JP2016017989A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 画像表示素子のマイクロミラーの最大傾斜角が増えたときに、高品質な画像を得る。【解決手段】 多数のマイクロミラーによって構成される画像表示素子２２に表示される画像を拡大投射する画像表示装置１２０であり、光源１１と、光源１１から出射された光を導光するロッドインテグレータ１３と、ロッドインテグレータ１３から出射された光を画像表示素２２子に導光する照明光学系１０と、画像表示素子２２に表示された画像を拡大投射する投射光学系１２１と、を有し、マイクロミラーの最大傾角は、１２?よりも大きく、光源１１とロッドインテグレータ１３との間に、回転非対称な形状の開口部１７が設けられていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、画像表示装置に関するものである。

パーソナルコンピュータから出力されるデータ画像などを拡大投射して表示させる画像表示装置（以下「プロジェクタ」ともいう。）は、会議や教育現場などの様々なシーンにおいて用いられている。

図１１は、プロジェクタにおける投射光学系の光取り込み範囲を示す図である。同図に示すように、プロジェクタでは、ランプ１１０から出射された光（照明光）が、ロッドインテグレータ１１２と照明用レンズ１４０，１５０とからなる照明光学系１１１を通過する。照明光学系１１１を通過した光は、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）のような反射型の画像表示素子２２０を照明する。プロジェクタでは、照明光により照明された画像表示素子２２０から反射された拡大像を投射光学系２１０により不図示のスクリーンに投射する。

画像表示素子２２０は、傾斜角αを例えば＋１２°〜−１２°の範囲で変えることができる多数のマイクロ（微小）ミラーからなるデバイスである。

図１１に（Ａ）で示すように、投射光学系２１０のレンズ（投射レンズ）の光取り込み範囲は、例えばマイクロミラーの角度が−１２°のときに照明光の反射光が投射レンズ２１０に入り、＋１２°のときに反射光が投射レンズ２１１に入らないように設定する。

また、図１１に（Ｂ）で示すように、投射光学系２１０の光取り込み範囲は、画像表示素子２２０の表面に取り付けられた不図示のカバーガラスからの反射光が、投射レンズに入ってスクリーンに映りこまないように設定する。さらに、図１１に（Ｃ）で示すように、投射光学系２１０の光取り込み範囲は、画像表示素子２２０の電源が入っていない状態の傾斜角のときの反射光が、投射レンズに入ってスクリーンに映りこまないようにも設定する。

照明光が画像表示素子２２０に向かう角度を設定した上で画像表示素子２２０の各マイクロミラーの傾斜角を制御することにより、プロジェクタは、スクリーン上にデジタル画像を形成することができる。

ところで、ＤＭＤは、マイクロミラーの最大傾斜角を増加させる方向で技術が進歩している。

例えば、図１１に（Ａ）で示す投射光学系の光取り込み範囲は、ＤＭＤのマイクロミラーの傾斜角の範囲が±１０°であれば図１１の断面方向において２０°であり、マイクロミラーの傾斜角の範囲が±１２°であれば図１１の断面方向において２４°である。

図１２は、プロジェクタにおける照明光学系１１１の光取り込み範囲と投射光学系２１０の光取り込み範囲との関係を示す図である。同図において、照明光学系１１１の光取り込み範囲と投射光学系２１０の光取り込み範囲とを、画像表示素子２２０の画像面の短辺と投射光学系２１０の光軸ＡＰを含む断面で示す。なお、同図に示す断面は、プロジェクタの画像表示素子２２０の画像面への垂線を含む任意の断面ともいえる。

図１２に示すように、照明光学系１１１のロッドインテグレータ１１２の出口（ランプ１１０からの入射光を出射する口）の図１２の断面上での幅をＬ、ロッドインテグレータ１１２の出口から出射される光線範囲を示す角度をθ、画像表示素子２２０の幅をＬ２、投射光学系２１０の光取り込み範囲を示す角度をθ２とすると、下記の式１が成立する．

Ｌ・ｓｉｎ（θ／２）≒Ｌ２・ｓｉｎ（θ２／２） ・・・（式１）

ここで、ロッドインテグレータ１１２が一般的な４枚の平板鏡を組み合わせたものであれば、θはランプ１１０のサイズにより決まる定数である。また、Ｌ２は画像表示素子２２０のサイズで決まる定数である。つまり、投射光学系２１０の光取り込み範囲θ２が、２０°から２４°に大きくなると、ロッドインテグレータ１１２の出口径（および入口径）Ｌを大きくすることができる。

図１２に示すように、ランプ１１０からの光は、ロッドインテグレータ１１２の入口に入射させるときに一度集光させているが，この集光点は実際には大きさを持つ。集光点の大きさは、ランプ１１０のリフレクタの設計や加工による誤差、あるいはランプ１１０の発光部の大きさによって、ロッドインテグレータ１１２の入口径Ｌよりも大きなサイズになる。集光点の大きさによる光損失は、照明光学系１１１の光利用効率を大きく損なう。

