JP2014215480A - 光学ユニットおよび投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）への入射光の効率とＤＭＤからの反射光の効率を同時に改善して、高輝度を実現する光学ユニットおよび、それを備えた投射型表示装置を提供する。
【解決手段】ＤＭＤで反射した光源光を投射する投射型表示装置の光学ユニットにおいて、ＴＩＲプリズムのひとつのプリズムは、他のプリズムの光源光の出射面に所定の距離をもって平行に配設されて、他のプリズムからの光源光が入射する第１の境界面と、その面がＤＭＤに対向して設けられて、ＤＭＤを照明する光源光を出射するとともにＤＭＤからの反射光が入射する第２の境界面とをもつ構成とし、ＤＭＤの微小ミラーの揺動角を±θとし、当該プリズムの屈折率をｎ、第１の境界面と第２の境界面とのなす角度をβ、第２の境界面における光源光のＤＭＤへの出射角をαとしたとき、揺動角θ、屈折率ｎ、角度β、角度αが所定の関係を満たす。
【選択図】図２

Description

すくなくとも２つのプリズムから成り、ＤＭＤ等の反射型表示素子の入射・反射光の光軸調整を容易にする光学ユニットおよび投射型表示装置に関する。

投射型表示装置、すなわちプロジェクタにおいて、小型かつ高輝度の光学ユニットを実現することのできる映像表示素子として、マイクロミラー型映像表示素子であるＤＭＤ（Digital Micromirror Device）が注目されている。ＤＭＤは、画素ごとに配置されたマイクロミラーの揺動角度を映像情報に応じて個別に制御して、ＤＭＤ入射光を投射レンズに入射させる方向（オン光）と、投射レンズに入射させない方向（オフ光）とに分離することで、映像情報に対応した光変調を行っている。

ＤＭＤを用いる光学ユニットの光学系では、ＤＭＤへの入射光とＤＭＤの反射光の光軸を異ならせるために、入射光の光軸をＤＭＤの面法線に対して所定量傾けて入射させる必要がある。ここで、ＤＭＤのミラーの回転角がオンのときに＋θ、オフのときに−θ傾くとしたときに、ＤＭＤ入射光はＤＭＤの中心光軸に対して２θ傾けて入射させるのが一般的である。

ここで、ＤＭＤに光を照射する光学構成の方式の１つとして、全反射プリズムと補正プリズムの２つの三角プリズムを用いた方式（以下、全反射プリズム方式と記す）が知られている。全反射プリズム方式では、一般に、ＤＭＤ入射光を補正プリズムと全反射プリズムを透過させた後、ＤＭＤのマイクロミラーに入射させる。一方で、ＤＭＤ反射光は全反射プリズムの全反射面で全反射させて投射レンズ方向に光を伝播することにより、ＤＭＤ入射光の光路とＤＭＤ反射光の光路を分離する構成になっている。また、補正プリズムは、全反射プリズムを通過する各光線の位置によって、２個のプリズムで生じる光路差を補正する機能を備えている。このような全反射プリズム方式は、ＤＭＤ入射光とＤＭＤ反射光を効率よく分離させることができるため、プロジェクタ用光学ユニットの小型化に適した方式となっている。

上記の全反射プリズム方式によりＤＭＤに光源光を照射するプロジェクタが、例えば、特許文献１に開示されている。

特開２００４−２４００５０号公報

上述の全反射プリズム方式では、全反射プリズムの全反射面は、ＤＭＤのミラー面に対して４５度になるように設置されることが一般的である。しかし、明るさを確保するためにＤＭＤの所定のＦナンバー相当の光束を取り込もうとすると、ＤＭＤから反射した反射光の一部が全反射プリズムの全反射面に対して臨界角より小さい角度で入射することで全反射プリズムを透過してしまう。その結果、光学ユニット全体の効率が劣化してスクリーン上の照度が暗くなる問題が生じる。

このような問題に対し、特許文献１には、全反射プリズムの全反射面がＤＭＤのミラー面に対して４５度以上になるようにプリズムを形成して改善する技術が記載されている。これによれば、有効反射光において臨界角を確保することができ、画質低下を防ぐことできる。

しかしながら、上記特許文献１では全反射プリズムの全反射条件を改善することのみ考慮していて、ＤＭＤ入射光の効率については言及されていない。特許文献１の開示内容のように全反射プリズムの全反射面を４５度以上にすると、ＤＭＤ入射光が通過する補正プリズムにおいて新たに効率の低下が発生し、ＤＭＤ入射光と反射光両方の光学効率を考えたときに光学ユニットの効率が改善しないという新たな問題が生じる。

本発明は、このような状況に鑑み、ＤＭＤへの入射光の効率とＤＭＤからの反射光の効率を同時に改善して、高輝度を実現する光学ユニットおよびそれを備えた投射型表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、光源光が入射され、映像表示素子で反射した光源光を投射する投射型表示装置の光学ユニットにおいて、本発明の前記光学ユニットは、光源光の屈折面あるいは全反射面をもつ複数のプリズムを有し、前記複数のプリズムのうちのひとつのプリズムは、他のプリズムの光源光の出射面に所定の距離をもって平行に配設されて、他のプリズムからの光源光が入射する第１の境界面と、その面が映像表示素子に対向して設けられて、映像表示素子を照明する光源光を出射するとともに前記映像表示素子からの反射光が入射する第２の境界面とをもつ構成とし、
当該プリズムの屈折率をｎ、前記第１の境界面と第２の境界面とのなす角度をβ、第２の境界面における光源光の前記映像表示素子への出射角をα、第２の境界面における前記映像表示素子からの反射光の入射角をεとしたとき、
屈折率ｎ、角度β、角度α、角度εが所定の関係を満たすようにして、
前記第１の境界面で、前記第２の境界面から入射した映像表示素子からの反射光を全反射するようにした。

