(57)【要約】【課題】  発熱を生じさせる遮光を行うことなく、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】  主光源６からの主の照明光は、コンデンサレンズ１３を通過することにより収束され、ロッドインテグレータ１１１の一方の端面に入射する。副光源８Ａからの副の照明光は、直角プリズム１１２を透過してロッドインテグレータ１１１に入射する。入射後における主および副の照明光は、ロッドインテグレータ１１１の側面により全反射されつつ伝播し、両者を加算した照明光がロッドインテグレータ１１１からリレーレンズ１２０に向けて出射される。【選択図】      図１
2006113349.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光源と、
第２の光源と、
前記第１の光源の出力光と前記第２の光源の出力光とを加算して出力する光加算手段とを具備し、
前記光加算手段は、
前記第１の光源からの出力光を透過させる第１の光ガイドと、
前記第２の光源からの出力光を透過させる第２の光ガイドと、
前記第２の光ガイドの端面と前記第１の光ガイドの側面との間に介挿され、前記第２の光ガイドの端面からの出力光を前記第１の光ガイドの側面から前記第１の光ガイドの内部に透過させる接合部とを具備することを特徴とする照明光学装置。
【請求項２】
前記第１の光ガイドの内部から外部に向かう光が前記第１の光ガイドと外部との境界面において全反射されるような入射角である第１の臨界角に比べて、前記第２の光ガイドを介して前記接合部に入射する光が前記接合部との境界面において全反射されるような入射角である第２の臨界角が大きく、前記第２の光ガイドは、前記第１の臨界角よりも大きく、かつ、前記第２の臨界角よりも小さな入射角で前記接合部に光を入射させ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】
前記第２の光源は、前記第１の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スクリーンに投射して重ね合わせることにより、カラーの表示画像を形成する。このようなプロジェクタ用の光源として、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、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。
【０００４】
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。
【０００５】
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】
【０００６】
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。
【０００７】
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、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】
【０００８】
この発明は、第１の光源と、第２の光源と、前記第１の光源の出力光と前記第２の光源の出力光とを加算して出力する光加算手段とを具備し、前記光加算手段は、前記第１の光源からの出力光を透過させる第１の光ガイドと、前記第２の光源からの出力光を透過させる第２の光ガイドと、前記第２の光ガイドの端面と前記第１の光ガイドの側面との間に介挿され、前記第２の光ガイドの端面からの出力光を前記第１の光ガイドの側面から前記第１の光ガイドの内部に透過させる接合部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、第１の光源からの出力光と第２の光源からの出力光は第１の光ガイド内に導入され、加算されて出力される。
好ましい態様において、前記第１の光ガイドの内部から外部に向かう光が前記第１の光ガイドと外部との境界面において全反射されるような入射角である第１の臨界角に比べて、前記第２の光ガイドを介して前記接合部に入射する光が前記接合部との境界面において全反射されるような入射角である第２の臨界角が大きく、前記第２の光ガイドは、前記第１の臨界角よりも大きく、かつ、前記第２の臨界角よりも小さな入射角で前記接合部に光を入射させる。
