JP5463613B2 - 照明光学系、表示装置および投射表示装置 - Google Patents

照明光学系、表示装置および投射表示装置 Download PDF

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Description

本発明は、照明光学系、特に、固体光源(LEDや半導体レーザ)を光源とし被照射部を均一照明させる照明光学系に関する。
LEDは赤色帯域で発行するタイプに加えて、緑、青色の波長帯域で発光するタイプも実用化され、かつ、LEDのチップ自体は1mm角程度と小さい。このため、小型高輝度光源として注目されている。
また、ヘッドマウントディスプレイ用の光源としては既に利用されており、投射型表示装置(プロジェクタ)の光源にも使われ始めた。
LEDは、キセノンランプやメタルハライドランプ、超高圧水銀ランプに比べて発光効率が同レベルであるが、光量は桁違いに小さい。このため、投射型表示装置に用いるには、これまでのキセノンランプ等が1つで済むのに対し、多数個のLEDを使用する必要がある。
波長帯域の異なる多数のLEDを利用し、かつ、空間光変調器(いわゆるライトバルブ)を一つ用いた投射型表示装置を構成するには照明光学系において各色の光軸を合成させる光軸合成手段が必須となる。公知技術として異なる波長の発光素子、コリメートレンズアレイ、X型のホログラム光路合成、ロッドインテグレータ(またはフライアイレンズ)で構成される。ところが、特にLEDが光源の場合、発散角が大きくコリメートレンズアレイで平行光とならない光線が含まれる。このため、ホログラム面で別LEDからの光線と交わり、効率良くロッドインテグレータに光束を取り込めない。
略平行光束化した光を第一フライアイレンズ、第二フライアイレンズ、コンデンサレンズをへて被照射部において照度の均一化が図れる。第一フライアイレンズへの入射角は一般的には5度以内に設定されている。望ましくは3度以内の略平行光束とされる。このように入射角を設定した略平行光束とするのは、第一フライアイレンズへの入射角が大きくなると被照射部以外に光が外れてしまい、光利用効率を低下させる原因となるためである。
さて、従来技術の場合、コリメートレンズによってX型のホログラム光路合成への入射角(結果的にはフライアイレンズへの入射角)を5度以内に設定することは原理的には可能である。ただし、これを実現するためには、LED毎に高開口率のコリメートレンズを用いる必要があるので、LEDの配列ピッチをある程度大きく(広く)設定しなければならない。このようにLEDの配列が大きくなるので、光路合成部も必然的に大型となり、例えLEDのチップ自体は小さくても照明光学系は大型となる。また、複数個のLEDを一つのコリメートレンズで平行光束化させようとしても、LEDでは各LEDからの主光線がコリメートレンズのレンズ軸と一致せず、そのコリメート光が斜めに飛ぶため、略平行光束化させるにはコリメートレンズ径を大型にしなければならない。
ここで、複数の発光ダイオードを個別に偏光変換しライトバルブを照明し、光路合成部分に関してはダイクロイックプリズムなどを用いる技術がある(例えば、特許文献1参照)。
特開2002−244211号公報
しかしながら、特許文献1では、光利用効率の低下を抑えるには偏光変換素子へのLED光は、例えば5度以内の入射角に略平行光束化する必要があり、照明光学系全体は必ずしも小型に出来なかった。
本発明は、以上説明した問題点を解決するためになされたものである。その目的は、照明光学系を小型化することである。特に光源を固定光源を用いた際に、照明光学系を小型化することを目的とする。
発明は、第1の波長帯域の光を出射する第1の光源と、第1の波長帯域と波長帯域が異なる第2の波長帯域の光を出射する第2の光源と、第1の波長帯域に含まれる光を回折し且つ第2の波長帯域に含まれる光を回折しないホログラム素子とを備え、第1の光源の出射光および第2の光源の出射光は、ホログラム素子の同一面側に異なる角度で入射し、ホログラム素子で回折した第1の光源の出射光の光路と、ホログラム素子を透過した第2の光源の出射光との光路とが、一致することを特徴とする照明光学系である。
