JP5002923B2 - 投射型映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、映像表示素子として液晶表示素子を用い、該液晶表示素子で映像信号に応じた光学像を形成し、その光学像をスクリーンなどに投射する投射型映像表示装置に関する。

投射型映像表示装置において、例えば特開２００５−３１１０３号公報に開示されている技術のように、光源からの射出光量を調光する光学絞りを設け、該光学絞りによる調光量を映像信号に応じて制御することで、映像のコントラストを高めることが知られている。

特開２００５−３１１０３号公報

しかしながら、特開２００５−３１１０３号公報に開示されている技術では、この種の騒音の低減については十分考慮されていない。

光学絞りによる調光量を、映像入力の輝度信号に応じてダイナミックに遮蔽制御する場合、熱が光学絞り部分に集中することになる。そのため、光学絞りを構成する部品には耐熱性の高い材料を使用することが必要となる。また、光学絞りの遮光は、駆動手段であるモータの出力を、ギヤ列によって上下或いは左右に開閉（回転やスライド）する遮光板へと伝達することにより、行われる。従って、ギヤ部材にも耐熱性の高い樹脂材料が要求される。さらに、駆動手段であるモータ出力の伝達によってダイナミックに遮光板を開閉制御して調光を行う場合、バックラッシュのため、ギヤ列の叩き音が発生しやすい。このような騒音に対しては、近年、投射型映像表示装置、特に民生用装置では低騒音化が求められている。

本発明では、映像入力の輝度信号に応じて照明光の光束をダイナミックに遮蔽制御する光学絞りの動作音を最小限に抑えることを目的とする。

光学絞り機構の駆動手段であるモータ側のピニオンギヤと第一段目で咬みあうギヤ部をピニオンギヤの溝の一側面に当接するギヤ部と、ピニオンギヤの溝のもう一方の側面に当接するギヤ部の２枚構成とする。

映像入力の輝度信号に応じて照明用の光源から射出される照明光の光束をダイナミックに遮蔽制御する光学絞りによって、映像信号のコントラスト特性を向上させるとともに、光学絞りの動作音を減少することが可能となる。

以下本発明の最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において、同一な部分には同一符号を付して、一度説明したものについては、その説明を省略する。

図１は実施例１に係わる投射型液晶表示装置内部の光学系の構成を説明する平面図である。図１において、１は光源であり、この光源１から出射される光は、照明光学系２、色分離合成光学系３、投射レンズ４を通過してスクリーンへ投影される。

照明光学系２は、光源１と、光束一様化手段（所謂インテグレータ）としての第１アレイレンズ２２および第２アレイレンズ２４と、光学絞りユニット２３と、偏光変換素子２５と、重畳レンズ２６とを備える。

ここで、光源１のランプ１ａは、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、水銀キセノンランプ、ハロゲンランプ等の白色ランプである。また、ランプ１ａからの光束を反射させる反射鏡１ｂは放物面であり、光源１から出射する光束は平行光となる。

色分離合成光学系３は、白色光束から３つの色光に分離する第１および第２のダイクロミラー３１、３２と、３つのミラー３６ａ〜３６ｃと、２つのコンデンサレンズ３３ａ、３３ｂと、３つのリレーレンズ３７ａ〜３７ｃと、３つのライトバルブ３４ａ〜３４ｃと、クロスダイクロイックプリズム３５とを備える。

ランプ１ａから放射された光束が反射鏡１ｂで反射されて出射開口部より出射した平行な光束は、第１アレイレンズ２２に入射する。第１のアレイレンズ２２は、入射した光束をマトリックス状に配設された複数の矩形状のレンズセルで複数の光束に分割して、第１アレイレンズと同様にマトリックス状に配設された複数のレンズセルを有する第２アレイレンズ２４と、偏光変換素子２５を通過するように導く。即ち、第１アレイレンズ２２は光源１のランプ１ａと第２のアレイレンズ２４の各レンズセルとが互いに物体と像の関係（共役関係）になるように設計されている。第１アレイレンズ２２と同様に、マトリックス状に配設された複数のレンズセルを持つ第２アレイレンズ２４は、構成するレンズセルそれぞれが対応する第１アレイレンズ２２のレンズセルの形状（ライトバルブ３４の液晶表示素子と略相似な矩形状）をライトバルブ３４内の液晶表示素子に投影する。この時、偏光変換素子２５で第２アレイレンズ２４からの光は所定の偏光方向に揃えられ、そして、第１アレイレンズ２２の各レンズセルの投影像は、それぞれ重畳レンズ２６、およびコンデンサレンズ３３ａ、３３ｂ、リレーレンズ３７ａ、３７ｂ、３７ｃによりライトバルブ３４内の液晶表示素子上に重ね合わされる。

