JP2006343593A - 光学ユニット及び投影型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学インテグレータの入射面近傍で拡散される不要光の影響を防止して、カラーホイールの回転を精度良く検出することができる光学ユニット及び該光学ユニットを備える投影型画像表示装置を提供する。
【解決手段】 カラーホイール（２）の回転中心と、インデックスセンサ４の検出中心（例えば、受光面４ａの中心）と、光学インテグレータ５の光の通過中心（例えば、入射面５ａの中心）とを同一の仮想平面６０上に位置するように、インデックスセンサを配置する。ロッドインテグレータ５の入射面５ａ付近で集光されるランプ１からの白色光が、不要光としてインデックスセンサ４の受光面４ａに入射することを防止し、受光面４ａに入る不要光を最も排除する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光源からの光を光変調して投影することにより画像表示を実現する光学ユニット及び該光学ユニットを備える投影型画像表示装置に関する。

投影型画像表示装置には、画像データに基づいて光源からの光を光変調し、変調光をスクリーンの前から投影して画像表示を行うフロントプロジェクション方式を用いたプロジェクタ、及び変調光をスクリーンの後ろから投影して画像表示を行うリアプロジェクション方式を用いた高精細度テレビジョンなどがあり、光変調を行う空間光変調素子（ライトバルブ）として、ＤＭＤ（Digital Mirror Device：登録商標）を用いたＤＬＰ（Digital Light Processing：登録商標）方式のもの、液晶表示パネルを用いたものなどがある。

従来のＤＬＰ方式の投影型画像表示装置は、光源から出射した白色光を、赤色、緑色、青色のカラフィルターを配列した円盤状のカラーホイールを回転させることによって順次赤色、緑色、青色に分別（又は変換）する。分別された光は、光の分布密度を略均一にするための柱状のロッドインテグレータの入射面に入射され、ロッドインテグレータの出射面から出た赤色、緑色、青色の各光は時分割的にＤＭＤに照射される。ＤＭＤは照射される光と同色の画像データに基づいて、照射された光を変調し、変調光はレンズで拡大投影され画像のカラー表示が行われる。

カラーホイールは一定速度で回転され、カラーホイールと同軸回転可能に設けられたホイールハブの周面には、カラーホイールの回転位置を検出するためのマーカ（例えば、黒色）を設けてある。ホイールハブの周面に近接して対向配置されたインデックスセンサは、赤外線を照射し、ホイールハブからの反射光をインデックスセンサの受光面で受光してカラーホイールの回転位置を検出する。ＤＭＤの光変調は、カラーホイールの回転位置に応じて制御される。上述のようなＤＬＰ方式の投影型画像表示装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００４−３４７７１１号公報

しかしながら、特許文献１のＤＬＰ方式の投影型画像表示装置にあっては、インデックスセンサが照射する赤外光の強度は、光源から照射される白色光に比べて非常に微小であり、光源から出射した白色光は、ロッドインテグレータの入射面の近傍で集光されるため、入射面付近の白色光の強度は最も強い。また、集光された光が入射面付近で拡散する。拡散した光（不要光）が、カラーホイール又はハブなどの表面で反射され、インデックスセンサの受光面に入るため、光源からの白色光の影響を受け易く、カラーホイールの回転位置を精度良く検出することができない場合があった。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、軸回りに回転して光源から発せられた光を色分別して通過させるカラーホイールと、該カラーホイールを通過した光を入射させる光学インテグレータと、前記カラーホイールと同軸回転可能であって、前記カラーホイールの前記光学インテグレータ側に円柱状に延設されたホイールハブと、該ホイールハブの周面に対向配置され、該周面に付された印を検出する検出器とを備え、該検出器は、前記ホイールハブを間にして前記光学インテグレータと対向するように配置してあることにより、前記光学インテグレータの入射面近傍で拡散される光（不要光）の影響を防止して、前記印を精度良く検出することができる光学ユニット及び該光学ユニットを備える投影型画像表示装置を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、前記カラーホイールの回転中心と、前記検出器の検出中心と、前記光学インテグレータの光の通過中心とを同一の仮想平面上に位置させてあることにより、前記検出器に入る不要光を最も多く遮光することができる光学ユニット及び該光学ユニットを備える投影型画像表示装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、前記検出器の周囲を被う遮光部材を備えることにより、前記検出器に入る不要光をさらに少なくすることができる光学ユニット及び該光学ユニットを備える投影型画像表示装置を提供することにある。

