JP2017129847A - 投写型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投写映像における不要光を低減し、高効率な光学系を実現した投写型映像表示装置を提供する。
【解決手段】本開示の投写型映像表示装置は、光源１２と、入射口に入射される光を投写する投写光学系９８と、光源から入射される光を投写レンズの入射口に向けて反射するオン状態と、光源から入射される光を投写光学系の入射口以外の方向に反射するオフ状態とに、映像信号に基づいて切替えるよう駆動される複数のミラーが、平板状の基体に設けられた光変調素子９６を備える。さらに、光変調素子を照射する光源から入射される光のうち、基体で反射されて投写光学系の入射口に入射する平面反射光となる光の波長成分を反射する波長選択フィルタ８０を備える。
【選択図】図１

Description

本開示は、投写型映像表示装置に関する。

ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）方式の単板式プロジェクタは、特許文献１に示されているように回転するカラーホイールにより時間的にＤＭＤに入射する光の色を選択しカラー表示を行う。この構成は比較的コンパクトに構成できる反面、常に光源からの光のうち一色しか使えないことから光利用率を大きく取ることが出来ないため、集光効率の向上が望まれている。

集光効率を上げるためにはシステム側の集光Ｆナンバーを小さくすることが望ましい。ただし、画像表示素子にＤＭＤを用いた場合、オフ（ＯＦＦ）光は投写レンズの入射瞳から大きくはずれるために問題ないが、ＤＭＤの微小ミラー以外の傾かない部分での反射光（ＤＭＤの前面ガラスでの反射光等）がオン（ＯＮ）光と隣接する位置に入射する。このときこの光線の一部や、散乱光や回折光がＯＮ光の入射部分、すなわち投写レンズの入射瞳に入射することで、投写映像に不要な光が進入してしまう。

この場合、上記不要光になりうる光束部を、金属板等で遮光することで対処すると、本来投写光に有効である部分も遮光してしまうこととなり、集光効率の低下の要因となる。

特開２０００−９８２７２号公報

本開示は、不要光の遮光と、有効光束の透過率維持の両立を実現する投写型映像表示装置を提供する。

本開示の投写型映像表示装置は、光源と、入射口に入射される光を投写する投写光学系と、光変調素子と、波長選択フィルタと、を備える。光変調素子は、光源から入射される光を投写光学系の入射口に向けて反射するオン状態と、光源から入射される光を投写光学系の入射口以外の方向に反射するオフ状態とに、映像信号に基づいて切替えるよう駆動される複数のミラーを、基体に有する。波長選択フィルタは、光変調素子を照射する光源から入射される光のうち、基体で反射されて投写レンズの入射口に入射する平面反射光となる光の波長成分を反射する。

本開示における投写型映像表示装置は、投写映像における不要光を低減し、高効率な光学系を実現するのに有効である。

実施の形態における投写型映像表示装置の光学系の構成を示す図 ＤＭＤでの入射光の反射状態を示す図 ＤＭＤにおける不要光発生のメカニズムを説明するための図 （ａ）（ｂ）Ｆナンバーの大きい照明光を用いた場合のＤＭＤでの入射光の反射状態を説明する図 （ａ）（ｂ）Ｆナンバーの小さい照明光を用いた場合のＤＭＤでの入射光の反射状態を説明する図 金属板の遮光絞りを用いた場合の投写レンズの入射瞳付近の照明状態を示した図 （ａ）カラーフィルタの遮光絞りを用いた場合の投写レンズの入射瞳付近の照明状態を示した図、（ｂ）ＤＭＤで反射したＯＮ光、フラット面反射光のスペクトルとカラーフィルタの特性を説明する図、（ｃ）カラーフィルタの遮光絞りを用いた場合の遮光領域におけるＯＮ光のスペクトルを示す図

以下では、本開示に係る実施の形態について、図面を参照しつつ説明を行う。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態）
以下、図１〜図７を参照して、実施の形態を説明する。

［１−１．構成］
［１−１−１．全体構成］
図１は、本実施の形態に係る投写型映像表示装置１００の光学構成を示す図である。この例では、投写型映像表示装置１００はプロジェクタである。

投写型映像表示装置１００は、照明装置１０と、映像生成部９０と、映像生成部９０によって生成された映像光をスクリーン（図示せず）へ投写する投写レンズ９８とを備える。

照明装置１０は、映像生成部９０に、均一で略平行光化した光を照射する。照明装置１０の詳細については後述する。

映像生成部９０は、レンズ９２と、全反射プリズム９４と、１枚のＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）９６とを備える。レンズ９２は、ロッドインテグレータ７２の出射面の光をＤＭＤ９６に結像させる機能を有している。レンズ９２を介して全反射プリズム９４に入射した光は、面９４ａによって反射され、ＤＭＤ９６へ導かれる。

