JP2015022020A - 投射光学装置及び画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投射レンズ保持部の温度上昇を抑制することができる投射光学装置及び画像投射装置を提供する。【解決手段】ＤＭＤ３３などの画像生成素子で生成された画像を、第１レンズホルダ４１などの投射レンズ保持部によって保持された投射レンズ（第１投射レンズ群４４ａを構成する投射レンズ）を介してスクリーン２００などの投射面に向けて投射する投射光学部４０などの投射光学装置において、投射レンズ保持部に投射レンズ保持部の熱を放熱するヒートシンク５１などの放熱手段を設けた。【選択図】図８

Description

本発明は、画像をスクリーン等の投射面に投射する投射光学装置及び画像投射装置に関するものである。

従来から、パソコンやビデオカメラ等からの画像データを基に、光源から出射される光を用いて画像生成部により画像を生成する。その画像を、レンズ及びミラーなどの複数の光学素子、および、複数枚の投射レンズを有する投射レンズ群の投射光学装置によってスクリーン等の投射面に投射して表示する画像投射装置が知られている。画像生成部は、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）を備えている。投射レンズ群は、投射レンズ保持部のレンズホルダによって保持されている。

特許文献１には、光源からの白色光をカラーホイールによってＲＧＢに分光されて画像生成部のＤＭＤへ導かれ、ＤＭＤによって変調信号に応じて画像が生成され、その画像を投射光学装置としての投射光学部の投射レンズ群で拡大投射する画像投射装置が記載されている。

従来の画像投射装置における投射光学部の一例を、図を用いて以下に説明する。
図１２は、従来の画像投射装置の投射光学部１００までの光路の様子を示す概略斜視図である。不図示のカラーホイールにより時分割でＲ（レッド），Ｇ（グリーン），Ｂ（ブルー）の光に分離された不図示の光源からの光Ｌ１が、ライトトンネル１０１へ入射する。ライトトンネル１０１は、四角筒形状であり、その内周面が鏡面となっている。ライトトンネル１０１の入射面に対して角度を持って入射した光が、ライトトンネル１０１内周面で複数回反射することにより均一な面光源となって、ライトトンネル１０１から２枚のリレーレンズ１０２へ向けて出射する。ライトトンネル１０１を出射した光は、２枚のリレーレンズ１０２を透過し、平面ミラー１０３、凹面ミラー１０４により反射され、ＤＭＤ１０５に照射される。ＤＭＤ１０５は、ＤＭＤ１０５に照射された光を、変調信号に応じて変調することで、画像を生成する。ＤＭＤ１０５により生成された画像の光は、複数枚の投射レンズを保持する投射レンズ保持部としてのレンズホルダ１０６の入射口から投射レンズ群に入射され拡大投射される。

上記ライトトンネル１０１の出射口から出射する光には、出射口に対して直交する方向に出射する光以外に、出射口に対して傾斜した方向に出射するいわゆる不要光が存在する。このような不要光は、ＤＭＤ１０５へ向かわず、その一部が、レンズホルダ１０６の照射箇所１０７に照射されていた（図中Ｌ２）。このレンズホルダ１０６に照射された不要光Ｌ２の赤外成分によってレンズホルダ１０６が加熱され温度が上昇する。この結果、レンズホルダ１０６が熱膨張し、保持している投射レンズの位置が投射方向に変動することで、焦点距離が変動するという課題があった。

本発明は以上の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、投射レンズ保持部の温度上昇を抑制することができる投射光学装置及び画像投射装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、画像生成素子で生成された画像を、投射レンズ保持部によって保持された投射レンズを介して投射面に向けて投射する投射光学装置において、前記投射レンズ保持部に前記投射レンズ保持部の熱を放熱する放熱手段を設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、放熱手段により投射レンズ保持部の熱を放熱するので、投射レンズ保持部の温度上昇を抑制することができる。これにより、投射レンズ保持部の熱膨張が抑制され、投射レンズ保持部が保持している投射レンズの位置が投射方向に変動するのを抑制することができる。これにより、焦点距離が変動するのを抑制することができる。

