(57)【要約】【課題】固体光源の光線を照明光学系に効率よく導入し、装置の小型化を実現する。【解決手段】固体光源である光源を拡散させる拡散板１１０と、拡散板１１０の出射面に位置し、拡散板１１０が拡散させた光が入射する入射面の面積よりも出射面の面積が大きなロッドレンズ１２０と、ロッドレンズ１２０の出射面から出射された光が入射するレンズ１３０と、レンズ１３０から出射された光を、光の照度分布を均一にして通過させるライトパイプ１５０とを有し、拡散板１１０の拡散角度の１／２となる角度ａとロッドレンズ１２０のテーパー角度ｂとの関係がｂ＜ａである。【選択図】図１
2017134337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体光源である光源を拡散させる拡散板と、
前記拡散板の出射面に位置し、前記拡散板が拡散させた光が入射する入射面の面積よりも出射面の面積が大きなロッドレンズと、
前記ロッドレンズの出射面から出射された光が入射する凸レンズと、
前記凸レンズから出射された光を、該光の照度分布を均一にして通過させるライトパイプとを有し、
前記拡散板の拡散角度の１／２となる角度ａと前記ロッドレンズのテーパー角度ｂとの関係が、ｂ＜ａである投写型表示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の投写型表示装置において、
前記ロッドレンズは、角錐台の形状である投写型表示装置。
【請求項３】
請求項１に記載の投写型表示装置において、
前記ロッドレンズは、円錐台の形状である投写型表示装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の投写型表示装置において、
前記光源は、１つあるいは複数からなり、白色を出射する光源であり、
前記ロッドレンズと前記ライトパイプとの間に、前記ライトパイプを通過した照度分布が均一となった照明光が照射される反射型表示素子と同期し、前記反射型表示素子に所望の色が投写されるように時分割で色選択するカラーホイールを有する投写型表示装置。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１項に記載の投写型表示装置において、
前記光源は、１つあるいは複数からなり、白色を出射する光源であり、
３色の信号毎に変調を行う３枚の反射型表示素子を有し、
前記ライトパイプからの出射光を前記３枚の反射型表示素子に対して所望の色が照射されるように分光され、かつ前記反射型表示素子に照射された二次照明光をスクリーンへ転写照明する投写レンズに対して前記３色を合成することを兼ねるプリズムを有する投写型表示装置。
【請求項６】
請求項１または請求項４または請求項５に記載の投写型表示装置において、
前記ロッドレンズの代わりに、テーパー型のライトパイプが配置されている投写型表示装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の投写型表示装置において、
前記ライトパイプの代わりに、ロッドレンズが配置されている投写型表示装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の投写型表示装置において、
前記ライトパイプまたはロッドレンズが、入射面の面積と出射面の面積とが異なるテーパー型である投写型表示装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１項に記載の投写型表示装置において、
前記角度ａと前記角度ｂとの関係が、ａ／２≦ｂ＜ａである投写型表示装置。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれか１項に記載の投写型表示装置において、
