WO2012114423A1 - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

　本発明の投射型表示装置には、光を発する複数のランプ（６）と、複数のランプ（６）のうちの少なくとも１つに対応して設けられ、対応するランプ（６）からの光を反射させて、光の進行方向を変える反射素子（８）と、が設けられている。また、反射素子（８）からの光またはランプ（６）からの光を平行光に変換して出射するコリメートレンズ（３）と、中空の柱状をしており、入射口より入射された光を内面で反射させて出射口より出射するライトパイプ（７）と、が設けられている。さらに、コリメートレンズ（３）からの平行光を、ライトパイプ（７）の入射口に向けて集光させる集光レンズ（４）が設けられている。

Description

投射型表示装置

　本発明は、投射型表示装置、特に多灯式の投射型表示装置に関する。

　大型の画像や映像を表示するための装置の１つとして、投射型表示装置があり、この投射型表示装置には、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）などの反射型表示素子を用いた反射式の投射型表示装置がある。

　図１に、反射式の投射型表示装置の一例の概略構成図を示す。反射式の投射型表示装置には、ランプ１０３と、ライトパイプ１０４と、カラーホイール１０５と、ミラー１０６と、レンズ１０７と、反射型表示素子１０８と、投射レンズ１０９と、がランプ１０３から放射される光の進行方向で順番に設けられている。また、ランプ１０３の光軸とライトパイプ１０４の光軸とが一致するようにランプ１０３とライトパイプ１０４とが配置されている。

　ランプ１０３は、光を発する輝点１０１’を有する発光管１０１と、輝点１０１’にて発生した光を反射する凹状の回転楕円反射鏡１０２とを有している。ライトパイプ１０４は、中空の柱状で内面が鏡で覆われている。ランプ１０３から放射され、ライトパイプ１０４の入射口から入射された光は、ライトパイプ１０４の内面で反射を繰り返し、出射口より出射する。ライトパイプ１０４から出射した光は、カラーホイール１０５によって異なる色光に時分割される。時分割された光は、ミラー１０６によって進行方向が調節され、レンズ１０７によって、大きさが調節される。そして、反射型表示素子１０８によって、光が変調される。反射型表示素子１０８によって変調された光は、投射レンズ１０９によって拡大投射される。

　反射式の投射型表示装置は光の利用効率が高いため、従来に比べてその利用環境が拡大している。それに加えて、多目的ホールや大規模な会議室などで、照明などを使用した状態で画像を表示させることに対するニーズが増えている。そのため、このニーズに対応できるように、反射式の投射型表示装置の表示画像をさらに明るくすることが求められている。反射式の投射型表示装置の表示画像をさらに明るく方法の１つとして、投射型表示装置に発光管を複数設ける、つまりランプを複数設ける方法がある（例えば特許文献１）。

　ランプ１１３を２つ設けた投射型表示装置の要部の概略構成図を図２に示す。２つのランプ１１３は、光の放射面が対向するように配置されている。回転楕円反射鏡１１２の２つの焦点のうち、ランプ１１３の外部に位置する回転楕円反射鏡１１２の焦点付近に鏡などの反射素子１２０が設けられている。そして、ランプ１１３から放射されたた光が反射素子１２０で反射されることで形成される反射光の主光線Ｘ、Ｙと、ライトパイプ１１４の光軸Ｚと、が平行となるようにライトパイプ１１４は配置されている。このような構成とすることで、それぞれのランプ１１３から放射された光は、反射素子１２０で反射し、ライトパイプ１１４の入射口からライトパイプ１１４に入射する。ライトパイプ１１４に入射した２つの光が、ライトパイプ１１４内部で反射を繰り返すことで、２つの光は合成され、出射口から出射される。したがって、ランプ１１３を２つ設けた投射型表示装置は、ランプ１１３が１つの場合よりも明るい画像を表示することができる。

特開２０１０－２６２６０号公報 特開２００７－２４９１３８号公報

　図３Ａに、ランプを１つ有する投射型表示装置のライトパイプ付近を拡大した概略図を示す。また図３Ｂに、図２の投射型表示装置のライトパイプ付近を拡大した概略図を示す。

　ランプが１つの投射型表示装置では（図３Ａ参照）、不図示のランプから出射るし、反射素子１４０で反射した光は、ライトパイプ１３４内部の入射口付近において、１点（集光点１４１）に集光している。また、ライトパイプ１３４に入射する光の主光線Ｖとライトパイプ１３４の光軸Ｗとが一致している。そのため、ライトパイプ１３４の入射口の面積を大きくしなくても、ライトパイプ１３４内に反射素子１４０で反射した光が入射する。

