JP4577575B2

JP4577575B2 - 導光装置及びプロジェクタ

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Publication number: JP4577575B2
Application number: JP2006048639A
Authority: JP
Inventors: 浩荻野
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2010-11-10
Anticipated expiration: 2026-02-24
Also published as: JP2007226025A

Description

本発明は、導光装置及び当該導光装置を用いたプロジェクタに関する。

今日、パーソナルコンピュータの画面表示画像やビデオ映像などをスクリーンに投影する画像投影装置としてデータプロジェクタが多用されている。このプロジェクタは、高輝度の光源が用いられ、メタルハイランドランプや超高圧水銀ランプなどの小型高輝度の放電ランプにリフレクタとしての凹面反射鏡を取り付けたランプユニットをプロジェクタの光源装置としてプロジェクタに組み込むことが多い。

そして、このランプユニットでは、回転放物線状のリフレクタ又は回転楕円面状のリフレクタを用いたものが多く用いられ、リフレクタの楕円焦点に高輝度の放電ランプを設置し、前方及び後方に向けて射出された光をこの回転放物線又は回転楕円面のリフレクタで反射させ、ライトトンネルや導光ロッド等の導光装置に集光するものとしている。

そして、超高圧水銀ランプなどの高輝度の放電ランプを内蔵した光源装置からの光を、赤色フィルタ、緑色フィルタ、青色フィルタからなり、毎秒１２０回の回転速度で回転するカラーホイールを用いて赤色、緑色、青色の光とし、この赤色、緑色、青色の光を導光装置等を通した後、レンズにより一般的にはＤＭＤと呼ばれるマイクロミラー表示素子に集光させ、この表示素子によりプロジェクタ装置の投影口123に向けて反射させるオン状態の光の量によってスクリーン上にカラー画像を表示させるものである。

ここでＤＭＤとは、微小なミラーセルを制御信号により揺動させ、反射光の方向を制御し、光源側光学系により表示素子に入射された光を投影側光学系である投影レンズの方向に反射するオン状態光と光吸収板の方向に反射するオフ状態光とし、赤色光、緑色光、青色光の光をオン状態とする時間を制御してスクリーンにカラー画像を投影するものである。

近年、このようなプロジェクタの小型化が図られており、小型化を実現するためにプロジェクタの筐体内のスペースを有効活用する動きが見られる。このようにプロジェクタの筐体内のスペースを有効活用するためには、光源装置から射出された光の光軸を折り曲げる必要がある。そこで、プロジェクタの多くは光軸上に反射ミラーを配置することで光源装置から射出された光の光軸を折り曲げるようにしている。しかし、このように反射ミラーを光軸上に配置する場合、反射ミラーを設置するスペースが必要となり小型化の妨げとなっていた。又、光源装置から射出された光の全てを折り曲げることができるわけではなく、光の損失が発生するため光源装置からの射出光を有効活用することができず、結果として投影画像の明るさが足りないといった問題点があった。

そこで、特開２００５−２０８１７４号公報（特許文献１）では、ロッドインテグレータの入射口と出射口の両方、或いはどちらか一方を光軸方向に対して斜めに成形し、この斜面により入射光を屈折させることで光軸を折り曲げることが可能となり、且つ、新たな部材を配置する必要がないためプロジェクタの筐体内のスペースを有効活用することができる発明が提案されている。
特開２００５−２０８１７４号公報

しかし、上述したような従来の技術では、ロッドインテグレータと空気層の屈折率の違いのみを利用して光軸を折り曲げているため、折曲の角度に限界があり、光軸の方向を大きく折り曲げるにはロッドインテグレータの光軸に対する配置角度を大きくする必要があり、これによりロッドインテグレータに入射する光源装置からの入射光の損失が大きくなるといった問題点があった。又、反射ミラーを用いている従来のプロジェクタにそのまま交換することですぐに利用できるといったものではなかった。

本発明は、上述したような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、光軸上に平行に配置可能で、折り曲げ可能な角度の幅が大きく、しかも、既存のプロジェクタに用いている導光装置と交換するだけで利用することができ、光の損失も小さい導光装置と、当該導光装置を用いることで小型化を実現したプロジェクタを提供することを目的としている。

