JPWO2012060065A1 - プロジェクタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プロジェクタ装置用の照明光学系を薄型化する。【解決手段】光源から発せられた光をＴＩＲプリズム（２０）に導き、その全反射面で全反射させた光を長方形の表面を有するＤＭＤ（２３）で反射させることにより光変調し、光変調後の光をスクリーンに投影するプロジェクタ装置に用いられる照明光学系において、ＴＩＲプリズム（２０）を、その全反射面の法線ＮをＤＭＤ（２３）の表面に垂直投影した投影線が、該ＤＭＤ（２３）のマイクロミラー回動軸（Ｒ）と９０°以外の角度を成し、上記全反射面から出射する光束（Ｌout）の主光線をＤＭＤ（２３）の表面に垂直投影した出射光投影線がマイクロミラー回動軸（Ｒ）と９０°の角度を成し、そして上記全反射面に入射する光束（Ｌin）の主光線をＤＭＤ（２３）の表面に垂直投影した入射光投影線が、その終点を通ってＤＭＤ（２３）の長辺に平行に延びる直線（Ｑ）に関して、出射光投影線と同じ側に有るように構成する。【選択図】図５

Description

本発明はプロジェクタ装置、特に詳細には、反射型光変調素子の一つであるＤＭＤによって投写画像を形成するようにしたプロジェクタ装置に関するものである。

また本発明は、そのようなプロジェクタ装置に用いられる照明光学系に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されているように、反射型光変調素子の一つであるＤＭＤ（Digital Micromirror Device：登録商標）によって形成した画像を、投影光学系によってスクリーンに投写表示するようにした表示装置が公知となっている。ＤＭＤは、各々がＯＮ状態とＯＦＦ状態の２つの傾斜状態を取る多数のマイクロミラーが、マトリクス状に配置されてなるものである。このＤＭＤを用いたプロジェクタ装置においては、ＤＭＤに照明光が照射されたとき、ＯＮ状態のマイクロミラーに入射した照明光が投影光学系内に向けて反射し、ＯＦＦ状態のマイクロミラーに入射した照明光が投影光学系外に向けて反射するように投影光学系が配置される。そこで、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光のみが投影光学系によってスクリーン上に投影され、それにより、明暗のパターンからなる表示画像がスクリーン上に形成される。その場合、各マイクロミラーが表示画像の１画素を構成することになる。

ここで図９および１０を参照して、ＤＭＤの概略を説明する。図９は、ＤＭＤのマイクロミラーの駆動構造を示す平面図であり、図１０は図９のＡ−Ａ線に沿った部分の断面形状を示す立断面図である。なお、これらの図はＤＭＤを構成する多数のマイクロミラーの１つを抜き出して拡大表示したものであり、実際のＤＭＤは、多数のマイクロミラーをマトリクス状に配置して構成されている。

図示されるように、ＤＭＤ１のマイクロミラー２は、回動軸Ｒを支点に回動することにより、ＤＭＤ１の表面に対して例えば＋１２°傾いたＯＮ状態と、−１２°傾いたＯＦＦ状態の２つの傾斜状態をとる。このマイクロミラー２の回動軸Ｒは、ＤＭＤ１の長辺または短辺に対して４５°傾いた方向に設定されており、照明光Ｌ0 は、この回動軸Ｒと直交する方向からＤＭＤ１の表面に対して２４°の入射角で照射される。ＤＭＤ１に照射された照明光Ｌ0 は、ＯＮ状態のマイクロミラー２で反射すると、ＤＭＤ１の表面に対する反射角が０°の投影光Ｌ1 となり、ＯＦＦ状態のマイクロミラー２で反射すると、ＤＭＤ１の表面に対する反射角が−４８°の投影光Ｌ2 となる。投影光学系には、ＯＮ状態のマイクロミラー２で反射した反射角０°の投影光Ｌ1 のみが入射するので、１つのマイクロミラー２毎に明暗が制御されてなる画像がスクリーン上に投写されるようになる。つまりこの場合、ＤＭＤ１の１つのマイクロミラー２が１画素となる。

なお本明細書において、ＤＭＤ１の表面とは、全てのマイクロミラー２の回動軸Ｒを含む面と平行で、かつ全てのマイクロミラー２の表面を横切る面と定義する。

ところで、上記のようにＤＭＤ１を用いたプロジェクタ装置では、ＤＭＤ１の構造上、照明光Ｌ0 をマイクロミラー２の回動軸Ｒと直交する方向、つまりＤＭＤ１の長辺または短辺に対して４５°傾いた方向から入射させ、さらにＤＭＤ１の表面に対して２４°の入射角をもって照明光Ｌ0 を入射させる、という２つの条件を満たすように照明光学系を構成する必要がある。