以上のように、投射光学系２１０の光取り込み範囲θ２を拡大することにより、ロッドインテグレータ１１２のサイズが拡大することができる。ロッドインテグレータ１１２のサイズが拡大することができることにより、ランプ１１０からロッドインテグレータ１１２への光取り込み量が増えるため、投射光学系２１０から投影される光量を増加させることができる。

また、投射光学系２１０の光取り込み範囲θ２を拡大することにより、画像表示素子２２０のマイクロミラー間で回折格子のように発生する回折光を投射光学系２１０に取り込み投射光学系２１０から投射する光量を増加させることができる。

しかしながら、画像表示素子２２０のマイクロミラーの最大傾斜角が拡大するに従い、
投射光学系２１０の光取り込み角θを拡げると，画像表示素子２２０により表示される画像にムラ（照度ムラ）が生じ、ひいては投影画像にも照度ムラが生じることが判明した。

図１３は、プロジェクタにおける照明光の端部光線が画像表示素子２２０に入射する様子の例を示す図である。同図に示すように、投射光学系２１０の光取り込み角θ２を拡げることは、すなわち照明光学系１１１が画像表示素子２２０を照射する範囲（同じくθ２）を拡げることを意味する。このため、図１３に示すように、照明光の端部の光線（下光線）ＬＬが画像表示素子２２０に入射する角度ζは小さくなる。

図１４は、プロジェクタにおける照明光の端部光線が画像表示素子２２０に入射する様子の別の例を示す図である。同図に示すように、ζは，θ２のほかに、投射光学系２１０の光軸ＡＰと画像表示素子２２０の画像中心とのずれ量（オフセット量ＯＦ）と、画像表示素子２２０の上の照明位置によって決まる。

図１４は、図１３よりも上述のオフセット量ＯＦを増やした場合を示し、画像表示素子２２０から投射光学系２１０へ光を導くために照明光学系１１１から画像表示素子２２０への照明光の角度（傾き）を、全体的に大きくしている。つまり、オフセット量ＯＦを増やし照明光学系１１１から画像表示素子２２０への照明光の角度を多くすることにより、プロジェクタにおいては、照明光の端部光線が画像表示素子２２０に入射する角度ζ１が小さくなる。

また、図１３に示すように、投射光学系２１０の光軸ＡＰから遠い側（オフセット側）の端部光線角度ζ１の方が、投射光学系の光軸ＡＰから近い側（オフセット反対側）の端部光線の角度のζ２よりも小さくなる（ζ１＜ζ２）。これは、ロッドインテグレータ１１２から出た光は、ロッドインテグレータ１１２と画像表示素子２２０との間の正屈折力の光学部品（例えば、凸レンズ）によって，収束光束になるためである。

また、一般に画像表示素子２２０には、画像表示面（マイクロミラーアレイ面）の上にカバーガラスが配置されている。マイクロミラーの最大傾斜角を増やし、投射レンズ２１１のθ２を大きくすると、カバーガラスの正反射により光が反射されるため、カバーガラスでの透過率が低下する。

なお、カバーガラスの正反射による透過率低下の割合は、上述のオフセット側で最も大きく，オフセット反対側で最も小さい。

カバーガラスの正反射による透過率低下により、画像表示素子２２０の画像面には照度ムラが発生し、ひいてはスクリーン画像の照度ムラに発展する。照度ムラは、ζ１が４５°程度であれば無視することができるレベルであったが，ζ１が３０°よりも小さくなると，カバーガラスの両面に反射防止コーティングを施しても無視することができないレベルの照度差になっていた。

また、カバーガラスへの光線入射角度ζが減少することにより、カバーガラスにより反射された図１１に示した（Ｂ）の光の光量が増えると、この光が画像表示素子２２０や投射光学系２１０の周囲の部材に当たることで乱反射光が増えることになる。そして、この乱反射光は、投射レンズ２１１に入ることにより、スクリーン上にゴースト光として映り込む、画像のコントラストを下げるなどの要因になる。

図１５は、プロジェクタにおける画像表示素子２２０とプリズムと投射光学系２１０の例を示す光学配置図である。同図に示すように、プロジェクタにおいて、画像表示素子２２０と投射光学系２１０との間に第１プリズム３６と第２プリズム３８が配置されている。

第１プリズム３６と第２プリズム３８とのエアギャップにおいて、画像表示素子２２０から投射レンズ２１１に向かう光は、第１プリズム３６から出射するときに大きく屈折する。また、第１プリズム３６から出射した光が第２プリズム３８に入射するときにも、屈折により入射角度ζ５が小さくなるため、光の透過率が低くなる。

図１６は、プロジェクタにおける画像表示素子２２０とプリズムと投射光学系２１０の別の例を示す光学配置図である。同図において、図１５と同様に、プロジェクタにおいて、画像表示素子２２０と投射光学系２１０との間に第１プリズム３６と第２プリズム３８が配置されている。

