特許 7539053 照明装置及び投写型映像表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-15

(45)【発行日】2024-08-23

(54)【発明の名称】照明装置及び投写型映像表示装置

(51)【国際特許分類】

   G03B 21/14 20060101AFI20240816BHJP

   G03B 21/00 20060101ALI20240816BHJP

   H04N 5/74 20060101ALI20240816BHJP

   F21V 5/02 20060101ALI20240816BHJP

   F21S 2/00 20160101ALI20240816BHJP

   F21Y 115/30 20160101ALN20240816BHJP

【ＦＩ】

G03B21/14 Z

G03B21/00 F

H04N5/74 A

F21V5/02

F21S2/00 330

F21Y115:30

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019194429

(22)【出願日】2019-10-25

(65)【公開番号】P2021067872

(43)【公開日】2021-04-30

【審査請求日】2022-07-20

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106518

【弁理士】

【氏名又は名称】松谷 道子

(74)【代理人】

【識別番号】100132241

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 博史

(72)【発明者】

【氏名】奥野 学

(72)【発明者】

【氏名】伏見 吉正

【審査官】中村 直行

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１５／１９４４５４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－０６２０１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０６１８５０４７（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０３Ｂ ２１／００ ー ２１／６４

Ｈ０４Ｎ ５／７４

Ｆ２１Ｖ ５／０２

Ｆ２１Ｓ ２／００

Ｆ２１Ｙ １１５／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光源装置から入射角αで入射面に入射する照明光を反射面で反射した後、出射角βで出射面から表示素子に出射する反射部材を備えた照明装置であって、
前記光源装置及び前記反射部材は、前記光源装置からの照明光が前記反射部材の入射面に入射するように配置され、
前記反射部材及び前記表示素子は、前記反射部材からの照明光が前記表示素子の正面である入射面に入射するように配置され、
前記反射部材の反射面は、前記反射部材の入射面に対して設定される直交する二軸に対して、前記反射部材を所定の傾斜角度で傾斜して配置し、
前記反射部材は、三角柱の一部が欠落した切断面である前記出射面を有する形状のプリズムであり、
前記入射角α及び前記出射角βは、前記照明光が前記表示素子の正面である入射面に照射されるときに前記表示素子の水平方向となす角度であり、前記傾斜角度に依存して次式を満たし、
２０°≦｜α－β｜≦６０°
前記直交する二軸は第１及び第２の軸を含み、
第１及び第２の軸に対してさらに直交する第３の軸を含み、
前記反射部材は、
（１）第１の軸と第３の軸とを含む面に平行な面を、第１の軸と第２の軸とに対してそれぞれ所定角度で傾斜して形成された面である反射面と、
（２）第１の軸と第２の軸を含む面に対して並行な面である出射面と、
（３）第１の軸と第３の軸とを含む面に平行な面を、第１の軸に対して所定角度で傾斜して形成された面である入射面とを含む、
前記表示素子の正面である入射面の水平方向は前記第１の軸と平行となるように設定される、
照明装置。

【請求項2】

前記切断面は、前記三角柱の頂点のうち少なくとも１つが欠落して形成されており、
前記頂点は、前記表示素子に最も近い頂点である、請求項１に記載の照明装置。

【請求項3】

前記プリズムは内面反射を利用したプリズムである、請求項１又は２に記載の照明装置。

【請求項4】

請求項１～３のうちのいずれか１つに記載の照明装置と、
前記表示素子とを備えた投写型映像表示装置であって、
前記表示素子は、前記照明装置からの照明光を、映像信号に従って変調する光変調素子である、投写型映像表示装置。

【請求項5】

前記光変調素子は、各画素を構成するミラーで前記照明光を反射させるデジタルマイクロミラーである、請求項４に記載の投写型映像表示装置。

【請求項6】

前記光変調素子は、所定の複数の波長にそれぞれ対応する複数の光変調素子部を含み、
前記投写型映像表示装置はさらに、
前記反射部材と前記表示素子の間に挿入された別のプリズムであって、前記反射部材からの照明光を、所定の複数の波長の照明光に分離してそれぞれ対応する前記各光変調素子部に出射する前記別のプリズムを備えた、請求項４又は５に記載の投写型映像表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、例えばプロジェクタなどの投写型映像表示装置に使用される照明装置と、前記照明装置を備えた投写型映像表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、直交する２軸に関して駆動するデジタルマイクロミラーデバイス（以下、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）という。）を用いた照明光学系と投写型映像表示装置が開示されている。この従来例では、表示素子でＤＭＤに対して、垂直方向に照明光を入射させるために、例えば三角柱のプリズムを垂直方向に配置し、当該プリズムの一面を一軸方向にのみ傾斜させて、照明光を反射させていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第２０１５／１９４４５４号パンフレット