発明は、第1の波長帯域の光を出射する第1の光源と、第1の波長帯域と波長帯域が異なる第2の波長帯域の光を出射する第2の光源と、第1の波長帯域に含まれる光を回折し且つ第2の波長帯域に含まれる光を回折しない第1のホログラム素子と、第1のホログラム素子の次段に配置された、第2の波長帯域に含まれる光を回折し且つ第1の波長帯域に含まれる光を回折しない第2のホログラム素子とを備え、第1のホログラム素子で回折した第1の光源の出射光の光路と、第2のホログラム素子とで回折した第2の光源の出射光の光路とが、一致することを特徴とする照明光学系である
発明は、上記記載の発明において、第1の波長帯域および第2の波長帯域と波長帯域が異なる第3の波長帯域の光を出射する第3の光源をさらに備え、第1の光源および第2の光源は、第1のホログラム素子に、該ホログラム素子の長手方向の略中心を略垂直に通る仮想垂線を中心として略対称に対向配置され、第3の光源は、前記仮想垂線の略延長上であって、第1の光源および第2の光源の間に配置され、第1のホログラム素子および第2のホログラム素子を透過した第3の光源の出射光の光路と、第1のホログラム素子で回折した第1の光源の出射光の光路と、第2のホログラム素子とで回折した第2の光源の出射光の光路とが、一致することを特徴とする。
本発明によれば、例えば固体光源を用いた照明光学系を小型化することができる。また、光路合成手段を低減でき、より高輝度な照明が可能となる。
次に、本発明の第1の実施の形態の構成について図面を参照して説明する。
図1は本実施の形態を説明するための図である。光源ユニットである砲弾型レンズ付のLED11r(赤色用LED),11g(緑色用LED),11b(青色用LED)と、赤色光を反射させるダイクロイックミラー9rと青色光を反射させるダイクロイックミラー9bがクロス状に配置されるクロスダイクロイックミラーと、この光源ユニットに対応する略平行光束を形成するためのコリメート手段14(例えばコリメートレンズ)と、均一照明手段の一例である第一フライアイレンズ15a,第二フライアイレンズ15b,コンデンサレンズ16で構成される。これらの構成により、被照度部17に照度が均一になされる。
LEDのチップ自体からの光の出射角は全角で180度程度であるが、LEDのチップの直後に配置された砲弾型レンズから出射されるLED光は一般的に全角60度程度まで狭窄化できる。この出射光をクロスダイクロイックミラー9bで光路合成し、コリメート手段14で略平行光束化させる。このコリメート手段14で形成された略平行光束は、第一フライアイレンズ15aに対して入射角5度以内となるように設定がなされる。第一フライアイレンズ15aに入射した光束はレンズアレイのアレイ数で分割され、対応する第二フライレンズアレイ15bに入射される。第二レンズアレイからの光はコンデンサレンズ16で被照射部17に導かれる。第一フライアレイレンズ15aからの分割された光が被照射部17で重畳されるため照度均一化が図られる。照明光学系の光源から被照射部までの距離(照明光学長)は、照明光の被照射部17への最大入射角の設定に依存させる。本実施の形態では、この最大入射角を30度とすると、照明光学長は80mm弱となり小型化がなされる。さらに、光源ユニットに光源が3つあるにもかかわらず、コリメート手段14は一つで、共有化できるため照明光学系をさらに小型化にできる。
LEDの場合でも、砲弾レンズを反射鏡(例えばパラボラリフレクタ)にしても良い。さらには、反射鏡とレンズを組み合わせてLEDの発散光を狭窄化させても良い。
本実施の形態では固体光源としてLEDを用いた形態で説明したが、レーザを光源としても良い。例えば、固体光源として半導体レーザを用いた場合には出射光が縦方向と横方向で異なるため砲弾型レンズをシリンドリカルレンズに置き換えることにより、光の出射角を抑えることができるので、シリンドリカルレンズを用いることが望ましい。
なお、固体光源とは、固体の原子または分子、もしくはエネルギー帯中の電子を、電気的な方法で励起し、より低い状態へ戻る時に発する光を利用する光源のことである。例えば、LED(Light emitting diode)、半導体レーザや有機又は無機のエレクトロルミネッセンス(electroluminescence)などが挙げられる。
