JP5044723B2 - 投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、３次元画像が表示可能な投射型表示装置に関する。

投射型表示装置は、プロジェクタとも呼ばれ、液晶プロジェクタ、ＤＬＰ（Digital Light Processing；登録商標、以下省略）プロジェクタ、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）プロジェクタなどに分類される。

そのうち、ＤＬＰプロジェクタは、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device；登録商標、以下省略）で代表される反射型ミラーアレイ素子を用いて映像を表示するものであり、２つのプリズムが対向配置された内部全反射プリズム（ＴＩＲ［Total Internal Reflection］プリズム）が用いられる（例えば、特許文献１を参照）。

一方で、画像表示装置において、アクティブシャッタ方式のメガネを使用して３次元の動画像や静止画像を視認させるためには、左眼用と右眼用の画像の信号をフレームシーケンシャル方式で切り替えるタイミングとメガネにおける左眼、右眼のアクティブシャッタの開閉のタイミングとを同期させる必要がある。画像表示装置が、表示パネルに画像を直接表示させる装置である場合には、この同期のために、赤外線通信、他の周波数帯での無線通信、有線での通信を用いることができる。

なお、液晶プロジェクタにおいては、検出投射光を投射してスクリーンから反射した光を検出することで、投射レンズの焦点を自動的に調整する技術が知られている（例えば、特許文献２を参照）。特許文献２に記載の技術では、３原色で光変調するためのＬＣＤ（Liquid Crystal Display）でなる透過型パネルと、色毎のＬＣＤより出射した光を合成するプリズム（又はミラー）と、合成した光をスクリーンへ拡大投射する投射レンズとからなる光学系において、プリズム（又はミラー）と投射レンズの間に半透明反射膜手段を配置して、ＬＣＤとは別に設けられた発光部からの検出投射光の出力を上記投射レンズを介してスクリーン側へ投射し、同じく半透明反射膜手段及び上記投射レンズを介してスクリーンからの反射光を検出し、焦点の調整に用いている。

特開２００９−２０４２４号公報 特開平１１−１１９１８４号公報

上述のように、表示パネルに直接画像を表示して視認させる画像表示装置である場合には、アクティブシャッタの開閉を無線、有線を問わない通信手段により制御できる。
しかしながら、画像表示装置が投射型である場合には、赤外線発光素子を有する赤外線送信部を装置本体に備えるようにし、映像を投射するスクリーンに赤外線送信部から赤外線を投射し、そこで反射した赤外線を用いて同期をとることが好ましい。このように反射を用いる理由としては、投射型表示装置では、視聴者がスクリーンの映像を鑑賞するのが前提であるため、スクリーン内から赤外線を発すると共にメガネの受光部を映像側に向けておくと最も効率的で利便性も高いこと、並びに、別付けの送信器をスクリーン近傍に設置するよりも低コストで済むことなどが挙げられる。

図１０は、従来技術による投射型表示装置において、アクティブシャッタ方式のメガネを用いて画像を立体視させるために赤外線送信部を設けるように改良した構成を示す概略図である。図１０に示す３次元画像表示が可能な投射型表示装置（３Ｄプロジェクタ）１００は、光源装置１０と、光源装置１０から発せられた光を赤、緑、青の３色に時分割するカラーホイール１１と、カラーホイール１１を介した光を入射して内部で全反射させ照度分布が均一な状態で出射するロッドインテグレータ１２、ロッドインテグレータ１２から出射した光を集光する複数のレンズを有するコンデンサレンズ１３、ＤＭＤ１４、２つの三角プリズム１５ａ，１５ｂが対向配置されたＴＩＲプリズム１５、並びに、ＴＩＲプリズム１５からの出射光をスクリーンＳに投影する投射レンズ１６を備える。ここで、ＴＩＲプリズム１５は、その内部反射面（境界面）１５ｃにてコンデンサレンズ１３からの出射光を反射してＤＭＤ１４に入射させる。そして、ＴＩＲプリズム１５は、その入射光がＤＭＤ１４で反射した光が上記内部反射面１５ｃを透過し、投射レンズ１６に出射するようになっている。

投射レンズ１６から投影された映像は、アクティブシャッタを有する３Ｄ対応メガネＧで視聴可能となるが、上述したように、映像に、右眼・左眼のアクティブシャッタの開閉を同期させる必要がある。そのため、３Ｄプロジェクタ１００の本体には、赤外線発光素子を投射光学系とは別に設けている。

図１０では、３Ｄプロジェクタ１００にレンズシフト機能をもたせており、そのため、図示するように、投射光学系とは別に３箇所の赤外線発光素子１０１_Ｃ，１０１_Ｌ，１０１_Ｒを配置することになる。赤外線発光素子１０１_Ｃは、レンズシフトしていないときの画像位置に対応して配設された通常用の素子であり、これによりスクリーン上には画像Ｓの一部分に赤外画像Ｓ_ｉＣが投射される。赤外線発光素子１０１_Ｌは、左側にレンズシフトしたときの画像位置に対応して配設された素子であり、これにより画像Ｓ_Ｌ（なお、画像Ｓ_Ｌの右端は図示していない）の一部分に赤外画像Ｓ_ｉＬが投射される。赤外線発光素子１０１_Ｒは、右側にレンズシフトしたときの画像位置に対応して配設された素子であり、これにより画像Ｓ_Ｒ（なお、画像Ｓ_Ｒの左端は図示していない）の部分に赤外画像Ｓ_ｉＲが投射される。メガネＧは、シフトの位置に応じていずれか１から発光された１つの赤外画像を受光部で受光し、その赤外線の強度（の変化）に基づき、つまり赤外線のパルスに基づき、左右のアクティブシャッタの開閉を制御する。

