WO2009110081A1 - 投光光学系、及びこれを用いた投写型表示装置 - Google Patents

投光光学系、及びこれを用いた投写型表示装置 Download PDF

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rod integrator
light source
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直史 石藏
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Ｎｅｃディスプレイソリューションズ株式会社
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    • G03B33/10—Simultaneous recording or projection
    • G03B33/12—Simultaneous recording or projection using beam-splitting or beam-combining systems, e.g. dichroic mirrors

Definitions

  • the present invention relates to a projector optical system for improving light utilization efficiency in a projection display apparatus (hereinafter referred to as a projector) using a laser as a light source.
  • the projector uses light with a certain extent. Then, the light beam is directly incident on the rod integrator and reflected inside the rod integrator, so that the light incident on the light valve is made uniform.
  • the laser light source has a wide color reproduction area and high monochromaticity. 2) Since the light emitting point is small, the light condensing property is excellent, and a high resolution and high brightness image can be obtained. Is polarized and has good compatibility with the liquid crystal panel. 4) Does not generate unnecessary light such as infrared light and ultraviolet light, and has a longer life than an ultra-high pressure mercury lamp. is there.
  • the laser light source has very high directivity and very little light beam spread. For this reason, even if the laser beam is directly incident on the rod integrator of the projector, the beam is not reflected by the directivity (that is, the amount of the reflected beam is small), and the distribution of the beam passing through the rod integrator is not uniformized.
  • a convex lens is disposed in front of the rod integrator, and the light beam is expanded or narrowed and then incident on the rod integrator to be reflected in the rod integrator (Patent Document 1). : JP 2002-49096 A).
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-330110.
  • the space required for the arrangement can be a thin space corresponding to the plate thickness.
  • Patent Document 1 JP 2002-49096
  • Patent Document 2 JP 2003-330110 A
  • An object of the present invention is to provide a projector optical system that can solve the above-described problems of the background art.
  • An example of the purpose is to greatly improve the amount of light incident on the rod integrator.
  • One aspect of the light projecting optical system of the present invention includes a light source, a light guide plate that receives light from the light source and is emitted as reflected light, a diffusion plate that diffuses light emitted from the light guide plate, and the diffusion A prism sheet on which light diffused by the plate is incident and a rod integrator on which light transmitted through the prism sheet is incident.
  • prisms are arranged on one surface.
  • the figure for demonstrating one embodiment of the light projection optical system of this invention The figure for demonstrating the detail of a structure of the prism sheet used for this invention. The figure for demonstrating the light beam optical path by the prism sheet of FIG. The figure for demonstrating the DLP projector to which the light projection optical system of this invention is applied. The figure for demonstrating the other embodiment of the light projection optical system of this invention. The figure for demonstrating the LCD projector to which the light projection optical system of FIG. 5 is applied. The figure for demonstrating another structural example of the prism sheet part used for this invention. The figure for demonstrating another structural example of the light-guide plate part used for this invention.
  • 100 Enlarged view of a part of the prism sheet 110, 110 (R), 110 (G), 110 (B): Laser light source 120: Light guide plate 130: Diffuser 140: Prism sheet 150: Rod integrator 160, 170, 190: Condenser lens 180: Reflective mirror 200: DMD 210, 440: Projection lens 220, 230: Dichroic mirror 300, 300 (R), 300 (G), 300 (B): Projection optical system 410: Field lens 420: LCD panel 430: Cross dichroic prism 500: Incident luminous flux 510, 520, 530, 540: outgoing luminous flux 610, 620, 630: Light incident on the prism 700, 710: Reflection mirror 720: Wave plate 730: Reflective polarizing plate 800, 810: Prism sheet 820: Diffuser 830: Incident light from the light guide plate 840: Light emitted to the rod integrator
  • FIG. 1 is a block diagram showing a light projecting optical system according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a detailed view of a prism portion of the prism sheet shown in FIG.
  • the light projecting optical system of the present embodiment includes a light source 110, a light guide plate 120, a diffusion plate 130, a prism sheet 140, and a rod integrator 150.
  • the light source 110 a highly directional laser light source is used, and as the light guide plate 120, a material having high transparency, plate thickness accuracy and surface accuracy (for example, polymethyl methacrylate (PMMA)) is used.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • the surface 122 and the surface 123 of the light guide plate 120 have a reflective film with a reflectance of almost 100%.
  • a reflection mirror may be disposed in contact with the surfaces 122 and 123.
  • the light guide plate 120 has an incident surface 121 on which light from the light source 110 is incident and an output surface 124 from which the light is emitted. Since the entrance surface 121 and the exit surface 124 are AR coated (Anti Reflection Coating), almost 100% of the light passes through the surfaces 121 and 124.
  • a diffusion plate 130 is disposed facing the light exit surface 124 of the light guide plate 120. This is because the light beam traveling toward the rod integrator 150 is diffused.
  • the diffusion plate 130 translucent glass slid to white or a resin material is used.
  • the prism sheet 140 an acrylic resin is used as the prism sheet 140 .
  • the prism sheet 140 has a structure in which a large number of prisms made of triangular prisms are arranged in parallel in one direction on a two-dimensional plane.
  • a so-called prism sheet is called, and a large number of roof portions each having one set of two inclined surfaces forming a predetermined angle on one side surface are arranged in parallel.
  • the one side plane of the prism sheet 140 is arranged to face the emission surface 132 of the diffusion plate 130.
  • the rod integrator 150 a rod lens made by cutting a transmissive material into a quadrangular prism shape, or a light tunnel made by combining four plane mirrors inside a quadrangular cylinder is used.
  • Laser light emitted from the light source 110 enters the light guide plate 120 from the incident surface 121, is reflected by the surface 122, passes through the output surface 124, and enters the incident surface 131 of the diffusion plate 130. At this time, the position of the light source 110 is adjusted so that the position of the light beam reaching the emission surface 124 of the light guide plate 120 is substantially at the center of the emission surface 124.
