JP4572163B2 - ロッドインテグレータ保護構造と投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明はロッドインテグレータ保護構造と投射型表示装置に関し、特に光源からの不要光をカットする遮光板を有するロッドインテグレータ保護構造とデジタルシネマ用投射型表示装置に関する。

液晶技術やＤＬＰ（商標）（デジタルライトプロセッシング）技術の急速な進展に伴う小型化・高性能化により、映像投射を目的とする投射型表示装置の用途も拡大し、家庭内での大型の投射型表示装置であるフロント・プロジェクタとしても注目されている。さらに、高解像度パネルによりハイビジョン映像のフルサイズ投射も可能になったことから、デジタルシネマ（ＤＬＰシネマ）用投射型表示装置として映画の映写用としてもその用途が拡大している。

従来の映画は、映画館などで非常に大きなスクリーンにフィルムの映像を映して鑑賞していた。非常に大きなスクリーンに映して鑑賞することはデジタルシネマも同じであるが、その元となるものがフィルムではなくデジタル化されたデータである点で相違している。そのデジタル化されたデータを投写型表示装置（デジタルシネマ用プロジェクタ）で大きなスクリーン上に映し出すので、教室や会議室などで使用されるフロント・プロジェクタともその大きさ、明るさ、信頼性で大きく異なっている。

例えば、フロント・プロジェクタでは光源として最大でも３００Ｗ程度の超高圧水銀ランプを用いるのに対し、デジタルシネマ用プロジェクタでは２ｋＷから６ｋＷのキセノンランプを用いる必要がある。従って、装置全体の大きさや重さは勿論、ランプからの全光束量、発熱量等もフロント・プロジェクタとは桁違いとなっている。

キセノンランプ等のアーク放電からの光束は、そのままではその断面形状は通常円形である。ところが、映像を作り出す表示デバイスの映像表示面は、スクリーンに映し出される４：３や１６：９等の映像と相似の矩形となっている。従って、単純に円形の光束で矩形の表示デバイス領域全体をカバーするように照明する方法もあるが、この場合当然光束である円形は表示デバイスの外接円以上とする必要がある。従って、円形である光束のうち表示デバイスに投射される光束の面積は少なくなり、光の損失が大きくなる。また、表示デバイスの面内において中央が明るく、周辺が非常に暗くなるという、画面の明るさの均一性が劣化してしまうという問題がある。この問題を解決する方法として、フライアイやハエの目レンズの一種であるインテグレータレンズや筒状のライトパイプ、ライトトンネル等の照明均一化素子を用いた特殊照明光学系が採用されている。このような特殊照明光学系では、円形の光束を表示デバイスの形状に相似した矩形に変換する働きによる効率アップと光の重ね合わせによる均一性の向上が行われている。従って、一般的には個々のインテグレータレンズや、ライトパイプ、ライトトンネル等の断面形状は表示デバイスと相似形の矩形である。デジタルシネマ用プロジェクタでは、高出力ランプとして上述のようにキセノンランプ、表示デバイスとして３枚のＤＭＤ（デジタルマイクロミラ−デバイス）を用いる場合が多い。その際に用いられる特殊照明光学系では、光学性能上ライトトンネルやライトパイプ型（以下、ロッドインテグレ−タと呼ぶ）が多く採用されている。このような構成では、ランプからの光が矩形断面のロッドインテグレ−タに集光されるが、勿論、この時円形の光束が、ロッドインテグレ−タの矩形断面内に集束するようにレンズ等で集光されている。

しかし、実際にはランプの発光点は有限の大きさを持ち、集光点は有限であり更に主光線から外れた光線による不要な広がり光があって、必ずしも矩形断面内にすべてを集光することはできない。この不要光は、ロッドインテグレ−タなどの光学部品を保持する支持機構の部品の開口部やロッドインテグレ−タ入射面でカットされるが、その際この支持機構の部品を加熱することにより、早期に部品の劣化を招き、信頼性の確保が難しくなる。高出力ランプの集光光ともなると、金属でも冷却無しでは早期劣化を起こしてしまう。また、その不要光でも、ランプが３００Ｗ程度までの低出力であればそれほど問題ではないが、デジタルシネマ用の高出力ランプでは大きな問題となる。

