JP2006330132A - 半導体ミラーデバイスおよびそれを用いたプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 カラーホイールを用いることなく、反射光の色を容易に選択することができる半導体ミラーデバイスおよびそれを用いたプロジェクタを提供する。
【解決手段】 ＤＭＤ１００は、基板上に複数のミラー１０２を２次元アレイ状に配列し、各ミラー１０２は選択的に第１の角度または第２の角度に傾斜可能である。ミラー１０２の表面には、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の波長の光を反射させる反射部材がコーティングされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、テレビ信号やＤＶＤなどの映像信号を投影することができる前面投射型または背面投射型のプロジェクタに用いられる光変調デバイスに関する。

空間変調デバイスとして、液晶やＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）を用い、カラー画像を表示するプロジェクタが実用化されている。ＤＭＤは、２次元的に配列した各ピクセルが微小なミラーから構成され、各ピクセルの直下に配置されたメモリ素子による静電界作用によって微小ミラーの傾きを制御し、反射光の反射角度を変化させることで、オン／オフ状態を作る反射形表示素子である。ピクセルがオフ状態では、ピクセルの微小ミラーによる反射光（以下、オフ光という）が投影レンズに入射せず、ピクセルがオン状態では、ピクセルの微小ミラーによる反射光（以下、オン光という）が投影レンズに入射してスクリーンに画像を形成するように光学系部品が配置されている。なお、各ピクセルの微小ミラーのオン光の傾き角は、ＤＭＤの光線の入射面に対して１０から１２度程度と決められている。

例えば特許文献１には、図７に示すように、梁タイプのＤＭＤが開示され、ＤＭＤアレイ４００のミラー素子４０８の表面には、アルミニウム等の金属層が形成され、これがミラー表面を構成し、光を反射するようになっている。

特許文献２には、ＤＭＤを用いたＤＬＰ方式のプロジェクタが開示されている。例えば、図８に示すように、ランプ１０から発せられた光は、集光ミラーである楕円ミラー１２で反射され、光学部品であるライトトンネルまたは光インテグレータ１４に入射される。ライトトンネル１４において均一な光線束とされた光は、カラーホイール１６に入射される。カラーホイール１６は、円周上にＲ（赤色）、Ｇ(緑色)、Ｂ（青色）のカラーフィルタを配列し、モータ１６ａによって回転される。カラーホイール１６に入射された光は、Ｒ、Ｇ、Ｂに分離され、Ｒ、Ｇ、Ｂ光は、コンデンサレンズ１８、折り返し用の平面ミラー２０、第２の折り返し用の球面ミラー２２、第２のコンデンサレンズ２４を介してＤＭＤ２６を照明する。ＤＭＤ２６の反射光（オン光）は、投影レンズ２８に入射され、そこで拡大されスクリーン状に映像が投影される。

特許文献３は、ダイクロイックミラー等による分光器を用いて白色光を赤色、緑色、青色に分光し、これをマイクロレンズを介してマイクロミラー素子へ出射させる光スイッチングデバイスを開示している。

特開平８−１４６９１１号 特開２００３−２４１３０５号 特開平１１−３１１７４６号

従来のＤＬＰ方式のプロジェクタの場合、図８に示すように光源１０からの白色光をカラーホイール１６によりＲ、Ｇ、Ｂ（またはＷ）に分離しなければならず、カラーホイール１６およびこれを駆動するモータ１６ａが内部スペースを占有するため、プロジェクタの小型化、軽量化が困難であった。また、カラーホイール１６を用いた場合、光源のランプの駆動およびＤＭＤの駆動のタイミングを、必ずカラーホイール１６の回転と同期させなければならず、これによって、設計上の自由度が制限されていた。特に、ランプの駆動は、高周波数での交流駆動によりランプ寿命やチラツキを改善することが可能であるが、カラーホイール１６の回転と同期させるため、その最適化を図ることが困難であった。さらに、カラーホイール１６により時間方向に赤色、青色、緑色に分離するため、カラーブレーキング（カラーフリッカー）が生じるという課題もある。

一方、特許文献３は、カラーホイールを用いる代わりに、ダイクロイックミラー等の分光器およびマイクロレンズアレイを必要とし、このような構造は、マイクロレンズの位置合わせが難しく、製造が複雑化するという欠点がある。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、カラーホイールを用いることなく、反射光の色を容易に選択することができる半導体ミラーデバイスおよびそれを用いたプロジェクタを提供することを目的とする。

