JP2012008420A - 投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロミラー素子の構成に基づいてより大きな光束を用いて投影画像を明るくすると共に、投影画像の明るさの左右のバランスを均等化する。
【解決手段】マイクロミラー23ａを配列面から＋Ａ°または−Ａ°(Ａ＞０)に傾斜駆動させ、反射光で光像を形成するマイクロミラー素子(23)に対し、配列面で各マイクロミラー23ａが＋Ａ°傾斜した際に対向する方向から45°未満の回旋方向より、配列面の法線となる正規の反射方向に対して、入射角が(２Ａ＋α)°(α＞０)、収束する頂角が(２Ａ＋２α)°となる照明系光束φＬを入射させ、各マイクロミラー23ａから頂角が(２Ａ＋２α)°となって拡散しながら出射する投影系光束φＰを入射し、投影対象に向けて投影する投影光学系(24)を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、反射型の画像表示素子に光源からの光を入射し、その反射光で光像を形成して投影する投影装置に関する。

図３は、マイクロミラー素子を用いるＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）（登録商標）方式の一般的なプロジェクタ装置１０の構成を示す平面図である。

同図で、内面に鏡面加工が施されたリフレクタ１１内に、光源となる高圧水銀ランプ１２が配置される。この高圧水銀ランプ１２を交流高電圧の電源で駆動することで高輝度の白色光が発生する。

高圧水銀ランプ１２で発生した光は、直接あるいはリフレクタ１１内面で反射して光束として取り出され、第１ミラー１３で反射された後にランプレンズ１４を介して、回転するカラーホイール１５に照射される。

カラーホイール１５は、カラーホイールモータ１６により回転される円板状の面壁部が、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の各扇形状のカラーフィルタで形成される。したがって、カラーホイール１５がカラーホイールモータ１６により回転されることで、カラーホイール１５を通過する白色光は、時分割でＲ，Ｇ，Ｂの各原色光として時分割で循環的に各色の周波数帯域が抽出されて出力される。

カラーホイール１５から出力されるＲ，Ｇ，Ｂの原色光は、ライトトンネル１７を通過時に内部で乱反射を繰返し、光束密度の分布が平均化された後に照明系レンズ１８を介して第２ミラー１９で反射され、照明系レンズ２０を介して第３ミラー２１で反射された後にフィールドレンズ２２を介してマイクロミラー素子２３に照射される。

マイクロミラー素子２３は、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）（登録商標）とも称される画像表示素子である。マイクロミラー素子２３は、アレイ状に配列された複数、例えばＸＧＡ（横１０２４画素×縦７６８画素）の画素数分の微小ミラーの各傾斜角度を個々に高速でオン／オフ動作して表示動作することで、その反射光により光像を形成する。

マイクロミラー素子２３での反射光により形成された光像は、フィールドレンズ２２を介して投影レンズユニット２４に送られる。投影レンズユニット２４は、対物側から第１レンズ群２４Ａ、第２レンズ群２４Ｂ、及び第３レンズ群２４Ｃの３群のレンズ構成を有し、マイクロミラー素子２３で形成された光像を拡大して投影対象の図示しないスクリーンに向けて投影する。

図４は、上記図３の構成において、マイクロミラー素子２３での光の入射と反射の具体的な構成について説明する図である。同図４において、破線で示す照明系光軸Ｌは、マイクロミラーの配列面で各マイクロミラーがオン動作時に対向する方向Ｈに対して４５°回旋した方向から、図中に実線で示す投影光軸Ｎの方向である法線に対して２４°の入射角度をもって入射する。

図５は、マイクロミラー素子２３を構成する個々の微細なマイクロミラーの基本的なオン／オフ動作を示す。ここで１つのマイクロミラー２３ａは、オン／オフ動作により±１２°の角度で傾斜制御されるものとする。
図５（Ａ）は、１つのマイクロミラー２３ａをオン動作、すなわち＋１２°（＋Ａ°）の角度で傾斜制御した状態を示す。図示する如くマイクロミラー２３ａからの反射光は、マイクロミラー素子２３の法線である投影光軸Ｎに沿って上記投影レンズユニット２４側へ出射する。

一方、図５（Ｂ）は、同マイクロミラー２３ａをオフ動作、すなわち−１２°（−Ａ°）の角度で傾斜制御した状態を示す。図示する如くマイクロミラー２３ａからの反射光は、マイクロミラー素子２３の法線である投影光軸Ｎに対して４８°（Ｃ°）離れたオフ光束光軸Ｄに沿って、図示しない光吸収部材に照射される。

