JP5241356B2

JP5241356B2 - 投射型映像装置

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Publication number: JP5241356B2
Application number: JP2008181588A
Authority: JP
Inventors: 泰亮村田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-07-11
Filing date: 2008-07-11
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2028-07-11
Also published as: JP2010020163A; US20100007855A1; US8272750B2

Description

この発明は、複数のレーザ光源と光学エンジンを搭載した投射型映像装置に関するものである。

従来の投射型表示装置は、水銀ランプなどの白色光源を搭載し、色分離光学フィルタを用いて赤、緑、青など複数の単色に分離しフルカラーの映像を実現していた。しかし、近年では、白色光源に代わって、半導体レーザなどのレーザを光源として用いる技術が開発され、複数の単色レーザを搭載することにより、色分離光学フィルタなしにフルカラー映像を実現できるようになってきている。

レーザ光を光源として映像を表示する際には、レーザ光源の個体差およびレーザ光源の経時変化によってレーザ光の光強度が不均一になってしまう問題がある。常に均一な映像を得るためにはレーザ光源の出力制御などを行わなければいけないが、そのためには光の強度または色度を検出しなければならない。従来では、複数のレーザ光源からの光を合成した投射映像の光強度を検出するための検出装置を設けた構造のものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この特許文献１では、結像面上の光強度分布を検出装置によって検出し、検出された光強度情報を基に光源、光学系を調整し照明光の不均一性を改善している。

特開２００５−３３１９０６号公報

ところで、任意の色度または光強度の表示映像を得るためには、各レーザ光源からの出力光が均一に合成された光の色度または強度を検出することが必要となる。しかし、上記特許文献１に記載の技術によれば、検出装置によって検出される光が、複数のレーザ光源の光が均一に合成されたものになるとは限らず、特定のレーザ光源に対応した色の光だけが検出されてしまい正確な光強度情報が取得できない可能性が存在するという問題点があった。

また、レーザ光源は時間経過により出力パワーが変化し、その変化の度合いは、レーザ光源ごとに異なる。そのため、各レーザ光源の出力の比率が時間経過に伴い変化してしまい、表示映像のホワイトバランスが一定ではなくなってしまうという問題点があった。さらに、構成装置の故障などの異常によりレーザ光源から出射された光が遮断され、または光路外に漏れてしまう可能性があるという問題点があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたもので、複数のレーザ光源から出射された光が均一に合成された状態で光の色度または強度を検出することができる投射型映像装置を得ることを目的とする。また、時間経過によるレーザ光源の出力パワーの変化を調整することができる投射型映像装置を得ることも目的とする。さらに、レーザ光源から出射されたレーザ光が光路外への漏れの可能性を検出することができる投射型映像装置を得ることも目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる投射型映像装置は、レーザ光を出射する光源ユニットを、異なる波長ごとに複数有するレーザ光源と、前記複数の光源ユニットからの光を合成し、映像を生成する光学エンジンと、前記光学エンジンからの光を拡大してスクリーンに投射する投射レンズと、を備える投射型映像装置において、前記光学エンジンは、内部に光センサを有し、前記光センサから出力される信号に基づいて前記複数の光源ユニットの出力を制御する制御部を備え、前記光センサは、前記光学エンジン内で複数回の散乱を受けた散乱光が入力の主成分となる位置に設けられ、前記制御部は、前記光センサから出力される信号から得られる前記複数の光源ユニットに対応する波長の光の強度比を、基準とする白画面における強度比と一致するように、前記複数の光源ユニットの出力を制御するホワイトバランス調整機能と、前記光センサから出力される信号を用いて、前記光源ユニットからの光の強度が所定値に満たない場合に、前記光源ユニットをシャットダウンする光路異常検出機能と、を有することを特徴とする。

この発明によれば、光学エンジン内に配置された光センサでレーザ光源からの出力光の合成光を受光し、光強度および色度の情報をレーザ光源の出力にフィードバックするので、任意の光強度および色度を有する表示映像を投射すること、および時間経過に伴うレーザ光源の出力変化に対しても表示映像の光強度および色度を維持することが可能になるという効果を有する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる投射型映像装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による投射型映像装置の構成の一例を模式的に示す図である。この投射型映像装置１０は、レーザ光源１１と、光ファイバ１２と、光学エンジン１３と、投射レンズ１４と、スクリーン１５と、制御部１６と、が筐体１７内に支持、固定された構造を有する。

