JP2005148469A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 投射型表示装置において、半導体チップ上に集積された反射部の乱反射を根本的に防止し、コントラスト性能を改善する。
【解決手段】 投射型表示装置４は、光源２１と、画像を投射する投写レンズ２５と、ＤＭＤ素子３と、マスク１とを有する。ＤＭＤ素子３には、光が入射される受光面において、画素毎に設けられ光源２１から入射した光を画像信号に応じて投写レンズ２５に向けて反射する反射部と、光を乱反射する乱反射部とが混在して配列されている。マスク１は光源２１とＤＭＤ素子３との間に設けられ、乱反射部への光の入射を防止する遮蔽部を有している。また、マスク１とＤＭＤ素子３との間に、遮蔽部の像を受光面の乱反射部に結像させるマスクフォーカスレンズ２が設置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体チップ上に多数の反射鏡を集積した素子を用いた投射型表示装置に関する。

近年、半導体チップ上に画素に相当する多数の反射鏡を集積した素子を用いた投射型表示装置が開発・実用化されている。例えば、ＤＭＤ(Digital Micromirror Device。ＤＭＤは登録商標。)素子は、ＣＭＯＳ ＳＲＡＭ上にＳＶＧＡやＸＧＡ等の解像度に相当する個数の微細なミラーを格子状に並べ、信号に応じて反射鏡の角度を変えることによって光スイッチとして作動させ、画像イメージを生成するものである（例えば、特許文献１参照。）。

図６は、従来技術のＤＭＤ素子を構成する多数のミラーのうち、２つのミラーおよびその下部機構を取り出した斜視図である。ミラー３１ａ、３１ｂはミラー支柱３４を介してヨーク３５に支持されている。ヨーク３５は、ポスト３６に支持されたヒンジ３７によって両側から支持されており、電極（図示せず）により発生する電界の向きによってヒンジ３７の軸を中心に回転する（捩れる）。また、これらの機構全体はＣＭＯＳ ＳＲＡＭの基板３８の上に半導体プロセスによって形成されている。図中、手前（右側）のミラー３１ａと後方（左側）のミラー３１ｂは異なる方向の電界をかけられて相互に異なった向きに回転されている。このように回転する方向を切り替えることによって、ある一方向から入射した光の反射方向をミラー毎に異ならせることによって、光スイッチとして用いることが可能となる。

ところで、ＤＭＤ素子は半導体プロセスによって形成されるが、ミラー支柱３４を形成するためにはミラー３１の上面にミラー支持孔３２を形成することが必須である。ミラー支持孔３２はミラー３１の中心部に形成されるが、性質上、ミラー３１のように光を反射せず、入射した光を乱反射させてしまい、コントラスト性能の悪化原因となる。また、各ミラー３１の間にあるギャップ３３はミラー３１の製作上およびミラー３１の回転スペースを確保するために必ず必要であるが、ミラー３１の回転によってギャップ３３が広がったり狭まったりする際に、入射光がギャップ３３から内部に侵入することがあり得る。内部に侵入した光は、ミラー３１の下方にある複雑なパターンで乱反射されて、ミラー３１の回転によってギャップ３１が広がったときなどにギャップ３３から出射され、投写レンズ（図示せず）に入射し、コントラスト性能を悪化させる。

このため、従来の投射型表示装置では、コントラスト性能を向上させるため、ＤＭＤ素子自体の改善が行われている。具体的には、ミラーの傾き角度の増加（例えば、非特許文献１参照。）のほか、ミラー支持孔３２の小型化や位置の適正化、ギャップの狭小化等が行われてきた。これらの改善によって３０００：１のコントラスト性能を持つ投射型表示装置も開発されている。
特開平１０−７８５５０号公報 大原、外２名、「第二世代用７２０Ｐ ＤＬＰTM技術」、社団法人映像情報メディア学会、２００２年映像情報メディア学会年次大会論文集

しかし、ＤＭＤ素子自体を改善してもミラー支持孔やギャップをなくすことは不可能であり、これらをいくら小さくしても乱反射の要因を根本的に除去することはできない。一方、ＤＭＤ素子等、半導体チップ上に多数の反射鏡を集積した素子を用いた投射型表示装置は、高画質の投射型表示装置として、シネマ機をはじめとしたエンタテイメント用途や、ビジネス、広告、教育等の大画面プレゼンテーション用途に広く用いられており、今後はハイエンドのホームシアター市場での適用も期待されている。したがって、性能面での更なる向上が求められており、コントラスト性能をより一層改善する必要性は極めて大きい。

本発明は、以上の問題点および状況に鑑み、半導体チップ上に多数の反射鏡を集積した素子を用いた投射型表示装置において、反射部の乱反射を根本的に防止し、コントラスト性能を改善することを目的とする。

