JP2004126410A

JP2004126410A - 投射型画像表示装置

Info

Publication number: JP2004126410A
Application number: JP2002293314A
Authority: JP
Inventors: Akira Sekiguchi; 関口　暁; Hidehiko Hori; 堀　秀彦
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-07
Also published as: US6799852B2; US20040070738A1; JP3997880B2

Abstract

【課題】本発明は、コントラストの低下や照度ムラを生じることなく装置の小型化を図ることが可能な投写型画像表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明による投写型画像表示装置は、ランプ光源と、当該ランプ光源からの光を集光する集光手段と、前記集光手段を出射した光を反射する平面状の反射面を有する反射ミラーと、前記反射ミラーにより反射された光を反射する楕円面状の反射面を有する楕円ミラーと、前記楕円ミラーにより反射された光を変調して画像光を形成するライトバルブと、前記画像光をスクリーン上に投写する投写レンズとを備え、前記集光手段を出射した光が集光する集光点は、前記反射ミラーについて前記楕円ミラーの一方の焦点と対称となるとともに、前記投写レンズの入射瞳の中心は、前記ライトバルブについて前記楕円ミラーのもう一方の焦点と対称となることを特徴とするものである。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶パネルやＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）といったライトバルブ手段により形成された画像光を投写レンズによってスクリーン上に表示する投写型画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大画面用の投写型表示装置に用いるライトバルブとして、近年、シリコン基板上に配列された、１６×１６μｍの複数のミラー（以下、マイクロミラーと称す）を電気的に制御することにより入射光の反射方向をミラー毎にコントロールするＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス：テキサスインスツルメント社の商標）が注目されている。ＤＭＤの各マイクロミラーは画素に対応し、各々のマイクロミラーは＋１０°または−１０°に傾斜することにより、入射光を、投写レンズに入射するＯＮ光束と、光アブゾーバーに入射するＯＦＦ光束とに分離し、画像光を形成する。マイクロミラーにより反射されたＯＮ光束は、投写レンズを介してスクリーン上に投写される。
【０００３】
ＤＭＤを用いた従来の投写型画像表示装置は、光源からの光を反射ミラーにより一度折り返すことによりＤＭＤの反射面に所定角度で入射させ、その反射光を投写レンズに導く構造となっている。こうした構造においては、光源から出射する光の光軸と、ＤＭＤにより反射され、投写レンズに入射するＯＮ光束（つまり画像光）の光軸との間に所定の間隔を隔てなければならないので、装置の小型化が難しいという問題があった。
【０００４】
こうした問題を解消し、装置の小型化を図るための構成が、特許文献１および２に記載されている。これらの特許文献に記載された投写型画像表示装置は、光源からの光を第１の反射ミラーにより所定の方向に反射し、この第１のミラーにより反射された光を、第２の反射ミラーを用いて再度折り返してＤＭＤを照明するものである。ここで、光源、第１の反射ミラー、第２の反射ミラー、ＤＭＤ、および投写レンズの各光学素子は、光源から出射して第１の反射ミラーに入射する光の光軸と、ＤＭＤにより反射され投写レンズに入射する画像光の光軸とが所定の角度（例えば垂直）で交差するよう配置されている。このように２つの反射ミラーを用いて光源からの光をＤＭＤに導くことで、光源から出射した光の光軸と、投写レンズに入射する画像光の光軸とを所定の角度（例えば垂直）で交差すさせることにより、これら２つの光軸間の距離を縮小できるので、装置の小型化を図ることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−９８２７２号公報
【特許文献２】
特開２００１−１８３６０３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献に記載された投写型画像表示装置は、小型化を図ることは可能であるものの、第２の反射ミラーとして球面、または凹面状の反射面を有する反射ミラーを用いてＤＭＤを照明するので、球面ミラー特有の問題である収差が発生しやすくなる。このように、第２の反射ミラーにおいて収差が生じることにより、ＤＭＤの各マイクロミラーに入射する照明光の入射角度が不均一となるため、ＯＮ光束、およびＯＦＦ光束が完全に分離されなくなり、コントラストが低下するという問題が生じる。同時に、マイクロミラーにより反射されたＯＮ光束の投写レンズ７００への入射角度も不均一となるため、投写レンズの入射瞳に取り込まれる光の量が減少する。これにより、スクリーンに表示される画像の明るさが低下し、表示画像の中央部から周辺部に向かうに従い照度が低下する照度ムラが発生する。
【０００７】
