JP2007010787A - Projector, video display device, and projection system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、スクリーンに映像を投射するプロジェクタ、映像表示装置およびプロジェクションシステムに関する。 The present invention relates to a projector that projects an image on a screen, an image display device, and a projection system.
近年、前面投射型のプロジェクションシステムは、ビジネス用途から教育用途まで広く使用されている。このプロジェクションシステムは、プロジェクタおよびスクリーンから構成され、スクリーンは、プロジェクタから離れた位置にプロジェクタの光軸(共軸)に対して垂直になるように配置されるのが一般的である。 In recent years, front projection type projection systems have been widely used from business use to educational use. This projection system includes a projector and a screen, and the screen is generally arranged at a position away from the projector so as to be perpendicular to the optical axis (coaxial) of the projector.
プロジェクタは、大画面投射のために高出力を有し、照明光学系および結像光学系から構成されている。照明光学系は、光源、レンズおよび表示デバイスなどの光学部品から構成されている。表示デバイスとしては、液晶パネル、デジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD:Digital Micro-Mirror Device)またはグレーティング・ライト・バルブ(GLV:Grating Light Valve)などが用いられる。 The projector has a high output for large screen projection, and is composed of an illumination optical system and an imaging optical system. The illumination optical system includes optical components such as a light source, a lens, and a display device. As the display device, a liquid crystal panel, a digital micro-mirror device (DMD), a grating light valve (GLV), or the like is used.
結像光学系は、照明光学系からの出射光をスクリーンに結像させるための結像レンズを備える(例えば特許文献1参照)。このように結像レンズを備えることにより、プロジェクタとスクリーンとの間の投射スペースをある程度省略できるので、室内で使用することが可能となる。 The imaging optical system includes an imaging lens for imaging light emitted from the illumination optical system on a screen (see, for example, Patent Document 1). By providing the imaging lens in this way, the projection space between the projector and the screen can be omitted to some extent, so that it can be used indoors.
しかしながら、上述の前面投射型のプロジェクションシステムには、以下の2つの問題点がある。まず、第1の問題点として、プロジェクタの構成の簡易化およびサイズの小型化が困難であることが挙げられる。上述のように結像光学系には結像レンズが備えられるが、この結像レンズは、屈折率を有するガラスまたはプラスチックなどで形成されているため、光が結像レンズを通過することで収差が生じてしまう。この収差を補正するためには、広角で屈折率の異なる複数のレンズを使用しなくてはならず、プロジェクタの構成が複雑になるとともに、プロジェクタのサイズが大きくなってしまう。 However, the above-described front projection type projection system has the following two problems. First, the first problem is that it is difficult to simplify the configuration and size of the projector. As described above, the imaging optical system is provided with an imaging lens. Since this imaging lens is made of glass or plastic having a refractive index, light passes through the imaging lens and aberration is generated. Will occur. In order to correct this aberration, it is necessary to use a plurality of lenses having wide angles and different refractive indexes, which complicates the configuration of the projector and increases the size of the projector.
また、第2の問題点として、映像投射には広い空間が必要であるということが挙げられる。プロジェクタはスクリーンに正対して配置されるため、プロジェクタとスクリーンとの間にある程度の空間が生じてしまう。このように、スクリーンとプロジェクタとの間に空間が生じてしまうと、映像の投射中にその空間に物体または人物が存在した場合、スクリーン上の映像に影が生じてしまい、うまく投射できなくなる。 A second problem is that a wide space is required for video projection. Since the projector is arranged facing the screen, a certain amount of space is generated between the projector and the screen. As described above, when a space is generated between the screen and the projector, if an object or a person is present in the space during the projection of the image, a shadow is generated in the image on the screen, and projection cannot be performed well.
したがって、この発明の目的は、構成の簡易化およびサイズの小型化を実現できるプロジェクタ、映像表示装置およびプロジェクションシステムを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a projector, a video display device, and a projection system that can realize a simplified configuration and a reduced size.
また、この発明の目的は、映像投射に必要となる空間を縮小化できるプロジェクタ、映像表示装置およびプロジェクションシステムを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a projector, a video display device, and a projection system that can reduce the space required for video projection.
上述の課題を解決するために、第1の発明は、
光を出射するプロジェクタと、
プロジェクタから出射された光に基づき映像を表示する映像表示装置と
を備え、
プロジェクタは、
光を出射する光源と、
光源から出射された光を集光する集光体と、
集光体から出射された光を変調する液晶表示部と、
液晶表示部を通過した光を合成する合成部と
を備え、
映像表示装置は、
プロジェクタが背面に設けられたスクリーンと、
プロジェクタから出射された光をスクリーンに投射する結像光学系と
を備え、
結像光学系は、
プロジェクタから出射された光を集光する凹面ミラーと、
凹面ミラーにより集光された光をスクリーンの背面側から前面側に向けて反射する反射ミラーと、
反射ミラーにより反射された光を拡散し、スクリーンに投射する凸面ミラーと
を備えることを特徴とするプロジェクションシステムである。
In order to solve the above-mentioned problem, the first invention
A projector that emits light;
An image display device that displays an image based on the light emitted from the projector,
The projector
A light source that emits light;
A light collector for condensing light emitted from the light source;
A liquid crystal display that modulates the light emitted from the condenser;
And a combining unit that combines the light that has passed through the liquid crystal display unit,
The video display device
A screen with a projector on the back;
An imaging optical system that projects the light emitted from the projector onto the screen,
The imaging optical system
A concave mirror that collects the light emitted from the projector;
A reflection mirror that reflects the light collected by the concave mirror from the back side of the screen toward the front side;
A projection system comprising: a convex mirror that diffuses light reflected by a reflection mirror and projects the light onto a screen.
第2の発明は、
光を出射する光源と、
光源から出射された光を集光する集光体と、
集光体から出射された光を変調する液晶表示部と、
液晶表示部を通過した光を合成する合成部と
を備えることを特徴とするプロジェクタである。
The second invention is
A light source that emits light;
A light collector for condensing light emitted from the light source;
A liquid crystal display that modulates the light emitted from the condenser;
And a combining unit that combines the light that has passed through the liquid crystal display unit.
