WO2004083910A1

WO2004083910A1 - リフレクタ及びそれを用いた投射型表示装置

Info

Publication number: WO2004083910A1
Application number: PCT/JP2004/003710
Authority: WO
Inventors: Masahiko Yatsu; Motoyuki Miyata; Kazuo Shikita; Masaharu Deguchi; Akinori Maeda
Original assignee: Hitachi, Ltd.
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2004-09-30
Also published as: JP2004279996A

Abstract

本発明は、白色光を照射する光源と、光源から出射した光束を反射するリフレクタと、照明光束を変調するライトバルブと、該ライトバルブ上の映像を投射する投射レンズからなるプロジェクタ装置において、リフトクタがSc、Y、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luの群のうちの少なくとも1種の希土類元素を含有するガラスからなる。

Description

明細書リフレクタ及びそれを用いた投射型表示装置技術分野

本発明は、背面投射型の投射型テレビや、前面投射型のプロジェクタといった分野に広く利用できる投射型表示装置に関し、特に投射型表示装置の小型化好適なリフレクタに関する。背景技術

業務用途のプロジェクタが大きく普及してきている。また、従来のブラウン管に表示された画像をスクリーンに投影する方式の画像表示装置に代わるものとして、液晶表示素子等を用いた投射型テレビの開発が行われてきた。

投射型テレビはスクリーンも含むテレビであるので、比較的に大きいサイズのリフレクタが用いられている。この理由は、（1 )投射型テレビにおいては比較的に大きな配置スペースを確保できること、（ 2 )ランプの長寿命化を図るためにァ —ク長 (発光部の大きさ）の大きな光源と焦点距離の大きなリフレクタを用いる、ことが多いからである。一方、プロジェクタはその可搬性の観点から、小型 -軽量が特に重要であり、例えば特許文献 1 (特開 2 0 0 2— 2 4 4 1 9 9号公報）においては、光源光軸近傍を通過する光路を有する光線を光源光軸に対して略平行光に補正するための凹状の補正面を楕円リフレク夕と第 2焦点との間に配置する方法が開示されている。発明の開示

以下、第 2図と第 3図を用いて、リフレクタの動作について説明する。第 2図に投射型テレビに多く用いられているリフレクタの例を、第 3図にプロジェクタ装置に多く用いられている小型リフレクタの例を示す。

第 2図で、 1は光源、 2は断面形状が放物面であるリフレクタ、 3は光軸である。第 2図（A) が斜視図であり、第 2図（B ) が断面図（光線表示）である。第 2図のリフレクタ 2では、光軸 3に対して回転対称に反射面が存在している。光源 1はリフレク夕 2の焦点位置に配置する。光源 1から出射した光線は、放物面形状であるリフレクタ 2で反射し、光軸 3に平行な光線となる。尚、実際の光源 1は点光源ではなく、ある大きさを持っているので、大部分の光線は該平行光線を中心に広がりを持った光束となる。また、リフレクタ 2には光源 1としての管球を通す穴が開いている。第 3図も同様である。

一方、斜視図でわかるように、第 3図のリフレク夕 2では、光軸 3に対して、反射面が回転対称には存在していない。この理由は、リフレクタ 2の上下 '左右のカツトによるプロジェクタ装置の小型化である。この物理的な小型化に加えて、プロジェクタ装置に用いるリフレクタ 2においては、リフレクタ 2の焦点距離自体も小さくし、小型化を図っている。ここで、リフレクタ 2の焦点距離を小さくするとリフレクタ 2と光源 1の発光部との距離が近くなるので、リフレクタ 2の温度上昇が大きくなる。

尚、第 2図と第 3図は、同一尺度であり、第 2図と第 3図でのリフレクタの大きさの違いを表している。

プロジェクタ装置を、更に小型化するためにリフレクタ 2を小型化すると、リフレク夕 2の温度上昇が大きくなる。従って、リフレクタ 2の小型化で、リフレクタ 2の温度上昇が起こるので、熱衝撃に強いガラス材が必要となる。

ところで、リフレクタ 2自体はファンを用いて空冷しており、ファンの冷却能力を大きくすることで、リフレクタ 2の温度上昇を抑えること自体は技術的には可能である。しかし、そもそもリフレクタ 2を冷却する目的は、光源 1の温度上昇を抑えることである。例えば、ある光源 1から距離 aの距離にあるリフレク夕 2の温度が A度だとすると、光源 1から距離 b ( a > b > 0 ) にリフレクタ 2を配置した場合は、その温度は B度（B > A > 0 ) となる。即ち、光源 1の温度を一定とするためのリフレクタ 2の冷却すべき温度は、焦点距離を小さくした場合には高くてもよいことになる。