このように、３Ｄ画像とアクティブシャッタ方式のメガネを同期させて視聴者に画像を立体視させるためには、赤外線送信部を投射型表示装置の本体に搭載しなければならないが、そのために次のような課題が生じる。無論、赤外線の代わりに紫外線や可視光線を用いても、基本的に同様の課題が生じる。
（１）赤外線送信部は装置本体の側面などに取り付けることになり、内部レイアウトやデザインに制限がある。
（２）スクリーンからの反射を利用するため、赤外線の指向性をスクリーン側に合わせるなど微妙な設定が必要となる。

（３）赤外線送信部自体の角度特性がブロードであり、スクリーンと装置本体が離れれば離れるほど感度が悪くなるため、感度不足を補う必要がある。そのため、赤外線発光素子の出力を大きくするか、若しくは赤外線発光素子に画像用とは異なるレンズを設けるか、若しくは赤外線発光素子１０１_Ｌ，１０１_Ｃ，１０１_Ｒとしてそれぞれ３個ずつ設けたように赤外線発光素子の数を増やすことが必要になる。

（４）画像を投射する投射レンズとしてズームレンズを使用する場合は、ワイド側、テレ側で距離が異なるため、赤外線発光素子の設置条件が複雑になる。
（５）投射型表示装置にレンズシフト機能をもたせる場合は、投影画像とスクリーンの位置関係が調節可能なため、より広い方向に赤外線を向ける必要があるが、一方で高感度を保つために指向性をある程度保つ必要がある。そのためには、図１０において３箇所の赤外線発光素子１０１_Ｌ，１０１_Ｃ，１０１_Ｒで示したように、レンズシフトに対応する画像位置に投射できるような配置で、別途赤外線発光素子を設ける必要がある。

また、喩え特許文献１に記載の技術を適用し、上記検出投射光を赤外線を含むようにして、上記（１）〜（５）のような課題を解決しようとすると、新たに次のような課題が生じる。無論、赤外線の代わりに紫外線や可視光線を用いても、基本的に同様の課題が生じる。
（６）赤外光出力が必要の無い一般的な光学系と比べて、プリズムやミラーなど半透明反射膜手段やそれを保持するための補助的な部品も含め、追加部品が必要となり、コストや装置サイズが上がってしまう。
（７）同じく上記追加部品を挿入する空間を確保するためにＬＣＤのパネルから投射レンズまでの距離、すなわちバックフォーカスが長くなる。これにより、投射レンズ設計においてより強い正のパワーと負のパワーを必要とすることになるため、レンズ枚数が増加し、コストや装置サイズが上がってしまう。

（８）同じく上記追加部品により反射或いは透過損失が増え投射画像の光出力が低下する。さらに、追加部品がミラーの場合は安価であるが斜めに挿入された平行平板による非点収差が発生し結像性能を劣化させる。
（９）共通プラットフォームを使って３Ｄ対応と３Ｄ非対応の投射型表示装置を製造する場合、３Ｄ非対応の装置にも上記追加部品やレンズ枚数の多い投射レンズが必要となり余分なコストを背負うことになる。

本発明は、上述のような実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、３次元画像が表示可能な投射型表示装置において、赤外線発光素子等の発光素子を投射型表示装置の本体に搭載するに際し、発光素子の数や出力を増やすことなく、余計な追加部品を設けずにレンズシフトやズームに対応することを可能にすることにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１の技術手段は、２つのプリズムが対向配置された内部全反射プリズムと、投射レンズと、発光素子と、反射型ミラーアレイ素子とを備え、光源から発せられた光を前記反射型ミラーアレイ素子及び前記内部全反射プリズムを介して前記投射レンズから投射する、３次元画像が表示可能な投射型表示装置であって、前記発光素子は、前記内部全反射プリズムに光線を入射し、該光線を前記内部全反射プリズムの内部反射面で反射させ前記投射レンズを介して投射させるように、且つ、前記内部全反射プリズムに対して、前記光源から発せられた光の入射面、前記反射型ミラーアレイ素子で反射された光の入射面、及び前記投射レンズへの出射面、とは異なる面から、前記光線を入射するように、配置することを特徴としたものである。

本発明の第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記発光素子は、発光ダイオードであることを特徴としたものである。

本発明の第３の技術手段は、第１の技術手段において、前記発光素子は、レーザー素子であるとしたものである。

本発明の第４の技術手段は、第１〜第３のいずれか１の技術手段において、前記発光素子は、前記投射レンズのＦ値が示す有効取り込み角度に相当する半値角をもつことを特徴としたものである。

本発明の第５の技術手段は、第１〜第４のいずれか１の技術手段において、前記投射レンズから投射され、被投射面で反射した前記光線は、アクティブシャッタ方式の３次元画像視聴用メガネにおけるアクティブシャッタの開閉に用いられることを特徴としたものである。

