。
【００１４】
要素レンズ４ａを出射した光束１０１は、徐々に集光されながら、第２のアレイレンズ５の対応する要素レンズ５ａに入射後、偏光変換素子６に入射する。この偏光変換素子６は、図５に示すように断面がひし形の短冊状透明材料を多数接着により積層した板状光学素子である。各短冊の斜面には偏光分離面４０と全反射面４１が交互に設置されている。なお図５において、４２は１／２波長板である。
【００１５】
偏光変換素子６に入射した光束１１０は、偏光分離面４０により、Ｐ偏光（紙面に平行方向に電界ベクトルを有する光）１１０ＰとＳ偏光（紙面に垂直方向に電界ベクトルを有する光）１１０Ｓに分離される。Ｐ偏光１１０Ｐは偏光分離面４０を透過し、Ｓ偏光１１０Ｓは偏光分離面４０で反射される。反射されたＳ偏光１１０Ｓは全反射面４１により９０度伝播方向を曲げられ、１／２波長板４２を透過することにより偏光面が９０度回転されＰ偏光となる。これら一連の動作によりランプ１からのランダム偏光光が単一の直線偏光光（本例ではＰ偏光光）に変換される。
【００１６】
上記のようにしてＰ偏光光に変換された光束は、リレーレンズ７を通過後光束１０２となる。光束１０２はリレーレンズ１１により略平行光束となり光空間変調素子２６を照明する。光空間変調素子２６を透過した光束は、光合成プリズム２８を透過後、投写レンズ２９によりスクリーン（図示省略）などに映像が映し出される。
【００１７】
なおこの実施の形態１では、光束１０２は、リレーレンズ７を通過後、光空間変調素子２６に到る途中で、誘電体多層膜ミラー１７及び１８により、それぞれ赤色帯域、青色帯域の成分が反射され光空間変調素子２５及び２７へと分配される。従って、光空間変調素子２６に到る光束は緑色帯域の波長の光となる。ただし、これら３色の波長帯域の分配順序は任意であって、もとよりこの実施の形態に限定されるものではない。
【００１８】
一方、補助発光素子としての半導体発光素子３は、図３に示すように第１のアレイレンズ４の略中心部と周辺四隅部に設置されており、発光波長が青色帯域または赤色帯域のもののどちらか一方のみ、あるいは双方の混成となっている。なお、補助発光素子として好ましく用いることができるものとしては、例えば発光ダイオードやレーザーダイオードなどの半導体発光素子を挙げることができる。また、第１のアレイレンズ４の面内におけるランプ１からの光束の強度分布は、通常図４に示すように中抜けのドーナツ状となっており、しかも周辺部の光強度も弱いので、前記半導体発光素子３によるランプ１からの光束のケラレはほとんど発生しない。
【００１９】
上記半導体発光素子３を出射した光束は、第１のアレイレンズ４を構成する要素レンズ４ｂに入射する。なお、第１のアレイレンズ４は、図３に示すように略矩形状の多数のレンズが碁盤目状に規則的に配置されたような構造となっている。その後、要素レンズ４ｂを出射した光束は、前記動作と同様にしてＰ偏光光に偏光方向が統一され、リレーレンズ１１により略平行光束となり光空間変調素子２６を照明する。
【００２０】
以上の動作により、主たる光源であるランプ１を発した光束、補助発光素子である半導体発光素子３を発した光束が、偏光変換素子６の上で、重畳付加され強度分布、色度分布が均一な照明がなされる。
【００２１】
以上説明したように、この実施の形態１によれば、半導体発光素子３よりなる補助発光素子を、ランプ１からの光束をほとんど遮らない光強度の弱い位置に配設し主光源であるランプ１の光束に付加重畳するようにしたので、主たる光源であるランプ１からの光束の損失が非常に少なくなり、明るく、しかも色合いの良好な画像が再現できる。さらに、半導体発光素子３の光量を電気的に調節するようにした場合には投写画面の色合いを任意に調整することも可能となる。
【００２２】
なお第１のアレイレンズ４において、半導体発光素子３に対応する要素レンズ４ｂと、それ以外のランプ１からの光束が通過する要素レンズ４ａのレンズ特性（焦点距離及び面形状）を、それぞれに適したように個別に設定すると、光学系の光伝送効率が向上し、更に明るく、色合いの良好な画像が再現できる。また、上記実施の形態１においては、光空間変調素子２５〜２７は透過型として説明したが、反射型の素子を用いた場合でも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００２３】
