JP5291900B2 - 内部全反射プリズムおよび投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、内部全反射プリズムおよび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（反射鏡）を多数並べた光変調素子であって、微小ミラー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、一般に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、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には、内部全反射プリズムが使用されている（たとえば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の内部全反射プリズムは、対向配置される第１プリズムおよび第２プリズムの２個の三角プリズムで構成されており、第１プリズムおよび第２プリズムは、光学ガラスで形成されている。

この内部全反射プリズムでは、第１プリズムの第２プリズムとの対向面、および、第２プリズムの第１プリズムとの対向面には、金属または誘電体が真空蒸着されて形成されたスペーサ部が設けられている。また、この内部全反射プリズムでは、第１プリズムに設けられたスペーサ部と、第２プリズムに設けられたスペーサ部とを突き当てた状態で第１プリズムと第２プリズムとが接着されており、第１プリズムの対向面と第２プリズムの対向面との間には、薄い空気層が形成されている。この空気層によって、内部全反射プリズムでの収差の発生が防止されている。

特開２００３−１４９４１４号公報

特許文献１に記載の内部全反射プリズムのように、所定の機能を確保するため、第１プリズムの対向面と第２プリズムの対向面との間に空気層を形成する必要が生じる場合がある。そこで、特許文献１に記載の内部全反射プリズムでは、第１プリズムおよび第２プリズムの対向面に空気層を形成するための金属または誘電体が真空蒸着されている。すなわち、この内部全反射プリズムの製造工程では、第１プリズムおよび第２プリズムの対向面に金属または誘電体を真空蒸着する工程が必要となる。そのため、内部全反射プリズムの製造工程は煩雑になる。

そこで、本発明の課題は、製造工程の簡素化が可能な内部全反射プリズムおよびこの内部全反射プリズムを備える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、本発明の内部全反射プリズムは、ガラスで形成される第１プリズムと、樹脂で形成される第２プリズムとが対向配置されて構成され、第１プリズムの第２プリズムとの対向面である第１対向面は平面状に形成され、第２プリズムの第１プリズムとの対向面である第２対向面には第１対向面に当接する凸部が形成されていることを特徴とする。

本発明の内部全反射プリズムでは、第１プリズムの第１対向面は平面状に形成され、第２プリズムの第２対向面には第１対向面に当接する凸部が形成されている。したがって、所定の機能を確保するため、第１対向面と第２対向面との間に空気層（隙間）を形成する必要が生じる場合であっても、第１対向面と凸部を当接させた状態で第１プリズムと第２プリズムとを固定することで、第１対向面と第２対向面との間に空気層を形成することができる。そのため、第１プリズムと第２プリズムとを固定する固定工程が容易になる。また、本発明では、ガラスで形成される第１プリズムの第１対向面は平面状に形成されているため、第１プリズムの製造が容易になる。一方、第２プリズムは樹脂で形成されているため、第２対向面に凸部が形成される場合であっても、金型成型を用いて容易に凸部を形成することができ、第２プリズムの製造も容易になる。このように、本発明の内部全反射プリズムでは、製造工程を簡素化することが可能になる。

本発明において、凸部は、第２対向面の周縁の略全周に形成されていることが好ましい。このように構成すると、第１対向面と第２対向面との間に形成される空気層に外部から異物が進入するのを防止することが可能となる。たとえば、空気層への塵埃の侵入や、製造時に使用される第１プリズムや第２プリズムの表面の洗浄用溶液の空気層への侵入を防止することが可能になる。

本発明において、凸部には、第１対向面と凸部とを当接させる際の空気の逃げ口となる空気口が形成されていることが好ましい。このように構成すると、第１対向面と凸部との密着性を高めることができる。そのため、第１対向面と第２対向面との間に適切な空気層を形成することができる。また、空気層への異物の進入を確実に防止することが可能となる。

本発明において、第２プリズムの第２対向面以外の光の透過面は、球面状あるいは非球面状の凸面状または凹面状に形成されていることが好ましい。このように構成すると、内部全反射プリズムに集光効果あるいは拡散効果を持たせることができる。

