JP2005275433A - 画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を画像形成素子として利用する場合に生じる画像コントラストの低下を防止することのできる安価な画像形成装置を提供する。
【解決手段】 第１の反射鏡９ａと第２の反射鏡９ｂとの間に絞り１０を介装することで結像光学系８への迷走光の侵入を除去し、ＤＭＤを画像形成素子として使用した場合に生じる光のカブリを防止して高コントラストの画像を得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、画像形成装置の改良、特に、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を画像形成素子として利用した画像形成装置の改良に関する。

近年のプロジェクター市場では、ＣＲＴプロジェクターに代わり、ＤＭＤプロジェクターで拡大投影する装置が現れ始めている。リアプロジェクターでは、その構造上、薄型・軽量の要求が高まりつつあり、また、フロント型のプロジェクターにおいても家庭用への展開として、部屋が小さくても拡大投写できるようにする必要性が出てきたのがその理由である。

近距離投写および広画角化のへの対応として、反射型結像光学系を用いる方法が特許文献１や、特許文献２に開示されている。反射型結像光学系には、色収差がない，光路の折り畳みが可能で小型化ができる，内面反射が少なく高いコントラストが得られる，簡単な構成で高い解像度が得られる等の多くの利点を持つことを利用して、様々な提案がなされている。

また、本出願人らも特願２０００−２２８７９８号として図６に一例を示すような反射型結像光学系を開示した。この結像光学系１は、図６に示されるように、画像形成素子２に凹面を向けた自由曲面形状を有する第１の反射鏡３ａと、第１の反射鏡３ａからの光束に凸面を向けた自由曲面形状を有する第２の反射鏡３ｂと、第２の反射鏡３ｂからの光束に凸面を向けた自由曲面形状を有する第３の反射鏡３ｃと、第３の反射鏡３ｃからの光束に凹面を向けた回転対称非球面形状を有する第４の反射鏡３ｄにより構成され、また、画像形成素子２を照らす照明光学系４はランプ５によって構成されている。

しかし、このような構成を適用すると、結像光学系１を構成する反射面に自由曲面形状を有する第３の反射鏡３ｃを利用する必要があるため、製造上の精度および装置への組込精度が比較的厳しい状況であった。

また、ＤＭＤを画像形成素子２として利用した画像形成装置の場合では、画像形成素子２上の多数の微小ミラーの姿勢をディジタル制御し、ランプ５から照射される光束の一部を結像光学系１の光路に導くと共に光束の他部を結像光学系１の光路から外すことによって結像光学系１に導かれる光束に明暗を形成して画像を生成することになるが、本来であれば結像光学系１の光路から外されるべき光束の一部が迷走光となって結像光学系１に侵入する場合があり、光線のカブリによって画像コントラストの低下が生じ易くなるといった不都合が発生する問題がある。

ＰＣＴ／ＪＰ９６／０１７６７公報 特開平１０−１１１４５８公報

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の不都合を解消し、小型で画角が広く画面上下方向の照度の均一性が高く、ＤＭＤを画像形成素子として利用する場合に生じる画像コントラストの低下を防止することのできる安価な画像形成装置を提供することにある。

本発明は、光源と、基板上に配設された微小ミラーの姿勢を制御し、前記光源から前記基板に照射される光束の一部を結像光学系に導くと共に前記光束の他部を前記結像光学系の光路から外すことにより前記結像光学系に導かれる光束に明暗を形成して画像を生成する反射型画像形成素子と、を備えた画像形成装置であり、前記目的を達成するため、特に、
前記結像光学系は、少なくとも、この結像光学系の入射部となる第１の反射鏡と、該第１の反射鏡から照射される光束を受ける第２の反射鏡と、絞りとを有し、
前記絞りは、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間において主光線が交叉する位置に、主光路に対して直交して設けられていることを特徴とする構成を有する。

