JPWO2017068676A1 - 投射型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

明の目的は、簡単な構成で、低価格であり、照明用光源の信頼性と明るさ向上を図った投射型映像表示装置を提供するである。本発明は、ランプ（２０）と、ランプからの放射光束を反射するリフレクタ（２１）と、リフレクタで反射された光を平行化する平行化レンズ（２）と、平行化された光を変調し変調光を出力する光変調装置と、変調光を投射する投射レンズとを備えた投射型映像表示装置であって、リフレクタは、ランプからの放射光束の反射光がランプに当たらないように構成されており、平行化レンズは、入射側と出射側の両面に凹面を設けた１枚の両凹レンズで構成する。

Description

本発明は、投射型映像表示装置に係り、特に照明用光源の性能向上に関する。

液晶プロジェクタ等の投射型映像表示装置に用いられる照明用光源は、ランプからの放射光束を限られた面内に効率よく入射させるためにリフレクタが用いられる。

本技術分野の背景技術として、特開２００８−２４２１５６号公報（特許文献１）がある。特許文献１は、光の損失が少ない小型の光源装置及びこれを組み込んだプロジェクタを提供することを目的とし、リフレクタを回転楕円体一部である第１、第２、第３及び第４リフレクタ部分で構成し、各リフレクタ部分第１焦点が、発光管の発光点にそれぞれ配置され、各リフレクタ部分の第２焦点が、システム光軸を基準として各リフレクタ部分側にそれぞれ配置される。これにより、各リフレクタ部分による反射光がシステム光軸の周囲にある発光管や副反射鏡によって遮られることを防止できる構成が開示されている。

特開２００８−２４２１５６号公報

前記特許文献１では、発光管から射出された光源光をそれぞれ反射する複数の楕円面を有する反射鏡であるリフレクタを備え、複数の楕円面が、システム光軸を含む面上にある境界線によって互いに分割されており、複数の楕円面を構成する各楕円面の第１焦点は、発光管の発光中心にそれぞれ配置され、複数の楕円面を構成する各楕円面の第２焦点は、システム光軸を基準として各楕円面が存在する側にそれぞれ配置される。そして、コリメート用の凹レンズと、凹レンズから射出した光束を同一方向にそろえるプリズムとを備える。よって、特殊なリフレクタや光学部品が必要であるため装置が高価となり、製造工程数が増え、さらには歩止まりが悪くなるという問題がある。

本発明の目的は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、簡単な構成で、低価格であり、照明用光源の信頼性と明るさ向上を図った投射型映像表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、その一例を挙げるならば、ランプと、ランプからの放射光束を反射するリフレクタと、リフレクタで反射された光を平行化する平行化レンズと、平行化された光を変調し変調光を出力する光変調装置と、変調光を投射する投射レンズとを備えた投射型映像表示装置であって、リフレクタは、ランプからの放射光束の反射光がランプに当たらないように構成されており、平行化レンズは、入射側と出射側の両面に凹面を設けた１枚の両凹レンズで構成する。

本発明によれば、簡単な構成で、低価格であり、照明用光源の信頼性と明るさ向上を図った投射型映像表示装置を提供することができる。

本実施例における投射型映像表示装置の全体構成の概念図である。 本実施例の前提となるランプ出射光線の説明図である。 本実施例を説明するための照明装置の参考例である。 本実施例を説明するための照明装置の他の参考例である。 本実施例における照明装置の構成図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。

図１に、本実施例における投射型映像表示装置の全体構成の概念図を示す。本実施例は、投射型映像表示装置として、液晶パネルを用いた液晶プロジェクタを例に説明する。

図１において、１は後述するランプとランプからの光束を反射させて所定方向に集めるリフレクタからなる光源ユニットであり、２は後述するリフレクタからの光を平行光にする両凹レンズである。ここで、光源ユニット１と両凹レンズ２をまとめて照明装置３と称する。また、４は照射面への照度の均一性を高めるためのインテグレータレンズ、５は偏光方向を一方向の直線方向に揃える偏光変換素子（プリズムビームスプリッタ：ＰＢＳ）、６は偏光変換素子５を経た照明光を収束させて後段の各色の光変調装置の被照明領域に照明する重畳レンズである。ここで、インテグレータレンズ４、偏光変換素子５、重畳レンズ６をまとめて照明光学系７と称する。