本発明の導光装置(224)は、四角柱形状のロッド(241)と、二等辺三角柱形状のプリズム(242)とを備え、ロッド(241)は、一方の端面を入射面(243)として光軸と垂直に交わる平面とし、他方の面を出射面(244)として光軸と斜めに交わる傾斜面とし、プリズム(242)は、斜辺面と交差する二等辺の面の一方を入射口(245)、他方を射出口(246)、斜辺面を反射面(247)とし、ロッド(241)の出射面(244)とプリズム(242)の入射口(245)を対向させて接着し、当該接着面(248)はプリズム(242)の屈折率よりも小さな屈折率の透光性を有する接着剤により接着するものである。

そして、ロッド(241)とプリズム(242)の屈折率を等しくすることが好ましく、ロッド(241)における出射面(244)と光軸との交わる角度がプリズム(242)の二等辺が挟む頂角と等しくするものである。

そして、プリズム(242)の屈折率をｎ１、接着面(248)の屈折率をｎ２、プリズムの二等辺がなす頂角をα、光束がプリズム(242)内で光軸となす角度をθとしたとき、式（１）、式（２）、式（３）の関係を満たしており、又、プリズム(242)の反射面(247)が接する空気の屈折率をｎ３としたとき、式（４）の関係を満たしているものである。

又、本発明のプロジェクタは、光源装置(210)と、光源側光学系(220)と、投影画像を生成する表示素子(230)と、投影画像を投影する投影側光学系(250)と、プロジェクタ制御手段(181)とを備え、光源側光学系(220)は、カラーホイール(221)と、導光部(223)と、光源側レンズ群(226)と、ミラー(228)とを備え、導光部(223)は少なくとも１つの導光装置(224)を備え、当該導光装置(224)は、上述の構成としたものを用いることを特徴とするものである。

本発明によれば、光軸上に平行に配置可能で、折り曲げ可能な角度の幅が大きく、しかも、既存のプロジェクタに用いている導光装置と交換するだけで利用することができ、光の損失も小さい導光装置と、当該導光装置を用いることで小型化を実現したプロジェクタを提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態のプロジェクタ100は、光源装置210と、光源側光学系220と、投影画像を生成する表示素子230と、投影画像を投影する投影側光学系250と、プロジェクタ制御手段181とを備え、光源側光学系220は、カラーホイール221と、導光部223と、光源側レンズ群226と、ミラー228とを備え、導光部223は少なくとも１つの導光装置224を備えている。

又、導光装置224は、四角柱形状のロッド241と、二等辺三角柱形状のプリズム242とを備え、ロッド241は、一方の端面を入射面243として光軸と垂直に交わる平面とし、他方の面を出射面244として光軸と斜めに交わる傾斜面とし、プリズム242は、斜辺面と対向して交差する２つの面の一方を入射口245、他方を射出口246、斜辺面を反射面247とし、ロッド241の出射面とプリズム242の入射口245が対向して接着し、接着面248はプリズムよりも屈折率の小さな透光性の接着剤により接着している。

そして、ロッド241とプリズム242の屈折率が等しく、ロッド241における出射面244と光軸との交わる角度がプリズム242の二等辺が挟む頂角と等しくなるように形成している。

又、プリズム242の屈折率をｎ１、接着面248の屈折率をｎ２、プリズムの二等辺がなす頂角をα、光束がプリズム242内で光軸となす角度をθとしたとき、式（１）、式（２）、式（３）の関係を満たしており、プリズム242の反射面247が接する空気の屈折率をｎ３としたとき、式（４）の関係を満たしている。

本最良の形態によれば、光軸上に平行に配置可能で、折り曲げ可能な角度の幅が大きく、しかも、既存のプロジェクタに用いている導光装置と交換するだけで利用することができ、光の損失も小さい導光装置と、当該導光装置を用いることで小型化を実現したプロジェクタを提供することができる。

