JP2008281811A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤを光源にした場合でも明るい画像を表示することが可能で、光学システムの大きさを低減し小型化した画像表示装置を提供する。
【解決手段】光変調素子の表示領域は長辺と短辺とを有する矩形であり、光源の発光領域は長辺と短辺とを有する矩形であり、発光領域からの光が照明する領域の長辺と、光変調素子の表示領域の長辺とがなす角度の劣角が０度以上９０度未満となるように光変調素子を照明し、光学部品は光源の発光面と特定の角度を有するように回転する回転軸を備え、回転軸と光源の発光領域の長辺とがなす角度の劣角が０度以上９０度未満となるように配置する。
【選択図】図６

Description

本発明は、画像表示装置、より詳細には、光源から出射した光を入力映像信号に応じて変調して画像表示を行う画像表示装置に関する。

従来、フロントプロジェクタに代表される投射型の画像表示装置の光源としては、キセノンランプや超高圧水銀ランプなどが使用されてきた。これら光源からの光を、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）や液晶パネルなどの光変調素子によって入力映像信号に応じて変調し、投影レンズにより拡大表示を行っている。
液晶パネルを３枚使った画像表示装置では、白色光源であるランプからの光を画像表示の原色である赤色、緑色、青色の３色に分離する必要がある。一般的な分離方法としてはダイクロイックミラーを使った方法が知られている。例えば、特許文献１に示すような方法である。また、３枚の液晶パネルを変調され透過した光は、ダイクロイックミラーなどにより再度１つの光路に合成される。

近年では、別の光源としてＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を使った画像表示装置が開発されている。特定の光を発するＬＥＤの発光波長スペクトルは急峻な特性を有しており、表示に使用する光の色純度を高めることができ、表示画像の原色にＬＥＤの発光色を適用することで、色再現範囲を拡大した高画質な画像表示装置を得ることができる。また、ＬＥＤには水銀が含まれていないため環境性能が高く、発光応答特性が高速であるため、瞬時点灯および瞬時消灯が可能であり、従来のランプに比べ長寿命であるなど、ＬＥＤを光源に用いることで多くの利点を得ることができる。ＬＥＤを光源に用いた画像表示装置としては、例えば、特許文献２がある。赤色、緑色、青色の光を順次発光し、それぞれの光を偏向することで画像表示を行う。
特開平５−２７３４３号公報 特開平１１−３２２７８号公報

しかしながら、印加可能な電力が小さく、発光効率が低いことからＬＥＤから出力される全光束量は超高圧水銀ランプなどに比べ小さくなっている。また、超高圧水銀ランプは点光源とみなすことができるが、ＬＥＤは面光源に近く出射光のうち画像表示に利用できる光の割合が小さくなってしまう。したがって、ＬＥＤを光源に用いた画像表示装置では表示される画像が暗くなってしまうという課題がある。
また、ＬＥＤの発光効率が低いことから発生する熱量も大きくなり、十分な放熱をする必要が有るため、ＬＥＤ光源を備えた画像表示装置では、装置が大きくなってしまうという課題がある。

本発明は、ＬＥＤから出力される光を高効率で光変調素子に照射することにより、ＬＥＤを光源にした場合でも明るい画像を表示することが可能で、光学システムの大きさを低減し小型化した画像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、入力映像信号によって光を変調する光変調素子と、光変調素子に光を照射する光源と、光源から発せられた光が光変調素子に照射される間の光路上に配置される光学部品とを備える画像表示装置であって、光変調素子の表示領域は長辺と短辺とを有する矩形であり、光源の発光領域は長辺と短辺とを有する矩形であり、発光領域からの光が照明する領域の長辺と、光変調素子の表示領域の長辺とがなす角度の劣角が０度以上９０度未満となるように光変調素子を照明し、光学部品は、光学部品の面が光源の発光面と特定の角度を有するように回転する回転軸を備え、回転軸と光源の発光領域の長辺とがなす角度の劣角が０度以上９０度未満となるように配置することを特徴としたものである。

