JP2019207279A - プリズム装置及び投写型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２板式の投写型映像表示装置のためのプリズム装置の内部の迷光を低減する。【解決手段】プリズム素子１８１は面１８１ａ〜１８１ｃを有する。面１８１ａは光変調素子１５１に対向する。プリズム素子１８２は面１８２ａ〜１８２ｃを有する。面１８２ａは、ダイクロイックコート層１８５を介して面１８１ｃに接触する。面１８２ｂは、光変調素子１５２に対向し、かつ、面１８１ｂに平行に設けられる。面１８２ｃは、光変調素子１５２の光軸１８０ｑに関して光変調素子１５１の反対側に設けられる。光変調素子１５１から面１８１ａを介してプリズム素子１８１に入射し、面１８１ｂによって反射され、面１８１ｃ及び面１８２ａを介してプリズム素子１８１からプリズム素子１８２に入射した光線が、面１８２ｃによって全反射されないように、面１８２ｃは、面１８１ｂを含む平面に垂直な基準面１８０ｐに対して鋭角を有するように形成される。【選択図】図６

Description

本開示は、入射光の異なる色成分を分離及び合成するプリズム装置に関し、また、そのようなプリズム装置を備えた投写型映像表示装置に関する。

従来技術に係る投写型映像表示装置として、例えば、３つの光変調素子を備えた３板式の装置がある。３板式の投写型映像表示装置では、光源からの照明光の３原色Ｒ，Ｇ，Ｂの色成分をプリズム装置により互いに分離して各光変調素子に入射させ、各光変調素子による反射光をプリズム装置により再び合成してスクリーンに投写する。３つの色成分を互いに分離及び合成するためには、ダイクロイックコート層を有するプリズム装置が使用される。

また、従来技術に係る投写型映像表示装置として、装置の簡略化及び小型化を目的として、１つのみの光変調素子を備えた単板式の装置が開発されている。単板式の投写型映像表示装置では、３原色Ｒ，Ｇ，Ｂの色成分を時分割で発生して光変調素子に入射させ、高速で色を変化させることで知覚的にフルカラー映像を表示する。

単板式の投写型映像表示装置は、単一の光変調素子によりフルカラー映像を表示するので、光変調素子の温度制約により高輝度化には限界がある。そこで、近年では、装置の簡略化及び高輝度化を目的として、２つの光変調素子を備え、２つの色成分を同じ光変調素子に入射させ、他の１つの色成分をプリズム装置により分離及び合成する、いわゆる２板式の装置の開発が進められている。２板式にすることで、個々の光変調素子に入射する光量が低減するので、光変調素子の温度制約の範囲内で高輝度化が可能となる。

２板式の投写型映像表示装置として、例えば、特許文献１及び２の発明が提案されている。

特許文献１は、光源からの光をＳ偏光に揃え、ロッドインテグレータの後段に配置した偏光変換ホイールによってＲ成分光及びＧ成分光の偏光状態を時分割でそれぞれＰ偏光に変化させることで、プリズムのダイクロイック膜にＳ偏光のみを入射させ、これにより光利用効率を向上させる投影装置を開示している。

特許文献２は、偏光変換ホイールをロッドインテグレータの前段に配置し、プリズムのダイクロイック膜における互いに異なる領域に照明光及び変調光をそれぞれ入射させ、照明光の入射角及び変調光の入射角に適したＳ偏光の分離特性が得られるように、これらの領域のコーティングの特性を個別に設定し、これにより光利用効率を向上させる投影装置を開示している。

特開２０１０−１１３２８５号公報 特開２００９−１５０９７４号公報

光変調素子からの反射光は光変調素子への入射光とは異なる方向に反射される。従って、光源から光変調素子に進む照明光がダイクロイックコート層に入射する角度と、光変調素子により反射されて光変調素子から投写光学系を介してスクリーンに進む変調光がダイクロイックコート層に入射する角度とは互いに異なる。このため、色成分を互いに合成するとき、ダイクロイックコート層において反射波長及び透過波長のずれ（波長シフト）が発生し、変調光の一部が意図しない反射もしくは透過を発生させ、プリズム装置の内部に迷光が発生する。

プリズム装置の内部の迷光は、映像のコントラストを低下させ、投写される映像の品位を低下させるという課題がある。また、発生した迷光の一部は、プリズム装置の内部で反射して他方の光変調素子の表面に当たることで、光変調素子の温度を上昇させるので、高輝度化を妨げる制約になるという課題がある。

