JP2002268010A

JP2002268010A - 画像表示装置

Info

Publication number: JP2002268010A
Application number: JP2001071937A
Authority: JP
Inventors: Ritsuo Koga; 律生古賀; Hideto Kubonai; 秀人久保内
Original assignee: Plus Vision Corp
Current assignee: Plus Vision Corp
Priority date: 2001-03-14
Filing date: 2001-03-14
Publication date: 2002-09-18

Abstract

(57)【要約】【課題】画像表示装置の薄型化を可能にする。スクリ
ーン上の照度分布を均一化する。【解決手段】白色光源１と、仮想的な２次光源を作る
リフレクタ２と、２次光源の近傍に配置されて白色光か
ら光の３原色を経時的に作り出すカラーフィルタ３と、
カラーフィルタ３を通った光線が通過する第１のコンデ
ンサレンズ１０と、コンデンサレンズ１０を通った光線
を反射させる平面ミラー１１及び球面ミラー１２と、球
面ミラー１２による反射光が入射するＤＭＤ８と、ＤＭ
Ｄ８による反射光が入射する投影レンズ１４と、を備え
た画像表示装置に関する。前記球面ミラー１２とＤＭＤ
８との間の光路上で第２のコンデンサレンズ１３を前記
ＤＭＤ８に近接させて配置し、球面ミラー１２からの反
射光を第２のコンデンサレンズ１３に斜め下方から入射
させてこのコンデンサレンズ１３を介しＤＭＤ８に入射
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は投影型の画像表示装
置に関し、特に、カラー画像をスクリーン上に投影表示
するための光学系の構造に特徴を有する画像表示装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は、ディジタル・マイクロミラー・
デバイス（ＤＭＤ：米国テキサス・インスツルメンツ社
の登録商標）を用いた投影型カラー画像表示装置の従来
技術を示す主要部の平面図である。なお、この従来技術
は、本出願人による特許第３１２１８４３号にかかる画
像表示装置と実質的に同様のものである。

【０００３】図７において、１は白色光源であり、この
白色光源１は、楕円ミラーからなるリフレクタ２の一方
の焦点に配置されている。また、３はリフレクタ２の他
方の焦点、すなわちリフレクタ２の集光作用によって構
成された仮想的な２次光源の近傍に配置されたカラーフ
ィルタである。このカラーフィルタ３は、図８に示すよ
うに、輪帯部分をＲＥＤ（Ｒ），ＧＲＥＥＮ（Ｇ），Ｂ
ＬＵＥ（Ｂ）の３原色に対応させて３分割した透過形フ
ィルタ３Ｒ，３Ｇ，３Ｂによって構成されている。カラ
ーフィルタ３は中心軸３Ｃにより回転可能であり、その
回転によって白色光を時系列的にＲＥＤ，ＧＲＥＥＮ，
ＢＬＵＥの各色に変換して出力する。

【０００４】カラーフィルタ３を通過した光は、図７に
おけるパイプ４を介してコンデンサレンズ５に入射す
る。ここで、上記パイプ４は内面が全反射面となってお
り、光の分布を均一化するために用いられている。前記
コンデンサレンズ５は、複数枚の凸レンズから構成され
ている。コンデンサレンズ５を通過した光は、第１の折
り返しミラーとしての平面ミラー６（または凹面形状の
シリンダミラー）により反射し、第２の折り返しミラー
としての球面ミラー７により再度反射して、カバーガラ
ス８Ａを介しＤＭＤ８にの反射面に入射する。

【０００５】ＤＭＤ８は、微小なミラーを有するピクセ
ルを２次元的に多数配列し、各ピクセルに対応して配置
されたメモリ素子による静電界作用により上記微小ミラ
ーの傾きを個々に制御し、反射光の反射角度を変化させ
ることによってオン・オフの状態を作っている。図９
は、ＤＭＤ８の各ピクセルに設けられた微小ミラーの動
作状態を示す図である。図９において、８ａ〜８ｅは各
ピクセルの微小ミラーであり、９は略図的に示した投影
レンズである。この図では、微小ミラー８ｃ，８ｅがオ
ン状態、微小ミラー８ａ，８ｂ，８ｄがオフ状態となっ
ている。