好ましい態様において、前記第２の光源は、前記第１の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。前記第２の光源は、例えばＬＥＤである。
この態様によれば、前記光加算手段により、第１の光源の出力光に対し、第２の光源の特定波長帯域の出力光が加算され、照明光における特定波長帯域の成分を補強することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）方式のプロジェクタの構成を示している。照明光学装置１００は、上述した従来の照明光学装置（図４）のものと同様な主光源６と、コンデンサレンズ１３とを有している。そして、照明光学装置１００では、前掲図４における副光源８が赤色ＬＥＤ７Ａを用いた副光源８Ａに置き換えられており、反射型ホログラム素子１７が、第１の光ガイドたるロッドインテグレータ１１１および第２の光ガイドたる直角プリズム１１２を有する光加算部１１０とリレーレンズ１２０に置き換えられている。
【００１０】
リレーレンズ１２０は、コンデンサレンズ１３との間にロッドインテグレータ１１１を挟み、コンデンサレンズ１３と光軸を一致させた状態で固定されている。ロッドインテグレータ１１１は、直方体形状の透明な導光路であり、その中心軸をコンデンサレンズ１３および１２０の光軸に一致させた状態で固定されている。ここで、主の照明光は、コンデンサレンズ１３を通過することにより収束され、ロッドインテグレータ１１１の一方の端面に入射し、ロッドインテグレータ１１１の側面により全反射されつつ伝播し、ロッドインテグレータ１１１の他方の端面からリレーレンズ１２０に向けて出射される。
【００１１】
直角プリズム１１２は、例えば直角三角形をなす２つの底面を有する三角柱形状のプリズムである。この直角プリズム１１２は、直角を挟んだ２平面のうちの一方がコンデンサレンズ１３のある側に向き、他方がリレーレンズ１２０のある側に向いており、直角部分に対向している斜面はロッドインテグレータ１１１の一側面に接着剤（図１では図示略）により固定されている。ここで、直角プリズム１１２における直角を挟んだ２平面のうちコンデンサレンズ１３のある側の平面には、副光源８Ａからの副の照明光が入射するようになっている。この副の照明光は、直角プリズム１１２を透過してロッドインテグレータ１１１に入射し、この入射後は、ロッドインテグレータ１１１の側面により全反射されつつ伝播し、ロッドインテグレータ１１１からリレーレンズ１２０に向けて出射される。
【００１２】
上述した従来の照明光学装置では、反射型ホログラム素子１７が、主の照明光において不足する赤色帯域を副の照明光により置き換えた。これに対し、本実施形態では、ロッドインテグレータ１１１および直角プリズム１１２からなる光加算部１１０が、主の照明光と副の照明光を加算して出力する。
【００１３】
図２は本実施形態における光加算部１１０の拡大図である。この図に示す例では、ロッドインテグレータ１１１および直角プリズム１１２は、屈折率ｎ１の材料により構成され、接合部である接着剤１１３により接着されている。ここで、接着剤１１３は屈折率ｎ２の材料により構成されている。また、この例では、直角プリズム１１２と接着剤１１３との境界面、接着剤１１３とロッドインテグレータ１１１との境界面およびロッドインテグレータ１１１と屈折率ｎ０を有する空気との境界面は平行である。
【００１４】
直角プリズム１１２と接着剤１１３との境界面に入射角φ１で入射した副の照明光が全反射されることなく、接着剤１１３内に出射角φ２で出射されたとすると、次の式が成立する。
ｓｉｎφ１／ｓｉｎφ２＝ｎ１／ｎ２                ……（１）
ここで、入射角φ１が下記式（２）に示す臨界角θ１２、すなわち、上記式（１）におけるｓｉｎφ２を１にするような角度より大きい場合には、入射光は境界面において全反射され、接着剤１１３内には進まない。
θ１２＝ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）                   ……（２）
【００１５】
入射角φ１が臨界角θ１２より小さい場合には、境界面への入射光は接着剤１１３内に進む。接着剤１１３内に出射角φ２で出射された光は、接着剤１１３とロッドインテグレータ１１１との境界面に入射角φ２で入射し、出射角φ１でロッドインテグレータ１１１内に出射し、ロッドインテグレータ１１１と空気との境界面に入射角φ１で入射する。
ここで、ロッドインテグレータ１１３（屈折率ｎ１）と空気（屈折率ｎ０）との境界面における臨界角θ１０は、次式により与えられる。
