KR100903908B1 - 투사형 표시 장치 - Google Patents

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히로시 기다
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

투사형 표시 장치는, 광원을 포함하는 조명 광학계(1)와, 조명 광학계(1)에 의해 조명되는 피조명면(2b)에 화상 형성 영역을 갖는 반사형 라이트 밸브(2)와, 반사형 라이트 밸브(2)의 화상 형성 영역에 형성된 화상을 확대 투사하는 투사 광학계(3)를 구비한다. 투사 광학계(3)는, 그 투사 광축(3a)에 대하여 대략 직교하는 방향으로 이동 가능하고, 투사 광학계(3)의 F수는, 조명 광학계(1)의 F수보다 작다. 투사 광학계(3)와 반사형 라이트 밸브(2) 사이에는, 투사 광학계(3)의 이동에 의해 이동하지 않고, 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)를 규정하는 개구부 규정 부재(12)를 구비하고 있다.

Description

투사형 표시 장치{PROJECTION－TYPE DISPLAY DEVICE}
본 발명은, 스크린상에 화상을 투사하는 투사형 표시 장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 디지털ㆍ마이크로 미러ㆍ디바이스(Digital Micro－mirror Device : 이하 DMD라 한다)나 반사형 액정 표시 소자 등에 의해 구성된 반사형 라이트 밸브를 이용한 투사형 표시 장치에 관한 것이다.
반사형 라이트 밸브를 이용한 투사형 표시 장치의 광학계는, 텔레센트릭형과 비텔레센트릭형의 두 종류로 크게 구분된다. 텔레센트릭형 광학계에서는, 프리즘을 이용함으로써, 투사 렌즈를 반사형 라이트 밸브에 대하여 텔레센트릭한 구성으로 하고 있다. 비텔레센트릭형 광학계에서는, 프리즘을 이용하지 않고서, 투사 렌즈를 반사형 라이트 밸브에 대하여 텔레센트릭하지 않은 구성으로 하고 있다.
최근, 투사형 표시 장치에서는, 장치 본체를 이동시키지 않고서 투사 범위를 임의로 이동할 수 있도록, 투사 렌즈를 상하 등으로 시프트시키는 기능(렌즈 시프트 기능)을 구비한 것이 개발되고 있다. 이러한 렌즈 시프트 기능을 실현하기 위해, 전반사 프리즘을 이용한 텔레센트릭형 광학계를 채용하는 것이 제안되어 있다 (예컨대, 특허문헌 1 참조).
한편, 투사형 표시 장치에 이용되는 비텔레센트릭형 광학계로서, 광원으로부터의 광을 DMD로 유도하는 집광 렌즈와, DMD에서 반사된 광을 투영하는 투영 렌즈를 이용하여, 투영 렌즈의 이동(시프트)에 맞추어 집광 렌즈를 편심시킴으로써, DMD로의 입사 각도를 변화시키도록 한 광학계가 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 2 참조).
(특허문헌 1) 일본 공개 특허 공보 제 2001－42256호(제 4－5 페이지, 도 3)
(특허문헌 2) 일본 공개 특허 공보 제 2003－75768호(제 3－4 페이지, 도 1)
(발명이 해결하고자 하는 과제)
그러나, 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 렌즈 시프트 기능을 실현하기 위해 프리즘을 이용한 텔레센트릭형 광학계를 채용한 경우, 프리즘의 계면에서의 반사에 의해 광 이용 효율이 저하하고, 또한, 프리즘의 계면에서의 반사광이 미광(stray light)이 되므로, 투사 화상의 휘도 및 계조가 저하한다고 하는 문제가 있다. 또한, 프리즘을 마련함으로써 투사형 표시 장치의 가격이 상승한다고 하는 문제도 있다.
한편, 특허문헌 2에 기재되어 있는 바와 같이, 렌즈 시프트 기능을 실현하기 위해 비텔레센트릭형 광학계를 채용한 경우, 투사 렌즈의 이동에 맞추어 조명 광학계의 집광 렌즈를 편심시키므로, 가동 부분이 많아지며, 그 결과, 투사형 표시 장치의 대형화와 가격의 상승을 초래한다고 하는 문제점이 있다.
본 발명은, 상기의 과제를 해결하기 위해 행해진 것이며, 그 목적은, 비텔레센트릭형 광학계를 채용하여, 조명 광학계의 집광 렌즈를 편심시키지 않고 렌즈 시프트 기능을 실현하여, 투사 화상의 휘도 및 계조가 높고, 소형이며 저가인 투사형 표시 장치를 제공하는 것에 있다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명에 따른 투사형 표시 장치는, 광원을 포함하는 조명 광학계와, 상기 조명 광학계에 의해 조명되는 피조명면에 화상 형성 영역을 갖는 반사형 라이트 밸브와, 상기 반사형 라이트 밸브의 상기 화상 형성 영역에 형성된 화상을 확대 투사하는 투사 광학계로서, 투사 광축에 대하여 대략 직교하는 방향으로 시프트 가능한 투사 광학계를 구비하고 있다. 상기 투사 광학계의 F수는, 상기 조명 광학계의 F수보다 작다. 또한, 상기 투사 광학계와 상기 반사형 라이트 밸브 사이에, 상기 투사 광학계의 시프트에 의해 이동하지 않는 부재로서, 상기 투사 광학계의 입사측 개구부를 규정하는 개구부 규정 부재를 갖고 있다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 투사 광학계의 F수를 조명 광학계의 F수보다 작게 하고, 반사형 라이트 밸브와 투사 광학계 사이에 투사 광학계의 입사측 개구부(고정)를 마련한 구성에 의해, 집광 렌즈를 편심시키지 않고, 비텔레센트릭 광학계를 이용하여 렌즈 시프트 기능을 실현할 수 있다. 즉, 투사형 표시 장치의 대형화나 가격의 상승을 초래하지 않고 렌즈 시프트 기능을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 반사형 라이트 밸브와 투사 광학계 사이에, 입사측 개구부를 규정하는 개구부 규정 부재를 마련했으므로, 투사 광학계를 이동했을 때에 불필요한 광이 스크린에 도달하는 것을 방지하여, 양호한 계조를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 프리즘을 이용한 텔레센트릭형 광학계를 이용할 필요가 없으므로, 광 이용 효율이 높고, 계조가 양호하며, 저렴한 투사형 표시 장치를 제공할 수 있다.
덧붙여, 투사 광축에 대략 직교하는 방향의 시프트량 SP, 개구부 규정 부재의 입사측 개구부의 직경 E, 투사 광학계의 입사면의 유효 구경 EP, 및 반사형 라이트 밸브의 수직 주사 방향의 치수 Vd가,
Figure 112007034989655-pct00001
를 만족하도록 구성함으로써, 조명 광학계를 구성하는 광학 부품을 편심시키지 않고, 비텔레센트릭 광학계를 이용하여, 투사 광학계를 투사 광축에 대하여 대략 직교하는 방향으로 시프트시키는 것만으로, 양호한 렌즈 시프트 기능을 실현할 수 있다. 그 결과, 장치의 대형화나 가격의 상승을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 투사형 표시 장치의 기본 구성을 나타내는 평면도,
도 2는 본 발명의 실시예 1에서의 투사형 표시 장치의 광 강도 균일화 소자 및 DMD 소자의 관계를 개념적으로 나타내는 도면,
도 3은 도 1의 투사형 표시 장치의 Ⅲ－Ⅲ선으로 표시되는 면을 화살표 방향으로 본 측면도,
도 4(a) 및 (b)는 본 발명의 실시예 1에서의 렌즈 시프트 기능을 모식적으로 나타내는 도면,
도 5(a)∼(c)는 본 발명의 실시예 1에서의 투사 광학계의 이미지 서클을 모식적으로 나타내는 도면,
도 6은 본 발명의 실시예 1에서 투사 광학계가 연직 방향으로 시프트했을 때의 배치를 모식적으로 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 실시예 1에서 투사 광학계가 연직 방향으로 시프트했을 때의 배치를 모식적으로 나타내는 도면,
도 8은 본 발명의 실시예 1에서의 렌즈 시프트시의 광량 손실을 설명하기 위한 도면,
도 9(a) 및 (b)는 본 발명의 실시예 2에서의 렌즈 시프트 기능을 모식적으로 나타내는 도면,
도 10(a)∼(c)는 본 발명의 실시예 2에서의 투사 광학계의 이미지 서클을 모 식적으로 나타내는 도면,
도 11은 본 발명의 실시예 2에서 투사 광학계가 연직 방향으로 시프트했을 때의 배치를 모식적으로 나타내는 도면,
도 12는 본 발명의 실시예 2에서 투사 광학계가 연직 방향으로 시프트했을 때의 배치를 모식적으로 나타내는 도면,
도 13은 본 발명의 실시예 2에서의 렌즈 시프트시의 광량 손실을 설명하기 위한 도면,
도 14는 본 발명의 실시예 3에 따른 투사형 표시 장치에서의 DMD 소자로부터 투사 광학계의 입사면까지의 거리와 성능에 대하여 설명하기 위한 도면,
도 15는 본 발명의 실시예 4에 따른 투사형 표시 장치에서의 조명 광학계의 집광점을 설명하기 위한 도면이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 조명 광학계 1a : 조명 광학계의 광축
2 : DMD 소자(반사형 라이트 밸브) 2b : DMD 소자의 피조명면
3 : 투사 광학계 3a : 투사 광학계의 투사 광축
3d : 투사 광학계의 입사면 4 : 램프
5 : 컬러 필터 6 : 광 강도 균일화 소자
7 : 릴레이 렌즈군 8 : 제 1 미러
9 : 제 2 미러 10 : 입사측 개구부
12 : 조리개 부재(개구부 규정 부재) 100 : 스크린
DH : 수평 방향(DMD 소자의 수평 주사 방향)
DV : 연직 방향(DMD 소자의 수직 주사 방향)
E : 조리개 부재의 입사측 개구부의 직경
EP : 투사 광학계의 입사면의 유효 구경
FI : 조명 광학계의 F수 FP : 투사 광학계의 F수
L : 조리개 부재와 DMD 소자의 거리 SP : 투사 광학계의 시프트량
Vd : DMD 소자의 단축 방향의 치수
(실시예 1)
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 투사형 표시 장치의 기본 구성을 나타내는 평면도이다. 이 도 1에 나타내는 투사형 표시 장치의 각 구성 부품의 배치는, 투사형 표시 장치를 실제의 사용 상태에서 위쪽으로부터 본 배치, 즉, 상면(上面)에서 본 배치이다.
