JP2018081203A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部全反射プリズムを有する投写型表示装置の光学性能を向上させる。【解決手段】投写型映像表示装置１０は、ＤＭＤ１１０から出射される映像光ＲをＴＩＲプリズム１００（内部全反射プリズム）と投写レンズ１３０とを介して投光する。投写型映像表示装置１０において、ＴＩＲプリズム１００と投写レンズ１３０との間の光路上に映像光Ｒを透過する透過板１２０が配置されている。ＴＩＲプリズム１００は、第１面１０１ａを有する第１プリズム１０１と、第１面１０２ａを有する第２プリズム１０２とを備える。第１面１０１ａ及び第１面１０２ａは、空気層１０４を介して互いに平行または略平行に対向し、かつＴＩＲプリズム１００に入射する映像光Ｒの光軸Ａｃに垂直な基準平面Ｐｐに対して傾斜している。透過板１２０は、基準平面Ｐｐに対して、第１面１０１ａ及び第１面１０２ａが傾斜している側と同じ側に傾斜している。【選択図】図２

Description

本開示は、内部全反射プリズムを有する投写型表示装置に関する。

特許文献１は、ＴＩＲプリズム（内部全反射プリズム）を有するプロジェクタ装置を開示している。

特開２０１２−２１５６５６号公報

特許文献１の内部全反射プリズムでは、空気層の形状が楔形状に形成されているため、内部全反射プリズムに対する入射前後で光線角度が変化し、新たな非点収差が発生する。

本開示は、内部全反射プリズムを有する投写型表示装置の光学性能を向上させることを目的とする。

本開示の投写型表示装置は、映像生成部から出射される映像光を内部全反射プリズムと投写レンズとを介して投光する。投写型表示装置において、内部全反射プリズムと投写レンズとの間の光路上に映像光を透過する透過板が配置されている。内部全反射プリズムは、第１の面を有する第１のプリズムと、第２の面を有する第２のプリズムとを備える。第１の面及び第２の面は、空気層を介して互いに平行または略平行に対向し、かつ内部全反射プリズムに入射する映像光の光軸に垂直な基準平面に対して傾斜している。透過板は、基準平面に対して、第１の面及び第２の面が傾斜している側と同じ側に傾斜している。

本開示では、内部全反射プリズムと投写レンズとの間の光路上に、内部全反射プリズムの第１の面及び第２の面が傾斜している側と同じ側に傾斜させた透過板を設けたため、内部全反射プリズムの空気層で発生する収差を補正することができる。そのため、内部全反射プリズムを有する投写型表示装置の光学性能を向上させることができる。

実施の形態１における投写型映像表示装置の構成を示す図 実施の形態１における投写型映像表示装置の要部を示す図 光軸に対する光線の角度と光路長差との関係を説明する図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。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１）
以下、図１〜図４を用いて、実施の形態１を説明する。

［１−１．構成］
［１−１−１．投写型映像表示装置の概要］
図１は、実施の形態１における投写型映像表示装置１０の構成を示す図である。光源から出射された照明光ＲＬは、内部全反射プリズム１００（以下「ＴＩＲプリズム１００」という）の第１プリズム１０１に、その第３面１０１ｃから入射し、第１プリズム１０１を通してデジタルマイクロミラーデバイス１１０（以下「ＤＭＤ１１０」という）に入射する。ＤＭＤ１１０に入射した照明光ＲＬは、マイクロミラーによって反射されるとともに、反射される際に各マイクロミラーの向きが映像信号に基づいて制御されることで映像光Ｒに変調されて出射される。映像光Ｒは、ＴＩＲプリズム１００の第１プリズム１０１及び第２プリズム１０２を透過後、透過板１２０を透過して、投写レンズ１３０に入射する。投写レンズ１３０は、映像光Ｒをスクリーン２００に拡大投写する。

