JP7775780B2 - 投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、投射型表示装置に関する。

特許文献１に記載されているように、青色レーザダイオードから射出された青色レーザ光を蛍光体に照射して、蛍光体が発する照明光を用いて画像を投射する投射型表示装置がある。

特開２０１９－８２６４５号公報

投射型表示装置は、投射される画像のコントラストを調整するために、アパーチャまたはアイリスと称される光量調整機構を備える。コントラストを上げるよう光量調整機構によって光量を低減させると投射される画像が暗くなる。コントラストを上げるために光量調整機構によって光量を低減させたときに画像が暗くなることをできるだけ抑えることが望まれる。

本発明は、レーザ光の照射により照明光を発する蛍光体を備え、光量調整機構によって光量を低減させても投射される画像が暗くなることを抑えることができる投射型表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、レーザ光が照射されて所定の色の照明光を射出する蛍光体と、前記蛍光体に対して前記照明光が射出される側の直後に配置されており、前記照明光を集光する集光レンズと、前記蛍光体を前記集光レンズに近付く方向及び前記集光レンズから離れる方向に移動させる移動機構と、前記照明光を画像に応じて変調して画像光を生成する画像表示素子と、投射される画像のコントラストを調整するため、前記照明光または前記画像光が通過する開口の大きさを変化させて前記画像光の光量を調整する光量調整機構と、前記蛍光体と前記集光レンズとの距離を、前記光量調整機構による前記画像光の光量の調整状態に応じたＦナンバーに対応する距離とするよう、前記移動機構を制御する制御部とを備える投射型表示装置を提供する。

本発明の投射型表示装置によれば、レーザ光の照射により照明光を発する蛍光体を備え、光量調整機構によって光量を低減させても投射される画像が暗くなることを抑えることができる。

一実施形態の投射型表示装置を示す図である。 明るさ測定装置の構成例を示す図である。

以下、一実施形態の投射型表示装置について、添付図面を参照して説明する。図１において、一実施形態の投射型表示装置１００は、光源１、蛍光体２、偏光変換素子（ＰＣＳ（Polarization Conversion System））３、ダイクロイックミラー４、クロスダイクロイックミラー５、ダイクロイックミラー６、反射型偏光板７Ｒ、７Ｇ、７Ｂ、色合成プリズム８、画像表示素子１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂを備える。

また、投射型表示装置１００は、集光レンズ２０～２２、コリメータレンズ２３、集光レンズ２６～２９、フライアイレンズ２４及び２５、投射レンズ３０、アパーチャ３１、アイリス３２、光量調整操作部３３、反射ミラー４０～４２、制御部５０、テーブル保持部５１、回転機構６１、移動機構６２を備える。

制御部５０は、マイクロコンピュータの中央処理装置のようなマイクロプロセッサで構成されていてもよい。テーブル保持部５１は、マイクロコンピュータが有するメモリであってもよいし、マイクロコンピュータとは別体のＲＯＭ等のメモリであってもよい。

集光レンズ２２は、蛍光体２に対して、蛍光体２より後述する照明光が射出される側の直後に配置されている。集光レンズ２２を、蛍光体２側を平面、集光レンズ２１側を凸面の平凸レンズとしているが、両凸レンズであってもよい。

光源１は、例えば複数の青色レーザダイオードＢＬが配列されたレーザアレイで構成されている。青色レーザダイオードＢＬの数は限定されない。光源１は青色レーザ光を青色照明光として射出する。図１において、Ｂは青色照明光または後述する青色画像光を示す。集光レンズ２０は、光源１から射出された青色照明光を集光する。ダイクロイックミラー４は、集光レンズ２０より射出された青色照明光を反射して青色照明光の光路を９０度曲げる。集光レンズ２１及び２２は青色照明光を集光して、集光した青色照明光を蛍光体２に入射させる。

蛍光体２は、入射される青色照明光のエネルギ強度に応じた強度の赤色帯域の成分及び緑色帯域の成分を含む黄色照明光を生成する蛍光層と、反射面とを有する。蛍光体２の蛍光層には、入射された青色照明光のうちの一部の青色照明光が入射されて、黄色照明光を生成する。蛍光体２の反射面は、生成された黄色照明光と、入射された青色照明光のうちの他の一部の青色照明光とを反射する。よって、蛍光体２は青色照明光と黄色照明光とを射出する。図１において、Ｙは黄色照明光を示す。

蛍光体２は、黄色照明光を生成する蛍光層の代わりに、赤色照明光を生成する蛍光層と緑色照明光を生成する蛍光層とを有し、赤色照明光と緑色照明光とを別々に生成するように構成されていてもよい。蛍光体２は、レーザ光が照射されて所定の色の照明光を射出すればよい。

