JPWO2014073043A1 - 投写型映像表示装置 - Google Patents

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Abstract

混色を抑制する効果を維持しながら、光の損失を低減した投写型映像表示装置を提供する。当該投写型映像表示装置は、光源（１）と、照明光学系と、映像表示素子（１０）と、投写光学系（１１）と、を備え、照明光学系は、光源からの光の分布を均一にする多重反射素子（３）と、多重反射素子（３）からの光の色を分解するカラーホイール（４）と、カラーホイール（４）からの光を拡大するレンズ（６、７）と、を備え、光の進行方向に垂直な面上の直交する２軸を、それぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸と定義すると、レンズ（６、７）のＸ軸方向の曲率半径とＹ軸方向の曲率半径は異なる。多重反射素子（３）の射出面のアスペクト比は、映像表示素子（１０）のアスペクト比よりも大きい。上記レンズ（６、７）はシリンドリカルレンズでもよいし、トロイダルレンズでもよい。

Description

本発明は、投写型映像表示装置に関する。
画像をスクリーン等に投写する投写型映像表示装置の映像表示素子として、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ：米国テキサス・インスツルメンツ社)が知られている。
ここで、ＤＭＤを単板で使用した際にカラー表示を実現する手法として、カラーホイールを使用する技術が開示されている（特許文献１参照）。
特開２００６−７８９４９号公報
特許文献１によれば、混色を避けるため、カラーホイール上で光を遮断する箇所を設けているが、光を遮断する時間が長くなり、光の損失が大きい、という課題がある。
そこで、本発明の目的は、混色を抑制しつつ、光の損失を低減した、投写型映像表示装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。当該投写型映像表示装置は、光源と、照明光学系と、外部からの入力信号に応じて光源からの光を変調する映像表示素子と、映像表示素子が変調した光を投写する投写光学系と、を備え、照明光学系は、光源からの光の分布を均一にする多重反射素子と、多重反射素子からの光の色を分解するカラーホイールと、カラーホイールからの光を拡大するレンズと、を備え、光の進行方向に垂直な面上の直交する２軸を、それぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸と定義すると、レンズのＸ軸方向の曲率半径とＹ軸方向の曲率半径は異なる。
本発明によれば、混色を抑制しつつ、光の損失を低減した、投写型映像表示装置を提供することができる。
実施例における投写型映像表示装置の要部構成図。 課題として想定される投写型映像表示装置の要部構成図。
以下、本実施例について、図を参照しながら説明する。尚、各図において、同一部分には同一符号を付して、一度説明したものについては、その説明を省略する。ここで、ローカル右手直角座標系を導入しておく。図１（Ａ）及び図２（Ａ）において、多重反射素子（ロッドレンズ）の長手方向をＺ軸、Ｚ軸に直交する面内で紙面に平行な軸をＸ軸、紙面裏から表に向かう軸をＹ軸とする。図１（Ｂ）及び図２（Ｂ）では、Ｚ軸に直交する面内で紙面に平行な軸をＹ軸、紙面表から裏に向かう軸をＸ軸としている。
まず、本発明の課題について説明する。図２は課題として想定される投写型映像表示装置の要部構成図であり、図２(Ａ)は投写型映像表示装置をＹ軸方向から見た上面図、図２(Ｂ)は投写型映像表示装置をＸ軸方向から見た側面図である。
図２(Ａ)及び(Ｂ)において、光源１から射出した光は、リフレクタ２で捕獲集光され、多重反射素子１３に入射する。多重反射素子１３は、硝子の四角柱、又は、反射ミラーを４枚貼り合わせた中空の素子である。
多重反射素子１３の射出面は、Ｘ軸方向に長く、Ｙ軸方向に短い形状をしており、そのアスペクト比はＤＭＤ１０のアスペクト比と同一である。即ち、多重反射素子１３の射出面のＸ軸方向の長さをＣ、Ｙ軸方向の長さをＤ、ＤＭＤ１０のＸ軸方向の長さをＥ、Ｙ軸方向の長さをＦとすると、Ｃ/Ｄ＝Ｅ/Ｆを満たす。そこで、多重反射素子１３内で複数回反射した光線は、多重反射素子１３の射出面で、ＤＭＤ１０に相似で均一な強度の光分布となる。
