JP6658543B2 - 光学ユニット及びそれを備えたプロジェクター - Google Patents
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Description
本発明は2軸に関してマイクロミラーの駆動を行うデジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)を有する光学ユニット及びそれを備えたプロジェクターに関する。
従来の光学ユニットは特許文献1、2に開示されている。特許文献1の光学ユニットはプロジェクターに搭載され、デジタル・マイクロミラー・デバイス、第1プリズム、第2プリズム及び第3プリズムを有する。デジタル・マイクロミラー・デバイスは反射型画像表示素子であり、複数の微小なマイクロミラーから成る画像表示面を有する。
第1プリズムは照明光を反射する反射面を有し、該反射面で反射した照明光はデジタル・マイクロミラー・デバイスに導かれる。デジタル・マイクロミラー・デバイスは各マイクロミラーの面の傾きがON/OFF制御されて照明光を強度変調することにより画像を形成する。ON/OFF制御される各マイクロミラーの駆動は1軸に関して行われ、ON状態のマイクロミラーの傾き角度とOFF状態のマイクロミラーの傾き角度は異なっている。
第2プリズムはON状態のマイクロミラーで反射したON光を透過するとともにOFF状態のマイクロミラーで反射したOFF光を全反射する全反射面を有する。全反射面を透過したON光は第3プリズムに入射する。第3プリズムは第2プリズムから入射したON光を画像投射側に射出する。これにより、画像が投影される。この時、デジタル・マイクロミラー・デバイスで反射するON光の光軸は第1プリズム、第2プリズム及び第3プリズムの厚み方向の中心面上に配される。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスで反射するOFF光の光軸は第1プリズム及び第2プリズムの厚み方向の中心面上に配される。
投影画像に使用されないOFF光(不要光)が投影レンズに入射すると、ゴースト光が発生する。また、OFF光が投影レンズに入射すると投影レンズの局所的な温度上昇が発生し、投影レンズの結像性能が低下する。これにより、投影画像のコントラストが低下する。特許文献1の光学ユニットによれば、OFF光は第2プリズムの全反射面で反射してON光とは異なる方向に射出される。これにより、OFF光が画像投影側に射出されず、投影画像のOFF光によるコントラストの低下を防止することができる。
また、直交する2軸に関してマイクロミラーの駆動を行うデジタル・マイクロミラー・デバイス(Tilt & Roll Pixel DMD)が非特許文献1に開示されている。このデジタル・マイクロミラー・デバイスでは、各マイクロミラーはOFF光の光軸がON光の光軸と照明光の光軸とを含む平面に対して離れる方向にOFF光を反射する。このため、2軸制御のデジタル・マイクロミラー・デバイスを上記特許文献1、2の光学ユニットに搭載することにより、投影画像の輝度を向上させることができる。
TEXAS INSTRUMENTS、"DLP Tilt & Roll Pixel Architecture and DLP IntelliBrightTM"、[online]、[平成26年10月3日検索]、インターネット<URL:http://www.dlp.com/pico-projector/pico-product-developers/2trp-chip.aspx>
プロジェクターに搭載される光学ユニットは小型化の市場要求がある。上記特許文献1、2の光学ユニットに2軸制御のデジタル・マイクロミラー・デバイスを搭載すると、ON光の光軸が第2プリズムの厚み方向の中心面上に配され、OFF光の光軸が該中心面から離れて配される。このため、第2プリズムの厚みが大きくなり、光学ユニットが大型になる問題があった。
本発明は、小型化できる光学ユニット及びそれを用いたプロジェクターを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明は、複数のマイクロミラーからなる画像表示面において各前記マイクロミラーの面の傾きがON/OFF制御されて照明光を強度変調することにより画像を形成し、ON/OFF制御される各前記マイクロミラーの駆動を2軸に関して行うデジタル・マイクロミラー・デバイスと、
照明光を前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに導く第1プリズムと、
OFF状態の前記マイクロミラーで反射されたOFF光を反射するとともにON状態の前記マイクロミラーで反射されたON光を透過するOFF光反射面を有する第2プリズムと、
第2プリズムから出射されたON光が入射して投影側に射出する第3プリズムと、
を備えた光学ユニットであって、
各前記マイクロミラーはOFF光の光軸がON光の光軸と照明光の光軸とを含む第1平面に対して離れる方向にOFF光を反射し、第2プリズムが第1平面に対してOFF光の光軸が配される一方の第1領域と他方の第2領域とを有し、
第1平面上を始端とする前記OFF光反射面の外向きの法線ベクトルをON光の光軸に垂直な第2平面に投影した成分ベクトルの終端が第2領域に配されることを特徴としている。
照明光を前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに導く第1プリズムと、
OFF状態の前記マイクロミラーで反射されたOFF光を反射するとともにON状態の前記マイクロミラーで反射されたON光を透過するOFF光反射面を有する第2プリズムと、
第2プリズムから出射されたON光が入射して投影側に射出する第3プリズムと、
を備えた光学ユニットであって、
各前記マイクロミラーはOFF光の光軸がON光の光軸と照明光の光軸とを含む第1平面に対して離れる方向にOFF光を反射し、第2プリズムが第1平面に対してOFF光の光軸が配される一方の第1領域と他方の第2領域とを有し、
