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【発明の名称】 投射型表示装置
【発明者】 【氏名】高窪 豊

【要約】 【課題】チルト投影光学系とタイプBのDMD表示素子を適用した投影型表示装置において、DMD表示素子のオフ光が照明光学系に戻ることがない投射型表示装置を得る。

【構成】DMD表示素子のオンミラーで反射されたオン光がチルト投影光学系に入射し、オフ光が照明光学系の方向に向かわないように、微小ミラー角度の方向を適切に設定した投射型表示装置。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
照明光学系と、基板上に二次元的に配列された多数の微小ミラーの偏向軸に関する傾きを二値的に変化させることで上記照明光学系からの照明光の反射方向を二方向に択一して制御するDMD表示デバイスと、このDMD表示デバイスが形成した像を投影する投影光学系と、を有する投射型表示装置において、
上記投影光学系は、その基準光軸が、上記DMD表示デバイスのDMD基板と直交せず、該DMD表示デバイスの中心を通り該DMD基板と直交する平面内に位置しているチルト投影光学系であり、
上記微小ミラーの偏向軸は、DMD表示デバイスの中心を通るDMD基板の法線とチルト投影光学系の基準光軸とで画定される平面に対して直交しており、
上記微小ミラーが二値的傾きの一方のオン位置にあるときその反射光が上記チルト投影光学系に入射し、他方のオフ位置にあるときその反射光が上記照明光学系に入射しないように微小ミラーの角度方向が定められている、
ことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項2】
請求項1記載の投射型表示装置において、上記チルト投影光学系の基準光軸は、上記オン位置の微小ミラーでの反射光光軸とオフ位置の微小ミラーでの反射光光軸とで画定される平面内に位置している投射型表示装置。
【請求項3】
請求項1または2記載の投射型表示装置において、上記チルト投影光学系は、上記DMD型反射型表示手段側から順に、該チルト投影光学系の上記基準光軸を構成する第1結像光学系、偏向光学系及び第2結像光学系から構成され、第1結像光学系は上記DMD表示デバイスの中間像を形成し、偏向光学系は第1結像光学系から出射した光線束を第2結像光学系に向かうように偏向し、第2結像光学系は第1結像光学系で形成された中間像をスクリーン上に投影する投射型表示装置。
【請求項4】
請求項1ないし3のいずれか1項記載の投射型表示装置において、上記DMD表示デバイスの中心を通る法線をX軸、該X軸および上記微小ミラーの偏向軸の両軸と直交する軸をY軸としたとき、XY平面における照明光学系光軸とX軸とのなす照明光入射角度をθ、上記チルト投影光学系基準光軸とX軸とのなすチルト角をα、上記DMD表示デバイスのDMD基板に対するオフ位置の微小ミラー傾き角度をδ1、上記DMD表示デバイスのDMD基板に対するオン位置の微小ミラー傾き角度をδ2としたとき、次の条件式(1)を満足する投射型表示装置。
(1)|α+θ-2δ1|<|α+θ-2δ2|
【請求項5】
請求項1ないし4のいずれか1項記載の投射型表示装置において、上記照明光学系は、光源が放射する光を集光する集光ミラーと、光源の輝度分布を均一化するインテグレータと、インテグレータで形成された略均一な照度分布を持つ二次発光面の像を反射型表示手段上に形成するリレー光学系とを備えている投射型表示装置。


【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、プロジェクタ等の投射型表示装置に用いられる照明光学装置、特に、画像表示素子として2次元的に配置された複数の微小ミラーを偏向することで画像を形成するDMD表示デバイスを用いた投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【0002】
