JP2004279498A - 画像投影装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】画像投影装置は、光源1、RGBカラーフィルタ有し回転するカラーホイール2、照明光11を生成する照明光学系3、DMD制御信号に応じて各マイクロミラーの回動角度が変化するDMD7、DMD7の各マイクロミラーで反射した映像光12を投影する投影光学系9等を備える。照明光学系3の光軸と投影光学系9の光軸は略平行に配置され、DMD7の配置面は投影光学系9の光軸と平行、かつ投影光学系9の光軸を通る垂線に対し略45°に配置され、DMD7はその配置面上で投影光学系9の光軸に対し略45°に配置され、また、映像光12の光軸とDMD7の光軸は略直角に配置される。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間光変調素子を用いた画像投影装置に関し、さらに詳しくは、DMDのような反射型の空間光変調素子を用い、各構成要素を効率的に配置して全体の大きさを小型とし、高輝度かつ高画質な画像が得られる画像投影装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
画像投影装置に使用される空間光変調素子の一例として、多数の微小ミラーを2次元的に配列したデジタル・マイクロミラー・デバイス(以下、DMDという)が知られている。また、DMDを照明する光学系にプリズムを用いるプリズム方式の画像投影装置において、光源、プリズム、DMD、投影レンズ等の構成要素を特定の結合関係をもって配置して、プリズムの小型化を図ることを目的としたものとして、特許文献1等に記載されたものが知られている。
【0003】
図4は、DMDの画素構造を示す斜視図である。
DMD56の表面にマトリックス状に多数形成された個々の素子、すなわちマイクロミラー56ai,56ai+1,…は、それぞれ外部からの制御信号に応じて、画素の対角方向を回転軸として±10度、または±12度の角度で傾斜角を変化させることができる可動マイクロミラーになっている。
DMD56は、図4に示される2つの状態をそれぞれON状態及びOFF状態とし、照明光の反射方向を変化させることによって映像を作り出している。
【0004】
図5は、従来技術による画像投影装置の光学系の構成を示す斜視図である。
DMD56を画像投影装置に応用する方法としては、図5に示すような臨界角プリズム55を用いた光学系を使用することが知られている。
従来の画像投影装置において、光源51で生成された光束は、光の三原色(RGB)を含むカラーフィルタを有するカラーホイール52の回転によって切り替えられ、照明光学系53のロッドインテグレータ53a、コンデンサレンズ53bを通過して、反射ミラー54によって反射され、臨界角プリズム55に導かれる。
【0005】
臨界角プリズム55は、照明光61を全反射させ映像光を透過させるよう傾斜角が設定されたエアギャップ55aを有し、エアギャップ55aの面の方向がDMD56のマイクロミラー56ai,56ai+1,…の振れ方向と一致するように、つまりエアギャップ55aの面とマイクロミラーの軸方向とが平行になるような位置関係となるように、画像投影装置の水平方向に対して45°傾斜させて配置されている。
これによって、反射ミラー54によって反射された照明光61は、画像投影装置の水平方向に対して45°の方向から入射し、映像光62がON状態のマイクロミラーによってDMD56の正面方向に反射するようにしている。ここで、OFF状態のマイクロミラーによって反射した映像光は、DMD56の正面方向から外れた方向に出射され吸収されることとなる。
ON状態のマイクロミラーによって反射された映像光62は、臨界角プリズム55のエアギャップ55aを透過し、投影光学系58に入射し、スクリーンに映像が映し出される。
【0006】
DMD56が設置されている回路基板57には駆動回路が形成され、駆動回路はデジタル信号処理によりDMD56のマイクロミラー56ai,56ai+1,…を制御するものであって、DMD56の背面に配置された回路基板57上に形成されている。DMD56は極めて高速な信号処理により制御されており、装置の安定動作のため、このように駆動回路とDMD56を一体に配置することが望ましい。
【0007】
【特許文献1】
