JP2007256831A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光体の形状や位置が不規則に変化する光源を備えた投写型表示装置において、光利用効率の低下を防止しつつ装置の小型化を図る。
【解決手段】投写型表示装置１００は、光源１０５と、光源１０５からの光を均一化するロッドレンズ１０７と、マトリックス状に配置された複数の可動ミラー１２１を含み光源１０５からの光をロッドレンズ１０７へ導く光変調素子１２０と、ロッドレンズ１０７からの光を表示パネル１０２に導くリレーレンズ１０８と、リレーレンズ１０８からの光を映像信号に応じた光学像に変調する表示パネル１０２と、表示パネル１０２からの光を拡大投写する投写レンズ１０１とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、投写型表示装置、特に液晶パネルや電気信号により動作する複数のミラーを搭載する半導体デバイスなどのライトバルブを用いた投写型表示装置に関する。

投写型表示装置は画面の大型化が容易であるため、プレゼンテーションやホームシアターなどに用いられている。この種の投写型表示装置は、主に、光源と、光源からの光を均一化するための照明光学系と、照明光学系からの光を映像信号に応じた光学像に変調する液晶パネルなどのライトバルブと、ライトバルブにより形成された光学像を拡大投写する投写レンズと、投写レンズからの光が投写されるスクリーンとから構成されている（例えば、特許文献１を参照）。
このライトバルブ方式の投写型表示装置では、照明光学系からの均一な光がライトバルブに照射され、ライトバルブの透過率や反射率を映像信号に応じて変化させている。これにより、映像信号に応じた光学像がライトバルブにより形成され、投写レンズを介してスクリーン上に映像が再現される。
特開平３−１１１８０６号

一般的に、投写型表示装置の照明光学系は、光源からの光束を効率よく、そしてムラ無くライトバルブに導くように構成されている。このため照明光学系は以下のような２つの機能を有している。
（１）光源から出射した円形形状の光束をライトバルブ上で短形形状となるように変換する。
（２）光源から出射した光束を重ねてライトバルブ上に導く。
この２つの機能を実現するために、例えば特許文献１のように２枚のフライアイレンズを用いたり、あるいはロッドレンズを用いる方法がある。ここでは、図７および図８を用いてロッドレンズを備えた投写型表示装置を例に説明する。図７に従来の投写型表示装置の概略構成図、図８にロッドレンズの入射面の状態の説明図を示す。
図７に示すように、従来の投写型表示装置２００は、光源２０５と、光源２０５からの光を均一化するロッドレンズ２０７と、ロッドレンズ２０７からの光を表示パネル２０２に導くリレーレンズ２０８と、リレーレンズ２０８からの光を映像信号に応じた光学像に変調する表示パネル２０２と、この光学像をスクリーン２０６に拡大投写する投写レンズ２０１と、スクリーン２０６とから構成されている。

ロッドレンズ２０７は、光軸方向に細長い形状を有するレンズであり、入射光が内部で様々な方向に反射して出射側の照明領域の照度（出射面上の輝度）を均一化する機能を有している。ロッドレンズの光軸に垂直な断面形状をライトバルブと相似形にすることで、上記の機能（１）を実現できる。また、ロッドレンズの内部で反射を繰り返すように光軸方向の長さと断面積とを調整することで、上記の機能（２）を実現することができる。
一方で、画面の大型化が比較的容易な投写型表示装置は小型化が期待されている。照明光学系にロッドレンズ２０７を採用した投写型表示装置２００を小型化するためには、ロッドレンズ２０７の長さを短くするのが効果的である。この場合、上記の機能（２）を実現するために、ロッドレンズ２０７内での反射回数を確保する必要があり、ロッドレンズ２０７の短縮に伴いロッドレンズ２０７の光軸方向に垂直な断面積を小さくする必要が出てくる。
しかしながら、一般的に光源として採用される超高圧水銀ランプなどはアーク放電を利用しており、ランプ管内の対流によりアーク像の形状や位置が不規則に変化する。このため、光源２０５からの光を確実にロッドレンズ２０７に導くためには、図８に示すように、アーク像Ｂの形状や位置の変化を考慮して光源のアーク像Ｂの大きさよりもロッドレンズ２０７端面の大きさを十分に大きくする必要がある。言い換えると、発光体の形状や位置が不規則に変化する光源とロッドレンズとを採用すると、ロッドレンズの小型化を図ることが困難となる。逆にロッドレンズを小型化した場合は、光源の発光体の像がロッドレンズの一部が入射面内から外れやすくなり、光利用効率の低下を招くおそれがある。

