JP2008107844A - 投写型表示装置、リアプロジェクタ及びマルチビジョンシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】反射型ライトバルブにおける入射光の光路と出射光の光路とが重なることを抑制し、小型、高画質の投写画像を得る。
【解決手段】光源1の放射する光を集めて照明光を形成する照明光学系2と、照明光を反射して、光学像を形成する変調光を出射する反射型ライトバルブ6と、反射型ライトバルブの形成した光学像を投影する投写レンズ7と、正パワーのレンズ素子5とを有する。レンズ素子は、一方又は両方の光学界面に複数の突起を有し、反射型ライトバルブと投写レンズとの間に、照明光がレンズ素子を通過して反射型ライトバルブを照明し、又反射型ライトバルブから出射する変調光がレンズ素子を通過して投写レンズに入射するように配置されている。複数の突起は、ピッチが可視帯域波長の1/2以下、高さがピッチの1倍以上となるように形成され、先端部から底部に向かうにつれて徐々に大きくなる軸断面を有している。
【選択図】図3
【解決手段】光源1の放射する光を集めて照明光を形成する照明光学系2と、照明光を反射して、光学像を形成する変調光を出射する反射型ライトバルブ6と、反射型ライトバルブの形成した光学像を投影する投写レンズ7と、正パワーのレンズ素子5とを有する。レンズ素子は、一方又は両方の光学界面に複数の突起を有し、反射型ライトバルブと投写レンズとの間に、照明光がレンズ素子を通過して反射型ライトバルブを照明し、又反射型ライトバルブから出射する変調光がレンズ素子を通過して投写レンズに入射するように配置されている。複数の突起は、ピッチが可視帯域波長の1/2以下、高さがピッチの1倍以上となるように形成され、先端部から底部に向かうにつれて徐々に大きくなる軸断面を有している。
【選択図】図3
Description
本発明は、投写型表示装置、それを用いたリアプロジェクタ及びマルチビジョンシステムに関する。
大画面映像を得る方法として、反射型ライトバルブ上に映像信号に応じた光学像を形成し、その光学像に光を照射して投写レンズによりスクリーン上に拡大投写する方法が従来からよく知られている。この反射型ライトバルブとして、映像信号に応じて光の進行方向を制御することにより光学像を形成する反射型の配光補正素子を用いれば、より光利用効率の高い、高輝度の投写画像を表示できる。
反射型ライトバルブとしては、DMD(Digital Micro Mirror Device)が注目されている。DMDはシリコン基板の上に複数の微小な反射鏡(以下「微小ミラー」という。)を2次元的に配置してなるものであり、各微小ミラーが画素を構成する。各微小ミラーは、画素の対角位置において対角方向に設けられた二つの回転支軸によって、±10度の範囲でシーソーのように可動するよう構成されている。例えば微小ミラーが+10度傾いた状態がON、10度傾いた状態がOFFとされる。DMDは、映像信号に応じて、各微小ミラーを+10度または−10度傾かせることで光線の出射方向を制御し、光学像を形成する。
図17は、従来からのDMDの各画素を構成する微小ミラーの動作状態を示す図である。なお、同図はDMDの各微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されており、反時計方向が微小ミラーの回転正方向となっている。図17において、191から196は微小ミラーであり、各画素を構成している。197は投写レンズの一部を示している。
図17の例では、微小ミラー191、微小ミラー193及び微小ミラー196は反射型ライトバルブ(DMD)の基準面190に対して+10度(反時計方向)傾いており、ON状態となっている。このため微小ミラー191、微小ミラー193及び微小ミラー196で反射された入射光198は投写レンズ197に入射する。
一方、微小ミラー192、微小ミラー194及び微小ミラー195は反射型ライトバルブの基準面190に対して−10度(時計方向)傾いており、OFF状態となっている。このため、微小ミラー192、微小ミラー194及び微小ミラー195で反射された入射光198は投写レンズ197に入射しない。このようなDMDは偏光を利用する液晶パネルに比べ、自然光を利用でき、光利用率が高く、更に応答速度が速いなどの特徴を持っている。
反射型ライトバルブとしてDMDを用いた投写型表示装置の光学系として、特許文献1に構成例が示されている。図18は、従来のDMDを用いた投写型表示装置の概略構成を示す図である。図19は、図18に示すDMDの近傍部分を拡大して示す図である。なお、図18及び図19では、DMDの各微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面が示されている。
最初に、図18を用いて説明する。光源201は、凹面鏡201bとランプ201aとで構成されている。凹面鏡201bは楕円面鏡であり、ガラス製の基材の内面に、赤外光を透過させるが可視光を反射させる光学多層膜を蒸着して形成されている。ランプ201aは、その発光体の中心が凹面鏡201bの第1焦点(図示せず)に位置するように配置されている。
ランプ201aから放射された光は、凹面鏡201bにより反射され、凹面鏡201bの第2焦点(図示せず)に向かい、第2焦点に発光体像を形成する。更に、第2焦点を通過した光は、レンズアレイ202a及び202bを順次通過して複数の光束に分割され、その後、リレーレンズ203に入射して重ね合わされる。レンズアレイ202a及び202bは複数の正パワーのレンズ素子で構成されている。
リレーレンズ203を出射した光は全反射ミラー204によって反射され、フィールドレンズ205を経て全反射プリズム208に入射する。全反射プリズム208は、空気層209を介して配置された2つの単体プリズム208aと208bとで構成されている。207は投写レンズである。
次に、図19を用いて説明する。全反射プリズム208に入射した入射光209a〜209cは単体プリズム208bと空気層209との界面で全反射して反射型ライトバルブ206側へと進行する。反射型ライトバルブ206は映像信号に応じて光の進行方向を制御して光学像を形成する。
反射型ライトバルブ206からの反射光210a〜210cは、反射型ライトバルブ206の表示領域に垂直な主光線を持つ光束として出射され、単体プリズム208b又は208aと空気層209との界面で反射されることなく全反射プリズム208を透過し、投写レンズ207(図18参照)に入射する。これにより、反射型ライトバルブ206上の光学像は投写レンズ207によりスクリーン上に拡大投写される。
このように、図18及び図19に示した投写型表示装置を用いれば、照明光の光路と投写光の光路とが重なるのを防止でき、投写映像の画質の向上を図ることができる。また、投写レンズが大型化するのを抑制できる。
しかしながら、図18及び図19に示した投写型表示装置においては、照明光と投写光を分離するために全反射プリズム208が必要となるため、結局のところコストアップにつながっているという問題がある。また、全反射プリズム208においては、内部に微小な空気層を含んでいるため、その公差により、投写レンズ207の解像特性が大きく左右されるという問題もある。
この問題の解決を図るため、特許文献2には、投写レンズを非テレセントリック系とし、それに応じた照明を発生させる構成が開示されている。
この問題の解決を図るため、特許文献2には、投写レンズを非テレセントリック系とし、それに応じた照明を発生させる構成が開示されている。
図20は、従来の投写レンズを非テレセントリック系とした投写型表示装置の概略構成を示す図である。図21は、図20に示す反射型ライトバルブの近傍部分を拡大して示す図である。なお、図20及び図21において、反射型ライトバルブとしてはDMDが用いられている。図20及び図21は、DMDの各微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。
図20に示すように、光源211は、図18で示した光源と同様にランプ211aと凹面鏡211bとで構成されている。なお、ランプ211a及び凹面鏡211bは、図18で示したランプ201a及び凹面鏡201bと同様のものである。ランプ211aも、その発光体の中心が凹面鏡211bの第1焦点f1に位置するように配置されている。図18の例と同様に、ランプ211aから放射された光は、凹面鏡211bにより反射され、第2焦点f2に発光体像を形成する。第2焦点f2を通過した光はロッドレンズ212に入射し、均一化される。ロッドレンズ212で均一化された照明光は、リレーレンズ213を通過する。
図21に示すように、リレーレンズ213を通過した照明光は、照明光学系の出射瞳217を通過して反射型ライトバルブ214に所定の入射角度で入射する。反射型ライトバルブ214は映像信号に応じて光の進行方向を制御して光学像を形成する。反射型ライトバルブ214への入射光215a〜215cはそれぞれ所定の角度で反射され、反射光216a〜216bは投写レンズの入射瞳218に入射する。
また、図20及び図21に示す投写型表示装置においては、投写レンズ219として非テレセントリック系の投写レンズが用いられている。このため、全反射プリズムを用いることなく、スクリーン上に、反射型ライトバルブ214の形成した光学像を拡大投写することができる。従って、図20及び図21で示した投写型表示装置によれば、図18で示した投写型表示装置よりもコストを下げることができると考えられる。
ところで、反射型ライトバルブ214は、表示領域全体において、微小ミラーの反射面の法線方向が一定となるように構成されているため、図20及び図21に示す投写型表示装置の構成では、反射型ライトバルブ214の光軸と投写レンズの光軸を略一致させると、入射光215a〜215cと反射光216a〜216cの光路が重なってしまう。このため、図20及び図21に示すように、投写レンズ219の光軸を反射型ライトバルブ214の光軸に対してオフセットさせて、入射光215a〜215cと反射光216a〜216cとを分離させている。
しかしながら、上記図20及び図21で示した投写型表示装置においては、投写レンズ219は、その光軸が反射型ライトバルブ214の光軸に対してずれた状態で投影することとなるため、均一照明で、良好な画像を得るには、有効表示領域を拡大する必要がある。この結果、図20及び図21に示した投写型表示装置においては、光学系が大型化し、却ってコストアップになるという問題がある。また、正面投写ができないという問題もある。
さらに、特許文献3には、反射型ライトバルブの表示領域の直前に、投写レンズの一部を構成するコンデンサレンズが配置された投射型表示装置が開示されている。この投写型表示装置では、照明光は、このコンデンサレンズで屈折して反射型ライトバルブに入射し、反射型ライトバルブからの出射光も、このコンデンサレンズで屈折して投写レンズに入射する。また、このレンズは、その光軸を投写レンズの光軸に対して偏芯させて配置されている。
このため、反射型ライトバルブへの入射光の入射角と反射型ライトバルブからの出射光の出射角は、反射型ライトバルブの表示領域の位置に応じて変化し、この入射角及び出射角の変化は、反射型ライトバルブの光軸又は投写レンズの光軸に対して非対称になる。
よって、特許文献3に記載の投写型表示装置でも、反射型ライトバルブへの入射光の光路と反射型ライトバルブからの出射光の光路とが重なるのを抑制できる。また、プリズムを用いる必要がないため、装置の小型化を図ることができる。
しかしながら、特許文献3に記載の投写型表示装置では、反射型ライトバルブの表示領域の直前に配置されたコンデンサレンズを偏芯させており、このコンデンサレンズは投写レンズの一部を構成している。このため、光軸を中心に収差バランスが対称となる画像を得るのは困難であると考えられ、又収差バランスを補正しようとすると、投写レンズのレンズ枚数を増加させる必要があり、投写レンズが複雑化してしまう。
更に、特許文献3に記載の投写型表示装置では、良好な解像度を得るために、反射型ライトバルブを投写レンズの光軸に対して2度から8度傾ける構成としている。しかしながら、「シャインプルーフの定理」によると、この反射型ライトバルブの投写像も投写レンズの光軸に対し傾いてしまうと考えられる。このため、反射型ライトバルブの表示領域が長方形の場合、光軸に垂直な面での投写画像は台形形状となり、良好な表示画像を得るのは困難と言える。なお、シャインプルーフの定理とは、光軸に対して物体が傾斜していると、像は逆方向に傾斜し、これらの傾斜角度は互いに規定できるという定理をいう。
また、特許文献4にも、特許文献3と同様に、反射型ライトバルブの表示領域の直前に正レンズを配置する構成の投写型表示装置が開示されている。この投写型表示装置でも、照明光学系からの照明光は、正レンズを透過するため、屈折してから反射型ライトバルブを照明している。また、ライトバルブからの出射光は、この正レンズで屈折してから投写レンズに入射している。
