JP2017106953A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回折光の影響を排除することができる投射光学系を備える画像表示装置を提供する。
【解決手段】 反射型画像表示素子を有し、反射型画像表示素子は、画素に対応する可動ミラーが複数配列されていて、可動ミラーは、反射型画像表示素子に入射する光線の進行方向を変えて、オンとオフとを表現し、幾何光学的にオンの場合の可動ミラーで反射された光は、投射面に到達し、オンのときの、投射光学系の入射瞳における照度分布の略中央に遮光部材を有する、画像表示装置による。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示装置に関するものである。

反射型空間光変調素子の一種であるＤＭＤ（Ｄｉｄｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いた画像表示装置（プロジェクタ）が知られている。ＤＭＤは、チルト可能な微小ミラーが配列されている。各微小ミラーは、それぞれの傾斜を個別に制御可能な構成を備える。ＤＭＤを用いたプロジェクタは、ＤＭＤの各微小ミラーが「オン」状態のときの光が画像の表示に寄与するような構造を備えている。

ＤＭＤの微小ミラーが「オフ」のとき、その微小ミラーにより反射された光は、画像の表示に不要な光である。しかし、微小ミラーにより生ずる回折光は、微小ミラーがオフであっても、プロジェクタの投射光学系に入射することがある。通常、オフの微小ミラーに対応する画素は黒表示であるが、上記のような回析光が投射光学系に入射すると、いわゆる「黒浮き」になり、表示画像のコントラスト比を低下させて、画像の質を低下させる。

不要な回折光が投射光学系へ入射することを防ぐために、レンズ面に遮光部材を備えるプロジェクタが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１のプロジェクタにおける遮光部材は、投射光学系が備えるレンズのレンズ面に遮光部材を設けるものである。回析光による表示画像への悪影響をより効果的に低下させるには、遮光部材にさらなる改善が必要である。

本発明は、投射光学系に設ける遮光部材によって、回析光による表示画像のコントラスト比への影響を低下させることができる画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、反射型画像表示素子を有する画像表示装置であって、前記反射型画像表示素子は、画素に対応する可動ミラーが複数配列されていて、前記可動ミラーは、前記反射型画像表示素子に入射する光線の進行方向を変えて、オンとオフとを表現し、幾何光学的にオンの場合の前記可動ミラーで反射された光は、投射面に到達し、前記オンのときの、投射光学系の入射瞳における照度分布の略中央に遮光部材を有する、ことを主な特徴とする。

本発明によれば、投射光学系に設ける遮光部材によって、回析光による表示画像のコントラスト比への影響を低下させることができる。

本発明に係る画像表示装置の実施形態の例を示す光学配置図である。 上記画像表示装置が備える絞りの例を示す平面図である。 上記画像表示装置におけるオン光の光線追跡シミュレーションの例を示す図である。 上記画像表示装置が備える絞りの設置位置におけるオン光による照度分布の例を示す図である。 上記画像表示装置が備えるランプ光源の例を示す斜視図である。 上記画像表示装置におけるオフ光の光線追跡シミュレーションの例を示す図である。 上記画像表示装置における回析光の光線追跡シミュレーションの例を示す図である。 上記絞りの設置位置における回析光による照度分布の例を示す図である。 上記絞りの設置位置に遮光部材を配置したときのオン光による照度分布の例を示す図である。 上記絞りの設置位置に遮光部材を配置したときの回析光による照度分布の例を示す図である。 上記遮光部材の例を示す平面図である。 上記遮光部材を配置したときのオン光による照度分布の別の例を示す図である。 上記遮光部材を配置したときの回析光による照度分布の別の例を示す図である。 上記絞りの設置位置に上記遮光部材とは異なる形状の遮光部材を配置したときのオン光による照度分布の別の例を示す図である。 上記絞りの設置位置に上記遮光部材とは異なる形状の遮光部材を配置したときのオフ光による照度分布の別の例を示す図である。 上記絞りの設置位置に上記遮光部材とはさらに異なる形状の遮光部材を配置したときのオン光による照度分布の別の例を示す図である。 上記絞りの設置位置に上記遮光部材とはさらに異なる形状の遮光部材を配置したときのオフ光による照度分布の別の例を示す図である。 上記画像表示装置が備える遮光部材のさらに別の例を示す斜視図である。 上記画像表示装置が備える遮光部材のさらに別の例を示す平面図である。 上記画像表示装置が備える遮光部材のさらに別の例を示す平面図である。 上記画像表示装置が備える遮光部材のさらに別の例を示す平面図である。 上記画像表示装置が備える遮光部材のさらに別の例を示す平面図である。 上記画像表示装置が備える遮光部材のさらに別の例を示す平面図である。 上記画像表示装置が備える遮光部材のさらに別の例を示す平面図である。

