JP2006284994A - 投射光学系ユニット及びそれを用いた投射型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 可変絞り機構の着脱が可能で、可変絞り機構単体で組立や調整、検査を行うことができ、故障時に容易に交換作業を行うことができる投射光学系ユニットを提供する。【解決手段】 少なくとも２つの曲面ミラー２５，２８と可変絞り機構２６を有し、画像光をスクリーン７に投射する投射光学系５を備えた投射光学系ユニットにおいて、可変絞り機構２６は、該可変絞り機構２６のスクリーン側とその反対側とに配置された曲面ミラー２５，２８間の投射基準軸ｂと、該可変絞り機構２６のスクリーン側と反対側に配置された曲面ミラー２５への投射基準軸ａとが形成する面に略垂直な方向に着脱可能とした。
【選択図】図７

Description

本発明は、投射光学系ユニット及びそれを用いた投射型画像表示装置、詳しくは液晶素子やＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）等の画像形成素子を備えたリアプロジェクションテレビ、ビデオプロジェクタ等の投射型画像表示装置に関するものである。

投射型画像表示装置として、特許文献１には、照明光学系からの照明光をＤＭＤに照射し、該ＤＭＤで光変調された画像光を投射光学系により射出し、スクリーンに投射するビデオプロジェクタが開示されている。この装置では、照明光学系に可変絞り機構を設けて、有効光束径を調整することにより、投射画像の明るさを低下させつつコントラストを高めて、暗い周辺環境で観賞しやすくしている。

特許文献２にも、照明光学系からの照明光をＤＭＤに照射し、該ＤＭＤで光変調された画像光を投射光学系を介してスクリーンの背面に結像するリアプロジェクションテレビが開示されている。この装置は、照明光学系に絞り調節機構を設けて、フレーム毎に、映像の輝度レベルに応じて有効光束径を調節することで、映像シーンに応じて観賞に適した画面表示を行う。
特開２００３−１０７３９６号公報 特開２００５−３７４４号公報

前記従来の投射型画像表示装置は、いずれも照明光学系や投射光学系が屈折光学系からなり、投射光学系の光軸（基準軸）が直線状であるので、可変絞り機構の着脱はある程度自由に行える。しかし、ミラーを有する反射光学系からなる投射光学系を備えた投射型画像表示装置では、光路が折り返され、異なる向きのミラーが対向し、かつ、段違いに配置されていることから、ミラー間に配設する可変絞り機構の着脱が困難であった。このため、可変絞り機構単体での、組立や調整、検査ができなかった。また、可変絞り機構は投射光に晒されて発熱するが、メンテナンスや交換が困難であることから、耐熱性の材料で構成する必要があった。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたもので、可変絞り機構の着脱が可能で、可変絞り機構単体で組立や調整、検査を行うことができ、故障時に容易に交換作業を行うことができる投射光学系ユニット及びそれを用いた投射型画像表示装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を講じている。

第１の手段では、 少なくとも２つの曲面ミラーと可変絞り機構を有し、画像光をスクリーンに投射する投射光学系を備えた投射光学系ユニットにおいて、
可変絞り機構は、該可変絞り機構のスクリーン側とその反対側とに配置された曲面ミラー間の投射基準軸と、該可変絞り機構のスクリーン側と反対側に配置された曲面ミラーへの投射基準軸とが形成する面に略垂直な方向に着脱可能とした。

前記画像形成素子は、透過型液晶表示素子（ＬＣＤ）、反射型液晶表示素子（ＬＣＯＳ）、ＤＭＤを含む。前記少なくとも３枚の曲面ミラーを有する投射光学系は、画像表示装置を通常の状態に設置したときに、基準軸が折れ曲がりながら上方又は下方に進行するものでもよいし、基準軸が折れ曲がりながら左方又は右方に進行するものでもよい。

前記第１の手段における、可変絞り機構のスクリーン側とその反対側とに配置された曲面ミラー間の投射基準軸と、該可変絞り機構のスクリーン側と反対側に配置された曲面ミラーへの投射基準軸とが形成する面に略垂直な方向は、曲面ミラーにより折り返された光路間よりも広大な空間がある。前記第１の手段は、この比較的広大な空間の方向から可変絞り機構を着脱可能としたので、投射光学系の構成部品と干渉することなく、可変絞り機構の着脱が容易に行える。