本発明の投射型表示装置は、ガラスで形成される第１プリズムと、樹脂で形成される第２プリズムとが対向配置されて構成され、第１プリズムの第２プリズムとの対向面である第１対向面は平面状に形成され、第２プリズムの第１プリズムとの対向面である第２対向面には第１対向面に当接する凸部が形成されている内部全反射プリズムと、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し投射レンズに向かって反射する微小ミラー型表示素子とを備え、第１プリズムが、微小ミラー型表示素子で反射され投射レンズへ向かう反射光が通過する位置に配置され、第２プリズムが、光源から微小ミラー型表示素子へ向かう照明光が通過し、かつ、微小ミラー型表示素子で反射され投射レンズへ向かう反射光が通過しない位置に配置されていることとする。この投射型表示装置では、成型時のひずみ等の影響で高い光学的性能を確保することが困難な樹脂製の第２プリズムは、微小ミラー型表示素子で反射され投射レンズへ向かう反射光が通過しない位置に配置されている。そのため、この投射型表示装置では、製造工程の簡素化が可能な内部全反射プリズムを用いる場合であっても、スクリーン上に画質の高い映像を投射することが可能になる。

以上のように、本発明の内部全反射プリズムでは、製造工程を簡素化することが可能になる。また、本発明の投射型表示装置では、製造工程の簡素化が可能な内部全反射プリズムを用いる場合であっても、スクリーン上に画質の高い映像を投射す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内部全反射プリズム１を用いた投射型表示装置４の概略構成を説明するための概略構成図である。

本形態の内部全反射プリズム（Ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎプリズム）１（以下、「ＴＩＲプリズム１」とする。）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投射型表示装置４に使用される。

投射型表示装置４は、図１に示すように、ＴＩＲプリズム１および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としてのランプ５と、カラーホイール（ＣＷ）６と、ロッドインテグレータ７と、リレーレンズ群８と、投射レンズ鏡筒９とを備えている。

ランプ５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１１と楕円反射鏡１２とを備えている。このランプ５は、図１に示すように、ロッドインテグレータ７に向かって照明光を出射する。ＣＷ６は、薄い円板状に形成され、ランプ５とロッドインテグレータ７との間に配置されている。このＣＷ６は、モータ１３の出力軸に固定されており、モータ１３で回転駆動される。

ロッドインテグレータ７は、ＣＷ６とリレーレンズ群８との間に配置されている。リレーレンズ群８は、複数枚のリレーレンズによって構成され、ロッドインテグレータ７とＴＩＲプリズム１との間に配置されている。

ＴＩＲプリズム１は、第１プリズム１５および第２プリズム１６の２個のプリズムによって構成されている。このＴＩＲプリズム１の詳細な構成については後述する。

微小ミラー型表示素子２は、ランプ５からの照明光を変調してＴＩＲプリズム１に向けて反射する複数の反射鏡（図示省略）と、反射鏡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。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、複数の反射鏡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反射鏡は、その反射光がＴＩＲプリズム１を介して投射レンズ鏡筒９（具体的には、投射レンズ鏡筒９に保持された後述の投射レンズ）に向かうように（すなわち、反射光が結像光（オン光）となるように）傾く。また、制御回路から「オフ」の駆動信号を与えられた反射鏡は、その反射光がＴＩＲプリズム１を介して投射レンズ鏡筒９から外れた位置に向かうように（すなわち、反射光がオフ光となるように）傾く。

投射レンズ鏡筒９には、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（図示省略）が保持されている。この投射レンズは、微小ミラー型表示素子２の反射鏡とスクリーン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の反射鏡に形成された映像は、投射レンズによって、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４では、ランプ５から出射され、ＣＷ６を透過した照明光は、ロッドインテグレータ７により、照度分布が均一な照明光となり、その後、リレーレンズ群８を透過する。リレーレンズ群８を透過した照明光は、ＴＩＲプリズム１を透過し、微小ミラー型表示素子２に入射する。微小ミラー型表示素子２に入射した照明光は変調され、投射レンズ鏡筒９に向かうように、あるいは、投射レンズ鏡筒９から外れた位置に向かうように反射される。このとき、微小ミラー型表示素子２で反射された反射光は、ＴＩＲプリズム１を透過する。また、反射光のうちの結像光は、ＴＩＲプリズム１の内部で全反射される。また、ＴＩＲプリズム１の内部で全反射された結像光は、投射レンズによって、スクリーン３に拡大投射される。