本発明に係るデータプロジェクタは、図１に示すように、略直方体形状であって、本体ケースである前面パネル120の側方に投影口123を覆うレンズカバー121を有すると共に、この前面パネル120には複数の通気孔145を設けているものである。

また、図１には図示を省略しているも、本体ケースである上面パネル110にはキー／インジケータ部を設けるものであり、このキー／インジケータ部には、電源スイッチキーや電源のオン又はオフを報知するパワーインジケータ、光源装置のランプを点灯させるランプスイッチキー及びランプの点灯を表示するランプインジケータ、光源装置などが過熱したときに報知をする過熱インジケータなどのキーやインジケータを設けるものである。

更に、図示しない本体ケースの背面には、背面パネルにＵＳＢ端子や画像信号入力用のＤ−ＳＵＢ端子、Ｓ端子、ＲＣＡ端子などを設ける入出力コネクタ部及び電源アダプタプラグやリモートコントローラからの制御信号を受信するＩｒ受信部などを設けているものである。
又、本体ケースの側面パネル150には、各々複数の通気孔145を設けているものである。

そして、このプロジェクタ100の内部には、図２に示すように、超高圧水銀ランプなどの放電ランプ211を内蔵する光源装置210、及び、光源側光学系220としてカラーホイール221や導光部223、照明側光学系として複数枚の光源側レンズ群226と１枚のミラー228を有するものである。

更に、ランプ電源回路187やプロジェクタ制御手段181を取り付けた回路基板180、光源装置210からの射出光を表示素子230に照射する光源側光学系220、及び、複数の画素を行方向及び列方向にマトリクス状に配列して入射した光の反射を制御することにより画像を表示する表示素子230、更に、表示素子230からの射出光をスクリーン等の投影面に投影する投影側光学系250である固定レンズ群253や可動レンズ群255を組み込んだプロジェクタ100である。

この回路基板180には、マイクロコンピュータによるプロジェクタ制御手段181が設けられ、このプロジェクタ制御手段181により、プロジェクタ内の各回路の動作制御を行い、電源スイッチがオン状態とされると光源装置210の放電ランプ211を点灯させると共に、冷却ファン190を放電ランプ211の出力や冷却ファン190のファン形状及び配置などに合わせた定格速度で駆動させ、側面パネル150や背面パネルの通気孔145等から外気を取り入れて、前面パネル120の通気孔145から内部の空気を排出しつつプロジェクタ100をスタンバイ状態とするものである。

そして、放電ランプ211の温度が所定温度に上昇して発光が安定すると、画像信号の入力による画像の投影を可能とするものである。
又、電源スイッチがオフ状態とされると放電ランプ211を消灯すると共に、タイマーにより数分間程度の所定時間だけ冷却ファン190の駆動を持続させてプロジェクタ100の内部を冷却した後に全ての動作を停止させる等の制御も行なうものである。

そして、表示素子230は、カラーフィルターのような入射光を着色する手段を備えない表示素子230であり、この実施例では、一般にＤＭＤ（Digital Micromirror Device）と略称されるマイクロミラー表示素子を用いている。このマイクロミラー表示素子の横と縦の比は通常４：３とされている。

このマイクロミラー表示素子は、その正面方向に対して一方向に傾いた入射方向から入射した光を、複数のマイクロミラーの傾き方向の切換えにより正面方向のオン状態光線と斜め方向のオフ状態光線とに分けて反射することにより画像を表示するものであり、一方の傾き方向に傾動されたマイクロミラーに入射した光をこのマイクロミラーにより正面方向に反射するオン状態光線とし、他方の傾き方向に傾動されたマイクロミラーに入射した光をこのマイクロミラーにより斜め方向に反射してオフ状態光線とすると共に、このオフ状態光線を吸光板で吸収し、正面方向への反射による明表示と、斜め方向への反射による暗表示とにより画像を表示するものである。

そして、光源装置210は、内部に放電ランプ211を備え、内面が反射面とされる楕円球面形状のリフレクタと、このリフレクタの前方にリフレクタ前方の開口を塞ぐように防爆面が設置されるものであり、放電ランプ211はランプ電源回路187から電源を供給可能に導線により接続され、放電ランプ211が発光してリフレクタの反射面により反射して、光源装置210の前方に光を照射するものである。

