JP4438423B2 - 投射型映像表示装置 - Google Patents

Description

透過型液晶や反射型液晶、あるいは微小ミラーで構成されたＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等の映像表示素子を用いた投射型映像表示装置に関する。

液晶パネル等の映像表示素子に、光源からの光を当て、液晶パネル上の画像を拡大投射する液晶プロジェクタ等の投射型映像表示装置が知られている。近年Light Emitting Diode（以下、「ＬＥＤ」と省略する）の高輝度化に伴い、その色純度が高いこと、寿命が長いこと、点灯性が良いことを生かして、投射型映像表示装置の光源として、ＬＥＤの適用が検討されている。

ＬＥＤ光源を投射型映像表示装置へ適用した際の新しい形態として、例えば透過型液晶パネルを１枚用いて、光源となるＬＥＤを３原色に対応して３つ使用する。そして、液晶パネルの動作と３色のＬＥＤの順次点灯を同期させてカラー表示を可能にする構成が特許文献１に開示されている。

特開２００３−３２９９７８号公報

ＬＥＤ光源は前述の通り、色純度が高い等の特徴をもっているが、反面、投射型映像表示装置用光源としては高圧水銀ランプなどに比べて輝度が十分でない問題もあり、投射型映像表示装置への適用においては、一般に上記特許文献１でも示されているように、ＬＥＤを複数配列して輝度の向上を図っている。従って、ＬＥＤ光源の照明光が照射される映像表示素子（例えば液晶パネル）上の温度は従来のランプの場合と同様に高くなる。

ところで、上記特許文献１では、小型化、薄型化、軽量化の目的のために、ＬＥＤの前面に密着して配置されたロッドレンズ（光の均一化を行う万華鏡型インテグレータの一種）の出射側と、映像表示素子である液晶パネルとをほぼ密着したような状態で配置したものが提案されている。

この場合、上記したように、液晶パネルの温度が高くなるので、液晶パネルの冷却が不十分になりやすく、液晶パネルの寿命が短くなる問題が懸念される。

さらに、構成を単純化して低価格にしていくことも重要である。上記特許文献１では、ＬＥＤ光源アレイを構成する各ＬＥＤにそれぞれ対応するロッドレンズを備えており、ＬＥＤからの照明光を液晶パネルに導く照明光学系の構成が複雑であり、より一層の低価格化が困難である。

本発明は上記した事情に鑑みてなされたもので、その目的は、簡単な構成で液晶パネルの冷却が可能なライトパイプを備えた投射型映像表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、特許請求の範囲に記載のとおり構成したものである。すなわち、ライトパイプの入射側開口部近傍の壁面に第１の孔と第２の孔を備え、あるいは前記ライトパイプの入射側開口部近傍の壁面に第１の孔を、そして前記ライトパイプの出射側開口部近傍の壁面に第２の孔を備える。これにより、前記第１と第２の孔を用いて前記ライトパイプ内部に冷却風を通風し、映像表示素子である液晶パネルを冷却することができる。

特に、前記第１と第２の孔が前記ライトパイプの入射側開口部近傍に備えられている場合は、吸気と排気の風路を形成するために、前記ライトパイプ内部に導風板を備える。これに伴い、冷却の効果をより高めることができる。

そして、光源からの光を前記液晶パネルに照射する照明光学系を保持する構造体である光学ケースの内壁面に光を反射するミラーを形成して、前記ライトパイプとする。これにより、低価格化を図ることができる。

本発明によれば、投射型映像表示装置の低価格化が可能となる。

以下、本発明の最良の形態について、図を用いて詳細に説明する。なお、各図において、同一機能を有する構成要素には同一符号を付して示し、一度述べたものについては、煩雑さを避けるために、繰り返した説明を省略する。

