WO2003032048A1

WO2003032048A1 - Dispositif d'affichage de projections et dispositif de projection par transparence utilisant ce dispositif d'affichage

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Publication number: WO2003032048A1
Application number: PCT/JP2002/010124
Authority: WO
Inventors: Mitsuhiro Wada; Yoshihiro Masumoto; Yoshimasa Fushimi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2003-04-17
Also published as: CA2457773A1; US7055959B2; EP1447703A1; US20040201824A1; CN1561468A; CN100385286C

Description

明細書投写型表示装置及びこれを用いた背面投写型表示装置技術分野

本発明は、反射型の空間光変調素子を用いて大画面映像をスクリーン上に投影することのできる投写型表示装置、及び背面投写型表示装置に関する。背景技術

従来、大画面用の映像機器として各種の空間光変調素子を用いた投写型表示装置が知られている。最近では、 DMD (Digital Micro-Mirror Device) のような表示効率の高い反射型の空間光変調素子が注目されている（例えば、特開 2 000— 9 8 27 2号公報参照）。

図 1 6A，図 1 6 Bは、空間光変調素子として DMDを用いた投写型表示装置の構成をした図であり、図 1 6 Aはその上面図、図 1 6 Bはその側面図である。この投写型表示装置は、白色光を放射するランプ 1 6 1と、ランプ 1 6 1の放射光を集光する楕円面鏡 1 62と、楕円面鏡 1 6 2の長焦点近傍に配置され、赤、緑、青の三原色光を順次選択的に透過させる回転型カラーフィルタ 1 64と、集光レンズ 1 65と、平面ミラー 1 66と、入射光を変調して光学像を形成する DMD 1 6 7と、 D MD 1 67上の光学像をスクリーン（図示せず）上に拡大投影する投写レンズ 16 8とから構成されている。

ランプ 1 6 1は、超高圧水銀ランプやキセノンランプ等が用いられる。これらのランプは、輝度が高く、発光部が比較的小さいため、放射光を効率よく集光することができる。集光レンズ 1 6 5は、回転型カラ一フィルタ 1 64を透過した光の拡がりを抑えて DMD 1 67及び投写レンズ 1 68に導く。

図 1 7Aは DMD 1 67の概略正面図、図 1 7 Bは DMD 1 67上の微小ミラー 1 7 1の動作原理を示す模式的側面図である。図 1 7 Aに示すように、 DMD 1 67は、画素毎に設けられた微小ミラー 1 7 1を 2 次元的に配列して構成される。各画素ごとに、微小ミラー 1 7 1の直下に配置されたメモリー素子の静電界作用により、微小ミラ一 1 7 1の傾きが制御され、入射光の反射角度を変化させることによって、 ONZO F F状態が形成される。

図 1 7 Bを用いて、 DMD 1 67面に対して微小ミラ一 1 7 1が ± 1 0度傾く場合について説明する。 DMD 1 6 7面の法線に対して 2 0度傾いた光 1 7 2が入射すると、微小ミラー 1 7 1が ON (+ 1 0度）状態の時、反射光 1 7 3は投写レンズ 1 6 8に入射し、スクリーン上に画素が表示される。一方、微小ミラ一 1 7 1が OF F (— 10度）状態の時、反射光 1 74は投写レンズ 1 6 8に入射せず、スクリーン上には画素が表示されない。各画素について、 ONZOF Fの切り替えを時間的に制御することで、階調表現が可能になる。

DMD 1 6 7上の各ミラー 1 7 1は、図 1 7 Aに示すように表示領域の短軸 1 7 6に対して方位角 45度の方向に傾斜する。

上記 DMD 1 67が適正に動作し、かつ、集光レンズ 1 6 5や投写レンズ 1 68等の光学部品の機械的な接触や干渉を避けるため、図 1 6 A , 図 1 6 Bに示すように、平面ミラ一 1 66は、集光レンズ 1 65を出射した光の光路を三次元的に折り返し、 DMD 1 67に所定の入射角で入射させるように配置されている。

なお、 DMD 1 6 7の中心軸（DMD 1 6 7の有効部の中心を通る法線） 1 67 aは投写レンズ 1 68の光軸 1 68 aと一致しておらず、ォフセット（シフト）して配置される。従って、投写レンズ 1 6 8は、有効像円のうち、一部の画角のみを使用して D M D 1 6 7上の光学像を投影している。

ところが、図 1 6 A , 図 1 6 Bに示す投写型表示装置は、以下の課題があった。

第 1に、 D M D 1 6 7の中心軸 1 6 7 aと投写レンズ 1 6 8の光軸 1 6 8 aとがオフセッ卜しているため、高さ方向に余分なスペースが必要になり、装置全体の小型化が困難であった。

第 2に、このような装置を用いて背面投写型の表示装置を構成する場合、投写レンズ 1 6 8の光軸 1 6 8 aと投写画像の中心軸とがオフセットするため、筐体に保持される透過型スクリーンの中心軸（スクリーンの有効部の中心を通る法線）も投写レンズ 1 6 8の光軸 1 6 8 aに対してオフセットする必要があった。このため、オフセット量に比例して画角が増大し、投写レンズ 1 6 8が大型化すると同時に、スクリーンを構成しているフレネルレンズへの光線入射角が大きくなる。それ故、スクリーン周辺部のフレアや迷光が増加し、表示画像の品位が低下するという課題があった。