第２アレイレンズ２４とこれに近接して配設される重畳レンズ２６とは、第１アレイレンズ２２とライトバルブ３４ａ、３４ｂ、３４ｃとが、互いに物体と像の関係（共役関係）になるように設計されているので、第１アレイレンズ２２で複数に分割された光束は、第２アレイレンズ２４と重畳レンズ２６によって、各ライトバルブ３４内の液晶表示素子上に重畳して投影され、実用上問題のないレベルの均一性の高い照度分布の照明が可能となる。

その過程で、照明光学系２からの光は、第１ダイクロイックミラー３１により、反射する第１の色光と、透過する色光に分離され、透過した色光は、さらに、ダイクロイックミラー３２により、反射する第２の色光と透過する第３の色光に分離される。

ダイクロイックミラー３１を反射した第１の色光は、反射ミラー３６ｂで反射され、コンデンサレンズ３３ａを通してライトバルブ３４ａを透過してクロスダイクロイックプリズム３５に入射される。

ダイクロイックミラー３２を反射した第２の色光は、コンデンサレンズ３３ｂを通してライトバルブ３４ｂに入射され、このライトバルブ３４ｂを透過してクロスダイクロイックプリズム３５に入射される。

ダイクロイックミラー３２を透過した第３の色光は、第１リレーレンズ３７ａで集光され、更に反射ミラー３６ａで反射され、第２リレーレンズ３７ｂで更に集光され、反射ミラー３６ｃで反射された後、第３リレーレンズ３７ｃで更に集光されてライトバルブ３４ｃに入射される。ライトバルブ３４ｃを透過した光はクロスダイクロイックプリズム３５に入射される。

ライトバルブ３４の各液晶表示素子を透過した各色光は、クロスダイクロイックプリズム３５によってカラー映像として合成された後、投射レンズ４を通過し、図示しないスクリーンに到達する。各ライトバルブ３４内の各液晶表示素子で図示しない映像信号に応じて光強度変調されて形成された各色光の光学像は、クロスダイクロイックプリズム３５でカラー光学像とされ、投射レンズ４によりスクリーン上に拡大投影され、表示装置として機能するものである。

照明光学系２の第１アレイレンズ２２と第２アレイレンズ２４との間には、光源１からの光を調光する光学絞りユニット２３が配設されている。光学絞りユニット２３は、その回動中心Ｏ、Ｏ’が第２アレイレンズ２４側に位置するように回動自在に構成されている。そして、光源１からの光束を周辺側から遮光する。その遮光量すなわち光学絞りユニットの回転角度θは、図示しない制御回路により、図示しない映像信号の輝度信号に応じて後述するモータで可変制御され、映像に応じた最適なコントラストが得られるようになっている。

次に、光学絞りの構成について説明する。

図２、図３は、本実施例による照明光学系２に設けられた光学絞りユニット２３を有する光学絞りの機構を説明する図で、図２は上方斜視図、図３は下方斜視図である。

図２、図３において、光学絞りユニット２３を開閉するための駆動手段として使用するステップモータ５１はコネクタ５４を実装した基板５３を備え、ステップモータ５１を保持するホルダー５２がベースプレート５５に係合している。また、ステップモータ５１のモータ軸にはピニオンギヤ５６が連結されている。

