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発明の名称 偏光変換装置、照明装置及び液晶投写装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−72482(P2007−72482A)
公開日 平成19年3月22日(2007.3.22)
出願番号 特願2006−317934(P2006−317934)
出願日 平成18年11月27日(2006.11.27)
代理人 【識別番号】100092587
【弁理士】
【氏名又は名称】松本 眞吉
発明者 林 啓二 / 鈴木 敏弘 / 小林 哲也 / 浜田 哲也 / 後藤 猛 / 菅原 真理
要約 課題
光利用効率を向上させる。

解決手段
偏光変換装置20Dは、レンズアレイ21BのZ方向中央部のレンズサイズが、他の部分のそれよりも大きくなっている。レンズアレイ21B内のレンズの焦点距離は互いに等しい。レンズアレイ21B内の大きいレンズと小さいレンズのY−Z面は相似形である。レンズアレイ21Bと対向して配置されたレンズアレイ22Bは、レンズアレイ21Bと同一形状である。偏光変換素子25Cは、レンズアレイ22Bのレンズのサイズと対応して、中央部の偏光変換素子25CMとその両側の偏光変換素子25CU及び25CDとからなる。偏光変換素子25CUと25CDとは互いに同一形状であり、偏光変換素子25CMの偏光変換要素の横断面は偏光変換素子25CUのそれと相似形である。偏光変換素子25CMの入射面のX方向及びZ方向の長さはそれぞれ、EX/2及びEZである。
特許請求の範囲
【請求項1】
第1レンズアレイと、
該第1レンズアレイの各レンズの略焦点位置に、該各レンズに対応したレンズが形成されている第2レンズアレイと、
該第2レンズアレイに対し該第1レンズアレイと反対側に配置された集光レンズと、
該第2レンズアレイと該集光レンズとの間に配置された偏光変換素子と、
を有する偏光変換装置において、
該第1レンズアレイは、第1矩形のレンズの列が複数配列された第1レンズ領域と、該第1矩形と相似形で該第1矩形より大きい第2矩形のレンズ列が配置された第2レンズ領域とを有し、
該偏光変換素子は、複数並列された偏光変換要素からなる第1偏光変換素子と偏光変換要素からなる第2偏光変換素子とを有し、
該偏光変換要素は、帯状有効入射領域と、この領域と隣り合う帯状無効入射領域とを有し、該有効入射領域に入射した無偏光を直線偏光に変換し、該無効入射領域に入射した無偏光を該直線偏光と偏光面が90゜異なる直線偏光に変換し又はこの無偏光を透過させ、
該第1及び第2偏光変換素子の該帯状有効入射領域の長手方向が互いに平行であり、該第2レンズアレイの各レンズの中心が該第1又は第2偏光変換素子の該帯状有効入射領域の略中央ライン上に位置するように、該第1及び第2偏光変換素子が配置されている、
ことを特徴とする偏光変換装置。
【請求項2】
上記偏光変換要素は、
断面が平行四辺形で該平行四辺形の1対の対向角が略45゜の柱状プリズムと、
該平行四辺形の長辺を含む対向面の一方の面に形成された偏光ビームスプリッタと、
該対向面の他方の面に形成された反射ミラーと、
該平行四辺形の短辺を含む対向面の一方の面に形成された1/2波長板と、
を有し、上記帯状有効入射領域は、該短辺を含む対向面の他方の面であることを特徴とする請求項1に記載の偏光変換装置。
【請求項3】
上記第1レンズ領域を2つ有し、該2つの第1レンズ領域の間に上記第2レンズ領域が配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の偏光変換装置。
【請求項4】
請求項1乃至3のいずれか1つに記載の偏光変換装置と、
一方向の長さが該一方向と直角な方向の長さよりも大きい発光部を有する光源と、
該光源からの放射光を反射又は屈折させて略一方向へ揃える光整列手段と、
を有することを特徴とする照明装置。
【請求項5】
上記光源は、バルブと、該バルブの中心部に形成された発光部と、該バルブの外側に形成された口金とを備え、
上記光整列手段は、該口金が挿入されて取り付けられる孔が光軸上に形成されたネック部を有する放物面鏡であり、
該放物面鏡の反射面のネック部側端点から該発光部の中心と該発光部の口金側端点とを見た見込角が、該ネック部側端点を通り該光軸と平行な直線と、該ネック部側端点を通り該直線及び該光軸を含む面内で該バルブと接する直線とのなす角度に略等しいことを特徴とする請求項4に記載の照明装置。
【請求項6】
上記光源は、チップが形成されたバルブ内に発光部を備え、
上記光整列手段は、該光源からの放射光を略一方向へ反射する凹面鏡であり、
該発光部の凹面鏡開口側端点と該凹面鏡の開口端とを結んだ錐体の内側に該チップが存在することを特徴とする請求項4に記載の照明装置。
【請求項7】
上記光源は、バルブと、該バルブ内に形成された発光部と、該バルブから突出した突出部とを備え、