基板上で姿勢を制御される微小ミラーに光源からの光束が照射され、明部に相当する状態、要するに、出射光が結像光学系に向かう状態に姿勢制御された微小ミラーからの反射光が結像光学系の光路に導かれ、また、これとは逆に、暗部に相当する状態、つまり、出射光が結像光学系に侵入しない状態に姿勢制御された微小ミラーからの反射光が結像光学系の光路から外される。
この結果、結像光学系に向かう光束の断面に画像となる明暗が形成される。この際、結像光学系の光路から外されるべき光束の一部が暗部に相当する状態に姿勢制御された微小ミラーにより反射されて迷走光となり、結像光学系の入射部である第１の反射鏡に照射される場合がある。
従って、第１の反射鏡から第２の反射鏡に照射される光束は、画像形成に必要とされる明部の情報を含んだ光束とカブリの原因となる迷走光とを含んだものとなるが、第１の反射鏡に対する光束の入射角は、明部を形成する光束の入射角と迷走光の入射角とで相違があるため、不適な角度で入射した迷走光の反射は、第１の反射鏡と第２の反射鏡との間に設けられた絞りによって遮られ、第２の反射鏡には到達しない。
その後、第２の反射鏡に照射された光束は、この結像光学系を経て拡大され、最終的にスクリーン等に投影されるが、第１の反射鏡と第２の反射鏡との間に設けられた絞りによって迷走光の侵入による光束のカブリが除去されているので高コントラストの画像を得ることができる。
しかも、絞りは第１の反射鏡と第２の反射鏡との間において主光線が交叉する位置に主光路に対して直交して設けられているので、迷走光の除去に好適であり、また、反射型画像形成素子から第１の反射鏡に至る光路から離れた位置となるので、絞りの設置によるケラレの発生を防止できる。

この画像形成装置の結像光学系は、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡を含めて少なくとも４枚以上の反射鏡を有する構成とすることができる。

前述した通り、絞りは第１の反射鏡と第２の反射鏡との間において主光線が交叉する位置に主光路に対して直交して設けられているので、反射型画像形成素子から第１の反射鏡に至る光路から離れた位置となり、更に、４枚以上の反射鏡を有する構成においては、第２の反射鏡から第３の反射鏡に至る光路からも離れた位置となるので、絞りの設置によるケラレの発生の防止に有利である。

本発明の画像形成装置は、第１の反射鏡と第２の反射鏡との間に反射型画像形成素子によって光路から外された光束の光路侵入を防止するための絞りを設けているので、反射型画像形成素子からの反射光のうち本来は結像光学系の光路から外されるべき光束の一部が迷走光となって結像光学系の入射部に侵入した場合であっても、この迷走光を第１の反射鏡と第２の反射鏡との間で除去することができ、反射型画像形成素子を利用した画像形成装置、特に、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を利用した画像形成装置において、カブリのない高コントラストの画像を得ることができる。
しかも、迷走光除去用の絞りは第１の反射鏡と第２の反射鏡との間において主光線が交叉する位置に主光路に対して直交して設けるようにしているので、反射型画像形成素子から第１の反射鏡に至る光路に絞りの構成要素が突出することはなく、絞りの設置によるケラレの発生を容易に防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は本発明を適用した一実施形態の画像形成装置の内部構造について示した側面図、図２は図１の画像形成装置を右側から示した正面図、図３は図２の画像形成装置を上方から示した上面図であり、何れも光学系を構成する部品の位置関係を概念的に示した図である。

図１に示されるように、この実施形態の画像形成装置は、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device〔テキサス・インスツルメント社 商標〕）によって構成される反射型画像形成素子６を有し、この反射型画像形成素子６を照射するための照明光学系７と、反射型画像形成素子６によって反射された光束を受け入れて拡大する結像光学系８とを備える。

照明光学系７は、図２および図３に示されるように、光源としてのアーク１１ａおよび楕円ミラー１１ｂからなるランプ１１と、ロッドレンズ１２およびレンズ１３，１４，１５，１６と平面反射鏡１７によって構成され、ランプ１１のアーク１１aより発せられた光束を楕円ミラー１１ｂでロッドレンズ１２の入射側開口１２ａに集光させ、レンズ１３，１４，１５，１６と平面反射鏡１７とを介し、ロッドレンズ１２の出射端１２ｂの照度分布をその形状と共に反射型画像形成素子６に拡大照射するようになっている。

