JP2006139055A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学素子間の共役関係を損なわずに光学系を小型化することができ、明るく、照度ムラが少なく、コントラストの高い表示を行うことができ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、照明光学系１と、反射型ライトバルブ２と、投写光学系３とを備えている。照明光学系１は、光強度均一化素子６と、リレーレンズ群７と、第１ミラー８と、第２ミラー９とを備えており、第２ミラー９により反射された光束が反射型ライトバルブ２の被照明面に入射する。第２ミラー９は、楕円反射面９ｂを有している。反射型ライトバルブ２の長手方向寸法Ｓと、第２ミラー９の楕円反射面９ｂを規定する楕円体１１の長軸半径Ａと短軸半径Ｂと離心率Ｅとの間には、以下の関係式（１）〜（３）が成立する。
Ａ≧１．１４×Ｓ・・・（１）
Ｂ≧１．１１×Ｓ・・・（２）
Ｅ≧０．２２×Ｓ・・・（３）
【選択図】 図１

Description

本発明は、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、ディジタル・マイクロミラー・デバイス（Digital Micro-mirror Device：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。

従来の投写型表示装置は、白色光源と、白色光源からの光束を集光する集光ミラーと、光束の集光位置に配置されたカラーフィルタと、カラーフィルタの透過光が入射するコンデンサレンズと、コンデンサレンズの射出光を反射する第１及び第２の折り返しミラーと、第２の折り返しミラーの反射光が入射する反射表示手段と、反射表示手段により形成された画像を拡大投影する投写レンズとを備えている（例えば、特許文献１参照）。投写型表示装置の小型化のため、第２の折り返しミラーは投写レンズの直下に配置されている。コンデンサレンズの光軸と投写レンズの光軸とは、上面視で直交している。

また、照明光束の強度分布を均一化する光強度均一化素子としてロッドレンズを用い、第２の折り返しミラーとして楕円ミラーを用いた投写型表示装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−９８２７２号公報（第３−４頁、図１，７） 特開２００４−１２６４１０号公報（第４−５頁、図１，６）

ここで、投写型表示装置では、伝達光学系（リレーレンズ）の焦平面と投写レンズの入射側開口部とが共役関係にあること、及び、光強度均一化素子の出射端面と反射表示手段の入射面とが共役関係にあることが必要である。これらの共役関係を維持することができないと、反射表示手段上の照度が低下し、また照度分布が不均一になり、その結果、スクリーン上の明るさが低下し、照度ムラが発生する可能性がある。

近年、投写型表示装置の小型化が進むにつれ、光学系を小型化することが要求されているが、上記のように光学素子の数が少ない光学系を小型化すると、屈折角度や反射角度などが大きくなって収差を発生しやすくなるという問題がある。

特に、上記の特許文献１に記載された投写型表示装置では、第２の折り返しミラーの反射面が凹状の球面又は非球面であることから非同軸光学系となり、光学系の小型化に伴って収差が発生しやすく、上述した共役関係を確保することが難しくなる。その結果、スクリーン上の明るさが低下し、また照度ムラが発生するという問題がある。

また、収差が発生しやすくなることに起因して、反射表示装置からの出射光のうち出射角度が主光線と大きく異なる成分が増加し、これらの一部が不要光となるため、コントラストが低下するという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解消されるためになされたもので、光学素子間の共役関係を維持しつつ光学系を小型化することができ、明るく、照度ムラが少なく、コントラストの高い表示を行うことができる投写型表示装置を提供することを目的とする。

本発明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明面を有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たものである。前記照明光学系は、前記光源から射出された光束を集光する集光手段と、前記集光手段により集光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が入射するリレーレンズ群と、前記リレーレンズ群から射出された光束を反射する第１ミラーと、前記投写光学系に隣接して配置され、前記第１ミラーで反射された光束を前記反射型ライトバルブに向けて反射する第２ミラーとを備えている。前記第２ミラーで反射された光束が前記反射型ライトバルブの被照明面に入射し、さらに前記被照明面で反射された光束が前記投写光学系に入射するよう構成されている。前記第２ミラーは楕円反射面を有している。前記反射型ライトバルブの長手方向寸法Ｓと、前記第２ミラーの楕円反射面を規定する楕円体の長軸半径Ａと、短軸半径Ｂと、離心率Ｅとの間には、以下の関係式（１）、（２）及び（３）が成立する。
Ａ≧１．１４×Ｓ・・・（１）
Ｂ≧１．１１×Ｓ・・・（２）
Ｅ≧０．２２×Ｓ・・・（３）

本発明によれば、光学系の小型化した場合の収差の発生を抑制することができ、これにより必要な光学素子間の共役関係を維持することができる。その結果、投写型表示装置の小型化を実現すると同時に、明るく、照度ムラが小さく、コントラストの高い表示を行うことが可能になる。

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、ＤＭＤ素子２により形成された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。

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透過させる回転型のカラーフィルタ５と、カラーフィルタ５の透過光の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６と、光強度均一化素子６から射出された光束が入射するリレーレンズ群７と、リレーレンズ群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。

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。発光体４ａは、楕円面鏡４ｂの第１焦点（第１中心）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、楕円面鏡４ｂの第２焦点（第２中心）の近傍に集光される。楕円面鏡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（照明光軸とする。）１ａが規定される。

