JP4017167B2

JP4017167B2 - 投映表示装置

Info

Publication number: JP4017167B2
Application number: JP2004168078A
Authority: JP
Inventors: 清水　　仁
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2024-06-07
Also published as: US7322702B2; US20050280779A1; JP2005345937A

Description

本発明は、画像表示パネルの画像をスクリーンに投映する投映表示装置に関する。

リアプロジェクションディスプレイは、スクリーンを有する筐体と、スクリーンの背後に傾斜して設けられる平面鏡と、平面鏡に向けて画像光を出射するプロジェクタエンジンとを備え、スクリーンの裏側に投映された画像がその表側から鑑賞される。プロジェクタエンジンには、高輝度の白色光源から照度の均一な照明光をつくる照明光学系と、照明光を画像光に変調する画像表示パネルと、画像光を拡大してスクリーン上で結像させる投映光学系等が設けられている。普及型のリアプロジェクションディスプレイでは、画像表示パネルとしてＬＣＯＳ等の液晶パネルを３枚使用する三板式と、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を１枚使用する単板式とが主流となっている。

反射型の画像表示パネルであるＤＭＤを備えた単板式の投映表示装置は、照明光学系と投映光学系の間に全反射プリズム（ＴＩＲプリズム）が設けられている。全反射プリズムは、光量の損失を抑えて照明光の光路と画像光の光路を分ける手段として使用される。全反射プリズムは、例えば、２つの三角プリズムを組み合わせて構成され、全反射作用の効率を高めるために２つの三角プリズムの間にエアギャップが設けられている。

特許文献１に記載された投映表示装置では、照明光学系を出射した照明光が、全反射プリズムの全反射面によってＤＭＤに向かって全反射される。ＤＭＤは照明光を画像光に変調し、ＤＭＤからの画像光は全反射面を透過して投映光学系に入射する。したがって、画像光が全反射プリズムのエアギャップを透過することになる。２つの三角プリズムは、エアギャップを介して対向する互いの面の平行度が低いと収差が発生するため、２つの面を高い精度で平行にしておく必要がある。すなわち、全反射プリズムには、各三角プリズムの形状の精度に加え、２つの三角プリズムの間の位置精度の高さが要求される。

特許文献２に記載された投映表示装置では、照明光学系から出射した照明光が全反射プリズムを透過してＤＭＤに入射する。ＤＭＤによって変調された画像光は、全反射プリズムの全反射面によって投映光学系に向かって全反射される。この場合、画像光が２つの三角プリズムの間のエアギャップを透過しないため、三角プリズムの形状の精度（反射面の平面精度等）が一定水準を満たしていれば、２つの三角プリズムの位置精度が比較的低かったとしても投映画像の品位は劣化せず、全反射プリズムの製造時に要する手間を軽減できる。

また、特許文献２に記載された投映表示装置は、照明光学系と投映光学系とをその光軸が互いに略平行となるように設け、ＤＭＤを駆動するための制御回路が設けられた回路基板をその基板面が各光学系の光軸に対して略平行になるように設けている。これにより、回路基板を各光学系の光軸に対して垂直に配置する場合と比べて回路基板の突出が抑えられ、プロジェクタエンジンの大型化を防いでいる。

特開２００２−６２５７号公報特開２００３−２６２９１８号公報

しかしながら、上記特許文献２に記載されたものと異なり、リア方式の投映に適するように照明光学系と投映光学系とを互いの光軸が垂直になるように設ける場合、照明光学系と投映光学系の間に配置される全反射プリズムは、画像光を全反射するための臨界角を確保する必要性から、照明光の入射方向と画像光の出射方向とを垂直にすることができず、照明光学系及び投映光学系と全反射プリズムを同一平面上に二次元的に配置することが困難であるという問題が生じる。

本発明は、上記問題点を考慮してなされたもので、全反射プリズムの配置に無理が生じず、照明光学系と投映光学系とを互いの光軸が垂直になるように配置できる投映表示装置を提供することを目的とする。

