JP2010014815A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光源を用いた投写型表示装置において、装置全体の薄型化を可能にするとともに、液晶シャッター方式を用いて３Ｄ映像を楽しむ場合に発現する可能性の高い輪帯状の色むらを除去することができる投写型表示装置を得ること。
【解決手段】レーザ光源１０からのレーザ光を用いて光学エンジン３０で画像を形成し、光学エンジン３０から出射されたレーザ光を拡大してスクリーン５１に表示する投写型表示装置１において、レーザ光源１０と光学エンジン３０との間を光ファイバ２０で連結し、光学エンジン３０は、光学エンジン３０内に配置され、レーザ光源１０からのレーザ光の光量分布を均一化するロッドインテグレータ３１の入射端面と、光ファイバ２０の出射端面とを、光ファイバ２０で伝播される光の波長に比して大きな間隙を置いて対向して配置し、固定するロッドファイバ固定部３６を備える。
【選択図】 図２

Description

この発明は、レーザ光源と光ファイバを搭載し、液晶シャッター方式を用いて３Ｄ映像を供する投写型表示装置に関するものである。

従来の投写型表示装置は、水銀ランプや発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）などのインコヒーレント（非干渉性）で比較的低輝度の光源が用いられてきた（たとえば、特許文献１参照）。一方、レーザ光は指向性に優れ、高輝度であるため、投写型表示装置の光源として有望である。このため、集光性に優れ理想的な点光源であるレーザ光源を搭載し、これら光学系をコンパクトにして薄型に適した光学エンジンを備える投写型表示装置についての開発がなされている（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００６−９１８６７号公報 特開２０００−１３１６６５号公報

レーザ光源などのように集光性に優れる光源を搭載すると、光学系をコンパクトにでき、光学系としては投写型表示装置の薄型化を達成しやすくなる。一方、投写型表示装置が薄くなると装置内の収納スペースが狭くなり、レーザ光源、電源回路、信号処理回路などの装置内に収納する必要のある部品の設置が困難となってしまい、結局装置の薄型化を妨げる要因となってしまっていた。

また、近年大型の投写型表示装置、特に民生分野のＴＶ製品においては、３Ｄ映像を楽しみたいという新しい要求が高まっている。３Ｄ映像の提供方法としては様々な方法が提案されていることは周知であるが、安価にこれを実現する方法としては、液晶シャッターめがねを用いて３Ｄ映像を楽しむ方法が最も簡便である。しかし、レーザ光源を備えた投写型表示装置の場合、レーザ光源が持つ強い偏光性のために液晶シャッターめがねとの組合せにおいて特徴的な輪帯状の色むらがスクリーン上に現れ、映像の品位を著しく損ねてしまうという問題点があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたもので、レーザ光源を用いた投写型表示装置において、装置全体の薄型化を可能にするとともに、液晶シャッター方式を用いて３Ｄ映像を楽しむ場合に発現する可能性の高い輪帯状の色むらを除去することができる投写型表示装置を得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる投写型表示装置は、レーザ光源からのレーザ光を用いて光学エンジンで画像を形成し、前記光学エンジンから出射されたレーザ光を拡大してスクリーンに表示する投写型表示装置において、前記レーザ光源と前記光学エンジンとの間を光ファイバで連結し、前記光学エンジンは、前記光学エンジン内に配置され、前記レーザ光源からのレーザ光の光量分布を均一化するロッドインテグレータの入射端面と、前記光ファイバの出射端面とを、前記光ファイバで伝播される光の波長に比して大きな間隙を置いて対向して配置し、固定するロッドファイバ固定手段を備えることを特徴とする。

この発明によれば、レーザ光源からの光を伝達する光ファイバの終端面と、その後段に連結されるロッドインテグレータの入射面との間に、光ファイバを伝播する光の波長よりも大きな間隔を設けたので、強い偏光性を持つレーザ光源と偏光選択機能を有する光学素子との組合せによって生じる特徴的な色むらを低減することができるという効果を有する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる投写型表示装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、この発明の実施の形態による投写型表示装置の構成の一例を模式的に示す図である。この投写型表示装置１は、レーザ光源１０と、光ファイバ２０と、光学エンジン３０と、拡大投写レンズ４０と、を備え、これらが筐体５０内に配置されている。また、拡大投写レンズ４０と対向する筐体５０上の面には、拡大投写レンズ４０からの像を拡大表示するスクリーン５１が設けられている。なお、以下の説明では、光路上に配置される構成要素について、光源から遠くに配置される方を後段という。

