JP3893845B2 - Projection-type image display device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のマイクロミラーを有する反射型画像表示素子、すなわちマイクロミラー表示デバイスにより、当該マイクロミラー表示デバイスに入力される映像信号に応じて画像を形成してスクリーン上に表示する投写型画像デイスプレイ装置に係り、特に、回転色フィルタを用いて白色光を3原色光に周期的に分離してマイクロミラー表示デバイスに供給するように構成された装置における光利用効率を向上せしめた投写型画像ディスプレイ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
複数のマイクロミラーを備え、入力される映像信号によりそのマイクロミラーの入射光に対する角度を制御して光を変調することにより画像を形成するマイクロミラー表示デバイスを、プロジェクションテレビなどの投写型画像ディスプレイ装置に用いることが提案されている。マイクロミラー表示デバイスは、ブラウン管に比べてセットのコンパクト化、軽量化に優れ、また液晶パネルに比べ輝度信号に対する明るさのリニアリティ及びコントラスト比が大きく取れる点で有利である。
【0003】
マイクロミラー表示デバイスを用いた投射型画像ディスプレイ装置の従来技術としては、例えば、オーム社発行・電子雑誌「エレクトロニクス」1997年12月号別刷に掲載された論文「DMD/DLPは何をねらい、何を目ざすのか?」(丸文株式会社著、以下先行文献と呼ぶ)に記載のものが知られている。この先行文献に紹介されているように、マイクロミラー表示デバイスの光学系の構造としては、主に2つの方式がある。
【0004】
一つは、同先行文献の第7図に示されているような、マイクロミラー表示デバイスを3枚使用する3チップ方式と呼ばれものである。この3チップ方式は、白色光源からの白色光を色分離合成プリズムで一旦赤、青、緑の三原色に分離し、各三原色に各々対応した3つのマイクロミラー表示デバイスで変調し、それぞれのマイクロミラー表示デバイスにより変調・反射された原画像を再び合成して投写用レンズ装置によりスクリーン上に拡大してフルカラーの映像を表示するものである。
【0005】
もう一つは、同先行文献中の第6図に示されるような、マイクロミラー表示デバイスを1枚使用するよう1チップ方式と呼ばれるものである。これは、円盤状の回転色フィルタにより白色光を赤、青、緑の三原色に周期的に分離し、1個のマイクロミラー表示デバイスで回転色フィルタの回転と同期させ3原色分の映像信号を時分割で変調するものである。この1チップ方式は、マイクロミラー表示デバイスを1枚のみ用いる構成であるため、上述の3チップ方式に比べ少ない部品点数で光学系を構成することでき、コストの面で有利である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、1チップ方式は、例えば赤色映像を表示する場合(マイクロミラー表示デバイスに赤色の映像信号を供給しているとき)には、白色光源からの光束のうち、青色と緑色の光の成分を回転色フィルタにより反射させマイクロミラー表示デバイスに入射しないようにする必要があり、3チップ方式に光利用効率が低い。また、回転色フィルタの、例えば赤色光を抽出する赤色フィルタ部と青色光を抽出する青色フィルタ部の境界に白色光の光束が入射されると、回転色フィルタを通過した光は赤及び青の2色を含むためにクロストークを生じる。よって、白色光の光束が回転色フィルタ中の異なる2色のフィルタ部にまたがる期間は、マイクロミラー表示デバイスをオフ状態(反射光が投写レンズの入射瞳に向かわない方向にマイクロミラーを傾けた状態)にする必要がある。このオフ時間(以下スポークタイムと記述する)が大きくなると、更に光利用効率が低下する。
【0007】
従って、1チップ方式のマイクロミラー表示デバイス光学系において、スポークタイムを短縮して光利用効率を向上させるためには、回転色フィルタに入射される白色光の光束の径小さくして、白色光の光束が回転色フィルタの2色のフィルタ部にまたがる期間を小さくする必要がある。
【0008】
また、光利用効率を向上させるためには、光源から放出される白色光の補足率を向上させることも必要である。ところが、光源は有限長の間隙を以って配置された一対の電極を有しているため、白色光は光源の中心1点から光を放出するものではなく、上記電極間にわたって複数の白色光の放出点が分布しており、収差が生じる。これらの放出点から放出される白色光の補足率を向上させるためには大口径の反射鏡が必要となるが、大口径の反射鏡を使用すると光束の収束角θが大きくなり、回転色フィルタに入射される光束の光スポット径を小さくすることが困難となる。また、回転色フィルタは、入射光の入射角が大きくなると、その分光透過率特性が短波長側にシフトする性質を持っている。従って、回転色フィルタに対する入射光の収束角θが大きくなると、所望の分光透過率特性が得られにく、色純度が低下する。
【0009】
本発明は、上記のような課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、1チップ方式のマイクロミラー表示デバイス光学系を有する投写型画像ディスプレイ装置において、回転色フィルタに入射される光束の径を小さくしてスポークタイムを短縮し、光利用効率を高めるとともに、色純度を高くして良好な画像を得ることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の目的を達成するための、本発明に係る投写型画像ディスプレイ装置は、1チップ方式のマイクロミラー表示デバイス光学系における光源の反射鏡として、楕円面を有する第1の反射鏡と、該第1の反射鏡の光進行方向側に配置された球面を有する第2の反射鏡とを有する複合反射鏡とし、前記第1の反射鏡によって光源から放出された光及び第2の反射鏡からの反射光を集光・収束して回転色フィルタ上に入射することを特徴とするものである。
【0011】
具体的には、光源を第1の反射鏡の第1焦点近傍に配置し、第2の反射鏡の曲率中心が前記第1の反射鏡の第1焦点とほぼ一致するように第2の反射鏡を配置し、かつ前記第1の反射鏡の、第1焦点から光進行方向に離れた第2焦点に回転色フィルタを配置することにより、集光された光束の最小錯乱円を回転色フィルタ上に形成するものである。
