JP2010078627A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微小ミラー型表示素子を備える投射型表示装置において、スクリーン上に投射される映像の画質を向上させることが可能な投射型表示装置を提供すること。
【解決手段】投射型表示装置１は、スクリーン３上に所定の映像を投射するための投射レンズ８と、照明光を発生させる光源４と、光源４からの照明光を変調する微小ミラー型表示素子２とを備えている。微小ミラー型表示素子２は、投射レンズ８に向けて照明光を反射するオン位置と、投射レンズ８の入射瞳から外れる位置に向けて照明光を反射するオフ位置とに傾斜する微小ミラー素子を備えている。オン位置における微小ミラー素子によって反射されたオン光の光軸Ｌ２は投射レンズ８の光軸Ｌ３に対して傾いている。
【選択図】図１

Description

本発明は、微小ミラー型表示素子を備える投射型表示装置に関する。

なお、本明細書において、「微小ミラー型表示素子」とは、シリコン基板上に数μｍ角程度の微小ミラー素子（反射鏡）を多数並べた光変調素子であって、微小ミラー素子の傾きを静電引力を利用して変えることにより、光源からの照明光をスクリーン方向に反射させるかどうかを制御する光変調素子のことをいう。この微小ミラー型表示素子は、テキサスインスツルメンツ社の商品名であるＤＭＤと称される素子と同様の機能を備えている。

従来から、投射レンズを介してスクリーン上に所定の映像を拡大投射する投射型表示装置として、反射型の光変調素子である微小ミラー型表示素子を利用した投射型表示装置が知られている。この投射型表示装置では、微小ミラー型表示素子を構成する微小ミラー素子が、光源からの照明光を投射レンズの入射瞳に向けて反射するオン位置と、光源からの照明光を投射レンズの入射瞳から外れた位置に向けて反射するオフ位置とに傾斜する。また、オン位置の微小ミラー素子によって反射されたオン光の集合によって、スクリーン上の映像が構成されている。

この投射型表示装置では、微小ミラー素子を保護するためのカバーガラス等で反射されるフラット光が発生することが知られている。フラット光が投射レンズの入射瞳に入ると、スクリーンに投射される映像のコントラストが低下したり、本来の映像に強度の弱いゴースト像が重なるいわゆるゴースト現象が発生するため、投射映像の画質が低下する。

ここで、図５（Ａ）に示すように、フラット光の光軸Ｌ１１は、オン光の光軸Ｌ２１と、オフ位置の微小ミラー素子によって反射されたオフ光の光軸Ｌ３１とによって形成される角の略二等分線となることが一般的に知られている。そのため、投射レンズの入射瞳にフラット光が入らないように、照明光学系は、オン光の広がり角（すなわち、フラット光の広がり角）θ１１が、微小ミラー素子の振り角（傾き角）θ２１以下となるように設定されている。すなわち、照明光学系は、そのＦナンバーが「１／（２ｓｉｎ（θ２１））」以上となるように設定されている。なお、一般的には、スクリーン上の映像の画質を向上させるため、照明光学系は、そのＦナンバーが「１／（２ｓｉｎ（θ２１））」となるように構成されている。また、振り角θ２１はたとえば、１２°である。

なお、フラット光による投射映像の輝度ムラを防止することが可能な投射型表示装置として、照明光学系と全反射プリズムとの間に絞り板が設置された投射型表示装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００５−３０９３３７号公報

近年、投射される映像の画質を向上させるため、投射型表示装置において、より明るい照明光学系の採用が検討されている。しかしながら、微小ミラー素子の振り角θ２１を一定として、より明るい照明光学系を用いると（すなわち、照明光学系のＦナンバーを小さくすると）、図５（Ｂ）に示すように、フラット光の一部が投射レンズの入射瞳の中に入ってしまう。そのため、投射映像の画質を向上させるためにＦナンバーの小さな照明光学系を用いたにもかかわらず、コントラストが低下したりゴースト現象が発生して、投射映像の画質が低下してしまう。