但し、特許文献4に記載の投写型表示装置では、正レンズの有効領域における一部の領域を照明光の透過に用い、又残りの領域を反射型ライトバルブからの反射光の透過に用いるため、正レンズの光軸を投写レンズ主群の光軸と大きくずらして配置している。
このため、特許文献4に記載の投写型表示装置においても、反射型ライトバルブへの入射光と、反射型ライトバルブとの出射光との光路が重なるのを抑制でき、これらの光路を分離できる。また、プリズムを用いる必要がないため、装置の小型化を図ることができると考えられる。
WO98−29773号公報
特開2000−98272号公報
特開平11−249069号公報
特開2000−39585号公報
しかしながら、特許文献4に開示された投写型表示装置でも、反射型ライトバルブは、その光軸が、投写レンズ主群の光軸に対し5度〜15度の確度をなすように配置されている。よって、投写像の光軸とライトバルブの光軸とが、投写レンズの光軸と平行ではない。
このため、特許文献4に開示された投写型表示装置でも、特許文献3に開示の投写型表示装置と同様に、「シャインプルーフの定理」により投写画像が傾いて台形形状となると考えられるため、良好な画像を得るのは困難であると言える。
また、反射型ライトバルブの表示領域の直前に配置された正レンズは、その光軸がライトバルブの光軸に対して角度をなすように配置されている。更に、投写レンズの中に偏芯レンズを配置する必要がある。このため、特許文献4に開示の投写型表示装置でも、特許文献3に開示の投写型表示装置と同様に、光軸を中心に収差バランスが対称となる画像を得るのは困難であると考えられる。また、収差バランスを補正しようとすると、投写レンズのレンズ枚数を増加させる必要があり、投写レンズが複雑化してしまう。更に、この場合、正レンズを両凸レンズで構成すると、レンズの中心厚が増大してしまうという問題が生じ、又メニスカスレンズで構成すると、十分なパワーを確保するのが困難という問題が生じる。
更に、特許文献4に開示された投写型表示装置では、正レンズに入射した照明光の一部は、この正レンズと空気層との屈折率差により、これらの間の界面で反射する。また、この正レンズとしては、両面が凸面のレンズ、又は投写レンズ側が凸面、反射型ライトバルブ側が凹面のレンズが用いられている。
このため、この界面で反射した反射光は、投写レンズの主群方向に反射されスクリーンに到達する。この界面で反射した反射光は、反射型ライトバルブに入力される映像信号に関係なく恒常的に発生する迷光であり、投写画像におけるコントラストの低下やゴースト像の発生の要因となり、投写画像の品位は著しく低下してしまう。
ところで、一般に、実用上十分な性能を有する反射防止膜は、入射光のうち最低0.5%程度を反射し、最大99.5%程度を透過させる。このため、上記の正レンズの表面にTi02膜、Si02膜等を積層して構成した通常レベルの反射防止膜を形成してやれば、反射光の低減を図ることができると考えられる。しかし、このような多層膜で構成された反射防止膜の形成だけでは、上述のように反射光の低減には限界があり、よって投写画像の高画質化にも限界がある。また、入射光の100%を透過させる反射防止膜を形成できれば良いが、現時点では、このような反射防止膜の形成は事実上不可能である。
本発明の目的は、上記課題を解決し、反射型ライトバルブにおける入射光の光路と出射光の光路との重なりを抑制し、更にレンズ界面における不要な反射光が投写レンズに入射するのを抑制して、小型で、高画質の投写画像を得ることができる投写型表示装置、それを用いたリアプロジェクタ及びマルチビジョンシステムを提供することにある。
上記目的を達成するため本発明にかかる投写型表示装置は、光源の放射する光を集めて照明光を形成する照明光学系と、前記照明光を反射して、光学像を形成する変調光を出射する反射型ライトバルブと、前記反射型ライトバルブの形成した光学像を投影する投写レンズと、正パワーのレンズ素子とを有し、前記レンズ素子は、1枚の平凸レンズで構成され、前記反射型ライトバルブと前記投写レンズとの間に、凸面を前記投写レンズに向けた状態で、前記照明光が前記レンズ素子を通過して前記反射型ライトバルブを照明し、又前記反射型ライトバルブから出射する前記変調光が前記レンズ素子を通過して前記投写レンズに入射するように配置されており、前記複数の突起は、ピッチが可視帯域波長の1/2以下、高さが前記ピッチの1倍以上となるように形成されていることを特徴とする。
上記本発明にかかる投写型表示装置において、前記複数の突起が、先端部から底部に向かうにつれて徐々に大きくなる軸断面を有しているのが好ましい態様である。また、前記投写レンズと前記レンズ素子とが、互いの光軸が一致するように配置され、前記投写レンズは、その光軸に対して偏心した絞りを有し、前記照明光学系は、前記変調光が前記絞りを通過するように配置されているのが好ましい。この場合、前記絞りの偏心方向が、前記照明光学系の光軸から離れる方向であり、前記投写レンズが、その光軸方向への移動のみによって焦点調整を行う手段を有しているのが好ましい。
更に、この場合、前記投写レンズのFナンバをF1、照明光学系から出射し、前記反射型ライトバルブで反射されて前記投写レンズに入射する光の広がり角をθ1、前記反射型ライトバルブの表示領域の中心から出射される主光線と前記投写レンズの光軸とのなす角をαとしたときに、下記式(1)を満たしているのが好ましい。
F1=1/(2sin(θ1十α))・・・・・(1)
また、上記本発明にかかる投写型表示装置においては、前記照明光学系は、複数の部分瞳要素で形成された出射瞳を有し、前記照明光の光束分布が前記反射型ライトバルブで反射されたときに均一となるように構成されているのが好ましい。
F1=1/(2sin(θ1十α))・・・・・(1)
また、上記本発明にかかる投写型表示装置においては、前記照明光学系は、複数の部分瞳要素で形成された出射瞳を有し、前記照明光の光束分布が前記反射型ライトバルブで反射されたときに均一となるように構成されているのが好ましい。
更に、上記本発明にかかる投写型表示装置においては、前記照明光学系の出射瞳と前記投写レンズの入射瞳とが、前記レンズ素子について略共役関係にあり、前記照明光学系の出射瞳を通る光束のうち前記反射型ライトバルブの表示領域で反射される光束の80%以上が、前記レンズ素子を通過して前記投写レンズの入射瞳の有効領域に入射しているのが好ましい。
上記目的を達成するために本発明にかかるリアプロジェクタは、上記いずれかの本発明にかかる投写型表示装置と、前記投写型表示装置から投写された光を反射するミラーと、前記ミラーで反射された光を透過散乱させて表示するスクリーンとを少なくとも有することを特徴とする。
また、上記目的を達成するために本発明にかかるマルチビジョンシステムは、複数の投写システムと、映像信号分割回路とを有し、前記複数の投写システムそれぞれは、上記いずれかの本発明にかかる投写型表示装置と、前記投写型表示装置から投写された光を映し出す透過型スクリーンと、前記投写型表示装置を収納する筐体とで構成されており、前記映像信号分割回路は、画面を複数の領域に分割し、各領域の映像信号を加工して前記投写システムを構成する前記投写型表示装置それぞれに供給することを特徴とする。
本発明によれば、反射型ライトバルブ表示領域の近傍に正パワーのレンズ素子を配置し、照明光学系の出射瞳の虚像を有効表示領域内に形成しないようにすることができる。このため、テレセントリックな光学系においても、投写レンズの入射瞳、照明光学系の出射瞳の有効系を小さくすることができ、入射光と出射光の光路をコンパクトな構成で分離できる。このため、従来使用されていた全反射プリズムスプリッタ等の照明光と投影光とを分離する手段が不用となる。よって、コストダウンを図りつつ、テレセントリックな光学系での正面投写が可能となり、投写面内における画質の均質化を実現できる。
即ち、本発明の投写型表示装置によれば、反射型ライトバルブを用いた、コンパクトで、且つ、高画質の表示光学系を実現する事ができると言える。また、本発明にかかる投写型表示装置は正面投写による均質な画像を確保することができる。更に、プリズムを用いないため、低価格化を図ると同時に、明るくコントラストの良い高画質を得ることができる。
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1にかかる投写型表示装置について、図1、図2を参照しながら説明する。図1は本発明の実施の形態1にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。図2(a)は、図1に示す反射型ライトバルブの近傍部分における照明光と投写光の光路を示す図であり、図2(b)は、図1に示す反射型ライトバルブの近傍部分における正パワーのレンズ素子の光学界面での反射光の振る舞いを示す図である。
以下、本発明の実施の形態1にかかる投写型表示装置について、図1、図2を参照しながら説明する。図1は本発明の実施の形態1にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。図2(a)は、図1に示す反射型ライトバルブの近傍部分における照明光と投写光の光路を示す図であり、図2(b)は、図1に示す反射型ライトバルブの近傍部分における正パワーのレンズ素子の光学界面での反射光の振る舞いを示す図である。
なお、本実施の形態1では、反射型ライトバルブとして、図17で示したDMDが用いられている。また、図1および図2はDMDを構成する微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。微小ミラーの可動範囲は±10度である。
最初に、図1を用いて本実施の形態1にかかる投写型表示装置の構成および動作を説明する。図1に示すように、本実施の形態にかかる投写型表示装置は、光源1と、光源1の放射する光を集めて照明光を形成する照明光学系2と、照明光を反射して、光学像を形成する変調光を出射する反射型ライトバルブ(空間光変調素子)6と、反射型ライトバルブ6の形成した光学像を投影する投写光学系7と、正パワーのレンズ素子5とを少なくとも有している。
また、図1に示すように、正パワーのレンズ素子5は、1枚の平凸レンズで構成されており、反射型ライトバルブ6と投写レンズ7との間に、凸面を投写レンズ7に向けた状態で配置されている。更に、正パワーのレンズ素子5の配置は、照明光がレンズ素子5を通過して反射型ライトバルブ6を照明するように、又反射型ライトバルブ6から出射する変調光がレンズ素子5を通過して投写レンズ7に入射するように行われている。
本実施の形態1では、光源1は、ランプ1aと凹面鏡1bとで構成されており、図18で示した光源201と同様のものである。従って、ランプ1aから放射された光は、凹面鏡1bにより反射され、凹面鏡1bの第2焦点f2に発光体像を形成する。
照明光学系2は、ロッドレンズ3とリレーレンズ系4とで構成されている。凹面鏡1bの第2焦点f2はロッドレンズ3の入射面18と略一致している。ロッドレンズ3に入射した光は、ロッドレンズ3の内面で多重反射を繰り返す。そのため、ロッドレンズ3の入射面18で光量ムラを持っていた光束は、ロッドレンズ3の出射面19においては均一化される。
ロッドレンズ3から出射された光は、リレーレンズ系4に入射し、リレーレンズ系4から反射型ライトバルブ6へと出射される。リレーレンズ系4から出射された光は、正パワーのレンズ素子5を通過し、反射型ライトバルブ6を照明する。
この結果、反射型ライトバルブ6からの出射光は、正パワーのレンズ素子5を通過して投写光学系7に入射し、反射型ライトバルブ6上の光学像がスクリーン上に拡大投写される。なお、ロッドレンズ3の出射面19と反射型ライトバルブ6の表示領域とは、リレーレンズ系4と正パワーのレンズ素子5とを合成してなる光学系において共役関係にある。
次に、図2を用いて本発明の投写型表示装置の原理を説明する。図1の説明で述べたように、照明光学系2の出射瞳8からは、光源1により集光され、照明光学系2により均一化および整形された光束が出射する。即ち、図2(a)及び(b)に示すように、照明光学系2の出射瞳8からは、反射型ライトバルブ6の上部を照明する光束10a、反射型ライトバルブ6の中央部を照明する光束10b、反射型ライトバルブ6の下部を照明する光束10cが出射される。
なお、本明細書でいう「上部」、「中央部」、「下部」とは図中における位置関係を示している。また、図2(a)及び(b)では、光束10a〜10cは、出射瞳8の上端から出射する上光線、出射瞳8の中心から出射する主光線、出射瞳8の下端から出射する下光線といった代表的な光線のみで示している。
光束10a、10b及び10cは、正パワーのレンズ素子5を通過して反射型ライトバルブ6へと入射する。このため、出射瞳8から出射する光線の内、反射型ライトバルブ上部を照明する光束10aは、正パワーのレンズ素子5により屈折し、正パワーのレンズ素子5に入射する前と比べ、正パワーのレンズ素子5の光軸14となす角が小さくなる方向に屈折する。
