JP2006258956A - 光学エンジンおよび画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 カラーホイールを透過する光のエネルギーにロスの生じない光学エンジンおよびそれを含む画像表示装置を提供する。
【解決手段】 光源1から全方向に向けて出射された光は、一部がリフレクター2に反射されて、IR/UVカットフィルター3に向かう。カラーホイール4Aは、IR/UVカットフィルター3を透過した光の中から、複数のカラーフィルターによって特定色の光を選択的に透過させる。カラーホイール4Aは、ライトトンネル5を取り囲むタイヤのような形状を有しており、回転軸41を介した駆動モータ42によって回転駆動される。ライトトンネル5は、カラーホイール4Aを透過した特定色の光を内部反射させることによって、特定色の光を均一化する。
【選択図】 図8
【解決手段】 光源1から全方向に向けて出射された光は、一部がリフレクター2に反射されて、IR/UVカットフィルター3に向かう。カラーホイール4Aは、IR/UVカットフィルター3を透過した光の中から、複数のカラーフィルターによって特定色の光を選択的に透過させる。カラーホイール4Aは、ライトトンネル5を取り囲むタイヤのような形状を有しており、回転軸41を介した駆動モータ42によって回転駆動される。ライトトンネル5は、カラーホイール4Aを透過した特定色の光を内部反射させることによって、特定色の光を均一化する。
【選択図】 図8
Description
この発明は、光学エンジンおよび画像表示装置に関し、特に、カラーホイールを用いた光学エンジンおよびそれを含む画像表示装置に関する。
近年、画面サイズを大きくしようとするとある程度の奥行きが必要となる陰極線管(CRT:Cathode Ray Tube)に代わって、薄型で大画面を実現することの可能なフラットパネルディスプレイが注目されている。フラットパネルディスプレイとしては、液晶ディスプレイ(LCD:Liquid Crystal Display)、プラズマディスプレイ(PDP:Plasma Display Panel)、プロジェクタなどが挙げられる。
上記のフラットパネルディスプレイのうち、LCDなどの小画面の画像を投射レンズによって大画面のスクリーンに拡大投射させる方式のプロジェクタが、新しい表示装置として脚光を浴びている。このような方式のプロジェクタを応用したものとして、リアプロジェクションテレビ(リアプロ)がある。
上記方式のプロジェクタ(画像表示装置)は、光源によって生成された光を集光してフィルタ処理する光学エンジンと、印加される電気信号に応じて集光された光を色として表現する画像表示デバイスと、表現された画像を拡大投射する投射部とで構成される。画像表示デバイスは、印加される電気信号に応じて入射光を透過させる透過型と、印加される電気信号に応じて入射光を反射させる反射型とに区分される。画像表示デバイスとしては、薄型化に有利なLCDが多く使用される。
最近、小型の画像表示デバイスの開発にともない、種々の投射型プロジェクタが開発されている。一般に、投射型プロジェクタは、画像表示デバイス一枚を使用する単板式、三枚を使用する三板式、多数枚を使用する多板式などに分けられる。この中で、一枚の画像表示デバイスを用いて画像を表示する単板式のプロジェクタが、費用および構造的な面から多く用いられている。
単板式プロジェクタには、色を表現するための画像表示デバイスにR(Red)、G(Green)、B(Blue)の色フィルタを取り付ける方式、画像表示デバイスにマイクロレンズを取り付けR、G、Bの光が互いに異なる角度を有するように分離させる方式、カラーホイールを用いてR、G、Bの光を時間的に選択して透過させる方式などがある。
従来の映像投射装置は、駆動源により回転される支持部と、複数のカラーフィルタが付着され支持部から順次拡張された漏斗型の胴体部とを含むカラーホイールを有する(たとえば、特許文献1参照)。
従来の映像投影装置は、カラーフィルタが付着された複数の側面領域を有し任意の側面領域が光の経路に直交するように配置された回転可能な胴体部を含むカラーホイールを有する(たとえば、特許文献2参照)。