［１−１−２．投写型映像表示装置の要部の構成］
図２は、実施の形態１における投写型映像表示装置１０の要部を示す図である。第１プリズム１０１及び第２プリズム１０２は、それぞれ、屈折率１．５１６の光学ガラスからなる三角プリズムで構成される。第１プリズム１０１の第１面１０１ａと第２プリズム１０２の第１面１０２ａは、ガラスビーズを含んだ接着剤によって互いに接着される。これにより、第１プリズム１０１の第１面１０１ａと第２プリズム１０２の第１面１０２ａとは５μｍ程度の空気層１０４（ガラスビーズを含んだ接着剤層）を介して、互いに平行に対向する。これにより、第１プリズム１０１の境界面（第１面１０１ａ）に臨界角より大きい角度で入射した照明光ＲＬは、第１プリズム１０１を構成するガラスの屈折率と空気層１０４の屈折率の差により全反射される。

第１プリズム１０１の第２面１０１ｂ及び第２プリズム１０２の第２面１０２ｂは、それぞれ、ＤＭＤ１１０の出射面１１０ａに平行に配置されている。一方、第１プリズム１０１の第１面１０１ａ及び第２プリズム１０２の第１面１０２ａは、ＤＭＤ１１０の出射面１１０ａに対して角度α傾斜している。角度αは例えば３３度である。ここで、映像光Ｒの中心軸（以下適宜、映像光Ｒの「光軸Ａｃ」という）に基づいて説明した場合、第１プリズム１０１の第１面１０１ａ及び第２プリズム１０２の第１面１０２ａは、ＴＩＲプリズム１００に入射する映像光Ｒの光軸Ａｃに垂直な基準平面Ｐｐに対して角度α傾斜しているということができる。

透過板１２０は、屈折率１．５１６の材料を使用した厚み１ｍｍの平板ガラスである。なお、透過板１２０は、ガラス以外の光を透過する材料を使用して形成されてもよい。透過板１２０は、ＴＩＲプリズム１００の空気層１０４によって生じる光路長差を補正するために設けられている。透過板１２０は、ＤＭＤ１１０の出射面１１０ａに対して角度β傾斜している。ここで、映像光Ｒの光軸Ａｃに基づいて説明した場合、透過板１２０は、ＴＩＲプリズム１００に入射する映像光Ｒの光軸Ａｃに垂直な基準平面Ｐｐに対して角度β傾斜しているということができる。なお、角度βについて傾斜角βという場合がある。角度βは例えば１１度である。透過板１２０は、基準平面Ｐｐに対して、第１プリズム１０１の第１面１０１ａ及び第２プリズム１０２の第１面１０２ａが傾斜している側と同じ側に傾斜している。

投写レンズ１３０は、有効口径に基づく開口Ｆ値が２．５の投写レンズであり、ＤＭＤ１１０の光軸Ａｃに対して１１．５度の入射角度をなす入射光をスクリーン２００に到達させることが出来る。本実施の形態では、上記の１１．５度の入射角度の光線ではなく、その内側の１１度の入射角度の光線Ｒａと光線Ｒｂとの光路長差が０となるように透過板１２０の傾きの角度βを設定している。つまり、有効口径よりも小さい口径に基づいて角度βを設定している。映像光Ｒの強度の角度分布を加味した場合、最大の入射角度１１．５度を持った光線を補正するよりも、若干内側の１１度の入射角度を持った光線Ｒａ及び光線Ｒｂについて補正した方が総合的には良好な光学特性が得られるためである。

次に、映像光Ｒに含まれる光線間の光路長差についてより詳しく説明する。ＴＩＲプリズム１００に入射した映像光Ｒは広がりを持つため、映像光Ｒの光線Ｒａと光線Ｒｂとでは空気層１０４へ入射する角度が異なる。そのため、光線Ｒａにおける空気層１０４部分（図２に「光線Ｒａ１０４」で示す）の光路長と、光線Ｒｂにおける空気層１０４部分（図２に「光線Ｒｂ１０４」で示す）の光路長とが異なることとなる。図２の例では、光線Ｒａにおける空気層１０４部分（光線Ｒａ１０４）の光路長は、光線Ｒｂにおける空気層１０４部分（光線Ｒｂ１０４）の光路長よりも短くなる。

