(57)【要約】【課題】単純かつ安価な構成により、光均一化作用を低下させることなく、光源からの光の利用効率を向上することが可能なライトトンネル、およびそのライトトンネルを用いた画像表示装置を提供する。【解決手段】本発明に係るライトトンネル１０は、複数の反射面１５ａ〜１８ａに囲まれた導光路１２と、導光路１２の一端側に設けられた入射口１３と、導光路１２の他端側に設けられた出射口１１とを備え、複数の反射面１５ａ〜１８ａは、導光路１２の光軸Ａに垂直な断面の断面積が出射口１１から入射口１３に向かって増大するように傾斜しており、入射口１３の面積は、出射口１１の面積よりも大きい。これによって、光均一化作用を低下させることなく、光源からの光の利用効率を向上することができる。また、本発明に係る画像表示装置は、ライトトンネル１０を含む照明光学系と、光変調手段と、投射光学系とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の反射面に囲まれた導光路と、該導光路の一端側に設けられた入射口と、前記導光路の他端側に設けられた出射口とを備え、前記入射口から入射した光を均一化して前記出射口から出射するライトトンネルにおいて、
前記複数の反射面は、前記導光路の光軸に垂直な断面の断面積が前記出射口から前記入射口に向かって増大するように傾斜しており、前記入射口の面積は、前記出射口の面積よりも大きいことを特徴とするライトトンネル。
【請求項２】
前記複数の反射面には、微細な凹凸パターンが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のライトトンネル。
【請求項３】
前記凹凸パターンは、ドットパターンまたはストライプパターンのいずれか一方または両方を含むことを特徴とする請求項２に記載のライトトンネル。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のライトトンネルを有する照明光学系と、該照明光学系からの光を画像情報に基づいて空間的に変調する光変調手段と、前記光変調手段からの光を拡大して投射する投射光学系と、を備えている画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影型の画像表示装置に関し、詳しくは、ライトトンネルおよびそれを用いた画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、投影型の高精細度テレビジョンシステム（ＨＤＴＶ）やビデオプロジェクタ等の投影型画像表示装置（以下、プロジェクタともいう）の普及が進んでいる。図５（ａ）は、そのようなプロジェクタにおける照明光学系の構成例を示した図である。図５（ａ）に示す照明光学系１００は、光源ランプ１０１およびリフレクタ１０２からなる光源部１１０と、カラーホイール１０３と、ライトトンネル１０４とを備えている。ここで、リフレクタ１０２は回転楕円面鏡からなり、例えば放電灯からなる光源ランプ１０１は、その発光中心が回転楕円面の第１焦点に一致するように位置決めされている。
カラーホイール１０３は、円盤状のカラーフィルタ１０３ａと、カラーフィルタ１０３ａを中心軸ａｘ回りに高速回転させるモータ１０３ｂからなる。カラーフィルタ１０３ａは、円周方向に沿って配列された赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の各波長帯に対応する透過フィルタを含んでおり、カラーフィルタ１０３ａ上に入射した白色光は、カラーフィルタ１０３ａの回転により、順次的にＲ光、Ｇ光、Ｂ光に分光される。
【０００３】
ライトトンネル１０４は、図５（ｂ）に示すように、４枚の平面鏡１０５、１０６、１０７、１０８を接合することにより中空の四角柱状に構成されており、一対の平面鏡１０５、１０７は、その反射面１０５ａ、１０７ａを互いに対向させて平行に配設され、同様に、もう一対の平面鏡１０６、１０８も、その反射面１０６ａ、１０８ａを互いに対向させて平行に配設されている。また、ライトトンネル１０４の一端側の開口部（入射口）１０４ａは、リフレクタ１０２の第２焦点近傍に配置されている。
【０００４】
照明光学系１００において、光源ランプ１０１からの出射光は、リフレクタ１０２によって反射され、カラーホイール１０３を経てライトトンネル１０４の入射口１０４ａに集光される。次いで、ライトトンネル１０４へと入射した光は、その内部を伝播する過程で、平面鏡１０５、１０６、１０７、１０８による多重反射によって混合され、出射口１０４ｂから均一な光束として出射する。また、図示は省略するが、この出射光束は、例えばデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等からなる光変調手段に照射されて画像情報に基づいて変調され、次いで、変調された光が投射光学系によりスクリーン等に投射されて、画像が表示されるものである。
【０００５】