実施の形態２．
図６及び図７は実施の形態２による投写型表示装置を説明する図であり、図６は補助発光素子の配置を示す要部構成図、図７は半導体発光素子からの光束の伝播動作を説明するための光路図である。図に示すように、この実施の形態２においては補助発光素子である例えば赤色波長領域の光を発光する半導体発光素子３は、凹面反射鏡２と第１のアレイレンズ４との間における凹面反射鏡２からの光束１００の両外側に対向して配設され、また、この半導体発光素子３から光軸Ａに交差する方向に出射された光束を光束１００と略平行な向きに反射させるための三角柱プリズム５０が該半導体発光素子３の出射方向前方にそれぞれ配設されている。その他の構成は、上記図１に示した実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【００２４】
次に動作について説明する。半導体発光素子３を出射した光束は、三角柱プリズム５０の入射面５０ａに入射する。入射面５０ａを透過した光束は、斜面５０ｂにより空気と三角柱プリズムの材質との屈折率差により全反射され、その伝播方向が略９０度曲げられる。
【００２５】
斜面５０ｂで全反射された光束は、出射面５０ｃより三角柱プリズム５０を出射し、第１のアレイレンズ４の対応する要素レンズ４ａに入射する。第１のアレイレンズ４を出射した光束は、第２のアレイレンズ５，偏光変換素子６，リレーレンズ７を通過後、反射鏡１３によりその伝播方向が９０度曲げられる。反射鏡１３より先の動作は、図１に示した実施の形態１の投写型表示装置と同様であるのでここでは説明を省略する。
【００２６】
以上説明したようにこの実施の形態２によれば、半導体発光素子３をランプ１からの光照射範囲から外した位置に設けるようにしたので、ランプ１からの直接光で照射されなくなり、半導体発光素子３の温度上昇が抑制される。このため半導体発光素子３の発光効率低下、すなわち光量減少が抑制され、投写画面の色合い調整範囲を十分確保することが可能となる。
【００２７】
なお、上記半導体発光素子３は、ランプ１からの光束１００の外側に三角柱プリズム５０と共に２組設けた例で説明したが、これに限定されるものではない。例えば３組以上設けても良いし、また、一つの三角柱プリズム５０に対して複数の半導体発光素子３を配設し、それら複数の半導体発光素子からの出射光を集光して一つの入射面５０ａに入射させることなども差し支えない。
【００２８】
実施の形態３．
図８ないし図１０は実施の形態３による投写型表示装置の要部構成を説明するための図であり、図８は光源部分を模式的に示す構成図、図９は第１のアレイレンズ近傍の立体的な配置を光入射方向（ランプ側）から示す斜視図、図１０は半導体発光素子を出射した光束の伝播動作を模式的に示す説明図である。図において、６０は直方体の一端部が斜めに切断された形状の斜面６０ｃを有する一対の導光体である。
【００２９】
該導光体６０は、図に示すようにその斜面６０ｃを光軸の中心部近傍で対向させ、第１のアレイレンズ４の手前側（光の入射方向）中心部を横断する如く横長に延在して設けられ、光軸の外側の各入射面６０ａを半導体発光素子３の出射面にそれぞれ対向させて図の左右対称的に配設されている。その他の構成は上記実施の形態２の投写型表示装置と略同様であるので説明を省略する。
【００３０】
次に動作について説明する。半導体発光素子３を出射した光束は、導光体６０の入射面６０ａに入射する。入射面６０ａを透過した光束は、導光体６０の側面６０ｂを空気層との屈折率差による界面反射により繰り返し全反射しながら、斜面６０ｃに到達する。斜面６０ｃにおいても空気層との界面反射により全反射され、伝播方向が９０度曲げられる。
【００３１】
斜面６０ｃで反射された光束は、導光体６０を出射し、第１のアレイレンズ４の対応する要素レンズ４ｃに入射する。第１のアレイレンズ４を出射した光束は、第２のアレイレンズ５，偏光変換素子６，リレーレンズ７を通過後、反射鏡１３により伝播方向が９０度曲げられる。反射鏡１３より先の動作は、図１に示した実施の形態１の投写型表示装置と同一であるのでここでは説明を省略する。
【００３２】