一方、反射型ライトバルブ6の下部を照明する光束10cは、正パワーのレンズ素子5により、光軸14とのなす角が大きくなる方向に屈折する。よって、正パワーのレンズ素子5を通過した光束10a、10b及び10cは、それぞれ主光線が互いに略並行で、反射型ライトバルブ6の光軸15となす角度が約20度のテレセントリックな照明光となり、反射型ライトバルブ6の表示領域は均一に照明されることとなる。また、各光束の広がり角はいずれも略等しくなる。
また、反射型ライトバルブ6の各微小ミラーはON状態では正パワーのレンズ素子5の光軸14に垂直な面に対して反時計方向に10度傾くように構成されている。よって、照明光がテレセントリックであるので、微小ミラーがON状態の場合、反射型ライトバルブ6からの出射光の光束11a、11b及び11cの主光線は、反射型ライトバルブ6の表示領域のいずれにおいても、反射型ライトバルブ6の光軸15に略平行で、テレセントリックとなる。
反射型ライトバルブ6からの出射光の光束11a、11b及び11cはいずれも正パワーのレンズ素子5を通過し、投写光学系7の入射瞳9に入射する。投写光学系7の入射瞳9に入射した光は投写光学系によってスクリーンに拡大投影される。
ここで、図2(b)に示すように、光束10a、光束10b及び光束10cは正パワーのレンズ素子5を通過して反射型ライトバルブ6へと入射するが、レンズ素子5の光学界面(凸面)20aで一部が反射し、光束21a、光束21b、光束21cを形成する。この光学界面20aによる反射光はライトバルブ表示領域近傍に虚像22を形成し、不要光成分となる。更に、この不要光成分の一部は、投写レンズ7の入射瞳9に入射し、スクリーンに到達すると考えられる。
一方、正パワーのレンズ素子5の光学界面20bは、平面でパワーを持たない面である。このため、照明光学系2の出射瞳8から出射する光束10a、10b及び10cは、反射型ライトバルブ6と光軸が平行である光学界面20bを通過する際には、光学界面20bと空気層との屈折率差に応じて「スネルの法則」に従って屈折する。
この場合、光学界面20bでも光学界面20aと同様に反射が発生するが、光学界面20bは平面であるため、反射光は、界面の法線を基準とした入射光の入射角度と同じ大きさの角度で出射する。更に、照明光学系2の出射瞳8から出射される光束10a、10b及び10cが光学界面20bで略テレセントリックとなるため、光学界面20bで反射して発生した光束も略テレセントリックとなる。
このため、この反射光の各光束の広がり角は相等しく、又反射光の各光束の主光線が界面の法線となす角度は全て同じであり、主光線は略平行となる。この結果、光学界面20bにおける反射光による虚像は、ライトバルブから極めて離れた位置に形成されるので、光学界面20bにおける反射光の一部が投写レンズ7に入射しても、光束の集中によってスクリーン上に表示されたり、ゴースト像が形成されたりすることは無いと言える。
ところで、正パワーのレンズ素子5の凸面(光学界面20a)を反射型ライトバルブ6側に向けた態様や、従来の投写型表示装置のように正パワーのレンズ素子として両面が凸面のレンズを用いた態様が考えられる。しかしながら、このような態様では、反射型ライトバルブ6に入射する照明光の光束10a、10b及び10cは、正パワーのレンズ素子を通過した後に、テレセントリックになる。
即ち、上記の態様では、照明光の光束10a、10b及び10cの主光線は、正パワーのレンズ素子5におけるいずれの光学界面においても互いに略平行にならず、これらの光学界面での反射光は、反射型ライトバルブの近傍に虚像を形成する。このため、上記の態様では、本実施の形態1に比べて、投写レンズ7に入射する不要光成分が多く、その結果、投影画像上にゴースト等が発生し、投写画像の画質が大きく劣化すると言える。
このように、本実施の形態1にかかる投写型表示装置においては、正パワーのレンズ素子5として1枚の平凸レンズを用い、更に、正パワーのレンズ素子5は、その凸面(光学界面20a)を投写レンズ7に向けた状態で、反射型ライトバルブ6と投写レンズ7との間に配置される。このため、本実施の形態1にかかる投写型表示装置を用いれば、従来の投写型表示装置に比べ、投写レンズ7に入射する不要光成分によって投写画像の画質が低下するのを抑制することができる。
また、正パワーのレンズ素子5をこのように配置しているため、正パワーのレンズ素子5の光軸14に対して傾斜した方向から入射する各光束10a、10b及び10cに、比較的バランスよく屈折力が働くこととなる。よって、反射型ライトバルブ6の表示領域の一部に光束が集中することがなく、輝度ムラの発生を抑制できる。
本実施の形態1にかかる投写型表示装置においては、正パワーのレンズ素子5の光学界面(凸面)20aには、極超低反射コート等を施して反射防止膜を形成するのが好ましい態様である。このような態様とすることで、光学界面20aでの反射光の発生をより抑制でき、更にスクリーン上に到達する不要光成分を小さくできるので、よりコントラストの低下しない良好な画像を得ることができる。反射防止膜としては、例えばTi02、Si02などの透明光学薄膜や、これらの積層膜等が挙げられる。
また、本実施の形態1にかかる投写型表示装置では、正パワーのレンズ素子5を用いているため、投写レンズ7としてテレセントリックな光学系を用いても、投写光学系7の入射瞳9と照明光学系2の出射瞳8とを小さくすることができる。更に、プリズムを用いることなく照明光学系2からの入射光の光路と反射型ライトバルブからの出射光の光路とを分離することができる。このため、本実施の形態1にかかる投写型表示装置によれば、装置の小型化を図ることができ、更に正面投写が実現できる。
更に、図1及び図2(a)に示すように、本実施の形態1にかかる投写型表示装置においては、反射型ライトバルブ6の光軸15、投写光学系7の光軸13及び正パワーのレンズ素子5の光軸14は互いに平行であり、これらは一致している。このため、投写光学系に偏芯した要素がなく、投写画像の収差が良好に補正できる。
なお、本明細書でいう「光軸が平行」には、許容できる範囲の誤差を有している場合も含まれる。同様に、「光軸が一致」には完全に一致している場合だけでなく、許容できる範囲の誤差を有している場合も含まれる。
また、光軸13〜15が互いに平行であって、一致するため、反射型ライトバルブ6からの出射光の光束11a、11b及び11cの主光線は、正パワーのレンズ素子5の焦点16を通ることとなる。更に、図1及び図2(a)に示すように、照明光学系2の出射瞳8と投写レンズ7の入射瞳9とは、正パワーのレンズ素子5について共役関係にあり、正パワーのレンズ素子5の焦点面17と投写レンズ7の入射瞳9とは一致する。
このため、本実施の形態にかかる投写型表示装置においては、投写レンズ7で周辺光が通過できずにけられるのを抑制でき、投写画像は最大の明るさを得ることができる。また、正パワーのレンズ素子5における光学界面20a(凸面)の頂点から投写レンズ7の入射瞳9までの距離dは、正パワーのレンズ素子5のバックフォーカスと略一致する。
なお、照明光学系2の出射瞳8と投写光学系7の入射瞳9とは、正パワーのレンズ素子5について共役関係にあるが、ここでいう「共役関係」は、図1及び図2に示すように投写レンズ7の入射瞳9が、正パワーのレンズ素子5の焦点面16と一致している場合だけを言うのではない。正パワーのレンズ素子5と反射型ライトバルブ6により構成される結像系によって、入射瞳9が照明光学系2の出射瞳8の位置に結像される場合をもいう。具体的には、照明光学系2の出射瞳8を通る光束のうち反射型ライトバルブ6で反射される光束の80%以上が、レンズ素子5を通過して投写レンズ7の入射瞳9の有効領域に入射している場合であれば、上記の「共役関係」にあるといえる。
また、図1及び図2(a)に示すように、本実施の形態1においては、照明光学系2は、出射瞳8が正パワーのレンズ素子5の焦点面17の近傍となるように配置されている。照明光学系2をこのように配置することにより、反射型ライトバルブ6に入射する照明光を容易にテレセントリックにでき、更に照明光の損失を抑制することができる。
本実施の形態においては、正パワーのレンズ素子5として焦点距離が40mm〜80mm程度のものを用いるのが好ましい。このような正パワーのレンズ素子5を用いれば、適切なパワーが得られ、照明光学系2の出射瞳8からの光束と反射型ライトバルブ6を出射して投写光学系7の入射瞳9に入射する光束との分離を確実なものとできるからである。なお、正パワーのレンズ素子5の焦点距離は、反射型ライトバルブ6への入射光と反射型ライトバルブ6からの出射光とがなす角度、反射型ライトバルブ6への入射光のFナンバ、反射型ライトバルブ6からの出射光のFナンバにあわせて適宜選択できる。
ところで、上述したように反射型ライトバルブ6がON状態のとき、反射型ライトバルブ6で反射された光(ON光)は投写レンズ7に入射するが、OFF状態のとき、反射された光(OFF光)は光軸15に対して一40度(時計方向)の方向に出射する。このOFF光も同様に正パワーのレンズ素子5に入射するが、ON光と出射方向が異なるため、正パワーのレンズ素子5の焦点面17に近いが、投写レンズ7の入射瞳9とは異なる位置に集光する。このため、投写レンズ7の最終面に近接して絞りを設けた構成とすることで、不要光の入射を極力抑えることができる。
本実施の形態1では、正パワーのレンズ素子5は、屈折率の高い硝材で形成するのが好ましい。この場合、正パワーのレンズ素子5の中心厚を薄くでき、投写型表示装置をより小型化することができる。また、レンズ素子の凸面の曲率半径を大きくしても、強いパワーで入射光を屈折させることができるので、反射光による不要光成分がスクリーン上に到達するのを抑制できる。具体的には、屈折率が1.74以上、1.85以下の材料を用いるのが好ましい。このような材料であれば、硝材コストを押さえつつ、十分な性能を得ることができる。
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2にかかる投写型表示装置について、図3及び図4を参照しながら説明する。図3は、本発明の実施の形態2にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。図4は、図3に示す正パワーのレンズ素子の表面を拡大して示す図である。なお、本実施の形態2でも、反射型ライトバルブとして、図17で示したDMDが用いられている。図3は、DMDを構成する微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。
次に、本発明の実施の形態2にかかる投写型表示装置について、図3及び図4を参照しながら説明する。図3は、本発明の実施の形態2にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。図4は、図3に示す正パワーのレンズ素子の表面を拡大して示す図である。なお、本実施の形態2でも、反射型ライトバルブとして、図17で示したDMDが用いられている。図3は、DMDを構成する微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。
図3に示すように、本実施の形態2にかかる投写型表示装置は、正パワーのレンズ素子35が異なる以外は、実施の形態1にかかる投写型表示装置と同様に構成されている。即ち、光源31、照明光学系32、反射型ライトバルブ36及び投写レンズ37は、実施の形態1で用いられたものと同様のものである。
また、本実施の形態2では、光源31、照明光学系32、正パワーのレンズ素子35、反射型ライトバルブ36及び投写レンズ37は、実施の形態1と同様に配置されている。本実施の形態2においても、反射型ライトバルブ36、投写レンズ37および正パワーのレンズ素子35は、互いの光軸(45、43、44)が平行となり、これらが一致するように配置されている。なお、図3において、38は照明光学系32の出射瞳、39は投写レンズ37の入射瞳、47は正パワーのレンズ素子35の焦点面、46は正パワーのレンズ素子35の焦点である。また、40a〜40cは照明光の光束であり、41a〜41cは反射型ライトバルブ36からの出射光の光束である。
図3に示すように、本実施の形態2においては、正パワーのレンズ素子35は、実施の形態1とは異なり、両凸レンズで構成されている。更に、図4に示すように、正パワーのレンズ素子35の両面には、微細加工技術により、複数の微小な突起42が形成されている。
この突起42のピッチp1は可視帯域波長(照明光の波長)の1/2以下、好ましくは150nm〜250nmに設定するのが良い。また、突起42の高さh1はピッチp1の1倍以上、好ましくは3倍以上に設定するのが良く、具体的には、300nm〜750nmとするのが良い。
なお、図4の例では、突起42は、円錐状に形成されており、軸断面の面積が先端から底部に向かうにつれて徐々に大きくなっているが、本発明はこれに限定されるものではない。突起42は、柱状に形成されていても良く、また突起42の断面は円形以外の多角形であっても良い。