　一方、ランプ１１３を２つ有する投射型表示装置の場合（図２、図３Ｂ参照）、それぞれのランプ１１３から放射され、反射素子１２０で反射して、ライトパイプ１１４に入射する光の主光線Ｘ、Ｙは、ライトパイプ１１４の光軸Ｚと平行であり、かつ間隔を有している。つまり、反射素子１２０で反射した光の集光点１２１とライトパイプ１１４の光軸Ｚとが間隔を有している。そのため、ランプが１つの投射型表示装置のライトパイプ１３４に比べて、ライトパイプ１１４の入射口の面積を大きくする必要がある。

　集光点１２１とライトパイプ１１４の光軸Ｚとが一致しない場合、ライトパイプ１１４内部で対向する側面における、それぞれのランプ１１３から放射した光の反射回数が異なる。これにより、それぞれのランプ１１３からライトパイプ１１４に入射した光が、ライトパイプ１１４内部で輝度分布が均一化されない状態でライトパイプ１１４から出射される。その結果、表示画像に輝度ムラが生じてしまう。

　また、ライトパイプ１１４の入射口の面積が大きくなると、ライトパイプ１１４内部に入射した光の光路長（対向する側面の一方で反射してから他方で反射するまでに光軸Ｚ方向に進む距離）が長くなる。そのため、ライトパイプ１１４の入射口の面積が大きい場合、ライトパイプ１１４の入射口の面積が小さい場合に比べて、ライトパイプ１１４に入射した光がライトパイプ１１４内部で反射する回数が少なくなる。ライトパイプ１１４内部での光の反射回数が少ないと、それぞれのランプ１１３からライトパイプ１１４内部に入射した光同士が十分に合成されない。そのため、光の輝度分布が均一化されない状態でライトパイプ１１４から光が出射する。これは、表示画像に輝度ムラが生じる原因となる。ライトパイプ１１４内部での光の反射回数を増加させるためには、ライトパイプ１１４を長くする必要がある。このことは、投射型表示装置の大型化につながる。

　本発明の目的は、多灯式の投射型表示装置において、表示画像に生じる輝度ムラを抑制することは困難である、といった問題を解決する投射型表示装置を提供することである。

　本発明の投射型表示装置には、光を発する複数のランプと、複数のランプのうちの少なくとも１つに対応して設けられ、対応するランプからの光を反射させて、光の進行方向を変える反射素子と、が設けられている。また、反射素子からの光またはランプからの光を平行光に変換して出射するコリメートレンズと、中空の柱状をしており、入射口より入射された光を内面で反射させて出射口より出射するライトパイプと、が設けられている。さらに、コリメートレンズからの平行光を、ライトパイプの入射口に向けて集光させる集光レンズが設けられている。

　本発明によると、ライトパイプの入射口の面積が小さくなるので、ライトパイプ内での光の反射回数が増加し、光の輝度分布が均一化され、表示画像に輝度ムラが生じにくくなる。

反射型表示素子を用いた投射型表示装置の一例の概略構成図である。 多灯式の投射型表示装置の一例の要部の概略構成図である。 単灯式の投射型表示装置のライトパイプ付近を拡大した概略図である。 図２の投射型表示装置のライトパイプ付近を拡大した概略図である。 本発明に係る投射型表示装置の第１の実施形態の要部の概略構成図である。 本発明に係る投射型表示装置の第２の実施形態の要部の概略構成図である。 本発明に係る投射型表示装置の第３の実施形態の要部の概略構成図である。 図６Ａのコリメートレンズの三面図である。

　以下に、添付の図面に基づき、本発明の実施の形態を説明する。なお、同一の機能を有する構成には添付図面中、同一の番号を付与し、その説明を省略することがある。

　［実施形態１］
　図４に、本発明に係る投射型表示装置の第１の実施形態の要部の概略構成図を示す。なお、図中には、発光管１の輝点１’を発光させたときに発せられる光の進路の一例が示されている。

　本発明の投射型表示装置には、輝点１’を有する発光管１と、凹状であり、楕円曲線を回転軸回りに回転させて形成される回転楕円反射鏡２と、光の出射面に設けられたカバーガラス５と、からなるランプ６が２つ設けられている。ランプ６は、互いの光が出射する出射面が対向するように配置されている。

　また、本発明の投射型表示装置には、ランプ６から放射される光の進行方向の順に、反射素子８、コリメートレンズ３、集光レンズ４、ライトパイプ７、不図示のカラーホイール、不図示の反射型表示素子、不図示の投射レンズと、が設けられている。また、必要に応じて光の方向を調節する不図示のミラーと、光の大きさを調節する不図示のレンズと、が配置される。

