JP2005031677A - 照明ユニット及びこれを備えた投射型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 照明ユニット及びこれを備えた投射型画像表示装置を提供する。
【解決手段】 光源から入射された光を均一の光度を有するように変換するインテグレータと、インテグレータから出射される光のうち映像情報の縦横比に符合されない光をインテグレータに再入射させて映像情報の縦横比に符合されるように変換して出射させる縦横比変換手段と、を含む投射型画像表示装置の照明ユニット。
【選択図】 図２

Description

本発明は、画像を拡大投射して表示する投射型画像表示装置に係り、特に多様な縦横比で映像情報を投射できる投射型画像表示装置に関する。

投射型画像表示装置は、照明装置から出射される光を液晶パネル(ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ ｐａｎｅｌ)、ＤＭＤ(ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ)のような光変調素子を用いて映像情報に対応するように変調し、これをスクリーンに拡大投射する装置をいう。

投射型画像表示装置は、４：３の縦横比を有する通常の映像情報、１６:９の縦横比を有する高品位(ｈｉｇｈ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ)映像情報、２.３５：１の縦横比を有するワイド映像情報のように多様な縦横比を有する映像情報を表示する必要がある。光変調素子は一般的に４：３の縦横比を有する。多様な縦横比を有する映像情報を表示するための方案として光変調素子の一部領域のピクセルをマスキングする方案が考えられる。図１(a)〜(c)を見れば、４：３の縦横比を有する光変調素子1を用いて高品位映像情報とワイド映像情報とを表示する一例が示されている。４：３の縦横比を有する映像情報を表示する場合には光変調素子1の全領域Ｔを光変調領域として使用する（図１(a)）。高品位映像情報を表示する場合には１６：９の縦横比を有するように定義される図１(b)のＨで表示された領域だけを光変調領域として使用し、その以外の部分は、例えば、透過型光変調素子の場合にはピクセルをＯＦＦさせて光が全く通過できなくする。同様に、ワイド映像情報を表示する場合には２.３５：１の縦横比を有するように定義される図１(c)のＷで表示された領域だけを光変調領域として使用する。

前記のような方式により、投射型画像表示装置は、多様な縦横比を有する映像情報を表示することができる。ところが、このような方式は光利用効率の側面で望ましくない。照明ユニットは、４：３の縦横比を有する映像情報を基準として光変調素子1の全領域Ｔに照明光が照射されるように設計される。しかし、例えば、高品位映像情報を表示する場合、Ｈ領域以外の領域に入射された光は有効な投射光として使われず無駄になって４：３の縦横比を有する映像情報を表示する場合に比べて光利用効率が低下する。これはワイド映像情報を表示する場合にも同様である。

本発明は前記の問題点を解決するために創出されたものであって、本発明の目的は、映像情報の縦横比に合わせて光変調素子に照射される光の縦横比を調節しうる向上した投射型画像表示装置の照明ユニット及びこれを採用した投射型画像表示装置を提供することである。

前記の目的を達成するための本発明の投射型画像表示装置の照明ユニットは、光源と、前記光源から入射された光を均一の光度を有するように変換するインテグレータと、前記インテグレータから出射される光のうち映像情報の縦横比に符合されない光を前記インテグレータに再入射させ、前記映像情報の縦横比に符合されるように変換して出射させる縦横比変換手段と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る投射型画像表示装置は、照明ユニットと、前記照明ユニットから入射された光を画像データによって変調する光変調素子と、前記光変調素子から出射された光を拡大投射する投射光学系と、を含む投射型画像表示装置であって、前記照明ユニットは、光源と、前記光源から入射された光を均一の光度を有するように変換するインテグレータと、前記インテグレータから出射される光のうち映像情報の縦横比に符合されない光を前記インテグレータに再入射させ、前記映像情報の縦横比に符合されるように変換して出射させる縦横比変換手段と、を含むことを特徴とする。

前記縦横比変換手段は、前記インテグレータの出射側に設けられて前記映像情報の縦横比によって前記インテグレータの出射断面の縦横比を調節するものであって、前記映像情報の縦横比に符合されない部分の光を反射させて前記インテグレータに再入射させるスリット部材と、前記インテグレータの入射側に設けられて前記スリット部材によって前記インテグレータに再入射された光を反射させる反射体であって、前記光源から前記インテグレータに光が入射されるように光窓が形成されているリサイクルリング部材と、前記スリット部材を駆動させる駆動手段と、を含むことを特徴とする。

