(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
時分割で順次点灯される第１〜第３の光源と、
前記第１および第２の光源からの光の光路を、該第１および第２の各光源の光路が交差する地点に配置される第１の回転ミラーの回転によって切り替えることにより、共通の光路に合流させるとともに、該共通の光路と前記第３の光源からの光の光路とが交差する地点に配置された第２の回転ミラーの回転によって切り替えることにより、共通の光路に合流させる光路切り替えデバイスとを有し、
該切り替えデバイスの第１の回転ミラーが、１枚の円盤上に、前記第１および第２の各光源からの光をそれぞれ反射する反射領域と前記第１および第２の各光源からの光をそれぞれ透過させる透過領域とが形成されて構成されており、該透過領域を透過する第１の光源からの光と、該反射領域にて反射される第２の光源からの光とが共通の光路に直接合流され、
前記第２の回転ミラーが、１枚の円盤上に、前記第１の回転ミラーを介して照射される前記第１および第２の光源からの光および該第３の光源からの光をそれぞれ反射する反射領域と、前記第１の回転ミラーを介して照射される前記第１および第２の光源からの光および該第３の光源からの光をそれぞれ透過させる透過領域とが形成されて構成されており、該第２の回転ミラーの該透過領域を透過する第１および第２の光源からの光と、該反射領域にて反射される第３の光源からの光とが前記共通の光路に直接合流され、
前記第１および第２回転ミラーの回転と、前記第１〜第３の各光源の点灯タイミングとが、外部からの同期信号によって、相互に同期するように制御され、
前記第１の光源からの光が前記第１の回転ミラーの透過領域を透過するタイミングで該第１の光源が点灯され、前記第２の光源からの光が前記第１の回転ミラーの反射領域にて反射するタイミングで該第２の光源が点灯されるように、該第１および第２の光源の点灯タイミングが制御され、
前記第２の回転ミラーは、前記第１の回転ミラーから照射される該第１および第２の光源からの光がそれぞれ該第２の回転ミラーの透過領域を透過するタイミングで回転され、該第３の光源は、該第３の光源の光が該第２の回転ミラーの反射領域にて反射されるタイミングで点灯され、
前記第１〜第３の各光源が、赤、緑及び青の各波長域にそれぞれ対応した有色光源であって、各光源の点灯時間が、その前後に点灯する光源の点灯時間と一部重なるタイミングで点灯される、光源装置。
【請求項２】
前記第１〜第３の各有色光源が、それぞれ、白色光源とカラーフィルタとによって構成されている請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光源装置と、
該光源装置からの光を受けて赤、緑及び青の各色の画像を順次表示する画像形成手段と
を備えている投影型画像表示装置。
【請求項４】
前記光路切り替えデバイスの各回転ミラーの回転タイミングと、前記画像形成手段の表示タイミングとが同期制御される請求項３に記載の投影型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば液晶プロジェクターのような投射型画像表示装置、及びそれに好適に用いられる光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、投影型画像表示装置としては、図１２や図１３に示すようなものが用いられている。
【０００３】
まず、図１２の投影型画像表示装置について説明する。
【０００４】
この投影型画像表示装置において、光源１３１から直接出射し、又はリフレクタ１３２を介して出射した光は、赤色光を反射して緑色光と青色光とを透過するダイクロイックミラー１３３、緑色光を反射して青色光を透過するダイクロイックミラー１３４及び全反射ミラー１３５によって赤、緑、青の３色の光に分解される。分解された各色の光は液晶ライトバルブ１３６、１３７、１３８を透過した後、全反射ミラー１３９、青色光を反射して赤色光を透過するダイクロイックミラー１４０、緑色光を反射して赤色光と青色光とを透過するダイクロイックミラー１４１により再び合成される。合成された光は投射レンズ１４２により投影される。
【０００５】
次に、図１３の投影型画像表示装置について説明する。