  • the light beam emitted from the emission surface 124 and incident on the incident surface 131 of the diffusion plate 130 is diffused on the surface or inside of the diffusion plate 130, becomes a spread light beam having a predetermined direction, and is emitted from the surface 132.
  • the light beam emitted from the diffusion plate 130 enters the prism sheet 140. This state is shown in FIG. 1 as an enlarged view of a portion 100 around the prism sheet 140.
  • the light beam incident on the prism sheet 140 With respect to the light beam incident on the prism sheet 140, the light beam having a predetermined angle is transmitted to the roof-like surface on the emission side of the prism sheet 140, and the light beam having another predetermined angle is reflected.
  • the light beam transmitted through the prism sheet 140 is incident from the opening surface 151 on the incident side of the rod integrator 150, is repeatedly reflected from the inner surface, and is emitted from the emission surface 152.
  • the detailed structure of the prism sheet 140 (for one prism of a triangular prism) is shown in FIG.
  • the light beam that has passed through the incident surface 142 and entered the prism enters the inclined surface 143.
  • the light beam incident on the inclined surface 143 is considered to be divided into light beams 510, 520, 530, and 540.
  • the luminous flux 510 is a luminous flux that passes through the inclined surface 143 and enters the rod integrator (not shown) as it is. Since the incident angle of the light beam 510 with respect to the inclined surface 143 does not exceed the critical angle determined by the refractive index of the prism, the light beam 510 passes through the inclined surface 143.
  • the optical path of this light beam is shown in FIG.
  • the light ray 610 incident on the incident surface 142 of the prism passes through the inclined surface 143.
  • the refractive index of the prism 141 is n
  • the incident angle of the light ray 610 incident on the prism to the surface 143 is ⁇ 1
  • FIG. A light beam 620 incident on the incident surface 142 of the prism having a refractive index n is incident on the inclined surface 143.
  • the light beam 620 incident on the inclined surface 143 at an incident angle ⁇ 2 is incident at an angle exceeding the critical angle, and thus is totally reflected by the inclined surface 143 and incident on the other inclined surface 144.
  • the light beam 620 returned from the prism as described above is diffused again by the diffusion plate 130 shown in FIG. 1 and enters the light guide plate 120.
  • the light rays are reflected by the surface 122 and enter the diffusion plate 130 again and enter the prism sheet 140.
  • the incident light on the prism sheet 140 is divided into a light beam that passes through the prism and a light beam that is totally reflected by the slope of the prism.
  • the light beam 620 repeatedly passes through the optical path between the light guide plate 120 and the prism sheet 140 until it passes through the prism and is emitted in the direction of the rod integrator 150.
  • the light beam 530 shown in FIG. 2 is also incident on the inclined surface 143 of the prism at an angle exceeding the critical angle, it is totally reflected by the inclined surface 143 and then incident on the other inclined surface 144.
  • the difference from the light beam 520 is that the incident angle with respect to the inclined surface 144 does not exceed the critical angle, so that it passes through the inclined surface 144 and enters the adjacent prism.
  • the light beam path at this time is shown in FIG.
  • the light ray 630 is incident on the surface 142 and then incident on the inclined surface 143 at an incident angle ⁇ 2 , but is totally reflected on the inclined surface 143 because it is incident at an angle exceeding the critical angle. Thereafter, the light ray 630 incident on the other inclined surface 144 is incident on the inclined surface 144 at an incident angle ⁇ 3 , but is transmitted through the inclined surface 144 because it is incident at an angle not exceeding the critical angle.
  • the transmitted light ray enters the slope 145 of the adjacent prism and enters the other slope 146 of the prism at an incident angle ⁇ 4 .
  • the incident angle to the inclined surface 146 exceeds the critical angle, it is totally reflected by the inclined surface 146 and passes through the incident surface 147 of the prism.
  • equation (3) holds.
  • the light beam 630 returned from the adjacent prism is diffused again by the diffusion plate 130 shown in FIG. 1 and enters the light guide plate 120.
  • the light rays are reflected by the surface 122 and enter the diffusion plate 130 again and enter the prism sheet 140.
  • the incident light on the prism sheet 140 is divided into a light beam that passes through the prism and a light beam that is totally reflected by the slope of the prism.
  • the light beam 630 repeatedly passes through the optical path between the light guide plate 120 and the prism sheet 140 until it passes through the prism and is emitted in the direction of the rod integrator 150.
  • the light beam 540 shown in FIG. 2 passes through the same optical path as the light ray 630 shown in FIG. 3, but is not incident on the adjacent prism after passing through the inclined surface 144 and is emitted in the lateral direction as it is. Although this light beam is wasted light, since the amount of light is very small, the influence of a decrease in the total light amount is very small.
  • the prism sheet 140 is disposed between the diffusion plate and the rod integrator. Thereby, a part of the light beam that is not incident on the rod integrator by the diffusion plate can be returned to the rod integrator. That is, incident light is recycled. As a result, more light rays can be incident on the rod integrator. As compared with the case where the laser beam is spread only by the diffusion plate and incident on the rod integrator without arranging the prism sheet according to the present invention, it becomes possible to make the light beam incident on the rod integrator twice or more.
  • the amount of light can be greatly improved as compared with an optical system in which the angle of the light beam is widened only with the diffusion plate and incident on the rod integrator. That is, the illumination efficiency can be greatly improved.
  • the light projecting optical system of FIG. 1 it is possible to emit only a light beam having a certain angular component having a high intensity distribution in the front direction with respect to the opening end of the rod integrator, like the light beam 510 of FIG. It becomes.
  • the DLP projector is a time-division projection display using a digital micromirror device (hereinafter referred to as DMD) in which hundreds of thousands of mirror elements each capable of controlling the tilt are mounted on a semiconductor memory cell. It is a device.
  • DMD digital micromirror device
  • FIG. 4 is a diagram showing a DLP projector according to this embodiment to which the above-described light projecting optical system is applied.
