JP4487240B2 - 投射型ディスプレイ光学系 - Google Patents

Description

本発明は、投射型ディスプレイシステムに係り、特にＤＭＤ素子を用いる投射型ディスプレイシステムにおいて光学系の照明装置に関する。

最近プロジェクタと呼ばれる画像投射装置が広く普及するに従って、多様な種類の製品が開発、市販されており、このような画像投射装置の開発は、明るさを改善し、小型／軽量化をめざす傾向にある。

画像投射装置の光学系は、光源として使われるランプと、ランプからの光を画像表示素子（画像表示装置）に照らし出すための照明部と、そして画像表示素子とこのような画像表示素子に表示された画像をスクリーンに拡大投射する投射部とによって構成される。
この時、前記ランプとしては、高圧水銀ランプが現在多く使われ、画像表示素子としては、液晶表示素子（液晶表示装置）とデジタルミラーデバイス（DigitalMicromirror Device：ＤＭＤ）等が広く使われている。
上記ＤＭＤは、それぞれ微細ミラーを有する多くのピクセルを備え、それぞれのピクセルに対して配置された記憶素子による電磁場の効果により、各ミラーを固有の傾きに制御し、オン／オフの状態を生じることによって、反射光線の反射角度が変化する。

このような投射型ディスプレイは、使われる画像表示素子の数に従って単板式、２板式、３板式の光学系の構成を有するようになるが、最近では、小型化／軽量化及び低価格の装置が開発されており、１チップの画像表示素子が用いられる趨勢にある。

このように１枚の画像表示素子で画像投射装置を作るためには、次の３種の方式に分けることができる。
第１は、表示素子が赤色、緑色、青色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のカラーフィルターを備える方式であり、第２は、外部でＲ、Ｇ、Ｂを分離して同時に表示素子に照らし出す方式であり、第３は、時間的な差を設けて次々と照らし出す方式である。

本明細書では、第３の方式である外部で時間的な差を設けて次々とＲ、Ｇ、Ｂを分離して照らし出す方式を適用して説明する。

この場合において、単板式の画像表示素子は、３板式の場合より応答速度が少なくとも３倍以上速くなるように要求されるが、現在これを満足する画像表示素子としてはＤＭＤ（登録商標）がある。

図３は、従来技術によるＤＭＤ素子の簡単な構造及び表示素子としての光学的動作状態を示した図である。
図３に示したように、ＤＭＤ１０は、表示最小単位である画素がマイクロミラー（micromirror）１２で構成されて、それぞれのマイクロミラー１２は、電気的信号によって±θの偏向形態（Tilt Mode）を有する。現在θは１０度または１２度で商用化されている。

実際にマイクロミラー１２の偏向方向は、正方形画素の対角方向を軸に駆動されるが、説明上の便宜のために、ここでは縦方向軸を基準に駆動することとして説明する。

ＤＭＤ１０を、投射レンズ３０を通してスクリーンに拡大結像させる構成において、結像条件としてＤＭＤ１０面と投射レンズ３０の光軸は、垂直方向に位置させなければならない。一般的に、ＤＭＤ１０の水平方向では、ＤＭＤ１０の中心と投射レンズ３０の光軸を一致させ、一方、ＤＭＤ１０の垂直方向では、光軸の中心を移動させるために、使用上上向投射が適用される構成を有しているが、ここでは、移動（Decenter）できないこととして説明する。

このような条件において、光学的にオン状態（White）になるようにするためには、図３において、ＤＭＤ１０のオン状態におけるミラーの偏向が＋θである時、照明光の主軸光がＤＭＤ１０の面に対して垂直に出射できるように、ＤＭＤ１０面に入射しなければならないが、この時、照明光のＤＭＤ１０の入射角は２θでなければならない。

