JP2004240050A - Single-plate projector - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示素子からの光を投影光学系に向かって効率よく全反射させる光学素子を備えた単板式プロジェクタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
画像表示素子により形成される画像を大画面のスクリーン上に拡大投影させるプロジェクタは、1つの画像表示素子を用いてRGBの三色画像を表示する単板式のものと、3つの画像表示素子によってそれぞれ形成される三色画像を合成して表示する三板式のものとに大別される。単板式プロジェクタには、照明光から三色画像を時分割して順次表示するものと、フルカラー画像をそのまま投影させるものとが知られている。現在普及しているプロジェクタは、画像表示素子として液晶表示素子を用いたものがほとんであり、液晶表示素子には透過型と反射型の2つのタイプがあるが、いずれにおいても三板式が主流となっている。
【0003】
近年、半導体技術の進歩により開発されたディジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)を画像表示素子として用いたDMDプロジェクタが注目されている(例えば、特許文献1参照)。DMDは、一辺が十数ミクロンのマイクロミラーがマトリクス状に多数配列され、マイクロミラーの傾きをデジタル制御することで1画素のオン・オフを切替えるようにした反射型表示素子である。DMDプロジェクタは、単板で明るい精細な投影描写が可能であり、マイクロミラーによる1画素のオン・オフ制御を高速で行って、RGB各色画像を時分割で再現するとともに1画素の階調再現を時分割で行う。
【0004】
液晶表示素子やDMDを内蔵したプロジェクタでは、照明光の内部損失によって投影画像の明るさが大きく左右される。このため、単板式のプロジェクタでは、内面全反射プリズム(TIRプリズム:Total Internal Reflection prism)を設けることによって、反射損失を小さくしながらも投影レンズに対する入射光の傾斜角度を抑える工夫をしているものがある。上記特許文献1では、照明光を画像表示素子に導くときに照明光を全反射させている。画像表示素子から出射された光は、投影レンズに対してその光軸と平行に入射されて効率よく投影される。
【0005】
また、図4に示すように、画像表示素子30から出射した光をTIRプリズム31の反射面31aにより、投影レンズ32に向けて全反射させるものがある。画像表示素子からの出射光を投影光学系との間の光路内で全反射させる単板式プロジェクタは、レイアウト上、無駄なスペースをなくすために画像表示面と投影光学系の光軸とが平行に配置され、TIRプリズムの反射面は、画像表示素子に対して45度に形成される。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−042256号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、45度の反射面を有するTIRプリズムは、その構成素材の屈折率が小さいと、画像表示素子から出射された光の一部が反射面に対して臨界角よりも小さい角度で入射してTIRプリズムを透過してしまい、反射損失による投影画像の照度低下を招く問題がある。
【0008】
本発明は、上記問題点を考慮してなされたもので、TIRプリズムの反射面を45度より大きくし、画像表示素子と投影光学系との間における反射損失をより小さくできる単板式プロジェクタ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】
上記目的を達成するために、本発明の単板式プロジェクタは、画像表示素子から出射された光を取り込むとともに、この光を投影光学系に向かって全反射させる反射面を形成した第1の光学素子と、前記反射面と前記投影光学系の間に配置され、前記第1の光学素子から出射された光を透過させ、その光路を曲げる第2の光学素子とを備えていることを特徴としており、第1の光学素子の反射面を画像表示素子に対して45度より大きい角度で形成し、画像表示素子からの出射光を効率よく全反射させるようにしたものである。このとき、第1の光学素子を出射した光の主光線が画像表示面に対して非平行となることに合わせて投影光学系を傾斜させて組み込む必要をなくすために、第2の光学素子によって第1光学素子からの出射光線の光路を折り曲げている。
【0010】
請求項2記載の単板式プロジェクタは、前記第2の光学素子として、同一の断面形状を有する複数の三角プリズムが向きを揃えて並べられたフレネルプリズム板を利用することにより、プリズム透過時の光路差による非点収差の発生を抑制している。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1において、プロジェクタ1には、高輝度光が射出される照明ランプ2、三原色フィルタからなるカラーホイール3、インテグレータロッド4、リレーレンズ5、平面鏡6を有する照明光学系7と、TIRプリズム8、DMD9、フレネルプリズム板10、投影レンズ11とが設けられている。
【0012】
照明ランプ2は、楕円反射鏡の第1焦点に白色光を発する高輝度光源を備え、高輝度光源から発せられた白色光が、楕円鏡を反射して第2焦点に向かって集光される。カラーホイール3は、円盤状に赤色(R)、緑色(G)、青色(B)のカラーフイルタが配列されて構成される。照明ランプ2から放出された白色光は、高速回転するカラーホイール3を透過することで、RGBの三原色の照明光となってインテグレータロッド4に順次入射される。インテグレータロッド4の内部では照明光が全反射を繰り返し、インテグレータロッド4からはムラのない均一な照明光が出射される。インテグレータロッド4から出射された照明光はリレーレンズ5を透過して平行光となり、平面鏡6でTIRプリズム8に向かって反射される。
【0013】
