(57)【要約】【課題】全反射プリズムの反射効率を高めて、投影画像の画質を向上させた単板式プロジェクタを提供する。【解決手段】プロジェクタ１には、照明光学系７、ＴＩＲプリズム８、ＤＭＤ９、フレネルプリズム板１０、投影レンズ１１が設けられている。ＴＩＲプリズム８には、ＤＭＤ９から出射される有効反射光を全反射させる反射面が形成されている。ＴＩＲプリズム８の反射面は、有効反射光の臨界角を確保するために４５度より大きく形成している。ＴＩＲプリズム８から出射される有効反射光は、投影光軸１１ａに対して傾くが、フレネルプリズム板１０でこれを修正することで投影レンズ１１から効率よく投射される。【選択図】        図１
2004240050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光を画素ごとに変調する画像表示素子と、
画像表示素子によって変調された光を拡大投影する投影光学系と、
画像表示素子から出射された光を取り込むとともに、この光を投影光学系に向かって全反射させる反射面を形成した第１の光学素子と、
前記反射面と前記投影光学系の間に配置され、前記第１の光学素子から出射された光を透過させ、その光路を曲げる第２の光学素子とを備えていることを特徴とする単板式プロジェクタ。
【請求項２】
前記第２の光学素子は、同一の断面形状を有する複数の三角プリズムが向きを揃えて並べられたフレネルプリズム板であることを特徴とする請求項１記載の単板式プロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示素子からの光を投影光学系に向かって効率よく全反射させる光学素子を備えた単板式プロジェクタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
画像表示素子により形成される画像を大画面のスクリーン上に拡大投影させるプロジェクタは、１つの画像表示素子を用いてＲＧＢの三色画像を表示する単板式のものと、３つの画像表示素子によってそれぞれ形成される三色画像を合成して表示する三板式のものとに大別される。単板式プロジェクタには、照明光から三色画像を時分割して順次表示するものと、フルカラー画像をそのまま投影させるものとが知られている。現在普及しているプロジェクタは、画像表示素子として液晶表示素子を用いたものがほとんであり、液晶表示素子には透過型と反射型の２つのタイプがあるが、いずれにおいても三板式が主流となっている。
【０００３】
近年、半導体技術の進歩により開発されたディジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）を画像表示素子として用いたＤＭＤプロジェクタが注目されている（例えば、特許文献１参照）。ＤＭＤは、一辺が十数ミクロンのマイクロミラーがマトリクス状に多数配列され、マイクロミラーの傾きをデジタル制御することで１画素のオン・オフを切替えるようにした反射型表示素子である。ＤＭＤプロジェクタは、単板で明るい精細な投影描写が可能であり、マイクロミラーによる１画素のオン・オフ制御を高速で行って、ＲＧＢ各色画像を時分割で再現するとともに１画素の階調再現を時分割で行う。
【０００４】
液晶表示素子やＤＭＤを内蔵したプロジェクタでは、照明光の内部損失によって投影画像の明るさが大きく左右される。このため、単板式のプロジェクタでは、内面全反射プリズム（ＴＩＲプリズム：Ｔｏｔａｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｐｒｉｓｍ）を設けることによって、反射損失を小さくしながらも投影レンズに対する入射光の傾斜角度を抑える工夫をしているものがある。上記特許文献１では、照明光を画像表示素子に導くときに照明光を全反射させている。画像表示素子から出射された光は、投影レンズに対してその光軸と平行に入射されて効率よく投影される。
【０００５】
また、図４に示すように、画像表示素子３０から出射した光をＴＩＲプリズム３１の反射面３１ａにより、投影レンズ３２に向けて全反射させるものがある。画像表示素子からの出射光を投影光学系との間の光路内で全反射させる単板式プロジェクタは、レイアウト上、無駄なスペースをなくすために画像表示面と投影光学系の光軸とが平行に配置され、ＴＩＲプリズムの反射面は、画像表示素子に対して４５度に形成される。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−０４２２５６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、４５度の反射面を有するＴＩＲプリズムは、その構成素材の屈折率が小さいと、画像表示素子から出射された光の一部が反射面に対して臨界角よりも小さい角度で入射してＴＩＲプリズムを透過してしまい、反射損失による投影画像の照度低下を招く問題がある。
