JP5162901B2

JP5162901B2 - 投射型表示装置及び光学ユニット

Info

Publication number: JP5162901B2
Application number: JP2007000305A
Authority: JP
Inventors: 村田誠治; 大内敏
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2007-01-05
Filing date: 2007-01-05
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2027-01-05
Also published as: EP1942373A2; CN101216659A; JP2008165122A; US8136951B2; EP1942373A3; US20080165329A1

Description

本発明は、映像表示素子上に形成された光学像を投射レンズによりスクリーン上に拡大投射する投射型表示装置に関するものである。

従来、映像表示素子で形成された光学像を、スクリーン等に投射する投射型表示装置が知られており、実用化されている。近年では、映像表示素子に液晶パネル等が利用されている。映像の明るさを重視しているため、複数個の光源を用いて明るさを向上させる技術が特開平８−０３６１８０号公報に開示されている。

特開平８−０３６１８０号公報

図７は、従来の光学ユニットを示す図である。光学ユニットは、光を出射する光源５１と、光源５１からの光を反射する放物面形状のリフレクタ５７と、光源５１及び放物面形状のリフレクタ５７で反射した光を映像表示素子５３に照射する光伝達手段５２と、光学像を形成する映像表示素子５３と、映像表示素子５３からの光学像をスクリーン（図示せず）上に投射する投射レンズ５４と、光学素子の劣化の原因となる紫外線や赤外線をカットするUV-IRフィルタ５５とを備えている。

光伝達手段５２の第１のレンズ５２ａ_１、５２ａ_２は、光源５１_１、５１_２からの光を第２のレンズ５２ｂ_１、５２ｂ_２に集光し、第２のレンズ５２ｂ_１、５２ｂ_２の各々の近傍に光源像を形成し、第２のレンズ５２ｂを透過した光は、光合成レンズ５２ｃによって集光され、第３のレンズ５２ｄに入射し、第３のレンズ５２ｄによって光の光線角度を調整され、映像表示素子５３に入射する。

図７の光学ユニットにおいて、光源５１から出射された光は、第２のレンズ５２ｂ及び第３のレンズ５２ｄで、少なくとも２回は集光されているため、光路長が長くなり、光学ユニットが大型化してしまう課題がある。更に、光学部品の数が多くなるため、光学ユニットの高コスト化の課題がある。

また、図７において、例えば、放物面形状のリフレクタの焦点に有限の形状を持たない点光源が配置され、光を出射している場合には、光源から出射した光は、放物面形状のリフレクタで反射した後、略平行に出射する。しかし、光源５１は、有限の大きさを持っているため、例えば、光源５１_１において、焦点から外れた位置から発光された光は、点線６０のように、平行化されず収差を発生するため、例えば、第２のレンズ５２ｂ_１に入射せず光合成レンズ５２ｃに直接入射したり、第２のレンズ５２ｂ_２に入射してしまうため、映像表示素子５３上に光を入射させることが出来なくなる。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、光学部品の数を最小限にすることによる低コスト化、及び、光源から出射された光を漏れ光無く映像表示素子に照射させることによる高輝度化を可能とする投射型表示装置又は光学ユニットを提供することを目的とする。

本発明の一面は、複数個の光源、第１の平行化レンズ、光合成レンズ、映像表示素子、投射レンズを備えた光学ユニットを形成し、光源から投射レンズまでの光路上において光の集光を映像表示素子上での１回とすることにより、使用する光学部品を最小限に抑え、複数個の光源から投射レンズまでの光路長を短縮することにより、投射型表示装置又は光学ユニットの小型化を図る。

以下、実施例について、添付の図面を参照して説明する。尚、各図において、共通な機能を有する要素には同一な符号を付して示し、一度説明したものについてはその説明を省略する。

図１は、実施例１の光学ユニットを示す図である。１は光源、２は第１の平行化レンズ、５は光合成レンズ、４は映像表示素子、７は出射側偏光板、１２は投射レンズである。

光源１は、例えば、超高圧水銀ランプ、ＬＥＤ、レーザなどを利用することが可能である。また、図示はしないが、光源から出射した光を反射する放物面又は楕円面形状のリフレクタを用いてもよいことは言うまでもない。

