JP5268613B2 - 投写型画像表示装置 - Google Patents

Description

この発明は、ランプ光源が発した光を、ライトパイプで均一な照度分布の光に整形出射し、その光を表示デバイス上に照明することにより形成された映像光を、投写レンズを用いてスクリーン上に拡大投写する投写型画像表示装置に関するものである。

光を整形するライトパイプを有する投写型画像表示装置を開示した先行文献として、例えば特許文献１がある。

特許文献１に係る技術では、ランプ光源と、ランプ光源から出射された光を通過させるカラーホイールと、カラーホイールを通過した光をミキシングする角筒形状のライトパイプと、表示デバイスと、投写レンズなどを有する。

ランプ光源から出射された光は、楕円面鏡によって収斂される。カラーホイールは、赤、緑、青の各色用のフィルターを有する。当該カラーホイールは、映像信号の同期信号に同期して回転する。カラーホイールの当該回転により、フィールドシーケンシャルで照明光束をカラー化する。当該カラーホイールによってカラー化された光束は、ライトパイプに導かれ、表示デバイスを介して、投写レンズに向けて進む。

上記ライトパイプは、ランプ光源の集光像が持つ輝度ムラを低減する光強度均一化素子である。ライトパイプの出射端面近傍においては、照明光源となる均一光源面を形成する。ライトパイプから出射された光は、表示デバイス上に転写され、投写レンズによりスクリーン上に拡大投写される。

特開２００２−１２２８０５号公報

上記特許文献１に係る投写型画像表示装置では、ライトパイプは複数の平板ミラーを組み合わせることにより構成されている。従来の技術はこのような構成になっており、ライトパイプを構成する短冊状の４枚の平板ミラーは製造コストの観点から、大きな平面ミラーを短冊状にカットすることが一般的である。このため、破断面となるミラーの端面は傷、欠け、異物、汚れ等の反射率を損なう欠陥が生じ易い。また、一枚ずつ成型した場合も成型時に生じるバリ等の処理で、端面は同様の欠陥が生じ易い。

また、ライトパイプを構成する短冊状の４枚の平板ミラーの端面には、前述の製造方法により、傷、欠け、異物、汚れ等の反射率を損なう欠陥が全く無い状態で製造することは困難である。欠陥が全く無いものを選別してライトパイプ４を製造すると、コストが非常に高くなるという問題があった。

そこで、本発明は、上述のような課題を解消するためになされたもので、安価な製造コストで作成でき、映像品位を著しく損ねることが無い投写型画像表示装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載の投写型画像表示装置は、光源と、前記光源からの光を反射し、集光するリフレクターと、内面が光の反射面の角筒形状であり、前記リフレクターで集光された光を入射し、前記反射面で複数回反射させて出射するライトパイプとを、備えており、前記ライトパイプの内面の角部において、当該ライトパイプの光出射側の第一の端面から、当該ライトパイプの光入射側の第二の端面に向けて所定の距離Ｌだけ離れた位置までの範囲では、光学欠陥を有さない。ここで、Ｌ＝Ｄ／ｔａｎθｍであり、Ｄは、前記ライトパイプの前記第一の端面の開口部の対角寸法であり、θｍは、前記リフレクターで反射され、前記ライトパイプの第二の端面に入射する光のうち、最大強度を有する光の前記第二の端面における前記光源の光軸を基準とした入射角度である。
そして、前記ライトパイプは、（Ａ）平面ミラーを短冊状に切断することにより、複数の平板ミラーを作成し、（Ｂ）前記複数の平板ミラーから、前記所定の距離Ｌの範囲で前記光学欠陥を有さない前記平板ミラーを選択し、（Ｃ）前記所定の距離Ｌの範囲で前記光学欠陥を有さないように、前記（Ｂ）で選択した前記平板ミラーを組み合わせる、ことにより作成する。

本発明では、ライトパイプの内面の角部において、当該ライトパイプの光出射側の第一の端面から、当該ライトパイプの光入射側の第二の端面に向けて所定の距離だけ離れた位置までの範囲では、光学欠陥を有さない。