図１は本発明による第１の実施例を示す投射型映像表示装置の光学系の概略上面構成図、図２は図１の斜視図である。図１，図２において、１Ｒ，１Ｇ，１Ｂはそれぞれ赤，緑，青色の光を発するＬＥＤ光源であり、２および３はダイクロイックコートを施した第１及び第２の合成ミラーである。４と５は偏光方向を所定偏光方向に揃える偏光変換手段２００を構成する偏光分離ミラーと全反射のミラーで、６は内部が空洞の万華鏡型のインテグレータであるライトパイプ、７は透過型の液晶パネル、８は出射側偏光板、９は投射レンズである。３０はＬＥＤ光源からの照明光を液晶パネルに導く照明光学系を格納する筐体（構造体）である光学ケースで、３１は光学ケース３０の上面、３２は光学ケース３０の下面、３３と３４は光学ケース３０の側面、１２は冷却ファンである。なお、それぞれの光学部品は光学ケース３０によって一体に保持されている。

本実施例では、ＬＥＤ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂは図示しない点灯駆動回路によりそれぞれ所定期間だけ時分割点灯駆動され、例えばＬＥＤ光源１Ｒ点灯→１Ｇ点灯→１Ｂ点灯のように時分割されて点灯される。第１の合成ミラー２はＬＥＤ光源１Ｂからの青色光（以下、Ｂ光と記す）を透過さて、ＬＥＤ光源１Ｇからの緑色光（以下、Ｇ光と記す）を反射させて液晶パネル７側に出射する。第２の合成ミラー３は第１の合成ミラー２からのＧ光，Ｂ光を透過させるとともに、ＬＥＤ光源１Ｒからの赤色光（以下、Ｒ光と記す）を反射させて液晶パネル７側に出射する。このように本実施例では、ＬＥＤ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂと、第１の合成ミラー２と、第２の合成ミラー３とで一つの照明光源１００を構成している。なお、本実施例の照明光源１００を構成するＬＥＤ光源は、前記特許文献１の図１で示される３原色のＬＥＤを複数同一面上に配列したＬＥＤ光源と異なり、所定単一色のＬＥＤを複数配列した３つのＬＥＤ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからなる。このように構成することにより、発光面積を大きくすることができ、投射映像の輝度を向上させることができる。

上記したＬＥＤ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂと、第１の合成ミラー２と、第２の合成ミラー３とからなる照明光源１００から出射した光線は、偏光分離ミラー４へ入射する。偏光分離ミラー４は、ガラス基板上の入射側には高透過コート（図示せず）、出射側には偏光分離コート（図示せず）を施し、出射側表面に1/2波長板（図示せず）を貼り付けてある部品である。光線がこの偏光分離ミラー４を通過する際に、Ｓ偏光波（以下、Ｓ波と略す）を反射、Ｐ偏光波（以下、Ｐ波と略す）を透過する。透過したＰ波は偏光分離ミラー４の出射側に貼られた1/2波長板（図示せず）によりＳ波へと変換され、また、偏光分離ミラー４で反射されたＳ波はミラー５で反射され、いずれの光線もＳ波に統一されてから、ライトパイプ６に入射する。即ち、偏光分離ミラー４とミラー５はＳ波に揃える偏光変換手段２００を構成する。

ライトパイプ６に入射した光線は入射角度、入射位置に応じて０回から複数回の反射を繰り返し出射側へと導かれる。このライトパイプ６内面における反射によって出射断面においては、光線の輝度分布がほぼ均一になる。ライトパイプ６の出射面には、液晶パネル７がほぼ密着して配設されており、ライトパイプ６からの均一な輝度分布の光を図示しない映像駆動回路で光強度変調して形成された液晶パネル７上の映像（光学像）は出射側偏光板８を抜けた上で、投射レンズ９によって、スクリーン（図示せず）等に拡大投影される。

本構成においては、入射側偏光板（図示せず）は液晶パネル７の入射面に貼合されている。この入射側偏光板（図示せず）と液晶パネル７をともに冷却するために、冷却ファン１２を備えている。冷却ファン１２からの冷却風は、偏光分離ミラー４近傍の上側に設けられた光学ケース３０の上面３１の吸気孔３６から矢印２１のようにライトパイプ６内部に送り込まれ、入射側偏光板（図示せず）と液晶パネル７を冷却する。冷却風は矢印２１で示すように流れて、ライトパイプ６の内部で入射側偏光板（図示せず）と液晶パネル７を冷却した後、矢印２２のようにライトパイプ６を通り抜け、ミラー５近傍の上側に設けられた光学ケース３０の上面３１の排気孔３５から排気される。