ＤＭＤ９６は、図示しない制御部によって、複数のミラーそれぞれに入射する各色光のタイミングに合わせ、かつ、入力される映像信号に応じてオン（ＯＮ）・オフ（ＯＦＦ）制御され、映像信号を変調する。すなわち、ＤＭＤ９６は、光源から入射される光を投写レンズの入射口に向けて反射するオン状態と、光源から入射される光を投写レンズの入射口以外の方向に反射するオフ状態とに、映像信号に基づいて切替えるよう駆動される複数のミラーが、基体に設けられている。ＤＭＤ９６によって変調されて出射された光（映像光）は、全反射プリズム９４を透過して投写レンズ９８の入射口９８ａへ導かれる。本実施の形態では、ＤＭＤ９６として、対角サイズが例えば０．６７インチのＤＭＤを使用する。ＤＭＤ９６は、光変調素子の一例である。

投写レンズ９８は、入射口に入射される時間的に合成された映像光を、装置外部のスクリーン（図示せず）へ投写する。投写レンズ９８のＦナンバーは例えば１．７である。投写レンズ９８は、投写光学系の一例である。

［１−１−２．照明装置の構成］
図１に示すように、照明装置１０は、光源装置１２と、光源装置１２からの出射光を映像生成部９０へと導光する導光光学系７０とを備える。

第１のレーザモジュール２０および第２のレーザモジュール２６は、それぞれ５×５のマトリクス状に配置された、波長４５０ｎｍの青色レーザ光を出力する半導体レーザ素子２２および半導体レーザ素子２８と、半導体レーザ素子の一つ一つに設けられたコリメートレンズ２４およびコリメートレンズ３０とを備える。コリメートレンズ２４およびコリメートレンズ３０は、半導体レーザ素子から広がり角を持って出射した光を平行な光束に集光する機能を有している。第１のレーザモジュール２０および第２のレーザモジュール２６は、光源の一例である。

各レーザモジュールからの出射光は、ミラー３２によって空間的に合成される。第１および第２のレーザモジュールの各半導体レーザ素子は、いずれも等間隔に配置されているが、第１のレーザモジュール２０からの出射光と第２のレーザモジュール２６からの出射光は、ミラー３２上で異なる位置に入射するように、各レーザモジュールの位置が調整されている。そこで、ミラー３２は、第１のレーザモジュール２０からの出射光が入射される領域ではレーザ光に対して高透過となるＡＲ（Ａｎｔｉ‐Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：反射防止）コーティング、第２のレーザモジュール２６からの出射光が入射される領域ではレーザ光に対して高反射となるミラーコーティングが施されている。

ミラー３２によって合成されたレーザ光は、レンズ３４によって集光されながら、重畳される。レンズ３４によって集光された光は、ダイクロイックミラー４０に入射する前に、レンズ３６と拡散板３８を透過する。レンズ３６は、レンズ３４によって集光された光を、再び平行な光束に戻す機能を有し、拡散板３８は、レーザ光の干渉性を低減させるとともに、レーザ光の集光性を調整する機能を有する。

ダイクロイックミラー４０は、カットオフ波長を約４８０ｎｍに設定した色合成素子である。従って、レンズ３６によって略平行光化した光は、ダイクロイックミラー４０によって反射され、蛍光体ホイール１６へ照射される。

蛍光体ホイール１６は、投写される画像の１フレームの期間（例えば、１／６０秒）に対応して回転制御されており、その回転する基板上には、回転方向（周方向）に沿って、複数のセグメント（領域）を有する。各セグメント領域は、たとえば、赤色の蛍光発光部、緑色の蛍光発光部、切り欠きによって形成されたレーザ光透過部となっており、時間的にレーザ光への作用が変化する。

蛍光体ホイール１６の蛍光発光部である蛍光体領域に照射されたレーザ光は、レーザ光が照射された蛍光スポットにおいて緑色および赤色の蛍光光に変換されて、蛍光体ホイール１６から反射される。これら緑色および赤色の蛍光は、レンズ４４、４２によって平行光化されて、ダイクロイックミラー４０に戻り、ダイクロイックミラー４０を透過する。