●画像表示装置の概要●
以下、本発明に係る画像表示装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る画像表示装置の実施形態であるプロジェクト光学系１００の例を示す光学配置図である。図１に示すように、プロジェクト光学系１００は、テレセントリック光学系である。プロジェクト光学系１００は、光源光学系１０と、照明光学系２０と、反射型画像表示素子であるＤＭＤ３０と、投射光学系４０と、を有してなる。

光源光学系１０は、ランプ光源１１と、防爆ガラス１２と、カラーホイール１３と、ライトトンネル１４と、を有してなる。

照明光学系２０は、四枚のリレーレンズすなわち第１リレーレンズ２１、第２リレーレンズ２２、第３リレーレンズ２３、および第４リレーレンズ２４と、折り返しミラー２５と、全反射プリズム２６と、を有してなる。

ＤＭＤ３０は、二次元的に配列された微小ミラーを備える反射型空間光変調素子である。ＤＭＤ３０の微小ミラーの１つ１つは、個別に傾斜（チルト）可能な構造を備える。各微小ミラーは、表示画像の画素に対応する。オン状態の微小ミラーで反射された光は、投射光学系４０に入射し、オフ状態の微小ミラーで反射された光は投射光学系４０に入射しないように設定されている。

投射光学系４０は、複数の投射レンズ群と、絞り６０と、を有してなる。投射光学系４０を構成する投射レンズ群と絞り６０は、鏡筒によって所定の状態で保持されている。

ランプ光源１１からＤＭＤ３０までの光学素子は、金属製またはプラスチック製のハウジングで保持されている。投射光学系４０の鏡筒は、前記のハウジングに固定されている。

プロジェクト光学系１００は、ランプ光源１１から出射された光に対して、カラーホイール１３を用いて所定のカラー化を行う。カラー化された光は、ライトトンネル１４において照度が均一化されて出射される。ライトトンネル１４の出射口は、照度分布が均一の面光源のようになり、ＤＭＤ３０の反射面と共役である。ライトトンネル１４から出射された光は、照明光学系２０で導光されてＤＭＤ３０の微小ミラーの反射面が配列されている面を照明する。

ＤＭＤ３０は、すでに説明したように配列された微小ミラーを有していて、各微小ミラーは表示画像の画素に対応するようになっている。照明光学系２０によって照明されるタイミングと各微小ミラーの傾斜タイミングを制御することで、画像を形成するための画像光が投射光学系４０に入射する。この画像光を投射光学系４０から被投射面（スクリーン）に拡大投射することで、画像が表示される。

プロジェクト光学系１００は、上記のような動作を行うために制御回路、電源回路などを備え、これら以外にも動作を安定させるための放熱フィンや冷却ファンを、上記の筺体内に有する。

投射光学系４０は、絞り６０を備えている。絞り６０は、投射光学系４０の入射瞳の位置に設けられている。絞り６０は、図２に示すように、光軸ＬＸの方向から見た形状がドーナツ形状である。

図３は、図１に示したプロジェクト光学系１００を用いた光線追跡シミュレーションの例である。図３において、ＤＭＤ３０で反射された反射光５０は、ＤＭＤ３０の微小ミラーが全てオン状態のときのものである。すなわち、図３に示す反射光５０は、「オン光５１」である。なお、図３に示した光線追跡シミュレーションは、幾何光学に基づくものである。

すでに説明のとおり、ＤＭＤ３０は多数の画素（微小ミラー）の配列によって構成されている。この配列された微小ミラーの反射面が画像形成面を構成する。図３の光線追跡シミュレーションは、微小ミラーが全てオン状態のときのものであるから、オン光５１が被投射面に投射されると、表示される画像は全面白色の画像である。

次に、絞り６０の設置位置における照度分布について説明する。以下の説明に用いられる照度分布は、白い部分ほど照度が高く、黒いほど照度が低いことを示す。図３に示した光線追跡シミュレーションに基づく照度分布は、図４のようになる。図４の照度分布から明らかなように、ＤＭＤ３０の画像形成面からの反射がオン光５１のみであっても、絞り６０の設置位置における照度分布は、絞り６０の中央部分と外周部分の照度が低く、その間の照度が高くなる。

