JP2004157225A - プロジェクタおよびその画像投射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長寿命の光源、より簡単な構成で小型化に適し、省電力タイプのプロジェクタを提供する。
【課題手段】本発明のプロジェクタは、赤色の発光ダイオード１００と青色の発光ダイオード１１０と緑色の発光ダイオード１２０を含む光源６０と、これら発光ダイオードを駆動する光源駆動回路３０と、発光ダイオードから発光された光を変調するＤＭＤ５０と、ＤＭＤ５０によって反射された光を投射する投射光学系８０とを含む。赤色、青色、緑色の発光ダイオード１００、１１０、１２０は、光源駆動回路３０により交互に駆動される。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロジェクタに関し、特に、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いたＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）方式のプロジェクタに用いられる光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＬＰ方式プロジェクタは、半導体素子からなるＤＭＤに光を照射し、その反射光をレンズ等で拡大投影して画像表示を行うものである。本出願人により先に出願された特許文献１の図１に示すように、光源からの光が回転楕円面鏡５２によって反射され、その反射光がＲ、Ｇ、Ｂのカラーフィルターを配列した円盤状のカラーホイール５３によってＲＧＢ光に順次分離され、そしてＤＭＤ５６に入射される。ＤＭＤ５６は、ＲＧＢ光に同期して時分割駆動され、画像データに基づき入射光を反射させる。その反射光は、投影レンズ５７を介してスクリーン５８上に投影される。このようなカラー投影表示は、一枚のカラーホイールを用いてカラー表示を行うことから、いわゆる単板式光学系とも呼ばれている。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３、１２１、８４３号明細書
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来のプロジェクタには次のような課題がある。プロジェクタの光源には、超高圧水銀ランプ等の放電ランプが用いられるが、これらの放電ランプの寿命は、おおよそ２０００時間程度であり、さほど長くない。光源の寿命が短いと、ランプ交換の頻度も多くなり、かつその運転コストも上昇してしまう。また、放電ランプは動作時において非常に高温となるため、プロジェクタ内部の熱対策も必須であり、ランプやその周辺部材をファン等などの冷却装置を用いて冷却しなければならない。より高出力の放電ランプを用いれば、それだけ冷却装置の冷却能力も大きくしなければならず、それに伴う騒音も大きくなってしまう。同時に冷却装置の占有面積も無視することができず、プロジェクタの小型化の障害にもなりかねない。
【０００５】
さらに、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光を作るために、円盤状のカラーホィールと、カラーホイールを回転させるモーター、およびカラーホイールのフィルタがランプ光に対向した時点を検出し、その状態を映像処理部に供給する制御装置を必要とし、複雑な構成を必要としている。
【０００６】
そこで本発明は、上記従来の課題を解決し、長寿命の光源を用いたプロジェクタを提供することを目的とする。
さらに本発明は、より簡単な構成で鮮明な投射画像を得ることができるプロジェクタを提供することを目的とする。
さらに本発明は、小型化に適し、かつ省電力タイプのプロジェクタを提供することを目的とする。
さらに本発明は、比較的小さな冷却能力を備え、かつ低騒音のプロジェクタを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るプロジェクタは、複数の半導体発光素子を含む光源と、前記複数の半導体発光素子を異なるタイミングで駆動する駆動手段と、前記複数の半導体発光素子から発光された光を変調する変調手段と、変調された光を投射する投射手段とを含む。半導体発光素子による光源を用いることで、光源の寿命を長期化させるとともに、簡単な装置構成を有することでプロジェクタを小型化することができる。さらに、省電力化、低騒音化のプロジェクタとすることが可能である。
【０００８】
