JP2004347711A

JP2004347711A - プロジェクタ装置

Info

Publication number: JP2004347711A
Application number: JP2003142376A
Authority: JP
Inventors: Sakae Saito; 栄齊藤
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】カラーホイールのカラーホイールモータロータへの取付けの信頼性向上を図るとともに、装置の小型化を可能としたプロジェクタ装置を提供する。
【解決手段】光源１、カラーホイール２ａ、カラーホイールモータ３、ロッドレンズ４ａ、コンデンサレンズ群５、ＴＩＲプリズム９、反射型ライトバルブ７、投射レンズ８を備える。光源１の放物面鏡から反射されて出射された白色光は、カラーホイールモータ３によって回転可能なカラーホイール２ａに集光される。この時、カラーホイール（反射型）２ａとカラーホイールモータ３は、同回転中心軸（モータ回転軸）が光源１の光軸中心軸に対し、カラーホイール２ａで反射した光束中心軸がロッドレンズ４ａ以降の光束中心軸に一致するような角度位置に配置されているプロジェクタ装置である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明システムに使用するプロジェクタ装置に関し、特に、回転型カラーフィルタ等により時系列的にライトバルブを切換える方式のプロジェクタ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、反射型ライトバルブを使用した、従来の一般的な色時分割方式のプロジェクタ装置が種々提案されている。
【０００３】
例えば、図６は、反射型ライトバルブを使用した、従来の一般的な色時分割方式のプロジェクタ装置の構成を示す図である。図６に示す従来のプロジェクタ装置は、光源１、光分離手段（以下、カラーホイールという）２、回転手段（以下、カラーホイールモータという）３、インテグレータ素子４、コンデンサレンズ群５、結像手段（ここでは、凹面反射鏡６である）６、反射型ライトバルブ７、投射レンズ８を備えている。
【０００４】
光源１から出射され、その放物面鏡によって反射された白色光は、カラーホイールモータ３によって回転可能なカラーホイール２に集光される。カラーホイール２は透過光の異なる複数の透過型カラーフィルタで構成されており、これにより、カラーホイール２に集光された白色光は、カラーフィルタを通過時に、カラーホイール２の回転数に応じて赤、緑、青の三色の光に時系列的に分離される。さらに赤、緑、青の三色に時系列的に分離された各色光は、インテグレータ素子４に入射される。このとき、インテグレータ素子４は同入射端面に光源１の像を結ぶ位置に配置させることにより、インテグレータ素子４の内側面全反射繰り返しによるインテグレート効果により照明光の照度分布が均一化され、このインテグレータ素子４の射出端面に均一な面発光が得られる。
【０００５】
このとき、インテグレータ素子４の射出端面は反射型ライトバルブ７の表示面と共役になっており、インテグレータ素子４を射出した照明光は、コンデンサレンズ群５、凹面反射鏡６により、反射型ライトバルブ７に均一な光強度分布で結像される。反射型ライトバルブ７においては、詳細な説明は省略するが、カラーホイール２により時分割された赤、緑、青の各色光に対応した素子表示駆動がなされる。反射型ライトバルブ７により反射された各色光は、投射レンズ８に入射する。
【０００６】
さらに、投射レンズ８に入射された各色光は、投射レンズ８内において、レンズ群（図示せず）を透過して、画面表示するための所定の投影画角まで拡大されスクリーン（図示せず）等に投射される。
【０００７】
ここで、カラーホイール２およびカラーホイールモータ３の代表的な構成例について、図７にもとづいてさらに詳しく説明する。図７（ａ）はカラーホイールモータ３の出力軸側から見た平面図、図７（ｂ）はその側面図である。
【０００８】
従来技術におけるカラーホイール２は、扇形形状をなすガラス基板上に赤、緑、青それぞれの波長を透過するように構成された、いわゆるダイクロイックフィルタを回転保持部材２０に円形になるように接着固定されたものが一般的である。図７の実施例ではダイクロイックフィルタ赤２２、緑２３、青２４それぞれ一組の３枚構成になっているが、高画質化のために２組６枚構成のもの（図示せず）や、明るさを確保するためにクリアを追加した４枚構成のもの（図示せず）も一般的に使用されている。このとき、各部材同士は温度変化による剥離の問題があるため、回転保持部材２０はダイクロイックフィルタ赤２２、緑２３、青２４の基材となるガラスに対し極力熱膨張係数の近い材料が望ましい。一般的に、回転保持部材２０はアルミニウム等のディスクが使用される。