本発明の映像表示装置は、光源からの光を照明光に変換する照明光学系と、前記照明光を画像光に変調する画像表示パネルと、入射した前記照明光を前記画像表示パネルに導くとともに前記画像光を全反射させる反射面を有する全反射プリズムと、前記全反射プリズムから出射した画像光をスクリーンに結像させる投映光学系とを備えた投映表示装置であり、前記照明光学系及び投映光学系は、互いの光軸の方向が直角をなすように設けられ、前記照明光学系と全反射プリズムの間に、前記照明光学系から出射した照明光の進路を曲げて前記全反射プリズムに照明光を導く第１反射部材が設けられ、前記画像表示パネルは、該画像表示パネルを制御する回路基板上に設けられており、前記照明光学系及び前記投映光学系の各光軸と平行な平面を光学系基準面と定めるときに、前記全反射プリズム及び前記画像表示パネルは、前記回路基板とともに前記光学系基準面に対して前記照明光学系の光軸の方向に所定角度傾斜して設けられるとともに、前記画像表示パネルは前記回路基板の面内で前記画像表示パネルの法線方向を中心として前記所定角度と等しい角度だけ回転した状態に配置されることを特徴とする。

また、前記画像表示パネルは、前記光学系基準面に対して４５度傾斜していることを特徴とする。

また、前記照明光学系の光軸がスクリーンと平行であることを特徴とする。

また、前記投映光学系は、前記画像光の進路を曲げる第２反射部材と、この第２反射部材に対してスクリーン側に設けられた第１レンズ系と、前記画像表示パネル側に設けられ前記照明光学系の光軸に垂直な方向の光軸を有する第２レンズ系とを備えていることを特徴とする。

前記第１レンズ系の光軸と前記第２レンズ系の光軸が、前記照明光学系の光軸に対して垂直な平面内にあることを特徴とする。

前記１反射部材及び第２反射部材は、平面ミラーであることを特徴とする。

前記画像表示パネルは、デジタルマイクロミラーデバイスであることを特徴とする。

請求項１記載の投映表示装置によれば、画像光がエアギャップを透過しないように全反射プリズムを設けているから、２つのプリズムの平行度の精密さを比較的低くでき、全反射プリズムの設計や製造に要する手間が軽減できる。また、投映光学系と照明光学系をその光軸の方向が互いに垂直になるように設けることができる。画像表示パネルを駆動するための回路基板が所定の一方向に大きく突出せず、プロジェクタエンジンの大型化を防ぐことができる。画像表示パネルを傾斜させることによる画像の傾きは、画像表示パネルをその画面の法線方向に回転させた状態に配置することで補正され、向きの正しい画像を投映できる。

請求項２記載の投映表示装置によれば、回路基板を４５度傾けることができ、回路基板の偏った突出が最も小さく抑えられる。

請求項３記載の投映表示装置によれば、照明光学系の光軸をスクリーンと平行にすることにより、照明光学系の光軸を中心に投映光学系を回転させれば光源の設置姿勢を変えることなく画像光の出射方向を変えられ、プロジェクタエンジンの外部に複数枚のミラーを設ける等により投映距離を適宜変更できるから、設置姿勢が水平方向や鉛直方向に制限される光源を使用する投映表示装置においても、例えば、同一のプロジェクタエンジンを使用したスクリーンのサイズが異なるリアプロジェクションディスプレイを容易に設計することができ、プロジェクタエンジンの共通化を図ることができる。

請求項４記載の投映表示装置によれば、第２の反射部材の角度を変えることで画像光の出射方向が変えられ、同一のプロジェクタエンジンを用いてスクリーンサイズ等の異なるリアプロジェクションディスプレイを容易に設計できるから、プロジェクタエンジンの共通化を図ることができる。

請求項５記載の投映表示装置によれば、照明光学系の光軸をスクリーンと平行に保ったままプロジェクタエンジンを傾けることで画像光の出射方向が変更でき、仕様の異なるリアプロジェクションディスプレイに対してプロジェクタエンジンの共通化を図ることができる。