この種の反射型表示素子は、DMD(DIGITAL MICRO MIRROR DEVICE、テキサスインスツルメンツ社の登録商標)として当業者に知られており、本明細書でDMD表示デバイス(DMD表示素子)と呼ぶ。DMD表示素子は、基板上に二次元的に配列された多数の微小ミラーの偏向軸に関する傾きを二値的に変化させることで照明光学系からの照明光の反射方向を二方向に択一して制御する。従来、このDMD表示素子を用いた投射型表示装置は、DMD表示素子に照明光学系の照明光を当て、微小ミラーが二値的傾きの一方のオン位置にあるときに該微小ミラーからの反射光を投影光学系に入射させている。各微小ミラーは映像信号に応じて高速でオン方向とオフ方向が切り替えられ、オン方向に傾いている時間をコントロールすることにより画像の明暗を表現している。特許文献1では、微小ミラーがオフ位置にあるときに、微小ミラーからの反射光が投影光学系に入射しないように、遮光板を設けている。
【0003】
この投射型表示装置は、薄型化を図るために、投影光学系の基準光軸(DMD表示素子に最も近い光学系の光軸)を、DMD表示素子の基板表面の法線方向に対して傾斜させる(投影光学系の基準光軸を基板表面の法線に対して傾斜させる、チルト投影光学系)ことが行われている(特許文献2)。このような投影型画像表示装置の画像に求められる性能として、白から黒までの明暗をどの程度の細かさで表現できるかを示すコントラストがある。白から黒までの明暗を階調豊かに表現できている画像(=高コントラストな画像)であることが望ましい。
【0004】
一方、DMD表示素子自体は、DMD表示素子の中心を通りDMD基板の法線と平行な軸をX軸、X軸と直交しDMD基板の短手方向に平行な軸をY軸、X軸と直交しDMD基板の長手方向に平行な軸をZ軸とすると、次の2種類がある。
【0005】
タイプAは、DMD基板上に形成された各微小ミラーの矩形外形の2側面がY軸およびZ軸と平行になるように配置されていて、各微小ミラーがY、Z両軸と45°の角度をなす方向に一致した軸を偏向軸として回動するような構造になっているタイプである。タイプBは、DMD基板上に形成された各微小ミラーの矩形外形の2側面がY軸およびZ軸と45°の角度をなすように配置されていて、各微小ミラーがY軸に平行な方向に一致した軸を偏向軸として回動するような構造になっているタイプである。
【0006】
いずれのタイプも、各微小ミラーのDMD基板に対する偏向角度は例えば(現行)、+12°と-12°のように二者択一であり、一方の角度にある(オン位置にある)ミラーからの反射光をオン光、他方の角度にある(オフ位置にある)ミラーからの反射光をオフ光とする。
【特許文献1】特開2004-258439号公報
【特許文献2】特許第2906348号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
チルト投影光学系と、タイプAのDMD表示素子を適用した投影型表示装置では、照明光は平面矩形のDMD基板の対角方向から入射されることになる。対角方向からDMDに入ってきた光線束がオン位置にあるミラー(オンミラー)で反射されると、反射された光線束は投影光学系に入射する。一方、オフ位置にあるミラー(オフミラー)で反射された光線束は、微小ミラーの偏向軸と直交する平面に対して平行に進行し、投影光学系から遠ざかる方向に向かって行く。このため、オフ光が照明光学系に直接入射する可能性は低い。
【0008】
ところが、チルト投影光学系とタイプBのDMD表示素子を適用した投影型表示装置では、オンミラーでの反射光光軸とオフミラーでの反射光光軸とで規定される平面(XY断面)内に、照明光学系の光軸とチルト投影光学系の基準光軸を位置させなければならない。この結果、オフ光はXY断面と平行な方向に進むため、オフ光の一部が照明光学系に入射して(戻って)しまう可能性がある。オフ光が照明光学系の発光部に戻ると、放電している電極部の温度が上昇し、ランプ寿命の低下や電極部の黒化などによる光量減などが発生し問題となる。
【0009】