レーザ光源１０は、複数の色のレーザ光に対応した光源ユニット１１−１，１１−２，１１−３を備える。光源ユニット１１−１，１１−２，１１−３は、たとえば、赤、緑、青の３色のレーザ光を出力する。

光ファイバ２０は、それぞれの光源ユニット１１−１，１１−２，１１−３に対応して設けられた複数の光ファイバ２１−１，２１−２，２１−３を途中で束ねて１本のバンドルとし、単一の出射端で光学エンジン３０に接続される。これによって、光ファイバ２０は、レーザ光源１０からのレーザ光を伝播させて光学エンジン３０に送るレーザ伝達光路を構成する。

光学エンジン３０は、光ファイバ２０のバンドルされた出射端の後段に配置され、光量分布を均一化するロッドインテグレータ３１と、ロッドインテグレータ３１から出射される光を収束させて出射させるレンズ３２と、レンズ３２からのレーザ光を透過し、拡散させる回転光学装置などからなる光拡散部３３と、光拡散部３３からのレーザ光を表示デバイス３５へと導き、レーザ光を表示デバイス３５に照射する反射ミラー３４と、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）などの反射型光変調素子である表示デバイス３５と、を有する。また、拡大投写レンズは、表示デバイス３５からのレーザ光を拡大してスクリーン５１に投射する。

このように、レーザ光源１０と光学エンジン３０とを光ファイバ２０で連結することによって、レーザ光源１０、電源回路、信号処理回路など装置内に収納する必要のある部品の配置の自由度を著しく改善し、かつ投写型表示装置１の薄型化を実現することが可能となる。

また、光学エンジン３０では、ロッドインテグレータ３１を用いているが、これは、光源としてレーザ光源１０を用いているので、その集光性の高さから装置のサイズをコンパクト化可能なロッドインテグレータ３１を適用することが好ましいからである。しかしながら、中空のロッドインテグレータは、その内面に形成するアルミニウムや銀などの金属反射膜の特性から、短波長の光を効率よく伝播させることが難しいという問題点を有する。特に、レーザ光の集光性を生かして光学系のＦナンバーを大きくする場合には、所定の均一性を得るために金属反射面での反射回数を増やす必要があるため、短波長の光損失が著しく大きくなるという不都合があった。また、レーザ光源１０を用いた場合には、従来多用されていた高圧水銀ランプやキセノンランプのように、紫外線を発生することがないため、紫外線の除去のために設けていた光学フィルタによって短波長の光エネルギ、すなわち青色の成分を無駄に失うことがなく、従来の投写型表示装置では実現不可能であった深い青色の表現が可能になるという利点を有する一方で、光学素子に要求される性能の波長範囲がさらに短波長側に広がっていることで上記不都合をさらに増大させてしまうという問題点があった。そこで、この実施の形態では、ロッドインテグレータ３１として中実ロッドインテグレータを用いている。これによって、中空のロッドインテグレータを用いる場合に比して、上記のような短波長の光損失を抑えるようにしている。

このような構成の投写型表示装置１においては、レーザ光源１０から出射されたレーザ光はレーザ伝達光路である光ファイバ２０を経由し、光学エンジン３０内に設置された光拡散部３３の光学面を通過して表示デバイス３５に照射され、画像を形成する。そして、拡大投写レンズ４０を介して筐体５０に備えられた大画面のスクリーン５１に拡大投影され、画像表示が行われる。

図２は、レーザ光源と光学エンジンの光ファイバによる接続の様子をさらに詳細に示す図である。各光源ユニット１１−１，１１−２，１１−３は、各色のレーザ光を発するエミッタ１２−１，１２−２，１２−３と、エミッタ１２−１，１２−２，１２−３から発せられた光を集めて収束するカップリング光学系１３−１，１３−２，１３−３と、を内包している。そして、その光スポット部１４−１，１４−２，１４−３に光ファイバ２１−１，２１−２，２１−３の入射端面が配置されて効率よく光エネルギが伝達するような構成となっている。