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良い。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、コンデンサレンズを用いて集光する（収束させる）ことができる。

カラーフィルタ５は、円盤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。カラーフィルタ５は、照明光軸１ａと略平行な軸線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の照明光軸１ａと平行で且つ楕円面鏡４ｂの第２焦点近傍に位置するように構成されている。このカラーフィルタ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）ＤＭＤ素子２に照射される。

光強度均一化素子６は、カラーフィルタ５を透過した光束の当該光束断面図内における強度分布を均一化する（照度ムラを低減する）ものである。光強度均一化素子６の構成例としては、ガラス又は樹脂製の透明材料からなる四角柱状のロッドや、内面に反射鏡を設けた筒状部材（パイプ）を用いることができる。前者は透明材料の側端面（外部の空気との界面）での全反射作用を利用して光束を複数回反射させるものであり、後者は反射鏡での全反射作用を利用して光束を複数回反射させるものである。光強度均一化素子６が光束を複数回反射させる原理は、万華鏡の原理とほぼ同じと理解される。光強度均一化素子６の照明光軸１ａ方向における長さを十分に確保することにより、入射端面６ａから入射して光強度均一化素子６内で複数回反射した光が出射端面６ｂの近傍に重畳照射され、出射端面６ｂ近傍で略均一な強度分布が得られる。このようにして強度が均一化された光束は、リレーレンズ群７、第１ミラー８及び第２ミラー９を介してＤＭＤ素子２へと導かれ、ＤＭＤ素子２を照射する。なお、光強度均一化素子６として、多数のレンズ素子を照明光軸１ａと略直交する面内に配列したレンズアレイを用いてもよい。

図２は、光強度均一化素子６の出射端面６ｂから射出された光束の集光状態（収束状態）を模式的に示す図である。リレーレンズ群７、第１ミラー８及び第２ミラー９は、光強度均一化素子６の出射端面６ｂ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構成されている。光強度均一化素子６の出射端面６ｂ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、リレーレンズ群７、第１ミラー８及び第２ミラー９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。

リレーレンズ群７は、１枚又は複数枚のレンズにより構成されるものであり、図１に示した構成例では、レンズ７１，レンズ７２及びレンズ７３の３枚のレンズにより構成されている。なお、後述するように、レンズ７１は、単独で第１レンズ群７１を構成し、レンズ７２及びレンズ７３は第２レンズ群７４を構成している。

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、画素情報に応じて各マイクロミラーの傾角（チルト）を変化させるように構成されている。マイクロミラーの配列された面を基準面とすると、この基準面は照明光軸１ａに対して平行である。また、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２の構成は、文献“L.H.Hornbeck,Prog.SPIE,vol.3013,pp.27-40 1997”に開示されている。

第１ミラー８は、反射面８ａを有しており、リレーレンズ群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、反射面８ａの法線が照明光軸１ａに対して傾斜している。この第１ミラー８の反射面８ａにおいて、光強度均一化素子６の中心から射出された主光線が（リレーレンズ群７を介して）入射する位置を、交点８ｃとする。

第１ミラー８は、ＤＭＤ素子２を照射する照明光束の断面形状及び照射位置を決定する作用を有するものであり、第１ミラー８の反射面は、平面、凹状の円筒面又は凹状の球面若しくは非球面で構成される。第１ミラー８の反射面を平面とした場合、ＤＭＤ素子２を照射する照明光束の良好な断面形状を得るという効果は弱くなるが、最も安価に構成することができる。また、この場合、第１ミラー８の厚みを最も薄くできるため、ＤＭＤ素子２や第２ミラー９との干渉を回避する上では有利である。

第１ミラー８の反射面を円筒凹面とした場合には、ＤＭＤ素子２の被照射面２ｂに対する斜め方向の照射により生じ得る歪曲収差を良好に補正し、良好な照明光束の形状及び照射位置を実現することができる。また、第１ミラー８の反射面を凹状の非球面で構成した場合にも、ＤＭＤ素子２の被照射面２ｂに対する斜め方向の照射により生じ得る歪曲収差を良好に補正し、良好な照明光束の形状及び照射位置を実現することができる。

図３は、本実施の形態１に係る投写型表示装置を、図１に示した線分ＩＩＩ−ＩＩＩの矢視方向から見た図である。ＤＭＤ素子２は、照明光軸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、平行でかつ上方に所定量ずれている。

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Ｄで示したように互いに干渉しあわない範囲で、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は、以下で詳述する楕円反射面９ｂを有している。第２ミラー９の楕円反射面９ｂにより反射された光束は、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂにおいて反射され、投写光学系３の入射側開口部３ｂに入射する。

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（すなわち照明光軸１ａに対し）、上面視で略直交している。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、いずれも照明光軸１ａに対して上面視で略直交している。

上記略直交を大きく外れると、光源ランプ４、リレーレンズ群７、第１ミラー８、第２ミラー９、反射型ライトバルブ２及び投写光学系３を、互いの光路を遮らないように配置することが難しくなる。また、光源ランプ４の傾き角度は、約１５度までが許容範囲内である。これ以上傾き角度が大きくなると明るさが低下し、また光源ランプ４のフリッカ現象を引き起こして良好な画像が得られなくなるためである。これらの理由より、照明光軸１ａと、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とのなす角γ（図１）は、９０±５度であることが好ましい。

