JP2003315733A

JP2003315733A - 画像表示装置

Info

Publication number: JP2003315733A
Application number: JP2002124741A
Authority: JP
Inventors: Atsuhiro Sono; 淳弘園; Junichi Nishimae; 順一西前; Tatsuki Okamoto; 達樹岡本; Hiroyuki Kono; 裕之河野; Yukio Sato; 行雄佐藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-04-25
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2003-11-06

Abstract

(57)【要約】【課題】光利用効率を飛躍的に改善する。【解決手段】光源１およびリフレクタ２から発した光
を集光するコンデンサレンズ３Ａ，３Ｂと、開口１１Ｈ
を有する反射膜１１を入射端面４Ｉｎに備え、コンデン
サレンズ３Ａ，３Ｂで集光された光を開口１１Ｈからそ
の内部に取り込んで出射端面４Ｏｕｔから出射するイン
テグレータロッド４と、インテグレータロッド４の出射
端面４Ｏｕｔ側に設けられ、出射端面４Ｏｕｔから出射
した光を色分離するＳＣＲホイール１２と、入射側レン
ズ群６Ｉｎによって作り出されるフーリエ変換面６Ｆに
アパーチャ６Ａを備えるとともに、アパーチャ６Ａを介
して、ＳＣＲホイール１２で色分離された光をＤＭＤ８
へ照射するリレーレンズ６およびＴＩＲプリズム７と、
ＤＭＤ（反射型変調素子）８で変調された光をスクリー
ン１０へ投影する投影光学系９とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、２次元配列され
た多数のマイクロミラーが各々ＯＮ／ＯＦＦの２方向へ
スイッチングして光変調するＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ
Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅの略、登録商
標）を使った投影型の画像表示装置（ＤＬＰプロジェク
タ）に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】画像表示装置では、光利用効率を改善す
るための工夫が求められている。光利用効率を改善する
ことにより、ランプ光源への投入電力を減らすことがで
き、ランプ光源の長寿命化が可能になるなどのメリット
がある。

【０００３】まず、従来の画像表示装置について説明す
る。図１４は従来の画像表示装置の構成を示す図であ
る。また、図１５は図１４の画像表示装置に用いられた
カラーホイールの構造を示す図である。

【０００４】図１４，図１５において、１０１は光源、
１０２はリフレクタ、１０３Ａ，１０３Ｂはそれぞれコ
ンデンサレンズ、１０４はインテグレータロッド、１０
４Ｉｎおよび１０４Ｏｕｔはそれぞれインテグレータロ
ッド１０４の入射端面および出射端面、１０５はカラー
ホイール、１０５Ｒ，１０５Ｂおよび１０５Ｇはそれぞ
れカラーホイール１０５の赤色、青色および緑色のカラ
ーフィルタ、１０６はリレーレンズ、１０７はＴＩＲプ
リズム、１０８は反射型変調素子、１０９は投影レン
ズ、１１０はスクリーンである。

【０００５】図１４の画像表示装置の動作について次に
説明する。光源１０１から発した白色光は、リフレクタ
１０２で反射されて平行光となる。この平行光は、コン
デンサレンズ１０３Ａ，１０３Ｂによってインテグレー
タロッド１０４の入射端面１０４Ｉｎへ集光され、イン
テグレータロッド１０４へ入射する。インテグレータロ
ッド１０４へ入射した光は、インテグレータロッド１０
４の内部で多重反射することにより、出射端面１０４Ｏ
ｕｔで照度分布が平均化されるようになる。

【０００６】その後、出射端面１０４Ｏｕｔから出射し
た白色光は、図１５に示すようなカラーフィルタ１０５
Ｒ，１０５Ｂ，１０５Ｇからなる円盤状のカラーホイー
ル１０５によって赤、青、緑の光３原色に分離される。
図１６は単一画像フレーム期間でのカラーホイール１０
５の各色の表示状態を示す図である。図１６のカラーホ
イール１０５が回転することによって、単一画像フレー
ム期間において順次に例えば赤→青→緑と表示するよう
に分離される。

【０００７】図１４の動作の説明に再び戻って、カラー
ホイール１０５で光３原色に分離された光は、リレーレ
ンズ１０６，ＴＩＲプリズム１０７を通して反射型変調
素子１０８を照射する。反射型変調素子１０８によって
ＯＮ方向に反射された光は、ＴＩＲプリズム１０７を通
り、投影レンズ１０９によってスクリーン１１０上に投
影される。

【０００８】さて、この図１４の画像表示装置の光利用
効率を向上するために、光リサイクル光学系を適用した
画像表示装置が下記の文献１に開示されている。この光
リサイクル光学系は、インテグレータロッドの入射端面
に開口付の反射膜を形成しており、カラーホイールで白
色光を光３原色に分離する際に損失となってしまう反射
光を入射端面の反射膜によってリサイクル光として再利
用する点が特徴的である。

【０００９】＜文献１＞Ｄ．Ｓ．Ｄｅｗａｌｄ，Ｓ．
Ｍ．Ｐｅｎｎ，ａｎｄＭ．Ｄａｖｉｓ，“Ｓｅｑｕ
ｅｎｔｉａｌＣｏｌｏｒＲｅｃａｐｔｕｒｅａｎ
ｄＤｙｎａｍｉｃＦｉｌｔｅｒｉｎｇ”，Ｐｒｏ
ｃ．ｏｆＳＩＤ，ｐｐ．１０７６−１０７９，（２
００１）

【００１０】図１７は光リサイクル光学系を適用した従
来の画像表示装置の構成を示す図である。また、図１８
は図１７の画像表示装置に用いられたＳＣＲホイールの
構造を示す図である。図１４，図１５と同一符号は同一
または相当する構成を示している。