本発明の課題は、発光体の形状や位置が不規則に変化する光源を備えた投写型表示装置において、光利用効率の低下を防止しつつ装置の小型化を図ることにある。

第１の発明に係る投写型表示装置は、光源と、光源からの光を照明光に変調する照明光学系と、マトリックス状に配置された複数の可動ミラーを含み光源からの光を照明光学系へ導く光変調素子と、照明光学系からの光を映像信号に応じた光学像に変調するライトバルブと、ライトバルブからの光を拡大投写する投写光学系とを備えている。
この投写型表示装置では、光源からの光が照明光学系を介してライトバルブに入射し、ライトバブルにより映像信号に応じた光学像に変調される。この光学像は投写光学系により拡大投写され映像が再現される。
ここでは、複数の可動ミラーを駆動させることで、光源の発光体の形状や位置が不規則に変化しても、発光体の像を照明光学系の入射面内に収めることができる。これにより、照明光学系を小型化しても光源からの光をロッドレンズに確実に導くことができ、光利用効率の低下を防止しつつ装置の小型化を図ることができる。
ここで、照明光学系としては、例えばロッドレンズや２枚のフライアイレンズなどが挙げられる。
第２の発明に係る投写型表示装置は、第１の発明の装置において、照明光学系が光源からの光を略均一化するロッドレンズを有している。

第３の発明に係る投写型表示装置は、第２の発明の装置において、ロッドレンズの出射面上の輝度を検知する輝度検知手段をさらに備えている。
これにより、ロッドレンズの出射面の輝度変化に応じて光変調素子の可動ミラーを駆動することができる。
第４の発明に係る投写型表示装置は、第２または第３の発明の装置において、ロッドレンズからの光をライトバルブに導くリレーレンズをさらに備えている。
第５の発明に係る投写型表示装置は、第１から第４の発明のいずれかの装置において、可動ミラーの角度と高さとは任意の値に可変である。

本発明に係る投写型表示装置では、光源の発光体の形状や位置が不規則に変化する場合であっても、複数の可動ミラーを含む変調光学系により、発光体の像をロッドレンズなどの照明光学系の入射面内に収めることができる。これにより、照明光学系を小型化しても光源からの光をロッドレンズに確実に導くことができ、光利用効率の低下を防止しつつ装置の小型化を図ることができる。

図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
〔１〕全体構成
図１に本発明の第１実施形態としての投写型表示装置１００の概略構成図の一例を示す。なお、ここでは単板式（カラーフィルタ方式）の投写型表示装置を例に説明する。
この投写型表示装置１００は、主に、光源１０５と、光源１０５からの光を照明光に変調する照明光学系１０４と、光源１０５からの光を照明光学系１０４に導く光変調素子１２０と、照明光学系１０４からの光を映像信号に応じた光学像に変調するライトバルブとしての表示パネル１０２と、表示パネル１０２からの光を拡大投写する投写光学系としての投写レンズ１０１と、投写レンズ１０１からの光が投写されるスクリーン１０６と、照明光学系１０４を構成するロッドレンズ１０７の出射面上の輝度を検知する輝度検知手段としての輝度検知センサ１０９とから構成されている。
光源１０５は、電圧の印可により発光するランプ１１５と、ランプ１１５からの光を集光するリフレクタ１１６とから構成されている。リフレクタ１１６は、楕円形の反射面を有している。この楕円形の反射面の一方の焦点にランプ１１５が配置されており、他方の焦点（より詳細には、後述する光変調素子１２０の反射面により他方の焦点が折り返された点）の近傍にはロッドレンズ１０７の入射面が配置されている。すなわち、ランプ１１５からの光はリフレクタ１１６によりロッドレンズ１０７の入射面近傍に収束する。ランプ１１５としては、例えば超高圧水銀ランプ、キセノンランプおよびメタルハライドランプなどの放電を利用したものが挙げられる。