本発明に係る投射型画像表示装置の照明ユニット及びこれを採用した投射型画像表示装置によれば、映像情報の縦横比に対応できない光をリサイクルリングすることによって多様な横縦比で画像を投射する場合にも優れた光利用効率を得ることができる。

以下添付した図面に基づき、本発明の望ましい実施の形態を詳細に説明する。
図２は、本発明に係る投射型画像表示装置の照明ユニットの一実施の形態を示す斜視図である。
図２を見ると、光源１０及びインテグレータ３０が示されている。参照符号５０はインテグレータ３０から出射される光を光変調素子(図示せず)に案内するリレーレンズである。
光源１０は、光を放出するものであって、メタルハライドランプ、ＬＥＤなどが使われうる。また、光源１０は、白色光または赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）光のうち何れか一色相の光を照射しうる。白色光を照射する場合には光変調素子に入射される前に色フィルタ(図示せず)を利用して赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のうち何れか一色相の単色光になるようにフィルタリングしなければならない。色フィルタは、光源１０とインテグレータ３０との間に設けられるのが望ましい。

インテグレータ３０は、光源１０から入射された光を均一の光度を有するように変換して出射させるものである。インテグレータ３０として図２に示したようにガラスロッドのような透光性ロッドが使われうる。また、インテグレータ３０として図３に示したように内部反射面６１を有する中空状の光トンネル６０が使われうる。インテグレータ３０は、光の進行方向に垂直な断面形状が長方形であることが望ましい。

照明ユニットは、映像情報の縦横比によってインテグレータ３０から出射される光の縦横比を変換する縦横比変換手段を備える。縦横比変換手段は、スリット部材４０とリサイクルリング部材２０とを含み、スリット部材４０を駆動する駆動手段を含む。

インテグレータ３０の出射側にはスリット部材４０が設けられる。スリット部材４０は、インテグレータ３０の出射断面３１の縦横比を映像情報の縦横比によって調節する。本実施の形態のスリット部材４０は、インテグレータ３０から出射される光のうち映像情報の縦横比に対応していない部分の光を反射させてインテグレータ３０に再入射させるということにその特徴がある。

図２を見ると、スリット部材４０として相互接近／離隔されることによって出射断面の縦横比を調節する一対の反射ミラー４１、４２が示されている。図４は、一対の反射ミラー４１、４２を駆動させる駆動手段を示す斜視図である。図４に示した駆動手段は一例であって、これにより本発明の範囲が限定されるものではない。図４を見ると、垂直方向に設置されるガイド部材７１が示されている。ガイド部材７１には、各々反射ミラー４１、４２が結合された第１ホルダー７２と第２ホルダー７３とがスライド可能に結合される。第１ホルダー７２と第２ホルダー７３とにはラックギア７４、７５が各々設けられる。ラックギア７４、７５は、図４に示したようにピニオン７６を挟んで互いに対向して位置する。参照符号７７は、ピニオン７６を駆動させる駆動モータである。このような構成によれば、ピニオン７６を正／逆転させて反射ミラー４１、４２を互いに接近／離隔させることによって出射断面３１の縦横比を調節することができる。スリット部材４０は、反射ミラー４１、４２のうち何れか一つだけを備えることも可能である。この場合、駆動手段は、第１ホルダー７２と第２ホルダー７３のうち何れか一つだけを具備すればよい。

インテグレータ３０の入射側にはリサイクルリング部材２０が設置される。リサイクルリング部材２０は、スリット部材４０により反射されてくる光を反射させて再び出射断面３１方向に進行させる反射体である。リサイクルリング部材２０には光源１０から照射された光がインテグレータ３０に入射されるように光窓２１が設けられる。

図５は、本発明に係る照明ユニットが採用された投射型画像表示装置の一実施の形態を示す構成図である。光変調素子は、透過型光変調素子と反射型光変調素子とに大別されるが、本実施の形態による投射型画像表示装置は透過型光変調素子を採用する投射型画像表示装置である。
図５を見ると、透過型光変調素子である液晶パネル１１０、この液晶パネル１１０を照明するための照明ユニット１００、及び液晶パネル１１０により変調された光を拡大投射する投射光学系１２０が示されている。本実施の形態による投射型画像表示装置は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｇ）光を各々変調するために３個の液晶パネル１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂを備える。参照符号１２１は、各液晶パネル１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂにより変調された３色の光を合成する色合成プリズムであり、参照符号１２２は、合成された光を拡大投射する投射レンズである。投射型画像表示装置に使われる液晶パネル１１０は、通常そのサイズが横、縦それぞれ１インチ程度の小型液晶パネルである。照明ユニット１００は、液晶パネル１１０を照明するためのものであって、各液晶パネル１１０Ｒ、１１０Ｇ、１１０Ｂに対して一つずつ設けられる。