図４は、第２ミラー９の楕円反射面９ｂに関連する光学系の基本的な共役関係を説明するための図である。図４に示すように、光強度均一化素子６の出射端面６ｂから出射された光束は、光強度均一化素子６の作用により照明光軸１ａ方向に平行な方向を主光線とする光束となる。光強度均一化素子６の射出端面６ｂからの射出光は、リレーレンズ群７を透過して、リレーレンズ群７の焦平面１０に一度集光される。その後光束は再び発散するが、第２ミラー９の楕円反射面９ｂで反射されることにより再び集光光束となり、ＤＭＤ素子２を照射する。ＤＭＤ素子２で形成された映像光は、投写光学系３の入射側開口部３ｂの中心に集光される。

図４において、第１ミラー８の反射面に関し、リレーレンズ群７の焦平面１０の中心点に対応する鏡像点（すなわち第１ミラー８の反射面８ａに関し、焦平面１０の中心点と対称となる点）を、鏡像点１１ｂとする。また、ＤＭＤ素子２のマイクロミラーに関し、投写光学系３の入射側開口部３ｂの中心点に対応する鏡像点を、鏡像点１１ａとする。なお、鏡像点１１ａは、ＤＭＤ素子２の多数のマイクロミラーを基準とするものであるため、完全な点とはならず、所定の小さな半径を有するエリアの中心付近に位置する。

第２ミラー９の楕円反射面９ｂは、鏡像点１１ａからの光を鏡像点１１ｂに集光させるように作用する。すなわち、第２ミラー９の楕円反射面９ｂは、鏡像点１１ａと鏡像点１１ｂとを焦点とするように設計された楕円体１１の一部をなしている。これは、一方の焦点から発した光が他方の焦点に集光するという楕円体の性質によるものである。焦平面１０の中心と投写光学系３の入射側開口部３ｂの中心とは、必ず共役関係になる。

次に、図４に示した共役関係に基づき、光学系を小型化すると共に、光学素子（リレーレンズ群７、第１ミラー８、第２ミラー９及びＤＭＤ素子２）の相互の干渉を回避し、かつ良好な照明光学系１の性能（光利用効率等）を確保するための、第２ミラー９の楕円反射面９ｂを規定する楕円体１１の形状及び位置について説明する。

図５は、リレーレンズ群７、焦平面１０、第１ミラー８、第２ミラー９及びＤＭＤ素子２の位置関係を説明するための図である。ＤＭＤ素子２の寸法、及び、リレーレンズ群７の焦平面１０と第１ミラー８との位置関係は、照明光学系１の良好な性能を得るためには非常に重要である。ここでいう照明光学系の性能とは、特に光利用効率（すなわち、どれだけ多くの光束をスクリーンに照射できるか）、及びスクリーン上での照度分布の均一性をいう。

ここで、ＤＭＤ素子２は、照明光軸１ａと略平行な方向に長手方向寸法（横方向寸法）Ｓを有している。照明光軸１ａの方向において、リレーレンズ群７の焦平面１０からＤＭＤ素子２の中心までの距離をＬ１とし、ＤＭＤ素子２の中心から第１ミラー８の中心までの距離をＬ２とする。表１には、ＤＭＤ素子２の長手方向寸法Ｓと、リレーレンズ群７の焦平面１０からＤＭＤ素子２の中心までの距離Ｌ１と、ＤＭＤ素子２の中心から第１ミラー８の中心（上述した交点８ｃ）までの距離Ｌ２との組み合わせを変えた８つの照明光学系１の構成例（Ｎｏ．１〜８）を示す。また、図６には、表１に示した各構成例について、光利用効率と照度分布の均一性とを示す。

なお、光利用効率は、光源ランプ４からの光出力を１とした場合のスクリーンへの到達光量の割合を示す値である。ここでは、光利用効率の値が０．４８より小さい場合に、光利用効率が低いと判断する。また、照度分布の均一性は、スクリーンの中心部の照度分布に対する周縁部の照度分布の比率を示す値である。ここでは、照度分布の均一性が５５％を下回ると、照度分布の均一性が低いと判断する。

図６において、構成例４，８では、光利用効率が０．４８以上、照度分布の均一性が５５％以上であり、良好な性能が得られると判断される。一方、構成例１，２，３，５，６，７については、光利用効率が０．４８より小さく、若しくは照度分布の均一性が５５％より小さく、又はその両方に該当し、良好な性能が得られていないと判断される。

表１と図６に示した結果から、以下のことが分かる。すなわち、焦平面１０とＤＭＤ素子２の距離Ｌ１については、以下の関係式で表される範囲で、良好な性能が得られることが分かる。
０．７≦Ｌ１／Ｓ≦１．１
一方、ＤＭＤ素子２と第１ミラー８との距離Ｌ２については、以下の関係式で表される範囲で、良好な性能が得られることが分かる。
０．８≦Ｌ２／Ｓ≦１．３
距離Ｌ１，Ｌ２のいずれについても、上記範囲外の場合には、光利用効率の低下、照度分布の均一性の低下、光学系の大型化、あるいは光線と光学素子との干渉を招く可能性がある。

