JP2003177352A

JP2003177352A - 投写型表示装置及びこれを用いた背面投写型表示装置

Info

Publication number: JP2003177352A
Application number: JP2002264628A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Wada; 充弘和田; Yoshihiro Masumoto; 吉弘枡本; Yoshimasa Fushimi; 吉正伏見
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2002-09-10
Publication date: 2003-06-27

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の反射型光変調素子を用いた投写型表示
装置は、小型、かつ安価な構成で正面投写を実現するこ
とが困難であった。【解決手段】ランプ１（光源）と、照明手段８と、折
り返しミラー９（反射手段）と、ＤＭＤ１０（反射型光
変調素子）と、平凸レンズ１１（レンズ素子）と、投写
レンズ１２（投写手段）とから、投写型表示装置が構成
される。照明手段８の光軸８ａと投写レンズ１２の光軸
１２ａとがねじれの位置にあり、平凸レンズ１１は、照
明手段８の出射瞳８ｂと投写レンズ１２の入射瞳１２ｂ
とを略共役とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、反射型の空間光変
調素子を用いて大画面映像をスクリーン上に投影するこ
とのできる投写型表示装置、及び背面投写型表示装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、大画面用の映像機器として各種の
空間光変調素子を用いた投写型表示装置が知られてい
る。最近では、ＤＭＤ（Digital Micro-Mirror Devic
e）のような表示効率の高い反射型の空間光変調素子が
注目されている（例えば、特許文献１参照）。

【０００３】図１６Ａ，図１６Ｂは、空間光変調素子と
してＤＭＤを用いた投写型表示装置の構成をした図であ
り、図１６Ａはその上面図、図１６Ｂはその側面図であ
る。この投写型表示装置は、白色光を放射するランプ１
６１と、ランプ１６１の放射光を集光する楕円面鏡１６
２と、楕円面鏡１６２の長焦点近傍に配置され、赤、
緑、青の三原色光を順次選択的に透過させる回転型カラ
ーフィルタ１６４と、集光レンズ１６５と、平面ミラー
１６６と、入射光を変調して光学像を形成するＤＭＤ１
６７と、ＤＭＤ１６７上の光学像をスクリーン（図示せ
ず）上に拡大投影する投写レンズ１６８とから構成され
ている。

【０００４】ランプ１６１は、超高圧水銀ランプやキセ
ノンランプ等が用いられる。これらのランプは、輝度が
高く、発光部が比較的小さいため、放射光を効率よく集
光することができる。集光レンズ１６５は、回転型カラ
ーフィルタ１６４を透過した光の拡がりを抑えてＤＭＤ
１６７及び投写レンズ１６８に導く。

【０００５】図１７ＡはＤＭＤ１６７の概略正面図、図
１７ＢはＤＭＤ１６７上の微小ミラー１７１の動作原理
を示す模式的側面図である。図１７Ａに示すように、Ｄ
ＭＤ１６７は、画素毎に設けられた微小ミラー１７１を
２次元的に配列して構成される。各画素ごとに、微小ミ
ラー１７１の直下に配置されたメモリー素子の静電界作
用により、微小ミラー１７１の傾きが制御され、入射光
の反射角度を変化させることによって、ＯＮ／ＯＦＦ状
態が形成される。

【０００６】図１７Ｂを用いて、ＤＭＤ１６７面に対し
て微小ミラー１７１が±１０度傾く場合について説明す
る。ＤＭＤ１６７面の法線に対して２０度傾いた光１７
２が入射すると、微小ミラー１７１がＯＮ（＋１０度）
状態の時、反射光１７３は投写レンズ１６８に入射し、
スクリーン上に画素が表示される。一方、微小ミラー１
７１がＯＦＦ（−１０度）状態の時、反射光１７４は投
写レンズ１６８に入射せず、スクリーン上には画素が表
示されない。各画素について、ＯＮ／ＯＦＦの切り替え
を時間的に制御することで、階調表現が可能になる。

【０００７】ＤＭＤ１６７上の各ミラー１７１は、図１
７Ａに示すように表示領域の短軸１７６に対して方位角
４５度の方向に傾斜する。

【０００８】上記ＤＭＤ１６７が適正に動作し、かつ、
集光レンズ１６５や投写レンズ１６８等の光学部品の機
械的な接触や干渉を避けるため、図１６Ａ，図１６Ｂに
示すように、平面ミラー１６６は、集光レンズ１６５を
出射した光の光路を三次元的に折り返し、ＤＭＤ１６７
に所定の入射角で入射させるように配置されている。

【０００９】なお、ＤＭＤ１６７の中心軸（ＤＭＤ１６
７の有効部の中心を通る法線）１６７ａは投写レンズ１
６８の光軸１６８ａと一致しておらず、オフセット（シ
フト）して配置される。従って、投写レンズ１６８は、
有効像円のうち、一部の画角のみを使用してＤＭＤ１６
７上の光学像を投影している。

【００１０】ところが、図１６Ａ，図１６Ｂに示す投写
型表示装置は、以下の課題があった。

【００１１】第１に、ＤＭＤ１６７の中心軸１６７ａと
投写レンズ１６８の光軸１６８ａとがオフセットしてい
るため、高さ方向に余分なスペースが必要になり、装置
全体の小型化が困難であった。

【００１２】第２に、このような装置を用いて背面投写
型の表示装置を構成する場合、投写レンズ１６８の光軸
１６８ａと投写画像の中心軸とがオフセットするため、
筐体に保持される透過型スクリーンの中心軸（スクリー
ンの有効部の中心を通る法線）も投写レンズ１６８の光
軸１６８ａに対してオフセットする必要があった。この
ため、オフセット量に比例して画角が増大し、投写レン
ズ１６８が大型化すると同時に、スクリーンを構成して
いるフレネルレンズへの光線入射角が大きくなる。それ
故、スクリーン周辺部のフレアや迷光が増加し、表示画
像の品位が低下するという課題があった。