図４に示すような照度分布になる原因は、ランプ光源１１にある。図５は、ランプ光源１１を出射口側から見た斜視図である。図５に示すように、ランプ光源１１はリフレクタ１１１の中心部分に発光管１１２が配置されている。発光管１１２から発した光は、リフレクタ１１１の内面の反射壁により反射されて、ライトトンネル１４の方向に出射される（図３参照）。このとき、ランプ光源１１から出射される光に対して発光管１１２が影になる。この発光管１１２による影の影響で、ランプ光源１１から出射された光を用いてＤＭＤ３０から投射光学系４０にオン光５１が入射しても、絞り６０の中央部分の照度は、その周囲に比べて低くなる。すなわち、ランプ光源１１の構造に起因して、オン光５１の照度分布は中央部分において照度が低くなり、照度分布の落ち込みが生ずる。

図６は、図１に示したプロジェクト光学系１００を用いた光線追跡シミュレーションの別の例を示す。図６において、ＤＭＤ３０で反射された反射光５０は、ＤＭＤ３０が備える微小ミラーが全てオフ状態のときのものである。すなわち、図６に示す反射光５０は、「オフ光５２」である。なお、図６に示した光線追跡シミュレーションも、幾何光学に基づいているものである。

図６の光線追跡シミュレーションは、微小ミラーが全てオフ状態のときのものであるから、オフ光５２は投射光学系４０に入射しない。したがって、このときに被投射面に表示される画像は、全面黒色の画像である。この場合、絞り６０の位置における照度分布は形成されない。

ここで、ＤＭＤ３０の微小ミラーが全てオフのとき、すなわち、ＤＭＤ３０で反射される反射光５０が全てオフ光５２になる場合において、ＤＭＤ３０で生ずる回析のシミュレーション結果の例を図７に示す。通常、幾何光学に基づいた光線追跡シミュレーションでは、回折を計算することはできない。図７に示したシミュレーション結果は、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ―Ｄｏｍａｉｎ）法よりＤＭＤ３０の回折を計算し、その計算結果を光線追跡計算に取り込んだものである。

図６に示した光線追跡シミュレーションでは投射光学系４０に入射する反射光５０はなかった。しかし、図７に示すように、オフ光５２とは異なる方向に回折光５３が生じて、これが投射光学系４０に入射する。したがって、ＤＭＤ３０の微小ミラーが全てオフであっても、ＤＭＤ３０が照明されると絞り６０の設置位置において、回折光５３による照度分布が生ずる。

図８は、図７に示す光線追跡シミュレーションに基づく絞り６０の設置位置における照度分布の例である。図８に示すように、回折光５３による絞り６０の設置位置の照度分布は、ＤＭＤ３０から投射光学系４０に入射する光が全てオン光５１であったときの絞り６０の設置位置における照度分布（図４参照）と比較すると、異なる部分はあるが重なる部分もある。したがって、回折光５３は、オン光５１のように投射光学系４０から被投射面へ投射されて、表示画像に紛れる。なお、照度の大きさを比較すると、オン光５１のほうが回折光５３よりも２〜３桁ほど大きい照度である。

以上を整理すると、通常、ＤＭＤ３０の微小ミラーがオフのときは、その微小ミラーによる反射光５０は図６に示すようにオフ光５２になる。したがって、投射光学系４０に入射する光は生じない。すなわち、全ての微小ミラーがオフであれば、被投射面に到達する光はなく、被投射面に表示される画像は、全面黒画像のはずである。しかし、上記のような回折光５３が生ずるので、全ての微小ミラーがオフであっても、回折光５３が被投射面に到達し、いわゆる「黒浮き」を起こす。黒浮きが起きると、表示画像のコントラスト比を下げることになる。

なお、コントラスト比は、以下の式１のように、全白画面と全黒画面との照度比で求められる。

（式１） コントラスト比＝全白照度/全黒照度

なお、ＤＭＤ３０の微小ミラーがオンのときであっても、回折光５３は生ずる。この場合の回折光５３は、オン光５１と一緒に投射光学系４０に入射して被投射面に投射される。回折の次数により回折角が大きくて投射光学系４０に入射しない回折光５３もあるので、光利用効率を下げる要因になる。しかし、この場合の回折光５３はコントラスト比に大きな影響を与えるものではない。

被投射面に表示される画像のコントラスト比を高めるには、オン光５１を減らさず、オフ時の回折光５３を減らすことが重要である。つまり、上記式１における分子の大きさは変えず分母を小さくすることが重要である。

投射光学系４０の絞り６０に非対称形状のものを用いることで、回折光５３が強い部分だけを遮光する方法もあり得るが、この場合、絞り６０の周辺部分における回折光５３は遮光できるが入射瞳の中央部分の回折光５３は遮光できない。