一方、楕円体１１における２つの焦点（上述した鏡像点）１１ａ，１１ｂ間の距離をＦとする。焦点１１ａは、ＤＭＤ素子２に対して第１ミラー８から遠い側に配置され、焦点１１ｂは、第１ミラー８に対してＤＭＤ素子２から遠い側に配置されているため、焦点１１ａ，１１ｂ間の距離Ｆは、ＤＭＤ素子２の中心から第１ミラー８の中心（上述した交点８ｃ）までの照明光軸１ａ方向の距離Ｌ２以上であることが必要である（Ｆ≧Ｌ２）。

次に、楕円体１１の長軸の向きと照明光軸１ａ等との関係について説明する。光学系の小型化を実現するためには、距離Ｌ１及び距離Ｌ２はできる限り小さくする必要がある。上述したように、照明光学系１の良好な性能が得られるのは、Ｌ１／Ｓが０．７〜１．１の範囲にあり、Ｌ２／Ｓが０．８〜１．３の範囲にあるときである。従って、照明光学系１の性能を確保しつつ最も小型化できる（すなわちＬ１，Ｌ２を最も小さくできる）のは、距離Ｌ１が０．７Ｓであり、距離Ｌ２が０．８Ｓの場合である。

図７に示すように、楕円体１１の長軸１１ｃと楕円体１１の原点１１ｄを通りＤＭＤ素子２の基準面と平行な直線１２とのなす角度をθとする。図８に、当該角度θが０°となる場合（すなわち長軸１１ｃと直線１２が一致する場合）を示す。図８に示した構成では、楕円体１１の短軸１１ｅとＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの中心を通る法線２ａとは平行になる。但し、この光学系では、リレーレンズ群７からの光束を第１ミラー８で反射し、さらに第２ミラー９で反射した後ＤＭＤ素子２へと導くようになっているため、楕円体１１の短軸１１ｅとＤＭＤ素子２の法線２ａとは一致しない。すなわち、楕円体１１の短軸１１ｅは、図８に示すようにＤＭＤ素子２の法線２ａよりも第１ミラー８側（図中右側）に位置している。

次に、角度θが０°の場合に光学系がとりうる最小の構成について説明する。上述したように、楕円体１１の焦点１１ａ，１１ｂ間の距離Ｆは、距離Ｌ２より大きい。また、距離Ｌ２の最小値は、（上述した関係式０．８≦Ｌ２／Ｓ≦１．３から）０．８Ｓである。従って、焦点１１ａ，１１ｂ間の距離Ｆの最小値は、０．８Ｓ（すなわち、ＤＭＤ素子２の長手方向寸法Ｓに０．８を乗じた値）である。

図９に、焦点１１ａ，１１ｂ間の距離Ｆを０．８Ｓとした場合の構成例を示す。なお、図９では、光学系がとりうる最小の構成を示すため、ライトバルブ２が楕円体１１の長軸１１ｃ上に配置された構成例を示す。ここで、楕円体１１の焦点１１ａ及び焦点１１ｂを通って楕円体１１の長軸１１ｃに直交する２本の直線が、楕円体１１の接線と交わる交点をそれぞれ９ｃ，９ｄとする。楕円体の性質により、楕円体１１の中心１１ｄと交点９ｃ，９ｄとをそれぞれ結ぶ線分１１ｆ，１１ｇの長さは、楕円体１１の長軸半径と一致する。

上述した図３において、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂと投写光学系３の入射面３ｄとの距離をＭ１とし、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂと第２ミラー９の反射面９ｂの中心との距離をＭ２とする。光学系を小型化する上では、光学素子同士の干渉（特に、第２ミラー９と投写光学系３の鏡筒３ｃとの干渉）を回避する必要がある。距離Ｍ１は投写光学系３のバックフォーカスに相当し、光学素子同士の干渉（または光学素子と光束との干渉）を回避できる範囲で距離Ｍ１のとりうる最小値は、１．０７Ｓ（すなわち、ＤＭＤ素子２の長手方向寸法Ｓに１．０７を乗じた値）程度である。

また、距離Ｍ２については、第２ミラー９を投写光学系３よりＤＭＤ素子２側に近づけて配置すると（距離Ｍ２を距離Ｍ１より小さくすると）、リレーレンズ群７からの光束と第２ミラー９との干渉が生じうる。また第２ミラー９をＤＭＤ素子２から遠ざけて配置すると（距離Ｍ２を距離Ｍ１より大きくすると）、第２ミラー９をＤＭＤ素子２に対して大きく下方にシフトした位置に配置する必要があり、光学系の大型化を招くことになる。これらの点を考慮すると、第２ミラー９は投写光学系３の入射面３ｄの直下付近に配置するのが最も好ましく、距離Ｍ２の最小値は、上述した距離Ｍ１の最小値と同等、１．０７Ｓ（すなわちＤＭＤ素子２の長手方向寸法Ｓに１．０７を乗じた値）であることが最も好ましい。