そして、映像表示素子が、所定角度で揺動する複数の微小ミラーで構成される映像表示素子の場合には、
前記映像表示素子の微小ミラーの揺動角を±θとし、当該プリズムの屈折率をｎ、前記第１の境界面と第２の境界面とのなす角度をβ、第２の境界面における光源光の前記映像表示素子への出射角をαとしたとき、
揺動角θ、屈折率ｎ、角度β、角度αが所定の関係を満たすようにして、
前記第１の境界面で、前記第２の境界面から入射した映像表示素子からの反射光を全反射するようにした。

本発明によれば、ＤＭＤへの入射光の効率とＤＭＤからの反射光の効率を同時に改善することで、高輝度を実現したプロジェクタ用光学ユニットおよびそれを備えた投射型表示装置を提供することができる。

実施例の光学ユニットの概略構成を示す図である。 実施例のＤＭＤ入射光と各境界面の入出射角度を示す図である。 実施例のＤＭＤマイクロミラーでの光線の入射と反射の関係を示す概略図である。 実施例のＤＭＤ反射光と各境界面の入出射角度の関係を示す図である。 全反射プリズムの頂角とＤＭＤ入射光角度の関係１を示す図である。 全反射プリズムの頂角とＤＭＤ入射光角度の関係２を示す図である。 全反射プリズムの頂角とＤＭＤ入射光角度の関係３を示す図である。 全反射プリズムの頂角とＤＭＤ入射光角度の関係４を示す図である。 全反射プリズムの頂角とＤＭＤ入射光角度の関係５を示す図である。 全反射プリズムの頂角とＤＭＤ入射光角度の関係６を示す図である。 全反射プリズムの頂角とＤＭＤ入射光角度の関係７を示す図である。 全反射プリズムの頂角とＤＭＤ入射光角度の関係８を示す図である。 全反射プリズムの頂角とＤＭＤ入射光角度の関係９を示す図である。 全反射プリズムの頂角とＤＭＤ入射光角度の関係１０を示す図である。 全反射プリズムの頂角とＤＭＤ入射光角度の関係１１を示す図である。 全反射プリズムの頂角とＤＭＤ入射光角度の関係１２を示す図である。 全反射プリズムの頂角とＤＭＤ入射光角度の関係１３を示す図である。 全反射プリズムの頂角とＤＭＤ入射光角度の関係１４を示す図である。 全反射プリズムの頂角とＤＭＤ入射光角度の関係１５を示す図である。 全反射プリズムの頂角とＤＭＤ入射光角度の関係１６を示す図である。

本発明を適用した光学ユニットおよびそれを備えた投射型表示装置の実施形態の一例について、以下図面を用いて説明する。なお、以下の説明により本発明が限定されるものではない。また、各図において、同じ作用を示す構成要素の場合は一部同じ符号を用いている。

本実施例における全反射プリズムは、入射光を透過させて映像表示素子に導き、映像表示素子を反射した光を全反射面で全反射させて投射レンズに導く方式に適している。入射光を全反射面で全反射させて映像表示素子に導き、映像表示素子を反射した光を透過させて投射レンズに導く方式も存在するが、こちらは本実施例で記載した条件とは一致しないため本発明の範囲ではない。

図１は、実施例の光学ユニットの概略構成を示す図である。実施例１は、３波長のそれぞれに光源を用意し、光源を時系列に駆動して波長ごとの光源光をＤＭＤに照射する単板式の投射型表示装置の光学ユニットの例を示したものである。光学ユニットの構成は、図１の構成に限定されるものでなく、例えば、高圧水銀ランプを光源とし、カラーホイールにより色分解する方式であってもよい。また、三板方式投射型表示装置のＤＭＤ光学ユニットや反射型液晶デバイスを使った光学ユニットにも、本発明を適用可能である。

光学ユニット１００は、所定の波長もしくは波長帯の光束を出射する光源１、光源２、光源３を配置している。光源１は、例えば中心波長が約６１５ｎｍの赤色光束を出射するＬＥＤ光源である。光源２は、例えば中心波長が約５２５ｎｍの緑色光束を出射するＬＥＤ光源である。光源３は、例えば中心波長が約４６０ｎｍの青色光束で出射するＬＥＤ光源である。なお、各中心波長は、三原色を視認できればよく上記の値でなくても構わない。

光源１，２，３の各々を出射した光束は、集光レンズ４，５，６にて略平行光に変換されたのち、それぞれ異なる方向からクロスダイクロイックプリズム７に入射する。

クロスダイクロイックプリズム７は、例えば赤色光束を反射、青色光束と緑色光束を透過させる機能をもった波長選択性ミラー面で７ａと、青色光束を反射、赤色光束と緑色光束を透過させる機能をもった波長選択性ミラー面７ｂによって構成され、このクロスダイクロイックプリズム７に入射した３色の光束を合成する機能を備えている。