  • the DLP projector includes a light projecting optical system shown in FIG. 1, a digital micromirror device (DMD) 200 that is a light valve, and a rod integrator 150 of the light projecting optical system.
  • the laser light source 110 (G) emits a light beam in the green wavelength range, passes through the dichroic mirror 220 and the dichroic mirror 230 that are color separation optical systems in this order, and enters the light guide plate 120.
  • the dichroic mirror 220 has a film characteristic that transmits light in the green wavelength range and reflects light in the red wavelength range.
  • the dichroic mirror 230 has a film characteristic that transmits light in the green and red wavelength ranges and reflects light in the blue wavelength range.
  • a light beam in the red wavelength range is emitted from the laser light source 110 (R), reflected by the dichroic mirror 220, transmitted through the dichroic mirror 230, and incident on the light guide plate 120.
  • a light beam in the blue wavelength region is emitted from the laser light source 110 (B), reflected by the dichroic mirror 230 and incident on the light guide plate 120.
  • the light rays (R, G, B) of each color incident on the light guide plate 120 are reflected by the inner surface of the light guide plate 120 and enter the diffusion plate 130.
  • the light beam incident on the diffusion plate 130 is diffused and enters the prism sheet 140.
  • a part of the light incident on the prism sheet 140 is emitted forward (in the direction in which the rod integrator 150 is present), and a part of the light is transmitted through the diffusion plate 130 and returns to the light guide plate 120.
  • This light beam is reflected by the light guide plate 120 and enters the prism sheet 140 again. In this way, a part of the light beam reciprocates between the light guide plate 120 and the prism sheet 140, so that the light beam is finally emitted in the direction in which the rod integrator 150 exists.
  • the light beam that has passed through the prism sheet 140 and entered the rod integrator 150 is repeatedly reflected on the inner surface of the rod integrator and emitted. As a result, the light amount distribution at the time of emission from the rod integrator is made uniform.
  • the light beam emitted from the rod integrator 150 passes through the condenser lenses 160 and 170, is reflected by the mirror 180, further passes through the condenser lens 190, and then enters the DMD 200.
  • the light beam modulated by the DMD is projected onto a screen (not shown) through the projection lens 210.
  • FIG. 5 is a diagram showing an embodiment of the light projecting optical system of the present invention applied to an LCD projector.
  • reflection mirrors 700 and 710 are formed on the light incident side surface 151 of the rod integrator 150, and the light output side surface of the rod integrator 150 is formed.
  • a wave plate 720 is disposed in contact with 152, and a reflective polarizing plate 730 is disposed in contact with the wave plate 720. Between the reflection mirrors 700 and 710 is an opening that allows light to enter.
  • the optical path in the light projecting optical system 300 having such a configuration will be described.
  • Laser light emitted from the light source 110 enters the light guide plate 120 from the incident surface 121, is reflected by the surface 122, and passes through the emission surface 124. Then, the light enters the incident surface 131 of the diffusion plate 130. At this time, the position of the light source 110 is adjusted so that the position of the light beam reaching the emission surface 124 of the light guide plate 120 is substantially at the center of the emission surface 124.
  • the light beam emitted from the emission surface 124 and incident on the incident surface 131 of the diffusion plate 130 is diffused on the surface or inside of the diffusion plate 130, becomes a spread light beam having a predetermined direction, and is emitted from the surface 132.
  • the light beam emitted from the diffusion plate 130 enters the prism sheet 140.
  • the light beam having a predetermined angle is transmitted to the roof-like surface on the emission side of the prism sheet 140, and the light beam having another predetermined angle is reflected.
  • the light beam transmitted through the prism sheet 140 is incident from the surface 151 of the rod integrator 150. At this time, light enters through the opening between the mirrors 700 and 710 formed on the surface 151.
  • the light beam incident on the rod integrator 150 is repeatedly reflected on the inner surface of the rod integrator 150 and is emitted from the surface 152.
  • the emitted light passes through the wave plate 720 and further enters the reflective polarizing plate 730.
  • a light beam having a certain polarization component is transmitted through the reflective polarizing plate 730, but a light beam having a polarization component orthogonal thereto is reflected.
  • the reflected light beam returns to the light incident side of the rod integrator 150, is reflected by the mirrors 700 and 710 on the surface 151 on the light incident side, and repeats reflection again within the rod integrator 150, so that the wave plate 720, the reflective polarization Incident on the plate 730.
  • the polarization direction is changed by passing through the wave plate 720 twice so that the light can be transmitted when reaching the reflective polarizing plate 730. become.
  • the LCD projector of the present embodiment includes a projection optical system 300 (G), 300 (R), 300 (B) having the configuration shown in FIG. 5 and a liquid crystal display element (LCD) 420 (a light valve).
  • G), 420 (R), 420 (B), the cross dichroic prism 430 which is a color synthesis optical system that combines the light transmitted through each light valve, and the light passing through the cross dichroic prism 430 is enlarged and projected.
  • a light beam in the green wavelength range is emitted from the laser light source 110 (G), passes through the projection optical system 300 (G), passes through the field lens 410, and enters the liquid crystal panel 420 (G).
  • the light beam modulated and transmitted by the liquid crystal panel 420 (G) enters the cross dichroic prism 430.
  • a light beam in the red wavelength region is emitted from the laser light source 110 (R), passes through the projection optical system 300 (R), passes through the field lens 410, and enters the liquid crystal panel 420 (R). .
  • the light beam modulated and transmitted by the liquid crystal panel 420 (R) enters the cross dichroic prism 430.
  • a light beam in the blue wavelength region is emitted from the laser light source 110 (B), passes through the projection optical system 300 (B), passes through the field lens 410, and enters the liquid crystal panel 420 (B). .
  • the light beam modulated and transmitted by the liquid crystal panel 420 (B) enters the cross dichroic prism 430.
  • the light beams (R, G, B) incident on the cross dichroic prism 430 are combined by the cross dichroic prism 430 and emitted in the direction of the projection lens 440.
  • the emitted light is projected onto a screen (not shown) through the projection lens 440.