このため、本実施の形態2においては、複数の微少な突起42が形成されたレンズ面が空気層と接することとなり、下記の参考文献に記載のように、正パワーのレンズ素子35に入射した光は、複数の微少な突起42によって、あたかも連続的に屈折率が変化したかのごとく振舞うこととなる。この場合、正パワーのレンズ素子に入射した光は、図2(b)で示したようにレンズ面で反射されること無く、レンズ素子に入射する。よって、本実施の形態2にかかる投写型表示装置によれば、投写レンズ37に入射する不要光成分をゼロにすることができる。
[参考文献]
Hiroshi TOYOTA, Koji TAKAHARA, Masato OKANO, Tsutom YOTSUYA and Hisao KIKUTA “FabricatiOnof MicrocOne Array for AntireflectiOn Structured Surface Using Metal Dotted Pattern"、Jpn. J. Appl. Phyn. Vol. 40 (2001 ) pp. 1747-1749
この結果、照明光学系32からの光束40a、40b及び40cは正パワーのレンズ素子35の各光学界面で反射されること無く、反射型ライトバルブ36に到達し、光学像を照明する。また、反射型ライトバルブ36からの出射した光は、正パワーのレンズ素子35により収束され、投写レンズ37の入射瞳39に入射する。よって、反射型ライトバルブ36上に形成された光学像は投写レンズ37によりスクリーンに拡大投写される。
[参考文献]
Hiroshi TOYOTA, Koji TAKAHARA, Masato OKANO, Tsutom YOTSUYA and Hisao KIKUTA “FabricatiOnof MicrocOne Array for AntireflectiOn Structured Surface Using Metal Dotted Pattern"、Jpn. J. Appl. Phyn. Vol. 40 (2001 ) pp. 1747-1749
この結果、照明光学系32からの光束40a、40b及び40cは正パワーのレンズ素子35の各光学界面で反射されること無く、反射型ライトバルブ36に到達し、光学像を照明する。また、反射型ライトバルブ36からの出射した光は、正パワーのレンズ素子35により収束され、投写レンズ37の入射瞳39に入射する。よって、反射型ライトバルブ36上に形成された光学像は投写レンズ37によりスクリーンに拡大投写される。
なお、本実施の形態2においても、実施の形態1と同様に、正パワーのレンズ素子35として平凸レンズを用いることもでき、凸面を投写レンズ37に向けて配置することができる。この場合は、凸面にのみに複数の微少な突起を設ければ良い。また、複数の微少な突起の形成方法としては、成形面に微少な凹部が複数設けられた金型を用いてレンズ全体と共に形成する方法や、複数の微少な突起が設けられていないレンズのレンズ面にエッチングを施して形成する方法等が挙げられる。
このように本実施の形態2にかかる投写型表示装置を用いれば、実施の形態1にかかる投写型表示装置よりも、更に不要光成分による投写画像の画質の低下を抑制することができる。また、本実施の形態2においても、実施の形態1と同様に、全反射プリズムを用いることなく正面投写を実現することができる。
また、本実施の形態2においても、実施の形態1と同様に、正パワーのレンズ素子35は、屈折率の高い硝材で形成するのが好ましい。具体的には、屈折率が1.74以上、1.85以下の材料を用いるのが好ましい。
(実施の形態3)
次に、本発明の実施の形態3にかかる投写型表示装置について、図5及び図6を参照しながら説明する。図5は、本発明の実施の形態3にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。図6は、図5に示す正パワーのレンズ素子を拡大して示す断面図である。なお、本実施の形態3でも、反射型ライトバルブとして、図17で示したDMDが用いられている。図5は、DMDを構成する微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。
次に、本発明の実施の形態3にかかる投写型表示装置について、図5及び図6を参照しながら説明する。図5は、本発明の実施の形態3にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。図6は、図5に示す正パワーのレンズ素子を拡大して示す断面図である。なお、本実施の形態3でも、反射型ライトバルブとして、図17で示したDMDが用いられている。図5は、DMDを構成する微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。
図5に示すように、本実施の形態3にかかる投写型表示装置も、正パワーのレンズ素子55が異なる以外は、実施の形態1にかかる投写型表示装置と同様に構成されている。即ち、光源51、照明光学系52、反射型ライトバルブ56及び投写レンズ57は、実施の形態1で用いられたものと同様のものである。
また、本実施の形態3では、光源51、照明光学系52、正パワーのレンズ素子55、反射型ライトバルブ56及び投写レンズ57は、実施の形態1と同様に配置されている。本実施の形態3においても、反射型ライトバルブ56、投写レンズ57および正パワーのレンズ素子55は、互いの光軸(65、63、64)が平行となり、これらが一致するように配置されている。なお、図5において、58は照明光学系52の出射瞳、67は正パワーのレンズ素子55の焦点面、66は正パワーのレンズ素子5の焦点である。また、60a〜60cは照明光の光束であり、61a〜61cは反射型ライトバルブ56からの出射光の光束である。
図5及び図6に示すように、本実施の形態3においては、正パワーのレンズ素子55は、実施の形態1とは異なり、平凹レンズ68と平凸レンズ69とを接合して構成されている。また、平凸レンズ69の屈折率は、平凹レンズ68の屈折率よりも大きくなっている。
具体的には、平凹レンズ68は、下記表1に示すように、例えば、硝材A、硝材Bなど、屈折率の比較的低い材料を用いて形成される。一方、平凸レンズ69は、下記表1に示すように、硝材C、硝材D等の屈折率が比較的高い硝材を用いて形成される。なお、表1において「nd」は、硝材A〜硝材Dの屈折率を示し、「νd」は、硝材A〜硝材Dの分散を示している。
この平凹レンズ68と平凸レンズ69とを接合して構成したレンズ素子55も、実施の形態1で用いられるレンズ素子と同様に、全体として正パワーを有している。このため、実施の形態1と同様に、照明光学系52の出射瞳58から出射される光束60a、60b及び60cは、それぞれ主光線が互いに略並行で、反射型ライトバルブ56の光軸65となす角度が約20度のテレセントリックな照明光となる。また、各光束の広がり角はいずれも略等しくなる。
また、反射型ライトバルブ56からの出射光は、正パワーのレンズ素子55により光束が小さくされながら、投写レンズ57の入射瞳59に入射する。投写レンズ57の入射瞳59に入射した光は投写レンズ57によってスクリーンに拡大投影される。
本実施の形態3においては、接合する2枚のレンズの屈折率差が大きいほど接合面のパワーが大きくなる。しかしながら、屈折率差が大きいほど接合面での界面反射が増大し、実施の形態1で述べたと同様の反射による不要光が接合面で発生する。このため、投写レンズ57に入射する不要光成分が多いと、投写画像のコントラストが低下してしまう。
このため、本実施の形態3では、接合面での反射率を低減して不要光の発生を抑制するため、図6(a)に示すように、低屈折率材料で構成された平凹レンズ68の面68bと高屈折率材料で構成された平凸レンズ69の面69aとの間に、平凹レンズ68の屈折率よりも大きく、平凸レンズ69の屈折率よりも小さい屈折率を有する膜が介在した態様としている。
具体的には、平凸レンズ69の面69aに、両者の材料の少なくとも中間の屈折率を有する薄膜70bを蒸着等によって形成し、薄膜70bが形成された平凸レンズ69と平凹レンズ68とを、薄膜70bと平凹レンズ68との中間の屈折率を有する接着材70aによって接合している。図6(a)に示す薄膜70bの例としては、Si02膜、Ti02膜等や、これらの積層膜が挙げられる。
また、本実施の形態3では、図6(b)に示すように、平凹レンズ68の面68bと平凸レンズ69の面69aとの間に、屈折率が平凹レンズ68の屈折率から平凸レンズ69の屈折率まで変化する膜を介在させた態様とすることもできる。
具体的には、屈折率が1.5〜1.85まで連続的に変化する薄膜70bを平凸レンズ69の面69aにスパッタリングによって形成し、この平凸レンズ69と平凹レンズ68とを、平凹レンズ68と同等の屈折率をもつ接着剤70a(例えば、チバ・スペシャル・ケミカルズ社製「アラルダイトAY103」等)によって接合している。
図6(b)に示す薄膜70bの例としては、高い屈折率を有する膜と、中間の屈折率を有する膜と、低い屈折率を有する膜との積層膜が挙げられる。高い屈折率を有する膜としては、Nb2O5膜、Sb2O5膜、Ta2O5膜等や、これらの積層膜が挙げられる。中間の屈折率を有する膜としては、Si02膜、Ti02膜等や、これらの積層膜が挙げられる。また、低い屈折率を有する膜としては、MgF2膜、LiF膜、BaF2膜等や、これらの積層膜が挙げられる。
このような図6(a)及び(b)に示す態様とすることにより、平凹レンズ68と平凸レンズ69との接合面での界面反射はほぼ零に抑制することができるで、反射光による不要光の発生を抑制した正パワーのレンズ素子を得ることができる。
本実施の形態3においても、照明光学系52の出射瞳58からの光束60a、60b及び60cは、凹レンズ68の面68aに入射し、一部は面68aで反射する。しかし、面68aは凹面であり、光束60a、60b及び60cの各主光線は互いに平行ではない。従って、面68aの曲率半径を適切に設定することにより、光束60a、60b及び60cの面68aでの反射光がライトバルブ56の有効表示領域上に虚像を形成するのを抑制できる。また、反射型ライトバルブ56からの出射光の光束61a、61b及び61cが、互いに略平行に出射するためには、面68aは凹面であることが必要である。
ところで、平凹レンズ68の凹面(面68a)の曲率半径が小さいほど、光束60a、60b及び60cの反射光に含まれる各種光線の反射角度が大きくなり、反射光の投写レンズ57に入射する成分は少なくなる。しかし、面68aの曲率半径が小さくなると、正パワーのレンズ素子55全体のパワーを確保するためには、接合面となる面68b及び面69aの曲率半径を小さくするか、平凹レンズ68と平凸レンズ69との屈折率差を大きくする必要がある。
ところが、レンズ間の屈折率差は、実用上世の中に存在する透明ガラス材料を用いた場合は最大0.45程度であり、それ以上大きくすることはできない。また、接合面となる面68b及び面69aの曲率半径を小さくしようとすると、レンズ加工上、中心厚を厚くする必要があり、投写レンズのバックフォーカスが長くなってしまう。従って、これらの理由から、平凹レンズ68の凹面(面68a)の曲率半径は、面68aにおける反射光が形成する虚像がライトバルブ56の有効表示領域外に形成される範囲で最大の曲率半径を選択するとよい。
このように、正パワーのレンズ素子55として、平凹レンズ68と平凸レンズ69との接合レンズを用いれば、不要反射光の入射を抑制しつつ、正パワーのレンズとして適切なパワーを得ることができる。更に、照明光学系52の出射瞳58からの光束と、反射型ライトバルブ56から出射されて投写レンズ57の入射瞳59に入射する光束との分離を確実なものとできる。
また、上記の効果を高める点から、本実施の形態3においては、正パワーのレンズ素子55として焦点距離が40mm〜80mm程度のものを用いるのが好ましい。なお、正パワーのレンズ素子55の焦点距離は、反射型ライトバルブ56への入射光とそれからの出射光とがなす角度、反射型ライトバルブ56への入射光のFナンバ、それからの出射光のFナンバにあわせて適宜選択できる。
このように本実施の形態3にかかる投写型表示装置を用いれば、実施の形態1にかかる投写型表示装置よりも、更に不要光成分による投写画像の画質の低下を抑制することができる。また、本実施の形態3においても、実施の形態1と同様に、全反射プリズムを用いることなく正面投写を実現することができる。
(実施の形態4)
次に、本発明の実施の形態4にかかる投写型表示装置について、図7及び図8を参照しながら説明する。図7は、本発明の実施の形態4にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。図8(a)は、図7に示す反射型ライトバルブの近傍部分における照明光と投写光の光路を示す図であり、図8(b)は、図7に示す反射型ライトバルブの近傍部分における正パワーのレンズ素子の光学界面での反射光の振る舞いを示す図である。
