JP5035878B2 - 照明光学系およびその投写型表示装置 - Google Patents

照明光学系およびその投写型表示装置 Download PDF

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Description

本発明は、発光体およびリフレクタを備えた光源部からの光束により被照明体を照明する照明光学系に関するもので、特に、光源からの収束光束を反射光学素子により偏向するタイプの照明光学系、およびこれを用いた投写型表示装置に関するものである。
従来より、プロジェクタを明るい室内で使用するため、さらに大画面の映像を投写できるようにするために、プロジェクタ用光源として、高輝度のものが求められている。
近年、大画面化に対する要求がより強いものとなってきており、それに伴って明るさに対する要求も加速していることから、光源の輝度が5000ANSIルーメン以上のものも使用されるに至っている。
このような明るいプロジェクタに対する要求に応えるため、複数の光源部を用い、光量の増大を図ったものが下記特許文献1〜5に開示されている。
米国特許6464375号公報 特開2000−171901号公報 特許第3581568号公報 特開2002−072083号公報 国際公開WO04−034141号公報
しかしながら、上記特許文献1〜5のものは、上記の明るさの要求に応えられるものではなかった。すなわち、光源部の明るさが増すほど、その光束が照射される照明光学系の各部材は光照射により加熱されることになり、特に、光源部の光束をインテグレータ部方向に偏向する反射光学素子(以下、単に反射ミラーと称する)は強く加熱されることになる。ここで前提となるのは、反射ミラーに照射される光束は、絞られたものであるということである。すなわち、大面積の反射ミラーで、絞られていない光束を反射させる場合、光束による温度上昇はそれ程深刻な問題にはならないが、それでは反射ミラーの大きさに伴って照明光学系が大型化してしまい、装置の小型化という要求に反することになる。そのため、光束を絞ることにより反射ミラーを小型化し、装置の小型化の一助となるようにしているのであるが、その場合、単位面積あたりの照射光量は増大し、光束による加熱の影響も増大することになる。一般に、このような反射ミラーにおいては、赤外線を透過させ、可視光を反射させるため、ミラー表面に波長選択性を有する多層膜等をコーティングしているが、集中的な光照射による上記温度上昇に伴い、この多層膜等が損傷を受けてしまうおそれがあった。
さらに、光源部を複数設ける場合には、各反射ミラーはこれら複数の光源部からの各光束により加熱されることになる。反射ミラーを光源部ごとに設け、互いに離して配設することで加熱の影響を少なくすることはできるが、照明光学系がどうしても大型化することから、小型化の要求に反してしまい好ましくない。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、明るい光源部を有していながら、光束照射による反射光学素子表面における温度上昇を抑制し、かつ反射光学素子の大型化を抑制し得る照明光学系およびその投写型表示装置を提供することを目的とする。
本発明の照明光学系は、リフレクタの略焦点位置に発光体を配設してなり、該発光体から射出された光束を一点に向けて収束させる機能を有する光源部と、該光源部から射出された光束の光量均一化を図るインテグレータ部と、前記光源部からの光束を該インテグレータ部方向へ反射する反射光学素子とを備え、
下記条件式(1)を満足することを特徴とするものである。
0.05<2|L|tan(θ/2)/D<0.35・・・(1)
ただし、
D:前記リフレクタの有効径
L:前記光源部から射出された光束の結像位置から前記反射光学素子までの光軸上での距離(前記結像位置から前記光源部方向を正にとる)
θ:前記結像位置へ入射する光の収束角
また、前記リフレクタは、楕円面形状とされてなることが好ましい。
また、前記リフレクタは、放物面形状とされてなり、前記光源部が、該リフレクタからの平行光束を集光させるコンデンサレンズを備えていることが好ましい。