실시예 1에 따른 투사형 표시 장치는, 반사형 라이트 밸브로서의 DMD 소자(2)와, 이 DMD 소자(2)를 조명하는 조명 광학계(1)와, 이 조명 광학계(1)에 의해 조명된 DMD 소자(2)의 화상을 도시하지 않는 스크린에 투사하는 투사 광학계(3)를 구비하고 있다.
조명 광학계(1)는, 광원 램프(4)와, 이 광원 램프(4)로부터 사출된 광속 중 특정 파장 대역의 광속을 통과시키는 회전 컬러 필터(5)와, 회전 컬러 필터(5)를 통과한 광속의 해당 광속 단면 내에서의 강도 분포를 균일화하는 광 강도 균일화 소자(6)와, 광 강도 균일화 소자(6)로부터 사출된 광속을 그 진행 방향으로 전달하는 릴레이 렌즈군(7)과, 릴레이 렌즈군(7)에 의해 전달된 광속을 DMD 소자(2)를 향해 반사하기 위한 제 1 미러(8) 및 제 2 미러(9)를 갖고 있다.
광원 램프(4)는, 예컨대, 백색광을 사출하는 발광체(4a)와, 이 발광체(4a)의 주위에 마련된 타원면 미러(4b)로 구성되어 있다. 타원면 미러(4b)는, 타원의 제 1 중심에 대응하는 제 1 초점으로부터 사출된 광속을 반사하여, 타원의 제 2 중심에 대응하는 제 2 초점에 수속시킨다. 발광체(4a)는, 타원면 미러(4b)의 제 1 초점 근방에 배치되어 있으며, 이 발광체(4a)로부터 사출된 광속은, 타원면 미러(4b)의 제 2 초점 근방에 수속된다. 타원면 미러(4b)의 제 1 초점과 제 2 초점을 지나는 축선에 의해, 조명 광학계(1)의 광축(1a)이 규정된다.
또, 광원 램프(4)는 도 1에 나타낸 구성에 한정되지 않고, 예컨대, 타원면 미러(4b) 대신에 포물면 미러를 이용하여도 좋다. 이 경우에는, 발광체(4a)로부터 사출된 광속을 포물면 미러에 의해 대략 평행화한 후, 콘덴서 렌즈에 의해 수속시킬 수 있다.
회전 컬러 필터(5)는, 원반 형상의 부재를, 예컨대, 부채 형상으로 3분할하여, 각각 적, 녹 및 청의 3개의 필터 영역으로 하고 있다. 적, 녹 및 청의 3개의 필터 영역은, 각각 적색, 녹색 및 청색의 각 파장 대역에 대응하는 광속만을 통과시킨다. 회전 컬러 필터(5)는, 조명 광학계(1)의 광축(1a)과 대략 평행한 축선을 중심으로 하여 회전하고, 각각의 필터 영역이 조명 광학계(1)의 광축(1a)에 직교하는 방향으로 넓어지고, 또한, 타원면 미러(4b)의 제 2 초점 근방에 위치하도록 구성되어 있다. 이 회전 컬러 필터(5)를 화상 신호에 동기하여 회전시킴으로써, 적색 광, 녹색 광 및 청색 광이 순서대로(필드 순차적으로) DMD 소자(2)에 조사된다.
광 강도 균일화 소자(6)는, 회전 컬러 필터(5)를 통과한 광속의, 해당 광속 단면 내에서의 강도 분포를 균일화한다(즉, 조도 얼룩을 감소시킨다). 광 강도 균일화 소자(6)의 구성예로서는, 일반적으로는, 투명한 유리 또는 수지로 형성된 사각 기둥 형상의 로드나, 표면 미러를 그 반사면을 내측으로 하여 통 형상으로 조합한 파이프가 알려져 있다. 전자는 투명 재료와 공기 계면의 전반사 작용을 이용하여 광을 복수 회 반사시키는 것이며, 후자는 표면 미러의 반사 작용을 이용하여 광을 복수 회 반사시키는 것이다. 이 광의 움직임은, 만화경의 그것과 대략 동일하며, 적당한 길이를 확보하면, 광 강도 균일화 소자(6)에서 복수 회 반사한 광이 광 강도 균일화 소자(6)의 출사면(6b)의 근방에 중첩 조사되어, 광 강도 균일화 소자(6)의 출사면(6b) 근방에서 대략 균일한 강도 분포를 얻을 수 있다. 이 대략 균일한 강도 분포를 갖는 광속을, 후술하는 릴레이 렌즈군(7), 제 1 미러(8) 및 제 2 미러(9)에 의해 DMD 소자(2)로 유도하여, DMD 소자(2)에 조사시킨다. 또, 광 강도 균일화 소자(6)로서, 예컨대, 복수의 렌즈 소자를 평면적으로 배열한 렌즈 어레이와 같은 다른 광학 소자를 이용하여도 좋다.
도 2는 광 강도 균일화 소자(6)의 출사면(6b)으로부터 사출된 광속의 수속 상태를 모식적으로 나타내는 도면이다. 릴레이 렌즈군(7), 제 1 미러(8) 및 제 2 미러(9)는, 광 강도 균일화 소자(6)의 출사면(6b)과 DMD 소자(2)의 피조명면(2b)이 광학적으로 공역인 관계가 되도록 구성되어 있다. 광 강도 균일화 소자(6)의 출사면(6b)의 대각 치수를 h라고 하고, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)의 대각 치수를 H라고 하면, 릴레이 렌즈군(7), 제 1 미러(8) 및 제 2 미러(9)의 합성 결상 배율 M이 H／h와 거의 같아지도록 설계되어 있다.
릴레이 렌즈군(7)은, 1장 또는 복수 장의 렌즈에 의해 구성되어 있으며, 도 1에 나타낸 예에서는 3장의 렌즈(71, 72, 73)에 의해 구성되어 있다.
DMD 소자(2)는, 각 화소에 대응하는 가동식 마이크로 미러를 다수(예컨대, 수십만 개) 평면적으로 배열한 것이며, 화소 정보에 따라 각 마이크로 미러의 경사각(틸트)을 변화시키도록 구성되어 있다. 마이크로 미러가 배열된 면을 기준면이라고 하면, DMD 소자(2)는, 각 마이크로 미러를 기준면에 대하여 일정한 방향으로 각도 α(예컨대, 12도)만큼 기울임으로써, 입사 광속을 투사 광학계(3)를 향해 반사한다. DMD 소자(2)는, 또한 마이크로 미러를 기준면에 대하여 반대 방향으로 각도 α만큼 기울임으로써, 입사 광속을 투사 광학계(3)로부터 떨어진 위치에 마련된 광 흡수판(도시하지 않음)을 향해 반사한다. 일반적인 DMD 소자의 구성은, 예컨대, 문헌 “L. H. Hornbeck, “Digital Light Processing for high－brightness, high resolution applications”, Prog. SPIE, Vol. 3013, pp.27－40, 1997”에 개시되어 있다. 또, DMD 소자(2)에서 다수의 마이크로 미러가 배열된 영역은, 조명 광학계(1)에 의해 조명되어 화상을 형성하는 화상 형성 영역에 상당한다.
도 3은 실시예 1에 따른 투사형 표시 장치의, 도 1에서 Ⅲ－Ⅲ선으로 표시되는 면을 화살표 방향으로(즉, 조명 광학계(1) 쪽에서) 본 도면이다. 도 3에 나타내는 바와 같이, DMD 소자(2)는, 광축(1a)에서 어긋난 위치(도 3에서는, 광축(1a)보다 위쪽이며, DMD 소자(2)의 수직 주사 방향에 평행한 방향이다.)에 배치되어 있다. 투사 광학계(3)는, 경통(3c) 내에 도시하지 않는 렌즈군을 배치하고 있으며, 그 입사면(3d)이 DMD 소자(2)의 대략 정면에 대향 배치되어 있다. 투사 광학계(3)의 렌즈군의 광축(3a)은, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)의 중심을 지나는 법선(2a)에 대하여, 평행이고 또한 소정량 어긋나 있다.
제 1 미러(8)는, 반사면(8b)을 갖고 있으며, 도 1에 나타내는 바와 같이 제 1 미러(8)의 반사면(8b)을 지나는 법선(8a)은, 광축(1a)에 대하여 경사져 있다. 이러한 구성에 의해, 제 1 미러(8)의 반사면(8b)은, 릴레이 렌즈계(7)로부터 입사한 광속을 제 2 미러(9)를 향해 반사한다. 제 1 미러(8)는, DMD 소자(2)를 조사하는 조명 광속의 형상 및 양호한 조사 위치를 결정하는 작용을 갖고, 평면 미러 또는 오목형 반사 미러로 구성된다. 제 1 미러(8)를 평면 미러로 구성한 경우에는, DMD 소자(2)를 조사하는 조명 광속의 형상을 양호하게 결정하는 효과는 약해지지만, 가장 저렴하게 구성할 수 있고, 또한 제 1 미러(8)의 두께를 가장 얇게 구성할 수 있으므로, DMD 소자(2)나 제 2 미러(9)와의 간섭을 회피하기 쉽게 된다. 제 1 미러(8)의 반사면을 원통 오목면으로 구성한 경우에는, DMD 소자(2)에 비스듬히 조사함으로써 발생하는 왜곡 수차를 양호하게 보정하여, 양호한 조명 광속의 형상 및 조사 위치를 실현하는 것이 가능해진다. 도 1에 나타낸 제 1 미러(8)의 반사면(8b)에서, 광 강도 균일화 소자(6)의 출사면(6b)의 중심으로부터 사출된 광선이 도달하는 위치를 부호 8c로 나타낸다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 제 2 미러(9)는, 투사 광학계(3)의 아래쪽(도 3에서의 아래쪽)에 인접하여 배치되어 있다. 또한, 후술하는 렌즈 시프트를 위해 투사 광학계(3)가 이동했을 때에 제 2 미러(9)와 간섭하지 않도록, 제 2 미러(9)는 투사 광학계(3)의 경통(3c)보다(투사 광축(3a)의 방향에서) DMD 소자(2) 쪽에 배치되어 있다. 제 2 미러(9)의 반사면(9b)에 의해 반사된 광속은, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)에서 반사되어, 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)에 입사한다.
