JP6200791B2 - 光学ユニット、投射型表示装置、および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源と映像表示素子を使用して、スクリーン上に映像を投影する光学ユニット、およびそれを備えた投射型表示装置、撮像装置に関する。

投射型表示装置、すなわちプロジェクタにおいて、小型かつ高輝度の光学ユニットを実現することのできる映像表示素子として、マイクロミラー型映像表示素子であるＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）が注目されている。ＤＭＤは、画素ごとに配置されたマイクロミラーの角度を個別に制御して、ＤＭＤ入射光を投射レンズに入射させる方向（オン光）と、投射レンズに入射させない方向（オフ光）とに分離することで、光変調を行っている。

ＤＭＤを用いる光学ユニットの光学系では、ＤＭＤ反射光とＤＭＤ入射光の主光軸を異ならせるために、入射光の主光軸をＤＭＤの面法線に対して所定量傾けて入射させる必要がある。ＤＭＤがオンのときに＋θ、オフのときに−θ傾く回転角を有するとき、ＤＭＤ入射光はＤＭＤの中心光軸（面法線）に対して２θ傾けて入射させるのが一般的である。また、オン光束とオフ光束及びミラー素子を覆うカバーガラスの表面での反射光束であるフラット光束が重なってコントラストが低下しないよう、ＤＭＤミラーに入射する照明光束のＦ値を大きくして、即ち照明光束の拡がりを狭くして、拡がりの角度をθ相当以下に制限するのが一般的である。

特開２００４−２４００５０号公報

従来、投射型表示装置は特許文献１にあるようなマイクロミラーを用いた映像表示装置を用いて構成されている。この映像表示装置のマイクロミラーがＯＦＦ時の反射光の反射光線ベクトルｒｏｆｆは、画面水平相当方向と前記マイクロミラーがＯＮ時の反射光の反射光線ベクトルｒｏｎとが成す面内にある。

高輝度化を行う上で、照明光束のＦ値を小さくするという方法がある。ただし、Ｆ値を小さくするとＯＦＦ光束とＯＮ光束がオーバーラップしコントラストが低下するという課題が生じる。そこで、従来は画面垂直相当の方向のＦ値のみを小さくして大口径化する必要がある。この方向は従来の装置では、垂直方向すなわち厚み方向に相当する為、光束径が装置の厚み方向に太くなるために、光学部品も厚みが増し装置の薄型化が難しくなるという新たな課題が生じる。

このような状況に鑑み、照明光学系の厚みを低減しつつ効率を改善することで、薄型でかつ高輝度なプロジェクタ用光学ユニットおよびそれを備えた投射型表示装置、撮像装置を提供することを目的とする。

上記目的は、その一例として特許請求の範囲に記載する構成により達成できる。

本発明によれば、薄型でかつ高輝度なプロジェクタ用光学ユニットおよびそれを備えた投射型表示装置、撮像装置を提供することができるという効果がある。

本実施例における光学ユニットを示すブロック図である。 本実施例におけるマイクロミラーへの入反射光の配置図である。 本実施例におけるＤＭＤと全反射プリズムと座標軸を表した図である。 本実施例における照明光学系の構成とそのＦ値に関する説明図である。 本実施例におけるＯＦＦ反射光線ベクトルに関する説明図である。 アパーチャ上での角度とアパーチャ径を示す図である。 本実施例におけるアパーチャ形状の一例を示す図である。 本実施例におけるアパーチャ形状の第１の変形例を示す図である。 本実施例におけるアパーチャ形状の第２の変形例を示す図である。 本実施例におけるアパーチャ形状の第３の変形例を示す概略図である。 本実施例における投射型表示装置を示すブロック図である。 本実施例における投射型表示装置を内蔵する撮像装置のブロック図である。

本発明を適用した光学ユニットおよびそれを備えた投射型表示装置、撮像装置の実施形態の一例について、以下図面を用いて説明する。なお、以下の説明により本発明が限定されるものではない。また、各図において同じ作用を示す構成要素は、同じ符号を用いて示している。

