JP2008216840A - 投写型表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】2つの光源からの光束を合成したときに、その合成光束の光利用効率が高い投写型表示装置を提供する。
【解決手段】この投写型表示装置1は、第1光源3および第2光源4と、第1光源3からの第1光束を部分的に透過し、第2光源4からの第2光束を部分的に反射する反射透過手段13と、反射透過手段13からの光束を映像信号に応じた光学像に変換するライトバルブ19と、を備え、反射透過手段13は、その一方主面が反射面13aとされ、その他方主面が遮光面13bとされ、それら両主面間を貫通する複数の開口部13cを有し、前記第1光束を、開口部13cを通じて遮光面13b側から反射面13a側に透過させ、前記第2光束を、反射面13aにおいて前記第1光束の透過方向に反射させるものである。
【選択図】図1
【解決手段】この投写型表示装置1は、第1光源3および第2光源4と、第1光源3からの第1光束を部分的に透過し、第2光源4からの第2光束を部分的に反射する反射透過手段13と、反射透過手段13からの光束を映像信号に応じた光学像に変換するライトバルブ19と、を備え、反射透過手段13は、その一方主面が反射面13aとされ、その他方主面が遮光面13bとされ、それら両主面間を貫通する複数の開口部13cを有し、前記第1光束を、開口部13cを通じて遮光面13b側から反射面13a側に透過させ、前記第2光束を、反射面13aにおいて前記第1光束の透過方向に反射させるものである。
【選択図】図1
Description
この発明は、光源からの光束をライトバルブによって映像信号に応じた光学像に変換し、その光学像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。
大画面の映像を得るために、光源からの光束を小型のライトバルブによって映像信号に応じた光学像に変換し、その光学像を投写レンズによってスクリーン上に拡大投写する投写型表示装置が用いられている(特許文献1)。特許文献1では、2枚のレンズアレイ板で構成される光インテグレータを用いた照明光学系を、投写型表示装置のひとつである液晶プロジェクターに応用した場合の構成が示されている。また特許文献1では、2つの光源を用い、それら各光源からの光束をプリズムアレイ板を用いて合成する光学系が示されている。
上記の投写型表示装置では、各光源からの光束(円形光束)が前記プリズムアレイ板によって帯状に細分化され、それぞれの細分化された光束が一方向に交互に配列されることで、各光源からの光束が合成される。そのため、前記プリズムアレイ板を透過した合成光束の形状は、元の略円形光束に対して一方向の幅が2倍になった略楕円形となる。このため、前記プリズムアレイ板は、その長辺方向の長さがその短辺方向の長さの2倍の大きさが必要となる。また、前記プリズムアレイ板の後段に正レンズが配置される場合は、この正レンズについても、光源が1つの場合に比べてほぼ2倍の直径を有するものが必要となり、総じて大型の光学系を構成する必要が生じ、コスト面で不利となる欠点がある。
現在広く用いられている液晶パネルやDMD(ディジタルマイクロミラーデバイス)といったライトバルブは、その投写型表示装置の用途に応じて矩形形状のアスペクト比が4:3、5:4、16:9等と定められている。よって、2つの光源からの光束を合成した合成光束の横縦比が上記アスペクト比に近い方が、光利用効率を高くすることができると言える。しかし、特許文献1の投写型表示装置や、2つの光源が並列に配置されて各光源からの光束が繋げられて構成される投写型表示装置(特許文献2)では、その横縦比は2:1に近くなっており、光利用効率が低下するという欠点がある。
2つの光源からの光束を平行光束のまま取り扱う特許文献1,2の場合と異なり、2つの光源からの光束の光軸の角度を、光学素子(偏向部材)を用いて補正して合成する投写型表示装置もある(特許文献3)。この投写型表示装置では、各光源からの光束を相互に横に並べて合成するので、特許文献1,2の場合と同様に、合成光束の横縦比が2:1となり、光利用効率が低下するという欠点がある。また、2つの光源からの各光束が一カ所(集光点)に集中されて合成されるので、その集光点に配置される光学素子(偏向部材)には耐熱性の高い材料が必要となり、信頼性やコスト面でも不利となる欠点がある。
本発明は、上述のような問題を解消するためになされたもので、2つの光源を用いた投写型表示装置において、第1に、2つの光源からの光束を合成したときにその合成光束の光利用効率が高い投写型表示装置を提供すること、第2に、耐熱性において高い信頼性を確保できる投写型表示装置を提供すること、第3に、表示画像の明度の低下を抑制できると共に明度の均一性を保つことができる投写型表示装置を提供すること、第4に、低コストで構成できる投写型表示装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決する為に、本発明は、第1光源および第2光源と、前記第1光源からの第1光束を部分的に透過し、前記第2光源からの第2光束を部分的に反射する反射透過手段と、前記反射透過手段からの光束を映像信号に応じた光学像に変換するライトバルブと、を備え、前記反射透過手段は、その一方主面が反射面とされ、その他方主面が遮光面とされ、それら両主面間を貫通する複数の開口部を有し、前記第1光束を、前記開口部を通じて前記遮光面側から前記反射面側に透過させ、前記第2光束を、前記反射面において前記第1光束の透過方向に反射させるものである。
本発明によれば、第1光源からの第1光束を部分的に透過し、第2光源からの第2光束を部分的に反射する反射透過手段を備えており、この反射透過手段は、その一方主面が反射面とされ、その他方主面が遮光面とされ、それら両主面間を貫通する複数の開口部を有し、前記第1光束を、前記開口部を通じて前記遮光面側から前記反射面側に透過させ、前記第2光束を、前記反射面において前記第1光束の透過方向に反射させるので、第1光源と第2光源とを同時に点灯することで、反射透過手段により第1光束と第2光束とを合成でき、その合成光束の縦横比を元の単一の光源からの光束の縦横比(1:1)とほぼ同じにでき、これにより従来(従来の場合の縦横比2:1)と比べて光利用効率を高くできる。
また、その合成光束の縦横比を元の単一の光源からの光束の縦横比とほぼ同じにできるので、使用されるレンズの直径を大きくする必要がなく、低コストで構成できる。
また、第1光束および第2光束は、構造上、従来の様に一カ所に集光されないので、耐熱性の高い材料を使用する必要が無く、よって耐熱性に関する信頼性やコスト面で有利である。
実施の形態1.
