(57)【要約】【課題】光源部における光軸を、特に、重力方向を基準として水平または垂直に維持しつつ、照明光学系の配置の自由度を確保して装置のコンパクト化を図る。【解決手段】ロッドインテグレータ２は、角柱状のガラスロッドからなり、入射面２Ａから射出面２Ｂに至るまで中実に形成されている。入射面２Ａは、その法線がロッドインテグレータ２の光軸Ｚ２に対して角度α２だけ傾くように形成されている。入射面２Ａの両側の媒質の屈折率の比(Ｎair/Ｎglass)が、ｓｉｎα２／ｓｉｎα１となるように設定されているとき、光源部１からの照明光束の中心光線Ｐ１が、入射面２Ａに対して入射角α１で入射するように設定することにより、ロッドインテグレータ２内に入射した該中心光線Ｐ１を、ロッドインテグレータ２の光軸Ｚ２に沿って射出面２Ｂに到達せしめることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光源とリフレクタとからなる光源部と、該光源部からの照明光の光束光量分布を均一化するロッドインテグレータとを備えた照明光学系において、
前記ロッドインテグレータの前記照明光の入射面は、透光部材の表面からなる屈折面であり、該ロッドインテグレータの光軸に対して入射面の法線が傾くように配置されていることを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記光源部の光軸が、該照明光学系を収納する筺体の底面に対して平行となるように配置されていることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
【請求項３】
前記光源部の光軸が、該照明光学系を収納する筺体の底面に対して垂直となるように配置されていることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
【請求項４】
前記ロッドインテグレータは、該ロッドインテグレータの光軸に垂直な断面が、前記入射面側から射出面側に向かうに従って大となるテーパー形状に構成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の照明光学系。
【請求項５】
前記ロッドインテグレータは、該ロッドインテグレータの光軸に垂直な断面が、前記入射面側から射出面側に向かうに従って小となるテーパー形状に構成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の照明光学系。
【請求項６】
前記ロッドインテグレータは、射出面側がミラーで囲まれた中空形状とされていることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項記載の照明光学系。
【請求項７】
前記ロッドインテグレータは、前記入射面の法線が前記光源部の光軸に対して傾くように配置されていることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項記載の照明光学系。
【請求項８】
請求項１〜７のうちいずれか１項記載の照明光学系を備え、この照明光学系からの光束により、所定の画像情報に基づいて照明光束の光変調を行う少なくとも１つのライトバルブを照明し、このライトバルブからの画像情報を担持した光束を、投写光学系を介し投写することを特徴とする投写型表示装置。
【請求項９】
前記光源部の光軸と、前記投写光学系の光軸が互いに垂直となるように構成されていることを特徴とする請求項８記載の投写型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照射面を均一に照明するための照明光学系、およびこの照明光学系からの射出光をライトバルブにより所定の映像情報に応じて変調し、投写レンズによりスクリーンに拡大投写する投写型表示装置に関し、特に、光源部からの光束の光量分布の均一化を図るロッドインテグレータの構成の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
投写型表示装置に用いられる照明光学系においては、通常、光源部とライトバルブとの間に、光量分布の均一化を図るためのインテグレータ部が配設されている。
【０００３】