DMD9は、マトリクス状に配列された多数のマイクロミラーを備えている。各マイクロミラーは、照明光が投影レンズ11に入射されるように反射させるオン状態と、光吸収体(図示なし)に入射されるように反射させるオフ状態とに切替えられる。マイクロミラーがオン状態となる時間によって投影画像の1画素の輝度が決まり、DMD9がカラーホイール3の回転と同期して駆動することで照明光は画像情報を有する投影光となる。DMD9は、その画像表示面を投影レンズ11の光軸11aと平行にして配置されている。
【0014】
図2において、TIRプリズム8は、楔形状をした第1プリズム15と第2プリズム16とから構成されている。第1プリズム15と第2プリズム16の間にはエアギャップ17が設けられている。第1プリズム15は、平面鏡6を反射した照明光が垂直に入射する第1面15aと、第2プリズム16に向かって照明光が出射される第2面と、第3面15cとが形成されている。
【0015】
第2プリズム16は、DMD9の画像表示面と平行な第1面16aと、第1プリズム15を透過した照明光が入射し、DMD9から出射された光が投影レンズ11に向かって全反射される第2面16bと、全反射面16bを反射した光が外部に出射される第3面16cとが形成されている。エアギャップ17は、第2プリズムの第2面16bで全反射を発生させるために設けられている。
【0016】
DMD9に入射した照明光は、オン状態のマイクロミラーによって第2プリズムの第1面16a〜第2面16cを介して投影レンズ11に向かう有効反射光と、オフ状態のマイクロミラーによって光吸収体(図示なし)に向かう無効反射光とに分かれ、それぞれの光路を進行する。第2プリズム16は、第1面16aと第2面16bとのなす角αが、45度より大きい角度となるように形成されている。これにより、オン状態のマイクロミラー18を反射した有効反射光は、第2面16bに対する臨界角以上の入射角度で入射するようになる。
【0017】
第2プリズム16の第2面16bでは、その内面でDMD9から出射された有効反射光が全反射され、投影レンズ11の光軸11aに対して傾斜した方向に直進する。第2面16bで全反射された有効反射光は、第3面16cから出射され、フレネルプリズム板10に到達する。
【0018】
図3において、フレネルプリズム板10は、薄い平板上に多数の三角柱形状のプリズム19が配列された構造をしており、投影光軸11aに垂直な入射側の平坦面10aと出射側のフレネル面10bとが形成されている。フレネルプリズム板10は、三角プリズム19が向きを揃えて平行に配列されており、三角プリズム19の傾斜面と同じ角度を有する楔状プリズムと等価な屈折作用をする。
【0019】
第2プリズム16から出射された有効反射光は、その主光線が投影光軸11aに対して一定の傾角を有する状態でフレネルプリズム板10に入射する。フレネルプリズム板10から出射されるときには、主光線が投影光軸11aと平行になって投影レンズ11に入射する。
【0020】
フレネルプリズム板10は、等価な屈折作用をする楔状のプリズムに比べて格段に薄く形成されるので、楔状プリズムのように厚みに偏りのある光学素子を透過することに伴う非点収差や色収差の発生がなく、これらを投影レンズ11内で補正する必要は生じない。
【0021】
また、DMD9とフレネルプリズム板10との有効反射光の光路上における距離は、1画素あたりの有効反射光の光線束の広がりが、三角プリズム19のピッチに比べて十分に大きくなるように設定されており、各三角プリズム19によって投映画像に縞模様が発生することはない。
【0022】
フレネルプリズム板10を透過した有効反射光は投影レンズ11に入射する。プロジェクタ1では、DMD9から出射された有効反射光が第2プリズム16において損失なく全反射され、投影光軸に対して傾角をもった有効反射光はフレネルプリズム板10を透過して投影光軸11aと平行に修正され、スクリーンに向けて効率よく投射される。DMD9の表示画像は、照度と鮮明さが損なわれることなくスクリーン上に拡大投影される。
【0023】
なお、上記実施形態は、反射型表示素子としてのDMDが用いられているが、画像表示素子として液晶表示素子やその他のものを用いてもよく、反射型の画像表示素子のみならず、透過型の画像表示素子が用いられたプロジェクタに本発明を適用してもよい。また、第1の光学素子からの出射光線を折り曲げる光学素子は、屈折光学素子に限られない。
【0024】
【発明の効果】
以上のように本発明の単板式プロジェクタは、画像表示素子から出射された光を全反射させて投影光学系に入射させる第1の光学素子と、第1の光学素子から出射された光の光路を曲げる第2の光学素子とを設けたので、第1の光学素子が比較的屈折率の小さい素材で構成されていても、反射損失を抑えることのできる角度で全反射面を形成することができ、投影光学系を傾斜させて配置する必要がなくなってデッドスペースが発生することがない。すなわち、単板式プロジェクタの特長であるコンパクト性が損なわれず、投影画像の画質を高められる。また、第2の光学素子にフレネルプリズム板を用いることで、光路を曲げることに伴う非点収差の発生が抑えられ、投影光学系によってこれらを補正する必要をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】プロジェクタの概略構成図である。
【図2】TIRプリズム周辺の平面図である。
【図3】フレネルプリズム板の拡大平面図である。
【図4】従来のTIRプリズムの構成を示す平面図である。
【符号の説明】
1 プロジェクタ
8 TIRプリズム
9 DMD
10 フレネルプリズム板
11 投影レンズ
15 第1プリズム
16 第2プリズム
19 三角プリズム[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a single-panel projector having an optical element that efficiently totally reflects light from an image display element toward a projection optical system.
[0002]
