JP4822973B2 - 光学ユニットおよびこれを用いた映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源からの出射光を映像表示素子に照射して映像光を生成する光学ユニット、および光学ユニットを用いてスクリーン上に映像を表示する映像表示装置に関するものである。

投射型映像表示装置は、光源から発生した光を液晶パネルなどの映像表示素子に照射し、映像表示素子上に形成した映像光をスクリーンに拡大投影して表示する。この中で光学ユニットは、光源からの出射光を反射面鏡で反射させ、平行化もしくは集光した後、照明系を用いて映像表示素子上に光を照射させて映像光を生成する。スクリーンに表示する映像を明るく、かつ照度ムラをなくすためには、光学ユニットは、光源からの出射光を効率良く、かつ均一に映像表示素子まで導くことが必要である。このような光学ユニットの構成として、次のようなものが知られている。

例えば特許文献１には、画面への投射光を増加させることができ、寿命の長い反射鏡付き高圧水銀ランプを提供することを目的とし、水銀ランプの封止部の外径形状を規定することにより、反射鏡で反射された光が封止部の端部付近で反射されることを抑制する技術が開示される。

また特許文献２には、複数のＬＥＤを用いて光源装置を構成し、ＬＥＤからの光束を平行性の高い光束として取り出し、取り出した光束をインテグレータ光学系に効率よく導くことを目的とする。そのため、ＬＥＤからの発光を反射する反射鏡の開口部が光軸に垂直な断面において半円形形状とし、反射鏡はＬＥＤの配置される位置を焦点とした放物面形状とする構成（図６）のＬＥＤ光源デバイスが開示される。

特開２００３−１０９４０４号公報 特開２００４−５３９４９号公報

上記の従来技術では、光源からの出射光を効率良く映像表示素子まで導くためには、まだ改善の余地がある。

特許文献１では、焦点位置に光源である水銀ランプを配置し、反射光がランプの端部で遮られないような構造としている。このような構造は、水銀ランプのような点光源に近い光源には有効であるが、ＬＥＤやＥＬ、プラズマ、単一レーザ、多数配列レーザ、無電極ランプ、短アークランプ等のような面光源や所定の大きさを有する光源を利用する場合、効率を低下させる。その理由の１つは、光源からの出射光の一部は反射鏡に入射できないからである。また、光源が大きく点光源でない場合、光源自身が反射光の一部を遮り、すなわち光源の影を作るために、映像表示素子へ照射する光の損失となる。

特許文献２では、反射鏡はＬＥＤの配置される位置を焦点とした放物面形状としてあるので、ＬＥＤから発する光は平行光線に変換されて出射する。しかしながら、光源からの出射方向が広範囲に広がっている場合、光の一部は反射鏡に入射できず、損失となる。反射鏡のサイズ（光軸方向の長さ）を無限に大きくすれば損失はなくなるが、現実には反射鏡のサイズは制限されるので損失は避けられない。特に面光源や所定の大きさを有する光源を利用する場合、効率を低下させる。

本発明の目的は、上述した課題を解決し、光源からの出射光を効率良く反射面鏡へ入射させる光学ユニット、および表示する映像の明るさを向上させる映像表示装置を提供することである。

本発明の光学ユニットは、半球面内の範囲に光を出射する光源と、該光源からの出射光を反射し所定の方向に導く反射面鏡とを備え、上記光源の出射中心方向の光軸を上記所定の方向に対し所定の角度θだけ傾斜させて配置する構成とする。

本発明の光学ユニットは、半球面内の範囲に光を出射する光源と、該光源からの出射光を反射し所定の方向に導く反射面鏡とを備え、該反射面鏡の反射面形状は、回転楕円面、回転放物面またはその一部で構成され、上記光源を、上記反射面鏡の回転楕円面または回転放物面の焦点位置近傍に配置し、上記光源の光軸を、上記反射面鏡の回転楕円面または回転放物面の回転軸方向に対し所定の角度θだけ傾斜させる。ここに前記傾斜角度θは、３０°から５０°の範囲とすることが好ましい。

前記反射面鏡は、前記回転対称軸を境界に、前記光源の出射側と反対側の部分を削除し、前記光源の近傍に、該光源から上記削除した反射面鏡の部分に向かう出射光を反射して前記反射面鏡へ導くための補助鏡を設ける。

前記光源として、実光源からの光源像を前記反射面鏡の焦点位置に結像させる光源結像手段を用いる。あるいは、前記光源として、光源からの出射光を導き前記反射面鏡の焦点位置に出射させる光導波路を用いる。