特許文献１の技術では、プリズムのダイクロイック膜にＳ偏光のみを入射させることで、色の分離及び合成に係る光利用効率を向上させることは可能であるが、ダイクロイック膜に対する照明光及び変調光の入射角の差に起因して色成分を互いに合成するときに波長シフトが生じることは防ぐことはできない。その結果、特許文献１の技術では、プリズムの内部で迷光が発生するという課題がある。

また、特許文献２の技術では、プリズムのダイクロイック膜に照明光及び変調光がそれぞれ入射する領域の特性を個別に設定することで、色の分離及び合成に係る光利用効率を向上させることは可能であるが、これを実現するには、第１の条件として、ダイクロイック膜においてこれらの領域を設けるために大きなプリズムを用いる必要がある。そのため、投写光学系のバックフォーカスを長くする必要が発生し、その結果、投写光学系が大きくなってしまう。また、特許文献２の技術を実現するための第２の条件として、照明光及び変調光の光線のＦ値を大きく、つまり光線束を細くする必要がある。その結果、特許文献２の技術では、輝度が大幅に低下するという課題がある。

本開示の目的は、２板式の投写型映像表示装置のためのプリズム装置であって、光学部品点数の増加又は制御機構の複雑化を招くことなく、ダイクロイックコート層への照明光及び変調光の入射角の差に起因する内部の迷光を低減することが可能なプリズム装置を提供することにある。

また、本開示の目的は、そのようなプリズム装置を備えた投写型映像表示装置を提供することにある。

本開示の一態様に係るプリズム装置によれば、第１及び第２の光変調素子を備えた投写型映像表示装置のためのプリズム装置が提供される。プリズム装置は、第１及び第２のプリズム素子を含む。第１のプリズム素子は、基準軸に平行な第１〜第３の側面を有する。第１の側面は第１の光変調素子に対向する。第１〜第３の側面をそれぞれ含む３つの平面のうちの任意の２つの平面は互いに交差する。第２のプリズム素子は、基準軸に平行な第４〜第６の側面を有する。第４の側面は、ダイクロイックコート層を介して第３の側面に接触するように、かつ、第３の側面に平行に設けられる。第５の側面は、第２の光変調素子に対向し、かつ、第２の側面に平行に設けられる。第６の側面は、第２の光変調素子の光軸に関して第１の光変調素子の反対側に設けられる。第１の光変調素子から第１の側面を介して第１のプリズム素子に入射し、かつ第２の側面によって反射され、かつ第３及び第４の側面を介して第１のプリズム素子から第２のプリズム素子に入射した光線が、第６の側面によって全反射されないように、第６の側面は、第２の側面を含む平面及び第３の側面を含む平面の交線を通る基準面であって、第２の側面を含む平面に垂直な基準面に対して０度より大きく９０度よりも小さい角度で傾斜して形成される。

本開示は、２板式の投写型映像表示装置のためのプリズム装置であって、光学部品点数の増加又は制御機構の複雑化を招くことなく、ダイクロイックコート層への照明光及び変調光の入射角の差に起因する内部の迷光を低減することが可能なプリズム装置を提供することができる。

さらに、本開示は、プリズムの内部の迷光が他の光変調素子に当たることで発生する光変調素子の温度上昇を低減するプリズム装置を提供することができる。

実施形態に係る投写型映像表示装置の構成を示す概略図である。 図１のプリズム装置１８０、ＴＩＲプリズム２３０、及び投写光学系３００の側面図である。 図１のダイクロイックミラー２０６の分光透過率特性を示す図である。 図１の蛍光体ホイール２５０の例示的な構成を示す正面図である。 図１の蛍光体ホイール２５０の例示的な構成を示す側面図である。 図１のダイクロイックコート層１８５の分光反射率特性を示す図である。 図１のＤＭＤ１５１からプリズム装置１８０に入射した変調光の経路を示す概略図である。 比較例に係るプリズム装置に入射した変調光の経路を示す概略図である。 図１のＤＭＤ１５２からプリズム装置１８０に入射した変調光の経路を示す概略図である。

以下、適宜図面を参照しながら、実施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及び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、添付図面及び以下の説明は、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。

（実施形態）
以下、図１〜図８を用いて実施形態を説明する。以下では本開示に係る投写型映像表示装置の具体的な実施形態として、光変調制御として、デジタルマイクロミラーデバイス（以下、「ＤＭＤ」と称する）を有する投写型映像表示装置を説明する。

[１−１．全体構成]
図１は、実施形態に係る投写型映像表示装置の構成を示す概略図である。図２は、図１のプリズム装置１８０、ＴＩＲプリズム２３０、及び投写光学系３００（後述）の側面図である。

