JP2006133407A - プロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 装置本体の大型化、およびコストアップを抑え、スクリーン上に投影される画像のコントラストの低下を抑えたプロジェクタを提供する。
【解決手段】 ランプ２とミラー５との間に配置される光学部品の設計値を用いて、ミラー５の反射面に照射される照明光の形状、および光量の分布をシミュレーションにより取得する。また、ミラー５の反射面を格子状に分割した場合に、例えば縦横がともに０．５ｍｍの格子に分割した場合に、光量が最大であった格子を検出する。そして、この光量が最大である格子に対して、光量が所定量未満である格子を全て抽出し、ここで抽出した格子を覆う形状をマスク５ａの形状に決定する。ここで決定した形状のマスク５ａを、ミラー５の反射面に設ける。
【選択図】 図１

Description

この発明は、多数のミラー素子が縦横に規則的に配列され、各ミラー素子がそれぞれが個別に角度制御できるディジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）を用いて、画像をスクリーン上に投影するＤｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ方式（ＤＬＰ方式）のプロジェクタに関する。

従来、多数のミラー素子が縦横に規則的に配列され、各ミラー素子がそれぞれが個別に角度制御できるディジタル・マイクロミラー・デバイス（以下、ＤＭＤと言う。）を用いて、画像をスクリーン上に投影するＤｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ方式（ＤＬＰ方式）のプロジェクタが実用化されている。

このＤＬＰ方式のプロジェクタは、スクリーン上に投影する画像に基づいて、ＤＭＤの各ミラー素子をそれぞれが個別に、照明光をプロジェクションレンズに入射させる方向、または入射させない方向、の２つの方向のいずれかに駆動することで、画像をスクリーン上に投影する。ここでは、照明光をプロジェクションレンズに入射させる方向であるときのミラー素子の状態をオン状態、照明光をプロジェクションレンズに入射させない方向であるときのミラー素子の状態をオフ状態と言う。スクリーン上には、プロジェクションレンズに入射された照明光による画像が投影される。周知のように、ＤＬＰ方式のプロジェクタでは、ＤＭＤにおけるミラー素子の総数がスクリーン上に投影される画像の画素数である。ＤＭＤのミラー素子は微小であり、例えば２０ｍｍ×３５ｍｍのエリアであれば２３０万個配列することができる。したがって、ミラー素子の総数がより多いＤＭＤを用いることで、光学系のサイズの大型化を抑え、より画素数の多い、高精細な画像をスクリーン上に投影できる。

一方、ＤＭＤを用いたＤＬＰ方式のプロジェクタは、光源からＤＭＤまでの光路に複数の光学部品、例えばレンズ、カラーホイール、インテグレータロッド、が配置されており、照明光がこれらの光学部品を通過するときの端面反射等により散乱光が発生する。散乱光は、その光軸が照明光の光軸と異なるので、反射されたミラー素子の状態（オン状態、またはオフ状態）にかかわらず、プロジェクションレンズに入射されることがある。散乱光がプロジェクションレンズに入射されると、スクリーン上に投影されている画像が本来の画像に散乱光による画像（所謂、ゴースト）が重なった画像になり、スクリーン上に投影される画像のコントラストを低下させ、画質がよくないという問題があった。特に、本来の画像が暗い画像である場合に、このコントラストの低下が顕著にあらわれる。

そこで、ＤＭＤのミラー素子で反射された散乱光がプロジェクションレンズに入射されるのを防止し、スクリーン上に投影される画像のコントラストの低下を抑える技術として、ＤＭＤとプロジェクションレンズとの間にプリズムを配置し、ＤＭＤのミラー素子で反射された散乱光がプロジェクションレンズに入射するのを、このプリズムで防止することが提案されている（例えば、特許文献１、２）。具体的には、散乱光と照明光との光軸の違いを利用して、プロジェクションレンズ側に反射されてきた散乱光をプリズムで屈折させることで、この散乱光がプロジェクションレンズに入射させないように構成している。
２０００−２０６６１０号公報 ２００３−２１５４９５号公報

