(57)【要約】【課題】ＤＬＰプロジェクタにおけるツインランプの光結合の最大効果を発揮し、そして光源の寿命を延ばすこと。【解決手段】マルチ光源の投影装置およびその光結合モジュールである。マルチ光源の投影装置は光入力領域と、いずれも前記光入力領域に設けられているライトトンネルと、カラーホイールと、光結合モジュールと、複数の光源とを備えている。光結合モジュールは光結合手段と、集光手段と、反射手段とを備えており、複数の光源は複数の光束を出射して、光束は光結合手段を介して実質的にシングルとなる光束に結合された後、集光手段および反射手段を介して、カラーホイールおよびライトトンネルを通過する。【選択図】図３
2007310331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光入力領域と、
いずれも前記光入力領域に設けられているライトトンネル（ｌｉｇｈｔ  ｔｕｎｎｅｌ）と、カラーホイールと、光結合モジュールと、複数の光源とを備えたマルチ光源の投影装置であって、
前記光結合モジュールは光結合手段と、集光手段と、反射手段とを備えており、
前記複数の光源は複数の光束を出射して、光束は前記光結合手段を介して実質的にシングルとなる光束に結合された後、前記集光手段および反射手段を介して、前記カラーホイールおよび前記ライトトンネルを通過することを特徴とするマルチ光源の投影装置。
【請求項２】
前記光結合手段が光結合プリズムであることを特徴とする請求項１に記載のマルチ光源の投影装置。
【請求項３】
前記集光手段が、前記反射手段の前端に設けられている第１の集光レンズと、前記反射手段の後端に設けられている第２の集光レンズとを備えたことを特徴とする請求項１に記載のマルチ光源の投影装置。
【請求項４】
前記集光手段が、前記第１の集光レンズと前記反射手段との間に設けられている第３の集光レンズを更に備えたことを特徴とする請求項３に記載のマルチ光源の投影装置。
【請求項５】
前記反射手段が反射鏡であることを特徴とする請求項１に記載のマルチ光源の投影装置。
【請求項６】
前記複数の光源が２つの光源を有することを特徴とする請求項５に記載のマルチ光源の投影装置。
【請求項７】
前記ライトトンネルが中心軸を有しており、前記反射手段を通過した前記光束が実質的に前記中心軸に沿って進行することを特徴とする請求項６に記載のマルチ光源の投影装置。
【請求項８】
処理済みの影像を投影方向に沿って出射するレンズを有する影像出力領域を更に備えており、前記ライトトンネルの中心軸が、前記反射鏡と実質的に４５度の角度をなしており、前記投影方向と実質的に垂直となっていることを特徴とする請求項７に記載のマルチ光源の投影装置。
【請求項９】
前記２つの光源が前記光結合手段に対して対向して設けられ、しかも前記２つの光源の中心の接続線が前記投影方向と実質的に垂直となっていることを特徴とする請求項７に記載のマルチ光源の投影装置。
【請求項１０】
前記光源の各々が高圧ガス放電ランプ（ｈｉｇｈ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ＨＩＤ）であることを特徴とする請求項１に記載のマルチ光源の投影装置。
【請求項１１】
前記光源の各々が楕円球状ランプであることを特徴とする請求項１０に記載のマルチ光源の投影装置。
【請求項１２】
光入力領域と、いずれも前記光入力領域に設けられているライトトンネル（ｌｉｇｈｔ  ｔｕｎｎｅｌ）と、カラーホイールと、光結合モジュールと、複数の光源とを備えたマルチ光源の投影装置用の光結合モジュールであって、前記光結合モジュールは光結合手段と、集光手段と、反射手段とを備えており、前記複数の光源は複数の光束を出射して、光束は前記光結合手段を介して実質的にシングルとなる光束に結合された後、前記集光手段および反射手段を介して、前記カラーホイールおよび前記ライトトンネルを通過することを特徴とするマルチ光源の投影装置用の光結合モジュール。
【請求項１３】
前記光結合手段が光結合プリズムであることを特徴とする請求項１２に記載の光結合モジュール。
【請求項１４】
前記集光手段が、前記反射手段の前端に設けられている第１の集光レンズと、前記反射手段の後端に設けられている第２の集光レンズとを備えたことを特徴とする請求項１２に記載の光結合モジュール。
【請求項１５】
前記集光手段が、前記第１の集光レンズと前記反射手段との間に設けられている第３の集光レンズを更に備えたことを特徴とする請求項１４に記載の光結合モジュール。
【請求項１６】
前記反射手段が反射鏡であることを特徴とする請求項１２に記載の光結合モジュール。
【請求項１７】
前記複数の光源が２つの光源を有することを特徴とする請求項１６に記載の光結合モジュール。
