JP5153485B2

JP5153485B2 - 背面投射型表示装置

Info

Publication number: JP5153485B2
Application number: JP2008172634A
Authority: JP
Inventors: 俊秀関
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-07-01
Filing date: 2008-07-01
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2028-07-01
Also published as: US20100002321A1; JP2010014816A; US8052290B2

Description

この発明は、小型表示素子をスクリーン上へ拡大投射する背面投射型表示装置に関するものである。

従来の背面投射型表示装置は、光源と、光源から出射された光を小型表示素子へ導く光学部品と、映像を形成する小型表示素子および映像を拡大投射する投射レンズを有する光学エンジンと、投射レンズからの光の方向を変える大型の反射鏡と、反射鏡からの光を写すスクリーンと、を備え、これらの主要部品は筐体に収納保持される構造を有している。

このような背面投射型表示装置の筐体寸法は、光学エンジンの外形寸法と、光学エンジン内の投射レンズから出射する光束の広がり角の制約によってほぼ決定される。従来では、このような制約の下で、さらなる薄型化を目指して、種々の背面投射型表示装置が提案されている。たとえば、回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズを含む群、および少なくとも一方の面が回転非対称の自由曲面の形状を有する２枚のレンズを含む群を有する構造の投射レンズと、非回転対称の自由曲面形状の反射面を有する反射鏡を少なくとも１つ含む光学系と、光学系からの光をスクリーンに反射させる平面状の反射鏡と、を備える背面投射型表示装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００６−２９２９０１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の背面投射型表示装置では、上記したように投射レンズが２群から構成されることにより、光学系全体が長く複雑になるとともに、コスト高となってしまうという問題点があった。また、回転非対称の反射面は、製造が困難であるとともに、コスト高の要因になるという問題点もあった。

この発明は、上記に鑑みてなされたもので、装置の奥行きおよび高さを小さくするとともに、従来に比してコストを抑えながら光学系全体の構造が複雑にならない背面投射型表示装置を得ることを目的とする。また、投写映像の表示歪を容易に調整することが可能な背面投射型表示装置を得ることも目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかる背面投射型表示装置は、表示素子で光源からの光を用いて形成された映像を、投射レンズから前記表示素子よりも大きなスクリーンに投射する背面投射型表示装置において、前記投射レンズと前記スクリーンとの間に前記投射レンズからの光の光路を折り曲げる少なくとも２枚の反射鏡を有する反射光学素子群と、前記投射レンズからの映像を拡大する非球面反射鏡の反射面における頂点を通り、矩形状の前記スクリーンの辺に平行な２つの軸の周りに前記反射面を回動する回動手段と、を備え、前記反射光学素子群は、前記投射レンズと前記スクリーンとの間で光路を曲げる平面反射鏡、前記投射レンズと前記スクリーンとの間の光路で、前記非球面反射鏡の順に前記投射レンズ側から配置され、前記投射レンズから前記非球面反射鏡までの光路上の距離が、前記スクリーンと前記非球面反射鏡との間の前記スクリーンの面に垂直な方向の距離よりも長くなるように配置されることを特徴とする。

この発明によれば、投射レンズとスクリーンとの間に少なくとも２枚の反射鏡を有する反射光学素子群を備えるので、光路を反射鏡を用いて折り返すことによって投射レンズからスクリーンの前段に位置する反射鏡までの光路を長く取ることができ、投射レンズの光束の広がり角を小さく抑えることができる。その結果、光学系全体を小さな領域に配置可能となり、装置の奥行きおよび高さを小さく抑えることができるという効果を有する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる背面投射型表示装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１にかかる背面投射型表示装置の要部構成を示す上面図であり、図２は、図１の側面図である。この背面投射型表示装置１０は、光源１１と、光ファイバ１２と、照明ユニット１３と、投射レンズ１４と、反射光学素子群１５と、スクリーン１６と、を備える。これらの図には示されていないが、これらの構成要素は、筐体内に支持、固定される。