第２の技術手段は、第１の技術手段において、光変調素子の表示領域は長辺と短辺とを有する長方形であり、光源の発光領域は長辺と短辺とを有する長方形であり、発光領域からの光が照明する領域の長辺と、光変調素子の表示領域の長辺とが平行であって、回転軸と光源の発光領域の長辺とが平行であることを特徴としたものである。

第３の技術手段は、第２の技術手段において、光学部品は、光源からの光を反射するミラーであり、回転軸は、光源からの光を反射する方向を決定する回転軸であることを特徴としたものである。

第４の技術手段は、第３の技術手段において、光源からの光が入射され、出射光を光変調素子に照射する光混合部品を備えることを特徴としたものである。

第５の技術手段は、第１から４のいずれかの技術手段において、発光領域は、発光領域が矩形である光源を複数配置することにより形成されることを特徴としたものである。

本発明の画像表示装置によれば、光源の発光領域を光変調素子の表示領域形状のように長辺と短辺を有した矩形にすることにより、光変調素子へ照射される光の光利用効率を向上させることができ、画像表示装置の明るさを向上することができる。さらに、回転軸を有する光学部品の回転軸と、光源の発光領域の長辺とがなす角度を０度以上９０度未満となるように配置することで、光学システムを小さくすることができ、画像表示装置の小型化が可能となる。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。なお、各図における構成は、理解しやすいように誇張して記載しており、実際の間隔や大きさとは異なる。
（実施例１）
図１は、本発明の画像表示装置の概略構成を示す図である。光源には赤色の光を発するＲ−ＬＥＤ１００、緑色の光を発するＧ−ＬＥＤ１０１、青色の光を発するＢ−ＬＥＤ１０２を備えている。光学部品として配置されているダイクロイックミラー１０３は緑色の波長領域の光を反射して、青色の波長領域の光を透過する特性を有している。したがって、Ｇ−ＬＥＤ１０１から発せられた光はダイクロイックミラー１０３で反射され、Ｂ−ＬＥＤ１０２から発せられた光はダイクロイックミラー１０３を透過する。すなわち、Ｇ−ＬＥＤ１０１から発せられた光とＢ−ＬＥＤ１０２から発せられた光を略同一の光路とすることができる。

さらに、ダイクロイックミラー１０４は赤色の波長領域の光を反射して、青色と緑色の波長領域の光を透過する特性を有している。したがって、Ｒ−ＬＥＤ１００から発せられた光はダイクロイックミラー１０３で反射され、ダイクロイックミラー１０２からくるＧ−ＬＥＤ１０１およびＢ−ＬＥＤ１０２の光はダイクロイックミラー１０２を透過する。すなわち、Ｒ−ＬＥＤ１００およびＧ−ＬＥＤ１０１およびＢ−ＬＥＤ１０２から発せられた光を略同一の光路とすることができる。

略同一となった光は光変調素子に照射される。本実施例では、入力映像信号によって光の反射方向を変化させて変調を行うＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）１０５を光変調素子として備えている。ＤＭＤ１０５により変調された光は投影レンズ１０６によって投影される。ここで、図１に示すように、光学システム中にはレンズなどの部品を適宜配置することが可能である。また、各ＬＥＤから光変調素子までの光学距離は同一とすると、光学部品を共通化することができ好適である。

図２（Ａ）は、Ｒ−ＬＥＤ１００、Ｇ−ＬＥＤ１０１、Ｂ−ＬＥＤ１０２の発光面を示した図である。各ＬＥＤはパッケージ１１０にＬＥＤチップ１１１が配置されている。ＬＥＤのチップは正方形ではなく長方形となっている。これは、光変調素子が有する表示領域が１６対９であることに対応している。このとき、効率良く光照射をすることができ表示画像を明るくするためには、光変調素子の表示領域にのみ光照射を行うことである。そのため、ＤＭＤ１０５に各ＬＥＤ１００〜１０２の光を照明する場合、ＤＭＤ１０５の表示領域形状と、照射されるＬＥＤ１００〜１０２の光の形状が略同一比であることが望ましい。

