JP5105733B2 - 照明装置とそれを備えたプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は照明装置とそれを備えたプロジェクタに関し、特に入射した入射光を対向面で反射して入射面から出射する角柱状光学素子（ロッドインテグレータ）を有する照明装置とそれを備えたプロジェクタに関する。

従来のプロジェクタにおいては、角柱状のロッドインテグレータの入射端面に光源からの光束を入射させ、このロッドインテグレータの射出端に液晶パネルを配置し、導光部材から射出する光を直接液晶パネルに入射させる照明光学系を有するプロジェクタが知られている（特許文献１、特許文献２、非特許文献１参照）。
特開２０００-１１２０３１号公報 特開２００４-１８４６１１号公報 Ａ Ｈａｎｄｈｅｌｄ Ｍｉｎｉ‐Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ Ｕｓｉｎｇ ＬＥＤ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅｓ" ＳＩＤ ０５ ＤＩＧＥＳＴ ｐｐ １７０６-１７０９

上述のようなプロジェクタでは、光学系の構成が簡素であり部品点数も少ないため、小型で低コストなプロジェクタを提供できる可能性がある。特に、光源に固体光源を使用すれば低消費電力となり、電池駆動可能なハンディタイプのプロジェクタも夢ではない。ところで、このような構成のプロジェクタでは、ロッドインテグレータの長さが長いほど液晶パネルを照射する光束の輝度の均一性が高くなることが知られている。なぜなら、ロッドインテグレータに入射する光源からの光束は、ロッドインテグレータ中の内面反射の繰り返しにより照度分布あるいは輝度分布が均一な光束になるため、ロッドインテグレータの長さが長いほど内面反射の機会が増えるためである。しかしながら、ロッドインテグレータの長さが長くなるということは、照明装置のサイズが大きくなり小型化の点で好ましくないという問題がある。

本発明の目的は、ロッドインテグレータの長さが比較的短くとも十分な内面反射により照明光の均一性を高くできる、すなわち小型で高効率な照明装置と、それを備えたプロジェクタを提供することにある。

本発明の照明装置は、時分割で点灯制御される光源と、光源からの光を収束させる光学素子と、光学素子からの光が入射する角柱状光学素子と、を備える照明装置であって、
角柱状光学素子（ロッドインテグレータ）は、光学素子からの光の入射面と、画像表示器への光の出射面とが同一の面であることを特徴とする。
ロッドインテグレータの入射面と対向する端面に近接して偏光変換手段を有する反射手段を備え、ロッドインテグレータと画像表示器との間に、光源からの光を偏光変換してロッドインテグレータの入射面に出射し、ロッドインテグレータからの入射光を画像表示器に出射する偏光ビームスプリッタを備えてもよい。

光源と偏光ビームスプリッタとの間に偏光統一手段を有してもよく、偏光ビームスプリッタの光源からの光の入射面と対向する面にも、その対向する面側に入射面を有するロッドインテグレータを備え、そのロッドインテグレータの入射端面と対向する端面に近接して偏光変換手段を有する反射手段を備えてもよく、偏光ビームスプリッタの出射面と、ロッドインテグレータの入射端面とが近接して配置されていることが望ましい。

偏光変換手段を有する反射手段は、位相差板と反射素子とから構成されていてもよく、ロッドインテグレータが中実の光学ガラスより構成され、６面が光学研磨されていてもよく、中空状のライトトンネルであってもよく、画像表示器が液晶表示装置であってもよく、ＤＭＤ（デジタルマイクロデバイス）表示部であってもよい。

本発明のプロジェクタは、
上述のいずれかの照明装置を備えたことを特徴とする。

ロッドインテグレータに入射した光は入射端面と対向する側の端面に配置された偏光変換手段を備えた反射手段により再びロッドインテグレータを経由して出射されるので、光線の光路長としては実質２倍のロッドインテグレータ長が確保される。

