JP2008204643A - ランプユニット、投写型表示装置及び投写型表示装置の製造方法 - Google Patents

ランプユニット、投写型表示装置及び投写型表示装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】小型化されたランプユニット及び小型な投写型表示装置を提供する。
【解決手段】本発明のランプユニットは、光源ランプ1と、光源ランプ1からの光を反射する楕円リフレクタ2と、楕円リフレクタ2の第1焦点3と第2焦点4との間であり、楕円リフレクタ2の開放端側に設けられたランプホルダ15とを有するランプユニット20において、ランプホルダ15に形成された保持孔15a内に保持された集光位置補正用凹レンズ12と、ランプホルダ15の内部に設けられた、集光位置補正用凹レンズ12を光軸に対して交差する方向に移動させて集光位置補正用凹レンズ12の位置の調整を行う凹レンズ移動機構13とを有する。
【選択図】図1

Description

本発明は投写型表示装置に用いるランプユニットに関し、特にランプユニットから発せられる光束の照明位置の調整ができるランプユニットに関する。さらには、当該ランプユニットを備えた投写型表示装置に関し、特にミラー投写光学系を有した投写型表示装置及び投写型表示装置の製造方法に関する。
従来から、デジタル・マイクロミラー・デバイス(以下、DMDと略称する)などの画像形成素子を用いて画像信号に対応した変調光束を形成して、その変調光束をスクリーン上に拡大投写する構成の投写型表示装置が、プレゼンテーションなどの目的で多用されている。
このように画像形成素子としてDMDを用いた投写型表示装置においては、ランプユニットから発せられた光をDMDに均一に照射するために中空のライトトンネルと呼ばれる光学素子や中実のロッドインテグレータと呼ばれる光学素子が用いられている。ランプユニットは、超高圧水銀灯からなるランプと、回転楕円面鏡であるリフレクタと、これらを保持しランプユニット全体として交換可能な形態にするランプハウジングと、で構成されている。
当該リフレクタの第1焦点にランプの発光部が配置され、当該リフレクタの第2焦点はライトトンネルあるいはロッドインテグレータの入射端面に配置される。その結果、ランプの発光部の像(アーク像)がライトトンネルあるいはロッドインテグレータの入射端面に結像される。ところが、ライトトンネルへの入射光(アーク像)はライトトンネルの光軸からずれてしまうことがあり、このように入射光がライトトンネルの光軸からずれると投写画像に輝度ムラが生じてしまう場合があった。このような問題を解決するために、ランプの発光部は、当該リフレクタの第1焦点に精密に配置することが必要となる。よって、ランプをリフレクタに取り付ける工程で、ランプの発光部が当該リフレクタの第一焦点に一致するように調整していた。さらに、この調整だけでは不十分であるので、ランプユニットを投写型表示装置に組み込む工程において、リフレクタごとその位置を調整する作業を行っていた。
図8に従来の集光位置補正機構の一例の構成図を示す。
ランプユニット120は前面が開放する楕円リフレクタ102と、楕円リフレクタ102の第1焦点に配置された光源ランプ101とを有する。楕円リフレクタ102の前面部にはホルダ115Aが装着されており、このホルダ115Aは、ホルダ115Bに対して集光位置補正機構106を介して保持されている。図8に示す例では上下方向を補正する集光位置補正機構106のみが図示されているが、左右方向(紙面に対して奥行き方向)の補正を行う集光位置補正機構106も備えている。集光位置補正機構106は、位置調整用ネジ107をねじ込む、あるいは緩めることによりランプユニット120全体を上下左右方向に移動させ、集光位置の補正を行う。同様の構成が例えば、特許文献1および特許文献2にも開示されている。
特開2003―330114号公報 特開2006−269170号公報