本発明に係る半導体ミラーデバイスは、基板上に複数のミラーを２次元アレイ状に配列し、各ミラーが少なくとも選択的に第１の角度または第２の角度に傾斜可能であり、複数のミラーの表面に、異なる色の光を選択的に反射させるための反射膜が形成されている。

好ましくは、赤色、緑色、青色の波長の光を反射させる反射膜が各ミラー表面に形成され、それらの反射膜は規則的に配列される。例えば、ある行の反射膜が、Ｒ、Ｇ、Ｂ、・・・Ｒ、Ｇ、Ｂの順序であるとき、次の行の反射膜が、Ｇ、Ｂ、Ｒ、・・・Ｇ、Ｂ、Ｒの順序とすることができる。さらに、反射膜は、黄色を反射する反射膜を含むものであってもよい。また、複数のミラーは、白色を反射するミラーを含むものであっても良い。白色を反射させる場合、ミラー表面がアルミニウム等の金属層であれば、ミラー表面に反射膜を設ける必要はない。

好ましくは反射膜は、半導体多層膜からなり、各層の厚さは波長のλ／４とすることができる。各層は、屈折率の高い層と屈折率の低い層を組み合わせる。これにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの波長を反射させることができる。反射膜は、誘電体多層膜からなり、各層の厚さは波長のλ／４であってもよい。

本発明に係るプロジェクタは、上記した半導体ミラーデバイスと、半導体ミラーデバイスを照射する照射手段と、半導体ミラーデバイスの各ミラーの角度を駆動する駆動手段と、半導体ミラーデバイスからの反射光を投射する投射手段とを有する。駆動手段は、Ｒ、Ｇ、Ｂに対応するミラーの駆動時間を制御する。例えば、ＰＷＭにより駆動制御することができる。プロジェクタは、背面投射型または前面投射型のいずれであってもよい。

本発明に係る半導体ミラーデバイスによれば、ミラー表面に所定の光を反射させる反射膜を形成することで、異なる色の光を選択的に反射させることができる。好ましくは、Ｒ、Ｇ、Ｂの反射膜を設けることで、一つの基板上において、Ｒ、Ｇ、Ｂの光の分離および変調を同時に行うことができる。従って、本発明の半導体ミラーデバイスをプロジェクタに適用した場合、従来のように、白色光をＲ、Ｇ、Ｂ（またはＷ）に分離するカラーホイールを用いる必要がなくなり、部品点数を削減し、プロジェクタの低コスト化、小型化、軽量化を図ることができる。また、カラーホイールの回転と同期させる必要がなくなるため、ランプ周波数の最適化も図ることができ、カラーブレーキングの発生も抑制することができる。さらに、半導体ミラーデバイスの駆動周波数の制限内で駆動できる画素数を増加させることができるため、より大きく明るいミラー数をもつ半導体ミラーデバイスを使用することができる。これにより、有効な画素数を複数の色に分割したことに伴う解像度の低下を補うことができる。

以下、本発明に係るプロジェクタの好ましくは構成を図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例に係るＤＭＤの平面図である。ＤＭＤ１００は、シリコン基板上に複数のミラー１０２を２次元アレイ状に配列している。例えば、ＸＧＡ、ＳＶＧＡ等の解像度に応じた数のミラー１０２が配列されている。各ミラー１０２は、例えばヒンジによって回動可能に支持され、１つ１つが±１２度（オン・オフ）で傾斜される。ミラー１０２は、選択された波長の光を反射する鏡として機能する。各ミラー１０２は、デジタル信号で制御され、1秒間に数千回というハイスピードで高速にオン・オフに切り替えられる。

本実施例のＤＭＤ１００は、１つのミラー１０２の表面に、所定の色の光を反射するための反射膜がコーティングされている。例えば、図１（ｂ）に示すように、ＤＭＤアレイの第Ｎ行の各ミラー表面には、Ｒ、Ｇ、Ｂの順序で反射膜がコーディングされ、第Ｎ+１行の各ミラー表面には、Ｇ、Ｂ、Ｒの順序で反射膜がコーティングされ、第Ｎ+２行の各ミラー表面には、Ｂ、Ｒ、Ｇの順序で反射膜がコーティングされ、これらのパターンがアレイの列方向において繰り返されている。すなわち、アレイの列方向において、Ｒ、Ｇ、Ｂが１ミラー分だけオフセットされるように配列されている。これにより、図１（ｂ）に示すように、隣接する列において、Ｒ、Ｇ、Ｂの３つのミラー素子領域１０４（斜線の領域）により１画素が形成され、これと隣接する行方向にＲ、Ｇ、Ｂのミラー素子領域１０６により１画素が形成される。