ベースプレート５５にはシャフト５７ａ、５７ｂがカシメ固定されており、遮光板ベースＡ５８、遮光板ベースＢ５９が回転自在に係合している。遮光板ベースＡ５８はギヤ部５８ａ及び５８ｂ、遮光板ベースＢ５９にはギヤ部５９ａが設けられており、ピニオンギヤ５６と遮光板ベースＡ５８のギヤ部５８ａが咬合している。また、遮光板ベースＡ５８のギヤ部５８ｂと遮光板ベースＢ５９のギヤ部５９ａが咬みあっている。なお、ギヤ部５８ａには、後述するギヤ７０が重ねて配置されている。

また、遮光板ベースＡの回動軸と同芯上には圧縮バネ６７が取り付けられており、カバー６６を取り付けることにより遮光板ベースＡ５８をベースプレート５５側に押し付け、回動ガタを低減している。

遮光板ベースＡ５８、遮光板ベースＢ５９には、それぞれ遮光板Ａ２３ａ、遮光板Ｂ２３ｂがネジ（図示しない）で取り付けられている。両遮光板２３ａ、２３ｂは略対称形状をしており、また開閉動作も略対称となるような遮光板ベースＡのギヤ部５８ｂと遮光板ベースＢのギヤ部５９ａの咬みあい位相となっている。

遮光板ベースＡ５８の下面には凸形状の突起６２が設けられており、ベースプレート５５に造られた溝６３内を移動可能なように構成されている。また、ベースプレート５５にはフォトインタラプタ６４ａ、６４ｂがＰＩ（Photo Interrupter）基板６５と共に、ベースプレート５５の溝６３部に前記突起６２の回動端でセンシングできるように配置されている。この時、前記回動端は、遮光板Ａ２３ａ及び遮光板Ｂ２３ｂの全開及び全閉位置に相当する。この他に光学絞りの機構にはカバー６６を備える。

遮光板Ａ２３ａ、遮光板Ｂ２３ｂは、その回動中心が第二アレイレンズ２４側に位置するように回動自在に構成されている。そして映像信号に応じて、これら遮光板Ａ２３ａ、遮光板Ｂ２３ｂを同期して開閉させることにより、照明光の光束を適正化する。

遮光板Ａ２３ａ、遮光板Ｂ２３ｂの回動角は、ステップモータ５１によって段階的に変化させることができるようになっている。

次に本発明の特徴である構成について、図４、図５を用いて説明する。

図４は本実施例によるギヤ列構成を示す図であり、図５はピニオンギヤ５６と遮光板ベースＡのギヤ部５８ａとの咬みあいを示す拡大詳細図である。図５において、ピニオンギア５６は、モータ軸中心に回動し、ピニオンギヤ５６の回動に伴って、遮光板ベースＡ側も回動する。すなわち、ピニオンギヤ５６がａ方向に回転する場合に、遮光板ベースＡ側もａ方向に回転し、ピニオンギヤ５６がｂ方向に回転する場合に、遮光板ベースＡ側もｂ方向に回転する。図２で述べたが、遮光板ベースＡ５８のギヤ部５８ａにはギヤ７０が２層構造となるよう重ねて配置されている。そして、ギヤ７０は、遮光板ベースＡギヤ部５８ａに対してコイルバネ７１で矢印Ｐ方向に付勢され、シザースギヤを構成している。つまり、ピニオンギヤ５６の歯は、遮光板ベースＡギヤ部５８ａの歯とギヤ７０の歯とで、所定のバネ荷重で挟まれる構成となっている。

また、遮光板ベースＢ５９には、ネジリコイルバネ７２がその回動軸と同芯上に配置されており、遮光板ベースＢのギヤ部５９ａに対して回動方向に付勢されている。つまり、遮光板ベースＢギヤと遮光板ベースＡギヤの歯は必ず同一箇所で接触するように付勢されている。