[Prior art]
A projector for enlarging and projecting an image formed by an image display element on a large-screen screen is a single-panel type that uses one image display element to display a three-color image of RGB, and a three-image display element. It is roughly classified into a three-panel type that combines and displays the formed three-color images. Known single-panel projectors include those that sequentially display three-color images from illumination light in a time-division manner and those that project full-color images as they are. Most of the currently popular projectors use a liquid crystal display element as an image display element, and there are two types of liquid crystal display elements, a transmission type and a reflection type. Has become.
[0003]
2. Description of the Related Art In recent years, a DMD projector using a digital micromirror device (DMD) developed as a result of advances in semiconductor technology as an image display element has attracted attention (for example, see Patent Document 1). The DMD is a reflection-type display element in which a large number of micromirrors each having a side length of more than ten microns are arranged in a matrix, and the on / off of one pixel is switched by digitally controlling the inclination of the micromirrors. The DMD projector is capable of single-panel bright and precise projection depiction, and performs high-speed on / off control of one pixel by a micromirror to reproduce each RGB image in a time-division manner and to reproduce the gradation of one pixel. Perform in time division.
[0004]
In a projector having a built-in liquid crystal display element or DMD, the brightness of a projected image is greatly affected by the internal loss of illumination light. For this reason, a single-panel projector is provided with a total internal reflection prism (TIR prism: Total Internal Reflection prism) to reduce the reflection loss and reduce the angle of inclination of incident light with respect to the projection lens while reducing reflection loss. There is. In
[0005]
Further, as shown in FIG. 4, there is a type in which light emitted from the
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2001-042256 A
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of a TIR prism having a 45-degree reflecting surface, if the refractive index of the constituent material is small, a part of the light emitted from the image display element enters the reflecting surface at an angle smaller than the critical angle. There is a problem that the light is transmitted through the TIR prism and the illuminance of the projected image is reduced due to reflection loss.