【００１１】図１７，図１８において、１１１はインテ
グレータロッド１０４の入射端面１０４Ｉｎに形成され
た反射膜、１１１Ｈは反射膜１１１の開口、１１２は光
リサイクル光学系特有のカラーホイールであり、文献１
に示されたＳＣＲホイール（ＳｅｑｕｅｎｔｉａｌＣ
ｏｌｏｒＲｅｃａｐｔｕｒｅＷｈｅｅｌ）である。
また、１１２Ｒ，１１２Ｂおよび１１２ＧはそれぞれＳ
ＣＲホイール１１２の赤色、青色および緑色のカラーフ
ィルタである。

【００１２】図１７の画像表示装置の動作について次に
説明する。光源１０１から発した白色光は、リフレクタ
１０２で反射されて平行光となる。この平行光は、コン
デンサレンズ１０３Ａ，１０３Ｂによってインテグレー
タロッド１０４の入射端面１０４Ｉｎへ集光され、反射
膜１１１の開口１１１Ｈを通過してインテグレータロッ
ド１０４へ入射する。インテグレータロッド１０４へ入
射した光は、インテグレータロッド１０４の内部で多重
光することにより、射出端面１０４Ｏｕｔで照度分布が
平均化されるようになる。

【００１３】その後、出射端面１０４Ｏｕｔから出射し
た白色光は、図１８に示すようなカラーフィルタ１１２
Ｒ，１１２Ｂ，１１２ＧからなるＳＣＲホイール１１２
を透過し、赤、青、緑の光３原色に同時に分離される。
図１９は単一画像フレーム期間でのＳＣＲホイール１１
２の各色の表示状態を示す図である。図１８のＳＣＲホ
イール１１２が回転することによって、単一画像フレー
ム期間において色が走査されるように表示される。

【００１４】ここで、光リサイクル光学系特有の作用に
ついて説明する。図２０は入射端面１０４Ｉｎに反射膜
１１１を形成していないインテグレータロッド１０４に
おける光線の軌跡を示す図であり、また図２１は入射端
面１０４Ｉｎに反射膜１１１を形成したインテグレータ
ロッド１０４における光線の軌跡を示す図である。図１
７，図１８と同一符号は同一または相当する構成を示し
ている。図２０，図２１において、Ｌは光利用効率の低
下要因となるロス光、Ｒは再利用されるリサイクル光で
ある。

【００１５】図２０の非光リサイクル光学系の場合に
は、ＳＣＲホイール１１２のカラーフィルタ１１２Ｒ，
１１２Ｂ，１１２Ｇで白色光が赤、青、緑の光３原色に
分離される際に、カラーフィルタ１１２Ｒ，１１２Ｂ，
１１２Ｇの該当する色以外の光は反対方向へ、つまりイ
ンテグレータロッド１０４の入射端面１０４Ｉｎの方向
へ反射される。この反射光は入射端面１０４Ｉｎからイ
ンテグレータロッド１０４の外部へ出射するため、画像
の表示に利用できないロス光Ｌとなってしまう。このよ
うに、図２０における色分離の際の光利用効率は約１／
３程度になる。

【００１６】一方、図２１の光リサイクル光学系では、
インテグレータロッド１０４の入射端面１０４Ｉｎに反
射膜１１１を形成しているため、ＳＣＲホイール１１２
で白色光を光３原色に分離する際にカラーフィルタ１１
２Ｒ，１１２Ｂ，１１２Ｇで反射された光は、反射膜１
１１でもう一度反射して正規の方向へ（開口１１１Ｈを
通過してしまったロス光Ｌ２を除く）、すなわち出射端
面１０４Ｏｕｔの方向へ進むリサイクル光Ｒとなる。リ
サイクル光ＲはＳＣＲホイール１１２に再び到達して３
原色に分離された後、画像の表示に利用される。

【００１７】このように、反射膜１１１，ＳＣＲホイー
ル１１２による光リサイクル光学系を備えているので、
図１７の画像表示装置は、ＳＣＲホイール１１２で反射
した光を反射膜１１１でリサイクル光Ｒとして画像の表
示に再利用でき、光利用効率の改善が可能になってい
る。

【００１８】なお、ＳＣＲホイール１１２は、図１４に
示したカラーホイール１０５と異なって、カラーフィル
タ１１２Ｒ，１１２Ｂ，１１２Ｇが渦巻状に構成されて
いる。これは、インテグレータロッド１０４の出射端面
１０４Ｏｕｔにおいて３色のカラーフィルタ１１２Ｒ，
１１２Ｂ，１１２Ｇを常に配置し、入射端面１０４Ｉｎ
側へ各色の光を常に反射するようにし、光リサイクルの
効率を向上するためである。

【００１９】図１７の動作の説明に再び戻って、ＳＣＲ
ホイール１１２で光３原色に分離された光は、リレーレ
ンズ１０６，ＴＩＲプリズム１０７を通じて反射型変調
素子１０８を照射する。反射型変調素子１０８によって
ＯＮ方向に反射された光は、ＴＩＲプリズム１０７を通
り、投影レンズ１０９によってスクリーン１１０上に投
影される。本願発明者の計算によれば、図１７の光リサ
イクル光学系を備えた画像表示装置は、図１４に示した
非光リサイクル光学系の画像表示装置と比較して約１．
１倍の光利用効率が見込まれる。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】従来の画像表示装置は
以上のように構成されているので、光利用効率が約１．
１倍程度しか見込むことができず、光利用効率を十分に
改善できないという課題があった。

