JP2008040092A - プロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】照明光源のエネルギー効率が改善されると共に寿命が一層改良されたプロジェクタを実現する。
【解決手段】本発明では、照明光源としてレーザ光源（１）を用いる。レーザ光源は、エネルギー効率が高く、放電ランプに比べて一層長い寿命が得られる。しかし、レーザ光源から発生するレーザビームはコヒーレントな光ビームであるため、スペクトルパターンが発生してしまう。そこで、本発明では、マイクロミラー装置（５）によりレーザ光を非コヒーレントな散乱光に変換する。マイクロミラー装置から出射した散乱光は、照明ビームとして液晶パネル（１０）に入射し、液晶パネルから出射する映像光は投写レンズ（１１）を介してスクリーン（１２）上に拡大投影される。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明光源としてレーザ光源を用いるプロジェクタに関するものである。

光バルブ素子として液晶パネルを用いた投写型画像表示装置（プロジェクタ）が実用化されている（例えば、特許文献１参照）。このプロジェクタでは、照明光源としてハロゲンランプやメタルハライドランプが用いられ、これらバックライトから発生した照明光を液晶パネルに向けて投射し、液晶パネルから出射した映像光を投写レンズを介してスクリーン上に拡大投影している。スクリーン上にカラー画像を投影する場合、カラーフィルタを含む液晶パネルを用いる方式、ＲＧＢの３個の液晶パネルを用いる３板方式、マイクロレンズ−ダイクロイックミラー方式が実用化されている。

特開平２００３−２７９８８０号公報

液晶プロジェクタの照明光源であるハロゲンランプはフィラメントが点状であるため、投写型プロジェクタの光源として使用し易い利点がある。しかし、その寿命は５０〜５００時間程度であり、寿命の観点より改良が求められている。また、メタルハライドランプの寿命はハロゲンランプの寿命よりも長く２０００〜３０００時間程度であるが、メタルハライドランプについても寿命を一層改良することが要請されている。さらに、これらハロゲンランプ等は、エネルギー効率が低く、ランプから放出される熱量が大きいため、放熱対策が必要である。

本発明の目的は、照明光源のエネルギー効率が改善されると共に寿命が一層改良されたプロジェクタを実現することにある。

本発明によるプロジェクタは、レーザビームを発生するレーザ光源と、
複数のマイクロミラー素子を有し、各マイクロミラー素子が全体として一体的に高速回動し、入射したレーザ光を非コヒーレントな散乱光に変換するマイクロミラー装置と、
前記散乱光を、表示すべき画像情報に応じて光変調する光変調素子と、
光変調素子から出射する映像光をスクリーン上に拡大投影する投写レンズとを具えることを特徴とする。

本発明では、照明光源としてレーザ光源を用いる。半導体レーザは、ハロゲンランプやメタルハライドランプに比べてエネルギー効率が高い利点がある。しかも、レーザ光源の寿命は、メタルハライドランプよりもはるかに長い利点がある。従って、照明光源として半導体レーザ等の各種レーザ光源を用いれば、従来のプロジェクタの欠点が解消され、一層改善されたプロジェクタが実現される。

しかしながら、レーザ光源から発生する光はコヒーレントな光であるため、レーザビーム中にスペクトルパターンが発生し、そのままでは照明光源として利用することはできない。そこで、本発明では、マイクロミラー装置（デジタル ミラー デバイス：ＤＭＤ）を用い、コヒーレントなレーザ光を非コヒーレントな散乱光に変換する。一般的に、マイクロミラー装置は、各マイクロミラー素子が画像中の各画素を構成する画像表示装置として使用されている。一方、本発明者がマイクロミラー装置について種々の実験及び解析を行った結果、各マイクロミラー素子を個別に駆動するのではなく、マイクロミラー素子を全体として一体的に駆動することにより、入射したレーザ光が非コヒーレントな散乱光に変換されることが判明した。

すなわち、マイクロミラー装置の各マイクロミラー素子は、±１０°程度の角度範囲で往復回動ないし往復傾動するため、各マイクロミラー素子をビデオ信号に基づき個別に駆動すると、駆動信号に応じて回動するスイッチィング動作を行い、ビデオ信号に応じた画像を表示する。一方、各マイクロミラー素子を個別に駆動するのではなく、マイクロミラー素子を全体として一体的に高速駆動すると、各マイクロミラー素子のミラー面は、入射したレーザビームを一方向に高速振動させ、従って、マイクロミラー装置から散乱性の光ビームが出射する。また、各マイクロミラー素子は、その質量等がそれぞれ僅かに相違するため、画像表示装置として用いられる駆動周波数よりも高速な駆動周波数で駆動すると、各マイクロミラー素子のスィッチング状態がそれぞれ僅かに相違し、ランダムな状態で回動することが想定される。この結果、各マイクロミラー素子から出射する各反射光間の位相関係が維持されず、非コヒーレントな散乱光が発生する。マイクロミラー装置から出射する散乱性の光ビームは、スペックルパターンの無い均一な輝度の光ビームであり、干渉性のない非コヒーレントな光ビームであることが実験により確認されている。

