JP4796803B2 - 投写型表示装置の光学系とその光学系を備えた投写型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は投写型表示装置の光学系に関し、特に焦点調整のために画像形成素子が投射レンズに対して移動可能な投写型表示装置の光学系に関する。

従来の投写型表示装置として、角柱状の導光部材の入射端に光源を配置して、この導光部材の射出端には画像形成素子である液晶パネルを配置し、導光部材から出射する光を直接液晶パネルに入射させる照明光学系を有する投写型表示装置が知られている（特許文献１、非特許文献１参照）。

このような投写型表示装置では、光学系の構成が簡素であり部品点数も少ないため、小型で低コストな投写型表示装置を提供できる可能性がある。特に、光源に固体光源を使用すれば低消費電力となり、電池駆動可能なハンディタイプの投写型表示装置が提供できる可能性が高い。

ところで、このように小型で低コストな投写型表示装置の使い勝手を考えると、操作は全て片手でできることが望ましい。例えば、ユーザーが片手で投写型表示装置本体を持ったまま、持ったその手で投写画像のピント調整ができれば非常に都合がよい。一般に投写型表示装置の投射画像のピント調整は、投射レンズの先端側のレンズ群を回転しながら繰り出して行うもので、投写型表示装置本体を片手で持ちながら、その持った手で同時に投射レンズの回転操作も行うことは容易ではない。もし、投射レンズ全体が光軸上で前後するような機構を備えていれば、その移動によりピント調整は可能になる。しかしながら、投射レンズは複数枚のレンズを組み合わせて、それらが鏡筒に組み込まれた構造となっているのが一般的で、それを精度よく光軸上で移動させるには、相応の移動機構が必要となり精度ならびに強度も要求される。一方で、投射レンズを移動させるのではなく投射レンズは投写型表示装置本体に固定し、画像形成素子のみを投射レンズの光軸上で移動させることによって、画像形成素子と投射レンズとの距離を相対的に変化させてピントを調整することが可能である。このようなピント調整によれば、画像形成素子のみの移動で済むため、移動機構の構成は簡素なもので済み、精度も出しやすい。すなわち、片手で操作できるハンディ投写型表示装置には画像形成素子の光軸上の移動によるピント調整が好適である。
特開２０００-１１２０３１号公報 "Ａ Ｈａｎｄｈｅｌｄ Ｍｉｎｉ−Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ Ｕｓｉｎｇ ＬＥＤ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅｓ" ＳＩＤ ０５ ＤＩＧＥＳＴ ｐｐ１７０６−１７０９

しかしながら、上述のピント調整機能を特許文献１や非特許文献１の投写型表示装置に適用しようとした場合に次のような不都合が生じる。それは、画像形成素子と導光部材の射出端との距離がピント調整に伴って変動するので、画像形成素子に照射される光束量が変化し、投射画像の明るさが変動したり、画面の周辺部が極端に暗くなったりするといった表示品質の劣化が起こることである。

図５は画像形成素子を光軸上で移動させたときの有効画素領域と照明光束の範囲との関係を示す模式図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）〜（ｄ）は有効画素領域と照明光束の関係を示す平面図であり、（ｂ）は画像形成素子が導光部材の出射端に近い場合、（ｃ）は中間の場合、（ｄ）は離れた場合である。

図５に示すように導光部材５１から射出され画像形成素子へ照射される光束は発散光束である。ピント調整のために画像形成素子５２が光軸５６上を移動する場合を考えると、導光部材５１に近いところでは図５（ｂ）に示すように画像形成素子５２ａの有効画素領域５４の周辺部を十分にカバーするだけの照明光束５５が供給されず、このときには投射画面は周辺部が極端に暗くなるという欠点がある。図５（ｃ）に示す中間の位置では照明光束５５は画像形成素子５２ｂの有効画素領域５４全体を有効に照射している。図５（ｄ）に示すように、導光部材５１から遠いところでは画像形成素子５２ｃの有効画素領域５４を十分にカバーするだけの照明光束５５は供給されるが、導光部材５１から射出された射出光のうち、画像形成素子５２ｃの有効画素領域５４を通過するする光束の割合が減るので光損失を引き起こしており、好ましくない。

