WO2016098365A1 - 光学ユニット及びそれを備えたプロジェクター - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an optical unit having a digital micromirror device that drives a micromirror about two axes and a projector including the same.
- Patent Documents 1 and 2 Conventional optical units are disclosed in Patent Documents 1 and 2.
- the optical unit of Patent Document 1 is mounted on a projector and includes a digital micromirror device, a first prism, a second prism, and a third prism.
- the digital micromirror device is a reflective image display element, and has an image display surface composed of a plurality of minute micromirrors.
- the first prism has a reflecting surface that reflects the illumination light, and the illumination light reflected by the reflecting surface is guided to the digital micromirror device.
- the inclination of the surface of each micromirror is ON / OFF controlled to form an image by intensity-modulating illumination light.
- Each micromirror that is ON / OFF controlled is driven with respect to one axis, and the tilt angle of the micromirror in the ON state is different from the tilt angle of the micromirror in the OFF state.
- the second prism has a total reflection surface that transmits the ON light reflected by the micro mirror in the ON state and totally reflects the OFF light reflected by the micro mirror in the OFF state.
- the ON light transmitted through the total reflection surface enters the third prism.
- the third prism emits ON light incident from the second prism to the image projection side. Thereby, an image is projected.
- the optical axis of the ON light reflected by the digital micromirror device is arranged on the center plane in the thickness direction of the first prism, the second prism, and the third prism. Further, the optical axis of the OFF light reflected by the digital micromirror device is disposed on the center plane in the thickness direction of the first prism and the second prism.
- the OFF light (unnecessary light) that is not used in the projection image enters the projection lens, ghost light is generated. Further, when OFF light is incident on the projection lens, a local temperature rise of the projection lens occurs, and the imaging performance of the projection lens is degraded. Thereby, the contrast of a projection image falls. According to the optical unit of Patent Document 1, the OFF light is reflected by the total reflection surface of the second prism and is emitted in a direction different from the ON light. Thereby, OFF light is not emitted to the image projection side, and a decrease in contrast due to the OFF light of the projected image can be prevented.
- the optical unit of Patent Document 2 also includes a uniaxially controlled digital micromirror device and a prism having a total reflection surface that transmits ON light and totally reflects OFF light.
- the OFF light reflected by the total reflection surface is incident on one end surface in the thickness direction of the prism, and is absorbed by a light absorbing member provided in contact with the end surface. Thereby, scattering of light at the end face is prevented.
- Non-Patent Document 1 discloses a digital micromirror device (Tilt & Roll Pixel DMD) that drives micromirrors about two orthogonal axes.
- each micromirror reflects OFF light in a direction in which the optical axis of OFF light is away from a plane including the optical axis of ON light and the optical axis of illumination light. For this reason, the brightness of the projected image can be improved by mounting the two-axis control digital micromirror device in the optical unit of Patent Documents 1 and 2.
- the present invention forms an image by modulating the intensity of illumination light by controlling the inclination of the surface of each micromirror on an image display surface composed of a plurality of micromirrors.
- a digital micromirror device that drives each micromirror that is controlled in an OFF direction with respect to two axes;
- An optical unit comprising:
- Each of the micromirrors reflects the OFF light in a direction in which the optical axis of the OFF light is separated from the projection optical axis plane including the optical axis of the ON light and the optical axis of the illumination light, and the second prism has the projection
- OFF light is emitted from an exit surface that includes the optical axis of OFF light in one region with respect to the plane and intersects the projection optical axis plane, and the end surface of the region facing the projection optical axis plane reflects OFF light. And a reflecting surface that leads to the exit surface.
- the present invention is provided with a light absorbing member that faces away from the emission surface of the second prism.
- ⁇ an angle formed by an optical axis of incident light of the digital micromirror device and a normal line of the digital micromirror device
- ⁇ angle formed between the normal line of the micromirror
- the first prism has an illumination light reflecting surface that reflects the illumination light, and the ON light passes through the illumination light reflecting surface and satisfies the following conditional expression (2): And preferred.
- n1 refractive index of the first prism
- ⁇ 2 an angle formed between the normal line of the digital micromirror device and the normal line of the illumination light reflecting surface
- the illumination light incident on the first prism is transmitted through the first prism, the third prism, and the second prism in this order, is guided to the micromirror, and is reflected by the micromirror.
- the ON light is incident on the third prism via the second prism, is reflected by the ON light reflecting surface provided on the third prism, is emitted to the projection side, and preferably satisfies the following conditional expression (3).
- n3 refractive index of the third prism
- ⁇ 3 an angle formed between the normal line of the digital micromirror device and the normal line of the ON light reflecting surface
- the illumination light emitted from the first prism is guided to the micromirror via the second prism, and the ON light reflected by the micromirror is the second prism, the first prism It is preferable to transmit in the order of the prism and the third prism.
- the ON light reflected by the micromirror is transmitted in the order of the first prism, the second prism, and the third prism, and the OFF light reflected by the micromirror passes through the first prism.
- the light enters the second prism through the second prism.
- the first prism and the second prism do not protrude with respect to the exit surface that emits the ON light of the third prism to the projection side.
- the first prism has an illumination light reflecting surface that reflects illumination light toward the micromirror.
- the digital micromirror includes a mirror member that reflects the illumination light and guides it to the first prism, and the first prism condenses the illumination light reflected by the mirror member. It is preferable to have a lens portion that leads to the device.
- a light source configured as described above, an illumination optical system that emits illumination light toward the optical unit, and an image displayed on the digital micromirror device are enlarged and projected onto a screen.
- a projection optical system a projection optical system.
- the second prism having the OFF light reflecting surface that reflects the OFF light reflected by the micromirror in the OFF state and transmits the ON light reflected by the micromirror in the ON state is provided.
- the second prism has an OFF light optical axis arranged in one area with respect to the projection optical axis plane including the ON light optical axis and the illumination light optical axis on the micromirror, and the OFF light exit surface is Crosses the projection optical axis plane. Then, an end face of the second prism facing the projection optical axis plane in the region where the optical axis of the OFF light is arranged is formed by the reflecting surface. Accordingly, the thickness of the second prism can be reduced, and OFF light passing through the second prism can be guided to the emission surface without being emitted from the end surface. Accordingly, the optical unit and the projector can be reduced in size.
- FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a projector including an optical unit according to a first embodiment of the invention.
- the perspective view which shows the optical unit of 1st Embodiment of this invention.
- the front view which shows the optical unit of 1st Embodiment of this invention.
- the side view which shows the optical unit of 1st Embodiment of this invention.
- the perspective view which shows the reference
- Illumination light for the micromirror of the digital micromirror device of the optical unit according to the first embodiment of the present invention ON light reflected by the micromirror in the ON state, and OFF light reflected by the micromirror in the OFF state
- Schematic diagram showing The side view which expanded the periphery of the digital micromirror device of the optical unit of 1st Embodiment of this invention The side view which shows the optical unit of 2nd Embodiment of this invention.
- the side view which shows the optical unit of 4th Embodiment of this invention The side view which shows the optical unit of 5th Embodiment of this invention.
- FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a projector including the optical unit according to the first embodiment.
- the one-chip type (single plate type) projector PJ includes a light source 1, an illumination optical system 2, an optical unit PU, a projection optical system LN, an actuator 4, and a control unit 3.
- the light source 1 is made of an LED, for example, and emits white light.
- the illumination optical system 2 includes a lens 71 (see FIGS. 3 and 4), condenses light from the light source 1, and emits illumination light L1 toward the optical unit PU.
- the optical unit PU includes a digital micromirror device DP, a first prism P1, a second prism P2, and a third prism P3, and is supported in the projector PJ by a support member (not shown).
- the optical unit PU emits projection light (ON light described later) reflected by the digital micromirror device DP toward the projection optical system LN. Details of the optical unit PU will be described later.
- the projection optical system LN has lenses 51 and 52 (see FIG. 4), and enlarges and projects an image displayed on the digital micromirror device DP onto the screen SC.
- the actuator 4 moves the lenses 51 and 52, and performs, for example, zooming, focusing, vertical shift of the projected image, and the like.
- the control unit 3 has a CPU and controls the entire projector PJ.
- the X direction indicates the thickness direction of the first to third prisms P1 to P3.
- the Z direction indicates the optical axis direction of projection light (ON light described later) reflected by the digital micromirror device DP.
- the Y direction indicates a direction perpendicular to the X direction and the Z direction.
- the first prism P1, the second prism P2, and the third prism P3 are composed of total internal reflection prisms (TIR: Total Internal Reflection ⁇ ⁇ ⁇ Prism), and for example, glass can be used as the material.
- the first to third prisms P1 to P3 are made of glass having the same refractive index.
- the support member is disposed in contact with both side surfaces (both end surfaces in the thickness direction of the first to third prisms) of the optical unit PU, and sandwiches the optical unit PU.
- a second prism P2 and a first prism P1 are arranged between the digital micromirror device DP and the third prism P3.
- the second prism P2 is disposed between the digital micromirror device DP and the first prism P1
- the first prism P1 is disposed between the second prism P2 and the third prism P3.
- An air gap layer (not shown) is provided between the first prism P1 and the second prism P2, between the second prism P2 and the third prism P3, and between the first prism P1 and the third prism P3. Provided.
- the digital micromirror device DP is arranged so as to overlap the first to third prisms P1 to P3 in front projection, and is arranged at the center in the thickness direction (X direction) of the second prism P2.
- a cover glass CG is provided between the digital micromirror device DP and the second prism P2.
- the digital micromirror device DP forms an image by modulating the intensity of the illumination light L1 by controlling the inclination of the surface of each micromirror MR (see FIG. 6).
- the ON light L2 reflected by the micromirror MR in the ON state is emitted from the optical unit PU and used for image display.
- the OFF light L3 reflected by the micromirror MR in the OFF state is not used for image display. As shown in FIG.
- each micromirror MR is OFF in a direction in which the optical axis AX3 of the OFF light L3 is away from the projection optical axis plane PL including the optical axis AX2 of the ON light L2 and the optical axis AX1 of the illumination light L1.
- the light L3 is reflected. Details of the digital micromirror device DP will be described later.
- the first prism P1 has an incident surface 12, an illumination light reflecting surface 11, and an exit surface 13.
- the incident surface 12 is inclined with respect to the Z direction, and enters the illumination light L ⁇ b> 1 facing the lens 71.
- the illumination light reflecting surface 11 is inclined so as to be closer to the digital micromirror device DP as it is farther from the lens 71, and reflects the illumination light L 1 incident from the incident surface 12.
- the emission surface 13 faces the second prism P2, and emits the illumination light L1 reflected by the illumination light reflection surface 11.
- the second prism P2 has an OFF light reflecting surface 21, an exit surface 24, and an entrance surface 25.
- the incident surface 25 is opposed to the cover glass CG and receives the ON light L2 and the OFF light L3 reflected by the digital micromirror device DP.
- the OFF light reflecting surface 21 is inclined so as to be away from the digital micromirror device DP as it is away from the lens 71, and transmits the ON light L2 incident from the incident surface 25 and reflects the OFF light L3.
- the exit surface 24, which is a transmission surface (polishing surface), is formed on the opposite side of the incident surface 12 with respect to the optical axis AX2 of the ON light L2 reflected by the micromirror MR in the ON state, and is reflected by the OFF light reflection surface 21.
- Light L3 is emitted.
