JP5010311B2 - 投写型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像情報に基づいて光を変調して光学像を形成し、形成された光学像を投写する投写型表示装置に関するものである。

投写型表示装置は、光源と、光源から発せられた光を変調して光学像を形成する光変調素子とを必須の構成要素とする。一般的な投写型表示装置の光源には、メタルハライドランプ、キセノンランプ、高圧水銀ランプなどの放電ランプが用いられている。もっとも、近年では、発光ダイオードや半導体レーザなどの発光素子を光源とする投写型表示装置も開発されている。一方、一般的な投写型表示装置の光変調素子には、液晶パネルやＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）が用いられている。

ここで、投写型表示装置の高輝度化のためには光源の出力を上げ、より明るい光で光変調素子を照明する必要がある。光源の出力を上げるためには、光源が放電ランプである場合には、該ランプに入力される電力を増大させる必要がある。また、光源が発光素子である場合には、該素子の駆動電流を増大させる必要がある。しかし、光源の出力が上がると、発熱量が増加して光源が過熱し、様々な不具合が発生する。例えば、発光素子は動作温度によって発光量が変化する特性を有する。通常、動作温度が高い場合は、動作温度が低い場合に比べて発光量が低下する。また、光源から発生する熱によって投写型表示装置の筐体内の温度が上昇すると、光源以外の光学素子や電気素子の動作が不安定になったり、寿命が低下したりする。

一方で、光変調素子である液晶パネルやＤＭＤには動作温度範囲が設定されており、該温度範囲を超えると動作が不安定になったり、動作不能になったりする。光源から発生する熱によって投写型表示装置の筐体内の温度が上昇すれば、光変調素子の温度も上昇するが、光変調素子の温度を上昇させる主な熱源は、該素子に照射される光である。すなわち、光源から発せられ光変調素子に照射された光の一部は熱となって光変調素子の温度を上昇させる。従って、光源の出力が上がれば、光変調素子の温度も上昇する。

そこで、光源を冷却するための様々な技術や光変調素子を冷却するための様々な技術が開発された。前者の一例が特許文献１に、後者の一例が特許文献２にそれぞれ記載されている。さらに、特許文献３には、冷却ファンと温度センサとを有し、冷却ファンが温度センサによって測定された温度に基づいて制御される投写型表示装置が記載されている。

要するに、投写型表示装置の高輝度化に伴って、光源及び光変調素子の温度は上昇する傾向にあった。このため、投写型表示装置の分野においては、光源及び光変調素子を如何に効率的に冷却するかが装置開発における重大な関心事の一つであった。
特開２００５−７４０７６号公報 特開２００４−３５４８５３号公報 特開２００６−１５４４６０号公報

しかし、投写型表示装置の普及に伴って、投写型表示装置は様々な環境下で使用されるようになった。この結果、環境温度によっては、光変調素子の温度が動作温度範囲以下になることもある。例えば、冬場の屋外や標高の高い場所で使用される場合が一例として挙げられる。

光変調素子の温度が動作温度範囲以下に低下した場合には、動作温度範囲以上に上昇した場合と同様に、動作が不安定になったり、動作不能になったりする。

本発明の目的は、光変調素子の温度が動作温度範囲以下に低下するような環境下においても安定して動作する投写型表示装置を実現することである。

本発明の投写型表示装置の一つは、画像情報に基づいて光を変調して光学像を形成し、形成された光学像を投写する投写型表示装置である。この投写型表示装置は、光源と、光源から発せられた光を変調する光変調素子と、光源及び光変調素子が搭載された共通の支持部材とを有し、光源と光変調素子とが支持部材を介して熱的に接続されている。

本発明の投写型表示装置の他の一つは、画像情報に基づいて光を変調して光学像を形成し、形成された光学像を投写する投写型表示装置である。この投写型表示装置は、光源と、光源から発せられた光を変調する光変調素子と、光源を冷却する冷却手段と、光源の温度を測定する第一の測温手段と、光変調素子の温度を測定する第二の測温手段と、冷却手段を制御する制御手段と、少なくとも光源及び光変調素子が搭載された共通の支持部材とを有する。光源と光変調素子とは支持部材を介して熱的に接続されており、制御手段は、第二の測温手段によって測定された光変調素子の温度が基準温度以下になると、冷却手段を停止させる。

前記冷却手段が２以上設けられ、前記制御手段は、前記第二の測温手段によって測定された前記光変調素子の温度が基準温度以下になると、前記２以上の冷却手段の少なくとも一つを停止させることが望ましい。

