ライトパイプ、照明光学系及び画像投影装置
【課題】入射口５から入射した光源からの光を、側壁面３で繰り返し反射して射出口６から射出させるライトパイプ１において、光の指向性が高く、輝度分布の均一な照明光を、光の利用効率を向上させて射出させる。
【解決手段】ライトパイプ１の側壁面３の入射口５側の領域に回折部４を設け、回折部４において、入射角γ１よりも反射角γ２が大きくなるように反射させて、射出口６から射出される光の射出角度βが入射口５から入射される光の入射角度αよりも小さくなるようにした。
【解決手段】ライトパイプ１の側壁面３の入射口５側の領域に回折部４を設け、回折部４において、入射角γ１よりも反射角γ２が大きくなるように反射させて、射出口６から射出される光の射出角度βが入射口５から入射される光の入射角度αよりも小さくなるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一端から光を導入し、他端からその光を射出するライトパイプ、及びこれを用いた照明光学系及び画像投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光源からの光を液晶表示素子やＤＭＤ（ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）素子等の光変調素子に照射し、スクリーン上に画像を投影する画像投影装置が普及している。光変調素子に照射する光源として、ハロゲンランプや高圧水銀ランプ等が用いられてきた。しかし、これらの光源は大電力が必要なことや、温度が上昇するので冷却装置が必要であるために、重量や体積が大きくなり、装置全体をコンパクトに構成することの妨げとなった。一方、近年、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）の輝度及び発光効率が向上している。ＬＥＤは、駆動電圧が低く、小型軽量であるために、画像投影装置の光源に利用できれば、装置全体の小型化、軽量化を図ることができる。
【０００３】
しかし、ＬＥＤから射出される光は指向性が低く、リフレクタや集光レンズ系が必要なことや、光が射出される方向の輝度は必ずしも均一ではない。射出光の指向性が低いと、画像投影に利用できる光の割合が低下し、投影面が暗くなる。また、射出方向に対して輝度むらが存在すると、投影面に輝度むらが生じて、画像品質が低下する。特許文献１は、このような不具合を、ロッドインテグレータ（以下、ライトパイプという。）を用いて改善しようというものである。
【０００４】
図７は、特許文献１に記載される照明用光源装置５０の断面構造を示す。照明用光源装置５０は、ライトパイプ５１と、ライトパイプ５１の光入射開口５４に設けた白色ＬＥＤ５２とから構成されている。白色ＬＥＤ５２は、ライトパイプ５１の端部よりも発光点５３を光案内通路５６の内側に設置し、発光点５３から発光する光を効率よく光射出開口５５まで導くことができる。また、ライトパイプ５１を中空の筒状としたので、中実の柱状のライトパイプを用いる場合よりも、光の内面反射の回数が増える。そのため、光が光射出開口５５から射出される際に、より均一な強度の照明光を得ることができる、というものである。
【０００５】
図８は、特許文献２に記載される照明装置６０の断面構造を示す。複数のテーパロッド６３と、その先に、これらの複数のテーパロッド６３の射出側開口部を集合したロッド６４と、すり鉢状の各テーパロッド６３の底に設置されるＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂ及び各ＬＥＤを搭載した基板６７とからなるＬＥＤアレイ６２から構成されている。各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂで発光した光は、テーパロッド６３の壁面により反射されて射出角が狭くなり、ロッド６４の射出端から射出される。ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂの複数の光源から発光した各色の光が合成されて、より指向性の高い白色光を射出させることができる、というものである。
【特許文献１】特開２００５−２８３９１８号公報
【特許文献２】特開２００３−３３０１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載される照明用光源装置５０において、例えば、白色ＬＥＤ５２の発光点５３において発光した光の射出角をθとする。発光点５３で発光した光は、ライトパイプ５１の内表面５７で繰り返して反射され、光射出開口５５に進む。しかし、内表面５７で光が反射する場合、入射角と反射角は等しい。即ち、白色ＬＥＤ５２から射出された光が光射出開口５５から射出するときは、上記射出角が維持される。従って、光射出開口５５から射出される光の射出角をφとすると、この射出角φは発光角θとほとんど同じとなる。従って、図７に示される照明用光源装置５０では、ライトパイプ５１から射出する光の指向性は、光源であるＬＥＤ５２から射出する光の指向性とさほど変わらない。従って、光の利用効率を低下させないための追加の工夫も必要となる。特に、プロジェクタに用いた場合、投影レンズの許容入射角はＬＥＤの発光角より小さいため、許容入射角より大きな射出角でライトパイプから射出された光は、投影レンズから投影されず、損失となる。
【０００７】
特許文献２に記載される照明装置６０では、各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂで発光した光は、リフレクタの機能を有するテーパロッド６３により指向性が高くなって射出される。しかし、各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂにおいて発光した光は各テーパロッド６３内で繰り返し反射されず、また、テーパロッド６３の先に設けたロッド６４は口径が大きいので、テーパロッド６３から射出された光の繰り返し反射回数は少ない。例えば各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂから射出された光に射出角依存性がある場合は、ロッド６４から射出される射出光の角度依存性がそのまま保持され、投影される画像に色むらとして現れる。同様に、各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂ間で発光色が異なる場合、ロッド６４から射出される光に色分布が発生する恐れがある。色分布が発生すると投影画像の品質が低下するので、ロッド６４と光変調素子との間に、光混合手段を更に設ける等の対策が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明においては上記課題を解決するために以下の手段を講じた。
【０００９】
請求項１に係る発明においては、入射口から入射される光源からの光を、側壁面で繰り返し反射させて射出口から射出させるライトパイプにおいて、前記射出口から射出される光の射出角度が前記入射口から入射される光の入射角度よりも小さくなるように、前記側壁面の前記入射口側の領域に回折部を設けた。
【００１０】
請求項２に係る発明においては、前記回折部は、複数の回折溝を有し、前記複数の回折溝のうち隣り合う回折溝の間隔を、前記入射口に近づくほど狭くしたことを特徴とする請求項１に記載のライトパイプとした。
【００１１】
請求項３に係る発明においては、前記光源は、ＬＥＤであり、前記側壁面で囲繞される空間の断面形状が、前記ＬＥＤの射出面の形状と略同一であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のライトパイプとした。
【００１２】
請求項４に係る発明においては、前記断面形状は、多角形状であり、少なくとも一組の隣り合う側壁面における前記入射口側の領域に設けた前記回折部どうしで、前記複数の回折溝のうち隣り合う回折溝の間隔が異なることを特徴とする請求項３に記載のライトパイプとした。
【００１３】
請求項５に係る発明においては、請求項１〜４のいずれか１項に記載のライトパイプの入射口に、光源を密着して設けたことを特徴とする照明光学系とした。
【００１４】
とした。
【００１５】