請求項６記載の投映表示装置によれば、第１及び第２の反射部材として安価な平面ミラーを用いることにより、プリズムを使用するよりも製造コストを抑えることができる。

請求項７記載の投映表示装置によれば、画像表示パネルにデジタルマイクロミラーデバイスを用いることにより、本発明の効果が最も発揮される最良の形態を実現できる。

図１において、リアプロジェクションディスプレイ１０は、画像が投映される透過型のスクリーン１１と、画像光を出射するプロジェクタエンジン１２と、画像光をスクリーン１１に反射する平面鏡１３とを備えている。プロジェクタエンジン１２と平面鏡１３は、筐体１４の内部に設けられ、筐体１４の開口部にスクリーン１１が設けられている。図２において、スクリーン１１は水平方向の長辺Ｌ１と鉛直方向の短辺Ｓ１とを有する長方形である。スクリーン１１にはその裏側から画像が投映され、投映された画像はスクリーン１１の表側から鑑賞される。平面鏡１３は上辺が長く下辺が短い台形であり、スクリーン１１に対して傾斜しており、平面鏡１３の下方から出射される画像光の中心がスクリーン１１に直交する。

図３において、プロジェクタエンジン１２には、光源装置１７、カラーホイール１８、照明光学系１９、全反射プリズム２０、ＤＭＤ２１、投映光学系２２が設けられている。光源装置１７は高輝度の白色光を放射する光源を有し、光源から放射された白色光を照明光学系１９に向けて出射する。カラーホイール１８は、光源装置１７と照明光学系１９の間に設けられている。カラーホイール１８は、基板となる円盤上に赤色光（Ｒ光）、緑色光（Ｇ光）、青色光（Ｂ光）をそれぞれ透過する３つのカラーフィルタを有し、各カラーフィルタが円周方向に所定間隔で配置されている。カラーホイール１８が回転すると、光源装置１７から放射された白色光が時分割式にＲ，Ｇ，Ｂの三原色光にそれぞれ色分離され、照明光学系１９に入射する。

照明光学系１９は、ロッドインテグレータ２５とリレーレンズ系２６とを備えている。ロッドインテレグレータ２５は、四角柱状に形成されたガラスからなる。カラーホイール１８を透過した光はロッドインテグレータ２５に入射し、その内部で全反射されることによって重畳され、明るさのムラが除去された照明光に変換される。照明光学系１９と全反射プリズム２０の間には、平面状の第１ミラー２７が設けられている。第１ミラー２７は、ロッドインテグレータ２５及びリレーレンズ系２６から出射した照明光の光路を曲げ、全反射プリズム２０に向かって照明光を反射する。レンズ２８は、全反射プリズム２０の照明光が入射する面に設けられ、照明光を集光してＤＭＤ２１を効率よく照明する。

全反射プリズム２０に入射した照明光は、全反射プリズム２０を透過してＤＭＤ２１に達する。ＤＭＤ２１は画面２１ａを有しており、画面２１ａには、周知のように、マトリクス状に多数のマイクロミラーが配列されている。各マイクロミラーは、その傾きがオン位置とオフ位置とに切り替えられ、オン位置のマイクロミラーに入射した光（オン光）は投映光学系２２に向かって反射され、オフ位置のマイクロミラーに入射した光（オフ光）は投映光学系２２の外部に向かって反射される。ＤＭＤ２１は、１つのマイクロミラーを反射したオン光によって画像の１画素が再現される。

ＤＭＤ２１は、各マイクロミラーの駆動を制御するための制御回路が形成された回路基板３０上に設けられている。マイクロミラーが配列されたＤＭＤ２１の画面２１ａと、回路基板３０の基板面とは平行である。回路基板３０からＤＭＤ２１に制御信号が入力されると、多数のマイクロミラーが照明光を画素ごとに変調し、画像光が生成される。画像光はＤＭＤ２１から出射され、全反射プリズム２０に入射する。画像光は、全反射プリズム２０の内部で全反射され、その光路が略直角に曲げられる。画像光は全反射プリズム２０から投映光学系２２に向けて出射される。

投映光学系２２は、平面状の第２ミラー３３と、第２ミラー３３に対してスクリーン１１側に設けられた第１レンズ系３４と、第２ミラー３３に対してＤＭＤ２１側に設けられた第２レンズ系３５とからなる。投映光学系２２は、全反射プリズム２０から出射された画像光を結像させ、スクリーン１１上に画像を拡大投映する。第１レンズ系３４と第２レンズ系３５は、それぞれ光軸３４ａ，３５ａを有する。光軸３４ａは、スクリーン１１に対して垂直であり、光軸３４ａ及び光軸３５ａは、照明光学系１９の光軸１９ａに垂直な同一の平面内にある。

