JP4879046B2 - Illumination device and projection-type image display device - Google Patents
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Description
本発明は、光束の均一化手段を有する照明装置及び投影型映像表示装置に関する。 The present invention relates to an illuminating device and a projection-type image display device having a light flux uniformizing means.
プレゼンテーション又は映像の映写の分野では、外部へ光を投射することによって外部のスクリーン又は壁等に映像を投影する投影型映像表示装置が用いられている。このような投影型映像表示装置は、液晶パネル又はDMD(Digital Micromirror Device)等の光変調素子に映像信号に基づいた画像を形成させ、光変調素子で反射又は透過した光を外部へ投射することにより、光変調素子に形成された画像を外部へ投影する構成となっている。また、白色光源として超高圧水銀ランプ及びハロゲンランプが広く用いられている。 In the field of presentation or video projection, a projection-type video display device that projects video on an external screen or wall by projecting light to the outside is used. Such a projection-type image display apparatus forms an image based on a video signal on a light modulation element such as a liquid crystal panel or a DMD (Digital Micromirror Device), and projects the light reflected or transmitted by the light modulation element to the outside. Thus, the image formed on the light modulation element is projected to the outside. In addition, ultra-high pressure mercury lamps and halogen lamps are widely used as white light sources.
この場合、白色光源を各R(赤)G(緑)B(青)フィルタ等に透過させ、レンズ等で集光してライトトンネル等の均一化手段に入射させ、強度分布を均一化させたRGB各色の光束とし、各色の画像を時分割でレンズ及びミラーからなる投影光学系により投影することによってカラー画像を投影する。均一化手段として、ライトトンネル又は拡散板等が用いられる。ライトトンネルは、内側に全反射面が形成された柱状構造をなしており、一方の端面からライトトンネルの内側反射面に所望の入射角度を有して入射した光束を、多重反射を伴って他方の端面に向かって内部を伝播させることにより、光束の強度分布を均一化する。 In this case, the white light source is transmitted through each R (red) G (green) B (blue) filter, etc., condensed by a lens or the like, and incident on a uniforming means such as a light tunnel, and the intensity distribution is made uniform. A color image is projected by projecting an image of each color by a projection optical system composed of a lens and a mirror in a time-sharing manner with RGB light fluxes. As a uniformizing means, a light tunnel or a diffusion plate is used. The light tunnel has a columnar structure in which a total reflection surface is formed on the inner side, and a light beam incident at a desired incident angle from one end surface to the inner reflection surface of the light tunnel is subjected to multiple reflections on the other side. The intensity distribution of the light beam is made uniform by propagating the inside toward the end face of the light beam.
一方、RGB各色の光束を出射する複数のレーザ素子を用い、均一化手段で光束の強度分布を均一化させ、カラー画像を投影する投影型映像表示装置が近年試みられている。レーザ素子の出射光束は、狭いスペクトル幅を有し色純度が高いため、複数のレーザ素子を用いて光の三原色に近い光束を得ることが可能であり、投影映像の色再現性に優れる。また、レーザ素子の出射光束が有するコリメート特性により、レーザ素子からスクリーンに到達するまでの光学系における光損失の低減及び光学系の小型化が可能となる。 On the other hand, in recent years, a projection-type image display apparatus that uses a plurality of laser elements that emit light beams of RGB colors, uniformizes the intensity distribution of the light beams by a uniformizing means, and projects a color image has been attempted. Since the emitted light beam of the laser element has a narrow spectral width and high color purity, it is possible to obtain a light beam close to the three primary colors of light using a plurality of laser elements, and the color reproducibility of the projected image is excellent. Further, due to the collimating characteristics of the emitted light beam of the laser element, light loss in the optical system from the laser element to the screen can be reduced and the optical system can be downsized.
しかしながら、レーザ素子の出射光束が有するコヒーレント特性により、スペックルノイズと呼ばれる輝度斑又は輝点がスクリーン上及びスクリーン手前の空間に発生し、投影映像の品質が低下する。図15は、従来技術に係るスペックルノイズの発生原理を示す模式的説明図である。レーザ素子が出射する光束は、互いに略平行な無数の部分光束からなり、映像情報を含むように変調され変調光束となる。変調光束は、スクリーン151に入射して映像が投影される。
However, due to the coherent characteristics of the emitted light beam of the laser element, luminance spots or bright spots called speckle noise are generated on the screen and in the space in front of the screen, and the quality of the projected image is degraded. FIG. 15 is a schematic explanatory view showing the generation principle of speckle noise according to the prior art. The light beam emitted from the laser element is made up of an infinite number of partial light beams that are substantially parallel to each other, and is modulated so as to include video information to become a modulated light beam. The modulated light flux is incident on the
変調光束を構成する略平行な各部分光束は、スクリーン151の凹凸表面で拡散反射され、互いに非平行な部分光束となる。非平行な各部分光束の一部は、互いに交差する。スクリーンの凹凸表面で拡散反射され交差する部分光束L15及びL16は、交差した点で干渉する場合、高輝度な輝点152を発生させる。また、均一化手段又は投射光学系の各部における乱反射又は色収差等の発生により、スクリーン151に到達するまでの間に、互いに干渉し強度が増大した部分光束が発生することがある。L17は、スクリーン151に到達するまでの間に発生した強度の増大した部分光束であり、スクリーン151上に輝点153を発生させる。
The substantially parallel partial light beams constituting the modulated light beam are diffused and reflected by the uneven surface of the
なお、部分光束L18及びL19は、スクリーンの凹凸表面で拡散反射され、交差せずに伝播する部分光束を示す。輝点152及び153を視聴者の目に付かなくするために、スクリーン151に到達する光束又はスクリーン上で乱反射した光束の光路を高速に変化
させる投影型映像表示装置が用いられている。この光路を変化させる投影型映像表示装置として、スクリーンを振動させる投影型映像表示装置、拡散板を回転又は振動させる投影型映像表示装置、及びレーザ素子を振動させる投影型映像表示装置が特許文献1乃至4に記載されている。
しかしながら、特許文献1に記載されているスクリーンを振動させる投影型映像表示装置は、大型スクリーンに映像を投影する場合、大掛かりな振動機構が必要となり製造コストの上昇を招くという問題がある。 However, the projection-type image display device that vibrates the screen described in Patent Document 1 has a problem in that when an image is projected onto a large screen, a large-scale vibration mechanism is required, resulting in an increase in manufacturing cost.
また、スクリーンを振動させる投影型映像表示装置は、単独で機能させることが不可能であるという問題がある。例えば、リアプロジェクションテレビ等の投影型映像表示装置とスクリーンが一体化した製品の場合、振動機能を有するスクリーンを製品の一部として組み込むことができるが、フロントプロジェクタ等の投影型映像表示装置の場合、レーザ素子を用いた投影型映像表示装置の専用スクリーンとして用意する必要がある。 In addition, there is a problem that a projection display apparatus that vibrates the screen cannot function alone. For example, in the case of a product in which a projection video display device such as a rear projection television and a screen are integrated, a screen having a vibration function can be incorporated as a part of the product, but in the case of a projection video display device such as a front projector. Therefore, it is necessary to prepare a dedicated screen for a projection display apparatus using a laser element.
また、特許文献1又は4に記載の投影型映像表示装置では、レーザ素子から出射する光束をレンズで集光してライトトンネルに入射させており、全光束を小径のままでライトトンネルに大きな入射角度を有して入射させることが困難である。従って、ライトトンネル内で多重反射を十分に繰り返して強度分布を均一化させるために、ライトトンネルに長い光路長を設ける必要があり、ライトトンネルを小型化できないという問題がある。また、レンズの屈折面で光束が一部反射されることにより、レンズを透過した光束に光損失が生じるという問題がある。 Further, in the projection type image display device described in Patent Document 1 or 4, the light beam emitted from the laser element is collected by the lens and is incident on the light tunnel, and the entire light beam is incident on the light tunnel with a small diameter. It is difficult to enter with an angle. Therefore, it is necessary to provide a long optical path length in the light tunnel in order to make the intensity distribution uniform by repeating multiple reflections sufficiently in the light tunnel, and there is a problem that the light tunnel cannot be miniaturized. In addition, there is a problem that light loss occurs in the light beam transmitted through the lens because the light beam is partially reflected by the refractive surface of the lens.