図１を参照すると、投写型映像表示装置１は、複数の青色半導体レーザ（以下、「ＬＤ」と称する）２０１と、複数のレンズ２０２、２０３、２０４と、拡散板２０５と、ダイクロイックミラー２０６とを備える。投写型映像表示装置１はさらに、１／４波長板２０７、コンデンサレンズ２０８、２０９、及び蛍光体ホイール２５０を備える。投写型映像表示装置１はさらに、コンデンサレンズ２１０、ロッドインテグレータ２６０、レンズ２１１、２１２、２１３、内部全反射プリズム（以下、「ＴＩＲプリズム」と称する）２３０、プリズム装置１８０、ＤＭＤ１５０、及び投写光学系３００を備える。投写型映像表示装置１のこれらの構成要素は、キャビネット２０の内部に設けられる。

ＬＤ２０１は、４４７ｎｍから４６２ｎｍの波長幅で青域の色成分の光を発光し、直線偏光を出射する。ＬＤ２０１は、出射する光がダイクロイックミラー２０６の入射面に対してＳ偏光となるように配置されている。レンズ２０２は、ＬＤ２０１からの出射光を平行光化するコリメートレンズである。

レンズ２０３、２０４は、平行光を収束して平行光を生成するアフォーカル系を構成する。具体的には、レンズ２０３は、複数のレンズ２０２からの平行光を集光するコンデンサレンズであり、レンズ２０４は、レンズ２０３からの光を平行光化する凹レンズである。拡散板２０５は、レンズ２０４からの光を拡散し、拡散板２０５を通過した光はダイクロイックミラー２０６に入射する。

図３は、図１のダイクロイックミラー２０６の分光透過率特性を示す図である。ダイクロイックミラー２０６は、Ｓ偏光が波長４６５ｎｍ（青色光）になるとき、及び、Ｐ偏光が波長４４２ｎｍ（青色光）になるとき、光を５０％の透過率で透過し、残りを反射する。波長が長くなるほど透過率も高くなり、ダイクロイックミラー２０６は、Ｓ偏光及びＰ偏光にかかわらず、緑成分及び赤成分の光の９６％以上を透過する。ダイクロイックミラー２０６へ入射する光のＳ偏光の成分は反射され、１／４波長板２０７の方向に進む。

ダイクロイックミラー２０６にて反射された青色光は、１／４波長板２０７に入射する。１／４波長板２０７は、半導体レーザの発光中心波長の近傍において１／４波長の位相差を有する位相差板である。１／４波長板２０７を透過した光は円偏光に変換され、コンデンサレンズ２０８、２０９に入射し、蛍光体ホイール２５０の表面に集光される。コンデンサレンズ２０９の焦点距離は、集光角度が４０度以下となるように設定され、蛍光体ホイール２５０の近傍に集光スポットを形成する。

図４Ａ及び図４Ｂは、図１の蛍光体ホイール２５０の例示的な構成を示す概略図である。図４Ａは蛍光体ホイール２５０を光入射面方向の正面から見た図であり、図４Ｂは図４Ａの蛍光体ホイール２５０を側面から見た図である。蛍光体ホイール２５０は、アルミニウム基板２５１と、その中央部に連結された駆動モータ２５３とを備える。アルミニウム基板２５１は、中心軸２５０Ｘの周りに回転可能な円形基板である。アルミニウム基板２５１の表面には、反射膜（図示せず）が形成され、さらに、その表面に蛍光体層２５２が形成されている。反射膜は、可視光を反射する金属層もしくは誘電体膜である。蛍光体層２５２には、青色光により励起され、緑色及び赤色の波長成分を含んだ黄色光を発光するＣｅ付活ＹＡＧ系黄色蛍光体を形成している。この蛍光体の結晶母体の代表的な化学組織は、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２である。蛍光体層２５２はほぼ円環状に形成され、円環の一部分は青色光を反射させるため、反射膜のみを形成し、蛍光体層２５２は形成していない。

スポット光で励起された蛍光体層２５２は、緑域及び赤域の色成分を含む黄域の光を発光する。蛍光体ホイール２５０は、アルミニウム基板２５１で構成され、かつ中心軸２５０Ｘに対して回転させることにより、青色励起光による蛍光体層２５２の温度上昇を抑制し、蛍光変換効率を安定に維持することができる。蛍光体層２５２に入射した光は、緑域及び赤域の色成分の光を蛍光発光して蛍光体ホイール２５０から出射する。また、反射膜側に発光する光は反射膜で反射し、蛍光板ホイールから出射する。蛍光体層２５２から出射した緑域及び赤域の色成分の光は、ランダムな偏光状態を有する自然光として出射され、再びコンデンサレンズ２０９、２０８で集光され、ほぼ平行光に変換されたのち、１／４波長板２０７に入射する。緑域及び赤域の色成分の光は自然光として１／４波長板を通過するので、偏光状態は変化しない。光は、その後、ダイクロイックミラー２０６を透過する。ダイクロイックミラー２０６を透過した光は、コンデンサレンズ２１０に入射してロッドインテグレータ２６０に集光される。