前記角度ａと前記角度ｂとの関係が、０≦ｂ＜ａである投写型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投写により表示を行う投写型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）やＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  Ｄｉｓｃ）プレイヤーの画面をスクリーン上に拡大して投写するプロジェクタは、省エネルギーで、より明るい画面が投写できるように改善が繰り返されている。特に、光源部は、従来のランプから、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）やレーザーなどの固体光源へ切り替えがおこなわれている。プロジェクタ用の固体光源として一般的に用いられる半導体レーザ（以下、ＬＤと称する）は、スクリーンに光を投影した場合、スペックルと呼ばれる模様が発生する。このスペックルの発生の原因は、スクリーンの表面の凹凸により散乱した光が互いに干渉することである。このスペックルを軽減するため、微小なレンズアレイなどの凹凸を備えた拡散板などを用いてＬＤ光線を拡散させる手法が用いられている。以下に具体的に述べる。
【０００３】
図７は、反射型表示素子を表示装置として使用し、光源部にランプを配置した一般的な投写型表示装置の一例を示す図である。反射型表示素子として、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）などが用いられている。
ランプの発光管１００１から発した光は、反射鏡１０００で反射し、表示画像の色成分に合わせて透過する波長成分が調整されたフィルターを備えたカラーホイール１００２の回転によって時分割される。カラーホイール１００２を透過した光線は、ライトパイプ１００３の入射面に集光する。ライトパイプ１００３は、内部が中空で側面にミラーを配置したライトトンネルやガラス等の透明な物質で角柱を形成し、全反射または側面に反射膜を施したロッドレンズからなり、入射した光線を複数回数、内部反射することにより均一化された照度分布の光線を出射することができる。ライトパイプ１００３から出射した光線は、ミラー１００４，１００６により進行方向を変え、またレンズ１００５，１００７により照明範囲の大きさが調整された後、反射型表示素子１００８に照射される。反射型表示素子１００８は、カラーホイール１００２より透過する色成分に合わせて画像情報を切り替える機能を備えている。反射型表示素子１００８の画像情報を取り込んだ光線は、投写レンズ１００９でスクリーン等に投写される。
【０００４】
図７に示したような光学系において、ＬＤなどの固体光源が光源部となった場合、スクリーンに投影される映像には、スペックルが発生する。
図８は、スペックルを軽減するための方法の一例を示す図である。図８に示すように、微小なレンズアレイなどの凹凸を備えた拡散板１０２０などを用いて、固体光源１０１０から出射されたＬＤ光線を拡散させた後に、照明光学系のライトパイプ１００３に入射させる方法が挙げられる。固体光源１０１０の光線を拡散板１０２０で拡散させることで、ライトパイプ１００３に入射する光線を分割し、それぞれの光線が異なる角度でライトパイプ１００３に入射させる。これにより、スクリーンの投影面に形成されるスペックルパターンを微細化し、スペックルの視認性を軽減させる。
【０００５】
図９は、拡散板からの光の出射角度と明るさとの関係の一例を示す図である。拡散板の特性は拡散角度で定義されており、図９に示すように、拡散板から出力された光線の角度単位の明るさの分布において、明るさのピークを１．０と規定したときの０．５の比率に相当するときの出射角度を拡散角度として表す。スペックルを軽減させるためには、大きな拡散角度を持つ拡散板を用いることが望ましいが、拡散角度が大きい場合、ライトパイプの大型化、もしくはライトパイプ以降の照明光学系の大型化が必要となる。照明光学系の大型化を回避する方法として、レンズを用いる方法が考えられている。
【０００６】
図１０は、レンズを用いて照明光学系の大型化を回避する方法の一例を示す図である。図１０に示すように、拡散板１０２０の前にレンズ１０２１を配置して、ライトパイプの入射面に集光させる方法が考えられる。
図１１は、拡散角度が大きな場合のレンズを用いた回避方法の一例を示す図である。図１１に示すように、図１０に示したものと比べて拡散板１０２０の拡散角度がさらに大きくなる場合は、レンズ１０２２の大型化、またはレンズ１０２２への入射角度が大きくなり過ぎてレンズでは集光できなくなってしまい、光利用効率が低下してしまう。