以上説明したように本実施の形態によれば、半導体発光素子３にランプ１からの直接光が照射されることなく第１のアレイレンズ４の中心部近傍から光を出射することができるので、ランプ１からの直接光で照射されなくなり、半導体発光素子３の温度上昇が抑制されると同時に、中心部近傍の光強度の弱い領域を有効に活用することができる。このため半導体発光素子３の発光効率低下、すなわち光量減少の抑制と、搭載可能な半導体発光素子の数量が増大され、投写画面の色合い調整範囲を十分確保することが可能となる。
【００３３】
実施の形態４．
図１１及び図１２は実施の形態４に係る投写型表示装置の要部を説明する図であり、図１１は光源部分の配置を模式的に示す構成図、図１２は用いたプリズム部において、ランプと半導体発光素子から発した光束の伝播動作を説明するための光路図である。図において、７０は三角柱プリズム７１、７２をその斜面を僅かな間隙を設けて互いに対向設置した三角柱プリズムユニットである。その他の構成は、上記実施の形態２の投写型表示装置と実質的に同様であるので説明を省略する。
【００３４】
次に動作について説明する。なお、この実施の形態４においては図１２に示す三角柱プリズム７１、７２の屈折率ｎを１．６とし、三角柱プリズム７１及び７２の頂角を図１２に示したように設定するものとする。（即ち、対向面側の一方の頂角を何れのプリズムとも３８°、三角柱プリズム７１の入射面７１ａと出射面７１ｃとの頂角を１０２°、三角柱プリズム７１の斜面７１ｂの法線に対する半導体発光素子からの入射角を４０°としている。）
【００３５】
図１２に示すように、半導体発光素子３を出射した光束は、三角柱プリズムユニット７０の第１の三角柱プリズム７１の入射面７１ａに入射する。入射面７１ａを透過した光束は、斜面７１ｂにより空気と三角柱プリズムの材質との屈折率差により全反射され、伝播方向が略８０度曲げられる。斜面７１ｂで反射された光束は、出射面７１ｃより三角柱プリズム７１を出射し、第１のアレイレンズ４の対応する要素レンズ４ａに入射する。第１のアレイレンズ４を出射した光束は、第２のアレイレンズ５，偏光変換素子６，リレーレンズ７を通過後、反射鏡１３により伝播方向が９０度曲げられる。
【００３６】
また、ランプ１からの光束は、三角柱プリズムユニット７０の第２の三角柱プリズム７２の入射面７２ａに入射する。入射面７２ａを透過した光束は、斜面７２ｂ、７１ｂを透過し、出射面７１ｃより三角柱プリズム７１を出射し、第１のアレイレンズ４の対応する要素レンズ４ａに入射する。第１のアレイレンズ４を出射した光束は、第２のアレイレンズ５，偏光変換素子６，リレーレンズ７を通過後、反射鏡１３により伝播方向が９０度曲げられる。反射鏡１３より先の動作は、図１に示した実施の形態１の投写型表示装置と同一であるのでここでは説明を省略する。
【００３７】
なお、この実施の形態４では、三角柱プリズム７１の屈折率と頂角を上記図１２の通り設定したが、特にこれに限定されるものではなく、半導体発光素子３からの光束が第１の三角柱プリズム７１の斜面７１ｂで全反射され、ランプ１からの光束が斜面７２ｂで全反射されないような組み合わせとなっていればよい。
【００３８】
以上説明したようにこの実施の形態４によれば、半導体発光素子３をランプ１からの光照射範囲から外れた位置に配設したので、ランプ１からの直接光で照射されなくなり、半導体発光素子３の温度上昇が抑制される。さらに光量は少ないものの周辺部のランプ光束も有効活用できるようになる。このため半導体発光素子３の発光効率低下、すなわち光量減少の抑制と、総光量の増大が図れ、投写画面の色合い調整範囲を十分確保しつつ画面を明るくすることが可能となる。
【００３９】
実施の形態５．
図１３は本発明を実施するための実施の形態５による投写型表示装置の構造の一部を説明するための要部構成図である。図に示すように、この実施の形態５では、凹面反射鏡２と第１のアレイレンズ４との間部分を横切るように台形プリズム７３を配設し、この台形プリズム７３の両端部にそれぞれ設けられた入斜面の外方に三角柱プリズム７１を介して半導体発光素子３をそれぞれ配設したものであり、台形プリズム７３を中心部に三角柱プリズム７１と半導体発光素子３が左右対称的に形成されている。なお、その他の構成は上記実施の形態４の投写型表示装置と実質的に同一構成であるので説明を省略する。
【００４０】