しかしながら、特許文献１、２で提案されているように、オフ状態であるＤＭＤのミラー素子によって反射された散乱光がプロジェクションレンズに入射されるのをプリズムを用いて防止する構成では、プリズムを配置するための空間が必要になり、装置本体を大型化させるという問題があった。また、プリズムが必要であることから、装置本体のコストアップという問題もあった。

この発明の目的は、装置本体の大型化、およびコストアップを抑え、スクリーン上に投影される画像のコントラストの低下を抑えたプロジェクタを提供することにある。

この発明のプロジェクタは、上記課題を解決するために以下の構成を備えている。

（１）照明光を出射する光源と、
前記光源から出射された照明光が一方の端部に入射される位置に配置したロッドと、
前記ロッドの他方の端部から出射された照明光が照射される位置に配置され、照射された照明光を反射するミラーと、
前記ミラーで反射された照明光が照射される位置に配置され、縦横に規則的に配列された多数のミラー素子がそれぞれが個別に照射された照明光を第１の方向、または第２の方向に反射する向きに駆動されるディジタル・マイクロミラー・デバイスと、
前記ディジタル・マイクロミラー・デバイスにより前記第１の方向に反射された照明光が入射される位置に配置し、入射された照明光による画像をスクリーンに投影するプロジェクションレンズと、を備えたプロジェクタにおいて、
前記ミラーの反射面に、この反射面における前記ロッドの他方の端部から出射された照明光の照射範囲を制限するマスクを設け、
前記マスクは、前記ミラーの反射面に照射される照明光の形状および光量の分布を前記光源と前記ミラーとの間に配置される光学部品の設計値を用いたシミュレーションにより取得し、前記ミラーの反射面を格子状に分割した場合に照射される光量が最大であった格子に対して所定量未満であった格子について照明光が照射されるのをカットする形状とした。

この構成では、光源から出射された照明光は、ロッド、ミラー、ディジタル・マイクロミラー・デバイス（以下、ＤＭＤと言う。）、プロジェクションレンズを介してスクリーンに照射される。ＤＭＤの各ミラー素子は、照明光をプロジェクションレンズに入射させる向き（第１の方向）に反射するオン状態、または照明光をプロジェクションレンズに入射させない向き（第２の方向）に反射するオフ状態のいずれかの状態に駆動される。各ミラー素子は、その状態が個別に決定され、決定された状態に駆動される。各ミラー素子の状態（オン状態、またはオフ状態）は、スクリーン上に投影する画像に基づいて決定されている。また、ミラーの反射面に、ロッドの他方の端部から出射された照明光の照射範囲を制限するマスクを設けている。このマスクは、以下に示す手法で決定した形状である。

光源とミラーとの間に配置される光学部品の設計値を用いて、ミラーの反射面に照射される照明光の形状、および光量の分布をシミュレーションにより取得する。このような、シミュレーションが行えるソフトウェアは一般に普及しているので、適当なソフトウェアを利用すればよい。ミラーの反射面を格子状に分割した場合に、例えば縦横がともに０．５ｍｍの格子に分割した場合に、光量が最大であった格子を検出する。そして、この光量が最大である格子に対して、光量が所定量未満である格子を全て抽出し、ここで抽出した格子を覆う形状をマスクの形状に決定する。

光量が最大である格子に対して、光量が所定量未満である格子は、照明光が全く照射されていない格子、または散乱光のみが照射されている格子である。したがって、これらの格子に対して、照明光が全く照射されないようにマスクしても、スクリーン上に投影される画像に何ら悪影響を与えることはない。一方、これらの格子で散乱光が反射されることがないので、ミラーで反射された散乱光がＤＭＤに照射されるのを抑えられる。これにより、ＤＭＤのミラー素子で反射されてプロジェクションレンズに入射する散乱光を抑えることができ、スクリーン上に投影される画像のコントラストを向上させることができる。

