JP6658335B2 - Image display device and image projection device - Google Patents
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Description
本発明は、画像表示装置および画像投射装置に関するものである。 The present invention relates to an image display device and an image projection device.
光源と、照明光学系と、画像表示素子を有する画像表示装置が、例えばプロジェクタに使用されている。画像表示素子として、近年では、多数のマイクロミラーを平面に配列したデジタル・マイクロミラー・デバイス（以下「ＤＭＤ」という）が多用されている。ＤＭＤは反射型の画像表示素子である。ＤＭＤに照明光学系から照明光を照射し、ＤＭＤの各マイクロミラーの傾きを制御して照明光の反射方向をオン・オフ制御することにより、画像を表示することができる。 An image display device having a light source, an illumination optical system, and an image display element is used in, for example, a projector. In recent years, a digital micromirror device (hereinafter, referred to as “DMD”) in which many micromirrors are arranged in a plane has been frequently used as an image display element. DMD is a reflection type image display device. An image can be displayed by irradiating the DMD with illumination light from the illumination optical system and controlling the inclination of each micromirror of the DMD to control the reflection direction of the illumination light on / off.
従来のＤＭＤのほとんどは、マイクロミラーの回転軸が１軸で、１軸を中心としたマイクロミラーの回転態様によって、マイクロミラーに入射する照明光の反射方向をオン方向とオフ方向に切り替える。 In most conventional DMDs, the rotation axis of the micromirror is one axis, and the direction of reflection of the illumination light incident on the micromirror is switched between the on direction and the off direction according to the rotation mode of the micromirror about one axis.
近年は、表示画像の高精細化が求められることによってＤＭＤのマイクロミラー（以下「可動ミラー」という）の微細化が進み、それに伴ってマイクロミラーによる光の回折が解決課題になっている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、上記課題を解決するために、入射光線と、可動ミラーのピッチ、傾き角度、回折の条件が記載されている。上記光の回折による不具合を解消するために、可動ミラーの回転角を大きくすることも有効である。 In recent years, the demand for higher definition of displayed images has led to the miniaturization of micromirrors (hereinafter referred to as “movable mirrors”) of DMDs, and light diffraction by the micromirrors has been a problem to be solved (eg, And Patent Document 1). Patent Literature 1 describes an incident light beam, a pitch, an inclination angle, and diffraction conditions of a movable mirror in order to solve the above problem. It is also effective to increase the rotation angle of the movable mirror in order to solve the problem caused by the light diffraction.
可動ミラーを、直交する２軸を中心に回転可能にしたＤＭＤも公表されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２のＦｉｇ．２９には、回折光が直交する２軸方向に延び、回折光が投影レンズに入射することを避ける様子が記載されている。 A DMD in which a movable mirror is rotatable about two orthogonal axes has also been disclosed (for example, see Patent Document 2). FIG. 29 describes a state in which the diffracted light extends in two orthogonal directions and avoids the diffracted light from entering the projection lens.
しかしながら、前述のような２軸を中心として回転するＤＭＤの可動ミラーによる回折光は、特許文献２に記載されているような回折光に限らない。ＤＭＤの可動ミラーの配列が２次元であることにより原理的に生ずる回折光があり、表示画像のコントラスト比を高めるためには、かかる回折光を低減する必要がある。 However, the light diffracted by the movable mirror of the DMD rotating about two axes as described above is not limited to the diffracted light described in Patent Document 2. There is diffracted light that occurs in principle due to the two-dimensional arrangement of the movable mirrors of the DMD. In order to increase the contrast ratio of a displayed image, it is necessary to reduce such diffracted light.
本発明は、コントラストを高めることができる画像表示装置および画像投影装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an image display device and an image projection device that can enhance contrast.
本発明は、
光源、照明光学系、画像表示素子を有し、
前記画像表示素子は反射型であり可動ミラーが複数配列されて矩形の画像表示面を形成し、
前記各可動ミラーは、第１の方向に傾いて前記画像表示素子に入射する光線を第１の反射方向に反射してオン光を生成し、第１の方向と異なる第２の方向に傾いて前記画像表示素子に入射する光線を前記第１の反射方向とは異なる第２の反射方向に反射してオフ光を生成し、
前記照明光学系から前記画像表示素子に入射する入射光は、その主光線が前記画像表示面の法線に対し角度を持って入射し、
前記入射光の前記法線との角度を入射角、前記入射光の前記画像表示面の辺に対してなす角度を方位角とし、
前記可動ミラーの前記第２の方向への傾き角をα（°）、前記可動ミラーが前記第２の方向に傾いたとき前記入射光の前記可動ミラーへの入射角が小さくなる側への方位角の変化をプラス、前記入射光の前記可動ミラーへの入射角が大きくなる側への方位角の変化をマイナスとしたとき、
前記画像表示面の略中央において、前記入射角は２α＋１（°）以上であり、前記入射光の方位角はマイナスであることを最も主要な特徴とする。
The present invention
Having a light source, an illumination optical system, and an image display element,
The image display element is a reflection type, a plurality of movable mirrors are arranged to form a rectangular image display surface,
Each of the movable mirrors reflects a light ray incident on the image display element while being inclined in a first direction in a first reflection direction to generate ON light, and is inclined in a second direction different from the first direction. Light rays incident on the image display element are reflected in a second reflection direction different from the first reflection direction to generate off-light,
Incident light incident on the image display element from the illumination optical system, its principal ray is incident at an angle with respect to the normal to the image display surface,
Angle of the incident light with respect to the normal line is an incident angle, and an angle between the incident light and a side of the image display surface is an azimuth angle.
The inclination angle of the movable mirror in the second direction is α (°), and the azimuth to the side where the incident angle of the incident light on the movable mirror becomes smaller when the movable mirror is inclined in the second direction. When the change of the angle is plus, and the change of the azimuth to the side where the incident angle of the incident light to the movable mirror is larger is minus,
At the substantially center of the image display surface, the main feature is that the incident angle is 2α + 1 (°) or more and the azimuth of the incident light is minus.
各可動ミラーが異なる方向の２軸を中心に傾く画像表示素子を有する画像表示装置において、コントラストを高めることができる。 In an image display device having an image display element in which each movable mirror is inclined about two axes in different directions, the contrast can be increased.
以下、本発明に係る画像表示装置および画像投射装置の実施例について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of an image display device and an image projection device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
画像表示装置および画像表示装置で表示される画像を投射する画像投射装置すなわちプロジェクタの光学系全体を図１に示す。図１に示す光学系はテレセントリックである。図１に示す光学系全体のうち、画像表示装置は、ランプからなる光源１０、照明光学系２０、画像表示素子としてのＤＭＤ３０を有してなる。 FIG. 1 shows the entire optical system of an image display device and an image projection device that projects an image displayed on the image display device, that is, a projector. The optical system shown in FIG. 1 is telecentric. 1, the image display device includes a light source 10 composed of a lamp, an illumination optical system 20, and a DMD 30 as an image display element.
光源１０から出射する照明光は、防爆ガラス１１、カラーホイール１２、ライトトンネル１３を経て照明光学系２０に導かれる。防爆ガラス１１、カラーホイール１２およびライトトンネル１３それぞれの構成および機能は周知のとおりである。 Illumination light emitted from the light source 10 is guided to an illumination optical system 20 through an explosion-proof glass 11, a color wheel 12, and a light tunnel 13. The configurations and functions of each of the explosion-proof glass 11, the color wheel 12, and the light tunnel 13 are well known.
照明光学系２０は、前記照明光を導き入れる第１リレーレンズ２１、第２リレーレンズ２２と、導き入れる照明光の向きを折り曲げるミラー２３を有する。照明光学系２０はまた、ミラー２３で反射される照明光を全反射プリズム２６に導く第３リレーレンズ２４、第４リレーレンズ２５を有する。全反射プリズム２６は、二つの三角柱状のプリズムが接合されたもので、導入される照明光を反射してＤＭＤ３０に照射し、ＤＭＤ３０からの反射光を外部に向けて出射する。 The illumination optical system 20 has a first relay lens 21 and a second relay lens 22 for guiding the illumination light, and a mirror 23 for bending the direction of the illumination light to be guided. The illumination optical system 20 also has a third relay lens 24 and a fourth relay lens 25 that guide the illumination light reflected by the mirror 23 to the total reflection prism 26. The total reflection prism 26 is formed by joining two triangular prisms, reflects the introduced illumination light to irradiate the DMD 30, and emits the reflected light from the DMD 30 to the outside.