【００１３】また、画面の最周辺部（４隅）に対する画
角がそれぞれ異なるため、解像度や明るさが画面上で不
均一になるという課題があった。

【００１４】それ故、背面投写型表示装置を構成する場
合には、投写装置は正面投写（オフセット無し）が好ま
しい。

【００１５】これに対して、ＤＭＤを用いて正面投写を
実現した構成が提案されている（例えば、特許文献
２）。

【００１６】これは２つ、或いは３つのプリズム片から
なるＴＩＲ（Total Internal Reflection）プリズム
を、投写レンズとＤＭＤとの間に配置し、各プリズム片
の空気ギャップ間で生じる全反射を利用して、正面投写
を実現したものである。

【００１７】

【特許文献１】特開２０００−９８２７２号公報

【００１８】

【特許文献２】特開２００１−１６６１１８号公報

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＴＩＲ
プリズムの空気ギャップの不均一性によって投写画像に
片ボケを生じるため、極めて厳しい精度が必要であっ
た。また、ＴＩＲプリズムが非常に高価な部品であるた
め、装置全体のコストアップ要因であった。

【００２０】本発明は、上記課題を鑑みてなされたもの
であり、ＤＭＤ等の反射型光変調素子を用いて、表示画
像の均一性が高く、正面投写が可能な、小型、かつ安価
な投写型表示装置、ならびに、これを用いた背面投写型
表示装置を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の投写型表示装置は、光源と、前記光源か
ら放射された光を集光して照明光を形成する照明手段
と、前記照明光の光路を折り曲げる反射手段と、前記反
射手段により折り曲げられた前記照明光によって照明さ
れ、映像信号に応じて光学像を形成する反射型光変調素
子と、前記反射型光変調素子上の前記光学像を投影する
投写手段と、前記反射型光変調素子の入射光及び出射光
の光路上に配置されたレンズ素子とを備え、前記照明手
段の光軸と前記投写手段の光軸とがねじれの位置にあ
り、前記レンズ素子は、前記照明手段の出射瞳と前記投
写手段の入射瞳とを略共役にせしめることを特徴とす
る。

【００２２】また、本発明の背面投写型表示装置は、上
記の本発明の投写型表示装置と、前記投写型表示装置が
投影する画像を表示する透過型スクリーンと、前記投写
型表示装置を内包し前記透過型スクリーンを保持する筐
体とを備える。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明の投写型表示装置は、照明
手段の光軸と投写手段の光軸とがねじれの位置にあり、
レンズ素子は、照明手段の出射瞳と投写手段の入射瞳と
を略共役にせしめることにより、反射型光変調素子を用
いて、正面投写が可能な、小型で安価な投写型表示装置
を実現できる。

【００２４】本発明において、照明手段の光軸と投写手
段の光軸とがねじれの位置にあるとは、両光軸が同一平
面上にないこと、すなわち、両光軸が平行でなく、且つ
交差もしていないことを意味する。

【００２５】本発明の上記の投写型表示装置において、
前記入射瞳は前記投写手段の光軸に対して偏心している
ことが好ましい。

【００２６】このとき、前記投写手段の前記偏心方向の
集光角が、これと直交する方向の集光角よりも小さいこ
とが好ましい。

【００２７】また、前記投写手段は、その光軸の回りに
回転することのないフォーカス調整機構を備えることが
好ましい。

【００２８】また、本発明の上記の投写型表示装置にお
いて、前記照明手段の光軸及び前記投写手段の光軸の双
方と直交する方向から見たとき、前記照明手段の光軸と
前記投写手段の光軸との見かけ上の交点が、前記レンズ
素子と前記投写手段との間に配置されていることが好ま
しい。

【００２９】また、前記反射型光変調素子の光軸と前記
投写手段の光軸とが一致していることが好ましい。

【００３０】また、本発明の上記の投写型表示装置が、
更に、第１の筐体と第２の筐体とを備え、前記第１の筐
体は、前記照明手段を保持すると共に、前記照明手段か
ら出射する光を通過させるための出射窓を有し、前記第
２の筐体は、前記反射手段と前記反射型光変調素子と前
記レンズ素子と前記投写手段とを保持すると共に、前記
照明手段からの光を入射させるための入射窓を有し、前
記出射窓と前記入射窓とが結合されていることが好まし
い。

【００３１】このとき、前記出射窓と前記入射窓との間
に結合手段を有し、前記結合手段は、光軸或いは光路長
を調整するための調整機構を備えることが好ましい。

【００３２】また、本発明の上記の投写型表示装置にお
いて、前記照明手段は、光学インテグレータ素子を備え
ることが好ましい。

【００３３】ここで、前記光学インテグレータ素子は、
２枚のレンズアレイ板を有し、少なくとも前記光源に近
い側のレンズアレイ板を構成する複数のレンズはそれぞ
れ適切に偏心していることが好ましい。

【００３４】次に、本発明の第１の背面投写型表示装置
は、上記の本発明の投写型表示装置と、前記投写型表示
装置が投影する画像を表示する透過型スクリーンと、前
記投写型表示装置を内包し前記透過型スクリーンを保持
する筐体とを備える。これにより、明るさや解像度の均
一性が高く、高画質な画像を表示することのできる背面
投写型表示装置を実現できる。

【００３５】また、本発明の第２の背面投写型表示装置
は、上記の複数の本発明の投写型表示装置と、前記複数
の投写型表示装置が投影する画像を表示する透過型スク
リーンと、前記複数の投写型表示装置を内包し前記透過
型スクリーンを保持する筐体とを備える。これにより、
高画質で、画面間の画質差の少ないマルチ画面表示が可
能な背面投写型表示装置を実現できる。

