(57)【要約】【課題】  投射型画像表示装置を提供する。【解決手段】  照明ユニット、照明ユニットから入射された光を画像データに合せて変調する光変調素子、光変調素子から出射された光を拡大投射する投射光学系を含み、照明ユニットは、少なくとも一つの光源と、光源から出射する光のうち投射光学系から有効に投射されうる出射角度範囲を外れた光の少なくとも一部を投射光学系から有効に投射されうる出射角度範囲に変換して出力する光リサイクリング手段とを含む。【選択図】      図３
2004295123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明ユニット、前記照明ユニットから入射された光を画像データに合せて変調する光変調素子、前記光変調素子から出射された光を拡大投射する投射光学系を含み、
前記照明ユニットは、
少なくとも一つの光源と、
前記光源から出射する光のうち前記投射光学系から有効に投射されうる出射角度範囲を外れた光の少なくとも一部を前記投射光学系から有効に投射されうる出射角度範囲に変換して出力する光リサイクリング手段とを含む投射型画像表示装置。
【請求項２】
前記光源は、発光ダイオードを含むことを特徴とする請求項１に記載の投射型画像表示装置。
【請求項３】
前記光源は、多数の発光ダイオードが備わった発光ダイオードアレイを含むことを特徴とする請求項２に記載の投射型画像表示装置。
【請求項４】
前記光源は、有機ＥＬを含むことを特徴とする請求項１に記載の投射型画像表示装置。
【請求項５】
前記光リサイクリング手段は、
前記光源から入射された光を前記光変調素子側に伝播させるものであって、伝播される光の伝播角度を変換させる光角度変換器が備わったインテグレータと、
前記インテグレータの出光側に設けられるものであって、光の入射角度によって選択的透過または反射させる光角度選択器とを含むことを特徴とする請求項１ないし４のうち何れか一項に記載の投射型画像表示装置。
【請求項６】
前記インテグレータは、全反射角度を利用してその内部に光を伝播させる平板状の導光板を含み、
前記光源は、前記導光板の少なくとも一側面に光を投射することを特徴とする請求項５に記載の投射型画像表示装置。
【請求項７】
前記光角度変換器は、前記導光板の出光面とそれに対向する面のうち少なくとも何れか一面に設けられる散乱パターンを含むことを特徴とする請求項６に記載の投射型画像表示装置。
【請求項８】
前記光角度変換器は、前記導光板の出光面とそれに対向する面のうち少なくとも何れか一面に設けられる回折パターンを含むことを特徴とする請求項６に記載の投射型画像表示装置。
【請求項９】
前記インテグレータは、その内壁に光を反射させる反射面が備わった中空角柱状のライトトンネルを含み、
前記光源は、前記ライトトンネルの一側端部に光を放射することを特徴とする請求項５に記載の投射型画像表示装置。
【請求項１０】
前記光角度変換器は、前記ライトトンネルの前記光源と対向する側端部に設けられることを特徴とする請求項９に記載の投射型画像表示装置。
【請求項１１】
前記インテグレータは、光透過性材質で形成される角柱状の導光管を含み、
前記光源は、前記導光管の一側端部に光を放射することを特徴とする請求項５に記載の投射型画像表示装置。
【請求項１２】
前記光角度変換器は、前記ライトトンネルの前記光源と対向する側端部に設けられることを特徴とする請求項１１に記載の投射型画像表示装置。
【請求項１３】
前記光角度選択器は、
前記インテグレータを出射する光のうち前記投射光学系から有効に投射されうる出射角度範囲以内の光は透過させ、残りの光は反射させる選択的透過部材を含むことを特徴とする請求項５ないし１２のうち何れか一項に記載の投射型画像表示装置。
【請求項１４】
前記光角度選択器は、
前記光変調素子が一定した偏光方向の光だけを通過させる透過型光学素子である場合、前記光変調素子を通過できる偏光成分の光だけを通過させ、残りは反射させる偏光部材をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の投射型画像表示装置。
【請求項１５】
前記偏光部材は、前記選択的透過部材の出光側に設けられることを特徴とする請求項１４に記載の投射型画像表示装置。
【請求項１６】
前記光角度選択器は、
頂端が前記光変調素子側に向かうプリズムパターンが形成されたプリズムシートをさらに含むことを特徴とする請求項１３または１４に記載の投射型画像表示装置。
【請求項１７】
前記プリズムシートは、前記インテグレータと前記選択的透過部材との間に位置することを特徴とする請求項１６に記載の投射型画像表示装置。
【請求項１８】
前記光角度選択器は、
前記インテグレータと前記プリズムシートとの間に介在されるものであって、その入射角度が０°付近である光は散乱透過させ、残りの光はそのまま透過させる異方性拡散部材をさらに含むことを特徴とする請求項１６に記載の投射型画像表示装置。
【請求項１９】
前記光角度選択器は、
頂端が前記光変調素子側に向かうプリズムパターンが形成されたプリズムシートを含むことを特徴とする請求項５ないし１２のうち何れか一項に記載の投射型画像表示装置。
【請求項２０】
前記光角度選択器は、