[0008]
The present invention has been made in consideration of the above problems, and provides a single-panel projector in which the reflection surface of a TIR prism can be made larger than 45 degrees and the reflection loss between an image display element and a projection optical system can be made smaller. The purpose is to do.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a single-panel projector according to the present invention includes a first optical element having a reflection surface which captures light emitted from an image display element and totally reflects the light toward a projection optical system. And a second optical element disposed between the reflecting surface and the projection optical system, for transmitting light emitted from the first optical element, and for bending the optical path thereof. The reflection surface of the first optical element is formed at an angle larger than 45 degrees with respect to the image display element so that the light emitted from the image display element is totally reflected efficiently. At this time, in order to eliminate the necessity of tilting and incorporating the projection optical system so that the principal ray of the light emitted from the first optical element becomes non-parallel to the image display surface, the second optical element The optical path of the light beam emitted from the first optical element is bent.
[0010]
The single-panel projector according to
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In FIG. 1, a
[0012]
The
[0013]
The DMD 9 has a large number of micromirrors arranged in a matrix. Each micromirror is switched between an on state in which illumination light is reflected so as to be incident on the
[0014]
In FIG. 2, the
[0015]
The
[0016]
The illumination light incident on the DMD 9 is effectively reflected by the on-state micromirror toward the
[0017]
On the
[0018]
In FIG. 3, a
[0019]
The effective reflected light emitted from the
[0020]
Since the
[0021]
The distance on the optical path of the effective reflected light between the DMD 9 and the
[0022]
The effective reflected light transmitted through the
[0023]
In the above embodiment, a DMD is used as a reflective display element. However, a liquid crystal display element or other devices may be used as an image display element. The present invention may be applied to a projector using the image display element of the above. Further, the optical element that bends the light beam emitted from the first optical element is not limited to the refractive optical element.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, the single-panel projector according to the present invention includes the first optical element that totally reflects the light emitted from the image display element and makes the light enter the projection optical system, and the optical path of the light emitted from the first optical element. And a second optical element that bends the first optical element, so that even if the first optical element is made of a material having a relatively small refractive index, the total reflection surface can be formed at an angle that can suppress reflection loss. Thus, there is no need to arrange the projection optical system at an angle, so that dead space does not occur. That is, the compactness, which is a feature of the single-panel projector, is not impaired, and the image quality of the projected image can be improved. Further, by using a Fresnel prism plate for the second optical element, occurrence of astigmatism due to bending of the optical path can be suppressed, and it is not necessary to correct them by the projection optical system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a projector.
FIG. 2 is a plan view around a TIR prism.
FIG. 3 is an enlarged plan view of a Fresnel prism plate.
FIG. 4 is a plan view showing a configuration of a conventional TIR prism.
[Explanation of symbols]
1
Claims (2)
画像表示素子によって変調された光を拡大投影する投影光学系と、
画像表示素子から出射された光を取り込むとともに、この光を投影光学系に向かって全反射させる反射面を形成した第1の光学素子と、
前記反射面と前記投影光学系の間に配置され、前記第1の光学素子から出射された光を透過させ、その光路を曲げる第2の光学素子とを備えていることを特徴とする単板式プロジェクタ。An image display element that modulates illumination light for each pixel;
A projection optical system for enlarging and projecting the light modulated by the image display element,
A first optical element that captures light emitted from the image display element and forms a reflection surface that totally reflects the light toward the projection optical system;
A second optical element disposed between the reflection surface and the projection optical system, for transmitting light emitted from the first optical element, and bending an optical path thereof. projector.
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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JP2004240050A true JP2004240050A (en) | 2004-08-26 |
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Family Applications (1)
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Country | Link |
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- 2003-02-04 JP JP2003027271A patent/JP2004240050A/en active Pending
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