JP2005070271A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 照明効率を低下させることなく、しかも異なるサイズの有効表示領域の各種表示パネルでも設計変更を最小限に抑えた投写型表示装置を提供する。
【解決手段】光源１と、ロッドインテグレータ３と、表示パネル７を備えた投写型表示装置において、ロッドインテグレータ３の入射面および射出面には開口領域の周囲に反射領域を有する開口部材４，５が配置されており、出射側の開口部材５は表示パネル７の有効表示領域のサイズに応じた異なるサイズの開口領域を有する複数の開口部材が用意され、当該表示バネルの有効表示領域のサイズに応じて開口部材５を選択してロッドインテグレータ３に装着する。
【選択図】 図１

Description

本発明は投写型表示装置に関し、特に画像表示素子を照明するための光学系の改善に関する。

大画面映像を容易に実現するための装置として投写型表示装置が知られている。これは、液晶パネルやディジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）等の画像表示素子を表示パネルとして用い、光源からの光を用いて照明光学系により表示パネルを照明し、表示パネル上の画像を投写レンズでスクリーンに投写して拡大表示するものである。この照明光学系には、光源からの光を効率良く用いて表示パネル面を均一に照明する目的から、インテグレータと呼ばれる光学素子を配備している。インテグレータはロッド状のものや、フラアイレンズ状のものが知られており、主に液晶パネルを用いた装置では、フライアイレンズが、またＤＭＤを用いた装置ではロッドのインテグレータが使用されることが多い。投写型表示装置は、一般に小型・軽量・低コスト・高輝度なものが市場からの要求であり、表示パネルにＤＭＤを１個用いた単板型のものが非常に有望である。

ところで、表示パネルであるＤＭＤは、デバイス１つ当たりに約50万個から 131万個程度敷きつめられたマイクロミラーを、電源のオンオフにより傾きを制御して、光源からの光を反射させて反射させた光をスクリーン上に写し出す仕組みとなっており、オンとオフの回数の制御で画像の濃淡を表現する。そのデバイス構造は、ヨークが一体成形の柔らかく細い紐状のヒンジで引っ張られ空間に保持されている。ミラーとヨークは静電気力で対角軸を中心に回転し、±10度ないし±12度でヨークが基板と接触することで安定状態となる。５つのトランジスタで構成されるＳＲＡＭセルが１つのミラーを駆動する。ツインウエルＣＭＯＳの0.72μｍルール、二層メタルで製造され、ＣＭＰ酸化膜を介した同ＳＲＡＭ上にミラー部が形成される。このようなＤＭＤは、１画素を構成するマイクロミラーの大きさは不変であるから、解像度に応じて、デバイスの大きさが変化する。例えばマイクロミラーが13.68 μｍ四方の場合には、ＳＶＧＡの解像度（800 ×600 ）であれば有効表示エリアは対角0.55インチなのに対して、ＸＧＡ（1024×768)では対角0.7 インチの有効表示エリアになる。すなわち、解像度が高精細になるほど有効表示エリアが増加する。

ところで、投写型表示装置の照明光学系、それを構成する光学部品ならびにそのパラメータは、装置の諸性能が良好となるように、最適化設計されている。例えば、対角 1.3インチの大きさのＤＭＤの投写型表示装置おいては、照明光学系は 1.3インチのＤＭＤの全域を均一かつ高効率に照明するようになっている。そのため、ＤＭＤを 0.9インチの大きさのものに置き換えたときには、照明範囲に比べてＤＭＤが小さくなってしまい光束の利用効率が低下する。また、逆に 1.3インチよりも大きなＤＭＤに置き換えたときには、照明範囲が小さすぎて光量が不足する事態になる。このように最適化されていた各種パラメータの条件下では、異なるサイズのＤＭＤへの置き換えを困難にしている。

