(57)【要約】【課題】  発熱を生じさせる遮光や偏光変換を行うことなく、複数の光源からの光を無駄なく合成して出力することができる照明光学装置を提供する。【解決手段】  コンデンサレンズ１３０は、主光源１１０からの主照明光と副光源１２０からの副づ照明光を共通の焦点に集光させる。ロッドインテグレータ１５０は、このようにして焦点に向けて供給される主照明光と副照明光を加算均質化する手段であり、コンデンサレンズ１３０の焦点に入射面を位置させた状態で固定されている。ロッドインテグレータ１５０に入射する主照明光および副照明光は、ロッドインテグレータ１５０の内壁面に反射されながら出射面に向けて伝播する。この伝播の過程において、主照明光および副照明光は攪拌され、均質化された光となってロッドインテグレータ１５０の出射面から出力される。【選択図】      図１
2006317611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主照明光を出力する主光源と、
副照明光を出力する副光源と、
前記主照明光および副照明光を共通の焦点に集めるコンデンサレンズと、
前記コンデンサレンズの焦点に入射面を位置させ、出射面から前記主照明光および副照明光を加算した照明光を出力するロッドインテグレータと
を具備することを特徴とする照明光学装置。
【請求項２】
前記副光源は、前記主光源の周囲を取り囲んで複数設けられており、各々前記主照明光と平行な副照明光を前記コンデンサレンズに向けて出力することを特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
【請求項３】
前記副光源は、前記主光源の出力光の波長帯域の一部である特定波長帯域の光を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクター（投射装置）などの画像表示装置の光源として好適な照明光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像表示装置であるプロジェクターは、光源より出射される照明光を赤色、青色、緑色の波長帯域に分離して液晶表示パネル等の空間変調素子によりそれぞれ変調した後、これら空間変調素子の出射光を合成光学系により合成した後、スクリーンに投射し、カラーの表示画像を形成する。このようなプロジェクター用の光源として、可視光の波長帯域で発光効率の高い超高圧水銀ランプがある。しかしながら、超高圧水銀ランプは、青色、緑色の波長帯域である４４０〔ｎｍ〕近辺の波長帯域、５５０〔ｎｍ〕近辺の波長帯域においては、十分な光量を確保できるのに対し、赤色の波長帯域である６００〔ｎｍ〕以上の波長帯域においては、これら青色、緑色の波長帯域に比して、十分な光量を確保することができない。このため、従来は、白色表示時の色度を適正値近くに保つため、弱い赤色波長帯域に合わせて青色、緑色波長帯域の光量を低下させるという措置を採っていた。青色、緑色波長帯域の光量を低下させないと、本来白く表示させるべきものが緑っぽい白色になるからである。しかし、このような措置を採るとすると、例えばＤ６５（一般的に白色の基準とされている色度）を基準として考えた場合、全波長帯域の光量を強度の弱い赤色波長帯域に合わせるので、その分、表示画面が暗くなることを避け得ない。また、光源から出射される照明光の一部が無駄に消費されるという問題がある。
【０００３】
特許文献１は、このような問題を解決するべく図４に示す照明光学装置を開示している。この照明光学装置は、超高圧水銀ランプ５による主光源６と、半導体レーザ７を用いたレーザ光源による副光源８とを有している。ここで主光源６は、超高圧水銀ランプ５より出射されるほぼ白色光による照明光を直接にまたはリフレクタ９により反射してフライアイレンズ１０Ａおよび１０Ｂに出力する。フライアイレンズ１０Ａおよび１０Ｂは、この主光源による主の照明光について、光量分布を均一化して出射する。続く偏光変換素子１２は、Ｐ偏光成分をＳ偏光成分に変換してフライアイレンズ１０Ａおよび１０Ｂの出射光を透過する。コンデンサレンズ１３は、偏光変換素子１２の出射光をほぼ平行光線に変換して出射する。これらにより主光源６は、ほぼ均一な光量分布により、またほぼ平行光線により超高圧水銀ランプ５による主の照明光を出射する。これに対して副光源８は、半導体レーザ７より、赤の波長帯域である波長約６５０〔ｎｍ〕のレーザビームを出射する。副光源８は、このレーザビームの光軸が主の照明光の光路に対してほぼ直交するように配置され、所定の光学系１４を介して、レーザビームの光束形状を補正し、また光量分布、発散角を補正する。なお副光源８は、主照明光の偏光面と対応する偏光面となるように、半導体レーザ７の傾き等が設定されている。