上記図５に示した基本的な構成において、マイクロミラー２３ａのオン／オフ角度を±Ａ°、マイクロミラー素子２３の法線方向である投影レンズユニット２４への投影光軸Ｎに対する照明系光軸Ｌのなす入射角度をＢ、オフ動作時の投影光軸Ｎに対するオフ光束光軸Ｄのなす角をＣとした場合に、「Ｃ＝２Ｂ＝４Ａ」の関係となる。

ところで、マイクロミラー２３ａに入射される光束、及びマイクロミラー２３ａで反射して出射される光束は、いずれも平行ではなく、マイクロミラー２３ａを頂点位置とする円錐形状となる。

図６は、マイクロミラー素子２３の製造メーカが推奨している、オン動作時のマイクロミラー２３ａでの入射光と出射光の各光束の例を示す。入射光束である照明系光束φＬと出射光束である投影系光束φＰの各頂角を２β°とした場合、βをマイクロミラー２３ａの可動角度Ａ以下とすることで、照明系光束φＬと投影系光束φＰが重複することなく、投影される光束中に所謂「ケラレ（：ｅｃｌｉｐｓｅ）」が発生せずに、光源からの光量を有効に投影に活用できる。

一方で、投影画像をより明るくする一方法として、マイクロミラー素子２３に入力される照明系の光束の径をより大きく設定することが考えられる。その場合、上記照明系光束φＬと投影系光束φＰにおける各頂角の大きさ２β°が、照明光軸Ｌと投影光軸Ｎのなす角度Ｂを超えることが考えられる。

図７は、上記照明系光束φＬと投影光系束φＰにおける各光束の頂角の大きさ２βを、照明光軸Ｌと投影光軸Ｎのなす角度Ｂを超えるように設定した場合について示す図である。上記のような推奨値以上に各光束の頂角を大きく設計した場合、図中に右下がりのハッチング部分で示すように、照明系光束φＬと投影系光束φＰとで空間的に重複するロスとなる部分が発生する。

この光束が重複するロスとなる部分は、実機上では第３ミラー２１により一部が「ケラレ」るもので、マイクロミラー素子２３への入射光の一部が欠けた状態となり、最終的に投影される画像の一端部の光量が他の部分より低下する現象として表れる。

このように、画像を明るくするべく照明系光束φＬと投影系光束φＰの頂角を大きく設定することで、大部分はより明るい画像となるものの、光量の分布が不均等となり、画像の質を低下させる要因となる。

図８は、上記頂角を大きくした２つの光束の重複を回避するべく、照明光軸Ｌの入射角を正規の２４°より大きく設定した場合を説明する図である。
この図８において、破線で示す照明光軸Ｌは、マイクロミラーの配列面で各マイクロミラーがオン動作時に傾斜する方向であるマイクロミラー素子２３の短辺方向Ｈに対して４５°回旋した方向から、図中に一点鎖線で示す投影光軸Ｎに対して、２４°＋α（α＞０）の入射角度をもって入射させる。図中の線ＬＢは、入射角度２４°の正規の照明系光軸である。このように、本来の照明系光軸ＬＢより外側に照明光軸Ｌを設定することで、投影光束光軸Ｐもまた本来の投影光軸である接線方向Ｎを外れることとなり、照明系光束φＬと投影系光束φＰとが空間的に重複することを回避できる。

同様の考え方として、照明光束の光軸を本来の照明系光軸に対して大きい入射角度で入射させることで、ロスとなる光束分をなくす方法が考えられている。（例えば、特許文献１）

特開２００５−１５１３７５号公報

しかしながら、上記特許文献に記載された技術のように、単純に照明光束の光軸をマイクロミラー素子２３の短辺方向に対して４５°方向から２４°の本来の角度より大きい入射角度で入射させたとしても、マイクロミラー素子で反射される投影光束の分布が左右非対称になる。そのため、投影される画像の明るさも左右が不均等になるという不具合がある。