図９において、楕円体１１の中心１１ｄと焦点１１ａとの距離の最小値は、焦点１１ａ，１１ｂの距離Ｆの最小値（０．８Ｓ）の１／２である０．４Ｓとなる。また、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂと第２ミラー９との距離Ｍ２の最小値は、上述したように１．０７Ｓ（すなわちＤＭＤ素子２の長手方向寸法Ｓに１．０７を乗じた値）である。従って、線分１１ｆの長さ、すなわち楕円体１１の長軸半径Ａの最小値は、三平方の定理より、１．１４Ｓ（ＤＭＤ素子２の長手方向寸法Ｓに１．１４を乗じた値）となる。また、楕円体１１の長軸１．１４と、中心１１ｄから焦点１１ａまでの距離（０．４Ｓ）とから、楕円体１１の短軸半径Ｂの最小値は１．１１Ｓとなり、離心率Ｅの最小値は０．２２となる。

以上から、楕円体１１の長軸半径Ａと短軸半径Ｂと離心率Ｅと、ＤＭＤ素子２の長手方向寸法Ｓとの間には、次の関係式（１）〜（３）が成立する。
Ａ≧１．１４×Ｓ ・・・（１）
Ｂ≧１．１１×Ｓ ・・・（２）
Ｅ≧０．２２×Ｓ ・・・（３）

ここで、楕円体１１の長軸１１ｃと、楕円体１１の原点１１ｄを通りＤＭＤ素子２の基準面と平行な直線１２とのなす角度θが０°でない場合について説明する。角度θが０°でない場合には、図７に示したように角度θ＞０°となる構成と、図１０に示すように角度θ＜０°となる構成とがある。図７及び図１０から明らかなように、角度θが０°でない場合の楕円体１１は、図９に示した角度θが０°の場合の最小構成よりも大きく構成されるため、上述の式（１）〜（３）を満足することは明らかである。従って、第２ミラー９を楕円反射面で構成し、光学系を小型化し、かつ良好な光学性能を確保するためには、式（１）〜（３）を満足する必要があることが分かる。

次に、リレーレンズ群７について説明する。リレーレンズ群７は、２つの作用を有している。一つは、図１に示すように、光強度均一化素子６から射出される光束を第１ミラー８に向けて伝送する作用である。もう一つは、図１０に示すように、光強度均一化素子６の入射端面６ａとリレーレンズ群７の焦平面１０とを光学的な共役関係にする作用である。

図１０に示すように、リレーレンズ群７は、光強度均一化素子６側より、正の屈折力を持つ少なくとも一つのレンズ（ここでは単一のレンズ）からなる第１レンズ群７１と、２つの両凸レンズ７２，７３からなる第２レンズ群７４とにより構成される。リレーレンズ群７の全体の焦点距離をｆ０、第１レンズ群７１の焦点距離をｆ１、第２レンズ群７４の焦点距離をｆ２とする。

図１２は、本実施の形態に係る照明光学系１において、ｆ２／ｆ０を変化させた場合の光利用効率の変化を示す図である。図１２に示した光利用効率は、光源ランプ４からの光出力を１とした場合のスクリーンへの到達光量の割合を示す値である。ここでは、この光利用効率の値が０．４８より小さい場合には、光利用効率が低いと判断する。

図１２から、ｆ２／ｆ０の値が１．２５より小さい場合、また１．７７より大きい場合には、光利用効率が０．４８を下回ること（すなわち、光利用効率が低下すること）が分かる。このことから、光利用効率を向上できるｆ２／ｆ０の範囲は、以下の関係式（４）で表される。
１．２５≦ｆ２／ｆ０≦１．７７ ・・・（４）

ｆ２／ｆ０が関係式（４）の上限を超えると、第１レンズ群７１の屈折力が大きくなり、歪曲収差が増大するため、光利用効率及び照度分布の均一性が低下する。また、リレーレンズ群７の主点距離が大きくなることから、リレーレンズ群７の全長が大きくなり、その分だけ光学系の小型化の点で不利になる。一方、ｆ２／ｆ０が関係式（４）の下限を下回ると、リレーレンズ群７の有効径が増すために、光学系の小型化の点で不利になる。

以下、光利用効率を向上するための数値実施例について説明する。表２に、実施の形態１における数値実施例１を示す。この数値実施例１では、リレーレンズ群７は、光強度均一化素子６側より、正の屈折力を持つ単一レンズからなる第１レンズ群７１と、２つの両凸レンズ７２，７３からなる第２レンズ群７４とにより構成される（図１参照）。リレーレンズ群７全体の焦点距離ｆ０を１１．１７とし、第１レンズ群７１の焦点距離ｆ１を２５．３８とし、第２レンズ群７４の焦点距離ｆ２を１６．８４とする。また、照明光学系１の照明光軸１ａと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との交わる角度γを９０度とする。表１において、面Ｓ１及び面Ｓ２は、第１レンズ群７１を構成する単一レンズの入射面及び出射面である。面Ｓ３及び面Ｓ４は、第２レンズ群７４のレンズ７２の入射面及び出射面である。面Ｓ５及び面Ｓ６は、第２レンズ群７４のレンズ７３の入射面及び出射面である。面６ｂは、上述した光均一化素子６の射出面である。Ｒｉは、各面における曲率半径を示し、Ｄｉは、面間隔を示す。ｎｄはｄ線に対する屈折率を示し、νｄはアッベ数を示す。なお、Ｒｉ＝∞は、平面を示す。