【０００４】
主および副の照明光の各光路が交差する位置には、主および副の照明光の各光路にほぼ４５度の角度により傾くように反射型ホログラム素子１７が配置されている。ここで反射型ホログラム素子１７は、リップマン型のいわゆる厚いホログラムであり、回折波長帯域の選定により、副の照明光を矢印Ｘ方向に反射するとともに、この副の照明光に対応する波長帯域を除いて、主の照明光を透過して矢印Ｘ方向に出力する。この反射型ホログラム素子１７により、主の照明光において不足する赤色帯域が副の照明光により置き換えられ、十分な光量を確保してなる照明光が矢印Ｘ方向に出射される。
【特許文献１】特開２００２−２９６６８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した従来の照明光学装置は、赤色波長帯域の光量を増加させるために、主の照明光における赤色波長帯域の光を反射型ホログラム素子１７により遮り、それに代えて副光源８の出力光を主の照明光と共に出力しているので、赤色波長帯域の光を遮る際に熱が発生し、この熱を逃がすための手段が必要であるという問題がある。また、従来の照明光学装置は、偏光変換素子１２での損失が大きく、ここで損失したエネルギーは熱となり、この熱が有機系フィルムを材料とした偏光変換素子の一部のλ／２板に悪影響を与えるという問題がある。さらに偏光変換素子は高価であるという問題もある。また、従来の照明装置は、副光源として半導体レーザを用いているので、消費電力が嵩み、かつ、コスト高になるという問題がある。ここで、副光源を赤色ＬＥＤなどにより構成することが考えられる。しかし、赤色ＬＥＤの光量と、同一波長帯域における超高圧水銀ランプの光量を比較すると、後者の方が大きい。従来の照明光学装置における副光源を半導体レーザから赤色ＬＥＤに置き換えるとすると、赤色波長帯域が緑色、青色波長帯域に比べて不足している分を補う照明光を得るための赤色ＬＥＤだけでなく、遮光される主の照明光における赤色波長帯域の光量を回復するための赤色ＬＥＤを設ける必要がある。従って、副光源として極めて多数の赤色ＬＥＤを設ける必要があり、これは現実的でない。
【０００６】
この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、発熱を生じさせる遮光を行うことなく、また、偏光変換による光損失を伴うこともなく、複数の光源からの光を無駄なく合成して出力することができる照明光学装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、主照明光を出力する主光源と、副照明光を出力する副光源と、前記主照明光および副照明光を共通の焦点に集めるコンデンサレンズと、前記コンデンサレンズの焦点に入射面を位置させ、出射面から前記主照明光および副照明光を加算した照明光を出力するロッドインテグレータとを具備することを特徴とする照明光学装置を提供する。
かかる発明によれば、遮光や偏光変換という手段を用いることなく主照明光と副照明光を加算することができ、不要な発熱や光損失を生じさせることなく、所望の波長強度特性を持った照明光を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照し、この発明の実施の形態を説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、この発明の第１実施形態である照明光学装置１００を有するＤＬＰ（登録商標）（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（登録商標））方式のプロジェクターの構成を示す側面図である。また、図２は、照明光学装置１００の概略構成を示す斜視図である。なお、図２では、図面が煩雑になるのを防止するため、図１におけるコンデンサレンズ１３０の図示が省略されている。
【０００９】
照明光学装置１００において、主光源１１０は、前掲図４における主光源６と同様、超高圧水銀ランプ１１１と、この超高圧水銀ランプ１１１からの出力光を反射し、平行光として出力するリフレクタ１１２とにより構成されている。副光源１２０は、赤色ＬＥＤ１２１とこの赤色ＬＥＤ１２１からの出力光を平行光とするコリメートレンズ１２１とからなり、リフレクタ１１２の開口部の周囲に設けられている。さらに詳述すると、リフレクタ１１２の開口部の周囲には、図２に示すように、円環状の支持部材１２３が固定されており、副光源１２０は、そこに複数個固定されている。副光源１２０は、主光源１１０における平行光の出力方向と平行な方向に平行光を出力する。