ここで、光線Ｒａにおける空気層１０４部分（光線Ｒａ１０４）の光路長をＬＲａ１０４、光線Ｒｂにおける空気層１０４部分（光線Ｒｂ１０４）の光路長をＬＲｂ１０４とすると、光路長ＬＲａ１０４、ＬＲｂ１０４は、数式１、２により求めることができる。

ここで、
Ｆ：光線Ｒａ，Ｒｂの入射角度（光線Ｒａ，Ｒｂが光軸Ａｃに対してなす角度（上記の例では１１度））、
Ａ：空気層１０４の厚み
α：空気層１０４が基準平面Ｐｐに対してなす角度（第１プリズム１０１の第１面１０１ａ及び第２プリズム１０２の第１面１０２ａが基準平面Ｐｐに対してなす角度）、
ｎ：第１プリズム１０１及び第２プリズム１０２の屈折率（上記の例では１．５１６）である。
これらのうち、Ａ、α、ｎは構造によって決まる。Ｆは任意である。しかし、図３に示すように、光線Ｒａ，Ｒｂが光軸Ａｃに対してなす角度（投写レンズ１３０への入射角度）が大きくなるほど、非点収差の要因となる空気層１０４での光路長差が大きくなる。そのため、入射角度Ｆは、開口Ｆ値によって定まる最大角度よりも一定程度小さい角度とすることが好ましい。なお、射出角θ１１０と最大角度とがほぼ等しいとした場合、射出角θ１１０に基づいて数式３の条件を満たす角度に設定してもよい。

光線Ｒａ及び光線Ｒｂの空気層１０４通過時における光路長差Ｌδ１０４は、数式１で求めたＬＲａ１０４と数式２で求めたＬＲｂ１０４とに基づいて数式４により求めることができる。

上記光路長差Ｌδ１０４を補正するために、図２のように、透過板１２０を基準平面Ｐｐに対して角度βだけ傾斜させて配置する。

このように角度βだけ傾斜させることで、映像光Ｒの光線Ｒａと光線Ｒｂとにおいて透過板１２０へ入射する角度が異なってくる。そのため、光線Ｒａにおける透過板１２０部分（光線Ｒａ１２０）の光路長と、光線Ｒｂにおける透過板１２０部分（光線Ｒｂ１２０）の光路長とが異なることとなる。図２の例では、光線Ｒａにおける透過板１２０部分（光線Ｒａ１２０）の光路長は、光線Ｒｂにおける透過板１２０部分（光線Ｒｂ１２０）の光路長よりも長くなる。

ここで、光線Ｒａにおける透過板１２０部分（光線Ｒａ１２０）の空気換算の光路長をＬＲａ１２０、光線Ｒｂにおける透過板１２０部分（光線Ｒｂ１２０）の空気換算の光路長をＬＲｂ１２０とすると、光路長ＬＲａ１２０、ＬＲｂ１２０は数式５、数式６により求めることができる。

Ｆ：光線Ｒａ，Ｒｂの入射角度（光線Ｒａ，Ｒｂが光軸Ａｃに対してなす角度（上記の例では１１度））、
ｔ：透過板１２０の厚み、
β：透過板１２０が基準平面Ｐｐに対してなす角度、
Ｎ：透過板１２０の屈折率（上記の例では１．５１６）
である。
これらのうち、ｔ、β、Ｎは構造によって決まる。Ｆは、ＴＩＲプリズム１００の空気層１０４での光線Ｒａ，Ｒｂの光路長の計算に使用したものと同一である。

光線Ｒａ及び光線Ｒｂの透過板１２０通過時における空気換算の光路長差Ｌδ１２０は、数式５で求めたＬＲａ１２０と数式６で求めたＬＲｂ１２０とに基づいて数式７により求めることができる。

