JP2004029043A - 投写型表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造コストの上昇を伴うことなく、簡単な構成で、照明光束の利用効率を向上する投写型表示装置を提供する。
【解決手段】投写型表示装置は、反射型ライトバルブであるＤＭＤ素子２と、このＤＭＤ素子２を照明する照明光学系１と、照明光学系１により照明されたＤＭＤ素子２の画像をスクリーンに投写する投写光学系３とを備えている。照明光学系１は、光源３と、集光レンズ群６と、光強度均一化素子と、第１及び第２ミラー８，９とを備えている。第２のミラー９は、投写光学系３の鏡筒３ｃの下側に隣接して設けられ、その反射面９ｂの法線９ａは、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの法線２ａに対して所定の角度θをなしている。第１ミラー８は、光強度均一化素子７からの入射光束を、第２ミラー９に向けて反射するようになっている。
【選択図】 図１
【解決手段】投写型表示装置は、反射型ライトバルブであるＤＭＤ素子２と、このＤＭＤ素子２を照明する照明光学系１と、照明光学系１により照明されたＤＭＤ素子２の画像をスクリーンに投写する投写光学系３とを備えている。照明光学系１は、光源３と、集光レンズ群６と、光強度均一化素子と、第１及び第２ミラー８，９とを備えている。第２のミラー９は、投写光学系３の鏡筒３ｃの下側に隣接して設けられ、その反射面９ｂの法線９ａは、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの法線２ａに対して所定の角度θをなしている。第１ミラー８は、光強度均一化素子７からの入射光束を、第２ミラー９に向けて反射するようになっている。
【選択図】 図１
Description
【特許請求の範囲】
【請求項１】光源を含む照明光学系と、
前記照明光学系によって照明される被照射面をなすよう同一面上に配列された複数のマイクロミラーを有し、各マイクロミラーの傾角を変化させることにより照明光束の反射角度を変化させて画像を形成する反射型ライトバルブと、
前記反射型ライトバルブにより形成された画像を投写する投写光学系と、
を備え、
前記照明光学系が、
前記光源から射出された光束を集光させる集光レンズ群と、
前記集光レンズ群から射出された光束の当該光束断面内における強度分布を均一化する光強度均一化素子と、
前記光強度均一化素子から射出された光束の進行方向に配置された第１ミラーと、
前記投写光学系に隣接して配置された第２ミラーと、
をさらに備え、
前記第１ミラーが、前記光強度均一化素子からの光束を前記第２ミラーに向けて反射し、前記第２ミラーが、前記第１ミラーからの光束を前記反射型ライトバルブに向けて反射し、
前記反射型ライトバルブの各マイクロミラーが前記照明光束を前記投射光学系に向けて反射するときの各マイクロミラーの前記被照射面に対する傾角をαとすると、前記被照射面の法線と、前記第２ミラーの反射面の中心を通る法線とのなす角θが、
１．１５×α≦θ≦１．２７×α
の範囲にあることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項２】前記第２ミラーが、前記投写光学系の鏡筒に対し、前記照明光学系の光軸及び前記投写光学系の光軸の双方に略垂直な方向にずれた位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
【請求項３】前記光強度均一化素子から前記第１ミラーまでの光束の進行方向と、前記反射型ライトバルブから前記投写光学系までの光束の進行方向とが、上面視で略直交していることを特徴とする請求項１又は２に記載の投写型表示装置。
【請求項４】前記第１ミラーの反射面が円筒凹面であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の投写型表示装置。
【請求項５】前記第１ミラーの反射面が平面であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の投写型表示装置。
【請求項６】前記第１ミラーの反射面が凹状の非球面であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の投写型表示装置。
【請求項７】前記第２ミラーの反射面が凹状の球面であることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の投写型表示装置。
【請求項８】前記第２ミラーの反射面が凹状の非球面であることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の投写型表示装置。
【請求項９】前記光強度均一化素子は、複数のレンズ要素を平面的に配列したレンズアレイであることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の投写型表示装置。
【請求項１０】前記光強度均一化素子は、透明材料よりなる四角柱状の部材であり、内部で光束を反射するよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の投写型表示装置。
【請求項１１】前記光強度均一化素子は、管状部材であって、その内面で光束を反射するよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の投写型表示装置。
【請求項１２】前記光源と前記集光レンズ群との間に、回転カラーフィルタを配置したことを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載の投写型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、スクリーン上に画像を投写する投写型表示装置に関し、より詳細には、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏ―ｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ：以下、ＤＭＤと略する。）や反射型液晶表示素子等により構成された反射型ライトバルブを用いた投写型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、特開平１０−３０１０５７号公報等に開示された従来の投写型表示装置の基本構成を示す図である。図７に示す従来の投写型表示装置は、反射型の液晶表示素子９５と、この液晶表示素子９５を照明する照明光学系９０と、照明光学系９０により照明された液晶表示素子９５の画像をスクリーン（図示せず）に投写する投写光学系９６とを備えている。照明光学系９０は、光源ランプ９１と、この光源ランプ９１の周囲に設けられた反射鏡９２と、光束の強度分布を均一化するプリズム９３とを有している。液晶表示素子９５の表面には、入射光束及び反射光束を略平行光束にするためのコリメータレンズ９４が取り付けられている。光源ランプ９１から射出された光束は、楕円面鏡９２、プリズム９３及びコリメータレンズ９４を介して液晶表示素子９５に入射する。液晶表示素子９５において反射した光束は、投写光学系９６を通過して、図示しないスクリーンに照射される。
【０００３】
照明光束を有効利用する（すなわち、より少ないエネルギー消費量でスクリーンへの照射光量を増加させる）ためには、投写光学系９６への入射光束は、投写光学系９６の光軸９９にできるだけ平行に入射することが好ましい。そのためには、照明光学系９０からの射出光束（照明光束）は、液晶表示素子９５の被照明面に対して直角に近い角度で入射することが好ましい。そのため、従来より、光源ランプ９１は、投写光学系９６に近接して配置されている。また、光源ランプ９１の周囲の楕円面鏡９２と鏡筒９７との物理的な干渉を回避するため、投写光学系９６の鏡筒９７の一部９８を切り欠いている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の投写型表示装置では、投写光学系９６の鏡筒９７の一部９８を切り欠いている構成のため、光源ランプ９０から射出された光束の一部が鏡筒９７に遮られてしまい、照明光束の利用効率が低下するという問題があった。
【０００５】