【００３６】前記第１及び第２の投写型表示装置は、前
記透過型スクリーン側に視野絞りを備えることが好まし
い。

【００３７】以下、本発明の投写型表示装置、及び背面
投写型表示装置に関する具体的な実施の形態について、
図面を参照しながら説明する。

【００３８】（実施の形態１）図１は、本発明の第１の
実施の形態に係る投写型表示装置の構成図である。１は
光源としてのランプ、８は照明手段、９は反射手段とし
ての折り返しミラー、１０は反射型光変調素子としての
ＤＭＤ、１１はレンズ素子としての平凸レンズ、１２は
投写手段としての投写レンズである。

【００３９】ここで、ｘｙｚ直交座標系を図のように定
義すると、図１は、ｘ−ｚ平面に関しての構成を示して
いる。同様に、図２、図３のそれぞれは、ｘ−ｙ平面、
ｙ−ｚ平面に関しての構成を示す。

【００４０】楕円面鏡２は、ランプ１の放射光を集光
し、長焦点近傍に集光スポットを形成する。ＵＶ−ＩＲ
カットフィルタ３は、ランプ１の放射光から紫外光、赤
外光成分を除去するために用いている。

【００４１】照明手段８は、回転型カラーフィルタ４、
コンデンサレンズ５、第１レンズアレイ６及び第２レン
ズアレイ７から構成される。

【００４２】回転型カラーフィルタ４は、三原色のカラ
ーフィルタを円盤状に組み合わせたもので、集光スポッ
トの近傍に配置して回転させることにより、赤、緑、青
の光を順次選択的に透過させることができる。

【００４３】コンデンサレンズ５は、回転型カラーフィ
ルタ４を透過した発散光を集光して、効率よく第１レン
ズアレイ６に導く。

【００４４】第１レンズアレイ６及び第２レンズアレイ
７は、光学インテグレータ素子である。第１レンズアレ
イ６は、コンデンサレンズ５で集光した光束を微小光束
に分割する。第２レンズアレイ７は、各微小光束をそれ
ぞれ拡大してＤＭＤ１０上で重ね合わせる。これによ
り、微小光束の積分値として、ＤＭＤ１０上に均一な照
明光束が形成される。

【００４５】図４Ａ，図４Ｂは第１レンズアレイ６の正
面図及び側面図であり、図５Ａ，図５Ｂは第２レンズア
レイ７の正面図及び側面図である。第１レンズアレイ６
は、ＤＭＤ１０の表示領域とおよそ相似な複数の第１レ
ンズ６ａを二次元的に配列して構成される。第２レンズ
アレイ７は、第１レンズ６ａと同形状の第２レンズ７ａ
を二次元的に配列して構成される。第２レンズ７ａの各
々は、それぞれに対応する第１レンズ６ａを通過した微
小光束がＤＭＤ１０上で重なるように、適切に偏心され
ている。

【００４６】この例では、第２レンズアレイ７を構成す
る第２レンズ７ａは、第１レンズ６ａと同形状としてい
るが、これに限定しない。第１レンズ６ａの各々を偏心
させて、互いに異なる開口形状の第２レンズを組み合わ
せて構成したものであっても良い。

【００４７】また、第２レンズ７ａを偏心させる代わり
に、第２レンズアレイ７の出射側近傍に正パワーのレン
ズを配置して、重畳作用を得る構成としてもよい。

【００４８】照明手段８を出射した光は、折り返しミラ
ー９により光路を折り曲げられ、平凸レンズ１１を通過
し、ＤＭＤ１０に入射する。

【００４９】折り返しミラー９は平面ミラーであり、照
明手段８の光軸８ａと投写レンズ１２の光軸１２ａとが
ねじれの位置となるように配置される。更に、図１に示
すように、照明手段８の光軸８ａ及び投写レンズ１２の
光軸１２ａの双方と直交する方向（すなわちｙ軸方向）
から見たとき、照明手段８の光軸８ａと投写レンズ１２
の光軸１２ａとの見かけ上の交点Ｐが、平凸レンズ１１
と投写レンズ１２との間に配置されるように、折り返し
ミラー９が配置される。

【００５０】ＤＭＤ１０上の微小ミラーの傾斜角は±１
０度であり、この傾斜角を変化させて入射光の反射方向
を制御する。この制御を回転型カラーフィルタ４の回転
と同期させ、赤、緑、青の光学像を時間的に重ね合わせ
ることによって、フルカラー画像を表示することができ
る。

【００５１】照明光の最大集光角は約１０度である。折
り返しミラー９は、照明光がＤＭＤ１０面に対して方位
角（図２に示したように、ＤＭＤ１０の法線方向から見
たときの、ＤＭＤ１０の短辺に対する入射光の角度θ）
４５度、入射角２０度で入射するように配置されてい
る。

【００５２】平凸レンズ１１は、ＤＭＤ１０の入射光と
出射光とを共有し、ＤＭＤ１０の中心軸（ＤＭＤ１０の
有効部の中心を通る法線）１０ａと投写レンズ１２の光
軸１２ａとが同軸となるように配置され、照明手段８の
出射瞳８ｂ（図１の構成の場合、第２レンズアレイ７の
出射面）と投写レンズ１２の入射瞳１２ｂとを共役とせ
しめる。

【００５３】平凸レンズ１１は、出射瞳８ｂを通過した
光をＤＭＤ１０に導くと同時に、ＤＭＤ１０のＯＮ状態
において反射された光を効率よく入射瞳１２ｂに導く。

【００５４】投写レンズ１２のＦ値は２．８８（最大集
光角１０度）であり、ＤＭＤ１０のＯＮ状態において反
射された光をスクリーン（図示せず）上に導き、大画面
のフルカラー映像を表示する。

【００５５】図１〜図３に示した本実施の形態の投写型
表示装置は、平凸レンズ１１のパワー、及び平凸レンズ
１１と投写レンズ１２との間の空気間隔を適切に設定す
ることにより、ＴＩＲプリズム等の高価な部品を用いる
ことなく、ＤＭＤ１０と投写レンズ１２とを同軸上に配
置することができる。

