JP2010091846A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】合成手段の端部近傍を通過する光を遮光することにより、光源ランプの温度上昇や迷光の発生を防ぐことが可能な投写型表示装置を提供する。
【解決手段】光を出射する第１の光源ランプ及び第２の光源ランプと、第１の光源ランプ及び第２の光源ランプから出射された光を合成する合成手段と、合成手段において合成された光を均一化する均一化素子と、均一化素子において均一化された光を変調する変調手段と、変調手段により変調された光をスクリーンに投写する投写光学系と、合成手段の均一化素子側の端部に隣接して設けられ、第１の光源ランプから出射された光を反射または吸収する遮光手段とを備える。
【選択図】 図８

Description

本発明は、スクリーン上に画像を投写する投写型表示装置に関し、より詳細には、複数の光源ランプを用いて高輝度な画像を投写する投写型表示装置に関するものである。

光源ランプを用いた投写型表示装置において、表示領域の大型化や高輝度化を実現するために、複数の光源ランプを配置する多灯式の構成が提案されている。多灯式の構成では、例えば、特許文献１（特開２００１−３５９０２５号公報）に示すように、２つの光源ランプが合成手段であるプリズムを挟んで配置されており、複数の光源ランプからの光が合成手段としてのプリズムの各面に各々入射され、その反射光が合成されることにより高輝度化を実現している。

特開２００１−３５９０２５号公報

しかし、プリズムの反射面上に集光された光は、反射面上において有限な大きさを持っていることから、特許文献１の光源装置のように、光源ランプからの光をプリズムの反射面前方に集光させると、プリズムの先端部分でロス光が発生し、他の光源ランプを温めたり、迷光が発生してしまうという問題がある。

そこで、本願発明は、合成手段の端部近傍を通過する光を遮光することにより、光源ランプの温度上昇や迷光の発生を防ぐことが可能な投写型表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る投写型表示装置は、光を出射する第１の光源ランプ及び第２の光源ランプと、第１の光源ランプ及び第２の光源ランプから出射された光を合成する合成手段と、合成手段において合成された光を均一化する均一化素子と、均一化素子において均一化された光を変調する変調手段と、変調手段により変調された光をスクリーンに投写する投写光学系と、合成手段の均一化素子側の端部に隣接して設けられ、第１の光源ランプから出射された光を反射または吸収する遮光手段とを備えるものである。

本願発明においては、合成手段の均一化素子側の端部に隣接して設けられ、第１の光源ランプから出射された光を反射または吸収する遮光手段を備えることにより、第２の光源ランプの温度上昇や迷光の発生を防ぐことが可能な投写型表示装置を提供することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る投写型表示装置の光学系の構成を概略的に示す図である。

図１に示されるように、実施の形態１に係る投写型表示装置は、光源ランプ４と、光強度均一化素子６（均一化素子）と、光源ランプ４からの光（以下、光束）を光強度均一化素子６に導くリレー光学系５と、照明光学系７（以下、リレー光学系７ともいう）と、反射型ライトバルブ（変調手段）としてのティジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）（登録商標）素子２と、照明光学系７により照明されたＤＭＤ素子２の被照明面（画像形成領域）２ｂの画像をスクリーン（図示せず）に投写する投写光学系３とを有している。照明光学系７は、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂに光束を照射するための光学系である。

光源ランプ４は、複数の光源ランプ（図中では第１の光源ランプ４１と第２の光源ランプ４２）から構成されており、例えば、白色光を出射する発光体４１ｂおよび４２ｂと、この発光体４１ｂおよび４２ｂの周囲に設けられた楕円面鏡４１ｃおよび４２ｃ（集光光学系）とから構成される。楕円面鏡４１ｃおよび４２ｃは、楕円の第１中心に対応する第１焦点から出射された光束を反射して、楕円の第２中心に対応する第２焦点に収束させる。発光体４１ｂおよび４２ｂは、楕円面鏡４１ｃおよび４２ｃの第１焦点近傍に配置されており、この発光体４１ｂおよび４２ｂから出射された光束は、楕円面鏡４１ｃおよび４２ｃの第２焦点近傍に収束される。楕円面鏡４１ｃおよび４２ｃに代えて放物面鏡を用いても良い。この場合には、発光体４１ｂおよび４２ｂから出射された光束を放物面鏡により略平行化した後、コンデンサレンズ（図示せず）により収束させればよい。また、楕円面鏡４１ｃおよび４２ｃに代えて放物面鏡以外の凹面鏡を用いることもできる。