前記インテグレータと前記プリズムシートとの間に介在されるものであって、その入射角度が０°付近である光は散乱透過させ、残りの光はそのまま透過させる異方性拡散部材をさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の投射型画像表示装置。
【請求項２１】
前記光角度選択器は、
前記光変調素子が一定した偏光方向の光だけを通過させる透過型光学素子である場合、前記光変調素子を通過できる偏光成分の光だけを通過させ、残りは反射させる偏光部材をさらに含むことを特徴とする請求項１９または２０に記載の投射型画像表示装置。
【請求項２２】
照明ユニット、前記照明ユニットから入射された光を画像データに合せて変調する透過型光変調素子、前記透過型光変調素子から出射された光を拡大投射する投射光学系を含み、
前記照明ユニットは、
全反射角度を利用して光をその内部に伝播させるものであって、その出光面とそれに対向する面のうち少なくとも何れか一面にはその内部に伝播される光の伝播角度を変換させる光角度変換器が設けられた導光板と、
前記導光板の少なくとも一側面に光を投射する少なくとも一つの光源と、
前記導光板を出射する光のうち前記投射光学系から有効に投射されうる角度範囲の光を通過させ、残りは前記導光板に戻らせる選択的透過部材と、を含むことを特徴とする投射型画像表示装置。
【請求項２３】
前記光源は、多数の発光ダイオードが備わった発光ダイオードアレイを含むことを特徴とする請求項２２に記載の投射型画像表示装置。
【請求項２４】
前記照明ユニットは、
前記導光板と選択的透過部材との間に位置するものであって、前記頂端が前記液晶パネル側に向かうプリズムパターンが形成されたプリズムシートをさらに含むことを特徴とする請求項２２または２３に記載の投射型画像表示装置。
【請求項２５】
前記照明ユニットは、
前記導光板と前記プリズムシートとの間に介在され、前記プリズムシートの全反射角以内の角度に入射される光は散乱透過させ、残りの光はそのまま透過させる異方性拡散部材をさらに含むことを特徴とする請求項２４に記載の投射型画像表示装置。
【請求項２６】
前記照明ユニットは、
前記選択的透過部材の一側に設けられるものであって、偏光方向が前記光変調素子を通過できる光だけを通過させ、残りは反射させる偏光部材をさらに含むことを特徴とする請求項２２ないし２５のうち何れか一項に記載の投射型画像表示装置。
【請求項２７】
照明ユニット、前記照明ユニットから入射された光を画像データに合せて変調する反射型光変調素子、前記照明ユニットから入射された光を前記反射型光変調素子に集光させる照明光学系、前記反射型光変調素子から出射された光を拡大投射する投射光学系を含み、
前記照明ユニットは、
少なくとも一つの光源と、
前記光源から入射された光を前記反射型光変調素子側に伝播させるものであって、伝播される光の伝播角度を変換させる光角度変換器が備わったインテグレータと、
頂端が前記光変調素子側に向かうプリズムパターンが形成されたプリズムシートと、を含むことを特徴とする投射型画像表示装置。
【請求項２８】
前記光源は、多数の発光ダイオードが備わった発光ダイオードアレイを含むことを特徴とする請求項２７に記載の投射型画像表示装置。
【請求項２９】
前記インテグレータは、その内壁に光を反射させる反射面が備わった中空角柱状のライトトンネルを含み、
前記光源は、前記ライトトンネルの一側端部に光を放射することを特徴とする請求項２７または２８に記載の投射型画像表示装置。
【請求項３０】
前記インテグレータは、光透過性材質で形成される角柱状の導光管を含み、
前記光源は、前記導光管の一側端部に光を放射することを特徴とする請求項２７または２８に記載の投射型画像表示装置。
【請求項３１】
前記照明ユニットは、
前記インテグレータと前記プリズムシートとの間に介在されるものであって、前記プリズムシートの全反射角以内の角度に入射される光は散乱透過させ、残り光はそのまま透過させる異方性拡散部材をさらに含むことを特徴とする請求項２７ないし３０のうち何れか一項に記載の投射型画像表示装置。
【請求項３２】
前記照明ユニットは、
前記プリズムシートの一側に設けられて、前記投射光学系から有効に投射されうる角度範囲の光を通過させ、残りは前記インテグレータに戻らせる選択的透過部材をさらに含むことを特徴とする請求項３１に記載の投射型画像表示装置。
【請求項３３】
プリズムと、
前記プリズムの一側に位置する投射光学系と、
第１側と第２側とを有し、前記第１側は前記プリズムの入光側に位置する多数の液晶パネルと、
前記多数の液晶パネルの前記第１側に位置する多数の照明ユニットとを含み、前記照明ユニットは、
導光板と、
前記導光板の一側面に光を照射する少なくとも一つの光源と、
前記導光板の下面に設けられる光角度変換器と、
前記光角度変換器の下側に位置する反射板と、
前記導光板の上側に位置する選択的透過部材とを含むことを特徴とする投射型画像表示装置。
【請求項３４】
前記照明ユニットは、前記導光板の前記光源周囲に位置する少なくとも一つの反射板をさらに備え、前記少なくとも一つの反射板は、前記光源から放出された光を反射させて前記導光板の一側面に入射させることを特徴とする請求項３３に記載の投射型画像表示装置。
【請求項３５】
前記光源は、発光ダイオードを含むことを特徴とする請求項３３に記載の投射型画像表示装置。
【請求項３６】
前記光源は、多数の発光ダイオードを備えた発光ダイオードアレイを含むことを特徴とする請求項３３に記載の投射型画像表示装置。
