(57)【要約】【目的】ＤＭＤに対し偏光方向が揃えられた照明光を照射し、所定の偏光成分のみを透過する検光子を用いて偏光方向がランダムとなる散乱光を殆ど遮光することにより、投映光の光量を低減させることなく投写画像のコントラスト比の高い投写型画像表示装置を得る。【構成】光源部１１と、光源部１１からの光束の光量分布を均一化させるインテグレータ光学系１２と、光源部１１からの光束を所定の直線偏光に変換する偏光変換部１３と、一対のコンデンサレンズ１４ａ、１４ｂと、内部に全反射面を有する全反射プリズム１５と、色分解／合成プリズム１６と、ＤＭＤ１７Ｇ、１７Ｂ、１７Ｒと、所定の偏光成分のみを透過する検光子１８と、複数のレンズよりなる投映光学系１９とを備え、スクリーン１０上にフルカラー画像を拡大投映する投写型画像表示装置である。検光子１８は投映光を透過するが、ランダムな偏光方向を有する散乱光の殆どを遮光する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像の各画素と対応するように微小な光反射方向可変ミラー素子が一平面内で規則的に配列され、入力される映像信号に応じて前記各ミラー素子が照明光を互いに異なる第１と第２の方向のうちいずれか一方向に択一的に反射して、前記照明光の変調を行うデジタル・マイクロミラー・デバイスと、
該デジタル・マイクロミラー・デバイスにより変調された光束のうち、前記各ミラー素子により前記第１の方向に反射された光束を、所定の投映面上に投写する投映光学系とを備えた投写型画像表示装置において、
前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに対して偏光方向が揃えられた前記照明光を出射する照明光学系を備え、
前記デジタル・マイクロミラー・デバイスと前記投映光学系との間に、前記各ミラー素子により前記第１の方向に反射された光束を透過させる検光子が配置されていることを特徴とする投写型画像表示装置。
【請求項２】
前記照明光学系が、偏光変換機能を有するロッドインテグレータを備えてなることを特徴とする請求項１記載の投写型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示手段としてデジタル・マイクロミラー・デバイスＴＭを用いた投写型画像表示装置に関し、特に、デジタル・マイクロミラー・デバイスＴＭに起因する不所望な散乱光による悪影響を抑制し得る投写型画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
デジタル・マイクロミラー・デバイスＴＭ（以下、「ＤＭＤ」と称する。）は、投写型画像表示装置において、投映画像の高輝度化と画素数増加を図り得る画像表示手段（ライトバルブ）として用いられている。
【０００３】
ＤＭＤは、画像信号により所定の角度範囲で傾きを変えることができる高反射率の矩形状の微小な鏡（ミラー素子）を、ＣＭＯＳ半導体技術を用いてシリコンメモリーチップ上に多数形成してなるものである。このＤＭＤを用いた投写型画像表示装置は、上記ミラー素子の角度を変えることで画像信号に応じて照明光の反射方向を制御し、画像形成に必要な信号光のみを投映光学系方向に反射させ、スクリーン上に集束させて映像を拡大投写するように構成されている。
【０００４】
このようにＤＭＤは、そのミラー素子面に対して斜めに入射した光のうち、信号光となる光（投映光）は投映光学系方向に出射し、信号光とならない光は投映光学系方向とは異なる方向に出射するという特性を有している。しかしこのとき、ミラー素子の隙間から入り込んだ光が下部構造部分で反射してミラー素子の隙間から外に漏れてくる光や、ミラー素子を支持するための支持穴からの散乱光および回折光などが生じることが知られている（例えば特許文献１参照）。これらの不所望な光（以下、これらを「散乱光」と総称する）は素子の駆動状態によらず発生しているものと考えられるが、特に、本来ならば黒となるべきＯＦＦ状態のミラー素子に対応するスクリーン上の位置に、投映光学系内を介しその光が到達した場合には、コントラスト比低下の要因となる。コントラスト比は、スクリーン黒照度（全画素ＯＦＦ）に対する白照度（全画素ＯＮ）の比で定義されるものであって、ＤＭＤを用いた場合にも、少なくともＣＲＴと同程度のコントラスト比（約１０００：１）が望まれる。