これが、ＤＭＤ型投射光学系の基本的構成条件ということができる。
一方、このような状況においてオフ状態（Black）の時には、投射レンズ３０の軸に対して４θの方向に出射される。このために、光線は、投射レンズ３０を透過することができなくなり、それゆえ光をスクリーンに投射できなくて黒い画面を生じる結果となる。

図４Ａは、従来技術による１枚形ＤＭＤを利用した投射光学系構成の一実施形態を示す平面図であり、図４Ｂは、一般的な時分割色分離素子のカラーホイールの構造を示した平面図及び側面図である。
図４Ａに示したように、まず光源としては、楕円形反射鏡８２が付着しているランプ８０を用いてロッドレンズ（Rod lens）６０の入射面に光を集束させる。

そして、カラーホイール７０がランプ８０とロッドレンズ６０の間に配置されて、順次、光をＲ、Ｇ、Ｂの各色に分離する。
この時、カラーホイール７０は、図４Ｂに示すように、回転するモータ７２に取り付けられ、円盤のように、Ｒ、Ｇ、Ｂのフィルターが回転するにしたがって次々と色がフィルターリングされて出力するように作用する。

それゆえ、このようにフィルターリングされる部分の領域は、ランプ８０から出た光線がロッドレンズ６０の入射面に集光される部分であるために、カラーホイール７０は、ロッドレンズ６０の入射面前に配置される。

このようにカラーホイール７０を通じて特定の色にフィルターリングされる光がロッドレンズ６０に入射すれば、この光は、ロッドレンズ６０内部で何度も反射を起こしながらロッドレンズ６０を通過するようになり、出射面では、光が面全体に均等に広がりながら放射するようになる。

言い替えれば、光源から出た光は、ロッドレンズ６０の出射面に進められて、出射面があたかも第２の均質な輝度分布を有する面光源になる。

その次に、ロッドレンズ６０から出射される光は、第１、第２の照明レンズ群５０、４０とＴＩＲプリズム２０を経て、画像表示素子面であるＤＭＤ１０にロッドレンズ６０の出射面を適当な大きさに結像させるように構成することによって、ＤＭＤ素子１０である表示面に均質な光分布が与えられるようになる。

ここで全反射プリズム（Total Internal Reflection Prism：ＴＩＲプリズム）２０は、２個のプリズムが微細な空気間隙を置いて接合されていて、入射する光が一番目プリズムの境界面で内部全反射されてＤＭＤ１０に入射する。ＤＭＤ１０は、ホワイト信号（ＯＮ状態）時、画素ミラーの偏向によって入射した光と異なる放射角度で光が出力されるようにすることにより、光がＴＩＲプリズム２０で内部全反射を起こさなくて外部に透過できるようになる。
そして、このように出力された光は、投射レンズ３０を透過してスクリーン上に拡大結像される。

このような構成は、照明光の第１境界面における内部全反射及びホワイト光をＤＭＤ１０から第２境界面に通過させるＴＩＲプリズム２０の動作特性を考慮すると、照明光の平行特性（Telecentric characteristic）が重要になる。

しかし、照明光のビーム角によって反射、透過率が違っているので、透過効率が落ちる現象と平行特性（Telecentric照明）による投射レンズ３０のレンズ径が大きくなることにより結果的に製造コストが増大する。さらに、ＤＭＤ１０ミラーのゼロ状態（Zero−State）、回折によるノイズ、及び光透過増加による輝度（contrast）減少等の問題点を有する。

図５は、従来技術による１枚形ＤＭＤを利用した投射光学系構成の他の実施形態を示す図面である。
図５では、図４での問題点を解決するためにＴＩＲプリズム２０を用いない画像投射装置を示している。

このように、ＴＩＲプリズム２０を用いない構成では、第２照明レンズ群４０をガラス透過型にするものと反射型にするものとがある。光学的基本原理は同一であるので、ここでは反射型ミラーレンズの構成に関して説明する。