　反射素子８は、ランプ６からの光を後述するコリメートレンズ３の方向に反射させるために、反射面を有している。反射面は、鏡や透明な物質でできた三角柱の側面に反射コートを施した反射プリズムなどで構成される。コリメートレンズ３は、それぞれのランプ６から放射され、反射素子８で反射した光を平行光に変換する。コリメートレンズ３から出射した平行光は、集光レンズ４によって、１点、つまり集光点９に集光する。ライトパイプ７は、中空の柱状で、内面が鏡で覆われている。ライトパイプ７の入射口から入射した光は、ライトパイプ７の内面で反射を繰り返し、出射口から出射する。ライトパイプ７から出射した光は、不図示のカラーホイールによって異なる色光に時分割され、不図示の反射型表示素子によって変調される。反射型表示素子からの光は、不図示の投射レンズによって拡大投射される。

　ライトパイプ７から不図示の投射レンズまでの構成の一例としては、一般的な反射式の投射型表示装置と同様である（図１参照）。

　次に、本発明の投射型表示装置の特徴について説明する。

　２つのランプ６は、ランプ６から光が出射する出射面が互いに対向し、回転楕円反射鏡２の形状を形作る楕円曲線の回転軸が一致するように配置されることが好ましい。そして、回転楕円反射鏡２の第１焦点ではない、ランプ６の外部に位置する焦点（以降「第２焦点」とする）より第１焦点側に、それぞれのランプ６の回転楕円反射鏡２からの光をコリメートレンズ３に向けて反射する反射素子８が配置されている。反射素子８は、第２焦点に近いほうが好ましい。このような構成とすることで、反射素子８で反射した反射光の主光線の間隔を狭くすることができる。

　光の進行方向で反射素子８よりも前方に、コリメートレンズ３が位置している。このコリメートレンズ３は、それぞれのランプ６からの光を平行光に変換できるように、それぞれのランプ６に対応したコリメート部（入射光を平行光に変換する部分）が設けられている。

　本実施形態では、２つのランプ６から光が、それぞれ反射素子８で反射し、コリメートレンズ３に入射するため、コリメートレンズ３には２つのコリメート部が設けられている。

　また、反射素子８を第２焦点付近に配置し、さらにコリメートレンズ３を反射素子８の近くに配置することで、光（反射光）の径が小さくなった状態で、光をコリメートレンズ３へ入射させることができる。コリメートレンズ３に入射する光の径が小さく、また、上述したように、反射光の主光線同士の間隔が狭いことから、コリメートレンズ３を小さくすることができる。また、本実施形態では、１つのコリメートレンズ３に複数のコリメート部を設けている。この構成は、各ランプ６から放射される光に対応して、個別にコリメートレンズを配置する構成に比べて、安価である。さらに、装置内において、コリメートレンズ３を容易に保持することができる。コリメートレンズ３に入射した光は、コリメートレンズによりそれぞれ平行光になり、さらに、それぞれの主光線同士も平行になる。

　光の進行方向に沿って、コリメートレンズ３よりも前方に、集光レンズ４と、ライトパイプ７が順に配置されている。このとき、集光レンズ４による光の集光点９と、ライトパイプ７の光軸Ａとを一致するように、集光レンズ４とライトパイプ７を配置することが好ましい。さらに、集光レンズ４による光の集光点９が、ライトパイプ７の内部の入射口近傍に位置するように、集光レンズ４とライトパイプ７を配置することが好ましい。

　次に、発光管１の輝点１’が発光したときの光の進み方について説明する。

　それぞれのランプ６の発光管１の輝点１’が発光すると、輝点１’から発せられる光は、回転楕円反射鏡２で反射し、カバーガラス５を通過して、第２焦点、つまり反射素子８に向かって進行する。反射素子８で反射した光は、コリメートレンズ３に入射し、平行光となって出射し、集光レンズ４に入射する。そして、集光レンズ４から出射したそれぞれの光は、集光点９に向かって進行した状態でライトパイプ７の入射口から入射し、ライトパイプ７の内部で反射を繰り返しながら、出射口から出射する。

　本発明の投射型表示装置では、別々のランプ６から放射された光を、ほぼ１つの点になった状態（集光点９に集光した状態）でライトパイプ７の入射口からライトパイプ７に入射させるため、ライトパイプ７の入射口の面積を小さくすることができる。

