JP4019076B2 - 投写型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は投写型表示装置の光学系に関し、特に投写レンズに入射された不要光を遮蔽する手段を有する投写型表示装置の光学系およびその光学系を備えた投写型表示装置に関する。

液晶技術やＤＬＰ（デジタルライトプロセッシング）技術の急速な進展に伴うプロジェクタの小型化・高性能化により、画像投射を目的とするプロジェクタの用途も拡大し、家庭内でのディスプレイ型テレビに代わる大型の表示装置としても注目されている。特にＤＬＰ方式の投写型表示装置は高画質、高輝度であることから急速に増加している。

ＤＬＰ方式の投写型表示装置では画像形成素子として反射型光変調素子であるＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）が用いられており、ＤＭＤの表面には、マイクロミラーと呼ばれる小さなミラーが配置されている。この小さなミラーは、それぞれ±１２°に傾くことができる。ＤＭＤに光を照射し、その反射光の方向を制御して所望の投写画像が作られる。図６はＤＭＤのマイクロミラーの傾斜と出射光の関係を示す模式図であり、ＤＭＤのマイクロミラー１１が−１２°に傾いたときに反射される光をＯｎ光５１、ＤＭＤのマイクロミラー１１の傾斜が０°のときに反射される光を０度光５２、ＤＭＤのマイクロミラー１１が＋１２°に傾いたときに反射される光をＯｆｆ光５３と便宜上呼んでおり、Ｏｎ光５１のみを投写レンズ２０で取り込んで投射する。

この場合、Ｏｎ光５１のみが投写レンズ２０に入射し、その他の光は投写レンズ２０に入射しなければ正常な投射が得られる。ところがＤＭＤのマイクロミラー１１の状態は、−１２度から＋１２度に変化するときには連続的に変化するので、その間に０度状態と呼ばれる全く傾かない状態が必ず存在する。この状態でも、ＤＭＤ１０には光が照射されているので、ＤＭＤ１０からは光が反射され、その反射光は投写レンズ２０の開口部にかかっている。このような光が投写レンズ２０内に入ると鏡筒内部で反射が生じ、投写レンズ２０から外へ出て行ってしまい、迷光やフレアとして観測される。そのため、この０度光５２のような不要光による悪影響を排除するために、絞りを挿入し不要光が投写レンズより出射しないようにしている
レンズ内の内面反射によるゴーストやフレアを防止するための手法として、レンズ鏡筒の内壁に遮光線を入れることでゴーストやフレアを防止する技術が開示されている（特許文献１参照）。
特開平７−２７９６０号公報

ところが、ズームレンズなどで、絞りの位置がズーム位置により変わってしまうと、不要光が絞りを通過してしまうことがあるという問題があった。絞りを絞ることによりこのような問題は低減されるが、その場合絞りを絞ることにより投写光量が減ってしまうので投写画像が暗くなってしまうという問題があった。

本発明の目的は、ＤＭＤを用いても、投写画像の明るさを犠牲にしないで、本来光がない場所に光が出る現象（迷光）を防止できる投写型表示装置の光学系と投写型表示装置を提供することにある。

本発明の投写型表示装置は、
映像信号に基づいて個別駆動される複数の微小ミラーを備えた反射型光変調素子が搭載され、該反射型光変調素子で形成された画像情報を光学系を介して投射面に投写する投写型表示装置において、前記光学系が、保持部材内に配置された複数のレンズ群からなる投写レンズと、前記保持部材内であって、前記投写レンズを構成する前記複数のレンズ群のうち、隣接する２つのレンズ群の間に設けられた絞りと、前記保持部材の内面上であって、前記絞りよりも前記投写面側に設けられ、前記絞りを通過した不要光の投写を遮断する遮蔽手段と、を有し、前記絞り及び該絞りを挟んで隣接する前記２つのレンズ群は一体となって光軸上を移動することを特徴とする。

