JP2005148123A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光変調素子に入射される光量を変更可能として使用状況に応じた光量の利用を図る。
【解決手段】 発光部７ａを有する光源５と、光源の発光部から出射された光を反射して所定の方向へ導くリフレクター４と、リフレクターによって反射された光を変調する光変調素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂと、光源とリフレクターとの光軸方向における相対的な位置を変更する位置変更手段２４とを設け、位置変更手段によって光源の発光部のリフレクターに対する位置を変更することにより光変調素子に入射される光量を変更可能とした。
【選択図】 図２

Description

本発明は画像表示装置についての技術分野に関する。詳しくは、光変調素子に入射される光量を変更可能として使用状況に応じた光量の利用を図る技術分野に関する。

スクリーン等に画像を表示する画像表示装置には、例えば、リフレクターに支持された光源と光の変調等を行う光変調素子とを備え、光源から出射された光を光変調素子に照射することにより得られた画像を投射レンズを介してスクリーン等に映し出す投射型の装置がある。

このような画像表示装置にあっては、光源から出射された光を、リフレクターによって平行光化又は集光し、フライアイレンズによって複数の光スポットに分割し、ダイクロイックミラーによって赤色、緑色及び青色の所定の波長帯域の光に分離し、これらの分離した光を液晶表示パネル等の光変調素子によって変調し、変調した光を再び合成して投射レンズを介して画像をスクリーン等に表示する。

画像表示装置において、光源から出射された光の利用効率の向上を図るためには、可能な限り光束の広がりを抑えることが望ましく、光源の大きさは小さい方が好ましい。そこで、近年、画像表示装置の光源として、例えば、極めて高い水銀蒸気圧にすることにより光束の広がりを抑えることができる超高圧水銀ランプ等が用いられるようになっている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。

特開２００３―４３５８５号公報

特開２００３―２０７７４１号公報

画像表示装置にあっては、上記したように、光源から出射された光を、リフレクターによって平行光化又は集光して光変調素子に入射させる必要があるため、一般に、光源の発光部をリフレクターの焦点に一致させている。

ところで、発光部は点光源ではなく、一定の大きさ有しており、また、発光部のうちの最も高輝度の部位が電極間の中央に位置されていない。例えば、図４に示すように、上記した超高圧水銀ランプ等の光源ａは、バーナー部ｅと該バーナー部ｅの内部に配置された電極ｄ、ｄとを有し、バーナー部ｅは、球状部ｅ１と該球状部ｅ１から互いに反対側へ突出された突状部ｅ２、ｅ２とがガラス等の材料によって一体に形成されて成る。光源ａにあっては、発光部ｂの大きさが１ｍｍ程度にされており、最も高輝度の部位ｃ、ｃが電極ｄ、ｄの各近傍に位置されている。また、発光部から出射された光は、リフレクターで反射される前にバーナー部ｅ、特に、電極ｄ、ｄが配置された球状部ｅ１で屈折されてしまうものもあり、この場合には、屈折によって光路が変更されてしまう。

従って、光源ａの発光部ｂの中心をリフレクターの焦点に一致させたとしても、必ずしも発光部ｂから出射された光が平行光化又は集光されない。

さらには、光源ａは、その使用時間に応じて電極ｄ、ｄの長さや形状が変化して電極ｄ、ｄ間の距離が変化し、発光部ｂの最も高輝度の部位ｃ、ｃが、数十時間乃至数千時間という使用時間の経過によって位置が変化し発光部ｂの輝度分布が変化してしまう。例えば、電極ｄ、ｄ間の初期状態における距離が１ｍｍとされていた場合に、使用時間に応じて電極ｄ、ｄの膨張により電極ｄ、ｄ間の距離が０．８ｍｍ程度まで短くなることがある。また、使用時間がさらに長くなると、電極ｄ、ｄの気化により、逆に、電極ｄ、ｄ間の距離が１．５ｍｍ乃至２ｍｍ程度まで長くなることがある。

図５は、入射角度θに対する光強度を示すグラフ図である。横軸は、フライアイレンズに入射される光の許容される入射角度を表し、縦軸は、光源から出射されフライアイレンズに入射される光の全強度（１００％）に対するフライアイレンズに入射角度（横軸）以内で入射した光の強度を表している。例えば、電極間の距離が２ｍｍの場合に、フライアイレンズに入射角度３°以内で入射される光の強度は６０％であることが解る。