本発明に係る光学ユニットは、軸回りに回転して光源から発せられた光を色分別して通過させるカラーホイールと、該カラーホイールを通過した光を入射面で入射し、入射した光の強度を略均一化して出射面から出射する光学インテグレータと、前記カラーホイールと同軸回転可能であって、前記カラーホイールの前記光学インテグレータ側に円柱状に延設されたホイールハブと、該ホイールハブの周面に対向配置され、該周面に付された印を検出する検出器とを備える光学ユニットにおいて、前記検出器は、前記ホイールハブを間にして前記光学インテグレータと対向するように配置してあることを特徴とする。

本発明に係る光学ユニットは、前記カラーホイールの回転中心と、前記検出器の検出中心と、前記光学インテグレータの光の通過中心とを同一の仮想平面上に位置させてあることを特徴とする。

本発明に係る光学ユニットは、前記検出器の周囲を被う遮光部材を備えることを特徴とする。

本発明に係る投影型画像表示装置は、本発明に係る光学ユニットと、該光学ユニットの光学インテグレータを通過した光で画像を表す変調光を生成する光変調素子と、該光変調素子で生成した変調光を被投射体へ投影する投影レンズとを備えることを特徴とする。

本発明にあっては、光源から発せられた光は、カラーホイールを通過し、光学インテグレータの入射面近傍で集光されて、前記光学インテグレータに入射する。該光学インテグレータの入射面近傍では、光源から発せられた光を集光するため、前記入射面近傍で拡散する光（不要光）が最も多くなる。ホイールハブの周面に付した印を検出する検出器を、前記ホイールハブを間にして前記光学インテグレータと対向するように配置することにより、不要光を前記ホイールハブで遮り、前記検出器に入る不要光を制限する。

本発明にあっては、前記カラーホイールの回転中心と、前記検出器の検出中心（例えば、受光面の中心）と、前記光学インテグレータの光の通過中心（例えば、入射面の中心）とを同一の仮想平面上に位置させることにより、前記検出器の検出中心を、ホイールハブを間にして、前記入射面の中心の正反対に位置させ、前記入射面近傍の不要光が前記検出器に入ることをさらに低減する。

本発明にあっては、前記検出器の周囲を被う遮光部材を備えることにより、前記検出器に入る不要光をさらに遮光する。

本発明にあっては、前記検出器を、前記ホイールハブを間にして前記光学インテグレータと対向するように配置することにより、光学インテグレータの入射面近傍で拡散する光（不要光）を、前記ホイールハブで遮り、前記検出器に入る不要光の影響を防止して、前記ホイールハブの周面に付した印を精度良く検出することができる。

本発明にあっては、前記カラーホイールの回転中心と、前記検出器の検出中心と、前記光学インテグレータの光の通過中心とを同一の仮想平面上に位置させることにより、前記検出器に入る不要光をさらに低減し、前記検出器に入る不要光を最も多く遮光する。

本発明にあっては、前記検出器の周囲を被う遮光部材を備えることにより、前記検出器に入る不要光をさらに少なくすることができる。

以下、本発明を実施の形態を示す図面に基づいて説明する。図１は本発明の投影型画像表示装置１００の構成を示す概略図であり、図２はインデックスセンサ４の配置を示す外観斜視図である。図において、１はランプである。ランプ１は、例えば、フィラメント型の電極構造を有するハロゲンランプ、アーク放電を発生させる電極構造を有するメタルハライドランプ、キセノンショートアークランプ、及び高圧型の水銀ランプなどであり、ランプ１の中央部に設けられた発光管１ａから出射した光（紫外光、可視光、赤外光を含み、視認上は白色光）は、例えば、硝子基材からなる楕円面又は双曲面で形成されたリフレクタ（反射鏡）１ｂで反射して、所望の方向及び領域を照射するように進行する。

