JP2008020867A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、プロジェクタや家庭用リアプロジェクションテレビに関するものであり、特にＬＥＤなどの発光素子ランプを用いることによって、高出力化が可能であって、更にランプ寿命を向上させることを目的としている。
【解決手段】本発明は、前記課題を解決するため、デジタルマイクロミラーデバイスの各ミラーのオンの期間に、更にデジタルマイクロミラーのオン状態とオフ状態を作ることによって、オンの期間を２つに分けて、このオン期間の２つの状態のそれぞれの状態において、異なる２つの発光素子光源によって照明し、投影動作を行い２つの発光素子光源の各発光素子のオン期間のデューティ比を下げることにより、各発光素子のパルス電流を増加して高輝度化及び冷却が簡単な小型化の装置を提供することを特徴としている。
言換えるなら、デジタルマイクロミラーの２つの傾斜状態を用い、異なる２つの発光素子光源を使用し各発光素子のデューティ比を下げて投影動作を行うことを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、投影形の高精細度テレビジョン（ＨＤＴＶ）システムやビデオプロジェクタ等に使用される投影形の画像表示装置、例えばフロントプロジェクタや、リアプロジェクションテレビに関するものである。

本件発明者は、先に、特願２００１−７１９３７号に示される画像表示装置を発明した。この画像表示装置は、白色光源と、白色光源からの光線を２次光源として集光する集光ミラーと、２次光源の位置に配置され、白色光を時間的に光の３原色に分解するカラーフィルタと、コンデンサレンズと、第１及び第２の折り返しミラーと、２次元に配列された各ピクセルの微小ミラーの傾きを変化させることにより反射光の角度を変化させてオン／オフ状態を作る反射表示手段と、この反射表示手段によって表された画像をスクリーンに拡大して投影する投影レンズとを備えるものである。

図５は、上記従来技術の構造図であり、２０は白色光源のアーク（発光点）、２１は集光ミラーとしての楕円ミラー、２２は輪帯部分が光の三原色（赤、緑、青）に分割された回転可能なカラーフィルタ、２３は光学部品であるライトトンネル、２４はコンデンサレンズ、２５は折り返しミラーとしての平面ミラー、２６は第２の折り返しミラーとしての球面ミラー、２７は後述する反射表示手段としてのＤＭＤ（ディジタルマイクロミラーデバイス）、２８は第２のコンデンサレンズ、２９は投影レンズである。

ここで、ＤＭＤ２７は、「光学」（ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．６，ｐ．３１３〜３１４，１９９６年）に記載されているように、２次元的に配列した各ピクセルが微小なミラーから構成され、各ピクセルごとにその直下に配置されたメモリー素子による静電界作用によって上記微小ミラーの傾きを制御し、反射光の反射角度を変化させることによってオン／オフ状態を作る反射形表示素子である。そして、ピクセルがオフの状態では、当該ピクセルの微小ミラーによる反射光が投影レンズに入射せず、ピクセルがオンの状態では、当該ピクセルの微小ミラーによる反射光が投影レンズ２９に入射してスクリーンに画像を形成するように光学系部品を配置する必要がある。なお、各ピクセルの微小ミラーのオン時の傾き角は、ＤＭＤ２７の光線の入射面に対して１０から１２度程度と決められている。

特開２００４−３２５６４３ 特開２００４−２７９４４１

従来のＤＭＤを用いたプロジェクタでは、白色光を出力する光源を用い、この光源からの出力光を、カラーフィルタを用いて、３原色に分解するため、カラーフィルタ及びカラーフィルタを回転駆動するモータ等の駆動装置が必要である。
これに対して、発光素子を光源として用いたプロジェクタが提案されている。
これは、赤色光、緑色光及び、青色光を出力する発光素子を用いることにより、カラーフィルタ及びカラーフィルタを回転駆動するモータ等の駆動装置を不要とするものである。