実施例１では、２個の光源１ａ、１ｂを使用した場合について説明する。

第１の平行化レンズ２ａ、２ｂは、光源１ａ、１ｂの各々に対応して設けられたレンズであり、光源１から出射された光を平行化する。

光合成レンズ５は、第１の平行化レンズ２ａ、２ｂから出射された光を合成し、映像表示素子４に照射するように集光する。

映像表示素子４は、透過型の映像表示素子であり、第１の平行化レンズで平行化された光を映像信号に対応した光学像に変調する。映像表示素子４に液晶パネルを使用する場合、不要光を吸収又は反射する出射側偏光板７を設ける必要がある。実施例１では、映像表示素子の出射側に出射側偏光板７を設けているが、映像表示素子の入射側にのみ配置しても、映像表示素子の入出射側の両方に配置してもよい。投射レンズ１２は、映像表示素子４からの光をスクリーンに投射する。

第１の平行化レンズ２は、球面レンズ又は自由曲面レンズで等であり、材質は、ガラス、プラスチック等で形成される。また、光合成レンズ５に、第１の平行化レンズと同様に、球面レンズ又は自由曲面レンズ等を使用し、材質は、ガラス、プラスチック等を用いてもよいことは言うまでもない。

第１の平行化レンズ２は、光の結像部であって、光源１の光源像を映像表示素子上に結像させている。第１の平行化レンズ２を出射した光は略平行光となり、映像表示素子４に導くが、略平行光とすることで、映像表示素子４の有効領域から漏れる光を抑え、光の利用効率を向上させることが可能となる。

また、実施例１では、２個の光源１ａ、１ｂを使用した場合について説明したが、光源を３個以上使用した場合についても、光合成レンズ５の光軸に対して対称に配置すれば、実施例１と同様の効果を得ることが可能であることは言うまでもない。

光合成レンズ５、又は映像表示素子４、又は投射レンズ１２の光軸に対称とは、光源１が２個以上で、偶数個ある場合、光源１及び第１の平行化レンズ２の中心が、レンズ５の光軸上に中心が配置される正多角形の頂点となるように光源を配置することをいう。

また、光源１が奇数個の場合、１つを光合成レンズ５の光軸上に配置し、残りを前記した偶数個の場合と同様に配置することをいう。光合成レンズ５の光軸に対して対称に配置することにより、光源像がパネルに対して対称に生成されるため、光源１の輝度のばらつきを相殺し、映像表示素子４上に均一に照射することが可能となる。

また、図２（ａ）に示すように、光源１ａ、１ｂを矩形形状の面光源としてもよい。この場合、光源１ａ、１ｂの形状を図２（ｂ）に示す映像表示素子４の有効領域４ａに略相似とすることにより、映像表示素子４の有効領域４ａからはみ出る損失光を抑え、光の利用効率を向上させることが可能となる。

更に、図２（ｂ）に示すように、映像表示素子４の有効領域４ａに加えて、映像表示素子４の有効領域４ａ上で十分な均一性を実現するためにマージン４ｂを取る場合、光源１ａ、１ｂの形状は、マージン４ｂを含めた領域と略相似となるように形成する。これにより、映像表示素子４の有効領域４ａに漏れ光無く、光を照射することが可能となるため、光の利用効率を向上させることが可能となる。

また、図示は省略するが、光源１と第１の平行化レンズ２の間に、光の照度を均一化するインテグレータである第１及び第２のアレイレンズで形成されるアレイレンズ群、ライトパイプ等を配置し、光の偏光方向を統一する偏光変換素子等を配置することにより、映像表示素子４における光の利用効率を向上させることが可能となる。

以上、実施例１では、光源１、第１の平行化レンズ２、光合成レンズ５、映像表示素子４、出射側偏光板７、投射レンズ１２で光学ユニットを形成することにより、使用する光学部品を最小限に抑え、低コスト化が可能となる。更に、光源１から投射レンズ１２までの光路上において光の集光を映像表示素子４の１回とすることにより、光源１から投射レンズ１２までの光路長を短縮することが可能となり、光学ユニットの小型化が可能となる。