特開2000−47326号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術による画像投影装置は、DMDを駆動する駆動回路を有する回路基板が投影光学系に対して直交して配置されており、画像投影装置のサイズが大型化していた。照明光学系に関しても、照明光を臨界角プリズムに対して45°の方向から入射させる構造が、装置の小型化を妨げる原因になっていた。また、DMDと投影レンズの間の臨界角プリズムは、映像光がエアギャップを透過する際に非点収差を発生させ、投影画像の品位を劣化させる原因になっていた。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、画像投影装置のサイズを小型とし、高輝度かつ高画質の画像を表示することができる画像投影装置を提供することを目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の技術手段は、光源と、前記光源からの光束を照明光に生成する照明光学系と、制御信号に応じて前記照明光に対する反射面の反射特性が変化する空間光変調素子と、該空間光変調素子の前記反射面で反射した映像光を投影する投影光学系を備えた画像投影装置であって、前記照明光学系の光軸と前記投影光学系の光軸は略平行に配置され、前記空間光変調素子の配置面は前記投影光学系の光軸を通る垂線に対し略45°に配置され、前記空間光変調素子は前記空間光変調素子の配置面上で前記投影光学系の光軸に対し略45°に配置され、前記映像光の光軸と前記空間光変調素子の光軸は略直角に配置され、前記空間光変調素子に隣接して前記照明光と前記映像光の進行方向を変化させる光偏向素子が配置されていることを特徴とし、光学系の構成要素や空間光変調素子の駆動回路による高さ及び幅方向の突起を最小限に留め、スリムで可搬性に優れた画像投影装置が可能となる。
【0010】
第2の技術手段は、第1の技術手段の画像投影装置であって、前記光偏向素子は、前記照明光を前記空間光変調素子に向けて反射させるミラーと、該ミラーで反射した照明光を透過させ、前記映像光を全反射させる臨界角プリズムであることを特徴とし、エアギャップを透過する際の非点収差の発生がなくなり、結像性能の優れた画像投影装置が可能となる。
【0011】
第3の技術手段は、第2の技術手段の画像投影装置であって、前記映像光の主光線は、前記臨界角プリズムの全反射面への入射角が増大する方向に傾斜していることを特徴とし、臨界角プリズムでの光量ロスの発生を防ぎ、明るい投影画像を得ることができる画像投影装置が可能となる。
【0012】
第4の技術手段は、第3の技術手段の画像投影装置であって、前記臨界角プリズムの入射部に隣接して正の光学パワーを有するフィールドレンズが配置されていることを特徴とし、照明系の光路長が効果的に短縮され、画像投影装置のさらに小型の画像投影装置が可能となる。
【0013】
第5の技術手段は、第4の技術手段の画像投影装置であって、前記フィールドレンズは、前記臨界角プリズムに接着されていることを特徴とし、光路長が更に短縮されるほか、レンズの保持機構を不要とし光学系の構成を簡素な画像投影装置が可能となる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図1〜図3に示す実施例に基づいて説明する。
図1は、本発明の実施例による画像投影装置の光学系全体を示す図であり、図1(A)は平面図、図1(B)は正面図、図1(C)は右側面図である。
図2は、本発明の実施例による画像投影装置の光学系全体を示す図であり、図1(C)における、A方向からの矢視図である。
図3は、本発明の実施例による画像投影装置の光学系全体を示す斜視図である。
【0015】
実施例の画像投影装置における全体の光学系は、光源1、光の三原色(RGB)を含むカラーフィルタを回転させながら切り替えるカラーホイール2、光源からの光束を通過させ照明光を生成する照明光学系3、反射ミラー4、フィールドレンズ5、臨界角プリズム6、空間光変調素子の一例であるDMD7、DMDを設置するとともにDMDを駆動する駆動回路が設けられている回路基板8、DMDが反射した映像光をスクリーンに映し出す投影レンズを含む投影光学系9によって構成されている。これらの構成要素は、以下に述べる関係に従って配置されている。
【0016】
照明光学系3と投影光学系9は、互いの光軸が概ね平行となるよう配置されている。これらの光軸に対して、DMD7はその光軸が略直角となるよう配置されている。DMD7の背面には、DMD7の各マイクロミラーを駆動する駆動回路を有する回路基板8が配置されており、回路基板8の配置が照明光学系3及び投影光学系9の光軸に対して略平行となっていることから、画像投影装置の幅の増加が最小限に留められている。
