(57)【要約】【課題】  集光用レンズを中空体の開口に実質的に直接取り付けることで中空体内で積分された光を効率的に活用し、高輝度の点光源及び投写用の平行光束を実現する。【解決手段】  投写用光源は、内壁１１ａに光反射処理面が形成されると共に１個の開口１１ｂが形成された球形状の中空体１１と、中空体１１に取り付けられ、中空体１１内に所定波長領域の照明光を供給する複数個の発光素子１２と、開口１１ｂに当接して取り付けられた、開口１１までの距離が焦点位置とされた集光用レンズ１４とを備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内壁に光反射処理面が形成されると共に１個の開口が形成された中空体と、前記中空体に取り付けられ、この中空体内に所定波長領域の照明光を供給する少なくも１個の発光素子と、前記開口に実質的に取り付けられた、該開口までの距離が焦点距離とされた集光用レンズとを備えてなることを特徴とする投写用光源。
【請求項２】
前記開口と前記集光用レンズとの間に一方向の偏光を射出する光学フィルタが介設されていることを特徴とする請求項１記載の投写用光源。
【請求項３】
前記中空体は、内壁形状が球形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の投写用光源。
【請求項４】
前記中空体は一部に先窄まり形状部が形成され、前記開口は前記先窄まり形状部の先端に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の投写用光源。
【請求項５】
前記発光素子は、赤色、緑色及び青色の波長領域の光のいずれか１色又は２色を発光するものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の投写用光源。
【請求項６】
前記発光素子は、白色光を発光するものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の投写用光源。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の投写用光源と、前記開口からの投写光をライトバルブ全面に導くためのインテグレータと、前記インテグレータから出射された投写光を変調して赤色、緑色及び青色に対応する各色毎の光像を生成するライトバルブと、前記ライトバルブで生成された各色の光像が入射される投写レンズとを備えてなる映像投写装置。
【請求項８】
前記投写用光源は、前記インテグレータを構成するそれぞれの単レンズに対向配置されていることを特徴とする請求項７記載の映像投写装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投写用の光を変調して得た光像を投写して映像として表示するための投写用光源及びこれを用いた映像投写装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献には、内面に光反射面が形成された球状容器２に投光口４を設けるとともに、容器に発光部３を収容した投光器１（特許文献の第１図、第２図参照）を利用した測距装置が提案されている。すなわち、特許文献の第３図に示すように、投光器１はカメラ等の前面に設けられている凸レンズ１１の光軸後方に配置されてビーム光を凸レンズ１１へ射出するようになされ、かつ、投光器１の横には、隣接して凸レンズ１２とその光軸後方のライン状の受光素子とからなる受光部８が設けられて、被写体からの反射光の受光位置を検出することで三角測距法を用いて被写体までの距離を算出するものが記載されている。
【特許文献１】特開昭６１−２３０１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献では、その第３図に示されるように投光器１と凸レンズ１１とは所要長だけ離れて配設されており、投光口４から射出される光束のうち、凸レンズ１１へ方向に向かう一部の光束のみが凸レンズ１１で平行な測距用のビーム光として採用され、投光口４から分散した光束は無駄となる。従って、複数の発光部３を設けて高輝度を得るとしてもそのレベルには一定の限界がある。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、集光用レンズを中空体の開口に実質的に直接取り付けることで、中空体内で積分された光を効率的に活用し、高輝度の点光源及び投写用の平行光束を実現する投写用光源及びこれを用いた映像投写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】
【０００５】
請求項１記載の発明は、内壁に光反射処理面が形成されると共に１個の開口が形成された中空体と、前記中空体に取り付けられ、この中空体内に所定波長領域の照明光を供給する少なくも１個の発光素子と、前記開口に実質的に取り付けられた、該開口までの距離が
焦点距離とされた集光用レンズとを備えてなることを特徴とする投写用光源である。
【０００６】