【０００６】オン状態にある微小ミラー８ｃ，８ｅによ
って反射した光線は投影レンズ９に入射してスクリーン
（図示せず）に画像を形成し、オフ状態にある微小ミラ
ー８ａ，８ｂ，８ｄによって反射した光線は投影レンズ
９に入射しない。なお、オン状態にある微小ミラー８
ｃ，８ｅの傾き角は、これらの微小ミラー８ｃ，８ｅが
水平な状態を基準として約１０度である。ＤＭＤ８は、
偏光板を用いる液晶表示パネルと比較すると、光の利用
効率が高く、しかも熱に強くて応答速度が速い等の特徴
がある。このＤＭＤ８による反射光は複数枚のレンズか
らなる投影レンズ９により拡大されて外部のスクリーン
上に結像し、画像が表示される。

【０００７】この従来技術において、カラーフィルタ３
及びＤＭＤ８を用いてスクリーン上にカラー画像を投影
表示させる具体的方法は、以下の通りである。例えば、
ある画像の一部を赤色で表示したい場合には、ＤＭＤ８
の所定アドレスのピクセルの微小ミラーをオン状態と
し、赤色の透過形フィルタ３Ｒを通った光線をオン状態
の微小ミラーにより反射させて投影レンズ９に入射させ
る。緑色、青色を表示させる場合も原理的に同様であ
り、それぞれ透過形フィルタ３Ｇ，３Ｂを通った光を所
定アドレスのオン状態の微小ミラーにより反射させて投
影レンズ９に入射させる。これらの動作を時系列的かつ
高速に行うことにより、光の３原色及びそれらを混合し
た任意の色の画像をスクリーン上に投影表示することが
できる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図７に示した従来技術
では、球面ミラー７による反射光をＤＭＤ８を介して投
影レンズ９の入射瞳に集光させている。このため、球面
ミラー７の反射光を漏れなくＤＭＤ８に入射させようと
すると、球面ミラー７の反射面に沿った有効径を大きく
しなくてはならず、これが画像表示装置の高さを小さく
する（すなわち装置全体を薄くする）ことを困難にして
いる。従って、画像表示装置の薄型化を達成することが
一つの解決課題となっている。

【０００９】また、図１０は、図７の従来技術における
球面ミラー７以降の光学系（球面ミラー７、ＤＭＤ８及
び投影レンズ９）の構成と、球面ミラー７による反射光
線の経路を示した図である。球面ミラー７の反射光を、
ＤＭＤ８のオン状態の微小ミラーにより反射させて投影
レンズ９に入射させるためには、図１０に示すように、
球面ミラー７の反射光がＤＭＤ８に対してある程度大き
な入射角をもって斜め下方から入射するように、球面ミ
ラー７を配置する必要がある。

【００１０】しかし、その結果、図１１に示すように、
ＤＭＤ８の反射面上では全体的に照度分布が不均一にな
り、上側が明るく下側が暗くなってしまう。なお、図１
１はＤＭＤ８の反射面上の同一照度の位置を照度等高線
８ｆによって結んだ照度分布図であり、８ｇは反射面内
の基準範囲を示している。この図１１によれば、基準範
囲８ｇの外側では照度等高線８ｆにより構成される矩形
が歪んだ形となる。

【００１１】また、上述したようにＤＭＤ８の反射面上
で照度分布が不均一になると、スクリーン上の画像の照
度分布は図１２のようになる。図１２（ａ）において、
横軸はスクリーン（アスペクト比３：４）に設定された
水平ラインＨ、垂直ラインＶ上の位置である。図１２
（ｂ）に示すように、スクリーン上の水平ラインＨ
_Ｕ（スクリーンの上端縁付近），Ｈ_０（スクリーンの中
央部），Ｈ_Ｄ（スクリーンの下端縁付近）並びに垂直ラ
インＶ上の各位置を、０を中心として±１０００の目盛
で示してある。なお、図１２（ａ）において、縦軸は照
度の相対値を０〜１０００の範囲で示してある。