上述した認識に基づき、本発明では、照明光源としてレーザ光源を用い、レーザ光源から出射したレーザ光をマイクロミラー装置により非コヒーレントな散乱光に変換し、当該散乱光を照明光として用いる。この結果、エネルギー効率が高く寿命の長いプロジェクタ用の照明光源が実現される。

本発明によるプロジェクタの好適実施例は、マイクロミラー装置と光変調素子との間に、散乱光に変換されなかったレーザ光を遮光する遮光マスクを配置し、レーザ光が前記光変調素子に入射しないように構成したことを特徴とする。マイクロミラー素子を全体として一体的に高速でスィッチングしても、零次光に相当する僅かな量のレーザ光が散乱光に変換されず、液晶パネルに入射する場合がある。散乱光に変換されなかったレーザ光が液晶パネルに入射すると、スペクトルパターンが発生し、スクリーン上に投影される画像の品質が低下してしまう。そこで、本発明では、マイクロミラー装置と液晶パネルとの間に遮光マスクを配置し、零次光に相当する光が液晶パネルに入射するのを防止する。この遮光マスクは、直径が１ｍｍ程度の円形の遮光パターンが形成された遮光マスクを用い、当該遮光マスクを設計した光路のビーム集束点に配置する。このような遮光マスクを用いるだけで、零次光に相当するレーザ光が十分に遮光され、散乱光だけを液晶パネルに入射させることが可能である。

本発明によるプロジェクタでは、照明光源としてレーザ光源を用いているので、エネルギー効率が高く寿命の長いプロジェクタが実現される。さらに、放熱対策等が不要になるので、構造的にも簡単化される。

図１は、本発明によるプロジェクタの一例の構成を示す線図である。照明光源として半導体レーザ１を用いる。本例では、半導体レーザとして白色レーザ光を放出する白色レーザを用いる。レーザ１から出射したレーザビームは、エキスパンダ光学系２により拡大平行光束に変換され、偏光ビームスプリッタ３に入射し、１／４波長板４を透過してマイクロミラー装置５の光入射面に垂直に入射する。マイクロミラー装置５は、２次元マトリックス状に配置され１４μｍ×１４μｍの矩形のアルミニウムの反射面を有する複数のマイクロミラー素子を具える。本発明では、各マイクロミラー素子を個別に駆動するのではなく、全体として一体的に高速で駆動し、画像表示を行うための駆動周波数よりも一層高速で駆動する。各マイクロミラー素子は、駆動信号により±１０°程度の角度範囲で往復回動ないし往復傾動するため、各マイクロミラー素子のミラー面に入射したレーザ光は発散性の散乱光として出射する。

各マイクロミラー素子の共振周波数は、各マイクロミラー素子間においてそれぞれ僅かな差異が存在するものと考えられる。このため、各マイクロミラー素子に同期して高周波数の駆動パルスが供給されても、各マイクロミラー素子の回動状態が各マイクロミラー素子毎にそれぞれ相違し、駆動パルスに対して各マイクロミラー素子がランダムな回動を行うことが想定され、また各マイクロミラー素子の回動速度や復帰速度も相違することが想定される。このランダムな回動により、各マイクロミラー素子のミラー面からの反射光間に位相のずれが生じてコヒーレンス性が維持されなくなり、マイクロミラー装置から非コヒーレントなスペクトルパターンの無い均一な輝度の散乱光が出射する。本発明では、マイクロミラー装置から出射するスペクトルパターンの無い散乱光を照明光として利用する。

マイクロミラー装置５から出射した光ビームは、１／４波長板４を透過し、偏光ビームスプリッタ３の偏光面で反射する。偏光ビームスプリッタ３の出射側にシリンドリカルレンズ６を配置する。このシリンドリカルレンズ６は、発散性の光ビームを平行光束に変換するものである。シリンドリカルレンズ６から出射した光ビームは、後段に配置した光変調器１０の光入射面に対応した矩形の開口を有するマスク７を通過する。

マスク７により整形された光ビームは、集束レンズ８及び遮光マスク９を経て光変調素子として機能する透過型の液晶パネル１０に入射する。遮光マスク９は、マイクロミラー装置５により散乱光に変換されなかったレーザ光を遮光する作用を果たす。すなわち、マイクロミラー装置の各マイクロミラー素子を高周波数で回動させても、散乱光に変換されなかった成分が若干残存する。そこで、集束レンズ８の集束点に遮光マスク９を配置し、残存する零次光に相当するレーザ光を遮光し、散乱光に相当する光だけを通過させる。遮光マスクの形態として、光軸が通過する部位に直径が１ｍｍ程度の遮光パターンが形成された遮光マスクを用いる。