また、画面の最周辺部（4隅）に対する画角がそれぞれ異なるため、解像度や明るさが画面上で不均一になるという課題があった。

それ故、背面投写型表示装置を構成する場合には、投写装置は正面投写（オフセット無し）が好ましい。

これに対して、 D M Dを用いて正面投写を実現した構成が提案されている（例えば、特開 2 0 0 1— 1 6 6 1 1 8号公報参照）。

これは 2つ、或いは 3つのプリズム片からなる T I R ( Total Internal Reflection) プリズムを、投写レンズと D M Dとの間に配置し、各プリズム片の空気ギャップ間で生じる全反射を利用して、正面投写を実現したものである。

しかしながら、 T I Rプリズムの空気ギャップの不均一性によって投写画像に片ポケを生じるため、極めて厳しい精度が必要であった。また、 T I Rプリズムが非常に高価な部品であるため、装置全体のコストアップ要因であった。発明の開示

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、 D M D等の反射型光変調素子を用いて、表示画像の均一性が高く、正面投写が可能な、小型、かつ安価な投写型表示装置、ならびに、これを用いた背面投写型表示装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の投写型表示装置は、光源と、前記光源から放射された光を集光して照明光を形成する照明手段と、前記照明光の光路を折り曲げる反射手段と、前記反射手段により折り曲げられた前記照明光によって照明され、映像信号に応じて光学像を形成する反射型光変調素子と、前記反射型光変調素子上の前記光学像を投影する投写手段と、前記反射型光変調素子の入射光及び出射光の光路上に配置されたレンズ素子とを備え、前記照明手段の光軸と前記投写手段の光軸とがねじれの位置にあり、前記レンズ素子は、前記照明手段の出射瞳と前記投写手段の入射瞳とを略共役にせしめることを特徴とする。また、本発明の背面投写型表示装置は、上記の本発明の投写型表示装置と、前記投写型表示装置が投影する画像を表示する透過型スクリーンと、前記投写型表示装置を内包し前記透過型スクリーンを保持する筐体とを備える。図面の簡単な説明図 1は、本発明の第 1の実施の形態に係る投写型表示装置の構成を示す X— z平面図である。

図 2は、本発明の第 1の実施の形態に係る投写型表示装置の構成を示す X— y平面図である。

図 3は、本発明の第 1の実施の形態に係る投写型表示装置の構成を示す y— z平面図である。

図 4 Aは本発明の第 1の実施の形態に係る投写型表示装置の第 1レンズアレイの正面図、図 4 Bはその側面図である。

図 5 Aは本発明の第 1の実施の形態に係る投写型表示装置の第 2レンズアレイの正面図、図 5 Bはその側面図である。

図 6は、本発明の第 2の実施の形態に係る投写型表示装置の構成を示す X— z平面図である。

図 7は、本発明の第 2の実施の形態に係る投写型表示装置の構成を示す y _ z平面図である。

図 8 Aは、本発明の第 3の実施の形態に係る投写型表示装置の構成を示す X — z平面図である。

図 8 Bは、図 8 Aの 8 B - 8 B線において矢印方向から見た D M Dの正面図である。

図 9は、本発明の第 3の実施の形態に係る投写型表示装置の構成を示す y— z平面図である。

図 1 O Aは、本発明の第 2の実施の形態に係る投写型表示装置の投写レンズの入射瞳の位置と形状を説明するための模式図である。

図 1 0 Bは、本発明の第 3の実施の形態に係る投写型表示装置の投写レンズの入射瞳の位置と形状を説明するための模式図である。

図 1 1 Aは本発明の第 3の実施の形態の投写型表示装置の第 1レンズアレイの正面図、図 1 1 Bは図 1 1 Aの 1 1 B— 1 1 B線での矢視断面図である。

図 1 2 Aは本発明の第 3の実施の形態の投写型表示装置の第 2レンズアレイの正面図、図 1 2 Bは図 1 2 Aの 1 2 B— 1 2 B線での矢視断面図である。

図 1 3は、本発明の第 4の実施の形態に係る投写型表示装置の構成を示す X— z平面図である。

図 1 4 Aは本発明の実施の形態 5に係る背面投写型表示装置の正面透視図、図 1 4 Bはその側面透視図である。

図 1 5は、本発明の実施の形態 6に係る背面投写型表示装置の斜視図である。

図 1 6 Aは空間光変調素子として D M Dを用いた従来の投写型表示装置の構成を示した上面図、図 1 6 Bはその側面図である。

図 1 7 Aは D M Dの概略正面図、図 1 7 Bは D M Dの動作原理を説明する概略側面図である。発明を実施するための最良の形態

本発明の投写型表示装置は、照明手段の光軸と投写手段の光軸とがねじれの位置にあり、レンズ素子は、照明手段の出射瞳と投写手段の入射瞳とを略共役にせしめることにより、反射型光変調素子を用いて、正面投写が可能な、小型で安価な投写型表示装置を実現できる。

本発明において、照明手段の光軸と投写手段の光軸とがねじれの位置にあるとは、両光軸が同一平面上にないこと、すなわち、両光軸が平行でなく、且つ交差もしていないことを意味する。