【０００６】
この投影型画像表示装置は、原理的には図１２と同じであるが、ダイクロイックミラー１４１ａ、１４１ｂ、全反射ミラー１４２ａ、１４２ｂにより分解された各色の光が、液晶ライトバルブ１４３、１４４、１４５を透過した後、クロスダイクロイックプリズム１４６により再び合成される。合成された光は投射レンズ１４７により投影される。
【０００７】
上記従来の投影型画像表示装置において、光源１３１としては、一般に、可視光全域の分光特性を有するメタルハライドランプやキセノンランプ等が用いられている。
【０００８】
従来から、これらの投影型画像表示装置には、より明るく鮮明な画像が求められている。そのために様々な工夫が今日までなされてきており、明るい画像を得るための手段として光源の出力を増大させることも検討されている。
【０００９】
しかし、一般に、光源の出力が大きいほど光源の発光部分が大きくなるので、光源からの出射光の平行度は悪くなる。このため、投影レンズに到達するまでに光が発散されてしまい、かえって集光効率が悪くなる。つまり、投影型画像表示装置の明るさ（光出力）は光源の出力には比例しないのである。
【００１０】
そこで、明るい画像を得るために、投影型画像表示装置の光源装置として複数の光源を用いる方法が、例えば特許公報第２５３３６７２号や特開平６−２０８０８０号公報に開示されている。
【００１１】
特許公報第２５３３６７２号においては、図１４に示すように、複数の光源１１１からの出射光をダイクロイックミラー１１２で合成している。
【００１２】
一方、特開平６−２０８０８０号公報においては、図１５に示すように、第１の光源１２１と、出射光軸が第１の光源１２１の出射光軸に直交するｎ個の他の光源１２２とを用い、他の光源１２２の出射光軸上であって、第１の光源１２１からの距離に対応した距離だけ他の光源１２２から離れた位置にｎ個の全反射ミラー１２３を配置し、第１の光源１２１の出射光軸又は各全反射ミラー１２３の反射光軸と各他の光源１２２の出射光軸との各交点にΣｎ個のハーフミラー１２４を配置する。そして、ハーフミラー１２４によって各光源１２１、１２２の出射光の一部を直角方向に反射すると共に他の一部を透過させ、全反射ミラー１２３によってハーフミラー１２４を透過した他の光源１２２の出射光とハーフミラーで反射された第１の光源１２１の出射光とを直角方向に全反射する。
【００１３】
なお、これらの従来技術において、各光源は常時点灯しており、光路合成の仕方も時間的に変化しておらず、本発明とは異なる技術である。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の投影型画像表示装置の光源装置は、次に説明するような課題を有する。
【００１５】
特許公報第２５３３６７２号の構成では、図１４に示すように、複数の光源１１１からの出射光をダイクロイックミラー１１２で合成しており、ダイクロイックミラー１１２において光が反射するか透過するかは、その波長によって決定される。
【００１６】
このため、可視光全域の分光特性を有するメタルハライドランプを用いた場合には、合成することができない波長域が各光源に必ず存在する。逆に、合成光を可視光全域にわたって考えると、各波長はダイクロイックミラー１１２に反射された光か又は透過してきた光のいずれか一方であるため、基本的に合成することができない。
【００１７】
特開平６−２０８０８０号公報の構成では、基本的に複数の光源からの出射光が並ぶことになるので、光束の幅が大きくなって、液晶パネルに対して相対的に大きな光源となる。
【００１８】
このため、相対的に大きな光源を小さな領域に集光すると、平行度が悪くなって集光効率が低下するという問題がある。
【００１９】