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、全反射の臨界角の2倍角の補角より小さい頂角を有し、光束を均一化手段に入射させる錐体プリズムと、錐体プリズムを適宜の方向に駆動させる駆動部とを備えることにより、光束の光路を変化させてスペックルノイズの視認を防止すると共に、均一化手段の小型化及び光束の利用効率の向上が可能となる照明装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such circumstances, and a cone prism having an apex angle smaller than a complementary angle that is twice the critical angle of total reflection, and making a light beam incident on a uniformizing means, and a cone prism Is provided with a drive unit that drives the light beam in an appropriate direction to prevent the speckle noise from being visually recognized by changing the optical path of the light beam, and to reduce the size of the uniformizing means and improve the use efficiency of the light beam. An object is to provide an apparatus.
本発明の他の目的は、錐体プリズムを光軸と平行に振動させる振動部を駆動部に設けることにより、小型の駆動部を用いてスクリーンに到達する光束の光路を大きく変化させてスペックルノイズの視認を防止する照明装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a vibration unit that vibrates the cone prism in parallel with the optical axis, thereby greatly changing the optical path of the light beam reaching the screen using a small drive unit. It is providing the illuminating device which prevents the visual recognition of noise.
本発明の他の目的は、簡単な構造である円錐形状を有する錐体プリズムを備えることにより、錐体プリズムの設計が容易となり生産コストを低減することにある。 Another object of the present invention is to provide a cone prism having a cone shape with a simple structure, thereby facilitating the design of the cone prism and reducing the production cost.
本発明の他の目的は、錐体プリズムの底面の中心軸周りに、隣り合う面の法線が互いに非平行となるよう形成された複数の面を備え、複数の面に入射する光束のそれぞれの入射角度が変化するように錐体プリズムを回転させる回転部を備えることにより、スクリーンに到達する光束の光路を変化させてスペックルノイズの視認を防止することにある。 Another object of the present invention includes a plurality of surfaces formed so that normals of adjacent surfaces are not parallel to each other around the central axis of the bottom surface of the cone prism, and each of the light beams incident on the plurality of surfaces. By providing a rotating unit that rotates the cone prism so that the incident angle changes, the optical path of the light beam reaching the screen is changed to prevent the speckle noise from being visually recognized.
本発明の他の目的は、錐体プリズムの側面に複数の面を備え、複数の面に入射する光束のそれぞれの入射角度が変化するように錐体プリズムを中心軸周りに回転する回転部を設けることにより、回転に伴い光束の光路が瞬時及び離散的に大きく変化して、スペックル
ノイズの視認防止効果を向上させることにある。
Another object of the present invention is to provide a rotating unit that includes a plurality of surfaces on the side surface of the cone prism and rotates the cone prism around the central axis so that the incident angles of the light beams incident on the plurality of surfaces change. By providing, the optical path of the light beam changes greatly instantaneously and discretely with the rotation, thereby improving the effect of preventing the speckle noise from being visually recognized.
本発明の他の目的は、異なる波長帯域の光束を平行に出射する複数の発光素子とダイクロイックミラーと駆動する錐体プリズムとを備えることにより、色純度が高くスペックルノイズが視認されない異なる波長帯域の光束を光軸が一致した状態で出射させるカラー映像投影用の高品質な照明装置を得ることにある。 Another object of the present invention is to provide a plurality of light emitting elements that emit light beams of different wavelength bands in parallel, a dichroic mirror, and a conical prism that drives the different wavelength bands in which color purity is high and speckle noise is not visually recognized. It is to obtain a high-quality illumination device for color image projection that emits the luminous flux in a state where the optical axes coincide with each other.
本発明の他の目的は、前述のスペックルノイズが視認されず、色純度が高い光束を出射する照明装置と、照明装置から出射した光束を映像に係る変調光束群に変調する光変調素子と、変調光束群を被投影体へ投影する投影レンズとを備えることにより、投影映像中にスペックルノイズが視認されず、色再現性の良い高品質な投影画像を得る投影型映像表示装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide an illumination device that emits a light beam with high color purity, in which the above speckle noise is not visually recognized, and a light modulation element that modulates the light beam emitted from the illumination device into a modulated light beam group related to an image. Providing a projection-type video display device that provides a high-quality projected image with good color reproducibility without speckle noise being visible in the projected video by providing a projection lens that projects the modulated light flux group onto the projection object There is to do.
本発明に係る照明装置は、光源と、該光源から出射された光束の強度分布を均一化する均一化手段とを備えた照明装置において、中心軸が前記光束の光軸と一致し、底面が前記光源に対向するように配置され、全反射の臨界角の2倍角の補角よりも小さい頂角を備え、前記光束を前記均一化手段に入射させる錐体プリズムと、該錐体プリズムを適宜の方向に駆動する駆動部とを備えることを特徴とする。 An illuminating device according to the present invention is an illuminating device including a light source and a uniformizing unit that uniformizes the intensity distribution of a light beam emitted from the light source, the center axis being coincident with the optical axis of the light beam, and the bottom surface being A cone prism disposed so as to face the light source, having an apex angle smaller than a complementary angle that is twice the critical angle of total reflection, and allowing the luminous flux to enter the uniformizing means; and And a drive section that drives in the direction of
本発明にあっては、光源が出射した光束は、全反射の臨界角の2倍角の補角よりも小さい頂角を有する錐体プリズムの底面に入射し側面で全反射して均一化手段に入射し、強度分布が均一化される。駆動部は、錐体プリズムを駆動して、均一化手段及び光学系等を介してスクリーンに到達する光束の光路を変化させる。 In the present invention, the light beam emitted from the light source is incident on the bottom surface of the pyramidal prism having an apex angle smaller than the complementary angle that is twice the critical angle of total reflection, and is totally reflected on the side surface to be uniformized. Incident and the intensity distribution is made uniform. The driving unit drives the cone prism to change the optical path of the light beam reaching the screen via the uniformizing means and the optical system.
本発明に係る照明装置は、前記駆動部は、前記錐体プリズムを前記光軸と平行に振動させる振動部を備えることを特徴とする。 The illumination device according to the present invention is characterized in that the drive unit includes a vibration unit that vibrates the cone prism in parallel with the optical axis.
本発明にあっては、駆動部に備えられた振動部が錐体プリズムを光軸と平行に振動させてスクリーンに到達する光束の光路を変化させる。 In the present invention, the vibration unit provided in the drive unit vibrates the cone prism in parallel with the optical axis to change the optical path of the light beam reaching the screen.
本発明に係る照明装置は、前記錐体プリズムは、円錐形状を有することを特徴とする。 The illumination device according to the present invention is characterized in that the cone prism has a conical shape.
本発明にあっては、光源から出射した光束は、円錐形状を有する錐体プリズムに入射して側面で全反射し、均一化手段に入射する。 In the present invention, the light beam emitted from the light source is incident on the conical prism having the conical shape, totally reflected on the side surface, and incident on the uniformizing means.
本発明に係る照明装置は、前記錐体プリズムの底面は、前記錐体プリズムの中心軸周りに複数の面を備え、該複数の面は、隣り合う面のそれぞれの法線が互いに非平行となるよう形成され、前記駆動部は、前記錐体プリズムを中心軸周りに回転させる回転部を備えることを特徴とする。 In the illumination device according to the present invention, the bottom surface of the cone prism includes a plurality of surfaces around the central axis of the cone prism, and the normal surfaces of the adjacent surfaces are not parallel to each other. The drive unit includes a rotation unit that rotates the cone prism about a central axis.
本発明にあっては、錐体プリズムの底面に中心軸周りに備えられた複数の面に光束が入射する。複数の面は、隣り合う面の法線が互いに非平行となるよう配置されており、駆動部による錐体プリズムの回転に伴い、複数の面に入射する光束のそれぞれの入射角度が変化する。入射角度の変化により、スクリーンに到達する光束の光路は、変化する。 In the present invention, the light beam is incident on a plurality of surfaces provided around the central axis on the bottom surface of the cone prism. The plurality of surfaces are arranged so that the normals of the adjacent surfaces are not parallel to each other, and the incident angles of the light beams incident on the plurality of surfaces change as the cone prism is rotated by the driving unit. The optical path of the light beam reaching the screen changes due to the change in the incident angle.
本発明に係る照明装置は、前記錐体プリズムは、側面に複数の面を備えることを特徴とする。 In the illumination device according to the present invention, the cone prism includes a plurality of surfaces on a side surface.
本発明にあっては、光束は、錐体プリズムに備えられた複数の面に入射する。錐体プリ
ズムの回転に伴い複数の面に入射する光束のそれぞれの入射角度は変化することにより、スクリーンに到達する部分光束の光路は変化する。
In the present invention, the light beam is incident on a plurality of surfaces provided in the cone prism. As the cone prism rotates, the incident angles of the light beams incident on the plurality of surfaces change, whereby the optical path of the partial light beam reaching the screen changes.