このように、ランプ５から出射される照明光および微小ミラー型表示素子２で反射される結像光は、光路Ｌを通過して、スクリーン３に到達する。なお、本形態では、図１に示すように、第１プリズム１５は、ランプ５から微小ミラー型表示素子２へ向かう照明光が通過し、かつ、微小ミラー型表示素子２で反射され投射レンズ鏡筒９へ向かう結像光が通過する位置に配置されている。また、第２プリズム１６は、ランプ５から微小ミラー型表示素子２へ向かう照明光が通過し、かつ、微小ミラー型表示素子２で反射され投射レンズ鏡筒９へ向かう結像光が通過しない位置に配置されている。

（内部全反射プリズムの構成）
図２は、図１に示す内部全反射プリズム１の平面図である。図３は、図２に示す第２プリズム１６の斜視図である。

ＴＩＲプリズム１は、上述のように、第１プリズム１５と第２プリズム１６とによって構成されている。具体的には、当接した状態で対向配置される第１プリズム１５と第２プリズム１６とによってＴＩＲプリズム１が構成されている。第１プリズム１５および第２プリズム１６はともに三角柱状に形成された三角プリズムである。

第１プリズム１５は、空気よりも屈折率の高いガラス（光学ガラス）で形成されている。図２に示すように、第１プリズム１５は、第２プリズム１６との対向面である第１対向面１５ａと、微小ミラー型表示素子２で反射された反射光が入射する入射面１５ｂと、投射レンズ鏡筒９に向かって結像光が出射される出射面１５ｃとを備えている。第１対向面１５ａ、入射面１５ｂおよび出射面１５ｃは、いずれも矩形の平面状に形成されている。

第２プリズム１６は、空気よりも屈折率の高い樹脂で形成されている。たとえば、第２プリズム１６は、アクリルやポリカーボネート等で形成されている。図２、図３に示すように、第２プリズム１６は、第１プリズム１５との対向面である第２対向面１６ａと、リレーレンズ群８を透過した照明光が入射する入射面１６ｂとを備えている。入射面１６ｂは、矩形の平面状に形成されている。

第２対向面１６ａは、矩形の平面状に形成されている。また、第２対向面１６ａには、第１対向面１５ａに当接する凸部１６ｃが一体成型で形成されている。具体的には、凸部１６ｃは、第２対向面１６ａの周縁の全周に矩形の枠状に形成されている。本形態では、後述のように第２対向面１６ａを通過する照明光の光学的性質に影響を及ぼさない位置に凸部１６ｃが形成されている。また、凸部１６ｃは、第２対向面１６ａから一定の突出量で突出するように形成されている。たとえば、第２対向面１６ａからの凸部１６ｃの突出量は、０．１５ｍｍである。凸部１６ｃの内周側は、第２対向面１６ａに向かって緩やかに傾斜するテーパ面となっている。

なお、図２に示すように、凸部１６ｃの外形と第１対向面１５ａの外形とがほぼ一致するように、第１プリズム１５と第２プリズム１６とが形成されても良いし、凸部１６ｃおよび第１対向面１５ａのいずれか一方の外形が他方の外形よりも大きくなるように、第１プリズム１５と第２プリズム１６とが形成されても良い。

凸部１６ｃには、凸部１６ｃの内周側から外周側まで連通する溝部１６ｄが形成されている。溝部１６ｄは、図３に示すように、たとえば凸部１６ｃの上面からわずかに窪むように２箇所に形成されている。この溝部１６ｄは、第１対向面１５ａと凸部１６ｃとを当接させる際の空気の逃げ口となる空気口としての機能を果たすために形成されている。そのため、溝部１６ｄは、空気が通過できる程度の微小な深さおよび幅で形成されている。なお、溝部１６ｄは、１箇所に形成されても良いし、３箇所以上に形成されても良い。