発する光の色が異なる２以上の光源と、それら２以上の光源から発せられた光を合成する光学素子とを有することが望ましい。また、前記支持部材は金属パネルであることが望ましい。また、前記光源は発光素子であることが望ましい。

光変調素子の温度が動作温度範囲以下に低下するような環境下においても安定した動作が可能な投写型表示装置を実現することができる。

以下、本発明の投写型表示装置の実施形態の一例について説明する。図１は、本例の投写型表示装置が有する光学ユニットの構成を示す模式的斜視図であり、図２は模式的平面図である。図示されている光学ユニットは、不図示の筐体内に収容されている。また、上記筐体内には、図１、図２に示されている光学ユニット以外に、電源回路や入出力インターフェイスその他の構成要素が収納されている。もっとも、本発明の特徴は、光学ユニットの構造にあるので、光学ユニット以外の構成要素についての説明は省略する。

光学ユニットは、赤色（Ｒ）の光を出射する光源装置１０Ｒと、緑色（Ｇ）の光を出射する光源装置１０Ｇと、青色（Ｂ）の光を出射する光源装置１０Ｂと、これら光源装置１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂから出射されたＲＧＢの光を合成するクロスダイクロミラー３０とを有する。尚、以下の説明では、光源装置１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂを「光源装置１０」と総称する場合がある。

各光源装置１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂとクロスダイクロミラー３０との間には、レンズ２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂがそれぞれ配置されている。さらに、光学ユニットは、集光レンズ２１と、冷却ファン４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂと、光変調装置５０と、投写レンズ６０と、金属プレート７０とを有する。尚、以下の説明では、レンズ２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂを「レンズ２０」と、冷却ファン４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂを「冷却ファン４０」と総称する場合がある。

図１及び図２に明示されているように、光源装置１０、レンズ２０、クロスダイクロミラー３０、集光レンズ２１、冷却ファン４０、光変調装置５０及び投写レンズ６０は、全て金属プレート７０の上に搭載されている。換言すれば、金属プレート７０は、光学ユニットの構成要素に共通する支持部材である。

光源装置１０Ｒとレンズ２０Ｒとは、互いの光軸が一致するように位置合わせされている。同様に、光源装置１０Ｇとレンズ２０Ｇとは、互いの光軸が一致するように位置合わせされている。また、光源装置１０Ｂとレンズ１０Ｂとは、互いの光軸が一致するように位置合わせされている。

光源装置１０Ｒと光源装置１０Ｂとは、クロスダイクロミラー３０を挟んで対向している。一方、光源装置１０Ｇと集光レンズ２１とは、クロスダイクロミラー３０を挟んで対向している。光源装置１０Ｒと光源装置１０Ｂとは、それぞれの光軸がクロスダイクロミラー３０の中心を通る不図示の直線Ｘと一致するように位置合わせされている。光源装置１０Ｇは、その光軸がクロスダイクロミラー３０の中心において上記直線Ｘと直交する不図示の直線Ｙと一致するように位置合わせされている。

クロスダイクロミラー３０は、光源装置１０から出射された光の進行方向を一致させる。具体的には、光源装置１０Ｒ、１０Ｂから出射された光は、クロスダイクロミラー３０によって反射され、進行方向が９０度変換される。一方、光源装置１０Ｇから出射された光は、クロスダイクロミラー３０をそのまま透過する。すなわち、光源装置１０Ｇから出射された光の進行方向は変換されない。以上によって、各光源装置１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂから出射された光の進行方向が統一される。

集光レンズ２１は、クロスダイクロミラー３０から出射された光を光変調装置５０に導く。光変調装置５０は、入射した光を画像情報に基づいて変調して光学像を形成する。投写レンズ６０は、光変調装置５０によって形成された光学像を不図示のスクリーンに向けて拡大投写する。

各冷却ファン４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂは、各光源装置１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの背後に配置され、対応する光源装置１０を冷却する。

以上が光学ユニットの概略である。続いて、光源装置１０の構造について、主に図３を参照しながら具体的に説明する。光源装置１０は、光源１０１と、該光源１０１が固定されたホルダ１０４とを有する。光源１０１は、矩形の基板１０２と、基板１０２の表面中央に配置された発光素子（発光ダイオード１０２）と、発光ダイオード１０３の近傍に配置された温度センサ１０５（図２）とを有する。基板１０２の対向する２つの角には位置決め穴１０２ａが形成され、他の対向する２つの角には穴１０２ｂが形成されている。また、温度センサ１０５の出力は、図２に示されている制御部１５０に入力される。尚、光源装置１０Ｒが備える発光ダイオード１０３が赤色発光のダイオードであり、光源装置１０Ｇが備える発光ダイオード１０３が緑色発光のダイオードであり、光源装置１０Ｂが備える発光ダイオード１０３が青色発光のダイオードであることは言うまでもない。

