JP2018004855A - 投射表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を複雑化することなく設置姿勢によるランプ寿命の変化を極力低減させる投射表示装置を提供すること。【解決手段】光源としてのランプと内部に該ランプを収納するランプ収納体と光源からの光を光変調素子に照射し、光変調素子によって形成された画像を拡大投射する投射レンズを備え、該ランプ光軸と該投射レンズの投射軸が４５°で配置されていることを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、ランプを用いて画像をスクリーン等の被投射面に投射する画像投射装置に関する。

液晶プロジェクタ等の投射表示装置の光源には、超高圧水銀ランプ等のランプが用いられる場合が多く、近年市場では、あらゆる設置姿勢に対応出来る投射表示装置が要望されてきている。

このようなランプを使用する投射表示装置では、ランプの発光管の温度を適正な範囲に維持する必要があるため、冷却ファンを用いたランプの空気による強制空冷が行なわれる。ランプは一般に、リフレクタとリフレクタの内側に配置された発光管により構成されており、リフレクタの内側（発光管）とリフレクタ（ランプ）の外面のそれぞれが空気によって冷却される。

ランプの所望の発光性能を満足させるためには、発光管の動作圧力を高くし、発光管の温度を高くする必要がある。但し、発光管の温度が高すぎても、発光管の長時間動作を保証出来ない。すなわち、発光管の温度を適切な範囲に維持しなければ、発光管の黒化や白化等の失透現象が生じたり、動作が不安定になったりする。このため、発光管に対して適正な冷却が行なわれる必要がある。

しかし、一般に投射表示装置に光源として搭載されている上述の超高圧水銀ランプなどの放電ランプは、投射する方向（姿勢）でランプ内部の温度分布が変化し、姿勢によるランプ寿命が変わってきてしまうため、設置姿勢が制限されてしまう。

これは、発光管内は陽極と陰極の２本の電極間が配置されており、電極間に高電圧が印加されるとアークが発生する。この時、バルブ内の温度は重力方向に対してバルブ内の上側部分が高温となり、電極が上側に配置される姿勢においてはバルブ内のハロゲンサイクルが著しく低くなり、失透の原因となってしまうからである。

姿勢による冷却風の指向性を持たせるために、設置する傾斜角度を検出し、バルブ上側の高温部分を他の部分よりも強く冷却させる提案がなされている（特許文献１）。

特開２００４−１９１５１８号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている装置は設置角度を検出し、設置角度に応じた冷却風の導風経路を制御するため、装置が複雑化し、装置の大型化やコストアップにつながる。

そこで、本発明は、装置を複雑化することなく設置姿勢によるランプ寿命の変化を極力低減させる投射表示装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る投射表示装置は、
光源としてのランプと内部にランプを収納するランプ収納体と光源からの光を光変調素子に照射し、光変調素子によって形成された画像を拡大投射する投射レンズを備え、ランプ光軸と投射レンズの投射軸が４５°で配置されていることを特徴とする。

また、ランプ収納体と該投射レンズが収納固定する２つの上下外装に対し、ランプは上下外装の天面・底面に対し、平行に配置され、且つ投射レンズの投射方向に対し４５°に配置されていることを特徴とする。

本発明に係る投射表示装置によれば、据置き・天吊り・上下姿勢・ポートレートのどの設置姿勢のおいても、バルブ内の電極位置が上側側に配置されることが無いため、姿勢モードによるランプ寿命の変化を極力低減させることが出来る。また、複雑な機構も必要が無いため、装置の大型化やコストアップを伴うことなく改善することが出来る。

本発明の実施例における液晶プロジェクタの全体構成を示す斜面図 本発明の実施例における液晶プロジェクタの光学構成を示す水平断面図及び垂直断面図 本発明の実施例における偏光変換素子の構成を示す図 本発明の実施例におけるランプと投射レンズの配置を示す正面図 本発明の実施例における据置き姿勢のランプと外装の配置を示す側面図 本発明の実施例におけるポートレート姿勢のランプと外装の配置を示す側面図

以下、本発明の好ましい実施例について、図面を参照しながら説明する。

（プロジェクタの全体構成）
図１には、本発明の実施例１である液晶プロジェクタ（画像投射装置）の構成を示している。

この図において、１は光源ランプ（以下、単にランプという）であり、本実施例では、高圧水銀放電ランプが用いられている。ただし、光源ランプ１として、高圧水銀放電ランプ以外の放電型ランプ（例えば、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ）を用いてもよい。