また、上述したように光源ランプ９１を投写光学系９６に近接配置する代わりに、ＴＩＲ（全反射）プリズムもしくはＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）プリズムを用いることも考えられるが、これらＴＩＲプリズム及びＰＢＳプリズムは高価であることから、装置の製造コストが上昇するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、製造コストの上昇を伴うことなく、簡単な構成で、照明光束の利用効率を向上する投写型表示装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る投写型表示装置は、光源を含む照明光学系と、前記照明光学系によって照明される被照射面をなすよう同一面上に配列された複数のマイクロミラーを有し、各マイクロミラーの傾角を変化させることにより照明光束の反射角度を変化させ、画像を形成する反射型ライトバルブと、前記反射型ライトバルブにより形成された画像を投写する投写光学系とを備えて構成されている。前記照明光学系は、前記光源から射出された光束を集光させる集光レンズ群と、前記集光レンズ群から射出された光束の当該光束断面内における強度分布を均一化する光強度均一化素子と、前記光強度均一化素子から射出された光束の進行方向に配置された第１ミラーと、前記投写光学系に隣接して配置された第２ミラーとを備えている。前記第１ミラーは、前記光強度均一化素子からの光束を前記第２ミラーに向けて反射し、前記第２ミラーは、前記第１ミラーからの光束を前記反射型ライトバルブに向けて反射する。前記反射型ライトバルブの各マイクロミラーが前記照明光束を前記投射光学系に向けて反射するときの各マイクロミラーの前記被照射面に対する傾角をαとすると、前記被照射面の法線と、前記第２ミラーの反射面の中心を通る法線とのなす角θは、１．１５×α≦θ≦１．２７×αの範囲にある。
【０００８】
請求項２に係る投写型表示装置は、前記第２ミラーを、前記投写光学系の鏡筒に対し、前記照明光学系の光軸及び前記投写光学系の光軸の双方に略垂直な方向にずれた位置に配置したものである。
【０００９】
請求項３に係る投写型表示装置は、前記光強度均一化素子から前記第１ミラーまでの光束の進行方向と、前記反射型ライトバルブから前記投写光学系までの光束の進行方向とが、上面視で直交するようにしたものである。
【００１０】
請求項４に係る投写型表示装置は、前記第１ミラーの反射面を円筒凹面としたものである。
【００１１】
また、請求項５に係る投写型表示装置は、前記第１ミラーの反射面を平面としたものである。
【００１２】
また、請求項６に係る投写型表示装置は、前記第１ミラーの反射面を凹状の非球面としたものである。
【００１３】
また、請求項７に係る投写型表示装置は、前記第２ミラーの反射面を凹状の球面としたものである。
【００１４】
また、請求項８に係る投写型表示装置は、前記第２ミラーの反射面を凹状の非球面としたものである。
【００１５】
また、請求項９に係る投写型表示装置は、前記光強度均一化素子を、複数のレンズ要素を平面的に配列したレンズアレイにより構成したものである。
【００１６】
また、請求項１０に係る投写型表示装置は、前記光強度均一化素子を、透明材料よりなる四角柱状の部材により構成し、その部材の内部で光束を反射する構成したものである。
【００１７】
また、請求項１１に係る投写型表示装置は、前記光強度均一化素子を、管状部材であって、その内面で光束を反射するよう構成したものである。
【００１８】
また、請求項１２に係る投写型表示装置は、前記光源と前記集光レンズ群との間に、回転カラーフィルタを配置したものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る投写型表示装置の基本構成を示す平面図である。なお、この図１に示す投写型表示装置の各構成部品の配置は、投写型表示装置を実際の使用状態において上方から見た配置、すなわち上面視における配置である。投写型表示装置は、反射型ライトバルブとしてのＤＭＤ素子２と、ＤＭＤ素子２を照明する照明光学系１と、照明光学系１により照明されたＤＭＤ素子２の画像を図示しないスクリーンに投写する投写光学系３とを備えている。
【００２０】
照明光学系１は、光源ランプ４と、この光源ランプ４から射出された光束のうち特定の波長帯域の光束を通過させる回転カラーフィルタ５と、回転カラーフィルタ５を通過した光束を集光する集光レンズ群６と、集光レンズ群６を通過した光束の当該光束断面内における強度分布を均一化する光強度均一化素子７と、光強度均一化素子７から射出された光束をＤＭＤ素子２に向けて反射する第１ミラー８及び第２ミラー９とを有している。
【００２１】
光源ランプ４は、例えば白色光を射出する発光体４Ａと、この発光体４Ａの周囲に設けられた楕円面鏡４Ｂとから構成されている。楕円面鏡４Ｂは、楕円の第１中心に対応する第１焦点から射出された光束を反射して、楕円の第２中心に対応する第２焦点に収束させるものである。発光体４Ａは、楕円面鏡４Ｂの第１焦点の近傍に配置されており、この発光体４Ａから射出された光束は、楕円鏡４Ｂの第２焦点の近傍に収束される。楕円鏡４Ｂの第１焦点と第２焦点とを通る軸線により、照明光学系１の光軸１ａが規定される。
【００２２】
なお、光源ランプ４は、図１に示した構成に限られず、例えば楕円面鏡４Ｂに代えて放物面鏡を用いてもよい。この場合には、発光体４Ａから射出された光束を放物面鏡により略平行化したのち、コンデンサレンズにより収束させることができる。
【００２３】
回転カラーフィルタ５は、円板状の部材を例えば扇状に３分割して、それぞれ赤、緑及び青の３つのフィルタ領域としたものである。赤、緑及び青の３つのフィルタ領域は、それぞれ、赤色、緑色及び青色の各波長帯域に対応する光束のみを透過するものである。回転カラーフィルタ５は、上記の光軸１ａと平行な軸線５ａを中心として回転し、それぞれのフィルタ領域が光源ランプ４の光軸１ａ上で且つ楕円面鏡４Ｂの第２焦点の近傍に順に位置するように構成されている。この回転カラーフィルタ５を画像信号に同期して回転させることにより、赤色光、緑色光及び青色光が順に（フィールドシーケンシャルに）反射型ライトバルブ２に照射される。
【００２４】
集光レンズ群６は、上記の光軸１ａに沿って配置された第１集光レンズ６Ａ及び第２集光レンズ６Ｂにより構成されている。第１集光レンズ６Ａは、入射側（すなわち光源ランプ４側）が平面となっており、射出側（すなわち光源ランプ４とは反対の側）が凸面となっている。第２集光レンズ６Ｂは、入射側が凸面となっており、射出側が平面となっている。この集光レンズ群６は、楕円面鏡４Ｂの第２焦点（すなわち、回転カラーフィルタ５の近傍）にて収束された光束を、略平行光束として射出するものである。
【００２５】
光強度均一化素子７は、集光レンズ群６から射出された光束の、当該光束断面内における強度分布を均一化する（すなわち、輝度むらを低減する）ものであり、上記の光軸１ａに沿って配置された第１レンズアレイ７Ａ及び第２レンズアレイ７Ｂから構成されている。第１レンズアレイ７Ａ及び第２レンズアレイ７Ｂは、いずれも、上記の光軸１ａに直交する面内に多数の微小レンズ要素を平面的に配列したものである。第１レンズアレイ７Ａの各レンズ要素は、入射側が凸面となっており、射出側が平面となっている。第２レンズアレイ７Ｂの各レンズ要素は、入射側が平面となっており、射出側が凸面となっている。第１レンズアレイ７Ａは、集光レンズ群６から射出された略平行光束を多数の光束に分割する。第２レンズアレイ７Ｂは、第１レンズアレイ７Ａから入射した多数の分割光束を、ＤＭＤ素子２上で互いに重なり合うように射出する。
【００２６】
図２は、光強度均一化素子７のレンズアレイ７Ａ，７Ｂの各レンズ要素を通過した光束の収束状態を模式的に示す図である。第１ミラー８及び第２ミラー９は、第１レンズアレイ７ＡとＤＭＤ素子２の被照明面２ｂとが光学的に共役な関係になるような反射面（凹面）を有している。すなわち、第１レンズアレイ７Ａに形成される光源の像が、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの近傍に形成されるようになっている。第１レンズアレイ７Ａの各レンズ要素の対角寸法をｈとし、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの対角寸法をＨとすると、第１ミラー８及び第２ミラー９の各凹面は、これらの合成結像倍率ＭがＨ／ｈとほぼ等しくなるように設計されている。
【００２７】
ＤＭＤ素子２は、各画素に対応する可動式のマイクロミラーを多数（例えば数十万個）平面的に配列したものであり、画像情報に応じて各マイクロミラーの傾角（チルト）を変化させるよう構成されている。マイクロミラーの配列された面を基準面とすると、ＤＭＤ素子２は、各マイクロミラーを基準面に対して一定の方向に角度α（例えば１２度）だけ傾けることにより、入射光束を投写光学系３に向けて反射する。ＤＭＤ素子２は、また、各マイクロミラーを基準面に対して反対方向に角度αだけ傾けることにより、入射光束を、投写光学系３から離れた位置に設けられた光吸収板（図示せず）に向けて反射する。一般的なＤＭＤ素子の構成は、文献“Ｌ．Ｈ．Ｈｏｒｎｂｅｃｋ，Ｐｒｏｇ．ＳＰＩＥ，ｖｏｌ．３０１３，ｐｐ．２７―４０１９９７）”に開示されている。なお、反射型ライトバルブとしては、ＤＭＤ素子２の代わりに、例えば反射型液晶表示素子を用いることができる。
【００２８】
図３は、本実施の形態１に係る投写型表示装置を、図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って矢視方向から見た図である。図４は、本実施の形態１に係る投写型表示装置について、図１におけるＩＶ−ＩＶ線に沿って矢視方向から見た図である。ＤＭＤ素子２は、光軸１ａよりも上方に配置されている。投写光学系３は、鏡筒３ｃ内に図示しないレンズ群を配置したものであり、その入射側開口部３ｂがＤＭＤ素子２に略対向している。投写光学系３のレンズ群の光軸３ａは、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの中心を通る法線２ａに対して平行で且つ所定量ずれている。