光学ユニット５０は、後述するカラーホイール２、ホイールハブ３、インデックスセンサ４、ロッドインテグレータ５、コンデンサレンズ６ａ、６ｂなどを備える。カラーホイール２は、円盤状であって、ランプ１の中心軸上にランプ１に対向して回転可能に配置している。カラーホイール２の回転軸は、ランプ１の中心軸に平行に配置してあり、カラーホイール２は、回転軸を中心にして放射状に、例えば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の光を夫々透過するダイクロイックミラーで形成された３つのセグメントに分割されたフィルタを配列してある。カラーホイール２を一定速度で回転することにより、ランプ１から照射された白色光は、カラーホイール２の回転に同期して時分割的に、赤色、緑色、青色の各色の光に分別される。

カラーホイール２のランプ１と反対側には、カラーホイール２と同軸回転するホイールハブ３を円柱状に延設してある。カラーホイール２を間にして、ランプ１の中心軸上に光軸を一致させてランプ１に対向してロッドインテグレータ５を設けている。ロッドインテグレータ５は、例えば、硝子基材で柱状に形成され、一方の矩形端面（入射面５ａ）から所望の広がり角で入射した光を、硝子基材と周囲の空気との屈折率の差により、硝子基材の内側界面で全反射を繰り返した後、他方の矩形端面（出射面５ｂ）から出射面５ｂでの光の照度が略均一化された光が出射される。

ホイールハブ３の直径は、ロッドインテグレータ５の入射面５ａの縦寸法より大きく、ホイールハブ３の回転軸方向の長さは、カラーホイール２とロッドインテグレータ５の入射面５ａとの離隔寸法より大きい。ホイールハブ３は、カラーホイール駆動部１１（例えば、交流モータを含む）から出力される駆動力により、例えば、１秒間に６０回の割合で回転する。

ホイールハブ３の外周面は、例えば、銀色に施され、銀色の外周面の一部には、カラーホイール２の回転位置を検出するための、例えば、黒色のマーカ３ａを設けている。ホイールハブ３の外周面に近接して、カラーホイール２の回転位置を検出するための受光面４ａを有するインデックスセンサ４が、図示しないシャーシ（又は台座など）に立設された取付け板１３に取り付けてある。インデックスセンサ４は、ホイールハブ３を間にしてロッドインテグレータ５と対向するように配置してある。より具体的には、カラーホイール２の回転中心Ｏと、インデックスセンサ４の検出中心（例えば、受光面４ａの中心）と、光学インテグレータ５の光の通過中心（例えば、入射面５ａの中心）とを同一の仮想平面６０上に位置してある。

インデックスセンサ４は、一定速度で回転するホイールハブ３の円周面に対して図示しない発光部から赤外線を照射し、ホイールハブ３の円周面で反射された赤外線を受光面４ａで受光することによりカラーホイール２の回転位置（すなわち、カラーホイール２の配列されたＲＧＢのフィルタがランプ１からの白色光を分別するタイミング）を検出する。すなわち、前記発光部から照射した赤外線がマーカ３ａに照射された場合には、反射光がなくなり、これによりマーカ３ａの位置が検出され、カラーホイール２の回転位置も検出される。インデックスセンサ４は、検出結果を制御部１０へ出力する。

ロッドインテグレータ５の出射面５ｂに対向して光軸を一致させてコンデンサレンズ６ａ、６ｂを配置し、前記光軸が中心になるようにミラー７を配置している。ロッドインテグレータ５の出射面５ｂから出射した光（赤色、緑色、青色の各色の光）は、コンデンサレンズ６ａ、６ｂを通して、ミラー７に入射し、ミラー７で反射した光はＤＭＤ８に入射する。

