WO2015079521A1

WO2015079521A1 - 投写型映像表示装置

Info

Publication number: WO2015079521A1
Application number: PCT/JP2013/081951
Authority: WO
Inventors: 谷津　雅彦
Original assignee: 日立マクセル株式会社
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2015-06-04

Abstract

　ＬＥＤ光源を用いた照明光学系において、エタンデュを改善することで、光線通過率を改善した投写型映像表示装置を提供する。　投写型映像表示装置は、固体発光光源（１）と、アフォーカル光学系（２）と、マルチレンズアレイ（３）と、合焦レンズ（４）を有する照明光学系と、投写光学系を有する投写型映像表示装置において、固体発光光源（１）と固体発光光源（１）の像の間に、固体発光光源（１）の像のアスペクト比を固体発光光源（１）のアスペクト比と異ならせる作用を有するアスペクト比変換素子（２）を配置する。

Description

投写型映像表示装置

　本発明は、固体光源を用いた投写型映像表示装置に関する。

　従来技術において、固体光源であるＬＥＤ素子を光源に用いた投写型映像表示装置が知られている。例えば、以下の特許文献１には、ＬＥＤとレンズを一体構成とした砲弾型ＬＥＤや、さらに反射面を備えた構成や、後ろ向きに配置したＬＥＤとて反射面で放射光を得る構成などが開示されている。

　さらに、砲弾型ＬＥＤをアレイ状に配置し、ライトバルブを組み合わせた映像表示装置や、マルチレンズアレイ（特許文献１ではマイクロレンズアレイと記載）と偏光変換素子との組み合わせが開示されている。

特開２００７－５８１６３号公報

　ところで、現実の製品設計においては、発光源であるＬＥＤと、光変調素子であるライトバルブは、その光学的な特性から、互いに相似であること、即ち、アスペクト比が一致するとこが求められるが、しかしながら、必ずしも、既成品では、アスペクト比が一致するとは限らず、そのため、後にも詳述するように、光線通過率の低下などの問題が発生してしまう。

　そこで、本発明では、上述した従来技術における問題点に鑑み、即ち、ＬＥＤとライトバルブが異なるアスペクト比であっても、光線通過率の低下などの問題を解消し、よって、光利用率に優れた投写型映像表示装置を提供することを目的とする。

　上記した課題を解決するため、本発明による固体光源を用いた投写型映像表示装置は、その一例として、以下にも述べる請求項にも記載されるように、固体発光光源と、アフォーカル光学系と、マルチレンズアレイと、合焦レンズを有する照明光学系と、投写光学系を有する投写型映像表示装置において、前記固体発光光源と、前記照明光学系内において結像される当該固体発光光源の像との間に、固体発光光源の像のアスペクト比を固体発光光源のアスペクト比を異ならせる作用を有するアスペクト比変換素子を配置したものである。

　上述した本発明によれば、既成品であるＬＥＤとライトバルブを用いながら、実効的にアスペクト比を合わせることが可能となり、もって、光利用率に優れた投写型映像表示装置を提供できるという優れた効果を発揮することができる。

本発明の実施例１になる投写型映像表示装置の照明光学系の基本構成を説明する第１断面図である。上記の照明光学系の基本構成を説明する第２断面図である。上記本発明の実施例１になる投写型映像表示装置の光学系全体の基本構成を示す図である。ＬＥＤからの出射光束の配向分布の説明図である。実施例２におけるアスペクト比変換素子の説明図である。上記実施例２のアスペクト比変換素子の３０度配置での説明図である。上記実施例２のアスペクト比変換素子の４０度配置での説明図である。本発明の原理を説明するための照明光学系での写像関係の説明図である。

　以下、図面を用いて本発明の実施例について説明するが、しかしながら、初めに、発明者等により検討された本発明の原理について、添付の図８を参照しながら、詳細に説明する。

