JP2005115312A

JP2005115312A - 反射式投影表示システム

Info

Publication number: JP2005115312A
Application number: JP2004001509A
Authority: JP
Inventors: Shoyu Cho; 紹雄張
Original assignee: Taida Electronic Industry Co Ltd
Current assignee: Taida Electronic Industry Co Ltd
Priority date: 2003-10-06
Filing date: 2004-01-06
Publication date: 2005-04-28
Also published as: TWI227791B; US6840634B1; TW200513679A

Abstract

【課題】高いコントラストを備え、システムの全体的厚さを最小にした、反射式投影表示システムを提供する。
【解決手段】明態モードにおいて光線を受けて、前記光線をスクリーン上に投射する反射式投影表示システムであって、反射式マイクロミラーパネルと、投影装置と、プリズム組と、を備え、光線が前記反射式マイクロミラーパネルに到達する前に、前記プリズム組に反射され、明態モードにおいて、前記反射式マイクロミラーパネルに反射された前記光線は、直接前記プリズム組を通過した後、投影レンズに受けられ、暗態モードにおいて、前記反射式マイクロミラーパネルに反射された前記光線は、前記反射式マイクロミラーパネルに近いプリズムと、当該プリズムに隣接するエアギャップとの界面で全反射される。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、反射式投影表示システムに関し、特に、反射式マイクロミラーを使用した投影表示システムに関する。

近年、反射式マイクロミラーにより、バック投影テレビ等の大型スクリーン上に画像を投影する技術が重視されるようになり、且つ、積極的に開発が行なわれている。この技術は、主に１９８７年にTexas Instruments（TI）社が開発したデジタル光処理技術（Digital light processing technology）をその起源としており、その画像投影原理を以下に述べる。

図１に示すように，照明装置11が出力する均一な光線111は、2つのプリズム121及び122から成るプリズム組（prism assembly）12に進入して反射された後、デジタルマイクロミラーデバイス（Digital Micromirror Device；DMD）13上の複数のマイクロミラー（図示せず）に投射される。デジタルマイクロミラーデバイス13上の複数のマイクロミラーは、いずれも独立した駆動電極とステアリングシャフトとを備えており、明態モード（bright state mode）においては、これらマイクロミラーは、光線111aを反射し、プリズム121及び122を介して投影レンズ141に進入させ、スクリーン（図示せず）上に集束させる。一方、暗態モードにおいては、これらマイクロミラーは、電圧を受けて電極が駆動され、特定角度に傾斜して入射光線111aを偏移させ、プリズム組12を通過させた後、投影レンズ141の光軸15から離れる。

しかしながら、この従来の投影表示システム1は、暗態モード下の偏移光線111cがプリズム組12の上方から射出されるため、投影レンズ141に偏移光線111cが入ってしまい、投影表示システム1のコントラストに影響を与えるのを完全に防ぐために、前記プリズム組12と投影レンズ141との間隔を一定距離L_Dに維持することで、偏移光線111cの投影レンズ141への進入を防ぐ必要がある。しかし、この方法では後側焦点距離L_Bが増加し、投影表示システム1の全体の厚さL_Tを増大させ、投影レンズ141の広角設計における困難度が高くなってしまう（投影レンズの広角設計においては、後側焦点距離が短ければ短いほどよいことが条件の一つである）。

また、投影レンズ141の設計及び製造のコストを抑えるため、小アパーチャψ_Pの投影レンズ141を採用し、投影レンズ141とプリズム組12との間の距離L_Dを短縮することにより、投影表示システムの全体的厚さL_Tを小さくする方法もある。しかしながら、偏移光線111cの射出方向はやはりプリズム組12の上方であるため、投影レンズ141とプリズム組12との間の距離L_Dの短縮程度が制限され、実質上投影表示システム1の全体的厚さを効果的に小さくすることはできない。

