JP2008009101A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】チルト投影光学系とタイプＢのＤＭＤ表示素子を適用した投影型表示装置において、遮光板等の機械的な遮光手段を用いることなく、ＤＭＤ表示素子のオフ光がチルト投影光学系に入射してスクリーンに投影されてしまうことによるゴースト像の発生、および画像コントラストの低下を防止することができる投射型表示装置を得る。
【解決手段】ＤＭＤ表示素子のオンミラーで反射されたオン光がチルト投影光学系に入射し、オフ光がチルト投影光学系の方向に向かわないように、微小ミラー角度の方向を適切に設定した投射型表示装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、プロジェクタ等の投射型表示装置に用いられる照明光学装置、特に、画像表示素子として２次元的に配置された複数の微小ミラーを偏向することで画像を形成するＤＭＤ表示デバイスを用いた投射型表示装置に関する。

この種の反射型表示素子は、ＤＭＤ（DIGITAL MICRO MIRROR DEVICE、テキサスインスツルメンツ社の登録商標）として当業者に知られており、本明細書でＤＭＤ表示デバイス（ＤＭＤ表示素子）と呼ぶ。ＤＭＤ表示素子は、基板上に二次元的に配列された多数の微小ミラーの偏向軸に関する傾きを二値的に変化させることで照明光学系からの照明光の反射方向を二方向に択一して制御する。従来、このＤＭＤ表示素子を用いた投射型表示装置は、ＤＭＤ表示素子に照明光学系の照明光を当て、微小ミラーが二値的傾きの一方のオン位置にあるときに該微小ミラーからの反射光を投影光学系に入射させている。各微小ミラーは映像信号に応じて高速でオン方向とオフ方向が切り替えられ、オン方向に傾いている時間をコントロールすることにより画像の明暗を表現している。特許文献１では、微小ミラーがオフ位置にあるときに、微小ミラーからの反射光が投影光学系に入射しないように、遮光板を設けている。

この投射型表示装置は、薄型化を図るために、投影光学系の基準光軸（ＤＭＤ表示素子に最も近い光学系の光軸）を、ＤＭＤ表示素子の基板表面の法線方向に対して傾斜させる（投影光学系の基準光軸を基板表面の法線に対して傾斜させる、チルト投影光学系）ことが行われている（特許文献２）。このような投影型画像表示装置の画像に求められる性能として、白から黒までの明暗をどの程度の細かさで表現できるかを示すコントラストがある。白から黒までの明暗を階調豊かに表現できている画像（＝高コントラストな画像）であることが望ましい。

一方、ＤＭＤ表示素子自体は、ＤＭＤ表示素子の中心を通りＤＭＤ基板の法線と平行な軸をＸ軸、Ｘ軸と直交しＤＭＤ基板の短手方向に平行な軸をＹ軸、Ｘ軸と直交しＤＭＤ基板の長手方向に平行な軸をＺ軸とすると、次の２種類がある。

タイプＡは、ＤＭＤ基板上に形成された各微小ミラーの矩形外形の２側面がＹ軸およびＺ軸と平行になるように配置されていて、各微小ミラーがＹ、Ｚ両軸と４５°の角度をなす方向に一致した軸を偏向軸として回動するような構造になっているタイプである。タイプＢは、ＤＭＤ基板上に形成された各微小ミラーの矩形外形の２側面がＹ軸およびＺ軸と４５°の角度をなすように配置されていて、各微小ミラーがＹ軸に平行な方向に一致した軸を偏向軸として回動するような構造になっているタイプである。

いずれのタイプも、各微小ミラーのＤＭＤ基板に対する偏向角度は例えば（現行）、＋１２°と-１２°のように二者択一であり、一方の角度にある（オン位置にある）ミラーからの反射光をオン光、他方の角度にある（オフ位置にある）ミラーからの反射光をオフ光とする。
特開２００４-２５８４３９号公報 特許第２９０６３４８号公報