このため従来のプロジェクタ装置では、図１１および１２に示すように、ＴＩＲプリズム(Total Internal Reflection Prism：内部全反射プリズム)を用いて、照明光をＤＭＤ１に導く照明光学系が多用されていた。すなわち、光源３から出射した光をカラーホイール４を介してロッドインテグレータ５に集光し、第１ミラー６および第２ミラー７によってＴＩＲプリズム８に導き、そのＴＩＲプリズム８で全反射させることにより、ＤＭＤ１に所定の方向（マイクロミラーの回動軸と直交する方向）から所定の入射角度（ＤＭＤの表面に対して２４°）をもって入射させるようにしていた。そして、このように照射した照明光をＤＭＤ１で反射させて光変調を行い、その光変調後にＴＩＲプリズム８を透過した光を投影光学系９でスクリーンに投影するようにしていた。

ここで、従来のプロジェクタ装置に用いられていたＴＩＲプリズム８の一例について、その斜視形状、側面形状および底面形状をそれぞれ示す図６、７および８を参照して詳しく説明する。なおこの図６および図８においては、ＤＭＤ１の長辺方向、短辺方向を各々Ｘ方向、Ｙ方向とし、それら両方向に対して直角な方向をＺ方向として示す。ＴＩＲプリズム８は、それらの図６〜８に示されるように、第１プリズム８Ａと第２プリズム８Ｂとで構成されたもので、図示外の光学系から導かれた照明光Ｌinを第１プリズム８Ａの全反射面Ｐで全反射させることにより、全反射後の照明光ＬoutをＤＭＤ１に対して所定の方向から所定の入射角度で入射させるとともに、ＤＭＤ１からの反射光Ｌrefを第１プリズム８Ａの全反射面Ｐを透過させ、第２プリズム８Ｂから出射させて投影光学系に導く。

そのようにするために、ＴＩＲプリズム８においては、入射した照明光Ｌinが全反射するとともに、ＤＭＤ１からの反射光Ｌrefが透過するように全反射面Ｐの傾斜角度αが設定されるとともに、ＤＭＤ１の表面を含む面に全反射面法線Ｎを投影した投影線が、ＤＭＤ１のマイクロミラー回動軸Ｒと９０°を成すように全反射面Ｐの方向が設定されていた（図７、８参照）。そして、このＴＩＲプリズム８に対して照明光は、全反射面Ｐに対する入射照明光Ｌinおよび出射（反射）照明光Ｌoutの進行方向をＤＭＤ１の表面を含む面に投影した投影線が、全反射面法線Ｎの投影線と同様に、マイクロミラー回動軸Ｒと９０°を成すようにして照射されていた。

しかし、以上述べたＤＭＤおよびＴＩＲプリズムを備えてなる従来のプロジェクタ装置では、図８に明示されるように、ＤＭＤ１の長辺に対して４５°を成す方向から照明光をＴＩＲプリズム８に入射させているため、ＴＩＲプリズムとして厚いものを適用せざるを得ず、ひいてはプロジェクタ装置が厚くなってしまうという問題が認められる。

以上の点に鑑みて本出願人は先に、薄いＴＩＲプリズムを適用できるプロジェクタ装置を提案した（特許文献２参照）。このプロジェクタ装置は、
光源からの光をＴＩＲプリズムに導き、そのＴＩＲプリズムで全反射させた光をＤＭＤで反射させることにより光変調し、光変調後にＴＩＲプリズムを透過した光を投影光学系でスクリーン上に投影するプロジェクタ装置において、
前記ＴＩＲプリズムは、照明光を全反射してＤＭＤに導くとともに、該ＤＭＤで光変調された光を透過する全反射面を有し、該全反射面の法線ベクトルを前記ＤＭＤの表面に対して垂直な方向から見た投影線が、前記ＤＭＤの長辺または短辺と４５°より小さな角度を成すように、つまりＤＭＤのマイクロミラー回動軸と９０°より小さな角度を成すようにＤＭＤに対して配置され、
前記照明光学系は、前記ＴＩＲプリズムから前記ＤＭＤに出射される照明光の光軸を前記ＤＭＤの表面に対して垂直な方向から見た投影線が、前記ＤＭＤの長辺または短辺と４５°を成すように前記全反射面に照明光を入射させることを特徴とするものである。