したがって、投写される映像において映像品位を著しく損ねることが無い投写型画像表示装置を、安価にて提供することができる。

以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。

＜実施の形態＞
図１は、本実施の形態に係る投写型画像表示装置１００の構成を示す図である。

投写型画像表示装置１００は、ランプ光源１、ランプリフレクター２、カラーホイール３、ライトパイプ４、集光光学系５、表示デバイス６、および投写レンズ７を備えている。

ランプ光源１としては、アーク放電を利用した、高圧水銀ランプやハロゲンランプなどのアーク光源を採用できる。

ランプリフレクター２は、回転楕円体面形状に成型された、反射部材である。ここで、当該回転楕円体面形状の中心は、ランプ光源１の光軸上に存する。ランプリフレクター２は、ランプ光源１から出射された光を反射し、当該光を集光させる。

ここで、楕円体面は、一方の焦点から発した光を、もう片方の焦点に集光することが幾何光学的に知られている。図１に示す投写型画像表示装置１００において、ランプ光源１は、回転楕円体面形状をしたランプリフレクター２の一方の焦点に配置される。そして、ランプ光源１から出射した光は、ランプリフレクター２の内面で反射し、リフレクター２のもう一方の焦点に向かって集光する。

カラーホイール３は、赤色を透過させるフィルター、緑色を透過させるフィルター、および青色を透過させるフィルターを円周上に配置されることにより、構成される。カラーホイール３は、ランプ光源１とライトパイプ４との間に配置される。当該構成のカラーホイール３は、ランプリフレクター２から反射された光を入射する。そして、カラーホイール３が軸回転することにより、当該カラーホイール３を透過する光の色を時分割で変化させる。すなわち、カラーホイール３より後段（図１におけるランプ光源１の非配置側）の光学系に対しては、赤・緑・青の光が時間軸に沿って順番に出力される。ここで、当該カラーホイール３の回転は、モーター３ａの駆動力により実現される。

ライトパイプ４は、内面は光の反射面で構成されており、当該ライトパイプ４の断面形状は、中空の角形形状である（つまり、角筒形状である）。ここで、当該反射面の対面する部分同士は平行をなしている。

たとえば、ライトパイプ４として、内面が光の反射面となった、断面形状がダクト形状（四角筒形状）であるパイプを採用できる。ライトパイプ４は、ランプリフレクター２で反射され、カラーホイール３を透過した光を入射する。そして、当該入射光を反射面で複数回反射させ、当該複数回反射の結果、均一な照度分布となった光を、ライトパイプ４の出射部から出射する。なお、ライトパイプ４の光入出面の中心は、ランプ光源１の光軸上に配置される。

ライトパイプ４ができるだけ多くの光を取り込むことができるように、光の集光する側のランプリフレクター２の焦点位置と、ライトパイプ４の入射面とが一致するように、当該ライトパイプ４は配置される。

集光光学系５は、少なくとも１以上のレンズから構成される。集光光学系５は、ライトパイプ４から出射され照度分布が均一となった光束全体を集光し、表示デバイス６上に転写する。

表示デバイス６は、投写型画像表示装置１００に入力された映像信号を元にして、ライトパイプ４から出射された照明光を、映像光として出力する。表示デバイス６の例としては、透過型または反射型液晶パネルや、光の反射する方向をスイッチングするマイクロミラーをアレイ状に並べて作られた素子が挙げられる。また、表示デバイス６の他の例としては、多数の反射ミラーの高さを可変させてミラー間の干渉を発生させ、光の反射する方向をコントロールする素子なども挙げられる。

たとえば、表示デバイス６が、画素を構成する可動式のマイクロミラーを数十万個以上配列した反射型ライトバルブである場合には、次の構成となる。各マイクロミラーは、映像信号に基づいて角度を制御される。各マイクロミラーは、オン状態とオフ状態とで所定の角度だけ変化させる。各マイクロミラーは、オフ状態のときに入射光を光吸収板（図示せず）に向けて反射し、オン状態のときに入射光を投写レンズ７に向けて反射する。

投写レンズ７は、表示デバイス６において形成された映像光をスクリーン上に拡大投写する。

カラーホイール３の働きにより、表示デバイス６には赤・緑・青色の光が順番に照明される。また、カラーホイール３から透過される各色の光に同期して、表示デバイス６にはその色に対応する映像信号が入力される。これにより、スクリーン上には赤・緑・青各色の映像光が順番に映し出される。ここで、色の交代周期が十分に早ければ、これらの色は観測者の頭の中で合成され、全体としてフルカラーの映像として視認される。

