JP2005331790A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 画像表示装置において、装置内部の温度変化により表示画像のピント移動を防止する。
【解決手段】 投射レンズの温度を、装置の電源入力直後に急速に所定の範囲内の温度とすることで、実使用時のピント移動量の軽減をはかる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プロジェクタ等の画像表示装置に関するものであり、投射画像のピント位置に関するものである。

液晶プロジェクタの装置内部の温度は、画像表示の光源として使用しているランプ及び電子素子の発熱の影響で時間経過とともに変化している。この温度変化によって装置の一部を構成する投射レンズの温度も変動し、投射レンズを構成する光学素子及び前記光学素子を保持する鏡筒類の温度が変化する。この温度変化により光学素子には屈折率変化と膨張収縮による形状変化が発生する。また、鏡筒は膨張収縮による形状変化が発生するので光学素子の位置変動をもたらす。これらの作用により投射レンズの性能は温度によって変化しており、特には温度変化によるピント位置の変動が問題視されている。

上記問題点を解消するために、特開平5-34815号公報において、投射レンズに正レンズと負レンズとを備え、温度変化による屈折率の変化を互いに相殺する構成とピント移動量を軽減している。

また、上記公報以外にも投射レンズの温度変化によるピント移動量をセンサにて検知し、その情報を元にあらかじめ設定している量だけ移動鏡筒もしくはマウント部等を移動させる等してピント補正を行なう手段を備えたものが見られる。

また、前記のピント補正方法以外では、装置の温度上昇を押さえてピント移動を抑制しているものも見られる。
特開平０５−３４８１５

しかしながら、上記の特開平5-34815号公報による温度変化によるピント位置補正方法では、正レンズと負レンズそれぞれの屈折率変化でピント変動を打ち消す構成であるのでレンズ構成及びレンズ設計の制約が大きい。更に、ズームレンズに対応するにはズーム域により敏感度が異なるので全てに対応する為には多大な制約が発生する。

また、センサを用いてピント移動量を検知し、その情報を元にピント移動を補正を行なう方法では、アクチュエイタ等のピント補正手段が必要となるので、コスト面及び補正手段を設けるスペースが必要となる点で不利となると言う問題点が有る。

また、装置の温度上昇抑制手段によりピント移動を軽減する方式では、抑制手段を設けるスペースが必要であるとともに、温度上昇を防ぐ為に常時抑制手段を駆動していなければならず駆動音による騒音や消費電力の増大と言った問題を抱えている。

以上に述べた従来技術の問題点を解消するために、プロジェクタ装置内部はランプ点灯直後、即ち使用開始直後からプロジェクタ装置内部に備えたランプ及び電子素子の発熱により温度上昇が始まり、プロジェクタ装置内部の温度が飽和状態となると、その後のプロジェクタ装置内部の温度は略一定となる性質を鑑みて、本発明では、プロジェクタ装置の使用開始直後の投射レンズの温度を強制的に上昇させることで使用開始直後の温度と温度飽和状態で略一定となった温度との温度差を抑制している。この様にプロジェクタ装置使用開始時直後に投射レンズを暖め温度飽和時との温度差を少なくすることで、ユーザが装置使用開始時直後にピント調整を行なった場合でも、その後ピント移動量を少なく押さえることが可能となる。

上述の通り、本発明ではプロジェクタ装置の投射レンズを構成する部品を電源ON直後に所定の範囲内の温度にし、その後投射レンズを構成する部品の温度が上昇した時との温度差を小さくする事で、ユーザが電源ON直後に投射画像のピント調整を行なった場合でも、その後の装置内部の温度上昇によるピント移動量を少なくすることが可能で、ユーザがピント再調整を行なう事無しに装置を使用することが可能となる。

本発明では、投射レンズの温度変化によるピント移動を補正する必要が無い為、投射レンズの設計制約が少なく済みと同時にピント移動量を投射レンズの全体または一部を移動する等して補正する必要も無いのでアクチュエイタ等の補正手段も必要無くスペース、コスト面で有利である。

図１は本発明の実施例のプロジェクタ１を示す上視図であり、この図１を参照しながら、その構成および作用を以下に説明する。

この光学系は、照明光学系３０、色光分離光学系１２、リレー光学系２５、液晶パネル１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ、色光合成のためのクロスダイクロイックプリズム１４、および投射レンズ３などから構成されている。

照明光学系３０は、ランプ１１、リフレクタ３１、インテグレータレンズを構成する第１および第２レンズアレイ３２，３４、光の進行方向を調整する反射ミラー３３、および重畳レンズ３５とを備えている。

