JP2007025287A - プロジェクタ装置及びｄｍｄ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＤＭＤ素子を用いたプロジェクタ装置において、クロスダイクロイックプリズムを利用し、小サイズで光路長（ＤＭＤ素子−投影レンズ間）の短いプロジェクタ装置及びＤＭＤ素子を提供する。
【解決手段】 クロスダイクロイックプリズム１２の２つのクロスダイクロイック面１６の交線方向が水平方向となり、クロスダイクロイック面で分解された各色光の反射方向が垂直方向になるようにクロスダイクロイックプリズム１２を配置し、且つ、ＤＭＤ素子１３の長手方向が該交線方向と一致するように各ＤＭＤ素子１３を配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プロジェクタ装置及びＤＭＤ素子に関する。

プロジェクタ装置として、米テキサスインスツルメンツ社（以下、ＴＩ社）が開発したＤＭＤ素子（Digital Micromirror Device）を用いたＤＬＰ（Digital Light Processing）方式のプロジェクタ装置が知られている。ＤＬＰ方式のプロジェクタ装置は、光ビームをＤＭＤ素子で反射し、投影レンズを介してスクリーンなどに投影する。

ＤＭＤ素子の構成を図９に示す。ＤＭＤ素子１３は、正方形形状でミクロンサイズのミラー（マイクロミラーエレメント）を数十万個マトリクス状に並べた半導体型投射デバイスであり、各ミラーが画素に対応し、光源からの光を反射することで映像を投影する。該ミラーの対角の２点はそれぞれ支柱で支持され、対角線（４５°）を中心に所定の角度（「振れ角」）で振れ動作する。

振れ角は、±１０°あるいは±１２°であり、例えば振れ角が＋１２°のミラーに当たった光は投影レンズを介してスクリーン上に投影され（ライトＯＮ）、振れ角が−１２°のミラーに当たった光はプロジェクタ装置内の光吸収板に吸収される（ライトＯＦＦ）。この振れ角の切り替えは１秒間に数千回と言うハイスピードで行なわれており、このＯＮ／ＯＦＦ比率の調整により濃度調整がなされる。

ＤＭＤ素子を用いたＤＬＰプロジェクタの特徴としては、液晶のように偏光光を用いる必要がないので光利用効率が高い点、反射ミラーであるので光損失が少ない点、輝度の高さや階調再現などのカラー再現性が優れている点、応答速度が速く動画に対応することができる点、などが挙げられる。

このようなＤＬＰ方式のプロジェクタには、用いるＤＭＤ素子が１チップであるタイプ（以下、１チップ方式プロジェクタ）と、用いるＤＭＤ素子が３チップであるタイプ（以下、３チップ方式プロジェクタ）の２タイプがある。

１チップ方式プロジェクタは、光源からの光を光の３原色に分解するカラーホイールを有し、これを利用して時系列的に色分解し、各色光を順番に一つのＤＭＤ素子で反射し、スクリーン上に投影する。従って、スクリーン上には各色で構成される映像が投影されるが、この切り替わりスピードは極めて高速なので、眼の残像現象により切り替わり自体は知覚されず、結果としてフルカラーの映像が見られることになる。

この１チップ方式プロジェクタは、用いるＤＭＤ素子が１つで済むためコスト面で有利となるが、カラーホイールで３色に分解するため、原則的に１／３の光量しか有効利用できず、大画面に対応させるのが困難である。

３チップ方式プロジェクタは、フィリップスタイプスプリズムなどの３色分解プリズムを有し、これを利用して空間的に色分解し、分解された各色光を各色光毎に設けられたＤＭＤ素子で反射し、これを合成してスクリーン上に投影する。この３チップ方式によれば、全部の光量を有効活用することができるので大画面に対応させることができる。

３チップ方式プロジェクタの構成に関する技術としては次のものが知られている。特許文献１では、フィリップスタイプスプリズムから構成されるプロジェクタ装置が提案されている。

