JP2015184305A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型の投写型表示装置とする。
【解決手段】光源部１０１と、光源部１０１からの光束が入射する第１光学系１０３と、第１光学系１０３からの光束が入射する第２光学系１０４と、第２光学系１０４からの光束が入射する画像表示素子１０６と、画像表示素子１０６により光変調された光束による光学像をスクリーン１０８上に拡大投写する投写レンズ１０７とを有し、第２光学系１０４が、画像表示素子１０６から出射した光束を再び透過させ、投写レンズ１０７に入射させる構成となっている投写型表示装置１００であって、第１光学系１０３のパワーを有する光学素子は、光源部１０１側から順に、負レンズＬ１１、正レンズＬ１２、正レンズＬ１３からなるものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射型ライトバルブ、特に微小ミラーが配列されその微小ミラーを偏向させることで変調するＤＭＤを用いた投射型表示装置に関するものである。

近年、プロジェクタ市場はパソコンの普及とともに大きく伸びてきている。このプロジェクタに用いられるライトバルブ（画像表示素子）としては、透過型や反射型の液晶表示素子や微小ミラーが規則的に配列されたＤＭＤ（Digital Micromirror Device）素子等が知られているが、特に微少ミラーを用いたＤＭＤ素子は応答速度が高く、ＲＧＢそれぞれの照明光を時分割で順次単板のライトバルブに照射する構成が可能なため、小型化に向いている。

プロジェクタにおいて、ＤＭＤ素子をライトバルブとして用いた光学系では、大きく３つのタイプが知られている。１つ目は、全反射プリズムを用いて照明光束と投写光束とを分離するタイプであるが、全反射プリズムを用いるため、装置の大型化やコストアップにつながるという問題がある。２つ目は、投写レンズ縮小側を入射瞳位置とし、投写レンズをライトバルブに対し大きくシフトさせることにより照明光束と投写光束とを分離するタイプであるが、照明光束と投写光束とを完全に分離できないため、照度ムラが起こり、さらに拡大側への瞳位置が投写画像の中心に対し対称にならないという問題がある。

従って、プロジェクタの小型化を図る場合には、３つ目の、ライトバルブ近傍にフィールドレンズを配置して照明光と投写光とを分離するタイプが好ましい。このような構成を持つ投射型表示装置としては、特許文献１〜３に記載のものが知られている。

特許第４１５９８４０号明細書 特許第４５９９３９１号明細書 米国特許第７２０４６１３号明細書

しかしながら、特許文献１〜３に記載されている投射型表示装置では、いずれも装置全体の小型化についての方策が提案されていない。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、小型の投写型表示装置を提供することを目的とするものである。

本発明の投写型表示装置は、光源部と、光源部からの光束が入射する第１光学系と、第１光学系からの光束が入射する第２光学系と、第２光学系からの光束が入射する画像表示素子と、画像表示素子により光変調された光束による光学像をスクリーン上に拡大投写する投写レンズとを有し、第２光学系が、画像表示素子から出射した光束を再び透過させ、投写レンズに入射させる構成となっている投写型表示装置であって、第１光学系のパワーを有する光学素子は、光源部側から順に、負レンズ、正レンズ、正レンズから実質的になることを特徴とする。

本発明の投写型表示装置において、第１光学系は、少なくとも１つの反射光学素子を含むことが好ましい。

また、第２光学系は、２枚の正レンズから実質的になることが好ましい。

また、第２光学系の最も投写レンズ側の面が凹形状であることが好ましい。

また、光源部と第１光学系との間に、光源部からの光束の光軸と垂直な断面における光量分布の均一化を図るインテグレータ部を有することが好ましい。

なお、上記「〜から実質的になる」とは、構成要素として挙げたもの以外に、実質的にパワーを有さないレンズ、絞りやマスクやカバーガラスやフィルタ等のレンズ以外の光学要素、レンズフランジ、レンズバレル、撮像素子、手ぶれ補正機構等の機構部分、等を含んでもよいことを意図するものである。

また、上記のレンズの面形状や屈折力の符号は、非球面が含まれている場合は近軸領域で考えるものとする。

本発明の投写型表示装置は、光源部と、光源部からの光束が入射する第１光学系と、第１光学系からの光束が入射する第２光学系と、第２光学系からの光束が入射する画像表示素子と、画像表示素子により光変調された光束による光学像をスクリーン上に拡大投写する投写レンズとを有し、第２光学系が、画像表示素子から出射した光束を再び透過させ、投写レンズに入射させる構成となっている投写型表示装置であって、第１光学系のパワーを有する光学素子は、光源部側から順に、負レンズ、正レンズ、正レンズから実質的になるものとしたので、小型の投写型表示装置とすることが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる投写型表示装置（実施例１と共通）の構成図 本発明の実施例２の投写型表示装置の構成図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態にかかる投写型表示装置の構成図である。図１に示す構成例は、後述の実施例１の投写型表示装置の構成と共通である。