또, 도 1에 나타내는 바와 같이, DMD 소자(2)로부터 투사 광학계(3)까지의 광속의 중심을 지나는 광선은, 광원 램프(4)로부터 제 1 미러(8)까지의 광속의 중심을 지나는 광선(광축(1a))에 대하여, 상면에서 보아 대략 직교하도록 되어 있다. 또한, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)의 법선(2a) 및 투사 광학계(3)의 광축(3a)은, 모두 상면에서 보면, 광축(1a)에 대하여 대략 직교하고 있다.
상기 대략 직교를 크게 벗어나면, 광원 램프(4), 릴레이 렌즈군(7), 제 1 미러(8), 제 2 미러(9), 반사형 라이트 밸브(2) 및 투사 광학계(3)를, 서로의 광로를 가로막지 않도록 배치하는 것이 어렵게 된다. 또한, 광원 램프(4)의 경사 각도는, 약 15도까지가 허용 범위 내이며, 경사 각도가 커질수록 밝기가 저하하고, 또한 광원 램프(4)의 플리커(flicker) 현상을 야기하여 양호한 화상을 얻기 어렵게 된다. 이들 이유에 의해, 조명 광학계(1)의 광축(1a)과 DMD 소자(2)의 피조명면(2b)의 법 선(2a) 및 투사 광학계(3)의 투사 광축(3a)과의 교차각 γ(도 1)는, 90±5도의 범위 내인 것이 바람직하다.
도 4(a) 및 (b)는 렌즈 시프트 기능을 설명하기 위한 도면이다. 렌즈 시프트 기능은, 투사 광학계(3)를, 그 투사 광축(3a)에 대하여 대략 직교하는 방향(여기서는, 연직 방향(DMD 소자(2)의 수직 주사 방향이며, 도 3에서의 방향 DV) 및／또는 수평 방향(DMD 소자(2)의 수평 주사 방향이며, 도 1에서의 방향 DH))으로 이동, 즉, 시프트함으로써, 투영 범위를 임의로 이동시키는 기능이다. 도 4(a)는 투사 광학계(3)와 스크린(100)을 옆쪽으로부터 본 측면도이다. 도 4(b)는 투사 광학계(3)와 스크린(100)을 위쪽으로부터 본 평면도이다. 투사 광학계(3)가 연직 방향으로 이동하면, 도 4(a)에 나타내는 바와 같이 스크린(100)상의 투영 범위가 위쪽(화살표 U) 또는 아래쪽(화살표 D)으로 이동한다. 또한, 투영 광학계(3)가 수평 방향으로 이동하면, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이 스크린(100)상의 투영 범위가 좌측(화살표 L) 또는 우측(화살표 R)으로 이동한다.
도 4(a)에서, 투사 광학계(3)가 연직 방향에서의 제 1 위치(아래쪽 위치)에 있을 때에는, 스크린(100)상의 부호 Y1로 나타내는 범위에 영상이 투영된다. 이 때, 투사 광학계(3)의 투사 광축(3a)의 연직 방향 위치와, 투영 범위 Y1의 연직 방향 중심이 일치한다. 이 때의 투사 광학계(3)의 시프트량을 0％로 한다.
한편, 투사 광학계(3)가 연직 방향에서의 제 2 위치(위쪽 위치)에 있을 때에 는, 스크린(100)상의 부호 Y2로 나타내는 범위에 영상이 투영된다. 이 때, 투사 광학계(3)의 투사 광축(3a)의 연직 방향 위치와, 투영 범위 Y2의 하단부가 일치한다. 투영 범위 Y2는, 투영 범위 Y1에 대하여 위쪽으로 투영 폭(단축(短軸) 방향)의 50％만큼 변위한 위치에 있다. 이 때문에, 이 때의 투사 광학계(3)의 시프트량을 50％로 한다. 투사 광학계(3)의 시프트량이 50％인 상태에서는, 스크린(100)에 대하여 투사 광학계(3)로부터 위쪽으로 영상이 투영되게 된다. 또, 투영 광학계(3) 자신의 시프트량(이동량)은 투영 범위의 이동량에 비해 작으므로, 도 4(a)에서는 도시를 생략하고 있다.
도 4(b)에서, 투사 광학계(3)가 수평 방향에서의 제 1 위치(중앙 위치)에 있을 때에는, 스크린(100)상의 부호 X1로 나타내는 범위에 영상이 투영된다. 이 때, 투사 광학계(3)의 투사 광축(3a)의 수평 방향 위치와, 투영 범위 X1의 수평 방향 중심이 일치한다. 이 때의 투사 광학계(3)의 시프트량을 0％로 한다.
한편, 투사 광학계(3)가 수평 방향에서의 제 2 위치(우단 위치)에 있을 때에는, 스크린(100)상의 부호 X2로 나타내는 범위에 영상이 투영된다. 투영 범위 X2는, 투영 범위 X1에 대하여 우측으로 투영 폭(장축(長軸) 방향)의 10％만큼 변위한 위치에 있으므로, 이 때의 투사 광학계(3)의 시프트량을 ＋10％로 한다. 마찬가지로, 투사 광학계(3)가 수평 방향에서의 제 3 위치(좌단 위치)에 있을 때에는, 스크린(100)상의 부호 X3으로 나타내는 범위에 영상이 투영된다. 투영 범위 X3은, 투영 범위 X1에 대하여 좌측으로 투영 폭의 10％만큼 변위한 위치에 있으므로, 이 때의 투사 광학계(3)의 시프트량을 －10％로 한다.
또, 투사 광학계(3)의 연직 방향 및 수평 방향의 시프트량은, 투사 광학계(3)의 구성에 따라 서로 다른 것이며, 도 4(a) 및 (b)에 나타낸 범위에 한정되는 것은 아니다.
도 4(a) 및 (b)에 나타낸 렌즈 시프트 기능을 실현하기 위해서는, 투사 광학계(3)의 이미지 서클(11)을 시프트량에 따른 크기로 설계할 필요가 있다. 여기서는, 직사각형의 DMD 소자(2)의 수평 방향(장축 방향, 즉, 장변(長邊) 방향)의 치수 Hd를 14.01㎜, 연직 방향(단축 방향, 즉 단변(短邊) 방향)의 치수 Vd를 10.51㎜, 연직 방향의 시프트량을 50％, 수평 방향의 시프트량을 ±10％로 하고, 이 경우의 이미지 서클(11)의 크기를 도 5(a)∼(c)에 나타낸다.
도 5(a)는 투사 광학계(3)의 수평 방향 및 연직 방향의 시프트량이 모두 0％인 경우의 이미지 서클(11)을 나타낸다. 이 경우, 투사 광학계(3)의 이미지 서클(11)은, 직경 17.51㎜의 원이 된다.
도 5(b)는 투사 광학계(3)의 연직 방향의 시프트량이 50％이고, 수평 방향의 시프트량이 0％인 경우의 이미지 서클(11)을 나타낸다. 이 경우, DMD 소자(2)의 중심으로부터 연직 방향으로 해당 시프트량(50％)만큼 변위한 위치가 이미지 서클(11)의 중심이 되므로, 이미지 서클(11)은 직경 25.26㎜의 원이 된다.
도 5(c)는 투사 광학계(3)의 연직 방향의 시프트량이 0％이고, 수평 방향의 시프트량이 10％인 경우의 이미지 서클(11)을 나타낸다. 이 경우, DMD 소자(2)의 중심으로부터 수평 방향으로 해당 시프트량(10％)만큼 변위한 위치가 이미지 서클(11)의 중심이 되므로, 이미지 서클(11)은 직경 18.65㎜의 원이 된다. 또, 도 5(c)는 투사 광학계(3)가 수평 방향 한 쪽(좌측)으로 시프트한 예를 나타내고 있지만, 반대쪽(우측)으로 시프트한 경우도, 도 5(c)에 나타낸 직경 18.65㎜의 이미지 서클(11)의 범위 내에 포함되어 있다.
도 5(b) 및 (c)에는, 투사 광학계(3)를 연직 방향으로만, 또 수평 방향으로만 시프트한 경우에 대하여 나타냈지만, 이미지 서클(11)을 적절히 결정함으로써, 투사 광학계(3)를 연직 방향 및 수평 방향으로 시프트하여 영상을 표시할 수 있다. 여기서는, 도 5(b)에 나타낸 바와 같이, 이미지 서클(11)의 직경을 25.26㎜로 설정하고 있다.
실시예 1에서의 조명 광학계(1) 및 투사 광학계(3)의 구성에 대하여 설명한다. 상술한 바와 같이, 투사 광학계(3)의 이미지 서클(11)의 직경이 25.26㎜로 설정되어 있으므로, 시프트가 연직 방향만으로 행해지면, 투사 광학계(3)는 시프트량 50％까지 시프트할 수 있다(도 5(b)). 도 6에, 투사 광학계(3)의 연직 방향의 시프트량이 50％인 경우의 광로를 나타낸다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 투사 광학계(3)의 입사면(3d)보다 약간 DMD 소자(2) 쪽에는, 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)를 규정하는 조리개 부재(개구부 규정 부재)(12)가 배치되어 있다. 조리개 부재(12)의 입사측 개구부(10)는 직경 E의 원 형상이며, 그 주위는 불필요한 광을 차단하도록 흑색의 코팅 등이 실시 되어 있다. 투사 광학계(3)의 연직 방향의 시프트량이 50％이므로, 투사 광학계(3)의 투사 광축(3a)은, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)의 중심을 지나는 법선(2a)에 대하여, 연직 방향, 즉, DMD 소자(2)의 단축 방향으로 50％(즉, 5.255㎜) 변위한 위치에 있다. 조리개 부재(12)에 의해 규정되는 입사측 개구부(10)의 중심은, DMD 소자(2)의 법선(2a)으로부터 연직 방향으로 50％(즉, 5.255㎜) 변위한 위치에 있다.