【００１２】図１２（ａ），（ｂ）から、スクリーン上
においても高さによって照度に大きな差があり、スクリ
ーン上の上下方向に沿った明るさが不均一であることが
わかる。また、スクリーンの左右方向についても照度が
アンバランスになっている。よって、スクリーン上の投
影画像の照度を均一化することが別の解決課題となって
いる。

【００１３】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、その目的は、光学系の構成に改良を加えて装
置全体の薄型化を可能にした画像表示装置を提供するこ
とにある。本発明の別の目的は、スクリーン上の投影画
像の照度をほぼ均一にした画像表示装置を提供すること
にある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、白色光源と、この白色光源
からの光線を集光して仮想的な２次光源を作るリフレク
タと、２次光源の近傍に配置されて白色光から光の３原
色を経時的に作り出すカラーフィルタと、カラーフィル
タを通った光線が通過する第１のコンデンサレンズと、
第１のコンデンサレンズを通った光線を反射させる折り
返しミラーと、この折り返しミラーにより反射した光線
が入射し、かつ２次元的に配列された多数のピクセルの
微小ミラーの傾きを変化させて反射光の出射角度を変化
させることによりオン・オフ状態を作るＤＭＤ等の反射
表示手段と、オン状態にあるピクセルの微小ミラーから
の反射光が入射し、この入射光を拡大して投影する投影
レンズと、を備えた画像表示装置において、前記折り返
しミラーと前記反射表示手段との間の光路上で第２のコ
ンデンサレンズを前記反射表示手段に近接させて配置
し、前記折り返しミラーからの反射光を第２のコンデン
サレンズの斜め下方から当該コンデンサレンズを介し前
記反射表示手段に入射させると共に、この第２のコンデ
ンサレンズを、前記反射表示手段からの反射光を拡大し
て表示する投影レンズの一部としても動作させるもので
ある。

【００１５】なお、請求項２に記載するように、前記折
り返しミラーを、第１のコンデンサレンズを通った光線
を反射させる第１の折り返しミラーと、この折り返しミ
ラーによる反射光を反射させて第２のコンデンサレンズ
に入射させる第２の折り返しミラーとにより構成し、第
１の折り返しミラーを平面ミラーとし、第２の折り返し
ミラーを凹面形状の球面ミラーとしても良い。

【００１６】更に、請求項３に記載するように、第１の
折り返しミラーを凹面形状のシリンダミラーとし、第２
の折り返しミラーを凹面形状の球面ミラーとすることも
できる。

【００１７】また、請求項２，３では折り返しミラーが
２枚のミラーにより構成されているが、請求項４に記載
するように、折り返しミラーを単一の凹面形状の球面ミ
ラーにより構成し、第１のコンデンサレンズを通過した
光を単一の折り返しミラーにより反射させて第２のコン
デンサレンズに入射させても良い。

【００１８】ここで、請求項５に記載する如く、第２の
コンデンサレンズを凸レンズ状に形成してその表面を折
り返しミラー側に対向させることが望ましい。

【００１９】更に、請求項６，７に記載するように、カ
ラーフィルタと第１のコンデンサレンズとの間に、内面
が全反射面であるパイプやロッドレンズを配置したり、
第１のコンデンサレンズと折り返しミラーとの間にフラ
イアイレンズを配置すれば、スクリーン上の照度分布を
一層均一化させることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図に沿って本発明の実施形
態を説明する。図１（ａ）はこの実施形態の主要部の構
成を示す平面図である。前記同様に１は白色光源であ
り、この白色光源１は、楕円ミラーからなるリフレクタ
２の一方の焦点に配置されている。３はリフレクタ２の
他方の焦点に配置されたカラーフィルタであり、図８に
示したようにＲＥＤ，ＧＲＥＥＮ，ＢＬＵＥの透過形フ
ィルタ３Ｒ，３Ｇ，３Ｂを備えているとともに回転可能
になっている。

【００２１】カラーフィルタ３の前方には、内面が全反
射面であるパイプ４が配置されている。このパイプ４は
光の分布を均一化するためのもので、図１（ｂ），
（ｃ）に示すように、ロッドレンズ４Ａやフライアイレ
ンズ４Ｂによって置き換えても良い。上記パイプ４の前
方には、複数枚の凸レンズからなる第１のコンデンサレ
ンズ１０が配置されている。