第3の発明は、
スクリーンと、
スクリーンの背面側に設けられたプロジェクタから出射された光をスクリーンに投射する結像光学系と
を備え、
結像光学系は、
プロジェクタから出射された光を集光する凹面ミラーと、
凹面ミラーにより集光された光をスクリーンの背面側から前面側に向けて反射する反射ミラーと、
反射ミラーにより反射された光を拡散し、スクリーンに投射する凸面ミラーと
を備えることを特徴とすることを特徴とする映像表示装置である。
The third invention is
Screen,
An imaging optical system that projects light emitted from a projector provided on the back side of the screen onto the screen,
The imaging optical system
A concave mirror that collects the light emitted from the projector;
A reflection mirror that reflects the light collected by the concave mirror from the back side of the screen toward the front side;
And a convex mirror for diffusing the light reflected by the reflecting mirror and projecting the light onto a screen.
第1および第2の発明では、集光体は、
入射側端面と、
入射側端面の中心線と同軸上に対向すると共に入射側端面よりも面積の大きな出射側端面と、
中心線を含む断面において入射側端面の端点を焦点とする放物線を1または2以上含む放物面からなる側面とを有し、
入射側端面を介して入射した光を集光し、出射側端面から一定の出射角度の範囲内で出射することが好ましい。
In the first and second inventions, the light collector is
An incident side end face;
An exit side end face that is coaxially opposed to the center line of the incident side end face and has a larger area than the incident side end face;
A side surface formed of a parabola including one or more parabolas focusing on an end point of the incident side end surface in a cross section including the center line;
It is preferable that the light incident through the incident side end face is collected and emitted from the emission side end face within a range of a fixed emission angle.
第1および第2の発明では、プロジェクタは、集光体と液晶表示部との間にモーフィング部をさらに備え、
モーフィング部の形状は、集光体の出射側端面の形状から液晶表示部の表示面の形状に連続的に変化することが好ましい。
In the first and second inventions, the projector further includes a morphing unit between the light collector and the liquid crystal display unit,
It is preferable that the shape of the morphing portion is continuously changed from the shape of the emission side end surface of the light collector to the shape of the display surface of the liquid crystal display portion.
第1の発明では、典型的には、プロジェクタ、結像光学系およびスクリーンが共通の光軸を有する。また、第3の発明では、典型的には、結像光学系およびスクリーンが共通の光軸を有する。また、第1および第3の発明では、映像表示装置を小型化するためには、結像光学系はスクリーンの近傍に設けることが好ましい。 In the first invention, typically, the projector, the imaging optical system, and the screen have a common optical axis. In the third invention, typically, the imaging optical system and the screen have a common optical axis. In the first and third aspects of the invention, the image forming optical system is preferably provided in the vicinity of the screen in order to reduce the size of the video display device.
第1および第2の発明では、プロジェクタから出射される光を凹面ミラーにより集光してスクリーンの上方もしくは下方または側方に向け、反射ミラーによりスクリーンの背面側から前面側に向けて反射し、凸面ミラーにより拡散してスクリーンに投射するので、プロジェクタから出射される光をスクリーンの背面側から前面側に回すようにしてスクリーンに投射することができる。 In the first and second inventions, the light emitted from the projector is collected by the concave mirror and directed upward, downward or sideward of the screen, and reflected from the back side of the screen to the front side by the reflecting mirror, Since the light is diffused by the convex mirror and projected onto the screen, the light emitted from the projector can be projected onto the screen by turning from the back side to the front side of the screen.
以上説明したように、この発明によれば、スクリーンの背面側および前面側に設けられた複数のミラーによって映像を結像することができるので、従来のようにプロジェクタ内に結像光学系を設ける必要がない。したがって、プロジェクタの構成の簡易化およびサイズの小型化を実現できる。 As described above, according to the present invention, since an image can be formed by the plurality of mirrors provided on the back side and the front side of the screen, an image forming optical system is provided in the projector as in the past. There is no need. Therefore, the configuration of the projector can be simplified and the size can be reduced.
また、プロジェクタから出射された光を凹面ミラーにより集光し、反射ミラーによりスクリーン背面側から前面側に導いた後、凸面ミラーによりスクリーン前面側に投射することができるので、従来よりも映像投射に必要となる空間を縮小化できる。 In addition, the light emitted from the projector can be collected by the concave mirror, guided from the back side of the screen to the front side by the reflecting mirror, and then projected to the front side of the screen by the convex mirror. The required space can be reduced.
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings of the following embodiments, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals.
この第1の実施形態によるプロジェクションシステムは、屈折率を有する照明・結像系レンズを使用せずに、映像をスクリーン上に結像することができる前面投射型のプロジェクションシステムである。このプロジェクションシステムでは、例えば、20〜30インチ程度の映像をスクリーンに投射することができる。 The projection system according to the first embodiment is a front projection type projection system that can form an image on a screen without using an illumination / imaging system lens having a refractive index. In this projection system, for example, an image of about 20 to 30 inches can be projected on a screen.