８ａ、８ｂはダイクロイックミラー、９ａ、９ｂ、９ｃは反射ミラー、１０ａ、１０ｂ、１０ｃはフィールドレンズであり、これらで、色分離光学系１８を構成する。色分離光学系１８は、照明光学系７により形成された照明光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色に分離するとともに、各色光を後段の光変調装置へ導く。具体的には、まず、ダイクロイックミラー８ａは、ＲＧＢの３色のうちＲ光及びＧ光を透過させＢ光を反射する。また、ダイクロイックミラー８ｂは、ＲＧの２色のうちＧ光を反射しＲ光を透過させる。次に、この色分離光学系１８において、ダイクロイックミラー８ａを反射したＢ光は、リレーレンズ１１ａ、反射ミラー９ａを経て入射角度を調節するためのフィールドレンズ１０ａに入射する。また、ダイクロイックミラー８ａで透過され、さらに、ダイクロイックミラー８ｂで反射されたＧ光は、入射角度を調節するためのフィールドレンズ１０ｂに入射する。さらに、ダイクロイックミラー８ｂを透過したＲ光は、リレーレンズ１１ｃ、反射ミラー９ｂ、リレーレンズ１１ｄ、及び反射ミラー９ｃを経て入射角度を調節するためのフィールドレンズ１０ｃに入射する。

色分離光学系１８から射出された各色光に対応してそれぞれ照明される３つの液晶パネル１２ａ、１２ｂ、１２ｃと、各液晶パネルの入射側にそれぞれ配置される３つの第１偏光フィルタ１３ａ、１３ｂ、１３ｃと、各液晶パネルの射出側にそれぞれ配置される３つの第２偏光フィルタ１４ａ、１４ｂ、１４ｃとを備える。この液晶パネル、第１偏光フィルタ、第２偏光フィルタで各色の光変調装置を構成する。ダイクロイックミラー８ａを反射したＢ光は、フィールドレンズ１０ａ等を介して液晶パネル１２ａに入射し照明する。ダイクロイックミラー８ａで透過され、ダイクロイックミラー８ｂで反射されたＧ光は、フィールドレンズ１０ｂ等を介して液晶パネル１２ｂに入射し照明する。ダイクロイックミラー８ａ、８ｂで透過したＲ光は、フィールドレンズ１０ｃ等を介して液晶パネル１２ｃに入射し照明する。各液晶パネル１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、入射した照明光の空間的強度分布を変調し、各液晶パネルにそれぞれ入射した３色の光は、各液晶パネルに電気的信号として入力された駆動信号或いは画像信号に応じて変調される。この際、第１偏光フィルタ１３ａ、１３ｂ、１３ｃによって、各液晶パネル１２ａ、１２ｂ、１２ｃに入射する照明光の偏光方向が調整されるとともに、第２偏光フィルタ１４ａ、１４ｂ、１４ｃによって、各液晶パネル１２ａ、１２ｂ、１２ｃから射出される変調光から所定の偏光方向の変調光が取り出される。以上により、それぞれに対応する各色の変調光を形成する。

クロスダイクロイックプリズム１５は各色の光変調装置からの変調光を合成する。投射レンズ１６は、クロスダイクロイックプリズム１５を経て形成された合成光による画像光を所望の拡大率で拡大してスクリーン（図示せず）上にカラーの画像を投射する。

図２は、本実施例の前提となるランプ出射光線の説明図である。図２において、光源ユニット１は、ランプ２０と、ランプ２０からの光束を反射させて所定方向に集めるリフレクタ２１からなる。ランプ２０から出た光束は、リフレクタ２１で所定方向に反射されて次段の照明光学系へ光束を集める。ここで、ランプ２０の信頼性を高めるには、ランプの温度上昇を抑える必要があり、ランプ２０にリフレクタ２１による反射光線が当たらないよう、リフレクタ２１の反射面形状を設計することが有効である。そこで、図２に示すように、リフレクタ２１の反射面形状として、ランプ２０近傍を通過する光線１を反射させる領域については、焦点距離を長くし、その他の光線２や３を反射させる領域については相対的に焦点距離を短くするような非球面形状とすることで、上記を実現できる。