上述のように、凸部１６ｃは第１対向面１５ａに当接している。そのため、第１対向面１５ａと第２対向面１６ａとの間には、空気層（隙間）１７が形成されている。また、本形態では、入射面１５ｂから入射する結像光が第１対向面１５ａで全反射されるように（すなわち、結像光が臨界角以上の角度で第１対向面１５ａに入射するように）、光路Ｌに対する第１対向面１５ａの角度（傾き）が設定され、ＴＩＲプリズム１が投射型表示装置４で固定されている。すなわち、本形態では、空気層１７は、入射面１５ｂから入射する結像光を第１対向面１５ａで全反射させるための機能を果たしている。なお、本形態では、第１対向面１５ａには特殊なコーティング等は施されていない。

第１プリズム１５と第２プリズム１６とは、たとえば、接着によって互いに固定された状態で、投射型表示装置４に固定されている。なお、第１プリズム１５と第２プリズム１６とは互いに固定されずに、かつ、投射型表示装置４に設けられた固定ブロック等の機械的な固定手段によって、凸部１６ｃと第１対向面１５ａとを当接させた状態で、投射型表示装置４に固定されても良い。

以上のように構成されたＴＩＲプリズム１では、リレーレンズ群８を透過し入射面１６ｂから入射した照明光は、図２に示すように、第２対向面１６ａ、空気層１７、第１対向面１５ａ、入射面１５ｂを順次通過しながらＴＩＲプリズム１を透過して、微小ミラー型表示素子２に入射する。また、微小ミラー型表示素子２で反射され、入射面１５ｂから入射した結像光は、第１対向面１５ａで全反射され、出射面１５ｃから投射レンズ鏡筒９に向けて出射される。一方、微小ミラー型表示素子２で反射され、入射面１５ｂから入射したオフ光は、第１対向面１５ａで投射レンズ鏡筒９から外れた位置に向けて反射され、あるいは、第１対向面１５ａを透過する。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、第１プリズム１５の第１対向面１５ａは平面状に形成され、第２プリズム１６の第２対向面１６ａには第１対向面１５ａに当接する凸部１６ｃが形成されている。したがって、入射面１５ｂから入射する結像光を第１対向面１５ａで全反射させるために、第１対向面１５ａと第２対向面１６ａとの間に空気層１７が形成される場合であっても、第１対向面１５ａと凸部１６ｃを当接させた状態で、第１プリズム１５と第２プリズム１６とを固定することで、第１対向面１５ａと第２対向面１６ａとの間に容易に空気層１７を形成することができる。そのため、第１プリズム１５と第２プリズム１６とを固定する固定工程が容易になる。また、本形態では、ガラスで形成される第１プリズム１５の第１対向面１５ａは平面状に形成されているため、第１プリズム１５の製造が容易になる。一方、第２プリズム１６は樹脂で形成されているため、第２対向面１６ａに凸部１６ｃが形成される場合であっても、金型成型を用いて容易に凸部１６ｃを形成することができ、第２プリズム１６の製造も容易になる。以上から、本形態では、ＴＩＲプリズム１の製造工程を簡素化することができる。

本形態では、凸部１６ｃは、第２対向面１６ａの周縁の全周に形成されている。そのため、空気層１７に外部から異物が進入するのを防止することが可能となる。たとえば、空気層１７への塵埃の侵入や、ＴＩＲプリズム１の製造時に使用される第１プリズム１５や第２プリズム１６の表面の洗浄用溶液（たとえば、エーテル等）の侵入を防止することが可能になる。

本形態では、凸部１６ｃには、第１対向面１５ａと凸部１６ｃとを当接させる際の空気の逃げ口となる空気口としての機能を果たす溝部１６ｄが形成されている。そのため、第１対向面１５ａと凸部１６ｃとの密着性を高めることができる。したがって、第１対向面１５ａと第２対向面１６ａとの間に適切な空気層１７を形成することができる。また、溝部１６ｄは、空気が通過できる程度の微小な深さおよび幅で形成されているため、第１対向面１５ａと凸部１６ｃとの密着性を高めることで、空気層１７への異物の進入を確実に防止することが可能となる。