【００２２】コンデンサレンズ１０の前方の光軸Ｌ２よ
りも先の位置には、第１の折り返しミラーとしての平面
ミラー１１が配置されている。ここで、平面ミラー１１
に代えて、凹面状のシリンダミラーを用いることもでき
る。光軸Ｌ１に沿って、カラーフィルタ３、パイプ４、
第１のコンデンサレンズ１０を通過した光は、平面ミラ
ー１１により反射し、第２の折り返しミラーとしての凹
面状の球面ミラー１２に入射して反射する。

【００２３】上方から見た球面ミラー１２の位置は、図
１（ａ）と図７との比較から明らかなように、図７より
も投影レンズ１４側に寄っており、ＤＭＤ８との間の距
離が長くなっている。また、側方から見ると、球面ミラ
ー１２は従来と同様に光軸Ｌ２の下方に配置されている
が、図３（ａ）と図１０との比較から明らかなように、
本実施形態の球面ミラー１２の有効径は従来の球面ミラ
ー７の有効径よりも小さくなっているとともに、球面ミ
ラー１２の下端部は球面ミラー７の下端部よりも上方に
位置している。

【００２４】再び図１（ａ）に戻って、球面ミラー１２
により反射した光は、光軸Ｌ１よりも先の位置に配置さ
れた第２のコンデンサレンズ１３に入射する。このコン
デンサレンズ１３は、球面ミラー１２との対向面が凸面
形状である凸レンズであり、その曲率は表面反射による
ハレーションが少なくなるように設計されている。コン
デンサレンズ１３の反対側の平面にはカバーガラス８Ａ
を介してＤＭＤ８が近接配置されている。なお、ＤＭＤ
８は、本発明における反射表示手段を構成するものであ
る。ＤＭＤ８の各ピクセル内のオン状態の微小ミラーに
よる反射光は、光軸Ｌ２に沿って投影レンズ１４に入射
する。

【００２５】ＤＭＤ８の機能は従来と同様であり、微小
ミラーを有するピクセルを２次元的に多数配列し、各ピ
クセルに対応するメモリ素子による静電界作用により微
小ミラーの傾きを個々に制御して反射光の反射角度を変
化させ、オン状態、オフ状態を実現するものである。

【００２６】投影レンズ１４は複数のレンズから構成さ
れており、その具体的構造は図７の投影レンズ９と若干
異なるが、機能及び作用は投影レンズ９と実質的に同一
である。上記構成において、白色光源１、リフレクタ
２、カラーフィルタ３、パイプ４、第１のコンデンサレ
ンズ１０によって構成される光軸Ｌ１と、ＤＭＤ８、第
２のコンデンサレンズ１３、投影レンズ１４によって構
成される光軸Ｌ２とは、上面から見てほぼ直交してい
る。

【００２７】図２は、図１の実施形態の主要部を示す斜
視図である。なお、４ａはパイプ４の出射面を示してい
る。

【００２８】この実施形態では、第１のコンデンサレン
ズ１０を通った光線を反射させる折り返しミラーが、第
１の折り返しミラーとしての平面ミラー１１と、第２の
折り返しミラーとしての球面ミラー１２とにより構成さ
れているが、折り返しミラーは単一であっても良い。す
なわち、図１（ａ）における白色光源１、リフレクタ
２、カラーフィルタ３、パイプ４、第１のコンデンサレ
ンズ１０を、平面ミラー１１を中心として対称位置に移
動すると、図６のようになる。

【００２９】図６の実施形態によれば平面ミラー１１は
不要になり、折り返しミラーとしては球面ミラー１２だ
けで足りる。従って、装置の容積や外形を考慮したとき
に図６に示す各光学部品の配置が許容される場合には、
図６のように第１の折り返しミラー（平面ミラー１１ま
たはシリンダミラー）を削除した構造にすることで光学
部品の数を図１の実施形態よりも削減することができ
る。なお、図６の実施形態においても、パイプ４の代わ
りにロッドレンズ４Ａやフライアイレンズ４Ｂを使用す
ることができる。