図３は照明装置の参考例である。図３に示すように、インテグレータレンズ４には平行な光を入射させる必要があるため、リフレクタ２１の後段に平行化レンズとして凹レンズ２２を配置する場合を考える。図３において、全ての光線１〜３の平行度を高めるには、焦点距離の長い光線１と焦点距離が短い光線２が交わる前の位置に凹レンズ２２を配置するのが望ましい。しかし、このような配置とすると、インテグレータレンズ４上での光強度において、領域Ａは光強度が高い領域であるが、中心部の領域Ｂは光強度が低くなる。このため、投射型映像表示装置の明るさが全体として低下してしまうという問題がある。

図４は照明装置の他の参考例である。図４に示すように、インテグレータレンズ４の中央部の光強度を高めるには、リフレクタ２１の焦点距離に近い位置に凹レンズ２２を配置するのが有効である。しかし、焦点距離の長い光線１と焦点距離が短い光線２、３は焦点位置は異なっており、かつ、近接している光線を区別して全ての光線を平行とすることは難しく、例えば光線２を平行とすると、光線１は発散光となってしまい平行度が低下するという問題がある。また、凹レンズ２２への入射角度は焦点距離の長い光線１よりも焦点距離が短い光線２のほうが大のため、光線２を平行光とするには、凹レンズ２２にて光線２の方をより強く補正する必要がある。しかし、光線２は光線１よりもレンズ光軸に近い位置を通過しており、かつ、凹レンズ２２を安価な球面レンズで構成すると、球面レンズでは光線角度を補正する効果は光軸に近づくほど減少するため、光線２の角度を完全には補正できず、図４に示したように、光線２は集光光となってしまう。

そこで、上記問題を解決するために、本実施例では、リフレクタ２１の焦点距離に近い位置に両凹レンズ２を配置することとした。以下、図を用いて説明する。

図５は、本実施例における照明装置の構成図である。図５において、凹レンズの入射側に焦点距離が短く光軸近傍部分の光線２が通過する所定範囲に有効径の小さな凹面を設けた両凹レンズ２をリフレクタ２１の焦点距離に近い位置に配置する。これにより、両凹レンズ２内部における焦点距離が短い光線２の角度を焦点距離の長い光線１に近づけることができ、焦点距離の長い光線１と焦点距離が短く光軸周辺部分の光線３については両凹レンズ２の入射側の平面部を透過するため、小径の凹面の影響を受けない。すなわち、図５において、領域Ｃは、両凹レンズ２の入射面の小径の凹レンズ部を通過する光線であって、これが小径の凹レンズ部で光線角度を補正される。一方、両凹レンズ２の入射側の平面部を透過する光（光線３）は、小径の凹面の影響を受けず、両凹レンズ２の出射側の大径の凹面によって光線角度が補正される。これにより、全ての光線を略平行光とできる。よって、インテグレータレンズ４の中央の光強度を高め、投射型映像表示装置の明るさを向上させることができる。なお、光線１は両凹レンズ２の入射側凹面を通過しないが、図４に示した凹レンズ２２よりも出射側の凹面の曲率半径を大きくすることが可能であり、光線１も図４に比べて、光軸に対し平行に近づけることができる。

ここで、両凹レンズ２を入射側と出射側の両面に凹面を設けた１枚の両凹レンズとすることで、部品点数を削減でき、安価な装置を提供できる。また、両凹レンズ２のそれぞれの凹面は非球面ではない球面レンズとすることでさらにレンズ作成の工程数を下げられ、安価な装置を提供できる。また、両凹レンズ２の入射側の凹面の有効径を出射側の凹面の有効径より小さくすることで、インテグレータレンズ４の中央部の光強度を高めることができる。