なお、本実施例では、冷却風の吸気孔３６，排気孔３５を光線の入射が少ない偏光分離ミラー４とミラー５の上部の上面３１に設けたが、これに限定されるものではなく、例えば偏光分離ミラー４とミラー５の下部の下面に設けてもよく、また、例えば偏光分離ミラー４の上部の上面３１に第1の孔を設け、第２の孔をライトパイプ６と液晶パネル７の間に設けられたわずかな隙間（図示せず）に設け、第１と第２の孔を通じてライトパイプの内部に風路を形成して冷却することも可能である。

次に低価格化を実現するための、本発明の特徴を説明する。ライトパイプは一般的に４枚のミラーを組み合わせて内面がすべてミラーで、内部が空洞の光のトンネルを形成する物である。これに対し、本発明においては、前述の光学ケース３０を利用してライトパイプ６を形成している。光学ケース３０は各ミラー部品を保持し、ＬＥＤ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂと液晶パネル７、出射側偏光板８、投射レンズ９等を一体に組み立てるための保持構造体である。この光学ケース３０の本来はライトパイプ６を保持する内壁部分に、例えば塗装によってミラーを形成し、ライトパイプ６を形成している。ミラーの形成は塗装では無く、コーティングでも可能である。十分な反射率が確保できていれば、一般的な平板ミラーを用いたライトパイプに比べても同等の効率を低価格で実現できる。

以上述べたように、本実施例によれば、照明光源からの光を偏光変換手段で所定偏光方向に揃え、ライトパイプで光の均一化を行い、ライトパイプの出射側に配設された液晶パネルに照射する投射型映像表示装置において、偏光変換手段の偏光変換作用やライトパイプの光の均一化作用に影響を及ぼさない領域のライトパイプ入射側開口部近傍光学ケース壁面に第１の孔と第２の孔を備えることにより、またはライトパイプ入射側開口部近傍の光学ケース壁面に第１の孔を、ライトパイプ出射側開口部近傍の光学ケース壁面に第２の孔を備えることにより、これらの第１の孔と第２の孔からライトパイプ内部に冷却風を通風させ、入射側偏光板や液晶パネルを冷却することができる。

また、光学ケースの内壁面にミラーを形成してライトパイプとすることにより、コストダウンを図ることができる。

ここで、本実施例においては冷却ファン１２を特に限定するものではないが、液晶パネル７を冷却するために、シロッコファンなどの遠心ファンが有効である。すなわち、遠心ファンで構成される冷却ファン１２からの冷却風をダクトを介して吸気口３６に送風する。該冷却風は所定以上の風速を有することができ、液晶パネル７まで到達して冷却することができる。

次に、本発明による第２の実施例について述べる。図３は第２の実施例を示す投射型映像表示装置の光学系の概略上面構成図である。第２の実施例では、吸気孔と排気孔の両方の孔をライトパイプの入射側に設けると冷却風がライトパイプ６内でぶつかり合い、冷却の効率を低下するの防ぐために、図３に示したように、ライトパイプ６内部に導風板１３を備える。

図３において、導風板１３はライトパイプ６内部に矢印２５および矢印２６で示される冷却風の風路を形成し、効率よく入射側偏光板（図示せず）および液晶パネル７を冷却することができる。導風板１３は風路を分離するために、その長さが少なくともライトパイプの長さの１／２以上あるのが望ましい。また導風板１３は偏光分離ミラー４のライトパイプ側端部に略一致する位置で、光軸方向に沿って配置する。このように配置すれば、導風板１３が偏光変換手段２００からの光を遮るのを極力小さくすることができる。なお、図３において、図１，図２と同じ機能を有する要素には同一符号を付して示し、煩雑さを避けるために、その繰り返した説明を省略する。