図1は、この第1の実施形態によるプロジェクションシステムの外観を示す模式図である。図2は、この第1の実施形態によるプロジェクションシステムの概略構成を示す側面図である。この第1の実施形態によるプロジェクションシステムは、光を出射するプロジェクタ(照明光学系)2と、正のレンズパワーを有する凹面非球面ミラー3と、光路を例えば90°変更する平面ミラー4と、負のレンズパワーを有する凸面非球面ミラー5と、映像が投射されるスクリーン1とを備える。なお、以下では、スクリーン1の映像が投射される側を前面側と称し、それとは反対の側を背面側と称する。
FIG. 1 is a schematic diagram showing the external appearance of the projection system according to the first embodiment. FIG. 2 is a side view showing a schematic configuration of the projection system according to the first embodiment. The projection system according to the first embodiment includes a projector (illumination optical system) 2 that emits light, a concave aspherical mirror 3 having positive lens power, a flat mirror 4 that changes the optical path by 90 °, for example, and a negative A convex aspherical mirror 5 having a lens power of 5 and a
プロジェクタ2、凹面非球面ミラー3および平面ミラー4はスクリーン1の背面側に設けられ、凸面非球面ミラー5はスクリーン1の前面側に設けられている。これらのプロジェクションシステムを構成する各部は全て共軸系で配置されている。
The projector 2, the concave aspherical mirror 3 and the flat mirror 4 are provided on the back side of the
スクリーン1の背面側には筐体6が備えられ、この筐体6内に、プロジェクタ2、凹面非球面ミラー3および平面ミラー4が収納されている。スクリーン1の前面側にはアーム7が備えられ、このアーム7により凸面非球面ミラー5が支持されている。
A housing 6 is provided on the back side of the
プロジェクタ2とスクリーン1とは一体型をなしている。プロジェクタ2は、このプロジェクタ2の物点の光が進行する光軸と、スクリーン1の主面とが平行になるように設けられている。なお、プロジェクタ2は、凹面非球面ミラー3により反射された光がプロジェクタ2によって遮られてしまうことを防ぐために、システム全体の共軸(光軸)上には設置されず、共軸から離れた位置に設けられる。
The projector 2 and the
図3に、プロジェクタ2に備えられた液晶パネルの中心(重心)から共軸までの距離と共軸からスクリーン1上に投射される映像の中心までの距離との関係の一例を示す。図3に示すように、共軸からスクリーン1上に投射される映像の中心までの距離は、液晶パネルの中心(重心)から共軸までの距離に比例して増加する。この距離の関係は、例えば直線y=28.716xにより表される。
FIG. 3 shows an example of the relationship between the distance from the center (center of gravity) of the liquid crystal panel provided in the projector 2 to the coaxial and the distance from the coaxial to the center of the image projected on the
凹面非球面ミラー3は、その凹面がプロジェクタ2と対向するようにプロジェクタ2の出射側近くに設けられる。また、凹面非球面ミラー3は、プロジェクタ2の光軸と同一軸上に位置する。 The concave aspherical mirror 3 is provided near the exit side of the projector 2 so that the concave surface faces the projector 2. The concave aspherical mirror 3 is positioned on the same axis as the optical axis of the projector 2.
平面ミラー4は、スクリーン1の下方に設けられている。この平面ミラー4は、凹面非球面ミラー3からの入射光をスクリーン1の背面側から前面側に向けて反射して、凹面非球面ミラー3からの入射光の光路を例えば時計回りの方向に90°変更するように設定される。
The plane mirror 4 is provided below the
凸面非球面ミラー5は、視認者から見てこのミラー自体が投射映像に入らないように、スクリーン1の下側に設けられ、スクリーン1上に映像を斜めに投射する。凸面非球面ミラー5は、例えば平面ミラー4と同一高さに設定される。
The convex aspherical mirror 5 is provided on the lower side of the
次に、上述のプロジェクションシステムを構成する各部について順次説明する。
プロジェクタ
図4Aは、この発明の第1の実施形態によるプロジェクタの概略構成を示す上面図である。図4Bは、この発明の第1の実施形態によるプロジェクタの概略構成を示す側面図である。このプロジェクタ2は、支持体11、発光部12R,12G,12B、導波路パイプ13R,13G,13B、液晶パネル14R,14G,14Bおよびプリズム15を備える。
Next, each part which comprises the above-mentioned projection system is demonstrated sequentially.
Projector FIG. 4A is a top view showing a schematic configuration of the projector according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4B is a side view showing a schematic configuration of the projector according to the first embodiment of the invention. The projector 2 includes a
支持体11は、発光部12R,12G,12B、導波路パイプ13R,13G,13B、液晶パネル14R,14G,14Bおよびプリズム15を支持するためのものである。支持体11は、例えばTの字状の形状を有し、そのTの字状の交差部分にはプリズム15が設けられている。3方向に延びた部分の端部にはそれぞれ発光部12R,12G,12Bが設けられ、プリズム15の発光部12R,12G,12Bと対向する3方の面にはそれぞれ液晶パネル14R,14G,14Bが設けられる。そして、発光部12R,12G,12Bと液晶パネル14R,14G,14Bとの間にはそれぞれ、導波路パイプ13R,13G,13Bが設けられている。
The
発光部12R,12G,12Bはそれぞれ赤(R)、緑(G)、青(B)の光を出射可能なものであり、例えばLED(Light Emitting Diode)などの光源を備えている。
The
導波路パイプ13R,13G,13Bはそれぞれ、発光部12R,12G,12Bより出射された光を液晶パネル14R,14G,14Bに導くためのものである。この導波路パイプ13R,13G,13Bは、例えばガラス、プラスチックまたは石英などにより構成される。ガラスとしては、例えば、クラウンガラスまたはフリントガラスといった光学ガラスを使用でき、具体的には例えば、ホウ素と珪素とを含有する光学ガラスであるBK7を用いることができる。プラスチックとしては、例えばアクリル樹脂(PMMA)を使用できる。
The
図4Bに示すように、導波路パイプ13R,13G,13Bは、集光体21およびモーフィングパイプ22から構成される。集光体21とモーフィングパイプ22とは一体成形されている。この集光体21は、発光部12R,12G,12Bから出射された光を高効率で収集するものであり、例えば発光部12R,12G,12Bから出射された光の98%を集光体内に集光することが可能である。
As shown in FIG. 4B, the waveguide pipes 13 </ b> R, 13 </ b> G, and 13 </ b> B are composed of a
導波路パイプ13R,13G,13Bの光入射口は、集光体21の特性上円形を有しているのに対して、光出射口は液晶パネル14R,14G,14Bの表示面と同形状の四角形状を有する。このような構成により、発光部12R,12G,12Bから出射された光の集光と、発光部12R,12G,12Bから液晶パネル14R,14G,14Bの表示面までの光路短縮および面内の輝度分布の均一化とをすることができる。
The light entrances of the
なお、導波路パイプ13R,13G,13Bの形状は上述の例に限定されるものではなく、導波路パイプ13R,13G,13Bを光軸に対し回転対称系とすることもできる。但し、導波路パイプ13R,13G,13Bを光軸に対し回転対称系とした場合には、パイプ断面が円形であるのに対して、液晶パネル14R,14G,14Bの表示面の形状が四角形(通常は長方形)であり、液晶パネル14R,14G,14Bにくまなく光を照射するためにはパイプから出射された光の一部を捨てることになってしまう。これに対して、上述のように、導波路パイプ13R,13G,13Bの断面を円形から四角形に連続的に変化させるモーフィング技術を利用したものを用いた場合には、導波路パイプ13R,13G,13Bから出射された光の一部を捨てることなく、液晶パネル14R,14G,14Bにくまなく光を照射できるので、発光部12R,12G,12Bからの出射光を有効に活用することができる。