上記光整列手段は、中心に該発光部を一致させて該光源が配置された球面鏡と、該球面鏡の開口端側に該球面鏡と同心に配置された凸レンズとを備え、
該突出部が該球面鏡の光軸と略直角な方向であることを特徴とする請求項4に記載の照明装置。
【請求項8】
請求項4〜7のいずれか1つに記載の照明装置と、
該照明装置からの直線偏光が入射され、映像信号に応答して画素透過率が変化する液晶ライトバルブと、
該液晶ライトバルブからの光をスクリーン上に投写させるための投写レンズと、
を有することを特徴とする液晶投写装置。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、偏光変換装置、照明装置及び液晶投写装置に関する。
【背景技術】
【0002】
液晶投写装置では、より明るい投写画像を得るために、光源から放射された光の利用効率を向上させることが要求されている。
【0003】
図18に示す無偏光照明装置10では、メタルハライドランプ11のアークギャップ中心が放物面鏡12の焦点に一致され、放物面鏡12の開口側にUV−IRカットフィルター13が配置されている。メタルハライドランプ11から放射された無偏光は、放物面鏡12で反射されて実質的に平行光となり、白色光のみUV−IRカットフィルター13を通る。
【0004】
例えば液晶投写装置では、直線偏光のみ用いる液晶パネルでの吸熱量を低減するために、UV−IRカットフィルター13を通った光が、図19に示す偏光変換装置20のレンズアレイ21に入射される。レンズアレイ21と同一形状のレンズアレイ22は、レンズアレイ21との間隔Aをレンズアレイ21のレンズ焦点距離に一致させて、レンズアレイ21と対向して配置されている。レンズアレイ22と被照射面24との間のレンズアレイ22側には、集光レンズ23が配置されている。レンズアレイ22の焦点距離はレンズアレイ21のそれと同じである必要はない。
【0005】
レンズアレイ21の例えばレンズ210に入射した平行光束は、レンズアレイ22の対応するレンズ220の中心に収束し、集光レンズ23を通って被照射面24の全域に照射される。同様に、レンズアレイ21のレンズ211に入射した平行光束は、レンズアレイ22の対応するレンズ221の中心に収束し、集光レンズ23を通って被照射面24の全域に照射される。無偏光照明装置10の出射光強度は中央部で高く周辺部で低くなっているが、レンズアレイ21、22及び集光レンズ23のこのような作用により、被照射面24での照明スポットの照度分布が略均一になる。
【0006】
レンズアレイ22と集光レンズ23との間には、偏光変換素子25が配置されている。
【0007】
偏光変換素子25は、断面が平行四辺形で紙面垂直方向に延びた互いに同一形状の四角柱のプリズム250がX方向に配列され、プリズム間及びX方向端部のプリズムのX方向端面に、誘電体多層膜で形成された偏光ビームスプリッタ251とミラー252とが交互に形成され、1つおきのプリズムの出射面に1/2波長板253が形成されている。この平行四辺形は、一対の対向する入射面及び出射面の幅が、レンズアレイ22のレンズの幅CXの半分であり、他の一対の対向辺の長さが2-0.5CXであり、一対の対向角が45゜である。レンズアレイ22の各レンズ中心が偏光ビームスプリッタ251のZ方向中心と一致するように、偏光変換素子25が配置されている。
【0008】
例えばレンズ211の光軸に沿って進む光は、そのP偏光成分が偏光ビームスプリッタ251を透過し、S偏光成分が偏光ビームスプリッタ251で反射される。このS偏光成分は、さらにミラー252で反射され、1/2波長板253を通ってP偏光に変換される。これにより、偏光変換素子25から出射した光はP偏光となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
図18のメタルハライドランプ11は、発光部が点光源でないために、無偏光照明装置10からの放射光は完全な平行光ではない。図19に示すように非平行光の大部分は光線L1のように、ミラー252で反射された後さらに偏光ビームスプリッタ251でそのS偏光成分が反射されて偏光変換素子25から出射し、一部は光線L2のように、無偏光のまま偏光変換素子25を透過する。このため、光利用効率が低減して投写画像が暗くなる原因となる。
【0010】
図18において、光強度が平行光のそれの1/2以上である非平行光の発散角φは、放物面鏡12上の点から見たメタルハライドランプ11の発光部の見込角に依存する。無偏光照明装置10の出射光の平行度は、メタルハライドランプ11が高出力になるほど低下する。例えば、無偏光照明装置10の光出力として1500lmを得るためには、350W以上のメタルハライドランプを用いる必要があり、この場合、非平行光の発散角φは最大約8゜になる。
【0011】