本実施の形態５は、実施の形態４で説明した三角柱プリズム７２の替わりに、台形プリズム７３を設置したものに相当する。この実施の形態５のように台形プリズム７３を設置すると、実施の形態４において、三角柱プリズムユニット７０を通過する光束と、三角柱プリズムユニット７０を通過しない光束との光学距離を一致させることができる。その他の動作については実施の形態４と基本的に同じであるので説明を省略する。
【００４１】
以上説明したように本実施の形態５によれば、半導体発光素子３をランプ１からの光照射範囲から外れた位置に配設したので、ランプ１からの直接光で照射されなくなり、半導体発光素子３の温度上昇が抑制される。また光量は少ないものの周辺部のランプ光束も有効活用できるようになる。さらにランプ１からの光束の伝播光路長を一定に保つことができるので、光利用効率が向上する。このため半導体発光素子３の発光効率低下、すなわち光量減少の抑制と、総光量の更なる増大が図れ、投写画面の色合い調整範囲を十分確保しつつ画面を明るくすることが可能となる。
【００４２】
実施の形態６．
図１４は実施の形態６による投写型表示装置の要部構造を示す構成図である。図に示すようにこの実施の形態６においては、補助発光素子である半導体発光素子３は第１のレンズアレイ４と第２のレンズアレイ５の間における第２のレンズアレイ５の側に近接させた位置に配設されている。なお、その他の構成は上記図１に示した実施の形態１の投写型表示装置と実質的に同一構成であるので説明を省略する。
【００４３】
本実施の形態６においては、実施の形態１で説明した投写型表示装置において、半導体発光素子３の設置位置を、第１のアレイレンズ４と第２のアレイレンズ５の間に変更したものである。基本的な動作は実施の形態１とほぼ同様であるのでここでは説明を省略する。
【００４４】
上記のようにこの実施の形態６によれば、半導体発光素子３をランプ１から離れた位置に設置するようにしたので、ランプ近傍の高温空気との接触や輻射熱の影響が少なくなり、半導体発光素子３の温度上昇が抑制される。このため半導体発光素子３の発光効率低下、すなわち光量減少が抑制され、投写画面の色合い調整範囲を十分確保することが可能となる。
【００４５】
なお、この実施の形態６では、便宜上実施の形態１の変形例をもとに説明しているが、特にこれに限定されるものではなく、例えば実施の形態２ないし５に示す補助発光素子及びプリズムなどの光学素子を第１のアレイレンズと第２のアレイレンズとの間に配設すること、異なる実施の形態相互の要素を組み合わせることなども差し支えなく、いずれの場合も同様の効果が期待できる。
【００４６】
実施の形態７．
図１５は実施の形態７による投写型表示装置の要部を模式的に示す構成図である。図において、８０は半導体発光素子３に密着固定され、該半導体発光素子３を冷却するためのヒートシンクである。その他の構成は、上記図１１に示した実施の形態４の投写型表示装置と略同一であるので説明を省略する。
【００４７】
この実施の形態７は、実施の形態４で説明した投写型表示装置における半導体発光素子３の背面部にヒートシンク８０を設置したものに相当し、これにより半導体発光素子３の温度上昇が抑制される。その他の基本的な動作は実施の形態４と同じであるのでここでは説明を省略する。
【００４８】
以上説明したように本実施の形態７によれば、半導体発光素子３の背面にヒートシンク８０を設置したので、放熱効率が向上し温度上昇を効果的に抑制することができる。このため半導体発光素子３の発光効率低下、すなわち光量減少が抑制され、投写画面の色合い調整範囲を一層十分に確保することが可能となる。
【００４９】
なお、本実施の形態７では、実施の形態４の構成をもとにしているが、とくにこれに限定されるものではなく、その他の実施の形態と組み合わせても同様の効果を奏することは言うまでもない。
【００５０】
実施の形態８．
図１６は実施の形態８による投写型表示装置の要部を模式的に示す構成図である。図において、８１は一端部が半導体発光素子３に熱的に結合され、他端部がヒートシンク８０に熱的に結合して設けられ、上記半導体発光素子３から発生する熱を放散するためのヒートパイプである。その他の構成は実施の形態４の投写型表示装置と実質的に同一構成であるので説明を省略する。
【００５１】
本実施の形態８は、実施の形態４で説明した投写型表示装置において、半導体発光素子３の背面部にヒートパイプ８１の受熱部を密着させ、ヒートパイプ８１の他端部にヒートシンク８０を設置し、半導体発光素子３から発生する熱を該半導体発光素子３から離れた位置で放熱するようにしたものである。その他の基本的な動作は実施の形態４と同じであるのでここでは説明を省略する。