レーザ光源１１は、図示しないが、半導体レーザなどの複数の光源ユニットからなり、複数の波長のレーザ光を出射する。この例では、レーザ光源１１は、赤色レーザを出射する光源ユニット、緑色レーザを出射する光源ユニット、および青色レーザを出射する光源ユニットの３個の光源ユニットから構成されるものとする。各光源ユニットは、各色のレーザ光を発するエミッタと、エミッタから発せられた光を集めて収束するカップリング光学系と、を内包しており、カップリング光学系の光スポット部に光ファイバ１２の入射端面が配置されて効率よく光エネルギが伝達するような構成となっている。

光ファイバ１２は、それぞれの光源ユニットに対応して設けられており、これらの複数の光ファイバ１２を途中で束ねて１本のバンドルとし、単一の出射端で光学エンジン１３に接続される。これによって、光ファイバ１２は、レーザ光源１１からのレーザ光を伝播させて光学エンジン１３に送るレーザ伝達光路を構成する。

光学エンジン１３は、バンドルされた光ファイバ１２の出射端の後段に配置され、内部に配置された部品（光学部品）によって、レーザ光源１１からの光強度を均一化し、均一化した光を用いて映像を形成する機能を有する。また、詳細は後述するが、光学エンジン１３内には、レーザ光源１１の各光源ユニットから出射された光の色度や強度を測定する光センサ１３８が設けられている。

投射レンズ１４は、光学エンジン１３からの出射光を拡大投射する機能を有する。また、スクリーン１５は、投射レンズ１４によって拡大投射された投射光が投影される。

制御部１６は、フィードバック制御機能１６１と、ホワイトバランス調整機能１６２と、光路異常検出機能１６３と、内部メモリ１６４と、を有する。フィードバック制御機能１６１は、光学エンジン１３に設けられた光センサ１３８からの出力を用いてレーザ光源１１のレーザ出力を、各色に対応した光源ユニットごとにフィードバック制御する。

ホワイトバランス調整機能１６２は、レーザ光源１１の各光源ユニットについてあらかじめ定められた出力比からのずれを検出し、あらかじめ定められた出力比となるように各光源ユニットの出力を制御する。そのため、この出力比をあらかじめホワイトバランス調整用の規定値として保持し、この規定値と光センサ１３８からの出力値とを比較することによって調整を行う。たとえば基準の白画面の色度をあらかじめ決定しておくと、レーザ光源１１の赤、緑、青の各光源ユニットからのレーザ光の強度の割合が自動的に決定されるので、規定値として、レーザ光源１１の各出力光の比率をその値としたときの光センサ１３８からの出力値を用いることができる。

光路異常検出機能１６３は、レーザ光源１１から光学エンジン１３までの間の光路における光路からの光の減少や遮断などの異常を、光センサ１３８からの出力信号を用いて監視し、異常が発生した場合には、それを検出し、レーザ光源１１をシャットダウンする。この異常の検出は、あらかじめ定められた光路異常検出用の規定値を、光センサ１３８からの出力値と比較することによって行う。この規定値は、たとえば異常が発生していない初期状態においてレーザ光を出力したときの光強度の値を光センサ１３８によって検知しておき、その光強度の値に一定率を乗じたものとすることができる。

以上のように、制御部１６のホワイトバランス調整機能１６２でホワイトバランス調整用の規定値を用い、光路異常検出機能１６３で光路異常検出用の規定値を用いるので、制御部１６には、これらの規定値を格納する内部メモリ１６４が設けられている。そして、制御部１６は、この内部メモリ１６４への読み書きが可能な構成となっている。

図２は、この実施の形態１による光学エンジンのさらに詳細な構成を模式的に示す図である。光学エンジン１３は、入射口１３１と、レンズ１３２，１３３と、反射鏡１３４と、表示素子１３５と、出射口１３６と、拡散板１３７と、光センサ１３８とが光学エンジン格納用筐体１４０に支持、固定されている。