また、特許文献２では、図１０に示すようなフィリップスタイプスプリズム２０の前段に全反射型光路分離プリズム１１を設けたプロジェクタ装置が提案されている。この全反射型光路分離プリズム１１を設けることにより、ＤＭＤ素子１３と投影レンズ１４の間の距離を縮めることを可能とし、これにより光利用効率や投影光学系構成の観点で極めて有利なものとなっている。

しかし、３色分離プリズムとしてフィリップスタイプスプリズム２０を用いると、形状が複雑になる、光路が長くなりＤＭＤ素子１３と投影レンズ１４の間の距離の短縮量に限界があるという難点ある。

また、特許文献３、特許文献４では、ＤＭＤ素子に代えて反射型液晶（ＬＣＯＳ）を、全反射型光路分離プリズムに代えて偏光ビームスプリッタを、３色分離プリズムとしてクロスダイクロイックプリズムを用いたプロジェクタ装置が提案されている。クロスダイクロイックプリズムを用いることにより、格段に光路長を短くすることを可能としている。また、プリズム自体のサイズも小さいので、プロジェクタ装置のサイズの小型化をも可能としている。
特開平７−２０９６２１号公報 特表２００３−５０４６９６号公報 特開平１１−１３３５２８号公報 特開２００１−１４２１４１号公報

ここで、ＤＭＤ素子１３と全反射型光分離プリズム１１とクロスダイクロイックプリズム１２とを組み合わせたプロジェクタ装置を想定する。このような構成のプロジェクタ装置において問題となるのが、ＤＭＤ素子への光ビームの入射角である。

ＤＭＤ素子に光ビームを入射させる際には、構成要素であるマイクロミラーエレメントの振れ角に対応させて入射角を斜めにする必要がある。現状のマイクロミラーエレメントの振れ角は１０°あるいは１２°であるので、入射角は２０°、２４°（振れ角の２倍）に設定する必要がある。

この入射角を確保するためにはクロスダイクロイックプリズム１２の所定の大きさが要求される。それゆえ、クロスダイクロイックプリズム１２を特許文献２のＬＣＯＳ液晶プロジェクタ装置のように小さくできず、それどころか実際にレイアウトしてみると、図１１に示すように光路長はフィリップスプリズムを用いた場合（図１０参照）より長くなってしまう。光路長が長くなってしまうと、装置サイズの大型化や、光利用効率の低下などのデメリットが生じてしまう。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、ＤＭＤ素子を用いたプロジェクタ装置において、クロスダイクロイックプリズムを利用し、小サイズで光路長（ＤＭＤ素子−投影レンズ間）が短いプロジェクタ装置及びＤＭＤ素子を提供することを目的とする。

また、もう一つの問題としてＤＭＤ素子の振れ角方向が挙げられる。上述のように、ＤＭＤ素子を構成するマイクロミラーエレメントの振れ角方向はマイクロミラーエレメントの対角線方向である。それゆえ、ＤＭＤ素子を正面から見て４５°方向から光ビームを入射させる必要があるが、このことは光路の複雑化、装置の大型化に大きく寄与している。

ＴＩ社のＤＭＤ／ＤＬＰ技術資料を見る限り、ＤＭＤ素子について４５°以外の振れ角方向を言及していない。この点について、図１２を参照して説明する。なお、なお、図１２は、フィリップスタイプスプリズム２０と光ビームとをスクリーン側から見た図であり、光ビームは完全な平行光としている。

該技術資料によれば、図１２（ａ）に示すように、フィリップスタイプスプリズム２０を斜めに傾けて配置したプロジェクタ構成をとっているが、このような構成では光路が複雑であるばかりでなく画像そのものが斜めになってしまうため、ＤＭＤ素子１３サイズを有効に利用することができず、解像度が低くなってしまう。他方、ＤＭＤ素子１３を水平に配置しようとすれば、図１２（ｂ）に示すようにフィリップスタイプスプリズム２０および全反射型光分離プリズム１１は分厚いものになってしまう。