本発明は、このような従来技術の課題を解決すべくなされたものであり、複数の光源を用いて発散度を大きくすることなく高出力が得られる光源装置、及びそれを用いた明るい表示が得られる投影型画像表示装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の光源装置は、時分割で順次点灯される第１〜第３の光源と、前記第１および第２の光源からの光の光路を、該第１および第２の各光源の光路が交差する地点に配置される第１の回転ミラーの回転によって切り替えることにより、共通の光路に合流させるとともに、該共通の光路と前記第３の光源からの光の光路とが交差する地点に配置された第２の回転ミラーの回転によって切り替えることにより、共通の光路に合流させる光路切り替えデバイスとを有し、該切り替えデバイスの第１の回転ミラーが、１枚の円盤上に、前記第１および第２の各光源からの光をそれぞれ反射する反射領域と前記第１および第２の各光源からの光をそれぞれ透過させる透過領域とが形成されて構成されており、該透過領域を透過する第１の光源からの光と、該反射領域にて反射される第２の光源からの光とが共通の光路に直接合流され、前記第２の回転ミラーが、１枚の円盤上に、前記第１の回転ミラーを介して照射される前記第１および第２の光源からの光および該第３の光源からの光をそれぞれ反射する反射領域と、前記第１の回転ミラーを介して照射される前記第１および第２の光源からの光および該第３の光源からの光をそれぞれ透過させる透過領域とが形成されて構成されており、該第２の回転ミラーの該透過領域を透過する第１および第２の光源からの光と、該反射領域にて反射される第３の光源からの光とが前記共通の光路に直接合流され、前記第１および第２回転ミラーの回転と、前記第１〜第３の各光源の点灯タイミングとが、外部からの同期信号によって、相互に同期するように制御され、前記第１の光源からの光が前記第１の回転ミラーの透過領域を透過するタイミングで該第１の光源が点灯され、前記第２の光源からの光が前記第１の回転ミラーの反射領域にて反射するタイミングで該第２の光源が点灯されるように、該第１および第２の光源の点灯タイミングが制御され、前記第２の回転ミラーは、前記第１の回転ミラーから照射される該第１および第２の光源からの光がそれぞれ該第２の回転ミラーの透過領域を透過するタイミングで回転され、該第３の光源は、該第３の光源の光が該第２の回転ミラーの反射領域にて反射されるタイミングで点灯され、前記第１〜第３の各光源が、赤、緑及び青の各波長域にそれぞれ対応した有色光源であって、各光源の点灯時間が、その前後に点灯する光源の点灯時間と一部重なるタイミングで点灯され、そのことにより上記目的が達成される。
【００２４】
前記第１〜第３の各光源が、赤、緑及び青の各波長域にそれぞれ対応した有色光源であってもよい。
【００２５】
前記有色光源が、白色光源とカラーフィルタとによって構成されていてもよい。  本発明の投影型画像表示装置は、本発明の光源装置と、該光源装置からの光を受けて少なくとも赤、緑及び青の各色の画像を順次表示する画像形成手段とを備えており、そのことにより上記目的が達成される。
【００２６】
前記光路切り替えデバイスの各回転ミラーの回転タイミングと、前記画像形成手段の表示タイミングとが同期制御されてもよい。
【００２７】
以下に、本発明の作用について説明する。
【００２８】
本発明にあっては、ｎ個の光源を、ある１つの光源が点灯している間は他の光源を点灯させずに、第１の光源から第ｎの光源まで順次点灯させる。
【００２９】
一般に、光源（ランプ）の出力が熱負荷によって制限される場合、光源の時間平均ワット数を一定に保ったままで点灯時間のデューティー比を２分の１にすれば、瞬時ワット数を２倍にすることができる。ここで、ｎ個の光源を用いるときには、ｎ分の１の点灯時間すれば、瞬時ワット数をｎ倍にすることができる。よって、ｎ個の光源を順次点灯させても、各々の光源の出射光を合成することにより、トータルでｎ倍の出力を得ることができる。
【００３０】
各光源は順次１個ずつ点灯しているため、反射及び透過を切り替えることにより、各光源からの光の光路を順次共通の光路に合流させて、各出射光を合成することができる。よって、１個の光源と同じ光束（平行度）でｎ倍の出力を得ることができる。
【００３１】
反射及び透過を切り替える光路切り替えデバイスは、例えばガラス基板等の円盤上に反射領域（ミラー部分）と透過領域（ガラス部分）とを形成し、回転させることにより実現することができる。
【００３２】
上記光路切り替えデバイスの切り替えタイミングと、複数の光源の点灯タイミングとは、光センサーによって同期制御してもよい。例えば、光路切り替えデバイスからの光束の出射光と垂直な方向に光センサーを設ける。これにより、両者のタイミングがずれてくると、光源からの出射光が透過するべきときに反射し、反射するべきときに透過して光センサーに光が到達するので、光センサーに到達する光が生じなくなるように光源の点灯タイミング又は光路切り替えデバイスの動作タイミングをフィードバック制御すればよい。