【０００５】
ＤＭＤを用いる投写型画像表示装置においては、散乱光の影響を排除してコントラスト比を向上させるために、投映光学系および照明光学系内に各々絞り部材を設ける手法が知られている。これを図５を用いて説明する。光源１０１より出射された光束は、照明光学系１０２によって光束の光軸と垂直な断面における光量分布の均一化を図られ、全反射プリズム１０４を経由してＤＭＤ１０５に照射される。照明光学系１０２の内部には照明系絞り１０３が配されている。ＤＭＤ１０５により変調された投映光は、全反射プリズム１０４を透過して投映光学系１０６に入射し、最終的にはスクリーン１０８に到達する。投映光学系１０６の内部には投映系絞り１０７が配されている。
【０００６】
照明系絞り１０３と投映系絞り１０７は互いに共役であり、これらを連動させて絞ることによって投映光学系１０６を通過する光束を所定の範囲に制限する。なお、図５では模式的に散乱光はスクリーン１０８の中心部のみに到達しているように描かれているが、実際はスクリーン１０８のあらゆる所に到達している。投映系絞り１０７の位置での投映光は、光軸近傍で光強度が強く周辺部へ向かうほど光強度が弱い。他方、散乱光は略均等な強度分布となっている。そこで、投映系絞り１０７により周辺部の光束を遮断すれば、投映光の光量低下度合いよりも散乱光の光量低下度合いが著しくなり、その結果、コントラスト比が向上するというものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１８９１７８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、絞り部材を用いて散乱光の影響を排除しようとする場合には、本来投映光として使用されるべき光束の一部までも遮断してしまうことになる。すなわち、コントラスト比向上のために投映光の光量を犠牲にせざるを得ないものである。より明るい場所での投写が要望され、明るい投写型画像表示装置の開発が進められている近年の情勢において、光量を犠牲にするという手法は最良とはいえない。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、投映光の光量を低減させることなく投写画像のコントラスト比を向上させ得る投写型画像表示装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る投写型画像表示装置は、画像の各画素と対応するように微小な光反射方向可変ミラー素子が一平面内で規則的に配列され、入力される映像信号に応じて前記各ミラー素子が照明光を互いに異なる第１と第２の方向のうちいずれか一方向に択一的に反射して、照明光の変調を行うデジタル・マイクロミラー・デバイスと、
該デジタル・マイクロミラー・デバイスにより変調された光束のうち、前記各ミラー素子により前記第１の方向に反射された光束を、所定の投映面上に投写する投映光学系とを備えた投写型画像表示装置において、
前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに対して偏光方向が揃えられた前記照明光を出射する照明光学系を備え、