本発明の目的は、画像形成素子を光軸上で移動させることでピント調整を行う投写型表示装置の光学系において、ピント調整に対応するあらゆる投写画面サイズに対して明るさの均一性ならびに表示画像品質を良好に保つ光学系と投写型表示装置を提供することにある。

本発明の投写型表示装置の光学系は、画像形成素子と、その画像形成素子を照明する照明光学系と、投射レンズと、を備え、照明光学系は、光源と、その光源から光が入光する第１の導光部材と、その第１の導光部材の出光部に連接していてその第１の導光部材からの出射光が入光する第２の導光部材とを有し、第１の導光部材と第２の導光部材とは光軸方向に互いに摺動可能に嵌合され、第２の導光部材の出射端面と画像形成素子の入光面とは所定の位置関係で保持されており、第２の導光部材と画像形成素子が同時に光軸方向に移動することを特徴とする。

第１の導光部材は中実の角柱状素子であり、第２の導光部材は反射膜が内面に形成された中空部を有する角柱状素子であり、第１の導光部材の角柱部外面が第２の導光部材の中空部内面に滑合されていてもよく、第１の導光部材は反射膜が内面に形成された中空部を有する角柱状素子であり、第２の導光部材は中実の角柱状素子であり、第２の導光部材の角柱部外面が第１の導光部材の中空部内面に滑合されていてもよく、第２の導光部材の射出端面の大きさが画像形成素子の有効画素領域の大きさを超えていてもよい。

第２の導光部材と画像形成素子とが固定されていてもよく、第２の導光部材と画像形成素子とは移動機構を介して所定の位置関係に保持されていてもよい。

画像形成素子が透過型液晶表示装置であってもよく、光源が１個以上の発光素子を有しそれぞれが異なる色光を発する３個の光源であってもよい。

本発明の投写型表示装置は、
上述のいずれかに記載の光学系を備えたことを特徴とする。

照明均一化手段としての導光部材が、第１の導光部材と第２の導光部材とで構成されている。例えば、第１の導光部材は角柱状の中実の導光部材であり、第２の導光部材は中空状の、内面に反射鏡が形成されたライトトンネルである。さらにライトトンネルと画像形成素子とは一体化されている。ライトトンネルの開口部面積は第１の導光部材の断面積の大きさよりも大きく、かつ画像形成素子の有効画素領域よりも僅かに大きくなっている。そして第１の導光部材と第２の導光部材とは互いに一部が重なり合っており、摺動可能である。第２の導光部材と一体化した画像形成素子は、移動手段により投写レンズの光軸に対して移動することでピント調整が実施される。このとき、画像形成素子が移動しても第２の導光部材と画像形成素子とが一体化しているので、照明光は常に画像形成素子に対して均一に、しかも光損失なく照射される。

この発明によれば、画像形成素子を光軸上に移動させることでピント調整を行う投写型表示装置において、あらゆる投写画面サイズに対して照度分布が均一に補償されるという効果がある。これは導光部材が互いに滑合して関係位置が移動可能な第１の導光部材と第２の導光部材とから構成され、第２の導光部材の出射端面と画像形成素子の入光面とが所定の位置関係で保持され、第２の導光部材が画像形成素子とともに光軸方向に移動する構造となっているので、ピント調整のために画像形成素子を移動させても照明光束と画像形成素子の有効画素領域との関係が変化しないからである。

また、ハンディな投写型表示装置において、操作者が投写型表示装置を保持しながらピント調整ができるという効果がある。これは画像形成素子の移動機構の操作が単純な操作であり、操作部を投写型表示装置を保持しながら操作できる位置に設けることが容易であるからである。