光源１１は、水銀ランプやダイオード、半導体レーザなどからなるが、ここでは、光源１１としてレーザ光源を用いるものとする。レーザ光源は、赤、緑、青などの複数の単色のレーザ光に対応した図示しない光源ユニットを備える。各光源ユニットは、各色のレーザ光を発するエミッタと、エミッタから発せられた光を集めて収束するカップリング光学系と、を内包しており、カップリング光学系の光スポット部に光ファイバ１２の入射端面が配置されて効率よく光エネルギが伝達するような構成となっている。

光ファイバ１２は、それぞれの光源ユニットに対応して設けられた複数の光ファイバ１２を途中で束ねて１本のバンドルとし、単一の出射端で照明ユニット１３に接続される。これによって、光ファイバ１２は、光源１１からのレーザ光を伝播させて照明ユニット１３に送るレーザ伝達光路を構成する。

照明ユニット１３は、光ファイバ１２のバンドルされた出射端の後段に配置され、光源１１からの光強度を均一化するための光学素子（たとえば、四角柱のガラスパイプ）と、光強度が均一化された光を収束させるレンズと、レンズから出射された光を用いて画像を形成する表示素子と、を備える。表示素子としては、稼働ミラー装置（ＤＭＤ）や液晶表示素子などを用いることができる。この表示素子は、スクリーン１６に比して寸法が小さく形成されている。投射レンズ１４は、照明ユニット１３内の表示素子からのレーザ光を拡大して反射光学素子郡１５に導く。

反射光学素子群１５は、投射レンズ１４とスクリーン１６との間の光路Ｌを長くするように配置され、この例では、投射レンズ１４からスクリーン１６に至る光路Ｌにおいて、投射レンズ１４側から平面反射鏡１５１と、回転対称の非球面反射鏡１５２と、からなる。非球面反射鏡１５２は、平面反射鏡１５１からの光を拡大してスクリーン１６へと投射する。この非球面反射鏡１５２の光軸ｂは、図２に示されるように、装置全体の光軸からずれて配置されるオフアクシスとなっている。この非球面反射鏡１５２は、図２の光軸ｂよりも上の領域で、平面反射鏡１５１からの光をスクリーン１６全体に投射するようになっている。また、非球面反射鏡１５２の光軸ｂを含まない領域を用いて、背面投射型表示装置１０の光学系を構成することで、非球面反射鏡１５２の光軸を含む領域を用いて光学系を構成した場合に比して、装置の高さ方向の寸法を低く抑えることができる。さらに、非球面反射鏡１５２は、回転対称のものであるが、これは、設置される非球面反射鏡１５２自身が回転対称のものである場合のほか、回転対称を有する非球面反射鏡の一部を切出して形成された非球面反射鏡１５２も含むものである。

このように、この実施の形態１では、投射レンズ１４からスクリーン１６に至る光路Ｌにおいて、その光路Ｌを折り返すことによって長くするために、２つの反射光学素子を備えるようにした。特許文献１に示したように、従来では、投射レンズからスクリーンの前段の平面反射鏡までの間には他の光学素子が配置されていなかったが、この実施の形態１では、投射レンズ１４からスクリーン１６の前段の非球面反射鏡１５２までの間に、平面反射鏡１５１が設けられているので、投射レンズ１４と非球面反射鏡１５２との間の距離を、特許文献１の投射レンズ１４と反射鏡との間の距離に比して長くとることができる。その結果、非球面反射鏡１５２のほぼ全面に光を投射するための投射レンズ１４からの光束の広がり角ｃを、従来の構造に比べて小さく抑えることができる。また、投射レンズ１４と非球面反射鏡１５２との間に、平面反射鏡１５１を設けることで、投射レンズ１４からの光束を平面反射鏡１５１で折り返しているので、投射レンズ１４と非球面反射鏡１５２との間の距離を長くしながら、背面投射型表示装置１０の奥行き寸法を小さく抑えることが可能となる。これによって、背面投射型表示装置１０の筐体寸法、すなわち背面投射型表示装置１０の奥行きおよび高さを小さく構成することを可能にする。さらに、反射光学素子群１５として、平面反射鏡１５１と回転対称の非球面反射鏡１５２とを用いるようにしたので、製造が容易で、コストを下げることができる。