特開平１２−２０６４５２号公報 特開平２００２−３５０７７５号公報

上記特許文献２に示されるプロジェクタ装置は、所期の目的を達成できるものであるが、本発明はそれよりもさらに薄く形成することができるプロジェクタ装置、およびそのようなプロジェクタ装置を実現できる照明光学系を提供することを目的とする。

本発明によるプロジェクタ装置用照明光学系は、
光源から発せられた光をＴＩＲプリズムに導き、そのＴＩＲプリズムの全反射面で全反射させた光を長方形の表面を有するＤＭＤで反射させることにより光変調し、光変調後にＴＩＲプリズムの前記全反射面を透過した光を投影光学系でスクリーン上に投影するプロジェクタ装置に用いられる照明光学系において、
前記ＤＭＤは、その長方形の表面が、前記全反射した後の光が出射する前記ＴＩＲプリズムの一端面と平行になる状態にして配置され、
前記ＴＩＲプリズムは、その全反射面の法線をＤＭＤの表面に垂直投影した投影線が、該ＤＭＤのマイクロミラー回動軸と９０°以外の角度を成し、前記全反射面から出射する光束の主光線をＤＭＤの表面に垂直投影した出射光投影線が前記マイクロミラー回動軸と９０°の角度を成し、そして前記全反射面に入射する光束の主光線をＤＭＤの表面に垂直投影した入射光投影線が、その終点を通ってＤＭＤの長辺に平行に延びる直線に関して、前記出射光投影線と同じ側に有るように構成されていることを特徴とするものである。

また、本発明によるプロジェクタ装置は、上述した本発明の照明光学系を備えたことを特徴とするものである。

本発明の照明光学系においては、ＴＩＲプリズムが、その全反射面の法線をＤＭＤの表面に垂直投影した投影線が、該ＤＭＤのマイクロミラー回動軸と９０°以外の角度を成し（これは、特許文献２に示されるプロジェクタ装置において、該投影線がＤＭＤの長辺または短辺と４５°より小さな角度を成すことに相当する）、また前記全反射面から出射する光束の主光線をＤＭＤの表面に垂直投影した出射光投影線が前記マイクロミラー回動軸と９０°の角度を成す（これは、特許文献２に示されるプロジェクタ装置において、該出射光投影線がＤＭＤの長辺または短辺と４５°の角度を成すことに相当すし、ＤＭＤを正常に使用するために必要な条件である）ようにしたことにより、基本的に特許文献２に示されるプロジェクタ装置におけるのと同様に、該光学系全体を薄く形成可能となる。

それに加えて、本発明の照明光学系においては、ＴＩＲプリズムがさらに、その全反射面に入射する光束の主光線をＤＭＤの表面に垂直投影した入射光投影線が、その終点（つまりこの主光線の全反射面への入射点）を通ってＤＭＤの長辺に平行に延びる直線に関して、前記出射光投影線と同じ側に有るように構成されていることから、該入射光投影線が上記直線に関して出射光投影線と反対側に有るように構成されている特許文献２に示される光学系と比べて、さらなる薄型化を達成可能となる。

また、本発明によるプロジェクタ装置は上述した通りの照明光学系を備えたものであるので、十分な薄型化、小型化を実現できるものとなる。

本発明の一実施形態によるプロジェクタ装置を示す側面図 上記プロジェクタ装置に用いられた照明光学系を示す斜視図 図２の照明光学系を異なる方向から見た状態を示す斜視図 図２の照明光学系の正面図 図２の照明光学系の平面図 従来のプロジェクタ装置用光学系の一例を示す斜視図 図６の光学系の側面図 図６の光学系の平面図 ＤＭＤの構造を説明する概略平面図 ＤＭＤの構造を説明する概略側面図 従来のプロジェクタ装置の一例を示す平面図 図１１のプロジェクタ装置の斜視図

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態によるプロジェクタ装置１００を示すものであり、図２〜５はそのプロジェクタ装置１００に用いられた照明光学系２００を示すものである。