第1平面上を始端とする前記OFF光反射面の外向きの法線ベクトルをON光の光軸に垂直な第2平面に投影した成分ベクトルの終端が第2領域に配されることを特徴としている。
また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、以下の条件式(1)及び(2)を満たすと好ましい。
θa≧θ1≧θb−1.5・・・(1)
θe−15≦φ≦θe+15・・・(2)
ただし、
θa=sin-1(1/n)−sin-1{sin(α+θF−2・β)/n}
θb=sin-1(1/n)−sin-1〈sin[cos-1{cosα・cos(2・γ)}−θF]/n〉
θe=tan-1{sin(2・γ)/tanα}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの入射光の光軸と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
β:ON状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
γ:OFF状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
n:第2プリズムの屈折率、
F:Fナンバー、
θ1:前記OFF光反射面の法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
φ:前記成分ベクトルと第1平面との成す角度、
である。
θa≧θ1≧θb−1.5・・・(1)
θe−15≦φ≦θe+15・・・(2)
ただし、
θa=sin-1(1/n)−sin-1{sin(α+θF−2・β)/n}
θb=sin-1(1/n)−sin-1〈sin[cos-1{cosα・cos(2・γ)}−θF]/n〉
θe=tan-1{sin(2・γ)/tanα}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの入射光の光軸と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
β:ON状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
γ:OFF状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
n:第2プリズムの屈折率、
F:Fナンバー、
θ1:前記OFF光反射面の法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
φ:前記成分ベクトルと第1平面との成す角度、
である。
また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、第1プリズムが照明光を反射する照明光反射面を有してON光が前記照明光反射面を透過し、以下の条件式(3)を満たすと好ましい。
θc≧θ2≧θd・・・(3)
ただし、
θc=sin-1(1/n1)+sin-1{sin(α−θF−2・β)/n1}
θd=sin-1(1/n1)−sin-1{sin(α−θF)/n1}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
n1:第1プリズムの屈折率、
θ2:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線と前記照明光反射面の法線との成す角度、
である。
θc≧θ2≧θd・・・(3)
ただし、
θc=sin-1(1/n1)+sin-1{sin(α−θF−2・β)/n1}
θd=sin-1(1/n1)−sin-1{sin(α−θF)/n1}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
n1:第1プリズムの屈折率、
θ2:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線と前記照明光反射面の法線との成す角度、
である。
また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、第1プリズムから出射される照明光が第2プリズムを介して前記マイクロミラーに導かれ、前記マイクロミラーで反射したON光は第2プリズム、第1プリズム及び第3プリズムの順に透過すると好ましい。
また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、前記マイクロミラーで反射したON光が第1プリズム、第2プリズム及び第3プリズムの順に透過し、前記マイクロミラーで反射したOFF光が第1プリズムを介して第2プリズムに入射すると好ましい。
また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、第1プリズム及び第2プリズムは第3プリズムのON光を投影側へ出射する出射面に対して突出しないと好ましい。
また本発明のプロジェクターは、光源と、上記構成の光学ユニットと、前記光学ユニットに向けて照明光を出射する照明光学系と、前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに表示された画像をスクリーンに拡大投影する投影光学系とを備えたことを特徴としている。
本発明の光学ユニットによると、OFF状態のマイクロミラーで反射されたOFF光を反射するとともにON状態のマイクロミラーで反射されたON光を透過するOFF光反射面を有する第2プリズムを備える。これにより、2軸に関してマイクロミラーの駆動を行うデジタル・マイクロミラー・デバイスからの出射光のうち、画像投影に必要なON光から画像投影に不要なOFF光を適正に空間分離することができる。したがって、光学ユニット及びプロジェクターのOFF光に起因する温度上昇や迷光の発生を防止することができる。
