JP4724388B2

JP4724388B2 - 投射型表示装置に用いられる光源位置調整機構、および投射型表示装置

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Publication number: JP4724388B2
Application number: JP2004195715A
Authority: JP
Inventors: 野田　　敏之
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: JP2006018024A

Description

本発明は、投射型表示装置に用いられる光源位置調整機構、および投射型表示装置に関し、特に光源からの光を照明光学系に導き、画像情報を付加した光を投影する例えばプロジェクタなどの投射型表示装置の光源位置調整機構に関するものである。

現在、プロジェクタのような投射型表示装置において、色ムラや輝度ムラのない高品位で明るい映像が課題の一つとなっている。これらの問題を解決する一つの方法として光源の輝度をあげ、光学的に利用が安易な平行光のみを利用する、つまり高電力の光源を使用する方法がある。しかし、この方法では近年、明るさの課題と並んで装置の小型化および低騒音化が要求される中で別問題を引き起こす要因を多く含んでしまう。そこで、低電力光源を使用しながらも光の利用効率を高めることで、明るさを確保するだけでなく、諸所の熱問題をも解決する手段にもなりうる。このように、明るさの課題を解決する最良の方法の一つとして挙げられるのが光源の集光効率を高めることである。

現在、プロジェクタ等に用いる光源はハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプなどがあるが、その多くは陰極、陽極の電極が入れられたガラス管の中にガスが封入された発光管と、その発光管からの光を平行光に変換するための反射鏡を有するリフレクタから構成されている。例えば図８に示す光源装置において、同図に示されているように略円柱状の発光管８０１をリフレクタ８０２に固定する。すなわち、略円柱状の発光管８０１をリフレクタ８０２の中央に配置し、リフレクタ８０２内部の反射鏡を形成する面の焦点位置と、発光管８０１の発光部８０１ａとが一致するように、その固定部８０２ａに固定することにより、集光効率を高めた平行光を得ることができる。しかし、発光管８０１内部の電極（不図示）が偏心しているなどの発光管の不良や、リフレクタの焦点位置と発光管８０１の発光部８０１ａが一致しないなどが起こるとリフレクタ開口から放射される光量が減るだけでなく、放射される光に光量ムラが生じてしまうため、結果として投影される映像に輝度ムラが生じ、高品位な略均一の明るさや色味を持つ投影映像が得られないという現象が起きてしまう。

このようなことから、特許文献１に開示されているように、より効率よく発光管からの光を集光し、より均一な平行光を光源から放射するために、リフレクタに対して発光管位置を調整し、固定する技術が知られている。

また、特許文献２では、光源の取り付け角度を、光軸に直交する２軸に角度調整機構を設けて調整することで投影映像の色ムラを低減するようにしたランプ取付角度調整機構付きプロジェクタ装置が提案されている。これによると、光源と照明光学系との調整をすることができ、リフレクタに対する発光管のズレが原因で良好な投影映像を得られないといった問題を解消することが可能となる。
特開平５−３１３１１７号公報特開２００３−２１８６７号公報

しかしながら、上記特許文献１に示された従来例においては、つぎのような問題点を有している。
すなわち、多くの光源は発光管とリフレクタの固定に熱硬化性の接着剤を使用しているため、接着材の硬化時に接着剤が収縮するときに固定すべき発光管を収縮方向へ引っ張ることから、発光管位置が所望の位置よりずれるという現象が起きることになる。そのため、リフレクタ焦点位置から発光点が外れてしまい、理想的な集光効率を実現できないだけではなく、リフレクタ内面の反射面での光量分布にムラが生ずることから、結果として投影映像に輝度ムラおよび色ムラが生じてしまうことで、良好な映像が得られないという現象が生じる。
特に、インテグレートレンズを用いて非対称にインテグレートする光学系においては、リフレクタの焦点位置から発光管がインテグレート方向にずれる場合は、投影映像に与える影響は鈍感であるが、逆にリフレクタの焦点位置から発光管がインテグレート方向と垂直な方向にずれる場合は、投影映像に与える影響は大きく、発光管位置が投影映像の輝度ムラに敏感に効いてくることとなる。そのため、リフレクタに対する発光管のズレが原因で良好な投影映像を得られないと言った状態がしばしば見受けられた。