前記遮蔽手段の一例としては、前記絞りを挟んで隣接する前記２つのレンズ群の内、前記投写面側のレンズ群を保持する円筒形の保持部材の内面に、前記光軸と平行な方向に並んで設けられ、前記内面に鋸刃状の凹凸断面を形成する複数の突起からなるものが挙げられる。

前記遮蔽手段の他の一つとしては、前記絞りを挟んで隣接する前記２つのレンズ群の内、前記投写面側のレンズ群を保持する円筒形の保持部材の内面に施された反射抑制用の黒塗りが挙げられる。

前記遮蔽手段の他の一つとしては、前記絞りを挟んで隣接する前記２つのレンズ群の内、前記投写面側のレンズ群を保持する円筒形の保持部材の内面に形成され、入射光を乱反射させる粗面が挙げられる。

本発明の投写型表示装置は、発光体で構成される光源と、前記光源から出射された光束を集光させる反射鏡と、前記反射鏡からの光を入射端面で受け、輝度分布が均一化された光を出射する四角柱のライトトンネルと、前記ライトトンネルからの出射光を前記反射型光変調素子に集光させる光学系と、をさらに有することが望ましい。

本発明の投写型表示装置は、その光学系に、連続三角形傾斜面を有する遮光部が設けられていたり、反射抑制用の黒塗りが施されていたり、あるいは粗面が形成されていたりしているので、ＤＭＤを用いて謄写画面の明るさを犠牲にしないで、本来光がない場所に光が出る現象（迷光）を防止できるという効果がある。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の光学系を有する投写型表示装置の模式的ブロック構成図であり、図２は本発明の実施の形態の光学系の模式的ブロック図である。

投写型表示装置１００の光学系２００は、画像形成素子であり反射型光変調素子であるＤＭＤ表示部１０を照明する照明光学系と、画像形成素子であるＤＭＤ表示部１０と、ＤＭＤ表示部１０からの光束をスクリーン４０に投写する投写レンズ２０とから構成されている。照明光学系は、発光体で構成される光源１と、この光源１からの光束を集光して仮想的な２次光源を作る集光ミラー２と、光源１の集光ミラー２からの反射光の集光点に回転するカラーセグメントが位置するように配置され、集光ミラー２からの光を複数の色に時分割するカラーホイール６と、カラーホイール６からの光を受ける位置に入射端面３ａが位置するように配置されて２次光源からの光束の輝度分布を均一化して出射面３ｂから出射する輝度ムラ低減素子であるライトトンネル３と、ライトトンネル３からの出射光束を画像形成素子６であるＤＭＤに導くアフォーカル光学系とで構成されている。

ライトトンネル３は、画像形成素子であるＤＭＤ表示部１０の形状が四角形なので照明領域が四角になるよう中空四角柱形状のものが用いられている。ライトトンネル３の内壁は反射面になっており、ライトトンネル３に入射した光線は内部で数回繰り返し反射されて進行することによってライトトンネル出射端３ｂでの輝度ムラが低減する。ライトトンネル３の替わりに角柱状や円柱状、棒状のレンズ、所謂、ロッドレンズを用いてもライトトンネルと同様の効果が得られる。なお、ライトトンネルやロッドレンズの輪郭形状は画像形成素子形状に合わせればよい。

アフォーカル光学系は第１〜第３のレンズ４ａ〜４ｃと反射ミラー５とから成り、ライトトンネル３の出射面３ｂを物体面としている。反射ミラー５は平面鏡であり、光路を変更するだけの機能しか持たず、アフォーカル光学系に必須の要素ではないから無くてもよい。本実施形態では光路を折り返して装置を小型にする目的で第２のレンズ４ｂと第３のレンズ４ｃの間に設けている。アフォーカル光学系の照射面（像面）には画像形成素子としてＤＭＤ表示部１０が配置される。