次に、本発明の実施の形態4にかかる投写型表示装置について、図7及び図8を参照しながら説明する。図7は、本発明の実施の形態4にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。図8(a)は、図7に示す反射型ライトバルブの近傍部分における照明光と投写光の光路を示す図であり、図8(b)は、図7に示す反射型ライトバルブの近傍部分における正パワーのレンズ素子の光学界面での反射光の振る舞いを示す図である。
なお、本実施の形態4でも、反射型ライトバルブとして、図17で示したDMDが用いられている。図7および図8は、DMDを構成する微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。また、微小ミラーの可動範囲は±10度である。
最初に図7を用いて本実施の形態4における投写型表示装置の構成および動作を説明する。本実施の形態4にかかる投写型表示装置は、以下の点で実施の形態1にかかる投写型表示装置と異なっている。図7に示すように、反射型ライトバルブ76と正パワーのレンズ素子75とは互いの光軸(85、84)を平行にした状態で、光軸(85、84)間に距離d1を設けて配置されている。また、距離d1は、レンズ素子75の光学界面88で反射する照明光の不要光成分のうち投写レンズ77に入射する光が、反射型ライトバルブから出射される変調光の有効光成分と分離されるように設定されている。
更に、本実施の形態4では、正パワーのレンズ素子75は、実施の形態1で示したレンズ素子と同様の形状を有しているが、有効径や屈折率の点で異なっている。また、投写レンズ77のスクリーン側に遮光部73を有している。
上記の点以外の点では、本実施の形態4にかかる投写型表示装置は、実施の形態1にかかる投写型表示装置と同様に構成されている。即ち、正パワーのレンズ素子75の配置は、照明光がレンズ素子75を通過して反射型ライトバルブ76を照明するように、又反射型ライトバルブ76から出射する変調光がレンズ素子75を通過して投写レンズ77に入射するように行われている。
また、光源71、照明光学系72、反射型ライトバルブ76及び投写レンズ77は、実施の形態1で用いられたものと同様のものである。更に、正パワーのレンズ素子75と投写レンズ77とは、互いの光軸(84、83)が平行となり、これらが一致するように配置されている。照明光学系72の出射瞳78と投写レンズ77の入射瞳79とは、正パワーのレンズ素子75について共役関係にある。なお、図7において、87は正パワーのレンズ素子75の焦点面、86は正パワーのレンズ素子75の焦点である。
このような構成により、本実施の形態4にかかる投写型表示装置においても、実施の形態1と同様に、反射型ライトバルブ76からの出射光が正パワーのレンズ素子75を通過して投写レンズ77に入射することにより、反射型ライトバルブ76上の光学像がスクリーン上に拡大投写される。
次に、図8を用いて本発明の投写型表示装置の原理を説明する。照明光学系72の出射瞳78からは、実施の形態1と同様に、光源71により集光され、照明光学系72により均一化および整形された光束が出射する。即ち、図8(a)に示すように、照明光学系72の出射瞳78からは、反射型ライトバルブ76の上部を照明する光束80a、反射型ライトバルブ76の中央部を照明する光束80b、反射型ライトバルブ76の下部を照明する光束80cが出射される。
光束80a、80b及び80cは、正パワーのレンズ素子75を通過して反射型ライトバルブ76へと入射する。このため、出射瞳78から出射する光線の内、反射型ライトバルブ上部を照明する光束80aは、正パワーのレンズ素子75により屈折し、正パワーのレンズ素子75に入射する前と比べ、正パワーのレンズ素子75の光軸84となす角が小さくなる方向に屈折する。
一方、反射型ライトバルブ76の下部を照明する光束80cは、正パワーのレンズ素子75により、光軸84とのなす角が大きくなる方向に屈折する。このように、実施の形態1と同様に、正パワーのレンズ素子75を通過した光束80a、光束80b及び光束80cはそれぞれ主光線が互いに略並行で、反射型ライトバルブ76の光軸85となす角度が約20度のテレセントリックな照明光となる。また、各光束の広がり角はいずれも略等しくなる。
このとき、図8(b)に示すように、実施の形態1と同様に、照明光学系72の出射瞳78からの光束80a、80b及び80cの一部は、正パワーのレンズ素子75の光学界面88で反射され、光束90a、90b及び90cが発生し、投写レンズ77の方向に進行する。これらの光束は、反射型ライトバルブ76の近傍に虚像82を形成する不要光である。
しかしながら、本実施の形態4では、上述したように反射型ライトバルブ76と正パワーのレンズ素子75とは、互いの光軸(85、84)が距離d1だけ離れるように配置されている。また、距離d1は、上述したように、光学界面88で発生した光束90a、90b及び90cのうち投写レンズ77に入射する光が、反射型ライトバルブ76から出射される変調光の有効光成分と分離されるように設定されている。
このため、本実施の形態4によれば、虚像82は、反射型ライトバルブ76の有効表示領域以外に形成されることとなり、よって、スクリーンの表示領域上における不要光の発生を抑制できるので、画質の優れた投写画像を得ることができる。
なお、反射型ライトバルブ76の光軸85と正パワーのレンズ素子75の光軸84との距離d1の設定においては、反射型ライトバルブ76の有効表示領域の大きさ、照明光学系72の出射瞳78の大きさや形状、虚像82の強度分布等を加味して行なわれる。
具体的には、距離d1の設定は、以下のようにして行なうことができる。例えば、反射型ライトバルブ76が矩形の表示領域を有しており、この矩形のいずれかの辺と平行に距離d1が設けられるのであるならば、距離d1はこの辺の長さの1/4以上、1/2以下とするのが好ましい。この場合、投写レンズ77の有効像円を著しく大きくすること無く、又光軸を互いにチルトさせること無く、適切なパワーで、照明光学系72の出射瞳78からの光束と、反射型ライトバルブ76から出射されて投写レンズ77の入射瞳79に入射する光束との分離を確実なものとしつつ、不要光の発生を抑制できる。
また、本実施の形態4においては、上述したように、投写レンズ77のスクリーン側に遮光部73を有している。このため、投写レンズ77に入射した不要光を遮光することができる。なお、遮光部73は、不要光を適切に遮蔽できるのであれば、投写レンズ77からスクリーンまでの間のいずれに配置してもよい。
図7の例では、不要光は投写レンズ77から出射する光束のうちの一部であるため、遮光部73の形状は、不要光の通過する領域のみを遮蔽する形状となっている。但し、遮光部73の形状は特に限定されるものではなく、例えば、開口部を有した枠状や環状等であっても良い。
この場合、遮光部73の開口部は、反射型ライトバルブ76から出射して投写レンズ77に入射する光束のうち、本来の映像の表示に必要な有効光束のみが、スクリーン(図示せず)に到達するように設ければ良い。
また、この場合、遮光部73を投写レンズ77のスクリーン側に配置するのであれば、一般にここでの光束はスクリーンの有効表示領域とほぼ相似形であるため、開口部もスクリーンの有効表示領域とほぼ相似形となるように形成するのが好ましい。
本実施の形態4においては、虚像82が形成される面と反射型ライトバルブ76の表示面とが略一致した態様とするのが好ましい。この態様とすれば、表示領域中の虚像82と重なる領域を最も小さくでき、又正パワーのレンズ素子75の光軸84と反射型ライトバルブ76の光軸85との距離d1を小さくできる。更に、この態様とすれば、投写レンズ77の有効像円を小さくできる。
また、本実施の形態4においては、正パワーのレンズ素子75として焦点距離が50mm〜120mm程度のものを用いるのが好ましい。このような正パワーのレンズ素子75を用いれば、適切なパワーが得られ、照明光学系72の出射瞳78からの光束と反射型ライトバルブ76から出射して投写レンズ77の入射瞳79に入射する光束との分離を確実なものとできるからである。
なお、正パワーのレンズ素子75の焦点距離は、反射型ライトバルブ76への入射光とそれからの出射光とがなす角度、反射型ライトバルブ76への入射光のFナンバ、それからの出射光のFナンバにあわせて適宜選択できる。
また、本実施の形態4では、上述したように、レンズ素子75として、実施の形態1で用いられたレンズ素子よりも有効径が大きいレンズ素子が用いられている。これは、距離d1が設定されているため、正パワーのレンズ素子75における照明光の光束が通過する領域と反射型ライトバルブ76から出射される光束が通過する領域とを合わせた有効領域が広がるからである。
ところで、1枚の平凸レンズで正パワーのレンズ素子75を構成し、有効径を大きくしようとすると、コバ厚を確保するために、厚い中心厚が必要になる。従って、本実施の形態4においても、実施の形態1と同様に、正パワーのレンズ素子75は屈折率の高い硝材で形成するのが好ましい。具体的には、屈折率が1.74以上、1.85以下の材料を用いるのが好ましい。
このように本実施の形態4にかかる投写型表示装置を用いれば、実施の形態1にかかる投写型表示装置よりも、更に不要光成分による投写画像の画質の低下を抑制することができる。また、本実施の形態4においても、実施の形態1と同様に、全反射プリズムを用いることなく正面投写を実現することができる。
(実施の形態5)
次に、本発明の実施の形態5にかかる投写型表示装置について、図9及び図10を参照しながら説明する。図9は、本発明の実施の形態5にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。図10は、図9に示す反射型ライトバルブの近傍部分を拡大して示す図である。なお、本実施の形態5でも、反射型ライトバルブとして、図17で示したDMDが用いられている。図9及び図10は、DMDを構成する微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。
次に、本発明の実施の形態5にかかる投写型表示装置について、図9及び図10を参照しながら説明する。図9は、本発明の実施の形態5にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。図10は、図9に示す反射型ライトバルブの近傍部分を拡大して示す図である。なお、本実施の形態5でも、反射型ライトバルブとして、図17で示したDMDが用いられている。図9及び図10は、DMDを構成する微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。
最初に、図9を用いて本実施の形態5にかかる投写型表示装置の構成および動作を説明する。本実施の形態5にかかる投写型表示装置は、以下の点で実施の形態1にかかる投写型表示装置と異なっている。図9に示すように、レンズ素子95と反射型ライトバルブ96との光軸方向における距離d2は、レンズ素子95の光学界面で反射する照明光の不要光成分のうち投写レンズ97に入射する光が、反射型ライトバルブ96から出射される変調光の有効光成分と分離されるように設定されている。
また、本実施の形態5にかかる投写型表示装置は、投写レンズ97のスクリーン側に遮光部120を有している。更に、本実施の形態5にかかる投写型表示装置は、カラーホイール121を有しており、照明光学系92の構成が実施の形態1と異なっている。
上記の点以外の点では、本実施の形態5にかかる投写型表示装置は、実施の形態1にかかる投写型表示装置と同様に構成されている。即ち、光源91と、正パワーのレンズ素子95、反射型ライトバルブ96及び投写レンズ97は、実施の形態1で用いられたものと同様のものである。
また、反射型ライトバルブ96、投写レンズ97および正パワーのレンズ素子95は、実施の形態1と同様に配置されており、互いの光軸(105、103、104)は平行、且つ、一致している。更に、実施の形態1と同様に、照明光学系92の出射瞳98と投写レンズ97の入射瞳99とは、正パワーのレンズ素子95について共役関係にある。なお、図9において、107は正パワーのレンズ素子95の焦点面、106は正パワーのレンズ素子95の焦点である。
本実施の形態5においては、照明光学系92は、照明光学系92は、コンデンサレンズ122と、第1のレンズアレイ123と、第2のレンズアレイ124と、リレーレンズ125とを順に配置して構成されている。
本実施の形態5において、カラーホイール121は、光源91からの光が集光する凹面鏡1bの第2焦点f2に配置されている。カラーホイール121は、円周上にR(赤)、G(緑)、B(青)の3色のフィルタを順に並べて構成されており、その一部を光が通過する。カラーホイール121にはモータなどの原動機(図示せず)が取り付けられており、カラーホイール121は軸126を中心にして高速で回転するよう構成されている。そのため、通過光は順次R、G、Bに切り替わる。カラーホイール121を通過した光は凹面鏡1bの第2焦点f2に焦点を持つコンデンサレンズ122により略平行光に変換される。