図１６に示すように、画像表示素子２２０からの光がθ２の拡がり角を持っているため、投射レンズ２１１の中心に入る光線よりも、特に、投射レンズに入る光線束の端の光線が第２プリズム３８に入射する角度ζ６が小さくなる。このため、画像表示素子２２０からの光のθ２が大きくなると、光線の透過率が最も低くなる。第１プリズム３６と第２プリズム３８との間で透過されなかった光線は、ゴースト光になるため、スクリーン画像のコントラスト低減の要因になる。

以上のように、プロジェクタにおいて、画像表示素子２２０のマイクロミラーの最大傾斜角（チルト角）が増えることに対応して投射光学系２１０の光取り込み角θ２を拡大したときに、上述の要因により高品質な画像が得られないという問題があった。

なお、画像表示装置において、開口絞りと画像表示素子との間にアンダーな像面湾曲のレンズ群を有することにより、照度ムラを改善する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１の技術は、画像表示素子２２０のマイクロミラーの最大傾斜角が増えることによる照度ムラ、光利用効率の低下、ゴースト光の発生などという問題には対応することが考慮されていない。

本発明は、画像表示素子のマイクロミラーの最大傾斜角を増加させつつ、高品質な画像を得ることができる画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、多数のマイクロミラーによって構成される画像表示素子に表示される画像を拡大投射する画像表示装置であり、光源と、光源から出射された光を導光するロッドインテグレータと、ロッドインテグレータから出射された光を画像表示素子に導光する照明光学系と、画像表示素子に表示された画像を拡大投射する投射光学系と、を有し、マイクロミラーの最大傾角は、１２°よりも大きく、光源とロッドインテグレータとの間に、回転非対称な形状の開口部が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、画像表示素子のマイクロミラーの最大傾斜角を増加させつつ、高品質な画像を得ることができる。

本発明に係る画像表示装置の実施の形態を示す光学配置図である。 図１に示す画像表示装置が備える開口部の配置の例を示す光学配置図である。 参考例の画像表示装置の例を示す光学配置図である。 図１に示す画像表示装置が備える開口部の第１の例を示す正面図である。 図１に示す画像表示装置が備える開口部の第２の例を示す正面図である。 図１に示す画像表示装置が備える開口絞りの配置の例を示す光学配置図である。 図１に示す画像表示装置が備える開口絞りと下光線との関係の例を示す光学配置図である。 図１に示す画像表示装置が備える開口絞りと下光線との関係の例を示す部分拡大図である。 図１に示す画像表示装置が備える開口絞りと下光線との関係の別の例を示す部分拡大図である。 プロジェクタにおける投射光学系の光取り込み範囲を示す図である。 投射光学系の光軸に平行な方向から見た画像表示素子への入射光の角度を示す図である。 プロジェクタにおける照明光学系の光取り込み範囲と投射光学系の光取り込み範囲との関係を示す図である。 プロジェクタにおける照明光の端部光線が画像表示素子に入射する様子の例を示す図である。 プロジェクタにおける照明光の端部光線が画像表示素子に入射する様子の別の例を示す図である。 プロジェクタにおける画像表示素子とプリズムと投射光学系の例を示す光学配置図である。 プロジェクタにおける画像表示素子とプリズムと投射光学系の別の例を示す光学配置図である。

以下、本発明に係る画像表示装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係る画像表示装置の実施の形態を示す光学配置図である。同図に示すように、本実施の形態において、画像表示装置１２０は、画像表示素子２２と、光源からの光を照明する照明光学系１０と、画像表示素子２２からの光を拡大投射する投射光学系１２１とを有する。なお、画像表示装置１２０は、この他にいずれも不図示の凹面反射ミラーやカバーガラスなどを有していてもよい。

●照明光学系の構成
次に、画像表示装置１２０の照明光学系の構成について説明する。

図１に示すように、照明光学系１０は、ランプ１１から順に、リフレクタ１２と、ロッドインテグレータ１３と、照明用レンズ１４と、照明用レンズ１５と、ミラー１６と、曲面ミラー１８とが配置されている。

ランプ１１は、光源として超高圧水銀ランプや、ＬＤ（Laser Diode）やＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの固体光源を使用することができる。光源としてＬＤやＬＥＤを使用することにより、ランプは、超高圧水銀ランプを使用した場合に比べて長寿命であり色再現性が向上する。

リフレクタ１２は、ランプ１１が発した光を一定の方向（ロッドインテグレータ１３の開口部方向）に向けて反射する。リフレクタ１２は、ランプ１１が発した光をロッドインテグレータ１３の開口部に向けて集光させるために、例えば楕円面形状を有する。

ロッドインテグレータ１３は、光の進行方向において、リフレクタ１２の後段に配置されている。ロッドインテグレータ１３は、入射した光の照度を均一にして出射する照度均一化素子である。

ロッドインテグレータ１３は、両端に開口部を有する四角柱型の中空構造を有する。ロッドインテグレータ１３は、中空構造の内面が４枚の反射ミラーで構成されている。

つまり、ロッドインテグレータ１３は、一端の開口部から入射した光が反射ミラーにより内部反射して、他端の開口部から均一な照度分布の光として出射するように構成されている。ここで、ロッドインテグレータ１３の開口部の開口のサイズは、例えば６ｍｍｘ４ｍｍである。