図２は、ライトパイプ４の詳細構成の１例を示す透視斜視図である。

図２に例示する構成では、ライトパイプ４は、短冊状にカットまたは成形された４枚の平板ミラー４a、４ｂ、４ｃ、４ｄから構成される。内面が反射面となるように、当該４枚の平板ミラー４ａ〜４ｄを組み立てることにより、ダクト状（四角筒形状）のライトパイプ４が形成される。

図３は、図２で例示したライトパイプ４の内面で、複数回反射される光線の様子を示す断面図である。

ライトパイプ４の入射面４ｉから取り込まれた光は、ライトパイプ４の内面で反射を繰り返しながら進み、出射面４ｏから出射する。光線は、ライトパイプ４内で何度も反射を繰り返すことにより、さまざまな角度の光線が混合する。これにより、ライトパイプ４の出射面４ｏでは断面の照度が均一な光束となる。

図２に示すように、ライトパイプ４を４枚の平板ミラー４a〜４ｄで構成する場合には、製造コストの観点から、各平板ミラー４ａ〜４ｄは、図４に図示する方法により作成する。つまり、図４（Ａ）に図示するように、大型の平面ミラーＭを用意する。そして、図４（Ａ）に図示するように、当該平面ミラーＭを短冊状にカットする。当該カットにより、複数の平板ミラー４ａ〜４ｄが作成される。

ところで、上記カットによる平板ミラー４ａ〜４ｄの作成方法を採用した場合には、破断面となる平板ミラー４ａ〜４ｄの端辺部には、傷、欠け、異物、汚れ等の反射率を損なう光学欠陥が生じ易い。

また、上記と異なり、平板ミラー４ａ〜４ｄを一枚ずつ成型した場合においても、当該成型時に生じるバリ等の処理で、平板ミラー４ａ〜４での端辺部には同様の光学欠陥が生じ得る。

図５は、ライトパイプ４に生じた光学欠陥が引き起こす問題を説明する図である。

図５の構成では、ライトパイプ４を構成する平板ミラー４ｂ，４ｄの端辺部が、当該ライトパイプ４の内部において角部の構成要素となっている。ここで、本願発明では、「角部」とは、ライトパイプ４の内側における、一の平面（一の内壁面）と他の平面（他の内壁面）とが交差する部分を指す。

図４で説明したように、平板ミラー４ｂ，４ｄの端辺部には光学欠陥が形成される。図５では、当該光学欠陥を符号８で図示している。このように、ライトパイプ４の内の角部に位置する光学欠陥８で反射した光は、プリズム効果により、本来の白色光が虹色に分光される事態が生じることもあり、また著しく反射率を損ねることもあり、さらには光が反射されないという事態も発生することもある。図５，６を用いて詳しく説明する。

図５において、Ａで囲まれたライトパイプ４の出射面は、集光光学系５の作用で表示デバイス６上に効率良く照明光を照射する為、一般的には表示デバイス６上の照明領域と共役関係にある。また、表示デバイス６と映像が投写されるスクリーン面は共役関係にある。つまり、図５の符号Ａで囲まれたライトパイプ４の出射面は、スクリーンに投写された映像を示す図６において、映像コーナー部Ａ’に相当する。

また、光学欠陥８が存在する符号Ｂで反射した光は、符号Ａで囲まれたライトパイプ４の出射面において符号Ｂ’’付近を通過する。したがって、図５のライトパイプ４の内部の符号Ａから符号Ｂまでの各角部（一点鎖線）は、図６に示す映像の符号Ａ’から符号Ｂ’までの一点鎖線に相当する。

図５のライトパイプ４の出射部付近の符号Ａ−符号Ｂ間の角部（一点鎖線）に存在する光学欠陥８で反射した光は、プリズム効果により、分光の発生、反射率の損失、さらには光が反射されないという事態も発生する為、図６の映像の符号Ａ’−符号Ｂ’間（一点鎖線）において、虹色及び黒の筋が表示され、映像品位を著しく損ねる。なお、図５の符号Ａ−符号Ｂ間に複数の光学欠陥８が連なる場合には、映像部位の欠損はより深刻なものとなる。