【００５６】また、照明手段８の光軸８ａと投写レンズ
１２の光軸１２ａとがねじれの位置にあることにより、
光学部品の機械的な接触や干渉が無く、空間を効率よく
利用することができる。

【００５７】更に、ｙ軸方向から見たとき、照明手段８
の光軸８ａと投写レンズ１２の光軸１２ａとの見かけ上
の交点が、平凸レンズ１１と投写レンズ１２との間に配
置されるように、折り返しミラー９を平凸レンズ１１と
投写レンズ１２との間に適切に配置することにより、装
置の小型化が可能になる。

【００５８】上記構成によれば、反射型光変調素子を用
いて、正面投写が可能な、安価かつコンパクトな投写型
表示装置を実現することができる。

【００５９】（実施の形態２）図６は、本発明の第２の
実施の形態に係る投写型表示装置の構成図である。ここ
で、ｘｙｚ直交座標を図のように定義すると、図６は、
ｘ−ｚ平面に関しての構成を示している。同様に、図７
は、ｙ−ｚ平面に関しての構成を示す。

【００６０】光源１から投写レンズ１２に至るまでの基
本的な作用は、実施の形態１と同様であり、同一の機能
を有する部材には同一の符号を付してそれらの説明を割
愛する。

【００６１】実施の形態１に対する本実施の形態の特徴
は、投写レンズ１２の入射瞳１２ｂを光軸１２ａに対し
て偏心させている点である。本実施の形態では、図７に
示すように、入射瞳１２ｂをＤＭＤ１０の短軸（ｙ軸）
方向に偏心させている。このため、ＤＭＤ１０上の微小
ミラーの傾斜角±１０度に対し、照明光の最大入射角を
１０度、ＤＭＤ１０面への照明光の入射角を２４．５
度、方位角を４０度としている。

【００６２】投写レンズ１２のＦ値は２．０（最大集光
角１４．５度）であり、入射瞳１２ｂの実効Ｆ値は２．
８５である。

【００６３】投写レンズ１２は、入射瞳１２ｂと同様な
形状の絞りを内蔵し、入射瞳１２ｂが偏心しているので
光軸１２ａ回りに回転すること無く投写レンズ１２の光
軸１２ａに沿ってのみ移動可能なフォーカス調整機構を
備えている。

【００６４】入射瞳１２ｂは、ＤＭＤ１０の入射光と出
射光との成す角度が大きくなる方向に偏心すればよい。
これにより、折り返しミラー９から平凸レンズ１１に向
かう照明光と、平凸レンズ１１から投写レンズ１２に向
かう投写光との分離角が大きくなり、折り返しミラー９
をより平凸レンズ１１に近接して配置することができる
ので、平凸レンズ１１と投写レンズ１２との間の空気間
隔を小さくすることができ、装置を小型化にできる。

【００６５】入射瞳１２ｂの偏心量が大きいほど、照明
光と投写光との分離角は大きくなるが、投写レンズ１２
に必要な最大集光角も大きくなるため、Ｆ値の小さな投
写レンズが必要になる。それ故に偏心量は、セットサイ
ズ、投写レンズのＦ値などを検討した上で適切に設定す
ることが望ましい。

【００６６】本実施の形態では、照明光の方位角を４０
度とし、入射瞳１２ｂをＤＭＤ１０の短軸（ｙ軸）方向
に偏心させる例を示したが、これに限定されるものでは
ない。しかしながら、照明光の方位角は、ＤＭＤ１０上
の微小ミラーが傾斜する方向（本実施の形態の場合、Ｄ
ＭＤ１０の短軸（ｙ軸）に対して４５度の方向）とＤＭ
Ｄ１０の短軸（ｙ軸）との間に設定する方が好ましい。

【００６７】図６〜図７に示した本実施の形態の投写型
表示装置は、平凸レンズ１１のパワー、及び平凸レンズ
１１と投写レンズ１２との間の空気間隔を適切に設定す
ることにより、ＴＩＲプリズム等の高価な部品を用いる
ことなく、ＤＭＤ１０と投写レンズ１２を同軸上に配置
することができる。

【００６８】また、照明手段８の光軸８ａと投写レンズ
１２の光軸１２ａとがねじれの位置にあることにより、
光学部品の機械的な接触や干渉が無く、空間を効率よく
利用することができる。

【００６９】更に、ｙ軸方向から見たとき、照明手段８
の光軸８ａと投写レンズ１２の光軸１２ａとの見かけ上
の交点Ｐが、平凸レンズ１１と投写レンズ１２との間に
配置されるように、折り返しミラー９を平凸レンズ１１
と投写レンズ１２との間に適切に配置することにより、
装置の小型化が可能になる。

【００７０】更に、入射瞳１２ｂを適切に偏心すること
により、平凸レンズ１１と投写レンズ１２との間隔を小
さくすることができる。

【００７１】上記構成によれば、反射型光変調素子を用
いて、正面投写が可能な、安価で、かつ実施の形態１に
示した構成よりも更にコンパクトな投写型表示装置を実
現することができる。

【００７２】（実施の形態３）図８Ａは、本発明の第３
の実施の形態に係る投写型表示装置の構成図である。こ
こで、ｘｙｚ直交座標を図のように定義すると、図８Ａ
は、ｘ−ｚ平面に関しての構成を示している。同様に、
図９は、ｙ−ｚ平面に関しての構成を示す。

【００７３】図８Ｂは、図８Ａの８Ｂ−８Ｂ線において
矢印方向から見たＤＭＤ１０の正面図である。

【００７４】光源１から投写レンズ１２に至るまでの基
本的な作用は、実施の形態１，２と同様であり、同一の
機能を有する部材には同一の符号を付してそれらの説明
を割愛する。