一方、ホルダ１０４は、光源１０１の基板１０２が固定される保持部１０６と、該保持部１０６と直交する方向に延在する底部１０７とを有する。保持部１０６の対向する２つの角には、突起１０６ａが形成されており、他の対向する２つの角には螺子穴１０６ｂが形成されている。ホルダ１０４の突起１０６ａが基板１０２の位置決め穴１０２ａに挿入されることによって、基板１０２はホルダ１０４に対して位置決めされている。また、基板１０２の穴１０２ｂに通された螺子１０８を螺子穴１０６ｂに螺合させることによって、基板１０２はホルダ１０４に固定されている。尚、基板１０２の裏面全面が対向する保持部１０６の表面に密着している。基板１０２の裏面と保持部１０４の表面との間に、グリスを塗布したり、熱伝導シートを介在させたりして、基板１０２からホルダ１０４への熱伝導率を高めてもよい。熱伝導シートの材質としては、シリコンやグラファイトが一例として挙げられる。

基板１０２及びホルダ１０４は、熱伝導率の高い金属、例えばアルミニウム（Al）や銅（Cu）によって作られている。よって、発光ダイオード１０３から発せられた熱は、速やかに基板全体に拡散する。基板１０２に拡散した熱は、基板裏面からホルダ１０４に伝わり、ホルダ１０４から該ホルダ１０４が固定されている金属プレート７０（図１）に伝わる。図５に示すように、ホルダ１０４は、その底部１０７に形成された２つの固定穴１０７ａに通された螺子（不図示）を金属プレート７０に形成された螺子穴７０ａに螺合させることによって、金属プレート７０に固定されている。すなわち、発光ダイオード１０３から発せられた熱は、光源ユニットの共通の支持部材である金属プレート７０に伝わる。尚、ホルダ１０４の底部１０７の最も面積の大きな面が金属プレート７０と密着していることは図面から明らかである。また、ホルダ１０４の底部１０７に形成されている固定穴１０７ａは、光源装置１０から出射される光の光軸と直交する方向を長径とする長穴である。よって、金属プレート７０に対する光源装置１０の固定位置を変更して、光源装置１０とレンズ２０との光軸合わせを行うことができる。

次に、冷却ファン４０について図１、図２を参照しながら説明する。冷却ファン４０は、吸込み口４０１ａと吹出し口（不図示）とが形成されたケース４０１と、ケース４０１内に収容された電動モータ４０２と、電動モータ４０２の回転軸に取り付けられた複数の羽根板４０３とを有する軸流ファンである。冷却ファン４０が光源装置１０の背後に配置されていることは既述のとおりであるが、より具体的には、吹出し口がホルダ１０４の保持部１０６の背面と対向する位置に配置されている。各冷却ファン４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂの電動モータ４０２のＯＮ／ＯＦＦは、制御部１５０によって個別制御又は一括制御されている。

次に、光変調装置５０の構造について、主に図４を参照しながら具体的に説明する。光変調装置５０は、パネルケース５０３と、パネルカバー５０４と、パネルホルダ５０５と、透過型の液晶パネル５０６と、液晶パネル５０６の近傍に配置された温度センサ５０７（図２）とを有する。パネルケース５０３には、凹状の収容部５０３ａが形成されており、その収容部５０３ａ内に液晶パネル５０６が収容されている。収容部５０３ａに収容された液晶パネル５０６には、パネルカバー５０４が被せられ、そのパネルカバー５０４は、螺子５０８によってパネルケース５０３に固定されている。すなわち、液晶パネル５０６は、パネルケース５０３とパネルカバー５０４とによって挟持されている。より具体的には、パネルカバー５０４には、液晶パネル５０６を照明するための光が入射する入射窓５０４ａが形成されており、パネルケース５０３の収容部５０３ａには、液晶パネル５０６を透過した光が出射する出射窓５０３ｂが形成されている。液晶パネル５０６の四辺は、対向する入射窓５０４ａの周縁部と出射窓５０３ｂの周縁部とによって挟持されている。また、温度センサ５０７は、パネルカバー５０４の入射窓５０４ａの近傍に配置されており、その出力は制御部１５０に入力される（図２）。もっとも、温度センサ５０７はパネルケース５０３上に配置してもよい。