そこで、本発明の課題は、微小ミラー型表示素子を備える投射型表示装置において、スクリーン上に投射される映像の画質を向上させることが可能な投射型表示装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明の投射型表示装置は、スクリーン上に所定の映像を投射するための投射レンズと、照明光を発生させる光源と、光源からの照明光を変調する微小ミラー型表示素子とを備え、微小ミラー型表示素子は、投射レンズに向けて照明光を反射するオン位置と、投射レンズの入射瞳から外れる位置に向けて照明光を反射するオフ位置とに傾斜する微小ミラー素子を備え、オン位置における微小ミラー素子によって反射されたオン光の光軸が投射レンズの光軸に対して傾いていることを特徴とする。

本発明の投射型表示装置では、オン光の光軸が投射レンズの光軸に対して傾いている。そのため、Ｆナンバーの小さな照明光学系を用いても、フラット光が投射レンズの入射瞳から遠ざかる方向にオン光の光軸を傾けることで、投射レンズの入射瞳に入るフラット光の光量を抑制することが可能になる。すなわち、本発明では、Ｆナンバーの小さな照明光学系を用いつつ、投射レンズの入射瞳に入るフラット光の光量を抑制して、投射映像のコントラストの低下やゴースト現象の発生を抑制することが可能になる。したがって、本発明では、スクリーン上に投射される映像の画質を向上させることが可能になる。

本発明において、オフ位置における微小ミラー素子によって反射されるオフ光の光軸とオン光の光軸とによって形成される角の略二等分線を光軸とするフラット光が投射レンズの入射瞳から外れるように、オン光の光軸が投射レンズの光軸に対して傾いていることが好ましい。このように構成すると、投射レンズの入射瞳にフラット光が入るのを防止することができる。したがって、コントラストの低下やゴースト現象の発生を防止して、投射映像の画質を向上させることができる。

本発明において、投射レンズの入射瞳のエッジと、フラット光のエッジとが略外接していることが好ましい。本発明では、オン光の光軸が投射レンズの光軸に対して傾いているため、オン光の一部が投射レンズの入射瞳から外れてしまうが、このように構成すると、コントラストの低下やゴースト現象の発生を防止しつつ、投射レンズの入射瞳から外れるオン光の量を最小限にすることができる。したがって、オン光の一部が投射レンズの入射瞳から外れてしまうことで生じる投射映像の画質の低下を抑制することができる。

本発明において、投射型表示装置は、光源から微小ミラー型表示素子へ向かう照明光が透過する透過面または光源から微小ミラー型表示素子へ向かう照明光が反射する反射面を有する内部全反射プリズムを備え、オン位置における微小ミラー素子によって反射された後の光軸が投射レンズの光軸と平行になる光を基準照明光としたとき、透過面に入射する照明光の入射角が基準照明光の入射角よりも小さくなるように、または、反射面に入射する照明光の入射角が基準照明光の入射角よりも大きくなるように、オン光の光軸が投射レンズの光軸に対して傾いていることが好ましい。このように構成すると、微小ミラー型表示素子に向かって透過面に入射する照明光の反射や微小ミラー型表示素子に向かって反射面に入射する照明光の透過を抑制することができる。すなわち、透過面での反射による照明光の反射ロスまたは反射面での透過による照明光の透過ロスを抑制することができる。

本発明において、光源から微小ミラー型表示素子へ向かう照明光の光軸が略直線状となっていることが好ましい。屈折等を利用して、光源から微小ミラー型表示素子へ向かう光路を形成する場合と比較して、このように構成すると、微小ミラー型表示素子へ入射する光の効率を高めることができ、投射映像の画質を向上させることができる。

以上のように、本発明の投射型表示装置では、スクリーン上に投射される映像の画質を向上させることが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（投射型表示装置の概略構成）
図１は、本発明の実施の形態にかかる投射型表示装置１の概略構成を説明するための概略構成図である。