この実施の形態に係る投写型表示装置1は、図1の様に、第1光源3および第2光源4と、第1光源3の後段に配置された第1光インテグレータ7と、第2光源4の後段に配置された第2光インテグレータ8と、第1光インテグレータ7の入射端面の前側に配置された第1カラーホイール9と、第2光インテグレータ8の入射端面の前側に配置された第2カラーホイール10と、第1光インテグレータ7の後段に配置された第1レンズ11と、第2光インテグレータ8の後段に配置された第2レンズ12と、第1レンズ11の後段且つ第2レンズ12の後段に配置された反射透過手段13と、反射透過手段13の後段に配置されたレンズ群15と、レンズ群15の後段に配置されたフィールドレンズ17と、フィールドレンズ17の後段に配置されたライトバルブ19と、ライトバルブ19の後段に配置された投写レンズ21とを備えている。
この実施の形態に係る投写型表示装置1は、図1の様に、第1光源3および第2光源4と、第1光源3の後段に配置された第1光インテグレータ7と、第2光源4の後段に配置された第2光インテグレータ8と、第1光インテグレータ7の入射端面の前側に配置された第1カラーホイール9と、第2光インテグレータ8の入射端面の前側に配置された第2カラーホイール10と、第1光インテグレータ7の後段に配置された第1レンズ11と、第2光インテグレータ8の後段に配置された第2レンズ12と、第1レンズ11の後段且つ第2レンズ12の後段に配置された反射透過手段13と、反射透過手段13の後段に配置されたレンズ群15と、レンズ群15の後段に配置されたフィールドレンズ17と、フィールドレンズ17の後段に配置されたライトバルブ19と、ライトバルブ19の後段に配置された投写レンズ21とを備えている。
第1,第2光源3,4は、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ等の第1,第2ランプ3a,4aと、第1,第2ランプ3a,4aからの光を集光して収束光束(第1,第2光束)に変換する第1,第2凹状面鏡(例えば楕円面鏡)3b,4bとを備えて構成されている。尚、図1中の符号c1は、第1光源3の光軸であり、符号c2は、第2光源4の光軸である。
第1,第2光インテグレータ7,8はそれぞれ、透明性部材により断面矩形の角柱形状に形成されており、その一方の端面である入射端面からその内部に第1,第2光源3,4からの光束を入射し、その入射光束をその内側面で内面反射させて、その他方の端面である出射端面から射出する。良く知られているように、第1,第2光インテグレータ7,8は、その入射端面が第1,第2光源3,4からの光束の集光点に配置されるのが光利用効率上好ましいので、この実施の形態の様に楕円面鏡3b,4bを備えた光源3,4、または放物面鏡とコンデンサレンズと組み合わされた光源と組み合わせて用いられるのが好適である。
第1,第2カラーホイール9,10は、単板ライトバルブ方式のカラー化によく用いられる光学部品であり、異なる分光透過特性(あるいは反射特性)を持った複数のダイクロイックミラーが回転モータの回転軸回りにモーターハブを介して円環状に配置されて構成されており、前記回転軸の回転により各ダイクロイックミラーを選択的に第1,第2光源3,4からの光束の光路上に配置することで、第1,第2光源3,4からの光束(白色光)を時間分割で所望の色光に変換する。
この実施の形態では、第1,第2光源3,4は共に同期して点灯し、第1カラーホイール9は第1光源3の点灯動作に同期して回転し、第2カラーホイール10は第2光源4の点灯動作に同期して回転する。これにより、第1,第2光源3,4からの光束は、第1,第2カラーホイール9,10により同時に同一の色光に変換されて後段に伝搬する。
第1レンズ11、レンズ群15およびフィールドレンズ17は、第1光インテグレータ7の出射端面とライトバルブ19の近傍とを互いに共役とする結像系を構成している。これらの光学要素11,15,17は全て、共通の光軸c3を有している。そして第1レンズ11とレンズ群15との間の空間に、第1光インテグレータ7および第1レンズ11の設計仕様によって定まる固有の光源像(以後、これを第1光源像群23と称する)が形成される様になっている。
第2光インテグレータ8および第2レンズ12は、別の共通の光軸c4を有しており、前述の第1光源像群23の近傍に、第2光インテグレータ8および第2レンズ12の設計仕様によって定まる固有の光源像(以後、これを第2光源像群24と称する)が形成される様になっている。
反射透過手段13は、第1光インテグレータ7からの光束(即ち第1光源3からの光束)を部分的に透過し、第2光インテグレータ8からの光束(即ち第2光源4からの光束)を部分的に、第1光インテグレータ7からの光束の透過方向(光軸c3方向)に反射するように構成されている。
