JP4728518B2

JP4728518B2 - プロジェクタ装置

Info

Publication number: JP4728518B2
Application number: JP2001202692A
Authority: JP
Inventors: 英策庄司
Original assignee: NEC Display Solutions Ltd
Current assignee: Sharp NEC Display Solutions Ltd
Priority date: 2001-07-03
Filing date: 2001-07-03
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2021-07-03
Also published as: JP2003015220A; US20030007132A1; US6715880B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光学系を有するプロジェクタ装置に関するもので、特に映像表示装置に微小鏡面素子（例えばＤＭＤ）を使用したプロジェクタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、プロジェクタや投影機等において、その照明光学系にＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）を備えたプロジェクタ装置が一般に多く使用されるようになっている。このＤＭＤを備えた従来のプロジェクタ装置について、図面を参照して説明する。図１１は、従来のプロジェクタ装置の照明光学系を示す概略構成図である。図１１に示すように、光源１０１より発した光は、楕円面鏡１０２によって反射され、ロッドインテグレータ１０３に集光される。集光された光はロッドインテグレータ１０３を出たのち、リレーレンズ１０４、反射ミラー１０５、反射プリズム１０６、カラープリズム１０８を通してＤＭＤ１０７に照射される。ＤＭＤ１０７によって反射された光は、再び前述のカラープリズム１０８、反射プリズム１０６を通して投射レンズ１０９によって拡大されたのち、スクリーン１１０に投影される構成となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来のプロジェクタ装置では、投影画面全体に鮮明な映像を映し出すために、光源からの照明むらを少なくすること、また、光出力の高輝度化を図ることが大きな課題となっている。この課題を解決するために、上述の集光された光を均一化するためのロッドインテグレータと呼ばれる透明材料からなる角柱状部材が使用されている。
【０００４】
このロッドインテグレータ１０３は、図１２の斜視図に示すように、長さがＬの耐熱石英ガラスを角柱状に加工したもので、その断面形状が投影画面形状と相似の矩形形状を有し、一端が入射面１１１となり、他端が出射面１１２となっている。そして、図１３の説明図で示すように、楕円面鏡で集光されてロッドインテグレータ１０３の一端の入射面１１１から入射光の角度αで入射した入射光１１３は、ロッドインテグレータ１０３の内側面で全反射を繰り返し、他端の出射面１１２に到達する。到達した光は矩形形状にビーム成形され、出射面１１２から入射光と同じ角度αで出射光１１４として出射されるようになっている。
【０００５】
このようなロッドインテグレータを使用することによって、入射光は全反射を繰り返しているうちに入射時に存在した照明むらがなくなり、均一性の高い出射照度が得られるようになる。しかし、ロッドインテグレータを使用しても高輝度の出射光が得られる訳ではない。高輝度の出射光を得るには光源の出力を高くするか、あるいは光源を複数にする（特開２０００−７５４０７号公報）等の手段があるが、いずれも消費電力が大きくなり、また、光源用の電源も大型のものが必要になるという問題がある。