従来の表示装置は、光の経路を変えて出射させるロッドレンズ(ライトトンネル)と、ロッドレンズから出射された光を選択的に透過させるために光の経路を横切るようにセルフィルタが円筒形に沿って配列されているカラードラム(カラーホイール)とを有する(たとえば、特許文献3参照)。
特開平11−30712号公報
特開2002−182128号公報
特開2004−4793号公報
従来の光学エンジンにおいて、カラーホイールの光線入射面の形状は平板である。従来の光学エンジンを含む画像表示装置では、光源からリフレクターを反射しカラーホイールへある一定の角度で入射する光線に対して、カラーホイールコーティングの特性を最適化していた。
そのため、カラーホイールに入射する光線が上記のある一定の角度からずれると、カラーホイールを透過する光のエネルギーにロスが生じる。その結果、画像表示装置の明るさや色合いを最適な画像表示に近づけることが難しかった。
それゆえに、この発明の目的は、カラーホイールを透過する光のエネルギーにロスの生じない光学エンジンおよびそれを含む画像表示装置を提供することである。
この発明のある局面によれば、光源から出射される光を光学的に処理する光学エンジンと、光学エンジンから出力される光を制御信号に応じて選択的に反射する制御型反射鏡と、制御型反射鏡から反射された光に対応する映像をスクリーンに投影する投影レンズとを備え、制御型反射鏡は、ディジタルマイクロミラーデバイスであり、光学エンジンは、曲面形状を有し、特定色の光を選択的に透過させるカラーホイールと、カラーホイールを回転駆動する回転駆動部と、カラーホイールに少なくとも一部分が覆われるように配置され、カラーホイールを透過した光を均一化するライトトンネルとを備え、カラーホイールに入射する光線の入射角度は、カラーホイールに入射する光のエネルギーの損失が最小となるように設定され、カラーホイールは、ライトトンネルを取り囲む形状を有し、かつ、ライトトンネルに到達する光が通過する範囲において、光源から直接または間接に届く光がともに所定の角度で入射する曲面形状を有し、回転駆動部は、光源とライトトンネルとを結ぶ光軸に垂直な軸を中心にカラーホイールを回転駆動する。
この発明の他の局面によれば、光源から出射される光を光学的に処理する光学エンジンと、光学エンジンから出力される光を制御信号に応じて選択的に反射する制御型反射鏡と、制御型反射鏡から反射された光に対応する映像をスクリーンに投影する投影レンズとを備え、制御型反射鏡は、ディジタルマイクロミラーデバイスであり、光学エンジンは、光源から出射される光を光学的に処理する光学エンジンであって、曲面形状を有し、特定色の光を選択的に透過させるカラーホイールと、カラーホイールを回転駆動する回転駆動部と、カラーホイールに少なくとも一部分が覆われるように配置され、カラーホイールを透過した光を均一化するライトトンネルとを備え、カラーホイールに入射する光線の入射角度は、カラーホイールに入射する光のエネルギーの損失が最小となるように設定され、カラーホイールは、光軸上に曲率中心をもち、かつ、ライトトンネルに到達する光が通過する範囲において、光源から直接または間接に届く光がともに所定の角度で入射する曲面形状を有し、回転駆動部は、光源とライトトンネルとを結ぶ光軸から所定の角度だけ傾斜した軸を中心にカラーホイールを回転駆動する。
この発明のさらに他の局面によれば、光源から出射される光を光学的に処理する光学エンジンであって、光源から出射されて直接または間接に届く光がともに所定の角度で入射する曲面形状を有し、特定色の光を選択的に透過させるカラーホイールと、カラーホイールを回転駆動する回転駆動部とを備える。
好ましくは、所定の角度は、カラーホイールに入射する光のエネルギーの損失が最小となるように設定される。
好ましくは、カラーホイールに少なくとも一部分が覆われるように配置され、カラーホイールを透過した光を均一化するライトトンネルをさらに備える。
好ましくは、カラーホイールは、ライトトンネルに到達する光が通過する範囲において、光源から直接または間接に届く光が所定の角度で入射する曲面形状を有する。
好ましくは、カラーホイールは、ライトトンネルを取り囲む形状を有し、回転駆動部は、光源とライトトンネルとを結ぶ光軸に垂直な軸を中心にカラーホイールを回転駆動する。
好ましくは、カラーホイールは、光軸上に曲率中心をもち、回転駆動部は、光源とライトトンネルとを結ぶ光軸から所定の角度だけ傾斜した軸を中心にカラーホイールを回転駆動する。