また、前記インテグレータ部が1対のインテグレータ板を有し、該インテグレータ部の前記反射光学素子側に、該反射光学素子からの光束を平行光束として該インテグレータ部に向けて射出する少なくとも1枚のコリメータレンズが配設されていることが好ましい。
また、前記コリメータレンズは、少なくとも1面に非球面を備えることが好ましい。
また、前記光源部が少なくとも2つ設けられ、該光源部の各々から射出された光束の光源像が結像位置において互いに近接して配されることが好ましい。
また、前記インテグレータ部が1対のインテグレータ板を有し、後段側の前記インテグレータ板のレンズアレイの各セルには少なくとも2つの前記光源部の像が形成されるように構成されることが好ましい。
さらに、本発明の投写型表示装置は、該照明光学系を備え、この照明光学系からの光束により、所定の画像情報に基づいて照明光束の光変調を行なう少なくとも1つのライトバルブを照明し、このライトバルブからの画像情報を担持した光束を、投写光学系を介し投写することを特徴とするものである。
本発明の照明光学系によれば、上記条件式(1)を満足するように設定されているので、光軸上における、光束結像位置から反射光学素子までの距離と、光軸上における、光束収束位置からリフレクタ(またはコンデンサレンズ)の光束射出位置までの距離との比が、この条件式(1)で規定された所定の範囲となるように設定されることになる。
このようにすることで、明るい光源部を用いた場合にも、反射光学素子の表面(特にコーティング膜)において、光束照射により集中的に加熱されるのを防止することができるので、該表面の損傷を受けにくくすることができるとともに、反射光学素子の大型化を防止することができる。
これにより、条件式(1)を満足した照明光学系を備えた投写型表示装置は、近年の大画面化の要請に応えることができる。さらに、従来、屋内光の下では得られなかった明るい映像を投写できるので、照明スイッチの切り換えおよび屋外光を遮蔽するための設備が不要となり、視聴者の利便性の向上さらには疲労の軽減が図られたものとすることができる。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図1は本発明に係る実施例1の照明光学系とその投写型表示装置の基本構成を示すものであるが、この図1を代表例として、本実施形態を説明する。なお、以下の説明において、まず図1を用いて照明光学系を説明し、次に、図2および図3を用いて照明光学系にかかる条件式(1)について説明し、その後図1を用いて投写型表示装置の概略を説明する。
図1(A)に示すように、この照明光学系10は、楕円面上のリフレクタ102a,bの略焦点位置に発光体103a,bを配設し、発光体103a,bから射出された光束を一点に向けて収束させる光源部101a,bと、反射ミラー104a,bと、コリメータレンズ107と、第1インテグレータ板109および第2インテグレータ板110からなるインテグレータ部108と、櫛形PBSアレイ111とから構成されている。発光体103a,bから射出された光束は、各々リフレクタ102a,bにより反射され、更に反射ミラー104a,bにより各々反射される。その後光束は、コリメータレンズ107により略平行光束とされ、インテグレータ部108により光量の略均一化がなされ、櫛形PBSアレイ111によりP波またはS波いずれかの偏光にそろえられて、投写部300に入射するようになっている。また、図中の一点鎖線は光軸106を示すものである。
また、本実施形態のものは、光源部101a,bの各々から射出された光束が収束位置(結像位置:以下同じ)105において互いに収束するようになっており、この位置105付近に各々の光源像を近接して形成し得るようになっている。
また、コリメータレンズ107は、光学性能の向上を図るため、少なくとも1面に非球面を備えることが望ましい。さらに、インテグレータ部108は1対のインテグレータ板109、110の替わりに、図9に示すような、柱状のガラス体等からなるロッドインテグレータ200を用いてもよい。