図６は、本発明に係る照明ユニットが採用された投射型画像表示装置の他の実施の形態を示す構成図である。本実施の形態による投射型画像表示装置は、反射型光変調素子を採用する投射型画像表示装置である。
図６を見ると、反射型光変調素子であるＤＭＤ１３０、このＤＭＤ１３０を照明するための照明ユニット１００、ＤＭＤ１３０により変調された光を拡大投射する投射光学系１４０が示されている。本実施の形態による投射型画像表示装置は、一つのＤＭＤ１３０を使って赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の映像信号を順次に変換する。この場合、照明ユニット１００の光源１０は、白色光を照射するランプを使用することが望ましく、光源１０とインテグレータ３０との間には赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）光を順次に通過させるカラーホイール(図示せず)が設置されることが望ましい。参照符号１４１は、照明ユニット１００から出射される光は透過させてＤＭＤ１３０に入射させ、ＤＭＤ１３０から変調された光は反射させて投射レンズ１２１に入射させるＴＩＲプリズム(Ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｐｒｉｓｍ)である。

次に、図２〜図６及び本実施の形態による照明ユニットの作用を示す図７を参照しつつ本実施の形態による照明ユニットの作用効果を説明する。
光源１０から照射された光は光窓２１を通じてインテグレータ３０に入射される。インテグレータ３０としてガラスロッドを使用する場合、光がインテグレータ３０に入射される時、外部媒質、例えば空気とガラスとの屈折率の差によって屈折される。この場合、光の方位角は減少する。ガラスの屈折率を約１.５、空気の屈折率を約１と仮定する場合、例えば光源１０から照射される光が光軸１１に対して約０ないし９０°の方位角Ａを有すれば、インテグレータ３０に入射された光は、光軸１１に対して約０ないし４２°の方位角Ｂを有する。インテグレータ３０の表面は外部媒質である空気との境界面となる。インテグレータ３０の表面で全反射が起こる臨界角は、ガラスと空気との屈折率から計算できるが、約４２度である。インテグレータ３０の表面に対する光の入射角Ｃが臨界角より大きければ、光は外部に透過できずに全反射される。前述したようにインテグレータ３０に入射された光の方位角Ｂは約０ないし４２°である。この光のインテグレータ３０の表面に対する入射角Ｃは、約４２ないし９０°となる。したがって、インテグレータ３０に入射された光は、インテグレータ３０の内部で全反射を繰り返しながら出射断面３１方向に進行する。インテグレータ３０として図３に示したような光トンネル６０を使用する場合には、光源１０から入射された光は内部反射面６１で反射を繰り返しながら出射断面６２側に進行する。この場合、インテグレータ３０内部で光が均一に混合され、インテグレータ３０から出射される光は均一の光度分布を有するようになる。

制御部(図示せず)は、映像情報が入力されるその映像情報の縦横比を認識し、これにより図４に示したような駆動手段を用いて一対の反射ミラー４１、４２を動かしてインテグレータ３０の出射断面３１の一部を遮断する。これにより、出射断面３１には映像情報の縦横比と同じスリットが形成される。参照符号Ｌ１で表示された光は、光源１０から出射されてインテグレータ３０内部で一回の反射を経た後、一対の反射ミラー４１、４２により形成されるスリット４３を通過して出射される。したがって、スリット４３を通過した光は、映像情報の縦横比とほぼ同じ縦横比を有する。

参照符号Ｌ２と表示された光は、光源１０から出射されてインテグレータ３０内部で二回の反射を経た後、反射ミラー４２で反射される。反射ミラー４２で反射された光Ｌ２は、逆進行されてリサイクルリング部材２０に入射される。リサイクルリング部材２０は反射体であるので、光Ｌ２を出射断面３１方向に反射させる。この光Ｌ２は、スリット４３を通過してリレーレンズ５０に入射される。このように、本実施の形態による照明装置によれば、最初に映像情報の縦横比に対応できない光Ｌ２をインテグレータ３０内でリサイクルリングさせて映像情報の縦横比に対応するように変換する。したがって、スリット４３を通過する光量を増加させうる。