多重反射素子１３の射出面近傍には、カラーホイール４が配置されている。カラーホイール４は、Ｒ(赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）、Ｃ（シアン）、Ｙ（黄）、Ｗ（白）の光のみを通す６種類のカラーフィルタが円周方向に順番に配置された、回転制御可能な円盤状の色フィルタである。Ｒ(赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３種類のカラーフィルタのみでも色を再現できるが、明るさを改善するために、６色のカラーフィルタを用いることが一般的である。
カラーホイール４が回転することで、白色光は時間的に６色（Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｃ、Ｙ、Ｗ）に分解される。多重反射素子１３から射出した光は、リレーレンズ５、リレーレンズ１２、リレーレンズ８、ＴＩＲプリズム９を介してＤＭＤ１０上に照射される。
リレーレンズ５は、多重反射素子１３から射出した光をリレーレンズ１２に集光することで、光の発散を防ぐ。リレーレンズ１２は、多重反射素子１３の射出面で均一になった光分布をＤＭＤ１０面上に拡大する。リレーレンズ８は、リレーレンズ１２からの光を略平行にする。ＴＩＲプリズム９は、入射した光を全反射して、ＤＭＤ１０へと導く。
ＤＭＤ１０は、個々の微小ミラーの傾きを制御できる２次元ミラーアレイからなる反射型光変調素子であり、その傾きはオン状態とオフ状態の２種類の状態をとる。ＤＭＤ１０に照明光をあてた場合、オン状態の微小ミラーは照明光を投写レンズ１１に向けて反射し（以下、オン光）、オフ状態の微小ミラーは照明光を投写レンズ１１外に反射する（以下、オフ光）。即ち、オン光のみが、投写レンズ１１を介してスクリーン等に拡大投写される。
微小ミラーの一つが投写画像の最小構成要素（画素）に対応しており、オン状態の微小ミラーに対応する画素は白く、オフ状態の微小ミラーに対応する画素は黒く投写される。オン状態の時間を変化させることで、階調を持たせることができる。即ち、各微小ミラーのオン状態の時間を制御することで、映像表示を行う。
ＤＭＤ１０は、図示しない制御装置によりカラーホイール４と同期が取られており、カラーホイール４の各色光毎に画像信号に基づいた画像を表示すると共に、ＴＩＲプリズム９から入射した光を投写レンズ１１の方向へ反射する。ＤＭＤ１０で反射した後の光線は、ＴＩＲプリズム９の全反射角を満たさない角度となるため、ＴＩＲプリズム９を透過し、投写レンズ１１に入射する。尚、光が光源１を射出した後の、リフレクタ２からＴＩＲプリズム９を透過するまでの系を照明光学系という。
図２(Ｃ)は、多重反射素子１３の射出面の光分布３１とＤＭＤ１０面上の光分布１００を示す図である。リレーレンズ５が多重反射素子１３の近傍に配置される場合、光分布３１が光分布１００に拡大される倍率は、リレーレンズ１２に依存する。リレーレンズ５とリレーレンズ１２の間の距離をＡ、リレーレンズ１２とリレーレンズ８の間の距離をＢとすると、拡大倍率はＢ/Ａとなる。
多重反射素子１３の射出面の形状は、ＤＭＤ１０面上の有効範囲と略相似とすることが一般的であり、リレーレンズ１２としては、Ｘ軸方向とＹ軸方向の曲率が同じレンズを使用する。従って、光分布３１が光分布１００に拡大される倍率は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向共にＢ/Ａである。
図２(Ｄ)は、カラーホイール４とスポークタイムの関係を示す図である。カラーホイール４は多重反射素子１３の近傍に配置されるため、多重反射素子１３の射出面の光分布３１が、略そのままカラーホイール４に投影される。カラーホイール４の各色フィルタの境目（図２（Ｄ）では、一例としてＲＧ間を示す）は、混色を避けるため、光を遮断している（ＤＭＤ１０はオフ状態）。この遮断している時間をスポークタイムという。スポークタイムでは出射光は損失している。
