JP2006330154A - 照明光学系およびプロジェクタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】絞り機構の長寿命化と低消費電力とを実現する。
【解決手段】照明光学系は、複数のＬＥＤを２次元的に配置したＬＥＤアレイ１，３，５と、このＬＥＤアレイ１，３，５からの光束を均一化するレンズ光学系２，４，６，８，９〜１１と、ＬＥＤアレイ１，３，５の各ＬＥＤの点灯／非点灯を所望の光コントラストに応じて制御するＬＥＤ制御部１５とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば液晶パネルやＤＭＤなどの対象物を照明する照明光学系、およびこの照明光学系を用いたプロジェクタ装置に関するものである。

従来のプロジェクタ装置の構成を図５に示す。従来のプロジェクタ装置は、例えば特許文献１、特許文献２に開示されている。従来のプロジェクタ装置は、発光管１０１と、リフレクタ１０２と、紫外線／赤外線カットフィルタ１０３と、レンズアレイ１０４，１０５と、絞り１０６と、偏光ビームスプリッタ及び偏光変換素子１０７と、レンズ１０８と、Ｒ−ダイクロイックミラー１０９と、ミラー１１０と、レンズ１１１と、Ｒ−ＬＣＤ（液晶パネル）１１２と、Ｇ−ダイクロイックミラー１１３と、レンズ１１４と、Ｇ−ＬＣＤ１１５と、ミラー１１６と、Ｂ−リレイレンズ１１７と、ミラー１１８と、レンズ１１９と、Ｂ−入射側偏光板１２０と、Ｂ−ＬＣＤ１２１と、Ｂ−射出側偏光板１２２と、Ｘ−ダイクロイックプリズム１２３と、投射レンズ１２４とを有する。

発光管１０１から放射された光は、リフレクタ１０２で反射され、紫外線／赤外線カットフィルタ１０３に入射し、紫外線と赤外線が除去される。なお、リフレクタ１０２は、発光管１０１から放射された光のうち赤外線を透過させる機能を有する。レンズアレイ１０４は、紫外線／赤外線カットフィルタ１０３を出射した光をレンズアレイ１０５に集光させる。レンズアレイ１０５を出射した光は、絞り１０６の開口部を通過して偏光ビームスプリッタ及び偏光変換素子１０７に入射する。偏光ビームスプリッタ及び偏光変換素子１０７は、出射光の偏光面を一定方向に揃えるものである。偏光ビームスプリッタ及び偏光変換素子１０７を出射した光は、レンズ１０８を通過してＲ−ダイクロイックミラー１０９に入射する。

Ｒ−ダイクロイックミラー１０９は、レンズ１０８の出射光のうち赤色光のみを反射させ、その他の色光を透過させる。Ｒ−ダイクロイックミラー１０９によって反射された赤色光は、ミラー１１０によって反射され、レンズ１１１を通過してＲ−ＬＣＤ１１２に入射する。一方、Ｇ−ダイクロイックミラー１１３は、Ｒ−ダイクロイックミラー１０９を透過した光のうち緑色光のみを反射させ、その他の色光、すなわち青色光を透過させる。Ｇ−ダイクロイックミラー１１３によって反射された緑色光は、レンズ１１４を通過してＧ−ＬＣＤ１１５に入射する。Ｇ−ダイクロイックミラー１１３を透過した青色光は、ミラー１１６によって反射され、Ｂ−リレイレンズ１１７を通過して、ミラー１１８によって反射される。さらに、ミラー１１８によって反射された光は、レンズ１１９とＢ−入射側偏光板１２０とを通過してＢ−ＬＣＤ１２１に入射する。

外部から入力されたＲ，Ｇ，Ｂの入力映像信号を受け取った駆動回路（不図示）は、これらをＲ，Ｇ，Ｂの液晶駆動信号に変換して、Ｒ−ＬＣＤ１１２、Ｇ−ＬＣＤ１１５、Ｂ−ＬＣＤ１２１にそれぞれ出力する。これにより、Ｒ−ＬＣＤ１１２には、入力画像のうちＲ成分に関する画像が表示され、Ｇ−ＬＣＤ１１５には、入力画像のうちＧ成分に関する画像が表示され、Ｂ−ＬＣＤ１２１には、入力画像のうちＢ成分に関する画像が表示される。こうして、ＬＣＤ１１２，１１５，１２１に入射した赤色光、緑色光、青色光は、入力映像信号に応じて変調される。Ｂ−ＬＣＤ１２１を透過した青色光は、Ｂ−射出側偏光板１２２を通過する。次に、Ｘ−ダイクロイックプリズム１２３は、Ｒ−ＬＣＤ１１２を透過した赤色光とＧ−ＬＣＤ１１５を透過した緑色光とＢ−射出側偏光板１２２を透過した青色光とを合成する。最後に、Ｘ−ダイクロイックプリズム１２３によって合成された光は、投射レンズ１２４によって図示しないスクリーンに投射される。