請求項６に係る発明においては、請求項５に記載の照明光学系を、３原色に夫々対応して有し、さらに、これらの前記照明光学系から射出される光を合成する光合成部と、前記光合成部により合成した光を変調する光変調部と、前記光変調部により変調した光を投影する投影部と、を有する画像投影装置とした。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るライトパイプは、光源からの光を入射口で導入し、側壁面で繰り返し反射させて射出口から射出させる。この場合に、射出口から射出される光の射出角度が、入射口から入射される光の入射角度よりも小さくなるようにするために、側壁面の入射口側の領域に回折部を設けた。これにより、入射した光の指向性よりも高い指向性を付与し、射出面における輝度の均一性を向上させた光を射出させることができ、結果として光の利用効率を向上させることができる、という利点を有する。
【００１７】
また、回折部は複数の回折溝を有し、回折溝のうち隣り合う回折溝の間隔を、入射口に近づくほど狭くした。ライトパイプの入射口の領域に入射した光は、発光素子からの発光角が大きいほど入射口近くの回折部に入射する。入射口近くの回折部は、射出口側の回折部よりも溝の間隔が狭いため、より強い回折作用を受けて回折される。つまり、発光角の大きな光線ほど、略平行光に近づく大きな偏角作用を受けることができるので、結果的に射出光の指向性をより高めることができる。
【００１８】
また、光源をＬＥＤとし、側壁面で囲まれる空間の断面形状が、ＬＥＤの射出面の形状と略同一とした。これにより、ライトパイプを入射口から射出口に向けて、断面を末広状に拡大させることがないので、光源の発光面積を維持して、かつ、入射した光を指向性の高い射出光として射出することができるという、利点を有している。
【００１９】
また、ライトパイプの断面形状を多角形状とし、少なくとも一組の隣り合う側壁面に設けた回折部は、互いに回折溝の間隔が異なるようにした。これにより、隣り合う辺に対応する回折溝の回折条件を個別に設定可能となり、射出光の輝度分布を所望の分布へとコントロールできる、という利点を有している。
【００２０】
また、上記のライトパイプの入射口に、光源を密着して設けた照明光学系とした。これにより、光源の光の漏れを防止することができるので、光の利用効率を向上させることができる、という利点を有している。
【００２１】
また、上記の照明光学系を用い、上記照明光学系から射出された光を合成する光合成部と、光合成部により合成した光を変調する光変調部と、光変調部により変調した光を投影する投影部とを有する画像投影装置とした。これにより、軽量、小型の画像投影装置を構成することができる、という利点を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の構成を、図面を用いて詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態に係るライトパイプ１の構成を表す模式的な縦断面図である。ライトパイプ１は、筒型の形状を有し、内部が中空の導光体２から構成されている。導光体２の内壁面が側壁面３であり、光を反射する反射面により構成されている。導光体２は、入射口５から光を入射し、射出口６から当該入射した光を射出する。導光体２の入射口５側の側壁面３には、回折部４が形成されている。広がりを持って入射する光束のうちの最大角度を入射角度αとすると、入射角度αで入射した光は、回折部４において射出口６側に回折される。この回折部４においては、回折部４の回折条件に従って、入射角γ１で入射した光は、入射角γ１よりも大きな角度の反射角γ２で反射される。回折部４以外の側壁面３では、入射角γ３と反射角γ４とは等しい。これにより、広がりを持って射出する光束のうちの最大角度を射出角度βとすると、射出角度βは入射角度αよりも小さくなる。
【００２４】
導光体２として、ガラス等の無機材料や、プラスチック等の樹脂材料、金属材料、セラミックス等を使用する。導光体２の側壁面３には、金属薄膜、例えばＡｇやＡｌ等の金属膜や誘電体多層膜から成る反射膜を設けている。導光体２は、断面が円形又は楕円形の筒形の形状であってもよいし、多角の筒状形状であってもよい。均一な面光源が必要な装置に応じて、その形状を設定する。例えば、表示有効面が四角形の光変調素子に光を照射する場合には、導光体２の短手方向の断面を四角形にする。これにより、指向性が高く面内輝度分布の均一性の高い射出光を得ることができる。
【００２５】
回折部４は、導光体２の入射口５側の領域の側壁面３に沿って形成する、或いは、側壁面３の一部に形成する。回折部４の形状は、凹形状やＶ字形状の溝、或いは凸形状や断面が三角形あるいは鋸歯状の突条とすることができる。これらの形状は、回折格子の式において回折光を取り出したい一つないし複数の次数光の回折効率が最大化されるように決めることができる。これらの溝や突条は回折格子やホログラムのパターンを備えるように形成することができる。例えば回折格子のピッチの例としては、入射角度αが８０°で入射口へ入射する光を射出口より射出する角度として射出角度βを１５°以下に指向性を高めたい場合、屈折率ｎを１、壁面への入射角度をθｉｎ、壁面での反射角度をθとするならばｐ（ｎｓｉｎθ−ｓｉｎθｉｎ) =ｍλ（ｍは整数）の式よりｍを１として０．６７μｍ程度のピッチサイズが必要になる。さらに数回の回折による反射が行われる場合、数回の回折による反射の合計にて射出角１５°以下になるようにピッチを施してもよい。
【００２６】
図２は、本発明の実施形態に係るライトパイプ１の回折部４を表す説明図である。図２（ａ）は、ライトパイプ１の入射口５側の領域の模式的な部分断面図であり、図２（ｂ）は、ライトパイプ１の入射口５側の領域の模式的な斜視図である。
【００２７】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ライトパイプ１は四角形の筒形状からなる導光体２により構成されている。導光体２の内部は中空であり、導光体２の内壁面からなる側壁面３は反射面により構成されている。導光体２の入射口５側の領域の側壁面３には、回折部４が形成されている。回折部４は、多数の回折溝１５から構成されている。回折溝１５は、導光体２の長手方向に直交する方向の周囲に沿って形成されている。回折溝１５の間隔は、射出口６側の間隔Ｐ２よりも入射口５側の間隔Ｐ１のほうが狭い。つまり、回折溝１５の間隔は、入射口５に近づくほど狭くなる。これにより、入射口５の近傍において、大きな入射角度αで入射した光は反射を繰り返して混合され、入射口５から離れるに従い側壁面３で反射する反射角が大きくなる。そして、導光体２の長手方向に略平行な反射光に変換されて、射出口６から小さな射出角度βで射出される。
【００２８】
特に、導光体２の入射口５に入射する光のうち、入射角度αが大きいほど入射口５近くの回折部４に入射する。入射口５近くの回折部４は、射出口６側の回折部４よりも回折溝１５の間隔が狭いので、より強い回折作用を受けて回折され、射出口６側により大きく曲げられる。なお、導光体２の長手方向における回折部４の長さをＬＧとし、入射口５の幅をＷとして、ＬＧ＝Ｗ／（ｔａｎ（β／２））とすれば、射出角度βより大きい角度で入射した光は必ず回折部４に入射するので、射出口６から、小さな射出角度βで射出させることができる。
【００２９】
従って、導光体２の長手方向に直交する方向の断面積を、入射口５側で小さく、射出口６側で大きくする必要がない。そのため、射出口６の射出面積を小さく構成することができるので、点光源に近く、かつ、射出面において均一な輝度分布を有する、指向性の高い光を射出することができる。
【００３０】
なお、上記実施形態における回折溝１５は、図２（ｂ）に示すように、導光体２の左右の側壁の側壁面３と上下の側壁の側壁面３において同一のピッチで形成したが、これに限定されない。例えば、左右の側壁の側壁面３に形成する回折溝１５のピッチと、上下の側壁の側壁面３に形成する回折溝１５のピッチとを異なるように形成することができる。これにより、射出口６において、左右の方向にも上下の方向にも均一な輝度分布を有する光を射出させることができる。また、回折溝１５として、平行な溝に代えて、ホログラムの回折パターンとすることができる。特に、入射口５から入射する光が点光源から射出されるような、放射方向に強度分布を有する場合に有効である。
【００３１】
図３は、本発明の他の実施形態に係るライトパイプ１の構成を表す模式的な縦断面図である。同一の部分又は同一の機能を表す部分には同一の符号を付している。ライトパイプ１は、柱状の中実型の導光体２から構成されている。導光体２の外壁面が側壁面３である。導光体２は、入射口５から光を入射し、射出口６から当該入射した光を射出する。導光体２の入射口５側の側壁面３には、回折部４が形成されている。入射角度αで入射した光は、回折部４において射出口６側に反射される。この回折部４においては、回折部４の回折条件に従って、入射角γ１で入射した光は、入射角γ１よりも大きな角度の反射角γ２で反射される。回折部４以外の側壁面３では、入射角γ３と反射角γ４とは等しい。これにより、射出角度βは入射角度αよりも小さくなる。
