JP2007065148A - Light tunnel and image display apparatus using the same - Google Patents
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Description
本発明は、投影型の画像表示装置に関し、詳しくは、ライトトンネルおよびそれを用いた画像表示装置に関する。 The present invention relates to a projection-type image display device, and more particularly to a light tunnel and an image display device using the light tunnel.
近年、投影型の高精細度テレビジョンシステム(HDTV)やビデオプロジェクタ等の投影型画像表示装置(以下、プロジェクタともいう)の普及が進んでいる。図5(a)は、そのようなプロジェクタにおける照明光学系の構成例を示した図である。図5(a)に示す照明光学系100は、光源ランプ101およびリフレクタ102からなる光源部110と、カラーホイール103と、ライトトンネル104とを備えている。ここで、リフレクタ102は回転楕円面鏡からなり、例えば放電灯からなる光源ランプ101は、その発光中心が回転楕円面の第1焦点に一致するように位置決めされている。
カラーホイール103は、円盤状のカラーフィルタ103aと、カラーフィルタ103aを中心軸ax回りに高速回転させるモータ103bからなる。カラーフィルタ103aは、円周方向に沿って配列された赤色(R)、緑色(G)、青色(B)の各波長帯に対応する透過フィルタを含んでおり、カラーフィルタ103a上に入射した白色光は、カラーフィルタ103aの回転により、順次的にR光、G光、B光に分光される。
In recent years, projection-type image display devices (hereinafter also referred to as projectors) such as projection-type high-definition television systems (HDTV) and video projectors have been widely used. FIG. 5A is a diagram showing a configuration example of an illumination optical system in such a projector. The illumination
The
ライトトンネル104は、図5(b)に示すように、4枚の平面鏡105、106、107、108を接合することにより中空の四角柱状に構成されており、一対の平面鏡105、107は、その反射面105a、107aを互いに対向させて平行に配設され、同様に、もう一対の平面鏡106、108も、その反射面106a、108aを互いに対向させて平行に配設されている。また、ライトトンネル104の一端側の開口部(入射口)104aは、リフレクタ102の第2焦点近傍に配置されている。
As shown in FIG. 5 (b), the
照明光学系100において、光源ランプ101からの出射光は、リフレクタ102によって反射され、カラーホイール103を経てライトトンネル104の入射口104aに集光される。次いで、ライトトンネル104へと入射した光は、その内部を伝播する過程で、平面鏡105、106、107、108による多重反射によって混合され、出射口104bから均一な光束として出射する。また、図示は省略するが、この出射光束は、例えばデジタルマイクロミラーデバイス(DMD)等からなる光変調手段に照射されて画像情報に基づいて変調され、次いで、変調された光が投射光学系によりスクリーン等に投射されて、画像が表示されるものである。
In the illumination
ここで、スクリーンに投影される画面の照度分布の均一性を向上させるには、ライトトンネル104内を通過する光の反射回数を増大させてその混合効果を高め、ライトトンネル104から出射する光束の均一性を向上させる必要がある。そのためには、ライトトンネル104の、光軸Aに垂直な断面の断面積に対する光軸Aに平行な方向の相対的な長さを増大させればよく、さらに、ライトトンネル104の大型化を避けつつこのような構成を実現するためには、平面鏡対105−107、106−108の間隔を狭めて、ライトトンネル104の光軸Aに垂直な断面の断面積を縮小することが望ましい(以下、「光軸Aに垂直な断面の断面積」を単に「断面積」ともいう)。あるいは、光源部110に対する対策として、リフレクタ102の集光角θを増大させ、リフレクタ102からの反射光を、ライトトンネル104の入射口104aをなす開口端面の法線方向に対して、より深い角度で入射させる方法を用いることもできる。
Here, in order to improve the uniformity of the illuminance distribution of the screen projected on the screen, the number of reflections of light passing through the
しかしながら、ライトトンネル104の断面積を縮小することには、次のような問題が伴う。すなわち、一般に光源ランプ101の発光部は有限の放電距離(アーク長)を有しているため、その第2焦点に点光源像が結像することはなく、リフレクタ102からの反射光は、ライトトンネル104の入射口104aにおいて一定のビーム断面積を有している。したがって、ライトトンネル104の断面積を小さくすることで、入射口104aの開口面積が小さくなると、リフレクタ102からの反射光の一部が遮光されて(図5(a)の光路P2参照)、ライトトンネル104に入射されない漏れ光PLが発生する可能性があり、それによって、光の利用効率が低下する。
However, reducing the cross-sectional area of the
さらに、光源ランプ101の実際の放電位置は経時的に変動しており、それに応じて、リフレクタ102からの反射光の、入射口104aにおけるビーム断面積も経時的に変動する。そのため、ライトトンネル104のサイズや配置、あるいは、リフレクタ102からの反射光の集光角θ等を含む照明光学系100の構成配置を初期的に適切に設定したとしても、この経時変動によって、入射口104aにおける遮光が発生する可能性がある。この経時変動は、光の利用効率の低下と共に、スクリーン上に投影される画面のちらつき(フリッカー)の要因となるものである。
Furthermore, the actual discharge position of the