このインテグレータ部としては、フライアイタイプのものとロッドタイプのものが知られているが、このうち、ロッドタイプのもの（ロッドインテグレータ）は、光束径を一旦小さくする必要のある単板タイプのＤＭＤを用いる場合等において、多く使用されている（例えば、下記特許文献１、２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特許第３１３２５０５号公報
【特許文献２】特許第３３１７２９８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、投写型表示装置に用いられる光源部としては、例えば、高圧水銀ランプやハロゲンランプ等が用いられるが、これらのランプの使用時における姿勢態様としては、ランプの寿命や特性維持の観点から、該ランプの光軸を、重力方向を基準として水平または垂直に設定することが要望されている。
【０００６】
その一方で、投写型表示装置に対するコンパクト化へ要求は強いものがあり、装置筺体内の各部材配置を工夫する必要があるが、上述した各特許文献記載のロッドインテグレータでは、その光軸がランプの光軸に一致するようにして配されているため、上述したランプの姿勢態様の制限により、照明光学系の配置の自由度が制限されてしまい、装置のコンパクト化を図ることが難しかった。光源部とロッドインテグレータとの間に、ミラーを配設することにより、光路を折り曲げることが可能であるが、光源部とロッドインテグレータとの間に、このようなミラーを配設することは、却って装置を大型化する虞がある。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、光源部における光軸を、所定方向、特に重力方向を基準として水平または垂直に維持しつつ、照明光学系、特にロッドインテグレータの配置の自由度を確保して装置のコンパクト化を図り得る照明光学系および投写型表示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】
本発明に係る照明光学系は、
発光源とリフレクタとからなる光源部と、該光源部からの照明光の光束光量分布を均一化するロッドインテグレータとを備えた照明光学系において、
前記ロッドインテグレータの前記照明光の入射面は、透光部材の表面からなる屈折面であり、該ロッドインテグレータの光軸に対して入射面の法線が傾くように配置されていることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の照明光学系においては、
前記光源部の光軸が、該照明光学系を収納する筺体の底面に対して平行となるように配置されている場合や、
前記光源部の光軸が、該照明光学系を収納する筺体の底面に対して垂直となるように配置されている場合に特に有効である。
【００１０】
また、前記ロッドインテグレータは、該ロッドインテグレータの光軸に垂直な断面が、前記入射面側から射出面側に向かうに従って大または小となるテーパー形状に構成されていることが好ましい。
【００１１】
また、前記ロッドインテグレータは、射出面側がミラーで囲まれた中空形状とすることが可能である。
【００１２】
また、前記ロッドインテグレータは、前記入射面の法線が前記光源部の光軸に対して傾くように配置されていることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る投写型表示装置は、
上記いずれかの照明光学系を備え、この照明光学系からの光束により、所定の画像情報に基づいて照明光束の光変調を行う少なくとも１つのライトバルブを照明し、このライトバルブからの画像情報を担持した光束を、投写光学系を介し投写することを特徴とするものである。
【００１４】
この場合において、前記光源部の光軸と、前記投写光学系の光軸が互いに垂直となるように構成されていることが好ましい。
【００１５】
なお、上記「屈折面」とは、当該屈折面の両側が互いに屈折率の異なる光透過面をいうものとする。
【発明の効果】
【００１６】
従来のロッドインテグレータにおいては、ロッドインテグレータの光軸と、その入射面法線が一致するように構成されているため、なるべく多くの光束をロッドインテグレータ内に入射させることとの関係からして、光源部の光軸とロッドインテグレータの光軸とが略一致するように構成されることになる。通常、光源部は、その光軸を、重力方向を基準として水平または垂直に配置するように構成しなければ、ランプの寿命や特性を良好に維持することが困難であることから、上述した如き従来技術においては、光源部の光軸を、重力方向を基準として水平または垂直に配置し、かつ照明光学系、特にロッドインテグレータの配置の自由度を大幅に高めて装置のコンパクト化を達成することが困難とされていた。