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、従来例の装置構成では小型化することが難しいという課題があった。

【0005】

本開示は、表示素子に照射される照明光の方向を変換する部材を用いた場合に、照明光の利用効率を低下させることなく、従来例に比較して、装置を小型化にすることができる照明装置と、前記照明装置を備えた投写型映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】

【0006】

本開示における照明装置は、
光源装置から入射角αで入射面に入射する照明光を反射面で反射した後、出射角βで出射面から表示素子に出射する反射部材を備えた照明装置であって、
前記反射部材の反射面は、前記反射部材に関する直交する二軸に対して、前記反射部材を所定の回転角度で回転して配置し、
前記反射部材は、三角柱の一部が欠落した切断面である前記出射面を有する形状のプリズムであり、
前記入射角α及び前記出射角βは、前記照明光が前記表示素子の正面に照射されるときに前記表示素子の水平方向となす角度であり、前記回転角度に依存して次式を満たす。
２０°≦｜α－β｜≦６０°

【発明の効果】

【0007】

本開示における照明装置は、三角柱の一部が欠落した切断面である前記出射面を有する形状のプリズムである反射部材を用いて、光の方向を変換した場合に、照明装置の光の利用効率を低下させることなく、従来技術に比較して、装置を小型化にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１における照明装置１０を備えた投写型映像表示装置１の構成例を示すブロック図

【図2A】図１の蛍光体ホイール装置１５の構成例を示す側面図

【図2B】図２Ａの蛍光体ホイール装置１５の正面図

【図3】図１のダイクロイックミラー１０７の分光透過率を示すグラフである。

【図4A】図１のプリズム２０の構成例を示すＺＸ面からの正面図

【図4B】図１のプリズム２０の構成例を示すＹＺ面からの正面図

【図5A】図４Ａ及び図４Ｂのプリズム２０における入射角α及び出射角βを示す、ＸＹ面からの正面図

【図5B】図４Ａ及び図４Ｂのプリズム２０における入射角α及び出射角βを示す、斜視図

【図6A】図４Ａ及び図４Ｂのプリズム２０において入射角α＝９０゜及び出射角β＝９０゜のときのＸＹ面の正面図

【図6B】図４Ａ及び図４Ｂのプリズム２０において入射角α＝１１０゜及び出射角β＝９０゜のときのＸＹ面の正面図

【図6C】図４Ａ及び図４Ｂのプリズム２０において入射角α＝１３５゜及び出射角β＝９０゜のときのＸＹ面の正面図

【図6D】図４Ａ及び図４Ｂのプリズム２０において入射角α＝１５０゜及び出射角β＝９０゜のときのＸＹ面の正面図

【図7】実施の形態２における照明装置１０Ａを搭載した投写型映像表示装置１Ａの構成例を示すブロック図

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

【0010】

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。また、同一又は同様の構成要素については同一の符号を付している。

【0011】

（実施の形態１）
以下、図１～図５を用いて、実施の形態１を説明する。
［１－１．構成の説明］
［１－１－１．全体の構成］
図１は実施の形態１における照明装置１０を備えた投写型映像表示装置１の光学系の構成例を示すブロック図である、以下の説明の便宜上、図１では図中に示すＸＹＺ直交座標系をとるものする。

【0012】

まず、投写型映像表示装置１の光源光学系について説明する。

【0013】

図１において、励起光源であるレーザ光源１０１は、４４７ｎｍから４６２ｎｍの波長幅で青色光を発光し、直線偏光を出射する青色半導体レーザであり、高輝度の照明装置を実現するために、複数の半導体レーザにより構成されている。図１では例示的に５個の青色半導体レーザが並置されて記載しているが、複数の青色半導体レーザがマトリックス状に平面上に配置され、図１では例示的に青色半導体レーザの偏光方向がＹ軸方向である、Ｓ偏光で配置して記載している。