【０００９】
このように構成されるカラーホイール２は、カラーホイールモータ３に、例えばビス２１などにより、回転保持部材２０を介して取付けられている。また、カラーホイール２は、カラーホイールモータ３に、例えば接着などにより直接固定される場合もある。カラーホイールモータ３は通常アウターロータ方式のＤＣブラシレスモータ（具体的な内部構成は図示せず）が一般的で、同アウターロータ部にカラーホイール２を取付けることにより、反射型ライトバルブ７の素子表示駆動に対応した回転を得る事ができる。
【００１０】
しかしながら、以上のような従来型のプロジェクタ装置ではカラーホイール２の各ダイクロイックフィルタ赤２２、緑２３、青２４が透過型であるため、必然的にインテグレータ素子４は、図６に示すように、カラーホイールモータ３のアウターロータに取付けられた回転保持部材２０の外径より外側、もしくはアウターロータの外側の位置にレイアウトされる。したがって、カラーホイールの径を小さくするには限界があり、装置を小さくする上で支障になっていた。
【００１１】
また、回転保持部材２０にダイクロイックフィルタ赤２２、緑２３、青２４を張り合わせる構造により、カラーホイールモータ３のアウターロータにカラーホイールユニット２を取付けた後のアンバランス修正には限界があり、最終的にカラーホイールモータ３のアウターロータのアンバランスを悪化させる要因にもなっていた。そこで、上記課題の改善案として、モノリシックカラーホイールと呼ばれる方式のプロジェクタ装置が提案されている（特許文献１参照）。
【００１２】
【特許文献１】
特開平６−３４７６３９号
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、透過型での使用のために、同基材も耐熱性の高い光学ガラスなど制限があり、カラーホイールモータ３のアウターロータにカラーホイールユニット２を取付ける際には、金属の回転保持部材２０が必要となってしまう。
【００１４】
また、カラーホイール２の各ダイクロイックフィルタ赤２２、緑２３、青２４が透過型であるため、光源１の放物面鏡から反射されて出射された白色光のスポットが各多層膜を透過する際に透過ロスが発生し、同透過ロス分は熱エネルギーとなる。したがって、各ダイクロイックフィルタの基材は、例えば、Ｔｅｍｐａｘ、もしくはＰｙｒｅｘ等の熱に強い光学ガラス材料の選定が必須となるが、それでも発熱の問題が常に付き纏い、高発光タイプの光源使用時には、カラーホイールユニットを強制冷却する場合もありうる。
【００１５】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、放熱性に優れ、装置の機械的信頼性の向上及び装置の小型化を可能としたプロジェクタ装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るプロジェクタ装置は、前記目的を達成するために、以下の特徴点を有している。
【００１７】
本発明に係るプロジェクタ装置は、光源と、該光源からの出射光を複数の周波数帯域の光に時系列的に切換えて反射させるための光分離手段と、該光分離手段を回転させる回転手段と、前記光分離手段により分離された照明光を、ライトバルブに集光させることができる結像手段とを備えたプロジェクタ装置であって、前記光分離手段は、熱伝導率の高い基材と、前記基材上に入射光を反射させるために設けたフィルタ層とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
本発明に係るプロジェクタ装置は、前記基材の材質が金属材質であることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係るプロジェクタ装置は、前記フィルタ層が、一部の光を拡散反射し、残りの光を熱エネルギーとして吸収する前記基材表面にコーティングされた拡散型黒体コーティング層と、前記拡散型黒体コーティング層上にコーティングされた透過性の透過層と、特定波長の光を反射させる前記透過層上にコーティングされた反射コーティング層とを有し、前記反射コーティング層と透過層の界面に透過層より低い屈折率の材料を配したことを特徴とする。
【００２０】