特許文献１には、照明光の光路上に配置される色フィルタやロッドインテグレーの前に、不要な照明光の通過を阻止してこれらの光学素子の過剰な温度上昇を阻止する遮光板を設け、各遮光板に各々一体に形成されて鏡室外に延在する放熱部を介して内部の不要な熱エネルギーを外部に放出する映像表示装置が開示されている。
特開２００２−３１８４２３号公報

この不要光の処理及び冷却に関して、従来では特許文献１に開示の方法の外に、図５に示すように、照明光学系支持機構１２０の一部であるロッドインテグレ−タ保持部材１４１に冷却フィンなどを設け、冷却ファン１６１により風を流して冷却を行う方法が行われていた。図５は従来例のロッドインテグレータ保護構造を示す照明光学系の模式的斜視図である。この例の照明光学系はランプハウス１１１に収納された光源ランプと、光源ランプからの投射光を反射させて赤外光を分離するコールドミラー１１２と、コールドミラー１１２からの反射光を受けるロッドインテグレータ（不図示）と、ロッドインテグレータを収納して支持するロッドインテグレータ保持部材１４１を含む照明光学系支持機構１２０と、画像表示器を備えた表示デバイスユニット１７０とを有する。

高出力の光源ランプを用いた場合、特にロッドインテグレ−タの入射面に対する影響が一番問題となりやすいため、ロッドインテグレータを内蔵するロッドインテグレータ保持部材１４１にもロッドインテグレ−タ入射断面形状とほぼ相似形の開口を持たせ、外面には冷却効果の大きいフィンなどを設けていた。

しかし、更に近年の明るさアップの要求に応えるために、６ｋＷや７ｋＷなどとランプの出力が徐々に高くなるにつれ、より不要光の影響が顕著となってきており、長期の信頼性を確保することが難しくなってきた。また、デジタルシネマ用プロジェクタなどは装置自体が高価ということもあり、ランプのみを出力の違うランプと取り替えて明るさの異なる装置として使用することや、デジタルシネマ用という特殊用途であるため各設置場所に応じてランプを取り替えて明るさを調整することなど、ランプ以外は同一部品で構成された装置で、ランプのみを出力の異なるランプと入れ替えるという場合も増えている。このような場合には、出力の異なるランプ全てに対応できる不要光の処理や、照明光学系の冷却が必要となってきた。このため、もはや従来技術では長期の信頼性の確保に対応できなくなってきていた。

本発明の目的は、出力の異なる高出力ランプと交換してもロッドインテグレータとロッドインテグレータ保持部材を不要光に起因する昇温から保護できるロッドインテグレータ保護構造と、その構造を備えた投射型表示装置を提供することにある。

本発明のロッドインテグレータ保護構造は、
投射型表示装置のロッドインテグレータ保護構造であって、ロッドインテグレータを内部に収納し、そのロッドインテグレータの入光部および出光部に対向する位置に開口部を有するロッドインテグレータ保護筒と、ロッドインテグレータ保護筒の入光部側の開口部とロッドインテグレータに入光する光源との間に配置され、ロッドインテグレータへの入光が通過できる開口部を有する遮光板と、を有することを特徴とする。

遮光板は、ロッドインテグレータ保護筒の入光部側の開口部に対向する位置にその開口部と所定の間隙を隔てて配置されており、その開口部と相似の開口部を有してもよく、遮光板の開口部を形成する辺の寸法は、ロッドインテグレータ保護筒の入光部側の開口部における対応する辺の寸法よりも大きく、ロッドインテグレータ保護筒の入光部側の開口部における対応する辺の寸法は、ロッドインテグレータの入射面における対応する辺の寸法よりも大きくてもよい。

遮光板は、ロッドインテグレータ保護筒とは独立して設けられており、さらに、ロッドインテグレータ保護筒の入光部側の開口部と遮光板との間の間隙部に送気が可能な送風機を有している。ロッドインテグレータ保護筒の外面には、送風機よりの送気と接触が可能な冷却用のフィンが設けられていてもよく、冷却用のフィンは、ロッドインテグレータ保護筒の外面に連続的に設けられているリング状のフィンと、ロッドインテグレータ保護筒の入光部側の縁部にそれぞれの一端が固定された複数の羽状のフィンとから構成されてもよい。また、遮光板は金属製であり、その遮光板の光源側の面には鏡面仕上げが施されている。

本発明の投射型表示装置は、上述のロッドインテグレータ保護構造を備えることを特徴とする。

ロッドインテグレータを内部に収納したロッドインテグレータ保護筒と光源との間に、開口部を有する遮光板を設けることにより、光源から入射する不要光が反射されるのでロッドインテグレータ保護筒の昇温が抑制される。