楕円面鏡４１ｃおよび４２ｃの第２焦点近傍に集光された光束は、プリズム５１（合成手段）で光束を合成された後、レンズ５２、５３により再度光強度均一化素子６の入射面６ａに集光されるように導かれる。

光強度均一化素子６は、リレー光学系５により集光された光束を、当該光束断面内（すなわち、照明光軸７ａ上を進む中心光束に直交する平面内）における光強度を均一化する（すなわち、照度ムラを低減する）機能を有する。光強度均一化素子６としては、一般的に、ガラス又は樹脂等の透明材料で作られ、側壁内側が全反射面となるように構成された多角形柱状のロッド（すなわち、断面形状が多角形の柱状部材）、又は、光反射面を内側にして筒状に組み合わされ、断面形状が多角形のパイプ（管状部材）がある。光強度均一化素子６が多角柱状のロッドである場合には、透明材料と空気界面との全反射作用を利用して光を複数回反射させた後に出射端（出射口）から出射させる。光強度均一化素子６が多角形のパイプである場合には、内側を向く表面鏡の反射作用を利用して光を複数回反射させた後に出射口から出射させる。光強度均一化素子６は、光束の進行方向に適当な長さを確保すれば、内部で複数回反射した光が光強度均一化素子６の出射端６ｂの近傍に重畳照射され、光強度均一化素子６の出射端６ｂ近傍においては、略均一な強度分布が得られる。この略均一な強度分布を有する出射端６ｂから出射される光束を、リレーレンズ７１，７２及び第１ミラー７３、第２ミラー７４から構成されるリレー光学系７によって、ＤＭＤ素子２へと導き、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂを照明する。

ＤＭＤ素子２は、各画素に対応する可動式のマイクロミラーを多数（例えば、数十万個）平面的に配列したものであり、画素情報に応じて各マイクロミラーの傾角（チルト）を変化させるように構成されている。マイクロミラーの配列された面（すなわち、マイクロミラーが形成された基板の表面）を基準面とすると、ＤＭＤ素子２は、各マイクロミラーを基準面に対して一定の方向に角度α（例えば、１２度）だけ傾けることにより、入射光束を投写光学系３に向けて反射し、投写光学系３に入射した光束はスクリーン（図示せず）上の画像投写に利用される。また、ＤＭＤ素子２は、マイクロミラーを基準面に対して設けられた光吸収板（図示せず）に向けて反射し、光吸収板に入射した光束はスクリーン上の画像投写に利用されない。

図２は、光源４が形成する光源像４ｄ、光強度均一化素子６、及びＤＭＤ素子２の関係を概念的に示す模式図である。実施の形態１においては、リレー光学系７は光強度均一化素子６の出射端面６ｂとＤＭＤ素子２の被照明面２ｂとが光学的に共役な関係になるように構成されている。ここで、光源像４ｄの面積をＳ１とし、光強度均一化素子６の出射端面６ｂの面積をＳ３とし、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの面積をＳ２とする。また、図２においては、光源像４ｄの位置と、光強度均一化素子６の入射端面６ａの位置が異なるように離れて描かれているが、実際の装置においては、光源像４ｄの位置と光強度均一化素子６の入射端面６ａの位置とは略一致するように構成されている。光源像４ｄから出射される光束の立体角をΩ１とすると、光強度均一化素子６へ入射される光束の立体角もΩ１となり、光強度均一化素子６において角度が保存され、出射端面６ｂから出射される光束の立体角もΩ１となる。一方、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂにおける入射光束の立体角をΩ２とすると、それぞれの面積と立体角との積は一定に保たれる。即ち、Ｓ３×Ω１＝Ｓ２×Ω２が成立する。

図３に光強度均一化素子６の入射端面６ａにおける光束の分布を示す。光源ランプ４を１灯使用した場合、通常図３の（Ａ）のように入射端面６ａの中央付近にピークを持ち、周辺に向かって徐々に暗くなっていくような分布となる。また、図２に示したように、Ｓ３×Ω１＝Ｓ２×Ω２が成立するため、光強度均一化素子６の出射端面６ｂの面積Ｓ３には制約があり、図３の（Ａ）に示したように、光強度均一化素子６の入射端面６ａで光束を十分取り込むことができず、若干ロスが発生するように構成される場合が多い。