【００２９】
第１ミラー８は、円筒凹面（図４参照）よりなる反射面８ｂを有しており、その反射面８ｂの中心が照明光学系１の光軸１ａ上に位置している。図１に示すように、第１ミラー８の反射面８ｂの中心を通る法線８ａは、光軸１ａに対して傾斜しており、これにより、当該反射面８ｂは、光強度均一化素子７から入射した光束を第２ミラー９に向けて反射するようになっている。
【００３０】
第２ミラー９は、投写光学系３の下側に隣接して配置されている。第２ミラー９と投写光学系３の鏡筒３ｃとは、図３に円Ａで示したように互いに干渉し合わない範囲で、できるだけ近接するように配置されている。第２ミラー９の向きは、その反射面９ｂの中心を通る法線９ａと、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの中心を通る法線２ａとが所定の角度θをなすように設定されている。このＤＭＤ素子２の反射面９ｂにより反射された光束は、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂにて反射され、投写光学系３の入射側開口部３ｂに入射する。上記の法線２ａ，９ａのなす角度θは、投写光学系３への入射角度が、この投写光学系３の光軸３ａとできるだけ平行に近づくように設定される。この角度θの具体例については、後述する。
【００３１】
なお、図１に示すように、ＤＭＤ素子２から投写光学系３までの光束の進行方向は、光源ランプ４から第１ミラー８までの光束の進行方向に対し、上面視で直交するようになっている。また、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの法線２ａ及び投写光学系３の光軸３ａは、いずれも、上面視では、光軸１ａに対して直交している。
【００３２】
図５は、投写光学系３のイメージサークル（すなわち、ＤＭＤ素子２の被照明面と同一の面において、反射光束が投写光学系３に入射する範囲）を示す。投写光学系３の光軸３ａとＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの中心を通る法線２ａとが偏心している（平行で且つずれている）ため、投写光学系３のイメージサークルの直径Ｃｉは、ＤＭＤ素子２の対角寸法Ｈより大きく形成されている。図５において、ＤＭＤ素子２の長手方向の寸法をＳ、短手方向の寸法をＴ、投写光学系３の光軸３ａとＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの中心を通る法線２ａとの間隔をＤｙとした時、投写光学系３のイメージサークルの直径をＣｉとすると、以下の式（１）により算出される。
【００３３】
Ｃｉ＝２×（（Ｓ／２）２＋（Ｔ／２＋Ｄｙ）２）１／２ ・・・（１）
【００３４】
式（１）は、上記の法線２ａと光軸３ａとの間隔Ｄｙが大きいほど、イメージサークルの直径Ｃｉが大きくなることを表している。一般に、投写光学系３のイメージサークルＣｉが大きくなるほど、投写光学系３の設計の難易度が増すため、上記の法線２ａと光軸３ａとの間隔Ｄｙは、できるだけ小さいことが好ましい。
【００３５】
本実施の形態１に係る投写型表示装置によれば、照明光束を、第１ミラー８及び第２ミラー９を用いてＤＭＤ素子２及び投写光学系３に入射させるようにしたので、第２ミラー９と投写光学系３とを互いに干渉しない範囲で近接配置することが可能になる。すなわち、投写光学系３や第２ミラー９に切り欠きを設ける必要がなくなる上、投写光学系３への入射角度を投写光学系３の光軸に対して平行に近づけることができる。これにより、照明光束の利用効率を向上することができる。
【００３６】
特に、第２ミラー９を投写光学系３の下側に配置するようにしたので、投写型表示装置の小型化が容易になる。
【００３７】
また、光源ランプ４から第１ミラー８までの光束の進行方向と、ＤＭＤ素子２から投写光学系３までの光束の進行方向とが、上面視において直交するようにしたので、光源ランプ４、第１ミラー８、第２ミラー９、ＤＭＤ素子２及び投写光学系３を、それぞれ光路を遮らないように配置することができる。
【００３８】
更に、第１ミラー８を円筒凹面とし、第２ミラー９を凹球面としたので、光強度均一化素子７から射出された光束を、光量損失を生じることなくＤＭＤ素子２の被照明面２ｂに収束させることができ、照明光束の利用効率をより高くすることができる。また、光強度均一化素子７としてレンズアレイ７ａ，７ｂを用いることにより、照明光束の光束断面内における輝度のむらを抑制することができる。
【００３９】
ここで、実施の形態１の変形例について説明する。この実施の形態１では、第１ミラー８の反射面８ｂを円筒凹面としたが、この第１ミラー８の反射面８ｂは平面であってもよい。この場合には、第２ミラー９の凹球面の曲率を適宜設定することにより、光強度均一化素子７からの光束をＤＭＤ素子２の被照明面２ｂに収束させることができる。平板ミラーは、円筒凹面ミラーに比べて安価であることから、投写型表示装置の製造コストを低減することができる。
【００４０】
また、第１ミラー８の反射面８ｂまたは第２ミラー９の反射面９ｂを、凹状の非球面としても良い。この非球面は、以下に示す式（２）で表現される。
Ｚ＝ｃＹ２／｛１−（１＋Ｋ）ｃ２Ｙ２｝１／２｝＋ＡＹ４＋ＢＹ６＋ＣＹ８＋ＤＹ１０・・・（２）
ここで、Ｚは光軸方向の距離、Ｙは光軸に垂直な方向への距離、ｃは中心曲率、Ａは非球面多項式の４次の係数、Ｂは６次係数、Ｃは８次の係数、Ｄは１０次の係数、Ｋはコーニック定数を示している。
【００４１】
このような非球面レンズを用いることにより、各種の収差の発生を抑制し、良好な結像特性を得ることができる。
【００４２】
また、光強度均一化素子７としては、上記のレンズアレイ７ａ，７ｂの代わりに、ガラスや樹脂等の透明材料よりなる四角柱状の部材（ロッド）を用いることもできる。この場合、ロッドを構成する透明材料と空気との界面における全反射作用により、光束断面内における強度が均一化される。このようなロッドを用いることにより、光強度均一化素子７の設計が容易になる。
【００４３】
また、光強度均一化素子７としては、内面に反射面を設けた筒状部材（パイプ）を用いることもできる。この場合、パイプの内面での全反射により光束断面内における強度が均一化される。光強度均一化素子７としてレンズアレイやロッドを用いた場合には、光強度均一化素子７自体が入射光束により加熱されやすいのに対し、パイプを用いた場合にはこのような加熱が生じにくいため、冷却および保持が簡単になる。
【００４４】
【実施例】
次に、本実施の形態１における具体的な実施例について説明する。
【００４５】
（実施例１〜６）
実施例１〜６として、上記の法線２ａ，９ａのなす角度θを６通りに変え、ＤＭＤ素子２への到達光量及び投写光学系３への入射光量をそれぞれ測定した。なお、ＤＭＤ素子２への到達光量は被照明面２ｂにて測定し、投写光学系３への入射光量は入射側開口部３ｂにて測定した。法線２ａ，９ａのなす角度θの変更は、第２ミラー９の取り付け角度の調節により行った。法線２ａと光軸３ａとの間隔Ｄｙの変更は、角度θに応じて、投写光学系３の鏡筒３ｃの取り付け位置の調節により行った。ＤＭＤ素子２のマイクロミラー２ｍの傾角α（図３）は１２度とし、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの長手方向の寸法Ｓは１７．５１ｍｍとし、短手方向の寸法Ｔは９．８５ｍｍとした。
【００４６】
実施例１〜６について、法線２ａ，９ａのなす角度θ、法線２ａと光軸３ａとの間隔Ｄｙ、測定されたＤＭＤ素子２への到達光量Ｐｄｍｄ、投写光学系３への到達光量Ｐｐｕ、これらの比Ｐｐｕ／Ｐｄｍｄを表１に示す。なお、表１において、法線２ａ，９ａのなす角度θは、ＤＭＤ素子２のマイクロミラーの傾角α（１２度）に対する比として表す。また、法線２ａと光軸３ａとの間隔Ｄｙは、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの短手方向の寸法Ｔとの比として現す。光量Ｐｄｍｄ，Ｐｐは、いずれも光源ランプ４からの射出光量を１とした場合の相対値で表す。
【００４７】
【表１】
【００４８】
表２に、上記実施例１〜６において用いた第１ミラー８及び第２ミラー９の各反射面についての数値例を示す。表２において、Ｒ１，Ｒ２は、第１ミラー８及び第２ミラー９の各反射面８ｂ，９ｂの曲率を表す。Ｆｎｏは照明光学系１および投写光学系３のＦナンバーである。ｆは、第１ミラー８及び第２ミラー９の合成焦点距離である。
【００４９】
【表２】
【００５０】
表１に示すように、上記の法線２ａ，９ａのなす角度θが１．１５×α〜１．２７×αの範囲にある実施例２，３，４，５において、光量比Ｐｐｕ／Ｐｄｍｄが０．９以上となっている。照明光束の実用上好ましい利用効率が得られる光量比は０．９以上であることが知られており、これら実施例２〜５では、この条件を満たしていることがわかる。このことから、良好な照明光束の利用効率が得られる角度θの範囲は、以下の式（３）により表される。
１．１５×α≦θ≦１．２７×α ・・・（３）
【００５１】