従来の発光素子光源を用いたプロジェクタ装置として、上記の特許文献１に示された例を説明する。
この特許文献１には、発光素子をランプとして用いた光源を利用したデジタルマイクロミラー型のプロジェクタ装置が示されている。
しかしながら、このプロジェクタ装置は、カラーホイール装置を除いた以外は、通常のＤＭＤ型プロジェクタ装置にすぎない。

また、他の発光素子光源を用いたプロジェクタ装置の従来例として、上記の特許文献２に示された例を説明する。
この特許文献２には、デジタルマイクロミラーデバイスの周囲に、赤、緑、青の各色で発光する発光素子を配置し、投影レンズの周囲に配置されたミラーで折返して、デジタルマイクロミラーを照明する構造が示されている。
しかしながら、このプロジェクタ装置も、カラーホイール装置を除いた以外は、通常の折返しミラーを有するＤＭＤ型プロジェクタ装置にすぎない。

これらの、従来の発光素子光源を用いたプロジェクタの問題点は、高出力化が困難な点にある。
例えば、従来の高圧放電ランプを用いたプロジェクタが、通常１０００ルーメン以上の照度であるのに対し、現在の発光素子光源を用いたプロジェクタは、１００ルーメンの照度を得ることも困難な状況にある。
本発明は、ランプとして発光素子を用いるメリットを最大限に活かし、高出力化を容易とすると共に、小型化及び、高寿命化が可能なプロジェクタ装置を提供することを目的とするものである。

デジタルマイクロミラーデバイスは、各ミラーの１つの傾斜状態をオン期間とすると、もう１つの傾斜状態がオフ期間として利用され、オンの期間のときのみ、光源からの照明光を、投影レンズに反射して投影動作を行っている。
本発明は、前記課題を解決するため、このデジタルマイクロミラーデバイスの各ミラーのオンの期間に、更にデジタルマイクロミラーのオン状態とオフ状態を作ることによって、オンの期間を２つに分けて、このオン期間の２つの状態のそれぞれの状態において、異なる２つの発光素子光源によって照明し、投影動作を行い２つの発光素子光源の各発光素子のオン期間のデューティ比を下げることにより、各発光素子のパルス電流を増加して高輝度化及び冷却が簡単な小型化の装置を提供することを特徴としている。
言換えるなら、デジタルマイクロミラーの２つの傾斜状態を用い、異なる２つの発光素子光源を使用し各発光素子のデューティ比を下げて投影動作を行うことを特徴とするものである。

従来、１つの発光素子光源は、オン期間中の入力可能な最大電流で照度の限界が規定される。
この発光素子の駆動電流を増加させると、発熱が大きくなり、冷却が困難となる。また、大電流を流すと、発光素子の寿命が短くなってしまう。
本発明では、このオン期間を２つの状態に分割し、１つの光源は、１つの状態のみ発光動作を行い、その他の状態では、発光動作を休止する。
この休止の期間を、もう１つの発光素子光源で発光動作を行うものである。
このため、各発光素子光源の各発光素子のデューティ比が下がり、より多くのパルス電流が流せるため高輝度化が容易であり、また少ない電流で必要な照度を得られるため、冷却が容易となり、更に発光素子の寿命が向上すると共に装置の小型化や低価格が実現できる。

本発明のプロジェクタ装置は、投影光の照度を向上させることが可能であり、また、より少ない電流で必要な照度を得られるため、発光素子の寿命が向上する。更に、少ない電流で必要な照度を得られることにより、光源の冷却のための負荷を低減し、静音で小型コンパクトなプロジェクタを提供することが可能となる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明の実施形態を示す構造図であり、光源装置の主要部品の位置関係を示している。
図１は上面から見た断面を表している。