【００２１】図２１を用いてこの課題を説明する。イン
テグレータロッド１０４へ入射できる光は、反射膜１１
１の開口１１１Ｈを通過したものだけであり、コンデン
サレンズ１０３Ａ，１０３Ｂによって入射端面１０４Ｉ
ｎへ集光される際に反射膜１１１で反射したロス光Ｌ１
は、光リサイクル光学系であっても画像の表示に利用す
ることができない。つまり、反射膜１１１の面積分に応
じてロス光Ｌ１も発生するため、インテグレータロッド
１０４に対する光取り込み効率が減少し、光利用効率の
改善効果があまり得られないことになる。

【００２２】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、光利用効率を飛躍的に改善するこ
とが可能な画像表示装置を提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】この発明に係る画像表示
装置は、ランプから発した光を集光する集光光学系と、
開口を有する反射膜を入射端面に備え、集光光学系で集
光された光を開口からその内部に取り込んで出射端面か
ら出射するインテグレータロッドと、インテグレータロ
ッドの出射端面側に設けられ、出射端面から出射した光
を色分離するＳＣＲホイールと、入射側レンズ群によっ
て作り出されるフーリエ変換面にアパーチャを備えると
ともに、アパーチャを介して、ＳＣＲホイールで色分離
された光を反射型変調素子へ照射するリレー光学系と、
反射型変調素子で変調された光をスクリーンへ投影する
投影光学系とを備えるようにしたものである。

【００２４】この発明に係る画像表示装置は、ＯＮ方向
にスイッチングしたマイクロミラーが反射する反射光
と、反射型変調素子へ照射される入射光との干渉領域を
遮蔽除去する開口形状をアパーチャが有するようにした
ものである。

【００２５】この発明に係る画像表示装置は、略Ｄ字型
の開口形状にアパーチャが形成されるようにしたもので
ある。

【００２６】この発明に係る画像表示装置は、ＯＮ方向
にスイッチングしたマイクロミラーの傾斜角をθとする
と、リレー光学系により反射型変調素子へ照射される光
のＦナンバーが１．３≦Ｆナンバー≦１／［２ｔａｎ
θ］を満たすようにしたものである。

【００２７】この発明に係る画像表示装置は、ＯＮ方向
にスイッチングしたマイクロミラーの傾斜角をθとする
と、リレー光学系により反射型変調素子へ照射される光
のＦナンバーが１．３≦Ｆナンバー≦１／［２ｔａｎ
（１．５θ）］を満たすようにしたものである。

【００２８】この発明に係る画像表示装置は、入射端面
の面積に対して約１／３程度の面積の開口を有する反射
膜をインテグレータロッドが備えるようにしたものであ
る。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。実施の形態１．まず始めに、本願発明のベースとなる非
対称光学系による画像表示装置について説明する。この
非対称光学系による画像表示装置は、本願発明者らが既
に出願している。

【００３０】図１は非対称光学系を適用した画像表示装
置の構成を示す図である。図１において、１は光源、２
はリフレクタ、３Ａ，３Ｂはそれぞれコンデンサレン
ズ、４はインテグレータロッド、４Ｉｎおよび４Ｏｕｔ
はそれぞれインテグレータロッド４の入射端面および出
射端面、５はカラーホイール、５Ｒ，５Ｂおよび５Ｇは
それぞれカラーホイール５の赤色、青色および緑色のカ
ラーフィルタ、６はリレーレンズ、６Ｆはリレーレンズ
６の入射側のレンズ群によって作り出されるフーリエ変
換面、６Ａはフーリエ変換面６Ｆに設置された略Ｄ字の
アパーチャ、７はＴＩＲプリズム、８はＤＭＤ（反射型
変調素子）、９は投影レンズ、１０はスクリーンであ
る。

【００３１】図１の画像表示装置の動作について次に説
明する。光源１から発した白色光は、リフレクタ２で反
射されて平行光となる。この平行光は、コンデンサレン
ズ３Ａ，３Ｂによってインテグレータロッド４の入射端
面４Ｉｎへ集光され、インテグレータロッド４へ入射す
る。図１の画像表示装置では、光の取り込み効率を改善
するために、インテグレータロッド４の入射端面４Ｉｎ
を既定サイズ４Ｓ（ＤＭＤの振れ角、Ｆナンバー、ＤＭ
Ｄ（反射型変調素子）８のマイクロミラー領域サイズに
よって決まる）よりも拡大している。

【００３２】インテグレータロッド４へ入射した光は、
インテグレータロッド４の内部で多重反射することによ
り、出射端面４Ｏｕｔで照度分布が平均化されるように
なる。その後、出射端面４Ｏｕｔから出射した白色光
は、図１５に示したものと同様のカラーフィルタ５Ｒ，
５Ｂ，５Ｇからなる円盤状のカラーホイール５によって
赤、青、緑の光３原色に分離される。図１のカラーホイ
ール５が回転することによって、単一画像フレーム期間
において順次に例えば赤→青→緑と表示するように分離
される（図１６参照）。

【００３３】カラーホイール５で光３原色に分離された
光は、リレーレンズ６，ＴＩＲプリズム７を通してＤＭ
Ｄ（反射型変調素子）８を照射する。ＤＭＤ（反射型変
調素子）８によってＯＮ方向に反射された光は、ＴＩＲ
プリズム７を通り、投影レンズ９によってスクリーン１
０上に投影される。ここで、上記のＤＭＤ（反射型変調
素子）８を照射する際に、通常の場合であれば、インテ
グレータロッド４の入射端面４Ｉｎを既定サイズ４Ｓよ
りも拡大しているため、ＤＭＤ（反射型変調素子）８の
マイクロミラーの振れ角より大きな角度の光が存在し、
ＤＭＤ（反射型変調素子）８への入射光とＯＮ方向の反
射光とが重なり干渉してしまうという現象が生じる。