そこで、本実施形態に係るプロジェクト光学系１００では、投射光学系４０の入射瞳の中央部分を遮光できる遮光部材７０を備える。プロジェクト光学系１００の遮光部材７０は絞り６０を一体的に設ける。図９は、ＤＭＤ３０の微小ミラーが全てオン状態のときのオン光５１による絞り６０の設置位置に遮光部材７０を設けた場合の照度分布の例である。図１０は、ＤＭＤ３０の微小ミラーが全てオフ状態のときの回折光５３による絞り６０の設置位置に遮光部材７０を設けた場合の照度分布の例である。

すでに説明のとおり、ＤＭＤ３０の微小ミラーが全てオンのときのオン光５１による照度分布は、ランプ光源１１の構造の影響により、中央部分の照度が低い。そこで、この部分に遮光部材７０を設けても全体の照度を低下させるような影響は小さい。一方、ＤＭＤ３０の微小ミラーが全てオフのときの回折光５３による絞り６０の照度分布は、中央付近において照度が高い部分もある。そこで、この中央部分に相当する位置に遮光部材７０を設ければ、回折光５３を効率的に遮光することができる。

すなわち、遮光部材７０を絞り６０の設置位置に設けることで、オン光５１の照度は下げることなく、回折光５３の照度を下げることができる。これによって、全体的な明るさは低下させずに、コントラスト比を向上させるプロジェクト光学系１００を実現できる。

遮光部材７０による遮光領域が大きいほど、コントラスト比は向上するが、全体的な照度は低くなる。したがって、コントラスト比の向上と回折光５３の遮光度合いとの関係はトレードオフになるから、遮光部材７０によって遮光する領域の広さは、所望の仕様に応じて最適に設計すればよい。

次に、遮光部材７０の構造の例について説明する。図１１は、絞り６０に遮光部材７０を一体的に設けた例を示す。遮光部材７０は、遮光部７１と支持部７２を有してなる。図１１において、支持部７２は絞り６０の内周壁から中心部に向かって延びる梁状の部材である。遮光部７１は、支持部７２の先端に取り付けられている。なお、支持部７２は、図１１に示したように一つに限るものではなく、複数であってもよい。例えば、絞り６０の内周壁において９０°間隔で４本あってもよいし、１２０度間隔で３本あってもよい。

図４を用いて説明したとおり、オン光５１による照度分布の落ち込みは円形に近い。円形の遮光部材７０を用いた場合の照度分布の例を図１２と図１３に示す。図１２は、図３に示した光線追跡シミュレーションに基づく、遮光部材７０を設けた絞り６０の設置位置における照度分布の例である。図１３は、図７に示した光線追跡シミュレーションに基づく、遮光部材７０を設けた絞り６０の設置位置における照度分布の例である。すなわち、図１２は、投射光学系４０にオン光５１が入射したときの絞り６０の設置位置における照度分布であり、図１３は、投射光学系４０に回折光５３が入射したときの絞り６０の設置位置における照度分布である。

図１２および図１３に示すように、遮光部材７０を絞り６０の位置に設置することで、オン光５１における照度の落ち込み部分以外は遮光せずに（オン光５１の光量の低下は抑えながら）、回折光５３のみを遮光することができる。

なお、遮光部材７０を構成する遮光部７１の形状は、図１１に示したような円形に限るものではなく、楕円形であってもよい。図１４は、図３に示した光線追跡シミュレーションに基づく、遮光部材７０を設けた絞り６０の設置位置における照度分布の別の例である。図１５は、図７に示した光線追跡シミュレーションに基づく、遮光部材７０を設けた絞り６０の設置位置における照度分布の別の例である。図１４及び図１５に示す照度分布は、絞り６０が備える遮光部材７０の遮光部７１の形状が楕円形の場合である。図１４および図１５に示すように、楕円形の遮光部７１を備える遮光部材７０を絞り６０の位置に設置しても、上記と同様に、オン光５１の光量の低下は抑えながら、回折光５３のみを遮光することができる。

また、遮光部材７０を構成する遮光部７１の形状は、矩形であってもよい。図１６は、図３に示した光線追跡シミュレーションに基づく、遮光部材７０を設けた絞り６０の設置位置における照度分布の別の例である。図１７は、図７に示した光線追跡シミュレーションに基づく、遮光部材７０を設けた絞り６０の設置位置における照度分布の別の例である。図１６及び図１７に示す照度分布は、絞り６０が備える遮光部材７０の遮光部７１の形状が楕円形の場合である。図１６および図１７に示すように、矩形の遮光部７１を備える遮光部材７０を絞り６０の位置に設置しても、上記と同様に、オン光５１の光量の低下は抑えながら、回折光５３のみを遮光することができる。

