JP4733691B2 - 投写型画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、平面状の発光面を有する光源を備えた投写型画像表示装置に関する。

従来、投写型画像表示装置の照明部においては、一般に、光源として高圧水銀灯が用いられている（例えば、特許文献１参照）。これは、発光部が電極間のギャップであって非常に小さい（主流は、ギャップ長１〜１．５ｍｍ）ことから、光学的に画像表示装置に集光させ易く、また、光源自体の発光効率も優れていることが主な理由である。しかし、高圧水銀灯の場合には、必要な可視光以外に紫外光や赤外光が発生して、光源周辺部が非常に高温になってしまう。また、寿命が、一般的に２０００時間程度、長寿命タイプのものでも１００００時間であり、市場交換が必須で、ランニングコストがかかる等の問題点があった。

これらの問題点を克服すべく、ＬＥＤ（発光ダイオード）素子を、投写型画像表示装置の照明部の光源として用いる試みがなされつつある（このようなＬＥＤ素子を用いた光源を「ＬＥＤ光源」という）。これは、２００００時間以上の寿命を実現することができ、また、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各単色での発光特性を有するために色再現性に優れ、有害光を発生させることもない等の、ＬＥＤ素子の特徴に着目したものである。
特開平１１−１４２７８０号公報

しかし、ＬＥＤ素子は、発光効率が高圧水銀灯のそれには至っておらず、また、出力の絶対値も小さいことから、投写型画像表示装置の照明部の光源として用いた場合に十分な明るさを得ることができないという問題点を有している。この問題点を克服するために、ＬＥＤ素子自体の発光効率及び出力の向上への取り組みは必須であるが、システム側については、ＬＥＤ光源からの光を如何に効率良く画像表示装置に取り込むか、あるいは、十分な光量を得るために複数の光源を利用することができるか、ということが課題となっている。

本発明は、従来技術における前記課題に鑑みてなされたものであり、ＬＥＤ光源のような、平面状の発光面を有し、その面の一方向に光を放射する光源の、画像表示装置への光取り込み率を改善して、明るさの最大化を図ると共に、光源の複数化を実現して、高輝度化を図ることのできる投写型画像表示装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る投写型画像表示装置は、内面に回転放物面からなる反射面を有するリフレクタと、少なくとも発光部が平面と見なせる形状であると共に、前記平面に垂直に立てた法線に対して±９０°以内の配光を有し、かつ、前記発光部が光学的に前記リフレクタの前記反射面を形成する前記回転放物面の焦点に位置するように配置された光源と、外部信号に応じて光の出力を変調可能な光変調素子と、前記発光部から出射され、前記リフレクタの前記反射面で反射された光を前記光変調素子に導く光学系と、前記光変調素子上の像をスクリーン上に拡大投写する投写光学系とを備えた投写型画像表示装置であって、前記光学系を、前記リフレクタの出射面の前方に配置されたコンデンサレンズ及び前記コンデンサレンズの焦点位置に入射側開口部が位置するように配置されたロッドインテグレータ及び前記ロッドインテグレータの出射側開口部の像を前記光変調素子上に転写するリレー光学系か、又は前記リフレクタの出射面の前方に配置されたマイクロレンズの集合体であるレンズアレイ型インテグレータのいずれかにより構成し、かつ前記リフレクタからの光の集光角が、前記リフレクタ及び光源を除く光学部材に共通の光軸であるシステム軸に対して略対称となるように、前記リフレクタの前記反射面の回転中心軸を前記システム軸に対して平行にシフトさせて配置したことを特徴とする。

前記本発明の投写型画像表示装置によれば、広い出射角を有する面発光光源からの光を効率良く集光して、画像表示装置に取り込むことが可能となる。

また、前記光源の前記発光部が、前記リフレクタの前記反射面の回転中心軸を基準として、前記リフレクタの前記反射面の面頂側に傾けられているという好ましい例によれば、リフレクタの出射面の方向に直接出射される光が少なくなって光利用効率が向上する。

また、前記リフレクタからの光の集光角が前記リフレクタ及び光源を除く光学部材に共通の光軸であるシステム軸に対して略対称となるように、前記リフレクタの前記反射面の回転中心軸が前記システム軸に対して傾けられているという好ましい例によれば、画像表示装置への光取り込み率の最適化を実現することが可能となる。

また、前記リフレクタと前記光源とからなる照明部を複数組備え、前記複数のリフレクタが、前記照明部を除く光学部材に共通の光軸であるシステム軸に対して対称に配置されているという好ましい例（多灯構成）によれば、１灯構成では得られない光量を得ることが可能となり、投写像の明るさを飛躍的に改善することができる。特に、前記複数のリフレクタを、その外面同士が近接するように配置にすれば、光源の背面に、光学的には影響を与えることなく冷却のための部材（ヒートシンクなど）を配置することが可能となる。