また、各マイクロミラーはOFF光の光軸がON光の光軸と照明光の光軸とを含む第1平面に対して離れる方向にOFF光を反射し、第2プリズムが第1平面に対してOFF光の光軸が配される一方の第1領域と他方の第2領域とを有する。そして、第1平面上を始端とするOFF光反射面の外向きの法線ベクトルをON光の光軸に垂直な第2平面に投影した成分ベクトルの終端が第2領域に配される。これにより、第2プリズムの厚みを小さくして光学ユニット及びプロジェクターの小型化を図ることができる。
<第1実施形態>
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図1は第1実施形態の光学ユニットを備えるプロジェクターの概略構成図を示している。1チップタイプ(単板式)のプロジェクターPJは光源1、照明光学系2、光学ユニットPU、投影光学系LN、アクチュエーター4及び制御部3を備える。
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図1は第1実施形態の光学ユニットを備えるプロジェクターの概略構成図を示している。1チップタイプ(単板式)のプロジェクターPJは光源1、照明光学系2、光学ユニットPU、投影光学系LN、アクチュエーター4及び制御部3を備える。
光源1は例えばLEDから成り、白色光を出射する。照明光学系2はレンズ71(図5参照)を有し、光源1からの光を集光して照明光を光学ユニットPUに向けて出射する。光学ユニットPUはデジタル・マイクロミラー・デバイスDP、第1プリズムP1、第2プリズムP2及び第3プリズムP3を有し、支持部材(不図示)によりプロジェクターPJ内で支持される。光学ユニットPUはデジタル・マイクロミラー・デバイスDPで反射した投影光(後述のON光)を投影光学系LNに向けて射出する。なお、光学ユニットPUの詳細については後述する。
投影光学系LNはレンズ51、52(図5参照)を有し、デジタル・マイクロミラー・デバイスDP上に表示された画像をスクリーンSCに拡大投影する。アクチュエーター4はレンズ51、52を移動させ、例えばズーミング、フォーカシングや投影画像の上下シフト等を行う。制御部3はCPUを有し、プロジェクターPJ全体の制御を行う。
図2〜図5は光学ユニットPUの斜視図、正面図、上面断面図及び側面図をそれぞれ示している。なお、図4はOFF光L3の光軸AX3の反射位置の上面断面図を示している。図2〜図5において、X方向は第1〜第3プリズムP1〜P3の厚み方向を示している。Z方向はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPで反射する投影光(後述のON光)の光軸方向を示している。Y方向はX方向及びZ方向に垂直な方向を示している。
第1プリズムP1、第2プリズムP2及び第3プリズムP3は内部全反射プリズム(TIR Prism:Total Internal Reflection Prism)から成り、材質として例えばガラスを用いることができる。本実施形態では、第1〜第3プリズムP1〜P3は屈折率が同じガラスにより形成される。支持部材は光学ユニットPUの両側面(第1〜第3プリズムの厚み方向の両端面)に接して配され、光学ユニットPUを挟持する。
デジタル・マイクロミラー・デバイスDPと第3プリズムP3との間には第2プリズムP2及び第1プリズムP1が配置される。第2プリズムP2はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPと第1プリズムP1との間に配置され、第1プリズムP1は第2プリズムP2と第3プリズムP3との間に配置される。なお、第1プリズムP1と第2プリズムP2との間、第2プリズムP2と第3プリズムP3との間及び第1プリズムP1と第3プリズムP3との間にはエアーギャップ層(不図示)が設けられる。
デジタル・マイクロミラー・デバイスDPは正面投影において、第1〜第3プリズムP1〜P3に重なるように配置されるとともに第2プリズムP2の厚み方向(X方向)の中央よりも一方(図3において右方)に片寄って配置される。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPと第2プリズムP2との間にはカバーガラスCGが設けられる。
デジタル・マイクロミラー・デバイスDPは各マイクロミラーMR(図7参照)の面の傾きがON/OFF制御されて照明光L1を強度変調することにより画像を形成する。ON状態のマイクロミラーMRで反射されたON光L2は光学ユニットPUから射出されて画像表示に使用される。一方、OFF状態のマイクロミラーMRで反射されたOFF光L3は画像表示に使用されない。図8に示すように、各マイクロミラーMRはOFF光L3の光軸AX3がON光L2の光軸AX2と照明光L1の光軸AX1とを含む第1平面PL1に対して離れる方向にOFF光L3を反射する。なお、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPについての詳細は後述する。
第1プリズムP1は入射面12、照明光反射面11及び出射面13を有している。入射面12はZ方向に対して傾斜し、レンズ71に対向して照明光L1を入射する。照明光反射面11はレンズ71から離れるほどデジタル・マイクロミラー・デバイスDPに近づくように傾斜し、入射面12から入射した照明光L1を反射する。出射面13は第2プリズムP2に対向し、照明光反射面11で反射した照明光L1を出射する。
第2プリズムP2はOFF光反射面21、出射面24及び入射面25を有している。入射面25はカバーガラスCGに対向し、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPで反射したON光L2及びOFF光L3を入射する。
OFF光反射面21は入射面25から入射したON光L2を透過するとともにOFF光L3を反射する。出射面24はON状態のマイクロミラーMRで反射したON光L2の光軸AX2に対して入射面12の反対側に形成され、OFF光反射面21で反射したOFF光L3を出射する。