この反射型画像形成素子６を構成するＤＭＤは、その基板上に配設された多数の微小ミラーの姿勢をディジタル制御し、照明光学系７から基板に照射される光束の一部を結像光学系８の光路に導く一方、照明光学系７から照射される光束の他部を結像光学系８の光路から外すことにより結像光学系８に導かれる光束に明暗を形成して画像を生成する反射型画像形成素子である。

具体的には、反射型画像形成素子６を構成するＤＭＤの基板上には約５０万個〜１３０万個ほどの微小ミラーが実装され、その各々が、ＤＭＤを駆動制御するマイクロプロセッサによって例えば±１０°の範囲で傾斜するように姿勢制御され、＋１０°に姿勢制御された微小ミラーによって反射された光束が第１の反射鏡９ａを入射部とする結像光学系８の光路に侵入して画像の明部を形成し、また、−１０°に姿勢制御された微小ミラーによって反射された光束の大半は、結像光学系８の第１の反射鏡９ａに入射しない方向に進路をずらされる。

つまり、＋１０°に姿勢制御された微小ミラーの部分が最終画像における白色部分であり、また、−１０°に姿勢制御された微小ミラーの部分が最終画像における黒色部分である。このようにして多数のミラーの姿勢制御によって画像を形成する際、−１０°に姿勢制御された微小ミラーによって反射された光束の一部が迷走して第１の反射鏡９ａを始めとする結像光学系８の光路に侵入する場合があり、図６に示されるような従来の結像光学系１では、この迷走光がカブリとなって画像のコントラストの低下を招いていた。

本実施形態の場合、反射型画像形成素子６上で＋１０°に姿勢制御された微小ミラーからの反射光を受ける結像光学系８は、図１に示される通り、反射型画像形成素子６に凹面を向けた回転対称非球面形状を有する第１の反射鏡９ａと、第１の反射鏡９ａに凸面を向けた回転対称非球面形状を有する第２の反射鏡９ｂと、第２の反射鏡９ｂに凹面を向けた回転対称非球面形状を有する第３の反射鏡９ｃと、第３の反射鏡９ｃに凸面を向けた回転対称非球面形状を有する第４の反射鏡９ｄとによって構成される。

つまり、図６に示した従来例の結像光学系１と比較すると、凸面の自由曲面形状を有する第３の反射鏡３ｃに代えて凹面の回転対称非球面形状を有する第３の反射鏡９ｃを用い、更に、凹面の回転対称非球面形状を有する第４の反射鏡３ｄに代えて凸面の回転対称非球面形状を有する第４の反射鏡９ｄを用いている点が相違する。

凸面の自由曲面形状を有する第３反射鏡３ｃに比べ、凹面の回転対称非球面形状を有する第３反射鏡９ｃの方が製造上の精度や装置への組込精度が緩和されるので、このようにして凹面の回転対称非球面形状を有する第３反射鏡９ｃを適用することにより、装置の製造コストが軽減されるといったメリットがある。

一方、凸面の第３の反射鏡３ｃに代えて凹面の第３の反射鏡９ｃを利用しているため、第３の反射鏡９ｃによる画像の拡大率は第３の反射鏡３ｃによる画像の拡大率に比べて劣るが、同時に、凹面の第４の反射鏡３ｄに代えて凸面の第４の反射鏡９ｄを利用しているので、最終的な画像の拡大率は図６の従来例に比べて遜色がなく、従来と同等の広画角化と装置の小型化が達成されている。