数値実施例１において、ｆ２／ｆ０の値を計算すると、ｆ２／ｆ０＝１．５１となり、上述した関係式（４）を満足している。また、照明光学系１の照明光軸１ａと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との交わる角度γは９０°であるため、光学系の小型化に適した配置を実現することができる。

表３に、実施の形態１における数値実施例２を示す。上述した数値実施例１と同様、この数値実施例２では、リレーレンズ群７は、光強度均一化素子６側より、正の屈折力を持つ単一レンズからなる第１レンズ群７１と、２つの両凸レンズ７２，７３からなる第２レンズ群７４とにより構成される（図１参照）。リレーレンズ群７全体の焦点距離ｆ０を１２．４４とし、第１レンズ群７１の焦点距離ｆ１を２７．１９とし、第２レンズ群７４の焦点距離ｆ２を１９．０７とする。また、照明光学系１の照明光軸１ａと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との交わる角度γを８９．９度とする。

数値実施例２において、ｆ２／ｆ０の値を計算すると、ｆ２／ｆ０＝１．５３となり、関係式（４）を満足している。また、照明光学系１の照明光軸１ａと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との交わる角度γは８９．９°であるため、光学系の小型化に適した配置を実現することができる。

以上説明したように、本実施の形態１によれば、楕円体１１の長軸半径Ａ、短軸半径Ｂ、離心率Ｅ、及びＤＭＤ素子２の長手方向寸法Ｓの間に、上述した関係式（１）〜（３）が成立するため、光学系の小型化による収差を軽減し、光学素子間の良好な共役関係を維持することができる。その結果、光利用効率が高く、照度ムラが小さく、コントラストが高い光学系を実現することができる。

また、リレーレンズ群７全体の焦点距離ｆ０と、第２レンズ群７４の焦点距離ｆ２とが、関係式（４）を満たすよう構成することにより、小型化が可能で、且つ光利用効率をさらに向上することができる光学系を実現することができる。

さらに、リレーレンズ群７の第１レンズ群７１を正の屈折力を有する少なくとも１つのレンズで構成し、第２レンズ群７４を２つの両凸レンズで構成することにより、低コストで良好な光学性能を有するリレーレンズ群７を実現することができる。

加えて、光強度均一化素子６から第１ミラー８までの光束の進行方向と、反射型ライトバルブ２から投写光学系３の入射側開口部３ｂまでの光束の進行方向を略直交させることにより、光学系を小型化するための各光学素子の配置を容易に実現することができ、また光源ランプ４の明るさの低下等を抑制して良好な画像を得ることができる。

また、反射型ライトバルブ２の各画素を反射角の傾角を変化させることのできる可動マイクロミラーにより構成することにより、照度ムラのない良好な投影画像を形成することができる。

さらに、リレーレンズ群７の焦平面１０とＤＭＤ素子２の中心と距離Ｌ１が、０．７≦Ｌ１／Ｓ≦１．１の範囲にあることにより、また、ＤＭＤ素子２の中心と第１ミラー８の中心との距離Ｌ２が、０．８≦Ｌ２／Ｓ≦１．３の範囲にあることにより、光利用効率の低下や照度分布の均一性を防止し、光線と光学素子とを干渉させることなく光学系を小型化することができる。

また、第１ミラー８を平面とすることにより、低コストで照明光束の光利用効率の高い照明光学系１を得ることができる。

あるいは、第１ミラー８の反射面を円筒凹面で構成することにより、歪曲収差を軽減し、照明光束の光利用効率を向上することができる。

さらに、第１ミラー８の反射面を凹状の非球面で構成することにより、各種収差の発生を抑えて、良好な結像性能を実現することができる。

また、光強度均一化素子６を内面で光束を反射する管状部材により構成することにより、照明光束による光強度均一化素子６自身の加熱を抑制でき、従って光強度均一化素子６の冷却及び保持が簡単になる。

あるいは、光強度均一化素子６を四角柱状の透明部材で構成することにより、光強度均一化素子６の設計が容易になる。

さらに、光強度均一化素子６を、複数のレンズ素子を平面的に配列したレンズアレイとすることにより、照明光束の断面内の強度分布を均一にし、照度ムラを抑えることが可能となる。

実施の形態２．
図１３は、実施の形態２に係る投写型表示装置の光学系を示す図である。実施の形態１では、リレーレンズ群７の第２レンズ群７４が２つの両凸レンズで構成されていのに対し、この実施の形態２では、リレーレンズ群７の第２レンズ群７４が単一のレンズで構成されている。第２レンズ群７４以外の構成は、実施の形態１と同様である。

第２レンズ群７４を単一の球面レンズで構成することができれば、リレーレンズ群７をさらに低コストで構成することができる。しかし、第１の実施の形態と同様、リレーレンズ群７からの光束を第１ミラー８及び第２ミラー９で順次反射し、反射型ライトバルブ２の被照射面２ｂに斜め方向に入射させるという構成（歪曲収差が発生しやすい構成）を採用しているため、第２レンズ群７４を単一の球面レンズで構成した場合、歪曲収差が大きくなり、照明光学系１の光学性能が低下するおそれがある。