【００７５】本実施の形態では、実施の形態２と同様
に、図９に示すように、入射瞳１２ｂをＤＭＤ１０の短
軸（ｙ軸）方向に偏心させている。

【００７６】実施の形態１に対する本実施の形態の特徴
は、投写レンズ１２の入射瞳１２ｂを光軸１２ａに対し
て偏心させ、同時に、入射瞳１２ｂにおける偏心方向の
集光角がこれとは直交する方向の集光角よりも小さくな
るようにしている点である。

【００７７】図１０Ａ，図１０Ｂは、投写レンズ１２の
最大集光角の範囲と入射瞳との関係を示す模式図であ
る。図１０Ａは、偏心方向１００（ｙ軸方向）の集光角
とこれに直交する方向（ｘ軸方向）の集光角とが同じ場
合（実施の形態２に相当する）において、入射瞳１０１
と、投写レンズ１２に必要な最大集光角の範囲１０２と
を示している。図１０Ｂは、偏心方向１００（ｙ軸方
向）の集光角をこれに直交する方向（ｘ軸方向）の集光
角よりも小さくした場合（本実施の形態３に相当する）
において、入射瞳１０３と、投写レンズ１２に必要な最
大集光角の範囲１０４とを示している。いずれも、偏心
量と入射瞳の面積（実効Ｆ値、斜線部で示す）は同じで
ある。

【００７８】入射瞳１０３において、偏心方向１００
（ｙ軸方向）の最大長さをＦ_V、これに垂直な方向（ｘ
軸方向）の最大長さをＦ_Hとしている。

【００７９】図１０Ａと図１０Ｂとの比較から明らかな
ように、偏心方向１００の集光角をこれに直交する方向
の集光角よりも小さくすることにより、同一の実効Ｆ値
を有する偏心した入射瞳に対して、投写レンズの最大集
光角の範囲を小さくできる。すなわち、最大集光角の小
さい（Ｆ値の大きい）投写レンズを用いて、同様の性能
を実現することができる。

【００８０】また、偏心方向１００の集光角を小さくす
ることにより、折り返しミラー９から平凸レンズ１１に
向かう照明光と平凸レンズ１１から投写レンズ１２に向
かう投写光との干渉が緩和されるので、折り返しミラー
９をより平凸レンズ１１に近接して配置することがで
き、平凸レンズ１１と投写レンズ１２との間の空気間隔
を小さくすることができる。

【００８１】上記入射瞳１２ｂに整合した照明手段８の
出射瞳８ｂを得るためには、例えば、図１１Ａ，図１１
Ｂに示す形状の第１レンズアレイ８６、及び図１２Ａ，
図１２Ｂに示す形状の第２レンズアレイ８７を用いれば
よい。

【００８２】図１１Ａは第１レンズアレイ８６の正面
図、図１１Ｂは図１１Ａの１１Ｂ−１１Ｂ線での矢視断
面図であり、第１レンズアレイ８６を構成する各第１レ
ンズ８６ａは、それぞれを通過した光束が第２レンズア
レイ８７内の対応する第２レンズ８７ａ上に集光される
ように偏心させている。

【００８３】また、図１２Ａは第２レンズアレイ８７の
正面図、図１２Ｂは図１２Ａの１２Ｂ−１２Ｂ線での矢
視断面図であり、第２レンズアレイ８７を構成する各第
２レンズ８７ａは、それぞれに対応する第１レンズ８６
ａを通過した光束がＤＭＤ９０上で重なるように、適切
に偏心させている。

【００８４】第２レンズアレイ８７は、その短軸８７ｂ
方向が入射瞳１２ｂの偏心方向とおよそ一致するように
配置され、短軸８７ｂ方向と長軸８７ｃ方向におけるそ
れぞれの大きさが投写レンズ１２の対応する方向におけ
る集光角と整合するように設定すれば良い。

【００８５】本発明における十分な効果を得るために
は、以下の式（１），（２）を満足すればよい。

【００８６】０．５×Ｌ_DMD≦Ｄ₁≦Ｌ_DMD ・・・（１）０．３ｆ≦Ｄ₂≦ｆ・・・（２）ここで、Ｌ_DMDはＤＭＤ１０の有効表示領域の対角長
（図８Ｂ参照）、Ｄ₁はＤＭＤ１０と平凸レンズ１１と
の間の空気間隔、Ｄ₂は平凸レンズ１１と投写レンズ１
２との間の空気間隔、ｆは平凸レンズ９１の焦点距離で
ある。

【００８７】式（１）において、Ｄ₁が下限値よりも小
さくなると、ＤＭＤ１０と平凸レンズ１１との間で発生
する不要反射光が増加し、画質に悪影響を及ぼすので好
ましくない。また、Ｄ₁が上限値よりも大きくなると、
平凸レンズ１１の有効径が大きくなり、装置の大型化を
招くので好ましくない。

【００８８】また、式（２）において、Ｄ₂が下限値よ
りも小さくなると、折り返しミラー９の配置が困難にな
るので好ましくない。また、Ｄ₂が上限値より大きくな
ると、投写レンズ１２のバックフォーカスが長くなり、
収差補正が困難になる、大型化を招く等の問題が生じる
ため好ましくない。

【００８９】図１〜図３に示した実施の形態１、及び図
６〜図７に示した実施の形態２においても、上記式
（１）、（２）を満足することにより、十分な効果を得
ることができる。

【００９０】更に、以下の式（３），（４）を満足すれ
ばなお良い。

【００９１】２×θ_DMD≦θ_i≦２．５×θ_DMD ・・・（３）０．３５≦Ｆ_V／Ｆ_H≦０．９５・・・（４）ここで、θ_DMDはＤＭＤ１０上の微小ミラーの傾斜角、
θ_iはＤＭＤ１０の中心軸１０ａに対する照明光（ここ
では、照明手段８の光軸８ａに相当する）の入射角、Ｆ
_Vは入射瞳１２ｂの偏心方向の最大長さ、Ｆ_Hは入射瞳１
２ｂの偏心方向に直交する方向の最大長さである。