蛍光体２は円形であり、図１では円形の蛍光体２の側面が示されている。蛍光体２の温度上昇を抑え、蛍光体２の長寿命化を図るため、蛍光体２は回転機構６１によって回転するように構成されている。制御部５０は、回転機構６１による蛍光体２の回転を制御する。

蛍光体２より射出された青色照明光及び黄色照明光は、集光レンズ２２、集光レンズ２１、及びダイクロイックミラー４をこの順に透過してコリメータレンズ２３に入射される。コリメータレンズ２３は、入射された青色照明光及び黄色照明光を平行光にして反射ミラー４０に入射させる。

反射ミラー４０は、青色照明光及び黄色照明光を反射して青色照明光及び黄色照明光の光路を９０度曲げ、フライアイレンズ２４に入射させる。フライアイレンズ２４及び２５は、入射された青色照明光及び黄色照明光の照明分布を均一化する。ＰＣＳ３は、入射された青色照明光及び黄色照明光をｐ偏光に揃える。ＰＣＳ３より射出された青色照明光及び黄色照明光は、集光レンズ２６を介してクロスダイクロイックミラー５に入射する。クロスダイクロイックミラー５は、青色照明光と黄色照明光とを分離する。

反射ミラー４１は、分離された黄色照明光を反射して黄色照明光の光路を９０度曲げ、ダイクロイックミラー６に入射させる。ダイクロイックミラー６は、黄色照明光に含まれる緑色帯域の成分を緑色照明光として反射し、黄色照明光に含まれる赤色帯域の成分を赤色照明光として透過させて、黄色照明光を緑色照明光と赤色照明光とに分離する。図１において、Ｇは緑色照明光または後述する緑色画像光を示し。Ｒは赤色照明光または後述する赤色画像光を示す。

ダイクロイックミラー６で分離された赤色照明光は、集光レンズ２７を介して反射型偏光板７Ｒに入射する。赤色照明光は反射型偏光板７Ｒを透過し、画像表示素子１０Ｒに入射する。画像表示素子１０Ｒは、入射された赤色照明光を画像データの赤色成分に応じて光変調してｓ偏光の赤色画像光を射出する。赤色画像光は反射型偏光板７Ｒで反射し、色合成プリズム８に入射する。

ダイクロイックミラー６で分離された緑色照明光は、集光レンズ２８を介して反射型偏光板７Ｇに入射する。緑色照明光は反射型偏光板７Ｇを透過し、画像表示素子１０Ｇに入射する。画像表示素子１０Ｇは、入射された緑色照明光を画像データの緑色成分に応じて光変調してｓ偏光の緑色画像光を射出する。緑色画像光は反射型偏光板７Ｇで反射し、色合成プリズム８に入射する。

反射ミラー４２は、クロスダイクロイックミラー５で分離された青色照明光を反射して青色照明光の光路を９０度曲げ、集光レンズ２９を介して反射型偏光板７Ｂに入射させる。青色照明光は反射型偏光板７Ｂを透過し、画像表示素子１０Ｂに入射する。画像表示素子１０Ｂは入射された青色照明光を画像データの青色成分に応じて光変調して、ｓ偏光の青色画像光を射出する。青色画像光は反射型偏光板７Ｂで反射し、色合成プリズム８に入射する。

反射型偏光板７Ｒ、７Ｇ、７Ｂは例えばワイヤグリッドで構成することができる。

色合成プリズム８は、青色画像光及び赤色画像光を反射し、緑色画像光を透過させて、赤色画像光と緑色画像光と青色画像光とを合成する。投射レンズ３０は、合成された画像光を図示していないスクリーンに投射して、フルカラー画像を表示する。

以上のように構成される投射型表示装置１００において、フライアイレンズ２４とフライアイレンズ２５との間には、アパーチャ３１が配置されている。投射レンズ３０の鏡筒の内部には、アイリス３２が配置されている。アパーチャ３１は、青色照明光及び黄色照明光が通過する開口（第１の開口）を広くしたり狭くしたりして、開口の大きさを変化させることができるように構成されている。アイリス３２は、色合成プリズム８より射出された合成光が通過する開口（第２の開口）を広くしたり狭くしたりして、開口の大きさを変化させることができるように構成されている。