遮光板をロッドインテグレータ保護筒の入光部側の開口部に対向する位置に開口部と所定の間隙を隔てて配置することにより、コンパクトな構成となる。遮光板の開口部の辺部の寸法を、ロッドインテグレータ保護筒の入光部側の開口部の辺部の寸法よりも大きくすることによりロッドインテグレータへの光束の入射が妨害されない。また、遮光板を、ロッドインテグレータ保護筒とは独立して設けることにより遮光板の吸収熱が直接ロッドインテグレータ保護部材に伝わらない。

ロッドインテグレータ保護筒の入光部側の開口部と遮光板との間の間隙部に送気が可能な送風機を設けることにより、遮光板とロッドインテグレータ保護筒の入光部側の開口部とが強制的に冷却でき、ロッドインテグレータ保護筒の外面に送風機からの送気と接触する冷却用のフィンが設けられると１台の送風機で双方が冷却される。

さらに、遮光板を金属製とし、遮光板の光源側の面には鏡面仕上げが施されていると、不要光の殆どが反射し、遮光板では光を吸収しないので遮光板自体の温度上昇を防止できる。

本発明のロッドインテグレータ保護構造は、ロッドインテグレータを内部に収納したロッドインテグレータ保護筒と光源との間に、開口部を有する遮光板を設けることにより、光源から入射する不要光が反射されてロッドインテグレータ保護筒の昇温が抑制できるという効果がある。

また、送風機を設け、遮光板をロッドインテグレータ保護筒の入光部側の開口部と対向する位置に開口部と所定の間隙を隔てて配置し、遮光板をロッドインテグレータ保護筒とは独立して設け、ロッドインテグレータ保護筒の外面に送風機よりの送気と接触する冷却用のフィンを設けることにより、遮光板の吸収熱が直接ロッドインテグレータ保護部材に伝わらず、遮光板とロッドインテグレータ保護筒の入光部側の開口部と冷却用のフィンとが１台の送風機で強制的に冷却できるという効果がある。

さらに、遮光板を金属製とし、遮光板の光源側の面には鏡面仕上げを施すことによって、殆どの不要光が反射され、遮光板では光を吸収しないので遮光板自体の温度上昇を防止できるという効果がある。

次に、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は本発明の実施の形態の投射型表示装置の、ロッドインテグレータ保護構造を備えた照明光学系の模式的斜視図である。図２は本発明の実施の形態の投射型表示装置のロッドインテグレータ保護構造の模式図であり、（ａ）は模式的側面図、（ｂ）はロッドインテグレータ保護筒の模式的断面図である。図３は本発明の実施の形態の投射型表示装置のロッドインテグレータ保護構造の模式的上面図である。図４は本発明の実施の形態の投射型表示装置のロッドインテグレータ保護構造の光投写側からみた模式的側面図である。

本実施の形態では、光源ランプをキセノンランプとするデジタルシネマ用投射型表示装置として説明するが、これは上述のように高出力のキセノンランプを使用するデジタルシネマ用投射型表示装置においては、特に不要光によるロッドインテグレータ関係部材の昇温が問題となることから、問題を解決する好適な例として説明するものである。しかし、対象はキセノンランプに限定されるものではなく、高圧水銀ランプなどを使用する通常の投射型表示装置に対しても適用することができる。

本実施の形態の照明光学系１０では、ランプハウス１１に内蔵された不図示のキセノンランプから投射された光束が、集光光束としてコ−ルドミラ−１２により赤外光がカットされる。その後、コ−ルドミラ−１２で可視光が反射されて本発明のロッドインテグレータ保護構造３０を構成する遮光板５０の開口部５１を通過する。遮光板５０の開口部５１を通過した可視光は、ロッドインテグレータ保護構造３０を構成するロッドインテグレータ保護筒２１の入射開口部４４に入射し、さらにロッドインテグレータ保護筒２１の内部に保持されたロッドインテグレ−タ３１の入射面３２に入射する。ロッドインテグレータ保護筒２１は照明光学系支持機構２０の一部を構成している。この場合、図４に示されるように、ロッドインテグレ−タ３１の入射面３２の大きさよりもロッドインテグレータ保護筒２１の入射開口部４４の大きさが大きくなるようにする。さらにロッドインテグレータ保護筒４０の保護筒入射部４３の入射開口部４４の大きさよりも遮光板５０の開口部５１の大きさが大きくなるように構成する。それによって、ロッドインテグレ−タ３１に入射する必要光が阻害されることがなく、不要光は遮光板５０と保護筒入射部４３とで効率よく反射される。ここでは保護筒入射部４３も第２の遮光板の役割を有している。