本実施の形態は3つの波長帯域の固体光源(例えば、LED)を光路合成手段にて光路合成し、均一照明手段の一例であるフライアイレンズによって被照射部17を均一照明する。実施の形態では、均一照明手段としてフライアイレンズを用いたが、ロッドインテグレータを利用しても良い。ロッドインテグレータを使用する場合には略平行光束をロッドインテグレータに集光させるためのコンデンサレンズと、ロッドインテグレータからの均一化された光束を被照射部に導くためのリレーレンズを必要に応じて配置させることにより実施が可能である。
なお、本実施の形態では光路合成手段として2つのダイクロイックミラーをクロスにしたクロスダイクロイックミラーを用いたが、反射タイプのホログラム素子を利用しても良い。なお、このホログラム素子を用いた実施の形態については、後述する。
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
第1の実施の形態の変形として、本実施の形態を図2を用いて説明する。光源ユニット21a、21bは第1の実施の形態のLEDからコリメートレンズまでの光源ユニットと同一である。この光源ユニットがアレイ状に配置されている。各光源ユニットは、3つのLEDからの光束をクロスダイクロイックミラー9r、9bにより光路合成を行い、コリメート手段14により略平行光束化して、共通に用いられる均一照明手段15aに光束が入射される。
図2では例として上下に2つの光源ユニットが配置される。光源ユニットアレイは、アレイ状に配置された光源ユニットの集まりのことをいう。この光源ユニットアレイの後に光源ユニットに共通に用いられるフライアイレンズ(すなわち光源ユニットアレイに対応するフライアイレンズ)が配置され照明光学系を構築している。すなわち光源ユニットからの光束を共通に用いられるフライアイレンズ15aに入射されることになる。各光源ユニットでの動作は実施の形態1と同様であるため説明を省略する。光源ユニットアレイからの出射光は共通に用いられる第一フライアイレンズ15aに5度以内の入射角で入るため、光利用効率の良い照度均一照明が実現される。第一フライアイレンズ15aに入射された光束は、第二フライアイレンズ15bに入射され、その後、コンデンサレンズ16に入射され、被照射部17に照射される。
また、このように各光源ごとにコリメートレンズを配置する必要が無くなり、照明光学系を小型化することが出来る。小型化に出来るということは被照射部17への入射角を制限することにつながる。また、被照射部に表示素子(例えば、液晶素子はDLP()等の空間光変調器)を配置する表示装置で、入射角に依存性のある表示素子を用いた場合には、表示素子への入射角を制限したにもかかわらず照明光学系が小型であるため、多くのLEDを利用することができ、高輝度の表示装置を提供することが可能となる。
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。
図3は光路合成手段にホログラム素子を用いた実施の形態を説明するための図である。図3では一つの光源ユニットのみを示しており、それ以外は図示を省略している。すなわち、複数の光源ユニットを設けることにより、高輝度の表示装置を提供することを可能とするものである。しかしながら、説明を簡単にするために、1つの光源ユニットに着目して説明する。
光源ユニットはRGBの3色のLED(赤色LED11r、緑色LED11g、青色LED11b)で構成し、各LEDには砲弾型のレンズが設置される。砲弾型レンズからの透過光は60度(全角)の広がりで発散される。光路合成手段に用いるホログラム素子は一つの光源ユニットに対して4枚で構成される。この内訳は本実施の形態では赤色用第一ホログラムおよび第二ホログラム、青色用第一ホログラムおよび第二ホログラムの4枚で構成される。また、赤用第一ホログラム12rと青用第一ホログラム12bとは、入射される光は一つのLED(1色のLED)のみであるため、その色のLEDの波長帯域に適用されるホログラムのパラメータを選ぶことができる。一つの光源ユニットで光源数をnとすると、必要となるホログラム素子の数は(2n−2)で表される。
