JP2014102364A - 投写型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置内における光の損失を低減して効率的に画像を表示することが可能であると共に、装置の低コスト化にも適した投写型映像表示装置を提供する。
【解決手段】 白色光を放射する光源と、光源からの光を集光して出射するロッドレンズと、ロッドレンズの出射面の近傍に配置され、白色光のうち特定の色光を選択的に透過又は反射させる回転式色フィルタと、複数の画素を有し、画像信号に応じて入射光を変調するＤＭＤと、回転式色フィルタからの出射光を集光してＤＭＤに投射するための照明光を形成する照明光学要素と、ＤＭＤで形成された画像を投射する投射レンズと、回転式色フィルタの回転とＤＭＤによる画像表示が同期するように制御する制御装置とを備えた投写型映像表示装置において、回転式色フィルタは、その一部に、ロッドレンズの出射面からの光により発光面を形成し、照明光学要素は、回転式色フィルタ上の前記発光面と実質的に共役な関係に配置される。
【選択図】 図５

Description

本発明は、投写型映像表示装置に関する。

光源からの白色光を集光して発光面を形成し、当該発光面の近傍に回転型色フィルタを配置し、当該色フィルタからの出射光を集光して一枚の光変調素子に入射し、当該光変調素子で形成された画像を投射レンズによりスクリーン上に投射する投写型映像表示装置は、既に、以下の特許文献１により知られている。即ち、一枚の液晶パネルで３板式と同等の高解像度のカラー画像が得られることから、各パネル上の画素上に微細なカラーフィルタを設ける必要がなく、もって、液晶パネルの歩留まりの向上と、装置の低コスト化を可能にするものである。そして、回転型色フィルタの回転と液晶パネルによる画像表示が同期するように制御する制御装置は、フィルタの各色フィルタ間の境界線の通過に同期して、フィルタの回転方向に複数に分割して設定された液晶パネルの画像表示の状態をオフ状態との間で切り替えることにより、集光スポット（発光面）が隣接するカラーフィルタ間に跨る状態における混色の発生を防止している。

特許第４７１６５２８号

しかしながら、上記特許文献１に開示された投写型映像表示装置は、以下にも述べるように、なお本来の画像の表示に寄与する光の割合（効率）を向上する余地が残っている。

そこで、本発明は、上述した従来技術になる投写型映像表示装置に鑑みて成されたものであり、その目的は、更に、当該装置内における光の損失を低減することが可能であり、もって、より効率的に画像を表示して装置の低コスト化を可能にする投写型映像表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によれば、白色光を放射する光源と、前記光源からの光を集光して出射する集光光学素子と、前記集光光学素子の出射面の近傍に配置され、前記集光光学素子の出射面を出射する白色光のうち特定の色光を所定の順序で選択的に透過又は反射させるための複数種のフィルタを有する回転式色フィルタと、複数の画素を有し、画像信号に応じて入射光を変調して画像表示を行う光変調素子と、前記回転式色フィルタからの出射光を集光して前記光変調素子に投射するための照明光を形成する照明光学要素と、前記光変調素子で形成された画像を投射する投射レンズと、前記回転式色フィルタの回転と前記光変調素子による画像表示が同期するように制御する制御装置とを備え、前記回転式色フィルタは、その一部に、前記集光光学素子の出射面からの光により発光面を形成し、前記照明光学要素は、前記回転式色フィルタ上の前記発光面と実質的に共役な関係に配置されている投写型映像表示装置が提供される。

上述した本発明によれば、更に、当該装置内における光の損失を低減することが可能であり、もって、より効率的に画像を表示して装置の低コスト化を可能にする投写型映像表示装置を提供することが可能となる。

投写型映像表示装置の要部構成の一例を示した上面及び側面図。 投写型映像表示装置におけるカラーホイールＤＭＤのスポークタイムとの関係を説明する図。 スポークタイムを低減するための原理を説明するための図。 投写型映像表示装置におけるカラーホイール上での赤外成分光の反射を低減する原理を説明するための図。 投写型映像表示装置における照明光学要素の設計手法について説明する図。