図１に示される通りこのプロジェクタ装置１００は、互いに異なる波長域の光を発する例えばＬＥＤ（発光ダイオード）から成る第１光源１１および第２光源１２と、第１光源１１から発せられた光Ｌ１を集光する集光レンズ１３と、第２光源１２から発せられた光Ｌ２を集光する集光レンズ１４と、この光Ｌ２は反射させるとともに上記光Ｌ１は透過させてそれらを合波するダイクロイックミラー１５と、合波された後の照明光となる光束Ｌの断面内強度分布を一様化するフライアイレンズ１６と、このフライアイレンズ１６を通過した光束Ｌを反射させるミラー１７と、本発明の一実施形態である照明光学系２００と、この照明光学系２００を通過した光束Ｌrefによる像を図示外のスクリーンに向けて投射する投射レンズ２４とを備えている。なお、上記像の形成については後述する。

次に、上記照明光学系２００について説明する。この照明光学系２００は、上記集光レンズ１３および１４、ダイクロイックミラー１５、フライアイレンズ１６、ミラー１７に加えてさらに、第１プリズム２１および第２プリズム２２から構成されたＴＩＲプリズム(Total Internal Reflection Prism：内部全反射プリズム)２０と、上記第１プリズム２１の底面２１ａに近接配置されたＤＭＤ（Digital Micromirror Device）２３とを加えて構成されたものである。

なお第１プリズム２１と第２プリズム２２とは、後述のように全反射面となる第１プリズム２１の一端面２１ｃと、それに対面する第２プリズム２２の面とが微小間隙（エアギャップ）を介して互いに対向するように配置されている。また、第１プリズム２１および第２プリズム２２の全ての表面には、誘電体多層膜より成る反射防止膜が設けられている。

この照明光学系２００の要部を抽出して示す図２、３、４および５は、それぞれＴＩＲプリズム２０およびＤＭＤ２３の部分を図１の右下方から、右上方から、左方から、そして上方から見た状態を示すものである。なおこれらの図２〜５においては、相互の関係を分かりやすくするために、ＤＭＤ２３の長辺方向をＸ方向、その短辺方向をＹ方向、それらＸ、Ｙ方向に対して直角な方向をＺ方向と規定して示す。

図２に明示されるように、図１のミラー１７で反射した光束Ｌは第１プリズム２１の入射端面２１ｂから該第１プリズム２１内に入射し、その全反射面２１ｃ（第２プリズム２２との界面）で全反射し、第１プリズム２１の底面２１ａから出射してＤＭＤ２３に照射される。なお、上記全反射面２１ｃに入射する光束をＬin、そこで全反射した光束をＬout、そしてＤＭＤ２３で反射した後の光束をＬrefとし、図中ではそれらの光束を主光線のみで示している。また、同図の２２ａは第２プリズム２２の、第１ミラー２１に接するエッジ、２２ｂは後述のように変調された光束Ｌrefが透過する第２ミラー２２の上端面である。

上記のＤＭＤ２３は先に説明した通り、多数の回動するマイクロミラーがマトリクス状に配設されてなるものであり、それらのマイクロミラーが画像信号に基づいて前述のＯＮ状態あるいはＯＦＦ状態を取ることにより、そこで反射して投射レンズ２４側に向かう光束Ｌrefを空間変調する。なおこのＤＭＤ２３も、先に図１０を参照して説明したように、マイクロミラーの傾斜角度が±１２°に設定されたものである。この場合、全反射した光束Ｌoutは、マイクロミラーの回動軸Ｒ（図５参照）に対して９０°の角度を成し、かつＤＭＤ２３の表面（つまり全てのマイクロミラーの回動軸Ｒを含む面と平行で、かつ全てのマイクロミラーの表面を横切る面）に対して２４°の入射角を成す方向からＤＭＤ２３に照射される。

そして、この空間変調された光束Ｌrefが投射レンズ２４によってスクリーンに投射されると、このスクリーン上には、ＤＭＤ２３のマイクロミラーを１画素とする明暗パターンからなる画像が投影表示されるようになる。なおこの画像としては、２値画像は勿論のこと、マイクロミラーのＯＮ状態のデューティ比を制御することによって階調画像も表示可能である。

図５に示される通り、ＤＭＤ２３はその表面が長方形とされたもので、この表面が、第１プリズム２１の底面２１ａと平行になる状態に配置されている。本実施形態においては、図３に示される通り、第１プリズム２１の底面２１ａに対してその全反射面２１ｃが成す角度αは３３．３°である。角度αをこのような値としておくことにより、入射光束Ｌinは全反射面２１ｃで全反射する一方、ＤＭＤ２３で反射した後の光束Ｌrefは該全反射面２１ｃを透過可能となっている。