この投写型表示装置１００は、光源部１０１と、光源部１０１からの光束の光軸と垂直な断面における光量分布の均一化を図るインテグレータ部１０２と、インテグレータ部１０２からの光束が入射する第１光学系１０３と、第１光学系１０３からの光束が入射する第２光学系１０４と、第２光学系１０４からの光束が入射する画像表示素子としてのＤＭＤ１０６と、ＤＭＤ１０６の前方に配置される各種フィルタやカバーガラス等を想定した平行平面板状の光学部材１０５と、ＤＭＤ１０６により光変調された光束による光学像をスクリーン１０８上に拡大投写する投写レンズ１０７とを有し、第２光学系１０４が、ＤＭＤ１０６から出射した光束を再び透過させ、投写レンズ１０７に入射させる構成となっている。

第１光学系１０３のパワーを有する光学素子は、光源部１０１側から順に、負レンズＬ１１、正レンズＬ１２、正レンズＬ１３からなる。インテグレータ部１０２と第１光学系１０３との間隔を狭くした場合でも、第１光学系１０３の最も光源部１０１側のレンズＬ１１を負レンズとすることでインテグレータ部１０２からの光束をまず拡散した後、正レンズＬ１２および正レンズＬ１３で収束させることで照明光束（ＤＭＤ１０６への入射光束）を良好な状態とすることができる。従って、第１光学系１０３のレンズ配置を上記のような態様とすることで、光源部１０１から第１光学系１０３までの距離を短くすることが可能となるため、光学系全体を小型化することができる。

また、像面湾曲抑制のためにフィールドレンズの焦点距離を長くすると、第１光学系１０３から第２光学系１０４までの距離が長くなるが、第１光学系１０３のレンズ構成を上記のように光源部１０１側から順に負・正・正とすることで、第１光学系１０３から第２光学系１０４までの距離が長くなっても、光源部１０１から第１光学系１０３までの距離は短く保つことができるため、光学系全体が大型化するのを抑制することができる。

また、第１光学系１０３の最も第２光学系１０４側には、反射光学素子としてのミラー１０３Ｍが配されている。このように、ミラー１０３Ｍを用いて光源部１０１からの光束を曲げることにより、照明光束（ＤＭＤ１０６への入射光束）と投写光束（ＤＭＤ１０６からの出射光束）との角度を小さくした状態で、第１光学系１０３と投写レンズ１０７とを物理的に干渉させることなく配置することができるので、光学系全体を小型化することができる。

本実施形態の投写型表示装置１００において、フィールドレンズとして機能する第２光学系１０４は、２枚の正レンズＬ２１，Ｌ２２からなることが好ましい。このように２枚の正レンズから構成することによって、正レンズ１枚のみで構成した場合に比べて正のパワーを分散することができるため、像面湾曲を小さくすることができる。

なお、フィールドレンズにおいて特に投写レンズ１０７と対向する面に強いパワーの凸面があると、第１光学系１０３からの光束がこの凸面で反射して投写レンズ１０７へ入射し迷光となってしまうおそれがある。従って、これらのレンズＬ２１，Ｌ２２を縮小側（ＤＭＤ１０６側）に曲率半径の絶対値が小さい面を向けた正の屈折力を有するレンズとし、各レンズの投写レンズ１０７側面の凸のパワーを小さくすることで、迷光を少なくすることができる。

また、第２光学系１０４の最も投写レンズ１０７側の面が凹形状であることが好ましい。このような構成とすることで迷光をさらに少なくすることができる。

この投写型表示装置１００においては、光源１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂから各々出射された３原色光（Ｒ、Ｇ、Ｂ）が光源部１０１より時分割で順次出射され、光源部１０１より出射された光束はインテグレータ部１０２によって光束の光軸と垂直な断面における光量分布の均一化が図られ、第１光学系１０３内のミラー１０３Ｍで反射されＤＭＤ１０６に照射される。このとき、第１光学系１０３から出射した光は、投写レンズ１０７のフィールドレンズとして機能する第２光学系１０４を透過してＤＭＤ１０６に入射する。ＤＭＤ１０６においては、入射光の色の切り替わりに応じて、その色光用への変調切替が行われる。ＤＭＤ１０６により光変調された光は、第２光学系１０４を透過して投写レンズ１０７に入射する。投写レンズ１０７はＤＭＤ１０６により光変調された光による光学像をスクリーン１０８上に投写する。