  • the screen light amount is greatly increased compared to the conventional LCD projector. To do.
  • FIG. 7 is a perspective view showing another configuration example of the prism sheet used in the present invention.
  • another prism sheet 810 is stacked on the prism sheet 800 so that the arrangement of the prisms is orthogonal.
  • Each prism sheet 800, 810 has the same configuration as the prism sheet 140 shown in the first embodiment.
  • the transmittance decreases, but the reduced amount of light returns to the light guide plate and enters the prism sheet again.
  • the reduction in transmittance is not particularly problematic. That is, the luminance with respect to the opening surface on the light incident side of the rod integrator is hardly reduced.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a light projecting optical system according to another embodiment of the present invention.
  • the light projecting optical system has a configuration in which a diffusion plate 125 is further arranged on the surface 122 of the light guide plate 120 shown in FIG.
  • the surface 122 is a reflecting surface having a reflecting film.
  • the surface 122 is a transmitting surface and the surface 122 of the diffuser 125 is in contact with the surface 122.
  • the non-side surface is a reflective surface.
  • the light from the light source used in the projector has a certain extent, it is not necessary to spread the light incident on the diffuser.
  • a highly directional laser light source is used, even if the light beam is transmitted through the diffuser plate, a phenomenon in which the amount of light near the center of the light incident surface of the prism sheet after passing through the diffuser plate is high and its periphery is low is likely to occur .
  • the light beam before the light beam is incident on the diffusion plate 130, the light beam is diffused and spread by being incident on the other diffusion plate 125, and is incident on the diffusion plate 130 and the prism sheet 140. As a result, luminance unevenness on the light incident surface of the prism sheet 140 can be reduced.
  • the prism sheet has a structure in which a large number of triangular prisms are arranged on one plane.
  • the effect of the present invention can be achieved if the light beam that has not been incident on the rod integrator by the diffusion plate can be returned to the rod integrator again. Therefore, the shape, size, arrangement pitch, and the like of the prisms in the prism sheet of the present invention are not limited to those disclosed in the drawings.

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Abstract

　照明効率を向上させる。 　光源と、該光源からの光が入射され反射光として出射される導光板と、該導光板から出射された光を拡散させる拡散板と、該拡散板で拡散された光が入射され、プリズムが一つの面上に配列されたプリズムシートと、該プリズムシートを透過した光が入射されるロッドインテグレータと、を備えた投光光学系である。

Description

投光光学系、及びこれを用いた投写型表示装置
　本発明は、光源にレーザーを使用した投写型表示装置（以下、プロジェクタと呼ぶ。）において、光利用効率を向上させられるプロジェクタの投光光学系に関する。
　プロジェクタではある程度の広がりを持つ光線が使用されている。そして、その光線を直接ロッドインテグレータに入射してその内部で反射させることにより、ライトバルブに入射する光の均一化が図られている。
　こうした現状の中で、近年、レーザーを光源とした小型のプロジェクタの開発が進んできている。その理由として、１）レーザー光源は広い色再現領域を持ち、単色性が高い、２）発光点が小さいため集光性に優れ、高解像・高輝度の画像が得られる、３）レーザー光は偏光されており、液晶パネルとの相性が良い、４）赤外光や紫外光などの不要な光が発生せず、超高圧水銀ランプに比べて寿命が長い、などの利点が有るからである。