特開平１１−０３２２７８号公報 特開２００１−２２８５６９号公報

図５に示したプロジェクタ装置では、絞り１０６の大きさを変化させることで、投射映像のコントラストと明るさを変化させるようにしている。
しかしながら、従来のプロジェクタ装置では、絞り１０６の寿命が短いという問題点があった。その理由は、（１）熱的負荷が大きいので、絞り１０６が熱変形し、その結果、絞り１０６の寿命が短くなったり、絞れる量にある限度が発生したりするためと、（２）絞り１０６を駆動するためにモータが必要であり、このモータの寿命が高熱のために短くなるためと、（３）絞り１０６が複数枚の絞り羽根から構成されており、絞り羽根同士が摺動するためである。また、従来のプロジェクタ装置では、冷却のためのファン等が必要となり、コストやスペース的に不利になるという問題点があった。
また、従来のプロジェクタ装置では、絞り１０６の大きさを変化させてＦ値を大きくし、投射映像のコントラストを上げた場合、投射映像の明るさが低下するが、明るさが低下したにも拘わらず、消費電力は下がらないという問題点があった。その理由は、明るさの低下が絞り１０６による光量の低下に起因し、発光管１０１の光量は変化しないからである。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、絞り機構の長寿命化と低消費電力とを実現することができる照明光学系およびプロジェクタ装置を提供することを目的とする。

本発明の照明光学系は、複数の発光素子を２次元的に配置した発光素子アレイと、この発光素子アレイの各発光素子の点灯／非点灯を所望の光コントラストに応じて制御する制御部とを有するものである。
また、本発明の照明光学系の１構成例において、前記制御部は、前記発光素子アレイを部分的に点灯させる場合に、前記発光素子アレイを全点灯させる場合よりも消費電力が低い範囲内で、点灯させる発光素子の明るさを増大させるものである。

また、本発明のプロジェクタ装置は、前記照明光学系と、この照明光学系からの光を入力映像信号に応じて変調する変調部と、この変調部で変調された光を投射する投射レンズとを有するものである。
また、本発明のプロジェクタ装置の１構成例において、前記照明光学系の制御部は、前記入力映像信号に応じて前記発光素子アレイの各発光素子の点灯／非点灯を制御するものである。
また、本発明のプロジェクタ装置の１構成例において、前記照明光学系の制御部は、前記投射レンズの絞りによるコントラスト調整と前記発光素子アレイによるコントラスト調整とを連動させるものである。

本発明によれば、発光素子アレイの各発光素子の点灯／非点灯を制御することにより、機械的な絞りで絞ったのと同じ状態を実現し、光コントラストを上げることができる。本発明では、機械的な絞りを使用しないため、絞り機構の長寿命化を実現することができる。また、絞り動作時の音がなく、絞りの応答速度も機械的な絞りに比べて非常に速くすることができる。また、本発明では、光コントラストを上げると同時に、消費電力を低減することができ、冷却負荷を低減することができる。

また、本発明では、発光素子アレイを部分的に点灯させる場合に、発光素子アレイを全点灯させる場合よりも消費電力が低い範囲内で、点灯させる発光素子の明るさを増大させることにより、最大照度の低下を抑えつつ、コントラストを上げることができる。

また、本発明では、照明光学系をプロジェクタ装置に用いる場合に、入力映像信号に応じて発光素子アレイの各発光素子の点灯／非点灯を制御することにより、映像シーンに応じたコントラストの最適化を実現することができ、非常に暗い映像シーンでの画質を向上させることができる。

また、本発明では、照明光学系をプロジェクタ装置に用いる場合に、投射レンズの絞りによるコントラスト調整と発光素子アレイによるコントラスト調整とを連動させることにより、コントラストを更に向上させることができ、ダイナミックレンジの幅を更に広げることができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明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の実施の形態となるプロジェクタ装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態のプロジェクタ装置は、Ｒ−ＬＥＤ（発光ダイオード）アレイ１と、レンズアレイ２と、Ｇ−ＬＥＤアレイ３と、レンズアレイ４と、Ｂ−ＬＥＤアレイ５と、レンズアレイ６と、Ｘ−ダイクロイックプリズム７と、レンズアレイ８と、レンズ９，１０，１１と、全反射プリズム１２と、ＤＭＤ（商標）１３と、投射レンズ１４と、ＬＥＤアレイ１，３，５の点灯／非点灯を制御するＬＥＤ制御部１５とを有する。レンズアレイ２，４，６，８とレンズ９〜１１とは、ＬＥＤアレイ１，３，５からの光束を均一化するレンズ光学系を構成し、全反射プリズム１２とＤＭＤ１３とは、入力映像信号に応じて光を変調する変調部を構成している。