第2プリズムP2は第1平面PL1に対して一方(図3において左方)の第1領域22及び他方(図3において右方)の第2領域23を有する。第1領域22の第1平面PL1の法線方向(X方向)の長さD1は第2領域23の第1平面PL1の法線方向(X方向)の長さD2よりも長く形成される。OFF光L3の光軸AX3は第1領域22に含まれる。
また、第1平面PL1上を始端とするOFF光反射面21の外向きの法線ベクトルNR(図2参照)をON光L2の光軸AX2に垂直な第2平面PL2(図5参照)に投影した成分ベクトルNR1(図3参照)の終端は第2領域23に配される。これにより、図4に示すように、第1領域22のOFF光反射面21は第1平面PL1から離れるほど投影光学系LN(図5参照)に近づくように傾斜している。
また、第2プリズムP2の出射面24に離れて対向して光吸収部材PT(図5参照)が設けられる。光吸収部材PTは例えば黒色処理した金属プレートにより形成され、出射面24から出射されたOFF光L3を吸収する。
第3プリズムP3は入射面33及び出射面32を有している。入射面33はレンズ71から離れるほどデジタル・マイクロミラー・デバイスDPに近づくように傾斜し、第2プリズムP2のOFF光反射面21を透過したON光L2を入射する。出射面32は投影光学系LNのレンズ51、52に対向し、入射面33から入射したON光L2を出射する。第1プリズムP1の投影光学系LN側の端部は第3プリズムP3の出射面32に対して出射側に突出している。なお、第1プリズムP1を出射面32に対して出射側に突出しないように形成してもよい。
上記構成のプロジェクターPJにおいて、光源1から光が出射されると、照明光学系2のレンズ71で集光されて照明光L1が光学ユニットPUに向けて出射される。照明光L1は第1プリズムP1の入射面12に入射した後に照明光反射面11で反射する。照明光反射面11で反射した照明光L1は出射面13から出射した後に、OFF光反射面21を介して第2プリズムP2に入射する。第2プリズムP2に入射した照明光L1は第2プリズムP2及びカバーガラスCGを順に透過した後にデジタル・マイクロミラー・デバイスDPに入射する。これにより、第1プリズムP1により照明光L1がデジタル・マイクロミラー・デバイスDPに導かれる。
図6はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPのマイクロミラーMRの基準状態、ON状態及びOFF状態の斜視図を示している。図7はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの動作を説明するための斜視図を示している。デジタル・マイクロミラー・デバイスDPは複数の矩形形状の微小なマイクロミラーMRを有し、マイクロミラーMRにより画素を構成する画素反射面(マイクロミラー面)MSが形成される。
図6において、マイクロミラーMRの基準状態を基準平面MS1で示し、マイクロミラーMRのON状態を反射面MS2で示し、マイクロミラーMRのOFF状態を反射面MS3で示している。マイクロミラーMRは基準状態から第1軸ax1に対して傾いた後に第2軸ax2に対して回動することができる。これにより、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPは、複数の画素反射面MSからなる画像表示面DSにおいて、各画素反射面MSがON/OFF制御され、マイクロミラーMRが画像表示状態(ON状態)と画像非表示状態(OFF状態)と、の2つの角度状態をとる。すなわち、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPは直交する2軸に関してマイクロミラーMRの駆動を行い、マイクロミラーMRは基準状態、ON状態及びOFF状態をとることができる。これにより、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPは照明光L1を強度変調して所望の画像を生成する反射型画像表示素子を構成する。
各マイクロミラーMRの駆動は直交する2軸(第1軸ax1、第2軸ax2)に関して行われるため、マイクロミラーMRの画素反射面MSは異なる面内で傾斜する。本実施形態ではYZ平面内で傾斜した状態がON状態であり、XZ平面内で傾斜した状態がOFF状態である。通常想定されるON/OFF制御では、画素反射面MSがON状態のとき、マイクロミラーMRに入射した照明光L1は画像表示面DSの法線(デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線)方向に反射されてON光L2(投影光)となる。また、画素反射面MSがOFF状態のとき、マイクロミラーMRに入射した照明光L1は画像表示面DSの法線方向から大きな角度を持って反射され、OFF光L3(不要光)となる。
このため、図8に示すように、各マイクロミラーMRはOFF光L3の光軸AX3がON光L2の光軸AX2と照明光L1の光軸AX1とを含む第1平面PL1に対して離れる方向にOFF光L3を反射する。また、画像表示面DSの法線(デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線)はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの近傍のON光L2(投影光)の光軸AX2と平行になっている。
以上のように、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの画像表示面DSでは、照明光L1の強度変調により2次元画像が形成される。デジタル・マイクロミラー・デバイスDPは、前述したように直交する2軸に関してマイクロミラーMRの駆動を行うことによりON/OFFを表現する。
ON状態のマイクロミラーMRで反射したON光L2は第2プリズムP2の入射面25から第2プリズムP2に入射し、OFF光反射面21を透過した後に第1プリズムP1に入射する。第1プリズムP1に入射したON光L2は照明光反射面11を透過した後に入射面33を介して第3プリズムP3に入射する。第3プリズムP3に入射したON光L2は第3プリズムP3を透過して出射面32から投影光学系LNに向けて出射される。