第２の手段では、少なくとも２つの曲面ミラーと可変絞り機構を有し、画像光をスクリーンに投射する投射光学系を備えた投射光学系ユニットにおいて、
可変絞り機構は、該可変絞り機構のスクリーン側とその反対側とに配置された曲面ミラー間の投射基準軸と、該可変絞り機構のスクリーン側に配置された曲面ミラーからの投射基準軸とが形成する面に略垂直な方向に着脱可能とした。

前記第２の手段における、可変絞り機構のスクリーン側とその反対側とに配置された曲面ミラー間の投射基準軸と、該可変絞り機構のスクリーン側に配置された曲面ミラーからの投射基準軸とが形成する面に略垂直な方向は、前記第１の手段における、可変絞り機構のスクリーン側とその反対側とに配置された曲面ミラー間の投射基準軸と、該可変絞り機構のスクリーン側と反対側に配置された曲面ミラーへの投射基準軸とが形成する面に略垂直な方向と同じである。したがって、第２の手段においても、比較的広大な空間の方向から可変絞り機構を着脱可能であり、投射光学系の構成部品と干渉することなく、可変絞り機構の着脱が容易に行える。

第３の手段では、前記可変絞り機構は、前記投射光学系に対して、該投射光学系に略垂直な方向に設けられる照明光学系と反対側で着脱可能とした。

前記第３の手段では、可変絞り機構は、投射光学系に対して、照明光学系と反対側で着脱可能としたので、照明光学系の構成部品と干渉することなく、可変絞り機構の着脱が容易に行える。

第４の手段では、少なくとも２つの曲面ミラーと可変絞り機構を有し、画像光をスクリーンに投射する投射光学系を備えた投射光学系ユニットにおいて、
前記投射光学系を囲んで保持する保持部材に、前記可変絞り機構のスクリーン側とその反対側に配置された曲面ミラー間の投射基準軸と、当該可変絞り機構のスクリーン側と反対側に配置された曲面ミラーへの投射基準軸と、当該可変絞り機構のスクリーン側に配置された曲面ミラーからの投射基準軸とのいずれか２つの基準軸が形成する面に略垂直な方向に、前記可変絞り機構の取付孔を形成するとともに、前記取付孔の縁に前記いずれか２つの基準軸が形成する面に略平行な取付面を設けて、前記取付面に前記可変絞り機構に設けた取付座を着脱可能とした。

前記第４の手段における、可変絞り機構のスクリーン側とその反対側に配置された曲面ミラー間の投射基準軸と、当該可変絞り機構のスクリーン側と反対側に配置された曲面ミラーへの投射基準軸と、当該可変絞り機構のスクリーン側に配置された曲面ミラーからの投射基準軸とのいずれか２つの基準軸が形成する面に略垂直な方向は、曲面ミラーにより折り返された光路間よりも広大な空間がある。前記第４の手段は、この比較的広大な空間の方向に、可変絞り機構の取付孔と取付面を設けたので、可変絞り機構の着脱が容易に行える。

第５の手段は、投射型画像表示装置であって、該投射型画像表示装置は、画像形成素子と、該画像形成素子に照明光を照射する照明光学系を備えた照明光学系ユニットと、前記画像形成素子からの画像光をスクリーンに投射する前記第１から第４のいずれかの手段による投射光学系ユニットとからなる。

本発明によれば、比較的広大な空間から可変絞り機構を着脱可能としたので、投射光学系の構成部品と干渉することなく、可変絞り機構の着脱が容易に行える。このため、可変絞り機構単体で組立や調整、検査を行うことができる。また、故障時には容易に交換作業を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に従って説明する。

図１は本発明の投射型画像表示装置の実施形態であるリアプロジェクションテレビ（リアプロＴＶ）１を示す。リアプロＴＶ１のケーシング２内には、反射型画像形成素子の一例であるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）３、このＤＭＤ３に照明光を照射する略水平方向の設けられた照明光学系４、及びＤＭＤ３で反射された投射光、すなわち画像を拡大投射する略垂直方向に設けられた投射光学系５が収容されている。また、ケーシング２の前面上方には、投射光学系５で拡大された画像が２枚の平面ミラー６Ａ，６Ｂを介して投射されるスクリーン７が配設されている。

