JP2008003215A - 照明光学系および投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像形成素子上の画像形成領域と照明領域との位置合わせが可能な照明光学系と、それを備えた投写型表示装置とを提供する。
【解決手段】光源装置１から発せられた光をＤＭＤ２に導く照明光学系であって、光源装置１から発せられた光の輝度分布を均一化するライトトンネル２０と、輝度分布が均一化された光をＤＭＤ２に導くリレー光学系４０と、ライトトンネル２０とリレー光学系４０との間の光路上に配置された開口遮蔽板３０とを備え、開口遮蔽板３０は、ライトトンネル２０の出射端面２２よりも小さく、かつ、ＤＭＤ２上の画像形成領域と相似な開口部を有し、該開口部を含む平面内において移動可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源から発せられた光を画像形成素子によって光変調することによって画像光を形成し、形成された画像光をスクリーン上に拡大投写する投写型表示装置に関するものである。さらに詳しくは、上記投写型表示装置において、光源から発せられた光を画像形成素子に導く照明光学系に関するものである。

液晶パネルやＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）といった画像形成素子によって形成された画像光（画像）を拡大投写する投写型表示装置では、光源から発せられた光を照明光学系によって画像形成素子まで導いている。一般的な照明光学系は、光源から発せられた光の輝度分布を均一化するインテグレータと、インテグレータから出射された光を画像形成素子まで導くリレー光学系とを有し、必要に応じて、光源とインテグレータとの間にカラーホイールなどの色分離手段が配置される。

上記インテグレータは、一般的に「ロッド型インテグレータ」と「アレイ型インテグレータ」とに大別される。ロッド型インテグレータは、一端から入射した光をその内部で複数回反射させながら他端まで伝播することによって輝度分布を均一化させるものであって、内壁が反射面となった中空柱状の「ライトトンネル」と、中実柱状の「ロッドインテグレータ」とに、さらに分類される。一方、アレイ型インテグレータは、複数のレンズがマトリックス状に配置されたレンズアレイによって光束を分離および重畳することによって輝度分布を均一化させるものである。本明細書においては、特に区別しない限り、ロッド型インテグレータ（ライトトンネル、ロッドインテグレータ）とアレイ型インテグレータとを総称して「インテグレータ」と呼ぶこととする。

ここで、投写画像の輝度低下や影の発生などを防止するためには、画像形成素子の画像形成領域（有効領域）と、画像形成素子に対する照明光の照射領域（照明領域）とを正確に一致させる必要がある。しかし、設計上は有効領域と照明領域とが正確に一致していたとしても、実際の製造過程では、各種バラツキなどに起因して有効領域と照明領域との間にすれが生じることがある。例えば、インテグレータやリレー光学系を構成している光学素子の寸法、形状、光学特性などにバラツキが存在すると、これらを設計値どおりに配置したとしても有効領域と照明領域との間にずれが発生する。また、インテグレータや光学素子の寸法などにバラツキがない場合であっても、これらを配置する際の位置決め精度によっては、やはり有効領域と照明領域との間にずれが発生する。従って、照明光学系の製造にあたっては、必要に応じて有効領域と照明領域との位置合わせ（微調整）を行う必要がある。

有効領域と照明領域とを位置合わせする方法としては、インテグレータの出射端を変位させる方法やインテグレータと画像形成素子との間の照明光の光路中に配置されたミラーを変位させる方法がある。

また、ＤＭＤのような反射型の画像形成素子を用いる場合には、画像形成素子に対して斜めから照明光を入射させる必要があり、照明領域が略台形状に歪んでしまう。これは、スクリーンに対して斜めから画像を投写した際に投写画像が略台形に歪むのと同様の現象である。そこで、インテグレータと画像形成素子との間に配置される光学系によって、上記台形歪（キーストーン歪）を補正する技術が特許文献１に開示されている。

他方、特許文献２には、ロッドインテグレータの出射端面に、開口領域の周囲に反射領域が設けられた開口部材を配置し、画像形成素子の大きさに応じて開口部材を変更して、照明領域の大きさを調整する技術が開示されている。
特開２００４−４５７１８号公報 特開２００５−７０２７１号公報

上記従来技術によって、画像形成素子の有効領域と、画像形成素子に対する照明光の照明領域とを位置合わせすることには、次のような問題があった。まず、インテグレータの出射端を変位させる方法では、インテグレータの入射端も同時に変位してしまうので、インテグレータに入射する光の光軸がインテグレータの光軸からずれてしまう。入射光の光軸がインテグレータの光軸からずれると、投写画像に輝度ムラが発生する。