また、カップリング光学系１３−１，１３−２，１３−３を介してそれぞれの光ファイバ２１−１，２１−２，２１−３に伝達されたレーザ光は光ファイバ２０の光伝達作用により後段の光学エンジン３０に導かれる。光ファイバ２１−１，２１−２，２１−３の入射端コネクタ２２−１，２２−２，２２−３には、入射端部から所定の寸法だけプラスチッククラッド部が除去された光ファイバ２１−１，２１−２，２１−３が挿入され、入射端から所定の距離離れたクラッド層が残っている部分においてこれを外側から機械的にクランプして金属コネクタが取り付けられる構造を有する。

光学エンジンは、光ファイバ２０と中実のロッドインテグレータ３１とが空気ギャップ３７を介して接続されるロッドファイバ固定部３６を備える。ここで、ロッドファイバ固定部３６は、レーザ光源１０から延びる複数の光ファイバ２１−１，２１−２，２１−３を直方体状に束ねる金属製のバンドル部３６１を介して、光ファイバ２０を固定しているが、中実のロッドインテグレータ３１はそのまま直接に固定している。

図３は、ロッドファイバ固定部の構成の一部を示す断面図である。ロッドファイバ固定部３６には、少なくとも２つの大きさが異なる略直方体状（角柱状）の空間３６２，３６３が内部に形成されており、そのうちの１つは、直方体状のバンドル部３６１を固定するための空間３６２であり、他の１つは、直方体状の中実のロッドインテグレータ３１を固定するための空間３６３である。

ここで、光ファイバ２０を含むバンドル部３６１の略長方形（矩形）をなす端面（光出射端面）は、中実ロッドインテグレータ３１の略長方形（矩形）をなす端面（光入射端面）よりも大きく設定されている。また、バンドル部３６１はバンドルされた光ファイバ２０の外側の面を位置参照面とすることができる。これによって、光ファイバ２０と中実ロッドインテグレータ３１の相対位置を精度よく決めることができる。

さらに、中実のロッドインテグレータ３１は、その入射端面が光ファイバ２０の出射端面と所定の間隔となるように空間３６３内で固定されており、その結果、中実ロッドインテグレータ３１の入射端面と光ファイバ２０の出射端面との間の空間には空気ギャップ３７が形成される。この空気ギャップ３７は、光ファイバ２０中を伝播する光の波長よりも大きく、好ましくは、光ファイバ２０中を伝播する光の波長に比べて十分に大きな間隔とする。具体的には組立上の都合から、０．１〜０．２ｍｍといった距離とするのが管理上好適である。

ここで、レーザ光源１０から光ファイバ２０内を伝播した光Ｌは、たとえば図３中の矢印で示すように進行し、光ファイバ２０から出射されると、ほぼ漏れなく中実のロッドインテグレータ３１へ入射してこの界面の全反射作用によってさらに後段の光学系へと伝播していく。

光ファイバ２０を含むバンドル部３６１の出射端面は、光ファイバ２０を配置した後に研磨をすることによって、平面度の高い端面とすることができ、また、中実のロッドインテグレータ３１の入射端面も同様の方法により平面度の高い端面とすることができる。しかしながら、バンドル部３６１と中実のロッドインテグレータ３１を接触させて配置しようとすると、両者がロッドファイバ固定部３６に対して取り付けられる構造上の理由から、対向する２つの端面が完全に平行となるように配置することが困難である。つまり、それぞれの部品の端面と側面の垂直度や、側面の平行度といった外形形状の要件を理想的な数値にすることが実際には困難であるため、両端面が僅かに異なる角度で傾いて対向し、その間には非常に小さな空気ギャップが生じることが避けられない。この場合、僅かな空気ギャップにおいて光の干渉が生じ、他の偏光素子との組み合わせによって輪帯状の色むらが視認されることがある。たとえば、偏光めがね（液晶シャッターめがね）を用いて３Ｄ映像を楽しむ場合に、スクリーン上に輪帯状の色むらが視認され、映像の品位を著しく損ねてしまう。