本発明の第６の技術手段は、第１〜第５のいずれか１の技術手段において、前記発光素子は、赤外線発光素子又は紫外線発光素子であり、前記内部全反射プリズムは、前記内部反射面に可視光用の反射防止膜を設けたことを特徴としたものである。
本発明の第７の技術手段は、２つのプリズムが対向配置された内部全反射プリズムと、投射レンズと、発光素子とを備え、光源から発せられた光を前記内部全反射プリズムを介して前記投射レンズから投射する、３次元画像が表示可能な投射型表示装置であって、前記発光素子は、前記内部全反射プリズムに光線を入射し、該光線を前記内部全反射プリズムの内部反射面で反射させ前記投射レンズを介して投射させるように、配置し、且つ、前記投射レンズのＦ値が示す有効取り込み角度に相当する半値角をもつことを特徴としたものである。
本発明の第８の技術手段は、２つのプリズムが対向配置された内部全反射プリズムと、投射レンズと、発光素子とを備え、光源から発せられた光を前記内部全反射プリズムを介して前記投射レンズから投射する、３次元画像が表示可能な投射型表示装置であって、前記発光素子は、前記内部全反射プリズムに光線を入射し、該光線を前記内部全反射プリズムの内部反射面で反射させ前記投射レンズを介して投射させるように、配置し、前記投射レンズから投射され、被投射面で反射した前記光線は、アクティブシャッタ方式の３次元画像視聴用メガネにおけるアクティブシャッタの開閉に用いられることを特徴としたものである。
本発明の第９の技術手段は、２つのプリズムが対向配置された内部全反射プリズムと、投射レンズと、赤外線発光素子又は紫外線発光素子である発光素子とを備え、光源から発せられた光を前記内部全反射プリズムを介して前記投射レンズから投射する、３次元画像が表示可能な投射型表示装置であって、前記発光素子は、前記内部全反射プリズムに光線を入射し、該光線を前記内部全反射プリズムの内部反射面で反射させ前記投射レンズを介して投射させるように、配置し、前記内部全反射プリズムは、前記内部反射面に可視光用の反射防止膜を設けたことを特徴としたものである。
本発明の第１０の技術手段は、第７〜第９のいずれか１の技術手段において、前記発光素子は、前記内部全反射プリズムに対して、前記光源から発せられた光の入射面、及び前記投射レンズへの出射面、とは異なる面から、前記光線を入射するように配置することを特徴としたものである。
本発明の第１１の技術手段は、第７〜第９のいずれか１の技術手段において、前記投射型表示装置は、反射型ミラーアレイ素子をさらに備え、前記光源から発せられた光を前記反射型ミラーアレイ素子及び前記内部全反射プリズムを介して前記投射レンズから投射し、前記発光素子は、前記内部全反射プリズムに対して、前記光源から発せられた光の入射面、前記反射型ミラーアレイ素子で反射された光の入射面、及び前記投射レンズへの出射面、とは異なる面から、前記光線を入射するように配置することを特徴としたものである。

本発明によれば、３次元画像が表示可能な投射型表示装置において、赤外線発光素子等の発光素子を投射型表示装置の本体に搭載するに際し、発光素子の数や出力を増やすことなく、余計な追加部品を設けずにレンズシフトやズームに対応することができる。

本発明に係る投射型表示装置の一構成例を示す概略図である。 ＴＩＲプリズムを用いたレンズシフトを説明するための図である。 図２が示す状態における絞りと照明光の位置関係を示す模式図である。 ＴＩＲプリズムを用いない場合のレンズシフトを説明するための図である。 図４が示す状態における絞りと照明光の位置関係を示す模式図である。 図１のＴＩＲプリズムにおける内部反射面に設けた反射防止膜の周波数特性の一例を示す図である。 本発明に係る投射型表示装置の他の構成例を示す概略図である。 本発明に係る投射型表示装置の他の構成例を示す概略図である。 本発明に係る投射型表示装置の他の構成例を示す概略図である。 従来技術による投射型表示装置において、アクティブシャッタ方式のメガネを用いて画像を立体視させるために赤外線送信部を設けるように改良した構成を示す概略図である。

本発明に係る投射型表示装置は、その本体に発光素子を備えることを特徴とする。以下、基本的にこのような発光素子として、不可視光線である赤外線を発光する赤外線発光素子を使用した例を挙げて、本発明について説明する。但し、このような発光素子は、赤外線に限らず、不可視光線の他の例である紫外線を発光する素子であっても、若しくは可視光線を発光する素子であっても、実際に投射型表示装置から映像として投映される投射光のスペクトルと異なる帯域の光線を発光する素子であれば、同様に適用できる。

図１は、本発明に係る投射型表示装置の一構成例を示す概略図で、図中、１は本発明に係る３次元画像表示対応の投射型表示装置（以下、単に「３Ｄプロジェクタ」と呼ぶ）、Ｓはスクリーン上に投影された画像、Ｇは３Ｄ対応メガネである。

３Ｄプロジェクタ１は、光源装置１０、カラーホイール１１、ロッドインテグレータ１２、コンデンサレンズ１３、ＤＭＤで代表される反射型ミラーアレイ素子（以下、ＤＭＤ）１４、ＴＩＲプリズム１５、及び投射レンズ１６を備え、光源装置１０から発せられた光をＤＭＤ１４及びＴＩＲプリズム１５を介して投射レンズ１６から投射する装置である。また、３Ｄプロジェクタ１は、通常の２次元画像の他に、３Ｄ画像が投射により表示可能となっている。

光源装置１０は、例えばメタルハライドランプや超高圧水銀ランプなどの高輝度のランプを有するよう構成すればよい。カラーホイール１１は、赤、緑、青の３原色のフィルタを含み、それらが高速に回転するように構成され、これにより光源装置１０から発せられた光を赤、緑、青の３色に時分割する。なお、カラーホイール１１は、輝度を上げるために無色透明の部分又は黄色のフィルタなどを含むように構成してもよい。

ロッドインテグレータ１２及びコンデンサレンズ１３は、光源装置１０とＤＭＤ１４との間に配置される。ロッドインテグレータ１２は、カラーホイール１１を介した光を入射して内部で全反射させ照度分布が均一な状態で出射する。コンデンサレンズ１３は、ロッドインテグレータ１２から出射した光を集光し、ＴＩＲプリズム１５に出射するレンズ群である。

ＤＭＤ１４は、画素数に相当する数の微小鏡面（マイクロミラー）を平面に配列した表示素子であり、後述のＴＩＲプリズム１５の内部反射面（境界面）１５ｃで反射した光を入射し、図示しない制御部により画素信号に合わせて個々のミラーを駆動することで、反射光により画像を形成し、ＴＩＲプリズム１５に戻す。ここで、ＤＭＤ１４は、カラーホイール１１の高速な回転に同期した赤、緑、青の順次信号で各色の画像を反射することで、カラー画像をＴＩＲプリズム１５に戻すことが可能になっている。