この構成によれば、発光素子より発光された光束（照明光）は中空体の内壁で多重的に反射された後、開口から射出される。開口から射出された光束は、点光源と見なされて、開口を焦点位置とする集光レンズで、全ての光束が効率良く平行光束に変換される。これにより、中空体内で積分された光が効率的に活用されて高輝度の点光源及び投写用の平行光束が得られる。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の投写用光源において、前記開口と前記集光用レンズとの間に一方向の偏光を射出する光学フィルタが介設されていることを特徴とするものである。この構成によれば、一方向の偏光のみを射出させ、それ以外の光を一旦、中空体内部へ戻し、その再帰光を射出させるようにして、所望する偏光成分の光のみを効率的に利用すること、すなわちＰ偏光（又はＳ偏光）の一方の光束を用いることで、ダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムでの光反射特性や光透過特性がより均一化され、照射面に対して輝度むらや色むらのない投写用光源が得られる。また、これにより、従来、液晶プロジェクタで使用されていたＰＢＳアレイ等から構成される偏光変換素子を搭載する必要がなくなり、部品点数の削減が可能となる。
【０００８】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の投写用光源において、前記中空体の内壁形状が球形状であることを特徴とするものである。この構成によれば、発光素子より出射された光束が、内部で多重反射する光積分機能が十分発揮されるので、より均一かつ高光量の光として開口から射出される。
【０００９】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の投写用光源において、前記中空体は一部に先窄まり形状部が形成され、前記開口は前記先窄まり形状部の先端に形成されていることを特徴とするものである。この構成によれば、開口から所要の指向性を有した高光量の光が射出される。
【００１０】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の投写用光源において、前記発光素子は、赤色、緑色及び青色の波長領域の光のいずれか１色又は２色を発光するものである。この構成によれば、光の三原色個々の高輝度の発光部材が得られ、又はそれぞれ２色を合わせた合成色から構成される高輝度の発光部材が得られ、三原色の光源が必要な映像投写装置に用いて好適となる。
【００１１】
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の投写用光源において、前記発光素子が白色光を発光するものである。この構成によれば、高輝度の白色光源を用いる映像投写装置への適用が容易となる。
【００１２】
請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の投写用光源と、前記開口からの投写光をライトバルブ全面に導くためのインテグレータと、前記インテグレータから出射された投写光を変調して赤色、緑色及び青色に対応する各色毎の光像を生成するライトバルブと、前記ライトバルブで生成された各色の光像が入射される投写レンズとを備えてなる映像投写装置である。この構成によれば、高輝度の光源を用いた映像投写装置の提供が可能となる。
【００１３】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の映像投写装置において、前記投写用光源が前記インテグレータに対向配置されているものである。この構成によれば、プロジェクタなどの映像投写装置に使用されるフライアイレンズやロッドインテグレータを採用した照明光学系の製作が可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１記載の発明によれば、開口から射出される光束全てを利用して高輝度の平行光束に変換された投写用光を得ることができる。
【００１５】
請求項２記載の発明によれば所望する偏光成分の光のみを利用することでダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムでの光反射特性や光透過特性がより均一化され、照射面に対して輝度むらや色むらのない投写用光を得ることができる。また、光学フィルタによる偏光の戻り光を利用し、偏光の有効利用を行うことで、従来具備していた偏光変換素子が不要となり、その分、小型化ができる。
【００１６】
請求項３記載の発明によれば、発光素子より出射された光束を、内部で多重反射させて光積分機能を十分発揮させるので、より均一かつ高光量の光を開口から射出させることができる。
【００１７】
請求項４記載の発明によれば、開口から所要の指向性を有した高光量の光を射出させることができる。
【００１８】
請求項５記載の発明によれば、光の三原色個々の高輝度の発光部材を提供できるので、三原色の光源が必要な映像投写装置への適用が容易となる。
【００１９】
請求項６記載の発明によれば、高輝度の白色光源を用いる映像投写装置への適用が容易となる。