本発明の光学ユニットは、さらに、前記反射面鏡からの出射光から照明光を生成する照明手段と、該照明光を受け、映像信号に応じた映像光を形成する映像表示素子と、該映像光をスクリーン上に投影する投射手段を備える。

本発明の映像表示装置は、前記光学ユニットとして、Ｒ，Ｇ，Ｂ色の３系統の映像光を合成してフルカラー映像を形成するものであって、前記光源と前記映像表示素子へ電力を供給する電源部と、前記映像表示素子へ映像信号を供給する映像信号処理部と、前記投射手段により投影された映像を表示するスクリーンとを備える。

本発明の光学ユニットによれば、光源からの出射光を効率良く映像表示素子に照射でき、明るい映像を表示する小型の映像表示装置を実現する。

以下本発明による幾つかの実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明による光学ユニットの第１の実施例を示す概略構成図（側面図）である。これは、液晶プロジェクタ装置、反射式映像表示プロジェクタ装置、投射型リアプロジェクションテレビ等の映像表示装置において、表示する映像を生成してスクリーンに投射する部分である。光源１には、スクリーンへ十分な明るさで映像を投射するため、例えば、キセノンランプ、メタハライドランプ、超高圧水銀ランプ等の高出力のランプを使用する。さらには、発光効率の優れるＬＥＤや多段レーザなどの光源も使用できる。また光源は、面光源または複数個の光源の集合体であっても構わない。すなわち、ＬＥＤやＥＬ、プラズマ、単一レーザ、多数配列レーザ、無電極ランプ、短アークランプ等のような面光源や所定の大きさを有する光源も適用できる。但しこれらの光源は、その出射光の方向が光源の上面（上部）から見て半球面内の空間に限られるものとする。ＬＥＤの場合には、砲弾型の樹脂に封入された形態や、微小な発光チップを面内配置し、全体として１つの発光面とする形態を含む。また無電極ランプのような、管球の半分が構造物に埋め込んである形態も含む。

反射面鏡２は、その反射面形状を、例えば、回転楕円面、回転放物面、もしくはそれらの一部を含む形状とする。そして光源１を、反射面鏡２の焦点位置Ｆに配置する。反射面鏡２は、光源１から出射された光を反射して集光および平行化して（図中の矢印を参照）、光学系３に照射する。

光学系（照明手段）３は、マルチレンズ３ａ、ＰＢＳアレイ３ｂ、リレーレンズ３ｃなどで構成し、輝度分布を均一化し所定の光束の照明光を生成する。映像表示素子４は、映像表示素子に光学系３からの照明光を受け、映像信号に応じた映像光を形成する。映像表示素子４には、液晶パネルやマイクロミラーデバイスなどを用いる。１つの光学ユニットは、単色の光源１に対応し、単色の映像光を形成する。図では省略するが、Ｒ，Ｇ，Ｂ色の単色の光源１に対してそれぞれの光学ユニットを用意する。色合成素子５は、それぞれの光学ユニットにより形成された複数の映像光を合成し、投射レンズ（投射手段）６は、合成された映像光をスクリーンに拡大投影することでフルカラー映像を表示する。

本実施例の光学ユニットは、光源１と反射面鏡２の形状及び配置に特徴がある。光源１は、その出射光の範囲が光源の上面（上部）から見て半球面内の空間であり、その中心軸方向すなわち光源の頂点方向を光軸と定め符号Ｐで示す。一方反射面鏡２は、回転楕円面または回転放物面の一部を切り取った形状であり、その回転対称軸を符号Ｑ、焦点位置を符号Ｆで示す。光源１は焦点Ｆに配置し、その光軸Ｐを反射面鏡２の回転対称軸Ｑに対して所定の角度θだけ傾斜させる。光源１の出射光は出射面の裏側に回り込むことがないため、反射面鏡２は光源１の出射範囲をカバーする範囲の大きさで十分である。すなわち出射範囲に合わせ上端２ａから下端２ｂまでの大きさとして、その外側の回転楕円面または回転放物面の部分は切り落とした形状とする。