図４において、全反射プリズム２０は、第１プリズム３８と第２プリズム３９の２つの三角プリズムによって構成されている。第１プリズム３８は、第１ミラー２７を反射した照明光がレンズ２８を介して入射する照明光入射面３８ａと、第１プリズム３８に入射した照明光が出射する照明光出射面３８ｂとを有する。第２プリズム３９は、第１プリズム３８を透過した照明光が入射するとともにＤＭＤ２１を反射した画像光をその内面で全反射させる反射面３９ａと、反射面３９ａで全反射された画像光が第２プリズム３９から出射される画像光出射面３９ｂと、ＤＭＤ２１と平行に正対して照明光及び画像光を透過させる光透過面３９ｃとを有している。第１プリズム３８と第２プリズム３９は、照明光出射面３８ｂと全反射面３９ａとがエアギャップ４０を介して平行になるように配置されている。

図５において、照明光学系１９の光軸１９ａは、スクリーン１１の水平方向と平行である。照明光学系１９と投映光学系２２の第２レンズ系３５は、各々の光軸１９ａ及び３５ａが光学系基準面Ｐ１に平行となるように設けられている。光学系基準面Ｐ１は水平面である。全反射プリズム２０，ＤＭＤ２１，回路基板２２は、図中にθで示す角度だけ光学系基準面Ｐ１に対して照明光学系１９の光軸１９ａの方向に傾斜して設けられている。θは４５度である。全反射プリズム２０は、光軸１９ａよりもスクリーン１１に近い位置にあり、第１ミラー２７はその反射面２７ａがスクリーン１１を向くように傾斜している。第１ミラー２７は、照明光の光路を光軸１９ａに対して折り曲げ、照明光を全反射プリズム２０の照明光入射面３８ａに対して垂直に入射させる。

図６において、照明光学系１９の光軸１９ａは、投映光学系２２の第２レンズ系３５の光軸３５ａに対して垂直である。第２レンズ系３５の光軸３５ａは、全反射プリズム２０の画像光出射面３９ｂに対して垂直である。

図７（ａ）において、ＤＭＤ２１は、光学系基準面Ｐ１に対する傾斜角度θと同じ角度だけ画面２１ａの法線Ｎ１を中心として回転した状態に配置されている。図７（ｂ）に示すＤＭＤ２１’は、図７（ａ）に示すＤＭＤ２１と同じものであるが、画面２１ａ’の一辺が全反射プリズム２０の底面とが平行である。図７（ａ）に示すＤＭＤ２１は、ＤＭＤ２１’に対して法線Ｎ１を中心に角度θだけ回転した状態に配置されており、画面２１ａの四辺は光透過面３９ｃの四辺と非平行である。

ＤＭＤ２１’のように、画面２１ａ’の四辺と光透過面３９ｃの四辺とがそれぞれ平行になるように全反射プリズム２０を配置すると、例えば画面２１ａ’の長辺方向を向いた矢印画像Ａ２は全反射面３９ａで反射され、画像光出射面３９ｂ上で画面２１ａ’と平行な方向を向くことになる。すると、矢印画像Ａ２がスクリーン１１に投映されたとき、光学基準面Ｐ１に対してＤＭＤ２１’及び全反射プリズム２０が傾いているため、スクリーン１１の水平方向を向くはずの矢印画像Ａ２は角度θだけ回転した画像になる。

ＤＭＤ２１は、ＤＭＤ２１’と比べて画面２１ａの法線Ｎ１の方向に角度θだけ回転させているため、画面２１ａの長辺方向に先端を向けた矢印画像Ａ１は、全反射面３９ａで反射されたとき、画像光出射面３９ｂ上では画面２１ａに対してθだけ回転し、矩形状の画像光出射面３９ｂの対角方向を向く。これにより、矢印画像Ａ１がスクリーンに投映されると、矢印の先端がスクリーン１１の水平方向を向いた正しい向きで投映される。