好ましくは、複数の半導体発光素子は、赤色、青色、緑色の波長をそれぞれ発光する第１、第２、第３の半導体発光素子を含む。半導体発光素子は、例えば、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザダイオード（ＬＤ）である。特に、アレイ状の光源であれば、面発光型半導体レーザが望ましい。
【０００９】
好ましくは、赤色の半導体発光素子は、駆動手段からの第１の駆動信号に応答して発光し、青色の半導体発光素子は、駆動手段からの第２の駆動信号に応答して発光し、緑色の半導体発光素子は、駆動手段からの第３の駆動信号に応答して発光し、それぞれの駆動信号が異なるタイミングで駆動される。
【００１０】
赤色、青色、緑色の半導体発光素子の各々は、支持基板上にそれぞれ直線状に配置される。支持基板は、例えば、絶縁部材であって、その上に素子が位置決め固定される。素子を固定した後、絶縁部材上にガラス窓が形成されたケースで覆うようにしてもよい。また、赤色、青色、緑色の半導体発光素子は、それぞれ二次元アレイ状に配置されるようにしてもよい。半導体素子を、Ｎ行×Ｍ列に配置されることで、より大きな光出力を形成するようにしてもよい。さらに支持基板上において、半導体発光素子からの光を所定方向に反射するような反射面を形成することもできる。
【００１１】
さらに複数の半導体発光素子からの光を変調手段へ導くための光学部材を含むものであってもよい。例えば、光学部材は、ライトトンネルやライトインテグレータのような光伝送部材を含み、半導体発光素子からの光はこれらの光伝送部材を介して出射されるようにしてもよい。光伝送部材の出射窓のアスペクト比に応じた均一な照度の光が出射される。さらに光学部材は、コンデンサレンズ等を含むものであっても良い。
【００１２】
本発明に係るプロジェクタの画像投射方法は、赤色、青色、緑色を発光する複数の半導体発光素子を用意するステップと、前記赤色、青色、緑色の半導体発光素子を交互に駆動するステップと、赤色、青色、緑色の半導体発光素子から発光された光を光変調装置に照射し、前記赤色、青色、緑色の半導体発光素子の駆動に同期して照射された光を画像データに基づき反射させるステップと、反射された光を投射するステップとを含む。
【００１３】
好ましくは、赤色、青色、緑色の半導体発光素子は、それぞれライン状に配置され、各ラインから赤色、青色、緑色の光が異なるタイミングで発光されるようにしても良い。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るＤＬＰ方式プロジェクタの主要な構成を示すブロック図である。プロジェクタ１は、画像信号１１を入力し、これをＤＭＤと同じ画素数のＲＧＢデジタル画像データに変換する前処理部１０と、前処理部１０からのデジタル画像データに基づきＤＭＤ５０の駆動を制御するとともに光源駆動回路３０を制御する制御部２０と、クロック信号を生成するクロック発生回路４０と、複数のミラー素子をアレイ状に配置させそれらのミラー素子をスイッチングさせるＤＭＤ５０と、複数の発光ダイオードを含む光源６０と、光源６０からの光をＤＭＤへ照射させる照射光学系７０と、ＤＭＤ５０によって反射された光をスクリーン上へ投射する投射光学系８０とを含む。
【００１５】
図２に光源および光源駆動回路を示す。光源６０は、赤色発光ダイオード１００と、青色発光ダイオード１１０と、緑色発光ダイオード１２０とを含む。赤色発光ダイオード１００、青色発光ダイオード１１０、および緑色発光ダイオード１２０は、それぞれ６個並列に接続されるように直線状に配置される。赤色発光ダイオード１００のアノード側の電極１０１は、ボンディングワイヤ１０２を介して給電側端子１０３に共通接続され、端子１０３はＭＯＳトランジスタ１３０のソース電極に接続される。青色発光ダイオード１１０のアノード側の電極１１１は、ボンディングワイヤ１１２を介して給電側端子１１３に共通接続され、端子１１３はＭＯＳトランジスタ１４０のソース電極に接続される。同様に、緑色発光ダイオード１２０のアノード側の電極１２１は、ボンディングワイヤ１２２を介して給電側端子１２３に共通接続され、端子１２３はＭＯＳトランジスタ１５０のソース電極に接続される。ＭＯＳトランジスタ１３０、１４０、１５０のドレイン電極は、５ボルトの供給電源に接続され、それらのゲート電極は光源駆動回路３０からのタイミングパルス信号φＲ、φＢ、φＧに接続される。
【００１６】