조명 광학계(1)로부터의 광속(조명 광학계(1)의 제 2 미러(9)에서 반사된 광속)은, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)에서 반사되고, 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)를 통과하여 투사 광학계(3)에 입사한다. 이 때, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)으로부터 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)까지의 거리를 L이라 하고, 입사측 개구부(10)의 직경을 E라고 하여, 조명 광학계(1)의 광속의 넓이를 입사측 개구부(10)의 직경 E에 맞추어 설계하면, 조명 광학계(1)의 F수 FI는, 이하의 수학식 1에 의해 산출된다.
Figure 112007034989655-pct00002
조명 광학계(1)의 밝기는, 조명 광학계의 F수 FI에 의해 결정된다.
한편, 투사 광학계(3)는, 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)를 통과한 광속을 효율적으로 취할 수 있는 크기가 필요하게 된다. 투사 광학계(3)의 입사면(3d)과 입사측 개구부(10)는 근접하여 배치되어 있으므로, 도 6에 나타내는 바와 같이 투사 광학계(3)의 투사 광축(3a)과 입사측 개구부(10)의 중심이 일치하고 있는 경우에는, 투사 광학계(3)의 입사면(3d)의 유효 구경 EP는, 입사측 개구부(10)의 직경 E와 대략 같거나, 또는, 직경 E보다 조금 크게 하면 좋다. 이는, 투사 광학계(3)의 F수 FP를, 조명 광학계(1)의 F수 FI와 대략 같거나, 또는, 조명 광학계(1)의 F수 FI보다 약간 작게 할 수 있는 것, 즉, 조명 광학계(1)를 밝게 구성할 수 있는 것을 의미하고 있다.
도 7은 투사 광학계(3)의 연직 방향(DV 방향)의 시프트량이 0％인 상태를 나타낸다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 투사 광학계(3)가 시프트(여기서는, 아래쪽으로 이동)하더라도, 투사 광학계(3) 이외의 구성 요소(조명 광학계(1), DMD 소자(2) 및 입사 개구부(10)를 규정하는 조리개 부재(12))는 이동하지 않는다. 조명 광학계(1)로부터의 광속은, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)에서 반사한 후, DMD 소자(2)의 중심을 지나는 법선(2a)에 대하여 연직 방향으로 5.255㎜(＝10.51㎜×50％) 시프트한 위치에 중심을 갖는 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)에 도달한다. 입사측 개구부(10)를 통과한 광속을 모두 취하기 위해서는, 투사 광학계(3)의 입사면(3d)의 유효 구경 EP는, 입사측 개구부(10)의 직경 E보다 적어도 시프트량 SP의 2배에 상당하는 몫만큼(도 7에서는 5.255㎜의 2배) 크게 설정할 필요가 있다.
여기서, 조명 광학계(1)의 F수 FI를 2.4로 한 경우에 대하여 설명한다. 조명 광학계(1)의 F수 FI를 2.4로 하고, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)으로부터 투사 광 학계(3)의 입사측 개구부(10)까지의 거리 L을 47.5㎜로 했을 때, 입사측 개구부(10)의 직경 E는, 상술한 수학식 1로부터
Figure 112007034989655-pct00003
로 계산할 수 있어, 약 20.2㎜가 된다. 조명 광학계(1)의 F수 FI가 2.4인 경우, 도 6에 나타내는 바와 같이 투사 광학계(3)의 시프트량이 50％인 경우, 투사 광학계(3)의 입사면(3d)의 유효 구경 EP도 20.2㎜로 대략 같은 크기라면, 조명 광학계(1)로부터의 광속을 효율적으로 취할 수 있다. 이 때, 입사측 개구부(10)와 투사 광학계(3)의 입사면(3d)이 접근하여 배치되어 있으므로, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)으로부터 입사면(3d)까지의 거리도 L로 대략 같아지므로, 투사 광학계(3)의 F수 FP를, 조명 광학계(1)의 F수 FI와 같은 2.4, 또는, 2.4보다 약간 작은 값(예컨대, 2.35)으로 함으로써, 입사측 개구부(10)를 통과한 광속을 효율적으로 취할 수 있다.
마찬가지로, 도 7에 나타내는 바와 같이, 투사 광학계(3)의 시프트량 SP가 0％인 경우는, 입사측 개구부(10)의 직경 E는 20.2㎜이지만, 투사 광학계(3)의 입사면(3d)의 유효 구경 EP는 5.255㎜의 2배(즉, 10.51㎜)만큼 더 커, 30.71㎜(＝20.2㎜＋10.51㎜)가 된다. 이 때의 투사 광학계(3)의 F수 FP는,
Figure 112007034989655-pct00004
로 계산할 수 있다. 여기서,
Figure 112007034989655-pct00005
이다.
수학식 2 및 수학식 3으로부터, F수 FP를 다음 수학식 4로 계산할 수 있다.
Figure 112007034989655-pct00006
즉, 수학식 4에 의해 F수 FP를 계산하면,
Figure 112007034989655-pct00007
으로 되고, 이 경우의 F수 FP는, 약 1.63이라고 하는 매우 작은 값이 되는 것을 알 수 있다.
일반적으로, 투사 광학계(3)의 F수 FP가 작을수록, 밝기가 증가하는 한편, 조명 광학계(1)의 설계가 어렵게 되며, 또한 렌즈 구경이 커져 렌즈의 수도 증가하므로 비용의 증가를 초래하는 경우가 많다. 한편, 투사 광학계(3)의 F수 FP를 크게 하면, 투사 광학계(3)의 설계는 용이하게 되지만, 투사 광학계(3)의 입사면(3d)의 유효 구경 EP가 작아지므로, 투사 광학계(3)의 시프트량이 0％인 경우(도 7)에, 입사측 개구부(10)를 통과한 광속을 효율적으로 취할 수 없게 된다.
여기서, 상술한 바와 같이 조명 광학계(1)의 F수 FI를 2.4로 하고, DMD 소자(2)로부터 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)까지의 거리 L을 47.5㎜로 하여, 투사 광학계(3)의 F수 FP를 변화시킨 경우의 밝기의 변화를 조사했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다. 실험 결과 번호 1∼7은, 투사 광학계(3)의 F수 FP를, 1.63, 1.77, 1.89, 2.04, 2.22, 2.4, 2.6의 7번 변화시킨 것이다. 밝기의 평가는, 투사 광학계(3)의 F수 FP가 1.63일 때의 밝기(이하, 기준값이라 한다.)를 100％로 하고, 이에 대한 상대값으로서 평가했다.
Figure 112007034989655-pct00008
표 1에 나타내는 바와 같이, 투사 광학계(3)의 F수 FP가 커짐에 따라, 즉, 투사 광학계(3)의 입사면(3d)의 유효 구경 EP가 작아짐에 따라, 시프트량이 0％일 때의 밝기가 서서히 저하하고 있다. 즉, F수 FP가 1.77, 1.89, 2.04, 2.22, 2.4, 2.6으로 커짐에 따라, 시프트량이 0％일 때의 밝기가 기준값(F수 FP가 1.63일 때의 밝기를 100％로 한다.)의 99％, 97％, 95％, 88％, 83％, 80％로 저하하고 있다. 한편, 시프트량이 50％일 때의 밝기는, F수 FP가 1.77, 1.89, 2.04, 2.22일 때에는 100％이지만, F수 FP가 2.4일 때에는 98％로 저하하고, F수 FP가 2.6일 때에는 93％로 저하한다.
표 1에서의 밝기의 저하는, 투사 광학계(3)의 입사면의 유효 구경 EP가 작을수록, 입사측 개구부(10)를 통과하는 광속의 일부를 취할 수 없게 되는 것에 의한다. 도 8은, 실험 결과 번호 4(F수 FP가 2.04)에서, 시프트량을 0％로 한 경우의 광속을 나타내는 모식도이다. 도 8에서, 조명 광학계(1)로부터의 광속은, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)에서 반사되어, 투사 광학계(3)의 직경 E(20.2㎜)를 갖는 입사측 개구부(10)에 도달한다. 한편, 투사 광학계(3)의 입사면(3d)은 입사측 개구부(10)의 중심으로부터 5.255㎜만큼 아래쪽으로 변위한 위치에 중심(투사 광축(3a))을 갖고, 그 유효 구경 EP는 24㎜이다. 이 때, 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)에 도달한 광속의 일부(도 8에 부호 A로 나타내는 초승달 형태의 부분)는 투사 광학계(3)의 입사면(3d)에 입사할 수 없어, 광량 손실이 된다. 이 부분 A에서의 광량 손실은, 표 1의 실험 결과 번호 4에서, 기준값으로부터의 밝기의 저하 5％에 상당한다.
표 1로부터, 실험 결과 번호 1∼5, 즉, FP＜FI가 되는 경우에는, 시프트량 50％일 때의 밝기의 저하가 전혀 보이지 않고, 시프트량 0％일 때의 밝기의 저하도 근소하다. 따라서, 투사 광학계(3)의 F수 FP를, FP＜FI를 만족하도록 설정함으로써, 렌즈 시프트 기능을 실현하면서, 광 이용 효율을 향상하고, 계조가 양호한 영상 표시가 가능하게 되는 것을 알 수 있다.
또, 투사 광학계(3)의 F수 FP를 작게 할수록 밝기를 향상할 수 있는데 대하여, F수 FP를 크게 할수록 제조 비용을 절감할 수 있다. 따라서, F수 FP의 구체적인 값은, 투사 광학계(3)의 구체적인 구성 및 수단에 근거하여, 밝기와 제조 비용의 밸런스를 고려하여 결정한다. 또한, 밝기 이외에, MTF, 왜곡, 배율 색수차 등의 광학 특성에 대해서도 고려한다.
또한, 상술한 바와 같이 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)의 중심을 DMD 소자(2)의 중심에 대하여 5.255㎜만큼 연직 위쪽에 설치한 경우에는, 연직 방향의 시프트량이 50％일 때의 밝기가 최대가 되지만, 밝기는, 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)의 배치나 DMD 소자(2)의 피조명면(2b)으로부터의 광속의 출사 위치에 의해 변화되는 것이다. 이들 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)의 배치, 및 DMD 소자(2)의 피조명면(2b)으로부터의 광속의 출사 위치는, 투사형 표시 장치의 수단에 근거하여 결정하면 좋다.