The shapes of the
図5は、発光部12Gおよび集光体21の一構成例を示す断面図である。発光部12Gは、光反射鏡付き支持体31と、この光反射鏡付き支持体31上に設けられた光源32と、光反射鏡付き支持体31と集光体21とを接合する接合部33とを備える。
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the light emitting unit 12 </ b> G and the
光反射鏡付き支持体31は、光源32の支持体であると共に、光源32から発せられた緑色光の一部を反射し、集光体21の方向へ導くためのものである。この光反射鏡付き支持体31は、例えば、支持体と、この支持体の集光体21と対向する側の面に設けられた反射膜とからなる。反射膜は、例えば蒸着法により支持体上に形成されたアルミ膜である。なお、発光部12R,12Bの構成はそれぞれ光源32として赤色光、青色光を出射するものを備える以外のことは、上述の発光部12Gと同様である。
The
光反射鏡付き支持体31上に配置された光源32は、点光源または面光源のどちらから構成してもよい。前者としては、例えば冷却陰極管(CCFL:Cold Cathode Fluorescent Lamp)などが挙げられ、後者としては、例えば発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)などが挙げられる。
The
集光体21は、発光部12Gからの入射光を集光すると共に、これらの光を一定の出射角度の範囲内で出射するものである。この集光体21は、発光部12G上に配置される。
The condensing
図6は、集光体21の一形状例を示す斜視図である。この集光体21は略円錐台形状を有している。以下では、集光体21の上底側(図6では下側)を入射側端面42、集光体21の下底側(図6では上側)を出射側端面43と称する。
FIG. 6 is a perspective view showing an example of the shape of the
入射側端面42は、光源32からの入射光LIが入射される面である。この入射側端面42は光源32に対向しており、その端面の形状は、例えば点C1を中心とする円形状である。
The incident side end surface 42 is a surface on which the incident light LI from the
側面41は、入射側端面42に入射された入射光LIを集光する面である。この側面41は、例えば、放物線を中心線LCの周りを回転することにより得られる放物面であり、その放物線は、例えば、中心線LCを含む面内において、入射側端面の一方の端点を焦点とし、入射側端面42の他方の端点と出射側端面43の他方の端点とを通るものである。 The side surface 41 is a surface that collects the incident light LI incident on the incident side end surface 42. The side surface 41 is, for example, a parabola obtained by rotating a parabola around the center line LC, and the parabola is, for example, within the plane including the center line LC, with one end point of the incident-side end surface. The focal point passes through the other end point of the incident side end face 42 and the other end point of the emission side end face 43.
出射側端面43は、側面41において集光された入射光LIを出射光LOとして出射する面である。出射側端面43は、例えば点C2を中心とする円形状である。なお、この出射側端面43は、入射側端面42よりも大きな面積を有する。また、入射側端面42と出射側端面43とは平行であり、入射側端面42の点C1と出射側端面43の点C2とは中心線LCに含まれる。 The exit-side end face 43 is a face that emits the incident light LI collected on the side face 41 as the outgoing light LO. The emission side end face 43 has, for example, a circular shape centered on the point C2. The exit side end face 43 has a larger area than the entrance side end face 42. Further, the incident side end face 42 and the emission side end face 43 are parallel to each other, and the point C1 of the incident side end face 42 and the point C2 of the emission side end face 43 are included in the center line LC.
図7は、中心線LCを含むように集光体21を切断したときの断面を示す。図7に示すように、この集光体21の断面は、入射側端面42内にて点C1を通る線分a−bと、出射側端面43内にて点C2を通る線分a0−b0と、一対の放物線a−b0,b−a0とにより規定される。
FIG. 7 shows a cross section when the
放物線b−a0は、線分a−bの一方の端点aを焦点とし、線分a−bの他方の端点bと線分a0−b0の一方の端点a0とを通る放物線Aの一部である。放物線a−b0は、線分a−bの他方の端点bを焦点とし、線分a−bの一方の端点aと線分a0−b0の他方の端点b0とを通る放物線Bの一部である。また、図7中の直線A1、B1はぞれぞれ、これらの放物線A,Bの対称軸を表し、角度θはこれらの対象軸A1,B1同士がなす角度を表している。 The parabola b-a 0 is focused on one end point a of the line segment ab, and passes through the other end point b of the line segment ab and one end point a 0 of the line segment a 0 -b 0. Is part of. The parabola a-b 0 is focused on the other end point b of the line segment ab, and passes through one end point a of the line segment ab and the other end point b 0 of the line segment a 0 -b 0. Is part of. Moreover, the straight lines A1 and B1 in FIG. 7 represent the symmetry axes of the parabolas A and B, respectively, and the angle θ represents the angle formed by the target axes A1 and B1.
集光体21に、例えば光源32からの発光光線L1が入射した場合、その光は放物線b−a0上で全反射され、出射側の線分a0−b0間から出射される。また、例えば入射側の線分a−bにほぼ沿った方向から発光光線L2が入射した場合にも、その光は放物線a−b0もしくはb−a0上の焦点aもしくは焦点bの近傍で全反射され(図7に示す例では焦点aの近傍で全反射され)、出射側の線分a0−b0上の端点a0または端点b0の近傍から出射される(図7に示す例では、端点a0の近傍から出射される)。その際の発光光線L2の光路は、対称軸B1または対称軸A1と平行になる(図7に示す例では、対称軸軸B1と平行になる)ので、以下の式(2)の関係が成り立つ。
(対象軸同士がなる角度)=(出射側端面からの出射光の最大出射角度)=θ (1)
To the
(Angle formed by the target axes) = (Maximum emission angle of emitted light from the emission side end face) = θ (1)
よって、光源32が発する光の出射角度が180°未満であれば、その光源32を図5に示したように集光体21の下方に配置し、その光源32から光を入射側端面42に入射させることで、光のほとんどを側面41において集光し、出射側端面43から最大出射角度θの範囲内で出射させることができる。このようにして、光源32から出射された光の利用効率を大幅に向上させることができる。
Therefore, if the emission angle of the light emitted from the
例えば、図6の例では、入射側端面42の直径をRin、出射側端面43の直径をRout、出射光の最大出射角度をθとすると、Rin、Routおよびθは、以下の式(2)の関係を満たす。
Rout=Rin/sinθ (2)
For example, in the example of FIG. 6, assuming that the diameter of the incident side end face 42 is Rin, the diameter of the emission side end face 43 is Rout, and the maximum emission angle of the emitted light is θ, Rin, Rout and θ are expressed by the following equation (2). Satisfy the relationship.
