(57)【要約】【課題】  装置を小型化し、照明効率を高めることができ、さらに、装置のコストを抑え、ゴーストの発生をなくすことができる画像表示装置を提供する。【解決手段】  光源と、この光源からの光線を集光して仮想的な２次光源を作る集光ミラーと、集光ミラーから射出する白色光から光の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過した光線が入射するライトトンネルと、ライトトンネルを出た光線が通過するリレーレンズと、リレーレンズを通過した光線が直接又は間接的に入射するミラーと、基板上にマトリックス状に配列された複数の微小ミラーを備え、その複数の微小ミラーは、各々傾きを独立して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状態とオフ状態を作る、ミラーによる反射光が入射する反射表示素子と、複数の微小ミラーによるオン状態の反射光が入射し、この入射光を拡大して投影する投影レンズと、を有し、リレーレンズとミラーは投影レンズの光軸を挟んで反対側に配置されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光線を集光して仮想的な２次光源を作る集光ミラーと、
前記集光ミラーから出射する白色光から光の３原色を経時的に作り出すカラーフィルタと、
前記カラーフィルタを通過した光線が入射するライトトンネルと、
前記ライトトンネルを出た光線が通過するリレーレンズと、
前記リレーレンズからの出射光が直接又は間接的に入射するミラーと、
基板上にマトリックス状に配列された複数の微小ミラーを備え、前記複数の微小ミラーは、各々傾きを独立して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状態とオフ状態を作り、前記ミラーによる反射光が入射する反射表示素子と、
前記複数の微小ミラーによるオン状態の反射光が入射し、この入射光を拡大して投影する投影レンズと、
を有し、
前記リレーレンズと前記ミラーは前記投影レンズの光軸を挟んで反対側に配置されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記ミラーは、複数の微小ミラーによる反射光を遮らないように、有効径の一部がカットされている請求項１記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記反射表示素子の中心に位置するオン状態の微小ミラーによる反射光の主光線が、前記投影レンズの光軸に関し、前記ミラーから離れる方向へ傾いている請求項１又は請求項２記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記微小ミラーは、前記基板の短辺方向を回転軸とし、長辺方向に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状態とオフ状態を作る請求項１〜３のいずれか１項記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記微小ミラーは、前記基板の長辺方向を回転軸とし、短辺方向に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状態とオフ状態を作る請求項１〜３のいずれか１項記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記微小ミラーは、その正方形の微小ミラーの対角方向を回転軸とし、もう一方の対角方向に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状態とオフ状態を作る請求項１〜３のいずれか１項記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記ミラーは反射面が平面形状である請求項１〜６のいずれか１項記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記ミラーは反射面が球面形状である請求項１〜６のいずれか１項記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記ミラーは反射面が回転非対称な曲面形状である請求項１〜６のいずれか１項記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記ライトトンネルは、その中心軸の垂線に対して出射端が傾斜している請求項１〜９のいずれか１項記載の画像表示装置。
【請求項１１】
前記ライトトンネルの中心軸に対し、前記リレーレンズの光軸が偏芯している請求項１０記載の画像表示装置。
【請求項１２】
前記リレーレンズ内の前群と後群が偏芯している請求項１１記載の画像表示装置。
【請求項１３】