以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。

図１は本発明における投写型画像表示装置を示す構成図、図２は当該投写型画像表示装置に用いられる光源を示す側面図である。

図１に示すように、本実施の形態の投写型画像表示装置は、照明部３４と、ロッドインテグレータ８と、コンデンサレンズ９と、リレー光学系１０と、光変調素子としての光変調器１１と、投写光学系としての投写レンズ１５とが順に配置されて構成されている。

照明部３４は、光源３５と、内面に楕円反射面４を有するリフレクタ５とにより構成されている。光源３５は、固体発光光源であり、図示しない電力供給源に接続された基板２と、基板２上に実装された、平面と見なせる発光部１とにより構成されている。リフレクタ５の楕円反射面４は、楕円をその長軸のまわりに１回転して得られる曲面（回転楕円面）を、長軸を含む面で二等分したものであり、この場合の回転中心軸である楕円の長軸はリフレクタ５の中心軸（以下「リフレクタ軸」という）１７と一致している。リフレクタ５は、その楕円反射面４を形成する回転楕円面の第１の焦点３が光源３５の発光部１の表面（発光面）上に位置するように配置されている。そして、この場合、光源３５は、その発光面がリフレクタ軸１７を含む面と一致するように配置されている。尚、図１中、６はリフレクタ５の開口を示している。

図２に示すように、光源３５の発光部１の発光面からの光は、当該発光面に垂直に立てた法線（光源中心軸）に対して開き角θＬをもって出射する。図３に、横軸に光源中心軸に対する出射光の開き角θＬを、縦軸に光強度をとって、光源の光強度分布（配光分布）の一例を示す。図３から、−９０°≦θＬ≦＋９０°の範囲で有効な光が出射されていることが分かる。すなわち、光源３５は、発光面に垂直に立てた法線に対して±９０°以内の配光を有している。

ロッドインテグレータ８は、ガラス製の六面体からなるのが一般的であるが、平面ミラーを４枚並べて側壁を構成したものをロッドインテグレータとして用いてもよい。このロッドインテグレータ８は、リフレクタ５の楕円反射面４を形成する回転楕円面の第２の焦点７がその入射側開口部に位置するように配置されている。

コンデンサレンズ９は、その焦点位置がロッドインテグレータ８の出射側開口部に位置するように配置されている。このコンデンサレンズ９は、ロッドインテグレータ８からの光を略平行光に変換する。

リレー光学系１０は、複数のレンズにより構成され、コンデンサレンズ９からの光を効率良く光変調器１１に導くことができる。このリレー光学系１０は、ロッドインテグレータ８の出射側開口部の像を光変調器１１上に転写する。

光変調器１１は、リレー光学系１０の照明位置に配置され、画像が形成される透過型の液晶パネル１３と、液晶パネル１３の入射側に設けられた入射側偏光板１２と、液晶パネル１３の出射側に設けられた出射側偏光板１４とにより構成されている。液晶パネル１３は、外部信号によって独立して液晶の状態を制御可能なセルが２次元的に配列されて構成されており、外部信号に応じて透過する光の出力を変調することができる。入射側偏光板１２は、入射光のうち、一方向に偏光した光のみを透過させる。出射側偏光板１４は、その透過軸の方向に偏光した光を透過させ、透過軸と直交する方向に偏光した光を吸収する。光変調器１１の詳細な動作説明は本発明の主旨に必ずしも必要ではないので、ここでは省略する。

投写レンズ１５は、複数のレンズからなり、光変調器１１の液晶パネル１３上に形成された画像をスクリーン（図示せず）上に拡大投写する。

図１中、１６は照明部３４を除く光学部材であるロッドインテグレータ８、コンデンサレンズ９、リレー光学系１０、光変調器１１及び投写レンズ１５に共通の光軸であるシステム軸を示しており、図１に示す投写型画像表示装置において、当該システム軸１６はリフレクタ軸１７と一致している。

以下、上記のように構成された投写型画像表示装置の動作について説明する。

発光面がリフレクタ５の楕円反射面４を形成する回転楕円面の第１の焦点３に位置する光源３５から出射された光は、リフレクタ５の楕円反射面４によって反射されて、リフレクタ５の開口６から出射する。リフレクタ５の開口６から出射した光は、リフレクタ５の楕円反射面４を形成する回転楕円面の第２の焦点７に集光され、この第２の焦点７の位置に入射側開口部を有するロッドインテグレータ８に入射する。ロッドインテグレータ８内で反射を繰り返した光は、ロッドインテグレータ８の出射側開口部を焦点位置とするコンデンサレンズ９に入射し、略平行光となってリレー光学系１０に入射する。コンデンサレンズ９からの光は、リレー光学系１０によって効率良く光変調器１１に導かれ、光変調器１１の液晶パネル１３上に画像が形成される。この画像は、投写レンズ１５によってスクリーン上に拡大投写される。