図１に示す例では、全反射プリズム２６の下面に、カバーガラス３１を介してＤＭＤ３０が配置され、ＤＭＤ３０による反射光が全反射プリズム２６の上面から出射する構成になっている。全反射プリズム２６の上方に投射光学系４０が配置されている。 In the example shown in FIG. 1, the DMD 30 is arranged on the lower surface of the total reflection prism 26 via the cover glass 31, and the light reflected by the DMD 30 is emitted from the upper surface of the total reflection prism 26. The projection optical system 40 is arranged above the total reflection prism 26.
光源１０から照明光学系２０およびＤＭＤ３０までの各素子は、金属性あるいはプラスチック製のハウジングで保持されている。投射光学系４０は鏡筒に収められ、前記ハウジングに固定されている。これらの部品乃至は部材以外にも、冷却ファン、放熱フィン、電気回路等があり、それぞれ適宜の筐体に収められている。 Each element from the light source 10 to the illumination optical system 20 and the DMD 30 is held by a metal or plastic housing. The projection optical system 40 is housed in a lens barrel and fixed to the housing. In addition to these parts or members, there are a cooling fan, a radiation fin, an electric circuit, and the like, each of which is housed in an appropriate housing.
ＤＭＤ３０は、周知の通り、反射型の素子であり可動ミラーが複数縦横に配列されて矩形の画像表示面を形成している。周知のＤＭＤは、個々の可動ミラーが１つの軸を中心に回転して、入射する光線を特定の方向に反射するオン光の生成態様と、前記特定の方向とは異なる方向に反射するオフ光の生成態様を取ることができる。本発明に用いられるＤＭＤ３０は、個々の可動ミラーが、互いに異なる方向の第１の回転軸と第２の回転軸を持っていることが特徴になっている。ＤＭＤ３０の具体的な構成については後で説明する。 As is well known, the DMD 30 is a reflection-type element, and a plurality of movable mirrors are arranged vertically and horizontally to form a rectangular image display surface. A well-known DMD is a method of generating an ON light in which each movable mirror rotates about one axis to reflect an incident light beam in a specific direction, and an OFF light that reflects an incident light beam in a direction different from the specific direction. Can be taken. The DMD 30 used in the present invention is characterized in that each movable mirror has a first rotation axis and a second rotation axis in directions different from each other. The specific configuration of the DMD 30 will be described later.
光源１０から出射する照明光は、防爆ガラス１１、カラーホイール１２、ライトトンネル１３を経て照明光学系２０に導入される。照明光学系２０内において、照明光は、第１リレーレンズ２１、第２リレーレンズ２２、ミラー２３、第３リレーレンズ２４、第４リレーレンズ２５、全反射プリズム２６を経てＤＭＤ３０に入射する。 Illumination light emitted from the light source 10 is introduced into an illumination optical system 20 through an explosion-proof glass 11, a color wheel 12, and a light tunnel 13. In the illumination optical system 20, the illumination light enters the DMD 30 via a first relay lens 21, a second relay lens 22, a mirror 23, a third relay lens 24, a fourth relay lens 25, and a total reflection prism 26.
［ＤＭＤの構成と動作］
図２（ａ）に示すように、ＤＭＤ３０は、一辺が数μｍから十数μｍの微小な可動ミラー３２が多数、縦方向と横方向に配列され、矩形の画像表示面を形成している。可動ミラー３２が一方向に傾き、また異なる方向に傾くことにより、入射する光を互いに異なる方向に反射する。可動ミラー３２が一方向に傾くと、ＤＭＤ３０に入射する光は、全反射プリズム２６と投射光学系４０を経てスクリーンに到達する。この場合の可動ミラー３２による反射光をオン光とする。
[Configuration and operation of DMD]
As shown in FIG. 2A, the DMD 30 has a large number of small movable mirrors 32 each having a side of several μm to several tens μm, which are arranged in the vertical and horizontal directions to form a rectangular image display surface. When the movable mirror 32 is tilted in one direction and in another direction, incident light is reflected in different directions. When the movable mirror 32 is tilted in one direction, the light incident on the DMD 30 reaches the screen via the total reflection prism 26 and the projection optical system 40. In this case, the light reflected by the movable mirror 32 is defined as ON light.
可動ミラー３２が前記異なる方向に傾くと、ＤＭＤ３０に入射する光は、オン光とは異なる方向に反射され、全反射プリズム２６を経て、投射光学系４０から外れる方向に出射する。この場合の可動ミラー３２による反射光をオフ光とする。 When the movable mirror 32 is tilted in the different direction, the light incident on the DMD 30 is reflected in a direction different from the ON light, and is emitted through the total reflection prism 26 in a direction away from the projection optical system 40. In this case, the light reflected by the movable mirror 32 is referred to as off light.
全反射プリズム２６は、全反射プリズム２６を構成する面への入射角の違いにより、反射か透過かを区別する。全反射プリズム２６は、可動ミラー３２で生成されるオン光に対してはオン状態となってオン光を投射光学系４０に向かって透過する。全反射プリズム２６は、可動ミラー３２で生成されるオフ光に対してはオフ状態となり、オフ光を投射光学系４０から外れる向きに反射する。 The total reflection prism 26 distinguishes between reflection and transmission based on the difference in the angle of incidence on the surface constituting the total reflection prism 26. The total reflection prism 26 is turned on with respect to the ON light generated by the movable mirror 32 and transmits the ON light toward the projection optical system 40. The total reflection prism 26 is turned off with respect to the off light generated by the movable mirror 32, and reflects the off light in a direction away from the projection optical system 40.
図２（ａ）はＤＭＤを正面から見た図で、正方形状の無数の画素が縦横方向に配列されている。前記画素は可動ミラー３２からなる。可動ミラー３２はマイクロミラーともいわれるもので、図２（ａ）では可動ミラー３２を間引いて描いている。実際に配列される可動ミラー３２の数は、例えば、８００×１２００というように、無数の可動ミラー３２が配列されている。個々の可動ミラー３２が画素になっている。各可動ミラー３２は通常図２（ｂ）示すように正方形で、正方形の一辺の長さは、例えば５．４μｍである。 FIG. 2A is a view of the DMD as viewed from the front, where countless square pixels are arranged in the vertical and horizontal directions. The pixel comprises a movable mirror 32. The movable mirror 32 is also called a micromirror, and in FIG. 2A, the movable mirror 32 is thinned out. The number of movable mirrors 32 actually arranged is, for example, 800 × 1200, and an infinite number of movable mirrors 32 are arranged. Each movable mirror 32 is a pixel. Each movable mirror 32 is usually a square as shown in FIG. 2B, and the length of one side of the square is, for example, 5.4 μm.
次に、可動ミラー３２の動きについて説明する。可動ミラー３２は図２（ｃ）および（ｄ）に示すように、２つの回転軸を中心に回転して傾くことができる。図２において、可動ミラー３２の一辺と平行な方向をｘ方向、ｘ方向に直交する方向の可動ミラー３２の辺と平行な方向をｙ方向とする。図２（ｃ）に示すように、可動ミラー３２はｙ方向の回転軸を中心に回転して傾くことができる。このｙ方向の回転軸を第１の回転軸とする。可動ミラー３２は、第１の回転軸を中心に第１の方向に傾くことによってＤＭＤ３０に入射する光線を第１の反射方向に反射してオン光を生成する。 Next, the movement of the movable mirror 32 will be described. As shown in FIGS. 2C and 2D, the movable mirror 32 can rotate and tilt about two rotation axes. In FIG. 2, a direction parallel to one side of the movable mirror 32 is defined as an x direction, and a direction parallel to the side of the movable mirror 32 in a direction orthogonal to the x direction is defined as a y direction. As shown in FIG. 2C, the movable mirror 32 can rotate around the rotation axis in the y direction and tilt. This rotation axis in the y direction is defined as a first rotation axis. The movable mirror 32 inclines in the first direction about the first rotation axis to reflect the light beam incident on the DMD 30 in the first reflection direction to generate ON light.