一方、切欠き領域を透過した光（すなわち青色光）を、再びダイクロイックミラー４０に戻すために、光路にミラー５０、５２、５８を配置する。また、蛍光体ホイール１６を透過した青色光は、レンズ４２、４４によって集光されているため、レンズ４６、４８によって平行光化すると共に、延長された光路分をリレーするためのレンズ５４と、レーザ光の干渉性を更に低減させるための拡散板５６を光路に配置する。

蛍光体ホイール１６を透過し、光路をリレーされてダイクロイックミラー４０に戻った光は、ダイクロイックミラー４０によって反射される。このようにして、蛍光体ホイール１６を透過した光（青色光）の光路と反射した光（緑色光および赤色光）の光路とは、ダイクロイックミラー４０によって空間的に合成される。

ダイクロイックミラー４０によって合成された光は、レンズ６０によって集光され、光源装置１２からの出射光となる。

光源装置１２からの出射光（言い換えると、蛍光体ホイール１６からの光）は、ロッドインテグレータ７２へと入射される。ロッドインテグレータ７２は、入射面７２ａおよび出射面７２ｂを備えている。ロッドインテグレータ７２の入射面７２ａに入射した光源装置１２からの光は、ロッドインテグレータ７２内で照度がより均一化され、出射面７２ｂから出射する。出射面７２ｂから出射した光は、レンズ７４、７６にリレーされ、照明装置１０からの出力光となって、映像生成部９０に入射する。投写レンズ９８の入射瞳８４と共役な位置８２に、不要光を遮るための遮光絞り８０が配置されている。この遮光絞り８０は、後述するカラーフィルタであり、波長選択フィルタの一例である。

［１−２．動作］
以上のように構成された投写型映像表示装置１００について、その動作を以下説明する。投写型映像表示装置１００において、照明装置１０は、時間的に切り替わる赤色光、緑色光、青色光の３色の光を出力する。映像生成部９０は、照明装置１０から入射する光から映像光を生成する。投写レンズ９８は、入射口９８ａに入射される、生成された映像光をスクリーンへ拡大投写する。制御部（図示せず）は、映像生成部９０のＤＭＤ９６と、照明装置１０の蛍光体ホイール１６とを同期して制御する。制御部は、入力される映像信号に基づいて、各色光に対応した映像光を生成するように、ＤＭＤ９６を制御する。これにより、スクリーンへは、時分割に各色の映像光が投写される。ユーザは、スクリーンに投写される映像光を連続的に見ることで、映像として視認する。

ただし、この構成において、スクリーンの集光効率は、光源装置１２の発光体部の大きさ、出射光の広がり角とＤＭＤ９６の有効部の面積とＤＭＤ９６への入射光のコーン角の関係によって決まる。ここで、光源装置１２の発光部の大きさとは、赤色光と緑色光に関しては蛍光スポットの大きさであり、青色光に関しては拡散板３８に形成される２次光源像の大きさである。

ＤＭＤ９６への入射光のコーン角は、ＤＭＤ９６の微小ミラーの傾き角±αとなる。そして投写レンズ９８のＦナンバーは±α度の光を取り込める値となっている。

Ｆｐｌ＝１／（２×ｓｉｎ（α）） Ｆｐｌ：投写レンズのＦナンバー
このＦナンバーは入射してくる光を取り込めない大きな値であるときは光量損失を生じるので、上式が成立するとき、投写スクリーンへの集光効率を上げるためにはシステム側と投写レンズの双方の集光Ｆナンバーを小さくすることが望ましい。

図２は、ＤＭＤでの入射光の反射状態を示す図である。図２に示すように、ＤＭＤへの入射光は、ＯＮ光、フラット面反射光、ＯＦＦ光等に分けられて反射する。

図３は、ＤＭＤにおける不要光発生のメカニズムを説明するための図である。図３に示すように、ＯＮ光は、ＤＭＤ９６のマイクロミラー９６ａで反射され、投写レンズに入射して映像を形成する光であり、ＯＦＦ光は、ＤＭＤ９６のマイクロミラー９６ａで反射されるが、投写レンズに入射しないため映像を形成しない光である。光変調素子にＤＭＤ９６を用いた場合、図２、及び図３に示されるように、ＯＦＦ光は投写レンズの入射瞳８４から大きくはずれるため、ＯＮ光が形成する投写映像に影響せず問題とはならない。