【００５２】
以上説明したように本実施の形態８によれば、半導体発光素子３の熱をヒートパイプ８１により輸送しランプから離れた位置に設置したヒートシンク８０で放熱するようにしたので、放熱効率が飛躍的に向上し半導体発光素子３の温度上昇を効果的に抑制することができる。このため半導体発光素子３の発光効率低下、すなわち光量減少がさらに抑制され、投写画面の色合い調整範囲を十分確保することが可能となる。
【００５３】
なお、本実施の形態８では、実施の形態４の構成をもとにしているが、とくにこれに限定されるものではなく、その他の実施の形態と組み合わせても同様の効果を奏することは言うまでもない。
【００５４】
実施の形態９．
図１７及び図１８は本発明を実施するための実施の形態９になる投写型表示装置の光学系を模式的に説明する図であり、図１７は要部構成図、図１８は用いるカラーホイールを示す説明図である。なお、図１８（ａ）は正面図、図１８（ｂ）は側面図である。図に示すように、この実施例では凹面反射鏡２の放射方向前方にリレーレンズ７５が配設され、さらに導光体９２、リレーレンズ７６、反射型光空間変調素子９４、及び投写レンズ２９などが光軸方向に順次配設されている。なお、上記凹面反射鏡２とリレーレンズ７５によって集光手段３０を構成している。
【００５５】
そして、上記導光体９２はリレーレンズ７５で収束された光が、該導光体９２の入射面の約半分の面積領域（図の上半部）に集光されるように配設され、さらに該導光体９２と上記リレーレンズ７５との間に、カラーホイール９３が設置されている。また、導光体９２の入射面の約残部の領域（図の下半部）には半導体発光素子３から放射された光を入射させるための反射鏡９１が配設されている。
【００５６】
次に上記のように構成された実施の形態９の動作について説明する。ランプ１を発した光は、凹面反射鏡２で反射され略平行光束２００となる。光束２００はリレーレンズ７５で更に集光され導光体９２の前方に配設されたカラーホイール９３に照射される。
【００５７】
カラーホイール９３は図１８に示すように、赤色、緑色、青色をそれぞれ選択的に透過する３種類のダイクロイックミラー９３Ｒ、９３Ｇ、９３Ｂを互いに隣接して円周上に設置された円板とこれを回転させるモーター９３Ｍとから構成されており、モーター９３Ｍにより一定の回転数で回転している。上記集光手段３０によってカラーホイール９３に照射された光は、該カラーホイール９３が回転していることにより、透過する光束の波長範囲が、赤、緑、青と順次切り替えられるようになっている。
【００５８】
上記のようにカラーホイール９３を透過した光束は、導光体９２に入射する。導光体９２は透明材料でできた直方体状の中詰まり（中実）素子である。なお、該導光体９２としては、光入射面と光出射面を除く４つの側面部が全反射ミラーで囲まれた中空素子であってもよい。上記導光体９２に入射した光束は側面部で全反射を繰り返しながら伝播するに従い光軸に垂直な断面内の光強度分布が均一化される。
【００５９】
導光体９２を出射した光束はリレーレンズ７６により、反射型光空間変調素子９４を照明し、図示を省略している制御回路により入力映像信号に応じて反射型光空間変調素子９４をカラーホイール９３に同期させて制御することにより映像信号に応じた変調を受け、投写レンズ２９によりスクリーン（図示省略）に画像を投写する。
【００６０】
一方、半導体発光素子３を出た光束は、反射手段としての反射鏡９１により、伝播方向が９０度曲げられ、導光体９２に入射する。反射鏡９１は、光束２００の集光スポットを遮らないように、導光体９２の入射面における残りの下半部の面積領域近傍に設置される。導光体９２に入射した半導体発光素子３からの光束は、前記ランプ１からの光束と同様に反射型光空間変調素子９４を照明するが、例えばカラーホイール９３と同期させて光強度が不足する領域の光、例えば公知の技術により赤色の光が反射型光空間変調素子９４を照明しているときに赤色発光ダイオードなどの半導体発光素子３を発光させるように断続的に動作させることにより、色合いを改善した画像を形成することができる。
【００６１】
