JP2010008627A - 投写型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】合成手段であるミラーやプリズムあるいはロッドインテグレータの冷却を効率的に行うことのできる、多灯合成方式、ロッドインテグレータを用いた高輝度の投写型画像表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】第１の合成ミラー１０７、第２の合成ミラー１１０は、第１の光源ユニット１０１、第２の光源ユニット１０４からの光を合成し、中空のロッドインテグレータ１０８に集光させる。ロッドインテグレータ１０８の出射側は気密室１２９により略密閉されており、気密室１２９内にシロッコファン１２８によって送風された空気がロッドインテグレータ１０８を通過し、第１の合成ミラー１０７、第２の合成ミラー１１０に吹き付けられ、これらを冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は多灯合成方式、ロッドインテグレータを用いた高輝度の投写型画像表示装置に関するものである。

プロジェクター等の投写型画像表示装置は小型可搬型機、小中規模会議室用の中型機、大会議室や映画館など用途に向けた高輝度大型機に大きく分類できる。このうち特に大型機は近年台頭してきた液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ等のフラットディスプレイでは置き換わることができないことから着実に市場を拡大している。

その大型機市場では大出力で発光部が小型の光源として高圧水銀灯が用いられており、大型機でも特に輝度が高いものはキセノン光源を用いている。しかしながら後者は発光部が小さくても管球が大きくなる、さらに発光効率が低いことから大きな電源を必要とし、装置全体が非常に大きくなることから用途は限られる。このような理由から比較的小型化が可能な高圧水銀灯を複数用いて、それぞれの光量を合成することによって高輝度化を実現している高輝度機が各社より商品化されている（例えば特許文献１参照）。

このような高輝度機においても装置の小型化、軽量化、静音化が求められることから狭い空間に光源を複数配置し、冷却ファンの回転数も抑えた構成になっている。したがって光源、周辺の構成機構部品、光学部品の冷却による信頼性確保が大きな課題になっている。

よって高輝度機の特に光源を多灯としている装置は、光源からの光を合成するミラーやプリズム、あるいは光分布の均一化のためのロッドインテグレータの前後において赤外線や紫外線を取り除く紫外線カットフィルターや赤外線カットフィルターを配置する。あるいは、その機能を上記部材に持たせている。ただし赤外線や紫外線を取り除いたこれらの光は、周辺の機構部材で吸収されて熱エネルギーとなることから発熱要因となっている。これらの冷却が十分に行われないと、機構部品の変形や光学部品の変色や割れを生じることになる。

特に光源周辺は発光部自体が９００度近い温度まで上昇し、射出される光は強力な光量が有る上に、そこに含まれる紫外線や赤外線は画像に寄与しないが間に介在する部品の温度上昇や化学変化を生じさせることから早い段階での除去が必要になる。

このため、ファンによって外気を導入し、最も大きい発熱源となる光源を中心に、冷却風を送って、装置全体の冷却を行っている。

特に、光源を冷却するための方法については種々なものがある（例えば特許文献２、３参照）。
特開２００６−７８９４９号公報 特開２００２−２９８６３９号公報 特開２００５−２７６７８６号公報

しかしながら、装置全体の冷却や、光源自身の冷却については種々考えられているが、上述のように、特に多灯合成などの場合は、合成手段に光量が集中するため、合成手段であるミラーやプリズム、あるいは合成手段からの光が集光され、光分布を均一化するためのロッドインテグレータが高熱となるという問題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、合成手段であるミラーやプリズムあるいはロッドインテグレータの冷却を効率的に行うことのできる、多灯合成方式、ロッドインテグレータを用いた高輝度の投写型画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる投写型画像表示装置は、一方向に光を出射する開口を有する反射傘からなる光源部と、前記光源部からの光を画像表示素子に導く照明光学系と、外部からの入力信号に応じて入射光を変調せしめる画像表示素子と、前記画像表示素子で変調された光を投射する投写光学系とを有する投写型画像表示装置において、前記照明光学系は少なくとも、前記光源部からの光を反射する反射部材と、両端が開口した中空のロッドインテグレータとを有し、前記ロッドインテグレータの出射側から、ファンによって送風された空気が前記ロッドインテグレータを通過し前記反射部材に吹き付けられることを特徴として構成される。