図19において、レンズアレイ21の任意のレンズから見た偏光変換素子25の対応する偏光変換要素の入射面の見込み角θは、次式で表される。
【0012】
θ=atan(CX/2A) ・・・(1)
被照射面24の長さをDX、レンズアレイ22から被照射面24までの距離をBで表すと、相似関係から次式が成立する。
【0013】
CX:DX=A:B ・・・(2)
これらの関係からθは、
θ=atan(DX/2B)・・・(3)
と表され、DXとBの値で定まる。
【0014】
光利用効率を向上させるためには、φ<θの関係を満たす必要がある。
【0015】
対角50mmの液晶パネルを用いた場合、B及びDXは通常それぞれ250mm及び40mm程度であるので、θは約4.6゜である。したがって、上記光源の場合、光利用効率はφが最大となる部分で約半分となり、全体としても65%程度になる。
【0016】
本発明の目的は、このような問題点に鑑み、光利用効率を向上させることが可能な偏光変換装置、照明装置及び液晶投写装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0017】
本発明の第1態様では、例えば図10〜図12に示す如く、第1レンズアレイと、
該第1レンズアレイの各レンズの略焦点位置に、該各レンズに対応したレンズが形成されている第2レンズアレイと、
該第2レンズアレイに対し該第1レンズアレイと反対側に配置された集光レンズと、
該第2レンズアレイと該集光レンズとの間に配置された偏光変換素子と、
を有する偏光変換装置において、
該第1レンズアレイは、第1矩形のレンズの列が複数配列された第1レンズ領域と、該第1矩形と相似形で該第1矩形より大きい第2矩形のレンズ列が配置された第2レンズ領域とを有し、
該偏光変換素子は、複数並列された偏光変換要素からなる第1偏光変換素子と偏光変換要素からなる第2偏光変換素子とを有し、
該偏光変換要素は、帯状有効入射領域と、この領域と隣り合う帯状無効入射領域とを有し、該有効入射領域に入射した無偏光を直線偏光に変換し、該無効入射領域に入射した無偏光を該直線偏光と偏光面が90゜異なる直線偏光に変換し又はこの無偏光を透過させ、
該第1及び第2偏光変換素子の該帯状有効入射領域の長手方向が互いに平行であり、該第2レンズアレイの各レンズの中心が該第1又は第2偏光変換素子の該帯状有効入射領域の略中央ライン上に位置するように、該第1及び第2偏光変換素子が配置されている。
【0018】
この偏光変換装置によれば、第2レンズアレイ領域内のレンズの中心から見た第2偏光変換素子の対応する帯状有効入射領域の幅方向見込角が、第1レンズアレイ領域内のレンズの中心から見たそれよりも大きくなり、これにより帯状有効入射領域に入射する割合が従来よりも大きくなって、光利用効率が向上する。また、第2レンズアレイ領域内のみ大きいレンズを用いているので、偏光変換装置の出射光を被照射面を照明したときの輝度分布が略均一になることを確保することができる。
【0019】
本発明の第2態様の偏光変換装置では、第1態様において例えば図11に示す如く、上記偏光変換要素は、
断面が平行四辺形で該平行四辺形の1対の対向角が略45゜の柱状プリズムと、
該平行四辺形の長辺を含む対向面の一方の面に形成された偏光ビームスプリッタと、
該対向面の他方の面に形成された反射ミラーと、
該平行四辺形の短辺を含む対向面の一方の面に形成された1/2波長板とを有し、上記帯状有効入射領域は、該短辺を含む対向面の他方の面である。
【0020】
本発明の第3態様の偏光変換装置では、第1又は第2態様において例えば図12に示す如く、上記第1レンズ領域を2つ有し、該2つの第1レンズ領域の間に上記第2レンズ領域が配置されている。
【0021】
本発明の第4態様の照明装置では、第1〜3態様のいずれかの偏光変換装置と、
一方向の長さが該一方向と直角な方向の長さよりも大きい発光部を有する光源と、
該光源からの放射光を反射又は屈折させて略一方向へ揃える光整列手段とを有する。
【0022】
本発明の第5態様の照明装置では、第4態様において例えば図16に示す如く、
上記光源は、バルブと、該バルブの中心部に形成された発光部と、該バルブの外側に形成された口金とを備え、
上記光整列手段は、該口金が挿入されて取り付けられる孔が光軸上に形成されたネック部を有する放物面鏡であり、
該放物面鏡の反射面のネック部側端点から該発光部の中心と該発光部の口金側端点とを見た見込角が、該ネック部側端点を通り該光軸と平行な直線と、該ネック部側端点を通り該直線及び該光軸を含む面内で該バルブと接する直線とのなす角度に略等しい。
【0023】
この照明装置によれば、光利用効率を殆ど低下させずに光源から放物面鏡への熱伝導を低減することができる。
【0024】
本発明の第6態様の照明装置では、第4態様において例えば図16に示す如く、
上記光源は、チップが形成されたバルブ内に発光部を備え、
上記光整列手段は、該光源からの放射光を略一方向へ反射する凹面鏡であり、