この時、遮光板５０の開口部５１以外の部分により、かなりの不要光がカットされ、更にロッドインテグレータ保護筒４０の入射開口部４４の周辺で残りがカットされ、必要な光のみがロッドインテグレ−タ３１に入射する。

ロッドインテグレ−タ３１に入射した光は、ロッドインテグレ−タ３１の周囲を構成する反射面で数回繰り返して反射され、出射端より矩形変換されて均一性が向上した光として出射される。出射された光は照明光学系支持機構２０内のレンズとミラーを経由して、表示デバイスユニット７０にある表示デバイス、例えばＤＭＤにより変調されて映像光となり、不図示の投射レンズを経由して不図示のスクリーンに投射される。

ロッドインテグレータ保護筒２１の内部でのロッドインテグレ−タ３１の支持方法としては、通常図２（ｂ）に示すように、熱膨張に対しても対応できるようにロッドインテグレータ保護筒４０内において、板ばね４５等を用いて抑える構造をとっている場合が多い。ロッドインテグレ−タ３１は通常ガラス材が多く用いられるため、このガラス材と通常は金属等で形成されているロッドインテグレータ保護筒４０との熱膨張の差によって発生する応力を緩和する役割を果たす板ばね等の保持機構は重要である。従来は、特にこの板ばねが不要光による温度上昇で劣化したり、または破損したりすることにより信頼性を損ねていた。勿論、ロッドインテグレ−タ３１の入射面３２近傍での温度上昇によるロッドインテグレータ保護筒４０の入射部４３近傍の劣化等も長期的な信頼性を損ねていた。従って、本発明による開口部５１を有する遮光板５０を設けることで、このような問題が解決できて信頼性の高い装置を提供できる。

さらに先に述べたように、高出力ランプの集光光ともなると、不要光といえども遮光板５０自身の長期信頼性にも大きく影響する。従って、本発明では遮光板５０の光源側の面を鏡面仕上げ面５２とすることで不要光の殆どを反射させ、遮光板５０自身の温度上昇も抑えて信頼性を向上させている。一般に、遮光板などは、迷光が発生しにないように、その表面の反射率を下げる加工（例えば、黒塗りなど）を行うことがある。しかし、本実施の形態のように高出力のランプを使用する装置では、例えば黒塗りのように反射率が低くなるような表面加工を施してしまうと、遮光板が発熱により温度が高くなり過ぎてしまい問題となる。

本実施の形態では、図２（ａ）に示すように、遮光板５０はロッドインテグレータ保護筒入射部４３と所定の間隔をおいて設けられており、図１に示すようにそれぞれが独立して放熱面積の大きい支持台２１に固定されているので、遮光板５０に発生した熱エネルギーが熱伝導によってロッドインテグレータ保護筒入射部４３に伝わることが防がれている。

光源の光軸合わせなどの調整を行う場合、光源の角度やコールドミラーの角度を動かして行う。光源から発せられた光束がロッドインテグレータの入射面にその焦点を結ぶような光学配置になっている。この焦点の位置をロッドインテグレータの入射面のほぼ中央に位置させることが、光源の光軸合わせに他ならない。この時、焦点の位置が色々と動くことになり、ロッドインテグレータの入射面以外の場所にも焦点が位置することがある。焦点は光束が一点で集まる点であるから、焦点位置の温度は非常に高温となるので、焦点位置における部材の劣化や損傷が問題となる。本願発明においては、ロッドインテグレータ保護筒４０の他に開口部５１を有する遮光板５０を設けることで、通常の使用時のみならず、光源の光軸合わせなどの調整時におけるロッドインテグレータ保護筒４０の入射部４３近傍の温度上昇による劣化や損傷等を抑制できるので、長期的な信頼性を損うことはない。