本形態の投射型表示装置１は、反射型の光変調素子である微小ミラー型表示素子２を利用して、スクリーン３上に所定の映像を拡大投射する表示装置である。この投射型表示装置１は、図１に示すように、微小ミラー型表示素子２の他に、照明光を発生させる光源４と、照明光学系５と、カラーホイール（ＣＷ）６と、内部全反射プリズム７と、スクリーン３に所定の映像を投射するための投射レンズ８とを備えている。

光源４は、たとえば、超高圧水銀ランプであり、フィラメント部や放電部等の輝点１０と楕円反射鏡１１とを備えている。この光源４は、照明光学系５に向けて白色の照明光を射出する。なお、光源４は、ＬＥＤであっても良い。光源４が白色ＬＥＤである場合には、超高圧水銀ランプに代えてそのまま使用することができ、光源４が３色（ＲＧＢ）ＬＥＤである場合には、３色を高速で点滅させるため、ＣＷ６を省略することができる。

ＣＷ６は、薄い円板状に形成され、照明光学系５を構成する後述のコンデンサレンズ１３とロッドインテグレータ１４との間に配置されている。このＣＷ６は、モータ（図示省略）の出力軸に固定されており、このモータの動力で回転する。また、ＣＷ６は、たとえば、図示を省略する赤色のフィルタ部と青色のフィルタ部と緑色のフィルタ部との３つのフィルタ部を備えている。

本形態の照明光学系５は、コンデンサレンズ１３と、ロッドインテグレータ（ライトパイプ）１４と、リレーレンズ１５とを備えており、図１に示すように、光源４から微小ミラー型表示素子２に向かって、コンデンサレンズ１３、ＣＷ６、ロッドインテグレータ１４およびリレーレンズ１５がこの順番で配置されている。本形態では、照明光学系５の光軸Ｌ１が略直線状となるように、照明光学系５が構成されている。

内部全反射プリズム７は、三角柱状に形成されたプリズム１７とプリズム１８とを備えている。プリズム１７とプリズム１８とは、プリズム１７に形成される対向面１７ａとプリズム１８に形成される対向面１８ａとを対向させた状態で互いに固定されている。後述のように、本形態では、内部全反射プリズム７に入射した照明光は対向面１７ａ、１８ａを透過する。また、微小ミラー型表示素子２で反射された光は対向面１７ａで全反射される。すなわち、本形態の内部全反射プリズム７は、ＲＴＩＲ（Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）プリズムである。

微小ミラー型表示素子２は、光源４からの照明光を内部全反射プリズム７に向けて反射する複数の微小ミラー素子（反射鏡、図示省略）と、微小ミラー素子を駆動制御するための制御回路（図示省略）とを備えている。また、微小ミラー型表示素子２は、微小ミラー素子を保護するためのカバーガラス（図示省略）を備えている。

微小ミラー型表示素子２では、制御回路からの駆動信号に基づいて、複数の微小ミラー素子のそれぞれの傾きが制御されている。具体的には、制御回路から「オン」の駆動信号を与えられた微小ミラー素子は、その反射光が内部全反射プリズム７を介して投射レンズ８に向かうように傾斜する。また、制御回路から「オフ」の駆動信号を与えられた微小ミラー素子は、その反射光が内部全反射プリズム７を介して投射レンズ８の入射瞳から外れた位置に向かうように傾斜する。すなわち、微小ミラー素子は、投射レンズ８に向けて照明光を反射するオン位置と、投射レンズ８の入射瞳から外れた位置に向けて照明光を反射するオフ位置とに傾斜する。たとえば、微小ミラー素子は、所定の基準位置に対して±１２°傾斜する。

投射レンズ８は、レンズ鏡筒１９に保持されている。この投射レンズ８は、微小ミラー型表示素子２の微小ミラー素子とスクリーン３とを光学的に共役な関係にする機能を果たしており、微小ミラー型表示素子２の微小ミラー素子に形成された映像は、投射レンズ８によって、スクリーン３に拡大投射される。