発光部から出射された光が光変調素子に入射するためには、出射された光がリフレクターで反射されフライアイレンズに所定の入射角度（許容角度）以内の角度で入射する必要がある。許容角度より大きな入射角で入射された光はフライアイレンズを透過しても光変調素子を照明できない、又は、照明の効率が悪いことを意味しており、この光強度によって発光部から出射された光のうち、フライアイレンズを透過し光変調素子を照明する光量が推測される。

許容角度θは光学系の各種の設計パラメーター、特に、光変調素子の大きさや光学系の開口数によって決定され、３°程度にされることが多い。

図５に示すように、例えば、入射角度θが許容角度として３°に設定されている場合には、電極間の距離が１ｍｍでは、発光部から出射されフライアイレンズに入射した光のうち光変調素子を照明する光が約９０％と推測され、電極間の距離が２ｍｍでは、発光部から出射されフライアイレンズに入射した光のうち光変調素子を照明する光が約６０％と推測される。従って、電極間の距離が１ｍｍの場合では電極間の距離が２ｍｍの場合に比し、光利用効率が１．５倍程度大きくなる。

このように経時的変化により電極間の距離が変化すると、発光部の輝度分布が変化し、画像表示装置における光の利用効率が大きく変化し、経時的変化による光利用効率の低下を来たしてしまう。

一方、近年、プロジェクター等の画像表示装置にあっては、その用途の違いにより、必要とされる輝度が相違する。例えば、業務用のプロジェクターは比較的明るい環境下においてプレゼンテーション等で使用されることが多く、高輝度な画像が表示されることが望ましいが、家庭用のプロジェクターは比較的暗い環境下において映画鑑賞等で使用されることが多く、業務用のプロジェクターほど高輝度な画像が必要とされない。

ところが、プロジェクターに用いられる超高圧水銀ランプ等の各種の光源は、光量の連続的な変調が困難であり、スクリーン等に表示される画像の輝度を周囲の環境や使用者の好みに応じて変更することが困難であるという問題がある。

この問題に対しては、例えば、光源と光変調素子との間の光路上に光量を制限する絞りを配置し、絞りの径を変化させることにより光量の調整を行うようにした手段がある。

しかしながら、このような絞りを用いた場合に、画像表示装置の小型化等を考慮すると、例えば、絞りの配置位置として２つのフライアイレンズ間が考えられるが、絞りの径を小さくして輝度を低くした場合は、絞りの径を大きくして輝度を高くした場合に比し、フライアイレンズの実質的な分割数が少なくなり、画像の均一性が低下するという不具合を生じるおそれがある。

そこで、このような不具合を回避するために絞りの径を小さくした場合においても、十分な均一性が確保されるようにするために、フライアイレンズの分割数を増やす方法が考えられるが、この場合には、分割した各レンズ部の隣接部分の加工精度が悪化するという所謂レンズのダレの問題が発生したり、フライアイレンズや絞りの光学系における高い位置精度が要求される等の問題が発生してしまう。

また、絞りを用いずに上記した問題に対処する方法として、光変調素子で相対的に明るさを変調することが考えられる。

しかしながら、この場合には、光変調素子の階調に影響が及んでしまい、スクリーン等に表示された画像の鮮明度が低下するおそれがある。

そこで、本発明画像表示装置は、上記した問題点を克服し、光変調素子に入射される光量を変更可能として使用状況に応じた光量の利用を図ることを課題とする。

本発明画像表示装置は、上記した課題を解決するために、発光部を有する光源と、光源の発光部から出射された光を反射して所定の方向へ導くリフレクターと、リフレクターによって反射された光を変調する光変調素子と、光源とリフレクターとの光軸方向における相対的な位置を変更する位置変更手段とを設け、位置変更手段によって光源の発光部のリフレクターに対する位置を変更することにより光変調素子に入射される光量を変更可能としたものである。

従って、本発明画像表示装置にあっては、発光部のリフレクターに対する位置に応じて光変調素子に入射される光量が変化する。

本発明画像表示装置は、発光部を有する光源と、光源の発光部から出射された光を反射して所定の方向へ導くリフレクターと、リフレクターによって反射された光を変調する光変調素子と、光源とリフレクターとの光軸方向における相対的な位置を変更する位置変更手段とを備え、位置変更手段によって光源の発光部のリフレクターに対する位置を変更することにより光変調素子に入射される光量を変更可能としたことを特徴とする。