この発明のさらに他の局面によれば、光源から出射されて直接または間接に届く光がともに所定の角度で入射する曲面形状を有し、特定色の光を選択的に透過させるカラーホイールと、カラーホイールを回転駆動する回転駆動部とを備えた光学エンジンと、光学エンジンから出力される光を制御信号に応じて選択的に反射する制御型反射鏡と、制御型反射鏡から反射された光に対応する映像をスクリーンに投影する投影レンズとを備える。
好ましくは、制御型反射鏡は、ディジタルマイクロミラーデバイスである。
この発明によれば、カラーホイールを透過する光のエネルギーにロスが生じなくなる。
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
図1は、この発明の実施の形態による画像表示装置の背景となる画像表示装置100の構成を示した概略図である。
図1を参照して、画像表示装置100は、光源1と、リフレクター2と、IR/UVカットフィルター3と、カラーホイール400と、回転軸41と、駆動モータ42と、ライトトンネル5と、コンデンサレンズ6a,6bと、反射ミラー7と、DMD(Digital Micromirror Device;登録商標)8と、投影レンズ9とを備える。このように、表示デバイスにDMDを用いたプロジェクタの方式をDLP(Digital Light Processing;登録商標)方式と呼ぶ。
光源1から全方向に向けて出射された光は、一部がリフレクター2に反射されて、IR/UVカットフィルター3に向かう。IR/UVカットフィルター3は、光源1から出射された光のIR(Infrared)成分およびUV(Ultraviolet)成分を除去して、可視光成分のみを通過させる。カラーホイール400は、IR/UVカットフィルター3を透過した光の中から、複数のカラーフィルターによって特定色の光を選択的に透過させる。
カラーホイール400は、円盤の形状を有しており、回転軸41を介した駆動モータ42によって回転駆動される。ライトトンネル5は、カラーホイール400を透過した特定色の光を内部反射させることによって、特定色の光を均一化する。コンデンサレンズ6a,6bは、ライトトンネル5を通過した光を伝送する。反射ミラー7は、コンデンサレンズ6a,6bを通った光をDMD8に向けて反射する。
DMD8は、反射ミラー7から反射した光を位置に応じて選択的に反射する。DMDとは、ミクロンサイズの極微小な鏡が数十万個配列された半導体装置であり、1つの鏡が一画素に対応する。投影レンズ9は、DMD8によって選択的に反射された光に対応する映像をスクリーン(図示せず)に投影する。以下に、画像表示装置100における光学エンジン200の3次元的な構造の一例について説明する。
図2は、画像表示装置100の一部を構成する光学エンジン200の3次元的な構造の一例を示した斜視図である。
図2を参照して、光学エンジン200は、図1でも一部示したように、光源1と、リフレクター2と、バルブ11と、カラーホイール400と、回転軸41と、駆動モータ42と、ライトトンネル5とを含む。
図2に示すように、リフレクター2は、パラボラ型の中空形状を有している。カラーホイール400は、円盤の形状を有しており、表面には各々同一面積のR、G、Bのカラーフィルタが付着されている。カラーホイール400は、図1のDMD8における各極微小ミラーの応答速度に応じて、R、G、Bのどれか一つのカラーフィルタが光路上に位置するように、回転軸41を介した駆動モータ42によって回転駆動される。
図2のようなカラーホイール400の形状の場合、光源1から直接入射される光とリフレクター2から反射される光とでは、入射光の角度が異なる。一般に、カラーホイールは、入射する光線の角度に応じて、カラーホイールのコーティングの特性が変化する。したがって、カラーホイール400に入射する光線の角度によっては、カラーホイールを透過する光のエネルギーにロスが生じるという問題があった。このような課題を克服するカラーホイールの形状について、次に議論する。
図3は、この発明の実施の形態における光学エンジン20の動作を説明するための模式図である。
図3を参照して、光学エンジン20は、光源1と、リフレクター2と、バルブ11と、カラーホイール4と、ライトトンネル5とを含む。図3のカラーホイール4は、一例として、ライトトンネル5を取り囲む球形の形状を有している。