【0014】

光源装置を構成する各レーザ光源１０１から出射された励起光であるレーザ光は、それぞれ対応するコリメートレンズ１０２によってコリメートされる。コリメートレンズ１０２を出射した光は、略平行光になっている。この平行光はレンズ１０３によって、その全体光束が集光され、レンズ１０４によって、再び略平行光化される。レンズ１０４で略平行光化されたレーザ光束は、拡散板１０５を通過しＸ軸に対し、所定の角度の回転配置している４分の１波長板１０６に照射される。ここで、レーザ光は、４分の１波長板１０６によって楕円偏光となり、光軸に略４５度に配置された、ダイクロイックミラー１０７に入射する。また、拡散板１０５はガラス平板であり、片面には微細な凹凸が施された拡散面が形成されている。

【0015】

図３は図１のダイクロイックミラー１０７の分光透過率を示すグラフである。図３から明らかなように、青色光は、透過率が５０％となる波長がＳ偏光で４６５ｎｍ、Ｐ偏光で４４２ｎｍの特性で透過又は反射する。また、ダイクロイックミラー１０７は、緑、赤成分を含む色光は９６％以上で透過する特性を有する。

【0016】

ダイクロイックミラー１０７に－Ｘ方向へ入射したレーザ光のうち、Ｓ偏光成分はダイクロイックミラー１０７で反射した後、－Ｚ方向へ出射する一方、Ｐ偏光成分はダイクロイックミラー１０７を透過して－Ｘ方向へ出射する。－Ｚ方向へ出射したレーザ光はレンズ１０８及びレンズ１０９によって集光され、蛍光体ホイール装置１５に形成された蛍光体を励起する。

【0017】

図２Ａは図１の蛍光体ホイール装置１５の構成例を示す側面図であり、図２Ｂは図２Ａの蛍光体ホイール装置１５の正面図である。蛍光体ホイール装置１５は、図２Ａの側面図に示すように、モータ２０１と、モータ２０１の回転軸中心１５Ａを中心として回転駆動される円板形状を有する回転基材２０２とを含み構成される。回転基材２０２には、図２Ｂの正面図に示すように、蛍光体ホイール装置１５の回転軸中心１５Ａから距離Ｒ１だけ離隔した円周上において、この円周の内外に所定の幅Ｗを有する黄色蛍光体部２０３が形成されている。ここで、レーザ光源１０１からのレーザ光が蛍光体ホイール装置１５の黄色蛍光体部２０３に集光入射すると、黄色蛍光体部２０３は励起され、黄色光を発光する。

【0018】

図１に戻り、蛍光体ホイール装置１５で得られる黄色光は、蛍光体ホイール装置１５から＋Ｚ方向に出射される。黄色蛍光体部２０３で－Ｚ方向に出射された蛍光光は回転基材２０２で反射して＋Ｚ方向に出射される。これら黄色光はレンズ１０９、１０８によって平行化されダイクロイックミラー１０７を透過する。

【0019】

一方、ダイクロイックミラー１０７を通過した青色半導体レーザの青色光のＰ偏光は、レンズ１１０で集光され、４分の１波長板１１１を透過し、円偏光となり、レンズ１１０の焦点近傍に配置している反射ミラー１１２により反射し、再度４分の１波長板１１１を透過し、Ｓ偏光となった後、レンズ１１０で略平行光になり、ダイクロイックミラー１０７で反射される。

【0020】

このようにして、蛍光体ホイール装置１５からの黄色光と、青色光とが、ダイクロイックミラー１０７で合成され、白色光として出射され、集光レンズ１１３で集光されてロッドインテグレータ１１４に入射する。

【0021】

ロッドインテグレータ１１４から出射された光は、レンズ１１５、レンズ１１６、ミラー１１７、及びレンズ１１８を通して、略三角柱形状を有するプリズム２０に入射した後、プリズム１１９、１２０、１２１によって、色ごとに分離する。光変調素子であるＤＭＤ１３０、１３１、１３２（複数の波長に対応する光変調素子部）により、映像信号に従って入射光が変調され、映像光Ｐとして出射され、再度プリズム１１９、１２０、１２１によって、色ごとに合成され、投写レンズ１４０に入射され、投写レンズ１４０からの出射光が映像光Ｐとしてスクリーンに拡大投写される。なお、ＤＭＤ１３０、１３１、１３２は各画素を構成するミラーで照明光を反射させる。