이상 설명한 바와 같이, 실시예 1에 의하면, 투사 광학계(3)의 F수 FP를 조명 광학계(1)의 F수 FI보다 작게 하고, 또한 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)를 고정하도록(즉, 투사 광학계(3)의 이동에 따라 이동하지　않도록) 구성했으므로, 렌즈 시프트 기능을 실현하면서, 광 이용 효율을 향상하여, 계조가 양호한 영상을 표시하는 것이 가능하게 된다.
특히, 투사 광학계(3)의 이동에 맞추어 조명 광학계(1)의 집광 렌즈를 편심시킬 필요가 없으므로, 투사형 표시 장치의 대형화나 가격의 상승을 초래하지 않고 렌즈 시프트 기능을 실현할 수 있다. 또한, 프리즘을 이용한 텔레센트릭형 광학계를 이용할 필요가 없으므로, 저렴한 투사형 표시 장치를 제공할 수 있다. 덧붙여, DMD 소자(2)와 투사 광학계(3) 사이에 조리개 부재(12)를 마련한 것에 의해, 불필요한 광이 스크린에 도달하는 것을 방지하여, 계조를 향상할 수 있다.
또한, 실시예 1에서는, 입사측 개구부(10)를 규정하는 조리개 부재(12)를 투사 광학계(3)의 입사면의 근방에 마련하고, 투사 광학계(3)의 유효 구경 EP를 입사측 개구부(10)보다 크게 형성함으로써, 투사 광학계(3)를 시프트시켰을 때에도, DMD 소자(2)로부터의 광을 효율적으로 투사 광학계(3)에 취할 수 있다.
또한, 실시예 1에서는, 제 2 미러(9)로부터 DMD 소자(2)로 향하는 광속의 중심을 지나는 광선이 DMD 소자(2)의 화상 형성 영역의 법선(2a)에 대하여 경사지고, DMD 소자(2)로부터 투사 광학계(3)로 향하는 광속의 중심을 지나는 광선이 DMD 소자(2)의 화상 형성 영역의 법선(2a)에 대하여 경사지는 구성에 의해, 제 2 미러(9), DMD 소자(2) 및 투사 광학계(3)를 서로 간섭하지 않도록 조밀하게 배치할 수 있다.
또한, 실시예 1에서는, 조명 광학계(1)의 제 2 미러(9)를, 투사 광축(3a) 방향에서 투영 광학계(3)보다 반사형 라이트 밸브(2) 쪽에 배치함으로써, 렌즈 시프트시의 투사 광학계(3)와 조명 광학계(1)의 간섭을 방지할 수 있다. 그 때문에, 투사 광학계(3)의 이동에 맞추어 제 2 미러(9)를 이동시킬 필요가 없고, 투사형 표시 장치를 저렴하고 조밀하게 구성할 수 있다.
또한, 실시예 1에서는, 광 강도 균일화 소자(6)로부터 제 1 미러(8)까지의 광속의 중심을 지나는 광선과, 반사형 라이트 밸브(2)로부터 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)까지의 광속의 중심을 지나는 광선을 대략 직교시킴으로써, 레이아웃이 용이하게 되며, 광원 램프(4)의 문제의 발생을 억제하여 양호한 화상을 얻을 수 있다.
덧붙여, 실시예 1에서는, 반사형 라이트 밸브(2)를, 각 화소의 반사각의 경사각을 변화할 수 있는 가동 마이크로 미러로 구성함으로써, 조명 광속의 단면 내의 강도 분포를 균일화하여, 조도 얼룩을 억제할 수 있다.
또한, 실시예 1에서는, 광 강도 균일화 소자(6)를, 내면에서 광을 반사하는 관 형상 부재로 구성함으로써, 조명 광속에 의해 소자 자신의 가열이 발생하기 어렵게 되며, 광 강도 균일화 소자(6)의 냉각 및 유지 구조가 간단해진다.
또한, 실시예 1에서는, 광 강도 균일화 소자(6)를, 사각 기둥 형상의 투명 재료로 구성함으로써, 광 강도 균일화 소자(6)의 설계가 용이해진다.
덧붙여, 실시예 1에서는, 광 강도 균일화 소자(6)를, 복수의 렌즈 소자를 평면적으로 배열한 렌즈 어레이로 구성함으로써, 조명 광속의 단면 내의 강도 분포를 균일하게 하여, 조도 얼룩을 억제하는 것이 가능해진다.
(실시예 2)
도 9(a) 및 (b)는 본 발명의 실시예 2에 따른 투사형 표시 장치의 렌즈 시프트 기능을 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 실시예 2에 따른 투사형 표시 장치는, 도 1∼도 3을 참조하여 설명한 실시예 1에 따른 투사형 표시 장치와 동일한 기본 구성을 갖는다. 이하에서는, 실시예 2에 따른 투사형 표시 장치가, 실시예 1에 따른 투사형 표시 장치와 서로 다른 점에 대하여 설명한다.
도 9(a)는 실시예 2에 따른 투사형 표시 장치의 투사 광학계(3)와 스크린(100)을 옆쪽으로부터 본 측면도이다. 도 9(b)는 실시예 2에 따른 투사형 표시 장치의 투사 광학계(3)와 스크린(100)을 위쪽으로부터 본 평면도이다. 투사 광학계(3)가 연직 방향으로 이동하면, 도 9(a)에 나타내는 바와 같이 스크린(100)상의 투영 범위가 위쪽(화살표 U) 또는 아래쪽(화살표 D)으로 이동한다. 또한, 투영 광학계(3)가 수평 방향으로 이동하면, 도 9(b)에 나타내는 바와 같이 스크린(100)상의 투영 범위가 좌측(화살표 L) 또는 우측(화살표 R)으로 이동한다.
실시예 1과 마찬가지로, 도 9(a)에서, 투사 광학계(3)가 연직 방향에서의 제 1 위치(아래쪽 위치)에 있을 때에는, 스크린(100)상의 부호 Y1로 나타내는 범위에 영상이 투영된다. 이 때, 투사 광학계(3)의 투사 광축(3a)의 연직 방향 위치와, 투영 범위 Y1의 연직 방향 중심이 일치한다. 이 때의 투사 광학계(3)의 시프트량을 0％로 한다.
한편, 투사 광학계(3)가 연직 방향에서의 제 2 위치(위쪽 위치)에 있을 때에는, 스크린(100)상의 부호 Y2로 나타내는 범위에 영상이 투영된다. 이 때, 투사 광학계(3)의 투사 광축(3a)의 연직 방향 위치와, 투영 범위 Y2의 하단부가 일치한다. 투영 범위 Y2는, 투영 범위 Y1에 대하여 위쪽으로 투영 폭(단축 방향)의 60％(실시예 1에서는 50％)만큼 변위한 위치에 있다. 그 때문에, 이 때의 투사 광학계(3)의 시프트량을 60％로 한다. 투사 광학계(3)의 시프트량이 60％인 상태에서는, 스크린(100)에 대하여 투사 광학계(3)로부터 상향으로 영상이 투영되게 된다. 또, 투영 광학계(3) 자신의 시프트량(이동량)은 투영 범위의 이동량에 비해 작으므로, 도 9(a)에서는 도시를 생략하고 있다.
실시예 1과 마찬가지로, 도 9(b)에서, 투사 광학계(3)가 수평 방향에서의 제 1 위치(중앙 위치)에 있을 때에는, 스크린(100)상의 부호 X1로 나타내는 범위에 영상이 투영된다. 이 때, 투사 광학계(3)의 투사 광축(3a)의 수평 방향 위치와, 투영 범위 X1의 수평 방향 중심이 일치한다. 이 때의 투사 광학계(3)의 시프트량을 0％로 한다.
또한, 투사 광학계(3)가 수평 방향에서의 제 2 위치(우단 위치)에 있을 때에는, 스크린(100)상의 부호 X2로 나타내는 범위에 영상이 투영된다. 투영 범위 X2는, 투영 범위 X1에 대하여 우측으로 투영 폭(장축 방향)의 10％만큼 변위한 위치에 있으므로, 이 때의 투사 광학계(3)의 시프트량을 ＋10％로 한다. 마찬가지로, 투사 광학계(3)가 수평 방향에서의 제 3 위치(좌단 위치)에 있을 때에는, 스크린(100)상의 부호 X3으로 나타내는 범위에 영상이 투영된다. 투영 범위 X3은, 투영 범위 X1에 대하여 좌측으로 투영 폭의 10％만큼 변위한 위치에 있으므로, 이 때의 투사 광학계(3)의 시프트량을 －10％로 한다.
또, 투사 광학계(3)의 연직 방향 및 수평 방향의 시프트량은, 투사 광학계(3)의 구성에 따라 서로 다른 것이며, 도 9(a) 및 (b)에 나타낸 범위에 한정되는 것은 아니다.
도 9(a) 및 (b)에 나타낸 렌즈 시프트 기능을 실현하기 위해서는, 투사 광학계(3)의 이미지 서클(11)을 시프트량에 따른 크기로 설계할 필요가 있다. 여기서는, 직사각형의 DMD 소자(2)의 수평 방향(장축 방향, 즉, 장변 방향)의 치수 Hd를 14.01㎜, 연직 방향(단축 방향, 즉, 단변 방향)의 치수 Vd를 10.51㎜, 연직 방향의 시프트량을 60％, 수평 방향의 시프트량을 ±10％로 하고, 이 경우의 이미지 서클(11)의 크기를 도 10(a)∼(c)에 나타낸다.
도 10(a)는 투사 광학계(3)의 수평 방향 및 연직 방향의 시프트량이 모두 0％인 경우의 이미지 서클(11)을 나타낸다. 이 경우, 투사 광학계(3)의 이미지 서클(11)은, 직경 17.51㎜인 원이 된다.
도 10(b)는 투사 광학계(3)의 연직 방향의 시프트량이 60％이고, 수평 방향의 시프트량이 0％인 경우의 이미지 서클(11)을 나타낸다. 이 경우, DMD 소자(2)의 중심으로부터 연직 방향으로 해당 시프트량(60％)만큼 변위한 위치가 이미지 서클(11)의 중심이 되므로, 이미지 서클(11)은 직경 27.04㎜인 원이 된다.
