(57)【要約】【課題】簡単な構成で小型化を実現可能とし、光利用効率の高い照明装置を提供する。【解決手段】本発明の光学素子は、光源と光変調装置との間に配置されるロッド状の光学素子であって、光源の光を入射される端面Ａと、光変調装置に対置され、この光変調装置に対向する位置に出射面Ｂを有する端面Ｆとを備え、端面Ａ及び端面Ｆに連なる上記ロッドの側面ｒ１、及び、端面Ｆの内の出射面（開口部Ｂ）以外の領域ｒ２を光の反射面として構成する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と光変調装置との間に配置されるロッド状の光学素子であって、
上記光源に対置され、上記光源の光が入射される第１の端面と、
上記光変調装置に対置され、上記光変調装置に対向する位置に前記光源の光を射出する出射面を有する第２の端面とを備え、
上記第１の端面から上記第２の端面に連なる上記ロッドの側面、及び、上記第２の端面の内、上記出射面以外の領域が上記光を反射する反射面として構成されてなることを特徴とする、光学素子。
【請求項２】
上記第１の端面の面積が上記第２の端面の面積よりも小さく、上記側面が上記第２の端面から上記第１の端面に向けて先細るようにテーパ状に構成されてなることを特徴とする、請求項１記載の光学素子。
【請求項３】
上記テーパの角度が５°〜１５°であることを特徴とする、請求項２記載の光学素子。
【請求項４】
上記第２の端面における上記出射面以外の領域が上記出射面に対して０°〜１０°又は４０°〜５０°だけ傾斜して構成されてなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかの項に記載の光学素子。
【請求項５】
光源と、
上記光源に対向する位置に上記第１の端面を有する請求項１〜４のいずれかの項に記載の光学素子とを備えたことを特徴とする、照明装置。
【請求項６】
請求項５記載の照明装置と、
上記照明装置から出射された光を変調する光変調装置とを備えたことを特徴とする、投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子及びこの光学素子を備えた照明装置並び投射型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
表示装置の分野では、大型化，高精細化に対するニーズが高く、このような大画面表示を容易に実現できる手段として、従来より液晶プロジェクタやＤＭＤ等の投射型表示装置が知られている。
このような投射型表示装置では、通常、光源とライトバルブとの間に特許文献１に開示されるようなロッドレンズが配されており、ロッドレンズの内面反射を利用して、光源から出射された光の強度をライトバルブ上で均一化するようになっている。
【０００３】
このようなロッドレンズは、図１１に示すように、光源Ｐ側に入射面Ａを有しライトバルブＬＶ側に出射面Ｂを有する四角柱形状の透明部材からなり、側面に設けられた反射膜ｒの内面反射を利用して、光源Ｐから出射された光ＬをライトバルブＬＶへ導くようになっている。
【０００４】
この際、ライトバルブＬＶに対してコリメートされた光を出射するために、ロッドレンズをテーパ形状とし、反射膜ｒの形成されたロッドレンズＱの側面を入射面Ａに対して鈍角に配置する（図１１では、側面部分がＸ軸に対してθａだけ傾斜している）ことが好ましい。この場合、光源Ｐから光軸Ｘに対してθＬだけ傾斜した方向に光Ｌが出射されると、この光Ｌは反射膜ｒに反射されて光の進路を光軸Ｘに平行な方向に修正される。そして、出射面Ｂから光軸Ｘに対して角度θＬ１′（＜θＬ１）をなす方向に出射される。このように出射面Ｂからの出射光をコリメートすることにより、光利用効率を高めることができる。なお、本明細書では、光利用効率を、光源から出射された光の光量に対する、スクリーン上に投影される画像光の光量として定義している。
【０００５】
しかし、ロッドレンズ側面の傾斜角が小さい場合には、このような修正角度が小さく、大きな効果は得られないため、図１１（ｂ）に示すように、ロッドレンズのテーパを大きく（即ち、側面の傾斜角θｂをより大きく）することが望ましい。この場合、光源Ｐから光軸Ｘに対してθＬ１だけ傾斜した方向に出射された光Ｌ１は反射膜ｒにより大きく進路を修正されるため、より光軸Ｘに平行な光を出射することができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１１２０３１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光源Ｐに固体光源を用いる場合、入射面Ａのサイズが大きくなり、ロッドレンズ側面の傾斜角が小さくなる結果、光利用効率が低下する。
