JP2016080748A - 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】 本発明は、光源と、最大傾斜角が１２°よりも大きい複数のマイクロミラーが配置され矩形状の外形線を有する画像表示素子２２と、光源から出射される光を画像表示素子２２に導光する照明光学系と、複数のレンズ群からなり、画像表示素子２２から出射される光により複数のレンズ群の光軸に垂直な仮想平面に負の歪曲の中間像ＭＩを形成する屈折光学系１２１、および屈折光学系１２１からの光を反射する凹面ミラー２２８を備え、画像表示素子２２に表示される画像を投射する投射光学系と、を有する。【選択図】図８

Description

本発明は、画像表示装置に関するものである。

データ画像などを投射する画像表示装置には、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）のような反射型の複数のマイクロミラーによって構成される画像表示素子を有するものがある。このような画像表示装置は、複数のマイクロミラーを揺動させて画像表示素子の表面に画像を生成し、投射光学系を用いて画像表示素子に表示される画像をスクリーンなどに投射する。

画像表示装置において、より大きな光束を用いて投影画像を明るくすると共に、投影画像の明るさの左右のバランスを均等化する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

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。マイクロミラーの最大傾斜角が増加すると、投射光学系の光取り込み範囲を拡大することができるため、投射光学系から投影される光量を増加させることができる。

しかしながら、マイクロミラーの最大傾斜角が拡大するに従い、投射光学系の光取り込み角を広げると、カバーガラスでの反射光が増えるため、画像表示素子により表示される画像のコントラストが低下するという問題がある。

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、光源と、最大傾斜角が１２°よりも大きい複数のマイクロミラーが配置され矩形状の外形線を有する画像表示素子と、光源から出射される光を画像表示素子に導光する照明光学系と、複数のレンズ群からなり、画像表示素子から出射される光により複数のレンズ群の光軸に垂直な仮想平面に負の歪曲の中間像を形成する屈折光学系、および屈折光学系からの光を反射する凹面ミラーを備え、画像表示素子に表示される画像を投射する投射光学系と、を有する。

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。 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。 画像表示装置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。 画像表示装置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。 画像表示装置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。 画像表示装置における画像表示素子と全反射プリズムと投射光学系の例を示す光学配置図である。 画像表示装置における画像表示素子と全反射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。 図１に示す画像表示装置の投射光学系周辺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。 参考例の画像表示装置の別の例を示す光学配置図である。 本発明に係る画像表示装置の別の実施の形態を示す光学配置図である。 図１１に示す画像表示装置の平面ミラーの例を示す模式図である。 本発明に係る画像表示装置のさらに別の実施の形態を示す光学配置図である。 図１３に示す画像表示装置の投射光学系周辺を示す光学配置図である。 図１３に示す画像表示装置により生成される中間像の歪曲収差を示すグラフである。

●画像表示装置（１）●
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である画像表示装置１２０の照明光学系１０周辺の構成を示す。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屈折光学系１２１とを有する。

●照明光学系の構成
次に、画像表示装置１２０の照明光学系１０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１１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の形状、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。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。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、ランプ１１から進行してきた光は、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元的に配置されている例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）である。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。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構成されている。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、矩形状（例えば正方形）である。各微小ミラーは、二次元的に配列された状態から対角方向において例えば±１２度の傾斜角αを設定できる。この各微小ミラーの傾斜角α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。

図２に示すように、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を構成する屈折光学系１２１に向けて反射される。ＯＦＦ状態のミラーを照明した光は、屈折光学系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。

屈折光学系１２１に向けて反射された光は、画像情報として屈折光学系１２１を通過して、スクリーン上へと投射される。その他の反射光は、照明光学系１０が設置される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。画像表示素子２２は、微小ミラーを照明する光により、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。

図２に（Ａ）で示すように、屈折光学系１２１の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屈折光学系１２１に入り、＋１２°のときに反射光が屈折光学系１２１に入らないように設定する。

また、図２に（Ｂ）で示すように、屈折光学系１２１の光取り込み範囲は、画像表示素子２２の表面に取り付けられたカバーガラスからの反射光が、屈折光学系１２１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２に（Ｃ）で示すように、屈折光学系１２１の光取り込み範囲は、画像表示素子２２の電源が入っていない状態の傾斜角のときの反射光が、屈折光学系１２１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２２に向かう角度を設定した上で画像表示素子２２の各微小ミラーの傾斜角を制御することにより、画像表示装置１２０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。

ＤＭＤは、微小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２に（Ａ）で示した投射光学系の光取り込み範囲は、ＤＭＤの微小ミラーの傾斜角の範囲が±１０°であれば図２の紙面に平行な方向において２０°であり、微小ミラーの傾斜角の範囲が±１２°であれば図２の紙面に平行な方向において２４°である。