【００１０】
コンデンサレンズ１３０およびロッドインテグレータ１５０は、主光源１１０の出力光と副光源１２０の出力光とを加算均質化して照明光を出力する光加算手段を構成している。まず、コンデンサレンズ１３０は、以上説明した主光源１１０からの平行光と副光源１２０からの平行光を共通の焦点に集光させる。ロッドインテグレータ１５０は、このようにして焦点に向けて供給される主光源１１０からの光と副光源１２０からの光を加算する手段であり、コンデンサレンズ１３０の焦点に入射面を位置させた状態で固定されている。カラーホイール１４０は、照明光学装置１００の出力光の色をＲ、Ｇ、Ｂ、Ｒ、〜という具合に時分割的に切り換えるための手段であり、コンデンサレンズ１３０とロッドインテグレータ１５０との間の位置に設けられている。このカラーホイール１４０は、図２に示すように、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の光を透過させる扇形のカラーフィルタからなり、プロジェクターによる画像の投射が行われる期間、図示のように回転駆動される。コンデンサレンズ１３０からの光はこのカラーホイール１４０を介してロッドインテグレータ１５０の入射面に到達する。
【００１１】
ロッドインテグレータ１５０の入射面には、主光源１１０からの出力光のうちカラーホイール１４０により選択された色の光と副光源１２０からの出力光のうちカラーホイール１４０により選択された色の光が入射する。これらの入射光は、ロッドインテグレータ１５０の内壁面に反射されながら出射面に向けて伝播する。この伝播の過程において、主光源１１０からの出力光および副光源１２０からの出力光は攪拌され、均質化された光となってロッドインテグレータ１５０の出射面から出力される。このロッドインテグレータ１５０からの出力光は、リレー系１６０を通過することにより平行光とされ、照明光学装置１００の出力光として出力される。このように、本実施形態では、発熱の原因となる遮光や偏光変換という手段を用いることなく、主光源１１０の出力光と副光源１２０の出力光が合成され、合成された照明光がプロジェクターにおける投射手段に送られる。以下、この投射手段の構成を説明する。
【００１２】
ＴＩＲプリズム（内面全反射プリズム）２０１は、２つ以上のプリズムを貼合し、プリズム境界面２０１Ａに空気層を持たせたプリズムであり、臨界角以上で入射する光を反射し、臨界角以内で入射する光を透過する特性を持つ。本実施形態における光学系は、リレー系１６０より射出された光が、このＴＩＲプリズム２０１に入射し、プリズム同士の境界面２０１Ａに臨界角以上の入射角で入射し、ＤＭＤ２０２からＴＩＲプリズム２０１側に反射される光は、臨界角以内の入射角で入射するように設計されている。従って、リレー系１６０からＴＩＲプリズム２０１に入射した光は、このプリズム同士の境界面２０１Ａにおいて反射され、ＤＭＤ２０２に入射し、ＤＭＤ２０２側からの反射光は、ＴＩＲプリズム２０１の境界面２０１から投射レンズ２０３側に透過する。
【００１３】
ＤＭＤ２０２は、画面を構成する複数の画素に対応したミラーを平面状に配列したアレイであり、このアレイにおける各ミラーは各画素のＯＮ／ＯＦＦを指定する画像データによりチルトされる。すなわち、ＯＮ状態とする画素に対応したミラーについてはＴＩＲプリズム２０１からの光を同ＴＩＲプリズム２０１側に反射させ、ＯＦＦ状態とする画素に対応したミラーについてはＴＩＲプリズム２０１からの光を同ＴＩＲプリズム２０１のある側とは異なる方角に反射させ、という具合に各画素のＯＮ／ＯＦＦに対応した各ミラーの向きの制御が行われる。また、このＤＭＤ２０２の駆動制御は、上述したカラーホイール１３０の回転駆動に同期して行われる。すなわち、ある色の照明光が照明光学装置１００からＤＭＤ２０２に供給されるときには、その色の画像データにより各画素に対応したミラーの駆動が行われる、という具合にＲ、Ｇ、Ｂの各色に対応した照明光学装置１００による照明光の色の切り換え制御とＤＭＤ２０２における駆動用の画像データの色の切り換え制御が同期して進められるのである。この結果、投射レンズ２０３により、図示しないスクリーンにカラー映像が表示される。
【００１４】