図２（ｄ）に示すように、可動ミラー３２は、ｘ方向の回転軸を中心に回転して傾くことができる。このｘ方向の回転軸を第２の回転軸とする。可動ミラー３２は、第２の回転軸を中心に第２の方向に傾くことによってＤＭＤ３０に入射する光線を第２の反射方向に反射してオフ光を生成する。 As shown in FIG. 2D, the movable mirror 32 can rotate and tilt about a rotation axis in the x direction. This rotation axis in the x direction is defined as a second rotation axis. The movable mirror 32 inclines in the second direction about the second rotation axis to reflect light rays incident on the DMD 30 in the second reflection direction to generate off-light.
前記第１の回転軸および第２の回転軸を中心として可動ミラー３２が回転したときの、可動ミラー３２の反射面すなわちｘ−ｙ平面に対する傾き角あるいは回転角をそれぞれα（°）とする。 When the movable mirror 32 rotates about the first rotation axis and the second rotation axis, the inclination angle or the rotation angle of the movable mirror 32 with respect to the reflection surface, that is, the xy plane, is α (°).
以上、可動ミラー３２の第１、第２の回転軸が、可動ミラー３２の辺と平行なものとして説明した。現実には、矩形の可動ミラーの対角を結ぶ線に沿った２つの軸を第１、第２の回転軸とするものがあるが、技術思想には何ら変わりがないから、引き続きｘ方向とｙ方向の２つの回転軸を有するものとして説明する。 As described above, the first and second rotation axes of the movable mirror 32 have been described as being parallel to the sides of the movable mirror 32. In reality, two axes along the line connecting the diagonals of the rectangular movable mirror are used as the first and second rotation axes. However, since the technical idea does not change at all, the x axis continues to be in the x direction. The description will be made assuming that two rotation axes are provided in the y direction.
［可動ミラーへの入射角と方位角］
画像投影装置に用いる画像表示装置の性能を評価する要素として、投射される画像の品質があり、その中でもコントラスト比すなわち明暗比がある。画像表示素子としてＤＭＤを用いた場合、オフ光が投射光学系４０に侵入するとコントラスト比が低下し、投射される画像の品質が落ちる。コントラスト比を決定する要素の一つに、可動ミラー３２の法線に対する入射角があり、好ましい入射角に関して提案されている。本発明の実施例では、入射角に止まらず、ＤＭＤの画像表示面の辺に対してなす角度すなわち方位角に関しても考慮している。方位角に関しては、従来の技術では顧みられなかった。
[Incident angle and azimuth angle to movable mirror]
Factors for evaluating the performance of an image display device used in an image projection device include the quality of a projected image, and among them, there is a contrast ratio, that is, a contrast ratio. When the DMD is used as the image display element, when the off-light enters the projection optical system 40, the contrast ratio decreases, and the quality of the projected image deteriorates. One of the factors that determine the contrast ratio is the angle of incidence with respect to the normal of the movable mirror 32, and has been proposed for a preferred angle of incidence. In the embodiment of the present invention, not only the incident angle but also the angle formed with respect to the side of the image display surface of the DMD, that is, the azimuth is considered. Regarding the azimuth angle, it has not been considered in the prior art.
図３は、ＤＭＤ３０の画像表示面に対する入射光の入射角と方位角の関係を示している。画像表示面とは、可動ミラー３２が配列されることによって形成される面と定義する。この画像表示面に対する法線Ｎと入射光線ＩＮの成す角を入射角（θ）と定義する。入射光線ＩＮと画像表示面の一辺であるｙ軸またはｘ軸に対して成す角を方位角（φ）と定義する。この例では、ＤＭＤ３０の長辺方向と平行な方向をｙ軸としている。図３に示すように、入射光線ＩＮ、画像表示面の法線Ｎおよび出射光線ＯＵＴは同一平面内にある。また、画像表示面の法線Ｎは、投射レンズの光軸Ｏ（図１参照）と平行である FIG. 3 shows the relationship between the incident angle and the azimuth of the incident light on the image display surface of the DMD 30. The image display surface is defined as a surface formed by arranging the movable mirrors 32. The angle formed by the normal line N and the incident light IN with respect to the image display surface is defined as an incident angle (θ). The angle formed between the incident light IN and the y-axis or x-axis which is one side of the image display surface is defined as an azimuth (φ). In this example, the direction parallel to the long side direction of the DMD 30 is set as the y-axis. As shown in FIG. 3, the incident light IN, the normal N of the image display surface, and the output light OUT are in the same plane. The normal line N of the image display surface is parallel to the optical axis O of the projection lens (see FIG. 1).
図４（ａ）は、ＤＭＤ３０の短辺方向右側から照明光が入射する場合を示している。照明光は画像表示面の法線に対して、ある入射角（θ）をもって入射し、入射角と同じ出射角（θ）をもって出射する。図４（ｂ）（ｃ）は一つの可動ミラー３２を拡大して示しており、図４（ｂ）はオフ状態、（ｃ）はオン状態である。可動ミラー３２がオン状態にある場合、可動ミラー３２で反射される光は、ＤＭＤ３０の上方に設置されている投射光学系４０に入射する。可動ミラー３２がオフ状態にある場合は、オン状態の場合とは別の方向に光が反射される。 FIG. 4A shows a case where the illumination light is incident from the right side in the short side direction of the DMD 30. The illuminating light is incident at a certain incident angle (θ) with respect to the normal to the image display surface, and is emitted at the same exit angle (θ) as the incident angle. FIGS. 4B and 4C show one movable mirror 32 in an enlarged manner. FIG. 4B shows an off state and FIG. 4C shows an on state. When the movable mirror 32 is in the ON state, the light reflected by the movable mirror 32 enters a projection optical system 40 installed above the DMD 30. When the movable mirror 32 is in the off state, light is reflected in a direction different from that in the on state.
図４（ｂ）に示すように、可動ミラー３２がオフ状態にあるとき、入射光に方位角を持たせる。すなわち画像表示面の一辺に対して入射光に角度を持たせる。可動ミラー３２がオフ状態になるためにｙ軸方向の第１の回転軸を中心に回転したとき、可動ミラー３２への入射光の入射角が小さくなる側への方位角の移動をプラス、反対側への方位角の移動をマイナスと定義する。 As shown in FIG. 4B, when the movable mirror 32 is in the off state, the incident light has an azimuth. That is, the incident light has an angle with respect to one side of the image display surface. When the movable mirror 32 is turned around the first rotation axis in the y-axis direction in order to be in the off state, the movement of the azimuth angle to the side where the incident angle of the incident light on the movable mirror 32 becomes smaller is plus and the opposite. The azimuth shift to the side is defined as minus.
照明光は、図５（ａ）に示すように、ＤＭＤ３０の長辺方向から入射させることもできる。図５（ａ）は、ＤＭＤ３０の長辺方向下側から照明光が入射する場合を示しており、図５（ｂ）はオン状態、図５（ｃ）はオフ状態を示す。可動ミラー３２がオフ状態になるためにｘ軸方向の第２の回転軸を中心に回転したとき、可動ミラー３２への入射光の入射角が小さくなる側への方位角の移動をプラス、反対側への方位角の移動をマイナスと定義する。 As shown in FIG. 5A, the illumination light can be made to enter from the long side direction of the DMD 30. FIG. 5A illustrates a case where the illumination light is incident from below the long side of the DMD 30. FIG. 5B illustrates an ON state, and FIG. 5C illustrates an OFF state. When the movable mirror 32 is turned around the second rotation axis in the x-axis direction in order to be in the off state, the movement of the azimuth angle to the side where the incident angle of the incident light on the movable mirror 32 becomes smaller is plus and the opposite. The azimuth shift to the side is defined as minus.
なお、図４、図５に示す例において、方位角の最適値は光学設計によって求めてもよく、あるいは調整手段を設けて調整によって最適値に調整するようにしてもよい。 In the examples shown in FIGS. 4 and 5, the optimal value of the azimuth may be obtained by optical design, or an adjusting means may be provided to adjust the optimal value by adjustment.
