JP4966506B2 - 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。

光源からの出射光を所望の偏光方向に変換する光学系として、図１０に示すように、光源１００と偏光変換装置１０１とロッドインテグレータ１０２とから成る光学系が知られている。このように、従来の光学系においては、光源１００の出射光の光軸と偏光変換装置１０１の出射光軸とが略平行になっている（特許文献１参照）。
特開２００１−２８１６００号公報

しかしながら、従来の光学系では、以下のような課題がある。すなわち、光源と偏光変換装置とが光軸上で略一直線に並ぶため、光学系の全長が長くなってしまう。また、光源を複数備えて高輝度化を図る場合、光源自体の大きさや光源に付随する冷却系などが制約を受けるため（例えば、光源を複数備えようとすると、一つの光源当たりのヒートシンクの面積をあまり大きくできない等）、従来構造では複数の光源を備える構造を実現することは容易でない。

この発明は、上記の事情に鑑み、照明装置の全長を短くすることができ、また、複数の光源を備える場合でも冷却系等の構造において制約をあまり受けることが無い照明装置及び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、上記の課題を解決するために、光源と、前記光源から出射された光を受ける光入射面と偏光変換後の光を出射する光出射面とが直交又は略直交するように形成され、受けた光を単一の偏光光に変換して出射する偏光変換装置と、を備えたことを特徴とする（以下、この項において第１構成という）。

上記の構成であれば、光源と偏光変換装置とを並列的に配置することができるので、照明光学系の全長を短くすることができる。また、光源と偏光変換装置との組を複数備えて高輝度化を図る場合、複数の光源を互いに離間させて設けることが容易になる。すなわち、高輝度化を図りつつ各光源に対して例えば十分な大きさの冷却板を設けることが可能になる。

上記第１構成の照明装置において、前記偏光変換装置は、受けた光のうちの第１偏光光を透過し第２偏光光を当該偏光変換装置の光出射面の方向に反射する偏光分離膜と、前記透過した第１偏光光を当該偏光変換装置の光出射面の方向に反射する反射機能部及び前記第１偏光光を第２偏光光に変換する変換機能部を備えて成る光学手段と、から成っていてもよい（以下、この項において第２構成という）。

第２構成の照明装置において、前記変換機能部にて第１偏光光が第２偏光光に変換された後に、当該第２偏光光が前記反射機能部にて前記光出射面の方向に反射されてもよい。かかる構成において、前記反射機能部は偏光分離膜又はミラーであってもよい。

第２構成の照明装置において、第１偏光光が前記反射機能部にて前記光出射面の方向に反射された後に、当該第１偏光光が前記変換機能部にて第２偏光光に変換されてもよい。かかる構成において、前記前記反射機能部はミラーであってもよい。

これら構成の照明装置において、一つの偏光変換装置に対して一つ又は複数の光源が配置されていてもよい。

これら構成の照明装置において、前記光源と前記偏光変換装置とから成る組を複数組備えていてもよい（以下、この項において第３構成という）。

第３構成の照明装置において、前記複数の組における前記偏光変換装置の光入射面は互いに向かい合って平行に存在していてもよい。

第３構成の照明装置において、前記複数の組における前記偏光変換装置の光入射面は非平行に存在していてもよい。かかる構成の照明装置において、前記偏光変換装置から出射される光の偏光方向が揃うように所定の偏光変換装置の光出射面に位相差板が設けられているのがよい。

これら構成の照明装置において、前記偏光変換装置から出射された光を受ける位置に光インテグレータを備えていてもよい。かかる構成において、前記光インテグレータとして、フライアイレンズ対から成るインテグレータレンズ、テーパ型のロッドインテグレータ、及びテーパ無しのロッドインテグレータの少なくとも一つを備えていてもよい。

これら構成の照明装置において、前記光源から出射された光を受ける位置に光インテグレータを備えており、この光インテグレータから出射される光が前記偏光変換装置に入射するようにしてもよい。かかる構成において、前記光インテグレータとして、テーパ型のロッドインテグレータとテーパ無しのロッドインテグレータの少なくとも一つを備えていてもよい。これら構成の照明装置において、前記光源から出射された光を受ける位置に集光素子を備えていてもよい。