投影光学系LNに入射したON光L2はスクリーンSC(図1参照)に投射される。これにより、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPに表示された画像はスクリーンSCに拡大投影される。この時、アクチュエーター4により例えばズーミング、フォーカシングや投影画像の上下シフト(Y方向での移動)等が行われる。
一方、OFF状態のマイクロミラーMRで反射したOFF光L3は第2プリズムP2の入射面25から第2プリズムP2に入射した後にOFF光反射面21で反射する。OFF光反射面21で反射したOFF光L3は出射面24から出射され、第2プリズムP2の外部へ排出される。第2プリズムP2から排出されたOFF光L3は光吸収部材PTにより吸収される。
この時、光吸収部材PTは第2プリズムP2の出射面24から離れて設けられている。これにより、OFF光L3を吸収した光吸収部材PTの熱の第2プリズムP2への伝熱を低減することができる。したがって、第2プリズムP2の温度上昇を抑え、第2プリズムP2の熱変形等を防止することができる。その結果、光学ユニットPU及びプロジェクターPJの長寿命化を図ることができる。
また、OFF光L3の光軸AX3は第1領域22に含まれる。第2プリズムP2を通るOFF光L3の光軸AX3上の光は第1領域22の第1平面PL1に対向する端面22aとは異なる出射面24から出射される。これにより、OFF光L3の端面22aへの入射を低減することができる。したがって、端面22aでの光の散乱や光の吸収による温度上昇を低減することができる。また、OFF光L3を端面22aで反射させるための端面22aの処理(例えば研磨等)を省くことができるため、コストの増大を抑えることができる。
なお、ON状態及びOFF状態の一方から他方へ移行中のマイクロミラーMRで反射した照明光L1(フラット光)はマイクロミラーMRの法線方向に対して照明光L1とは反対方向へ反射される。フラット光やカバーガラスCGでの照明光L1の反射光も第2プリズムP2に入射してOFF光反射面21で反射し、その後に出射面24から出射される。これにより、フラット光やカバーガラスCGでの照明光L1の反射光の投影光学系LNへの入射を防止することができる。したがって、投影画像のコントラストの低下を防止することができる。
なお、本実施形態において、照明光学系2と光源1との間にカラーホイール(不図示)を設けてもよい。カラーホイールは環状の枠を有し、枠内に赤色、青色及び緑色のフィルタが周方向に順に配置される。カラーホイールを周方向に回転させてフィルタに照明光L1を透過させることにより、カラー画像を投影することができる。
ここで、OFF光反射面21の法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度θ1が以下の条件式(1)を満たすとともに、成分ベクトルNR1と第1平面PL1との成す角度φが以下の条件式(2)を満たすと、OFF光反射面21はON光L2を透過してOFF光L3をほぼ全反射することができるので好ましい。
θa≧θ1≧θb−1.5・・・(1)
θe−15≦φ≦θe+15・・・(2)
ただし、
θa=sin-1(1/n)−sin-1{sin(α+θF−2・β)/n}
θb=sin-1(1/n)−sin-1〈sin[cos-1{cosα・cos(2・γ)}−θF]/n〉
θe=tan-1{sin(2・γ)/tanα}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの入射光の光軸とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
β:ON状態のマイクロミラーMRの法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
γ:OFF状態のマイクロミラーMRの法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
n:第2プリズムP2の屈折率、
F:Fナンバー、
である。
θe−15≦φ≦θe+15・・・(2)
ただし、
θa=sin-1(1/n)−sin-1{sin(α+θF−2・β)/n}
θb=sin-1(1/n)−sin-1〈sin[cos-1{cosα・cos(2・γ)}−θF]/n〉
θe=tan-1{sin(2・γ)/tanα}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの入射光の光軸とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
β:ON状態のマイクロミラーMRの法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
γ:OFF状態のマイクロミラーMRの法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
n:第2プリズムP2の屈折率、
F:Fナンバー、
である。
図9に示すように、第1平面PL1上の光軸AX1を有する照明光L1はFナンバーに基づく角度θFの広がりを有している。角度θaは、ON光の光軸AX2から最も離れた照明光L1の光線L12(Lower Ray)がON光L2としてOFF光反射面21に入射する際の入射角が臨界角となる角度を表している。角度θbは、OFF状態のマイクロミラーMRで反射された照明光L1のうち最も入射角が小さくなる光線がOFF光L3としてOFF光反射面21に入射する際の入射角が臨界角となる角度を表している。
例えば、α=34°、β=17°、γ=17°、n=1.51872、FナンバーをF/1.80とすると、角度θaは30.64°、角度θbは21.69°、角度φは39.7°となる。