例えば、１６：９の表示領域であるＤＭＤ１０５に対して、略同一比の矩形形状を有するＬＥＤからの光は、図３（Ａ）のような照明領域をもった光照射となる。しかしながら、正方形の発光面積を有するＬＥＤチップからの光照射による照明領域は図３（Ｂ）のようになり、表示領域ではない領域への光照射が多くなり、画像表示に使用されない光が多くなるため効率が低下してしまう。したがって、ＤＭＤ１０５の表示領域が１６：９である場合には、ＬＥＤ１００〜１０２のチップ形状も１６：９とすることで、画像表示装置の効率が向上して明るい画像を表示することができる。

ここで、本実施例では１６：９の縦横比について説明したが、２：１や４：３といった他の比を有する場合にも適用することができ、同様の効果を得ることができる。また、図２（Ｂ）のように、複数のＬＥＤチップ１１２を配置することで、光変調素子の表示領域形状に近づけることでも同様の効果を得ることができる。この例ではそれぞれの発光領域が矩形であるＬＥＤチップを複数配置して、目的とする発光領域を形成することで、発光面が大きいＬＥＤチップを作る必要がなく、歩留まりを高めることができコストを低減することが可能である。また、小さな発光領域にすることで、電流がＬＥＤチップ全体に均一に広がるため、発光面での発光ムラが低減することも可能である。

また図２の例ではＬＥＤの発光領域からの光が照明する矩形領域の長辺と、ＤＭＤ１０５の表示領域の長辺とが平行（角度０度）の場合について説明したが、これら矩形領域の長辺と、ＤＭＤ１０５の表示領域の長辺とのなす角度が９０度未満であれば、上記角度が垂直のときに比べ、ＤＭＤ１０５の表示領域を有効に利用することができる。この場合の角度とは、発光領域からの光が照明する矩形領域の長辺と、ＤＭＤ１０５の表示領域の長辺とのなす角度（優角、劣角）のうち、劣角（１８０°以下）を指すものとする。つまり本発明に関わる実施例では、光源の発光領域からの光が照明する矩形領域の長辺と、光変量素子の表示領域の長辺とのなす角度の劣角を０度以上９０度未満とすることにより、光学システムの小型化とこれによるコスト削減の効果を得ることができる。

図４は、ダイクロイックミラーとＬＥＤの関係を示す図で、Ｇ−ＬＥＤ１０１から出射した光がダイクロイックミラー１０３によって反射されている。図４に示す回転軸は、Ｇ−ＬＥＤ１０１からの光を反射した反射光の進行方向を回転量によって決定する軸である。ここで、図４のＧ−ＬＥＤ１０１からダイクロイックミラー１０３を見ると図５のようになる。これは、Ｇ−ＬＥＤ１０１とダイクロイックミラー１０３が平行でないためである。例えば、正方形の反射面を有するダイクロイックミラーで４５度の反射をする場合、ダイクロイックミラーの回転軸と平行な辺は大きさの変化はないが、回転軸と垂直な辺は大きさが１／√２と小さくなる。これにより、ＬＥＤからダイクロイックミラーを見た場合には図５のように長方形となる。

このとき、ダイクロイックミラーの回転軸と、ＬＥＤチップの形状について着目したとき、回転軸とＬＥＤチップ長辺とを平行にした場合は、図６（Ａ）のような照明領域となる。また、回転軸とＬＥＤチップ短辺とを平行にした場合は、図６（Ｂ）のような照明領域となる。

図６（Ａ）および図６（Ｂ）から分かるように、ＬＥＤからの光を反射するために必要なダイクロイックミラーの大きさが異なる。すなわち、ダイクロイックミラーの回転軸と、ＬＥＤチップの長辺とが平行になるように配置することで、ダイクロイックミラーを小さくすることができ、光学システムの大きさを低減することができる。また、ダイクロイックミラーが小さくなることによりダイクロイックミラーのコストを低減することもできる。