【0017】
DMD7及び回路基板8は、図1(C)に示すように、DMD設置面である回路基板8の法線15と投影光学系9の光軸を通る垂線14とのなす角θ1が略45°になるように配置している。DMD7及び回路基板8をこのように配置することにより、光学系全体の高さを低くすることが可能となっている。
【0018】
DMD7と回路基板8の位置関係は、図2に示すように、DMD7の横軸と回路基板8の横軸とのなす角θ2が略45°となるように配置し、これによりスクリーン上の画像角度を水平に保持している。つまり、DMD7の表面に形成された各マイクロミラーの回転軸(ヒンジ)の軸方向は、四辺形をなすDMDの横軸あるいは縦軸に対し45°傾いているので、後述する臨界角プリズム6の全反射面6aの配置との関係で、このような取り付け角度で配置される。
【0019】
DMD7の前方には、照明光11をDMD7に向けて反射させる反射ミラー4、及び照明光11を透過させ、DMD7の各マイクロミラーで反射した映像光12を全反射させる臨界角プリズム6を配置し、照明光11及び映像光12が所定の方向に進むようにしている。
照明光11及び映像光12の進行方向を変化させる偏向手段としては、前記した反射ミラー4や臨界角プリズム6のほか、偏光ビームスプリッタやホログラム等の光学素子を利用することができる。
【0020】
光源1は、集光手段として楕円リフレクタ1aを使用している。楕円リフレクタ1aの集光位置には、光の三原色(RGB)を含むカラーフィルタを回転させながら切り替えるカラーホイール2を配置しており、カラー画像を表示することを可能としている。
光源部1の集光手段は、楕円リフレクタ1aのほか、放物リフレクタやコンデンサレンズの組み合わせ等によって実現してもよい。
また、カラーホイール2は、照明光学系3のロッドインテグレータ3aの出射部とコンデンサレンズ3bの間等に配置してもよい。
【0021】
光源1の光軸は、投影光学系9の光軸に対して必ずしも完全に平行とする必要はない。光路全体の占有スペースを考えると、多少の傾斜角θ3を設けた方がよい場合もあり、本実施例においては、図3に示すように光源部1の光軸の傾斜角θ3を投影光学系9の光軸に対して9°として、光源1が他の構成要素に比べて突起しないようにしている。
【0022】
投影光学系9の投影レンズに入射する映像光12は、主光線が投影光学系9の光軸に対して所定の傾斜角θ4を有している。
この傾斜角θ4は、臨界角プリズム6の全反射面6aへの入射角が増大する方向に設定しており、これによって臨界角プリズム6おける照明光11の透過と映像光12の全反射を確実なものとしている。
【0023】
実施例の画像投影装置においては、空間光変調素子としてマイクロミラーの振れ角が±12°のDMD7を使用し、臨界角プリズム6のガラス材として屈折率が1.52程度の一般的な光学ガラスを用いた場合を想定し、プリズムの頂角θ5を46°、主光線の傾斜角θ4を5°としている。
【0024】
臨界角プリズム6の入射部には、正の光学パワーを有するフィールドレンズ5を配置している。図3に示すように実施例ではレンズの入射面、出射面の2面のうち、入射面を凸形状、出射面を平形状の平凸レンズにより、前記正の光学パワーを有している。凸形状部には一般的な曲面はもちろん、非球面形状を選択することも可能である。
フィールドレンズ5は、DMD7を照射する照明光11をテレセントリックなものとし、照度分布の均一性を良好なものとしているほか、臨界角プリズム6の入射部に配置したことによって光路長を大幅に短縮する働きをしている。
フィールドレンズ5は、照明系入射面に対して安定して保持するため、臨界角プリズム6の入射面に接着している。
【0025】
実施例の画像投影装置においては、照明光学系3にロッドインテグレータ3aを用いた例を述べてきたが、インテグレータとしてはフライアイレンズ等の素子を使用してもよく、画面の均一性が問題にならなければ、インテグレータを使用しなくてもよい。
また、空間光変調素子に関しては、DMD以外にも反射型液晶等の素子を使用してもよい。
【0026】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、照明光学系の光軸と投影光学系の光軸が略平行に配置され、空間光変調素子が投影光学系の光軸を通る垂線に対し略45°に配置され、空間光変調素子は空間光変調素子配置面上で投影光学系の光軸に対し略45°に配置され、また投影光学系の光軸と空間光変調素子の光軸が略直角に配置されたことにより、光学系の構成要素や空間光変調素子の駆動回路による高さ及び幅方向の突起を最小限に留め、スリムで可搬性に優れた画像投影装置を提供することができる。