図３は、実施例２の光学ユニットを示す図である。なお、実施例２では、実施例１と同じ点については、説明の簡略化のため、説明を省略する。

実施例２において、３は第２の平行化レンズ、６は集光レンズである。その他の光学部品は、実施例１と同様である。

第２の平行化レンズ３ａ、３ｂは、第１の平行化レンズ２ａ、２ｂと同様に、光源１ａ、１ｂの各々に対応して設けられたレンズであり、第１の平行化レンズ２ａ、２ｂと光合成レンズ５との間に配置されている。第２の平行化レンズ３ａ、３ｂは、第１の平行化レンズ２ａ、２ｂで平行化された光を更に平行化し、映像表示素子４の有効領域から漏れる光を抑え、光の利用効率を向上させることが可能となる。

集光レンズ６は、光合成レンズ５と映像表示素子４との間に配置されている。集光レンズ６で光合成レンズ５からの光を集光し、平行化して映像表示素子４に照射する。実施例１では、光合成レンズ５からの光を直接、映像表示素子４に照射するため、映像表示素子４に対して斜め光が入射され、映像表示素子から不要な光が出射される可能性があるが、実施例２では、集光レンズ６により、映像表示素子４に平行光を照射させ、不要な光を出射させないため、コントラストを向上させることが可能となる。

また、第２の平行化レンズ３及び集光レンズ６は、実施例１の第１の平行化レンズ２と同様に、球面レンズ又は自由曲面レンズで等であり、材質は、ガラス、プラスチック等で形成される。

以上、実施例２では、実施例１に対して、集光レンズ６で、光源１からの光を集光させているため、不要な光を出射させないことが可能となり、これに伴い、表示映像のコントラストを向上させることが可能となる。

図４は、実施例３の光学ユニットを示す図である。なお、実施例３では、実施例２と同じ点については、説明の簡略化のため、説明を省略する。

実施例３は、実施例２の第１の平行化レンズ２ａ、２ｂを一体化し、第１の平行化レンズとし、同様に、第２の平行化レンズ３ａ、３ｂを一体化し、第２の平行化レンズとしたものである。その他の光学部品は、実施例２と同様である。

実施例３は、第１の平行化レンズ３を一体化することにより、実施例２の第１の平行化レンズ２ａの光軸と、第１の平行化レンズ２ｂの光軸の間の距離を縮めている。第１の平行化レンズ２ａの光軸と第１の平行化レンズ２ｂの光軸を近づけることにより、光源１ａと光源１ｂを近接させることが可能になり、光源１から出射した光を映像表示素子４に導く際に、映像表示素子４の有効領域からはみ出る漏れ光を抑え、光の利用効率を向上させるとともに、光学ユニットの小型化が可能となる。また、光源１ａと光源１ｂを近接させることにより、光源１ａの光軸と光源１ｂの光軸が互いに近づくため、光合成レンズ５から集光レンズ６に光を集光させる場合に、実施例１又は２に対して、光の集光角を小さくすることが可能となり、映像表示素子４において不要な光を出射させないため、表示映像のコントラストを向上させることが可能となる。更に、第２の平行化レンズ３ａ、３ｂを一体化することにより、前述した効果と同様の効果が得られることは言うまでもない。

なお、実施例１において、第１の平行化レンズ２ａ、２ｂを一体化しても、前述した効果と同様の効果が得られることは言うまでもない。

図５は、実施例４の投射型表示装置を示す図である。実施例４は、実施例３の光学ユニットを備えた投射型表示装置である。なお、実施例４では、実施例３と同じ点については、説明の簡略化のため、説明を省略する。

実施例４の投射型表示装置は、映像信号に応じた駆動信号を発生する駆動部１３と、冷却装置１４と、駆動部１３及び冷却装置１４等に電源を供給する電源部１６と、それらを有する筐体１７を備えている。

実施例４では、実施例３の光学ユニットを備えた投射型表示装置について説明したが、実施例１又は２の光学ユニットを搭載してもよいことは言うまでもない。

図６に、実施例５の投射型表示装置を示す。実施例５は、実施例３の光学ユニットを複数個備えた投射型表示装置である。なお、実施例５では、実施例３と同じ点については、説明の簡略化のため、説明を省略する。