導風板１３としては、高透過コートを施した透過率の高いガラス板でも有効であるが、高透過コートを施さないガラス板を用いても、反射率に関係なく結局照明光源からライトパイプ６に入射した光線はライトパイプ６の出射側へと導かれるので、問題はなく、逆にコスト低減に有効である。このとき光の吸収が多い青板ガラスよりも、光の吸収が少ない白板ガラスに準ずるものを用いたほうがよい。

また、導風板１３として、透過性のガラスではなく、反射率の高いミラーを用いることも効果的である。ミラーを用いるとライトパイプ６を細くしたのと同様の効果があり、その結果ライトパイプ６の全長を短くしても、出射断面における輝度の良好な均一性を実現することができる。次にその原理を説明する。

光を反射する導風板を追加することによって、ライトパイプ６の光路は長さ一定のまま細くなることになる。ライトパイプ６には一定の角度で光線が入射して、複数回の反射によって出射断面における輝度の均一性を実現するものであるが、一定の全長のもとでライトパイプが細くなると、光線の反射回数が増加する。その結果、全長を短くしても、光線の十分な反射回数をあたえることができ、出射断面の輝度均一性を損なわない。すなわち、全長を短縮して小型化、及び低コスト化を実現できる。

この全長短縮の効果を期待した場合、導風板１３の長さは、ライトパイプ６の内部に収まる範囲でできるだけ長くするべきであるが、出射開口面まで導風板が伸びていると、投射画面に導風板の影が写ることがあるので、これを避けるため、また本来の目的である、液晶パネル７表面の冷却風を効率よく通過させるために、図３で示した通り、導風板１３はライトパイプ６の出射側近傍までは伸ばさないようにしている。しかし、前記したように、導風板１３は冷却風の風路を分離するためのものであるので、この場合でも、その長さが少なくともライトパイプの長さの１／２以上あるのが望ましい。

本発明の投射型映像表示装置における反射型（ミラー型）導風板は、本実施例のようなＬＥＤ光源を用いた投射型映像表示装置に限らず、一般的な高圧水銀ランプ等を用いたタイプにも有効であり、この適用によってライトパイプの全長短縮を実現できる。勿論、一般的な高圧水銀ランプ等を用いた投射型映像表示装置でも、中空のライトパイプ内部を風路として冷却に用いる場合には、導風板で冷却効果を高めることができるのはいうまでもない。

また、導風板１３を用いる本実施例においては、冷却ファンからの冷却風を吸気口に送風する、所謂風路の上流側に冷却ファンを配置する場合に限るものではない。すなわち、冷却ファンにより排気口から冷却風を排出する、所謂風路の下流側に冷却ファンを配置する場合においても、本発明は適用可能である。

次に、第３の実施例について述べる。図４は第３の実施例を示す投射型映像表示装置の光学系の概略上面構成図である。第３の実施例では、前記のように光学ケースの内壁面に例えば塗布またはコーティングによってミラーを設けてライトパイプ６を形成する際、同時にライトパイプ６以外の部分の光学ケース内壁面にもミラーを設けて、反射面積の拡張を行っている。

図４において、反射面積の拡張を行うためのミラーを設ける光学ケースの内壁面（ライトパイプ６の部分を除く）は、光学ケース３０の上面３１および下面３２の内壁部分と、ＬＥＤ光源１Ｇ，１Ｒが保持されている側面３３に対向する偏光分離ミラー４保持部側の側面３４の内壁部分であり、１４は側面３４の内壁部分に設けられた拡張反射面、１５は上面３１および下面３２の内壁部分に設けられた拡張反射面である。

このようにライトパイプ６以外の部分での反射面積の拡張により、本来は拡散して光学ケース３０の内面の側壁にあたって吸収されていた光線を有効に反射してライトパイプ６に導くことができるので、投射映像の高輝度化を最低限のコスト上昇で実現することができる。図４中には１例として、ＬＥＤ光源１Ｂから出射した光線１８が拡張反射面１４によって有効に反射されてライトパイプ６に向かう様子を模式的に示している。

本実施例では、映像表示素子として液晶パネルを用いているが、拡張反射面の配設は光源からライトパイプへ入射する光量を増やして輝度向上を図るものであり、この意味では、映像表示素子は液晶パネルに限定されるものではない。

