JP2012133284A - 画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＭＤから画像光が出射するときに回折の散乱による画像光の伝達効率が低下するのを抑え、明るく良好な画像を投影する画像投影装置を提供する。
【解決手段】画像投影装置は、ＤＭＤ４４の画像表示面の法線を画像表示面法線Ａｘとし、ミラー４４ｂで鏡面反射した光線が出射する方向を鏡面反射方向Ｒとし、画像表示面法線Ａｘに対する鏡面反射方向Ｒのなす角度をγで表したときに、各ミラー４４ｂで反射するオン光から生じる回折光の回折角βは、下記の条件式を満たす。
β_{（２・ｋ−１）}≧２・γ―β_{（２・ｋ）}≧β_{（２・ｋ＋１）}
但し、β_{（２・ｋ−１）}、β_{（２・ｋ＋１）}は奇数次の回折光の回折角、β_{（２・ｋ）}は偶数次の回折光の回折角
【選択図】図３

Description

本発明は、表示素子の画像をスクリーン上に投影する画像投影装置に関し、特に、各画素を構成するミラーを回動させることで画像を表示するデジタルマイクロミラーデバイスからなる表示素子を備えた画像投影装置に関するものである。

デジタルマイクロミラーデバイス（以下、ＤＭＤと称する。米国テキサスインスツルメント社製）は、複数の微小ミラーをマトリックス状に有し、各ミラーの傾きをＯＮ／ＯＦＦの２値で制御するものであり、各ミラーの傾きの制御によって、入射する光を変調することができる。ＤＭＤは、このように傾きが変化する複数のミラーを２次元的に敷き詰めた構成であるため、ＤＭＤの表面には、各ミラーの表面に沿った凹凸が生じ、この凹凸がブレーズ型の回折格子として機能する。

ＤＭＤにおける回折の影響を低減する技術としては、例えば特許文献１に開示されたものがある。特許文献１には、レーザ光源からの光をＤＭＤの各ミラーに照射し、その反射回折光を集光レンズと対物レンズで被加工物に結像させるレーザ加工装置が開示されている。このレーザ加工装置では、ＤＭＤの各ミラーを通過した光線が回折作用によって２本の光線に分離しないよう、ＤＭＤを対物レンズの光軸に対して所定の角度だけ傾け、各ミラーを通過した光線が被加工物に効率的に伝送されるように構成している。

また、ＤＭＤは、プロジェクタなどの画像投影装置における表示素子としても多く用いられている。画像投影装置においては、ＤＭＤの各画素のミラーが所定の角度だけ傾いた状態で照明光を反射させることにより、ＤＭＤの画像表示面に垂直な方向に画像光としてのオン光を出射している。一方、各ミラーがオン光を出射する角度とは異なる角度で傾いた状態で照明光を反射させることにより、投影に不要な光をオフ光として出射している。オン光は、投影レンズを介してスクリーンに導かれるが、オフ光は、投影レンズには入射せず、スクリーンには到達しない。このように、各ミラーの傾きをＯＮ／ＯＦＦの２値で制御することにより、ＤＭＤに画像を表示して、その画像をスクリーンに投影することができる。ところが、前述のようにＤＭＤの回折格子としての性質によって、ミラーで反射されたオフ光が回折次数に応じて分散して出射し、分散した一部の光が投影レンズに入射することになり、スクリーンに投影した画像のコントラストが低下するおそれがある他、オン光も回折次数に応じて分散して出射し、分散した一部の光が投影レンズに入射せずに、スクリーンに投影した画像の明るさが低下するおそれがある。

非特許文献１に記載の画像投影装置では、投影レンズの瞳を楕円形状で形成するとともに、オフ光が分散する方向と楕円形状の瞳の短径方向とが一致するように、投影レンズを配置している。これによって、分散したオフ光は楕円形状の瞳に遮られ、スクリーンに到達ことがなく、スクリーン上の画像コントラストの低下を抑えている。しかし、分散したオン光に対しての対策にはなっておらず、却ってオン光のスクリーンへの到達を妨げ、スクリーンに投影した画像の明るさが低下する。

特開２０１０−４４２７２号公報

SID 02 DIGEST 46.1:Advances in Contrast Enhancement for DLP Projection Displays, SID Symposium Digest of Technical Papers, May 2002, Volume 33, Issue 1, pp.1246-1249

特許文献１に記載の装置は、上述のように、レーザ加工装置においてＤＭＤを対物レンズの光軸に対して所定の角度（実施例では５度）傾けることにより、回折による光の伝達効率の低下を回避するものであるが、この装置の構成を画像投影装置に適用することはできない。なぜならば、ＤＭＤを投影レンズの光軸に対して５度も傾けると、周辺などに焦点ボケが投影画像に生じる。

また、画像投影装置においては、ＤＭＤの各ミラーで反射される光（オン光、画像光）においても、回折次数に応じて分散して出射されるが、非特許文献１の装置は、画像光の回折による影響を低減できる構成ではなく、この結果、画像光の伝達効率が低下するという不都合があった。特に、光源がレーザ光である場合には、レーザ光は波長帯域が狭いために回折による影響が顕著に顕れ、スクリーンに投影する画像光の伝達効率が著しく低下するおそれがある。

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、表示素子であるＤＭＤから画像光が出射するときに回折の散乱による画像光の伝達効率が低下するのを抑え、明るく良好な画像を投影する画像投影装置を提供することを目的とする。

本発明の画像投影装置は、放電ランプからなる光源と、前記光源からの照明光を各画素で変調することにより、青、緑、赤の各色の画像を表示する表示素子と、前記表示素子にて表示された各色の画像を投影する投影レンズとを備えた画像投影装置であって、前記表示素子は、各画素を構成するミラーで前記照明光を反射させて、前記画像を表す光をオン光として前記投影レンズに導く一方、前記画像を表す光以外のオフ光を前記投影レンズの外部に導くデジタルマイクロミラーデバイスで構成されており、下記の条件式を満たすことを特徴とする画像投影装置。
β_{（２・ｋ−１）}≧２・γ―β_{（２・ｋ）}≧β_{（２・ｋ＋１）}
但し、
β_（ｍ）は、表示素子の画像表示面に照明光が入射したときの回折による、ｍ次の回折光の回折角であって、
β_（ｍ）＝ｓｉｎ^−１｛ｓｉｎα−ｍ・λ／（√２・ｄ）｝
γは、表示素子に入射した照明光線が、表示素子のオン光を出射するミラーで鏡面反射するときの、鏡面反射光の出射方向と画像表示面法線とのなす角度であって、
γ＝α−２・θ
ｄ：表示素子の画素ピッチ
α：表示素子に入射する照明光線の画像表示面法線に対する入射角
θ：表示素子のオン光を出射するミラーの法線の画像表示面法線に対する傾斜角
λ：青色の画像表示の場合は波長４８０ｎｍ、
緑色の画像表示の場合は波長５５０ｎｍ、
赤色の画像表示の場合は波長６２０ｎｍ
ｍ：正の整数
ｋ：正の整数