なお、ＤＭＤ１０６に代えて他のライトバルブを用いることも可能であり、例えば、ライトバルブとして透過型液晶表示素子や反射型液晶表示素子を用いることも可能である。

次に、本発明の投写型表示装置の実施例について説明する。まず、実施例１の投写型表示装置について説明する。実施例１の投写型表示装置の構成図を図１に示す。また、実施例１の投写型表示装置における第１光学系のレンズデータを表１に示す。なお、表１に示す数値は、第１光学系のみの焦点距離が１．０となるように規格化されたものである。以下では、表中の記号の意味について、実施例１のものを例にとり説明するが、実施例２についても同様である。

表１のレンズデータにおいて、面番号の欄には最も光源部側の構成要素の面を１番目として像側に向かうに従い順次増加する面番号を示し、曲率半径の欄には各面の曲率半径を示し、面間隔の欄には各面とその次の面との光軸Ｚ上の間隔を示す。また、ｎｄの欄には各光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を示し、νｄの欄には各光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数を示す。ここで、曲率半径の符号は、面形状が物体側に凸の場合を正、像側に凸の場合を負としている。

次に、実施例２の投写型表示装置について説明する。実施例２の投写型表示装置の構成図を図２に示す。また、実施例２の投写型表示装置における第１光学系のレンズデータを表２に、非球面係数に関するデータを表３に示す。なお、表２，３に示す数値は、第１光学系のみの焦点距離が１．０となるように規格化されたものである。

表２のレンズデータでは、非球面の面番号に＊印を付しており、非球面の曲率半径として近軸の曲率半径の数値を示している。表３の非球面係数に関するデータには、非球面の面番号と、これら非球面に関する非球面係数を示す。非球面係数は、下記式で表される非球面式における各係数ＫＡ、Ａｍ（ｍ＝４，６…１２）の値である。

Ｚｄ＝Ｃ・ｈ^２／｛１＋（１−ＫＡ・Ｃ^２・ｈ^２）^１/２｝＋ΣＡｍ・ｈ^ｍ
ただし、
Ｚｄ：非球面深さ（高さｈの非球面上の点から、非球面頂点が接する光軸に垂直な平面に
下ろした垂線の長さ）
ｈ：高さ（光軸からの距離）
Ｃ：近軸曲率半径の逆数
ＫＡ、Ａｍ：非球面係数（ｍ＝４，６…１２）

以上、実施形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、各レンズの曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数の値は、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

また、本発明の投写型表示装置としても、上記構成のものに限られるものではなく、例えば、用いられるライトバルブや、光束分離または光束合成に用いられる光学部材は、上記構成に限定されず、種々の態様の変更が可能である。

１００ 投写型表示装置
１０１ 光源部
１０２ インテグレータ部
１０３ 第１光学系
１０４ 第２光学系
１０５ 光学部材
１０６ ＤＭＤ
１０７ 投写レンズ
１０８ スクリーン
Ｌ１１〜Ｌ２２ レンズ

Claims (5)

1. 光源部と、
   該光源部からの光束が入射する第１光学系と、
   該第１光学系からの光束が入射する第２光学系と、
   該第２光学系からの光束が入射する画像表示素子と、
   該画像表示素子により光変調された光束による光学像をスクリーン上に拡大投写する投写レンズとを有し、
   前記第２光学系が、前記画像表示素子から出射した光束を再び透過させ、前記投写レンズに入射させる構成となっている投写型表示装置であって、
   前記第１光学系のパワーを有する光学素子は、前記光源部側から順に、負レンズ、正レンズ、正レンズから実質的になる
   ことを特徴とする投写型表示装置。
2. 前記第１光学系は、少なくとも１つの反射光学素子を含む
   請求項１記載の投写型表示装置。
3. 前記第２光学系は、２枚の正レンズから実質的になる
   請求項１または２記載の投写型表示装置。
4. 前記第２光学系の最も投写レンズ側の面が凹形状である
   請求項１から３のいずれか１項記載の投写型表示装置。
5. 前記光源部と前記第１光学系との間に、前記光源部からの光束の光軸と垂直な断面における光量分布の均一化を図るインテグレータ部を有する
   請求項１から４のいずれか１項記載の投写型表示装置。