JP2009031567A - 投写型表示装置および投写方法 - Google Patents

Abstract

【課題】明るさを向上することができる投写型表示装置および投写方法を提供する。
【解決手段】投写型表示装置３０は、光源３１とカラーホイール３５とを有している。カラーホイール３５は、光源３１から発せられた光を赤色光、緑色光および青色光を含む波長が異なる複数の色光として時系列的にそれぞれ透過させる赤セグメント３５４と緑セグメント３５５と青セグメント３５６とを含む複数の色セグメントを有するフィルタ３５１を備えている。赤セグメント３５４、緑セグメント３５５および青セグメント３５６を含む複数の色セグメントのうち少なくとも一つの色セグメントの厚みまたは屈折率は、他の色セグメントの厚みまたは屈折率と異なっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、カラーホイールを備えた投写型表示装置および投写方法に関する。

投写型表示装置における照明光学系は、画像表示装置の小型化に伴い、年々小型軽量化および高効率化が進んでいる。これらを満足させるためには、特に照明光学系の小型化は必須である。特に近年では、回転するモーターに赤、緑、青の光を選択的に透過させるカラーフィルタが取り付けられ、各色光を時系列的分割で取り出せる装置であるカラーホイールや、半導体メモリーセル上に各々の傾きが制御可能な数十万個のミラーエレメントを取り付けたＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を利用した時系列的光分割方式のＤＬＰ（Digital Light Processing）（登録商標）投写型表示装置が知られている。

特許文献１（特開２００６−２３５１４５号公報）において開示されるＤＬＰ投写型表示装置１０（図５参照）では、光源１１から出射した光（光路をＬＰで表す）は、リフレクタ１２で反射され、カバーガラス１３を介してカラーホイール１４に照射される。さらに、この照射光は、カラーホイール１４を透過し、ライトトンネル１５で均一化される。その後、均一化された光は、ミラー１６、コンデンサレンズ１７、コンデンサレンズ１８、ミラー１９、コンデンサレンズ２０を介して画像表示装置であるＤＭＤ２１へ照射される。照射光は、ＤＭＤ２１で反射された後、スクリーン上に投写される。ここで、ＤＬＰ投写型表示装置１０における光源１１からＤＭＤ２１までを照明光学系とする。
特開２００６−２３５１４５号公報

ＤＭＤの有効エリアに輝度の低い光が照射されることにより現れるスクリーン上の影の発生を防ぐため、ＤＭＤの有効エリアには各色光の明るい領域のみを照射しなければならない。しかし、色収差によって明るい光の照射エリアが各色によって変わってしまうため、各色光で最も狭いエリアの光をＤＭＤの有効エリアと一致させることが必須となる。例えば、ＤＭＤ上の照射エリアのサイズが赤＜緑＜青であった場合、赤の照射エリアをＤＭＤのサイズに一致させる必要がある。この場合、緑と青の光のエリアはＤＭＤの有効エリアよりも大きいため、緑と青の明るい光はＤＭＤの有効エリアの外に照射されることになる。ＤＭＤの有効エリア外に照射された光は、スクリーンに到達せず無駄な光となってしまう。