照明用レンズ１４と照明用レンズ１５は、ロッドインテグレータ１３からの光の進行方向において、ロッドインテグレータ１３の後段に配置されている。照明用レンズ１４と照明用レンズ１５は、例えばリレーレンズである。照明用レンズ１４と照明用レンズ１５は、ロッドインテグレータ１３から出射された光をミラー１６へと導光する導光手段である。

ミラー１６は、ロッドインテグレータ１３からの光が画像表示素子２２を照明するように、光の進行方向を変更する手段である。ミラー１６によって、図１の＋Ａ軸方向へと進行してきた光は、進行方向が変更される。

曲面ミラー１８は、ミラー１６からの光を画像表示素子２２に入射させるように、光の進行方向を変更する手段である。

●画像表示素子の構成
画像表示素子２２は、複数の微小ミラーが二次的に配置されている例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などである。画像表示素子２２は、例えば、一辺が１０μｍ程度の正方形ミラーを表示画素に対応させて配列してなる。表示する画像の解像度の規格がＷＸＧＡ規格であれば、これに対応する画像表示素子２２の微小ミラーは、１２８０×８００個の配列になる。画像表示素子２２上の画像の表示サイズは、変更可能（可変）である。

画像表示素子２２が備える各微小ミラーの形状は、正方形である。各微小ミラーは、２次元的に配列された状態から対角方向において±１２度の傾きを形成できるようになっている。この各微小ミラーの傾きは、被投射面であるスクリーンに表示する画像の映像信号に基づいて適宜制御されて切り替わる。

例えば、微小ミラーの角度が＋１２度の状態をＯＮ状態、微小ミラーの角度が−１２度の状態をＯＦＦ状態とする。画像表示素子２２を照明した光は、ＯＮ状態の微小ミラーによって投射光学系１２１に向けて反射される。一方、ＯＦＦ状態のミラーを照明した光は、投射光学系１２１が配置されている方向とは異なる方向へと反射される。投射光学系１２１に向けて反射された光は、画像情報として投射光学系１２１を通過して、スクリーン上へと投射される。一方、その他の反射光は、照明光学系１０が設置される図示しないハウジングに配置されている吸収部材などによって吸収される。

ここで、画像表示素子２２は、微小ミラーを照明する光により、２次的な面光源（ライトバルブ）として作用するため、反射型ライトバルブともいう。

各微小ミラーの傾きは、映像信号に基づいて制御される。また、照明光の色変換を行うカラーホイール１２の動作も映像信号に基づいて制御される。この制御によって、映像信号に基づく画像が画像表示素子２２によって形成され、これがスクリーン上に拡大投射されて表示される。

なお、画像表示素子２２の前面側（微小ミラーの反射面が配置されている側）には、保護ガラスが配置されている。

●投射光学系の構成
次に、画像表示装置１２０が備える投射光学系１２１の構成について説明する。

投射光学系１２１は、画像表示素子２２において反射された光を図示しないスクリーンに投射するための投射レンズ群である。なお、図１において、投射レンズ群を所定の配置で保持するレンズ鏡胴などは図示を省略している。

照明光学系１０によって画像表示素子２２に照射された光のうち、画像表示素子２２の個々の微小ミラーのＯＮ状態の画素に対応する光が、画像情報として投射光学系１２１を通り抜けて拡大投射される。投射光学系１２１を通過した光は、図示していないスクリーンに投射されスクリーン上に画像を形成する。

●開口部の構成
次に、画像表示装置１２０が有する開口部について説明する。

図２は、図１に示す画像表示装置１２０が備える開口部の配置の例を示す光学配置図である。同図に示すように、画像表示装置１２０は、ランプ１１とロッドインテグレータ１３との間に、ロッドインテグレータ１３に入射する光線束の幅を制約する開口部１７を有する。

また、図３は、参考例の画像表示装置の例を示す光学配置図である。参考例の画像表示装置は、先に説明した図１３に示したプロジェクタと同様の構成を有する。

画像表示装置において、表示される画像に照度ムラやゴースト光を生じさせるのは、図３において角度ζ１や角度ζ２で画像表示素子２２０に入射する光線である。このような光線の発生源をランプ１１０まで辿ると、図３において点線で示したように、リフレクタ１２で反射された光線のうち、ロッドインテグレータ１３に対して大きな角度で入射する光線であることがわかる。

そこで、画像表示装置１２０では、この光線を開口部１７により遮光することにより、ロッドインテグレータ１３に入射させないようにする。

つまり、図２に示すように、開口部１７を有する画像表示装置１２０において照明光学系１０から画像表示素子２２に向かう光線角度の最小値は、ζ３またはζ４になる（ζ１＜ζ３，ζ２＜ζ４）。