このため、近年の消費市場における、投影表示システムの大型スクリーン上に表示される画像の品質に対する要求の厳格化と、技術コストの削減が求められている状況において、投影表示システムのコントラストの向上及び投影表示システムの全体的厚さの縮小を同時に満たすような解決策が必要とされている。前述の従来技術における問題点を根本的に解決するために、本発明による反射式マイクロミラーを利用した投影表示システムは、投影表示システムの高輝度及び高コントラストを維持できることを前提として、投影表示システムの後側焦点距離が最小となるまで短縮するとともに、投影表示システムの全体的厚さを縮小する。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、従来の投影表示システムにおいて、コントラストの向上とシステムの全体的厚さの縮小化を同時に達成できないという問題を解決し、高いコントラストを備えるとともに、システムの全体的厚さを最小にした、反射式投影表示システムの提供を目的とする。

本発明に係わる反射式投影表示システムは、光線を受けて第一モードにおいて前記光線をスクリーン上に投射するために用いられる。

本発明の反射式投影表示システムは、反射式マイクロミラーパネルと、投影装置と、プリズム組とを備える。前記反射式マイクロミラーパネルは、複数のマイクロミラーを有し、前記マイクロミラーは回転軸を具備し、前記回転軸を軸として特定角度の範囲内で揺動する。前記反射式マイクロミラーパネルは、前記第一モードにおいて、前記光線を前記反射式投影表示システムの光軸方向へ反射し、第二モードにおいて、前記光線を前記反射式投影表示システムの光軸方向から離れるように反射する。

前記投影装置は、投影レンズを有する。前記投射レンズは前記第一モードで前記反射式マイクロミラーパネルから反射された前記光線を受けて、前記スクリーン上に投射する。

前記プリズム組は、前記反射式マイクロミラーパネルと前記投影装置の間に設置される複数のプリズムを有し、隣接する前記複数のプリズムの間にエアギャップが存在する。

本発明は、前記光線が前記反射式マイクロミラーパネルに到達する前に、前記プリズム組に反射され、前記第一モードにおいて、前記反射式マイクロミラーパネルに反射された前記光線が、直接前記プリズム組を通過した後、前記投影レンズに受けられ、前記第二モードにおいて、前記反射式マイクロミラーパネルに反射された前記光線が、前記反射式マイクロミラーパネルに近いプリズムと、当該プリズムに隣接するエアギャップとの界面で全反射されることを特徴とする。

本発明はさらに、前記反射式マイクロミラーパネルの前記スクリーンの横方向でのスパンが前記反射式マイクロミラーパネルの前記スクリーンの縦方向でのスパンより小さく、且つ、前記マイクロミラーの回転軸が前記スクリーンの縦軸と光学的に平行となることを特徴とする。

本発明の反射式投影表示システムによれば、以下の効果が得られる。第一に、投影表示システムの後側焦点距離を短縮することができる。第二に、暗態モードにおける偏移光線及びストレイライトの投影レンズへの進入を確実に防ぎ、投影表示システムのコントラストを向上する。第三に、投影表示システムの全体の体積と厚さを効果的に縮小することができる。

図２Ａ及び図２Ｂに示すように、本発明の実施例１に係わる反射式投影表示システム2は、照明装置21と、プリズム組22と、投影装置23と、反射式マイクロミラーパネル24とを備える。プリズム組22は、照明装置21、投影装置23及び反射式マイクロミラーパネル24の間に設置される。

照明装置21は、光源211と、ランプかさ212と、ライトガイド213と、リレーレンズ214と、コレクタレンズ215とを含む。光源211、ランプかさ212及びライトガイド213の配置関係によれば、光源211が出力した光線をライトガイド213に進入させ、且つ、リレーレンズ214及びコレクタレンズ215を通過させた後、プリズム組22に進入させることができる。

プリズム組22は、３つの内部全反射（totally internal reflection；TIR）プリズム221、222及び223を含み、プリズム221とプリズム222の間にエアギャップ224が存在し、プリズム221とプリズム223の間にも、プリズム222とプリズム223の間にもエアギャップ225が存在する。プリズム223は、反射式マイクロミラーパネル24の近くに配置され、その周囲に光吸收物質226が設けられる。