数式４で求めたＬδ１０４の大きさと数式７で求めたＬδ１２０の大きさとが等しくなるように、つまり下記数式８の条件を満たすように透過板１２０の傾斜角βを設定すれば、空気層１０４で生じた光路長差Ｌδ１０４を透過板１２０で生じた光路長差Ｌδ１２０によりキャンセル（補正）することが出来る。

数式８に数式４及び数式７を当てはめると、数式９が得られる。

以上説明したように、本実施形態では透過板１２０を角度βだけ傾斜させて配置したことにより、映像光Ｒが空気層１０４を透過する際に生じる光線Ｒａと光線Ｒｂの光路長差Ｌδ１０４を、角度β傾けて配置した透過板１２０でキャンセルできる。つまり、光線Ｒａと光線Ｒｂの光路長を可能な限り揃えることができる。そのため、光路長差による非点収差の発生を抑制できる。したがって、投写される映像の質の向上が図られる。

［１−１−３．効果等］
本実施形態の投写型映像表示装置１０は、ＤＭＤ１１０（映像生成部の一例）から出射される映像光ＲをＴＩＲプリズム１００（内部全反射プリズム）と投写レンズ１３０とを介して投光する。投写型映像表示装置１０において、ＴＩＲプリズム１００と投写レンズ１３０との間の光路上に映像光Ｒを透過する透過板１２０が配置されている。ＴＩＲプリズム１００は、第１面１０１ａ（第１の面）を有する第１プリズム１０１（第１のプリズム）と、第１面１０２ａ（第２の面）を有する第２プリズム１０２（第２のプリズム）とを備える。第１プリズム１０１の第１面１０１ａ及び第２プリズム１０２の第１面１０２ａは、空気層１０４を介して互いに平行に対向し、かつＴＩＲプリズム１００に入射する映像光Ｒの光軸Ａｃに垂直な基準平面Ｐｐに対して傾斜している。透過板１２０は、基準平面Ｐｐに対して、第１プリズム１０１の第１面１０１ａ及び第２プリズム１０２の第１面１０２ａが傾斜している側と同じ側に傾斜している。

本実施形態によれば、ＴＩＲプリズム１００と投写レンズ１３０との間の光路上に、ＴＩＲプリズム１００の第１プリズム１０１の第１面１０１ａ及び第２プリズム１０２の第１面１０２ａが傾斜している側と同じ側に傾斜させた透過板１２０を設けたため、ＴＩＲプリズム１００の空気層１０４で発生する収差を補正することができる。そのため、ＴＩＲプリズム１００を有する投写型映像表示装置１０の光学性能を向上させることができる。

また、透過板１２０の傾斜角βは、ＴＩＲプリズム１００に入射する映像光Ｒに含まれる光線間において空気層１０４で生じる光路長差Ｌδ１０４が透過板１２０で生じる光路長差Ｌδ１２０によってキャンセルされる角度に設定されている。これにより、映像光Ｒに含まれる光線が空気層１０４を通過する際に生じる光路長差Ｌδ１０４を、透過板１２０での光路長差Ｌδ１２０によってキャンセルできる。

透過板１２０の傾斜角βは、投写レンズ１３０の有効口径よりも小さい所定口径に基づいて設定される。これにより、映像光Ｒ全体として収差をバランスよく抑制できる。

（他の実施形態）
本開示は、前述の実施形態に限られず、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で種々の修正および変更が可能である。

（１）上記実施形態の投写型映像表示装置１０では、第１プリズム１０１の第１面１０１ａと第２プリズム１０２の第１面１０２ａとは、互いに平行に対向している。しかし、本開示において、第１プリズム１０１の第１面１０１ａと第２プリズム１０２の第１面１０２ａとは、互いに略平行に対向していてもよい。

