JP2005208674A

JP2005208674A - 投写型表示装置

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Publication number: JP2005208674A
Application number: JP2005075054A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Ishikura; 直史石藏; Jun Ogawa; 潤小川
Original assignee: NEC Viewtechnology Ltd
Current assignee: Sharp NEC Display Solutions Ltd
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2023-08-14
Also published as: JP3973043B2

Abstract

【課題】投写型表示装置の画像表示素子を照明する光学素子部の小型化を図る。
【解決手段】光源１と、リレーレンズ６２と、三角柱形状をした１つのプリズム６１と、画像表示素子（ＤＭＤ）７と、投写レンズ８とを備える投写型表示装置において、リレーレンズ６２をプリズム６１の第１の側面に対向配置し、ＤＭＤ７を第２の側面に対向配置し、投写レンズ８を第３の側面に対向配置する。光源１からの光束はプリズム６１の第１の側面から第２の側面を通過してＤＭＤ７を照明し、ＤＭＤ７からの反射光束は第２の側面から入射し、第１の側面で全反射した後第３の側面から投写レンズ８に出射する。１つのプリズムで構成でき、投写型表示装置の小型化を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は反射型の画像表示素子を備えた投写型表示装置に関し、特に画像表示素子に対して照明光を導光する一方で画像表示素子からの反射光を投写光学系にまで導光するためのプリズム光学系に関するものである。

近年、投写型表示装置の発展は急速に進んでおり、小型化や低価格化が要求されてきている。それに伴い投写型表示装置において使用されるデバイスサイズの小型化の要求も多くなっている。これらの要求に答えるには、デバイスサイズの小型化に伴った周辺部分、特に光学系の小型化が必要である。これにより投写型表示装置全体の大きさも小さくできる。特に近年では、赤、緑、青の各色光を時分割に取り出して投写する基本構造を持つ時分割方式画像投写装置が存在している。例えば、特許文献１に開示されているように、半導体メモリーセル上に各々の傾きが制御可能な数十万のミラーエレメントを取り付けたデジタルミラーデバイス（以下、ＤＭＤと称する）を利用し、各ミラーエレメントの傾きを制御して反射状態を制御し、画像を形成するＤＭＤプロジェクタが知られている。

図８に示すように、このＤＭＤプロジェクタは、光源１０１から出射した光を反射鏡１０２で反射し、赤、緑、青の光を選択的に通過させるカラーフィルタが組み合わされたカラーホイール１０４の一点に集光レンズ１０３で集光させ、その通過光をインテグレータロッド１０５で均一化し、リレーレンズ等の光学系１０９で平行光束として全反射（ＴＩＲ）プリズム１０６を介してＤＭＤ１０７に照射し、その反射光である画像光をズーム投写レンズ１０８を介してスクリーン上に投写する構成とされている。ここで全反射プリズム１０６は、屈折率の異なる２つのプリズムを接合し、その接合面において入射される照明光を全反射してＤＭＤ１０７に照射し、ＤＭＤ１０７からの反射光は接合面を透過させてプリズム１０６から投写レンズ１０８に出射するように構成されている。このような全反射プリズムの構成として、例えば、他にも特許文献２や特許文献３に記載のものがある。
特開平１０−７８５５０号公報特許第３０６００４９号公報特許第３０６５０５８号公報

このような従来のＤＭＤプロジェクタにおける全反射プリズムは、照明光を全反射する一方で透過させているため２つのプリズムを接合した構成がとられている。また、この全反射プリズムの前段には前述のように集光用のリレーレンズが必要とされている。このため、インテグレータロッドから投写レンズの間に配設される光学素子部の実装スペースが大きくなってしまい小型の投写型表示装置を得るための問題になっている。この問題は画像表示素子として反射型の液晶パネルを用いる投写型表示装置においても同様である。