投影装置23は、投影レンズ231と鏡筒232とを含む。投影レンズ231は、反射式マイクロミラーパネル24に反射され、プリズム組22を通過した光線26bを受けて、光線26bを光軸27の方向に沿ってスクリーン25上に投射する。鏡筒232は、投影表示システムの外のストレイライトが投影レンズ231へ進入するのを阻止するために用いられる。

反射式マイクロミラーパネル24は、複数の可変傾角のマイクロミラー241を備え、反射式マイクロミラーパネル24及びマイクロミラー241の詳細配置を図3に示す。各マイクロミラー241は、回転軸242を軸として特定角度の範囲内で回転する。

次に、本実施例の反射式投影表示システム2の投影原理を説明する。明態モードにおいて、図２Ａに示すように、照明装置21が出力した光線26は、プリズム組22に進入した後、まずプリズム221に反射され、反射式マイクロミラーパネル24に到達する。そして、反射式マイクロミラーパネル24上のマイクロミラー241に反射された光線26bは、プリズム223、エアギャップ225、プリズム221、エアギャップ224及びプリズム222を順次に通過した後、投影レンズ231に進入する。

一方、暗態モードにおいて、図２Ｂに示すように、照明装置21が出力した光線26は、プリズム組22に進入した後、同様にまずプリズム221に反射され、反射式マイクロミラーパネル24に到達する。しかし、このとき反射式マイクロミラーパネル24上のマイクロミラー241は、前記回転軸242を軸として特定角度に回転し、入射光線26aを反射式マイクロミラーパネル24に近いプリズム223とエアギャップ225が共用する界面に反射することにより、反射光線26cがプリズム223内部で内部全反射される。つぎに、プリズム223内部で内部全反射された光線は、プリズム223の周囲に設置された光吸收物質226に吸收されるため、あらゆる反射光線26cが光軸27を離れるだけでなく、且つ投影レンズ231へ完全に進入しない。

本実施例において、暗態モードでは、反射式マイクロミラーパネル24上のマイクロミラー241によって反射された光線26cが、投影装置23の投影レンズ231を完全に離れるため、投影レンズ231とプリズム組22内のプリズム222との間の距離L_Dを短縮することができる。このほか、鏡筒232の数は、明態モードでのイメージング要求のみを考慮すれば良く、別途周辺装置を加えて暗態モードでの偏移光線を回避する必要がないため、投影表示システム2のコントラスト及び明るさを効果的に向上することができる。

なお、暗態モードで反射式マイクロミラーパネル24上のマイクロミラー241によって反射された光線26cが、投影装置23の投影レンズ231を完全に離れ、且つ、投影レンズ231がプリズム組22内のプリズム222の近くに配置されるため、投影表示システム2のコントラストに影響せずに、アパーチャψ_Pが小さい投影レンズ231及び厚さL_Pが小さいプリズム組22を同時に採用することができ、投影レンズ及びプリズム組の製造コストを抑え、投影レンズ及びプリズム組の設計をより容易にすることができる。詳細に、図３に示すように、本実施例においては長さがL1、幅がL2の長方形の反射式マイクロミラーパネル24を採用し、L1とL2の比率は、例えば、４対３または１６対９とし、且つ、正方形のマイクロミラー241を採用する。配置関係は、反射式マイクロミラーパネル24の短辺24aがスクリーン25の横方向（図３の視覚的左右方向）251と光学的に平行となり、反射式マイクロミラーパネル24の長辺24bがスクリーン25の縦方向（図３の視覚的上下方向）252と光学的に平行となり、且つ、マイクロミラー241の回転軸242がスクリーン25の縦方向252と光学的に平行するようにする。この状況において、マイクロミラー241の回転軸242が、反射式マイクロミラーパネル24の長辺24bと平行となる。こうして、反射式マイクロミラーパネル24がスクリーン25の横方向251で最短スパンL2を有し、この反射式マイクロミラーパネル24の最短スパンL2に基づき、アパーチャψ_Pの小さい投影レンズ231と厚さL_Pの小さいプリズム組22を採用することが可能となり、投影表示システム2の後側焦点距離L_Bを短縮し、投影表示システム2全体の体積を小さくし、ひいては、製造コストを抑え、投影レンズ及びプリズムの設計をより容易にするとの目的を達することができる。