図４と同様に、ロッド型チューブであるロッドレンズ６０までは同一な動作特性を有しており、ロッドレンズ６０から出射される照明光の主軸光線が照明レンズ８０によってＤＭＤ１０面に２θで入射するようにする条件も同一であると言える。

しかし、図５の投射光学系における構造的な特徴は、経路転換用全反射ミラー９０を第１照明レンズ群５０と第２照明レンズ群４０間に設置することによって、第１照明レンズ群５０の光路と、第２照明レンズ群４０及びＤＭＤ１０間の光路を空間的に重ねるようにして、よりコンパクトな構成となっていることである。

また他の光学的特徴としてこのような構成は、ＴＩＲプリズム２０を用いる場合の照明光の平行性（Telecentric）制限に対する拘束条件がないために、ロッドレンズ６０の出力面の各物点における主光線が、ＤＭＤ１０面に入射される時、平行性を維持する必要なく集束できることである。

実際に、投射レンズ３０とミラー型レンズ（第２照明レンズ群）４０の位置が重複することによって光干渉が生じないように、集束する照明設計では、投射レンズ３０の入射部の大きさを減少させることが必要となる。

このような構成の長所は、ＴＩＲプリズム２０タイプに比べて小型化及び低価格が可能であって性能的には明るさ効率及び輝度が向上することである。

第２照明レンズ群４０を反射型（mirror type）レンズで構成する場合、ロッドレンズ６０及び第１照明レンズ群５０の光軸と第２反射型レンズ４０の光軸を一致させることができる。このような場合、反射型レンズ４０により反射された光は、再び第１照明レンズ群５０の光軸方向に進められて光路干渉が発生する。

このような問題を避けるために従来の製品構成では図６Ａのように反射レンズ４０をロッドレンズ６０の光軸と合う点を基準にψ／２回転させることによって反射される光の方向をψ度だけねじる。

この時、ロッドレンズ６０の出射面の照明イメージ面は、実際にＤＭＤ１０が位置する面と角度を有するようになるが、これにより光学的にはＤＭＤ１０面での照明イメージは、図６Ｂのように台形歪み（keystone）現象が生じる。

このような現象は、実際に有効なＤＭＤ１０面の照明面積より大きく照明されるようにしなければならない条件のために、失われる光が多くなるという問題を有する。
また、台形歪み現象の問題は、ＤＭＤ１０の位置に伴う照度の差によって異なり、スクリーン映像画面の明るさの均質性が低下する問題も生じる。

上述した照明イメージの台形歪み現象は、図４Ａで示しているＴＩＲプリズム２０を用いる場合においても起こる。それは、第１照明レンズ５０の軸とＤＭＤ１０面の軸が垂直でなくて照明光のＤＭＤ入射角が２θを有するからである。

本発明は、台形歪みの発生を抑制して照明効率及び均質性を向上させる照明光学系を提供することにその目的がある。

本発明は、光源と、この光源から出力された光を受光する画像表示手段と、前記光源と前記画像表示手段の間に配置されており、前記光源から入射した光を出力させる光学素子、前記光学素子から出射される光が通過する第１レンズ、および前記第１レンズを通過した光が入射するミラー型の第２レンズを含む照明部と、前記画像表示手段の画像をディスプレイ手段に投射する投射部と、を含むディスプレイ光学系であって、前記第２レンズの光軸が、前記第１レンズの光軸及び前記投射部の光軸と平行になるように、前記第１レンズの光軸に対して平行移動されていることを特徴とする。

本発明の実施形態では、ロッドレンズの出力面から第１、第２レンズを通過して結像されるイメージ面が、画像表示手段の面に対して傾斜しないように、第２レンズの光軸を第１レンズ光軸に対して一致させず、かつ第２レンズが、第１レンズの光軸に対して移動（偏心）されている。

本発明の他の構成によれば、第２レンズの光軸が第１レンズの光軸に対して平行となるように構成される。
本発明の他の構成によれば、第１レンズの光軸は、ロッドレンズの中心軸と一致させる。