該発光部の凹面鏡開口側端点と該凹面鏡の開口端とを結んだ錐体の内側に該チップが存在する。
【0025】
バルブ封止時に形成されるチップを透過した放射光は、チップで屈折して平行度が悪く、無効光となるが、この照明装置によれば、これが防止されて光利用効率が向上する。
【0026】
本発明の第7態様の照明装置では、第4態様において例えば図17に示す如く、
上記光源は、バルブと、該バルブ内に形成された発光部と、該バルブから突出した突出部とを備え、
上記光整列手段は、中心に該発光部を一致させて該光源が配置された球面鏡と、該球面鏡の開口端側に該球面鏡と同心に配置された凸レンズとを備え、
該突出部が該球面鏡の光軸と略直角な方向である。
【0027】
本発明の第8態様の液晶投写装置では、第4〜7態様のいずれかの照明装置と、
該照明装置からの直線偏光が入射され、映像信号に応答して画素透過率が変化する液晶ライトバルブと、
該液晶ライトバルブからの光をスクリーン上に投写させるための投写レンズとを有する。
【0028】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例1】
【0029】
図1は、本発明の特徴的な偏光照明装置30を備えた液晶投写装置を示す。偏光照明装置30以外の構成は従来と同一である。
【0030】
偏光照明装置30の出射光は、収束している白色の直線偏光であり、その青色光Bがダイクロイックミラー31を透過し、緑色光G及び赤色光Rがダイクロイックミラー31で反射される。この反射光は、ダイクロイックミラー32で、透過光の赤色光Rと反射光の緑色光Gとに分割される。ダイクロイックミラー31を通った青色光Bは、全反射ミラー33で反射され、フィールドレンズ34Bを通って液晶ライトバルブ35Bに入射する。ダイクロイックミラー32で反射された緑色光Gは、フィールドレンズ34Gを通って液晶ライトバルブ35Gに入射する。ダイクロイックミラー31を通った赤色光Rは、フィールドレンズ34Rを通って液晶ライトバルブ35Rに入射する。
【0031】
液晶ライトバルブ35B、35G及び35Rの液晶パネルの位置は、図19中の被照射面24の位置に対応している。液晶ライトバルブ35B、35G及び35Rはいずれも、液晶パネルと、その両側に配置され透過軸方向が互いに90゜異なる偏光板とを備え、該液晶パネルに供給される映像信号に応答して、液晶ライトバルブの各画素の透過率が変化する。
【0032】
液晶ライトバルブ35Bからの出射光は、ダイクロイックミラー36及び37を通って投写レンズ38に入射する。液晶ライトバルブ35Gからの出射光はダイクロイックミラー36で反射され、ダイクロイックミラー37を通って投写レンズ38に入射する。液晶ライトバルブ35Rからの出射光は、全反射ミラー39で反射され、さらにダイクロイックミラー37で反射されて投写レンズ38に入射する。これにより、スクリーン40上に拡大画像が得られる。
【0033】
フィールドレンズ34B、34G及び34Rは、周辺部の光を光軸側へ曲げて投写レンズ38に入射させることにより、投写画像の明るさを向上させるためのものである。
【0034】
図2は、偏光照明装置30の、光軸を通る横断面概略図であり、図3は、偏光照明装置30の、光軸を通る縦断面概略図である。
【0035】
偏光照明装置30は、無偏光照明装置10と、その前方に配置された偏光変換装置20Aとからなる。この偏光変換装置20Aは、偏光変換素子25A以外は図19の偏光変換装置20と同一であり、被照射面24での照明スポットの照度分布を改善するとともに、無偏光を直線偏光に変換する。
【0036】
図4は、偏光変換素子25Aの斜視図である。図示のように、Y軸が光軸に平行なX−Y−Z直交座標系を考える。
【0037】
偏光変換素子25Aは、互いに構成及びサイズが同一の偏光変換素子25U及び25Dと、これらの間に配置された偏光変換素子25Mとからなる。偏光変換素子25U及び25Dの各偏光変換要素の長手方向がZ軸に平行であるのに対し、偏光変換素子25MのそれはX軸に平行である。偏光変換素子25Uは、Z方向の長さ以外は図19の偏光変換素子25と同一である。偏光変換素子25Uと25Dの間隔は、レンズアレイ21及び22の各レンズのZ方向長さCZの1.25倍である。
【0038】
偏光変換素子25Mは、偏光変換素子25Uの要素とサイズ以外は同一構成であり、Y−Z面に平行な断面が平行四辺形でX方向に延びた四角柱のプリズム25M0と、このプリズム25M0の対向する一方及び他方の面に形成された偏光ビームスプリッタ25M1及びミラー25M2と、一面が偏光ビームスプリッタ25M1の面に接合された3角柱プリズム25M5と、入射面25M4と対向する3角柱プリズム25M5の出射面に形成された1/2波長板25M3(図3)とを備えている。入射面25M4及びミラー25M2のX軸と直角な方向の幅はそれぞれ、CZ/2及びその√2倍であり、偏光ビームスプリッタ25M1と入射面25M4のなす角度は45゜である。入射面25M4は、偏光変換素子25U及び25Dの入射面と同一平面内に存在し又は平行である。