チルト投影光学系と、タイプＡのＤＭＤ表示素子を適用した投影型表示装置では、照明光は平面矩形のＤＭＤ基板の対角方向から入射されることになる。対角方向からＤＭＤに入ってきた光線束がオン位置にあるミラー（オンミラー）で反射されると、反射された光線束は投影光学系に入射する。一方、オフ位置にあるミラー（オフミラー）で反射された光線束は、微小ミラーの偏向軸と直交する平面に対して平行に進行し、投影光学系から遠ざかる方向に向かって行く。このため、オフ光が投影光学系に直接入射する可能性は低い。

ところが、チルト投影光学系とタイプＢのＤＭＤ表示素子を適用した投影型表示装置では、オンミラーでの反射光光軸とオフミラーでの反射光光軸とで規定される平面（ＸＹ断面）内に、照明光学系の光軸とチルト投影光学系の基準光軸を位置させなければならない。この結果、オフ光はＸＹ断面と平行な方向に進むため、オフ光の一部がチルト投影光学系に直接入射してしまう可能性がある。オフ光の一部がチルト投影光学系に直接入射すると、チルト投影光学系を介して迷光が像面（スクリーン）に届き、画像コントラストの低下やゴースト像が発生するという問題がある。仮に特許文献１のように、オフ光がスクリーンに到達するのを防止するために遮蔽板を用いると、遮光板は正規の照明光の一部も遮蔽してしまうことから、表示素子を照明する照明光の光束量が減少しスクリーンに投影される画像の明るさが暗くなってしまう。

本発明は、チルト投影光学系とタイプＢのＤＭＤ表示素子を適用した投影型表示装置において、遮光板等の機械的な遮光手段を用いることなく、ＤＭＤ表示素子のオフ光がチルト投影光学系に入射してスクリーン上に投影されてしまうことによるゴースト像の発生、および画像コントラストの低下を防止することができる投射型表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、ＤＭＤ表示素子のオンミラーで反射されたオン光がチルト投影光学系に入射し、オフ光がチルト投影光学系の方向に向かわないように、微小ミラー角度の方向を適切に設定したことを特徴としている。

本発明は、照明光学系と、基板上に二次元的に配列された多数の微小ミラーの偏向軸に関する傾きを二値的に変化させることで上記照明光学系からの照明光の反射方向を二方向に択一して制御するＤＭＤ表示デバイスと、このＤＭＤ表示デバイスが形成した像を投影する投影光学系と、を有する投射型表示装置において、
１）投影光学系は、その基準光軸が、上記ＤＭＤ表示デバイスのＤＭＤ基板と直交せず、該ＤＭＤ表示デバイスの中心を通り該ＤＭＤ基板と直交する平面内に位置しているチルト投影光学系であること、
２）微小ミラーの偏向軸は、ＤＭＤ表示デバイスの中心を通るＤＭＤ基板の法線とチルト投影光学系の基準光軸とで画定される平面に対して直交していること、及び
３）微小ミラーが二値的傾きの一方のオン位置にあるときその反射光が上記チルト投影光学系に入射し、他方のオフ位置にあるときその反射光が上記チルト投影光学系に入射しないように微小ミラーの角度方向が定められていること、
を特徴としている。

具体的には例えば、ＤＭＤ表示デバイスの微小ミラーの角度方向は、オフ位置にある微小ミラーからの反射光が全て、照明光学系に入射するように定めることができる。

チルト投影光学系の基準光軸は、オン位置の微小ミラーでの反射光光軸とオフ位置の微小ミラーでの反射光光軸とで画定される平面内に位置させる。

チルト投影光学系は、具体的には例えば、ＤＭＤ型反射型表示手段側から順に、該チルト投影光学系の上記基準光軸を構成する第１結像光学系、偏向光学系及び第２結像光学系から構成し、第１結像光学系はＤＭＤ表示デバイスの中間像を形成し、偏向光学系は第１結像光学系から出射した光線束を第２結像光学系に向かうように偏向し、第２結像光学系は第１結像光学系で形成された中間像をスクリーン上に投影する光学系とすることができる。