一方、上記特許文献２の従来例では、光源と照明光学系との調整をすることができることから、上記のリフレクタに対する発光管のズレによる問題点を解消することはできるが、この特許文献２の発明はリフレクタから放射される光が照明光学系に対して斜めに入射させて色ムラを低減させるようにしたものであることから、照明光学系を構成する光学素子に対して角度を持って光が入射する原因を増加させることとなり、結果として光学性能を劣化させる事態が生じる。また平面上で調整可能となっていることが調整の複雑化を招くこととなり、製造コストの上昇、あるいは構造が複雑化するといった問題を生じる。

本発明は、上記した課題に鑑み、投影映像の輝度ムラおよび色ムラを低減することが可能となる投射型表示装置に用いられる光源位置調整機構、および投射型表示装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、以下のように構成した投射型表示装置に用いられる光源位置調整機構、および投射型表示装置を提供するものである。
すなわち、本発明の光源位置調整機構は、光源からの光が照明光学系に導かれ、該照明光学系からの光が投射光学系により投射される投射型表示装置に用いられる光源位置調整機構であって、
前記光源を保持する光源保持部材と、前記照明光学系を保持する照明光学系保持部材と、前記光源保持部材を前記照明光学系保持部材に連結するための結合部材と、を備え、
前記照明光学系は、前記光源からの光を非対称にインテグレートする照明光学系であって、
前記光源保持部材に設けられた第１の位置決め部と前記結合部材に設けられた第２の位置決め部を用いて、
前記照明光学系によってインテグレートされる方向に対して垂直な方向であって、前記光源の光軸方向に対して垂直な方向に、前記光源の位置が調整されることを特徴としている。
また、本発明においては、上記の光源位置調整機構を備える投射型表示装置を構成することができる。

本発明によれば、投影映像の輝度ムラおよび色ムラを低減することが可能となる投射型表示装置に用いられる光源位置調整機構、および投射型表示装置を実現することができる。

以下、図面を用いて本発明の各実施例を説明する。

［実施例１］
実施例１は、上記した本発明の構成を適用した光源位置調整機構を有するランプユニットの構成例である。
図１に、本実施例の光源位置調整機構を有する光源ユニットの構成を示す。
図１において、１１ａは発光管、１１ｂは発光管１１ａからの光を平行光に変換するためのリフレクタ、１１は発光管１１ａとリフレクタ１１ｂから構成される光源、１２は光源保持部材、１３は照明光学系を保持する部材と光源保持部材１２を連結するための結合部材である。
１２ａの破線による仮想線で示された部分は、光源保持部材１２の裏面に設けられた位置決め機構であり、１３ａで示された結合部材１３に設けられた位置決め機構と、それらに形成された凹凸部を係合させ位置決め可能に構成されている。１２ｂは光源保持部材１２と結合部材１３を固定するための光源保持部材１２に設けられた構造、１３ｂは光源保持部材１２と結合部材１３とを結合するための結合部材１３に設けられた構造を示す。

ここで、光源保持部材１２には光源１１を光源保持部材１２上で位置を決めるための位置決め機構を持つ。例えば、光源１１を構成するリフレクタ１１ｂの開口側壁面と接する個所３点に突起を設け（不図示）、光源１１を押える例えばバネ材のようなもの（不図示）で光源１１をリレフクタ開口側へ押し付けることで光源保持部材１２に設けた突起（不図示）にリフレクタ開口方向をならわせ、光源１１の第１の位置決めを行う。更に、例えば同様のバネ材（不図示）にてリフレクタ１１ｂの一部を前記リフレクタ開口にならわせた面と垂直な面に設けた突起（不図示）に押し当てることで、光源１１の第２の位置決めを行う。更に、例えば同様のバネ材（不図示）にてリフレクタ１１ｂの一部を前述２方向の突き当てに対して垂直な面に設けた突起（不図示）に押し当てることで、光源１１の第３の位置決めを行う。上記３方向の位置決めにより光源１１の光源保持部材１２に対する位置は一つに決定する。