２はランプ１を保持するランプホルダ、３は防爆ガラス、４はガラス押えである。αはランプ１からの光束を均一な明るさ分布を有する平行光束に変換する照明光学系、βは照明光学系αからの光を色分解して、後述するＲＧＢの３色用の液晶パネルに導き、さらに該液晶パネルからの光を色合成する色分解合成光学系である。

５は色分解合成光学系βからの光（画像）を図示しないスクリーン（被投射面）に投射する投射レンズである。投射レンズ５内には、後述する投射光学系が収納されている。

６はランプ１、照明光学系α及び色分解合成光学系βを収納するとともに、投射レンズ５が固定される光学ボックスである。該光学ボックス６には、ランプ１の周囲を囲むランプケース６ａが形成されている。

７は光学ボックス６内に照明光学系α及び色分解合成光学系βを収納した状態で蓋をする光学ボックス蓋である。

８は商用電源から各基板へのＤＣ電源を作り出すＰＦＣ電源基板、９は電源フィルタ基板、１０はＰＦＣ電源基板８とともに動作してランプ１を点灯駆動するバラスト電源基板である。

１１はＰＦＣ電源基板８からの電力により、液晶パネルの駆動とランプ１の点灯制御を行う制御基板である。

１２Ａ，１２Ｂはそれぞれ、後述する下部外装ケース２１の吸気口２１ａから空気を吸い込むことで、色分解合成光学系β内の液晶パネルや偏光板等の光学素子を冷却するための第１及び第２光学系冷却ファンである。

１３は両光学系冷却ファン１２Ａ，１２Ｂからの風を、色分解合成光学系β内の光学素子に導く第１ＲＧＢダクトである。

１４はランプ１に対して吹き付け風を送り、ランプ１を冷却するランプ冷却ファンである。

１５はランプ冷却ファン１４を保持しつつ、冷却風をランプ１に導く第１ランプダクトである。

１６はランプ冷却ファン１４を保持して、第１ランプダクト１５とともにダクトを構成する第２ランプダクトである。

１７は下部外装ケース２１に設けられた吸気口２１ｂから空気を吸い込み、ＰＦＣ電源基板８とバラスト電源基板１０内に風を流通させることで、これらを冷却するための電源冷却ファンである。

１８は排気ファンであり、ランプ冷却ファン１４からランプ１に送られてこれを冷却した後の熱風を、後述する第２側板Ｂ２４に形成された排気口２４ａから排出する。

下部外装ケース２１は、ランプ１、光学ボックス６及び電源系基板８〜１０及び制御基板１１等を収納する。

２２は下部外装ケース２１に光学ボックス６等を収納した状態で蓋をするための上部外装ケースである。

２３は第１側板であり、第２側板２４とともに外装ケース２１，２２により形成される側面開口を閉じる。下部外装ケース２１には、上述した吸気口２１ａ，２１ｂが形成されており、第２側板２４には上述した排気口２４ａが形成されている。下部外装ケース２１、上部外装ケース２２、第１側板２３及び第２側板２４によって、該プロジェクタの筐体が構成される。

２５は各種信号を取り込むためのコネクタが搭載されたＩＦ基板であり、２６は第１側板２３の内側に取り付けられたＩＦ補強板である。

２７はランプ１からの排気熱を排気ファン１８まで導き、筐体内に排気風を拡散させないようにするための排気ダクトである。排気ダクト２７は、ランプ１からの光が装置の外部に漏れないようにするための遮光機能を有するランプ排気ルーバー１９，２０を内部に保持する。

２８はランプ蓋である。ランプ蓋２８は、下部外装ケース２１の底面に着脱可能に配置され、不図示のビスにより固定される。

また、２９はセット調整脚である。セット調整脚２９は、下部外装ケース２１に固定されており、その脚部２９ａの高さを調整可能となっている。脚部２９ａの高さ調整により、プロジェクタの傾斜角度を調整できる。

３０は下部外装ケース２１の吸気口２１ａの外側に取り付けられる不図示のゴミ除去フィルタを保持するＲＧＢ吸気プレートである。

３１は色分解合成光学系βを保持するプリズムベースである。

３２は色分解合成光学系β内の光学素子と液晶パネルを冷却するために、第１及び第２光学系冷却ファン１２Ａ，１２Ｂからの冷却風を導くダクト形状部を有するボックスサイドカバーである。