【０００７】
そこで、固体光源を備えた投射型表示装置において、固体光源から発する光線を効率よく照明光学系のライトパイプへ導出させる方法を考える必要がある。その方法として、照明光学系のライトパイプの前に、テーパー付のロッドレンズを配置し、テーパーの角度により、テーパー付ロッドレンズを透過する光線の拡散角度を低減させる方法が挙げられる（例えば、特許文献１，２参照。）。特許文献１，２に記載された装置は、照明光学系のライトパイプの前にテーパー付のロッドレンズを備えた構成を有しており、テーパー付ロッドレンズを用いて固体光源の拡散角度を低減させて、照明光学系のライトパイプに光線を導いている。特許文献１に記載された装置には、さらに、テーパー付ロッドレンズの入射面、またはテーパー付ロッドレンズと照明光学系のライトパイプとの間にフレイネルレンズを配置し、固体光源から発する光線の拡散角度の低減をおこなっている。特許文献２に記載された装置は、テーパー付ロッドレンズと照明光学系のライトパイプとの間に偏光ビームスプリッターを配置し、照明光学系のライトパイプに入射する光線の偏光を一方向に揃えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−９４３８４号公報
【特許文献２】特開２００８−９１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１，２に記載された装置は、それぞれ光線の拡散角を抑える目的でテーパー付のロッドレンズを備えている。しかしながら、照明光学系のライトパイプの大きさは、テーパー付ロットレンズの出射面の面積と同じ、または大きい形状をしており、照明光学系の小型化に対しては不十分であるという問題点がある。これは、固体光源の光線を照明光学系に効率よく導入することができていないことに起因する。
【００１０】
本発明の目的は、上述した課題を解決する投写型表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の投写型表示装置は、
固体光源である光源を拡散させる拡散板と、
前記拡散板の出射面に位置し、前記拡散板が拡散させた光が入射する入射面の面積よりも出射面の面積が大きなロッドレンズと、
前記ロッドレンズの出射面から出射された光が入射する凸レンズと、
前記凸レンズから出射された光を、該光の照度分布を均一にして通過させるライトパイプとを有し、
前記拡散板の拡散角度の１／２となる角度ａと前記ロッドレンズのテーパー角度ｂとの関係が、ｂ＜ａである。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明においては、固体光源の光線を照明光学系に効率よく導入することができ、装置の小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の投影型表示装置の特徴部分の一例を示す図である。
【図２】図１に示したテーパー付ロッドレンズ内の光の伝わる様子の一例を示す図である。
【図３】図１に示した拡散板の拡散角度と、テーパー付ロッドレンズのテーパー角度との関係の一例を示す図である。
【図４】レンズの曲率を変化させた場合の光の進む様子の一例を示す図である。
【図５】本発明の投影型表示装置の実施の一形態を示す図である。
【図６】本発明の投影型表示装置にプリズムを用いた実施の一形態を示す図である。
【図７】反射型表示素子を表示装置として使用し、光源部にランプを配置した一般的な投写型表示装置の一例を示す図である。
【図８】スペックルを軽減するための方法の一例を示す図である。
【図９】拡散板からの光の出射角度と明るさとの関係の一例を示す図である。
【図１０】レンズを用いて照明光学系の大型化を回避する方法の一例を示す図である。