　しかし、レーザー光源は指向性が非常に高く、光線の広がりが非常に少ない。そのため、レーザー光線をプロジェクタのロッドインテグレータに直に入射してもその指向性により光線がその内部で反射されない（即ち、反射する光線が少ない）ので、ロッドインテグレータを通った光線の分布が均一化されない。
　そこで、レーザー光源を用いたプロジェクタでは、ロッドインテグレータの前に凸面レンズを配置して、光線を広げるか或いは絞ってから、ロッドインテグレータへ入射させることにより、ロッドインテグレータ内で反射させる方法（特許文献１：特開２００２－４９０９６号公報）が提案されていた。
　しかし凸面レンズを使用する場合、光源からロッドインテグレータまでの間に凸面レンズを配置する為のスペースが必要となり、結果、光学系が大きくなってしまう。
　他方、光線に広がりを持たせるためには、ロッドインテグレータの入射側端の前に拡散板を配置する構造が考えられる。周知の技術として、一定の方向に拡散させることができる拡散板が存在する（特許文献２：特開２００３－３３０１１０号公報）。
　このような拡散板をロッドインテグレータの入射側端の前に配置することによって、その配置に必要なスペースが板厚分の薄いスペースで良くなる。
　しかし、この構造の場合、光線の全てがロッドインテグレータに入射するわけではなく、拡散板で反射される光線や、拡散板によってロッドインテグレータの入射側端の開口よりも広げられて出射する光線も存在する。そのため、ロッドインテグレータへの入射光量が低下して光利用効率が低くなってしまう。
　　［特許文献１］特開２００２－４９０９６号公報
　　［特許文献２］特開２００３－３３０１１０号公報
　本発明の目的は、上述した背景技術の課題を解決することが可能なプロジェクタの投光光学系を提供することにある。その目的の一例は、ロッドインテグレータへの入射光量を大幅に向上させることにある。
　本発明の投光光学系の一態様は、光源と、該光源からの光が入射され反射光として出射される導光板と、該導光板から出射された光を拡散させる拡散板と、該拡散板で拡散された光が入射されるプリズムシートと、該プリズムシートを透過した光が入射されるロッドインテグレータと、を備えたものである。上記プリズムシートは、プリズムが一つの面上に配列されたものである。
本発明の投光光学系の一実施形態例を説明するための図。 本発明に用いられるプリズムシートの構成の詳細を説明するための図。 図２のプリズムシートによる光線光路を説明するための図。 本発明の投光光学系を適用したＤＬＰプロジェクタを説明するための図。 本発明の投光光学系の他の実施形態例を説明するための図。 図５の投光光学系を適用したＬＣＤプロジェクタを説明するための図。 本発明に用いられるプリズムシート部分の別の構成例を説明するための図。 本発明に用いられる導光板部分の別の構成例を説明するための図。
符号の説明
100：プリズムシートの一部周辺の拡大図
110、110(R)、110(G)、110(B)：レーザー光源
120：導光板
130：拡散板
140：プリズムシート
150：ロッドインテグレータ
160、170、190：コンデンサレンズ
180：反射ミラー
200：ＤＭＤ
210、440：投写レンズ
220、230：ダイクロイックミラー
300、300(R)、300(G)、300(B)：投光光学系
410：フィールドレンズ
420：液晶パネル
430：クロスダイクロイックプリズム
500：入射光束
510、520、530、540：出射光束
610、620、630：プリズムへの入射光線
700、710：反射ミラー
720：波長板
730：反射型偏光板
800、810：プリズムシート
820：拡散板
830：導光板からの入射光
840：ロッドインテグレータへの出射光
　次に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
　「第一実施形態例」
　図１は本発明の第一実施形態例による投光光学系を示す構成図、図２は図１に示したプリズムシートのプリズム部の詳細図である。
　図１を参照すると、本実施形態例の投光光学系は光源110と導光板120と拡散板130とプリズムシート140とロッドインテグレータ150とを有する。
　光源110としては指向性の高いレーザー光源が用いられており、導光板120としては透過性が高く、板厚精度、面精度の高い材料（例えばポリメチルメタクリレート（PMMA））が用いられている。
　導光板120の面122と面123はほぼ100%の反射率の反射膜を有する。反射膜に換えて、面122，123に接して反射ミラーを配置することも可能である。
　さらに導光板120は、光源110からの光が入射する入射面121と、その光が出射する出射面124とを有する。入射面121と出射面124にはＡＲコート（Anti　Reflection　Coating）が施されているため、ほぼ100%の光が面121，124を透過する。
　導光板120の出射面124に対面して拡散板130が配置されている。ロッドインテグレータ150へ向かう光線を拡散させるためである。拡散板130としては白色に摺られた半透明のガラス、または樹脂材料が用いられている。
　プリズムシート140としてはアクリル樹脂が用いられている。このプリズムシート140は、三角柱体からなる多数のプリズムが二次元平面上に一方方向に並列配置された構造である。いわゆるプリズムシートを呼ばれるもので、片側面に所定の角度を成す２つの斜面を１組とするルーフ部が多数組、並列に並べられている。
　プリズムシート140の片側平面は拡散板130の出射面132に対面して配置されている。
　図１に示されるプリズムシート140では８つのプリズムしか描かれていないが、実際のプリズムの数はその数倍以上である。
　ロッドインテグレータ150としては、透過材料を四角柱状に切り出して作られたロッドレンズ、あるいは、四角形の筒の内側に４枚の平面ミラーを組み合わせて作られたライトトンネルが用いられている。
　次に、本実施形態例の投光光学系における光路を説明する。
　光源110から出たレーザー光は、入射面121から導光板120内に入り、面122で反射されて、出射面124を透過して拡散板130の入射面131に入射する。このとき、導光板120の出射面124へ達する光線の位置が出射面124のほぼ中心になるように、光源110の位置が調整される。
　出射面124から出射し、拡散板130の入射面131へ入射した光線は、拡散板130の表面または内部で拡散し、所定の方向を持った広がった光束となり、面132から出射する。拡散板130から出射した光束はプリズムシート140へ入射する。この様子は、図１中にプリズムシート140の一部周辺100の拡大図として示されている。
　プリズムシート140へ入射した光束に関しては、プリズムシート140の出射側のルーフ状面に対し、所定の角度を有する光束は透過され、また別の所定の角度を有する光束は反射することとなる。
　プリズムシート140を経て透過した光束は、ロッドインテグレータ150の入射側の開口面151から入射し、内面反射を繰り返して出射面152から出射する。
　ここで、プリズムシート140の詳細構造（三角柱体のプリズム1つ分）を図２に示す。
　拡散板130で拡散した所定の角度（発散角）を有する光線の一部500が、図２に示すようにプリズムの入射面142へ入射する。尚、光線は入射面142全体に入射されるが、図２では一部の光線のみが記載されている。
　入射面142を透過してプリズム内部へ進入した光束は、斜面143へ入射する。ここでは、斜面143へ入射した光束を光束510、520、530、540に分割して考える。