【0012】
前記回転色フィルタを通過した光を、画像表示デバイス(マイクロミラー表示デバイス)の有功表示領域の形状と相似の開口形状を有する多重反射素子入射を介して画像表示デバイスに入射するようにしてもよい。また、回転色フィルタと多重反射素子との配置位置の順序を逆にし、前記第1の反射鏡の第2焦点近傍に多重反射素子の入射側開口部を配置し、この多重反射素子を介して反射光を回転色フィルタに入射させるようにしてもよい。
【0013】
このような構成によれば、反射鏡により集光された反射光の最小錯乱円を小さくできるため、回転色フィルタ上に形成される反射光の光束の径を小さくできる従って、スポークタイムを短縮して光利用効率を向上させることが可能となる。
【0014】
また、光源、反射鏡、回転色フィルタ、マイクロミラー表示デバイス、及び該マイクロミラー表示デバイスで変調された光を拡大する投写レンズとを含む照明光学装置の一部を、スクリーンの画面垂直方向下端部より上に位置するように配置すれば、セットのコンパクト化が図れる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図1は、本発明の一実施の形態に係る投射型画像表示装置の光学系の概略図である。
【0016】
光源2から放出された白色光は、楕円形状の反射面を有する第1の反射鏡1aと球面形状の反射面を有する第2の反射鏡1bにより反射され、収束光束3として、光源2の光軸方向に集光される。第1の反射鏡1aは楕円形状を有しているため、焦点を2つ有している。ここで、第1の反射鏡1aに近い方の焦点を第1焦点と呼び、遠い方の焦点を第2焦点と呼ぶことにする。これら第1及び第2焦点は同一軸上(光源の光軸)にあり、光源2の中心部が第1焦点とほぼ一致するように光源を配置し、かつ第2の反射鏡1bの曲率中心も第1焦点とほぼ一致するように、当該第2の反射鏡1bを配置する。また、第2焦点の近傍には、モータ5によって回転する円盤状の回転色フィルタ4が配置されている。
【0017】
光源2から放出した白色光は、第1の反射鏡1aの反射面、第2の反射鏡1bの反射面、及び光軸方向に向かってそれぞれ進行し、第1の反射鏡1aの反射面に入射した白色光は、その反射面により反射されて第2焦点に向かって進行する。一方、第2の反射鏡1bの反射面に入射した白色光は、その反射面に反射され、第2の反射鏡1bの曲率中心でもある第1の反射鏡1aの第1焦点を通過した後に第1の反射鏡1aの反射面に入射し、その反射面により反射されて第2焦点に向かって進行する。このため、第1の反射鏡1a、及び第2の反射鏡1bの反射面に入射された白色光の殆どは、収束光束3となって第1の反射鏡1aの第2焦点に集光され、その第2焦点近傍で収束光束3の最小錯乱円を形成する。従って、回転色フィルタ4の面上には、収束光束3の最小錯乱円の径とほぼ等しい径を持つ光スポットが形成される。
【0018】
回転色フィルタ4は、収束光束3から赤、青、緑の3原色光を周期的に分離するためのものであり、その円周方向に、例えば赤色フィルタ部、青色フィルタ部、緑色フィルタ部が順次配置され、収束光束3をモータ5による回転に従って、赤色光、青色光、緑色光の順に分離・選択して出射する。従って、実際には、スクリーン上に赤、青、緑色の映像が切換えられて表示されることになるが、その切り換え速度が高速(おおよそ120Hz以上)のため、人間の目には、それら単独で表示される3原色画像が合成され、フルカラーの画像として見えるようになる。回転色フィルタ4としては、色の分離(切換)速度を速くして視覚的な色合成を良好に行うために、赤色フィルタ部、青色フィルタ部、緑色フィルタ部を複数組配置されたものが用いられることが多い。この場合、回転色フィルタ4が1周する間に、赤、青、緑色光の分離を複数回(周期)行うことになる。
【0019】
回転色フィルタ4をにより分離された各3原色光は、多重反射素子6に入射される。この多重反射素子6は、例えばロッドレンズや、その内壁面に金属薄膜もしくは金属多層膜が形成された中空の四面体である。従って、回転色フィルタ4で3原色に分離された光束をその内部で多重反射を繰り返すことで、光束のエネルギー分布を均一とするとともに、光束の形状を変換(ほぼ円形から四角形に変換)させる作用を持つ。また、多重反射素子6の入射側及び出射側の開口面は矩形状であって、マイクロミラー表示デバイス8の有効表示領域とほぼ相似する形状を有している。すなわち、多重反射素子6の開口面の縦横比は、マイクロミラー表示デバイス8の有効表示領域の縦横比とほぼ等しくなっており、このようにすることで効率良く回転色フィルタ4を通過した光をマイクロミラー表示デバイス8に導くことができる。多重反射素子6から出射された光は、レンズ群7に入射され、拡大・収差補正される。レンズ群7は、例えば拡大用レンズ素子7aと拡大・収差補正用レンズ素子7bを備えており、多重反射素子6から出射された光束は、拡大用レンズ素子7aにより拡大され、更に拡大・収差補正用レンズ7bにより拡大されると同時に収差補正が施される。尚、図示していないが、拡大用レンズ素子7aは、その光軸と直交する方向に移動可能なように構成し、レンズ群7から出射された光の画像表示デバイスに対する照射位置を調整できるようにしてもよい。また、拡大・収差補正用レンズ素子7bを、その光軸方向に沿って移動可能に構成し、多重反射素子6から出射された光の拡大率を任意に調整可能にしてもよい。
【0020】
レンズ群7を通過した光は、各画素に対応する複数のマイクロミラーを備えた画像表示デバイスであるマイクロミラー表示デバイス8に入射され、マイクロミラーにより反射され、図示しない投写レンズに出射する。マイクロミラー表示デバイス8の複数のマイクロミラー各々は、マイクロミラー表示デバイス8に入力される映像信号により入射光に対する反射角が制御される。ある画素の画像を表示したい場合には、その画素に対応するマイクロミラーに対して、その反射角を制御するための制御信号を出力する。その制御信号が例えば「1」のときは、マイクロミラーの反射光を投写レンズの方向に導くように制御し、「0」の場合は、反射光が投写レンズに入射しない方向に導くように制御する。また、マイクロミラー表示デバイス8には、回転色フィルタ4の光分離動作に同期して、赤、青、緑の各々の3原色光に対応する映像信号が時分割で順次入力される。すなわち、回転色フィルタ4が赤色光を分離するときは、マイクロミラー表示デバイス8には赤色映像信号が入力され、青色光を分離するときは、青色映像信号が入力される。