ＤＭＤ８は、解像度（例えば、ＸＧＡでは１０２４×７６８画素）に対応して数十万個の微小のミラーを照射面に配列してあり、ＤＭＤ８に入力されるデジタルデータに基づいて、各ミラーの角度を±１０°程度の二方向に変化させ、一方向のとき（ＯＮ時）に反射する光で画像を形成するようにしている。

上述の通り、カラーホイール２の回転に応じて、ＤＭＤ８には、順次赤色、緑色、青色の光が照射される。例えば、赤色の光が照射される場合、赤色の階調度に応じて重み付けられた画像データをＤＭＤ８に入力し、入力された画像データの重み付けに応じて、各ミラーのＯＮ時間をパルス変調（ＰＷＭ）して調節することにより、所望の階調度で赤色の画面を構成する。緑色の光、青色の光についても、同様に各ビットに対応する重み付けにより時分割することにより、各色の画面を順次構成する。

ＤＭＤ８で反射（変調）された光は、投影レンズ９を通してスクリーン（不図示）上に投影され、画像を形成する。人は、時分割して表示される赤色、緑色、青色の各光を残像現象として認識するため、赤色、緑色、青色の時分割によるチラツキは認識できず、カラー映像として認識する。

制御部１０は、投影型画像表示装置１００のＯＮ・ＯＦＦ操作に応じて、ＯＮ・ＯＦＦ信号をランプ駆動部１２へ出力し、ランプ駆動部１２は、入力されたＯＮ・ＯＦＦ信号に基づいて、ランプ１を点灯又は消灯する。また、制御部１０は、インデックスセンサ４から入力されたカラーホイール２の回転位置の検出結果と、ＤＭＤ８から入力される同期信号に基づいて、カラーホイール２の回転制御するための位相回転制御信号をカラーホイール駆動部１１へ出力し、これにより、ＤＭＤ８の動作に同期してカラーホイール２の回転を制御する。

図３は回転軸方向から見たインデックスセンサ４の配置を示す配置図であり、図４は取付け板１３の立設方向から見たインデックスセンサ４の配置を示す配置図である。なお、図３において、簡単のためカラーホイール２は破線で示す。図３に示すように、ロッドインテグレータ５の入射面５ａの中心と、インデックスセンサ４の受光面４ａの中心と、カラーホイール２の回転中心とは、同一の仮想平面６０上に位置してある。

ランプ１から出射した白色光は、ロッドインテグレータ５の入射面５ａの近傍で集光されるため、入射面５ａ付近の白色光の強度は最も強い。また、集光された光が入射面５ａ付近で拡散する。拡散した光（不要光）が、カラーホイール２又はホイールハブ３などの表面で反射された場合であっても、インデックスセンサ４の受光面４ａは、ホイールハブ３の回転中心を挟んでロッドインテグレータ５の入射面５ａと正反対側に配置してあるため、不要光を最も多く排除することができ、不要光の影響を最小限にすることが可能となる。

また、図に示すように、ホイールハブ３の直径Ｒは、ロッドインテグレータ５の入射面５ａの縦寸法Ｌより大きく（Ｒ＞Ｌ）、ホイールハブ３の回転軸方向の長さｄ２は、カラーホイール２とロッドインテグレータ５の入射面５ａとの離隔寸法ｄ１より大きい（ｄ２＞ｄ１）。これにより、ロッドインテグレータ５の入射面５ａ付近で拡散した不要光は、ホイールハブ３により遮蔽され、インデックスセンサ４の受光面４ａに不要光が入射することを防止する。