また、照明光の光路中に配置されているミラーを変位させると、該ミラーに照射されている光束の回転中心としてミラーを回動させない限り、照明光の光路長が変化してしまう。照明光の光路長が変化すると、照明光の収束点が画像形成素子表面よりも手前や奥にずれてしまい、投写画像の周辺部が暗くなる。

さらに、特許文献２に開示されている技術では、照明領域のサイズを変更することはできても、有効領域と照明領域との位置合わせを行うことはできない。

本発明の目的は、シンプルな構成によって有効領域と照明領域との位置合わせが可能な照明光学系と、それを備えた投写型表示装置とを提供することである。

本発明の照明光学系は、光源から発せられた光を画像形成素子に導く照明光学系であって、前記光源から発せられた光の輝度分布を均一化するロッド型インテグレータと、前記ロッド型インテグレータによって輝度分布が均一化された光を画像形成素子に導くリレー光学系と、前記ロッド型インテグレータと前記リレー光学系との間の光路上に配置された開口遮蔽板とを備えている。さらに、前記開口遮蔽板は、前記ロッド型インテグレータの出射端面よりも小さく、かつ、前記画像形成素子上の画像形成領域と相似な開口部を有し、該開口部を含む平面内において移動可能である。

前記開口遮蔽板は、前記開口部の中心を回転中心として回転可能でもあることが好ましい。また、前記回転中心を通り、かつ、前記平面と直交する第１の軸回りに回転可能でもあることが好ましい。また、前記回転中心を通り、かつ、前記平面と平行な第２の軸回りに回転可能でもあることが好ましい。また、前記開口部を通過する光の進行方向に沿って往復移動可能でもあることが好ましい。

本発明の投写型表示装置は、光源と、前記光源から発せられた光を画像信号に基づいて変調する画像形成素子と、前記画像形成素子によって変調された光を拡大投写する投写光学系とを有する投写型表示装置である。さらに、前記光源と前記画像形成素子との間の光路上には、前記光源から発せられた光の輝度分布を均一化するロッド型インテグレータと、前記ロッド型インテグレータによって輝度分布が均一化された光を前記画像形成素子に導くリレー光学系と、前記ロッド型インテグレータと前記リレー光学系との間に配置された開口遮蔽板とを備えた照明光学系が配置されている。この開口遮蔽板は、前記ロッド型インテグレータの出射端面よりも小さく、かつ、前記画像形成素子上の画像形成領域と相似な開口部を有し、該開口部を含む平面内において移動可能である。

本発明の投写型表示装置が備える前記開口遮蔽板は、前記開口部の中心を回転中心として回転可能でもあることが好ましい。また、前記回転中心を通り、かつ、前記平面と直交する第１の軸回りに回転可能でもあることが好ましい。また、前記回転中心を通り、かつ、前記平面と平行な第２の軸回りに回転可能でもあることが好ましい。また、前記開口部を通過する光の進行方向に沿って往復移動可能でもあることが好ましい。

本発明によれば、シンプルな構成によって有効領域と照明領域との位置合わせが可能な照明光学系と、それを備えた投写型表示装置とが実現される。

（実施形態１）
次に、本発明の照明光学系の実施形態の一例について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本例の照明光学系の構造を示す斜視図である。図２は、図１の照明光学系の構成部材の配置関係を示す模式的側面図である。

図１に示すように、本例の照明光学系は、光源装置１から発せられた光（照明光）を画像形成素子（ＤＭＤ２）に導くための光学系である。ＤＭＤ２は、照明光学系によって導かれた光を画像信号に基づいて光変調して変調光束を形成する。ＤＭＤ２によって形成された変調光束は、投写レンズ３を介して不図示のスクリーン上に拡大投写される。もっとも、ＤＭＤ２の構造やＤＭＤ２による光変調の原理などは公知であるので、ここでの説明は省略し、以下、本発明の特徴である照明光学系に関して詳細に説明する。

図１および図２に示されるように、本例の照明光学系は、光源装置１とＤＭＤ２との間に配置されるカラーホイール１０、インテグレータ（ライトトンネル２０）、開口遮蔽板３０、およびリレー光学系４０から構成されている。これら照明光学系の構成要素は、光源装置１、ＤＭＤ２および投写レンズ３とともに不図示のユニットベースに組み込まれて一体化され、光学エンジンを構成している。尚、ライトトンネル２０の入射端面２１を示すべく、図１では、カラーホイール１０の図示を省略してある。