本実施形態に係るプロジェクタ１を示す斜視図である。 本実施形態に係るプロジェクタ１を示す右側面図である。 （ａ）外装カバーを外したプロジェクタ１の内部構成と配置を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の太線枠で囲まれた部分の斜視図である。 図３の断面線の横断面図である。 図３の断面線の縦断面図である。 リレーレンズ周辺の拡大斜視図である。 投射光学部４０の断面図である。 投射光学部４０の周辺を示す概略構成図である。 変形例１のプロジェクタの投射光学部４０の周辺を示す概略構成図である。 変形例２のプロジェクタの投射光学部４０の周辺を示す概略構成図である。 冷却ファン６１の制御フロー図である。 従来の画像投影装置の投射光学部１００における光路の様子を示す概略斜視図である。

以下、本発明が適用される画像投射装置としてのプロジェクタ１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係るプロジェクタ１を示す斜視図である。図２は右側面図である。図１及び図２に示すように、プロジェクタ１の上面には、ユーザがプロジェクタ１を操作するための操作ボタン等の操作部１１が設けられている。また、スクリーン２００に映し出されている投射画面を拡大したり、縮小したりするズームレバー１２が設けられている。プロジェクタ１の正面には、装置電源のオン／オフを行う電源スイッチ１３、パソコンやビデオカメラ等の外部機器と接続するための外部入力端子１４、投射画像の光を出射する投射レンズ１５、装置環境の照度を検出するセンサ１６などが設けられている。プロジェクタ１における外装カバーの右側面には、冷却用の空気を取り入れる吸気口１７が設けられている。この吸気口１７から外気を吸気する。吸引された外気は、熱源の光源や駆動基板へ移動しながら光源や駆動基板を冷却する。その後、排気ファン（不図示）により排気口（不図示）から排気される。

図３（ａ）は外装カバーを外したプロジェクタ１の内部構成と配置を示す斜視図、図３（ｂ）は図３（ａ）の太線枠で囲まれた部分の斜視図である。図４は図３の断面線の横断面図であり、図５は図３の断面線の縦断面図である。図６はリレーレンズ周辺の拡大斜視図である。
図３〜図５に示すように、プロジェクタ１は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプなどの光源２１を備えた光源部２０と、光源２１からの光を用いて画像を生成する画像生成部３０と、投射画像を出射する投射光学部４０とを有している。光源部２０は、光源２１、カラーホイール２２、ライトトンネル２３、２枚のリレーレンズ２４（図６参照）を有している。そして、光源２１からの光は、図４の矢印で示すように、回転するカラーホイール２２を通ることにより時分割でＲ、Ｇ、Ｂの光に分離される。このカラーホイール２２は、円盤形状のものであり、モータ２５のモータ軸に固定され、回転方向にＲ（レッド）、Ｇ（グリーン）、Ｂ（ブルー）などのフィルタが設けられている。カラーホイール２２により分離された光は、ライトトンネル２３へ入射する。ライトトンネル２３は、四角筒形状であり、その内周面が鏡面となっている。ライトトンネル２３に入射した光は、ライトトンネル２３の内周の鏡面で複数回反射しながら、均一な面光源にされて２枚のリレーレンズ２４へ向けて出射する。図４の矢印で示すように、２枚のリレーレンズ２４を透過し、次段の画像生成部３０の平面ミラー３１、凹面ミラー３２により反射され、ＤＭＤ３３の画像生成面上に集光して結像される。

ここで、ＤＭＤ３３の画像生成面には、可動式の複数のマイクロミラーが格子状に配列されている。各マイクロミラーは、鏡面をねじれ軸周りに所定角度傾斜させることができ、「ＯＮ」と「ＯＦＦ」の２つの状態を持たせることができる。マイクロミラーが「ＯＮ」のときは、光源部２０の光源２１からの光を投射光学部４０の投射レンズに向けて反射する。「ＯＦＦ」のときは、照明ブラケットなどの側面に保持されたＯＦＦ光板（不図示）に向けて光源２１からの光を反射する。従って、各ミラーを個別に駆動することにより、画像データの画素ごとに光の投射を制御することができ、画像を生成することができる。なお、ＯＦＦ光板（不図示）に向けて反射された光は、熱となって吸収され外側の空気の流れで冷却される。また、２枚のリレーレンズ２４は、図６に示すように、板バネ状のレンズ押さえ部材２６により両端がレンズブラケット２７の突き当て面２７ａに押し付けられることにより、位置決め保持されている。