本発明の目的は、１つのプリズムと１つのリレーレンズとで画像表示素子を照明するための光学系を構成した小型の投写型表示装置を実現するものである。

本発明は、光源と、光均一化手段と、リレーレンズと、プリズムと、画像表示素子と、投写レンズとを備える投写型表示装置において、プリズムは第１の側面と第２の側面と第３の側面を有する三角柱形状の１つのプリズムで構成され、リレーレンズは第１の側面と対向配置し、画像表示素子は第２の側面と対向配置し、投写レンズは第３の側面と対向配置し、光源から出射された光束は光均一化手段及びリレーレンズを通過して第１の側面からプリズムの内部に入射し、第２の側面からプリズムの外部に出射して画像表示素子を照明し、画像表示素子で反射された光束は第２の側面からプリズム内部に入射した後第１の側面で全反射され、第３の側面からプリズムの外部に出射して投写レンズに入射される光束を少なくとも含むことを特徴とする。

本発明によれば、第１ないし第３の側面を有する三角柱形状をした１つのプリズムを用いるのみで、第１ないし第３の各側面にそれぞれリレーレンズ、撮像表示素子、投写レンズを対向配置することによって、光源から出射されてくる光束を画像表示素子に照射し、かつ画像表示素子からの反射光を投写レンズにまで導くことができるので、従来のように複数のレンズで全反射プリズムを構成したものに比較して光学系、特にプリズムの体積及びスペースを低減でき、投写型表示装置の小型化を実現することができ、さらにコストを下げることも可能になる。

また、本発明にかかるプリズムでは、第１の側面からプリズム内に入射した光束は第２の側面から画像表示素子に向けて出射され、画像表示素子で反射されて第２の側面から再びプリズム内に入射した光束は第１の側面の内面で全反射された後第３の側面から投写レンズに向けて出射されるので、プリズムに入射する光束とプリズムから出射する光束が違う方向となり、入射する光束と出射する光束の干渉が生じることはない。

次に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。図１は反射型の画像表示素子としてＤＭＤを用いたＤＭＤプロジェクタの全体構成図であり、従来技術と等価な部分には同一符号を付してある。光源１から出射した光を反射鏡２で反射し、赤、緑、青の光を選択的に通過させるカラーフィルタが組み合わされたカラーホイール４の一点に集光レンズ３で集光させ、その通過光をインテグレータロッド５で均一化する。インテグレータロッド５から出射された光は、本発明にかかるレンズ一体型プリズム６の一面に入射され、平行光束として他の面から出射されて画像表示素子としてのＤＭＤ７を照明する。また、ＤＭＤ７の反射光である画像光は前記レンズ一体型プリズム６に入射され、さらに他の面から出射され、ズーム構成の投写レンズ８を介して図外のスクリーンに投写される構成とされている。

図２は前記レンズ一体型プリズム６の分解斜視図、図３は組立状態の拡大側面図である。断面が三角形、ここでは二等辺三角形をした三角柱形状のプリズム６１と、このプリズム６１の底辺面６１ａに接合されたリレーレンズ６２とで構成されている。前記プリズム６１の前記底辺面６１ａを挟んだ２つの斜辺面６１ｂ，６１ｃはそれぞれ正方形ないし長方形に形成されており、一方の斜辺面６１ｂは前記ＤＭＤ７に対向配置され、他方の斜辺面６１ｃは前記投写レンズ８に対向配置されている。ここで、当該プリズム６１は図２，３では柱軸を横向きに配置しているので、三角柱形状を構成している３つの側面は上下方向に配置された構成となっており、前記底辺面６１ａ、斜辺面６１ｂ、斜辺面６１ｃがそれぞれ本発明における第１の側面、第２の側面、第３の側面である。また、前記リレーレンズ６２は、平凸レンズの円周一部をカットした構成とされ、その平坦面６２ａを前記プリズム６１の第１の側面、すなわち底辺面６１ａに接合している。前記リレーレンズ６２は、湾曲した部分の面（コバ）６２ｂやレンズをカットした面（スナズリ面）６２ｃで乱反射する迷光を抑えるため、黒塗り加工した構成をしている。