本発明の投写型表示装置の光学系では、画像形成素子を光軸上で移動させることでピント調整を行う投写型表示装置において、ピント調整により形成されるあらゆる投写画面サイズに対して高い表示画像品質を実現できるという特徴を有する。

本発明の第１の実施の形態の光学系と投写型表示装置について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態の光学系とその光学系を備えた投写型表示装置の模式的構成図である。本実施の形態では、発光素子にＬＥＤ（発光ダイオード）等の固体光源を用い、かつ画像形成素子３０として単一の液晶パネル３１と前後の第１の偏光板３２、第２の偏光板３３を備えた単板式液晶表示器を用いる光学系２と、その光学系２を備えた投写型表示装置１とを例にとって説明する。光学系２は、画像形成素子３０を照射する照明光学系１０と、画像形成素子３０と、画像形成素子３０からの光束を不図示のスクリーンに投写する投射レンズ４０とを備える。

照明光学系１０では、Ｒ、Ｇ、Ｂの色光を発光する赤色ＬＥＤ光源１１Ｒ、緑色ＬＥＤ光源１１Ｇ、青色ＬＥＤ光源１１Ｂが、Ｘ字状のクロスダイクロミラー１３により光路が合成されるように配置されている。各色のＬＥＤからの光束が収束光となるように赤色ＬＥＤ光源１１Ｒ、緑色ＬＥＤ光源１１Ｇ、青色ＬＥＤ光源１１Ｂとクロスダイクロミラー１３との間にはそれぞれ凸レンズ１２Ｇ、１２Ｂ、１２Ｒが配置されている。この凸レンズは必ずしも必要ではない。光源もＬＥＤ光源に限定されるものではなく、小型化が可能で発熱の少ないものであればよく、例えば半導体レーザであってもよい。また、重量は増加するが、光源部が水銀ランプなどの発光体で構成される光源と、この光源からの光束を集光して仮想的な２次光源を作る集光ミラーとから構成されていても本願発明は適用できる。

クロスダイクロイックミラー１３からの光を入射端面で受け、輝度分布を均一化した光を画像形成素子３０に出射する導光部材としては、第１の導光部材２１と第２の導光部材２２との組合せが用いられる。第１の実施の形態では、第１の導光部材２１として中実の角柱状素子である四角柱のロッドインテグレータが用いられ、第２の導光部材２２としては反射膜が内面に形成された中空部を有する角柱状素子であるライトトンネルが用いられ、第１の導光部材２１の角柱部外面が第２の導光部材２２の中空部内面に滑合されている。従って第２の導光部材２２の内面は第１の導光部材２１の外面を光軸２９方向に滑動することができる。

ここでは、第１の導光部材２１としては、６つの平面が光学研磨された光学ガラス製の中実の角柱を用いることとしているが、材料は必ずしも光学ガラスでなくともよい。第２の導光部材２２としては、４つの反射面が張り合わされて中空状を形成するライトトンネルが用いられている。この反射面は、例えば、白板ガラス等の安価な基材にアルミ蒸着された反射ミラー４個から構成することができ、市販のＤＬＰ投写型表示装置の光学系で実用化されているライトトンネルと同様のものを用いればよく、周知の技術のものである。

図２は導光部材の説明図であり（ａ）は第１の導光部材の斜視図および入出射面の正面図、（ｂ）は第２の導光部材の斜視図および開口部の正面図である。図２（ａ）において第１の導光部材２１の入射面および射出面２３の形状は液晶パネル３１の有効画素領域のアスペクト比と相似形で、かつ有効画素領域の大きさ以下となっている。第２の導光部材２２の開口部２４は第１の導光部材２１の入出射面２３の大きさよりも僅かに大きくなっている。これは、第１の導光部材２１と第２の導光部材２２とが互いの一部が重なりをもって配置でき、かつ、第１の導光部材２１に対して第２の導光部材２２を摺動可能にするためである。