図1(B)は、図1(A)の光源部101a,bおよび反射ミラー104a,bを矢印Z方向から見た場合の側面図を示したものである。2枚の反射ミラー104a,bは、図1(A)に示す如く、端面視で互いに略直交するような配置とされているが、互いに光源部102a,bからの光束のケラレを防止するため、図1(B)中上下方向に互いにずらすようにして配されている。この反射ミラー104a,bの上記上下方向のずれ量と反射ミラー104a,bの位置を調整することにより、光源部101a,bからの光束の収束位置105を調整することが可能である。
ここで、図2および図3を用いて、本発明の照明光学系にかかる条件式(1)について説明する。
図2(A)は、図1(A)の片方の光源部101aおよび反射ミラー104aを抜き出し、拡大したものを示すもので、条件式(1)を説明するための概略構成図である。また、図2(A)では、光束が反射ミラー4を透過するように表されているが、条件式(1)の説明を容易にするためのものである(以下の図2(B)において同じ)。
ここで、条件式(1)は、光軸上における、収束位置5から反射ミラー4までの距離L(収束位置5から光源部1方向を正にとる)と、光軸上における、収束位置5から楕円面形状のリフレクタ2の光束射出位置までの距離Yとの比を、下述する如く、収束位置5へ入射する光の収束角θ、楕円面形状のリフレクタ2の有効径D、および上記Lを用いて規定したものである。
0.05<2|L|tan(θ/2)/D<0.35・・・(1)
続いて、条件式(1)の技術的意義を、図3(A)を用いて説明する。図3(A)は、反射ミラー4の位置が、収束位置5(条件式(1)の値が0)ならびに条件式(1)の上限値および下限値となるように配設された場合の、反射ミラー4上のビームプロファイルを示すものである(横軸は光軸と直交する反射ミラー4上の位置、縦軸はビーム強度:図3(B)において同じ)。図3(A)により、条件式(1)を満足する位置においては、ビーム径をそれ程大きくさせることなく、収束位置5に比べて、ビーム最大強度を大幅に低下させることができることが明らかである。すなわち、条件式(1)の上限値を上回ると、反射ミラー4上のビーム強度はさらに下がるものの、ビーム径が大きくなり過ぎてしまい、反射ミラー4が大型化してしまう。一方、条件式(1)の下限値を下回ると、ビーム径は小さくなるものの、ビーム最大強度が大きくなり過ぎてしまうことから、反射ミラー4の表面の一部が集中的に加熱されてしまい、表面にコーティングされた多層膜等が損傷を受けてしまう。
本実施形態のものは条件式(1)を満足しているため次の効果を奏する。すなわち、明るい光源部101a,bを用いているにもかかわらず、反射ミラー104a,bの表面のコーティング膜等が、損傷を受けにくくすることができるとともに、反射ミラー104a,bの大型化を抑制することができる。
このように条件式(1)を満足することで、明るい光源部を使用でき、また、複数の光源部の光源像を収束位置105において互いに近接して配することで光量を有効利用することができるので、明るい照明光学系とすることが可能となる。
図2(B)はリフレクタ2が放物面形状とされた場合において、条件式(1)を満足さする態様を示すものである。すなわち、リフレクタ2から射出した平行光束はコンデンサレンズ7によって1点に収束することになり、これによってリフレクタが楕円形状とされた図2(A)の場合と同様に条件式(1)の規定を行うことができる。なお、Yは、光軸上における、収束位置5から放物面形状のリフレクタ2より光束射出位置までの距離である。図2(B)の態様においては、光束射出位置がコンデンサレンズ7の光束射出位置とされる。また、図3(B)はこの場合のビームプロファイルを示すものであり、図3(A)と略同様のビームプロファイル形状とされていることを示しており、条件式(1)を満足することで、ビーム径をそれ程大きくさせることなく、ビーム最大強度を大幅に低下することができることが明らかである。
また、図2(C)、(D)は、反射ミラー4が、収束位置5のインテグレータ部108側に配された場合において、条件式(1)を満足する態様について説明するための概略構成図であり、反射ミラー4が、収束位置5のインテグレータ部108側に配された点を除いて、図2(C)は図2(A)と、図2(D)は図2(B)と同様である。なお、上記Lは、収束位置5から光源部1方向を正にとるように規定されているので、図2(C)、(D)の場合は、Lが負値となる。しかし、条件式(1)においてはLに絶対値符号が付されているので、反射ミラー4が、収束位置5の光源部1側に配された場合、すなわち図2(A)、(B)の場合と同様に、反射ミラー4の結像位置からの距離の範囲を規定することができる。