しかし、図３に示すように、ＤＭＤ９６への入射光は、ＤＭＤ９６の前面ガラス９６ｃ、及び基体９６ｂに設けられるマイクロミラー９６ａ以外の傾かない平面部分でも反射する。前面ガラス９６ｃ及び基体９６ｂの平面部分での反射光を総称してフラット面反射光、または平面反射光と称す。即ち、フラット面反射光は、ＤＭＤ９６の前面ガラス９６ｃ以外に、マイクロミラー９６ａが設けられる基体９６ｂの平面部等においても発生し、不要光としてＯＮ光と隣接する位置に反射する。

図４（ａ）は、Ｆナンバーの大きい照明光を用いた場合のＤＭＤで反射したＯＮ光、フラット面反射光、ＯＦＦ光の照明状態を説明する図であり、図４（ｂ）は、この場合のＤＭＤでの入射光の反射状態を示す図である。図５（ａ）は、Ｆナンバーの小さい照明光を用いた場合のＤＭＤで反射したＯＮ光、フラット面反射光、ＯＦＦ光の照明状態を説明する図であり、図５（ｂ）は、この場合のＤＭＤでの入射光の反射状態を示す図である。

Ｆナンバーの大きい照明光を用いた場合は、図４（ａ）（ｂ）に示すように、フラット面反射光は、入射瞳８４と重ならず投写レンズに入射しないので、ＯＮ光が形成する投写映像に影響を与えない。これに対し、Ｆナンバーの小さい照明光を用いた場合は、図５（ａ）（ｂ）に示すように、フラット面反射光は、ＯＮ光と重なる部分（遮光領域Ａ）を生じる。このとき、フラット面反射光の一部や散乱光や回折光が、ＯＮ光の入射部分、すなわち投写レンズの入射瞳８４に入射し、投写映像に影響を与えてしまう。

ＯＦＦ状態（黒表示）の時においても、投写レンズ９８が入射口９８ａからフラット面反射光やＤＭＤ９６のエッジ部の反射光等を取り込んでしまうことから、投写映像に不要な光が進入してしまう。特に、黒表示時に、このようなフラット面反射光が進入すると著しく画質を損なうことになる。

このため、ＤＭＤのチルト角より大きい角度のコーン角の照明光を扱い、投写レンズもこれに合わせたＦナンバーとなっている場合、図１に示す入射瞳８４又は入射瞳８４と共役な位置８２に、金属板などで形成された遮光絞り８０を用いて光を遮り、予めフラット面反射光の進入を防止する必要がある。

図６は、遮光絞り８０として金属製の遮光板でフラット面反射光を遮るようにしたときの入射瞳８４付近における照明状態を表した図である。このように、フラット面反射光のうち、入射瞳８４に進入する部分を前もって遮光すると、ＯＮ光の一部も遮ることとなり、光の利用効率が低下することとなる。

そこで、本実施の形態においては、遮光絞り８０としてカラーフィルタを用いる。図７（ａ）は、カラーフィルタからなる遮光絞り８０によって、フィルタリングされる投写レンズの入射瞳の照明状態を示す。図７（ｂ）は、ＯＮ光とフラット面反射光のスペクトルの一例と、カラーフィルタの特性の一例を示している。フラット面反射光等の不要光は、上述したように、ＤＭＤ９６のマイクロミラー９６ａのエッジ部、基体９６ｂ及び前面ガラス９６ｃの面における反射光であり、ＯＮ光とは異なる光路を有しているため、原理的に、ＯＮ光とは異なったスペクトルを持つこととなる。たとえば、本実施の形態において、フラット面反射光は、ＯＮ光の白色光に対して、黄色〜赤色までを含むスペクトルとなっている。

ここで、図７（ｂ）の一点鎖線は遮光絞り８０に用いるカラーフィルタの特性である。この特性から分かるように、カラーフィルタである遮光絞り８０は、フラット面反射光の波長に対して透過率を低下させている。言い換えれば、カラーフィルタである遮光絞り８０は、フラット面反射光の波長成分を反射する。本実施の形態では、図７（ｂ）に示すように、フラット面反射光はＯＮ光の波長に対して長波長側にスペクトルを有するので、遮光絞り８０として長波長側の透過率が低いカラーフィルタを用いる。具体的には、カラーフィルタは、５４０ｎｍ付近に透過率の半値を有する。

この結果、図７（ａ）のＯＮ光の遮光領域Ａにおけるスペクトルは、図７（ｃ）に示すように、カラーフィルタによりフィルタリングされ、長波長領域の光の強度が大きく低下した光となる。即ち、カラーフィルタにより、図７（ｂ）に示すフラット面反射光は、カラーフィルタにより実質的にカットされている。