さらに、図３の（Ｂ）および（Ｃ）は光源ランプを２灯使用した場合における、光強度均一化素子６の入射端面６ａの光束の分布の例を示している。図３の（Ｂ）は、光強度均一化素子６の入射端面６ａにおいて、２灯の光源ランプ４１と４２で領域を分割した例である。また、図３の（Ｃ）は、光強度均一化素子６の入射端面６ａにおいて、２灯の光源ランプ４１と４２で角度を分割した例を示している。

２灯の光源ランプ４１と４２を合成する方法について説明する。図１において、２灯の光源ランプ４１および４２から出射した光束が楕円面鏡４１ｃおよび４２ｃの第２焦点近傍にプリズム５１を配置して、光束を合成する構成を取っている。第２焦点近傍にプリズム５１を配置することにより、プリズム５１を小型化することができるとともに、光束を合成する際のロスを減らすことが可能になる。

図１においては、プリズム５１を配置する構成を示したが、同様の効果をミラーを配置することにより実現することも可能である。

プリズム５１で折り曲げられた光束は、リレー光学系５におけるレンズ５２、５３によって、光強度均一化素子６の入射端面６ａ付近に再度集光されるように導かれる。なお、図１においては、２枚のレンズで構成したが、２枚に限定されるものではない。また、図４に示すように、レンズ５２と５３の間に折り曲げミラー５４を配置し、光路を折り曲げた構成等も可能である。このように折り曲げミラー５４を配置することにより、レイアウトの柔軟性を増すことが可能となる。

プリズム５１の配置について図５に示す。図５（Ａ）は光源ランプ４を１灯配置した場合で、通常光源ランプ４の光軸４ａと照明光学系７の光軸７ａは一致するように構成される。この場合、プリズム５１の反射面５１ｂの大きさを十分に確保することができるため、光路を折り曲げた場合でも光束をロスすることなく、折り曲げることが可能となる。

一方、図５の（Ｂ）に２灯の光源ランプ４１および４２を配置した場合のプリズム５１による光束を合成する場合を示している。２灯の光源ランプ４１および４２からの光束を、プリズム５１を用いて合成する場合、光源ランプ４１からの光束の反射面５１ｂと光源ランプ４２からの光束の反射面５２ｂは、光束の干渉を避けるために大きくすることが望ましいが、プリズム５１の大きさの制限により十分な大きさを確保することができない。そのために、２灯の光源ランプ４１と４２の光束をプリズム５１で合成する場合、ある程度の光束のロスは免れない。

一方、プリズム５１とリレー光学系５との間における光源ランプ４１の光軸４１ａおよび光源ランプ４２の光軸４２ａと、プリズム５１とリレー光学系５との間における照明光学系７の光軸７ａを一致させると、さらに光量のロスは大きくなるため、偏心量ｄ１およびｄ２を持って配置することになる。この偏心量ｄ１およびｄ２が大きくなると、光源ランプ４１および４２からのそれぞれの光束の干渉を回避することは容易になるが、プリズム５１付近での光束のロス量が大きくなる。そこで、偏心量ｄ１と光利用効率の関係についてシミュレーションで計算した結果を図６に示す。

図６において、光利用効率Ｂは、図５の（Ａ）に示したように、光源ランプ４の光軸４ａと照明光学系７の光軸７ａが一致した場合の光利用効率Ａに対する比で求めることとする。図５の（Ｂ）に示したように、光源ランプ４１の偏心量ｄ１が変化すると、光利用効率Ｂも変化する。図６より、偏心量ｄ１が０の時、プリズム５１において光束を十分に反射できる反射面５１ｂの大きさを確保することができないため、光利用効率Ｂは０．５５とかなり低下してしまう。さらに、偏心量ｄ１を０．５ｍｍとすると、光利用効率Ｂは０．６７と回復する。今回、シミュレーションを行った光学系においては、偏心量ｄ１が０．８−２．０ｍｍの時、光利用効率Ｂは０．７以上であり、特に偏心量ｄ１が１−１．５ｍｍの時、光利用効率Ｂが０．７３となり最も効率が良い結果となっている。

投写型表示装置１において、光源ランプ４を複数配置するということは、高輝度化を目的としているため、光利用効率Ｂが０．７を下回ると複数の光源ランプ４を採用した効果が極めて低くなってしまう。さらに、複数の光源ランプ４の合成部であるプリズム５１で光束をロスすると、それぞれのロス光が互いの光源ランプ４１または４２を温めあったり、ロス光が迷光となり不具合を生じるといった問題が発生する恐れがある。そこで、光利用効率Ｂが、０．７以上となるように偏心量ｄ１およびｄ２を決定するように構成することが望ましい。