【0021】
図2は、本発明の第2の実施形態を示す図である。図2に示した実施の形態は、図1に示した実施の形態における多重反射素子6と回転色フィルター4との位置関係を逆にしたものである。すなわち、図1では光軸に沿って、回転色フィルタ4、多重反射素子6の順に配置したが、図2では光軸に沿って、多重反射素子6、回転色フィルタ4の順に配置している。図1で、多重反射素子6よりも回転色フィルタ4が光源2側に配置されているのは、多重反射素子6の入射側開口面に入る光束量を減らして光や温度上昇による信頼性の低下を押さえるためであるが、多重反射素子6の信頼性が充分に確保できるのであれば、図2に示すような構成としても構わない。
【0022】
次に、本発明の特徴である楕円形状の反射面を有する第1の反射鏡1aと球面形状の反射面を有する第2の反射鏡1bとを備えた複合反射鏡の作用、効果について説明する。
【0023】
マイクロミラー表示デバイス8を1枚使用した1チップ方式の照明光学装置において、光利用効率を向上させるためには、前述したように次の事項が重要である。すなわち、(1)回転色フィルタに入射する光束の小径化によるスポークタイムの短縮、及び(2)光源から放射される白色光の捕捉率(以下、光束捕捉率という)の向上、である。光束捕捉率を向上させるためには、例えば図12に示すように、口径が大きい楕円形状の反射鏡を用いればよい。しかしながら、口径が大きい反射鏡を用いると、第2焦点P0における光束集中角θ2が大きくなり、回転色フィルタに入射する光束の小径化が困難となる。逆に、口径が小さい楕円形状の反射鏡を用いれば、第2焦点P0における光束集中角θ1を小さくできるが、光束捕捉率が低下する。
【0024】
そこで、本発明では、図11に示すように、楕円形状を有する第1の反射鏡1aの第1焦点と、球面形状を有する第2の反射鏡1bの曲率中心とがほぼ一致するように配置して構成された複合反射鏡を光源2の反射鏡として用いた。これにより、次の作用・効果が生じる。(1)光源2の前方に放射される白色光を第2の反射鏡1bにより捕捉し、これを第1の反射鏡1aの反射面に戻して第1の反射鏡1aの第2焦点に集光できるので、光束捕捉率が向上する。(2)楕円形状を有する第1の反射鏡1aの口径を小さくしても光束捕捉率が向上するため、第1の反射鏡1aの第2焦点における光束集光角θ1を小さくできる。(3)図14に示す楕円形状の反射鏡を1つ用いる場合に比べ反射鏡の直径を小さくできコンパクトな照明光学装置が実現できる。
【0025】
また、本発明に係る反射鏡によれば、光源2からの白色光が収差を持つものであっても第2焦点P0での収束光のスポットをより小さくできる。光源2として使用するランプは、図9及び図10に示すように電極15、24、23はそれぞれ密着しておらず有限長のギャップを持っている。このため点光源として扱うことが出来ない。第2の反射鏡1bの第1焦点に、例えば図12に示す構成のランプを配置しても、上述した理由によって第2焦点で1点に集光されず、縦収差が生じる。しかしながら、本発明の如く、第2焦点P0における光束集光角θ1を小さくすれば縦収差が減少し、収束光のスポットをより小さくことが可能となる。
【0026】
更に、光束集光角を小さくすれば、次のメリットが生じる。このメリットについて、図14を用いて説明する。図14は、 マイクロミラー表示デバイスを1枚使用した1チップ方式の照明光学装置の回転色フィルタ4に使用する、赤(図中R表示)、青(図中B表示)、緑(図中G表示)各色に対応したフィルタ部の一般的な分光透過率特性を示したもので、実線は色フィルターに対して光束が垂直(入射角0°)に入射した場合の特性を示したものである。一方、破線は回転色フィルタ4に対して光束が斜め方向から(入射角を持って)入射した場合の特性シフトの状態を示したものである。一般に波長の長い赤色フィルタ部の方が波長の短い青色フィルタ部に比べて特性シフトが大きくなる。よって、収束白色光から回転色フィルタ4により取出した3原色光の色純度は、回転色フィルタ4に入射する光束の入射角のバラツキが大きいほど低下し、その程度は光の波長が長い程顕著になる。すなわち、単色表示の色純度は、赤色光が最も悪く、次いで緑色光、青色光の順になる。従って、光束集光角を小さくすれば、所望の分光透過率特性を得ることができ、単色の色純度が向上させることができる。
【0027】
このように、本発明によれば、回転色フィルタ4に入射する光束の最小径を出来るだけ小さくするばかりでなく、反射鏡の口径を大きくすることなく、光束捕捉率を向上することができる。光束捕捉率は、外形寸法を同一とした場合に従来の楕円反射鏡に比べ、約30%向上する。さらに、楕円と円形の複合反射鏡の採用によって、光束の収束角を小さく出来るので良好な分光透過率特性が得られる。特に長波長側(赤色領域)でその改善効果が顕著になり、大幅な性能向上が可能となる。よって、本発明によれは、低コストで、光利用効率及び色純度を高めた1チップ方式のマイクロミラー表示デバイス型投射型画像ディスプレイ装置を実現できる。
【0028】
次に、光源2として使用されるランプについて説明する。本発明の実施形態においては、光源2として例えば超高圧水銀ランプを用いている。超高圧水銀ランプには、電極に印加する電圧により交流駆動型と直流駆動型がある。交流駆動型のランプは交互に極性が変化するので図9に示すように、2つの電極は同一形状である。この時発生する電極周辺の光量分布は図15に示すように2つの電極間でほほ対称な分布を持つ。さらに、配光分布は2つの電極を結んだ線分に対して垂直な軸(図17の90°と270°を結んだ線分)に対してほぼ対称な分布となっている。仮想的な発光源を電極間の中心と置くことが可能となる。図17に示した配光分布のうち、20度から90度の範囲に発散したの光束と270度から340度の範囲に発散した光束は、図11に示した複合反射鏡の第2の反射鏡1bで一旦反射し、図9の19に示すように仮想的な発光点2を通過し第1の反射鏡1aで再び反射して第2焦点に集光される。