図２を併せて参照すると、ケーシング２内の下部には、照明光学系４を収容した筐体８に加え、下側光学部品保持部材９と上側光学部保持部材１０が収容されている。これら下側及び上側光学部品保持部材９，１０により、ＤＭＤ３と投射光学系５の光学部品が保持されている。

ＤＭＤ３は、多数の微小なミラー素子を二次元配置してなるミラー面を備え、個々のミラー素子の反射角度は互いに独立して２方向に切り換え可能である。個々の微少ミラー素子がスクリーン７上に投射される画像の画素に対応している。反射角度が２方向のうちの一方に設定されたミラー素子は、「オン」の状態にある。このオン状態のミラー素子で反射された照明光学系４からの光束は、投射光学系５及び平面ミラー６Ａ，６Ｂを介してスクリーン７上に投射される。一方、反射角度が２方向のうちの他方に設定されたミラーは、「オフ」の状態にある。このオフ状態のミラー素子で反射された照明光学系４からの光束は投射光学系５に入射せず、スクリーン７上では黒い画素として表示される。

図３を参照すると、照明光学系４は、投射光学系５に対して略垂直な方向に設けられ、例えば超高圧水銀ランプからなる放電ランプ１５、放物面鏡１６、コンデンサーレンズ１７Ａ，１７Ｂ、カラーホイール１８、インテグレータロッド１９、リレーレンズ２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ、図示しない絞りとミラー、及び図４に示すエントランスレンズ２３を備える。

放電ランプ１５から放射された光は放物面鏡１６により平行光に変換され、コンデンサーレンズ１７Ａ，１７Ｂによりインテグレータロッド１９の入射面に集光される。インテグレータロッド１９の入射面近傍に配置されたカラーホイール１８の円周上には、赤、青、緑の色光をそれぞれ透過するカラーフィルタが配置され、カラーホイール１８が回転することで、インテグレータロッド１９への入射光は時分割で色分解される。インテグレータロッド１９は、直方体のガラスロッドであり、ロッド内面で入射光を全反射させて重ね合わせることで、射出面から均一な強度分布を持つ光束が出射される。インテグレータロッド１９は内面に反射面を有する中空ロッドでもよい。リレーレンズ２０Ａ〜２０Ｂ、図示しない絞りとミラー、及び図４に示すエントランスレンズ２３により、インテグレータロッド１９の射出面の像がＤＭＤ３上に形成される。これにより、ＤＭＤ３は均一な光強度で照明される。

図１と図４を参照すると、投射光学系５は４枚の曲面ミラー２５，２８，３０，３１、２枚の収差補正板２７，２９、及び１個の可変絞り機構２６を備える。詳細には、ＤＭＤ３側から順に、球面からなる凹面ミラー２５、可変絞り機構２６、第１収差補正板２７、回転対称非球面からなる凸面ミラー２８、第２収差補正板２９、第１自由曲面ミラー３０、及び第２自由曲面ミラー３１が配置されている。これら投射光学系５が備える光学部品のうち、凹面ミラー２５、可変絞り機構２６、第１収差補正板２７、及び凸面ミラー２８が下側光学保持部材９に保持され、第１及び第２自由曲面ミラー３０，３１が上側光学保持部材１０に保持されている。

凹面ミラー２５はＤＭＤ３と対向して配置され、凸面ミラー２８は凹面ミラー２５と対向してやや上方に配置されている。同様に、第１自由曲面ミラー３０は凸面ミラー２８と対向してやや上方に配置され、第２自由曲面ミラー３１も第１自由曲面ミラー３０と対向してやや上方に配置されている。従って、ＤＭＤ３からの光束は、凹面ミラー２５、凸面ミラー２８、第１自由曲面ミラー３０、及び第２自由曲面ミラー３１で反射されて折れ曲がりつつ上方に向かい、第１平面ミラー６Ａへ出射される。