前述したような作用により、映像情報の縦横比とほぼ同じ縦横比を有する光は、リレーレンズ５０を経て光変調素子１１０、１３０に入射され、光変調過程を経てスクリーン(図示せず)に拡大投射される。

このように、リサイクルリング過程を経る場合には光利用効率の向上を図ることができる。図８は、インテグレータ３０の出射断面３１の光度分布を測定したグラフである。図８を見ると、インテグレータ３０の出射断面３１で均一の光度を有することが分かる。この時、総光量の測定値は約３１２６ルーメン(Ｌｕｍｅｎ)である。図９は、４：３の縦横比を有する場合、光変調素子に集光された光の光度分布を示すグラフである。この時、光変調素子に集光された総光量は約２３６０ルーメンである。インテグレータ３０の光の進行方向に垂直な断面の横縦比が４：３であれば、図９に示したグラフは、スリット部材４０とリサイクルリング部材２０とが採用されていない場合のグラフであると見られる。したがって、４：３の縦横比を有する場合には図１(a)で説明したような従来の縦横比調節方式によっても図９に示したグラフとほぼ同じ結果を得ると言える。

図１０及び図１１は、それぞれ１６：９、２.３５：１の縦横比を有するように前記スリット部材４０が調節された場合、光変調素子に集光された光の光度分布を示すグラフである。図１２及び図１３は、図１(b)、１(c)に示した従来の縦横比調節方式によって各々１６：９、２.３５：１の縦横比を有するように光変調素子の一部領域のピクセルをＯＦＦさせた場合、光変調素子に集光された光度分布を示すグラフである。図９〜図１３を見ると、何れも光変調素子に集光された光の強度分布がほぼ同じであることがわかる。ところが、図１０と図１２とを比べれば、光変調素子に到達した総光量はそれぞれ約２０４６、１６５８ルーメンであって、本実施の形態による照明ユニット１００を備えた場合に、さらに多くの光が光変調素子に到達したことが分かる。したがって、インテグレータ３０の出射断面３１における総光量に対する光利用率は、それぞれ約６５％と５３％で、本実施の形態による照明ユニット１００を備える場合に光利用効率が約１２％増加したことが分かる。また、図１１と図１３とを比べれば、光変調素子に到達した総光量は、それぞれ約２００５、１２６５ルーメンである。インテグレータ３０の出射断面３１における総光量に対する光利用率は、それぞれ約６４％と４０％で、本実施の形態による照明ユニット１００を備える場合に光利用効率が約２４％増加したことが分かる。

本発明は、前述され、図面に例示されたことにより限定されるものではなく、請求の範囲内でさらに多くの変形及び変容例が可能であるということは言うまでもない。

本発明の照明ユニット及び投射型画像表示装置によれば、光源から照射される光のうち表示しようとする映像情報の縦横比範囲を外れた光を光変調素子に有効に投射できるようにリサイクルリングすることによって光利用効率を向上させうる。

従来の縦横比調節方式を説明する図面である。 本発明に係る投射型画像表示装置の照明ユニットの一実施の形態を示す斜視図である。 インテグレータの他の実施の形態を示す斜視図である。 スリット部材を駆動させる駆動手段の一例を示す斜視図である。 本発明に係る照明ユニットが採用された投射型画像表示装置の一実施の形態を示す構成図である。 本発明に係る照明ユニットが採用された投射型画像表示装置の他の実施の形態を示す構成図である。 図２に示した照明ユニットの一実施の形態の作用を示す図面である。 インテグレータの出射断面の光度分布を測定したグラフである。 ４:３の縦横比を有する場合、光変調素子に集光された光の光度分布を示すグラフである。 １６：９の縦横比を有するように調節された図２に示した照明ユニットの一実施の形態により、光変調素子に集光された光の光度分布を示すグラフである。 ２．３５：１縦横比を有するように調節された図２に示した照明ユニットの一実施の形態により、光変調素子に集光された光の光度分布を示すグラフである。 図１に示した従来の縦横比調節方式によって１６:９の縦横比を有するように光変調素子の一部領域のピクセルをＯＦＦさせた場合、光変調素子に集光された光度分布を示すグラフである。 図１に示した従来の縦横比調節方式によって２．３５：１の縦横比を有するように光変調素子の一部領域のピクセルをＯＦＦさせた場合、光変調素子に集光された光度分布を示すグラフである。

