(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の間隙をもって配置された一対の電極を有する光源と、楕円形反射面及び／または球形反射面とを含み、該光源からの光を反射して所定の焦点に集束する反射鏡と、該反射鏡により集束された光が入射される矩形状の開口を有する多重反射素子と、該多重反射素子からの出射光を変調する画像表示デバイスと、該画像表示デバイスで変調された光を拡大投影する投写レンズとを備える投写型画像ディスプレイ装置において、
前記光源の一対の電極が、該光源の光軸方向と直交する方向に互いに偏芯している場合に、該電極の偏芯方向と前記多重反射素子の開口の長辺方向とを互いに並行させたことを特徴とする投写型画像ディスプレイ装置。
【請求項２】
所定の間隙をもって配置された一対の電極を有する光源と、楕円形反射面及び／または球形反射面とを含み、該光源からの光を反射して所定の焦点に集束する反射鏡と、該反射鏡により集束された光が入射される矩形状の開口を有する多重反射素子と、該多重反射素子からの出射光を変調する画像表示デバイスと、該画像表示デバイスで変調された光を拡大投影する投写レンズとを備える投写型画像ディスプレイ装置において、
前記光源の一対の電極が該光源の光軸方向と直交する方向に互いに偏芯していることによって、前記反射鏡により集束された光点の前記光軸と直交する断面が楕円形状を為し、該楕円形状の光点の長手方向と、前記多重反射素子の開口の長辺方向とを略一致させるようにしたことを特徴とする投写型画像ディスプレイ装置。
【請求項３】
前記多重反射素子は、ロッドレンズであることを特徴とする請求項１又は２に記載の投写型画像ディスプレイ装置。
【請求項４】
前記多重反射素子は、内壁面に金属薄膜を設けた中空の四面体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の投写型画像ディスプレイ装置。
【請求項５】
前記反射鏡からの光を、集光レンズを介して前記多重反射素子に入射するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の投写型画像ディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源から出射された光束を反射鏡及び多重反射素子を用いて画像表示デバイスに導き、該画像表示デバイスにより変調された光を投写レンズ等によってスクリーン上に投影するプロジェクションテレビなどの投写型画像ディスプレイ装置に係り、特に光源と多重反射素子との配置の工夫により、光源からの光を有効利用して明るい画像を得るようにした投写型画像ディスプレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の投写型画像ディスプレイ装置は、例えば特開平８−２３４１０９号公報に記載されている。この従来技術は、光源から出射された光を集束させて、矩形状の開口形状を有する多重反射素子に入射させて内部を透過させることにより、多重反射素子から出射した光が画像表示デバイスの有効領域に均一に照射されるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来から、多重反射素子の出射側開口と画像表示デバイスの有効領域とを略相似形状とすることにより多重反射素子から出射した光の利用効率を向上できることが知られている。多重反射素子の出射側開口の面積と画像表示デバイスの有効領域の面積（大きさ）との比（以下、倍率という）は画像表示デバイスの特性より限界がある。画像表示デバイスの有効領域の面積は、年々小さくなってきており、これに伴ない多重反射素子の出射側開口面積も小さくなってきている。
【０００４】
また、光源は有限長の間隙を以って配置された一対の電極を有しているため、白色光は光源の中心１点から光を放出するものではなく、上記電極間にわたって複数の白色光の放出点が分布しており、収差が生じる。したがって、多重反射素子の入射側開口に集束された光点（スポット）の形状は点ではなく、有限の幅をもった略円形をしている。画像表示デバイスの有効領域の面積が小さい場合、光利用効率の点から多重反射素子の入射側開口を集束された光点の大きさよりも大きくすることが出来ない。したがって、集束された光点の大きさ及び形状と、多重反射素子の入射側開口形状との関係が、投写レンズより出射される全光束（明るさ）に大きく影響する。
【０００５】