光源１の光軸Ｐの傾斜角度θは、光源１のサイズと反射面鏡２のサイズの条件に合わせて、光源からの出射光量に対する反射面鏡からの反射光量の割合（利用効率）が最大となるよう最適化して設定する。光源１のサイズ（面積）が大きい場合は、光源自身が反射光を遮り影を作らない（影を小さくする）ように、傾斜角度θを大きくすべきである。また、反射面鏡２のサイズ（光軸方向の長さ）が小さい場合は、光源の出射範囲がこれに含まれるよう傾斜角度θを小さくすべきである。具体的条件として、光源１のサイズが４ｍｍ×４ｍｍの矩形状で、反射面鏡のサイズが開口部径＝６０ｍｍ、焦点距離１４ｍｍの場合には、傾斜角度θが３０°〜５０°のとき利用効率が９５％以上となり、最適値はθ＝４０°である。光源１のサイズと反射面鏡２のサイズが変われば、最適な傾斜角度θは変化する。

本実施例の光学ユニットによれば、小型の反射面鏡を用いつつ光源１からの出射光を効率良く光学系３へ入射させることができ、明るい投射映像を提供する小型の映像表示装置を実現できる。

上記説明では、光源１の出射範囲が半球面内の空間としたが、レーザ光源のように出射範囲が狭く指向性の良い光源を使用する場合には、反射面鏡２のサイズ（２ａから２ｂまでの距離）を出射範囲に合わせて縮小することができ、さらに小型化を図ることができる。

図２は、本発明による光学ユニットの第２の実施例を示す概略構成図（側面図）である。図２では光源１と反射面鏡２の部分を示し、他の部分は前記実施例１（図１）と同様であり説明を省略する。本実施例では、反射面鏡２の下端を符号２ｃ位置まで短縮させ、光源１の近傍に補助鏡７を設けた構成である。反射面鏡２の下端位置２ｃは回転対称軸Ｑの軸上近傍とし、補助鏡７は光源１の出射光の一部を反射して反射面鏡２へ導くものである。前記実施例１と同様に、光源１の光軸Ｐを反射面鏡２の回転対称軸Ｑに対して所定の角度θだけ傾斜させる。光源１からの出射光のうち、回転対称軸Ｑよりも上側に向かう光（上部光）は、反射面鏡２の２ａから２ｃの部分で反射される。また、回転対称軸Ｑよりも下側に向かう光（下部光）は、一旦補助鏡７にて反射し、さらに反射面鏡２にて反射される。図２では、補助鏡７の反射面は平面状で下部光を遮る大きさとし、また補助鏡７の傾斜角度はその反射光が反射面鏡２からはみ出さないように設定する。あるいは補助鏡７の反射面を曲面（凸面）とすることで、下部光を反射面鏡２の上端２ａから下端２ｃまでより均一化させて照射させることができる。

本実施例によれば、前記実施例１に比較し、反射面鏡２のサイズをさらに縮小し、反射面鏡２からの出射光の面積を絞ることができ、光学系の小型化に効果的である。また、光源１自身を反射面鏡２からの出射領域の外側（又は境界）に配置したので、出射光内に光源の影を作ることがなく光源１からの光利用効率が高く、光学系３に対し均一な照射が可能となる。

図３は、本発明による光学ユニットの第３の実施例を示す概略構成図（側面図）である。本実施例では、前記実施例１における光源１の代わりに、反射面鏡２の焦点位置Ｆに光源像１ａを結像するように、リレー光学系（光源結像手段）８を設けた構成を示す（なお、前記実施例２の場合にも同様に適用できる）。実光源１は反射面鏡２から離れたところに配置し、１枚以上のレンズ、または１枚以上の反射面、もしくはその両方を含むリレー光学系８により、焦点位置Ｆに光源像１ａを形成する。光源像１ａからの出射光は、前記実施例と同様に反射面鏡２により反射される。リレー光学系（光源結像手段）８を用いることで、所望の光源像１ａの光軸に対し、実光源１の光軸を任意の方向で構成でき、光源１の配置に関し設計の自由度が増す。

本実施例によれば、実光源１自身を反射面鏡２からの出射範囲の外側に配置したので、出射光内に光源の影を作らず光利用効率が高い。また、途中の光路内で光学部品及び構造部品が干渉することを回避できる。

図４は、上記図３の実施例の変形例を示す図である。ここでは、前記リレー光学系８の代わりに光導波路９を設けている。光源１からの出射光を光導波路９に入射させ、その出射面１ｂを反射面鏡２の焦点位置Ｆに配置するように構成した。