【請求項１８】
前記ライトトンネルが中心軸を有しており、前記反射手段を通過した前記光束が実質的に前記中心軸に沿って進行することを特徴とする請求項１７に記載の光結合モジュール。
【請求項１９】
処理済みの影像を投影方向に沿って出射するレンズを有する影像出力領域を更に備えており、前記ライトトンネルの中心軸が、前記反射鏡と実質的に４５度の角度をなしており、前記投影方向と実質的に垂直となっていることを特徴とする請求項１８に記載の光結合モジュール。
【請求項２０】
前記２つの光源が前記光結合手段に対して対向して設けられ、しかも前記２つの光源の中心の接続線が前記投影方向と実質的に垂直となっていることを特徴とする請求項１８に記載の光結合モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学投影装置に関し、より詳細には、マルチ光源を備えた投影装置およびその光結合モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、投影装置の製品は非常に多様化されており、デジタル・ライト・プロセッシングプロジェクタ（ＤＬＰ）、液晶プロジェクタ（ＬＣＤ）および反射型液晶素子（ＬＣＯＳ）プロジェクタなどが挙げられ、いずれも各々異なる消費グループを提供している。現時点における市場で多く見られるデジタル・ライト・プロセッシングプロジェクタ（ＤＬＰ）を例にとれば、ＤＬＰプロジェクタは微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を技術的基礎として、テキサスインスツルメンツ社（ＴＩ）が開発したＤＭＤチップ（ｄｉｇｉｔａｌ  ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  ｄｅｖｉｃｅ）を採用してこの投影装置の中枢構造を構成している。一般的には、ＤＬＰプロジェクタの像形成原理は、光が光源から出射された後、カラーホイール（ｃｏｌｏｒ  ｗｈｅｅｌ）を透過して色分離動作が行われ、通常は色が緑、青および赤に細分離された後に、光学エンジンに入射させて、ライトトンネルを経て光を最適化した後に、更にＤＭＤに入射し、ＤＭＤを介して影像入力信号を受信して、その上の微小ミラーで反射して、正確な光および影像をレンズに投射して入射させて、最後にレンズの投影方向により、影像がスクリーン上に投写されるものである。その他の原理で製造された投影装置に比べて、ＤＬＰプロジェクタは高い明度、正確なカラー再現性、高いコントラスト、装置本体のコンパクトと軽量化という長所を備えている。
【０００３】
ＤＬＰプロジェクタは画面表現上の優位性から、各メーカーにおいては、最善で極限の高品位な投影効果を目指して、ＤＬＰプロジェクタおよびその周辺機器の研究・開発を重視している。一般的には、ＤＬＰプロジェクタを影像表示ツールとして応用するに当たり、高い明度、広い投影可能画面などの特色を持つ必要性から、ＤＬＰプロジェクタにはその画像の明度を高める意味でツイン光源の光結合システムを採用することが必要となる。
【０００４】
前述のように（図１を参照のこと）、典型的なシングル光源投影の光学エンジンの構造においては、光源１１が出射した光束は、まずカラーホイール１５を介して光分離された後、ライトトンネル１４中に入射して、光分離された光は均一化された後に光学エンジン１０の後端に送られて、影像処理が行われた後に、レンズ１６を介して影像が投影方向１７に向けて出射される。このうち、このカラーホイール１５を介した光束は光分離が可能となるためにはシングル光束である必要がある。
【０００５】
したがって、図２に示すツイン光源１１、１２が発生したツイン光束は、まず適当な光結合手段を介してシングル光束として合成された後に、カラーホイールを透過して始めて、シングルライトトンネルに送られる。そうでない場合には、異なる光源が発生した複数の光束をそれぞれ受け取るために、複数の異なるライトトンネルを予め設けなければならない。このような場合、複数の光束が結合されていないため、カラーホイールの光分離動作において先にライトトンネルの光を均一化する動作を行うことができず、機構の配置において、カラーホイールをライトトンネルの後端に配置して、光束をまずライトトンネルに入射させて、均一化された光をある機構を用いて結合した後に光分離しなければならない。よって図１のシングル光源構造と図２のツイン光源とでは、ライトトンネル１４とカラーホイール１５との間の相対的位置が異なるために、両者が光学エンジン１０を共用することはできない。
【０００６】