ここで、スクリーンに投影される画面の照度分布の均一性を向上させるには、ライトトンネル１０４内を通過する光の反射回数を増大させてその混合効果を高め、ライトトンネル１０４から出射する光束の均一性を向上させる必要がある。そのためには、ライトトンネル１０４の、光軸Ａに垂直な断面の断面積に対する光軸Ａに平行な方向の相対的な長さを増大させればよく、さらに、ライトトンネル１０４の大型化を避けつつこのような構成を実現するためには、平面鏡対１０５−１０７、１０６−１０８の間隔を狭めて、ライトトンネル１０４の光軸Ａに垂直な断面の断面積を縮小することが望ましい（以下、「光軸Ａに垂直な断面の断面積」を単に「断面積」ともいう）。あるいは、光源部１１０に対する対策として、リフレクタ１０２の集光角θを増大させ、リフレクタ１０２からの反射光を、ライトトンネル１０４の入射口１０４ａをなす開口端面の法線方向に対して、より深い角度で入射させる方法を用いることもできる。
【０００６】
しかしながら、ライトトンネル１０４の断面積を縮小することには、次のような問題が伴う。すなわち、一般に光源ランプ１０１の発光部は有限の放電距離（アーク長）を有しているため、その第２焦点に点光源像が結像することはなく、リフレクタ１０２からの反射光は、ライトトンネル１０４の入射口１０４ａにおいて一定のビーム断面積を有している。したがって、ライトトンネル１０４の断面積を小さくすることで、入射口１０４ａの開口面積が小さくなると、リフレクタ１０２からの反射光の一部が遮光されて（図５（ａ）の光路Ｐ２参照）、ライトトンネル１０４に入射されない漏れ光ＰLが発生する可能性があり、それによって、光の利用効率が低下する。
【０００７】
さらに、光源ランプ１０１の実際の放電位置は経時的に変動しており、それに応じて、リフレクタ１０２からの反射光の、入射口１０４ａにおけるビーム断面積も経時的に変動する。そのため、ライトトンネル１０４のサイズや配置、あるいは、リフレクタ１０２からの反射光の集光角θ等を含む照明光学系１００の構成配置を初期的に適切に設定したとしても、この経時変動によって、入射口１０４ａにおける遮光が発生する可能性がある。この経時変動は、光の利用効率の低下と共に、スクリーン上に投影される画面のちらつき（フリッカー）の要因となるものである。
【０００８】
従来、このような放電位置の経時変動に対処するために、図５（ａ）に示す構成に加えて、光源ランプからの光の一部を受光して、受光した光に応答する検出信号を出力する検出手段と、検出手段からの検出信号に基づいて放電位置を判定し、判定された放電位置に基づいて光源ランプを移動させる制御手段とを備えた照明光学系が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この照明光学系では、放電位置の経時変動に基づいて光源ランプ自体の位置をフィードバック制御することにより、放電位置の経時変動を補正することが図られている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−２３９９３３号公報（請求項１〜請求項１０、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ここで、ライトトンネルの断面積を縮小してその光均一化作用を向上させる場合、上述したような光の利用効率の低下の問題を回避するには、光源ランプとして、可能な限り放電距離の短い放電灯を使用することが望ましい。しかしながら、一般に、このような放電灯は短寿命であり（例えば、２０００時間程度）、その使用に際して頻繁なランプ交換の問題が避けられない。一方、比較的寿命の長い超高圧水銀ランプは、放電距離が長いため、断面積の小さいライトトンネルと共に使用することは困難であった。また、特許文献１に記載の照明光学系では、従来のライトトンネルを使用しながら、放電位置の経時変動に対応することが可能となるものの、その構成が著しく複雑かつ高価なものとなるという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、単純かつ安価な構成により、光均一化作用を低下させることなく、光源からの光の利用効率を向上することが可能なライトトンネル、およびそのライトトンネルを用いた画像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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係るライトトンネルは、複数の反射面に囲まれた導光路と、該導光路の一端側に設けられた入射口と、前記導光路の他端側に設けられた出射口とを備え、前記入射口から入射した光を均一化して前記出射口から出射するライトトンネルにおいて、前記複数の反射面は、前記導光路の光軸に垂直な断面の断面積が前記出射口から前記入射口に向かって増大するように傾斜しており、前記入射口の面積は、前記出射口の面積よりも大きいことを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、ライトトンネルの導光路を形成する複数の反射面を、導光路の光軸に垂直な断面積がライトトンネルの出射口から入射口に向かって増大するように傾斜させ、入射口の面積を、出射口の面積よりも大きくすることで、入射口の面積を縮小することなく、導光路内での光の反射回数を増大させることが可能となる。これによって、ライトトンネルの入射口へ集光されるビーム断面積が一定の広がりを有する場合や、さらに、その広がりに経時変動が存在する場合でも、光源からの光の高い利用効率を維持しつつ、ライトトンネルの光均一化作用を向上させることが可能となる。
【００１４】