また、本発明の画像投影装置は、青、緑、赤の各色のレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源からの照明光を各画素で変調することにより、青、緑、赤の各色の画像を表示する表示素子と、前記表示素子にて表示された各色の画像を投影する投影レンズとを備えた画像投影装置であって、前記表示素子は、各画素を構成するミラーで前記照明光を反射させて、前記画像を表す光をオン光として前記投影レンズに導く一方、前記画像を表す光以外のオフ光を前記投影レンズの外部に導くデジタルマイクロミラーデバイスで構成されており、下記の条件式を満たすことを特徴とする画像投影装置。
β_{（２・ｋ−１）}≧２・γ―β_{（２・ｋ）}≧β_{（２・ｋ＋１）}
但し、
β_（ｍ）は、表示素子の画像表示面に照明光が入射したときの回折による、ｍ次の回折光の回折角であって、
β_（ｍ）＝ｓｉｎ^−１｛ｓｉｎα−ｍ・λ／（√２・ｄ）｝
γは、表示素子に入射した照明光線が、表示素子のオン光を出射するミラーで鏡面反射するときの、鏡面反射光の出射方向と画像表示面法線とのなす角度であって、
γ＝α−２・θ
ｄ：表示素子の画素ピッチ
α：表示素子に入射する照明光線の画像表示面法線に対する入射角
θ：表示素子のオン光を出射するミラーの法線の画像表示面法線に対する傾斜角
λ：青色の画像表示の場合は、レーザ光源が出射する青色のレーザ光の波長、
緑色の画像表示の場合は、レーザ光源が出射する緑色のレーザ光の波長、
赤色の画像表示の場合は、レーザ光源が出射する赤色のレーザ光の波長
ｍ：正の整数
ｋ：正の整数

本発明の画像投影装置においては、青色の画像表示の場合、ｋ＝７であり、緑色の画像表示の場合、ｋ＝６であり、赤色の画像表示の場合、ｋ＝５であることが望ましい。

本発明の画像投影装置においては、前記表示素子は、青、緑、赤の各色に対応して３つ設けられており、前記３つの表示素子のうちの１つは、他の表示素子に対して前記画素ピッチｄが異なっていることが望ましい。

本発明の画像投影装置においては、前記表示素子は、青、緑、赤の各色に対応して３つ設けられており、前記３つの表示素子のうちの１つは、他の表示素子に対して前記傾斜角θが異なっていることが望ましい。

本発明によれば、放電ランプからなる光源から照明光を表示素子の画像表示面に照射し、これによって、照明光が表示素子のミラーに入射し該ミラーで反射してオン光として出射する場合、各ミラーが回折格子として作用し、回折次数に応じた回折光が各ミラーから分散する。この回折光が条件式を満たすように設定されると、偶数次の回折光は鏡面反射光の出射方向に略一致し、または鏡面反射光の出射方向の近くに分散するために、鏡面反射光の出射方向の近傍に回折光のエネルギーが集中することになり、画像光の伝達効率が低下するのを抑えられ、明るく良好な画像を投影することができる。

また、本発明によれば、レーザ光源から照明光を表示素子の画像表示面に照射し、これによって、照明光が表示素子のミラーに入射し該ミラーで反射してオン光として出射する場合、各ミラーが回折格子として作用し、回折次数に応じた回折光が各ミラーから分散する。この回折光が条件式を満たすように設定されると、偶数次の回折光は鏡面反射光の出射方向に略一致し、または鏡面反射光の出射方向の近くに分散するために、光源がレーザ光であっても、鏡面反射光の出射方向の近傍に回折光のエネルギーが集中することになり、画像光の伝達効率が低下するのを抑えられ、明るく良好な画像を投影することができる。

本発明の実施の一形態に係る画像投影装置の概略の構成を示す断面図 上記画像投影装置のＤＭＤの平面図 上記画像投影装置のＤＭＤの断面図 上記画像投影装置のカラープリズムの断面図 上記ＤＭＤにおける回折の状態を示す平面図 上記ＤＭＤにおける回折の状態を示す断面図 上記ＤＭＤの変形例における回折の状態を示す平面図 上記ＤＭＤの変形例における回折の状態を示す断面図 上記ＤＭＤの参考例における回折の状態を示す平面図 上記ＤＭＤの参考例における回折の状態を示す断面図 上記画像投影装置の折り返しミラーの断面図 本発明の実施の別形態に係る画像投影装置の概略の構成を示す断面図 上記画像投影装置の光源の別形態に係る構成を示す断面図 上記光源のレーザアレイを示す平面図 上記光源のコリメートレンズアレイを示す平面図 上記光源の青帯域ＰＢＳミラーの反射特性を示す図 上記光源の緑帯域ＰＢＳミラーの反射特性を示す図 上記光源の赤帯域ＰＢＳミラーの反射特性を示す図

以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明は、この実施形態に限定されない。また発明の用途やここで示す用語等はこれに限定されるものではない。

（第１実施形態）
図１、本発明の実施の一形態に係る画像投影装置の概略の構成を示す断面図であり、図２は上記画像投影装置のＤＭＤの平面図であり、図３は、オン光を出射する状態にあるＤＭＤの断面図であり、図４は上記画像投影装置のカラープリズムの断面図である。

図１に示すように、画像投影装置は、光源１と、ロッドインテグレータ５２と、照明リレー系５３と、折り返しミラー５１と、ＴＩＲプリズム５４と、色分離及び色合成手段であるカラープリズム６３と、表示素子であるＤＭＤ４４と、投影レンズ２４と、を備える。

光源１は、白色光を放射する放電ランプである。リフレクタ２は、光源１から出射される光を反射させて照明光学系７に導く反射板である。リフレクタ２は、回転楕円面の反射面を有しており、リフレクタ２の一方の焦点位置に光源１が配置されている。光源１からの光は、リフレクタ２にて反射されてロッドインテグレータ５２に入射する。

ロッドインテグレータ５２は、光源１からの光の光量分布を均一化して出射するものである。ロッドインテグレータ５２の断面形状は、ＤＭＤ４４の矩形の画像表示領域と略相似となっている。これにより、ロッドインテグレータ５２は、ＤＭＤ４４の矩形の画像表示領域と略相似な照明光束を形成するインテグレータ光学系を構成している。尚、ロッドインテグレータ５２の長辺方向は、ＴＩＲプリズム５４の入射面に対して、実際は４５度傾いたねじれの関係にあるが、図１では、説明の理解をしやすくするため、上記入射面と平行に示している。ＴＩＲプリズム５４の入射面とは、光線束の中心光線がＴＩＲプリズム５４の面に入射するときに、その面に入射する中心光線と、入射点における面の法線とを含む平面である。

照明リレー系５３の瞳面上には、ロッドインテグレータ５２内での反射回数に応じた位置に複数の２次光源像が形成される。また、ロッドインテグレータ５２の光出射面とＤＭＤ４４の画像表示領域とは、照明リレー系５３によって略共役となっている。

照明リレー系５３は、ロッドインテグレータ５２の光出射面の像をリレーしてＤＭＤ４４に投影することにより、ＤＭＤ４４を均一に照明する光学系である。照明リレー系５３によってロッドインテグレータ５２からの光を集光することにより、上記光の利用効率を向上させることができる。

折り返しミラー５１は、照明リレー系５３から出射した光を反射させてエントランスレンズ５８に導くミラーであり、光路を折り曲げることで画像投影装置をコンパクトに構成することができる。

エントランスレンズ５８は、ＤＭＤ４４を略テレセントリックに照明するためのレンズであり、ＴＩＲプリズム５４の光入射側に配置されている。

上記構成によれば、光源１からロッドインテグレータ５２に入射する光は、そこでの内面反射を繰り返してミキシングされ、均一な光量分布となって光出射面から出射される。このロッドインテグレータ５２での反射回数に応じて、照明リレー系５３内に複数の２次光源像が形成されるが、これらを重畳させることにより、光量分布の均質な照明光を実現することができる。ロッドインテグレータ５２から出射される光は、照明リレー系５３、及びＴＩＲプリズム５４を介して、ＤＭＤ４４に導かれる。

ＴＩＲプリズム５４は、ＤＭＤ４４への照明光を全反射させ、ＤＭＤ４４で生成される画像光を透過させる全反射プリズム（臨界角プリズム）である。ＴＩＲプリズム５４によって照明光の光路を折り曲げることにより、画像投影装置をコンパクトに構成することができる。