本発明の上記の投写型表示装置において、前記入射瞳は前記投写手段の光軸に対して偏心していることが好ましい。

このとき、前記投写手段の前記偏心方向の集光角が、これと直交する方向の集光角よりも小さいことが好ましい。

また、前記投写手段は、その光軸の回りに回転することのないフォーカス調整機構を備えることが好ましい。

また、本発明の上記の投写型表示装置において、前記照明手段の光軸及び前記投写手段の光軸の双方と直交する方向から見たとき、前記照明手段の光軸と前記投写手段の光軸との見かけ上の交点が、前記レンズ素子と前記投写手段との間に配置されていることが好ましい。

また、前記反射型光変調素子の光軸と前記投写手段の光軸とがー致していることが好ましい。

また、本発明の上記の投写型表示装置が、更に、第 1の筐体と第 2の筐体とを備え、前記第 1の筐体は、前記照明手段を保持すると共に、前記照明手段から出射する光を通過させるための出射窓を有し、前記第 2 の筐体は、前記反射手段と前記反射型光変調素子と前記レンズ素子と前記投写手段とを保持すると共に、前記照明手段からの光を入射させるための入射窓を有し、前記出射窓と前記入射窓とが結合されていることが好ましい。

このとき、前記出射窓と前記入射窓との間に結合手段を有し、前記結合手段は、光軸或いは光路長を調整するための調整機構を備えることが好ましい。

また、本発明の上記の投写型表示装置において、前記照明手段は、光学ィンテグレ一タ素子を備えることが好ましい。

ここで、前記光学インテグレー夕素子は、 2枚のレンズアレイ板を有し、少なくとも前記光源に近い側のレンズアレイ板を構成する複数のレンズはそれぞれ適切に偏心していることが好ましい。

次に、本発明の第 1の背面投写型表示装置は、上記の本発明の投写型表示装置と、前記投写型表示装置が投影する画像を表示する透過型スクリーンと、前記投写型表示装置を内包し前記透過型スクリーンを保持する筐体とを備える。これにより、明るさや解像度の均一性が高く、高画質な画像を表示することのできる背面投写型表示装置を実現できる。また、本発明の第 2の背面投写型表示装置は、上記の複数の本発明の投写型表示装置と、前記複数の投写型表示装置が投影する画像を表示する透過型スクリーンと、前記複数の投写型表示装置を内包し前記透過型スクリーンを保持する筐体とを備える。これにより、高画質で、画面間の画質差の少ないマルチ画面表示が可能な背面投写型表示装置を実現できる。

前記第 1及び第 2の投写型表示装置は、前記透過型スクリーン側に視野絞りを備えることが好ましい。

以下、本発明の投写型表示装置、及び背面投写型表示装置に関する具体的な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

(実施の形態 1 )

図 1は、本発明の第 1の実施の形態に係る投写型表示装置の構成図である。 1は光源としてのランプ、 8は照明手段、 9は反射手段としての折り返しミラ一、 1 0は反射型光変調素子としての D M D、 1 1はレンズ素子としての平凸レンズ、 1 2は投写手段としての投写レンズであるここで、 x y z直交座標系を図のように定義すると、図 1は、 X — z 平面に関しての構成を示している。同様に、図 2、図 3のそれぞれは、 X— y平面、 y— z平面に関しての構成を示す。

楕円面鏡 2は、ランプ 1の放射光を集光し、長焦点近傍に集光スポットを形成する。 U V— I Rカットフィルタ 3は、ランプ 1の放射光から紫外光、赤外光成分を除去するために用いている。

照明手段 8は、回転型カラーフィル夕 4、コンデンサレンズ 5、第 1 6及び第 2レンズアレイ 7から構成される。

回転型カラ一フィル夕 4は、三原色のカラーフィル夕を円盤状に組み合わせたもので、集光スポットの近傍に配置して回転させることにより、赤、緑、青の光を順次選択的に透過させることができる。

コンデンサレンズ 5は、回転型カラーフィルタ 4を透過した発散光を集光して、効率よく第 1レンズアレイ 6に導く。

第 1レンズアレイ 6及び第 2レンズアレイ 7は、光学ィンテグレ一タ素子である。第 1レンズアレイ 6は、コンデンサレンズ 5で集光した光束を微小光束に分割する。第 2レンズアレイ 7は、各微小光束をそれぞれ拡大して D M D 1 0上で重ね合わせる。これにより、微小光束の積分値として、 D M D 1 0上に均一な照明光束が形成される。

図 4 A，図 4 Bは第 1レンズアレイ 6の正面図及び側面図であり、図 5 A , 図 5 Bは第 2レンズアレイ 7の正面図及び側面図である。第 1レンズアレイ 6は、 D M D 1 0の表示領域とおよそ相似な複数の第 1レンズ 6 aを二次元的に配列して構成される。第 2レンズアレイ 7は、第 1 レンズ 6 aと同形状の第 2レンズ 7 aを二次元的に配列して構成される。第 2レンズ 7 aの各々は、それぞれに対応する第 1レンズ 6 aを通過した微小光束が D M D 1 0上で重なるように、適切に偏心されている。この例では、第 2レンズアレイ 7を構成する第 2レンズ 7 aは、第 1 レンズ 6 aと同形状としているが、これに限定しない。第 1レンズ 6 a の各々を偏' L、させて、互いに異なる開口形状の第 2レンズを組み合わせて構成したものであっても良い。

また、第 2レンズ 7 aを偏心させる代わりに、第 2レンズアレイ 7の出射側近傍に正パワーのレンズを配置して、重畳作用を得る構成としてもよい。

照明手段 8を出射した光は、折り返しミラ一 9により光路を折り曲げられ、平凸レンズ 1 1を通過し、 DMD 1 0に入射する。

折り返しミラー 9は平面ミラーであり、照明手段 8の光軸 8 aと投写レンズ 12の光軸 1 2 aとがねじれの位置となるように配置される。更に、図 1に示すように、照明手段 8の光軸 8 a及び投写レンズ 1 2の光軸 1 2 aの双方と直交する方向（すなわち y軸方向）から見たとき、照明手段 8の光軸 8 aと投写レンズ 1 2の光軸 1 2 aとの見かけ上の交点 Pが、平凸レンズ 1 1と投写レンズ 1 2との間に配置されるように、折り返しミラー 9が配置される。

DMD 1 0上の微小ミラーの傾斜角は土 1 0度であり、この傾斜角を変化させて入射光の反射方向を制御する。この制御を回転型カラーフィル夕 4の回転と同期させ、赤、緑、青の光学像を時間的に重ね合わせることによって、フルカラー画像を表示することができる。

照明光の最大集光角は約 1 0度である。折り返しミラー 9は、照明光が DMD 1 0面に対して方位角（図 2に示したように、 DMD 1 0の法線方向から見たときの、 DMD 1 0の短辺に対する入射光の角度 0 ) 4 5度、入射角 2 0度で入射するように配置されている。

平凸レンズ 1 1は、 DMD 1 0の入射光と出射光とを共有し、 DMD 1 0の中心軸（DMD 1 0の有効部の中心を通る法線） 10 aと投写レンズ 1 2の光軸 1 2 aとが同軸となるように配置され、照明手段 8の出射瞳 8 b (図 1の構成の場合、第 2レンズアレイ 7の出射面）と投写レンズ 1 2の入射瞳 1 2 bとを共役とせしめる。

平凸レンズ 1 1は、出射瞳 8 bを通過した光を DMD 1 0に導くと同時に、 DMD 1 0の〇N状態において反射された光を効率よく入射瞳 1 2 bに導く。

投写レンズ 1 2の F値は 2. 88 (最大集光角 1 0度）であり、 D M D 1 0の ON状態において反射された光をスクリーン（図示せず）上に導き、大画面のフルカラー映像を表示する。

図 1〜図 3に示した本実施の形態の投写型表示装置は、平凸レンズ 1 1のパワー、及び平凸レンズ 1 1と投写レンズ 1 2との間の空気間隔を適切に設定することにより、 T I Rプリズム等の高価な部品を用いることなく、 D M D 1 0と投写レンズ 1 2とを同軸上に配置することができる。

また、照明手段 8の光軸 8 aと投写レンズ 1 2の光軸 1 2 aとがねじれの位置にあることにより、光学部品の機械的な接触や干渉が無く、空間を効率よく利用することができる。

更に、 y軸方向から見たとき、照明手段 8の光軸 8 aと投写レンズ 1 2の光軸 1 2 aとの見かけ上の交点が、平凸レンズ 1 1と投写レンズ 1 2との間に配置されるように、折り返しミラー 9を平凸レンズ 1 1と投写レンズ 1 2との間に適切に配置することにより、装置の小型化が可能になる。

上記構成によれば、反射型光変調素子を用いて、正面投写が可能な、安価かつコンパクトな投写型表示装置を実現することができる。

(実施の形態 2 )

図 6は、本発明の第 2の実施の形態に係る投写型表示装置の構成図である。ここで、 x y z直交座標を図のように定義すると、図 6は、 X— z平面に関しての構成を示している。同様に、図 7は、 y— z平面に関しての構成を示す。

光源 1から投写レンズ 1 2に至るまでの基本的な作用は、実施の形態 1と同様であり、同一の機能を有する部材には同一の符号を付してそれらの説明を割愛する。

実施の形態 1に対する本実施の形態の特徴は、投写レンズ 1 2の入射瞳 1 2 bを光軸 1 2 aに対して偏心させている点である。本実施の形態では、図 7に示すように、入射瞳 1 2 bを DMD 1 0の短軸（y軸）方向に偏心させている。このため、 DMD 1 0上の微小ミラーの傾斜角土 1 0度に対し、照明光の最大入射角を 1 0度、 DMD 1 0面への照明光の入射角を 24. 5度、方位角を 40度としている。

投写レンズ 1 2の F値は 2. 0 (最大集光角 14. 5度）であり、入射瞳 1 2 bの実効 F値は 2. 8 5である。

投写レンズ 1 2は、入射瞳 1 2 bと同様な形状の絞りを内蔵し、入射瞳 1 2 bが偏心しているので光軸 1 2 a回りに回転すること無く投写レンズ 1 2の光軸 1 2 aに沿ってのみ移動可能なフォーカス調整機構を備えている。

入射瞳 1 2 bは、 DMD 1 0の入射光と出射光との成す角度が大きくなる方向に偏心すればよい。これにより、折り返しミラ一 9から平凸レンズ 1 1に向かう照明光と、平凸レンズ 1 1から投写レンズ 1 2に向かぅ投写光との分離角が大きくなり、折り返しミラー 9をより平凸レンズ 1 1に近接して配置することができるので、平凸レンズ 1 1と投写レンズ 1 2との間の空気間隔を小さくすることができ、装置を小型化にできる。

入射瞳 12 bの偏心量が大きいほど、照明光と投写光との分離角は大きくなるが、投写レンズ 1 2に必要な最大集光角も大きくなるため、 F 値の小さな投写レンズが必要になる。それ故に偏心量は、セットサイズ、投写レンズの F値などを検討した上で適切に設定することが望ましい本実施の形態では、照明光の方位角を 40度とし、入射瞳 1 2 bを D MD 1 0の短軸（y軸）方向に偏心させる例を示したが、これに限定されるものではない。しかしながら、照明光の方位角は、 DMD 1 0上の微小ミラーが傾斜する方向（本実施の形態の場合、 DMD 1 0の短軸（ y軸）に対して 4 5度の方向）と D M D 1 0の短軸（y軸）との間に設定する方が好ましい。

図 6〜図 7に示した本実施の形態の投写型表示装置は、平凸レンズ 1 1のパワー、及び平凸レンズ 1 1と投写レンズ 1 2との間の空気間隔を適切に設定することにより、 T I Rプリズム等の高価な部品を用いることなく、 D M D 1 0と投写レンズ 1 2を同軸上に配置することができるまた、照明手段 8の光軸 8 aと投写レンズ 1 2の光軸 1 2 aとがねじれの位置にあることにより、光学部品の機械的な接触や干渉が無く、空間を効率よく利用することができる。

更に、 y軸方向から見たとき、照明手段 8の光軸 8 aと投写レンズ 1 2の光軸 1 2 aとの見かけ上の交点 Pが、平凸レンズ 1 1と投写レンズ 1 2との間に配置されるように、折り返しミラ一 9を平凸レンズ 1 1と投写レンズ 1 2との間に適切に配置することにより、装置の小型化が可能になる。

更に、入射瞳 1 2 bを適切に偏心することにより、平凸レンズ 1 1と投写レンズ 1 2との間隔を小さくすることができる。

上記構成によれば、反射型光変調素子を用いて、正面投写が可能な、安価で、かつ実施の形態 1に示した構成よりも更にコンパクトな投写型表示装置を実現することができる。

(実施の形態 3 )

図 8 Aは、本発明の第 3の実施の形態に係る投写型表示装置の構成図である。ここで、 X y z直交座標を図のように定義すると、図 8 Aは、 X— z平面に関しての構成を示している。同様に、図 9は、 y — z平面に関しての構成を示す。

図 8 Bは、図 8 Aの 8 B - 8 B線において矢印方向から見た D M D 1 0の正面図である。

光源 1から投写レンズ 1 2に至るまでの基本的な作用は、実施の形態 1， 2と同様であり、同一の機能を有する部材には同一の符号を付してそれらの説明を割愛する。

本実施の形態では、実施の形態 2と同様に、図 9に示すように、入射瞳 12 bを DMD 1 0の短軸（y軸）方向に偏心させている。

実施の形態 1に対する本実施の形態の特徴は、投写レンズ 1 2の入射瞳 12 bを光軸 1 2 aに対して偏心させ、同時に、入射瞳 1 2 bにおける偏心方向の集光角がこれとは直交する方向の集光角よりも小さくなるようにしている点である。

図 1 0A，図 1 0 Bは、投写レンズ 1 2の最大集光角の範囲と入射瞳との関係を示す模式図である。図 1 0 Aは、偏心方向 1 00 (y軸方向 ) の集光角とこれに直交する方向（X軸方向）の集光角とが同じ場合（実施の形態 2に相当する）において、入射瞳 1 0 1と、投写レンズ 1 2 に必要な最大集光角の範囲 1 02とを示している。図 1 0 Bは、偏心方向 10 0 (y軸方向）の集光角をこれに直交する方向（X軸方向）の集光角よりも小さくした場合（本実施の形態 3に相当する）において、入射瞳 1 03と、投写レンズ 1 2に必要な最大集光角の範囲 1 04とを示している。いずれも、偏心量と入射瞳の面積（実効 F値、斜線部で示す ) は同じである。

入射瞳 1 03において、偏心方向 1 0 0 (y軸方向）の最大長さを F _v、これに垂直な方向（X軸方向）の最大長さを F_Hとしている。

図 1 OAと図 1 0 Bとの比較から明らかなように、偏心方向 1 00の集光角をこれに直交する方向の集光角よりも小さくすることにより、同 —の実効 F値を有する偏心した入射瞳に対して、投写レンズの最大集光角の範囲を小さくできる。すなわち、最大集光角の小さい（F値の大きレ投写レンズを用いて、同様の性能を実現することができる。

また、偏心方向 1 0 0の集光角を小さくすることにより、折り返しミラ一 9から平凸レンズ 1 1に向かう照明光と平凸レンズ 1 1から投写レンズ 1 2に向かう投写光との干渉が緩和されるので、折り返しミラー 9 をより平凸レンズ 1 1に近接して配置することができ、平凸レンズ 1 1 と投写レンズ 1 2との間の空気間隔を小さくすることができる。

上記入射瞳 1 2 bに整合した照明手段 8の出射瞳 8 bを得るためには、例えば、図 1 1 A，図 1 1 Bに示す形状の第 1レンズアレイ 8 6、及び図 1 2 A , 図 1 2 Bに示す形状の第 2レンズアレイ 8 7を用いればよい。

図 1 1 Aは第 1レンズァレイ 8 6の正面図、図 1 1 Bは図 1 1 Aの 1 1 B— 1 1 B線での矢視断面図であり、第 1レンズアレイ 8 6を構成する各第 1レンズ 8 6 aは、それぞれを通過した光束が第 2レンズアレイ 8 7内の対応する第 2レンズ 8 7 a上に集光されるように偏心させている。

また、図 1 2 Aは第 2レンズアレイ 8 7の正面図、図 1 2 Bは図 1 2 Aの 1 2 B— 1 2 B線での矢視断面図であり、第 2レンズァレイ 8 7を構成する各第 2レンズ 8 7 aは、それぞれに対応する第 1レンズ 8 6 a を通過した光束が D M D 9 0上で重なるように、適切に偏心させている。

第 2レンズアレイ 8 7は、その短軸 8 7 b方向が入射瞳 1 2 bの偏心方向とおよそ一致するように配置され、短軸 8 7 b方向と長軸 8 7 c方向におけるそれぞれの大きさが投写レンズ 1 2の対応する方向における集光角と整合するように設定すれば良い。

本発明における十分な効果を得るためには、以下の式（1 )， ( 2 ) を満足すればよい。 0. 5 XL難 D

· · · ( 1 )

0. 3 f ≤D₂≤ f · · · ( 2)

ここで、 L_DMDは DMD 1 0の有効表示領域の対角長（図 8 B参照）、 Dェは DMD 1 0と平凸レンズ 1 1との間の空気間隔、 D₂は平凸レンズ 1 1と投写レンズ 1 2との間の空気間隔、 f は平凸レンズ 9 1の焦点距離である。

式（ 1 ) において、 Dェが下限値よりも小さくなると、 DMD 1 0と平凸レンズ 1 1との間で発生する不要反射光が増加し、画質に悪影響を及ぼすので好ましくない。また、が上限値よりも大きくなると、平凸レンズ 1 1の有効径が大きくなり、装置の大型化を招くので好ましくない。

また、式（2) において、 D₂が下限値よりも小さくなると、折り返しミラ一 9の配置が困難になるので好ましくない。また、 D₂が上限値より大きくなると、投写レンズ 1 2のバックフォーカスが長くなり、収差補正が困難になる、大型化を招く等の問題が生じるため好ましくない図 1〜図 3に示した実施の形態 1、及び図 6〜図 7に示した実施の形態 2においても、上記式（1)、 (2) を満足することにより、十分な効果を得ることができる。

更に、以下の式（3), (4) を満足すればなお良い。

^ ¹⁷ DMD— ^ i ≥ 2. 5 X σ _DMD · · · 、3ノ

0. 3 5≤ F_v/F„≤ 0. 9 5 · · · (4)

ここで、 _DMDは DMD 1 0上の微小ミラ一の傾斜角、 0 ;は DMD 1 0の中心軸 1 0 aに対する照明光（ここでは、照明手段 8の光軸 8 a に相当する）の入射角、 F_vは入射瞳 1 2 bの偏心方向の最大長さ、 F _Hは入射瞳 1 2 bの偏心方向に直交する方向の最大長さである。式（3) において、 0；が下限値よりも小さくなると、 DMD 1 0への入射光と出射光との分離角が小さくなり、折り返しミラー 9の配置が困難になるので好ましくない。また、 0 ；が上限値よりも大きくなると、投写レンズ 1 2に必要な最大集光角が大きくなり、投写レンズ 1 2の大型化を招くので好ましくない。

また、式（4) において、 F_V/F_Hが下限値よりも小さくなると、投写レンズ 1 2の最大集光角範囲における入射瞳領域（光線が通過する領域）が相対的に小さくなり、無駄が大きくなるので好ましくない。また、 F_VZF_Hが上限値よりも大きくなると、投写レンズ 1 2に必要な最大集光角が大きくなり、投写レンズ 1 2の大型化を招くので好ましくない。

図 6〜図 7に示した実施の形態 2においても、上記式（3) の条件を満足することにより、より十分な効果を得ることができる。

図 8A、図 8 Bに示す構成では、 L_DMD= 2 0. 3 mm, D 1 0 mm、 D₂=4 0mm、 f = 1 0 0mm、 0 _DMD= 1 O度、 = 24 度、 F_vZF_H= 0. 7、としている。また、 DMD 1 0上のミラーは、短軸（y軸）に対して 45度の方向に傾斜する。これに対して、照明光は、 DMD 1 0の短軸に対して 40度の方位角で入射させている。投写レンズ 1 2の F値は 2. 1であり、入射瞳 1 2 bと同様な形状の絞りを内蔵し、入射瞳 1 2 bが偏心しているので光軸 1 2 a回りに回転すること無く投写レンズ 1 2の光軸 1 2 aに沿ってのみ移動可能なフォ一カス調整機構を備えている。

入射瞳 12 bの偏心方向は、照明光の方位角が、 DMD 1 0の短軸方向と微小ミラーが傾斜する方向との間となるように設定するのが好ましい。

図 8A、図 8 B、図 9に示した本実施の形態の投写型表示装置は、平凸レンズ 1 1のパワー、及び平凸レンズ 1 1と投写レンズ 1 2との間の空気間隔を適切に設定することにより、 T I Rプリズム等の高価な部品を用いることなく、 D M D 1 0と投写レンズ 1 2を同軸上に配置することができる。

また、入射瞳 1 2 bを適切に偏心させ、偏心方向の集光角をこれに垂直な方向の集光角よりも小さくすることで、集光角の小さな（F値の大きな）投写レンズ 1 2を用いることができる。同時に、平凸レンズ 1 1 と投写レンズ 1 2との間の空気間隔を小さくすることができる。

上記構成によれば、反射型光変調素子を用いて、正面投写が可能な、安価で、かつ実施の形態 1， 2に示した構成よりも更にコンパクトな投写型表示装置を実現することができる。

(実施の形態 4 )

図 1 3は、本発明の第 4の実施の形態に係る投写型表示装置の構成図である。 1 3 1は第 1の筐体、 1 3 2は第 2の筐体、 1 3 3は第 3の筐体、 1 3 4は結合手段である。光源 1から投写レンズ 1 2に至るまでの基本的な作用は、実施の形態 3と同様であり、同一の機能を有する部材には同一の符号を付してそれらの説明を割愛する。

第 1の筐体 1 3 1は、照明手段 8を保持すると共に、ランプ 1の放射光が入射するための入射窓 1 3 1 aと、照明光を出射させるための出射窓 1 3 1 bとを有する。

第 2の筐体 1 32は、折り返しミラ一 9、 DMD 10、平凸レンズ 1 1、及び投写レンズ 1 2を保持すると共に、照明光が入射するための入射窓 1 32 aを有する。

第 3の筐体 1 3 3は、ランプ 1、凹面鏡 2、 UV— I Rカットフィルタ 3を保持すると共に、ランプ 8 1からの放射光を出射させるための出射窓 1 3 3 aを有する。

結合手段 1 34は、照明光の光軸 8 aが略一致するように、第 1の筐体 1 3 1の出射窓 1 3 1 bと、第 2の筐体 1 32の入射窓 1 32 aとを結合する。結合手段 1 34は、 x、 y、 zの 3方向の調整機構を有する結合手段 1 35は、ランプ 8 1の光軸 1 aと照明光の光軸 8 aとが略一致するように、第 3の筐体 1 33の出射窓 1 3 3 aと、第 1の筐体 1 3 1の入射窓 1 3 1 aとを結合する。結合手段 1 3 5は、 x、 y、 zの 3方向の調整機構を有する。

一般に、投写光学系は、照明光学系よりも高い部品精度が要求される。図 1 3に示した投写型表示装置は、光源部、照明光学系、及び投写光学系を異なる筐体に保持しているため、筐体毎に適切な加工精度や材料を選定できるという利点がある。例えば、第 1の筐体 1 3 1はコストを優先、第 2の筐体 1 3 2は精度を優先、第 3の筐体 1 3 3は耐熱性を優先した材料と加工法を適用すればよい。

また、光学部品を筐体毎に分割してユニット化することで、メンテナンスが容易になるという利点がある。

結合手段 1 34、 1 3 5に調整機構を設けることで、従来必要であつた各光学部品の調整機構が不要になるという利点もある。本実施例では、投写型表示装置を 3つの筐体に分割して構成する例を示したが、第 1の筐体 1 3 1と第 3の筐体 1 3 3とを共通の筐体として構成しても良い。

上記構成によれば、光学部品のメンテナンスが容易で、安価な投写型表示装置を実現することができる。

図 1 3では、実施の形態 3の光学系を備えた投写型表示装置を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば実施の形態 1 , 2の光学系を備えていてもよい。

(実施の形態 5 )

図 1 4 Aは、本発明の実施の形態 5に係る背面投写型表示装置の正面透視図、図 1 4 Bはその側面透視図である。 1 4 1は投写型表示装置、 1 4 2は透過型スクリーン、 1 4 3は筐体である。透過型スクリーン 1 4 2を保持した筐体 1 4 3内に、実施の形態 4に示した投写型表示装置 1 4 1を配置している。

投写型表示装置 1 4 1の投写レンズから出射する光は、折り返しミラ一 1 4 4によって反射され透過型スクリーン 1 4 2に入射する。

透過型スクリーン 1 4 2は、例えば、フレネルレンズとレンチキユラレンズとで構成されている。フレネルレンズの焦点距離は、フレネルレンズから投写レンズに至る光路長とおよそ等しく設定され、入射光を適切に屈折させて、スクリーン 1 4 2前方に透過させる。視聴者は、投写型表示装置 1 4 1が拡大投影した像を、透過型スクリーン 1 4 2を通して観察することができる。

本発明の投写型表示装置 1 4 1を用いているので、フレネルレンズをオフセットする必要が無く、解像度や明るさの均一性が高い、高画質な大画面映像を実現できる。また、装置が小型であるため、筐体全体をコンパクトにすることができる。上記構成によれば、反射型光変調素子を用いて、安価かつコンパクトで高画質表示が可能な背面投写型表示装置を実現することができる。

(実施の形態 6 )

図 1 5は、本発明の実施の形態 6に係る背面投写型表示装置の斜視図である。 1 5 1は投写型表示装置、 1 5 2は透過型スクリーン、 1 5 3 は筐体である。 4枚の透過型スクリーン 1 5 2を保持した筐体 1 5 3内に、スクリーン 1 5 2と同数で対を成す実施の形態 4に示した投写型表示装置 1 5 1を配置している。