本発明による投射型表示装置は、ＤＭＤ表示デバイスの中心を通る法線をＸ軸、該Ｘ軸および上記微小ミラーの偏向軸の両軸と直交する軸をＹ軸としたとき、ＸＹ平面における照明光学系光軸とＸ軸とのなす照明光入射角度をθ、上記チルト投影光学系基準光軸とＸ軸とのなすチルト角をα、上記ＤＭＤ表示デバイスのＤＭＤ基板に対するオフ位置の微小ミラー傾き角度をδ₁、上記ＤＭＤ表示デバイスのＤＭＤ基板に対するオン位置の微小ミラー傾き角度をδ₂としたとき、次の条件式（１）を満足することが好ましい。
（１）|α+θ-２δ₁|＞|α+θ-２δ₂|

照明光学系は、具体的には例えば、光源が放射する光を集光する集光ミラーと、光源の輝度分布を均一化するインテグレータと、インテグレータで形成された略均一な照度分布を持つ二次発光面の像を反射型表示手段上に形成するリレー光学系とから構成することができる。

本発明によれば、チルト投影光学系とタイプＢのＤＭＤ表示素子を適用した投影型表示装置において、ＤＭＤ表示素子のオフ光がチルト投影光学系に入射してスクリーンに投影されてしまうことによるゴースト像の発生、および画像コントラストの低下を防止することができる投射型表示装置を得ることができる。

図１は、ＤＭＤ表示デバイス（表示素子）１０の概念図である。ＤＭＤ表示素子１０は、平面的に矩形をなすＤＭＤ基板１１上に、二次元的マトリックス状（例えば横１０２４×縦７６８）に配列された多数の平面矩形の微小なミラー１２を備えている。微小ミラー１２は、偏向軸１２Ｘを中心に正逆に回転して二位置をとることができる。すなわち、各微小ミラー１２の角度は所定の２方向（＋αと-α）から選択され、一定の方向からＤＭＤ表示素子１０（微小ミラー１２）に対して照射される照明光２０の１方向の反射光が投影光学系を介してスクリーンに画像を形成する光２０Ｐとなり、もう１方向の反射光は画像を形成しない光２０Ｎとなる。以下、画像を形成する光をオン光２０Ｐ、画像を形成しない光をオフ光２０Ｎと表現し、オン光を生じる場合の微小ミラー１２をオンミラー１２Ｐ、その角度方向をオン方向、オフ光を生じる場合の微小ミラー１２をオフミラー１２Ｎ、その角度方向をオフ方向と表す。オン方向とオフ方向の微小ミラーの角度（＋αと-α）はそれぞれ約＋１２°と-１２°のいずれかである。

本実施形態のＤＭＤ表示素子１０は、図２に示すように、ＤＭＤ基板１１の中心を通り該ＤＭＤ基板１１の法線と平行な軸をＸ軸、Ｘ軸と直交し矩形のＤＭＤ基板１１の短手方向に平行な軸をＹ軸、Ｘ軸と直交しＤＭＤ基板１１の長手方向に平行な軸をＺ軸とすると、ＤＭＤ基板１１上の微小ミラー１２は、その矩形外形の２側面がＹ軸およびＺ軸と４５°の角度をなすように配置されており、偏向軸１２Ｘは、Ｚ軸に平行な方向に一致している。

図３、図４は、以上のＤＭＤ表示素子１０を用いた本発明による投射型表示装置の一実施形態を示している。図５は、ＤＭＤ表示素子１０に対して照明光２０を照射する照明光学系２１の一例を示し、図６は、ＤＭＤ表示素子１０からのオン光２０Ｐを受け取るチルト投影光学系３０の一例を示している。図５に示す照明光学系２１は、光源２２と、該光源２２が放射する光を集光する集光ミラー２３と、光源２２の輝度分布を均一化するインテグレータ２４と、リレー光学系２５とを備えており、リレー光学系２５は、インテグレータ２４で形成された略均一な照度分布を持つ二次発光面の像をＤＭＤ表示素子１０上に形成する。インテグレータ２４の入口には、高速で回転するカラーホイル２６が位置している。図３、図４では、以上の照明光学系２１のリレー光学系２５の一部のみを描いている。また、ＤＭＤ表示素子１０の前方にはカバーガラス１５が位置している。