ＴＩＲプリズム５４は、エアギャップ層を介して２つのプリズム５５、５６を貼り合わせて構成されている。プリズム５５は、第１光入射面５５ａ、臨界面５５ｂ及び第１光出射面５５ｃを有しており、プリズム５６は、第２光入射面５６ａ及び第２光出射面５６ｂを有している。プリズム５５の臨界面５５ｂとプリズム５６の第２光入射面５６ａとは、エアギャップ層を介して対向して配置されている。

照明リレー系５３からの照明光は、ＴＩＲプリズム５４のプリズム５５の内部に第１光入射面５５ａから入射する。プリズム５５の臨界面５５ｂは、照明光が全反射するように配置されており、照明光は臨界面５５ｂで反射されて、プリズム５５の第１光出射面５５ｃから出射され、カラープリズム６３を介してＤＭＤ４４を照明する。

図２に示すように、ＤＭＤ４４は、矩形の画像表示領域４４ａを有し、各画素を構成するミラー４４ｂの回動軸４４ｃが画像表示領域４４ａの長辺４４ａ_１及び短辺４４ａ_２と４５度の角度をなしている。尚、図２では、本来、ＤＭＤ４４の画像表示領域４４ａには、複数のミラー４４ｂが長辺４４ａ_１及び短辺４４ａ_２方向に配列されているが、説明の便宜上、一つのミラー４４ｂのみを描いている。

ＤＭＤ４４の各ミラー４４ｂは、照明光軸に対して所定の角度傾いた状態で照明光を反射させることにより、ＤＭＤ４４の画像表示領域４４ａに垂直な方向に画像光としてのオン光を出射する。一方、各ミラー４４ｂがオン光を出射する角度とは異なる角度に傾いた状態で照明光を反射させることにより、オン光より大きな射出角を持ってオフ光が出射する。ミラー４４ｂへのオン光の入射及び出射の状態を図３に基づいて詳しく説明する。

図３に示すように、ＤＭＤ４４のミラー４４ｂのミラー法線Ｓは、画像表示面法線Ａｘに対して傾斜角θだけ傾斜している。尚、画像表示面法線Ａｘは、ＤＭＤ４４の表示領域４４ａを平面とみなしたとき、その平面に対する法線である。照明光線Ｌはミラー４４ｂに入射し、ミラー４４ｂで鏡面反射した光線は、ミラー法線Ｓに対して、照明光線Ｌの反対側の位置に、入射した照明光線Ｌの角度と同じ角度で出射する。この鏡面反射光線の出射する方向を鏡面反射方向Ｒとする。ここで、画像表示面法線Ａｘを基準にしてミラー法線Ｓ、照明光線Ｌ及び鏡面反射方向Ｒを示すと、ミラー法線Ｓは画像表示面法線Ａｘに対して傾斜角θの位置にある。照明光線Ｌは画像表示面法線Ａｘに対して入射角αで画素（ミラー４４ｂ）に入射し、一方、鏡面反射方向Ｒは画像表示面法線Ａｘに対して角度γだけ傾斜している。オン光が画素（ミラー４４ｂ）から出射する場合、照明光線Ｌと鏡面反射方向Ｒとの関係は、下記の式（Ａ）で表される。尚、角度γは微小角度である（例えば、５度未満）。図３の回折光Ｄ、回折角βは後述する。
γ＝α−２・θ ・・・（Ａ）

図１に戻り、ＤＭＤ４４から出射したオン光は、カラープリズム６３、ＴＩＲプリズム５４及び投影レンズ２４を順に介してスクリーンに導かれるが、オフ光は、ミラー４４ｂから大きな射出角で出射するため、投影レンズ２４には入射せず、スクリーンには到達しない。このように、各ミラー４４ｂ（図３参照）の傾きをＯＮ／ＯＦＦの２値で制御することにより、ＤＭＤ４４に画像を表示して、その画像光をスクリーンに投影することができる。

図４に示すように、カラープリズム６３は、ＴＩＲプリズム５４（図１参照）とＤＭＤ４４との間の光路中に配置される色分離合成手段である。本実施形態では、ＤＭＤ４４は、赤、緑、青の３色の光に対応して設けられるＤＭＤ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂからなっており、カラープリズム６３は、ＴＩＲプリズム５４からの光を上記３つの色光に分離して各ＤＭＤ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂに導くとともに、各ＤＭＤ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂからの反射光を同一光路に合成する。

カラープリズム６３は、三角柱状の第１カラープリズム６４及び第２カラープリズム６５、略四角柱状の第３カラープリズム６６が組み合わされている。第１カラープリズム６４の、第２カラープリズム６５と対向する面にダイクロイック面６４Ｂが形成され、このダイクロイック面６４Ｂにて青の波長域の光を反射するとともに赤緑の波長域の光を透過する。なお、第１カラープリズム６４と第２カラープリズム６５との間にはエアギャップ層が設けられている。また、第２カラープリズム６５の、第３カラープリズム６６と対向する面にダイクロイック面６５Ｒが形成され、このダイクロイック面６５Ｒに赤の波長域の光を反射するとともに緑の波長域の光を透過する。第２カラープリズム６５と第３カラープリズム６６との間にもエアギャップ層が設けられている。

第１カラープリズム６４の光入出射面より入射した照明光は、ダイクロイック面６４Ｂで青の波長域の光が反射し、赤、緑の波長域の光は透過する。ダイクロイック面６４Ｂで反射した青の波長域の光は、第１カラープリズム６４の側面で全反射して、第１カラープリズム６４の光入出射面より出射してＤＭＤ４４Ｂを照明する。一方、ダイクロイック面６４Ｂを透過した赤、緑の波長域の光のうち、赤の波長域の光は第２カラープリズム６５のダイクロイック面６５Ｒで反射し、緑の波長域の光は透過する。ダイクロイック面６５Ｒで反射した赤の波長域の光は、第２カラープリズム６５の側面で全反射され、第２カラープリズム６５の光入出射面より出射してＤＭＤ４４Ｒを照明する。ダイクロイック面６５Ｒを透過した緑の波長域の光は、第３カラープリズム６６の光入出射面より出射してＤＭＤ４４Ｇを照明する。

各ＤＭＤ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂに入射した光は、そこで変調された後、画像光として出射される。ＤＭＤ４４Ｂで反射した青の画像光は、第１カラープリズム６４の光入出射面に入射して、第１カラープリズム６４の側面で全反射した後、さらにダイクロイック面６４Ｂで反射する。また、ＤＭＤ４４Ｒで反射された赤の画像光は、第２カラープリズム６５の光入出射面に入射して、第２カラープリズム６５の側面で全反射した後、ダイクロイック面６５Ｒで反射して、さらに、第１カラープリズム６４のダイクロイック面６４Ｂを透過する。一方、ＤＭＤ４４Ｇで反射した緑の画像光は、第３カラープリズム６６の光入出射面に入射して、ダイクロイック面６５Ｒ及びダイクロイック面６４Ｂを透過する。そして、これら青、緑、赤の各画像光は、同一光軸に合成されて出射して、ＴＩＲプリズム５４（図１参照）に入射する。合成された画像光は投影レンズ２４（図１参照）によってスクリーン（図略）上に拡大投影される。

ここで、ＤＭＤ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂは、各ミラー４４ｂ（画素、図２参照）のピッチが比較的に小さく、ミラー４４ｂが画像表示領域４４ａ（図２参照）に傾いた状態でマトリックス状に配列されているために、回折格子として作用し、ＤＭＤ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂから出射するオン光から回折光が生じる。

図５〜図１０は、ＤＭＤ４４における、オン光の回折の状態を示す図であり、図５、図７、図９は、ＤＭＤ４４の画像表示領域の平面図であり、図６、図８、図１０は、ＤＭＤ４４の各画素の断面図である。図５、図６は、本実施形態における、回折状態の一例を示し、図７、図８は、本実施形態における、回折状態の別例を示し、図９、図１０は、回折状態の参考例を示す。