【0039】
偏光変換素子25U及び25Dに入射した光の経路は、図19について上述したものと同一である。偏光変換素子25Mに入射した光は、そのP偏光が偏光ビームスプリッタ25M1を透過し、1/2波長板25M3を通ってS偏光に変換され、S偏光が偏光ビームスプリッタ25M1で反射されさらにミラー25M2で反射されてプリズム25M0から出射する。これにより、偏光変換素子25U、25M及び25Dから出射した直線偏光の偏光面が同一になる。
【0040】
図3において、メタルハライドランプ11の発光部は、矩形レンズがマトリックス状に形成されたレンズアレイ21の各レンズにより、レンズアレイ22の対応するレンズの位置に結像される。図5は、レンズアレイ22上に結像されるこの像の等輝度ラインを示す。メタルハライドランプ11の発光部が、アーク方向の方がこれに直角な方向よりも長く、かつ、放物面鏡12が光軸に関し回転対称形であるので、各発光部像は、レンズアレイ22の中心からそのレンズの中心への方向を長軸とする楕円形になっており、また、放物面鏡12の開口端の光強度が光軸から離れるに従って小さくなるので、レンズアレイ22の中心から離れるほどこの楕円形も小さくなっている。
【0041】
図6は、図4の偏光変換素子25Aの前面に図5のレンズアレイ22を配置したものであり、レンズアレイ22を平面で簡略記載している。2点鎖線のハッチングを施した領域は、偏光変換素子25Aに対する有効入射領域である。すなわち、この領域に入射した光は偏光変換素子25AでP偏光に変換されるが、この領域から外れた位置に入射した光の殆どはそのS偏光成分が偏光変換素子25Aから出射する。
【0042】
図7(A)は、図6中のレンズアレイ22のレンズ222上に形成された発光部の等輝度ラインと有効入射領域(ハッチング部)との関係を示す。図3に示すメタルハライドランプ11の対向する電極端部で最も明るいので、図7(A)において、BR1の輝度はBR2のそれよりも大きく、BR2の輝度はBR3のそれよりも大きい。
【0043】
図7(B)は、図19に示す従来例での図7(A)に対応した図である。
【0044】
従来では、偏光変換素子25の偏光変換要素の長手方向が全て同一方向であったので、図7(B)に示すように最も光利用効率が悪い部分では発光部像の明るい両端部が有効入射領域から外れて無駄な光となっていたが、本第実施例1ではこの部分に対応する偏光変換素子25Mが発光部像の長手方向と同一方向となっているので、発光部像の殆どが有効入射領域に入射して偏光変換素子25AでP偏光に変換され、光利用効率が向上する。
【0045】
図3の偏光照明装置30の数値例は、以下の通りである。
【0046】
メタルハライドランプ11 :アーク長3mm
放物面鏡12 :焦点距離13mm
レンズアレイ21 :横8mm×縦6mmで焦点距離A=60mmのレンズが横12個×縦16個形成されたもの
レンズアレイ22 :レンズアレイ21と同一
偏光変換素子25A :偏光変換素子25U及び偏光変換素子25Dはいずれも12個の偏光変換要素と要素間に接合されたプリズムを有し、偏光変換素子25Mは6個の偏光変換要素と要素間に接合されたプリズムを有するもの
なお、ミラー25M2は少なくともS偏光を反射できればよく、偏光ビームスプリッタであってもよい。また、偏光変換素子25Aは偏光面が1方向の直線偏光に変換することができればよく、1/2波長板25M3の位置を3角柱プリズム25M5の出射面に配置してS偏光にするものであってもよい。
【実施例2】
【0047】
図8は、本発明の第実施例2に係る偏光照明装置30Aの、光軸を通る縦断面概略図である。
【0048】
レンズアレイ22のレンズのZ方向長さCZに対し、偏光変換素子25Mの入射面25M4(有効入射領域)のZ方向幅及びその隣の無効入射領域のZ方向幅がいずれもCZ/2であり、かつ、この有効入射領域のZ方向中心位置が偏光変換素子25Mと対向したレンズ220のZ方向中心位置と同じであるので、偏光変換素子25Mの無効入射領域がレンズ220のZ方向の端からZ方向へ長さCZ/4だけ突出している。このため、レンズ220の隣のレンズ223に入射した光束のうち、レンズ220側の一部が偏光変換素子25Mの無効入射領域に入射する。
【0049】
そこで、これを防止するために、偏光変換装置20Bでは、レンズアレイ22と偏光変換素子25Uとの間に光路補正板26が、レンズアレイ22に対し傾斜して配置されている。光路補正板26は紙面垂直方向に延びており、その長さはレンズアレイ22の紙面垂直方向長さに等しい。
【0050】