本例では、液晶パネルは、カラーフィルタを含む透過型の液晶パネルとし、入力するビデオ信号に応じてカラー画像を形成する。液晶パネルから出射する映像光は投写レンズ１１に入射し、スクリーン１２上に拡大投影される。

図２は本発明によるプロジェクタの変形例を示す線図である。図１で用いた構成要素と同一の構成要素には同一符号を付して説明する。本例では、白色レーザの代わりとしてＲ，Ｇ，Ｂのレーザ光を発生する３個の半導体レーザ２１〜２３を用いる。尚、Ｒ，Ｇ，Ｂの半導体レーザから出射するレーザ光の各波長は、例えば６６０ｎｍ、５３０ｎｍ及び４４０ｎｍとする。半導体レーザ２１から発生する赤のレーザ光は、エキスパンダ光学系２４により拡大平行光束に変換され、赤の波長光を透過し緑の波長光を反射する第１のダイクロイックミラー２５を透過し、赤の波長光及び緑の波長光を透過し青の波長光を反射する第２のダイクロイックミラー２６を透過して偏光ビームスプリッタ３に入射する。半導体レーザ２２から出射した緑のレーザ光は、エキスパンダ光学系２７により拡大平行光束に変換され、第１のダイクロイックミラー２５で反射し第２のダイクロイックミラー２６を透過して偏光ビームスプリッタ３に入射する。半導体レーザ２３から出射した青のレーザ光は、エキスパンダ光学系２８により拡大平行光束に変換され、第２のダイクロイックミラー２６で反射し、赤及び青のレーザ光と合成されて偏光ビームスプリッタ３に入射する。

Ｒ，Ｇ，Ｂのレーザ光は合成されてマイクロミラー装置５に入射し、マイクロミラー装置により非コヒーレントな散乱光の照明ビームに変換される。このように、ＲＧＢの３個のレーザ光源を用いてスペクトルパターンの無い照明ビームを発生させることも可能である。

本発明は上述した実施例だけに限定されず種々の変形や変更が可能である。例えば、上述した実施例では、フロント型のプロジェクタについて説明したが、スクリーンの背面側から映像光を投写するリアプロジェクタについても適用される。
また、光変調素子として透過型の液晶パネルを用いたが、反射型の液晶パネルを用いることも可能である。
さらに、上述した実施例では、光変調素子としてビデオ信号に応じて画像を形成する液晶パネルで構成したが、種々の画像を投影することが可能である。例えば、パーソナルコンピュータから出力される静止画像情報を液晶パネルにより形成し、形成された静止画像をスクリーン上に投影することも可能である。また、液晶パネル以外の光変調素子を用いることができ、例えば光透過性フィルムに形成された画像を投影することも可能であり、表示すべき画像が形成された光透過性フィルムを光変調素子とすることも可能である。

本発明によるプロジェクタの一例を示す線図である。 本発明によるプロジェクタの変形例を示す線図である。

符号の説明

１，２１，２２，２３ 半導体レーザ
２，２７，２８ エキスパンダ光学系
３ 偏光ビームスプリッタ
４ １／４波長板
５ マイクロミラー装置
６ シリンドリカルレンズ
７ マスク集束レンズ８及び遮光マスク９
８ 集束レンズ
９ 遮光マスク
１０ 液晶パネル
１１ 投写レンズ
１２ スクリーン
２５ 第１のダイクロイックミラー
２６ 第２のダイクロイックミラー

Claims (4)

1. レーザビームを発生するレーザ光源と、
   複数のマイクロミラー素子を有し、各マイクロミラー素子が全体として一体的に高速回動し、入射したレーザ光を非コヒーレントな散乱光に変換するマイクロミラー装置と、
   前記散乱光を、表示すべき画像情報に応じて光変調する光変調素子と、
   光変調素子から出射する映像光をスクリーン上に拡大投影する投写レンズとを具えることを特徴とするプロジェクタ。
2. 請求項１に記載のプロジェクタにおいて、前記マイクロミラー装置と光変調素子との間に、散乱光に変換されなかったレーザ光を遮光する遮光マスクを配置し、コヒーレントなレーザ光が前記光変調素子に入射しないように構成したことを特徴とするプロジェクタ。
3. 請求項１又は２に記載のプロジェクタにおいて、前記レーザ光源は、白色のレーザ光を放出する白色レーザとし、前記光変調素子はカラーフィルタを含み、スクリーン上にカラー画像を投影することを特徴とするプロジェクタ。
4. 請求項１又は２に記載のプロジェクタにおいて、前記レーザ光源として、Ｒ，Ｇ，Ｂの３個の半導体レーザを用い、これら半導体レーザから出射したＲ，Ｇ，Ｂのレーザ光を合成して前記マイクロミラー装置に入射させることを特徴とするプロジェクタ。