照明光学系１０４は、光源１０５からの光を均一化するロッドレンズ１０７と、ロッドレンズ１０７からの光を表示パネル１０２に導くリレーレンズ１０８とから構成されている。ロッドレンズ１０７の出射面周辺には、輝度検知センサ１０９が配置されている。輝度検知センサ１０９は、例えばフォトダイオードやフォトトランジスタなどの光センサであり、輝度をそれに比例する物理量（例えば、電流量）に変換する。なお、輝度検知センサ１０９の輝度検知位置などは、図１に示すものに限られない。
光変調素子１２０は、光源１０５からの光をロッドレンズ１０７に導き、ロッドレンズ１０７の出射面上の輝度を常に所定値以上に保つための素子である。光変調素子１２０の構成については後述する。
表示パネル１０２は、照明光学系１０４からの光を映像信号に応じた光学像に変調するための素子であり、例えば透過型液晶パネルなどが挙げられる。投写レンズ１０１は、表示パネル１０２により形成された光学像をスクリーン１０６に拡大投写する。
〔２〕光変調素子１２０について
ここで図２および図３を用いて、光変調素子１２０について説明する。図２に光変調素子１２０の平面概略図、図３に光変調素子１２０を構成する可動ミラー１２１の動作説明図を示す。

図２に示すように、光変調素子１２０は、マトリックス状に配置された複数の可動ミラー１２１と、可動ミラー１２１を支持および駆動する機構を含む基板１２２とから構成されている。可動ミラー１２１は、微小な矩形の平面ミラーから構成されている。なお、可動ミラー１２１の数量は図１および図２に示す数量に限られない。
図３に示すように、個々の可動ミラー１２１は、所定の範囲内で基板１２２に対する角度および高さを任意の値に調節可能である。光源１０５からの光がロッドレンズ１０７の入射面上の任意の位置から入射可能なように、可動ミラー１２１の角度および高さの可動範囲は決定されている。
以上の構成により、この光変調素子１２０は、任意に全体の反射面形状を変化させることができ、例えば光変調素子１２０の反射光の出射角を任意の角度に調節することができる。
なお、光変調素子１２０などの変調光学系については、例えば特許第３６５７２５９号などに記載されているものが考えられる。このため、ここでは可動ミラー１２１や基板１２２などの詳細な説明については省略する。
〔３〕各駆動部について
図１に示すように、投写型表示装置１００は、光源１０５を駆動するランプ駆動部１５１と、光変調素子１２０の可動ミラー１２１を駆動する光変調素子駆動部１５２と、表示パネル１０２を駆動する表示パネル駆動部１５３と、各駆動部の動作の制御や演算を行うためのＣＰＵ１５４，ＲＯＭ１５５，ＲＡＭ１５６と、輝度検知センサ１０９を駆動し輝度情報を出力するセンサ駆動部１５９とをさらに備えている。

ランプ駆動部１５１は、ランプ１１５に接続されており、ランプ１１５に電圧を印可してランプ１１５を発光させる。光変調素子駆動部１５２は、光変調素子１２０の基板１２２に接続されており、可動ミラー１２１の支持部に電圧を印可して個々の可動ミラー１２１の角度や高さを別個に調節する。表示パネル駆動部１５３は、外部から順次送られてくる映像信号に応じて表示パネル１０２の各画素に電圧を印可し照明光学系１０４からの光を光学像に変調する。表示パネル駆動部１５３は、例えば順次送られてくる映像信号を記憶するための表示メモリなどを有している。
ＣＰＵ１５４は、各駆動部１５１，１５２，１５３の動作を制御する回路、あるいは外部から取得した情報に基づいて演算を行う回路などを有しており、バス１５８を介してＲＯＭ１５５，ＲＡＭ１５６，各駆動部１５１，１５２，１５３に接続されている。バス１５８には、例えば映像信号を出力可能な映像出力機器１５７が接続されている。
センサ駆動部１５９は、輝度検知センサ１０９により物理量に変換された輝度情報をバス１５８を介してＣＰＵ１５４などに出力する。
〔４〕動作
投写型表示装置１００の動作について説明する。