また、好ましくは、前記複数の反射面には微細な凹凸パターンが形成されるものである。これによって、反射面からの反射光を拡散させ、導光路内での多重反射による光の混合効果を高めることができる。さらに、一定の光均一化作用を得るために必要な導光路の長さを短縮することが可能となるため、ライトトンネルの小型化に寄与するものである。このような凹凸パターンは、ドットパターンまたはストライプパターンのいずれか一方または両方を含むものであってもよい。
【００１５】
本発明の一態様において、本発明に係る画像表示装置は、本発明に係る前記ライトトンネルを有する照明光学系と、該照明光学系からの光を画像情報に基づいて空間的に変調する光変調手段と、前記光変調手段からの光を拡大して投射する投射光学系とを備えていることを特徴とする。
このような画像表示装置では、その照明光学系において、放電距離の比較的長い放電灯を光源として用いても、光源からの光の利用効率を低下させることなく均一な照明光を得ることができるため、例えば、長寿命の超高圧水銀ランプを好適に使用することが可能となる。加えて、放電位置の経時変動によらず、常に一定の光量をライトトンネルに取り込むことができるため、投影される画面のフリッカーを効果的に抑制するものとなる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、このように構成したため、単純かつ安価な構成により、光均一化作用を低下させることなく、光源からの光の利用効率を向上させることが可能なライトトンネルを実現することができる。また、投影型の画像表示装置に、このライトトンネルを用いることによって、その照明光学系、ひいては画像表示装置の小型化に寄与すると共に、投影される画像の表示品質を向上することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明するが、各図面は説明のためのものであり、必ずしも実際の形状、寸法を正確に反映するものではない。
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施施形態におけるライトトンネル１０を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は光軸Ａに平行な断面を示す断面図である。
本実施形態におけるライトトンネル１０は、略台形状の４枚の平面鏡１５、１６、１７、１８を接合することにより、中空の四角錐台状に構成されている。この四角錐台の側壁を構成する４枚の平面鏡１５、１６、１７、１８は、その反射面１５ａ、１６ａ、１７ａ、１８ａが対向するように配設され、これらの反射面１５ａ、１６ａ、１７ａ、１８aに囲まれた空間により、導光路１２が形成されている。この際、平面鏡１５、１６、１７、１８は、導光路１２の光軸Ａに垂直な断面の断面積が一方の端部１１から他方の端部１３に向かって増大するように傾斜しており、端部１３の開口面積は、端部１１の開口面積よりも大きい。ライトトンネル１０は、端部１３を入射口、端部１１を出射口として、入射口１３から入射した光を導光路１２内での多重反射により混合し、出射口１１から均一化された光束を出射する光学装置であり、その作用および効果の詳細については後述する。
【００１９】
本実施形態において、平面鏡１５、１６、１７、１８の反射面１５ａ、１６ａ、１７ａ、１８ａには、微細な凹凸パターンが形成されている。図２（ａ）、（ｂ）は、このような微細な凹凸パターンの好ましい態様を、平面鏡１５を例として示す部分拡大図である。図２（ａ）に示す凹凸パターンは、略半球状の凸部１９ａを複数配列してなるドットパターンとして構成されており、図２（ｂ）に示す凹凸パターンは、直線状のＶ字溝１９ｂを複数配列してなるストライプパターンとして構成されている。ライトトンネル１０において、各反射面１５ａ、１６ａ、１７ａ、１８ａは、このような微細な凹凸パターンを有することにより、拡散反射面として機能するものである。なお、本発明に係る微細な凹凸パターンは、図２（ａ）、（ｂ）に示す態様に限定されるものではなく、その凹部または凸部の形状、サイズ、配列形態等は、所望の拡散反射条件に応じて適宜設定されるものである。
【００２０】
ここで、本実施形態における平面鏡１５、１６、１７、１８は、例えば、任意の適切な加工方法により一面に所定の凹凸パターンが形成されたガラス基材を準備し、次いで、所定の凹凸パターンが形成された面上に、銀またはアルミニウム等の金属薄膜を蒸着して反射面を形成することによって、作製することができる。所定の凹凸パターンを形成する加工方法には、研削またはエッチング等によるガラス加工、あるいは、加熱して軟化させたガラス素材を、所定の凹凸パターンを有する成形型を用いてプレス成形する方法等が含まれる。
【００２１】
次に、本発明の第２の実施形態として、ライトトンネル１０を適用した画像表示装置を説明する。図３は、本実施形態における画像表示装置３０の光学系の要部を示す構成図である。画像表示装置３０は、光源部１１０、カラーホイール１０３、ライトトンネル１０、および集光光学系３４を含む照明光学系３５と、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）からなる光変調手段３６と、投射光学系３８とを備えており、その光源部１１０およびカラーホイール１０３は、図５（ａ）に示す照明光学系１００における光源部１１０およびカラーホイール１０３とそれぞれ同一のものである。