また、前記光源部は複数であり、前記反射部材は前記複数の光源部からの光を合成するように構成される。

さらに、前記ロッドインテグレータの出射側には、ファンにより空気が導かれる略密閉空間が備えられていることで構成できる。

また、その前記略密閉空間には、少なくとも入射光を赤、緑、青の光を時間的に交互に出射するように前記ロッドインテグレータからの出射光の光路上にカラーホイールを備える。このとき画像表示装置は１つの部材で、赤、緑、青の光に合わせた入力信号に合わせて時間的に表示を切り替えるフィールドシーケンシャル駆動となる。

前記ファンは、気密室の気圧を上げる目的から、静圧の高いシロッコファンであることが望ましい。

前記光源部からの光を合成する反射部材は、前記光源部の数と同数の反射ミラーから構成することができるし、前記光源部の数と同数の反射面を有するプリズムからも構成する事ができる。

前記反射部材や前記ロッドインテグレータのいずれか、あるいはすべてに、紫外線除去や赤外線除去機能を持った光学多層膜が備えられていることが望ましい。

前記光源部と、前記照明光学系、前記画像表示素子、前記投写光学系および前記ファンは１つの筐体に内蔵され、前記筐体には外気を取り込む開口が備えられており、前記開口からの外気の一部が前記ファンを経てロッドインテグレータの光出射側に導かれる間には静電フィルターが備えられており、外気と共に侵入する微小粉塵も捕捉可能に構成されている。

本発明によれば、高輝度機において多灯で光源を用いながらも、光が集光し発熱が厳しい合成光学系やロッドインテグレータ周辺を効率よく冷却する事が可能になるため、装置の小型化、軽量化、静音化を実現しながらも信頼性を確保することが可能になる。

以下、本発明にかかる投写型画像表示装置の実施の形態を図１〜図４を用いて説明する。

（実施の形態１）
本発明の第１の実施の形態による投写型画像表示装置の全体構成図を図１に示す。図２は光源を含む照明光学系の斜視図である。本発明は光学構成についての提案ではないので、以下に光学系の構成については簡単に触れる。

図１において、投写型画像表示装置は２つの光源ユニット１０１、１０４を内蔵しており、第１の光源ユニット１０１は、光源１０２から出射された光を反射傘１０３により前方に出射せしめる。これに紙面方向から見て対向するように配置された第２の光源ユニット１０４は、光源１０５から出射された光を反射傘１０６により前方に出射せしめる。

図２にあるように、第１の光源ユニット１０１からの光は、その光路上に斜めに配置された第１の合成ミラー１０７を経て、ロッドインテグレータ１０８の入射開口１０９に集光する。第２の光源ユニット１０４からの光も同様に、その光路上に斜めに配置された第２の合成ミラー１１０を経て、ロッドインテグレータ１０８の入射開口１０９に集光する。

このロッドインテグレータ１０８は、４枚のミラーを組み合わせて矩形の開口を構成しており、ロッドインテグレータ１０８に入射した光は、内面で多重反射を繰り返した後、出射開口１１１から出射され、その近傍に配置されたカラーホイール１１２に入射する。

カラーホイール１１２は、赤、緑、青の各色光のみを透過する特性をもつ扇状のフィルターを隣接して配し、中心部のモーターのハブに固着されてなる。

ロッドインテグレータ１０８から出射した光は、カラーホイール１１２のフィルター部を透過して、リレーレンズ１１３、折り返しミラー１１４ａ、１１４ｂ、フィールドレンズ１１５、全反射プリズム１１６に至る。全反射プリズム１１６は２つのくさび形状のプリズムを、空気間隙を形成するように接着されてなる。

フィールドレンズ１１５を経て全反射プリズム１１６に入射した光は、この空気間隙界面で全反射せしめられ、画像表示素子であるＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス：登録商標）１１７に入射する。