本発明の照明装置を備えたプロジェクタでは、光源とロッドインテグレータとの間に偏光ビームスプリッタを備え、さらに、ロッドインテグレータは、入射端面と対向する側の端面に偏光変換手段を備えた反射手段が配置されているので、光源からの光の進路としては実質２倍のロッドインテグレータ長を透過伝播するので、比較的短いロッドインテグレータであっても輝度分布均一化のための内部反射の機会を十分に得ることができ、きわめて均一な光利用効率の高い照明が実施できるという効果がある。

本発明の照明装置とそれを用いたプロジェクタでは、ロッドインテグレータの長さを長くしなくとも均一な照明光を得ることができる照明装置と、それを備えたプロジェクタを提供することを目的としており、その目的を達成するため、光源とロッドインテグレータとの間に偏光ビームスプリッタを備え、さらに、ロッドインテグレータの入射端面と対向する側の端面には偏光変換部を備えた反射部材が配置されており、これらによって光線の進路としては実質２倍のロッドインテグレータ長が確保された。ロッドインテグレータの入射端面より入射し、同じく入射端面側より射出する照明光が表示パネルに照射されることで比較的短いロッドインテグレータ長であっても均一な光利用効率の高い照明が実施される。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態の照明装置を有するプロジェクタの模式的構成図であり、図２は図１の偏光ビームスプリッタの模式的斜視図であり、図３は図１の偏光変換部を備えた反射部材の模式的断面図である。このプロジェクタ１は、単一の表示パネルに対して、光源からのＲ、Ｇ、Ｂの光を時分割で照射する単板型のプロジェクタの構成となっており、光源が単色光であるため、赤色光、緑色光、青色光の光源を用いて色合成を行ない、それらを時分割で点灯制御することでフルカラー画像が得られる。

プロジェクタ１は、照明装置１１と、表示パネル１０８と、投射レンズ１０９とを備えている。照明装置１１は、Ｒ、Ｇ、Ｂの色光を発する光源１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂと、ダイクロイックミラー１０４と、偏光ビームスプリッタ１０５と、ロッドインテグレータ１０６と、偏光変換手段を有する反射手段である偏光変換部を備えた反射部材１０７とを備えており、さらに、各光源には補助レンズ１０２と１０３とを有する。

ここでは、光源としては発光ダイオードが使用されている。できるだけ多くの光量を発する発光ダイオードを使用することが好ましく、例えば、独オスラムオプトセミコンダクター社のＯｓｔａｒシリーズを使用すると多くの発光量が得られる。この発光ダイオードは発光素子の大きさとしては約２ｍｍ×２ｍｍの大きさある。発光ダイオードから発する光束は一般に発散光であるので、この光束を効率良く光学系で利用するために補助レンズ１０２、１０３が設けられている。この実施の形態の実施例においては半径３ｍｍの半球状のレンズ１０２が光源１０１である発光ダイオードの直後に配置され、その後に両凸状の補助レンズ１０３が用いられている。なお、補助レンズの構成は、必ずしもこの組合せに限定されるものではない。

光路の方向が異なる各色の光源からの光を統一の光路とするために、Ｘ字状に構成された２つのダイクロイックミラー１０４が設けられている。このような構成は周知の技術であり、Ｒ、Ｇ、Ｂの光源からの光束をコンパクトに合成することができる。

偏光ビームスプリッタ１０５は、図２の斜視図に示すように、２個の直角プリズム２０１、２０２の斜面同士を貼り合わせ、斜面に偏光分離面２０３として誘電体多層膜が形成された構成であり、周知の技術のものを使用することができる。Ｒ、Ｇ、Ｂの各光源１０１からの光束の合成後の光軸１１０と、偏光分離面２０３とが４５度で交差するように配置されている。偏光ビームスプリッタ１０５の大きさとしては、実施例では１２ｍｍ×１６ｍｍ×１６ｍｍ（縦×横×高さ）のものが使用された。