ＴＩＲプリズム１５は、２つの三角プリズム１５ａ，１５ｂが対向配置されており、その内部反射面（境界面）１５ｃにて所定の入射角より小さい角度で入射した光のみを通過させ、それ以外を全反射するようになっている。内部反射面１５ｃは、２つの三角プリズム１５ａ，１５ｂの斜辺面を合わせた部分に設けられている。内部反射面１５ｃは、例えば空気層等により屈折率の低い層を形成してもよい。より具体的には、対向面において金属又は誘電体が真空蒸着されて形成されたスペーサを設けて微小間隔の空気層を形成してもよいし、一方の三角プリズムの対向面において周縁の全周に凸部を設けることで、周縁以外の部分を凹部として空気層を形成するなどしてもよい。このようにして形成された屈折率の低い層と三角プリズム１５ａ，１５ｂとの屈折率の比により、臨界角を決めることができる。

そして、ＴＩＲプリズム１５は、コンデンサレンズ１３からの出射光を内部反射面１５ｃにて反射してＤＭＤ１４に入射させ、ＤＭＤ１４でその入射光が反射した光を入射して内部反射面１５ｃを透過させ、投射レンズ１６に出射するように配置されている。投射レンズ１６は、ＴＩＲプリズム１５からの出射光を入射し、スクリーンに投影するレンズである。投射レンズ１６からスクリーンに投影される画像は、ＤＭＤ１４により高速で順次反射された赤、緑、青の画像となり、結果としてカラー画像になる。

本発明の主たる特徴として、３Ｄプロジェクタ１には赤外線発光素子１７が設けられている。特に本発明では、この赤外線発光素子１７を図１のように投射光学系の一部として配置する。より具体的には、赤外線発光素子１７は、ＴＩＲプリズム１５に赤外線を入射し、その赤外線をＴＩＲプリズム１５の内部反射面１５ｃで反射させ投射レンズ１６を介して投射させるように、配置する。赤外線と光源からの光とがここで説明したような光路（好ましくは図１のような光路）を辿ることができるように、コンデンサレンズ１３や投射レンズ１６に対するＴＩＲプリズム１５の配置だけでなく、内部反射面１５ｃにおける臨界角なども決めておけばよい。

これにより、スクリーン上の画像Ｓの一部分に赤外画像Ｓ_ｉも投射される。ここで赤外画像は、例えば図示したように画面中心部のみ丸となるような映像とするか、矩形となるような映像とすればよく、無論、他の形状の映像を採用してもよく、その大きさも問わない。

そして、投射レンズ１６から投影された画像（動画像や静止画像）は、それが３Ｄ画像である場合、アクティブシャッタ方式の３Ｄ対応メガネＧで視聴者に視聴させることになる。その際、３Ｄ画像として視認させるためには、画像に、右眼・左眼のアクティブシャッタの開閉を同期させる必要がある。そのため、赤外線発光素子１７から発光しスクリーン上で反射した赤外線の信号を、３Ｄ対応メガネＧにおけるアクティブシャッタの開閉に用いる。

より具体的には、画像信号の出力には、左眼用映像と右眼用映像を時間毎に交互に表示するフレームシーケンシャル方式を用い、専用メガネとして、アクティブシャッタ方式のメガネを用い、３Ｄプロジェクタ１が左眼用映像を出力している期間はメガネの左眼のアクティブシャッタを開、右眼のアクティブシャッタを閉にしてメガネの左眼のみを開放し、３Ｄプロジェクタ１が右眼用映像を出力している期間は逆にメガネの右眼のみを開放すればよい。赤外線発光素子１７から出力する赤外線は、左眼用フレーム、右眼用フレームに合わせたパルス信号としておけばよい。より単純には、例えば左眼用フレームのときにＯＮ信号、右眼用フレームのときにＯＦＦ信号とするように赤外線を出力しておけばよい。３Ｄ対応メガネＧは、スクリーンから反射した赤外線を受光し、受光した赤外線の強度に基づいて上記パルス信号のＯＮ／ＯＦＦを判別し、この判別結果に基づき左右のアクティブシャッタの開閉を制御すればよい。

赤外線発光素子１７から出力される赤外線は、このようにして３Ｄ画像の経路と同じくＴＩＲプリズム１５から投射レンズ１６を介してスクリーンに投射されるため、レンズシフトやズームにも対応することができる。

以上のように、本発明の３Ｄプロジェクタ１は、ＤＭＤ方式の３Ｄプロジェクタにおいて照明光と結像光を分離し画像表示機能を達成する目的のために元々配置されているＴＩＲプリズム１５を利用して、追加部品無しで構成されているため、上述した（１）〜（９）の課題を解決できる。つまり、３Ｄプロジェクタ１では、元々ある投射レンズ１６やＴＩＲプリズム１５を利用するため、内部レイアウトや外観デザインに影響しない。さらに、３Ｄプロジェクタ１では、投射レンズ１６から出力されるため必ず画像の投射されるところと必ず一致し、ズーム機能をもたせたときのズームレンズのワイド側やテレ側、レンズシフト機能をもたせたときのレンズシフトの位置に左右されず、安定した３Ｄ対応メガネの動作が期待できる。また、３Ｄプロジェクタ１では、スクリーンへ赤外光が効率良く且つ狭い範囲に到達されるため、従来に比べて赤外線発光素子１７の出力を減らしたり数を減らすことができる。

このように、本発明によれば、赤外線発光素子１７を本体に搭載するに際し、赤外線発光素子１７の数や出力を増やすことなく、余計な追加部品を設けずにレンズシフトやズームに対応することができる。

また、上述した構成例では、図１に示すように、ＴＩＲプリズム１５を使用するＤＬＰプロジェクタで元々画像投射のために使用されていない面から、赤外線を入射させ内部反射面１５ｃで反射させ、これを投映画像を表示させるための投射レンズ１６によりスクリーンへ投射している。

