JP2003262918A - 画像投影装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ＤＭＤを駆動する回路基板が光学系に対して直
交して配置されており、装置サイズが大型化してしまう
欠点を有している。光学系に関しても、照明光を臨界角
プリズムに対して４５度の方向から入射させる構造が、
装置の小型化を妨げる原因になっている。 【解決手段】光源部からの光束を通過させ照明光を生成
する照明光学系と、制御信号に応じて前記照明光の反射
特性が変化する空間光変調素子と、前記空間光変調素子
で反射した映像光をスクリーンに投影する投影手段とを
備えた画像投影装置であって、前記光源部と前記投影手
段の光軸が互いに略平行となるよう配置され、前記光軸
と前記空間光変調素子の光軸が略直角に配置され、前記
空間光変調素子に隣接して前記照明光と前記映像光の進
行方向を変化させる光偏向手段が配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、空間光変調素子を
用いた画像投影装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】画像投影装置に使用される空間光変調素
子の一つとして、多数の微小なミラーを２次元的に配列
したデジタルマイクロミラーデバイス（以下「ＤＭ
Ｄ」）がある。

【０００３】図６は、ＤＭＤの画素構造を示したもので
あって、個々の画素は、外部からの制御信号に応じて、
画素の対角方向を回転軸として±１０度または±１２度
の角度で傾斜角を変化させることができる可動ミラーに
なっている。

【０００４】ＤＭＤは、図６に示される２つの状態をそ
れぞれＯＮ状態及びＯＦＦ状態とし、照明光の反射方向
を変化させることによって映像を作り出している。

【０００５】ＤＭＤを画像投影装置に応用する方法とし
ては、図７に示すような臨界角プリズムを用いた光学系
が知られており、この光学系の動作を次に説明する。

【０００６】光源部７０１で生成された光束は、ロッド
インテグレータ７０２、コンデンサレンズ７０３を通過
して、ミラー７０４によって反射され、臨界角プリズム
７０５に導かれる。

【０００７】臨界角プリズム７０５は、照明光を全反射
させ映像光を透過させるよう傾斜角が設定されたエアギ
ャップ７０５ａを有している。

【０００８】臨界角プリズム７０５は、エアギャップ７
０５ａの方向がＤＭＤ７０６のミラーの振れ方向と一致
するよう、装置の水平方向に対して４５度傾斜させて配
置されている。

【０００９】これによって、照明光７０８は、装置の水
平方向に対して４５度の方向から入射し、映像光がＯＮ
状態のミラーによってＤＭＤ７０６の正面方向に反射す
るようにしている。

【００１０】ＤＭＤ７０６で反射された映像光７０９
は、臨界角プリズムのエアギャップを透過し、投影レン
ズ７０７によってスクリーンに映像が映し出される。

【００１１】駆動回路７１０は、デジタル信号処理によ
りＤＭＤのミラーを制御するのものであって、ＤＭＤの
背面に配置されている。

【００１２】ＤＭＤは極めて高速な信号処理により制御
されてあり、装置の安定動作のため、このように駆動回
路７１０とＤＭＤ７０６を一体に配置することが望まし
い。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術による画
像投影装置は、ＤＭＤを駆動する回路基板が光学系に対
して直交して配置されており、装置サイズが大型化して
しまう欠点を有している。

【００１４】光学系に関しても、照明光を臨界角プリズ
ムに対して４５度の方向から入射させる構造が、装置の
小型化を妨げる原因になっている。

【００１５】また、空間光変調素子と投影レンズの間の
臨界角プリズムは、映像光がエアギャップを透過する際
に非点収差を発生させ、投影画像の品位を劣化させる問
題点を有している。

【００１６】特開２０００−４７３２８公報に開示され
ている図８のような光学系を用いると、前述の非点収差
の発生を回避することが可能であるが、この光学系は、
映像光がプリズムで２回全反射される構成のため、上記
従来技術よりもプリズム部の光路長が長くなり、投影レ
ンズの寸法が大きくなる欠点がある。

【００１７】また、上記従来技術と同様、駆動回路とＤ
ＭＤを一体に配置する場合に光学系と直交してしまうな
ど、装置全体のレイアウトとしても小型化を妨げる要素
が多く残っている。