도 10(c)는 투사 광학계(3)의 연직 방향의 시프트량이 0％이고, 수평 방향의 시프트량이 10％인 경우의 이미지 서클(11)을 나타낸다. 이 경우, DMD 소자(2)의 중심으로부터 수평 방향으로 해당 시프트량(10％)만큼 변위한 위치가 이미지 서클(11)의 중심이 되므로, 이미지 서클(11)은 직경 18.65㎜인 원이 된다. 또, 도 10(c)는 투사 광학계(3)가 수평 방향 한 쪽(좌측)으로 시프트한 예를 나타내고 있지만, 반대쪽(우측)으로 시프트한 경우도, 도 10(c)에 나타낸 직경 18.65㎜인 이미지 서클(11)의 범위 내에 포함되어 있다.
도 10(b) 및 (c)에는, 투사 광학계(3)를 연직 방향으로만, 또 수평 방향으로만 시프트한 경우에 대하여 나타냈지만, 이미지 서클(11)을 적절히 결정함으로써, 투사 광학계(3)를 연직 방향 및 수평 방향으로 시프트하여 영상을 표시할 수 있다. 여기서는, 도 10(b)에 나타낸 바와 같이, 이미지 서클(11)의 직경을 27.04㎜로 설정하고 있다.
실시예 2에서의 조명 광학계(1) 및 투사 광학계(3)의 구성에 대하여 설명한다. 상술한 바와 같이, 투사 광학계(3)의 이미지 서클(11)의 직경이 27.04㎜로 설정되어 있으므로, 시프트가 연직 방향으로만 행해진다면, 투사 광학계(3)는 시프트량 60％까지 시프트할 수 있다(도 10(b)). 도 11에, 투사 광학계(3)의 연직 방향의 시프트량이 60％인 경우의 광로를 나타낸다.
도 11에 나타내는 바와 같이, 투사 광학계(3)의 입사면(3d)보다 약간 DMD 소자(2) 쪽에는, 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)를 규정하는 조리개 부재(개구부 규정 부재)(12)가 배치되어 있다. 조리개 부재(12)의 입사측 개구부(10)는 직경 E의 원 형상이며, 그 주위는 불필요한 광을 차단하도록 흑색의 코팅 등이 실시되어 있다. 투사 광학계(3)의 연직 방향의 시프트량이 60％이므로, 투사 광학계(3)의 투사 광축(3a)은, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)의 중심을 지나는 법선(2a)에 대하여, 연직 방향, 즉, DMD 소자(2)의 단축 방향으로 60％(즉, 6.3㎜) 변위한 위치에 있다. 조리개 부재(12)에 의해 규정되는 입사측 개구부(10)의 중심은, DMD 소자(2)의 법선(2a)으로부터 연직 방향으로 60％(즉, 6.3㎜) 변위한 위치에 있다.
조명 광학계(1)로부터의 광속(조명 광학계(1)의 제 2 미러(9)에서 반사된 광속)은, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)에서 반사되어, 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)를 통과하여 투사 광학계(3)에 입사한다. 이 때, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)으로부터 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)까지의 거리를 L이라 하고, 입사측 개구부(10)의 직경을 E라고 하여, 조명 광학계(1)의 광속의 넓이를 입사측 개구부(10)의 직경 E에 맞추어 설계하면, 조명 광학계(1)의 F수 F1은, 실시예 1에서도 설명한 수학식 1에 의해 산출된다.
Figure 112007034989655-pct00009
조명 광학계(1)의 밝기는, 조명 광학계(1)의 F수 FI에 의해 결정된다.
한편, 투사 광학계(3)는, 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)를 통과한 광속을 효율적으로 취할 수 있는 크기가 필요하게 된다. 투사 광학계(3)의 입사면(3d)과 입사측 개구부(10)는 근접하여 배치되어 있으므로, 도 11에 나타내는 바와 같이 투사 광학계(3)의 투사 광축(3a)과 입사측 개구부(10)의 중심이 일치하고 있는 경우에는, 투사 광학계(3)의 입사면(3d)의 유효 구경 EP는, 입사측 개구부(10)의 직경 E와 대략 같거나, 또는, 직경 E보다 조금 크게 하면 좋다. 이는, 투사 광학계(3)의 F수 FP를, 조명 광학계(1)의 F수 FI와 대략 같거나, 또는, 조명 광학계(1)의 F수 FI보다 약간 작게 할 수 있는 것, 즉, 조명 광학계를 밝게 구성할 수 있는 것을 의미하고 있다.
도 12는 투사 광학계(3)의 연직 방향(DV 방향)의 시프트량이 0％인 상태를 나타낸다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 투사 광학계(3)가 시프트(여기서는, 아래쪽으로 이동)하더라도, 투사 광학계(3) 이외의 구성 요소(조명 광학계(1), DMD 소자(2) 및 입사 개구부(10)를 규정하는 조리개 부재(12))는 이동하지 않는다. 조명 광학계(1)로부터의 광속은, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)에서 반사한 후, DMD 소자(2)의 중심을 지나는 법선(2a)에 대하여 연직 방향으로 6.3㎜(＝10.51㎜×60％) 시프트한 위치에 중심을 갖는 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)에 도달한다. 입사측 개구부(10)를 통과한 광속을 모두 취하기 위해서는, 투사 광학계(3)의 입사면(3d)의 유효 구경 EP는, 입사측 개구부(10)의 직경 E보다 적어도 시프트량 SP의 2배에 상당하는 몫만큼(도 12에서는, 6.3㎜의 2배) 크게 설정할 필요가 있다.
여기서, 조명 광학계(1)의 F수 FI를 2.4로 한 경우에 대하여 설명한다. 조명 광학계(1)의 F수 FI를 2.4로 하고, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)으로부터 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)까지의 거리 L을 44.5㎜로 했을 때, 입사측 개구부(10)의 직경 E는, 상술한 수학식 1로부터
Figure 112007034989655-pct00010
로 계산할 수 있어, 약 18.9㎜가 된다. 조명 광학계(1)의 F수 FI가 2.4인 경우, 도 11에 나타내는 바와 같이 투사 광학계(3)의 시프트량이 60％인 경우, 투사 광학계(3)의 입사면(3d)의 유효 구경 EP도 18.9㎜로 대략 같은 크기라면, 조명 광학계(1)로부터의 광속을 효율적으로 취할 수 있다. 이 때, 입사측 개구부(10)와 투사 광학계(3)의 입사면(3d)이 접근하여 배치되어 있으므로, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)으로부터 입사면(3d)까지의 거리도 L로 대략 같게 되므로, 투사 광학계(3)의 F수 FP를, 조명 광학계(1)의 F수 FI와 같은 2.4, 또는, 2.4보다 약간 작은 값(예컨대, 2.35)으로 함으로써, 입사측 개구부(10)를 통과한 광속을 효율적으로 취할 수 있다.
마찬가지로, 도 12에 나타내는 바와 같이, DMD 소자(2)에 대한 투사 광학계(3)의 시프트량 SP가 0％인 경우는, 입사측 개구부(10)의 직경 E는 18.9㎜이지만, 투사 광학계(3)의 입사면(3d)의 유효 구경 EP는 6.3㎜의 2배(즉, 12.6㎜)만큼 더 커, 31.5㎜(＝18.9㎜＋12.6㎜)가 된다. 이 때의 투사 광학계(3)의 F수 FP는, 실시예 1에서도 설명한 수학식 2
Figure 112007034989655-pct00011
로 계산할 수 있다. 여기서,
Figure 112007034989655-pct00012
이다.
수학식 2 및 수학식 3으로부터, F수 FP를 다음 수학식 4로 계산할 수 있다.
Figure 112007034989655-pct00013
즉, 수학식 4에 의해 F수 FP를 계산하면,
Figure 112007034989655-pct00014
가 되며, 이 경우의 F수 FP는, 약 1.5라고 하는 매우 작은 값이 되는 것을 알 수 있다.
일반적으로, 투사 광학계(3)의 F수 FP가 작을수록, 밝기가 증가하는 한편, 투사 광학계(3)의 설계가 어렵게 되며, 또한 렌즈 구경이 커져 렌즈의 수도 증가하므로 비용의 증가를 초래하는 경우가 많다. 한편, 투사 광학계(3)의 F수 FP를 크게 하면, 투사 광학계(3)의 설계는 용이해지지만, 투사 광학계(3)의 입사면(3d)의 유효 구경 EP가 작아지므로, 투사 광학계(3)의 시프트량이 0％인 경우(도 12)에, 입사측 개구부(10)를 통과한 광속을 효율적으로 취할 수 없게 된다.
여기서, 상술한 바와 같이 조명 광학계(1)의 F수 FI를 2.4로 하고, DMD 소자(2)로부터 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)까지의 거리 L을 44.5㎜로 하여, 투사 광학계(3)의 F수 FP를 변화시킨 경우의 밝기의 변화를 조사했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다. 실험 결과 번호 1∼7은, 투사 광학계(3)의 F수 FP를, 1.5, 1.8, 1.9, 2.0, 2.2, 2.4, 2.6으로 7번 변화시킨 것이다. 밝기의 평가는, 투사 광학계(3)의 F수 FP가 1.5일 때의 밝기(이하, 기준값이라 한다.)를 100％로 하여, 이에 대한 상대값으로서 평가했다.
Figure 112007034989655-pct00015
표 2에 나타내는 바와 같이, 투사 광학계(3)의 F수 FP가 커짐에 따라, 즉, 투사 광학계(3)의 입사면(3d)의 유효 구경 EP가 작아짐에 따라, 시프트량이 0％일 때의 밝기가 서서히 저하하고 있다. 즉, F수 FP가 1.8, 1.9, 2.0, 2.2, 2.4, 2.6으로 커짐에 따라, 시프트량이 0％일 때의 밝기가, 기준값(F수 FP가 1.5일 때의 밝기를 100％로 한다.)의 99％, 97％, 95％, 88％, 83％, 80％로 저하하고 있다. 한편, F수 FP가 1.8, 1.9, 2.0, 2.2일 때에는, 시프트량이 60％일 때의 밝기는 100％이지만, F수 FP가 2.4일 때에는, 시프트량이 60％일 때의 밝기는 98％로 저하하고, F수 FP가 2.6일 때에는, 시프트량이 60％일 때의 밝기는 93％로 저하한다.