本発明に係る照明装置は、前記光源は、異なる波長帯域の光束を平行に出射する複数の発光素子と、前記発光素子から出射された光束を選択的に反射及び透過させ、前記発光素子から出射された光束の光軸との交点が前記錐体プリズムの中心軸延長線上に位置する複数のダイクロイックミラーとを備えることを特徴とする。 In the illuminating device according to the present invention, the light source selectively emits light emitted from the light emitting elements by selectively reflecting and transmitting the light emitted from the light emitting elements, a plurality of light emitting elements emitting light beams of different wavelength bands in parallel. And a plurality of dichroic mirrors whose intersections with the optical axis of the luminous flux are located on the central axis extension of the cone prism.
本発明にあっては、複数の発光素子が平行に出射した異なる波長帯域の光束は、それぞれ複数のダイクロイックミラーに入射して選択的に円錐プリズムに向けて反射及び透過し、光束の光軸と円錐プリズムの中心軸とが一致する。 In the present invention, the light beams of different wavelength bands emitted in parallel by the plurality of light emitting elements are respectively incident on the plurality of dichroic mirrors, selectively reflected and transmitted toward the conical prism, and the optical axis of the light beam. The central axis of the conical prism coincides.
本発明に係る投影型映像表示装置は、第1発明乃至第6発明のいずれか1つに記載の照明装置と、該照明装置から出射した光束を映像に係る変調光束群を形成する光変調素子と、前記変調光束を被投影体へ投影する投影レンズとを備えることを特徴とする。 A projection-type image display device according to the present invention includes an illumination device according to any one of the first to sixth inventions, and a light modulation element that forms a modulated light beam group related to an image with a light beam emitted from the illumination device. And a projection lens for projecting the modulated light beam onto the projection target.
本発明にあっては、前述の照明装置は、光束の光路を変化させながら光束を光変調素子に対して出射する。光変調素子は、入射した光束を変調して映像に係る変調光束群を生成する。投影レンズは、光路が変化する変調光束群をスクリーンに投影して映像を投影する。 In the present invention, the above-described illuminating device emits the light beam to the light modulation element while changing the optical path of the light beam. The light modulation element modulates an incident light beam to generate a modulated light beam group related to an image. The projection lens projects an image by projecting a modulated light flux group whose optical path changes onto a screen.
本発明にあっては、錐体プリズムの側面で全反射させて均一化手段に入射させる光束に含まれる部分光束は、レンズで屈折させて均一化手段に入射させる従来の方法と比較して、全光束を小径のままで均一化手段に大きな入射角度を有して無駄なく入射させることが可能となる。これにより、短い光路長で強度分布を均一にするために必要な回数の多重反射を得ることができ、均一化手段を小型化することが可能となる。また、錐体プリズムの側面で全反射されることにより、光損失がなく、高効率な照明装置の提供が可能となる。さらに、錐体プリズムを駆動する駆動部を備えることにより、均一化手段及び光学系等を介してスクリーンに到達する光束の光路を変化させてスペックルノイズの視認を防止することが可能となる。 In the present invention, the partial light beam included in the light beam that is totally reflected by the side surface of the cone prism and incident on the uniformizing means is compared with the conventional method that is refracted by the lens and incident on the uniformizing means. All the luminous fluxes can be incident on the uniformizing means with a large incident angle with a small diameter without waste. This makes it possible to obtain multiple reflections as many times as necessary to make the intensity distribution uniform with a short optical path length, and to reduce the size of the uniformizing means. Further, since the light is totally reflected by the side surface of the cone prism, it is possible to provide a highly efficient lighting device without light loss. Furthermore, by providing a drive unit that drives the cone prism, it is possible to change the optical path of the light beam reaching the screen via the uniformizing means and the optical system, thereby preventing speckle noise from being visually recognized.
本発明にあっては、錐体プリズムを光軸と平行に振動させる駆動部を備えることにより、小型の駆動部を用いて錐体プリズムからスクリーンに到達する光束を大きく変化させて、スペックルノイズが視認されない高品質な光束を出射する小型の照明装置を提供することが可能となる。 In the present invention, the speckle noise is provided by providing a drive unit that vibrates the cone prism in parallel with the optical axis so that the light beam reaching the screen from the cone prism is greatly changed using a small drive unit. It is possible to provide a small illuminating device that emits a high-quality light beam that is not visually recognized.
本発明にあっては、簡単な構造の円錐形状を有する錐体プリズムを備えることにより、錐体プリズムの設計が容易となり、照明装置の生産コストの低減が可能となる。 In the present invention, the provision of the cone prism having a conical shape with a simple structure facilitates the design of the cone prism, and the production cost of the illumination device can be reduced.
本発明にあっては、回転部による錐体プリズムの中心軸周りの回転に伴い、底面の中心軸周りに備えられた複数の面に入射する光束のそれぞれの入射角度が変化する。入射角度の変化により、スクリーンに到達する光束の光路は変化し、スペックルノイズの視認を防止することが可能となる。 In the present invention, the incident angles of the light beams incident on the plurality of surfaces provided around the central axis of the bottom surface change with the rotation of the cone prism around the central axis by the rotating unit. Due to the change of the incident angle, the optical path of the light beam reaching the screen changes, and it becomes possible to prevent the speckle noise from being visually recognized.
本発明にあっては、錐体プリズムの側面に備えられた複数の面に入射する光束のそれぞれの入射角度が錐体プリズムの回転により変化しながら側面で全反射されることにより、回転に伴い光束の光路が瞬時及び離散的に大きく変化して、スペックルノイズの視認防止効果を向上させることが可能となる。 In the present invention, the incident angles of the light beams incident on the plurality of surfaces provided on the side surface of the cone prism are totally reflected on the side surface while changing with the rotation of the cone prism. The optical path of the luminous flux changes greatly instantaneously and discretely, and the effect of preventing the speckle noise from being visually recognized can be improved.
本発明にあっては、異なる波長帯域の光束を出射する複数の発光素子、複数のダイクロイックミラー及び駆動部により駆動される錐体プリズムを備えることにより、各発光素子が出射する光束の波長帯域に応じて各ダイクロイックミラーで特定波長の光束を反射及び透過させると共に光束の光路を変化させる。これにより、色純度が高くスペックルノイズが視認されない異なる波長帯域の光束を光軸が一致した状態で出射するカラー映像投影用の高品質な照明装置を得ることが可能となる。 In the present invention, by providing a plurality of light emitting elements that emit light beams of different wavelength bands, a plurality of dichroic mirrors, and a cone prism driven by a driving unit, the wavelength band of the light beams emitted by each light emitting element is adjusted. Accordingly, each dichroic mirror reflects and transmits a light beam having a specific wavelength and changes the optical path of the light beam. As a result, it is possible to obtain a high-quality illumination device for color image projection that emits light beams of different wavelength bands with high color purity and in which speckle noise is not visually recognized in a state where the optical axes coincide.
本発明にあっては、色純度が高くスペックルノイズが視認されない光束を出射する照明装置と、光束を映像信号に係る変調光束に変調する光変調素子と、変調光束をスクリーンに投影する投影レンズを備えることにより、スペックルノイズが視認されず、色再現性の良い高品質な投影画像が得られる投影型映像表示装置の提供が可能となる等、本発明は優れた効果を奏する。 In the present invention, an illuminating device that emits a light beam that has high color purity and no speckle noise is visible, a light modulation element that modulates the light beam into a modulated light beam related to a video signal, and a projection lens that projects the modulated light beam onto a screen By providing the above, the present invention has an excellent effect such that it is possible to provide a projection-type video display device in which speckle noise is not visually recognized and a high-quality projected image with good color reproducibility can be obtained.