変換された略平行光は第1のレンズアレイ123に入射する。第1のレンズアレイ123は複数の正パワーのレンズ素子で構成されており、この複数の正パワーのレンズ素子はそれぞれ反射型ライトバルブ96の表示領域の形状に略相似形の開口を有している。また、第2のレンズアレイ124も第1のレンズアレイ123と同様に複数の正パワーのレンズ素子で構成されている。よって、第1のレンズアレイ123に入射した略平行光は、第1のレンズアレイ123を構成する複数のレンズ素子によって分割され、該レンズ素子に対応する第2のレンズアレイ124を構成する各レンズ素子に発光体像を形成する。
第2のレンズアレイ124を構成する各レンズ素子から出射した光線は、リレーレンズ125、反射型ライトバルブ96近傍の正パワーのレンズ素子95を順に通過し、反射型ライトバルブ96を照明する。このとき、第2のレンズアレイ124の各レンズ素子から出射した光線は反射型ライトバルブ96の表示領域で重ね合わされる。なお、照明光学系92の出射瞳98は第2のレンズアレイ124の略近傍であって、リレーレンズ125中にある。
反射型ライトバルブ96から出射した光線は、正パワーのレンズ素子95により収束され、投写レンズ97の入射瞳99に入射する。よって、反射型ライトバルブ96上に形成された光学像は投写レンズ97によりスクリーンに拡大投写される。
次に、図10を用いて、本実施の形態5の不要光成分と有効光成分の分離の原理を説明する。照明光学系92の出射瞳98からは、光源91により集光され、照明光学系92により均一化および整形された光束が出射し、反射型ライトバルブ96の上部を照明する光束100a、反射型ライトバルブ96の中央部を照明する光束100b、反射型ライトバルブ96の下部を照明する光束100cが出射される。
このとき、図10に示すように、図10中の照明光学系92の出射瞳98からの光束100a、100b及び100cの一部は、正パワーのレンズ素子95の光学界面102で反射され、光束119a、119b、119cが発生し、投写レンズ97の方向に進行する。これらの光束は、反射型ライトバルブ96の近傍に虚像112を形成する不要光である。
しかしながら、本実施の形態5では、上述したように、レンズ素子95と反射型ライトバルブ96との距離d2は、レンズ素子95の光学界面102で発生した光束119a、119b及び119cのうち投写レンズ97に入射する光が、反射型ライトバルブ96から出射される変調光の有効光成分と分離されるように設定されている。このため、スクリーンの表示領域上における不要光の発生を抑制でき、画質の優れた投写画像を得ることができる。
ここで、距離d2の設定について説明する。距離d2を徐々に大きしていくと、照明光の光束100a、100b及び光束100cがレンズ素子95を通過する位置は図中下方向にシフトする。更にこれに伴い、反射光の光束119a、119b及び119cが正パワーのレンズ素子95で反射する位置も図中下方向にシフトする。
この場合、光束119a、119b及び119cのうち投写レンズ97に入射する光は、反射型ライトバルブ96から出射される変調光の有効光成分と徐々に分離され、虚像112も、相対的に図中下方向に反射型ライトバルブ96の光軸105から遠ざかるように移動する。
このことから、距離d2は、虚像112が反射型ライトバルブ76の有効表示領域以外に形成されるように設定するのが好ましく、この場合、上述したスクリーンの表示領域上における不要光の発生をより抑制することができ、より優れた画質の投写画像を得ることができる。
また、本実施の形態5においても、上述したように、投写レンズ97のスクリーン側に遮光部120を有している。このため、投写レンズ97に入射した不要光を遮光することができる。遮光部120は実施の形態4で示したものと同様のものである。
本実施の形態5においては、照明光学系92の出射瞳98から正パワーのレンズ素子95までの距離と、正パワーのレンズ素子95の焦点距離を適切に選択することで、虚像112が形成される面と、反射型ライトバルブ96の表示面とを略一致させることができる。この場合、表示領域中の虚像112と重なる領域を最も小さくでき、又正パワーのレンズ素子95と反射型ライトバルブ96との距離d2を小さくできるので、投写レンズ97のバックフォーカスを短縮し、小型化を図ることができる。
ところで、本実施の形態5においては、距離d2を設定しているため、反射型ライトバルブ96からの出射光の光束は、実施の形態1に比べて大きくなる。このため、本実施の形態5においても、正パワーのレンズ素子の有効径を大きくするのが好ましい態様である。また、実施の形態4で述べたように、正パワーのレンズ素子95を1枚の平凸レンズで構成しようとすると、コバ厚を確保するために、厚い中心厚が必要になる。従って、本実施の形態5においても、実施の形態1と同様に、正パワーのレンズ素子95は屈折率の高い硝材で形成するのが好ましい。具体的には、屈折率が1.74以上、1.85以下の材料を用いるのが好ましい。
このように本実施の形態5にかかる投写型表示装置を用いれば、実施の形態1にかかる投写型表示装置よりも、更に不要光成分による投写画像の画質の低下を抑制することができる。また、本実施の形態5においても、実施の形態1と同様に、全反射プリズムを用いることなく正面投写を実現することができる。
(実施の形態6)
次に、本発明の実施の形態6にかかる投写型表示装置について、図11〜図13を参照しながら説明する。図11は、本発明の実施の形態6にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。図12は、図11に示す投写型表示装置を構成する投写レンズの入射瞳を示している。なお、本実施の形態6でも、反射型ライトバルブとして、図17で示したDMDが用いられている。図11は、DMDを構成する微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。
次に、本発明の実施の形態6にかかる投写型表示装置について、図11〜図13を参照しながら説明する。図11は、本発明の実施の形態6にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。図12は、図11に示す投写型表示装置を構成する投写レンズの入射瞳を示している。なお、本実施の形態6でも、反射型ライトバルブとして、図17で示したDMDが用いられている。図11は、DMDを構成する微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。
最初に、図11を用いて本実施の形態6にかかる投写型表示装置の構成および動作を説明する。図11に示すように、本実施の形態6にかかる投写型表示装置は、投写レンズ97のスクリーン側に遮光部120が設けられておらず、代わりに絞りが設けられている点で、実施の形態5にかかる投写型表示装置と異なっている。それ以外の点では、本実施の形態6にかかる投写型表示装置は、実施の形態5にかかる投写型表示装置と同様である。なお、図11において図9と同じ符号が付された部分は、図9で示されたものと同様のものである。
本実施の形態6にかかる投写型表示装置においては、図12に示すように投写レンズ97の入射瞳99に、投写レンズ97の光軸103に対して偏心した絞り138が設けられている。また、後述するように第2の絞り(図示せず)も設けられている。127は有効領域である。このため、反射型ライトバルブ96で反射される照明光のうち光学像を構成するもの(変調光の有効光成分)のみが絞り138を通過する。この点について図13を用いて説明する。
図13は、図11に示す反射型ライトバルブの表示領域の中心部分における光束の振る舞いを示す図である。図13では、反射型ライトバルブを構成する微小ミラーのうち表示領域の中心にあるもののみが図示されている。また、図13は、DMDを構成する微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。図13において、96aはON状態の微小ミラー、96bはOFF状態の微小ミラーであり、投写レンズ97については入射瞳99のみが示されている。
図13に示すように、照明光学系の光軸128と反射型ライトバルブ96の光軸105(投写レンズ97の光軸103)とがなす角をβ、ON状態の微小ミラーの法線129と反射型ライトバルブ96の光軸105とがなす角をγとする。このとき、反射型ライトバルブ96がON状態のときに出射される光束の主光線132と反射型ライトバルブ96の光軸105とのなす角αは下記式(2)であらわされる。
α=β−2γ・・・・・(2)
一方、反射型ライトバルブ96がOff状態のときに出射される光束139の主光線133と反射型ライトバルブの光軸105(投写レンズ97の光軸103)とがなす角をδとすると、δは下記式(3)であらわされる。このOFF状態のときに出射される光束は不要光となる。
δ=4γ+α・・・・・(3)
投写画像の画質を向上するためには、不要光が投写レンズ97の入射瞳99に入射してレンズの内部に迷光を発生させたり、不要光がスクリーンに到達したりしないようにすることが必要である。従って、上記式(3)より、角度αを0以上とすれば、δが大きくなり、反射型ライトバルブ96がOFF状態の時に出射される光束は、角度αが0の時に光束140の位置にあったものが光束139の位置へとシフトする。よって、主光線133は投写レンズの入射瞳99から遠くなり、上記の不要光が入射瞳99に入射するのを抑制できる。
α=β−2γ・・・・・(2)
一方、反射型ライトバルブ96がOff状態のときに出射される光束139の主光線133と反射型ライトバルブの光軸105(投写レンズ97の光軸103)とがなす角をδとすると、δは下記式(3)であらわされる。このOFF状態のときに出射される光束は不要光となる。
δ=4γ+α・・・・・(3)
投写画像の画質を向上するためには、不要光が投写レンズ97の入射瞳99に入射してレンズの内部に迷光を発生させたり、不要光がスクリーンに到達したりしないようにすることが必要である。従って、上記式(3)より、角度αを0以上とすれば、δが大きくなり、反射型ライトバルブ96がOFF状態の時に出射される光束は、角度αが0の時に光束140の位置にあったものが光束139の位置へとシフトする。よって、主光線133は投写レンズの入射瞳99から遠くなり、上記の不要光が入射瞳99に入射するのを抑制できる。
また、反射型ライトバルブ96がON状態のときに出射される光束の主光線132と反射型ライトバルブの光軸105とが一致するとき、即ちαが0度の場合の有効領域は点線で示す130である。しかし、主光線132が傾くと(α>0)と有効領域は図中上方向にシフトし、この場合の有効領域は図12でも示した127となる。よって、本実施の態様においては、投写レンズの入射瞳99のうち、有効領域127以外の領域は、不要光が通過しないよう絞り138を設けて遮光している。
また、反射型ライトバルブの表面に設けられた透明基板で反射される光も不要光となるが、この不要光の主光線134と反射型ライトバルブの光軸105(投写レンズ97の光軸103)とがなす角もβとなる。よって、角度αを0度以上とすることで、この不要光の主光線134と反射型ライトバルブの光軸105(投写レンズ97の光軸103)とがなす角βも大きくなり、この不要光が投写レンズの入射瞳99に入射するのも抑制できる。
ところで、反射型ライトバルブ96の表示領域(図示せず)には、微少ミラー、駆動用信号線及び画素電極等で構成された画素が周期的に形成されている。投写画像の高精細化が進むにつれ、反射型ライトバルブ96上の有効画素数も増大する。このため、反射型ライトバルブ96のサイズが大型化しない限り、反射型ライトバルブ96上の画素(微小ミラー)の大きさは小さくなり、画素のピッチも小さくなる。
また、一般に、反射型ライトバルブのサイズを小さくすることで、反射型ライトバルブ及びそれを用いた光学系のコストを低減することができるので、反射型ライトバルブは小型化するのが好ましいと言える。従って、画素の大きさ及びピッチは今後より小さくなる可能性が高いと考えられる。
ここで、図17に示すような反射型ライトバルブのような周期的な構造を有する物体に光が入射した場合を考える。一般に、微細な周期構造をもつ物体に光が入射すると、周期構造をもつ物体は回折格子として機能し、0次光、1次光、2次光、・・・の回折光が発生する。回折格子が反射面で形成される場合には、反射光が回折光になる。回折光は次数に合わせて離散的に強度分布を持って発生し、各次数の回折光は下記式(4)を満たす。なお、下記式(4)において、θは入射光が光軸となす角、θ´は出射光が光軸となす角、nは整数で回折次数、λは波長、d3は周期構造のピッチを示す。
(nλ)/d3=sinθ−sinθ´・・・・・(4)