ロッドインテグレータ１０６は中実の光学ガラスより構成され、６面が光学研磨されたものが使用されている。材質としてはＢＫ７が安価な材料として利用できる。この実施例では大きさとしては１２ｍｍ×１６ｍｍ×３０ｍｍ（縦×横×長さ）のものが使用された。なお、偏光ビームスプリッタ１０５とロッドインテグレータ１０６とは微小空気間隔を空けて配置することが好ましい。なお、ロッドインテグレータ１０６は中実のロッドインテグレータでなくともよい。例えば、４枚の長方形の反射ミラーを貼り合わせて構成したライトトンネルでも構わない。このようなライトトンネルは周知の技術である。

偏光変換部を備えた反射部材１０７では、図３に示すように位相差板３０１と反射ミラー３０２とが組み合わされている。位相差板３０１はフィルム状の１/４波長板であり、アルミ蒸着した反射ミラー３０２に貼り合わせることによって偏光変換部を備えた反射部材１０７がコンパクトに構成される。偏光変換部を備えた反射部材１０７とロッドインテグレータ１０６とは一体化していても構わないし、微小空気間隔を空けて配置されていても構わない。

表示パネル１０８としては、この実施例では０．７型の液晶パネルが使用された。単板駆動が可能となるように、液晶の応答速度が速いものが好ましい。投射レンズ１０９としてはこの実施例では焦点距離が２５ｍｍでＦナンバが１．４のものが使用された。

次に第１の実施の形態の照明装置を有するプロジェクタの動作について図４を用いて説明する。図４は第１の実施の形態の照明装置を有するプロジェクタの動作を説明するための模式的構成図である。説明を簡単にするために、Ｇ色の光路を例として説明する。Ｒ色、Ｂ色の光路もほぼ同様の動作となる。

発光ダイオードからなる光源１０１ＧからはＧ色の非偏光の光束が発光される。この光は補助レンズ１０２および１０３により収束光となってダイクロイックミラー１０４を経由して偏光ビームスプリッタ１０５の入射面２１へと入射する。その後、光軸１１と４５度の角度を成す偏光分離面２０３に到達し、ここで、例えばＳ偏光光２２は反射して、ロッドインテグレータ１０６に入射する。入射した光は、ロッドインテグレータ１０６内を内面反射しながら、ロッドインテグレータ１０６の反対側の端面方向に進行する。反対側の端面に到達した光は偏光変換部を備えた反射部材１０７により偏光方向が９０°回転して入射した方向に反射される。即ち、Ｓ偏光光２２はＰ偏光光２３に変換されて、ロッドインテグレータ１０６内を今度は逆方向に進行する。これは、偏光変換部を備えた反射部材１０７は、１/４波長板である位相差板３０１が貼り合された反射ミラー３０２であるからである。Ｓ偏光光２２は、１/４波長板である位相差板３０１→反射ミラー３０２→１/４波長板である位相差板３０１の順に通過するので最終的にはＰ偏光光となる。その後、ロッドインテグレータ１０６を逆方向、すなわち、偏光ビームスプリッタ１０５側に進行する。このＰ偏光光２３は、偏光ビームスプリッタ１０５の偏光分離面２０３を透過した後に偏光ビームスプリッタ１０５から射出されて表示パネル１０８の照明光となる。

このように、偏光変換部を備えた反射部材１０７によって反射されて再びロッドインテグレータ１０６内を進行することで、実質２倍の長さのロッドインテグレータを用いているのと等価となり、ロッドインテグレータ１０６での内面反射の機会は２倍に増加する。即ち、比較的短いロッドインテグレータであっても、内面反射の機会が２倍に増加することにより照度分布が均一な照明光を取り出すことができる。このような均一な照明光が表示パネル１０８に照射されるので、投射レンズ１０９により拡大される投射画像も非常に照度分布が均一な高品質な画像が得られることになる。