次に、本発明による第４の実施例について述べる。図５は第４の実施例を示す投射型映像表示装置の光学系の概略上面構成図である。本実施例は、図４に示す第３の実施例に、図５に示すように、ＬＥＤ光源１Ｇの前面にＢ光を反射しＧ光を透過するダイクロミラー１６と、ＬＥＤ光源１Ｒの前面にＧ光，Ｂ光を反射しＲ光を透過するダイクロミラー１７を備えたものである。本実施例では、本来は拡散して有効にならないＬＥＤ光源１Ｂ，１Ｇからの光線を有効に利用することによって高輝度化を実現することができる。以下、これを、図５を用いて詳細に説明する。

図５で、図５（ａ）は図４に同一であり、図５（ｂ）は第４の実施例を示す図である。図５（ａ）において、たとえば、ＬＥＤ光源１Ｂから出射したＢ光の内、ＬＥＤ光源１Ｇの出射面に入射する光線１９は、光が吸収または乱反射されて、ライトパイプ側に有効に導かれず、無駄になってしまう。そこで本実施例においては、図５（ｂ）に示すようにＬＥＤ光源１Ｇの前面にダイクロミラー１６を備えている。ダイクロミラー１６はＢ光を反射してＧ光を透過する特性のミラーであり、図５（ｂ）に示したとおり、ＬＥＤ光源１Ｇからの光線２０を透過しながら、ＬＥＤ光源１Ｂからの本来は無駄になってしまう光線２１を反射してライトパイプ側に導き、有効にしている。同様にＬＥＤ光源１Ｒの前面に備えたダイクロミラー１７はＲ光を透過して、Ｂ光とＧ光の光線を反射する特性をもっており、ＬＥＤ光源１Ｒからの光線は透過しながら、ＬＥＤ１Ｂ、１Ｇからの、本来は無駄になってしまう光線を有効に反射する。

本実施例では、映像表示素子として液晶パネルを用いているが、ＬＥＤ光源の前にダイクロイックミラーを配設する事は、光源からライトパイプへ入射する光量を増やして輝度向上を図るものであり、この意味では、映像表示素子は液晶パネルに限定されるものではない。

図６に第５の一実施例を示す投射型映像表示装置の光学系の概略上面構成図を示す。第５の実施例は上記した実施例（１乃至４）から偏光分離ミラー４とミラー５とからなる偏光変換手段と導風板を削除したもので、図６ではその一例として図５（ｂ）から偏光分離ミラー４，ミラー５および導風板１３を削除したものを示している。

図６において、光学ケース４０にＬＥＤ光源１Ｒ，１Ｇ，１Ｂおよび第１の合成ミラー２，第２の合成ミラー３とからなる照明光源と、ライトパイプ６’とが保持固定されており、ライトパイプ６’の出射面に液晶パネル７が配設されている。本実施例では偏光変換を液晶パネル７の入射面に貼り合わせられている図示しない入射側偏光板で行うので、低価格の投射型映像表示装置に適用できる。なお、図６では光学ケース４０の例えば上面または下面に設けられた冷却風の通風孔となる吸気孔と排気孔を省略して示している。

本発明の構成をＲＧＢに対応して３個の液晶パネルを用いた３板式の投射型映像表示装置にも容易に適用できる。その実施例を図７に示す。図７において、３板式としたため、前述の発明のように３色のＬＥＤ光源の光線を合成する手段は持たず、３色に対応した液晶パネル７Ｒ，７Ｇ，７Ｂを通過した後に合成プリズム１０を用いて合成して、１つの投射レンズ９で投射映像を形成する。なお、本実施例では、各光学ケース３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂにおける各照明光学系の一例として図３に示す構成で示しているが、これに限定されるものではないことはいうまでもない。また、図７では、図示を容易とするため、冷却風の通風孔となる吸気孔と排気孔を省略している。

以上述べた本発明の説明においては、ＬＥＤ光源を構成するＬＥＤの数について言及していないが、液晶パネルサイズ、ライトパイプの太さ等に応じてＲＧＢ各１個ずつの場合においても、それぞれ複数ずつ用いる場合に於いても本発明に適用可能である。