　図８（Ａ）は、本発明の投写型映像表示装置が関わる、ＬＥＤ光源を用いた照明光学系の基本構成の説明図である。この図において、ＬＥＤ１から放射された光束は、コリメータ光学系２で略平行光束に変換され、インテグレータとしてのマルチレンズアレイ３と合焦レンズ４による重畳作用、更には、全反射プリズム６を介して、ライトバルブ５に照射される。

　ここで、光源であるＬＥＤ１から放射された光について検討すると、図８（Ｂ）にも示すように、上記マルチレンズアレイ３を構成する第１マルチレンズアレイ３１の各セルレンズに入射した光束は、対応する第２マルチレンズアレイ３２に集光する。即ち、ＬＥＤ１の光源像が第２マルチレンズアレイ３２に写像される。

　また、第１マルチレンズアレイ３１の各セルレンズ面の照度分布が、ライトバルブ５に重畳される。即ち、第１マルチレンズアレイ３１の像がライトバルブ５上に写像される。

　なお、実際の光学系では、ライトバルブ５の手前に配置した全反射プリズム６によって、重畳光束が反射され、反射型のライトバルブ５上に照射される。このライトバルブ５で光変調された映像光は、今度は、全反射プリズム６を透過し、投写レンズ７による投写像として投写される。そのため、第１マルチレンズアレイ３１の像は、組立などによる位置ずれや、部品自体の精度を考慮し、ライトバルブ５の有効範囲より若干大きく設定されている。

　ここで、マルチレンズアレイ３は、第１マルチレンズアレイ３１と第２マルチレンズアレイ３２を同じ部品とすることで、低コスト化が狙える。一方、マルチレンズアレイ３の各セルレンズを偏心レンズとすることで、第１マルチレンズアレイ３１と第２マルチレンズアレイ３２の大きさを変えることができるが、しかしながら、各セルレンズを偏心レンズとした場合は、隣り合うセルレンズ間のサグ量が異なるので、射出成型品での形状誤差が生じ易く、光線通過率の低下が生じる原因となる。

　従って、第１マルチレンズアレイ３１と第２マルチレンズアレイ３２を同じ部品とした場合、理想的には、図８（Ａ）にも示すように、ＬＥＤ１とマルチレンズアレイ３の各セルレンズとライトバルブ５が全て相似であること、アスペクト比が同一であることが要求される。しかしながら、実際に、選択可能な光学部品では、かかる条件を満足することは困難である。より具体的には、それぞれのアスペクト比としては、例えば、４：３、１６：９、１６：１０等がある。

　なお、図８（Ａ）では、マルチレンズアレイ３と各セルレンズとライトバルブ５のラスタとを相似にしているので、ＬＥＤ１の像のＸ軸方向をセルレンズに合せると、Ｙ軸方向が合わず、逆に、Ｙ軸方向を合せるとＸ軸方向が合わない。そのため、光源からの光を十分に利用することが出来ず、又は、光線通過率の低下などの問題点を生じていた。

　本発明は、上述した検討結果に基づいてなされたものであり、より具体的には、ＬＥＤとライトバルブで異なるアスペクト比で生じる光線通過率の低下を改善することが可能な光源を用いることにより、光利用率に優れた投写型映像表示装置を提供する。

　続いて、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、以下の説明では、各図において、共通な機能を有する要素には同一の符合を付して示し、一度述べたものについては、その重複する説明を省略する。

　まず、図１から図３を用いて、本発明の実施例１になる投写型映像表示装置の構成、特に、その照明光学系について説明する。

　図１は実施例１の照明光学系の第１断面（側面からのＹ－Ｚ断面）での基本構成図、図２は第２断面（上面からのＹ－Ｚ断面）での基本構成図である。なお、これら第１断面と第２断面は、光軸を含み互いに直交する関係にある。

　これらの図１及び図２において、発光源であるＬＥＤ１から出射した光束は、アスペクト比変換素子の一例としてのアフォーカル光学系２によって、第１断面、第２断面それぞれで平行光束に変換されている。アフォーカル光学系で変換された平行光束は、第１マルチレンズ３１の各セルレンズでの個々の光量分布が、マルチレンズ３と合焦レンズ４の組み合わせによる作用によりライトバルブ５に重畳される。