以下、本実施の形態のプロジェクタ装置の動作を説明する。本実施の形態では、発光素子の集合体を光源としている。Ｒ−ＬＥＤアレイ１は、発光素子である赤色ＬＥＤを２次元的に配置し、Ｇ−ＬＥＤアレイ３は、緑色ＬＥＤを２次元的に配置し、Ｂ−ＬＥＤアレイ５は、青色ＬＥＤを２次元的に配置したものである。Ｒ−ＬＥＤアレイ１の１個のＬＥＤは、レンズアレイ２の１個のレンズセル及びレンズアレイ８の１個のレンズセルと対応している。同様に、Ｇ−ＬＥＤアレイ３の１個のＬＥＤは、レンズアレイ４の１個のレンズセル及びレンズアレイ８の１個のレンズセルと対応し、Ｂ−ＬＥＤアレイ５の１個のＬＥＤは、レンズアレイ６の１個のレンズセル及びレンズアレイ８の１個のレンズセルと対応している。

Ｘ−ダイクロイックプリズム７は、４つの直角プリズムを貼り合わせ、その貼り合わせ面にダイクロイック層を形成したものである。レンズアレイ２の各レンズセルは、Ｒ−ＬＥＤアレイ１の対応する赤色ＬＥＤから発せられた赤色光がＸ−ダイクロイックプリズム７によって反射された上で、レンズアレイ８の対応するレンズセルに入射するよう、赤色光を集光させる。レンズアレイ４の各レンズセルは、Ｇ−ＬＥＤアレイ３の対応する緑色ＬＥＤから発せられた緑色光がＸ−ダイクロイックプリズム７を通過した上で、レンズアレイ８の対応するレンズセルに入射するよう、緑色光を集光させる。レンズアレイ５の各レンズセルは、Ｂ−ＬＥＤアレイ５の対応する青色ＬＥＤから発せられた青色光がＸ−ダイクロイックプリズム７によって反射された上でレンズアレイ８の対応するレンズセルに入射するよう、青色光を集光させる。

こうして、Ｒ−ＬＥＤアレイ１、Ｇ−ＬＥＤアレイ３、Ｂ−ＬＥＤアレイ５から発せられた赤色光の光束、緑色光の光束、青色光の光束は、それぞれレンズアレイ２，４，６で集光されつつ、Ｘ−ダイクロイックプリズム７によって一軸に合成される。これらの合成された光束は、レンズアレイ８により集光され、レンズ９〜１１によってテレセントリックな光（光軸と平行な光）に変換される。レンズ１１を出射した光は、全反射プリズム１２によって反射され、ＤＭＤ１３に入射する。

ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）１３は、ミクロンサイズの微小なマイクロミラーを２次元的に例えば数十万個配置したものであり、各マイクロミラーの傾きを変化させることで光の出射方向を変化させる役割を有する。マイクロミラーがオン状態の角度のときは、このマイクロミラーで反射した光束が全反射プリズム１２を透過して投射レンズ１４に入射し、投射レンズ１４によって図示しないスクリーンに投影される。すなわち、マイクロミラーに対応する画素が明るくなる。一方、マイクロミラーがオフ状態の角度のときは、このマイクロミラーで反射した光束は投射レンズ１４には入射せず、所定の光吸収部（不図示）に入射して吸収される。したがって、マイクロミラーに対応する画素が暗くなる

ＤＭＤ１３は、このような光のオン／オフを入力映像信号に応じてマイクロミラー毎に高速に行う。ＤＭＤ１３の出射光は、オン／オフのパルス光であるが、パルス幅が極めて短いために、スクリーンに投影された映像を見る人の目には、パルス光を積分した結果が認識される。こうして、時空間的な光の積分により明るさや色の階調を表現し、スクリーン上に映像を投影する。

本実施の形態は、以上のようなプロジェクタ装置において、従来の絞りと同様の機能を実現するために、ＬＥＤ制御部１５を備えている。図２（ａ）、図２（ｂ）はＲ−ＬＥＤアレイ１をレンズアレイ２側から見た平面図であり、図２（ａ）は赤色ＬＥＤが全点灯している状態を示し、図２（ｂ）は赤色ＬＥＤが部分点灯している状態を示している。図２（ａ）、図２（ｂ）において、Ｌは点灯しているＬＥＤを示し、Ｎは消灯しているＬＥＤを示している。