前記デジタル・マイクロミラー・デバイスと前記投映光学系との間に、前記各ミラー素子により前記第１の方向に反射された光束を透過させる検光子が配置されていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、前記照明光学系が、偏光変換機能を有するロッドインテグレータを備えてなることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は後述する実施例１に係る投写型画像表示装置の概略構成図であり、本発明に係る投写型画像表示装置を代表するものとしてこれを用いて説明する。図１に示すように、本実施形態に係る投写型画像表示装置は、例えば、ビデオプロジェクタとして使用されるものであり、光源部１１と、光源部１１からの光束を所定の直線偏光に変換する偏光変換部１３と、ＤＭＤ（図１においてはＤＭＤ１７Ｇが代表として示されている。以下、この装置のＤＭＤを総称しＤＭＤ１７として説明する。）と、検光子１８と、複数のレンズよりなる投映光学系１９とを備えている。また、光源部１１と偏光変換部１３とは照明光学系の構成要素であり、これにより照明光学系はＤＭＤ１７に対して偏光方向が揃えられた照明光を出射する。
【００１３】
ＤＭＤ１７は略平板状の素子であり、透明基板上に極めて多数の微小なミラー素子が一平面（ＤＭＤ面）内で規則的に配列されたミラー面を備えてなる。各ミラー素子は矩形形状をなすアルミニウムの鏡であって、反射方向を各々独立して２方向（挟角約２０゜または２４゜）に切り替え得るように構成されている。各ミラー素子は画像の各画素と対応し、各ミラー素子に入力される画像信号のＯＮ／ＯＦＦ制御に応じて回転角の互いに異なる２つの状態のうちいずれかの状態をとることにより、照明光を第１と第２の方向のうちいずれかの方向に択一的に反射する。照明光学系からの照明光のうち、各ミラー素子に入力された画像信号の制御により一方の方向（ここでは第１の方向とする）に反射された光束は、画像情報が担持された投映光として投映光学系１９を介し所定の投映面上に投写される。なお、第２の方向に反射された光束はいわば不要光であって、例えば対向するプリズムの側面から外方に射出され、図示されない光吸収板等により熱に変換されて放出される。
【００１４】
この投写型画像表示装置には、ＤＭＤ１７と投映光学系１９との間に、ＤＭＤ１７の各ミラー素子により第１の方向に反射された投映光を透過させる検光子１８が配置されている。この検光子１８は所定の偏光成分のみを透過する部材とされている。
【００１５】
前述のとおり照明光学系からＤＭＤ１７に対しては偏光方向が揃えられた照明光が出射されている。投映光はＤＭＤ１７の各ミラー素子によって反射されたものであるが、このとき偏光方向は一定なままであるので、検光子１８がこの偏光成分のみを透過するものとされていれば、これを透過し投映光学系１９を介してスクリーン１０に到達し得る。他方、ＤＭＤ１７の各ミラー素子の隙間から入り込んだ光が下部構造部分で反射して各ミラー素子の隙間から外に漏れてくる光や、各ミラー素子を支持するための支持穴からの反射光などの光、すなわち散乱光は、不規則な面で反射され偏光方向がランダムになっている。したがって、殆どの散乱光は所定の偏光成分のみを透過する検光子１８によって遮断される。
【００１６】
すなわち本発明は、ＤＭＤ１７からの散乱光がランダムな偏光方向を有する光であることに着目し、検光子１８を用いてこれを遮光するものである。これにより、殆どの散乱光が遮光されるので、ＯＦＦ状態のミラー素子に対応するスクリーン上の位置に到達する散乱光は激減し、黒に相当する部分はより暗くでき、スクリーン上で良好なコントラスト比を得ることができる。また、本発明は、偏光状態に基づいて投映光と殆どの散乱光とを分離することができるので、絞り部材によりコントラスト比向上を図る場合に比べ有用な投映光までも遮光するということがなく、光利用効率の高い明るい投写型画像表示装置とすることができる。また、本発明の装置によれば、必ずしも照明光学系や投映光学系内に絞りを配する必要がなく、空間的な設計自由度が高い。
【００１７】
なお、散乱光はランダムな偏光方向を有する光であるので、そのうちのごく僅かの光量は検光子１８を透過しスクリーンに到達し得るが、散乱光低減効果は実用上十分であり、光利用効率の高い本発明の有用性は明らかである。
【００１８】
＜実施例１＞