【請求項３７】
前記照明ユニットは、前記選択的透過部材の一側に位置する偏光板をさらに備えることを特徴とする請求項３３に記載の投射型画像表示装置。
【請求項３８】
プリズムと、
前記プリズムの出光側に位置する投射光学系と、
第１側と第２側とを有し、前記第１側は前記プリズムの入光側に位置する多数の液晶パネルと、
前記多数の液晶パネルの前記第１側に位置する多数の照明ユニットとを含み、前記照明ユニットは、
導光板と、
前記導光板の一側面に光を照射する少なくとも一つの光源と、
前記導光板の前記光源周囲に位置し、前記光源から放出された光を反射させて前記導光板の一側面に入射させる少なくとも一つの反射板と、
前記導光板の下面に設けられる光角度変換器と、
前記光角度変換器の下側に位置する反射板と、
前記導光板の上側に位置する選択的透過部材と、
前記選択的透過部材の一側に位置する偏光板とを含むことを特徴とする投射型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は画像を拡大投射して表示する投射型画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、液晶パネルなどの光変調素子によって変調された画像を拡大投射して画像を表示する投射型画像表示装置が広く普及されている。
【０００３】
図１は、従来の投射型画像表示装置の一例を示す構成図である。図１には、光変調素子である液晶パネル２０と、この液晶パネル２０に光を照射する照明ユニット１０、及び変調された画像を拡大投射する投射レンズ４０が示されている。
【０００４】
投射型画像表示装置は、カラー画像表示のために赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）画像に各々対応して３個の液晶パネル２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂを備える。３０は、液晶パネル２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂによって各色相の画像に対応するように変調された光を合成して投射レンズ４０に照射する色合成プリズムを表す。
【０００５】
照明ユニット１０は、光源１、インテグレータ３、コンデンサレンズ４、多数のミラー５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ，６、及び多数のリレーレンズ７，８で構成される。
【０００６】
光源１は、メタルハライドランプや超高圧水銀ランプを使用し、平行光を得るために放物鏡面を有する反射鏡２の焦点に位置する。インテグレータ３は、液晶パネル２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂを均一に照明するために使われるものであって、一般的には微小レンズを２次元アレイ化した２枚のフライアイレンズを使用する。インテグレータ３を通過した光は、コンデンサレンズ４によって集束される。ミラー５Ｒ，５Ｇ，５Ｂは各々Ｒ、Ｇ、Ｂを反射させ、残りは透過させる選択的反射ミラーである。ミラー５Ｒ，５Ｇ，５Ｂを通過しつつ光はＲ、Ｇ及びＢに分離されてリレーレンズ７，８を通過して液晶パネル２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂに各々入射される。液晶パネル２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂは、入射された光を変調して各々Ｒ、Ｇ、Ｂ画像に該当する原色画像を出力する。各液晶パネル２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂから出力される光は、色合成プリズム３０によって合成されて投射レンズ４０を通じて拡大投射される。
【０００７】
しかし、このような従来の投射型画像表示装置で光源として使われるランプは、その寿命がせいぜい数千時間程度である。したがって、家庭用として使われる場合にランプを頻繁に交換しなければならない不便さがある。また、光源装置が大型化される問題点がある。このような問題を解決するために特許文献１に開示されたように、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として使用することによって長寿命化を図っている。
【０００８】
しかし、ＬＥＤを光源として使用する場合には、レンズを利用する照明光学系の原理的な制約によって集光効率が低下される問題点がある。図２Ａと図２Ｂとを参照しつつこれをさらに詳細に説明する。
【０００９】
近軸領域では、像のサイズと角度との積が保存される。したがって、照明ユニットではＬＥＤの発光面積と発光角度の立体角との積が保存量となり、これをエテンデューという。この保存量が液晶パネルの面積と投射レンズのＦ値から計算される立体角の積より小さな場合に集光効率が高まる。
【００１０】
図２Ａに示されたように、一つのＬＥＤを使用する場合、ＬＥＤの発光面積ΦＬと立体角ＵＬとの積は、液晶パネルの発光面積ΦＰと立体各ＵＰとの積と同じにできる。
【００１１】