本発明のプロジェクタ装置は、前記光分離手段は略円板状をなし、その外径が、前記回転手段に対する円板状の取付け部材の外径より同等あるいは小さいことを特徴とする。
【００２１】
このように、耐熱性ガラス等の基材を使用した透過型の光分離手段に比較して、アルミニウムなどの熱伝導率の高い基材を使用した反射型の光分離手段は、放熱特性に優れている。また、本発明のプロジェクタ装置の光分離手段は、回転手段に直接取付けることが可能であり、さらに、径を小さくすることによって、取付けの機械的信頼性向上を図るとともに、装置の小型化を可能とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明に係るプロジェクタ装置の実施形態について、添付された図面を参照しながら説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、従来例で説明した図６および図７の要素と同様の機能を有する部分には同じ符号を付けるとともに、各実施形態を説明するための各図においても同様の要素には同じ符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００２３】
図１は、本発明に係るプロジェクタ装置の一実施形態を説明するための構成図である。
【００２４】
図２は、光源からの光束がカラーホイール２ａで反射してロッドレンズ４ａに入射する部分を模式的に説明するための拡大図である。
【００２５】
図３（ａ）は、カラーホイール（光分離手段）２ａ、およびカラーホイールモータ（回転手段）３の構成についてさらに詳しく説明するための、カラーホイールモータ出力軸側から見た平面図であり、図２（ｂ）は、その側面図である。
【００２６】
本発明の実施形態に係るプロジェクタ装置は、図１に示すように、光源１、円板状のカラーホイール２ａ、カラーホイールモータ３、インテグレータ素子（以下、ロッドレンズ４ａと記す）４、コンデンサレンズ群５、結像手段（以下、ＴＩＲ（ＴｏｔａｌＩｎｔｅｒｎａｌＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）プリズムと記す）９、反射型ライトバルブ７、投射レンズ８を備えている。
【００２７】
本実施形態のカラーホイールは、従来とは異なり反射型である。そのため、図１のプロジェクタ装置と図６の従来のプロジェクタ装置の各部の配置が異なる。すなわち、従来のプロジェクタ装置は、カラーホイールが透過型であるため、光源１、カラーホイール２、ロッドレンズ４ａを一直線上に配置する必要があり、部品の配置の自由度に制限がある。ところが、図１のプロジェクタ装置においては、カラーホイールが反射型であるため、部品の配置自由度が増し、例えば、図１のように、光源１とロッドレンズ４ａが直角に配置できる。したがって、プロジェクタ装置自体の長さを短くしてコンパクトにすることが可能となっている。
【００２８】
光源１の放物面鏡から反射されて出射された白色光は、カラーホイールモータ３によって回転可能なカラーホイール２ａに集光される。この時、カラーホイール（反射型）２ａとカラーホイールモータ３は、同回転中心軸（モータ回転軸）が光源１の光軸中心軸に対し、カラーホイール２ａで反射した光束中心軸がロッドレンズ４ａ以降の光束中心軸に一致するような角度位置に配置されている。
【００２９】
カラーホイール２ａは、反射光の周波数帯域が異なる複数の反射型カラーフィルタで構成されている。これにより、例えば、カラーホイール２ａに集光された白色光は、反射型カラーフィルタに反射する時に、カラーホイール２ａの回転数に応じて赤、緑、青の三色の光に時系列的に分離される。
【００３０】
次に、このときの光束の挙動について、図２の拡大図を用いて詳細説明する。２５は、カラーホイール基材、２６は、拡散型黒体コーティング層、２７は、セラミックコーティング層（透過層）、２８は、多重干渉膜蒸着層（反射コーティング層）である。なお、同図は説明のために模式的に作成した図であるため、各コーティング層の膜厚は拡大して示している。
【００３１】
光源１からの出射光光束１１ａ及び１１ｂは、多重干渉膜蒸着層２８により、特定波長のみ反射される。光源１からの出射光光束１１ａは、反射されて光束光線１３、光源１からの出射光光束１１ｂは、反射されて光束光線１４というように、反射した各々の光束は、その入射角に応じた反射角度でロッドレンズ４ａに入射される。なお、出射光光束の光束中心軸は、１０であり、光源からの光束中心軸１０の反射光の光束中心軸は、１２である。
【００３２】