【図１１】拡散角度が大きな場合のレンズを用いた回避方法の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の投影型表示装置の特徴部分の一例を示す図である。図１に示すように、本発明の投影型表示装置で使用する固体光源の拡散光集光方式は、拡散板１１０と、テーパー付ロッドレンズ１２０と、レンズ３０と、ライトパイプ１５０とを有している。拡散板１１０は、固体光源である光源を拡散させる。テーパー付ロッドレンズ１２０は、拡散板１１０の出射面に配置され、拡散板１１０が拡散させた光が入射する入射面の面積よりも出射面の面積が大きな角錐台または円錐台のロッドレンズである。レンズ１３０は、テーパー付ロッドレンズ１２０の出射面から出射された光が入射する凸レンズである。ライトパイプ１５０は、レンズ１３０から出射された光を、光の照度分布を均一にして通過させる。
固体光源から発した光線は、微小なレンズアレイなどの凹凸を備えた拡散板１１０により拡散板１１０から出射する光線を分割し、それぞれ異なる角度で出射させる。拡散板１１０は、ガラス等の透明な物質で角錐台を形成し、全反射または側面に反射膜を施したテーパー付ロッドレンズ１２０を備えている。拡散板１１０から発した光線のうち、拡散角度の大きな光線については、テーパー付ロッドレンズ１２０の側面で反射する。これにより、固体光源からの出射方向に対するテーパー付ロッドレンズ１２０からの光の出射角度は、拡散板１１０から出射した時の固体光源からの出射方向に対する出射角度よりも小さく抑えられる。テーパー付ロッドレンズ１２０から出射した光線は、次に備えられたレンズ１３０により、ライトパイプ１５０の入射面へ集光される。
このように、固体光源から発した光線は、拡散角度の高い拡散板を使用することにより、スクリーン面で発生するスペックルが軽減される。そして、拡散板から発した拡散角度の高い光線は、テーパー付ロッドレンズの側面で反射することにより、次に配置されたレンズへの入射角度が抑えられる。さらに、凸レンズで集光されてライトパイプへ入射されるため、照明光学系の光利用効率が維持される。
【００１６】
図２は、図１に示したテーパー付ロッドレンズ１２０内の光の伝わる様子の一例を示す図である。図１に示したテーパー付ロッドレンズ１２０は、ガラス等の透明な物質で角錐台または円錐台を形成し、全反射または側面に施した反射膜により入射した光線を出射面まで導出する。テーパー付ロッドレンズ１２０は、入射面の面積よりも出射面の面積が大きくなる方向にテーパーが付いており、テーパー面で反射した光線の角度は、入射角度よりも小さくなる。テーパー付ロッドレンズ１２０の次にはレンズ１３０が配置されており、レンズ１３０に入射した光線は、次に配置されたライトパイプ１５０へと集光される。テーパー付ロッドレンズ１２０の効果により、拡散板１１０から出射された光線のうち、出射角度の大きな光線は、レンズ１３０への入射角度が抑えられることにより、効率よく集光光束に取り込まれる。
【００１７】
図３は、図１に示した拡散板１１０の拡散角度と、テーパー付ロッドレンズ１２０のテーパー角度との関係の一例を示す図である。図３に示すように、拡散板１１０から出射された光線の角度をａ、テーパー付ロッドレンズ１２０のテーパーの角度をｂとすると、テーパー付ロッドレンズ１２０の反射面で反射した光の反射後の角度は、（２ｂ−ａ）で定義することができる。ａは、拡散板１１０へ光が入射する方向に対する拡散板１１０で光が拡散（出射）する方向の角度であり、拡散板１１０の拡散角度の１／２の大きさである。ここで、ｂ＝ａ／２である場合、テーパー付ロッドレンズ１２０の反射面で反射した光は、照明光学系の光軸と平行となる。ｂ＝０の場合は、テーパーのないロッドレンズとなり、ロッドレンズへの光線の入射角度と出射角度とが同じとなる。また、ｂ≧ａである場合、拡散板１１０から出射した光線のうち拡散角度付近の光線は、テーパー付ロッドレンズ１２０の反射面で反射しなくなる。本発明では、拡散角度の大きな拡散板１１０を使用した場合に、効率よく照明光学系へ拡散光を導入させることを目的としている。そのため、ａは大きな角度を示していることから、テーパー付ロッドレンズ１２０から出射する光線の出射角度を低減させるには、テーパー付ロッドレンズ１２０のテーパー角度ｂは、ａ／２≦ｂ＜ａであることが望ましい。
【００１８】