つぎに、光源保持部材１２の裏面に設けられた位置決め機構１２ａと、結合部材１３に設けられた位置決め機構１３ａの拡大図を図２に示す。
位置決め機構１２ａおよび１３ａは、例えば１ｍｍピッチの間隔で凹凸部が設けられたノコギリ歯のようなギザギザ形状をしており、位置決め機構１２ａと位置決め機構１３ａのギザギザの位相は１／２位相ずらすことで、凹部と凸部が入り組むことにより位置決めすることができ、またこの時の凹部もしくは凸部のピッチが光源保持部材１２と結合部材１３の調整ピッチとなる。
調整を行う場合は、凹部と凸部の組み合わせが一つずれることによって１ピッチ分の調整が可能となる。更に調整可能方向に外力２１Ｆが加わった場合、その力は凸形状の斜面で分力２１ａと２１ｂに別れ、分力２１ａは結合部材１３に対して光源保持部材１２を持ち上げる方向の力となる。そこで、位置決め機構１２ａおよび１３ａの近傍に光源保持部材と結合部材とを固定する結合構造１２ｂおよび１３ｂ、例えば光源保持部材の１２に設けられた穴１２ｂからビスを入れ、結合機構１３ｂに設けられたネジ穴で前記ビスを固定することにより、光源保持部材１２と結合部材１３をしっかりと固定し、前述した分力２１ａを抑えることができる。そうすることで、安価で部品点数を増加させない、簡易な調整機構を構築することが可能となる。

つぎに、これらの光源保持部材と結合部材とによるランプユニットの調整方法について説明する。
その一つの方法として、治工具上に照明光学系と投射光学系を配し、色彩輝度計等の明るさセンサーが配列されたスクリーンに映像を投影する系を構築する。そして、この治工具に光源を取り付け、照明光学系に対し光源位置をどの方向にどれだけ移動すれば投影される映像が色ムラおよび輝度ムラの少ない映像になるのかを測定し、光源移動量ごとに光源を仕分ける。そして本実施例の調整機構のついた光源保持部材と結合部材とを、前記測定結果にしたがって固定する調整方法を用いることができる。

また、他の方法としては、治工具上に照明光学系と投射光学系を配し、色彩輝度計等の明るさセンサーが配列されたスクリーンに映像を投影する系を構築する。そして、この治工具の光源が配置されるべき場所に、本実施例の光源保持部材に取り付けられた光源（称して光源ユニットとする）を配し、治具上で２次元調整を行う。位置が決定した時点で光源保持部材はその位置を保ったまま、結合部材と固定されるようにする調整方法を用いることができる。
以上の本実施例の調整方法によれば、発行管のリフレクタに対する固着ズレや発光管１１ａ自身が持つ誤差を補正することが可能となる。

図８に示すように発光管８０１は、球体部８０１ａ、先端部８０１ｂ、ネック部８０１ｃの３ヶ所に区分けされ、例えば球体部上は１０００℃以下、球体部下は９００±２０℃、先端部およびネック部は４２０℃以下というように、それぞれの冷却条件が存在し、これらの冷却条件を満たすように温度管理されている。その中でも、発光部である球体部８０１ａは発熱源であり、もっとも高温となる。そのため、近年で広く使われている光源では、リフレクタ８０２の側面に発光管８０１への冷却風を送り込むための切欠き８０３設けられ、かつ放電ランプが壊れた際に危なくないようにするために、前記切欠き部８０３にフィルター（不図示）が設けられている。
前述したように光源は非常に高温となることから、投射型表示装置内では光源を冷却する手段が必須となる。例えば、光源の近傍に光源冷却用のファンを配置し、風を吹きつけたり、逆に光源の熱をファンを介して装置外部に排気する方法のほかに高出力な光源を使用する場合、前記切欠き８０３から積極的にリフレクタ８０２内部に冷却風を送り込むことで最も高温となる発光管の冷却を行っている。
しかし、前述したような２次元的調整機構を設けると光源冷却用ファンと発熱体である光源との距離が可変となるため、光源と冷却ファンが近づく方向ならまだしも、離れる方向に調整が必要になった場合、冷却ファンと発光管の距離が遠くなってしまうため、冷却ファンから送風された風は切欠き８０３を通過し、リフレクタ内部に入り込む前に拡散してしまい、発光管を冷却する能力が落ちてしまう。そこで、図３に示すような導風ダクト３１が必要となる。この導風ダクトが切欠きよりも広範囲に開口している構成をとれば拡散した風をも取り込むことができ、常に一定の冷却風を発光管に対して送ることが可能となる。また、このダクトを複数の部品、例えば径の異なる２つの筒のような部材で構成し、冷却ファンに対して光源が移動したとしても常に冷却ファンと切欠き口を繋ぐ役目を果たすように構成する。そうすることで、冷却ファンと光源との位置関係が変わったとしてもファンからの風が拡散することなく、常により安定した冷却風を発光管に対して送ることが可能となる。