レンズ223を通ってY方向に進む光は、光路補正板26を通りながらZ方向へずれ、光路補正板26から出射するとY方向と平行になる。レンズアレイ22に対する光路補正板26の傾斜角及び光路補正板26の厚みを適当に選定してこのずれをCZ/4以上にすることにより、レンズ223を通った光はミラー25M2に入射せずに光路補正板26、偏光変換素子25U及び集光レンズ23を通る。例えばCZ=6mmの場合、光路補正板26の傾斜角を48゜、光路補正板26の厚みを10mmとすることにより、上記ずれをCZ/4に等しい1.5mmにする。
【0051】
他の点は上記第実施例1と同一である。
【0052】
本第実施例2によれば、偏光変換素子25Mの無効入射領域に入射しようとする光が光路補正板26で屈折されてこの無効入射領域に入射するのが防止されるので、光利用効率が第実施例1の場合よりも向上する。
【実施例3】
【0053】
図9は、本発明の第実施例3に係る偏光照明装置30Bの、光軸を通る縦断面概略図である。
【0054】
この無偏光照明装置10Aでは、メタルハライドランプ11からの放射光に対する反射面が、半放物面鏡12Aと球面鏡12Bとで形成されている。半放物面鏡12Aは、図8の放物面鏡12を、光軸を通る面で2分割したものの一方のみである。球面鏡12Bの半径は、半放物面鏡12Aの焦点距離に等しく、球面鏡12Bの球中心と半放物面鏡12Aの焦点とが一致している。この一致点にメタルハライドランプ11のアークギャップ中心が一致するように、メタルハライドランプ11が配置されている。
【0055】
メタルハライドランプ11からの放射光のうち、球面鏡12Bに入射した光は逆進してメタルハライドランプ11を通り、半放物面鏡12Aで反射されるので、光放出面積は図8の場合の半分になり、光強度は図8の場合の約2倍になる。これに対応して無偏光照明装置10AのUV−IRカットフィルター13A並びに偏光変換装置20Cのレンズアレイ21A、22A及び集光レンズ23AのZ方向長さは、図8の対応するものの約半分になっている。偏光変換素子25Bは、図8の偏光変換素子25Dに対応するものが無く、偏光変換素子25Uと25Mとからなる。
【0056】
他の点は上記第実施例1と同一である。
【実施例4】
【0057】
図10は、本発明の第実施例4に係る偏光照明装置30Cの、光軸を通る縦断面概略図である。図11は、偏光変換素子25Cの斜視図である。
【0058】
偏光変換装置20Dは、レンズアレイ21BのZ方向中央部のレンズサイズが、他の部分のそれよりも大きくなっている。レンズアレイ21B内のレンズの焦点距離は互いに等しい。レンズアレイ21B内の大きいレンズと小さいレンズのY−Z面は相似形であり、大きいレンズのY方向及びZ方向長さをそれぞれEY及びEZで表すと、
CX:CZ=EX:EZ
が成立している。例えば、CZ=6mm、CX=8mmに対しEZ=9mm、EX=12mmである。レンズアレイ21Bと対向して配置されたレンズアレイ22Bは、レンズアレイ21Bと同一形状である。但し、レンズアレイ22Bの焦点距離はレンズアレイ21Bのそれと同じである必要はない。
【0059】
偏光変換素子25Cは、レンズアレイ22Bのレンズのサイズと対応して、中央部の偏光変換素子25CMとその両側の偏光変換素子25CU及び25CDとからなる。偏光変換素子25CUと25CDとは互いに同一形状であり、偏光変換素子25CMの偏光変換要素の横断面は偏光変換素子25CUのそれと相似形である。偏光変換素子25CMの入射面のX方向及びZ方向の長さはそれぞれ、EX/2及びEZである。
【0060】
図12は、レンズアレイ22B中に偏光変換素子25Cの有効入射領域をハッチングで表したものである。
【0061】
本第実施例4では、レンズアレイ21B及び22Bの中央行のレンズのサイズが他の部分のそれよりも大きく、これに対応して偏光変換素子25CMの各偏光変換要素のX方向幅が大きくなっているので、レンズアレイ21Bの大きいレンズの中心から見た偏光変換素子25CMの対応する有効入射領域のX方向見込角が、小さいレンズについてのそれよりも大きくなり、これにより有効入射領域に入射する割合が従来よりも大きくなって、光利用効率が向上する。また、中央行のみ大きいレンズを用いているので、偏光照明装置30Cで被照射面を照明したときの輝度分布が略均一になることを確保することができる。
【0062】
レンズアレイ22Bとして焦点距離60mmの上記寸法のレンズが形成され、大きいレンズが中央に4行、小さいレンズが上下にそれぞれ5行形成されたものを用いた結果、全て小さいレンズで形成されたレンズアレイを用いた場合よりも光利用効率が約15%増加した。
【実施例5】
【0063】
図13は、本発明の第実施例5に係る偏光照明装置30Dの、光軸を通る縦断面概略図である。
【0064】
無偏光照明装置10Bでは、放物面鏡12の光軸AXに対しメタルハライドランプ11のアークギャップの方向が傾斜している。アークギャップの方向と光軸AXとを含む面は、偏光変換素子25の偏光変換要素の長手方向と平行になっている。
【0065】