なお、図1(A)において光源部は2つとされているが、これを3つ以上とすることも可能である。各光源部からの光束を反射する反射ミラーが近接して配設されている場合、一般に、光源部が増えるほどそれぞれの光束による熱の影響の総和は多大なものとなるので、上記条件式(1)を満足することにより、作用効果はより大きなものとなる。
次に、上述した照明光学系を搭載した投写型表示装置の一例の概略を図1(A)を用いて説明する。図1(A)に示す投写型表示装置は、ライトバルブとして透過型液晶パネル11a〜cを含む投写部300を備え、照明光学系10として上述した実施形態に係る照明光学系を備えている。照明光学系10からの白色光はこの後、投写部300に入射され、この投写部300において、3つの色光光束(G光、B光、R光)に分離され、それぞれの色光に対応する液晶パネル11a〜cに入射されて光変調され、クロスダイクロイックプリズム14により色合成され、投写レンズ20により図示されないスクリーン上に投映される。なお、投写部300は、その他に、色分解のためのダイクロイックミラー12、13、コンデンサレンズ16a〜cおよび全反射ミラー18a〜c等を備えている。このように構成された本実施形態の投写型表示装置は、本実施形態に係る照明光学系を用いているので、明るい映像をスクリーン上に投写できる。
本発明の照明光学系および投写型表示装置としては、上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能であり、例えば、ライトバルブとしても反射型の液晶表示パネルあるいはDMD等の他のライトバルブを用いることが可能である。
また、上記光源部として、高圧水銀ランプ、LED、レーザ等の他の発光源を用いたものとすることができる。また、R、G、Bの各色光を発光する発光体を備えた光源部を各々設け、それらからの光を合成して照明光を生成するようにしてもよい。
また、本発明の照明光学系は投写型表示装置の照明光学系としての使用態様に限られるものではなく、その他の装置の照明光学系として使用可能である。
以下、各実施例について図面を用いて具体的に説明する。
<実施例1>
実施例1にかかる照明光学系は、前述したように図1(A)に示す如き構成とされている。すなわちこの照明光学系は、楕円面形状のリフレクタ102a,bの略焦点位置に、キセノンランプやメタルハライドランプ等の発光管よりなる発光体103a,bを配設し、発光体103a,bから射出された光束を一点に向けて収束させる機能を有する光源部101a,bを備え、さらに、反射ミラー104a,b、コリメータレンズ107、第1インテグレータ板109と第2インテグレータ板110とからなるインテグレータ部108、および櫛形PBSアレイ111とを備えている。発光体103a,bから射出された光束は、各々リフレクタ102a,bにより反射され、更に反射ミラー104a,bにより各々反射される。その後光束は、コリメータレンズ107により略平行光束とされ、インテグレータ部108により光量の略均一化がなされ、櫛形PBSアレイ111によりP波またはS波のいずれかの偏光にそろえられて、投写型表示装置に入射するようになっている。また、図中の一点鎖線は光軸106を示すものである。
また、本実施例のものは、光源部101a,bの各々から射出された光束が収束位置105において互いに収束するようになっている。
実施例1のものにおいては、リフレクタ102a,bとして楕円面形状のものを用い、反射光学素子として図1(B)中、上下方向に互いにずらされた2枚の反射ミラー104a,bを用い、この反射ミラー104a,bの配設位置が上記条件式(1)を満足するように構成されている。これにより、明るい光源部101a,bを用いているにもかかわらず、反射ミラー104a,bの表面にコーティングされた多層膜等が、光束照射による熱損傷を受けにくくすることができるとともに、反射ミラー104a,bの大型化を抑制することができる。