前記リレーレンズからの出射光が入射する第２ミラーを備え、前記第２ミラーによる反射光は前記ミラーに入射する請求項１〜１２のいずれか１項記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マトリックス上に配列され、反射光の出射角度を変化させることができる複数の微小ミラーを用いた画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マトリックス上に配列され、各々が独立して傾きを変化させて、反射光の出射角度を変化させることにより投影レンズへの入射（オン状態）、非入射（オフ状態）を選択することができる微小ミラーを用いた画像表示装置としては、従来は、例えば図８に示すものがあった。
【０００３】
この画像表示装置においては、光源（不図示）から出射した光は、集光ミラー（不図示）で反射後、カラーフィルタ（不図示）で色分解されて、ライトトンネル（不図示）に入射する。ライトトンネル（不図示）から出射した光は、リレーレンズ系１０１を介して全反射プリズム１０２に入射する。全反射プリズム１０２で反射された光は、カバーガラス１０３を通過後反射表示素子１０４に入射する。反射表示素子１０４は、マトリックス上に配列された複数の微小ミラー１０４ａを備え、これら微小ミラー１０４ａは、各々が傾きを独立して変化させて、反射光の出射角度を独立して変化させることができる。この微小ミラー１０４ａにおいては、その出射角度を変化させることにより、反射光が投影レンズ１０５に向けて出射されるオン状態と、反射光がオン状態とは異なる方向に出射されるオフ状態のいずれかをとることができ、このようなオンオフの切り替えにより所望の画像を投影レンズ１０５により投影表示させることができる。
【特許文献１】特開平０８−１４６９１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、全反射プリズム１０２を用いる上述の画像表示装置では、リレーレンズ系１０１を構成するレンズの枚数が多くならざるを得ないため、装置が大型化してしまう。また、全反射プリズム１０２は高価であるため装置のコストが高くなる。さらに、構成レンズの枚数が多いリレーレンズ系１０１と全反射プリズム１０２により光路が構成されるため、これらが有する多くの光学面を通過することにより照明効率が低下してしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の画像表示装置においては、光源と、光源からの光線を集光して仮想的な２次光源を作る集光ミラーと、集光ミラーから出射する白色光から光の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過した光線が入射するライトトンネルと、ライトトンネルを出た光線が通過するリレーレンズと、リレーレンズからの出射光が直接又は間接的に入射するミラーと、基板上にマトリックス状に配列された複数の微小ミラーを備え、複数の微小ミラーは、各々傾きを独立して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状態とオフ状態を作る、ミラーによる反射光が入射する反射表示素子と、複数の微小ミラーによるオン状態の反射光が入射し、この入射光を拡大して投影する投影レンズと、を有し、リレーレンズとミラーは投影レンズの光軸を挟んで反対側に配置されていることを特徴としている。
【０００６】
上記ミラーは、複数の微小ミラーによる反射光を遮らないように、その有効径の一部がカットされているとよい。
【０００７】
上記反射表示素子の中心に位置するオン状態の微小ミラーによる反射光の主光線が、投影レンズの光軸に関し、ミラーから離れる方向へ傾いているとよい。
【０００８】
上記微小ミラーは、基板の短辺方向を回転軸とし、長辺方向に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状態とオフ状態を作ることができる。これに対して、基板の長辺方向を回転軸とし、短辺方向に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状態とオフ状態を作ることもできる。さらに上記微小ミラーを正方形とし、その対角方向を回転軸とし、もう一方の対角方向に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状態とオフ状態を作ることもできる。
【０００９】
上記ミラーは、その反射面の形状として、平面形状、球面形状及び回転非対称な曲面形状のうちのいずれか１つを採用することができる。
【００１０】
上記ライトトンネルは、その中心軸に対して出射端が傾斜していることが好ましい。
上記ライトトンネルの中心軸に対し、リレーレンズの光軸を偏芯させてもよい。さらにリレーレンズ内の前群と後群を偏芯させてもよい。
【００１１】
本発明の画像表示装置においては、上記リレーレンズからの出射光が入射する第２ミラーを備え、この第２ミラーによる反射光が上記ミラーに入射するように構成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、ミラーを用いて反射表示素子に集光することにより、リレーレンズ系を構成するレンズの枚数を少なくすることができるため、装置を小型化することができるとともに、通過する光学面が少ないことにより、照明効率を高めることができる。さらに、全反射プリズムを用いていないため装置のコストを抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係る実施形態を図面を参照しつつ詳しく説明する。図１に示すように、本実施形態に係る画像表示装置は、光源１０、集光ミラー１２、ライトトンネル１４、リレーレンズ系１６、ミラー２０、反射表示素子２２、及び投影レンズ２４を有する。