本実施の形態の投写型画像表示装置によれば、上記のような構成を備えていることにより、光源３５の発光部１からの光は、リフレクタ５の開口６の方向に直接出射される光を除いて、その開き角θＬが９０°に近いものであっても集光可能となる。従って、コンデンサレンズ９以降の構成において、Ｆナンバー（Ｆｎｏ）、光線の通る有効面積によって決まる光の扱える量の制限にかからなければ、光源３５の発光部１からの光を有効に利用することができる。すなわち、本実施の形態の投写型画像表示装置によれば、光源３５の発光部１からの光を、効率良く画像表示装置に取り込むことができる。

尚、光源３５の発光部１の周辺に表面保護などのためのカバーガラスが配置される場合には、リフレクタ５の楕円反射面４を形成する回転楕円面の第１の焦点３の位置が発光部１から光学的にずれないように、発光面をリフレクタ軸１７を含む面と平行に保った状態で、光源３５をシフトさせる補正を行うのが望ましい。また、例えば、光源３５に集光のための光学材が一体に設けられている場合にも、リフレクタ５の楕円反射面４を形成する回転楕円面の第１の焦点３の位置が発光部１から光学的にずれないように、同様の補正を行うのが望ましい。

また、本実施の形態の投写型画像表示装置によって得られる画像は単色表示であるが、以下のような構成を採用すれば、カラー表示を行うこともできる。例えば、光源３５の発光部１からコンデンサレンズ９までの構成部材を、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色の光ごとに用意し、光が略平行となるコンデンサレンズ９とリレーレンズ１０との間にダイクロイックミラー等からなる色合成光学系を配置する。そして、各色の発光を時間的にずらして行い、これと同期して色に合わせて画像を液晶パネル１３上で形成すれば、カラー表示を行うことができる。また、光源３５の発光部１から光変調器１１までの構成部材を、赤、緑、青の各色の光ごとに用意し、上記色合成光学系を光変調器１１と投写レンズ１５との間に配置することによっても、カラー表示を行うことができる。本実施の形態のように光変調器１１に液晶を用いる場合に、光源３５からの自然光を一方向の偏光光に変換するための偏光変換システムや均一照明を実現するためのインテグレータ光学系を導入することが可能であることは、当業者であれば容易に想定することができる。

また、本実施の形態においては、光変調器１１に透過型の液晶パネル１３を用いているが、リレー光学系１０から投写レンズ１５までの光学系を最適化することにより、光変調器１１に微小可動ミラーを二次元的に配列してなるＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）や反射型の液晶パネルを用いることもできる。

また、本実施の形態においては、リフレクタ５の楕円反射面４を形成する回転楕円面の第１及び第２の焦点３、７を通るリフレクタ軸１７がシステム軸１６と一致している場合を例に挙げて説明しているが、この場合、光源３５の発光部１からの光を、効率良く画像表示装置に取り込むことはできるものの、光変調器１１への均一照明の点で若干問題が残る。すなわち、光源３５は、その発光部１の発光面がリフレクタ軸１７を含む面と一致するように配置されており、光源３５の発光部１からの光はリフレクタ５の楕円反射面４の片側半分のみで反射されるので、リフレクタ５の開口６からの光の集光角はシステム軸１６に対して非対称となる（図１参照）。このため、リフレクタ５の開口６からの光がロッドインテグレータ８の中で均一になりにくく、光変調器１１への照明の均一性が得難くなる。そこで、図４、図５に示すように、リフレクタ５の開口６からの光の集光角がシステム軸１６に対して対称となるように、リフレクタ軸１７を、第２の焦点７を基準にシステム軸１６に対して傾けるのが望ましい。これによれば、画像表示装置への光取り込み率の最適化を実現することが可能になると共に、光変調器１１への均一照明を実現することも可能となる。但し、光源３５の強度分布（配光分布）が対称でない場合には、リフレクタ５の開口６からの光の集光角のシステム軸１６に対する対称性が多少ずれていても、最大光利用効率が得られる場合もある。

また、本実施の形態においては、光源３５を、その発光部１の表面（発光面）がリフレクタ軸１７を含む面と一致するように配置しているが、図６に示すように、発光面を、リフレクタ５の楕円反射面４の面頂側に向けて傾ければ、リフレクタ５の開口６の方向に直接出射される光が少なくなって光利用効率が向上する。但し、光源３５の発光面を傾けすぎると、楕円反射面４の面頂側で反射した光が発光部１あるいは基板２によって遮られてしまうので、図３に示す配光分布を考慮し、リフレクタ５の開口６の方向に直接出射されていた分を救済できる光の量と、発光部１あるいは基板２によって遮られてしまう光の量とのバランスを見て、最適な傾け角を決めるのが望ましく、光源３５の発光部１の表面（発光面）に垂直に立てた法線とリフレクタ軸１７とのなす角θは、６０°≦θ≦９０°の範囲にあるのが望ましい。