以上説明したように本実施の形態９によれば、半導体発光素子３よりなる補助発光素子からの光束を、ランプ１からの光束を遮らない位置から導光体９２部分で合成するようにしたので、主たる光源であるランプ１からの光束の損失が非常に少なくなり、明るく、色合いの良好な画像が再現できる。また、半導体発光素子３の光量を電気的に調節するようにした場合には、更に投写画面の色合いを任意に調整することが可能となるという効果が得られる。
【００６２】
なお、カラーホイール９３の色切り替えタイミングに同期して、反射型光空間変調素子９４に照射されている色と同色（例えば赤色領域）の前記半導体発光素子３を断続的に発光させるようにした場合には、連続で発光させた場合に比べ、瞬時電力を増大させることが可能となり、実質的に半導体発光素子３の光量を増大させることができ、色合い調整裕度が更に拡大するという効果も期待できる。
【００６３】
実施の形態１０．
図１９及び図２０は実施の形態１０による投写型表示装置の要部構造を説明するための図であり、図１９は光学系の全体構成を模式的に示す構成図、図２０は用いるプリズム部分を拡大して示す光路説明図である。図に示すように、この実施の形態１０では、リレーレンズ７５からの光が導光体９２の入射面９２ａの略下半部に入るように配設され、更にカラーホイール９３と導光体９２の入射面９２ａとの間に光合成ユニット９５が設けられている。
【００６４】
上記光合成ユニット９５は、詳細を図２０に示すように、ビームスプリッタ９５ａ、反射手段である反射鏡９５ｂ、半透過面９５ｃからなっている。その他の構成は上記実施の形態９と略同様であるので説明を省略する。
【００６５】
次に動作について説明する。なお、基本的な動作は実施の形態９に示した投写型表示装置と同様であるが、実施の形態９とは、ランプ１からの光束と半導体発光素子３からの光束の合成方法が異なっている。
【００６６】
ランプ１を発した光束は、集光手段３０により集光されビームスプリッタ９５ａに入射し、半透過面９５ｃにより、反射光束と透過光束に分割される。透過光束はビームスプリッタを出射し、導光体９２に入射する。一方、反射光束は反射鏡９５ｂにより伝播方向が９０度曲げられ、導光体９２に入射する。半導体発光素子３からの光束も前記と同様な動作により、ビームスプリッタ９５ａを透過もしくは反射して全ての光束が導光体９２に入射する。
【００６７】
このように、実施の形態１０によれば、半導体発光素子３よりなる補助発光素子からの光束を、ランプ１からの光束を遮らない位置から合成するようにしたので、主たる光源であるランプ１からの光束の損失が非常に少なくなり、明るく、色合いの良好な画像が再現できるとともに、半導体発光素子３の光量を電気的に調節することにより投写画面の色合いを任意に調整することが可能となる。
【００６８】
なお、ビームスプリッタ９５ａの半透過面９５ｃとしては、偏光分離面（いわゆる偏光ビームスプリッタ）や、任意の強度比に光束を分割する半透過鏡などが好適である。また、特に中詰まり（中実）のプリズム状でなくとも、分離面が露出した単なる板状の半透過面であっても同様の効果が期待できる。
【００６９】
実施の形態１１．
図２１は本発明を実施するための実施の形態１１による投写型表示装置の光学系を模式的に示す構成図である。図２１において、１５０は三角柱プリズム１５１及び１５２をその斜面を僅かな間隙を設けて互いに対向設置した三角柱プリズムユニットある。その他の構成は上記実施の形態９と実質的に同様であるので説明を省略する。
【００７０】
本実施の形態１１は、実施の形態９で説明した投写型表示装置において、反射鏡９１の替わりに三角柱プリズムユニット１５０を設置したものに相当する。三角柱プリズムユニット１５０での動作は図１２に示す実施の形態４の場合とほぼ同様であるのでここでは説明を省略する。
【００７１】
以上説明したように本実施の形態１１によれば、半導体発光素子３よりなる補助光学素子を、ランプ１からの光束を遮らない位置に設置したので、主たる光源であるランプ１からの光束の損失が非常に少なくした状態で、補助発光素子からの光束を重畳付加することができ、明るく、色むらのない画像が再現できるとともに、半導体発光素子の光量を電気的に調節することにより投写画面の色度を任意に調整することが可能となる。
【００７２】