図５は、前記可変絞り機構２６を組み込んだ絞りユニット３２を示す。絞りユニット３２のベース３３は、金属（ＳＵＳ）製の矩形の板で、一端側には固定絞り孔３４が形成され、多端側には２つの取付座３５が延設されている。ベース３３のほぼ中央には磁石３６が取り付けられている。ベース３３には、ベアリング３７が固定され、該ベアリング３７に回転軸３８が挿通されている。回転軸３８の一端には、２つのアーム３８Ａ，３８Ｂがベース３３と平行に延設されている。一方のアーム３８Ａには金属（アルミ）製の遮光板４０が設置され、他方のアーム３８Ｂにはセンサ支持板４１が設置されている。遮光板４０とセンサ支持板４１はビス４２によって回転軸３８に固定されている。遮光板４０の先端はベース３３の固定絞り孔３４まで延び、固定絞り孔３４と対向する部分にはＶ字形の切欠き４３が形成されている。センサ支持板４１の先端にはホール素子４４が前記ベース３３の磁石３６と対向するように取り付けられている。遮光板４０の回動によりホール素子４４が移動すると、ホール素子４４はその移動位置における磁石３６の磁束密度に応じた電圧を出力する。磁石３６は遮光板４０の回動面すなわちホール素子４４の移動方向と平行になっているため、ホール素子４４の出力電圧は、ホール素子４４の位置すなわち遮光板４０の回転角の変化に対して線形的に変化する。予め、ホール素子４４の出力電圧と、ホール素子４４の位置すなわち遮光板４０の回転角との関係を示すテーブルを記憶しておくことにより、ホール素子４４の出力電圧からホール素子４４の位置すなわち遮光板４０の回転角を知ることができる。

回転軸３８の他端には、Ｖ字形のコイル支持フレーム４５が設置され、ビス４６で固定されている。コイル支持フレーム４５には、扇形に巻回されたコイル４７が接着により支持されている。ベース３３には、コイル４７を挟むように一対の磁石４８Ａ，４８Ｂが取り付けられている。また、ベース３３には、コイル支持フレーム４５に当接して遮光板４０の回動範囲を規制するストッパ４９Ａ、４９Ｂが取り付けられている。ベアリング３７の回りには一端がベース３３に係止し、他端がコイル支持フレーム４５に係止する捻りばね５０が装着されている。この捻りバネ５０は、遮光板４０が固定絞り孔３４から完全に待避して全面開口する方向に、回転軸３８を付勢している。前記コイル支持フレーム４５、コイル４７及び１対の磁石４８Ａ、４８Ｂは、遮光板４０を駆動するアクチュエータ５１を構成している。

コイル４７に電流を流すと、フレミングの左手の法則に従ってコイル４７には力が働き、その結果、遮光板４０が回転軸３８を中心に回転する。詳しくは、コイル４７には周期的な矩形状の定電圧信号が印加される。矩形信号のデューティ比を変えることで回転速度を制御する。また矩形信号の正負を反転させることで回転の方向を変更することができる。ホール素子４０からの回転角変化の情報に基づいてコイル４７への印加信号を変化させて遮光板４０の位置を制御する。

前記遮光板４０の回動範囲すなわち回転角は３２．５°である。この遮光板４０が図６に示すように０°から３２．５°まで回動することにより、固定絞り孔３４が遮光され、固定絞り孔３４の面積に対する遮光板４０によって遮光されている部分を除く開口面積の比、すなわち絞り率は、１から０．１７３までほぼ線形的に変化する。回転角０°の場合、遮光板４０は投射光を遮光しないように投射光路外に退避している（前述の退避位置に相当）。