すなわち、赤外線発光素子１７は、ＴＩＲプリズム１５に対して、光源装置１０から発せられた光の入射面、ＤＭＤ１４で反射された光の入射面、及び投射レンズ１６への出射面、とは異なる面から、上記赤外線を入射するように配置している。また、本発明では上述したように、内部反射面１５ｃで赤外線が反射するようにしている。よって、この構成例では、ＴＩＲプリズム１５に入射された赤外線は、投射レンズ１６への出射面の内側で反射した後、内部反射面１５ｃで反射して、投射レンズ１６への出射面から出射するようになる。

このような構成例は、赤外線発光素子１７が画像の入力を邪魔するような位置にないため、好ましい。無論、赤外線発光素子１７は、投射レンズ１６への出射面など別の面から入射させるように配置してもよいが、配置的に好ましい図１のような構成例より、ＴＩＲプリズム１５を大きくする必要があるなど多少のコスト高となる。

また、上述したように、３Ｄ画像の経路と同じく赤外線をＴＩＲプリズム１５から投射レンズ１６を介してスクリーンに投射するためレンズシフトに対応できる。実際にはそれに留まらず、ＤＭＤを用いたプロジェクタにおいてレンズシフト機能をもたせるときには、基本的に図１のようにＴＩＲプリズム１５を用いた光学系を用いる必要がある。無論、レンズシフトのための移動機構を設ける必要はある。このことを、図２〜図５を参照しながら説明する。

まず、図２及び図３を参照しながら、ＴＩＲプリズムを用いてレンズシフト機能をもたせる場合について説明する。図２は、ＴＩＲプリズムを用いたレンズシフトを説明するための図で、図２（Ａ），（Ｂ）はそれぞれレンズシフト前の光路の様子、レンズシフト後の光路の様子を示す図である。また、図３（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ図２（Ａ），（Ｂ）が示す状態における絞りと照明光の位置関係を示す模式図である。

図２（Ａ），（Ｂ）では、ＴＩＲプリズムを用いたレンズシフトによりＡ位置（通常位置とする）とＢ位置に投射レンズ１６が配置された場合の各々の光路を示している。図２（Ａ）の状態から図２（Ｂ）の状態への遷移で示すように、コンデンサレンズ１３等の照明光学系、ＤＭＤ１４、及びＴＩＲプリズム１５の位置を３Ｄプロジェクタ１の本体に固定したままで、移動機構により投射レンズ１６の位置を光軸に垂直な方向にスライド移動させることによって、投射画像Ｓの位置を変えることができる（赤外映像の位置も同様）。

ここで重要なのは、投射レンズ１６のＤＭＤ１４側はテレセントリックになり、一方で、照明光も投射レンズ１６に対して効率良く入射させるためＤＭＤ１４で反射された後テレセントリックになるように予め設計されていることである。この状態で投射レンズ１６を移動させても、主光線（この場合、光軸に対して平行）は必ず絞り１６ｄの中心を通るため途中で光線が遮られることはない。

このことを絞り１６ｄの断面Ｄにおける照明光Ｌの様子で説明すると、図３（Ａ），（Ｂ）でそれぞれ示すようにＡ位置、Ｂ位置のいずれにおいても照明光Ｌは絞りの断面Ｄの中にあり、効率良く光を通過させることができる。

これに対してＴＩＲプリズムを用いない光学系においては、レンズシフト機能の実現は困難となる。このことを、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は、ＴＩＲプリズムを用いない場合のレンズシフトを説明するための図で、図４（Ａ），（Ｂ）はそれぞれレンズシフト前の光路の様子、レンズシフト後の光路の様子を示す図である。また、図５（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ図４（Ａ），（Ｂ）が示す状態における絞りと照明光の位置関係を示す模式図である。

図４（Ａ），（Ｂ）では、ＴＩＲプリズムを用いないレンズシフトによりＡ位置とＢ位置（通常位置とする）に投射レンズ４６が配置された場合の各々の光路を示している。Ｂ位置の光学系では、投射レンズ４６の絞り４６ｄはＤＭＤ４４側に一番近いレンズの近くになるように設計し、照明系もこの絞り４６ｄに対して集光するように予め設計する。これにより、照明光や照明光学系のレンズは干渉せずに、つまり光線や部品の干渉が起こらず、成立させることができる。また、通常の設計では図４（Ｂ）のように絞り４６ｄの近くに凸レンズ（又は同様に正のパワーを持つ凹面鏡）を配置する。

このような図４（Ｂ）の状態で、コンデンサレンズ４３等の照明光学系及びＤＭＤ４４の位置を３Ｄプロジェクタ本体に固定したままで、移動機構により投射レンズ４６の位置を光軸に垂直な方向にスライド移動させることによって、投射画像Ｓの位置を変えようとした場合、図４（Ａ）で示すようなＡ位置まで投射レンズ４６を移動させると、照明光や照明光学系のレンズ（凹面鏡）が固定であるため領域Ｉの部分で示すように干渉してしまい、成立しない。

また、仮に無理な設計をして部品の干渉が防げたとしても、ＤＭＤ４４からの反射光は照明系やＤＭＤ４４が固定であるため、図４（Ａ）の破線のようになってしまい、絞り（４６ｄ）を効率良く通過することができなくなる。

このことを絞り４６ｄの断面Ｄにおける照明光Ｌの様子で説明すると、図５（Ａ），（Ｂ）でそれぞれ示すようにＢ位置において照明光Ｌは絞りの断面Ｄの中にあるが、Ａ位置において照明光Ｌは絞りの断面Ｄの外にあり、光を通過させることができなくなっている。

このように、ＴＩＲプリズムを搭載しない場合には、レンズシフト機能の実現は困難となる。つまり、ＤＭＤを用いた３Ｄプロジェクタにおいてレンズシフト機能を達成するためには、ＴＩＲプリズムを用いた光学系を用いればよく、必然的にＴＩＲプリズムを用いた光学系が採用される。