図１に示すように、光源１０５からの光は、光変調素子１２０の個々の可動ミラー１２１によりロッドレンズ１０７へ反射され、ロッドレンズ１０７の入射面近傍に収束する。ロッドレンズ１０７の入射光は、その入射角に応じた回数だけロッドレンズ１０７の内面で反射を繰り返し、異なった入射角の光が出射面上の各点を通過し、ロッドレンズ１０７からの出射光が均一化される。
ロッドレンズ１０７からの均一な光は、リレーレンズ１０８により表示パネル１０２に導かれる。表示パネル１０２では、映像信号に応じて表示パネル駆動部１５３からの電圧が液晶層に印可され、リレーレンズ１０８からの光は表示パネル１０２上において輝度分布としての光学像に変調される。表示パネル１０２を透過した光は投写レンズ１０１によりスクリーン１０６に拡大投写され、スクリーン１０６上に映像が再現される。
このとき、光源１０５においてランプ１１５で発生するアークは形状や位置が不規則に変化するが、光源１０５からの光はロッドレンズ１０７に確実に入射するように光変調素子１２０における反射角が自動的に調節される。具体的には、輝度検知センサ１０９によりロッドレンズ１０７の出射面における輝度が所定の周期で検知される。輝度検知センサ１０９の測定結果は、センサ駆動部１５９により輝度情報として順次出力され、ＲＡＭ１５６に順次格納される。ＣＰＵ１５４は、ＲＡＭ１５６に格納された輝度情報とＲＯＭ１５５に予め格納された最低輝度値とを順次比較し、ロッドレンズ１０７の出射面の輝度が最低輝度値を下回る場合、光変調素子１２０からの反射光がロッドレンズ１０７の入射面内に収まっていないと判断する。

ここで、図４〜図６を用いて、光変調素子１２０の動作についてより詳細に説明する。図４〜図６にロッドレンズ１０７の入射面におけるアーク像の位置調節動作およびロッドレンズ１０７の出射面上の輝度変化の説明図を示す。図４（ａ），図５（ａ），図６（ａ）は、ロッドレンズ１０７の入射面を光変調素子１２０側から見た図であり、入射光軸に直交する２つの軸をＸ軸およびＹ軸としている。
まず、図４（ａ）に示すように、アーク像ＡがＹ軸方向に収まっているが、Ｘ軸方向に収まっていない場合について説明する。光変調素子１２０からの反射光がロッドレンズ１０７の入射面内に収まっていないとＣＰＵ１５４が判断した場合、ＣＰＵ１５４から光変調素子駆動部１５２に可動ミラー１２１の駆動指令が出力される。このとき、図４（ａ）に示すように、ロッドレンズ１０７の入射面上のランプ１１５のアーク像ＡがＸ軸方向へ移動するように、複数の可動ミラー１２１が駆動される。より具体的には、アーク像Ａは初期位置１６１からＸ軸方向正側の位置１６２へ移動し、その後、位置１６２からＸ軸方向負側の位置１６３へ移動するように、可動ミラー１２１の角度および高さが調節される。アーク像Ａの初期位置１６１から位置１６２，１６３までの距離はほぼ同じである。個々の可動ミラー１２１の角度および高さの変化量などの駆動データは、ＲＯＭ１５５に予め格納されている。

このときのロッドレンズ１０７の出射面上の輝度変化は、例えば図４（ｂ）に示す状態となる。この各位置における輝度情報はＲＡＭ１５６に格納され、この輝度情報に基づいてＣＰＵ１５４により最低輝度値１７０を上回るアーク像Ａの位置が位置１６２であると判定される。この結果、最低輝度値１７０を上回る位置１６２へアーク像Ａが移動するように、ＣＰＵ１５４から光変調素子駆動部１５２へ駆動指令が出力される。
また、図５（ａ）に示すように、アーク像ＡがＸ軸方向には収まっているが、Ｙ軸方向に収まっていない場合、Ｘ軸方向に像を移動させても図４（ｂ）に示すように位置１６２，１６３の状態の輝度が最低輝度値１７０を上回らない。この場合、ＣＰＵ１５４はアーク像Ａを初期位置１６１に移動させ、アーク像Ａを移動させる方向を変更するよう光変調素子駆動部１５２へ駆動指令を出力する。具体的には、図６（ａ）に示すように、アーク像Ａが初期位置１６１からＹ軸方向正側の位置１６４に移動し、位置１６４からＹ軸方向負側の位置１６５へ移動するように、可動ミラー１２１の角度および高さが調節される。このときのロッドレンズ１０７の出射面上の輝度変化は、例えば図６（ｂ）に示す状態となる。図４に示す場合と同様に、この各位置における輝度情報はＲＡＭ１５６に格納され、この輝度情報に基づいてＣＰＵ１５４により最低輝度値１７０を上回るアーク像Ａの位置が位置１６４であると判定される。この結果、最低輝度値１７０を上回る位置１６４へアーク像Ａが移動するようにＣＰＵ１５４から光変調素子駆動部１５２へ駆動指令が出力される。これらの動作は、ロッドレンズ１０７の出射面上の輝度が最低輝度値１７０を下回るたびに繰り返される。