【００１８】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたものであって、小型で高輝度かつ高画質の画像投影
装置を提供することを目的としたものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】第１の本発明では、光源
部と、前記光源部からの光束を通過させ照明光を生成す
る照明光学系と、制御信号に応じて前記照明光の反射特
性が変化する空間光変調素子と、前記空間光変調素子で
反射した映像光をスクリーンに投影する投影手段とを備
えた画像投影装置であって、前記光源部と前記投影手段
の光軸が互いに略平行となるよう配置され、前記光軸と
前記空間光変調素子の光軸が略直角に配置され、前記空
間光変調素子に隣接して前記照明光と前記映像光の進行
方向を変化させる光偏向手段が配置されている。

【００２０】第２の本発明では、第１の本発明の構成に
加えて、前記空間光変調素子に隣接して、前記照明光を
前記空間光変調素子に向けて反射させるミラーと、前記
照明光を透過させ前記映像光を全反射させる臨界角プリ
ズムが配置されている。

【００２１】第３の本発明では、第２の本発明の構成に
加えて、前記映像光の主光線が前記臨界角プリズムの全
反射面への入射角が増大する方向に傾斜している。

【００２２】第４の本発明では、第２又は第３の本発明
の構成に加えて、前記臨界角プリズムの入射部に隣接し
て正のパワーを有するフィールドレンズが配置されてい
る。

【００２３】第５の本発明では、第４の本発明の構成に
加えて、前記臨界角プリズムに前記フィールドレンズが
接着されている。

【００２４】第６の本発明では、第４又は第５の本発明
の構成に加えて、前記フィールドレンズの光軸が前記臨
界角プリズムに入射する照明光の光軸に対して偏心して
いる。

【００２５】第７の本発明では、第３から第６のいずれ
かの本発明の構成に加えて、前記映像光の主光線が前記
空間光変調素子の長辺方向に傾斜しており、前記照明光
が前記空間光変調素子の長辺方向より短辺方向に大きな
広がり角を有している。

【００２６】第８の本発明では、第７の本発明の構成に
加えて、前記照明光学系がロッドインテグレータを有し
ており、前記ロッドインテグレータの断面が出射部より
入射部が正方形に近い形状である。

【００２７】第９の本発明では、光源部と、前記光源部
からの光束を通過させ照明光を生成する照明光学系と、
制御信号に応じて前記照明光の反射特性が変化する空間
光変調素子と、前記空間光変調素子で反射した映像光を
スクリーンに投影する投影手段とを備えた画像投影装置
であって、前記空間光変調素子に隣接して前記照明光を
透過させ前記映像光を全反射させる臨界角プリズムが配
置されており、前記投影手段が前記臨界角プリズムの臨
界角に満たない光束を遮断する光軸に対して非対称な絞
りを有している。

【００２８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施形態を示
す画像投影装置の光路図であり、図１(a)は上面図、図
１(b)側面図である。

【００２９】本実施形態において光学系は、光源部１０
１、光源部からの光束を通過させ照明光を生成する照明
光学系１０２、空間光変調素子であるＤＭＤ１０３、Ｄ
ＭＤが反射した映像光をスクリーンに映し出す投影レン
ズ１０４、反射ミラー１０５、フィールドレンズ１０
６、臨界角プリズム１０７によって構成されている。

【００３０】そして、これらの構成要素を以下に述べる
関係に従って配置している。

【００３１】光源部１０１と投影レンズ１０４は、互い
の光軸が略平行となるよう配置している。

【００３２】これらの光軸に対して、ＤＭＤ１０３は、
その光軸が略直角となるよう配置している。

【００３３】ＤＭＤ１０３の背面には、駆動回路１１１
を配置している。駆動回路１１１の配置が光学系に対し
て略平行となっていることから、装置幅の増加が最小限
に止められている。

【００３４】ＤＭＤ１０３の前面には、照明光１０８を
ＤＭＤに向けて反射させる反射ミラー１０５、照明光１
０８を透過させ映像光１０９を全反射させる臨界角プリ
ズム１０７を配置し、照明光と映像光が所定の方向に進
むようにしている。

【００３５】臨界角プリズム１０７の全反射面１０７ａ
は、その法線ベクトルが装置の水平方向に一致するよう
配置しており、これによって装置の薄型化を図ってい
る。

【００３６】照明光１０８と映像光１０９の進行方向を
変化させる偏向手段としては、前述の反射ミラー１０５
や臨界角プリズム１０７のほか、偏光ビームスプリッタ
ーやホログラム等の光学素子を利用してもよい。