図５、図７、図９に示すように、照明光線Ｌは画像表示領域４４ａに入射し、その入射方向は、画素（ミラー４４ｂ、図６参照）の対角線Ｘの方向であり、また、照明光線Ｌが対角線Ｘ方向から入射すると、鏡面反射方向Ｒは対角線Ｘ上に位置することになる。尚、画像表示領域４４ａ上で対角線Ｘに対して鏡面反射方向Ｒにおいて直角方向に交わる線を直交線Ｙとする。

照明光線Ｌはミラー４４ｂで反射し、反射した光は、回折次数に応じ分散して出射する。その結果、回折光は、直交線Ｙの方向に回折次数ｍ毎に複数並んで生じる。回折次数ｍが奇数である回折光では、対角線Ｘ上に位置する回折光が出現せずに、鏡面反射方向Ｒから離れた位置に分散する。一方、回折次数ｍが偶数である回折光では、対角線Ｘ上に位置する回折光が出現する。偶数次の回折光が鏡面反射方向Ｒに略一致すると、鏡面反射方向Ｒに略一致する回折光は、照明光の光量（エネルギー）に近い光量（エネルギー）を有して出射することができ、鏡面反射方向Ｒの近傍に回折光のエネルギーが集中する。

そこで、偶数次の回折光が鏡面反射方向Ｒに略一致するようにＤＭＤ４４を構成する。図５では、ＤＭＤ４４の画素ピッチｄが７．５６μｍ、傾斜角θ（図３参照）が１２度、照明光線Ｌの入射角α（図３参照）が２６度、波長λが５５０ｎｍである。この場合には、鏡面反射方向Ｒに略一致する８次の回折光Ｄ８ａが出現し、８次の回折光Ｄ８ａでは照明光の光量に対して略９８％の光量を有することになる。尚、画素ピッチｄは、画像表示領域４４ａの長辺４４ａ_１（短辺４４ａ_２、図２参照）方向におけるミラー４４ｂのピッチである。

図７は、図８の断面にて鏡面反射方向Ｒが偶数次の回折方向と奇数次の回折方向の丁度中間にあり、ＤＭＤ４４の画素ピッチｄが７．５６μｍ、傾斜角θ（図３参照）が１３度、照明光線Ｌの入射角α（図３参照）が２７．８度、波長λが５５０ｎｍである。この場合には、鏡面反射方向Ｒの近傍で８次の回折光Ｄ８ａが出現し、８次の回折光Ｄ８ａでは照明光の光量に対して６６％の光量を有することになる。このように偶数次の回折方向と鏡面反射方向Ｒの差が、奇数次の回折方向と鏡面反射方向Ｒの差と、少なくとも同程度であれば、ある程度エネルギーを集中させた状態を維持できる。

図９は、図１０の断面にて奇数次の回折方向が鏡面反射方向Ｒに略一致する場合である。奇数次の回折光において鏡面反射方向Ｒを含む直交線Ｙに並ぶ回折光が出現しても、対角線Ｘ上に位置する回折光が出現することがないために、奇数次及び偶数次の回折光は鏡面反射方向Ｒの四方から囲むように離れて分散し、各回折光の光量は、照明光の光量に対して著しく低下する。

図９では、ＤＭＤ４４の画素ピッチｄが７．５６μｍ、傾斜角θ（図３参照）が１３．８度、照明光線Ｌの入射角α（図３参照）が２８．９度、波長λが５５０ｎｍである。この場合には、鏡面反射方向Ｒの四方から囲む９次の回折光Ｄ９ａ、Ｄ９ｂと、８次の回折光Ｄ８ａ、及び１０次の回折光Ｄ１０ａは、夫々照明光の光量に対して略１６％の光量しか有していない。さらに、回折光の次数が一つ異なると、回折光の角度がこの場合では３度も異なることになり、本実施形態の一例（図５、図６参照）に比べると、参考例（図９、図１０）では、鏡面反射方向Ｒに対して回折光の範囲が大きく拡がる。このため、投影レンズ２４（図１参照）によって遮られる光束が発生し、照明光に対して画像光の伝達効率が著しく低下する。

このように、偶数次の回折光が奇数次の回折光に対して鏡面反射方向Ｒに近づくように、画素ピッチｄ、傾斜角θ、照明光線Ｌの入射角α等を設定すると、回折の散乱によって画像光の伝達効率が低下するのを抑えることができる。

ここで、図３に示すように、回折光Ｄの、画像表示面法線Ａｘに対する回折光Ｄの角度を回折角βとし、回折次数をｍとすると、ｍ次の回折光の回折角β_（ｍ）は下記の式（Ｂ）で示される。
β_（ｍ）＝ｓｉｎ^−１｛ｓｉｎα−ｍ・λ／（√２・ｄ）｝ ・・・（Ｂ）
但し、
ｄ：ＤＭＤ４４の画素ピッチ（単位：μｍ）
α：画像表示面法線Ａｘに対する照明光線の入射角（単位：°）
ｍ：正の整数
λ：ＤＭＤ４４を照明する色の波長（単位：ｎｍ）

偶数次の回折光Ｄの回折角β_（２ｋ）は、下記の式（Ｃ）で示される。尚、ｋは正の整数とする。
β_（２ｋ）＝ｓｉｎ^−１｛ｓｉｎα−２・ｋ・λ／（√２・ｄ）｝ ・・・（Ｃ）

奇数次の回折光Ｄの回折角β_{（２ｋ＋１）}、及びβ_{（２ｋ―１）}は、下記の式（Ｄ）、（Ｅ）で示される。
β_{（２ｋ＋１）}＝ｓｉｎ^−１｛ｓｉｎα−（２・ｋ＋１）・λ／（√２・ｄ）｝ ・・・（Ｄ）
β_{（２ｋ−１）}＝ｓｉｎ^−１｛ｓｉｎα−（２・ｋ−１）・λ／（√２・ｄ）｝ ・・・（Ｅ）

偶数次の回折光Ｄが、奇数次の回折光Ｄに対して鏡面反射方向Ｒに近くなるように分散するには、下記の条件式（Ｆ）及び（Ｇ）をともに満たすとよい。
β_{（２ｋ−１）}−γ≧γ−β_（２ｋ） ・・・（Ｆ）
γ−β_{（２ｋ＋１）}≧β_（２ｋ）−γ ・・・（Ｇ）
但し、γは画像表示面法線Ａｘに対する鏡面反射方向Ｒの角度であり、前述の式（Ａ）に示すように、γ＝α−２・θである。

上記の条件式（Ｆ）及び（Ｇ）をまとめると、下記の条件式（１）となる。
β_{（２・ｋ−１）}≧２・γ―β_{（２・ｋ）}≧β_{（２・ｋ＋１）} ・・・（１）

鏡面反射方向Ｒの角度γに対して回折光Ｄが条件式（１）を満たすように、ＤＭＤ４４の構成や照明光の波長が設定されると、回折光Ｄのうち、奇数次の回折光Ｄは鏡面反射方向Ｒから離間して回折光のエネルギーは低下し、偶数次の回折光Ｄは鏡面反射方向Ｒに略一致、または鏡面反射方向Ｒに近くなり、鏡面反射方向Ｒの近傍の回折光Ｄにエネルギーが集中し、画像光の伝達効率が低下するのを抑えられ、明るく良好な画像を投影することができる。

上記実施形態を実施例１〜５（表１〜５）により更に具体的に説明する。各表におけるλはＤＭＤ４４を照明する色の中心波長（単位：ｎｍ）、ｄはＤＭＤ４４の画素ピッチ（単位：μｍ）、θはミラーの傾斜角（単位：度）、αは照明光線Ｌの入射角（単位：度）、γは鏡面反射方向Ｒの角度（単位：度）、βは回折角（単位：度）、ｋは正の整数を示す。また、波長４８０ｎｍは青、波長５５０ｎｍは緑、波長６２０ｎｍは赤の各照明光の中心波長であり、回折角βは画像表示面法線Ａｘ基準で時計回り方向が正で、その反時計回り方向が負の値であり、２ｋ次の回折光の光量（単位：％）は、照明光線Ｌに対する光量の割合を示す。