実施例５の投射型表示装置は、複数の実施例３の光学ユニット２０を有しており、光源１から出射される光が映像表示素子４に導かれ、光学像を得る。各々の光学ユニット２０が異なる色を発する光源を備えており、各々が異なる色で点灯し、その点灯した色に応じた光学像を得られるように駆動部は、各光学ユニットの映像表示素子４を駆動し、各色に応じた光学像を得る。各々の光学ユニット２０からの光学像を色合成部１８で合成し、光学像を投射レンズ１２により投射する。

実施例５では、実施例３の光学ユニットを備えた投射型表示装置について説明したが、実施例１又は２の光学ユニットを搭載してもよいことは言うまでもない。

以上の実施例では、映像表示素子に透過型の映像表示素子を適用した場合について説明したが、反射型の映像表示素子、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等の映像表示素子を用いた場合にも適用可能であることは言うまでもない。

実施例１の光学ユニットを示す図である。面光源と映像表示素子の関係を示す図である。実施例２の光学ユニットを示す図である。実施例３の光学ユニットを示す図である。実施例４の投射型表示装置を示す図である。実施例５の投射型表示装置を示す図である。従来の光学系を示す図である。

符号の説明

１…光源、２…第１の平行化レンズ、３…第２の平行化レンズ、４…映像表示素子、５…光合成レンズ、６…集光レンズ、７…偏光板、１３…駆動部、１４…冷却装置、１６…電源部、１７…筐体、１８…色合成部、２０…光学ユニット、５１…光源、５２ａ…第１のレンズ、５２ｂ…第２のレンズ、５２ｃ…光合成レンズ、５２ｄ…第３のレンズ、５３…映像表示素子、５４…投射レンズ、５５…ＵＶ−ＩＲフィルタ、５６…偏光板、５７…放物面形状のリフレクタ、６０…点線。