また、ロッドインテグレータ保護筒入射部４３と間隔をおいて設けられた遮光板５０の配置関係により生じた両者の間の間隙を利用して、下方に配置された冷却ファン６１からの風の流れ（図２矢印）を導く構成をとっている。この風の流れによって保護筒入射部４３と遮光板５０との両方が同時に効果的に冷却される。遮光板５０をロッドインテグレータ保護筒入射部４３から十分広い間隔をおいて配置すれば遮光板５０を送風機６１からの送風で冷却しなくてもよいが照明光学系が長くなるという問題がある。

図２、図３に示されるように、ロッドインテグレータ保護筒４０の外周には間隔をおいて複数のリング状冷却フィン４１が設けられており、保護筒入射部４３には羽状冷却フィン４２が設けられているので、冷却ファン６１からの風の流れによってロッドインテグレータ保護筒４０より伝わった熱が冷却される。ここではリング状冷却フィン４１と羽状冷却フィン４２とが設けられているが、温度条件によってはいずれか片方、あるいは両方を設けなくてもよい。

本発明の実施の形態の投射型表示装置の、ロッドインテグレータ保護構造を備えた照明光学系の模式的斜視図である。 本発明の実施の形態の投射型表示装置のロッドインテグレータ保護構造の模式図であり、（ａ）は模式的側面図、（ｂ）はロッドインテグレータ保護筒の模式的断面図である。 本発明の実施の形態の投射型表示装置のロッドインテグレータ保護構造の模式的上面図である。 本発明の実施の形態の投射型表示装置のロッドインテグレータ保護構造の光投写側から見た模式的側面図である。 従来例のロッドインテグレータ保護構造を示す照明光学系の模式的斜視図である。

符号の説明

１０ 照明光学系
１１、１１１ ランプハウス
１２、１１２ コールドミラー
２０、１２０ 照明光学系支持機構
２１、１２１ 支持台
３０ ロッドインテグレータ保護機構
３１ ロッドインテグレータ
３２ ロッドインテグレータ入射面
４０ ロッドインテグレータ保護筒
４１ リング状冷却フィン
４２ 羽状冷却フィン
４３ 保護筒入射部
４４ 保護筒入射開口部
４５ 板ばね
５０ 遮光板
５１ 遮光板開口部
５２ 遮光板鏡面仕上げ面
６１、６２、１６１、１６２ 冷却ファン
７０、１７０ 表示デバイスユニット

Claims (7)

1. 投射型表示装置のロッドインテグレータ保護構造であって、
   ロッドインテグレータを内部に収納し、該ロッドインテグレータの入光部および出光部に対向する位置に開口部を有するロッドインテグレータ保護筒と、
   前記ロッドインテグレータ保護筒の入光部側の前記開口部と前記ロッドインテグレータに入光する光源との間の位置であり、かつ、前記ロッドインテグレータ保護筒の入光部側の前記開口部に対向して該開口部と所定の間隔を隔てた位置に配置されており、前記ロッドインテグレータへの入光が通過できる、前記ロッドインテグレータ保護筒の入光部側の前記開口部と相似の開口部を有する遮光板と、を有することを特徴とするロッドインテグレータ保護構造。
2. 前記遮光板の開口部を形成する辺の寸法は、前記ロッドインテグレータ保護筒の入光部側の前記開口部における対応する辺の寸法よりも大きく、前記ロッドインテグレータ保護筒の入光部側の前記開口部における対応する辺の寸法は、前記ロッドインテグレータの入射面における対応する辺の寸法よりも大きい、請求項１に記載のロッドインテグレータ保護構造。
3. さらに、前記ロッドインテグレータ保護筒の入光部側の前記開口部と前記遮光板との間の間隙部に送気が可能な送風機を有する、請求項１または２に記載のロッドインテグレータ保護構造。
4. 前記ロッドインテグレータ保護筒の外面には、前記送風機よりの送気と接触が可能な冷却用のフィンが設けられている、請求項３に記載のロッドインテグレータ保護構造。
5. 前記冷却用のフィンは、前記ロッドインテグレータ保護筒の外面に連続的に設けられているリング状のフィンと、前記ロッドインテグレータ保護筒の入光部側の縁部にそれぞれの一端が固定された複数の羽状のフィンとから構成される、請求項４に記載のロッドインテグレータ保護構造。
6. 前記遮光板は金属製であり、該遮光板の前記光源側の面には鏡面仕上げが施されている、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のロッドインテグレータ保護構造。
7. 請求項１から請求項６の何れか１項に記載のロッドインテグレータ保護構造を有することを特徴とする投射型表示装置。
   

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