実施例１〜５は、条件式（１）を満たす。さらに、実施例２及び実施例３では、ＤＭＤ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂの各画素ピッチｄを夫々異ならせている。このように、ＤＭＤ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂのうちの一つのＤＭＤ４４の画素ピッチｄを、他のＤＭＤ４４の画素ピッチｄに対して異ならせることによって、偶数次の回折光Ｄを反射軸Ｒに近づけ、照明光線Ｌの光量に対して回折光Ｄの光量の低下を抑えている。

また、実施例４では、ＤＭＤ４４Ｇの傾斜角θをＤＭＤ４４Ｂ、４４Ｒの傾斜角θに対して異ならせている。実施例５では、ＤＭＤ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂの各傾斜角θを互い異ならせている。このように、ＤＭＤ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂのうちの一つのＤＭＤ４４の傾斜角θを、他のＤＭＤ４４の傾斜角θに対して異ならせることによって、偶数次の回折光Ｄを反射軸Ｒに近づけ、照明光線Ｌの光量に対して回折光Ｄの光量の低下を抑えている。

また、実施例１は、３色のＤＭＤの画素ピッチｄ、傾斜角θ、及び照明光線Ｌの入射角αが夫々同じであるために、照明光学系の構成を色毎に異ならせる必要がなく、安価な画像投影装置を提供することができる。

上記実施例４及び実施例５では、青、緑、赤の各照明光線Ｌの入射角αが異なる。例えば、実施例５に示すように、青、緑、赤の各照明光線Ｌの入射角αが夫々異なる場合には、図１１に示すように折り返しミラー５１を構成するとよい。図１１は折り返しミラーの断面図である。

折り返しミラー５１は、反射ミラー５１ａと、青反射ダイクロイックミラー５１ｂと、赤反射ダイクロイックミラー５１ｃとを有する。

青反射ダイクロイックミラー５１ｂは、青色光を反射するとともに緑色を透過し、反射ミラー５１ａに対して所定角度だけ傾斜して設けられる。この傾斜角は、ＤＭＤ４４Ｇに対してＤＭＤ４４Ｂへの照明光線の入射角αの差異を補正する角度となっている。

赤反射ダイクロイックミラー５１ｃは、赤色光を反射するとともに青及び緑色光を透過し、反射ミラー５１ａに対して所定角度だけ傾斜して設けられる。この傾斜角は、ＤＭＤ４４Ｇに対してＤＭＤ４４Ｒへの照明光線の入射角αの差異を補正する角度となっている。

折り返しミラー５１は、反射ミラー５１ａの手前に青反射ダイクロイックミラー５１ｂを配置し、青反射ダイクロイックミラー５１ｂの手前に赤反射ダイクロイックミラー５１ｃを配置して構成される。

この構成によって、照明光Ｌは折り返しミラー５１で反射し、反射した照明光Ｌのうち、赤色光ＬＲは、赤反射ダイクロイックミラー５１ｃにて反射し、ＴＩＲプリズム５４、カラープリズム６３を順に介してＤＭＤ４４Ｒを照明する。また、照明光Ｌのうち、青色光ＬＢは、赤反射ダイクロイックミラー５１ｃを透過し、次に、青反射ダイクロイックミラー５１ｂにて反射し、反射後、赤反射ダイクロイックミラー５１ｃを透過し、ＴＩＲプリズム５４、カラープリズム６３を順に介してＤＭＤ４４Ｂを照明する。さらに、照明光Ｌのうち、緑色光ＬＧは、赤反射ダイクロイックミラー５１ｃ及び青反射ダイクロイックミラー５１ｂを透過し、次に、反射ミラー５１ａにて反射し、反射後、青反射ダイクロイックミラー５１ｂ及び赤反射ダイクロイックミラー５１ｃを透過し、ＴＩＲプリズム５４、カラープリズム６３を順に介してＤＭＤ４４Ｇを照明する。照明光ＬＲ、ＬＧ、ＬＲは、ＤＭＤ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂの各入射角αに対応して入射する。

尚、実施例４（表４）に示すように、緑色の照明光線の入射角が青色及び赤色の照明光線の入射角に対して異なる場合には、青反射ダイクロイックミラー５１ｂ及び赤反射ダイクロイックミラー５１ｃの傾斜角を、反射ミラー５１ａに対してともに同じ所定角度だけ傾斜して設けてもよく、青反射ミラー５１ｂと赤反射ミラー５１ｃの代わりに、赤色光と青色光を反射し緑色光を透過する青赤反射ミラーを所定角度だけ傾斜して設けてもよい。

（第２実施形態）
図１２は、本発明の実施の別形態に係る画像投影装置の概略の構成を示す断面図である。尚、この実施形態では、表示素子は一つのＤＭＤ４から構成され、ＤＭＤ４は第１実施形態と同じ構成のものが用いられる。画像投影装置は、光源１と、照明光学系７と、ＴＩＲプリズム３と、ＤＭＤ４と、投影レンズ２４とを有している。なお、ロッドインテグレータ２２の長辺方向は、ＴＩＲプリズム３の入射面に対して、実際は４５度傾いたねじれの関係にあるが、図１２では、説明の理解をしやすくするため、同一面内で示している。ＴＩＲプリズム３の入射面とは、光線束の中心光線がＴＩＲプリズム３の面に入射するときに、その面に入射する中心光線と、入射点における面の法線とを含む平面である。

上記の構成において、光源１から出射された光は、照明光学系７を介してＴＩＲプリズム３に入射し、そこで全反射された後、ＤＭＤ４に入射する。ＤＭＤ４に入射した光は、そこで変調された後、画像光として出射され、ＴＩＲプリズム３を透過し、投影レンズ２４を介して被投影面であるスクリーン（図略）に導かれる。この投影レンズ２４により、ＤＭＤ４に表示された画像がスクリーン上に拡大投影される。

光源１は、白色光を放射する放電ランプである。リフレクタ２は、光源１から出射される光を反射させて照明光学系７に導く反射板である。リフレクタ２は、回転楕円面の反射面を有しており、リフレクタ２の一方の焦点位置に光源１が配置されている。光源１からの光は、リフレクタ２にて反射されてロッドインテグレータ２２に入射する。

照明光学系７は、光源１からの光をＤＭＤ４に導く光学系であり、カラーホイール２１と、ロッドインテグレータ２２と、照明リレー系２３とを有している。

カラーホイール２１は、青、緑、赤の各色光を順次透過させるカラーフィルターで構成されている。カラーホイール２１を回転させることにより、照明する色光を時間的に順次切り替えてＤＭＤ４を照明できるので、各色に対応した画像光をＤＭＤ４に表示することにより、投影画像をカラー化することができる。

ロッドインテグレータ２２は、光源１からの光の光量分布を均一化して出射するものである。ロッドインテグレータ２２の断面形状は、ＤＭＤ４の矩形の画像表示領域と略相似となっている。これにより、ロッドインテグレータ２２は、ＤＭＤ４の矩形の画像表示領域と略相似な照明光束を形成するインテグレータ光学系を構成している。

照明リレー系２３の瞳面上には、ロッドインテグレータ２２内での反射回数に応じた位置に複数の２次光源像が形成される。また、ロッドインテグレータ２２の光出射面とＤＭＤ４の画像表示領域とは、照明リレー系２３によって略共役となっている。