以下、本発明の一実施の形態について、添付の図を参照しながら詳細に説明する。尚、以下の各図においては、同一部分には同一符号を付し、そして、以下の説明では、一度説明したものについては、重複を避けるため、その説明を省略する。

まず、図１は、本発明の一実施の形態になる投写型映像表示装置の要部構成の一例を示す上面図（図１（Ａ））、及び、側面図（図１（Ｂ））であり、ここでは、各図中には、ローカル右手直角座標系が導入されている。即ち、図１（Ａ）では、多重反射素子（ロッドレンズ）の長手方向をＺ軸、当該Ｚ軸に直交する面内において紙面に平行な軸をＸ軸、そして、当該紙面の裏から表に向かう軸をＹ軸とする。また、図１（Ｂ）では、上記Ｚ軸に直交する面内において前記紙面に平行な軸をＹ軸とし、そして、当該紙面表から裏に向かう軸をＸ軸としている。即ち、図１(Ａ)は投写型映像表示装置をＹ軸方向から見た上面図、そして、図１(Ｂ)は投写型映像表示装置をＸ軸方向から見た側面図である。

これらの図において、放電ランプ１とリフレクタ２は、白色光を放射するための光源を構成している。なお、放電ランプ１としては、例えば、超高圧水銀ランプ等を使用することができる。即ち、超高圧水銀ランプは白色光を効率良く放射し、かつ、その輝度は極めて高く、その放射光は。集光性に優れたリフレクタ２である鏡面により、効率良く集光することができる。より具体的には、このリフレクタ２は、第一焦点（短焦点）と第二焦点（長焦点）を持つ楕円（但し、半円）を回転した楕円回転面により構成されており、その内表面には、赤外線を透過すると共に可視光を効率良く反射する誘電体の多層膜を形成しており、第一焦点（短焦点）に配置された放電ランプ１から放射される光のうち、可視光成分を第二焦点（長焦点）に向けて反射する。

また、上述した光源のＺ軸方向の後方には、集光光学素子である多重反射素子（ロッドレンズ）１３が配置されており、上記放電ランプ１から射出した光は、リフレクタ２で捕獲・集光され、多重反射素子（ロッドレンズ）１３に入射する。この多重反射素子１３は、例えば、硝子の四角柱、又は、反射ミラーを４枚貼り合わせた中空の素子で構成されており、その入射面（図の左端部）は、上記楕円面鏡２の第二焦点（長焦点）、即ち、リフレクタで反射された可視光成分が集光する位置の近傍に配置されると共に、その射出面は、Ｘ軸方向に長く、Ｙ軸方向に短い形状をしており、そのアスペクト比は、以下に述べる光変調素子であるＤＭＤ１０のアスペクト比と同一となるように設定されている。即ち、多重反射素子１３の射出面のＸ軸方向の長さを「Ｃ」、Ｙ軸方向の長さを「Ｄ」、ＤＭＤ１０のＸ軸方向の長さを「Ｅ」、Ｙ軸方向の長さを「Ｆ」とすると、Ｃ/Ｄ＝Ｅ/Ｆを満たす。これにより、多重反射素子１３内で複数回反射した光線は、その射出面では、ＤＭＤ１０に相似で均一な強度の光分布となる。

多重反射素子１３の射出面近傍には、回転式の色フィルタであるカラーホイール４が配置されている。このカラーホイール４は、それぞれ、Ｒ(赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｃ（シアン）、Ｙ（黄）、Ｗ（白）の光のみを透過する６種類の扇状の透過型のカラーフィルタを、円周（回転）方向に順番に配置して構成され、かつ、その回転制御が可能な円盤状の色フィルタである。また、このカラーホイール４は、上記の６種類のカラーフィルタに代え、Ｒ(赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）からなる３種類のカラーフィルタでも実現することが出来るが、しかしながら、明るさを改善するために、上述した６色のカラーフィルタを用いたカラーホイール４を採用することが好ましい。