より詳細には、反射透過手段13は、図2の様に、例えば矩形の板状に形成され、その一方主面が反射面13aとされ、その他方主面が遮光面13bとされ、それら両主面13a,13b間を貫通する複数の開口部13cを有して構成されている。各開口部13aは、それぞれ反射透過手段13の主面の短辺方向に延びた長方形状に形成されており、互いに反射透過手段13の主面の長辺方向に所定間隔をあけて並列する様に形成されている。この反射透過手段13は、第1レンズ11とレンズ群15との間の空間において、光軸3に対して所定角度傾いて配置されている。尚、ライトバルブ19は矩形に形成されており、反射透過手段13の主面の短辺方向は、ライトバルブ19の主面の短辺方向に一致する様に配置されている。
この構成および配置により、反射透過手段13は、第1光インテグレータ7からの光束を部分的に、開口部13cを通じて遮光面13b側から反射面13a側に透過させ、第2光インテグレータ8からの光束を部分的に、反射面13aにおいて、第1光インテグレータ7からの光束の透過方向(光軸c3方向)に反射させる様になっている。
この実施の形態では、第1,第2光源3,4は共に同期して点灯するので、反射透過手段13の開口部13cを透過した第1光インテグレータ7からの光束と、反射透過手段13の反射面13aで反射した第2光インテグレータ8からの光束とは、互いに合成して後段に伝搬する。それ故ここでは、反射透過手段13は、各光インテグレータ7,8からの各光束を合成する合成手段(合成ミラー)として機能している。
尚、反射透過手段13の開口部13cの形状や配置は、第1光インテグレータ7からの光束の強度分布の比較的強い部分が選択的に、各開口部13cを通じて透過される様に決定される。
より詳細には、以下の様にして決定される。図3は、反射透過手段13の主面13a(13b)に結像する光源像群23(24)を模式的に図示したものである。図中の複数の楕円領域23a(24a)は、個々の光源像の強度分布を模式的に示している。即ち、光源像群23(24)は、複数の光源像23a(24a)が、反射透過手段13の短辺方向(y方向)に対しては比較的間隔を詰める様にして、且つ反射透過手段13の長辺方向(x方向)に対しては比較的間隔をあける様にして、縦横に配列して構成されている(即ち光源像群23(24)は、光源像23a(24a)の密集部分と過疎部分とが縞状に交互に配置して構成されている)。尚、上記の密集部分が光束の強度分布の比較的強い部分に対応し、上記の過疎部分が光束の強度分布の比較的弱い部分に対応している。この疎密分布(強度分布)から、光源像23aの縦横数および各光源像23間の横縦方向のピッチを求め、それら横縦数およびピッチに基づいて開口部13cの形状および配置を決定する。
尚、通常、第1光インテグレータ7の断面形状はライトバルブ19の形状にほぼ相似な形状(例えば長方形)とするため、第1凹状面鏡3bにより集光される光束の光スポット(円形)が第1光インテグレータ7の断面の短辺に外接するように、当該装置1を構成するのが好適である。このとき、第1光インテグレータ7の断面の長辺方向には、光の強度分布の強弱が大きくなるため、光源像を観察した場合に図3のように離散的に分布しているように見えやすくなり、他方、第1光インテグレータ7の断面の短辺方向には、隣り合う光源像が密に配置することになる。これらを考慮すると、反射透過手段13の開口部13cは、図2のように、反射透過手段13の主面の短辺方向に延びた長方形であることが好ましい。
また図3中の楕円23bは、反射透過手段13上に形成された光源像群23の分布範囲を概略的に示したものである。この様に光源像群23の分布範囲が楕円となるのは、図1の様に、反射透過手段13が光軸c3に対して傾いて配置されることに基づいている。良く知られているように、楕円23bの形状やその中に形成される光源像23aの縦横数および各光源像23a間の横縦方向のピッチは、第1光源3、第1光インテグレータ7および第1レンズ11の設計仕様(例えば第1光源3の持つ集光角度、第1光インテグレータ7の断面寸法およびその光軸方向の長さ、第1レンズ11が有する収差および受光角度)に依存する。そのため、それらの設計仕様を変えることで、光源像23aの縦横数および各光源像23a間の横縦方向のピッチを、反射透過手段13の開口部13cの形状および配置に適する様に調整することも可能である。
第2光インテグレータ8および第2レンズ12の共通の光軸c4の角度は、第2光インテグレータ8からの光束の強度分布の比較的強い部分(光源像24aの縞状の密集部分)が選択的に、反射透過手段13の反射面13aにおいて、第1インテグレータ7からの光束の透過方向(光軸c3方向)に反射される様に設定される。
換言すれば、光軸c4の角度は、図4の様に、第2光インテグレータ8からの光束の強度分布の比較的強い部分(光源像24aの縞状の密集部分)が、反射透過手段13の反射面13a上において、第1光インテグレータ7からの光束の強度分布の比較的弱い部分(光源像23aの縞状の過疎部分)に重なる様に、光軸c2に対して所定角度傾いて設定される。
ここでは、各光源像群23,24の疎密の縞模様はほぼ同形同大なので、光源像群24が光源像群23に対して疎密方向の1ピッチ分だけずれる様に、光軸c4の角度を設定すればよい。
