JP2004246363A - 投射光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 プロジェクタにおいて、全体光学系の高さを低める投射光学系を提供すること。
【解決手段】 光を放射するランプ301と、ランプから放射された光の色を分離する色分離器302と、光の強度を均一に出射する照明混合器303と、照明混合器303から均一に出射された光の経路を上下に変更させる経路変更プリズム304と、経路変更プリズム304から出射される光を所定の方向と所定の角度に変更させるＴＩＲプリズム306と、を含む。ＴＩＲプリズム306を回転させる必要がなく投射光学系の高さをＨとすることで薄型化が可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明はプロジェクタに関し、特に、全体の光学系の高さを低くすることのできる投射光学系に関するものである。

最近、プロジェクタの大衆化に伴い、様々な形態の製品が生産されている。このようなプロジェクタは、小さいサイズのスクリーンに使用可能な明るさを有した製品や、大型会議場や劇場で使用可能な程度の明るさを有した製品に区分されたり、携帯の便利な小形サイズから据置形の大型サイズのプロジェクタなどのように区分され、その目的や用途に従って様々な特色を有している。

プロジェクタに使用されるディスプレイ素子としては、大別してＬＣＤ（Liquid Crystal Display）パネルと、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）パネルとに区分される。特に、最近広く使用されつつあるＤＭＤパネルを用いたプロジェクタが多量に作り出されている。かかるＤＭＤパネルを用いたプロジェクタを、通常ＤＬＰ（Digital Light Processing）プロジェクタという。

ＤＬＰプロジェクタに使用されるＤＭＤとは、正方形の小さい微細ミラーが画素（Pixel)をなして横／縦に配列され、この微細ミラーは、それぞれ対角を軸として、外部の電気的な信号によってティルティングが行われる。
したがって、ＤＭＤに光が入射されると、微細ミラーのティルティングによって反射する光の角度が変更される。この際、ティルティングによる光の角度変換は連続的に行われず、単に二つの方向についてのみ、行われるので、微細ミラーを用いて光の進行方向をコントロールすることができる。

ここで、ＤＭＤの微細ミラーのティルティング方向は、微細ミラーの対角線方向となるので、外部から入射された光の方向も対角線と４５°をなす角で入射されるべきである。このような理由から、次に説明する従来技術による投射光学系は、ＴＩＲプリズム、またはミラーを、外部から入射された光の方向が対角線と４５°となるように製作して薄型化し難いという問題があった。これを添付の図面に基づいて、より詳細に説明する。

図４は、従来技術による投射光学系を上から見た図面であり、図５は、従来技術による投射光学系を示す側面図でる。

図４及び図５にそれぞれ示すように、投射光学系は、光を発生するランプ１０１と、光の所定の波長を透過させる色分離器(color divider)１０２と、透過された光を入力され、その強度を均一に分布させる照明混合器１０３と、光の強度を調節する第１照明レンズ１０４及び第２照明レンズ１０５と、光の進行方向を変更する第１ミラー１０６及び第２ミラー１０７と、入射された光を所定の角度に変更するＴＩＲ（Total Internal Reflector）プリズム１０８と、ＴＩＲプリズム１０８を介して所定の角度で入射された光を、電気的信号を用いて微細ミラー（図示せず）をティルティングすることで画像の明暗を調節するＤＭＤパネル１０９と、ＤＭＤパネル１０９により反射された光が入力され、これを所定の大きさで投射する投射レンズ１１０と、からなる。

このように構成された従来技術に従う投射光学系を説明する。

まず、ランプ１０１は、光を形成するバルブと、光を反射させる反射鏡とを介して光が出射される。すると、ランプ１０１から出射された光は、色分離器１０２の回転によって時間的に光の色が分離され、照明混合器１０３に入射される。この際、色分離器１０２は、所定の光の波長の色（赤、緑、青）のみを透過させたり反射させる特性を有したフィルターが多数個組み合わされ、回転可能なモータに取り付けられる。