本発明は、チルト投影光学系とタイプBのDMD表示素子を適用した投影型表示装置において、遮光板等の機械的な遮光手段を用いることなく、DMD表示素子のオフ光が照明光学系に戻ることによる問題点を解消することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、DMD表示素子のオンミラーで反射されたオン光がチルト投影光学系に入射し、オフ光が照明光学系の方向に向かわないように、微小ミラー角度の方向を適切に設定したことを特徴としている。
【0011】
本発明は、照明光学系と、基板上に二次元的に配列された多数の微小ミラーの偏向軸に関する傾きを二値的に変化させることで上記照明光学系からの照明光の反射方向を二方向に択一して制御するDMD表示デバイスと、このDMD表示デバイスが形成した像を投影する投影光学系と、を有する投射型表示装置において、
1)投影光学系は、その基準光軸が、上記DMD表示デバイスのDMD基板と直交せず、該DMD表示デバイスの中心を通り該DMD基板と直交する平面内に位置しているチルト投影光学系であること、
2)微小ミラーの偏向軸は、DMD表示デバイスの中心を通るDMD基板の法線とチルト投影光学系の基準光軸とで画定される平面に対して直交していること、及び
3)微小ミラーが二値的傾きの一方のオン位置にあるときその反射光が上記チルト投影光学系に入射し、他方のオフ位置にあるときその反射光が上記照明光学系に入射しないように微小ミラーの角度方向が定められていること、
を特徴としている。
【0012】
チルト投影光学系の基準光軸は、オン位置の微小ミラーでの反射光光軸とオフ位置の微小ミラーでの反射光光軸とで画定される平面内に位置させる。
【0013】
チルト投影光学系は、具体的には例えば、DMD型反射型表示手段側から順に、該チルト投影光学系の上記基準光軸を構成する第1結像光学系、偏向光学系及び第2結像光学系から構成し、第1結像光学系はDMD表示デバイスの中間像を形成し、偏向光学系は第1結像光学系から出射した光線束を第2結像光学系に向かうように偏向し、第2結像光学系は第1結像光学系で形成された中間像をスクリーン上に投影する光学系とすることができる。
【0014】
本発明による投射型表示装置は、DMD表示デバイスの中心を通る法線をX軸、該X軸および上記微小ミラーの偏向軸の両軸と直交する軸をY軸としたとき、XY平面における照明光学系光軸とX軸とのなす照明光入射角度をθ、上記チルト投影光学系基準光軸とX軸とのなすチルト角をα、上記DMD表示デバイスのDMD基板に対するオフ位置の微小ミラー傾き角度をδ1、上記DMD表示デバイスのDMD基板に対するオン位置の微小ミラー傾き角度をδ2としたとき、次の条件式(1)を満足することが好ましい。
(1)|α+θ-2δ1|<|α+θ-2δ2|
【0015】
照明光学系は、具体的には例えば、光源が放射する光を集光する集光ミラーと、光源の輝度分布を均一化するインテグレータと、インテグレータで形成された略均一な照度分布を持つ二次発光面の像を反射型表示手段上に形成するリレー光学系とから構成することができる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、チルト投影光学系とタイプBのDMD表示素子を適用した投影型表示装置において、DMD表示素子のオフ光が照明光学系に戻ることによる電極部温度の上昇、ランプ寿命の低下、あるいは電極部の黒化などによる光量減などが発生しない投射型表示装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
図1は、DMD表示デバイス(表示素子)10の概念図である。DMD表示素子10は、平面的に矩形をなすDMD基板11上に、二次元的マトリックス状(例えば横1024×縦768)に配列された多数の平面矩形の微小なミラー12を備えている。微小ミラー12は、偏向軸偏向軸12Xを中心に正逆に回転して二位置をとることができる。すなわち、各微小ミラー12の角度は所定の2方向(+αと-α)から選択され、一定の方向からDMD表示素子10(微小ミラー12)に対して照射される照明光20の1方向の反射光が投影光学系を介してスクリーンに画像を形成する光20Pとなり、もう1方向の反射光は画像を形成しない光20Nとなる。以下、画像を形成する光をオン光20P、画像を形成しない光をオフ光20Nと表現し、オン光を生じる場合の微小ミラー12をオンミラー12P、その角度方向をオン方向、オフ光を生じる場合の微小ミラー12をオフミラー12N、その角度方向をオフ方向と表す。オン方向とオフ方向の微小ミラーの角度(+αと-α)はそれぞれ約+12°と-12°のいずれかである。