図６に示すチルト投影光学系３０は、ＤＭＤ表示素子１０側から順に位置する第１結像光学系３１、該第１結像光学系３１の光軸３１Ｘを偏向させる偏向光学系（プリズム）３２、及び偏向された光軸上に位置する第２結像光学系３３を備えている。第１結像光学系３１は、ＤＭＤ表示素子１０による中間像を形成し、第２結像光学系３３は、この中間像をスクリーン上に投影する。図３、図４では、チルト投影光学系３０の第１結像光学系３１のみを描いている。チルト投影光学系３０の基準光軸は、ＤＭＤ表示素子１０に最も近い光学系（すなわち第１結像光学系３１）の光軸３１Ｘとして定義する。

図３、図４の実施形態では、チルト投影光学系３０は、その基準光軸３１Ｘが、ＤＭＤ表示素子１０のＤＭＤ基板１１と直交せず、ＤＭＤ表示素子１０（ＤＭＤ基板１１）の中心を通り該ＤＭＤ基板１１と直交する平面内に位置している。つまり、オン光２０Ｐとオフ光２０Ｎで画定される平面内にチルト光学系３０の基準光軸３１Ｘは位置しており、同平面内に照明光学系２１の光軸２１Ｘも位置している。また、微小ミラー１２の偏向軸１２Ｘは、ＤＭＤ表示素子１０の中心を通るＤＭＤ基板１１の法線Ｘとチルト投影光学系３０の基準光軸３１Ｘとで画定される平面に対して直交している。

図３、図４では、偏向軸１２Ｘは紙面に直交する軸であり、図３はオンミラー１２Ｐのときのオン光の光路、図４はオフミラー１２Ｎのときのオフ光の光路を示している。そして、各微小ミラー１２の角度方向は、微小ミラー１２が二値的傾きの一方のオン位置にあるとき、図３のように照明光２０のオン光２０Ｐがチルト投影光学系３０に入射し、他方のオフ位置にあるとき照明光２０のオフ光２０Ｎがチルト投影光学系３０に入射せず、全て照明光学系２１に入射する（戻る）ように定められている。全てのオフ光が照明光学系２１に入射するように微小ミラー１２の角度方向を設定すると、オフ光がチルト投影光学系３０に入射する可能性をゼロにすることができる。これに対し、オフ光が照明光学系２１に入射するように微小ミラー１２の角度方向を設定しなかった場合（オン光とオフ光の方向を入れ替えた場合）には、オフ光がチルト投影光学系３０に入射してしまう。

図７は、オフ光がチルト投影光学系３０に入射しないための条件を図示したものである。すなわち、ＤＭＤ表示素子１０の中心を通る法線をＸ軸、該Ｘ軸および微小ミラー１２の偏向軸１２Ｘの両軸と直交する軸をＹ軸としたとき、ＸＹ平面における照明光学系２１の光軸２１ＸとＸ軸とのなす照明光入射角度をθ、チルト投影光学系３０の基準光軸３１ＸとＸ軸とのなすチルト角をα、ＤＭＤ表示素子１０のＤＭＤ基板１１に対するオフ位置の微小ミラー１２Ｐの傾き角度をδ₁、ＤＭＤ表示素子１０のＤＭＤ基板１１に対するオン位置の微小ミラー１２Ｎの傾き角度をδ₂としたとき、次の条件式（１）を満足させると、オフ光がチルト投影光学系に入射することがない。なお、各角度の大きさは、Ｘ軸（微小ミラーの偏向角はＹ軸）から測った小さい方の角度とし、ＸＹ断面において反時計回りの方向を＋とする。
（１）|α+θ-２δ₁|＞|α+θ-２δ₂|
αは、具体的には２０゜から５０゜の範囲で設定するのがよい。

以上の実施形態で説明した照明光学系２０及びチルト投影光学系３０の具体的構成は一例を示すものであり、本発明は図示例に限定されない。

本発明による投射型表示装置に用いるＤＭＤ表示デバイスのオン位置、オフ位置を説明する概念図である。 ＤＭＤ表示デバイス及び微小ミラーの方向を定義する図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図である。 本発明による投射型表示装置の一実施形態を示す、微小ミラーのオン位置における光路図である。 同微小ミラーのオフ位置における光路図である。 本発明による投射型表示装置に用いる照明光学系の一例を示す光学構成図である。 本発明による投射型表示装置に用いるチルト投影光学系の一例を示す光学構成図である。 本発明による投射型表示装置に用いるチルト投影光学系の一例を示す光学構成図である。