すなわち、ホイールハブ３の直径Ｒをロッドインテグレータ５の入射面５ａの縦寸法Ｌより大きくするのに応じて、ホイールハブ３で遮蔽される不要光の量が多くなり、不要光の影響を少なくすることができる。一方、ホイールハブ３の直径Ｒをロッドインテグレータ５の入射面５ａの対角寸法Ｌに近づけるのに応じて、ホイールハブ３で遮蔽される不要光の量が少なくなり、インデックスセンサ４の受光面４ａに不要光が入りやすくなる。

また、ホイールハブ３の回転軸方向の長さｄ２を、カラーホイール２とロッドインテグレータ５の入射面５ａとの離隔寸法ｄ１より大きくするのに応じて、ホイールハブ３で遮蔽される不要光の量が多くなり、不要光の影響を少なくすることができる。一方、ホイールハブ３の回転軸方向の長さｄ２を、カラーホイール２とロッドインテグレータ５の入射面５ａとの離隔寸法ｄ１に近づけるのに応じて、ホイールハブ３で遮蔽される不要光の量が少なくなり、インデックスセンサ４の受光面４ａに不要光が回り込みやすくなる。

カラーホイール２の回転中心Ｏと、インデックスセンサ４の検出中心（例えば、受光面４ａの中心）と、光学インテグレータ５の光の通過中心（例えば、入射面５ａの中心）とを同一の仮想平面６０上に位置するように配置することが、不要光を遮光する点で最も好ましいが、投影型画像表示装置を構成する部品の配置上の制約などにより、インデックスセンサ４の受光面４ａの中心の位置を変えることも可能である。

図５はインデックスセンサ４の配置の変形例を示す配置図である。図に示すように、カラーホイール２の回転中心Ｏと、インデックスセンサ４の検出中心（例えば、受光面４ａの中心）と、光学インテグレータ５の光の通過中心（例えば、入射面５ａの中心）とを同一の仮想平面上に配置していないものの、インデックスセンサ４は、ホイールハブ３を間にしてロッドインテグレータ５と対向するように配置してある。これにより、不要光の影響を少なくしつつ、投影型画像表示装置を構成する部品の配置自由度を向上することもできる。

さらに不要光がインデックスセンサ４の受光面４ａに入らないように遮光部材を設けることもできる。図６はインデックスセンサ４の受光面４ａ近傍の遮光板の例を示す配置図であり、図７はインデックスセンサ４の受光面４ａ近傍の遮光筒の例を示す配置図である。図６（ａ）は回転軸方向から見た配置を示し、図６（ｂ）は、図６（ａ）で受光面４ａ側から見た配置を示す。また、同様に図７（ａ）は回転軸方向から見た配置を示し、図７（ｂ）は、図７（ａ）で受光面４ａ側から見た配置を示す。

図６において、１４は遮光板である。遮光板１４、１４は、板状の基体１４ａの一端に、適幅適高の直方体状の端板１４ｂを有し、端板１４ｂ、１４ｂを、インデックスセンサ４を間にして適宜の離隔寸法を有して、取付け板１３上に対設してある。基体１４ａの他端には、端板１４ｂと同一方向に、板状の側板１４ｃを延設してある。端板１４ｂ、１４ｂの端部は、ホイールハブ３の周面に近接して設けてあり、ホイールハブ３と端板１４ｂ、１４ｂとの間隙を通過する不要光を遮光する。ロッドインテグレータ５の入射面５ａ付近で拡散した不要光は、ホイールハブ３の上側及び下側の空間からホイールハブ３の反対側（ロッドインテグレータ５から見てホイールハブ３の裏側）に回りこむ。この場合であっても、遮光板１４、１４は、不要光が受光面４ａに入り込むことを防止する。

図７において、１５は遮光筒である。遮光筒１５は、適径適高の輪状であって、取付け板１３上に、インデックスセンサ４の回りに周設してある。遮光筒１５の端部は、ホイールハブ３の周面に近接して設けてあり、ホイールハブ３と遮光筒１５との間隙を通過する不要光を遮光する。ロッドインテグレータ５の入射面５ａ付近で拡散した不要光は、ホイールハブ３の上側、下側、側面（カラーホイール２に対向する端面）などの空間からホイールハブ３の反対側（ロッドインテグレータ５から見てホイールハブ３の裏側）に回りこむ。この場合であっても、遮光筒１５は、不要光が受光面４ａに入り込むことを防止する。