【００１７】
これに対し、本発明に係る照明光学系および投写型表示装置によれば、ロッドインテグレータの照明光の入射面は、透光部材の表面からなる屈折面とされ、かつ、該ロッドインテグレータの光軸に対して入射面法線が傾くように配置されている。
【００１８】
このため、光源部の光軸を、重力方向を基準として水平または垂直に配置し、光源部の光軸に対してロッドインテグレータの光軸を傾けるように配置しても、光源部からの照明光をロッドインテグレータ内に効率よく入射させることが可能となる。
【００１９】
これにより、本発明に係る照明光学系および投写型表示装置によれば、光源部における光軸を重力方向を基準として、水平もしくは垂直に維持しつつ、照明光学系、特にロッドインテグレータの配置の自由度を確保して装置のコンパクト化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る照明光学系を搭載した投写型表示装置の構成を概念的に示すものであり、図２はこの照明光学系内に配置されたロッドインテグレータの概略構成を示すものである。
【００２１】
まず、図１に示す投写型表示装置は、照明光学系１０と、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）からなるライトバルブ２０、およびライトバルブ２０により変調された画像情報を担持した光束をスクリーン４０上に投写する投写レンズ３０とを備えている。
【００２２】
ここで、照明光学系１０は、光源部１、ロッドインテグレータ２、および複数のリレーレンズ３、４、５を備えている。なお、光源部１は、発光源１Ａと、楕円面鏡からなるリフレクタ１Ｂとからなり、照明光は、このリフレクタ１Ｂが構成する楕円面の第２焦点位置（第１焦点位置は発光源１Ａの位置）に配されたロッドインテグレータ２の入射面２Ａ上に収束される。また、光源部１の光軸Ｚ１は、ランプの寿命や特性を良好に維持する観点から重力方向を基準として水平または垂直に配されることが望ましいため、筺体の底面（通常、重力方向に対し垂直に設置される）に対して平行となるように配設されている。
【００２３】
このように構成された投写型表示装置によれば、光源部１から射出された照明光は、ロッドインテグレータ２の側壁面において全反射を繰り返すことにより光束断面内の光量分布の均一化が図られ、リレーレンズ３、４、５を介してライトバルブ２０に照射され、この画像表示面２０Ａに表示された画像情報を担持した状態で、投写レンズ３０に入射し、この投写レンズ３０により、所望の映像がスクリーン４０上に投影される。
【００２４】
ロッドインテグレータ２は、図２に示すように、角柱状のガラスロッドからなり、入射面２Ａから射出面２Ｂに至るまで中実に形成されている。また、入射面２Ａは、その法線が当該ロッドインテグレータ２の光軸Ｚ２に対して角度α２だけ傾くように形成されている。また、この入射面（屈折面）２Ａの両側の媒質の屈折率の比(Ｎair/Ｎglass)が、ｓｉｎα２／ｓｉｎα１となるように設定されている。
【００２５】
これにより、図２に示すように、光源部１からの照明光束の中心光線Ｐ１が、入射面２Ａに対して入射角α１となるように入射せしめれば、ロッドインテグレータ２内に入射した該中心光線Ｐ１は、ロッドインテグレータ２の光軸Ｚ２に沿って射出面２Ｂに到達することになる。この場合の照明光束の取り込み効率は、光入射面が傾いて形成されていない従来のロッドインテグレータを用い、光源部１の光軸Ｚ１とロッドインテグレータの光軸Ｚ２を一致させて、光源部１からの光束をロッドインテグレータに入射させた場合と略同様である。
【００２６】
すなわち、本実施形態のロッドインテグレータ２においては、入射面２Ａの法線がロッドインテグレータ２の光軸Ｚ２に対して傾いて構成されているため、光源部１の光軸Ｚ１に対してロッドインテグレータの光軸Ｚ２を、α１−α２（＝α（偏角）：図１参照）の角度分だけ傾けることが可能となる。このことは、ロッドインテグレータ２の入射面２Ａの傾斜量によって、光源部１の光軸Ｚ１に対してロッドインテグレータ２の光軸Ｚ２を任意に折り曲げることが可能であることを意味する。
