JP5835828B2

JP5835828B2 - 光源装置、投写型表示装置及び照明方法

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Publication number: JP5835828B2
Application number: JP2014505916A
Authority: JP
Inventors: 政美高内
Original assignee: NEC Display Solutions Ltd
Current assignee: Sharp NEC Display Solutions Ltd
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: US20150042968A1; WO2013140589A1; JPWO2013140589A1

Description

本発明は、光源からの光を導光体に入射させ、導光体から出射された光を光学素子に入射させる光源装置、光源装置を備える投写型表示装置及び照明方法に関する。

投写型表示装置には、光源としての発光管からの光を、導光体としてのライトパイプに入射させ、ライトパイプから、輝度が均一化された光を出射するように構成された光源装置が用いられているものがある（例えば特許文献１、２参照）。

図６に示すように、本発明に関連する光源装置１１１は、発光管１２１と、発光管１２１からの光を集光する楕円反射鏡１２２と、楕円反射鏡１２２によって集光された光が入射する入射面１２３ａと、入射面１２３ａから入射した光を内部で多重反射させて出射する出射面１２３ｂとを有するライトパイプ１２３と、出射面１２３ｂから出射された光が入射するレンズ１２５と、を備えている。

ライトパイプ１２３の出射面１２３ｂからレンズ１２５に入射した光は、光学系の光路に沿って導かれ、光変調素子に照射されて変調され、投写レンズによって投写面上に投写される。

特開２００５−２９２３５８号公報特開２００６−１０６５２５号公報

ところで、上述したように、本発明に関連する光源装置１１１では、ライトパイプ１２３から出射された光の一部Ｐがレンズ１２５に入射せずに、光路から漏れており、発光管１２１から発された光の利用効率を高めることが望まれている。

ライトパイプ１２３から出射された光の一部Ｐが光路から漏れることを防ぎ、ライトパイプ１２３からレンズ１２５に入射する光を増やすために、レンズ１２５の径を大きくすることが考えられる。しかしながら、レンズ１２５の径を大きくした場合には、光学系が大型化し、投写型表示装置全体の大型化を招いてしまう。

また、ライトパイプ１２３から出射された光の一部Ｐが光路から漏れることを防ぎ、ライトパイプ１２３からレンズ１２５に入射する光を増やすために、ライトパイプ１２３の出射面１２３ｂにレンズ１２５を近づけて配置することが考えられる。しかしながら、ライトパイプ１２３の出射面１２３ｂ近傍にレンズ１２５を配置した場合であっても、レンズ１２５に入射した光はレンズ１２５の開口数に依存し、ライトパイプ１２３からレンズ１２５に入射する光を増やせても、レンズ１２５からの光路に沿って導かれる光を増やすことにつながらない。

そこで、本発明は、上記関連する技術の課題を解決することができる光源装置、投写型表示装置及び照明方法を提供することを目的とする。本発明の目的の一例は、光源からの光のうち、光学素子に取り込まれずに光路から漏れる光を再利用することによって、消費電力を抑え、且つ明るさの向上を図ることができる光源装置、投写型表示装置及び照明方法を提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明に係る光源装置は、光源と、前記光源からの光が入射する入射面と、前記入射面から入射した光を内部で多重反射させて出射する出射面とを有する導光体と、前記出射面から出射された光が入射する光学素子と、前記出射面から出射された光のうち、前記光学素子に入射しない光を反射させる第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡で反射された光を前記入射面に入射させる第２の反射鏡と、を備え、前記第１の反射鏡は、前記導光体の前記出射面からの光が通過する開口を有し、前記第２の反射鏡は、前記光源からの光が通過する開口を有する。

また、本発明に係る投写型表示装置は、本発明の光源装置と、光源装置からの光を変調する光変調素子と、を備える。

また、本発明に係る照明方法は、光源からの光を導光体の入射面に入射させ、前記入射面から入射した光を前記導光体の内部で多重反射させて出射面から出射させ、前記出射面から出射された光を光学素子に入射させる照明方法において、前記出射面から出射された光のうち、前記光学素子に入射しない光を、前記導光体の前記出射面からの光が通過する開口を有する第１の反射鏡により反射させて、前記光源からの光が通過する開口を有する第２の反射鏡により前記入射面に入射させる。