図１に示すプロジェクタ１は、パソコンやビデオカメラ等から入力される映像データを基に映像を生成し、その映像を図２の投射面としてのスクリーン２００等に投射表示する。プロジェクタ１として広く知られた液晶プロジェクタは、近来、液晶パネルの高解像化、光源ランプの高効率化に伴う明るさの改善、低価格化などが進んでいる。また、画像表示素子であるＤＭＤを利用した小型で、軽量なプロジェクタ１が普及し、オフィスや学校のみならず家庭においても広く利用されるようになってきている。光源２１からの光が、光源部２０内で、照射された白色光をカラーホイール２２によってＲＧＢに分光されて、画像生成部３０のＤＭＤ３３へ導かれ、変調信号に応じて画像形成するＤＭＤ３３とその画像を投射光学部４０で拡大投射する。

図７は、投射光学部４０の断面図である。
図７に示すように、投射光学部４０は、第１投射レンズ群４４ａと、第２投射レンズ群４４ｂとを備えている。第１投射レンズ群４４ａは、第１レンズホルダ４１に保持されており、第２投射レンズ群４４ｂは、第２レンズホルダ４２に保持されている。

先の図１２を用いて説明したように、第１レンズホルダ４１には、画像生成に用いられない所謂不要光が照射され、この不要光の赤外成分により加熱され、第１レンズホルダ４１が温度上昇してしまう。上記第１レンズホルダ４１は、樹脂などの熱膨張しやすい材料で形成されており、上記不要光の赤外成分による加熱により熱膨張し、保持している第１投射レンズ群４４ａの各投射レンズの位置が投射方向に変動し焦点距離が変動してしまう。また、第１レンズホルダ４１の熱が、第１レンズホルダ４１が保持する第１投射レンズ群の各投射レンズに伝達され、第１投射レンズ群の各投射レンズが温度上昇し、レンズが熱膨張する。レンズが熱膨張することで、レンズの曲率が変動し、スクリーン上の画像変動となって解像感を悪化させるおそれもある。そこで、本実施形態においては、第１レンズホルダ４１の熱を放熱して、第１レンズホルダ４１の温度上昇を抑制する放熱手段たる放熱機構５０を備えている。

放熱機構５０は、ヒートシンク５１と、ヒートシンク５１と第１レンズホルダとを熱的の連結する連結部材５２とを有している。

図８は、投射光学部４０の周辺を示す概略構成図である。図８（ａ）は、連結部材５２側から見た図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の下方から見た図である。
連結部材５２は、例えば、銅などの熱導電性のよい金属材料で構成されている。連結部材５２は、第１レンズホルダ４１の外周面に固定される第１レンズホルダ４１の外周面の曲率に沿った形状の曲面部５２ａを有している。また、ヒートシンク５１の側面に固定される板状部５２ｂ、曲面部５２ａと板状部５２ｂとを連結する板状部５２ｂから垂直に折れ曲がった連結部５２ｃを有している。第１レンズホルダ４１の曲面部５２ａが、第１レンズホルダ４１に導熱性の高い接着剤により固定されている。一方、第１レンズホルダ４１の板状部５２ｂは、ヒートシンク５１にネジ５３により固定されている。