アフォーカル光学系を構成する３つのレンズのうち、第１のレンズ４ａは平凸レンズであり、平面側をライトトンネル３に面するようにして、光源１とライトトンネル３の中心を結ぶ光軸Ｏから上下方向にシフトして第１のレンズ４ａの中心を光軸Ｏ上からずらして配置されている。第２のレンズ４ｂも平凸レンズであり、光軸Ｏから上下左右にシフトすると共に回転偏心させて配置されている。第３のレンズ４ｃは凸レンズであり、ＤＭＤ表示部１０の中心点の法線から、シフトし回転偏心して設置され、反射ミラー５からの光束をＤＭＤ表示部１０に照射するようになっている。ＤＭＤ表示部１０はアフォーカル光学系の照射面の位置に配置されている。

図２の構成によれば、光源１より出射された光束は、集光ミラー２に反射して仮想的な２次光源を作る。仮想的な２次光源より出射した光束は、カラーホイール６を経由して仮想的な２次光源位置に入射端面３ａを配置したライトトンネル３に入射する。ライトトンネル３に入射した光束は、ライトトンネル３の内部で複数回反射を繰り返してライトトンネル３から出射し、第１〜第３のレンズ４ａ〜４ｃを有するアフォーカル光学系に入射する。アフォーカル光学系を通過して出射した光束の主光線は平行になって、アフォーカル光学系の照射面、即ち、ＤＭＤ表示部１０に至る。ＤＭＤ表示部１０に入射した光束はＤＭＤ表示部１０で反射され、投写レンズ２０を経てスクリーン４０（図１）に投写される。アフォーカル光学系の構成はこれに限定されるものではなく、ライトトンネル３からの出射光を効率よくＤＭＤ表示部２０の全面に所定の角度で投射できる構成であればよい。また、カラー表示でない場合にはカラーホイール６はなくてもよい。

本発明はＤＭＤ表示部１０を用いた投写型表示装置１００の光学系２００において、画像生成に有効な光線以外の不要光による迷光を除去することにより、画像のコントラスト向上を図ることを目的としており、除去の方法としては、投写レンズ２０内に光を遮蔽する構造を設けることを特徴としている。

不要光による迷光を除去する原理について説明する。図３は投写レンズにおける不要光による迷光を除去する原理を説明するための模式的構成図であり、図４はレンズ保持部材に設けられた遮光部の模式的断面図である。投写レンズ２０は、４群からなるレンズ群を有しており、投写側から第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３、第４レンズ群Ｇ４となっており、絞り２６は第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３の間に偏心して配置されている。ズーム時には、第２レンズ群Ｇ２、絞り２６、第３レンズ群Ｇ３が一体となって光軸上を移動する。On光５１は第４レンズ群Ｇ４から入射し第１レンズ群Ｇ１から出射され、スクリーン上には画像が投射される。一方、不要光である０度光５２は、絞り２６で遮られる場合は投写レンズ２０から出射されない。しかし、ズーム時に第２レンズ群Ｇ２から第３レンズ群Ｇ３が一体となって光軸上を移動するので、絞りの位置が変化してしまい、不要光である０度光５２が絞り２６を通過してしまう場合がある。絞り２６を通過した不要光である０度光５２は第２レンズ群Ｇ２のレンズ保持部材２９に当たる。第２レンズ群Ｇ２のレンズ保持部材２９に図４に示すような連続三角形傾斜面２８を有し断面が鋸刃状の凹凸を円周方向に有する遮光部２７を設けることにより、遮光部２７で反射した不要光は大きくその進路が変更になり、第２レンズ群Ｇ２の外へ光が出ない。これにより、０度光５２による不要光は投写レンズ２０から出射されないので迷光はでない。連続三角形傾斜面２８を設ける代わりにレンズ保持部材２９に反射抑制用の墨塗りが行われた場合は、墨塗りにより反射率が非常に低くなるので投写レンズ２０から出射される不要光が弱まり、迷光やフレアが低減されたり目立たなくなったりする。連続三角形傾斜面２８を設ける代わりに入射光の乱反射を発生させるための粗面を形成する「やすりがけ」を行う場合は、不要光が「やすりがけ」により第２レンズ群Ｇ２の保持部材２９の表面で乱反射するようになるので、不要光が投写レンズ２０から出射されなくなったり、主出射される不要光が少なくなるので、迷光やフレアが低減されたり目立たなくなったりする。