照明混合器１０３は、入射される光の強度分布が入射面上でたとえ不均一であっても、出射面では均一に維持させるので、まるで出射面が面光源のような役割を果たす。
このように均一に出射された光は、第１照明レンズ１０４と、第２照明レンズ１０５によってＤＭＤパネル１０９に入射される。しかし、ＤＭＤパネル１０９に入射される光は、必ず所定角度を有しなければならない。好ましくは、ＤＭＤパネル１０９に対して４５°対角方向に光がＤＭＤパネル１０９に入射されなければならない。

また、投射レンズ１１０の光軸との一致のために、ＤＭＤパネル１０９に対して法線方向を有した光の入射角も所定角度を有していなければならない。したがって、照明光学系の構造は、図４及び図５に示すように、第１照明レンズ１０４と、第２照明レンズ１０５の間に第１ミラー１０６と、第２ミラー１０７とを位置させる。そして、ＤＭＤパネル１０８の画素に当たる微細ミラーの対角方向に光が入射されるように、光の経路を上向きから再び下向きにする。これにより、光入射角の特性によって透過あるいは反射を行うＴＩＲプリズム１０８も画素の対角方向に４５°捩れて位置する。

したがって、ＤＭＤパネル１０８に所定の方向、及び所定の角度で入射した光は、外部から与えられる電気的信号によって投射レンズ１１０に入射可能な角度、あるいは、そうでない方向に傾いたりして、画面に明暗の区分をつける。この際、図５に示すように、４５°回転したＴＩＲプリズム１０８の上端部にある第２照明レンズ１０５に光を入射するためには、相当高い部分まで光の経路を移動させなければならず、投射光学系の高さｈを低くできないので、薄型化が困難である。

そこで、本発明の目的は、全体光学系の高さを低める投射光学系を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明による投射光学系は、光を放射するランプと、ランプから放射された光の色を分離する色分離器と、光の強度を均一に出射する照明混合器と、照明混合器から均一に出射された光の経路を上下に変更させる経路変更プリズムと、経路変更プリズムから出射される光を所定の方向と所定の角度に変更させるＴＩＲプリズムと、を含むことを特徴とする。

ここで、経路変更プリズムは、入射される光の段差（経路の高低差）を調節できるように回転することを特徴とする。

そして、経路変更プリズムは、入射光の光軸と出射角の光軸とが互いに段差を有するように構成されることを特徴とする。

また、経路変更プリズムは、出射される光の段差を調節できるように回転することを特徴とする。

一方、本発明による投射光学系は、ＤＭＤパネルを含むプロジェクタにおいて、
光を放射するランプと、ランプから放射された光の色を分離する色分離器と、光の強度を均一に出射する照明混合器と、照明混合器から均一に出射された光の経路を上下に変更させる経路変更プリズムと、経路変更プリズムから出射される光を、所定の方向と所定の角度でＤＭＤパネルに入射するＴＩＲプリズムと、を含むことを特徴とする。

ここで、経路変更プリズムは、入射される光の段差を調節可能なように回転できることを特徴とする。

また、ランプから出射された光が、色分離器に入射するように経路を変更する反射ミラーをさらに含むことを特徴とする。

そして、経路変更プリズムは、入射光の光軸と、出射角の光軸とが互いに段差を有するように構成されることを特徴とする。

また、経路変更プリズムは、出射される光の段差を調節可能に回転できることを特徴とする。

そして、ＴＩＲプリズムは、ＤＭＤパネルが要求する光の所定の入射角を維持するため、垂直方向及び水平方向に対して所定の角度に傾いていることを特徴とする。

本発明に係る薄型投射光学系には、次のような効果がある。
まず、ＤＭＤパネルを用いた投射光学系の高さを低めるので、薄型化プロジェクタ
の生産が可能となり、携帯にも便利である。