【００３４】そこで、図１の画像表示装置では、リレー
レンズ６のフーリエ変換面６Ｆで角度分布に変換するよ
うにし、ＤＭＤ（反射型変調素子）８における入射光と
ＯＮ方向の反射光とが重なる角度領域の光をカットする
略Ｄ字のアパーチャ６Ａ（干渉領域を取り除くとＤ字形
状になる）をフーリエ変換面６Ｆに設けるようにしてい
る。つまり、アパーチャ６Ａによって干渉領域を除去
し、非対称な空間分布を形成している。このため、図１
の光学系を非対称光学系と呼んでいる。

【００３５】図１４や図１７に示した従来の画像表示装
置の場合には、ＤＭＤ（反射型変調素子）のマイクロミ
ラーの振れ角によってＦナンバーが必然的に決まり、こ
のＦナンバーにともなってＤＭＤ（反射型変調素子）の
マイクロミラー領域サイズに対するインテグレータロッ
ドの入射端面の規定サイズが決定する。つまり、インテ
グレータロッドの入射端面を既定サイズより拡大する
と、ＤＭＤ（反射型変調素子）のマイクロミラーの振れ
角より大きな角度の光が存在し、ＤＭＤ（反射型変調素
子）への入射光とＯＮ方向への反射光とが重なって干渉
してしまう。そのため、インテグレータロッド入射端面
サイズを変更できない構成になっている。

【００３６】これに対して、図１の非対称光学系による
画像表示装置は、フーリエ変換面６Ｆのアパーチャ６Ａ
によって干渉領域を除去できるようにしているので、イ
ンテグレータロッド４の入射端面４Ｉｎのサイズを既定
サイズ４Ｓより拡大することが可能になり、インテグレ
ータロッド４への光取り込み効率を向上させることがで
きる。本願発明者らの計算によれば、図１４の画像表示
装置に対して、図１の画像表示装置の場合は約１．３倍
の光利用効率の向上が見込める。

【００３７】さて、上記の非対称光学系を用いた画像表
示装置に対して、図１７に示した光リサイクル光学系を
適用することにより、光利用効率を格段に改善できるよ
うにしている点がこの実施の形態１の趣旨である。以下
に、非対称光学系・光リサイクル光学系を併用した画像
表示装置について説明する。

【００３８】図２はこの発明の実施の形態１による画像
表示装置の構成を示す図である。図１と同一符号は同一
または相当する構成を示している。図２において、１１
はインテグレータロッド４の入射端面４Ｉｎに形成され
た反射膜、１１Ｈは反射膜１１の開口、１２はＳＣＲホ
イールである。

【００３９】次に動作について説明する。光源１から発
した白色光は、リフレクタ２で反射されて平行光とな
る。この平行光は、コンデンサレンズ３Ａ，３Ｂによっ
てインテグレータロッド４の入射端面４Ｉｎへ集光さ
れ、反射膜１１の開口１１Ｈを通過してインテグレータ
ロッド４へ入射する。ここで、インテグレータロッド４
の入射端面４Ｉｎは規定サイズ４Ｓより拡大してあり、
同時に反射膜１１の開口１１Ｈもより拡大して、多くの
光を取り込めるようにしている。インテグレータロッド
４へ入射した光はインテグレータロッド４の内部で多重
光することにより、出射端面４Ｏｕｔで照度分布が平均
化されるようになる。

【００４０】その後、出射端面４Ｏｕｔから出射した白
色光は、図１８に示したものと同様のＳＣＲホイール１
２を透過し、赤、青、緑の光３原色に同時に分離され
る。ＳＣＲホイール１２が回転することによって、単一
画像フレーム期間において色が走査されるように表示さ
れる（図１９参照）。

【００４１】図２における光リサイクルの作用は、図２
１の光線図の場合と同様である。ＳＣＲホイール１２で
反射された光をリサイクルするために、インテグレータ
ロッド４の入射端面４Ｉｎに開口１１Ｈを設けた反射膜
１１を形成してあり、光３原色に分離する際にＳＣＲホ
イール１２で反射された光は、反射膜１１によってその
一部が反射されてリサイクル光となり、ＳＣＲホイール
１２へ再び到達し再利用されるようになる。

【００４２】図１７に示した光リサイクル光学系による
従来の画像表示装置は、インテグレータロッドの規定サ
イズの入射端面に開口付の反射膜を形成していたため、
開口以外の部分、つまり反射膜の面積分だけ光取り込み
効率が減少してしまい、光利用効率の改善効果があまり
得られなかった。

【００４３】これに対して、この実施の形態１による画
像表示装置は、非対称光学系を適用することにより、イ
ンテグレータロッド４の入射端面４Ｉｎのサイズを既定
サイズ４Ｓより拡大し、反射膜１１の開口１１Ｈを拡大
して図２１のロス光Ｌ１を減少させることができ、光の
取り込み効率とリサイクル効率との相乗効果により光利
用効率を飛躍的に向上させることができる。

【００４４】図２の動作の説明に再び戻って、ＳＣＲホ
イール１２で光３原色に分離された光は、リレーレンズ
６，ＴＩＲプリズム７を通じてＤＭＤ（反射型変調素
子）８を照射する。ＤＭＤ（反射型変調素子）８によっ
てＯＮ方向に反射された光は、ＴＩＲプリズム７を通
り、投影レンズ９によってスクリーン１０上に投影され
る。