次に、赤外線の内部反射面１５ｃでの反射について説明する。図１〜図３を参照しながら説明したように、本発明では投射光学系の一部として赤外線発光素子１７を配置するが、この際重要になるのがＴＩＲプリズム１５の反射率特性である。この反射率特性について、図６を参照しながら説明する。図６は、図１のＴＩＲプリズムにおける内部反射面に設けた反射防止膜の周波数特性の一例を示す図である。

可視光は、図１においてスクリーンから逆に光線追跡すれば分かるようにＤＭＤ１４側に戻ってしまう。ところが、内部反射面１５ｃにおいて通常の可視光用の反射防止膜をコーティングなどにより付けた場合でも、可視光帯域（波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度）に対して反射率を下げるように膜厚や層数を設計するだけで、それ以外の帯域に関しては特に意図した設計を行うことはない。より具体的には、図６のグラフ６１で通常の可視光用の反射防止膜を付けたガラスについて反射率の周波数特性を図示するように、赤外線は反射するため、内部反射面１５ｃにおいて通常の可視光用の反射防止膜を付けただけでも、図１で説明したような光学系を成立させることができる。

このように、ＴＩＲプリズム１５は、内部反射面１５ｃに可視光用の反射防止膜を設けていることが好ましい。これにより、赤外線に対しては反射膜として機能しながらも、所定の入射角より小さい場合に可視光の反射をほぼ防止することができる。

また、このように内部反射面１５ｃに施した上記反射防止膜は、発光された赤外線に対して反射膜として機能するが、発光された赤外線に対する反射率を上げるように構成されていること、つまり発光された赤外線に対しては反射率を上げるような性能をもった膜であることが好ましい。より具体的には、特別に膜設計して図６のグラフ６２で示すように、赤外線（ここでは波長９００ｎｍを想定）に対する反射率を上げた反射率周波数特性をもつように、上記反射防止膜を構成すればよい。

また、赤外線のスクリーンへの投射を効率良く行うためには、投射レンズ１６の赤外線に対する透過率も重要になってくる。投射レンズ１６の場合、含有するレンズの枚数が多いため、通常の可視光用の反射防止膜では透過率が落ちて使い物にならない。しかし、投射レンズ１６に対しても、内部反射面１５ｃと同様に赤外線を考慮した膜設計を行えば（特にグラフ６２のような特性を持つようにすれば）、容易に透過率を上げることができる。

また、本発明に係る投射型表示装置としては、図１のようなＴＩＲプリズム１５を備えた構成に限らず、例えば図７や図８で示すような構成例も採用できる。図７、図８はいずれも、本発明に係る投射型表示装置の他の構成例を示す概略図で、図中、７，８は３Ｄプロジェクタである。以下では、３Ｄプロジェクタ７，８について、基本的に、図１の３Ｄプロジェクタ１との違いについてのみ説明を行う。

図７に示すように、３Ｄプロジェクタ７はＴＩＲプリズム７０を有する。ＴＩＲプリズム７０は、図１のＴＩＲプリズム１５の三角プリズム１５ａと同様の三角プリズム７５ａと、三角プリズム７５ｂが対向配置されており、その内部反射面（境界面）７５ｃは内部反射面１５ｃと同様に所定の入射角より小さい角度で入射した光のみを通過させ、それ以外を全反射するようになっている。

そして、３Ｄプロジェクタ７は、図１の３Ｄプロジェクタ１とは赤外線発光素子１７の入射位置が異なる。ＴＩＲプリズム７０の投射レンズ１６への出射面側に赤外線発光素子１７が設けられ、ＴＩＲプリズム７０の面から赤外線が入射するように構成されている。そのため、入射した赤外線は、投射レンズ１６への出射面及び内部反射面７５ｃ以外の面７５ｄに照射される。よって、この面７５ｄは赤外線が反射する赤外線反射面として機能するように、全反射コート又は赤外線反射コートが施されている。

図８に示すように、３Ｄプロジェクタ８はＴＩＲプリズム８０を有する。ＴＩＲプリズム７０は、図１のＴＩＲプリズム１５の三角プリズム１５ａと同様の三角プリズム８５ａと、変形の三角プリズム８５ｂが対向配置されており、その内部反射面（境界面）８５ｃは内部反射面１５ｃと同様に所定の入射角より小さい角度で入射した光のみを通過させ、それ以外を全反射するようになっている。

そして、３Ｄプロジェクタ８は、図１の３Ｄプロジェクタ１とは赤外線発光素子１７の入射位置が異なる。そして、３Ｄプロジェクタ８では、三角プリズム８５ｂに、三角プリズム８５ａにおけるＤＭＤ１４からの入射面と平行な面を設け、その面側に設けた赤外線発光素子１７により、その面から赤外線が入射するように構成されている。また、三角プリズム８５ｂには、入射した赤外線が投射レンズ１６への出射面側に抜けないように、赤外線反射コートが施されて赤外線反射面として機能する斜面８５ｄが設けられている。斜面８５ｄは、斜面８５ｄで反射した赤外線が内部反射面８５ｃで反射して、投射レンズ１６に向かうような角度で形成されている。

また、本発明に係る投射型表示装置としては、図１、図７、図８の構成例に限らず、例えば図９で示すような構成例も採用できる。図９は、本発明に係る投射型表示装置の他の構成例を示す概略図で、図中、９は３Ｄプロジェクタである。

３Ｄプロジェクタ９は、緑色用ＤＭＤ１４_Ｇ、赤色用ＤＭＤ１４_Ｒ、青色用ＤＭＤ１４_Ｂの３枚のＤＭＤと、３色分解・合成プリズムであるフィリップスタイプのダイクロイックプリズム９０を備えた装置である。３Ｄプロジェクタ９は、図１の３Ｄプロジェクタ１と同様にＴＩＲプリズム１５における映像に使用していない面から赤外線発光素子１７で発光した赤外線を入射するように構成している。