このような構成の背面投射型表示装置１０においては、光源１１から出射したレーザ光は、レーザ伝達光路である光ファイバ１２を経由し、照明ユニット１３内に設置されたレンズを通過して小型表示素子に照射され、画像を形成する。その後、小型表示素子上で反射された光は、投射レンズ１４から平面反射鏡１５１へ向けて出射され、平面反射鏡１５１で向きを変えられて非球面反射鏡１５２へと導かれる。そして、非球面反射鏡１５２は、その形状によって、光の反射角度を拡大し、スクリーン１６のほぼ全面に画像を投射する。これによって、スクリーン１６上に映像が表示される。

なお、この説明では、反射光学素子群１５として投射レンズ１４とスクリーン１６との間に２つの反射光学素子を配置する場合を説明したが、投射レンズ１４とスクリーン１６との間に反射光学素子が少なくとも２つ配置されていればよい。また、上述した説明では、反射光学素子群１５として、投射レンズ１４側から、平面反射鏡１５１、非球面反射鏡１５２の順に配置する場合を示したが、順番は逆であってもよい。

この実施の形態１によれば、投射レンズ１４とスクリーン１６との間に少なくとも２つの反射光学素子を配置したので、投写レンズ１４からの光束の広がり角ｃを小さく抑えることができる。その結果、光学部品の配置を小さな領域にまとめることができるとともに、周囲に配置される構造体にて光が遮られることを防ぐことができる。これによって、背面投射型表示装置１０の外形寸法を従来に比して小さくすることができるという効果を有する。

実施の形態２．
実施の形態１において、投射レンズ１４以降に配置される反射光学素子群１５の反射光学部品は、平面反射鏡１５１、非球面反射鏡１５２の順に配置されることが望ましい。つまり、反射光学素子群１５のうち非球面反射鏡１５２は、なるべくスクリーン１６に近い側に配置することが望ましい。投射レンズ１４からの画像を拡大する非球面反射鏡１５２が投射レンズ１４から離れるほど、投射レンズ１４から非球面反射鏡１５２に至る光路の光束径を小さく保つことが可能となるからである。

また、非球面反射鏡１５２は、その形状によって、入射した光線の広がり角度を急激に変えることができるので、非球面反射鏡１５２の形状を適宜選択することによって、設けられたスクリーン１６の大きさにほぼ等しい大きさで、スクリーン１６への投射を可能にする。

この実施の形態２によれば、投射レンズ１４以降に、平面反射鏡１５１、非球面反射鏡１５２の順に配置したので、背面投射型表示装置１０の奥行きと高さをともに小さくすることができるという効果を有する。また、非球面反射鏡１５２で反射された光束と、光学系を構成する光学部品とが干渉してしまうことを防ぎ、光学部品の小型化を可能にするという効果も有する。

さらに、スクリーン１６の前段に非球面反射鏡１５２を配置することで、特許文献１に記載されているように、スクリーン１６の大きさに合わせた大型の反射鏡を必要とすることがなく、また、非球面反射鏡１５２の前段に配置される平面反射鏡１５１も大型のものを必要とすることがない。その結果、装置の奥行き寸法を小さくすることができるという効果も有する。