- the second prism P2 has a first region 22 on one side (left side in FIG. 3) and a second region 23 on the other side (right side in FIG. 3) with respect to the projection optical axis plane PL.
- the length in the normal direction (X direction) of the projection optical axis plane PL of the first region 22 is substantially the same as the length in the normal direction (X direction) of the projection optical axis plane PL of the second region 23.
- the optical axis AX3 of the OFF light L3 is included in the first region 22.
- the end surface 22a facing the projection optical axis plane PL of the first region 22 is formed by a total reflection surface.
- the end surface 22a reflects the OFF light L3 and guides it to the emission surface 24 intersecting the end surface 22a.
- a reflective surface may be formed by vapor-depositing a metal such as aluminum or silver on the end surface 22a.
- a light absorbing member PT is provided so as to face away from the emission surface 24 of the second prism P2.
- the light absorbing member PT is formed of, for example, a black-treated metal plate, and absorbs the OFF light L3 emitted from the emission surface 24.
- the third prism P3 has an entrance surface 33 and an exit surface 32.
- the incident surface 33 is inclined so as to be closer to the digital micromirror device DP as it is away from the lens 71, and enters the ON light L ⁇ b> 2 that has passed through the OFF light reflecting surface 21 of the second prism P ⁇ b> 2.
- the exit surface 32 faces the lenses 51 and 52 of the projection optical system LN, and emits the ON light L2 incident from the entrance surface 33.
- the end of the first prism P1 on the projection optical system LN side protrudes toward the emission side with respect to the emission surface 32 of the third prism P3.
- the first prism P ⁇ b> 1 may be formed so as not to protrude toward the emission side with respect to the emission surface 32.
- the projector PJ when light is emitted from the light source 1, the light is condensed by the lens 71 of the illumination optical system 2 and emitted to the optical unit PU.
- the illumination light L1 is incident on the incident surface 12 of the first prism P1 and then reflected by the illumination light reflecting surface 11.
- the illumination light L1 reflected by the illumination light reflecting surface 11 exits from the exit surface 13, and then enters the second prism P2 via the OFF light reflecting surface 21.
- the illumination light L1 incident on the second prism P2 sequentially passes through the second prism P2 and the cover glass CG, and then enters the digital micromirror device DP. Thereby, the illumination light L1 is guided to the digital micromirror device DP by the first prism P1.
- FIG. 5 shows perspective views of the reference state, the ON state, and the OFF state of the micromirror MR of the digital micromirror device DP.
- FIG. 6 is a perspective view for explaining the operation of the digital micromirror device DP.
- the digital micromirror device DP includes a plurality of minute micromirrors MR having a rectangular shape, and a pixel reflection surface (micromirror surface) MS that forms a pixel is formed by the micromirror MR.
- the reference state of the micromirror MR is indicated by the reference plane MS1
- the ON state of the micromirror MR is indicated by the reflecting surface MS2
- the OFF state of the micromirror MR is indicated by the reflecting surface MS3.
- the micromirror MR can be rotated with respect to the second axis ax2 after being tilted with respect to the first axis ax1 from the reference state.
- each pixel reflection surface MS is ON / OFF controlled on the image display surface DS including the plurality of pixel reflection surfaces MS, and the micromirror MR is in an image display state (ON state).
- Two angle states are taken: an image non-display state (OFF state).
- the digital micromirror device DP drives the micromirror MR with respect to two orthogonal axes, and the micromirror MR can take a reference state, an ON state, and an OFF state.
- the digital micromirror device DP constitutes a reflective image display element that generates a desired image by intensity-modulating the illumination light L1.
- each micromirror MR is driven with respect to two orthogonal axes (first axis ax1, second axis ax2)
- the pixel reflection surface MS of the micromirror MR is inclined in different planes.
- the state inclined in the YZ plane is the ON state
- the state inclined in the XZ plane is the OFF state.
- the illumination light L1 incident on the micromirror MR is in the normal direction of the image display surface DS (normal direction of the digital micromirror device DP). Is reflected to become ON light L2 (projection light).
- the illumination light L1 incident on the micromirror MR is reflected with a large angle from the normal direction of the image display surface DS, and becomes OFF light L3 (unnecessary light).
- the optical axis AX3 of the OFF light L3 is separated from the projection optical axis plane PL including the optical axis AX2 of the ON light L2 and the optical axis AX1 of the illumination light L1.
- the OFF light L3 is reflected in the direction.
- the normal line of the image display surface DS (the normal line of the digital micromirror device DP) is parallel to the optical axis AX2 of the ON light L2 (projection light) in the vicinity of the digital micromirror device DP.
- the digital micromirror device DP expresses ON / OFF by driving the micromirror MR about two orthogonal axes.
- the ON light L2 reflected by the micromirror MR in the ON state enters the second prism P2 from the incident surface 25 of the second prism P2, passes through the OFF light reflecting surface 21, and then enters the first prism P1.
- the ON light L2 incident on the first prism P1 passes through the illumination light reflecting surface 11 and then enters the third prism P3 via the incident surface 33.
- the ON light L2 incident on the third prism P3 passes through the third prism P3 and is emitted from the emission surface 32 toward the projection optical system LN.
- the ON light L2 incident on the projection optical system LN is projected on the screen SC (see FIG. 1).
- the image displayed on the digital micromirror device DP is enlarged and projected on the screen SC.
- zooming, focusing, vertical shift of the projected image (movement in the Y direction), and the like are performed by the actuator 4.
- the OFF light L3 reflected by the micromirror MR in the OFF state is incident on the second prism P2 from the incident surface 25 of the second prism P2, and then reflected by the OFF light reflecting surface 21.
- a part of the OFF light L3 reflected by the micromirror MR is reflected by the end surface 22a of the first region 22.
- the OFF light L3 reflected by the OFF light reflection surface 21 and the end surface 22a is emitted from the emission surface 24 and is emitted to the outside of the second prism P2.
- the OFF light L3 emitted from the second prism P2 is absorbed by the light absorbing member PT.
- the light absorbing member PT is provided apart from the emission surface 24 of the second prism P2. Thereby, the heat transfer to the 2nd prism P2 of the heat
- the illumination light L1 flat light
- the micromirror MR that is transitioning from one of the ON state and the OFF state to the other is reflected in a direction opposite to the illumination light L1 with respect to the normal direction of the micromirror MR.
- the reflected light of the illumination light L1 from the flat light or the cover glass CG is also incident on the second prism P2, reflected by the OFF light reflecting surface 21 and the end surface 22a of the first region 22, and then emitted from the emitting surface 24.
- the second prism P2 reflected by the OFF light reflecting surface 21 and the end surface 22a of the first region 22, and then emitted from the emitting surface 24.
- a color wheel (not shown) may be provided between the illumination optical system 2 and the light source 1.
- the color wheel has an annular frame, and red, blue, and green filters are sequentially arranged in the circumferential direction in the frame. By rotating the color wheel in the circumferential direction and allowing the illumination light L1 to pass through the filter, a color image can be projected.
- the OFF light reflecting surface 21 transmits the ON light L2.
- the OFF light L3 can be almost totally reflected, which is preferable.
- ⁇ angle formed by the optical axis of the incident light of the digital micromirror device DP and the normal line of the digital micromirror device DP
- ⁇ angle formed between the normal line of the micromirror MR in the ON state and the normal line of the digital micromirror device DP
- the illumination light L1 having the optical axis AX1 on the projection optical axis plane PL has a spread of an angle ⁇ F based on the F number.
- the angle ⁇ a represents an angle at which the incident angle when the light beam L12 (Lower Ray) of the illumination light L1 farthest from the optical axis AX2 of the ON light L2 enters the OFF light reflecting surface 21 as the ON light becomes a critical angle.
- the angle ⁇ b represents an angle at which the incident angle when the light beam L11 (Upper Ray) of the illumination light L1 closest to the optical axis AX2 of the ON light L2 enters the OFF light reflecting surface 21 as OFF light becomes a critical angle.
- the OFF light reflecting surface 21 can transmit the ON light L2 and substantially totally reflect the OFF light L3.
- the angle ⁇ 1 is set to the lower limit angle of 24.07 ° and the OFF light reflecting surface 21 is formed, the length of the ON light L2 (projection light) of the optical unit PU in the optical axis AX2 direction (Z direction) is increased. Can be shortened. As a result, the rear focal length of the projection optical system LN (the distance from the forefront surface of the lens 51 to the image display surface DS) can be shortened. Therefore, the optical unit PU and the projector PJ can be reduced in size.
- the angle ⁇ 1 needs to be 25.34 ° or more.
- the OFF light reflecting surface 21 cannot totally reflect the OFF light L3 because the F number only in one direction where the incident angle becomes shallower with respect to the OFF light reflecting surface 21 is F / 1.80 to F / 2.04. Only the OFF light L3. For this reason, if the conditional expression (1) is satisfied, most of the OFF light L3 can be reflected by the OFF light reflecting surface 21 to prevent emission to the projection side. Accordingly, it is possible to prevent the contrast of the projected image from being lowered.
- the F number is F / 2.04 because the OFF light reflecting surface 21 can totally reflect the OFF light L3 by 100%.
- the illumination light reflecting surface 11 transmits the ON light L2.
- the illumination light L1 can be almost totally reflected, which is preferable.
- ⁇ angle formed by the optical axis of the incident light of the digital micromirror device DP and the normal line of the digital micromirror device DP
- ⁇ angle formed between the normal line of the micromirror MR in the ON state and the normal line of the digital micromirror device DP
- n1 Refractive index of the first prism P1
- F F number
- the angle ⁇ c represents an angle at which the incident angle when the light beam L11 (see FIG. 8) enters the illumination light reflecting surface 11 as ON light becomes a critical angle.
- the angle ⁇ d represents an angle at which the incident angle when the light beam L11 (see FIG. 8) incident from the incident surface 12 enters the illumination light reflecting surface 11 as illumination light becomes a critical angle.
- the illumination light reflecting surface 11 can transmit the ON light L2 and substantially totally reflect the illumination light L1.
- the illumination light reflecting surface 11 is formed by setting the angle ⁇ 2 to the lower limit angle of 29.52 °
- the length of the ON light L2 (projection light) of the optical unit PU in the optical axis AX2 direction (Z direction) is increased.
- the rear focal length of the projection optical system LN (the distance from the forefront surface of the lens 51 to the image display surface DS) can be shortened. Therefore, the optical unit PU and the projector PJ can be reduced in size.
- the OFF light L3 unnecessary for image projection is properly spatially separated from the ON light L2 necessary for image projection. Can do. Therefore, generation of ghost light due to incidence of the OFF light L3 on the projection optical system LN can be prevented.
- the second prism P2 has the light of the OFF light L3 in one first region 22 with respect to the projection optical axis plane PL including the optical axis AX2 of the ON light L2 and the optical axis AX1 of the illumination light L1 on the micromirror MR.
- the axis AX3 is arranged, and the exit surface 24 of the OFF light L3 intersects the projection optical axis plane PL.
- an end surface 22a facing the projection optical axis plane PL of the first region 22 where the optical axis AX3 of the OFF light L3 of the second prism P2 is disposed is formed by the reflection surface.
- the thickness of the second prism P2 can be reduced, and the OFF light L3 passing through the second prism P2 can be guided to the emission surface 24 without being emitted from the end surface 22a. Therefore, the optical unit PU and the projector PJ can be reduced in size.