したがって、開口部１７を有する画像表示装置１２０によれば、照明光学系１０から画像表示素子２２に向かう光線角度の分布が小さくなるため、画像表示素子２２の面上での照度分布が一様化される。このため、画像表示装置１２０によれば、画像表示素子２２のカバーガラスにおける透過率分布を小さくすることができる。

また、開口部１７を有することにより、画像表示装置１２０によれば、ζ３の光線やζ４の光線透過率が上がり、乱反射光によるゴースト光の減少に繋がるため、ゴースト光の発生を減少させることができる。

特に、投射光学系１２１の光取り込み範囲の境界を通る光線は、照明光学系１０を構成する部品の加工誤差や組付け誤差等により、本来は投射光学系１２１に取り込まれない光線が、投射光学系１２１の光取り込み範囲に含まれてしまう場合がある。この場合には、そのような光によりゴースト（異常画像）がスクリーンに映り込む、あるいはスクリーン画像のコントラスト低減を引き起こすおそれがある。

一方、上述の光取り込み範囲の境目の光線は、画像表示素子２２と投射光学系１２１との間に設けた遮光部品により遮光することが可能である。また、投射光学系１２１の光軸ＡＰと画像表示素子２２の画像中心とのずれ（オフセット）された画像表示素子２２のオフセット方向と反対側の光量が増えることによるフレア光も、同様の遮光部品により遮光することが可能である。

しかし、この場合に、遮光部品が高温になると、遮光部品が膨張することにより、画像表示素子２２と投射光学系１２１との位置関係が変わるため、投影画像性能（特にピント性能）が劣化するおそれがある。

したがって、投射光学系１２１から遠い、ランプ１１とロッドインテグレータ１３との間で遮光する開口部１７を有することは、投影画像の品質を確保する点においても優れている。

さらに、図１６で説明した角度ζ６で第２プリズム３８に入射する光線も、開口部１７を有することにより、入射角度がζ６よりも大きくなる。このため、画像表示装置１２０によれば、画像表示素子２２と投射光学系１２１との間に配置されている第１プリズム３６と第２プリズム３８で発生するフレア光が少なくなり、スクリーン画像への不要光入射が減少し、コントラストを改善することができる。

次に、開口部１７の開口形状について説明する。

図４は、図１に示す画像表示装置が備える開口部の第１の例を示す正面図である。同図に示すように、画像表示装置１２０において、ランプ１１の発光源を含むリフレクタ１２の中心軸をランプ光軸ＡＬ（光源の光軸）とする。同図は、図２に垂直な断面においてランプ１１をロッドインテグレータ１３側から（正面から）見た図である。

開口部１７は、開口制御部１７１を有する。開口部１７は、正面視ランプ光軸ＡＬを中心とした中央に円形の開口形状を有する円形である。開口制御部１７１は、開口部１７の開口形状の一部に沿った円弧状の外縁を有し円弧の両端を直線状に結んだ形状を有する。このような開口形状と開口制御部１７１とを有することにより、開口部１７は、開口形状がランプ光軸ＡＬに対して回転非対称な形状となる。このような開口部１７を有することにより、画像表示装置１２０によれば、リフレクタ１２により反射された照明光のうち、画像表示素子２２に入射する角度ζが小さい光線が、画像表示素子２２やプリズムに入射するのを防止することができる。

また、開口部１７は、ランプ光軸ＡＬ（図４の矢印方向）に関して回転させて調整することができるように（回転可能に）することにより、開口部１７を回転させることで遮光する光線を選択可能にする構造が望ましい。このようにすることで、開口部１７は、ランプ１１の発光点、あるいはリフレクタ１２やロッドインテグレータ１３の形状など、照明光学系１０の構成のばらつきに起因するゴーストやコントラスト、あるいは照明ムラを改善することができる。

図５は、図１に示す画像表示装置が備える開口部の第２の例を示す正面図である。同図に示すように、開口部２７は、開口制御部２７１を有する。開口部２７は、正面視正方形の開口形状を有する円形である。開口制御部２７１は、開口部２７の開口形状の一部に沿った矩形状である。このような開口形状と開口制御部２７１とを有することにより、開口部２７は、開口部２７に平行な面（ランプ光軸ＡＬに垂直な面）においてランプ光軸ＡＬを通る直線に関し非対称な（線非対称な）矩形形状の開口形状を有している。ここで、開口部２７は、重力方向、重力と垂直方向、またはその両方の方向について線非対称な形状ともいえる。

一般に、リフレクタ１２は必ずしも回転対称な形状ではないため、リフレクタ１２の形状によっては開口部２７の開口形状も矩形形状が望ましい場合がある。その場合には、開口部２７の形状は、図５の紙面左右方向に関して線非対称とし（紙面上下方向は線対称であってもよい）、画像表示素子２２に入射する角度ζが小さい光線が、画像表示素子２２やプリズムに入射するのを防止することができる。

また、開口部２７は、開口制御部２７１をランプ光軸ＡＬに垂直な面においてランプ光軸ＡＬを挟む方向（図５において紙面左右方向）に移動することができるようにしてもよい。このようにすれば、画像表示装置１２０において、開口部７による遮光面積を調整することができるため、画像の照度ムラやゴーストを改善しつつ、画像の明るさを最大限に得ることができる。