ところで、光源が有する２つの電極は、２つとも光軸上に配置することが理想的であるが、実際は、光軸と直交する方向（以下、径方向という）のずれ（偏芯）が生じてしまう。例えば２つの電極間の光軸方向距離が約１．５ｍｍである光源の場合、偏芯量は最大で１ｍｍのものもある。この偏芯がある光源の場合、多重反射素子の入射口面の集光された光点の形状は偏芯方向に伸びた略楕円形状となる。前記従来の技術においては、画像表示デバイスも大きく、多重反射素子の開口面積が光点大きさに対して充分大きかったため、光源の電極の偏芯に関して考慮されていなかった。しかしながら、近年は光点の大きさに対して多重反射素子の開口面積が小さくなってきている。このため、例えば電極の偏芯方向が多重反射素子の開口形状の短辺方向と一致した場合は、多重反射素子に入射されない光が多くなり、光利用効率が低下する。従って、このような場合は、画像の明るさを充分に確保することができない。
【０００６】
本発明は、上記のような課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、投写型画像ディスプレイ装置において、反射鏡により集束された光をより多く多重反射素子に導き、光利用効率を高めて明るい画像を得ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の目的を達成するための、本発明に係る投写型画像ディスプレイ装置においては、光源の電極の偏芯方向と多重反射素子の開口の長辺方向を略一致させる、すなわち該電極の偏芯方向と多重反射素子の開口の長辺方向とを互いに並行させるように配置することを特徴とするものである。これにより、反射鏡により集束された光の光束量を有効に多重反射素子に導くことが可能となり、より明るい画像を得ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。本実施の形態は、画像表示デバイスが、複数のマイクロミラーを有する、いわゆるデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）と呼ばれる反射型画像表示素子を用いるものとする。
【０００９】
図２は、本発明が適用される係る投写型画像表示装置の光学系の概略図である。光源1から放出された白色光は、楕円形状の反射面を有する第１の反射鏡２と球面形状の反射面を有する第２の反射鏡３により反射され、収束光束１５として、光源１の光軸方向に集光される。第１の反射鏡２は楕円形状を有しているため、焦点を２つ有している。ここで、第１の反射鏡２に近い方の焦点を第１焦点と呼び、遠い方の焦点を第２焦点と呼ぶことにする。これら第１及び第２焦点は同一軸上（光源の光軸）にあり、光源１の中心部が第１焦点とほぼ一致するように光源を配置し、かつ第２の反射鏡３の曲率中心も第１焦点とほぼ一致するように、当該第２の反射鏡３を配置する。また、第２焦点の近傍には、モータ５によって回転する円盤状の回転色フィルタ４が配置されている。
【００１０】
光源１から放出した白色光は、第１の反射鏡２の反射面、第２の反射鏡３の反射面、及び光軸方向に向かってそれぞれ進行し、第１の反射鏡２の反射面に入射した白色光は、その反射面により反射されて第２焦点に向かって進行する。一方、第２の反射鏡３の反射面に入射した白色光は、その反射面に反射され、第２の反射鏡３の曲率中心でもある第１の反射鏡２の第１焦点を通過した後に第１の反射鏡２の反射面に入射し、その反射面により反射されて第２焦点に向かって進行する。このため、第１の反射鏡２、及び第２の反射鏡３の反射面に入射された白色光の殆どは、収束１５となって第１の反射鏡２の第２焦点に集光される。
【００１１】
回転色フィルタ４は、収束１５から赤、青、緑の３原色光を周期的に分離するためのものであり、その円周方向に、例えば赤色フィルタ部、青色フィルタ部、緑色フィルタ部が順次配置され、収束１５をモータ５による回転に従って、赤色光、青色光、緑色光の順に分離・選択して出射する。従って、実際には、スクリーン上に赤、青、緑色の映像が切換えられて表示されることになるが、その切り換え速度が高速（おおよそ１２０Ｈｚ以上）のため、人間の目には、それら単独で表示される３原色画像が合成され、フルカラーの画像として見えるようになる。回転色フィルタ４としては、色の分離（切換）速度を速くして視覚的な色合成を良好に行うために、赤色フィルタ部、青色フィルタ部、緑色フィルタ部を複数組配置されたものが用いられることが多い。この場合、回転色フィルタ４が１周する間に、赤、青、緑色光の分離を複数回（周期）行うことになる。
【００１２】