【００３２】
回折部４の形状は、凹形状やＶ字形状の溝、或いは凸形状や断面が三角形あるいは鋸歯状の突条からなる回折溝１５とすることができる。回折溝１５は、導光体２の長手方向に直交する方向の外周に形成されている。回折溝１５の間隔は、射出口６側の間隔よりも入射口５側の間隔のほうを狭く構成することができる。つまり回折溝１５の間隔は、入射口５に近づくほど狭くなるように構成することができる。これにより、入射口５から大きな入射角度αで入射した光は壁面への入射角度より大きな反射角で反射を繰り返して混合され、回折部４の領域では入射口５から離れるに従い側壁面３で反射する反射角が壁面入射角に近くなる。また、本実施形態のように中実型の導光体２の場合には、入射光が導光体２に入射する際に屈折され、見かけ上入射角度αが小さくなる。そのために、例えば回折溝１５のブレーズ角を小さくすることができ、回折溝１５の作成が容易になる。
【００３３】
また、特に、導光体２の入射口５に入射する光のうち、入射角度αが大きいほど入射口５近くの回折部４に入射する。入射口５近くの回折部４は、射出口６側の回折部４よりも回折溝１５の間隔が狭いので、より強い回折作用を受けて回折され、射出口６側により大きく曲げられる。ここで、導光体２の長手方向における回折部４の長さをＬＧとし、入射口５の幅をＷとして、ＬＧ＝Ｗ／（ｔａｎ（β／２））とすれば、射出角度βより大きい角度で入射した光は必ず回折部４に入射するので、射出口６から、小さな射出角度βで射出させることができる。
【００３４】
また、導光体２の外形を多角形とした場合に、当該多角形の隣り合う辺に対応する側壁面３において、回折溝１５のピッチを異なるように形成することができる。例えば、導光体２の長手方向に直交する方向の断面が長方形の場合に、当該長方形の短辺の側壁面３と長辺の側壁面３とで、回折溝１５のピッチを異なるように形成することができる。各側壁面３に形成する回折溝１５のピッチを適切に設定することにより、射出口６において短辺方向にも長辺方向にも均一な光の輝度分布を得ることができる。また、回折溝１５として、平行な溝に代えて、ホログラムの回折パターンとすることができる。特に、入射口５から入射する光が点光源から射出されるような、放射方向に強度分布を有する場合に有効である。また、回折溝１５は、断面が三角形やＶ字状に限定されず、矩形状の凹凸や、半円形状であってもよい。
【００３５】
導光体２として、ガラス等の無機材料やプラスチック等の樹脂材料を使用することができる。導光体２の外壁面である側壁面３の、少なくとも回折部４が構成される領域には、例えばＡｇやＡｌ等の反射膜を設ける。しかし、回折部４以外の側壁面３には必ずしもこのような反射膜を設けなくともよい。側壁面３において光は全反射され、光を導光体２の内部に閉じ込めることができるためである。また、導光体２は、多角形状のほかに円柱形状とすることができる。均一な面光源が必要な装置に応じて、その形状を設定する。例えば、表示有効面が四角形の光変調素子に光を照射する場合には、導光体２の短手方向の断面を四角形にすることができる。
【００３６】
図４は、本発明の実施形態に係る照明光学系１０を表す模式的な縦断面図である。図４（ａ）は導光体２が中空型の筒形状を有し、図４（ｂ）は導光体２が中実型の柱形状を有する場合であり、それぞれの導光体２の入射口５に発光素子１１を設けた。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
【００３７】
図４（ａ）に示すように、導光体２からなるライトパイプ１の入射口５に発光素子１１が設置されている。導光体２の内壁面からなる側壁面３により囲まれる空間は、導光体２の長手方向に直交する方向においてほぼ同一の断面形状を備えている。ライトパイプ１は、図１及び図２において説明したのと同様なので、説明を省略する。また、図４（ｂ）に示すように、導光体２からなるライトパイプ１の入射口５に発光素子１１が設置されている。導光体２の外壁面からなる側壁面３により囲まれる領域は、導光体２の長手方向に直行する方向においてほぼ同一の断面形状を備えている。ライトパイプ１は、図３において説明したと同様なので、説明を省略する。
【００３８】
発光素子１１は、基体８と、基体８に設置されたＬＥＤ７とから構成されている。ＬＥＤ７の光の射出面９は、導光体２の入射口５の形状と略同一の形状を有し、入射口５に密着して形成されている。そのために、射出面９から射出される光は、外部に漏れることなく導光体２の内部に導入される。導光体２の内部に導入された光は、回折部４により射出口６側に反射され、指向性が高く、かつ、射出口６における輝度分布の均一性の高い射出光に変換される。また、射出面９から斜め方向に射出された光も射出光として利用するので、光の利用効率を向上させることができる。また、図４（ｂ）の中実型の導光体２とＬＥＤ７の夫々の屈折率のマッチングを図ることにより、入射口５の表面及びＬＥＤ７の発光面における反射ロスを低減することができる。
【００３９】
図５は、本発明の実施形態に係る画像投影装置２０を表す模式的な断面図である。画像投影装置２０は、光合成部２２と、光合成部２２の３つの辺に設けた光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂと、３つの光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの夫々に対応して設けた３つのリレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂと、この３つのリレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂの夫々に対応して設けた３つの照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂと、投影部２３から構成されている。ここで、光合成部２２はダイクロイックプリズムにより構成されている。光変調部２１Ｒは赤色の画像を表示する液晶表示素子、光変調部２１Ｇは緑色の画像を表示する液晶表示素子、光変調部２１Ｂは青色の画像を表示する液晶表示素子により構成されている。３つの照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの夫々は、導光体２からなるライトパイプ１の入射口５に、赤色発光のＬＥＤ７からなる赤色発光素子１１Ｒ、緑色発光のＬＥＤ７からなる緑色発光素子１１Ｇ、及び、青色発光のＬＥＤ７からなる青色発光素子１１Ｂを備えている。投影部２３は、画像投影用の投影レンズ系により構成されている。
【００４０】
各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの射出口６は、各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの表示有効領域の形状と相似する面形状を有している。各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの表示有効領域が四角形を有し、当該四角形の縦横の長さの比が例えば３対４の場合には、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂも四角形を有し、当該四角形の射出口６の縦横比も３対４に設定されている。導光体２の入射口５側の側壁面３には回折溝からなる回折部４が形成されている。回折溝のピッチは入射口５側に近づくにつれて狭くなる。また、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの左右の側壁の内面に形成される回折溝と、上下の側壁の内面に形成される回折溝とは、隣り合う回折溝の間隔が異なる。また、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの回折溝の間隔も、各発光素子１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの発光色に合わせて、異なるように形成されている。
【００４１】