　光束510は、斜面143を透過してそのままロッドインテグレータ（不図示）へ入射する光束である。光束510の光線の、斜面143に対する入射角は、プリズムの屈折率によって決まる臨界角を超えていないため、光束510は斜面143を透過する。
　この光線の光路を図３(a)に示す。プリズムの入射面142へ入射した光線610は斜面143を透過する。プリズム141の屈折率をｎ、プリズムへ入射した光線610の面143への入射角をθ1とすると、式(1)が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
　図２に示される光束520の光線は斜面143に対して臨界角を超える角度で入射しているため、斜面143で全反射し、その後、他方の斜面144へ入射する光束である。
　この光線の光路を図３(b)に示す。屈折率ｎのプリズムの入射面142へ入射した光線620は、斜面143へ入射する。斜面143へ入射角θ2で入射した光線620は、臨界角を超える角度で入射しているため、斜面143で全反射し、他方の斜面144へ入射する。
　斜面144へ入射角θ3で入射する光線620は、臨界角を超える入射角で入射しているため、さらに斜面144で全反射され、その後、入射面142を透過して、プリズムへの入射方向とは反対側へ出射する。このとき式(2)が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  
　その後、上記のようにプリズムから戻された光線620は、図１に示された拡散板130で再び拡散し、導光板120へ入射する。当該光線は面122で反射して再び拡散板130へ入射し、プリズムシート140へ入射する。そして、プリズムシート140への入射光は、前述のように、プリズムの斜面によって、プリズムを透過する光束と、全反射する光束に分かれる。
　上記のように、光線620はプリズムを透過してロッドインテグレータ150の方向に出射するまで導光板120とプリズムシート140の間の光路を繰り返し通る。
　さらに、図２に示される光束530も、プリズムの斜面143に対して臨界角を超える角度で入射しているため、斜面143で全反射し、その後、他方の斜面144へ入射する。ただし、光束520と異なる点は、斜面144に対する入射角が臨界角を超えないため、斜面144を透過し、隣のプリズムへ入射する。
　このときの光線光路を図３(c)に示す。光線630は面142に入射し、その後斜面143へ入射角θ2で入射するが、臨界角を超える角度で入射しているため、斜面143で全反射する。その後、他方の斜面144に入射した光線630は、斜面144に対して入射角θ3で入射するが、臨界角を超えない角度で入射しているため、斜面144を透過する。
　この透過した光線は、隣のプリズムの斜面145に入射し、当該プリズムの他方の斜面146へ入射角θ4で入射する。このとき、斜面146への入射角は臨界角を超えているため、斜面146で全反射して、当該プリズムの入射面147を透過する。このとき式(3)が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
  
　その後、上記隣のプリズムから戻された光線630は、図１に示された拡散板130で再び拡散し、導光板120へ入射する。当該光線は面122で反射して再び拡散板130へ入射し、プリズムシート140へ入射する。そして、プリズムシート140への入射光は、前述のように、プリズムの斜面によって、プリズムを透過する光束と、全反射する光束に分かれる。
　上記のように、光線630はプリズムを透過してロッドインテグレータ150の方向に出射するまで導光板120とプリズムシート140の間の光路を繰り返し通る。
　図２に示される光束540は、図３に示される光線630と同じ光路を通るが、斜面144を透過した後に隣のプリズムに入射せず、そのまま横方向へ出射される。この光線は無駄な光となるが、光量的には僅かであるため全体光量の低下の影響は非常に少ない。
　以上説明したとおりの投光光学系では、拡散板とロッドインテグレータの間にプリズムシート140が配置された。これにより、拡散板によってロッドインテグレータに入射されない光線の一部を、ロッドインテグレータへ戻すことが可能となる。つまり、入射光がリサイクルされる。その結果、より多くの光線をロッドインテグレータに入射させることができる。本発明に係るプリズムシートを配置せず、拡散板のみによってレーザー光を広げてロッドインテグレータに入射する場合と比べて２倍以上の光束をロッドインテグレータに入射させることが可能となる。
　したがって、拡散板のみで光線の角度を広げてロッドインテグレータに入射させる光学系に比べて、大幅に光量を向上させることができる。つまり、照明効率を大幅に向上させることができる。
　さらに図１の投光光学系によれば、図２の光束510のように、ロッドインテグレータ開口端に対して正面方向に高い強度分布を持つ、一定の角度成分の光線のみを出射させることが可能となる。
　「第二実施形態例」
　次に、図１の投光光学系が適用された、ＤＬＰ（登録商標）方式のプロジェクタ（以下、ＤＬＰプロジェクタという。）の構成を示す。尚、ＤＬＰプロジェクタとは、半導体メモリーセル上に各々の傾きが制御可能な数十万個のミラーエレメントが取り付けられたデジタルマイクロミラーデバイス（以下、ＤＭＤという。）を利用した時分割方式の投写表示装置のことである。
　図４は、上記の投光光学系を適用した本実施形態例のＤＬＰプロジェクタを示す図である。
　この図を参照すると、本実施形態例のＤＬＰプロジェクタは、図１に示された投光光学系と、ライトバルブであるデジタルマイクロミラーデバイス(ＤＭＤ)200と、該投光光学系のロッドインテグレータ150の光出射面と前記ライトバルブとを共役関係にするためのコンデンサレンズ群160，170，190と、前記ライトバルブを経た光を拡大結像させて投写するための投写レンズ210と、を有する。
　次に、本実施形態例のＤＬＰプロジェクタにおける光路を説明する。
　レーザー光源110(G)からGreenの波長域の光線が出射されて、色分離光学系であるダイクロイックミラー220及びダイクロイックミラー230をこの順に透過して導光板120へ入射する。ダイクロイックミラー220は、Greenの波長域の光線を透過させ、且つRedの波長域の光線を反射させる膜特性を有する。他方、ダイクロイックミラー230は、GreenとRedの波長域の光線を透過させ、且つBlueの波長域の光線を反射させる膜特性を有する。
　レーザー光源110(R)からRedの波長域の光線が出射されて、ダイクロイックミラー220で反射し、ダイクロイックミラー230を透過して導光板120へ入射する。
　レーザー光源110(B)からBlueの波長域の光線が出射されて、ダイクロイックミラー230で反射して導光板120へ入射する。
　導光板120へ入射した各色の光線(R、G、B)は、導光板120内面で反射して拡散板130へ入射する。
　拡散板130へ入射した光線は拡散されプリズムシート140へ入射する。ここで、プリズムシート140へ入射した光線の一部が前方(ロッドインテグレータ150が在る方向)へ出射し、また一部の光線が拡散板130を透過して導光板120へ戻る。この光線は導光板120で反射されて再びプリズムシート140へ入射する。このように光線の一部が導光板120とプリズムシート140を往復することにより、最終的には、ロッドインテグレータ150が在る方向へ出射する。