従来、このような放電位置の経時変動に対処するために、図5(a)に示す構成に加えて、光源ランプからの光の一部を受光して、受光した光に応答する検出信号を出力する検出手段と、検出手段からの検出信号に基づいて放電位置を判定し、判定された放電位置に基づいて光源ランプを移動させる制御手段とを備えた照明光学系が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この照明光学系では、放電位置の経時変動に基づいて光源ランプ自体の位置をフィードバック制御することにより、放電位置の経時変動を補正することが図られている。 Conventionally, in order to cope with such variation with time of the discharge position, in addition to the configuration shown in FIG. 5A, a detection signal that receives a part of the light from the light source lamp and responds to the received light is provided. There has been proposed an illumination optical system including detection means for outputting and control means for determining a discharge position based on a detection signal from the detection means and moving a light source lamp based on the determined discharge position (for example, , See Patent Document 1). In this illumination optical system, it is intended to correct the variation with time of the discharge position by performing feedback control of the position of the light source lamp itself based on the variation with time of the discharge position.
ここで、ライトトンネルの断面積を縮小してその光均一化作用を向上させる場合、上述したような光の利用効率の低下の問題を回避するには、光源ランプとして、可能な限り放電距離の短い放電灯を使用することが望ましい。しかしながら、一般に、このような放電灯は短寿命であり(例えば、2000時間程度)、その使用に際して頻繁なランプ交換の問題が避けられない。一方、比較的寿命の長い超高圧水銀ランプは、放電距離が長いため、断面積の小さいライトトンネルと共に使用することは困難であった。また、特許文献1に記載の照明光学系では、従来のライトトンネルを使用しながら、放電位置の経時変動に対応することが可能となるものの、その構成が著しく複雑かつ高価なものとなるという問題があった。 Here, when reducing the cross-sectional area of the light tunnel and improving its light homogenization effect, in order to avoid the above-described problem of a decrease in light utilization efficiency, the light source lamp has a discharge distance as small as possible. It is desirable to use a short discharge lamp. However, in general, such a discharge lamp has a short life (for example, about 2000 hours), and frequent lamp replacement problems are unavoidable when used. On the other hand, an ultra-high pressure mercury lamp having a relatively long life is difficult to be used with a light tunnel having a small cross-sectional area because of a long discharge distance. In addition, the illumination optical system described in Patent Document 1 can cope with the variation with time of the discharge position while using a conventional light tunnel, but the configuration thereof becomes extremely complicated and expensive. was there.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、単純かつ安価な構成により、光均一化作用を低下させることなく、光源からの光の利用効率を向上することが可能なライトトンネル、およびそのライトトンネルを用いた画像表示装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and a light tunnel capable of improving the utilization efficiency of light from a light source without reducing the light homogenizing action with a simple and inexpensive configuration, and An object of the present invention is to provide an image display device using the light tunnel.
上記目的を達成するために、本発明に係るライトトンネルは、複数の反射面に囲まれた導光路と、該導光路の一端側に設けられた入射口と、前記導光路の他端側に設けられた出射口とを備え、前記入射口から入射した光を均一化して前記出射口から出射するライトトンネルにおいて、前記複数の反射面は、前記導光路の光軸に垂直な断面の断面積が前記出射口から前記入射口に向かって増大するように傾斜しており、前記入射口の面積は、前記出射口の面積よりも大きいことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a light tunnel according to the present invention includes a light guide path surrounded by a plurality of reflecting surfaces, an entrance provided on one end side of the light guide path, and the other end side of the light guide path. A light tunnel for uniformizing light incident from the incident port and exiting from the exit port, wherein the plurality of reflecting surfaces have a cross-sectional area of a cross section perpendicular to the optical axis of the light guide. Is inclined so as to increase from the exit to the entrance, and the area of the entrance is larger than the area of the exit.