ＬＥＤ制御部１５は、通常、Ｒ−ＬＥＤアレイ１、Ｇ−ＬＥＤアレイ３及びＢ−ＬＥＤアレイ５の各ＬＥＤを図２（ａ）に示すように全点灯させているが、ユーザの要求に応じて映像のコントラストを上げる場合には、図２（ｂ）に示すようにＬＥＤアレイ１，３，５のそれぞれの周辺部のＬＥＤを消灯させ、中央部のＬＥＤのみ点灯させる。このＬＥＤアレイの中央部のみを点灯させた状態は、図５に示したプロジェクタ装置において絞り１０６を絞った状態と等価である。

こうして、本実施の形態では、ＬＥＤアレイのうち一部のＬＥＤを消灯させることにより、機械的な絞りで絞ったのと同じ状態を実現し、光源の瞳の大きさを小さくすることでＦ値を大きくし、映像のコントラストを上げることができる。コントラストを任意の値に変化させるには、コントラストとＬＥＤアレイ１，３，５の点灯状態との関係を予めＬＥＤ制御部１５に設定しておく。そして、この設定された関係に従って、ＬＥＤ制御部１５が、要求されたコントラストになるようにＬＥＤアレイ１，３，５の各ＬＥＤの点灯／非点灯を制御すればよい。

図３は本実施の形態のプロジェクタ装置の効果を説明するための図であり、図３（ａ）はＬＥＤアレイの点灯状態の変化による照度及びコントラストの変化を示す図、図３（ｂ）は消費電力の変化を示す図、図３（ｃ）は冷却負荷の変化を示す図である。図３（ａ）〜図３（ｃ）において、ＡはＬＥＤアレイ１，３，５の各ＬＥＤを全点灯させた場合を示し、ＢはＬＥＤを部分点灯させた場合を示している。

本実施の形態では、機械的な絞りを使用しないため、絞り機構の長寿命化を実現することができる。また、絞り羽根同士が摺れることがないので、絞り動作時の音がなく、絞りの応答速度も機械的な絞りに比べて非常に速くすることができる。
また、図３（ｂ）に示すように、全点灯時の消費電力を１００とすると、コントラストを上げた場合（Ａ→Ｂに変化させた場合）には、ＬＥＤ制御部１５からＬＥＤアレイ１，３，５に供給する電力を減らすことができるので、消費電力を例えば半分の５０に減らすことができ、省エネルギーを実現することができる。
また、ＬＥＤアレイ１，３，５には、必要に応じてヒートシンクや電動ファン、ペルチエ素子などの冷却ユニット（不図示）が設けられる。本実施の形態では、図３（ｃ）に示すように、全点灯時の冷却負荷を１とすると、コントラストを上げた場合には、冷却負荷を例えば半分の０．５に減らすことができる。

［第２の実施の形態］
第１の実施の形態によれば、ＬＥＤアレイの点灯状態を変化させることで映像のコントラストを上げることができるが、コントラストを上げると、明るさが低下してしまうという問題がある。例えば図３（ａ）に示した例では、全点灯時の照度を１００とすると、コントラストを上げた場合には、照度が例えば半分の５０に低下する。本実施の形態は、このような問題を解消することを目的とするものである。本実施の形態においても、プロジェクタ装置の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１の符号を用いて説明する。

本実施の形態におけるＬＥＤ制御部１５は、ユーザの要求に応じて映像のコントラストを上げる場合、第１の実施の形態と同様にＬＥＤアレイ１，３，５のそれぞれの周辺部のＬＥＤを消灯させ、中央部のＬＥＤのみ点灯させる。このとき、冷却性能は同じままで周辺部のＬＥＤを消灯させると、ＬＥＤ１個に対する冷却性能が相対的に向上する。したがって、１個のＬＥＤに投入する電力を全点灯時よりも大きくすることが可能となる。そこで、本実施の形態のＬＥＤ制御部１５は、中央部のＬＥＤのみ点灯させたとき、全点灯時の消費電力よりも消費電力が低い範囲内で、中央部のＬＥＤの明るさを増大させる。つまり、本実施の形態では、ＬＥＤアレイ１，３，５の周辺部のＬＥＤを消灯させることで不要になった電力を中央部のＬＥＤに投入する。これにより、第１の実施の形態の部分点灯時に比べて、コントラスト（ダイナミックレンジ）をそのままにして最大照度を上げることができる。