θ１０＝ｓｉｎ−１（ｎ０／ｎ１）                    ……（３）
【００１６】
本実施形態では、第１の光ガイドたるロッドインテグレータ１１１の内部から外部に向かう光が境界面において全反射されるような入射角である臨界角θ１０に比べて、第２の光ガイドたる直角プリズム１１２を介して接合部たる接着剤１１３に入射する光が境界面において全反射されるような入射角である臨界角θ１２が大きい。また、第２の光ガイドたる直角プリズム１１２は、臨界角θ１２よりも大きく、かつ、臨界角θ１０よりも小さな入射角で接着剤１１３に光を入射させる。
【００１７】
具体的には下記式（４）を満たすように、適切な屈折率ｎ１またはｎ２を持った材料によりロッドインテグレータ１１１、直角プリズム１１２および接着剤１１３が構成され、適切な入射角φ１が定められている。
ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）＜φ１＜ｓｉｎ−１（ｎ０／ｎ１）……（４）
このため、直角プリズム１１２と接着剤１１３との境界面では下記式（５）が成立し、入射光は境界面において全反射されることなく、接着剤１１３内に進み、ロッドインテグレータ１１１と空気との境界面では下記式（６）が成立し、入射光は境界面において全反射されるのである。
φ１＜θ１２＝ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）                 ……（５）
φ１＞θ１０＝ｓｉｎ−１（ｎ０／ｎ１）                 ……（６）
上記式（４）を満たすように入射角φ１で副の照明光を接着剤１１３に入射させるための方法としては、直角プリズム１１２における副の照明光の入射面と接着剤１１３と接している面との間の角を適切に定める方法が考えられる。
【００１８】
なお、以上の説明では理解を容易にするため、ロッドインテグレータ１１１と直角プリズム１１２の屈折率が同じである場合を例に挙げたが、ロッドインテグレータ１１１と直角プリズム１１２の屈折率は異なっていてもよい。両屈折率が異なる場合でも、適切な屈折率ｎ２を持った接着剤を使用し、副の照明光の入射角度を適切に定めることにより、副の照明光を直角プリズム１１２経由でロッドインテグレータ１１１内に入射させ、入射後は、ロッドインテグレータ１１１の側面において全反射させることが可能である。
【００１９】
副光源８Ａからの副の照明光は、以上の原理により、直角プリズム１１２を介してロッドインテグレータ１１１内に導入され、ロッドインテグレータ１１１内を全反射されつつ伝播するのである。このため、コンデンサレンズ１３から入射した主の照明光と直角プリズム１１２経由で入射した副の照明光とを加算した照明光がロッドインテグレータ１１１からリレーレンズ１２０に出射される。
【００２０】
ロッドインテグレータ１１１の出射光は、リレーレンズ１２０を通過することにより平行光とされる。ミラー２０は、このリレーレンズ１２０を通過した照明光を反射して光路を約９０度折り曲げ、コンデンサレンズ２１は、このミラー２０で反射される照明光を所定の広がりにより偏光ビームスプリッタ２２に入射する。偏光ビームスプリッタ２２は、プリズムを貼り合わせて形成され、その貼り合わせ面に形成された検光面２２Ａによりコンデンサレンズ２１から入射する照明光、反射型液晶表示パネル３Ｒ、３Ｇ、３Ｂから出射される映像光を検光する。すなわち偏光ビームスプリッタ２２は、コンデンサレンズ２１から入射する照明光よりＳ偏光成分を選択的に反射して色合成分離手段であるダイクロイックプリズム２３に向けて出射する。また、このようにして出射した照明光の光路を逆に辿って入射する映像光について、Ｐ偏光成分を選択的に透過して投射レンズ２４に出射する。
【００２１】
ダイクロイックプリズム２３は、この偏光ビームスプリッタ２２より出射される照明光より順次、青色波長帯域および赤色波長帯域の照明光を選択的に分離してそれぞれ青色波長帯域用、赤色波長帯域用の反射型液晶表示パネル３Ｂ、３Ｒに供給し、またこのようにして順次青色波長帯域および赤色波長帯域の照明光を分離して残る緑色波長帯域の照明光を緑色波長帯域用の反射型液晶表示パネル３Ｇに供給する。またこれとは逆に、各反射型液晶表示パネル３Ｒ、３Ｇ、３Ｂから出射される映像光を合成して偏光ビームスプリッタ２２に出射する。
【００２２】