即ち、この実施形態の画像形成装置における結像光学系８は、反射型画像形成素子６に凹面を向けた回転対称非球面形状を有する第１の反射鏡９ａと、第１の反射鏡９ａに凸面を向けた回転対称非球面形状を有する第２の反射鏡９ｂと、第２の反射鏡９ｂに凹面を向けた回転対称非球面形状を有する第３の反射鏡９ｃと、第３の反射鏡９ｃに凸面を向けた回転対称非球面形状を有する第４の反射鏡９ｄとを備え、第１の反射鏡９ａと第２の反射鏡９ｂとの間に、反射型画像形成素子６によって光路から外された光束の光路侵入を防止する絞り１０が設けられたもので、第３の反射鏡９ｃを含め、反射型画像形成素子６の画像をスクリーン上に結像させるための結像光学系を構成する全ての反射鏡９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄが回転対称非球面形状の凹面鏡あるいは凸面鏡によって構成されており、この構成により、自由曲面形状を有する反射鏡を利用した場合と比べ、製造上の精度や装置への組込精度が緩和されて装置の製造コストが軽減されている。

なお、各反射鏡の自由曲面形状は、例えば、面の深さをＺ，円錐常数をｋ，光軸頂点での曲率をｃ，光軸からの高さをρ，補正係数をα_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，７，８），光軸頂点での曲率半径をｒ，深さＺに直交する方向の座標の値をｘ，ｙとして、数１の式で示されるものを適用することができる。

更に、第１反射鏡９ａと第２反射鏡９ｂとの間で主光線が交叉する位置（第１反射鏡９ａの焦点位置）には、主光路と直交するようにして本実施形態に固有の絞り１０が設けられている。絞り１０の周辺構造を拡大して図４に示す。

この絞り１０は、反射型画像形成素子６上で明部となる＋１０°の位置に姿勢制御された微小ミラーで反射されて第１の反射鏡９ａに照射された光束の反射光が第２の反射鏡９ｂに向かうことは妨げないが、反射型画像形成素子６上で暗部となる−１０°の位置に姿勢制御された微小ミラーから第１の反射鏡９ａに迷走した光束が第１の反射鏡９ａで反射されて生じた光束は、その光路が絞り１０の内径から径方向外側に外れるため、この迷走光が第２の反射鏡９ｂに入ることを阻止（遮光）する。

このようにして迷走光が除去される結果、第２の反射鏡９ｂに入射される光束は、反射型画像形成素子６上で明部となる＋１０°の位置に姿勢制御された微小ミラーで反射された光のみに制限され（他部は完全な暗部）、これまでに問題となっていた迷走光の侵入によるカブリの影響が除去され、第４の反射鏡９ｄからの最終的な出力光によってスクリーン（図示せず）上に投影される画像において、明快なコントラストを得ることが可能となる。

また、絞り１０は第１の反射鏡９ａと第２の反射鏡９ｂとの間の略中央に位置する主光線の交叉位置に設けられているので、反射型画像形成素子６から第１の反射鏡９ａに至る光路に絞り１０の外周部分が突出したり、第２の反射鏡９ｂから第３の反射鏡９ｃに至る光路に絞り１０の外周部分が突出したりすることがなく、絞り１０の設置によるケラレの発生を未然に防止することができる。
このように、絞り１０を第１の反射鏡９ａと第２の反射鏡９ｂとの間において主光線が交叉する位置に設けることで、絞り１０の位置は、反射型画像形成素子６から第１の反射鏡９ａに至る光路からも第２の反射鏡９ｂから第３の反射鏡９ｃに至る光路からも共に離れた位置となり、絞り１０の設置によるケラレの発生が防止される。

図５は本発明の画像形成装置をリアプロジェクターに適用した場合の一実施形態について簡略化して示した図である。ランプ１１等を備えた照明光学系７の配列、ＤＭＤからなる反射型画像形成素子６の構成、および、第１の反射鏡９ａ，第２の反射鏡９ｂ，第３の反射鏡９ｃ，第４の反射鏡９ｄからなる結像光学系８の配列に関しては図１〜図３を参照して説明した前述の実施形態と実質的に同一であるが、第１の反射鏡９ａと第２の反射鏡９ｂとの間の絞り１０’が透明な平面ガラス基板上の遮光部によって構成され、この平面ガラス基板と光源用筐体２１とによって、照明光学系７と反射型画像形成素子６および第１の反射鏡９ａが、第２の反射鏡９ｂ，第３の反射鏡９ｃ，第４の反射鏡９ｄと分離して光源用筐体２１内に密閉して配備されている点が前述の実施形態とは相違する。