本発明によれば、ライトトンネルの導光路を形成する複数の反射面を、導光路の光軸に垂直な断面積がライトトンネルの出射口から入射口に向かって増大するように傾斜させ、入射口の面積を、出射口の面積よりも大きくすることで、入射口の面積を縮小することなく、導光路内での光の反射回数を増大させることが可能となる。これによって、ライトトンネルの入射口へ集光されるビーム断面積が一定の広がりを有する場合や、さらに、その広がりに経時変動が存在する場合でも、光源からの光の高い利用効率を維持しつつ、ライトトンネルの光均一化作用を向上させることが可能となる。 According to the present invention, the plurality of reflecting surfaces forming the light guide for the light tunnel are inclined so that the cross-sectional area perpendicular to the optical axis of the light guide increases from the light tunnel exit to the entrance. By making the area of the mouth larger than the area of the exit port, it is possible to increase the number of times the light is reflected in the light guide without reducing the area of the entrance port. As a result, even when the cross-sectional area of the beam collected at the entrance of the light tunnel has a certain spread, and even when there is a variation over time, the high utilization efficiency of the light from the light source is maintained. It is possible to improve the light uniforming effect of the light tunnel.
また、好ましくは、前記複数の反射面には微細な凹凸パターンが形成されるものである。これによって、反射面からの反射光を拡散させ、導光路内での多重反射による光の混合効果を高めることができる。さらに、一定の光均一化作用を得るために必要な導光路の長さを短縮することが可能となるため、ライトトンネルの小型化に寄与するものである。このような凹凸パターンは、ドットパターンまたはストライプパターンのいずれか一方または両方を含むものであってもよい。 Preferably, a fine uneven pattern is formed on the plurality of reflecting surfaces. Thereby, the reflected light from the reflecting surface can be diffused, and the light mixing effect by multiple reflection in the light guide path can be enhanced. Furthermore, it is possible to shorten the length of the light guide necessary for obtaining a uniform light uniforming effect, which contributes to the miniaturization of the light tunnel. Such a concavo-convex pattern may include one or both of a dot pattern and a stripe pattern.
本発明の一態様において、本発明に係る画像表示装置は、本発明に係る前記ライトトンネルを有する照明光学系と、該照明光学系からの光を画像情報に基づいて空間的に変調する光変調手段と、前記光変調手段からの光を拡大して投射する投射光学系とを備えていることを特徴とする。
このような画像表示装置では、その照明光学系において、放電距離の比較的長い放電灯を光源として用いても、光源からの光の利用効率を低下させることなく均一な照明光を得ることができるため、例えば、長寿命の超高圧水銀ランプを好適に使用することが可能となる。加えて、放電位置の経時変動によらず、常に一定の光量をライトトンネルに取り込むことができるため、投影される画面のフリッカーを効果的に抑制するものとなる。
In one aspect of the present invention, an image display device according to the present invention includes an illumination optical system having the light tunnel according to the present invention, and light modulation that spatially modulates light from the illumination optical system based on image information. And a projection optical system for enlarging and projecting the light from the light modulation means.
In such an image display device, even when a discharge lamp having a relatively long discharge distance is used as the light source in the illumination optical system, uniform illumination light can be obtained without reducing the light use efficiency from the light source. Therefore, for example, it is possible to suitably use a long-life ultra-high pressure mercury lamp. In addition, a constant amount of light can always be taken into the light tunnel regardless of the variation with time of the discharge position, and thus flickering of the projected screen can be effectively suppressed.
本発明は、このように構成したため、単純かつ安価な構成により、光均一化作用を低下させることなく、光源からの光の利用効率を向上させることが可能なライトトンネルを実現することができる。また、投影型の画像表示装置に、このライトトンネルを用いることによって、その照明光学系、ひいては画像表示装置の小型化に寄与すると共に、投影される画像の表示品質を向上することが可能になる。 Since the present invention is configured as described above, it is possible to realize a light tunnel capable of improving the utilization efficiency of light from the light source without reducing the light uniformizing action with a simple and inexpensive configuration. Further, by using this light tunnel for the projection type image display device, it is possible to contribute to the miniaturization of the illumination optical system, and hence the image display device, and to improve the display quality of the projected image. .