一方、蛍光体層２５２の円環の一部分は蛍光体層２５２を形成せず、反射膜のみ形成しているが、この部分はスポット光をそのまま反射し、青域の色成分の光を蛍光体ホイール２５０から出射する。青色成分の光は、反射膜で反射される際に円偏光の位相が反転されて逆回りの円偏光として出射され、再びコンデンサレンズ２０９、２０８で集光されてほぼ平行光に変換され、その後、１／４波長板２０７に入射する。１／４波長板２０７に入射した逆回りの円偏光は、Ｐ偏光に変換されたのち、ダイクロイックミラー２０６を透過する。ダイクロイックミラー２０６を透過した光は、コンデンサレンズ２１０に入射してロッドインテグレータ２６０に集光される。

このようにして、蛍光体ホイール２５０から出射した黄域の光（緑域及び赤域の色成分を含む）と青域の色成分の光とが、時分割でロッドインテグレータ２６０に入射する。これら赤域、緑域、及び青域の各色成分の光は良好な３原色を示す。これらの各色成分の光は、時分割により色合成すると良好なホワイトバランスの発光特性を得ることができる。さらに、これらの各色成分の光は、ＤＭＤ１５０にてＯＮ／ＯＦＦ制御を行うことで所望の色度座標の色に変換することができる。

ロッドインテグレータ２６０は、ガラスなどの透明部材によって構成される中実のロッドである。ロッドインテグレータ２６０は、入射光を内部で複数回反射させることにより、均一化した光強度分布を有する光を生成する。なお、ロッドインテグレータ２６０は、ミラー面によって構成された内壁を有する中空のロッドであってもよい。

レンズ２１１、２１２、２１３は、ロッドインテグレータ２６０からの出射光をＤＭＤ１５０にほぼ結像するリレーレンズである。ロッドインテグレータ２６０を出射した光は
レンズ２１１、２１２、２１３を透過し、内部全反射プリズム（以下、「ＴＩＲプリズム」と称する）２３０に入射する。ＴＩＲプリズム２３０は２つのプリズム２３１、２３２から構成され、互いのプリズムの近接面には薄い空気層（図示せず）を形成している。空気層は臨界角以上の角度で入射する光を全反射する。レンズ２１３からＴＩＲプリズム２３２に入射した光は、この空気層で全反射され、色成分の分離及び合成のためのプリズム装置１８０に入射する。

プリズム装置１８０は２つのプリズム素子１８１、１８２から構成され、互いのプリズムの近接面にはダイクロイックコート層１８５を形成している。プリズム素子１８１は例えば三角柱形状のプリズムであり、プリズム素子１８２は例えば四角柱形状のプリズムである。ＴＩＲプリズム２３２から入射した光はプリズム素子１８１を通過した後、ダイクロイックコート層１８５に到達する。

本明細書では、プリズム素子１８１、１８２をそれぞれ「第１及び第２のプリズム素子」ともいう。

図５は、図１のダイクロイックコート層１８５の分光反射率特性を示す図である。ダイクロイックコート層１８５は緑域に相当する波長の光を反射し、その他の波長の光（青域光、赤域光）を透過するように構成される。ダイクロイックコート層１８５の表面に対して２８度の入射角で光が入射する場合を想定する。ダイクロイックコート層１８５は、Ｓ偏光が波長４８７ｎｍ及び５９２ｎｍ（緑色光）になるとき、及び、Ｐ偏光が波長４９５ｎｍ及び５８８ｎｍ（緑色光）になるとき、光を５０％の透過率で透過し、残りを反射する。

図４の蛍光体層２５２から出射した緑域及び赤域の色成分の光を含む黄域の光は、プリズム装置１８０のダイクロイック層１８５に入射する。緑域の色成分の光は、ダイクロイックコート層１８５にて反射され、その後、プリズム素子１８１の表面にて全反射された後にＤＭＤ１５１にほぼ結像する。一方、赤域の色成分の光は、ダイクロイックコート層１８５を透過した後、プリズム素子１８２に入射する。ダイクロイックコート層１８５を透過した光はプリズム素子１８２を通過した後、ＤＭＤ１５２にほぼ結像する。

また、蛍光体ホイール２５０から出射した青域の色成分の光は、プリズム装置１８０内のダイクロイックコート層１８５に入射及び透過し、プリズム素子１８２を通過した後、ＤＭＤ１５２にほぼ結像する。