さらに、従来のロッドインテグレータでは、照度の均一性を保つためにロッドインテグレータ内部の全反射回数を増やす必要があり、そのためには、図１３に示すように、ロッドインテグレータ１０３の全長Ｌをさらに伸ばさざるを得なくなり、照明光学系のコンパクト化につながらないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明では、光源出力は従来のままの状態でロッドインテグレータからの出射光の高輝度化を可能とし、また、ロッドインテグレータの全長を短くすることで照明光学系のコンパクト化を可能とすることによって、プロジェクタ装置のコストダウンを図ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光源からの光を断面が矩形状の透明角柱材で形成されたロッドインテグレータに集光し、ロッドインテグレータを通った光はリレーレンズ、反射ミラー、反射プリズム、カラープリズムを経てＤＭＤに集光され、ＤＭＤで反射した光は、前記カラープリズム、前記反射プリズム、投射レンズを経てスクリーンへ投影される照明光学系を有するプロジェクタ装置において、前記ロッドインテグレータには、入射面近傍の側面と出射面近傍の側面に、それぞれ所定の角度を有する切欠き又は凸部が形成されている。
【０００８】
また、本発明は、前記ロッドインテグレータにおいて、入射面近傍の側面と出射面近傍の側面に、それぞれ所定の角度を有する切欠きが形成されているプロジェクタ装置である。
【０００９】
また、本発明は、前記ロッドインテグレータにおいて、入射面近傍の側面に所定の角度を有する切欠きが形成され、出射面近傍の側面に所定の角度を有する凸部が形成されているプロジェクタ装置である。
【００１０】
また、本発明は、前記ロッドインテグレータにおいて、入射面近傍の側面に所定の角度を有する凸部が形成され、出射面近傍の側面に所定の角度を有する切欠きが形成されているプロジェクタ装置である。
【００１１】
また、本発明は、前記ロッドインテグレータにおいて、入射面近傍の側面と出射面近傍の側面に、それぞれ所定の角度を有する凸部が形成されているプロジェクタ装置である。
【００１２】
また、本発明は、前記ロッドインテグレータにおいて、ロッドインテグレータを通った光を出射面近傍の側面に設けた切欠き又は凸部の角度で全反射させ、出射光の角度を入射光の角度より小さくし、また、入射光の角度を大きくして全反射の回数を増やし、反射回数を増やした分、ロッドインテグレータの全長を短くしたプロジェクタ装置である。
【００１３】
また、本発明は、前記ロッドインテグレータにおいて、入射側の切欠きを形成する一方の切欠き面の角度は入射光とほぼ平行であり、他方の切欠き面の角度は入射光とほぼ直角であり、また、入射側の凸部を形成する凸部面の角度は入射光とほぼ平行であるプロジェクタ装置である。
【００１４】
また、本発明は、前記ロッドインテグレータにおいて、入射側に形成され入射光を取込む凸部の入射面は、角柱部の矩形断面形状より大きい矩形状に形成されているプロジェクタ装置である。
【００１５】
また、本発明は、前記ロッドインテグレータにおいて、出射側の切欠きを形成する切欠き面の角度、又は出射側の凸部を形成する凸部面の角度は、ロッドインテグレータを出た光が所定の出射光角度でＤＭＤ上に効率よく集光できるように全反射させる角度に形成されたプロジェクタ装置である。
【００１６】
また、本発明は、前記ロッドインテグレータにおいて、入射側に切欠きを設けたロッドインテグレータに入射する入射光のうち矩形状入射面からはみ出した入射光を前記入射光と直角となる切欠き面で集光し、入射光の取り込み量を増やすことによって出射光の輝度を上げるプロジェクタ装置であり、また、入射側に凸部を設けたロッドインテグレータに入射する入射光のうち角柱の矩形断面形状と同じ大きさの矩形状入射面からはみ出す入射光を、この矩形状入射面より大きく形成された凸部の入射面で集光し、入射光の取り込み量を増やすことによって出射光の輝度を上げるプロジェクタ装置である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明のプロジェクタ装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態の照明光学系を示す概略構成図である。
【００１８】