なお、本発明は、上記実施形態のように照明光学系１９と投映光学系２２の基準となる光学系基準面Ｐ１に対し、全反射プリズム２０やＤＭＤ２１，回路基板３０を４５度傾斜して配置することに限られず、照明光学系１９と投映光学系２２とを垂直にでき、全反射プリズム２０の照明光入射面３８ａに照明光を垂直に入射できる範囲内でその傾斜角度の多少の変更が可能である。また、照明光学系１９と全反射プリズム２０の間に第１ミラー２７を１枚のみ設けているが、複数枚のミラーを設け、光源装置１７が光源光を照射する方向を１８０度変更してもよい。照明光学系や投映光学系を構成する各光学要素は、上記実施形態のものに限られず、適宜変更してもよい。また、本発明は、スクリーンの裏側から画像を投映するリア方式の投映表示装置に限らず、スクリーンの表側から画像を投映するフロント方式の投映表示装置に適用してもよい。

リアプロジェクションディスプレイの断面図である。リアプロジェクションディスプレイを概略的に示す斜視図である。プロジェクタエンジンの構成を示す斜視図である。全反射プリズムの平面図である。照明光学系とＤＭＤとを示す正面図である。照明光学系と投映光学系とを示す上面図である。ＤＭＤと全反射プリズムの位置関係を示す説明図である。

符号の説明

１０リアプロジェクションディスプレイ
１１スクリーン
１９照明光学系
１９ａ光軸
２０全反射プリズム
２１ＤＭＤ
２１ａ画面
２２投映光学系
２７第１ミラー
３０回路基板
３３第２ミラー
３４第１レンズ系
３４ａ光軸
３５第２レンズ系
３５ａ光軸
４０エアギャップ
Ｐ１光学系基準面
Ｎ１法線

Claims

光源からの光を照明光に変換する照明光学系と、前記照明光を画像光に変調する画像表示パネルと、入射した前記照明光を前記画像表示パネルに導くとともに前記画像光を全反射させる反射面を有する全反射プリズムと、前記全反射プリズムから出射した画像光をスクリーンに結像させる投映光学系とを備えた投映表示装置において、
前記照明光学系及び投映光学系は、互いの光軸の方向が直角をなすように設けられ、
前記照明光学系と全反射プリズムの間に、前記照明光学系から出射した照明光の進路を曲げて前記全反射プリズムに照明光を導く第１反射部材が設けられ、
前記画像表示パネルは、該画像表示パネルを制御する回路基板上に設けられており、
前記照明光学系及び前記投映光学系の各光軸と平行な平面を光学系基準面と定めるときに、前記全反射プリズム及び前記画像表示パネルは、前記回路基板とともに前記光学系基準面に対して前記照明光学系の光軸の方向に所定角度傾斜して設けられるとともに、
前記画像表示パネルは前記回路基板の面内で前記画像表示パネルの法線方向を中心として前記所定角度と等しい角度だけ回転した状態に配置されることを特徴とする投映表示装置。
前記画像表示パネルは、前記光学系基準面に対して４５度傾斜していることを特徴とする請求項１記載の投映表示装置。
前記照明光学系の光軸がスクリーンと平行であることを特徴とする請求項１又は２に記載の投映表示装置。
前記投映光学系は、前記画像光の進路を曲げる第２反射部材と、この第２反射部材に対してスクリーン側に設けられた第１レンズ系と、前記画像表示パネル側に設けられ前記照明光学系の光軸に垂直な方向の光軸を有する第２レンズ系とを備えていることを特徴とする請求項１ないし３にいずれか１つ記載の投映表示装置。
前記第１レンズ系の光軸と前記第２レンズ系の光軸が、前記照明光学系の光軸に対して垂直な平面内にあることを特徴とする請求項４記載の投映表示装置。
前記１反射部材及び第２反射部材は、平面ミラーであることを特徴とする請求項４又は５記載の投映表示装置。
前記画像表示パネルは、デジタルマイクロミラーデバイスであることを特徴とする請求項１ないし６にいずれか１つ記載の投映表示装置。