さらに、プリズム５１近傍で発生するロス光の対策について説明する。図７からもわかるように、複数の光源ランプ４を合成する場合、プリズム５１近傍でのロス光の発生は免れない。ロス光４１ｅは図７にしめすように、プリズム５１の先端部分（光の進行方向）で発生する。このプリズム５１の先端部分で発生するロス光４１ｅをカットする部材の配置について検討した。図８は、プリズム５１の先端部分に反射板５４または吸収板５５（光遮断手段）を配置した構成を示している。反射板５４を配置した場合、ロス光４１ｅの反射板５４における反射光４１ｆは光源ランプ４１の方向に向かっていく。この反射光４１ｆが、光源ランプ４１の光源４１ｂを温めると光源４１ｂは寿命および発光効率が低下する恐れがあり、好ましくないため、反射板５４を配置した場合の性能についてシミュレーションで見積もった。

同じく、プリズム５１の先端部に吸収板５５を配置した場合についても、合わせて性能をシミュレーションで見積もった結果を表１に示す。なお、この時、偏心量ｄ１およびｄ２ともに１．５ｍｍで配置している。また、反射板５４および吸収板５５の長さは２ｍｍかつ板厚は１ｍｍであり、反射率および吸収率は理想的に１００％であるとした。表１における光利用効率は、反射板５４あるいは吸収板５５を配置しない場合を１とし、それに対しての相対値で示している。また、表１におけるロス光は、光源ランプ４１または４２をどちらか１灯点灯した場合に、互いの光源ランプの光源（第１の光源ランプ４１を点灯した場合は、第２の光源ランプ４２の光源４２ｂ）に到達する光束量について、反射板５４あるいは吸収板５５を配置しない場合を１とし、それに対しての相対値で示している。表１からわかるように、反射板５４あるいは吸収板５５を配置すると、ロス光がそれぞれ０．２４と０．１３まで減少し、非常に高い効果があることがわかる。また、光利用効率については吸収板５５の場合、０．９５と若干低下することがわかった。

さらに、反射板５４を配置した場合における、反射光４１ｆによる光源ランプ４１の光源４１ｂへの戻り光についてもシミュレーションを行った。その結果、光源ランプ４１を１灯点灯した場合に、光源４１の光源４１ｂに到達する戻り光の光束量について、反射板５４のない場合を１とすると、反射板５４を配置した場合の戻り光は１．０１となり、ほとんど影響がないことがわかった。

実施の形態１においては、反射板５４または吸収板５５を、プリズム５１の光強度均一化素子６側の端部に隣接して設けたことにより、光源ランプ４の温度上昇や迷光の発生を防ぐことができる。

また、実施の形態１において、反射板５４または吸収板５５を、プリズム５１の反射面５１ａと反射面５１ｂとの接続位置に設けたことにより、光源ランプ４の温度上昇や迷光の発生を防ぐことができる。

また、実施の形態１において、複数の光源ランプ４の集光点付近で光束を合成するように構成しているため、光利用効率が向上するとともに、装置の小型化が可能になる。

また、実施の形態１において、プリズム５１により光束を合成する構成としているため、コンパクトな光学系を提供することができる。

また、実施の形態１において、ミラーにより光束を合成する構成としているため、低コストな光学系を提供することができる。

さらに、実施の形態１において、光利用効率Ｂが０．７以上になるように構成しているため、ロス光の発生をさらに抑制することが可能となる。

さらにまた、実施の形態１において、光強度均一化素子６の管状部材でその内面の光束を反射させるように構成した場合には、照明光束により素子自身の加熱が生じにくくなり、光強度均一化素子６の冷却及び保持が簡単になる。

また、実施の形態１において、光強度均一化素子６を透明材料により四辺形柱状の部材で構成したので、光強度均一化素子６の設計が容易になる。

なお、多灯式の投写型表示装置において、複数の光源ランプからの光束を合成する方式としては、図３に示すように、合成する領域を複数の光源で分割する方式（図３（Ｂ））と、合成する光束の角度を複数の光源で分割する方式（図３（Ｃ））の大きく２種類に分類される。合成する光束の角度を複数の光源ランプで分割する方式は、複数の光源ランプからの光束が互いに干渉しないようにするために、配置が複雑になるという問題があり、後段の光学系における光束の拡がり角（光学系のＦナンバー）に合わせるために、特殊な光学系で構成する必要がある場合があるため、コスト高になることが多い。実施の形態１においては、合成する領域を複数の光源で分割する方式を採用しているため、特殊な光学系を用いることなく、低コストかつコンパクトに投写型表示装置を構成することが可能となる。
実施の形態２．
図９は、本発明の実施の形態２に係る投写型表示装置の光学系の構成示す図である。