ヒートシンク５１は、ＤＭＤ３３が実装されたＤＭＤ基板３３ａの裏面（ＤＭＤが実装された面と反対側の面）にネジ３３ｂにより固定されている。ヒートシンク５１には、ＤＭＤ３３の裏面（画像生成面と反対側の面）に接触させるための突起部５１ａが形成されている。ＤＭＤ基板３３ａにヒートシンク５１が固定されると、この突起部５１ａの先端面が、ＤＭＤ３３の裏面に接触する。これにより、ＤＭＤ３３の熱が、ヒートシンク５１から放熱され、ＤＭＤ３３の温度上昇を抑制することができる。突起部５１ａの先端面とＤＭＤ３３の裏面との間に弾性変形可能な伝熱シートを設け、突起部５１ａの先端面とＤＭＤ３３の裏面との密着性を高めて、熱伝導性を高めてもよい。

本実施形態においては、第１レンズホルダ４１の熱が、連結部材５２に伝導し、連結部材５２から第１レンズホルダ４１の熱が放熱される。さらには、連結部材５２からヒートシンク５１に第１レンズホルダ４１の熱が伝導し、ヒートシンクから第１レンズホルダ４１の熱が放熱される。これにより、第１レンズホルダ４１や第１レンズホルダが保持するレンズの温度上昇を抑制することができる。これにより、第１レンズホルダ４１の熱膨張や第１レンズホルダが保持するレンズの熱膨張を抑制することができ、スクリーン上の画像の劣化を抑制することができる。

また、上述では、連結部材５２を、放熱性の高い金属材料で構成しているが、例えば、熱伝導性の高い樹脂で形成してもよい。この場合は、第１レンズホルダの熱は、連結部材５２を介して、ヒートシンク５１に伝導され、主にヒートシンク５１により放熱することになる。

また、第１レンズホルダ４１を、焼結金属やセラミックなどの熱伝導性の高い部材で構成してもよい。このように、第１レンズホルダ４１を焼結金属やセラミックなどの熱伝導性の高い部材で構成することにより、第１レンズホルダ４１の熱を良好に連結部材５２に伝導することができる。これにより、第１レンズホルダ４１が保持するレンズの温度上昇を抑制することができ、レンズの熱膨張を抑制することができ、スクリーン上の画像の劣化を抑制することができる。

また、本実施形態においては、ヒートシンク５１は、第１レンズホルダ４１とＤＭＤ３３の熱を放熱する。これにより、第１レンズホルダ４１の熱を放熱する手段と、ＤＭＤ３３の熱を放熱する手段をそれぞれ設ける場合に比べて、部品点数を削減することができ、装置のコストアップを抑えることができる。

図９は、変形例１のプロジェクタの投射光学部４０の周辺を示す概略構成図である。
図９に示すように、この変形例のプロジェクタは、冷却ファン６１を設けて、ヒートシンク５１を空冷するようにしたものである。ヒートシンク５１を冷却ファン６１により空冷することにより、ＤＭＤ３３および連結部材５２から第１レンズホルダ４１の熱を、効率よくヒートシンク５１から放熱することができる。

また、ヒートシンク５１は、ＤＭＤ３３の熱も伝導される関係で、ヒートシンク５１が、第１レンズホルダ４１の温度よりも高くなるおそれがある。その場合、ヒートシンク５１の熱が、連結部材５２を介して、第１レンズホルダ４１に伝達されて、第１レンズホルダ４１が、温度上昇するおそれがある。しかし、冷却ファンによりヒートシンク５１を冷却することで、ヒートシンク５１の温度が、第１レンズホルダ４１の温度より高くなるのを抑制することができる。

また、図９においては、冷却ファン６１をヒートシンク５１に対向して設けているが、冷却ファン６１をヒートシンクと対向しない位置に設けて、ダクトを介して、冷却ファンが吸気した空気を、ヒートシンク５１に送風してもよい。

図１０は、変形例２のプロジェクタの投射光学部４０の周辺を示す概略構成図である。
図１０に示すように、変形例２のプロジェクタは、連結部材５２の第１レンズホルダ４１との固定箇所に第１温度センサ６２が設けられている。また、連結部材５２のヒートシンク５１との固定箇所に第２温度センサ６３が設けられている。これら温度センサ６２，６３は、制御部６４に接続されている。制御部６４は、これら温度センサ６２，６３の検知結果に基づいて、冷却ファン６１を制御する。