【０００８】
本発明は、上記問題点を考慮してなされたもので、ＴＩＲプリズムの反射面を４５度より大きくし、画像表示素子と投影光学系との間における反射損失をより小さくできる単板式プロジェクタを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の単板式プロジェクタは、画像表示素子から出射された光を取り込むとともに、この光を投影光学系に向かって全反射させる反射面を形成した第１の光学素子と、前記反射面と前記投影光学系の間に配置され、前記第１の光学素子から出射された光を透過させ、その光路を曲げる第２の光学素子とを備えていることを特徴としており、第１の光学素子の反射面を画像表示素子に対して４５度より大きい角度で形成し、画像表示素子からの出射光を効率よく全反射させるようにしたものである。このとき、第１の光学素子を出射した光の主光線が画像表示面に対して非平行となることに合わせて投影光学系を傾斜させて組み込む必要をなくすために、第２の光学素子によって第１光学素子からの出射光線の光路を折り曲げている。
【００１０】
請求項２記載の単板式プロジェクタは、前記第２の光学素子として、同一の断面形状を有する複数の三角プリズムが向きを揃えて並べられたフレネルプリズム板を利用することにより、プリズム透過時の光路差による非点収差の発生を抑制している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１において、プロジェクタ１には、高輝度光が射出される照明ランプ２、三原色フィルタからなるカラーホイール３、インテグレータロッド４、リレーレンズ５、平面鏡６を有する照明光学系７と、ＴＩＲプリズム８、ＤＭＤ９、フレネルプリズム板１０、投影レンズ１１とが設けられている。
【００１２】
照明ランプ２は、楕円反射鏡の第１焦点に白色光を発する高輝度光源を備え、高輝度光源から発せられた白色光が、楕円鏡を反射して第２焦点に向かって集光される。カラーホイール３は、円盤状に赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のカラーフイルタが配列されて構成される。照明ランプ２から放出された白色光は、高速回転するカラーホイール３を透過することで、ＲＧＢの三原色の照明光となってインテグレータロッド４に順次入射される。インテグレータロッド４の内部では照明光が全反射を繰り返し、インテグレータロッド４からはムラのない均一な照明光が出射される。インテグレータロッド４から出射された照明光はリレーレンズ５を透過して平行光となり、平面鏡６でＴＩＲプリズム８に向かって反射される。
【００１３】
ＤＭＤ９は、マトリクス状に配列された多数のマイクロミラーを備えている。各マイクロミラーは、照明光が投影レンズ１１に入射されるように反射させるオン状態と、光吸収体（図示なし）に入射されるように反射させるオフ状態とに切替えられる。マイクロミラーがオン状態となる時間によって投影画像の１画素の輝度が決まり、ＤＭＤ９がカラーホイール３の回転と同期して駆動することで照明光は画像情報を有する投影光となる。ＤＭＤ９は、その画像表示面を投影レンズ１１の光軸１１ａと平行にして配置されている。
【００１４】
図２において、ＴＩＲプリズム８は、楔形状をした第１プリズム１５と第２プリズム１６とから構成されている。第１プリズム１５と第２プリズム１６の間にはエアギャップ１７が設けられている。第１プリズム１５は、平面鏡６を反射した照明光が垂直に入射する第１面１５ａと、第２プリズム１６に向かって照明光が出射される第２面と、第３面１５ｃとが形成されている。
【００１５】
第２プリズム１６は、ＤＭＤ９の画像表示面と平行な第１面１６ａと、第１プリズム１５を透過した照明光が入射し、ＤＭＤ９から出射された光が投影レンズ１１に向かって全反射される第２面１６ｂと、全反射面１６ｂを反射した光が外部に出射される第３面１６ｃとが形成されている。エアギャップ１７は、第２プリズムの第２面１６ｂで全反射を発生させるために設けられている。
【００１６】