上記の様にして、第1および第2光インテグレータ7,8からの光束が反射透過手段13により合成されるが、その合成光束25は、図4の様に、第1光インテグレータ7からの光束の強度分布の比較的弱い部分(光源像23aの過疎部分)に、第2光インテグレータ8からの光束の強度分布の比較的強い部分(光源像24aの密集部分)が重畳されて、全体的に均一に比較的強い部分だけを有する強度分布となった光束となる。
尚、光源像23aの縦横方向のピッチの求めるには、例えば、第1光源3からの光束の入射角度が半角30度(即ちFナンバーがほぼ1)となるような第1凹状面鏡3bを用い、且つ第1光インテグレータ7の内部で、図3の光源像群23の様に、その断面の長辺方向で3回、その断面の短辺方向で5回、第1光源3からの光束が内面反射したとすると、反射透過手段13上に結像する各光源像23a間の横方向(第1光インテグレータ7の断面の長辺方向に対応する方向)のピッチは、それが等間隔であると仮定した場合には、角度に換算して約8.6度(60度÷7)と求める事ができる。他方、各光源像23a間の縦方向(第1光インテグレータ7の断面の短辺方向に対応する方向)のピッチは、約5.5度(60度÷11)と求める事ができる。実際には、計算機シミュレーションによって、設計された照明光学系に対して、反射透過手段13に結像する光源像23aの分布を精度良く求める事ができるので、その様に求めた光源像23aの分布から、反射透過手段13の開口部13cの最適な形状および最適な配置を容易に決定することができる。尚、開口部13cの形状は、図2の様な長方形だけでなく、図5(a)の様な長円形でもよく、図5(b)の様な少し外側に湾曲した長円形でもよい。開口部13cを2次加工で形成する場合は、図5(a)(b)の様に、開口部13cの両端が略円形になっていることが、加工が容易になる点で望ましい。尚、図5(a)(b)で、開口部13cの形状を長方形または少し外側に湾曲した長方形にしてもよく、図2で、開口部13cの形状を長円形にしてもよい。
反射透過手段13においては、図6の様に、その開口部13cを通じて第1光源3からの光束3cを透過させ、その反射面13aにおいて第2光源4からの光束4cを反射させる上で、いかに光損失を減らすかがポイントである。そのため、開口部13cの内周面13dは、第1光源3からの光束3cの透過方向に平行になる様に設定されている。これにより、第1光源3からの光束3cが開口部13cの内周面13dで損失する割合を減らすことができる。しかもこの様にしても、反射面13a上での光束4cの反射に対しては、光損失の点で全く問題はない。
反射透過手段13には、一般的なガラス基材に反射コーティングを施した表面ミラーを用いることができる。反射透過手段13は、第1光源3からの光束に対しては、複数の開口部13cが並んだ窓として作用し、第2光源4からの光束に対しては、反射ミラーとして作用すればよいので、反射透過手段13の基材として、ガラスの様な透明基材を用いる必然性はなく、プラスチックの様な樹脂性基材を用いても良いし、金属板を用いてもよい。金属板を用いた場合は、その金属板の表面に高反射の鏡面加工を施し、これに2次的加工で開口部13cを設けて、反射透過手段13を形成してもよい。尚、反射透過手段13により合成された合成光束の光損失をできるだけ小さくするためには、反射透過手段13の厚さをできる限り薄くする方が良い。また、開口部13cの内周面13dを反射面にすることも、光損失を軽減する上で好ましい。
反射透過手段13により合成された合成光束の光利用効率の程度の判定は、合成光束の光源像群25の形状や大きさが、元の単一の光源3からの光束の光源像群23のそれに対してどれ程近いかで判定することができる。というのは、投写型表示装置においては、投写レンズ21の瞳上に形成される光源像群の大きさと、投写レンズ21の瞳径とが同じ大きさである場合が、照明光学系と投写光学系との整合性が最も高く、光の利用効率も最大となるからである。
上記の様に、合成光束の光源像群25を、各光源3,4からの各光束の光源像群23,24を互いに疎密の縞模様の1ピッチ分だけずらして重畳して構成した場合に、合成光束の光源像群25の横幅W1が、図7の様に、元の単一の光源3からの光束の光源像群23の横幅W2よりも大きくなっても、その光源像群25の横幅W1に合わせて投写レンズ19の瞳径を大きく(従って投写レンズ19のFナンバを小さく)設計すれば、光利用効率の損失を最小限に抑制できる。
上記の様に反射透過手段13を用いて各光源3,4からの各光束を合成した場合は、図7の様に、その合成光束の光源像群25の横幅W1は、元の単一の光源3からの光束の光源像群23の横幅W2とほぼ同じ幅になるので、光利用効率の損失を最小限に抑制するための投写レンズ19のFナンバーの低減を高々数%に抑制でき、投写レンズ19のコストの上昇を容易に抑えることができる。