符号の説明

１０ ＤＭＤ表示素子（ＤＭＤ表示デバイス）
１１ ＤＭＤ基板
１２ 微小ミラー
１２Ｐ オンミラー
１２Ｎ オフミラー
１２Ｘ 偏向軸
１５ カバーガラス
２０ 照明光
２０Ｐ オン光
２０Ｎ オフ光
２１ 照明光学系
２１Ｘ 光軸
２２ 光源
２３ 集光ミラー
２４ インテグレータ
２５ リレー光学系
２６ カラーホイル
３０ チルト投影光学系
３１ 第１結像光学系
３１Ｘ 光軸基準光軸
３２ 偏向光学系
３３ 第２結像光学系

Claims (6)

1. 照明光学系と、基板上に二次元的に配列された多数の微小ミラーの偏向軸に関する傾きを二値的に変化させることで上記照明光学系からの照明光の反射方向を二方向に択一して制御するＤＭＤ表示デバイスと、このＤＭＤ表示デバイスが形成した像を投影する投影光学系と、を有する投射型表示装置において、
   上記投影光学系は、その基準光軸が、上記ＤＭＤ表示デバイスのＤＭＤ基板と直交せず、該ＤＭＤ表示デバイスの中心を通り該ＤＭＤ基板と直交する平面内に位置しているチルト投影光学系であり、
   上記微小ミラーの偏向軸は、ＤＭＤ表示デバイスの中心を通るＤＭＤ基板の法線とチルト投影光学系の基準光軸とで画定される平面に対して直交しており、
   上記微小ミラーが二値的傾きの一方のオン位置にあるときその反射光が上記チルト投影光学系に入射し、他方のオフ位置にあるときその反射光が上記チルト投影光学系に入射しないように微小ミラーの角度方向が定められている、
   ことを特徴とする投射型表示装置。
2. 請求項１記載の投射型表示装置において、上記ＤＭＤ表示デバイスの微小ミラーの角度方向は、オフ位置にある微小ミラーからの反射光が全て、上記照明光学系に入射するように定められている投射型表示装置。
3. 請求項１または２記載の投射型表示装置において、上記チルト投影光学系の基準光軸は、上記オン位置の微小ミラーでの反射光光軸とオフ位置の微小ミラーでの反射光光軸とで画定される平面内に位置している投射型表示装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の投射型表示装置において、上記チルト投影光学系は、上記ＤＭＤ型反射型表示手段側から順に、該チルト投影光学系の上記基準光軸を構成する第１結像光学系、偏向光学系及び第２結像光学系から構成され、第１結像光学系は上記ＤＭＤ表示デバイスの中間像を形成し、偏向光学系は第１結像光学系から出射した光線束を第２結像光学系に向かうように偏向し、第２結像光学系は第１結像光学系で形成された中間像をスクリーン上に投影する投射型表示装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の投射型表示装置において、上記ＤＭＤ表示デバイスの中心を通る法線をＸ軸、該Ｘ軸および上記微小ミラーの偏向軸の両軸と直交する軸をＹ軸としたとき、ＸＹ平面における照明光学系光軸とＸ軸とのなす照明光入射角度をθ、上記チルト投影光学系基準光軸とＸ軸とのなすチルト角をα、上記ＤＭＤ表示デバイスのＤＭＤ基板に対するオフ位置の微小ミラー傾き角度をδ₁、上記ＤＭＤ表示デバイスのＤＭＤ基板に対するオン位置の微小ミラー傾き角度をδ₂としたとき、次の条件式（１）を満足する投射型表示装置。
   （１）|α+θ-２δ₁|＞|α+θ-２δ₂|
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載の投射型表示装置において、上記照明光学系は、光源が放射する光を集光する集光ミラーと、光源の輝度分布を均一化するインテグレータと、インテグレータで形成された略均一な照度分布を持つ二次発光面の像を反射型表示手段上に形成するリレー光学系とを備えている投射型表示装置。
   
   
   

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