第１レンズアレイ３２は、略矩形状の輪郭を有する小レンズ３２１が縦横行列のマトリクス状に配列された構成を有している。各小レンズ３２１は、ランプ１１から入射された平行な光束を複数の部分光束に分割し、各部分光束を第２レンズアレイ３４の近傍で結像させる。各小レンズ３２１の輪郭の形状は、液晶パネル１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂの画像形成領域の形状とほぼ相似形をなすように設定されている。

色光分離光学系１２は、２枚のダイクロイックミラー４１，４２と反射ミラー４３とを備え、照明光学系３０の重畳レンズ３５から出射される光を、赤、緑、青の３つの色光に分離する機能を有している。リレー光学系２５は、ダイクロイックミラー４２からの透過光に対応する光路で、入射側レンズ５４、反射ミラー７１，７２、およびリレーレンズ７３を備えている。

液晶パネル１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂは、例えば、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として用いたもので、クロスダイクロイックプリズム１４の３側面と対向するように、クロスダイクロイックプリズム１４に固定部材を介して接着固定されている。また、各液晶パネル１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂの光入出射面側には、入射側偏光板６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂが、そして光出射面側には出射側偏光板６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂがそれぞれ配置されている。

クロスダイクロイックプリズム１４は、赤、緑，青の３色の色光を合成してカラー画像を形成するもので、赤光を反射する誘電体多層膜と、青光を反射する誘電体多層膜とが、４つの直角プリズムの界面に沿って略Ｘ字状に形成され、これらの誘電体多層膜によって上記３つの色光が合成される。そして、クロスダイクロイックプリズム１４の出射面側に、投射レンズ３が配置されている。投射レンズ３はフランジ部をプリズム１４を保持しているプリズムベース４のマウント部に保持されている。

続いて、上記光学系の作用を説明する。ランプ１１から射出された光はリフレクタ３１で反射されて、第１および第２レンズアレイ３２，３４で構成されるインテグレータレンズに入る。インテグレータレンズは、第１レンズアレイ３２の各レンズセルで形成される像を、第２レンズアレイ３４および重畳レンズ３５により各液晶パネル１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂの画像表示面に結像させることで、光の利用率を向上させかつ上記画像表示面の照明むらを改善する作用を果たす。重畳レンズ３５を出た光は、続いて色光分離光学系１２に入る。

色光分離光学系１２の第１ダイクロイックミラー４１では、照明光学系３０から出射された光束の赤色光成分を反射するとともに、青色光成分と緑色光成分とを透過させる。第１ダイクロイックミラー４１によって反射した赤色光は、反射ミラー４３を介して、フィールドレンズ５１に入り、さらに赤色光用の液晶パネル１３Ｒに達する。このフィールドレンズ５１は、各部分光束をその中心軸（主光線）に対して平行な光束に変換する。他の液晶パネル１３Ｇ，１３Ｂの前に設けられたフィールドレンズ５２，５３も同様に作用する。

第１ダイクロイックミラー４１を透過した青色光と緑色光のうちで、緑色光は第２ダイクロイックミラー４２によって反射され、フィールドレンズ５２を通って緑色光用の液晶パネル１３Ｇに達する。一方、青色光は第２ダイクロイックミラー４２を透過してリレー光学系２５を通り、さらにフィールドレンズ５３を通って青色光用の液晶パネル１３Ｂに達する。

色光分離光学系１２で分離された赤、緑、青の各色光は、液晶パネル１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂに入射するにあたり、入射側偏光板６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂで特定の偏光光のみとされる。この後、各偏光光は、各液晶パネル１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂにおいて画像処理回路１３Ａより与えられた画像情報に従って変調され、出射側備光板６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂに出射される。この出射側偏光板６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂにおいては、変調光のうちの特定の偏光光のみが透過し、クロスダイクロイックプリズム１４に入射する。そして、各色光はクロスダイクロイックプリズム１４で合成されて合成光となり、投射レンズ３からスクリーン２５にカラー画像として拡大投射される。

また、ランプ11は点灯後次第に高温となるためファン５により空冷されている。

図２は投射レンズ３の断面図であり、この図を用いて投射レンズについての説明を行なう。

この図において、１０１は第１レンズ群を保持した１群鏡筒、１０２は第２レンズ群を保持した２群鏡筒、１０３は第３レンズ群を保持した３群鏡筒、１０４は第４レンズ群を保持した４群鏡筒、１０５は第５レンズ群を保持した５群鏡筒、１０6は第6レンズ群を保持した6群鏡筒、１０7は固定筒、１０9はカム環、１１０はヘリコイド筒、１１２はコロである。

第１レンズ群はフォーカス系レンズ群であり、１群鏡筒１０１の外周にヘリコイドネジが設けてあり、ヘリコイド筒１１０の内径に設けたヘリコイドネジと螺合されており、手動または電動により１群鏡筒１０１が光軸周りに回動されると光軸方向へ移動しフォーカシングを行なう。尚、ヘリコイド筒１１０は固定筒１０7に位置決めされた状態でビス等（図示せず）により固定される。