このような要求に対して、特許文献１では、図９に示すように、光源１０１から出射された光束を反射鏡１０２でインテグレータ１０３に集光し、インテグレータ１０３を通して出射される光束を画像表示素子としての表示パネル１０７に照射させるためのリレーレンズ１０６を少なくとも２枚のレンズ１０６Ａ，１０６Ｂで構成し、さらにこれら２枚のレンズ１０６Ａ，１０６Ｂの光軸上の間隔を可変とすることで、リレーレンズ１０６の焦点距離を変化させるズーム構成としている。リレーレンズ１０６の焦点距離を変化調整することで表示パネルにおける明るさおよび照明範囲を調整することが可能となる。しかしながら、特許文献１の構成では、リレーレンズ１０６は通常の構成において１枚で済むところ少なくとも２枚以上のレンズが必要になるので、コスト高になるという問題があり、同時に投写型表示装置の重量が重くなるという問題がある。また、カラー表示に必要なＲ、Ｇ、Ｂの各色光を形成するためには、ダイクロイックミラーやフィルタ等の光学部品が必要となる訳であるが、移動可能なレンズの移動空間を確保してく必要があり、前記のＲ、Ｇ、Ｂに分光する光学部品と干渉しないように物理的な空間を確保しなければならず、装置の大型を招き好ましくない。さらにまた、前記の２枚のレンズの移動にて、合成焦点距離が変化することで、表示パネルに入射する光束の傾き角度が変化してしまいコントラストを低下を引き起こす可能性があり好ましくない。

一方、特許文献２には、光源から出射された光を反射させる照明装置において、中央部が透明の光束出射部を設けた全反射ミラーを設けた技術が提案されている。この特許文献２では、リフレクタで反射されて光束出射部を透過した光で表示デバイスを表示し、光束出射部以外の光束は全反射ミラーで反射させ、再度リフレクタで反射させた上で光束出射部を透過させる構成とすることで、表示デバイスにおける光利用率の向上による明るさの向上を図るとともに、単純構成化、小型軽量を実現可能としている。
特開２００３−１５１０２号公報 特開２００３−１５２１９号公報

特許文献２の技術は、光利用率の向上を図ることを実現しているが、照明装置から出射できない光が発生しないように光束出射部の透明（開口）部の最小径を設定する等して光束出射部のサイズを一義的に決定している。これは前述したようなＤＭＤ等のような表示パネルのサイズの変更について考慮していないためであり、そのため特許文献２の技術では特定のサイズの表示パネルに対しては有効であるが、サイズが変更された表示パネルに対しては前述したような問題を解消することは困難である。

本発明は、同一の光学系にて複数のサイズの表示パネルを搭載でき、しかも性能の劣化がほとんど無く非常に汎用性の高い投写型表示装置の光学系を提供することにある。

本発明は、光源と、光源からの光束を集光する集光手段と、集光手段で集光された光束が入射面から出射面に向けて導光されるロッドインテグレータと、投写する画像を表示する画像表示素子と、ロッドインテグレータの出射面から出射される光束を画像表示素子に結像して照明を行うリレーレンズとを有する投写型表示装置において、ロッドインテグレータの入射面および出射面にはそれぞれ開口領域とその周囲の反射領域を有する開口部材が配置されており、少なくとも出射面に配置される開口部材は画像表示素子の有効表示領域の大きさに応じて開口寸法が変化可能な構成であることを特徴としている。

本発明によれば、ロッドインテグレータの少なくとも出射面に配置される出射側開口部材を複数種類用意し、それらを交換することにより、同一の光学系において異なる表示パネルに対応できるので非常に汎用性の高い投写型表示装置を得られるという効果がある。また、入射側と出射側の開口部材での反射によりロッドインテグレータに入射した光をほぼ全部表示パネルの照明に利用することででき、光利用効率を高めることも可能になる。

本発明では、出射面の開口部材の開口領域は画像表示素子の有効表示領域と相似の開口形状とする。例えば、入射面に配置される開口部材の開口領域は円形であり、出射面に配置される開口部材の開口領域は矩形であることが好ましい。また、ロッドインテグレータの少なくとも出射面に配置される開口部材は開口領域の形状、寸法が異なる複数の開口部材を交換して着脱可能である構成とする。これらの場合、開口部材は内面を反射面とした板部材の一部に開口領域を開口し、この内面側を前記ロッドインテグレータの入射面及び出射面に向けて当該ロッドインテグレータに取着した構成とする。あるいは、入射面に配置される開口部材はロッドインテグレータの入射面に設けた反射膜で構成してもよい。