上述したカラーホイール４を回転することで、光源から出射した白色光は、時系列的に６色（Ｒ(赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｃ（シアン）、Ｙ（黄）、Ｗ（白）)の光に分解される。その後、このカラーホイール４から射出した光は、当該射出光を集光する照明光学要素を構成するリレーレンズ５、１２、８、更には、ＴＩＲプリズム９を介して、ＤＭＤ１０上に照射される。

ここで、上記照明光学要素を構成するリレーレンズ５、１２、８に働きについて述べると、まず、リレーレンズ５は、多重反射素子（ロッドレンズ）１３から射出してカラーホイール４を透過した光をリレーレンズ１２に集光することで、光の発散を防ぐ働きをする。リレーレンズ１２は、カラーホイール４の射出面で均一になった光分布を、ＤＭＤ１０の面上に拡大する働きをする。リレーレンズ８は、上記リレーレンズ１２からの光を略平行にする働きを持っている。そして、ＴＩＲプリズム９は、入射した光を全反射し、もって、ＤＭＤ１０へと導く。

ここで、ＤＭＤ１０は、個々の微小ミラーの傾きを制御できる２次元ミラーアレイからなる反射型光変調素子であり、各々のミラーの傾きはオン状態とオフ状態の２種類の状態をとる。このＤＭＤ１０に照明光を当てた場合、オン状態の微小ミラーは照明光を投写レンズ１１に向けて反射し（以下、「オン光」と呼ぶ）、オフ状態の微小ミラーは照明光を投写レンズ１１外に反射する（以下、「オフ光」と呼ぶ）。即ち、オン光のみが、投写レンズ１１を介して、例えば、スクリーン等の上に拡大投写されることとなる。

また、ＤＭＤ１０の微小ミラーの各々が、投写画像の最小構成要素（画素）に対応しており、オン状態の微小ミラーに対応する画素は白く、オフ状態の微小ミラーに対応する画素は黒く投写される。また、オン状態の時間を変化させることにより、投射される映像に階調を持たせることが出来る。即ち、各微小ミラーのオン状態の時間を制御することで、映像表示を行う。

このＤＭＤ１０は、図に符号１００で示す制御装置（例えば、マイコンやメモリにより構成される）により、上述したカラーホイール４の回転と同期が取られており、これにより、カラーホイール４の各色光毎に画像信号に基づいた画像を表示すると共に、ＴＩＲプリズム９から入射した光を投写レンズ１１の方向へ反射する。即ち、ＤＭＤ１０で反射した後の光線は、ＴＩＲプリズム９の全反射角を満たさない角度となるため、ＴＩＲプリズム９を透過し、投写レンズ１１に入射する。尚、ここでは、光がカラーホイール４を射出した後、ＴＩＲプリズム９を透過してＤＭＤ１０の表面に至るまでの光学系を、照明光学系という。

続いて、上述したカラーホイール４と、ＤＭＤ１０におけるスポークタイムとの関係を、図２を参照しながら説明する。

図２は、多重反射素子（ロッドレンズ）１３の射出面での光分布３１と、カラーホイール４の面上での光分布３１を示す図である。即ち、多重反射素子（ロッドレンズ）１３の射出面での光分布３１は、Ｘ軸方向＝Ｃ、Ｙ軸方向＝Ｄであり、そして、カラーホイール４の面上に等倍に投影されて光分布３１’となり、Ｘ軸方向＝Ｃ’、Ｙ軸方向＝Ｄ’（Ｃ’/Ｄ’＝Ｃ/Ｄ）となる。換言すれば、多重反射素子１３の射出面の形状は、そのまま、多重反射素子１３の近傍に配置されたカラーホイール４の面上に投影され、相似形となる。

一方、カラーホイール４の各色フィルタの境界（図２では、一例としてＲＧ間のみを示す）では、上述した光分布３１’は当該境界を跨って投射され、混色を避けるため、光を遮断している（具体的には、ＤＭＤ１０をオフ状態とする）。この遮断している時間をスポークタイムと言い、スポークタイムでは、出射光は損失となり、当該スポークタイムを最小にすることが必要となる。