図１は、本実施例における光学ユニット１００を示すブロック図である。

光学ユニット１００は、所定の波長もしくは波長帯の光束を出射する光源１、光源２を有している。

光源１は、例えば中心波長が約５２５ｎｍの緑色光束を出射するＬＥＤ光源である。光源２は、例えば中心波長が約６１５ｎｍの赤色光束と中心波長が約４６０ｎｍの青色光束を出射する２色の発光源を備えたＬＥＤ光源である。なお、各中心波長は上記の値でなくても構わない。またＬＥＤチップから放射される光を、蛍光体によって波長変換する等して放射される光を用いてもかまわない。

光源１，２の各々を出射した光束は、集光レンズ３，４にて略平行光に変換されたのち、それぞれ異なる方向からウェッジプリズム５に入射する。

ウェッジプリズム５は、例えば赤色光束を反射、青色光束と緑色光束を透過させる機能を有する波長選択性ミラー面で５ａと、青色光束を反射、赤色光束と緑色光束を透過させる機能をもった波長選択性ミラー面５ｂによって構成され、このウェッジプリズム５に入射した３色の光束を合成する機能を備えている。

合成された光束は、複数のレンズを平面方向に配置したレンズアレイを入射側と出射側に設けたレンズアレイ６および照明光束のＦ値を決定する開口部としてのアパーチャ７、リレーレンズ８，９を経て補正プリズム１０に入射する。これらの光学素子により、光軸に対して平行な光を有するテレセントリックで均一な照明光を生成し、所望の角度で伝播させる機能を備えているが、公知の技術のため詳細説明は省略する。なお、以下ではリレーレンズを照明レンズと呼ぶことがある。

リレーレンズ９を通過した光束は、補正プリズム１０を通過し、全反射プリズム１１の斜面１１ａと面１１ｂを通過し、映像表示素子であるＤＭＤ１２に照射される。補正プリズム１０は全反射プリズム１１によって生じる光路差を補正し、ＤＭＤパネル上の各場所に入射する光束の光路長差を最小にする機能をもつ。

このように、レンズアレイ６から全反射プリズム１１までの照明光学系によって、ＤＭＤ１２では照度が均一な像を形成することができる。なお、所定の照明光を形成、伝播させるための光学系は、図１に示したレンズアレイ６およびリレーレンズ８，９を含む構成に限定されるものではなく、他の光学系構成であっても何ら構わない。

ＤＭＤ１２のマイクロミラー面を反射した光束は、角度を変えて再び全反射プリズムの面１１ｂを通過し、斜面１１ａで全反射される。全反射面１１ａで反射された光束は、面１１ｃを通過後、投射レンズ（投射光学部）１３を通してスクリーン（図示せず）に拡大投影された映像を表示する。

本発明は、前記マイクロミラーで反射された光線の方向と、前記照明光学系のアパーチャ形状とが、所定の関係式を満たすよう構成とすることで、光学ユニットを薄型化しつつ高効率化して高輝度化のできることに特徴がある。

図２Ａは、本実施例におけるマイクロミラー１４への入反射光の配置図であり、前記ＤＭＤ１２が有するマイクロミラー１４と、入射光と、マイクロミラーがＯＮ時の反射光ベクトル（又はＯＮ時の反射光の光軸方向を示すベクトル）ｒｏｎと、マイクロミラーがＯＦＦ時の反射光ベクトル（又はＯＦＦ時の反射光の光軸方向を示すベクトル）ｒｏｆｆとの幾何学的な配置を示した図である。図中に示したように、マイクロミラー１４における画面光軸相当方向（Ｚ）と画面水平相当方向（Ｘ）と画面垂直相当方向（Ｙ）として座標軸を定義することとする。

図２Ｂは、座標軸の関係性を明確にするために、ＤＭＤ１２と全反射プリズム１１と座標軸を表した図である。

ここで、図２Ａで照明光束と記した入射光線ベクトルνは式（１）のように記述することとする。なお、光線ベクトルは単位ベクトルである。

ν＝（ν_ｘ，ν_ｙ，ν_ｚ） 式（１）

また、通常ＯＮ光束はＤＭＤ１２の素子面に対して垂直に、画面光軸相当方向へ出射されるような光とする為、ＯＮ時の反射光ベクトルｒｏｎは以下の式（２）のように書くことができる。