仮に、ファン自体を大型化すれば同じリフレクタ 2の温度は確保できるかもしれないが、プロジヱク夕装置の小型化に反するばかりか、ファンによる騒音の発生も問題となる。しかし、プロジェクタの小型 ·軽量化及び低コスト化のためには、ライトバルブやリフレクタの小型化が今後とも必要である。このリフレクタの小型化により、リフレクタと光源の距離が近くなるので、リフレクタの温度がさらに上昇する。

通常の耐熱ガラスの熱衝撃温度差は 1 2 0〜1 5 0度程度である。この熱衝撃温度の向上のために、現行の小型リフレクタでは結晶化ガラスが用いられている。しかし、この結晶化処理という工程はリフレク夕形状の形成後に行うことが必要であり、コストの上昇につながる。また、結晶化処理を行うことにより、ガラス材の表面粗さが劣化することにより、ガラス上に良好な反射膜を形成することが困難になる。またリフレクタの更なる小型化に伴い、結晶化処理により形成される結晶の形状や分布が不均一になり、リフレクタの強度の低下やバラヅキという課題が生じる。

本発明ではこのような課題を解決し、低コスト、高性能なリフレクタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、白色光を照射する光源と、光源から出射した光束を反射するリフレクタと、照明光束を変調するライトバルブと、該ライトバルブ上の映像光を投射する投射レンズからなる投射型表示装置であって、前記リフレクタが S c、 Y、 P r、 N d、 P m、 S m、 E u、 G d、 T b、 D y、 H o、 E r、 T m、 Y b、 L iiの群のうちの少なくとも 1種の希土類元素を含有するガラスから構成する。

以上述べたように、本発明によれば、耐熱性に優れたリフレク夕を用いた投射型表示装置を得ることができる。これによつて、リフレクタの小型化、即ち、投射型表示装置の小型化を達成している。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明の第 1の実施の形態におけるリフレクタを含む投射型表示装置の要部の構成図である。

第 2図は、リフレク夕の説明図で、（A) は斜視図であり、（B ) は断面図（光線表示）である。

第 3図は、コンパクトなリフレクタの説明図で、（A) は斜視図であり、（B ) は断面図（光線表示）である。

第 4図は、本発明の第 2の実施の形態における投射型表示装置の要部の構成図である。

第 5図は、本発明の第 2の実施の形態におけるライトパイプの作用図で、（A) は楕円リフレクタの集光作用を示す図であり、（B )はインテグレー夕作用を示す図である。

第 6図は、本発明の第 2の実施の形態におけるカラ一ホイ一ルの作用図で、（A) は正面図であり、（B ) は断面図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施例を用いて詳細に説明する。 - 先ず、希土類をガラスに含有させることによる強度の向上、即ち、耐熱性能の改善の理由について説明する。

希土類元素の含有の形態としては、ガラスに微細粒子が分散しており、かつ該微細粒子中に前記希土類元素が含まれていることが好ましい。

網目構造を有するガラス組織中に溶け込むことのできる希土類元素の量には上限（固溶限）があり、上限を超える量の希土類元素が添加されると結晶相、または非晶質相としてガラス母相中に析出する。このような結晶相、または非晶質相からなる粒子を微細粒子と称している。希土類元素の分布が不均一の場合は、部分的に固溶限を超えて微細粒子が析出する場合もあるため、必ずしも希土類元素の含有量が、母相ガラスの固溶限を超えている必要はない。希土類元素は、ガラス母相中と、微細粒子のどちらにも存在することが好ましい。

そして、この微細粒子がガラス母相中に分散していることにより、応力を受けた際にも粒子がガラス母相の変形、破壊を抑制する作用をするため、ガラスの強度がより向上する。

希土類元素を含有させたガラスの特徴は上記の微細粒子分散が挙げられるが、これに限られるものではない。この微細粒子分散の有無は添加する希土類元素の種類や添加量、ガラス製造プロセスでの製造条件などに由来するものであって、微細粒子の分散が観察されない場合もありうる。このような場合であっても、希土類元素を添加することにより、添加希土類元素を中心として、ガラス母相の基本骨格が引きつけられた一種の圧縮応力場を形成し、このような応力場が均一に分散することによりガラス材の強度の向上が図られる。