カラーホイール４は、スポークタイムを最小にするため、各色フィルタの境目が光分布の長手方向と平行となる位置に存在するように配置されている。しかし、Ｙ軸方向の光分布が一定幅存在するため、スポークタイムはある程度大きくならざるを得ず、光を損失する。スポークタイムを減らすため、多重反射素子１３の射出面を、形状比率を保ったまま小さくすることも考えられるが、光の集光密度が高くなり、多重反射素子１３の硝子又は蒸着膜が劣化する可能性があるため、一定以上の射出面の大きさが必要となる。
次に、実施例を説明する。図１は実施例における投写型映像表示装置の要部構成図であり、図１(Ａ)乃至（Ｄ）は、それぞれ、図２（Ａ）乃至（Ｄ）に対応する。図１と図２の主な違いは、以下である。
（１）多重反射素子３のアスペクト比がＤＭＤ１０のアスペクト比よりも大きい点である。即ち、多重反射素子３の射出面のＸ軸方向の長さをＣ’、Ｙ軸方向の長さをＤ’、ＤＭＤ１０のＸ軸方向の長さをＥ、Ｙ軸方向の長さをＦとすると、Ｃ’/Ｄ’＞Ｅ/Ｆを満たす。又、多重反射素子３の射出面の面積Ｃ’×Ｄ’を、図２における多重反射素子１３の射出面の面積Ｃ×Ｄと同等以上にすれば、多重反射素子３の射出面での光密度は、図２の同等以下となり、多重反射素子３の硝子又は蒸着膜が劣化することはない。こうして、多重反射素子３内で複数回反射した光線は、多重反射素子３の射出面でＤＭＤ１０のアスペクト比より大きなアスペクト比で出射する。
（２）リレーレンズ５とリレーレンズ８の間に、シリンドリカルレンズ６及びシリンドリカルレンズ７が配置されている点である。リレーレンズ５は、多重反射素子３から射出した光の発散を防ぐため、当該光をシリンドリカルレンズ６に集光する。シリンドリカルレンズ６とシリンドリカルレンズ７は、多重反射素子３の射出面で均一になった光分布をＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれＤＭＤ１０面上に拡大し、パネルアスペクト比にする。
ここでのシリンドリカルレンズは、一軸方向のみに曲率を有するレンズである。シリンドリカルレンズ６はＹ軸方向のみに曲率を有し、シリンドリカルレンズ７はＸ軸方向のみに曲率を有する。従って、多重反射素子３の射出面よりＹ軸方向に発散する光は、シリンドリカルレンズ６によりＤＭＤ１０面上に拡大照射され、Ｘ軸方向に発散する光は、シリンドリカルレンズ７によりＤＭＤ１０面上に拡大照射される。
リレーレンズ５が多重反射素子３の近傍に配置される場合、図１（Ｃ）における多重反射素子３の射出面の光分布３０がＤＭＤ１０面上での光分布１００に拡大される倍率は、リレーレンズ５とシリンドリカルレンズ７の間の距離をＡx、シリンドリカルレンズ７とリレーレンズ８の間の距離をＢx、リレーレンズ５とシリンドリカルレンズ６の間の距離をＡy、シリンドリカルレンズ６とリレーレンズ８の間の距離をＢyとすると、Ｘ軸方向の倍率はＢx/Ａx、Ｙ軸方向の倍率はＢy/Ａyとなる。
シリンドリカルレンズ６はシリンドリカルレンズ７より多重反射素子３側にあるため、Ａx＞Ａy、Ｂx＜Ｂyとなり、Ｂy/ＡyはＢx/Ａxより大きくなる。ここで、多重反射素子３の射出面のアスペクト比は、ＤＭＤ１０のアスペクト比に比べ、Ｘ軸方向に長く、Ｙ軸方向に短いアスペクト比となっている。そこで、Ｘ軸方向において長い射出面の光を小さい倍率Ｂx/Ａxで拡大し、Ｙ軸方向において短い射出面の光を大きい倍率Ｂy/Ａyで拡大することで、ＤＭＤ１０面上の光分布１００は、ＤＭＤ１０と略相似な形状となる。
図１(Ｄ)において、カラーホイール４は多重反射素子３の近傍に配置されるため、多重反射素子３の射出面の光分布３０が、略そのままカラーホイール４に投影される。光分布３０がカラーホイール４の色フィルタの境目にある時は、ＤＭＤ１０をオフするため光の損失となるが、光分布３０がＸ軸方向に長く、Ｙ軸方向に短いため、光をオフするスポークタイムを短くすることができ、光の損失を低減できる。
プロジェクタにおいて、光量損失を３％改善できれば、ボリュームゾーンである３０００lm以上のクラスにおいて、光束量を約１００lm改善でき、光束量の値を１ランク上げることが可能となる。そこで、図２よりスポークタイムによる光量損失を３％低減するための多重反射素子の射出面のアスペクト比について説明する。
カラーホイールのセグメント数をａ、オフ角度をθとすると、スポークタイムによる光量損失ｄは（数１）で表される。