映像信号等の各種制御信号に基づき、ＤＭＤ１５１、１５２を変調させ、光強度の異なる映像光を時分割で生成する。具体的には、ＤＭＤ１５１、１５２は、複数の可動式の微小ミラーを有する。各微小ミラーは、基本的に１画素に相当する。ＤＭＤ１５１、１５２は、各種制御信号に基づいて各微小ミラーの角度を変更することにより、反射光を投写光学系３００に向けるか否かを切り替える。

本明細書では、ＤＭＤ１５１、１５２をそれぞれ「第１及び第２の光変調素子」ともいう。

ＤＭＤ１５１、１５２で反射された光は、それぞれプリズム素子１８１、１８２に入射した後、ダイクロイックコート層１８５に再入射する。ダイクロイックコート層１８５に再入射する光の入射角は、ロッドインテグレータ２６０より入射した光の入射角と異なるので、ダイクロイックコート層１８５での反射及び透過特性には波長のシフトが発生する。

緑域の色成分の光は、ＤＭＤ１５１からプリズム素子１８１に再入射した後、ダイクロイックコート層１８５に再入射する。ダイクロイックコート層１８５では緑域の色成分の光の大半は反射され、反射された光は、プリズム素子１８１、ＴＩＲプリズム２３２、２３１、及び投写光学系３００を透過したのち、投写光学系３００から投影面４００に出射される。ただし、波長シフトにより、緑域の色成分の光の一部はダイクロイックコート層１８５にて反射されず、プリズム素子１８１からプリズム素子１８２に入射する。

同様に、赤域及び青域の色成分の光は、ＤＭＤ１５２からプリズム素子１８２に再入射した後、ダイクロイックコート層１８５に再入射する。ダイクロイックコート層１８５では赤域及び青域の色成分の光の大半は透過され、透過された光は、プリズム素子１８１、ＴＩＲプリズム２３２、２３１、及び投写光学系３００を透過したのち、投写光学系３００から投影面４００に出射される。ただし、波長シフトにより、青域及び赤域の色成分の光の一部はダイクロイックコート層１８５を透過せずに反射され、プリズム素子１８２に再入射する。

このようにして、蛍光体ホイール２５０から出射した黄域と青域の各色成分の光が、時分割で、青域の色成分の光と、緑域及び赤域の各色成分の光として投写光学系３００より出射される。これらの色成分の光は、投影面４００に到達したときに時分割で合成されてフルカラー映像として知覚される。この際、時分割の周期が遅いと、人間の眼に色のちらつきが知覚されることがある。従って、６０フレーム／秒（６０ｆｐｓ）の映像を表示する場合、例えば黄域（赤域及び緑域）〜青域までの１周期を映像情報の３倍速（１８０ｆｐｓ）で駆動することで、色のちらつきを抑制することができる。

[１−２．プリズム装置の構成]
図６は、図１のＤＭＤ１５１からプリズム装置１８０に入射した変調光の経路を示す概略図である。また、図６は、実施形態に係るプリズム装置１８０の詳細構成を示す。

図６を参照すると、プリズム装置１８０は、前述のように、プリズム素子１８１，１８２を含む。

プリズム素子１８１は、Ｘ軸（「基準軸」ともいう）に平行な第１〜第３の側面１８１ａ〜１８１ｃを有する。側面１８１ａは光変調素子１５１に対向する。側面１８１ａ〜１８１ｃをそれぞれ含む３つの平面のうちの任意の２つの平面は互いに交差する。特に、側面１８１ｂを含む平面及び側面１８１ｃを含む平面は、Ｘ軸に平行な直線である交線１８１ｄにおいて互いに交差する。プリズム素子１８１は例えば三角柱形状を有する。

プリズム素子１８２は、Ｘ軸に平行な第４〜第６の側面１８２ａ〜１８２ｃを有する。側面１８２ａは、ダイクロイックコート層１８５を介して側面１８１ｃに接触するように、かつ、側面１８１ｃに平行に設けられる。側面１８２ｂは、光変調素子１５２に対向し、かつ、側面１８１ｂに平行に設けられる。図６の例では、側面１８１ｂ，１８２ｂは、ＸＹ面に平行に設けられる。側面１８２ｃは、光変調素子１５２の光軸１８０ｑに関して光変調素子１５１の反対側に設けられる。プリズム素子１８２は、例えば、Ｘ軸に平行な側面１８２ｄをさらに有し、四角柱形状を有してもよい。