例を挙げると、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、本実施例に採用されたプリズム組22の厚さL_Pは15.1457mmであり、図１に示す従来のもの（25.31mm）に比べ、約1.67倍縮小されており、投影表示システム2の後側焦点距離L_Bは18.2531mmであり、図１に示す従来のもの（48.5431mm）に比べ、約2.66倍縮小されている。本発明において、３つの内部全反射プリズム組22を利用しており、また、上記反射式マイクロミラーパネル24の配置方式により、暗態モードで反射式マイクロミラーパネル24上のマイクロミラー241に反射された光線26cを投影レンズ231から離させ、投影レンズ231とプリズム組22との間の距離L_Dを最短の配置距離にすることができ、投影レンズ231が偏移光線を受けることが避けられるため、アパーチャψ_Pの小さい投影レンズ231及び厚さL_Pの小さいプリズム組22を採用することができ、効果的に投影表示システムの後側焦点距離L_Bを短縮し、投影表示システム2全体の厚さL_Tを縮小することができる。

次に、本発明の実施例２に係わる反射式投影表示システムにおいては、反射式マイクロミラーパネル24を図４に示すように配置することを除き、反射式投影表示システム2のその他の部品は前述と同様であり、ここでは説明を省略する。また、実施例２において、実施例１と同様に、長さがL1、幅がL2の長方形を呈する反射式マイクロミラーパネル24を採用しており、L1とL2の比率は４対３または１６対９とするが、菱形のマイクロミラー241aを採用している点は、実施例１と異なる。本実施例において、反射式マイクロミラーパネル24の短い辺24aは、スクリーン25の横方向251と光学的に平行し、即ち、反射式マイクロミラーパネル24のスクリーン25の横方向251のスパンL2が、スクリーン25の縦方向252のスパンL1より小さく、且つ、マイクロミラー241bの回転軸242bとスクリーン25の縦方向252が光学的に平行する。言い換えれば、本発明の概念に基づいて、マイクロミラー241bを、その回転軸242bがスクリーン25の縦方向252と光学的に平行するよう配置するという条件を満たせば、本発明の反射式マイクロミラーパネルのマイクロミラーは、長方形や円形、楕円形など、あらゆる形状とすることができる。

以上、上記実施例１及び実施例２に基づき、本発明について詳細に説明してきたが、具体的な構成はこれらの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、上記反射式投影表示システムの設計変更等があっても本発明に含まれる。よって本発明は、特許請求の範囲により限定される。

従来の反射式投影表示システムを示す模式図である。本発明の実施例１に係わる反射式投影表示システムの明態モードにおける投影を示す模式図である。本発明の実施例１に係わる反射式投影表示システムの暗態モードにおける投影を示す模式図である。本発明の実施例１に係わる反射式投影表示システム内の反射式マイクロミラーパネルとスクリーン間の配置関係を示す模式図である。本発明の実施例２に係わる反射式投影表示システム内の反射式マイクロミラーパネルとスクリーン間の配置関係を示す模式図である。

符号の説明

1、2 反射式投影表示システム
11、21 照明装置
12、22 プリズム組
13、24 反射式マイクロミラーパネル
15、27 光軸
24a 短い辺
24b 長い辺
241、241a マイクロミラー
242、242a 回転軸
111、111a、111c、26、26a、26b、26c 光線
211 光源
212 ランプかさ
213 ライトガイド
214 リレーレンズ
215 コレクタレンズ
121、122、221、222、223 プリズム
224、225 エアギャップ
226 光吸收物質
23 投影装置
141、231 投影レンズ
142、232 鏡筒
25 スクリーン
251 横方向
252 縦方向