パネルホルダ５０５は、平行に設けられた一対の脚部５０５ａと、脚部５０５ａの下端同士を連結する連結部５０５ｂとを有する。脚部５０５ａは、面積が最大の面がパネルケース５０３に密着した状態で該ケース５０３に固定されている。具体的には、パネルケース表面のうち、収容部５０３ａの両外側に張出した領域に、脚部５０５ａが密着固定されている。より具体的には、上記領域にはパネルケース５０３を貫通する貫通穴５０９が形成されており、該貫通穴５０９に通された螺子５１０が脚部５０５ａに形成されている螺子穴５１１に螺合されている。尚、図中の符号５１２は、液晶パネル５０６に接続されたフレキシブル配線基板を示している。

以上の構造を有する光変調装置５０は、金属プレート７０に固定されている。具体的には、図１及び図５に示すように、パネルホルダ５０５の連結部５０５ｂに形成された通孔５１３に通された螺子（不図示）が金属プレート７０に形成されている螺子穴７０ｂに螺合されている。

ここで、パネルケース５０３、パネルカバー５０４及びパネルホルダ５０５は、熱伝導率の高い金属、例えばアルミニウム（Al）や銅（Cu）によって作られている。従って、金属プレート７０の熱はパネルホルダ５０５に伝わり、パネルホルダ５０５に伝わった熱は、該ホルダ５０５、パネルケース５０３及びパネルカバー５０４の全体に速やかに拡散し、液晶パネル５０６に伝わる。パネルホルダ５０５の連結部５０５ｂの面積が最大の面が金属プレート７０に密着固定されていることは図面から明らかである。

尚、パネルケース５０３の貫通穴５０９及びパネルホルダ５０５の通孔５１３は長穴である。さらに、貫通穴５０９の長径方向と通孔５１３の長径方向とは直交している。従って、金属プレート７０に対する液晶パネル５０６の固定位置を垂直方向及び水平方向に変更して、液晶パネル５０６の中心と照明光学系の光軸との位置合わせを行うことができる。また、液晶パネル５０６の中心と投写レンズ６０の光軸との位置合わせを行うこともできる。

以上のように、光源装置１０（光源１０１）と光変調装置５０（液晶パネル５０６）とは、共通の金属プレート７０に搭載されている。そして、光源１０１から発せられた熱は金属プレート７０に伝わり、金属プレート７０の熱は液晶パネル５０６に伝わる。すなわち、光源１０１と液晶パネル５０６とは、共通の金属プレート７０を介して熱的に接続されている。

さらに、冷却装置４０を制御する制御部１５０は、光源１０１及び液晶パネル５０６の双方の温度を常時または定期的にモニタしており、モニタ結果に基づいて冷却ファン４０のＯＮ／ＯＦＦを切替える。具体的には、液晶パネル５０６の温度が基準温度（本例では、液晶パネル５０６の動作温度範囲の下限値）以下である場合には、冷却ファン４０を停止（ＯＦＦ）させる。すると、光源１０１から発せられた熱によって液晶パネル５０６が加温され、液晶パネル５０６の温度が基準温度以上に上昇する。すなわち、液晶パネル５０６の温度が動作温度範囲以下であるときには、光源１０１は、液晶パネル５０６を加熱するための熱源として機能する。尚、冷却ファン４０を停止させると、光源１０１の温度は上昇するが、その上昇分は液晶パネル５０６の加熱によって消費されるので、光源１０１の温度が所定範囲を超えることはない。そもそも、液晶パネル５０６の温度が動作温度範囲以下になるほどの低温状態であれば、冷却ファン４０を一時的に停止させても、光源１０１の温度が所定範囲を超えることはない。

一方、制御部１５０は、液晶パネル５０６の温度が基準温度以上である場合には、光源１０１の温度に基づいて冷却ファン４０を制御する。具体的には、光源１０１の温度が所定範囲を内に超えないように、必要に応じて冷却ファン４０を作動（ＯＮ）させる。もっとも、制御部１５０は、液晶パネル５０６の温度が再び基準温度以下に低下したときには、冷却ファン４０を停止（ＯＦＦ）させる。

