JP4807981B2 - 画像表示装置及び投射光学系プロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、プロジェクタやリアプロジェクションテレビ等のカラー画像表示装置、特に、二次光源形成プリズムを備えた画像表示装置、該装置を備えた投射光学系プロジェクタに関する。

プロジェクタのカラー表示方法として現在一般には、白色の熱光源から出た光を赤色、緑色、青色の三原色の光に分離して、三枚のライトバルブをそれぞれの色光で照明し、各ライトバルブで変調された光をクロスダイクロイックプリズムのような色合成光学系で合成し、スクリーン上の各画素に三原色の照明光が常時投射され混色される方式（ライトバルブを三枚使うことから、通常三板式と呼ばれる）と、三原色の光を時間的に分割して順番に投射する時分割混色方式（ライトバルブが一枚で済むことから、通常単板式と呼ばれる）の二通りの方法が採用されている。

プロジェクタを小型化するうえで、色分離光学系のスペースや三枚のライトバルブのコスト面から、三板式は望ましいものではなく、単板式が望ましい。この点で単板式が望ましいが、従来、プロジェクタの分野では、単板式にしても三板式の場合と同様に、超高圧水銀灯やキセノンランプ等のいわゆる熱光源ランプが使用されている。

照明光源として使用している上記のような熱光源は、光への変換効率が低いため、必要とされる入力電力が大きくなる。また、電源とランプ（多くは反射鏡付き）の寸法も大きくなり、冷却ファン等も必要となる。従って、上記熱光源は重く、また、ライトバルブ（特に液晶ライトバルブ）の寿命は、上記熱光源の発生する熱のために短縮される。

そこで近年、開発が活発に行われている発光ダイオード（Light Emitting Diode：以下、ＬＥＤと称す）をプロジェクタ用の光源として採用する案が種々出ている。ＬＥＤは、一般的に長寿命、高効率、高速応答、単色発光等の利点を有しており、ＬＥＤ素子の明るさの急激な高まりも相俟って、多くの照明分野への応用が期待されている。

特許文献１には、ＬＥＤをプロジェクタに用いる提案がされており、光源に発光素子アレイを用い、アレイ内の発光素子それぞれがライトバルブ（光変調装置）の光変調領域全体を照明し、高速で三原色の発光素子をオン、オフすることでカラー表示する技術が開示されている。

また、特許文献２や、特許文献３に記載の反射型液晶表示素子や、ＤＭＤのようにライトバルブ面上の変調情報を一括で変えられる表示装置であってもこのようなＬＥＤを用いた方式のカラー表示が可能である。

しかし、ＬＥＤは、通常出射角度ごとに異なる光強度分布を有している（一般に配光分布と呼ばれる）。ベアチップタイプのＬＥＤの場合、配光分布は通常ランバートと呼ばれる分布であり、図８に示すように、光出射方向Pから角度θをなすと、ｃｏｓθに従ってθ方向の光強度が弱まるものである。

ここで、光源としてＬＥＤを用いた場合の画像表示装置の光源部について図９を用いて説明する。図９は、光源としてＬＥＤを用いた場合の画像表示装置の光源部について説明するための図である。図９に示すように、画像表示装置の光源部は、ＬＥＤ１〜３（ＬＥＤは点光源として扱い、図８を用いて上述したように、ＬＥＤの配光分布は中心から角度をなす毎に、光強度が落ちるものが用いられる。）、リレーレンズ４、ライトバルブ５から構成されるものとする。

図９に示すような画像表示装置の光源部の構成では（ＬＥＤ２とライトバルブ５の中心を結ぶ直線を光軸とし、光軸を含みライトバルブ５の辺に垂直な平面において、リレーレンズ４の焦点にＬＥＤ２を配置する照明系では）、ＬＥＤの配光分布に従って、ライトバルブ５上でその中心と周辺において照度差が発生する。

