JP2005352080A - プロジェクタ用全反射プリズム - Google Patents

Abstract

【課題】 全反射プリズムの稜線部を反射したオフ光により投映画像のコントラストが低下することを防止する。
【解決手段】 全反射プリズム１４は、第１プリズム２５と第２プリズム２６の２つの三角柱形状のプリズムからなる。第１プリズム２５は、照明光入射面２５ａと、全反射面２５ｂと、パネル基準面２５ｃとを有する。第２プリズム２６は、第１プリズム２５から画像光が入射する画像光入射面２６ａと、画像光が出射する画像光出射面２６ｂと、側端面２６ｃとを有する。画像光出射面２６ｂと側端面２６ｃとの間にはシャープエッジの稜線部３０が形成されているため、稜線部３０によって反射されてスクリーンに映り込むオフ光の光量は、オン光の光量に対して極めて小さくなり、投映画像の品位に影響を与えることがなくなる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、画像表示パネルとしてデジタルマイクロミラーデバイスを用いてスクリーンに画像を投映するプロジェクタに好適な全反射プリズムに関する。

画像表示パネルとしてデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を備えた反射型プロジェクタが注目されている。ＤＭＤは、マトリクス状に配列された多数のマイクロミラーが設けられ、各マイクロミラーの傾きを制御信号に基づいてオン位置とオフ位置とに切り替える。オン位置のマイクロミラーに入射した光（オン光）は投映光学系に向かって反射され、オフ位置のマイクロミラーに入射した光（オフ光）は投映光学系の外部に向かって反射される。ＤＭＤでは、各マイクロミラーを反射したオン光が画像の１画素を再現し、マイクロミラーがオン位置に留まる時間によって１画素の明るさが決定される。

１枚のＤＭＤを用いて画像を形成する単板式のプロジェクタでは、ＤＭＤに対して効率よく照明光を導き、ＤＭＤによって変調された画像光を投映光学系に対して適切に入射させるために全反射プリズムが用いられている。全反射プリズムは、例えば、２つの三角プリズムによって構成されている（特許文献１参照）。全反射プリズムに入射した照明光は、その内部でＤＭＤに向かって全反射され、ＤＭＤを照明する。ＤＭＤの空間光変調作用によって、照明光は画素数分のオン光からなる画像光に変調される。画像光は、全反射プリズムを出射して投映光学系に入射し、投映光学系により結像された画像光はスクリーン上に拡大投映される。

従来の全反射プリズムは、ＤＭＤから出射されるオフ光の一部が全反射プリズムの側端面で内部反射して迷光となり、投映画像にゴーストを発生させることがあった。このため、全反射プリズムの表面には反射防止膜がコーティングされ、迷光の発生を抑えることが一般に行われる。また、特許文献１に記載された全反射プリズムは、迷光の発生要因となる側端面をオフ光の進路と平行にし、オフ光による迷光の発生を防いでいる。

特開２００２−６２５７号公報

しかしながら、高い面精度が求められるプリズム部品には、欠損から保護する目的で各稜線部に面取り処理が施される。全反射プリズムには、オフ光の通過領域内に稜線部があるため、この稜線部でオフ光が内部反射を起こして迷光となり、投映画像にゴーストを発生させるという問題がある。また、特許文献１に記載された全反射プリズムは、オフ光の通過領域から稜線部を退避させることができるが、プリズムが大型化しているために光学系のコンパクトさが損なわれ、製造コストが上昇するという欠点を有している。

本発明は、上記問題点を考慮してなされたもので、プリズムの大型化を伴うことなく、オフ光が稜線部を反射することによる迷光の発生を抑えた全反射プリズムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のプロジェクタ用全反射プリズムは、照明光が入射する照明光入射面と、入射した照明光をその内面で全反射させる全反射面と、照明光を画像光に変調する画像表示パネルと平行であり、前記全反射面で全反射された照明光及び画像表示パネルからの画像光が透過するパネル基準面とを有する第１プリズムと、前記全反射面と平行であり、前記第１プリズムから画像光が入射する画像光入射面と、前記パネル基準面と平行であり、前記画像光が出射する画像光出射面と、前記画像光出射面との間に、前記画像表示パネルで反射されたオフ光を透過する稜線部がシャープエッジに形成されている側端面とを有する第２プリズムとからなることを特徴とする。なお、シャープエッジは、稜線部を介して互いに隣接する２つの光学面を研磨して形成されるエッジであり、金型成形等による稜線部の丸みや凹凸等が除去された状態を表す。

また、前記第２プリズムは画像光入射面と側端面との間の頂角がほぼ直角であることを特徴とする。前記第１及び第２のプリズムが三角プリズムからなることを特徴とする。前記第１プリズムの全反射面と前記第２プリズムの画像光入射面との間にはエアギャップが設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、オフ光の通過領域内に存在する稜線部をシャープエッジとしているから、稜線部を反射して迷光となるオフ光が発生せず、投映画像に映り込むゴーストの影響がなくなり、画像のコントラストを良好にすることができる。また、プリズムのサイズを大きくする必要がないから、光学系のコンパクトさが保たれるとともに製造コストの増加を防止できる。