しかし、この実施の形態では、空気ギャップ３７が光の波長に比べて十分に大きな間隔として形成されるため、上記のような輪帯状の色むらを解消することができる。この空気ギャップ３７の距離をさらに大きくする場合には、中実のロッドインテグレータ３１の相対的な寸法を大きくする必要が生じるため、光の伝播効率の点では好ましいが、後段の表示デバイス３５に対する照明マージンが大きくなり過ぎるため、総合的な光利用効率を考慮して、最適な空気ギャップ３７の距離が決定される。また、空気ギャップ３７を形成することによって、バンドル部３６１と中実のロッドインテグレータ３１をロッドファイバ固定部３６に組み立てる際に、光ファイバ２０の端面や中実のロッドインテグレータ３１の端面を破損したり傷つけたりする危険性を回避することが容易となるといった利点もある。

この実施の形態によれば、光学エンジン３０内では、光ファイバ２０と中実のロッドインテグレータ３１とを、その端面が装置を伝播する光の波長よりも十分に大きい距離を隔てて配置するようにしたので、光ファイバ２０から出射された光が中実のロッドインテグレータ３１との空気ギャップ３７で干渉を起こすことがない。その結果、他の偏光素子との組み合わせで、輪帯状の色むらが視認されることを防ぐ。特に、液晶シャッター方式による偏光めがねを通じて高品位な３Ｄ映像を提供することができるという効果を有する。

また、レーザ光源１０を用い、さらにレーザ光源１０と光学エンジン３０との間を光ファイバ２０で接続したので、投写型表示装置１を薄型化することができるという効果も有する。

以上のように、この発明にかかる投写型表示装置は、高出力のレーザを光源とする民生のＴＶに有用であり、特に、産業用途のリアプロジェクション装置に適している。

この発明の実施の形態による投写型表示装置の構成の一例を模式的に示す図である。 レーザ光源と光学エンジンの光ファイバによる接続の様子をさらに詳細に示す図である。 ロッドファイバ固定部の構成の一部を示す断面図である。

符号の説明

１ 投写型表示装置
１０ レーザ光源
１１−１〜１１−３ 光源ユニット
１２−１〜１２−３ エミッタ
１３−１〜１３−３ カップリング光学系
１４−１〜１４−３ 光スポット部
２０，２１−１〜２１−３ 光ファイバ
２２−１〜２２−３ 入射端コネクタ
３０ 光学エンジン
３１ ロッドインテグレータ
３２ レンズ
３３ 光拡散部
３４ 反射ミラー
３５ 表示デバイス
３６ ロッドファイバ固定部
３７ 空気ギャップ
４０ 拡大投写レンズ
５０ 筐体
５１ スクリーン
３６１ バンドル部
３６２，３６３ 空間

Claims (3)

1. レーザ光源からのレーザ光を用いて光学エンジンで画像を形成し、前記光学エンジンから出射されたレーザ光を拡大してスクリーンに表示する投写型表示装置において、
   前記レーザ光源と前記光学エンジンとの間を光ファイバで連結し、
   前記光学エンジンは、前記光学エンジン内に配置され、前記レーザ光源からのレーザ光の光量分布を均一化するロッドインテグレータの入射端面と、前記光ファイバの出射端面とを、前記光ファイバで伝播される光の波長に比して大きな間隙を置いて対向して配置し、固定するロッドファイバ固定手段を備えることを特徴とする投写型表示装置。
2. 前記ロッドインテグレータは、中実であることを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
3. 前記レーザ光源は、複数で構成され、
   前記ロッドインテグレータの入射端面は、矩形状を有し、
   前記各レーザ光源に接続される複数の前記光ファイバを、前記光学エンジン側で前記出射端面が矩形状を有するようにバンドル化するバンドル手段をさらに備え、
   前記光ファイバを含む前記バンドル手段の矩形状の出射端面の面積は、前記ロッドインテグレータの矩形状の入射端面よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の投写型表示装置。

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