反射型液晶表示パネル３Ｂ、３Ｒ、３Ｇは、それぞれ青色波長帯域用、赤色波長帯域用、緑色波長帯域用の映像信号に応じて入射光の偏光面を回転させて反射することにより、各映像信号により照明光を空間変調し、Ｐ偏光およびＳ偏光の合成光による映像光を出射する。これによりプロジェクタにおいては、このようにして反射型液晶表示パネル３Ｂ、３Ｒ、３Ｇにより空間変調された映像光のうち、Ｐ偏光成分のみが偏光ビームスプリッタ２２を透過する。投射レンズ２４は、このようにして偏光ビームスプリッタ２２を透過する映像光をスクリーン４に投射する。
【００２３】
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。
【００２４】
＜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の光加算部の構成を示す図である。上記第１実施形態では、１つの副光源８Ａにより、主の照明光における強度の不足している波長帯域の光量を補った。これに対し、本実施形態では、副光源８Ａの他に、さらに副光源８Ａとは波長帯域の異なった副光源８Ｂが設けられている。ここで、副光源８Ｂは、主の照明光における強度が不足している波長帯域のうち副光源８Ａでは光量を補い切れない他の波長帯域の光量を補うべくその波長帯域の照明光を出力するものである。この副光源８Ｂからの照明光は、副光源８Ａのために設けられているものと同様なレンズ１４および直角プリズム１１２を介してロッドインテグレータ１１１内に導入され、主の照明光および副光源８Ａからの照明光と加算され、リレーレンズ１２０に向けて出射される。図示の例では、２個の副光源が用いられているが、副光源は、光量を補う必要のある波長帯域に合わせて、適切な数のものを設ければよい。本実施形態によれば、副光源を複数用いるので、主の照明光において強度の落ち込む波長帯域が複数ある場合においても、それらの波長帯域における光量を補うことができる。
【００２５】
＜他の実施形態＞
（１）上記各実施形態では、ＬＣＯＳ方式のプロジェクタに適用する場合を例に照明光学装置を説明した。しかし、プロジェクタには、ＬＣＯＳ方式以外にも、例えばＤＭＤ（登録商標）（Digital Micromirror Device）を用いたＤＬＰ（登録商標）（Digital Light Processing（登録商標））方式のプロジェクタや、透過型ＬＣＤプロジェクタ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に適用可能である。例えばＤＬＰ方式のプロジェクタの場合、リレーレンズ１２０としてノンテレセントリック系のものを使用し、ロッドインテグレータ１１１の出力光を、平行光ではなく、ある拡がりを持った光に変換して出力するようにしてもよい。
（２）上記各実施形態では、第２の光ガイドとして、直角を除く２つの角が４５度であるような断面形状の直角プリズムを用いた。しかし、プリズムの形状は、これに限定されるものではない。直角プリズム以外のプリズムでも、形状と副の照明光の入射角を適切に定めることにより、そのプリズム経由でロッドインテグレータ１１１内に副の照明光を入射させ、入射後は、ロッドインテグレータ１１１の側面において全反射させることが可能である。
（３）上記各実施形態では、第２の光源として赤色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、補正や調色といった機能以外にも、色再現範囲を広げる等の目的で、黄色やマゼンダといった補色系の発光色のＬＥＤを第２の光源として用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【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の構成を示す図である。
【図２】同実施形態における光加算部の拡大図である。
【図３】この発明の第２実施形態である照明光学装置の光加算部の構成を示す図である。
【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】
【００２７】
６……主光源、８……副光源、１１０……光加算部、１１１……ロッドインテグレータ、１１２……直角プリズム、１１３……接合部。
【図１】
2006113349.tif 000003
【図２】
2006113349.tif 000004
【図３】
2006113349.tif 000005
【図４】
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