以上Ｇ色を例にとって説明したが、Ｒ色およびＢ色についても同様の動作が行なわれる。なお、カラー表示については、例えば光源１０１Ｇ、１０１Ｂ、１０１Ｒの点灯を順次切り替え、それに同期させて表示パネル１０８を駆動させればよい。また、偏光ビームスプリッタ１０５の入射面２１および射出面の大きさと、ロッドインテグレータ１０６の両端面の大きさはほぼ等しく、かつ表示パネル１０８である液晶パネルの有効画素領域の大きさよりも僅かに大きくしておくことが好ましい。このようにすることによって光源からの光の損失を少なくすることが可能になり、光利用効率が高まる。

次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。図５は本発明の第２の実施の形態の照明装置を有するプロジェクタの模式的構成図であり、図６は偏光変換素子の模式的断面図である。第２の実施の形態は第１の実施の形態と基本的な構成は同じであるが、偏光ビームスプリッタ１０５の入射面２１に偏光変換素子４０４と補助レンズ４０３とが設けられ、補助レンズ１０３が補助レンズ４０１、４０２に変更されている。第１の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付して説明を省略する。

第１の実施の形態の照明装置を有するプロジェクタには種々の変形が可能である。図５に示すプロジェクタ２はその１例であり、第１の実施の形態で説明した単板型のプロジェクタ１において、光源の光利用効率をさらに高めるために、偏光統一手段である偏光変換素子４０４を付加した構成となっている。この偏光変換素子４０４は偏光ビームスプリッタ１０５の直前に配置されている。また、偏光変換素子４０４の入射側には補助レンズ４０３が設けられ、補助レンズ１０３が２個の補助レンズ４０１、４０２となっている。

偏光変換素子４０４は、図６に示すように偏光ビームスプリッタ４０５と位相差板４０９とから構成される。ここでは偏光ビームスプリッタ４０５は３個のプリズム４０６、４０７、４０８の貼り合わせ面に誘電体多層膜が形成されたもので構成されている。また、位相差板４０９は１/２波長板であって、偏光ビームスプリッタ４０５に貼り合わされている。このような偏光変換素子４０４により、光源１０１からの非偏光光（Ｐ+Ｓ）をＳ偏光光のみに偏光統一して偏光ビームスプリッタ１０５に入射させることが可能になる。

次に第２の実施の形態の照明装置を有するプロジェクタの動作について説明する。発光ダイオードである光源１０１ＧからはＧ色の非偏光の光束を発する。この光は補助レンズ１０２、４０１および４０２により収束光となってダイクロイックミラー１０４を経由して偏光変換素子４０４へ入射する。この実施の形態では、偏光変換素子４０４の直前にも補助レンズ４０３を配置してあるが、必ずしも必要ではない。光源１０１からの非偏光光は偏光変換素子４０４でＳ偏光光に偏光統一されて偏光ビームスプリッタ１０５へと入射する。その後、光軸１１と４５度の角度を成す偏光分離面２０３に到達し、ここで、入射したＳ偏光光は反射して、ロッドインテグレータ１０６に入射する。第１の実施の形態では入射した非偏光光（Ｐ+Ｓ）のうちＳ偏光光のみが反射してロッドインテグレータ１０６に入射したが、第２の実施の形態では入射光は全てＳ偏光光に変換されているので全てがロッドインテグレータ１０６に入射するので光の損失を少なくすることができ、光利用効率が高まる。