次に、実施の形態の遮光部を有する投写レンズについて詳細に説明する。図５は本願発明による遮光部を有する投写レンズの断面構造図である。投写レンズ２０は、スクリーン４０側から順に第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３、第４レンズ群Ｇ４を構成する計１４枚のレンズと、平行平面ガラスＧ５とから構成されている。第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との間に絞り２６が設けられている。この絞り２６の中心は投写レンズ２０の光軸Ｌ１からｈだけ偏心している。

第１レンズ群Ｇ１は、スクリーン４０側に凸面を向けた凸メニスカスレンズＧ１１、ＤＭＤ表示部１０側に凹面を向けた凹メニスカスレンズＧ１２、凹レンズＧ１３の計３枚のレンズで構成されている。第２レンズ群Ｇ２は、ＤＭＤ表示部１０側に凸面を向けた凸メニスカスレンズＧ２１とスクリーン側に凹面を向けた凹メニスカスレンズＧ２２との接合レンズと、凸レンズＧ２３とで構成されている。第３レンズ群Ｇ３は、凹レンズＧ３１と凸レンズＧ３２との接合レンズで構成されている。第４レンズ群Ｇ４は、凹レンズＧ４１、ＤＭＤ表示部１０側に凸面を向けた凸メニスカスレンズＧ４２、凹レンズＧ４３と凸レンズＧ４４との接合レンズ、ＤＭＤ表示部１０側に凸面を向けた凸メニスカスレンズＧ４５と凸レンズＧ４６とで構成されている。凹レンズＧ４３と凸レンズＧ４４との接合レンズはその凹面をスクリーン側に向けて配置されている。

投写レンズ２０は、フォーカス時に図５に示す面番号６における面間隔ｄ６が変化して第１レンズ群Ｇ１が光軸Ｌ１に沿ってスクリーン４０側とＤＭＤ表示部１０側とに進退する。第１レンズ群Ｇ１以外の他の第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３、第４レンズ群Ｇ４は固定されている。ズーム時においては、図５に示す面番号１１、１５における面間隔ｄ１１、ｄ１５が変化して第２レンズ群Ｇ２、絞りＳ１、第３レンズ群Ｇ３が光軸Ｌ１に沿って移動する。絞り２６は光軸Ｌ１に対して垂直方向に偏心しており、絞り２６の開口中心から光軸Ｌ１までの距離ｈを絞り偏心量として示している。

この投写レンズ２０はテレセントリックな結像光学系である。ＤＭＤを用いる場合、DMDへの入射光と出射光の光路が重なりあうため、光路上に置かれる投写光学系と照明光学系を構成する光学素子が干渉することは明らかである。そのため画像形成素子からの出射光の主光線に画像形成素子の法線との成す所定の角度θを持たせ、投写光学系を角度つきテレセントリック光学系で構成し、光量ロスを招かないようにしている。

テレセントリック光学系は、ＤＭＤからの反射光の主光線同士が平行であるので、レンズの後玉の大きさが、表示デバイスのサイズと同等かそれ以上になる。そのため、本来必要としないＯｆｆ光、０度光を取り込みやすい構造となっている。

さらに、絞りが投写レンズの光軸から偏心した位置に配置されている。絞りを偏心させることにより、画像形成素子上の特定光点から出射される光の上光線と下光線は、その出射方向が光軸に対して非対称となり、出射光線が光軸に対して傾けられる。その結果、画像形成素子上の各点から出射する光線が平行になり、明るさにムラのない投写画像を得ることができる。