【００１４】
光源１０は白色光源であって、例えば、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプを用いることができる。
【００１５】
集光ミラー１２は、光源１０の周囲を囲むように配置されており、ライトトンネル１４側が出射口１２ａとして開いた形状となっている。この集光ミラー１２は、光源１０から放射状に出射した光を反射、集光して出射口１２ａからライトトンネル１４へ向けて出射する。
【００１６】
ライトトンネルの端部１４ａの手前には、入射した光を経時的にＲＧＢの３原色に色分解して出射することができる周知のカラーフィルタ１３が配設されている。このカラーフィルタ１３としては、例えば図２に示すように円板形状の基板に、その回転軸１３ａに対してＲＧＢの３色のフィルタ１３ｂ〜１３ｄが等角度間隔に配置されたものを用いることができる。このカラーフィルタを一定速度で回転させつつ、集光ミラー１２からカラーフィルタ上の一定位置に光を照射すると、ＲＧＢのフィルタの配置間隔に対応した時間間隔ごとに（経時的に）、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の光がライトトンネル１４へ向けて出射する。
【００１７】
ライトトンネル１４は、その矩形形状の一方の端部（入射端）１４ａから入射した光を内面で全反射させることにより、光量が均一化された光を他方の端部（出射端）１４ｂから出射することができるものである。ここで、図３に示すように、端部１４ａ及び端部１４ｂはともに、ライトトンネル１４の中心軸１４ｃに対して直交するように設けられており、端部１４ｂからは、中心軸１４ｃに関して対称に光が出射する。このようにライトトンネル１４を出射した光は、４枚のレンズ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄで構成されるリレーレンズ系１６を通ることにより所定の倍率で拡大されて、ミラー２０に向けて出射される。すなわち、リレーレンズ系１６からの出射光は直接ミラー２０に入射する。
【００１８】
ミラー（第１ミラー）２０は平板形状を備え、この平面によってリレーレンズ系１６を出射した光を反射表示素子２２に向けて反射する。この反射光は、反射表示素子２２において、反射面上の反射位置に対応する微小ミラーに向けて集光される。ミラー２０は、その有効径の一部２０ａ（図１（ａ）の点線部分）がカットされているため、反射表示素子２２の微小ミラーによる反射光の一部がミラー２０に遮られて投影レンズ２４に到達しなくなることを防ぐことができる。これにより、投影レンズ２４を介してスクリーン（不図示）に投影される光の照度分布を均一とすることができる。さらに、投影レンズ２４の光軸２４ａを挟んで、一方にリレーレンズ系１６を、他方にミラー２０を配置する構成としている（図１（ａ）、（ｂ）参照）ことにより、上述のようにスクリーンに投影される光の照度分布を均一とすると同時に、リレーレンズ系１６から出射される光のうち、スクリーンに向けて出射されずに終わる光の量を小さく抑えることができる。さらに、ライトトンネル１４の端部１４ｂの像を、リレーレンズ系１６とミラー２０を介して反射表示素子２２上に結像させる照明光学系の全長を短くすることができるため、装置全体を小型化することが可能となる。
【００１９】
反射表示素子２２は、基板上にマトリックス状に配列された複数の微小ミラーを備えた半導体素子である。この反射表示素子２２では、複数の微小ミラーが各々傾きを独立して変化させて、反射光の出射角度を独立して変化させることにより、反射光が投影レンズに向けて出射するオン状態と、反射光がオン状態とは異なる方向に出射するオフ状態のいずれかをとることができる。出射角度の変化は、微小ミラーがその表面に配置された長方形の基板の短辺方向又は長辺方向を回転軸とし、長辺方向又は短辺方向に揺動することによってなされる。あるいは、微小ミラーを正方形として、その一方の対角方向を回転軸とし、他方の対角方向に揺動することによってなされる。本実施例は短辺方向を回転軸とする反射表示素子を用いた例である。
【００２０】
このような反射表示素子２２として、例えばテキサスインスツルメンツ社のデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）を用いると、このデバイスでは微小ミラーの角度が水平状態に対して＋１２度と−１２度の２つの状態をとることができるため、この微小ミラーで反射する光の出射角度として２つの状態をとることができる。このような構成の反射表示素子２２に対して、ミラー２０で反射、集光された光をカバーガラス２１を介して入射すると、オン状態（＋１２度の状態）の微小ミラーで反射された光は投影レンズ２４へ向けて出射され、オフ状態（−１２度の状態）の微小ミラーで反射された光は投影レンズ２４とは異なる方向へ出射される。したがって、オン状態の微小ミラーで反射された光は投影レンズ２４で拡大されてスクリーンに投影され、オフ状態の微小ミラーで反射された光はスクリーンには投影されないため、マトリックス状に配置された微小ミラーを各々オンオフ制御することによりスクリーンに所望の画像を表示させることができる。