ここで、レーザカッターやウォータカッター等の切断装置を用いて平板ミラー４ａ〜４ｄの切断を行えば、平板ミラー４ａ〜４ｄの端辺部において上記光学欠陥が発生することを抑制することができる。しかしながら、これらの切断装置は、高価で大型であり、製造コスト増大の要因となる。

そこで、本発明に係るライトパイプ４では、以下に説明する構成を有するように作成する。

図７は、本発明のライトパイプ４の特徴部を説明するための透視斜視図である。また、図８は、本発明のライトパイプ４の特徴部を説明するための側面断面図である。図７，８に示すライトパイプ４も、４枚の平板状ミラー４ａ〜４ｄで構成された、角筒形状（具体的はダクト状の四角筒形状）である。また、当然、ライトパイプ４の内面は反射面で構成されている。

ランプリフレクター２で反射・集光されたランプ光源１は、図８においてライトパイプ４の入射面４ｉに入射する。当該入射した光を光軸（一点鎖線）を含む平面でみた場合において、光軸と成す入射角度θごとに光の強度をプロットする。すると、一般的に図９に示すような特性を持つ。ここで、図９の縦軸は光の強度を示し、図９の横軸は入射角度θを示す。図８において光軸より図面上側に振れる角度は、図９において横軸のプラス側に図示される。他方、図８において光軸より図面下側に振れる角度は、図９において横軸のマイナス側に図示される。

入射光の強度が最大の入射角度をθｍ（−θｍ）とすると、図７において、平板ミラー４ａと平板ミラー４ｃとが平行であり、平板ミラー４ｂと平板ミラー４ｄとが平行である場合には、ライトパイプ４から出射する最大強度の光も光軸と成す角がθｍ（−θｍ）となる。

本発明では、ライトパイプ４の内面の角部において、当該ライトパイプ４の光出射側の第一の端面（出射面４ｏ）から、当該ライトパイプ４の光入射側の第二の端面（入射面４ｉ）に向けて、所定の距離Ｌだけ離れた位置までの範囲では、光学欠陥を有さない。つまり、平面ミラーＭの切断により生成される平板ミラー４ａ〜４ｃとして、端辺部の一部に光学欠陥を有さないものを選択・採用する。そして、ライトパイプ４の内面の角部において当該範囲に光学欠陥を有さないように、各平板ミラー４ａ〜４ｃを組み立てる。

ここで、所定の距離Ｌは、ライトパイプ４の第一の端面（出射面４ｏ）の開口部の対角寸法Ｄ（図７参照）を、ｔａｎθｍで除算した値である（Ｌ＝Ｄ／ｔａｎθｍ）。上記したように、θｍは、ランプリフレクター４で反射され、ライトパイプ４の第二の端面（入射面４ｉ）に入射する光のうち、最大強度を有する光の当該第二の端面における光軸を基準とした入射角度である。

図７，８において、ライトパイプ４の内面の角部において出射面４oと交差する点を「Ａ」と記し、当該Ａからライトパイプ４の入射面４ｉ方向に距離Ｌだけ離れた位置を「Ｃ」記す。

ライトパイプ４の内面の角部において、Ｃから入射面４ｉの範囲において光学欠陥があっても問題ない。これは、次の理由からである。Ｃから入射面４ｉの範囲で反射した光は、出射面４oから距離Ｌの範囲でもう一度反射し、前述のライトパイプ４の機能によりさまざまな角度の光線と混合される。ライトパイプ４の内面において、反射面積の大半は光学欠陥の生じる端面部以外からなる平面部であり、当該平面部での反射光と混合し、光学欠陥による影響が薄められる為である。

以上のように、本実施の形態に係る投写型画像表示装置１００では、ライトパイプ４の内面の角部において、第一の端面（出射面４ｏ）から距離Ｌの範囲において、光学欠陥を有さない。

したがって、投写される映像において、虹色及び黒の筋等の映像品位を著しく損ねることが無い投写型画像表示装置を提供することができる。

ここで、平板ミラー４ａ〜４ｄの端辺部に全く光学欠陥を有さないような、当該平板ミラー４ａ〜４ｄの切断（形成）を行うことは、製造コスト増大の観点から好ましくない。一方、安価な切断装置を用いた切断処理により平板ミラー４ａ〜４ｄを作成したとしても、平板ミラー４ａ〜４ｄの端辺部全体に渡り光学欠陥が発生することは稀であり、一部の端辺部で発生するに留まる。