［入射角について］
本発明では、入射角を２×α°＋１°以上とし、これに加えて、方位角を０°よりも小さくする。これは、以下に述べるように、投射光学系４０のＤＭＤ３０に最も近いレンズすなわち投射光学系第１レンズ４１（図１参照）の直径内において、オフのときの回折光を、オン光から分離するための照明光学系２０の条件である。
[About incident angle]
In the present invention, the incident angle is set to 2 × α ° + 1 ° or more, and in addition, the azimuth is set smaller than 0 °. This separates off diffracted light from on light within the diameter of the lens closest to the DMD 30 of the projection optical system 40, ie, within the diameter of the projection optical system first lens 41 (see FIG. 1), as described below. Of the illumination optical system 20 for the purpose.
図６は、幾何光学的な光線追跡シミュレーションにより求めたオン光の照度分布を示す。可動ミラー３２は図４（ｃ）に示す状態にあり、傾き角αは１７°である。ＤＭＤ３０の画像表示面にある全ての可動ミラー３２すなわち各画素がオンの状態、いわゆる全白（フルオン）である。投射光学系第１レンズ４１の直径をＤとすると、オン光ＯＮの領域は投射光学系第１レンズ４１の直径Ｄ内に分布している。 FIG. 6 shows the illuminance distribution of the ON light obtained by the geometrical ray tracing simulation. The movable mirror 32 is in the state shown in FIG. 4C, and the tilt angle α is 17 °. All the movable mirrors 32 on the image display surface of the DMD 30, that is, each pixel is in an ON state, that is, a so-called all white (full ON) state. Assuming that the diameter of the projection optical system first lens 41 is D, the ON light ON region is distributed within the diameter D of the projection optical system first lens 41.
図６は、本発明の実施例に対する比較例であって、入射角θは３５．５°、方位角は０°の例である。これは、投射光学系第１レンズ４１の、ＤＭＤ３０側における曲面頂点に接する平面での照度分布である。この照度分布の投射光が投射光学系４０を経てスクリーンに投射される。この照度分布のｘ断面を図６（ｂ）に、ｙ方向の断面を図６（ｃ）に示す。それぞれの方向の照度分布の最大値を、オン光ＯＮの照度の最大値と定義する。 FIG. 6 shows a comparative example with respect to the embodiment of the present invention, in which the incident angle θ is 35.5 ° and the azimuth angle is 0 °. This is an illuminance distribution on a plane of the projection optical system first lens 41 that is in contact with the vertex of the curved surface on the DMD 30 side. The projection light having this illuminance distribution is projected on a screen via the projection optical system 40. FIG. 6B shows an x section of this illuminance distribution, and FIG. 6C shows a section in the y direction. The maximum value of the illuminance distribution in each direction is defined as the maximum value of the illuminance of the ON light ON.
図７に、幾何光学的な光線追跡シミュレーションにより求めたオフ光ＯＦＦの照度分布を示す。この照度分布は図４（ｂ）に示す状態での照度分布であり、可動ミラー３２の傾き角αは１７°である。ＤＭＤ３０の画像表示面にある全ての可動ミラー３２がオフ状態すなわち全黒（フルオフ）である。 FIG. 7 shows an illuminance distribution of off light OFF obtained by a geometrical optical ray tracing simulation. This illuminance distribution is the illuminance distribution in the state shown in FIG. 4B, and the tilt angle α of the movable mirror 32 is 17 °. All the movable mirrors 32 on the image display surface of the DMD 30 are in the off state, that is, all black (full off).
オン状態とオフ状態では可動ミラー３２の傾き方向が異なる。オフ光ＯＦＦの分布領域は図７の左斜め上側に移行し、オフ光ＯＦＦは投射光学系第１レンズ４１に入らない理想的な状態になる。したがって、オフ光ＯＦＦはスクリーンには到達せず、完全な黒表示となる。しかしながら、以下に述べる回折の影響により、可動ミラー３２がオフ状態でもスクリーンに到達する光が生じ、完全な黒表示とはならない。 The tilt direction of the movable mirror 32 differs between the on state and the off state. The distribution region of the OFF light OFF shifts to the upper left side of FIG. 7, and the OFF light OFF is in an ideal state where it does not enter the first lens 41 of the projection optical system. Therefore, the off light OFF does not reach the screen, and complete black display is performed. However, even when the movable mirror 32 is in the off state, light reaching the screen is generated due to the influence of diffraction described below, and a complete black display is not obtained.
ＤＭＤ３０の全可動ミラー３２がオン状態の場合を全白、このときのスクリーン上の照度を全白（照度）とし、全可動ミラー３２がオフ状態の場合を全黒、このときのスクリーン上の照度を全黒（照度）とすると、コントラスト比は、次の式（１）で与えられる。
コントラスト比＝全白（照度）／全黒（照度） 式（１）
The case where all the movable mirrors 32 of the DMD 30 are on is all white, the illuminance on the screen at this time is all white (illuminance), and the case where all the movable mirrors 32 is off is all black, the illuminance on the screen at this time Is all black (illuminance), the contrast ratio is given by the following equation (1).
Contrast ratio = all white (illuminance) / all black (illuminance) Equation (1)
あるいは、スクリーンを縦横それぞれ３等分して９分割したＡＮＳＩ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）によるコントラスト比も用いることができる。いずれにしても、全黒（照度）が大きくなるほどコントラスト比は小さくなり、画質的は低下する。 Alternatively, a contrast ratio based on ANSI (American National Standards Institute) obtained by dividing the screen into three equal parts vertically and horizontally and dividing the screen into nine parts can also be used. In any case, as the total black (illuminance) increases, the contrast ratio decreases, and the image quality deteriorates.
［回折光について］
ＤＭＤ３０の画素すなわち可動ミラー３２のサイズは、例えば５．４μｍと微小であるため、回折が生じ、これがコントラスト比を低下させる要因となる。回折光の影響を見るため、ＤＭＤ３０での回折を考慮した光線追跡シミュレーションを行った。その結果を図８に複数の斑点状のパターンで示す。図８において、左上に比較的大きい領域で示しているものは、図７の幾何光学的なオフ光ＯＦＦである。その周辺に複数の回折光が生じている。図７では、４つの領域に生じている回折光ＤＦ１，ＤＦ２，ＤＦ３，ＤＦ４が生じている様子を示している。これらの回折光以外にも回折光が生じるが、他の回折光は照度が低いため、図示を省略している。
[About diffracted light]
Since the size of the pixel of the DMD 30, that is, the size of the movable mirror 32 is as small as, for example, 5.4 μm, diffraction occurs, and this causes a reduction in the contrast ratio. In order to see the effect of the diffracted light, a ray tracing simulation was performed in consideration of the diffraction at the DMD 30. The result is shown in FIG. 8 by a plurality of spot-like patterns. In FIG. 8, what is indicated by a relatively large area at the upper left is the geometrical optical OFF light OFF in FIG. A plurality of diffracted lights are generated around it. FIG. 7 shows a state in which diffracted lights DF1, DF2, DF3, and DF4 generated in four regions are generated. Although diffracted light is generated in addition to these diffracted lights, the other diffracted lights have low illuminance and are not shown.
図７に、オフ光ＯＦＦの領域の中心から３方に向かって示した破線の矢印は、回折光が生じる方向を示している。回折光ＤＦ１，ＤＦ２は横方向すなわちｙ方向に生じている回折光であり、回折光ＤＦ３は縦方向すなわちｘ方向に生じている回折光である。さらに、回折光ＤＦ４のように、斜め方向に生じるものもある。 In FIG. 7, dashed arrows shown in three directions from the center of the OFF light OFF region indicate directions in which diffracted light is generated. The diffracted lights DF1 and DF2 are diffracted lights generated in the horizontal direction, that is, the y direction, and the diffracted light DF3 is a diffracted light generated in the vertical direction, that is, the x direction. Further, there is a diffracted light DF4 that is generated in an oblique direction.