しかし、一つのＬＥＤだけでは発光量が不足であって特許文献１に開示されように多数のＬＥＤをアレイ化して使用する。この場合、図２Ｂに示されたようにＬＥＤアレイの発光面積ΣΦＬが一つのＬＥＤを使用する場合の発光面積ΦＬより広くなる。この時、ＬＥＤ及びＬＥＤアレイの発光角度の立体角ＵＬが同一であり、液晶パネルの面積ΦＰは同一である。したがって、エテンデューが保存されるためにはＬＥＤアレイを使用する場合に液晶パネルの発光角度の立体角ＵＰ’は一つのＬＥＤを使用する場合に比べて大きくなる。したがって、図２Ｂに示されたような損失が発生して集光効率を低下させ、結果的に投射型画像表示装置の輝度が低下する。
【００１２】
ここで、集光効率は、単純に光変調素子を照明するための効率ではない。集光効率は、光変調所から出射される光の出射角度が投射レンズによって有効に投射されうる角度範囲以内になるように光変調素子を照明するための効率である。
【特許文献１】特開平９−０８０４３３号公報
【特許文献２】特開平１２−２７５７３２号公報
【特許文献３】特開２００１−４２４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は前記問題点を解決するために創出されたものであって、寿命が長い小型光源を使用しつつ高い集光効率を得られるように改善された照明ユニットを備えた投射型画像表示装置を提供するところにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成するための本発明の投射型画像表示装置は、照明ユニット、前記照明ユニットから入射された光を画像データに合せて変調する光変調素子、前記光変調素子から出射された光を拡大投射する投射光学系を含み、前記照明ユニットは、少なくとも一つの光源と、前記光源から出射する光のうち前記投射光学系から有効に投射されうる出射角度範囲を外れた光の少なくとも一部を前記投射光学系から有効に投射されうる出射角度範囲に変換して出力する光リサイクリング手段とを含む。
【００１５】
前記光源は、ＬＥＤまたは多数のＬＥＤが備わったＬＥＤアレイを含むことができ、有機ＥＬを含むことも可能である。
【００１６】
前記光リサイクリング手段は、前記光源から入射された光を前記光変調素子側に伝播させるものであって、伝播される光の伝播角度を変換させる光角度変換器が備わったインテグレータと、前記インテグレータの一側に設けられるものであって、光の入射角度によって選択的透過または反射させる光角度選択器とを含む。
【００１７】
ここで、前記インテグレータは、全反射角度を利用してその内部に光を伝播させる平板状の導光板を含み、前記光源は、前記導光板の少なくとも一側面に光を投射するように設置されることが望ましい。この時、前記光角度変換器は、前記導光板の出光面とそれに対向する面のうち少なくとも何れか一面に設けられる散乱パターンまたは回折パターンを含むことが望ましい。
【００１８】
また、前記インテグレータは、その内壁に光を反射させる反射面が備わった中空角柱状のライトトンネルを含むことができ、ライトトンネルの代りに光透過性材質で形成される角柱状の導光管を備えることも可能である。この場合、前記光源は、前記ライトトンネルまたは導光管の一側端部に光を放射するように設置されることが望ましい。また、前記光角度変換器は、前記ライトトンネルまたは前記導光管の前記光源と対向する側端部に設けられることが望ましい。
【００１９】
前記光角度選択器は、前記インテグレータを出射する光のうち前記投射光学系から有効に投射されうる出射角度範囲以内の光は透過させ、残りの光は反射させる二色光学素子を含み、頂端が前記光変調素子側に向かうプリズムパターンが形成されたプリズムシートをさらに含みうる。この場合に、前記プリズムシートは、前記インテグレータと前記選択的透過部材との間に位置することが望ましく、前記インテグレータと前記プリズムシートとの間に介在されるものであって、その入射角度が０°付近である光は散乱透過させ、残りの光はそのまま透過させる異方性拡散部材をさらに含むことが望ましい。
【００２０】
前記光角度選択器は、前記光変調素子が一定した偏光方向の光だけを通過させる透過型光学素子である場合、前記光変調素子を通過できる偏光成分の光だけを通過させ、残りは反射させる偏光部材をさらに含むことができ、この時、前記偏光部材は、前記選択的透過部材の一側に設けられることが望ましい。
【００２１】
この時、前記光角度選択器は、頂端が前記光変調素子側に向かうプリズムパターンが形成されたプリズムシートを含み、前記インテグレータと前記プリズムシートとの間に介在されるものであって、その入射角度が０°付近である光は散乱透過させ、残りの光はそのまま透過させる異方性拡散部材をさらに含むことが望ましい。前記光変調素子が一定した偏光方向の光だけを通過させる透過型光学素子である場合には、前記光変調素子を通過できる偏光成分の光だけを通過させ、残りは反射させる偏光部材をさらに含むことも可能である。
【００２２】
本発明の他の特徴による投射型画像表示装置は、照明ユニット、前記照明ユニットから入射された光を画像データに合せて変調する透過型光変調素子、前記透過型光変調素子から出射された光を拡大投射する投射光学系を含み、前記照明ユニットは、全反射角度を利用して光をその内部に伝播させるものであって、その出光面とそれに対向する面のうち少なくとも何れか一面にはその内部に伝播される光の伝播角度を変換させる光角度変換器が設けられた導光板と、前記導光板の少なくとも一側面に光を投射する少なくとも一つの光源と、前記導光板を出射する光のうち前記投射光学系から有効に投射できる角度範囲の光を通過させ、残りは前記導光板に戻らせる選択的透過部材とを含む。