第１の実施例を示す投射型映像表示装置の光学系の概略上面構成図である。 図１の斜視図である。 第２の実施例を示す投射型映像表示装置の光学系の概略上面構成図である。 第３の実施例を示す投射型映像表示装置の光学系の概略上面構成図である。 第４の実施例を示す投射型映像表示装置の光学系の概略上面構成図である。 第５の一実施例を示す投射型映像表示装置の光学系の概略上面構成図である。 第６の実施例を示す３板式投射型映像表示装置の光学系の概略上面構成図である。

符号の説明

１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ…ＬＥＤ光源、２…第１の合成ミラー、３…第２の合成ミラー、４…偏光分離ミラー、５…ミラー、６…ライトパイプ、７…液晶パネル、７Ｒ…Ｒ液晶パネル、７Ｇ…Ｇ液晶パネル、７Ｂ…Ｂ液晶パネル、８…出射側偏光板、９…投射レンズ、１０…合成プリズム、１２…冷却ファン、１３…導風板、１４…拡張反射面、１５…拡張反射面、１６…ダイクロイックミラー、１７…ダイクロイックミラー、１８…光線、１９…光線、２０…光線、２１…光線、３０…光学ケース、３１…上面、３２…下面、３３，３４…側面、３５…排気孔、３６…吸気孔、４０…光学ケース、１００…照明光源、２００…偏光変換手段。

Claims (8)

1. 光源からの光束をライトパイプへ導き、該ライトパイプからの出射光を該ライトパイプに略密着して配置される映像表示素子に照射し、該映像表示素子からの映像光を投射レンズにより拡大投影する投射型映像表示装置であって、
   前記ライトパイプはミラーを組み合わせて形成した中空の構造であり、該中空構造部内に前記映像表示素子を冷却する冷却風の風路を構成し、
   前記ライトパイプの中空構造部内に前記冷却風を前記映像表示素子に導く導風板を配置した
   ことを特徴とする投射型映像表示装置。
2. 前記光源はＲＧＢ３色のＬＥＤ光源であって、該ＬＥＤ光源からの光束を色合成手段により色合成した後、前記ライトパイプへ導くように構成した
   ことを特徴とする請求項１に記載の投射型映像表示装置。
3. 前記ＬＥＤ光源は、ＲＧＢの各色毎に各々所定期間だけ時分割点灯するように構成した
   ことを特徴とする請求項２に記載の投射型映像表示装置。
4. 前記導風板は、前記ライトパイプの長さの１／２以上の長さを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の投射型映像表示装置。
5. 前記導風板は、光透過性材料の平板により構成した
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の投射型映像表示装置。
6. 前記導風板は、光反射性材料の平板により構成した
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の投射型映像表示装置。
7. 光源からの光束をライトパイプへ導き、該ライトパイプからの出射光を該ライトパイプに略密着して配置される映像表示素子に照射し、該映像表示素子からの映像光を投射レンズにより拡大投影する投射型映像表示装置であって、
   遠心ファンから構成される冷却ファンを有し、
   前記ライトパイプはミラーを組み合わせて形成した中空の構造であって、入射側開口部近傍に第１及び第２の孔を有し、
   前記冷却ファンからの冷却風をダクトを介して前記第１の穴に送風すると共に前記第２の孔から排気し、前記ライトパネルの中空構造部内に映像表示素子を冷却する冷却風の風路を構成し、
   前記ライトパイプの中空構造部内に前記冷却風を前記映像表示素子に導く導風板を配置した
   ことを特徴とする投射型映像表示装置。
8. 光源からの光束を、該光束の輝度分布を均一化する均一化手段へ導き、該均一化手段を介して映像表示素子に照射し、該映像表示素子からの映像光を投射レンズにより拡大投影する投射型映像表示装置であって、
   前記均一化手段はミラーを組み合わせて形成した中空の構造であり、該中空構造部内に前記映像表示素子を冷却する冷却風の風路を構成し、
   前記均一化手段の中空構造部内に前記冷却風を前記映像表示素子に導く導風板を配置した
   ことを特徴とする投射型映像表示装置。

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