映像入力の輝度信号に応じて適正な絞り量を決定し、ダイナミックに遮光板２３の開閉を制御する場合、ステップモータ５１の出力を遮光板Ａ２３ａ、遮光板Ｂ２３ｂまで伝達する。この時、モータ５１に連結されたピニオンギヤ５６と遮光板ベースＡギヤ５８ａ間、及び遮光板ベースＡギヤ５８ｂと遮光板ベースＢギヤ５９ａ間にバックラッシがあると、これらのギヤ咬みあい部においてギヤ同士の叩き音が発生する。特に遮光板２３が開放方向から遮光方向へ、あるいは遮光方向から開放方向へ動作が切り替わる時、つまりステップモータ５１の回転方向が反転する場合に顕著に発生する。特に駆動手段として使用するモータがステップモータの場合は、ステップ駆動であるため、同一方向の駆動であってもギヤ同士の叩き音が発生しやすい。

上記ではステップモータを使用しているが、例えばパルスモータ、ガルバノモータなどのＤＣモータ、サーボモータなどでも反転時には同様の叩き音が発生する。

一般的には、上記のようなギヤ列で動力を伝達する場合、ネジリコイルバネ等でギヤの回動方向に付勢することでギヤの歯同士を一方向に接触させる場合がある。しかし、このような構成においても、モータ反転時には可動部のイナーシャがある以上、ギヤの叩き音が発生することになる。

すなわち、モータ反転が急峻に繰り返された場合でも、ギヤの咬みあい部で叩き音を発生させないようにするためには、駆動手段であるモータから第一段目のギヤ部の咬みあい部のバックラッシをゼロに近づける必要がある。その場合、ギヤ同士の軸間距離、歯車の仕上げ精度を調整してバックラッシを低減できるが、それには限界がある。また、温度による伸縮やギヤの成型ばらつきも考慮に入れる必要がある。

本実施の形態では、図５に示すように、駆動手段からの第一段で係合されるピニオンギヤ５６と遮光板ベースＡ５８のギヤ５８ａ間のバックラッシをゼロとするよう遮光板ベースＡ側のギヤを２枚構成とし、コイルバネ７１のバネ力によってピニオンギヤ５６の歯を挟み込む（シザースギヤ）構成とする。具体的には、ピニオンギヤ５６の溝の一側面に、例えばギヤ５８aが当接し、溝のもう一方の側面にギヤ７０が当接する構成とする。このように構成することで、ピニオンギヤがどちらの方向に回動したとしても、ギヤ５８aまたはギヤ７０のどちらか一方と接しているため、バックラッシを減少させることが可能となる。さらに、ギヤ５８a、ギヤ70各々が、ピニオンギヤ５６に当接する方向に付勢されるように、コイルバネを設ける。具体的には、ギヤ５８aとギヤ70を重ねて併設して二段構成とし、コイルバネの一端をギヤ５８aに連結し、コイルバネのもう一端をギヤ70に連結する構成とする。

ギヤ部の咬みあいによる叩き音による騒音は、駆動手段からの第一段部で発生するものが支配的であり、ここでの叩き音を低減することが騒音低減に最も効果がある。しかし、さらに騒音を低減するためには、第二段のギヤ咬みあい部においてもギヤの叩き音の発生を抑えなければならない。そのために、第二段目のギヤを有する遮光板ベースＢ５９にはネジリコイルバネ７２を設置して、ギヤ咬みあい方向に付勢を行うことで低減可能となる。第二段目のギヤ部においては、二段目以降の可動部のイナーシャが小さいため、片側への付勢で十分に効果がある。

このように、照明用の光源と、光源から射出される照明光の光束を部分的に遮蔽する光学絞り機構と、映像入力の輝度信号に応じて最適ゲインを設定し、輝度信号を調節する制御回路とを備える投射型映像表示装置において、光学絞り機構の駆動手段であるモータ側のピニオンギヤと第一段目で咬みあうギヤ部を２枚構成としてピニオンギヤに咬みあわせ、これらの２枚のギヤ間にバネを配置してバネ力を発生させ、２枚のギヤ及びバネによってモータ側のピニオンギヤの歯を挟み込む（シザースギヤ）構成とすることで低騒音を図ることができる。

また、上記投射型映像表示装置の別の具体的な態様では、光学絞り機構のモータから動力を伝達するギヤ列において、第二段目に咬みあうギヤ部に、回動方向に付勢するためのネジリコイルバネを設けることで低騒音を図ることができる。