Claims

光線を受けて、第一モードにおいて前記光線をスクリーン上へ投射するために用いられ、
回転軸を具備し、前記回転軸を軸として特定角度の範囲内で揺動する複数のマイクロミラーを有し、前記第一モードでは前記光線を前記反射式投影表示システムの光軸方向へ反射し、第二モードでは前記光線を前記反射式投影表示システムの光軸方向から離させて反射する反射式マイクロミラーパネルと、投影レンズを有して前記第一モードにおいて前記反射式マイクロミラーパネルに反射された前記光線を受けて前記スクリーン上に投射する投影装置と、
前記反射式マイクロミラーパネル及び前記投影装置の間に設置される複数のプリズムを有し、隣接する前記複数のプリズムの間にエアギャップを有するプリズム組とを備える反射式投影表示システムであって、
前記光線が前記反射式マイクロミラーパネルに到達する前に前記プリズム組に反射され、前記第一モードでは前記反射式マイクロミラーパネルに反射された前記光線は直接前記プリズム組を通過した後に前記投影レンズに受けられ、前記第二モードでは前記反射式マイクロミラーパネルに反射された前記光線は前記反射式マイクロミラーパネルに近いプリズムと、当該プリズムに隣接するエアギャップとの界面で全反射されると共に、
前記反射式マイクロミラーパネルの前記スクリーンの横方向のスパンが前記反射式マイクロミラーパネルの前記スクリーンの縦方向のスパンより小さく、且つ、前記複数のマイクロミラーの回転軸が、前記スクリーンの縦方向と光学的に平行することを特徴とする反射式投影表示システム。
前記第二モードにおいて、前記反射式マイクロミラーパネルに近いプリズムと、当該プリズムに隣接するエアギャップとの界面で全反射された前記光線は、前記反射式マイクロミラーパネル近くの前記複数のプリズム内で内部全反射されることを特徴とする請求項１に記載の反射式投影表示システム。
前記複数のマイクロミラーの回転軸は、前記反射式マイクロミラーパネルの長辺と光学的に平行となることを特徴とする請求項１に記載の反射式投影表示システム。
前記反射式マイクロミラーパネル近くの前記複数のプリズムは、その周囲に光吸収物質を設けたことを特徴とする請求項１に記載の反射式投影表示システム。
前記複数のマイクロミラーの形状は、矩形、菱形、円形及び楕円形のうちの一つであることを特徴とする請求項１に記載の反射式投影表示システム。
光線を受けて、第一モードにおいて前記光線をスクリーン上へ投射するために用いられ、回転軸を具備し、前記回転軸を軸として特定角度の範囲内で揺動する複数のマイクロミラーを有し、前記第一モードにおいて、前記光線を前記反射式投影表示システムの光軸方向へ反射し、第二モードにおいて、前記光線を前記反射式投影表示システムの光軸方向から離させて反射する、反射式マイクロミラーパネルと、
投影レンズを有し、前記第一モードにおいて前記反射式マイクロミラーパネルに反射された前記光線を受けて、前記スクリーン上に投射する投影装置と、
前記反射式マイクロミラーパネル及び前記投影装置の間に設置され、第一プリズム、第二プリズム及び第三プリズムを有し、前記第一プリズムと前記第二プリズムとの間に第一エアギャップが存在し、前記第一プリズムと前記第三プリズムとの間に第二エアギャップが存在し、前記第二プリズムと前記第三プリズムとの間にも前記第二エアギャップが存在し、前記第三プリズムが前記反射式マイクロミラーパネルの近くに配置されたプリズム組と、を備える反射式投影表示システムであって、
前記光線が前記反射式マイクロミラーパネルに到達する前に、前記第一プリズムに反射され、前記第一モードにおいて、前記反射式マイクロミラーパネルに反射された前記光線は、直接前記プリズム組を通過した後、前記投影レンズに受けられ、前記第二モードにおいて、前記反射式マイクロミラーパネルに反射された前記光線は、前記第三プリズムと前記第二エアギャップの界面上で全反射されると共に、
前記反射式マイクロミラーパネルの前記スクリーンの横方向のスパンが前記反射式マイクロミラーパネルの前記スクリーンの縦方向のスパンより小さく、且つ、前記複数のマイクロミラーの回転軸が、前記スクリーンの縦軸と光学的に平行となり、且つ、前記反射式マイクロミラーパネルの長辺と光学的に平行となることを特徴とする反射式投影表示システム。