【0029】
一方、直流駆動型のランプは図10に示すように、放電が発生し易いようにランプ管球の陰極23の先端が尖った形状となっており、陽極24は陰極に比べて先端形状が丸みを帯びている。このため電極周辺の光量分布は図16に示すように陰極側の方が高い分布となっている。また、配光分布は2つの電極を結んだ線分に対して垂直な軸(図18の90°と270°を結んだ線分)に対して非対称な分布となり陰極側に配光される量が多い。このため、このため仮想的な発光源を電極間の中心よりやや陰極側に置くことで高効率な照明光学系が実現可能となる。複合反射鏡を使用した場合の集光のメカニズムは図10に示すように、仮想的な発光源を電極間の中心より陰極側に置くと効率の良い照明光学装置が実現できる。図18に示した配光分布のうち、20度から90度の範囲に発散したの光束と270度から340度の範囲に発散した光束は、図11に示した複合反射鏡の第2の反射鏡1bで一旦反射し、図10の19に示すように仮想的な発光点2を通過し第1の反射鏡1aで再び反射して第2焦点に集光される。
【0030】
次に、図1及び図2で説明した本発明に係る照明光学装置の構成を、実際のセットに組み込んだ場合の一具体例について、図3〜図6を用いて説明する。図3は、本発明に係る照明光学装置を正面から見た図であり、照明光学装置の各構成要素の配置をわかりやすくするために、当該各要素を保持もしくは指示するためのケース部材、保持部材やレンズ鏡筒等を透明なものとして示してある。また、図4は、図3に示したものの側面図である。また、先に説明した図1及び図2に示したものと同一の番号を付しているものについてはその説明を省略する。図1及び図2においては、第1の反射鏡1a及び第2の反射鏡からの出射光を直接回転色フィルタ4に入射するようにしてあるが、本具体例では、反射鏡からの反射光を、第1の折り返しミラー12を用いてほぼ直角に折り返した後に回転色フィルタ4に入射するようにしている。また、図1及び図2においては、拡大用レンズ素子7a及び拡大・収差補正用レンズ素子7bを通過した光を、直接マイクロミラー表示デバイス8に入射するようにしているが、本具体例においては、拡大用レンズ素子7a及び拡大・収差補正用レンズ素子7bを通過した光を、第2の折り返しミラー9を用いてほぼ直角に折り返した後に全反射プリズム10に入射し、全反射プリズム10の入射面に設けられた図示しないフィールドレンズにより光束を絞り込んでマイクロミラー表示デバイス8に入射するようにしている。マイクロミラー表示デバイス8に入射された光は、マイクロミラー表示デバイス8に入力される映像信号によって、ドット単位で反射が制御されることにより変調され、投写レンズ11に入射されるようにしている。前述したように、マイクロミラー表示デバイス8のマイクロミラーがオン状態のときは、その反射光が投写レンズ11の入射位置に向かうようにその反射角が制御される。一方、マイクロミラーがオフ状態のときは、その反射光が投写レンズ11の入射位置に向かわないように、投写レンズ11の配置位置とは別の方向に向かうように制御される。また、マイクロミラー表示デバイス8では映像信号の輝度成分に合せて単位時間当たりのオン/オフ回数を制御して明るさの階調を表現している。
【0031】
投写レンズ11は、複数のレンズ素子を備えており、マイクロミラー表示デバイス8からの反射光を拡大してセットの前面に配置されたスクリーンの背面に投写するように働く。尚、図示していないが、投写レンズ11は、複数のレンズ素子のうち特定レンズ素子(スクリーン側に最も近い(最も光出射側に位置する)レンズ素子)が投写レンズ11光軸に沿って上下に移動可能に構成されている。この移動の構成は、複数のレンズ素子を保持するレンズ鏡筒を、第1及び第2の、2つのレンズ鏡筒を持つ構成とすればよい。具体的には、第1のレンズ鏡筒がスクリーン側に最も近い特定レンズ素子を保持し、第2のレンズ鏡筒がその特定レンズ素子以外のレンズ素子を保持するようにし、かつ第1のレンズ鏡筒が第2のレンズ素子に対して光軸上を移動可能に構成する。これにより、スクリーン上に表示する画像の拡大率を任意に設定可能となる。
【0032】
図5及び図6は、図3及び図4に示した照明光学装置にカバーなどを取り付けた場合の外観図である。図5は、当該照明光学装置を正面から見た図、図6は、照明光学装置を上から見た図である。ここでは、照明光学装置を100としている。上記において説明した各種光学部品は、カバー13の内部に収納され保持される。また、光源2、第1の反射鏡1a及び第2の反射鏡1bは、ランプハウス14内に収納される。
【0033】
このような照明光学装置100を投写型画像ディスプレイ装置に組み込んだ場合の様子を図7及び8に示す。照明光学装置100は、前部キャビネット101及び後部キャビネット103により形成された中空スペースの底部に配置されている。前部キャビネット101には投写レンズ11により拡大された光が背面から投射されるスクリーン102が取り付けられている。画面サイズ(スクリーン102のサイズ)をアスペクト比16:9の50インチとし、投写レンズ11からスクリーン102までの投写距離を675mmとして検討した結果、奥行きと高さを小さく(コンパクトに)するためにはスクリーン102の画面下端より、照明光学装置100の一部、すなわち照明光学系を構成する投写レンズ11、反射鏡や回転色フィルタ4の一部が高い位置(画面垂直方向)になる。
【0034】
次に、色再現領域の拡大のために、赤色発光ダイオードによる補強について検討したので説明する。現在、最も効率に優れている白色光源は、超高圧水銀ランプである。しかしながら、図14に示す分光エネルギー特性からも明らかなように、波長600(nm)以上の赤色領域の分光エネルギーが青、緑の領域に対して少ない。このため、本発明では、図19に示したように照明光学装置の光路に赤色光を発光する発光ダイオード28を設け、前述したランプのエネルギー不足を補っている。尚、図19の構成は、発光ダイオード28以外については図1または2に示したものと同一である。従って、それらについての詳細な説明は省略する。発光ダイオード28から放射された赤色光は、第1の反射鏡1a、及び第2の反射鏡1bの内部に入射される。そして、光源2から放出された白色光と同様に、第2の反射鏡1bの球面状反射面に入射された赤色光は、第1の反射鏡1aの第1焦点を通過した後に第1の反射鏡1aの楕円反射面に反射されて第2焦点に集光する。また、第1の反射鏡1aの楕円反射面に入射された赤色光は、直接第2焦点に至る。従って、第1の反射鏡1aの第2焦点では、光源2からの白色光と発光ダイオード28からの赤色光とが混合された光束のスポットが形成される。