【0027】
また、映像光を臨界角プリズムで全反射させる構成により、全反射面のエアギャップを透過する際の非点収差の発生がなくなり、結像性能の優れた画像投影装置を提供することができる。
【0028】
また、映像光の主光線を臨界角プリズムの全反射面への入射角が増大する方向に傾斜させたことにより、臨界角プリズムでの光量ロスの発生を防ぎ、明るい投影画像を得ることができる。
【0029】
また、臨界角プリズムの入射部に隣接して正のパワーを有するフィールドレンズを配置したことによって、照明系の光路長が効果的に短縮され、画像投影装置の更なる小型化を図ることができる。
【0030】
さらに、臨界角プリズムにフィールドレンズを接着したことによって、光路長が更に短縮されるほか、レンズの保持機構を不要とし、光学系の構成を簡素なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による画像投影装置の光学系全体を示す図であり、図1(A)は平面図、図1(B)は正面図、図1(C)は右側面図である。
【図2】本発明の実施例による画像投影装置の光学系全体を示す図であり、図1(C)のA方向からの矢視図である。
【図3】本発明の実施例による画像投影装置の光学系全体を示す斜視図である。
【図4】DMDの画素構造を示す斜視図である。
【図5】従来技術による画像投影装置の光学系を示す斜視図である。
【符号の説明】
1…光源、1a…楕円リフレクタ、2…カラーホイール、3…照明光学系、3a…ロッドインテグレータ、3b…コンデンサレンズ、4…反射ミラー、5…フィールドレンズ、6…臨界角プリズム、6a…全反射面、7…DMD、8…回路基板、9…投影光学系、11…照明光、12…映像光、14…投影光学系の光軸を通る垂線、15…回路基板の法線、51…光源、52…カラーホイール、53…照明光学系、53a…ロッドインテグレータ、53b…コンデンサレンズ、54…反射ミラー、55…臨界角プリズム、55a…エアギャップ、56…DMD、57…回路基板、58…投影光学系、61…照明光、62…映像光。
Claims (5)
- 光源と、前記光源からの光束を照明光に生成する照明光学系と、制御信号に応じて前記照明光に対する反射面の反射特性が変化する空間光変調素子と、該空間光変調素子の前記反射面で反射した映像光を投影する投影光学系を備えた画像投影装置であって、前記照明光学系の光軸と前記投影光学系の光軸は略平行に配置され、前記空間光変調素子の配置面は前記投影光学系の光軸を通る垂線に対し略45°に配置され、前記空間光変調素子は前記空間光変調素子の配置面上で前記投影光学系の光軸に対し略45°に配置され、前記映像光の光軸と前記空間光変調素子の光軸は略直角に配置され、前記空間光変調素子に隣接して前記照明光と前記映像光の進行方向を変化させる光偏向素子が配置されていることを特徴とする画像投影装置。
- 請求項1に記載の画像投影装置であって、前記光偏向素子は、前記照明光を前記空間光変調素子に向けて反射させるミラーと、該ミラーで反射した照明光を透過させ、前記映像光を全反射させる臨界角プリズムであることを特徴とする画像投影装置。
- 請求項2に記載の画像投影装置であって、前記映像光の主光線は、前記臨界角プリズムの全反射面への入射角が増大する方向に傾斜していることを特徴とする画像投影装置。
- 請求項2または3に記載の画像投影装置であって、前記臨界角プリズムの入射部に隣接して正の光学パワーを有するフィールドレンズが配置されていることを特徴とする画像投影装置。
- 請求項4に記載の画像投影装置であって、前記フィールドレンズは、前記臨界角プリズムに接着されていることを特徴とする画像投影装置。
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Cited By (4)
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JP2012185479A (ja) * | 2011-02-17 | 2012-09-27 | Nikon Corp | 投射型表示装置、携帯型電子機器およびデジタルカメラ |
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-
2003
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