従来のDMDを用いた投写型表示装置は、ランプを楕円リフレクタに取り付ける工程において、楕円リフレクタの第1焦点にランプの発光部を正確に位置決めする必要がある。しかし、ランプをリフレクタの第1焦点に正確に位置決めして取り付ける工程は複雑であるのでコストアップ要因の1つとなっていた。また、正確に位置決めしたにもかかわらずランプ本体の製造誤差により、例えばランプの発光部が傾斜するなど、理想状態から外れることも多い。このようなランプの発光部の変動は、集光分布の偏りとして現れ、集光分布ピークがライトトンネルの入射面の中央に位置されないという問題が生じる。したがって、この偏りを補正するために、装置上での調整が必要不可欠であった。しかしながら、上述した従来の調整方法は、調整機構がリフレクタの外側に設けられるのでその分だけランプユニットが大きくなり装置の小型化が困難であった。
また、光利用効率は、照明光学系のFナンバーと投写光学系のFナンバーが一致したときに最大となるが、投写光学系として暗い光学系(Fナンバーが大きな光学系)を用いた場合、照明光学系のFナンバーを大きくすると楕円リフレクタの焦点距離を長くせざるを得ない。このため、光源からライトトンネルまでの距離が長くなり、装置が大きくなってしまう問題があった。特に、口径が小さなレンズやミラー光学系が採用される投写光学系は暗い光学系となるが、装置の小型化が要求されることから楕円リフレクタの焦点距離の増大は深刻な問題となる。
そこで、本発明は、小型化されたランプユニット及び小型な投写型表示装置を提供することを第一の目的とする。また、本発明は光源ランプをリフレクタの第1焦点に正確に位置決めして取り付ける工程を要しない投写型表示装置の製造方法を提供することを第二の目的とする。
上記第一の目的を達成するために本発明のランプユニットは、光源ランプと、光源ランプからの光を反射するリフレクタと、リフレクタの第1焦点と第2焦点との間であり、リフレクタの開放端側に設けられたランプホルダとを有するランプユニットにおいて、
ランプホルダに形成された保持孔内に保持された凹レンズと、ランプホルダの内部に設けられた、凹レンズを光軸に対して交差する方向に移動させて凹レンズの位置の調整を行う調整手段とを有することを特徴とする。
上記のとおり本発明のランプユニットは、凹レンズの位置を調整する調整手段によって、光源ランプが光軸に対してずれて取り付けられてしまった場合であっても所定の位置において好適な集光分布を得るように調整できる。さらに、調整手段はランプホルダの内部に設けられているので、調整手段を具備したことによってランプユニットが大型化することもない。また、本発明のランプユニットは、リフレクタの第1焦点と第2焦点との間に配置されたランプホルダ内に凹レンズを有する。このような位置に凹レンズを配置することで第2焦点での集光角度を浅くすることができる。これによりリフレクタの焦点距離を長くすることなくFナンバーを大きくすることができるため、暗い投写光学系を用いる場合でも投写型表示装置の小型化を図ることができる。
本発明のランプユニットの調整手段は、少なくとも1組のネジと弾性部材とを有し、弾性部材は凹レンズを挟んでネジに対向して配置されているものであってもよい。
本発明のランプユニットの凹レンズの直径は、リフレクタの開口部の直径よりも小さいものであってもよい。
本発明の投写型表示装置は、本発明のランプユニットと、第2焦点に集光された光束が入射し、入射した光束を均一な集光分布へと変換して出射させる集光分布変換手段と、集光分布変換手段から出射した光束を集光させる集光手段と、集光手段により集光された光束を画像情報に応じて変調して光学像を形成する画像形成素子とを有する。
本発明の投写型表示装置は、上述したように本発明のランプユニットが調整手段を備えていてもランプユニット自体が大型化することがないこと、さらには、リフレクタの焦点距離を長くすることなくFナンバーを大きくすることができることより、暗い投写光学系を用いる場合でも装置自体の小型化を図ることができる。
本発明の投写型表示装置の集光分布変換手段は、4面の反射鏡で構成されるライトトンネル、または矩形断面のロッドインテグレータであってもよい。
また、本発明の投写型表示装置は、画像形成素子がデジタル・マイクロミラー・デバイスであってもよい。