以上説明したように、本発明にあっては、カラーホイール２の回転中心Ｏと、インデックスセンサ４の検出中心（例えば、受光面４ａの中心）と、光学インテグレータ５の光の通過中心（例えば、入射面５ａの中心）とを同一の仮想平面６０上に位置するように、インデクッスセンサを配置することにより、ロッドインテグレータ５の入射面５ａ付近で集光されるランプ１からの白色光が、不要光としてインデックスセンサ４の受光面４ａに入射することを防止でき、受光面４ａに入る不要光を最も排除することが可能になる。

本発明の投影型画像表示装置は、フロントプロジェクション方式又はリアプロジェクション方式のいずれにも適用可能であることはいうまでもない。

上述の実施の形態において、遮光板１４、遮光筒１５の形状、配置は一例であって、これに限定されるものではない。例えば、インデックスセンサ４の回りに矩形状に遮蔽板を周設してもよい。また、遮蔽板の高さ方向の端部は、ホイールハブ３の外周面に近接させるほど、不要光を多く遮蔽することが可能である。

上述の実施の形態においては、ロッドインテグレータ５の入射面５ａの２つの平行する辺が、仮想平面の平行になるようにロッドインテグレータ５を配置しているが、ロッドインテグレータ５の配置はこれに限定されるものではない。例えば、入射面５ａの１つの対角線が仮想平面に平行になるように配置してあってもよい。この場合は、ホイールハブ３の直径Ｒは、ロッドインテグレータ５の入射面５ａの対角寸法より大きくすればよい。

本発明の投影型画像表示装置の構成を示す概略図である。 インデックスセンサの配置を示す外観斜視図である。 回転軸方向から見たインデックスセンサの配置を示す配置図である。 取付け板の立設方向から見たインデックスセンサの配置を示す配置図である。 インデックスセンサの配置の変形例を示す配置図である。 インデックスセンサの受光面近傍の遮光板の例を示す配置図である。 インデックスセンサの受光面近傍の遮光筒の例を示す配置図である。

符号の説明

１ ランプ
２ カラーホイール
３ ホイールハブ
３ａ マーカ
４ インデックスセンサ
４ａ 受光面
５ ロッドインテグレータ
５ａ 入射面
１３ 取付け板
１４ 遮光板
１４ａ 基体
１４ｂ 端板
１４ｃ 側板
１５ 遮光筒
５０ 光学ユニット
６０ 仮想平面

Claims (4)

1. 軸回りに回転して光源から発せられた光を色分別して通過させるカラーホイールと、該カラーホイールを通過した光を入射面で入射し、入射した光の強度を略均一化して出射面から出射する光学インテグレータと、前記カラーホイールと同軸回転可能であって、前記カラーホイールの前記光学インテグレータ側に円柱状に延設されたホイールハブと、該ホイールハブの周面に対向配置され、該周面に付された印を検出する検出器とを備える光学ユニットにおいて、
   前記検出器は、前記ホイールハブを間にして前記光学インテグレータと対向するように配置してあることを特徴とする光学ユニット。
2. 前記カラーホイールの回転中心と、前記検出器の検出中心と、前記光学インテグレータの光の通過中心とを同一の仮想平面上に位置させてあることを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
3. 前記検出器の周囲を被う遮光部材を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光学ユニット。
4. 前記請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の光学ユニットと、
   該光学ユニットの光学インテグレータを通過した光で画像を表す変調光を生成する光変調素子と、
   該光変調素子で生成した変調光を被投射体へ投影する投影レンズと
   を備えることを特徴とする投影型画像表示装置。

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