【0022】

［１－１－２．要部の構成］
以下、実施の形態１に係る要部の構成について、図４Ａ～図６Ｄを参照して説明する。なお、図４Ａ～図６Ｄにおいて、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸とは互いに直交しており、Ｘ軸とＹ軸を含む平面をＸＹ面といい、Ｙ軸とＺ軸を含む平面をＹＺ面といい、Ｚ軸とＸ軸を含む平面をＺＸ面という。

【0023】

図４Ａは図１のプリズム２０の構成例を示すＺＸ面からの正面図であり、図４Ｂは図１のプリズム２０の構成例を示すＹＺ面からの正面図である、また、図５Ａは図４Ａ及び図４Ｂのプリズム２０における入射角α及び出射角βを示す、ＸＹ面からの正面図であり、図５Ｂは図４Ａ及び図４Ｂのプリズム２０における入射角α及び出射角βを示す、斜視図である。図６Ａ～図６Ｄは図４Ａ及び図４Ｂのプリズム２０の種々の動作を示す図であり、以下の通りである。

【0024】

（１）図６Ａは図４Ａ及び図４Ｂのプリズム２０において入射角α＝９０゜及び出射角β＝９０゜のときのＸＹ面の正面図である。
（２）図６Ｂは図４Ａ及び図４Ｂのプリズム２０において入射角α＝１１０゜及び出射角β＝９０゜のときのＸＹ面の正面図である。
（３）図６Ｃは図４Ａ及び図４Ｂのプリズム２０において入射角α＝１３５゜及び出射角β＝９０゜のときのＸＹ面の正面図である。
（４）図６Ｄは図４Ａ及び図４Ｂのプリズム２０において入射角α＝１５０゜及び出射角β＝９０゜のときのＸＹ面の正面図である。

【0025】

次いで、プリズム２０の作用について、図４Ａ～図６Ｄを参照して説明する。

【0026】

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、プリズム２０の面Ａ、面Ｂ及び面Ｃは以下のように構成されている。
（１）面ＡはＺＸ面に平行な面を、Ｘ軸とＹ軸の２軸に対してそれぞれ所定角度で回転して形成された面である。
（２）面ＢはＸＹ面に対して並行な面である。
（３）面ＣはＺＸ面に平行な面を、Ｘ軸に対して所定角度で回転して形成された面である。

【0027】

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、上記の面Ａ，Ｂ，Ｃを有するプリズム２０において、Ｚ軸方向からＸＹ面を見たときに、レンズ１１８からの照明光が、Ｘ軸から成す入射角αで、プリズム２０の面Ｃの法線方向に入射点Ｃ１（面Ｃの概ね中央部）に入射した後、面Ａの反射点Ａ１で反射する。次いで、反射した照明光は、Ｘ軸から成す出射角βで、面Ｂの出射点Ｂ１から面Ｂに対して直交する方向で出射する。なお、入射角α及び出射角βは、照明光がＤＭＤ１３０，１３１，１３２の正面に照射されるときに前記ＤＭＤ１３０，１３１，１３２の水平方向（Ｘ軸方向）となす角度である。

【0028】

図６Ａに示すように、プリズム２０の面Ｃを、Ｘ軸に平行な基準面Ｓｒ上に載置する。このとき、α＝β＝０゜及び基準面Ｓｒから面Ｃの入射点Ｃ１までの高さｈ１＝０である。すなわち、α－β＝０°であって、プリズム２０を載置するときに、面ＣのＹ軸方向の入射点Ｃ１が基準面Ｓｒにあり、これを基準とする。

【0029】

次いで、図６Ｂに示すように、プリズム２０を、その面Ｃの端部角点Ｃ２を基点としてＸＹ面上で回転角度θ１＝２０゜だけ回転させる。このとき、α＝１１０゜及びβ＝９０゜であり、入射点Ｃ１の基準面Ｓｒからの高さはｈ１となり、基準面Ｓｒからの出射点Ｂ１までの高さはｈ２となる。このとき、入射点Ｃ１を原点としてＹ軸方向に延在させた軸から出射点Ｂ１（図６Ｂにおいて、面Ｂの左端部に位置する）は距離ｄ１だけ－Ｘ軸方向にずれる。このとき、α－β＝２０°となる。