6群鏡筒１０６はリレー系レンズ群を保持しており、固定筒１０７にスラスト方向からビス（図示せず）により固定されている。

２群鏡筒１０２、３群鏡筒１０３、４群鏡筒１０４、5群鏡筒１０5はそれぞれズーム系のレンズ群を保持する鏡筒であり、それらは光軸方向へそれぞれ所定の距離だけ移動しズーミングを行なう。

その移動機構について説明を行なう。２群鏡筒１０２、３群鏡筒１０３、４群鏡筒１０４、5群鏡筒１０5それぞれには、ラジアル方向の120°毎の3方向からコロ１１２が取り付けられている。各鏡筒に取り付けられたコロ１１２は、固定筒１０７に設けたレンズ鏡筒用キー溝１０7Ａ及びカム環１０9の外周に設けられた2群鏡筒用カムリフト１０9Ａ、3群鏡筒用カムリフト１０9Ｂ、4群鏡筒用カムリフト１０9Ｃ、5群鏡筒用カムリフト１０9Ｄによりそれぞれガイドされており、固定筒１０7に対してバヨネット構造等により光軸方向への移動を規制されているカム環１０9が光軸周りに手動または電動により定位置回転することによって各群は各々のカムリフト軌跡に従い所定の距離を移動する。

以上が投射レンズ３の構成であるが、これを構成する光学素子は温度変化により屈折率が変化するとともに、膨張収縮による形状変化により光学性能が変化する。また、前記光学素子を保持する鏡筒等も温度変化による膨張収縮して光学素子の位置を変化させるので投射レンズを構成する部品が温度変化することにより光学性能が変化する。

次に、鏡筒類の膨張収縮によりピント移動が発生するメカニズムを温度上昇する場合を例に挙げて説明を行なう。

固定筒１０７はフランジ部を光軸方向からマウントにビスで取り付けられているので投射レンズ３の温度による膨張収縮を考える場合には光軸に平行な方向ではフランジ部が基準となる。

６群鏡筒１０６と固定筒１０１はフランジ近傍で結合されているので６群鏡筒１０６に保持されている光学素子は６群鏡筒１０６の膨張した分だけ液晶パネル１３に近づく方向へ移動する。

２群鏡筒１０２は側面に取り付けられたコロ１０２がカム環１０９の２群鏡筒用のカム溝によりガイドされているので、２群鏡筒１０２に保持されている光学素子は２群鏡筒１０２のコロ１１２受け部と光学素子保持部間の延び、カム環１０９の２群鏡筒１０２用カム溝とバヨネット部１０９A間の延び及び固定筒１０７のバヨネット部１０７Aと固定筒１０９のフランジ部間の延びが加算された分だけ移動する。

同様に３群鏡筒１０３、４群鏡筒１０４、５群鏡筒１０５それぞれに保持されている光学素子らも、各鏡筒のコロ受け部と光学素子保持部間の延び、カム環の各群鏡筒用カム溝とバヨネット部１０９A間の延び及び固定筒１０７のバヨネット部１０７Aと固定筒１０９のフランジ部間の延びが加算された分だけ移動する。但し、光学素子の位置によっては、各鏡筒のコロ受け部と光学素子保持部間の延びが減算される場合も有る。

１群鏡筒１０１は固定筒１０７の先端近傍に設けられたヘリコイドネジ部にネジ螺合されているので、１群鏡筒１０１に保持されている光学素子は１群鏡筒１０１のヘリコイドネジ部と光学素子保持部間の膨張、固定筒１０７のマウント部とヘリコイドネジ部間の膨張を加算した量だけ移動する。

以上に示す通り、投射レンズ３を構成する該光学素子らは温度変化によりそれぞれ光軸に平行な方向へ移動し、投射レンズのピント移動を発生させる。固定筒、移動鏡筒等の鏡筒類が樹脂、カム環がアルミ等の金属の場合、一般的に線膨張率は樹脂＞金属である為、樹脂の固定筒１０７の膨張収縮の影響を受ける１群鏡筒１０１とカム環１０９の膨張収縮の影響を受ける２群鏡筒１０２、３群鏡筒１０３、４群鏡筒１０４、５群鏡筒１０５とでは温度差による位置変動率が異なり、特に１群鏡筒１０１と２群鏡筒１０２の間隔は温度変動により影響を受け易い。本発明による投射レンズ３は１群鏡筒１０１がフォーカス系光学素子を保持しており光軸方向へ移動し２群鏡筒１０２で保持している光学素子との間隔を変動させることでピント調整する構成なので、１群鏡筒１０１と２群鏡筒１０２の間隔の変動が投射レンズ３のピント変動に直結する。