符号の説明

１０ 光源
２０ リサイクルリング部材
２１ 光窓
３０ インテグレータ
３１ 出射断面
４０ スリット部材
４１、４２ 反射ミラー
５０ リレーレンズ

Claims (12)

1. 光源と、
   前記光源から入射された光を均一の光度を有するように変換するインテグレータと、
   前記インテグレータから出射される光のうち映像情報の縦横比に符合されない光を前記インテグレータに再入射させ、前記映像情報の縦横比に符合するように変換して出射させる縦横比変換手段と、を含むことを特徴とする投射型画像表示装置の照明ユニット。
2. 前記縦横比変換手段は、
   前記インテグレータの出射側に設けられて前記映像情報の縦横比によって前記インテグレータの出射断面の縦横比を調節するものであって、前記映像情報の縦横比に符合されない部分の光を反射させて前記インテグレータに再入射させるスリット部材と、
   前記インテグレータの入射側に設けられて前記スリット部材によって前記インテグレータに再入射された光を反射させる反射体であって、前記光源から前記インテグレータに光が入射されるように光窓が形成されているリサイクルリング部材と、
   前記スリット部材を駆動させる駆動手段と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の投射型画像表示装置の照明ユニット。
3. 前記スリット部材は、前記出射断面の横縦方向のうち少なくとも何れか一方向に移動するように設置される反射ミラーを含むことを特徴とする請求項２に記載の投射型画像表示装置の照明ユニット。
4. 前記スリット部材は、前記出射断面の横縦方向のうち少なくとも何れか一方向に相互接近／離隔されるように設置される一対の反射ミラーを含むことを特徴とする請求項２に記載の投射型画像表示装置の照明ユニット。
5. 前記インテグレータは、透光性材料で形成された透光ロッドであることを特徴とする請求項１ないし４のうち何れか一項に記載の投射型画像表示装置の照明ユニット。
6. 前記インテグレータは、前記内部反射面を有する中空状の光トンネルであることを特徴とする請求項１ないし４のうち何れか１項に記載の投射型画像表示装置の照明ユニット。
7. 照明ユニットと、前記照明ユニットから入射された光を画像データによって変調する光変調素子と、前記光変調素子から出射された光を拡大投射する投射光学系と、を含む投射型画像表示装置であって、
   前記照明ユニットは、
   光源と、
   前記光源から入射された光を均一の光度を有するように変換するインテグレータと、
   前記インテグレータから出射される光のうち映像情報の縦横比に符合されない光を前記インテグレータに再入射させ、前記映像情報の縦横比に符合されるように変換して出射させる縦横比変換手段と、を含むことを特徴とする投射型画像表示装置。
8. 前記縦横比変換手段は、
   前記インテグレータの出射側に設けられて前記映像情報の縦横比によって前記インテグレータの出射断面の縦横比を調節するものであって、前記映像情報の縦横比に符合されない部分の光を反射させて前記インテグレータに再入射させるスリット部材と、
   前記インテグレータの入射側に設けられて前記スリット部材によって前記インテグレータに再入射された光を反射させる反射体であって、前記光源から前記インテグレータに光が入射されるように光窓が形成されているリサイクルリング部材と、
   前記スリット部材を駆動させる駆動手段と、を含むことを特徴とする請求項７に記載の投射型画像表示装置。
9. 前記スリット部材は、前記出射断面の横縦方向のうち少なくとも何れか一方向に移動するように設置される反射ミラーを含むことを特徴とする請求項８に記載の投射型画像表示装置。
10. 前記スリット部材は、前記出射断面の横縦方向のうち少なくとも何れか一方向に相互接近／離隔されうるように設置される一対の反射ミラーを含むことを特徴とする請求項８に記載の投射型画像表示装置。
11. 前記インテグレータは、透光性材料で形成された透光ロッドであることを特徴とする請求項７ないし１０のうち何れか一項に記載の投射型画像表示装置。
12. 前記インテグレータは前記内部反射面を有する中空状の光トンネルであることを特徴とする請求項７ないし１０のうち何れか１項に記載の投射型画像表示装置。
    

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