以上のように構成された投射型表示装置１では、光源４から射出され、照明光学系５およびＣＷ６を経由した照明光は、内部全反射プリズム７に入射する。内部全反射プリズム７に入射した照明光は、対向面１７ａ、１８ａを透過して微小ミラー型表示素子２に入射する。本形態の対向面１７ａ、１８ａは、光源４から微小ミラー型表示素子２へ向かう照明光が透過する透過面である。

微小ミラー型表示素子２に入射した照明光は、微小ミラー素子で反射される。具体的には、オン位置における微小ミラー素子によって反射された光（オン光）が、内部全反射プリズム７の対向面１７ａで全反射された後に投射レンズ８に向かうように、微小ミラー素子で反射される。また、オフ位置における微小ミラー素子によって反射された光（オフ光）が、内部全反射プリズム７の対向面１７ａで全反射された後に投射レンズ８から外れた位置に向かうように、微小ミラー素子で反射される。

（照明光学系の光軸の傾き）
図２は、図１のＥ−Ｅ方向からオン光の光軸Ｌ２の傾きを説明するための図である。図３（Ａ）は、図１のＦ−Ｆ方向から投射レンズ８の入射瞳とオン光との関係を示す模式図、図３（Ｂ）は、図１のＦ−Ｆ方向から投射レンズ８の入射瞳とフラット光との関係を示す模式図である。図４は、図１に示す内部全反射プリズム７に入射する照明光の角度を説明するための図である。

本形態では、オン位置における微小ミラー素子によって反射されたオン光の光軸Ｌ２が投射レンズ８の光軸Ｌ３に対して傾くように、照明光学系５が配置されている。具体的には、図１のＦ−Ｆ方向から見たときのオン光の光軸Ｌ２が投射レンズ８の光軸Ｌ３の右側にずれるように、オン光の光軸Ｌ２が投射レンズ８の光軸Ｌ３に対して傾いている。また、本形態では、微小ミラー素子で照明光を適切に反射させるため、微小ミラー型表示素子２に対して斜め上方から照明光が入射するように照明光学系５が配置されており、図２に示すように、オン光の光軸Ｌ２が投射レンズ８の光軸Ｌ３の下側にずれるように、オン光の光軸Ｌ２が投射レンズ８の光軸Ｌ３に対して傾いている。

より具体的には、図３（Ｂ）に示すように、微小ミラー素子を保護するためのカバーガラス等で反射されたフラット光が投射レンズ８の入射瞳から外れるように、オン光の光軸Ｌ２が投射レンズ８の光軸Ｌ３に対して傾いている。本形態では、投射レンズ８の入射瞳のエッジとフラット光のエッジとが略外接するように、オン光の光軸Ｌ２が投射レンズ８の光軸Ｌ３に対して傾いている。そのため、投射レンズ８の光軸Ｌ３に対するオン光の光軸Ｌ２の傾き角θ１、θ２は、照明光学系５のＦナンバーが小さくなればなるほど（すなわち、照明光学系５が明るくなればなるほど）大きくなる。

なお、上述のように、フラット光の光軸は、オン光の光軸Ｌ２とオフ光の光軸とによって形成される角の略二等分線となる。また、オン光の光軸Ｌ２が投射レンズ８の光軸Ｌ３に対して傾いているため、図３（Ａ）に示すように、オン光の一部は、投射レンズ８の入射瞳から外れる。また、本形態では、オン光が楕円形状となるように、照明光学系５のＦナンバーが設定されている。