実施の形態1
以下、本発明をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説明する。図1は、本発明に係る照明装置を用いた投影型映像表示装置の構成を示すブロック図である。図中の白抜矢印は光を示す。投影型映像表示装置2は、映像入力端子21、映像処理部22及び照明装置を含む投影部27等で構成されており、映像入力端子21に入力された映像信号を映像処理部22で各種処理を行って映像デジタル信号に変換し、投影部27で映像デジタル信号に基づいた画像を形成し拡大して外部に設けられたスクリーン3に投影する。
Embodiment 1
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings showing embodiments thereof. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a projection type video display apparatus using an illumination apparatus according to the present invention. The white arrow in the figure indicates light. The projection
投影型映像表示装置2は、演算を行うCPU23、演算に必要なプログラム等を記憶するROM24、一時的に発生した情報を記憶するRAM25及び投影型映像表示装置2の動作に対応した各操作を受付ける操作部26を備えている。CPU23は、ROM24、RAM25、映像処理部22、操作部26及び投影部27とバス23aを介して接続されている。投影型映像表示装置2の外部に設けられた外部映像機器1から映像入力端子21に与えられた映像信号は、映像処理部22により映像デジタル信号に変換されバス23aを介してCPU23に与えられる。
The
操作部26は、受付けたキー操作に対応する信号を、バス23aを介してCPU23に入力する。CPU23は、映像処理部22から与えられた映像デジタル信号に基づいて投影部27にRGB各色の画像を形成して投影するように制御すると共に、操作部26から与えられた信号に対応する動作を実行する。
The
図2は、投影部27の内部構成及びスクリーン3を示すブロック図である。図中の一点鎖線L0 は、投影部27に備えられた円錐プリズム(錐体プリズム)34の中心軸延長線を示す。レーザ素子31R 、31G 及び31Bは、ピーク波長が例えば620nm〜660nm、510nm〜560nm及び420nm〜460nmの範囲内にあるRGB各色の光束を出射するレーザ素子であり、同方向に光束を出射し、それぞれの光束の光軸が平行となるように所定の間隔を有して横一列に投影型映像表示装置2の筐体内に列置されている。
FIG. 2 is a block diagram showing the internal configuration of the
レーザ素子31R 、31G 及び31B の出射側には、RGB各色の光束を平行化するコリメートレンズ32R 、32G 及び32B が、各コリメートレンズの光軸が、各レーザ素子の出射光束の光軸と一致するように配置されている。コリメートレンズ32R 、32G 及び32B のそれぞれの光軸に対して45°の角度をなし、光軸との交点が中心軸延長線L0上に位置するようにダイクロイックミラー33R 、33G 及び33B がそれぞれ配置されている。
On the emission side of the
ダイクロイックミラー33R 、33G 及び33Bは、それぞれ例えば620nm〜720nm、500nm〜560nm及び400nm〜475nm(光束の各入射角度45°、各反射率R≧90%)の範囲にある波長を有する光束を反射させ、範囲外の波長を有する光束を透過させるミラーである。実施の形態1において、ダイクロイックミラー33R 、33G 及び33B は、それぞれR色の光束を反射するミラー、R色の光束を透過しG色の光束を反射するミラー、RG各色の光束を透過しB色の光束を反射させるミラーとして機能する。ダイクロイックミラー33R 、33G 及び33B の入射面は互いに平行に配置されている。 The dichroic mirrors 33 R , 33 G, and 33 B are, for example, light beams having wavelengths in the range of 620 nm to 720 nm, 500 nm to 560 nm, and 400 nm to 475 nm (each incident angle of 45 °, each reflectance R ≧ 90%). Is a mirror that reflects light and transmits a light beam having a wavelength outside the range. In the first embodiment, the dichroic mirrors 33 R , 33 G, and 33 B are each a mirror that reflects an R light beam, a mirror that transmits an R light beam and reflects a G light beam, and transmits an RG light beam. It functions as a mirror that reflects the B-color light flux. The incident surfaces of the dichroic mirrors 33 R , 33 G and 33 B are arranged in parallel to each other.
ダイクロイックミラー33R 、33G 及び33B の反射側には、円錐部の底面に、略同一寸法の直径を有する円柱部が形成され、円錐側面、円柱側面及び底面からなる円錐プリズム(錐体プリズム)34が、底面をダイクロイックミラー33B に向けて配置されている。円錐プリズム34の頂点側には、頂点が一端に挿入された角筒状のライトトンネル36が、中心軸と中心軸延長線L0が一致するように配置されており、円錐プリズム34の底面は光束の入射面をなす。円錐プリズム(錐体プリズム)34及びライトトンネル(均一化手段)36は、複数のレーザ素子、コリメートレンズ及びダイクロイックミラーと共に本発明における照明装置を構成する。
On the reflection side of the dichroic mirrors 33 R , 33 G, and 33 B , a cylindrical portion having a diameter of substantially the same size is formed on the bottom surface of the conical portion, and a conical prism (cone prism) composed of a conical side surface, a cylindrical side surface, and a bottom surface. ) 34 is disposed toward the bottom surface to the dichroic mirror 33 B. On the apex side of the
カラー画像投影用の照明装置として用いる場合は、複数のレーザ素子並びにそれぞれに対応する複数のコリメートレンズ及びダイクロイックミラーで構成されるが、本発明に係る投影型映像表示装置は、カラー画像投影用に限るものではなく、単色の照明装置を構成する場合は、単一のレーザ素子及び単一のコリメートレンズで構成しても良い。レーザ素子を用いた単色の照明装置を構成する場合であっても、レーザ素子の出射光束が有するコヒーレント特性によりスペックルノイズが発生するため、本発明に係るスペックルノイズの視認防止対策をする必要があることは言うまでもない。 When used as a lighting device for color image projection, it is composed of a plurality of laser elements and a plurality of collimating lenses and dichroic mirrors corresponding to each of them, but the projection type video display device according to the present invention is used for color image projection. However, the present invention is not limited, and when a monochromatic illumination device is configured, it may be configured by a single laser element and a single collimating lens. Even when a monochromatic illumination device using a laser element is configured, speckle noise is generated due to the coherent characteristics of the light beam emitted from the laser element. It goes without saying that there is.
ライトトンネル36の他端側には、リレーレンズ群37が各レンズの光軸が中心軸延長線L0と一致するように配置されている。リレーレンズ群37の出射側には、リレーレンズ群37の光軸と45°の角度を有するようにミラー38が配置されており、ミラー38の反射側には、ミラー38の法線に対して画像形成面が45°をなすように光変調素子39が配置されている。光変調素子39の画像形成面の中心における法線と光軸とが一致するように投影レンズ310が配置されている。
The other end of the
投影レンズ310の出射側に対向するように投影型映像表示装置2の外部に設けられたスクリーン3が配置されている。円錐プリズム34は、駆動部35に取り付けられ、中心軸延長線L0 に沿って振動するように構成されている。投影部27のバス端子311は、CPU23のバス23aが接続され、バス端子311は、バス312を介してレーザ制御部31a、駆動制御部35a及び光変調素子制御部39aと接続されている。レーザ制御部31aは、レーザ素子31R 、31G 及び31B へ電流を供給する電源回路を備えており、CPU23から与えられる制御信号に基づいて各レーザ素子へ供給する電源電流のオン・オフの切替を行い点灯及び消灯させる。
A
駆動制御部35aは、駆動部35に備えられた後述するリニアアクチュエータをCPU23から与えられる制御信号に基づいて適宜の振動周波数で振動させる。光変調素子制御部39aは、CPU23から与えられる制御信号に基づいて光変調素子39に形成するRGB各色の画像及びW(白)色の光束を反射させる全反射面を形成させる。レーザ素子31R 、31G 及び31B が出射したRGB各色の光束は、それぞれコリメートレンズ32R 、32G 及び32B を透過して平行光束もしくは所望の広がり角度分布を有するRGB各色の平行光束La に変換される。
The drive control unit 35a vibrates a linear actuator (described later) provided in the
コリメートレンズ32R により変換されたR色の平行光束La は、ダイクロイックミラー33R に45°の角度を有して入射し、光軸が中心軸延長線L0と一致するように反射され、中心軸延長線L0上に位置するダイクロイックミラー33G 及び33B 、並びに円錐プリズム34の底面に略垂直に入射する。コリメートレンズ32G により変換されたG色の平行光束La は、ダイクロイックミラー33G に45°の角度を有して入射し、光軸が中心軸延長線L0 と一致するように反射され、中心軸延長線L0 上に位置するダイクロイックミラー33Bを透過して円錐プリズム34の底面に略垂直に入射する。
Parallel beam L a of the converted by the
コリメートレンズ32B により変換されたB色の平行光束La は、ダイクロイックミラー33B に45°の角度を有して入射し、光軸が中心軸延長線L0 と一致するように反射され、円錐プリズム34の底面に略垂直に入射する。また、レーザ素子31R 、31G 及び31B が同時に点灯する場合は、コリメートレンズ32R 、32G 及び32B を透過して変換されたRGBW各色の平行光束La が、それぞれダイクロイックミラー33R 、33G 及び33Bにより反射されて中心軸延長線L0上で合成され、W色の平行光束La となり、円錐プリズム34の底面に略垂直に入射する。