また、本実施の形態においては、コンデンサレンズ９とリレー光学系１０を明確に分けて構成しているが、図５、図６に示すように両者を一体的に構成してもよい。

図７は本発明における投写型画像表示装置を示す構成図である。

図７に示すように、本実施の形態の投写型画像表示装置は、照明部３６と、コンデンサレンズ２２と、ロッドインテグレータ８と、リレー光学系２４と、光変調素子としての光変調器１１と、投写光学系としての投写レンズ１５とが順に配置されて構成されている。図７中、１６は照明部３６を除く光学部材であるコンデンサレンズ２２、ロッドインテグレータ８、リレー光学系２４、光変調器１１及び投写レンズ１５に共通の光軸であるシステム軸を示している。尚、ロッドインテグレータ８、光変調器１１、投写レンズ１５は、
図１を用いて説明したものと同じであるので、その詳細な説明は省略する。

照明部３６は、光源３５と、内面に回転放物面からなる反射面１９を有するリフレクタ２０とにより構成されている。光源３５は、図１の場合と同様に、固体発光光源であり、図示しない電力供給源に接続された基板２と、基板２上に実装された、平面と見なせる発光部１とにより構成されている。リフレクタ２０は、その反射面１９を形成する回転放物面の焦点１８が光源３５の発光部１の表面（発光面）上に位置するように配置されている。そして、この場合、光源３５は、その発光面が回転放物面の回転中心軸（以下「リフレクタ軸」という）２５を含む面と一致するように配置されている。これにより、光源３５の発光部１の発光面からの光は、リフレクタ２０の反射面１９により、リフレクタ軸２５に平行な光として反射され、リフレクタ２０の開口２１から出射される。

コンデンサレンズ２２は、リフレクタ２０の開口２１（出射面）の前方に配置されており、リフレクタ２０の開口２１からの光を、コンデンサレンズ２２の焦点位置に入射側開口部を有するロッドインテグレータ８の当該入射側開口部に集光する。

リレー光学系２４は、図１に示したコンデンサレンズ９とリレー光学系１０とを組み合わせて構成され、その焦点位置がロッドインテグレータ８の出射側開口部に位置するように配置されている。このリレー光学系２４は、ロッドインテグレータ８からの光を効率良く光変調器１１に導き、ロッドインテグレータ８の出射側開口部の像を光変調器１１上に転写する。

以下、上記のように構成された投写型画像表示装置の動作について説明する。

発光面がリフレクタ２０の反射面１９を形成する回転放物面の焦点１８に位置する光源３５から出射された光は、リフレクタ２０の反射面１９によって反射されて、リフレクタ２０の開口２１からリフレクタ軸２５に略平行な光として出射する。リフレクタ２０の開口２１から出射した光は、コンデンサレンズ２２によってロッドインテグレータ８の入射側開口部に集光されて、当該ロッドインテグレータ８に入射する。ロッドインテグレータ８内で反射を繰り返した光は、ロッドインテグレータ８の出射側開口部を焦点位置とするリレー光学系１０に入射する。ロッドインテグレータ８からの光は、リレー光学系１０によって効率良く光変調器１１に導かれ、光変調器１１の液晶パネル１３上に画像が形成される。この画像は、投写レンズ１５によってスクリーン上に拡大投写される。

本実施の形態の投写型画像表示装置によれば、上記のような構成を備えていることにより、光源３５の発光部１からの光は、リフレクタ２０の開口２１の方向に直接出射される光を除いて、その開き角θＬが９０°に近いものであっても集光可能となる。従って、コンデンサレンズ２２以降の構成において、Ｆナンバー（Ｆｎｏ）、光線の通る有効面積によって決まる光の扱える量の制限にかからなければ、光源３５の発光部１からの光を有効に利用することができる。すなわち、本実施の形態の投写型画像表示装置によれば、光源３５の発光部１からの光を、効率良く画像表示装置に取り込むことができる。

尚、本実施の形態の投写型画像表示装置においても、光源３５の発光部１の周辺に表面保護などのためのカバーガラスが配置される場合には、リフレクタ２０の反射面１９を形成する回転放物面の焦点１８の位置が発光部１から光学的にずれないように、発光面をリフレクタ軸２５を含む面と平行に保った状態で、光源３５をシフトさせる補正を行うのが望ましい。また、例えば、光源３５に集光のための光学材が一体に設けられている場合にも、リフレクタ２０の反射面１９を形成する回転放物面の焦点１８の位置が発光部１から光学的にずれないように、同様の補正を行うのが望ましい。

また、本実施の形態の投写型画像表示装置によって得られる画像は単色表示であるが、以下のような構成を採用すれば、カラー表示を行うこともできる。例えば、光源３５の発光部１からリフレクタ２０までの構成部材を、赤、緑、青の各色の光ごとに用意し、光が略平行となるリフレクタ２０の開口２１とコンデンサレンズ２２との間にダイクロイックミラー等からなる色合成光学系を配置する。そして、各色の発光を時間的にずらして行い、これと同期して色に合わせて画像を液晶パネル１３上で形成すれば、カラー表示を行うことができる。また、光源３５の発光部１から光変調器１１までの構成部材を、赤、緑、青の各色の光ごとに用意し、上記色合成光学系を光変調器１１と投写レンズ１５との間に配置することによっても、カラー表示を行うことができる。尚、図１の場合と同様に、偏光変換機能を持たせることが可能であることは、当業者であれば容易に想定することができる。