従って、図17に示すような反射型ライトバルブでは、反射型ライトバルブの透明基板で反射されて発生する不要光は、主光線134を中心として軸135a及び135bの方向に角度θ1の広がり角を有する光束136として出射されると共に、上記した微細な周期構造によって発生する回折光としても出射される。この回折光のうち、0次光の外側に発生する1次光の光束は、光束136の最外周に位置する軸135a及び135bに対し、離散的に出射するが、重畳されて、θ1よりおおきな広がり角を有する光束137として出射する。
(nλ)/d3=sinθ−sinθ´・・・・・(4)
従って、図17に示すような反射型ライトバルブでは、反射型ライトバルブの透明基板で反射されて発生する不要光は、主光線134を中心として軸135a及び135bの方向に角度θ1の広がり角を有する光束136として出射されると共に、上記した微細な周期構造によって発生する回折光としても出射される。この回折光のうち、0次光の外側に発生する1次光の光束は、光束136の最外周に位置する軸135a及び135bに対し、離散的に出射するが、重畳されて、θ1よりおおきな広がり角を有する光束137として出射する。
ところで、上記の回折光において強度の最も強い光は、1次の回折光である。1次の回折光は、入射光に対し、下記式(5)で表される角度φの広がり角を持って出射される。
sinφ=λ/d・・・・・(5)
従って、透明基板で反射されて発生する光束137は、上記式(5)より、光束136の広がり角θ1を含む角度(θ1+φ)の角度で出射する。
sinφ=λ/d・・・・・(5)
従って、透明基板で反射されて発生する光束137は、上記式(5)より、光束136の広がり角θ1を含む角度(θ1+φ)の角度で出射する。
一方、図13から分かるように、βは下記式(6)の関係も満たす。なお、θ1は上述したように反射型ライトバルブ96で反射されて投写レンズに入射する光の広がり角である。
β=2θ1+α・・・・・(6)
従って、図13に示すように、反射型ライトバルブ96から出射される変調光の有効光成分(ON光)の一部が不要光の光束137と重なってしまい、不要光の光束137の一部が有効領域127を通過してしまう。このため、本実施の形態6においては、図13に示すように第2の絞り131を設けて有効領域127の一部を遮光し、光束137の一部が通過しない構成としている。また、第2の絞り131は、その最も光軸105側の端部と微小ミラー96aとを結ぶ線の光軸105に対する角度が(θ3−φ)又は(θ1+α−φ)となるように、光束137の外形に沿って形成するのが好ましい。
β=2θ1+α・・・・・(6)
従って、図13に示すように、反射型ライトバルブ96から出射される変調光の有効光成分(ON光)の一部が不要光の光束137と重なってしまい、不要光の光束137の一部が有効領域127を通過してしまう。このため、本実施の形態6においては、図13に示すように第2の絞り131を設けて有効領域127の一部を遮光し、光束137の一部が通過しない構成としている。また、第2の絞り131は、その最も光軸105側の端部と微小ミラー96aとを結ぶ線の光軸105に対する角度が(θ3−φ)又は(θ1+α−φ)となるように、光束137の外形に沿って形成するのが好ましい。
また、本実施の形態6においては、入射瞳99は図13で示すように有効領域127を包含する必要がある。よって、投写レンズのFナンバF1は、下記式(1)を満たすものであるのが好ましい。
F1=1/(2sin(θ1十α))・・・・・(1)
例えば、反射型ライトバルブの画素ピッチが14μm程度である場合、1次回折光は光束136に対して約2.4度(φ=2.4度)広がり角を大きくした範囲で発生する。従って、投写レンズの有効入射瞳(有効領域127)は光軸103に対して2.4度より大きい角度(α)で偏心させるのが好ましい。また、この場合、微小ミラー(96a、96b)の傾き角が±10度であるとすると、投写レンズのFナンバF1は、偏芯の無い場合の約3に対し、上記式(1)より約2.4となる。
F1=1/(2sin(θ1十α))・・・・・(1)
例えば、反射型ライトバルブの画素ピッチが14μm程度である場合、1次回折光は光束136に対して約2.4度(φ=2.4度)広がり角を大きくした範囲で発生する。従って、投写レンズの有効入射瞳(有効領域127)は光軸103に対して2.4度より大きい角度(α)で偏心させるのが好ましい。また、この場合、微小ミラー(96a、96b)の傾き角が±10度であるとすると、投写レンズのFナンバF1は、偏芯の無い場合の約3に対し、上記式(1)より約2.4となる。
このように本実施の形態6にかかる投写型表示装置においては、投写レンズの入射瞳99に偏心した絞り138と第2の絞り131とを設け、反射型ライトバルブからの画像を構成する光束がこれらの絞りを通過するように構成されている。即ち、本実施の形態6においては、反射型ライトバルブがON状態のときに出射される光束の主光線132と反射型ライトバルブの光軸105とのなす角αは0度より大きく設定されている。
よって、本実施の形態6にかかる投写型表示装置を用いれば、Off光や透明基板で反射された光等の不要光が投写レンズの入射瞳99に入射するのを抑制でき、投写画像の画質の向上を図ることができる。なお、本実施の形態では絞り138は円形を呈しているが、本実施の形態においてはこれに限定されるものではなく、例えば楕円形を呈するものであっても良い。
このように本実施の形態6にかかる投写型表示装置を用いれば、実施の形態1にかかる投写型表示装置よりも、更に不要光成分による投写画像の画質の低下を抑制することができる。また、本実施の形態6においても、実施の形態1と同様に、全反射プリズムを用いることなく正面投写を実現することができる。
また、このように投写レンズには偏心した絞り138や第2の絞り131が設けられているため、絞りが設けられているレンズまたはレンズ群を回転させ、この回転によって前後に焦点調整を行うのは好ましくない。従って、本実施の形態6においては、投写レンズの焦点調整手段としては、レンズ群を回転させることなく光軸方向への移動のみによって焦点調整を行うものが好ましく、特には投写レンズを構成するレンズ群のうち前群のみを移動させて焦点調整を行うものが好ましい。
具体的には、前進ヘリコイドを用いた焦点調整手段が挙げられる。なお、偏芯した絞りが設けられていないレンズ群のみを回転させて焦点調整を行うのであれば、このような焦点調整手段を用いるのも好ましい態様である。
また、本実施の形態6においても、実施の形態5と同様に、正パワーのレンズ素子95は、屈折率の高い硝材で構成しているのが好ましい。具体的には、屈折率が1.74以上、1.85以下の材料を用いるのが好ましい。
(実施の形態7)
次に本発明の実施の形態7にかかる投写型表示装置について、図14を参照しながら説明する。図14は、本発明の実施の形態7にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。なお、本実施の形態7でも、反射型ライトバルブとして、図17で示したDMDが用いられている。図14はDMDを構成する微小ミラーの回転軸に垂直に切断してなる断面で示されている。
次に本発明の実施の形態7にかかる投写型表示装置について、図14を参照しながら説明する。図14は、本発明の実施の形態7にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。なお、本実施の形態7でも、反射型ライトバルブとして、図17で示したDMDが用いられている。図14はDMDを構成する微小ミラーの回転軸に垂直に切断してなる断面で示されている。
図14に示すように、本実施の形態7にかかる投写型表示装置は、照明光学系の142の構成が異なる以外は、実施の形態6と同様に構成されている。即ち、光源141と、正パワーのレンズ素子145反射型ライトバルブ146及び投写レンズ147は実施の形態6と同様のものであり、これらは実施の形態6と同様に配置されている。
本実施の形態7においては、照明光学系142は、コンデンサレンズ160と、光束を分割するレンズアレイ164と、複数の光ファイバー166を束ねて構成されたライトガイド165と、リレーレンズ167とを順に配置して構成されている。
このため、カラーホイール121を通過し、コンデンサレンズ160によって変換された略平行光は、レンズアレイ164を通過して、ライトガイド165を構成する各光ファイバー166に入射する。各光ファイバー166に入射した光は、ファイバー内部で反射を繰り返した後、出射する。
ところで、実施の形態1〜実施の形態5に示す投写型表示装置では、照明光学系の各要素(例えば照明光学系2のリレーレンズ系4など)は照明光学系の光軸に垂直である。しかし、照明光学系は、その光軸が、正パワーのレンズの光軸及び反射型ライトバルブの光軸に対し傾斜するように配置されている。このため、「シャインプルーフの定理」から反射型ライトバルブ上に到達する照明光の形状が菱形や台形等の矩形を傾けた形状となる可能性がある。この場合、反射型ライトバルブから出射する光は図中上から下に向けて光束密度が高くなり、光束分布が不均一となる。
さらに、反射型ライトバルブ146から出射された光の光束151a、151b及び151cが正パワーのレンズ素子145を通過すると、これらには屈折が発生するが、屈折方向および屈折力は反射型ライトバルブ146の表示領域のどの部分で反射されたかによって異なる。このため、投写レンズ147の入射瞳149においても図中上から下に向けて光束密度が高くなり、光束分布が不均一となる可能性がある。
このような光束分布の不均一が生じると、照明光学系142の出射瞳148における一部の領域と投写レンズ147の入射瞳149における一部の領域とは、正パワーのレンズについて、共役関係が保てなくなり、投写画像の明るさが不均一となる可能性がある。
このため、本実施の形態7においては、上述したように、ライトガイド165を用いて照明光学系142を構成している。ライトガイド165は複数の光ファイバー166を束ねて構成され、照明光学系142の出射瞳148は2次元状に配置された複数の光ファイバー166の出射光で構成される。よって、照明光学系142の出射瞳148は複数の部分瞳要素を有することとなり、出射瞳148の形状は複数の部分瞳要素の結合した面形状となる。なお、本実施の形態においてこの面は自由曲面であっても良い。
更に、図14に示すように複数の光ファイバー166はライトガイド165の入射面165aにおいて均等に配列され、出射面165bにおいて不均等に配列されている。図14の例では、出射面165bにおいて光ファイバー166の密度は図中上から下に向けて低くなっている。このため照明光学系142から出射する照明光の光束分布は、出射された時点では不均一であるが、反射型ライトバルブで反射されたときに均一となる。即ち、「シャインプルーフの定理」から反射型ライトバルブ146上に到達する照明光の形状が矩形を傾けた形状となるのが抑制される。
よって、投写レンズ147の入射瞳149の全域又は略全域と照明光学系142の出射瞳148の全域又は略全域とは良好な共役関係を満たすようになり、照明光学系142の出射瞳148から出射する照明光は、投写光学系147の入射瞳149を最大限通過する。
本実施の形態7では、投写レンズ147の入射瞳149と照明光学系142の出射瞳148とは正パワーのレンズ素子145について共役関係にあるよう配置されている。従って、「シャインプルーフの定理」より、照明光学系142の出射瞳148の光束分布を適切に制御することで、投写レンズ147の入射瞳149上の光束分布を均一にすることができ、均一な明るさの投写画像を得ることができる。
なお、本実施の形態では、照明光学系142は、ライトガイド165を用いた態様に限定されるものではない。照明光学系142は、ライトガイド165の代わりに、複数の正パワーのレンズ素子で構成されたレンズアレイが複数枚配置された構成であっても良い。この構成では、レンズアレイを構成する正パワーのレンズ素子として焦点距離がそれぞれ異なるものを用いることで、照明光学系から出射する照明光の光束分布を適切に制御できる。よって、この態様においても反射型ライトバルブで反射された照明光の光束分布を均一なものとすることができる。また、本実施の形態7で示した照明光学系142は、他の実施の形態にかかる投写型表示装置の照明光学系として用いることもできる。
また、本実施の形態7においても、投写レンズ147に実施の形態6で示した構成と同様の絞り(図13中に示す絞り138及び第2の絞り131)が設けられている。このため、照明光学系142は、反射型ライトバルブ146で反射される照明光のうち光学像を構成するものが、これら絞りを通過するように配置する必要がある。またこの場合、投写レンズのFナンバは実施の形態6と同様に上記式(1)を満たしているのが好ましい。
また、本実施の形態7においても、実施の形態5と同様に、正パワーのレンズ素子145は、屈折率の高い硝材で形成するのが好ましい。具体的には、屈折率が1.74以上、1.85以下の材料を用いるのが好ましい。
本発明の投写型表示装置においては、反射型ライトバルブを複数枚用いることもできる。なお、この場合は、各反射型ライトバルブに単色光を入射させるための色分離光学系と、各反射型ライトバルブから出射する光を合成する色合成光学系とを設ける必要がある。