上記のように構成することで、映像信号に応じてダイナミックに光学絞りを制御しても、機器から発生する騒音を最小限に抑えることができ、機器の品質を向上させることができる。

光源からの光束を映像の入力信号に応じてダイナミックに調整する光学絞り機構を設けて、画像のコントラスト向上を可能とする投射型液晶表示装置において、光学絞り機構の動作音を最小限に抑えることができるため、特にホームシアターの分野において使用される投射型映像表示装置として有用である。

実施例１に係わる投射型液晶表示装置の光学系の構成図である。 実施例１による光学絞りの機構を説明する上方斜視図である。 実施例１による光学絞りの機構を説明する下方斜視図である。 実施例１によるギヤ列構成を示す図である。 ピニオンギヤ５６と遮光板ベースＡのギヤ部５８ａとの咬みあいを示す拡大詳細図である。

符号の説明

１…光源、２…照明光学系、３…色分離合成光学系、４…投射レンズ、２２…第１アレイレンズ、２３…光学絞りユニット２３ａ…遮光板Ａ、２３ｂ…遮光板Ｂ、２４…第２アレイレンズ、２５…偏光変換素子、２６…重畳レンズ、３１…第１ダイクロミラー、３２…第２ダイクロミラー、３３ａ、３３ｂ…コンデンサレンズ、３４ａ〜３４ｃ…ライトバルブ、３５…クロスダイクロイックプリズム、３６ａ〜３６ｃ…ミラー、３７…リレーレンズ、５１…モータ、５２…ホルダー、５３…基板、５４…コネクタ、５５…ベースプレート、５６…ピニオンギヤ、５７ａ、５７ｂ…シャフト、５８…遮光板ベースＡ、５８ａ、５８ｂ…遮光板ベースＡのギヤ部、５９…遮光板ベースＢ、５９ａ…遮光板ベースＢのギヤ部、６２…凸状突起、６３…溝、６４ａ、６４ｂ…フォトインタラプタ、６５…ＰＩ基板、６７…圧縮バネ、６８…ガード、７０…ギヤ、７１…コイルバネ、７２…ネジリコイルバネ、Ｏ、Ｏ'…光学絞りユニットの回動中心

Claims (3)

1. 光源と、
   前記光源からの光を均一化するインテグレータと、
   前記インテグレータからの光を変調するライトバルブと、
   前記ライトバルブで変調された光を投射する投射ユニットと、
   前記光源と前記インテグレータの間に配置される光学絞りユニットを備え、当該光学絞りユニットは、
   前記光源からの光を部分的に遮断する開閉可能な第１及び第２の遮光板と、
   前記第１の遮光板に取り付けられた第１のベースと、
   前記第２の遮光板に取り付けられた第２のベースと、
   入力された映像の輝度信号から決定された絞り量に基づいて、前記第１及び第２の遮光板が開放方向から遮光方向へ、及び、遮光方向から開放方向へ動作を行うように駆動するモータと、
   前記モータのモータ軸に連結されるピニオンギアと、
   前記第１のベースと連結し、前記ピニオンギアの溝の第１の側面と当接する第１のギアと、
   前記第１のギアに重ねて併設され、前記ピニオンギアの溝の第２の側面と当接する第２のギアと、
   前記第１のベースにおける、前記第１及び第２のギアとは異なる側面に設けられた第３のギアと、
   前記第２のベースと連結し、前記第３のギアと咬合する第４のギアと、
   前記第１及び第２のギアを、各々前記ピニオンギアと当接する方向に付勢する第１のバネと、
   前記第２のベース上に配置され、前記第４のギアに対して、前記第１及び第２の遮光板が開く方向に付勢する第２のバネと、を備える、投射型映像表示装置。
2. 前記第２のバネは、前記第３のギアの歯と前記第４のギアの歯が回動方向によらず一方向に接触するよう付勢されている、請求項１記載の投射型映像表示装置。
3. 前記モータはステッピングモータである、請求項１又は２記載の投射型映像表示装置。

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