　ライトパイプ７の入射口の面積が小さくなることで、ライトパイプ７内部に入射した光がライトパイプ７の内部で反射する回数が増加する。そのため、光の輝度分布が均一化した状態で、光をライトパイプ７の出射口から出射させることができる。したがって、表示画像の輝度ムラを減少させることが可能となる。さらに、ライトパイプ７の内部において、光の反射する回数が増加するため、ライトパイプ７を短くすることも可能となる。ライトパイプ７が短くなることで、投射型表示装置の小型化が可能となる。

　また、それぞれのランプ６から出射した光が１つの光に近い状態でライトパイプ７に入射するので、それぞれの光の、ライトパイプ７内で反射する回数の差が小さくなる。これにより、表示画像の輝度ムラをさらに減少させることができる。

　また、特許文献２には、ランプと反射素子との間に、それぞれのランプに対応して、個別にコリメートレンズを配置する構成が開示されている。この場合、コリメートレンズは、ランプと反射素子との間に位置するので、第２焦点から離れている。そのため、ランプから放射された光がコリメートレンズに入射するときには、まだ光の径が大きい状態なので、本発明に比べてコリメートレンズを大きくしなければならない。また、コリメートレンズから出射する光は平行光であるため、コリメートレンズを出射してから集光レンズに入射するまでは、光の径が小さくならない。そのため、本発明に比べて集光レンズも大きくしなければならない。本発明では、これらの問題を解決し、投射型表示装置の小型化を実現することができる。

　［実施形態２］
　図５に、本発明に係る投射型表示装置の第２の実施形態の要部の概略構成図を示す。なお、図中には、発光管１１の輝点１１’を発光させたときに発せられる光の進路の一例が示されている。また、上述の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

　第１の実施形態の投射型表示装置におけるコリメートレンズ３には、それぞれのランプ６から放射される光に対応した、入射光を平行光にするためのコリメート部が設けられている。一方、本実施形態の投射型表示装置では、それぞれのランプ１６から放射される光に対応して、個別にコリメートレンズ１３を設けるようにする。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

　発光管１１の輝点１１’が発光したときの光の進み方は、第１の実施形態と同様である。それぞれのランプ１６の発光管１１の輝点１１’が発光すると、輝点１１’から発せられる光は、回転楕円反射鏡１２で反射し、カバーガラス１５を通過して、第２焦点、つまり反射素子１８に向かって進行する。反射素子１８で反射した光は、それぞれのランプ１６に対応して設けられたコリメートレンズ１３に入射し、平行光となって出射し、集光レンズ１４に入射する。そして、集光レンズ１４から出射したそれぞれの光は、集光点１９に向かって進行した状態でライトパイプ１７の入射口から入射し、ライトパイプ１７の内部で反射を繰り返しながら、出射口から出射する。

　本実施形態では、それぞれのランプ１６から放射される光に対応して、個別にコリメートレンズ１３が設けられている。そのため、コリメートレンズ１３を保持する保持機構がそれぞれ必要となる。投射型表示装置においては、２つのランプの組み立て時に生じる位置ずれなどによって、主光線のずれが生じる場合がある。しかしながら、本実施形態では、コリメートレンズ１３が個別に設けられているため、それぞれのコリメートレンズ１３の位置を調節する位置調節機構を設けたり、保持機構に位置調節機能を持たせたりすることで、ずれた主光線の位置に、コリメートレンズ１３の位置を調節することができる。

　［実施形態３］
　図６Ａに、本発明に係る投射型表示装置の第３の実施形態の要部の概略構成図を示す。また、図６Ｂに、図６Ａのコリメートレンズ２３の三面図を示す。なお、図６Ａには、発光管２１の輝点２１’を発光させたときに発せられる光の進路の一例が示されている。また、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

　本実施形態におけるランプ２６は、第１の実施形態とは異なり、３つ設けられている。また、ランプ２６が３つ設けられているため、コリメートレンズ２３には、入射光を平行光にするためのコリメート部が３つ設けられている。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。

　ランプ２６の配置について説明する。２つのランプ２６（一部のランプ２６）は、第１の実施形態と同様に、ランプ２６から光が出射する出射面が互いに対向するように配置されている。残りの１つのランプ２６（他のランプ２６）は、他のランプ２６の出射面から出射する光の進行方向と、一部のランプ２６から出射して反射素子２８で反射した光の進行方向と、が一致するように配置されている。また、他のランプ２６は、このランプ２６から放射される光が、反射素子８によって遮られない位置に配置されている。

　コリメートレンズ２３は、図６Ｂに示すように、それぞれのランプ２６からの光に対応して、入射光を平行光にするための３つのコリメート部が設けられている。ただし、第２の実施形態のように、コリメートレンズ２３を、それぞれのランプ２６からの光に対応して、個別に設けてもよい。