표 2에서의 밝기의 저하는, 투사 광학계(3)의 입사면의 유효 구경 EP가 작을수록, 입사측 개구부(10)를 통과하는 광속의 일부를 취할 수 없게 되는 것에 의한다. 도 13은 실험 결과 번호 4(F수 FP가 2.0)에서, 시프트량을 0％로 한 경우의 광속을 나타내는 모식도이다. 도 13에서, 조명 광학계(1)로부터의 광속은, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)에서 반사되고, 투사 광학계(3)의 직경 E(18.9㎜)를 갖는 입사측 개구부(10)에 도달한다. 한편, 투사 광학계(3)의 입사면(3d)은 입사측 개구부(10)의 중심으로부터 6.3㎜만큼 아래쪽으로 변위한 위치에 중심(투사 광축(3a))을 갖고, 그 유효 구경 EP는 23㎜이다. 이 때, 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)에 도달한 광속의 일부(도 13에 부호 A로 나타내는 초승달 형태의 부분)는 투사 광학계(3)의 입사면(3d)에 입사할 수 없어, 광량 손실이 된다. 이 부분 A에서의 광량 손실은, 표 2의 실험 결과 번호 4에서, 기준값으로부터의 밝기의 저하 5％에 상당한다.
표 2로부터, 실험 결과 번호 1∼5, 즉, FI＞FP가 되는 경우에는, 시프트량 60％일 때의 밝기의 저하가 전혀 보이지 않고, 시프트량 0％일 때의 밝기의 저하도 근소하다. 따라서, 투사 광학계(3)의 F수 FP를, FI＞FP를 만족하도록 설정함으로써, 렌즈 시프트 기능을 실현하면서, 광 이용 효율을 향상하고, 계조가 양호한 영상 표시가 가능하게 되는 것을 알 수 있다.
단, 실험 결과의 번호 1은, 시프트량 0％일 때라도 밝기의 손실이 없고, 조명 광학계(1)로부터의 광속을 모두 취할 수 있다. 이 경우의 투사 광학계(3)의 F수 FP는 1.5로 매우 작은 값이 되며, 투사 광학계(3)의 설계를 매우 어렵게 하고, 또한 렌즈 구경이 커지거나, 렌즈의 수가 많아지거나 하여, 제조 비용이 높아져 버린다.
즉, 투사 광학계(3)의 F수 FP를 작게 할수록 밝기를 향상할 수 있는데 대하여, F수 FP를 크게 할수록 제조 비용을 절감할 수 있다. 따라서, F수 FP의 구체적인 값은, 투사 광학계(3)의 구체적인 구성 및 수단에 근거하여, 밝기와 제조 비용의 밸런스를 고려하여 결정한다. 또한, 밝기 이외에, MTF, 왜곡, 배율 색수차 등의 광학 특성에 대해서도 고려한다.
또한, 상술한 바와 같이 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)의 중심을 DMD 소자(2)의 중심에 대하여 6.3㎜만큼 연직 위쪽으로 설치한 경우에는, 연직 방향의 시프트량이 60％일 때의 밝기가 최대가 되지만, 밝기는, 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)의 배치나 DMD 소자(2)의 피조명면(2b)으로부터의 광속의 출사 위치에 의해 변화되는 것이다. 이들 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)의 배치, 및 DMD 소자(2)의 피조명면(2b)으로부터의 광속의 출사 위치는, 투사형 표시 장치의 수단에 근거하여 결정하면 좋다.
투사 광학계(3)의 연직 방향의 시프트량 SP에 대해서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 시프트량이 작으면, 조명 광학계(1)의 제 2 미러(9)와 DMD 소자(2)로부터의 광속이 간섭하여, 광 이용 효율의 손실을 초래하게 된다. 한편, 시프트량을 크게 하면, 도 10(a)∼(c)에 나타낸 투사 광학계(3)의 이미지 서클(11)이 커져, 투사 광학계(3)의 설계를 곤란하게 하는 요인이 된다.
즉, 제 2 미러(9)와 DMD 소자(2)로부터의 광속의 간섭을 없애기 위해서는, 투사 광학계(3)의 연직 방향의 시프트량 SP를 DMD 소자(2)의 연직 방향의 치수 Vd의 0.4배보다 크게 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 투사 광학계(3)의 이미지 서클의 증대를 억제하기 위해서는, 투사 광학계(3)의 연직 방향의 시프트량 SP를, DMD 소자(2)의 연직 방향의 치수 Vd의 0.7배보다 작게 구성하는 것이 바람직하다. 이 조건은, 다음 수학식 5로 나타낼 수 있다.
Figure 112007034989655-pct00016
이상 설명한 바와 같이, 실시예 2에 의하면, 투사 광학계(3)의 F수를 상술한 관계식의 수학식 1 및 수학식 2가 성립하도록 구성하고, 또한 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)를 고정하도록(즉, 투사 광학계(3)의 이동에 따라 이동하지 않도록) 구성했으므로, 렌즈 시프트 기능을 실현하면서, 광 이용 효율을 향상하여, 계조가 양호한 영상을 표시하는 것이 가능하게 된다.
특히, 투사 광학계(3)의 이동에 맞추어 조명 광학계(1)의 집광 렌즈를 편심시킬 필요가 없으므로, 투사형 표시 장치의 대형화나 가격의 상승을 초래하지 않고 렌즈 시프트 기능을 실현할 수 있다. 또한, 프리즘을 이용한 텔레센트릭형 광학계를 이용할 필요가 없으므로, 저렴한 투사형 표시 장치를 제공할 수 있다. 덧붙여, DMD 소자(2)와 투사 광학계(3) 사이에 조리개 부재(12)를 마련함으로써, 불필요한 광이 스크린에 도달하는 것을 방지하여, 계조를 향상시킬 수 있다.
또한, 실시예 2에서는, 입사측 개구부(10)를 규정하는 조리개 부재(12)를 투사 광학계(3)의 입사면의 근방에 마련하여, 투사 광학계(3)의 유효 구경 EP를 입사측 개구부(10)보다 크게 형성함으로써, 투사 광학계(3)를 시프트시킨 경우이더라도, DMD 소자(2)로부터의 광을 효율적으로 투사 광학계(3)에 취할 수 있다.
또한, 실시예 2에 의하면, 투사 광학계(3)의 시프트량을 상술한 관계식의 수학식 5가 성립하도록 구성했으므로, 광 이용 효율을 향상하여, 계조가 양호한 영상을 표시하는 것이 가능하게 된다.
또한, 실시예 2에서는, 제 2 미러(9)로부터 DMD 소자(2)로 향하는 광속의 중심을 지나는 광선이 DMD 소자(2)의 화상 형성 영역의 법선(2a)에 대하여 경사지고, DMD 소자(2)로부터 투사 광학계(3)로 향하는 광속의 중심을 지나는 광선이 DMD 소자(2)의 화상 형성 영역의 법선(2a)에 대하여 경사지는 구성에 의해, 제 2 미러(9), DMD 소자(2) 및 투사 광학계(3)를 서로 간섭하지 않도록 조밀하게 배치할 수 있다.
또한, 실시예 2에서는, 조명 광학계(1)의 제 2 미러(9)를, 투영광축(3a) 방향에서 투영 광학계(3)보다 반사형 라이트 밸브(2) 쪽에 배치함으로써, 렌즈 시프 트시의 투사 광학계(3)와 조명 광학계(1)의 간섭을 방지할 수 있다. 그 때문에, 투사 광학계(3)의 이동에 맞추어 제 2 미러(9)를 이동시킬 필요가 없어, 투사형 표시 장치를 저렴하고 조밀하게 구성할 수 있다.
또한, 실시예 2에서는, 광 강도 균일화 소자(6)로부터 제 1 미러(8)까지의 광속의 중심을 지나는 광선과, 반사형 라이트 밸브(2)로부터 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)까지의 광속의 중심을 지나는 광선을 대략 직교시킴으로써, 레이아웃이 용이하게 되며, 광원 램프(4)의 문제의 발생을 억제하여 양호한 화상을 얻을 수 있다.
덧붙여, 실시예 2에서는, 반사형 라이트 밸브(2)를, 각 화소의 반사각의 경사각을 변화할 수 있는 가동 마이크로 미러로 구성함으로써, 조명 광속의 단면 내의 강도 분포를 균일화하여, 조도 얼룩을 억제할 수 있다.
또한, 실시예 2에서는, 광 강도 균일화 소자(6)를, 내면에서 광을 반사하는 관 형상 부재로 구성함으로써, 조명 광속에 의해 소자 자신의 가열이 발생하기 어렵게 되며, 광 강도 균일화 소자(6)의 냉각 및 유지 구조가 간단하게 된다.
또한, 실시예 2에서는, 광 강도 균일화 소자(6)를, 사각 기둥 형상의 투명 재료로 구성함으로써, 광 강도 균일화 소자(6)의 설계가 용이하게 된다.
덧붙여, 실시예 2에서는, 광 강도 균일화 소자(6)를, 복수의 렌즈 소자를 평면적으로 배열한 렌즈 어레이로 구성함으로써, 조명 광속의 단면 내의 강도 분포를 균일하게 하여, 조도 얼룩을 억제하는 것이 가능해진다.
(실시예 3)
투사 광학계(3)의 설계를 행할 때, 투사 광학계(3)의 F수 FP가 작아지면 설계가 곤란하게 되고, 또한 제조 비용도 높아지게 된다. 한편, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)으로부터 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)까지의 거리 L이 길어지면, 마찬가지로 투사 광학계(3)의 설계가 곤란하게 되고, 또한 제조 비용도 높아지게 된다. 그러나, 도 1 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 제 2 미러(9)는, 투사 광학계(3)의 아래쪽에 인접하여 배치하고, 또한 렌즈 시프트를 위해 투사 광학계(3)가 이동했을 때에 제 2 미러(9)와 간섭하지 않도록, 제 2 미러(9)는 투사 광학계(3)의 경통(3c)보다(투사 광축(3a)의 방향에서) DMD 소자(2) 쪽에 배치할 필요가 있으며, 이 배치를 생각하면, 거리 L은 긴 쪽이 바람직하다.