そして三角プリズム１３の光結合手段を例とした場合、もしツイン光源１１、１２構造を採用するとなると、ツイン光束が三角プリズム１３を透過した後に、シングル光束により近い光束が得られて、これが先にカラーホイールを通過するものであるが、これら光源が出射した光束は三角プリズム１３の頂点１３１付近を通過することで、ようやくその効果を奏することになる。このような状況でもし光源を内側に移動させない場合、三角プリズム１３を外側にある程度の距離移動させなければならず、もしカラーホイール１５を収納する空間を設ける場合には、光結合後に元の強度が減衰してしまっているシングル光束は、カラーホイール１５に入射する前に、この間の距離を経なければならず、光結合後の強度が更に減衰してしまい、光結合効率が損なわれるのに同義となり、影像明度および色が影響を受けてしまう。
【０００７】
通常ＤＬＰプロジェクタに用いられるツイン光源１１、１２は楕円球状ランプであり、一般的に業界で用いられる楕円球状ランプは、強い光を発することによる高熱が、空気の浮上力により２つの電極間の上方にまで移動し、高熱領域を形成してしまう。楕円球状ランプにおける電極の寿命を保つために、メーカでは、使用者の使用に際しては、電極部分がこの高熱領域に位置して高温による損傷を避けるために、楕円球状ランプを上、下に傾けて、仰角が２０度を超えるような調整を行わないよう要求している。図２に示す配設状態のように、２つの相対する楕円球状ランプのコア部分がある接続線と、レンズ１６の投影方向１７とが実質的に平行となっており、このような状況ではレンズ１６が使用者による投影のニーズに応じて、上向きまたは下向きに２０度を超すように調整されるのと等しくなり、２つの楕円球状ランプのいずれかがこの安全な臨界状態を容易に超えてしまう。これもまた従来技術に潜在している深刻な欠点である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これを受けて、ＤＬＰプロジェクタにおけるツインランプの光結合の最大効果を発揮し、そして光源の寿命を延ばすなどの目的にために、シングルランプ、ツインランプ、さらにはマルチ光源の投影装置中に通用される投影装置およびその光結合モジュールを構築する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一つの目的は、光入力領域と、いずれも前記光入力領域に設けられているライトトンネル（ｌｉｇｈｔ  ｔｕｎｎｅｌ）と、カラーホイールと、光結合モジュールと、複数の光源とを備えたマルチ光源の投影装置であって、前記光結合モジュールは光結合手段と、集光手段と、反射手段とを備えており、前記複数の光源は複数の光束を出射して、光束は前記光結合手段を介して実質的にシングルとなる光束に結合された後、前記集光手段および反射手段を介して、前記カラーホイールおよび前記ライトトンネルを通過する、マルチ光源の投影装置を提供するところにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、光入力領域と、いずれも前記光入力領域に設けられているライトトンネルと、カラーホイールと、光結合モジュールと、複数の光源とを備えたマルチ光源の投影装置用の光結合モジュールであって、前記光結合モジュールは光結合手段と、集光手段と、反射手段とを備えており、前記複数の光源は複数の光束を出射して、光束は前記光結合手段を介して実質的にシングルとなる光束に結合された後、前記集光手段および反射手段を介して、前記カラーホイールおよび前記ライトトンネルを通過する、マルチ光源の投影装置用の光結合モジュールを提供するところにある。
【００１１】
本発明に係るマルチ光源の投影装置および光結合モジュールは、従来のシングルランプ構造の光学エンジンを共用でき、かつカラーホイールをライトトンネルの前端に配置できるため、良好な色表現を維持することが可能となる。さらには、光源の配列方向が投影方向に実質的に垂直となるため、機器本体が使用上のニーズのために傾斜調整されてしまい光源の寿命に影響を及ぼす、ということはなくなる。これら設計は光結合の効率を効果的に向上させるにとどまらず、光強度および均一性をも向上し、しかも投影装置における光源の使用寿命を効果的に延ばすことができる。
【００１２】
図面および後述する実施形態を参照することで、当業者であれば本発明のその他目的および本発明の技術的手段ならびに実施形態を理解できよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る発明の特徴は光結合モジュールおよびこの技術を応用したマルチ光源の投影装置に重点を置いていることから、以下に説明するものは主に投影装置中の光結合モジュール、その配置、光経路および周辺の関連する構成要素を主体とするものであり、その他の構成要素およびその投影装置における基本的技術についてはここでは記述を省略する。