３３はボックスサイドカバー３２と合わさってダクトを形成する第２ＲＧＢダクトである。

３４は色分解合成光学系β内に配置される液晶パネルから延びたフレキシブル基板が接続され、制御基板１１に接続されるＲＧＢ基板である。

３５はＲＧＢ基板３４に電気ノイズが入り込まないようにするためのＲＧＢ基板カバーである。

（光学構成）
次に、前述したランプ１、照明光学系α、色分解合成光学系β及び投射レンズ（投射光学系）５により構成される光学系の構成について図２を用いて説明する。

図２において、（Ａ）は光学系の水平断面を、（Ｂ）は垂直断面をそれぞれ示す。

同図において、４１は連続スペクトルで白色光を発光する放電発光管（以下、単に発光管という）である。

４２は発光管４１からの光を所定の方向に集光する凹面鏡を有するリフレクタである。発光管４１とリフレクタ４２により光源ランプ１が構成される。

４３ａは図２（Ａ）に示す水平方向において屈折力を有するシリンドリカルレンズセルを複数配列した第１シリンダアレイである。

４３ｂは第１シリンダアレイ４３ａの個々のレンズセルに対応したシリンドリカルレンズセルを複数有する第２シリンダアレイである。

４４は紫外線吸収フィルタ、４５は無偏光光を所定の偏光方向を有する直線偏光に変換する偏光変換素子である。

４６はフロントコンデサレンズであり、４７はランプ１からの光軸を、ほぼ４５度に折り曲げるための反射ミラー、４８はリアコンデンサレンズである。以上により、照明光学系αが構成される。

５８は青（Ｂ：例えば４３０〜４９５ｎｍ）と赤（Ｒ：例えば５９０〜６５０ｎｍ）の波長領域の光を反射し、緑（Ｇ：例えば５０５〜５８０ｎｍ）の波長領域の光を透過するダイクロイックミラーである。

５９は透明基板に偏光素子を貼り付けたＧ用の入射側偏光板であり、Ｐ偏光光のみを透過する。

６０は多層膜により構成された偏光分離面においてＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する第１偏光ビームスプリッタである。

６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂはそれぞれ、入射した光を反射するとともに画像変調する画像形成素子（若しくは光変調素子）としての赤用反射型液晶パネル、緑用反射型液晶パネル及び青用反射型液晶パネルである。

６２Ｒ，６２Ｇ，６２Ｂはそれぞれ、赤用１／４波長板、緑用１／４波長板及び青用１／４波長板である。

６４ａはＲ光の色純度を高めるためにオレンジ光をランプ１に戻すトリミングフィルタである。

６４ｂは透明基板に偏光素子を貼り付けたＲＢ用入射側偏光板であり、Ｐ偏光のみを透過する。

６５はＲ光の偏光方向を９０度変換し、Ｂ光の偏光方向は変換しない色選択性位相差板である。

６６は偏光分離面においてＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第２偏光ビームスプリッタである。

６８ＢはＢ用射出側偏光板（偏光素子）であり、Ｂ光のうちＳ偏光成分のみを整流する。６８ＧはＧ光のうちＳ偏光成分のみを透過させるＧ用出側偏光板である。

６９はＲ光及びＢ光を透過し、Ｇ光を反射するダイクロイックプリズムである。

以上のダイクロイックミラー５８〜ダイクロイックプリズム６９により、色分解合成光学系βが構成される。

本実施例において、偏光変換素子４５はＰ偏光をＳ偏光に変換するが、ここでいうＰ偏光とＳ偏光は、偏光変換素子４５における光の偏光方向を基準として述べている。一方、ダイクロイックミラー５８に入射する光は、第１及び第２偏光ビームスプリッタ６０，６６での偏光方向を基準として考え、Ｐ偏光光であるとする。すなわち、本実施例では、偏光変換素子４５から射出された光をＳ偏光光とするが、同じＳ偏光光をダイクロイックミラー５８に入射する場合はＰ偏光光として定義する。

（光学的作用）
次に、光学的な作用を説明する。

発光管４１から発した光はリフレクタ４２により所定の方向に集光される。リフレクタ４２は放物面形状の凹面鏡を有し、放物面の焦点位置からの光は該放物面の対称軸に平行な光束となる。但し、発光管４１からの光源は理想的な点光源ではなく、有限の大きさを有しているので、集光する光束には放物面の対称軸に平行でない光の成分も多く含まれている。これらの光束は、第１シリンダアレイ４３ａに入射する。第１シリンダアレイ４３ａに入射した光束は、シリンダレンズセルの数に応じた複数の光束に分割されて集光され、垂直方向に並ぶ帯状の複数の光束となる。そして、これら複数の分割光束は、紫外線吸収フィルタ４４及び第２シリンダアレイ４３ｂを経て、複数の光源像を偏光変換素子４５の近傍に形成する。