従って、光源の使用時間や使用目的等の使用状況に応じた光量の利用を図ることができる。

また、絞りを用いずに光変調素子に入射される光量の変更が可能であるため、絞りを用いた場合のような画像の均一性の低下やレンズのダレという加工上の問題を発生することがない。

さらに、光変調素子で相対的に明るさを変調することがないため、スクリーン等に表示された画像の良好な鮮明度を確保することができる。

請求項２に記載した発明にあっては、上記光変調素子に入射される光量が最大となるように、光源とリフレクターとの相対的な位置を変更するようにしたので、常に、高輝度の画像をスクリーン等に表示させることができる。

請求項３に記載した発明にあっては、光変調素子によって変調された光の少なくとも一部を受光して光量の検出を行う受光素子を設け、受光素子による検出結果に基づいて光源とリフレクターとの相対的な位置を変更するようにしたので、位置変更手段の制御が容易になると共に発光部を常時リフレクターに対する最適位置に移動させることができる。

以下に、本発明画像表示装置の最良の形態を添付図面に従って説明する。尚、以下に示した最良の形態は、本発明画像表示装置を、光源と光の変調を行う光変調素子とを備え、光源から出射された光を光変調素子に照射することにより得られた画像を投射レンズを介してスクリーン等に映し出す投射型の画像表示装置に適用したものである。

画像表示装置１は外筐２の内部に所要の各部が配置されて成る（図１参照）。

外筐２の内部にはランプユニット３が配置され、該ランプユニット３はリフレクター４に光源５が光軸方向へ移動自在に支持されて成る。

リフレクター４は、反射面４ａが、例えば、放物面又は楕円面に形成され、光源５から出射された光を反射して平行光化又は集光する機能を有している。

光源５としては、例えば、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等が用いられている。光源５は、バーナー部６と該バーナー部６の内部に配置された電極７、７とを有し、バーナー部６は内部に空間６ｃが設けられた球状部６ａと該球状部６ａから互いに反対側へ突出された突状部６ｂ、６ｂとがガラス等の材料によって一体に形成されて成る。電極７、７は、例えば、タングステンによって形成され、少なくともその先端が球状部６ａの内部の空間６ｃに突出するように配置され、電極７、７間が発光部７ａとされている。

ランプユニット３は光源５がリフレクター４に対して光軸方向（図２に示すＡ方向）へ移動可能とされ、リフレクター４と光源５との光軸方向における相対的な位置が変更可能とされている。尚、ランプユニット３においては、逆に、リフレクター４が光源５に対して光軸方向へ移動可能とされていてもよく、また、光源５とリフレクター４が相互に光軸方向へ移動可能とされていてもよい。

外筐２の内部には、所要の光学要素として、フライアイレンズ８、９、ＰＳ変換素子１０、コンデンサーレンズ１１、ダイクロイックミラー１２Ｒ、１２Ｇ、リレーレンズ１３、全反射ミラー１４、リレーレンズ１５、全反射ミラー１６、１７、フィールドレンズ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂ、光変調素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂ及びクロスプリズム２０等が設けられている。

フライアイレンズ８、９は強度分布を有する光源５から出射される光を多数の光スポットに分割し光変調素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂの画面全体の輝度分布を均一にするためのものであり、光源５に対向して配置されている。尚、画像表示装置１にあっては、フライアイレンズ８に入射される光の入射角度θが許容角度となるように光軸に対し、例えば、３°とされている。

ＰＳ変換素子１０はフライアイレンズ９に対向して配置され、コンデンサーレンズ１１はＰＳ変換素子１０を挟んでフライアイレンズ９の反対側に配置されている。

ＰＳ変換素子１０は短冊状に配列された偏光ビームスプリッターとこれに対応して間欠的に設けられた位相差板とから成り、入射光の偏光方向の変換を行うものである。従って、ＰＳ変換素子１０を透過されたＰ偏光はＳ偏光に変換される。

コンデンサーレンズ１１はＰＳ変換素子１０によってＳ偏光に変換された光を集光する機能を有している。

ダイクロイックミラー１２Ｒ、１２Ｇはそれぞれ同じ向きに光軸方向に対して４５°傾斜されて配置され、ダイクロイックミラー１２Ｒは入射された光のうち赤色の波長域の光を反射し、ダイクロイックミラー１２Ｇは入射された光のうち緑色の波長域の光を反射する機能を有している。