【００２１】
また、ミラー２０で反射された光は、微小ミラーで反射されるほか、カバーガラス２１の表裏面や反射表示素子２２の基板表面によっても反射し、また、微小ミラーの構造に起因する散乱光も発生しうる。このような反射光や散乱光が投影レンズ２４に入射すると、スクリーンに投影される光のコントラストの低下につながるという問題が発生しうる。このような状態を模式的に示したのが図４（ａ）である。図４（ａ）では、カバーガラス２１を介して反射表示素子２２の中心に位置する微小ミラー２３に対して、照明光３０（主光線３０ａ）が照射されたとき、オン状態の微小ミラー２３からの反射光３１は、その主光線３１ａが反射表示素子２２の基板２２ａに対する法線２２ｂの方向に進行して投影レンズ２４に入射する。一方、カバーガラス２１の表裏面や反射表示素子２２の基板表面からの反射光３２（主光線３２ａ）もその一部が投影レンズ２４に入射する。
【００２２】
本実施形態では、カバーガラス２１の表裏面や反射表示素子２２の基板表面による反射光３２によるコントラストの低下を抑えるために、図４（ｂ）に示すように、オン状態の微小ミラー２３による反射光３１の主光線３１ａが基板２２ａの法線２２ｂに対して、ミラー２０から離れる方向に角度θだけ傾くようにされている。このような傾斜は、照明光３０（主光線３０ａ）が図４（ａ）の状態よりも、反射表示素子２２の基板２２ａに対する法線２２ｂから離れる向きに角度θだけ傾いて照射されることによって実現することができる。このような構成によって、カバーガラス２１の表裏面や反射表示素子２２の基板表面による反射光３２の主光線３２ａは法線２２ｂから遠ざかるため、反射光３２のうち投影レンズ２４に入射する光の量を低減することができる。なお、図４は、説明の便宜上、光線を簡略化して表現している。
【００２３】
反射表示素子２２で反射された光は投影レンズ２４に入射し、所定の倍率で拡大、出射されてスクリーンに投影される。各々の微小ミラーで反射される光はスクリーン上での画素に対応し、各画素について経時的に３原色の光が投影されることにより、各微小ミラーのオンオフを制御することによりスクリーン上に所望のカラー画像を表示させることができる。
【００２４】
以下に変形例について説明する。
上述の実施形態では、端部１４ａ及び端部１４ｂはともに、ライトトンネル１４の中心軸１４ｃに対して直交するように配置されていたが、このライトトンネル１４に代えて図５に示すライトトンネル１１４を用いることもできる（変形例１）。このライトトンネル１１４では、出射端としての端部１１４ｂが中心軸１１４ｃの垂線１１４ｄに対して角度αだけ傾斜している。ミラー２０で反射された光は、反射表示素子２２に斜めに入射するため、先の実施例のように、端部１４ｂがライトトンネル１４の中心軸１４ｃに対して直交するように配置されている場合、端部１４ｂの像は、反射表示素子２２に対し傾いて結像され、反射表示素子２２の左右ではピントがぼけて、照明光が大きくなり、反射表示素子２２の有効反射面より大きな領域を照明してしまう。このため、反射表示素子２２の有効反射面で反射する光量は低下し、投影レンズ２４を介してスクリーンに投影される光量も低下する。ところがこの変形例１のように傾斜させることによって、シャインプルーフの法則により、端部１１４ｂの像を、反射表示素子２２に対し傾き無く結像させることができるため、光量の低下を防止でき、効率の高い光学系を構成できる。なお、入射端としての端部１１４ａは、ライトトンネル１４の端部１４ａと同様に中心軸１１４ｃに直交するように配置されている。また、角度αは、任意の値（負の値を含む）をとることができる。
【００２５】
ミラー２０は、その反射面が平面形状のものに代えて、球面形状や回転非対称の曲面形状のものを用いることもできる。このような形状とすると、光学系を小型化することが可能なため好ましい。
【００２６】
図６を参照しつつ、さらなる変形例（変形例２）について説明する。
この変形例２においては、図５に示す変形例１と同じライトトンネル１１４を使用し、その中心軸１１４ｃをリレーレンズ系１６の光軸１６ｆに対して偏芯させている。また、反射面が平面形状のミラー２０に代えて、反射面が球面形状のミラー１２０を用いている。
【００２７】
図５に示す変形例１では、ライトトンネル１１４の出射端をその中心軸１１４ｃに対して傾斜させることにより、反射表示素子２２に対し傾き無く結像させることができるものの、台形歪が発生するために反射表示素子２２上の左右の照明光の光量に差ができてしまい、これにより投影レンズ２４を介して投影されるスクリーン上の光量が左右で不均一になってしまうという問題があった。これに対して、図６に示す変形例２では、ライトトンネル１１４の中心軸１１４ｃを、リレーレンズ系１６の光軸１６ｆに対して偏芯させて配置することにより、台形歪を補正して反射表示素子２２上における光量の均一性を高めることができる。さらに、ミラー１２０の反射面を球面形状とすることにより、光学系の全長を短くすることができるため、装置を小型化することが可能である。なお、ミラー１２０は、ミラー２０と同様に、その有効径の一部１２０ａ（図６の点線部分）がカットされている。これにより、反射表示素子２２の微小ミラーによる反射光がミラー１２０に遮られて、投影レンズ２４に到達しなくなることを防ぐことができる。したがって、投影レンズからスクリーン（不図示）に投影される光の照度分布を均一とすることができる。