図７は、前記絞りユニット３２を所定位置に装着する構造を示す。下側光学保持部材９の側面には、前記絞りユニット３２を挿入して取り付けるための矩形の取付穴５２が形成されている。この取付孔５２は、可変絞り機構２６のＤＭＤ側とスクリーン側に配置された１番目の凹面ミラー２５と２番目の凸面ミラー２８との間の投射基準軸ｂと、１番目の凹面ミラー２５への入射投射基準軸ａと、２番目の凸面ミラー２８からの射出投射基準軸ｃのいずれか２つの投射基準軸が形成する面（以下、基準軸面という。）に略垂直な方向に開口している。すなわち、入射投射基準軸ａと投射基準軸ｂが形成する面、投射基準軸ｂと射出投射基準軸ｃが形成する面、入射投射基準軸ａと射出投射基準軸ｃが形成する面のいずれでもよい。ここで、投射基準軸ａ，ｂ，ｃは、ＤＭＤ３の中心と、投射光学系５の入射瞳中心あるいは投射光学系５の瞳面（光源と共役な面：本実施形態では光源１５とインテグレータロッド１９の入射面と照明光学系４の瞳面と投射光学系５の瞳面とが共役関係にある）の中心とを結ぶ直線であり、投射光学系５の基準となる軸である。言わば、投射光路の中心軸に相当する。投射光学系５の基準軸は同一平面上にある。取付穴５２の対角線方向の角縁には、２つの円柱状の取付面５３が設けられている。２つの取付面５３は、前記基準軸面と平行になっている。そして、絞りユニット３２は、前記基準軸面に垂直で、照明光学系４と反対側の方向から、１番目の凹面ミラー２５と２番目の凸面ミラー２８との間の投射光路内に挿入し、図８に示すように、２つの取付座３５を取付面５３に取り付けて図示しないビスで固定する。

可変絞り機構２６のＤＭＤ側とスクリーン側に配置された１番目の凹面ミラー２５と２番目の凸面ミラー２８との間の投射基準軸ｂと、可変絞り機構２６のＤＭＤ側に配置された１番目の凹面ミラー２５の入射投射基準軸ａと、可変絞り機構２６のスクリーン側に配置された２番目の凸面ミラー２８の射出投射基準軸ｃのいずれか２つの基準軸が形成する面に略垂直な方向は、凹面ミラー２５と凸面ミラー２８により折り返された光路間よりも広大な空間がある。前記取付状態では、この比較的広大な空間の方向に、絞りユニット３２すなわち可変絞り機構２６の取付孔５２と取付面５３を設けたので、可変絞り機構２６の着脱が容易に行える。

また、前記取付状態では、絞りユニット３２すなわち可変絞り機構２６は、投射光学系５を挟んで照明光学系４と反対側で着脱可能となっている。したがって、照明光学系４の構成部品と干渉することなく、可変絞り機構２６の着脱が容易に行える。

このように、比較的広大な空間から絞りユニット３２すなわち可変絞り機構２６を着脱可能としたので、照明光学系４や投射光学系５の構成部品と干渉することなく、可変絞り機構２６の着脱が容易に行える。このため、可変絞り機構２６単体で組立や調整、検査を行うことができる。また、故障時には容易に可変絞り機構２６の交換作業を行うことができる。

また、図４に示すように、可変絞り機構２６の遮光板４０は、固定絞り孔３４の近傍であって固定絞り孔３４のスクリーン側に配置されている。これにより、固定絞り孔３４の光源側の光束から受ける熱によって遮光板４０が発熱しその可動動作に影響するのを防止することができる。また、遮光板４０はＤＭＤ３の反射面に対して傾斜している。

１番目の凹面ミラー２５と２番目の凸面ミラー２８との間の投射光路には、投射光学系５の瞳位置が存在するため、比較的光束径が小さく、光束の周囲に広いスペースが存在する。したがって、前記取付状態では、この広いスペースを利用して、適切な位置に可変絞り機構２６が設置されている。

絞りユニット３２のアクチュエータ５１は、前記基準軸面の側方の空間に配置されている（図３参照）。一方、投射光路内に挿入された絞りユニット３２の遮光板４０の退避位置は、図４に示すように、１番目の凹面ミラー２５から２番目の凸面ミラー２８に向かう光束Ｂと、２番目の凸面ミラー２８から３番目の第１自由曲面ミラー３０に向かう光束Ｃの間の空間に配置されている。

画像形成素子から射出して１番目の凹面ミラー２５で反射し２番目の凸面ミラー２８に向かう光束Ｂと、２番目の凸面ミラー２８で反射し３番目の第１自由曲面ミラー３０に向かう光束Ｃは、未だ光束径が小さいので、それらの光束Ｂ，Ｃの間の空間、およびそれらの基準軸ｂ，ｃが形成する基準軸面の側方の空間も広い。したがって、この広いスペースを利用して、可変絞り機構２６のアクチュエータ５１と遮光板４０の退避位置が適切な位置に設置されている。