又、光源装置210からの射出光をマイクロミラー表示素子230に入射させる光源側光学系220は、カラーホイール221や導光部223、複数枚のレンズである光源側レンズ群226、及び、ミラー228で構成している。このカラーホイール221は薄肉円盤状であり、光源装置210からの射出光を順次着色するためのカラーフィルターを平面上に有している。

又、導光部223は導光装置224により形成しており、当該導光装置224は、カラーホイール221の射出側に入射面を対向させる位置として配置し、入射した光を均一な強度分布の光とし、更に光軸の方向を変更して射出するものである。

そして、光源側光学系220のミラー228は、光源装置210から射出され導光部223とカラーホイール221と光源側レンズ群226とを透過した光を、表示素子230に向けて反射することにより表示素子230にその正面方向に対して一方の方向に傾いた方向から光を投射するものである。

又、投影側光学系250は、固定レンズ群253を内蔵する固定鏡筒と、この固定鏡筒に係合され、回転操作により軸方向に進退移動可能とされる可動レンズ群255を内蔵する可動鏡筒とを備え、これらの鏡筒内に組み込まれた複数枚のレンズの組み合わせによりズームレンズを形成する投影側光学系250としているものである。

このように、このプロジェクタ100は、光源装置210から光を一方向に射出させ、光源側光学系220のカラーホイール221を高速で回転駆動させることにより、光源装置210から光源側光学系220に入射した光を、カラーホイール221により順次着色し、更に導光部223により強度分布を均一にし、且つ、光軸の方向を折り曲げて光源側光学系220としての光源側レンズ群226及びミラー228により表示素子230に向けて投射することができるものである。

そして、電源投入時から所定時間が経過して光源装置210からの光が安定すると、カラーホイールを透過することで着色された各色の光の投射周期に同期させて表示素子230に各色の単色画像データを順次書込むことにより、表示素子230の正面方向に反射するオン状態光線により表示素子230に各色の単色画像を順次形成させ、表示素子230から順次射出する各色の単色画像光を、投影側光学系250のレンズ群253、255により拡大して投影面に投影するものであり、投影面に、各色の３色の単色画像が重なったフルカラー画像を表示するものである。

そして、本実施例の導光装置224は、図３に示すように、四角柱形状の透光性を有するロッド241と、二等辺三角柱形状のプリズム242とを有する。ロッド241は、一方の端面を入射面243として光軸と垂直に交わる平面とし、他方の面を出射面244として光軸と斜めに交わる傾斜面とし、光源装置から射出された光線束の光軸に入射面243が垂直に交差し、ロッド241の中心軸が光軸上にくるように配置している。又、出射面244の光軸に対する角度は、光軸を曲げる角度によって変化するものであり、このロッド241は光源装置の有するリフレクタより入射した光束の強度分布を均一にするためのものである。

又、プリズム242は、斜辺面と対向して交差する２つの面である二等辺の面の一方を入射口245とし、他方を射出口246、斜辺面を反射面247としている。そして、プリズム242の入射口245はロッド241の出射面244とは同一の形状及び大きさとされており、これらロッド241の出射面244とプリズム242の入射口245を対向させて接着し、当該接着面248はプリズム242よりも屈折率の小さな透光性の接着剤により接着するものとしている。このプリズム242はロッド241内を透過した光の光軸を折り曲げる機能を有するものである。

尚、本実施例の導光装置224の長手方向の全長は３０ｍｍ〜３５ｍｍ程となっており、従来の導光装置と略同一のサイズである。又、ロッド241とプリズム242の屈折率は等しく、ロッド241における出射面244と光軸との交わる角度がプリズム242の二等辺が挟む頂角と等しいものである。

このような導光装置224の作用について説明する。図４、図５に示すように、光源装置210の有するリフレクタにより集光された光線束は、ロッド241の入射面243に入射し、ロッド241の内面で全反射を繰り返した後、出射面244より出射しプリズム242との間の接着面248を通過し、プリズム242へ入射口245から入射される。プリズム242に入射した光束は反射面247にて反射し、光軸が曲げられて射出口246より射出する。この曲げられた光軸はロッド241の出射面244と平行となる。