【００３０】次に、図３（ａ）は、図１の実施形態にお
ける球面ミラー１２以降の光学系の構成と、球面ミラー
１２による反射光線の経路を示した図である。本実施形
態では第２のコンデンサレンズ１３を設け、コンデンサ
レンズ１３の斜め下方から球面ミラー１２の反射光を入
射させている。そしてコンデンサレンズ１３の屈折作用
により、図３（ｂ）の左側に示すように、球面ミラー１
２からの反射光がコンデンサレンズ１３に入射する光の
入射角θ_１よりも、コンデンサレンズ１３からＤＭＤ８
に入射する光の入射角θ_２の方が大きくなっている。

【００３１】図３（ｂ）の右側に示す従来技術におい
て、球面ミラー７からＤＭＤ８に入射する光の入射角を
θ_２’とし、図３（ｂ）の左側に示す本実施形態の第２
のコンデンサレンズ１３の屈折率をｎとすると、ｎ・sinθ_２＝sinθ_２’ という関係が成り立ち、θ_２はθ_２’よりも小さくな
る。また、前述のようにθ _１はθ_２より更に小さい。本
実施形態と従来技術とを比較すると、θ_１＜θ_２＜
θ_２’の関係があり、球面ミラー１２からＤＭＤ８を介
して投影レンズ１４へ入射する光の経路は従来技術より
も水平に近付くことになる。

【００３２】すなわち、従来技術では入射角θ_２’が大
きいため球面ミラー７の有効径が大きくなってその下端
部の位置が本実施形態よりも下方にならざるを得ないの
に対し、本実施形態では、球面ミラー１２からＤＭＤ８
の反射面までの距離が従来技術より長くても、球面ミラ
ー１２の有効径を小さくして下端部の位置を従来技術よ
りも上方にすることができ、結果として画像表示装置の
薄型化を図ることができる。

【００３３】図４は本実施形態におけるＤＭＤ８の反射
面上の光線の分布を示す図、図５はスクリーン上の照度
分布を示す図であって、それぞれ従来技術に関する図１
１，図１２に対応している。図３に示したような球面ミ
ラー１２及び第２のコンデンサレンズ１３の配置構造に
より、ＤＭＤ８に対して若干斜め下方にある球面ミラー
１２からＤＭＤ８への入射光を水平光に近付けることが
でき、ＤＭＤ８の反射面上の照度分布は、図４に示すよ
うに従来技術（図１１）よりも上下方向の偏りが是正さ
れた特性となる。つまり、照度分布の中心がＤＭＤ８の
反射面の中心に近くなり、基準範囲８ｇの周辺の照度等
高線８ｆは従来よりも矩形に近くなる。このため、スク
リーン上の照度分布についても、図５（ａ），（ｂ）の
ように上下左右方向の均一性が向上してほぼ矩形に近い
照度分布が得られ、明るさの中心がスクリーンのほぼ中
央に位置することとなる。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、白色光源
からの光をＤＭＤ等の反射表示手段に入射させるための
折り返しミラーの有効径を小さくすることができ、これ
によって画像表示装置全体の薄型化が可能になる。この
ため、装置の小型軽量化、携帯性並びに製造コストや輸
送コストを向上させることができる。また、スクリーン
上の照度分布が均一化され、投影画像の品質向上が可能
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す主要部の平面図であ
る。

【図２】図１の実施形態の主要部を示す斜視図である。

【図３】図３（ａ）は、図１における球面ミラー以降の
光学系の構成と、球面ミラーによる反射光線の経路を示
した図であり、図３（ｂ）は、本発明の実施形態と従来
技術における球面ミラーの位置を対比して示した側面図
である。