【００２３】
本発明のさらに他の特徴による投射型画像表示装置は、照明ユニット、前記照明ユニットから入射された光を画像データに合せて変調する反射型光変調素子、前記照明ユニットから入射された光を前記反射型光変調素子に集光させる照明光学系、前記反射型光変調素子から出射された光を拡大投射する投射光学系を含み、前記照明ユニットは、前記光源から入射された光を前記反射型光変調素子側に伝播させるものであって、伝播される光の伝播角度を変換させる光角度変換器が備わったインテグレータと、前記インテグレータの一側端部に光を放射する少なくとも一つの光源と、頂端が前記光変調素子側に向かうプリズムパターンが形成されたプリズムシートとを含む。
【発明の効果】
【００２４】
本発明による投射型画像表示装置によれば、次のような効果を得られる。
【００２５】
第一に、光源から放射された光のうち投射光学系によって有効に投射できない光は光リサイクリング過程を経て再使用されるので、損失される光が大幅減少されて集光効率が向上し、さらに明るい画像を得られる。
【００２６】
第二に、レンズを使用する照明光学系の原理的な側面に起因する集光効率の低下を防止することによって光源として寿命が長いＬＥＤ、ＬＥＤアレイ、有機ＥＬなどの小型光源を使用できて光源を頻繁に交換しなければならない不便さを減らすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、添付した図面を参照しつつ本発明の望ましい実施例を詳細に説明する。
【００２８】
図３は、本発明による投射型画像表示装置の一実施例を示す構成図である。本実施例の投射型画像表示装置は、照明ユニットから照射された光を変調して出力する光変調素子として透過型光変調素子を使用するカラー画像表示装置である。
【００２９】
図３を見れば、本実施例による投射型画像表示装置は、透過型光変調素子の液晶パネル２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂ、この液晶パネル２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂを照明するための３つの照明ユニット１００、各液晶パネル２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂによって変調された３色の光を合成する色合成プリズム３００、及び合成された光を拡大投射する投射光学系４００を含む。液晶パネル２００Ｒ，２００Ｇ，２００Ｂは各々、Ｒ、Ｇ、Ｂ光を変調するためのものである。投射型画像表示装置に使われる液晶パネル２００は、通常そのサイズが横、縦各々１インチ程度の小型液晶パネルである。
【００３０】
図４は、図３に示された照明ユニットの一実施例を示す断面図である。図４を参照するに、照明ユニット１００は、光源１１０と光リサイクリング手段を含み、光リサイクリング手段は、導光板１２０と光角度変換器１３０を含むインテグレータ１５０、及び選択的透過部材１４０を含む。
【００３１】
光源１１０としては、ＬＥＤ、多数のＬＥＤをアレイ化したＬＥＤアレイ、有機ＥＬ素子などの小型光源が使われる。導光板１２０は、全反射角度を利用して光を伝播させるものであって、液晶パネル２００を照明する場合には光透過性材料で形成される平板状のものが一般的である。光源１１０は、導光板１２０の少なくとも一側面に光を照射する。本実施例では、導光板１２０の両側面に光源１１０が設置されているが、これにより本発明の範囲が限定されるものではない。光源１１０の周囲には反射板１１２が設けられることが望ましい。反射板１１２は、光源１１０から放射された光を反射させて導光板１２０に入射させる。また、反射板１１２は、導光板１２０から出射された光を再び導光板１２０に入射させる。導光板１２０の下面１２１には導光板１２０内部に伝播される光の伝播角度を変換させる光角度変換器１３０が設けられる。光角度変換器１３０は、入射される光を散乱させる散乱パターンでも、光を回折させる回折パターンでも可能である。光角度変換器１３０は、光源１１０側に近くなるほど間隙があり、遠ざかるほど稠密に分布されるように形成されうる。光角度変換器１３０は、導光板１２０の下面１２１に設けられ、上面１２２と下面１２１ともに設けられることもある。本実施例では導光板１２０の下面１２１に設けられる。導光板１２０の下側には光角度変換器１３０によって散乱または回折されて導光板１２０の下面１２１に出射する光を反射させて導光板１２０に再入射させる反射板１３１がさらに備わりうる。この反射板１３１は、入射角度が所定の角度範囲以内である光はそのまま反射させ、残りの光は散乱反射させるように設けられることもある。
【００３２】