クロスダイクロイックプリズム７で合成された光束は、複数のレンズから構成されるレンズアレイを入射側と出射側に設けたレンズアレイ８およびリレーレンズ９，１０を経て補正プリズム１１に入射する。なおこれらの光学素子は、照度が均一な照明光を形成し、所望の角度で伝播させる機能を備えたものであり、図１に示したレンズアレイ８およびリレーレンズ９，１０から成る構成に限定されるものではなく、他の光学系構成であっても何ら構わない。

リレーレンズ１０を通過した光束は、補正プリズム１１の入射面１１ａと出射面１１ｂを通過し、全反射プリズム１２の斜面１２ａと面１２ｂを通過し、ＤＭＤ１３に照射される。補正プリズム１１は全反射プリズム１２によって生じる光路差を補正し、ＤＭＤパネル上の各場所に入射する光束の光路長差を最小にする機能をもつ。なお、光の伝播を効率よくするために、補正プリズム１１の出射面１１ｂと全反射プリズム１２の斜面１２ａは、互いに平行であり、所定の間隔のエアギャップが設けられている。

ＤＭＤ１３のマイクロミラー面を反射した光束は、角度を変えて再び全反射プリズムの面１２ｂを通過し、斜面１２ａを全反射する。斜面１２ａはＤＭＤ反射光を全反射させることが最大の特徴であるため、今後斜面１２ａを全反射面と呼ぶこととする。全反射面１２ａを反射した光束は、面１２ｃを通過後、投射レンズ１４を通してスクリーン（図示せず）に拡大投影された映像を表示する。

本実施例は、上記の全反射プリズムおよび補正プリズムで、ＤＭＤ入射光とＤＭＤ反射光がトータルで効率のロスをなくすことをできる構成を提示するものである。

つぎに、図２により、補正プリズム１１から全反射プリズム１２を透過してＤＭＤ１３に照射される入射光の光路の詳細を説明する。以降の図において、ＤＭＤ１３のマイクロミラーの中立時のマイクロミラー面と全反射プリズム１２の面１２ｂが、平行に設けられており、ＤＭＤ１３のマイクロミラーの中立時のマイクロミラー面を、絶対座標系における基準面として説明する。

図２は、補正プリズム１１の入射面１１ａを通過したＤＭＤ入射光の主光線２０が、ＤＭＤ１３に到達するまでの入出射角度の関係を示したものである。ここで、全反射プリズム１２の屈折率をｎ１、補正プリズム１１の屈折率をｎ２とする。また、図２に示すように、全反射プリズムの頂角（全反射面１２ａと面１２ｂのなす角）をβ、ＤＭＤ面の法線に対する入射光の主光線のなす角をαとする。

ＤＭＤ入射光の主光線２０の補正プリズム出射面１１ｂに対する入射角をφ１、全反射プリズム１２の全反射面１２ａを屈折したときの屈折角をφ２とすると、補正プリズムの出射面１１ｂと全反射プリズム１２の全反射面１２ａは図に示すように互いに平行であることから、屈折の法則に基づき（１）式の関係が成り立つ。
ｎ２・ｓｉｎφ１＝ｎ１・ｓｉｎφ２ （１）
続いて、ＤＭＤ入射光の主光線２０の面１２ｂに対する入射角をφ３とすると、（２）式が成り立つ。
φ２＋φ３＝β （２）
さらに、全反射プリズム１２が面１２ｂを屈折したときの屈折角、すなわちＤＭＤ１３への入射角をαとすると、略（３）式の関係が成り立つ。
ｎ１・ｓｉｎφ３＝ｓｉｎα （３）
図３は、ＤＭＤ１３内のマイクロミラーの１つについて、主光線の入射と反射の関係を示した光線図である。ＤＭＤ入射光の主光線を２０、ＤＭＤ反射光の主光線を３０とし、ＤＭＤマイクロミラー３１の回転角を±θとする。ＤＭＤ１３がオン光を表示するとき、すなわち投射レンズに光を伝播させるときは、マイクロミラー３１は図のように、半時計回りを正として、ＤＭＤ面に対して＋θだけ傾いた状態で、入射光を反射させる。このとき、反射光のＤＭＤ法線に対する角度をφ４とすると、φ４はマイクロミラー３１の傾き角θとＤＭＤ入射光主光線の入射角αを用いて（４）式で表される。
φ４＝α−２θ （４）
図４は、ＤＭＤ１３を反射したＤＭＤ反射光の主光線３０が、全反射プリズム１２の全反射面１２ａを経て投射レンズ前の面１２ｃに到達するまでの入出射角度の関係を示したものである。まず、ＤＭＤ反射光の主光線３が面１２ｂに再び入射した際に生じる屈折角をφ５とすると、（５）式の関係が成り立つ。
ｓｉｎφ４＝ｎ１・ｓｉｎφ５ （５）
続いて、ＤＭＤ反射光の主光線３０の全反射面１２ａに対する入射角をφ６とすると、（６）式が成り立つ。
β＋φ５＝φ６ （６）
ここで、ＤＭＤ入射光とＤＭＤ反射光がトータルで効率のロスをなくすためには、２つの条件が必要である。第１の条件は、ＤＭＤ反射光が全反射プリズム１２の全反射面１２ａで全反射することである。第２の条件は、ＤＭＤ入射光が補正プリズム１１の出射面１１ｂで全反射しない、つまり全て透過することである。この２条件を満足するためには、全反射プリズムの頂角βを変更するだけではなく、ＤＭＤ入射光主光線の入射角αも考慮する必要がある。前記特許文献１においては、前者の条件は考慮されているものの、後者の条件は考慮されていない。