【００２８】
また、ライトトンネル１４に代えて、フライアイレンズ又はロッドレンズを用いることができ、これらを用いても、集光ミラー１２からの出射光を光量が均一化された光としてリレーレンズ系１６へ出射することができる。
【００２９】
図７を参照しつつ、さらに別の変形例（変形例３）について説明する。図７では、光軸のみを表示して光線の詳細を省略している。また、カラーフィルタ１１３は、カラーフィルタ１３と同様に、回転軸１１３ａに対して等角度間隔にＲＧＢの３色のフィルタが配置された円板形状をなしている。このカラーフィルタ１１３を一定速度で回転させつつ、集光ミラー１２からカラーフィルタ上の一定位置に光を照射すると、ＲＧＢのフィルタの配置間隔に対応した時間間隔ごとに、Ｒ、Ｇ、Ｂの光がライトトンネル１４へ向けて出射されるのもカラーフィルタ１３と同様である。
【００３０】
この変形例３では、レンズ１１６ａ、１１６ｂからなり、ライトトンネル１４からの出射光が入射するリレーレンズ系１１６からの出射光は、まず、第２ミラー２１０に入射する。この第２ミラー２１０による反射光はミラー（第１ミラー）２２０に入射し、ミラー２２０による反射光は、反射表示素子２２に入射する。すなわち、リレーレンズ系１１６からの出射光は、ミラー２２０を介して間接的に、ミラー２１０に入射している。この反射表示素子２２に入射した光のうち、オン状態の微小ミラーで反射された光は投影レンズ２４へ向けて出射され、オフ状体の微小ミラーで反射された光は投影レンズ２４とは異なる方向へ出射される。ここで、リレーレンズ系１１６とミラー２２０とが、投影レンズ２４の光軸２４ａを挟んで反対側に配置されている点は、第２ミラー２１０により屈曲している光源１０からリレーレンズ系１１６部分を、第２ミラー２１０と第１ミラー２２０間の光軸の方向に展開して考えれば、上述の実施形態、変形例１、及び変形例２と同様である。第２ミラー２１０及びミラー２２０は、複数の微小ミラーが配置された反射表示素子２２の基板の長手方向（図７の左右方向）が、光源１０からリレーレンズ系１１６へ向かう光軸の方向と平行となるように、配置されている。この構成により、第２ミラー２１０と第１ミラー２２０間の光軸の方向における画像表示装置のサイズを抑えることができる。
【００３１】
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態に係る画像表示装置の構成を示した概観図、（ｂ）は投影レンズ側から画像表示装置を見たときのライトトンネルの出射端からミラーまでの構成を示した概観図である。
【図２】本発明の実施形態に係るカラーフィルタの構成を示す平面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るライトトンネルと、リレーレンズ系のうちライトトンネルからの出射光が入射するレンズと、の配置及びこれらにおける光の進路を示した概観図である。
【図４】本発明の実施形態に係る反射表示素子への入射角度を変更したときの反射表示素子及びカバーガラスからの反射光の進行方向を示す概観図である。
【図５】本発明の実施形態の変形例１に係るライトトンネルと、リレーレンズ系のうちライトトンネルからの出射光が入射するレンズと、の配置及びこれらにおける光の進路を示した概観図である。
【図６】本発明の実施形態の変形例２に係る画像表示装置の構成を示した概観図である。
【図７】本発明の実施形態の変形例３に係る画像表示装置の構成を示した斜視図である。
【図８】従来の画像表示装置の構成を示す概観図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０      光源
１２      集光ミラー
１４      ライトトンネル
１４ａ    端部（入射端）
１４ｂ    端部（出射端）
１４ｃ    中心軸
１６      リレーレンズ系
２０      ミラー（第１ミラー）
２１      カバーガラス
２２      反射表示素子
２２ａ    基板
２３      微小ミラー
２４      投影レンズ１１４    ライトトンネル
１１４ａ  端部（入射端）
１１４ｂ  端部（出射端）
１１４ｃ  中心軸
１１４ｄ  垂線
１１６    リレーレンズ系
２１０    第２ミラー
２２０    ミラー（第１ミラー）
【図１】
2006058859.tif 000003
【図２】
2006058859.tif 000004
【図３】
2006058859.tif 000005
【図４】
2006058859.tif 000006
【図５】
2006058859.tif 000007
【図６】
2006058859.tif 000008
【図７】
2006058859.tif 000009
【図８】
2006058859.tif 000010