以上説明した様に、図９に示すように、図８に示す配光分布を有するＬＥＤ１〜３の各々がライトバルブ５全体を照明すると、配光分布が重畳され、ライトバルブ５上の照度ムラとなって現れてしまう。このような特性は、ＬＥＤにレンズをカップリングする砲弾型ＬＥＤにおいても当然現れる。このような光源の配光分布特性の問題を解決する方法としては、一般に蝿の目レンズを用いて光源の光束を複数に分割する方法を取る。
特開２００１−２４９４００号公報 特開２００２−２４４２１１号公報 特開２００３−２４１１４８号公報 特開２００４−１４６２００号公報 特許第３２５７６４６号公報

しかし、上述したように、光源の配光分布特性の問題を解決する方法としては、一般に蝿の目レンズを用いて光源の光束を複数に分割する方法を採用するが、蝿の目レンズを各ＬＥＤにカップリングさせる方法は現実的ではない。また、たとえカップリングさせたとしても蝿の目レンズを構成する各レンズサイズは極めて小型となり、リレーレンズ系のアフォーカル倍率によってライトバルブ全面を蝿の目レンズ内の各レンズが形成する二次光源によって照明しようとすると、照明系の光軸方向が極めて大きくなってしまうという問題がある。

また、各ＬＥＤから少しでも多くの光量をライトバルブに導こうとすると、必然的にＬＥＤからライトバルブに光を導くリレーレンズ系のFナンバが明るくなり、レンズ径の大型化、収差補正のためのレンズ枚数増加を招くという問題がある。

本発明は、上記のような問題点に鑑み、小型、軽量、且つ、ライトバルブの照度ムラが軽減され、リレーレンズ系のFナンバが暗くても明るく照明することを可能とした画像表示装置及び投射光学系プロジェクタを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明は、以下の特徴を有する。
本発明にかかる画像表示装置は、
複数の発光ダイオードと、複数の二次光源形成プリズムと、リレーレンズと、ライトバルブと、を具備する光源部を備えた画像表示装置であって、
前記二次光源形成プリズムは相対する２つの矩形面を有し、該２つの矩形面は、前記発光ダイオード側の第１の矩形面と、前記発光ダイオード側と逆側の第２の矩形面とからなり、第１の矩形面の面積は第２の矩形面の面積よりも大きく、
前記複数の発光ダイオードは、アレイ状に配列され、第１の方向に並ぶ発光ダイオードと、前記第１の方向と交わる第２の方向に並ぶ発光ダイオードと、を含み、
前記複数の二次光源形成プリズムは、前記複数の発光ダイオードの前記配列に対応して配列され、前記第１の方向に配列された１以上の二次光源形成プリズムと、前記第２の方向に配列された１以上の二次光源形成プリズムと、を含むことを特徴とする。

本発明にかかる投射光学系プロジェクタは、
上記記載の画像表示装置を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、小型、軽量、且つ、ライトバルブの照度ムラが軽減され、リレーレンズ系のFナンバが暗くても明るく照明することができる。

本発明を実施するための最良の形態は、画像表示装置の光源部を、複数の発光ダイオード、複数の二次光源形成プリズム、リレーレンズ、及び、ライトバルブとから構成し、二次光源形成プリズムの有する、相対する２つの矩形面（発光ダイオード側の第１の矩形面と、残りの第２の矩形面）は、第１の矩形面の面積が第２の矩形面の面積よりも大きくなるようにする。

以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下に述べる実施形態は本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施形態に限られるものではない。

（実施形態１）
まず、本実施形態の画像表示装置に用いる二次光源形成プリズムとその働きについて添付図面を用いて以下に説明する。ここで、二次光源形成プリズムは、例えば、図２に示す角柱状の二次光源形成プリズム６が用いられる。そして、図３に示すように、この二次光源形成プリズム６は、一つのＬＥＤ８から出る光を、複数の光束（図３に示す光束Ｏ、Ａ、Ｂ）に分割するものである。