ここで、多重干渉膜蒸着層２８で反射されずに透過した光は、セラミックコーティング層２７に入射される。このセラミックコーティング層２７は、ホウ珪酸ガラス系の透過率の極めて高い材料を選定する。セラミックコーティング層２７に入射された光源からの光束１１ａの透過光束１５及び光源からの光束１１ｂの透過光束１６は、カラーホイール基材２５にコーティングされた拡散型黒体コーティング層２６により一部は拡散反射され、一部は拡散型黒体コーティング層２６に熱エネルギーとして吸収される。多重干渉膜蒸着層２８は、屈折率の高い材料と低い材料とを交互に組み合わせ、その膜厚で波長と位相をコントロールする方式が一般的である。従って、多重干渉膜蒸着層２８とセラミックコーティング層２７との境界面にあたる膜材を極めて屈折率の低いものを選定し、拡散型黒体コーティング層２６で反射された拡散光は、逆にセラミック層の屈折率の非常に高い材料と該屈折率の極めて低い多重干渉膜の界面で、殆どの光は反射してしまうことになる。境界面で反射した光は再び、拡散型黒体コーティング層２６に向かい、同動作を繰り返すうちに殆どの光エネルギーは熱エネルギーとして拡散型黒体コーティング層２６に吸収されることになる。
【００３３】
拡散型黒体コーティング層２６に吸収された熱エネルギーは、カラーホイール基材２５を熱伝導し、空気中に熱放射される。ここで、カラーホイール基材２５の材質として、従来のガラスの熱伝導率に比較して、２桁も高い熱伝導率を有するアルミニウム等（純アルミで１８０．６Ｋｃａｌ／ｍｈ℃）を選定することにより、またカラーホイール２ａの回転数は、一般的に、９０００ｒｐｍから１０８００ｒｐｍと非常に早い速度であるため、空気中までの効率的な熱輸送が可能となる。
【００３４】
次に、本発明に係る第１の実施形態におけるカラーホイール２ａ、およびカラーホイールモータ３の構成について図３にもとづいて説明する。図３（ａ）はモータ出力軸側から見たカラーホイール２ａ及びカラーホイールモータ３の平面図あり、図３（ｂ）はその側面図である。
【００３５】
本実施例におけるカラーホイール２ａは、アルミニウム等の熱伝導率が高く、円板状の形状を有する金属材料に直接、特定範囲の波長を反射できる複数のフィルタ特性を有するフィルタ層を配置させた反射型構成をとっているため、従来例のような専用の回転保持部材２０を必要としない。したがって、以上から構成されるカラーホイール２ａは、カラーホイールモータ３に、例えばビス２１などの締結部品か、接着などにより、直接、取付けられ、固定されることが可能である。カラーホイールモータ３は、通常アウターロータ方式のＤＣブラシレスモータ（具体的な内部構成は図示せず）が一般的で、同円板状の取付け部材からなるアウターロータ部にカラーホイール２ａを取付けることにより、反射型ライトバルブ７の素子表示駆動に対応した回転を得る事ができる。
【００３６】
以上、説明したように、従来例の透過型カラーホイール２では、図６に示すように、光源１の出射光がカラーホイール２を通過してインテグレータ素子４に入る直線的構造のために、カラーホイール２の外径が、カラーホイールモータ３の外径よりも大きくする必要がある。したがって、カラーホイールの外径を小さくするのに限界があったが、本発明のカラーホイール２ａは、反射型であるために光源１の出射光を直線状にする必要がないため、極端に言えばカラーホイールモータ３のロータ外径より小さくすることも可能となる。図４にその実施例を示す。図４（ａ）はカラーホイールの外径をカラーホイールモータ３のロータ外径より小さくしたモータ出力軸側から見た平面図、図４（ｂ）はその側面図である。各構成部品の説明は図３での説明と同じであるので省略する。
【００３７】
このように、カラーホイール２ａの外径を小さくすることが可能であるため、カラーホイールモータ３に直接、取付けることが容易となるため、高速に回転するカラーホイールモータ３への取付けの機械的信頼性が向上することができる。
【００３８】
また、カラーホイール２ａを直接、カラーホイールモータ３に取付けることができるために、取付けバランスも同時に向上することができる。
【００３９】
ロッドレンズ４ａ以降から投射レンズ８までのレイアウトと各構成部品の機能は、従来例と同じであり、説明は省略する。ＴＩＲ（ＴｏｔａｌＩｎｔｅｒｎａｌＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）プリズム９については、機能的には従来例の凹面反射鏡６と同様であるが、例えば、ライトバルブ７がＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）などの場合、該ライトバルブ７で反射した光を投射レンズ８に対し、テレセントリックに入射させるために一般的に使用される。