本発明の投射型表示装置は、光源と、画像を投射する投写レンズと、光が入射される受光面において、画素毎に設けられ光源から入射した光を画像信号に応じて投写レンズに向けて反射する反射部と、光を乱反射する乱反射部とが混在して配列された素子と、光源と素子との間に設けられ、乱反射部への光の入射を防止する遮蔽部を有するマスクとを有している。

このように、素子の乱反射部には遮蔽部により遮蔽されて光が入射しないため、乱反射部での反射を根本的に抑制することができ、コントラスト性能をより向上させることができる。

また、受光面における乱反射部の形状と、遮蔽部の形状とは略相似するように構成することができる。これによって、乱反射の原因となる乱反射部への光の入射を防止し、反射部には光を入射させることができ、より一層コントラスト性能の向上が図れる。

マスクと素子との間に、遮蔽部の像を受光面の乱反射部に結像するマスクフォーカスレンズをさらに設けてもよい。マスクフォーカスレンズによって、乱反射部への光の入射防止と、反射部への光の入射をより確実に行うことができる。

本発明の投射型表示装置は、例えばＤＭＤ素子のように、画像毎に設けられたミラーを有し、画像信号に応じてミラーの角度を制御することによって光源から入射した光を投写レンズに向けて反射する素子を有するものであってもよく、さらに、遮蔽部の形状は、ミラー同士のギャップとミラーの表面の一部に設けられたミラー支持孔とを合わせた形状に略相似するよう構成してもよい。

また、本発明の投射型表示装置は、例えばＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）素子のように、画像毎に設けられたミラーと、ミラーの光入射側に設けられた液晶とを有し、画像信号に応じて液晶の光透過性を制御し、ミラーからの反射の有無を制御することによって光源から入射した光を投写レンズに向けて反射する素子を有するものであってもよい。

本発明の投射型表示装置は、光源と素子との間に設けた遮蔽部の遮蔽作用によって、素子の乱反射部には光が入射せず、反射部には光が遮蔽されずにそのまま入射するため、乱反射部での反射だけを効果的に抑制することがでる。また、マスクと素子との間にマスクフォーカスレンズを設けることによって、乱反射部での光の遮蔽と、反射部での光の入射を確実に行うことができる。

このため、コントラスト性能をより一層向上させることができ、高品位な投射型表示装置を提供することが可能となる。

以下図面を参照して本発明の投射型表示装置の一実施形態を説明する。図１は本発明の投射型表示装置の光学系の概略構成図を示す。

投射型表示装置４の光学系は、光の経路に沿って、光源２１、集光レンズ２２、カラーホイール２３、リレーレンズ２４、マスク１、マスクフォーカスレンズ２、ＤＭＤ素子３、投写レンズ２５を少なくとも有しており、ＤＭＤ素子３の出射光の一部は光吸収板２７にも入射される。光源２１、集光レンズ２２、カラーホイール２３、リレーレンズ２４、マスク１、マスクフォーカスレンズ２、ＤＭＤ素子３、投写レンズ２５、光吸収板２７は一つの筐体内にまとめて設置されている。投射型表示装置４の筐体内にはこの他、従来の投射型表示装置と同様、制御系、空調系、電源等が設けられている（図示せず）。なお、投写レンズ２５の前面には、投射型表示装置４とは別に、映像を投射するスクリーン２６が設置されている。

以下、図１〜５を用いて、光の経路に沿って上述の各要素を説明する。なお、ＤＭＤ素子３は従来技術と特に変わる点はないので、適宜、図６も参照する。

光源２１はキセノンランプ等の高輝度光源である。光源２１としてはこの他に、超高圧水銀灯、メタルハロイドランプ、ハロゲンランプ等の高輝度白色光源を使用することができる。光源２１には放物面鏡（図示せず）が備えられており、光源２１を出射した光は並行光化される。

光源２１を出射した光は、集光レンズ２２を通って光束が絞られた後、カラーホイール２３に入射される。カラーホイール２３には、図１に示すように、外周に沿って赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色フィルタが配置され、中心軸に取り付けられているモータ（図示せず）により高速で回転する。カラーホイール２３の回転に応じて光束が各色のフィルタを通り、時間的にＲ、Ｇ、Ｂの光に分解された光が順次カラーホイール２３を通過する。カラーホイール２３は、Ｒ、Ｇ，Ｂに加えて白色（Ｗ）のフィルタをさらに有していてもよく、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｒ、Ｇ、Ｂのように、同一色のフィルタを２つ備えていてもよい。カラーホイール２３は集光レンズ２２の焦点位置付近に配置されている。これは、光束の幅を小さくしてカラーホイール２３の色の切り替え時間を短くするためであるが、光束が確実にフィルタを通過すれば、必ずしも焦点位置に配置されている必要はない。また、場合によっては、光源２１を出射した光を直接カラーホイール２３に入射させてもよい。