第１の導光部材２１はクロスダイクロイックミラー１３からの光を入射端面で受け、輝度分布を均一化した光を出射端面から第２の導光部材２２の入射端面に出射する。第２の導光部材２２は第１の導光部材２１からの光を入射端面で受け、入射した光線は内部で数回繰り返し反射されて進行することによって輝度ムラが低減されて出射端面から画像形成素子３０に所定の角度で投射される。

画像形成素子３０は液晶パネル３１とその前後の入射側偏光板３２、出射側偏光板３３とから構成される。第１の実施の形態では、第２の導光部材２２の出射端面と画像形成素子３０とが所定の位置関係が保持できるように固定されている。ここでは、第２の導光部材２２の射出側に入射側の偏光板３２そして液晶パネル３１を接着固定している。なお、入射側の偏光板３２は接着してもよく、しなくともよい。固定の方法は接着に限定されるものではなく一体となって光軸２９上を移動できる構成であればよい。

画像形成素子移動機構３４の動作部は画像形成素子３０に固定されて画像形成素子３０を所定の範囲で光軸２９方向に移動させる。従って動作部の動作によって画像形成素子３０と第２の導光部材２２とが同時に移動する。画像形成素子移動機構３４の動作部の動作は投写型表示装置１の筐体の外部に設けられた、例えば不図示のレバーなどの操作によって行はれ、画像形成素子３０の光軸２９方向の移動によってピントの調整が行なわれる。レバーは操作者が片手で投写型表示装置１の筐体を保持しながら操作可能な位置に設けられることが望ましい。

あるいは、画像形成素子３０に連結された構造体（不図示）が筐体外部へ突出しており、その突出した部位を光軸方向へ移動させることにより画像形成素子３０を光軸方向へ移動させてもよい。このとき、画像形成素子３０と第２の導光部材２２とが直接固定されていてもよく、上述の構造体を介して画像形成素子３０と第２の導光部材２２とが固定されていてもよい。つまり、画像形成素子３０と第２の導光部材２２との距離を一定に保ちながら同時に移動するような構造であることが重要である。

第２の導光部材２２からの出射光は画像形成素子３０に入射し、不図示の制御部による各色の光源のＯＮ−ＯＦＦと、それに同期して液晶パネル３１に入力する映像制御信号によって液晶パネル３１にカラー画像が形成されて投射レンズ４０を経由して不図示のスクリーンに投射され、操作者の操作によって画像制御素子移動機構３４の動作部が画像形成素子３０を光軸２９方向に移動させることによってピントが調整される。この場合第１の導光部材２１に対して摺動可能な第２の導光部材２２が画像形成素子３０に固定されており、第２の導光部材２２は画像形成素子３０との所定の位置関係を保ちながら同時に移動するので、ピントを調整しても常に均質な画像が光損失なくスクリーンに投射される。

次に動作について説明する。それぞれの光源１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂからの光束は、凸レンズ１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂで一旦収束されてクロスダイクロイックミラー１３で同一の方向に揃えられて第１の導光部材２１へと入射する。そして第１の導光部材２１で内面反射しながら内部を進行し、射出端面より射出され、直ちに第２の導光部材２２に入射し、ライトトンネルの鏡面で反射しながら液晶パネル３１の有効画素領域へと入射する。第２の導光部材２２の開口面積を液晶パネル３１の有効画素領域よりも僅かに大きくしておけば、第２の導光部材２２を介して液晶パネル３１には、照度分布が均一な照明光が供給されることになる。しかも第１および第２の導光部材２１、２２は全反射あるいは反射を利用しているので光源光の光損失も非常に少ない。