図４は、レンズの曲率を変化させた場合の光の進む様子の一例を示す図である。テーパー付ロッドレンズ１２０を用いて、次に配置されたレンズ１３０への光線の入射角度を抑えることにより、レンズ１３０への光線の取り込みを容易にすることできる。そのため、レンズの曲率を変化させることで、その次に配置されるライトパイプ１５０は大きさを自由に変更させることが可能となる。図４の上に示したレンズ１３０に比べて、図４の下に示したレンズ１３１の方がその曲率が高いものとなっている。そのため、図４の上に示したライトパイプ１５０に比べて、図４の下に示したライトパイプ１５１の方が、細いものを適用することが可能となる。
【００１９】
図５は、本発明の投影型表示装置の実施の一形態を示す図である。本形態における投影型表示装置は図５に示すように、固体光源１００と、拡散板１１０と、テーパー付ロッドレンズ１２０と、レンズ１３０，１７０，１９０と、カラーホイール１４０と、ライトパイプ１５０と、ミラー１６０，１８０と、反射型表示素子２００と、投写レンズ２１０とを有している。
固体光源１００は、ＬＤ等の光源である。また、固体光源１００は、１つあるいは複数からなり、白色を出射する光源であっても良い。拡散板１１０は、図１に示したものと同じものであり、微小なレンズアレイなどの凹凸機構を備え、固体光源１００からの光源を拡散させる。テーパー付ロッドレンズ１２０は、図１に示したものと同じものであり、拡散板１１０の出射面に配置され、拡散板１１０が拡散させた光が入射する入射面の面積よりも出射面の面積が大きな角錐台または円錐台のロッドレンズである。レンズ１３０は、図１に示したものと同じものであり、テーパー付ロッドレンズ１２０の出射面から出射された光が入射する凸レンズである。カラーホイール１４０は、テーパー付ロッドレンズ１２０とライトパイプ１５０との間に設けられている。カラーホイール１４０は、反射型表示素子２００と同期し、ライトパイプ１５０、ミラー１６０、レンズ１７０、ミラー１８０およびレンズ１９０を介して反射型表示素子２００に所望の色が投写されるように時分割で色選択する。ライトパイプ１５０は、図１に示したものと同じものであり、レンズ１３０から出射され、カラーホイール１４０で色選択された光を、光の照度分布を均一にして通過させる。ミラー１６０は、ライトパイプ１５０を通過した光をレンズ１７０の方向へ反射させる。レンズ１７０は、ミラー１６０で反射した光線の照明範囲の大きさを調整してミラー１８０の方向へ出射する。ミラー１８０は、レンズ１７０から出射した光をレンズ１９０の方向へ反射させる。レンズ１９０は、ミラー１８０で反射した光線の照明範囲の大きさを調整して反射型表示素子２００の方向へ出射する。反射型表示素子２００は、ライトパイプを通過した照度分布が均一となった照明光が照射され、表示用の光を投写レンズ２１０へ出射する。投写レンズ２１０は、反射型表示素子２００が出射した光をスクリーンへ投射する。
図５に示した投影型表示装置において、テーパー付ロッドレンズ１２０の代わりに、テーパー型のライトパイプが配置されているものであっても良い。また、ライトパイプ１５０の代わりに、ロッドレンズが配置されているものであっても良い。また、ライトパイプ１５０は、入射面の面積よりも出射面の面積が大きなものであっても良い。
このように、本発明のおいては、拡散板１１０にテーパー付ロッドレンズ１２０を備えることにより、出射角度の大きい光線の角度を小さくし、その次に配置されたレンズ１３０への入射角度を小さくする。さらに、レンズ１３０で集光し、ライトパイプ１５０への入射角度を小さくする。これにより、照明光学系への取り込みを容易にしている。レンズ１３０への光線の取り込みを容易にすることにより、レンズ１３０の曲率の自由度を与え、その次に配置されるライトパイプ１５０の大きさを変えることにより、ＤＭＤなどの表示素子の大きさの変更に対しても対応できるようになる。
【００２０】
図６は、本発明の投影型表示装置にプリズムを用いた実施の一形態を示す図である。図６に示した投影型表示装置には、プリズム２２０−１〜２２０−４および反射型表示素子２０１−１〜２０１−３が設けられている。反射型表示素子２０１−１〜２０１−３それぞれは、３色の信号毎に変調を行う。プリズム２２０−１〜２２０−４は、ミラー１６０が反射した光を反射型表示素子２０１−１〜２０１−３に対して所望の色が照射されるように分光する。さらに、プリズム２２０−１〜２２０−４は、反射型表示素子２０１−１〜２０１−３に照射された二次照明光をスクリーンへ転写照明する投写レンズ２１０に対して３色を合成する。