- the OFF light reflecting surface 21 can transmit the ON light L2 and substantially totally reflect the OFF light L3.
- the illumination light reflecting surface 11 can transmit the ON light L2 and substantially totally reflect the illumination light L1.
- the illumination light L1 emitted from the first prism P1 is guided to the micromirror MR via the second prism P2, and the ON light L2 reflected by the micromirror MR is the second prism P2, the first prism P1, and the third prism.
- the light passes through the prism P3 in this order. Thereby, it is possible to prevent the OFF light L3 from entering the projection optical system LN and to shorten the rear focal length of the projection optical system LN.
- the projector PJ also includes an illumination optical system 2 that emits illumination light L1 toward the optical unit PU, and a projection optical system LN that enlarges and projects an image displayed on the digital micromirror device DP on the screen SC. .
- the projector PJ can be downsized and the projector PJ can project a high-contrast image.
- FIG. 9 shows a side view of the optical unit of the second embodiment.
- the same reference numerals are assigned to the same parts as those in the first embodiment shown in FIGS.
- the arrangement of the first to third prisms P1 to P3 is different from that of the first embodiment.
- Other parts are the same as those in the first embodiment.
- a first prism P1 and a second prism P2 are arranged between the digital micromirror device DP and the third prism P3.
- the second prism P2 is disposed between the first prism P1 and the third prism P3.
- the first prism P1 is disposed between the digital micromirror device DP and the second prism P2.
- the exit surface 13 of the first prism P1 faces the cover glass CG.
- the incident surface 25 of the second prism P2 is inclined so as to approach the digital micromirror device DP as the distance from the lens 71 increases.
- the OFF light reflecting surface 21 is inclined so as to be farther from the digital micromirror device DP as it is farther from the lens 71.
- An emission surface 26 that emits the OFF light L3 is formed on the front surface of the second prism P2.
- a light absorbing member PT is provided so as to face away from the emission surface 26.
- the incident surface 33 is inclined so as to be away from the digital micromirror device DP as the distance from the lens 71 increases.
- the first prism P1 and the second prism P2 do not protrude toward the image projection side with respect to the emission surface 32 of the third prism P3.
- the illumination light L1 incident on the first prism P1 from the incident surface 12 is reflected by the illumination light reflecting surface 11 and emitted from the emission surface 13 toward the digital micromirror device DP. .
- the ON light L2 reflected by the micromirror MR in the ON state passes through the illumination light reflecting surface 11 of the first prism P1, and then enters the second prism P2 from the incident surface 25.
- the ON light L2 incident on the second prism P2 passes through the OFF light reflecting surface 21 and enters the third prism P3 from the incident surface 33.
- the ON light L2 incident on the third prism P3 is emitted from the emission surface 32 toward the projection optical system LN.
- the ON light L2 reflected by the micromirror MR in the ON state is transmitted in the order of the first prism P1, the second prism P2, and the third prism P3.
- the OFF light L3 reflected by the micromirror MR in the OFF state passes through the illumination light reflecting surface 11 of the first prism P1 and enters the second prism P2. Then, the OFF light L3 incident on the second prism P2 is reflected by the OFF light reflecting surface 21 and the end surface 22a of the first region 22, and is emitted from the emission surface 24 to the outside of the second prism P2. At this time, a part of the OFF light L3 is emitted from the emission surface 26 without being reflected by the OFF light reflection surface 21, and is absorbed by the light absorbing member PT facing the emission surface 26.
- the same effect as in the first embodiment can be obtained.
- the first prism P1 and the second prism P2 do not protrude toward the image projection side with respect to the emission surface 32 of the third prism P3.
- interference between the lenses 51 and 52 of the projection optical system LN moving in the Y direction and the optical unit PU can be prevented. Accordingly, it is possible to easily shift the projected image up and down by the projection optical system LN.
- FIG. 10 shows a side view of the optical unit of the third embodiment.
- the same reference numerals are assigned to the same parts as those in the first embodiment shown in FIGS.
- the arrangement of the first to third prisms P1 to P3 is different from that of the first embodiment.
- the third embodiment is also different from the first embodiment in that the ON light reflecting surface 31 is provided on the third prism P3. Other parts are the same as those in the first embodiment.
- a second prism P2 and a third prism P3 are arranged between the digital micromirror device DP and the first prism P1.
- the third prism P3 is disposed between the first prism P1 and the second prism P2.
- the second prism P2 is disposed between the digital micromirror device DP and the third prism P3.
- the first prism P1 and the third prism P3 are arranged so that the incident surface 12 of the first prism P1 and the output surface 32 of the third prism P3 are substantially parallel.
- the exit surface 13 of the first prism P1 is inclined so as to approach the projection optical system LN (see FIG. 4) as the distance from the lens 71 increases.
- the illumination light reflecting surface 11 is inclined so as to approach the digital micromirror device DP as the distance from the lens 71 increases.
- the illumination light reflecting surface 11 is formed by evaporating a metal such as aluminum or silver.
- the illumination light reflecting surface 11 may be formed of a dielectric multilayer film.
- the incident surface 25 of the second prism P2 faces the cover glass CG.
- the OFF light reflecting surface 21 is inclined so as to be farther from the digital micromirror device DP as it is farther from the lens 71.
- the exit surface 24 is formed on the front surface of the second prism P2.
- the incident surface 33 of the third prism P3 is inclined so as to be away from the digital micromirror device DP as the distance from the lens 71 increases.
- the third prism P3 has an ON light reflecting surface 31 that is inclined so as to be closer to the projection optical system LN as it is farther from the digital micromirror device DP.
- the ON light reflection surface 31 transmits the illumination light L 1 and reflects the ON light L 2 to guide it to the emission surface 32.
- the illumination light L1 incident on the first prism P1 from the incident surface 12 is reflected by the illumination light reflecting surface 11 and then enters the third prism P3 from the emission surface 13.
- the illumination light L1 that has passed through the third prism P3 passes through the second prism P2 via the OFF light reflecting surface 21.
- the illumination light L1 that has passed through the second prism P2 enters the digital micromirror device DP. That is, the illumination light L1 passes through the first prism P1, the third prism P3, and the second prism P2.
- the ON light L2 reflected by the micromirror MR in the ON state is incident on the second prism P2 from the incident surface 25, passes through the OFF light reflecting surface 21, and is incident on the third prism P3.
- the ON light L2 incident on the third prism P3 is reflected by the ON light reflecting surface 31 and then emitted from the emitting surface 32 toward the projection optical system LN.
- the optical axis of the incident light on the illumination light reflecting surface 11 and the optical axis of the reflected light on the ON light reflecting surface 31 are substantially parallel.
- the OFF light L3 reflected by the micromirror MR in the OFF state enters the second prism P2 from the incident surface 25.
- the OFF light L3 incident on the second prism P2 is reflected by the OFF light reflecting surface 21 and the end surface 22a of the first region 22, and then is emitted from the emitting surface 24 and is emitted to the outside of the second prism P2.
- the ON light reflecting surface 31 transmits the illumination light L1.
- the ON light L2 can be almost totally reflected, which is preferable.
- ⁇ angle formed by the optical axis of the incident light of the digital micromirror device DP and the normal line of the digital micromirror device DP
- ⁇ angle formed between the normal line of the micromirror MR in the ON state and the normal line of the digital micromirror device DP
- n3 refractive index of the third prism P3, F: F number, It is.
- the angle ⁇ e represents an angle at which the incident angle when the light beam L11 (see FIG. 8) enters the ON light reflecting surface 31 as illumination light becomes a critical angle.
- the angle ⁇ h represents an angle at which the incident angle when the light beam L11 enters the ON light reflecting surface 31 as ON light becomes a critical angle.
- the ON light reflecting surface 31 can transmit the illumination light L1 and substantially totally reflect the ON light L2.
- the first prism P1 has an illumination light reflecting surface 11 that reflects the illumination light L1 toward the micromirror MR.
- the illumination light L1 passes through the third prism P3 and the second prism P2 in this order and is guided to the micromirror MR, and the ON light L2 reflected by the micromirror MR enters the third prism P3 via the second prism P2. Then, the light is reflected by the ON light reflecting surface 31 and emitted to the projection side.
- the projector PJ can be thinned by shortening the length of the optical unit PU in the Z direction.
- the ON light reflecting surface 31 can transmit the illumination light L1 and substantially totally reflect the ON light L2.
- FIG. 11 shows a side view of the optical unit of the fourth embodiment.
- the same reference numerals are given to the same parts as those in the first embodiment shown in FIGS. 1 to 8 and the third embodiment shown in FIG.
- the arrangement of the first to third prisms P1 to P3 is different from that of the first embodiment.
- the configuration of the first prism P1 is different from that of the third embodiment.
- Other parts are the same as those in the first and third embodiments.
- the illumination light reflecting surface 11 is omitted.
- the optical unit PU is provided with a mirror member 80 that reflects the illumination light L1 and guides it to the first prism P1.
- the first prism P ⁇ b> 1 is provided with a lens unit 18 facing the mirror member 80.
- the lens unit 18 condenses the illumination light L1 reflected by the mirror member 80 and guides it to the digital micromirror device DP.
- the incident surface 12 is formed on the lens unit 18. Further, the mirror member 80 and the third prism P3 are arranged so that the optical axis of the incident light of the mirror member 80 and the optical axis of the reflected light of the ON light reflecting surface 31 are substantially parallel.
- a mirror member 80 that reflects the illumination light L1 and guides it to the first prism P1 is provided, and the lens that condenses the illumination light L1 reflected by the first prism P1 by the mirror member 80 and guides it to the digital micromirror device DP. Part 18. Thereby, the illumination light L1 can be efficiently guided to the digital micromirror device DP.
- FIG. 12 shows a side view of the optical unit of the fifth embodiment.
- the same reference numerals are given to the same parts as those in the first embodiment shown in FIGS. 1 to 8 and the fourth embodiment shown in FIG.
- the arrangement of the first to third prisms P1 to P3 is different from that of the first embodiment.
- the arrangement of the second prism P2 and the third prism P3 is different from that of the fourth embodiment.
- Other parts are the same as those in the first and fourth embodiments.
- a second prism P2 is disposed between the digital micromirror device DP and the first prism P1.
- the second prism P2 is disposed so as to be sandwiched between the first prism P1 and the third prism P3 in the Y direction. Further, the first prism P1 and the third prism P3 are within the width of the second prism P2 in the Z direction.
- the incident surface 25 of the second prism P2 faces the cover glass CG.
- the OFF light reflecting surface 21 is inclined so as to approach the projection optical system LN (see FIG. 4) as the distance from the digital micromirror device DP increases.
- an emission surface 27 for emitting the OFF light L3 is formed on the back surface of the second prism P2.
- a light absorbing member PT is provided so as to face away from the emission surface 27.
- a reflection surface 28 is formed on the end surface of the second prism P2 on the exit surface 13 side. The reflecting surface 28 is inclined so as to approach the projection optical system LN as the distance from the digital micromirror device DP increases.
- the incident surface 33 of the third prism P3 is inclined so as to approach the projection optical system LN as the distance from the digital micromirror device DP increases.
- the angle ⁇ 4 formed between the normal line of the OFF light reflecting surface 21 and the optical axis AX2 of the ON light L2 in the vicinity of the OFF light reflecting surface 21 is used, and when ⁇ 1 is replaced with ⁇ 4 in the conditional expression (1), When the expression (1) is satisfied, the OFF light reflecting surface 21 can transmit the ON light L2 and substantially totally reflect the OFF light L3.