入射口１３１は、レーザ伝達光路である光ファイバ１２を伝達してきた光が光学エンジン１３へと入射する部分であり、レーザ光源１１の各光源ユニットからの光強度を均一化する。レンズ１３２，１３３は、入射口１３１から入射した均一化された光を収束させ、表示素子１３５を照明するために配置される。反射鏡１３４は、レンズ１３２，１３３を透過した光を表示素子１３５に導く機能を有する。

表示素子１３５は、反射鏡１３４で反射された光を用いて画像を形成する。この表示素子１３５として、稼働ミラー装置（ＤＭＤ）や液晶表示素子などを用いることができる。この表示素子１３５は、スクリーン１５に比して寸法が小さく形成されている。出射口１３６は、表示素子１３５で形成された画像を光学エンジン１３の外部に出射する部分である。

拡散板１３７は、レンズ１３３と反射鏡１３４との間の光路に設けられ、レンズ１３２，１３３を透過した光の一部を拡散させながら、残りの光を反射鏡１３４側へと透過させる。また、この拡散板１３７は、シンチレーションを軽減する機能を有している。さらに、この拡散板１３７は、光学エンジン格納用筐体１４０内部を、レンズ１３２，１３３が配置される側の閉空間１４１と、反射鏡１３４が配置される側の閉空間１４２とに分離するように設けられる。この拡散板１３７によって、レンズ１３２，１３３を透過した光の一部や光学エンジン格納用筐体１４０内で反射・散乱した光が散乱される。

光センサ１３８は、光学エンジン格納用筐体１４０中の拡散板１３７で区切られる閉空間１４１，１４２のうち、レンズ１３２，１３３が配置される側の閉空間１４１に設けられている。この光センサ１３８の先端には、受光部１３９が設けられており、光センサ１３８は、受光部１３９に入射した光の赤、緑、青の３色の成分それぞれの光強度を検出し、入射した各色の光強度に応じた信号を制御部１６に対して出力する。

つぎに、このような構成の投射型映像装置１０の動作について説明する。レーザ光源１１の各光源ユニットから出射された各色のレーザ光は、光ファイバ１２を伝達し、光学エンジン１３へと入射する。光学エンジン１３内では、レーザ光源１１の各光源ユニットからの光強度が均一化された光が、入射口１３１からレンズ１３２，１３３を透過し、拡散板１３７へと入射する。この拡散板１３７で一部の光は拡散し、他の光は透過する。拡散板１３７を透過した光は反射鏡１３４に反射された後、表示素子１３５に照射され、画像を形成した後、光学エンジン１３の出射口１３６から出力される。その後、光学エンジン１３の出射口１３６から出射された光は投射レンズ１４へと入力され、ここで拡大されてスクリーン１５のほぼ全面に画像を投射する。これによって、スクリーン１５上に映像が表示される。

スクリーン１５に投射された光が最終的な表示映像となるが、このスクリーン１５に到達する光は、レーザ光源１１の各光源ユニットから出力される各色の光が合成された光である。よって表示映像における光の強度および色度の見積もりのためには、光センサ１３８による合成光の検出が必要になる。より正確な見積もりを得るためには、光センサ１３８の入射光として、均一な散乱光を使用するのが有効である。ここで、均一な散乱光とは、レーザ光源１１の光源ユニットからの各色の光が均等に含まれている光のことをいう。

そこで、この実施の形態１では、レンズ１３２，１３３、拡散板１３７、反射鏡１３４および表示素子１３５によって構成される光学エンジン１３内の光路において、また光学エンジン格納用筐体１４０の内壁において、発生する光の反射・散乱を用いて合成光の検出を行うようにしている。つまり、レーザ光源１１より出射された赤、緑、青の３色の光が合成され、光ファイバ１２を経由して光学エンジン１３の入射口１３１より入射し、光学エンジン１３内で上記の反射・散乱を受けた散乱光を光センサ１３８の受光部１３９に入射させて、検出している。この散乱光は、レーザ光源１１の各光源ユニットから出力された光が均一に合成された光であり、各光源ユニットからのレーザ光の正確な色度情報と光強度情報を得ることが可能となる。