本発明の他の構成によれば、第１、第２レンズの光軸は、互いに平行となっている。
本発明の他の構成によれば、第１レンズの光軸への光線が、第２レンズに入射しかつこの第２レンズから出射する場合、第２レンズから出射される光線と第1レンズの光軸とのなす角が、画像表示手段のオン状態時に出射される光線と第２レンズから出射される光線とのなす角と等しくなる。

本発明の他の構成によれば、第２レンズは反射型レンズで構成される。
本発明の他の構成によれば、第１レンズと第２レンズ間に光経路を変えるための反射ミラーが設置される。
本発明の他の構成によれば、第２レンズが非球面を有する。

したがって、本発明によれば、投射型ディスプレイ光学系は、台形歪み発生を抑制して照明効率及び均質性を向上させることができる。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の投射型ディスプレイ光学系の望ましい実施形態を詳細に説明する。

本発明の他の目的、特性及び利点は、添付した図面を参照した実施形態の詳細な説明を通じて明白になるであろう。

図１は、本発明による１チップＤＭＤを利用した投射光学系を示した構成図である。
本発明は、従来例における構成と基本構成部品においては同様であるが、照明効率及び均質性性能低下の問題を改善できる第２照明レンズ群４０の配置を異にしており、この点が発明の要旨と言える。

図１を参照しながら説明すれば、まず光源としては楕円形反射鏡８２が付着しているランプ８０を用いてロッドレンズ６０の入射面に光を集束させる。
そしてランプ８０とロッドレンズ６０間には、カラーホイール７０を設けて、順次、光をＲ、Ｇ、Ｂに分離する。

この時、カラーホイール７０は、図４Ｂのように回転するモータ７２に取り付けられ、モータの駆動により、Ｒ、Ｇ、Ｂの円盤状のフィルターが回転するので、順次、色がフィルターリングされて出力するように作用する。

それゆえ、フィルターリングさせる部分の面積が最小になる部分は、ちょうどランプ８０から出た光が、ロッドレンズ６０の入射面に集光される部分であり、カラーホイール７０は、ロッドレンズ６０の入射面前に配置されるようになる。

このようにカラーホイール７０を通じて特定の色にフィルターリングした光がロッドレンズ６０に入射すれば、光はロッドレンズ６０内部で何度も反射を起こしながらロッドレンズ６０を通過するようになり、出射面では、光が面全体に均等に広がりながら出射するようになる。

言い替えれば、光源から出た光は、ロッドレンズ６０の出射面に進められて、出射面があたかも第２の均質な輝度分布を有する面光源になる。

この時、ロッドレンズ６０は、基本的に２種類の形態が可能であり、一つは内部境界面がミラーになっていてミラー反射をするように動作するホローレンズと、また他の一つは高屈折率を有するガラスになっていて全反射によって動作するものがありえる。

その次に、ロッドレンズ６０から出射される光は、第１照明レンズ群（第１レンズともいう。）５０と第２照明レンズ群（第２レンズともいう。）４０を経て画像表示素子面であるＤＭＤ１０にロッドレンズ６０の出射面を適当な大きさに結像させるように構成することによって、画像表示素子であるＤＭＤ１０表示面に均質な光分布を与えるようになる。

同時に、経路転換用全反射ミラー９０が、第１照明レンズ群５０と第２照明レンズ群４０間に設けられることによって、ロッドレンズ６０から出射される光路と、第２照明レンズ群４０とＤＭＤ１０との間の光路とを空間的に重ねるようにして、よりコンパクトな構成を形成している。

実際に、投射レンズ３０とミラー型レンズ（第２照明レンズ群）４０の位置が重複することによって光学干渉が起こらないように、集束する照明設計では、投射レンズ３０の入射部の大きさを減少させることが必要である。