Ｒ、Ｇ、Ｂの反射膜は、例えばミラーの表面に半導体多層反射膜を積層することにより構成することができる。すなわち、屈折率の大きい半導体層と屈折率の小さい半導体層を積層し、各層の厚さを、反射する光の波長のλ／４にすることで、特定の波長を反射させることができる。同様に、屈折率の異なる誘電体膜を積層するようにしてもよい。この場合にも、各層の厚さを、反射する光の波長のλ／４にする。これにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの波長の光を選択的に反射させることが可能となる。

図２は、本実施例のＤＭＤを用いたプロジェクタの光学系を示す図である。本実施例のＤＭＤを用いた場合には、従来必要としたカラーホイールを必要としない。ランプ１０から発せられた光は、集光ミラーである楕円ミラー１２で反射され、光学部品であるライトトンネルまたは光インテグレータ１４に入射される。ライトトンネル１４において均一な光線束とされた光は、コンデンサレンズ１８、折り返し用の平面ミラー２０、第２の折り返し用の球面ミラー２２、および第２のコンデンサレンズ２４を介してＤＭＤ１００を照明する。ＤＭＤ１００で選択的に反射されたＲ、Ｇ、Ｂ光（オン光）は、投影レンズ２８に入射され、そこで拡大されスクリーン状に映像が投影される。

図３は、プロジェクタの電気的構成を示すブロック図である。プロジェクタ２００は、画像信号Ｄｉｎを入力し、ＤＭＤ１００の画素に対応するフォーマットプレーンを有するデジタル画像データを生成する前処理部２１０、前処理部２１０からのデジタル画像データに基づきＤＭＤ１００の駆動などを制御する制御部２２０、ランプ２４０を駆動するランプ駆動回路２３０、異なる色を反射するＤＭＤ１００、ランプ２４０からの光をＤＭＤ１００に照射する光学系２５０（図２のライトトンネル１４、コンデンサレンズ１８、ミラー２０、２２）、ＤＭＤ１００からの反射光を拡大しスクリーン上に表示させる投影光学系（図２の投影レンズ２８）２６０、ユーザからの指示を入力する入力部２７０を有している。

ランプ２４０から発せられた白色光は、ＤＭＤ１００を照明し、この白色光は、ＤＭＤ１００のミラー１０２によってオン光またはオフ光に変調される。同時に、各ミラー１０２によってＲ、Ｇ、Ｂに分離される。

図４は、ＤＭＤの画素の駆動波形例を示す図である。例えば、図１（ｂ）に示したように、Ｒ、Ｇ、Ｂの３つのミラー（素子領域１０４）が１画素を形成するとき、Ｒ、Ｇ、Ｂに対応する各ミラーは、前処理部２１０によって形成されたディジタル画像データに応じて、例えばＰＷＭにより同時に駆動される。ＤＭＤの駆動周期Ｔｓにおいて、例えば、Ｒに対応するミラーの駆動信号Ｄ_Ｒのデューティ比が一番大きく、すなわち、Ｒのミラーがオンする時間（濃度）が長く、他方、Ｇに対応するミラーの駆動信号Ｄ_Ｇのデューティ比が一番小さく、すなわち、Ｇのミラーがオンする時間（濃度）が短くなっている。これらのＲ、Ｇ、Ｂの時間（濃淡）が合成されたものが、１画素の色となって表示される。駆動信号Ｄ_Ｒ、Ｄ_Ｇ、Ｄ_Ｂのデューティ比は、画素の色に応じて可変される。

従来の駆動方式であれば、カラーホイールから生成されたＲ、Ｇ、Ｂの光をシーケンシャルにＤＭＤに照明しカラー画像を表示していたが、本実施例では、カラーホイールを用いることなく、ＤＭＤのミラー表面に形成された反射膜によりＲ、Ｇ、Ｂの分光および変調を同時に行いカラー画像を表示する。これにより、カラーホイールおよびこれを駆動するモータが不要となるため、部品点数および内部スペースが削減され、プロジェクタを小型化、軽量化することができる。また、カラーホイールを用いないため、カラーブレーキングノイズの発生を抑制し、高品位なカラー画像を表示することができる。さらにランプ駆動回路は、カラーホイールに形成されたカラーフィルターの境界に同期してランプを交流駆動させていたが、この制約がなくなるので、ランプを高周波数で駆動させることが可能となる。