３Ｄプロジェクタ９は、ダイクロイックプリズム９０で入射光をＲ，Ｇ，Ｂに分解し、図示しない制御部で各ＤＭＤ１４_Ｇ，１４_Ｒ，１４_Ｂを制御することで、各色の画像を反射させ、ダイクロイックプリズム９０で再合成し、ＴＩＲプリズム１５及び投射レンズ１６を介してスクリーン側へ出射する。そのため３Ｄプロジェクタ９は、図１の３Ｄプロジェクタ１と異なり、カラーホイール１１を設ける必要がない。その他、３Ｄプロジェクタ９における３Ｄプロジェクタ１と同様の部分の説明は省略する。

以上の説明では、赤外線を採用した例を挙げたが、赤外線の代わりに、紫外線若しくは可視光線を用いる場合について説明する。紫外線若しくは可視光線を用いた場合であっても、赤外線の場合と基本的に同様に適用でき、同様の効果を奏する。よって、紫外線や可視光線の場合も同様に、投射レンズ１６から投射され、被投射面であるスクリーンＳで反射した光線は、アクティブシャッタ方式の３次元画像視聴用メガネにおけるアクティブシャッタの開閉に用いることができる。

発光素子から紫外線を発光させる場合のＴＩＲプリズムの内部反射面について、補足説明する。この場合にも、図６のグラフ６１で通常の可視光用の反射防止膜を付けたガラスについて反射率の周波数特性を図示するように、紫外線は反射する。つまり、図１の構成例で説明すると、内部反射面１５ｃにおいて通常の可視光用の反射防止膜を付けただけでも、図１で説明したような光学系を成立させることができる。紫外線を採用した場合にも同様に、内部反射面１５ｃに施した上記反射防止膜は、発光された紫外線に対して反射膜として機能するが、発光された紫外線に対する反射率を上げるように構成されていること、つまり発光された紫外線に対しては反射率を上げるような性能をもった膜であることが好ましい。

発光素子から可視光線を発光させる場合のＴＩＲプリズムの内部反射面について、補足説明する。発光素子から可視光線を発光させる場合、図６のグラフ６１で通常の可視光用の反射防止膜を付けたガラスについて反射率の周波数特性を図示するように、可視光線は反射しない。そのため、図１の構成例で説明すると、内部反射面１５ｃにおいて通常の可視光用の反射防止膜を付けただけでは、図１で説明したような光学系を成立させることができない。

その場合は、内部反射面１５ｃに施した上記反射防止膜は、発光素子から発光された可視光線に対して反射膜として機能するように、つまり可視光線のうち発光素子から発光させる波長帯域だけは反射するような反射防止膜を採用するように、構成する必要がある。このような構成の場合、映像におけるその波長帯域の光線もスクリーンＳに投射されないことになることが懸念されるが、その波長帯域を極狭くしておく（並びに利用頻度の低い帯域の可視光線を発光素子から発光させるようにしておく）ことで、映像への影響を小さくすることができる。

また、以上の説明では、本発明における赤外線送信等の光線送信はアクティブシャッタ方式のメガネでのアクティブシャッタの開閉に用いることを前提として説明しているが、投射レンズ１６におけるズーム時の焦点調整などの他の目的でもこの赤外線等の光線を利用することや、本発明における赤外線送信等の光線送信をアクティブシャッタの開閉には用いずに焦点調整などの他の目的でのみ利用するよう構成することもできる。焦点調整について図１の構成例を挙げて補足すると、例えば赤外線発光素子１７の位置若しくはその近隣に赤外線を受光する受光素子を設けておき、その受光素子で受光した赤外線の強度に基づき赤外線の広がりを検出し、その検出結果に基づき焦点調整を行えばよい。

ここで、発光素子についてその具体例を挙げる。赤外線発光素子１７としては発光ダイオードを採用することができる。赤外線発光素子１７として一般的で安価な発光ダイオードを採用することで、３Ｄプロジェクタ１のコストを下げることができる。また、赤外線発光素子１７はレーザー素子であってもよい。レーザー素子は開口数（ＮＡ）が極めて小さいため、投射レンズ１６の開口の影響は無く、効率良く投射することができる。なお、赤外線の代わりに紫外線や可視光線を採用する場合にも同様に、発光素子として発光ダイオードやレーザー素子を採用することができる。

赤外線発光素子１７の半値角について説明する。一般的なＦ値は概ねＦ２.５（つまりＮＡ＝０.２）である。これに対して、例えば砲弾型の発光ダイオードでは半値角１０度程度のものが容易に入手可能である。ＮＡ＝０.２は有効取り込み角度にするとｓｉｎ^−１（ＮＡ）＝１１.５度となり、概ね一致している。このように、投射レンズ１６のＦ値が示す有効取り込み角度に相当する半値角をもつ赤外線発光素子を採用することで、発光ダイオードからの光を効率良く好くスクリーンに投射することが可能である。なお、赤外線の代わりに紫外線や可視光線を採用する場合にも同様に、発光素子の半値角として、投射レンズ１６のＦ値が示す有効取り込み角度に相当する半値角を採用することが好ましい。

以上、本発明に係る投射型表示装置として、反射型ミラーアレイ素子を用いて映像を表示する装置を挙げて説明したが、ミラーアレイ素子を使用しない他の光学方式を採用した装置、例えば液晶プロジェクタであっても、内部全反射プリズムを追加して上述したような発光素子の配置を採用すれば、同じ機能を達成することができる。

ミラーアレイ素子を用いない投射型表示装置は、２つのプリズムが対向配置された内部全反射プリズムと、投射レンズとを備え、光源から発せられた光を内部全反射プリズムを介して投射レンズから投射する、３次元画像が表示可能な装置である。