（２）上記実施形態の投写型映像表示装置１０では、透過板１２０の傾斜角βは、ＴＩＲプリズム１００に入射する映像光Ｒに含まれる光線Ｒａ，Ｒｂ間において空気層１０４で生じる光路長差Ｌδ１０４が透過板１２０で生じる光路長差Ｌδ１２０によってキャンセルされる角度に設定されている。しかし、透過板１２０の傾斜角βは、ＤＭＤ１１０と投写レンズ１３０との間の光線Ｒａの光路長と光線Ｒｂの光路長とが等しくなるように設定してもよい。この場合の傾斜角は、前記実施形態のように媒体の屈折率を考慮して幾何的に求めればよい。
（３）上記実施形態の投写型映像表示装置１０では、ＤＭＤ１１０から出射される映像光Ｒが他の光学系を介さずにＴＩＲプリズム１００に入射する場合を例示した。しかし、本開示の投写型表示装置はこれに限定されるものではない。本開示の投写型表示装置では、例えば、ＴＩＲプリズムとＤＭＤとの間にＲＧＢ用の３個のカラープリズムが配置されるとともに、ＲＧＢ用の３個のＤＭＤが設けられたものであってもよい。この場合であっても、透過板を、ＴＩＲプリズムに入射する映像光の光軸に垂直な基準平面に対して、第１のプリズムの第１の面及び第２のプリズムの第２の面が傾斜している側と同じ側に傾斜させて配置することで、ＴＩＲプリズムの空気層による非点収差を同様に改善できる。

（４）上記実施の形態では、透過板１２０が、映像光Ｒの光軸に対して所定の角度β（上記実施形態では１１度）傾いて固定されている場合を例示した。しかし、本開示において、透過板１２０は、所定の角度β傾いた位置を基準として微小角度傾斜角が変動されてもよい。このように透過板１２０の傾斜角を微小角度変動させることで、投写画像の画素位置を移動させて高画素化する画素位置移動手段を一体的に構成することができる。

以上のように、添付図面および詳細な説明によって、ベストモードと考える実施の形態
と他の実施の形態とを提供した。これらは、特定の実施の形態を参照することにより、当
業者に対して、特許請求の範囲に記載の主題を例証するために提供されるものである。し
たがって、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、上述の実施の形態に対して、
種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、プロジェクタ等の投写型表示装置に広く適用可能である。

１０ 投写型映像表示装置
１００ ＴＩＲプリズム
１０１ 第１プリズム
１０１ａ 第１面
１０１ｂ 第２面
１０１ｃ 第３面
１０２ 第２プリズム
１０２ａ 第１面
１０２ｂ 第２面
１０４ 空気層
１１０ ＤＭＤ
１１０ａ 出射面
１２０ 透過板
１３０ 投写レンズ
２００ スクリーン
Ａｃ 光軸
Ｐｐ 基準平面
Ｒ 映像光
Ｒａ 光線
Ｒａ１０４ 光線
Ｒａ１２０ 光線
Ｒｂ 光線
Ｒｂ１０４ 光線
Ｒｂ１２０ 光線
ＲＬ 照明光

Claims (3)

1. 映像生成部から出射される映像光を内部全反射プリズムと投写レンズとを介して投光する投写型表示装置であって、
   前記内部全反射プリズムと前記投写レンズとの間の光路上に前記映像光を透過する透過板が配置され、
   前記内部全反射プリズムは、第１の面を有する第１のプリズムと、第２の面を有する第２のプリズムとを備え、
   前記第１の面及び前記第２の面は、空気層を介して互いに平行または略平行に対向し、かつ前記内部全反射プリズムに入射する映像光の光軸に垂直な基準平面に対して傾斜し、
   前記透過板は、前記基準平面に対して、前記第１の面及び前記第２の面が傾斜している側と同じ側に傾斜している、
   投写型表示装置。
2. 前記透過板の傾斜角は、前記内部全反射プリズムに入射する映像光に含まれる光線間において前記空気層で生じる光路長差が前記透過板で生じる光路長差によってキャンセルされる角度に設定されている、
   請求項１に記載の投写型表示装置。
3. 前記透過板の傾斜角は、前記投写レンズの有効口径よりも小さい所定口径に基づいて設定される、
   請求項１に記載の投写型表示装置。

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