ＤＭＤ９に入射した照明光は、オン状態のマイクロミラーによって第２プリズムの第１面１６ａ〜第２面１６ｃを介して投影レンズ１１に向かう有効反射光と、オフ状態のマイクロミラーによって光吸収体（図示なし）に向かう無効反射光とに分かれ、それぞれの光路を進行する。第２プリズム１６は、第１面１６ａと第２面１６ｂとのなす角αが、４５度より大きい角度となるように形成されている。これにより、オン状態のマイクロミラー１８を反射した有効反射光は、第２面１６ｂに対する臨界角以上の入射角度で入射するようになる。
【００１７】
第２プリズム１６の第２面１６ｂでは、その内面でＤＭＤ９から出射された有効反射光が全反射され、投影レンズ１１の光軸１１ａに対して傾斜した方向に直進する。第２面１６ｂで全反射された有効反射光は、第３面１６ｃから出射され、フレネルプリズム板１０に到達する。
【００１８】
図３において、フレネルプリズム板１０は、薄い平板上に多数の三角柱形状のプリズム１９が配列された構造をしており、投影光軸１１ａに垂直な入射側の平坦面１０ａと出射側のフレネル面１０ｂとが形成されている。フレネルプリズム板１０は、三角プリズム１９が向きを揃えて平行に配列されており、三角プリズム１９の傾斜面と同じ角度を有する楔状プリズムと等価な屈折作用をする。
【００１９】
第２プリズム１６から出射された有効反射光は、その主光線が投影光軸１１ａに対して一定の傾角を有する状態でフレネルプリズム板１０に入射する。フレネルプリズム板１０から出射されるときには、主光線が投影光軸１１ａと平行になって投影レンズ１１に入射する。
【００２０】
フレネルプリズム板１０は、等価な屈折作用をする楔状のプリズムに比べて格段に薄く形成されるので、楔状プリズムのように厚みに偏りのある光学素子を透過することに伴う非点収差や色収差の発生がなく、これらを投影レンズ１１内で補正する必要は生じない。
【００２１】
また、ＤＭＤ９とフレネルプリズム板１０との有効反射光の光路上における距離は、１画素あたりの有効反射光の光線束の広がりが、三角プリズム１９のピッチに比べて十分に大きくなるように設定されており、各三角プリズム１９によって投映画像に縞模様が発生することはない。
【００２２】
フレネルプリズム板１０を透過した有効反射光は投影レンズ１１に入射する。プロジェクタ１では、ＤＭＤ９から出射された有効反射光が第２プリズム１６において損失なく全反射され、投影光軸に対して傾角をもった有効反射光はフレネルプリズム板１０を透過して投影光軸１１ａと平行に修正され、スクリーンに向けて効率よく投射される。ＤＭＤ９の表示画像は、照度と鮮明さが損なわれることなくスクリーン上に拡大投影される。
【００２３】
なお、上記実施形態は、反射型表示素子としてのＤＭＤが用いられているが、画像表示素子として液晶表示素子やその他のものを用いてもよく、反射型の画像表示素子のみならず、透過型の画像表示素子が用いられたプロジェクタに本発明を適用してもよい。また、第１の光学素子からの出射光線を折り曲げる光学素子は、屈折光学素子に限られない。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように本発明の単板式プロジェクタは、画像表示素子から出射された光を全反射させて投影光学系に入射させる第１の光学素子と、第１の光学素子から出射された光の光路を曲げる第２の光学素子とを設けたので、第１の光学素子が比較的屈折率の小さい素材で構成されていても、反射損失を抑えることのできる角度で全反射面を形成することができ、投影光学系を傾斜させて配置する必要がなくなってデッドスペースが発生することがない。すなわち、単板式プロジェクタの特長であるコンパクト性が損なわれず、投影画像の画質を高められる。また、第２の光学素子にフレネルプリズム板を用いることで、光路を曲げることに伴う非点収差の発生が抑えられ、投影光学系によってこれらを補正する必要をなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プロジェクタの概略構成図である。
【図２】ＴＩＲプリズム周辺の平面図である。
【図３】フレネルプリズム板の拡大平面図である。
【図４】従来のＴＩＲプリズムの構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１  プロジェクタ
８  ＴＩＲプリズム
９  ＤＭＤ
１０  フレネルプリズム板
１１  投影レンズ
１５  第１プリズム
１６  第２プリズム
１９  三角プリズム
【図１】
2004240050.tif 000003
【図２】
2004240050.tif 000004
【図３】
2004240050.tif 000005
【図４】
2004240050.tif 000006