回転色フィルタ４をにより分離された各３原色光は、多重反射素子６に入射される。このとき、多重反射素子６の入射光面と第１の反射鏡２の第２焦点を略一致させることにより、光源から放出された白色光をより多く多重反射素子６に導くことができ、光利用効率が向上できる。この多重反射素子６は、例えばロッドレンズや、その内壁面に金属薄膜もしくは金属多層膜が形成された中空の四面体である。従って、回転色フィルタ４で３原色に分離された光束をその内部で多重反射を繰り返すことで、光束のエネルギー分布を均一とするとともに、光束の形状を変換（ほぼ円形から四角形に変換）させる作用を持つ。また、多重反射素子６の入射側及び出射側の開口面は矩形状であって、画像表示デバイス９の有効表示領域とほぼ相似する形状を有している。すなわち、多重反射素子６の開口面の縦横比は、画像表示デバイス９の有効表示領域の縦横比とほぼ等しくなっており、このようにすることで効率良く回転色フィルタ４を通過した光を画像表示デバイス９に導くことができる。
【００１３】
多重反射素子６から出射された光は、レンズ素子７に入射され、拡大・収差補正される。ここで、図ではレンズ素子７は１枚のレンズであるが、例えば拡大用レンズ素子と拡大・収差補正用レンズ素子などの複数枚のレンズ群の場合が多い。このレンズ素子７を通過した光は、全反射プリズム８に入射し、該全反射プリズム８の全反射面８ａで反射し画像表示デバイス９に入射する。画像表示デバイス９により変調された光は再度全反射プリズム８に入射し、全反射面８ａを透過し、その光は投写レンズにより拡大投影される。ここで、全反射プリズム８は、図に示すように複数のプリズムを、当該プリズムとは他の媒体（例えば空気）を間に介して互いに接合したものである。
【００１４】
次に画像表示デバイス９について説明する。画像表示デバイス９の複数のマイクロミラー各々は、画像表示デバイス９に入力される映像信号により入射光に対する反射角が制御される。ある画素の画像を表示したい場合には、その画素に対応するマイクロミラーに対して、その反射角を制御するための制御信号を出力する。その制御信号が例えば「１」のときは、マイクロミラーの反射光を投写レンズの方向に導くように制御し、「０」の場合は、反射光が投写レンズに入射しない方向に導くように制御する。また、画像表示デバイス９には、回転色フィルタ４の光分離動作に同期して、赤、青、緑の各々の３原色光に対応する映像信号が時分割で順次入力される。すなわち、回転色フィルタ４が赤色光を分離するときは、画像表示デバイス９には赤色映像信号が入力され、青色光を分離するときは、青色映像信号が入力される。図２に示した構成においては、光軸に沿って、回転色フィルタ４、多重反射素子６の順に配置したが、多重反射素子６、回転色フィルタ４の順に配置した構成としても構わない。
【００１５】
次に、光源１として使用されるランプについて説明する。本発明の実施形態においては、光源１として例えば超高圧水銀ランプを用いている。超高圧水銀ランプには、電極に印加する電圧により交流駆動型と直流駆動型がある。図３は交流駆動ランプの電極部の部分拡大図、図４は直流駆動ランプの電極部の部分拡大図である。交流駆動型のランプは交互に極性が変化するので図３に示すように、２つの電極１１は同一形状である。図中１点鎖線は光軸を示している。この２つの電極１１は光軸と一致させるのが理想的であるが、実際は、図に示すように光軸とずれた状態で配置されてしまう。この、２つの電極１１の光軸に垂直方向のずれを偏芯という。図５に、交流駆動型ランプの、光軸及び電極の偏芯方向と直交する方向から見た電極周辺の光量分布を示す。光源からの光量は、図５に示すように２つの電極の偏芯と一致するように斜めに分布している。また、２つの電極の極性が交互に変化するため、２つの電極間でほほ対称な分布を持ち、仮想的な発光源は電極間の中心近傍となる。
【００１６】
次に直流駆動型のランプについて説明する。直流駆動型のランプは図４に示すように、放電が発生し易いようにランプ管球の陰極１２の先端が尖った形状となっており、陽極１３は陰極に比べて先端形状が丸みを帯びている。直流駆動型ランプにおいても、上記交流駆動型ランプと同様に２つの電極１２，１３は偏芯している。図６は、直流駆動型ランプの、光軸及び電極の偏芯方向と直交する方向から見た電極周辺の光量分布である。光源からの光量は、図６に示すように斜めに分布し、電極１２、１３の偏芯と一致している。また、陰極側の方が高い分布となっているため、仮想的な発光源は電極間の中心よりやや陰極側となる。
【００１７】
以上のように、交流駆動型ランプ、直流駆動型ランプともに白色光の放出点は１点ではなく分布を持った複数からなっており収差を持っている。このため、第１の反射鏡２及び第２の反射鏡３により集光された光点１４の、光軸と直交する断面の形状は、図７に示されるように、円形の点ではなく有限の幅をもち、さらに偏芯方向に長い楕円形状となる。
【００１８】