光源1からは、光線L1,L2を含む光線が全方向に出射され、カラーホイール4の一部を透過してライトトンネル5に入射する。図3に示すように、光線L1と光線L2とでは、カラーホイール4に入射する角度が異なる。
図4は、図3に示した光学エンジン20の光線軌跡をシミュレーションによって示した図である。
図4では、図3のカラーホイール4に入射する光線の分布および角度を一般的に検証するため、カラーホイール4に代えて、参照面RSを設けている。図4に示すように、参照面RSに入射する光線の密度は、参照面RSの位置に応じて異なっていることが分かる。この光線のエネルギー分布を示したのが、次の図5である。
図5は、図4の参照面RSに入射する光線のエネルギー分布を示した図である。
図5において、位置R1,R2は、図3の光線L1,L2がリフレクター2を反射して参照面RSを通過する位置をそれぞれ示している。図5に示すように、光軸O付近では、バルブ11(図3参照)が光路を遮っているため光線は参照面RSを通過せず、光強度は低くなっている。これに対し、位置R1,R2では光強度が高く、光線密度が大きいことを示している。ただし、位置R1と位置R2とでは、光線密度が異なっている。次に、参照面RSが平面状の場合と曲面状の場合とについて考える。
図6は、平面状の参照面RS0に光線L1,L2が入射する場合を示した図である。
図6において、光線L1,L2は、参照面RS0の位置R1,R2にそれぞれ角度θ1,θ2で入射している。このように、平板状の参照面RS0では、光線の入射方向に応じて、入射角度が異なってくることが分かる。
前述したように、カラーホイールは、入射する光線の角度に応じてコーティング特性が異なる。仮に、光線L2の入射角度θ2が参照面RS0(カラーホイール)に対する最適角度であるとすると、角度θ1で入射する光線L1は、参照面RS0(カラーホイール)を透過する段階でエネルギーにロスが生じることになる。
図7は、曲面状の参照面RS1に光線L1,L2が入射する場合を示した図である。
図7において、光線L1,L2は、参照面RS1の位置R1,R2にそれぞれほぼ直角の等しい角度で入射している。このように、曲面状の参照面RS1では、光線L1,L2のように入射方向が異なる場合であっても、入射角度を等しくすることができる。したがって、カラーホイールの形状を曲面状とすることにより、カラーホイールに入射する光線の方向が様々であっても、コーティング特性が最適となる角度に光線の入射角度を合わせることが可能となる。
図3では、カラーホイール4がライトトンネル5を取り囲む球形の形状であるとした。しかし、これは曲面状のカラーホイールの形状の一例であって、曲面状のカラーホイールの形状は、他にもいろいろ考えられる。以下では、曲面状のカラーホイールの形状の具体例について説明する。
[実施の形態1]
図8は、この発明の実施の形態1による画像表示装置10Aの構成を示した概略図である。
図8は、この発明の実施の形態1による画像表示装置10Aの構成を示した概略図である。
図8を参照して、画像表示装置10Aは、DLP方式のプロジェクタであって、光源1と、リフレクター2と、IR/UVカットフィルター3と、カラーホイール4Aと、回転軸41と、駆動モータ42と、ライトトンネル5と、コンデンサレンズ6a,6bと、反射ミラー7と、DMD8と、投影レンズ9とを備える。
光源1から全方向に向けて出射された光は、一部がリフレクター2に反射されて、IR/UVカットフィルター3に向かう。カラーホイール4Aは、IR/UVカットフィルター3を透過した光の中から、複数のカラーフィルターによって特定色の光を選択的に透過させる。
カラーホイール4Aは、ライトトンネル5を取り囲むように配置されており、回転軸41を介した駆動モータ42によって回転駆動される。ライトトンネル5は、カラーホイール4Aを透過した特定色の光を内部反射させることによって、特定色の光を均一化する。ライトトンネル5を通過した光のその後の経過は、図1の画像表示装置100と同様なので、ここでは説明を繰り返さない。以下に、画像表示装置10Aにおける光学エンジン20Aの3次元的な構造について説明する。
図9は、画像表示装置10Aの一部を構成する光学エンジン20Aの3次元的な構造を示した斜視図である。