各光源3,4からの各光束の光源像群23,24を最適に合成するには(即ち、光損失が少なく且つ強度分布が均一な合成光束を合成するには)、反射透過手段13上の各光源像群23,24の分布の位置(即ち各光源像群23,24の重なり状態)および反射透過手段13の位置を最適に調整する必要がある。図8の様に、各光軸c3,c4間の狭角を角度αとし、反射透過手段13の法線c6と光軸c3との間の狭角を角度βとすると、これら角度α,βを調整することで、各光源像群23,24の分布の位置および反射透過手段13の位置を精度良く調整する事ができる。図8の様に、角度αが鈍角となり、角度βが鋭角となるように調整すれば、(1)反射透過手段13の配置を光軸c3に対して垂直な配置に近づける事ができ、且つ(2)反射透過手段13上に形成される各光源像群23,24の分布を互いに同形(ここでは円形)に近づける事ができる。上記(1)により、反射透過手段13の開口部13cの内周面13dの長さ(光軸c3方向の長さ)W3(図6)を短くでき、これにより開口部13cの内周面13dでの光損失を低減できる。また上記(2)により、各光源像群23,24間でそれらの疎密分布の縞ピッチ等を互いに揃える事ができ、これにより強度分布が均一な合成光束を合成する事ができる。
尚、各光源像群23,24の分布の位置を調整する別の方法として、各光源3,4の光軸c1,c2をそれぞれ各光インテグレータ7,8の光軸c3,c4に対して傾ける方法がある。図1では、第1光源3の光軸c1が第1光インテグレータ7の光軸c3に対して若干傾き、また第2光源4の光軸c2が第2光インテグレータ8の光軸c4に対して若干傾いている状態が示されている。このような配置によって反射透過手段13上の光源像群23,24の位置を精度よく調整することができる。この場合、各光源3,4の変位に応じて各カラーホイール9,10の配置を変えることが望ましい。例えば、光源3(4)とカラーホイール9(10)とを同一ステージに配置して互いの位置関係を固定し、そのステージ全体を傾けることで、光源3(4)の光軸c1(c2)を調整してもよい。勿論、設計段階で光源像群23,24の位置を予め特定できるので、投写型表示装置1内に設置する各要素の角度調整機構は、必要に応じて取捨選択することができる。
尚、上記のいずれの、各光源像群23,24の分布の位置の調整方法においても、各光インテグレータ7,8とライトバルブ19との間に配置されたレンズ系11,12,15,17の結像関係は、調整作業によって崩れることがないので、ライトバルブ19の照明において、照明領域と被照明領域がずれることによる光の損失の可能性は考慮しなくても良いと言える。
次に、図1に基づき、投写型表示装置1の動作を説明する。第1および第2光源3,4が同時に点灯されると、各光源3,4からの光束はそれぞれ、カラーホイール9,10,光インテグレータ7,8およびレンズ11,12を透過して反射透過手段13の遮光面13b,反射面13aに伝搬する。その際、各光源3,4からの光束はそれぞれ、カラーホイール9,10により時間分割で所望の色光に変換され、光インテグレータ7,8により明度が均一化される。
そして、反射透過手段13の遮光面13bに伝搬した第1光源3からの光束は、その強度分布の比較的強い部分(即ちその光源像群23の疎密分布の密集部分)が選択的に反射透過手段13の開口部13cを通じて透過する。これに併行して、反射透過手段13の反射面13aに伝搬した第2光源4からの光束は、その強度分布の比較的強い部分(即ちその光源像群24の疎密分布の密集部分)が選択的に反射透過手段13の反射面13aにより、第1光源3からの光束の透過方向に反射される。これにより、反射透過手段13により、第1光源3からの光束の強度分布の比較的弱い部分(即ち光源像群23の過疎部分)に、第2光源4からの光束の強度分布の比較的強い部分(即ち光源像群24の密集部分)が配置する様にして、各光源3,4からの光束が互いに合成される。この様に合成された合成光束は、図7の様に、その強度分布が均一で、且つその光源像群25の分布の形状が、第1光源3からの光源像群23の分布の形状とほぼ同じ形状に保たれた光束となっている。
そして、上記の様に合成された合成光束は、レンズ群15およびフィールドレンズ17を透過してライトバルブ19に均一照射され、ライトバルブ19により、映像信号に応じた光学像に変換される。その変換された光学像は、投写レンズ21により所定のスクリーンに拡大投写され、スクリーン上に大画面の映像として表示される。
尚、ライトバルブ19には、ディジタルマイクロミラーデバイス(DMD)や液晶デバイスなどの小型で高解像度のものが好適である。また、図示していないが、投写レンズには様々な形態のものを用いることができ、反射型のスクリーンを設置して前面投写型表示装置として構成することもできるし、透過型のスクリーンと組み合わせて背面投写型表示装置とすることもできる。