また、上記固体光源を用いて図１１（ｂ）に示すように、ロッドレンズのテーパを大きくする場合、ロッドレンズＱのサイズが大きくなり、出射面ＢがライトバルブＬＶよりも大きくなる結果、ロッドレンズＱの出射面Ｂの周縁部から光Ｌ２が漏れて光利用効率が損なわれる。
本発明は、上述の課題に鑑み創案されたもので、光源を大型化した場合にも光利用効率の低下を防止できるようにした、光学素子及びこの光学素子を備えた照明装置並びに投射型表示装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光学素子は、光源と光変調装置との間に配置されるロッド状の光学素子であって、上記光源に対置され、上記光源の光が入射される第１の端面と、上記光変調装置に対置され、上記光変調装置に対向する位置に前記光源の光を射出する出射面を有する第２の端面とを備え、上記第１の端面から上記第２の端面に連なる上記ロッドの側面、及び、上記第２の端面の内、上記出射面以外の領域が上記光を反射する反射面として構成されてなることを特徴とする。
【０００９】
本構成では、光源から第１の端面に入射された光は、内面反射を繰り返しながら光学素子内を伝播し、第２の端面に導かれる。この際、光学素子の出射面に向けて伝播した光は出射面から出射され、光変調装置を照明する。一方、出射面周縁部に向けて伝播した光は反射膜により反射され、再び光学素子内を伝播する。そして、最終的に出射面から出射されて照明に寄与する。
このように、本構成では、第２の端面の周縁部から出射し光変調装置に入射されることなくロスとなる光を再び光学素子内に伝播させることができるため、光利用効率を高めることができる。
なお、このような光学素子は、例えば第１の端面及び出射面以外の領域に反射膜が形成された中実のロッドレンズ、若しくは、内面が上記反射面として構成された中空の導光体として構成される。
【００１０】
また、上記第１の端面の面積を上記第２の端面の面積よりも小さくし、上記側面を上記第２の端面から上記第１の端面に向けて先細るようにテーパ状に構成してもよい。
光学素子の形状をこのようなテーパ形状とした場合、第１の端面から入射した光は側面で反射される際、光の進路をシステム光軸に平行な方向に修正される。このように本構成によれば、光変調装置に向けてコリメートされた光を出射することができるため、本光学素子を投射型表示装置に適用した場合、光利用効率が高く、明るい表示が得られる。なお、システム光軸とは、光学素子を含めた照明装置全体としての出射光軸をいう。
【００１１】
なお、このテーパの角度は５°〜１５°であることが好ましい。これにより、後述の［実施例］の項で説明するように、光利用効率を最も高めることができる。
また、上記第２の端面における上記出射面以外の領域を上記出射面に対して０°〜１０°又は４０°〜５０°だけ傾斜させることが好ましい。これにより、後述の［実施例］の項で説明するように、光利用効率を最も高めることができる。
【００１２】
また、本発明の照明装置は、光源と、上記光源に対向する位置に上記第１の端面を有する上述の光学素子とを備えたことを特徴とする。
本構成によれば、出射面における光の強度の均一な照明光を得ることができる。
また、本発明の投射型表示装置は、上述の照明装置と、上記照明装置から出射された光を変調する光変調装置とを備えたことを特徴とする。
本構成によれば、明るさむらの少ない高品質な表示の得られる投射型表示装置を実現することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
以下、図１〜図３を参照しながら本発明の一実施形態に係る投射型表示装置について説明する。図１は本実施形態の投射型表示装置の全体構成を示す概略図、図２は本投射型表示装置に備えられた光源の一構成例を示す概略斜視図、図３，図４はそれぞれ本投射型表示装置に備えられた光学素子の構造を示す斜視図及び平面図、図５は本投射型表示装置の駆動を説明するための図である。
なお、本投射型表示装置ではシステム光軸をＸ軸としている。また、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の膜厚や寸法の比率などは適宜異ならせてある。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態の投射型表示装置は、それぞれ波長の異なる色光を出射可能な光源２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂと、各光源２０Ｒ〜２０Ｂに対応して設けられたロッド状の光学素子３０Ｒ〜３０Ｂとを有する照明装置１０と、ロッドレンズ３０Ｒ〜３０Ｂから出射された色光をそれぞれ変調してカラー画像を出力する液晶ライトバルブ（光変調装置）４０Ｒ〜４０Ｂと、光変調装置４０Ｒ〜４０Ｂから出力された色画像を合成するダイクロイッククロスプリズム（色合成系）５０と、ダイクロイッククロスプリズム５０から出力された画像光をスクリーン６０に拡大投影する投射光学系６０とを備えて構成されている。なお、各光源２０Ｒ〜２０Ｂ，各ロッドレンズ３０Ｒ〜３０Ｂ，各液晶ライトバルブ４０Ｒ〜４０Ｂはそれぞれ同様の構成を有しているため、以下ではその一つの構成について説明する。