さらに、これらの条件において、光線角度はＤＭＤ入射光主光線の角度ではなく、所定の有効Ｆナンバーの広がりを持った光束内での光線角度を考慮する必要がある。ＤＭＤの回転角が±θのとき、ＤＭＤ入射光と反射光を効率よく分離したときに取り込むことのできる有効な光束の広がりは、主光線角度に対して＋θから−θの範囲の光束である。つまり、実際の光束は±θの広がりをもった光束が伝播される。

ＤＭＤ入射光主光線２０の入射角度がαのとき、実際にはα−θからα＋θまでの角度の光束が有効な光束として入射する。また、ＤＭＤ反射光主光線３０の反射角度はＤＭＤ法線に対してφ４の角度で反射するとき、実際にはφ４−θからφ４＋θの光束が有効な光束として反射する。この範囲内にある全ての光線について、上記２つの条件を満足することが必要である。

有効なＤＭＤ反射光束の中で上記第１の条件を満足することが厳しい全反射面１２ａに対して最も入射角度の小さい光線は、φ４−θの角度でＤＭＤを反射した光線である。また、有効なＤＭＤ入射光束の中で上記第２の条件を満足することが厳しい出射面１１ｂに対して最も入射角度の大きい光線は、α−θの角度でＤＭＤに入射する光線である。よって、これらの角度をＤＭＤ入反射角度の条件とする。

以上の前提の元で、入射光と反射光トータルで効率のロスをなくすことのできる条件を導出する。まず、第１の条件である、ＤＭＤ反射光が全反射プリズム１２の全反射面１２ａで全反射する条件は、ＤＭＤ反射光の全反射面１２ａに対する入射角φ６が、全反射プリズム１２の臨界角δ１よりも大きくなること、すなわち（７）式を満足することである。
φ６＞δ１ （７）
なお、臨界角は、ほぼ、δ１＝ｓｉｎ−１（１／ｎ１）で表される。

（７）式に、（４）から（６）式を代入する。さらに、ＤＭＤ反射光角度の中で最も（７）式を満足することが厳しい光線角度であるφ４−θをＤＭＤ反射光角度として代入すると、結局（８）式の関係が成り立つ。
−ｓｉｎ（α−３θ）＜ｎ１・ｓｉｎ（β−ｓｉｎ−１（１／ｎ１）） （８）
次に、第２の条件である、ＤＭＤ入射光が補正プリズム１１の出射面１１ｂで全て透過する条件は、ＤＭＤ入射光の出射面１１ｂに対する入射角φ１が、補正プリズム１１の臨界角δ２よりも小さくなること、すなわち（９）式を満足することである。
φ１＜δ２ （９）
なお、臨界角δ２＝ｓｉｎ−１（１／ｎ２）で表される。

（９）式に、（１）から（３）式を代入する。さらに、ＤＭＤ入射光角度の中で最も（９）式を満足することが厳しい光線角度である、α−θをＤＭＤ入射光角度として代入すると、結局（１０）式の関係が成り立つ。
ｓｉｎ（α−θ）＞ｎ１・ｓｉｎ（β−ｓｉｎ−１（１／ｎ１）） （１０）
ここで注目すべきは、補正プリズム１１の屈折率ｎ２や臨界角δ２は（１０）式に入っていないことである。つまり、上記２つの条件は補正プリズム１１の硝材には依存しないということを意味している。
（８）および（１０）式より、ＤＭＤ入射光とＤＭＤ反射光がトータルで効率のロスをなくすために必要な全反射プリズムの条件は、（１１）式で表すことができる。
−ｓｉｎ（α−３θ）＜ ｎ１・ｓｉｎ（β−ｓｉｎ−１（１／ｎ１））
＜ ｓｉｎ（α−θ） （１１）
この範囲を満足する入射角αと頂角βの全反射プリズムの構成とすることで、ＤＭＤ入射光もＤＭＤ出射光もロスなく光を伝播することができる。従って、スクリーン上の画像が明るい、高輝度プロジェクタを実現することが可能である。

なお、補正プリズム１１の入射面１１ａと出射面１１ｂのなす角度（図２における角度γ）は、ＤＭＤ１３の両端に入射する入射光２０が互いに光路長差が最小になるような角度に設定されることは言うまでもない。光路長差を最小にすることで、ＤＭＤ１３上で入射光がフォーカスするため、光がぼけず効率よく光を伝播することが可能である。

また、入射光２０の補正プリズム１１への入射角度は、例えばリレーレンズ１０によって設定することが可能である。リレーレンズ１０を傾けたりオフセットさせたりすることで、自由に設定することができる。よって、リレーレンズ１０の配置および形状は、図１に限定されないことは言うまでもない。

また、補正プリズム１１とリレーレンズ１０は一体化されていても構わない。一体化にして、補正プリズム１１の入射面１１ａをレンズ曲面形状とすることで、部品数を削減することができ、低コストと透過率改善を実現可能である。