図３は、二次光源形成プリズム６によって、一つのＬＥＤ８から出る立体角３０度の光束を３分割される様子を示したものである。ここで、二次光源形成プリズム６の台形面を通過する光束について着目すると、図３に示されるような位置に光源（ＬＥＤ８）の虚像ができていることがわかる。この光源の虚像をここでは二次光源と呼ぶ。

尚、図４に示すような台形面を有する形状からなる二次光源形成プリズム７を用いると、１つのＬＥＤから出る光を１つの二次光源形成プリズム７で５分割することができる。よって、１つのＬＥＤから出る光を１つの二次光源形成プリズム６で３分割するよりも分割数を稼ぐことができ、上述した画像表示装置の光源部におけるライトバルブ上の照明むらをより改善することが可能となる。

しかし、実際の画像表示装置においては、ＬＥＤをアレイ状に複数配列するため、各ＬＥＤに二次光源形成プリズムをカップリングさせる必要があり、二次光源形成プリズム７を用いて画像表示装置を構成すると、使用する二次光源形成プリズム７の個数が増加し、コスト上望ましくない。そこで、本実施形態においては、使用する二次光源形成プリズムの個数の増加を抑制してコスト高とならないように、図３に示す二次光源形成プリズム７を一方向に長くした様な、図２に示す角柱状の二次光源形成プリズム６を用いて、画像表示装置を構成することとする。

次に、本実施形態の画像表示装置の光源部について、図１を用いて以下に説明する。図１（ａ）、（ｂ）は、本実施形態における画像表示装置の光源部の概略構成断面図である。図１（ａ）に示した断面は、本実施形態における画像表示装置の光源部のライトバルブに対して垂直な断面である。図１（ｂ）の断面は、図１（ａ）に示した断面と垂直な断面である。図１（ａ）、（ｂ）に示す本実施形態の画像表示装置の光源部は、９個のＬＥＤ８、６個の二次光源形成プリズム６、２個のリレーレンズ４、及び、ライトバルブ５を備えている。尚、図１（ａ）、（ｂ）では、ＬＥＤ８から出射される光束を一部のみ図示し、残りは省略する。

図１（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施形態では、二次光源形成プリズム６は、行方向（紙面に垂直方向）に３個、列方向（紙面に平行方向）に３個並べ、ＬＥＤアレイの行数、及び、列数と同数だけ並べられる。そして、一つのＬＥＤから出射される光を、二次光源プリズムによって、２段階で分割しようとするものである。これにより、ＬＥＤの配光分布の影響を小さくすることが可能となる。

本実施形態によれば、９個のＬＥＤ８の光分割作用を、６個の二次光源プリズム６で達成することができ、図４に示すような台形面を有する二次光源プリズム７を用いた場合よりも、使用するプリズム数を減らすことができる。また、図４に示す二次光源形成プリズム７に比べ、図２に示す二次光源形成プリズム６は、製造の難易度が遥かに低く、プリズム数のみならず、製造上もコスト低減が見込まれる。

また、図５に示すように、二次光源形成プリズム６において、側面９から出射する光束の中心を通る光線Ａが、１０度の角度で二次光源形成プリズム６の第１の矩形面１０に入射すると、nd・sin[(90-β)-α]／sin(90-β) = 1という関係式から、屈折率nd=1.517とすると、α≒6.6なので、β≒71（度）となる。このように、側面９が第２の矩形面１１となす角度は、リレーレンズ４の軸外特性とマッチングさせることが望ましい。

上述したように、二次光源形成プリズムにおいて、その側面が第２の矩形面となす角度について、例えばリレーレンズを光源側にテレセントリックにした場合には、第２の矩形面と角度を有する面から出射する光束の中心を通る光線が、光軸と平行に出射するように設定すると、光束を照明に十分利用できて望ましい。