なお、開口部２７についても、先に説明した開口部１７と同様にランプ光軸ＡＬに関して回転調整してもよい。

つまり、開口部２７を有することにより、画像表示装置１２０によれば、使用状況に合わせて開口形状を変更することができる。

また、開口制御部１７１や開口制御部２７１の回転位置調整や移動位置調整は、画像表示装置１２０の組み立て時に行ってもよいし、使用時に行ってもよい。

●開口絞りの構成
次に、画像表示装置１２０が有する開口絞りについて説明する。

図２に示すように、画像表示装置１２０の投射光学系１２１は、光軸を共有する複数枚の投射レンズ１２２と、画像表示素子２２から入射する光量を制限する開口絞り１２３と、を有する。

ここで、開口絞り１２３は、画像表示素子２２から投射光学系１２１への光取り込み尺度をＦｉｍｇとしたときに、下記の式２を満足する。

Ｆｉｍｇ ＞ １／｛２×ｔａｎ（６＋α／２）｝ ・・・（式２）

ただし、Ｆｉｍｇは、下記の式３で示される。

Ｆｉｍｇ ＝ Ｂｆ／φ ・・・（式３）

式２において、画像表示素子２２のマイクロミラーの最大傾角をαとする。また、式３において、画像表示素子２２の画像面に引いた垂線方向において、画像表示素子２２の画像表示面を含む平面から投射光学系１２１のうち最も画像表示素子２２に近い光学面との距離の最小値をＢｆとする。また、式３において、最も画像表示素子に近い光学面の光取り込み幅をφとする。

式２について説明するのにあたり、従来どおり画像表示素子２２のマイクロミラーの傾斜角が大きくなることに対応して、投射光学系１２１の光取り込み角θ２を拡げることを式で表すと，下記の式４のようになる。

Ｆｉｍｇ ≒ １／（２×ｔａｎα）・・・（式４）

これに対し、上述の式２の関係を満たしていれば、照明光学系１０のθ２を式４により導かれる値よりも小さく設定することができる。すなわち、式４では、マイクロミラーの最大傾斜角αの値が右辺のｔａｎαに代入されるものの、式２では、例えばα＝１４°であれば右辺のｔａｎ（６＋α／２）＝ｔａｎ（６＋１４／２）°＝１３°となる。

つまり、画像表示装置１２０では、画像表示素子２２の傾斜角が大きくなっても、投射光学系１２１の光取り込み角θ２を式２の関係を満たすように設定することにより、照度ムラの影響、ゴースト、あるいはフレア光を抑えることができる。

●開口部の効果
次に、画像表示装置１２０の実施例に基づいて、開口部１７の効果を説明する。

図６は、図１に示す画像表示装置が備える開口絞りの配置の例を示す光学配置図である。

なお、図６にいて、理解を容易にするために、画像表示素子２２の上のマイクロミラーが図５の断面方向に±１２°あるいは±１６°傾くものとする。

投射光学系１２１の開口絞り１２３は、開口絞り１２３より後段の構成の光学計算を簡素にするために、投射レンズ１２２よりも画像表示素子２２側に位置させている。図６に示すように、開口絞り１２３は、画像表示素子２２の画像表示面を含む平面から、50mmの位置に配置されている。

ここで、Ｂｆは、開口絞り１２３から画像表示素子２２の画像表示面までの距離とする。すなわち、画像表示装置１２０において、開口絞り１２３も光学面であるという取り扱いをする。

また、図６，７に示すように、画像表示素子２２の投射光学系１２１の光軸ＡＰと画像表示素子２２の画像中心とのずれ量（オフセット量）は、６．５ｍｍに設定した。

以上の画像表示装置１２０の実施例に対して、表１に示す２つの条件で投射光学系１２１の光軸ＡＰから遠い側（オフセット側）の端部光線角度ζ１と投射光学系１２１の光軸ＡＰから近い側（オフセット反対側）の端部光線角度のζ２を計算する。そして、条件１と条件２とを比較することにより、開口部１７の開口形状を回転非対称にするメリットを具体的に説明する。

表１

図６について、ロッドインテグレータ１３から出射される点線の光線（主光線）は、ロッドインテグレータ１３の出射口に対して垂直方向に進む光線である。この光線は、図６において画像表示素子２２上の最もオフセット側のマイクロミラーを照明する光束の中心の光線である。ここで、この光線が画像表示素子２２に入射する角度をη１，η２とする。

図７は、図１に示す画像表示装置が備える開口絞り１２３と下光線との関係の例を示す光学配置図である。

なお、図７において、説明の簡略化のため、投射光学系１２１の光軸ＡＰから遠い側（オフセット側）の照明光学系１０からの端部光線角度ζ１のみ説明し、ζ２の説明は省略する。