本発明によれば、光源からの光のうち、光学素子に取り込まれずに光路から漏れる光を再利用することによって、消費電力を抑え、且つ明るさの向上を図ることができる。

第１の実施形態の投写表示装置を示す模式図である。第１の実施形態における光源装置を説明するための模式図である。第１の実施形態における光源装置の構成要素を説明するための模式図である。第１の実施形態における光源装置における光線の状態を示す模式図である。第２の実施形態における光源装置を示す模式図である。本発明に関連する光源装置を説明するための模式図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１に、第１の実施形態の投写型表示装置の模式図を示す。図２に、第１の実施形態における光源装置を説明するための模式図を示す。

図１に示すように、投写型表示装置１は、光源装置１１と、光源装置１１からの光路を構成するミラー群１２ａ、１２ｂ及びレンズ群１３ａ、１３ｂと、光源装置１１からの光を変調する光変調素子としての反射型表示素子１５と、反射型表示素子１５から入射した光を投写面上に投写するための投写レンズ１６と、を備えている。反射型表示素子１５としてはＤＭＤ（Digital Micromirror Device）が用いられている。

図１及び図２に示すように、投写型表示装置１が備える光源装置１１は、光源としての発光管２１と、発光管２１からの光を集光する楕円反射鏡２２と、楕円反射鏡２２によって集光された光が入射する入射面２３ａと、入射面２３ａから入射した光を内部で多重反射させて出射する出射面２３ｂとを有する導光体としてのライトパイプ２３と、出射面２３ｂから出射された光が入射する光学素子としてのレンズ２５と、出射面２３ｂから出射された光のうち、レンズ２５に入射しない光を反射させる第１の反射鏡としての第１の放物線反射鏡２６と、第１の放物線反射鏡２６で反射された光を入射面２３ａに入射させる第２の反射鏡としての第２の放物線反射鏡２７と、を備えている。また、光源装置１１は、ライトパイプ２３から入射する光を複数の色の光に時分割してレンズ２５側に出射するカラーホイール２４を備えている。

ライトパイプ２３は、中空部を有する管状に形成されており、正方形状の入射面２３ａ及び出射面２３ｂを有している。本発明では、ライトパイプ２３における、中空部の入射側の開口を含む仮想的な面を入射面２３ａと称し、中空部３４の出射側の開口を含む仮想的な面を出射面２３ｂと称している。ライトパイプ２３は、出射面２３ｂが入射面２３ａよりもやや大きくされ、光軸方向に対してテーパ状に形成されている。ライトパイプ２３は、中空部の内面に反射膜（不図示）が形成されることによって反射面が構成されており、入射面２３ａから入射した光を、反射面によってライトパイプ２３の内部で多重反射させることで、輝度が均一化された光を出射面２３ｂから出射する。なお、必要に応じて、ライトパイプ２３の代わりに、中実体であるガラスロッドが用いられてもよいことは勿論である。

第１の放物線反射鏡２６は、ライトパイプ２３の出射面２３ｂから光軸方向に所定距離だけ離れた位置に配置されている。第１の放物線反射鏡２６は、ライトパイプ２３の出射面２３ｂからの光を通過させてレンズ２５に入射させる円形の開口２６ａを有している。第１の放物線反射鏡２６は、ライトパイプ２３の出射面２３ｂから出射された光のうち、レンズ２５に入射しない光線を、ライトパイプ２３の光軸の側に向かって延長したときに、この光線とライトパイプ２３の光軸とが交わる点に、第１の放物線反射鏡２６の焦点が位置するように配置されている。すなわち、第１の放物線反射鏡２６の焦点は、ライトパイプ２３の内部における、出射面２３ｂ近傍の光軸上に位置している。このため、ライトパイプ２３の出射面２３ｂからの光のうちで、第１の放物線反射鏡２６によって反射された光は、ライトパイプ２３の光軸に対して平行光に近い角度で、第２の放物線反射鏡２７に向かって進む。