本発明は、上記問題点にも鑑みてなされたものであり、ＤＭＤ素子の振れ角方向が４５°であるために生じる上記の問題を解決することのできるプロジェクタ装置及びＤＭＤ素子を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、光分離プリズムとクロスダイクロイックプリズムと３つのＤＭＤ素子とから構成される３チップ方式のプロジェクタ装置において、前記クロスダイクロイックプリズムは、２つのクロスダイクロイック面の交線方向が水平方向となるように配置され、前記３つのＤＭＤ素子は、長手方向が前記クロスダイクロイック面の交線方向と一致するように配置されていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のプロジェクタ装置において、前記ＤＭＤ素子にマトリクス状に配列されるマイクロミラーエレメントの振れ角方向が前記ＤＭＤ素子の長手方向と一致していることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、光分離プリズムとクロスダイクロイックプリズムとＤＭＤ素子とから構成される１チップ方式のプロジェクタ装置において、前記ＤＭＤ素子にマトリクス状に配列されるマイクロミラーエレメントの振れ角方向が前記ＤＭＤ素子の長手方向と一致していることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、マイクロミラーエレメントから構成されるＤＭＤ素子において、前記ＤＭＤ素子にマトリクス状に配列される前記マイクロミラーエレメントの振れ角方向が前記ＤＭＤ素子の長手方向と一致していることを特徴とする。

本発明により、クロスダイクロイックプリズムとＤＭＤ素子を用いたプロジェクタ装置において、クロスダイクロイックプリズムのサイズを小さくすることが可能となる。これにより、小型で光路長が短く、簡易な構成のプロジェクタ装置を実現することが可能となる。

以下、本発明について、実施の形態に即して説明する。

＜第１の実施形態＞
まず、本発明のプロジェクタ装置の第１の実施形態について説明する。図１は、本実施形態のプロジェクタ装置の後段部（投影系）の構成を示す。なお、（ａ）はプロジェクタ装置後段部の上面図であり、（ｂ）はプロジェクタ装置後段部の側面図である。

本実施形態のプロジェクタ装置の後段部は、全反射型光分離プリズム１１と、クロスダイクロイックプリズム１２と、ＤＭＤ素子１３（Ｒ，Ｇ，Ｂ）と、投影レンズ１４と、から構成される。本実施形態のプロジェクタ装置は、ＤＭＤ素子１３が各色光毎それぞれ１つづつ計３つ設けられている３チップ方式プロジェクタである。

なお、本実施形態では、ＤＭＤ素子１３として、図９に示す従来ＤＭＤ素子、すなわちマイクロミラーエレメントの振れ角方向が対角線方向（４５°）のＤＭＤ素子を用いている。

なお、プロジェクタ装置の前段部は、光源や光インテグレータ、レンズなどにより構成される。

プロジェクタ装置前段部では、光源から出力された光ビームに対し、光インテグレータによる照度の均一化処理、レンズによる光ビームの平行化などの必要な処理が行われる。この必要処理の施された光ビームは、プロジェクタ装置後段部の全反射型光分離プリズム１１に水平方向（上下方向）に角度を持って入射する。

全反射型光分離プリズム１１に入射した光ビームは、該プリズム１１の全反射面１５で全反射され、クロスダイクロイックプリズム１２へ向かう。

クロスダイクロイックプリズム１２に入射した光ビームは、クロスダイクロイックプリズム１２の２つのクロスダイクロイック面１６において、ＲＧＢ（レッド、グリーン、ブルー）の３原色に分解される。この分解された各色光は、互いに直交する３方向に向かう。

各色に分解された光ビームは、各色光に対応して設けられたＤＭＤ素子１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂに入射する。各ＤＭＤ素子１３は、マイクロミラーエレメントをＯＮ／ＯＦＦ制御することで各色光に対応する画像を形成し、これを反射する。