【００４５】インテグレータロッド４の入射端面４Ｉ
ｎ，反射膜１１の開口１１Ｈを拡大し多くの光を取り込
むようにしているので、前述したようにＤＭＤ（反射型
変調素子）８のマイクロミラー振れ角より大きな角度の
光が存在し、ＤＭＤ（反射型変調素子）８への入射光と
ＯＮ方向の反射光とが重なって干渉してしまう。このた
め図１の場合と同様に、リレーレンズ６間にフーリエ変
換面６Ｆを設け、入射光とＯＮ方向の反射光とが重なる
領域の角度の光を略Ｄ字のアパーチャ６Ａでカットし、
非対称な空間分布を形成することで、入射光とＯＮ方向
の反射光とを分離することができる。

【００４６】以下、実際の計算結果を用いて、この実施
の形態１の原理・効果を詳細に説明する。光源１は有限
な発光領域を持つ高圧水銀ランプなどを使用している。
発光領域は光源１のアークサイズで決められる。そのた
めコンデンサレンズ３Ａ，３Ｂにより集光される集光径
は有限の大きさを持っている。

【００４７】一方、インテグレータロッド４の入射端面
４Ｉｎは、一般に規定サイズ以上の大きさにすることが
できない。これは、ＤＭＤ（反射型変調素子）８のマイ
クロミラー振れ角により、投影レンズ９や他の光学系の
Ｆナンバーが必然的に決まり、さらにＦナンバーが決ま
るとＤＭＤ（反射型変調素子）８のマイクロミラー領域
のサイズからインテグレータロッド４の入射端面４Ｉｎ
のサイズも決まるからである。

【００４８】例えば、一般的な高圧水銀ランプの場合、
そのアークサイズはφ１．０×１．４（ｍｍ）であり、
ＤＭＤ（反射型変調素子）８のマイクロミラー振れ角を
±１０°，ＤＭＤ（反射型変調素子）８のマイクロミラ
ー領域のサイズを対角０．７４インチとした場合、Ｆナ
ンバーはＦ／３，インテグレータロッド４の入射端面４
Ｉｎは５×３．８（ｍｍ）になる。この数値が入射端面
４Ｉｎの規定サイズに相当する。

【００４９】図３はインテグレータロッド４の入射端面
４Ｉｎのサイズを５×３．８（ｍｍ）としたときの光取
り込み効率とリサイクル効率との関係を示す図である。
なお、光取り込み効率は、光源１からの入射光を基準と
したときのインテグレータロッド４への光取り込みの割
合であり、また、リサイクル効率は、インテグレータロ
ッド４の入射端面４Ｉｎに反射膜１１がない場合のカラ
ーホイールを通過する光を基準とし、インテグレータロ
ッド４の入射端面４Ｉｎに開口１１Ｈ付き反射膜１１を
形成した場合のカラーホイールを通過する光の割合であ
る。

【００５０】図３の場合、インテグレータロッド４の入
射端面４Ｉｎのサイズは、コンデンサレンズ３Ａ，３Ｂ
からの集光径より小さく、光の取り込み効率は最大でも
約７５％程度である。反射膜１１の開口１１Ｈのサイズ
を大きくすると、光取り込み効率は向上するもののリサ
イクル効率は下がり、光取り込み効率と光リサイクル効
率とはトレードオフの関係にあることが図３から分か
る。

【００５１】図４はインテグレータロッド４の入射端面
４Ｉｎのサイズを５×３．８（ｍｍ）としたときの光利
用効率を示す図である。この図４の光利用効率は、図３
の光取り込み効率と光リサイクル効率とを掛け合わせた
値で定義している。反射膜１１の開口１１Ｈのサイズが
φ３．５前後のときに光利用効率は最大となるが、わず
か約１．１倍の光利用効率しか見込めないことが図４か
ら分かる。この数値が図１７に示した従来の画像表示装
置の光利用効率になる。

【００５２】そこで、インテグレータロッド４の入射端
面４Ｉｎのサイズをコンデンサレンズ３Ａ，３Ｂの集光
径と同等サイズの８．８×６．７（ｍｍ）まで拡大する
と、後述するように、光取り込み効率を９６％まで向上
することができる。しかしながら、このときのＦナンバ
ーはＦ／１．７になり、ＤＭＤ（反射型変調素子）のマ
イクロミラー振れ角±１０°より大きな角度の光が存在
し、ＤＭＤ（反射型変調素子）への入射光とＯＮ方向へ
の反射光とが重なって干渉するという問題が生じる。

【００５３】図５はＤＭＤ（反射型変調素子）８の反射
面における入射光ＣｉｎとＯＮ方向の反射光Ｃｏｎとの
角度領域の状態を示す図である。図５（ａ）はＦ／３．
０での入射光ＣｉｎとＯＮ方向の反射光Ｃｏｎとの状態
であり、Ｆ／３．０の場合、入射光Ｃｉｎと反射光Ｃｏ
ｎとが干渉することなく分離されていることが分かる。
一方、図５（ｂ）はＦ／１．７の場合の入射光Ｃｉｎと
ＯＮ方向の反射光Ｃｏｎとの状態を示している。図５
（ｂ）の斜線を施した領域Ｃｘが入射光Ｃｉｎと反射光
Ｃｏｎとが重なる干渉領域である。