図１において、プロジェクタ１０には、光源装置１１、カラーホイール１２、照明光学系１３、全反射プリズム１４、ＤＭＤ１５、投映光学系１６が設けられている。光源装置１１は、高輝度の白色光を放射する光源１８とリフレクタ１９とからなる。カラーホイール１２は、基板となる円盤上に赤色光、緑色光、青色光のみを透過する各カラーフィルタが円周方向に所定の間隔で配置されたものである。カラーホイール１２が回転することで光源１８からの白色光は所定時間単位で色分離され、照明光学系１３に入射する。

照明光学系１３は、ロッドインテグレータ２０とリレーレンズ２１とからなる。ロッドインテレグレータ２０は、例えば四角柱状に形成されたガラスからなり、カラーホイール１２を透過した光が入射する。ロッドインテグレータ２０に入射した光は、その内部で複数回の全反射が行われ、均一な明るさの照明光になり、ロッドインテグレータ２０を出射する。ロッドインテグレータ２０を出射した照明光は、リレーレンズ２１を介して全反射プリズム１４に入射する。

全反射プリズム１４に入射した照明光はＤＭＤ１５に入射する。ＤＭＤ１５は、周知のように、照明光を反射する多数のマイクロミラー１５ａが設けられ、照明光を画素ごとに変調して画像情報を有する画像光に変調する。全反射プリズム１４は、ＤＭＤ１５に照明光を導くとともに、ＤＭＤ１５からの画像光を投映光学系１６に出射する。投映光学系１６は、画像光をスクリーン２３上に結像させ、画像を拡大投映する。

図２において、全反射プリズム１４は、第１プリズム２５と第２プリズム２６の２つの三角プリズムによって構成されている。第１プリズム２５は、リレーレンズ２１から照明光が入射する照明光入射面２５ａと、照明光入射面２５ａからの照明光が臨界角を満たす角度で入射することによって照明光を全反射する全反射面２５ｂと、画像表示パネルであるＤＭＤ１５と平行なパネル基準面２５ｃの３つの平面を有する。照明光入射面２５ａは、照明光学系１３の光軸１３ａに対して垂直であり、照明光が垂直に入射する。全反射面２５ｂは、照明光入射面２５ａを通過した照明光が臨界角よりも大きい角度で入射するように所定の傾斜角度が確保されている。パネル基準面２５ｃは、全反射面２５ｂを全反射した照明光が透過するとともに、ＤＭＤ１５からの画像光を透過する。

第２プリズム２６は、第１プリズム２５からの画像光が入射する画像光入射面２６ａと、入射した画像光を投映光学系１６に向かって出射する画像光出射面２６ｂと、画像光の光路外にある側端面２６ｃの３つの面を有している。画像光入射面２６ａは、全反射面２５ｂと平行に向かい合っている。全反射面２５ｂと画像光入射面２６ａとの間にはエアギャップ２８が設けられている。エアギャップ２８は、第１プリズム２５の内部と外部との屈折率差を大きくし、第１プリズム２５に入射した照明光が全反射面２５で全反射する効率を高める作用をする。画像光出射面２６ｂは、第１プリズム２５のパネル基準面２５ｃと平行であり、画像光が全反射プリズム１４を透過することによる収差の発生を防ぐ。また、画像光出射面２６ｂは、投映光学系１６の光軸１６ａに垂直である。

第２プリズム２６の側端面２６ｃは、画像光出射面２６ｂとの頂角がほぼ直角になっている。画像光出射面２６ｂと側端面２６ｃと間には、シャープエッジとされた稜線部３０が形成されている。稜線部３０は、第２プリズム２６をガラス材料から成形した直後の丸みのある状態から、画像出射面２６ｂと側端面２６とをそれぞれ平面研磨することにより一方の研磨面が他方の研磨面に達して形成される交線である。側端面２６ｃは、画像光の光路外にある面であるが、画像光に変調する際に生じるオフ光の光路内にある。なお、第２プリズム２６の画像光出射面２６ｂと側端面２６ｃにはオフ光が通過する領域に反射防止膜が設けられ、オフ光が各面で内面反射して第２プリズム２６の内部で迷光となることが抑制される。

次に、プロジェクタ１０の作用について説明する。光源装置１１からは白色の光源光が発せられる。光源光は、カラーホイール１２によって時分割式に色分離され、色分離された各色光が照明光学系１３に入射する。照明光学系１３は、スクリーン２３に投映される画像の明るさに偏りが発生しないように、色分離された光源光を光量分布の均一な照明光に変換する。照明光学系１３を出射した照明光は全反射プリズム１４に入射する。