ここで、図６（Ｂ）においても、照明領域ではない領域に関してはダイクロイックミラーは不必要であるため、回転軸方向へはダイクロイックミラーを小さくすることができる。しかし、実際にはダイクロイックミラーが回転しているため、図６（Ｂ）で示すよりも回転軸と垂直方向への辺の長さが大きく、短辺に対して長辺が非常に大きいダイクロイックミラーとなり、正方形など標準的なダイクロイックミラーを使用することができずコストの増加となってしまう。

また、本実施例では回転軸とＬＥＤチップ長辺を平行にした場合について説明したが、回転軸とＬＥＤチップ長辺のなす角度が９０度未満であれば、回転軸とＬＥＤチップ長辺のなす角度が垂直のときに比べ、ダイクロイックミラーの反射面を有効に利用することができ、本発明の効果を得ることができる。この場合の角度とは、回転軸とＬＥＤチップの長辺とのなす角度（優角、劣角）のうち、劣角（１８０°以下）を指すものとする。つまり本発明に関わる実施例では、ダイクロイックミラーの回転軸と、ＬＥＤチップの発光領域の長辺とのなす角度の劣角を０度以上９０度未満とすることにより、上記のような光学システムの小型化とこれによるコスト削減の効果を得ることができる。

ＬＥＤとダイクロイックミラーとの関係は光学システム全体の大きさにも影響する。図７はＧ−ＬＥＤ１０１からの光を反射するダイクロイックミラー１０３の図で、ダイクロイックミラー１０３に入射する前と、反射した後にレンズが配置されている。図７（Ａ）は図６（Ｂ）のように、ＬＥＤチップの長辺とダイクロイックミラー１０３の回転軸とが平行になるように配置したときの図である。

一方、図７（Ｂ）は図６（Ｂ）のように、ＬＥＤチップの短辺とダイクロイックミラー１０３の回転軸とが平行になるように配置したときの図である。図７（Ａ）および図７（Ｂ）で、Ｇ−ＬＥＤ１０１から発せられた光が入射するレンズの有効径は同一である。これは、Ｇ−ＬＥＤ１０１の大きさや広がりによって決まるためである。しかし、ダイクロイックミラー１０３での反射においては、レンズからダイクロイックミラー１０３まで距離が異なっている。これは、ダイクロイックミラー１０３の回転軸と垂直な方向に反射領域が大きくなった場合、ダイクロイックミラー１０３とレンズとの物理的干渉を避けたためである。

さらに、出射側に配置されるレンズも同様の理由から図７（Ａ）と図７（Ｂ）では距離が異なり、図７（Ｂ）は光学システムが大きくなっている。さらに、ＬＥＤから発せられる光は、特定の角度の広がりを持っているため、光学距離が大きくなることで光が広がってしまい、必要とするレンズの有効径が大きくなりシステムの大型化とコストが増加するという問題が発生してしまう。したがって、ダイクロイックミラー１０３の回転軸とＧ−ＬＥＤ１０１のＬＥＤチップの長辺を平行にすることで、光学システムの小型化が図れるとともに、コストの低減をすることが可能となる。ここで、上記ではダイクロイックミラーでの反射について説明したが、図８に示すように、ダイクロイックミラーを透過する場合についても同様の理由により、光学システムの小型化とコスト低減の効果を得ることが可能である。

以上により、光源の発光領域を光変調素子の表示領域形状に近づけることで、表示に使用されない光を低減して光利用効率を向上させることができる。さらに、光源の発光領域を光変調素子の表示領域形状に近づけたときに、反射または透過をするダイクロイックミラーの回転軸と、光源の発光領域の長辺とを平行に近づけることで、光学システムを小さくすることが可能である。

本実施例では、光変調素子としてＤＭＤを用いて説明したが、透過型液晶パネルやＬＣＯＳといった他の光変調素子を用いても同様の効果を得ることが可能である。また、複数の光変調素子を備えた場合においても同様な効果が得られる。

図９は本発明の他の実施例を示している。画像表示装置に光の均一性を向上する光混合部品としてロッドインテグレータ１１３を用いている。ロッドインテグレータ１１３はミラーを組み合わせたものや、ガラスやアクリルといった導光部品により構成される。ロッドインテグレータ１１３に入射された光は、内面で反射することにより光が混合されて均一性が増加する。