- the illumination light L1 incident on the first prism P1 from the incident surface 12 after being reflected by the mirror member 80 is incident on the second prism P2 from the output surface 13.
- the illumination light L1 that has passed through the second prism P2 enters the digital micromirror device DP.
- the ON light L2 reflected by the micromirror MR in the ON state is incident on the second prism P2 from the incident surface 25, is reflected by the reflecting surface 28, passes through the OFF light reflecting surface 21, and is incident on the third prism P3.
- the ON light L2 incident on the third prism P3 is emitted from the emission surface 32 toward the projection optical system LN.
- the optical axis of the incident light of the mirror member 80 and the optical axis of the reflected light of the ON light L2 of the reflecting surface 28 are substantially parallel.
- OFF light L3 reflected by the micromirror MR in the OFF state enters the second prism P2 from the incident surface 25.
- Part of the OFF light L3 incident on the second prism P2 is reflected by the reflecting surface 28, then reflected by the OFF light reflecting surface 21, is emitted from the emitting surface 27, and is emitted to the outside of the second prism P2.
- a part of the OFF light L3 incident on the second prism P2 is emitted from the emission surface 24 without entering the OFF light reflection surface 21.
- the OFF light L3 reflected by the end surface 22a of the first region 22 is emitted from the emission surface 24 and the emission surface 27 and is emitted to the outside of the second prism P2.
- the same effects as those of the first and fourth embodiments can be obtained.
- the first prism P1 and the third prism P3 are within the width of the second prism P2 in the Z direction. Thereby, the optical unit PU can be made compact.
- the refractive index of the first prism P1 may be different from the refractive index of the second prism P2 and the refractive index of the third prism P3. Even in this case, since the imaging performance of the lenses 51 and 52 of the projection optical system LN is not deteriorated, there is no major problem.
- the present invention can be used for an optical unit having a digital micromirror device that drives a micromirror with respect to two axes, and a projector including the optical unit.
- PJ Projector LN Projection optical system PU Optical unit PT
- Light absorption member DP Digital micromirror device DS Image display surface MR Micromirror MS Pixel reflection surface CG Cover glass P1 First prism P2 Second prism P3 Third prism L1 Illumination light L2 ON light (projection light) L3 OFF light (unnecessary light)
- AX1 Optical axis of illumination light AX2 Optical axis of projection light (ON light)
- AX3 Optical axis of OFF light MS1 Reference plane MS2 ON reflection surface MS3 OFF reflection surface
- Control unit 4 Actuator 11 Illumination light reflection surface 18 Lens portion 21 OFF light reflection surface 31 ON light reflection surface 51, 52, 71 Lens 80 Mirror member AX Optical axis SC screen
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Abstract
本発明は、小型化できる光学ユニットを提供することを目的とする。本発明の光学ユニット(PU)は、ON/OFF制御される各マイクロミラー(MR)の駆動を2軸に関して行うデジタル・マイクロミラー・デバイス(DP)と、照明光(L1)をデジタル・マイクロミラー・デバイス(DP)に導く第1プリズム(P1)と、マイクロミラー(MR)で反射されたOFF光(L3)を反射するとともに、ON光(L2)を透過するOFF光反射面(21)を有する第2プリズム(P2)と、第2プリズム(P2)から出射されたON光(L2)が入射して投影側に射出する第3プリズム(P3)と、を備える。各マイクロミラー(MR)はOFF光(L3)の光軸(AX3)がON光(L2)の光軸(AX2)と照明光(L1)の光軸(AX1)とを含む投影光軸平面(PL)に対して離れる方向にOFF光(L3)を反射するとともに、第2プリズム(P2)が投影光軸平面(PL)に対して一方の領域(22)にOFF光(L3)の光軸(AX3)を含んで投影光軸平面(PL)に交差する出射面(24)からOFF光(L3)を出射し、領域(22)の投影光軸平面(PL)に対向する端面(22a)がOFF光(L3)を反射して出射面(24)に導く反射面から成る。
Description
本発明は2軸に関してマイクロミラーの駆動を行うデジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)を有する光学ユニット及びそれを備えたプロジェクターに関する。
従来の光学ユニットは特許文献1、2に開示されている。特許文献1の光学ユニットはプロジェクターに搭載され、デジタル・マイクロミラー・デバイス、第1プリズム、第2プリズム及び第3プリズムを有する。デジタル・マイクロミラー・デバイスは反射型画像表示素子であり、複数の微小なマイクロミラーから成る画像表示面を有する。
第1プリズムは照明光を反射する反射面を有し、該反射面で反射した照明光はデジタル・マイクロミラー・デバイスに導かれる。デジタル・マイクロミラー・デバイスは各マイクロミラーの面の傾きがON/OFF制御されて照明光を強度変調することにより画像を形成する。ON/OFF制御される各マイクロミラーの駆動は1軸に関して行われ、ON状態のマイクロミラーの傾き角度とOFF状態のマイクロミラーの傾き角度は異なっている。
第2プリズムはON状態のマイクロミラーで反射したON光を透過するとともにOFF状態のマイクロミラーで反射したOFF光を全反射する全反射面を有する。全反射面を透過したON光は第3プリズムに入射する。第3プリズムは第2プリズムから入射したON光を画像投射側に射出する。これにより、画像が投影される。この時、デジタル・マイクロミラー・デバイスで反射するON光の光軸は第1プリズム、第2プリズム及び第3プリズムの厚み方向の中心面上に配される。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスで反射するOFF光の光軸は第1プリズム及び第2プリズムの厚み方向の中心面上に配される。
投影画像に使用されないOFF光(不要光)が投影レンズに入射すると、ゴースト光が発生する。また、OFF光が投影レンズに入射すると投影レンズの局所的な温度上昇が発生し、投影レンズの結像性能が低下する。これにより、投影画像のコントラストが低下する。特許文献1の光学ユニットによれば、OFF光は第2プリズムの全反射面で反射してON光とは異なる方向に射出される。これにより、OFF光が画像投影側に射出されず、投影画像のOFF光によるコントラストの低下を防止することができる。
特許文献2の光学ユニットも一軸制御のデジタル・マイクロミラー・デバイスと、ON光を透過させるとともにOFF光を全反射させる全反射面を有するプリズムとを備える。全反射面で反射されたOFF光はプリズムの厚み方向の一端面に入射し、端面に接して設けられた光吸収部材により吸収される。これにより、端面での光の散乱が防止される。
また、直交する2軸に関してマイクロミラーの駆動を行うデジタル・マイクロミラー・デバイス(Tilt & Roll Pixel DMD)が非特許文献1に開示されている。このデジタル・マイクロミラー・デバイスでは、各マイクロミラーはOFF光の光軸がON光の光軸と照明光の光軸とを含む平面に対して離れる方向にOFF光を反射する。このため、2軸制御のデジタル・マイクロミラー・デバイスを上記特許文献1、2の光学ユニットに搭載することにより、投影画像の輝度を向上させることができる。
TEXAS INSTRUMENTS、"DLP Tilt & Roll Pixel Architecture and DLP IntelliBrightTM"、[online]、[平成26年10月3日検索]、インターネット<URL:http://www.dlp.com/pico-projector/pico-product-developers/2trp-chip.aspx>
プロジェクターに搭載される光学ユニットは小型化の市場要求がある。上記特許文献1、2の光学ユニットに2軸制御のデジタル・マイクロミラー・デバイスを搭載すると、ON光の光軸が第2プリズムの厚み方向の中心面上に配され、OFF光の光軸が該中心面から離れて配される。このため、第2プリズムの厚みが大きくなり、光学ユニットが大型になる問題があった。
本発明は、小型化できる光学ユニット及びそれを用いたプロジェクターを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明は、複数のマイクロミラーからなる画像表示面において各前記マイクロミラーの面の傾きがON/OFF制御されて照明光を強度変調することにより画像を形成し、ON/OFF制御される各前記マイクロミラーの駆動を2軸に関して行うデジタル・マイクロミラー・デバイスと、
照明光を前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに導く第1プリズムと、
OFF状態の前記マイクロミラーで反射されたOFF光を反射するとともにON状態の前記マイクロミラーで反射されたON光を透過するOFF光反射面を有する第2プリズムと、
第2プリズムから出射されたON光が入射して投影側に射出する第3プリズムと、
を備えた光学ユニットであって、
各前記マイクロミラーはOFF光の光軸がON光の光軸と照明光の光軸とを含む投影光軸平面に対して離れる方向にOFF光を反射するとともに、第2プリズムが前記投影光軸平面に対して一方の領域にOFF光の光軸を含んで前記投影光軸平面に交差する出射面からOFF光を出射し、該領域の前記投影光軸平面に対向する端面がOFF光を反射して前記出射面に導く反射面から成ることを特徴としている。
照明光を前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに導く第1プリズムと、
OFF状態の前記マイクロミラーで反射されたOFF光を反射するとともにON状態の前記マイクロミラーで反射されたON光を透過するOFF光反射面を有する第2プリズムと、
第2プリズムから出射されたON光が入射して投影側に射出する第3プリズムと、
を備えた光学ユニットであって、
各前記マイクロミラーはOFF光の光軸がON光の光軸と照明光の光軸とを含む投影光軸平面に対して離れる方向にOFF光を反射するとともに、第2プリズムが前記投影光軸平面に対して一方の領域にOFF光の光軸を含んで前記投影光軸平面に交差する出射面からOFF光を出射し、該領域の前記投影光軸平面に対向する端面がOFF光を反射して前記出射面に導く反射面から成ることを特徴としている。
また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、第2プリズムの前記出射面に離れて対向する光吸収部材を設けると好ましい。
また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、以下の条件式(1)を満たすと好ましい。
θa≧θ1≧θb・・・(1)
ただし、