こうした球面ミラー５００の収差により生じる問題は、球面ミラーの口径比を縮小した場合により顕著となる。
【０００８】
本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あり、コントラストの低下や照度ムラを生じることなく装置の小型化を図ることが可能な投写型画像表示装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明による投写型画像表示装置は、ランプ光源と、
当該ランプ光源からの光を集光する集光手段と、
前記集光手段を出射した光を反射する平面状の反射面を有する反射ミラーと、
前記反射ミラーにより反射された光を反射する楕円面状の反射面を有する楕円ミラーと、
前記楕円ミラーにより反射された光を変調して画像光を形成するライトバルブと、
前記画像光をスクリーン上に投写する投写レンズとを備え、
前記集光手段を出射した光が集光する集光点は、前記反射ミラーについて前記楕円ミラーの一方の焦点と対称となるとともに、
前記投写レンズの入射瞳の中心は、前記ライトバルブについて前記楕円ミラーのもう一方の焦点と対称となることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明による投写型画像表示装置は、ランプ光源と、
当該ランプ光源からの光を集光する第１の集光手段と、
前記第１の集光手段により集光される前記ランプ光源からの光が入射する入射面、当該入射面から入射した光を反射する内部側面、および前記入射面から入射した光を前記内部側面において反射された光とともに出射する出射面を有す得る柱状光学素子と、
前記柱状光学素子の出射面から出射した光を集光する第２の集光手段と、
前記第２の集光手段を出射した光を反射する平面状の反射面を有する反射ミラーと、
前記反射ミラーにより反射された光を反射する楕円面状の反射面を有する楕円ミラーと、
前記楕円ミラーにより反射された光を変調して画像光を形成するライトバルブと、
前記画像光をスクリーン上に投写する投写レンズとを備え、
前記第２の集光手段を出射した光が集光する集光点は、前記反射ミラーについて前記楕円ミラーの一方の焦点と対称となるとともに、
前記投写レンズの入射瞳の中心は、前記ライトバルブについて前記楕円ミラーのもう一方の焦点と対称となることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明による投写型画像表示装置の構成を示す側面図である。図１に示すように、本発明に係わる投写型画像表示装置は、ランプ光源１、ランプリフレクター２、カラーホイール３、ライトパイプ４、リレーレンズ５，６、平面ミラー７、楕円ミラー８、反射型ライトバルブ９、および投写レンズ１０により構成される。図２は、リレーレンズ５，６、平面ミラー７、楕円ミラー９、および反射型ライトバルブ１０の位置関係を示す斜視図である。
【００１２】
ランプ光源１としては、高圧水銀ランプやハロゲンランプ等が用いられる。ランプ光源１は、楕円面を有するランプリフレクター２の一方の焦点ｐ１に配される。ランプリフレクター２は、ランプ光源１０１から出射した光束Ｌ０をもう一方の焦点ｐ２に集光する。焦点ｐ２にはライトパイプ４の入射面１０４ａが配される。
【００１３】
図３はカラーホイール３の正面図である。図３に示すように、カラーホイール３は、入射光を、それぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光に変換して透過させるカラーフィルター１０３Ｒ，１０３Ｇ，１０３Ｂと、これらのカラーフィルター１０３Ｒ，１０３Ｇ，１０３Ｂを矢印の方向に回転させるモータ１０３ｄにより構成される。図３において、破線１０３ｅは、各カラーフィルター１０３Ｒ，１０３Ｇ，１０３Ｂを透過する光束Ｌ１の軌跡を示している。ランプリフレクター２により反射された光は、モータ１０３ｄにより回転されるカラーフィルター１０３Ｒ，１０３Ｇ，１０３Ｂを順次透過することにより、赤、緑、青の光に変換されてライトパイプ４の入射面１０４ａに入射する。これにより、カラーホイール３の後段の各光学素子には赤、緑、青の光が順次入射する。
【００１４】
図４はライトパイプ４の詳細な構成を示す図である。図４に示すように、ライトパイプ４は、４枚の平面ミラー１０４ｃを、内側が反射面となるようにパイプ状に組み立てることにより構成される。
【００１５】
図５はライトパイプ４の作用を示す図であり、内部を反射する光線の様子を示している。図５に示すように、ライトパイプ４の入射面１０４ａに形成される焦点ｐ２から出射する光束（Ｌ１）は、ライトパイプ４の内部側面で所定の回数反射されるか、または反射されることなく出射面１０４ｂに到達する。ライトパイプ４の内部側面で反射された光束は、入射面１０４ａを含む平面ＳＰ０の仮想的な光源点（ｐ２ａ，ｐ２ｂ，ｐ２ｃ，ｐ２ｄ）から発せられた光線のように出射面１０４ｂを重畳照射する。このように、ライトパイプ４の内部側面で反射した複数の光束が重畳されることにより、出射面１０４ｂには光強度の均一性の高い矩形状の光源像が形成される。
【００１６】
ライトパイプ４を出射した光束Ｌ２は、リレーレンズ５，６により集光点ＣＰにいったん集光された後、発散光となって平面ミラー７に入射する。このとき、集光点ＣＰを通る平面ＳＰ１には、ライトパイプ４の内部側面で反射して出射面１０４ｂを出射する光束により複数の光源像が形成される。これらの光源像は、図５に示す、ライトパイプ１０４の入射面１０４ａを含む平面ＳＰ０上に形成される仮想的な光源点（ｐ２ａ，ｐ２ｂ，ｐ２ｃ，ｐ２ｄ）に対応する光源像である。つまり、平面ＳＰ０およびＳＰ１、ならびに光源像Ｐおよび集光点ＣＰは共役関係にある。