選択的透過部材１４０は、導光板１２０の出光面である上面１２２側に設置される。選択的透過部材１４０は、導光板１２０から出射される光のうちその出射角度が所定の角度範囲以内である光は通過させ、残りは反射させて導光板１２０に再入射させる。すなわち、選択的透過部材１４０は、光の入射角度によって選択的反射及び透過特性を有する光学素子であって、投射レンズ４０１から有効に投射されうる角度範囲の光を選択的に通過させる光角度選択器の一例である。図５は、選択的透過部材の光透過及び反射特性を示すグラフである。図５に示されたように特定の入射角度θを中心として反射曲線Ｒと透過曲線Ｔとが交差する。すなわち、選択的透過部材１４０に入射される光の入射角度がθより小さい時にはほとんど透過され、θより大きい時にはほとんど反射される。したがって、θを投射光学系４００から有効に投射される光の入射角度と同一にすれば、導光板１２０から出射される光のうち投射光学系４００によって有効に投射されうる角度範囲の光はほとんど選択的透過部材１４０を通過し、残りは反射されて導光板１２０に戻る。光源１１０として、例えば白色光を放射するＬＥＤが使われる場合には、選択的透過部材１４０はＲ、Ｂ、Ｇ光のうち何れか一つだけを通過させる二色特性を有することが望ましい。
【００３３】
本実施例の光リサイクリング手段は、偏光部材１８０をさらに備えうる。偏光部材１８０は、選択的透過部材１４０の一側に位置することが望ましい。液晶パネル２００は、一般的に特定な偏光方向を有する光だけを利用する。偏光部材１８０は、導光板１２０から出射される光のうち液晶パネル２００で利用されうる偏光方向を有する光を通過させ、残りは反射させて導光板１２０に戻らせる。
【００３４】
次いで、このような構成による作用効果を説明する。
【００３５】
まず、光源１１０から放射された光は、側面を通じて導光板１２０に入射される。入射された光のうち導光板１２０の上面１２２に向かう光は上面１２２に対する入射角が導光板１２０の屈折率から計算される全反射角、すなわち臨界角より大きければ全反射されて導光板１２０の内部に沿って伝播され、入射角が臨界角より小さな光は透過して出光面の導光板１２０の上面１２２に出射する。導光板１２０の下面１２１に入射された光は、光角度変換器１３０によって散乱または回折されてその伝播角度が変換される。この光は、前述した導光板１２０の上面１２２に対する入射角が臨界角との関係によって上面１２２を透過するか、または全反射されて導光板１２０の内部に沿って伝播される。導光板１２０の下面１２１を透過した光は、反射板１３１によって反射または散乱反射されて再び導光板１２０の内部に入射される。このように伝播角度変換と全反射とを反復しつつ上面１２２に対する入射角が臨界角より小さな光は、導光板１２０の上面１２２を透過して出射される。
【００３６】
導光板１２０の上面１２２に出射された光は、選択的透過部材１４０に入射され、選択的透過部材１４０に対する入射角度によって一部は選択的透過部材１４０を透過し、一部は反射される。図５を参照して説明すれば、投射光学系４００から有効に投射される光も一部は通過できずに反射され、投射光学系４００から有効に投射されえない光も一部は通過される。しかし、全体的に見る時、選択的透過部材１４０は、投射光学系４００から有効に投射されうる角度範囲の光を主に通過させ、残りは反射させる。
【００３７】
選択的透過部材１４０によって反射された光は、導光板１２０に再入射されて散乱または回折を経てその伝播角度が変換され、再び選択的透過部材１４０に入射され、投射光学系４００から有効に投射されうる角度範囲の光が主に通過され、残りは反射されて導光板１２０に再入射される。このような光リサイクリング過程を反復することによって、光源１１０から放射された光のうち投射レンズ４０１から有効に投射される光の量は、理論的にほぼ１００％に近接する。すなわち、光源１１０から放射された光のうち投射レンズ４０１から有効に投射されない光は、光リサイクリング過程を経て再使用されるので、損失される光が大幅減少して集光効率が向上する。また、表示される画像の輝度が高まる。
【００３８】
選択的透過部材１４０の一側に偏光部材１８０が備わった場合に、液晶パネル２００を通過できない偏光方向を有する光は反射されて導光板１２０に再入射される。導光板１２０に再入射された光は、光角度変換器１３０で散乱または回折されつつその偏光方向が変わり、導光板１２０から出射される光リサイクル過程を経る。実際に偏光部材１８０を設置すれば、偏光部材１８０を設置していない場合に比べて液晶パネル２００に入射される光量が約１.６倍になることが確認できる。
【００３９】
後述する部材の参照符号は、図３及び図４に示された部材の参照符号と同じである。
【００４０】
図６は、図４に示された照明ユニットの他の実施例を示す断面図である。図６を参照するに、光角度選択器としてプリズムシート１６０が備わっており、プリズムシート１６０の出光側に選択的透過部材１４０がさらに備わっている。また、選択的透過部材１４０の出光側には偏光部材１８０がさらに備わりうる。プリズムシート１６０は、多数の微小プリズムパターンが配列されたものであって、導光板１２０の上側に設けられる。プリズムシート１６０の屈折率は、空気の屈折率より大きいことが望ましい。
【００４１】
図７は、プリズムシート１６０の作用を示す図面である。図７を見れば、導光板１２０の上面１２２から出射される光がプリズムパターン１６１の下辺１６２を透過しつつ屈折される。プリズムシート１６０の屈折率は空気の屈折率より大きいので、透過角θ２は入射角θ１より小さくなる。プリズムパターン１６１の内部を進んで斜辺１６３を透過する光は再び屈折されるが、この時、斜辺に対する透過角θ４は、斜辺に対する入射角θ３より大きくなる。したがって、全体的にプリズムシート１６０を通過した光のプリズムシート１６０の法線１６４となす角度、すなわち透過角θ５は、入射角θ１より小さくなる。これにより、導光板１２０から出射される光がプリズムシート１６０を通過しつつ集光されて投射光学系４００から有効に投射される光量が増加する。