なお、カラーホイール９３の色切り替えタイミングに同期して、反射型光空間変調素子９４に照射されている色と同色の前記半導体発光素子３を断続的に発光させるようにすると、連続で発光させた場合に比べ、瞬時電力を増大させることが可能となり、実質的に半導体発光素子３の光量を増大させることができ、色合い調整裕度が更に拡大するという効果も得られる。
【００７３】
実施の形態１２．
図２２は本発明を実施するための実施の形態１２による投写型表示装置の要部構成を模式的に説明する構成図である。図２２において、補助発光素子としての半導体発光素子３はカラーホイール９３の方向へ向けて光を出射するように配設されている。その他の構成は上記実施の形態１０と同様であるので説明を省略する。
【００７４】
次に動作について説明する。ランプ１を発した光は、凹面反射鏡２で反射され略平行光束２００となる。光束２００はリレーレンズ７５で集光される。リレーレンズ７５による光束２００の集光点近傍にカラーホイール９３が設置されている。カラーホイール９３の動作は、実施の形態９と同様であるのでここでは説明を省略する。
【００７５】
カラーホイール９３を透過した光束は、導光体９２に入射する。導光体９２は透明材料でできた直方体状の中詰まりの素子（あるいは側面が全反射ミラーで囲まれた中空の筒状素子）である。導光体９２に入射した光束は側面で全反射を繰り返しながら伝播するに従い光軸に垂直な断面内の光強度分布が均一化される。導光体９２を出射した光束はリレーレンズ７６により、反射型光空間変調素子９４を照明し、反射型光空間変調素子９４より映像信号に応じた変調を受け、投写レンズ２９によりスクリーン（図示省略）に画像を投写する。
【００７６】
一方、半導体発光素子３はカラーホイール９３の方向へ向けて光を出射する。発光タイミングは、カラーホイール９３を透過したランプ光束の色帯域が半導体発光素子３の発光波長帯域と異なっている期間に同期して発光する。例えば半導体発光素子３の発光色が赤色波長帯であった場合、カラーホイールが緑または青の波長帯域を透過させる時に発光する。このようなタイミングで発光させると、半導体発光素子３を出た光束はカラーホイールで全反射され導光体９２に入射する。入射した光束は、前記ランプからの光束と同様な動作により画像を投写する。
【００７７】
以上説明したように本実施の形態１２によれば、半導体発光素子１よりなる補助発光素子からの光束を、ランプ１からの光束を全く遮らない状態で合成できるので、明るく、色むらのない画像が再現できるとともに、半導体発光素子の光量を電気的に調節することにより投写画面の色度を任意に調整することが可能となる。
【００７８】
ところで上記実施の形態の説明では、主光源であるランプとして、超高圧水銀ランプを用いたが必ずしもこれに限定されるものではない。また、補助発光素子として赤色や青色の発光ダイオード、レーザーダイオードなどの半導体発光素子を用いる場合について説明したが、発光色や発光素子の種類などは必ずしもこれらのみに限定されるものではない。例えば、ランプとしてハロゲンランプを用い、補助発光素子として青色発光ダイオードを用いた場合などでも同様の効果が期待できる。
【００７９】
さらに上記以外においても、例えば、実施の形態２と実施の形態３の組み合わせなど、上記各種例示した実施の形態相互を任意に組み合わせることも自由であり、その場合においても同様の効果が期待できる。更に光学系に用いる素子や、光変調、合成手段の構成なども上記実施の形態に例示したものに限定されないことは当然である。
【００８０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ランプからの出射光を光変調素子により変調し映像表示する投写型表示装置において、上記ランプの発光波長領域の内、光強度を補うべき波長領域の光を出射する補助発光素子と、上記ランプの光を反射させる凹面反射鏡と、この凹面反射鏡から出射された光を順次入射させるように配設された第１のアレイレンズ及び第２のアレイレンズとを備え、上記凹面反射鏡と第１のアレイレンズとの間もしくは上記第１のアレイレンズと第２のアレイレンズとの間であって、上記凹面反射鏡の光軸に直交する同一平面内の上記凹面反射鏡の光軸中心近傍および周辺部のランプの光強度の小さい部分にそれぞれ上記補助発光素子を配設し、この補助発光素子の出射光を上記ランプからの出射光に重畳付加するようにしたことにより、光損失が少なく、投写光量を減少させることなく良好な色合いの投写画像が得られるとともに、色合いの調整が容易に行なえる投写型表示装置を提供することができる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施の形態１による投写型表示装置の光学系の全体構成を概略的に示す構成図である。