各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの夫々から射出された光は、各リレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂを介して略平行な照明光として各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに照射される。各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、入射した照明光を各色に対応する画像光に変換する。各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂから射出された画像光は、光合成部２２により加法混色され、投影部２３を介して、スクリーン等に投影される。このように構成することにより、光利用効率が高く、軽量でコンパクトな画像投影装置２０を構成することが可能となる。なお、各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに各リレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂから略平行光を照射することに代えて、投射レンズの入射開口数にマッチングさせた光束を照射しても良い。
【００４２】
なお、上記実施形態においては、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂと各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの間にリレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂを設けたが、これらのリレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂを除去して、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂに対応する各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに近接配置することができる。この場合は、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの射出口６の形状と各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの表示有効領域とほぼ同じ面形状とすることができる。また、照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂとして、図４（ａ）に示した中空型の導光体２を用いた場合を示しているが、これに代えて図４（ｂ）に示した中実型の導光体２を用いることができる。
【００４３】
図６は、本発明の他の実施形態に係る画像投影装置２０を表す模式的な断面図である。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。図６において、画像投影装置２０は、照明光学系１０と、リレーレンズ２４と、反射型の光変調部２１と、光変調部２１から反射される画像光を投影する投影部２３から構成されている。照明光学系１０は、導光体２と、導光体２に入射口５に設けた発光素子１１から構成されている。発光素子１１は、基体８と、基体８の上に設けた赤色発光のＬＥＤ７Ｒと、緑色発光のＬＥＤ７Ｇと、青色発光のＬＥＤ７Ｂから構成されている。各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂは基体８に集積して設置され、ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂの全体の発光面は、入射口５の入射面の形状とほぼ同じ形状を備え、導光体２の端部に密着設置されている。従って、各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂから発光された光は、外部に漏れない。各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂから発光した各色の光は、導光体２の回折部４及び側壁面３において反射を繰り返し、射出口６の射出面では、輝度分布が均一で指向性の高い射出光に変換される。
【００４４】
光変調部２１は、ＤＭＤ素子により構成されている。ＤＭＤ素子は、多数のマイクロミラーが画像信号に応じて回転可能に構成されている。照明光学系１０から射出された光は、リレーレンズ２４を介してＤＭＤ素子に照射され、ＤＭＤ素子の多数のマイクロミラーにより表示画像に応じて反射され、レンズ系から構成される投影部２３を介してスクリーン等に投影される。
【００４５】
ＤＭＤ素子は次の様に動作する。発光素子１１を駆動する光源駆動回路は、各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂを時分割駆動して、赤色、緑色、青色の光を順次発光させる。ＤＭＤ素子を駆動する表示駆動回路は、上記時分割駆動に同期して、ＤＭＤ素子に赤色の画像、緑色の画像、青色の画像を順次表示させる。これにより、投影部２３からは、赤色、緑色、青色の各画像が順次投影され、観察者はこれらを混色して、通常画像として見ることができる。
【００４６】
なお、光の混色方法として、図５に示すように、異なる色の照明光学系１０を用いて、光合成部２２により照明光学系１０から射出される光を合成して混色し、この混色された光をリレーレンズ２４を介して反射型の光変調部２１に照射し、光変調部２１により変調した光を投影部２３により投影するようにしてもよい。この場合に、照明光学系１０は３原色の夫々に対応させる。また、図６において、照明光学系１０と光変調部２１との間隙にリレーレンズ２４を設けたが、これリレーレンズ２４を省くことができる。また、光変調部２１として、ＤＭＤ素子に代えて、反射型液晶表示素子を使用することができる。また、照明光学系１０として、図４（ａ）に示した中空型の導光体２を用いた場合を示しているが、これに代えて図４（ｂ）に示した中実型の導光体２を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態に係るライトパイプの模式的な縦断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るライトパイプの説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係るライトパイプの説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る照明光学系の模式的な縦断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る画像投影装置の模式的な断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る画像投影装置の模式的な断面図である。
【図７】従来公知の照明用光源装置の断面図である。
【図８】従来公知の照明装置の断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１ ライトパイプ
２ 導光体
３ 側壁面
４ 回折部
５ 入射口
６ 射出口
７ ＬＥＤ
８ 基体
９ 射出面
１０ 照明光学系
２０ 画像投影装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一端から光を導入し、他端からその光を射出するライトパイプ、及びこれを用いた照明光学系及び画像投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光源からの光を液晶表示素子やＤＭＤ（ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）素子等の光変調素子に照射し、スクリーン上に画像を投影する画像投影装置が普及している。光変調素子に照射する光源として、ハロゲンランプや高圧水銀ランプ等が用いられてきた。しかし、これらの光源は大電力が必要なことや、温度が上昇するので冷却装置が必要であるために、重量や体積が大きくなり、装置全体をコンパクトに構成することの妨げとなった。一方、近年、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）の輝度及び発光効率が向上している。ＬＥＤは、駆動電圧が低く、小型軽量であるために、画像投影装置の光源に利用できれば、装置全体の小型化、軽量化を図ることができる。
【０００３】