なお、前記実施形態では、画像形成素子としてＤＭＤ３を用いたが、本発明は、これに限らず、透過型液晶表示素子（ＬＣＤ）、反射型液晶表示素子（ＬＣＯＳ）を用いることができる。

投射光学系５は、前記実施形態に限らず、他の光学構成であってもよい。例えば、曲面ミラーの枚数、球面、非球面、自由曲面の並び、あるいは曲面ミラーの面形状、が異なっていてもよい。また、可変絞り機構は、遮光板が投影光を横切るように移動して光量を変化させる本実施形態のタイプに限らず、例えば虹彩絞りを有するものであってもよい。

本発明は、前記実施形態のリアプロジェクションテレビに限らず、ビデオプロジェクタにも適用することができる。

本発明の投射型画像表示装置の実施形態であるリアプロジェクションテレビの概略側面断面図。 図１のリアプロジェクションテレビの内部構成部材の斜視図。 図１のリアプロジェクションテレビの照明光学系の部分破断斜視図。 図１のリアプロジェクションテレビの投射光学系の断面図。 （Ａ）は可変絞り機構の正面図、（Ｂ）は（Ａ）の部分拡大図。 遮光板の回転角と絞り値の関係を示す図。 絞りユニットの取付孔と取付面を示す、照明光学系の筐体と投射光学系の下部保持部材の斜視図。 絞りユニットを取り付けた状態を示す、照明光学系の筐体と投射光学系の下部保持部材の側面図。

符号の説明

１ リアプロジェクションテレビ（投射型画像表示装置）
３ ＤＭＤ（画像形成素子）
４ 照明光学系
５ 投射光学系
７ スクリーン
２５ 凹面ミラー
２６ 可変絞り機構
２８ 凸面ミラー
４０ 遮光板
５２ 取付孔
５３ 取付面

Claims (5)

1. 少なくとも２つの曲面ミラーと可変絞り機構を有し、画像光をスクリーンに投射する投射光学系を備えた投射光学系ユニットにおいて、
   可変絞り機構は、該可変絞り機構のスクリーン側とその反対側とに配置された曲面ミラー間の投射基準軸と、該可変絞り機構のスクリーン側と反対側に配置された曲面ミラーへの投射基準軸とが形成する面に略垂直な方向に着脱可能としたことを特徴とする投射光学系ユニット。
2. 少なくとも２つの曲面ミラーと可変絞り機構を有し、画像光をスクリーンに投射する投射光学系を備えた投射光学系ユニットにおいて、
   可変絞り機構は、該可変絞り機構のスクリーン側とその反対側とに配置された曲面ミラー間の投射基準軸と、該可変絞り機構のスクリーン側に配置された曲面ミラーからの投射基準軸とが形成する面に略垂直な方向に着脱可能としたことを特徴とする投射光学系ユニット。
3. 前記可変絞り機構は、前記投射光学系に対して、該投射光学系に略垂直な方向に設けられる照明光学系と反対側で着脱可能としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の投射光学系ユニット。
4. 少なくとも２つの曲面ミラーと可変絞り機構を有し、画像光をスクリーンに投射する投射光学系を備えた投射光学系ユニットにおいて、
   前記投射光学系を囲んで保持する保持部材に、前記可変絞り機構のスクリーン側とその反対側に配置された曲面ミラー間の投射基準軸と、当該可変絞り機構のスクリーン側と反対側に配置された曲面ミラーへの投射基準軸と、当該可変絞り機構のスクリーン側に配置された曲面ミラーからの投射基準軸とのいずれか２つの基準軸が形成する面に略垂直な方向に、前記可変絞り機構の取付孔を形成するとともに、前記取付孔の縁に前記いずれか２つの基準軸が形成する面に略平行な取付面を設けて、前記取付面に前記可変絞り機構に設けた取付座を着脱可能としたことを特徴とする投射光学系ユニット。
5. 画像形成素子と、該画像形成素子に照明光を照射する照明光学系を備えた照明光学系ユニットと、前記画像形成素子からの画像光をスクリーンに投射する前記請求項１から４のいずれかに記載の投射光学系ユニットとからなる投射型画像表示装置。

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