【００５４】この干渉領域Ｃｘを除くことが必要である
ため、図６の非対称光学系の構成図に示すように、リレ
ーレンズ６の入射側レンズ群６Ｉｎによって角度分布に
変換するフーリエ変換面６Ｆを作り出し、このフーリエ
変換面６Ｆにおいて、干渉領域Ｃｘとなる角度成分の光
をカットする。干渉領域Ｃｘをカットするアパーチャ６
Ａは、図７の構成図に示すようなアパーチャ６Ａを用い
る。図７のアパーチャ６Ａは、Ｆ／１．７の開口に対し
て、Ｆ／１．７の開口の中心から図７中の水平方向左側
がちょうどＦ／３の開口に相当し、そしてＦ／３の開口
に合わせて図７中の垂直方向へ直線状の略Ｄ字型開口形
状になっている。アパーチャ６Ａで入射光Ｃｉｎの干渉
領域Ｃｘをカットすると、ＤＭＤ（反射型変調素子）８
の反射面おける入射光ＣｉｎとＯＮ方向の反射光Ｃｏｎ
とは、図８に示すように干渉領域Ｃｘが除去されて分離
されるようになる。

【００５５】このように、光リサイクル光学系による画
像表示装置では、Ｆナンバーの制限によりインテグレー
タロッド４の入射端面４Ｉｎのサイズ拡大が不可能であ
ったが、非対称光学系を画像表示装置に適用すること
で、インテグレータロッド４の入射端面４Ｉｎのサイズ
拡大を可能にしている。そして、この実施の形態１によ
る画像表示装置では、光リサイクル光学系と非対称光学
系を組み合わせることによって、光利用効率を格段に改
善させている。

【００５６】非対称光学系によってインテグレータロッ
ド４の入射端面４Ｉｎを拡大した場合について説明す
る。図９はインテグレータロッドの入射端面のサイズを
８．８×６．７（ｍｍ）としたときの光取り込み効率と
光リサイクル効率との関係を示す図である。また、図１
０はインテグレータロッドの入射端面のサイズを８．８
×６．７（ｍｍ）としたときの光利用効率を示す図であ
る。

【００５７】図９，図１０の横軸において、反射膜の開
口サイズφ１０はインテグレータロッド４の入射端面４
Ｉｎに反射膜１１がない状態に相当する。このφ１０の
場合、つまり光リサイクル光学系を用いていない非対称
光学系では、光取り込み効率が約９６％であり（図
９）、インテグレータロッド４の入射端面４Ｉｎのサイ
ズが５×３．８（ｍｍ）の場合の光取り込み効率７５％
と比べて、わずか約１．３倍の光利用効率の改善しか見
込めない（図１０）。

【００５８】これに対して、図１０の光学系全体での光
利用効率を見ると分かるように、光リサイクル光学系を
用いた非対称光学系では、光取り込み効率と光リサイク
ル効率との相乗効果により、反射膜１１の開口１１Ｈを
φ５（インテグレータロッド４の入射端面４Ｉｎに対し
て反射膜１１の開口１１Ｈは１／３程度の面積に相当す
る）としたときに、約１．８倍もの光利用効率が得られ
るようになる。

【００５９】図１１は光リサイクル光学系単独、非対称
光学系単独、光リサイクル光学系・非対称光学系併用に
よる光利用効率の改善結果を示す図である。インテグレ
ータロッド４の入射端面４Ｉｎのサイズは、非対称光学
系を使っていない場合が５×３．８（ｍｍ），非対称光
学系を使った場合が８．８×６．７（ｍｍ）である。

【００６０】図１１に示すように、光リサイクル光学系
単独で約１．１倍、光リサイクル光学系を用いない（イ
ンテグレータロッドの入射端面に反射膜がない状態）非
対称光学系単独で約１．３倍であるが、光リサイクル光
学系と非対称光学系とを適用した場合には１．８倍もの
光利用効率となり、大きな改善効果がある。このよう
に、インテグレータロッド４の入射端面４Ｉｎのサイズ
を拡大するために必要となる非対称光学系を光リサイク
ル光学系に用いることにより、光利用効率を飛躍的に向
上することができる。

【００６１】最後に、Ｆナンバーの具体的な値について
言及する。図１２は画像表示装置に一般的に用いられる
高圧水銀ランプの角度分布からＦナンバーによる明るさ
の変化の算出結果を示す図である。ここで図１３
（ａ），図１３（ｂ）に示すように、θはスイッチング
によってＯＮ／ＯＦＦ状態が切り替わるＤＭＤ（反射型
変調素子）のマイクロミラーＭの振れ角である。図１２
に示したＦナンバーによる明るさの変化を示すグラフよ
り、Ｆナンバーを既定すると、次の式（１）のようにな
る。

【００６２】１．３≦Ｆナンバー≦１／［２ｔａｎθ］（１）

【００６３】なお、式（１）の右辺は、それぞれのマイ
クロミラーの振れ角θを持つＤＭＤ（反射型変調素子）
を用いた場合で最小のＦナンバーで、一般的な画像表示
装置で用いられているＦナンバーに当たる。式（１）の
左辺は、最大の明るさを得るために必要な最大のＦナン
バーである。

【００６４】また、一般的な高圧水銀ランプを光源とし
て使用した場合に、インテグレータロッド４の入射端面
４Ｉｎに集光される光のスポット径は、光源のアーク長
によって定まる。このアーク長によって定まるスポット
径の光をインテグレータロッド４へ取り込むためには、
Ｆナンバー１．７程度の大きさにまで入射端面４Ｉｎを
拡大すれば良いことが計算から導かれるので、マイクロ
ミラーの振れ角θ＝±１０°，Ｆナンバーが１．７にな
るように考えると、次の式（２）が得られる。

【００６５】１．３≦Ｆナンバー≦１／［２ｔａｎ（１．５θ）］（２）

【００６６】さらに、現在一般的に使用されているＤＭ
Ｄ（反射型変調素子）は、マイクロミラーの振れ角±１
０°，±１２°，±１４°の製品が存在するので、式
（１）から次の（１Ａ）〜（１Ｃ）に示すように場合分
けできる。