図６は、ＤＭＤ１５１にて反射された緑域の色成分の変調光の経路をあわせて示す。ＤＭＤ１５１によって変調及び反射された変調光は、所望のＦ値の光線束として側面１８１ａに入射する。入射した光線はプリズム素子１８１の内部を進み、側面１８１ｂに到達する。側面１８１ｂは変調光を内部全反射するよう構成される。従って、この時点では、光線は側面１８１ｂを透過することなく全反射して側面１８１ｃに向かって進む。側面１８１ｃに到達した変調光の大半は、ダイクロイックコート層１８５によって反射されて側面１８１ｂに向かって進み、今度は側面１８１ｂを透過してプリズム素子１８１から出射される。

プリズム素子１８１の内部からダイクロイックコート層１８５に入射した変調光の一部は、波長シフトにより、ダイクロイックコート層１８５にて反射されずに透過し、側面１８２ａに入射してプリズム素子１８２の内部を進み、側面１８２ｃに到達する。以下、この光線を、ダイクロイックコート層１８５の不要な透過光という。ダイクロイックコート層１８５の不要な透過光が側面１８２ｃで反射されると、プリズム装置１８０の内部に迷光が発生する。従って、実施形態に係るプリズム装置では、ダイクロイックコート層１８５の不要な透過光が側面１８２ｃによって全反射されないように、側面１８２ｃは、交線１８１ｄを通る基準面であって、側面１８１ｂを含む平面に垂直な基準面１８０ｐ（ＸＺ面に平行な平面）に対して、０度より大きく９０度よりも小さい角度θｘで傾斜して形成される。

実施形態に係る角度θｘは、次の式（１）の関係を満たす。

ここで、Ｆは光変調素子１５１からプリズム素子１８１に入射する変調光のＦ値を示し、ｎｐはプリズム素子１８１，１８２の硝材の屈折率を示し、θｐは側面１８１ｂ及び側面１８１ｃの間の角度を示す。

数１を満たすように側面１８１ｃを形成することにより、ダイクロイックコート層１８５の不要な透過光は、側面１８２ｃで全反射されずに側面１８２ｃより出射することが可能となる。側面１８２ｃは、光線を透過するために透光性を有する。このことより、プリズム装置１８０の内部の迷光を抑制することができ、その結果、映像のコントラストの低下を生じにくくすることができる。

本実施形態では、例えば、ＤＭＤ１５１からプリズム素子１８１に入射する変調光のＦ値が２．２であり、屈折率ｎｐが１．５１６８であり、角度θｐが２８度であるとき、角度θｘを１．４度に設定することができる。

図７は、比較例に係るプリズム装置に入射した変調光の経路を示す概略図である。図７のプリズム装置１８０Ａは、図６のプリズム素子１８２に代えて、側面１８１ｂに対して垂直な側面１８２ｅを有するプリズム素子１８２Ａを備える。この場合、ダイクロイックコート層１８５の不要な透過光の一部は、側面１８２ｅに対する光線の入射角が大きいので、側面１８２ｅで内部全反射してしまい、側面１８２ｅで反射された光線は側面１８２ｂに進む。この光線は、側面１８２ｂで再度反射されプリズム内の迷光となり、その結果、コントラストを低下させることがある。また、側面１８２ｂを透過してＤＭＤ１５２に到達した光線は、ＤＭＤ１５２の表面温度を上昇させるので、ＤＭＤの温度制約により高輝度化を妨げる制約となることがある。

図８は、図１のＤＭＤ１５２からプリズム装置１８０に入射した変調光の経路を示す概略図である。図８は、図６と同じプリズム装置１８０において、ＤＭＤ１５２にて反射された赤域及び青域の色成分の光の経路を示す。ＤＭＤ１５２によって変調及び反射された変調光は、所望のＦ値の光線束として側面１８２ｂに入射する。入射した光線はプリズム素子１８２の内部を進み、側面１８２ａに到達する。側面１８２ａに到達した変調光の大半は、ダイクロイックコート層１８５を透過して側面１８１ｂに向かって進み、側面１８１ｂを透過してプリズム素子１８１から出射される。

プリズム素子１８２の内部からダイクロイックコート層１８５に入射した変調光の一部は、波長シフトにより、ダイクロイックコート層１８５にて透過されずに反射され、その後、側面１８２ｃに到達する。以下、この光線を、ダイクロイックコート層１８５の不要な反射光という。ダイクロイックコート層１８５の不要な反射光が側面１８２ｃで反射されると、プリズム装置１８０の内部に迷光が発生する。しかしながら、前述のように、実施形態に係るプリズム装置では、側面１８２ｃは基準面１８０ｐに対して角度θｘで傾斜して形成されるので、ダイクロイックコート層１８５の不要な反射光は、側面１８２ｃによって全反射されず、少なくとも部分的に透過する。