Parallel beam L a of the converted by the
図3は、実施の形態1に係る円錐プリズム34が取り付けられた駆動部35を示す模式図であり、図4は、図3のIV−IV線における模式的断面図である。駆動部35は、リニアアクチュエータ41と、内径の異なる円筒状の取付部42a及び把持部42bを、それぞれの中心軸が互いに平行となるように連結部42cで連結した支持部42とで構成されている。リニアアクチュエータ41は、円筒状の電磁石部41bと、電磁石部41bを摺動可能に貫通し、永久磁石を有した円柱状の可動子41aとからなり、電磁石部41bの中心軸が、中心軸延長線L0 と平行になるように投影型映像表示装置2の筐体の内底面に取付けられている。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating the
支持部42の取付部42aは、可動子41aが嵌合可能な内径を有しており、可動子41aの一端部が嵌合して取り付けられる。取付部42aの可動子41aへの固定は、例えば、取付部42aの外周面にネジ孔を設けてネジを螺着させ、ネジの先端を内周面から突出させて可動子41aの外周面と当接するようにすると良い。支持部42の把持部42bは、円錐プリズム34と同心であり、円錐プリズム34が嵌合可能な内径を有している。円錐プリズム34は、円柱側面が把持部42bに嵌合して支持部42に取付けられる。
The attachment portion 42a of the
把持部42bへの円錐プリズム34の固定は、例えば、把持部42bの外周面にネジ孔を設けてネジを螺着させ、ネジの先端を内周面から突出させて円錐プリズム34の円柱側面と当接するようにすると良い。また、把持部42bの内周面と円柱側面とを、接着剤を用いて接着させても良い。把持部42bの内周面に円錐プリズム34の円錐側面と当接する傾斜面を形成して、把持部42bの内周面と円錐プリズム34の円錐側面とを接着して固定しても良く、この場合、円錐プリズム34は、円錐側面及び底面のみからなる形状としても良い。
The
駆動制御部35aは、CPU23からの制御信号に基づいて電磁石部41bに、所定の電圧値を有し極性が所定の周期で反転する直流電圧、若しくは所定の実効値及び周波数を有する交流電圧を印加して可動子41aを往復運動させ、円錐プリズム34を中心軸延長線L0 、すなわち円錐プリズム34に入射する光束の光軸に沿って適宜の振動周波数で振動させる。円錐プリズム34は、頂角が全反射の臨界角の2倍角の補角よりも小さい角度を有しており、入射したRGBW各色の平行光束La を構成する各部分光束は、円錐側面で全反射し、中心軸延長線L0を対称軸として反対に位置する円錐側面から出射する。
Based on a control signal from the
円錐プリズム34から出射する部分光束からなる光束は、円環状の光軸断面を有する円環状光束Lb となり、ライトトンネル36に入射する。円錐プリズム34のライトトンネ
ル36に対する挿入距離は、駆動部35による円錐プリズム34の光軸方向の振動の変位量、円錐プリズム34から出射する円環状光束に含まれる部分光束の広がり角度、円錐プリズム34の円錐側面から出射される部分光束の出射角度及びライトトンネル36の内法等により最適な値を設定すると良い。
A light beam composed of a partial light beam emitted from the
また、円錐プリズム34の円錐側面から出射される部分光束の出射角度は、円錐プリズム34の屈折率及び頂角の角度を円錐プリズム34の材質の選択及び形状の設計により調整して最適な値にすると良い。円錐プリズム34の円錐側面で全反射した光束は、中心軸延長線L0 に対して線対称に位置する円錐側面から出射し、ライトトンネル36のミラー面に到達する。ライトトンネル36は、4枚の長方形状のミラーを反射面が内側となるよう張り合わせた中空直方体形状を有する。ライトトンネル36の内側反射面は、ガラス等に金属を蒸着した全反射ミラー、又はコールドミラー等を用いると良い。
The exit angle of the partial light beam emitted from the conical side surface of the
ライトトンネル36の一端に入射した円環状光束Lb は、ライトトンネル36の内側反射面で反射を繰り返しながら、すなわち多重反射して他端に向かって伝播し、強度分布の均一化が行われると共に矩形状の光軸断面を有する矩形状断面光束Lc に変換され、他端からリレーレンズ群37に向けて出射する。ライトトンネル36は、ミラーを張り合わせて構成されるだけでなく、金属、プラスチック及びガラス等からなる一体型のブロック材で構成しても良い。
The annular light beam L b incident on one end of the
短形状断面光束Lc は、リレーレンズ群37を透過して光束全体の広がり角度が調整され、ミラー38に45°の角度を有して入射して反射し、矩形状平板状の素子であるDMDを用いてなる光変調素子39の画像形成面に入射する。時分割でRGB、又はRGBWの順に各色の矩形断面光束Lc が光変調素子39に入射するように、レーザ制御部31aは、レーザ素子31R 、31G 及び31B の点灯及び消灯をCPU23からの制御信号に従って制御する。同時に光変調素子制御部39aは、CPU23からの制御信号に基づいてRGBW各色の矩形状断面光束Lc に同期して、光変調素子39の画像形成面に映像信号に基づいたRGBW各色の画像を形成させる。
Short-shaped cross-section light beam L c is adjusted spread angle of the entire light beam passes through the
RGB各色の矩形状断面光束Lc は、RGB各色の画像が形成された光変調素子39の画像形成面で反射し、RGB各色の画像を含むように変調された矩形状断面光束Lc に変換される。W色の矩形状断面光束Lc は、全反射面が形成された光変調素子39の画像形成面で反射される。矩形状断面光束Lc は、投影レンズ310で拡大され、投影型映像表示装置2の外部に設けられたスクリーン3に投影される。光変調素子39として液晶パネルを用いて光変調素子39を透過した変調光束を投影レンズ310によってスクリーン3に投影しても良い。
Rectangular cross section beams L c of RGB colors is reflected by the imaging surface of the RGB
本実施例では、RGBWの平行光束La を照射する例を示したが、これに限るものではなくレーザ素子31R 、31G 及び31Bのうち、同時点灯するレーザ素子の組み合わせを変更して、例えばレーザ素子31G 及び31Bを同時に点灯させてY(黄)色の平行光束La を照射させることにより、RGBY又はRGBWY等の順に各色平行光束La を光変調素子39に入射させても良い。この場合、光変調素子制御部39aは、CPU23からの制御信号に基づいてRGBY又はRGBWY各色の矩形状断面光束Lc に同期して、光変調素子39の画像形成面に映像信号に基づいたRGBY又はRGBWY各色の画像を形成させると良い。
In this embodiment, an example of irradiating the parallel light beams L a of RGBW, this limited ones of the
次に時分割でRGBW各色の画像を光変調素子39の画像形成面に形成する方法の詳細について説明をする。CPU23は、映像処理部22から与えられる映像デジタル信号の1フレームを4つのサブフレームに時分割する。CPU23は、1番目、2番目及び3番目のサブフレームに同期して、それぞれレーザ素子31R 、31G 及び31B を点灯させ
、4番目のサブフレームに同期して全てのレーザ素子31R 、31G 及び31B を同時点灯するようにレーザ制御部31aを制御する。
Next, the details of a method of forming RGBW color images on the image forming surface of the
CPU23は、光変調素子制御部39aを制御し、光変調素子39に、1番目、2番目3番目及び4番目のサブフレームに同期して映像信号のフレームに含まれるR色、G色、B色及びW色の画像をそれぞれ形成させる。これにより、RGBW各色の画像に変調された矩形状断面光束Lc が時分割でスクリーン3に投影されて、明るいカラー画像として認識される。次に円錐プリズム34を振動させてレーザ素子31R 、31G 及び31B からスクリーン3に到達する光束の光路を変化させる方法について説明する。
The
図5は、実施の形態1に係る円錐プリズム34及びライトトンネル36の一端と、光束に含まれる部分光束の光路とを示す断面模式図である。図中の一点鎖線L0 は、図2と同様に円錐プリズム34の中心軸を示しており、ライトトンネル36は、中心軸が円錐プリズム34の中心軸延長線L0 と一致するように配置されている。平行光束La は、略円形断面を有するビーム状の光束であり、平行光束La の光軸が中心軸延長線L0 と一致するように円錐プリズム34の底面34cに対して略垂直に入射する。図中の破線La1及び点線La2は、平行光束La に含まれ、光軸に対して線対称に位置する一対の部分光束の光路を示す。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing one end of the
図中の34a及び34bは、円錐プリズム34の中心軸延長線L0 に対して対称に位置する母線を示す。θ1 、θ2 及びnは、それぞれ円錐プリズム34の母線34aと中心軸延長線L0 とが成す角度、部分光束La1 母線34aとが成す角度及び円錐プリズム34の屈折率を示す。部分光束La1は、母線34a上の点Tbに対して、点Tbにおける母線34aの垂線N1と光束La1とがなす角度、すなわち入射角が(90°−θ2 )となるように入射し、入射角と同一の角度を有する出射角(90°−θ2 )を有して全反射される。部分光束La1は、点Tbにおいて全反射されるため色収差が発生せず、点Tbを基点とした部分光束La1の広がり角度は、従来技術で用いられるレンズの屈折点を基点とした部分光束の広がり角度と比較して小さくなる。
34a and 34b in the figure shows a bus located symmetrically with respect to the central axis extension line L 0 of the
次に部分光束La1は、母線34b上の点Tcに対して入射角度θ3 を有して入射する。点Tcに入射した光束La1は、屈折角θ4 を有して屈折し、母線34bから出射してライトトンネル36の内側反射面の一点Tfに対して入射角(90°−θ7 )を有して入射する。同様に部分光束La2は、部分光束La1の光路と中心軸延長線L0に対して対称に位置する光路を有し、母線34aから出射する。従って、円錐プリズム34の底面に略垂直に入射した平行光束La は、円環状光束に変換されて出射しライトトンネル36に入射する。
Next, the partial light beam L a1 is incident on the point Tc on the bus 34b with an incident angle θ 3 . The light beam L a1 incident on the point Tc is refracted with a refraction angle θ 4 , exits from the bus 34 b, and has an incident angle (90 ° −θ 7 ) with respect to one point Tf on the inner reflection surface of the
三角形TaTbTcの内角の和、180°=(θ3 +90°)+2θ1 +θ2 の関係から、θ3 は次式で与えられる。
θ3 =90°−(2θ1 +θ2 ) ・・・(1)
また、入射角θ3 と屈折角θ4 の関係は、空気の屈折率を1とし、スネルの法則を用いて
θ4 =n・θ3 ・・・(2)
で与えられる。
From the relationship of the sum of the inner angles of the triangle TaTbTc, 180 ° = (θ 3 + 90 °) + 2θ 1 + θ 2 , θ 3 is given by the following equation.