ここで、角度θ1を21.69°に設定してOFF光反射面21を形成すると、入射したOFF光L3をすべて全反射することができるが、角度θ1を21.69°よりもある程度小さくしてもOFF光反射面21はOFF光L3の大部分を全反射することができる。ここで、角度θ1が21.69°よりも1.5°小さい20.19°の時に、OFF光L3のすべてが全反射される照明光L1のFナンバーはF/2.13である。実際に全反射条件を満たさないのは、OFF光反射面21に対して入射角度が浅くなる1方向のみのF/1.80〜F/2・13の照明光L1のみである。また、角度θ1が21.69°であれば、角度φを±15°の範囲で変動させてもFナンバーがF/1.80からF/1.90までの照明光L1を入射させた場合に、OFF光反射面21は入射したOFF光L3のすべてを全反射することができる。
したがって、α=34°、β=17°、γ=17°、n=1.51872、FナンバーをF/1.80とすると、角度θ1が30.64°≧θ1≧20.19°を満たすとともに、角度φが54.7°≧φ≧24.7°を満たせば、OFF光反射面21はON光L2を透過してOFF光L3をほぼ全反射することができる。
ここで、角度θ1を下限角度の20.19°に設定してOFF光反射面21を形成すると、光学ユニットPUのON光L2(投影光)の光軸AX2方向(Z方向)の長さを短くすることができる。これにより、投影光学系LNの後方焦点距離(レンズ51の最前面から画像表示面DSまでの距離)を短くすることができる。したがって、光学ユニットPU及びプロジェクターPJの小型化を図ることができる。
また、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線と照明光反射面11の法線との成す角度θ2が以下の条件式(3)を満たすと、照明光反射面11はON光L2を透過して照明光L1をほぼ全反射することができるので好ましい。
θc≧θ2≧θd・・・(3)
ただし、
θc=sin-1(1/n1)+sin-1{sin(α−θF−2・β)/n1}
θd=sin-1(1/n1)−sin-1{sin(α−θF)/n1}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの入射光の光軸とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
β:ON状態のマイクロミラーMRの法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
n1:第1プリズムP1の屈折率、
F:Fナンバー、
である。
ただし、
θc=sin-1(1/n1)+sin-1{sin(α−θF−2・β)/n1}
θd=sin-1(1/n1)−sin-1{sin(α−θF)/n1}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの入射光の光軸とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
β:ON状態のマイクロミラーMRの法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
n1:第1プリズムP1の屈折率、
F:Fナンバー、
である。
角度θcは光線L11(図9参照)がON光L2として照明光反射面11に入射する際の入射角が臨界角となる角度を表している。角度θdは入射面12から入射した光線L11が照明光として照明光反射面11に入射する際の入射角が臨界角となる角度を表している。
例えば、α=34°、β=17°、γ=17°、n1=1.51872、FナンバーをF/1.80としたときに、30.64°≧θ2≧29.52°となる。この時、照明光反射面11はON光L2を透過して照明光L1をほぼ全反射することができる。
ここで、角度θ2を下限角度の29.52°に設定して照明光反射面11を形成すると、光学ユニットPUのON光L2(投影光)の光軸AX2方向(Z方向)の長さを短くすることができる。これにより、投影光学系LNの後方焦点距離(レンズ51の最前面から画像表示面DSまでの距離)を短くすることができる。したがって、光学ユニットPU及びプロジェクターPJを小型化することができる。
本実施形態によると、OFF状態のマイクロミラーMRで反射されたOFF光L3を反射するとともにON状態のマイクロミラーMRで反射されたON光L2を透過するOFF光反射面21を有する第2プリズムP2を備える。これにより、2軸に関してマイクロミラーMRの駆動を行うデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの反射光のうち、画像投影に必要なON光L2から画像投影に不要なOFF光L3を適正に空間分離することができる。したがって、OFF光L3の投影光学系LNへの入射によるゴースト光の発生を防止することができる。また、OFF光L3の投影光学系LNへの入射による投影光学系LNの局所的な温度上昇を防止することができる。したがって、投影光学系LNの結像性能の低下を防止し、投影画像のコントラストの低下を防止することができる。
また、第2プリズムP2が第1平面PL1に対してOFF光L3の光軸AX3が配される一方の第1領域22と他方の第2領域23とを有し、第1平面PL1上を始端とするOFF光反射面21の外向きの法線ベクトルNRをON光L2の光軸AX2に垂直な第2平面PL2に投影した成分ベクトルNR1の終端が第2領域23に配される。これにより、第2プリズムP2の厚みを小さくして光学ユニットPU及びプロジェクターPJを小型化することができる。
また、条件式(1)及び(2)を満たすと、OFF光反射面21はON光L2を透過させるとともにOFF光L3をほぼ全反射することができる。
また、条件式(3)を満たすと、照明光反射面11はON光L2を透過させるとともに照明光L1をほぼ全反射することができる。
また、第1プリズムP1から出射される照明光L1が第2プリズムP2を介してマイクロミラーMRに導かれ、マイクロミラーMRで反射したON光L2は第2プリズムP2、第1プリズムP1及び第3プリズムP3の順に透過する。これにより、OFF光L3の投影光学系LNへの入射を防止して投影光学系LNの後方焦点距離を短くすることができる。