以上の様に構成された投写型表示装置1によれば、第1光源3からの第1光束を部分的に透過し、第2光源4からの第2光束を部分的に反射する反射透過手段13を備えており、この反射透過手段13は、その一方主面が反射面13aとされ、その他方主面が遮光面13bとされ、それら両主面13a,13b間を貫通する複数の開口部13cを有し、前記第1光束を、開口部13cを通じて遮光面13b側から反射面13a側に透過させ、前記第2光束を、反射面13aにおいて前記第1光束の透過方向に反射させるので、第1光源3と第2光源4とを同時に点灯することで、反射透過手段13により第1光束と第2光束とを合成でき、その合成光束の縦横比を元の単一の光源3からの光束の縦横比(1:1)とほぼ同じにでき、これにより従来(従来の場合の縦横比2:1)と比べて光利用効率を高くできる。
また、その合成光束の縦横比を元の単一の光源3からの光束の縦横比とほぼ同じにできるので、使用されるレンズ15,17,21の直径を大きくする必要がなく、低コストで構成できる。
また、前記第1光束および前記第2光束は、構造上、従来の様に一カ所に集光されないので、耐熱性の高い材料を使用する必要が無く、よって耐熱性に関する信頼性やコスト面で有利である。
また、前記第1光束の強度分布の比較的強い部分が反射透過手段13の開口部13cを通じて透過され、前記第2光束の強度分布の比較的強い部分が反射透過手段13の反射面13aにおいて反射されるので、各光源3,4からの光束が部分的に透過または反射されても、表示画像の明度の低下を抑制できると共に明度の均一性を保つことができる。
また、複数の開口部13cは、互いに所定間隔あけて並列配置され、それぞれ長方形または長円形に形成された複数の開口部13cにより構成されるので、前記第1光束および前記第2光束の各々の強度分布の比較的弱い部分と比較的強い部分とが縞状に交互に配置する場合に、効果的に、表示画像の明度の低下を抑制できると共に明度の均一性を保つことができる。特に、開口部13cを長円形に形成した場合(即ち開口部13cの両端を半円状に形成する場合)には、開口部13cを2次加工で形成する場合に、容易に開口部13cを形成できる。
尚、複数の開口部13cを、互いに所定間隔あけて並列配置し、それぞれ外側に湾曲された長方形または長円形に形成した複数の開口部13cにより構成した場合は、第1光束および第2光束の各々の強度分布の比較的弱い部分と比較的強い部分とが外側に湾曲する様に縞状に交互に配置する場合に、効果的に、表示画像の明度の低下を抑制できると共に明度の均一性を保つことができる。特に、開口部13cを外側に湾曲した長円形に形成した場合(即ち開口部13cの両端を半円状に形成する場合)には、開口部13cを2次加工で形成する場合に、容易に開口部13cを形成できる。
また開口部13cの内周面13dは、前記第1光束の透過方向に平行に形成されるので、第1光束が開口部13cの内周面13dで光損失する割合を低減できる。
また反射透過手段13は、第1光インテグレータ7の後段に配置された第1レンズ11の後段且つ第2光インテグレータ8の後段に配置された第2レンズ12の後段に配置されるので、反射透過手段13が光源3,4の発熱に晒されることを防止でき、反射透過手段13の材料選定や形状の精密加工の点で設計の自由度を増やせる利点がある。
また、第1光源3と第2光源4とが共に点灯することで、反射透過手段13により第1光束の透過光と第2光束の反射光とが合成されるので、光利用効率が高く、耐熱性に関する信頼性が高く、低コストで、第1光束と第2光束とを合成できる。
尚、この実施の形態1では、投写型表示装置1の主要な構成要素しか示しておらず、他の構成要素は本発明の目的を逸脱しない範囲で様々な仕様、形態をとり得ることは明らかである。例えば、第1および第2光インテグレータ7,8は、中空パイプ状をなして内面を反射面として構成するタイプのものと、ガラスのような透明材料で直方体を形成して、その内側面での全反射を利用するタイプのものに大別されるが、本発明ではどちらを用いても構わない。
また例えば図9の様に、各レンズ11,12とレンズ群15の間にそれぞれレンズ27,28を配置することで、後段に形成される光源像群の収差を小さくして合成効率をより高めることが可能となる。また各レンズ12,28間に反射ミラー29を更に追加することで、第2光源4(図示省略)の配置を大きく変更することが可能となる。これは、投写型表示装置全体をコンパクトにする上で効果的であるが、このような形態も勿論可能である。
一般に照明光学系の設計は、投写光学系に比べて設計の自由度が高く、難易度が低いため、図9の様に照明光学系内に付加的な反射ミラー29を配置して光路の折り曲げを行えば、2つの光源3,4の位置を投写型表示装置全体のレイアウトに適したものとすることも容易である。この際、反射透過手段13も単純なミラー要素で構成されているため、光路の折り曲げを検討するうえで非常に有利である。光路の折り曲げが柔軟に設計できるということは、例えば冷却風路設計に対しても有利であるし、ランプ3a,4aの交換構造やその配置の自由度が高められるという点でも有利である。
またこの実施の形態1では、主となる光源(第1光源3)と副となる光源(第2光源4)をそれぞれひとつずつ備える場合を示したが、各光源3,4が複数の反射鏡を有する構成や、複数のランプを有する構成を取っても構わない。
実施の形態2.