続いて、具体的に、実際に存在するＤＭＤの回転角±θを仮定したときに、構成し得る全反射プリズムの屈折率ｎ１、全反射プリズムの頂角β、ＤＭＤ入射角αの範囲について、図５ａ〜図８ｄにより説明する。

図５ａ〜図５ｄは、ＤＭＤ回転角θが１１度から１３度の範囲にある場合で、代表値としてＤＭＤ回転角θ＝１２度と仮定したときの、全反射プリズムの屈折率ｎ１に対する全反射プリズムの頂角β、ＤＭＤ入射角αの関係を示したグラフである。ＤＭＤ回転角が±１２度の場合、ＤＭＤ入射光主光線に対して±１２度の光束を入れることで、最大の明るさを実現することができる。これはＦナンバー２．４相当の光束であることを意味する。

図５ａ〜図５ｄは、全反射プリズム１２の屈折率を、一例として波長５２５ｎｍで屈折率１．５８から１．６１に仮定している。図５ａは屈折率ｎ１が１．５８の場合、図５ｂは屈折率ｎ１が１．５９の場合、図５ｃは屈折率ｎ１が１．６０の場合、図５ｄは屈折率ｎ１が１．６１の場合の、αとβの関係を示したグラフである。

一般的に屈折率が大きな硝材ほど、硝材コストが上がり、透過率の波長依存性も劣化する傾向にある。しかし屈折率が小さい硝材では全反射プリズム１２の臨界角δ１も小さくなってしまい、（１１）式を満足する条件が非現実的な値となる。以上より、屈折率を１．５８〜１．６１と仮定した。屈折率ｎ１が決定することで、全反射プリズム１２の臨界角δ１も決定する。

（１１）式は、ＤＭＤ回転角θと全反射プリズムの屈折率ｎ１すなわち臨界角δ１を所定の値に設定することで、αとβの関係を示す不等式となる。図５ａ〜図５ｄは、（１１）式により決まる、入射光と反射光ともに効率をロスしない、全反射プリズムの頂角βとＤＭＤ入射光角度αの関係を示す図となっている。

図５ａ〜図５ｄにおいて、直線５１は、（９）式で示したＤＭＤ反射光が全反射プリズム１２の全反射面１２ａで全反射する条件である。直線５１よりも大きい範囲であれば、反射光が全反射する。図に示すように、同じＤＭＤ入射角αのとき全反射プリズムの頂角βを大きくするほど、全反射面１２ａでの全反射条件が緩和される。

直線５２は、（１０）式で示したＤＭＤ入射光が補正プリズム１１の出射面１１ｂで透過する条件である。直線５２よりも小さい範囲であれば、入射光が透過する。こちらは反対に、同じＤＭＤ入射角αのとき全反射プリズムの頂角βを大きくするほど、一部の光束が全反射してしまうため、頂角βは小さいほうが良い。

ところで、ＤＭＤ入射光の入射角度αは、ＤＭＤの中心光軸に対して２θ傾けて入射させるのが最も一般的である。一方、αが２θより大きな角度であっても（１１）式を満足するβは存在する。また、θやｎ１の製造上のばらつきを考慮すると、αは２θよりも大きくすることが望ましい。

しかしながら、αを大きくすると、ＤＭＤ反射光に関していくつかの問題が生じる。１つはＤＭＤの両端を反射した光束の光路長差が大きくなることである。光路長差が大きくなると投射レンズを通った光束のスクリーン上の結像関係が劣化し、映像がぼけてしまう。また、全反射プリズムの面１２ｂに対して垂直から大きく傾いてＤＭＤ反射光が入射するため、角度αが大きいほど波長による色収差の問題が顕著になる。また、ＤＭＤ反射光が全反射面１２ａに当たる位置が大きくシフトするため、全反射プリズムのサイズが大きくなる問題が生じる。そこで図５の例においては、ＤＭＤ回転角が±１２度であるため、これらの問題を加味して入射角αを例えば２５度以下と定めた（破線５３を示す）。

図５ａすなわち屈折率ｎ１＝１．５８の硝材を用いたときのαとβの関係を見ると、図より２４度＜α≦２５度、４６．３度≦β≦４７．４度で、なおかつ図中の点Ｐ，Ｑ，Ｒで囲まれる三角形の範囲に入っているαとβの組み合わせであることが望ましい。同様に、図５ｂすなわち屈折率ｎ１＝１．５９の硝材を用いた場合は、２４度＜α≦２５度、４５．９度≦β≦４７．１度、なおかつ図中の点Ｐ，Ｑ，Ｒで囲まれる三角形の範囲に入っているαとβの組み合わせであることが望ましい。図５ｃすなわち屈折率ｎ１＝１．６０の硝材を用いた場合は、２４度＜α≦２５度、４５．６度≦β≦４６．７度、なおかつ図中の点Ｐ，Ｑ，Ｒで囲まれる三角形の範囲に入っているαとβの組み合わせであることが望ましい。図５ｄすなわち屈折率ｎ１＝１．６１の硝材を用いた場合は、２４度＜α≦２５度、４５．３度≦β≦４６．４度、なおかつ図中の点Ｐ，Ｑ，Ｒで囲まれる三角形の範囲に入っているαとβの組み合わせであることが望ましい。