【0035】
光源2の赤色補強用に用いられる発光ダイオード28としては、例えば(株)東芝製高輝度赤色LED(TLRH190P)を持ちいることとした。この光学特性は、ピーク波長が644(nm)で15(cd)の輝度出力があり、強い指向性を持つ。また発光スペクトルは相対発光強度10%以上の波長範囲が610から680(nm)と赤色領域全般にわたっており、これを1または複数個使用することで良好な特性改善が得られた。
【0036】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、1チップ方式の光学系を用いた投写型画像ディスプレイ装置において、光利用率を向上した明るい画像を得ることができる。また、色純度の向上と光利用効率の向上の両立が可能となり、より高画質な画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る照明光学装置の一実施形態の概略図
【図2】本発明に係る照明光学装置の他の実施形態の概略図
【図3】本発明に係る照明光学装置における各構成要素の配置を正面から見た図
【図4】本発明に係る照明光学装置における各構成要素の配置を横から見た図
【図5】本発明に係る照明光学装置の外観正面図
【図6】本発明に係る照明光学装置の外観側面図
【図7】本発明に係る照明光学装置を組み込んだ投写型画像ディスプレイ装置の正面図
【図8】本発明に係る照明光学装置を組み込んだ投写型画像ディスプレイ装置の側面図
【図9】本発明に用いられる交流駆動型光源の主要部を示す図
【図10】本発明に用いられる直流駆動型光源の主要部を示す図
【図11】本発明に用いられる複合反射鏡の一例を示す図
【図12】楕円形状を有する反射鏡の一例を示す図
【図13】本発明に用いられる光源の分光エネルギー分布を示す特性図
【図14】本発明に用いられる回転色フィルタの分光透過率を示す特性図
【図15】本発明に用いられる交流駆動型光源の光量分布を示す図
【図16】本発明に用いられる直流駆動型光源の光量分布を示す図
【図17】本発明に用いられる交流駆動型光源の配光分布を示す図
【図18】本発明に用いられる直流駆動型光源の配光分布を示す図
【図19】図1に示した実施形態に発光ダイオードを付加した例を示す図
【符号の説明】
1a…第1の反射鏡、1b…第2の反射鏡、2…光源、3…光束、4…回転色フィルタ5…多重反射素子、7a…拡大用レンズ素子,7b…拡大・収差補正用レンズ素子、8…マイクロミラー表示デバイス、11…投写レンズ、28…発光ダイオード、100…照明光学装置、102…スクリーン。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a projection-type image in which an image is formed on a screen by a reflective image display element having a plurality of micromirrors, that is, a micromirror display device, according to a video signal input to the micromirror display device. The present invention relates to a display device, and in particular, a projection-type image in which light utilization efficiency is improved in an apparatus configured to periodically separate white light into three primary colors using a rotating color filter and supply the light to a micromirror display device. The present invention relates to a display device.
[0002]
[Prior art]
Projection-type image display apparatus such as a projection television, which has a plurality of micromirrors and forms an image by modulating the light by controlling the angle of the micromirrors with respect to incident light according to an input video signal It has been proposed to be used. The micromirror display device is advantageous in that the set is more compact and lighter than the cathode ray tube, and the brightness linearity and contrast ratio with respect to the luminance signal are larger than those of the liquid crystal panel.
[0003]