以上のように、本実施例は、ランプと、ランプからの放射光束を反射するリフレクタと、リフレクタで反射された光を平行光に変換する平行化レンズと、平行化された光を変調し変調光を出力する光変調装置と、変調光を投射する投射レンズとを備えた投射型映像表示装置であって、リフレクタは、ランプからの放射光束の反射光がランプに当たらないように構成されており、平行化レンズは、入射側と出射側の両面に凹面を設けた１枚の両凹レンズで構成する。

また、両凹レンズは、構成する両面の凹レンズがそれぞれ球面レンズとする。また、両凹レンズは、入射側の凹面の有効径を出射側の凹面の有効径より小さくする。

これにより、簡単な構成で、低価格であり、照明用光源の信頼性と明るさ向上を図った投射型映像表示装置を提供することができる。

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１：光源ユニット、２：両凹レンズ、３：照明装置、４：インテグレータレンズ、５：偏光変換素子（プリズムビームスプリッタ：ＰＢＳ）、６：重畳レンズ、７：照明光学系、８ａ，８ｂ：ダイクロイックミラー、９ａ，９ｂ，９ｃ：反射ミラー、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ：フィールドレンズ、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ：リレーレンズ、
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ：液晶パネル、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ：第１偏光フィルタ、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ：第２偏光フィルタ、１５：クロスダイクロイックプリズム、１６：投射レンズ、１８：色分離光学系、２０：ランプ、２１：リフレクタ、２２：凹レンズ

Claims (7)

1. ランプと、該ランプからの放射光束を反射するリフレクタと、該リフレクタで反射された光を平行化する平行化レンズと、該平行化された光を変調し変調光を出力する光変調装置と、該変調光を投射する投射レンズとを備えた投射型映像表示装置であって、
   前記リフレクタは、前記ランプからの放射光束の反射光が該ランプに当たらないように構成されており、
   前記平行化レンズは、入射側と出射側の両面に凹面を設けた１枚の両凹レンズであることを特徴とする投射型映像表示装置。
2. 請求項１に記載の投射型映像表示装置であって、
   前記両凹レンズは、構成する両面の凹レンズがそれぞれ球面レンズであることを特徴とする投射型映像表示装置。
3. 請求項１に記載の投射型映像表示装置であって、
   前記両凹レンズは、入射側の凹面の有効径を出射側の凹面の有効径より小さくしたことを特徴とする投射型映像表示装置。
4. 請求項１に記載の投射型映像表示装置であって、
   前記リフレクタは、前記ランプ近傍を通過する光線を反射させる領域については焦点距離を長くし、その他の光線を反射させる領域については相対的に焦点距離を短くする非球面形状であることを特徴とする投射型映像表示装置。
5. 請求項４に記載の投射型映像表示装置であって、
   前記焦点距離の長い光線は前記両凹レンズの入射側の凹面を通過せず出射側の凹面を通過し、前記焦点距離の短い光線の光軸近傍部分が前記両凹レンズの入射側と出射側の両方の凹面を通過し、前記焦点距離の短い光線の光軸周辺部分が前記両凹レンズの入射側の凹面を通過せず出射側の凹面を通過することを特徴とする投射型映像表示装置。
6. 請求項１に記載の投射型映像表示装置であって、
   前記平行化された光の照度の均一性を高め照明光を形成する照明光学系と、
   前記照明光学系により形成された照明光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の色光に分離する色分離光学系と、
   前記色分離光学系から射出された各色光を変調し変調光を出力する各色の光変調装置と、
   前記光変調装置からの変調光を合成するクロスダイクロイックプリズムと、
   前記クロスダイクロイックプリズムを経て形成された合成光による画像光を投射する投射レンズとを備えたことを特徴とする投射型映像表示装置。
7. 請求項６に記載の投射型映像表示装置であって、
   前記投射型映像表示装置は液晶プロジェクタであり、
   前記光変調装置は液晶パネルと偏光フィルタで構成されており、該液晶パネルに入射した光は該液晶パネルに電気的信号として入力された画像信号に応じて変調されることを特徴とする投射型映像表示装置。

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