また、照明光の照射範囲を制限するマスクをミラーの反射面に設けるだけでよいので、装置本体の大型化やコストアップも十分に抑えられる。

なお、マスクは、照明光の照射を制限する部位については光を吸収する光吸収部材で形成し、照明光の照射を制限する部位については開口させておけばよい。

また、上記所定量は、これまでの実験結果から、１０％程度であればスクリーン上に投影される画像について十分なコントラストが得られるが、好ましくは５％、より好ましくは３％であった。

（２）前記ロッドの一方の端部の手前に配置し、回転させることで前記光源から出射された照明光について赤、緑、青の３色の光を時系列に順番に透過させるカラーホイールを備えている。

この構成では、スクリーン状にカラー画像を投影することができる。

この発明によれば、散乱光がミラーの反射面に照射されるのを適正にカットできるので、ＤＭＤのミラー素子に照射される散乱光を抑えることができ、その結果、ＤＭＤのミラー素子に反射され、プロジェクションレンズに散乱光が入射するのを抑えることができる。したがって、スクリーン上に投影される画像のコントラストを向上させることができる。

また、照明光の照射範囲を制限するマスクをミラーの反射面に設けるだけでよいので、装置本体の大型化やコストアップも十分に抑えられる。

以下、この発明の実施形態であるプロジェクタについて説明する。

図１は、この発明の実施形態であるプロジェクタの主要部の構成を示す図である。この実施形態のプロジェクタ１は、多数のミラー素子が縦横に規則的に配列され、各ミラー素子がそれぞれ個別に角度制御できるディジタル・マイクロミラー・デバイス（以下、ＤＭＤと言う。）を用いて、スクリーン上に画像を投影するＤｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ方式（ＤＬＰ方式）のプロジェクタである。この実施形態のプロジェクタ１は、光源であるランプ２と、ランプ２から出射された照明光から赤、緑、青の光を時系列に順番に透過させるカラーホイール３と、カラーホイール３を透過した照明光が一方の端部に入射され、他方の端部から入射された照明光を出射するインテグレータロッド４（以下、単にロッド４と言う。）と、ロッド４の他方の端部から出射された照明光を所定の角度をつけて反射するミラー５と、多数のミラー素子が縦横に規則的に配列され、各ミラー素子がそれぞれ個別にミラー５で反射された照明光を第１の方向、または第２の方向に反射する向きに駆動されるＤＭＤ６と、ＤＭＤ６により第１の方向に反射された照明光による画像をスクリーン上に投影するプロジェクションレンズ７と、を備えている。また、図１において、１１はカバーガラスであり、１２はロッド４の他方の端部から出射された照明光をミラー５の反射面に投影する第１のレンズであり、１３はミラー５の反射面に投影された照明光をＤＭＤ６の縦横に規則的に配列された多数のミラー素子に投影する第２のレンズである。さらに、ミラー５の反射面には、照明光が照射される範囲を制限するマスク５ａが設けられている。

カラーホイール３には、外周部に赤、緑、青の照明光を透過させる（取り出す）フィルタが順番に形成されている。カラーホイール３は、モータ３ａにより回転されているときに、常に外周部のフィルタがロッド４の一方の端部に対向するように配置されている。カラーホイル３を回転させることで、ランプ２から出射された照明光から時系列に順番に赤、緑、青の照明光を取り出すことができる。カラーホイール３により時系列に順番に取り出された赤、緑、青の照明光は、ロッド４の一方の端部に入射される。言い換えれば、ロッド４は、一方の端部において時系列に順番に赤、緑、青の照明光が入射される。ロッド４の内部では、一方の端部から入射された照明光が反射しながら他方の端部へ進み、他方の端部から出射される。上記説明から明らかなように、時系列に順番に赤、緑、青の照明光がロッド４の他方の端部から出射される。ロッド４の他方の端部から出射された照明光は、第１のレンズ１２によりミラー５の反射面に投影される。図１では、第１のレンズ１２を２枚で構成される組レンズとしたが、単レンズで構成してもよいし、３枚以上の組レンズで構成してもよい。ミラー５の反射面には、時系列に順番に赤、緑、青の照明光が投影される。