一方、図２に示されるように、全反射面２１ｃに入射する光束Ｌinの入射角βは４２．８°であり、したがって全反射面２１ｃで全反射した光束Ｌoutの反射角βも同じく４２．８°である。なおＮは、光束Ｌinの入射点における全反射面２１ｃの法線である。

図５はＴＩＲプリズム２０を上方から、つまりＤＭＤ２３の表面に対して垂直方向から見た状態を示しているが、ここに示されるようにＴＩＲプリズム２０は、全反射面２１ｃの法線ＮをＤＭＤ２３の表面に垂直投影した投影線が、該ＤＭＤ２３のマイクロミラー回動軸Ｒと９０°以外の角度を成し、全反射面２１ｃから出射する光束Ｌoutの主光線をＤＭＤ２３の表面に垂直投影した出射光投影線がマイクロミラー回動軸Ｒと９０°の角度を成し、そして全反射面２１ｃに入射する光束Ｌinの主光線をＤＭＤ２３の表面に垂直投影した入射光投影線が、その終点（つまり全反射面２１ｃへの入射点）を通ってＤＭＤ２３の長辺に平行に延びる直線Ｑに関して、上記出射光投影線と同じ側に有るように構成されている。

上述のように、全反射面２１ｃから出射する光束Ｌoutの主光線をＤＭＤ２３の表面に垂直投影した出射光投影線がマイクロミラー回動軸Ｒと９０°の角度を成すことは、ＤＭＤ２３を正常に使用するために必要な条件である。

他方、全反射面２１ｃの法線ＮをＤＭＤ２３の表面に垂直投影した投影線が、該ＤＭＤ２３のマイクロミラー回動軸Ｒと９０°以外の角度を成す状態とされているので、それらが９０°の角度をなすように構成された従来装置、例えば図８に示した装置と比べると、ＤＭＤ２３の長さ方向に対するＴＩＲプリズム２０の傾きをより小さく、最も好ましくは傾きゼロにできることから、ＴＩＲプリズム２０としてより薄いものを適用して、照明光学系２００をより薄く形成可能となる。そうであれば、図１に示したプロジェクタ装置１００においても、その厚さ、つまり同図の紙面に垂直な方向の寸法をより小さく抑えることが可能になり、プロジェクタ装置の薄型化が実現される。

さらに、全反射面２１ｃに入射する光束Ｌinの主光線をＤＭＤ２３の表面に垂直投影した入射光投影線が、その終点を通ってＤＭＤ２３の長辺に平行に延びる直線Ｑに関して、上記出射光投影線と同じ側に有るように構成されているので、入射光投影線が上記直線Ｑに関して出射光投影線と反対側に有るように構成された特許文献２に記載のプロジェクタ装置と比べると、ＴＩＲプリズム２０の幅つまり図５の左右方向寸法を大きく取る必要がなくなって、照明光学系２００のさらなる薄型化が達成される。

なお本発明は、マイクロミラーの傾斜角度が前述した±１２°以外の角度、例えば±１０°である場合にも同様に適用することができる。その場合、全反射した光束Ｌoutは、マイクロミラーの回動軸Ｒに対して９０°の角度を成し、かつＤＭＤ２３の表面に対して２０°の入射角を成す方向からＤＭＤ２３に照射される。

Claims (2)

1. 光源から発せられた光をＴＩＲプリズムに導き、そのＴＩＲプリズムの全反射面で全反射させた光を長方形の表面を有するＤＭＤで反射させることにより光変調し、光変調後にＴＩＲプリズムの前記全反射面を透過した光を投影光学系でスクリーン上に投影するプロジェクタ装置に用いられる照明光学系において、
   前記ＤＭＤは、その長方形の表面が、前記全反射した後の光が出射する前記ＴＩＲプリズムの一端面と平行になる状態にして配置され、
   前記ＴＩＲプリズムは、その全反射面の法線をＤＭＤの表面に垂直投影した投影線が、該ＤＭＤのマイクロミラー回動軸と９０°以外の角度を成し、前記全反射面から出射する光束の主光線をＤＭＤの表面に垂直投影した出射光投影線が前記マイクロミラー回動軸と９０°の角度を成し、そして前記全反射面に入射する光束の主光線をＤＭＤの表面に垂直投影した入射光投影線が、その終点を通ってＤＭＤの長辺に平行に延びる直線に関して、前記出射光投影線と同じ側に有るように構成されていることを特徴とする照明光学系。
2. 請求項１に記載の照明光学系を備えたことを特徴とするプロジェクタ装置。

Images