この実施の形態に係る投写型表示装置1Bは、図10の様に、上記の実施の形態1に係る投写型表示装置1において、第2光源4として例えばLEDや半導体レーザのような狭帯域の発光波長特性を有する単色光源を用い、且つ第2カラーホイール10を無くして、その代わりに、第2光源4と第2光インテグレータ8との間に、第2光源4からの単色光を効率よく集光して第2光インテグレータ8に導光するレンズ33を備えて構成されている。図10中、上記の実施の形態1と同一の機能を有する構成要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
この実施の形態に係る投写型表示装置1Bは、図10の様に、上記の実施の形態1に係る投写型表示装置1において、第2光源4として例えばLEDや半導体レーザのような狭帯域の発光波長特性を有する単色光源を用い、且つ第2カラーホイール10を無くして、その代わりに、第2光源4と第2光インテグレータ8との間に、第2光源4からの単色光を効率よく集光して第2光インテグレータ8に導光するレンズ33を備えて構成されている。図10中、上記の実施の形態1と同一の機能を有する構成要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
上記の実施の形態1において、第1および第2光源3,4として、特にメタルハライドランプや超高圧水銀ランプを用いた場合は、各光源3,4からの光の各色成分のうち赤成分の相対強度が低くなるため、RGB三原色の混色により白色を作り出す場合に、赤成分が不足気味になることが多い。こういう場合に、第1光源(主光源)3の赤色不足を補う意味で、第2光源(補助光源)4に赤色の単色光源を用いると、反射透過手段13により、第1光源3からの光に第2光源4からの赤色光が効率よく合成されて、第1光源3からの光の赤成分不足が解消される。
尚、第2光源4で用いる単色光源としては、第1光源3からの光に不足している色成分に応じて、上記の赤色光の他に例えば緑や補色のシアン等の単色光を発する単色光源を用いればよい。
実施の形態3.
この実施の形態に係る投写型表示装置1Cは、図11の様に、上記の実施の形態1に係る投写型表示装置1において、第1および第2カラーホイールを無くし、その代わりに、反射透過手段13とレンズ群15との間にコンデンサレンズ35,36,37を備えると共に、各コンデンサレンズ35,36間に単一のカラーホイール38を備えて構成されている。各コンデンサレンズ35,36の間には、第1光インテグレータ7の出射端面と共役な面が形成されている。図11中、上記の実施の形態1と同一の機能を有する構成要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
この実施の形態に係る投写型表示装置1Cは、図11の様に、上記の実施の形態1に係る投写型表示装置1において、第1および第2カラーホイールを無くし、その代わりに、反射透過手段13とレンズ群15との間にコンデンサレンズ35,36,37を備えると共に、各コンデンサレンズ35,36間に単一のカラーホイール38を備えて構成されている。各コンデンサレンズ35,36の間には、第1光インテグレータ7の出射端面と共役な面が形成されている。図11中、上記の実施の形態1と同一の機能を有する構成要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
この実施の形態では、各光源3,4からの光束を反射透過手段13で合成した後に、カラーホイール38で色変換する様になっている。
このような構成によれば、第1光源3と第2光源4とを同期させて点灯させ、その点灯に同期させて単一のカラーホイール38を回転させればよいので、制御システムに関しては、光源3,4の点灯に同期させて2つのカラーホイール9,10を回転させる上記の実施の形態1よりも簡単になる。
また、光源3,4から離れた場所にカラーホイール38が配置されるので、光源3,4からの光の集光スポットからの熱的な影響を、上記の実施の形態1よりも軽減できる。
以上、実施の形態1から3で応用例を含めた投写型表示装置の構成を説明したが、本発明の主眼は、照明光学系内に複眼のように形成される光源像の空間分布を利用して効率よく各光源3,4からの光を合成することである。具体的には、第1光源3によって形成される光源像の強度の強い部分と弱い部分を反射透過手段13によって空間的に分離し、弱い部分をある程度犠牲にして第2光源4からの光を効率よく合成することである。上記の実施の形態1の中で述べた種々の応用的な形態例は、上記の実施の形態2,3にも適用できることは言うまでもない。
実施の形態4.