本発明のプロジェクタ装置は、まず図１に示すように、光源１に反射鏡である楕円面鏡２が備え付けられている。ここで光源１としてはキセノンランプを用いた。この他に、超高圧水銀灯、メタルハロイドランプ、ハロゲンランプ等の高輝度白色光源を使用することができる。光源１からの光は、ロッドインテグレータ３に集光される。ロッドインテグレータ３ａは、石英等の耐熱ガラスを角柱状に加工したものであり、これを照明光学系に組み込むことによって照明光束の照度を均一に保つことができる。このロッドインテグレータ３ａの入射面近傍および出射面近傍の側面には、それぞれ所定の角度を持った切欠きが設けられており、入射光の取り込み量を増やしたり、照度の均一性を保ちながらその全長を短くしたりすることができるように工夫されている。なお、本実施の形態にかかるロッドインテグレータ３ａの詳細な構造及びその作用については、のち程、図面を用いて詳細に説明する。
【００１９】
続いて、このロッドインテグレータ３ａを通った光は、リレーレンズ４に入射する。リレーレンズ４は、光を効率よくＤＭＤ７に導く機能を持っている。また、反射ミラー５は、反射プリズム６に対して垂直に光を入射させるように、光軸に対して所定の角度を持って配置されている。そして、反射プリズム６は、入射した光を所定の角度を持ってＤＭＤ７へと導く機能を持っている。この反射プリズム６は、くさび型プリズムを２つ組み合わせたもので、接合面では、光の全反射が起きるように微小なエアギャップが設けられている。
【００２０】
続くカラープリズム８では、赤、緑、青の色分離が行われ、それぞれの色に分離された光が赤、緑、青それぞれのＤＭＤに照射される。なお、図１では、色分離されたうちの一色を図示している。このカラープリズム８は、くさび型プリズムを３つ組み合わせたもので、それぞれの接合面には、所定の色を透過または反射させるためのコーティングが施されている。
【００２１】
ＤＭＤ７では、所定の画像に必要な光だけをスクリーン１０方向へ反射し、不要な光はカラープリズム８の紙面では下方向に反射し、スクリーン１０には投影されないような機能を持っている。投射レンズ９は、ＤＭＤ７によって反射された画像をスクリーン１０に拡大投影するものであり、投射画像のピント調整を行うためのフォーカス調整機能がついている。また、画面の大きさを、投射距離を変えずに変化させるためのズーム機構を加えてもよい。
【００２２】
次に、本発明に係るロッドインテグレータについて、本発明の動作とともに詳細に説明する。図１２で示したように、従来、ロッドインテグレータ１０３の入射面１１１は矩形状をしているが、入射光の光束断面は軸方向に光の強度分布を持った円形をしている。よって、図１４の側面図に示すように、入射面１１１の矩形からはみ出した入射光１１５（斜線部分）は、照明光としては使われずに捨てられていた。そこで、本発明では、この捨てられていた光を有効に利用することを特徴としている。
【００２３】
また、従来のロッドインテグレータは、内部で全反射を繰り返すことによって照度の均一性を保っている。そして、反射回数を増せばより均一性を高めることができる。反射回数を増すには、ロッドインテグレータの全長Ｌをさらに長くするか、あるいは、図１５に示すように、全長Ｌはそのままで光源からの入射光の角度θを大きくする（θ＞α）必要がある。しかし、全長をさらに伸ばすことは、そのまま照明光学系の全長が伸びることにつながる。また、光源からの入射光の角度を大きくしても、実際にＤＭＤ上で有効に利用されるべきロッドインテグレータからの出射光の角度は一定であるため、逆に出射光が不必要に広がった分だけ照明光の輝度が落ちてしまう。そこで、本発明では、光源からの入射光の角度は大きくしながらも、ロッドインテグレータの全長を長くすることなく反射回数を増やし、かつ、出射光は輝度を落とすことなくＤＭＤ上に有効な照明光として変換されるように工夫されている。
【００２４】
続いて、図１に戻り、ロッドインテグレータ３ａを出た光は、リレーレンズ４により集光され、反射ミラー５によって反射され、反射プリズム６に対して垂直に入って行く。反射プリズム６に入った光は、全反射したのちカラープリズム８に入り、赤、緑、青の色分離が行われ、それぞれのＤＭＤ７を照射する。前述のリレーレンズ４は、ロッドインテグレータ３ａの出射光をＤＭＤ７の表示エリアに効率よく集光するように設計されている。ＤＭＤ７では、所定の画像に必要な光だけを光軸方向に反射する。ＤＭＤ７により反射された光は、再度前述のカラープリズム８を通過する時に合成され、所定の映像となって前述の反射プリズム６を通過する。その後、光は投射レンズ９により拡大され、スクリーン１０へと像を結ぶ。