上記第二の目的を達成するために本発明の投写型表示装置の製造方法は、本発明の調整手段によって凹レンズの位置を調整することで光軸からずれた位置に配置された光源ランプからの光を集光分布変換手段の入射側の光軸上に集光させておく工程を含む。
このように本発明の投写型表示装置の製造方法は、凹レンズの位置を調整することで光源ランプが光軸からずれて配置されたことによる集光分布の偏りを補正することができる。このため、光源ランプをリフレクタの第1焦点に正確に位置決めして取り付ける工程を省略することができる。
本発明によれば、光源ランプからの光束を所定の位置において好適に集光させるための調整手段がランプホルダの内部に設けられているのでランプユニットを小型化することができる。また、本発明によれば、凹レンズにより第2焦点での集光角度を浅くしてFナンバーを大きくすることができるため、暗い投写光学系を用いる場合でも投写型表示装置の小型化を図ることができる。
また、本発明の投写型表示装置の製造方法によれば、凹レンズの位置を調整することで光源ランプが光軸からずれて配置されたことによる集光分布の偏りを補正することができるため、光源ランプをリフレクタの第1焦点に正確に位置決めして取り付ける工程を省略することができる。
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は本実施形態のランプユニットの側断面図であり、図2(a)はランプユニットの側面図であり、図2(b)は図2(a)のA−A線における断面図である。また、図3は、楕円リフレクタを用いた投写型表示装置の照明光学系の構成図である。
本実施形態のランプユニット20は、光源ランプ1と、前面が開放する楕円リフレクタ2と、楕円リフレクタ2の開放部に設けられたランプホルダ15と、ランプホルダ15内に保持された集光位置補正用凹レンズ12と、集光位置補正用凹レンズ12の位置を調整するための凹レンズ移動機構13とを有する。
また、本発明の投写型表示装置の照明光学系は、図3に示すように、ランプユニット20と、ライトトンネル5と、コンデンサレンズ8とを有する。
楕円リフレクタ2は、耐熱性ガラスからなる本体の内周面または外周面に反射膜(図示せず)を設けたガラス製リフレクタであり、第1焦点3及び第2焦点4を有している。楕円リフレクタ2の反射面は、第1焦点3に配置された光源ランプ1からの放射光をランプユニットの中心軸(楕円リフレクタ2の中心軸)の延長線上の第2焦点4に集光する方向に反射して楕円リフレクタ2の前面の開放部から前方に出射する楕円面に形成されている。
光源ランプ1は第1焦点3に配置されて白色光を発生し、例えば超高圧水銀ランプであってもよい。
凹レンズ移動機構13は、図2(b)に示すように、2本の送りねじ16とこれら送りねじ16のそれぞれに対向して配置された2本の押さえバネ17とを有する。一方の送りねじ16及び押さえバネ17の組は、ランプホルダ15のY軸上に配置され、他方の送りねじ16及び押さえバネ17の組は、Y軸に直交するX軸上に配置されている。これらX、Y軸は光軸Oに交差する方向の軸である。集光位置補正用凹レンズ12は、これら2組の送りねじ16及び押さえバネ17によって挟み込まれることでランプホルダ15の保持孔15a内にて保持されている。集光位置補正用凹レンズ12の位置調整は、各送りねじ16をねじ込む、あるいは緩めることにより上下左右方向、すわなち、光軸Oに交差する方向に移動させて行う。また、送りねじ16はランプホルダ15に形成された座繰り穴15b内に配置されているため、ランプホルダ15から送りねじ16の頭部が突出することはない。また、押さえバネ17もランプホルダ15内に埋設されている。このように本実施形態の凹レンズ移動機構13は、ランプホルダ15内に設けられているため、凹レンズ移動機構13を備えたことによってランプユニット20が大型化することはない。
集光位置補正用凹レンズ12は、所望の集光位置(光強度が一番強い部分)をライトトンネル5の入射側の開口部、あるいは開口部近傍であって光軸O上に集光させ、かつFナンバーを整合させるためのものであり、図3に示すように、光源ランプ1と楕円リフレクタ2の第2焦点4との間に配置されている。また、集光位置補正用凹レンズ12は、光源ランプ1とライトトンネル5の入射側開口部との間に配置されているともいえる。なお、集光位置補正用凹レンズ12の直径は楕円リフレクタ2の開口部の直径よりも小さいので、集光位置補正用凹レンズ12を用いてもランプユニット20が大型化することはない。