【００１４】
図３を参照されたい。投影装置４０は主に光学エンジン（ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｎｇｉｎｅ）４２を備え、前記光学エンジンは光入力領域および影像出力領域とを備えている。ライトトンネル（ｌｉｇｈｔ  ｔｕｎｎｅｌ）４３、カラーホイール４４（ｃｏｌｏｒ  ｗｈｅｅｌ）、光結合モジュール４６および少なくとも２つの光源４７、４８のいずれもが前記光入力領域に設けられており、レンズ４２１は前記影像出力領域に設けられている。このうち、光源の種類の応用では高圧ガス放電ランプ（ｈｉｇｈ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ＨＩＤ）の楕円球状ランプを好ましい実施例として説明する。
【００１５】
ライトトンネル４３は前端４３１と前記前端４３１に相対する後端４３２とを有し、前記光入力領域のカラーホイール４４およびライトトンネル４３を通過した光束は、光学エンジン４２内部で影像処理が行われて、処理済みの影像は投影方向４２２（図中の破線矢印で示す）に沿って、レンズ４２１から出射される。
【００１６】
本発明に開示する光結合モジュール４６は光結合プリズム４６０と、反射鏡４６２と、第１の集光レンズ４６４と、第２の集光レンズ４６６とを備えているのが好ましい。本発明の好ましい実施例では、光結合モジュール４６は、第１の集光レンズ４６４と反射鏡４６２との間に配置されている第３の集光レンズ４６８を更に備えている。第３の集光レンズ４６８の位置は、光結合プリズム４６０で結合された光束４９の集光程度を更に調整できるように、ニーズに応じて調整可能であることが更に好ましい。同様に、光源４７、４８の入射光束が光結合プリズム４６０に入射する光結合強度を調整するために、光結合プリズム４６０も位置が調整可能である。当業者であれば、前記光結合プリズム４６０、前記第１の集光レンズ４６４、第２の集光レンズ４６６および第３の集光レンズ４６８はニーズに応じて数量を変更し、集光位置および光強度への調節の利便性を図るために、位置調節可能な部材を独立または一体設計することが可能であることは理解できるだろう。また、集光レンズ４６４、４６６、４６８は反射鏡４６２の前端、後端または前後両端に選択的に設けられる。これらいずれも相当する集光機能を異なるレベルで達成することができるので、これらはいずれも実行可能な手法である。
【００１７】
より詳細に言えば、光結合プリズム４６０は光源４７、４８からの入射光束をそれぞれ受け取った後、入射光束を結合し、その方向を転換して、結合された光束４９を生成する。結合された光束４９は順に第１の集光レンズ４６４、第３の集光レンズ４６８を通過して、前記ライトトンネル４３の中心軸４３３と実質的に４５度の角度で反射鏡４６２で実質的に反射した後、前記中心軸４３３の方向に沿って進行し、前記第２のレンズを通過して、更にカラーホイール４４を通過して、ライトトンネル４３の前端４３１に到達した後、後端４３２を介して出射して、光学エンジン４２での影像処理を経て、最終的に処理された影像がレンズ４２１の投影方向４２２に沿って出射されて、スクリーン（図示しない）上に影像が形成される。上記した集光手段および反射手段を備えた光結合モジュールの設計では、光結合手段で結合された光が、カラーホイール４４およびライトトンネル４５に達する前に、光の強度および位置の精度にかかわらず、いずれも相当なレベルを維持しているので、ライトトンネル４３から出射した光は、その彩度がシングルランプ構造と同等となり、明度はシングルランプよりもかなり突出している。
【００１８】
図３から分かるように、光源４７、４８の中心がなす接続線は好ましくは投影方向４２２と垂直となっている。この構成は光源の寿命に基づいた配慮である。まず、楕円球状ランプであるガス放電ランプの基本原理を簡単に説明したい。前記楕円球状ランプ内には２つの相対する電極が備えられている。電界が２つの電極に印加されたとき、自由電子がこの印加された電界により加速される。加速された自由電子とガス原子とがぶつかり、ガス原子が自由電子の運動エネルギー（ｋｉｎｅｔｉｃ  ｅｎｅｒｇｙ）を吸収して励起状態（ｅｘｃｉｔｅｄ  ｓｔａｔｅ）となる。この励起状態の原子が基底状態（ｇｒｏｕｎｄ  ｓｔａｔｅ）に戻った後、吸収されたエネルギーが放射の方式で放出されて光が発生する。ガス放電ランプの動作過程においては、常に熱が放出され、この熱が熱気上昇の原理により、通常は２つの電極位置の上方に集まり、高温領域を形成する。