これらの回折光のうち、ｙ方向に生じた回折光の一部分が、そして斜めに生じた回折光は全体が、投射光学系第１レンズ４１の直径Ｄ内に入っている。この回折光は、図６に示すオン光ＯＮと比べると照度は小さいが、式（１）に従いコントラスト比の低下要因になる。 Among these diffracted lights, a part of the diffracted light generated in the y direction and the whole of the obliquely generated diffracted light are within the diameter D of the first lens 41 of the projection optical system. Although the illuminance of this diffracted light is smaller than that of the ON light ON shown in FIG. 6, it causes a decrease in the contrast ratio according to the equation (1).
オン光ＯＮ、オフ光ＯＦＦ、オフ光の回折光ＤＦ１〜ＤＦ４、投射光学系第１レンズ４１の関係を模式的に図９に示す。オフ光ＯＦＦ、回折光ＤＦ２、回折光ＤＦ３は投射光学系第１レンズ４１には入らない。しかし、回折光ＤＦ１の一部分と回折光ＤＦ４の全体は投射光学系第１レンズ４１に入る。この回折光ＤＦ１とＤＦ４のうち、オン光ＯＮと重なる部分が、コントラスト比の主たる低下要因になる。 FIG. 9 schematically shows the relationship among the ON light ON, the OFF light OFF, the diffracted lights DF1 to DF4 of the OFF light, and the first lens 41 of the projection optical system. The OFF light OFF, the diffracted light DF2, and the diffracted light DF3 do not enter the projection optical system first lens 41. However, a part of the diffracted light DF1 and the whole of the diffracted light DF4 enter the first lens 41 of the projection optical system. A portion of the diffracted lights DF1 and DF4 that overlaps with the ON light ON is a main cause of a decrease in the contrast ratio.
これら回折光とオン光ＯＮとが重なる部分の総和が、式（１）の分母となる。従って、オン光ＯＮと重なる回折光を低減すれば、コントラスト比が高まる。ただし、回折光がオン光ＯＮと重ならない場合であっても、投射光学系４０の内部での反射、散乱によって迷光となり、コントラスト比の低下になる。よって、回折光とオン光ＯＮはできるだけ分離することが好ましい。あるいは、遮光部材により遮光するとよい。回折光を示す符号に付けた数字は便宜的なものであり、回折次数を表すものではない。 The sum of the overlapping portions of the diffracted light and the ON light ON is the denominator of Expression (1). Therefore, if the diffracted light overlapping with the ON light ON is reduced, the contrast ratio is increased. However, even when the diffracted light does not overlap with the ON light ON, the light becomes stray light due to reflection and scattering inside the projection optical system 40, and the contrast ratio decreases. Therefore, it is preferable to separate the diffracted light and the ON light ON as much as possible. Alternatively, light may be blocked by a light blocking member. The number attached to the sign indicating the diffracted light is for convenience and does not represent the order of diffraction.
［入射角と方位角］
本発明は、前述の通り、ＤＭＤ３０への照明光の入射角と方位角を好適に設定することを特徴としており、これにより、オフ光の回折光がオン光と重なることを低減するものである。
[Incident angle and azimuth]
As described above, the present invention is characterized in that the incident angle and the azimuth of the illumination light to the DMD 30 are suitably set, thereby reducing the overlapping of the diffracted light of the off light with the on light. .
図６、図７、図８は、本発明の実施例に対する比較例であって、入射角θは３５．５度、方位角Φは０度である。これら入射角θ、方位角Φは、ＤＭＤ３０の画像表示面の略中央に到達する主光線に関するものである。略中央とは、画像表示面の機械的な中央、若しくは、ライトトンネル１３（図１参照）の光路中心に沿って光を出し、この光が照明光学系２０を経て画像表示面に到達した位置とする。 6, 7, and 8 are comparative examples with respect to the embodiment of the present invention, in which the incident angle θ is 35.5 degrees and the azimuth angle Φ is 0 degrees. The incident angle θ and the azimuth angle Φ relate to the principal ray reaching substantially the center of the image display surface of the DMD 30. The approximate center is a position where light is emitted along the mechanical center of the image display surface or along the optical path center of the light tunnel 13 (see FIG. 1), and the light reaches the image display surface via the illumination optical system 20. And
これらオフ光の回折光とオン光との分離についてまとめたものを図１０に示す。図１０は、図６と図８を並べたもの、したがって、本発明の実施例に対する比較例である。図１０の左上と右下の図は図６に示すオン光、左下は図８に示すオフの回折光である。オン光ＯＮとオフ光ＯＦＦの照度の最大の位置の分離を定量化すると、ｘ方向での分離は２．９ｍｍ，ｙ方向での分離は２．６ｍｍである FIG. 10 shows a summary of the separation between the diffracted light of the off light and the on light. FIG. 10 is a comparison of FIG. 6 and FIG. 8, thus showing an embodiment of the present invention. The upper left and lower right diagrams in FIG. 10 show ON light shown in FIG. 6, and the lower left diagram shows OFF diffracted light shown in FIG. When quantifying the separation of the maximum position of the illuminance of the ON light ON and the OFF light OFF, the separation in the x direction is 2.9 mm and the separation in the y direction is 2.6 mm.
次に、本発明の前記実施例において、入射角３６．０度、方位角マイナス３．４°の例を図１１に示す。この場合も、入射角、方位角は、ＤＭＤ３０の画像表示面の略中央に到達する主光線に関するものである。略中央とは、ＤＭＤ３０の画像表示面の機械的な中央、若しくは、ライトトンネル１３の光路中心に沿って光を出し、照明光学系２０を経て画像表示面に到達した位置とする。 Next, FIG. 11 shows an example in which the incident angle is 36.0 degrees and the azimuth angle is minus 3.4 degrees in the embodiment of the present invention. Also in this case, the incident angle and the azimuth are related to the principal ray reaching substantially the center of the image display surface of the DMD 30. The substantially center is a position where light is emitted along the mechanical center of the image display surface of the DMD 30 or along the optical path center of the light tunnel 13 and reaches the image display surface via the illumination optical system 20.
図１１は、前記比較例を基にして、入射角、方位角を調整したものである。これに合わせて投射光学系４０の位置も変えている。図１１に示すデータによれば、オン光ＯＮとオフ回折光ＯＦＦとの分離は、ｘ方向で３．７ｍｍ、ｙ方向で５ｍｍである。図１０に示す比較例と比べて、オン光とオフ回折光との分離度合いがｘ方向で１．３倍、ｙ方向で１．９倍大きくなることを確認した。また、投射光学系４０を経てスクリーンに到達する回折光を含むオフ光の光量は、比較例１の場合を１とすると、前記実施例では０．５程度に低下した。 FIG. 11 is a graph in which the incident angle and the azimuth are adjusted based on the comparative example. The position of the projection optical system 40 is changed accordingly. According to the data shown in FIG. 11, the separation between the ON light ON and the OFF diffracted light OFF is 3.7 mm in the x direction and 5 mm in the y direction. Compared with the comparative example shown in FIG. 10, it was confirmed that the degree of separation between the ON light and the OFF diffracted light was increased by 1.3 times in the x direction and by 1.9 times in the y direction. Further, assuming that the amount of off-light including diffracted light that reaches the screen via the projection optical system 40 is 1 in Comparative Example 1, the amount of off-light is reduced to about 0.5 in the example.
次に、非テレセントリック光学系を用いた本発明に係る画像表示装置および画像投射装置の実施例について図１２を参照しながら説明する。図１２に示す実施例は、図１に示す実施例と比較すると、照明光学系に全反射プリズム２６を使用していない点が異なっている。 Next, an embodiment of an image display device and an image projection device according to the present invention using a non-telecentric optical system will be described with reference to FIG. The embodiment shown in FIG. 12 is different from the embodiment shown in FIG. 1 in that the total reflection prism 26 is not used in the illumination optical system.