【図２】 図１の光学系の一部を直線状に展開して示す光路図である。
【図３】 図１に示す第１のアレイレンズと半導体発光素子の立体的な配置を光入射方向（ランプ側）から示す斜視図である。
【図４】 図１に示す第１のアレイレンズの面内におけるランプからの光束の強度分布の例を示す特性図である。
【図５】 図１に示す偏光変換素子近傍の構造を説明する要部断面図である。
【図６】 実施の形態２になる投写型表示装置における補助発光素子の配置を示す要部構成図である。
【図７】 図６に示す半導体発光素子からの光束の伝播動作を説明するための光路図である。
【図８】 実施の形態３に係る投写型表示装置の光源部分を模式的に示す構成図である。
【図９】 図８に示す第１のアレイレンズ近傍の立体的な配置を光入射方向（ランプ側）から示す斜視図である。
【図１０】 図８に示す半導体発光素子を出射した光束の伝播動作を模式的に示す説明図である。
【図１１】 実施の形態４になる投写型表示装置の光源部分の配置を模式的に示す構成図である。
【図１２】 図１１の投写型表示装置に用いたプリズム部において、ランプと半導体発光素子から発した光束の伝播動作を説明するための光路図である。
【図１３】 実施の形態５による投写型表示装置を示す要部構成図である。
【図１４】 実施の形態６による投写型表示装置の要部構造を示す構成図である。
【図１５】 実施の形態７による投写型表示装置の要部を模式的に示す構成図である。
【図１６】 実施の形態８による投写型表示装置の要部を模式的に示す構成図である。
【図１７】 実施の形態９による投写型表示装置の要部を模式的に示す構成図である。
【図１８】 図１７の投写型表示装置に用いられたカラーホイールを示す説明図であり、図１８（ａ）は正面図、図１８（ｂ）は側面図である。
【図１９】 実施の形態１０による投写型表示装置の光学系の全体構成を模式的に示す構成図である。
【図２０】 図１９の投写型表示装置に用いられたプリズム部分を拡大して示す光路説明図である。
【図２１】 実施の形態１１による投写型表示装置の光学系を模式的に示す構成図である。
【図２２】 実施の形態１２に係る投写型表示装置の構造を説明するための図である。
【図２３】 一般的な超高圧水銀ランプの発光スペクトルを示す特性図である。
【符号の説明】
１ （ランプ）超高圧水銀ランプ、 ２ 凹面反射鏡、 ３ （補助発光素子）半導体発光素子、 ４ 第１のアレイレンズ、 ５ 第２のアレイレンズ、 ６ 偏光変換素子、 ７〜１２ リレーレンズ、 １３〜１６ 反射鏡、 １７〜１８ 誘電体多層膜ミラー、 １９〜２４ 偏光板、 ２５〜２７ 光空間変調素子、 ２８ 色合成プリズム、 ２９ 投写レンズ、 ３０ 集光手段、 ５０ 三角柱プリズム、 ６０ 導光体、 ７０ 三角柱プリズムユニット、 ８０ ヒートシンク、 ８１ ヒートパイプ、 ９１ 反射手段（反射鏡）、 ９２ 導光体、 ９３ カラーホイール、 ９４ 反射型光変調素子、 ９５ 光合成ユニット、 １５０ 三角柱プリズムユニット。

Claims (1)

1. ランプからの出射光を光変調素子により変調し映像表示する投写型表示装置において、上記ランプの発光波長領域の内、光強度を補うべき波長領域の光を出射する補助発光素子と、上記ランプの光を反射させる凹面反射鏡と、この凹面反射鏡から出射された光を順次入射させるように配設された第１のアレイレンズ及び第２のアレイレンズとを備え、上記凹面反射鏡と第１のアレイレンズとの間もしくは上記第１のアレイレンズと第２のアレイレンズとの間であって、上記凹面反射鏡の光軸に直交する同一平面内の上記凹面反射鏡の光軸中心近傍および周辺部のランプの光強度の小さい部分にそれぞれ上記補助発光素子を配設し、この補助発光素子の出射光を上記ランプからの出射光に重畳付加するようにしたことを特徴とする投写型表示装置。

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