ミラー５の反射面には、図２に示すように略楕円形状のマスク５ａが設けられている。このマスク５ａは、楕円の内側が開口しており、外側が光を吸収する光吸収部材（ハッチングで示す部分）で構成されている。したがって、マスク５ａの光吸収部材で構成されている部分に照射された光は、ＤＭＤ６側に反射されない。言い換えれば、ＤＭＤ６側に反射される光は、マスク５ａの開口部を通って、ミラー５の反射面に照射された光である。マスク５ａの外形形状は、ミラー５の外形形状と略同じである。マスク５ａの開口部の形状は、後述する手法で決定した形状である。

ミラー５の反射面で反射された照明光は第２のレンズ１３を介してＤＭＤ６に投影される。第２のレンズ１３は、所謂リレーレンズである。また、図１では第２のレンズ１３を単レンズで示しているが、組レンズで構成してもよい。ＤＭＤ６においても、時系列に順番に赤、緑、青の照明光が照射される。ＤＭＤ６は、周知のようにチップ上に多数のミラー素子を縦横に規則的に配列したものである（図３参照）。図示していない画像処理部が、各ミラー素子をそれぞれ個別に照明光を第１の方向、または第２の方向に反射する向きに駆動する。第１の方向は照明光をプロジェクションレンズ７に入射させる方向であり、第２の方向は照明光をプロジェクションレンズ７に入射させない方向である。ここでは、照明光をプロジェクションレンズ７に入射させる方向に駆動されているミラー素子の状態をオン状態と言い、照明光をプロジェクションレンズ７に入射させない方向に駆動されているミラー素子の状態をオフ状態と言う。画像処理部は、スクリーン上に投影する画像に基づいて、ＤＭＤ６のミラー素子毎にその状態（オン状態、またはオフ状態）を決定し、駆動する。ＤＭＤ６の１つのミラー素子が、スクリーン上に投影される画像の１画素に相当する。スクリーン上には、ＤＭＤ６のミラー素子で反射され、プロジェクションレンズ７に入射された照明光による画像が投影される。図１では、プロジェクションレンズ７を６枚で構成した組レンズで示しているが、他の枚数の組レンズで構成してもよい。

次に、マスク５ａの形状について詳細に説明する。ミラー５は、図１に示すように、ロッド４の他方の端部から出射される照明光の光軸に対して、その反射面が所定の角度を有するように配置されている。このため、ミラー５に投影される照明光は楕円形状になる。マスク５ａは、ランプ２から出射されてミラー５の反射面に投影され、反射される照明光から散乱光を適正にカットできるように、その形状を決めている。具体的には、以下の手法でマスク５ａの形状を決めている。

ミラー５の反射面に照射されるランプ１から出射された照明光の形状、および光量の分布を、ランプ１からミラー５の間に配置されている光学部品の設計値や相対的な位置関係を用いたシミュレーションを行い、取得する。このシミュレーションでは、例えばランプ１のコーニック係数、内部半径、放射量パワーや、アーク長、カバーガラス１１の厚みや、材質、カラーホイール３の厚みや、材質、ロッド４の内径や、長さ、第１のレンズ１２の曲率や材質等を用いる。このシミュレーションで得られた、ミラー５の反射面における照明光の形状を図４（Ａ）に示す。また、光量の分布を図４（Ｂ）に示す。エリアＡは照明光が全く照射されないエリアであり、エリアＢは照射されている照明光の光量が極めて小さいエリアであり，エリアＣは照射されている照明光の光量がある程度の大きさ以上であるエリアである。このような、シミュレーションが行えるソフトウェアは一般に普及している。例えば、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社のＬｉｇｈｔ Ｔｏｏｌｓがある。

ミラー５の反射面における照明光の形状、および光量の分布をシミュレーションにより取得すると、ミラー５の反射面を格子状に分割した場合に、光量が最大であった格子を検出する。ミラー面を分割する格子は、例えば縦横がともに０．５ｍｍの大きさにすればよい。ここで検出した光量が最大である格子に対して、照射される光量が３％未満である格子を抽出する。例えば、図４（Ｂ）に示したエリアＡ，およびエリアＢに位置する格子が抽出される。ランプ２から出射された照明光がランプ２とミラー５の間に配置された光学部品を通過するときに生じた散乱光のみが照射される格子は、他の格子に比べて光量が極めて小さい。したがって、光量が最大である格子に対して、照射される光量が３％未満である格子を抽出することにより、散乱光のみが照射される格子、および散乱光、照明光が全く照射されない格子を抽出することができる。