また、プロジェクターPJは、光学ユニットPUに向けて照明光L1を出射する照明光学系2と、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPに表示された画像をスクリーンSCに拡大投影する投影光学系LNとを備える。これにより、プロジェクターPJを小型化できるとともにプロジェクターPJは高コントラストの画像を投影することができる。
<第2実施形態>
次に本発明の第2実施形態について説明する。図10〜図13は第2実施形態の光学ユニットの斜視図、正面図、上面図及び側面図をそれぞれ示している。なお、図12はOFF光L3の光軸AX3の反射位置の上面断面図を示している。説明の便宜上、図1〜図9に示す第1実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態では第1〜第3プリズムP1〜P3の配置が第1実施形態とは異なっている。その他の部分は第1実施形態と同様である。
次に本発明の第2実施形態について説明する。図10〜図13は第2実施形態の光学ユニットの斜視図、正面図、上面図及び側面図をそれぞれ示している。なお、図12はOFF光L3の光軸AX3の反射位置の上面断面図を示している。説明の便宜上、図1〜図9に示す第1実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態では第1〜第3プリズムP1〜P3の配置が第1実施形態とは異なっている。その他の部分は第1実施形態と同様である。
デジタル・マイクロミラー・デバイスDPと第3プリズムP3との間には第1プリズムP1及び第2プリズムP2が配置される。第2プリズムP2は第1プリズムP1と第3プリズムP3との間に配置される。第1プリズムP1はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPと第2プリズムP2との間に配置される。
第1プリズムP1の出射面13はカバーガラスCGに対向している。第2プリズムP2の入射面25はレンズ71から離れるほどデジタル・マイクロミラー・デバイスDPに近づくように傾斜している。出射面24は第2プリズムP2の前面に形成される。出射面24に離れて対向して光吸収部材PTが設けられる。入射面33はレンズ71から離れるほどデジタル・マイクロミラー・デバイスDPから離れるように傾斜している。
また、第1プリズムP1及び第2プリズムP2は第3プリズムP3の出射面32に対して画像投影側に突出していない。これにより、光学ユニットPUとレンズ51との間の距離を短くしてもZ方向に移動する投影光学系LNのレンズ51、52と光学ユニットPUとの干渉を防止することができる。したがって、投影画像の拡大や縮小を容易に行うことができる。また、Y方向に移動する投影光学系LNのレンズ51、52と光学ユニットPUとの干渉を防止することができる。したがって、投影光学系LNによる投影画像の上下シフト(Y方向での移動)を容易に行うことができる。また、投影光学系LNの後方焦点距離を長くすることなく、出射面32とレンズ51との間に他の部材(例えばスムースピクチャ)等を配置することができる。
本実施形態の光学ユニットPUにおいて、入射面12から第1プリズムP1に入射した照明光L1は照明光反射面11で反射して出射面13からデジタル・マイクロミラー・デバイスDPに向けて出射される。ON状態のマイクロミラーMRで反射したON光L2は第1プリズムP1の照明光反射面11を透過した後に入射面25から第2プリズムP2に入射する。第2プリズムP2に入射したON光L2はOFF光反射面21を透過して入射面33から第3プリズムP3に入射する。第3プリズムP3に入射したON光L2は出射面32から投影光学系LNに向けて出射される。これにより、ON状態のマイクロミラーMRで反射したON光L2は第1プリズムP1、第2プリズムP2及び第3プリズムP3の順に透過する。
一方、OFF状態のマイクロミラーMRで反射したOFF光L3は第1プリズムP1の照明光反射面11を透過して第2プリズムP2に入射する。そして、第2プリズムP2に入射したOFF光L3はOFF光反射面21で反射して出射面24から第2プリズムP2の外部へ出射される。第2プリズムP2の外部へ排出されたOFF光L3は光吸収部材PTにより吸収される。
本実施形態でも第1実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第1プリズムP1及び第2プリズムP2は第3プリズムP3の出射面32に対して画像投影側に突出していない。これにより、Y方向に移動する投影光学系LNのレンズ51、52と光学ユニットPUとの干渉を防止することができる。したがって、投影光学系LNによる投影画像の上下シフトを容易に行うことができる。
本発明は、マイクロミラーの駆動を2軸に関して行うデジタル・マイクロミラー・デバイスを有する光学ユニット及びそれを備えたプロジェクターに利用することができる。
PJ プロジェクター
LN 投影光学系
PU 光学ユニット
PT 光吸収部材
DP デジタル・マイクロミラー・デバイス
DS 画像表示面
MR マイクロミラー
MS 画素反射面
NR 法線ベクトル
NR1 成分ベクトル
CG カバーガラス
P1 第1プリズム
P2 第2プリズム
P3 第3プリズム
L1 照明光
L2 ON光(投影光)
L3 OFF光(不要光)
AX1 照明光の光軸
AX2 投影光(ON光)の光軸
AX3 OFF光の光軸
MS1 基準平面
MS2 ON反射面
MS3 OFF反射面
PL1 第1平面
PL2 第2平面
1 光源
2 照明光学系
3 制御部
4 アクチュエーター
11 照明光反射面
21 OFF光反射面
51、52、71 レンズ
AX 光軸
SC スクリーン
LN 投影光学系
PU 光学ユニット
PT 光吸収部材
DP デジタル・マイクロミラー・デバイス
DS 画像表示面
MR マイクロミラー
MS 画素反射面
NR 法線ベクトル
NR1 成分ベクトル
CG カバーガラス
P1 第1プリズム
P2 第2プリズム
P3 第3プリズム
L1 照明光