図１２において、光源１０、防爆ガラス１１、カラーホイール１２およびライトトンネル１３が光源部を構成している。光源部に続き、リレーレンズ２７、第１ミラー２８および第２ミラー２９がＤＭＤ３０に照明光を照射する照明光学系を構成している。第１ミラー２８は平面ミラー、第２ミラー２９は凹の曲面ミラーである。ＤＭＤ３０はカバーガラス３１で覆われている。ＤＭＤ３０の上方に投射光学系４０が配置されている。投射光学系４０は複数のレンズからなり、そのうちの投射光学系第１レンズ４１は、ＤＭＤ３０に最も近いレンズである。光源１０、ライトトンネル１３、照明光学系、ＤＭＤ３０などの部材はハウジングによって保持され、投射光学系４０は鏡胴で保持される。 12, a light source 10, an explosion-proof glass 11, a color wheel 12, and a light tunnel 13 constitute a light source unit. Following the light source section, the relay lens 27, the first mirror 28, and the second mirror 29 constitute an illumination optical system that irradiates the DMD 30 with illumination light. The first mirror 28 is a plane mirror, and the second mirror 29 is a concave curved mirror. DMD 30 is covered with cover glass 31. A projection optical system 40 is arranged above the DMD 30. The projection optical system 40 includes a plurality of lenses, of which the first lens 41 of the projection optical system is the lens closest to the DMD 30. Members such as the light source 10, the light tunnel 13, the illumination optical system, and the DMD 30 are held by a housing, and the projection optical system 40 is held by a lens barrel.
実施例２は、ＤＭＤ３０の画像表示面の略中央に到達する主光線に関して、入射角θは４３．４°、方位角Φはマイナス１．２°である。略中央の意味は前述の通りである。これらの数値は設計により実現したものである。スクリーンに到達する回折光を含むオフ光の光量は、前記比較例の場合を１とすると０．８１で、コントラストの低下要因が減少した。 In the second embodiment, the incident angle θ is 43.4 ° and the azimuth Φ is −1.2 ° with respect to the principal ray reaching the substantially center of the image display surface of the DMD 30. The meaning at substantially the center is as described above. These numerical values are realized by design. The light amount of the off-light including the diffracted light reaching the screen was 0.81, assuming that the case of the comparative example was 1, indicating that the factor of lowering the contrast was reduced.
図１に示す実施例１はテレセントリック光学系であり、全反射プリズム２６が必要であったが、実施例２は非テレセントリック光学系であり、全反射プリズム２６を用いる必要がない。このため、設計の自由度が高く、入射角、方位角を大きく取ることが可能であり、オフ時に投射光学系４０に進入する回折光の量を低減することができる。 Embodiment 1 shown in FIG. 1 is a telecentric optical system and requires a total reflection prism 26, whereas Embodiment 2 is a non-telecentric optical system and does not require the use of a total reflection prism 26. Therefore, the degree of design freedom is high, the incident angle and the azimuth angle can be made large, and the amount of diffracted light that enters the projection optical system 40 when off can be reduced.
非テレセントリック光学系を用いた実施例２においても、入射角、方位角の調整機構を設置することができる。図２２はこれらの調整機構の例を示す。図２２は、図１２に示す光学系において、照明光学系中の第２ミラー２９とＤＭＤ３０のみを示す。この調整機構は、第２ミラー２９に直交する２つの軸を中心とする回転機構を有し、これらの軸を中心に第２ミラー２９を回転させて、入射角と方位角を個別に調整できるようにしている。 In the second embodiment using the non-telecentric optical system, a mechanism for adjusting the incident angle and the azimuth can be provided. FIG. 22 shows examples of these adjustment mechanisms. FIG. 22 shows only the second mirror 29 and the DMD 30 in the illumination optical system in the optical system shown in FIG. This adjustment mechanism has a rotation mechanism about two axes orthogonal to the second mirror 29, and can rotate the second mirror 29 about these axes to individually adjust the incident angle and the azimuth. Like that.
［オン光とオフ光との分離］
図１３は、ＤＭＤ３０、オン光ＯＮ、オフ光Ｏｆｆ、入射角θ、方位角Φの関係を立体的に描いたものである。図１３に示す例において方位角Φはマイナスである。照明光の入射光ＩＮの広がりすなわち照明角（半角）ＬｄはＦ値でも表される。
[Separation of ON light and OFF light]
FIG. 13 three-dimensionally depicts a relationship among the DMD 30, the ON light ON, the OFF light Off, the incident angle θ, and the azimuth angle Φ. In the example shown in FIG. 13, the azimuth angle Φ is negative. The spread of the incident light IN of the illumination light, that is, the illumination angle (half angle) Ld is also represented by the F value.
ここで、オン光とオフ光との分離を、図１３に示したオフ光ＯＦＦの主光線とオン光ＯＮの主光線との間の角度で定量化する。ここでは、方位角の正負および大小と、分離角について考察する。 Here, the separation between the ON light and the OFF light is quantified by the angle between the OFF-light principal ray and the ON-light ON principal ray shown in FIG. Here, the positive and negative azimuths, the magnitude, and the separation angle are considered.
図１４に示すように、ＤＭＤ３０を中心とした仮想的な半球を考える。ＤＭＤ３０の中心を通る水平方向の線を赤道５０とし、ＤＭＤ３０の中心の真上に位置する半球の１点を頂点５１とする。この半球は検出器であり、中心から半球に到達したエネルギーを、光線追跡計算によって計測する。図１４ではＤＭＤ３０からの反射光であるオフ光ＯＦＦがこの半球に到達する様子を模式的に示している。 As shown in FIG. 14, a virtual hemisphere centered on the DMD 30 is considered. A horizontal line passing through the center of the DMD 30 is defined as an equator 50, and one point of a hemisphere located directly above the center of the DMD 30 is defined as a vertex 51. This hemisphere is a detector, and measures the energy reaching the hemisphere from the center by ray tracing calculation. FIG. 14 schematically shows a state in which off light OFF, which is reflected light from DMD 30, reaches this hemisphere.
赤道５０から天頂５１に向かって半球に到達したエネルギーを積算していく。この積算したエネルギーをエンサークルドエナジーという。オフ光ＯＦＦの広がりに着目して、赤道５０に最も近いオフ光と赤道５０との角度をＤ１、赤道５０から最も遠いオフ光と赤道５０との角度をＤ２とする。オフ光ＯＦＦは角度Ｄ１と角度Ｄ２との間でエレルギーを持つ。エネルギーの積算のされ方は、入射角θ、方位角Φ、照明角Ｌｄ（図１３参照）と、配光分布に依存する。 The energy that reaches the hemisphere from the equator 50 toward the zenith 51 is integrated. This integrated energy is called encircled energy. Focusing on the spread of the off light OFF, the angle between the off light closest to the equator 50 and the equator 50 is D1, and the angle between the off light farthest from the equator 50 and the equator 50 is D2. The OFF light OFF has energy between the angle D1 and the angle D2. How the energy is integrated depends on the incident angle θ, the azimuth angle Φ, the illumination angle Ld (see FIG. 13), and the light distribution.
同様のことをオン光について考えると、オン光はオフ光よりも、天頂５１側でエネルギーが積算される。幾何光学的な光線追跡計算による結果の一例を図１５（ａ）に示す。入射角θは３５°、方位角φは０°、照明角１５°、配光分布はランバード分布である。可動ミラー３２の傾き角αは１７°である。オン光は、角度１６０°を過ぎて天頂５１近くになって強度が急激に高まる。オフ光は１２０°付近から強度が立ち上がり、１５０°付近から天頂５１までは一定である。 Considering the same for the ON light, the ON light is integrated more energy on the zenith 51 side than the OFF light. FIG. 15A shows an example of the result of the geometrical ray tracing calculation. The incident angle θ is 35 °, the azimuth φ is 0 °, the illumination angle is 15 °, and the light distribution is a Lambert distribution. The tilt angle α of the movable mirror 32 is 17 °. The ON light passes through the angle 160 ° and approaches the zenith 51, and the intensity sharply increases. The intensity of the off-light rises from around 120 ° and is constant from around 150 ° to the zenith 51.