図３を用いて偏光変換素子４５の構成について説明する。

偏光変換素子４５は、複数の偏光分離面４５ａと、複数の反射面４５ｂから構成される偏光素子と、複数の１／２波長板（位相差板）４５ｃとを有する。上記複数の分割光束（無偏光光）は、その列に対応した偏光分離面４５ａに入射し、該偏光分離面４５ａを透過したＰ偏光と該偏光分離面４５ａで反射したＳ偏光とに分離される。

偏光分離面４５ａで反射したＳ偏光は、反射面４５ｂで反射してＰ偏光と同じ方向に射出する。一方、偏光分離面４５ａを透過したＰ偏光は、１／２波長板４５ｃにより偏光方向を９０度回転されてＳ偏光に変換されるこうして、同じ偏光方向を有する複数の光束（直線偏光）が射出する。

偏光変換素子４５によってＳ偏光とされた光は、ダイクロイックミラー５８に入射する。以下、ダイクロイックミラー５８を透過したＧ光の光路について説明する。

ダイクロイックミラー５８を透過したＧ光は、入射側偏光板５９に入射する。Ｇ光はダイクロイックミラー５８によって分解された後もＰ偏光（偏光変換素子４５を基準とする場合はＳ偏光）となっている。そして、Ｇ光は入射側偏光板５９から射出した後、第１偏光ビームスプリッタ６０に対してＰ偏光として入射し、その偏光分離面を透過してＧ用反射型液晶パネル６１Ｇへと至る。

ここで、該プロジェクタのＩＦ基板２５には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置８０が接続されている。制御基板１１は、画像供給装置８０から入力された画像情報に基づいて反射型液晶パネル６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂを駆動し、これらに各色用の原画を形成させる。これにより、各反射型液晶パネルに入射した光は、反射されるとともに原画に応じて変調（画像変調）される。画像供給装置８０とプロジェクタにより画像表示システムが構成される。

Ｇ用反射型液晶パネル６１Ｇにおいては、Ｇ光が画像変調されて反射される。画像変調されたＧ光のうちＰ偏光成分は、再び第１偏光ビームスプリッタ６０の偏光分離面を透過して光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＧ光のうちＳ偏光成分は、第１偏光ビームスプリッタ６０の偏光分離面で反射され、投射光としてダイクロイックプリズム６９に向かう。

このとき、すべての偏光成分をＰ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において、第１偏光ビームスプリッタ６０とＧ用反射型液晶パネル６１Ｇとの間に設けられた１／４波長板６２Ｇの遅相軸を所定の方向に調整する。これにより、第１偏光ビームスプリッタ６０とＧ用反射型液晶パネル６１Ｇで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えることができる。

第１偏光ビームスプリッタ６０から射出したＧ光は、ダイクロイックプリズム６９に対してＳ偏光として入射し、該ダイクロイックプリズム６９のダイクロイック膜面で反射して投射レンズ５へと至る。

一方、ダイクロイックミラー５８で反射したＲ光とＢ光は、トリミングフィルタ６４ａに入射する。Ｒ光とＢ光はダイクロイックミラー５８によって分解された後もＰ偏光となっている。そして、Ｒ光とＢ光は、トリミングフィルタ６４ａでオレンジ光成分がカットされた後、入射側偏光板６４ｂを透過し、色選択性位相差板６５に入射する。

色選択性位相差板６５は、Ｒ光の偏光方向のみを９０度回転させる作用を有し、これによりＲ光はＳ偏光として、Ｂ光はＰ偏光として第２偏光ビームスプリッタ６６に入射する。

Ｓ偏光として第２偏光ビームスプリッタ６６に入射したＲ光は、該第２偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射され、Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒへと至る。また、Ｐ偏光として第２偏光ビームスプリッタ６６に入射したＢ光は、該第２偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過してＢ用反射型液晶パネル６１Ｂへと至る。

Ｒ用反射型液晶パネル６１Ｒに入射したＲ光は、画像変調されて反射される。画像変調されたＲ光のうちＳ偏光成分は、再び第２偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射されて光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＲ光のうちＰ偏光成分は、第２偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過して、投射光としてダイクロイックプリズム６９に向かう。