【００３３】
或いは、上記光路切り替えデバイスの切り替えタイミングと、複数の光源の点灯タイミングとを、共通の外部クロック信号等で制御することにより、光センサーを用いなくても同期制御することができる。
【００３４】
さらに、光源の点灯時間をｎ分の１の割当て時間よりもやや長めにして、その前後に点灯する光源の点灯時間と一部オーバーラップさせることにより、反射及び透過を切り替えて光路が切り替わっても、オーバーラップしている点灯時間ではどちらかの光源の光が共通の光路に導かれる。よって、光路切り替えデバイスの切り替えタイミング時の表示のチラツキを抑えることができる。
【００３５】
画像形成手段により各色の画像を順次表示する場合には、複数の光源を各色の波長域に対応した有色光源としてもよい。
【００３６】
この有色光源は、白色光源とカラーフィルタとを組み合わせれば、各色毎に別の種類の光源を用意する必要がなく、容易に実現可能である。
【００３７】
この光源装置と、少なくとも赤、緑及び青の各色の画像を順次表示する画像形成手段とを組み合わせることにより、明るい鮮明な画像が得られる投影型画像表示装置を実現可能である。
【００３８】
この場合、光路切り替えデバイスの切り替えタイミングと、画像形成手段の表示タイミングも上記光センサーや外部制御信号等により同期制御することができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて具体的に説明する。
【００４０】
（実施形態１）
図１は本実施形態１の光源装置の概略構成を示す図である。
【００４１】
本実施形態では光源１、２として４００Ｗのキセノンランプを用い、発光部１１、２１から出射した光を直接又は楕円面鏡１２、２２で反射してガラスロッド４に集光するように配置している。
【００４２】
光源１、２は、図１に示すように互いに光路が直交するように配置し、図２に示すような回転ミラー３をその光路上に４５゜で配置している。
【００４３】
この回転ミラー３は、ガラスからなる円盤６にアルミニウムを蒸着（図２にハッチング部分）したものであり、アルミニウム部分が反射領域６ａ、ガラス部分が透過領域６ｂとなっている。
【００４４】
この回転ミラー３はパルスモーター７に取り付けられており、回転させることにより透過と反射とを切り替えて、２つの光源１、２の光路を順次共通の光路に合流させる。
【００４５】
ここで、図３に示すように、合流光路に対して垂直な方向に光センサー５を取り付けると、本来点灯する必要が無いタイミングで光源１、２が点灯している場合に光センサー５に光が入射する。よって、光センサーから信号を光源の点灯回路（図示せず）にフィードバックすることにより、回転ミラー３の透過と反射との切り替えタイミングと光源１、２の点灯タイミングとを同期制御することができる。
【００４６】
或いは、図４に示すように、外部クロック信号を発生させて、回転ミラー３の透過と反射との切り替えタイミングと光源１、２の点灯タイミングとを同期制御してもよい。この方法によれば、光センサーを用いなくても同期制御することができる。
【００４７】
本実施形態では、外部クロック信号により回転ミラー３の透過と反射との切り替えタイミングと光源１、２の点灯タイミングとを同期させた。このとき、図４に示すように、光源１、２の点灯時間を５４％ずつとすることにより、回転ミラー３の透過と反射の切り替え時に常に両方の光源が点灯している状態になるので、光源の点灯と光路切り替えとのタイミングのずれによるチラツキ感をなくすことができた。
【００４８】
本実施形態１では、ガラスロッド４の光出射側から、４００Ｗのランプ相当の平行度で約７４０Ｗ相当の明るさを得ることができた。
【００４９】
なお、本実施形態１では光源を２個用いたが、３個以上の光源を用いることもできる。例えば３個の光源を用いる場合には、図５に示すように、発光部１１、２１、３１及び放物面鏡１２、２２、３２からなる光源１、２、３０と回転ミラー３とを配置して、各光源からの光の光路を共通の光路に合流させることができる。
【００５０】
（実施形態２）