以下、本発明の実施例を添付図面にもとづいて詳細に説明する。図１は、本発明の投写型表示装置の実施例１の構成図である。図１において、光源１は高圧水銀ランプで構成される。高圧水銀ランプ以外にもメタルハライドランプ等の白色光源を使用することができる。また、集光手段として光源１に楕円面形状の反射鏡２を組み合わせ、光源１を反射鏡２の第１焦点付近に配置することで、光源１から出射される光束は反射鏡２の第２焦点付近に収束光として集光される。この第２焦点にはロッドインテグレータ３の入射面が配置される。前記ロッドインテグレータ３は、図２に示すように、角柱状のガラスから構成されており、入射面３ａ及びその反対側の出射面３ｂ、さらに符号は省略するが上下左右の４つの側面の６つの面が光学的に研磨された４角柱として構成されている。このロッドインテグレータ３はガラス以外にも、光学樹脂製のものでも構わない。また、４角柱以外にも円柱形状でもあるいは５角柱以上の多角形柱でも構わない。さらには、反射鏡を筒状に構成したものであってもよい。前記ロッドインテグレータ３の出射面３ｂに対向してリレーレンズ６が配設されており、前記ロッドインテグレータ３の出射面から出射される光を結像して表示パネル７を照明する。ここでは表示パネル７は透過型の液晶パネルで構成される。この照明光により照明された表示パネル７に表示された画像は投写レンズ８によりスクリーン９上に拡大投写される。

前記ロッドインテグレータ３の入射面３ａ側の端部には、円形の開口領域４ａを有する反射部材からなる入射側開口部材４が配置されている。また、前記ロッドインテグレータの出射面３ｂ側の端部には、矩形の開口領域５ａを有する反射部材からなる出射側開口部材５が配置されている。前記入射側開口部材４は、図３（ａ）に示すようにロッドインテグレータ３の外形と同じ矩形をした反射板で構成されており、この反射板の中央に外形よりも小さい寸法をした円形の開口領域４ａが開口され、この開口領域４ａを光が透過されるようになっている。また、その周囲には反射領域４ｂが形成されている。前記出射側開口部材５は、図３（ｂ）に示すようにロッドインテグレータ３の外形と同じ矩形をした反射板で構成されており、この反射板の中央に外形よりも小さい寸法をして表示パネル７の有効表示領域と相似の矩形の開口領域５ａが開口され、この開口領域５ａを光が透過されるようになっている。また、その周囲には反射領域５ｂが形成されている。

ここで、前記入射側開口部材と出射側開口部材は、例えば、板状ガラスに所要形状の開口領域を残してアルミニウムの薄膜が形成されたものを利用できる。あるいは、金属製の開口を有する板金にアルミニウムの薄膜が形成されたものを用いても良い。そして、これらの開口部材４，５はいずれも周縁に沿って板厚方向に複数のバネ片４ｃ，５ｃが一体的に取り付けられており、これらのバネ片４ｃ，５ｃを利用して前記ロッドインテグレータ３の入射面側と出射面側の各端部にそれぞれ嵌合状態に着脱可能とされている。また、本発明においては特に出射側開口部材５については、図３（ｂ），（ｃ）に示すように有効表示領域のサイズが異なる複数の表示パネルに対応して開口領域５ａの寸法が異なる複数種類の出射側開口部材５１，５２が用意されており、これらの開口部材５１，５２を交換してロッドインテグレータ３に着脱可能とされている。

この投写型表示装置では、光源１および反射鏡２からの光束は入射側開口部材４の円形の開口領域４ａを通してロッドインテグレータ３の入射面３ａに入射する。入射された光束はロッドインテグレータ３の内部においては４つの側面の各内面での全反射を繰り返し、均一な照明光となってロッドインテグレータ３の出射面３ｂに到達する。その後、出射面側に配置された出射側開口部材５の矩形の開口領域５ａを通過して出射され、リレーレンズ６による結像作用で表示パネル７の画像を表示している有効表示領域を照明し、表示パネル７に形成された画像が投写レンズ８によりスクリーン９上に拡大投写される。

ここで、出射側開口部材５の開口領域５ａの形状は、表示パネル７の有効表示領域と相似、すなわち両者の縦横寸法比を同一にしており、同時にロッドインテグレータ３の出射面３ｂと表示パネル７との間で光学的な共約関係となるようリレーレンズ６の焦点距離ならびに配置される位置を選定している。即ち、ロッドインテグレータ３の出射面３ｂがリレーレンズ６によって投写倍率ｍでｍ倍されて、表示パネル７に結像するようリレーレンズ６のパラメータを設定する。こうすることで、ロッドインテグレータ３の出射面３ｂの照明情報、すなわち、照明の均一性や照明光の形状が、表示パネル７に伝達される訳である。