【００２０】
請求項７記載の発明によれば、高輝度の光源を用いた映像投写装置の提供が可能となる。
【００２１】
請求項８記載の発明によれば、プロジェクタなどの映像投写装置に使用されるフライアイレンズ又はロッドインテグレータを採用した照明光学系の製作が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の投写用光源の構造を説明する側面断面図で、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれの実施形態である。
【００２３】
図１（ａ）は第１実施形態を示すもので、投写用光源は、球形状の中空体１１、複数の発光素子１２、偏光フィルタ１３及び集光用レンズ１４から構成されている。中空体１１は樹脂製又は金属製等からなり、内壁１１ａには高拡散、高反射率の例えばMgOやBaSO4等の白色拡散反射塗料が塗布（表面処理）されている。なお、内壁１１ａは所要波長領域の光（可視光、例えば赤色光源であれば赤色波長帯の光、緑色光源であれば緑色波長帯の光、青色光源であれば青色波長帯の光、白色光源であれば赤緑青色波長帯を合わせた光）を少なくとも反射可能に処理されたものであればよく、鏡面処理であってもよい。中空体１１の一箇所には所要サイズの円形の開口１１ｂが穿設されている。本投写用光源は後述する映像投写装置（プロジェクタ）に採用される場合、中空体１１の大きさは、プロジェクタの大きさに応じて設計されるものの、一般的には直径が略１センチ(cm)〜数センチ(cm)のものであり、開口は点光源と見なし得る程度の大きさ、例えば数ミリ(mm)である。なお、中空体１１は、例えば半割構造の物として製作することも可能である。
【００２４】
発光素子１２は、ＬＥＤやＬＤ（レーザダイオード）からなり、内壁１１ａに少なくとも１個、好ましくはより高輝度を得るべく所要個数配設されている。図１（ａ）の側面断面図では６個が見えているが、前後、上下、左右位置にそれぞれ所要個数ずつ分配配置することも可能である。発光素子１２への電力供給は中空体１１に穿設した微小孔（図略）を介して配線された電力線で行うように構成されている。発光素子１２は三原色の１つの光を発光するものでもよく、三原色の各色の発光素子を混在させて白色光として発光するものでもよい。発光素子１２の発光面から射出される光束は、内壁１１ａで拡散反射（あるいは鏡面反射）が繰り返し行われて、光積分された後、開口１１ｂから外方へ射出される。
【００２５】
偏光フィルタ１３は板状体で、開口１１ｂに所定角度、本実施形態では直交する面で当接配置されている。この偏光フィルタ１３は、入射光のうち、Ｐ偏光（あるいはＳ偏光）の一方のみを通過させ、他方を反射させる偏光分離光学系としての偏光分離コート面を有するものである。このように、一方向成分の偏光光束を得ることで、映像投写装置の構成部品であるダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムに導かれるとき、より均一な光特性を示すことで、照射面に対して輝度の均一化された光源光を得ることができる。
【００２６】
集光用レンズ１４は偏光フィルタ１３の外面側に当接して配設され、その焦点距離は開口１１ｂの位置に合わされている。この集光用レンズ１４は偏光フィルタ１３で偏光された（点光源から発されたと見なせる）分散光束を光軸方向に屈折させることで、実質的に平行光束に変換するものである。
【００２７】
図１（ｂ）は第２実施形態を示すものであり、第１実施形態と異なる構成は、偏光フィルタ１３を備えない点である。第２実施形態では、集光用レンズ１４１の焦点距離は、開口１１ｂまでの寸法長となり、極めて短いこととなる。集光用レンズ１４１は開口１１ｂに直接当接させてもよいが、全光束が集光用レンズ１４１に導かれるのであれば、微小隙間は実質的に取り付けられたものとなる。
【００２８】
図１（ｃ）は第３実施形態を示すものであり、第１実施形態と異なる構成は、中空体１１１の形状が異なる点である。中空体１１１はその一部が径方向に延設された先窄まり形状（テーパ状）に形成された先窄まり形状部１１１ｃを有し、その先端に円形の開口１１１ｂが形成されている。内壁１１１ａは全て拡散処理（あるいは鏡面処理）されている。第３実施形態では、先窄まり形状部１１１ｃは比較的小さい負曲率を有しているものであるが、中空体１１１の他の部分と同等な曲率（極性は逆）のものでもよく、また曲率０（曲率半径は無限大）であってもよく、さらには多少の正曲率を有するものであってもよい。開口１１１ｂのサイズは第１実施形態と同一であればよい。また、この場合でも、集光用レンズ１４２の焦点距離は、開口１１１ｂまでの寸法長と同一である。なお、側面断面図から判るように発光素子１２の個数が少ないが、個数は、１つでも複数であってもよく、所望の輝度が得られる個数の発光素子が内装されればよい。
【００２９】