この傾斜により、図13において、放物面鏡12上の点P1から発光部を見た見込角が傾斜しない場合よりも小さくなるので、レンズアレイ22に形成される最も大きい発光像が図14に示す如く図7(B)の場合よりも小さくなる。これに対し、点P2から発光部を見た見込角が傾斜しない場合よりも大きくなるが、点P2で反射された光の強度は点P1でのそれよりも小さいので、レンズアレイ22での発光像が少し大きくなっても光利用効率上問題ない。
【0066】
横8mm×縦6mmで焦点距離が60mmのレンズが12個×16個形成されたレンズアレイ21及び22、焦点距離が13mmの放物面鏡12及びアークギャップが3.0mmのメタルハライドランプ11を用い、該傾斜角を15度にすることにより偏光変換装置20から出射する光量を約10%向上させることができた。
【0067】
本第実施例5によれば、メタルハライドランプ11のアークギャップの方向と光軸AXとを含む面が偏光変換素子25の偏光変換要素の長手方向と平行になるようにアークギャップの方向を傾斜させるという簡単な構成で、光利用効率が向上する。
【実施例6】
【0068】
図15(A)は、本発明の第実施例6に係る偏光照明装置30Eの、光軸を通る縦断面概略図である。図15(B)は放物面鏡12Cの正面図である。
【0069】
放物面鏡12Cは、空冷効率を向上させるために放物面鏡12CのX方向端部が切除されている。これにより、放物面鏡12CのX方向の幅は、Z方向の幅よりも狭くなっている。例えば放物面鏡12Cは、開口端直径100mm、X方向の幅78mmである。
【0070】
放物面鏡12Cの開口端長手方向は、偏光変換素子25の偏光変換要素の長手方向と平行にされている。これにより、レンズアレイ22上に形成される光源発光部像のX方向の幅が、図5のそれよりも狭くなる。したがって、放物面鏡12Cの開口端長手方向をX方向と平行にした場合よりも、偏光照明装置30Eの光利用効率が向上する。
【0071】
また、メタルハライドランプ11内において陰極がリード棒に接続され、このリード棒の端部111がメタルハライドランプ11の外側のリード線14に接続されている。リード線14は例えば、直径約2mmの裸線である。リード線14は、X−Y面に平行な面内を通って、放物面鏡12Cに形成された孔15を貫通している。
【0072】
これにより、レンズアレイ22上に形成されるリード線14の影は、X方向に平行、すなわち偏光変換素子25の偏光変換要素の長手方向と直角になるので、この影の半分は無効入射領域を通ることになる。したがって、リード線14を放物面鏡12Cの光軸の回りに90゜回転させてレンズアレイ22上の有効入射領域に影を形成した場合よりも、偏光照明装置30Eの光利用効率が向上する。また、この回転によりリード線14の影の殆どが無効入射領域に形成されるようにしたとしても、リード線14の位置ずれによりその影が有効入射領域に入る割合が製品毎にばらつく。これに対し、本第実施例6によれば、このようなばらつきが無くなる。
【実施例7】
【0073】
図16は、本発明の第実施例7に係る無偏光照明装置の、光軸を通る縦断面概略図である。
【0074】
メタルハライドランプ11は、その口金112が接着剤16を介して放物面鏡12のネック部121に固定されている。放物面鏡12の焦点距離は例えば13mmであり、メタルハライドランプ11の発光部はネック部121に接近している。メタルハライドランプ11の陽極から口金112及び接着剤16を介して放物面鏡12に伝導する熱量を低減するためには、ネック部121の直径dを大きくしたほうが好ましい。他方、メタルハライドランプ11からの放射光が放物面鏡12で反射された後、メタルハライドランプ11に入射すると、メタルハライドランプ11のガラス球で屈折して放物面鏡12の光軸に対する平行度が悪くなり、無効光となる。この無効光の割合はネック部直径dを小さくするほど多くなる。
【0075】
アークギャップ中心Fから鏡面ネック側端点Hへ進む光は、点Hで反射されて、光軸に平行な直線L3を通る。陽極端Gから点Hへ進む光は、点Hで反射されて直線L4を通る。したがって、∠FHG=θ1は、直線L3と直線L4のなす角度に等しい。直線L3と光軸を通る面内で点Hを通りメタルハライドランプ11のバルブ面と接する直線LTと直線L3とのなす角度をθ2とすると、θ1が略θ2になるようにネック部直径dを定めている。
【0076】
このようにすれば、光利用効率を殆ど低下させずにメタルハライドランプ11から放物面鏡12への熱伝導を低減することができる。
【0077】
アークギャップの長さをg、メタルハライドランプ11の光軸に垂直な断面でのバルブ直径をR、放物面鏡12の焦点距離をfとすると、θ1及びθ2は次式で表される。
【0078】
θ1=arctan(0.5d/(f−g/2))−arctan(0.5d/f)
θ2=arctan((R−d)/(2f))