カラーホイール１０は、複数のカラーセグメントを備えており、光源装置１から発せられた光（白色光）を少なくともＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色の色光に時分割する。光源装置１は、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプといった光源から発せられた光を集光して仮想的な２次光源を形成するリフレクタを備えており、カラーホイール１０は、上記２次光源が形成される位置（集光点）またはその近傍にカラーセグメントが位置するようにレイアウトされている。

ライトトンネル２０は、カラーホイール１０を透過した光（色光）が入射端面２１から入射するようにレイアウトされている。入射端面２１からライトトンネル２０内に入射した光は、該ライトトンネル２０内で反射を繰り返しながら出射端面２２に向けて進行し、その間に輝度ムラが低減する（輝度分布の均一化が図られる）。ここで、少なくともライトトンネル２０の出射端面２２は、ＤＭＤ２の有効領域と相似であることが好ましい。本例におけるライトトンネル２０は、その全長に亘ってＤＭＤ２の有効領域と相似な断面形状（長方形）を有し、入射端面２１も出射端面２２もＤＭＤ２の有効領域と相似である。

図３に示すように、開口遮蔽板３０は、ライトトンネル２０の出射端面２２よりも小さく、かつ、ＤＭＤ２の有効領域と相似な開口部３１と、該開口部３１の外側に延存する遮蔽部３２とを有する板状の部材である。この開口遮蔽板３０は、図２に示すように、ライトトンネル２０の出射端面２２とリレー光学系４０（第１のレンズ４１）との間に配置されている。よって、ライトトンネル２０の出射端面２２から出射した光のうち、開口部３１に入射した光は、該開口部３１を通過してリレー光学系４０に入射し、開口部３１からはみ出した光は遮蔽部３２によって遮蔽されリレー光学系４０には到達しない。すなわち、リレー光学系４０に入射する光の断面形状（光束断面形状）は、開口部３１の形状によって規定される。さらに、この開口遮蔽板３０は、所定方向に移動可能に保持されている。

ここで、開口遮蔽板３０の移動方向を説明するために、開口部３１の中心を原点Ｏとして、空間座標を図３のように定義する。すなわち、原点Ｏを通り、開口部３１を含む平面と直交する軸をＹ軸とする。また、開口部３１を含む平面内においてＹ軸と直交し、かつ、互いに直交する２軸をＸ軸、Ｚ軸とする。以上のように定義された空間座標内において、開口遮蔽板３０は、Ｚ軸に対して平行移動（上下移動）可能であるとともに、Ｘ軸に対しても平行移動（左右移動）可能である。換言すれば、開口遮蔽板３０は、開口部３１を含む平面（ＸＺ平面）内において上下左右に移動可能である。

開口遮蔽板３０を上記方向に移動可能に保持するための機構は特に限定されないが、図４にその一例を示す。図４に示すように、開口遮蔽板３０は、対向する一対の短辺部５１ａ、５１ｂおよび長辺部５２ａ、５２ｂからなる枠状ホルダ５０の内側に配置されている。短辺部１ａの内側面と対向する開口遮蔽板３０の外側面には、該短辺部５１ａを貫通するネジ５３の先端面が突き当てられており、短辺部５１ｂの内側面と、これに対向する開口遮蔽板３０の外側面との間にはコイルバネ５４が配置されている。また、長辺部５２ａの内側面と対向する開口遮蔽板３０の外側面には、該長辺部５２ａを貫通するネジ５５の先端面が突き当てられており、長辺部５２ｂの内側面と、これに対向する開口遮蔽板３０の外側面との間にはコイルバネ５６が配置されている。従って、開口遮蔽板３０は、短辺部５１ａおよび長辺部５２ａの方向に向けて常時付勢されており、ネジ５３、５５を進退させることによって、開口遮蔽板３０を上下左右に移動させ、かつ、移動後の位置で固定することができる。

枠状ホルダ５０には、上記のように開口遮蔽板３０が移動する際に該開口遮蔽板３０を案内するガイドピンやガイドレールなどの案内手段を設けることもできる。また、短辺部５１ｂや長辺部５２ｂの内側面および開口遮蔽板３０の外側面の双方または一方に突起を設け、該突起をコイルバネ５４、５６の内側に挿入することによって、コイルバネ５４、５６の脱落や位置ずれを防止することもできる。この場合、開口遮蔽板３０の移動に伴ってコイルバネ５４、５６が収縮したときに、開口遮蔽板３０の外側面と突起先端とが早々に干渉し、開口遮蔽板３０の移動量が所期の移動量以下に制限されることがないように、コイルバネ５４、５６および突起の全長やコイルバネ５４、５６のバネレートなどを規定することが望ましい。