ユーザは、光量調整操作部３３を操作することによって、アパーチャ３１とアイリス３２とのうちの一方、またはアパーチャ３１とアイリス３２との双方の開口の大きさを調整して、投射レンズ３０より投射される画像光の光量を調整することができる。アパーチャ３１及びアイリス３２は、画像光の光量を調整する光量調整機構として機能する。ユーザは、投射されるフルカラー画像のコントラストを調整するために、光量調整操作部３３を操作して光量を調整する。

具体的には、フルカラー画像のコントラストを上げるために、ユーザは、光量調整操作部３３を操作してアパーチャ３１とアイリス３２とのうちの少なくとも一方の開口の大きさを小さくして、光量を低減させる。図１に示す光量調整機構は、アパーチャ３１の開口の大きさの複数段階の調整とアイリス３２の開口の大きさの複数段階の調整とを組み合わせることによって、光量を複数段階で調整できるように構成されている。画像光の光量の調整状態はその組み合わせによって決定される。このようにすれば、アパーチャ３１またはアイリス３２のみで光量を調整するよりも多くの段階で光量を調整することができる。

光量調整機構によって光量を低減させると、コントラストは向上するものの、投射されるフルカラー画像は暗くなる。そこで、投射型表示装置１００は、蛍光体２と集光レンズ２２との距離を調整するよう、蛍光体２を光軸の方向に移動させる移動機構６２を備える。移動機構６２は、蛍光体２を集光レンズ２２に近付く方向及び集光レンズ２２から離れる方向に移動させる。制御部５０は、移動機構６２による蛍光体２の移動を制御する。

移動機構６２は、蛍光体２と蛍光体２を回転させる回転機構６１とを一体的に移動させる。一例として、モータによってボールねじを回転させ、蛍光体２と回転機構６１とが装着されているベースをボールねじによって移動させればよい。

蛍光体２より射出される黄色照明光は完全散乱光である。従って、アパーチャ３１及びアイリス３２の開口の大きさが大きくなるほど、蛍光体２を集光レンズ２２に近付けた方がフルカラー画像は明るくなる。アパーチャ３１及びアイリス３２の開口の大きさが小さくなるほど、蛍光体２を集光レンズ２２から離した方がフルカラー画像は明るくなる。

そこで、制御部５０は、アパーチャ３１及びアイリス３２の開口の大きさが最大であるとき、蛍光体２を実線で示す集光レンズ２２に最も近付けた位置に位置させるよう移動機構６２を制御する。制御部５０は、アパーチャ３１及びアイリス３２の開口の大きさが最小であるとき、蛍光体２を二点鎖線で示す集光レンズ２２より最も離した位置に位置させるよう移動機構６２を制御する。制御部５０は、アパーチャ３１及びアイリス３２の開口の大きさに応じて、蛍光体２を実線で示す位置と二点鎖線で示す位置との間に位置させるよう移動機構６２を制御する。

蛍光体２と集光レンズ２２との間のフルカラー画像を最大に明るくする距離は、図２に示す明るさ測定装置を用いて予め求めることができる。図２において、図１と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。図２に示すように、蛍光体２より射出されて集光レンズ２２及びダイクロイックミラー４を透過した青色照明光及び黄色照明光は、第１のアパーチャ７１、レンズ７３、第２のアパーチャ７２を介して、開口７４ａより積分球型のパワーメータ７４の内部に入射する。第１のアパーチャ７１及び第２のアパーチャ７２は、Ｆナンバー調整アパーチャ７０を構成する。

第２のアパーチャ７２の開口は小さく固定でよい。第１のアパーチャ７１の開口の大きさを変化させると、図２に示す明るさ測定装置の光学系のＦナンバーが変化する。第１のアパーチャ７１の開口を大きくするとＦナンバーは小さくなり、第１のアパーチャ７１の開口を小さくするとＦナンバーは大きくなる。測定者は、Ｆナンバー調整アパーチャ７０によってＦナンバーを複数段階に調整し、各Ｆナンバーでパワーメータ７４によって測定される、ダイクロイックミラー４から射出される光の明るさが最大となる蛍光体２と集光レンズ２２との距離を求める。

ダイクロイックミラー４から射出される光の明るさを測定する測定器は積分球型のパワーメータ７４に限定されない。

図１において、テーブル保持部５１には、図２に示す明るさ測定装置を用いて予め求めた、各Ｆナンバーと、ダイクロイックミラー４から射出される光の明るさが最大となる蛍光体２と集光レンズ２２との距離との対応関係を示すテーブルが保持されている。ダイクロイックミラー４から射出される光の明るさが最大ということは、投射されるフルカラー画像の明るさが最大ということである。即ち、テーブル保持部５１に保持されているテーブルは、各Ｆナンバーと、投射されるフルカラー画像の明るさが最大となる蛍光体２と集光レンズ２２との距離との対応関係を示す。