全反射ミラー１４はダイクロイックミラー１２Ｒで反射された赤色の波長域の光を反射してフィールドレンズ１８Ｒに導くものである。

全反射ミラー１６、１７はダイクロイックミラー１２Ｇを透過された光の光路上に離隔して配置され、ダイクロイックミラー１２Ｇを透過された青色の波長域の光を反射してフィールドレンズ１８Ｂへ導く機能を有している。

リレーレンズ１３はダイクロイックミラー１２Ｇと全反射ミラー１６との間に配置され、リレーレンズ１５は全反射ミラー１６、１７間に配置されている。

光変調素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂは、例えば、透過型の液晶表示パネルであり、入射された光を変調して映像光を生成する機能を有し、それぞれフィールドレンズ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの出射側においてクロスプリズム２０の各入射面に対向した状態で配列されている。

クロスプリズム２０は入射された赤色、緑色及び青色の波長域の光を合成する機能を有している。

クロスプリズム２０の出射側の位置には投射レンズ２１が配置され、クロスプリズム２０を介して入射された映像光が投射レンズ２１によって図示しないスクリーン等の画面へ向けて投射される。

投射レンズ２１の出射側の位置には受光素子２２が配置されている。受光素子２２は投射レンズ２１から出射された光の一部を受光して光量の検出を行う機能を有している。尚、受光素子２２は、投射レンズ２１から映像光が出射されたときに、スクリーン等への画像の表示に支障を来たさない位置に配置されている。

受光素子２２は制御手段２３と接続され、該制御手段２３によって位置変更手段２４が制御される。従って、受光素子２２で検出された光量のデーターは制御手段２３に送出され、制御手段２３に入力されたデーターに基づいて位置変更手段２４が制御される。

以下に、光源５から出射された光の経路について説明する。

光源５から出射された光は、光路Ｐ１を通り、フライアイレンズ８、９によって多数の光スポットに分割され、ＰＳ変換素子１０に入射される。ＰＳ変換素子１０においてＳ偏光となるように光の偏光方向が揃えられコンデンサーレンズ１１を経てダイクロイックミラー１２Ｒに入射される。

ダイクロイックミラー１２Ｒに入射された光のうち、赤色の波長域の光は反射され光路Ｐ２を経て全反射ミラー１４によってさらに反射されることによりフィールドレンズ１８Ｒに入射される。

ダイクロイックミラー１２Ｒに入射されて透過された光はダイクロイックミラー１２Ｇに入射され、入射された光のうち、緑色の波長域の光が反射され光路Ｐ３を経てフィールドレンズ１８Ｇに入射される。

ダイクロイックミラー１２Ｇに入射されて透過された光は、光路Ｐ４を通り、リレーレンズ１３を経て全反射ミラー１４によって反射され、さらにリレーレンズ１５を経て全反射ミラー１７によって反射された青色の波長域の光がフィールドレンズ１８Ｂに入射される。

フィールドレンズ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂにそれぞれ入射された各波長域の光は、光変調素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂにおいて変調され、映像光としてクロスプリズム２０に入射され色合成される。色合成された光が投射レンズ２１から出射されて図示しないスクリーン等にフルカラーの画像が表示される。

画像表示装置１にあっては、上記したように、光源５がリフレクター４に対して光軸方向（図２に示すＡ方向）へ移動可能とされ、この移動は位置変更手段２４の駆動によって行われる。

例えば、画像表示装置１の電源が投入された状態において、受光素子２２で検出され制御手段２３に入力された光量のデーターに基づいて、制御手段２３によって制御された位置変更手段２４の駆動によって行われる。光源５の移動範囲は、例えば、電極７、７の中央点（発光中心）がリフレクター４の焦点位置に一致された位置を原点として、光軸方向に略±１ｍｍとされる。制御手段２３による制御は、例えば、フライアイレンズ８に入射される光の強度が最大となる位置や、スクリーン等に表示された画像が最も明るくなる位置に光源５が移動されるように行う。

また、光源５のリフレクター４に対する移動を、輝度データー及び時間データーが入力されたテーブルに基づいて行うようにすることも可能である。例えば、発光中心と光の強度との関係についての輝度データーが入力されたテーブル及び光源５の使用時間による電極７、７間の距離の変遷に関する時間データーが入力されたテーブルをマイコンやメモリー等に記憶させておく。