一般的に、ライトトンネルの光出射面から出射した光をＤＭＤに結像させるために用いられるコンデンサレンズに使用されているＢＫ７などの安価なガラス材は、分散が小さく色収差が少ない。そのため、特に色収差を改善するような対策は行われていない。しかし、コンデンサレンズの屈折率が小さいため、照明光学系の光路長が長くなり、照明光学系が大きくなってしまう。照明光学系の大きさを小さくするためには、屈折率の大きいガラス材を用いなければならないが、この場合には光の分散能が高い（アッベ数が低い）硝材のものが多い。そのため、大きな色収差が発生してしまう。これにより、ライトトンネルの光出射面の開口サイズの光は、ＤＭＤ上では照明光学系の倍率分のサイズで照射されるはずが、各色光によってＤＭＤ上の照射エリアのサイズが変わってしまう。したがって、ＤＭＤの有効エリア外に照射される無駄な光が多く発生する。この無駄な光は、色収差が大きいほど増加するため、スクリーン上の明るさ低下の原因となる。スクリーン上の明るさを向上させるためには、色収差を補正してＤＭＤ上で各色光の照射エリアを等しくしなければならない。これを満足させるには、色収差をなくす照明光学系の配置が必要となる。そのためには、コンデンサレンズで用いられているガラス材の材料とは違う色収差を抑える材料のレンズを追加する必要がある。しかし、照明光学系におけるレンズの追加は、照明光学系のサイズを大きくし、かつ部品数が増えてコストアップに繋がる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、コンデンサレンズの材料や配置を変えることなく色収差を改善することで明るさを向上することができる投写型表示装置および投写方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様の投写型表示装置は、光源と、光源から発せられた光を波長が異なる複数の色光として時系列的にそれぞれ透過させる複数の色セグメントを含むフィルタを備えている光分割手段と、を有し、複数の色セグメントのうち少なくとも一つの色セグメントの厚みまたは屈折率は、他の色セグメントの厚みまたは屈折率と異なっている。

本発明の一態様の投写方法は、光源から発せられた光を、光分割手段が有している複数の色セグメントに時系列的に入射させ、透過させて複数の色光とし、複数の色光の結像面を光屈折手段により調整する投写方法において、複数の色セグメントのうち少なくとも一つの色セグメントの厚みまたは屈折率は、他の色セグメントの厚みまたは屈折率と異なるものとし、光屈折手段を出射した複数の色光の結像面を等しくする。

本発明によれば、光分割手段のフィルタが有する複数の色セグメントのうち少なくとも一つの色セグメントの厚みまたは屈折率は、他の色セグメントの厚みまたは屈折率と異なっている。そのため、波長が短い色光を透過する色セグメントからの出射光の実質的な光路長と、波長が長い色光を透過する色セグメントからの出射光の実質的な光路長とをほぼ一致させることにより色収差が改善される。したがって、色収差を改善することで明るさを向上することができる投写型表示装置および投写方法を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

以下、説明を簡便にするため、カラーホイールのフィルタとして、光の三原色（赤、緑、青）を有した例を示すが、光の三原色の他、例えば、シアン、マゼンダ、イエローなど、光の三原色以外のフィルタを用いる場合であっても本願発明を適用できることは明白である。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る投写型表示装置の照明光学系を示す概略構成図である。投写型表示装置３０は、光源３１、リフレクタ３２、カバーガラス３３、ライトトンネル３４、カラーホイール３５、ミラー３６、コンデンサレンズ３７、コンデンサレンズ３８、ミラー３９、コンデンサレンズ４０およびＤＭＤ４１で構成されている。光源３１から出射した光線（図１において光路をＬＰ１で表す。）は、リフレクタ３２で反射され、カバーガラス３３を介して光の輝度分布を均一化する光均一化手段として機能するライトトンネル３４へ入射する。入射した光線は、ライトトンネル３４内で数回反射されて出射する。出射した光線は、光分割手段として機能するカラーホイール３５に入射する。カラーホイール３５を透過した光線は、ミラー３６、コンデンサレンズ３７、コンデンサレンズ３８、ミラー３９、コンデンサレンズ４０を介してＤＭＤ４１に照射される。ここで、ライトトンネル３４の光出射面とＤＭＤ４１の光入射面とは、結像関係にある。また、光屈折手段としてのコンデンサレンズ３７、３８、４０は、それらから出射される各色光の結像面を調整する機能を有する。