この歪曲収差は、図１３（ａ）に示すように、照明光学系１の照明光軸１ａを、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に対して傾斜させることで解消することができる。このように歪曲収差を解消するための最適設計を行った数値実施例３を、表４に示す。この数値実施例３では、リレーレンズ群７を、光強度均一化素子６側より、正の屈折力を持つ単一のレンズからなる第１レンズ群７１と、単一の球面レンズからなる第２レンズ群７４とにより構成する。リレーレンズ群７全体の焦点距離ｆ０を１２．２７とし、第１レンズ群７１の焦点距離ｆ１を１９．４３とし、第２レンズ群７４の焦点距離ｆ２を２１．３９とする。また、照明光学系１の照明光軸１ａと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との交わる角度γを８０．５度とする。

表４において、面Ｓ１及び面Ｓ２は、第１レンズ群７１を構成する単一レンズの入射面及び出射面である。面Ｓ３及び面Ｓ４は、第２レンズ群７４の入射面及び出射面である。面６ｂは、上述した光均一化素子６の射出面である。Ｒｉは、各面における曲率半径を示し、Ｄｉは、面間隔を示す。ｎｄはｄ線に対する屈折率を示し、νｄはアッベ数を示す。なお、Ｒｉ＝∞は、平面を示す。

表４に示した数値実施例３において、ｆ２／ｆ０の値を計算すると、ｆ２／ｆ０＝１．７４となり、実施の形態１で説明した関係式（４）を満足している。しかし、照明光学系１の照明光軸１ａと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との交わる角度γが８０．９°であり、略直交（９０±５°）していないため、実施の形態１でも説明したように光学系の小型化が難しくなり、また光源ランプ４の明るさの低下等を招く可能性がある。

そこで、本実施の形態では、リレーレンズ群７の第２レンズ群７４の少なくとも１面を非球面により構成し、且つ、図１３（ｂ）に示すように、照明光学系１の照明光軸１ａと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とを略直交（９０±５°）させる。

表５は、第２レンズ群７４のレンズ７２の出射側（第１ミラー８側）の面を非球面で構成した数値実施例４を示す。この数値実施例４では、リレーレンズ群７は、図１３（ｂ）に示すように、光強度均一化素子６側より、正の屈折力を持つ単一のレンズからなる第１レンズ群７１と、射出側に非球面を有する単一のレンズからなる第２レンズ群７４とにより構成される。リレーレンズ群７全体の焦点距離ｆ０を１１．４９とし、第１レンズ群７１の焦点距離ｆ１を２９．１８とし、第２レンズ群７４の焦点距離ｆ２を１４．７６とする。また、照明光学系１の照明光軸１ａと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との交わる角度γを９０度とする。

表５において、面Ｓ１及び面Ｓ２は、第１レンズ群７１を構成する単一レンズの入射面及び出射面である。面Ｓ３及び面Ｓ４は、第２レンズ群７４を構成する単一レンズ（射出側に非球面を有する）の入射面及び出射面である。面６ｂは、上述した光均一化素子６の射出面である。

表５に示した数値実施例４において、第２レンズ群７４を構成するレンズの出射側の非球面は、以下の数１で表される。

上記式１において、Ｚは照明光軸１ａ方向の距離を表し、ｒは光軸に垂直な方向への距離を表す。また、ｃは中心曲率を表し、ｋはコーニック定数を表す。β₁〜β₁₆は非球面多項式の係数を表すものである。非球面係数β₁〜β₁₆の値を、以下の表６示す。

表５に示した数値実施例４において、ｆ２／ｆ０の値を計算すると、ｆ２／ｆ０＝１．２８となり、関係式（２）を満足している。また、照明光学系１の照明光軸１ａと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との交わる角度γは９０°であるため、光学素子同士の干渉を回避しつつ光学系を小型化することができる。

なお、ここでは、第２レンズ群７４を構成する単一のレンズの射出側の面を非球面としたが、射出側又は入射側の少なくとも一方が非球面であれば、同様の効果を得ることができる。また、第１レンズ群７１は、単一のレンズに限られるものでなく、正の屈折力を有する少なくとも一つのレンズで構成されていればよい。

以上説明したように、本実施の形態２によれば、実施の形態１で説明した各効果に加えて、第１レンズ群７１を正の屈折力を有する単一のレンズで構成し、第２レンズ群７４を少なくとも１面が非球面で構成された単一のレンズで構成することにより、少ないレンズ数で、収差の少ないリレーレンズ群７を構成することができる。

また、光強度均一化素子６から第１ミラー８までの光束の進行方向（照明光軸１ａの方向）と、反射型ライトバルブ２から投写光学系３の入射側開口部３ｂまでの光束の進行方向を略直交させることにより、光学素子同士の干渉を回避しつつ、光学系を小型化するための配置を容易に実現することができ、また、光源ランプ４の明るさの低下等を抑制して良好な画像を得ることが可能となる。