【００２７】
したがって、本実施形態の照明光学系および投写型表示装置によれば、光源部１の光軸Ｚ１を重力方向を基準として水平に維持しつつ、照明光学系、特にロッドインテグレータ２の配置の自由度を確保して装置のコンパクト化を図ることができる。
【００２８】
また、上記実施形態のものでは、従来技術のものとは異なり、光源部１からの照明光束の中心光線Ｐ１が、ロッドインテグレータ２の入射面２Ａに対して斜めから入射するように設定されており、この入射面２Ａで反射された照明光束のうち、光源部１への戻り光を大幅に低減させることができ、光源部１の長寿命化を図ることができる。勿論、この入射面２Ａで反射された照明光束のうち、光源部１への戻り光を略無視することができる程度まで低減することが、上記長寿命化の観点からは望ましいので、このような観点からも、光源部１のリフレクタ１Ｂのサイズや形状、さらには光源部１とロッドインテグレータ２の距離を考慮して、ロッドインテグレータ２の入射面２Ａの傾きを設定するように設計することが肝要である。
【００２９】
次に、具体的な光学系の構成を図３（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明する。すなわち、本実施形態の照明光学系は、図３（Ａ）の一部正面図および図３（Ｂ）の一部平面図に示されるように、光源部１０１、ロッドインテグレータ１０２、複数のリレーレンズ１０３、１０４、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）からなるライトバルブ１２０、およびライトバルブ１２０により変調された画像情報を担持した光束をスクリーン上に投写する投写レンズ１３０を備えている点で、図１を用いて説明した構成と同様である。但し、この具体的な構成においては、２つのリレーレンズ１０３、１０４の間に全反射ミラー１６０が配されており、この全反射ミラー１６０により光路が略直角に折り曲げられている点、照明光がＤＭＤ１２０に入射出する位置に入射光と射出光の光路を分離するためのＴＩＲプリズム１５０が設けられている点、投写レンズ１３０に入射した光束の光路は、投写レンズ１３０の内部に設けられた全反射ミラー１３０Ａにより直角に折り曲げられている点、等が明確に示されている。
【００３０】
この結果、光源部１０１の光軸Ｚ１と、投写レンズ１３０のスクリーン側の光軸Ｚ４（投写レンズ１３０のライトバルブ側の光軸Ｚ３に垂直）とは、互いに直交する方向に延びるように構成され、これらの光学系全体を光源部１の光軸Ｚ１を回転軸として左右に回動させることによって、光源部１の光軸Ｚ１は水平方向に維持したまま、投写レンズ１３０の光射出面１３０Ｂから射出する光束の投写方向を任意に設定することが可能となる。
【００３１】
次に、ロッドインテグレータ２の形状の変形例を図４〜６を用いて説明する。
【００３２】
図４に示す、第１の変形例に係るロッドインテグレータ２０２は、図２に示すロッドインテグレータ２とは、射出側に向かうにしたがって断面積が大となるテーパー形状の角柱ロッドとされている点で異なっている。ロッドインテグレータにおいては、入射側は広い角度で光束を取り込む必要があるが、射出側では発散角度が小さいものであることが一般的に望まれる。図４に示す如く構成されたロッドインテグレータ２０２によれば、入射面２０２Ａから射出面２０２Ｂに向かうにしたがって光軸Ｚ２に垂直な断面積が大となるように構成されているので、入射光束は、この内壁面において全反射される度に、光軸Ｚ２に対する角度が小さくなっていくことになる。したがって、上述したように、射出側での光発散角度が小さいものであることが強く望まれる場合に有用である。
【００３３】
なお、入射面２０２Ａにおける、照明光中心光束Ｐ１の入射角β１と屈折角β２との関係は、上記図２の実施形態の入射面２Ａにおける、照明光中心光束Ｐ１の入射角α１と屈折角α２との関係と同様である。
【００３４】
図５に示す、第２の変形例に係るロッドインテグレータ３０２は、図２に示すロッドインテグレータ２とは、射出側に向かうにしたがって断面積が小となるテーパー形状の角柱ロッドとされている点で異なっている。ロッドインテグレータにおいては、入射側からの光束をできるだけ広い範囲で取り込むことが一般的に望まれる。図５に示す如く構成されたロッドインテグレータ３０２によれば、入射面３０２Ａの面積が大となるように構成されているので、上述したように、入射側からの光束をできるだけ広い範囲で取り込むことが強く望まれる場合に有用である。