【００４０】
図５に、ＴＩＲプリズム９の代わりに凹面反射鏡６で構成した他の実施形態を示す。各構成部の機能説明は、一実施形態および従来例と同じであるので省略する。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によるプロジェクタ装置は、上述した構成を備えているため、下記の効果を奏することができる。
【００４２】
本発明のプロジェクタ装置によれば、反射型の光分離手段を配しているので、部品の配置自由度が増し、装置全体を小型化できるように各部品を配置できる。
【００４３】
また、本発明のプロジェクタ装置によれば、この光分離手段に熱伝導性の高い金属材料を用いるので、従来の耐熱ガラスの光分離手段に比べ、高い放熱性が得られるので、強制冷却装置など必要なく、小型化が可能となる。さらに、回転手段に取付ける場合に従来の保持部材が不要で直接取付けが可能となり、小型化ができると同時に、構造がシンプルとなり、さらには強度的にも従来より強く、回転手段への取付け信頼性の向上が図れる。
【００４４】
また、本発明のプロジェクタ装置によれば、前記反射コーティング層と透過層の界面に透過層より低い屈折率の材料を配しているので、拡散型黒体コーティング層により効率的に熱エネルギーに変換される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプロジェクタ装置の一実施形態を説明するための構成図である。
【図２】本発明の多重干渉膜蒸着層での光の反射と透過とを模式的に説明するための図である。
【図３】（ａ）はモータ出力軸側から見たカラーホイール２、およびカラーホイールモータ３の平面図、図３（ｂ）はその側面図である。
【図４】本発明に係る一実施形態のプロジェクタ装置におけるロータ外径より小さなカラーホイールの構成図である。
【図５】本発明に係るプロジェクタ装置の他の実施形態を説明するための構成図である。
【図６】従来の一般的な反射型ライトバルブを使用したプロジェクタ装置の構成図である。
【図７】従来の一般的な、カラーホイールとカラーホイールモータの実施形態を説明するための構成図である。
【符号の説明】
１光源
２、２ａ、２ｂカラーホイール
３カラーホイールモータ
４インテグレータ素子
４ａロッドレンズ
５コンデンサレンズ群
６凹面反射鏡
７反射型ライトバルブ
８投射レンズ
９ＴＩＲプリズム
１０光源からの光束中心軸
１１ａ、１１ｂ光源からの光束
１２光源からの光束中心軸１０の反射光の光束中心軸
１３光源からの光束１１ａの反射光束
１４光源からの光束１１ｂの反射光束
１５光源からの光束１１ａの透過光束
１６光源からの光束１１ｂの透過光束
２０回転保持部材
２１ビス
２２ダイクロイックフィルタ赤
２３ダイクロイックフィルタ緑
２４ダイクロイックフィルタ青
２５カラーホイール基材
２６拡散型黒体コーティング層
２７セラミックコーティング層
２８多層干渉蒸着膜層

Claims

光源と、該光源からの出射光を複数の特定の周波数帯域を有する光に時系列的に切換えて反射させる光分離手段と、該光分離手段を回転させる回転手段と、前記光分離手段により分離された照明光を、ライトバルブに集光させることができる結像手段とを備えたプロジェクタ装置。
前記光分離手段は、基材と、該基材上に前記光源からの入射光を反射させるために設けたフィルタ層とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ装置。
前記基材の材質が金属材質であることを特徴とする請求項２に記載のプロジェクタ装置。
前記フィルタ層は、一部の光を拡散反射し、残りの光を熱エネルギーとして吸収する前記基材表面にコーティングされた拡散型黒体コーティング層と、
前記拡散型黒体コーティング層上にコーティングされた透過性の透過層と、
特定波長の光を反射させる前記透過層上にコーティングされた反射コーティング層とを有し、
前記反射コーティング層と透過層の界面に透過層より低い屈折率の材料を配したことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のプロジェクタ装置。
前記光分離手段は略円板状をなし、その外径が、前記回転手段に対する円板状の取付け部材の外径より同等あるいは小さいことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のプロジェクタ装置。