つまり、図５の実施形態では、照明光学系７，反射型画像形成素子６，第１の反射鏡９ａが、光源用筐体２１と該光源用筐体２１の一部を形成する前述の平面ガラス基板とによって完全に外部から密閉された構造であり、反射型画像形成素子６に対するゴミや埃の付着による画像の悪化を防止することができる。

この際、平面ガラス基板の素通し部分である絞り１０’の内側部分が、第１の反射鏡９ａと第２の反射鏡９ｂとの間で実質的な光学系の一部として機能するが、このガラス基板は精度の高い平面ガラスで形成され、しかも、第１の反射鏡９ａから第２の反射鏡９ｂに至る主光路に対して直交して設置されているので、非点収差や内面反射等の悪影響は最小限に抑制することができる。
このように、絞りを形成した平面ガラス基板と光源用筐体２１とを利用して反射型画像形成素子６を密閉することにより、ゴミや埃の侵入による画像の悪化を防止することができ、また、第１の反射鏡９ａと第２の反射鏡９ｂとの間で実質的な光学系の一部として機能するガラス基板を精度の高い平面ガラスで形成し、しかも、第１の反射鏡９ａから第２の反射鏡９ｂに至る主光路に対して直交して設置することで、非点収差や内面反射等の悪影響を最小限に抑制することができる。

平面反射鏡１８，１９は結像光学系８の第４反射鏡９ｄから出力された光束を反射させてスクーン２０上に投射するためのもので、全体の光路を折り畳むことにより、リアプロジェクターをコンパクトに構成するように配列されている。

本発明を適用した一実施形態の画像形成装置の内部構造について主要な部品の配列を示した側面図である。 同実施形態の画像形成装置の内部構造について主要な部品の配列を示した正面図である。 同実施形態の画像形成装置の内部構造について主要な部品の配列を示した上面図である。 絞りの周辺構造を拡大して示した図である。 本発明を適用したリアプロジェクターの一実施形態について簡略化して示した図である。 従来の反射型結像光学系の一例を示した概念図である。

符号の説明

１ 結像光学系
２ 画像形成素子
３ａ 第１の反射鏡
３ｂ 第２の反射鏡
３ｃ 第３の反射鏡
３ｄ 第４の反射鏡
４ 照明光学系
５ ランプ
６ 反射型画像形成素子（ＤＭＤ）
７ 照明光学系
８ 結像光学系
９ａ 第１の反射鏡
９ｂ 第２の反射鏡
９ｃ 第３の反射鏡
９ｄ 第４の反射鏡
１０，１０’ 絞り
１１ ランプ
１１ａ アーク（光源）
１１ｂ 楕円ミラー
１２ ロッドレンズ
１２ａ 入射側開口
１２ｂ 出射端
１３，１４，１５，１６ レンズ
１７，１８，１９ 平面反射鏡
２０ スクリーン
２１ 光源用筐体

Claims (3)

1. 光源と、基板上に配設された微小ミラーの姿勢を制御し、前記光源から前記基板に照射される光束の一部を結像光学系に導くと共に前記光束の他部を前記結像光学系の光路から外すことにより前記結像光学系に導かれる光束に明暗を形成して画像を生成する反射型画像形成素子と、を備えた画像形成装置であって、
   前記結像光学系は、少なくとも、この結像光学系の入射部となる第１の反射鏡と、該第１の反射鏡から照射される光束を受ける第２の反射鏡と、絞りとを有し、
   前記絞りは、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡との間において主光線が交叉する位置に、主光路に対して直交して設けられていることを特徴とする画像形成装置。
2. 請求項１に記載の画像形成装置であって、
   前記結像光学系が、前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡を含めて少なくとも４枚以上の反射鏡を有することを特徴とする画像形成装置。
3. 請求項２に記載の画像形成装置であって、
   前記結像光学系の有する反射鏡が前記第１の反射鏡と前記第２の反射鏡を含めて４枚であることを特徴とする画像形成装置。

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