図３は図２の光源６０のＸ−Ｘ線断面図である。光源６０は、発光ダイオード１００、１１０、１２０を位置決め支持するための絶縁本体２００を有する。絶縁本体２００の表面には、傾斜された側面２１１を有する３つの溝２１０が形成される。各溝２１０は、それぞれ等間隔で互いに平行になるように直線状に延び、溝の底には裏面にまで延在する貫通孔２１２が形成されている。それぞれの溝２１０内に、赤色発光ダイオード１００、青色発光ダイオード１１０、および緑色発光ダイオード１２０がそれぞれ配置され、それらの素子のカソード電極が溝の底面に接着材等により固定される。各溝２１０の貫通孔２１２内に導電性のプラブ２１３が埋め込まれ、プラグ２１３がカソード電極に電気的に接続される。プラブ２１３の他方の面が、絶縁本体２００の裏面に形成された導電層２２０に電気的に接続され、導電層２２０が接地される。溝２１０の両側の傾斜された側面２１１には反射膜（図中省略）が形成され、反射膜は発光ダイオード１００、１１０、１２０によって発光された光を絶縁本体２００の面からほぼ垂直方向に向けて反射させる。溝と溝の間の突起部に給電側の端子１０３、１１３、１２３がそれぞれ溝と平行になるように配置される。
【００１７】
光源駆動回路３０は、制御部２０およびクロック発生回路４０に接続される。制御部２０からのイネーブル信号ＥＢが入力されると、クロック信号ＣＬＫに同期したタイミングパルス信号φＲ、φＢ、φＧを生成し、これにより各発光ダイオード１００、１１０、１２０の点灯を制御する。さらに、タイミングパルス信号と同期した同期信号Ｓを制御部２０へ出力する。光源駆動回路３０は、好ましくはロジックシーケンスＩＣを用いて構成されるが、これ以外にもマイクロコンピュータを用いて駆動制御を行ってよい。
【００１８】
次にプロジェクタの動作について説明する。プロジェクタの電源投下により、制御部２０から光源駆動回路３０に対してイネーブル信号ＥＢが供給される。光源駆動回路３０は、クロック発生回路４０からクロック信号ＣＬＫを受け取り、図４（ａ）に示すように、クロック信号ＣＬＫに同期するタイミングパルス信号φＲ、φＢ、φＧを形成する。タイミングパルス信号φＲのパルスは、クロック信号ＣＬＫの立ち上がりに同期して立ち上がり、次のクロック信号の立ち上がりのときに立ち下がる。つまり、クロック信号ＣＬＫの１周期に等しいパルス幅を有する。タイミングパルス信号φＢは、φＲの立下りに同期しφＲのパルス幅と等しいパルス幅を生成する。タイミングパルス信号φＧは、タイミングパルス信号φＢの立ち下がりに同期しφＲのパルス幅と等しいパルス幅を生成する。このように、各タイミングパルス信号φＲ、φＢ、φＧのパルスは、それぞれ重複することなく異なるタイミングで交互に生成される。
【００１９】
タイミングパルス信号φＲ、φＧ、φＢは、光源駆動回路３０によって生成されるが、例えば図４（ｂ）に示すように、タイミングパルス信号φＲを遅延素子３１へ入力させ、遅延素子３１からパルス幅に等しい時間を遅延させたタイミングパルス信号φＢを生成し、タイミングパルス信号φＢを遅延素子３２へ入力させそこからタイミングパルス信号φＧを生成することもできる。
【００２０】
図２に示すように、光源駆動回路３０からのタイミングパルス信号φＲがＭＯＳトランジスタ１３０のゲートに供給され、タイミングパルス信号φＧがＭＯＳトランジスタ１４０のゲートに供給され、タイミングパルス信号φＢがＭＯＳトランジスタ１５０のゲートに供給され、各ＭＯＳトランジスタ１３０、１４０、１５０はそれらのパルスに応答してスイッチングする。
【００２１】
タイミングパルス信号φＲのパルスの期間、ＭＯＳトランジスタ１３０が導通され、赤色発光ダイオード１００に５Ｖの順方向電圧が印加される。これにより、赤色発光ダイオード１００に約１Ａの電流が流れ、ダイオード１００から赤色の波長の光が発光される。発光ダイオード１００からの光は、絶縁本体２００の面からほぼ垂直方向に出射される。発光ダイオード１００から発光された光のうち、垂直方向に向かう以外の方向に出射された光は、溝２１０の側壁２１１の反射膜によって反射され、これにより絶縁本体２００の面からほぼ垂直方向に出射される。
【００２２】
タイミングパルス信号φＲのパルスが立ち下がると、ＭＯＳトランジスタ１３０がオフし、赤色発光ダイオード１００の動作が停止される。これとほぼ同じタイミングで、タイミングパルス信号φＧのパルスが立ち上がり、ＭＯＳトランジスタ１４０がオンし、青色発光ダイオード１１０から青色光が出力される。青色発光ダイオード１１０がオフされると、タイミングパルス信号φＧのパルスが立ち上がり、ＭＯＳトランジスタ１５０がオンし、緑色発光ダイオード１２０から緑色の光が出力される。こうして、赤色、青色および緑色の光が順次発光され、絶縁本体２００の面からほぼ垂直方向に出射される。
【００２３】
光源６０からの出射光は、照明光学系７０によって４：３あるいは１６：９の所定のアスペクト比の光線束に変換され、ＤＭＤ５０の画素領域上を照射する。制御部２０は、光源駆動回路３０から出力されたタイミングパルス信号に同期する同期信号Ｓを入力し、この同期信号により画像データに従いＤＭＤ５０の駆動を制御する。