【００１７】
リレーレンズ５，６は、矩形状の光源像が形成されるライトパイプ４の出射面１０４ｂと、反射型ライトバルブ９が共役関係となるように配置され、また、出射面１０４ｂの形状は、反射型ライトバルブ９と相似形となるよう構成されている。これにより、ライトバルブ４において、光強度の均一な照明光を得ることができる。
【００１８】
平面ミラー７は、リレーレンズ６から出射した光束Ｌ３を、楕円面状の反射面を有する楕円ミラー８に向けて反射する。平面ミラー７により反射された光束Ｌ４は、楕円ミラー８により反射型ライトバルブ９に向けて反射される。リレーレンズ５，６を通過した光束は、いったん集光点ＣＰに集光してから発散光束となるが、楕円ミラー８に反射されると集光光束となり、反射型ライトバルブ９を照射する。反射型ライトバルブ９は、楕円ミラー８により反射された光束Ｌ５を変調し、画像光を形成する。反射型ライトバルブ９により形成された画像光を構成する光束Ｌ６は、投射レンズ１０に入射する。このとき、光束Ｌ６は、投写レンズ１０の入射瞳に入射する。
【００１９】
反射型ライトバルブ９は、ＤＭＤや、反射型液晶パネルなどにより構成され、順次入射するＲ，Ｇ，Ｂの照明光を変調し、画像光を形成する。Ｒ，Ｇ，Ｂの照明光の交代周期は十分に早いので、観測者の目の積分効果により合成され、フルカラー画像として視認される。反射型ライトバルブ９により形成された画像光は、投写レンズ１０により図示しないスクリーン上に表示される。
【００２０】
図６に、本発明に係わる投写型画像表示装置を構成する各光学素子の結像関係を示す。図６においてＥＰａ，ＥＰｂは、それぞれ楕円ミラー８の焦点を示している。本発明に係わる投写型画像表示装置の構成において重要な点は、リレーレンズ５，６により集光される、ライトパイプ４を出射した光束Ｌ２の集光点ＣＰと、楕円ミラー７の焦点ＥＰａとが、平面ミラー７について対称となっているとともに、投写レンズ１０の入射瞳の中心１０ｃと、楕円ミラー７のもう一方の焦点ＥＰｂとが反射型ライトバルブ９について対称となるよう各光学素子が構成されていることである。こうした構成にすることで、集光点ＣＰは、焦点ＥＰａと共役関係となり、また、投写レンズ１０の入射瞳の中心１０ｃは、焦点ＥＰｂと共役関係となる。そして、これら２つの焦点ＥＰａ，ＥＰｂを有する楕円ミラー８において、一方の焦点ＥＰａから出射した光は、全てもう一方の焦点ＥＰｂに集光されるという幾何学的な性質から、集光点ＣＰと、入射瞳の中心１０ｃとの間に完全な共役関係が成立する。
【００２１】
これにより、反射型ライトバルブ９において、入射角度が均一な照明光が得られるとともに、当該反射型ライトバルブ９により反射される画像光を高率よく投射レンズ１０の入射瞳中心１０ｃに導くことが可能となるので、コントラストが高く、照明ムラのない画像を得ることができる。
【００２２】
尚、先述したように、ライトパイプ４の出射面１０４ｂと、反射型ライトバルブ９との共役関係はリレーレンズ５，６の構成および配置により、上記の集光点ＣＰと投写レンズ１０の入射瞳の中心１０ｃとの共役関係とは独立して設定される。
【００２３】
以上のように、本発明による投写型画像表示装置は、ライトパイプ４から出射される光束Ｌ２のリレーレンズ５，６による集光点ＣＰ、および投写レンズ１０の入射瞳の中心１０ｃが、楕円ミラー８の焦点ＥＰａ，ＥＰｂと、反射ミラー７、およびライトバルブ９について対称となるよう各光学素子を設計するので、
光学系の小型化による収差の増大を軽減し、良好な共役関係を維持することができ、光利用効率が高く、すなわち明るく、照度ムラが少なく、コントラストの高い光学系を構成できるという効果が得られる。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１に記載の投写型画像表示装置においては、集光手段を出射した光が集光する集光点が、反射ミラーについて楕円ミラーの一方の焦点と対称となるとともに、投写レンズの入射瞳の中心が、ライトバルブについて楕円ミラーのもう一方の焦点と対称となっているので、コントラストの低下を生じることなく装置の小型化を図ることができる。
【００２５】
請求項２に記載の投写型画像表示装置においては、柱状光学素子を出射し、第２の集光手段により集光される光の集光点が、前記反射ミラーについて前記楕円ミラーの一方の焦点と対称となるとともに、投写レンズの入射瞳の中心が、ライトバルブについて楕円ミラーのもう一方の焦点と対称となっているので、コントラストの低下を生じることなく装置の小型化を図るとともに、照度が均一な画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による投写型画像表示装置の位置実施形態の構成を示す図である。
【図２】本発明による投写型画像表示装置の位置実施形態の構成を示す図である。
【図３】カラーホイールの構成を示す正面図である。
【図４】ライトパイプの構成を示す図である。
【図５】ライトパイプの作用を示す図である。
【図６】本発明による投写型画像表示装置を構成する各光学素子の結像関係を示す図である。
【符号の説明】
１　ランプ光源，２　ランプリフレクター，３　カラーホイール，４　ライトパイプ，５，６　リレーレンズ２，７　平面ミラー，８　楕円ミラー，９　反射型ライトバルブ，１０　投射レンズ。