このように、全反射プリズムの硝材屈折率ｎ１に応じてα、βを所定の値に組み合わせて、入射光と出射光トータルで効率ロスのない光学ユニットを実現することが可能である。

図６ａ〜図６ｄは、図５ａ〜図５ｄと同様にＤＭＤ回転角の代表値が±１２度のときに、全反射プリズムの硝材屈折率ｎ１を図５よりも小さい値と仮定する。図６ａから図６ｄは、全反射プリズム１２の屈折率を、一例として波長５２５ｎｍで屈折率１．５１から１．５４に仮定している。図６ａは屈折率ｎ１が１．５１の場合、図６ｂは屈折率ｎ１が１．５２の場合、図６ｃは屈折率ｎ１が１．５３の場合、図６ｄは屈折率ｎ１が１．５４の場合の、αとβの関係を示したグラフである。実線５１と実線５２と破線５３の条件の説明は、図５ａ〜図５ｄと同様のために説明は割愛する。

図６ａすなわち屈折率ｎ１＝１．５１の硝材を用いたときのαとβの関係を見ると、図より２４度＜α≦２５度、４８．８度≦β≦５０．０度で、なおかつ図中の点Ｐ，Ｑ，Ｒで囲まれる三角形の範囲に入っているαとβの組み合わせであることが望ましい。同様に、図６ｂすなわち屈折率ｎ１＝１．５２の硝材を用いた場合は、２４度＜α≦２５度、４８．４度≦β≦４９．６度、なおかつ図中の点Ｐ，Ｑ，Ｒで囲まれる三角形の範囲に入っているαとβの組み合わせであることが望ましい。図６ｃすなわち屈折率ｎ１＝１．５３の硝材を用いた場合は、２４度＜α≦２５度、４８．０度≦β≦４９．２度、なおかつ図中の点Ｐ，Ｑ，Ｒで囲まれる三角形の範囲に入っているαとβの組み合わせであることが望ましい。図６ｄすなわち屈折率ｎ１＝１．５４の硝材を用いた場合は、２４度＜α≦２５度、４７．７度≦β≦４８．８度、なおかつ図中の点Ｐ，Ｑ，Ｒで囲まれる三角形の範囲に入っているαとβの組み合わせであることが望ましい。

このように、全反射プリズムの屈折率が小さい場合でも、頂角βを４７度から５０度程度の大きな値で構成することで、入射光と出射光トータルで効率ロスのない光学ユニットを実現することが可能である。

図７ａから図７ｄは、ＤＭＤ回転角θが１６度から１８度の範囲にある場合で、図５ａから図６ｄよりも大きいθ＝１７度を代表値と仮定したときの、全反射プリズムの屈折率ｎ１に対する全反射プリズムの頂角β、ＤＭＤ入射角αの関係を示したグラフである。

ＤＭＤ回転角が±１７度の場合、ＤＭＤ入射光主光線に対して±１７度の光束を入れることで、最大の明るさを実現することができる。これはＦナンバー１．７相当の光束であることを意味する。

図７ａから図７ｄは、全反射プリズム１２の屈折率を、一例として波長５２５ｎｍで屈折率１．５８から１．６１に仮定している。図７ａは屈折率ｎ１が１．５８の場合、図７ｂは屈折率ｎ１が１．５９の場合、図７ｃは屈折率ｎ１が１．６０の場合、図７ｄは屈折率ｎ１が１．６１の場合の、αとβの関係を示したグラフである。

図７ａから図７ｄの例においては、ＤＭＤ回転角が±１７度であるため、前述した光路長差や色収差の問題を加味して入射角αを例えば３５度以下と定めた（破線５３を示す）
図７ａすなわち屈折率ｎ１＝１．５８の硝材を用いたときのαとβの関係を見ると、図より３４度＜α≦３５度、４９．４度≦β≦５０．５度で、なおかつ図中の点Ｐ，Ｑ，Ｒで囲まれる三角形の範囲に入っているαとβの組み合わせであることが望ましい。同様に、図７ｂすなわち屈折率ｎ１＝１．５９の硝材を用いた場合は、３４度＜α≦３５度、４９．０度≦β≦５０．１度、なおかつ図中の点Ｐ，Ｑ，Ｒで囲まれる三角形の範囲に入っているαとβの組み合わせであることが望ましい。図７ｃすなわち屈折率ｎ１＝１．６０の硝材を用いた場合は、３４度＜α≦３５度、４８．７度≦β≦４９．８度、なおかつ図中の点Ｐ，Ｑ，Ｒで囲まれる三角形の範囲に入っているαとβの組み合わせであることが望ましい。図７ｄすなわち屈折率ｎ１＝１．６１の硝材を用いた場合は、３４度＜α≦３５度、４８．３度≦β≦４９．４度、なおかつ図中の点Ｐ，Ｑ，Ｒで囲まれる三角形の範囲に入っているαとβの組み合わせであることが望ましい。

このように、ＤＭＤ回転角が大きくなった場合においても、頂角βを４８度から５０．５度程度の大きな値で構成することで、屈折率が１．５９程度のさほど大きくない硝材を用いても入射光と出射光トータルで効率ロスのない光学ユニットを実現することが可能である。