図１５（ａ）に示すオン光とオフ光において、それぞれの前後の強度の差、すなわち変化率を図１５（ｂ）に示す。オフ光とオン光とで釣鐘状の分布となり、これら釣鐘状の分布のピーク位置間の角度が分離角Ｄｓである。図１５において、分離角Ｄｓは約３９．６度である。分離角Ｄｓが大きいほど、オフ光とオン光との分離は良好であり、投射される画像のコントラスト比を高めることができる。 FIG. 15B shows a difference between the front and rear intensities of the ON light and the OFF light shown in FIG. The off-light and the on-light form a bell-shaped distribution, and the angle between the peak positions of these bell-shaped distributions is the separation angle Ds. In FIG. 15, the separation angle Ds is about 39.6 degrees. As the separation angle Ds is larger, the separation between the off light and the on light is better, and the contrast ratio of the projected image can be increased.
入射角をそれぞれ３５°、４０°、４５°、方位角をそれぞれ０°、±５°、±１０°、±１５°とし、図１５と同様にして求めた分離角を表１に示す。照明角はすべて１５°である。表１において、入射角が大きいほど分離角は大きい。方位角はプラスよりもマイナスの方が、分離角が大きくなることが分かる。 The incident angles were 35 °, 40 °, 45 °, and the azimuth angles were 0 °, ± 5 °, ± 10 °, ± 15 °, respectively. Table 1 shows the separation angles obtained in the same manner as in FIG. The illumination angles are all 15 °. In Table 1, the separation angle is larger as the incident angle is larger. It can be seen that the azimuth angle is greater in the negative direction than in the positive direction, the separation angle is larger.
表１
Table 1
本発明に係る画像表示装置および画像投射装置において、画像表示素子への入射角の範囲は、可動ミラー３２の傾き角αが１７°であるとき、３５°≦入射角≦５１°である。入射角３５°から４５°は表１に基づく。上限の５１°は、図１３、図１４に示すオフ光の最小角がＤＭＤ３０と平行になる値である。方位角に関しては、プラスよりもマイナスがよい。これは、可動ミラー３２の傾きと、反射の法則に基づく入射角および反射角よるものと考える。方位角は、表１から、大きくしても飽和あるいは減少しており、−１５°より小さくしても効果が小さい。 In the image display device and the image projection device according to the present invention, the range of the incident angle to the image display element is 35 ° ≦ incident angle ≦ 51 ° when the tilt angle α of the movable mirror 32 is 17 °. The incident angles from 35 ° to 45 ° are based on Table 1. The upper limit of 51 ° is a value at which the minimum angle of the off-light shown in FIGS. As for the azimuth, minus is better than plus. This is considered to be due to the inclination of the movable mirror 32 and the incident angle and the reflection angle based on the law of reflection. From Table 1, it can be seen from Table 1 that the azimuth is saturated or decreased even if it is increased, and the effect is small even if it is smaller than -15 °.
図１３に示したように、照明角ＬｄはＤＭＤ３０への入射光束の広がりである。ここでは、照明角Ｌｄは半値すなわち半角を表している。照明角Ｌｄの広がりは、回折の広がりに影響を与える。図２３（ａ）は照明角Ｌｄが小さい場合、図２３（ｂ）は照明角Ｌｄが大きい場合を示している。 As shown in FIG. 13, the illumination angle Ld is the spread of the light beam incident on the DMD 30. Here, the illumination angle Ld represents a half value, that is, a half angle. The spread of the illumination angle Ld affects the spread of diffraction. FIG. 23A shows a case where the illumination angle Ld is small, and FIG. 23B shows a case where the illumination angle Ld is large.
照明角Ｌｄの最大値は、可動ミラー３２の傾き角αで決まる。また、照明角Ｌｄは光学系の明るさを決定する。明るさを最大にするのではあれば、照明角を可動ミラー３２の傾き角αと同じにするのがよい。回折を低減し、コントラスト比を向上させるには、照明角をマイクロミラーの傾き角αよりも小さくとすることが好ましい。傾き角αを１７°とすると、これよりも小さい照明角とする。 The maximum value of the illumination angle Ld is determined by the tilt angle α of the movable mirror 32. The illumination angle Ld determines the brightness of the optical system. In order to maximize the brightness, it is preferable to set the illumination angle to be equal to the tilt angle α of the movable mirror 32. In order to reduce diffraction and improve the contrast ratio, it is preferable that the illumination angle is smaller than the inclination angle α of the micromirror. If the inclination angle α is 17 °, the illumination angle is smaller than this.
実施例１、２では、光源１０として超高圧水銀ランプを用いている。超高圧水銀ランプには特有の配光分布があり、ＤＭＤ３０への入射照明光は、図２１に示すような定型的な円錐状にはならない。しかし、実施例１における照明角の最小値は１５．１°、実施例２における照明角の最小値は１２．５°である。いずれの実施例においても、可動ミラーの傾き角αは１７°であり、この傾き角αよりも照明角の最小値が小さくなっている。 In the first and second embodiments, an ultra-high pressure mercury lamp is used as the light source 10. The ultra-high pressure mercury lamp has a specific light distribution, and the illumination light incident on the DMD 30 does not have a regular cone shape as shown in FIG. However, the minimum value of the illumination angle in the first embodiment is 15.1 °, and the minimum value of the illumination angle in the second embodiment is 12.5 °. In any of the embodiments, the tilt angle α of the movable mirror is 17 °, and the minimum value of the illumination angle is smaller than the tilt angle α.
実施例１、２では、光源としてランプ光源を用い、ランプ光源として超高圧水銀ランプを用いている。しかし、光源はこれに限られるものではなく、固体光源であっても良い。個体光源として、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）などを用いることができる。また、ＬＤおよびＬＥＤと、その励起光源として蛍光体を組み合わせたハイブリッド光源などを用いることもできる。ＬＤ光源を用いると、ランプ光源に比べて可干渉性が高く、回折の影響を受けやすくなる。 In the first and second embodiments, a lamp light source is used as a light source, and an ultra-high pressure mercury lamp is used as a lamp light source. However, the light source is not limited to this, and may be a solid-state light source. As the solid light source, an LED (Light Emitting Diode), an LD (Laser Diode), or the like can be used. Further, a hybrid light source or the like in which an LD and an LED are combined with a phosphor as an excitation light source thereof can also be used. When an LD light source is used, the coherence is higher than that of a lamp light source, and the light source is easily affected by diffraction.
本発明によるオフの回折光とオン光とを分離する構成は、光源が固体光源の場合であっても有効であり、コントラスト比を高めることができる。 The configuration for separating off diffracted light and on light according to the present invention is effective even when the light source is a solid light source, and can increase the contrast ratio.
［個体光源を用いた光源部］
図１６に固体光源を用いた光源部の例を示す。光源部は、３つの個体光源１０１，１０２，１０３、各個体光源に対応するコリメートレンズ１１１，１１２，１１３、ダイクロイックミラー１２１，１２２を有する。個体光源１０１，１０２，１０３はそれぞれ波長が異なり、それぞれ赤色、緑色、青色の照明光を出射する。各コリメートレンズ１１１，１１２，１１３は、各個体光源からの照明光を平行光束にする。ダイクロイックミラー１２１，１２２は、各コリメートレンズを経て導入される各個体光源からの照明光を混合し白色光として出射する。
[Light source unit using individual light source]
FIG. 16 shows an example of a light source unit using a solid-state light source. The light source unit includes three solid light sources 101, 102, and 103, collimating lenses 111, 112, and 113, and dichroic mirrors 121 and 122 corresponding to the solid light sources. The individual light sources 101, 102, and 103 have different wavelengths, and emit red, green, and blue illumination light, respectively. Each of the collimating lenses 111, 112, and 113 converts the illumination light from each individual light source into a parallel light beam. The dichroic mirrors 121 and 122 mix illumination light from the individual light sources introduced through the respective collimating lenses and emit the mixed light as white light.
前記白色光の出射光路には、集光レンズ１５、ライトトンネル１３がこの順に配置されている。ライトトンネル１３以降は、前記照明光学系２０、ＤＭＤ３０および投射光学系４０に続く。この光源部の構成ではカラーホイールは不要である。固体光源はＬＥＤ、ＬＤのいずれでもよい。 A condensing lens 15 and a light tunnel 13 are arranged in this order on an emission optical path of the white light. After the light tunnel 13, the illumination optical system 20, the DMD 30 and the projection optical system 40 continue. This configuration of the light source does not require a color wheel. The solid-state light source may be either an LED or an LD.