Rout = Rin / sinθ (2)
よって、上述のように出射光の出射角度は180°未満であるので、出射側端面43の直径Routの方が、入射側端面42の直径Rinよりも大きくなる。すなわち、上述のように、出射側端面43の面積のほうが、入射側端面42の面積よりも大きくなる。 Therefore, as described above, since the emission angle of the emitted light is less than 180 °, the diameter Rout of the emission side end face 43 is larger than the diameter Rin of the incident side end face 42. That is, as described above, the area of the emission side end face 43 is larger than the area of the incident side end face 42.
このような構成によって、光源32から発せられた光が、集光体21に入射側端面42から入射し、所定の放物面からなる側面41において集光され、入射側端面42よりも面積の大きな出射側端面43から出射される。この側面41は、例えば入射側の線分a−bの端点a,bをそれぞれ焦点とする放物線A,Bの一部(放物線a−b0,b−a0)を、中心線LCを軸として回転させてなる放物面である。これにより、放物線A,Bの対称軸A1,B1同士がなす角度θと、集光体21からの出射光の最大出射角度θとが等しくなる。したがって、光源32が発する光の出射角度が180°未満であれば、その光源32を図5に示したように集光体21の下方に配置し、その光を入射側端面42から入射させることで、光のほとんどを側面41において集光させると共に、出射側端面43から最大出射角度θの範囲内で出射させることができる。
With such a configuration, the light emitted from the
次に、集光体21の光利用効率について説明する。集光体21の光利用効率は、例えば、光源32が発した光束量と集光体21が出射した光束量とを比較することにより求められる。光束量の測定には、例えば積分球が用いられる。
Next, the light utilization efficiency of the
図8は、集光体21(光源32として、3mm×3mmの大記載のLEDを使用)の光束量を積分球を用いて測定した結果を表すものである。この図において、縦軸は単位波長あたりの光束量(lm/nm)を表し、横軸は集光体21からの出射光の波長(nm)を表す。また、図中の波形P1は、光源32からの出射光の光束量を表し、波形P2は、集光体21からの出射光、すなわち集光体21において集光後の光の光束量を表す。
FIG. 8 shows the result of measuring the amount of luminous flux of the condenser 21 (using a large LED of 3 mm × 3 mm as the light source 32) using an integrating sphere. In this figure, the vertical axis represents the amount of light flux per unit wavelength (lm / nm), and the horizontal axis represents the wavelength (nm) of light emitted from the
図8に示すように、波形P1と波形P2とは、ほぼ同様の波形であることが分かる。また、これらの波形における光束量の差を求めると約2(lm/nm)であり、集光体21は、LEDよりなる光源32からの出射光のうち、約94%、すなわちほとんどの光を集光していることが分かる。
As shown in FIG. 8, it can be seen that the waveform P1 and the waveform P2 are substantially similar waveforms. Further, the difference in the amount of light flux in these waveforms is about 2 (lm / nm), and the
モーフィングパイプ22は、集光体21により集光された光を液晶パネル14R,14G,14Bに導くためのものである。モーフィングパイプ22の形状は、集光体21の出射側端面の形状から液晶パネル14R,14G、14Bの表示面の形状に連続的に変化する。すなわち、モーフィングパイプ22の入射側端面は集光体21の出射側端面と同一形状を有し、モーフィングパイプ22の出射側端面は液晶パネル14R,14G,14Bの表示面と同一の形状を有する。
The morphing pipe 22 is for guiding the light condensed by the
液晶パネル14R,14G,14Bは、制御部(図示省略)により制御され、発光部12R,12G,12Bからそれぞれ出射されたR、G、Bの各色光を空間変調してプリズムに供給する。液晶パネル14R,14G,14Bとしては、例えば、光透過型の液晶パネル14R,14G,14Bが用いられる。
The
プリズムは、液晶パネル14R,14G,14Bからの出射光を1つの出射光ビームに合成し、凹面非球面ミラー3に出射するためのものである。
The prism is for synthesizing outgoing light from the
凹面非球面ミラー
凹面非球面ミラー3は、凹面形状を有する非球面ミラーであり、その基本となる形状(凹面)により光を集光する正のレンズパワーを有する光反射ミラーである。凹面非球面ミラー3の反射面には、例えば蒸着法によりアルミニウム膜がコーティングされ、このコーティングにより可視光域の反射率が、例えば約98%に設定される。凹面非球面ミラー3の曲率半径|r1|は、例えば160mmである。また、凹面非球面ミラー3は、光を集光する機能以外に、収差の緩和・投射映像のディストーションの補正を行う機能も有するため、非球面化した形状になっている。この非球面を表す定義式は、
Z=(y2/r)/(1+(1−(1+k)y2/r2)1/2)+Ay4+By6+Cy8+・・・(3)
となる。
但し、式(3)に含まれる各文字は、
Z:光軸と非球面ミラーの交点を含み、かつ光軸に垂直な基準平面からの非球面の変位量
Y:光軸からの距離
r:ミラーの曲率半径
k:コーニック(円錐)係数
A:4次の非球面係数
B:6次の非球面係数
C:8次の非球面係数
である。また、コーニック係数kは、例えばk=−1.5である。式(3)の高次項は、例えば全て0であり、この場合には凹面非球面ミラー3の反射面に変極点が存在しない。
Concave Aspherical Mirror The concave aspherical mirror 3 is an aspherical mirror having a concave shape, and is a light reflecting mirror having a positive lens power for condensing light by its basic shape (concave surface). The reflective surface of the concave aspherical mirror 3 is coated with, for example, an aluminum film by vapor deposition, and the reflectance in the visible light region is set to, for example, about 98%. The radius of curvature | r1 | of the concave aspherical mirror 3 is, for example, 160 mm. The concave aspherical mirror 3 has an aspherical shape because it has a function of reducing aberration and correcting distortion of a projected image in addition to the function of condensing light. The definition formula representing this aspherical surface is
Z = (y 2 / r) / (1+ (1− (1 + k) y 2 / r 2 ) 1/2 ) + Ay 4 + By 6 + Cy 8 + (3)
It becomes.