도 14는 본 발명의 실시예 3에 따른 투사형 표시 장치에서의 DMD 소자로부터 투사 광학계의 입사면까지의 거리와 성능에 대하여 설명하기 위한 도면이다. 도 14에 나타내는 바와 같이, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)으로부터 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)까지의 거리 L이 거리 L2로 길어지면, 같은 시프트량 SP(도 14에서는, 6.3㎜) 및 같은 F수 FP로 한 경우, 투사 광학계(3)의 입사면의 유효 구경 EP2는 유효 구경 EP에 비해서 커진다. 즉, 거리 L이 길어지면, 투사 광학계(3)의 입사면의 유효 구경 EP와 DMD 소자(2)의 연직 방향의 치수 Vd의 비율 EP／Vd가 커진다. 그래서, 조명 광학계(1)의 F수 FI가 2.4이며, 투사 광학계(3)의 F수 FP가 2.0일 때 의, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)으로부터 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)까지의 거리 L을 변화시킬 때의 성능의 변화에 대하여 평가했다. 밝기의 평가는, 표 2에 나타낸 투사 광학계(3)의 F수 FP가 1.5일 때의 밝기(기준값)를 100％로 하여, 이에 대한 상대값으로서 평가했다.
Figure 112007034989655-pct00017
표 3에 나타내는 바와 같이, DMD 소자(2)의 피조명면(2b)으로부터 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)까지의 거리 L이 45.5㎜로부터 41.5㎜까지 변화된 경우, 거리 L이 45.5㎜일 때는 투사 광학계(3)의 입사면의 유효 구경 EP는 23.5㎜, 거리 L이 41.5㎜일 때는 투사 광학계(3)의 입사면의 유효 구경 EP는 21.4㎜로, 거리 L이 작아지면 유효 구경 EP도 작아진다. 거리 L이 45.5㎜일 때는, 시프트량이 60％인 경우에 광학계의 성능으로서의 밝기는 100％가 되며, 시프트량이 0％인 경우에 광학계의 성능으로서의 밝기는 98％로 양호하다. 또한, 거리 L이 44.5㎜일 때는, 시프트량이 100％인 경우에 광학계의 성능으로서의 밝기는 100％가 되며, 시프트량이 0％인 경우에 광학계의 성능으로서의 밝기는 95％가 되고 있다. 그러나, 거리 L이 짧아짐에 따라, 밝기의 손실량이 커진다.
표 3으로부터, 실험 결과 번호 1과 2는 시프트량이 60％일 때의 밝기의 손실이 없고, 또한 시프트량 0％에서의 손실량도 5％ 이내이며 양호한 성능을 얻을 수 있다. 이 때의, 투사 광학계(3)의 입사면의 유효 구경 EP와 DMD 소자(2)의 연직 방향의 치수 Vd의 비가 이하의 조건식을 만족하고 있다.
Figure 112007034989655-pct00018
따라서, 이 조건식을 만족하도록, 투사 광학계(3)의 입사면의 유효 구경 EP와, DMD 소자(2)의 연직 방향의 치수 Vd를 결정함으로써, 밝기의 손실량을 작게 할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 실시예 3에 의하면, 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10)까지의 거리 L에 의해 결정되는, 투사 광학계(3)의 입사면의 유효 구경 EP와 DMD 소자(2)의 치수의 비를,
Figure 112007034989655-pct00019
가 성립하도록 구성했으므로, 렌즈 시프트 기능을 실현하면서, 광 이용 효율을 향상하여, 계조가 양호한 영상을 표시하는 것이 가능하게 된다.
(실시예 4)
도 15는 본 발명의 실시예 4에 따른 투사형 표시 장치에서의 조명 광학계의 집광점을 설명하기 위한 도면이다. 도 15에 나타내는 바와 같이, 실시예 4에 따른 투사형 표시 장치에서는, 릴레이 렌즈군(7)의 출사 후의 제 1 미러(8) 쪽의 위치에, 조명 광학계(1)의 조리개(13)가 배치되어 있다. 이 조명 광학계(1)의 조리개(13)에 대해서는, 개구를 규정하는 부재를 마련하지 않는 경우가 많다. 도 15에 나타내는 바와 같이, 광 강도 균일화 소자(6)로부터 출사한 광속은, 일단, 조리개(13)에서 집광한다. 조명 광학계(1)의 조리개(13)와, 투사 광학계(3)의 입사측 동공 위치를 공역인 관계로 설계함으로써, 광 이용 효율이 향상한다.
본래, 투사 광학계(3)가 이동하는 렌즈 시프트 기능을 갖는 장치에서는, 투사 광학계(3)의 입사측 동공 위치를 투사 광학계(3)보다 DMD 소자(2) 쪽(즉, 투사 광학계(3)의 입사측 개구부(10))으로 하는 것이 바람직하지만, 투사 광학계(3)의 렌즈 밖에 입사측 동공 위치를 배치하는 것은, 투사 광학계(3)의 설계상 큰 제약이 되며, 설계를 곤란하게 하는 것이 된다. 이 때문에, 실시예 4에 따른 투사형 표시 장치에서는, 도 15에 나타내는 바와 같이, 조명 광학계(1)의 집광점(14)(즉, 투사 광학계(3)의 입사측 동공 위치)을 투사 광학계(3)의 입사면보다 스크린 쪽, 즉, 투사 광학계(3) 내에 위치하는 구성으로 한다.
이상 설명한 바와 같이, 실시예 4에 의하면, 조명 광학계(1)의 집광점(14)을, 투사 광학계(3)의 입사면보다 스크린 쪽에 배치함으로써, 투사 광학계(3)의 설계의 제약을 감소시키고, 설계의 유연성을 갖게 하는 것이 가능해진다.
또, 상기 설명에서는, 투사형 표시 장치의 실제의 사용 상태에서의 방향을 나타내기 위해 「위」 또는 「아래」라고 하는 표현을 이용했지만, 본 발명의 투사형 표시 장치는 상기 설명과 서로 다른 자세로 설치할 수도 있다.
또한, 상기 설명에서는, 회전 컬러 필터(5)를 광원 램프(4)와 광 강도 균일화 소자(6) 사이에 설치하는 구성을 나타냈지만, 광 강도 균일화 소자(6)의 직후와 같이 조명 광속이 작게 수속하는 부분이라면, 다른 부분에 배치하는 것도 가능하다.
또한, 상기 설명에서는, 반사형 라이트 밸브(2)로서 DMD 소자를 이용한 경우를 나타냈지만, 반사형 액정 표시 소자 등의 다른 라이트 밸브를 이용하여도 좋다.

Claims (15)

  1. 광원을 포함하는 조명 광학계와,
    상기 조명 광학계에 의해 조명되는 피조명면에 화상 형성 영역을 갖는 반사형 라이트 밸브와,
    상기 반사형 라이트 밸브의 상기 화상 형성 영역에 형성된 화상을 확대 투사하는 투사 광학계로서, 투사 광축에 대하여 직교하는 방향으로 시프트 가능한 투사 광학계
    를 구비하되,
    상기 투사 광학계의 F수는, 상기 조명 광학계의 F수보다 작고,
    상기 투사 광학계와 상기 반사형 라이트 밸브 사이에, 상기 투사 광학계의 시프트에 의해 이동하지 않는 부재로서, 상기 투사 광학계의 입사측 개구부를 규정하는 개구부 규정 부재를 갖는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 투사 광학계의 입사면의 유효 구경이, 상기 입사측 개구부보다 큰 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 개구부 규정 부재가, 상기 투사 광학계의 입사면의 근방에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 조명 광학계가,
    상기 광원으로부터 출사된 광속의 강도 분포를 균일화하는 광 강도 균일화 소자와,
    상기 광 강도 균일화 소자로부터 출사된 광속을 상기 반사형 라이트 밸브로 유도하는 릴레이 광학계
    를 더 구비하되,
    상기 릴레이 광학계로부터 상기 반사형 라이트 밸브로 향하는 광속의 중심을 지나는 광선이, 상기 반사형 라이트 밸브의 화상 형성 영역의 법선에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 반사형 라이트 밸브의 상기 화상 형성 영역으로부터 상기 투사 광학계 로 향하는 광속의 중심을 지나는 광선이, 상기 반사형 라이트 밸브의 상기 화상 형성 영역의 법선에 대하여 경사져 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 릴레이 광학계가,
    상기 광 강도 균일화 소자로부터 출사된 광속을 전파하는 릴레이 렌즈군과,
    상기 릴레이 렌즈군으로부터 출사된 광속을 반사하는 제 1 미러와,
    상기 제 1 미러로부터의 반사 광속을 상기 반사형 라이트 밸브를 향해 반사하는 제 2 미러
    를 구비하되,
    상기 제 2 미러가, 상기 투사 광축의 방향에서, 상기 투사 광학계보다 상기 반사형 라이트 밸브 쪽에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 투사 광학계의 시프트 방향과 평행하게 본 경우, 상기 광 강도 균일화 소자로부터 상기 제 1 미러로 향하는 광속의 중심을 지나는 광선과, 상기 반사형 라이트 밸브로부터 상기 투사 광학계로 향하는 광속의 중심을 지나는 광선이, 직교하고 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반사형 라이트 밸브가, 반사면의 경사각을 변화시킬 수 있는 복수의 가동 마이크로 미러를 갖는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 광 강도 균일화 소자는, 관 형상 부재이며, 이 관 형상 부재의 내면에서 광속을 반사하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 광 강도 균일화 소자는, 투명한 각 기둥 형상 부재이며, 이 각 기둥 형상 부재의 내부에서 광속을 반사하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 광 강도 균일화 소자는, 복수의 렌즈 소자를 평면적으로 배열한 렌즈 어레이인 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 반사형 라이트 밸브의 직사각형의 상기 화상 형성 영역으로부터 상기 투사 광학계로 향하는 광속의 중심을 지나는 광선이, 상기 반사형 라이트 밸브의 상기 화상 형성 영역의 법선에 대하여 경사져 있으며,
    상기 반사형 라이트 밸브에 대한, 상기 투사 광학계의 상기 투사 광축에 직교하는 방향의 시프트량을 SP로 하고,
    상기 개구부 규정 부재의 입사측 개구부의 직경을 E로 하며,
    상기 투사 광학계의 입사면의 유효 구경을 EP로 하고,
    상기 반사형 라이트 밸브의 수직 주사 방향의 치수를 Vd라고 하면,
    Figure 112008086607223-pct00020
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    Figure 112007034989655-pct00021
    를 또한 만족하는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 조명 광학계의 집광점을, 상기 투사 광학계의 입사면보다 출사면 쪽으로 한 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 조명 광학계의 집광점을, 상기 투사 광학계의 입사면보다 출사면 쪽으로 한 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
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