なお、上述した実施の形態１及び２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おいても適用できる。

また、本実施の形態１及び２では、カラーフィルタ５を光源ランプ４と光強度均一化素子６の間に配置したが、光強度均一化素子６の直後に配置してもよく、また、照明光束が集光される（収束する）箇所であれば他の箇所に配置してもよい。

この発明の実施の形態１に係る投写型表示装置を概略的に示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る投写型表示装置の光強度均一化素子及びＤＭＤ素子の関係を模式的に示す図である。 この発明の実施の形態１に係る投写型表示装置の図１に示した線分ＩＩＩ−ＩＩＩにおける矢視方向の側面図である。 この発明の実施の形態１に係る投写型表示装置の第２ミラーの楕円反射面を形成する楕円体を模式的に示す図である。 この発明の実施の形態１に係る投写型表示装置のリレーレンズ群と第１ミラーとの位置関係を模式的に示す図である。 この発明の実施の形態１に係る投写型表示装置の第２ミラーの楕円反射面を形成する楕円体の配置を模式的に示す図である。 この発明の実施の形態１に係る投写型表示装置の光学系の配置と性能の関係を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る投写型表示装置の第２ミラーの楕円反射面を形成する楕円体の配置を模式的に示す図である。 この発明の実施の形態１に係る投写型表示装置の第２ミラーの楕円反射面を形成する楕円体の配置を模式的に示す図である。 この発明の実施の形態１に係る投写型表示装置の第２ミラーの楕円反射面を形成する楕円体の配置を模式的に示す図である。 この発明の実施の形態１に係る投写型表示装置の光強度均一化素子の入射端面とリレーレンズ群の焦平面との共役関係を説明するための図である。 この発明の実施の形態１に係る投写型表示装置のリレーレンズ群の焦点距離の配分と光利用効率の関係を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る投写型表示装置の光学系を模式的に示す図である。

符号の説明

１ 照明光学系、 １ａ 照明光軸、 ２ ＤＭＤ素子、 ３ 投写光学系、 ４ ランプ、 ５ カラーフィルタ、 ６ 光強度均一化素子、 ７ リレーレンズ群、 ７１ 第１レンズ、 ７４ 第２レンズ、 ８ 第１ミラー、 ９ 第２ミラー、 １０ 焦平面。

Claims (14)

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明面を有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する集光手段と、
   前記集光手段により集光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が入射するリレーレンズ群と、
   前記リレーレンズ群から射出された光束を反射する第１ミラーと、
   前記投写光学系に隣接して配置され、前記第１ミラーで反射された光束を前記反射型ライトバルブに向けて反射する第２ミラーと
   を備え、
   前記照明光学系の前記第２ミラーで反射された光束が、前記反射型ライトバルブの被照明面に入射し、さらに前記被照明面で反射された光束が前記投写光学系に入射するよう構成され、
   前記第２ミラーは、楕円反射面を有し、
   前記反射型ライトバルブの長手方向寸法Ｓと、前記第２ミラーの楕円反射面を規定する楕円体の長軸半径Ａと、短軸半径Ｂと、離心率Ｅとの間に、以下の関係式（１）、（２）及び（３）が成立することを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
   Ａ≧１．１４×Ｓ・・・（１）
   Ｂ≧１．１１×Ｓ・・・（２）
   Ｅ≧０．２２×Ｓ・・・（３）
2. 前記リレーレンズ群は、前記光強度均一化素子側から順に、第１レンズ群と第２レンズ群とを備え、前記第２レンズ群の焦点距離ｆ２と、前記リレーレンズ群全体の焦点距離ｆ０との間に、以下の関係式（４）が成立す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。
   １．２５≦ｆ２／ｆ０≦１．７７・・・（４）
3. 前記リレーレンズ群における前記第１レンズ群は、正の屈折力を有する少なくとも１つのレンズにより構成され、前記第２レンズ群は、２つの両凸レンズにより構成されることを特徴とする請求項２に記載の投写型表示装置。
4. 前記リレーレンズ群における前記第１レンズ群は、正の屈折力を有する少なくとも１つのレンズで構成され、前記第２レンズ群は、少なくとも１面を非球面とする少なくとも１つのレンズで構成されることを特徴とする請求項２に記載の投写型表示装置。
5. 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４の何れか１項に記載の投写型表示装置。
6. 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において、前記リレーレンズ群の焦平面と前記反射型ライトバルブの中心との距離Ｌ１が、以下の関係式（５）を満足することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の投写型表示装置。
   ０．７≦Ｌ１／Ｓ≦１．１ ・・・（５）
7. 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において、前記反射型ライトバルブの中心と前記第１ミラーの中心との距離Ｌ２が、以下の関係式（６）を満足することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の投写型表示装置。
   ０．８≦Ｌ２／Ｓ≦１．３ ・・・（６）
8. 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７の何れか１項に記載の投写型表示装置。
9. 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８の何れか１項に記載の投写型表示装置。
10. 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８の何れか１項に記載の投写型表示装置。
11. 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８の何れか１項に記載の投写型表示装置。
12. 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に構成することを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の投写型表示装置。
13. 前記光強度均一化素子は、透明材料による四角柱状の部材であり、内部で光束を反射するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の投写型表示装置。
14. 前記光強度均一化素子は、複数のレンズ素子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１１の何れか１項に記載の投写型表示装置。

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