図８ａから図８ｄは、図７ａから図７ｄと同様にＤＭＤ回転角の代表値が±１７度のときに、全反射プリズムの硝材屈折率ｎ１を図７よりも大きい値と仮定する。図８ａから図８ｄは、全反射プリズム１２の屈折率を、一例として波長５２５ｎｍで屈折率１．６８から１．７１に仮定している。図８ａは屈折率ｎ１が１．６８の場合、図８ｂは屈折率ｎ１が１．６９の場合、図８ｃは屈折率ｎ１が１．７０の場合、図８ｄは屈折率ｎ１が１．７１の場合の、αとβの関係を示したグラフである。実線５１と実線５２と破線５３の条件の説明は、図７と同様のために説明は割愛する。

図８ａすなわち屈折率ｎ１＝１．６８の硝材を用いたときのαとβの関係を見ると、図より３４度＜α≦３５度、４６．０度≦β≦４７．１度で、なおかつ図中の点Ｐ，Ｑ，Ｒで囲まれる三角形の範囲に入っているαとβの組み合わせであることが望ましい。同様に、図８ｂすなわち屈折率ｎ１＝１．６９の硝材を用いた場合は、３４度＜α≦３５度、４５．７度≦β≦４６．８度、なおかつ図中の点Ｐ，Ｑ，Ｒで囲まれる三角形の範囲に入っているαとβの組み合わせであることが望ましい。図８ｃすなわち屈折率ｎ１＝１．７０の硝材を用いた場合は、３４度＜α≦３５度、４５．４度≦β≦４６．５度、なおかつ図中の点Ｐ，Ｑ，Ｒで囲まれる三角形の範囲に入っているαとβの組み合わせであることが望ましい。図８ｄすなわち屈折率ｎ１＝１．７１の硝材を用いた場合は、３４度＜α≦３５度、４５．１度≦β≦４６．１度、なおかつ図中の点Ｐ，Ｑ，Ｒで囲まれる三角形の範囲に入っているαとβの組み合わせであることが望ましい。

このように、全反射プリズムの屈折率を１．６９付近とすることで、頂角βが４５度から４７度付近に構成することができるため、より結像光学系をコンパクトにすることが可能であるともに、入射光と出射光トータルで効率ロスのない光学ユニットを実現することが可能である。

以上述べたように、本実施例に示すような頂角をもつ全反射プリズムと入射光角度の構成とすることで、全反射プリズムのコストが安価で、結像性能の劣化しない、トータルの効率ロスのない、高輝度な光学ユニットを提供することが可能である。

ただし、本実施例で仮定した数値や範囲は、あくまで一例を示したものに過ぎず、これに限定されるものではない。例えば硝材の屈折率やＤＭＤ回転角の組み合わせが変わったときであっても、（１１）式を満足する範囲のＤＭＤ入射光角度と全反射プリズムの頂角を構成であればよい。

上記の実施例１においては、映像表示素子としてＤＭＤを例に説明したが、ＤＭＤに限らないことは言うまでもない。ある角度で入射させた光を、所定の反射角度で反射させることのできる映像表示素子であれば、何であっても構わない。例えば、入射光の主光線が映像表示素子の法線に対して角度αで入射し、映像表示素子の法線に対して主光線が角度εで反射するような映像表示素子を備えた場合を考える。このような映像表示素子の一例に、反射型液晶デバイスがある。

このとき、所定の有効Ｆナンバーの広がりを持った光束が、入射と反射で分離されることが必要になる。実際の光束は主光線角度に対して±θの広がりをもって伝播されるとすると、入射光主光線の入射角度がαのとき、実際にはα−θからα＋θまでの角度の光束が有効な光束として入射し、反射光主光線の反射角度がεのとき、実際にはε−θからε＋θまでの角度の光束が有効な光束として反射する。また、入反射光束は互いに隣接するときに最も効率よく分離される。

つまり、α−θとε−θが同じ角度になるときに、最も効率よく分離されることになる。符号を考慮すると、α、ε、θは（１２）式で表すことができる。
ε＝α−２θ （１２）
ここで、θはＤＭＤの実施例で述べたようにＤＭＤ回転角であるとともにＦナンバーの広がりを示しているので、（１２）式を（１１）式に代入してθを削除すると、ＤＭＤ入射光とＤＭＤ反射光がトータルで効率のロスをなくすために必要な全反射プリズムの頂角βの条件を、映像表示素子の入射角度αと反射角度εを用いて、（１３）式で表すことができる。
ｓｉｎ（（α−３ε）／２） ＜ ｎ１・ｓｉｎ（β−ｓｉｎ−１（１／ｎ１））
＜ ｓｉｎ（（α＋ε）／２） （１３）
このように、映像表示素子がＤＭＤでない一般的な反射素子であったとしても、（１３）式を満足する頂角βの全反射プリズムの構成とすることで、ＤＭＤ入射光もＤＭＤ出射光もロスなく光を伝播することができる。従って、スクリーン上の画像が明るい、高輝度プロジェクタを実現することが可能である。

また、本実施例に記載の光学ユニット１００に、電源部と、光源や映像表示素子等の駆動回路部と、信号処理手段を組み合わせた投射型表示装置は、効率の損失のない高輝度な投射型表示装置を実現することが可能である。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１，２，３…ＬＥＤ光源、４，５，６…集光レンズ、７…クロスダイクロイックプリズム、８…レンズアレイ、９，１０…リレーレンズ、１１…補正プリズム、１２…全反射プリズム、１３…ＤＭＤ、１４…投射レンズ、１００…光学ユニット

Claims (7)