従って、楕円形状である光点１４の長手方向（Ｌ２）と多重反射素子６の長辺方向とを一致させれば、多重反射素子６に入射する光量を有効に増加させることが可能となる。これを実現するための本発明に係る実施の形態について、図１を用いて説明する。図１は光源１と多重反射素子６の関係を示した図であり、多重反射素子６の開口部の短辺をＬ１、長辺をＬ２とし、また、長辺方向（電極の偏芯方向）をＸ、短辺方向（光軸及び電極の偏芯方向と直交する方向）Ｙ、光軸方向をＺとして示している。本発明の投写型画像ディスプレイ装置においては、図１に示すように光源１の電極１１の偏芯方向と多重反射素子６の長辺方向Ｘとを略一致させた構成としている。すなわち、本発明は、光源１の電極１１の偏芯方向と多重反射素子６の長辺方向Ｘとが互いに並行するように、該光源１に対する多重反射素子６の配置関係を定めたものである。このように光源１及び多重反射素子６を配置することにより、反射鏡により集束された楕円形状の光点１４の、長手方向（Ｌ２）の端部近傍に分布する光が多重反射素子６の入射側開口によってけられることが低減されるため、光点１４における殆どの光量を多重反射素子６に入射することが可能となる。従って、本実施の形態によれば、多重反射素子６に入射されない、すなわち画像の明るさに寄与しない無効な光の増加を抑え、光源からの光を有効に利用することが可能となる。
【００１９】
図８は光点１４におけるＸ，Ｙ方向の光強度分布を示したものであり、図１に示した実施の形態の作用、効果を説明するものである。図８に示すように、中心が最も光強度が強く（明るく）、周辺に行くにしたがって光強度が低くなっている（暗くなっている）。本実施の形態では、電極の偏芯方向Ｘと多重反射素子６長辺方向が一致しているため、図８のハッチング部分で示されるように、電極の偏芯方向Ｘに分布する強度の高い光の殆どが多重反射素子６長辺寸法Ｌ２内に収まる。また、光軸及び偏芯方向と直交するＹ方向の光についても、図８のハッチング部分で示されるように、その殆どが多重反射素子６の長辺寸法Ｌ２内に収まる。よって、図８のハッチング部分の光は全て多重反射素子６に入射するようになり、多重反射素子６に入射されない光はわずかとなるため、光源からの光の殆どを多重反射素子６に入射することが可能になる。従って、本発明の実施の形態によれば、光利用効率がよく、明るい画像を得ることができる。逆に、電極の偏芯方向Ｘが多重反射素子６の短辺方向と一致する場合は、偏芯方向Ｘにおいて、多重反射素子６の短辺に収まらない光の量が増大するため、光の利用効率が低下する。例えば、偏芯が０．５ｍｍの場合、多重反射素子に入射する光量が約７％劣化する。
【００２０】
上記した投写型画像ディスプレイ装置においては、光源が超高圧水銀ランプの場合について説明したが、他の種類のランプにおいても電極が複数ある場合は同様の効果を得ることができる。
【００２１】
また、上記した実施の形態においては、光源から放出された白色光を、楕円形状を有する第１の反射鏡および球面形状を有する第２の反射鏡の２つで集光しているが、楕円形状の第１の反射鏡のみで集光する場合や、放物形状の反射鏡で平行光にしてレンズにより集光する場合においても同様の効果を得ることができる。
【００２２】
さらに、上記した実施の形態においては、反射式の画像表示デバイスの場合であるが、他の透過式の画像表示デバイスの場合においても同様の効果を得ることができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、投写型画像ディスプレイ装置において、光源からの光の利用効率を向上せしめた明るい画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の主要部を示す図
【図２】本発明が適用される投写型画像ディスプレイ装置の光学ブロック図
【図３】本発明に用いられる交流駆動型光源の主要部を示す図
【図４】本発明に用いられる直流駆動型光源の主要部を示す図
【図５】本発明に用いられる交流駆動型光源の光量分布を示す図
【図６】本発明に用いられる直流駆動型光源の光量分布を示す図
【図７】多重反射素子６の入射側開口近傍における光点の光量分布図
【図８】図１に示した実施の形態の作用効果を説明するためのものであって、多重反射素子６の入射開口での光強度分布を示す図
【符号の説明】
１…光源、２…第１の反射鏡、３…第２の反射鏡、６…多重反射素子、７…拡大・収差補正用レンズ素子、８…全反射プリズム、９…画像表示デバイス、１０…投写レンズ、１１、１２、１３…電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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