スポークタイムを減らすためには、例えば、図３（Ａ）にも示すように、多重反射素子（ロッドレンズ）１３から出射された光のカラーホイール４面上の光分布３１’において、回転するホイール４の各色フィルタ間の境界ＢＬの移動方向（図の例では、矢印で示すように上方に移動する）に複数の矩形領域（本例では、３つの領域３１’−１、３１’−２、３１’−３）に分割し、そして、これらの領域に対応するＤＭＤ１０の微小ミラーをオフ状態（本例では、領域３１’−２がオフ状態）とすると共に、他の領域は、それぞれの色光に対応し、投写画像の最小構成要素（画素）をオン又はオフ状態に制御する。なお、境界ＢＬは回転（移動）することから、当該境界ＢＬ（一点鎖線）が領域３１’−１内に存在する時には、当該領域３１’−１の全ての画素をオフ状態とすると共に、他の領域３１’−２、３１’−３画素は、投写画像に応じて、オン又はオフ状態に制御する。また、境界ＢＬ（一点鎖線）が領域３１’−３内に存在する時には、当該領域３１’−３の全ての画素をオフ状態とすると共に、他の領域３１’−１、３１’−２画素は、投写画像に応じて、オン又はオフ状態に制御する。これにより、スポークタイムを低減することが可能になり、スポークタイムによる光の損失を低減することが出来る。

なお、上記では、カラーホイール４面上の光分布３１’を３つの領域に分けた場合について説明したが、更に、より多くの領域に分割することにより、スポークタイムを更に低減し、スポークタイムによる光の損失をより低減することが出来ることは、当業者であれば明らかであろう。そして、図３（Ｂ）にも示すように、色フィルタ間の境界ＢＬの移動に合わせて、ＤＭＤ１０の微小ミラーをオフ状態とすることによれば、スポークタイムを最小にすることが可能となる。なお、この時、ＤＭＤ１０上の、オフ状態とした微小ミラー（ライン状に並ぶ）を挟んで上下に分割される領域の画素は、投写画像に応じて、オン又はオフ状態に制御する。なお、上述したＤＭＤ１０におけるスポークタイムを低減する動作は、上述した制御装置１００により、予めメモリ内に格納したソフトウェアに基づいて実行される。

続いて、上述した投写型映像表示装置における、更なる、光損失を低減するための構造について説明する。

添付の図４は、多重反射素子（ロッドレンズ）１３から出射した光の一部がカラーホイール４の面上で反射することを防止するための構造を示して。ここで、上述したように、放電ランプ１としては、例えば、超高圧水銀ランプなど、白色光を高効率で放射するものが一般的に採用されるが、多重反射素子（ロッドレンズ）１３から出射した光の一部、特に、赤外成分光がカラーホイール４上で反射すると、当該反射光は、再び、多重反射素子（ロッドレンズ）１３内に戻り、その内部を伝播して放電ランプ１に到達し、当該放電ランプ１の温度を上昇させる、ランプの寿命を短縮してしまう。

そこで、かかるカラーホイール４上での赤外成分光の反射を低減するため、図４（Ａ）に示すように、多重反射素子（ロッドレンズ）１３からカラーホイール４の表面上への光の投射角度を、垂直から僅かな角度（α）傾斜させ、もって、カラーホイール４上での反射光が、再び、多重反射素子（ロッドレンズ）１３内に戻らないようにする。

あるいは、図４（Ｂ）にも示すように、多重反射素子（ロッドレンズ）１３の射出口をカラーホイール４の表面に対して僅かな角度（α）傾斜させる。これによっても、上記の実施例と同様、カラーホイール４上での反射光が、再び、多重反射素子（ロッドレンズ）１３内に戻らないようにし、もって、当該放電ランプ１の温度の上昇を防止し、ランプの長寿命化を図る。なお、上述した傾斜角度（α）は、種々の実験の結果、１〜１０度に設定することにより所要の効果を得ることを確認し、また、光の外部への漏出により光の利用効率の低減をも考慮して、特に、１〜３度に設定することが好ましいことが分かった。