図１は本実施例に係る投写型画像表示装置の概略構成図である。この装置は、光源部１１と、インテグレータ光学系１２と、偏光変換部１３と、一対のコンデンサレンズ１４ａ、１４ｂと、全反射プリズム１５と、色分解／合成プリズム１６と、ＤＭＤ１７Ｇ、１７Ｂ、１７Ｒと、検光子１８と、複数のレンズよりなる投映光学系１９とを備えている。光源部１１とインテグレータ光学系１２と偏光変換部１３とにより照明光学系が構成される。
【００１９】
光源部１１は、放物面リフレクタと、その焦点位置に配置された光源ランプ（光源位置を△印により示している）を備えており、光源ランプからのランダムな偏光を持った照明光（白色光）を放物面リフレクタにより反射して、略平行光として前方に出射する。この照明光は、一対のフライアイレンズ１２ａ、１２ｂよりなるインテグレータ光学系１２によって、光束断面内における光量分布の均一化を図られる。フライアイレンズ１２ａ、１２ｂは、透明基板上に、矩形状に設けられた複数の凸レンズを配列してなる。フライアイレンズ１２ａ、１２ｂの各凸レンズは、対応する面が対向し、光源ランプからの光束が効率よくかつ均一となって後段の偏光変換部１３に照射される位置に配置されている。光源部側フライアイレンズ１２ａに入射した光は、各凸レンズの集光作用により光軸Ｘと垂直な平面内に凸レンズの数と同数の光源の像を形成し、ＤＭＤ側フライアイレンズ１２ｂは、この光源の像の近傍に配置される。そして、フライアイレンズアレイ１２ｂにより集光された光は、隣接する偏光変換部１３に入射される。
【００２０】
偏光変換部１３は、光源部１１からの照明光を所定の直線偏光に変換するもので、詳細には図示しないが、内部に偏光分離膜と反射膜とが交互に形成された偏光ビームスプリッタアレイと、この偏光ビームスプリッタアレイの光出射面側にストライプ状に配設された複数のλ／２位相膜とからなる、櫛形偏光変換素子である。照明光は偏光分離膜により偏光方向の異なるＰ偏光とＳ偏光の２種類の偏光に分離される。一方の偏光は偏光分離膜を透過し出射される。他方の偏光は偏光分離膜および隣接する反射膜で反射されて、λ／２位相膜を通過する際に、偏光分離膜を直進透過した光と略一致する偏光方向に変換されて、出射される。ここでは例として、偏光変換部１３はＳ偏光に揃えられた照明光を出射するものとする。
【００２１】
偏光変換部１３から、すなわち照明光学系からは、偏光方向が揃えられた照明光が出射される。照明光は、一対のコンデンサレンズ１４ａ、１４ｂにより集束され、全反射プリズム１５、および色分解／合成プリズム１６を介して３原色に対応したＤＭＤ１７Ｇ、１７Ｂ、１７Ｒに入射される。なお図１においては、図の繁雑を避けるためＤＭＤ１７Ｇのみを代表として記載している。
【００２２】
全反射プリズム１５は、照明光を各ＤＭＤ１７Ｇ、１７Ｂ、１７Ｒに入射させるとともに各ＤＭＤ１７Ｇ、１７Ｂ、１７Ｒにより所定の方向に反射された投映光を投映光学系１９に導く光束分離手段である。全反射プリズム１５は２つのプリズムよりなり、接合面に設けられたエアギャップが全反射面として作用する。全反射プリズム１５に入射した照明光は、全反射面により全反射されて、ＤＭＤ１７Ｇ、１７Ｂ、１７Ｒに照射される。
【００２３】
色分解／合成プリズム１６は、３つのプリズムよりなるフィリップスプリズムである。図２はこの色分解／合成プリズム１６およびその周辺部分を、図１の矢印Ａ方向から見た図である。図示のとおり、各プリズムの光射出面と対向する位置には、３原色に対応したＤＭＤ１７Ｇ、１７Ｂ、１７Ｒが、それぞれ配置されている。プリズムとプリズムとの境界に位置する２つの反射プリズム面には、所定の色光を含む波長域の光のみを反射し、それ以外の色光を含む波長域の光は透過するダイクロイック膜が形成されている。色分解／合成プリズム１６に入射した照明光は、青色、次に赤色を含む波長域の光が反射プリズム面において順に反射されて分離され、各々対応するＤＭＤ１７Ｂ、１７Ｒに照射される。緑色を含む波長域の光はこれらの反射プリズム面を透過し、対応するＤＭＤ１７Ｇに照射される。
【００２４】