照明光は、第１プリズム２５の照明光入射面２５ａから入射し、全反射面２５ｂによって全反射され、パネル基準面２５ｃを出射してＤＭＤ１５に入射する。ＤＭＤ１５からは、オン光とオフ光とが出射される。画像光であるオン光は、パネル基準面２５ｃと垂直に第１プリズム２５に入射し、全反射面２５ｂ及びエアギャップ２８を透過して画像光入射面２６ａから第２プリズム２６に入射する。オン光は、画像光出射面２６ｂから第２プリズム２６を出射し、投映光学系１６に入射する。

図３（ａ）において、ＤＭＤ１５から出射したオフ光は、オン光に対して所定角度傾斜した方向に進行する。オフ光は、パネル基準面２５ｃから第１プリズム２５に入射し、全反射面２５ｂ及びエアギャップ２８を透過して画像光入射面２６ａから第２プリズム２６に入射する。第２プリズム２６に入射したオフ光は、画像光出射面２６ｂと側端面２６ｃとを含む領域内を通過するため、一部のオフ光は稜線部３０に達する。稜線部３０に達したオフ光は、その一部が稜線部３０を透過して第２プリズム２６から出射され、残りの一部が稜線部３０で反射されて迷光となる。シャープエッジである稜線部３０の面積は非常に小さいため、稜線部３０で反射されるオフ光の光量は小さい。稜線部３０で反射されたオフ光は、第２プリズム２６の画像光入射面２６ａで反射され、画像光出射面２６ｂから投映光学系１６に入射するが、その光量は画像光の光量に比べて極めて小さく、スクリーン２３に形成される画像の品質に影響を与えるものとはならない。

一方、図３（ｂ）に比較例として示す全反射プリズム３５は、画像光出射面２６ｂと側端面２６ｃとの間に斜め４５度の平坦な面取り処理がなされた稜線部３６を有する第２プリズム３７が設けられている。全反射プリズム３５においても、ＤＭＤ１５を出射して稜線部３６に入射したオフ光の一部が稜線部３６の内面で反射されて迷光となる。稜線部３６を反射したオフ光は、第２プリズム３７の画像光入射面２６ａを反射し、画像光出射面２６ｂから出射して投映光学系１６に入射する。しかし、全反射プリズム１４と異なり、稜線部３６は面取りされているため、稜線部３６の面積の大きさに応じて投映光学系１６に入射する迷光の発生量が大きくなる。したがって、全反射プリズム３５では、光量の大きい迷光が画像光と重なることにより、スクリーン２３上の投映画像のコントラストを低下させる要因となってしまう。

このように、全反射プリズム１４では、画像光出射面２６ｂと側端面２７ｃの稜線部３０がシャープエッジに形成されているから、稜線部３０を反射するオフ光の光量は極めて小さく、オン光とともにスクリーンに映り込む迷光の発生を抑えることができる。なお、本発明の全反射プリズムは、ＤＭＤからのオフ光が通過する領域の外に位置する稜線部には面取り処理が施されていてもよく、全ての稜線部をシャープエッジにする必要はない。また、２つの三角プリズムを組み合わせて全反射プリズムを構成することに限られず、その他の多角柱形状のプリズムから構成してもよい。また、第２プリズム２６は、例えば、１つのプリズムではなく複数のプリズムを組み合わせて多角柱状にしたものであってもよい。

プロジェクタの概略構成図である。 全反射プリズムの構成図である。 本発明と比較例の作用の違いを示す説明図である。

符号の説明

１０ プロジェクタ
１１ 光源装置
１４，３５ 全反射プリズム
１５ ＤＭＤ
１６ 投映光学系
２５ 第１プリズム
２５ａ 照明光入射面
２５ｂ 全反射面
２５ｃ パネル基準面
２６，３７ 第２プリズム
２６ａ 画像光入射面
２６ｂ，画像光出射面
２６ｃ，側端面
３０，３６ 稜線部

Claims (4)

1. 照明光が入射する照明光入射面と、入射した照明光をその内面で全反射させる全反射面と、照明光を画像光に変調するデジタルマイクロミラーデバイスからなる画像表示パネルと平行であり、前記全反射面で全反射された照明光及び画像表示パネルからの画像光が透過するパネル基準面とを有する第１プリズムと、
   前記全反射面と平行であり、前記第１プリズムから画像光が入射する画像光入射面と、前記パネル基準面と平行であり、前記画像光が出射する画像光出射面と、前記画像光出射面との間に前記画像表示パネルで反射されたオフ光を透過する稜線部がシャープエッジに形成されている側端面とを有する第２プリズムとが設けられていることを特徴とするプロジェクタ用全反射プリズム。
2. 前記第２プリズムの画像光出射面と側端面との頂角がほぼ直角であることを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ用全反射プリズム。
3. 前記第１及び第２のプリズムが三角プリズムからなることを特徴とする請求項１又は２に記載のプロジェクタ用全反射プリズム。
4. 前記第１プリズムの全反射面と前記第２プリズムの画像光入射面との間にはエアギャップが設けられていることを特徴とする請求項１ないし３にいずれか１つ記載のプロジェクタ用全反射プリズム。

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