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、マイクロミラー素子の構成に基づいて本来想定している光束より大きな光束を用いて投影画像を明るくすると共に、投影画像の明るさの左右のバランスを均等化して画質の劣化を回避することが可能な投影装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、光源と、アレイ配列された複数のマイクロミラーを、個別に配列面から＋Ａ°または−Ａ°（Ａ＞０）に傾斜駆動させ、それら複数のマイクロミラーの反射光で光像を形成するマイクロミラー素子と、上記光源の発する光を用い、上記マイクロミラー素子の配列面の短辺方向に対して４５°未満の回旋方向より、入射角が（２Ａ＋α）°（α＞０）、となる照明光を上記マイクロミラー素子に入射する照明光学系と、上記マイクロミラー素子から出射する光像を入射し、投影対象に向けて投影する投影光学系とを具備したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の発明において、上記マイクロミラー素子の配列面の長辺・短辺・法線方向をそれぞれＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸とした座標系を設定して、上記光源の入射光軸を入射ベクトルＶin、上記光源をマイクロミラーから出射する光軸を出射ベクトルＶout、マイクロミラー素子２３が＋Ａ°傾斜した際の法線ベクトルをＶnとした場合に、
Ｖout＊Ｘ軸ベクトル＝０
Ｖout＝２（Ｖn＊Ｖin）＊Ｖn−Ｖin
（但し、＊は、ベクトルの内積）
を満たすことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、上記請求項１記載の発明において、上記投影光学系の光線取込角度を（２Ａ＋２α）°としたことを特徴とする。

本発明によれば、マイクロミラー素子の構成に基づいて本来想定している光束より大きな光束を用いて投影画像を明るくすると共に、投影画像の明るさの左右のバランスを均等化して画質の劣化を回避することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るオン動作時のマイクロミラーでの入射光と出射光の各光束の関係例を示す図。 同実施形態に係るオン動作時のマイクロミラーでの入射光と出射光の各光束の関係例を示す図。 一般的なプロジェクタ装置の光学経路の構成を示す平面図。 図３でのマイクロミラー素子での光の入射と出射の関係を説明する斜視図。 マイクロミラー素子を構成する個々の微細なマイクロミラーの基本的なオン／オフ動作と反射光の経路とを示す図。 オン動作時のマイクロミラーでの入射光と出射光の各光束の関係例を示す図。 図６の各光束の頂角を大きく設定した場合の関係例を示す図。 図４より照明系光軸の入射角を大きく設定した場合の光の入射と出射の関係を説明する斜視図。

以下、本発明をマイクロミラー素子を用いるＤＬＰ（登録商標）方式のプロジェクタ装置に適用した場合の一実施形態について図面を参照して説明する。

なお、プロジェクタ装置を構成する個々の要素については、上記図３で示した内容と基本的に同様であるものとし、同一部分には同一符号を用いてその図示と説明とを省略する。

図１は、本実施形態に係るマイクロミラー素子２３での光の入射と反射の具体的な構成について説明する図である。同図１において、図中の線ＬＢは、入射角度Ｂ°の設計照明系光軸である。この設計照明系光軸ＬＢよりさらに大きな入射角を採るように、照明系光軸Ｌを設定する。
すなわち、破線で示す照明系光軸Ｌは、マイクロミラー素子２３を構成する複数のマイクロミラー（２３ａ）の配列面で、各マイクロミラー送信２３の短辺方向Ｈに対して４５°未満の角度で回旋した方向から、図中に一点鎖線Ｎで示す法線に対して「Ｂ°＋α°」（α＞０）の入射角度をもって入射する。

したがって、マイクロミラーがオン動作している状態では、マイクロミラーからの反射光が投影光軸Ｎを挟んで照明系光軸Ｌと反対側からα°の出射角をもって出射する。

図２は、上記のように照明系光軸Ｌと投影系光軸Ｐを設定した場合の、マイクロミラー２３ａがオン動作時の入射光と出射光の各光束の例を示す。
ここでは、マイクロミラー２３ａがオン動作時に＋１２°（Ａ＝１２、Ｂ＝２４）傾斜するものとし、照明系光軸Ｌの入射角を、２５°（＝２４°＋１°）とした場合について説明する。マイクロミラー素子２３の傾斜角度から、このマイクロミラー素子２３の設計照明系光軸ＬＢの入射角は２４°であり、１°分だけ外側から照明光を入射させることとなる（α＝１）。

入射光束である照明系光束φＬと出射光束である投影系光束φＰの各頂角を２β°とした場合、βがマイクロミラー２３ａの可動角度Ａより上記α分だけ大きくなるが、照明系光束φＬと投影系光束φＰが重複することはなく、投影される光束中にも「ケラレ」が発生していない。