図４の構成の場合にも、光源１自身を反射面鏡２からの出射光の外側に配置したので、出射光内に光源の影を作らず光利用効率が高い。光導波路９は、入射面と出射面の面積及び形状が異なってもこれらを変換する機能があり、光源１のサイズを自由に選択できる。また、光導波路９により輝度を均一化する効果があるので、光源１に輝度ムラがあった場合でも均一な照明が可能になる。

さらに、図３のリレー光学系８と、図４の光導波路９と組み合わせて構成することもできる。

図５は、本発明による映像表示装置の一実施例を示す構成図（平面図）である。本実施例の映像表示装置は透過式映像表示プロジェクタ装置の場合で、前記実施例１〜３のいずれか、またはそれらを組み合わせた光学ユニットを用いて構成する。光学ユニット１〜４は、Ｒ，Ｇ，Ｂ色の３系統を備え、色合成素子５にて各映像光を合成し、投射レンズ６にて合成された映像光をスクリーン（図示せず）に拡大投影することでフルカラー映像を表示する。電源部１０は、光源１、映像表示素子４などへ電力を供給する。映像信号処理部１１は、映像信号に合わせて映像表示素子４を駆動する。筐体１２、これらの光学部品や電気部品を収納する。

本実施例の映像表示装置では、前記実施例１〜３で説明したように光学ユニットの小型化が可能となり、また光源からの出射光の利用効率が高いので、明るい投射映像を提供する小型の映像表示装置を実現できる。本実施例の構成は、反射式映像表示プロジェクタ装置や投射型リアプロジェクションテレビ等でも同様に適用できる。

本発明による光学ユニットの第１の実施例を示す概略構成図（側面図）。 本発明による光学ユニットの第２の実施例を示す概略構成図（側面図）。 本発明による光学ユニットの第３の実施例を示す概略構成図（側面図）。 図３の実施例の変形例を示す図。 本発明による映像表示装置の一実施例を示す構成図（平面図）。

符号の説明

１…光源、１ａ…光源像、１ｂ…出射面、２…反射面鏡、３…光学系、３ａ…マルチレンズ、３ｂ…ＰＢＳアレイ、３ｃ…リレーレンズ、４…映像表示素子、５…色合成素子、６…投射レンズ、７…補助鏡、８…リレー光学系、９…光導波路、１０…電源部、１１…映像信号処理部、１２…筐体、Ｐ…光源の光軸、Ｑ…反射面鏡の回転対称軸、Ｆ…反射面鏡の焦点位置、θ…傾斜角度。

Claims (6)

1. 半球面内の範囲に光を出射する光源と、
   該光源からの出射光を反射し所定の方向に導く反射面鏡と、
   該反射面鏡の反射光の輝度分布を均一化し所定の光束の照明光を生成する照明手段と、を備え、
   上記反射面鏡の反射面形状は、回転楕円面、回転放物面またはその一部で構成されるとともに、該回転楕円面または回転放物面から切り取った形状であって、上記光源からの出射範囲に合わせた端部を有し、
   上記光源は、上記反射面鏡の反射光の光束の内側に位置するとともに、上記反射面鏡の回転楕円面または回転放物面の焦点位置近傍に配置し、
   上記光源の出射中心方向の光軸を、上記反射面鏡の回転楕円面または回転放物面の回転軸方向に対し所定の角度θだけ傾斜させることを特徴とする光学ユニット。
2. 請求項１に記載の光学ユニットにおいて、
   前記傾斜角度θは３０°から５０°の範囲とすることを特徴とする光学ユニット。
3. 請求項１または２に記載の光学ユニットにおいて、
   前記光源として、実光源からの光源像を前記反射面鏡の焦点位置に結像させる光源結像手段を用いることを特徴とする光学ユニット。
4. 請求項１または２に記載の光学ユニットにおいて、
   前記光源として、光源からの出射光を導き前記反射面鏡の焦点位置に出射させる光導波路を用いることを特徴とする光学ユニット。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光学ユニットにおいて、
   前記照明手段からの照明光を受け、映像信号に応じた映像光を形成する映像表示素子と、
   該映像光をスクリーン上に投影する投射手段を備えることを特徴とする光学ユニット。
6. 請求項５に記載の光学ユニットを用いた映像表示装置において、
   該光学ユニットは、Ｒ，Ｇ，Ｂ色の３系統の映像光を合成してフルカラー映像を形成するものであって、
   前記光源と前記映像表示素子へ電力を供給する電源部と、
   前記映像表示素子へ映像信号を供給する映像信号処理部と、
   前記投射手段により投影された映像を表示するスクリーンとを備えることを特徴とする映像表示装置。

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