次に、プロジェクタばかりでなく、プロジェクションＴＶの光学系に適用すれば、セットの高さを減らすことができる。

以下、本発明に係る投射光学系の実施形態について、添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明による投射光学系を上から見た図であり、図２は本発明による投射光学系を示す側面図である。
図１及び図２にそれぞれ示すように、光を発生させるバルブ（図示せず）と、光を反射させる反射鏡（図示せず）とからなるランプ３０１と、ランプ３０１から放射された光を回転することで、時間的に光の色を分離する色分離器３０２と、色分離器３０２から強度分布が不均一に入射される光を、内部反射によって混ぜ合わせることで、光の強度を均一に出射する照明混合器３０３と、照明混合器３０３から均一に出射された光の経路を上下に変更する経路変更プリズム３０４と、経路変更プリズム３０４から出射される光を、ＤＭＤパネル３０５に所定の方向と所定の角度で入射するＴＩＲプリズム３０６とで構成されている。

このとき、ランプ３０１から出た光は、反射ミラー３０７によって経路が変更されて色分離器３０２に入射されるか、または反射ミラー３０７を取り除くことによってランプ３０１から直接色分離器３０２に入射される構造でもよい。

また、照明混合器３０３から出た光は、第１照明レンズ３０８、経路変更プリズム３０４、そして、第２照明レンズ３０９を経てＤＭＤパネル３０５に入射されるように構成される。この際、第１、２照明レンズ３０８、３０９は、少なくとも一つ以上のレンズで構成され、また、第１照明レンズ３０８と、第２照明レンズ３０９の間の光軸は、互いに一致しないように構成する。しかし、光軸が互いに一定の段差（光経路の高低差）を有するように、第１照明レンズ３０８と、第２照明レンズ３０９の間に経路変更プリズム３０４を位置させる。

このように構成された本発明による薄型投射光学系の動作を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

まず、ランプ３０１を介して色分離器３０２に入射された光は、色分離器３０２の回転によって順次に光を分離させ、照明混合器３０３に入射される。そして、照明混合器３０３は、入射される光の強度分布が入射面でたとえ不均一であっても、内部反射によって混ぜ合わせることで、出射面の全体に均一に光の強度を分布させて出射する。したがって、照明混合器３０３の出射面は、まるで面光源と類似した特性を有する。

照明混合器３０３から出射された光は、第１照明レンズ３０８と第２照明レンズ３０９によってＤＭＤパネル３０５に入射される。第１照明レンズ３０８は、少なくとも一つのレンズで構成され、第２照明レンズ３０９も少なくとも一つ以上のレンズで構成される。

ここで、第１照明レンズ３０８と第２照明レンズ３０９の間の光軸は、互いに一致しないように構成されるが、光軸が一定の段差を有するように、第１照明レンズ３０８と第２照明レンズ３０９の間に経路変更プリズム３０４を備える。

経路変更プリズム３０４は、図３に示すように、入射面Ｓ１に入射された光は、一つの反射面Ｓ２によって経路が変更され、再び他の反射面Ｓ３によって反射されて、出射面Ｓ４を通過する。

このような経路変更プリズム３０４は、平行四辺形状を有し、入射光の光軸と出射光の光軸とが互いに段差を有するので、経路変更プリズムの回転によって、垂直方向に対して所定の段差が生じ、照明系の光の経路を変更するのに重要な役割を果たす。

第１照明レンズ３０８から出射された光は、経路変更プリズム３０４によって垂直／水平方向に対して所定の段差を有して第２照明レンズ３０９を経た後、入射角に基づいて光を全反射するかあるいは透過する、選択的な透過反射特性を有するＴＩＲプリズム３０６に入射される。

ＴＩＲプリズム３０６は、垂直、または水平方向に対して所定の角度を有しており、ＤＭＤパネル３０５が要求する光の入射方向及び角度を維持できる特性を有する。

上述したように、ＤＭＤパネル３０５に入射された光は、外部電気信号に従って微細ミラーのティルティングによってＴＩＲプリズム３０６から全反射され、投射レンズ３１０に入ったり、入らなかったりすることでスクリーン（図示せず）上に明暗を表示する。

図２に示す本発明に係る投射光学系の側面図を参照すると、図５に示す従来技術とは異なり、ＤＭＤパネルに対する光の所定の入射方向を維持するために、ＴＩＲプリズム３０６を回転させる必要がなく、第２照明レンズ３０９に光を入射するために、図５に示す第２ミラー１０７と同一の位置に配置される必要がないので、図５に示す投射光学系の高さＨが図２に示す投射光学系の高さｈより低い。