【図４】図１の実施形態におけるＤＭＤの反射面上の照
度分布を示す図である。

【図５】図１の実施形態におけるスクリーン上の照度分
布を示す図である。

【図６】本発明の他の実施形態を示す主要部の平面図で
ある。

【図７】従来技術を示す主要部の平面図である。

【図８】カラーフィルタの説明図である。

【図９】ＤＭＤの各ピクセルに設けられた微小ミラーの
動作状態を示す図である。

【図１０】図７の従来技術における球面ミラー以降の光
学系の構成と、球面ミラーによる反射光線の経路を示し
た図である。

【図１１】図７の従来技術におけるＤＭＤの反射面上の
照度分布を示す図である。

【図１２】図７の従来技術におけるスクリーン上の照度
分布を示す図である。

【符号の説明】

１白色光源２リフレクタ３カラーフィルタ３Ｃ回転軸３Ｒ，３Ｇ，３Ｂ透過形フィルタ４パイプ４ａ出射面４Ａロッドレンズ４Ｂフライアイレンズ８ＤＭＤ８ａ〜８ｅ微小ミラー８ｆ照度等高線８ｇ反射面上の基準範囲８Ａカバーガラス１０第１のコンデンサレンズ１１平面ミラー（第１の折り返しミラー）１２球面ミラー（第２の折り返しミラー）１３第２のコンデンサレンズ１４投影レンズＬ１，Ｌ２光軸

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】白色光源と、この白色光源からの光線を
集光して仮想的な２次光源を作るリフレクタと、２次光
源の近傍に配置されて白色光から光の３原色を経時的に
作り出すカラーフィルタと、カラーフィルタを通った光
線が通過する第１のコンデンサレンズと、第１のコンデ
ンサレンズを通った光線を反射させる折り返しミラー
と、この折り返しミラーにより反射した光線が入射し、
かつ２次元的に配列された多数のピクセルの微小ミラー
の傾きを変化させて反射光の出射角度を変化させること
によりオン・オフ状態を作る反射表示手段と、オン状態
にあるピクセルの微小ミラーからの反射光が入射し、こ
の入射光を拡大して投影する投影レンズと、を備えた画
像表示装置において、前記折り返しミラーと前記反射表示手段との間の光路上
で第２のコンデンサレンズを前記反射表示手段に近接さ
せて配置し、前記折り返しミラーからの反射光を第２の
コンデンサレンズの斜め下方から当該コンデンサレンズ
を介し前記反射表示手段に入射させると共に、この第２
のコンデンサレンズを、前記反射表示手段からの反射光
を拡大して表示する投影レンズの一部としても動作させ
ることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】請求項１記載の画像表示装置において、前記折り返しミラーが、第１のコンデンサレンズを通っ
た光線を反射させる第１の折り返しミラーと、この折り
返しミラーによる反射光を反射させて第２のコンデンサ
レンズに入射させる第２の折り返しミラーとにより構成
されるとともに、第１の折り返しミラーが平面ミラーであり、第２の折り
返しミラーが凹面形状の球面ミラーであることを特徴と
する画像表示装置。
【請求項３】請求項１記載の画像表示装置において、前記折り返しミラーが、第１のコンデンサレンズを通っ
た光線を反射させる第１の折り返しミラーと、この折り
返しミラーによる反射光を反射させて第２のコンデンサ
レンズに入射させる第２の折り返しミラーとにより構成
されるとともに、第１の折り返しミラーが凹面形状のシリンダミラーであ
り、第２の折り返しミラーが凹面形状の球面ミラーであ
ることを特徴とする画像表示装置。
【請求項４】請求項１記載の画像表示装置において、前記折り返しミラーが、単一の凹面形状の球面ミラーで
あることを特徴とする画像表示装置。
【請求項５】請求項１，２，３または４記載の画像表
示装置において、前記折り返しミラーに対向する第２のコンデンサレンズ
の表面が凸面形状であることを特徴とする画像表示装
置。
【請求項６】請求項１，２，３，４または５記載の画
像表示装置において、前記カラーフィルタと第１のコンデンサレンズとの間
に、内面が全反射面であるパイプを配置したことを特徴
とする画像表示装置。
【請求項７】請求項１，２，３，４または５記載の画
像表示装置において、前記カラーフィルタと第１のコンデンサレンズとの間に
ロッドレンズを配置したことを特徴とする画像表示装
置。
【請求項８】請求項１，２，３，４または５記載の画
像表示装置において、第１のコンデンサレンズと前記折り返しミラーとの間に
フライアイレンズを配置したことを特徴とする画像表示
装置。