図２は、本発明に係る光出射面側のカラーホイールの構成図である。カラーホイール３５は、フィルタ３５１とモーター３５２とで構成されている。フィルタ３５１は、赤、緑、青の光三原色の光を含む波長が異なる複数の色光として時系列的に選択的に分割し、透過させる機能を有する。モーター３５２は、フィルタ３５１の中心に位置し、フィルタ３５１を回転させる。モーター３５２の中心を回転軸としてモーター３５２の周りをフィルタ３５１は一定周期で回転する。フィルタ３５１は、白セグメント３５３と、赤セグメント３５４と、緑セグメント３５５と、青セグメント３５６の４種類の色セグメントで構成されている。白セグメント３５３、赤セグメント３５４、緑セグメント３５５および青セグメント３５６は、白色光、赤色光、緑色光および青色光をそれぞれ透過させる。さらに、白セグメント３５３は、フィルタ３５１が赤色光、緑色光、青色光および白色光（透明光）として時系列的に透過させるためにフィルタ３５１に設けられている。白セグメント３５３を透過する白色光（透明光）によって、カラーホイール３５から出射する光の輝度を高めることができる。

各セグメントの厚みは、白セグメント３５３が０．７ｍｍ、赤セグメント３５４が１．０ｍｍ、緑セグメント３５５が３．０ｍｍ、青セグメント３５６が５．０ｍｍである。すなわち、赤セグメント３５４、緑セグメント３５５、青セグメント３５６の順に厚みが増している。この構成により、カラーホイール３５に入射した光は、赤セグメント３５４で屈折される赤光線よりも波長が短い青セグメント３５６で屈折される青光線の方が、カラーホイールから結像面までの光路長は長くなる。このとき、各セグメントの厚みが違うので、回転軸に対して各セグメントの重さが異なる。これにより、カラーホイールを回転させると、偏心による大きな振動が発生し、光路を乱して投写映像を悪化させる。そのため、回転バランスの調整用の錘（不図示）が、モーターの回転軸に近い位置に取り付けられている。

また、各セグメント３５３、３５４、３５５、３５６は同じ硝材を用いる。すなわち、各セグメント３５３、３５４、３５５、３５６の屈折率は等しい。

フィルタ３５１における各セグメントは、白セグメント３５３を起点として、反時計回りに青セグメント３５６、赤セグメント３５４、緑セグメント３５５の順に配置されている。しかし、この配置関係に限定されるものではない。つまり、以下の５つの各セグメントの配置にも変更することができる。（１）白セグメント３５３を起点として、反時計回りに緑セグメント３５５、赤セグメント３５４、青セグメント３５６の順に配置。（２）白セグメント３５３を起点として、反時計回りに赤セグメント３５４、緑セグメント３５５、青セグメント３５６の順に配置。（３）白セグメント３５３を起点として、反時計回りに緑セグメント３５５、青セグメント３５６、赤セグメント３５４の順に配置。（４）白セグメント３５３を起点として、反時計回りに赤セグメント３５４、青セグメント３５６、緑セグメント３５５の順に配置。（５）白セグメント３５３を起点として、反時計回りに青セグメント３５６、緑セグメント３５５、赤セグメント３５４の順に配置。

フィルタ３５１の光出射側表面に占める扇形の各セグメントの領域の中心角については、白セグメント３５３は７０°〜１２０°であるのが好ましい。さらに、赤セグメント３５４、緑セグメント３５５および青セグメント３５６は、それぞれ７０°〜１００°であるのが好ましい。
（第２の実施形態）
本実施形態の投写型表示装置は、第１の実施形態の投写型表示装置に対してカラーホイールのフィルタの各セグメントの厚みが同じ（３．０ｍｍ）構成である。さらに、フィルタにおける各セグメントの配置関係およびフィルタの表面に占める扇形の各セグメントの領域の中心角も第１の実施形態と同様である。白セグメント以外の赤、緑および青セグメントの硝材が第１実施形態と異なる（すなわち屈折率が異なる）構成である。

赤セグメント３５４、緑セグメント３５５および青セグメント３５６の硝材は、それぞれ、ＦＣ５、Ｅ−Ｆ２およびＴＡＦＤ３０（いずれもＨＯＹＡ株式会社製）である。各硝材に対応する屈折率は、赤セグメント３５４の硝材ＦＣ５の屈折率が１．４９、緑セグメント３５５の硝材Ｅ−Ｆ２の屈折率が１．６２、青セグメント３５６の硝材ＴＡＦＤ３０の屈折率が１．８８である。すなわち、赤セグメント３５４、緑セグメント３５５、青セグメント３５６の順に屈折率が大きくなっている。このとき、各セグメントの硝材が違うので、各セグメントの重さも異なる。第１の実施形態と同様に回転バランスの調整用の錘（不図示）が、モーターの回転軸に近い位置に取り付けられている。