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明するが、各図面は説明のためのものであり、必ずしも実際の形状、寸法を正確に反映するものではない。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. However, the drawings are for explanation, and do not necessarily accurately reflect actual shapes and dimensions.
図1は、本発明の第1の実施施形態におけるライトトンネル10を示す図であり、(a)は斜視図、(b)は光軸Aに平行な断面を示す断面図である。
本実施形態におけるライトトンネル10は、略台形状の4枚の平面鏡15、16、17、18を接合することにより、中空の四角錐台状に構成されている。この四角錐台の側壁を構成する4枚の平面鏡15、16、17、18は、その反射面15a、16a、17a、18aが対向するように配設され、これらの反射面15a、16a、17a、18aに囲まれた空間により、導光路12が形成されている。この際、平面鏡15、16、17、18は、導光路12の光軸Aに垂直な断面の断面積が一方の端部11から他方の端部13に向かって増大するように傾斜しており、端部13の開口面積は、端部11の開口面積よりも大きい。ライトトンネル10は、端部13を入射口、端部11を出射口として、入射口13から入射した光を導光路12内での多重反射により混合し、出射口11から均一化された光束を出射する光学装置であり、その作用および効果の詳細については後述する。
1A and 1B are views showing a
The
本実施形態において、平面鏡15、16、17、18の反射面15a、16a、17a、18aには、微細な凹凸パターンが形成されている。図2(a)、(b)は、このような微細な凹凸パターンの好ましい態様を、平面鏡15を例として示す部分拡大図である。図2(a)に示す凹凸パターンは、略半球状の凸部19aを複数配列してなるドットパターンとして構成されており、図2(b)に示す凹凸パターンは、直線状のV字溝19bを複数配列してなるストライプパターンとして構成されている。ライトトンネル10において、各反射面15a、16a、17a、18aは、このような微細な凹凸パターンを有することにより、拡散反射面として機能するものである。なお、本発明に係る微細な凹凸パターンは、図2(a)、(b)に示す態様に限定されるものではなく、その凹部または凸部の形状、サイズ、配列形態等は、所望の拡散反射条件に応じて適宜設定されるものである。
In the present embodiment, fine concavo-convex patterns are formed on the reflecting
ここで、本実施形態における平面鏡15、16、17、18は、例えば、任意の適切な加工方法により一面に所定の凹凸パターンが形成されたガラス基材を準備し、次いで、所定の凹凸パターンが形成された面上に、銀またはアルミニウム等の金属薄膜を蒸着して反射面を形成することによって、作製することができる。所定の凹凸パターンを形成する加工方法には、研削またはエッチング等によるガラス加工、あるいは、加熱して軟化させたガラス素材を、所定の凹凸パターンを有する成形型を用いてプレス成形する方法等が含まれる。
Here, the
次に、本発明の第2の実施形態として、ライトトンネル10を適用した画像表示装置を説明する。図3は、本実施形態における画像表示装置30の光学系の要部を示す構成図である。画像表示装置30は、光源部110、カラーホイール103、ライトトンネル10、および集光光学系34を含む照明光学系35と、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)からなる光変調手段36と、投射光学系38とを備えており、その光源部110およびカラーホイール103は、図5(a)に示す照明光学系100における光源部110およびカラーホイール103とそれぞれ同一のものである。
Next, an image display device to which the
画像表示装置30において、光源ランプ101からの出射光は、リフレクタ102によって反射され、カラーホイール103の回転によりR光、G光、B光に順次的に分光されて、ライトトンネル10の入射口13に集光される。次いで、ライトトンネル10へと入射した光は、その内部を伝播する過程で、平面鏡15、16、17、18(図1参照)による多重反射によって混合され、出射口11から均一な光束として出射する。次いで、この出射光束は、集光光学系34により適切に拡大または縮小されて光変調手段36に照射される。本実施形態において、DMDである光変調手段36は、各画素に対応する揺動可能な複数のミラーから構成されており、図示しない駆動装置によって、画像情報に基づいてカラーホイールに同期して駆動され、入射するR光、G光、B光を各画素毎に反射方向を振り分けることにより変調するものである。次いで、適切な方向に反射されて各色に対応する画像を形成する光は、投射光学系38によりスクリーン等に投射され、カラー画像が表示されるものである。
In the