【００３７】光源部１０１は、集光手段として楕円リフ
レクター１０１ａを使用している。リフレクター１０１
ａの集光位置１０２ａには、光の三原色を含むカラーフ
ィルタを回転させながら切り替えていくカラーホイール
１０１ｂを配置しており、カラー画像を表示することを
可能としている。

【００３８】光源部１０１の集光手段は、楕円リフレク
ター１０１ａのほか、放物リフレクターやコンデンサレ
ンズの組み合わせ等によって実現してもよい。

【００３９】また、カラーホイールは、ロッドインテグ
レータ１０２の出射部１０２ｂなどに配置してもよい。

【００４０】光源部１０１の光軸は、投影レンズ１０４
の光軸に対して必ずしも完全に平行とする必要はない。

【００４１】光路全体の占有スペースを考えると、多少
の傾斜角を設けた方がよい場合もあり、本実施形態にお
いては、光源部１０１の光軸の傾斜角θ１を投影レンズ
１０４に対して５度として、光源部１０１が他に比べて
突起しないようにしている。

【００４２】投影レンズ１０４に入射する映像光１０９
は、主光線が光軸に対して所定の傾斜角を有している。

【００４３】この傾斜角は、臨界角プリズム１０７の全
反射面１０７ａへの入射角が増大する方向に設定してお
り、これによって臨界角プリズム１０７おける照明光１
０８の透過と映像光１０９の全反射を確実なものとして
いる。

【００４４】本実施形態においては、空間光変調素子と
してミラーの振れ角が±１２度のＤＭＤ１０３を使用
し、プリズム１０７の硝材として屈折率が１．５２程度
の一般的な光学ガラスを用いた場合を想定し、プリズム
の頂角θ２を４６度、主光線の傾斜角θ３を５度として
いる。

【００４５】臨界角プリズム１０７の入射部には、正の
パワーを有するフィールドレンズ１０６を配置してい
る。

【００４６】フィールドレンズ１０６は、ＤＭＤ１０３
を照射する照明光をテレセントリックなものとし、照度
分布の均一性を良好なものとしているほか、臨界角プリ
ズム１０７の入射部に配置したことによって光路長を大
幅に短縮する働きをしている。

【００４７】図２は、臨界角プリズム１０７とフィール
ドレンズ１０６の詳細を示している。

【００４８】ＤＭＤ１０３のような空間光変調素子を使
用する場合、照明光１０８は素子に対して所定の傾斜角
をもって入射させる必要がある。

【００４９】本実施形態においては、照明光１０８を臨
界角プリズム１０７に斜め上方から入射させることによ
ってこれを達成しており、これに合わせてプリズム１０
７の入射面１０７ｂを傾斜させている。

【００５０】フィールドレンズ１０６は、このような傾
斜した面に対して安定して保持するため、プリズム１０
７の入射面に接着している。

【００５１】臨界角プリズムとフィールドレンズは、図
３に示すような形態であってもよい。

【００５２】この例では、前述の例と異なりプリズム３
０１の入射面３０１ａを傾斜させずに、フィールドレン
ズ３０２を照明光３０３に対して偏心して配置してい
る。

【００５３】偏心したフィールドレンズ３０２は、プリ
ズム３０１の傾斜面が持っていた屈折力と同等の機能を
有しており、プリズム３０１の形状を柱状のものとする
ことができる。

【００５４】これによって、複数の臨界角プリズム３０
１を一度に研磨できるようになるため、生産性を大きく
向上させることが可能となる。

【００５５】投影レンズ１０４は、前述の傾斜角を持っ
た映像光の全てを取込可能となるよう、明るいＦナンバ
ーの設計としているが、これに加えて、図１に示される
ように、光軸に対して非対称な絞り１０４ａを設けてい
る。

【００５６】この絞り１０４ａは、臨界角プリズム１０
７において全反射の条件を満たない光束１１０を遮断す
るよう配置している。

【００５７】例えば、図４ａに示すような柱状のロッド
インテグレータ４０１を照明光学系に用いる場合、図４
ｂに示すように、投影レンズ１０４に入射した映像光４
０２は、投影レンズ１０４が本来持っていた円形の絞り
形状４０３に対して偏心した状態で絞り面を通過する。