1. 光源光が入射され、映像表示素子で反射した光源光を投射する投射型表示装置の光学ユニットにおいて、
   前記光学ユニットは、光源光の屈折面あるいは全反射面をもつ複数のプリズムを有し、
   前記複数のプリズムのうちのひとつのプリズムは、
   他のプリズムの光源光の出射面に所定の距離をもって平行に配設されて、他のプリズムからの光源光が入射する第１の境界面と、
   その面が映像表示素子に対向して設けられて、映像表示素子を照明する光源光を出射するとともに前記映像表示素子からの反射光が入射する第２の境界面と、をもち、
   当該プリズムの屈折率をｎ、前記第１の境界面と第２の境界面とのなす角度をβ、第２の境界面における光源光の前記映像表示素子への出射角をα、第２の境界面における前記映像表示素子からの反射光の入射角をεとしたとき、
   ｓｉｎ（（α−３ε）／２） ＜ ｎ・ｓｉｎ（β−ｓｉｎ−１（１／ｎ））
   ＜ ｓｉｎ（（α＋ε）／２）
   の関係を満たして、
   前記第１の境界面で、前記第２の境界面から入射した映像表示素子からの反射光を全反射する
   ことを特徴とする投射型表示装置の光学ユニット。
2. 光源光が入射され、所定角度で揺動する複数の微小ミラーで構成される映像表示素子で反射した光源光を投射する投射型表示装置の光学ユニットにおいて、
   前記光学ユニットは、光源光の屈折面あるいは全反射面をもつ複数のプリズムを有し、
   前記複数のプリズムのうちのひとつのプリズムは、
   他のプリズムの光源光の出射面に所定の距離をもって平行に配設されて、他のプリズムからの光源光が入射する第１の境界面と、
   その面が映像表示素子に対向して設けられて、映像表示素子を照明する光源光を出射するとともに前記映像表示素子からの反射光が入射する第２の境界面と、をもち、
   前記映像表示素子の微小ミラーの揺動角を±θとし、
   当該プリズムの屈折率をｎ、前記第１の境界面と第２の境界面とのなす角度をβ、第２の境界面における光源光の前記映像表示素子への出射角をα、としたとき、
   −ｓｉｎ（α−３θ） ＜ ｎ・ｓｉｎ（β−ｓｉｎ^−１（１／ｎ））
   ＜ ｓｉｎ（α−θ）
   の関係を満たして、
   前記第１の境界面で、前記第２の境界面から入射した映像表示素子からの反射光を全反射する
   ことを特徴とする投射型表示装置の光学ユニット。
3. 請求項２に記載の光学ユニットにおいて、
   前記映像表示素子の微小ミラーの揺動角θは、１１度から１３度の範囲であり、
   前記プリズムの屈折率ｎは、１．５８から１．６１の範囲であり、
   前記出射角αは、２４度よりも大きい範囲であり、
   前記プリズムの角度βは、４５．３度≦β≦４７．４度である、
   ことを特徴とする光学ユニット。
4. 請求項２に記載の光学ユニットにおいて、
   前記映像表示素子の微小ミラーの揺動角θは、１１度から１３度の範囲であり、
   前記プリズムの屈折率ｎは、１．５１から１．５４の範囲であり、
   前記出射角αは、２４度よりも大きい範囲であり、
   前記プリズムの角度βは、４７．７度≦β≦５０．０度である、
   ことを特徴とする光学ユニット。
5. 請求項２に記載の光学ユニットにおいて、
   前記映像表示素子の微小ミラーの揺動角θは、１６度から１８度の範囲であり、
   前記プリズムの屈折率ｎは、１．５８から１．６１の範囲であり、
   前記出射角αは、３４度よりも大きい範囲であり、
   前記プリズムの角度βは、４８．３度≦β≦５０．５度である、
   ことを特徴とする光学ユニット。
6. 請求項２に記載の光学ユニットにおいて、
   前記映像表示素子の微小ミラーの揺動角θは、１６度から１８度の範囲であり、
   前記プリズムの屈折率ｎは、１．６８から１．７１の範囲であり、
   前記出射角αは、３４度よりも大きい範囲であり、
   前記プリズムの角度βは、４５．１度≦β≦４７．１である、
   ことを特徴とする光学ユニット。
7. 所定角度で揺動する複数の微小ミラーで構成される映像表示素子と、
   赤色光束と青色光束と緑色光束のそれぞれの光を出射する光源と、
   前記光源のそれぞれの波長光束の光路を合成するクロスダイクロイックプリズムと、
   前記クロスダイクロイックプリズムの出射光束を均一化するレンズアレイと、
   前記レンズアレイの出射光束が入力され、光束の光路差を補正する補正プリズムと、
   前記補正プリズムの出射面に所定の距離をもって平行に配設されて前記補正プリズムからの光源光束が入射する第１の境界面と、その面が映像表示素子に対向して設けられて、映像表示素子を照明する光源光束を出射するとともに前記映像表示素子からの反射光束が入射する第２の境界面と、を有する全反射プリズムと、
   前記全反射プリズムの出射光束を拡大投射する投射レンズを備え、
   前記補正プリズムで光束損失が生じることなく、前記第１の境界面で前記第２の境界面から入射した映像表示素子からの反射光束を全反射して、前記投射レンズにより拡大投射される
   ことを特徴とする投射型表示装置。

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