第２の放物線反射鏡２７は、発光管２１とライトパイプ２３の入射面２３ａとの間に配置されている。第２の放物線反射鏡２７は、発光管２１からの光を通過させて入射面２３ａに入射させる円形の開口２７ａを有している。

第２の放物線反射鏡２７は、焦点位置がライトパイプ２３の内部における、入射面２３ａ近傍の光軸上に位置するように配置されている。このため、第２の放物線反射鏡２７は、第１の放物線反射鏡２６によって反射された光を、反射することによって、ライトパイプ２３の入射面２３ａに入射させる。

カラーホイール２４は、ライトパイプ２３の出射面２３ｂとレンズ２５との間に配置されている。カラーホイール２４は、ライトパイプ２３から入射する光を、波長が異なる複数の色の光に時分割してレンズ２５へ向けて出射する。また、上述した反射型表示素子１５は、カラーホイール２４から透過する各色成分の光に応じて、表示する画像情報を切り換えるように制御回路部（不図示）によって制御されている。

なお、本実施形態では、発光管２１からの光を集光させる集光手段として楕円反射鏡２２が用いられたが、楕円反射鏡２２の代わりに集光レンズ（不図示）が用いられてもよく、楕円反射鏡と集光レンズの両方が用いられてもよい。

図３に、実施形態の光源装置１１の構成例を示す。表１に、図３に示した光源装置１１を構成する楕円反射鏡２２、ライトパイプ２３、第１及び第２の放物線反射鏡２６、２７、レンズ２５の寸法の一例を示す。図３において、光軸に直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向とし、光軸方向をＺ軸方向とする。図３において、発光管の輝点を、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の原点とする。

図３及び表１に示すように、Ｚ軸方向（光軸方向）において、楕円反射鏡２２は、反射面の（−）方向の端部が、原点から（−）８ｍｍの位置に配置されており、Ｚ軸方向に対する長さが３８ｍｍに形成されている。また、Ｚ軸方向において、楕円反射鏡２２は、第１焦点が輝点（原点）に位置し、第２焦点が、原点から６５ｍｍの位置になるように形成されている。

ライトパイプ２３は、Ｚ軸方向に対する長さが４０ｍｍで形成されている。Ｚ軸方向において、ライトパイプ２３は、入射面２３ａが６５ｍｍに位置し、出射面２３ｂが１０５ｍｍに位置している。入射面２３ａが、２ｍｍ×２ｍｍの正方形に形成されており、出射面２３ｂが、２．６ｍｍ×２．６ｍｍの正方形に形成されている。

Ｚ軸方向において、第１の放物線反射鏡２６は、（−）方向の端部が、原点から１２５ｍｍの位置に配置されており、焦点位置が１４８ｍｍに位置している。第１の放物線反射鏡２６は、Ｚ軸方向に対する長さ４ｍｍ、開口２６ａの直径が７ｍｍに形成されている。

Ｚ軸方向において、第２の放物線反射鏡２７は、（−）方向の端部が、原点から５３ｍｍの位置に配置されており、焦点位置が６５ｍｍに位置している。第２の放物線反射鏡２７は、Ｚ軸方向に対する長さ８ｍｍ、開口２７ａの直径が８ｍｍに形成されている。

レンズ２５は、（−）方向の端部が、原点から１２８ｍｍの位置に配置されている。レンズ２５は、両面が凸面をなしており、半径が９ｍｍ、凸面の曲率半径が４４ｍｍ、厚さが３ｍｍに形成されている。

以上のように構成された実施形態の光源装置１１における光線の振る舞いを説明する。図４に、実施形態の光源装置１１における光線の振る舞いを模式的に示す。

図２及び図４に示すように、発光管２１からの光は、楕円反射鏡２２で集光された光を含んでおり、第２の放物線反射鏡２７の開口２７ａを通り、ライトパイプ２３の入射面２３ａに入射する。ライトパイプ２３内に入射した光は、ライトパイプ２３の内部で多重反射され、出射面２３ｂから出射される。ライトパイプ２３の出射面２３ｂから出射された光は、第１の放物線反射鏡２６の開口２６ａを通り、レンズ２５に入射する。