【００２１】
以上説明したように本発明においては、ＬＤなどの固体光源を用いた照明光学系において、固体光源により発生するスペックルを軽減するため拡散板を用いた場合に、よりスペックル軽減の効果が高い拡散角度の大きい拡散板を用いても、照明光学系を大型化することなく、効率よく固体光源の光線を照明光学系に導入することができる。
【００２２】
上記の実施の形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
（付記１）固体光源である光源を拡散させる拡散板と、
前記拡散板の出射面に位置し、前記拡散板が拡散させた光が入射する入射面の面積よりも出射面の面積が大きなロッドレンズと、
前記ロッドレンズの出射面から出射された光が入射する凸レンズと、
前記凸レンズから出射された光を、該光の照度分布を均一にして通過させるライトパイプとを有し、
前記拡散板の拡散角度の１／２となる角度ａと前記ロッドレンズのテーパー角度ｂとの関係が、ｂ＜ａである投写型表示装置。
（付記２）前記ロッドレンズは、角錐台の形状である、付記１に記載の投写型表示装置。
（付記３）前記ロッドレンズは、円錐台の形状である、付記１に記載の投写型表示装置。
（付記４）前記光源は、１つあるいは複数からなり、白色を出射する光源であり、
前記ロッドレンズと前記ライトパイプとの間に、前記ライトパイプを通過した照度分布が均一となった照明光が照射される反射型表示素子と同期し、前記反射型表示素子に所望の色が投写されるように時分割で色選択するカラーホイールを有する、付記１から３のいずれか１項に記載の投写型表示装置。
（付記５）前記光源は、１つあるいは複数からなり、白色を出射する光源であり、
３色の信号毎に変調を行う３枚の反射型表示素子を有し、
前記ライトパイプからの出射光を前記３枚の反射型表示素子に対して所望の色が照射されるように分光され、かつ前記反射型表示素子に照射された二次照明光をスクリーンへ転写照明する投写レンズに対して前記３色を合成することを兼ねるプリズムを有する、付記１から３のいずれか１項に記載の投写型表示装置。
（付記６）投写型表示装置において、
前記ロッドレンズの代わりに、テーパー型のライトパイプが配置されている、付記１または付記４または付記５に記載の投写型表示装置。
（付記７）前記ライトパイプの代わりに、ロッドレンズが配置されている、付記１から６のいずれか１項に記載の投写型表示装置。
（付記８）前記ライトパイプまたはロッドレンズが、入射面の面積と出射面の面積とが異なるテーパー型である、付記１から７のいずれか１項に記載の投写型表示装置。
（付記９）前記角度ａと前記角度ｂとの関係が、ａ／２≦ｂ＜ａである、付記１から８のいずれか１項に記載の投写型表示装置。
（付記１０）前記角度ａと前記角度ｂとの関係が、０≦ｂ＜ａである、付記１から８のいずれか１項に記載の投写型表示装置。
【符号の説明】
【００２３】
１００    固体光源
１１０    拡散板
１２０    テーパー付ロッドレンズ
１３０，１３１，１７０，１９０    レンズ
１４０    カラーホイール
１５０，１５１    ライトパイプ
１６０，１８０    ミラー
２００，２０１−１〜２０１−３反射型表示素子
２１０    投写レンズ
【図１】
2017134337.tif 000003
【図２】
2017134337.tif 000004
【図３】
2017134337.tif 000005
【図４】
2017134337.tif 000006
【図５】
2017134337.tif 000007
【図６】
2017134337.tif 000008
【図７】
2017134337.tif 000009
【図８】
2017134337.tif 000010
【図９】
2017134337.tif 000011
【図１０】
2017134337.tif 000012
【図１１】
2017134337.tif 000013