As a conventional technology of a projection-type image display device using a micromirror display device, for example, a paper “DMD / DLP aimed at what is published in the December issue of the electronic magazine“ Electronics ”published by Ohm, Is known ”(by Marubun Co., Ltd., hereinafter referred to as prior literature). As introduced in this prior document, there are mainly two types of structures of the optical system of the micromirror display device.
[0004]
One is a so-called three-chip system using three micromirror display devices as shown in FIG. In this three-chip system, white light from a white light source is once separated into three primary colors of red, blue, and green by a color separation / combination prism, and modulated by three micromirror display devices corresponding to each of the three primary colors. The original image modulated and reflected by the display device is synthesized again and enlarged on a screen by a projection lens device to display a full color image.
[0005]
The other is called a one-chip system so as to use one micromirror display device as shown in FIG. This is because white light is periodically separated into three primary colors of red, blue and green by means of a disk-shaped rotating color filter, and the video signal for the three primary colors is synchronized with the rotation of the rotating color filter by one micromirror display device. Modulates in time division. Since this one-chip system uses only one micromirror display device, the optical system can be configured with a smaller number of parts than the above-described three-chip system, which is advantageous in terms of cost.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the one-chip method, for example, displays red video (when supplying a red video signal to the micromirror display device), the blue and green light components of the luminous flux from the white light source are displayed. It is necessary to reflect the light by a rotating color filter so as not to enter the micromirror display device, and the light utilization efficiency is low in the three-chip system. In addition, when a white light beam is incident on the boundary of the rotating color filter, for example, a red filter portion that extracts red light and a blue filter portion that extracts blue light, the light that has passed through the rotating color filter is red and blue. Crosstalk occurs due to the inclusion of two colors. Therefore, during the period in which the white light beam spans two different color filter parts in the rotating color filter, the micromirror display device is turned off (the micromirror is tilted in a direction in which the reflected light does not face the entrance pupil of the projection lens). ) Is necessary. As this off time (hereinafter referred to as spoke time) increases, the light utilization efficiency further decreases.