次に、図３を用いて本発明の投写型表示装置の具体的な効果について説明する。

従来技術に対する本発明の投写型表示装置の効果を明確にするために、まず、従来の投写型表示装置の照明光学系について説明する。図３（ａ）に示すように全色（赤、緑、青）の色成分を持った光線が、カラーホイール６１に照射される。照射された光線のうち緑セグメントを透過した光線は、ライトトンネル６２、光学系６３を介してＤＭＤ６７に照射される。この光線を緑光線６５とする。ここで、図５のミラー１６、１９と、コンデンサレンズ１７、１８、２０とをまとめて図３（ａ）の光学系６３とする。緑光線６５においては、ライトトンネル６２の光出射面とＤＭＤ６７の光入射面とは結像関係にある。この像の周辺はぼやけることなく輪郭が明瞭な矩形になる。一方、カラーホイール６１の赤セグメントを透過した光線（赤光線６４）はＤＭＤ６７の光入射面よりも奥に、青セグメントを透過した光線（青光線６６）はＤＭＤ６７の光入射面の手前に結像する。よって、赤、青光線により形成されるＤＭＤ６７の光入射面上の像は周辺がぼやけてしまう。これは、軸上色収差が原因である。そのため、像のぼやけた周辺領域がＤＭＤ６７の有効エリア内に含まれないようにライトトンネルの開口面積を広くしなければならない。しかし、その場合、開口面積が広くなることにより照明光学系から発せられる光の照度は低下してしまう。

次に、本発明の第１の実施形態の投写型表示装置の照明光学系とその効果について、図３（ｂ）を参照して説明する。

ライトトンネル７１から出射した全色（赤、緑、青）の光線は、カラーホイール７２に照射される。カラーホイール７２の緑セグメントを透過した光線は、光学系７３を介してＤＭＤ７５に照射される。このとき、ライトトンネル７１の光出射面とＤＭＤ７５の光入射面とは結像関係にある。カラーホイール７２の赤セグメントを透過した光線もまた、光学系７３を介してＤＭＤ７５に照射される。ここで、従来のＤＭＤ６７上に結像しなかった赤光線は、青セグメントおよび緑セグメントより薄い厚みを有する赤セグメントを透過することにより、軸上色収差が補正される。そのため、結像点は従来の位置からＤＭＤ６７の光入射側に移動することで、赤光線は緑光線と同じ面上に結像する。青光線においても、緑セグメントおよび赤セグメントより厚い厚みを有する青セグメントを透過することにより、軸上色収差が補正される。そのため、結像点は従来の位置からＤＭＤ６７の光出射側に移動することで、青光線は緑光線と同じ面上に結像する。これにより、赤光線、緑光線および青光線は同一面上に結像する。このとき、赤、緑、青の光線においてライトトンネル７１から、ＣＬ１、ＣＬ２を組み合わせたときのレンズの主点から結像面までの距離をそれぞれｓ’_R、ｓ’_G、ｓ’_Bとし、フィルタ３５１の屈折率をそれぞれｎ_R、ｎ_G、ｎ_Bとし、フィルタ３５１の厚みをＴ_R、Ｔ_G、Ｔ_Bとし、ライトトンネル出射面から主点までの距離をｓとすると、