このＤＭＤ１１７は微小ミラーを２次限的に配置してなり、この各ミラーは入力信号に応じてその傾きを変化させる。白表示に相当する画素に相当するミラーに入射した光は入射角が小さくなる方向にミラーが倒れることから、全反射プリズム１１６に再度戻されるが前述の空気間隙に入射する角が大きくなっており、ここを透過して、投写レンズ１１８を経て図にはないスクリーンに投射される。

一方、黒表示に相当する画素に相当するミラーに入射した光は、入射角が大きくなる方向にミラーが倒れることから、全反射プリズム１１６に再度戻されるが、投写レンズ１１８外に導かれることからスクリーン上では黒表示となる。しかも少なくとも１フレーム中に少なくとも１回赤、緑、青すべての画像を表示する。この画像表示はカラーホイール１１２の回転と同期を取っていることは言うまでもない。

図にあるように、全反射プリズム１１６前方に配置された投写レンズ１１８を含めて光学系が構成されている。これらは筐体１１９に内包されており、この筐体１１９には吸気口１２０、１２１と排気口１２２、１２３が設けられている。吸気口１２０、１２１の内側には比較的大きな粉塵の侵入を阻止するフィルターが備えられている。

吸気口１２０から吸気された外気は、フィルター１２４を経て、吸気ファン１２５に至る。ここからその排気側にある電源部１２６を冷却した後、光源１０２を点灯せしめるバラスト回路１２７をも冷却し、シロッコファン１２８に吸気される。

シロッコファン１２８から吐出される空気は、カラーホイール１１２を内包し、一方にはロッドインテグレータ１０８の出射開口１１１が突出して支持され、他方にはリレーレンズ１１３の入射面が覗く略密閉に構成された気密室１２９に押し込まれ、唯一の射出口である中空のロッドインテグレータ１０８の内部を通って合成ミラー１０７、１１０に吹き付けられることになる。

これにより、合成ミラー１０７、１１０と、温度の高いロッドインテグレータ１０８近傍部も適切に冷却される。

吸気口１２０から吸気された外気の内、シロッコファン１２８に吸気されなかった空気は、シロッコファン１３０に吸気の後圧縮されて排気され、導風部１３１を経て、反射傘１０３の開口側に設けられた反射傘支持部材１３２の開口から、反射傘１０３に至る。

これにより、反射傘１０３内の光源１０２を冷却した後、反射傘支持部材１３２の吸気した開口の対面側に設けられた排気口から吐き出される。この時点で温度の上がった空気は排気ファン１３３により排気口１２２から排気される。

一方、吸気口１２１から吸気された外気はフィルター１３４を経て、その一部はＤＭＤ１１７の放熱のためのヒートシンク１３５の熱を奪ってシロッコファン１３６に吸気の後圧縮、排気され、導風部１３７を経て反射傘１０６の開口側に設けられた反射傘支持部材１３８の開口から、反射傘１０６に至る。

これにより、反射傘内の光源１０５を冷却した後、反射傘支持部材１３８の吸気した開口の対面側に設けられた排気口から吐き出される。この時点で温度の上がった空気は排気ファン１３９により排気口１２３から排気される。

また、フィルター１３４から吸気された外気の内、一部は排気ファン１３９に引かれて、排気口１２３から排出されるが、その際にバラスト回路１４０を通過する事でこれを冷却する構造となっている。

以上の様に構成することで、複数の光源を持って大出力の投写型画像表示装置の熱的な問題点の集中する光源付近、特にロッドインテグレータ１０８や合成ミラー１０７、１１０を効率よく冷却することができる。従来の構成では、投写型画像表示装置の内部は構成部品が多く通風性が良くなく発熱局部を冷却することは困難だったが、これを解決することができる。

この構成において、気密室１２９に収納されているカラーホイール１１２は、フィルター面の透過率、排気される空気が通るロッドインテグレータ１０８の内面は繰り返し光が反射されることから、反射率が装置の光出力値に影響を与えることになる。