次にロッドインテグレータ３と前記入射側及び出射側の各開口部材４，５について、その光学的な動作を図４を用いて詳細に説明する。この実施例１では、例えば投写型表示装置を表示パネル７の有効表示面の大きさが、対角寸法でＸ１インチとＸ２インチの２種類（Ｘ１＞Ｘ２）に対応させるケースを考える。図４（ａ）のように、リレーレンズ６の焦点距離をｆ、倍率をｍとすれば、このリレーレンズ６ではロッドインテグレータ３の出射面での大きさ（ここでは図３（ｂ）に示した出射側開口部材５の開口領域５ａの対角寸法とする）をｙとすればｍｙの大きさで表示パネル７に拡大される。図４（ｂ）のように表示パネル７の対角寸法がＸ１であれば、ロッドインテグレータ３の出射側開口部材５の開口領域５ａの対角寸法ｙはＸ１／ｍの大きさに、また、図４（ｃ）のように表示パネル７の対角寸法がＸ２なら出射側開口部材５の開口領域５ａの対角寸法ｙはＸ２／ｍの大きさになる。したがって、予め開口領域の対角寸法がＸ１／ｍの開口部材と、開口領域の対角寸法がＸ２／ｍの開口部材との２種類を用意しておき、これらの開口部材を投写型表示装置に配備した表示パネル７の有効表示領域の対角寸法に対応させて選択してロッドインテグレータ３に着脱するようにすれば、リレーレンズ６は交換することなく有効表示領域の寸法が異なる２種類の表示パネルに対応した照明光学系が構成できることになる。

そのため、全体の光学系の構成が同一で表示パネルの構成のみが異なる複数種類の投写型表示装置においては、単にロッドインテグレータ３の出射側開口部材５を表示パネル７の有効表示領域の寸法に対応させて交換するだけで、他の光学系をそのまま利用して異なる規格の投写型表示装置を構成することが可能になる。このことは、出射側開口部材５を３種類以上用意すれば、３種類以上の異なる表示パネルを備える投写型表示装置にも対応できることは明らかであり、結局非常に汎用性の高い投写型表示装置が実現できる。

ところで、前記ロッドインテグレータ３において、図５（ａ）のように、表示パネル７の有効表示領域の対角寸法の大きさがＸ２のとき、出射側開口部材５の開口領域５ａを通過する光束はそのまま照明光として表示パネル７を照明するが、開口領域５ａの周囲の反射領域５ｂに達した光束は図５（ｂ）のように、出射面３ｂから出射されることなく反射されて入射面３ａに向けて戻される。この戻された光束はロッドインテグレータ３内を入射面３ａにまで進行された後、当該入射面３ａに配置されている入射側開口部材４の反射領域４ｂにて再度ロッドインテグレータ３内を出射面３ｂに進路を変えて進行を開始し、出射面３ｂに達した光線は開口領域５ａを通過して照明光となる。あるいは、再度出射側開口部材５の反射領域５ｂにおいて反射され、入射面３ａに戻される。このような反射を繰り返すことで、ロッドインテグレータ３の入射面３ａに入射された光束は最終的に出射側開口部材５の開口領域５ａを通過して表示パネル７の照明光として利用されるため、ロッドインテグレータ３の出射面での光透過面積を出射側開口部材５によって制限しても光束の減少を起こすことなく効率的に照明を行うことが可能になる。

なお、入射側開口部材４の円形の開口領域４ａは光源１の光を集光する反射鏡２により集光される光束が円形であることを前提として円形に形成しているが、反射鏡２の形状によって光束が楕円形あるいは多角形状に集束される場合には、この光束形状に合わせてて開口領域の形状を相違させるようにしてもよい。また、光源は必ずしも点光源として構成することができず、集束された光束もある程度の径寸法を有しているので、光源の種類によって入射側開口部材４は開口領域４ａの寸法が異なるものを交換するようにしてもよい。

なお、実施例１では表示パネル７は液晶パネル等の透過型の表示デバイスを想定した説明になっているが、使用する表示パネルは反射型の液晶パネルあるいはＤＭＤ等の表示デバイスでも構わない。さらに表示パネルが１つの単板型の説明を行っているが、単板に限定されるものではなくＲＧＢのカラー構成の３板型でも差し支えない。さらに、説明を簡略化するため、カラー形成手段につては省略しているが、カラー形成手段としてカラーホイールやダイクロイックミラー等を利用することが可能である。