そこで、安価な切断装置を用いて平面ミラーＭを切断し、複数の平板ミラーを作成する。そして、当該複数の平板ミラーの中から、所望の平板ミラー４ａ〜４ｄを選択する。つまり、複数の平板ミラーから、所定の距離Ｌの範囲で光学欠陥を有さない平板ミラー４ａ〜４ｄを選択する。そして、角部の特定範囲のみ光学欠陥を有さないように、当該選択した平板ミラー４ａ〜４ｄ組み合わせ、ライトパイプ４を作成する。

したがって、このようなライトパイプ４の構成を採用することにより、映像品位を著しく損ねることが無い投写型画像表示装置を製造するに当たり、製造コストが増大することも防止できる。

なお、本願発明（ライトパイプの角部の所定の範囲に光学欠陥を有さないという上記特徴事項）は、上記ダクト状のライトパイプ４のみに適用されるものでない。当該特徴事項は、内面は光の反射面で構成されており、断面形状が中空であり、反射面の対面する部分同士は平行となっていれば、断面が他の角形形状（一例であるが、菱形または４以上の多角形など）であるライトパイプ４全般に適用できる。

また、ライトパイプ４の一体成型の場合でも、ライトパイプ４内部の角部の一部には、光学欠陥が生じ易い。そこで、当該一体成型を採用する場合でも、映像品位を著しく損ねることが無い投写型画像表示装置の提供という観点から、上記特徴事項を適用することができる。

本願発明に係る投写型画像表示装置の全体構成を示す図である。 ライトパイプの概略構成を示す透視斜視図である。 ライトパイプ内を伝達する光の様子を示す断面図である。 平板ミラーの作成方法を説明するための図である。 ライトパイプ内部に光学欠陥が存在する場合の問題点を説明するための図である。 ライトパイプ内部に光学欠陥が存在する場合の問題点を説明するための図である。 本願発明に係るライトパイプの構成を説明するための透視斜視図である。 本願発明に係るライトパイプの構成を説明するための断面図である。 ライトパイプに入射する光の入射角度と当該光の強度との関係を示す図である。

符号の説明

１ ランプ光源、２ ランプリフレクター、３ カラーホイール、３ａ モーター、４ ライトパイプ、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 平板ミラー、４ｉ 入射面、４ｏ 出射面、５ 集光光学系、６ 表示デバイス、７ 投写レンズ、８ 光学欠陥、１００ 投写型画像表示装置、Ｍ 平面ミラー。

Claims (3)

1. 光源と、
   前記光源からの光を反射し、集光するリフレクターと、
   内面が光の反射面の角筒形状であり、前記リフレクターで集光された光を入射し、前記反射面で複数回反射させて出射するライトパイプとを、備えており、
   前記ライトパイプの内面の角部において、
   当該ライトパイプの光出射側の第一の端面から、当該ライトパイプの光入射側の第二の端面に向けて所定の距離Ｌだけ離れた位置までの範囲では、光学欠陥を有さない、
   ここで、Ｌ＝Ｄ／ｔａｎθｍ、
   Ｄ：前記ライトパイプの前記第一の端面の開口部の対角寸法、
   θｍ：前記リフレクターで反射され、前記ライトパイプの第二の端面に入射する光のうち、最大強度を有する光の前記第二の端面における前記光源の光軸を基準とした入射角度であり、
   前記ライトパイプは、
   （Ａ）平面ミラーを短冊状に切断することにより、複数の平板ミラーを作成し、
   （Ｂ）前記複数の平板ミラーから、前記所定の距離Ｌの範囲で前記光学欠陥を有さない前記平板ミラーを選択し、
   （Ｃ）前記所定の距離Ｌの範囲で前記光学欠陥を有さないように、前記（Ｂ）で選択した前記平板ミラーを組み合わせる、
   ことにより作成する、
   ことを特徴とする投写型画像表示装置。
2. 前記ライトパイプは、
   ４枚の平板ミラーを組み合わせて構成された四角筒形状である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の投写型画像表示装置。
3. 前記光学欠陥は、
   傷、欠け、異物および汚れの少なくとも１つである、
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の投写型画像表示装置。

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