【0018】
本実施形態のDMD表示素子10は、図2に示すように、DMD基板11の中心を通り該DMD基板11の法線と平行な軸をX軸、X軸と直交し矩形のDMD基板11の短手方向に平行な軸をY軸、X軸と直交しDMD基板11の長手方向に平行な軸をZ軸とすると、DMD基板11上の微小ミラー12は、その矩形外形の2側面がY軸およびZ軸と45°の角度をなすように配置されており、偏向軸12Xは、Z軸に平行な方向に一致している。
【0019】
図3、図4は、以上のDMD表示素子10を用いた本発明による投射型表示装置の一実施形態を示している。図5は、DMD表示素子10に対して照明光20を照射する照明光学系21の一例を示し、図6は、DMD表示素子10からのオン光20Pを受け取るチルト投影光学系30の一例を示している。図5に示す照明光学系21は、光源22と、該光源22が放射する光を集光する集光ミラー23と、光源22の輝度分布を均一化するインテグレータ24と、リレー光学系25とを備えており、リレー光学系25は、インテグレータ24で形成された略均一な照度分布を持つ二次発光面の像をDMD表示素子10上に形成する。インテグレータ24の入口には、高速で回転するカラーホイル26が位置している。図3、図4では、以上の照明光学系21のリレー光学系25の一部のみを描いている。また、DMD表示素子10の前方にはカバーガラス15が位置している。
【0020】
図6に示すチルト投影光学系30は、DMD表示素子10側から順に位置する第1結像光学系31、該第1結像光学系31の光軸31Xを偏向させる偏向光学系(プリズム)32、及び偏向された光軸上に位置する第2結像光学系33を備えている。第1結像光学系31は、DMD表示素子10による中間像を形成し、第2結像光学系33は、この中間像をスクリーン上に投影する。図3、図4では、チルト投影光学系30の第1結像光学系31のみを描いている。チルト投影光学系30の基準光軸は、DMD表示素子10に最も近い光学系(すなわち第1結像光学系31)の光軸31Xとして定義する。
【0021】
図3、図4の実施形態では、チルト投影光学系30は、その基準光軸31Xが、DMD表示素子10のDMD基板11と直交せず、DMD表示素子10(DMD基板11)の中心を通り該DMD基板11と直交する平面内に位置している。つまり、オン光20Pとオフ光20Nで画定される平面内にチルト光学系30の基準光軸31Xは位置しており、同平面内に照明光学系21の光軸21Xも位置している。また、微小ミラー12の偏向軸12Xは、DMD表示素子10の中心を通るDMD基板11の法線Xとチルト投影光学系30の基準光軸31Xとで画定される平面に対して直交している。
【0022】
図3、図4では、偏向軸12Xは紙面に直交する軸であり、図3はオンミラー12Pのときのオン光の光路、図4はオフミラー12Nのときのオフ光の光路を示している。そして、各微小ミラー12の角度方向は、微小ミラー12が二値的傾きの一方のオン位置にあるとき、図3のように照明光20のオン光20Pがチルト投影光学系30に入射し、他方のオフ位置にあるとき照明光20のオフ光20Nが照明光学系21に入射しないように定められている。すなわち、機械的な遮光手段を要することなく、微小ミラー12の方向の設定で、オフ光20Nが照明光学系21に入射しないようにすることができる。図示実施形態では、オフ光の一部がチルト投影光学系30に入射しており、ゴースト等の悪影響が生じる可能性があるが、このオフ光のチルト投影光学系30への入射光は、例えば機械的な遮光手段で遮光する等により、その悪影響の軽減を図ることができる。これに対し、オン光がチルト投影光学系30に入射するように微小ミラー12の角度方向を設定しなかった場合(オン光とオフ光の方向を入れ替えた場合)には、オフ光が照明光学系21に入射してしまう。