上述のように、オン位置における微小ミラー素子によって反射されたオン光の光軸Ｌ２が投射レンズ８の光軸Ｌ３に対して傾いている。すなわち、オン位置における微小ミラー素子によって反射された後の光軸が投射レンズ８の光軸Ｌ３と平行になる光を基準照明光としたとき、図１に示すように、基準照明光の光軸Ｌ０に対して、照明光学系５の光軸Ｌ１（すなわち、照明光の光軸Ｌ１）が傾斜している。具体的には、図４に示すように、対向面１７ａ、１８ａに入射する照明光の入射角α１が基準照明光の入射角α２よりも小さくなるように、基準照明光の光軸Ｌ０に対して照明光学系５の光軸Ｌ１が傾斜している。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、オン光の光軸Ｌ２が投射レンズ８の光軸Ｌ３に対して傾くように、照明光学系５が配置されている。そのため、Ｆナンバーの小さな照明光学系５を用いても、フラット光が投射レンズ８の入射瞳から遠ざかる方向にオン光の光軸Ｌ２を傾けることで、投射レンズ８の入射瞳に入るフラット光の光量を抑制することが可能になる。特に、本形態では、フラット光が投射レンズ８の入射瞳から外れるように、オン光の光軸Ｌ２が投射レンズ８の光軸Ｌ３に対して傾いているため、投射レンズ８の入射瞳にフラット光が入るのを防止することができる。したがって、本形態では、Ｆナンバーの小さな照明光学系５を用いつつ、投射レンズ８の入射瞳にフラット光が入るのを防止して、投射映像のコントラストの低下やゴースト現象の発生を抑制することができる。その結果、本形態では、スクリーン３上の投射される映像の画質を向上させることができる。

ここで、本形態では、オン光の光軸Ｌ２が投射レンズ８の光軸Ｌ３に対して傾いているため、オン光の一部は投射レンズ８の入射瞳から外れてしまう（図３（Ａ）参照）。しかしながら、本形態では、投射レンズ８の入射瞳のエッジとフラット光のエッジとが略外接するように、フラット光の光軸Ｌ２が投射レンズ８の光軸Ｌ３に対して傾いているため、投射レンズ８の入射瞳にフラット光が入るのを防止しつつ、投射レンズ８の入射瞳から外れるオン光の量を最小限にすることができる。したがって、オン光の一部が投射レンズ８の入射瞳から外れてしまうことで生じる投射映像の画質の低下を抑制することができる。

本形態では、対向面１７ａ、１８ａに入射する照明光の入射角α１が基準照明光の入射角α２よりも小さくなるように、基準照明光の光軸Ｌ０に対して照明光学系５の光軸Ｌ１が傾斜している。そのため、微小ミラー型表示素子２に向かって対向面１７ａ、１８ａに入射する照明光の反射を抑制することができる。すなわち、対向面１７ａ、１８ａでの反射による照明光の反射ロスを抑制することができる。したがって、スクリーン３上の投射される映像の画質を向上させることができる。

本形態では、光源４から微小ミラー型表示素子２へ向かう照明光の光軸Ｌ１は、略直線状になっている。そのため、屈折等を利用して、光源４から微小ミラー型表示素子２へ向かう光路を形成する場合と比較して、微小ミラー型表示素子２へ入射する光の効率を高めることができ、スクリーン３上の投射される映像の画質を向上させることができる。

（他の実施の形態）
上述した形態では、微小ミラー型表示素子２に対して斜め上方から照明光が入射するように照明光学系５が配置されているが、微小ミラー型表示素子２に対して斜め下方から照明光が入射するように照明光学系５が配置されても良い。この場合には、オン光の光軸Ｌ２が投射レンズ８の光軸Ｌ３の上側にずれるように、オン光の光軸Ｌ２を投射レンズ８の光軸Ｌ３に対して傾ければ良い。

上述した形態では、内部全反射プリズム７は、光源４から入射した照明光が対向面１７ａ、１８ａを透過し、微小ミラー型表示素子２で反射された光が対向面１７ａで全反射されるＲＴＩＲプリズムである。この他にもたとえば、内部全反射プリズム７は、光源４から入射した照明光が対向面１７ａで全反射され、微小ミラー型表示素子２で反射された光が対向面１７ａ、１８ａを透過するＴＩＲ（Ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）プリズムであっても良い。この場合には、対向面１７ａに入射する照明光の入射角が基準照明光の入射角よりも大きくなるように、オン光の光軸Ｌ２を投射レンズ８の光軸Ｌ３に対して傾ければ良い。このようにすると、微小ミラー型表示素子２に向かって対向面１７ａに入射する照明光の透過を抑制することができるため、対向面１７ａでの透過による照明光の透過ロスを抑制することができる。