従って、シロッコファン１２８の吸気あるいは排気側か、フィルター１２４の部分に微小な塵まで捕捉できる静電フィルターを備えていることが望ましい。

また、本実施の形態では、光源を２つ合成する方式としたが４灯式などでも、ロッドインテグレータを用いる構成であれば応用可能であることは言うまでもない。また、光源光の合成方式も必ずしもミラーでなくても、後に示すプリズムの表面で反射する方式でも応用可能であるし、プリズム１４１の内面で反射させる図３の合成光学系の様な構成でも応用可能である。

合成ミラー１０７、１１０は、紫外線、赤外線を透過し、可視光のみを反射する膜を備える場合にはミラー裏面に吸熱、放熱のための放熱材を配置することが望ましい。このような反射膜ではなくても若干の透過光は有ることから、同様の放熱手段を備えることが望ましい。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態による投写型画像表示装置の全体構成図を図４に示す。以下に光学系の構成について簡単に触れる。

図４において、投写型画像表示装置は２つの光源ユニット２０１、２０４を内蔵しており、第１の光源ユニット２０１は、光源２０２から出射された光を反射傘２０３により前方に出射せしめる。これに紙面方向から見て対向するように配置された第２の光源ユニット２０４は、光源２０５から出射された光を反射傘２０６により前方に出射せしめる。

第１の光源ユニット２０１からの光は、その光路上に斜めに配置された第１の反射面２０７を持つ合成プリズム２０８を経て、ロッドインテグレータ２０９の入射開口２１０に集光する。第２の光源ユニット２０４からの光も同様に、光源からの光路上に斜めに配置され、合成プリズム２０８上の第１の反射面２０７に隣接する第２の反射面２１１を経て、ロッドインテグレータ２０９の入射開口２１０に集光する。

このロッドインテグレータ２０９は、４枚のミラーを組み合わせて矩形の開口を構成しており、ロッドインテグレータ２０９に入射した光は、内面で多重反射を繰り返した後、出射開口２１２から出射され、リレーレンズ２１３、折り返しミラー２１４ａ、２１４ｂ、フィールドレンズ２１５、全反射プリズム２１６に至る。全反射プリズム２１６は、２つのくさび形状のプリズムを、空気間隙を形成するように接着してなる。

フィールドレンズ２１５を経て全反射プリズム２１６に入射した光は、この空気間隙界面で全反射せしめられ、２面のダイクロイックミラーを備えたダイクロイックプリズム２１７に入射する。

ここに入射した光は、赤反射ダイクロイックミラー２１８に入射し、入射光の内、赤色光はここで反射せしめられた後、入射面に戻るがここで全反射され、画像表示素子である第１のＤＭＤ２１９に入射する。この第１のＤＭＤ２１９は微小ミラーを２次限的に配置してなり、この各ミラーは赤色光に対する入力信号に応じてその傾きを変化させる。赤表示に相当する画素に相当するミラーに入射した光は、入射角が小さくなる方向にミラーが倒れることから、赤反射ダイクロイックミラー２１８で再度反射された後、全反射プリズム２１６に戻されるが、前述の空気間隙に入射する角が大きくなっているので、ここを透過して、投写レンズ２２０を経て図にはないスクリーンに投射される。

一方、黒表示に相当する画素に相当するミラーに入射した光は、入射角が大きくなる方向にミラーが倒れることから、赤反射ダイクロイックミラー２１８で再度反射された後、全反射プリズム２１６に再度戻されるが、投写レンズ２２０外に導かれることからスクリーン上では黒表示となる。

赤反射ダイクロイックミラー２１８を透過した光は、青反射ダイクロイックミラー２２１に入射し、青色光は画像表示素子である第２のＤＭＤ２２２に入射する。また青反射ダイクロイックミラー２２１を透過した光は、第３のＤＭＤ２２３に入射する。