赤色のLEDからの光は赤用第一のホログラム12rで回折され、さらに赤用第二のホログラム13rで回折される。赤用第二のホログラム13rで回折された赤色のLEDからの光は緑色のLEDからの光の拡散光束と一致するように伝播される。青用第二ホログラム13bに入射した赤色のLEDからの光は大半が0次光となり透過される。
同様にして、青色のLEDからの光は青用第一のホログラム12bで回折され、赤用第二のホログラム13rを透過する。青用第二ホログラム13bで回折され、緑色のLEDからの光と同じような発散光となって、コリメート手段の一例であるコリメートレンズ14に入り、コリメートレンズ14で略平行光束化される。
緑色のLEDからの光は後段の第二のホログラムである赤用第二ホログラム13r,青用第二ホログラム13bをどちらも透過することによってコリメートレンズ14で略平行光束化される。
本実施の形態における光路合成手段では、第二ホログラムで所望の波長帯域のみ回折させるが重要となる。つまり、第二ホログラムにて、所定の波長帯域に限定された回折効率特性が得られないと光利用効率低下の原因となる。各色の第二ホログラム13r,13bの具体例を詳細に述べる。
図4は第二ホログラムを詳細に説明するための図である。各LED11r,11g,11bからの主要光線の伝搬方向を図示した。主要光線はコリメートレンズの周辺光(紙面内)と主光線の3本で表した。第二のホログラムは次のように設計する。なお、ホログラムの屈折率は
n=n0+n1cos(K・x)
n1:屈折率変調振幅
K:格子ベクトル
x:位置ベクトル
で表されるように分布しているとする。
この設計パラメータのホログラムで位置p1,p2,p3での各LED光線の効率を試算した。用いる各LED光のスペクトルは図5に示す。なお、このLED光のスペクトルに限らず、他のスペクトルを有するLEDを用いても良い。その場合には、書きに示すホログラムの設計パラメータが変化することは言うまでもない。
Figure 0005463613
表1に示すように第二ホログラム(表中では第2ホログラムと記す)13r,13bの格子膜厚、屈折率変調振幅を選ぶ。この設計値による光利用効率を表2に示す。
Figure 0005463613
表2に示されたように、全LEDからの出射光の83%(平均値)を光路合成してコリメートレンズで略平行光束化させることが可能となる。図4に示したように3色のLEDを1.5mmピッチとコンパクトに配置したにもかかわらず、ホログラム素子を用いた光路合成手段によってコリメートレンズまでの狭い空間に配置することが可能となる。このように照明光学系を小型化にすることが可能となる。
また、光路合成手段にクロスダイクロイックミラーを用いた場合には、図4の上方向と下方向からもLEDからの光を照射する必要があり、光源ユニットがアレイ化されると隣接ユニット間で配線取り回しや放熱対策が問題となる。しかし、本実施の形態の場合、各々のLEDの光源を同じ向きに配置する(つまり、LEDからの光束の出射方向を同一方向に向けること)ことが容易となり、同一基板上(同一平面上)に全てのLEDを配置することができる。このため、クロスダイクロイックミラーを用いたものに比べて、配線取り回しや放熱対策しやすくなる。
また、例えば、光源ユニットが16個設けた場合、照明光学系の幅は20mmに、照明光学長(光源から被照射部までの距離)は70mmとしても被照射部への入射角は23度以内に制限できた。したがって小型化がなされた照明光学系を構築できる。
なお、本実施の形態においては、透過型のホログラムであるから、反射型ホログラムに比べて回折効率の高い波長帯域を広くすることができるので、固体光源(例えばLED)を光源とする場合には透過型のホログラムを用いるのは好適である。
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。
図6は本実施の形態を説明するための図である。図6は一つの光源ユニットのみ図示しており、それ以外は図示を省略している。一つの光源ユニットは砲弾型レンズ付きのLED11r,11g,11bとホログラム素子を構成する赤色用ホログラム13rと青色用ホログラム13bとコリメートレンズ14とで構成される。