上述した形態では、投射レンズ８の入射瞳のエッジとフラット光のエッジとが略外接するように、フラット光の光軸Ｌ２が投射レンズ８の光軸Ｌ３に対して傾いている。この他にもたとえば、投射レンズ８の入射瞳のエッジとフラット光のエッジとが略外接するときの投射レンズ８の光軸Ｌ３に対するフラット光の光軸Ｌ２の傾きよりも若干大きくあるいは若干小さくフラット光の光軸Ｌ２を傾けても良い。また、上述した形態では、光源４から微小ミラー型表示素子２へ向かう照明光の光軸Ｌ１は、略直線状になっているが、屈折等を利用して（すなわち、照明光の光軸方向を変えながら）、光源４からの照明光を微小ミラー型表示素子２へ入射させても良い。

本発明の実施の形態にかかる投射型表示装置の概略構成を説明するための概略構成図である。 図１のＥ−Ｅ方向からオン光の光軸の光軸の傾きを説明するための図である。 （Ａ）は、図１のＦ−Ｆ方向から投射レンズの入射瞳とオン光との関係を示す模式図、（Ｂ）は、図１のＦ−Ｆ方向から投射レンズの入射瞳とフラット光との関係を示す模式図である。 図１に示す内部全反射プリズムに入射する照明光の角度を説明するための図である。 従来技術の問題点を説明するための図である。

符号の説明

１ 投射型表示装置
２ 微小ミラー型表示素子
３ スクリーン
４ 光源
７ 内部全反射プリズム
８ 投射レンズ
１７ａ、１８ａ 対向面（透過面）
Ｌ１ 照明光の光軸
Ｌ２ オン光の光軸
Ｌ３ 投射レンズの光軸
α１ 照明光の入射角
α２ 基準照明光の入射角

Claims (5)

1. スクリーン上に所定の映像を投射するための投射レンズと、照明光を発生させる光源と、前記光源からの照明光を変調する微小ミラー型表示素子とを備え、
   前記微小ミラー型表示素子は、前記投射レンズに向けて前記照明光を反射するオン位置と、前記投射レンズの入射瞳から外れる位置に向けて前記照明光を反射するオフ位置とに傾斜する微小ミラー素子を備え、
   前記オン位置における前記微小ミラー素子によって反射されたオン光の光軸が前記投射レンズの光軸に対して傾いていることを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記オフ位置における前記微小ミラー素子によって反射されるオフ光の光軸と前記オン光の光軸とによって形成される角の略二等分線を光軸とするフラット光が前記投射レンズの入射瞳から外れるように、前記オン光の光軸が前記投射レンズの光軸に対して傾いていることを特徴とする請求項１記載の投射型表示装置。
3. 前記投射レンズの入射瞳のエッジと、前記フラット光のエッジとが略外接していることを特徴とする請求項２記載の投射型表示装置。
4. 前記光源から前記微小ミラー型表示素子へ向かう前記照明光が透過する透過面または前記光源から前記微小ミラー型表示素子へ向かう前記照明光が反射する反射面を有する内部全反射プリズムを備え、
   前記オン位置における前記微小ミラー素子によって反射された後の光軸が前記投射レンズの光軸と平行になる照明光を基準照明光としたとき、
   前記透過面に入射する前記照明光の入射角が前記基準照明光の入射角よりも小さくなるように、または、前記反射面に入射する前記照明光の入射角が前記基準照明光の入射角よりも大きくなるように、前記オン光の光軸が前記投射レンズの光軸に対して傾いていることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の投射型表示装置。
5. 前記光源から前記微小ミラー型表示素子へ向かう前記照明光の光軸が略直線状となっていることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の投射型表示装置。

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