図６は実施例２におけるロッドインテグレータ３Ａと開口部材を示す図である。この実施例２では、ロッドインテグレータ３Ａを円柱形状のものとし、また開口部材の部品点数を削減する意味から、ロッドインテグレータ３Ａの入射側開口部材４Ａとしてロッドインテグレータ３Ａの入射面３ａに円形の開口領域４ａとその周囲の反射領域４ｂを有する反射膜４１を蒸着により形成している。また、出射側開口部材５Ａは実施例１と同様にロッドインテグレータ３Ａとは別部材として構成し、バネ片５ｃによってロッドインテグレータ３Ａの出射面側の端部に着脱可能に嵌合させている。出射側開口部材５Ａは図７（ａ），（ｂ）に示すように、中央に表示パネルの有効表示領域に対応した矩形の開口領域５ａが設けられ、その周囲に反射面としての反射領域５ｂが形成されている。そして、表示パネルの有効表示領域の寸法に対応して、開口領域５ａの寸法が異なる複数の出射側開口部材５Ａ１，５Ａ２を用意しておき、これらを選択してロッドインテグレータ３Ａの出射面側の端部に配置することが可能となる。この実施例２では、入射側開口部材４Ａを独立した部品として用意する必要がなく部品点数が削減できる。一方、出射側開口部材５Ａは表示パネルの形状、サイズに対応させて開口領域を相違させるために実施例１と同様に交換可能な構成にでき、汎用性の高い投写型表示装置を得ることができる。

なお、前記実施例１，２において、出射側開口部材５，５Ａはロッドインテグレータ３，３Ａに対して交換可能とするために、ロッドインテグレータ３，３Ａの端部に嵌合可能なバネ片５ｃを一体的に備えた構成としているが、例えば、図８に示すように、ロッドインテグレータ３の少なくとも出射面側の端部に一体的に設けた枠部材３１によって側方に開口するスリット３２を形成しておき、このスリット３２内に開口領域５ａと反射領域５ｂを有する板状の開口部材５を抜き差しするように構成してもよい。開口領域の寸法が異なる開口部材を交換してスリット３２に内挿させることで、所望の開口部材を選択してロッドインテグレータに配置することが可能になる。あるいは、図示は省略するが開口部材に可動式スライダ等を設けることで、開口領域を可変調整可能にすることで、開口領域の寸法が異なる開口部材を交換することと実質的に同じになる構成としてもよい。

本発明の投影型表示装置の構成図である。 実施例１のロッドインテグレータと開口部材の斜視図である。 入射側及び出射側の開口部材の正面図である。 出射側開口部材の開口領域の寸法を説明するための図である。 開口部材による光利用効率を説明するための図である。 実施例２のロッドインテグレータと開口部材の斜視図である。 出射側の開口部材の正面図である。 変形例の要部の斜視図である。 従来の投写型表示装置の照明光学系の構成図である。

符号の説明

１ 光源
２ 反射鏡
３ ロッドインテグレータ
４，４Ａ 入射側開口部材
５（５１，５２），５Ａ（５Ａ１，５Ａ２） 出射側開口部材
４ａ，５ａ 開口領域
４ｂ，５ｂ 反射領域
４ｃ，５ｃ バネ片
６ リレーレンズ
７ 表示パネル
８ 投写レンズ
９ スクリーン

Claims (7)

1. 光源と、前記光源からの光束を集光する集光手段と、前記集光手段で集光された光束が入射面から出射面に向けて導光されるロッドインテグレータと、投写する画像を表示する画像表示素子と、前記ロッドインテグレータの出射面から出射される光束を前記画像表示素子に結像して照明を行うリレーレンズとを有する投写型表示装置において、前記ロッドインテグレータの入射面および出射面にはそれぞれ開口領域とその周囲の反射領域を有する開口部材が配置されており、少なくとも前記出射面に配置される開口部材は、前記画像表示素子の有効表示領域の大きさに応じて開口寸法が変化可能な構成であることを特徴とする投写型表示装置。
2. 前記ロッドインテグレータの出射面の開口部材の開口領域は前記画像表示素子の有効表示領域と相似の開口形状であることを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
3. 入射面に配置される開口部材の開口領域は円形であり、出射面に配備される開口部材の開口領域は矩形であることを特徴とする請求項２に記載の投写型表示装置。
4. 前記ロッドインテグレータの少なくとも出射面に配置される開口部材は開口領域の形状、寸法が異なる複数の開口部材を交換して着脱可能であることを特徴とする請求項１ないし のいずれかに記載の投写型表示装置。
5. 前記ロッドインテグレータが多角柱または円柱形状であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の投写型表示装置。
6. 前記開口部材は内面を反射面とした板部材の一部に開口領域を開口し、前記内面側を前記ロッドインテグレータの入射面及び出射面に向けて当該ロッドインテグレータに取着したことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の投写型表示装置。
7. 前記入射面に配置される開口部材は前記ロッドインテグレータの入射面に設けた反射膜で構成されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の投写型表示装置。

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