尚、本例の投写型表示装置には、３つの冷却ファン４０が設けられているが、これら冷却ファン４０の動作状態を一斉に切替える必要はない。すなわち、複数の冷却ファンの動作状態を個別制御し、一部の冷却ファンを作動させ、他の一部の冷却ファンを停止させてもよい。また、上記基準温度は、液晶パネル５０６の動作温度範囲の下限値よりも高い温度または低い温度に設定することもできる。例えば、安全マージンを考慮して、液晶パネル５０６の動作温度範囲の下限値よりも若干高い温度を基準温度に設定してもよい。

以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明の範囲は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、光源としての発光ダイオードは、半導体レーザに置換することもできる。また、光源は高圧放電ランプに置換することもできる。複数の光源から発せられた光を合成するための光学素子は、クロスダイクロイックプリズム（ＸＤＰ）に置換することもできる。

光源と光変調素子とが搭載される共通の支持部材は、熱伝導率の高い材料によって作られていることが望ましいが、金属製に限定されるものではない。同様に、光源と支持部材との間に介在する部材や光変調素子と支持部材との間に介在する部材も熱伝導率の高い材料によって作られていることが望ましいが、金属製に限定されるものではない。

冷却手段としての軸流ファンは、シロッコファン、ヒートシンク、ペルチェ素子などに置換することができる。また、冷却方法も空冷に限定されず、液冷その他であってもよい。

また、２以上の部材が一体化された支持部材であって、それら２以上の部材が熱的に連続している限り、本発明の支持部材の範囲に含まれる。

本発明の投写型表示装置が有する光学ユニットの一例を示す模式的斜視図である。 図１に示す光学ユニットの模式的平面図である。 図１に示す光源装置の分解斜視図である。 図１に示す光変調装置の分解斜視図である。 光源装置及び光変調装置の金属プレートへの搭載状態を示す分解斜視図である。

符号の説明

１０、１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ 光源装置
２０、２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ レンズ
３０ クロスダイクロミラー
４０、４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂ 冷却ファン
５０ 光変調装置
６０ 投写レンズ
７０ 金属プレート
１０１ 光源
１０３ 発光ダイオード
１０５ 温度センサ
１５０ 制御部

Claims (8)

1. 画像情報に基づいて光を変調して光学像を形成し、形成された光学像を投写する投写型表示装置であって、
   光源と、
   前記光源から発せられた光を変調する光変調素子と、
   前記光源を冷却する冷却手段と、
   前記光源の温度を測定する第一の測温手段と、
   前記光変調素子の温度を測定する第二の測温手段と、
   前記冷却手段を制御する制御手段と、
   少なくとも前記光源及び前記光変調素子が搭載された共通の支持部材と、を有し、
   前記光源と前記光変調素子とは、前記支持部材を介して熱的に接続されており、
   前記制御手段は、前記第二の測温手段によって測定された前記光変調素子の温度が基準温度よりも高い場合は、前記第一の測温手段によって測定された前記光源の温度に基づいて前記冷却手段を作動させて、前記第二の測温手段によって測定された前記光変調素子の温度が基準温度以下になると、前記冷却手段を停止させることを特徴とする投写型表示装置。
2. 前記第二の測温手段によって測定された前記光変調素子の温度が基準温度以下の場合は、前記光源を熱源として前記光変調素子が加熱される、請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 前記冷却手段を２以上有し、前記制御手段は、前記第二の測温手段によって測定された前記光変調素子の温度が基準温度以下になると、前記２以上の冷却手段の少なくとも一つを停止させることを特徴とする請求項１または２記載の投写型表示装置。
4. 異なる色の光を発する２以上の光源と、それら２以上の光源から発せられた光を合成する光学素子とを有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の投写型表示装置。
5. 前記支持部材が金属パネルであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の投写型表示装置。
6. 前記光源が発光素子であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の投写型表示装置。
7. 光源と、前記光源から発せられた光を変調する光変調素子と、少なくとも前記光源及び前記光変調素子が搭載された共通の支持部材と、を有する、画像情報に基づいて光を変調して光学像を形成し、形成された光学像を投写する投写型表示装置における温度調整方法であって、
   前記光源の温度と前記光変調素子の温度を測定して、
   測定された前記光変調素子の温度が基準温度よりも高い場合は、測定された前記光源の温度に基づいて前記光源を冷却して、測定された前記光変調素子の温度が基準温度以下になると、前記光源の冷却を止める、温度調整方法。
8. 測定された前記光変調素子の温度が基準温度以下の場合は、前記光変調素子を前記光源が生じる熱で加熱する、請求項７に記載の温度調整方法。

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