　以上により、拡散板130で広がってロッドインテグレータ150に入射されない光線の一部を、ロッドインテグレータ150への入射光としてリサイクルすることができる。したがって、ロッドインテグレータ150へ入射する光量を増加させることができる。
　また、プリズムシート140を透過してロッドインテグレータ150へ入射した光線は、ロッドインテグレータ内面で反射を繰り返して出射する。これによりロッドインテグレータ出射時の光量分布が均一化される。
　ロッドインテグレータ150を出射した光線は、コンデンサレンズ160，170を透過して、ミラー180で反射され、さらにコンデンサレンズ190を透過した後、ＤＭＤ200へ入射する。ＤＭＤで変調された光線は、投写レンズ210を介してスクリーン（不図示）へ投写される。
　（第三実施形態例）
　図４に示したように本発明の投光光学系をＤＬＰプロジェクタに用いる場合には、光線の偏光を特定の方向に決めるための構造（例えばＰＢＳ：Polarized　Beam　Splitter）は必要がない。ところが、ＬＣＤプロジェクタに用いる場合には、液晶パネルの透過特性により、偏光方向を一定にして液晶パネルに入射する必要がある。そのため、投光光学系内で偏光方向を特定する必要がある。その場合の構成について以下に例示する。
　図５は、ＬＣＤプロジェクタに適用する本発明の投光光学系の実施形態例を示す図である。
　図５を参照すると、図１に示した投光光学系の構成に加えて、ロッドインテグレータ150の光入射側の面151に反射ミラー700、710が形成され、ロッドインテグレータ150の光出射側の面152に波長板720が接して配置され、かつ、波長板720に反射型偏光板730が接して配置されている。また反射ミラー700、710の間は、光を入射可能とする開口部になっている。
　このような構成による投光光学系300での光路を説明すると、光源110から出たレーザー光は、入射面121から導光板120内に入り、面122で反射されて、出射面124を透過して拡散板130の入射面131に入射する。このとき、導光板120の出射面124へ達する光線の位置が出射面124のほぼ中心になるように、光源110の位置が調整される。
　出射面124から出射し、拡散板130の入射面131へ入射した光線は、拡散板130の表面または内部で拡散し、所定の方向を持った広がった光束となり、面132から出射する。拡散板130から出射した光束はプリズムシート140へ入射する。
　プリズムシート140へ入射した光束に関して、プリズムシート140の出射側のルーフ状面に対し、所定の角度を有する光束は透過され、また別の所定の角度を有する光束は反射することとなる。
　プリズムシート140を経て透過した光束は、ロッドインテグレータ150の面151から入射する。このとき、面151に形成されたミラー700と710の間の開口により、光が入射する。
　ロッドインテグレータ150に入射した光線はロッドインテグレータ150内面で反射を繰り返して面152から出射する。
　この出射された光線は波長板720を透過して、さらに反射型偏光板730に入射する。ここで、一定の偏光成分を持った光線は反射型偏光板730を透過するが、それに直交する偏光成分の光線は反射する。この反射された光線は、ロッドインテグレータ150の光入射側に戻り、その光入射側の面151のミラー700，710によって反射し、再びロッドインテグレータ150内で反射を繰り返し、波長板720、反射型偏光板730へ入射する。
　このように光線が反射型偏光板730とミラー700，710を往復する間に、波長板720を２回透過することによって偏光方向が変換され、反射型偏光板730へ達したときに透過できるようになる。
　したがって、反射型偏光板730とミラー700、710間を光線が往復することにより、最終的には偏光方向が揃えられた一定方向の偏光成分の光線のみがロッドインテグレータ150から出射することになる。
　また、上記のような光の進路において、反射型偏光板730で反射されて、ミラー700，710の間の開口を通過する光線も存在する。この光線は、プリズムシート140、拡散板130を透過し、導光板120で反射されて再度ロッドインテグレータ150へ入射する光路を辿る。そのため、光線がロッドインテグレータ150からプリズムシート140の外部へ抜け出てしまうロスがほとんどない。したがって、入射光のほとんどが、偏光方向を揃えられてロッドインテグレータ150から出射することができる。
　（第四実施形態例）
　次に、図６を参照して、上記の投光光学系300を用いたＬＣＤプロジェクタの構成例を説明する。
　本実施形態例のＬＣＤプロジェクタは、図５に示された構成からなる投光光学系300（G），300（R），300（B）と、ライトバルブである液晶表示素子(ＬＣＤ)420（G），420（R），420（B）と、各ライトバルブを透過した光を結合させる色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム430と、クロスダイクロイックプリズム430を経た光を拡大結像させて投写するための投写レンズ440とを有する。
　次に、本実施形態例のＬＣＤプロジェクタにおける光路を説明する。
　レーザー光源110(G)からGreenの波長域の光線が出射されて、投光光学系300(G)を経て、フィールドレンズ410を透過して液晶パネル420(G)へ入射する。液晶パネル420(G)で変調され透過した光線は、クロスダイクロイックプリズム430へ入射する。
　Greenと同様に、レーザー光源110(R)からRedの波長域の光線が出射されて、投光光学系300(R)を経て、フィールドレンズ410を透過して液晶パネル420(R)へ入射する。液晶パネル420(R)で変調され透過した光線は、クロスダイクロイックプリズム430へ入射する。
　Greenと同様に、レーザー光源110(B)からBlueの波長域の光線が出射されて、投光光学系300(B)を経て、フィールドレンズ410を透過して液晶パネル420(B)へ入射する。液晶パネル420(B)で変調され透過した光線は、クロスダイクロイックプリズム430へ入射する。
　クロスダイクロイックプリズム430へ入射した各色の光線(R、G、B)は、クロスダイクロイックプリズム430で合成され、投写レンズ440の方向へ出射する。この出射された光線は投写レンズ440を介してスクリーン（不図示）へ投写される。
　本実施形態例は、ロッドインテグレータ150に入射されない光線の一部をロッドインテグレータ150へ戻すことができる投光光学系300を適用しているので、従前のＬＣＤプロジェクタに比べて大幅にスクリーン光量が増加する。
　（第五実施形態例）
　次に、図１又は図５の投光光学系を構成するプリズムシートの他の形態を示す。
　図７は本発明に使用されるプリズムシートの他の構成例を示す斜視図である。本形態例は、プリズムシート800にもう１枚のプリズムシート810をプリズムの配列が直交するように重ねたものである。各プリズムシート800、810は、第一実施形態例で示したプリズムシート140と同じ構成である。
　このような構成によれば、図７に示されるように、導光板（不図示）を経て拡散板820へ入射する光線830がプリズムシート800と810を透過した後、透過光840はロッドインテグレータ（不図示）へ入射する。
　このとき、プリズムが配列されたプリズムシートの一平面に平行な１方向だけでなく、直交する２方向に向けて、入射光線がプリズムシート周辺に広がることとなる。そのため、ロッドインテグレータ150の光入射側の開口面内における輝度差を減少させ、輝度ムラを減少させる効果がある。