本実施形態によれば、ＬＥＤ及び二次光源形成プリズムを備えた光源部を設けることによって、小型、軽量、且つ、ライトバルブの照度ムラが軽減され、リレーレンズ系のFナンバが暗くても明るく照明することを可能とした、二次光源形成プリズムを備えた画像表示装置及びその画像表示方法を実現することができる。

次に、先行技術と本実施形態との相違点について述べる。本実施形態の二次光源形成プリズムと類似の形態を有するものとして、特許文献４、５に開示されるプリズムがある。特許文献４に開示されるプリズムは、直視型の有機ＥＬディスプレイを対象としたものであり、直視型のため各画素からの画像表示用の光を正面方向に効率良く取り出すことのみを目的として機能させるプリズムである。

これに対し、本実施形態の二次光源形成プリズムは、照明用の光を対象としており、ライトバルブの照度ムラを減らすことを課題とし、少なくとも４つ以上の多角形面を有するプリズムである。更に、ライトバルブに導光するためにリレーレンズを必要としている。このように特許文献４に開示される発明と本実施形態とは、その目的、構成、及び、効果が、全く異なるものである。

また、特許文献５に開示されているプリズムは、プリズムに矩形面を必要とせず、構成が本発明とは異なるものである。また、光源のレーザービームを分岐することを目的とするものであり、本実施形態とは目的が全く異なる。

（実施形態２）
本実施形態は、実施形態１の応用例である。よって、実施形態１と共通する部分は説明を省略し、本実施形態の特徴的部分のみ添付図面を用いて以下に説明する。本実施形態は、実施形態１で用いた、プリズム１個当たりの光分割数が３つの二次光源形成プリズム６の代わりに、図６に示すように、プリズム１個当たりの光分割数が５つの二次光源形成プリズム１２を用いて画像表示装置の光源部を構成することを特徴とする。

図６は、光軸を含み、二次光源形成プリズム１２の第１の矩形面と第２の矩形面に垂直な平面から、５０度の光束を各１０度の光束（光速Ｏ、光束Ａ〜Ｄ）に分割した様子を示したものである。本実施形態の二次光源形成プリズム１２は、図２に示す二次光源形成プリズム６よりも、その有する多角形面が多いため、光の分割数が多く、分割された一つ一つの光束の有する配光分布が小さくなるため、より照度ムラを小さくすることが可能となる。本実施形態によれば、実施形態１に示した効果のうち、ライトバルブの照度ムラについて更に改善を図ることができるという効果を得ることができる。

（実施形態３）
本実施形態は、実施形態１の応用例である。よって、実施形態１と共通する部分は説明を省略し、本実施形態の特徴的部分のみ添付図面を用いて以下に説明する。
まず、上述したように、画像表示装置の光源部において、赤色、緑色、青色のＬＥＤを時分割でオン、オフすることで、単板ライトバルブでもカラー表示をすることができる。このような表示方式は、一般にフィールドシーケンシャルと呼ばれる。
本実施形態は、このようなフィールドシーケンシャル方式を用いたプロジェクタに対して本発明を適用したものである。

図７に、本実施形態における投射光学系プロジェクタの光源部の概略構成断面図を示す。図７に示すように、本実施形態の投射光学系プロジェクタの光源部は、３個の赤色のＬＥＤ８、３個の緑色のＬＥＤ８、３個の青色のＬＥＤ８、６個の二次光源形成プリズム６、２個のリレーレンズ４、投射レンズ１３、偏光変換作用をもったＰＢＳ（Polarized Beam Splitter）１４、及び、反射型液晶ライトバルブ１５を備えている。尚、図７における投射光学系プロジェクタの光源部は、２個のリレーレンズ４の間に、クロスダイクロイックプリズムが設けられていても良い。