続いて、光がカラーホイール４を射出した後、ＴＩＲプリズム９を透過してＤＭＤ１０の表面に至るまでの光学系を、即ち、照明光学系を構成する照明光学要素について、その配置関係を含めた設計手法と共に、以下に詳細に説明する。なお、照明光学要素は、本実施例では、上述したように、複数のリレーレンズ５、１２、８を含んで構成されている。

なお、ここでは、本発明の理解のため、まず、従来技術における問題点について説明する。即ち、従来技術になる投写型映像表示装置では、空間変調素子（本実施例では、ＤＭＤ１０に対応する）は、発光面と実質的に共役な関係に配置されるものとし、その間に、回転型色フィルタからの出射光を集光して空間変調素子空間変調素子を照射する照明光学要素が設けられている。なお、当該発光面とは、上記空間変調素子を構成するガラスロッドにおける光の入射と反対側の出射面である。

しかしながら、本発明の発明者等による検討によれば、投写型映像表示装置にかかる設計手法を採用した場合、空間変調素子を構成するガラスロッドの出射面から出た光は、その近傍に配置された回転型色フィルタ（本実施例では、カラーホイール４）上に投射され、その結果、回転型色フィルタの入射面とは反対側の面に発光面を形成する。そのため、ガラスロッドの出射面と回転型色フィルタとが極めて近接して配置されている場合には、ガラスロッドの出射面と回転型色フィルタの入射面とは反対側の面に形成される発光面とは一致する。

しかしながら、ガラスロッドの出射面と回転型色フィルタとの接触を考慮した場合、これらの間にはある程度の隙間を設ける必要があり、かかる場合には、上述したように、ガラスロッドの発光面（即ち、出射面）と回転型色フィルタ上の発光面とは一致しなくなる。更には、上述したように、特に、カラーホイール４上で反射した赤外成分光の放電ランプ１への戻りを低減するため、多重反射素子（ロッドレンズ）１３の射出口をカラーホイール４の表面に対して僅かな角度（α）傾斜させた場合（図４（Ａ）を参照）、又は、多重反射素子（ロッドレンズ）１３の射出口をカラーホイール４の表面に対して僅かな角度（α）傾斜させた場合（図４（Ｂ）を参照）には、多重反射素子（ロッドレンズ）１３の射出口（即ち、発光面）とカラーホイール４の表面での発光面は、その大きさや形状においても、僅かではあるが変化してしまうこととなる。しかしながら、この僅かな変化により、その後の照明光学系（即ち、複数のリレーレンズ５、１２、８やＴＩＲプリズム９を含む）により空間変調素子であるＤＭＤ１０上に投射される発光面の拡大像は、当該ＤＭＤ１０の実効的な光変調面（即ち、その上で光変調を行うことが出来る最大の面）と一致しなくなり、これでは、光の利用効率の低減を招いてしまうこととなる。

そこで、本発明になる投写型映像表示装置における照明光学要素の設計手法について、以下に図５（Ａ）及び（Ｂ）を参照しながら、詳細に説明する。

上述したように、放電ランプ１を含む光源から放射されて多重反射素子（ロッドレンズ）１３を通り、その射出口から出射した光は、カラーホイール４上に投射され、入射面とは反対側の面に発光面３１’（Ｘ軸方向＝Ｃ’、Ｙ軸方向＝Ｄ’（Ｃ’/Ｄ’＝Ｃ/Ｄ））を形成する。そこで、当該カラーホイール４上の発光面３１’を基準として、上記照明光学要素である複数のリレーレンズ５、１２、８を設計する。即ち、ＤＭＤ１０は、当該カラーホイール４上の発光面３１’と実質的に共役な関係となるように配置されている。換言すれば、ＤＭＤ１０の実効的な光変調面（Ｙ軸方向＝Ｆ、Ｚ軸方向＝Ｅ）に対し、Ｃ’/Ｄ’＝Ｅ/Ｆの関係を満たすこととなる。