【００１９】
ランプの製造メーカでは通常、使用者の使用に際しては、電極部分がこの高熱領域に位置して高温による損傷を避けるために、楕円球状ランプを上、下に傾けて、仰角が２０度を超えるような調整を行わないよう要求している。図３に示すように、２つの相対する楕円球状ランプのコア部分がある接続線と、レンズ４２１の投影方向４２２とが実質的に垂直となる設計により、レンズ４２１は使用者の投影ニーズに応じて、上向きまたは下向きに調整される。この調整は２つの相対する楕円球状ランプのコア部分がある接続線に沿って仮想軸線の方式で回転するため、２つの楕円球状ランプを上下移動させることはなく（図２に示す従来技術では楕円球状ランプの上下移動を引き起こしている）、したがって、２つの楕円球状ランプが上記したような安全な臨界温度を超えるようなことにはなりにくく、ランプの寿命を延ばすことができる。
【００２０】
上述したように、本発明に係る好ましい実施例において、第３の集光レンズ４６８は第１の集光レンズ４６４と反射鏡４６２との間に設けられている。もし第１の集光レンズ４６４が焦点距離ｆ１を有する場合には、第２の集光レンズ４６６は焦点距離ｆｂを、第３の集光レンズ４６８は焦点距離ｆ３を有することになる。このうち焦点距離ｆ１と焦点距離ｆ３との合成焦点距離ｆａの関係式は下記の数１のとおりとなる。
【００２１】
【数１】
2007310331.tif 000003
【００２２】
上記数式において、ｄは第１の集光レンズと第３の集光レンズとの間の距離を表す。
【００２３】
合成焦点距離ｆａと第２の集光レンズの焦点距離ｆｂとの比率は
2007310331.tif 000004
となる。図４には前記焦点距離の比率ｒと光結合効率との関係図を示しており、このうち、縦軸が光結合効率で、横軸が焦点距離の比率である。第３の集光レンズ４６８の位置を調整することで、光結合効率を調整可能であり、図中から分かるように、ｒが１．０７〜１．０９の範囲内にあるときに最良の光結合効率を有する。したがって、従来技術に比べて、本発明は第３の集光レンズ４６８の位置を単独で調整することで、使用者のニーズに応じて光結合効率を調整する目的に達することができる。
【００２４】
本発明の他の実施例は、前述したような機能を実現するための光結合モジュールを提供するものである。この光結合モジュールはプリズムと、第１の集光レンズと、第２の集光レンズと、反射鏡とを備え、光結合モジュールは位置調整可能な第３の集光レンズを更に備えることが可能である。この光結合モジュールの部材の機能はすでに前段にて説明しており、しかも前述したような機能を実現できるものであるため、ここでは説明を省略する。
【００２５】
以上の実施例は、単に本発明の実施形態を例示し、そして本発明の技術的特徴を説明するためのものに過ぎず、本発明の範疇を限定するためのものではない。例示するならば、集光レンズはその他の類似した機能の集光手段を用いることもできる。カラーホイールも必ずしもライトトンネルの前端に設けるものに限定されるものではなく、当業者が異なる配慮によるニーズのもとで、カラーホイールをライトトンネルの後端に配設してもよい。したがって、当業者であれば本発明の技術原理および趣旨に違わない状況下で、上記実施例に修正および変更を行うことは可能であるので、本発明の権利の範囲は別紙の特許請求の範囲にて主張する内容を根拠とすべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】シングルランプ構造を有する公知の投影装置の概略図である。
【図２】ツインランプ構造を有する公知の投影装置の概略図である。
【図３】本発明に係るマルチ光源の投影装置の概略図である。
【図４】本発明における光結合効率の焦点距離比率に対する曲線グラフである。
【符号の説明】
【００２７】
１０  光学エンジン
１１  光源
１２  光源
１３  プリズム
１３１  頂点
１４  ライトトンネル
１５  カラーホイール
１６  レンズ
１７  投影方向
４０  投影装置
４２  光学エンジン
４２１  レンズ
４２２  投影方向
４３  ライトトンネル
４３１  前端
４３２  後端
４３３  中心軸
４４  カラーホイール
４６  光結合モジュール
４６０  プリズム
４６２  反射鏡
４６４  第１の集光レンズ
４６６  第２の集光レンズ
４６８  第３の集光レンズ
４７  光源
４８  光源
４９  結合された光束
【図１】
2007310331.tif 000005
【図２】
2007310331.tif 000006
【図３】
2007310331.tif 000007
【図４】
2007310331.tif 000008