ロッドインテグレータ１１３の入射面および出射面は長辺と短辺を有する矩形であり、光変調素子であるＤＭＤ１０５の長辺と短辺に対応しており、ロッドインテグレータ１１３の照明光の長辺がＤＭＤ１０５の長辺に、ロッドインテグレータ１１３の照明光の短辺がＤＭＤ１０５の短辺に対応して照明することで光利用効率を向上することができる。ここで、ロッドインテグレータ１１３の形状とＤＭＤ１０５の形状は相似である必要はなく、光学系の倍率や光の広がりなどを考慮して任意に決定することができる。

ここで、各ＬＥＤから出射された光はロッドインテグレータ１１３に入射されるため、ＬＥＤの発光領域の形状をロッドインテグレータ１１３の入射面形状に近づけることにより、入射面に効率よく光を照射することにより光利用効率を向上することができる。
上記で説明した実施例ではダイクロイックミラーの回転軸と、光源の発光領域との関係について説明したが、回転軸を有する光学部材に適用することができ、例えば、銀やアルミニウムなどで反射面が形成されるミラーにおいても同様の効果を得ることがでる。

本発明の画像表示装置の概略構成を示す図である。 ＬＥＤの発光領域の例を示す図である。 光変調素子での照明領域を示す図である。 ＬＥＤとダイクロイックミラーの配置関係を示す図である。 ＬＥＤからダイクロイックミラーを見たときの図である。 ＬＥＤからダイクロイックミラーを見たときの照明領域を示す図である。 ＬＥＤとダイクロイックミラーの配置関係を示す図である。 ＬＥＤとダイクロイックミラーの配置関係を示す図である。 ロッドインテグレータを備えた画像表示装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１００…Ｒ-ＬＥＤ、１０１…Ｇ-ＬＥＤ、１０２…Ｂ-ＬＥＤ、１０３…ダイクロイックミラー、１０４…ダイクロイックミラー、１０５…ＤＭＤ、１０６…投影レンズ、１０７…レンズ、１１０…パッケージ、１１１…ＬＥＤチップ、１１２…ＬＥＤチップ、１１３…ロッドインテグレータ。

Claims (5)

1. 入力映像信号によって光を変調する光変調素子と、
   前記光変調素子に光を照射する光源と、
   前記光源から発せられた光が前記光変調素子に照射される間の光路上に配置される光学部品とを備える画像表示装置であって、
   前記光変調素子の表示領域は長辺と短辺とを有する矩形であり、
   前記光源の発光領域は長辺と短辺とを有する矩形であり、
   前記発光領域からの光が照明する領域の長辺と、前記光変調素子の表示領域の長辺とがなす角度の劣角が０度以上９０度未満となるように前記光変調素子を照明し、
   前記光学部品は、前記光学部品の面が前記光源の発光面と特定の角度を有するように回転する回転軸を備え、
   前記回転軸と前記光源の発光領域の長辺とがなす角度の劣角が０度以上９０度未満となるように配置することを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１に記載の画像表示装置において、
   前記光変調素子の表示領域は長辺と短辺とを有する長方形であり、
   前記光源の発光領域は長辺と短辺とを有する長方形であり、
   前記発光領域からの光が照明する領域の長辺と、前記光変調素子の表示領域の長辺とが平行であって、
   前記回転軸と前記光源の発光領域の長辺とが平行であることを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項２に記載の画像表示装置において、
   前記光学部品は、前記光源からの光を反射するミラーであり、前記回転軸は、前記光源からの光を反射する方向を決定する回転軸であることを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項３に記載の画像表示装置において、
   前記光源からの光が入射され、出射光を前記光変調素子に照射する光混合部品を備えることを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項１から４のいずれか１に記載の画像表示装置において、
   前記発光領域は、発光領域が矩形である光源を複数配置することにより形成されることを特徴とする画像表示装置。

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