本形態では、第１プリズム１５は、微小ミラー型表示素子２で反射され投射レンズ鏡筒９へ向かう結像光が通過する位置に配置され、第２プリズム１６は、微小ミラー型表示素子２で反射され投射レンズ鏡筒９へ向かう結像光が通過しない位置に配置されている。すなわち、高い光学的性能を確保しやすいガラス製の第１プリズム１５が投射レンズ鏡筒９へ向かう結像光が通過する位置に配置され、成型時のひずみ等の影響で高い光学的性能を確保することが困難な樹脂製の第２プリズム１６は、投射レンズ鏡筒９へ向かう結像光が通過しない位置に配置されている。そのため、本形態の投射型表示装置４では、製造工程の簡素化が可能なＴＩＲプリズム１を用いる場合であっても、スクリーン３上に画質の高い映像を投射することが可能になる。

（他の実施の形態）
上述した形態は、本発明の好適な形態の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を変更しない範囲において種々変形可能である。

上述した形態では、凸部１６ｃは、第２対向面１６ａの周縁の全周に一体で形成されているが、凸部１６ｃは、第２対向面１６ａの周縁の一部分のみに一体で形成されても良い。具体的には、第２対向面１６ａの周縁の一部分であって、第２対向面１６ａを通過する照明光の光学的性質に影響を及ぼさない位置に凸部１６ｃが一体で形成されても良い。たとえば、第２対向面１６ａの周縁に所定の間隔をあけた状態で突出する複数の凸部１６ｃが一体で形成されても良いし、第２対向面１６ａの４隅のみに凸部１６ｃが一体で形成されても良い。また、溝部１６ｄは形成されなくても良い。

上述した形態では、第２プリズム１６の入射面１６ｂは、矩形の平面状に形成されているが、入射面１６ｂは、球面あるいは非球面の凸面状または凹面状に形成されても良い。この場合には、ＴＩＲプリズム１に集光効果あるいは拡散効果を持たせることができる。たとえば、入射面１６ｂが、リレーレンズ群８を構成するリレーレンズの一部（あるいは全部）の機能を果たすように、凸面状または凹面状に形成されても良い。

本発明の実施の形態にかかる内部全反射プリズムを用いた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に示す内部全反射プリズムの平面図である。 図２に示す第２プリズムの斜視図である。

符号の説明

１ ＴＩＲプリズム（内部全反射プリズム）
２ 微小ミラー型表示素子
３ スクリーン
４ 投射型表示装置
５ ランプ（光源）
１５ 第１プリズム
１５ａ 第１対向面
１６ 第２プリズム
１６ａ 第２対向面
１６ｂ 入射面（透過面）
１６ｃ 凸部
１６ｄ 溝部（空気口）

Claims (4)

1. ガラスで形成される第１プリズムと、樹脂で形成される第２プリズムとが対向配置されて構成され、前記第１プリズムの前記第２プリズムとの対向面である第１対向面は平面状に形成され、前記第２プリズムの前記第１プリズムとの対向面である第２対向面には前記第１対向面に当接する凸部が形成されている内部全反射プリズムと、
   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し前記投射レンズに向かって反射する微小ミラー型表示素子と、
   を備え、
   前記第１プリズムは、前記微小ミラー型表示素子で反射され前記投射レンズへ向かう反射光が通過する位置に配置され、
   前記第２プリズムは、前記光源から前記微小ミラー型表示素子へ向かう照明光が通過し、かつ、前記微小ミラー型表示素子で反射され前記投射レンズへ向かう反射光が通過しない位置に配置されている、
   ことを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記凸部は、前記第２対向面の周縁の略全周に形成され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. 前記凸部には、前記第１対向面と前記凸部とを当接させる際の空気の逃げ口となる空気口が形成され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. 前記第２プリズムの前記第２対向面以外の光の透過面は、球面状あるいは非球面状の凸面状または凹面状に形成され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。
   

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