固体光源を用いた光源部の別の例を図１７に示す。この光源部の例が図１６に示す光源部の例と異なっているのは、ダイクロイックミラーの代わりにクロスダイクロイックプリズム１４０を用いている点である。図１７において、クロスダイクロイックプリズム１４０には、３つの個体光源１０１，１０２，１０３からコリメートレンズ１１１，１１２，１１３を経て、それぞれ赤色、緑色、青色の照明光が入射する。クロスダイクロイックプリズム１４０は各色の照明光を混合して白色の照明光を出射する。白色の照明光の出射光路上には、図１６の例と同様に、集光レンズ１５、ライトトンネル１３が配置されている。 Another example of a light source unit using a solid-state light source is shown in FIG. The example of the light source unit differs from the example of the light source unit shown in FIG. 16 in that a cross dichroic prism 140 is used instead of the dichroic mirror. In FIG. 17, red, green, and blue illumination lights enter the cross dichroic prism 140 from three solid light sources 101, 102, and 103 via collimating lenses 111, 112, and 113, respectively. The cross dichroic prism 140 mixes the illumination light of each color and emits white illumination light. A condensing lens 15 and a light tunnel 13 are arranged on the emission optical path of the white illumination light, as in the example of FIG.
図１８は、固体光源を用いた光源部のさらに別の例を示す。図１８に示す光源部の例は、図１７に示す光源部におけるクロスダイクロイックプリズム１４０に代えてクロスダイクロイックミラー１５０を用いた例である。他の構成は図１６、図１７の例と同様であるから、説明を省略する。 FIG. 18 shows still another example of a light source unit using a solid-state light source. The light source unit shown in FIG. 18 is an example in which a cross dichroic mirror 150 is used instead of the cross dichroic prism 140 in the light source unit shown in FIG. Other configurations are the same as those in the examples of FIGS. 16 and 17, and a description thereof will be omitted.
［入射角、方位角の調整機構］
入射角と方位角の調整機構の一例を図１９に示す。図１９に示す調整機構は、図１に示すテレセントリック光学系を用いた実施例１に組み込まれている。図１９において、光源１０から第４リレーレンズ２５までを照明ユニットとし、この照明ユニットが照明ユニット筐体７０に組み込まれている。また、全反射プリズム２６、ＤＭＤ３０、投射光学系４０を含む部分を投射ユニットとし、この投射ユニットが投射ユニット筐体６０に組み込まれている。
[Adjustment mechanism of incident angle and azimuth]
FIG. 19 shows an example of a mechanism for adjusting the incident angle and the azimuth angle. The adjustment mechanism shown in FIG. 19 is incorporated in the first embodiment using the telecentric optical system shown in FIG. In FIG. 19, the light source 10 to the fourth relay lens 25 are used as a lighting unit, and this lighting unit is incorporated in a lighting unit housing 70. A portion including the total reflection prism 26, the DMD 30, and the projection optical system 40 is referred to as a projection unit, and the projection unit is incorporated in the projection unit housing 60.
投射ユニット筐体６０は底板６１を有し底板６１と一体に結合された筐体である。照明ユニット筐体７０は、底板６１の上に、調整機構８０を介して取り付けられている。調整機構８０は、図１９（ｂ）に示すように、Ｕ字形の支持体８１を有する。支持体８１は、その底部が底板６１を貫通した垂直軸８２によって貫通され、垂直軸８２を中心に水平面内において回転可能である。 The projection unit housing 60 has a bottom plate 61 and is a housing integrally connected to the bottom plate 61. The lighting unit housing 70 is mounted on the bottom plate 61 via an adjustment mechanism 80. The adjusting mechanism 80 has a U-shaped support 81 as shown in FIG. The support 81 is penetrated by a vertical axis 82 having a bottom portion penetrating the bottom plate 61, and is rotatable about a vertical axis 82 in a horizontal plane.
支持体８１は、垂直に立ち上がった二つの支持片を貫通した水平軸８３を有し、水平軸８３に、照明ユニット筐体７０の底部が連結されている。照明ユニット筐体７０は、水平軸８３を中心に垂直面内において回転可能であり、これによって、ＤＭＤ３０の画像表示面に対する入射角を調整することができる。照明ユニット筐体７０は、支持体８１とともに垂直軸８２を中心に水平面内において回転可能であり、これによって、ＤＭＤ３０の画像表示面に対する方位角を調整することができる。これにより、適切な入射角と方位角に調整することができる。 The support 81 has a horizontal axis 83 penetrating two vertically rising support pieces, and the bottom of the lighting unit housing 70 is connected to the horizontal axis 83. The illumination unit housing 70 is rotatable about a horizontal axis 83 in a vertical plane, whereby the incident angle of the DMD 30 with respect to the image display surface can be adjusted. The illumination unit housing 70 is rotatable in a horizontal plane about a vertical axis 82 together with the support body 81, whereby the azimuth of the DMD 30 with respect to the image display surface can be adjusted. Thereby, it is possible to adjust the incident angle and the azimuth angle to appropriate values.
１０ 光源
１１ 防爆ガラス
１２ カラーホイール
１３ ライトトンネル
２０ 照明光学系
２１ 第１リレーレンズ
２２ 第２リレーレンズ
２３ ミラー
２４ 第３リレーレンズ
２５ 第４リレーレンズ
２６ 全反射プリズム
３０ ＤＭＤ（画像表示素子）
３１ カバーガラス
３２ 可動ミラー
４０ 投射光学系
Reference Signs List 10 light source 11 explosion-proof glass 12 color wheel 13 light tunnel 20 illumination optical system 21 first relay lens 22 second relay lens 23 mirror 24 third relay lens 25 fourth relay lens 26 total reflection prism 30 DMD (image display element)
31 cover glass 32 movable mirror 40 projection optical system
Claims (9)
前記画像表示素子は反射型であり可動ミラーが複数配列されて矩形の画像表示面を形成し、
前記各可動ミラーは、第１の方向に傾いて前記画像表示素子に入射する光線を第１の反射方向に反射してオン光を生成し、第１の方向と異なる第２の方向に傾いて前記画像表示素子に入射する光線を前記第１の反射方向とは異なる第２の反射方向に反射してオフ光を生成し、
前記照明光学系から前記画像表示素子に入射する入射光は、その主光線が前記画像表示面の法線に対し角度を持って入射し、
前記入射光の前記法線との角度を入射角、前記入射光の前記画像表示面の辺に対してなす角度を方位角とし、
前記可動ミラーの前記第２の方向への傾き角をα（°）、前記可動ミラーが前記第２の方向に傾いたとき前記入射光の前記可動ミラーへの入射角が小さくなる側への方位角の変化をプラス、前記入射光の前記可動ミラーへの入射角が大きくなる側への方位角の変化をマイナスとしたとき、
前記画像表示面の略中央において、前記入射角は２α＋１（°）以上であり、前記入射光の方位角はマイナスであることを特徴とする画像表示装置。 Having a light source, an illumination optical system, and an image display element,
The image display element is a reflection type, a plurality of movable mirrors are arranged to form a rectangular image display surface,
Each of the movable mirrors reflects a light ray incident on the image display element while being inclined in a first direction in a first reflection direction to generate ON light, and is inclined in a second direction different from the first direction. Light rays incident on the image display element are reflected in a second reflection direction different from the first reflection direction to generate off-light,
Incident light incident on the image display element from the illumination optical system, its principal ray is incident at an angle with respect to the normal to the image display surface,
Angle of the incident light with respect to the normal line is an incident angle, and an angle between the incident light and a side of the image display surface is an azimuth angle.
The inclination angle of the movable mirror in the second direction is α (°), and the azimuth to the side where the incident angle of the incident light on the movable mirror becomes smaller when the movable mirror is inclined in the second direction. When the change of the angle is plus, and the change of the azimuth to the side where the incident angle of the incident light to the movable mirror is larger is minus,
The image display device according to claim 1, wherein the incident angle is approximately 2α + 1 (°) or more and the azimuth of the incident light is minus at substantially the center of the image display surface.
An image projection device, comprising: the image display device according to claim 1; and a projection optical system that projects an image displayed on the image display device.
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