各ＤＭＤ素子１３で反射された各色光はクロスダイクロイックプリズム１２で再合成され、その後合成され、投影レンズ１４に向かう。そして、投影レンズ１４からスクリーン上に投影され、カラー映像を形成する。

なお、本実施形態のプロジェクタ装置では、クロスダイクロイックプリズム１２の２つのクロスダイクロイック面１６の交線（平面と平面が交わってできる線）の方向が水平方向（横方向）となり、クロスダイクロイック面で分解された各色光の反射方向が垂直方向（上下方向）になるようにクロスダイクロイックプリズム１２を配置している。また、各ＤＭＤ素子１３については、ＤＭＤ素子１３の長手方向（画素長手方向）がクロスダイクロイック面１６の交線方向と一致するように配置している。

上記のようにクロスダイクロイックプリズム１２及び各ＤＭＤ素子１３を配置することにより、ＤＭＤ素子１３の振れ角に対応した入射角を小サイズのクロスダイクロイックプリズム１２で確保することができる。よって、クロスダイクロイックプリズム１２のサイズが小さくなり、プロジェクタ装置の投影系の小型化、プロジェクタ装置自体の小型化を達成することが可能となる。また、ＤＭＤ素子１３から投影レンズ１４までの光路長を短くすることができるので、光利用効率を上昇させることが可能となる。

なお、本実施形態のプロジェクタ装置の構成では、従来のフィリップスタイプスプリズムを用いたプロジェクタ装置と比べて、ＤＭＤ素子１３から投影レンズ１４までの距離（光路長）を約３／４に縮めることができた。参考として、本実施形態のプロジェクタ装置の光路長と従来フィリップスタイプスプリズムを用いたプロジェクタ装置の光路長を比較したものを図２に示す。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明のプロジェクタ装置の第２の実施形態について説明する。本実施形態のプロジェクタ装置は、第１の実施形態のプロジェクタ装置において、従来のＤＭＤ素子１３（図９参照）の代わりに、以下に説明するＤＭＤ素子１７を用いている。

図３に、本実施形態のプロジェクタ装置で用いるＤＭＤ素子１７を示す。ＤＭＤ素子１７は、複数のマイクロミラーエレメントをマトリクス状に配列した構造を持つ。このＤＭＤ素子１７は、マイクロミラーエレメントの振れ角方向を４５°方向ではなく、ＤＭＤ素子１７の長手方向（画素長手方向）としている。すなわち、マイクロミラーエレメントは、対角の２点で支持されるのではなく、ＤＭＤ素子１７の長手方向と平行な２辺の中点で支持される。

なお、ＤＭＤ素子１７の振れ角は従来のＤＭＤ素子と同様に、±１０°あるいは±１２°である。

図４に、本実施形態のプロジェクタ装置、すなわちＤＭＤ素子１７を適用したプロジェクタ装置の後段部を示し、（ａ）はプロジェクタ装置後段部の上面図であり、（ｂ）はプロジェクタ装置後段部の側面図である。なお、ＤＭＤ素子以外の構成は第１の実施形態のプロジェクタ装置のものと同一であるので、重複する構成については説明を省略する。

本実施形態のプロジェクタ装置では図３に示すＤＭＤ素子１７を用いるので、振れ角方向が４５°方向ではなく長手方向となる。また、本実施形態のプロジェクタ装置では、第１の実施形態のプロジェクタ装置と同様に、ＤＭＤ素子１７の長手方向がクロスダイクロイック面の交線方向と一致するようにＤＭＤ素子１７を配置するが、この交線方向は水平方向であるので必然的にＤＭＤ素子１７の振れ角方向は水平方向となる。よって、入射する光ビームは水平方向（水平面内）で処理されることになるので、全反射型光分離プリズム１１に対し水平に光ビームを入射させることが可能となり、全反射型光分離プリズム１１の垂直方向（上下方向）のサイズを小さくすることが可能となる。