図１（ｄ）は第４実施形態を示すものであり、第１実施形態と異なる構成は、発光素子１２の配設構造の点である。すなわち、第４実施形態は、中空体１１２の適所（図１（ｄ）では４個が見えている）で肉厚方向に所要大の貫通孔１１２ｄを形成し、この貫通孔１１２ｄ内に、発光面を内方にして発光素子１２を埋設したものである。この構成であれば、発光素子１２自体が障害とならない分、光拡散、反射がより効率的に行われ、かつ発光素子の取付け作業が容易となり、また不良の発光素子の交換も可能となる。さらに、同様な理由により、発光素子１２を中空体１１２の表面側に取り付け、取付け位置に貫通孔を穿設して、発光素子１２からの射出光が中空体１１２内に供給されるようにしてもよい。
【００３０】
なお、第１〜第４実施形態において、偏光フィルタ１３、集光用レンズ１４（１４１）は中空体１１（１１１，１１２）と一体構成としてもよいが、当接構造とし、個々に交換可能としてもよい。
【００３１】
図２は、図１（ｂ）に示す投写用光源が適用される映像投写装置の一実施形態を示す光学系の概略構成図で、投写用光源１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂは、それぞれ赤色、緑色及び青色の光を発するものである。
【００３２】
映像投写装置２０は、単板式の液晶プロジェクタで、光源側から順に、一対のフライアイレンズからなるインテグレータレンズ２１、集光用レンズ２２、コンデンサレンズ２３、液晶ライトバルブ２４及び投写レンズ２５から構成されている。なお、図では各色の光源１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂが１個ずつ代表的に示されているが、実際にはフライアイレンズは単一の凸レンズがマトリクス状に規則配列されており、各単一の凸レンズに対応して投写用光源１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂがそれぞれ所定の配列で対応配置されている。これにより、各単一の凸レンズからの光束が同一の照射面に重なり合うような照明光学系が実現されている。
【００３３】
インテグレータレンズ２１は対向する個々の単レンズ対によって光源１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂから射出された各色の光束をそれぞれ液晶ライトバルブ２４の全面を照射するように導くものである。集光用レンズ２２はインテグレータレンズ２１を通過した光束を液晶ライトバルブ２４のバルブ面に全面に導くべく、透過する光束に所要の絞りをかけるものであり、コンデンサレンズ２３は入射光束を液晶ライトバルブ２４のバルブ面に正確に導くものである。液晶ライトバルブ２４は、図では示していないが、赤色、緑色及び青色の各色画像データで対応する各色の照明光に対するバルブ動作を行うものである。簡単に説明すれば、赤色、緑色及び青色の各色画像データは予め画像データ記憶部（図略）に記憶されており、画像データ記憶部から画像読出手段（図略）によって各色毎の画像データが所定の高速周期で順番に繰り返し読み出され（動画表示の場合には経時方向に記憶された画像データを経時方向に各色毎に順番に高速読み出しされる）、この各色の画像データの読み出しに同期して、液晶ライトバルブ２４が駆動されると共に、対応する色の投写用光源のみが点灯されるようにオン、オフ切り替えされている。液晶ライトバルブ２４を通過した各色の光像は投写レンズ２５を経て、図略のスクリーンに投影される。
【００３４】
図３は、図１（ｂ）に示す投写用光源が適用される映像投写装置の他の実施形態を示す光学系の概略構成図である。投写用光源１０は、内部に赤色、緑色及び青色の発光素子が所要個数ずつ内装されて、それぞれ同一の白色光を発するものである。
【００３５】
映像投写装置３０は、３板式のカラー液晶プロジェクタで、光源側から順に、一対のフライアイレンズからなるインテグレータレンズ３１、集光用レンズ３２を備えると共に、その下流側には、各色毎の光学系が併設されている。
【００３６】
すなわち、集光用レンズ３２の光軸に対して４５度傾斜配置されたダイクロイックミラー３３は赤色及び緑色の光を反射させ、青色の光を透過させるものである。ダイクロイックミラー３５は同様に光軸に対して４５度傾斜して配置され、緑色の光を反射させ、赤色の光を透過させるものである。全反射ミラー３４は青色の光を９０度反射させてコンデンサレンズ３８及び液晶ライトバルブ３９に導くものである。ダイクロイックミラー３５で反射された緑色の光はコンデンサレンズ４０及び液晶ライトバルブ４１に導かれるようになっている。全反射ミラー３６、３７は赤色の光をそれぞれ９０度ずつ反射させてコンデンサレンズ４２及び液晶ライトバルブ４３に導くものである。この構成により、青色の投写光が液晶ライトバルブ３９に照射され、緑色の投写光が液晶ライトバルブ４１に照射され、赤色の投写光が液晶ライトバルブ４３に照射される。なお、光路長が相対的に大きな色の光軸上には所要の光量を確保するためのリレーレンズ系が適宜採用可能である。
【００３７】