そして、各ＤＭＤ１７Ｇ、１７Ｂ、１７Ｒにおいて各色光に対応する画像情報を担持した投映光が反射され、これらの投映光が上記色分解過程を逆行して合成され、再び全反射プリズム１５に入射する。投映光は全反射プリズム１５の全反射面に対し臨界角より小さい入射角で入射されるので、この面を透過する。
【００２５】
全反射プリズム１５から投映光学系１９に至る光路上には、Ｓ偏光を透過させる検光子１８が配置されている。投映光は、ＤＭＤ１７の各ミラー素子によって所定の方向に反射された光であり、偏光方向はＳ偏光のままとされているので、検光子１８を透過して投映光学系１９に入射され、スクリーン１０上にフルカラー画像を拡大投映する。しかし、ＤＭＤ１７で反射された散乱光はランダムな偏光となっているので、その殆どが検光子１８によって遮断され、スクリーン１０に到達することはない。このように本実施例によれば、投映画像において良好なコントラスト比を得ることができる。
【００２６】
＜実施例２＞
図３は本実施例に係る投写型画像表示装置の概略構成図である。この装置は、偏光変換機能付ロッドインテグレータ２３と時分割面順次色分解手段であるカラーホイール２６とを備えており、これが実施例１の装置との主な相違点である。
【００２７】
実施例１と同様の光源部２１は、ランダムな偏光を持った照明光（白色光）を略平行光として前方に出射する。照明光はコンデンサレンズ２２によって集束され、その焦点位置近傍に入射端が位置するように配された偏光変換機能付ロッドインテグレータ２３に入射される。光源部２１とコンデンサレンズ２２と偏光変換機能付ロッドインテグレータ２３とにより照明光学系が構成される。また、偏光変換機能付ロッドインテグレータ２３の入射端近傍には、照明光をＲ、Ｇ、Ｂの３色に時系列的に色分解するカラーホイール２６が配置されている。
【００２８】
ここで、偏光変換機能付ロッドインテグレータ２３は、光源部２１からの光束を所定の直線偏光に変換するとともにこの光束の光束断面内における光量分布を均一化させるロッドインテグレータであって、例えば、偏光リカバリパイプ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｉｐｅｓ（米国ＯＣＬＩ社））が知られている。偏光リカバリパイプは、図４に示すとおり、中実のガラスロッド３１、ロッド入射端側に配された開口板３２、ならびにロッド出射端側にこの順に配された１／４波長位相差板３３および反射型偏光板３４よりなる。なお、図４は偏光リカバリパイプの作用を説明するための模式図であって、ロッド内部での反射の様子は実際とは異なる。
【００２９】
開口板３２の開口を介しガラスロッド３１に入射したランダムな偏光状態の光束は、ロッド３１の内壁面において複数回全反射されて出射端に至り、出射端において光束密度が略均一化された光束とされる。ロッド出射端側に配された反射型偏光板３４は、所定の偏光を仮にＰ偏光とすると、このＰ偏光を反射しＳ偏光を透過するものとされているので、この偏光板３４を透過し偏光リカバリパイプから出射される光束はＳ偏光とされる。ロッド出射端で偏光板３４に入射した光束のうち、Ｐ偏光は偏光板３４により反射されてロッド３１に戻されるが、さらにロッド３１の内壁面および開口板３２のガラスロッド側の面に施された反射コート３５において複数回反射され、再び偏光板３４に入射する際には１／４波長位相差板３３を２度通過することによりＳ偏光に変換されているので、偏光板３４を透過し偏光リカバリパイプから出射される。このようにして、偏光変換機能付ロッドインテグレータ２３の出射端において、照明光は光束密度が略均一化された単一偏光とされる。
【００３０】
照明光学系から出射された偏光方向が揃えられた照明光は、偏光変換機能付ロッドインテグレータ２３の出射端とＤＭＤ２７の素子面を互いに結像関係（共役関係）とする一対のコンデンサレンズ２４ａ、２４ｂ、および全反射プリズム２５を介してＤＭＤ２７に入射される。この全反射プリズム２５は、実施例１と同様に内部の全反射面の作用により照明光と投映光とを分離するもので、入射された照明光はこの全反射面により全反射されてＤＭＤ２７に入射する。そして、ＤＭＤ２７で光変調された投映光は、この全反射面を透過して全反射プリズム２５から出射される。