本発明においては、図７に示すように、リフレクタ２０の開口２１からの光の集光角がシステム軸１６に対して対称となるように、リフレクタ軸２５をシステム軸１６に対して平行にシフトさせて配置する点に特徴を有する。これによれば、画像表示装置への光取り込み率の最適化を実現することが可能になると共に、光変調器１１への均一照明を実現することも可能となる。但し、光源３５の強度分布（配光分布）が対称でない場合には、リフレクタ２０の開口２１からの光の集光角のシステム軸１６に対する対称性が多少ずれていても、最大光利用効率が得られる場合もあるので、リフレクタ軸２５の上記シフト量は、構成によってその都度最適化することが必要である。

さらに、本実施の形態の投写型画像表示装置においても、光源３５の発光部１の表面（発光面）を、リフレクタ軸２５上で、反射面１９（回転放物面）の面頂側に向けて傾けることにより、リフレクタ２０の開口２１の方向に直接出射される光が少なくなって光利用効率が向上する。

図８は本発明における投写型画像表示装置を示す構成図である。

図８に示すように、本実施の形態の投写型画像表示装置は、照明部３６と、レンズアレイ型インテグレータ２６と、フィールドレンズ３０と、光変調素子としての光変調器１１と、投写光学系としての投写レンズ１５とが順に配置されて構成されている。図８中、１６は照明部３６を除く光学部材であるレンズアレイ型インテグレータ２６、フィールドレンズ３０、光変調器１１及び投写レンズ１５に共通の光軸であるシステム軸を示している。尚、照明部３６は、図７を用いて説明したものと同じであるので、その詳細な説明は省略する。また、光変調器１１、投写レンズ１５は、図１を用いて説明したものと同じであるので、その詳細な説明は省略する。

レンズアレイ型インテグレータ２６は、リフレクタ２０の開口２１（出射面）の前方に配置され、マイクロレンズの集合体である第１のレンズアレイ２７と、第１のレンズアレイ２７のマイクロレンズに一対一で対応する第２のレンズアレイ２８と、集光レンズ２９とにより構成され、リフレクタ２０の開口２１から出射した光を複数の部分光に分割し、当該複数の部分光を光変調器１１に重畳照明する。

以下、上記のように構成された投写型画像表示装置の動作について説明する。

発光面がリフレクタ２０の反射面１９を形成する回転放物面の焦点１８に位置する光源３５から出射された光は、リフレクタ２０の反射面１９によって反射されて、リフレクタ２０の開口２１からリフレクタ軸２５に略平行な光として出射する。リフレクタ２０の開口２１から出射した光は、前方に配置されたレンズアレイ型インテグレータ２６に入射する。レンズアレイ型インテグレータ２６からの光は、フィールドレンズ３０を経由して光変調器１１に導かれ、光変調器１１の液晶パネル１３上に画像が形成される。この画像は、投写レンズ１５によってスクリーン上に拡大投写される。

本実施の形態の投写型画像表示装置によれば、上記のような構成を備えていることにより、光源３５の発光部１からの光は、リフレクタ２０の開口２１の方向に直接出射される光を除いて、その開き角θＬが９０°に近いものであっても集光可能となる。従って、レンズアレイ型インテグレータ２６以降の構成において、Ｆナンバー（Ｆｎｏ）、光線の通る有効面積によって決まる光の扱える量の制限にかからなければ、光源３５の発光部１からの光を有効に利用することができる。すなわち、本実施の形態の投写型画像表示装置によれば、光源３５の発光部１からの光を、効率良く画像表示装置に取り込むことができる。

尚、本実施の形態の投写型画像表示装置によって得られる画像は単色表示であるが、以下のような構成を採用すれば、カラー表示を行うこともできる。例えば、光源３５の発光部１からリフレクタ２０までの構成部材を、赤、緑、青の各色の光ごとに用意し、光が略平行となるリフレクタ２０の開口２１とレンズアレイ型インテグレータ２６との間にダイクロイックミラー等からなる色合成光学系を配置する。そして、各色の発光を時間的にずらして行い、これと同期して色に合わせて画像を液晶パネル１３上で形成すれば、カラー表示を行うことができる。また、光源３５の発光部１から光変調器１１までの構成部材を、赤、緑、青の各色の光ごとに用意し、上記色合成光学系を光変調器１１と投写レンズ１５との間に配置することによっても、カラー表示を行うことができる。尚、図１、図７の場合と同様に、偏光変換機能を持たせることが可能であることは、同業者であれば容易に想定することができる。