図１１は、冷却ファン６１の制御フロー図である。
図１１に示すように、制御部６４は、第１温度センサ６２の温度−第２温度センサ６３の温度が、閾値未満か否かチェックする（Ｓ１）。閾値以上のとき（Ｓ１のＮｏ）は、ヒートシンク５１の温度が、第１レンズホルダ４１の温度よりも十分低い。従って、この場合は、第１レンズホルダ４１の熱が、連結部材５２を介して、効率よくヒートシンク５１の伝導される。よって、制御部６４は、初期の回転数である第２回転数で、冷却ファン６１が回転するよう冷却ファン６１を制御する（Ｓ３）。

一方、第１温度センサ６２の温度−第２温度センサ６３の温度が、閾値未満のとき（Ｓ１のＹＥＳ）は、ヒートシンク５１の温度が高く、第１レンズホルダ４１の熱が、ヒートシンク５１に伝導しにくくなっている。従って、この場合、制御部６４は、第２回転数よりも回転数が多い第１の回転数で冷却ファン６１が回転するように制御する（Ｓ２）。

このようにして、冷却ファン６１を制御することにより、ヒートシンク５１の温度が、第１レンズホルダ４１よりも高くなるのを確実に防止することができる。また、ヒートシンク５１の温度が、第１レンズホルダ４１よりも十分低いとき、冷却ファン６１の回転数が落とされるので、冷却ファン６１の風切り音による騒音を抑制することができる。また、冷却ファンに印加する電力を抑えることができ、消費電力の増大を抑えることができる。

また、図１０では、第１温度センサ６２を、連結部材５２の第１レンズホルダ４１との固定箇所に設けているが、第１レンズホルダ４１に設けてもよい。また、第２温度センサ６３は、ヒートシンク５１に設けてもよい。

また、図１１に示した制御フローでは、閾値がひとつであったが、閾値を複数設けて、冷却ファン６１の回転数を細かく制御してもよい。また、第１温度センサ６２の温度から第２温度センサの温度を減算した値が、十分大きな値のときは、冷却ファン６１を停止するように制御してもよい。

また、上述では、第１レンズホルダ４１の熱を、連結部材５２を介して、ヒートシンク５１に伝導しているが、第１レンズホルダ４１に放熱手段としてのヒートシンク５１を設けて、第１レンズホルダ４１の熱を直接、ヒートシンク５１に伝導させてもよい。

以上に説明したものは一例であり、本発明は、以下の態様毎に特有の効果を奏する。
（態様１）
ＤＭＤ３３などの画像生成素子で生成された画像を、第１レンズホルダ４１などの投射レンズ保持部によって保持された投射レンズ（第１投射レンズ群４４ａを構成する投射レンズ）を介してスクリーン２００などの投射面に向けて投射する投射光学部４０などの投射光学装置において、投射レンズ保持部に投射レンズ保持部の熱を放熱するヒートシンク５１などの放熱手段を設けた。
かかる構成を備えることで、実施形態で説明したように、ヒートシンク５１などの放熱手段により第１レンズホルダ４１などの投射レンズ保持部の熱を放熱することができる。これにより、投射レンズ保持部の温度上昇を抑制することができ、投射レンズ保持部の熱膨張が抑制される。その結果、投射レンズ保持部が保持している投射レンズの位置が投射方向に変動するのを抑制することができる。これにより、焦点距離が変動するのを抑制することができる。

（態様２）
（態様１）において、第１レンズホルダ４１などのレンズ保持部と、ヒートシンク５１などの放熱手段とは、金属製の部材で連結されている。
かかる構成を備えることで、実施形態で説明したように、第１レンズホルダ４１などのレンズ保持部の熱を、ヒートシンク５１などの放熱手段へ効率よく伝導することができ、レンズ保持部の温度上昇を良好に抑制することができる。