一方、３つのミラーにより１画素を構成するため、解像度が１／３に低下することになる。しかし、ＤＭＤの駆動周波数の制限範囲内で駆動できる画素数は３倍以上にすることができるため、画素数の多い、大きく、明るいＤＭＤを使用することが可能となり、これにより、解像度の低下を補償することができる。

次に本発明の第２の実施例について説明する。図５は、第２の実施例に係るＤＭＤの平面図を示している。第２の実施例では、さらにミラー１０２がＷ(白色)を反射するようにされている。Ｗを反射させる場合には、ミラー素子の表面に反射膜をコーティングせず、例えばアルミニウム等の金属層により白色光を反射するようにする。

第２の実施例では、第Ｎ行と第Ｎ+２行のミラー表面を、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｗの順序に配列し、第Ｎ+１行と第Ｎ+３行を、Ｂ、Ｗ、Ｒ、Ｇの順序に配列にしている。つまり、奇数行と偶数行の配列パターンは同じである。この場合、隣接する行において、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｗの４つの素子領域１０４ａ、１０６ａ（斜線領域）が１画素を構成する。第２の実施例では、１画素内に、Ｗのミラーが含まれているため、より明るいカラー画像の投射表示をすることができる。

次に本発明の第３の実施例について説明する。図６は、第３の実施例に係るＤＭＤの平面図を示している。第３の実施例では、ＤＭＤのミラーが列方向に１／２ピッチずれている。これにより、１画素を構成するＲ、Ｇ、Ｂのミラー領域１０４ｂ、１０６ｂの見かけ上のピッチを小さくすることができる。勿論、第２の実施例のときのようにＷの反射領域を加えることも可能である。

本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

上記実施例では、単一のＤＭＤ１００を用いたいわゆる単板式の光学系を示したが、複数のＤＭＤを用いた光学系であってもよい。さらに、ランプの光源は、放電ランプや、それ以外にも、ダイオードやレーザを用いたものであっても良い。

本発明に係るプロジェクタは、テレビやＤＶＤなどの映像を表示するための表示装置として利用することができる。

本発明の実施例に係るＤＭＤの平面図である。 本発明の実施例に係るプロジェクタの光学系を示す図である。 本発明の実施例に係るプロジェクタの電気的構成を示すブロック図である。 ＤＭＤの画素の駆動波形例を示す図である。 本発明の第２の実施例に係るＤＭＤの平面図である。 本発明の第３の実施例に係るＤＭＤの平面図である。 従来のＤＭＤの構成例を示す図である。 従来のＤＬＰ方式のプロジェクタの光学系を示す図である。

符号の説明

１０：ランプ
１２：リフレクタ
１４：ライトトンネル
１００：ＤＭＤ
１０２：ミラー
１０４、１０６：１画素のミラー素子領域
２００：プロジェクタ
２１０：前処理部
２２０：制御部
２３０：ランプ駆動回路
２４０：ランプ

Claims (9)

1. 基板上に複数のミラーを２次元アレイ状に配列し、各ミラーが少なくとも選択的に第１の角度または第２の角度に傾斜可能な半導体ミラーデバイスであって、
   複数のミラーの表面に、異なる色の光を選択的に反射させるための反射膜が形成されている、半導体ミラーデバイス。
2. 前記異なる色は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）である、請求項１に記載の半導体ミラーデバイス。
3. 前記異なる色は、赤色、緑色、青色、および白色（Ｗ）である、請求項１または２に記載の半導体ミラーデバイス。
4. 前記異なる色は、赤色、緑色、青色、黄色、および白色である、請求項１に記載の半導体ミラーデバイス。
5. 異なる色を反射させるための反射膜が規則的に配列されている、請求項１ないし４いずれか１つに記載の半導体ミラーデバイス。
6. 反射膜は、半導体多層膜からなり、各層の厚さは波長のλ／４である、請求項１ないし５いずれか１つに記載の半導体ミラーデバイス。
7. 反射膜は、誘電体多層膜からなり、各層の厚さは波長のλ／４である、請求項１ないし５いずれか１つに記載の半導体ミラーデバイス。
8. 請求項１ないし７いずれか１つに記載の半導体ミラーデバイスと、半導体ミラーデバイスを照射する照射手段と、半導体ミラーデバイスの各ミラーを駆動する駆動手段と、半導体ミラーデバイスからの反射光を投射する投射手段とを有するプロジェクタ。
9. 駆動手段は、半導体ミラーデバイスの各ミラーが第１の角度または第２の角度に傾斜される時間を制御する、請求項８に記載のプロジェクタ。

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