更に、最近は投射レンズを構成する光学素子の一部としてプラモールドレンズを使用する機会が増加している。プラモールドレンズはガラスレンズよりも屈折率が温度変化により変化しやすいので、温度変化による影響を受け易い傾向にある。

本実施例において、図１に示すファン５は、装置の電源ON後所定時間だけ投射レンズ３へ向けて送風し、その後回転方向を切り替えてランプ１１及びリフレクタ３１方向へ向けて送風し、ランプ１１及びリフレクタ３１を冷却する。従って、装置の電源ON後、所定時間はランプ発熱の排気を投射レンズ３に吹き付けるので、その間投射レンズ３の内外部温度は上昇する。また、装置の電源ON後、ランプ１１の輝度が安定するまでの一定時間は液晶パネル１３R、１３G、１３Bには外部ソースからの入力データでは無くブルーバック表示としている。そのため、一般的にユーザはブルーバック画面が終了して入力画像に切り替わった後にピント調整する場合が多い。

図３は本実施例のプロジェクタ装置における、電源ON後の経過時間と投射レンズ温度との関係を示す図であり、１２１は本実施例に示す通り投射レンズ３をランプ１１の排熱で所定の時間暖めた時の温度曲線を示し、１２２は所定時間暖める行為を行なわない場合の温度曲線を示し、暖める時間を時間D、ユーザがピント調整するタイミングを時間Cとした。

外部ソースからの入力画像が投射された時点で、既に投射レンズ３はランプの排熱により暖められているので図３の温度曲線１２１に示す様に電源ON前からの温度上昇量は、暖めない場合の温度１２２より大きくなっているので、ユーザがピントを調整するタイミング（時間C）では初期値に対してピント位置が移動した状態となっており、その後投射レンズ３の温度が上昇した時及び温度飽和状態となり略一定温度となった時のピント位置との差（温度差A）を投射レンズを故意に暖め無い場合の温度差（温度差B）より小さくすることが可能となる。

上記の実施例では、装置の電源ON後所定の時間のみ投射レンズ３を故意に暖める制御としたが、プロジェクタ装置内部に温度センサを設けて温度をモニタしながらファンの回転方向を切り替えて投射レンズ３及びランプ１１の温度をコントロールする方式としても良い。

図４は本発明の第２の実施例を示すプロジェクタ装置のレンズの断面図であり、図２とは虹彩絞りユニット１３１が追加されている点が異なる。

虹彩絞りユニット１３１は絞り羽根１３２を備え、絞り羽根１３２は電動により開口径が変化する。これにより、光線の遮光量が調整出来て、ユーザが投射画像の輝度及びコントラストを調整出来る構成となっている。

上記の構成において、絞り羽根１３２は光線を遮断しているので、装置のランプ点灯時には高温となる。更にその周辺の雰囲気温度を上昇させ投射レンズ３の温度を上昇させる。また、絞り羽根１３２の開放径が大きい状態より小さい状態の方が、より多くの光線を遮断するので温度上昇が著しい。

本発明による第2の実施例では、上記の特性を利用し、装置の電源ON直後に投射レンズ内部の温度を急速に上昇させる為に、電源ON後に一定時間表示するブルーバック表示の期間は絞り羽根１３２の開口部の径を最小として投射レンズ内部の温度上昇を促進する。

更に、電源ON直後の投射画像をブルーバック表示の青色系統の色では無く白色系統の色として温度上昇を促進しても良い。

本発明の実施例を示す上視図 本発明の実施例を示す断面図 本発明の実施例を示す説明図 本発明の第2実施例を示す断面図

符号の説明

３ 投射レンズ
５ ファン
３１ ランプ
１０７ 固定筒
１０９ カム環
１２１ 温度曲線
１３１ 虹彩絞り
１３２ 絞り羽根

Claims (4)

1. 光源、該光源を冷却するファン、前記光源からの光を変調する画像表示素子、該画像表示素子により変調された光を投射する投射レンズを備えた画像表示装置において、前記ファンの駆動方向を切り替えることで前記光源の排気熱を前記投射レンズに吹き付けて該投射レンズを所定範囲内の温度にすることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記排気熱の前記ファンによる前記投射レンズへの吹き付け時間を前記画像表示装置の電源ON直後の一定時間と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. 前記画像表示装置は温度センサを備え、該温度センサ出力が所定の範囲にあるときに前記排気熱の前記ファンによる前記投射レンズへの吹き付けを行なうことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
4. 光源、該光源からの光を変調する画像表示素子、該画像表示素子により変調された光を投射し内部に虹彩絞りを設けた投射レンズを備えた画像表示装置において、前記画像表示装置の電源ON直後一定時間は前記虹彩絞りの開放径を小絞り側として該投射レンズを所定範囲内の温度にすることを特徴とする画像表示装置。

Images