ライトパイプ２３の出射面２３ｂから出射された光のうち、レンズ２５に入射しない光は、第１の放物線反射鏡２６の反射面によって反射される。換言すれば、ライトパイプ２３の出射面２３ｂから出射された光のうち、第１の放物線反射鏡２６の開口２６ａの外側に照射された光は、第１の放物線反射鏡２６の反射面によって反射される。

第１の放物線反射鏡２６の反射面によって反射された光は、ライトパイプ２３の光軸方向と平行に進み、第２の放物線反射鏡２７の反射面によって反射される。第２の放物線反射鏡２７の反射面によって反射された光は、ライトパイプ２３の入射面２３ａに再度入射し、ライトパイプ２３の出射面２３ｂから出射される。

したがって、ライトパイプ２３の出射面２３ｂから出射された光のうち、レンズ２５に入射しない光は、第１及び第２の放物線反射鏡２６、２７を経て、ライトパイプ２３の入射面２３ａに再度入射されるので、光利用効率が高められる。

上述したように、実施形態の光源装置１１によれば、ライトパイプ２３の出射面２３ｂから出射された光のうち、レンズ２５に入射しない光を反射させる第１の放物線反射鏡２６と、第１の放物線反射鏡２６で反射された光を入射面２３ａに入射させる第２の放物線反射鏡２７とを備えることによって、発光管２１から出射された光のうち、レンズ２５に取り込まれずに光路から漏れる光を再利用することが可能になり、消費電力を抑え、且つ明るさの向上を図ることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態の光源装置の構成例について説明する第２の実施形態において、第１の実施形態の光源装置と同一の構成部材には、第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。図５に、第２の実施形態における光源装置の模式図を示す。

第２の実施形態は、第１の放物線反射鏡２６によって反射された光の一部が、ライトパイプの反射面で更に反射されて第２の放物線反射鏡２７に導かれる点が、第１の実施形態と異なっている。

図５に示すように、第２の実施形態の光源装置３１は、楕円反射鏡２２によって集光された光が入射する入射面３３ａと、入射面３３ａから入射した光を内部で多重反射させて出射する出射面３３ｂとを有する導光体としてのライトパイプ３３を備えている。

ライトパイプ３３は、入射面３３ａ及び出射面３３ｂを含む中空部３４と、中空部３４の外周側に形成された環状部３５とを有している。本発明では、ライトパイプ３３における、中空部３４の入射側の開口を含む仮想的な面を入射面３３ａと称し、中空部３４の出射側の開口を含む仮想的な面を出射面３３ｂと称している。

ライトパイプ３３の中空部３４の内面には、反射膜（不図示）が形成されることによって、入射面３３ａから入射した光を内部で多重反射させて出射面３３ｂから出射させる反射面３４ａが構成されている。また、ライトパイプ３３の環状部３５の外周面には、反射膜（不図示）が形成されることによって、第１の放物線反射鏡２６で反射された光を第２の放物線反射鏡２７に向けて反射させる反射面３５ａが構成されている。

したがって、第１の放物線反射鏡２６で反射された光の一部が、環状部３５を透過して第２の放物線反射鏡２７の反射面に入射すると共に、第１の放物線反射鏡２６で反射された光の他の一部が、環状部３５の反射面３５ａで反射され、第２の放物線反射鏡２７の反射面に入射する。

つまり、ライトパイプ３３の環状部３５は、第１の放物線反射鏡２６によってライトパイプ３３の光軸と平行な方向に反射された光を透過すると共に、第１の放物線反射鏡２６によって反射された光の一部を、第２の反射面３５ａで反射する。