このような構成の長所は、ＴＩＲプリズム（図４の２０）タイプに比べて小型化及び低価格が可能であり、性能的には明るさ効率及び輝度が向上する。

この時、第２照明レンズ群４０を反射型レンズ４０で構成する場合、ロッドレンズ６０、第１照明レンズ群５０の光軸、及び第２照明レンズである反射型レンズ４０の光軸が一致させることができる。この場合、反射型レンズ４０により反射された光は、再び第１照明レンズ群５０の光軸方向に進められ、その結果、光学干渉が発生する。

このような問題を避けるために、本発明の構成では、図２Ａのように反射レンズ４０をロッドレンズ６０の光軸との交点を基準にして、第２照明レンズ群４０の中心軸を移動（decentering）させて、第１照明レンズ群５０の光軸が、前述したロッドレンズ６０の光軸と一致するようにする。
ここで、反射レンズ４０は、非球面を有していてもよい。

したがって、前述した第２レンズ群４０の光軸は、第１レンズ群５０の光軸と光学的に一致せず、平行になっている。

図２Ａの実施形態は、第２レンズ群４０の中心軸を移動（decentering）させた一例であるが、第２照明レンズ群４０の光軸を上部に移動する形態を取ることができる。

さらに正確には、ロッドレンズ６０及び第１照明レンズ群５０の各光軸は一致して、これらの光軸は、第２照明レンズ群４０の光軸と光学的に平行に並んでいる。
そして、第２照明レンズ群４０により出射される光線と第１レンズ群５０の光軸となす角２θは、ＤＭＤ１０のオン状態時に出射される光線と第２照明レンズ群４０から出射される光線となす角２θと等しい。
要するに、前述した第１照明レンズ群５０の光軸は、投射レンズ３０の光軸と平行となっている。

上述の構成によれば、実際にロッドレンズ６０出射面のイメージ面は、ＤＭＤ１０の面と一致するようになっている。したがって、図２Ｂに示したようにＤＭＤ１０有効面に近接した照明イメージが形成されるために照明損失が少なくなり、明るさ分布も均質（ロッドレンズの出射面の明るさ均質も維持）になる。

そして、ロッドレンズ６０の出射面とＤＭＤ１０面との対象（object）／イメージ（image）関係は、ロッドレンズ６０出射面上に第１照明レンズ群５０により形成される第１イメージが、ロッドレンズ６０光軸に対して垂直となることにより、これを第２対象にして、このイメージに垂直な第２照明レンズ群４０によってＤＭＤ面に映像化されることによって説明できる。
続けてこのように出力された光は、投射レンズ３０を透過してスクリーン上に拡大結像されるようになる。

このような本発明のディスプレイ光学系によれば、ロッドレンズの出力面から第１、第２レンズを通過して結像されるイメージ面が、画像表示手段の面に対して傾斜しないようになり、さらに、第２レンズの光軸が第１レンズの光軸に平行となることによって、第２レンズが、第１レンズの光軸に対して移動されている。このようにして、本発明は、台形歪み発生を抑制して照明効率及び均質性を向上させる効果を有する。

本発明は実施形態に限定されないで、多くの変形が本発明の技術的思想の範囲内で当業者によって可能になることはもちろんである。

本発明は、プロジェクションを含むディスプレイ分野に利用可能である。

図１は、本発明による１チップＤＭＤを利用した投射光学系の構成を示す図である。 図２は、本発明による１チップＤＭＤ投射光学系を説明するもので、図２Ａは照明動作原理図であり、図２Ｂは照明現象図である。 従来技術によるＤＭＤ素子の簡略な構造及び表示素子としての光学的動作状態を示した図である。 図４Ａは、従来技術による１チップＤＭＤを利用した投射光学系構成の一実施形態を示す平面図であり、図４Ｂは、一般的な時分割色分離素子のカラーホイールの構造を示した平面図及び側面図である。 図５は、従来技術による１チップＤＭＤを利用した投射光学系構成のほかの実施形態を示す図である。 図６は、従来技術による１チップＤＭＤ投射光学系を説明するもので、図６Ａは照明動作原理図であり、図６Ｂは照明現象図である。