また、希土類元素は L n ₂ 0₃ ( L nは希土類元素）の酸化物換算で、ガラス全体に対して 0 . 5〜3 0重量％含有することが好ましい。更に好ましくは、希土類元素を 0 . 5〜2 0重量％とする。希土類元素の含有量が 0 . 5重量％未満では機械的強度の向上効果が小さい。逆に、 3 0重量％を超えるとガラス溶解時に希土類元素酸化物の原料粉末が残存し、均一なガラスを得ることが難しい。また

、希土類元素の含有量が上限値を超えると微細粒子の粒径が大きくなり、基板の表面粗さが大きくなる。

更には、希土類元素が G d、 T b、 D y、 H o、 E r、 T m、 Y b、及び L u の中から選ばれた少なくとも 1種以上であることが好ましい。希土類元素はィォン半径が大きいため微細粒子としてガラス母相中に析出しやすい。しかし、希土類元素の中でも上記元素は、ガラス母相中で最も微細粒子を均一に析出させ易く、強度向上効果が高いという特徴がある。

希土類元素は Ln₂0₃ (Lnは希土類元素）の酸化物換算で、ガラス全体に対して 0. 5〜30重量％含有し、他の成分として少なくとも S i 0₂： 40〜9 0重量％、B ₂0₃: 0〜20重量％、1^₂0(1はァルカリ金属）： 0〜20重量％、 RO (I まアルカリ土類金属）： 0〜20重量％、 A 1₂0₃： 0〜10重量％を含み、かつ R₂0と ROの合計量が 10〜30重量％であることが好ましい。ガラスの中では、ソ一ダライムガラスと呼ばれるガラスが母相成分であるとき最もガラス強度の向上が大きい。また、アルカリ元素とアルカリ土類元素が含有されているケィ酸塩ガラスにおいて、特に希土類元素の添加効果が高い。

本発明で用いるガラス材料は、上記した耐熱性に優れたガラス材料である。この耐熱性に優れたガラス材料を用いたリフレクタと、ライトパイプと、カラ一ホイールについて以下説明する。

本発明の第 1の実施の形態として、第 1図を用いて、本発明の耐熱性に優れたガラス材料を用いたリフレクタ及び、該リフレク夕を用いた投射型表示装置について説明する。

第 1図で、 1は光源、 2はリフレクタ、 3は光軸、 4はマルチレンズアレイ、 5は偏光変換素子、 6は合焦レンズ、 7はダイクロイツクミラ一、 8はミラ一、 9はフィールドレンズ、 10はリレーレンズ、 11はライトバルブ、 12はクロスプリズム、 13は投射レンズ、 15は IRカヅトフィル夕、 16は UVカヅトフィル夕である。

第 1図で、リフレクタ 2は、 Sc、 Y、 Pr、 Nd、 Pm、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 L uの群から選ばれた少なくとも 1種の希土類元素を含有するガラス材で構成された放物面リフレクタである。該リフレクタ 2の焦点位置から出射した光線は、該リフレク夕 2の反射面で反射し、光軸 3に平行光線となる。しかし、光源 1は点光源でないので、該リフレク夕 2の焦点位置に配置した光源 1から出射した光束は、放物面形状であるリフレクタ 2 の反射面により光軸 3に平行な光線を中心として広がりを持った光束としてリフレク夕 2を出射する。リフレクタ 2からの出射光束は、インテグレー夕 4により明るさの一様性が改善される。

リフレクタ 2から出射した光束の、光軸に垂直な断面での光量分布は、リフレクタ 2に開けた管球を通す穴のために中心部が暗くなる。加えて、光源 1の配光分布（エネルギーの角度分布）と、リフレクタ 2で取込む立体角のために、外側が暗い分布となる。本実施例では、インテグレ一夕の方式として、凸レンズを二次元状に配置したマルチレンズアレイ 4を 2枚用いる方式を採用した。この方式では、一様でない光量分布を第 1のマルチレンズアレイ 4の各凸レンズで複数の領域に分割し、第 2のマルチレンズアレイ 4の対応した各凸レンズ上に集光させて、後続の合焦レンズ 6によって、ライトバルブ 1 1面上に重畳させることで、光量分布の一様性を改善している。尚、第 2のマルチレンズアレイ 4の後ろで、光束が集光している個所には、自然光を一種類の直線偏光に変換するための偏光変換素子 5を設けている。この目的は、後続のライトバルブ 1 1として一般的な液晶には、ある特定の直線偏光のみを透過させる透過軸が存在するからである。尚、ライトバルブ 1 1の各画素をミラーで構成した場合は、偏光変換素子 5は不要となる。