【００４２】
図８は、プリズムパターン１６１の頂角θ６を４５°とし、屈折率を１.５とした場合に入射角θ１と透過角θ５との関係を示すグラフである。図８を見れば、入射角θ１が約０〜５°範囲の光は、全反射されて導光板１２０に戻る。その以外の光は、ほとんど入射角θ１に比べて透過角θ５が小さくなる。導光板１２０に戻った光は、散乱または回折によってその伝播角度が変換されて再びプリズムシート１６０に入射される光リサイクリング過程を反復する。これにより、投射光学系４００から有効に投射される光量はさらに増加する。
【００４３】
ここで、Ｆ値が２.５である投射光学系４００を使用する場合に、有効な投射角度は約±１２°程度となる。図８で、透過角θ５が約±１２°である入射角θ１の範囲を見れば、約１５〜３８°程度となる。
【００４４】
導光板１２０とプリズムシート１６０との間には光角度選択器であって異方性拡散部材１７０がさらに備わりうる。異方性拡散部材１７０は、光の入射角度によってそのまま透過させるか、または散乱透過させる。プリズムシート１６０に入射される光のうち入射角θ１が０°付近である光は全反射される。導光板１２０とプリズムシート１６０との間に異方性拡散部材１７０を設置すれば、導光板１２０から出射される光のうちその角度が０°付近である光は散乱させて透過し、この以外の光はそのまま透過させる。これにより、プリズムシート１６０から全反射される光量は減少し、結果的にプリズムシート１６０を透過して投射レンズ４０１から有効に投射される光量はさらに増加する。実際に異方性拡散部材１７０を備えた場合には、異方性拡散部材１７０を備えていない場合に比べてプリズムシート１６０を透過した透過角θ５が約±１２°である光が約１.５倍程度に大きくなることが確認できる。
【００４５】
以上で、プリズムシート１６０は光選択器の一例として説明したが、プリズムシート１６０は光角度変換器としても機能する。
【００４６】
選択的透過部材１４０は、プリズムシート１６０を透過した光のうち透過角θ５が投射光学系４００によって有効に投射されうる角度範囲以内の光は通過させ、それ以外の光は反射させて導光板１２０に再入射させる。導光板１２０に再入射された光は、前述した光リサイクリング過程を経て再びプリズムシート１６０を透過して選択的透過部材１４０に入射される。
【００４７】
選択的透過部材１４０の出光側に偏光部材１８０が備わった場合に、液晶パネル２００を通過できない偏光方向を有する光は、反射されて導光板１２０に再入射されて光リサイクル過程を経る。
【００４８】
このような構成によれば、選択的透過部材１４０だけを備えた場合に比べて光源１１０から放出された光のうち投射レンズ４０１から有効に投射される光量をさらに増加させうる。
【００４９】
図９は、本発明による投射型画像表示装置の他の実施例を示す構成図である。本実施例の投射型画像表示装置は、照明ユニットから照射された光を変調して出力する光変調素子であって、反射型光変調素子を使用するカラー画像表示装置である。
【００５０】
図９を見れば、本実施例による投射型画像表示装置は、反射型光変調素子であるＤＭＤ（デジタルマイクロミラー装置）素子２０１、このＤＭＤ素子２０１を照明するための照明ユニット１０１、照明ユニット１０１から出射された光をＤＭＤ素子２０１に集光させる照明レンズ１９０、ＤＭＤ素子２０１によって変調された光を拡大投射する投射光学系４００を含む。ＤＭＤ素子２０１は、反射型光変調素子の一例であって、反射型液晶パネルに代替されうる。
【００５１】
３０１は、ＴＩＲプリズム（Ｔｏｔａｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  Ｐｒｉｓｍ）であって、照明ユニット１０１から入射された光は、境界面３０２で全反射させてＤＭＤ素子２０１側に入射させ、ＤＭＤ素子２０１によって変調された反射された光は、境界面３０２を透過して投射光学系４００に入射させる。
【００５２】
図１０は、図９に示された照明ユニットの一実施例を示す断面図である。図１０を見ると、照明ユニット１０１は光源１１０及び光リサイクリング手段を含み、光リサイクリング手段はインテグレータ１５１及びプリズムシート１６０を含む。
【００５３】
インテグレータ１５１は、光を伝播させるものであって、その内壁に反射面１２５が備わった中空角柱状のライトトンネル１２６を備えうる。またインテグレータ１５１は、ライトトンネル１２６の代りに光透過率が高いガラスまたはプラスチック材質を使用して角柱状に製作される導光管（図示せず）を備えることもある。
【００５４】
光源１１０は、ライトトンネル１２６の一端部側に設置されて光をライトトンネル１２６に放射する。光源１１０の周囲には反射板１１２が設けられることが望ましい。
【００５５】
ライトトンネル１２６の光源１１０と対向する側端部には光角度変換器１３０が設けられる。光角度変換器１３０は、前述したように散乱パターンまたは回折パターンでありうる。
【００５６】
ライトトンネル１２６の一側にはプリズムシート１６０が設けられる。また、ライトトンネル１２６とプリズムシート１６０との間には光の入射角度によってそのまま透過させるか、または散乱透過させる異方性拡散部材１７０がさらに備わることが望ましい。プリズムシート１６０と異方性拡散部材１７０とは、図６で説明したものと同じであるので、重複説明は省略する。