こうして、ロッドレンズ１０７の入射面内にランプ１１５のアーク像Ａが収まるように光変調素子１２０によりアーク像Ａの位置が自動的に調節される。このため、ロッドレンズ１０７の入射面上におけるアーク像Ａの移動範囲が小さくなるとともに、ロッドレンズ１０７の出射面上の輝度を所定値以上に保つことができる。
なお、ここではアーク像Ａの位置変化のみを考慮して記載しているが、アーク像Ａの形状が変化した場合であっても、上記の制御方法やその他の制御方法を付加することにより同様の制御が可能となる。
〔５〕効果
以上に述べたように、この投写型表示装置１００では、ランプ１１５の発光体であるアーク像Ａの形状および位置が不規則に変化しても、ロッドレンズ１０７の入射面内にランプ１１５のアーク像Ａが収まるようにアーク像Ａの位置が光変調素子１２０により自動的に調節される。このため、ロッドレンズ１０７の小型化を図ることができ、光利用効率の低下を防止しつつ投写型表示装置１００の小型化を図ることができる。
また、一般的に、上記の複数の可動ミラー１２１を有する光変調素子１２０の応答速度は極めて速い。このため、ランプ１１５のアーク像Ａの不規則な変化に対しても、光変調素子１２０により適切な調節が可能となる。

〔６〕他の実施形態
本発明は上記の実施形態に限られず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更または修正が可能である。
例えば、前述の実施形態では、光源１０５からの光を均一化する手段としてロッドレンズ１０７が用いられているが、これに限られず、例えば２枚のフライアイレンズにより光の均一化が図られてもよい。
また、投写型表示装置１００の制御方法としては前述のものに限られず、他の制御方法であってもよい。
なお、投写型表示装置１００としては単板式のカラーフィルタ方式のものに限られず、例えば単板式の色順次方式（カラーホイールを備えたもの）の投写型表示装置であってもよい。また、表示パネル１０２は、反射型液晶パネルや電気信号により動作する複数のミラーを搭載した半導体デバイスなどであってもよい。

本発明の投写型表示装置は、投写型表示装置の小型化を図ることができるため、省スペースな投写型表示装置が必要とされる分野において有用である。

本発明の第１実施形態に係る投写型表示装置１００の概略構成図。 光変調素子１２０の平面概略図。 光変調素子１２０を構成する可動ミラー１２１の動作説明図。 ロッドレンズ１０７の入射面におけるアーク像の位置調節動作およびロッドレンズ１０７の出射面上の輝度変化の説明図。 ロッドレンズ１０７の入射面におけるアーク像の位置調節動作およびロッドレンズ１０７の出射面上の輝度変化の説明図。 ロッドレンズ１０７の入射面におけるアーク像の位置調節動作およびロッドレンズ１０７の出射面上の輝度変化の説明図。 従来の投写型表示装置２００の概略構成図。 従来の投写型表示装置２００のロッドレンズ２０７の入射面の状態説明図。

符号の説明

１００ 投写型表示装置
１０１ 投写レンズ（投写光学系）
１０２ 表示パネル（ライトバルブ）
１０５ 光源
１０６ スクリーン
１０７ ロットレンズ
１０８ リレーレンズ
１０９ 輝度検知センサ（輝度検知手段）
１２０ 光変調素子
１２１ 可動ミラー
１２２ 基板

Claims (5)

1. 光源と、
   前記光源からの光を照明光に変調する照明光学系と、
   マトリックス状に配置された複数の可動ミラーを含み、前記光源からの光を前記照明光学系へ導く光変調素子と、
   前記ロッドレンズからの光を映像信号に応じた光学像に変調するライトバルブと、
   前記ライトバルブからの光を拡大投写する投写光学系とを備えた、
   投写型表示装置。
2. 前記照明光学系は、前記光源からの光を略均一化するロッドレンズを有している、
   請求項１に記載の投写型表示装置。
3. 前記ロッドレンズの出射面上の輝度を検知する輝度検知手段をさらに備えた、
   請求項２に記載の投写型表示装置。
4. 前記ロッドレンズからの光を前記ライトバルブへ導くリレーレンズをさらに備えた、
   請求項２または３に記載の投写型表示装置。
5. 前記可動ミラーの角度と高さとは、任意の値に可変である、
   請求項１から４のいずれかに記載の投写型表示装置。
   
   

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