【００２５】
このような照明光学系のもとで、以下に、本発明に係るロッドインテグレータについて、図面を参照して説明する。図２は、ロッドインテグレータの第１の実施の形態を示す斜視図、図３はその説明図である。まず、図２に示すように、ロッドインテグレータ３ａを形成するための断面形状が矩形状で長さｌ（ｌ＜Ｌ）の角柱材を準備する。そして、この角柱材の入射面１１側の四側面にＶ溝状の切欠き１６を形成し、同様に出射面１２側の四側面にも切欠き１７を形成する。
【００２６】
このようにして形成されたロッドインテグレータ３ａの構造について、図３を用いて具体的に説明すると、まず、入射側の切欠き１６の角度Ａは、入射光の角度θとほぼ平行となるような角度である。また、切欠き１６のもう一方の角度Ｂは、入射光の角度θに対してほぼ直角となるような角度である。この角度Ｂの部分から、図５の側面図に示すように、従来捨てられていた矩形状の入射面１１からはみ出した入射光１５を取込むことができるようになり、出射光の輝度向上を図ることができる。また、出射側の切欠き１７の角度Ｃは、角度θで入射した光がロッドインテグレータ３ａ内で全反射を繰り返した後に、角度θ´（θ´＜θ）で出射するように全反射されるべき角度である。
【００２７】
ここで、図４の説明図に示すように、入射側に切欠き１６を設けただけで出射側に切欠きを設けない場合を想定すると、入射光の角度θを大きくして（θ＞α）全反射の回数を増やすことはできても、また、せっかく入射側の切欠き１６の角度Ｂの部分から入射光１５（図５に斜線で示す）を取込んで光量を増やすことはできても、出射光の角度が入射光の角度θのまま出射されてしまうため輝度が低下してしまい、ロッドインテグレータとしての機能を果たさなくなる。そこで、図３に示したように、ＤＭＤ上で有効に利用されるべき出射光の角度を、θからθ´に絞り込むためには出射側の切欠き１７が必要となる。
【００２８】
次に、本発明に係るロッドインテグレータの第２の実施の形態について、図面を用いて説明する。図６はその斜視図、図７はその説明図、図８はその側面図である。本実施の形態のロッドインテグレータ３ｂでは、図６に示すように、角柱材の入射側に角錐台状の凸部１８を設け、出射側には切欠き１７を設けている。また、図７に示すように、凸部１８の角度Ｄは、入射光の角度θとほぼ平行となるような角度である。凸部１８の入射面は矩形状に形成され、図８に示すように、はみ出した入射光１５の部分を含む大きさの矩形状をなし、角柱材の断面形状より大きい入射面２０となっている。この結果、従来、はみ出していた入射光を取込むことができるようになったので光量が増え、出射光の輝度を向上させることができる。また、第１の実施の形態で説明したのと同様に、入射光の角度θで入射した光が出射光の角度θ´で出射されるように、出射側には切欠き角度Ｃの切欠き１７を設けている。
【００２９】
次に、本発明に係るロッドインテグレータの第３の実施の形態について、図面を用いて説明する。図９はその説明図である。本実施の形態のロッドインテグレータ３ｃでは、図９に示すように、入射面の近傍に図３で説明したのと同様の切欠き１６が設けられている。そして、出射面の近傍には、角錐台状の凸部１９が形成されている。この出射側の凸部１９の角度Ｃは、角度θで入射した光がロッドインテグレータ３ｃ内で全反射を繰り返した後に、角度θ´で出射するように全反射されるべき角度である。
【００３０】