θ 3 = 90 ° − (2θ 1 + θ 2 ) (1)
In addition, the relationship between the incident angle θ 3 and the refraction angle θ 4 is as follows.
θ 4 = n · θ 3 (2)
Given in.
ここで、θ5 は、母線34bの点Tcにおける垂線N2と中心軸延長線L0 とが成す角度を示す。三角形TaTcTdの内角の和、180°=90°+θ1 +θ5 の関係から、θ5 は次式で与えられる。
θ5 =90°−θ1
垂線N2とライトトンネル36の内側反射面とが角度θ6 を成して交差する点をTeと
する。中心軸延長線L0 とライトトンネル36の内側反射面とは互いに平行であるから、
θ6 =θ5 ・・・(3)
となる。三角形TcTeTfの内角と外角の関係θ6 =θ4 +θ7 から、次式が与えられる。
θ7 =θ6 −θ4 ・・・(4)
Here, θ 5 indicates an angle formed by the perpendicular line N2 and the central axis extension line L 0 at the point Tc of the bus 34b. From the relationship of the sum of the inner angles of the triangle TaTcTd, 180 ° = 90 ° + θ 1 + θ 5 , θ 5 is given by the following equation.
θ 5 = 90 ° −θ 1
Let Te be the point where the perpendicular N2 and the inner reflective surface of the
θ 6 = θ 5 (3)
It becomes. From the relationship θ 6 = θ 4 + θ 7 between the inner angle and the outer angle of the triangle TcTeTf, the following expression is given.
θ 7 = θ 6 −θ 4 (4)
ここで、光束La1及びLa2は、共に中心軸延長線L0 に対して平行であるからθ1 =θ2 であり、これと式(1)乃至(4)とを用いてθ7 をθ1 及びθ2 で表すと以下の式が与えられる。
θ7 =90°(1−n)+θ1 (3・n−1) ・・・(5)
Here, since the light beams L a1 and L a2 are both parallel to the central axis extension line L 0 , θ 1 = θ 2 , and θ 7 is calculated using this and the equations (1) to (4). When expressed by θ 1 and θ 2 , the following equations are given.
θ 7 = 90 ° (1−n) + θ 1 (3 · n−1) (5)
図6は、実施の形態1に係る光束の光路の変化を示す断面模式図である。図6(a)及び図6(b)は、それぞれ円錐プリズム34が初期位置にある場合及び中心軸延長線L0 に沿ってライトトンネル36の内部に進入する方向へ距離d1 を変位した場合の光束の光路の変化を、それぞれのライトトンネル36の位置を対応付けて上下に並べて示している。部分光束La1及びLa2は、ライトトンネル36の内面に対して入射角及び反射角(90°−θ7 )を有して、多重反射してライトトンネル36内を伝搬し、ライトトンネル36の出射面に到達する。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a change in the optical path of the light beam according to the first embodiment. FIGS. 6A and 6B show a case where the
ライトトンネル36の内側反射面と出射面との交点をTg、光束La1又はLa2とライトトンネル36の出射面との交点を、それぞれS1 及びS2 、光束La1がライトトンネル36の出射面近傍の内面に入射する点をThとする。三角形TgS1Thにおいて、辺ThTgの長さをd2 とし、図6(a)で示すように円錐プリズム34の中心軸延長線L0方向の位置が初期位置にある場合の辺TgS1 の長さをd2 すると次式が成り立つ。
d3 =d2 ・TAN(θ7 ) ・・・(6)
Tg of the intersection between the inner reflecting surface emitting surface of the
d 3 = d 2 · TAN (θ 7 ) (6)
図6(b)に示すように円錐プリズム34が駆動部35により、中心軸延長線L0 に沿ってライトトンネル36に進入する方向にd1 変位した場合の辺TgS1 の長さをd5 とすると、
d5 =d4 ・TAN(θ7 ) ・・・(7)
となる。
As shown in FIG. 6B, the length of the side TgS 1 when the
d 5 = d 4 · TAN (θ 7 ) (7)
It becomes.
図7は、実施の形態1に係るライトトンネル36を出射面側から見た模式図である。図7(a)及び(b)は、それぞれ図6(a)及び(b)の場合に対応する。交点S1 及びS2 は、円錐プリズム34が中心軸延長線L0に沿ってライトトンネル36に進入する方向にd1 変位するに従い、中心軸延長線L0 から対称に離れる方向へライトトンネル36の出射面上を変位する。d4 =d2 −d1 であるから、この出射部での変化量Δdは
Δd=|d3 −d5 | ・・・(8)
=|d2 ・TAN(θ7 )−(d2 −d1 )TAN(θ7 )|
=|d1 ・TAN(θ7 )| ・・・(9)
となる。
FIG. 7 is a schematic view of the
Δd = | d 3 −d 5 | (8)
= | D 2 · TAN (θ 7 ) − (d 2 −d 1 ) TAN (θ 7 ) |
= | D 1 · TAN (θ 7 ) | (9)
It becomes.