[0007]
Accordingly, in order to shorten the spoke time and improve the light utilization efficiency in the one-chip micromirror display device optical system, the diameter of the white light beam incident on the rotating color filter is reduced to reduce the white light It is necessary to reduce the period during which the light beam spans the two color filter portions of the rotating color filter.
[0008]
Moreover, in order to improve the light utilization efficiency, it is also necessary to improve the capture rate of white light emitted from the light source. However, since the light source has a pair of electrodes disposed with a gap of a finite length, white light does not emit light from one central point of the light source. The emission points are distributed and aberration occurs. In order to improve the capture ratio of white light emitted from these emission points, a large-diameter reflecting mirror is required. However, if a large-diameter reflecting mirror is used, the convergence angle θ of the luminous flux increases, and the rotating color filter It is difficult to reduce the light spot diameter of the light beam incident on the. Further, the rotating color filter has a property that the spectral transmittance characteristic shifts to the short wavelength side when the incident angle of incident light increases. Therefore, when the convergence angle θ of the incident light with respect to the rotating color filter is increased, it is difficult to obtain a desired spectral transmittance characteristic, and the color purity is lowered.
[0009]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and its object is to provide a light beam incident on a rotating color filter in a projection-type image display apparatus having a one-chip micromirror display device optical system. Is to reduce the spoke time to increase the light utilization efficiency and to increase the color purity to obtain a good image.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the object of the present invention, a projection-type image display apparatus according to the present invention includes a first reflecting mirror having an elliptical surface as a reflecting mirror of a light source in a one-chip micromirror display device optical system, A composite reflecting mirror having a second reflecting mirror having a spherical surface arranged on the light traveling direction side of the first reflecting mirror, and the light emitted from the light source by the first reflecting mirror and the second reflecting mirror The light reflected from the light is condensed and converged and incident on the rotating color filter.
[0011]
Specifically, the light source is disposed in the vicinity of the first focal point of the first reflecting mirror, and the second reflection is performed so that the center of curvature of the second reflecting mirror substantially coincides with the first focal point of the first reflecting mirror. A rotating color filter is disposed at the second focal point of the first reflecting mirror, which is separated from the first focal point in the light traveling direction, so that the minimum circle of confusion of the collected light beam is rotated. It is formed on top.
[0012]
The light that has passed through the rotating color filter may be incident on the image display device via multiple reflection element incidence having an opening shape similar to the shape of the effective display region of the image display device (micromirror display device). . Further, the order of the arrangement positions of the rotary color filter and the multiple reflection element is reversed, and the incident side opening of the multiple reflection element is arranged in the vicinity of the second focal point of the first reflecting mirror, The reflected light may be incident on the rotating color filter.
[0013]
According to such a configuration, since the minimum circle of confusion of the reflected light collected by the reflecting mirror can be reduced, the diameter of the reflected light beam formed on the rotating color filter can be reduced. Therefore, the spoke time can be shortened. As a result, the light utilization efficiency can be improved.
[0014]
In addition, a part of an illumination optical device including a light source, a reflecting mirror, a rotating color filter, a micromirror display device, and a projection lens that expands light modulated by the micromirror display device is provided at the lower end of the screen in the vertical direction If it is arranged so as to be positioned higher, the set can be made compact.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of an optical system of a projection type image display apparatus according to an embodiment of the present invention.
[0016]
The white light emitted from the
[0017]
The white light emitted from the
[0018]
The
[0019]
The three primary color lights separated by the
[0020]
The light that has passed through the
[0021]
FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the present invention. In the embodiment shown in FIG. 2, the positional relationship between the
[0022]
Next, the function and effect of the composite reflecting mirror including the first reflecting mirror 1a having an elliptical reflecting surface and the second reflecting
[0023]
In the one-chip illumination optical apparatus using one
[0024]
Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 11, the first focal point of the first reflecting mirror 1a having an elliptical shape is arranged so that the center of curvature of the second reflecting
[0025]
Further, according to the reflecting mirror of the present invention, the spot of the convergent light at the second focal point P0 can be made smaller even if the white light from the
[0026]
Furthermore, if the light beam condensing angle is reduced, the following merits arise. This merit will be described with reference to FIG. FIG. 14 shows red (indicated by R in the figure), blue (indicated by B in the figure), green (indicated by G in the figure) used for the
[0027]
As described above, according to the present invention, not only the minimum diameter of the light beam incident on the
[0028]
Next, a lamp used as the
[0029]
On the other hand, as shown in FIG. 10, the direct-current drive type lamp has a shape in which the tip of the
[0030]