カラーホイール２３を通過した光はリレーレンズ２４で光束を整えられ、マスク１に入射する。カラーホイール２３とリレーレンズ２４との間にはロッドインテグレータ（図示せず）を設けてもよい。ロッドインテグレータは、例えば、４枚のガラス板の各面に銀を蒸着させた後、それら４枚のガラス板を各々の蒸着面を内側にして四角に整形して、隣接するガラス板同士を端部で貼り合わせることにより製作される。光は、ロッドインテグレータの内部を複数回反射しながら他方の端部に導かれ、端部から照度分布が一様になった光が出射される。

次に、説明の便宜上、ＤＭＤ素子３について先に説明する。図２は、ＤＭＤ素子３の受光面の部分平面図である。複数のミラー３１がギャップ３３を隔てて格子状に配列されている。ミラー３１は例えば１６μｍ角、ギャップは１μｍに設定されている。ミラー３１の数は解像度に応じて決定され、例えば水平画素数１２８０、垂直画素数７２０のＤＭＤ素子３では、１２８０列×７２０行のミラー３１が格子状に配列されている。ミラー支持孔３２は３〜４μｍ角程度の大きさである。ミラー支持孔３２は本実施形態ではミラー３１に対して軸線が約４５°傾いているが、これに限定されるわけではなく、例えば、ミラー３１と平行であってもよい。

ミラー３１はアルミニウム等で製作されており、光を反射することができる。一方、ギャップ３３は前述したとおり、光を反射しないばかりか、ＤＭＤ３素子の内部に侵入し乱反射した後、再びギャップ３３から出射して乱反射の原因となる。ミラー支持孔３２も光の乱反射の原因となる。このように、ミラー３１は受光面において反射部を、ギャップ３３とミラー支持孔３２は、受光面において乱反射部を各々形成する。

図３に、マスク１の外形図を示す。マスク１は入射光の一部を遮蔽する遮蔽部材であって、基板１１にＤＭＤ素子３のミラー３１の配列、形状と相似する光透過部１２が設けられている。例えば水平画素数１２８０、垂直画素数７２０のＤＭＤ素子３を用いる場合、１２８０列×７２０行の光透過部１２が設けられる。

図４に、マスクの部分拡大図（図３のＡ部）を示す。各光透過部１２の周囲には、ミラー３１間のギャップ３３に対応する格子状のギャップ遮蔽部１３が、各光透過部１２の内部のミラー支持孔３２に対応する部位には、ミラー支持孔遮蔽部１４がそれぞれ設けられている。なお、以下の記載において、ギャップ遮蔽部１３とミラー支持孔遮蔽部１４とを合わせて遮蔽部という場合がある。

マスク１は光の照射によって高温に曝されるため、例えば基板１１をガラスで製作し、遮蔽部は光を透過しない金属を基板１１上に蒸着して製作することができる。また、マスク１は、投射型表示装置４の内部の冷却装置によって、可能な限り直接空冷されることが望ましい。

遮蔽部は光を透過しないため、光束の断面のうち遮蔽部を通過した部分は影、すなわち光子が存在しない状態となっている。

マスク１を出た光は、マスクフォーカスレンズ２を通って、ＤＭＤ素子３を構成する各ミラー３１に入射する。マスクフォーカスレンズ２は、通常の凸型レンズでよい。マスクフォーカスレンズ２は、マスク１の表面に形成されている遮蔽部の形状を正確にＤＭＤ素子３の受光面に結像するので、ＤＭＤ素子３上のミラー支持孔３２およびギャップ３３には光は入射されない。そして、光はアルミニウム等で形成されたミラー３１の反射部のみに入射される。

図５は、ミラーの回転の向きによってどのように画像イメージが形成されるかを示す模式図である。ＤＭＤ素子３の駆動部（図示せず）は、映像信号に入力された赤、青、緑各色の階調およびカラーホイール２３の回転状態に応じて各ミラー３１の角度θを制御する制御信号を出力する。各ミラー３１は、制御信号によってヒンジ３７（図６参照）の軸を中心に＋θまたは−θだけ回転される（捻られる）。図５において、ミラー３１ａは所定の方向に回転角θだけ回転しており、隣接するミラー３１ｂはミラー３１ａとは逆の方向に回転角θだけ回転している。角度θは例えば１０°あるいは１２°に設定される。ミラー３１ａで反射された光は投写レンズ２５に入射し、ミラー３１ｂで反射された光は光吸収板２７に入射され、そのまま吸収される。このようにして、一定の方向に角度θだけ回転したミラー３１によって反射された光だけが投写レンズ２５に入射される。なお、光吸収板２７は光吸収性能の高い暗色の材料で形成されているので、筐体内部の迷光を防止し、コントラスト性能の劣化を防止することができる。