又、ロッド241からプリズム242の入射口245に入射した光のうちプリズム242の射出口246に直接照射される光は、射出口246の臨界角より大きいために外部に射出されず、反射面247に向かって反射され、反射面247で反射してから再び射出口246に照射される。これにより臨界角よりも小さくなって外部に射出される。又、反射面247で直接反射した後に入射口245に照射される光はプリズム242の屈折率よりも接着剤の屈折率を小さくしているために反射され、射出口246に向かうこととなり、射出口246から外部に射出される。

即ち、ロッド241に入射される光の光軸に対してロッド241を透過した光の光軸を曲げるには、ロッド241とプリズム242を一体成形とすることも可能であるが、一体成形した場合反射面247で反射した光線束のうち図５に示すＡのような反射面に反射した後に入射口245に照射されるような光は、そのまま外部に射出されてしまうため、導光装置224より後の光源側光学レンズ群に入射することができず損失となってしまう。しかし、本実施例の導光装置224では接着面248を形成する接着剤とプリズム242の屈折率の違いにより、Ａのような光が接着面248で反射して射出口246より射出されることになり、損失を防ぐことができる。

このように、当該導光装置224では、光源装置210のリフレクタより入射した光の損失を少なくして光軸を折り曲げることが可能となり、折り曲げる角度もプリズムの形状や出射面の角度を変えることで変更することができる。又、従来の導光装置と略同一のサイズなため、プロジェクタの全体の設計を変更することなく、小型化の実現が可能となる。

そして、この導光装置224の条件として、プリズムの屈折率をｎ１、透光性接着剤の屈折率をｎ２、プリズムの二等辺がなす頂角をα、光束がプリズム内で光軸となす角度をθとしたとき、式（１）、式（２）、式（３）の関係を満たすものである。

この式（１）は、反射面247に反射した光が接着面248に照射される場合に、接着面248に照射した光が接着面248を透過して再びロッド241の内部に戻らないようにするためのθの条件式である。又、式（２）と式（３）は、ロッド241からプリズム242に光が透過するためのαとθの条件式である。

又、プリズムの反射面247が接する空気の屈折率をｎ３としたときは、式（４）を満たすものとする。

この式（４）は、反射面247に照射した光が外部に透過しないためのθの条件式である。式（４）を満たすことにより反射面247に射出された光は反射面247を透過して外部に射出することなく全反射することになり、光の損失を防ぐことができる。
そして、式（１）〜式（４）を全て満たす導光装置224を用いることにより、ロッド241からプリズム242に入射した光は、ロッド241に戻ることなく、プリズム242の射出口248から確実に射出することができ、光の損失を更に削減することが可能となる。

本実施例によれば、当該導光装置224は光軸の位置に一致させて配置することが可能であり、折り曲げ可能な角度の幅が大きく、しかも、既存のプロジェクタに用いている導光装置と交換するだけで利用することができ、光の損失の小さい導光装置とし、当該導光装置を用いることで小型化を実現したプロジェクタを提供することができる。

又、本実施例の導光部として導光装置224をプロジェクタ内部で複数個組み合わせて用いることも可能である。例えば図６に示すように、１つの導光装置224で光源装置210からの射出光を垂直に折り曲げ、この折り曲げた光軸上に更にもう１つの光源装置210を配置することで光源装置210からの射出光の光軸とは略反対の向きに光を射出することができる。
更に、図７に示すように、３つの導光装置224を用いて平面的のみでなく立体的に光を折り曲げることもできる。

このように導光部を複数の導光装置224で形成することにより、プロジェクタ内の空きスペースを有効利用して光を屈折させることができ、プロジェクタの筐体内で種々の装置を配置する場合に配置場所の自由度が増し、様々な配置設計が可能となる。
又、本発明は、以上の実施例の形態に限定されるものでなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で自由に変更、改良が可能である。