合焦レンズ 6とライトバルブ 1 1の間の光路には順次、白色光を赤 ·綠 ·青の 3色に分割するためのダイクロイツクミラ一 7と、光路を折り曲げるミラ一 8と、光束をテレセントリック化するフィールドレンズ 9を配置している。透過型のラィトバルブ 1 1で変調された光束は、クロスプリズム 1 2で白色光として合成され、投射レンズ 1 3によってスクリーン等に投射される。尚、クロスプリズム 1 2を用いた方式では、 1色の光路長が他の 2色の光路長と異なるので、その長い光路上には光量分布をライトバルブ 1 1面に写像するためのリレーレンズ 1 0を配置している。第 1図において、色分離は最初のダイクロイツクミラー 7で R光束を透過し G光束と B光束を反射している、第二のダイクロイックミラ一 7で G 光束を反射し B光束を透過し、 3色に分離している。尚、 R光路には IRカットフィル夕 15を配置し赤外線によるライトバルブ 11の温度が上昇するのを防いでいる。また、 B光路には UVカヅトフィル夕 15を配置し、紫外線により有機材料を変質するのを防止している。また、第 1図のライトバルブ 11は液晶タイプであり、この液晶には偏光光線に対する透過軸が存在するので、コントラスト性能を改善するために、ライトバルブ 11の入射側と出射側に偏光子としての位相差板を配置している。

ところで、リフレクタ 2の小型化を、リフレクタ 2に耐熱性の優れたガラス材料を用いることで実現可能としたが、リフレクタ 2の小型化で熱が篝りやすくなるため、光源 1を内包する管球の温度も上昇する。管球に直接、冷却のための風を導いて、管球の冷却を行った。

次に、本発明の第 2の実施の形態として、第 4図を用いて、本発明の耐熱性に優れたガラス材料を用いたライトパイプとカラ一ホイ一ル、及び該ライトパイプと該カラーホイールを用いた投射型表示装置について説明する。

第 4図で、 1は光源、 2はリフレクタ、 3は光軸、 4bはライトパイプ、 14 はカラ一ホイール、 10bはリレーレンズ、 l ibはライトバルブ、 13は投射レンズである。

第 4図で、インテグレ一夕 4 bは、 Sc、 Y、 Pr、 Nd、 Pm、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 L uの群から選ばれた少なくとも 1種の希土類元素を含有するガラス材で構成されたィンテグレー夕 4 bであり、カラ一ボイ一ル 14は、 Sc、 Y、 Pr、 Nd、 Pm、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 L uの群から選ばれた少なくとも 1種の希土類元素を含有するガラス材で構成されたカラ一ホイール 14である。第 2の実施の形態においては、該リフレク夕 2は断面が楕円の楕円リフレクタとした。楕円の第 1焦点に配置した光源 1から出射した光束は、同じ楕円の第 2焦点位置に集光する。この集光位置近傍にインテグレー夕としてのライトパイプ 4bの入射面を配置した。前記したように、ライトパイプ 4 bの内面で反射を繰返すことで、光量分布の一様性が改善され、ライトパイプ 4 bの出射面において、一様な光量分布が得られる。このライトパイプ 4 bの出射面での光量分布は、リレーレンズ 1 O bにより、ライトバルブ 1 l b面上に写像される。そして、ライトバルブ 1 1 bで光変調された画像情報は、投射レンズ 1 3によりスクリーン等へ投射される。ここで、本発明の第 2の実施の形態でのライトバルブ 1 l bは、個々の画素に対応した微小ミラーの向きが O Nと O F Fで回転するマイクロミラ一デバイス方式である反射型のライトバルブ 1 l bとした。このライトバルブ 1 l bに対して所定の角度を照明光束を入射させると、 O Nの光束がライトバルブ 1 l bの有効面に対して、ほぼ垂直に反射し、投射レンズ 1 3に入射する。

尚、楕円リフレクタの代わりに、放物面リフレクタで反射した光束を凸レンズで集光しても同様の作用は得られる。また、ライトパイプ 4 bとしては、本発明の第 2の実施の形態で説明した中空のものでなくとも、中実のいわゆるロッドレンズの方式でも良い。カラーホイ一ル 1 4についても、本発明の第 2の実施の形態で説明した R · G · B用のダイクロイツクミラーを 2組リング状に配置した形式でなくとも、 W (白色）用のダイクロイヅクミラ一も配置しても良く、また、カラ一ホイ—ル 1 4の反射光を利用する方式等々でも良い。