Claims

ランプ光源と、
当該ランプ光源からの光を集光する集光手段と、
前記集光手段を出射した光を反射する平面状の反射面を有する反射ミラーと、
前記反射ミラーにより反射された光を反射する楕円面状の反射面を有する楕円ミラーと、
前記楕円ミラーにより反射された光を変調して画像光を形成するライトバルブと、
前記画像光をスクリーン上に投写する投写レンズとを備え、
前記集光手段を出射した光が集光する集光点は、前記反射ミラーについて前記楕円ミラーの一方の焦点と対称となるとともに、
前記投写レンズの入射瞳の中心は、前記ライトバルブについて前記楕円ミラーのもう一方の焦点と対称となることを特徴とする投写型画像表示装置。
ランプ光源と、
当該ランプ光源からの光を集光する第１の集光手段と、
前記第１の集光手段により集光される前記ランプ光源からの光が入射する入射面、当該入射面から入射した光を反射する内部側面、および前記入射面から入射した光を前記内部側面において反射された光とともに出射する出射面を有す得る柱状光学素子と、
前記柱状光学素子の出射面から出射した光を集光する第２の集光手段と、
前記第２の集光手段を出射した光を反射する平面状の反射面を有する反射ミラーと、
前記反射ミラーにより反射された光を反射する楕円面状の反射面を有する楕円ミラーと、
前記楕円ミラーにより反射された光を変調して画像光を形成するライトバルブと、
前記画像光をスクリーン上に投写する投写レンズとを備え、
前記第２の集光手段を出射した光が集光する集光点は、前記反射ミラーについて前記楕円ミラーの一方の焦点と対称となるとともに、
前記投写レンズの入射瞳の中心は、前記ライトバルブについて前記楕円ミラーのもう一方の焦点と対称となることを特徴とする投写型画像表示装置。
第２の集光手段は、柱状光学素子の出射面と、ライトバルブとが共役関係となるよう配されることを特徴とする請求項２に記載の投写型画像表示装置。
柱状光学素子の入射面は、第１の集光手段を通過した光が集光する集光点の近傍に配されることを特徴とする請求項２に記載の投写型画像表示装置。
柱状光学素子の出射面は、ライトバルブと相似形であることを特徴とする請求項２に記載の投写型画像表示装置。