【００５８】臨界角に満たない光束は偏心方向と逆側を
透過するため、その位置に合わせて光軸に非対称な絞り
４０４を設けている。

【００５９】これによって、照明光学系から混入する迷
光がスクリーンに投影されなくなり、コントラスト比の
優れた高品位の映像を得ることができる。

【００６０】照明光学系のインテグレータとしては、図
５ａに示すようなテーパー型のものを使用してもよい。

【００６１】この場合、ロッドインテグレータ５０１の
入射部５０１ａの断面形状を出射部５０１ｂに比べて正
方形に近いものとしたことによって、インテグレータ入
射部における光束の取込効率を向上させることができ
る。

【００６２】これと同時に、ロッド出射時の角度強度分
布が空間光変調素子の短辺方向に広がり、図５ｂのよう
に投影レンズ絞り面における映像光の通過範囲５０２が
上下方向に大きくなる。

【００６３】このような構成により、投影レンズの有効
領域を無駄なく活用し、投影画面の高輝度化を図ること
できる。

【００６４】なお、このような縦横で角度広がりが異な
る照明光学系は、シリンドリカルレンズ等を用いて構成
してもよい。

【００６５】以上の説明では、照明光学系にロッドイン
テグレータを用いた例を述べてきたが、インテグレータ
としてはフライアイレンズ等の素子を使用してもよい。

【００６６】画面の均一性が問題にならなければ、イン
テグレータを使用しなくてもよい。

【００６７】また、空間光変調素子に関しては、ＤＭＤ
以外にも反射型液晶等の素子を使用してもよい。

【００６８】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、光源部と
投影手段の光軸が互いに略平行となるよう配置し、前記
光軸と空間光変調素子の光軸が略直角となるよう配置し
たことによって、光学系の構成要素や空間光変調素子の
駆動回路による高さ及び幅方向の突起を最小限に止め、
スリムで可搬性に優れた画像投影装置が提供される。

【００６９】請求項２記載の発明によれば、映像光を臨
界角プリズムで全反射させる構成により、エアギャップ
を透過する際の非点収差の発生が無くなり、結像性能の
優れた画像投影装置が提供される。

【００７０】請求項３記載の発明によれば、映像光の主
光線を臨界角プリズムの全反射面への入射角が増大する
方向に傾斜させたことにより、臨界角プリズムでの光量
ロスの発生を防ぎ、明るい投影画像を得ることができ
る。

【００７１】請求項４記載の発明によれば、臨界角プリ
ズムの入射部に隣接して正のパワーを有するフィールド
レンズを配置したことによって、照明系の光路長が効果
的に短縮され、画像投影装置の更なる小型化を図ること
ができる。

【００７２】請求項５記載の発明によれば、臨界角プリ
ズムにフィールドレンズを接着したことによって、光路
長が更に短縮されるほか、レンズの保持機構を不要とし
光学系の構成を簡素なものとすることができる。

【００７３】請求項６記載の発明によれば、フィールド
レンズを偏心して配置したことによって、臨界角プリズ
ムの形状を柱状のものとし、生産性を大きく向上させる
ことができる。

【００７４】請求項７記載の発明によれば、映像光の主
光線が空間光変調素子の長辺方向に傾斜した光学系にお
いて、照明光が空間光変調素子の長辺方向より短辺方向
に大きな広がり角を有するようにしたことによって、投
影手段において部品の有効領域が無駄なく活用され、画
像投影装置の高輝度化を図ることができる。

【００７５】請求項８記載の発明によれば、出射部より
入射部の断面形状が正方形に近いロッドインテグレータ
を使用したことによって、インテグレータ入射部におけ
る光束の取込効率が向上し、画像投影装置の更なる高輝
度化を図ることができる。

【００７６】請求項９記載の発明によれば、臨界角プリ
ズムの臨界角に満たない光束を遮断する光軸に対して非
対称な絞りを投影手段に設けたことによって、照明光学
系から混入する迷光がスクリーンに投影されなくなり、
コントラスト比の優れた高品位な映像を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による画像投影装置の一実施形態を示す
光学系の構成図であり、図１(a)は上面図、図１(b)側面
図である。