【００９２】式（３）において、θ_iが下限値よりも小
さくなると、ＤＭＤ１０への入射光と出射光との分離角
が小さくなり、折り返しミラー９の配置が困難になるの
で好ましくない。また、θ_iが上限値よりも大きくなる
と、投写レンズ１２に必要な最大集光角が大きくなり、
投写レンズ１２の大型化を招くので好ましくない。

【００９３】また、式（４）において、Ｆ_V／Ｆ_Hが下限
値よりも小さくなると、投写レンズ１２の最大集光角範
囲における入射瞳領域（光線が通過する領域）が相対的
に小さくなり、無駄が大きくなるので好ましくない。ま
た、Ｆ_V／Ｆ_Hが上限値よりも大きくなると、投写レンズ
１２に必要な最大集光角が大きくなり、投写レンズ１２
の大型化を招くので好ましくない。

【００９４】図６〜図７に示した実施の形態２において
も、上記式（３）の条件を満足することにより、より十
分な効果を得ることができる。

【００９５】図８Ａ、図８Ｂに示す構成では、Ｌ_DMD＝
２０．３ｍｍ、Ｄ₁＝１０ｍｍ、Ｄ₂＝４０ｍｍ、ｆ＝１
００ｍｍ、θ_DMD＝１０度、θ_i＝２４度、Ｆ_V／Ｆ_H＝
０．７、としている。また、ＤＭＤ１０上のミラーは、
短軸（ｙ軸）に対して４５度の方向に傾斜する。これに
対して、照明光は、ＤＭＤ１０の短軸に対して４０度の
方位角で入射させている。

【００９６】投写レンズ１２のＦ値は２．１であり、入
射瞳１２ｂと同様な形状の絞りを内蔵し、入射瞳１２ｂ
が偏心しているので光軸１２ａ回りに回転すること無く
投写レンズ１２の光軸１２ａに沿ってのみ移動可能なフ
ォーカス調整機構を備えている。

【００９７】入射瞳１２ｂの偏心方向は、照明光の方位
角が、ＤＭＤ１０の短軸方向と微小ミラーが傾斜する方
向との間となるように設定するのが好ましい。

【００９８】図８Ａ、図８Ｂ、図９に示した本実施の形
態の投写型表示装置は、平凸レンズ１１のパワー、及び
平凸レンズ１１と投写レンズ１２との間の空気間隔を適
切に設定することにより、ＴＩＲプリズム等の高価な部
品を用いることなく、ＤＭＤ１０と投写レンズ１２を同
軸上に配置することができる。

【００９９】また、照明手段８の光軸８ａと投写レンズ
１２の光軸１２ａとがねじれの位置にあることにより、
光学部品の機械的な接触や干渉が無く、空間を効率よく
利用することができる。

【０１００】更に、ｙ軸方向から見たとき、照明手段８
の光軸８ａと投写レンズ１２の光軸１２ａとの見かけ上
の交点Ｐが、平凸レンズ１１と投写レンズ１２との間に
配置されるように、折り返しミラー９を平凸レンズ１１
と投写レンズ１２との間に適切に配置することにより、
装置の小型化が可能になる。

【０１０１】また、入射瞳１２ｂを適切に偏心させ、偏
心方向の集光角をこれに垂直な方向の集光角よりも小さ
くすることで、集光角の小さな（Ｆ値の大きな）投写レ
ンズ１２を用いることができる。同時に、平凸レンズ１
１と投写レンズ１２との間の空気間隔を小さくすること
ができる。

【０１０２】上記構成によれば、反射型光変調素子を用
いて、正面投写が可能な、安価で、かつ実施の形態１，
２に示した構成よりも更にコンパクトな投写型表示装置
を実現することができる。

【０１０３】（実施の形態４）図１３は、本発明の第４
の実施の形態に係る投写型表示装置の構成図である。１
３１は第１の筐体、１３２は第２の筐体、１３３は第３
の筐体、１３４は結合手段である。光源１から投写レン
ズ１２に至るまでの基本的な作用は、実施の形態３と同
様であり、同一の機能を有する部材には同一の符号を付
してそれらの説明を割愛する。

【０１０４】第１の筐体１３１は、照明手段８を保持す
ると共に、ランプ１の放射光が入射するための入射窓１
３１ａと、照明光を出射させるための出射窓１３１ｂと
を有する。

【０１０５】第２の筐体１３２は、折り返しミラー９、
ＤＭＤ１０、平凸レンズ１１、及び投写レンズ１２を保
持すると共に、照明光が入射するための入射窓１３２ａ
を有する。

【０１０６】第３の筐体１３３は、ランプ１、凹面鏡
２、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ３を保持すると共に、ラ
ンプ８１からの放射光を出射させるための出射窓１３３
ａを有する。

【０１０７】結合手段１３４は、照明光の光軸８ａが略
一致するように、第１の筐体１３１の出射窓１３１ｂ
と、第２の筐体１３２の入射窓１３２ａとを結合する。
結合手段１３４は、ｘ、ｙ、ｚの３方向の調整機構を有
する。

【０１０８】結合手段１３５は、ランプ８１の光軸１ａ
と照明光の光軸８ａとが略一致するように、第３の筐体
１３３の出射窓１３３ａと、第１の筐体１３１の入射窓
１３１ａとを結合する。結合手段１３５は、ｘ、ｙ、ｚ
の３方向の調整機構を有する。

【０１０９】一般に、投写光学系は、照明光学系よりも
高い部品精度が要求される。図１３に示した投写型表示
装置は、光源部、照明光学系、及び投写光学系を異なる
筐体に保持しているため、筐体毎に適切な加工精度や材
料を選定できるという利点がある。例えば、第１の筐体
１３１はコストを優先、第２の筐体１３２は精度を優
先、第３の筐体１３３は耐熱性を優先した材料と加工法
を適用すればよい。