しかし、ＬＥＤから射出される光は指向性が低く、リフレクタや集光レンズ系が必要なことや、光が射出される方向の輝度は必ずしも均一ではない。射出光の指向性が低いと、画像投影に利用できる光の割合が低下し、投影面が暗くなる。また、射出方向に対して輝度むらが存在すると、投影面に輝度むらが生じて、画像品質が低下する。特許文献１は、このような不具合を、ロッドインテグレータ（以下、ライトパイプという。）を用いて改善しようというものである。
【０００４】
図７は、特許文献１に記載される照明用光源装置５０の断面構造を示す。照明用光源装置５０は、ライトパイプ５１と、ライトパイプ５１の光入射開口５４に設けた白色ＬＥＤ５２とから構成されている。白色ＬＥＤ５２は、ライトパイプ５１の端部よりも発光点５３を光案内通路５６の内側に設置し、発光点５３から発光する光を効率よく光射出開口５５まで導くことができる。また、ライトパイプ５１を中空の筒状としたので、中実の柱状のライトパイプを用いる場合よりも、光の内面反射の回数が増える。そのため、光が光射出開口５５から射出される際に、より均一な強度の照明光を得ることができる、というものである。
【０００５】
図８は、特許文献２に記載される照明装置６０の断面構造を示す。複数のテーパロッド６３と、その先に、これらの複数のテーパロッド６３の射出側開口部を集合したロッド６４と、すり鉢状の各テーパロッド６３の底に設置されるＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂ及び各ＬＥＤを搭載した基板６７とからなるＬＥＤアレイ６２から構成されている。各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂで発光した光は、テーパロッド６３の壁面により反射されて射出角が狭くなり、ロッド６４の射出端から射出される。ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂの複数の光源から発光した各色の光が合成されて、より指向性の高い白色光を射出させることができる、というものである。
【特許文献１】特開２００５−２８３９１８号公報
【特許文献２】特開２００３−３３０１０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載される照明用光源装置５０において、例えば、白色ＬＥＤ５２の発光点５３において発光した光の射出角をθとする。発光点５３で発光した光は、ライトパイプ５１の内表面５７で繰り返して反射され、光射出開口５５に進む。しかし、内表面５７で光が反射する場合、入射角と反射角は等しい。即ち、白色ＬＥＤ５２から射出された光が光射出開口５５から射出するときは、上記射出角が維持される。従って、光射出開口５５から射出される光の射出角をφとすると、この射出角φは発光角θとほとんど同じとなる。従って、図７に示される照明用光源装置５０では、ライトパイプ５１から射出する光の指向性は、光源であるＬＥＤ５２から射出する光の指向性とさほど変わらない。従って、光の利用効率を低下させないための追加の工夫も必要となる。特に、プロジェクタに用いた場合、投影レンズの許容入射角はＬＥＤの発光角より小さいため、許容入射角より大きな射出角でライトパイプから射出された光は、投影レンズから投影されず、損失となる。
【０００７】
特許文献２に記載される照明装置６０では、各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂで発光した光は、リフレクタの機能を有するテーパロッド６３により指向性が高くなって射出される。しかし、各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂにおいて発光した光は各テーパロッド６３内で繰り返し反射されず、また、テーパロッド６３の先に設けたロッド６４は口径が大きいので、テーパロッド６３から射出された光の繰り返し反射回数は少ない。例えば各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂから射出された光に射出角依存性がある場合は、ロッド６４から射出される射出光の角度依存性がそのまま保持され、投影される画像に色むらとして現れる。同様に、各ＬＥＤ６８Ｒ、６８Ｇ、６８Ｂ間で発光色が異なる場合、ロッド６４から射出される光に色分布が発生する恐れがある。色分布が発生すると投影画像の品質が低下するので、ロッド６４と光変調素子との間に、光混合手段を更に設ける等の対策が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明においては上記課題を解決するために以下の手段を講じた。
【０００９】
請求項１に係る発明においては、入射口から入射される光源からの光を、側壁面で繰り返し反射させて射出口から射出させるライトパイプにおいて、前記射出口から射出される光の射出角度が前記入射口から入射される光の入射角度よりも小さくなるように、前記側壁面の前記入射口側の領域に回折部を設けた。
【００１０】
請求項２に係る発明においては、前記回折部は、複数の回折溝を有し、前記複数の回折溝のうち隣り合う回折溝の間隔を、前記入射口に近づくほど狭くしたことを特徴とする請求項１に記載のライトパイプとした。
【００１１】
請求項３に係る発明においては、前記光源は、ＬＥＤであり、前記側壁面で囲繞される空間の断面形状が、前記ＬＥＤの射出面の形状と略同一であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のライトパイプとした。
【００１２】
請求項４に係る発明においては、前記断面形状は、多角形状であり、少なくとも一組の隣り合う側壁面における前記入射口側の領域に設けた前記回折部どうしで、前記複数の回折溝のうち隣り合う回折溝の間隔が異なることを特徴とする請求項３に記載のライトパイプとした。
【００１３】
請求項５に係る発明においては、請求項１〜４のいずれか１項に記載のライトパイプの入射口に、光源を密着して設けたことを特徴とする照明光学系とした。
【００１４】
とした。
【００１５】
請求項６に係る発明においては、請求項５に記載の照明光学系を、３原色に夫々対応して有し、さらに、これらの前記照明光学系から射出される光を合成する光合成部と、前記光合成部により合成した光を変調する光変調部と、前記光変調部により変調した光を投影する投影部と、を有する画像投影装置とした。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係るライトパイプは、光源からの光を入射口で導入し、側壁面で繰り返し反射させて射出口から射出させる。この場合に、射出口から射出される光の射出角度が、入射口から入射される光の入射角度よりも小さくなるようにするために、側壁面の入射口側の領域に回折部を設けた。これにより、入射した光の指向性よりも高い指向性を付与し、射出面における輝度の均一性を向上させた光を射出させることができ、結果として光の利用効率を向上させることができる、という利点を有する。
【００１７】
また、回折部は複数の回折溝を有し、回折溝のうち隣り合う回折溝の間隔を、入射口に近づくほど狭くした。ライトパイプの入射口の領域に入射した光は、発光素子からの発光角が大きいほど入射口近くの回折部に入射する。入射口近くの回折部は、射出口側の回折部よりも溝の間隔が狭いため、より強い回折作用を受けて回折される。つまり、発光角の大きな光線ほど、略平行光に近づく大きな偏角作用を受けることができるので、結果的に射出光の指向性をより高めることができる。
【００１８】
また、光源をＬＥＤとし、側壁面で囲まれる空間の断面形状が、ＬＥＤの射出面の形状と略同一とした。これにより、ライトパイプを入射口から射出口に向けて、断面を末広状に拡大させることがないので、光源の発光面積を維持して、かつ、入射した光を指向性の高い射出光として射出することができるという、利点を有している。
【００１９】
また、ライトパイプの断面形状を多角形状とし、少なくとも一組の隣り合う側壁面に設けた回折部は、互いに回折溝の間隔が異なるようにした。これにより、隣り合う辺に対応する回折溝の回折条件を個別に設定可能となり、射出光の輝度分布を所望の分布へとコントロールできる、という利点を有している。
【００２０】
また、上記のライトパイプの入射口に、光源を密着して設けた照明光学系とした。これにより、光源の光の漏れを防止することができるので、光の利用効率を向上させることができる、という利点を有している。
【００２１】