本発明の一つの実施例のプロジェクタの斜視図。本発明の一つの実施例のプロジェクタの内部構造の説明図。本発明の一つの実施例の導光装置の斜視図。本発明の一つの実施例の導光装置の断面図。本発明の一つの実施例の導光装置の部分拡大断面図。本発明の導光装置を複数個配置した場合の説明図。本発明の導光装置を複数個配置した場合の説明図。

符号の説明

１００プロジェクタ１１０上面パネル
１２０前面パネル１２１レンズカバー
１２３投影口１４５通気孔
１５０側面パネル１８０回路基板
１８１プロジェクタ制御手段１８７ランプ電源回路
１９０冷却ファン２１０光源装置
２１１放電ランプ２２０光源側光学系
２２１カラーホイール２２２ホイールモータ
２２３導光部２２４導光装置
２２６光源側レンズ群２２８ミラー
２３０表示素子
２４１ロッド２４２プリズム
２４３入射面２４４入射面
２４５入射口２４６射出口
２４７反射面２４８接着面
２５０投影側光学系２５３固定レンズ群
２５５可動レンズ群

Claims

四角柱形状のロッドと、二等辺三角柱形状のプリズムとを備え、
前記ロッドは、一方の端面を入射面として光軸と垂直に交わる平面とし、他方の面を出射面として光軸と斜めに交わる傾斜面とし、
前記プリズムは、斜辺面と交差する二等辺の面の一方を入射口、他方を射出口、斜辺面を反射面とし、
前記ロッドの出射面とプリズムの入射口を対向させてプリズムの屈折率よりも小さな屈折率の透光性を有する接着剤により接着されていることを特徴とする導光装置。
前記ロッドとプリズムの屈折率が等しいことを特徴とする請求項１に記載の導光装置。
前記ロッドにおける出射面と光軸との交わる角度がプリズムの二等辺が挟む頂角と等しいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の導光装置。
前記プリズムの屈折率をｎ１、前記接着面の屈折率をｎ２、プリズムの二等辺がなす頂角をα、光束がプリズム内で光軸となす角度をθとしたとき、式（１）、式（２）、式（３）の関係を満たしていることを特徴とする請求項３に記載の導光装置。
前記プリズムの反射面が接する空気の屈折率をｎ３としたとき、式（４）の関係を満たしていることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の導光装置。
光源装置と、
光源側光学系と、
投影画像を生成する表示素子と、
投影画像を投影する投影側光学系と、
プロジェクタ制御手段とを備え、
前記光源側光学系は、カラーホイールと、導光部と、光源側レンズ群と、反射ミラーとを備え、
前記導光部は導光装置により形成するものとし、当該導光装置は、
四角柱形状のロッドと、二等辺三角柱形状のプリズムとを備え、
前記ロッドは、一方の端面を入射面として光軸と垂直に交わる平面とし、他方の面を出射面として光軸と斜めに交わる傾斜面とし、
前記プリズムは、斜辺面と交差する二等辺の面の一方を入射口、他方を射出口、斜辺面を反射面とし、
前記ロッドの出射面とプリズムの入射口を対向させてプリズムの屈折率よりも小さな屈折率の透光性を有する接着剤により接着されていることを特徴とするプロジェクタ。
前記ロッドとプリズムの屈折率が等しいことを特徴とする請求項６に記載のプロジェクタ。
前記ロッドにおける出射面と光軸との交わる角度がプリズムの二等辺が挟む頂角と等しいことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のプロジェクタ。
前記プリズムの屈折率をｎ１、前記接着面の屈折率をｎ２、プリズムの二等辺がなす頂角をα、光束がプリズム内で光軸となす角度をθとしたとき、式（１）、式（２）、式（３）の関係を満たしていることを特徴とする請求項８に記載のプロジェクタ。
前記プリズムの反射面が接する空気の屈折率をｎ３としたとき、式（４）の関係を満たしていることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のプロジェクタ。
前記導光部は複数個の導光装置により形成されていることを特徴とする請求項６乃至請求項１０のいずれかに記載のプロジェクタ。