図６は本実施形態２の投影型画像表示装置の概略構成を示す図である。
【００５１】
本実施形態では光源８、９、１０として４００Ｗのキセノンランプを用い、発光部８１、９１、１０１から出射した光を直接又は楕円面鏡８２、９２、１０２で反射してガラスロッド１１に集光するように配置している。
【００５２】
光源８、９、１０は、図６に示すように、光源８に対して光源９、１０の光路が直交するように配置し、図７に示すような回転ミラー１２、１３をその光路上に４５゜で配置している。
【００５３】
この回転ミラー１２、１３は、ガラスからなる円盤１７にアルミニウムを蒸着（図７のハッチング部分）したものであり、アルミニウム部分が反射領域１７ａ、ガラス部分が透過領域１７ｂとなっている。
【００５４】
この回転ミラー１２、１３はパルスモーター１８に取り付けられており、回転させることにより透過と反射とを切り替えて、２つの光源８、９、１０の光路を順次共通の光路に合流させる。
【００５５】
さらに、各光源８、９、１０の出射側には、誘電体多層膜による干渉フィルター１４、１５、１６を配置してあり、干渉フィルター１４、１５、１６は赤、緑、青の各波長域の光だけを透過させるように各々設計されている。
【００５６】
そして、ガラスロッド１１の光源とは反対側には、投射レンズ１９、及び赤、緑、青の各色の画像を順次表示させる液晶表示パネル２０が配置されている。
【００５７】
ここで、図８に示すように、合流光路に対して垂直な方向に光センサー２３、２４を取り付けると、本来点灯する必要が無いタイミングで光源８、９、１０が点灯している場合に光センサー２３、２４に光が入射する。よって、光センサーから信号を光源の点灯回路（図示せず）にフィードバックすることにより、回転ミラー１２、１３の透過と反射との切り替えタイミングと光源８、９、１０の点灯タイミングと液晶表示パネル２０の各色の表示タイミングとを同期制御することができる。
【００５８】
或いは、図９に示すように、外部クロック信号を発生させて、回転ミラー１２、１３の透過と反射との切り替えタイミングと光源８、９、１０の点灯タイミングと液晶表示パネル１４の各色の表示タイミングとを同期制御してもよい。この方法によれば、光センサーを用いなくても同期制御することができる。
【００５９】
本実施形態では、外部クロック信号により回転ミラー１２、１３の透過と反射との切り替えタイミングと光源８、９、１０の点灯タイミングと液晶表示パネル２０の表示タイミングとを同期させた。このとき、図９に示すように、光源８、９、１０の点灯時間を４０％ずつとすることにより、回転ミラー１２、１３の透過と反射の切り替え時に常に２つの光源が点灯している状態になるので、光源の点灯と光路切り替えとのタイミングのずれによるチラツキ感をなくすことができた。
【００６０】
本実施形態２では、ガラスロッド１１の光出射側から、４００Ｗのランプ相当の平行度で約１ｋＷ相当の明るさを得ることができた。
【００６１】
なお、上記実施形態１及び実施形態２では、楕円面鏡を用いてガラスロッドに集光させたが、図１０に示すように放物面鏡１２ａ、２２ａを用いて集光させずに合成した後で、フライアイレンズ光学系５０を透過させてもよい。これは、３個の光源を用いる場合でも同様である。
【００６２】
また、光源としては、パルス発光可能な光源であれば用いることができ、例えば高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ等のＨＩＤランプ等を使用することができる。
【００６３】
さらに、上記実施形態１及び実施形態２では光路切り替えデバイスを、回転ミラーの透過と反射とを切り替えることにより実現したが、光路を切り替えることができるデバイスであれば他の光路切り替えデバイスを用いてもよい。例えば、走査系によく用いられており、ミラーを往復回転させることにより反射方向を変化させるガルバノミラーや、多面体の表面にミラーを蒸着し、その多面体を回転させることにより光の反射方向を変化させるポリゴンミラー、或いは多数枚の鏡（マイクロミラー）をワンチップに集積し、それを支えるヨークを回転させることにより光源からの光の反射方向を変化させるＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）等を用いて、図１１に示すように配置することにより光路切り替えデバイス２５としてもよい。