上記の法線２ａ，９ａのなす角度θが式（３）で表される範囲にあるときに良好な結果が得られるのは、このような範囲であれば、第２ミラー９と投写光学系３とを互いに干渉しないように配置して投写光学系３等に切り欠きを形成する必要を無くすことができること、及び、投写光学系３への入射光束を当該投写光学系３の光軸３ａに対して平行に近い角度にすることができることによる。
【００５２】
さらに、上記の法線２ａ，９ａのなす角度θが式（３）の範囲内にあれば、投写光学系３の光軸３ａとＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの中心を通る法線２ａとの距離Ｄｙが比較的小さくて済むため、投写光学系３のイメージサークルを大きく設計する必要がなくなり、投写光学系３の設計を簡易化することもできる。
【００５３】
なお、上記の法線２ａ，９ａのなす角θを１．２７×αよりも大きくした実施例６において、実施例２〜５よりも光量比Ｐｐｕ／Ｐｄｍｄが小さくなった理由は、投写光学系３への入射角度の光軸３ａに対する傾きが比較的大きくなったことにより、投写光学系３への入射光量に損失が生じたためである。
【００５４】
＜比較例＞
次に、比較例として、図６に示したように、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの中心を通る法線２ａと、投写光学系３の光軸３ａとを一致させた場合の測定結果について説明する。ここでは、ＤＭＤ素子２が、その被照明面２ｂの法線２ａと同一方向に光線を反射するように構成している。すなわち、被照明面２ｂの法線２ａと投写光学系９の法線９ａとのなす角θが、ＤＭＤ素子２のマイクロミラー２ｍの傾角αと略等しくなるようにしている。この場合、図６に円Ｂで囲んで示すように、第２ミラー９が投写光学系３の鏡筒３ｃに対して干渉する（あるいは、第２ミラー９が投写光学系３への入射光束の一部を遮る）ため、第２ミラー９又は投写光学系３の一部を切り欠く必要がある。このような比較例につき、実施例１〜６と同様に、光量Ｐｄｍｄ，Ｐｐｕ及び光量比Ｐｐｕ／Ｐｄｍｄを測定した。その結果を、表１に合わせて示す。
【００５５】
表１に示すように、この比較例においては、実施例１〜６よりもＰｐｕ／Ｐｄｍｄの値が小さくなっている。これは、第２ミラー９の一部を切り欠いたことにより、投写光学系３の入射側開口部４ｂに到達する光量の損失が発生したことによるものである。
【００５６】
＜実施例７＞
次に、上述した実施の形態１の変形例に係る実施例について説明する。上述した実施の形態１においては、第１ミラー８の反射面８ｂを円筒凹面としたが、この第１ミラー８の反射面８ｂは、平面とすることもできる。実施例７として、第１ミラー８の反射面８ｂを平面とすると共に、第２ミラー９の反射面９ｂの曲率を上記実施例１〜６（表２）と異ならせた場合における、光量Ｐｄｍｄ，Ｐｐｕ及び光量比Ｐｐｕ／Ｐｄｍｄの測定結果を示す。なお、第１ミラー８及び第２ミラー９の反射面８ｂ，９ｂ以外の条件は、実施例１〜６と同様とした。また、上記の法線２ａ，９ａのなす角度θ及び法線２ａと光軸３ａとの間隔Ｄｙは、実施例３と同様とした。
【００５７】
【表３】
【００５８】
表３においては、表１に示した実施例３に比べて、光量比Ｐｐｕ／Ｐｄｍｄが若干減少しているものの、０．９より大きな値が得られており、良好な照明光束の利用効率が得られていることがわかる。
【００５９】
上述した実施の形態は、反射型ライトバルブとしてＤＭＤ素子を用いたものとして説明したが、本発明は、ＤＭＤ素子の代わりに反射型液晶表示素子を用いた投写型表示装置についても同様に適用することができる。
【００６０】
また、上述した実施の形態の説明において、投写型表示装置に関して「上」、「下」と説明したが、本発明は、図示の投写型表示装置をどのような向きに置いても適用できる。この場合、例えば、「第２ミラー９が、投写光学系３の鏡筒３ｃの下側に配置されている」との説明は、「第２ミラー９が、投写光学系３の鏡筒３ｃに対し、照明光学系１の光軸１ａ及び投写光学系３の光軸３ａの双方に対して略垂直な方向にずれた位置に配置されている」と一般化して解すべきである。
【００６１】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００６２】
請求項１に記載の発明によれば、照明光学系の照明光束を、第１ミラー及び第２ミラーを用いて反射型ライトバルブ及び投写光学系に入射させるよう構成し、さらに、マイクロミラーの被照射面の法線と第２ミラーの反射面の中心を通る法線とのなす角θを１．１５×α≦θ≦１．２７×αの範囲内とすることにより、第２ミラーと投写光学系とを互いに干渉しない範囲で近接配置することが可能になり、その結果、投写光学系等に切り欠きを設けることなく、投写光学系への入射光束を投写光学系の光軸に対して平行に近い角度にすることができる。これにより、照明光束の利用効率を、実用上好ましい範囲まで向上することができる。また、投写光学系の光軸と反射型ライトバルブの被照明面の中心を通る法線との距離が比較的小さくなるため、投写光学系の設計が容易になる。
【００６３】
請求項２に記載の発明によれば、第２ミラーを、投写光学系の鏡筒に対し、照明光学系の光軸及び投写光学系の光軸の双方に垂直な方向にずれた位置に配置するようにしたので、投写型表示装置の小型化が容易になる。
【００６４】
請求項３に記載の発明によれば、光強度均一化素子から第１ミラーまでの光束の進行方向と、反射型ライトバルブから投写光学系までの光束の進行方向とが、上面視において直交するようにしたので、光源、第１ミラー、第２ミラー、反射型ライトバルブ及び投写光学系を、それぞれ光路を遮らないように配置することができる。
【００６５】
請求項４及び７に記載の発明によれば、第１ミラーの反射面を円筒凹面とし、また、第２ミラーの反射面を凹状の球面としたので、照明光束の利用効率の高い投写型表示装置が得られる。
【００６６】
請求項５に記載の発明によれば、第１ミラーの反射面を平面としたので、低コストで照明光束の利用効率の高い投写型表示装置が得られる。
【００６７】
請求項６及び８に記載の発明によれば、第１ミラーの反射面を凹状の非球面とし、また、第２ミラーの反射面を凹状の非球面としたので、各種の収差の発生を抑えて、良好な結像特性を実現することができる。
【００６８】
請求項９に記載の発明によれば、光強度均一化素子を、複数のレンズ要素を平面的に配列したレンズアレイにより構成したので、照明光束の断面内の強度分布を均一にし、輝度むらを抑えることが可能になる。
【００６９】
請求項１０に記載の発明によれば、光強度均一化素子を、透明材料よりなる四角柱状の部材により構成したので、光強度均一化素子の設計が容易になる。
【００７０】
請求項１１に記載の発明によれば、光強度均一化素子を、管状部材により構成したので、入射光束による素子自身の加熱が生じにくくなり、光強度均一化素子の冷却および保持が簡単になる。
【００７１】
請求項１２に記載の発明によれば、光源と集光レンズ群の間に回転カラーフィルタを配置したので、コンパクトな構成でカラー画像を表示することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る投写型表示装置を概略的に示す構成図である。
【図２】本実施の形態１の光強度均一化素子、およびＤＭＤ素子の関係を概念的に示す図である。
【図３】本実施の形態１に係る投写型表示装置の図１における線分ＩＩＩ−ＩＩＩにおける矢視方向の側面図である。
【図４】本実施の形態１に係る投写型表示装置の図１における線分ＩＶ−ＩＶにおける矢視方向の側面図である。
【図５】本実施の形態１における、投写光学系のイメージサークルを概念的に示す図である。
【図６】本実施の形態１に対する比較例を説明するための図である。
【図７】従来の投写型表示装置の基本構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 照明光学系、 ２ ＤＭＤ素子、 ３ 投写光学系、 ４ ランプ、 ５ カラーフィルタ、 ６ 集光レンズ群、 ７ 光強度均一化素子、 ８ 第１ミラー、 ９ 第２ミラー。
【請求項１】光源を含む照明光学系と、
前記照明光学系によって照明される被照射面をなすよう同一面上に配列された複数のマイクロミラーを有し、各マイクロミラーの傾角を変化させることにより照明光束の反射角度を変化させて画像を形成する反射型ライトバルブと、
前記反射型ライトバルブにより形成された画像を投写する投写光学系と、
を備え、
前記照明光学系が、
前記光源から射出された光束を集光させる集光レンズ群と、
前記集光レンズ群から射出された光束の当該光束断面内における強度分布を均一化する光強度均一化素子と、
前記光強度均一化素子から射出された光束の進行方向に配置された第１ミラーと、
前記投写光学系に隣接して配置された第２ミラーと、
をさらに備え、
前記第１ミラーが、前記光強度均一化素子からの光束を前記第２ミラーに向けて反射し、前記第２ミラーが、前記第１ミラーからの光束を前記反射型ライトバルブに向けて反射し、
前記反射型ライトバルブの各マイクロミラーが前記照明光束を前記投射光学系に向けて反射するときの各マイクロミラーの前記被照射面に対する傾角をαとすると、前記被照射面の法線と、前記第２ミラーの反射面の中心を通る法線とのなす角θが、