このカラーフィルタの、ＯＮ光のスペクトルに対する透過率は、たとえば約８０％を有する。遮光領域Ａが全体の約６％であるので、遮光絞り８０として金属板を用いた場合、ＯＮ光の透過効率は約９４％であるが、遮光絞り８０としてカラーフィルタを用いた場合、ＯＮ光の透過効率は約９８．８％に改善する。

このように、投写型映像表示装置１００は、ＤＭＤを照射する入射光のうち平面反射光となる光源からの光の一部が通過する光路に、平面反射光の波長成分を反射する波長選択フィルタを設け、平面反射光の投写レンズへの入射を抑制し、光の利用効率を高めている。

［１−３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、遮光絞り８０に、カラーフィルタを用いることで、フラット面反射光の投写レンズの入射瞳８４への進入を遮断し、ＯＮ光の利用効率を向上させることができる。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施の形態を例示する。

上記実施の形態では、フラット面反射光の一例として図７（ｂ）に示すスペクトルを説明した。しかしながら、フラット面反射光の分光特性は、使用される光変調素子によって異なる。したがって、カラーフィルタの透過特性は、図７（ｂ）に示すスペクトルに限定されない。例えば、フラット面反射光が青色付近の光もあわせて多く含む場合は、青色に関しても透過率の低いカラーフィルタを用いてよい。

また、上記実施の形態では、光源部に、５×５のマトリクス状に配置された半導体レーザ素子により構成されるレーザモジュールを例示したが、半導体レーザ素子の数および配置はこれに限定されるものではなく、半導体レーザ素子一つ当たりの光強度や、光源装置に所望される出力などに応じて適宜設定すればよい。また、レーザ光の波長も４５０ｎｍに限定されるものではなく、例えば、４０５ｎｍの光を出力する紫色半導体レーザ素子や、４００ｎｍ以下の紫外線光を出力する半導体レーザ素子などを用いてもよい。

上記実施の形態では、青色のレーザ光によって、セリウム付活ガーネット構造蛍光体を励起し、赤色および緑色を主波長とする光を発光する構成を例示したが、黄色や青緑色を主波長とする光を発光させる蛍光体を用いてもよい。

光変調素子サイズ、投写光学系のＦナンバー、蛍光体の種類、蛍光体に入射されるレーザ光強度に応じて、蛍光体上のレーザ光スポット径の最適値は多少変動するため、投写型映像表示装置の仕様に応じて、上記の実施の形態で示したパラメータの最適化手法に基づき、適宜最適な値を設定することができる。

本開示は、ＤＭＤ等の反射型光変調素子を用いた投写型映像表示装置に適用可能である。

１０ 照明装置
１２ 光源装置
１６ 蛍光体ホイール
２０，２６ レーザモジュール
２２，２８ 半導体レーザ素子
２４，３０ コリメートレンズ
３４，３６，４２，４４，４６，４８，５４，６０，７４，９２ レンズ
３２，５０ ミラー
３８，５６ 拡散板
４０ ダイクロイックミラー
７０ 導光光学系
７２ ロッドインテグレータ
８０ 遮光絞り
８２ 入射瞳と共役な位置
８４ 入射瞳
９０ 映像生成部
９４ 全反射プリズム
９４ａ 面
９６ ＤＭＤ
９６ａ マイクロミラー
９６ｂ 基体
９６ｃ 前面ガラス
９８ 投写レンズ
９８ａ 入射口
１００ 投写型映像表示装置

Claims (3)

1. 光源と、
   入射口に入射される光を投写する投写光学系と、
   前記光源から入射される光を前記投写光学系の前記入射口に向けて反射するオン状態と、前記光源から入射される光を前記投写光学系の前記入射口以外の方向に反射するオフ状態とに、映像信号に基づいて切替えるよう駆動される複数のミラーが、基体に設けられた光変調素子と、
   前記光変調素子を照射する前記光源から入射される光のうち、前記基体で反射されて前記投写光学系の前記入射口に入射する平面反射光の波長成分を反射する波長選択フィルタと、を備える、投写型映像表示装置。
2. 前記波長選択フィルタは、前記投写光学系の入射瞳と共役な位置に配置される、請求項１に記載の投写型映像表示装置。
3. 前記波長選択フィルタは、長波長側の透過率が低い特性を有する、請求項１又は２に記載の投写型映像表示装置。

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