【００５７】
このような構成により、光源１１０から放射された光は、反射面１２５で反射を反復しつつライトトンネル１２６に沿って伝播されて光角度変換器１３０に入射される。光角度変換器１３０で、光は散乱または回折されてその伝播角度が変換された後に異方性拡散部材１７０に入射される。異方性拡散部材１７０は、入射角度が０°付近である光は散乱透過させ、残りはそのまま透過させる。異方性拡散部材１７０を通過した光は、プリズムシート１６０によって集光され、照明レンズ１９０及びＴＩＲプリズム３０１を経てＤＭＤ素子２０１に入射される。ＤＭＤ素子２０１によって変調された光は、投射光学系４００を通じて拡大投射される。プリズムシート１６０を通過できない光は、ライトトンネル１２６に戻って光リサイクリング過程を経た後に再び前記過程を反復する。このような光リサイクリング過程を経ることによって、従来の投射型画像表示装置に比べて光源１１０から放射された光のうち投射光学系４００によって有効に投射される光量が増加する。
【００５８】
プリズムシート１６０を備えた場合の集光効率を検討する。投射光学系４００のＦ値を２.４、ＤＭＤ素子２０１のサイズを０.７９インチ、アスペクト比を１６：９、被照明領域の余裕を５％にすれば、投射側のエテンデューは２５.１となる。一方、照明ユニット１０１から出射される光の角度を約４０°、ライトトンネル１２６の断面積を４.５ｍｍ×７.８ｍｍにすれば、照明ユニット１０１側のエテンデューは２４.５となる。この結果、本実施例によれば、非常に高い効率で集光されることが確認できる。また、異方性拡散部材１７０をさらに備える場合には、集光効率をさらに向上させうる。
【００５９】
図１２は、図１０に示された照明ユニットの他の実施例を示す断面図である。図１２を見れば、プリズムシート１６０の一側に選択的透過部材１４０がさらに備わっている。選択的透過部材１４０は、図４で説明したものと同じであるので、重複説明は省略する。このような構成によれば、プリズムシート１６０を通過した光のうち投射光学系４００から有効に投射されうる角度範囲以外の光は反射されて光リサイクリング過程を経るので、投射光学系４００から有効に投射される光量がさらに増加する。また、反射型光変調素子として透過型液晶パネルを使用する場合には、偏光部材１８０をさらに備えることによって投射光学系４００から有効に投射できる光量をさらに増加させうる。
【００６０】
以上、前述した実施例では、透過型光変調素子を使用する場合と反射型光変調素子を使用する場合とを分けて説明した。しかし、これにより本発明の範囲が限定されるものではない。照明ユニット１００は、図１０に示された反射型光変調素子を使用する投射型画像表示装置にも使われ、照明ユニット１０１は、図３に示された透過型光変調素子を使用する投射型画像表示装置にも使用されうる。
【００６１】
本発明は、前述されて図面に例示されたものによって限定されるものではなく、後述する特許請求の範囲内でさらに多くの変形及び変容例が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、プロジェクションＴＶ、プロジェクターなど画像を拡大投射して表示する投射型画像表示装置に適用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】従来の投射型画像表示装置の一例を示す構成図である。
【図２Ａ】レンズを使用する照明光学系の集光効率を説明する図である。
【図２Ｂ】レンズを使用する照明光学系の集光効率を説明する図である。
【図３】本発明による投射型画像表示装置の一実施例を示す構成図である。
【図４】図３に示された照明ユニットの一実施例を示す断面図である。
【図５】選択的透過部材の光透過及び反射特性を示すグラフである。
【図６】図４に示された照明ユニットの他の実施例を示す断面図である。
【図７】プリズムシートの作用を示す図面である。
【図８】プリズムパターンの入射角と透過角との関係を示すグラフである。
【図９】本発明による投射型画像表示装置の他の実施例を示す構成図である。
【図１０】図９に示された照明ユニットの一実施例を示す断面図である。
【図１１】図９に示された照明ユニットの他の実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１００  照明ユニット
２００  液晶パネル
３００  色合成プリズム
４００  投射光学系
４０１  投射レンズ
【図１】
2004295123.tif 000003
【図２Ａ】
2004295123.tif 000004
【図２Ｂ】
2004295123.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004295123.tif 000009
【図７】
2004295123.tif 000010
【図８】
2004295123.tif 000011
【図９】
2004295123.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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