図４は本実施の形態のプロジェクタ装置の効果を説明するための図であり、図４（ａ）はＬＥＤアレイの点灯状態の変化による照度及びコントラストの変化を示す図、図４（ｂ）は消費電力の変化を示す図、図４（ｃ）は冷却負荷の変化を示す図である。図４（ａ）〜図４（ｃ）において、ＡはＬＥＤアレイ１，３，５の各ＬＥＤを全点灯させた場合を示し、ＣはＬＥＤを部分点灯させた場合を示している。

図４（ａ）に示すように、全点灯時の最大照度１００に対して、コントラストを上げた場合（Ａ→Ｃに変化させた場合）の最大照度は例えば７５となり、第１の実施の形態に比べて最大照度を上げることができる。また、図４（ｂ）に示すように、コントラストを上げた場合の消費電力は例えば７５となり、第１の実施の形態の部分点灯時の消費電力５０に比べて増大するが、全点灯時の消費電力１００よりも低い値を実現することができる。また、図４（ｃ）に示すように、コントラストを上げた場合の冷却負荷は例えば０．７５となり、第１の実施の形態の部分点灯時の冷却負荷０．５に比べて増大するが、全点灯時の冷却負荷１よりも低い値を実現することができる。

［第３の実施の形態］
第１、第２の実施の形態では、ユーザの要求に応じてＬＥＤアレイの点灯状態を変化させているが、入力映像信号のゲインに応じてＬＥＤアレイの点灯状態を変化させ、コントラストを調整するようにしてもよい。すなわち、例えば入力映像信号のレベルが低い場合は、明るさを下げると同時にコントラストを上げ、入力映像信号のレベルが高い場合は、明るさを上げると同時にコントラストを下げることにより、映像シーンに応じたコントラストの最適化を実現することができ、非常に暗い映像シーンでの画質を向上させることができる。

［第４の実施の形態］
プロジェクタ装置の投射レンズ１４には機械的な絞り機構が設けられている場合があり、この絞り機構により映像のコントラストを調整することができるが、この絞り機構によるコントラスト調整と第１〜第３の実施の形態で説明したＬＥＤアレイによるコントラスト調整とを連動させるようにしてもよい。例えば、ＬＥＤ制御部１５は、投射レンズ１４の絞りがコントラストを上げる方向に動き、投射レンズ１４の瞳が小さくなった場合には、ＬＥＤアレイ１，３，５も、投射レンズ１４の瞳に入りきれる大きさになるような点灯状態に制御する。これにより、電力を無駄に使うことなく、コントラストを更に向上させることができ、映像のダイナミックレンジの幅を更に広げることができる。

本発明は、照明光学系とこれを用いたプロジェクタ装置に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態となるプロジェクタ装置の構成を示すブロック図である。 図１のプロジェクタ装置におけるＬＥＤアレイの平面図である。 図１のプロジェクタ装置の効果を説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態の効果を説明するための図である。 従来のプロジェクタ装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１…Ｒ−ＬＥＤアレイ、２、４、６、８…レンズアレイ、３…Ｇ−ＬＥＤアレイ、５…Ｂ−ＬＥＤアレイ、７…Ｘ−ダイクロイックプリズム、９、１０、１１…レンズ、１２…全反射プリズム、１３…ＤＭＤ、１４…投射レンズ、１５…ＬＥＤ制御部。

Claims (5)

1. 複数の発光素子を２次元的に配置した発光素子アレイと、
   この発光素子アレイの各発光素子の点灯／非点灯を所望の光コントラストに応じて制御する制御部とを有することを特徴とする照明光学系。
2. 請求項１記載の照明光学系において、
   前記制御部は、前記発光素子アレイを部分的に点灯させる場合に、前記発光素子アレイを全点灯させる場合よりも消費電力が低い範囲内で、点灯させる発光素子の明るさを増大させることを特徴とする照明光学系。
3. 請求項１又は２記載の照明光学系と、
   この照明光学系からの光を入力映像信号に応じて変調する変調部と、
   この変調部で変調された光を投射する投射レンズとを有することを特徴とするプロジェクタ装置。
4. 請求項３記載のプロジェクタ装置において、
   前記照明光学系の制御部は、前記入力映像信号に応じて前記発光素子アレイの各発光素子の点灯／非点灯を制御することを特徴とするプロジェクタ装置。
5. 請求項３又は４記載のプロジェクタ装置において、
   前記照明光学系の制御部は、前記投射レンズの絞りによるコントラスト調整と前記発光素子アレイによるコントラスト調整とを連動させることを特徴とするプロジェクタ装置。
   

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