ホログラム素子である赤色用ホログラム13r,青色用ホログラム13bに向けて出射光が一致するように所定の角度をつけて各色のLEDを配置する。赤色LED11rからの光は赤色用ホログラム13rによって回折され、青色用ホログラム13bではその青色用ホログラム13bの波長依存性によって回折されずに透過する。青色LED11bからの光は赤色用ホログラム13rでは、そのホログラム13rの波長依存性によって透過し、青色用ホログラム13bで回折される。それぞれの回折された光束が緑色LEDからの発散光にほぼ一致するように、赤色ホログラム13r及び青色ホログラム13bを設計する。本構成によればホログラム素子の数を実施の形態3に比べて減らすことができる。一つの光源ユニットの光源数をnとすると、ホログラム数は(n−1)個で構成することができる。
本実施の形態ではホログラム数が減るため、光利用効率を向上させ、さらにコストの削減に寄与することができる。
次に、本発明の第5の実施の形態について説明する。
図7は本実施の形態を説明するための図である。本実施の形態の照明光学系は、コリメート手段の構成を除いた光源ユニットアレイ31(光源と光路合成手段とから構成されるユニットのことをいう)と、コリメート手段の一例であるコリメートレンズアレイ32と、第一フライアイレンズアレイ33および第二フライアイレンズアレイ34およびコンデンサレンズ35からなるフライアイインテグレータで構成される。36は被照射部を表す。光源ユニットの一つのアレイは2個以上の光源で構成され、これまでに記載のうちのいずれかの光路合成手段で光源からの光を光路合成している。(図では一つの光源ユニットに光源がひとつで図示し、光路合成手段を省略している。)
本実施の形態で光源ユニットは4×4の配列としており、これにあわせてコリメートレンズのアレイも4×4の配列である。フライアイレンズ33,34は、共に水平方向が23の配列数、鉛直方向が31の配列数で構成され、水平方向、鉛直方向共に光源ユニットの配列数の非整数倍としている。
レンズアレイ外形サイズは、ほぼ同一で水平方向の配列数が24、鉛直方向の配列数が32(鉛直)のフライアイインテグレータ光学系と比較を行った。
ノンシーケンシャル光線追跡ソフトLightToolsを使って被照射部の照度均一性を求めた。図8が計算結果のグラフで被照射部36における照度を縦軸として表している。図8(a)はレンズアレイの分割数が水平方向の配列数が24、鉛直方向の配列数が32、(b)は水平方向の配列数23、鉛直方向の配列数が31の照度分布である。図8(a)の均一性(照度の最大値と最小値の比)は59%、図8(b)は67%であった。この結果からフライアイレンズのアレイ数を光源ユニットのアレイ数の整数倍(または約数)を外す(異ならせる)ことによって、被照射部での照度均一性を向上させることができることが理解される。
次に、本発明の第6の実施の形態について説明する。
図9は本実施の形態を説明するための図である。41はこれまでに記載のいずれかの照明光学系を表し、表示素子42とで構成される。表示素子としては液晶ライトバルブを用いることができる。照明光学系が小さくまとまっているため、表示装置全体も小型化にできる。また、光源ユニットに用いる光源が、赤、緑、青の3つの異なる波長帯域の光源とし、時系列に3つの光源の点灯消灯を繰り返す、いわゆるフィールドシーケンシャル照明を行ない、これに同期して液晶ライトバルブの画像を更新することによって、カラー表示が可能になる。
図9では透過型の表示素子で図示したが、反射型の表示素子でも表示装置を構築できる。照明光学系41と、偏光ビームスプリッタに代表される偏光分離素子と、反射型の表示素子の一例である液晶ライトバルブにより構成が可能である(図示せず)。
次に、本発明の第7の実施の形態について説明する。
図10は本実施の形態を説明するための図である。これまでに記載の照明光学系41と表示素子42と投射レンズ43で構成される。44はスクリーンを表す。光源ユニットを赤、緑、青色のLEDとし、時系列に発光のタイミングをずらした、いわゆるフィールドシーケンシャル照明をすることによって、非常にコンパクトな投射型表示装置を提供できる。この場合、これまでに記載の照明光学系の特徴から光利用効率が高く、光源をコンパクトに多数配列させることができるため高輝度の表示を可能にする。