１．１５×α≦θ≦１．２７×α
の範囲にあることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項２】前記第２ミラーが、前記投写光学系の鏡筒に対し、前記照明光学系の光軸及び前記投写光学系の光軸の双方に略垂直な方向にずれた位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
【請求項３】前記光強度均一化素子から前記第１ミラーまでの光束の進行方向と、前記反射型ライトバルブから前記投写光学系までの光束の進行方向とが、上面視で略直交していることを特徴とする請求項１又は２に記載の投写型表示装置。
【請求項４】前記第１ミラーの反射面が円筒凹面であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の投写型表示装置。
【請求項５】前記第１ミラーの反射面が平面であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の投写型表示装置。
【請求項６】前記第１ミラーの反射面が凹状の非球面であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の投写型表示装置。
【請求項７】前記第２ミラーの反射面が凹状の球面であることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の投写型表示装置。
【請求項８】前記第２ミラーの反射面が凹状の非球面であることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の投写型表示装置。
【請求項９】前記光強度均一化素子は、複数のレンズ要素を平面的に配列したレンズアレイであることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の投写型表示装置。
【請求項１０】前記光強度均一化素子は、透明材料よりなる四角柱状の部材であり、内部で光束を反射するよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の投写型表示装置。
【請求項１１】前記光強度均一化素子は、管状部材であって、その内面で光束を反射するよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の投写型表示装置。
【請求項１２】前記光源と前記集光レンズ群との間に、回転カラーフィルタを配置したことを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載の投写型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、スクリーン上に画像を投写する投写型表示装置に関し、より詳細には、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏ―ｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ：以下、ＤＭＤと略する。）や反射型液晶表示素子等により構成された反射型ライトバルブを用いた投写型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、特開平１０−３０１０５７号公報等に開示された従来の投写型表示装置の基本構成を示す図である。図７に示す従来の投写型表示装置は、反射型の液晶表示素子９５と、この液晶表示素子９５を照明する照明光学系９０と、照明光学系９０により照明された液晶表示素子９５の画像をスクリーン（図示せず）に投写する投写光学系９６とを備えている。照明光学系９０は、光源ランプ９１と、この光源ランプ９１の周囲に設けられた反射鏡９２と、光束の強度分布を均一化するプリズム９３とを有している。液晶表示素子９５の表面には、入射光束及び反射光束を略平行光束にするためのコリメータレンズ９４が取り付けられている。光源ランプ９１から射出された光束は、楕円面鏡９２、プリズム９３及びコリメータレンズ９４を介して液晶表示素子９５に入射する。液晶表示素子９５において反射した光束は、投写光学系９６を通過して、図示しないスクリーンに照射される。
【０００３】
照明光束を有効利用する（すなわち、より少ないエネルギー消費量でスクリーンへの照射光量を増加させる）ためには、投写光学系９６への入射光束は、投写光学系９６の光軸９９にできるだけ平行に入射することが好ましい。そのためには、照明光学系９０からの射出光束（照明光束）は、液晶表示素子９５の被照明面に対して直角に近い角度で入射することが好ましい。そのため、従来より、光源ランプ９１は、投写光学系９６に近接して配置されている。また、光源ランプ９１の周囲の楕円面鏡９２と鏡筒９７との物理的な干渉を回避するため、投写光学系９６の鏡筒９７の一部９８を切り欠いている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の投写型表示装置では、投写光学系９６の鏡筒９７の一部９８を切り欠いている構成のため、光源ランプ９０から射出された光束の一部が鏡筒９７に遮られてしまい、照明光束の利用効率が低下するという問題があった。
【０００５】
また、上述したように光源ランプ９１を投写光学系９６に近接配置する代わりに、ＴＩＲ（全反射）プリズムもしくはＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）プリズムを用いることも考えられるが、これらＴＩＲプリズム及びＰＢＳプリズムは高価であることから、装置の製造コストが上昇するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、製造コストの上昇を伴うことなく、簡単な構成で、照明光束の利用効率を向上する投写型表示装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る投写型表示装置は、光源を含む照明光学系と、前記照明光学系によって照明される被照射面をなすよう同一面上に配列された複数のマイクロミラーを有し、各マイクロミラーの傾角を変化させることにより照明光束の反射角度を変化させ、画像を形成する反射型ライトバルブと、前記反射型ライトバルブにより形成された画像を投写する投写光学系とを備えて構成されている。前記照明光学系は、前記光源から射出された光束を集光させる集光レンズ群と、前記集光レンズ群から射出された光束の当該光束断面内における強度分布を均一化する光強度均一化素子と、前記光強度均一化素子から射出された光束の進行方向に配置された第１ミラーと、前記投写光学系に隣接して配置された第２ミラーとを備えている。前記第１ミラーは、前記光強度均一化素子からの光束を前記第２ミラーに向けて反射し、前記第２ミラーは、前記第１ミラーからの光束を前記反射型ライトバルブに向けて反射する。前記反射型ライトバルブの各マイクロミラーが前記照明光束を前記投射光学系に向けて反射するときの各マイクロミラーの前記被照射面に対する傾角をαとすると、前記被照射面の法線と、前記第２ミラーの反射面の中心を通る法線とのなす角θは、１．１５×α≦θ≦１．２７×αの範囲にある。
【０００８】
請求項２に係る投写型表示装置は、前記第２ミラーを、前記投写光学系の鏡筒に対し、前記照明光学系の光軸及び前記投写光学系の光軸の双方に略垂直な方向にずれた位置に配置したものである。
【０００９】
請求項３に係る投写型表示装置は、前記光強度均一化素子から前記第１ミラーまでの光束の進行方向と、前記反射型ライトバルブから前記投写光学系までの光束の進行方向とが、上面視で直交するようにしたものである。
【００１０】
請求項４に係る投写型表示装置は、前記第１ミラーの反射面を円筒凹面としたものである。
【００１１】
また、請求項５に係る投写型表示装置は、前記第１ミラーの反射面を平面としたものである。
【００１２】
また、請求項６に係る投写型表示装置は、前記第１ミラーの反射面を凹状の非球面としたものである。
【００１３】
また、請求項７に係る投写型表示装置は、前記第２ミラーの反射面を凹状の球面としたものである。
【００１４】
また、請求項８に係る投写型表示装置は、前記第２ミラーの反射面を凹状の非球面としたものである。
【００１５】
また、請求項９に係る投写型表示装置は、前記光強度均一化素子を、複数のレンズ要素を平面的に配列したレンズアレイにより構成したものである。
【００１６】
また、請求項１０に係る投写型表示装置は、前記光強度均一化素子を、透明材料よりなる四角柱状の部材により構成し、その部材の内部で光束を反射する構成したものである。
【００１７】
また、請求項１１に係る投写型表示装置は、前記光強度均一化素子を、管状部材であって、その内面で光束を反射するよう構成したものである。
【００１８】