【００６４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明による場合には、複数の光源を順次点灯させて光路切り替えデバイスによって光路を切り替えることにより、複数の光源の光路を共通の光路に合流させることができる。ダイクロイックミラーを用いた従来技術のように合成することができない波長域は存在せず、光束の幅が大きくなって平行度が悪くなることもないので、光の利用効率が低下せず、明るくムラの無い光源装置を実現することができる。
【００６５】
光路切り替えデバイスは、ガラス基板等の円盤上に反射領域と透過領域とを形成した回転ミラーを回転させることにより、反射と透過とを切り替えて容易に実現することができる。
【００６６】
上記光路切り替えデバイスの切り替えタイミングと、複数の光源の点灯タイミングとは、光センサーや外部同期信号等で同期制御することにより、両者のタイミングのずれを防ぐことができる。
【００６７】
さらに、光源の点灯時間を、その前後に点灯する光源の点灯時間と一部オーバーラップするようにすれば、光路切り替えデバイスの切り替えタイミング時における表示のチラツキ感を抑えて良好な表示特性が得られる。
【００６８】
画像形成手段により各色の画像を順次表示する場合には、複数の光源を各色の波長域に対応した有色光源としてもよい。この場合にも、光の利用効率の低下が生じない、明るい光源装置が得られる。
【００６９】
この有色光源は、白色光源とカラーフィルタとを組み合わせれば、各色毎に別の種類の光源を用意する必要がなく、容易に構成することができる。
【００７０】
本発明の光源装置と、少なくとも赤、緑及び青の各色の画像を順次表示する画像形成手段とを組み合わせることにより、明るい鮮明な画像が得られる投影型画像表示装置を実現することができるので、本発明は非常に有効である。
【００７１】
さらに、光路切り替えデバイスの切り替えタイミングと、画像形成手段の表示タイミングも上記光センサーや外部制御信号等により同期制御することができるので、チラツキ感の無い良好な画像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の光源装置の概略構成を示す図である。
【図２】実施形態１の光源装置における回転ミラーを示す平面図である。
【図３】実施形態１の他の光源装置の概略構成を示す図である。
【図４】実施形態１の光源装置における点灯タイミング図である。
【図５】実施形態１の他の光源装置の概略構成を示す図である。
【図６】実施形態２の光源装置の概略構成を示す図である。
【図７】実施形態２の光源装置における回転ミラーを示す平面図である。
【図８】実施形態２の他の光源装置の概略構成を示す図である。
【図９】実施形態２の光源装置における点灯タイミング図である。
【図１０】本発明の他の光源装置の概略構成を示す図である。
【図１１】本発明の他の光源装置の概略構成を示す図である。
【図１２】従来の投影型画像表示装置の概略構成を示す図である。
【図１３】従来の投影型画像表示装置の概略構成を示す図である。
【図１４】複数の光源を用いた従来の投影型画像表示装置の概略構成を示す図である。
【図１５】複数の光源を用いた従来の投影型画像表示装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１、２、３０、８、９、１０  光源
３、１２、１３  回転ミラー
４、１１  ガラスロッド
５、２３、２４  光センサー
６、１７  ガラス基板
６ａ、１７ａ  反射領域
６ｂ、１７ｂ  透過領域
７、１８  パルスモーター
１１、２１、３１、８１、９１、１０１  光源の発光部
１２、２２、３２  楕円面鏡
１２ａ、２２ａ  放物面鏡
１４、１５、１６  干渉フィルター
１９  投射レンズ
２０  液晶表示パネル
２５  光路切り替えデバイス
５０  フライアイレンズ光学系
【図１】
0003827264.tif 000002
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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