ライトトンネル5は、図4に示すように、4枚の平面反射鏡をそのミラーコート面5aが内側に来るような矩形開口面の筒形状に形成したものである。このライトトンネル5の矩形開口部の一端側は、楕円リフレクタ2の第2焦点4となる位置に配置させている。光源ランプ1から発した光線はライトトンネル5の開口部からその内部に入射する。ライトトンネル5に入射した光線は、ライトトンネル5の内部で反射を複数回繰り返し、ライトトンネル5の他方の矩形開口部からその外部へ出射する。その際、繰り返し反射をした光線成分が出口面で重ね合わさることによって、入射時には中央に大きなピークを持つ不均一な集光分布を均一な集光分布へと変換して出射する。同様の働きを持つ部品としてロッドインテグレータと呼ばれるものも存在する。ロッドインテグレータは4枚の平面ミラー組み合わせの矩形筒ではなく、矩形断面のガラス棒で構成される。このガラス棒に入射した光線はガラス棒内部で反射(全反射)を繰り返すことでライトトンネルと同じ効果を持たせることが可能となる。
コンデンサレンズ8は、矩形像(ライトトンネル出射面像)と映像表示デバイス9との双方を共役関係とする両者の間に配置されている。コンデンサレンズ8からの出射光は映像表示デバイス9を矩形形状で均一に照明し、不図示の投写光学系を介してスクリーン上に拡大投写される。投写光学系はレンズを用いないミラー光学系である。投写光学系はミラー光学系に限定されず、Fナンバーが大きないわゆる「暗い」投写光学系に特に有効である。なお、光均一化素子としてライトトンネル5を用いる場合、ライトトンネル5の入射側の開口部のほぼ中心に、光強度が一番強くなるように集光させる。
映像表示デバイス9は、DMDであってもよい。DMDは、画素相当数の極小のミラーが敷き詰められた光半導体デバイスであり、傾きが画像情報に基づいて制御された各ミラーに光源からの光を当てて反射させることにより、入射面に集光された光束の各原色光を同映像信号に対応してそれぞれ光変調する。映像表示デバイス9で変調された光は、不図示の投射レンズによってスクリーンに拡大投射され、スクリーン上に投影される。
ここで、第2焦点面における集光分布について図5及び図6―1ないし図6−3を用いて説明する。
図6−1に理想状態の第2焦点面における集光分布を示す。第2焦点における光線の集光分布は、中心部にピークを持つ分布となる。しかしながら、このまま光線を映像表示デバイス9の照明に用いると、中央部が明るく周辺部が暗い明るさが不均一な画像となってしまう。そこで、光の集光分布を均一にするため、上述したライトトンネル5が配置される。
ライトトンネル5を用いる場合、ライトトンネル5の入射側の開口部のほぼ中心に、光強度が一番強い部分を集光させる必要がある。ところが、前述したように個体差によって、楕円リフレクタ2の第1焦点3に光源ランプ1が配置されるように接合されても、ライトトンネル5の開口部中央に集光しない場合がある(図6−2参照)。すわなち、図5(a)に示すにように、発光光源(アーク)14が光軸Oに対してずれることなく配置されていれば良好な集光分布を得ることができるが、図5(b)に示すにように、光源部放電電極11が光軸Oに対してずれた状態では発光光源14も光軸Oに対して傾斜してしまい、開口部中央に集光しなくなってしまう。このような状態では、ライトトンネル5の入射側の開口部で光の損失が生じ、光利用効率が低下してしまう。
また、装置全体を小型にするため焦点距離が短い楕円リフレクタを用いると、照明光学系のFナンバーが小さくなるので、ミラー光学系のようにFナンバーが大きな投写光学系を有する装置では、照明光学系と投写光学系のFナンバーの非整合性により光利用効率が低下してしまう。
これに対して本実施形態の場合、ランプユニット20のランプホルダ15に、集光位置補正用凹レンズ12を配置することでこれらの課題を解決している。
