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
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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
【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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
Applications Claiming Priority (1)
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