ロッドインテグレータ１３の出口から出射される光は、出口のどの位置においても主光線を中心とする多数の光線からなっており、その多数の光線の束が光束と呼ばれている。

ロッドインテグレータ１３の出口から出射される光束のうち、図７で最も下端（画像表示素子２２寄りの端部）を通る光線を下光線という。下光線が画像表示素子２２に入射する角度がζ１であり、この角度ζ１が画像表示素子２２に入射する光線の入射角としては最も小さい値である。

従来の画像表示装置では、画像表示素子に入射する下光線の入射角ζ１が小さい角度であるため、画像表示素子上のカバーガラスでの透過率が下がることが課題である。

また、従来の画像表示装置では、ζ１と投射光学系の光軸ＡＰから近い側（オフセット反対側）の端部光線角度のζ２で透過率が異なることにより投射された画像に照度ムラが発生すること、投射された画像にゴースト光が発生することも課題である。

図８は、図１に示す画像表示装置が備える開口絞りと下光線との関係の例を示す部分拡大図である。同図に示すように、画像表示素子２２から開口絞り１２３までの距離を５０ｍｍ、投射光学系１２１の光軸ＡＰから最も離れたマイクロミラー２２１との距離を１１ｍｍとしたとき、前記条件１と条件２におけるη１とζ１の角度を、表２に示すように幾何学的に計算した。

表２

表２によれば、画像表示素子２２のマイクロミラー２２１の傾斜角αが大きくなったことに併せて、照明光の光取り込み角θ２を大きく設定した場合には、主光線と下光線のカバーガラス入射角度の差（η１−ζ１）が大きくなることがわかる。また、この場合には、ζ１が小さくなりカバーガラスでの透過率が下がることがわかる。

図９は、図１に示す画像表示装置が備える開口絞りと下光線との関係の別の例を示す部分拡大図である。同図に示すように、図８に示した条件と同様の条件において、投射光学系１２１の光軸ＡＰから最も近いマイクロミラー２２１との距離を２ｍｍとしたとき、条件１と条件２におけるη２とζ２の角度を、表３に示すように幾何学的に計算した。

表３

表２と表３とによれば、η１とη２、およびζ１とζ２は、いずれも１０°の差があることがわかる。この画像表示素子２２のマイクロミラー２２１への光線の入射角の差により、特に条件２のようにマイクロミラー角度αが１２°よりも大きくなった場合に、下光線の入射角ζ１が小さくなるため、透過率の低下などの影響が顕著になる。

以上のような照明光学系１０から出射される光線の透過率の低下などの影響を解消するため、開口部１７，２７は、ランプ光軸ＡＬに関して回転非対称な（線非対称な）開口形状に設定して画像表示素子２２への入射角が小さい光線をカットするのが望ましい。

また、画像表示装置１２０において、開口絞り１２３の開口サイズをαによって定まる投射光学系１２１の光取り込み角θ２よりも少し小さめに設定することなどが望ましい。

画像表示素子２２の画像面に引いた垂線方向において、画像表示素子２２の画像表示面を含む平面から投射光学系１２１のうち最も画像表示素子に近い光学面との距離の最小値をＢｆとする。そして、画像表示素子２２の短辺方向の長さをＨ、画像表示素子のオフセット量をＯとしたとき、下記の式５を満足する。

Ｂｆ ／（Ｈ／２＋Ｏ） ≧ ４．５ ・・・（式５）

ここで、式５について、図８，図９では、Ｈ＝９ｍｍ、Ｏ＝６．５ｍｍ、Ｂｆ＝５０ｍｍである。

これらの値を式５に代入すると、
Ｂｆ／（Ｈ／２＋Ｏ）＝ ４．５
であり、図７，図８の例が条件式の境界値であることを示している。

Ｂｆ／（Ｈ／２＋Ｏ）の値が４．５よりも小さいということは，例えば図９においてオフセット量６．５ｍｍを増やすことになるため、ζ１が小さくなることを示している。

つまり、表３に示したように、式５により算出された値が境界値４．５であるということは、ζ１が３０°であるということである。ζ１が３０°よりも小さくなると、画像表示素子２２のカバーガラスに反射防止膜を施しても透過率が著しく低下してしまうため、好ましくない。

なお、式５に基づく数値の導出は、図８などに示すように画像表示装置１２０の断面で行ったが、実際には図８の紙面を貫く方向に画像表示装置１２０の光線にも画像表示素子２２にも奥行きがある。

図１０は、投射光学系１２１の光軸ＡＰに平行な方向から見た画像表示素子２２への入射光の角度を示す図である。同図に示すように、ζ１が最小になるのは奥行き方向も含めて光軸から最も遠く照明光に最も近いマイクロミラー２２１への入射角である。

つまり、画像表示装置１２０において、式５により定まる値は、４．５よりも大きい値を取る構成が望ましい。つまり、式５による４．５という値は、下限値であるといえる。

そのため、式５の値が４．５を上回るために、画像表示装置１２０の構成は、以上説明したように画像表示素子２２のオフセット量を小さくする、画像表示素子２２のサイズを小さくする、あるいはθ２を小さくするなどとするのが望ましい．