加えて上記図１でも示したように、照明系光軸Ｌを入射する方向を、マイクロミラー素子２３の短辺方向に対して４５°未満の回旋方向とした。

これにより、設計上のマイクロミラー素子２３に対する入射角より大きな入射角に照明光軸Ｌを設定しながらも、上記入射する方向をより小さな回旋角度で設定することにより、マイクロミラーがオン動作した場合の投影系光束φＰの投影光束光軸Ｐ方向をマイクロミラー素子２３の長辺方向に対して中央方向にすることとなる。

そのため、上記入射角度の増大の影響によるマイクロミラー素子２３の各マイクロミラー素子で反射される投影光束の分布が左右非対称になることはなく、投影される画像の明るさも左右均等の状態を維持することができる。

したがって、投影レンズユニット２４の光学的な負担は大きくなるものの、マイクロミラー素子２３で反射されて出射した投影系光束φＰを全て入射し、投影対象に向けて投影すれば、明るさの左右不均等等による劣化を回避しながら明るい画像を投影することができる。

この時の投影光学系の光線取込角度は、投影光軸Ｎに対する投影光束光軸Ｐの角度に、投影系光束φＰの頂角の半分βの和（２Ａ＋２α）°とする。

以上に述べた如く本実施形態によれば、マイクロミラー素子の構成に基づいて本来想定している光束より大きな光束を用いて投影画像を明るくすると共に、投影画像の明るさの左右のバランスを均等化して画質の劣化を回避することが可能となる。

特に、照明系光軸Ｌを入射する方向を、マイクロミラーが＋Ａ°傾斜した際に対向する方向から４５°未満の、（４５−α）°としたことにより、入射角度の増大を正確に相殺し、投影光束の左右分布を均等化できる。

なお、上記実施形態では、本発明をマイクロミラー素子を用いるＤＬＰ（登録商標）方式のプロジェクタ装置に適用した場合について説明したが、本発明は光源となる素子や、画像表示素子によるプロジェクタ方式、あるいは単板式と３板式などを限定するものではなく、光路長や反射角度を調整可能なミラーを用いる投影装置であれば、いずれにも適用可能となる。

その他、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上述した実施形態で実行される機能は可能な限り適宜組み合わせて実施しても良い。上述した実施形態には種々の段階が含まれており、開示される複数の構成要件による適宜の組み合せにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、効果が得られるのであれば、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１０…プロジェクタ装置、１１…リフレクタ、１２…高圧水銀ランプ、１３…第１ミラー、１４…ランプレンズ、１５…カラーホイール、１６…カラーホイールモータ、１７…ライトトンネル、１８…照明系レンズ、１９…第２ミラー、２０…照明系レンズ、２１…第３ミラー、２２…フィールドレンズ、２３…マイクロミラー素子、２３ａ…マイクロミラー、２４…投影レンズユニット。

Claims (3)

1. 光源と、
   アレイ配列された複数のマイクロミラーを、個別に配列面から＋Ａ°または−Ａ°（Ａ＞０）に傾斜駆動させ、それら複数のマイクロミラーの反射光で光像を形成するマイクロミラー素子と、
   上記光源の発する光を用い、上記マイクロミラー素子の配列面の短辺方向に対して４５°未満の回旋方向より、入射角が（２Ａ＋α）°（α＞０）、となる照明光を上記マイクロミラー素子に入射する照明光学系と、
   上記マイクロミラー素子から出射する光像を入射し、投影対象に向けて投影する投影光学系と
   を具備したことを特徴とする投影装置。
2. 上記マイクロミラー素子の配列面の長辺・短辺・法線方向をそれぞれＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸とした座標系を設定して、上記光源の入射光軸を入射ベクトルＶin、上記光源をマイクロミラーから出射する光軸を出射ベクトルＶout、マイクロミラー素子２３が＋Ａ°傾斜した際の法線ベクトルをＶnとした場合に、
   Ｖout＊Ｘ軸ベクトル＝０
   Ｖout＝２（Ｖn＊Ｖin）＊Ｖn−Ｖin
   （但し、＊は、ベクトルの内積）
   を満たすことを特徴とする請求項１記載の投影装置。
3. 上記投影光学系の光線取込角度を（２Ａ＋２α）°としたことを特徴とする請求項１記載の投影装置。

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