また、本発明の投写型表示装置においては、反射型ライトバルブの各画素を構成する微小ミラーの可動範囲は±10度に限定されるものではない。本発明においては、微小ミラーの可動範囲は、使用される反射型ライトバルブの特性に応じ、最適な光出力と高いコントラストが得られるように設定すれば良い。
更に、本発明の投写型表示装置においては、反射型ライトバルブの各画素は稼動する微小ミラーで構成された態様に限定されるものではない。本発明の投写型表示装置においては、反射型ライトバルブは、光の入射方向と出射方向が異なるものであって、出射方向を制御できるものであれば良い。
(実施の形態8)
図15は、本発明のリアプロジェクタの一例を示す構成図である。図15に示すように、リアプロジェックタは、実施の形態1から実施の形態7のいずれかに示した投写型表示装置170と、投写型表示装置170から投写された光を反射するミラー171と、ミラー171で反射された光を透過散乱させて表示するスクリーン172と、これらを収容する筐体173とで構成される。
図15は、本発明のリアプロジェクタの一例を示す構成図である。図15に示すように、リアプロジェックタは、実施の形態1から実施の形態7のいずれかに示した投写型表示装置170と、投写型表示装置170から投写された光を反射するミラー171と、ミラー171で反射された光を透過散乱させて表示するスクリーン172と、これらを収容する筐体173とで構成される。
このように、図15に示すリアプロジェクタでは、実施の形態1から実施の形態7のいずれかで示した投写型表示装置を用いるため、小型化及び低コスト化を図ることができ、又画質の良好な投写画像を表示することができる。
(実施の形態9)
図16は、本発明のマルチビジョンシステムの一例を示す構成図である。図16に示すように、マルチビジョンシステムは、複数の投写システムと、映像信号分割回路189とを有している。各投写システムは、実施の形態1から実施の形態7のいずれかで示した投写型表示装置(180〜182)と、透過型スクリーン(183〜185)と、筐体(186〜188)とで構成されている。
図16は、本発明のマルチビジョンシステムの一例を示す構成図である。図16に示すように、マルチビジョンシステムは、複数の投写システムと、映像信号分割回路189とを有している。各投写システムは、実施の形態1から実施の形態7のいずれかで示した投写型表示装置(180〜182)と、透過型スクリーン(183〜185)と、筐体(186〜188)とで構成されている。
映像信号分割回路189は、画面を複数の領域に分割し、各領域の映像信号を加工して、各投写システムを構成する投写型表示装置180、181及び182に供給する。このため、投写型表示装置180、181及び182から投写されるそれぞれの映像は、それぞれに対応する透過型スクリーン183、184及び185に結像され、全体として1枚の画像を構成する。このように本実施の形態のマルチビジョンシステムによれば、大画面でありながら、奥行きの短いコンパクトなセットが実現できる。
また、透過型スクリーン183〜185のうちの2つで全体として一つの画像を表示し、残りの一つに別の画像を表示しても良い。また、視覚効果を得るために、各透過型スクリーンに同じ画像を表示しても良い。更に、多様な情報を1度に提供するため、各透過型スクリーンに別々のコンテンツを表示するようにして良い。
投写型表示装置180、181及び182は、各筐体内に取り付けられたセンサにより、点灯開始時の光出力及び色再現性に応じて、映像分割回路189によって分配された信号の輝度や色度、彩度等の色情報を加工する態様としても良い。この場合、投写型表示装置180、181及び投写型表示装置182から別々に投写される画像であっても、一つの画面として均一性の高い表示が実現できる。
本発明は、反射型ライトバルブにおける入射光の光路と出射光の光路との重なりを抑制し、更にレンズ界面における不要な反射光が投写レンズに入射するのを抑制して、小型で、高画質の投写画像を得ることができ、投写型表示装置、それを用いたリアプロジェクタ及びマルチビジョンシステムに有用である。
1、31、51、71、91、141 光源
1a ランプ
1b 凹面鏡
2、32、52、72、92、142 照明光学系
3 ロッドレンズ
4 リレーレンズ系
5、35、55、75、95、145 正パワーのレンズ素子
6、36、56、76、96、146 反射型ライトバルブ
7、37、57、77、97、147 投写レンズ
8、38、58、78、98、148 照明光学系の出射瞳
9、39、59、79、99、149 投写レンズの入射瞳9
10a〜10c、40a〜40c、60a〜60c、80a〜80c、100a〜100c、150a〜150c 照明光の光束
11a〜11c、41a〜41c、61a〜61c、101a〜101c、151a〜151c 反射型ライトバルブからの出射光の光束
13、43、63、83、103、153 投写レンズの光軸
14、44、64、84、104、154 正パワーのレンズ素子の光軸
15、45、65、85、105、155 反射型ライトバルブの光軸
16、46、66、86、106、156 正パワーのレンズ素子の焦点
17、47、67、87、107、157 正パワーのレンズ素子の焦点面
18 ロッドレンズの入射面
19 ロッドレンズの出射面
20a、88、102 光学界面(凸面)
20b、89 光学界面(凸面)
21a〜21c、90a〜90c、119a〜119c 光学界面における反射光の光束
22、82、112 虚像
42 突起
68 平凹レンズ
68a、68b 平凹レンズの面
69 平凸レンズ
69a、69b 平凸レンズの面
70a 接着剤
70b 薄膜
96a ON状態の微小ミラー
96b Off状態の微小ミラー
120 遮光部
121 カラーホイール
122 コンデンサレンズ
123 第1のレンズアレイ
124 第2のレンズアレイ
125 リレーレンズ
126 軸
127 有効領域
129 ON状態の微小ミラーの法線
130 αが0度の場合の有効領域
131 第2の絞り
132 反射型ライトバルブがOn状態のときに出射される光束の主光線
133 反射型ライトバルブがOff状態のときに出射される光束の主光線
134 不要光の主光線
135 軸
136 不要光の光束
137 回折光の光束
138 絞り
139 反射型ライトバルブがOFF状態のときに出射される光束
160 コンデンサレンズ
164 光束を分割するレンズアレイ
165 ライトガイド
165a ライトガイドの入射面
165b ライトガイドの出射面
166 光ファイバー
167 リレーレンズ
170、180〜182 投写型表示装置
171 ミラー
172、183〜185 スクリーン
173、186〜188 筐体
189 映像信号分割回路
1a ランプ
1b 凹面鏡
2、32、52、72、92、142 照明光学系
3 ロッドレンズ
4 リレーレンズ系
5、35、55、75、95、145 正パワーのレンズ素子
6、36、56、76、96、146 反射型ライトバルブ
7、37、57、77、97、147 投写レンズ
8、38、58、78、98、148 照明光学系の出射瞳
9、39、59、79、99、149 投写レンズの入射瞳9
10a〜10c、40a〜40c、60a〜60c、80a〜80c、100a〜100c、150a〜150c 照明光の光束
11a〜11c、41a〜41c、61a〜61c、101a〜101c、151a〜151c 反射型ライトバルブからの出射光の光束
13、43、63、83、103、153 投写レンズの光軸
14、44、64、84、104、154 正パワーのレンズ素子の光軸
15、45、65、85、105、155 反射型ライトバルブの光軸
16、46、66、86、106、156 正パワーのレンズ素子の焦点
17、47、67、87、107、157 正パワーのレンズ素子の焦点面
18 ロッドレンズの入射面
19 ロッドレンズの出射面
20a、88、102 光学界面(凸面)
20b、89 光学界面(凸面)
21a〜21c、90a〜90c、119a〜119c 光学界面における反射光の光束
22、82、112 虚像
42 突起
68 平凹レンズ
68a、68b 平凹レンズの面
69 平凸レンズ
69a、69b 平凸レンズの面
70a 接着剤
70b 薄膜
96a ON状態の微小ミラー
96b Off状態の微小ミラー
120 遮光部
121 カラーホイール
122 コンデンサレンズ
123 第1のレンズアレイ
124 第2のレンズアレイ
125 リレーレンズ
126 軸
127 有効領域
129 ON状態の微小ミラーの法線
130 αが0度の場合の有効領域
131 第2の絞り
132 反射型ライトバルブがOn状態のときに出射される光束の主光線
133 反射型ライトバルブがOff状態のときに出射される光束の主光線
134 不要光の主光線
135 軸
136 不要光の光束
137 回折光の光束
138 絞り
139 反射型ライトバルブがOFF状態のときに出射される光束
160 コンデンサレンズ
164 光束を分割するレンズアレイ
165 ライトガイド
165a ライトガイドの入射面
165b ライトガイドの出射面
166 光ファイバー
167 リレーレンズ
170、180〜182 投写型表示装置
171 ミラー
172、183〜185 スクリーン
173、186〜188 筐体
189 映像信号分割回路
Claims (10)
- 光源の放射する光を集めて照明光を形成する照明光学系と、前記照明光を反射して、光学像を形成する変調光を出射する反射型ライトバルブと、前記反射型ライトバルブの形成した光学像を投影する投写レンズと、正パワーのレンズ素子とを有し、
前記レンズ素子は、一方又は両方の光学界面に複数の突起を有し、
前記反射型ライトバルブと前記投写レンズとの間に、前記照明光が前記レンズ素子を通過して前記反射型ライトバルブを照明し、又前記反射型ライトバルブから出射する変調光が前記レンズ素子を通過して前記投写レンズに入射するように配置されており、
前記複数の突起は、ピッチが可視帯域波長の1/2以下、高さが前記ピッチの1倍以上となるように形成されていることを特徴とする投写型表示装置。 - 前記複数の突起が、先端部から底部に向かうにつれて徐々に大きくなる軸断面を有している請求項1記載の投写型表示装置。
- 前記投写レンズと前記レンズ素子とが、互いの光軸が一致するように配置され、前記投写レンズは、その光軸に対して偏心した絞りを有し、前記照明光学系は、前記変調光が前記絞りを通過するように配置されている請求項1に記載の投写型表示装置。
- 前記絞りの偏心方向が、前記照明光学系の光軸から離れる方向である請求項3に記載の投写型表示装置。
- 前記投写レンズが、その光軸方向への移動のみによって焦点調整を行う手段を有している請求項1に記載の投写型表示装置。
- 前記投写レンズのFナンバをF1、照明光学系から出射し、前記反射型ライトバルブで反射されて前記投写レンズに入射する光の広がり角をθ1、前記反射型ライトバルブの表示領域の中心から出射される主光線と前記投写レンズの光軸とのなす角をαとしたときに、下記式(1)を満たしている請求項1記載の投写型表示装置。
F1=1/(2sin(θ1十α))・・・・・(1) - 前記照明光学系は、複数の部分瞳要素で形成された出射瞳を有し、前記照明光の光束分布が前記反射型ライトバルブで反射されたときに均一となるように構成されている請求項1に記載の投写型表示装置。
- 前記照明光学系の出射瞳と前記投写レンズの入射瞳とが、前記レンズ素子について略共役関係にあり、
前記照明光学系の出射瞳を通る光束のうち前記反射型ライトバルブの表示領域で反射される光束の80%以上が、前記レンズ素子を通過して前記投写レンズの入射瞳の有効領域に入射している請求項1に記載の投写型表示装置。 - 請求項1〜請求項8のいずれかに記載の投写型表示装置と、前記投写型表示装置から投写された光を反射するミラーと、前記ミラーで反射された光を透過散乱させて表示するスクリーンとを少なくとも有することを特徴とするリアプロジェクタ。
- 複数の投写システムと、映像信号分割回路とを有し、
前記複数の投写システムそれぞれは、請求項1〜請求項8のいずれかに記載の投写型表示装置と、前記投写型表示装置から投写された光を映し出す透過型スクリーンと、前記投写型表示装置を収納する筐体とで構成されており、
前記映像信号分割回路は、画面を複数の領域に分割し、各領域の映像信号を加工して前記投写システムを構成する前記投写型表示装置それぞれに供給することを特徴とするマルチビジョンシステム。
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2007
- 2007-12-27 JP JP2007337441A patent/JP2008107844A/ja active Pending
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