また、請求項１２に係る投写型表示装置は、前記光源と前記集光レンズ群との間に、回転カラーフィルタを配置したものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る投写型表示装置の基本構成を示す平面図である。なお、この図１に示す投写型表示装置の各構成部品の配置は、投写型表示装置を実際の使用状態において上方から見た配置、すなわち上面視における配置である。投写型表示装置は、反射型ライトバルブとしてのＤＭＤ素子２と、ＤＭＤ素子２を照明する照明光学系１と、照明光学系１により照明されたＤＭＤ素子２の画像を図示しないスクリーンに投写する投写光学系３とを備えている。
【００２０】
照明光学系１は、光源ランプ４と、この光源ランプ４から射出された光束のうち特定の波長帯域の光束を通過させる回転カラーフィルタ５と、回転カラーフィルタ５を通過した光束を集光する集光レンズ群６と、集光レンズ群６を通過した光束の当該光束断面内における強度分布を均一化する光強度均一化素子７と、光強度均一化素子７から射出された光束をＤＭＤ素子２に向けて反射する第１ミラー８及び第２ミラー９とを有している。
【００２１】
光源ランプ４は、例えば白色光を射出する発光体４Ａと、この発光体４Ａの周囲に設けられた楕円面鏡４Ｂとから構成されている。楕円面鏡４Ｂは、楕円の第１中心に対応する第１焦点から射出された光束を反射して、楕円の第２中心に対応する第２焦点に収束させるものである。発光体４Ａは、楕円面鏡４Ｂの第１焦点の近傍に配置されており、この発光体４Ａから射出された光束は、楕円鏡４Ｂの第２焦点の近傍に収束される。楕円鏡４Ｂの第１焦点と第２焦点とを通る軸線により、照明光学系１の光軸１ａが規定される。
【００２２】
なお、光源ランプ４は、図１に示した構成に限られず、例えば楕円面鏡４Ｂに代えて放物面鏡を用いてもよい。この場合には、発光体４Ａから射出された光束を放物面鏡により略平行化したのち、コンデンサレンズにより収束させることができる。
【００２３】
回転カラーフィルタ５は、円板状の部材を例えば扇状に３分割して、それぞれ赤、緑及び青の３つのフィルタ領域としたものである。赤、緑及び青の３つのフィルタ領域は、それぞれ、赤色、緑色及び青色の各波長帯域に対応する光束のみを透過するものである。回転カラーフィルタ５は、上記の光軸１ａと平行な軸線５ａを中心として回転し、それぞれのフィルタ領域が光源ランプ４の光軸１ａ上で且つ楕円面鏡４Ｂの第２焦点の近傍に順に位置するように構成されている。この回転カラーフィルタ５を画像信号に同期して回転させることにより、赤色光、緑色光及び青色光が順に（フィールドシーケンシャルに）反射型ライトバルブ２に照射される。
【００２４】
集光レンズ群６は、上記の光軸１ａに沿って配置された第１集光レンズ６Ａ及び第２集光レンズ６Ｂにより構成されている。第１集光レンズ６Ａは、入射側（すなわち光源ランプ４側）が平面となっており、射出側（すなわち光源ランプ４とは反対の側）が凸面となっている。第２集光レンズ６Ｂは、入射側が凸面となっており、射出側が平面となっている。この集光レンズ群６は、楕円面鏡４Ｂの第２焦点（すなわち、回転カラーフィルタ５の近傍）にて収束された光束を、略平行光束として射出するものである。
【００２５】
光強度均一化素子７は、集光レンズ群６から射出された光束の、当該光束断面内における強度分布を均一化する（すなわち、輝度むらを低減する）ものであり、上記の光軸１ａに沿って配置された第１レンズアレイ７Ａ及び第２レンズアレイ７Ｂから構成されている。第１レンズアレイ７Ａ及び第２レンズアレイ７Ｂは、いずれも、上記の光軸１ａに直交する面内に多数の微小レンズ要素を平面的に配列したものである。第１レンズアレイ７Ａの各レンズ要素は、入射側が凸面となっており、射出側が平面となっている。第２レンズアレイ７Ｂの各レンズ要素は、入射側が平面となっており、射出側が凸面となっている。第１レンズアレイ７Ａは、集光レンズ群６から射出された略平行光束を多数の光束に分割する。第２レンズアレイ７Ｂは、第１レンズアレイ７Ａから入射した多数の分割光束を、ＤＭＤ素子２上で互いに重なり合うように射出する。
【００２６】
図２は、光強度均一化素子７のレンズアレイ７Ａ，７Ｂの各レンズ要素を通過した光束の収束状態を模式的に示す図である。第１ミラー８及び第２ミラー９は、第１レンズアレイ７ＡとＤＭＤ素子２の被照明面２ｂとが光学的に共役な関係になるような反射面（凹面）を有している。すなわち、第１レンズアレイ７Ａに形成される光源の像が、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの近傍に形成されるようになっている。第１レンズアレイ７Ａの各レンズ要素の対角寸法をｈとし、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの対角寸法をＨとすると、第１ミラー８及び第２ミラー９の各凹面は、これらの合成結像倍率ＭがＨ／ｈとほぼ等しくなるように設計されている。
【００２７】
ＤＭＤ素子２は、各画素に対応する可動式のマイクロミラーを多数（例えば数十万個）平面的に配列したものであり、画像情報に応じて各マイクロミラーの傾角（チルト）を変化させるよう構成されている。マイクロミラーの配列された面を基準面とすると、ＤＭＤ素子２は、各マイクロミラーを基準面に対して一定の方向に角度α（例えば１２度）だけ傾けることにより、入射光束を投写光学系３に向けて反射する。ＤＭＤ素子２は、また、各マイクロミラーを基準面に対して反対方向に角度αだけ傾けることにより、入射光束を、投写光学系３から離れた位置に設けられた光吸収板（図示せず）に向けて反射する。一般的なＤＭＤ素子の構成は、文献“Ｌ．Ｈ．Ｈｏｒｎｂｅｃｋ，Ｐｒｏｇ．ＳＰＩＥ，ｖｏｌ．３０１３，ｐｐ．２７―４０１９９７）”に開示されている。なお、反射型ライトバルブとしては、ＤＭＤ素子２の代わりに、例えば反射型液晶表示素子を用いることができる。
【００２８】
図３は、本実施の形態１に係る投写型表示装置を、図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って矢視方向から見た図である。図４は、本実施の形態１に係る投写型表示装置について、図１におけるＩＶ−ＩＶ線に沿って矢視方向から見た図である。ＤＭＤ素子２は、光軸１ａよりも上方に配置されている。投写光学系３は、鏡筒３ｃ内に図示しないレンズ群を配置したものであり、その入射側開口部３ｂがＤＭＤ素子２に略対向している。投写光学系３のレンズ群の光軸３ａは、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの中心を通る法線２ａに対して平行で且つ所定量ずれている。
【００２９】
第１ミラー８は、円筒凹面（図４参照）よりなる反射面８ｂを有しており、その反射面８ｂの中心が照明光学系１の光軸１ａ上に位置している。図１に示すように、第１ミラー８の反射面８ｂの中心を通る法線８ａは、光軸１ａに対して傾斜しており、これにより、当該反射面８ｂは、光強度均一化素子７から入射した光束を第２ミラー９に向けて反射するようになっている。
【００３０】
第２ミラー９は、投写光学系３の下側に隣接して配置されている。第２ミラー９と投写光学系３の鏡筒３ｃとは、図３に円Ａで示したように互いに干渉し合わない範囲で、できるだけ近接するように配置されている。第２ミラー９の向きは、その反射面９ｂの中心を通る法線９ａと、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの中心を通る法線２ａとが所定の角度θをなすように設定されている。このＤＭＤ素子２の反射面９ｂにより反射された光束は、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂにて反射され、投写光学系３の入射側開口部３ｂに入射する。上記の法線２ａ，９ａのなす角度θは、投写光学系３への入射角度が、この投写光学系３の光軸３ａとできるだけ平行に近づくように設定される。この角度θの具体例については、後述する。
【００３１】
なお、図１に示すように、ＤＭＤ素子２から投写光学系３までの光束の進行方向は、光源ランプ４から第１ミラー８までの光束の進行方向に対し、上面視で直交するようになっている。また、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの法線２ａ及び投写光学系３の光軸３ａは、いずれも、上面視では、光軸１ａに対して直交している。
【００３２】
図５は、投写光学系３のイメージサークル（すなわち、ＤＭＤ素子２の被照明面と同一の面において、反射光束が投写光学系３に入射する範囲）を示す。投写光学系３の光軸３ａとＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの中心を通る法線２ａとが偏心している（平行で且つずれている）ため、投写光学系３のイメージサークルの直径Ｃｉは、ＤＭＤ素子２の対角寸法Ｈより大きく形成されている。図５において、ＤＭＤ素子２の長手方向の寸法をＳ、短手方向の寸法をＴ、投写光学系３の光軸３ａとＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの中心を通る法線２ａとの間隔をＤｙとした時、投写光学系３のイメージサークルの直径をＣｉとすると、以下の式（１）により算出される。
【００３３】
Ｃｉ＝２×（（Ｓ／２）２＋（Ｔ／２＋Ｄｙ）２）１／２ ・・・（１）
【００３４】