実施の形態３．
実施の形態１において、投射レンズ１４の出射瞳ｅから非球面反射鏡１５２の光軸上の頂点ｐに至る距離を、非球面反射鏡１５２の光軸上の頂点ｐからスクリーン１６の入射面までの、スクリーン１６に垂直な方向の距離Ｄよりも長いこと、好ましくは、スクリーン１６に垂直な方向の距離Ｄの２倍以上とすることが望ましい。このような構成とすることで、投射レンズ１４からの光束径の広がり角度を小さく抑えることができる。

この実施の形態３によっても、背面投射型表示装置１０の奥行き寸法を小さくすることができるという効果を有する。

実施の形態４．
図３−１は、スクリーンフレームと投射映像との関係を模式的に示す図であり、図３−２は、スクリーンと非球面反射鏡との関係を模式的に示す側面図であり、図３−３は、非球面反射鏡の補正の様子を模式的に示す図である。なお、これらの図において、鉛直方向をｙ軸とし、スクリーン１６面内のｙ軸に垂直な方向をｘ軸とし、これらのｘ軸とｙ軸の両方に垂直な方向をｚ軸としている。

図３−１は、観測者側から見た映像の状態を模式的に示しており、スクリーンフレーム１６１に対して、投写された映像２０が紙面の上下方向（図中のｙ軸方向）に歪んだ状態を表している。この歪みは、特に投写レンズ１４以降に配置される反射光学部品の配置ばらつきに起因して発生するものである。このような歪は、図３−２での非球面反射鏡１５２の上側からスクリーン１６の上側に至る光線ｒｕと、非球面反射鏡１５２の下側からスクリーン１６の下側に至る光線ｒｄの距離を変化させることによって補正することができる。

図３−３は、図３−１に示される歪の補正方法を示しており、非球面反射鏡１５２の反射面の頂点ｐにおいて、ｘ軸（紙面に垂直な方向の軸）を中心とした図示しない回動機構を設け、非球面反射鏡１５２の反射面の位置をｐ（ｘ軸）を中心としてｙｚ面内で移動させることによって、補正することが可能となる。たとえば、図３−３のｘｆ方向に非球面反射鏡１５２を移動（回転）させることで、補正前に比して光線ｒｕの距離が短くなり、スクリーン１６上の投射映像の上側のｘ軸方向の長さを短くすることができる。これによって、投射映像のｘ軸方向の長さが下側よりも上側の方が長い図３−１のような歪を補正することができる。一方、図３−３のｘｂ方向に非球面反射鏡１５２を移動（回転）させることで、補正前に比して光線ｒｄの距離が長くなり、スクリーン１６上の投射映像の上側のｘ軸方向の長さを長くすることができる。これによって、投射映像のｘ軸方向の長さが下側よりも上側の方が短い歪を補正することができる。

図４−１は、スクリーンフレームと投射映像との関係を模式的に示す図であり、図４−２は、スクリーンと非球面反射鏡との関係を模式的に示す上面図であり、図４−３は、非球面反射鏡の補正の様子を模式的に示す図である。なお、これらの図において、鉛直方向をｙ軸とし、スクリーン１６面内のｙ軸に垂直な方向をｘ軸とし、これらのｘ軸とｙ軸の両方に垂直な方向をｚ軸としている。

図４−１は、観測者側から見た映像の状態を模式的に示しており、スクリーンフレーム１６１に対して、投写映像が紙面の左右方向（図中のｘ軸方向）に映像が歪んだ状態を表している。この歪みの要因は、上記したｙ軸方向の歪みの場合と同様である。また、このような歪は、図４−２での非球面反射鏡１５２の左端部からスクリーン１６の左端部に至る光線ｒｌと、非球面反射鏡１５２の右端部からスクリーン１６の右端部に至る光線ｒｒの距離を変化させることによって補正することができる。

図４−３は、図４−１に示される歪の補正方法を示しており、非球面反射鏡１５２の反射面の頂点ｐにおいて、ｙ軸（紙面に垂直な方向の軸）を中心とした図示されない回動機構を設け、非球面反射鏡１５２の反射面の位置をｐ（ｙ軸）を中心にｚｘ面内で移動させることによって、補正が可能となる。