【００２４】
ＤＭＤ５０によって反射された赤色、青色、および緑色の光は、投射光学系８０によって拡大され、スクリーン上に投射される。本例では、各発光色とも、３０Ｗ程度の光源を形成しているが、発光ダイオード数を増減することで、より高照度あるいは低照度の光源を形成することができる。
【００２５】
図５にプロジェクタの光学システムの一例を示す。照明光学系７０は、ライトトンネル７１と、複数のコンデンサレンズ７２と、球面ミラー７３、７４と、コンデンサレンズ７５とを含む。ライトトンネル７１は、発光ダイオードから発光された光を入射し、これを内部で全反射させ、均一な照度の光線を出射する。出射口のアスペクト比は、投射される画像のアスペクト比を決定し、例えば４：３あるいは１６：９に設定される。ライトトンネル７１からの光は、複数のコンデンサレンズ７２によって球面ミラー７３へ集光される。そこで反射された光は、球面ミラー７４により反射されてコンデンサレンズ７５の凸面側に入射され、そこで集光されてＤＭＤ５０上に照射される。ＤＭＤ５０によって反射された光は、再びコンデンサレンズ７５の平面側から入射され、投影レンズ群８１を含む投射光学系８０を介してスクリーン上に投射される。
【００２６】
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。図６に本実施の形態に係る光源を示す。光源６０ａは、赤色発光ダイオード１００、青色発光ダイオード１１０、および緑色発光ダイオード１２０を複数組（本例では２組）有している。各組の発光ダイオードの給電側の端子１０３、１１３、１２３がそれぞれ共通結線され、これらがＭＯＳトランジスタ１３０、１４０、１５０のソース電極に接続される。
【００２７】
光源駆動回路３０から出力されるタイミングパルス信号φＲ、φＢ、φＧにより、第１の実施の態様のときと同様に、ＭＯＳトランジスタ１３０、１４０、１５０がスイッチング動作され、各組の発光ダイオード１００、１１０、１２０が異なるタイミングで赤色、青色、緑色の光を発光する。このように、複数組の発光ダイオードを二次元的に配置させることで、より光の照度を向上させ、投射画像をより明るくすることが可能となる。
【００２８】
本例では、各組の発光ダイオードが互いに異なる位置に配置させたが、これに限らず、各組の発光ダイオードを隣接する位置に配置させて二次元アレイ状にするものであってもよい。例えば、図６を例にとれば、赤色発光ダイオード１００を互いに隣接して２列に配置し、その隣に同様の２列の青色発光ダイオード１１０を配置し、そして２列の緑色発光ダイオード１２０を配置させる。
【００２９】
このように発光ダイオードにより光源６０、６０ａを構成することで、従来の放電ランプと比較してその寿命を長くすることができ、また、カラーホイール等によるＲＧＢを分離する光学部材およびそれを回転駆動させるモーターが不要となる。その結果、プロジェクタの構成が簡単になり、省スペース化を図ることが可能となる。さらに、発光ダイオードによる発熱は、放電ランプよりも小さく、プロジェクタの冷却能力も小さくて済み、冷却装置の騒音も低減させることが可能である。また、カラーホィールを用いる場合、光源としては白色光を生成し、その中から１色を透過させるため、他の色は熱として損失してしまい効率が悪いが、これに対して本発明のように各色を単独で形成する場合、そのような損失がなく、光源の電源はより低出力のものを利用することができる。
【００３０】
上記実施の態様は、ＤＬＰ方式のプロジェクタを例に説明したが、勿論、これ以外の液晶デバイスを用いたプロジェクタや、リア投射型のプロジェクタ等に広く適用することができる。
【００３１】
さらに上記実施の態様では、半導体発光素子の一例として発光ダイオードを用いたが、これに限らず半導体レーザ素子を用いることも可能である。半導体レーザは、面発光型を用いることが望ましい。面発光型であれば、二次元アレイ化が容易だからである。半導体発光素子は、好ましくはＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体材料が用いられる。
【００３２】
上記実施の態様では、発光ダイオードを絶縁本体に形成された直線状の溝内に位置決め固定したが、これ以外にも、発光ダイオードの形状に応じた溝や凹部であってもよい。但し、本発明おいてそのような溝は必ずしも必要とするものではない。