液晶パネル３１を光軸２９上で前後させて投射レンズ４０のピント調整をする場合、液晶パネル３１と一体化された第２の導光部材２２、偏光板３２、３３、液晶パネル３１が同時に移動する。使用する投射レンズ４０の焦点距離や、ピント調整可能な投射距離範囲等の仕様にもよるが、通常±１ｍｍ程度の液晶パネルの移動が必要とされる。本発明の投写型表示装置１の光学系２では第１の導光部２１の射出端方向の一部と第２の導光部材２２の入射開口側の一部とは互いに重なり合を持っている。しかも、この重なりは画像形成素子移動機構３４の動作により可変である。従って、この重なり部分の長さが変動しても、液晶パネル３１へは照度分布が均一な高効率な照明光が常時照射される。

次に、本発明の第２の実施の形態の光学系と投写型表示装置について図面を参照して説明する。図３は本発明の第２の実施の形態の光学系とその光学系を備えた投写型表示装置の模式的構成図である。第２の実施の形態の光学系３は第１の実施の形態の光学系２と、第１の導光部材と第２の導光部材の形状と構成が異なるだけで、その他の構成や動作は第１の実施の形態と同じなので、同じ構成については同一の符号を付して説明を省略する。

第１の実施の形態との相違点は、第１の導光部材２５をライトトンネルとし、第２の導光部材２６を中実の角柱のロッドインテグレータとした点である。第２の導光部材２６の射出面の大きさは液晶パネル３１の有効画素領域よりも僅かに大きいことが好ましい。第１の導光部材２５の開口は、第２の導光部材２６の断面積よりも僅かに大きくしてあり、第１の導光部材２５、第２の導光部材２６は互いに一部が重なり合っている。また、第２の導光部材２６と入射側偏光板３２、液晶パネル３１は一体化しており、さらに画像形成素子移動機構３４の動作により光軸２９上を前後に移動する。動作の内容は第１の実施の形態と同じなので詳しい説明は省略する。画像形成素子移動機構３４により第２の導光部材２６と液晶パネル３１がピント調整の際に移動するが、第１の導光部材２５と第２の導光部材２６とは重なり合う部分が常に存在するので、全体として１つの導光部材として働くことになる。第１の導光部材２５および第２の導光部材２６中を進行し液晶パネル３１に到達する光束は、光損失はほとんどなく、しかも照度分布が均一な照明光として液晶パネル３１に常時照射されるので、ピント調整を実施して投射画面サイズを変化させても、すなわち、液晶パネル３１の位置が変化しても拡大画面の照度分布や輝度などの画像品質は高いものとなる。

次に、本発明の第３の実施の形態の光学系と投写型表示装置について図面を参照して説明する。図４は本発明の第３の実施の形態の光学系とその光学系を備えた投写型表示装置の模式的構成図である。第３の実施の形態の光学系４は、第１の実施の形態の光学系２と、第２の導光部材２２の出射端面と画像形成素子３０の入光面とを所定の位置関係で保持する方法が異なり、第１の実施の形態では直接固定されていた画像形成素子３０と第２の導光部材２２が、直接固定されずにそれぞれ画像形成素子移動機構３５の動作部に固定されていることであり、その他の構成や動作は第１の実施の形態と同じなので、同じ構成については同一の符号を付して説明を省略する。

第１の実施の形態では、第２の導光部材２２と液晶パネル３１（偏光板を含む）が一体化していたが、必ずしも一体化していなくともよい。第２の導光部材２２と液晶パネル３１とが互いの距離を保ちながら同時に光軸２９上を前後に移動が可能であればよい。すなわち、図４に示すように第２の導光部材２２と液晶パネル３１が画像形成素子移動機構３５により常に互いの間隔を維持しながら移動するのであれば、第２の導光部材２２から射出されて液晶パネル３１を照射する光束量および照度分布は移動前後でほとんど変動しないので、常に照度分布が均一な高効率な照明光が照射される。第２の実施の形態に対しても同様な構成とすることができる。