　このアフォーカル光学系２は、図２の第２断面での焦点距離より、図１の第１断面での焦点距離を小さくしたアナモフィック光学系である。従って、ＬＥＤ１の像の倍率は、第２断面より第１断面での方が大きいので、上記で説明した図８の第２マルチレンズアレイ３２では、Ｙ軸方向のＬＥＤ１の像サイズが大きくなる。この倍率としては、丁度、第２マルチレンズアレイ３２の各セルレンズに収まる関係に設定することが望ましい。

　尚、このように、アスペクト比変換素子としての作用するアナモフィック光学系を構成するレンズ面としては、例えば、以下の数１のコーニック非球面の形状を採用したものである。

　以上より、ＬＥＤ１の像サイズを大きくできた分、エタンデユの観点から、光線通過率の改善を実現している。なお、以上の説明では、説明の簡単のため、例えば、発光源であるＬＥＤ１から白色光を放射し、その後、ライトバルブ５により光変調を行う構成について述べたが、しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の構成の投写型映像表示装置の照明光学系にも適用することができる。

　例えば、図３には、上記図１及び図２に示した照明光学系を投写型映像表示装置に搭載した状態を示している。なお、この図において、赤色用のＬＥＤ光源２と、緑色用のＬＥＤ光源２’と、青色用のＬＥＤ光源２”からの三色光を、クロスダイクロイックミラー８で色合成を行っている。また、これらの構成要素は、図示しない筺体内に、電源装置、光源やライトバルブの駆動装置、更には、装置内部の発熱を外部に放出するためのファンなどの冷却装置などと共に配置されている。

　以上より、本発明になる投写型映像表示装置では、ライトバルブのアスペクト比とＬＥＤのアスペクト比を一致させることができるので、エタンデユの観点で光線通過率の改善を実現している。

　続いて、図４から図７を用いて、本発明の他の実施例（実施例２）になる投写型映像表示装置について以下に説明する。

　なお、この実施例２になる投写型映像表示装置も、基本的には、上記実施例１の構成と同様であり、ここでは、その説明は省略するが、この実施例２になる投写型映像表示装置では、上述したアフォーカル光学系を構成するマルチレンズアレイを、アナモフィック光学系を構成するレンズ面とすることに代えて、以下に詳細に説明するアスペクト比変換素子を採用するものであり、以下には、当該アスペクト比変換素子の具体的な構成について説明する。

＜アスペクト比変換素子＞
　まず、図４は、ＬＥＤ１から放射される光束の配向分布の説明図である。通常、ＬＥＤから放射される光束の配向分布は、ランバート分布、即ち、ｃｏｓθに沿った分布である。中央で角度０度での値を１００％とすれば、左右１０度のＬ１０とＲ１０でｃｏｓ１０度＝９８．５％、以下、左右８０度のＬ８０とＲ８０でｃｏｓ８０度＝１７．４％となり、ちょうど、ベクトルの先が円上に存在している。配向分布自体は±９０度まで存在するが、８０度で１７．４％となっているように角度が大きくなると、光量比がｃｏｓθ状に小さくなっている。

　次に、図５は、ＬＥＤ１を間に挟んで、２枚の平面ミラー９を対向して、図のＺ軸（光軸）に対して３０度で配置したアスペクト比変換素子の構成の一例を示す図である。この図５のアスペクト比変換素子では、ＬＥＤ１からの±６０度以内の光線は、平面ミラー９では反射せず、直接に、アフォーカル光学系２に到達するが、±７０度の光線は平面ミラー９で反射している。

　次に、図６と図７は、アスペクト変換素子９での反射する角度、反射しない角度に着目した拡大図である。図６（ａ）は、２つの平面ミラー１０を対向して３０度で配置した構成のアスペクト比変換素子の拡大図であり、左右の７０度の光線Ｌ７０とＲ７０は、３０度で配置された平面ミラー１０で反射し、７０度－３０度×２＝１０度で反射する（図の破線Ｌ７０ｂとＲ７０ｂを参照）。