θa=sin-1(1/n)-sin-1{sin(α+θF-2・β)/n}
θb=sin-1√[{n2-1+cos2(α-θF)・cos2(2・γ)}/{n2-cos2(α-θF)・sin2(2・γ)}]-sin-1√[(n2-1)/{n2-cos2(α-θF)・sin2(2・γ)}]
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの入射光の光軸と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
β:ON状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
γ:OFF状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
n:第2プリズムの屈折率、
F:Fナンバー、
θ1:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線と前記OFF光反射面の法線との成す角度、
である。
θa≧θ1≧θb・・・(1)
ただし、
θa=sin-1(1/n)-sin-1{sin(α+θF-2・β)/n}
θb=sin-1√[{n2-1+cos2(α-θF)・cos2(2・γ)}/{n2-cos2(α-θF)・sin2(2・γ)}]-sin-1√[(n2-1)/{n2-cos2(α-θF)・sin2(2・γ)}]
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの入射光の光軸と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
β:ON状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
γ:OFF状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
n:第2プリズムの屈折率、
F:Fナンバー、
θ1:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線と前記OFF光反射面の法線との成す角度、
である。
また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、第1プリズムが照明光を反射する照明光反射面を有してON光が前記照明光反射面を透過し、以下の条件式(2)を満たすと好ましい。
θc≧θ2≧θd・・・(2)
ただし、
θc=sin-1(1/n1)+sin-1{sin(α-θF-2・β)/n1}
θd=sin-1(1/n1)-sin-1{sin(α-θF)/n1}
であり、
n1:第1プリズムの屈折率、
θ2:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線と前記照明光反射面の法線との成す角度、
である。
θc≧θ2≧θd・・・(2)
ただし、
θc=sin-1(1/n1)+sin-1{sin(α-θF-2・β)/n1}
θd=sin-1(1/n1)-sin-1{sin(α-θF)/n1}
であり、
n1:第1プリズムの屈折率、
θ2:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線と前記照明光反射面の法線との成す角度、
である。
また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、第1プリズムに入射した照明光が第1プリズム、第3プリズム及び第2プリズムの順に透過して前記マイクロミラーに導かれ、前記マイクロミラーで反射したON光は第2プリズムを介して第3プリズムに入射して第3プリズムに設けたON光反射面で反射して投影側に射出され、以下の条件式(3)を満たすと好ましい。
θe≧θ3≧θh・・・(3)
ただし、
θe=sin-1(1/n3)+sin-1{sin(α-θF)/n3}
θh=sin-1(1/n3)-sin-1{sin(α-θF-2・β)/n3}
であり、
n3:第3プリズムの屈折率、
θ3:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線と前記ON光反射面の法線との成す角度、
である。
θe≧θ3≧θh・・・(3)
ただし、
θe=sin-1(1/n3)+sin-1{sin(α-θF)/n3}
θh=sin-1(1/n3)-sin-1{sin(α-θF-2・β)/n3}
であり、
n3:第3プリズムの屈折率、
θ3:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線と前記ON光反射面の法線との成す角度、
である。
また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、第1プリズムから出射される照明光が第2プリズムを介して前記マイクロミラーに導かれ、前記マイクロミラーで反射したON光は第2プリズム、第1プリズム及び第3プリズムの順に透過すると好ましい。
また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、前記マイクロミラーで反射したON光が第1プリズム、第2プリズム及び第3プリズムの順に透過し、前記マイクロミラーで反射したOFF光が第1プリズムを介して第2プリズムに入射すると好ましい。
また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、第1プリズム及び第2プリズムは第3プリズムのON光を投影側へ出射する出射面に対して突出しないと好ましい。
また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、第1プリズムが照明光を前記マイクロミラーに向けて反射する照明光反射面を有すると好ましい。
また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、照明光を反射して第1プリズムに導くミラー部材を備え、第1プリズムが前記ミラー部材で反射した照明光を集光して前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに導くレンズ部を有すると好ましい。
また本発明のプロジェクターは、光源と、上記構成の光学ユニットと、前記光学ユニットに向けて照明光を出射する照明光学系と、前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに表示された画像をスクリーンに拡大投影する投影光学系とを備えたことを特徴としている。
本発明の光学ユニットによると、OFF状態のマイクロミラーで反射されたOFF光を反射するとともにON状態のマイクロミラーで反射されたON光を透過するOFF光反射面を有する第2プリズムを備える。これにより、2軸に関してマイクロミラーの駆動を行うデジタル・マイクロミラー・デバイスからの出射光のうち、画像投影に必要なON光から画像投影に不要なOFF光を適正に空間分離することができる。したがって、光学ユニット及びプロジェクターのOFF光に起因する温度上昇や迷光の発生を防止することができる。
また、第2プリズムはマイクロミラー上のON光の光軸と照明光の光軸とを含む投影光軸平面に対して一方の領域にOFF光の光軸が配され、OFF光の出射面が投影光軸平面に交差する。そして、第2プリズムのOFF光の光軸が配される領域の投影光軸平面に対向した端面が反射面により形成される。これにより、第2プリズムの厚みを小さくするとともに、第2プリズムを通るOFF光を該端面から出射させずに出射面に導くことができる。したがって、光学ユニット及びプロジェクターの小型化を図ることができる。
<第1実施形態>
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図1は第1実施形態の光学ユニットを備えるプロジェクターの概略構成図を示している。1チップタイプ(単板式)のプロジェクターPJは光源1、照明光学系2、光学ユニットPU、投影光学系LN、アクチュエーター4及び制御部3を備える。
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図1は第1実施形態の光学ユニットを備えるプロジェクターの概略構成図を示している。1チップタイプ(単板式)のプロジェクターPJは光源1、照明光学系2、光学ユニットPU、投影光学系LN、アクチュエーター4及び制御部3を備える。
光源1は例えばLEDから成り、白色光を出射する。照明光学系2はレンズ71(図3、図4参照)を有し、光源1からの光を集光して照明光L1を光学ユニットPUに向けて出射する。光学ユニットPUはデジタル・マイクロミラー・デバイスDP、第1プリズムP1、第2プリズムP2及び第3プリズムP3を有し、支持部材(不図示)によりプロジェクターPJ内で支持される。光学ユニットPUはデジタル・マイクロミラー・デバイスDPで反射した投影光(後述のON光)を投影光学系LNに向けて射出する。なお、光学ユニットPUの詳細については後述する。
投影光学系LNはレンズ51、52(図4参照)を有し、デジタル・マイクロミラー・デバイスDP上に表示された画像をスクリーンSCに拡大投影する。アクチュエーター4はレンズ51、52を移動させ、例えばズーミング、フォーカシングや投影画像の上下シフト等を行う。制御部3はCPUを有し、プロジェクターPJ全体の制御を行う。
図2~図4は光学ユニットPUの斜視図、正面図及び側面図をそれぞれ示している。図2~図4において、X方向は第1~第3プリズムP1~P3の厚み方向を示している。Z方向はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPで反射する投影光(後述のON光)の光軸方向を示している。Y方向はX方向及びZ方向に垂直な方向を示している。
第1プリズムP1、第2プリズムP2及び第3プリズムP3は内部全反射プリズム(TIR Prism:Total Internal Reflection Prism)から成り、材質として例えばガラスを用いることができる。本実施形態では、第1~第3プリズムP1~P3は屈折率が同じガラスにより形成される。支持部材は光学ユニットPUの両側面(第1~第3プリズムの厚み方向の両端面)に接して配され、光学ユニットPUを挟持する。
デジタル・マイクロミラー・デバイスDPと第3プリズムP3との間には第2プリズムP2及び第1プリズムP1が配置される。第2プリズムP2はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPと第1プリズムP1との間に配置され、第1プリズムP1は第2プリズムP2と第3プリズムP3との間に配置される。なお、第1プリズムP1と第2プリズムP2との間、第2プリズムP2と第3プリズムP3との間及び第1プリズムP1と第3プリズムP3との間にはエアーギャップ層(不図示)が設けられる。
デジタル・マイクロミラー・デバイスDPは正面投影において、第1~第3プリズムP1~P3に重なるように配置されるとともに第2プリズムP2の厚み方向(X方向)の中央部に配置される。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPと第2プリズムP2との間にはカバーガラスCGが設けられる。
デジタル・マイクロミラー・デバイスDPは各マイクロミラーMR(図6参照)の面の傾きがON/OFF制御されて照明光L1を強度変調することにより画像を形成する。ON状態のマイクロミラーMRで反射されたON光L2は光学ユニットPUから射出されて画像表示に使用される。一方、OFF状態のマイクロミラーMRで反射されたOFF光L3は画像表示に使用されない。図7に示すように、各マイクロミラーMRはOFF光L3の光軸AX3がON光L2の光軸AX2と照明光L1の光軸AX1とを含む投影光軸平面PLに対して離れる方向にOFF光L3を反射する。なお、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPについての詳細は後述する。
第1プリズムP1は入射面12、照明光反射面11及び出射面13を有している。入射面12はZ方向に対して傾斜し、レンズ71に対向して照明光L1を入射する。照明光反射面11はレンズ71から離れるほどデジタル・マイクロミラー・デバイスDPに近づくように傾斜し、入射面12から入射した照明光L1を反射する。出射面13は第2プリズムP2に対向し、照明光反射面11で反射した照明光L1を出射する。
第2プリズムP2はOFF光反射面21、出射面24及び入射面25を有している。入射面25はカバーガラスCGに対向し、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPで反射したON光L2及びOFF光L3を入射する。OFF光反射面21はレンズ71から離れるほどデジタル・マイクロミラー・デバイスDPから離れるように傾斜し、入射面25から入射したON光L2を透過するとともにOFF光L3を反射する。透過面(研磨面)から成る出射面24はON状態のマイクロミラーMRで反射したON光L2の光軸AX2に対して入射面12の反対側に形成され、OFF光反射面21で反射したOFF光L3を出射する。
第2プリズムP2は投影光軸平面PLに対して一方(図3において左方)の第1領域22及び他方(図3において右方)の第2領域23を有する。第1領域22の投影光軸平面PLの法線方向(X方向)の長さは第2領域23の投影光軸平面PLの法線方向(X方向)の長さと略同じになっている。OFF光L3の光軸AX3は第1領域22に含まれる。
第1領域22の投影光軸平面PLに対向する端面22aは全反射面により形成される。端面22aはOFF光L3を反射し、端面22aに交差する出射面24に導く。なお、端面22aにアルミニウムや銀等の金属を蒸着して反射面を形成してもよい。これにより、例えば端面22aの外側に支持部材を接して配して支持部材により光学ユニットPUを挟持する場合のように端面22aの外側に空気層を確保できない場合でも端面22aはOFF光L3を確実に反射することができる。
また、第2プリズムP2の出射面24に離れて対向して光吸収部材PTが設けられる。光吸収部材PTは例えば黒色処理した金属プレートにより形成され、出射面24から出射されたOFF光L3を吸収する。
第3プリズムP3は入射面33及び出射面32を有している。入射面33はレンズ71から離れるほどデジタル・マイクロミラー・デバイスDPに近づくように傾斜し、第2プリズムP2のOFF光反射面21を透過したON光L2を入射する。出射面32は投影光学系LNのレンズ51、52に対向し、入射面33から入射したON光L2を出射する。第1プリズムP1の投影光学系LN側の端部は第3プリズムP3の出射面32に対して出射側に突出している。なお、第1プリズムP1を出射面32に対して出射側に突出しないように形成してもよい。