かかる設計手法によれば、カラーホイール４上の発光面３１’をＤＭＤ１０上の実効的な光変調面と、確実に一致させることが可能となり、投写型映像表示装置における光の利用効率を更に向上することが可能となり、更には、上記図４（Ａ）及び（Ｂ）に示したカラーホイール４上での赤外成分光の反射を低減する構造を採用した場合にいても、光の利用効率の更なる向上が可能となる。

以上に詳述した本発明の実施の形態になる投写型映像表示装置では、カラーホイール４からの各色光により所望の画像を形成するための光変調素子の一例として、個々の微小ミラーの傾きを制御できる２次元ミラーアレイからなる、所謂、反射型光変調素子であるＤＭＤを採用した構成について述べたが、本発明は、これに限定されることなく、これに代えて、例えば、強誘電性液晶パネルであり、ＯＮ／ＯＦＦの２つの状態をスイッチする双安定素子である液晶パネルを使用することも可能であり、なお、その場合には、照明光学系の一部を構成するＴＩＲプリズム９は不要となろう。加えて、上述した投写型映像表示装置では、回転式の色フィルタであるカラーホイール４として、複数の透過型のカラーフィルタから構成されたものについて説明したが、本発明は、これに限定されることなく、これに代えて、例えば、反射型の色フィルタを用いることも可能である。

なお、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細を説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成と置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成を追加し、これを削除し、置換することも可能である。

１…放電ランプ、２…リフレクタ、４…カラーホイール、５、８、１２…リレーレンズ、９…ＴＩＲプリズム、１０…ＤＭＤ、１１…投写レンズ、１３…多重反射素子（ロッドレンズ）、１００…制御装置、３１’…発光面

Claims (7)

1. 白色光を放射する光源と、
   前記光源からの光を集光して出射する集光光学素子と、
   前記集光光学素子の出射面の近傍に配置され、前記集光光学素子の出射面を出射する白色光のうち特定の色光を所定の順序で選択的に透過又は反射させるための複数種のフィルタを有する回転式色フィルタと、
   複数の画素を有し、画像信号に応じて入射光を変調して画像表示を行う光変調素子と、
   前記回転式色フィルタからの出射光を集光して前記光変調素子に投射するための照明光を形成する照明光学要素と、
   前記光変調素子で形成された画像を投射する投射レンズと、
   前記回転式色フィルタの回転と前記光変調素子による画像表示が同期するように制御する制御装置とを備え、
   前記回転式色フィルタは、その一部に、前記集光光学素子の出射面からの光により発光面を形成し、
   前記照明光学要素は、前記回転式色フィルタ上の前記発光面と実質的に共役な関係に配置されていることを特徴とする投写型映像表示装置。
2. 前記請求項１に記載した投写型映像表示装置において、前記集光光学素子は、当該集光光学素子からの射出光の一部が、前記回転式色フィルタで反射して戻り難い構成としたことを特徴とする投写型映像表示装置。
3. 前記請求項２に記載した投写型映像表示装置において、前記集光光学素子を、その光軸を前記回転式色フィルタの面からの垂線に対して僅かに傾斜して、配置したことを特徴とする投写型映像表示装置。
4. 前記請求項２に記載した投写型映像表示装置において、前記集光光学素子の出射面を、前記回転式色フィルタの面に対して僅かに傾斜して、配置したことを特徴とする投写型映像表示装置。
5. 前記請求項３又は４に記載した投写型映像表示装置において、前記僅かな傾斜角度は、１〜１０度の範囲に設定されていることを特徴とする投写型映像表示装置。
6. 前記請求項５に記載した投写型映像表示装置において、前記僅かな傾斜角度は、１〜３度の範囲に設定されていることを特徴とする投写型映像表示装置。
7. 前記請求項２に記載した投写型映像表示装置において、前記制御装置は、前記光変調素子の複数の画素の一部を、前記回転式色フィルタの各色フィルタ間の境界が前記発光面上を移動する位置に対応して制御し、もって、各色フィルタ間での混色を低減することを特徴とする投写型映像表示装置。

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