尚、図３及び図４と図１及び図２とでは、開口遮蔽板３０における開口部３１と遮蔽部３２との面積比が異なっているが、これは作図の便宜上の理由に基づくものである。上記のとおり、開口部３１はライトトンネル２０の出射端面２２よりも小さく、遮蔽部３２は、開口部３１からはみ出した光を遮蔽するために必要十分な大きさを有している。

再び図１および図２を参照してリレー光学系４０について説明する。リレー光学系４０は、第１のレンズ４１、第２のレンズ４２、第３のレンズ４３、第１の反射ミラー４４、および第２の反射ミラー４５から構成され、開口遮蔽板３０を物体面、ＤＭＤ２を像面としている。従って、開口遮蔽板３０の開口部３１を通過した光がＤＭＤ２に照射されることは、開口遮蔽板３０の開口部３１が拡大されてＤＭＤ２に投影されることと等価である。つまり、ＤＭＤ２上の照明領域の形状は、開口部３１の形状と相似となる。

尚、リレー光学系４０に含まれている第１の反射ミラー４４および第２の反射ミラー４５は、光路を折り返して照明光学系全体を小型化する目的で配置された平面ミラーである。よって、第１の反射ミラー４４および第２の反射ミラー４５を省略しても上記光学特性に変化はない。

以上の構成を有する本例の照明光学系では、開口遮蔽板３０を上下左右に移動させることによって、ＤＭＤ２上の有効領域と照明領域とを位置合わせすることができる。すなわち、設計上は正確に一致しているはずの有効領域と照明領域との間にずれが生じ、有効領域の一部が照明されない、あるいは十分に照明されないような場合には、図４に示すネジ５３、５５を進退させて開口遮蔽板３０を上下左右に移動させることによって、ＤＭＤ２上の照明領域の位置を微調整し、有効領域と照明領域とを一致させることができる。

これまでは、開口遮蔽板３０が上下方向および左右方向の２方向に平行移動可能な場合を例にとって本発明の実施形態について説明してきた。しかし、開口遮蔽板３０の移動方向は上記方向に限定されるものでなく、上記方向とは異なる方向に移動可能とすることもできるし、移動方向を追加することもできる。例えば、開口遮蔽板３０を図３に示すＸＺ平面内で斜めに移動可能とすることもできる。開口遮蔽板３０を斜め移動可能とすれば、有効領域６０と照明領域６１とが図５（ａ）（ｂ）に示すように対角線方向にずれている場合にも、そのずれを補正して、両者を一致させることができる。

また、開口遮蔽板を図３のＹ軸回りに回転可能とすれば、図５（ｃ）に示すように、有効領域６０と照明領域６１とがＤＭＤ２の法線回りにずれている場合に、そのずれを補正して、両者を一致させることができる。また、図６に示すように、開口遮蔽板３０を図３のＸ軸を回転軸として回転可能とすれば、ＤＭＤ２に対して斜めから光を照射することに起因する照明領域の台形歪を補正することもできる。

また、開口遮蔽板３０を図３のＹ軸に沿って往復移動可能とすれば、フォーカス調整を行うことも可能である。すなわち、リレー光学系４０は、開口遮蔽板３０を物体面とし、ＤＭＤ２を像面として設計されている。しかし、何らかの原因によって、上記共役関係が成立していない場合には、開口遮蔽板３０をＹ軸に沿って進退させることによって焦点合わせを行うことができる。さらに、特定の軸を回転軸とするのではなく、図３に示す原点Ｏを回転中心として任意方向に回転可能とすることもできる。

尚、開口遮蔽板３０を斜め移動させたり、Ｙ軸回りに回転させたり、Ｘ軸を回転軸として回転させたり、その他の方向に回転や移動させたりする場合には、図４に示す枠状ホルダ５０をさらに第２のホルダによって保持し、枠状ホルダ５０ごと回転遮蔽板３０を斜め移動させたり、回転させたりすればよい。もっとも、上記移動や回転を可能とする開口遮蔽板３０の保持機構は特定の機構に限定されるものではない。

以上のように、本発明によれば、開口遮蔽板を移動させるだけで、画像形成素子上の有効領域と照明領域との位置合わせを行うことができる。さらに、開口遮蔽板の移動方向や回転方向を増やすことによって、画像形成素子上の照明領域の位置調整の自由度が拡大するばかりでなく、フォーカス調整や歪補正を実現することもできる。かかる本発明の作用効果は、インテグレータがライトトンネルであっても、ロッドインテグレータであっても同様である。従って、図１などに示すライトトンネル２０は、ロッドインテグレータに置換することもできる。また、画像形成素子は、ＤＭＤなどの反射型画像形成素子ではなく、液晶パネルなどの透過型画像形成素子であってもよい。