【００３５】
なお、入射面３０２Ａにおける、照明光中心光束Ｐ１の入射角γ１と屈折角γ２との関係は、上記図２の実施形態の入射面２Ａにおける、照明光中心光束Ｐ１の入射角α１と屈折角α２との関係と同様である。
【００３６】
図６に示す、第３の変形例に係るロッドインテグレータ４０２は、図２に示すロッドインテグレータ２とは、光入射部分は中実のロッド４１０であるものの、その余は側面を反射ミラー４２０で囲むようにした中空状態とされてなるハイブリッドタイプのものである点で異なっている。
【００３７】
このようなハイブリッドタイプのものとされることによって、ライトバルブ表示面と共役の位置関係に設定される射出面４０２Ｂに、塵埃が付着する虞がなくなり、ライトバルブ表示面に塵埃の像が形成されるといった不都合は生じない。また、ロッドインテグレータが中実のロッドのみにより構成される場合は、入射光はロッド内で、光学的全反射によって伝達されることになるため、このロッドインテグレータを保持する保持部がロッド外表面に接触した位置で光の漏れが生じてしまい、保持部接触領域はピンポイントとされている。したがって、保持強度の面で問題があるが、ハイブリッドタイプのものでは、ミラーの内壁面で光反射が行われるので、ミラーの外壁面の広い領域で保持部を接触させても光の漏れ等の問題は生ぜず保持強度を良好なものとすることができる。
【００３８】
なお、入射面４０２Ａにおける、照明光中心光束Ｐ１の入射角δ１と屈折角δ２との関係は、上記図２の実施形態の入射面２Ａにおける、照明光中心光束Ｐ１の入射角α１と屈折角α２との関係と同様である。
【００３９】
なお、本発明に係る照明光学系およびこれを備えた投写型表示装置としては、上述したものに限られるものではなく種々の態様の変更が可能であり、例えばレンズの構成、形状、配設位置を適宜変更することが可能である。
【００４０】
また、上記実施形態においては、光源部の光軸が重力方向を基準として水平となるように配設されているが、光源部の光軸の配設方向としてはこれに限られるものではなく、重力方向を基準として垂直（筺体の底面に対して垂直）に配設されていても良いし、その他の方向に配設されていても良い。
【００４１】
また、この光源部のリフレクタの形状は楕円面鏡に限られるものではなく、これに替えて、例えば、放物面鏡と集光レンズを組み合わせたものとしてもよい。また、光源部をリフレクタを用いないＬＥＤアレイ光源などから構成することも可能である。
【００４２】
また、ライトバルブとしては、ＤＭＤに限られるものではなく、透過型または反射型の液晶表示素子を用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態に係る投写型表示装置の概略図
【図２】本発明の実施形態に係る照明光学系のロッドインテグレータを示す概略図
【図３】本発明の実施形態に係る照明光学系の具体的な態様を示す一部正面図（Ａ）および一部平面図（Ｂ）
【図４】第１の変形例に係るロッドインテグレータを示す概略図
【図５】第２の変形例に係るロッドインテグレータを示す概略図
【図６】第３の変形例に係るロッドインテグレータを示す概略図
【符号の説明】
【００４４】
１、１０１      光源部
１Ａ      発光源
１Ｂ      リフレクタ
２、１０２、２０２、３０２、４０２      ロッドインテグレータ
２Ａ、２０２Ａ、３０２Ａ、４０２Ａ            入射面
２Ｂ、２０２Ｂ、３０２Ｂ、４０２Ｂ            射出面
３、４、５、１０３、１０４      リレーレンズ
１０      照明光学系
２０、１２０      ライトバルブ
２０Ａ      画像表示面
３０、１３０      投写レンズ
４０      スクリーン
１３０Ａ、１６０      全反射ミラー
１３０Ｂ      光射出面
１５０      ＴＩＲプリズム
Ｚ１〜Ｚ４      光軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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