これら構成の照明装置において、所定の色光を出射するようにしてもよい（以下、この項において第４構成という）。或いは、白色光を出射するようにしてもよい（以下、この項において第５構成という）。

また、この発明の照明装置は、赤色光を出射する第４構成の照明装置と、緑色光を出射する第４構成の照明装置と、青色光を出射する第４構成の照明装置と、前記各色光を略同一方向に導く光学部材と、から成ることを特徴とする（以下、この項において第６構成という）。

第６構成の照明装置において、照明中は赤色光と緑色光と青色光が常時出射されるように構成されていてもよい（以下、この項において、第７構成という）。或いは、第６構成の照明装置において、照明中は赤色光と緑色光と青色光が所定時間ずつ順次に出射されるように構成されていてもよい（以下、この項において第８構成という）。

また、この発明の投写型映像表示装置は、赤色光を出射する第４構成の照明装置と、緑色光を出射する第４構成の照明装置と、青色光を出射する第４構成の照明装置と、各照明装置からの光を受けるように設けられたライトバルブと、各ライトバルブ経た各色映像光を合成して投写する手段と、を備えたことを特徴とする。

また、この発明の投写型映像表示装置は、第５構成又は第７構成の照明装置と、一つのフルカラーライトバルブと、前記フルカラーライトバルブを経ることで得られた映像光を投写する投写手段と、を備えたことを特徴とする。

また、この発明の投写型映像表示装置は、第８構成の照明装置と、一つのライトバルブと、各色光の出射タイミングに同期して前記ライトバルブに各色用の映像信号を供給する手段と、前記ライトバルブを経ることで得られた映像光を投写する投写手段と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、照明装置の全長を短くすることができ、また、複数の光源を備える場合でも冷却系等の構造において制約をあまり受けることが無いという効果を奏する。

以下、この発明の実施例を図１乃至図９に基づいて説明していく。

図１は投写型映像表示装置４の光学系を示した図である。この投写型映像表示装置４は３つの照明装置５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂ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”５１”を用いる）。各照明装置５１は、ＬＥＤ（発光ダイオード）１１と、偏光変換装置１２と、テーパ無しロッドインテグレータ（直方体形状ロッドインテグレータ）１３と、テーパ型ロッドインテグレータ１４と、を備えて成る。照明装置５１Ｒは赤色光を出射し、照明装置５１Ｇは緑色光を出射し、照明装置５１Ｂは青色光を出射する。

ＬＥＤ１１は、ＬＥＤチップ１１ａとＬＥＤ基板１１ｂとヒートシンク（放熱板）１１ｃとから成る。照明装置５１ＲにおけるＬＥＤチップ１１ａは赤色光を出射し、照明装置５１ＧにおけるＬＥＤチップ１１ａは緑色光を出射し、照明装置５１ＢにおけるＬＥＤチップ１１ａは青色光を出射する。

偏光変換装置１２は、図２にも示しているように、第１ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）１２ａと、第２ＰＢＳ１２ｂと、これら第１ＰＢＳ１２ａと第２ＰＢＳ１２ｂとの間に設けられた位相差板（１／２λ板）１２ｃとから成る。なお、図１に示す偏光変換装置１２は側面から光を受け取るようにしているが、図２に示す偏光変換装置１２では、上面から光を受け取るようにしている。第１ＰＢＳ１２ａの偏光分離膜と第２ＰＢＳ１２ｂの偏光分離膜は平行である。また、第１ＰＢＳ１２ａ及び第２ＰＢＳ１２ｂの偏光分離膜は、共に例えばＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する。

偏光変換装置１２における光入射面（第１ＰＢＳ１２ａに存在する）と光出射面（第１ＰＢＳ１２ａ及び第２ＰＢＳ１２ｂに存在する）とは平行ではなく、直交又は略直交している。偏光変換装置１２の光入射面にはＬＥＤ１１が配置されている。ＬＥＤ１１のＬＥＤチップ１１ａと偏光変換装置１２の光入射面との間にはエアギャップが設けられている。第１ＰＢＳ１２ａは入射された光のうちＰ偏光を通過させ、Ｓ偏光を９０°光路変更する。第１ＰＢＳ１２ａの偏光分離膜にて光路変更されたＳ偏光は、偏光変換装置１２の光出射面から出射する。一方、第１ＰＢＳ１２ａの偏光分離膜を通過したＰ偏光は、前記位相差板１２ｃを通ることによってＳ偏光に変換される。この変換されたＳ偏光は、第２ＰＢＳ１２ｂの偏光分離膜にて９０°光路変更され、偏光変換装置１２の光出射面から出射する。すなわち、この場合には、ほぼ全ての光はＳ偏光に変換される。勿論、入射された光をＰ偏光に揃える構成を採用することもできる。