上記の実施の形態1では、第1および第2光源3,4を同期して点灯させる場合で説明したが、第1および第2光源3,4のうち、一方の光源を主光源とし、他方の光源を、主光源の明度が所定値以下に低下したときに、主光源の代わりに点灯する予備光源として用いてもよい。
上記の実施の形態1では、第1および第2光源3,4を同期して点灯させる場合で説明したが、第1および第2光源3,4のうち、一方の光源を主光源とし、他方の光源を、主光源の明度が所定値以下に低下したときに、主光源の代わりに点灯する予備光源として用いてもよい。
その様にするには、上記の実施の形態1において、前記主光源の明度を検知する明度検知手段と、前記主光源を選択的に点灯させ、前記明度検知手段により前記主光源の明度が所定値以下になった事が検知された場合に、前記予備光源を選択的に点灯させる点灯切替手段とを更に備えさせればよい。
この様にすれば、一方の光源を選択的に点灯させ、一方の光源の明度が所定値以下になった事が検知された場合に、他方の光源を選択的に点灯させるので、光源の寿命を見かけ上長くできる。
また、一方の光源だけが点灯している場合でもライトバルブ19の照明の均一性は損なわれることがないため、画像品位を損なわずに投写することができる。例えば、第1光源3が使用頻度とともに明るさを減じた際にこれを検知して第2光源4に切り替え、見かけ上寿命の長い投写型表示装置を供することも可能である。
また、補助光源として廉価なハロゲンランプ等を用いれば、主光源が不点灯となった場合でも、即座に予備光源が点灯して画像が見えなくなるといった致命的な不具合も回避できる。
1,1B,1C 投写型表示装置、3 第1光源、3a 第1ランプ、3b 第1凹状面鏡、3c 光束、4 第2光源、4a 第2ランプ、4b 第2凹状面鏡、4c 光束、7 第1光インテグレータ、8 第2光インテグレータ、9 第1カラーホイール、10 第2カラーホイール、11 第1レンズ、12 第2レンズ、13 反射透過手段、13a 反射面、13b 遮光面、13c 開口部、15 レンズ群、17 フィールドレンズ、19 ライトバルブ、21 投写レンズ、23 第1光源像群、23a 光源像、23b 光源像の分布を概略的に示した楕円、24 第2光源像群、25 合成光束の光源像群、27,28 レンズ、29 反射ミラー、33 レンズ、35,36,37 コンデンサレンズ、c1,c2,c3,c4 光軸、W1 合成光束の光源像群の横幅、W2 第1光源からの光束の光源像群の横幅。
Claims (9)
- 第1光源および第2光源と、
前記第1光源からの第1光束を部分的に透過し、前記第2光源からの第2光束を部分的に反射する反射透過手段と、
前記反射透過手段からの光束を映像信号に応じた光学像に変換するライトバルブと、
を備え、
前記反射透過手段は、その一方主面が反射面とされ、その他方主面が遮光面とされ、それら両主面間を貫通する複数の開口部を有し、前記第1光束を、前記開口部を通じて前記遮光面側から前記反射面側に透過させ、前記第2光束を、前記反射面において前記第1光束の透過方向に反射させることを特徴とする投写型表示装置。 - 前記第1光束の強度分布の比較的強い部分が前記反射透過手段の前記開口部を通じて透過され、前記第2光束の強度分布の比較的強い部分が前記反射透過手段の前記反射面において反射されることを特徴とする請求項1に記載の投写型表示装置。
- 前記複数の開口部は、互いに所定間隔あけて並列配置され、それぞれ長方形または長円形に形成された複数の開口部により構成されることを特徴とする請求項2に記載の投写型表示装置。
- 前記複数の開口部は、互いに所定間隔あけて並列配置され、それぞれ外側に湾曲された長方形または長円形に形成された複数の開口部により構成されることを特徴とする請求項2に記載の投写型表示装置。
- 前記開口部の内周面は、前記第1光束の透過方向に平行に形成されることを特徴とする請求項1〜請求項4の何れかに記載の投写型表示装置。
- 前記第1光源および第2光源の各々の後段に配置された第1光インテグレータおよび第2光インテグレータと、
前記第1光インテグレータおよび第2光インテグレータの各々の後段に配置された第1レンズおよび第2レンズとを備え、
前記反射透過手段は、前記第1レンズの後段且つ前記第2レンズの後段に配置されることを特徴とする請求項1〜請求項5の何れかに記載の投写型表示装置。 - 前記第1光源と前記第2光源とが共に点灯することで、前記反射透過手段により、前記第1光束の透過光と前記第2光束の反射光とが合成されることを特徴とする請求項1〜請求項6の何れかに記載の投写型表示装置。
- 前記第1光源および第2光源のうち、一方の光源は白色光源であり、他方の光源は単色光源であることを特徴とする請求項1〜請求項6の何れかに記載の投写型表示装置。
- 前記第1光源および前記第2光源のうちの一方の光源の明度を検知する明度検知手段と、
前記一方の光源を選択的に点灯させ、前記明度検知手段により前記一方の光源の明度が所定値以下になった事が検知された場合に、前記他方の光源を選択的に点灯させる点灯切替手段と、
を備えることを特徴とする請求項1〜請求項6の何れかに記載の投写型表示装置。
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