　従って、その光線は、アフォーカル光学系２側からみると、図６（ｂ）にも示すように、ＬＥＤ１の本来の大きさ（大きさＢ１）の外側から放射された光線に見える。即ち、大きさＢ１は、ＬＥＤ１の中央から放射された±７０度の光線での値だが、図中に吹き出しで示すように、Ｘ軸上に点光源を複数（例えば、５個）配置した場合と同様であることが分かる。尚、図６（ｂ）は、ＬＥＤ１としての面光源で、アスペクト比変換素子でアスペクト比の変換作用を受けた後の光束を、同様に、ＬＥＤ1と同じ平面に戻した照度分布であり、明らかに、Ｘ軸方向に照度分布が広がっている様子が分かる。

　同様に、図７は２つの平面ミラー１０を対向して４０度で配置したアスペクト比変換素子の説明図であり、図７（ａ）にも示すように、左右の７０度の光線Ｌ７０とＲ７０は、４０度配置の平面ミラー１０で反射し、７０度－４０度×２＝―１０度で反射する（図の破線Ｌ７０ｂとＲ７０ｂを参照）。

　この平面ミラーを４０度で配置の場合でも、同様に、図７（ｂ）にも示すように、Ｘ軸上に点光源を複数（例えば、５個）配置した場合の光線図と同様の照明計算の結果を示す。即ち、平面ミラー９の配置角度により、アフォーカル光学系２からみた、光源の配向分布と、光源の大きさが変わることがわかる。

　ここで、ＬＥＤ１の光源像の大きさが、大きくなり過ぎると、第２マルチレンズアレイ３２の所定のセルレンズを通過できないので、使用するＬＥＤ１の発光部の大きさに合わせ、平面ミラーの配置角度を選択することが望ましい。

　また、上記の説明では、平面ミラー９を、ＬＥＤ１の発光面を挟んで、その両端に所定の角度で取り付ける構成について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、その一方だけに平面ミラー９を取り付ける構成とすることも可能である。

　以上にも述べたように、上記実施例１では、回転非対称なアナモフィック光学系のレンズを、射出成型によるプラレンズで実現しているが、これに対し、実施例２では、回転対称なアフォーカル光学系に、平面ミラーを組み合わせた簡単な構成により実現することが出来る。即ち、実施例２に特有の効果として、簡易で、かつ、低コストな構成で、エタンデュを改善することにより、光線通過率の改善を達成しているという優れた効果が発揮される。

　なお、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システム全体を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。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…ＬＥＤ、２…アフォーカル光学系、３…マルチレンズアレイ、４…合焦光学系、５…ライトバルブ、６…全反射プリズム、７…投写光学系、８…クロスダイクロイックミラー、９…アスペクト比変換素子。

Claims

　固体発光光源と、アフォーカル光学系と、マルチレンズアレイと、合焦レンズを有する照明光学系と、投写光学系を有する投写型映像表示装置において、
　前記固体発光光源と、前記照明光学系内において結像される当該固体発光光源の像との間に、固体発光光源の像のアスペクト比を固体発光光源のアスペクト比を異ならせる作用を有するアスペクト比変換素子を配置したことを特徴とする投写型映像表示装置。
　請求項１に記載の投写型映像表示装置において、前記アスペクト比変換素子が、光軸を含み互いに直交する２つの断面内で焦点距離が異なるアナモフィック光学系であることを特徴とする投写型映像表示装置。
　請求項２に記載の投写型映像表示装置において、前記マルチレンズアレイに、前記アスペクト比変換素子を構成するアナモフィック光学系が形成されていることを特徴とする投写型映像表示装置。
　請求項１に記載の投写型映像表示装置において、前記アスペクト比変換素子が、前記固体発光光源を挟んだ少なくとも一方の端部に、光軸に対して所定の角度で傾斜して取り付けられた反射ミラーであることを特徴とする投写型映像表示装置。
　請求項４に記載の投写型映像表示装置において、前記平面ミラーは、前記光軸に対して３０～４０度の範囲で傾斜して取り付けられていることを特徴とする投写型映像表示装置。