また、前記リレーレンズとプリズムとの接合面では、図３に示すように、両者の互いに対向された面の間に微小寸法の空気層（エアーギャップ）６３を持つ構成をしており、プリズム６１の屈折率と空気の屈折率の差によりプリズム６１の底辺面６１ａの内面において全反射を生じさせるようになっている。前記空気層６３を生成するために、ここではガラスビーズ入りのＵＶ硬化型接着剤を用いており、接合面の周縁ないしは全面に沿って接着剤を塗布して両者を接着することで、ガラスビームの径寸法に相当する間隙が確保されている。また、この場合、プロジェクタを駆動したときに発生する光源等の熱により、リレーレンズ６２とプリズム６１との接着力が低下して両者が分離されることを防止するために、光の透過や反射に関係しない面、例えば図３の紙面に平行な面の少なくとも一面にガラス板による補強板６４をそれぞれ接着剤６４ａにより貼り付ける構成をとっている。このとき用いる接着剤６４ａの接着面積は、リレーレンズ６２とプリズム６１を貼り合わせたものより広いため、熱耐性に優れたものとなる。

このように構成されたレンズ一体型プリズム６によれば、図４に光路を示すように、光源１からの光束はインテグレータロッド５から拡散状に出射されてリレーレンズ６２の凸面に入射され、当該リレーレンズ６２の平坦面からは平行光束として出射され、プリズム６１の第１の側面である底辺面６１ａに入射される。プリズム６１に入射された光束は内部を透過し、第２の側面である一方の斜辺面６１ｂから出射されてＤＭＤ７に照射される。そして、ＤＭＤ７で反射されることによって光変調された光束は再び一方の斜辺面６１ｂからプリズム６１内に入射され、底辺面６１ａに対して臨界角よりも大きな角度で底辺面６１ａの内面に投射され、ここで全反射される。臨界角とは、屈折率の高い媒質（屈折率ｎ１）から低い媒質（屈折率ｎ０）のものへ光が入射するとき、ある角度で入射すると、その界面で全反射が生じる入射角度であり、臨界角θｃは sinθｃ＝ｎ０／ｎ１で表される。底辺面６１ａで全反射された光はプリズム６１の第３の側面である他方の斜辺面６１ｃから出射されて投写レンズ８にまで至り、投写レンズ８によってＤＭＤ７で表示された画像が図外のスクリーンに投写される。

以上のように、本実施例のレンズ一体型プリズム６では、１つのプリズム６１に１つのリレーレンズ６２を貼り合わせることによって、インテグレータロッド５から出射された光束をＤＭＤ７に照射し、かつＤＭＤ７からの反射光を投写レンズ８にまで導くことができる。そのため、従来のように集光レンズと全反射プリズムを別体に構成したものに比較して光学系の体積及びスペースを低減でき、投写型表示装置の小型化を実現することができる。また、この構成によれば、従来のように１つのレンズと２つのプリズムを必要としている構成に比較してプリズムを１つ分少なく構成できるため、コストを下げることも可能になる。なお、このように構成してもプリズム６１へ入射する光束と同プリズム６１から出射する光束が違う方向であるため、入射する光束と出射する光束の干渉が生じることはない。

前記実施例ではリレーレンズ６２とプリズム６１との接合面に空気層６３を設けてＤＭＤ７から反射される光を全反射させるための臨界角を確保するようにしているが、光透過性に優れた低屈折率の透明接着剤や接着シートを利用して両者を接合するようにしてもよい。あるいは、リレーレンズ６２の屈折率がプリズム６１の屈折率よりも小さい場合には両者を直接接した状態で接合する構成も実現可能である。

次に、本発明のレンズ一体型プリズム６を最も小型サイズに形成する構成例について説明する。まず、図４において、前記プリズム６１ではＤＭＤ７と一方の斜辺面６１ｂ（図４では面ＡＣ）は平行であり、投写レンズ８と他方の斜辺面６１ｃ（図４では面ＢＣ）は平行であることが必要である。よって、光軸は常に斜辺面６１ｂと斜辺面６１ｃに垂直になる。したがって、∠ＡＴＵ＝∠ＢＶＵ＝９０°となる。また、光線の入射角と反射角は等しいので∠ＡＵＴ＝∠ＢＵＶであるから、△ＡＴＵ∽△ＢＶＵとなる。このために、プリズム６１の両辺角θ１とθ２は等しくなり、これからプリズム６１は二等辺三角形であることが判る。