を満たすようにフィルタの厚み、屈折率が決定される。

上記方法を用いることにより、ＤＭＤ上に照射される光線のエリア（ライトトンネルの開口像）は、ぼやけることなく完全に一致させることができる。つまり、全色の光路長を同じにして、ＤＭＤ上の照射エリアを同じにすることが可能となる。この照射エリアのイメージを図４に示す。図４（ａ）は、従来の照明光学系におけるＤＭＤ上の光線照射エリアである。赤、緑および青の光線照射領域が重なったところが光線有効エリア８５（白光線）となる。しかしながら、赤および青の光線照射エリア８１、８３の周辺がぼやけてしまい、そのぼやけた光線照射領域が重なってもやはり領域周辺はぼやけてしまい、有効領域にはならない。そのため、有効領域として使用できるエリアは狭く、有効エリアと光線未照射エリア（影エリア）８４との間（ぼやけたエリア）に照射される光線は、スクリーンに到達しないため無駄な光となってしまう。これに対して、図４（ｂ）は、本発明の照明光学系でのＤＭＤ上の光線照射エリアである。赤、緑および青の光線照射領域が同じになるため（赤・緑・青光線照射エリア９１）、ぼやけた光線の部分が発生せず、ほとんどの光線をＤＭＤの有効エリアに照射できる。したがって、ＤＭＤの有効エリア外に照射されていた無駄な光線が有効エリア内に照射できることで、従来より約１〜３％明るさを向上することができた。

したがって、本発明の第１の実施形態のカラーホイールを搭載した投写型表示装置は、次の効果を発揮する。この投写型表示装置は、カラーホイールがライトトンネルの光出射面側に配置される照明光学系を有する。さらに、投写型表示装置は、光三原色として分割し透過させる各セグメントの厚さが異なるフィルタを有するカラーホイールを備えている。これにより、色収差を改善することができることで光三原色全ての光をＤＭＤ上に結像させることが可能となる。したがって、ＤＭＤの有効エリア内に照射することが可能となるため、明るさを向上することができる。

ＤＭＤの有効エリア外に照射される光が減少することにより、ＤＭＤの温度が低下する。これにより、ＤＭＤの寿命を延ばすことができる。

カラーホイールがライトトンネルの光出射面側に配置されることにより、ライトトンネルを通過した光のみ、つまり、ＤＭＤに到達する有効な光のみがカラーホイールに照射される。これにより、ライトトンネルの光入射面側にカラーホイールが配置されるときよりもカラーホイールに照射される光量が減少する。そのため、カラーホイールの寿命を延ばすことができる。

また、本発明の第２の実施形態の投写型表示装置は、カラーホイールがライトトンネルの光出射面側に配置される照明光学系を有する。さらに、この投写型表示装置は、光三原色として分割し透過させる各セグメントの硝材の持つ屈折率が異なるフィルタを備えたカラーホイールを有している。従来のＤＭＤ上に結像しなかった赤光線は、青セグメントおよび緑セグメントより小さい屈折率を有する赤セグメントを透過することにより、軸上色収差が補正される。そのため、結像点は従来の位置からＤＭＤの光入射側に移動することで、赤光線は緑光線と同じ面上に結像する。青光線においても、緑セグメントおよび赤セグメントより大きい屈折率を有する青セグメントを透過することにより、軸上色収差が補正される。そのため、結像点は従来の位置からＤＭＤの光出射側に移動することで、青光線は緑光線と同じ面上に結像する。これにより、赤光線、緑光線および青光線の結像面は等しくなる。したがって、第２の実施形態の投写型表示装置においても、第１の実施形態の投写型表示装置の上述の効果と同様の効果を得ることができる。

第１の実施形態においては全ての色セグメントの厚みが異なっており、第２の実施形態においては全ての色セグメントの屈折率が異なっているが、これらの実施形態に限定されることはなく、各色セグメントの厚みと屈折率のいずれか一方が異なるような構成にしても良い。

また、複数の色セグメントの各色セグメントを透過する色光の波長が近接しているような場合には、複数の色セグメントのうち少なくとも一つの色セグメントの厚みまたは屈折率が、他の色セグメントの厚みまたは屈折率と異なっているようにしても良い。この場合、該一つの色セグメントを透過する色光の波長が、該他の色セグメントを透過する色光の波長よりも短い、あるいは、長いときにも色収差が改善できる。