なお、抽出する格子に対する上記パーセンテージを大きくすると、散乱光でない照明光が照射されている格子が抽出される可能性が高くなり、また小さくしすぎると散乱光のみが照射されている格子が抽出されない可能性が高くなる。本願発明者は、散乱光でない照明光が照射されている格子が抽出されるのを抑え、且つ散乱光のみが照射される格子の抽出漏れを抑えるには、上記パーセンテージを３％にするのが最適であることを実験により確認している。また、スクリーン上に投影される画像の画質から、上記パーセンテージが１０％未満であれば実用に耐えることも確認している。

マスク５ａは、上記の処理で抽出されなかった格子の部分を開口させ、抽出された格子の部分を光吸収部材とする形状に決定する。したがって、このマスク５ａをミラー５の反射面に設けることで、ミラー５で反射される散乱光を適正にカットすることができる。これにより、ＤＭＤ６側に反射される散乱光を抑えることができ、ＤＭＤ６のミラー素子で反射され、プロジェクションレンズ７に入射される散乱光を低減することができる。

次に、この実施形態のプロジェクタ１における、画像をスクリーン上に投影する動作ついて説明する。プロジェクタ１は、ランプ２を点灯させるとともに、カラーホイール３をモータ３ａにより回転させる。これにより、カラーホイール３が、ランプ２から出射された照明光から赤、緑、青の光を時系列に順番に取り出し、ロッド４の一方の端部に入射する。ロッド４の一方の端部に入射された照明光はロッド４の内部を通って、他方の端部から出射される。第１のレンズ１２により、ロッド４の他方の端部から出射された照明光がミラー５に照射される。上述したように、カラーホイール３により、赤、緑、青の照明光が時系列に順番に取り出されているので、ミラー５には赤、緑、青の照明光が時系列に順番に照射される。

また、ミラー５の反射面には、上述したようにマスク５ａを設けているので、ミラー５の反射面で反射され、第２のレンズ１３を介してＤＭＤ６のミラー素子に照射される散乱光が適正にカットされている。図示していない画像処理部は、スクリーン上に投影する画像について、赤、緑、青の３つの画像に色分解し、ＤＭＤ６に赤の照明光が照射されているときには、色分解した赤の画像に基づいて、ＤＭＤ６のミラー素子毎にオン状態、またはオフ状態を決定し、各ミラー素子を個別に駆動する。これにより、スクリーン上には、色分解された赤の画像が投影される。このとき、マスク５ａによりＤＭＤ６のミラー素子に照射される散乱光が適正にカットされているので、スクリーン上に投影された画像については、散乱光による影響が抑えられている。

また、画像処理部は、ＤＭＤ６に緑の照明光が照射されているときには、色分解した緑の画像に基づいて、ＤＭＤ６のミラー素子毎にオン状態、またはオフ状態を決定し、各ミラー素子を個別に駆動する。これにより、スクリーン上には、色分解された緑の画像が投影される。このときも、マスク５ａによりＤＭＤ６のミラー素子に照射される散乱光が適正にカットされているので、スクリーン上に投影された画像については、散乱光による影響が抑えられている。さらに、画像処理部は、ＤＭＤ６に青の照明光が照射されているときには、色分解した青の画像に基づいて、ＤＭＤ６のミラー素子毎にオン状態、またはオフ状態を決定し、各ミラー素子を個別に駆動する。これにより、スクリーン上には、色分解された青の画像が投影される。このときも、マスク５ａによりＤＭＤ６のミラー素子に照射される散乱光が適正にカットされているので、スクリーン上に投影された画像については、散乱光による影響が抑えられている。