式（１）は、上記の法線２ａと光軸３ａとの間隔Ｄｙが大きいほど、イメージサークルの直径Ｃｉが大きくなることを表している。一般に、投写光学系３のイメージサークルＣｉが大きくなるほど、投写光学系３の設計の難易度が増すため、上記の法線２ａと光軸３ａとの間隔Ｄｙは、できるだけ小さいことが好ましい。
【００３５】
本実施の形態１に係る投写型表示装置によれば、照明光束を、第１ミラー８及び第２ミラー９を用いてＤＭＤ素子２及び投写光学系３に入射させるようにしたので、第２ミラー９と投写光学系３とを互いに干渉しない範囲で近接配置することが可能になる。すなわち、投写光学系３や第２ミラー９に切り欠きを設ける必要がなくなる上、投写光学系３への入射角度を投写光学系３の光軸に対して平行に近づけることができる。これにより、照明光束の利用効率を向上することができる。
【００３６】
特に、第２ミラー９を投写光学系３の下側に配置するようにしたので、投写型表示装置の小型化が容易になる。
【００３７】
また、光源ランプ４から第１ミラー８までの光束の進行方向と、ＤＭＤ素子２から投写光学系３までの光束の進行方向とが、上面視において直交するようにしたので、光源ランプ４、第１ミラー８、第２ミラー９、ＤＭＤ素子２及び投写光学系３を、それぞれ光路を遮らないように配置することができる。
【００３８】
更に、第１ミラー８を円筒凹面とし、第２ミラー９を凹球面としたので、光強度均一化素子７から射出された光束を、光量損失を生じることなくＤＭＤ素子２の被照明面２ｂに収束させることができ、照明光束の利用効率をより高くすることができる。また、光強度均一化素子７としてレンズアレイ７ａ，７ｂを用いることにより、照明光束の光束断面内における輝度のむらを抑制することができる。
【００３９】
ここで、実施の形態１の変形例について説明する。この実施の形態１では、第１ミラー８の反射面８ｂを円筒凹面としたが、この第１ミラー８の反射面８ｂは平面であってもよい。この場合には、第２ミラー９の凹球面の曲率を適宜設定することにより、光強度均一化素子７からの光束をＤＭＤ素子２の被照明面２ｂに収束させることができる。平板ミラーは、円筒凹面ミラーに比べて安価であることから、投写型表示装置の製造コストを低減することができる。
【００４０】
また、第１ミラー８の反射面８ｂまたは第２ミラー９の反射面９ｂを、凹状の非球面としても良い。この非球面は、以下に示す式（２）で表現される。
Ｚ＝ｃＹ２／｛１−（１＋Ｋ）ｃ２Ｙ２｝１／２｝＋ＡＹ４＋ＢＹ６＋ＣＹ８＋ＤＹ１０・・・（２）
ここで、Ｚは光軸方向の距離、Ｙは光軸に垂直な方向への距離、ｃは中心曲率、Ａは非球面多項式の４次の係数、Ｂは６次係数、Ｃは８次の係数、Ｄは１０次の係数、Ｋはコーニック定数を示している。
【００４１】
このような非球面レンズを用いることにより、各種の収差の発生を抑制し、良好な結像特性を得ることができる。
【００４２】
また、光強度均一化素子７としては、上記のレンズアレイ７ａ，７ｂの代わりに、ガラスや樹脂等の透明材料よりなる四角柱状の部材（ロッド）を用いることもできる。この場合、ロッドを構成する透明材料と空気との界面における全反射作用により、光束断面内における強度が均一化される。このようなロッドを用いることにより、光強度均一化素子７の設計が容易になる。
【００４３】
また、光強度均一化素子７としては、内面に反射面を設けた筒状部材（パイプ）を用いることもできる。この場合、パイプの内面での全反射により光束断面内における強度が均一化される。光強度均一化素子７としてレンズアレイやロッドを用いた場合には、光強度均一化素子７自体が入射光束により加熱されやすいのに対し、パイプを用いた場合にはこのような加熱が生じにくいため、冷却および保持が簡単になる。
【００４４】
【実施例】
次に、本実施の形態１における具体的な実施例について説明する。
【００４５】
（実施例１〜６）
実施例１〜６として、上記の法線２ａ，９ａのなす角度θを６通りに変え、ＤＭＤ素子２への到達光量及び投写光学系３への入射光量をそれぞれ測定した。なお、ＤＭＤ素子２への到達光量は被照明面２ｂにて測定し、投写光学系３への入射光量は入射側開口部３ｂにて測定した。法線２ａ，９ａのなす角度θの変更は、第２ミラー９の取り付け角度の調節により行った。法線２ａと光軸３ａとの間隔Ｄｙの変更は、角度θに応じて、投写光学系３の鏡筒３ｃの取り付け位置の調節により行った。ＤＭＤ素子２のマイクロミラー２ｍの傾角α（図３）は１２度とし、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの長手方向の寸法Ｓは１７．５１ｍｍとし、短手方向の寸法Ｔは９．８５ｍｍとした。
【００４６】
実施例１〜６について、法線２ａ，９ａのなす角度θ、法線２ａと光軸３ａとの間隔Ｄｙ、測定されたＤＭＤ素子２への到達光量Ｐｄｍｄ、投写光学系３への到達光量Ｐｐｕ、これらの比Ｐｐｕ／Ｐｄｍｄを表１に示す。なお、表１において、法線２ａ，９ａのなす角度θは、ＤＭＤ素子２のマイクロミラーの傾角α（１２度）に対する比として表す。また、法線２ａと光軸３ａとの間隔Ｄｙは、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの短手方向の寸法Ｔとの比として現す。光量Ｐｄｍｄ，Ｐｐは、いずれも光源ランプ４からの射出光量を１とした場合の相対値で表す。
【００４７】
【表１】
表２に、上記実施例１〜６において用いた第１ミラー８及び第２ミラー９の各反射面についての数値例を示す。表２において、Ｒ１，Ｒ２は、第１ミラー８及び第２ミラー９の各反射面８ｂ，９ｂの曲率を表す。Ｆｎｏは照明光学系１および投写光学系３のＦナンバーである。ｆは、第１ミラー８及び第２ミラー９の合成焦点距離である。
【００４９】
【表２】
表１に示すように、上記の法線２ａ，９ａのなす角度θが１．１５×α〜１．２７×αの範囲にある実施例２，３，４，５において、光量比Ｐｐｕ／Ｐｄｍｄが０．９以上となっている。照明光束の実用上好ましい利用効率が得られる光量比は０．９以上であることが知られており、これら実施例２〜５では、この条件を満たしていることがわかる。このことから、良好な照明光束の利用効率が得られる角度θの範囲は、以下の式（３）により表される。
１．１５×α≦θ≦１．２７×α ・・・（３）
【００５１】
上記の法線２ａ，９ａのなす角度θが式（３）で表される範囲にあるときに良好な結果が得られるのは、このような範囲であれば、第２ミラー９と投写光学系３とを互いに干渉しないように配置して投写光学系３等に切り欠きを形成する必要を無くすことができること、及び、投写光学系３への入射光束を当該投写光学系３の光軸３ａに対して平行に近い角度にすることができることによる。
【００５２】
さらに、上記の法線２ａ，９ａのなす角度θが式（３）の範囲内にあれば、投写光学系３の光軸３ａとＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの中心を通る法線２ａとの距離Ｄｙが比較的小さくて済むため、投写光学系３のイメージサークルを大きく設計する必要がなくなり、投写光学系３の設計を簡易化することもできる。
【００５３】
なお、上記の法線２ａ，９ａのなす角θを１．２７×αよりも大きくした実施例６において、実施例２〜５よりも光量比Ｐｐｕ／Ｐｄｍｄが小さくなった理由は、投写光学系３への入射角度の光軸３ａに対する傾きが比較的大きくなったことにより、投写光学系３への入射光量に損失が生じたためである。
【００５４】
＜比較例＞
次に、比較例として、図６に示したように、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの中心を通る法線２ａと、投写光学系３の光軸３ａとを一致させた場合の測定結果について説明する。ここでは、ＤＭＤ素子２が、その被照明面２ｂの法線２ａと同一方向に光線を反射するように構成している。すなわち、被照明面２ｂの法線２ａと投写光学系９の法線９ａとのなす角θが、ＤＭＤ素子２のマイクロミラー２ｍの傾角αと略等しくなるようにしている。この場合、図６に円Ｂで囲んで示すように、第２ミラー９が投写光学系３の鏡筒３ｃに対して干渉する（あるいは、第２ミラー９が投写光学系３への入射光束の一部を遮る）ため、第２ミラー９又は投写光学系３の一部を切り欠く必要がある。このような比較例につき、実施例１〜６と同様に、光量Ｐｄｍｄ，Ｐｐｕ及び光量比Ｐｐｕ／Ｐｄｍｄを測定した。その結果を、表１に合わせて示す。
【００５５】
表１に示すように、この比較例においては、実施例１〜６よりもＰｐｕ／Ｐｄｍｄの値が小さくなっている。これは、第２ミラー９の一部を切り欠いたことにより、投写光学系３の入射側開口部４ｂに到達する光量の損失が発生したことによるものである。
【００５６】
＜実施例７＞
次に、上述した実施の形態１の変形例に係る実施例について説明する。上述した実施の形態１においては、第１ミラー８の反射面８ｂを円筒凹面としたが、この第１ミラー８の反射面８ｂは、平面とすることもできる。実施例７として、第１ミラー８の反射面８ｂを平面とすると共に、第２ミラー９の反射面９ｂの曲率を上記実施例１〜６（表２）と異ならせた場合における、光量Ｐｄｍｄ，Ｐｐｕ及び光量比Ｐｐｕ／Ｐｄｍｄの測定結果を示す。なお、第１ミラー８及び第２ミラー９の反射面８ｂ，９ｂ以外の条件は、実施例１〜６と同様とした。また、上記の法線２ａ，９ａのなす角度θ及び法線２ａと光軸３ａとの間隔Ｄｙは、実施例３と同様とした。