ここで、実施の形態1を実際に試行した結果を示す。例として、円錐プリズム34の屈折率n=1.52及びθ1 =θ2 =30°とした。(5)式よりθ7 =60°となり、また、移動量d1 =0.1mmとした場合、光束の変化量Δdは(9)式より、
Δd=0.1・TAN(60°)
=0.17(mm) ・・・(10)となる。ここで、スクリーン3の寸法が40型であり、ライトトンネル36の出射部の高さ方向の寸法が2mm程度である場合、投影倍率は、略300倍となる。
Here, the result of actually trying the first embodiment will be shown. As an example, the refractive index n of the
Δd = 0.1 · TAN (60 °)
= 0.17 (mm) (10) Here, when the dimension of the
これにより、スクリーン3上での光束の変化量Δd(Screen)は、
Δd(Screen)=0.17・300=51mm ・・・(11)
となる。駆動部35の振動は、駆動中心軸H0 を基準として光軸方向に対して正負方向の往復運動であるため、(11)の値は2倍となり、スクリーン3上では、光束は100mm変化する。CPU23が、円錐プリズム34の振動周波数が120Hzとなるように駆動部35を制御した状態でスクリーン3上の投影画像を観察した場合、光束の変化は視認されず、均一な投影画像が確認された。
Thereby, the amount of change Δd (Screen) of the luminous flux on the
Δd (Screen) = 0.17 · 300 = 51 mm (11)
It becomes. Since the vibration of the
実施の形態1の効果を確認するために、スペックルノイズ対策を行わない場合、実施の形態1によりスペックルノイズの視認防止を試みた場合及び従来技術であるスクリーン3を振動させてスペックルノイズの視認防止を試みた場合について、それぞれスクリーン3上の投影画像の水平ラインの照度プロファイルを測定した。測定は、CCDカメラ(シャッター速度1/60秒、解像度は8μm)を用いてスクリーン3上の投影映像の撮像を行い、特定水平ライン上の照度プロファイルを抽出して行った。
In order to confirm the effect of the first embodiment, when speckle noise countermeasures are not taken, when speckle noise is prevented from being visually recognized according to the first embodiment, and the
図8は、実施の形態1に係る投影型映像表示装置2の投影映像の照度プロファイルの実験データの特性図を示す。図8(a)、(b)及び(c)は、スペックルノイズの視認防止を行わない場合、実施の形態1によりスペックルノイズの視認防止を行った場合、及び従来技術であるスクリーン3を120Hzの周波数及び1mm以下の変位量で振動させてスペックルノイズの視認防止を行った場合における照度プロファイルの実験データを、それぞれ示している。図8の各プロファイルの横軸及び縦軸は、それぞれ投射映像の水平ライン及び照射強度を示しており、実線で示す曲線は照度プロファイルの多項次近似曲線、すなわちスペックルノイズが発生していない場合の本来の照度プロファイルである。
FIG. 8 is a characteristic diagram of the experimental data of the illuminance profile of the projected image of the
表1は、照度ピーク位置のスペックルノイズの照度と本来の照度に対する比をスペックルノイズ量として規定した場合に、スペックルノイズ量と投影映像の品質の主観評価との対応関係を示す表である。図8(a)に示すスペックルノイズ対策を行わない場合の照度プロファイルにおいて、スペックルノイズ量は2.2程度に達している。映像全面にギラギラした斑点状の輝点が認識され、主観的に投影映像の品質が悪かった。 Table 1 shows a correspondence relationship between the speckle noise amount and the subjective evaluation of the quality of the projected video when the ratio of speckle noise at the peak illuminance to the original illuminance is defined as the speckle noise amount. is there. In the illuminance profile when speckle noise countermeasures are not taken as shown in FIG. 8A, the speckle noise amount reaches about 2.2. Spotted bright spots on the entire image were recognized, and the quality of the projected image was subjectively poor.
実施の形態1によりスペックルノイズの視認防止を試みた場合、図8(b)に示す照度プロファイルからスペックルノイズ量は1.2以下となり、主観評価において投影映像に残るスペックルノイズが「目立たない」、「気にならない」及び「確認できない」状態にあった。従来技術であるスクリーン3を振動させる場合、図8(c)に示す照度プロファイルからスペックルノイズ量は1.4程度であり、光束の変化量が少ないため、線状のスペックルノイズが視認され、主観評価において投影映像に残るスペックルノイズが「目立たない」、「やや気になる」及び「凝視で確認」状態にあった。
When trying to prevent visual recognition of speckle noise according to Embodiment 1, the speckle noise amount is 1.2 or less from the illuminance profile shown in FIG. No "," I don't care "and" I can't confirm ". When vibrating the
実施の形態1に係る照明装置は、従来技術と比較して、より効果的にスペックルノイズの視認を防止した光束を出射し、この照明装置を用いた投影型映像表示装置は、高品質な投影映像を与えることが実験結果により示された。また、実施の形態1に係る照明装置及び投影型映像表示装置は、従来から照明装置及び投影型映像表示装置に用いられている光学系に円錐プリズム34及び駆動部35を付加した簡単な構成となっているため、装置の大型化及びコストの大幅な増加を招くことなしに実施することが可能である。
The illumination device according to the first embodiment emits a light beam that effectively prevents the speckle noise from being visually recognized as compared with the prior art, and the projection display apparatus using this illumination device has a high quality. Experimental results have shown that a projected image is provided. In addition, the illumination device and the projection display apparatus according to Embodiment 1 have a simple configuration in which the
スペックルノイズの発生は、RGBW各色の光束によって異なる場合がある。したがって、駆動部35は、常に一定の周波数で円錐プリズム34を振動させる場合に限るものではなく、各レーザ素子31R 、31G 、31B の点灯に同期して、駆動部35の振動周波
数をRGBW各色の光束により発生するスペックルノイズの視認防止に適した各周波数に時分割で変更して円錐プリズム34を振動させるようにしても良い。リニアアクチュエータ41は、電磁式のリニアアクチュエータを用いたが、これに限るものではなく、ピエゾ式、超音波式及び高周波式リニアアクチュエータを用いても良い。
The occurrence of speckle noise may differ depending on the luminous flux of each RGBW color. Therefore, the
尚、実験においては、レーザ素子31R 、31G 及び31B として、レーザダイオードを用いたが、気体レーザ、液体レーザ又はレーザダイオード以外の固体レーザを用いても良い。レーザ素子としてレーザダイオードを用いた投影型映像表示装置は、超高圧水銀ランプ及びハロゲンランプを用いた従来の投影型映像表示装置と比較して光源の長寿命化が可能となる。
In the experiment, laser diodes are used as the
実施の形態2
図9は、実施の形態2に係る錐体プリズム50を示す斜視図である。図10は、錐体プリズム50を頂点側から見た模式図であり、図11は、図10のXI−XI線における模式的断面図である。尚、実施の形態2の投影型映像表示装置は、実施の形態1の円錐プリズム34を実施の形態2に係る錐体プリズム50の中心軸が実施の形態1の中心軸延長線L0 と一致するように錐体プリズム50と置き換えると共に、実施の形態1の駆動部35を実施の形態2に係る駆動部と置き換えた構成であり、その他の構成は、実施の形態1と同等である。錐体プリズム50は、それぞれ3個の異なる形状の2種類の部分錐体部51及び52から構成された形状を有する複合プリズムである。
FIG. 9 is a perspective view showing the
部分錐体部51は、分割円錐部51a及び分割円柱部51bから構成された形状をなす。分割円錐部51aは、高さH1 及び底面の半径R1 を有する円錐を中心軸を含む分割断面で6等分し、扇形底面及び円錐側面からなる形状を有する。分割円柱部51bは、所定の高さ及び半径R2 を有する円柱を中心軸を含む分割断面で6等分し、互いに対向する扇形平面のうち、一扇形平面を扇形上面とし、他扇形平面を扇形上面に対して傾斜角θをなす傾斜扇形底面とした形状を有する。部分錐体部51は、分割円錐部51aの扇形底面と分割円柱部51bの扇形上面の一部とが、それぞれの分割断面が同一平面をなすように接合された形状を有する。半径R1 及び半径R2 は、R1 <R2 を満たすようにすると良い。
The
部分錐体部52は、分割円錐部52a及び分割円柱部52bから構成された形状をなす。分割円錐部52aは、分割円錐部51aの高さH1 と異なる高さH2 及び底面の半径R2 を有する円錐を中心軸を含む分割断面で6等分し、扇形底面及び円錐側面からなる形状を有する。分割円柱部52bは、分割円柱部51bと略同一寸法の高さ及び半径R2 を有する円柱を中心軸を含む分割断面で6等分し、扇形底面及び扇形上面を備えた形状を有する。部分錐体部52は、分割円錐部52aの扇形底面と分割円柱部52bの扇形上面の一部とが、それぞれの分割断面が同一平面をなすように接合された形状を有する。
The
錐体プリズム50は、それぞれ3個の部分円錐部51及び52を、それぞれの中心軸が一致するように中心軸周りに一周に渡って交互に配置した形状をなし、複数の扇形底面からなり、隣り合う扇形底面のそれぞれの法線が互いに非平行となるよう形成された底面、複数の円錐側面からなる錐体側面及び円柱側面から形成されている。錐体プリズム50は、このような形状を持つ一体成型された複合プリズムとして形成するのが好ましい。
The
図12は、実施の形態2に係る錐体プリズム50が取り付けられた駆動部を示す斜視図である。駆動部は、投影型映像表示装置2の筐体の内底面に回転軸が中心軸延長線L0 と平行となるように取付けられた回転モータ66を備えている。回転モータ66の回転軸65の軸端には、中心軸延長線L0 と平行な回転軸を有する駆動歯車64が設けられている。駆動歯車64の外周に一周に渡って設けられた歯部64aは、円環状の取付歯車61の