【００６７】 θ＝±１０°の場合１．３≦Ｆナンバー≦３．０（１Ａ） θ＝±１２°の場合１．３≦Ｆナンバー≦２．３５（１Ｂ） θ＝±１４°の場合１．３≦Ｆナンバー≦２．０（１Ｃ）

【００６８】以上のように、この実施の形態１によれ
ば、光源１およびリフレクタ２から発した光を集光する
コンデンサレンズ３Ａ，３Ｂと、開口１１Ｈを有する反
射膜１１を入射端面４Ｉｎに備え、コンデンサレンズ３
Ａ，３Ｂで集光された光を開口１１Ｈからその内部に取
り込んで出射端面４Ｏｕｔから出射するインテグレータ
ロッド４と、インテグレータロッド４の出射端面４Ｏｕ
ｔ側に設けられ、出射端面４Ｏｕｔから出射した光を色
分離するＳＣＲホイール１２と、入射側レンズ群６Ｉｎ
によって作り出されるフーリエ変換面６Ｆにアパーチャ
６Ａを備えるとともに、アパーチャ６Ａを介して、ＳＣ
Ｒホイール１２で色分離された光をＤＭＤ（反射型変調
素子）８へ照射するリレーレンズ６およびＴＩＲプリズ
ム７と、ＤＭＤ（反射型変調素子）８で変調された光を
スクリーン１０へ投影する投影光学系９とを備えるよう
にしたので、光利用効率を飛躍的に改善できるという効
果が得られる。

【００６９】また、この実施の形態１によれば、ＯＮ方
向にスイッチングしたマイクロミラーＭが反射する反射
光Ｃｏｎと、ＤＭＤ（反射型変調素子）８へ照射される
入射光Ｃｉｎとの干渉領域Ｃｘを遮蔽除去する開口形状
をアパーチャ６Ａが有するようにしたので、光利用効率
を飛躍的に改善できるという効果が得られる。

【００７０】さらに、この実施の形態１によれば、略Ｄ
字型の開口形状にアパーチャ６Ａが形成されるようにし
たので、光利用効率を飛躍的に改善できるという効果が
得られる。

【００７１】さらに、この実施の形態１によれば、ＯＮ
方向にスイッチングしたマイクロミラーＭの傾斜角をθ
とすると、リレーレンズ６によりＤＭＤ（反射型変調素
子）８へ照射される光のＦナンバーが１．３≦Ｆナンバ
ー≦１／［２ｔａｎθ］を満たすようにしたので、光利
用効率を飛躍的に改善できるという効果が得られる。

【００７２】さらに、この実施の形態１によれば、ＯＮ
方向にスイッチングしたマイクロミラーＭの傾斜角をθ
とすると、リレーレンズ６によりＤＭＤ（反射型変調素
子）８へ照射される光のＦナンバーが１．３≦Ｆナンバ
ー≦１／［２ｔａｎ（１．５θ）］を満たすようにした
ので、光利用効率を飛躍的に改善できるという効果が得
られる。

【００７３】さらに、この実施の形態１によれば、入射
端面４Ｉｎの面積に対して約１／３程度の面積の開口１
１Ｈを有する反射膜１１をインテグレータロッド４が備
えるようにしたので、従来と比較して約１．８倍もの光
利用効率の改善が可能になるという効果が得られる。

【００７４】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、ラン
プから発した光を集光する集光光学系と、開口を有する
反射膜を入射端面に備え、集光光学系で集光された光を
開口からその内部に取り込んで出射端面から出射するイ
ンテグレータロッドと、インテグレータロッドの出射端
面側に設けられ、出射端面から出射した光を色分離する
ＳＣＲホイールと、入射側レンズ群によって作り出され
るフーリエ変換面にアパーチャを備えるとともに、アパ
ーチャを介して、ＳＣＲホイールで色分離された光を反
射型変調素子へ照射するリレー光学系と、反射型変調素
子で変調された光をスクリーンへ投影する投影光学系と
を備えるようにしたので、光利用効率を飛躍的に改善で
きるという効果が得られる。

【００７５】この発明によれば、ＯＮ方向にスイッチン
グしたマイクロミラーが反射する反射光と、反射型変調
素子へ照射される入射光との干渉領域を遮蔽除去する開
口形状をアパーチャが有するようにしたので、光利用効
率を飛躍的に改善できるという効果が得られる。

【００７６】この発明によれば、略Ｄ字型の開口形状に
アパーチャが形成されるようにしたので、光利用効率を
飛躍的に改善できるという効果が得られる。

【００７７】この発明によれば、ＯＮ方向にスイッチン
グしたマイクロミラーの傾斜角をθとすると、リレー光
学系により反射型変調素子へ照射される光のＦナンバー
が１．３≦Ｆナンバー≦１／［２ｔａｎθ］を満たすよ
うにしたので、光利用効率を飛躍的に改善できるという
効果が得られる。

【００７８】この発明によれば、ＯＮ方向にスイッチン
グしたマイクロミラーの傾斜角をθとすると、リレー光
学系により反射型変調素子へ照射される光のＦナンバー
が１．３≦Ｆナンバー≦１／［２ｔａｎ（１．５θ）］
を満たすようにしたので、光利用効率を飛躍的に改善で
きるという効果が得られる。

【００７９】この発明によれば、入射端面の面積に対し
て約１／３程度の面積の開口を有する反射膜をインテグ
レータロッドが備えるようにしたので、従来と比較して
約１．８倍もの光利用効率の改善が可能になるという効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】非対称光学系を適用した画像表示装置の構成
を示す図である。