【００１５】
光源２０（２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂ）は、図２に示すように、対応する色光を出射可能な発光素子２（２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ）がプリント基板２０上にアレイ状に複数配置された構成となっている。なお、図２では、１０×７個のＬＥＤ（発光素子）によって一つの光源を構成しているが、ＬＥＤの個数はこれに限定されず、一個の発光素子から構成してもよい。
【００１６】
光学素子３０（３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂ）は、図４に示すように、光源２０とライトバルブ４０（４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂ）との間に介装された中実のロッドレンズとして構成されている。
【００１７】
この光学素子３０は、平面視で（Ｚ軸方向から見て）略台形形状をなし、この台形の平行な二辺の内、短辺に対応する端面（第１の端面）Ａは光源２０から出射される光の入射面として構成されている。また、端面Ａと端面Ｆとに連なるロッドの端面（側面）にはＡｇ等の高反射率の反射膜ｒ１が形成されており、入射面Ａから入射された光を、反射膜ｒ１の内面反射を利用して他端側に導くようになっている。さらに、上記台形の平行な二辺の内、ライトバルブ４０に対置された長辺に対応する端面（第２の端面）ＦにはＡｇ等の高反射率の反射膜ｒ２が形成されており、この端面Ｆの内、ライトバルブ４０に対向する領域には、図３に示すように、矩形の開口部Ｂが形成され光の出射面Ｂとして構成されている。すなわち、本実施形態のロッドレンズ３０では、従来、出射側の端面Ｆの周縁部から出射しライトバルブ４０の照明に寄与しなかった光を、反射膜ｒ２により反射して再び素子３０内に伝播させることで、このような光をリサイクルできるようになっている。
【００１８】
また、本光学素子３０は、反射膜ｒ１の形成された側面が端面Ｆから端面Ａに向けて先細るようにテーパ状に構成されており、反射膜ｒ１で反射される光の進路を、Ｘ軸に平行な方向に修正できるようになっている。このテーパの角度（入射面Ａに垂直な方向に対する上記側面の傾斜角）θは、後述の［実施例］の項で説明するように、５°〜１５°の範囲であることが好ましい。これにより、出射面Ｂからコリメートされた光を出射することができ、光利用効率を最も高めることができる。
【００１９】
なお、端面Ｆにおける出射面Ｂ以外の領域（即ち、反射膜ｒ２の形成された領域）は、図５（ａ）に示すように、出射面Ｂに向けて先細るようにテーパ状に構成されても良い。この場合、テーパの角度αを変化させることで、コリメートの度合いが調整され、光利用効率が変化する。そして、後述の［実施例］の項で説明するように、このテーパ角αを０°〜１０°又は４０°〜５０°の範囲としたときに、光利用効率を最大とすることができる。また、図５（ｂ）に示すように、端面Ｆを曲面形状としてもよく、これによっても、同様の効果が得られる。
【００２０】
光変調装置４０（４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂ）は、例えばアクティブマトリクス型の透過型液晶装置として構成され、光源２０から出射される各色光に対応する画像光を出力するようになっている。なお、光利用効率を高めるために、光変調装置４０と光源２０との間に、光の偏光方向を一方向に揃えるＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）アレイを設けてもよい。
【００２１】
次に、本実施形態の投射型表示装置の動作について図４を用いて説明する。
本投射型表示装置では、光源２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂから順次赤色光，緑色光，青色光が出射されると、各色光はそれぞれロッドレンズ３０Ｒ〜３０Ｂの入射面Ａに入射される。そして、各色光はロッドレンズ３０Ｒ〜３０Ｂ内を伝播して光強度の角度分布を小さくされた後、出射面Ｂから出射される。