●実施の形態の効果●
以上説明したように、本実施の形態に係る画像表示装置１２０によれば、ランプ光軸ＡＬに関して回転非対称な開口形状の開口部１７を有するため、照明光学系１０から画像表示素子２２への入射角が小さい光線を遮光することができる。このため、画像表示装置１２０によれば、投射される画像の照度ムラ改善やゴースト光の低減などがされた、高品質な画像を得ることができる。

また、画像表示装置１２０は、開口部１７の回転調整可能にすることにより、開口制御部１７１をランプ光軸ＡＬに対して調整することができるため、照度ムラ改善やゴースト光低減に対して最も効果的な位置に開口制御部１７１を配置することができる。

また、画像表示装置１２０によれば、ランプ光軸ＡＬに関して垂直な面においてランプ光軸ＡＬを挟んで線非対称な開口形状の開口部２７を有するため、照明光学系１０から画像表示素子２２への入射角が小さい光線を遮光することができる。このため、画像表示装置１２０によれば、投射される画像の照度ムラ改善やゴースト光の低減などがされた、高品質な画像を得ることができる。

また、画像表示装置１２０によれば、開口部１７，２７の開口制御部１７１，２７２を移動可能として、開口面積を変更可能にしたため、投射光量と照度ムラやゴースト光低減とのバランスを考慮して最適な開口面積に調節することができる。

また、画像表示装置１２０によれば、投射光学系１２１に開口絞り１２３を設けて上述の式２で表すような値に設定することにより、開口部１７，２７で遮光しきれなかった不要光線を確実に遮光することができるため、さらに高品質な画像を得ることができる。

１２０ 画像表示装置
２２ 画像表示素子
１０ 照明光学系
１２１ 投射光学系
１１ ランプ
１２ リフレクタ
１３ ロッドインテグレータ
１４ 照明用レンズ
１５ 照明用レンズ
１６ ミラー
１８ 曲面ミラー
１７ 開口部 ２７
３６ 第１プリズム
３８ 第２プリズム
１２２ 投射レンズ
１２３ 開口絞り
２２１ マイクロミラー

特開２０１３−９７０３９号公報

Claims (9)

1. 多数のマイクロミラーによって構成される画像表示素子に表示される画像を拡大投射する画像表示装置であり、
   光源と、
   前記光源から出射された光を導光するロッドインテグレータと、
   前記ロッドインテグレータから出射された光を画像表示素子に導光する照明光学系と、
   前記画像表示素子に表示された画像を拡大投射する投射光学系と、
   を有し、
   前記マイクロミラーの最大傾角は、１２°よりも大きく、
   前記光源と前記ロッドインテグレータとの間に、回転非対称な形状の開口部が設けられている、画像表示装置。
2. 前記開口部は、前記光源及び前記ロッドインテグレータから離れた位置に設けられている、
   請求項１記載の画像表示装置。
3. 前記開口部は、前記ロッドインテグレータに入射する光線束の幅を制約する、
   請求項１または２記載の画像表示装置。
4. 前記開口部は、開口面積を制御する開口制御部を有する、
   請求項１乃至３のいずれかに記載の画像表示装置。
5. 前記開口部は、前記光源の光軸に垂直な面において前記光源の光軸を通る直線に関し線非対称な形状である、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の画像表示装置。
6. 前記開口制御部によって制御される前記開口部の形状は、最も面積が狭くなった時に前記光源の光軸に垂直な面において前記光源の光軸を通る直線に関し線非対称な形状である、
   請求項５記載の画像表示装置。
7. 前記開口部は、前記光源の光軸に関して回転可能である、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の画像表示装置。
8. 前記投射光学系は、光軸を共有する複数枚の投射レンズと、前記画像表示素子から入射する光量を制限する開口絞りと、を有し、
   前記画像表示素子から前記投射光学系への光取り込み尺度をＦｉｍｇとしたときに、
   Ｆｉｍｇ ＞ １／｛２×ｔａｎ（６＋α／２）｝
   を満足し、
   Ｆｉｍｇは、前記マイクロミラーの最大傾角をα、前記画像表示素子の画像面に引いた垂線方向において、前記画像表示素子の画像表示面を含む平面から前記投射光学系のうち最も前記画像表示素子に近い光学面との距離の最小値をＢｆ、前記最も画像表示素子に近い光学面の光取り込み幅をφとしたとき、
   Ｆｉｍｇ ＝ Ｂｆ／φ
   を満足する、請求項１乃至７のいずれかに記載の画像表示装置。
9. 前記画像表示素子の画像面に引いた垂線方向において、前記画像表示素子の画像表示面を含む平面から前記投射光学系のうち最も前記画像表示素子に近い光学面との距離の最小値をＢｆ、前記画像表示素子の短辺方向の長さをＨ、前記画像表示素子のオフセット量をＯとしたとき、
   Ｂｆ ／（Ｈ／２＋Ｏ） ≧ ４．５
   を満足する、請求項１乃至８のいずれかに記載の画像表示装置。