また、Ｂ用反射型液晶パネル６１Ｂに入射したＢ光は、画像変調されて反射される。画像変調されたＢ光のうちＰ偏光成分は、再び第２偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面を透過して光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＢ光のうちＳ偏光成分は、第２偏光ビームスプリッタ６６の偏光分離面で反射して、投射光としてダイクロイックプリズム６９に向かう。

このとき、第２偏光ビームスプリッタ６６とＲ用，Ｂ用反射型液晶パネル６１Ｒ，６１Ｂとの間に設けられた１／４波長板６２Ｒ，６２Ｂの遅相軸を調整することにより、Ｇ光の場合と同じように、Ｒ，Ｂ光それぞれの黒表示状態での調整を行うことができる。

こうして１つの光束に合成されて第２偏光ビームスプリッタ６６から射出したＲ光とＢ光は、射出側偏光板６８Ｂで検光されてダイクロイックプリズム６９に入射する。また、Ｒ光はＰ偏光のまま射出側偏光板６８Ｂを透過して、ダイクロイックプリズム６９に入射する。

射出側偏光板６８Ｂで検光されることにより、Ｂ光は、該Ｂ光が第２偏光ビームスプリッタ６６、Ｂ用反射型液晶パネル６１Ｂ及び１／４波長板６２Ｂを通ることによって生じた無効な成分がカットされた光となる。

そして、ダイクロイックプリズム６９に入射したＲ光とＢ光は、ダイクロイック膜面を透過して、該ダイクロイック膜面にて反射したＧ光と合成されて投射レンズ５に至る。

そして、合成されたＲ，Ｇ，Ｂ光は、投射レンズ５によってスクリーンなどの被投射面に拡大投影される。

次に、本実施例のプロジェクタにおけるランプ１と投射レンズ５の配置について、図４、図５、図６を用いて説明する。

図４に示すように投射レンズ５に対し、ランプ１は角度θが４５°の配置となっている。

また、図５（Ａ）、図６（Ａ）に示すように下部外装ケース２１の底面２１ａと上部外装ケースの天面２２ａに対し、ランプの光軸１ａは平行に配置されている。

この配置構成により、図５（Ｂ）に示すように据置き姿勢時のランプ発光管４１のバルブ４１ａ内の高温部Ａは、２つの電極４１ｂが水平方向に配置されているのに対し、バルブ４１ａ内の垂直方向上側になるため、高温部Ａが電極４１ｂと位相が異なる位相となっている。

これは、天吊り方向でもバルブ４１ａ内の高温部Ａと電極４１ｂの位置関係は同等となる。

また、図６（Ｂ）はポートレート姿勢におけるバルブ４１ａ内の高温部Ａと電極４１ｂとの関係を示しているが、投射光学系５に対し、ランプ角度θを４５°で配置しているため、ポートレート姿勢における電極４１ｂが４５°配置となるため、高温部Ａが電極４１ｂに重なることは無い。

これは、ポートレート姿勢及び上下姿勢の４姿勢に関して、高温部Ａと電極４１ｂの位置関係は同等となる。

本実施例の構造により、ランプ寿命に起因するバルブ４１ａ内の電極４１ｂに対し、配置姿勢におけるバルブ４１ａ内の高温部Ａが電極４１ｂに重ならない為、ランプ寿命の配置姿勢による著しい寿命の変化を低減することが可能となる。

投射レンズ５に対し、ランプ１の配置関係による簡素な構成であるため、コストアップや外形への影響を抑えることが出来る。

１ 光源ランプ、１ａ ランプ光軸、５ 投射レンズ、２１ 下部外装ケース、
２１ａ 底面、２２ 上部外装ケース、２２ａ 天面、４１ 発光管、４１ａ バルブ、
４１ｂ 電極、Ａ バルブ内高温部

Claims (2)

1. 光源としてのランプと内部に該ランプを収納するランプ収納体と光源からの光を光変調素子に照射し、光変調素子によって形成された画像を拡大投射する投射レンズを備え、該ランプ光軸と該投射レンズの投射軸が４５°で配置されていることを特徴とする投射表示装置。
2. 該ランプ収納体と該投射レンズが収納固定する２つの上下外装に対し、該ランプは上下外装の天面・底面に対し、平行に配置され、且つ該投射レンズの投射方向に対し４５°に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の投射表示装置。