【００３１】
全反射プリズム２５から投映光学系２９に至る光路上には、実施例１と同様に、Ｓ偏光を透過させる検光子２８が配置されている。投映光は、ＤＭＤ２７の各ミラー素子によって所定の方向に反射された光であり、偏光方向はＳ偏光のままとされているので、検光子２８を透過して投映光学系２９に入射され、スクリーン２０上にフルカラー画像を拡大投映する。しかし、ＤＭＤ２７で反射された散乱光はランダムな偏光となっているので、その殆どが検光子２８によって遮断され、スクリーン２０に到達することはない。このように本実施例によれば、投映画像において良好なコントラスト比を得ることができる。
【００３２】
なお、本発明の投写型画像表示装置としては上記実施例のものに限られず、種々の態様の変更が可能である。例えば、検光子の特性としては、どのような偏光状態の光を透過させるものとするかは任意である。照明光学系から出射される照明光の偏光方向に対応していればよく、照明光としてはＳ偏光、Ｐ偏光のいずれが出射されるものとされていてもよい。
【００３３】
また、本発明の投写型画像表示装置としては、照明光学系として、上記以外の光束密度均一化手段や偏光変換手段を用いることができる。例えば、インテグレータとしては、従来よく知られたガラス製の中実な棒状ロッドプリズムや、内面を反射コートにより鏡面とした中空プリズムや、棒状ロッドプリズムを光束入射側に配置しその光束出射側に中空プリズムを配置して両者を組み合わせた、いわゆるハイブリッド型のインテグレータを用いることができる。また、これらのインテグレータに対応させた偏光変換手段を用いることができる。
【００３４】
また、本発明の投写型画像表示装置は必ずしもカラー画像表示装置に限られず、モノクロ画像表示装置とされていてもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る投写型画像表示装置によれば、偏光方向が揃えられた照明光をＤＭＤに照射し、所定の偏光成分のみを透過する検光子を用いて偏光方向がランダムとなる散乱光を殆ど遮光することにより、投映光の光量を低減させることなく投写画像のコントラスト比の高い投写型画像表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る投写型画像表示装置の概略構成図
【図２】図１に示す装置の部分側面図
【図３】本発明の実施例２に係る投写型画像表示装置の概略構成図
【図４】偏光リカバリパイプの概略構成図
【図５】従来の画像表示装置の概略構成図
【符号の説明】
１０、２０、１０８    スクリーン
１１、２１、１０１    光源部
１２    インテグレータ光学系
１２ａ、１２ｂ    フライアイレンズ
１３    偏光変換部
１４ａ、１４ｂ、２２、２４ａ、２４ｂ    コンデンサレンズ
１５、２５、１０４    全反射プリズム
１６    色分解／合成プリズム
１７Ｇ、１７Ｂ、１７Ｒ、２７、１０５    ＤＭＤ
１８、２８    検光子
１９、２９、１０６    投映光学系
２３    偏光変換機能付ロッドインテグレータ
２６    カラーホイール
３１    ガラスロッド
３２    開口板
３３    １／４波長位相差板
３４    反射型偏光板
３５    反射コート
１０２    照明光学系
１０３    照明系絞り
１０７    投映系絞り
【図１】
2004239954.tif 000003
【図２】
2004239954.tif 000004
【図３】
2004239954.tif 000005
【図４】
2004239954.tif 000006
【図５】
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