However, each character included in Equation (3) is
Z: displacement of an aspheric surface from a reference plane that includes the intersection of the optical axis and the aspherical mirror and is perpendicular to the optical axis Y: distance from the optical axis r: radius of curvature of the mirror k: conic coefficient A: Fourth-order aspheric coefficient B: Sixth-order aspheric coefficient C: Eighth-order aspheric coefficient. The conic coefficient k is, for example, k = −1.5. The high-order terms of Expression (3) are all 0, for example, and in this case, there is no inflection point on the reflecting surface of the concave aspherical mirror 3.
平面ミラー
平面ミラー4は、凹面非球面ミラー3からの入射光を反射することにより、その光路を時計周りの方向に例えば90°変更してスクリーン1の背面側から前面側に入射光を射出するミラーである。凹面非球面ミラー3の反射面には、例えば蒸着法によりアルミニウム膜がコーティングされ、このコーティングにより可視光域の反射率は、例えば約98%に設定される。
The plane mirror plane mirror 4 reflects incident light from the concave aspherical mirror 3, changes its optical path in the clockwise direction, for example, by 90 °, and emits incident light from the back side to the front side of the
凸面非球面ミラー
凸面非球面ミラー5は、凸面形状を有する非球面ミラーであり、その基本となる形状(凸面)により光を拡散する負のレンズパワーを有する光反射ミラーである。この凸面非球面ミラー5の反射面には、例えば蒸着法によりアルミニウム膜がコーティングされ、このコーティングにより可視光域の反射率が、例えば約98%に設定される。凸面非球面ミラー5の曲率半径|r2|は、例えば165mmである。
Convex Aspherical Mirror The convex aspherical mirror 5 is an aspherical mirror having a convex shape, and is a light reflecting mirror having a negative lens power that diffuses light by its basic shape (convex surface). The reflecting surface of the convex aspherical mirror 5 is coated with, for example, an aluminum film by vapor deposition, and the reflectance in the visible light region is set to, for example, about 98%. The radius of curvature | r2 | of the convex aspherical mirror 5 is, for example, 165 mm.
また、凸面非球面ミラー5は、光を集光する機能以外に、収差の緩和・投射映像のディストーションの補正を行う機能も有するため、非球面化した形状になっている。非球面の定義式は上述の(3)式と同様であり、コーニック係数kは例えばk=−6.45である。また、非球面係数は例えば全て0であり、この場合には凸面非球面ミラー5の反射面に変極点が存在しない。 The convex aspherical mirror 5 has an aspherical shape because it has a function of reducing aberrations and correcting distortion of a projected image in addition to the function of condensing light. The definition of the aspherical surface is the same as the above equation (3), and the conic coefficient k is, for example, k = −6.45. The aspheric coefficients are all 0, for example. In this case, there is no inflection point on the reflection surface of the convex aspherical mirror 5.
次に、上述のように構成されたプロジェクションシステムの動作について説明する。
各発光部12R,12G,12Bより出射されたRGBの各色光は、例えばアクリル樹脂などからなる導波路パイプ13R,13G、13Bにより集光されるとともに、面内の輝度分布が均一化されて、液晶パネル14R,14G,14Bの表示面に入射される。そして、液晶パネル14R,14G,14Bの表示面に入射するRGBの各色光は、各色の画像が作成された液晶パネル14R,14G,14Bを通過した後、プリズム15で合成され、プロジェクタ2の光軸と同一軸上に位置する凹面非球面ミラー3に向けて出射される。
Next, the operation of the projection system configured as described above will be described.
The RGB color lights emitted from the
凹面非球面ミラー3に入射する光は、凹面非球面ミラー3により反射されて、平面ミラー4に入射する。平面ミラー4に入射する光は、平面ミラー4によりその光路が時計回りの方向に例えば90°傾けられて、スクリーン1の背面側から前面側に向かい、凸面非球面ミラー5に入射する。凸面非球面ミラー5に入射する光は、この凸面非球面ミラー5により、拡大・フォーカスされて、スクリーン1に投射される。上述したようにして、プロジェクタ2により作成された映像が、上述のミラー群を経てスクリーン1に結像される。
The light incident on the concave aspherical mirror 3 is reflected by the concave aspherical mirror 3 and enters the flat mirror 4. The light incident on the plane mirror 4 is tilted by, for example, 90 ° in the clockwise direction by the plane mirror 4 and enters the convex aspherical mirror 5 from the back side of the
この第1の実施形態によるプロジェクションシステムにおいて、例えば、液晶パネル14R,14G,14Bのサイズを0.7インチとし、20〜30インチ程度に映像をスクリーン1に拡大投射する場合には、凹面非球面ミラー3の曲率半径r1と凸面非球面ミラー5の曲率半径r2との関係は|r2|≒|r1|となる。すなわち倍率が30〜40倍の場合は、曲率半径が上述の関係になる。また、例えば、使用されている非球面ミラー表面には変極点が存在しない。上述の非球面の定義式(3)より、非球面係数が全て0になるためである。
In the projection system according to the first embodiment, for example, when the size of the
以下に、光学設計の寸法値の一例を示す。
液晶パネル〜凹面非球面ミラー距離=90.4mm
凹面非球面ミラー〜平面ミラー距離=314.2mm
平面ミラー〜凸面非球面ミラー距離=319.2mm
凸面非球面ミラー〜スクリーン距離=249.2mm
なお、図2中にも上述の寸法値を付しているが、これらの数値は一例であってこの発明はこれらの数値に限定されるものではない。
An example of the dimension value of the optical design is shown below.