【００２２】
つまり、図４に示すように、光源２０からＸ軸に対してθＬ１だけ傾いた方向に入射された光Ｌ１は、ロッドレンズ３０内を伝播した後、反射膜ｒ１により反射される。この際、ロッドレンズ３０の側面がＸ軸に対して傾いて配置されているため、光Ｌ１は反射によってその進路をＸ軸に平行な方向に修正される。そして、端面Ｆ中央部に向けて伝播し、出射面Ｂから、Ｘ軸に対して角度θ′Ｌ１（＜θＬ１）をなす方向に出射される。
【００２３】
一方、光源２０から端面Ｆの周縁部に向けて入射された光Ｌ２は、反射膜ｒ１により反射された後、更に反射膜ｒ２により光源２０側に向けて反射される。そして、光Ｌ２は各発光素子２に備えられた反射板により端面Ｆ中央部に向けて反射され、出射面Ｂからライトバルブ４０に出射される。
そして、上述のように内面反射して端面Ｆ側に伝播した光は出射面Ｂ上で重畳されて光の照度を均一化される。
【００２４】
なお、図４では、説明を簡単にするため、反射回数が一回或いは三回のものを示したが、実際には、光は様々な入射角度で入射されるため、反射が複数回行なわれるものも含まれる。この場合、入射角度が大きい光ほど反射される回数が多くなるが、その分光路を修正される回数も多くなり、出射面Ｂから出射される際には、システム光軸方向に対して平行度の高い光となる。
【００２５】
一方、光変調装置４０は互いに同期したタイミングで駆動され、１フレーム毎に各色光に対応した画像光を出力する。
そして、出力された画像信号ＳＲ，ＳＧ，ＳＢは投射光学系６０によりスクリーン７０上に拡大投影されて合成され、カラー表示が行なわれる。
【００２６】
したがって、本発明の投射型表示装置によれば、光学素子３０の端面Ｆにおいて、出射面Ｂ以外の領域に反射膜ｒ２を形成しているため、端面Ｆ周縁部から出射しライトバルブ４０に入射されることなくロスとなる光を再び素子３０内に伝播させてリサイクルできる。これにより、光利用効率の高い明るい表示が可能となる。
【００２７】
また、光学素子３０の側面がテーパ状になっているため、入射光が側面の反射膜ｒ１で反射される際に、その光の進路をシステム光軸（Ｘ軸）に平行な方向に修正できる。これにより、出射面Ｂから出射される光の角度分布を狭めて、光変調装置４０に対してコリメートされた光を出射できる。
【００２８】
つまり、本光学素子では、反射膜ｒ１の形成されたロッドレンズ側面が光の入射面Ａに対して鈍角に傾いて配置されているため、入射面に対して斜めに入射した色光は、反射膜ｒ１で反射される際に、光の進路をシステム光軸（Ｘ軸）に平行な方向に変換される。仮に、反射膜ｒ１をシステム光軸に平行或いは鋭角に配置した場合、システム光軸に対して交差した方向に出射される光の成分が多くなる。このように出射角度分布が広がると、表示が暗くなりコントラストが低下する虞がある。これに対して、出射角度分布を狭めて光変調装置４０にコリメートされた光を出射可能な本投射型表示装置では、光利用効率を更に高めることができる。
【００２９】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態の投射型表示装置について、図６を用いて説明する。なお、上記第１実施形態と同様の部位については同じ符号を付し、その説明を省略する。
本実施形態の投射型表示装置は、上記第１実施形態における光学素子の構成を変形したものであり、これ以外の構成は上記第１実施形態と全く同様であるため、その説明を省略する。
【００３０】
本実施形態の光学素子は、図６に示すように、内面が反射面とされた中空の導光体として構成されている。つまり、本光学素子は、内面側に反射膜ｒ１有する板材Ｓ１〜Ｓ４を筒状に組み合わせて導光部３１が形成されるとともに、この導光部３１の一端部Ｆ側に、ライトバルブ４０と略同じ大きさの開口部Ｂを有する板材Ｓ５が取り付けられた構造となっている。そして、本光学素子では、導光部３１の他端側（板材５の反対側の開口部）が光の入射面（端面）Ａとされ、板材５中央部の開口部が出射面Ｂとされている。また、板材Ｓ５の内面側には反射膜ｒ２が形成されており、端部Ｆの周縁部に入射した光を反射して再び光学素子内に伝播させるようになっている。さらに、本光学素子では、板材Ａ１〜Ａ４は、入射面Ａ側の端辺に比べて出射面Ｂ側の端面が長い台形形状を有しており、これらの板材Ｓ１〜Ｓ４を筒状に組み合わせることで、端面Ａが端面Ｆよりも小さいテーパ状の導光体が構成されている。
したがって、本実施形態の投射型表示装置でも、上記第１実施形態と同様に、光利用効率の高い明るい表示が可能となる。