図10はいわゆるフロント投射の実施の形態でスクリーンに映った画像の反射光を見る方式である。これ以外にもリアプロジェクションとして背面投射させ、スクリーン越しに映った画像を見る方式にも本発明を利用することができる。
発明によれば、一つの光源ユニットに対してコリメート手段が一つと照明光学系を小型にできる。また、光路合成手段を低減でき、より高輝度な照明が可能となる。
発明によれば、表示装置の小型化が可能となる。
発明によれば、投射型表示装置の小型化が可能となる。
なお、上述する各実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更実施が可能である。本発明は、ヘッドマウントディスプレイや直視型の表示装置、さらには、投射型表示装置に応用できる。
本発明の第1の実施形態の構成を説明するための図である。 本発明の第2の実施形態の構成を説明するための図である。 本発明の第3の実施形態の構成を説明するための図である。 第二ホログラムを詳細に説明するための図である。 LED光のスペクトルを示す図である。 本発明の第4の実施形態の構成を説明するための図である。 本発明の第5の実施形態の構成を説明するための図である。 結果のグラフである。 透過型の表示素子を示す図である。 本発明の第7の実施形態に関する説明図である。
符号の説明
9r、9b ダイクロイックミラー
11r,11g,11b 砲弾型レンズ付LED
14 コリメートレンズ
15a,15b フライアイレンズ
16 コンデンサレンズ
17 被照射部

Claims (5)

  1. 第1の波長帯域の光を出射する第1の光源と、
    前記第1の波長帯域と波長帯域が異なる第2の波長帯域の光を出射する第2の光源と、
    前記第1の波長帯域に含まれる光を回折し且つ前記第2の波長帯域に含まれる光を回折しないホログラム素子とを備え
    前記第1の光源の出射光および前記第2の光源の出射光は、前記ホログラム素子の同一面側に異なる角度で入射し、前記ホログラム素子で回折した前記第1の光源の出射光の光路と、前記ホログラム素子を透過した前記第2の光源の出射光との光路とが、一致することを特徴とする照明光学系。
  2. 第1の波長帯域の光を出射する第1の光源と、
    前記第1の波長帯域と波長帯域が異なる第2の波長帯域の光を出射する第2の光源と、
    前記第1の波長帯域に含まれる光を回折し且つ前記第2の波長帯域に含まれる光を回折しない第1のホログラム素子と、
    前記第1のホログラム素子の次段に配置された、前記第2の波長帯域に含まれる光を回折し且つ前記第1の波長帯域に含まれる光を回折しない第2のホログラム素子とを備え、
    前記第1のホログラム素子で回折した前記第1の光源の出射光の光路と、前記第2のホログラム素子とで回折した前記第2の光源の出射光の光路とが、一致することを特徴とする照明光学系。
  3. 前記第1の波長帯域および前記第2の波長帯域と波長帯域が異なる第3の波長帯域の光を出射する第3の光源をさらに備え、
    前記第1の光源および前記第2の光源は、前記第1のホログラム素子に、該ホログラム素子の長手方向の略中心を略垂直に通る仮想垂線を中心として略対称に対向配置され、
    前記第3の光源は、前記仮想垂線の略延長上であって、前記第1の光源および前記第2の光源の間に配置され、
    前記第1のホログラム素子および前記第2のホログラム素子を透過した前記第3の光源の出射光の光路と、前記第1のホログラム素子で回折した前記第1の光源の出射光の光路と、前記第2のホログラム素子とで回折した前記第2の光源の出射光の光路とが、一致することを特徴とする請求項に記載の照明光学系。
  4. 請求項1からのいずれか1項に記載の照明光学系と、前記照明光学系の照明光を変調させて画像を形成する空間光変調素子とを備える表示装置。
  5. 請求項1からのいずれか1項に記載の照明光学系と、前記照明光学系の照明光を変調させて画像を形成する空間光変調素子と、前記空間光変調素子で形成された画像を投射する投射レンズとを備える投射表示装置。
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