次にプリズム６１のサイズについて説明する。すなわち、プリズム６１は、ＤＭＤ７の有効エリアで反射された全ての光束を入射させ、かつ出射させることのできる大きさが必要となる。そのため、ここでは全ての光束を全反射させることができ、かつＤＭＤ７の有効エリアで反射された全ての光束を含むことのできるプリズムの大きさと形状を求めるために必要となる条件を示し、さらに、固定された値（投写レンズ８のＦナンバー、ＤＭＤ７の有効エリアサイズ）を求められた条件式に代入することにより、条件を満たすプリズムの最小サイズを求める。

ＤＭＤ７の有効エリアサイズと投写レンズ８のＦナンバーからプリズム６１の最小サイズを求めるために、図５の模式図を用いて説明する。なお、同図左側の図は同図右側の円Ｓで囲んだ部分の拡大詳細図である。ＤＭＤ７の有効エリア面ＥＦの両端で反射された光束は、角度θの広がりを持ち、プリズムの一方の斜辺面６１ｂ（以下、入射面）ＡＣに入射される。最も左端の光線ＡＥが、プリズムの頂点Ａに入射されるとき（ＡＡ’＝０のとき）、プリズム６１が最小サイズとなる１つの条件となる。また、最も右端の光線ＤＦがプリズム６１の入射面ＡＣを透過して、プリズム６１の斜辺面６１ａ（図５では面ＡＢ、以下、全反射面）の最も端（頂点Ｂ）に入射したとき、プリズムが最小サイズになるときの１つの条件となる。この２つの条件を満たし、かつ光線ＡＥが入射面ＡＣを透過し、プリズムの全反射面ＡＢへの入射角が臨界角であるという条件を満たすことにより、プリズム６１の最小サイズが決定される。

ＤＭＤ７の有効エリアの両端で反射された光束は、一定の広がりを持ち、その広がり角は、投写レンズ８のＦナンバーによって決定される。ＦナンバーをＦ、広がり角をθとすると、
Ｆ＝１／２ sinθ…（式１）
で表される。

ここで、ＤＭＤ７で反射された光束の光軸とプリズム６１の入射面ＡＣの垂線との角度をα、プリズム６１の屈折率をｎとし、入射面ＡＣに入射したときの最も左端の光線の出射角をω、入射面ＡＣに入射したときの光軸の屈折角をβ、最も右端の光線の出射角をψとするとスネルの法則により、
ｎ・ sinβ＝ sinα …（式２）
ｎ・ sinω＝ sin｜α−θ／２｜…（式３）
ｎ・ sinψ＝ sin（α＋θ／２）…（式４）
となる。

さらに、プリズム６１の頂点Ａの角度をγとして、臨界角をθｃとすると、
α≦θ／２のとき、
θｃ≧γ−ω…（式５）
α≧θ／２のとき、
θｃ≦γ−ω…（式６）
を満たす条件を持つ。ここで、空気の屈折率を１とすると、
sinθｃ＝１／ｎ…（式７）
となる。よって光束端の入射角が臨界角になるときのγは、
γ＝θｃ±ω＝ sin^-1（１／ｎ）±ω…（式８）
で求められる。

プリズム６１が全ての光束を全反射させるためには、まず、入射面ＡＣに全ての光束が入射されなければならない。さらに、最も右端の光線ＦＤが入射面ＡＣを透過して全反射面ＡＢに入射できることが、プリズム６１の大きさを決める条件となる。ここで、二等辺三角形ＡＢＣ（ＡＣ＝ＢＣ）を考え、ＤＭＤ７の紙面に平行な横の長さをｘ、縦の長さ（紙面の奥行き方向）をｙ、プリズム６１とＤＭＤ７の距離をｚとし、ＤＭＤ７から入射面ＡＣに入射する最も右側の光束の入射点をＤとすると、ＡＤの長さは、
ＡＤ＝ｘ＋ｚ〔 tan（α＋θ/2）− tan｜α−θ/2｜〕…（式９）
となる。