　このようにして構成された投射型表示装置において、発光管２１の輝点２１’を発光させると、一部のランプ２６の輝点２１’から発せられる光は、回転楕円反射鏡２２で反射し、カバーガラス２５を通過して、第２焦点、つまり反射素子２８に進行する。反射素子２８で反射した光は、コリメートレンズ２３に入射する。

　他のランプ２６の輝点２１’から発せられる光は、回転楕円反射鏡２２で反射し、カバーガラス２５を通過して、直接コリメートレンズ２３に入射する。

　コリメートレンズ２３に入射したそれぞれの光は、平行光となって出射し、集光レンズ２４に入射する。このとき、それぞれの出射光の主光線は、互いに平行になっている。集光レンズ２４から出射したそれぞれの光は、集光点２９に向って進行した状態でライトパイプ２７の入射口から入射する。入射した光は、ライトパイプ２７の内部で反射を繰り返しながら出射口から出射する。

　本実施形態では、反射素子２８で光を反射させてコリメートレンズ２３に反射光を入射するように配置する一部のランプ２６と、出射した光が反射素子２８で反射させずに直接コリメートレンズ２３に入射するように配置する他のランプ２６とを組み合わせて投射型表示装置を構成した。この構成においても、それぞれのランプ２６から放射される光は、集光レンズ２４によって集光点２９に集光するため、ライトパイプ２７の入射口の面積を小さくすることができる。そのため、第１の実施形態と同様に、表示画像の輝度ムラを減少させることが可能となる。さらに、ライトパイプ２７を短くすることも可能となり、投射型表示装置の小型化が可能となる。

　また、それぞれのランプ２６から出射した光が１つの光に近い状態でライトパイプ２７に入射するので、それぞれの光の、ライトパイプ２７内で反射する回数の差が小さくなる。これにより、表示画像の輝度ムラをさらに減少させることができる。

１、１１、２１　発光管
１’、１１’、２１’　輝点
２、１２、２２　回転楕円反射鏡
３、１３、２３　コリメートレンズ
４、１４、２４　集光レンズ
６、１６、２６　ランプ
７、１７、２７　ライトパイプ
８、１８、２８　反射素子
９、１９、２９　集光点

Claims (7)

1. 　光を発する複数のランプと、
   　前記複数のランプのうちの少なくとも１つに対応して設けられ、対応するランプからの前記光を反射させて、前記光の進行方向を変える反射素子と、
   　前記反射素子からの前記光または前記ランプからの前記光を平行光に変換して出射するコリメートレンズと、
   　中空の柱状をしており、入射口より入射された前記光を内面で反射させて出射口より出射するライトパイプと、
   　前記コリメートレンズからの前記平行光を、前記ライトパイプの前記入射口に向けて集光させる集光レンズと、
   　を有する、投射型表示装置。
2. 　請求項１記載の投射型表示装置において、
   　前記反射素子は前記複数のランプのそれぞれに対応して設けられている、投射型表示装置。
3. 　請求項１または２に記載の投射型表示装置において、
   　前記コリメートレンズには、前記ランプのそれぞれに対応して、前記ランプからの前記光を前記平行光に変換するためのコリメート部が設けられている、投射型表示装置。
4. 　請求項１または２に記載の投射型表示装置において、
   　前記コリメートレンズは、前記ランプのそれぞれに対応して、個別に設けられている、投射型表示装置。
5. 　請求項１から４のいずれか１項に記載の投射型表示装置において、
   　前記反射素子の反射面は、前記ランプの前記回転楕円反射鏡の第２焦点より第１焦点側であり、前記回転楕円反射鏡に対向して配置されている、投射型表示装置。
6. 　請求項１から５のいずれか１項に記載の投射型表示装置において、
   　前記ライトパイプは、前記ライトパイプの光軸が前記集光レンズによる集光点と一致するように配置されている、投射型表示装置。
7. 　複数のランプから光を放射させるステップと、
   　前記複数のランプの少なくとも１つから出射した前記光を反射素子によって反射させて、前記光の進行方向を変化させるステップと、
   　前記反射素子または前記ランプからの前記光をコリメートレンズに入射させて、入射した前記光を平行光に変換して、集光レンズに向けて出射するステップと、
   　前記集光レンズに入射した前記平行光を、中空の柱状をしているライトパイプの入射口に向けて集光させるステップと、
   　前記集光レンズから前記入射口から入射した前記光を、前記ライトパイプの内部で反射させて出射口から出射するステップと、
   　を有する、光の輝度を均一にする方法。
    
    

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