図９において、光強度均一化素子６は複数のレンズ素子を平面的に配置したレンズアレイ６１および６２で構成している。実施の形態１と比較して、リレー光学系５の構成はレンズアレイ６２および６２に対応させ変更する必要がある。

本実施の形態２では、光強度均一化素子６を、複数のレンズ素子を平面的に配列したレンズアレイ６１および６２で構成することにより、照明光束の断面内の強度分布を均一にし、照度ムラを抑えることが可能となる。

変形例の説明．
上記説明においては、ライトバルブとしてＤＭＤ素子を用いた場合を説明したが、透過型あるいは反射型液晶表示素子のような他のライトバルブを用いても良い。

変形例の説明．
上記説明においては、２つの光源ランプを照明光学系の光軸に対して直角に配置した場合を説明したが、図１０に示すように、直角配置以外の構成でも良い。

本発明の実施の形態１に係る投写型表示装置を概略的に示す構成図である。 実施の形態１の光源面、光強度均一化素子及びＤＭＤ素子の関係を概念的に示す図である。 光強度均一化素子の入射端面における光束の分布を概念的に示した図である。 集光光学系にミラーを配置した場合の構成例を示した図である。 偏心量を確保した場合の配置を概念的に示した図である。 偏心量と光利用効率の関係を見積もった図である。 プリズム近傍におけるロス光の発生について概念的に示した図である。 プリズム近傍におけるロス光の対策について概念的に示した図である。 光強度均一化素子をレンズアレイで構成した例である。 光源ランプの配置例を示した図である。

符号の説明

１ 投写型表示装置、 ２ ＤＭＤ素子、 ３ 投写光学系、 ４ 光源ランプ、 ５ リレー光学系、 ５１ プリズム、 ５４ 反射板、 ５５ 吸収板、 ６ 光強度均一化素子、 ６ａ 入射端面、 ６ｂ 出射端面、 ７ リレー光学系。

Claims (9)

1. 光を出射する第１の光源ランプ及び第２の光源ランプと、
   前記第１の光源ランプ及び第２の光源ランプから出射された光を合成する合成手段と、
   前記合成手段において合成された光を均一化する均一化素子と、
   前記均一化素子において均一化された光を変調する変調手段と、
   前記変調手段により変調された光をスクリーンに投写する投写光学系と、
   前記合成手段の前記均一化素子側の端部に隣接して設けられ、前記第１の光源ランプから出射された光を反射または吸収する遮光手段とを備える投写型表示装置。
2. 前記第１の光源ランプと前記第２の光源ランプとは、前記合成手段を挟んで配置され、
   前記合成手段は、前記第１の光源ランプから出射した光を前記均一化素子に向かって反射する第１の反射面と、前記第２の光源ランプから出射した光を前記均一化素子に向かって反射する第２の反射面とを有し、
   前記遮光手段は、前記第１の反射面と第２の反射面とが接続する位置に配置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。
3. 前記第１の光源ランプ及び第２の光源ランプは、光を出射する光源と、当該光を集光する集光光学系とをそれぞれ有し、
   前記合成手段は、前記集光光学系が前記光源から出射した光を集光する位置に配置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。
4. 前記均一化素子において均一化された光を前記変調手段へと導く照明光学系の光軸と一致するように、前記第１の光源ランプから出射した光を前記均一化素子に向かい反射する反射手段を用いて前記第１の光源ランプを１灯点灯した場合における前記第１の光源ランプの光利用効率をＡとし、
   前記第１の光源ランプから出射した光が前記合成手段で合成される場合における前記第１の光源ランプの光利用効率をＢとすると、
   Ｂ＞０．７×Ａ
   となることを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
5. 前記合成手段は、プリズムであることを特徴とする請求項３に記載の投写型表示装置。
6. 前記合成手段は、ミラーにより構成されることを特徴とする請求項３に記載の投写型表示装置。
7. 前記均一化素子は、管状部材であって、その内面で光を反射するように構成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。
8. 前記均一化素子は、透明材料による多角柱状の部材であり、当該多角柱状の部材内部で光を反射するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
9. 前記光強度均一化素子は、複数のレンズ素子を配列したレンズアレイを有することを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。

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