LCD panel to concave aspherical mirror distance = 90.4mm
Concave Aspherical Mirror to Flat Mirror Distance = 314.2mm
Flat mirror to convex aspherical mirror distance = 319.2 mm
Convex aspherical mirror to screen distance = 249.2 mm
In addition, although the above-mentioned dimension value is attached | subjected also in FIG. 2, these numerical values are examples and this invention is not limited to these numerical values.
この発明の第1の実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
スクリーン1の背面側に設けられたプロジェクタ2から出射された光が、プロジェクタ2と同軸上に位置する凹面非球面ミラー3により反射されて、スクリーン1の下側に設けられた平面ミラー4により光路が時計回りの方向に例えば90度傾くように反射され、スクリーン1の前面側に設けられた凸面非球面ミラー5によりスクリーン1に拡大投射されるので、従来のように結像レンズを用いることなく、凹面非球面ミラー3、平面ミラー4および凸面非球面ミラー5により映像をスクリーン1に結像することができる。したがって、結像光学系の構成を従来よりも簡易にできる。また、従来よりも映像投射に必要となる空間を縮小できる。
According to the first embodiment of the present invention, the following effects can be obtained.
The light emitted from the projector 2 provided on the back side of the
非球面ミラーを用いて結像光学系を構成することにより、結像光学系とスクリーン1とが一体型になったプロジェクションシステムを構築できるので、プロジェクションシステム全体をコンパクトにすることができる。
By constructing the imaging optical system using an aspherical mirror, a projection system in which the imaging optical system and the
また、複数のレンズを用いずに、凹面非球面ミラー3、平面ミラー4および凸面非球面ミラー5によりスクリーン1に映像を結像することができるので、プロジェクションシステム全体を安価にし、かつ軽量化することができる。また、プロジェクションシステム全体を軽量化できるので、プロジェクションシステムを壁掛け等が可能なテレビなどの表示装置として使用することもできる。
In addition, since the image can be formed on the
また、集光体21を、所定の放物面からなる側面41を含む所定の形状から構成し、光源32から発せられた光のほとんどを集光して出射するようにしたので、光源32から出射される光の利用効率を向上させることができる。
In addition, the
また、集光した光を、集光体21の側面41の中心線LCを含む断面における放物線の対象軸同士がなす角度θと等しい角度である最大出射角度θの範囲内で出射させることができるので、設計時などにあらかじめ出射光の最大出射角度を把握することが可能となる。
Further, the condensed light can be emitted within the range of the maximum emission angle θ that is equal to the angle θ formed by the parabolic target axes in the cross section including the center line LC of the side surface 41 of the
また、入射側端面42および出射側端面43の形状についても、前述の式(2)を満たすように設定すればよいので、容易に形成することができる。 In addition, the shapes of the incident side end face 42 and the emission side end face 43 may be set so as to satisfy the above-described formula (2), and thus can be easily formed.
さらに、光源32についても、例えば点光源または面光源のどちらから構成してもよく、様々な構成をとることができるので、設計の自由度を向上させることができる。
Further, the
また、LEDを光源32として用いた場合には発光部12R,12G,12Bそのものの大きさを数mm2と小さくでき、かつ導波路パイプ(モーフィング型集光体)13R,13G,13Bの断面も最大で液晶パネル14R,14G,14Bのサイズ程度にできる。すなわち、プロジェクタ2の光学部品を小型化できるので、例えば、プロジェクタ2の容量を500cc程度まで小型化することができる。
Further, when the LED is used as the
次に、この発明の第2の実施形態について説明する。
図9Aは、この発明の第2の実施形態によるプロジェクタの概略構成を示す上面図である。図9Bは、この発明の第2の実施形態によるプロジェクタの概略構成を示す側面図である。このプロジェクタ2は、支持体11と、この支持体11上に設けられた発光部12R,12G,12B、集光体21、液晶パネル14R,14G,14Bおよびプリズム15を備える。発光部12R,12G,12Bから出射された光は、集光体21により集光されて液晶パネル14R,14G,14Bの表示面に入射する。これ以外のことは上述の第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。
Next explained is the second embodiment of the invention.
FIG. 9A is a top view showing a schematic configuration of the projector according to the second embodiment of the invention. FIG. 9B is a side view showing a schematic configuration of the projector according to the second embodiment of the invention. The projector 2 includes a
以上、この発明の第1〜第2の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の第1〜第2の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。 The first and second embodiments of the present invention have been specifically described above. However, the present invention is not limited to the first and second embodiments described above, and is based on the technical idea of the present invention. Various variations based on this are possible.
例えば、上述の第1〜第2の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。 For example, the numerical values given in the first to second embodiments are merely examples, and different numerical values may be used as necessary.
また、上述の第1〜第2の実施形態におけるプロジェクタに代えて、従来の背面投射型のプロジェクションシステムなどのプロジェクタを用いることも可能である。このようなプロジェクタとしては、例えばLCD(Liquid Crystal Display)方式またはDLP(Digital Light Processing)(登録商標)方式のプロジェクタを用いることができる。 Further, a projector such as a conventional rear projection type projection system can be used instead of the projector in the first to second embodiments described above. As such a projector, for example, an LCD (Liquid Crystal Display) type or DLP (Digital Light Processing) (registered trademark) type projector can be used.
また、上述の第1〜第2の実施形態によるプロジェクタを、従来の背面投射型のプロジェクションシステムに用いることもできる。これにより、従来の背面投射型のプロジェクションシステムを小型化することができるという効果を得ることができる。 The projectors according to the first and second embodiments described above can also be used in a conventional rear projection type projection system. Thereby, the effect that the conventional rear projection type projection system can be reduced in size can be obtained.