図9を参照して、光学エンジン20Aは、図8でも示したように、光源1(図9では図示せず)と、リフレクター2と、カラーホイール4Aと、回転軸41(図9では図示せず)と、駆動モータ42と、ライトトンネル5とを含む。
図9に示すように、実施の形態1のカラーホイール4Aは、ライトトンネル5を取り囲むタイヤのような形状を有しており、回転軸41を介した駆動モータ42によって回転駆動される。なお、図10,11,12は、光学エンジン20Aの3次元的な構造を示した側面図、前面図および上面図である。図10〜12に示すように、光学エンジン20Aは、カラーホイール4Aの球中心と、ライトトンネル5の中心とが一致している。
カラーホイール4Aを図9のような形状とすることによって、カラーホイール4Aに入射する光線の方向に関わらず、光線の入射角度を一定とすることができる。
以上のように、実施の形態1によれば、光学エンジン20Aのカラーホイール4Aを図9〜12に示すようなタイヤ型の形状とすることによって、カラーホイール4Aに入射する光線の角度を一定とすることができる。これにより、カラーホイール4Aを透過する光のエネルギーの損失を抑えることができる。
[実施の形態2]
図13は、この発明の実施の形態2による画像表示装置10Bの構成を示した概略図である。
図13は、この発明の実施の形態2による画像表示装置10Bの構成を示した概略図である。
実施の形態2の画像表示装置10Bは、カラーホイール4Aがカラーホイール4Bに置き換えられ、それに付随して回転軸41および駆動モータ42の配置が変わった点においてのみ、実施の形態1の画像表示装置10Aと異なる。したがって、実施の形態1と重複する部分の説明は、ここでは繰り返さない。
カラーホイール4Bは、ライトトンネル5に対して斜め方向から一部覆うように配置されており、回転軸41を介した駆動モータ42によって回転駆動される。以下に、画像表示装置10Bにおける光学エンジン20Bの3次元的な構造について説明する。
図14は、画像表示装置10Bの一部を構成する光学エンジン20Bの3次元的な構造を示した斜視図である。
図14を参照して、光学エンジン20Bは、図13でも示したように、光源1(図14では図示せず)と、リフレクター2と、カラーホイール4Bと、回転軸41と、駆動モータ42と、ライトトンネル5とを含む。
図14に示すように、実施の形態2のカラーホイール4Bは、ライトトンネル5に対して斜め方向から一部覆うカサのような形状を有しており、回転軸41を介した駆動モータ42によって回転駆動される。なお、図15,16,17は、光学エンジン20Bの3次元的な構造を示した側面図、前面図および上面図である。図15,16に示すように、光学エンジン20Bは、光学エンジン20Aと同じく、カラーホイール4Bの半球の中心と、ライトトンネル5の中心とが一致している。
カラーホイール4Bを図14のような形状とすることによって、カラーホイール4Bに入射する光線の方向に関わらず、光線の入射角度を一定とすることができる。さらに、カラーホイール4Bの回転軸41の傾きを変えることによって、カラーホイール4Bに付着された複数のカラーフィルターの透過比率を容易に変えることが可能である。
以上のように、実施の形態2によれば、光学エンジン20Aのカラーホイール4Aを図14〜17に示すようなカサ型の形状とすることによって、カラーホイール4Bに入射する光線の角度を一定とすることができるとともに、カラーホイール4Bに付着された複数のカラーフィルターの透過比率を容易に変更できる。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 光源、2 リフレクター、3 IR/UVカットフィルター、4,4A,4B,400 カラーホイール、5 ライトトンネル、6a,6b コンデンサレンズ、7 反射ミラー、8 DMD、9 投影レンズ、10A,10B、100 画像表示装置、11 バルブ、20,20A,20B 光学エンジン、41 回転軸、42 駆動モータ。
Claims (10)
- 光源から出射される光を光学的に処理する光学エンジンと、
前記光学エンジンから出力される光を制御信号に応じて選択的に反射する制御型反射鏡と、
前記制御型反射鏡から反射された光に対応する映像をスクリーンに投影する投影レンズとを備え、
前記制御型反射鏡は、ディジタルマイクロミラーデバイスであり、