【００２２】
画像表示装置３０において、光源ランプ１０１からの出射光は、リフレクタ１０２によって反射され、カラーホイール１０３の回転によりＲ光、Ｇ光、Ｂ光に順次的に分光されて、ライトトンネル１０の入射口１３に集光される。次いで、ライトトンネル１０へと入射した光は、その内部を伝播する過程で、平面鏡１５、１６、１７、１８（図１参照）による多重反射によって混合され、出射口１１から均一な光束として出射する。次いで、この出射光束は、集光光学系３４により適切に拡大または縮小されて光変調手段３６に照射される。本実施形態において、ＤＭＤである光変調手段３６は、各画素に対応する揺動可能な複数のミラーから構成されており、図示しない駆動装置によって、画像情報に基づいてカラーホイールに同期して駆動され、入射するＲ光、Ｇ光、Ｂ光を各画素毎に反射方向を振り分けることにより変調するものである。次いで、適切な方向に反射されて各色に対応する画像を形成する光は、投射光学系３８によりスクリーン等に投射され、カラー画像が表示されるものである。
【００２３】
本実施形態において、ライトトンネル１０は、開口面積の大きい側の端部を入射口１３として使用するものであり、その入射口１３が、リフレクタ１０２の第２焦点近傍に配置されている。したがって、リフレクタ１０２から反射された光の、経時変動を含むビーム断面積の広がりに対応するために、入射口１３の大きさを拡大した場合でも、ライトトンネル１０の断面積を一様に拡大する構成とは異なり、導光路１２内を伝播する光の反射回数を低下させることなく、光均一化作用は良好に維持されるものである。逆に、出射口１１の面積を縮小して、ライトトンネル１０の光均一化作用を向上させた場合でも、ライトトンネル１０の断面積を一様に縮小する構成とは異なり、図３に示す光路Ｐ２のように、光源ランプ１０１からの光を、入射口１３によって遮光することなく効率良くライトトンネル１０内に取り込むことができる。さらに、図２を参照して上述したように、ライトトンネル１０において、導光路１２を形成する各反射面１５ａ、１６ａ、１７ａ，１８ａには、微細な凹凸パターンが形成されているため、その拡散反射によって光の混合効果が一層向上すると共に、出射光の所望の均一化を達成するために必要なライトトンネル１０の長さが短縮されるため、照明光学系３５、ひいては画像表示装置３０を小型化することができる。画像表示装置３０は、ライトトンネル１０のこのような作用・効果により、例えば超高圧水銀ランプのような長寿命の放電灯を、その光源ランプ１０１として好適に用いると共に、明るくかつ均一であってフリッカー等のない高品質の画像を表示するものである。
【００２４】
以上の説明を通じて、ライトトンネル１０は、４枚の平面鏡１５、１６、１７、１８により形成された中空の角錐台として説明してきたが、本発明に係るライトトンネルは、このような構成に限定されるものではなく、例えば、図４に示すライトトンネル４０のように、透明材料により中実の導光体として一体に形成されるものであってもよい。ライトトンネル４０は、反射面である側面４５、４６、４７、４８が、一方の端部４１から他方の端部４３に向かって増大するように傾斜しており、面積の大きい方の端面４３を入射口、面積の小さい方の端面４１を出射口、中実の四角錐台の内部を導光路４２として用いることによって、図１に示すライトトンネル１０と同様の作用・効果を得るものである。ライトトンネル４０を形成する好適な透明材料には、ガラス、あるいは、アクリル樹脂またはポリカーボネート樹脂等の透明樹脂材等が含まれ、その場合、図２に示すような微細な凹凸パターンは、ライトトンネル４０を成形する際に、その側面４５、４６、４７、４８に一体に成形されることが好ましい。なお、ライトトンネル４０において、その反射面４５、４６、４７、４８には、金属薄膜の蒸着または反射フィルムの固着等による追加の反射手段が施されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるライトトンネルを示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は光軸に平行な方向の断面を示す断面図である。
【図２】図１に示すライトトンネルの反射面を示す部分拡大図であり、（ａ）はドットパターン、（ｂ）はストライプパターンを設けた場合をそれぞれ示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態における画像表示装置の光学系の要部を示す構成図である。
【図４】本発明に係るライトトンネルの他の構成を示す斜視図である。
【図５】従来の画像表示装置の照明光学系を示す図であり、（ａ）は、その構成図、（ｂ）は（ａ）の構成で使用されるライトトンネルの斜視図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０，４０：ライトトンネル、１１，４１：出射口、１２，４２：導光路、１３，４３：入射口、１５ａ，１６ａ，１７ａ，１８ａ，４５，４６，４７，４８：反射面、３０：画像表示装置、３５：照明光学系、３６：光変調手段、３８：投射光学系
【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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