図３、図４を参照して説明したように、第２レンズ群Ｇ２のレンズ保持部材２９の内側に本願発明の特徴である連続三角形傾斜面２８を有する遮光部２７が設けられている。本実施の形態では、レンズ保持部材２９はポリカーボネートでできており、連続三角形傾斜面２８は図４に示すように、ピッチ0.３ｍｍ、深さ0.２ｍｍの鋸刃状の断面でレンズ保持部材２９の内周面に形成されている。この遮光部２７により、ズーム位置の変動によって絞り２６を通り抜けてしまった０度光５２などの不要光線がレンズ保持部材２９の内面に当たっても、遮光部２７により反射方向が変更されることにより投写レンズ２０から出射されなくなる。これにより迷光やフレアがなくなる。連続三角形傾斜面２８のピッチや深さは、上述の値に限定されるものではなく、鋸刃状の凹凸断面の直径方向の高さは１〜３ｍｍ、光軸方向の間隔は０．２〜０．４ｍｍであれば通常迷光やフレアが防止できるが、それぞれの構成や大きさにより経験的に最適な寸法を設定することが望ましい。

本発明の実施の形態の光学系を有する投写型表示装置の模式的ブロック構成図である。 本発明の実施の形態の光学系の模式的ブロック図である。 投写レンズにおける不要光による迷光を除去する原理を説明するための模式的構成図である。 レンズ保持部材に設けられた遮光部の模式的断面図である。 本願発明による遮光部を有する投写レンズの断面構造図である。 ＤＭＤのマイクロミラーの傾斜と出射光の関係を示す模式図である。

符号の説明

１ 光源
２ 集光ミラー
３ ライトトンネル
４ａ 第１のレンズ
４ｂ 第２のレンズ
５ 反射ミラー
６ カラーホイール
１０ ＤＭＤ表示部
１１ マイクロミラー
２０ 投写レンズ
２６ 絞り
２７ 遮光部
２８ 連続三角形傾斜面
２９ レンズ保持部材
４０ スクリーン
５０ 入射光
５１ Ｏｎ光
５２ ０度光
５３ Ｏｆｆ光
Ｇ１ 第１レンズ群
Ｇ２ 第２レンズ群
Ｇ３ 第３レンズ群
Ｇ４ 第４レンズ群
Ｇ５ 平行平面ガラス
Ｌ１、Ｏ 光軸

Claims (6)

1. 映像信号に基づいて個別駆動される複数の微小ミラーを備えた反射型光変調素子が搭載され、該反射型光変調素子で形成された画像情報を光学系を介して投射面に投写する投写型表示装置において、前記光学系は、
   保持部材内に配置された複数のレンズ群からなる投写レンズと、
   前記保持部材内であって、前記投写レンズを構成する前記複数のレンズ群のうち、隣接する２つのレンズ群の間に設けられた絞りと、
   前記保持部材の内面上であって、前記絞りよりも前記投写面側に設けられ、前記絞りを通過した不要光の投写を遮断する遮蔽手段と、を有し、
   前記絞り及び該絞りを挟んで隣接する前記２つのレンズ群は一体となって光軸上を移動することを特徴とする投写型表示装置。
2. 前記遮蔽手段が、前記絞りを挟んで隣接する前記２つのレンズ群の内、前記投写面側のレンズ群を保持する円筒形の保持部材の内面に、前記光軸と平行な方向に並んで設けられ、前記内面に鋸刃状の凹凸断面を形成する複数の突起からなることを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
3. 前記鋸刃状の凹凸断面の前記保持部材の直径方向の高さは１〜３ｍｍであり、光軸方向の間隔は０．２〜０．４ｍｍである、請求項２に記載の投写型表示装置。
4. 前記遮蔽手段が、前記絞りを挟んで隣接する前記２つのレンズ群の内、前記投写面側のレンズ群を保持する円筒形の保持部材の内面に施された反射抑制用の黒塗りであることを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
5. 前記遮蔽手段が、前記絞りを挟んで隣接する前記２つのレンズ群の内、前記投写面側のレンズ群を保持する円筒形の保持部材の内面に形成され、入射光を乱反射させる粗面であることを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
6. 発光体で構成される光源と、
   前記光源から出射された光束を集光させる反射鏡と、
   前記反射鏡からの光を入射端面で受け、輝度分布が均一化された光を出射する四角柱のライトトンネルと、
   前記ライトトンネルからの出射光を前記反射型光変調素子に集光させる光学系と、をさらに有する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の投写型表示装置。

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