【図２】この発明の実施の形態１による画像表示装置
の構成を示す図である。

【図３】インテグレータロッドの入射端面のサイズを
５×３．８（ｍｍ）としたときの光取り込み効率とリサ
イクル効率との関係を示す図である。

【図４】インテグレータロッドの入射端面のサイズを
５×３．８（ｍｍ）としたときの光利用効率を示す図で
ある。

【図５】ＤＭＤ（反射型変調素子）の反射面における
入射光とＯＮ方向の反射光との角度領域の状態を示す図
である。

【図６】非対称光学系の構成を示す図である。

【図７】非対称光学系に用いるアパーチャの構成を示
す図である。

【図８】アパーチャによって干渉領域が除去された場
合のＤＭＤ（反射型変調素子）面おける入射光とＯＮ方
向への反射光の角度領域の状態を示す図である。

【図９】インテグレータロッドの入射端面のサイズを
８．８×６．７（ｍｍ）としたときの光取り込み効率と
光リサイクル効率との関係を示す図である。

【図１０】インテグレータロッドの入射端面のサイズ
を８．８×６．７（ｍｍ）としたときの光利用効率を示
す図である。

【図１１】光リサイクル光学系単独、非対称光学系単
独、光リサイクル光学系・非対称光学系併用による光利
用効率の改善結果を示す図である。

【図１２】画像表示装置に一般的に用いられる高圧水
銀ランプの角度分布からＦナンバーによる明るさの変化
の算出結果を示す図である。

【図１３】マイクロミラーの振れ角を説明するための
図である。

【図１４】従来の画像表示装置の構成を示す図であ
る。

【図１５】図１４の画像表示装置に用いられたカラー
ホイールの構造を示す図である。

【図１６】単一画像フレーム期間でのカラーホイール
の各色の表示状態を示す図である。

【図１７】光リサイクル光学系を適用した従来の画像
表示装置の構成を示す図である。

【図１８】図１７の画像表示装置に用いられたＳＣＲ
ホイールの構造を示す図である。

【図１９】単一画像フレーム期間でのＳＣＲホイール
の各色の表示状態を示す図である。

【図２０】入射端面に反射膜を形成していないインテ
グレータロッドにおける光線の軌跡を示す図である。

【図２１】入射端面に反射膜を形成したインテグレー
タロッドにおける光線の軌跡を示す図である。

【符号の説明】

１光源（ランプ）、２リフレクタ（ランプ）、３
Ａ，３Ｂコンデンサレンズ（集光光学系）、４イン
テグレータロッド、４Ｉｎ入射端面、４Ｏｕｔ出射端
面、５カラーホイール、５Ｒ，５Ｂ，５Ｇカラーフ
ィルタ、６リレーレンズ（リレー光学系）、６Ａア
パーチャ、６Ｆフーリエ変換面、６Ｉｎ入射側レン
ズ群、７ＴＩＲプリズム、８ＤＭＤ（反射型変調素
子）、９投影レンズ（投影光学系）、１０スクリー
ン、１１反射膜、１１Ｈ開口、１２ＳＣＲホイー
ル、Ｃｉｎ入射光、ＣｏｎＯＮ方向の反射光、Ｃｘ
干渉領域、ＣｏｆｆＯＦＦ方向の反射光、Ｍマイク
ロミラー。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡本達樹東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者河野裕之東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者佐藤行雄東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 2H041 AA21 AB10 AC01 AZ01 2H052 BA02 BA09 BA14 2K103 AA07 AA16 BC19 BC35 BC42 CA76

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光を発するランプと、多数のマイクロミ
ラーが各々ＯＮ／ＯＦＦ方向へスイッチングし、照射さ
れる光を上記マイクロミラーで変調する反射型変調素子
と、上記反射型変調素子で変調された光が投影されるス
クリーンとを備えた画像表示装置において、上記ランプから発した光を集光する集光光学系と、開口を有する反射膜を上記入射端面に備え、上記集光光
学系で集光された光を上記開口からその内部に取り込ん
で出射端面から出射するインテグレータロッドと、上記インテグレータロッドの出射端面側に設けられ、上
記出射端面から出射した光を色分離するＳＣＲホイール
と、入射側レンズ群によって作り出されるフーリエ変換面に
アパーチャを備えるとともに、上記アパーチャを介し
て、上記ＳＣＲホイールで色分離された光を上記反射型
変調素子へ照射するリレー光学系と、上記反射型変調素子で変調された光を上記スクリーンへ
投影する投影光学系とを備えることを特徴とする画像表
示装置。
【請求項２】アパーチャは、ＯＮ方向にスイッチング
したマイクロミラーが反射する反射光と、反射型変調素
子へ照射される入射光との干渉領域を遮蔽除去する形状
を有することを特徴とする請求項１記載の画像表示装
置。
【請求項３】アパーチャは、略Ｄ字型の開口形状形成
されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の
画像表示装置。
【請求項４】ＯＮ方向にスイッチングしたマイクロミ
ラーの傾斜角をθとすると、リレー光学系により反射型
変調素子へ照射される光のＦナンバーが１．３≦Ｆナン
バー≦１／［２ｔａｎθ］を満たすことを特徴とする請
求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の画像表
示装置。
【請求項５】ＯＮ方向にスイッチングしたマイクロミ
ラーの傾斜角をθとすると、リレー光学系により反射型
変調素子へ照射される光のＦナンバーが１．３≦Ｆナン
バー≦１／［２ｔａｎ（１．５θ）］を満たすことを特
徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記
載の画像表示装置。
【請求項６】インテグレータロッドは、入射端面の面
積に対して約１／３程度の面積の開口を有する反射膜を
備えることを特徴とする請求項１から請求項３のうちの
いずれか１項記載の画像表示装置。