ミラーアレイ素子を用いない構成例として、液晶プロジェクタを例に挙げ、図１の構成例を参照しながら説明すると、ＤＭＤ１４を取り除き、例えばＴＩＲプリズム１５におけるＤＭＤ１４が配置された側の面から、液晶表示素子を通過した光源が入射してくるように配置すればよい。若しくは、図１の構成例からＤＭＤ１４を取り除き、ＴＩＲプリズム１５の手前（例えばコンデンサレンズ１３とＴＩＲプリズム１５との間）に液晶表示素子を設け、ＴＩＲプリズム１５におけるＤＭＤ１４側に図示した面を全反射するようにしておいてもよい。いずれの場合にも、発光素子は、ＴＩＲプリズム１５に対して、光源（液晶を通過した光源）から発せられた光の入射面、及び投射レンズ１６への出射面、とは異なる面から、赤外線等の光線を入射するように配置することが好ましい。但し、図７の構成例のように投射レンズ１６への出射面から赤外線等の光線を入射するようにしてもよい。

１，７，８，９…３Ｄプロジェクタ、１０…光源装置、１１…カラーホイール、１２…ロッドインテグレータ、１３…コンデンサレンズ、１４…ＤＭＤ、１４_Ｂ…青色用ＤＭＤ、１４_Ｇ…緑色用ＤＭＤ、１４_Ｒ…赤色用ＤＭＤ、１５，７０，８０…ＴＩＲプリズム、１５ａ，１５ｂ，７５ａ，７５ｂ，８５ａ，８５ｂ…三角プリズム、１５ｃ，７５ｃ，８５ｃ…内部反射面（境界面）、１６…投射レンズ、１７…赤外線発光素子、４３…コンデンサレンズ、４４…ＤＭＤ、４６…投射レンズ、６１，６２…特性グラフ、７５ｄ…面、８５ｄ…斜面、９０…ダイクロイックプリズム。

Claims (11)

1. ２つのプリズムが対向配置された内部全反射プリズムと、投射レンズと、発光素子と、反射型ミラーアレイ素子とを備え、光源から発せられた光を前記反射型ミラーアレイ素子及び前記内部全反射プリズムを介して前記投射レンズから投射する、３次元画像が表示可能な投射型表示装置であって、
   前記発光素子は、前記内部全反射プリズムに光線を入射し、該光線を前記内部全反射プリズムの内部反射面で反射させ前記投射レンズを介して投射させるように、且つ、
   前記内部全反射プリズムに対して、前記光源から発せられた光の入射面、前記反射型ミラーアレイ素子で反射された光の入射面、及び前記投射レンズへの出射面、とは異なる面から、前記光線を入射するように、配置することを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記発光素子は、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 前記発光素子は、レーザー素子であることを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
4. 前記発光素子は、前記投射レンズのＦ値が示す有効取り込み角度に相当する半値角をもつことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
5. 前記投射レンズから投射され、被投射面で反射した前記光線は、アクティブシャッタ方式の３次元画像視聴用メガネにおけるアクティブシャッタの開閉に用いられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
6. 前記発光素子は、赤外線発光素子又は紫外線発光素子であり、前記内部全反射プリズムは、前記内部反射面に可視光用の反射防止膜を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
7. ２つのプリズムが対向配置された内部全反射プリズムと、投射レンズと、発光素子とを備え、光源から発せられた光を前記内部全反射プリズムを介して前記投射レンズから投射する、３次元画像が表示可能な投射型表示装置であって、
   前記発光素子は、前記内部全反射プリズムに光線を入射し、該光線を前記内部全反射プリズムの内部反射面で反射させ前記投射レンズを介して投射させるように、配置し、且つ、
   前記投射レンズのＦ値が示す有効取り込み角度に相当する半値角をもつことを特徴とする投射型表示装置。
8. ２つのプリズムが対向配置された内部全反射プリズムと、投射レンズと、発光素子とを備え、光源から発せられた光を前記内部全反射プリズムを介して前記投射レンズから投射する、３次元画像が表示可能な投射型表示装置であって、
   前記発光素子は、前記内部全反射プリズムに光線を入射し、該光線を前記内部全反射プリズムの内部反射面で反射させ前記投射レンズを介して投射させるように、配置し、
   前記投射レンズから投射され、被投射面で反射した前記光線は、アクティブシャッタ方式の３次元画像視聴用メガネにおけるアクティブシャッタの開閉に用いられることを特徴とする投射型表示装置。
9. ２つのプリズムが対向配置された内部全反射プリズムと、投射レンズと、赤外線発光素子又は紫外線発光素子である発光素子とを備え、光源から発せられた光を前記内部全反射プリズムを介して前記投射レンズから投射する、３次元画像が表示可能な投射型表示装置であって、
   前記発光素子は、前記内部全反射プリズムに光線を入射し、該光線を前記内部全反射プリズムの内部反射面で反射させ前記投射レンズを介して投射させるように、配置し、
   前記内部全反射プリズムは、前記内部反射面に可視光用の反射防止膜を設けたことを特徴とする投射型表示装置。
10. 前記発光素子は、前記内部全反射プリズムに対して、前記光源から発せられた光の入射面、及び前記投射レンズへの出射面、とは異なる面から、前記光線を入射するように配置することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
11. 前記投射型表示装置は、反射型ミラーアレイ素子をさらに備え、前記光源から発せられた光を前記反射型ミラーアレイ素子及び前記内部全反射プリズムを介して前記投射レンズから投射し、
    前記発光素子は、前記内部全反射プリズムに対して、前記光源から発せられた光の入射面、前記反射型ミラーアレイ素子で反射された光の入射面、及び前記投射レンズへの出射面、とは異なる面から、前記光線を入射するように配置することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の投射型表示装置。

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