次に、本発明に係るロッドインテグレータの第４の実施の形態について、図面を用いて説明する。図１０はその説明図である。本実施の形態のロッドインテグレータ３ｄでは、図１０に示すように、入射面の近傍に、図７で説明したのと同様の凸部１８が設けられている。そして、出射面の近傍には、第３の実施の形態で説明したのと同様の角錐台状の凸部１９が形成されている。凸部１９の角度Ｃは、角度θで入射した光がロッドインテグレータ３ｄ内で全反射を繰り返した後に、角度θ´で出射するように全反射されるべき角度である。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べてきたように、本発明はロッドインテグレータの入射面の近傍および出射面の近傍に切欠き又は凸部を設けたことによって、次のような効果が得られる。第１の効果は、従来、光源からロッドインテグレータに向けて出射された光のうち、ロッドインテグレータの矩形状の入射面からはみ出していた入射光をロッドインテグレータに取り込むことができるようになったため、この従来捨てられていた光を有効に使うことができるようになり、光源ランプの出力アップなしでプロジェクタ装置の輝度向上を図ることができる。
【００３２】
また、第２の効果は、入射光の角度を大きくしたことによって全反射の回数が増え、ロッドインテグレータの全長を短くしても、従来と同等の照度の均一性が保たれ、また、入射光の角度を大きくしても出射光はＤＭＤ上に有効な角度で出射されるため、プロジェクタ装置における照明光学系のコンパクト化を図ることができる。そして、これらの効果により、プロジェクタ装置のコストダウンが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の照明光学系を示す概略構成図である。
【図２】本発明に係るロッドインテグレータの第１の実施の形態を示す斜視図である。
【図３】本発明に係るロッドインテグレータの第１の実施の形態を説明する図である。
【図４】本発明に係るロッドインテグレータの第１の実施の形態を説明する図である。
【図５】図３の側面図である。
【図６】本発明に係るロッドインテグレータの第２の実施の形態を示す斜視図である。
【図７】本発明に係るロッドインテグレータの第２の実施の形態を説明する図である。
【図８】図７の側面図である。
【図９】本発明に係るロッドインテグレータの第３の実施の形態を説明する図である。
【図１０】本発明に係るロッドインテグレータの第４の実施の形態を説明する図である。
【図１１】従来の照明光学系を示す概略構成図である。
【図１２】従来のロッドインテグレータを示す斜視図である。
【図１３】従来のロッドインテグレータの説明図である。
【図１４】図１３の側面図である。
【図１５】従来のロッドインテグレータの説明図である。
【符号の説明】
１、１０１光源
２、１０２楕円面鏡
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、１０３ロッドインテグレータ
４、１０４リレーレンズ
５、１０５反射ミラー
６、１０６反射プリズム
７、１０７ＤＭＤ
８、１０８カラープリズム
９、１０９投射レンズ
１０、１１０スクリーン
１１、１１１入射面
１２、１１２出射面
１３、１１３入射光
１４、１１４出射光
１５、１１５はみ出した入射光
１６入射側の切欠き
１７出射側の切欠き
１８入射側の凸部
１９出射側の凸部
２０大きい入射面

Claims

光源からの光を断面が矩形状の透明角柱材で形成されたロッドインテグレータに集光させる照明光学系を有するプロジェクタ装置であって、
前記ロッドインテグレータは、前記光が前記ロッドインテグレータに入射する面である入射面と、前記ロッドインテグレータに入射した光が前記ロッドインテグレータから出射する面である出射面と、４つの側面とを有し、
４つの前記側面のそれぞれは前記入射面と前記出射面とに接し、
４つの前記側面のそれぞれの前記入射面側に第一の切欠き面を有する第一の切欠きが配置され、
前記ロッドインテグレータの光軸と前記第一の切欠き面との角度が、前記ロッドインテグレータに入射する光の集光角の半値とほぼ等しいことを特徴とするプロジェクタ装置。
前記第一の切欠きは、前記第一の切欠き面とでなす角度が直角である第二の切欠き面をさらに有する請求項１に記載のプロジェクタ装置。
前記ロッドインテグレータは、４つの前記側面のそれぞれの前記出射面側に第三の切欠き面が配置され、
前記ロッドインテグレータの光軸と前記第三の切欠き面との角度は、前記出射面から出射する光の集光角の半値が前記集光角の半値よりも小さくなる角度であることを特徴とする請求項１又は２に記載のプロジェクタ装置。