第２のＤＭＤ２２２は、青色に対する入力信号に対し動作し、第３のＤＭＤ２２３は緑色に対する入力信号に対し動作することは言うまでもない。

以上の光学系は筐体２２４に内包されており、この筐体２２４には吸気口２２５、２２６と排気口２２７、２２８が設けられている。吸気口２２５、２２６の内側には比較的大きな粉塵の侵入を阻止するフィルターが備えられている。

吸気口２２５から吸気された外気は、フィルター２２９を経て、吸気ファン２３０に至る。ここからその排気側にある光源２０２を点灯せしめるバラスト回路２３１を冷却し、シロッコファン２３２に吸気される。

シロッコファン２３２から吐出される空気は、一方にはロッドインテグレータ２０９の出射開口２１２が突出して支持され、他方にはリレーレンズ２１３の入射面が覗く略密閉に構成された気密室２３３に押し込まれ、唯一の射出口である中空のロッドインテグレータ２０９の内部を通って合成プリズム２０８に吹き付けられることになる。

これにより、合成プリズム２０８と、温度の高いロッドインテグレータ２０９近傍部も適切に冷却される。

吸気口２２５から吸気された外気の内、シロッコファン２３２に吸気されなかった空気は、シロッコファン２３４に吸気のあと圧縮、排気され、導風部２３５を経て、反射傘２０３の開口側に設けられた反射傘支持部材２３６の開口から、反射傘１０３に至る。

これにより、反射傘２０３内の光源２０２を冷却した後、反射傘支持部材２３６の吸気した開口の対面側に設けられた排気口から吐き出される。この時点で温度の上がった空気は排気ファン２３７により排気口２２７から排気される。

一方、吸気口２２６から吸気された外気はフィルター２３８を経て、その一部は電源部２３９を冷却後、シロッコファン２４０に至る。シロッコファン２４０に吸気のあと圧縮、排気され、導風部２４１を経て反射傘２０６の開口側に設けられた反射傘支持部材２４２の開口から、反射傘２０６に至る。

これにより、反射傘内の光源２０５を冷却した後、反射傘支持部材２４２の吸気した開口の対面側に設けられた排気口から吐き出される。この時点で温度の上がった空気は排気ファン２４３により排気口２２８から排気される。

また、吸気口２２６から吸気されフィルター２２９を経た外気の残りの一部は、その排気側にある光源２０５を点灯せしめるバラスト回路２４４を冷却した後、排気ファン２４３に引かれて排気口２２８から排気される。

さらに、吸気口２２６から吸気されフィルター２３８を経た外気の残りは、画像表示素子である第１のＤＭＤ２１９、第２のＤＭＤ２２２、第３のＤＭＤ２２３のそれぞれの背面に備えられたヒートシンク上に取り付けられた冷却ファンによって吸気され、ヒートシンクを介して各ＤＭＤを冷却してその信頼性を確保している。ここでヒートシンクを冷却した後の外気は、排気ファン２３７、２４３に引かれて排気口２２７、２２８から放出される。

このようにして実施の形態１と同様に、効率的に熱の集中する合成光学系を冷却することができる。

以上で説明した本実施の形態では２つの光源を合成する構成で説明してきたが、これに縛られることなく４灯式などにも応用可能である。

また、本実施の形態では、複数の光源の合成光学系を冷却するようにしたが、必ずしもこれに限定されるものではなく、ロッドインテグレータと高熱部品が接近していれば、他の構成においても応用可能である。

このように、本発明はロッドインテグレータを有する構成に関して有効なものであり、画像表示装置の方式などにも縛られるものではない。

本発明に係る投写型画像表示装置は、高輝度化のために光源を多灯化する際に、光が集光し発熱が厳しい合成光学系やロッドインテグレータ周辺を効率よく冷却する事が可能になるため、装置の小型化、軽量化、静音化を実現しながらも信頼性を確保することが可能になり、特に高輝度化が進むプロジェクター等の投写型表示装置として有用である。

本発明の第１の実施の形態による投写型画像表示装置の構成図 本発明の第１の実施の形態の投写型画像表示装置の照明光学系の斜視図 本発明の第１の実施の形態の他の合成光学系の構成図 本発明の第２の実施の形態による投写型画像表示装置の構成図