上記のように、ユーザは、投射されるフルカラー画像のコントラストを調整するために、光量調整操作部３３を操作して光量調整機構によって画像光の光量を調整する。制御部５０には、光量調整操作部３３による光量の調整状態を示す値が入力される。光量の調整状態を示す値は、光量を複数段階で調整するときの段階を示す値でよい。制御部５０は、光量調整の段階を示す値を投射型表示装置１００のＦナンバーに変換する。Ｆナンバーは、制御部５０によって光量調整の段階と対応付けられる。従って、テーブル保持部５１に保持されているテーブルは、各Ｆナンバーと、各Ｆナンバーに対応する光量調整の段階において投射されるフルカラー画像の明るさが最大となる蛍光体２と集光レンズ２２との距離との対応関係を示す。

投射型表示装置１００のＦナンバーは、投射型表示装置１００が備える複数のレンズの焦点距離及びアパーチャ３１及びアイリス３２の開口の大きさに応じて決まる。よって、投射型表示装置１００のＦナンバーは、計算によって求めることができる。制御部５０は、光量調整の段階を示す値に応じたＦナンバーを予め保持してもよいし、光量調整の段階が変更されるたびにＦナンバーを計算によって求めてもよい。

制御部５０は、テーブル保持部５１に保持されているテーブルを参照して、光量調整の段階を示す値に対応するＦナンバーに対応付けて記憶されている蛍光体２と集光レンズ２２との距離を読み出す。制御部５０は、蛍光体２と集光レンズ２２との距離が読み出した距離となるよう移動機構６２を制御する。このように、制御部５０は、蛍光体２と集光レンズ２２との距離を、光量調整機構による画像光の光量の調整状態に応じたＦナンバーに対応する距離とするよう、移動機構６２を制御する。

よって、ユーザが投射されるフルカラー画像のコントラストを上げるために照明光または画像光が通過する開口の大きさを変化させて画像光の光量を低減させても、投射されるフルカラー画像が暗くなる程度を最小限に抑えることができる。

本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。図１に示す構成は、３原色の照明光を変調する画像表示素子１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂを備える３板式の投射型表示装置１００を示しているが、単色の照明光を変調する画像表示素子を備える単板式の投射型表示装置であってもよい。即ち、投射される画像はフルカラー画像ではなく、モノクロ画像であってもよい。

１ 光源
２ 蛍光体
１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ 画像表示素子
２２ 集光レンズ
３１ アパーチャ（光量調整機構）
３２ アイリス（光量調整機構）
３３ 光量調整操作部
５０ 制御部
５１ テーブル保持部
６１ 回転機構
６２ 移動機構
ＢＬ 青色レーザダイオード

Claims (3)

1. レーザ光が照射されて所定の色の照明光を射出する蛍光体と、
   前記蛍光体に対して前記照明光が射出される側の直後に配置されており、前記照明光を集光する集光レンズと、
   前記蛍光体を前記集光レンズに近付く方向及び前記集光レンズから離れる方向に移動させる移動機構と、
   前記照明光を画像に応じて変調して画像光を生成する画像表示素子と、
   投射される画像のコントラストを調整するため、前記照明光または前記画像光が通過する開口の大きさを変化させて前記画像光の光量を調整する光量調整機構と、
   前記蛍光体と前記集光レンズとの距離を、前記光量調整機構による前記画像光の光量の調整状態に応じたＦナンバーに対応する距離とするよう、前記移動機構を制御する制御部と、
   を備える投射型表示装置。
2. 前記光量調整機構は、
   前記照明光が通過する第１の開口の大きさを複数段階で変化させるアパーチャと、
   前記画像光が通過する第２の開口の大きさを複数段階で変化させるアイリスと、
   を含み、
   前記画像光の光量の調整状態は、前記第１の開口の大きさの段階と、前記第２の開口の大きさの段階との組み合わせで決定される
   請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 各Ｆナンバーと、各Ｆナンバーに対応する光量調整の段階において投射される画像の明るさが最大となる前記蛍光体と前記集光レンズとの距離との対応関係を示すテーブルを保持するテーブル保持部をさらに備え、
   前記制御部は、前記テーブルを参照して、Ｆナンバーに対応付けて記憶されている前記蛍光体と前記集光レンズとの距離を読み出して、前記蛍光体と前記集光レンズとの距離が読み出した距離となるよう前記移動機構を制御する
   請求項１または２に記載の投射型表示装置。