ここで、リフレクタの反射面の形状が、回転放物面ではなく、焦点間距離が長くて回転放物面と見なすことができ、かつ、リフレクタの開口からの出射光が平行光に近ければ、同様の構成を採ることができる（図７に示す実施の形態についても同じ）。本実施の形態のように光変調器１１に液晶を用いる場合に、光源３５からの自然光を一方向の偏光光に変換するための偏光変換システムを導入することが可能であることは、当業者であれば容易に想定することができる。

また、図８に示すように、リフレクタ２０の開口２１からの光の集光角がシステム軸１６に対して対称となるように、リフレクタ軸２５をシステム軸１６に対して平行にシフトさせて配置するのが望ましい。ここで、「対称」とは、レンズアレイ型インテグレータ２６から見たときに開口数（ＮＡ）が対称であることを意味している。但し、光源３５の強度分布（配光分布）が対称でない場合には、リフレクタ２０の開口２１からの光の集光角のシステム軸１６に対する対称性が多少ずれていても、最大光利用効率が得られる場合もあるので、リフレクタ軸２５の上記シフト量は、構成によってその都度最適化することが必要である。

図９は本発明における投写型画像表示装置を示す構成図である。

図９に示すように、本実施の形態の投写型画像表示装置は、照明部３４と、コンデンサレンズ９と、レンズアレイ型インテグレータ２６と、フィールドレンズ３０と、光変調素子としての光変調器１１と、投写光学系としての投写レンズ１５とが順に配置されて構成されている。図９中、１６は照明部３４を除く光学部材であるコンデンサレンズ９、レンズアレイ型インテグレータ２６、フィールドレンズ３０、光変調器１１及び投写レンズ１５に共通の光軸であるシステム軸、１７はリフレクタ軸を示している。尚、照明部３４、コンデンサレンズ９、光変調器１１、投写レンズ１５は、図１を用いて説明したものと同じであるので、その詳細な説明は省略する。また、レンズアレイ型インテグレータ２６、フィールドレンズ３０は、図８を用いて説明したものと同じであるので、その詳細な説明は省略する。

コンデンサレンズ９は、リフレクタ５の楕円反射面４を形成する回転楕円面の第２の焦点７の位置に焦点を持つように配置されている。

以下、上記のように構成された投写型画像表示装置の動作について説明する。

発光面がリフレクタ５の楕円反射面４を形成する回転楕円面の第１の焦点３に位置する光源３５から出射された光は、リフレクタ５の楕円反射面４によって反射されて、リフレクタ５の開口６から出射する。リフレクタ５の開口６から出射した光は、リフレクタ５の楕円反射面４を形成する回転楕円面の第２の焦点７に集光され、この第２の焦点７の位置に焦点を持つコンデンサレンズ９に入射し、略平行光となってレンズアレイ型インテグレータ２６に入射する。レンズアレイ型インテグレータ２６からの光は、フィールドレンズ３０を経由して光変調器１１に導かれ、光変調器１１の液晶パネル１３上に画像が形成される。この画像は、投写レンズ１５によってスクリーン上に拡大投写される。

本実施の形態の投写型画像表示装置によれば、上記のような構成を備えていることにより、光源３５の発光部１からの光は、リフレクタ５の開口６の方向に直接出射される光を除いて、その開き角θＬが９０°に近いものであっても集光可能となる。従って、コンデンサレンズ９以降の構成において、Ｆナンバー（Ｆｎｏ）、光線の通る有効面積によって決まる光の扱える量の制限にかからなければ、光源３５からの光を有効に利用することができる。すなわち、本実施の形態の投写型画像表示装置によれば、光源３５の発光部１からの光を、効率良く画像表示装置に取り込むことができる。

尚、本実施の形態の投写型画像表示装置によって得られる画像は単色表示であるが、以下のような構成を採用すれば、カラー表示を行うこともできる。例えば、光源３５の発光部１からコンデンサレンズ９までの構成部材を、赤、緑、青の各色の光ごとに用意し、光が略平行となるコンデンサレンズ９とレンズアレイ型インテグレータ２６との間にダイクロイックミラー等からなる色合成光学系を配置する。そして、各色の発光を時間的にずらして行い、これと同期して色に合わせて画像を液晶パネル１３上で形成すれば、カラー表示を行うことができる。また、光源３５の発光部１から光変調器１１までの構成部材を、赤、緑、青の各色の光ごとに用意し、上記色合成光学系を光変調器１１と投写レンズ１５との間に配置することによっても、カラー表示を行うことができる。本実施の形態のように光変調器１１に液晶を用いる場合に、光源３５からの自然光を一方向の偏光光に変換するための偏光変換システムや均一照明を実現するためのインテグレータ光学系を導入することが可能であることは、当業者であれば容易に想定することができる。