【図２】本発明のフィールドレンズと臨界角プリズムの
形状を示す図である。

【図３】本発明の偏心したフィールドレンズと臨界角プ
リズムを示す図である。

【図４】本発明の一実施形態のロッドインテグレータと
投影レンズの絞り面の分布を示す図である。

【図５】本発明の別の実施形態のロッドインテグレータ
と投影レンズの絞り面の分布を示す図である。

【図６】ＤＭＤの画素の構造を示す図である。

【図７】従来技術による画像投影装置の光学系の構成図
である。

【図８】別の従来技術による画像投影装置の光学系の構
成図である。

【符号の説明】

１０１…光源部、１０１ａ…リフレクター、１０１ｂ…
カラーホイール、１０２…照明光学系、１０２ａ…ロッ
ド入射部、１０２ｂ…ロッド出射部、１０３…ＤＭＤ、
１０４…投影レンズ、１０４ａ…絞り、１０５…ミラ
ー、１０６…フィールドレンズ、１０７…臨界角プリズ
ム、１０７ａ…全反射面、１０８…照明光、１０９…映
像光、１１０…臨界角に満たない光束、１１１…駆動回
路、３０１…プリズム、３０１ａ…プリズム入射面、３
０２…フィールドレンズ、３０３…照明光、４０１…ロ
ッドインテグレータ、４０２…映像光、４０３…円形の
絞り、４０４…非対称な絞り、５０１…ロッドインテグ
レータ、５０１ａ…ロッド入射部、５０１ｂ…ロッド出
射部、５０２…映像光、５０３…絞り、７０１…光源
部、７０２…ロッドインテグレータ、７０３…コンデン
サレンズ、７０４…ミラー、７０５…臨界角プリズム、
７０５ａ…エアギャップ、７０６…ＤＭＤ、７０７…投
影レンズ、７０８…照明光、７０９…映像光、７１０…
駆動回路

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源部と、前記光源部からの光束を通過
   させ照明光を生成する照明光学系と、制御信号に応じて
   前記照明光の反射特性が変化する空間光変調素子と、前
   記空間光変調素子で反射した映像光をスクリーンに投影
   する投影手段とを備えた画像投影装置であって、前記光
   源部と前記投影手段の光軸が互いに略平行となるよう配
   置され、前記光軸と前記空間光変調素子の光軸が略直角
   に配置され、前記空間光変調素子に隣接して前記照明光
   と前記映像光の進行方向を変化させる光偏向手段が配置
   されていることを特徴とする画像投影装置。
2. 【請求項２】 前記空間光変調素子に隣接して、前記照
   明光を前記空間光変調素子に向けて反射させるミラー
   と、前記照明光を透過させ前記映像光を全反射させる臨
   界角プリズムが配置されていることを特徴とする請求項
   １に記載の画像投影装置。
3. 【請求項３】 前記映像光の主光線が前記臨界角プリズ
   ムの全反射面への入射角が増大する方向に傾斜している
   ことを特徴とする請求項２に記載の画像投影装置。
4. 【請求項４】 前記臨界角プリズムの入射部に隣接して
   正のパワーを有するフィールドレンズが配置されている
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の画像投影装
   置。
5. 【請求項５】 前記臨界角プリズムに前記フィールドレ
   ンズが接着されていることを特徴とする請求項４に記載
   の画像投影装置。
6. 【請求項６】 前記フィールドレンズの光軸が前記臨界
   角プリズムに入射する照明光の光軸に対して偏心してい
   ることを特徴とする請求項４又は５に記載の画像投影装
   置。
7. 【請求項７】 前記映像光の主光線が前記空間光変調素
   子の長辺方向に傾斜しており、前記照明光が前記空間光
   変調素子の長辺方向より短辺方向に大きな広がり角を有
   していることを特徴とする請求項３から６のいずれかに
   記載の画像投影装置。
8. 【請求項８】 前記照明光学系がロッドインテグレータ
   を有しており、前記ロッドインテグレータの断面が出射
   部より入射部が正方形に近い形状であることを特徴とす
   る請求項７に記載の画像投影装置。
9. 【請求項９】 光源部と、前記光源部からの光束を通過
   させ照明光を生成する照明光学系と、制御信号に応じて
   前記照明光の反射特性が変化する空間光変調素子と、前
   記空間光変調素子で反射した映像光をスクリーンに投影
   する投影手段とを備えた画像投影装置であって、前記空
   間光変調素子に隣接して前記照明光を透過させ前記映像
   光を全反射させる臨界角プリズムが配置されており、前
   記投影手段が前記臨界角プリズムの臨界角に満たない光
   束を遮断する光軸に対して非対称な絞りを有しているこ
   とを特徴とする画像投影装置。