この図１において、１は赤色、青色及び、緑色の光を出力する複数の半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）が配置された第１の発光素子ユニット、２は発光素子ユニット１から出力される光の明るさを集光する非球面レンズ、３は集光された光を均一にするライトトンネル、４はライトトンネルから出力された均一光の照射面を、デジタルマイクロミラーデバイス４のミラー面（反射面）の大きさに整えるリレーレンズである。
デジタルマイクロミラーデバイス５は、投影画像を形成するための素子であり、投影画像を構成する各画素に対応した微小のミラーで構成された反射面を有し、それぞれの画素ミラーは、回転軸を中心に、回転動作によって傾斜される。
尚、本実施例では、水平面に対して１２度傾斜した状態をオン状態、−１２度傾斜した状態をオフ状態とする。

６は赤色、青色および、緑色の光を出力する複数の半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）が配置された第２の発光素子ユニット、２は発光素子ユニット１から出力される光の明るさを集光する非球面レンズ、３は発光素子ユニット５から出力される光の明るさを均一にするライトトンネル、４はライトトンネルから出力された均一光の照射面を、デジタルマイクロミラーデバイス４のミラー面（反射面）の大きさに整えるリレーレンズである。
７は投影レンズ、８は投影レンズの光軸、９は投影レンズの瞳である。

図２に従来例のタイミングチャートを示し、図３に本実施例のタイミングチャートを示す。
これらの図を用いて、本実施例の動作を説明する。
従来、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の１周期を半フレームとして、発光素子やカラーフィルタの赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）領域が、映像信号と同期して画面を構成している。
図２における従来例では、発光素子ユニットは、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）に発光する発光ダイオードが、時系列で交互に駆動されている。
この従来例において、各３色の発光素子の１フレームにおけるパルス電流のデューティー比は、各色の発光時間を同じとすれば、夫々３分の１である。
従って、各発光素子に流せるパルス電流の最大は、３分の１のデューティー比に相当するものとなる。
例えば、この従来例では、１つの発光素子を用いる場合に比べ、夫々の発光素子に３倍のパルス電流を流すことができる。

この従来例に対して、図３に示す本実施例では、２分の１フレーム毎に第１の発光素子（ＬＥＤ１）の駆動、第２の発光素子（ＬＥＤ２）の駆動と、時間分割して発光素子を駆動するために、１フレームにおけるパルス電流のデューティー比は６分の１となり、各発光素子に流せる最大パルス電流は、図中斜線で示された部分だけ大きくなる。
つまり、図２に示された従来例に比べ、夫々の発光素子に２倍のパルス電流を流すことが可能となり、輝度が増加し、より明るい投影画面を得ることが可能となる。

また、輝度がそれほど必要でない場合、パルス電流を増加させなくて済むため、各発光素子から発生する熱が減少する。
このため、各発光素子の放熱、冷却のための構造を簡略化することにより、装置の小型化が可能となる。
更に、消費電力の軽減や、高寿命化、信頼性向上といった効果を得ることが可能となる。

図４のタイミングチャートを用いて、他の本実施例の動作を説明する。
この例では、従来の各赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の半フレーム周期の期間中に、更にデジタルマイクロミラーのオン状態とオフ状態を作り、異なる２つの発光素子光源と同期して投影動作を行っている。
この例でも、異なる２つの発光素子光源を利用することによって、各発光素子のデューテー比を下げることができるため、パルス電流を増加させて高い輝度を得たり、余り輝度を必要としない場合パルス電流を下げることができる。

この例では、それぞれの各発光の期間が４等分され、第１の発光素子ユニット及び、第２の発光素子ユニットが、赤の期間、青の期間、及び緑の期間共に、２回づつ交互に発光動作が行われる（発光ダイオードが駆動される）。
デジタルマイクロミラーデバイスは、この赤、緑及び、青の期間に同期して、夫々の色の投影動作のために、各ミラーが駆動され、傾斜角度が切り替わる。

従来は、単に、赤の期間は、赤の画像を構成するための、画像に対応した画素ミラーがオン状態、その他のミラーがオフ状態となるだけであるが、本実施例では、この赤の期間内も、前記発光素子ユニットの駆動タイミングに同期して、画素ミラーが駆動され、オン状態、オフ状態が構成される。
同様に、緑の期間、青の期間も、前記発光素子の駆動タイミングに同期して、ミラーが駆動され、オン、オフ状態が構成される。

尚、赤の期間の画素ミラーのオン状態のときは、第１の発光素子ユニットから出力される赤色の光が、画素ミラーによって反射され、投影レンズによって、拡大され所望の位置に投影画像が表示される。
そして、赤の期間の画素ミラーのオフ状態のときは、第２の発光素子ユニットから出力される赤色の光が、画素ミラーによって反射され、投影レンズによって、拡大され所望の位置に投影画像が表示される。
緑及び、青の期間も同様に、画素ミラーのオンの状態で第１の発光素子ユニットから出力された光が投影画像を構成し、画素ミラーのオフの状態で第２の発光素子ユニットから出力された光が投影画像を構成する。

第１の発光素子ユニット及びデジタルマイクロミラーデバイスは、例えば、特開２００５−３３１７０５号に記載の同期制御回路によって駆動される。

尚、第２の発光素子ユニットの発光ダイオードの駆動信号は、第１の発光素子ユニットの発光ダイオードの駆動信号を反転する回路で生成される。

デジタルマイクロミラーデバイスの反射面の面積と、照明光学系の発光部材の面積（容積）とは、光学的な関係があり、光量を増加されるために、発光部材の面積（容積）を所定以上に大きくしても、反射面及び、投影レンズに有効に取込めないため、照度は向上しない。
また、デジタルマイクロミラーデバイスは、その各画素ミラーの傾斜角度（オン・オフ角度）は、約１２度程度であり、単純には、Ｆ２．４に相当するため、それ以上の光を取込めない。
このため、発光素子ユニットは、配置位置や大きさが制限される。

本実施例では、発光素子ユニットは、上記制限内の大きさで、かつ制限された位置に２つの発光素子ユニットを設けることで、発光素子を用いた光源の最大限の効果を発揮させることを可能としている。

図３（Ａ）に第１のタイプのデジタルマイクロミラーデバイスを正面から見た概念図を示す。
この例では、各画素ミラーは、縦辺、横辺がそれぞれ、図中、水平線及び垂直線に平行に配列されている。
通常、画素ミラーの回転軸は、各画素ミラーの対角線上に構成されるため、この実施例では、（Ｂ）に示すように、各画素ミラーは、斜め方向の回転軸を有する。
このため、第１及び第２の発光素子ユニットによる照明方向は、図中矢印で示すように、この回転軸に垂直で、かつこの回転軸に対称な、斜め方向であって、夫々回転軸に向う方向となる。

図４（Ｃ）に第２のタイプのデジタルマイクロミラーデバイスを正面から見た概念図を示す。
この例では、各画素ミラーは、対角線がそれぞれ、図中、水平線及び垂直線に平行に配列されている。
このため、第１及び第２の発光素子ユニットによる照明方向は、図中矢印で示すように、この回転軸に垂直で、かつこの回転軸に対称な、斜め方向であって、夫々回転軸に向う方向となる。
尚、（Ｄ）は、回転軸が垂直線に平行に構成され、照明方向が水平線に平行に構成された例であり、（Ｅ）は、回転軸が水平線に平行に構成され、照明方向が垂直線に平行に構成された例である。

尚、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、例えば、発光素子は、発光ダイオードではなく、半導体レーザダイオードでもよい。
また、発光素子ユニットは、赤色、緑色、青色に発光する素子だけでなく、例えば、黄色に発光する素子を追加してもよい。
また、各発光素子の個数は、１個毎でも、複数毎であってもよい。

また、発光素子ユニットは、発光素子とライトトンネル、及びリレーレンズを一体構成としてもよい。
更に、ライトトンネルを省略してもよい。この場合は、発光素子から出力された光の照度を均一化するフライアイレンズと、このフライアイレンズから出力される光の照射範囲を、前記デジタルマイクロミラーの反射面と略同一の範囲とする光学装置を用いるとよい。

以上述べたように本発明では、プロジェクタ装置の高出力化が可能となる。
また、プロジェクタの小型化が可能であり、かつ、長寿命化が可能となる。

図１は、本発明の実施例の形態に係る主要な構成を示す側面構成図である。 図２は、従来の実施例の光源の動作を示すタイミングチャート図である。 図３は 本発明の実施例の光源の動作を示すタイミングチャート図である。 図４は 本発明の第２の実施例の光源の動作を示すタイミングチャート図である。 図５は、本発明の実施例の形態に係る第１のデジタルマイクロミラーデバイスのミラー配置を示す正面概念図である。 図６は、本発明の実施例の形態に係る第２のデジタルマイクロミラーデバイスのミラー配置を示す正面概念図である。 図７は、従来のプロジェクタの主要構成部品を示す概念図である。

符号の説明

１：第１の発光素子ユニット
５：デジタルマイクロミラーデバイス
６：第２の発光素子ユニット

Claims (6)

1. デジタルマイクロミラーデバイスを画像形成素子として用いたプロジェクタ装置において、前記デジタルマイクロミラーデバイスの各ミラーの複数の異なる回転傾斜状態で、前記デジタルマイクロミラーからの反射光が投影レンズに入射するように、複数の光源ユニットを配置したことを特徴とするプロジェクタ装置。
2. デジタルマイクロミラーデバイスを画像形成素子として用いたプロジェクタ装置において、異なる位置に配置された複数の光源ユニットを有し、前記デジタルマイクロミラーデバイスの各ミラーの回転軸に対して垂直またはそれ以下となる異なる方向から、前記デジタルマイクロミラーデバイスの反射面に照明光を交互に照射することを特徴とするプロジェクタ装置。
3. 第１の発光素子光源ユニットと、第２の発光素子光源ユニットと、デジタルマイクロミラーを用いた画像形成素子と、この画像形成素子からの反射光を入力し拡大投影する投影レンズとを有し、前記第１の発光素子ユニットと前記第２の発光素子光源ユニットからの照明光を、前記デジタルマイクロミラーデバイスの各ミラーの回転軸に対して、垂直でありかつ投影レンズの光軸に対象となる異なる方向から、交互に前記画像形成素子の光反射面に照射することを特徴とするプロジェクタ装置。
4. 前記第１の発光素子光源ユニット、及び第２の発光素子光源ユニットは、少なくとも赤、青、緑の光を出力する半導体発光素子と、この発光素子から出力された光の照度を均一化するライトトンネルと、このライトトンネルから出力される光の照射範囲を、前記デジタルマイクロミラーの反射面と略同一の範囲とするリレーレンズからなることを特徴とする請求項２項記載のプロジェクタ装置。
5. 前記第１の発光素子光源ユニット、及び第２の発光素子光源ユニットは、少なくとも赤、青、緑の光を出力する半導体発光素子と、この発光素子から出力された光の照度を集光し均一化する光学装置と、この光学装置から出力される光の照射範囲が、前記デジタルマイクロミラーの反射面と略同一の範囲となることを特徴とする請求項２項記載のプロジェクタ装置。
6. 前記第１の発光素子光源ユニット、及び第２の発光素子光源ユニットは、少なくとも赤、青、緑の光を出力する半導体発光素子と、この発光素子から出力された光の照度を均一化するフライアイレンズと、このフライアイレンズから出力される光の照射範囲を、前記デジタルマイクロミラーの反射面と略同一の範囲とする光学装置からなることを特徴とする請求項２項記載のプロジェクタ装置。

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