上記実施形態１で説明した照明光学系を含む光学エンジンその他の構成要素を外装ケースに収容することによって本発明の投写型表示装置を実現することができる。光学エンジンとともに外装ケース内に収容される構成要素は、必要に応じて取捨選択することができる。もっとも、一般的には、電源ユニット、各種入出力基板、制御基板、スピーカー、冷却用ファンなどは必要最小限の構成要素として収容される。

本発明の照明光学系の実施形態の一例を示す斜視図である。 図１の照明光学系の構成要素の位置関係を示す模式的側面図である。 開口遮蔽板の模式的拡大図である。 開口遮蔽板の保持機構の一例を示す模式的平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、有効領域と照明領域との位置ずれの異なる形態を示す模式図である。 開口遮蔽板を図３のＸ軸回りに回転させた状態を示す模式的側面図である。

符号の説明

１ 光源装置
２ ＤＭＤ
３ 投写レンズ
１０ カラーホイール
２０ ライトトンネル
２１ 入射端面
２２ 出射端面
３０ 開口遮蔽板
３１ 開口部
３２ 遮蔽部
４０ リレー光学系
４１ 第１のレンズ
４２ 第２のレンズ
４３ 第３のレンズ
４４ 第１の反射ミラー
４５ 第２の反射ミラー
５０ 枠状ホルダ
５１ 短辺部
５２ 長辺部
５３、５５ ネジ
５４、５６ コイルバネ
６０ 有効領域
６１ 照明領域

Claims (10)

1. 光源から発せられた光を画像形成素子に導く照明光学系であって、
   前記光源から発せられた光の輝度分布を均一化するロッド型インテグレータと、
   前記ロッド型インテグレータによって輝度分布が均一化された光を画像形成素子に導くリレー光学系と、
   前記ロッド型インテグレータと前記リレー光学系との間の光路上に配置された開口遮蔽板とを備え、
   前記開口遮蔽板は、前記ロッド型インテグレータの出射端面よりも小さく、かつ、前記画像形成素子上の画像形成領域と相似な開口部を有し、該開口部を含む平面内において移動可能であることを特徴とする照明光学系。
2. 前記開口遮蔽板は、前記開口部の中心を回転中心として回転可能であること特徴とする請求項１記載の照明光学系。
3. 前記開口遮蔽板は、前記回転中心を通り、かつ、前記平面と直交する第１の軸回りに回転可能であることを特徴とする請求項２記載の照明光学系。
4. 前記開口遮蔽板は、前記回転中心を通り、かつ、前記平面と平行な第２の軸回りに回転可能であることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の照明光学系。
5. 前記開口遮蔽板は、前記開口部を通過する光の進行方向に沿って往復移動可能であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の照明光学系。
6. 光源と、前記光源から発せられた光を画像信号に基づいて変調する画像形成素子と、前記画像形成素子によって変調された光を拡大投写する投写光学系とを有する投写型表示装置であって、
   前記光源と前記画像形成素子との間の光路上には、前記光源から発せられた光の輝度分布を均一化するロッド型インテグレータと、前記ロッド型インテグレータによって輝度分布が均一化された光を前記画像形成素子に導くリレー光学系と、前記ロッド型インテグレータと前記リレー光学系との間に配置された開口遮蔽板と、を備えた照明光学系が配置され、
   前記開口遮蔽板は、前記ロッド型インテグレータの出射端面よりも小さく、かつ、前記画像形成素子上の画像形成領域と相似な開口部を有し、該開口部を含む平面内において移動可能であることを特徴とする投写型表示装置。
7. 前記開口遮蔽板は、前記開口部の中心を回転中心として回転可能であることを特徴とする請求項６記載の投写型表示装置。
8. 前記開口遮蔽板は、前記回転中心を通り、かつ、前記平面と直交する第１の軸回りに回転可能であることを特徴とする請求項７記載の投写型表示装置。
9. 前記開口遮蔽板は、前記回転中心を通り、かつ、前記平面と平行な第２の軸回りに回転可能であることを特徴とする請求項７又は請求項８記載の投写型表示装置。
10. 前記開口遮蔽板は、前記開口部を通過する光の進行方向に沿って往復移動可能であることを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれかに記載の投写型表示装置。

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