また、入射点Ｄにおける入射面ＡＣへの垂線が全反射面ＡＢと交差する点をＧとし、頂点Ｂから入射面ＡＣに下ろした垂線の交点をＨとし、点Ｇから垂線ＢＨに下ろした垂線の交点をＩ、ＢＤとＧＩの交点をＪとすると、
ＡＧ＝ＡＤ／ cosγ…（式10）
ＨＩ＝ＤＧ＝ＡＤ・ tanγ…（式11）
となる。また、△ＧＤＪより、
ＧＪ＝ＤＧ・ tanψ…（式12）
となる。

さらに、△ＡＢＤ∽△ＧＢＪより、
ＡＧ：ＡＤ＝ＧＢ：ＧＪ…（式13）
これから、
ＧＢ＝ＡＧ・ＧＪ／ＡＤ…（式14）
となる。

（式14）のＡＧ，ＧＪに（式10）と（式11）をそれぞれ代入すると、
ＧＢ＝〔（ＡＤ／ cosγ）×（ＤＧ・ tanψ）〕／ＡＤ…（式15）
となる。さらに、（式15）のＤＧに（式11）を代入すると、
ＧＢ＝〔（ＡＤ／ cosγ）×（ＡＤ・ tanγ・ tanψ）〕／ＡＤ
＝ＡＤ・ tanγ・ tanψ／ cosγ…（式16）
となる。

△ＢＧＩより、
ＢＩ＝ＧＢ・ sinγ…（式17）
となる。（式17）のＧＢに（式16）を代入すると、
ＢＩ＝ＡＤ・ tanγ・ tanψ・ sinγ／ cosγ
＝ＡＤ・tan²γ・ tanψ…（式18）
となる。

∠ＡＢＣ＝∠ＢＡＣ＝γより、
∠ＢＣＨ＝π−２γ…（式19）
となる。△ＢＣＨより、
ＢＣ＝ＢＨ／ sin（π−２γ）＝〔ＢＩ＋ＨＩ〕／ sin２γ…（式20）
となり、（式20）のＢＩ，ＨＩに（式18）と（式11）を代入することにより、
ＡＣ＝ＢＣ＝（ＡＤ・tan²γ・ tanψ＋ＡＤ・ tanγ）／ sin２γ
＝ＡＤ・ tanγ（ tanγ・ tanψ＋１）
＝ＡＤ・（ tanγ・ tanψ＋１）／２cos²γ…（式21）
となる。

なお、
ＢＨ＝ＡＤ・ tanγ・（ tanγ・ tanψ＋１）…（式22）
である。したがって、（式21）のＡＤに（式９）を代入すると、
ＡＣ＝ＢＣ＝｛ｘ＋ｚ〔 tan（α＋θ/2）− tan｜α−θ/2｜〕｝・（ tanγ・ tanψ＋１）／２cos²γ…（式23）、となる。

また、
ＡＢ＝ＢＨ／ sinγ＝〔ＢＩ＋ＨＩ〕／ sinγ…（式24）
であるので、（式24）のＢＩ，ＨＩに（式18）と（式11）を代入すると、
ＡＢ＝ＡＤ・ tanγ（ tanγ・ tanψ＋１）／ sinγ…（式25）
となる。
したがって、（式25）のＡＤに（式９）を代入すると、
ＡＢ＝｛ｘ＋ｚ〔 tan（α＋θ/2）− tan｜α−θ/2｜〕｝・（ tanγ・ tanψ＋１）／ cosγ…（式26）
となる。

以上により、二等辺三角形をしたプリズム６１の頂点ＡＢＣの各辺の長さを決めることができる。したがって、これらが最小となるプリズム６１の各辺の長さである。

次に、プリズム６１の厚さ方向（紙面に垂直方向）の最小サイズを決定する。まず、ＤＭＤ７の中心で反射された光束の光軸が面ＢＣ、すなわち出射面ＢＣに達するまでの長さを求める。図６はプリズム６１と同じプリズム６１’を底辺面において互いに合わせた状態を示しており、ＤＭＤ７からの光束が全反射面ＡＢで反射せずにプリズム６１’にまで透過した状態を模式的に示している。ＫＬＮはそのときの光束を示している。