また、図１に示すように、光源保持部材１２を略Ｌ字型に構成し、結合部材１３を略板状に構成し、光源保持部材１２と結合部材１３とを両者の板部が重なるように配置することで、光源が高温になったとしても、両部材が壁となり、両部材の外側を構成する装置の外装（不図示）が高温になるのを防ぐ効果をも得られる。更に、光源保持部材１２や結合部材１３は基本的にＰＰＳなどのモールド部材で作られていることが多く、そのことが更に外装への断熱効果を高めることができる。

［実施例２］
実施例２では、光源調整機構を有する光源ユニットにおける位置決め機構の構成として、位置決めピンによる構成を採用した。
図４に、本実施例の光源調整機構を有する光源ユニットの構成を示す。
本実施例では、光源保持部材４２に設けられた位置決め機構４２ａと、結合部材４３に設けられた位置決め機構４３ａとは、位置決めピンによって構成されている。

その略図を図５によって説明する。図５において、光源保持部材５２には破線で示すように調整方向と垂直な方向に複数個のピン穴（５２１ａ）を設け、その複数個の穴の調整方向に１つピン穴（５２２ｂ）を設ける。また結合部材５３には調整方向と垂直な方向よりも調整分だけ調整方向にシフトした位置に各穴（５３１ａ）を設ける。
また、調整方向に長穴（５３２ｂ）を１つ設ける。言い換えるなら、例えば結合部材に設けた穴が図に示すように５つであり、中心の穴を基準に隣の穴が１ｍｍだけ調整方向にシフトした位置に設け、更にその隣の穴が調整方向に２ｍｍだけシフトした構成をとる。つまり、図５に示すように階段状に配置する。そうすることで、光源保持部材と結合部材を重ね合わせて、複数穴を設けられた箇所の一致する穴に位置決めのピンを差し込むことで２次元的な調整が可能となる。
また、光源保持部材５２および結合部材５３に設けられた結合機構５２ｂおよび５３ｂで実施例１同様、例えばビスを用いてしっかりと固定する。こうすることで、よりしっかりと位置決めを行うことが可能となる。
更に、本実施例においても、実施例１で述べたように光源保持部材をＬ字型に構成したり、導風ダクト構造をも持たせることで外装温度の低減や、冷却効率低下の防止を行うことが可能である。

［実施例３］
実施例３では、光源調整機構を有する光源ユニットにおける位置決め機構の構成として、さらに別の形態による構成を採用した。
図６に、本実施例の光源調整機構の位置決め機構の構成を示す。
本実施例においては、図６に示すように位置決め機構６２ａおよび６３ａの側面に、スペーサ６４を挟み込むことによる調整機構とする。
光源保持部材には調整方向に長穴６２ｃを設け、結合部材には前記長穴との１方向位置を確定するためのボス６３ｃを設ける。

このようにしてまず、光源保持部材と結合部材との１方向調整を確立する。そして更に、光源保持部材６２の側方に例えばネジ穴６２ｂを設け、結合部材のそれに対応する位置に貫通穴６３ｂを設ける。そうすることで、光源保持部材と結合部材の固定を行う。このとき、光源保持部材の側面と結合部材の側面に図６に示すように板状のスペーサ６４を挟み込むことによって、そのスペーサの厚みで２次元的な調整を行うことができる。
更に、本実施例においても、実施例１で述べたように光源保持部材をＬ字型に構成したり、導風ダクト構造をも持たせることで外装温度の低減や、冷却効率低下の防止を行うことが可能である。

［実施例４］
実施例４では、光源調整機構を有する光源ユニットにおける位置決め機構の構成として、さらに別の形態による構成を採用した。
図７に、本実施例の光源調整機構の位置決め機構の構成を示す。
本実施例においては、図７に示すように偏心ピンによって１方向の調整を行う機構とする。
光源保持部材には調整方向に長穴７１１を設け、結合部材には前記長穴との１方向位置を確定するためのボス７１２を設ける。このようにしてまず、光源保持部材と結合部材との１方向調整を確立する。更に、光源保持部材に前記長穴とは垂直方向に長穴形状７２ａを設け、かつ結合部材にはピン穴７３ａを設ける。そして、その穴に回転中心を偏心させたピンを挿入し、回転させることで偏心分だけ１方向への調整が可能となる。この場合の調整は無段階の調整を行うことができ、そのため微調整が可能となる。
また、光源保持部材７２および結合部材７３に設けられた結合機構７２ｂおよび７３ｂで、実施例１同様に例えばビスを用いてしっかりと固定する。