たとえば、図４−３のｙｒ方向に非球面反射鏡１５２を移動（回転）させることで、補正前に比して左端部側の光線ｒｌの距離が短くなり、右端部側の光線ｒｒの距離が長くなり、スクリーン１６上の投射映像の左端部側のｙ軸方向の長さを短くし、右端部側のｙ軸方向の長さを長くすることができる。これによって、投射映像のｙ軸方向の長さが左端部側よりも右端部側の方が短い図４−１のような歪を補正することができる。

一方、図４−３のｙｌ方向に非球面反射鏡１５２を移動（回転）させることで、補正前に比して左端部側の光線ｒｌの距離が長くなり、右端部側の光線ｒｒの距離が短くなり、スクリーン１６上の投射映像の左端部側のｙ軸方向の長さを長くし、右端部側のｙ軸方向の長さを短くすることができる。これによって、投射映像のｙ軸方向の長さが左端部側よりも右端部側の方が長い歪を補正することができる。

さらに、上記したｘ軸とｙ軸周りの回動機構を組み合わせることによって、複雑な映像の歪みも補正することが可能となる。

この実施の形態４によれば、非球面反射鏡１５２をｘ軸および／またはｙ軸方向に回動可能な回動機構を非球面反射鏡１５２に設けるようにしたので、投写レンズ１４以降に配置される反射光学部品の配置ばらつきに起因して発生する上下および／または左右での非対称な歪を容易に補正することができるという効果を有する。その結果、歪のない投射映像を表示させることが可能となる。

以上のように、この発明にかかる投射型表示装置は、高出力のレーザ光を光源とする民生のＴＶや産業用途のリアプロジェクション装置に有用である。

この発明の実施の形態１にかかる背面投射型表示装置の要部構成を示す上面図である。図１の側面図である。スクリーンフレームと投射映像との関係を模式的に示す図である。スクリーンと非球面反射鏡との関係を模式的に示す側面図である。非球面反射鏡の補正の様子を模式的に示す図である。スクリーンフレームと投射映像との関係を模式的に示す図である。スクリーンと非球面反射鏡との関係を模式的に示す上面図である。非球面反射鏡の補正の様子を模式的に示す図である。

符号の説明

１０背面投射型表示装置
１１光源
１２光ファイバ
１３照明ユニット
１４投射レンズ
１５反射光学素子群
１６スクリーン
１５１平面反射鏡
１５２非球面反射鏡

Claims

表示素子で光源からの光を用いて形成された映像を、投射レンズから前記表示素子よりも大きなスクリーンに投射する背面投射型表示装置において、
前記投射レンズと前記スクリーンとの間に前記投射レンズからの光の光路を折り曲げる少なくとも２枚の反射鏡を有する反射光学素子群と、
前記投射レンズからの映像を拡大する非球面反射鏡の反射面における頂点を通り、矩形状の前記スクリーンの辺に平行な２つの軸の周りに前記反射面を回動する回動手段と、
を備え、
前記反射光学素子群は、前記投射レンズと前記スクリーンとの間で光路を曲げる平面反射鏡、前記投射レンズと前記スクリーンとの間の光路で、前記非球面反射鏡の順に前記投射レンズ側から配置され、
前記投射レンズから前記非球面反射鏡までの光路上の距離が、前記スクリーンと前記非球面反射鏡との間の前記スクリーンの面に垂直な方向の距離よりも長くなるように配置されることを特徴とする背面投射型表示装置。
前記非球面反射鏡は、該非球面反射鏡の光軸を含まない領域で前記平面反射鏡からの光を前記スクリーンへと反射させることを特徴とする請求項１に記載の背面投射型表示装置。
前記非球面反射鏡は、回転対称な非球面反射鏡から切出して形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の背面投射型表示装置。