第一に、個体差によって光源ランプ1の位置が光軸Oからずれて取り付けられしまったランプユニット20が製造された場合であっても、凹レンズ移動機構13の2つの送りねじ16を締め込む、あるいは緩めることによって集光位置補正用凹レンズ12を移動させ、ライトトンネル5の開口部側の光軸上、すわなち、ライトトンネル5の開口部側の中央に集光させることができる。このため、本実施形態のランプユニット20を用いることで図6−3に示すような第2焦点面における集光分布を得ることができる。このように、本実施形態の場合、光源ランプ1を楕円リフレクタ2に取り付ける工程において、楕円リフレクタ2の第1焦点3に光源ランプ1の発光部の正確な位置決めを要することがない。よって、本実施形態のランプユニットを用いることで、従来、コストアップの要因であった光源ランプを楕円リフレクタに正確に取り付けるという工程を省略することができる。
第二に、本実施形態の照明光学系30は、集光位置補正用凹レンズ12を光源ランプ1と楕円リフレクタ2の第2焦点4との間に配置していることで以下の効果を得ることができる。
光源ランプ1は楕円リフレクタ2の第1焦点3およびその近傍に配置されており、光源ランプ1から発せられた光は楕円リフレクタ2で反射されて第2焦点4に向かう。本実施形態の照明光学系の場合、第2焦点4の手前に集光位置補正用凹レンズ12を配置しているため、集光位置補正用凹レンズ12を通過した光は集光位置補正用凹レンズ12で発散作用を受ける。よって、光線の集光角度が小さくなるので照明光学系のFナンバーを実質的に大きくすることができる。
通常、集光角度を小さくするには、第2焦点を第1焦点3からできるだけ遠方に位置させることが必要である。そのためには光源ランプ1からの発散光を反射面に取り込むために楕円リフレクタ2の形状を大きく深くせざるを得ず、投射装置全体が非常に大型となってしまう。この点、本願発明における方法では、集光位置補正用凹レンズ12の直径は楕円リフレクタ2の開口よりも小さく、かつ、楕円リフレクタ2の焦点距離も短く、外形も小さなものを使用できるので投射装置全体は小さくすることができる。
第三に、集光位置補正用凹レンズ12を光源ランプ1と楕円リフレクタ2の第2焦点4との間に配置していることで光利用効率を高くすることができる。
一般に、楕円リフレクタ2を用いた方式の場合、FナンバーはFno=0.8前後となる。楕円リフレクタ2で反射された光はライトトンネル5を出射後、コンデンサレンズ8にて2〜3倍に拡大して映像表示デバイス9を照明する。その時の光線角度θ2はそのコンデンサレンズ8の倍率と関係し、映像表示デバイス9に入射する光線のFナンバーは上記計算のようにFno=1.6〜2.4程度である。その後、投写光学系に入射するが、その投写光学系のFナンバーはレンズを用いた光学系の場合、Fno=2.0〜3.3が一般的である。
光学系の明るさを示すのにFナンバーは、光学系の焦点距離と口径の比で表示され、以下の計算式の関係がある。以下、図3を参照しながらより具体的に説明する。
通常使用する楕円リフレクタ2の場合で、一例として第1焦点及び第2焦点をそれぞれf1=3mm、f2=65mmとする。楕円リフレクタ2で反射可能な最大の光線角度θ1=33°は、ライトトンネル5の出射光線角度と同じである。ここで、コンデンサレンズ8(倍率n=2)に入射すると、映像表示デバイス9に入射する角度θ2は下式(1)から
θ2=θ1/n=33/2=16.5° ・・・式(1)
となる。
ここで、
Fno=1/(2・tanθ)=f/d
θ=tan-1{d/(2・f)} ・・・式(2)
で表される式(2)に基づきF/を換算すると、
Fno=1/(2・tanθ)=1/(2・tan(16.5))=1.7
となり、投写結像系Fno=2.0〜3.3に対し、大幅に明るくなってしまう。つまり、照明光学系の余剰分光量は、投写光学系の絞りにおいて遮光することとなるので光利用効率が低下することとなる。
また、一般的なミラー方式の投写光学系においては、FナンバーはFno=3.0〜3.5であり、これに対して従来の一般的な照明光学系のFナンバーはFno=1.6〜2.4程度であるため、光利用効率が低い。