Next, a specific example in which the configuration of the illumination optical apparatus according to the present invention described in FIGS. 1 and 2 is incorporated into an actual set will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a front view of the illumination optical apparatus according to the present invention, and in order to make it easy to understand the arrangement of each component of the illumination optical apparatus, a case member and a holder for holding or instructing each element. The members and lens barrels are shown as transparent. FIG. 4 is a side view of what is shown in FIG. Moreover, the description of the components having the same numbers as those shown in FIGS. 1 and 2 described above is omitted. In FIGS. 1 and 2, the light emitted from the first reflecting mirror 1a and the second reflecting mirror is directly incident on the
[0031]
The projection lens 11 includes a plurality of lens elements, and functions to enlarge the reflected light from the
[0032]
5 and 6 are external views when a cover or the like is attached to the illumination optical device shown in FIGS. FIG. 5 is a diagram of the illumination optical device as viewed from the front, and FIG. 6 is a diagram of the illumination optical device as viewed from above. Here, the illumination optical device is assumed to be 100. Various optical components described above are housed and held in the
[0033]
FIGS. 7 and 8 show a state where such an illumination
[0034]
Next, for the purpose of enlarging the color reproduction region, the reinforcement by the red light emitting diode has been studied and will be described. Currently, the most efficient white light source is an ultra-high pressure mercury lamp. However, as is apparent from the spectral energy characteristics shown in FIG. 14, the spectral energy in the red region having a wavelength of 600 (nm) or more is smaller than that in the blue and green regions. For this reason, in the present invention, as shown in FIG. 19, a
[0035]
As the
[0036]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a bright image with improved light utilization can be obtained in a projection image display apparatus using a one-chip optical system. In addition, it is possible to improve both the color purity and the light utilization efficiency, and a higher quality image can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of an illumination optical apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic view of another embodiment of an illumination optical apparatus according to the present invention.
FIG. 3 is a front view of the arrangement of components in the illumination optical apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a side view of the arrangement of each component in the illumination optical apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is an external front view of an illumination optical apparatus according to the present invention.
FIG. 6 is an external side view of an illumination optical apparatus according to the present invention.
FIG. 7 is a front view of a projection-type image display device incorporating the illumination optical device according to the present invention.
FIG. 8 is a side view of a projection-type image display device incorporating the illumination optical device according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a main part of an AC drive type light source used in the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing a main part of a DC drive type light source used in the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing an example of a composite reflector used in the present invention.
FIG. 12 is a view showing an example of a reflecting mirror having an elliptical shape.
FIG. 13 is a characteristic diagram showing the spectral energy distribution of the light source used in the present invention.
FIG. 14 is a characteristic diagram showing the spectral transmittance of a rotating color filter used in the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing a light amount distribution of an AC drive type light source used in the present invention.
FIG. 16 is a view showing a light amount distribution of a DC drive type light source used in the present invention.
FIG. 17 is a diagram showing a light distribution of an AC drive type light source used in the present invention.
FIG. 18 is a diagram showing a light distribution of a DC drive type light source used in the present invention.
19 is a diagram showing an example in which a light emitting diode is added to the embodiment shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a ... 1st reflective mirror, 1b ... 2nd reflective mirror, 2 ... Light source, 3 ... Light flux, 4 ...
Claims (10)
前記反射鏡は、楕円面を有する第1の反射鏡と、該第1の反射鏡の光進行方向側に配置された球面を有する第2の反射鏡とを有し、
前記第1の反射鏡の第1焦点及び前記第2反射鏡の曲率中心の近傍に前記光源を配置し、
前記第1反射鏡の第2焦点近傍に前記回転色フィルタを配置することによって、
前記第1の反射鏡及び前記第2の反射鏡によって反射されて収束された光束の最小錯乱円の径とほぼ等しい径を持つ光スポットを、前記回転色フィルタ上に形成するようにしたことを特徴とする投写型画像ディスプレイ装置。A light source that emits white light, a reflecting mirror that reflects white light from the light source and guides the reflected light in an optical axis direction of the light source, light emitted from the light source and reflected light from the reflecting mirror A rotary color filter that periodically selects the incident light as R, G, or B primary color light, and guides the light that has passed through the rotary color filter to an image display device having a plurality of micromirrors, In a projection image display device configured to display an image by enlarging and projecting light modulated by an image display device on a screen by a projection lens,
The reflecting mirror includes a first reflecting mirror having an elliptical surface, and a second reflecting mirror having a spherical surface arranged on the light traveling direction side of the first reflecting mirror,
Placing the light source in the vicinity of the first focal point of the first reflecting mirror and the center of curvature of the second reflecting mirror;
By disposing the rotating color filter in the vicinity of the second focal point of the first reflecting mirror,
A light spot having a diameter substantially equal to the diameter of the minimum circle of confusion of the light beam reflected and converged by the first reflecting mirror and the second reflecting mirror is formed on the rotating color filter. A projection-type image display device as a feature.
前記第1の反射鏡の第1焦点を前記陽極と陰極との中間点よりも陰極側に配置したことを特徴とする請求項1に記載の投写型画像ディスプレイ装置。When the light source is a direct current light source having an anode and a cathode facing each other along the optical axis of the light source,
The projection image display apparatus according to claim 1, wherein the first focal point of the first reflecting mirror is disposed on the cathode side with respect to an intermediate point between the anode and the cathode.
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