上記構成のプロジェクターPJにおいて、光源1から光が出射されると、照明光学系2のレンズ71で集光されて照明光L1が光学ユニットPUに向けて出射される。照明光L1は第1プリズムP1の入射面12に入射した後に照明光反射面11で反射する。照明光反射面11で反射した照明光L1は出射面13から出射した後に、OFF光反射面21を介して第2プリズムP2に入射する。第2プリズムP2に入射した照明光L1は第2プリズムP2及びカバーガラスCGを順に透過した後にデジタル・マイクロミラー・デバイスDPに入射する。これにより、第1プリズムP1により照明光L1がデジタル・マイクロミラー・デバイスDPに導かれる。
図5はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPのマイクロミラーMRの基準状態、ON状態及びOFF状態の斜視図を示している。図6はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの動作を説明するための斜視図を示している。デジタル・マイクロミラー・デバイスDPは複数の矩形形状の微小なマイクロミラーMRを有し、マイクロミラーMRにより画素を構成する画素反射面(マイクロミラー面)MSが形成される。
図5において、マイクロミラーMRの基準状態を基準平面MS1で示し、マイクロミラーMRのON状態を反射面MS2で示し、マイクロミラーMRのOFF状態を反射面MS3で示している。マイクロミラーMRは基準状態から第1軸ax1に対して傾いた後に第2軸ax2に対して回動することができる。これにより、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPは、複数の画素反射面MSからなる画像表示面DSにおいて、各画素反射面MSがON/OFF制御され、マイクロミラーMRが画像表示状態(ON状態)と画像非表示状態(OFF状態)と、の2つの角度状態をとる。すなわち、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPは直交する2軸に関してマイクロミラーMRの駆動を行い、マイクロミラーMRは基準状態、ON状態及びOFF状態をとることができる。これにより、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPは照明光L1を強度変調して所望の画像を生成する反射型画像表示素子を構成する。
各マイクロミラーMRの駆動は直交する2軸(第1軸ax1、第2軸ax2)に関して行われるため、マイクロミラーMRの画素反射面MSは異なる面内で傾斜する。本実施形態ではYZ平面内で傾斜した状態がON状態であり、XZ平面内で傾斜した状態がOFF状態である。通常想定されるON/OFF制御では、画素反射面MSがON状態のとき、マイクロミラーMRに入射した照明光L1は画像表示面DSの法線(デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線)方向に反射されてON光L2(投影光)となる。また、画素反射面MSがOFF状態のとき、マイクロミラーMRに入射した照明光L1は画像表示面DSの法線方向から大きな角度を持って反射され、OFF光L3(不要光)となる。
このため、図7に示すように、各マイクロミラーMRはOFF光L3の光軸AX3がON光L2の光軸AX2と照明光L1の光軸AX1とを含む投影光軸平面PLに対して離れる方向にOFF光L3を反射する。また、画像表示面DSの法線(デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線)はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの近傍のON光L2(投影光)の光軸AX2と平行になっている。
以上のように、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの画像表示面DSでは、照明光L1の強度変調により2次元画像が形成される。デジタル・マイクロミラー・デバイスDPは、前述したように直交する2軸に関してマイクロミラーMRの駆動を行うことによりON/OFFを表現する。
ON状態のマイクロミラーMRで反射したON光L2は第2プリズムP2の入射面25から第2プリズムP2に入射し、OFF光反射面21を透過した後に第1プリズムP1に入射する。第1プリズムP1に入射したON光L2は照明光反射面11を透過した後に入射面33を介して第3プリズムP3に入射する。第3プリズムP3に入射したON光L2は第3プリズムP3を透過して出射面32から投影光学系LNに向けて出射される。
投影光学系LNに入射したON光L2はスクリーンSC(図1参照)に投射される。これにより、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPに表示された画像はスクリーンSCに拡大投影される。この時、アクチュエーター4により例えばズーミング、フォーカシングや投影画像の上下シフト(Y方向での移動)等が行われる。
一方、OFF状態のマイクロミラーMRで反射したOFF光L3は第2プリズムP2の入射面25から第2プリズムP2に入射した後にOFF光反射面21で反射する。この時、マイクロミラーMRで反射したOFF光L3の一部は第1領域22の端面22aで反射する。これにより、端面22aに入射したOFF光L3の光散乱を防止することができる。OFF光反射面21や端面22aで反射したOFF光L3は出射面24から出射され、第2プリズムP2の外部へ排出される。第2プリズムP2から排出されたOFF光L3は光吸収部材PTにより吸収される。
この時、光吸収部材PTは第2プリズムP2の出射面24から離れて設けられている。これにより、OFF光L3を吸収した光吸収部材PTの熱の第2プリズムP2への伝熱を低減することができる。したがって、第2プリズムP2の温度上昇を抑え、第2プリズムP2の熱変形等を防止することができる。その結果、光学ユニットPU及びプロジェクターPJの長寿命化を図ることができる。
なお、ON状態及びOFF状態の一方から他方へ移行中のマイクロミラーMRで反射した照明光L1(フラット光)はマイクロミラーMRの法線方向に対して照明光L1とは反対方向へ反射される。フラット光やカバーガラスCGでの照明光L1の反射光も第2プリズムP2に入射してOFF光反射面21や第1領域22の端面22aで反射し、その後に出射面24から出射される。これにより、フラット光やカバーガラスCGでの照明光L1の反射光の投影光学系LNへの入射を防止することができる。したがって、投影画像のコントラストの低下を防止することができる。
なお、本実施形態において、照明光学系2と光源1との間にカラーホイール(不図示)を設けてもよい。カラーホイールは環状の枠を有し、枠内に赤色、青色及び緑色のフィルタが周方向に順に配置される。カラーホイールを周方向に回転させてフィルタに照明光L1を透過させることにより、カラー画像を投影することができる。
ここで、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線とOFF光反射面21の法線との成す角度θ1が以下の条件式(1)を満たすと、OFF光反射面21はON光L2を透過してOFF光L3をほぼ全反射することができるので好ましい。
θa≧θ1≧θb・・・(1)
ただし、
θa=sin-1(1/n)-sin-1{sin(α+θF-2・β)/n}
θb=sin-1√[{n2-1+cos2(α-θF)・cos2(2・γ)}/{n2-cos2(α-θF)・sin2(2・γ)}]-sin-1√[(n2-1)/{n2-cos2(α-θF)・sin2(2・γ)}]
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの入射光の光軸とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
β:ON状態のマイクロミラーMRの法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
γ:OFF状態のマイクロミラーMRの法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
n:第2プリズムP2の屈折率、
F:Fナンバー、
である。
ただし、
θa=sin-1(1/n)-sin-1{sin(α+θF-2・β)/n}
θb=sin-1√[{n2-1+cos2(α-θF)・cos2(2・γ)}/{n2-cos2(α-θF)・sin2(2・γ)}]-sin-1√[(n2-1)/{n2-cos2(α-θF)・sin2(2・γ)}]
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの入射光の光軸とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
β:ON状態のマイクロミラーMRの法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
γ:OFF状態のマイクロミラーMRの法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
n:第2プリズムP2の屈折率、
F:Fナンバー、
である。
図8に示すように、投影光軸平面PL上の光軸AX1を有する照明光L1はFナンバーに基づく角度θFの広がりを有している。角度θaはON光L2の光軸AX2から最も離れた照明光L1の光線L12(Lower Ray)がON光としてOFF光反射面21に入射する際の入射角が臨界角となる角度を表わしている。角度θbはON光L2の光軸AX2に最も近い照明光L1の光線L11(Upper Ray)がOFF光としてOFF光反射面21に入射する際の入射角が臨界角となる角度を表わしている。
例えば、α=34°、β=17°、γ=17°、n=1.51872、FナンバーをF/1.80とすると、30.64°≧θ1≧24.07°となる。この時、OFF光反射面21はON光L2を透過してOFF光L3をほぼ全反射することができる。
ここで、角度θ1を下限角度の24.07°に設定してOFF光反射面21を形成すると、光学ユニットPUのON光L2(投影光)の光軸AX2方向(Z方向)の長さを短くすることができる。これにより、投影光学系LNの後方焦点距離(レンズ51の最前面から画像表示面DSまでの距離)を短くすることができる。したがって、光学ユニットPU及びプロジェクターPJを小型化することができる。
なお、FナンバーがF/1.80のOFF光L3をすべて全反射するためには、角度θ1は25.34°以上の角度が必要である。しかしながら、OFF光反射面21がOFF光L3を全反射できないのは、OFF光反射面21に対して入射角が浅くなる1方向のみのFナンバーがF/1.80~F/2.04のOFF光L3のみである。このため、上記条件式(1)を満足すれば、大部分のOFF光L3をOFF光反射面21で反射して投影側への射出を防止することができる。したがって、投影画像のコントラストの低下を防止することができる。
また、FナンバーがF/2.04であると、OFF光反射面21でOFF光L3を100%全反射できるので一層望ましい。
また、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線と照明光反射面11の法線との成す角度θ2が以下の条件式(2)を満たすと、照明光反射面11はON光L2を透過して照明光L1をほぼ全反射することができるので好ましい。
θc≧θ2≧θd・・・(2)
ただし、
θc=sin-1(1/n1)+sin-1{sin(α-θF-2・β)/n1}
θd=sin-1(1/n1)-sin-1{sin(α-θF)/n1}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの入射光の光軸とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
β:ON状態のマイクロミラーMRの法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
n1:第1プリズムP1の屈折率、
F:Fナンバー、
である。
ただし、
θc=sin-1(1/n1)+sin-1{sin(α-θF-2・β)/n1}
θd=sin-1(1/n1)-sin-1{sin(α-θF)/n1}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの入射光の光軸とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
β:ON状態のマイクロミラーMRの法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
n1:第1プリズムP1の屈折率、
F:Fナンバー、
である。
角度θcは光線L11(図8参照)がON光として照明光反射面11に入射する際の入射角が臨界角となる角度を表わしている。角度θdは入射面12から入射した光線L11(図8参照)が照明光として照明光反射面11に入射する際の入射角が臨界角となる角度を表している。
例えば、α=34°、β=17°、γ=17°、n1=1.51872、FナンバーをF/1.80としたときに、30.64°≧θ2≧29.52°となる。この時、照明光反射面11はON光L2を透過して照明光L1をほぼ全反射することができる。
ここで、角度θ2を下限角度の29.52°に設定して照明光反射面11を形成すると、光学ユニットPUのON光L2(投影光)の光軸AX2方向(Z方向)の長さを短くすることができる。これにより、投影光学系LNの後方焦点距離(レンズ51の最前面から画像表示面DSまでの距離)を短くすることができる。したがって、光学ユニットPU及びプロジェクターPJを小型化することができる。
本実施形態によると、OFF状態のマイクロミラーMRで反射されたOFF光L3を反射するとともにON状態のマイクロミラーMRで反射されたON光L2を透過するOFF光反射面21を有する第2プリズムP2を備える。これにより、2軸に関してマイクロミラーMRの駆動を行うデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの反射光のうち、画像投影に必要なON光L2から画像投影に不要なOFF光L3を適正に空間分離することができる。したがって、OFF光L3の投影光学系LNへの入射によるゴースト光の発生を防止することができる。また、OFF光L3の投影光学系LNへの入射による投影光学系LNの局所的な温度上昇を防止することができる。したがって、投影光学系LNの結像性能の低下を防止し、投影画像のコントラストの低下を防止することができる。
また、第2プリズムP2はマイクロミラーMR上のON光L2の光軸AX2と照明光L1の光軸AX1とを含む投影光軸平面PLに対して一方の第1領域22にOFF光L3の光軸AX3が配され、OFF光L3の出射面24が投影光軸平面PLに交差する。そして、第2プリズムP2のOFF光L3の光軸AX3が配される第1領域22の投影光軸平面PLに対向した端面22aが反射面により形成される。これにより、第2プリズムP2の厚みを小さくするとともに、第2プリズムP2を通るOFF光L3を端面22aから出射させずに出射面24に導くことができる。したがって、光学ユニットPU及びプロジェクターPJの小型化を図ることができる。