また、上記の照明光学系を用い、上記照明光学系から射出された光を合成する光合成部と、光合成部により合成した光を変調する光変調部と、光変調部により変調した光を投影する投影部とを有する画像投影装置とした。これにより、軽量、小型の画像投影装置を構成することができる、という利点を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の構成を、図面を用いて詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の実施形態に係るライトパイプ１の構成を表す模式的な縦断面図である。ライトパイプ１は、筒型の形状を有し、内部が中空の導光体２から構成されている。導光体２の内壁面が側壁面３であり、光を反射する反射面により構成されている。導光体２は、入射口５から光を入射し、射出口６から当該入射した光を射出する。導光体２の入射口５側の側壁面３には、回折部４が形成されている。広がりを持って入射する光束のうちの最大角度を入射角度αとすると、入射角度αで入射した光は、回折部４において射出口６側に回折される。この回折部４においては、回折部４の回折条件に従って、入射角γ１で入射した光は、入射角γ１よりも大きな角度の反射角γ２で反射される。回折部４以外の側壁面３では、入射角γ３と反射角γ４とは等しい。これにより、広がりを持って射出する光束のうちの最大角度を射出角度βとすると、射出角度βは入射角度αよりも小さくなる。
【００２４】
導光体２として、ガラス等の無機材料や、プラスチック等の樹脂材料、金属材料、セラミックス等を使用する。導光体２の側壁面３には、金属薄膜、例えばＡｇやＡｌ等の金属膜や誘電体多層膜から成る反射膜を設けている。導光体２は、断面が円形又は楕円形の筒形の形状であってもよいし、多角の筒状形状であってもよい。均一な面光源が必要な装置に応じて、その形状を設定する。例えば、表示有効面が四角形の光変調素子に光を照射する場合には、導光体２の短手方向の断面を四角形にする。これにより、指向性が高く面内輝度分布の均一性の高い射出光を得ることができる。
【００２５】
回折部４は、導光体２の入射口５側の領域の側壁面３に沿って形成する、或いは、側壁面３の一部に形成する。回折部４の形状は、凹形状やＶ字形状の溝、或いは凸形状や断面が三角形あるいは鋸歯状の突条とすることができる。これらの形状は、回折格子の式において回折光を取り出したい一つないし複数の次数光の回折効率が最大化されるように決めることができる。これらの溝や突条は回折格子やホログラムのパターンを備えるように形成することができる。例えば回折格子のピッチの例としては、入射角度αが８０°で入射口へ入射する光を射出口より射出する角度として射出角度βを１５°以下に指向性を高めたい場合、屈折率ｎを１、壁面への入射角度をθｉｎ、壁面での反射角度をθとするならばｐ（ｎｓｉｎθ−ｓｉｎθｉｎ) =ｍλ（ｍは整数）の式よりｍを１として０．６７μｍ程度のピッチサイズが必要になる。さらに数回の回折による反射が行われる場合、数回の回折による反射の合計にて射出角１５°以下になるようにピッチを施してもよい。
【００２６】
図２は、本発明の実施形態に係るライトパイプ１の回折部４を表す説明図である。図２（ａ）は、ライトパイプ１の入射口５側の領域の模式的な部分断面図であり、図２（ｂ）は、ライトパイプ１の入射口５側の領域の模式的な斜視図である。
【００２７】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ライトパイプ１は四角形の筒形状からなる導光体２により構成されている。導光体２の内部は中空であり、導光体２の内壁面からなる側壁面３は反射面により構成されている。導光体２の入射口５側の領域の側壁面３には、回折部４が形成されている。回折部４は、多数の回折溝１５から構成されている。回折溝１５は、導光体２の長手方向に直交する方向の周囲に沿って形成されている。回折溝１５の間隔は、射出口６側の間隔Ｐ２よりも入射口５側の間隔Ｐ１のほうが狭い。つまり、回折溝１５の間隔は、入射口５に近づくほど狭くなる。これにより、入射口５の近傍において、大きな入射角度αで入射した光は反射を繰り返して混合され、入射口５から離れるに従い側壁面３で反射する反射角が大きくなる。そして、導光体２の長手方向に略平行な反射光に変換されて、射出口６から小さな射出角度βで射出される。
【００２８】
特に、導光体２の入射口５に入射する光のうち、入射角度αが大きいほど入射口５近くの回折部４に入射する。入射口５近くの回折部４は、射出口６側の回折部４よりも回折溝１５の間隔が狭いので、より強い回折作用を受けて回折され、射出口６側により大きく曲げられる。なお、導光体２の長手方向における回折部４の長さをＬＧとし、入射口５の幅をＷとして、ＬＧ＝Ｗ／（ｔａｎ（β／２））とすれば、射出角度βより大きい角度で入射した光は必ず回折部４に入射するので、射出口６から、小さな射出角度βで射出させることができる。
【００２９】
従って、導光体２の長手方向に直交する方向の断面積を、入射口５側で小さく、射出口６側で大きくする必要がない。そのため、射出口６の射出面積を小さく構成することができるので、点光源に近く、かつ、射出面において均一な輝度分布を有する、指向性の高い光を射出することができる。
【００３０】
なお、上記実施形態における回折溝１５は、図２（ｂ）に示すように、導光体２の左右の側壁の側壁面３と上下の側壁の側壁面３において同一のピッチで形成したが、これに限定されない。例えば、左右の側壁の側壁面３に形成する回折溝１５のピッチと、上下の側壁の側壁面３に形成する回折溝１５のピッチとを異なるように形成することができる。これにより、射出口６において、左右の方向にも上下の方向にも均一な輝度分布を有する光を射出させることができる。また、回折溝１５として、平行な溝に代えて、ホログラムの回折パターンとすることができる。特に、入射口５から入射する光が点光源から射出されるような、放射方向に強度分布を有する場合に有効である。
【００３１】
図３は、本発明の他の実施形態に係るライトパイプ１の構成を表す模式的な縦断面図である。同一の部分又は同一の機能を表す部分には同一の符号を付している。ライトパイプ１は、柱状の中実型の導光体２から構成されている。導光体２の外壁面が側壁面３である。導光体２は、入射口５から光を入射し、射出口６から当該入射した光を射出する。導光体２の入射口５側の側壁面３には、回折部４が形成されている。入射角度αで入射した光は、回折部４において射出口６側に反射される。この回折部４においては、回折部４の回折条件に従って、入射角γ１で入射した光は、入射角γ１よりも大きな角度の反射角γ２で反射される。回折部４以外の側壁面３では、入射角γ３と反射角γ４とは等しい。これにより、射出角度βは入射角度αよりも小さくなる。
【００３２】
回折部４の形状は、凹形状やＶ字形状の溝、或いは凸形状や断面が三角形あるいは鋸歯状の突条からなる回折溝１５とすることができる。回折溝１５は、導光体２の長手方向に直交する方向の外周に形成されている。回折溝１５の間隔は、射出口６側の間隔よりも入射口５側の間隔のほうを狭く構成することができる。つまり回折溝１５の間隔は、入射口５に近づくほど狭くなるように構成することができる。これにより、入射口５から大きな入射角度αで入射した光は壁面への入射角度より大きな反射角で反射を繰り返して混合され、回折部４の領域では入射口５から離れるに従い側壁面３で反射する反射角が壁面入射角に近くなる。また、本実施形態のように中実型の導光体２の場合には、入射光が導光体２に入射する際に屈折され、見かけ上入射角度αが小さくなる。そのために、例えば回折溝１５のブレーズ角を小さくすることができ、回折溝１５の作成が容易になる。
【００３３】
また、特に、導光体２の入射口５に入射する光のうち、入射角度αが大きいほど入射口５近くの回折部４に入射する。入射口５近くの回折部４は、射出口６側の回折部４よりも回折溝１５の間隔が狭いので、より強い回折作用を受けて回折され、射出口６側により大きく曲げられる。ここで、導光体２の長手方向における回折部４の長さをＬＧとし、入射口５の幅をＷとして、ＬＧ＝Ｗ／（ｔａｎ（β／２））とすれば、射出角度βより大きい角度で入射した光は必ず回折部４に入射するので、射出口６から、小さな射出角度βで射出させることができる。
【００３４】
また、導光体２の外形を多角形とした場合に、当該多角形の隣り合う辺に対応する側壁面３において、回折溝１５のピッチを異なるように形成することができる。例えば、導光体２の長手方向に直交する方向の断面が長方形の場合に、当該長方形の短辺の側壁面３と長辺の側壁面３とで、回折溝１５のピッチを異なるように形成することができる。各側壁面３に形成する回折溝１５のピッチを適切に設定することにより、射出口６において短辺方向にも長辺方向にも均一な光の輝度分布を得ることができる。また、回折溝１５として、平行な溝に代えて、ホログラムの回折パターンとすることができる。特に、入射口５から入射する光が点光源から射出されるような、放射方向に強度分布を有する場合に有効である。また、回折溝１５は、断面が三角形やＶ字状に限定されず、矩形状の凹凸や、半円形状であってもよい。