複数の投写型表示装置 1 5 1の画像を並べてマルチ画面を表示する場合、各画面間の境界を挟んだ両側の画面の明るさや解像度の差は、小さいほうが好ましい。

本実施の形態では、本発明の投写型表示装置 1 5 1を用いているので、フレネルレンズをオフセットする必要が無く、各画面内の表示画像は、画面中心に対して、回転対称な解像度や明るさ性能を有している。それ故、これを複数並べてマルチ画面を構成する場合、各画面の境界を挟んだ両側の画面の明るさや解像度の差は、画面毎のばらっきを除いて、極めて小さくすることができる利点がある。

上記構成によれば、反射型光変調素子を用いた複数の投写型表示装置を用いて、高画質、かつ画面間の画質差の少ない、マルチ画面表示が可能な背面投写型表示装置を実現することができる。

図 1 4 A , 図 1 4 B、及び図 1 5において、投写型表示装置 1 4 1 , 1 5 1としては、実施の形態 1〜4に示したいずれの投写型表示装置であってもよく、同様の効果を得ることができる。

また、投写レンズの出射側開口部に不要光をカツトするための視野絞りを設けても良い。これにより、コントラストの高い表示画像を実現することができる。なお、上記実施の形態 1〜 4では、照明手段 8に 2枚のレンズアレイを用いた例を示したが、ガラスロッド等の光学インテグレー夕素子を用いても良い。また、光学インテグレ一夕素子の代わりに、コンデンサレンズで照明光を形成するものであってもよい。

また、上記実施の形態 1〜4では、反射手段として平面ミラー 9を用いたが、曲面ミラー（例えば、球面、非球面、自由曲面、放物面など）であっても良い。

上記実施の形態 1〜4では、反射型光変調素子として D M D 1 0を用いたが、偏光や回折等の変化を与えて入射光を空間的に変調できるものであればよい。

上記実施の形態 1〜4では、レンズ素子として平凸レンズ 1 1を用いたが、レンズの凸面は実施の形態で述べた向きに限定するものではない。また、平凸レンズの代わりに、両凸レンズや屈折率分布型レンズなどを用いても良い。

以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。

Claims

請求の範囲

1 . 光源と、

前記光源から放射された光を集光して照明光を形成する照明手段と、前記照明光の光路を折り曲げる反射手段と、

前記反射手段により折り曲げられた前記照明光によって照明され、映像信号に応じて光学像を形成する反射型光変調素子と、

前記反射型光変調素子上の前記光学像を投影する投写手段と、前記反射型光変調素子の入射光及び出射光の光路上に配置されたレンズ素子とを備え、

前記照明手段の光軸と前記投写手段の光軸とがねじれの位置にあり、前記レンズ素子は、前記照明手段の出射瞳と前記投写手段の入射瞳とを略共役にせしめることを特徴とする投写型表示装置。

2 . 前記入射瞳は前記投写手段の光軸に対して偏心している請求項 1 に記載の投写型表示装置。

3 . 前記投写手段の前記偏心方向の集光角が、これと直交する方向の集光角よりも小さい請求項 2に記載の投写型表示装置。

4 . 前記投写手段は、その光軸の回りに回転することのないフォー力ス調整機構を備える請求項 2に記載の投写型表示装置。

5 . 前記照明手段の光軸及び前記投写手段の光軸の双方と直交する方向から見たとき、前記照明手段の光軸と前記投写手段の光軸との見かけ上の交点が、前記レンズ素子と前記投写手段との間に配置されている請求項 1に記載の投写型表示装置。

6 . 前記反射型光変調素子の光軸と前記投写手段の光軸とがー致している請求項 1に記載の投写型表示装置。

7 . 更に、第 1の筐体と第 2の筐体とを備え、前記第 1の筐体は、前記照明手段を保持すると共に、前記照明手段から出射する光を通過させるための出射窓を有し、

前記第 2の筐体は、前記反射手段と前記反射型光変調素子と前記レンズ素子と前記投写手段とを保持すると共に、前記照明手段からの光を入射させるための入射窓を有し、

前記出射窓と前記入射窓とが結合されている請求項 1に記載の投写型

8 . 前記出射窓と前記入射窓との間に結合手段を有し、

前記結合手段は、光軸或いは光路長を調整するための調整機構を備える請求項 7に記載の投写型表示装置。

9 . 前記照明手段は、光学インテグレー夕素子を備える請求項 1に記載の投写型表示装置。

1 0 . 前記光学インテグレ一タ素子は、 2枚のレンズアレイ板を有し、少なくとも前記光源に近い側のレンズアレイ板を構成する複数のレンズはそれぞれ適切に偏心している請求項 9に記載の投写型表示装置。

1 1 . 請求項 1に記載の投写型表示装置と、前記投写型表示装置が投影する画像を表示する透過型スクリーンと、前記投写型表示装置を内包し前記透過型スクリーンを保持する筐体とを備える背面投写型表示装置

1 2 . 請求項 1に記載の複数の投写型表示装置と、前記複数の投写型表示装置が投影する画像を表示する透過型スクリーンと、前記複数の投写型表示装置を内包し前記透過型スクリーンを保持する筐体とを備える背面投写型表示装置。

1 3 . 前記投写型表示装置は、前記透過型スクリーン側に視野絞りを備える請求項 1 1又は 1 2に記載の背面投写型表示装置。