符号の説明

１０１、２０１ 第１の光源ユニット
１０２、１０５、２０２、２０５ 光源
１０３、１０６、２０３、２０６ 反射傘
１０４、２０４ 第２の光源ユニット
１０７ 第１の合成ミラー
１０８、２０９ ロッドインテグレータ
１０９、２１０ ロッドインテグレータの入射開口
１１０ 第２の合成ミラー
１１１、２１２ ロッドインテグレータの出射開口
１１２ カラーホイール
１１３、２１３ リレーレンズ
１１４ａ、１１４ｂ、２１４ａ、２１４ｂ 折り返しミラー
１１５、２１５ フィールドレンズ
１１６、２１６ 全反射プリズム
１１７ ＤＭＤ
１１８、２２０ 投写レンズ
１１９、２２４ 筐体
１２０、１２１、２２５、２２６ 吸気口
１２２、１２３、２２７、２２８ 排気口
１２４、１３４、２２９、２３８ フィルター
１２５、２３０ 吸気ファン
１２６、２３９ 電源部
１２７、１４０、２３１、２４４ バラスト回路
１２８、１３０、１３６、２３２、２３４、２４０ シロッコファン
１２９、２３３ 気密室
１３１、１３７、２３５、２４１ 導風部
１３２、１３８、２３６、２４２ 反射傘支持部材
１３３、１３９、２３７、２４３ 排気ファン
１３５ ヒートシンク
２０７ 第１の反射面
２０８ 合成プリズム
２１１ 第２の反射面
２１７ ダイクロイックプリズム
２１８ 赤反射ダイクロイックミラー
２１９ 第１のＤＭＤ
２２１ 青反射ダイクロイックミラー
２２２ 第２のＤＭＤ
２２３ 第３のＤＭＤ

Claims (9)

1. 一方向に光を出射する開口を有する反射傘からなる光源部と、前記光源部からの光を画像表示素子に導く照明光学系と、外部からの入力信号に応じて入射光を変調せしめる画像表示素子と、前記画像表示素子で変調された光を投射する投写光学系とを有する投写型画像表示装置において、
   前記照明光学系は少なくとも、前記光源部からの光を合成する反射部材と、両端が開口した中空のロッドインテグレータとを有し、前記ロッドインテグレータの出射側から、ファンによって送風された空気が前記ロッドインテグレータを通過し前記反射部材に吹き付けられることを特徴とする投写型画像表示装置。
2. 前記光源部は複数であり、前記反射部材は前記複数の光源部からの光を合成するように構成されることを特徴とする請求項１記載の投写型画像表示装置。
3. 前記ロッドインテグレータの出射側には、前記ファンにより空気が導かれる略密閉空間が備えられていることを特徴とする請求項１記載の投写型画像表示装置。
4. 前記略密閉空間には、少なくとも入射光を赤、緑、青の光を時間的に交互に出射するように、前記ロッドインテグレータからの出射光の光路上にカラーホイールが備えられていることを特徴とする請求項３記載の投写型画像表示装置。
5. 前記ファンはシロッコファンであることを特徴とする請求項１記載の投写型画像表示装置。
6. 前記反射部材は、前記光源部の数と同数の反射ミラーから構成されていることを特徴とする請求項２記載の投写型画像表示装置。
7. 前記反射部材は、前記光源部の数と同数の反射面を有するプリズムから構成されていることを特徴とする請求項２記載の投写型画像表示装置。
8. 前記反射部材と前記ロッドインテグレータのいずれか、あるいはすべてに、紫外線除去や赤外線除去機能を持った光学多層膜が備えられていることを特徴とする請求項１記載の投写型画像表示装置。
9. 前記光源部と、前記照明光学系、前記画像表示素子、前記投写光学系および前記ファンは１つの筐体に内蔵され、前記筐体には外気を取り込む開口が備えられており、前記開口からの外気の一部がファンを経て前記ロッドインテグレータの光出射側に導かれる間には静電フィルターが備えられていることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の投写型画像表示装置。

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