Claims

面発光して光を出射する複数個の光源と、
前記複数個の光源の各々から出射された光を平行化し、前記複数個の光源の各々に対応して配置された複数個の第１の平行化レンズと、
前記複数個の第１の平行化レンズから出射された前記光源の発光面の形状に対応する光を合成する光合成レンズと、
前記光合成レンズの光からの光が集光される位置に配置され、前記光合成レンズからの前記光源の発光面形状を合成した光を映像信号に応じた光学像に変調する映像表示素子と、
前記映像表示素子で形成された光学像を投射する投射レンズと、
前記映像表示素子を駆動する駆動部を備え、
前記第1の平行化レンズは前記複数個の光源の光源像を前記映像表示素子上に結像させ、光源から投射レンズまでの光路において、光源の光は合成レンズでのみ集光されることを特徴とする投射型表示装置。
請求項１に記載の投射型表示装置であって、
前記複数個の光源の各々は、前記映像表示素子の形状と略相似である面形状で形成されたことを特徴とする投射型表示装置。
請求項１に記載の投射型表示装置であって、
前記複数個の光源は、偶数個有し、
前記偶数個である複数個の光源は、前記光合成レンズの光軸に対して対称となるように配置されたことを特徴とする投射型表示装置。
請求項１に記載の投射型表示装置であって、
前記複数個の光源は、奇数個有し、
前記複数個の光源の内の１個は、前記投射レンズの光軸上に配置され、
前記投射レンズの光軸上に配置された光源以外の前記複数個の光源は、前記光合成レンズの光軸に対して対称となるように配置されたことを特徴とする投射型表示装置。
請求項１に記載の投射型表示装置であって、
前記複数個の光源の各々は、レーザ又はＬＥＤであることを特徴とする投射型表示装置。
請求項１に記載の投射型表示装置であって、
前記第１の平行化レンズと前記光合成レンズの間であって、前記第１の平行化レンズの各々に対応して配置された第２の平行化レンズを備えたことを特徴とする投射型表示装置。
請求項１に記載の投射型表示装置であって、
前記複数個の第１の平行化レンズは、一体型に形成されたことを特徴とする投射型表示装置。
請求項６に記載の投射型表示装置であって、
前記複数個の第２の平行化レンズは、一体型に形成されたことを特徴とする投射型表示装置。
面発光して光を出射する複数個の光源と、
前記複数個の光源の各々から出射された光を平行化し、前記複数個の光源の各々に対応して配置された複数個の第１の平行化レンズと、
前記複数個の第１の平行化レンズから出射された前記光源の発光面の形状に対応する光を合成する光合成レンズと、
前記光合成レンズからの光を集光し、前記集光した光を平行化して前記映像表示素子に照射する集光レンズと、
前記集光レンズからの前記光源の発光面形状を合成した光を映像信号に応じた光学像に変調する映像表示素子と、
前記映像表示素子で形成された光学像を投射する投射レンズと、
前記映像表示素子を駆動する駆動部を備え、
前記第1の平行化レンズは前記複数個の光源の光源像を前記映像表示素子上に結像させ、光源から投射レンズまでの光路において、光源の光は合成レンズでのみ集光されることを特徴とする投射型表示装置。
請求項９に記載の投射型表示装置であって、
前記複数個の光源の各々は、前記映像表示素子の形状と略相似である面形状で形成されたことを特徴とする投射型表示装置。
請求項９に記載の投射型表示装置であって、
前記複数個の光源は、偶数個有し、
前記偶数個である複数個の光源は、前記光合成レンズの光軸に対して対称となるように配置されたことを特徴とする投射型表示装置。
請求項９に記載の投射型表示装置であって、
前記複数個の光源は、奇数個有し、
前記複数個の光源の内の１個は、前記投射レンズの光軸上に配置され、
前記投射レンズの光軸上に配置された光源以外の前記複数個の光源は、前記光合成レンズの光軸に対して対称となるように配置されたことを特徴とする投射型表示装置。
請求項９に記載の投射型表示装置であって、
前記複数個の光源の各々は、レーザ又はＬＥＤであることを特徴とする投射型表示装置。
請求項９に記載の投射型表示装置であって、
前記第１の平行化レンズと前記光合成レンズの間であって、前記第１の平行化レンズの各々に対応して配置された第２の平行化レンズを備えたことを特徴とする投射型表示装置。
請求項９に記載の投射型表示装置であって、
前記複数個の第１の平行化レンズは、一体型に形成されたことを特徴とする投射型表示装置。
請求項１４に記載の投射型表示装置であって、
前記複数個の第２の平行化レンズは、一体型に形成されたことを特徴とする投射型表示装置。
複数個の光源からの光を前記複数個の光源の各々に対応して配置された複数個の第１の平行化レンズで平行化し、前記平行化された光を合成して映像表示素子に照射し、前記映像表示素子で光学像に変調された光を投射する投射型表示装置であって、
前記光源は面発光して光を出射する光源であり、
前記複数個の光源から投射レンズまでの光路において、前記複数個の光源から出射された前記光源の発光面の形状に対応する平行光は、前記映像表示素子の入射側近傍でのみで前記光源の発光面形状を合成した光に集光されることを特徴とする投射型表示装置。
請求項１７に記載の投射型表示装置であって、
前記映像表示素子の入射側近傍に配置され、前記複数個の光源からの光を集光し、前記集光した光を平行化する集光レンズを備えたことを特徴とする投射型表示装置。
請求項１７に記載の投射型表示装置であって、
前記複数個の光源の各々は、前記映像表示素子の形状と略相似である面形状で形成されたことを特徴とする投射型表示装置。
面発光して光を出射する複数個の光源と、
前記複数個の光源の各々から出射された光を平行化し、前記複数個の光源の各々に対応して配置された複数個の第１の平行化レンズと、
前記複数個の第１の平行化レンズから出射された前記光源の発光面の形状に対応する光を合成する光合成レンズと、
前記光合成レンズの光からの光が集光される位置に配置され、前記光合成レンズからの前記光源の発光面形状を合成した光を映像信号に応じた光学像に変調する映像表示素子と、
前記映像表示素子で形成された光学像を投射する投射レンズとを備え、
前記第1の平行化レンズは前記複数個の光源の光源像を前記映像表示素子上に結像させ、光源から投射レンズまでの光路において、光源の光は合成レンズでのみ集光されることを特徴とする光学ユニット。