要するに、波長が短い色光を透過する色セグメントからの出射光の実質的な光路長と、波長が長い色光を透過する色セグメントからの出射光の実質的な光路長とをほぼ一致させることにより色収差が改善される。

また、従来の投写型表示装置（図５参照）においては、カラーホイールがライトトンネルの光入射面側に配置されていることにより、カラーホイールの光入射面で反射された光は光源に入射する。これによって光源内の温度が上昇することで、光源の寿命を低下させるという問題もあった。しかし、本発明の実施形態に係る投写型表示装置においては、カラーホイールがライトトンネルの光出射面側に配置されている。これにより、カラーホイールで反射される光が減少することで光源に戻る光が低減される。そのため、光源内の温度の上昇を防ぐことができることで、光源の寿命を延ばすことができる。

なお、本発明の実施形態に係るカラーホイールは、ライトトンネルとＤＭＤとの間に配置されている構成であるが、光源とライトトンネルとの間に配置されている構成にも本発明の主旨を逸脱することなく変更することができる。

本発明の実施形態に係る投写型表示装置の照明光学系を示す概略構成図である。 本発明に係る光出射面側のカラーホイールの構成を示す斜視図である。 （ａ）は、従来のカラーホイールを搭載した投写型表示装置の照明光学系の色収差を表す概念図である。（ｂ）は、本発明のカラーホイールを搭載した投写型表示装置の照明光学系の色収差を表す概念図である。 （ａ）は、従来の照明光学系におけるＤＭＤ上の光線照射エリアを示す概略図である。（ｂ）は、本発明の照明光学系におけるＤＭＤ上の光線照射エリアを示す概略図である。 従来のカラーホイールを搭載した投写型表示装置の照明光学系を示す概略構成図である。

符号の説明

３０ 投写型表示装置
３１ 光源
３４ ライトトンネル
３５ カラーホイール
３７、３８、４０ コンデンサレンズ
３５１ フィルタ
３５３ 白セグメント
３５４ 赤セグメント
３５５ 緑セグメント
３５６ 青セグメント

Claims (8)

1. 光源と、
   前記光源から発せられた光を波長が異なる複数の色光として時系列的にそれぞれ透過させる複数の色セグメントを含むフィルタを備えている光分割手段と、
   を有し、
   前記複数の色セグメントのうち少なくとも一つの色セグメントの厚みまたは屈折率は、他の色セグメントの厚みまたは屈折率と異なっている、
   投写型表示装置。
2. 前記複数の色セグメントは、厚みまたは屈折率がそれぞれ異なっている、請求項１に記載の投写型表示装置。
3. 前記複数の色セグメントの前記厚みは、波長の短い光を透過させる色セグメントほど厚い、請求項１または２に記載の投写型表示装置。
4. 前記複数の色セグメントの前記屈折率は、波長の短い光を透過させる色セグメントほど大きい、請求項１から３のいずれか１項に記載の投写型表示装置。
5. 前記フィルタは、赤セグメント、緑セグメントおよび青セグメントを有している、請求項１から４のいずれか１項に記載の投写型表示装置。
6. 前記フィルタは、前記光源から発せられた光を赤色光、緑色光、青色光および白色光に時系列的に透過させるための白セグメントを有している、請求項１から５のいずれか１項に記載の投写型表示装置。
7. 前記光源から発せられた光の輝度分布を均一化する光均一化手段を有し、
   前記光均一化手段は、前記光源と前記光分割手段との間に設けられている、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の投写型表示装置。
8. 光源から発せられた光を、光分割手段が有している複数の色セグメントに時系列的に入射させ、透過させて複数の色光とし、該複数の色光の結像面を光屈折手段により調整する投写方法において、
   前記複数の色セグメントのうち少なくとも一つの色セグメントの厚みまたは屈折率は、他の色セグメントの厚みまたは屈折率と異なるものとし、前記光屈折手段を出射した前記複数の色光の前記結像面を等しくする、
   投写方法。

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