本実施形態において、ライトトンネル10は、開口面積の大きい側の端部を入射口13として使用するものであり、その入射口13が、リフレクタ102の第2焦点近傍に配置されている。したがって、リフレクタ102から反射された光の、経時変動を含むビーム断面積の広がりに対応するために、入射口13の大きさを拡大した場合でも、ライトトンネル10の断面積を一様に拡大する構成とは異なり、導光路12内を伝播する光の反射回数を低下させることなく、光均一化作用は良好に維持されるものである。逆に、出射口11の面積を縮小して、ライトトンネル10の光均一化作用を向上させた場合でも、ライトトンネル10の断面積を一様に縮小する構成とは異なり、図3に示す光路P2のように、光源ランプ101からの光を、入射口13によって遮光することなく効率良くライトトンネル10内に取り込むことができる。さらに、図2を参照して上述したように、ライトトンネル10において、導光路12を形成する各反射面15a、16a、17a,18aには、微細な凹凸パターンが形成されているため、その拡散反射によって光の混合効果が一層向上すると共に、出射光の所望の均一化を達成するために必要なライトトンネル10の長さが短縮されるため、照明光学系35、ひいては画像表示装置30を小型化することができる。画像表示装置30は、ライトトンネル10のこのような作用・効果により、例えば超高圧水銀ランプのような長寿命の放電灯を、その光源ランプ101として好適に用いると共に、明るくかつ均一であってフリッカー等のない高品質の画像を表示するものである。
In the present embodiment, the
以上の説明を通じて、ライトトンネル10は、4枚の平面鏡15、16、17、18により形成された中空の角錐台として説明してきたが、本発明に係るライトトンネルは、このような構成に限定されるものではなく、例えば、図4に示すライトトンネル40のように、透明材料により中実の導光体として一体に形成されるものであってもよい。ライトトンネル40は、反射面である側面45、46、47、48が、一方の端部41から他方の端部43に向かって増大するように傾斜しており、面積の大きい方の端面43を入射口、面積の小さい方の端面41を出射口、中実の四角錐台の内部を導光路42として用いることによって、図1に示すライトトンネル10と同様の作用・効果を得るものである。ライトトンネル40を形成する好適な透明材料には、ガラス、あるいは、アクリル樹脂またはポリカーボネート樹脂等の透明樹脂材等が含まれ、その場合、図2に示すような微細な凹凸パターンは、ライトトンネル40を成形する際に、その側面45、46、47、48に一体に成形されることが好ましい。なお、ライトトンネル40において、その反射面45、46、47、48には、金属薄膜の蒸着または反射フィルムの固着等による追加の反射手段が施されていてもよい。
Through the above description, the
10,40:ライトトンネル、11,41:出射口、12,42:導光路、13,43:入射口、15a,16a,17a,18a,45,46,47,48:反射面、30:画像表示装置、35:照明光学系、36:光変調手段、38:投射光学系
10, 40: light tunnel, 11, 41: exit, 12, 42: light guide, 13, 43: entrance, 15a, 16a, 17a, 18a, 45, 46, 47, 48: reflecting surface, 30: image Display device, 35: illumination optical system, 36: light modulation means, 38: projection optical system
Claims (4)
前記複数の反射面は、前記導光路の光軸に垂直な断面の断面積が前記出射口から前記入射口に向かって増大するように傾斜しており、前記入射口の面積は、前記出射口の面積よりも大きいことを特徴とするライトトンネル。 A light guide path surrounded by a plurality of reflecting surfaces, an incident port provided on one end side of the light guide path, and an exit port provided on the other end side of the light guide path, and the light incident from the incident port In the light tunnel that is uniformed and exits from the exit,
The plurality of reflecting surfaces are inclined such that a cross-sectional area of a cross section perpendicular to the optical axis of the light guide path increases from the exit port toward the entrance port, and the area of the entrance port is defined by the exit port Light tunnel characterized by being larger than the area.
An illumination optical system having the light tunnel according to any one of claims 1 to 3, a light modulation unit that spatially modulates light from the illumination optical system based on image information, and the light modulation unit A projection optical system that enlarges and projects the light.
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