また、上述の第1〜第2の実施形態において、図10に示したように、光源32と集光体21における入射側端面との間の接合部に、その屈折率が集光体21の屈折率と整合する整合層34を設けるようにしてもよい。この整合層34は、例えばエマージョンオイル、または水などにより構成される。例えば、前述のように集光体21をガラス(BK7;屈折率1.49)またはプラスチック(PMMA;屈折率1.50)より構成した場合、整合層34として、例えばその屈折率が1.50程度であるアクリル溶液などを用いることができる。また、図11に示したように、発光部12R,12G,12Bの光源を面光源であるLED光源35により構成した場合でも、発光領域36と集光体21との間の接合部に、上述のような整合層34を設けることができる。このような整合層34を設けることで、例えばLED光源35と集光体21との間に隙間があるような場合でも、整合層34と集光体21との界面において、LED光源35からの入射光が反射されたり大きく屈折されたりすることなく集光体21に入射され、LED光源35から発せられる光の利用効率をより向上させることができる。
Further, in the first to second embodiments described above, as shown in FIG. 10, the refractive index of the condensing
また、上述の第1〜第2の実施形態では、導波路パイプ13R,13G,13b全体が前述した材料で満たされている場合について説明してきたが、例えば、導波路パイプ13R,13G,13bの内部を中空にするように構成してもよい。このような場合でも上述の第1〜第2の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。
In the first to second embodiments described above, the case where the
また、上述の第1〜第2の実施形態では、集光体21における入射側端面42および出射側端面43の形状が、中心線LCとの交点C1,C2を中心とする円形である場合の例について説明してきたが、必ずしも円形である必要はなく、例えば、交点C1,C2を中心とする楕円形や多角形であってもよい。つまり、側面41の形状が、中心線LCを含む断面において、入射側端面42の端点を焦点とする放物線を1または2種以上含むような放物面により構成されていればよく、このような場合でも上述の第1〜第2の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。
In the first to second embodiments described above, the shapes of the incident side end face 42 and the emission side end face 43 of the
また、上述の第1〜第2の実施形態では、プロジェクションシステムが、スクリーン1の下方からスクリーン1に対して映像を投射する構成を有する場合について説明したが、映像の投射の方向はこの例に限定されるものではなく、スクリーン1の上方または側方から映像をスクリーン1に投射する構成とすることも可能である。
In the first and second embodiments described above, a case has been described in which the projection system has a configuration for projecting an image onto the
1 スクリーン
2 プロジェクタ
3 凹面非球面ミラー
4 平面ミラー
5 凸面非球面ミラー
11 支持体
12R,12G,12B 発光部
13R,13G,13B 導波路パイプ
14R,14G,14B 液晶パネル
15 プリズム
21 集光体
22 モーフィングパイプ
32 光源
DESCRIPTION OF
Claims (5)
上記プロジェクタから出射された光に基づき映像を表示する映像表示装置と
を備え、
上記プロジェクタは、
光を出射する光源と、
上記光源から出射された光を集光する集光体と、
上記集光体から出射された光を変調する液晶表示部と、
上記液晶表示部を通過した光を合成する合成部と
を備え、
上記映像表示装置は、
上記プロジェクタが背面に設けられたスクリーンと、
上記プロジェクタから出射された光を上記スクリーンに投射する結像光学系と
を備え、
上記結像光学系は、
上記プロジェクタから出射された光を集光する凹面ミラーと、
上記凹面ミラーにより集光された光を上記スクリーンの背面側から前面側に向けて反射する反射ミラーと、
上記反射ミラーにより反射された光を拡散し、上記スクリーンに投射する凸面ミラーと
を備えることを特徴とするプロジェクションシステム。 A projector that emits light;
An image display device for displaying an image based on the light emitted from the projector,
The projector
A light source that emits light;
A light collector for condensing the light emitted from the light source;
A liquid crystal display that modulates the light emitted from the light collector;
A combining unit that combines the light that has passed through the liquid crystal display unit,
The video display device
A screen provided with the projector on the back;
An imaging optical system for projecting light emitted from the projector onto the screen,
The imaging optical system is
A concave mirror for collecting the light emitted from the projector;
A reflection mirror that reflects the light collected by the concave mirror from the back side of the screen toward the front side;
A projection system comprising: a convex mirror that diffuses light reflected by the reflection mirror and projects the light onto the screen.
入射側端面と、
上記入射側端面の中心線と同軸上に対向すると共に入射側端面よりも面積の大きな出射側端面と、
上記中心線を含む断面において上記入射側端面の端点を焦点とする放物線を1または2以上含む放物面からなる側面とを有し、
上記入射側端面を介して入射した光を集光し、上記出射側端面から一定の出射角度の範囲内で出射することを特徴とする請求項1記載のプロジェクションシステム。 The light collector is
An incident side end face;
The exit side end face that is coaxially opposed to the center line of the incident side end face and has a larger area than the incident side end face,
Having a parabolic surface including one or more parabolas with a focal point at the end point of the incident side end surface in a cross section including the center line,
The projection system according to claim 1, wherein the light incident through the incident side end face is condensed and emitted from the emission side end face within a range of a predetermined emission angle.
上記モーフィング部の形状は、上記集光体の出射側端面の形状から上記液晶表示部の表示面の形状に連続的に変化することを特徴とする請求項1記載のプロジェクションシステム。 The projector further includes a morphing unit between the light collector and the liquid crystal display unit,
The projection system according to claim 1, wherein the shape of the morphing portion continuously changes from the shape of the emission side end surface of the light collector to the shape of the display surface of the liquid crystal display portion.
上記光源から出射された光を集光する集光体と、
上記集光体から出射された光を変調する液晶表示部と、
上記液晶表示部を通過した光を合成する合成部と
を備えることを特徴とするプロジェクタ。 A light source that emits light;
A light collector for condensing the light emitted from the light source;
A liquid crystal display that modulates the light emitted from the light collector;
A projector comprising: a combining unit that combines light that has passed through the liquid crystal display unit.
上記スクリーンの背面側に設けられたプロジェクタから出射された光を上記スクリーンに投射する結像光学系と
を備え、
上記結像光学系は、
上記プロジェクタから出射された光を集光する凹面ミラーと、
上記凹面ミラーにより集光された光を上記スクリーンの背面側から前面側に向けて反射する反射ミラーと、
上記反射ミラーにより反射された光を拡散し、上記スクリーンに投射する凸面ミラーと
を備えることを特徴とすることを特徴とする映像表示装置。 Screen,
An imaging optical system that projects light emitted from a projector provided on the back side of the screen onto the screen;
The imaging optical system is
A concave mirror for collecting the light emitted from the projector;
A reflection mirror that reflects the light collected by the concave mirror from the back side of the screen toward the front side;
An image display device comprising: a convex mirror that diffuses light reflected by the reflection mirror and projects the light onto the screen.
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