前記光学エンジンは、
曲面形状を有し、特定色の光を選択的に透過させるカラーホイールと、
前記カラーホイールを回転駆動する回転駆動部と、
前記カラーホイールに少なくとも一部分が覆われるように配置され、前記カラーホイールを透過した光を均一化するライトトンネルとを備え、
前記カラーホイールに入射する光線の入射角度は、前記カラーホイールに入射する光のエネルギーの損失が最小となるように設定され、
前記カラーホイールは、前記ライトトンネルを取り囲む形状を有し、かつ、前記ライトトンネルに到達する光が通過する範囲において、前記光源から直接または間接に届く光がともに所定の角度で入射する曲面形状を有し、
前記回転駆動部は、前記光源と前記ライトトンネルとを結ぶ光軸に垂直な軸を中心に前記カラーホイールを回転駆動する、画像表示装置。 - 光源から出射される光を光学的に処理する光学エンジンと、
前記光学エンジンから出力される光を制御信号に応じて選択的に反射する制御型反射鏡と、
前記制御型反射鏡から反射された光に対応する映像をスクリーンに投影する投影レンズとを備え、
前記制御型反射鏡は、ディジタルマイクロミラーデバイスであり、
前記光学エンジンは、
曲面形状を有し、特定色の光を選択的に透過させるカラーホイールと、
前記カラーホイールを回転駆動する回転駆動部と、
前記カラーホイールに少なくとも一部分が覆われるように配置され、前記カラーホイールを透過した光を均一化するライトトンネルとを備え、
前記カラーホイールに入射する光線の入射角度は、前記カラーホイールに入射する光のエネルギーの損失が最小となるように設定され、
前記カラーホイールは、光軸上に曲率中心をもち、かつ、前記ライトトンネルに到達する光が通過する範囲において、前記光源から直接または間接に届く光がともに所定の角度で入射する曲面形状を有し、
前記回転駆動部は、前記光源と前記ライトトンネルとを結ぶ光軸から所定の角度だけ傾斜した軸を中心に前記カラーホイールを回転駆動する、画像表示装置。 - 光源から出射される光を光学的に処理する光学エンジンであって、
前記光源から出射されて直接または間接に届く光がともに所定の角度で入射する曲面形状を有し、特定色の光を選択的に透過させるカラーホイールと、
前記カラーホイールを回転駆動する回転駆動部とを備える、光学エンジン。 - 前記所定の角度は、前記カラーホイールに入射する光のエネルギーの損失が最小となるように設定される、請求項3に記載の光学エンジン。
- 前記カラーホイールに少なくとも一部分が覆われるように配置され、前記カラーホイールを透過した光を均一化するライトトンネルをさらに備える、請求項4に記載の光学エンジン。
- 前記カラーホイールは、前記ライトトンネルに到達する光が通過する範囲において、前記光源から直接または間接に届く光が前記所定の角度で入射する曲面形状を有する、請求項5に記載の光学エンジン。
- 前記カラーホイールは、前記ライトトンネルを取り囲む形状を有し、
前記回転駆動部は、前記光源と前記ライトトンネルとを結ぶ光軸に垂直な軸を中心に前記カラーホイールを回転駆動する、請求項5に記載の光学エンジン。 - 前記カラーホイールは、光軸上に曲率中心をもち、
前記回転駆動部は、前記光源と前記ライトトンネルとを結ぶ光軸から所定の角度だけ傾斜した軸を中心に前記カラーホイールを回転駆動する、請求項5に記載の光学エンジン。 - 請求項1〜8のいずれかに記載の光学エンジンと、
前記光学エンジンから出力される光を制御信号に応じて選択的に反射する制御型反射鏡と、
前記制御型反射鏡から反射された光に対応する映像をスクリーンに投影する投影レンズとを備える、画像表示装置。 - 前記制御型反射鏡は、ディジタルマイクロミラーデバイスである、請求項9に記載の画像表示装置。
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CN103091841A (zh) * | 2013-01-11 | 2013-05-08 | 哈尔滨工业大学 | 基于dmd的双色红外成像制导仿真光学系统 |
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2005
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