以上説明した本実施形態によれば、発熱の原因となる遮光や偏光変換という手段を用いることなく、異種の光源の照明光を無駄なく合成し、特定の光源だけでは実現することができない所望の波長強度特性を持った照明光を得ることができる。また、本実施形態によれば、主の照明光における赤色波長帯域の光量をそのまま活かし、他の波長帯域に比べて不足している分を副光源により補うので、副光源に要求される光量が従来の照明光学装置に比べて少なくて済む。従って、副光源として、半導体レーザではなく赤色ＬＥＤを用いることができる。この赤色ＬＥＤの放射光は、殆どが可視光であり、赤外光を含まない。従って、副光源として赤色ＬＥＤを用いた場合には、照明損失による熱発生を少なくすることができるという利点がある。
【００１５】
＜第２実施形態＞
図３は、この発明の第２実施形態である照明光学装置１００Ａを有する３板型ＤＬＰ（登録商標）方式のプロジェクターの構成を示す側面図である。本実施形態における照明光学装置１００Ａは、上記第１実施形態における照明光学装置１００と異なり、カラーホイール１４０を有していない。その代わりに、プロジェクターには、照明光学装置１００Ａから得られる照明光を色成分毎に定められた経路に分岐させる手段が設けられている。具体的には次の通りである。
【００１６】
ミラー３０１は、照明光学装置１００Ａのリレー系１６０を介して射出される照明光を約９０度折り曲げ（偏向し）、ＴＩＲプリズム３０２に入射させる。本実施形態における光学系は、リレー系１６０より射出された光が、このＴＩＲプリズム３０２に入射し、プリズム同士の境界面３０２ａに臨界角以上で入射するように設計されている。従って、リレー系１６０からＴＩＲプリズム３０２に入射した光は、このプリズム同士の境界面３０２ａにおいて反射され、ダイクロイックプリズム３０３に入射する。
【００１７】
そして、ダイクロイックプリズム３０３では、このＴＩＲプリズム３０２から入射した光の波長選択的分光が行われ、分光されたＲ、Ｇ、Ｂの各光がＤＭＤ３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂに入射する。ＤＭＤ３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂでは、画素に当たるミラーが画像データに基づいてチルトされ、ＯＮ状態のミラーにより反射された光は、再びダイクロイックプリズム３０３に入射する。そして、ダイクロイックプリズム３０３では、ＤＭＤ３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂからの光が合成され、ＴＩＲプリズム３０２に入射する。
【００１８】
本実施形態における光学系は、このダイクロイックプリズム３０３からの入射光がＴＩＲプリズム３０２におけるプリズム同士の境界面３０２ａに臨界角以内で入射するように設計されている。従って、この入射光は、境界面３０２ａを透過して、投射レンズ２０３に入射し、映像がスクリーン上に拡大表示される。
【００１９】
＜他の実施形態＞
（１）上記各実施形態では、ＤＬＰ方式のプロジェクターに適用する場合を例に照明光学装置を説明した。しかし、プロジェクターには、ＤＬＰ方式以外にも、例えばＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）方式のプロジェクターや、透過型ＬＣＤプロジェクターなど各種のものがある。本発明に係る照明装置は、プロジェクターの方式に合わせて必要な変形を加えることにより、表示素子や光学方式を問わず、各種のプロジェクターに適用可能である。
（２）上記各実施形態では、副光源として赤色ＬＥＤを用いた。しかし、これに代えて、緑色などのＬＥＤを用いてもよい。その他、黄色やマゼンダといった補色系の発光色のＬＥＤを副光源として用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明の第１実施形態である照明光学装置を有するプロジェクターの構成を示す側面図である。
【図２】同実施形態における照明光学装置の概略構成を示す斜視図である。
【図３】この発明の第２実施形態である照明光学装置を有するプロジェクターの構成を示す側面図である。
【図４】従来の照明光学装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１１０……主光源、１２０……副光源、１３０……コンデンサレンズ、１５０……ロッドインテグレータ。
【図１】
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【図２】
2006317611.tif 000004
【図３】
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【図４】
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