d = (a×θ)÷360 ・・・ (数１)
例えば、カラーホイールのセグメント数ａを６、オフ角度θを一般的な１０°とすると、光量損失ｄは１６.７％となる。そこで、光量損失を約３％改善して１３.７％とするためには、オフ角度を図２の１０°から８.２°以下にする必要がある。
図２のオフ角度をθ、図１のオフ角度をθ’、カラーホイール４の中心から図１及び図２における光分布３０及び光分布３１までの最短距離をＬとすると、光分布３１のＹ軸方向の長さＤ及び光分布３０のＹ軸方向の長さＤ’は、各々、(数２)（数３）で表される。

Ｄ ＝ 2Ｌ×tan(θ/2) … （数２）
Ｄ’＝ 2Ｌ×tan(θ’/2) … （数３）
又、多重反射素子３の寿命劣化を防ぐために、光分布３０と光分布３１の面積を同じにすると、(数４)が成り立つ。

Ｃ×Ｄ ＝ Ｃ’×Ｄ’ … （数４）
図２において、光分布３１と光分布１００は相似であるため、（数５）が成り立つ。

Ｃ/Ｄ ＝ Ｅ/Ｆ … （数５）
図１の多重反射素子３の射出面のアスペクト比 Ｃ‘/Ｄ’は、（数２）乃至（数５）を用いて、（数６）で表される。

C’/D’＝ （Ｅ/Ｆ）×[tan(θ/2)÷tan(θ’/2)] ×[tan(θ/2)÷tan(θ’/2)] … （数６）
ＤＭＤの解像度としては、例えば、ＸＧＡ(１０２４×７６８)、ＷＸＧＡ（１２８０×８００）、１０８０Ｐ（１９２０×１０８０）等があり、アスペクト比は、各々、４/３、１６/１０、１６/９である。ＤＭＤのアスペクト比は、主にこの３種類に分類される。そこで、ＤＭＤのアスペクト比が４/３、１６/１０、１６/９の場合の、多重反射素子３の射出面のアスペクト比 C’/D’を計算すると、各々、１．９９、２．３８、２．６５となる。従って、ＤＭＤのアスペクト比が４/３、１６/１０、１６/９の場合、それぞれ、C’/D’を、１．９９以上、２．３８以上、２．６５以上、とすればよい。
本実施例によれば、混色を抑制する効果を維持しながら、スポークタイムを短縮することによって、照射光の損失を低減しつつ、投写画像の色輝度を高めることができる。
尚、本実施例では、２枚のシリンドカルレンズを使用したが、入出射で直交したシリンドリカルレンズを１枚にしてもよい。又、１つの面で１軸が平面であるシリンドカルレンズを使用したが、１つの面でＸ軸方向とＹ軸方向に曲率を有し、各々の曲率が異なるトロイダルレンズを使用してもよい。
１…光源、２…リフレクタ、３、１３…多重反射素子、４…カラーホイール、５，８，１２…リレーレンズ、６、７…シリンドリカルレンズ、９…ＴＩＲプリズム、１０…ＤＭＤ、１１…投写レンズ、３０、３１，１００…光分布

Claims (6)

  1. 光源と、
    照明光学系と、
    外部からの入力信号に応じて、前記光源からの光を変調する映像表示素子と、
    前記映像表示素子が変調した光を投写する投写光学系と、を備え、前記照明光学系は、
    前記光源からの光の分布を均一にする多重反射素子と、
    前記多重反射素子からの光の色を分解するカラーホイールと、
    前記カラーホイールからの光を拡大するレンズと、を備え、
    前記光の進行方向に垂直な面上の直交する２軸を、それぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸と定義すると、
    前記レンズのＸ軸方向の曲率半径とＹ軸方向の曲率半径は異なる、投写型映像表示装置。
  2. 前記多重反射素子の射出面のアスペクト比は、前記映像表示素子のアスペクト比が４/３の場合、１．９９以上である、請求項１記載の投写型映像表示装置。
  3. 前記多重反射素子の射出面のアスペクト比は、前記映像表示素子のアスペクト比が１６/１０の場合、２．３８以上である、請求項１記載の投写型映像表示装置。
  4. 前記多重反射素子の射出面のアスペクト比は、前記映像表示素子のアスペクト比が１６/９の場合、２．６５以上である、請求項１記載の投写型映像表示装置。
  5. 前記レンズはシリンドリカルレンズである、請求項１乃至４何れか一に記載の投写型映像表示装置。
  6. 前記レンズはトロイダルレンズである、請求項１乃至４何れか一に記載の投写型映像表示装置。
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