<実施例2>
実施例2にかかる照明光学系の概略構成図を図4に示す。この実施例2にかかる照明光学系は、図4(A)のリフレクタ102a,bが放物面形状であり、光束を収束させるためのコンデンサレンズ307a,bを配設していること以外は、実施例1のものと略同様の構成とされており、対応する図面において同一の要素については同一の符号を付し、重複する説明については省略する(以下の実施例3〜6について同じ)。
なお、本実施例においても、実施例1のものと略同様に、明るい光源部101a,bを用いているにもかかわらず、反射ミラー104a,bの表面にコーティングされた多層膜等が、光束照射による熱損傷を受けにくくすることができるとともに、反射ミラー104a,bの大型化を抑制することができる。
<実施例3>
実施例3にかかる照明光学系の概略構成図を図5に示す。この実施例3にかかる照明光学系は、実施例1のものと比べて、光束収束位置105a,bが、それぞれ光源部101a,bと反射ミラー104a,bの間にあることが異なっている。すなわち、反射ミラー104a,b上において、光源部101a,bからの光束が、発散された状態で照射されることになる。また、この場合、収束位置105a,bから反射ミラー104a,bまでの距離Lは負値となるが、条件式(1)のLには絶対値が付されているので、実施例2による作用効果は、実施例1のものと何ら変わりはない。
すなわち、本実施例においても、実施例1のものと略同様に、明るい光源部101a,bを用いているにもかかわらず、反射ミラー104a,bの表面にコーティングされた多層膜等が、光束照射による熱損傷を受けにくくすることができるとともに、反射ミラー104a,bの大型化を抑制することができる。
<実施例4>
実施例4にかかる照明光学系の概略構成図を図6に示す。この実施例4にかかる照明光学系は、図6のリフレクタ102a,bが放物面形状であり、光束を収束させるためのコンデンサレンズ307a,bを配設していること以外は、実施例3のものと略同様の構成とされている。
なお、本実施例においても、実施例1のものと略同様に、明るい光源部101a,bを用いているにもかかわらず、反射ミラー104a,bの表面にコーティングされた多層膜等が、光束照射による熱損傷を受けにくくすることができるとともに、反射ミラー104a,bの大型化を抑制することができる。
<実施例5>
実施例5にかかる照明光学系の概略構成図を図7に示す。この実施例5にかかる照明光学系は、反射光学素子として三角プリズム115を用いていること以外は、実施例1のものと略同様の構成とされている。
また、図7中では、光源部101a,bからの光束が三角プリズム115の2つの反射面115a,bで反射された後、第2インテグレータ板110のレンズアレイの各レンズセル310(図10参照)に、各光源部101a,bの像301a,b(図10参照)が形成される様子が示されている。光源部101a,bの像301a,bは、図10に示す如く形成され、三角プリズム115の形状や位置を調整することにより、各セル310内の所定の位置に形成することが可能となる。
なお、上述した他の実施例のものでは図示されていないが、本実施例と同様に第2インテグレータ板110の各レンズセル310(図10参照)上に各光源部101a,bの像が形成されるようにすることが可能である。
なお、本実施例5においても、実施例1のものと略同様に、明るい光源部101a,bを用いているにもかかわらず、三角プリズム115の表面にコーティングされた多層膜等が、光束照射による熱損傷を受けにくくすることができるとともに、三角プリズム115の大型化を抑制することができる。
<実施例6>
実施例6にかかる照明光学系の概略構成図を図8に示す。この実施例6にかかる照明光学系は、リフレクタ102a,bが放物面形状であり、光束を収束させるためのコンデンサレンズ307a,bを配設していること以外は、実施例5のものと略同様の構成とされている。