また、絞り６０の完全な中央に遮光部７１を配置しなくても、照度分布の落ち込み部分に相当する位置に遮光部７１を配置すればよい。

図１２から図１７に示した照度分布から明らかなように、遮光部材７０を設置すると遮光部７１以外の支持部７２でも遮光される。この支持部７２によってもオン光５１の損失が生ずる。また、投射光学系４０に入射した光の熱により、遮光部材７０が変形する可能性もある。そこで、これを回避するために、図１８及び図１９に示すように、遮光部材７０を透明基板（ガラス基板８０）の表面に設ける。

図１８及び図１９に示すように、ガラス基板８０の表面に設けて遮光部材７０を構成すれば、支持部７２は不要になる。遮光部７１は円形のガラス基板８０の中央部分を墨塗りにして設ける。または、円形のガラス基板８０の中央部分に黒色の色素を蒸着させて遮光部７１を形成する。ガラス基板８０は平板であるから、曲率を有するレンズと異なり、遮光部７１を精度よく形成することは、比較的簡易な方法で行える。

図１８及び図１９に示した遮光部材７０を絞り６０と一体的に設置することで、図１２から図１７を用いて示した遮光部材７０に比べて、支持部７２に相当する部分におけるオン光５１の光量の低下を防ぐことができる。

なお、遮光部７１は、ガラス基板８０のどちらの面に形成してもよい。

また、ガラス基板８０の中央部分に形成する遮光部７１の平面形状は、図１９に示したような円に限られるものではない。図２０に示すような楕円であってもよいし、図２１に示すような矩形であってもよい。

また、遮光部材７０における遮光部７１を複数設けても良い。例えば、図２２（ａ）に示すように、第１遮光部７１１をガラス基板８０の中央部分に設ける。また、図２２（ｂ）に示すように、第２遮光部７１２をガラス基板８０の外周の縁部分に設ける。これらを合わせて、図２２（ｃ）に示すように、照度分布の中央部分と外周部分を遮光する遮光部７１を備える遮光部材７０を得ることができる。

なお、図２２に示した遮光部材７０を形成するときは、第１遮光部７１１と第２遮光部７１２を順次形成してもよいし、同時に形成してもよい。図２２に示した遮光部材７０のように、複数の遮光部７１を有することにより、オフ時の回折光５３をより低減でき、かつ、コントラスト比を向上させることができる。

また、図２３に示すように、第２遮光部７１２をガラス基板８０の外周の半分（片側）にだけに設けてもよい。図８を用いて説明したとおり、回折光５３の照度分布は絞り６０の設置位置において、光軸ＬＸ（図１参照）の片側が高く、不均一な照度分布になる。そこで、回折光５３の照度が高い方に第２遮光部７１２を設けるようにする。これによって、オン光５１の遮光を少なくし、回折光５３の遮光を効果的に行うことができる。

また、図２４に示すように、第１遮光部７１１と第２遮光部７１２の間に、同心円の第３遮光部７１３を設けてもよい。

以上説明した本実施形態にプロジェクト光学系１００は、投射光学系４０が備える絞り６０の設置位置の照度分布を改善することで、表示画像のコントラスト比をより改善することができる。具体的には、回折光５３を効率的に遮光する遮光部材７０を絞り６０の設置位置に設けることで、回折光５３による表示画像のコントラスト比への影響を効果的に下げることができる。

これによって、プロジェクト光学系１００は、表示画像における黒浮きを抑え、画質の高い画像を表示することができる。

１０ 光源光学系
２０ 照明光学系
３０ ＤＭＤ
４０ 投射光学系
５０ 反射光
５１ オン光
７０ 遮光部材

中国特許出願公開第１０３６７６０９０号明細書

Claims (5)

1. 反射型画像表示素子を有する画像表示装置であって、
   前記反射型画像表示素子は、画素に対応する可動ミラーが複数配列されていて、
   前記可動ミラーは、前記反射型画像表示素子に入射する光線の進行方向を変えて、オンとオフとを表現し、
   幾何光学的にオンの場合の前記可動ミラーで反射された光は、投射面に到達し、
   前記オンのときの、投射光学系の入射瞳における照度分布の略中央に遮光部材を有する、
   ことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記遮光部材は、透明基板上に設けられている、
   請求項１記載の画像表示装置。
3. 前記遮光部材を、複数である、
   請求項１または２記載の画像表示装置。
4. 前記遮光部材は、円形である、
   請求項１乃至３のいずれかに記載の画像表示装置。
5. 前記遮光部材は、円周状に部分的に設けられている、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の画像表示装置。