以上の実施の形態は、光源 1に近い個所に配置した光学部品と、光束が集光している個所の光学部品での実施の形態であり、夫々、特に、温度が高くなるので、本発明の効果が特に大きい個所である。

以上の個所でなくとも、投射型表示装置の小型化を進めていくことで、他の光学部品への本発明の適用が必須となる。

例えば、上記の実施の形態の中で説明した光学部品であるマルチレンズアレイ、或いは、偏光変換素子の基板となるガラス材、或いは、ダイクロイヅクミラ一、或いは、レンズ玉、或いは、 U Vカヅトフィル夕、或いは、 I Rカットフィル夕、或いは、位相差板の基板となるガラス材、或いは、クロスプリズム、等々の光学部品の基板となるガラス材を、 Sc、 Y、 P T Nd、 Pm、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 Dy、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 L uの群から選ばれた少なくとも 1種の希土類元素を含有するガラスで形成することであり、また、該光学部品を投射型表示装置に用いることである。産業上の利用可能性

本発明によれば、耐熱性に優れたリフレクタを用いた投射型表示装置を得ることができる。

Claims

請求の範囲

1. 光源から出射した光束を反射するリフレク夕であって、

該リフレク夕が Sc、 Y、 Pr、 Nd、 Pm、 Sm、 E u、 Gd、 Tb、 D y、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 L uの群のうちの少なくとも 1種の希土類元素を含有するガラスからなることを特徴とするリフレクタ。

2.前記リフレクタに含まれる希土類元素が Ln₂0₃ (Lnは希土類元素）の酸化物換算で、ガラス全体に対して 0. 5〜30重量％含有することを特徴とする請求項 1記載のリフレクタ。

3.前記リフレク夕に含まれる希土類元素以外の成分として、 S i0₂を 40〜9 0重量％、 B ₂0₃を 0〜2◦重量％、 R₂0 (Rはアルカリ金属）を 0〜30重量％、 A 1₂0₃を 0〜30重量％、 R， 0 (R，はアルカリ土類金属）を 0〜3 0重量％含有することを特徴とする請求項 1記載のリフレクタ。

4.前記リフレクタに含まれる希土類元素以外の成分として、 S i0₂を 40〜9 0重量％、 B ₂0₃を 0〜2◦重量％、 R₂0 (Rはアルカリ金属）を 0〜30重量％、 A 1₂0₃を 0〜30重量％、 R， 0 (R⁵ はアルカリ土類金属）を 0〜3 0重量％含有することを特徴とする請求項 2記載のリフレクタ。

5. 白色光を照射する光源と、光源から出射した光束を反射するリフレクタと、照明光束を変調するライトバルブと、該ライトバルブ上の映像光を投射する投射レンズからなる投射型表示装置であって、

前記リフレクタが Sc、 Y、 Pr、 Nd、 Pm、 Sm、 Eu、 Gd、 Tb、 D y、 Ho、 Er、 Tm、 Yb、 L uの群のうちの少なくとも 1種の希土類元素を含有するガラスからなることを特徴とする投射型表示装置。

6.前記リフレクタに含まれる希土類元素が Ln₂0₃ (Lnは希土類元素）の酸化物換算で、ガラス全体に対して 0. 5〜30重量％含有することを特徴とする請求項 5記載の投射型表示装置。

7.前記リフレクタに含まれる希土類元素以外の成分として、 S i0₂を 40〜9 0重量％、 B ₂0₃を 0〜20重量％、 R₂0 (Rはアルカリ金属）を 0~30重量％、 A 1₂0₃を 0〜30重量％、 R， 0 (R，はアルカリ土類金属）を 0〜3 0重量％含有することを特徴とする請求項 5記載の投射型表示装置。

8.前記リフレクタに含まれる希土類元素以外の成分として、 S i0₂を 40〜9 0重量％、 B ₂0₃を 0〜20重量％、 R₂0 (Rはアルカリ金属）を 0〜30重量％、 A 1₂0₃を 0〜30重量％、 R' 0 (R，はアルカリ土類金属）を 0〜3 0重量％含有することを特徴とする請求項 6記載の投射型表示装置。