数１を満たすように側面１８１ｃを形成することにより、ダイクロイックコート層１８５の不要な反射光もまた、側面１８２ｃで全反射されずに側面１８２ｃより出射することが可能となる。このことより、プリズム装置１８０の内部の迷光を抑制することができ、その結果、映像のコントラストの低下を生じにくくすることができる。

[１−３．効果等]
以上のように、本実施形態によれば、光変調素子１５１，１５２を備えた投写型映像表示装置１のためのプリズム装置１８０が提供される。プリズム装置１８０は、プリズム素子１８１，１８２を含む。プリズム素子１８１は、基準軸に平行な第１〜第３の側面１８１ａ〜１８１ｃを有する。第１の側面１８１ａは光変調素子１５１に対向する。第１〜第３の側面１８１ａ〜１８１ｃをそれぞれ含む３つの平面のうちの任意の２つの平面は互いに交差する。プリズム素子１８２は、基準軸に平行な第４〜第６の側面１８２ａ〜１８２ｃを有する。第４の側面１８２ａは、ダイクロイックコート層１８５を介して第３の側面１８１ｃに接触するように、かつ、第３の側面１８１ｃに平行に設けられる。第５の側面１８２ｂは、光変調素子１５２に対向し、かつ、第２の側面１８１ｂに平行に設けられる。第６の側面１８２ｃは、光変調素子１５２の光軸１８０ｑに関して光変調素子１５１の反対側に設けられる。光変調素子１５１から第１の側面１８１ａを介してプリズム素子１８１に入射し、かつ第２の側面１８１ｂによって反射され、かつ、第３の側面１８１ｃ及び第４の側面１８２ａを介してプリズム素子１８１からプリズム素子１８２に入射した光線が、第６の側面１８２ｃによって全反射されないように、第６の側面１８２ｃは、第２の側面１８１ｂを含む平面及び第３の側面１８１ｃを含む平面の交線１８１ｄを通る基準面であって、第２の側面１８１ｂを含む平面に垂直な基準面１８０ｐに対して０度より大きく９０度よりも小さい角度で傾斜して形成される。

これにより、側面１８２ｃに到達したダイクロイックコート層１８５の不要な透過光及び反射光は、側面１８２ｃで全反射されずに側面１８２ｃより出射することが可能となる。従って、迷光に起因する映像のコントラストの低下及びＤＭＤ１５２の温度上昇を低減することが可能となる。

本実施形態によれば、基準面に対する第６の側面１８２ｃの角度θｘは、式（１）の関係を満たしてもよい。

これにより、側面１８２ｃにおけるプリズム素子１８２の内部の全反射を確実に防ぐことができる。

本実施形態によれば、ダイクロイックコート層は、光変調素子１５１から第１の側面１８１ａを介してプリズム素子１８１に入射し、かつ第２の側面１８１ｂによって反射された光線を、第２の側面１８１ｂに向けて反射し、かつ光変調素子１５２から第５の側面１８２ｂを介してプリズム素子１８２に入射した光線を、プリズム素子１８２からプリズム素子１８１に透過させるような特性を有してもよい。

これによれば、２板式の投写型映像表示装置のためのプリズム装置として十分に機能することができる。

本実施形態によれば、プリズム装置１８０と、光変調素子１５１，１５２とを備える投写型映像表示装置が提供される。

本実施形態によれば、光変調素子１５１，１５２はＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）であってもよい。

また、変調光のＦ値及びプリズム素子の材質を自由に設定しても、基準面１８０ｐに対する側面１８２ｃの角度を変更することで、迷光を抑制することが可能となる。従って、投写型映像表示装置１の全体としての設計に係る自由度が向上し、投写型映像表示装置１のサイズ及びコストを削減しようとする場合、光学部品点数の増加又は制御機構の複雑化を抑制することが可能となる。

図１の例では、ＴＩＲプリズム２３０及びプリズム装置１８０は、ＴＩＲプリズム２３０からプリズム装置１８０への入射光がＸＺ面内に含まれるように、互いにほぼ平行に配置したが、例えば、ＴＩＲプリズム２３０はプリズム装置１８０に対して他の角度を有して配置されてもよい。ＴＩＲプリズム２３０はプリズム装置１８０に対して所定の傾きを有して配置することで、ＤＭＤへ入射もしくは反射する光線の方向に適したプリズム装置１８０を設計することができ、プリズム装置１８０のサイズ及び重量の削減など、設計の自由度を向上することができる。