　プリズムシート１枚に比べて２枚の場合は透過率(透過する光量)が減少するが、減少分の光線は導光板に戻り、再度プリズムシートに入射する。
　したがって、プリズムシートを透過しなかった光線は導光板とプリズムシートの間を往復して、最終的にはロッドインテグレータに入射することになるので、透過率減少は特に問題にはならない。つまり、ロッドインテグレータの光入射側の開口面に対する輝度がほとんど減少しない。
　（第六実施形態例）
　次に、図１又は図５の投光光学系を構成する拡散板部分の他の形態を示す。
　図８は本発明の他の実施形態例による投光光学系を示す構成図である。
　本実施形態例の投光光学系は、図１に示した導光板120の面122に拡散板125がさらに配置された構成をとる。また、図１及び図５に示された構成では面122は反射膜を持つ反射面であったが、本実施形態例は、面122を透過面にして、拡散板125の、面122と接していない側の面を反射面とする構成である。
　プロジェクタに使用される光源からの光線がある程度の広がりを持つ場合は、拡散板に入射させる光線を広げる必要はない。しかしながら、指向性の高いレーザー光源を用いる場合、光線を拡散板に透過しても、拡散板透過後のプリズムシートの光入射面の中心付近の光量が高く、その周辺が低いという現象が起こりやすい。
　そのため、図８に示されるように、拡散板130に光線を入射させる前にもう一枚の拡散板125へ入射させることによって光線を拡散させ広げて、拡散板130、プリズムシート140へ入射させる。このことにより、プリズムシート140の光入射面における輝度ムラを減少させることが可能となる。
　（第七実施形態例）
　以上の各実施形態例ではプリズムシートは一平面上に三角プリズムを多数配列した構造とした。しかし、この構造以外でも、拡散板によってロッドインテグレータに入射されなかった光線を再度ロッドインテグレータへ戻すことが可能であれば、本発明の効果が達成できる。したがって、本発明のプリズムシートにおけるプリズムの形状、大きさ、配列ピッチ等は図面に開示したものに限定されない。
　（第八実施形態例）
　また、これまで光源にレーザー光源が用いられた場合を示したが、レーザー光源をＬＥＤや、超高圧水銀ランプのような放電ランプに置き換えても本発明は同様の効果を奏する。ただし、ＬＥＤや放電ランプは光の指向性が低いので、レーザー光源を使用する場合の光学系に対して導光板の形状等を変更する必要がある。
　以上、実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記の実施形態例に限定されるものではない。本願発明の形や細部には、本願発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

Claims (15)

  1. 　光源と、
    　該光源からの光が入射され反射光として出射される導光板と、
    　前記導光板から出射された光を拡散させる拡散板と、
    　前記拡散板で拡散された光が入射され、プリズムが一つの面上に配列されたプリズムシートと、
    　前記プリズムシートを透過した光が入射されるロッドインテグレータと、
    　を備えた投光光学系。
  2. 　前記プリズムシートは、三角柱体からなる前記プリズムの各々が隣接し、且つ多数の前記プリズムが２次元平面上に一方方向に配列されたものであることを特徴とする請求項１に記載の投光光学系。
  3. 　前記導光板の任意の面が反射膜を施された反射面であることを特徴とする請求項１または２に記載の投光光学系。
  4. 　前記導光板の任意の面が光を透過させる面であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の投光光学系。
  5. 　前記導光板の少なくとも２面に前記拡散板が接して配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の投光光学系。
  6. 　前記プリズムシートが２枚重ねて配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の投光光学系。
  7. 　前記プリズムシートが２枚重ねて配置され、且つ、前記プリズムシートの１枚目のレンズ配列方向と２枚目のレンズ配列方向が直交していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の投光光学系。
  8. 　前記ロッドインテグレータが、透過材料を四角柱状に切り出して作られたロッドレンズ、または、四角形の筒の内側に４枚の平面ミラーを組み合わせて作られたライトトンネルであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の投光光学系。
  9. 　前記ロッドインテグレータの光入射面に、光が進む光軸方向と垂直に施された反射面を有し、該光入射面の前記反射面を除く部分に、光が入射する開口部を有し、且つ、
    　前記ロッドインテグレータの光出射面に、該出射面に近い方から順に波長板と反射型偏光板を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の投光光学系。
  10. 　前記光源にレーザー光源が用いられたことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の投光光学系。
  11. 　前記光源にＬＥＤが用いられたことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の投光光学系。
  12. 　前記光源に放電ランプが用いられたことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の投光光学系。
  13. 　前記光源として、赤色の波長の光を発光する赤光源、緑色の波長の光を発光する緑光源、及び、青色の波長の光を発光する青光源を有しており、
    　前記赤光源、前記緑光源、及び前記青光源それぞれの光を同軸上に合成して前記導光板に入射させるダイクロイックミラーをさらに備えたことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の投光光学系。
  14. 　請求項１から１３のいずれかに1項に記載の投光光学系と、
    　ライトバルブであるデジタルマイクロミラーデバイス(ＤＭＤ)と、
    　前記投光光学系に備わるロッドインテグレータの光出射面と前記ライトバルブとを共役関係にするためのコンデンサレンズ群と、
    　前記ライトバルブを経た光を拡大結像させて投写するための投写レンズと、
    　を備えた投写型表示装置。
  15. 　請求項１から１２のいずれか１項に記載の投光光学系と、
    　前記投光光学系に備わるロッドインテグレータに隣接した偏光変換素子と、
    　ライトバルブである液晶表示素子(ＬＣＤ)と、
    　前記ライトバルブを透過した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た光を拡大結像させて投写するための投写レンズと、
    　を備えた投写型表示装置。
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