また、条件式(1)を満たすと、OFF光反射面21はON光L2を透過させるとともにOFF光L3をほぼ全反射することができる。
また、条件式(2)を満たすと、照明光反射面11はON光L2を透過させるとともに照明光L1をほぼ全反射することができる。
また、第1プリズムP1から出射される照明光L1が第2プリズムP2を介してマイクロミラーMRに導かれ、マイクロミラーMRで反射したON光L2は第2プリズムP2、第1プリズムP1及び第3プリズムP3の順に透過する。これにより、OFF光L3の投影光学系LNへの入射を防止して投影光学系LNの後方焦点距離を短くすることができる。
また、プロジェクターPJは、光学ユニットPUに向けて照明光L1を出射する照明光学系2と、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPに表示された画像をスクリーンSCに拡大投影する投影光学系LNとを備える。これにより、プロジェクターPJを小型化できるとともにプロジェクターPJは高コントラストの画像を投影することができる。
<第2実施形態>
次に本発明の第2実施形態について説明する。図9は第2実施形態の光学ユニットの側面図を示している。説明の便宜上、図1~図8に示す第1実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態では第1~第3プリズムP1~P3の配置が第1実施形態とは異なっている。その他の部分は第1実施形態と同様である。
次に本発明の第2実施形態について説明する。図9は第2実施形態の光学ユニットの側面図を示している。説明の便宜上、図1~図8に示す第1実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態では第1~第3プリズムP1~P3の配置が第1実施形態とは異なっている。その他の部分は第1実施形態と同様である。
デジタル・マイクロミラー・デバイスDPとの第3プリズムP3との間には第1プリズムP1及び第2プリズムP2が配置される。第2プリズムP2は第1プリズムP1と第3プリズムP3との間に配置される。第1プリズムP1はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPと第2プリズムP2との間に配置される。
第1プリズムP1の出射面13はカバーガラスCGに対向している。第2プリズムP2の入射面25はレンズ71から離れるほどデジタル・マイクロミラー・デバイスDPに近づくように傾斜している。OFF光反射面21はレンズ71から離れるほどデジタル・マイクロミラー・デバイスDPから離れるように傾斜している。第2プリズムP2の前面にはOFF光L3を出射する出射面26が形成される。出射面26に離れて対向して光吸収部材PTが設けられる。入射面33はレンズ71から離れるほどデジタル・マイクロミラー・デバイスDPから離れるように傾斜している。
また、第1プリズムP1及び第2プリズムP2は第3プリズムP3の出射面32に対して画像投影側に突出していない。これにより、光学ユニットPUとレンズ51との間の距離を短くしてもZ方向に移動する投影光学系LNのレンズ51、52と光学ユニットPUとの干渉を防止することができる。したがって、投影画像の拡大や縮小を容易に行うことができる。また、Y方向に移動する投影光学系LNのレンズ51、52と光学ユニットPUとの干渉を防止することができる。したがって、投影光学系LNによる投影画像の上下シフト(Y方向での移動)を容易に行うことができる。また、投影光学系LNの後方焦点距離を長くすることなく、出射面32とレンズ51との間に他の部材(例えばスムースピクチャ)等を配置することができる。
本実施形態の光学ユニットPUにおいて、入射面12から第1プリズムP1に入射した照明光L1は照明光反射面11で反射して出射面13からデジタル・マイクロミラー・デバイスDPに向けて出射される。ON状態のマイクロミラーMRで反射したON光L2は第1プリズムP1の照明光反射面11を透過した後に入射面25から第2プリズムP2に入射する。第2プリズムP2に入射したON光L2はOFF光反射面21を透過して入射面33から第3プリズムP3に入射する。第3プリズムP3に入射したON光L2は出射面32から投影光学系LNに向けて出射される。これにより、ON状態のマイクロミラーMRで反射したON光L2は第1プリズムP1、第2プリズムP2及び第3プリズムP3の順に透過する。
一方、OFF状態のマイクロミラーMRで反射したOFF光L3は第1プリズムP1の照明光反射面11を透過して第2プリズムP2に入射する。そして、第2プリズムP2に入射したOFF光L3はOFF光反射面21や第1領域22の端面22aで反射して出射面24から第2プリズムP2の外部へ出射される。なお、この時、OFF光L3の一部はOFF光反射面21で反射することなく出射面26から出射され、出射面26に対向する光吸収部材PTにより吸収される。
本実施形態でも第1実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第1プリズムP1及び第2プリズムP2は第3プリズムP3の出射面32に対して画像投影側に突出していない。これにより、Y方向に移動する投影光学系LNのレンズ51、52と光学ユニットPUとの干渉を防止することができる。したがって、投影光学系LNによる投影画像の上下シフトを容易に行うことができる。
<第3実施形態>
次に本発明の第3実施形態について説明する。図10は第3実施形態の光学ユニットの側面図を示している。説明の便宜上、図1~図8に示す第1実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態では第1~第3プリズムP1~P3の配置が第1実施形態とは異なっている。また、第3プリズムP3にON光反射面31を設けた点でも第1実施形態とは異なっている。その他の部分は第1実施形態と同様である。
次に本発明の第3実施形態について説明する。図10は第3実施形態の光学ユニットの側面図を示している。説明の便宜上、図1~図8に示す第1実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態では第1~第3プリズムP1~P3の配置が第1実施形態とは異なっている。また、第3プリズムP3にON光反射面31を設けた点でも第1実施形態とは異なっている。その他の部分は第1実施形態と同様である。
デジタル・マイクロミラー・デバイスDPと第1プリズムP1との間には第2プリズムP2及び第3プリズムP3が配置される。第3プリズムP3は第1プリズムP1と第2プリズムP2との間に配置される。第2プリズムP2はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPと第3プリズムP3との間に配置される。また、第1プリズムP1の入射面12と第3プリズムP3の出射面32とが略平行になるように第1プリズムP1及び第3プリズムP3は配置される。
第1プリズムP1の出射面13はレンズ71から離れるほど投影光学系LN(図4参照)に近づくように傾斜している。照明光反射面11はレンズ71から離れるほどデジタル・マイクロミラー・デバイスDPに近づくように傾斜している。照明光反射面11は例えばアルミニウムや銀等の金属を蒸着して形成される。なお、誘電体多層膜により照明光反射面11を形成してもよい。
第2プリズムP2の入射面25はカバーガラスCGに対向している。OFF光反射面21はレンズ71から離れるほどデジタル・マイクロミラー・デバイスDPから離れるように傾斜している。出射面24は第2プリズムP2の前面に形成される。
第3プリズムP3の入射面33はレンズ71から離れるほどデジタル・マイクロミラー・デバイスDPから離れるように傾斜している。また、第3プリズムP3はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPから離れるほど投影光学系LNに近づくように傾斜するON光反射面31を有する。ON光反射面31は照明光L1を透過するとともにON光L2を反射して出射面32に導く。
本実施形態の光学ユニットPUにおいて、入射面12から第1プリズムP1に入射した照明光L1は照明光反射面11で反射した後に出射面13から第3プリズムP3に入射する。第3プリズムP3を透過した照明光L1はOFF光反射面21を介して第2プリズムP2を透過する。第2プリズムP2を透過した照明光L1はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPに入射する。すなわち、照明光L1は第1プリズムP1、第3プリズムP3及び第2プリズムP2の順に透過する。
ON状態のマイクロミラーMRで反射したON光L2は入射面25から第2プリズムP2に入射し、OFF光反射面21を透過して第3プリズムP3に入射する。第3プリズムP3に入射したON光L2はON光反射面31で反射した後に出射面32から投影光学系LNに向けて出射される。この時、照明光反射面11の入射光の光軸とON光反射面31の反射光の光軸は略平行になっている。
一方、OFF状態のマイクロミラーMRで反射したOFF光L3は入射面25から第2プリズムP2に入射する。第2プリズムP2に入射したOFF光L3はOFF光反射面21や第1領域22の端面22aで反射した後に出射面24から出射され、第2プリズムP2の外部へ排出される。
ここで、デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線とON光反射面31の法線との成す角度θ3が以下の条件式(3)を満たすと、ON光反射面31は照明光L1を透過してON光L2をほぼ全反射することができるので好ましい。
θe≧θ3≧θh・・・(3)
ただし、
θe=sin-1(1/n3)+sin-1{sin(α-θF)/n3}
θh=sin-1(1/n3)-sin-1{sin(α-θF-2・β)/n3}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの入射光の光軸とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
β:ON状態のマイクロミラーMRの法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
n3:第3プリズムP3の屈折率、
F:Fナンバー、
である。
ただし、
θe=sin-1(1/n3)+sin-1{sin(α-θF)/n3}
θh=sin-1(1/n3)-sin-1{sin(α-θF-2・β)/n3}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:デジタル・マイクロミラー・デバイスDPの入射光の光軸とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
β:ON状態のマイクロミラーMRの法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスDPの法線との成す角度、
n3:第3プリズムP3の屈折率、
F:Fナンバー、
である。
角度θeは光線L11(図8参照)が照明光としてON光反射面31に入射する際の入射角が臨界角となる角度を表している。角度θhは光線L11がON光としてON光反射面31に入射する際の入射角が臨界角となる角度を表わしている。
例えば、α=34°、β=17°、γ=17°、n3=1.51872、FナンバーをF/1.80としたときに、52.84°≧θ3≧51.72°となる。この時、ON光反射面31は照明光L1を透過してON光L2をほぼ全反射することができる。
本実施形態でも第1実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第1プリズムP1が照明光L1をマイクロミラーMRに向けて反射する照明光反射面11を有する。そして、照明光L1が第3プリズムP3及び第2プリズムP2の順に透過してマイクロミラーMRに導かれ、マイクロミラーMRで反射したON光L2は第2プリズムP2を介して第3プリズムP3に入射してON光反射面31で反射して投影側に射出される。これにより、光学ユニットPUのZ方向の長さを短くしてプロジェクターPJの薄型化を図ることができる。
また、条件式(3)を満たすと、ON光反射面31は照明光L1を透過してON光L2をほぼ全反射することができるので好ましい。
<第4実施形態>
次に本発明の第4実施形態について説明する。図11は第4実施形態の光学ユニットの側面図を示している。説明の便宜上、図1~図8に示す第1実施形態及び図10に示す第3実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態では第1~第3プリズムP1~P3の配置が第1実施形態とは異なっている。また、第1プリズムP1の構成が第3実施形態とは異なっている。その他の部分は第1、第3実施形態と同様である。
次に本発明の第4実施形態について説明する。図11は第4実施形態の光学ユニットの側面図を示している。説明の便宜上、図1~図8に示す第1実施形態及び図10に示す第3実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態では第1~第3プリズムP1~P3の配置が第1実施形態とは異なっている。また、第1プリズムP1の構成が第3実施形態とは異なっている。その他の部分は第1、第3実施形態と同様である。
本実施形態の第1プリズムP1では照明光反射面11が省かれている。光学ユニットPUには照明光L1を反射して第1プリズムP1に導くミラー部材80が設けられる。第1プリズムP1にはミラー部材80に対向してレンズ部18が設けられる。レンズ部18はミラー部材80で反射した照明光L1を集光してデジタル・マイクロミラー・デバイスDPに導く。入射面12はレンズ部18に形成されている。また、ミラー部材80の入射光の光軸とON光反射面31の反射光の光軸とが略平行になるようにミラー部材80及び第3プリズムP3が配置される。
本実施形態でも第1、第3実施形態と同様の効果を得ることができる。また、照明光L1を反射して第1プリズムP1に導くミラー部材80を備え、第1プリズムP1がミラー部材80で反射した照明光L1を集光してデジタル・マイクロミラー・デバイスDPに導くレンズ部18を有する。これにより、照明光L1をデジタル・マイクロミラー・デバイスDPに効率良く導くことができる。
<第5実施形態>
次に本発明の第5実施形態について説明する。図12は第5実施形態の光学ユニットの側面図を示している。説明の便宜上、図1~図8に示す第1実施形態及び図11に示す第4実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態では第1~第3プリズムP1~P3の配置が第1実施形態とは異なっている。また、第2プリズムP2及び第3プリズムP3の配置が第4実施形態とは異なっている。その他の部分は第1、第4実施形態と同様である。