また、管封止時に形成されるチップ113を透過した放射光は、チップ113で屈折して平行度が悪く、無効光となる。そこで、これを防止して光利用効率を向上するために、メタルハライドランプ11の陰極端Jと放物面鏡12の開口端Kとを結んでできる錐体の内側にチップ113が位置するようにしている。
【実施例8】
【0079】
図17は、本発明の第実施例8に係る偏光照明装置30Fの、光軸を通る縦断面概略図である。
【0080】
無偏光照明装置10Dは、図16の放物面鏡12の替わりに、球面鏡12Dと、球面鏡12DとUV−IRカットフィルター13との間に配置された凸レンズ17とを用いている。メタルハライドランプ11は、そのアークギャップ中心が球面鏡12Dの中心に位置するように配置されている。
【0081】
このような構成は公知であるが、本第実施例8の特徴は、メタルハライドランプ11の電極方向をZ軸と平行にしてメタルハライドランプ11の突出部で放射光及び放物面鏡12からの反射光が妨げられないようにすることにより、図16の場合よりも光利用効率を向上させている。
【0082】
なお、本発明には外にも種々の変形例が含まれる。
【0083】
例えば、上述の無偏光照明装置、偏光照明装置及び偏光変換装置の用途は液晶投写装置に限定されない。
【0084】
液晶投写装置は図1のものに限定されず、液晶ライトバルブを1つのみ用いる単板式であってもよい。
【0085】
また、光源はメタルハライドランプに限定されず、用途に応じて各種のものを用いることができる。
【0086】
さらに、用途や使用目的に応じて、光源発光部を放物面鏡の焦点位置からずらして配置することにより、照明装置の出射光を収束光又は発散光にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0087】
【図1】本発明の特徴的な偏光照明装置を備えた液晶投写装置を示す概略図である。
【図2】図1中の偏光照明装置の構成例を示す、光軸を通る横断面概略図である。
【図3】図1中の偏光照明装置の構成例を示す、光軸を通る縦断面概略図である。
【図4】図3中の偏光変換素子の斜視図である。
【図5】レンズアレイによりこれと対向するレンズアレイの位置に結像された光源発光部像の等輝度ラインを示す図である。
【図6】図4の偏光変換素子の前面に図5の、平面で簡略記載したレンズアレイを配置し、入射有効入射領域をハッチングで示した図である。
【図7】(A)は、図6中のレンズアレイのレンズ222上に形成された発光部の等輝度ラインと有効入射領域(ハッチング部)との関係を示す図であり、(B)は図19に示す従来例での(A)に対応した図である。
【図8】本発明の第実施例2に係る偏光照明装置の、光軸を通る縦断面概略図である。
【図9】本発明の第実施例3に係る偏光照明装置の、光軸を通る縦断面概略図である。
【図10】本発明の第実施例4に係る偏光照明装置の、光軸を通る縦断面概略図である。
【図11】図11中の偏光変換素子の斜視図である。
【図12】図10のレンズアレイ中に偏光変換素子の有効入射領域をハッチングで表した図である。
【図13】本発明の第実施例5に係る偏光照明装置の、光軸を通る縦断面概略図である。
【図14】図13中のレンズアレイのレンズ上に形成された発光部の等輝度ラインと有効入射領域(ハッチング部)との関係を示す、図7(B)に対応した図である。
【図15】本発明の第実施例6に係る偏光照明装置の、光軸を通る縦断面概略図である。
【図16】本発明の第実施例7に係る無偏光照明装置の、光軸を通る縦断面概略図である。
【図17】本発明の第実施例8に係る偏光照明装置の、光軸を通る縦断面概略図である。
【図18】従来の無偏光照明装置の、光軸を通る断面概略図である。
【図19】従来の偏光変換装置の、光軸を通る断面概略図である。
【符号の説明】
【0088】
10、10A〜10D 無偏光照明装置
20、20A〜20D 偏光変換装置
30、30A〜30F 偏光照明装置
11 メタルハライドランプ
112 口金
113 チップ
12、12C 放物面鏡
12A 半放物面鏡
12B、12D 球面鏡
13 UV−IRカットフィルター
14 リード線
15 孔
16 接着剤
21、21A、21B、22、22A、22B レンズアレイ
210、211、220〜222 レンズ
23、23A 集光レンズ
24 被照射面
25、25A〜25C、25U、25D、25CU、25CD、25M、25CM 偏光変換素子
250、25M0 プリズム
251、25M1 偏光ビームスプリッタ
252、25M2 ミラー
253、25M3 1/2波長板
25M4 入射面
26 光路補正板
31、32、36、37 ダイクロイックミラー
33、39 全反射ミラー
34B、34G、34R フィールドレンズ
35B、35G、35R 液晶ライトバルブ
38 投写レンズ
40 スクリーン




 

 


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