図５は、従来ＤＭＤ素子１３と本実施形態に係るＤＭＤ素子１７のマイクロミラーエレメントの振れ角方向と光ビームの関係を示したものであり、図中（ａ）が従来ＤＭＤ素子１３を、（ｂ）が本実施形態に係るＤＭＤ素子１７を示す。この図から、従来ＤＭＤ素子１３では、入射ビームが上下左右全方向に架かるが、本実施形態ＤＭＤ素子１７では上下方向には振れず、水平面内でのみ処理されていることがわかる。

また、本実施形態のプロジェクタ装置では、上述のように光ビームがＤＭＤ素子１７の長手方向である水平方向でしか振れない。なので、ＤＭＤ素子１７の短手方向に対応するクロスダイクロイックプリズム１２の各辺の長さは、ＤＭＤ素子１７の短手方向の長さをカバーできる長さがあれば足りる。よって、クロスダイクロイックプリズム１２のサイズをも小さくすることが可能となり、プロジェクタ装置の投影系の小型化、プロジェクタ装置自体の小型化を達成することが可能となる。また、これにより、ＤＭＤ素子１３から投影レンズ１４までの光路長を短くすることができるので、光利用効率を上昇させることが可能となる。

なお、本実施形態のプロジェクタ装置の構成では、従来のフィリップスタイプスプリズムを用いたプロジェクタ装置と比べて、ＤＭＤ素子１７（１３）から投影レンズ１４までの距離を約１／２に縮めることができた。参考として、本実施形態のプロジェクタ装置の光路長と従来フィリップスタイプスプリズムを用いたプロジェクタ装置の光路長を比較したものを図６に示す。

＜第１／第２の実施形態と従来技術との比較＞
図７は、各プリズム及びＤＭＤ素子からなる投影系（プロジェクタ装置後段部）の構成を立体視したものであり、図中（Ａ）は図１２（ａ）で示される従来技術のプロジェクタ装置の投影系の立体視像、（Ｂ）は図１２の（ｂ）で示される従来技術のプロジェクタ装置の投影系の立体視像、（Ｃ）は第１の実施形態の投影系の立体視像、（Ｄ）は第２の実施形態の投影系の立体視像である。また、図中の矢印は全反射型光分離プリズム１１に入射する光ビーム、ＤＭＤ素子１３で反射して投影レンズに向かう光ビームを示す。

図７から、従来の投影系よりも本実施形態の投影系のほうが、サイズが小さく、光路長が短いことがわかる。また、その構成の複雑さも小さくなっていることがわかる。

＜第３の実施形態＞
次に、本発明のプロジェクタ装置の第３の実施形態について説明する。本実施形態のプロジェクタ装置は、第２の実施形態で用いたＤＭＤ素子１７を１チップ方式のプロジェクタ装置に適用した構成をとる。

図８を参照して具体的に説明する。図８は本実施形態のプロジェクタ装置の後段部（投影系）の構成を示す。なお、図８（ａ）は本実施形態のプロジェクタ装置後段部の上面図であり、（ｂ）はその側面図である。また、（ｃ）は従来ＤＭＤ素子１３を用いた１チップ方式プロジェクタ装置の側面図である。

（ｃ）に示すように、従来のＤＭＤ素子１３を用いた１チップ方式プロジェクタ装置では、水平方向に対して所定の角度を持たせて全反射型光分離プリズム１１に光ビームを入射させなければならないので、光路確保のため該プリズム１１を厚いものにしなくてはならない。これを嫌ってＤＭＤ素子１３を斜めに取り付ければ光路を水平面内に納めることができるが、ＤＭＤ素子の画素マトリックス全体が傾き、有効画素が減り解像度が落ちてしまう。