次に本発明の第5実施形態について説明する。図12は第5実施形態の光学ユニットの側面図を示している。説明の便宜上、図1~図8に示す第1実施形態及び図11に示す第4実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態では第1~第3プリズムP1~P3の配置が第1実施形態とは異なっている。また、第2プリズムP2及び第3プリズムP3の配置が第4実施形態とは異なっている。その他の部分は第1、第4実施形態と同様である。
デジタル・マイクロミラー・デバイスDPと第1プリズムP1との間には第2プリズムP2が配置される。第2プリズムP2はY方向で第1プリズムP1と第3プリズムP3とに挟まれるように配置される。また、第2プリズムP2のZ方向の幅内に第1プリズムP1及び第3プリズムP3が収まっている。
第2プリズムP2の入射面25はカバーガラスCGに対向している。OFF光反射面21はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPから離れるほど投影光学系LN(図4参照)に近づくように傾斜している。第2プリズムP2の前面に形成される出射面24に加えて、第2プリズムP2の背面にはOFF光L3を出射する出射面27が形成される。出射面27に離れて対向して光吸収部材PTが設けられる。また、第2プリズムP2の出射面13側の端面には反射面28が形成される。反射面28はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPから離れるほど投影光学系LNに近づくように傾斜している。
第3プリズムP3の入射面33はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPから離れるほど投影光学系LNに近づくように傾斜している。
ここで、OFF光反射面21の法線とOFF光反射面21の近傍のON光L2の光軸AX2との成す角度θ4とし、条件式(1)においてθ1をθ4に置き換えたときに、条件式(1)を満たすと、OFF光反射面21はON光L2を透過させるとともにOFF光L3をほぼ全反射することができる。
本実施形態の光学ユニットPUにおいて、ミラー部材80で反射した後に入射面12から第1プリズムP1に入射した照明光L1は出射面13から第2プリズムP2に入射する。第2プリズムP2を透過した照明光L1はデジタル・マイクロミラー・デバイスDPに入射する。
ON状態のマイクロミラーMRで反射したON光L2は入射面25から第2プリズムP2に入射し、反射面28で反射した後にOFF光反射面21を透過して第3プリズムP3に入射する。第3プリズムP3に入射したON光L2は出射面32から投影光学系LNに向けて出射される。この時、ミラー部材80の入射光の光軸と反射面28のON光L2の反射光の光軸は略平行になっている。
OFF状態のマイクロミラーMRで反射したOFF光L3は入射面25から第2プリズムP2に入射する。第2プリズムP2に入射したOFF光L3の一部は反射面28で反射した後にOFF光反射面21で反射し、出射面27から出射されて第2プリズムP2の外部へ排出される。また、第2プリズムP2に入射したOFF光L3の一部はOFF光反射面21に入射することなく、出射面24から出射される。また、第1領域22の端面22aで反射したOFF光L3は出射面24や出射面27から出射されて第2プリズムP2の外部へ排出される。
本実施形態でも第1、第4実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第2プリズムP2のZ方向の幅内に第1プリズムP1及び第3プリズムP3が収まっている。これにより、光学ユニットPUのコンパクト化を図ることができる。
なお、第3実施形態~第5実施形態において、第1プリズムP1の屈折率は第2プリズムP2の屈折率及び第3プリズムP3の屈折率と異なってもよい。この場合でも投影光学系LNのレンズ51、52の結像性能は劣化しないため、大きな支障はない。
本発明は、マイクロミラーの駆動を2軸に関して行うデジタル・マイクロミラー・デバイスを有する光学ユニット及びそれを備えたプロジェクターに利用することができる。
PJ プロジェクター
LN 投影光学系
PU 光学ユニット
PT 光吸収部材
DP デジタル・マイクロミラー・デバイス
DS 画像表示面
MR マイクロミラー
MS 画素反射面
CG カバーガラス
P1 第1プリズム
P2 第2プリズム
P3 第3プリズム
L1 照明光
L2 ON光(投影光)
L3 OFF光(不要光)
AX1 照明光の光軸
AX2 投影光(ON光)の光軸
AX3 OFF光の光軸
MS1 基準平面
MS2 ON反射面
MS3 OFF反射面
PL 投影光軸平面
1 光源
2 照明光学系
3 制御部
4 アクチュエーター
11 照明光反射面
18 レンズ部
21 OFF光反射面
31 ON光反射面
51、52、71 レンズ
80 ミラー部材
AX 光軸
SC スクリーン
LN 投影光学系
PU 光学ユニット
PT 光吸収部材
DP デジタル・マイクロミラー・デバイス
DS 画像表示面
MR マイクロミラー
MS 画素反射面
CG カバーガラス
P1 第1プリズム
P2 第2プリズム
P3 第3プリズム
L1 照明光
L2 ON光(投影光)
L3 OFF光(不要光)
AX1 照明光の光軸
AX2 投影光(ON光)の光軸
AX3 OFF光の光軸
MS1 基準平面
MS2 ON反射面
MS3 OFF反射面
PL 投影光軸平面
1 光源
2 照明光学系
3 制御部
4 アクチュエーター
11 照明光反射面
18 レンズ部
21 OFF光反射面
31 ON光反射面
51、52、71 レンズ
80 ミラー部材
AX 光軸
SC スクリーン
Claims (13)
- 複数のマイクロミラーからなる画像表示面において各前記マイクロミラー面の傾きがON/OFF制御されて照明光を強度変調することにより画像を形成し、ON/OFF制御される各前記マイクロミラーの駆動を2軸に関して行うデジタル・マイクロミラー・デバイスと、
照明光を前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに導く第1プリズムと、
OFF状態の前記マイクロミラーで反射されたOFF光を反射するとともにON状態の前記マイクロミラーで反射されたON光を透過させるOFF光反射面を有する第2プリズムと、
第2プリズムから出射されたON光が入射して投影側に射出する第3プリズムと、
を備えた光学ユニットであって、
各前記マイクロミラーはOFF光の光軸がON光の光軸と照明光の光軸とを含む投影光軸平面に対して離れる方向にOFF光を反射するとともに、第2プリズムが前記投影光軸平面に対して一方の領域にOFF光の光軸を含んで前記投影光軸平面に交差する出射面からOFF光を出射し、該領域の前記投影光軸平面に対向する端面がOFF光を反射して前記出射面に導く反射面から成ることを特徴とする光学ユニット。 - 第2プリズムの前記出射面に離れて対向する光吸収部材を設けたことを特徴とする請求項1に記載の光学ユニット。
- 以下の条件式(1)を満たすことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光学ユニット;
θa≧θ1≧θb・・・(1)
ただし、
θa=sin-1(1/n)-sin-1{sin(α+θF-2・β)/n}
θb=sin-1√[{n2-1+cos2(α-θF)・cos2(2・γ)}/{n2-cos2(α-θF)・sin2(2・γ)}]-sin-1√[(n2-1)/{n2-cos2(α-θF)・sin2(2・γ)}]
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの入射光の光軸と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
β:ON状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
γ:OFF状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
n:第2プリズムの屈折率、
F:Fナンバー、
θ1:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線と前記OFF光反射面の法線との成す角度、
である。 - 第1プリズムが照明光を反射する照明光反射面を有してON光が前記照明光反射面を透過し、
以下の条件式(2)を満たすことを特徴とする請求項3に記載の光学ユニット。
θc≧θ2≧θd・・・(2)
ただし、
θc=sin-1(1/n1)+sin-1{sin(α-θF-2・β)/n1}
θd=sin-1(1/n1)-sin-1{sin(α-θF)/n1}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
n1:第1プリズムの屈折率、
θ2:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線と前記照明光反射面の法線との成す角度、
である。 - 第1プリズムから出射された照明光が第3プリズム及び第2プリズムの順に透過して前記マイクロミラーに導かれ、前記マイクロミラーで反射したON光は第2プリズムを介して第3プリズムに入射して第3プリズムに設けたON光反射面で反射して投影側に射出され、
以下の条件式(3)を満たすことを特徴とする請求項3に記載の光学ユニット。
θe≧θ3≧θh・・・(3)
ただし、
θe=sin-1(1/n3)+sin-1{sin(α-θF)/n3}
θh=sin-1(1/n3)-sin-1{sin(α-θF-2・β)/n3}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
n3:第3プリズムの屈折率、
θ3:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線と前記ON光反射面の法線との成す角度、
である。 - 第1プリズムが照明光を反射する照明光反射面を有してON光が前記照明光反射面を透過し、
以下の条件式(2)を満たすことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光学ユニット。
θc≧θ2≧θd・・・(2)
ただし、
θc=sin-1(1/n1)+sin-1{sin(α-θF-2・β)/n1}
θd=sin-1(1/n1)-sin-1{sin(α-θF)/n1}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの入射光の光軸と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
β:ON状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
n1:第1プリズムの屈折率、
F:Fナンバー、
θ2:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線と前記照明光反射面の法線との成す角度、
である。 - 第1プリズムから出射される照明光が第2プリズムを介して前記マイクロミラーに導かれ、
前記マイクロミラーで反射したON光は第2プリズム、第1プリズム及び第3プリズムの順に透過することを特徴とする請求項1~請求項4、請求項6のいずれかに記載の光学ユニット。 - 前記マイクロミラーで反射したON光が第1プリズム、第2プリズム及び第3プリズムの順に透過し、前記マイクロミラーで反射したOFF光が第1プリズムを介して第2プリズムに入射することを特徴とする請求項1~請求項4、請求項6のいずれかに記載の光学ユニット。
- 第1プリズム及び第2プリズムは第3プリズムのON光を投影側へ出射する出射面に対して突出しないことを特徴とする請求項7または請求項8に記載の光学ユニット。
- 第1プリズムに入射した照明光が第1プリズム、第3プリズム及び第2プリズムの順に透過して前記マイクロミラーに導かれ、前記マイクロミラーで反射したON光は第2プリズムを介して第3プリズムに入射して第3プリズムに設けたON光反射面で反射して投影側に射出され、
以下の条件式(3)を満たすことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光学ユニット。
θe≧θ3≧θh・・・(3)
ただし、
θe=sin-1(1/n3)+sin-1{sin(α-θF)/n3}
θh=sin-1(1/n3)-sin-1{sin(α-θF-2・β)/n3}
θF=sin-1(1/2・F)
であり、
α:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの入射光の光軸と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
β:ON状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
n3:第3プリズムの屈折率、
F:Fナンバー、
θ3:前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線と前記ON光反射面の法線との成す角度、
である。 - 第1プリズムが照明光を前記マイクロミラーに向けて反射する照明光反射面を有することを特徴とする請求項10に記載の光学ユニット。
- 照明光を反射して第1プリズムに導くミラー部材を備え、
第1プリズムが前記ミラー部材で反射した照明光を集光して前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに導くレンズ部を有することを特徴とする請求項10に記載の光学ユニット。 - 光源と、請求項1~請求項12のいずれかに記載の光学ユニットと、前記光学ユニットに向けて照明光を出射する照明光学系と、前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに表示された画像をスクリーンに拡大投影する投影光学系とを備えたことを特徴とするプロジェクター。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 15869574 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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ENP | Entry into the national phase |
Ref document number: 2016564694 Country of ref document: JP Kind code of ref document: A |
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NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 15869574 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |