JP3435352B2

JP3435352B2 - 反射型画像投影装置

Info

Publication number: JP3435352B2
Application number: JP21005398A
Authority: JP
Inventors: 隆之飯塚
Original assignee: ペンタックス株式会社
Priority date: 1998-07-24
Filing date: 1998-07-24
Publication date: 2003-08-11
Anticipated expiration: 2018-07-24
Also published as: JP2000047326A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、変調素子として
微小鏡面変調素子を用いた反射型の画像投影装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】投影装置の変調素子としては、透過型と
反射型とがあるが、光の利用効率を低下させずに解像度
を高めるためには、反射型の変調素子を利用することが
望ましい。透過型の素子では、集積度が高まるにしたが
い、光が透過する部分の面積に対して駆動回路等を設け
る不透過部分の面積の比率が大きくなるため、光の利用
効率が低下するのに対して、反射型の変調素子では、駆
動回路等を裏面に配置できるため、表面上では反射部分
の比率を高く保つことができるからである。

【０００３】反射型の変調素子としては、独立して角度
切換可能な微小ミラーが多数二次元配置して構成される
微小鏡面変調素子、具体的にはディジタルマイクロミラ
ーデバイス(ＤＭＤ、日本テキサスインスツルメンツ
(株)の商標)が知られている。変調素子としてＤＭＤを
用いる場合には、オン位置にある微小ミラーからの反射
光(表示光)とオフ位置にある微小ミラーからの反射光
(非表示光)とのうち、表示光のみを投影レンズに入射さ
せるため、表示光と非表示光とを分離する必要がある。

【０００４】特開平１０−８２９５９号公報には、ＤＭ
Ｄを用い、プリズムを利用して表示光と非表示光とを分
離する映像表示装置が開示される。ここに開示される映
像表示装置の主要部は、図３に示す通りであり、照明光
Ｌ1を第１プリズム１を介して第２プリズム２の第１面
２ａから入射させる。照明光Ｌ1は、第２プリズム２の
第２面２ｂから射出してＤＭＤ３に入射し、ＤＭＤ３で
反射されて再び第２プリズム２内に入射する。表示光Ｌ
2は、実線で示すように第１面２ａで全反射されて第２
面２ｂと垂直な第３面２ｃから射出し、投影レンズ４を
介して図示せぬスクリーン上に画像を投影する。非表示
光Ｌ3は、破線で示したように、第２面２ｂと平行な第
４面２ｄから外部に射出され、投影レンズ４には入射し
ない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た公報に記載の反射型投影装置では、表示光Ｌ2と非表
示光Ｌ3とが空間的に分離した後にそれぞれ第１面２
ａ、第４面２ｄに入射するよう第２プリズム２が構成さ
れているため、ＤＭＤ３から第１面２ａ、あるいは第４
面２ｄまでの距離が長く第２プリズム２が大型化し、装
置をコンパクトにすることができないという問題があ
る。また、投影レンズ４とＤＭＤ３との距離が長くなる
ため、短い焦点距離に対して長いバックフォーカスが要
求され、投影レンズ４の設計上の制約が大きくなる。

【０００６】この発明は、上述した従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、プリズムを用いて表示光と
非表示光とを分離する構成を前提としつつ、プリズムの
小型化を図ることができる反射型画像投影装置を提供す
ることを課題(目的)とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる反射型
画像投影装置は、照明光を発する光源と、オン位置とオ
フ位置との間で独立して角度切換可能な微小ミラーが多
数二次元配置して構成され、光源からの照明光を画像に
応じて変調して反射させる微小鏡面変調素子と、光源と
微小鏡面変調素子との間に配置され、照明光を入射させ
る第１面、微小鏡面変調素子に対向する第２面、第１面
と共に屋根型配置を構成する第３面を有し、微小鏡面変
調素子で反射して第２面から入射した反射光のうち、オ
ン位置にある微小ミラーからの反射光は第１面、第３面
に対して全反射条件を満たし、オフ位置にある微小ミラ
ーからの反射光は第３面に対して全反射条件を満たさな
いよう配置されたプリズムと、第１面、第３面で全反射
されて第２面から射出する反射光をスクリーン上に投影
する投影レンズとを備えることを特徴とする。

【０００８】上記の構成によれば、微小鏡面変調素子の
オン位置にある微小ミラーからの反射光である表示光は
第１面、第３面の順に全反射されて投影レンズに入射
し、オフ位置にある微小ミラーからの反射光である非表
示光は、直接、あるいは第１面で全反射してから第３面
に入射するが、いずれも第３面に対して全反射条件を満
たさないため、第３面を透過する。したがって、表示光
と非表示光とが空間的に分離される手前に第１面、第３
面が配置されていたとしても、第３面の全反射条件を利
用してこれらを分離することができる。

【０００９】表示光と非表示光との分離を確実にするた
め、また、製造の容易さを考慮すると、第１面と第３面
とは直交すること、すなわちプリズムは直角プリズムで
あることが望ましい。また、この場合、第２面は投影レ
ンズの光軸に対してほぼ直交し、第１面と第３面とに対
してそれぞれ４５度をなすように形成することができ
る。なお、スクリーン上での投影範囲をシフトさせるた
めには、投影レンズをその光軸と直交する方向に移動さ
せるシフト機構を設ければよい。この場合、投影レンズ
は微小鏡面変調素子に対してテレセントリックであるこ
とが望ましい。

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明にかかる反射型画
像投影装置の実施形態を説明する。図１は、実施形態に
かかる反射型画像投影装置の光学系を示す概略図であ
る。

【００１３】図１に示されるように、実施形態の反射型
画像投影装置の光学系は、照明光を発する光源部１０
と、光源部１０からの照明光を画像に応じて変調して反
射させる微小鏡面変調素子であるＤＭＤ２０と、光源部
１０とＤＭＤ２０との間に配置され、照明光を入射させ
る第１面３１、ＤＭＤ２０に対向する第２面３２、第１
面３１と共に屋根型配置を構成する第３面３３を有する
プリズム３０と、ＤＭＤ２０により反射されてプリズム
３０の第２面３２から射出する光を図示せぬスクリーン
上に投影する投影レンズ４０とを備えている。

【００１４】光源部１０は、キセノンランプ、ハロゲン
ランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀灯等の高輝
度ランプ１１と、高輝度ランプ１１からの無指向性の光
をほぼ平行光としてプリズム３０側に向けるリフレクタ
１２と、この平行光の径を変換するビームエキスパンダ
ー１３とを備えている。

【００１５】ＤＭＤ２０は、オン位置とオフ位置との間
で独立して角度切換可能な微小ミラーが多数二次元配置
して構成されるデバイスであり、全ての微小ミラーが面
一となったときの平面(以下、巨視的な入射端面という)
に対して２０度の入射角度で入射させた際に、オン位置
にある微小ミラーからの反射光(表示光)が巨視的な入射
端面に対して垂直に反射する。オフ位置にある微小ミラ
ーからの反射光(非表示光)は、表示光に対して所定の角
度差を持って反射される。

【００１６】プリズム３０は、第１面３１と第３面３３
とが直交し、第２面３２が第１面３１と第３面３３とに
対してそれぞれ４５度をなすように形成された直角プリ
ズムである。また、第２面３２は、投影レンズ４０の光
軸Ａｘに対して直交するよう配置されている。光源部１
０は、プリズム３０の第１面３１から入射した照明光Ｌ
1が、ＤＭＤ２０の巨視的な入射端面に対して２０度の
入射角度で入射するよう位置が定められている。

【００１７】このような配置によると、ＤＭＤ２０で反
射された反射光のうちの実線で示される表示光Ｌ2は、
第２面３２に対して垂直にプリズム３０に入射し、第１
面３１に対する入射角度は４５度となる。プリズム３０
の屈折率を例えば１．５とすると、臨界角は約４２度と
なるため、４５度で入射する表示光Ｌ2は全反射条件を
満たし、１００％が第３面３３側に反射する。表示光Ｌ
2の第３面に対する入射角度も４５度となるため、表示
光Ｌ2は第３面３３で再び全反射し、第２面３２から垂
直に射出する。

【００１８】これに対して、破線で示される非表示光
は、プリズム３０の稜線を挟んで第１面３１と第３面３
３とに入射する。第１面に入射した非表示光Ｌ31は、第
１面３１で全反射されて第３面３３に入射するが、この
ときには入射角度が臨界角より小さくなり、第３面３３
を透過する。第１面３１で反射されずに第３面３３に直
接入射した非表示光Ｌ32は、第３面３３に対して臨界角
より小さな角度で入射し、第３面３３を透過する。第１
面３１と第３面３３とは直交するため、非表示光Ｌ31の
第３面３３への入射角度をθとすると、他方の非表示光
Ｌ32の第３面３３への入射角度は−θとなり、絶対値は
等しい。

【００１９】したがって、プリズム３０を用いることに
より、表示光の第３面３３への入射角度を臨界角より大
きくし、非表示光の第３面３３への入射角度を臨界角よ
り小さくすることができ、この角度の違いによりプリズ
ムの全反射を利用して表示光と非表示光とを分離でき
る。このため、第３面３３に入射する位置で表示光と非
表示光とが空間的に分離されていなくともよく、従来よ
りもプリズムを小型化することができ、ＤＭＤ２０から
投影レンズ４０までの光路長を短縮することができる。

【００２０】投影レンズ４０は、隣接して設けられたシ
フト機構５０により、その光軸Ａｘと直交する方向に移
動可能とされている。シフト機構５０としては、例えば
送りネジとモータとから構成される公知の機構を用いる
ことができる。投影レンズ４０を光軸と垂直な方向にシ
フトさせることにより、スクリーン上に投影される画像
の範囲を平行に移動させることができる。したがって、
スクリーンの位置が固定され、かつ、その正面に投影装
置を配置できないような場合にも、投影範囲を任意にシ
フトさせてスクリーン上に画像を投影することができ
る。投影レンズ４０は、シフトした場合にもＤＭＤ２０
からの反射光(表示光Ｌ2)が瞳から外れないように、Ｄ
ＭＤ２０に対してテレセントリックに構成されている。
なお、プリズム３０を用いることにより、ＤＭＤ２０へ
の照明光Ｌ1の入射方向と投影レンズ４０への表示光Ｌ2
の射出方向とを完全に分離することができ、投影レンズ
のシフトによる照明光の入射光路との干渉を防ぐことが
できる。

【００２１】次に、照明光の波長による角度誤差を抑え
るための手段を図２により説明する。図１の例のように
プリズム３０が単独で用いられる場合には、照明光の波
長がずれると、プリズム３０の分散によりＤＭＤ２０に
対する照明光の入射角度が変化する。角度の変化が大き
い場合には、反射光の角度がずれて投影方向が変化す
る。そこで、図２の例では、プリズム３０の手前に補助
プリズムを配置し、これにより波長の変動による影響を
相殺するようにしている。以下の説明では、プリズム３
０を補助プリズムと区別するため、主プリズムと称す
る。

【００２２】図２(Ａ)の例では、主プリズム３０の第１
面３１に対して所定の間隙Ｓをおいて補助プリズム６０
が配置されている。補助プリズム６０は、主プリズム３
０と同一の分散・屈折率を持ち、頂角αが４５度で主プ
リズム３０の対向する頂角と等しく設定されている。し
たがって、補助プリズム６０の入射側の端面６０ａと、
主プリズム３０の第２面３２とは平行となり、図示せぬ
光源部は、ＤＭＤ２０への入射角度である２０度で照明
光Ｌ1が補助プリズム６０の端面６０ａに入射するよう
配置される。図２(Ａ)の構成によれば、照明光Ｌ1に関
する波長に依存する角度ズレを防ぐことができる。な
お、ＤＭＤ２０からの反射光の全反射条件を保つため、
補助プリズム６０はプリズム３０に密着せずに、所定の
間隙Ｓをおいて配置される。

【００２３】図２(Ｂ)は、図２(Ａ)の変形例を示す。こ
の例では、巨視的な外形は平行平面であるが、一方側の
端面にフレネルレンズのような断面鋸歯状の微小な段差
が形成された補助プリズム６１が、主プリズム３０の第
１面３１に所定の間隙Ｓをおいて配置されている。補助
プリズム６１の光学的な機能は、図２(Ａ)の補助プリズ
ム６０と同一である。したがって、光源部は、照明光Ｌ
1が図２(Ａ)の場合と同一の方向から入射するよう配置
される。

【００２４】図２(Ｃ)の例では、主プリズム３０の第１
面３１に所定の間隙Ｓをおいて補助プリズム６２が配置
されているが、その頂角は主プリズム３０の対向する頂
角(４５度)より小さい。補助プリズム６２の頂角は、照
明光Ｌ1の入射方向の設定を主目的とし、補助プリズム
６２に入射する照明光Ｌ1の入射方向が主プリズム３０
の第２面３２に対して垂直になるように定められてい
る。したがって、図２(Ａ)、(Ｂ)の例のように主プリズ
ム３０の分散による角度誤差を完全に抑えることはでき
ないが、照明光Ｌ1の入射方向の設定という主目的を達
成した上で、多少の角度誤差補正効果は発揮させること
ができる。

【００２５】なお、図１および図２の実施形態では、プ
リズム３０として直角プリズムを用い、ＤＭＤ２０から
の表示光Ｌ2を２回全反射させて投影レンズ４０へと導
いているが、投影レンズ４０のシフト時の照明光路との
干渉を避ける目的からは、必ずしも反射面を２面用いる
必要はない。例えば図３に示した従来と同様のプリズム
を用い、ＤＭＤ２０からの表示光が第１面で全反射され
るようにし、非表示光は第１面で全反射されないように
空間的に分離する構成を採用した上で、投影レンズのシ
フト機構を設けることもできる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の構成に
よれば、プリズムの第３面への表示光の入射角度が臨界
角より大きく、非表示光の入射角度が臨界角より小さく
なるよう配置することにより、この第３面の全反射条件
を利用して表示光と非表示光とを分離することができ
る。したがって、第３面に入射する位置で表示光と非表
示光とが空間的に分離されていなくともよく、従来より
もプリズムを小型化して装置をコンパクト化できる。ま
た、微小鏡面変調素子から投影レンズまでの光路長を短
縮することにより、投影レンズの設計上の制約を削減し
て設計を容易にすることができる。

【００２７】請求項２の構成によれば、第１面と第３面
とを直交させることにより、第１面で反射されてから第
３面に入射する非表示光と、第１面を経由せずに第３面
に入射する非表示光との第３面に対する入射角度を同一
にすることができ、全反射条件を同時に検討することが
できる。また、直角プリズムとすれば、プリズムの製造
自体が他の角度のプリズムより容易である。特に、請求
項３のようにプリズムの第２面が第１面、第３面に対し
て４５度をなす場合には、プリズムと投影レンズとの位
置決め、プリズムとＤＭＤの位置決めが容易である。

【００２８】請求項４および請求項５のように投影レン
ズをシフト可能にすれば、投影される画像を歪ませずに
平行に移動させることができ、投影装置とスクリーンと
の位置関係を変更することなく、投影範囲をスクリーン
に合わせて調整することができる。この場合、投影レン
ズとして微小鏡面変調素子に対してテレセントリックな
レンズを用いることにより、反射光(表示光)が瞳から外
れるのを防ぐことができる。

【００２９】なお、請求項６のようにプリズムの第１面
に補助プリズムを配置した場合、この補助プリズムの頂
角が主プリズムの対向する頂角とほぼ等しい場合には、
照明光の波長変動による角度ズレを補正することができ
る。また、補助プリズムの頂角を適宜設定することによ
り、照明光の入射方向を任意に規定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態にかかる反射型画像投影
装置の光学系の構成を示す概略図。

【図２】図１の装置のプリズムの変形例を示す説明
図。

【図３】従来の反射型画像投影装置の光学系の主要部
を示す説明図。

【符号の説明】

１０光源部２０ＤＭＤ３０プリズム(主プリズム) ３１第１面３２第２面３３第３面４０投影レンズ５０シフト機構６０補助プリズム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G03B 21/00 - 21/30 G02F 1/13 G02F 1/1335 - 1/13363 G02B 27/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】照明光を発する光源と、オン位置とオフ位置との間で独立して角度切換可能な微
小ミラーが多数二次元配置して構成され、前記光源から
の照明光を画像に応じて変調して反射させる微小鏡面変
調素子と、前記光源と前記微小鏡面変調素子との間に配置され、前
記照明光を入射させる第１面、前記微小鏡面変調素子に
対向する第２面、前記第１面と共に屋根型配置を構成す
る第３面を有し、前記微小鏡面変調素子で反射して前記
第２面から入射した反射光のうち、オン位置にある微小
ミラーからの反射光は前記第１面、第３面に対して全反
射条件を満たし、オフ位置にある微小ミラーからの反射
光は前記第３面に対して全反射条件を満たさないよう配
置されたプリズムと、前記第１面、第３面で全反射されて前記第２面から射出
する反射光をスクリーン上に投影する投影レンズとを備
えることを特徴とする反射型画像投影装置。
【請求項２】前記第１面と第３面とは直交することを
特徴とする請求項１に記載の反射型画像投影装置。
【請求項３】前記第２面は前記投影レンズの光軸に対
してほぼ直交し、前記第１面と第３面とに対してそれぞ
れ４５度をなすことを特徴とする請求項２に記載の反射
型画像投影装置。
【請求項４】前記投影レンズは、前記微小鏡面変調素
子に対してテレセントリックであり、前記投影レンズを
その光軸と直交する方向に移動させるシフト機構が設け
られていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに
記載の反射型画像投影装置。
【請求項５】前記プリズムの第１面に対して所定の間
隙をおいて補助プリズムが配置されていることを特徴と
する請求項１〜４のいずれかに記載の反射型画像投影装
置。