【００３５】
導光体２として、ガラス等の無機材料やプラスチック等の樹脂材料を使用することができる。導光体２の外壁面である側壁面３の、少なくとも回折部４が構成される領域には、例えばＡｇやＡｌ等の反射膜を設ける。しかし、回折部４以外の側壁面３には必ずしもこのような反射膜を設けなくともよい。側壁面３において光は全反射され、光を導光体２の内部に閉じ込めることができるためである。また、導光体２は、多角形状のほかに円柱形状とすることができる。均一な面光源が必要な装置に応じて、その形状を設定する。例えば、表示有効面が四角形の光変調素子に光を照射する場合には、導光体２の短手方向の断面を四角形にすることができる。
【００３６】
図４は、本発明の実施形態に係る照明光学系１０を表す模式的な縦断面図である。図４（ａ）は導光体２が中空型の筒形状を有し、図４（ｂ）は導光体２が中実型の柱形状を有する場合であり、それぞれの導光体２の入射口５に発光素子１１を設けた。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
【００３７】
図４（ａ）に示すように、導光体２からなるライトパイプ１の入射口５に発光素子１１が設置されている。導光体２の内壁面からなる側壁面３により囲まれる空間は、導光体２の長手方向に直交する方向においてほぼ同一の断面形状を備えている。ライトパイプ１は、図１及び図２において説明したのと同様なので、説明を省略する。また、図４（ｂ）に示すように、導光体２からなるライトパイプ１の入射口５に発光素子１１が設置されている。導光体２の外壁面からなる側壁面３により囲まれる領域は、導光体２の長手方向に直行する方向においてほぼ同一の断面形状を備えている。ライトパイプ１は、図３において説明したと同様なので、説明を省略する。
【００３８】
発光素子１１は、基体８と、基体８に設置されたＬＥＤ７とから構成されている。ＬＥＤ７の光の射出面９は、導光体２の入射口５の形状と略同一の形状を有し、入射口５に密着して形成されている。そのために、射出面９から射出される光は、外部に漏れることなく導光体２の内部に導入される。導光体２の内部に導入された光は、回折部４により射出口６側に反射され、指向性が高く、かつ、射出口６における輝度分布の均一性の高い射出光に変換される。また、射出面９から斜め方向に射出された光も射出光として利用するので、光の利用効率を向上させることができる。また、図４（ｂ）の中実型の導光体２とＬＥＤ７の夫々の屈折率のマッチングを図ることにより、入射口５の表面及びＬＥＤ７の発光面における反射ロスを低減することができる。
【００３９】
図５は、本発明の実施形態に係る画像投影装置２０を表す模式的な断面図である。画像投影装置２０は、光合成部２２と、光合成部２２の３つの辺に設けた光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂと、３つの光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの夫々に対応して設けた３つのリレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂと、この３つのリレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂの夫々に対応して設けた３つの照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂと、投影部２３から構成されている。ここで、光合成部２２はダイクロイックプリズムにより構成されている。光変調部２１Ｒは赤色の画像を表示する液晶表示素子、光変調部２１Ｇは緑色の画像を表示する液晶表示素子、光変調部２１Ｂは青色の画像を表示する液晶表示素子により構成されている。３つの照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの夫々は、導光体２からなるライトパイプ１の入射口５に、赤色発光のＬＥＤ７からなる赤色発光素子１１Ｒ、緑色発光のＬＥＤ７からなる緑色発光素子１１Ｇ、及び、青色発光のＬＥＤ７からなる青色発光素子１１Ｂを備えている。投影部２３は、画像投影用の投影レンズ系により構成されている。
【００４０】
各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの射出口６は、各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの表示有効領域の形状と相似する面形状を有している。各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの表示有効領域が四角形を有し、当該四角形の縦横の長さの比が例えば３対４の場合には、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂも四角形を有し、当該四角形の射出口６の縦横比も３対４に設定されている。導光体２の入射口５側の側壁面３には回折溝からなる回折部４が形成されている。回折溝のピッチは入射口５側に近づくにつれて狭くなる。また、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの左右の側壁の内面に形成される回折溝と、上下の側壁の内面に形成される回折溝とは、隣り合う回折溝の間隔が異なる。また、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの回折溝の間隔も、各発光素子１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂの発光色に合わせて、異なるように形成されている。
【００４１】
各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの夫々から射出された光は、各リレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂを介して略平行な照明光として各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに照射される。各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは、入射した照明光を各色に対応する画像光に変換する。各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂから射出された画像光は、光合成部２２により加法混色され、投影部２３を介して、スクリーン等に投影される。このように構成することにより、光利用効率が高く、軽量でコンパクトな画像投影装置２０を構成することが可能となる。なお、各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに各リレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂから略平行光を照射することに代えて、投射レンズの入射開口数にマッチングさせた光束を照射しても良い。
【００４２】
なお、上記実施形態においては、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂと各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの間にリレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂを設けたが、これらのリレーレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂを除去して、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂに対応する各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに近接配置することができる。この場合は、各照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの射出口６の形状と各光変調部２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂの表示有効領域とほぼ同じ面形状とすることができる。また、照明光学系１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂとして、図４（ａ）に示した中空型の導光体２を用いた場合を示しているが、これに代えて図４（ｂ）に示した中実型の導光体２を用いることができる。