本実施形態のようにＤＭＤ素子として、マイクロミラーエレメントの振れ角方向をＤＭＤ素子の長手方向（画素長手方向）としたＤＭＤ素子１７を用いると、ＤＭＤ素子を斜め配置せずとも光路を水平面内に収めることが可能となり、全反射型光分離プリズム１１を薄くすることができる。よって、解像度を落とすことなく薄型の１チッププロジェクタ装置を実現することが可能となる。

＜その他の実施形態＞
第１〜第３の実施形態のプロジェクタ装置は、全反射型光分離プリズム１１を省略した構成であってもよい。このような構成であってもプロジェクタ装置としての機能を得ることはできるが、入射光と反射光のなす角度により光源系および投影レンズをプリズムに近づけることが困難なため、短光路化ということではあまり効果がなく、この点では上記実施形態のプロジェクタ装置と比較して不利となる。しかし、部品点数の削減を達成することはできるので、構成の簡易化、コスト低減の観点では有効な構成となる。

＜付記事項＞
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施形態の一例を示すものにすぎず、本発明の実施の形態を限定する趣旨のものではない。よって、本発明は上述の実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形実施を行うことが可能である。例えば、ＤＭＤ素子１７の振れ角は、±１０°あるいは±１２°に限らず他の角度であってもよい。

第１の実施形態のプロジェクタ装置の後段部の構成を示す図である。 第１の実施形態のプロジェクタ装置と従来のプロジェクタ装置の光路長の違いを説明するための図である。 第２の実施形態に係るＤＭＤ素子の構成を説明するための図である。 第２の実施形態のプロジェクタ装置の後段部の構成を示す図である。 第２の実施形態のＤＭＤ素子と従来のＤＭＤ素子の違いを説明するための図である。 第２の実施形態のプロジェクタ装置と従来のプロジェクタ装置の光路長の違いを説明するための図である。 第１、第２の実施形態のプロジェクタ装置の投影系と従来プロジェクタ装置の投影系を立体視した図である。 第３の実施形態のプロジェクタ装置の後段部の構成を示す図である。 従来のＤＭＤ素子の構成を説明するための図である。 特許文献２のプロジェクタ装置の構成を示す図である クロスダイクロイックプリズムを取り付けたプロジェクタ装置を説明するための図である。 従来プロジェクタ装置におけるＤＭＤ素子の振れ角方向の問題について説明するための図である。

符号の説明

１１ 全反射型光分離プリズム
１２ クロスダイクロイックプリズム
１３ ＤＭＤ素子
１４ 投影レンズ
１５ 全反射面
１６ クロスダイクロイック面
１７ ＤＭＤ素子
２０ フィリップスタイプスプリズム

Claims (4)

1. 光分離プリズムとクロスダイクロイックプリズムと３つのＤＭＤ素子とから構成される３チップ方式のプロジェクタ装置において、
   前記クロスダイクロイックプリズムは、２つのクロスダイクロイック面の交線方向が水平方向となるように配置され、
   前記３つのＤＭＤ素子は、長手方向が前記クロスダイクロイック面の交線方向と一致するように配置されていることを特徴とするプロジェクタ装置。
2. 前記ＤＭＤ素子にマトリクス状に配列されるマイクロミラーエレメントの振れ角方向が前記ＤＭＤ素子の長手方向と一致していることを特徴とするプロジェクタ装置。
3. 光分離プリズムとクロスダイクロイックプリズムとＤＭＤ素子とから構成される１チップ方式のプロジェクタ装置において、
   前記ＤＭＤ素子にマトリクス状に配列されるマイクロミラーエレメントの振れ角方向が前記ＤＭＤ素子の長手方向と一致していることを特徴とするプロジェクタ装置。
4. マイクロミラーエレメントから構成されるＤＭＤ素子において、
   前記ＤＭＤ素子にマトリクス状に配列される前記マイクロミラーエレメントの振れ角方向が前記ＤＭＤ素子の長手方向と一致していることを特徴とするＤＭＤ素子。

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