（態様３）
また、（態様１）または（態様２）において、ヒートシンク５１などの放熱手段は、ＤＭＤ３３などの画像生成素子の熱も放熱する。
かかる構成を備えることで、実施形態で説明したように、第１レンズホルダ４１などのレンズ保持部を放熱する放熱手段と、ＤＭＤ３３などの画像生成部の熱を放熱する放熱手段とをそれぞれ設ける場合に比べて、部品点数を削減できる。これにより、装置のコストアップを抑制することができる。

（態様４）
また、（態様１）乃至（態様３）において、ヒートシンク５１などの放熱手段を冷却する冷却ファン６１などの冷却手段を備えた。
かかる構成を備えることで、変形例１で説明したように、ヒートシンク５１などの放熱手段の温度上昇を抑えることができ、効率よく、第１レンズホルダ４１などのレンズ保持部の温度上昇を抑制することができる。

（態様５）
また、（態様４）において、第１レンズホルダ４１などのレンズ保持部の温度を検知する第１温度センサ６２などの第１温度検知手段と、ヒートシンク５１などの放熱手段の温度を検知する第２温度センサ６３などの第２温度検知手段と、第１温度検知手段の検知結果と第２温度検知手段の検知結果とに基づいて、冷却ファン６１などの冷却手段を制御する制御部６４などの制御手段とを備えた。
これにより、変形例２で説明したように、第１レンズホルダ４１などのレンズ保持部の熱を効率よくヒートシンク５１により放熱することができ、レンズ保持部の温度上昇を良好に抑制することができる。

（態様６）
光源２１と、光源２１からの光を用いて画像を生成する画像生成素子３０と、複数の光学素子を備え、画像を投影面に向けて投射する投射光学部４０とを備えた画像投影装置のプロジェクタ１において、上記投射光学部として、（態様１）〜（態様５）のいずれかの投射光学装置を用いたことを特徴とする。
これにより、上記実施形態について説明したように、画像を生成する光以外の光による投影画像の画質悪化を抑制できる。

１ プロジェクタ
１１ 操作部
１５ 投射レンズ
２１ 光源
２２ カラーホイール
２３ ライトトンネル
２４ リレーレンズ
３０ 画像生成部
３１ 平面ミラー
３２ 凹面ミラー
３３ ＤＭＤ
３３ａ 基板
３３ｂ ネジ
４０ 投射光学部
４１ 第１レンズホルダ
４２ 第２レンズホルダ
４４ａ 第１投射レンズ群
４４ｂ 第２投射レンズ群
５０ 放熱機構
５１ ヒートシンク
５２ 連結部材
５２ａ 曲面部
５２ｂ 板状部
５２ｃ 連結部
６１ 冷却ファン
６２ 第１温度センサ
６３ 第２温度センサ
６４ 制御部

特開２００８−０５１９１９号公報

Claims (6)

1. 画像生成素子で生成された画像を、投射レンズ保持部によって保持された投射レンズを介して投射面に向けて投射する投射光学装置において、
   前記投射レンズ保持部に前記投射レンズ保持部の熱を放熱する放熱手段を設けたことを特徴とする投射光学装置。
2. 請求項１に記載の投射光学装置において、
   前記レンズ保持部と、前記放熱手段とは、金属製の部材で連結されていることを特徴とする投射光学装置。
3. 請求項１または２に記載の投射光学装置において、
   前記放熱手段は、前記画像生成素子の熱も放熱することを特徴とする投射光学装置。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載の投射光学装置において、
   前記放熱手段を冷却する冷却手段を備えたことを特徴とする投射光学装置。
5. 請求項４に記載の投射光学装置において、
   前記レンズ保持部の温度を検知する第１温度検知手段と、
   前記放熱手段の温度を検知する第２温度検知手段と、
   前記第１温度検知手段の検知結果と第２温度検知手段の検知結果とに基づいて、前記冷却手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする投射光学装置。
6. 光源と、前記光源からの光を用いて画像を生成する画像生成素子と、複数の光学素子を備え、前記画像を投射面に向けて投射する投射光学部とを備えた画像投射装置において、
   前記投射光学部として、請求項１乃至５いずれかに記載の投射光学装置を用いたことを特徴とする画像投射装置。

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