本発明の実施の形態の投写型表示装置は、図１、図３、または図４に示されるように本発明の実施の形態の光学系２、３、または４を備え、画像形成素子移動機構３４、または３５の動作により、画像形成素子３０と第２の導光部材２２、または２４を同時に移動させてピント調整を行うので、あらゆる投写画面サイズに対して高い表示画像品質を実現する。

本発明の第１の実施の形態の光学系とその光学系を備えた投写型表示装置の模式的構成図である。 導光部材の説明図であり（ａ）は第１の導光部材の斜視図および入出射面の正面図、（ｂ）は第２の導光部材の斜視図および開口部の正面図である。 本発明の第２の実施の形態の光学系とその光学系を備えた投写型表示装置の模式的構成図である。 本発明の第３の実施の形態の光学系とその光学系を備えた投写型表示装置の模式的構成図である。 画像形成素子を光軸上で移動させたときの有効画素領域と照明光束の範囲との関係を示す模式図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）〜（ｄ）は有効画素領域と照明光束の関係を示す平面図であり、（ｂ）は画像形成素子が導光部材の出射端に近い場合、（ｃ）は中間の場合、（ｄ）は離れた場合である。

符号の説明

１ 投写型表示装置
２、３、４ 光学系
１０ 照明光学系
１１Ｂ 青色ＬＥＤ光源
１１Ｇ 緑色ＬＥＤ光源
１１Ｒ 赤色ＬＥＤ光源
１２Ｂ、１２Ｇ、１２Ｒ 凸レンズ
１３ クロスダイクロイックミラー
２１、２５ 第１の導光部材
２２、２６ 第２の導光部材
２３ 入出射面
２４ 開口部
２９、５６ 光軸
３０、５２ａ、５２ｂ、５２ｃ 画像形成素子
３１ 液晶パネル
３２ 入射側偏光板
３３ 出射側偏光板
３４、３５ 画像形成素子移動機構
４０ 投射レンズ
５１ 導光部材
５３ 光束
５４ 有効画像領域
５５ 照明光束

Claims (9)

1. 画像形成素子と、該画像形成素子を照明する照明光学系と、投射レンズと、を備える投写型表示装置の光学系において、
   前記照明光学系は、光源と、該光源から光が入光する第１の導光部材と、該第１の導光部材の出光部に連接していて該第１の導光部材からの出射光が入光する第２の導光部材とを有し、
   前記第１の導光部材と前記第２の導光部材とは光軸方向に互いに摺動可能に嵌合され、
   前記第２の導光部材の出射端面と前記画像形成素子の入光面とは所定の位置関係で保持されており、前記第２の導光部材と前記画像形成素子が同時に光軸方向に移動する、ことを特徴とする投写型表示装置の光学系。
2. 前記第１の導光部材は中実の角柱状素子であり、第２の導光部材は反射膜が内面に形成された中空部を有する角柱状素子であり、前記第１の導光部材の角柱部外面が前記第２の導光部材の中空部内面に滑合されている、請求項１に記載の投写型表示装置の光学系。
3. 第１の導光部材は反射膜が内面に形成された中空部を有する角柱状素子であり、前記第２の導光部材は中実の角柱状素子であり、前記第２の導光部材の角柱部外面が前記第１の導光部材の中空部内面に滑合されている、請求項１に記載の投写型表示装置の光学系。
4. 前記第２の導光部材の射出端面の大きさが前記画像形成素子の有効画素領域の大きさを超えている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の投写型表示装置の光学系。
5. 前記第２の導光部材と前記画像形成素子とが固定されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の投写型表示装置の光学系。
6. 前記第２の導光部材と前記画像形成素子とは移動機構を介して所定の位置関係に保持されている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の投写型表示装置の光学系。
7. 前記画像形成素子が透過型液晶表示器である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の投写型表示装置の光学系。
8. 前記光源が、１個以上の発光素子を有しそれぞれが異なる色光を発する３個の光源である、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の投写型表示装置の光学系。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の投写型表示装置の光学系を備えたことを特徴とする投写型表示装置。

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