【００４３】
図６は、本発明の他の実施形態に係る画像投影装置２０を表す模式的な断面図である。同一の部分または同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。図６において、画像投影装置２０は、照明光学系１０と、リレーレンズ２４と、反射型の光変調部２１と、光変調部２１から反射される画像光を投影する投影部２３から構成されている。照明光学系１０は、導光体２と、導光体２に入射口５に設けた発光素子１１から構成されている。発光素子１１は、基体８と、基体８の上に設けた赤色発光のＬＥＤ７Ｒと、緑色発光のＬＥＤ７Ｇと、青色発光のＬＥＤ７Ｂから構成されている。各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂは基体８に集積して設置され、ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂの全体の発光面は、入射口５の入射面の形状とほぼ同じ形状を備え、導光体２の端部に密着設置されている。従って、各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂから発光された光は、外部に漏れない。各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂから発光した各色の光は、導光体２の回折部４及び側壁面３において反射を繰り返し、射出口６の射出面では、輝度分布が均一で指向性の高い射出光に変換される。
【００４４】
光変調部２１は、ＤＭＤ素子により構成されている。ＤＭＤ素子は、多数のマイクロミラーが画像信号に応じて回転可能に構成されている。照明光学系１０から射出された光は、リレーレンズ２４を介してＤＭＤ素子に照射され、ＤＭＤ素子の多数のマイクロミラーにより表示画像に応じて反射され、レンズ系から構成される投影部２３を介してスクリーン等に投影される。
【００４５】
ＤＭＤ素子は次の様に動作する。発光素子１１を駆動する光源駆動回路は、各ＬＥＤ７Ｒ、７Ｇ、７Ｂを時分割駆動して、赤色、緑色、青色の光を順次発光させる。ＤＭＤ素子を駆動する表示駆動回路は、上記時分割駆動に同期して、ＤＭＤ素子に赤色の画像、緑色の画像、青色の画像を順次表示させる。これにより、投影部２３からは、赤色、緑色、青色の各画像が順次投影され、観察者はこれらを混色して、通常画像として見ることができる。
【００４６】
なお、光の混色方法として、図５に示すように、異なる色の照明光学系１０を用いて、光合成部２２により照明光学系１０から射出される光を合成して混色し、この混色された光をリレーレンズ２４を介して反射型の光変調部２１に照射し、光変調部２１により変調した光を投影部２３により投影するようにしてもよい。この場合に、照明光学系１０は３原色の夫々に対応させる。また、図６において、照明光学系１０と光変調部２１との間隙にリレーレンズ２４を設けたが、これリレーレンズ２４を省くことができる。また、光変調部２１として、ＤＭＤ素子に代えて、反射型液晶表示素子を使用することができる。また、照明光学系１０として、図４（ａ）に示した中空型の導光体２を用いた場合を示しているが、これに代えて図４（ｂ）に示した中実型の導光体２を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態に係るライトパイプの模式的な縦断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るライトパイプの説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係るライトパイプの説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る照明光学系の模式的な縦断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る画像投影装置の模式的な断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る画像投影装置の模式的な断面図である。
【図７】従来公知の照明用光源装置の断面図である。
【図８】従来公知の照明装置の断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１ ライトパイプ
２ 導光体
３ 側壁面
４ 回折部
５ 入射口
６ 射出口
７ ＬＥＤ
８ 基体
９ 射出面
１０ 照明光学系
２０ 画像投影装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射口から入射される光源からの光を、側壁面で繰り返し反射させて射出口から射出させるライトパイプにおいて、
前記射出口から射出される光の射出角度が前記入射口から入射される光の入射角度よりも小さくなるように、前記側壁面の前記入射口側の領域に回折部を設けたことを特徴とするライトパイプ。
【請求項２】
前記回折部は、複数の回折溝を有し、
前記複数の回折溝のうち隣り合う回折溝の間隔を、前記入射口に近づくほど狭くしたことを特徴とする請求項１に記載のライトパイプ。
【請求項３】
前記光源は、ＬＥＤであり、
前記側壁面で囲繞される空間の断面形状が、前記ＬＥＤの射出面の形状と略同一であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のライトパイプ。
【請求項４】
前記断面形状は、多角形状であり、
少なくとも一組の隣り合う側壁面における前記入射口側の領域に設けた前記回折部どうしで、前記複数の回折溝のうち隣り合う回折溝の間隔が異なることを特徴とする請求項３に記載のライトパイプ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のライトパイプの入射口に、光源を密着して設けたことを特徴とする照明光学系。
【請求項６】
請求項５に記載の照明光学系を、３原色に夫々対応して有し、
さらに、
これらの前記照明光学系から射出される光を合成する光合成部と、
前記光合成部により合成した光を変調する光変調部と、
前記光変調部により変調した光を投影する投影部と、を有する画像投影装置。
【請求項１】
入射口から入射される光源からの光を、側壁面で繰り返し反射させて射出口から射出させるライトパイプにおいて、
前記射出口から射出される光の射出角度が前記入射口から入射される光の入射角度よりも小さくなるように、前記側壁面の前記入射口側の領域に回折部を設けたことを特徴とするライトパイプ。
【請求項２】
前記回折部は、複数の回折溝を有し、
前記複数の回折溝のうち隣り合う回折溝の間隔を、前記入射口に近づくほど狭くしたことを特徴とする請求項１に記載のライトパイプ。
【請求項３】
前記光源は、ＬＥＤであり、
前記側壁面で囲繞される空間の断面形状が、前記ＬＥＤの射出面の形状と略同一であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のライトパイプ。
【請求項４】
前記断面形状は、多角形状であり、
少なくとも一組の隣り合う側壁面における前記入射口側の領域に設けた前記回折部どうしで、前記複数の回折溝のうち隣り合う回折溝の間隔が異なることを特徴とする請求項３に記載のライトパイプ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のライトパイプの入射口に、光源を密着して設けたことを特徴とする照明光学系。
【請求項６】
請求項５に記載の照明光学系を、３原色に夫々対応して有し、
さらに、
これらの前記照明光学系から射出される光を合成する光合成部と、
前記光合成部により合成した光を変調する光変調部と、
前記光変調部により変調した光を投影する投影部と、を有する画像投影装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２４４３６０（Ｐ２００９−２４４３６０Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８８１９１（Ｐ２００８−８８１９１）
【出願日】平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【Ｆターム（参考）】
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