ここで、プリズム６１，６１’はそれぞれ同じ二等辺三角形であるので、
ＫＬ＋ＬＭ＝ＫＮ…（式27）
となる。ここで、
ＫＮ＝ＯＫ／ cosβ＝ＢＨ／ cosβ…（式28）
となる。
また、ＤＭＤからプリズムまでの光軸の長さＰＫは、
ＰＫ＝ｚ／ cosα…（式29）
となる。

これから、ＤＭＤ７の中心で反射された光束の光軸が、出射面ＢＣに到達するまでの距離ｌは、（式28）と（式29）と式22）のＢＨとから、
ｌ＝ＰＫ＋ＫＮ＝〔ｚ／ cosα〕＋〔ＡＤ・ tanγ（ tanγ・ tanψ＋１）／ cosβ〕…（式30）
となる。

光束は円錐状の広がりを持つため、ＤＭＤ７の中心で反射され、角度θで広がる光束が距離ｌだけ進んだときの円の直径Ｒは、（式30）を用いると、
Ｒ＝２ｌ・tan(θ/2) ＝２tan(θ/2) ・〔ｚ／ cosα〕＋〔ＡＤ・ tanγ（
tanγ・ tanψ＋１）／ cosβ〕…（式31）
となる。したがって、プリズム６１の最小の厚さＹは、求められた円の直径ＲにＤＭＤの縦の長さｙをたすことで求められるので、（式30）から、
Ｙ＝２tan(θ/2) ・〔ｚ／ cosα〕＋〔ＡＤ・ tanγ（ tanγ・ tanψ＋１）／ cosβ〕＋ｙ…（式32）
となる。

以上の（式23），（式26）及び（式32）がそれぞれ本発明の投写型表示装置に用いて好適なプリズムの辺ＡＣ，ＢＣ，ＡＣと厚さＹの最小寸法である。

ここで、プリズム６１の大きさと厚さは、投写レンズ８のＦナンバーとＤＭＤ７の有効エリアサイズによって決定されるが、正確なプリズムサイズを求めるには、ＤＭＤ７で反射された光束の光軸がプリズム６１に入射される角度とＤＭＤ７とプリズム６１の距離を決める必要があることは言うまでもない。図７は、光束がプリズム６１に入射する角度αを５°、ＤＭＤ７とプリズム６１の距離ｚを１０ｍｍとした場合のプリズム６１の各辺ＡＢ，ＡＣ，ＢＣの長さと厚さＹを求めた場合の２つの例を示したものである。

本発明において画像表示素子は、前記したＤＭＤに限られるものではなく、反射型の液晶パネルを用いる投写型表示装置に適用することも可能である。

本発明の投写型表示装置の概略構成を示す斜視図である。レンズ一体型プリズムの分解斜視図である。レンズ一体型プリズムの組立状態の側面図である。レンズ一体型プリズムにおける光路を示す模式的な側面図である。レンズ一体型プリズムの最小寸法を求める方法を説明するための模式的な側面図である。レンズ一体型プリズムの最小厚さ寸法を求める方法を説明するための模式的な側面図である。レンズ一体型プリズムの最小寸法の例を示す表である。従来の投写型表示装置の一例の構成図である。

符号の説明

１光源
２反射鏡
３集光レンズ
４カラーホイール
５インテグレータロッド
６レンズ一体型プリズム
７ＤＭＤ
８投写レンズ
６１プリズム
６２リレーレンズ
６３空気層
６４補強板

Claims

光源と、光均一化手段と、リレーレンズと、プリズムと、画像表示素子と、投写レンズとを備える投写型表示装置において、前記プリズムは第１の側面と第２の側面と第３の側面を有する三角柱形状の１つのプリズムで構成され、前記リレーレンズは前記第１の側面と対向配置し、前記画像表示素子は前記第２の側面と対向配置し、前記投写レンズは前記第３の側面と対向配置し、前記光源から出射された光束は前記光均一化手段及び前記リレーレンズを通過して前記第１の側面から前記プリズムの内部に入射し、前記第２の側面から前記プリズムの外部に出射して前記画像表示素子を照明し、前記画像表示素子で反射された光束は前記第２の側面から前記プリズム内部に入射し、前記第１の側面で全反射され、前記第３の側面から前記プリズムの外部に出射して前記投写レンズに入射される光束を少なくとも含むことを特徴とする投写型表示装置。