また、図９に示すように、リフレクタ５の開口６からの光の集光角がシステム軸１６に対して対称となるように、リフレクタ軸１７を、第２の焦点７を基準にシステム軸１６に対して傾けるのが望ましい。但し、光源３５の強度分布（配光分布）が対称でない場合には、リフレクタ５の開口６からの光の集光角のシステム軸１６に対する対称性が多少ずれていても、最大光利用効率が得られる場合もあるので、リフレクタ軸１７の傾き量は、構成に合わせて最適化することが必要である。

また、光源３５の発光部１の表面（発光面）を、リフレクタ軸１７上で、リフレクタ５の楕円反射面４の面頂側に向けて傾ければ、リフレクタ５の開口６の方向に直接出射される光が少なくなって光利用効率が向上することも、他の実施の形態の場合と同様である。

図１０は本発明における投写型画像表示装置を示す構成図である。

図１０に示すように、本実施の形態の投写型画像表示装置は、照明部３２と、ロッドインテグレータ８と、リレー光学系３１と、光変調素子としての光変調器１１と、投写光学系としての投写レンズ１５とが順に配置されて構成されている。図１０中、１６は照明部３２を除く光学部材であるロッドインテグレータ８、リレー光学系３１、光変調器１１及び投写レンズ１５に共通の光軸であるシステム軸を示している。尚、ロッドインテグレータ８、光変調器１１、投写レンズ１５は、図１を用いて説明したものと同じであるので、その詳細な説明は省略する。

照明部３２は、２灯構成とされている。具体的には、照明部３２は、内面に楕円反射面４を有するリフレクタ５と、リフレクタ５の楕円反射面４を形成する回転楕円面の第１の焦点３の位置に発光部１の表面（発光面）が位置する光源３５とを、２組備えており、これらは、リフレクタ５の外面同士が近接するようにして、システム軸１６に対して対称に配置されている。そして、ロッドインテグレータ８は、各リフレクタ５の楕円反射面４を形成する回転楕円面の第２の焦点７がその入射側開口部に位置するように配置されている。尚、各リフレクタ５の楕円反射面４を形成する回転楕円面の第２の焦点７同士は、微妙にずれていても、ロッドインテグレータ８の入射側開口部に有効に光が入射すれば問題ない。また、図１０のような構成ではなく、リフレクタ５のリフレクタ軸１７同士が近接するような配置とすることも可能である。但し、固体発光光源の場合には、一般に、基板２の背面にヒートシンクなどの放熱機構が配置されることから、図１０のように構成する方が、基板２の背面に空間的な余裕が出て望ましい。また、同じ考え方で、さらなる多灯化を図ることも可能である。

リレー光学系３１は、図５に示した、コンデンサレンズとリレー光学系とが一体的に構成されたものと同じであり、その焦点位置がロッドインテグレータ８の出射側開口部に位置するように配置されている。

本実施の形態の投写型画像表示装置（２灯構成）によれば、１灯構成では得られない光量を得ることが可能となり、投写像の明るさを飛躍的に改善することができる。

尚、図９の投写型画像表示装置の場合であっても、同様の構成を採用することにより、多灯化が可能となる。

図１１は本発明における投写型画像表示装置を示す構成図である。

図１１に示すように、本実施の形態の投写型画像表示装置は、照明部３３と、レンズアレイ型インテグレータ２６と、フィールドレンズ３０と、光変調素子としての光変調器１１と、投写光学系としての投写レンズ１５とが順に配置されて構成されている。図１１中、１６は照明部３３を除く光学部材であるレンズアレイ型インテグレータ２６、フィールドレンズ３０、光変調器１１及び投写レンズ１５に共通の光軸であるシステム軸を示している。尚、レンズアレイ型インテグレータ２６、フィールドレンズ３０は、図８を用いて説明したものと同じであるので、その詳細な説明は省略する。また、光変調器１１、投写レンズ１５は、図１を用いて説明したものと同じであるので、その詳細な説明は省略する。

照明部３３は、２灯構成とされている。具体的には、照明部３３は、内面に回転放物面からなる反射面１９を有するリフレクタ２０と、リフレクタ２０の反射面１９を形成する回転放物面の焦点１８の位置に発光部１の表面（発光面）が位置する光源３５とを、２組備えており、これらは、リフレクタ２０の外面同士が近接するようにして、かつ、各リフレクタ軸２５がシステム軸１６と平行になるようにして、システム軸１６に対して対称に配置されている。尚、リフレクタ軸２５とシステム軸１６とが平行状態から微妙にずれていても、レンズアレイ型インテグレータ２６で扱える範囲のズレであれば問題ない。また、図１１のような構成ではなく、リフレクタ２０のリフレクタ軸２５同士が近接するような配置とすることも可能である。但し、固体発光光源の場合には、一般に、基板２の背面にヒートシンクなどの放熱機構が配置されることから、図１１のように構成する方が、基板２の背面に空間的な余裕が出て望ましい。また、同じ考え方で、さらなる多灯化を図ることも可能である。