ｒｏｎ＝（０，０，１） 式（２）

反射光線ベクトルが前記の式（２）となったとき、装置全体の厚み（図中のＹ方向）を抑制するためには、入射光線ベクトルも画面垂直方向相当成分はないことが望ましい。したがって式（１）は式（３）のように書き換えられるようにすることが望ましい。

ν＝（ν_ｘ，０，ν_ｚ） 式（３）

一方、マイクロミラーがＯＦＦの時の反射光ベクトルｒｏｆｆは以下の式（４）のように書くことができる。

ｒｏｆｆ＝（ｒoff_x，ｒoff_y，ｒoff_z） 式（４）

このとき、以下の式（５）の関係が成り立つとき、

ｒoff_y ≠ ０ 式（５）

反射光線ベクトルｒｏｆｆは、画面水平相当方向と反射光線ベクトルｒｏｎが成す面内からは、外れている。

同様に入射光線ベクトルと反射光線ベクトルｒｏｎが成す面内からも、反射光線ベクトルｒｏｆｆは外れている。

一方で入射光線ベクトルνと反射光線ベクトルｒｏｎと画面水平相当方向ベクトルは同一面内にある。

したがって、画面水平相当方向と反射光線ベクトルｒｏｎとがつくる平面内からｒｏｆｆが外れているため、水平方向にアパーチャを拡大するようＦ値を小さくしても、ＯＦＦ光束とＯＮ光束が重なることなく、高輝度化をすることが可能である。厚み方向（図中のＹ方向）のＦ値、すなわち開口部の開口サイズに相当するアパーチャ径を拡大しないことにより光学ユニットの厚みを大きくせずに、画面水平方向の高輝度化をはかった、薄型で高輝度な光学ユニットを提供することができる。

従来のように、入射光線ベクトルと、反射光線ベクトルｒｏｎとｒｏｆｆが同一面内にいる場合は水平方向のＦ値を小さくすると、反射光線ベクトルｒｏｎが反射光線ベクトルｒｏｆｆやフラット光束と重なり、コントラストが低下していた。このため高輝度化をはかる為に、垂直相当方向のＦ値を小さくする必要があった為に、光学ユニットの厚みが増大していた。

以下で述べるように、本実施例では水平及び垂直方向でアパーチャの形状を変更しＦ値を変えることになるが、具体的には、以下のような関係式を満たしたアパーチャ形状とすればよい。

まず、反射光線ベクトルｒｏｎとｒｏｆｆの成す角θｏｎｏｆｆは式（６）のように表すことができる。ここでr_on・r_offは、ベクトルr_onとベクトルr_offの内積である。

cosθ_onoff ＝ r_on・r_off ＝ r_off__z 式（６）

図３は、本実施例における照明光学系の構成とそのＦ値に関する説明図である。第１のリレーレンズ８と第２のリレーレンズ９の合成焦点距離をｆとする。ここでは説明を簡単にするために、光路補正プリズム１０と全反射プリズム１１は省略されている。これに加えＤＭＤ１２の中央の画素を照明する照明光束を描いている。

アパーチャ７の直径をＤとすると、Ｆ値は式（７）のように表される。

Ｆ値＝ｆ／Ｄ 式（７）

照明光学系の光線の集光角度をθｉｌｌとすると、Ｆ値と前記絞り角とは以下の関係式（８）が成り立つ。
tanθill＝１／（２Ｆ値） 式（８）

ＯＮ光束とＯＦＦ光束もこのＦ値を持つことになる。ＯＮ光束とＯＦＦ光束が重ならないためには、前記角度θｉｌｌの２倍が前記ＯＮ反射光線ベクトルとＯＦＦ反射光線ベクトルの成す角θｏｎｏｆｆよりも小さい必要があるため、角度θｏｎｏｆｆと角度θｉｌｌは式（９）の関係式を満たす必要がある。

cosθ_onoff ＜ cos 2θill ＝ ((２Ｆ値)^２−１)／(２Ｆ値)^２＋１) 式（９）

式（９）の関係を満たしたアパーチャ口径とすれば、ＯＮ光束とＯＦＦ光束が重なることがないため、光学ユニットのコントラストを劣化させず高輝度な光学ユニットとすることができる。