【０１１０】また、光学部品を筐体毎に分割してユニッ
ト化することで、メンテナンスが容易になるという利点
がある。

【０１１１】結合手段１３４、１３５に調整機構を設け
ることで、従来必要であった各光学部品の調整機構が不
要になるという利点もある。

【０１１２】本実施例では、投写型表示装置を３つの筐
体に分割して構成する例を示したが、第１の筐体１３１
と第３の筐体１３３とを共通の筐体として構成しても良
い。

【０１１３】上記構成によれば、光学部品のメンテナン
スが容易で、安価な投写型表示装置を実現することがで
きる。

【０１１４】図１３では、実施の形態３の光学系を備え
た投写型表示装置を示したが、本発明はこれに限定され
ず、例えば実施の形態１，２の光学系を備えていてもよ
い。

【０１１５】（実施の形態５）図１４Ａは、本発明の実
施の形態５に係る背面投写型表示装置の正面透視図、図
１４Ｂはその側面透視図である。１４１は投写型表示装
置、１４２は透過型スクリーン、１４３は筐体である。
透過型スクリーン１４２を保持した筐体１４３内に、実
施の形態４に示した投写型表示装置１４１を配置してい
る。

【０１１６】投写型表示装置１４１の投写レンズから出
射する光は、折り返しミラー１４４によって反射され透
過型スクリーン１４２に入射する。

【０１１７】透過型スクリーン１４２は、例えば、フレ
ネルレンズとレンチキュラレンズとで構成されている。
フレネルレンズの焦点距離は、フレネルレンズから投写
レンズに至る光路長とおよそ等しく設定され、入射光を
適切に屈折させて、スクリーン１４２前方に透過させ
る。視聴者は、投写型表示装置１４１が拡大投影した像
を、透過型スクリーン１４２を通して観察することがで
きる。

【０１１８】本発明の投写型表示装置１４１を用いてい
るので、フレネルレンズをオフセットする必要が無く、
解像度や明るさの均一性が高い、高画質な大画面映像を
実現できる。また、装置が小型であるため、筐体全体を
コンパクトにすることができる。

【０１１９】上記構成によれば、反射型光変調素子を用
いて、安価かつコンパクトで高画質表示が可能な背面投
写型表示装置を実現することができる。

【０１２０】（実施の形態６）図１５は、本発明の実施
の形態６に係る背面投写型表示装置の斜視図である。１
５１は投写型表示装置、１５２は透過型スクリーン、１
５３は筐体である。４枚の透過型スクリーン１５２を保
持した筐体１５３内に、スクリーン１５２と同数で対を
成す実施の形態４に示した投写型表示装置１５１を配置
している。

【０１２１】複数の投写型表示装置１５１の画像を並べ
てマルチ画面を表示する場合、各画面間の境界を挟んだ
両側の画面の明るさや解像度の差は、小さいほうが好ま
しい。

【０１２２】本実施の形態では、本発明の投写型表示装
置１５１を用いているので、フレネルレンズをオフセッ
トする必要が無く、各画面内の表示画像は、画面中心に
対して、回転対称な解像度や明るさ性能を有している。
それ故、これを複数並べてマルチ画面を構成する場合、
各画面の境界を挟んだ両側の画面の明るさや解像度の差
は、画面毎のばらつきを除いて、極めて小さくすること
ができる利点がある。

【０１２３】上記構成によれば、反射型光変調素子を用
いた複数の投写型表示装置を用いて、高画質、かつ画面
間の画質差の少ない、マルチ画面表示が可能な背面投写
型表示装置を実現することができる。

【０１２４】図１４Ａ，図１４Ｂ、及び図１５におい
て、投写型表示装置１４１，１５１としては、実施の形
態１〜４に示したいずれの投写型表示装置であってもよ
く、同様の効果を得ることができる。

【０１２５】また、投写レンズの出射側開口部に不要光
をカットするための視野絞りを設けても良い。これによ
り、コントラストの高い表示画像を実現することができ
る。

【０１２６】なお、上記実施の形態１〜４では、照明手
段８に２枚のレンズアレイを用いた例を示したが、ガラ
スロッド等の光学インテグレータ素子を用いても良い。
また、光学インテグレータ素子の代わりに、コンデンサ
レンズで照明光を形成するものであってもよい。

【０１２７】また、上記実施の形態１〜４では、反射手
段として平面ミラー９を用いたが、曲面ミラー（例え
ば、球面、非球面、自由曲面、放物面など）であっても
良い。

【０１２８】上記実施の形態１〜４では、反射型光変調
素子としてＤＭＤ１０を用いたが、偏光や回折等の変化
を与えて入射光を空間的に変調できるものであればよ
い。

【０１２９】上記実施の形態１〜４では、レンズ素子と
して平凸レンズ１１を用いたが、レンズの凸面は実施の
形態で述べた向きに限定するものではない。また、平凸
レンズの代わりに、両凸レンズや屈折率分布型レンズな
どを用いても良い。

【０１３０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、反
射型光変調素子を用いて、正面投写が可能な、小型で安
価な投写型表示装置を実現できる。

【０１３１】また、本発明の投写型表示装置を用いて、
明るさや解像度の均一性が高く、高画質な画像を表示す
ることのできる背面投写型表示装置を実現できる。

【０１３２】また、本発明の投写型表示装置を用いて、
高画質で、画面間の画質差の少ないマルチ画面表示が可
能な背面投写型表示装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る投写
型表示装置の構成を示すｘ−ｚ平面図である。

【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る投写
型表示装置の構成を示すｘ−ｙ平面図である。

【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態に係る投写
型表示装置の構成を示すｙ−ｚ平面図である。