この光は、第１の実施の形態と同様にロッドインテグレータ１０６内を内面反射しながら、ロッドインテグレータ１０６の端面方向に進行する。端面に到達した光は偏光変換部を備えた反射部材１０７により偏光方向が９０°回転して反射される。即ち、Ｐ偏光光に変換されて、ロッドインテグレータ内を今度は逆方向に進行する。これは、偏光変換部を備えた反射部材１０７は、１/４波長板が貼合された反射ミラーであるからである。Ｓ偏光光は、１/４波長板である位相差板３０１→反射ミラー３０２→１/４波長板である位相差板３０１の順に通過するので最終的にはＰ偏光光となる。その後、ロッドインテグレータ１０６を逆方向、すなわち、偏光ビームスプリッタ１０５側に進行する。このＰ偏光の光は、偏光分離面２０３を透過し偏光ビームスプリッタ１０５から射出されて表示パネル１０８の照明光となる。このように、偏光変換部を備えた反射部材１０７の反射により再びロッドインテグレータ１０６内を進行することで、実質２倍の長さのロッドインテグレータを用いているのと等価となり、ロッドインテグレータでの内面反射の機会は２倍に増加する。即ち、比較的短いロッドインテグレータであっても、内面反射の機会が２倍に増加することにより照度分布が均一な照明光を取り出すことができる。このような均一な照明光を表示パネル１０８に照射するので、投射レンズ１０９により拡大される画像も非常に照度分布が均一な高品質な画像が得られることになる。

この第２の実施の形態では、光源１０１から発光された非偏光光の光線を偏光変換素子４０４により偏光統一した上で偏光ビームスプリッタ１０５の偏光分離面２０３に入射しているので、偏光分離面２０３を透過するＰ偏光はなく、全ての入射光がロッドインテグレータ１０６に向けて反射されるので、第１の実施の形態に比べてさらに光利用効率が高く照度分布が均一な高品質な画像が得られる。

次に、本発明の第３の実施の形態について図面を参照して説明する。図７は本発明の第３の実施の形態の照明装置を有するプロジェクタの模式的構成図である。第１、および第２の実施の形態では、表示パネルが単一の液晶パネルについての構成を説明したが、表示パネルは液晶パネルに限定されるものではない。表示パネル１０８がＤＭＤの場合の構成例を図７に示す。第３の実施の形態では表示パネル１０８がＤＭＤ５０１に変わり、それに伴ってＴＩＲプリズム５０２が追加され投射レンズ１０９が投射レンズ５０９に変更となり、ロッドインテグレータ１０６と偏光変換部を備えた反射部材１０７が２組のロッドインテグレータ３０３、３０５と偏光変換部を備えた反射部材３０４，３０６となっている以外は第１の実施の形態と同じなので、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

プロジェクタ３は、照明装置１３と、ＤＭＤ５０１と、ＴＩＲプリズム５０２と、投射レンズ３０９とを備えている。照明装置１３は、Ｒ、Ｇ、Ｂの色光を発する光源１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂと、ダイクロイックミラー１０４と、偏光ビームスプリッタ１０５と、２個のロッドインテグレータ３０３、３０５と、２個の偏光変換部を備えた反射部材３０４、３０６とを備えており、さらに、各光源には補助レンズ１０２と１０３とを有する。

偏光ビームスプリッタ１０５とロッドインテグレータ３０３および３０５とは微小空気間隔を保って配置されていることが望ましい。偏光変換部を備えた反射部材３０４および３０６は第１の実施の形態と同様に１/４波長板と反射ミラーとで構成されている。

次に、第３の実施の形態の照明装置を有するプロジェクタの動作について説明する。Ｇ色の光路を例として説明すると、光源１０１Ｇからの非偏光の光束は補助レンズ１０２、１０３により収束光としてダイクロイックミラー１０４を経由して偏光ビームスプリッタ１０５に入射する。偏光ビームスプリッタ１０５によりＳ偏光とＰ偏光の光に分離されて、Ｓ偏光光はロッドインテグレータ３０５に、Ｐ偏光光はロッドインテグレータ３０３へと入射する。ここで内面反射により輝度が均一化されロッドインテグレータ端面で偏光変換部を備えた反射部材３０４および３０６により偏光変換されて、ロッドインテグレータ内を元きた方向に戻る。そして再び偏光ビームスプリッタ１０５で合成されて非偏光光となり、ＴＩＲプリズム５０２を経てＤＭＤ５０１に照射され、再びＴＩＲプリズム５０２を経て投射レンズ５０９により画像が拡大されて投射される。第１および第２の実施の形態と同様に、実質２倍の長さを持つロッドインテグレータを使用しているのと同じなので、ロッドインテグレータ内を進行中の光線が内面反射をする機会が増加し、輝度分布が非常に均一な照明光をＤＭＤへ照射することができる。