本実施例では微調整が可能な構成なので、ビスに歯付座金（不図示）を付加し、更に前記座金のビスを通す穴をビスネジ無し部を勘合させることにより、更に信頼できる位置決め機構とすることができる。
更に、本実施例においても、実施例１で述べたように光源保持部材をＬ字型に構成したり、導風ダクト構造をも持たせることで外装温度の低減や、冷却効率低下の防止を行うことが可能である。

以上の各実施例の構成によれば、発光管をリフレクタの所望の位置から外れた位置で固着してしまった場合も、発光管自身が誤差を含んでしまった場合でも、投影映像の輝度ムラおよび色ムラを低減して良好な映像を得ることができるだけでなく、更に、照明光学系を構成する光学素子に対し略テレセン性で入射することを保てるので、各光学素子の性能を劣化させることがない。また、２次元的な調整機構であるため、構成が簡素化され、低コスト化を図ることができる。
また、特にインテグレートレンズを用いて光源からの光を非対称にインテグレートする照明光学系を用いて投射型表示装置を構成する場合においては、従来例の特許文献１における問題点でも説明したように、該照明光学系によってインテグレートされる方向に光源位置を調整しても投影映像にはそれほど影響を与えない。
したがって、この方向には調整機構を設けず、逆に上記したインテグレートされる方向と垂直な方向であって、光源の光軸方向に対して垂直な方向への調整は投影映像に影響を与えるため、この方向には調整機構を設ける。こうすることで、発光管をリフレクタの所望の位置から外れた位置で固着されて発光管自体が誤差を含むようになった場合でも、投影映像の輝度ムラおよび色ムラを低減して良好な映像を得ることができるだけでなく、更に、照明光学系を構成する光学素子に対し略テレセン性で入射することを保てるので、各光学素子の性能劣化を防止することが可能となる。

本発明の実施例１における光源の調整機構を有するランプユニットの構成を示す図。本発明の実施例１における光源保持部材に設けられた位置決め機構と、結合部材に設けられた位置決め機構の拡大図。本発明の実施例１における伸縮ダクト付き光源保持部材の構成を示す図。本発明の実施例２における光源の調整機構を有するランプユニットの構成を示す図。本発明の実施例２における光源の調整機構における位置決め機構を説明する図。本発明の実施例３における光源の調整機構における位置決め機構を説明する図。本発明の実施例４における光源の調整機構における位置決め機構を説明する図。従来例における光源装置の構成及びリフレクタ内面の光線を示す図。

符号の説明

１１：光源
１１ａ：発光管
１１ｂ：リフレクタ
１２、５２、７２：光源保持部材
１２ａ、５２ａ、６２ａ、７２ａ：位置決め機構
１２ｂ、５２ｂ、６２ｂ、７２ｂ：結合穴
１３、６３、７３：結合部材
１３ａ、５３ａ、６３ａ、７３ａ：位置決め機構
１３ｂ、５３ｂ、６３ｂ、７３ｂ：結合機構
２１：外力Ｆ
２１ａ：分力
２１ｂ：分力
３１：導風ダクト
８０１：発光管
８０１ａ：発光管発光部（球体部）
８０１ｂ：発光管先端部
８０１ｃ：発光管ネック部
８０２：リフレクタ
８０２ａ：発光管取り付け部
８０３：切欠き

Claims

光源からの光が照明光学系に導かれ、該照明光学系からの光が投射光学系により投射される投射型表示装置に用いられる光源位置調整機構であって、
前記光源を保持する光源保持部材と、前記照明光学系を保持する照明光学系保持部材と、前記光源保持部材を前記照明光学系保持部材に連結するための結合部材と、を備え、
前記照明光学系は、前記光源からの光を非対称にインテグレートする照明光学系であって、
前記光源保持部材に設けられた第１の位置決め部と前記結合部材に設けられた第２の位置決め部を用いて、
前記照明光学系によってインテグレートされる方向に対して垂直な方向であって、前記光源の光軸方向に対して垂直な方向に、前記光源の位置が調整されることを特徴とする光源位置調整機構。
前記第１の位置決め部と前記第２の位置決め部は、それぞれ凹凸部を備え、
前記第１及び第２の位置決め部におけるそれぞれの凹凸部の係合位置を調整することによって、前記照明光学系によってインテグレートされる方向に対して垂直な方向であって、前記光源の光軸方向に対して垂直な方向に前記光源の位置が調整されることを特徴とする請求項１に記載の光源位置調整機構。
請求項１または請求項２に記載の光源位置調整機構を備える投射型表示装置。