また、本実施形態では、三角柱形状及び四角柱形状のプリズム素子を構成したが、例えばの底面２辺部分を平行とせず、設計上不要な範囲で斜め方向にカットしてもよい。このことにより、プリズム装置の体積が減少するので、投写型映像表示装置のサイズ及び重量の削減など、設計の自由度を向上することができる。

加えて、本実施形態では、側面１８２ｃを透光性としたが、プリズム装置は、光線が届かない範囲では、例えばサンドブラスト処理又は墨塗り処理などにより非透光性に加工されてもよい。そうすることで、本課題以外で発生する他の迷光を抑制し、映像のコントラストを向上させることができる。

以上のように、本開示における技術の例示として、実施形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。

したがって、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面又は詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

また、上述の実施形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、投写型映像表示装置において、光学部材点数の増加又は制御機構の複雑化を招くことなく、プリズム装置のダイクロイックコート層への照明光及び変調光の入射角差で発生する迷光及び温度上昇を低減することのできる投写型映像表示装置を実現できるものである。

１…投写型映像表示装置、
２０…キャビネット
１５０、１５１、１５２…ＤＭＤ、
１８０…プリズム装置、
１８１、１８２…プリズム素子、
１８０ｐ…基準面、
１８１ａ、１８１ｂ、１８１ｃ…プリズム素子の側面、
１８２ａ、１８２ｂ、１８２ｃ、１８２ｄ…プリズム素子の側面、
１８５…ダイクロイックコート層、
２０１…青色半導体レーザ、
２０２…コリメートレンズ、
２０３…コンデンサレンズ、
２０４…凹レンズ、
２０５…拡散板、
２０６…ダイクロイックミラー、
２０７…１／４波長板、
２０８、２０９…コンデンサレンズ、
２１０…コンデンサレンズ、
２１１、２１２、２１３…リレーレンズ、
２３０、２３１、２３２…ＴＩＲプリズム、
２５０…蛍光体ホイール、
２５０Ｘ…中心軸、
２５１…アルミニウム基板、
２５２…蛍光体層、
２５３…駆動モータ、
２６０…ロッドインテグレータ、
３００…投写光学系、
４００…投影面。

Claims (5)

1. 第１及び第２の光変調素子を備えた投写型映像表示装置のためのプリズム装置であって、
   前記プリズム装置は、第１及び第２のプリズム素子を含み、
   前記第１のプリズム素子は、基準軸に平行な第１〜第３の側面を有し、前記第１の側面は前記第１の光変調素子に対向し、前記第１〜第３の側面をそれぞれ含む３つの平面のうちの任意の２つの平面は互いに交差し、
   前記第２のプリズム素子は、前記基準軸に平行な第４〜第６の側面を有し、前記第４の側面は、ダイクロイックコート層を介して前記第３の側面に接触するように、かつ、前記第３の側面に平行に設けられ、前記第５の側面は、前記第２の光変調素子に対向し、かつ、前記第２の側面に平行に設けられ、前記第６の側面は、前記第２の光変調素子の光軸に関して前記第１の光変調素子の反対側に設けられ、
   前記第１の光変調素子から前記第１の側面を介して前記第１のプリズム素子に入射し、かつ前記第２の側面によって反射され、かつ前記第３及び第４の側面を介して前記第１のプリズム素子から前記第２のプリズム素子に入射した光線が、前記第６の側面によって全反射されないように、前記第６の側面は、前記第２の側面を含む平面及び前記第３の側面を含む平面の交線を通る基準面であって、前記第２の側面を含む平面に垂直な基準面に対して０度より大きく９０度よりも小さい角度で傾斜して形成される、
   プリズム装置。
2. 前記基準面に対する前記第６の側面の角度θｘは、次式：
   

   

   の関係を満たし、ここで、Ｆは前記第１の光変調素子から前記第１のプリズム素子に入射する変調光のＦ値を示し、ｎｐは前記第１及び第２のプリズム素子の屈折率を示し、θｐは前記第２及び第３の側面の間の角度を示す、
   請求項１に記載のプリズム装置。
3. 前記ダイクロイックコート層は、
   前記第１の光変調素子から前記第１の側面を介して前記第１のプリズム素子に入射し、かつ前記第２の側面によって反射された光線を、前記第２の側面に向けて反射し、かつ、
   前記第２の光変調素子から前記第５の側面を介して前記第２のプリズム素子に入射した光線を、前記第２のプリズム素子から前記第１のプリズム素子に透過させるような特性を有する、
   請求項１又は２記載のプリズム装置。
4. 請求項１〜３のうちの１つに記載のプリズム装置と、
   第１及び第２の光変調素子とを備えた、
   投写型映像表示装置。
5. 前記第１及び第２の光変調素子はＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）である、
   請求項４記載の投写型映像表示装置。

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