照明リレー系２３は、ロッドインテグレータ２２の光出射面の像をリレーしてＤＭＤ４に投影することにより、ＤＭＤ４を均一に照明する光学系である。照明リレー系２３によってロッドインテグレータ２２からの光を集光することにより、上記光の利用効率を向上させることができる。

照明光学系７の上記構成によれば、光源１からカラーホイール２１を介してロッドインテグレータ２２に時分割で入射する各色光は、そこでの内面反射を繰り返してミキシングされ、均一な光量分布となって光出射面から出射される。このロッドインテグレータ２２での反射回数に応じて、照明リレー系２３内に複数の２次光源像が形成されるが、これらを重畳させることにより、光量分布の均質な照明光を実現することができる。ロッドインテグレータ２２から出射される光は、照明リレー系２３、及びＴＩＲプリズム３を介して、ＤＭＤ４に導かれる。このとき、ロッドインテグレータ２２の断面は、ＤＭＤ４の画像表示領域と略相似であるので、ＤＭＤ４には光が均一にかつ効率よく導かれる。

ＴＩＲプリズム３は、ＤＭＤ４への照明光を全反射させ、ＤＭＤ４からの画像光を透過させる全反射プリズム（臨界角プリズム）である。ＴＩＲプリズム３は、エアギャップ層を介して２つのプリズム３１、３２を貼り合わせて構成されている。プリズム３１は、第１光入射面３１ａ、臨界面３１ｂ及び第１光出射面３１ｃを有しており、プリズム３２は、第２光入射面３２ａ及び第２光出射面３２ｂを有している。プリズム３１の臨界面３１ｂとプリズム３２の第２光入射面３２ａとは、エアギャップ層を介して対向して配置されている。

照明光学系７からの照明光は、ＴＩＲプリズム３のプリズム３１の内部に第１光入射面３１ａから入射する。プリズム３１の臨界面３１ｂは、照明光が全反射するように配置されており、照明光は臨界面３１ｂで反射されて、プリズム３１の第１光出射面３１ｃから出射され、ＤＭＤ４を照明する。

また、ＤＭＤ４からの反射光のうち、オン光は、プリズム３１の第１光出射面３１ｃから再びプリズム３１内部に入射し、臨界面３１ｂに到達し、このとき、上記のオン光は、全反射条件を満たさない角度で臨界面３１ｂに入射するため、臨界面３１ｂを透過し、エアギャップ層を経て、第２光入射面３２ａからプリズム３２内部に入射し、第２光出射面３２ｂ及び投影レンズ２４を介してスクリーンに導かれる。

ここで、ＤＭＤ４は、ＤＭＤ４４と同じ構成であり、ミラーのピッチが比較的に小さく、ミラーが画像表示領域に傾いた状態でマトリックス状に配列されているために、回折格子として作用し、ＤＭＤ４から出射するオン光から回折光が生じる。

そこで、第１実施形態と同様に、偶数次の回折光Ｄが奇数次の回折光Ｄに対して鏡面反射方向Ｒに近づくように、画素ピッチｄ、傾斜角θ、照明光線の入射角α等のＤＭＤ４の構成や照明光の波長を設定する。これによって、回折の散乱によって画像光の伝達効率が低下するのを抑えることができる。具体的には、前述した実施例１と同じく条件式（１）を満たす設定にすることで、上記の効果を得ることができる。

上記第１及び第２実施形態では、光源１に放電ランプを用いた構成を示したが、本発明はこれに限らず、光源１にレーザ光を用いることができる。図１３〜図１８は、夫々レーザ光を用いた光源の図である。図１３はレーザ光源ユニットを示す断面図であり、図１４はレーザ光源ユニットのレーザアレイを示す平面図であり、図１５はレーザ光源ユニットのコリメータレンズアレイを示す平面図である。図１６はレーザ光源ユニットの青帯域ＰＢＳミラーの透過特性を示す図であり、図１７はレーザ光源ユニットの緑帯域ＰＢＳミラーの透過特性を示す図であり、図１８はレーザ光源ユニットの赤帯域ＰＢＳミラーの透過特性を示す図である。尚、図１６〜図１８の実線はＳ偏光に対する透過特性であり、一点鎖線はＰ偏光に対する透過特性である。

図１３に示すように、レーザ光源ユニット７１は、青レーザユニット７２Ｂと、緑レーザユニット７２Ｇと、赤レーザユニット７２Ｒと、青ミラーユニット７３Ｂと、緑ミラーユニット７３Ｇと、赤ミラーユニット７３Ｒと、コンデンサレンズ７６とを備える。

青レーザユニット７２Ｂは、波長４４５ｎｍの半導体レーザアレイであって、Ｐ偏光のレーザ光を照射するＰ偏光青レーザアレイ７２Ｂｐと、Ｐ偏光に対して直交する方向に偏光するＳ偏光のレーザ光を照射するＳ偏光青レーザアレイ７２Ｂｓとを有して構成される。Ｐ偏光及びＳ偏光青レーザアレイ７２Ｂｐ、７２Ｂｓには、夫々、図１４に示すように複数のレーザ光源７２ａが縦横に配列される。各レーザ光源７２ａの横方向の配列ピッチは、各レーザ光源７２ａの縦方向の配列ピッチより大きく設定されており、レーザ光源７２ａの光束の放射角が大きい方向が大きい配列ピッチに対応するように配置されている。また、図１５に示すように、各レーザ光源７２ａに対向して複数のコリメータレンズ７５ａが設けられ、コリメータレンズ７５ａはレーザ光源７２ａの光束を平行光にして出射する。複数のコリメータレンズ７５ａが縦横に配列され、コリメータレンズアレイ７５を構成し、コリメータレンズアレイ７５は、Ｐ偏光及びＳ偏光青レーザアレイ７２Ｂｐ、７２Ｂｓの夫々の配列に対応した開口形状にて形成されている。Ｐ偏光青レーザアレイ７２Ｂｐと、Ｓ偏光青レーザアレイ７２Ｂｓは同じレーザアレイを用い９０度配置を異ならせることで各偏光のレーザ光を照射するレーザアレイとしてもよく、コリメータレンズアレイ７５も同じものを用い、各レーザアレイに対応して配置を９０度異ならせた構成にしてもよい。

緑レーザユニット７２Ｇは、波長５２２ｎｍの半導体レーザアレイであって、Ｐ偏光のレーザ光を照射するＰ偏光緑レーザアレイ７２Ｇｐと、Ｐ偏光に対して直交する方向に偏光するＳ偏光のレーザ光を照射するＳ偏光緑レーザアレイ７２Ｇｓとを有して構成される。Ｐ偏光及びＳ偏光緑レーザアレイ７２Ｇｐ、７２Ｇｓには、夫々、図１４に示すように複数のレーザ光源７２ａが縦横に配列される。各レーザ光源７２ａの横方向の配列ピッチは、各レーザ光源７２ａの縦方向の配列ピッチより大きく設定されており、レーザ光源７２ａの光束の放射角が大きい方向が大きい配列ピッチに対応するように配置されている。図１５に示すように、各レーザ光源７２ａに対向して複数のコリメータレンズ７５ａが設けられ、コリメータレンズ７５ａはレーザ光源７２ａの光束を平行光にして出射する。複数のコリメータレンズ７５ａが縦横に配列され、コリメータレンズアレイ７５を構成し、コリメータレンズアレイ７５は、Ｐ偏光及びＳ偏光緑レーザアレイ７２Ｇｐ、７２Ｇｓの夫々の配列に対応した開口形状にて形成されている。Ｐ偏光緑レーザアレイ７２Ｇｐと、Ｓ偏光緑レーザアレイ７２Ｇｓは同じレーザアレイを用い９０度配置を異ならせることで各偏光のレーザ光を照射するレーザアレイとしてもよく、コリメータレンズアレイ７５も同じものを用い、各レーザアレイに対応して配置を９０度異ならせた構成にしてもよい。