【００５７】
【表３】
表３においては、表１に示した実施例３に比べて、光量比Ｐｐｕ／Ｐｄｍｄが若干減少しているものの、０．９より大きな値が得られており、良好な照明光束の利用効率が得られていることがわかる。
【００５９】
上述した実施の形態は、反射型ライトバルブとしてＤＭＤ素子を用いたものとして説明したが、本発明は、ＤＭＤ素子の代わりに反射型液晶表示素子を用いた投写型表示装置についても同様に適用することができる。
【００６０】
また、上述した実施の形態の説明において、投写型表示装置に関して「上」、「下」と説明したが、本発明は、図示の投写型表示装置をどのような向きに置いても適用できる。この場合、例えば、「第２ミラー９が、投写光学系３の鏡筒３ｃの下側に配置されている」との説明は、「第２ミラー９が、投写光学系３の鏡筒３ｃに対し、照明光学系１の光軸１ａ及び投写光学系３の光軸３ａの双方に対して略垂直な方向にずれた位置に配置されている」と一般化して解すべきである。
【００６１】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００６２】
請求項１に記載の発明によれば、照明光学系の照明光束を、第１ミラー及び第２ミラーを用いて反射型ライトバルブ及び投写光学系に入射させるよう構成し、さらに、マイクロミラーの被照射面の法線と第２ミラーの反射面の中心を通る法線とのなす角θを１．１５×α≦θ≦１．２７×αの範囲内とすることにより、第２ミラーと投写光学系とを互いに干渉しない範囲で近接配置することが可能になり、その結果、投写光学系等に切り欠きを設けることなく、投写光学系への入射光束を投写光学系の光軸に対して平行に近い角度にすることができる。これにより、照明光束の利用効率を、実用上好ましい範囲まで向上することができる。また、投写光学系の光軸と反射型ライトバルブの被照明面の中心を通る法線との距離が比較的小さくなるため、投写光学系の設計が容易になる。
【００６３】
請求項２に記載の発明によれば、第２ミラーを、投写光学系の鏡筒に対し、照明光学系の光軸及び投写光学系の光軸の双方に垂直な方向にずれた位置に配置するようにしたので、投写型表示装置の小型化が容易になる。
【００６４】
請求項３に記載の発明によれば、光強度均一化素子から第１ミラーまでの光束の進行方向と、反射型ライトバルブから投写光学系までの光束の進行方向とが、上面視において直交するようにしたので、光源、第１ミラー、第２ミラー、反射型ライトバルブ及び投写光学系を、それぞれ光路を遮らないように配置することができる。
【００６５】
請求項４及び７に記載の発明によれば、第１ミラーの反射面を円筒凹面とし、また、第２ミラーの反射面を凹状の球面としたので、照明光束の利用効率の高い投写型表示装置が得られる。
【００６６】
請求項５に記載の発明によれば、第１ミラーの反射面を平面としたので、低コストで照明光束の利用効率の高い投写型表示装置が得られる。
【００６７】
請求項６及び８に記載の発明によれば、第１ミラーの反射面を凹状の非球面とし、また、第２ミラーの反射面を凹状の非球面としたので、各種の収差の発生を抑えて、良好な結像特性を実現することができる。
【００６８】
請求項９に記載の発明によれば、光強度均一化素子を、複数のレンズ要素を平面的に配列したレンズアレイにより構成したので、照明光束の断面内の強度分布を均一にし、輝度むらを抑えることが可能になる。
【００６９】
請求項１０に記載の発明によれば、光強度均一化素子を、透明材料よりなる四角柱状の部材により構成したので、光強度均一化素子の設計が容易になる。
【００７０】
請求項１１に記載の発明によれば、光強度均一化素子を、管状部材により構成したので、入射光束による素子自身の加熱が生じにくくなり、光強度均一化素子の冷却および保持が簡単になる。
【００７１】
請求項１２に記載の発明によれば、光源と集光レンズ群の間に回転カラーフィルタを配置したので、コンパクトな構成でカラー画像を表示することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る投写型表示装置を概略的に示す構成図である。
【図２】本実施の形態１の光強度均一化素子、およびＤＭＤ素子の関係を概念的に示す図である。
【図３】本実施の形態１に係る投写型表示装置の図１における線分ＩＩＩ−ＩＩＩにおける矢視方向の側面図である。
【図４】本実施の形態１に係る投写型表示装置の図１における線分ＩＶ−ＩＶにおける矢視方向の側面図である。
【図５】本実施の形態１における、投写光学系のイメージサークルを概念的に示す図である。
【図６】本実施の形態１に対する比較例を説明するための図である。
【図７】従来の投写型表示装置の基本構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 照明光学系、 ２ ＤＭＤ素子、 ３ 投写光学系、 ４ ランプ、 ５ カラーフィルタ、 ６ 集光レンズ群、 ７ 光強度均一化素子、 ８ 第１ミラー、 ９ 第２ミラー。
Claims (14)
- 光源を含む照明光学系と、
前記照明光学系によって照明される複数の画素を有し、各画素における照明光束の反射状態を変化させることで画像を形成する反射型ライトバルブと、
前記反射型ライトバルブにより形成された画像を投写する投写光学系と、
を備え、
前記照明光学系が、
前記光源から射出された光束を集光させる集光レンズ群と、
前記集光レンズ群から射出された光束の当該光束断面内における強度分布を均一化する光強度均一化素子と、
前記光強度均一化素子から射出された光束の進行方向に配置された第１ミラーと、
前記投写光学系に隣接して配置された第２ミラーと、
をさらに備え、
前記第１ミラーが、前記光強度均一化素子からの光束を前記第２ミラーに向けて反射し、前記第２ミラーが、前記第１ミラーからの光束を前記反射型ライトバルブに向けて反射することを特徴とする投写型表示装置。 - 前記第２ミラーと前記投写光学系の鏡筒とを互いに接触させることなく近接配置できるよう、前記第２ミラーの反射面の中心を通る法線と、前記反射型ライトバルブの被照明面の中心を通る法線とのなす角度が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
- 前記第２ミラーが、前記投写光学系の鏡筒に対し、前記照明光学系の光軸及び前記投写光学系の光軸の双方に略垂直な方向にずれた位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の投写型表示装置。
- 前記光強度均一化素子から前記第１ミラーまでの光束の進行方向と、前記反射型ライトバルブから前記投写光学系までの光束の進行方向とが、上面視で略直交していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の投写型表示装置。
- 前記第１ミラーの反射面が円筒凹面であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の投写型表示装置。
- 前記第１ミラーの反射面が平面であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の投写型表示装置。
- 前記第１ミラーの反射面が凹状の非球面であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の投写型表示装置。
- 前記第２ミラーの反射面が凹状の球面であることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の投写型表示装置。
- 前記第２ミラーの反射面が凹状の非球面であることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の投写型表示装置。
- 前記反射型ライトバルブの各画素を、反射面の傾角を変化させることができる可動マイクロミラーにより構成したことを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の投写型表示装置。
- 前記光強度均一化素子は、複数のレンズ要素を平面的に配列したレンズアレイであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の投写型表示装置。
- 前記光強度均一化素子は、透明材料よりなる四角柱状の部材であり、内部で光束を反射するよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れかに記載の投写型表示装置。
- 前記光強度均一化素子は、管状部材であって、その内面で光束を反射するよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至１０の何れかに記載の投写型表示装置。
- 前記光源と前記集光レンズ群との間に、回転カラーフィルタを配置したことを特徴とする請求項１乃至１３の何れかに記載の投写型表示装置。
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