なお、本実施例においても、実施例1のものと略同様に、明るい光源部101a,bを用いているにもかかわらず、三角プリズム115の表面にコーティングされた多層膜等が、光束照射による熱損傷を受けにくくすることができるとともに、三角プリズム115の大型化を抑制することができる。
実施例1に係る照明光学系とその投写型表示装置の概略構成図 条件式(1)を説明するための概略構成図 条件式(1)の値が0ならびに上限値および下限値の場合における反射ミラー上のビームプロファイル 実施例2に係る照明光学系の概略構成図 実施例3に係る照明光学系の概略構成図 実施例4に係る照明光学系の概略構成図 実施例5に係る照明光学系の概略構成図 実施例6に係る照明光学系の概略構成図 インテグレータ部にロッドインテグレータを用いた場合の概略構成図 第2インテグレータ板の各レンズセル上に2つの光源像が形成されている状態を示す図
符号の説明
1、101a,b 光源部
2、102a,b リフレクタ
3、103a,b 発光体
4、104a,b 反射ミラー
5、105、105a,b 収束位置(結像位置)
6、106 光軸
7、16a〜c、307a,b コンデンサレンズ
10 照明光学系
11a〜c 透過型液晶パネル
12、13 ダイクロイックミラー
14 クロスダイクロイックプリズム
18a〜c 全反射ミラー
107 コリメータレンズ
108 インテグレータ部
109 第1インテグレータ板
110 第2インテグレータ板
111 櫛形PBSアレイ
115 三角プリズム
200 ロッドインテグレータ
300 投写部

Claims (8)

  1. リフレクタの略焦点位置に発光体を配設してなり、該発光体から射出された光束を一点に向けて収束させる機能を有する光源部と、該光源部から射出された光束の光量均一化を図るインテグレータ部と、前記光源部からの光束を該インテグレータ部方向へ反射する反射光学素子とを備え、
    下記条件式(1)を満足するように構成して、前記光源部から射出される光束の結像位置が、該光束の収束角に応じて、前記反射光学素子の表面から光軸上所定距離だけ離れるようにしたことを特徴とする照明光学系。
    0.05<2|L|tan(θ/2)/D<0.35・・・(1)
    ただし、
    D:前記リフレクタの有効径
    L:前記光源部から射出された光束の結像位置から前記反射光学素子までの光軸上での距離(前記結像位置から前記光源部方向を正にとる)
    θ:前記結像位置へ入射する光の収束角
  2. 前記リフレクタは、楕円面形状とされてなることを特徴とする請求項1記載の照明光学系。
  3. 前記リフレクタは、放物面形状とされてなり、前記光源部が、該リフレクタからの平行光束を集光させるコンデンサレンズを備えていることを特徴とする請求項1記載の照明光学系。
  4. 前記インテグレータ部が1対のインテグレータ板を有し、該インテグレータ部の前記反射光学素子側に、該反射光学素子からの光束を平行光束として該インテグレータ部に向けて射出する少なくとも1枚のコリメータレンズが配設されていることを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項記載の照明光学系。
  5. 前記コリメータレンズは、少なくとも1面に非球面を備えたことを特徴とする請求項4記載の照明光学系。
  6. 前記光源部が少なくとも2つ設けられ、該光源部の各々から射出された光束の光源像が結像位置において互いに近接して配されることを特徴とする請求項1〜5のうちいずれか1項記載の照明光学系。
  7. 前記インテグレータ部が1対のインテグレータ板を有し、後段側の前記インテグレータ板のレンズアレイの各セルには少なくとも2つの前記光源部の像が形成されるように構成されたことを特徴とする請求項1〜6のうちいずれか1項記載の照明光学系。
  8. 請求項1〜7のうちいずれか1項記載の照明光学系を備え、この照明光学系からの光束により、所定の画像情報に基づいて照明光束の光変調を行なう少なくとも1つのライトバルブを照明し、このライトバルブからの画像情報を担持した光束を、投写光学系を介し投写することを特徴とする投写型表示装置。
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