赤レーザユニット７２Ｒは、波長６３５ｎｍの半導体レーザアレイであって、Ｐ偏光のレーザ光を照射するＰ偏光赤レーザアレイ７２Ｒｐと、Ｐ偏光に対して直交する方向に偏光するＳ偏光のレーザ光を照射するＳ偏光赤レーザアレイ７２Ｒｓとを有して構成される。Ｐ偏光及びＳ偏光赤レーザアレイ７２Ｒｐ、７２Ｒｓには、夫々、図１４に示すように複数のレーザ光源７２ａが縦横に配列される。各レーザ光源７２ａの横方向の配列ピッチは、各レーザ光源７２ａの縦方向の配列ピッチより大きく設定されており、レーザ光源７２ａの光束の放射角が大きい方向が大きい配列ピッチに対応するように配置されている。図１５に示すように、各レーザ光源７２ａに対向して複数のコリメータレンズ７５ａが設けられ、コリメータレンズ７５ａはレーザ光源７２ａの光束を平行光にして出射する。複数のコリメータレンズ７５ａが縦横に配列され、コリメータレンズアレイ７５を構成し、コリメータレンズアレイ７５は、Ｐ偏光及びＳ偏光赤レーザアレイ７２Ｒｐ、７２Ｒｓの夫々の配列に対応した開口形状にて形成されている。Ｐ偏光赤レーザアレイ７２Ｒｐと、Ｓ偏光赤レーザアレイ７２Ｒｓは同じレーザアレイを用い９０度配置を異ならせることで各偏光のレーザ光を照射するレーザアレイとしてもよく、コリメータレンズアレイ７５も同じものを用い、各レーザアレイに対応して配置を９０度異ならせた構成にしてもよい。

青ミラーユニット７３Ｂは、反射ミラー７３Ｂｐと青帯域ＰＢＳミラー７３Ｂｓとを有する。青帯域ＰＢＳミラー７３Ｂｓは図１６に示す透過特性を備える。Ｐ偏光青レーザアレイ７２Ｂｐから照射されたＰ偏光青レーザ光は、反射ミラー７３Ｂｐで反射し、青帯域ＰＢＳミラー７３Ｂｓを透過する。Ｓ偏光青レーザアレイ７２Ｂｓから照射されるＳ偏光青レーザ光は、青帯域ＰＢＳミラー７３Ｂｓで反射され、Ｐ偏光青レーザ光と合成された青色光となる。

緑ミラーユニット７３Ｇは、緑反射青透過ミラー７３Ｇｐと緑帯域ＰＢＳ青透過ミラー７３Ｇｓとを有する。緑帯域ＰＢＳ青透過ミラー７３Ｇｓは図１７に示す透過特性を備える。Ｐ偏光緑レーザアレイ７２Ｇｐから照射されたＰ偏光緑レーザ光は、緑反射青透過ミラー７３Ｇｐで反射し、緑帯域ＰＢＳ青透過ミラー７３Ｇｓを透過する。Ｓ偏光緑レーザアレイ７２Ｇｓから照射されるＳ偏光緑レーザ光は、緑帯域ＰＢＳ青透過ミラー７３Ｇｓで反射され、Ｐ偏光緑レーザ光と合成された緑色光となる。さらに、青色光が緑反射青透過ミラー７３Ｇｐ及び緑帯域ＰＢＳ青透過ミラー７３Ｇｓを透過し、緑色光と青色光が合成されシアン色光となる。

赤ミラーユニット７３Ｒは、赤反射青緑透過ミラー７３Ｒｐと赤帯域ＰＢＳ青緑透過ミラー７３Ｒｓとを有する。赤帯域ＰＢＳ青緑透過ミラー７３Ｒｓは図１８に示す透過特性を備える。Ｐ偏光赤レーザアレイ７２Ｒｐから照射されたＰ偏光赤レーザ光は、赤反射青緑透過ミラー７３Ｒｐで反射し、赤帯域ＰＢＳ青緑透過ミラー７３Ｒｓを透過する。Ｓ偏光赤レーザアレイ７２Ｒｓから照射されるＳ偏光赤レーザ光は、赤帯域ＰＢＳ青緑透過ミラー７３Ｒｓで反射され、Ｐ偏光赤レーザ光と合成された赤色光となる。さらに、シアン色光が赤反射青緑透過ミラー７３Ｒｐ及び赤帯域ＰＢＳ青緑透過ミラー７３Ｒｓを透過し、赤色光とシアン色光が合成され白色光となる。

合成された白色光は、コンデンサレンズ７６によって集光され、ロッドインテグレータ２２、５２（図１、図１２参照）に入射する。

レーザ光源ユニット７１の上記構成により、複数のレーザ光源から照射され、これらの照射光を合成しているために、レーザ光束のスペックルが低減され輝度が高くなる。また、複数のレーザ光源のなかに発光しないレーザ光源があっても、レーザ光源ユニット７１の明るさの変化への影響は小さく、レーザ光源ユニット７１として用いることに支障をきたすことがない。また、レーザ光源に波長のバラツキがあっても、青緑赤の各色光は複数のレーザ光源の光束を合成するために、各色光で平均化され大きく色度が変化することなく、レーザ光源ユニット７１毎の色再現性の差異を小さくすることができる。また、青ミラーユニット７３Ｂ、緑ミラーユニット７３Ｇ、赤ミラーユニット７３Ｒによって色合成及び偏光合成を行っており、見掛けの光源数は１／６になり、光学系のＮＡを大きくしなくとも輝度の高い光源が得られる。また、レーザ光源から出射する光束をコリメータレンズによって平行光とし、平行光を青ミラーユニット７３Ｂ、緑ミラーユニット７３Ｇ、赤ミラーユニット７３Ｒに入射させているので、入射角分布範囲が小さくなり、効率よく色合成及び偏光合成が行われる。

レーザ光からなる光源を備えた画像投影装置では、実施例６〜１０（表６〜１０）のＤＭＤ４、４４、及び、実施例１１〜１４（表１１〜１４）のＤＭＤ４４を用いることができる。各表におけるλは表示素子（ＤＭＤ４、４４）を照明する色の波長（単位：ｎｍ）、ｄは表示素子（ＤＭＤ４、４４）の画素ピッチ（単位：μｍ）、θはミラーの傾斜角（単位：度）、αは照明光線Ｌの入射角（単位：度）、γは鏡面反射方向Ｒの角度（単位：度）、βは回折角（単位：度）、ｋは正の整数を示す。また、回折角βは画像表示面法線Ａｘ基準で時計回り方向が正で、その反時計回り方向が負の値であり、２ｋ次の回折光の光量（単位：％）は、照明光線Ｌに対する光量の割合を示す。

この実施例では、青（波長：４４５ｎｍ）及び赤（波長：６３５ｎｍ）のレーザ光源は、ダイレクト発光の波長であって使用頻度の高いレーザ光を用いており、また、緑（波長：５３２ｎｍ）のレーザ光源のレーザ光は、第２高調波の波長であって使用頻度の高いレーザを用いており、安価で高出力であるレーザ光源ユニットが得られる。

この実施例では、青（波長：４４５ｎｍ）、緑（波長：５２２ｎｍ）、赤（波長：６３５ｎｍ）の各レーザ光源は、ダイレクト発光の波長の半導体レーザ光を用いており、第２高調波を生成する結晶体を用いていないので、量産性があり、安価であるレーザ光源ユニットが得られる。

上記実施例６〜１４は、条件式（１）を満たす。さらに、実施例１１では、ＤＭＤ４４Ｇの画素ピッチｄをＤＭＤ４４Ｂ、４４Ｒに対して異ならせている。また、実施例１２では、ＤＭＤ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂの各画素ピッチｄを夫々異ならせている。このように、ＤＭＤ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂのうちの一つのＤＭＤ４４の画素ピッチｄを、他のＤＭＤ４４の画素ピッチｄに対して異ならせることによって、偶数次の回折光Ｄを反射軸Ｒに近づけ、照明光線Ｌの光量に対して回折光Ｄの光量の低下を抑えている。