ダイクロイックプリズム４４は互いに交差する２つの光分離処理面４４１、４４２を有して構成されている。光分離処理面４４１は、液晶ライトバルブ３９からの青色の光（光像）を反射して投写レンズ４５に導くと共に、液晶ライトバルブ４１からの緑色の光（光像）を透過させるものである。光分離処理面４４２は、液晶ライトバルブ４３からの赤色の光（光像）を反射して投写レンズ４５に導くと共に、液晶ライトバルブ４１からの緑色の光（光像）を透過させるものである。この結果、各液晶ライトバルブ３９，４１，４３で生成された各色の光像が投写レンズ４５に重なり合わされた形で導かれる。なお、この実施形態では、図２に示す実施形態とは異なり、各色の画像データは同期して出力され、各液晶ライトバルブ３９，４１，４３も同期して動作される。
【００３８】
なお、本実施形態では、偏光変換素子を備えていないが、インテグレータレンズ３１と集光用レンズ３２との間にＰＢＳアレイからなる偏光変換素子を設けてもよい。
【００３９】
図４は、図１（ｂ）に示す投写用光源が適用される映像投写装置のさらに他の実施形態を示す光学的な概略構成図で、投写用光源１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂは、それぞれ赤色、緑色及び青色の光を発するものである。
【００４０】
映像投写装置５０は、３板式のカラー液晶プロジェクタで、各色毎に独立した光学系が併設されている。従って、図３の実施形態に対して、ダイクロイックミラーや全反射ミラーは不要である。光源側から液晶ライトバルブまでの構造は、それぞれ同一構造であるので、赤色の光学系を代表して説明する。赤色光学系５０Ｒは、光源１０Ｒ側から順に、一対のフライアイレンズからなるインテグレータレンズ５１Ｒ、集光用レンズ５２Ｒ、コンデンサレンズ５３Ｒ、液晶ライトバルブ５４Ｒを備える。各色光学系５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂは互いに直交するように配置され、その中心にダイクロイックプリズム５５が配設され、その下流側に投写レンズ５６が配設されている。この結果、各色の液晶ライトバルブ５４Ｒ，５４Ｇ，５４Ｂで生成された各色の光像が投写レンズ５６に導かれる。なお、この実施形態では、各色の画像データは同期して出力され、各液晶ライトバルブ５４Ｒ，５４Ｇ，５４Ｂも同期して動作される。
【００４１】
なお、本発明は、以下の変形態様が採用可能である。
（１）図２〜図４の実施形態では、ライトバルブとして液晶パネルを採用したが、これに限定されず、微小全反射ミラーがマトリクス状に配置され、この微小全反射ミラーの光軸に対する角度を個々に、画像データで変更制御することで、光束を投写レンズ側に反射させたり、それ以外の方向に反射させることで投写レンズに導く光像を形成する部材を用いてもよい。また、光をインテグレートする手段としては、フライアイレンズのみならず、角柱のガラスから成るロッドインテグレータを用いてもよい。
（２）中空体１１（１１１，１１２）の外部形状は球状である必要はなく、配置乃至は取付けを考慮した適宜な形状が採用可能である。
（３）各色のための中空体の、拡散処理のための内壁は白色に限定されず、取り付けられる発光素子の発光色としてもよい。
（４）発光素子は、ＬＥＤやＬＤの他、小サイズのランプその他の発光部材でもよいし、面発光する部材を所要の面積分だけ内装すると共に、内装部分以外の内壁面を拡散乃至は鏡面反射とする構成であってもよい。
（５）中空体１１には、三原色のいずれか１色、または３色それぞれの光を発する発光素子を内装してもよいが、その他、いずれかの２色の光をそれぞれ組として発する各発光素子を内装したものでもよい。そして、３種類の組の中空体を採用すれば、白色光を得ることができる。
（６）集光用レンズ１４は単レンズである必要はなく、複数個のレンズにより構成されるものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の投写用光源の構造を説明する側面断面図で、（ａ）〜（ｄ）はそれぞれの実施形態である。
【図２】図１（ｂ）に示す投写用光源が適用される映像投写装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図３】図１（ｂ）に示す投写用光源が適用される映像投写装置の他の実施形態を示す概略構成図である。
【図４】図１（ｂ）に示す投写用光源が適用される映像投写装置のさらに他の実施形態を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０、１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ  投写用光源
１１、１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ、１１１、１１２  中空体
１２  発光素子
１３  偏光フィルタ
１４、１４１、１４２  集光用レンズ
１１ｂ、１１１ｂ、１１２ｂ  開口
【図１】
2005284205.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005284205.tif 000005
【図４】
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