一方、本発明のランプユニット20は集光位置補正用凹レンズ12で集光角度を浅くすることで、照明光学系のFナンバーをFno=3.0〜3.5程度に大きく(暗く)することができる。これにより、照明光学系のFナンバーと投写光学系のFナンバーをほぼ一致させることができ、その結果、光利用効率を向上させることができた。
(投写型表示装置)
図7に本実施形態の照明光学系を備えたミラープロジェクタの外観図を示す。
ミラープロジェクタ40は、照明光学系30から出射され、映像表示デバイス9によって光変調された変調光を複数の反射ミラー43によってスクリーン41へ向けて反射(投射)し、該変調光をスクリーン41上に映像を映し出す。なお、本実施形態の照明光学系はミラープロジェクタ以外のプロジェクタ以外にも適用可能であることは言うまでもない。
本発明のランプユニットの側断面図である。 本発明のランプユニットの側面図及び図2(a)のA−A線における断面図である。 楕円リフレクタ方式による投写型表示装置の照明系の構成図である。 ライトトンネルの斜視概略図である。 電極ずれにより生じた光源と光軸のずれを説明する図である。 ライトトンネル入口の第2焦点面での理想状態の集光分布を示す図である。 光源と光軸のずれた状態におけるライトトンネル入口の第2焦点面での集光分布を示す図である。 光源と光軸のずれた状態を本発明のランプユニットにより補正した場合のライトトンネル入口の第2焦点面での集光分布を示す図である。 本発明の照明系を適用したプロジェクタの一例の外観図である。 従来の集光位置補正機構の一例の構成図である。
符号の説明
1 光源ランプ
2 楕円リフレクタ
3 第1焦点
4 第2焦点
4 平面ミラー
4 平面反射鏡
5a ミラーコート面
5 ライトトンネル
8 コンデンサレンズ
9 映像表示デバイス
11 光源部放電電極
12 集光位置補正用凹レンズ
13 凹レンズ移動機構
14 発光光源
15 ランプホルダ
15a 保持孔
16 送りねじ
17 押さえバネ
20 ランプユニット
30 照明光学系
40 ミラープロジェクタ
41 スクリーン
42 筐体
43 反射ミラー
O 光軸

Claims (7)

  1. 光源ランプと、前記光源ランプからの光を反射するリフレクタと、前記リフレクタの第1焦点と第2焦点との間であり、前記リフレクタの開放端側に設けられたランプホルダとを有するランプユニットにおいて、
    前記ランプホルダに形成された保持孔内に保持された凹レンズと、前記ランプホルダの内部に設けられた、前記凹レンズを光軸に対して交差する方向に移動させて前記凹レンズの位置の調整を行う調整手段とを有することを特徴とするランプユニット。
  2. 前記調整手段は、少なくとも1組のネジと弾性部材とを有し、前記弾性部材は前記凹レンズを挟んで前記ネジに対向して配置されていることを特徴とする請求項1に記載のランプユニット。
  3. 前記凹レンズの直径が、前記リフレクタの開口部の直径よりも小さいことを特徴とする請求項1または2に記載のランプユニット。
  4. 請求項1ないし3のいずれか1項に記載のランプユニットと、
    前記第2焦点に集光された光束が入射し、入射した前記光束の集光分布を均一な集光分布へと変換して出射させる集光分布変換手段と、
    前記集光分布変換手段から出射した前記光束を集光させる集光手段と、
    前記集光手段により集光された前記光束を画像情報に応じて変調して光学像を形成する画像形成素子とを有する投写型表示装置。
  5. 前記集光分布変換手段は、4面の反射鏡で構成されるライトトンネル、または矩形断面のロッドインテグレータであることを特徴とする請求項4に記載の投写型表示装置。
  6. 前記画像形成素子がデジタル・マイクロミラー・デバイスであることを特徴とする請求項5に記載の投写型表示装置。
  7. 請求項4ないし6のいずれか1項に記載の投写型表示装置の製造方法であって、
    前記調整手段によって前記凹レンズの位置を調整することで、前記光軸からずれた位置に配置された前記光源ランプからの光を、前記集光分布変換手段の入射側の光軸上に集光させておく工程を含む投写型表示装置の製造方法。
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