投写レンズ２５から出射した光は、スクリーン２６に投射されて所望の映像を表示する。

以上説明したように、本発明の投射型表示装置においては、乱反射の原因となるＤＭＤ素子３の受光面におけるミラー３１間のギャップ３３や、ミラー３１表面にあるミラー支持孔３２は、光が当たらないようマスキングされるため、ミラー支持孔３２やギャップ３３での乱反射は発生しない。本発明の投射型表示装置はこのようにして、コントラスト性能を落とす乱反射要因を根本的に排除して、非常に高いコントラスト性能を実現することが可能となる。

以上の説明は１枚のＤＭＤ素子を用い、ＤＭＤ素子に入射されるＲ、Ｇ、Ｂの各色光をカラーホイール２３で時間的に分解して生成する、いわゆる１チップ方式の投射型表示装置についてのものであったが、本発明は、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色光をフィルタにより分解し、Ｒ、Ｇ、Ｂ各色専用の計３枚のＤＭＤ素子で画像処理を行い、プリズムで合成し投写レンズに入射する、いわゆる３チップ方式の投射型表示装置においても同様に適用できる。すなわち、各色光に分解後、各色専用のＤＭＤ素子に入射する前に、上述のマスクを色別に各々設置すればまったく同様の効果を奏することができる。

さらに本発明は、同様な構成をもつＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）素子にも応用できる。ＬＣＯＳ素子は画素毎に反射鏡を形成したいわゆる反射型液晶素子であり、シリコン基板に設けられたトランジスターで液晶を駆動し、画像信号に応じて液晶の光透過性を制御し、ミラーからの反射の有無を制御することによって画像を生成する。そしてＬＣＯＳ素子を用いた投射型表示装置は、このようにして生成された画像光を投写レンズから投射してスクリーン上に映像を投射するものである。ＬＣＯＳ素子においても、ミラー同士の間にＤＭＤ素子と同様のギャップが形成されているため、ギャップをマスキングするマスクをＬＣＯＳ素子の手前に設けることによって、同様の効果を奏することができる。

本発明の一実施形態に係る投射型表示装置の光学系の概略構成図である。 図１に示す投射型表示装置のＤＭＤ素子の受光面の平面図である。 図１に示す投射型表示装置のマスクの平面図である。 図３に示すマスクの部分拡大平面図である。 図１に示す投射型表示装置のミラーの回転によってどのように画像イメージが形成されるかを示す模式図である。 従来技術のＤＭＤ素子の一例を示す部分斜視図である。

符号の説明

１ マスク
１１ 基板
１２ 光透過部
１３ ギャップ遮蔽部
１４ ミラー支持孔遮蔽部
２ マスクフォーカスレンズ
３ ＤＭＤ素子
２１ 光源
２２ 集光レンズ
２３ カラーホイール
２４ リレーレンズ
２５ 投写レンズ
２６ スクリーン
２７ 光吸収板
３１、３１ａ、３１ｂ ミラー
３２ ミラー支持孔
３３ ギャップ
３４ ミラー支柱
３５ ヨーク
３６ ポスト
３７ ヒンジ
３８ 基板

Claims (6)

1. 光源と、
   画像を投射する投写レンズと、
   光が入射される受光面において、画素毎に設けられ該光源から入射した光を画像信号に応じて該投写レンズに向けて反射する反射部と、光を乱反射する乱反射部とが混在して配列された素子と、
   前記光源と前記素子との間に設けられ、前記乱反射部への光の入射を防止する遮蔽部を有するマスクとを有する投射型表示装置。
2. 前記受光面における前記乱反射部の形状と、前記遮蔽部の形状とは略相似する、請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 前記マスクと前記素子との間に設けられ、前記遮蔽部の像を前記受光面の前記乱反射部に結像するマスクフォーカスレンズをさらに有する、請求項１または２に記載の投射型表示装置。
4. 前記素子は画素毎に設けられたミラーを有し、画像信号に応じて該ミラーの角度を制御することによって前記光源から入射した光を前記投写レンズに向けて反射する、請求項１から３のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
5. 前記遮蔽部の形状は、前記ミラー同士のギャップと該ミラーの表面の一部に設けられたミラー支持孔とを合わせた形状に略相似する、請求項４に記載の投射型表示装置。
6. 前記素子は画素毎に設けられたミラーと、該ミラーの光入射側に設けられた液晶とを有し、画像信号に応じて該液晶の光透過性を制御し、該ミラーからの反射の有無を制御することによって前記光源から入射した光を前記投写レンズに向けて反射する、請求項１から３のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
   
   

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