【0023】
照明光学系21の光源22としては、分光特性、発光部の大きさ、寿命、出力などの違いによって、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプなどが選択使用されている。これら放電ランプは長寿命であることが求められるが、電極部が高温になりすぎるとランプの寿命が短くなってしまう。例えば、超高圧水銀ランプの発光部はタングステン電極とそれを取り囲む石英ガラスの発光管がアルゴンガスとハロゲンガスを封入する構造になっているが、発光部が高温になると、タングステン電極が蒸発して発光管の管壁に付着することによる「黒化」や、発光管の石英ガラスが高温になり結晶化することによる「失透」が起こり、光量の低下や発光管の破裂につながる。本実施形態によれば、オフ光が照明光学系21に戻ることがないので、上記「黒化」や「失透」によるランプ寿命の低下を防止することができる。
【0024】
図7は、オフ光が照明光学系21に入射しないための条件を図示したものである。すなわち、DMD表示素子10の中心を通る法線をX軸、該X軸および微小ミラー12の偏向軸12Xの両軸と直交する軸をY軸としたとき、XY平面における照明光学系21の光軸21XとX軸とのなす照明光入射角度をθ、チルト投影光学系30の基準光軸31XとX軸とのなすチルト角をα、DMD表示素子10のDMD基板11に対するオフ位置の微小ミラー12Pの傾き角度をδ1、DMD表示素子10のDMD基板11に対するオン位置の微小ミラー12Nの傾き角度をδ2としたとき、次の条件式(1)を満足させると、オフ光がチルト投影光学系に入射することがない。なお、各角度の大きさは、X軸(微小ミラーの偏向角はY軸)から測った小さい方の角度とし、XY断面において反時計回りの方向を+とする。
(1)|α+θ-2δ1|<|α+θ-2δ2|
αは、具体的には20゜から50゜の範囲で設定するのがよい。
【0025】
以上の実施形態で説明した照明光学系20及びチルト投影光学系30の具体的構成は一例を示すものであり、本発明は図示例に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】本発明による投射型表示装置に用いるDMD表示デバイスのオン位置、オフ位置を説明する概念図である。
【図2】DMD表示デバイス及び微小ミラーの方向を定義する図であり、(A)は斜視図、(B)は平面図である。
【図3】本発明による投射型表示装置の一実施形態を示す、微小ミラーのオン位置における光路図である。
【図4】同微小ミラーのオフ位置における光路図である。
【図5】本発明による投射型表示装置に用いる照明光学系の一例を示す光学構成図である。
【図6】本発明による投射型表示装置に用いるチルト投影光学系の一例を示す光学構成図である。
【図7】本発明による投射型表示装置に用いるチルト投影光学系の一例を示す光学構成図である。
【符号の説明】
【0027】
10 DMD表示素子(DMD表示デバイス)
11 DMD基板
12 微小ミラー
12P オンミラー
12N オフミラー
12X 偏向軸
15 カバーガラス
20 照明光
20P オン光
20N オフ光
21 照明光学系
21X 光軸
22 光源
23 集光ミラー
24 インテグレータ
25 リレー光学系
26 カラーホイル
30 チルト投影光学系
31 第1結像光学系
31X 光軸基準光軸
32 偏向光学系
33 第2結像光学系

【出願人】 【識別番号】000000527
【氏名又は名称】ペンタックス株式会社
【出願日】 平成18年6月29日(2006.6.29)
【代理人】 【識別番号】100083286
【弁理士】
【氏名又は名称】三浦 邦夫

【識別番号】100135493
【弁理士】
【氏名又は名称】安藤 大介


【公開番号】 特開2008−9111(P2008−9111A)
【公開日】 平成20年1月17日(2008.1.17)
【出願番号】 特願2006−179100(P2006−179100)