また、実施例１３では、ＤＭＤ４４Ｇの傾斜角θをＤＭＤ４４Ｂ、４４Ｒの傾斜角θに対して異ならせている。実施例１４では、ＤＭＤ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂの各傾斜角θを互い異ならせている。このように、ＤＭＤ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂのうちの一つのＤＭＤ４４の傾斜角θを、他のＤＭＤ４４の傾斜角θに対して異ならせることによって、偶数次の回折光Ｄを反射軸Ｒに近づけ、照明光線Ｌの光量に対して回折光Ｄの光量の低下を抑えている。

また、実施例６、７、１０では、青色の画像表示の場合、整数ｋ＝７に設定し、緑色の画像表示の場合、整数ｋ＝６に設定し、赤色の画像表示の場合、整数ｋ＝５に設定している。このように設定したとき、鏡面反射方向Ｒの近傍に位置する各偶数次の回折光は、ＤＭＤ４４Ｂでは１４次の回折光であり、また、ＤＭＤ４４Ｇでは１２次の回折光であり、さらに、ＤＭＤ４４Ｒでは１０次の回折光となる。こうすることで、既存の発光効率がよく量産性に優れ安価なレーザ光源を用い、そのレーザ光源の波長の各色光で、同じ画素ピッチｄ、同じミラー傾斜角θのＤＭＤ４４において、効率の良い光学系とすることができる。よって、これらの次数の回折光が発生するレーザ光を光源に用いることによって、明るい（輝度の高い）安価な画像投影装置が得られる。

また、実施例６〜１０は、３色のＤＭＤの画素ピッチｄ、傾斜角θ、及び照明光線Ｌの入射角αが夫々同じであるために、実施例６〜１０をＤＭＤ４４Ｒ、４４Ｇ、４４Ｂを備える第１実施形態に適用すると、照明光学系の構成を色毎に異ならせる必要がなく、安価な画像投影装置を提供することができる。また、表示素子が一つのＤＭＤ４から構成される第２実施形態に適用することが可能であり、この場合には、安価で小型の画像投影装置を提供することができる。

本発明は、表示素子の画像をスクリーン上に投影する画像投影装置に利用することができ、特に、各画素を構成するミラーを回動させることで画像を表示するデジタルマイクロミラーデバイスからなる表示素子を備えた画像投影装置に利用することができる。

１ 光源
３ ＴＩＲプリズム
４ ＤＭＤ（表示素子）
７ 照明光学系
２４ 投影レンズ
４４ ＤＭＤ（表示素子）
４４ａ 画像表示領域（画像表示面）
４４ｂ ミラー（画素）
４４ｃ 回動軸
４４Ｂ ＤＭＤ（表示素子）
４４Ｇ ＤＭＤ（表示素子）
４４Ｒ ＤＭＤ（表示素子）
５１ 折り返しミラー
５４ ＴＩＲプリズム
６３ カラープリズム
７１ レーザ光源ユニット（光源）
７２Ｂ 青レーザユニット
７２Ｇ 緑レーザユニット
７２Ｒ 赤レーザユニット
７３Ｂ 青ミラーユニット
７３Ｇ 緑ミラーユニット
７３Ｒ 赤ミラーユニット
Ａｘ 画像表示面法線
Ｄ 回折光
Ｌ 照明光線
Ｒ 鏡面反射方向
Ｓ ミラー法線
θ 傾斜角
α 入射角
β 回折角
γ 画像表示面法線Ａｘに対する鏡面反射方向Ｒの角度

Claims (5)

1. 放電ランプからなる光源と、
   前記光源からの照明光を各画素で変調することにより、青、緑、赤の各色の画像を表示する表示素子と、
   前記表示素子にて表示された各色の画像を投影する投影レンズとを備えた画像投影装置であって、
   前記表示素子は、各画素を構成するミラーで前記照明光を反射させて、前記画像を表す光をオン光として前記投影レンズに導く一方、前記画像を表す光以外のオフ光を前記投影レンズの外部に導くデジタルマイクロミラーデバイスで構成されており、
   下記の条件式を満たすことを特徴とする画像投影装置。
   β_{（２・ｋ−１）}≧２・γ―β_{（２・ｋ）}≧β_{（２・ｋ＋１）}
   但し、
   β_（ｍ）は、表示素子の画像表示面に照明光が入射したときの回折による、ｍ次の回折光の回折角であって、
   β_（ｍ）＝ｓｉｎ^−１｛ｓｉｎα−ｍ・λ／（√２・ｄ）｝
   γは、表示素子に入射した照明光線が、表示素子のオン光を出射するミラーで鏡面反射するときの、鏡面反射光の出射方向と画像表示面法線とのなす角度であって、
   γ＝α−２・θ
   ｄ：表示素子の画素ピッチ
   α：表示素子に入射する照明光線の画像表示面法線に対する入射角
   θ：表示素子のオン光を出射するミラーの法線の画像表示面法線に対する傾斜角
   λ：青色の画像表示の場合は波長４８０ｎｍ、
   緑色の画像表示の場合は波長５５０ｎｍ、
   赤色の画像表示の場合は波長６２０ｎｍ
   ｍ：正の整数
   ｋ：正の整数
2. 青、緑、赤の各色のレーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源からの照明光を各画素で変調することにより、青、緑、赤の各色の画像を表示する表示素子と、
   前記表示素子にて表示された各色の画像を投影する投影レンズとを備えた画像投影装置であって、
   前記表示素子は、各画素を構成するミラーで前記照明光を反射させて、前記画像を表す光をオン光として前記投影レンズに導く一方、前記画像を表す光以外のオフ光を前記投影レンズの外部に導くデジタルマイクロミラーデバイスで構成されており、
   下記の条件式を満たすことを特徴とする画像投影装置。
   β_{（２・ｋ−１）}≧２・γ―β_{（２・ｋ）}≧β_{（２・ｋ＋１）}
   但し、
   β_（ｍ）は、表示素子の画像表示面に照明光が入射したときの回折による、ｍ次の回折光の回折角であって、
   β_（ｍ）＝ｓｉｎ^−１｛ｓｉｎα−ｍ・λ／（√２・ｄ）｝
   γは、表示素子に入射した照明光線が、表示素子のオン光を出射するミラーで鏡面反射するときの、鏡面反射光の出射方向と画像表示面法線とのなす角度であって、
   γ＝α−２・θ
   ｄ：表示素子の画素ピッチ
   α：表示素子に入射する照明光線の画像表示面法線に対する入射角
   θ：表示素子のオン光を出射するミラーの法線の画像表示面法線に対する傾斜角
   λ：青色の画像表示の場合は、レーザ光源が出射する青色のレーザ光の波長、
   緑色の画像表示の場合は、レーザ光源が出射する緑色のレーザ光の波長、
   赤色の画像表示の場合は、レーザ光源が出射する赤色のレーザ光の波長
   ｍ：正の整数
   ｋ：正の整数
3. 青色の画像表示の場合、ｋ＝７であり、緑色の画像表示の場合、ｋ＝６であり、赤色の画像表示の場合、ｋ＝５であることを特徴とする請求項２に記載の画像投影装置。
4. 前記表示素子は、青、緑、赤の各色に対応して３つ設けられており、前記３つの表示素子のうちの１つは、他の表示素子に対して前記画素ピッチｄが異なっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の画像投影装置。
5. 前記表示素子は、青、緑、赤の各色に対応して３つ設けられており、前記３つの表示素子のうちの１つは、他の表示素子に対して前記傾斜角θが異なっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の画像投影装置。

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