【図４】図４Ａは本発明の第１の実施の形態に係る投写
型表示装置の第１レンズアレイの正面図、図４Ｂはその
側面図である。

【図５】図５Ａは本発明の第１の実施の形態に係る投写
型表示装置の第２レンズアレイの正面図、図５Ｂはその
側面図である。

【図６】図６は、本発明の第２の実施の形態に係る投写
型表示装置の構成を示すｘ−ｚ平面図である。

【図７】図７は、本発明の第２の実施の形態に係る投写
型表示装置の構成を示すｙ−ｚ平面図である。

【図８】図８Ａは、本発明の第３の実施の形態に係る投
写型表示装置の構成を示すｘ−ｚ平面図である。図８Ｂ
は、図８Ａの８Ｂ−８Ｂ線において矢印方向から見たＤ
ＭＤの正面図である。

【図９】図９は、本発明の第３の実施の形態に係る投写
型表示装置の構成を示すｙ−ｚ平面図である。

【図１０】図１０Ａは、本発明の第２の実施の形態に係
る投写型表示装置の投写レンズの入射瞳の位置と形状を
説明するための模式図である。図１０Ｂは、本発明の第
３の実施の形態に係る投写型表示装置の投写レンズの入
射瞳の位置と形状を説明するための模式図である。

【図１１】図１１Ａは本発明の第３の実施の形態の投写
型表示装置の第１レンズアレイの正面図、図１１Ｂは図
１１Ａの１１Ｂ−１１Ｂ線での矢視断面図である。

【図１２】図１２Ａは本発明の第３の実施の形態の投写
型表示装置の第２レンズアレイの正面図、図１２Ｂは図
１２Ａの１２Ｂ−１２Ｂ線での矢視断面図である。

【図１３】図１３は、本発明の第４の実施の形態に係る
投写型表示装置の構成を示すｘ−ｚ平面図である。

【図１４】図１４Ａは本発明の実施の形態５に係る背面
投写型表示装置の正面透視図、図１４Ｂはその側面透視
図である。

【図１５】図１５は、本発明の実施の形態６に係る背面
投写型表示装置の斜視図である。

【図１６】図１６Ａは空間光変調素子としてＤＭＤを用
いた従来の投写型表示装置の構成を示した上面図、図１
６Ｂはその側面図である。

【図１７】図１７ＡはＤＭＤの概略正面図、図１７Ｂは
ＤＭＤの動作原理を説明する概略側面図である。

【符号の説明】

１ランプ（光源）８照明手段９折り返しミラー（反射手段）１０ＤＭＤ（反射型光変調素子）１１平凸レンズ（レンズ素子）１２投写レンズ（投写手段）１３１第１の筐体１３２第２の筐体１３４結合手段１４１、１５１投写型表示装置１４２、１５２透過型スクリーン１４３、１５３筐体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伏見吉正大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 2K103 AA05 AA07 AA14 AA17 AA25 AB07 BC26 BC27

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、前記光源から放射された光を集光して照明光を形成する
照明手段と、前記照明光の光路を折り曲げる反射手段と、前記反射手段により折り曲げられた前記照明光によって
照明され、映像信号に応じて光学像を形成する反射型光
変調素子と、前記反射型光変調素子上の前記光学像を投影する投写手
段と、前記反射型光変調素子の入射光及び出射光の光路上に配
置されたレンズ素子とを備え、前記照明手段の光軸と前記投写手段の光軸とがねじれの
位置にあり、前記レンズ素子は、前記照明手段の出射瞳と前記投写手
段の入射瞳とを略共役にせしめることを特徴とする投写
型表示装置。
【請求項２】前記入射瞳は前記投写手段の光軸に対し
て偏心している請求項１に記載の投写型表示装置。
【請求項３】前記投写手段の前記偏心方向の集光角
が、これと直交する方向の集光角よりも小さい請求項２
に記載の投写型表示装置。
【請求項４】前記投写手段は、その光軸の回りに回転
することのないフォーカス調整機構を備える請求項２に
記載の投写型表示装置。
【請求項５】前記照明手段の光軸及び前記投写手段の
光軸の双方と直交する方向から見たとき、前記照明手段
の光軸と前記投写手段の光軸との見かけ上の交点が、前
記レンズ素子と前記投写手段との間に配置されている請
求項１に記載の投写型表示装置。
【請求項６】前記反射型光変調素子の光軸と前記投写
手段の光軸とが一致している請求項１に記載の投写型表
示装置。
【請求項７】更に、第１の筐体と第２の筐体とを備
え、前記第１の筐体は、前記照明手段を保持すると共に、前
記照明手段から出射する光を通過させるための出射窓を
有し、前記第２の筐体は、前記反射手段と前記反射型光変調素
子と前記レンズ素子と前記投写手段とを保持すると共
に、前記照明手段からの光を入射させるための入射窓を
有し、前記出射窓と前記入射窓とが結合されている請求項１に
記載の投写型表示装置。
【請求項８】前記出射窓と前記入射窓との間に結合手
段を有し、前記結合手段は、光軸或いは光路長を調整するための調
整機構を備える請求項７に記載の投写型表示装置。
【請求項９】前記照明手段は、光学インテグレータ素
子を備える請求項１に記載の投写型表示装置。
【請求項１０】前記光学インテグレータ素子は、２枚
のレンズアレイ板を有し、少なくとも前記光源に近い側
のレンズアレイ板を構成する複数のレンズはそれぞれ適
切に偏心している請求項９に記載の投写型表示装置。
【請求項１１】請求項１に記載の投写型表示装置と、
前記投写型表示装置が投影する画像を表示する透過型ス
クリーンと、前記投写型表示装置を内包し前記透過型ス
クリーンを保持する筐体とを備える背面投写型表示装
置。
【請求項１２】請求項１に記載の複数の投写型表示装
置と、前記複数の投写型表示装置が投影する画像を表示
する透過型スクリーンと、前記複数の投写型表示装置を
内包し前記透過型スクリーンを保持する筐体とを備える
背面投写型表示装置。
【請求項１３】前記投写型表示装置は、前記透過型ス
クリーン側に視野絞りを備える請求項１１又は１２に記
載の背面投写型表示装置。