輝度データーとしては、図３に示すように、例えば、電極７、７間の各距離に対する光の強度を示すデーターを用いる。図３の横軸はリフレクター４の焦点に対する発光中心の位置を示しており、プラス側が発光中心をフライアイレンズ８に接近する側へ移動させたときの位置であり、マイナス側が発光中心をフライアイレンズ８から遠去かる側へ移動させたときの位置である。図３の縦軸は光の強度を表しており、発光部７ａから出射され光変調素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂを照明する光の強度の相対値を示している。従って、各グラフ線において、光の強度が最大となる位置に発光中心があるときに光利用効率が最大となる。

図３に示すように、例えば、電極７、７間の距離が０．８ｍｍの場合には、発光中心をプラス側へ１００μｍ乃至２００μｍ移動させた位置において光利用効率が最大となり、電極７、７間の距離が１．５ｍｍの場合には、発光中心をマイナス側へ２００μｍ程度移動させた位置において光利用効率が最大となり、電極７、７間の距離によって光利用効率が最大となる発光中心の位置が異なる。

時間データーとしては、図示はしないが、光源５の使用時間とこれに伴って変化する電極７、７間の距離との関係についてのデーターを用いる。

尚、光源５の使用時間の測定は、画像表示装置１にタイマー等の時間測定装置を設けることにより行えばよい。

上記のような輝度データー及び時間データーが入力されたテーブルに基づいて光源５を光軸方向へ移動させて発光部７ａのリフレクター４に対する位置を変更する。例えば、画像表示装置１を毎回起動させた際に、上記テーブルに基づいて光利用効率が最大となる位置に発光中心が移動されるように調整する。

尚、上記には、光利用効率が最大となる位置に光源５を移動させる例を示したが、これに限らず、画像表示装置１の使用状況等、例えば、周囲の環境等に応じた輝度が得られるような位置に光源５を移動させるように調整することも可能である。

以上に記載した通り、画像表示装置１にあっては、位置変更手段２４によって光源５の発光部７ａのリフレクター４に対する位置を変更することにより光変調素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂに入射される光量を変更可能としている。

従って、光源５の使用時間や使用目的等の使用状況に応じた光量の利用を図ることができる。

また、絞りを用いずに光変調素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂに入射される光量の変更が可能であるため、絞りを用いた場合のような画像の均一性の低下やレンズのダレという加工上の問題を発生することがない。

さらに、光変調素子で相対的に明るさを変調することがないため、スクリーン等に表示された画像の良好な鮮明度を確保することができる。

さらにまた、光変調素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂに入射される光量が最大となるように発光部７ａのリフレクター４に対する位置を調整することにより、常に、高輝度の画像をスクリーン等に表示させることができる。

加えて、光変調素子１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂによって変調された光の少なくとも一部を受光して光量の検出を行う受光素子２２の検出結果に基づいて発光部７ａのリフレクター４に対する位置を変更することにより、位置変更手段２４の制御が容易になると共に発光部７ａを常時リフレクター４に対する最適位置に移動させることができる。

上記した最良の形態において示した各部の具体的な形状及び構造は、何れも本発明を実施する際の具体化のほんの一例を示したものにすぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。

図２乃至図３と共に本発明を実施するための最良の形態を示すものであり、本図は画像表示装置の構成を示す概念図である。 ランプユニットを一部を断面にして示す拡大側面図である。 発光部の発光中心の位置と光強度との関係を示すグラフ図である。 光源を拡大して示す概念図である。 入射角度と光強度との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１…画像表示装置、４…リフレクター、５…光源、７ａ…発光部、１９Ｒ…光変調素子、１９Ｇ…光変調素子、１９Ｂ…光変調素子、２２…受光素子、２４…位置変更手段

Claims (3)

1. 発光部を有する光源と、
   光源の発光部から出射された光を反射して所定の方向へ導くリフレクターと、
   リフレクターによって反射された光を変調する光変調素子と、
   光源とリフレクターとの光軸方向における相対的な位置を変更する位置変更手段とを備え、
   位置変更手段によって光源の発光部のリフレクターに対する位置を変更することにより光変調素子に入射される光量を変更可能とした
   ことを特徴とする画像表示装置。
2. 上記光変調素子に入射される光量が最大となるように、光源とリフレクターとの相対的な位置を変更するようにした
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 光変調素子によって変調された光の少なくとも一部を受光して光量の検出を行う受光素子を設け、
   受光素子による検出結果に基づいて光源とリフレクターとの相対的な位置を変更するようにした
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。

Images