本発明の他の実施形態としては、色分離器３０２がランプ３０１と照明混合器３０３の間に位置せず、照明混合器３０３と第１照明レンズ３０８の間に位置する。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で種々変形実施できることはもちろんである。

図１は、本発明による投射光学系を上から見た図である。 図２は、本発明による投射光学系を示す側面図である。 図３（A)(B)は、本発明による投射光学系において、経路変更プリズムの作動原理を示す図である。 図４は、従来技術による投射光学系を上から見た図である。 図５は、従来技術による投射光学系を示す側面図である。

符号の説明

３０１…ランプ
３０２…色分離器
３０３…照明混合器
３０４…経路変更プリズム
３０５…ＤＭＤパネル
３０６…ＴＩＲプリズム
３０７…反射ミラー
３０８…第１照明レンズ
３０９…第２照明レンズ

Claims (15)

1. 光を放射するランプと、
   前記ランプから放射された光の色を分離する色分離器と、
   前記光の強度を均一に出射する照明混合器と、
   前記照明混合器から均一に出射された光の経路を上下に変更させる経路変更プリズムと、
   前記経路変更プリズムから出射される光を所定の方向と所定の角度に変更させるＴＩＲプリズムと、
   を含むことを特徴とする投射光学系。
2. 前記ランプから放射された光が前記色分離器に入射されるように、経路を変更する反射ミラーをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の投射光学系。
3. 光の強度を調節する少なくとも一つ以上の第１照明レンズ及び第２照明レンズを、それぞれ前記経路変更プリズムの間に設置することを特徴とする請求項１記載の投射光学系。
4. 前記色分離器は、
   色を選択的に透過、あるいは反射させるために、円盤あるいは円筒状に形成されかつ回転可能に設けられる複数の光学手段からなることを特徴とする請求項１記載の投射光学系。
5. 前記経路変更プリズムは、
   入射される光の段差を調節できるように回転することを特徴とする請求項１記載の投射光学系。
6. 前記経路変更プリズムは、
   入射光の光軸と出射角の光軸とが互いに段差を有するように構成されることを特徴とする請求項１記載の投射光学系。
7. 前記経路変更プリズムは、
   出射される光の段差を調節できるように回転することを特徴とする請求項１記載の投射光学系。
8. ＤＭＤパネルを含むプロジェクタにおいて、
   光を放射するランプと、
   前記ランプから放射された光の色を分離する色分離器と、
   前記光の強度を均一に出射する照明混合器と、
   前記照明混合器から均一に出射された光の経路を上下に変更する経路変更プリズムと、
   前記経路変更プリズムから出射される光を、所定の方向と所定の角度で前記ＤＭＤパネルに入射するＴＩＲプリズムと、を含むことを特徴とする投射光学系。
9. 前記ランプから出射された光が前記色分離器に入射されるように、経路を変更する反射ミラーをさらに含むことを特徴とする請求項８記載の投射光学系。
10. 光の強度を調節する少なくとも一つ以上の第１照明レンズ及び第２照明レンズを、それぞれ前記経路変更プリズムの間に設置することを特徴とする請求項８記載の投射光学系。
11. 前記色分離器は、
    色を選択的に透過あるいは反射させるために、円盤あるいは円筒形状に形成されかつ回転可能に設けられた多数の光学手段からなることを特徴とする請求項８記載の投射光学系。
12. 前記経路変更プリズムは、
    入射される光の段差を調節できるように回転することを特徴とする請求項８記載の投射光学系。
13. 前記経路変更プリズムは、
    入射光の光軸と、出射角の光軸とが互いに段差を有するように構成されることを特徴とする請求項８記載の投射光学系。
14. 前記経路変更プリズムは、
    出射される光の段差を調節できるように回転することを特徴とする請求項８記載の投射光学系。
15. 前記ＴＩＲプリズムは、
    前記ＤＭＤパネルが要求する光の所定の入射角を維持するため、垂直方向及び水平方向に対して所定の角度で傾いていることを特徴とする請求項８記載の投射光学系。
    

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