なお、第２ＰＢＳ１２ｂに代えてミラーを配置してもよい。このミラーの向きは第２ＰＢＳ１２ｂの偏光分離膜の向きと同じとなる。前記ミラーを配置する場合には、このミラーにて光路変更された光を受ける位置に前記位相差板１２ｃを持ってきてもよい。他の実施例においても同様である。

前記テーパ無しロッドインテグレータ１３は、その光入射面を偏光変換装置１２の光出射面に対面させて設けられている。また、テーパ型ロッドインテグレータ１４は、その光入射面を前記テーパ無しロッドインテグレータ１３の光出射面に対面させて設けられている。テーパ型ロッドインテグレータ１４の光出射面はその光入射面よりも大きい。そして、テーパ型ロッドインテグレータ１４の光出射面側に透過型の液晶表示パネル４が配置される。詳しく述べると、照明装置５１Ｒにおけるテーパ型ロッドインテグレータ１４の光出射面側には赤色用の液晶表示パネル１Ｒが配置され、照明装置５１Ｇにおけるテーパ型ロッドインテグレータ１４の光出射面側には緑色用の液晶表示パネル１Ｇが配置され、照明装置５１Ｂにおけるテーパ型ロッドインテグレータ１４の光出射面側には青色用の液晶表示パネル１Ｂが配置される。ロッドインテグレータ１３，１４は入射された光をロッド内面にて反射させて液晶パネル１に導くので、各色光の光強度分布は液晶パネル１上でほぼ均一化されることになる。また、テーパ型ロッドインテグレータ１４を用いることで、光の分散角は小さくなる。

液晶パネル１Ｒ，１Ｂ，１Ｇには図示しないドライバから各色用の液晶駆動信号（映像信号）が供給される。各液晶パネル１を透過することで変調された各色映像光は、クロスダイクロイックプリズム２によって合成されてフルカラー映像光となる。このフルカラー映像光は、投写レンズ３によって拡大投写され、図示しないスクリーン上に投影表示される。

図３に示す投写型映像表示装置は、図１の投写型映像表示装置４において、照明装置５１の代わりに照明装置５２（５２Ｒ，５２Ｇ，５２Ｂ）を設けた構造を有している。照明装置５２は照明装置５１において、偏光変換装置１２の代わりに偏光変換装置１２Ａを備えた構造を有する。偏光変換装置１２Ａは、図４（ａ）（ｂ）にも示しているように、偏光変換装置１２を二つ並べた構造に相当する。すなわち、照明装置５２は、偏光変換装置１２とＬＥＤ１１とから成る組（以下、この組を基本単位という場合がある）を二組備えた構造を有する。偏光変換装置１２Ａの光出射面の大きさはロッドインテグレータ１３の光入射面の大きさに一致している。図３に示した照明装置５２であれば、前記二組における基本単位の偏光変換装置１２・１２の光入射面は互いに向かい合って平行に存在する。従って、二つのＬＥＤ１１は比較的離れて存在することになり（ヒートシンク１１ｃについても比較的離れて存在することになり）、二つのＬＥＤ１１を設けながら（光量アップを図りながら）十分な熱対策（冷却効果）が実現されたものとなる。

図５は照明装置５３を示した斜視図である。この照明装置５３における偏光変換装置も二つの基本単位を備えて成る。二つの基本単位における位相差板１２ｃ・１２ｃは水平配置の状態になっており、且つ同一平面内に存在している。一方の基本単位の光入射面は上面に存在しており、他方の基本単位の光入射面は下面に存在している。かかる構成においても、前記二つの基本単位の光入射面は斜向かいに平行状態に存在する。従って、二つのＬＥＤ１１（図ではＬＥＤチップ１１ａを示している）は比較的離れて存在することになり（ヒートシンク１１ｃについても比較的離れて存在することになり）、二つのＬＥＤ１１を設けながら（光量アップを図りながら）十分な熱対策（冷却効果）が実現されたものとなる。

図６は照明装置５４を示した斜視図である。この照明装置５４における偏光変換装置１２Ｃは偏光変換装置１２を三つ備えている（基本単位が三つ存在している）。三つの基本単位のうち二つの基本単位における位相差板１２ｃは互いに平行に水平配置されている。水平配置された位相差板１２ｃ・１２ｃの存在平面は異なっている。これら二つの基本単位における一方の基本単位の光入射面は上面に形成されており、他方の基本単位の光入射面は下面に形成されている。残りの一つの基本単位における位相差板１２ｃは垂直に配置されている。この残りの一つの基本単位における光入射面は図６において奥側に存在している。ここで、前記残りの一つの基本単位における位相差板１２ｃは垂直に配置されているため、この基本単位にとってのＳ偏光は、他の二つの基本単位が出射するＳ偏光の振動方向に対して９０°相違（回転）したものとなっている。そこで、前記残りの一つの基本単位における光出射面に位相差板（１／２λ板）３０を設けることで、三つの基本単位が出射する光の振動方向を揃えている。

図７（ａ）は照明装置５５を示した斜視図である。この照明装置５５における偏光変換装置１２Ｄは四つの偏光変換装置１２を備える（基本単位が四つ存在している）。四つの基本単位のうち二つの基本単位（斜めに並んでいる）における位相差板１２ｃは互いに平行に水平配置されている。そして、他の二つの基本単位（斜めに並んでいる）における位相差板１２ｃは互いに平行に垂直配置されている。前者二つの基本単位が出射するＳ偏光と、後者二つの基本単位が出射するＳ偏光とは、図７（ｂ）に示しているように、振動方向が異なるものとなる。そこで、例えば前者二つの基本単位の光出射面に位相差板（１／２λ板）３０を設け、四つの基本単位が出射する光の振動方向を揃えている。

以上説明した照明装置においては、光インテグレータとしてロッドインテグレータ１３とロッドインテグレータ１４を組み合わせたものを示したが、いずれか一方だけを用いた構造を採用してもよい。

図８（ａ）（ｂ）は基本単位の他の例を示した説明図である。図８（ａ）に示す基本単位は、ＬＥＤ１１と偏光変換装置１２との間に集光素子である両凸レンズ３１を備えている。また、図８（ｂ）に示す基本単位は、ＬＥＤ１１と偏光変換装置１２との間にテーパ型のロッドインテグレータ３２を備えている。テーパ型のロッドインテグレータ３２は光入射面よりも光出射面の方が大きくされているが、その逆の構造を有していてもよい。また、テーパ無しロッドインテグレータを採用してもよい。また、図８（ｂ）の構成において、ＬＥＤ１１とロッドインテグレータ３２との間に集光素子を設けてもよい。また、偏光変換装置１２の光出射側にテーパ無しロッドインテグレータなどを設けてもよい。

図９は投写型映像表示装置を示した斜視図である。この投写型映像表示装置の照明装置５６は、偏光変換装置１２の光出射面に光インテグレータ３３を備えている。光インテグレータ３３は、偏光変換装置１２からの出射光を受けるテーパ無しロッドインテグレータ３３ａと、このロッドインテグレータ３３ａからの出射光を受けるインテグレータレンズ３３ｂとから成る。インテグレータレンズ３３ｂは一対のフライアイレンズから成る。インテグレータレンズ３３ｂにおける各レンズ対は、ロッドインテグレータ３３ａの光出射面上の各対応領域からの光を液晶表示パネル１の全面へ導くので、ロッドインテグレータ３３ａの光出射面上での輝度の不均一が液晶表示パネル１上で反映されてしまうのを極力防止できることになる。なお、図９の投写型映像表示装置においては、ＬＥＤ１１は白色光を出射し、液晶表示パネル１はＲＧＢカラーフィルタを備える単板型とすることができる。

また、図１等に示した各色光を出射する照明装置からの色光（赤色光と青色光と緑色光）をクロスダイクロイックプリズム或いはクロスダイクロイックミラーによって同一方向に導く構成を採用できる。この構成の照明装置を用いる投写型映像表示装置で用いられる液晶表示パネルは、ＲＧＢカラーフィルタを備えた構造、或いはＲＧＢカラーフィルタを備えない構造を有する。ＲＧＢカラーフィルタを備える構造の液晶表示パネルを用いる場合には、全照明装置を同時点灯して白色光を液晶表示パネルに導く。前記ＲＧＢカラーフィルタを備えない構造の液晶表示パネルを用いる場合には、各照明装置を時分割で順次に所定時間点灯させると共に、この所定時間点灯のタイミングに同期させて液晶表示パネルに各色の映像信号を供給する。

以上の説明において、投写型映像表示装置は透過型の液晶パネルを用いることとしたが、これに限らず、反射型の液晶パネルを用いてもよいし、これら液晶パネルに替えて、画素となる多数の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、光源はＬＥＤや有機／無機のエレクトロルミネッセンスなどの固体発光素子に限らず、リフレクタ（パラボラリフレクタや楕円リフレクタ等）を備えるランプ（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）を用いることができる。

また、以上説明した照明装置において、光インテグレータとして中空構造のロッドインテグレータを用いることもできる。また、光源から出射される光束において十分な均一性が得られる場合には光インテグレータを省略することができる。また、投写レンズに代えて投写用の曲面ミラーを備えてもよい。

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。 同図（ａ）は図１の投写型映像表示装置で用いられている照明装置の斜視図（透視的に示している）であり、同図（ｂ）は偏光変換装置の説明図である。 この発明の他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。 同図（ａ）は図３の投写型映像表示装置で用いられている照明装置の斜視図（透視的に示している）であり、同図（ｂ）は偏光変換装置の説明図である。 この発明の他の実施形態の照明装置を示した斜視図（透視的に示している）である。 この発明の他の実施形態の照明装置を示した斜視図（透視的に示している）である。 同図（ａ）はこの発明の他の実施形態の照明装置を示した斜視図（透視的に示している）であり、同図（ｂ）は偏光変換の説明図である。 同図（ａ）はこの発明の他の実施形態の照明装置（基本単位）を示した説明図であり、同図（ｂ）はこの発明の他の実施形態の照明装置（基本単位）を示した説明図である。 この発明の他の実施形態の投写型映像表示装置を示した説明図である。 従来の照明装置を示した説明図である。

符号の説明

１ 液晶表示パネル
２ クロスダイクロイックプリズム
３ 投写レンズ
６ 投写型映像表示装置
１１ ＬＥＤ
１２，１２Ａ 偏光変換装置
１３，１４ ロッドインテグレータ
５１，５２，５３，５４，５５，５６ 照明装置

Claims (5)

1. 光源と、
   光入射面に入射する前記光源の主光線軸と光出射面から出射する前記光源の主光線軸と
   が直交するように形成され、入射した光を単一の偏光光に変換して出射する偏光変換装置
   と、を含む構成を１組の基本構成としたとき、
   前記基本構成を３乃至４組有し、
   前記基本構成のそれぞれに含まれる前記光源の主光線軸における光の出射方向が互いに
   異なる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、
   前記偏光変換装置は、
   入射した光のうちの第１偏光光を透過し第２偏光光を当該偏光変換装置の光出射面の方向に反射する偏光分離膜と、
   前記透過した第１偏光光を第２偏光光に変換する変換機能部及び変換した前記第２偏光光を当該偏光変換装置の光出射面の方向に反射する反射機能部を備えて成る光学手段と、
   を有することを特徴とする照明装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の照明装置において、
   前記２組以上の基本構成のそれぞれに含まれる偏光変換装置は、一体として形成されてい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において、
   前記偏光変換装置から出射された光を受ける位置に光インテグレータを備えたことを特徴とする照明装置。
5. 赤色光を出射する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の照明装置と、
   緑色光を出射する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の照明装置と、
   青色光を出射する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の照明装置と、
   各照明装置からの光を受けるように設けられたライトバルブと、
   各ライトバルブ経た各色映像光を合成して投写する手段と、
   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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