さらに、この実施の形態１では、より均一な散乱光を光センサ１３８の入射光として使用するために、光センサ１３８の設置場所を拡散板１３７よりレーザ光源１１側に設けるようにしている。設置場所は、拡散板１３７により区切られた閉空間１４１となる。拡散板１３７より反射鏡１３４側の閉空間１４２からこの閉空間１４１に入射する光は、拡散板１３７による散乱を最低２回受けた光となる。なぜなら、反射鏡１３４側の光は入射口１３１から入射した光が拡散板１３７によって拡散透過した光だからである。つまり、閉空間内では反射、散乱された光は拡散板１３７によりさらに多重散乱を受ける。よってレーザ光源１１側の閉空間１４１内に設置された光センサ１３８の受光部１３９に入射する散乱光は拡散板１３７による散乱を複数回受けたものが大半になる。多く散乱を受ければ光はより均一になるため、光センサ１３８の設置場所を拡散板１３７より出射口１３６側の閉空間１４２とした場合に比してより均一な散乱光を受光することが可能となり、安定した光強度の変化を検知することが可能となる。

光センサ１３８は、このように多重散乱された光を多く含む散乱光を受光部１３９で検出し、受光部１３９に入射した散乱光の各色の強度に応じた信号を、制御部１６に出力する。制御部１６のフィードバック制御機能１６１は、光センサ１３８からの入力信号に基づいて、レーザ光源１１の出力を各色に対応した光源ユニットごとにフィードバック制御する。これによって、任意の光強度および色度を有する表示映像を得ることが可能となる。

また、制御部１６のホワイトバランス調整機能１６２は、光センサ１３８で検出した光強度を、内部メモリ１６４に格納されている規定値と比較してホワイトバランスの調整を行う。ホワイトバランス調整機能１６２は、この規定値との比較の結果、規定値の比率を上回っている光強度の色が存在する場合には、レーザ光源１１内のその色に対応する光源ユニットの出力を減少させるか、またはその色に対応する光源ユニットを除いた光源ユニット全ての出力を増加させるように制御を行う。逆に、規定値の比率を下回っている光強度の色が存在する場合には、ホワイトバランス調整機能１６２は、レーザ光源１１内のその色に対応する光源ユニットの出力を増加させるか、またはその色に対応する光源ユニットを除いた光源ユニット全ての出力を減少させるように制御を行う。

さらに、制御部１６の光路異常検出機能１６３は、光センサ１３８で検知した光強度を、内部メモリ１６４にあらかじめ格納しておいた規定値と比較して、光路における異常発生の有無の判定も行う。比較の結果、検知して得られた光強度が既定値以上である場合には、光路に異常がないものと判定し、そのまま処理を継続する。一方、検知して得られた光強度が規定値を下回っている場合には、光路からの光の漏れや遮断などの異常によって、レーザ光源１１からの光が光学エンジン１３に正確に入射していないなどの光路に異常がある状態であると光路異常検出機能１６３は判断し、安全性の確保のためにレーザ光源１１の出力をシャットダウンする。

この実施の形態１によれば、光学エンジン１３内の入射口１３１側の閉空間１４１に光センサ１３８を配置したので、閉空間１４１内に閉じ込められたレーザ光源１１からの複数の光の合成光を受光し、光強度および色度の情報をレーザ光源１１の出力にフィードバックすることができる。その結果、任意の光強度および色度を有する表示映像を投射すること、および時間経過に伴うレーザ光源１１の出力変化に対しても表示映像の光強度および色度を維持することが可能になるという効果を有する。また、光強度の減衰を検出することでレーザ光源１１から投射レンズ１４までの光路上での光の漏れや遮断などの異常の検出が可能になり、製品の安全性を高めることができるという効果も有する。