図７に示すように、ＬＥＤ８から出射された光は、二次光源形成プリズム６で複数の光束に分割され、各光束はリレーレンズ４を経て、ＰＢＳ１４で偏光変換された後に、反射型液晶ライトバルブ１５に導かれる。反射型ライトバルブ１５で変調された光は、投射レンズ１３によってスクリーンなどの壁面に投射される。

本実施形態によれば、ＬＥＤ及び二次元光源形成プリズムを備えた光源部を設けることによって、小型、軽量、且つ、ライトバルブの照度ムラが軽減され、リレーレンズ系のFナンバが暗くても明るく照明することを可能とした画像表示装置を備えた投射光学系プロジェクタを実現することができる。

（ａ）は、第１の実施形態における画像表示装置の光源部の概略構成断面図である。（ｂ）は、（ａ）に示した断面と垂直方向の断面図であり、第１の実施形態における画像表示装置の光源部の概略構成断面図である。 第１の実施形態の二次光源形成プリズムを示した斜視図である。 第１の実施形態における二次光源形成プリズムの働きについて説明するための断面図である。 第１の実施形態における比較説明のための二次光源形成プリズムを示した斜視図である 第１の実施形態の二次光源形成プリズムについて説明するための図である。 第２の実施形態における二次光源形成プリズムについて説明するための断面図である。 第３の実施形態における投射光学系プロジェクタの光源部の概略構成断面図である。 発光ダイオード（ＬＥＤ）の配光分布について説明するための図である。 従来の画像表示装置の光源部の概略構成断面図である。

符号の説明

１〜３ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
４ リレーレンズ
５ ライトバルブ
６、７ 二次光源形成プリズム
８ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
９ 側面
１０ 第１の矩形面
１１ 第２の矩形面
１２ 二次光源形成プリズム
１３ 投射レンズ
１４ ＰＢＳ（Polarized Beam Splitter）
１５ 反射型液晶ライトバルブ

Claims (6)

1. 複数の発光ダイオードと、複数の二次光源形成プリズムと、リレーレンズと、ライトバルブと、を具備する光源部を備えた画像表示装置であって、
   前記二次光源形成プリズムは相対する２つの矩形面を有し、該２つの矩形面は、前記発光ダイオード側の第１の矩形面と、前記発光ダイオード側と逆側の第２の矩形面とからなり、第１の矩形面の面積は第２の矩形面の面積よりも大きく、
   前記複数の発光ダイオードは、アレイ状に配列され、第１の方向に並ぶ発光ダイオードと、前記第１の方向と交わる第２の方向に並ぶ発光ダイオードと、を含み、
   前記複数の二次光源形成プリズムは、前記複数の発光ダイオードの前記配列に対応して配列され、前記第１の方向に配列された１以上の二次光源形成プリズムと、前記第２の方向に配列された１以上の二次光源形成プリズムと、を含むことを特徴とする画像表示装置。
2. １つの前記発光ダイオードから出射される光は、前記第１の方向に配列された前記二次光源形成プリズムと、前記第２の方向に配列された前記二次光源形成プリズムとによって２段階に分割されることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
3. 前記第１の矩形面と前記第２の矩形面とは平行であることを特徴とする請求項１または２記載の画像表示装置。
4. 前記ライトバルブの一辺に垂直で光軸を含む平面内において、前記発光ダイオードから出射する光束であって、前記第１の矩形面に入射し、前記第２の矩形面と隣接し、該第２の矩形面と角度β+90度をなす、前記二次光源形成プリズムの有する側面から、出射する光束の中心を通る光線において、前記第１の矩形面に入射した前記光線が前記二次光源形成プリズム内部で屈折された時に、前記第１の矩形面となす角度をαすると、条件式：nd・sin[(90-β)-α]／sin(90-β) = 1（ndは二次光源形成プリズムの材料のd線での屈折率）を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
5. 前記複数の発光ダイオードは、少なくとも赤色、緑色、青色の発光ダイオードをそれぞれ１以上含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の画像表示装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の画像表示装置を備えた投射光学系プロジェクタ。

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