ＤＭＤを用いたプロジェクタでは照射系の配置の関係から２組のロッドインテグレータと偏光変換部を備えた反射部材との組合せを格納できる場合が多いが、液晶パネルを用いたプロジェクタでも、２組のロッドインテグレータと偏光変換部を備えた反射部材との組合せの配置が可能であれば、第３の実施の形態に類する構成とすることができるが、表示パネル１０８の入射前に偏光を統一する必要がある。

本発明の第１の実施の形態の照明装置を有するプロジェクタの模式的構成図である。 図１の偏光ビームスプリッタの模式的斜視図である。 図１の偏光変換部を備えた反射部材の模式的断面図である。 第１の実施の形態の照明装置を有するプロジェクタの動作を説明するための模式的構成図である。 本発明の第２の実施の形態の照明装置を有するプロジェクタの模式的構成図である。 偏光変換素子の模式的断面図である。 本発明の第３の実施の形態の照明装置を有するプロジェクタの模式的構成図である。

符号の説明

１、２、３ プロジェクタ
１１、１２、１３ 照明装置
２１ 入射面
２２ Ｓ偏光光
２３ Ｐ偏光光
１０１Ｇ、１０１Ｂ、１０１Ｒ 光源
１０２、１０３、４０１、４０２、４０３ 補助レンズ
１０４ ダイクロミラー
１０５、４０５ 偏光ビームスプリッタ
１０６、３０３、３０５ ロッドインテグレータ
１０７、３０４、３０６ 偏光変換部を備えた反射部材
１０８ 表示パネル
１０９、５０９ 投射レンズ
１１０ 光軸
２０１、２０２ 直角プリズム
２０３ 偏光分離面
３０１、４０９ 位相差板
３０２ 反射ミラー
４０４ 偏光変換素子
４０６、４０７、４０８ プリズム
５０１ ＤＭＤ
５０２ ＴＩＲプリズム

Claims (11)

1. 時分割で点灯制御される光源と、前記光源からの光を収束させる光学素子と、前記光学素子からの光が入射する角柱状光学素子と、を備える照明装置であって、
   前記角柱状光学素子は、前記光学素子からの光の入射面と、画像表示器への光の出射面とが同一の面であることを特徴とする照明装置。
2. 前記角柱状光学素子の前記入射面と対向する端面に近接して偏光変換手段を有する反射手段を備え、
   前記角柱状光学素子と前記画像表示器との間に、前記光源からの光を偏光変換して前記角柱状光学素子の前記入射面に出射し、前記角柱状光学素子からの入射光を前記画像表示器に出射する偏光ビームスプリッタを備えた、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光源と前記偏光ビームスプリッタとの間に偏光統一手段を有する、請求項２に記載の照明装置。
4. 前記偏光ビームスプリッタの、前記光源からの光の入射面と対向する面にも、該対向する面側に前記入射面を有する前記角柱状光学素子を備え、該角柱状光学素子の前記入射面と対向する端面に近接して偏光変換手段を有する反射手段を備える、請求項２に記載の照明装置。
5. 前記偏光ビームスプリッタの出射面と、前記角柱状光学素子の前記入射面とが近接して配置されている、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記偏光変換手段を有する反射手段は、位相差板と反射素子とから構成されている、請求項２から請求項５のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 前記角柱状光学素子が中実の光学ガラスより構成され、６面が光学研磨されている、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の照明装置。
8. 前記角柱状光学素子が中空状のライトトンネルである、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の照明装置。
9. 前記画像表示器が液晶表示装置である、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の照明装置。
10. 前記画像表示器がＤＭＤ（デジタルマイクロデバイス）表示部である、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の照明装置。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の照明装置を備えたことを特徴とするプロジェクタ。

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