【００３１】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上記各実施形態では、光学素子を四角柱形状とした例について説明したが、本発明はこのような形状に限定されない。具体的には、本光学素子を、図７（ａ），図７（ｂ）に示すように、端面（入射面）Ａ或いは端面Ｆに平行な平面で切った断面が円形となるような、中実のロッドレンズ若しくは中空の導光体として構成してもよい。
【００３２】
【実施例】
本発明者らは、本発明の効果を実証するために、本発明に係る投射型表示装置の光利用効率をシミュレーションにより調べた。
【００３３】
［第１実施例］
図８は、図４に示した光学素子３０の構成を基本とし、端面Ｆの開口部Ｂ以外の領域に反射膜ｒ２を形成した構成になっており、光学素子３０側面のテーパ角度θを変化させたときの光利用効率をシミュレーションしたものである。
テーパ角度θを５°〜２０°まで変化させた結果、角度θが５°〜１５°の範囲（特に１０°付近）において光利用効率が最大となることがわかった。
【００３４】
［第２実施例］
図９は、図４に示した光学素子３０の構成（実施構成）を基本とし、実施構成、及び比較構成１のロッドレンズのテーパ角度を５°として、光学素子３０のロッド長を変化させたときの光利用効率をシミュレーションしたものである（曲線Ｅ参照）。
なお、本実施例では、比較のため、上記実施構成において端面Ｆに反射膜ｒ２を設けない場合（比較構成１）と、上記実施構成において光学素子３０側面のテーパ角度θを小さくし端面Ｆの大きさをライトバルブ４０の大きさに一致させた場合（比較構成２）とにおける光利用効率をシミュレーションし、それぞれの結果を曲線Ｃ１，Ｃ２として併記している。
【００３５】
図９に示すように、上記実施構成（曲線Ｅ）では、比較構成１（曲線Ｃ１）に比べて光利用効率が１．５倍程度となっており、反射膜ｒ２による光のリサイクル効果によって、画像の明るさが大きく改善されることがわかる。また、実施構成では、比較構成２（曲線Ｃ２）と比べても光利用効率が高く、光学素子側面のテーパ角度θを大きくして出射面Ｂからコリメートされた光を出射することで、光利用効率が高くなることがわかる。
また、ロッド長が３０ｍｍ以上である場合、上記実施構成，比較構成１，２のいずれにおいても光利用効率に大きな変化は見られず、ロッド長に対して略一定の値を示すことがわかる。したがって、ロッド長を３０ｍｍ程度とすることで、光利用効率を損なうことなく光学系をコンパクトに構成することができる。
【００３６】
［第３実施例］
図１０は、図５（ａ）に示した光学素子３０の構成を基本とし、出射面Ｂ周縁部の出射面Ｂに対する傾斜角度（テーパ角度）αを変化させたときの光利用効率をシミュレーションしたものである。
テーパ角度αを０°〜８０°まで変化させた結果、角度αが０°〜１０°又は４０°〜５０°のときに光利用効率にピークが生じており、テーパ角度αをこのような範囲に設定することで、明るい画像表示が得られることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る投射型表示装置の全体構成図である。
【図２】同、投射型表示装置に備えられる光源の構成を示す図である。
【図３】同、投射型表示装置に備えられる光学素子の斜視図である。
【図４】同、投射型表示装置に備えられる光学素子の平面図である。
【図５】同、光学素子の他の構成例を示す平面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る光学素子の構成を示す図である。
【図７】光学素子の他の構成例を示す斜視図である。
【図８】投射型表示装置の光利用効率のシミュレーション結果である。
【図９】投射型表示装置の光利用効率のシミュレーション結果である。
【図１０】投射型表示装置の光利用効率のシミュレーション結果である。
【図１１】従来の光学素子の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０  照明装置、２０，２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂ  光源、３０，３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂ  ロッドレンズ（光学素子）、４０，４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂ  ライトバルブ（光変調装置）、Ａ  入射面（第１の端面）、Ｂ  出射面、Ｆ  第２の端面
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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