外周面に一周に渡って設けられた歯部61aと歯合する。円環状の軸受62及び63は、取付歯車61の歯部61aと間隙を有した状態で、開口部に取付歯車61の両端近傍の外周面が嵌合され、取付歯車61を軸受けする。
FIG. 12 is a perspective view showing a drive unit to which the
取付歯車61は、錐体プリズム50と同心であり、錐体プリズム50の半径R2 を有する円柱側面が嵌合可能な内径を備えている。錐体プリズム50は、円柱側面が取付歯車61の開口に嵌合されて取付歯車61に取付けられる。錐体プリズム50の取付歯車61への固定は、例えば、取付歯車61の外周面にネジ孔を設けてネジを螺着させ、ネジの先端を内周面から突出させて錐体プリズム50の円柱側面と当接するようにすると良い。また、取付歯車61の内周面と錐体プリズム50の円柱側面とを、接着剤を用いて接着させても良い。
The
図13は、図12の取付歯車61並びに軸受62及び63の中心軸を含む断面を示す模式的断面図である。取付歯車61は、歯部61аと両端部との間の外周面に、それぞれ一周に渡って溝部が形成されている。また、軸受62及び63は、内周面に一周に渡って取付歯車61の溝部の幅寸法と略同一の幅を有する溝部が形成されている。取付歯車61は、複数のボールベアリング66、66、…を取付歯車61の溝部並びに軸受62及び63の溝部との間に挟み込んだ状態で軸受62及び63により軸受けされる。これにより、錐体プリズム50は、軸受62及び63により軸受けされた状態で中心軸を回転軸として円滑に回転する。
13 is a schematic cross-sectional view showing a cross section including the central axis of the mounting
駆動制御部35aは、CPU23より指示された回転数と回転軸65に取り付けられた図示しない回転センサーにより取得した回転数とが一致するように回転モータ66に印加する電圧をフィードバック制御し、錐体プリズム50を適宜の回転数で回転させる。錐体プリズム50に光束が入射した場合、分割円柱部51bの傾斜扇形底面に入射する部分光束の入射角度は、分割円柱部52bの扇形底面に入射する部分光束の入射角度と角度θ異なる。また、分割円錐部51aの高さH1 及び半径R1 は、分割円錐部52aの高さH2 及び半径R2 と異なることにより、分割円錐部51aの円錐側面への部分光束の入射角度は、分割円錐部52aの円錐側面への入射角度と異なる値となる。
The drive control unit 35a feedback-controls the voltage applied to the
従って、錐体プリズム50を回転させることにより、ライトトンネル36に入射する光束の光路は変化し、スクリーン3上に到達した光束の光路も変化する。部分錐体部51及び52の回転軸周りの境界には、段差が存在するためにスクリーン3上に到達した光束の光路は、回転により瞬時及び離散的に変化する。これにより、スペックルノイズの視認防止効果が向上する。
Therefore, by rotating the
回転モータ66により錐体プリズム50を映像デジタル信号の1フレーム中に1回転させて、1フレーム中で6回、光束の光路を変化させて、実施の形態1と同様に照度プロファイルを測定した。スペックルノイズ量は、1.2倍以下となり、高品質な投影映像が得られた。部分錐体部51の半径R1 、高さH1及び傾斜角θが、それぞれ部分錐体部52の半径R2 、高さH2 及び扇形底面と中心軸とがなす角と全て異なる形状を示したが、これに限るものではなく、このうち少なくとも1つが異なっていれば良い。
The illuminance profile was measured in the same manner as in the first embodiment by rotating the
図14は、実施の形態2に係る錐体プリズム50の他の例を示す模式的断面図である。分割円錐部51aと分割円錐部52aは、それぞれ異なる寸法を有する底面の半径R1 及びR2 、並びに同一寸法の高さH2 を有している。また、分割円柱部51bは、中心軸を法線とする平面に対して角度θ傾斜した傾斜扇形底面を有し、分割円柱部52bは、中心軸と垂直な扇形底面を有する。このような形状の錐体プリズム50を駆動部により回転させた場合においても、スクリーン3に到達した光束の光路は変化し、スペックルノイズの視認を防止する。
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing another example of the
部分錐体部51及び52として、円錐を6分割した分割円錐部及び円柱を6分割した分割円柱部からなる形状を示したが、これに限るものではなくそれぞれ7分割以上に分割した分割円錐部及び分割円柱部からなる形状でも良い。また、錐体プリズム50は、2種類の形状を有する部分錐体部51及び52で構成される場合を示したが、3種類以上の部分錐体部で構成される形状でも良い。但し、スクリーンに到達する光束の光路を大きく変化させるために、同一形状を有する部分錐体部が中心軸周りに隣り合うことがないように形成することが好ましい。錐体プリズム50は、中心軸周りに隣り合う部分錐体部の接合面に段差を有する構造を示したが、連続的に接合するように曲面を形成しても良い。
As the
CPU23は、一定の回転数で錐体プリズム50を回転させるように駆動制御部35aに指示する場合に限るものではなく、レーザ素子31R 、31G 及び31B の点灯に同期して、錐体プリズム50の回転数をRGB各色の光束に発生するスペックルノイズの視認防止に適した回転数に時分割で変更するように駆動制御部35aに指示してもよい。
The
駆動部は、実施の形態1で示した駆動部35と組み合わせて錐体プリズム50の回転運動及び実施の形態1で示した振動とを同時に行うように構成しても良い。この場合、スクリーン3上に投射される光束の光路をさらに大きく変化させてスペックルノイズの視認防止効果を向上させることが可能となる。
The driving unit may be configured to simultaneously perform the rotational movement of the
実施の形態2に係る投影型映像表示装置は、実施の形態1の円錐プリズム34及び駆動部35を除き同様であるので、対応する部分には同一の参照番号を付してその詳細な説明を省略する。
Since the projection display apparatus according to the second embodiment is the same except for the
3 スクリーン
31R 、31G 、31B レーザ素子
31a レーザ制御部
32R 、32G 、32B コリメートレンズ
33R 、33G 、33B ダイクロイックミラー
34 円錐プリズム
35 駆動部
35a 駆動制御部
36 ライトトンネル
37 リレーレンズ群
38 ミラー
39 光変調素子
39a 光変調素子制御部
310 投影レンズ
311 バス端子
312 バス
L0 中心軸延長線
La 平行光束
Lb 円環状光束
Lc 矩形状断面光束
3
Claims (7)
中心軸が前記光束の光軸と一致し、底面が前記光源に対向するように配置され、
全反射の臨界角の2倍角の補角よりも小さい頂角を備え、
前記光束を前記均一化手段に入射させる錐体プリズムと、
該錐体プリズムを適宜の方向に駆動する駆動部とを
備えることを特徴とする照明装置。 In an illuminating device comprising a light source and a uniformizing means for homogenizing the intensity distribution of a light beam emitted from the light source,
The central axis is aligned with the optical axis of the luminous flux, and the bottom surface is arranged to face the light source,
It has an apex angle smaller than the complementary angle that is twice the critical angle of total reflection,
A cone prism that causes the luminous flux to enter the uniformizing means;
An illumination device comprising: a drive unit that drives the cone prism in an appropriate direction.
該複数の面は、隣り合う面のそれぞれの法線が互いに非平行となるよう形成され、
前記駆動部は、前記錐体プリズムを中心軸周りに回転させる回転部を備えること
を特徴とする請求項1乃至3のいずれか1つに記載の照明装置。 The bottom surface of the cone prism includes a plurality of surfaces around a central axis of the cone prism,
The plurality of surfaces are formed such that normals of adjacent surfaces are non-parallel to each other,
The lighting device according to claim 1, wherein the driving unit includes a rotating unit that rotates the cone prism about a central axis.
前記発光素子から出射された光束を選択的に反射及び透過させ、前記発光素子から出射された光束の光軸との交点が前記錐体プリズムの中心軸延長線上に位置する複数のダイクロイックミラーと
を備えることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1つに記載の照明装置。 The light source includes a plurality of light emitting elements that emit light beams in different wavelength bands in parallel, and
A plurality of dichroic mirrors that selectively reflect and transmit the light beam emitted from the light-emitting element and whose intersection with the optical axis of the light beam emitted from the light-emitting element is located on a central axis extension line of the cone prism; The illumination device according to any one of claims 1 to 5, further comprising:
該照明装置から出射した光束を映像に係る変調光束群を形成する光変調素子と、
前記変調光束を被投影体へ投影する投影レンズと
を備えることを特徴とする投影型映像表示装置。 The lighting device according to any one of claims 1 to 6,
A light modulation element that forms a modulated light beam group related to an image of the light beam emitted from the illumination device;
A projection type image display apparatus comprising: a projection lens that projects the modulated light beam onto a projection target.
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