L2 ON光(投影光)
L3 OFF光(不要光)
AX1 照明光の光軸
AX2 投影光(ON光)の光軸
AX3 OFF光の光軸
MS1 基準平面
MS2 ON反射面
MS3 OFF反射面
PL1 第1平面
PL2 第2平面
1 光源
2 照明光学系
3 制御部
4 アクチュエーター
11 照明光反射面
21 OFF光反射面
51、52、71 レンズ
AX 光軸
SC スクリーン
Claims (8)
- 複数のマイクロミラーからなる画像表示面において各前記マイクロミラーの面の傾きがON/OFF制御されて照明光を強度変調することにより画像を形成し、ON/OFF制御される各前記マイクロミラーの駆動を2軸に関して行うデジタル・マイクロミラー・デバイスと、
照明光を前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに導く第1プリズムと、
OFF状態の前記マイクロミラーで反射されたOFF光を反射するとともにON状態の前記マイクロミラーで反射されたON光を透過するOFF光反射面を有する第2プリズムと、
第2プリズムから出射されたON光が入射して投影側に射出する第3プリズムと、
を備えた光学ユニットであって、
各前記マイクロミラーはOFF光の光軸がON光の光軸と照明光の光軸とを含む第1平面に対して離れる方向にOFF光を反射し、第2プリズムが第1平面に対してOFF光の光軸が配される一方の第1領域と他方の第2領域とを有し、
第1平面上を始端とする前記OFF光反射面の外向きの法線ベクトルをON光の光軸に垂直な第2平面に投影した成分ベクトルの終端が第2領域に配されることを特徴とする光学ユニット。 - 以下の条件式(1)及び(2)を満たすことを特徴とする請求項1に記載の光学ユニット。
θa≧θ1≧θb−1.5・・・(1)
θe−15≦φ≦θe+15・・・(2)
ただし、
θa=sin-1(1/n)−sin-1{sin(α+θF−2・β)/n}
θb=sin-1(1/n)−sin-1〈sin[cos-1{cosα・cos(2・γ)}−θF]/n〉
θe=tan-1{sin(2・γ)/tanα}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの入射光の光軸と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
β:ON状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
γ:OFF状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
n:第2プリズムの屈折率、
F:Fナンバー、
θ1:前記OFF光反射面の法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
φ:前記成分ベクトルと第1平面との成す角度、
である。 - 第1プリズムが照明光を反射する照明光反射面を有してON光が前記照明光反射面を透過し、
以下の条件式(3)を満たすことを特徴とする請求項2に記載の光学ユニット。
θc≧θ2≧θd・・・(3)
ただし、
θc=sin-1(1/n1)+sin-1{sin(α−θF−2・β)/n1}
θd=sin-1(1/n1)−sin-1{sin(α−θF)/n1}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
n1:第1プリズムの屈折率、
θ2:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線と前記照明光反射面の法線との成す角度、
である。 - 第1プリズムが照明光を反射する照明光反射面を有してON光が前記照明光反射面を透過し、
以下の条件式(3)を満たすことを特徴とする請求項1に記載の光学ユニット。
θc≧θ2≧θd・・・(3)
ただし、
θc=sin-1(1/n1)+sin-1{sin(α−θF−2・β)/n1}
θd=sin-1(1/n1)−sin-1{sin(α−θF)/n1}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの入射光の光軸と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
β:ON状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
n1:第1プリズムの屈折率、
F:Fナンバー、
θ2:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線と前記照明光反射面の法線との成す角度、
である。 - 第1プリズムから出射される照明光が第2プリズムを介して前記マイクロミラーに導かれ、
前記マイクロミラーで反射したON光は第2プリズム、第1プリズム及び第3プリズムの順に透過することを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の光学ユニット。 - 前記マイクロミラーで反射したON光が第1プリズム、第2プリズム及び第3プリズムの順に透過し、前記マイクロミラーで反射したOFF光が第1プリズムを介して第2プリズムに入射することを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の光学ユニット。
- 第1プリズム及び第2プリズムは第3プリズムのON光を投影側へ出射する出射面に対して突出しないことを特徴とする請求項5または請求項6に記載の光学ユニット。
- 光源と、請求項1〜請求項7のいずれかに記載の光学ユニットと、前記光学ユニットに向けて照明光を出射する照明光学系と、前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに表示された画像をスクリーンに拡大投影する投影光学系とを備えたことを特徴とするプロジェクター。
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