次に、前記関係式（９）を満たすべきアパーチャ径の方向について説明する。

アパーチャ径はアパーチャ中心から全方向に同じ広さである必要はなく、ＯＮ反射光線ベクトルｒｏｎとＯＦＦ反射光線ベクトルｒｏｆｆによって決まる面内方向の角度θ_onoffが、前記関係式（９）を満たすアパーチャ径となればよい。

図４は、本実施例におけるＯＦＦ反射光線ベクトルｒｏｆｆに関する説明図であり、ＯＦＦ反射光線ベクトルｒｏｆｆ及びそのマイクロミラー１４への射影ベクトルｒｓｏｆｆが、画面水平相当方向ベクトルと成す角度φｏｆｆに関する説明図である。この角度φｏｆｆは以下の式（１０）のように表すことができる。

cosφ_off＝ｒoff_x 式（１０）

前述の式（５）に示したように、

ｒoff_y≠０ 式（５）

であるので、前記角度φｏｆｆは式（１１）の不等式を満たすこととなる。

cosφ_off ＜ 1 式（１１）

したがって、反射光線ベクトルｒｏｆｆは画面水平相当方向への進行成分をもつ。

図５は、アパーチャ上での角度とアパーチャ径を示す図であり、アパーチャ上での前記角度φとアパーチャ開口１６について示す。図５はアパーチャ開口１６が従来から使われているような円形である場合を示す。

一方、本実施例の場合は、角度φｏｆｆはゼロ以外の値となるため、画面水平相当方向からずれた位置において、アパーチャ開口径Ｄが前記の式（９）の関係を満たせばよいこととなる。

図６は、本実施例におけるアパーチャ形状の一例を示す図である。式（１０）できまる角度φ方向で関係式（９）を満たすアパーチャ径であって、画面水平相当方向のアパーチャ径が前記Ｄよりも大きくなっていれば、光束を厚み方向に太くせずにＦ値を小さくして照明光学系の大口径化をして高効率化ができ、薄型で高輝度な光学ユニットとすることができる。

図７Ａ乃至図７Ｃは、本実施例におけるアパーチャ形状の第１乃至第３の変形例を示す図であり、図６と同様に前記した関係式（９）を満たすようなアパーチャ１４の形状の変形例を示す図である。いずれの形状も、垂直相当方向よりも、水平相当方向の口径を大きくすることで、装置の厚みを増すことなく高輝度化を図ることができる。

なお前記関係式（９）及び式（１０）及び式（１１）を満たす構成であれば、アパーチャの形状は図６、図７Ａ乃至図７Ｃに示したものに限定されるものではなく、自由に変形をしても構わない。

また、アパーチャを単独の部品とせずに光学系を保持する筐体と一体化し、筐体の形状を前記所定のアパーチャ形状とすることでＦ値を決めても一向に構わない。

以上述べたように、本実施例に示すような前記マイクロミラーを反射する光線の方向と、前記照明光学系のアパーチャ形状とを、所定の関係式を満たす構成とし、画面水平相当方向のアパーチャ径を画面垂直相当方向のアパーチャ径よりも大きくすることで、光学ユニットを薄型化しつつ高効率化して、高輝度化のできる構成とすることができる。

ただし、本実施例で仮定した数値や範囲は、あくまで一例を示したものに過ぎず、これに限定されるものではない。

なお、本実施例においては映像表示素子としてＤＭＤを例に説明したが、ＤＭＤに限らないことは言うまでもない。ある角度で入射させた光を、所定の角度だけ回転させて反射させることのできる映像表示素子であれば、何であっても構わない。

図８は、本実施例における投射型表示装置１０１を示すブロック図である。本実施例に記載の光学ユニット１００に、電源部２０と、光源駆動回路２１と映像表示素子の駆動回路部２２と、映像信号を処理する信号処理回路２３とコントロール回路２４等の手段を組み合わせた投射型表示装置１０１は、薄型で高輝度な投射型表示装置を実現することができる。