さらに、光学エンジン１３内の照明光学系の光路から外れた位置に光センサ１３８を配置することにより、特定の波長のレーザ光だけが光センサ１３８に直接入射することで生じる誤動作を防ぎ、常に均一な光を受光することが可能となる。さらにまた、光学エンジン１３内の拡散板１３７よりレーザ光源１１側の位置に光センサ１３８を配置することによって、拡散板１３７より投射レンズ１４側の閉空間１４２内で反射された光が、拡散板１３７によって多重散乱されながら閉空間１４１へと到達する。その結果、光センサ１３８の受光部１３９は、より均一な光を受光し、安定した光強度の変化を検知することが可能となる。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２による投射型映像装置の光学エンジンの構成を模式的に示す図である。実施の形態１では、光センサ１３８の設置場所を、拡散板１３７よりレーザ光源１１側の閉空間１４１としたが、この実施の形態２の投射型映像装置では、光センサ１３８の設置場所を反射鏡１３４の裏面の位置としている。なお、実施の形態１と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。

このように、反射鏡１３４の裏面の位置に光センサ１３８を配置することにより、光学エンジン１３内のレンズ１３２，１３３の表面または反射鏡１３４による反射光が、光センサ１３８の受光部１３９に入射してしまう影響を完全に排除可能となる。

この実施の形態２によれば、反射鏡１３４の裏面に光センサ１３８を設けたので、光学エンジン１３内のレンズ１３２，１３３の表面または反射鏡１３４で反射した光が光センサ１３８に入射することを防ぐことができるという効果を、実施の形態１の効果に加えて得ることができる。

以上のように、この発明にかかる投射型映像装置は、複数のレーザ光源を用いて映像を表示する表示装置に有用である。

この発明の実施の形態１による投射型映像装置の構成の一例を模式的に示す図である。この実施の形態１による光学エンジンのさらに詳細な構成を模式的に示す図である。この実施の形態２による投射型映像装置の光学エンジンの構成を模式的に示す図である。

符号の説明

１０投射型映像装置
１１レーザ光源
１２光ファイバ
１３光学エンジン
１４投射レンズ
１５スクリーン
１６制御部
１７筐体
１３１入射口
１３２，１３３レンズ
１３４反射鏡
１３５表示素子
１３６出射口
１３７拡散板
１３８光センサ
１３９受光部
１４０光学エンジン格納用筐体
１４１，１４２閉空間
１６１フィードバック制御機能
１６２ホワイトバランス調整機能
１６３光路異常検出機能
１６４内部メモリ

Claims

レーザ光を出射する光源ユニットを、異なる波長ごとに複数有するレーザ光源と、
前記複数の光源ユニットからの光を合成し、映像を生成する光学エンジンと、
前記光学エンジンからの光を拡大してスクリーンに投射する投射レンズと、
を備える投射型映像装置において、
前記光学エンジンは、内部に光センサを有し、
前記光センサから出力される信号に基づいて前記複数の光源ユニットの出力を制御する制御部を備え、
前記光センサは、前記光学エンジン内で複数回の散乱を受けた散乱光が入力の主成分となる位置に設けられ、
前記制御部は、
前記光センサから出力される信号から得られる前記複数の光源ユニットに対応する波長の光の強度比を、基準とする白画面における強度比と一致するように、前記複数の光源ユニットの出力を制御するホワイトバランス調整機能と、
前記光センサから出力される信号を用いて、前記光源ユニットからの光の強度が所定値に満たない場合に、前記光源ユニットをシャットダウンする光路異常検出機能と、
を有することを特徴とする投射型映像装置。
前記光学エンジンは、該光学エンジンを構成する部品と、該部品を保持固定する光学エンジン格納用筐体とによって構成され、前記光学エンジン格納用筐体内部の空間を、前記レーザ光源側と前記投射レンズ側との２つの閉空間に分割するように配置される拡散板をさらに有し、
前記光センサは、前記レーザ光源側の閉空間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の投射型映像装置。
前記光学エンジンは、
光学エンジン格納用筐体の内部に順に配置された、入射したレーザ光を収束させるレンズ、前記レンズを透過したレーザ光を反射させる反射鏡、および前記反射鏡からの光を用いて映像を形成し、前記投射レンズに導く表示素子と、
前記レンズと前記反射鏡との間に、前記光学エンジン格納用筐体の内部の空間を、前記レーザ光源側と前記投射レンズ側との２つの閉空間に分割するように配置される拡散板と、
を有し、
前記光センサは、前記反射鏡の反射面の裏側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の投射型映像装置。