【００３３】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、プロジェクタの光源を複数の半導体発光素子により構成したので、光源の寿命を長期化させることができる。さらに、従来のプロジェクタのようにＲ、Ｇ、Ｂの光を分離するためのカラーホイールやその駆動モータが不要となり、装置を簡潔化させることができる。同時に省スペース化によりプロジェクタの小型化が可能となり、また、光源の発熱も従来の放電ランプと比較して小さくすることができるため、ファン等の冷却装置の冷却能力も小さくてすみ、結果として低騒音のプロジェクタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプロジェクタの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る光源の構成を示す図である。
【図３】図２の光源のＸ−Ｘ線で切断したときの概略断面図である。
【図４】図４（ａ）は光源の駆動タイミングを示す図であり、図４（ｂ）はタイミンググパルス信号を生成する一構成例を示す図である。
【図５】プロジェクタの光学システムを示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る光源の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０：前処理部、 １１：画像信号
２０：制御部、 ３０：光源駆動回路
４０：クロック発生回路、 ５０：ＤＭＤ
６０：光源、 ７０：照明光学系
８０：投射光学系、 １０２：ボンディングワイヤ
１０３、１１３，１２３：給電側電極
１００：赤色発光ダイオード １１０：青色発光ダイオード
１２０：緑色発光ダイオード ２００：絶縁本体
２１０：溝

Claims (15)

1. 複数の半導体発光素子を含む光源と、前記複数の半導体発光素子を異なるタイミングで駆動する駆動手段と、前記複数の半導体発光素子から発光された光を変調する変調手段と、変調された光を投射する投射手段とを含むプロジェクタ。
2. 前記複数の半導体発光素子は、赤色、青色、緑色の光をそれぞれ発光する第１、第２、第３の半導体発光素子を含み、前記駆動手段は、前記第１、第２、第３の半導体発光素子を異なるタイミングで交互に駆動する、請求項１に記載のプロジェクタ。
3. 前記第１の半導体発光素子は、前記駆動手段からの第１の駆動信号に応答して発光し、前記第２の半導体発光素子は、前記駆動手段からの第２の駆動信号に応答して発光し、前記第３の半導体発光素子は、前記駆動手段からの第３の駆動信号に応答して発光し、前記第１、第２、第３の駆動信号は異なるタイミングで生成される、請求項２に記載のプロジェクタ。
4. 前記プロジェクタは、前記変調手段の動作を制御する制御手段を含み、前記制御手段は、前記第１、第２、第３の半導体発光素子の駆動と同期して前記変調手段の動作を制御する、請求項２または３に記載のプロジェクタ。
5. 前記第１、第２、第３の半導体発光素子の各々は、支持基板上にそれぞれ直線状に配置される、請求項２ないし４いずれかに記載のプロジェクタ。
6. 前記第１、第２、第３の半導体発光素子は、それぞれアレイ状に配置される、請求項２ないし４いずれかに記載のプロジェクタ。
7. 前記光源は、前記複数の半導体発光素子からの光を反射させる反射面を含む、請求項１ないし６いずれかに記載のプロジェクタ。
8. 前記光源は、前記複数の半導体発光素子からの光を前記変調手段へ導くための光学部材を含む、請求項１ないし７いずれかに記載のプロジェクタ。
9. 前記光学部材は、光伝送部材を含み、前記複数の半導体発光素子からの光は前記光伝送部材を介してほぼ均一な照度で出射される、請求項８に記載のプロジェクタ。
10. 前記複数の半導体発光素子は、半導体発光ダイオードを含む、請求項１ないし９いずれかに記載のプロジェクタ。
11. 前記複数の半導体発光素子は、半導体レーザ素子を含む、請求項１ないし９いずれかに記載のプロジェクタ。
12. 前記変調手段は、液晶バルブを含む、請求項１ないし１１いずれかに記載のプロジェクタ。
13. 前記変調手段は、ＤＭＤを含む、請求項１ないし１１いずれかに記載のプロジェクタ。
14. 赤色、青色、緑色を発光する複数の半導体発光素子を用意し、
    前記赤色、青色、緑色の半導体発光素子を交互に駆動し、
    前記赤色、青色、緑色の半導体発光素子から発光された光を光変調装置に照射し、前記赤色、青色、緑色の半導体発光素子の駆動に同期して前記照射された光を画像データに基づき反射させ、
    反射された光を投射する、プロジェクタの画像投射方法。
15. 前記赤色、青色、緑色の半導体発光素子は、それぞれライン状に配置され、各ラインから赤色、青色、緑色の光が異なるタイミングで発光される、請求項１５に記載のプロジェクタの画像投射方法。

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