符号の説明

１０ ＤＭＤ
２０ ＴＩＲプリズム
３０ 投射レンズ
４０ 第２照明レンズ群
５０ 第１照明レンズ群
６０ ロッドレンズ
７０ カラーホイール
７２ モータ
８０ ランプ
８２ 楕円形反射鏡

Claims (10)

1. 光源と、
   前記光源から出力された光を受光する画像表示手段と、
   前記光源と前記画像表示手段の間に配置されており、前記光源から入射した光を出力させる光学素子、前記光学素子から出射される光が通過する第１レンズ、および前記第１レンズを通過した光が入射するミラー型の第２レンズを含む照明部と、
   前記画像表示手段の画像をディスプレイ手段に投射する投射部と、を含むディスプレイ光学系であって、
   前記第２レンズの光軸は、前記第１レンズの光軸及び前記投射部の光軸と平行になるように、前記第１レンズの光軸に対して平行移動されていることを特徴とするディスプレイ光学系。
2. 画像表示手段は、デジタルミラーデバイス(ＤＭＤ)であることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ光学系。
3. 前記光源から入射した光を出力させる光学素子は、均一な光分布を有するようになるロッドレンズであることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ光学系。
4. 前記第１レンズの光軸が、前記ロッドレンズの中心軸に一致することを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ光学系。
5. 前記ロッドレンズの出力面から出力した光線が前記第１、第２レンズを通過して結像される時に形成される表面画像が、画像表示手段の面に対して傾かないように、前記第２レンズの光軸が前記第１レンズの光軸に対して一致していないことを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ光学系。
6. 前記ロッドレンズの出力面から出力した光線が前記１、２レンズを通過して結像される時に形成される表面画像が、画像表示手段の面に対して傾斜せず、前記第２レンズの光軸が第１レンズ光軸に対して平行になるようにするため、前記第２レンズは、前記第１レンズの光軸を基準にして移動されていることを特徴とする請求項５に記載のディスプレイ光学系。
7. 第１レンズの光軸を通る光線が、第２レンズに入射して、この第２レンズから出射する場合に、前記第２レンズから出射する光線と第１レンズの光軸とのなす角は、ＯＮ状態にある画像表示手段から出射した光線と前記第２レンズから出射した光線とのなす角に等しいことを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ光学系。
8. 前記第２レンズは、反射型であることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイ光学系。
9. 前記第２レンズは、非球面を有することを特徴にする請求項８に記載のディスプレイ光学系。
10. 光源と、
    この光源の光を選択的に反射するデジタルミラーデバイス(DMD)と、
    前記光源と前記デジタルミラーデバイスの間に配置される複数の光構成要素とを含むディスプレイ光学系であって、
    前記光が前記複数の光構成要素を通過し、前記複数の光構成要素は、前記光が前記デジタルミラーデバイスの表面領域と実質的に一致するように、前記デジタルミラーデバイスの表面に対して垂直な光を投射させ、
    前記複数の光構成要素は、前記光源から入射された光を均一な光分布を有するように光線を出力させる役目をする光学素子であるロッドレンズと、
    前記ロッドレンズから受光した光線が通過する第１レンズと、
    前記ロッドレンズ及び第１レンズの光軸が一致するように、前記ロッドレンズ及び第１レンズが、これらの光軸に沿って位置決められ、前記第１レンズから受光した光線を反射させるミラー型の第２レンズとを含み、
    前記第２レンズは、該第２レンズの中心軸が前記ロッドレンズ及び第１レンズの光軸と一致しないように離れて配置されており、前記第２レンズの光軸は、前記第１レンズの光軸及び前記投射部の光軸と平行になるように、前記第１レンズの光軸に対して平行移動されていることを特徴とするディスプレイ光学系。

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