図９は、本実施例における投射型表示装置を内蔵する撮像装置１０２のブロック図である。本実施例に記載の光学ユニット１００に、電源部２０と、光源駆動回路部２１と映像表示素子の駆動回路部２２と、映像を撮影するための撮像ユニット２５と前記撮像ユニット内に搭載された撮像素子を駆動する為の撮像素子駆動回路２６と撮影映像信号及び表示映像信号を処理する信号処理回路２３とコントロール回路２４等の手段を組み合わせた投射表示装置を内蔵した撮像装置１０２は、薄型で高輝度な投射表示装置を内蔵した撮像装置を実現することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１，２…ＬＥＤ光源、３，４…集光レンズ、５…ウェッジプリズム、６…レンズアレイ、７…アパーチャ、８，９…リレーレンズ、１０…補正プリズム、１１…全反射プリズム、１２…映像表示素子、１３…投射レンズ、１００…光学ユニット。

Claims (9)

1. 光を投射して映像を表示するための反射型の映像表示素子を有する光学ユニットであって、
   前記光を発生する光源と、
   該光源から出射された光を前記映像表示素子に照射する照明レンズと、
   該照明レンズのＦ値を決める開口部と、
   前記映像表示素子が反射した光を投射して映像を表示する投射光学部と
   を有し、
   前記映像表示素子は、照射された光を、表示する画像の光軸相当方向へ反射する第１の状態と、投射する画像の垂直相当方向に成分を有するよう反射する第２の状態を有し、
   前記映像表示素子が前記第２の状態で反射する光の光軸全体を含む平面は、前記映像表示素子に入射される光の光軸と前記映像表示素子が前記第１の状態で反射する光の光軸とが形成する平面とは異なり、
   前記開口部の開口サイズは、投射する画像の垂直相当方向よりも水平相当方向に大きい
   ことを特徴とする光学ユニット。
2. 請求項１に記載の光学ユニットにおいて、
   前記映像表示素子が前記第１の状態で反射した反射光の光軸と、前記第２の状態で反射した反射光の光軸とが成す角度をθｏｎｏｆｆとし、前記開口部が決めるＦ値に対して、
   ｃｏｓθｏｎｏｆｆ＜（２×Ｆ値×Ｆ値−１）／（２×Ｆ値×Ｆ値＋１）
   であることを特徴とする光学ユニット。
3. 請求項２に記載の光学ユニットにおいて、
   前記映像表示素子が前記第２の状態で反射した反射光の光軸を映像表示素子の平面に射影した方向と、投射する画像の水平相当方向との成す角をφｏｆｆとして、
   ｃｏｓφｏｆｆ＜１
   であることを特徴とする光学ユニット。
4. 請求項３に記載の光学ユニットにおいて、
   前記開口部の開口サイズは、開口部の中心を原点として開口部の平面内で、投射する画像の水平相当方向から前記角度φｏｆｆ傾いた方向において最も狭い
   ことを特徴とする光学ユニット。
5. 請求項１に記載の光学ユニットにおいて、
   前記開口部は、前記光学ユニットの筐体が有し、前記筐体に設けられた開口部が前記照明レンズのＦ値を決める
   ことを特徴とする光学ユニット。
6. 請求項１に記載の光学ユニットにおいて、
   前記光源は、ＬＥＤ光源または、ＬＥＤから発せられた光を蛍光体で波長変換した光源である
   ことを特徴とする光学ユニット。
7. 請求項１に記載の光学ユニットにおいて、
   前記映像表示素子は、マイクロミラー型の映像表示素子である
   ことを特徴とする光学ユニット。
8. 請求項１に記載の光学ユニットと、
   該光学ユニットを始めとする構成要素に動作電源を供給する電源と、
   前記光源が光を発生するよう駆動する光源駆動回路と、
   前記映像表示素子を前記第１の状態と第２の状態との間で駆動する映像表示素子駆動回路と、
   映像信号を処理して前記表示する画像に係る信号を生成し前記映像表示素子駆動回路に供給する信号処理回路と、
   前記した構成要素の動作を制御するコントロール回路と
   を備えることを特徴とする投射型表示装置。
9. 請求項８に記載の投射型表示装置と、
   映像を撮像するための撮像素子を有する撮像ユニットと、
   該撮像素子を駆動する撮像素子駆動回路を有し、
   前記信号処理回路は、前記撮像ユニットが撮像した映像信号を処理して前記表示する画像に係る信号を生成し前記映像表示素子駆動回路に供給する
   ことを特徴とする撮像装置。

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