本実施の形態の投写型画像表示装置（２灯構成）によれば、１灯構成では得られない光量を得ることが可能となり、投写像の明るさを飛躍的に改善することができる。

尚、図８の投写型画像表示装置の場合であっても、同様の構成を採用することにより、多灯化が可能となる。

図１２は本発明における投写型画像表示装置を示す構成図である。

図１２に示す投写型画像表示装置は、図１０の投写型画像表示装置を応用して、カラー表示に対応した構成としたものである。ここでは、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の各色の光ごとに用意した照明部３２Ｒ、３２Ｇ、３２Ｂからの光を、ダイクロイックミラーによって合成する構成としている。照明部３２Ｒからの光は、赤反射ダイクロイックミラー４０によって反射され、照明部３２Ｂからの光は、青反射ダイクロイックミラー４１によって反射され、照明部３２Ｇからの光は、赤反射ダイクロイックミラー４０、青反射ダイクロイックミラー４１を透過し、これにより、各照明部３２Ｒ、３２Ｇ、３２Ｂからの光が合成可能となる。表示動作については図１、図７、図８、図９を用いて説明しているので、ここではその説明は省略する。

尚、各照明部３２Ｒ、３２Ｇ、３２Ｂからの光を合成する手段は、必ずしもダイクロイックミラーに限定されるものではなく、例えば、プリズムや回折格子を用いることもできる。

図１３は本発明における投写型画像表示装置を示す構成図である。

図１３に示す投写型画像表示装置は、図１１の投写型画像表示装置を応用して、カラー表示に対応した構成としたものである。ここでは、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のダイクロイックミラーによって合成する構成としている。照明部３３Ｒからの光は、赤反射ダイクロイックミラー４０によって反射され、照明部３３Ｂからの光は、青反射ダイクロイックミラー４１によって反射され、照明部３３Ｇからの光は、赤反射ダイクロイックミラー４０、青反射ダイクロイックミラー４１を透過し、これにより、各照明部３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂからの光が合成可能となる。表示動作については図１、図７、図８、図９を用いて説明しているので、ここではその説明は省略する。

尚、各照明部３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂからの光を合成する手段は、必ずしもダイクロイックミラーに限定されるものではなく、例えば、プリズムや回折格子を用いることもできる。

以上のように、本発明によれば、広い出射角を有する面発光光源からの光を効率良く集光して、画像表示装置に取り込むことが可能となる。従って、本発明は、十分な明るさが要求される投写型画像表示装置に有用である。

図１は、本発明における投写型画像表示装置を示す構成図である。 図２は、本発明における投写型画像表示装置に用いられる光源を示す側面図である。 図３は、本発明における投写型画像表示装置に用いられる光源の光強度分布（配光分布）の一例を示す図である。 図４は、本発明における投写型画像表示装置の他の例を示す構成図である。 図５は、本発明における投写型画像表示装置のさらに他の例を示す構成図である。 図６は、本発明における投写型画像表示装置のさらに他の例を示す構成図である。 図７は、本発明における投写型画像表示装置を示す構成図である。 図８は、本発明における投写型画像表示装置を示す構成図である。 図９は、本発明における投写型画像表示装置を示す構成図である。 図１０は、本発明における投写型画像表示装置を示す構成図である。 図１１は、本発明における投写型画像表示装置を示す構成図である。 図１２は、本発明における投写型画像表示装置を示す構成図である。 図１３は、本発明における投写型画像表示装置を示す構成図である。

Claims (1)

1. 内面に回転放物面からなる反射面を有するリフレクタと、少なくとも発光部が平面と見なせる形状であると共に、前記平面に垂直に立てた法線に対して±９０°以内の配光を有し、かつ、前記発光部が光学的に前記リフレクタの前記反射面を形成する前記回転放物面の焦点に位置するように配置された光源と、外部信号に応じて光の出力を変調可能な光変調素子と、前記発光部から出射され、前記リフレクタの前記反射面で反射された光を前記光変調素子に導く光学系と、前記光変調素子上の像をスクリーン上に拡大投写する投写光学系とを備えた投写型画像表示装置であって、
   前記光学系を、前記リフレクタの出射面の前方に配置されたコンデンサレンズ及び前記コンデンサレンズの焦点位置に入射側開口部が位置するように配置されたロッドインテグレータ及び前記ロッドインテグレータの出射側開口部の像を前記光変調素子上に転写するリレー光学系か、又は前記リフレクタの出射面の前方に配置されたマイクロレンズの集合体であるレンズアレイ型インテグレータのいずれかにより構成し、かつ
   前記リフレクタからの光の集光角が、前記リフレクタ及び光源を除く光学部材に共通の光軸であるシステム軸に対して略対称となるように、前記リフレクタの前記反射面の回転中心軸を前記システム軸に対して平行にシフトさせて配置したことを特徴とする投写型画像表示装置。

Images