【0030】

次いで、図６Ｃに示すように、プリズム２０をさらに回転させて、面Ｃの端部角点Ｃ２を基点としてＸＹ面上で回転角度θ１＝４５゜とする。このとき、α＝１３５゜及びβ＝９０゜であり、入射点Ｃ１の基準面Ｓｒからの高さはｈ１となり、基準面Ｓｒからの出射点Ｂ１までの高さはｈ２となる。このとき、入射点Ｃ１を原点としてＹ軸方向に延在させた軸から出射点Ｂ１は距離ｄ１だけ－Ｘ軸方向にずれる。このとき、α－β＝４５°となる。

【0031】

さらに、図６Ｄに示すように、プリズム２０をさらに回転させて、面Ｃの端部角点Ｃ２を基点としてＸＹ面上で回転角度θ１＝６０゜とする。このとき、α＝１５０゜及びβ＝９０゜であり、入射点Ｃ１の基準面Ｓｒからの高さはｈ１となり、基準面Ｓｒからの出射点Ｂ１までの高さはｈ２となる。このとき、入射点Ｃ１を原点としてＹ軸方向に延在させた軸から出射点Ｂ１は距離ｄ１だけ－Ｘ軸方向にずれる。このとき、α－β＝６０°となる。

【0032】

従って、図６Ｂ～図６Ｄに示すように、次式の入射角α及び出射角βの条件で、プリズム２０を配置すると、＋Ｙ軸方向の当該照明装置１０の高さが小さくなり、当該照明装置１０を薄型にすることで従来例に比較して小型化できる。なお、面Ａで反射した照明光と面ＣとのＸ軸方向のずれの距離ｄ１は大きくなる。

【0033】

２０°≦｜α－β｜≦６０°

【0034】

［１－１－３．効果等］
本実施の形態において、プリズム２０を用いたとき、２０°≦｜αーβ｜≦６０°のときにＹ軸方向に照明装置１０の高さを低くすることができ、Ｘ軸方向のずれの距離ｄ１が比較的大きくならずに、照明装置１０を光の利用効率を低下することなく、従来例に比較して薄型化して小型化できる。

【0035】

以上のように、本実施の形態において、反射面である面Ａを有するプリズム２０を構成することにより、光の利用効率を低下することなく、照明装置１０を小型化することができる。

【0036】

（実施の形態２）
図７は実施の形態２における照明装置１０Ａを搭載した投写型映像表示装置１Ａの構成例を示すブロック図である。図７において、実施の形態２における投写型映像表示装置１Ａは、図１の投写型映像表示装置１に比較して、照明装置１０に代えて、照明装置１０Ａを備えたことを特徴とする。ここで、照明装置１０Ａは、図１の照明装置１０に比較して、図７に示すように、プリズム２０に代えて、プリズム２０と同様の機能を有する全反射ミラー３０を備えたことを特徴とする。すなわち、全反射ミラー３０を用いてレンズ１１８からの照明光の角度を変換してもよい。これにより、実施の形態２に係る照明装置１０Ａは、図１の照明装置１０と同様の作用効果を有する。

【0037】

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

【産業上の利用可能性】

【0038】

本開示は、光源装置又はプロジェクタなどの投写型映像表示装置に適用可能である。

【符号の説明】

【0039】

１，１Ａ 投写型映像表示装置
１０，１０Ａ 照明装置
１５ 蛍光体ホイール装置
１５Ａ 回転軸中心
２０ プリズム
３０ 反射ミラー
１０１ レーザ光源
１０２ コリメートレンズ
１０３，１０４，１０８，１０９，１１０，１１３、１１５，１１６，１１８ レンズ
１０５ 拡散板
１０６ ４分の１波長板
１１７ 反射ミラー
１０７ ダイクロイックミラー
１１４ ロッドインテグレータ
１１９，１２０，１２１ プリズム
１３０，１３１，１３２ デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）
１４０ 投写レンズ
２０１ モータ
２０２ 回転基材
２０３ 黄色蛍光体部
Ａ，Ｂ，Ｃ プリズムの面
Ａ１ 入射点
Ｂ１ 反射点
Ｃ１ 出射点
Ｓｒ 基準面
ｈ１，ｈ２ 高さ
ｄ１ 距離
α 入射角
β 出射角

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図6D】

【図7】