第２の実施形態の光源装置３１によれば、ライトパイプ３３を備えることによって、第１の実施形態の光源装置１１と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施形態におけるライトパイプ３３は、環状部３５の外周面に、第１の放物線反射鏡２６で反射された光を第２の放物線反射鏡２７に向けて反射させる反射面３５ａが形成されたが、第１の放物線反射鏡２６で反射される光のほとんどが、ライトパイプの光軸と平行な方向に反射される場合には、環状部３５の外周面に反射面を形成することが省かれてもよい。

また、本実施形態では、ライトパイプ３３の環状部３５に、第１の放物線反射鏡２６によって反射された光の一部を、第２の放物線反射鏡２７に向けて反射させる反射面３５ａが形成されたが、この構成に限定されるものではない。ライトパイプ３３を用いる代わりに、第１の実施形態におけるライトパイプ２３を用いると共に、ライトパイプ２３の外周部に、ライトパイプ２３とは独立した筒状の反射面を有する別の反射鏡（不図示）が設けられてもよい。

１投写型表示装置
１１光源装置
２１発光管
２２楕円反射鏡
２３ライトパイプ
２３ａ入射面
２３ｂ出射面
２４カラーホイール
２５レンズ
２６第１の放物線反射鏡
２７第２の放物線反射鏡

Claims

光源と、
前記光源からの光が入射する入射面と、前記入射面から入射した光を内部で多重反射させて出射する出射面とを有する導光体と、
前記出射面から出射された光が入射する光学素子と、
前記出射面から出射された光のうち、前記光学素子に入射しない光を反射させる第１の反射鏡と、
前記第１の反射鏡で反射された光を前記入射面に入射させる第２の反射鏡と、を備え、
前記第１の反射鏡は、前記導光体の前記出射面からの光が通過する開口を有し、
前記第２の反射鏡は、前記光源からの光が通過する開口を有する、光源装置。
光源と、
前記光源からの光が入射する入射面と、前記入射面から入射した光を内部で多重反射させて出射する出射面とを有する導光体と、
前記出射面から出射された光が入射する光学素子と、
前記出射面から出射された光のうち、前記光学素子に入射しない光を反射させる第１の反射鏡と、
前記第１の反射鏡で反射された光を前記入射面に入射させる第２の反射鏡と、を備え、
前記導光体は、前記入射面から入射した光を内部で多重反射させて前記出射面から出射させる中空部と、該中空部の外周側に形成され、前記第１の反射鏡で反射された光を透過させて前記第２の反射鏡に入射させる環状部と、を有する、光源装置。
請求項１に記載の光源装置において、
前記導光体は、前記入射面から入射した光を内部で多重反射させて前記出射面から出射させる中空部と、該中空部の外周側に形成され、前記第１の反射鏡で反射された光を透過させて前記第２の反射鏡に入射させる環状部と、を有する、光源装置。
請求項２または３に記載の光源装置において、
前記環状部の外周面に、前記第１の反射鏡で反射された光を反射して前記第２の反射鏡に入射させる反射面が形成されている、光源装置。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光源装置と、
前記光源装置からの光を変調する光変調素子と、を備える投写型表示装置。
光源からの光を導光体の入射面に入射させ、前記入射面から入射した光を前記導光体の内部で多重反射させて出射面から出射させ、前記出射面から出射された光を光学素子に入射させる照明方法において、
前記出射面から出射された光のうち、前記光学素子に入射しない光を、前記導光体の前記出射面からの光が通過する開口を有する第１の反射鏡により反射させて、前記光源からの光が通過する開口を有する第２の反射鏡により前記入射面に入射させることを特徴とする照明方法。
光源からの光を導光体の入射面に入射させ、前記入射面から入射した光を前記導光体の内部で多重反射させて出射面から出射させ、前記出射面から出射された光を光学素子に入射させる照明方法において、
前記出射面から出射された光のうち、前記光学素子に入射しない光を、第１の反射鏡により反射させて、第２の反射鏡により前記入射面に入射させ、
前記導光体として、前記入射面から入射した光を内部で多重反射させて前記出射面から出射させる中空部と、該中空部の外周側に形成され、前記第１の反射鏡で反射された光を透過させて前記第２の反射鏡に入射させる環状部と、を有するものを用いることを特徴とする照明方法。