色分解された赤の画像、緑の画像、青の画像がスクリーン上に投影される時間は非常に短い時間であり、スクリーン上に投影される赤の画像、緑の画像、青の画像の切替が非常に高速に行われるで、ユーザにはスクリーン上に投影される画像がカラー画像に見える。また、スクリーン上に投影される画像については、散乱光による影響が抑えらるので、コントラストの向上が図れる。

さらに、ミラー５の反射面にマスク５ａを設けるだけでよいので、装置本体の大型化やコストアップも十分に抑えられる。

この発明の実施形態であるプロジェクタの主要部の構成を示す図である。 この発明の実施形態であるプロジェクタのミラーの反射面に設けられているマスクを示す図である。 ＤＭＤを説明する図である。 この発明の実施形態であるプロジェクタのミラーの反射面に設けられているマスクの形状を決定する手法を説明する図である。

符号の説明

１−プロジェクタ
２−ランプ
３−カラーホイール
４−インテグレーションロッド（ロッド）
５−ミラー
５ａ−マスク
６−ＤＭＤ
７−プロジェクションレンズ

Claims (4)

1. 照明光を出射する光源と、
   前記光源から出射された照明光が一方の端部に入射される位置に配置したロッドと、
   前記ロッドの他方の端部から出射された照明光が照射される位置に配置され、照射された照明光を反射するミラーと、
   前記ミラーで反射された照明光が照射される位置に配置され、縦横に規則的に配列された多数のミラー素子がそれぞれが個別に照射された照明光を第１の方向、または第２の方向に反射する向きに駆動されるディジタル・マイクロミラー・デバイスと、
   前記ディジタル・マイクロミラー・デバイスにより前記第１の方向に反射された照明光が入射される位置に配置し、入射された照明光による画像をスクリーンに投影するプロジェクションレンズと、を備えたプロジェクタにおいて、
   前記ミラーの反射面に、この反射面における前記ロッドの他方の端部から出射された照明光の照射範囲を制限するマスクを設け、
   前記マスクは、前記ミラーの反射面に照射される照明光の形状および光量の分布を前記光源と前記ミラーとの間に配置される光学部品の設計値を用いたシミュレーションにより取得し、前記ミラーの反射面を格子状に分割した場合に照射される光量が最大であった格子に対して３％未満であった格子について照明光が照射されるのをカットする形状とし、
   さらに、前記ロッドの一方の端部の手前に配置し、回転させることで前記光源から出射された照明光について赤、緑、青の３色の光を時系列に順番に透過させるカラーホイールを備えたプロジェクタ。
2. 照明光を出射する光源と、
   前記光源から出射された照明光が一方の端部に入射される位置に配置したロッドと、
   前記ロッドの他方の端部から出射された照明光が照射される位置に配置され、照射された照明光を反射するミラーと、
   前記ミラーで反射された照明光が照射される位置に配置され、縦横に規則的に配列された多数のミラー素子がそれぞれが個別に照射された照明光を第１の方向、または第２の方向に反射する向きに駆動されるディジタル・マイクロミラー・デバイスと、
   前記ディジタル・マイクロミラー・デバイスにより前記第１の方向に反射された照明光が入射される位置に配置し、入射された照明光による画像をスクリーンに投影するプロジェクションレンズと、を備えたプロジェクタにおいて、
   前記ミラーの反射面に、この反射面における前記ロッドの他方の端部から出射された照明光の照射範囲を制限するマスクを設け、
   前記マスクは、前記ミラーの反射面に照射される照明光の形状および光量の分布を前記光源と前記ミラーとの間に配置される光学部品の設計値を用いたシミュレーションにより取得し、前記ミラーの反射面を格子状に分割した場合に照射される光量が最大であった格子に対して所定量未満であった格子について照明光が照射されるのをカットする形状としたプロジェクタ。
3. 前記マスクは、光量が最大である格子に対して、３％未満である格子について照明光が照射されるのをカットする形状とした請求項２に記載のプロジェクタ。
4. 前記ロッドの一方の端部の手前に配置し、回転させることで前記光源から出射された照明光について赤、緑、青の３色の光を時系列に順番に透過させるカラーホイールを備えた請求項２、または３に記載のプロジェクタ。

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