図３において、照明光学系１０の光取り込み範囲と屈折光学系１２１の光取り込み範囲とを、画像表示素子２２の画像面の短辺と屈折光学系１２１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２２の画像面への垂線を含む任意の断面ともいえる。

ロッドインテグレータ１３からの光を出射する出口の図３の断面上の幅をＬ、ロッドインテグレータ１３の出口から出射される光の出射角をθ、画像表示素子２２の幅をＬ２、屈折光学系１２１の光取り込み角をθ２とすると、下記の式１が成立する．

式１
Ｌ・ｓｉｎ（θ／２）≒Ｌ２・ｓｉｎ（θ２／２）

ここで、ロッドインテグレータ１３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１１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２２のサイズで決まる定数である。つまり、屈折光学系１２１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１３の出口径（および入口径）Ｌを大きくすることができる。

ランプ１１からの光は、ロッドインテグレータ１３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１１のリフレクタの設計や加工による誤差、あるいはランプ１１の発光部の大きさによって、ロッドインテグレータ１３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１０の光利用効率を大きく損なう。

以上のように、屈折光学系１２１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１３のサイズを拡大することができる。ロッドインテグレータ１３のサイズが拡大することができることにより、ランプ１１からロッドインテグレータ１３への光取り込み量が増えるため、屈折光学系１２１から投影され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２２のマイクロミラーの最大傾斜角が拡大するに従い、屈折光学系１２１の光取り込み角θを広げると，画像表示素子２２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４に示すように、屈折光学系１２１の光取り込み角θ２を広げることで、照明光学系１０が画像表示素子２２を照射する範囲（同じくθ２）を広げることができる。このため、照明光の端部の光線（下光線）ＬＬが画像表示素子２２に入射する入射角ζは小さくなる。入射角ζは、光取り込み角θ２のほかに、屈折光学系１２１の光軸ＡＰと画像表示素子２２の画像中心Ｃとのずれ量（以下「オフセット量」という。）と、画像表示素子２２の上の照明位置によっても決まる。

図５は、図４の例よりもオフセット量ＯＦを増やした別の例を示し、画像表示素子２２から屈折光学系１２１へ光を導くために照明光学系１０から画像表示素子２２への照明光の角度（傾き）を、全体的に大きくしている。オフセット量ＯＦを増やし照明光学系１０から画像表示素子２２への照明光の角度を多くすることにより、照明光の端部光線が画像表示素子２２に入射する入射角ζ１が小さくなる。

屈折光学系１２１の光軸ＡＰから遠い側（オフセット側）の端部光線の入射角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）の端部光線の入射角ζ２よりも小さくなる（ζ１＜ζ２）。これは、ロッドインテグレータ１３から出た光は、ロッドインテグレータ１３と画像表示素子２２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。

一般に画像表示素子２２には、画像表示面（微小ミラーのアレイ面）の上にカバーガラスが配置されている。微小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。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２２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る。

また、カバーガラスへの光線の入射角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２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２２や屈折光学系１２１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、屈折光学系１２１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み、画像のコントラストを下げるなどの要因になる。

図６の画像表示装置１２０における画像表示素子２２と全反射プリズムと屈折光学系１２１の例に示すように、画像表示装置１２０の画像表示素子２２と屈折光学系１２１との間には、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は、ともに直角プリズムであり、第１プリズム３６の出射面と第２プリズム３８の入射面が傾斜面である。第１プリズム３６と第２プリズム３８は、互いの傾斜面が対向して配置されている。第１プリズム３６と第２プリズム２８により構成される全反射プリズムは、画像表示素子に表示された画像を介して拡大投影する。

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２２から屈折光学系１２１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ζ５が小さくなるため、光の透過率が低くなる。

図７において、図６と同様に、プロジェクタにおいて、画像表示素子２２と屈折光学系１２１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７に示すように、画像表示素子２２からの光がθ’の広がり角を持っているため、屈折光学系１２１の中心に入る光線よりも、屈折光学系１２１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ζ４が小さくなる。このため、画像表示素子２２からの光のθ’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。

画像表示装置１２０において、画像表示素子２２の微小ミラーの最大傾斜角（チルト角）が増えることに対応して屈折光学系１２１の光取り込み角θ２を拡大したときに、コントラストが良好な高品質な画像が得るためには、以上の要因について考慮する必要がある。

●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の構成について説明する。

図８に示すように、画像表示装置１２０の投射光学系は、画像表示素子２２から順に、屈折光学系１２１と、開口絞り１２３と、フレアカット部材２２５と、凹面ミラー２２８とが配置されている非テレセントリックな投射光学系である。

画像表示素子２２は、その周囲が筐体２２２によって覆われている。画像表示素子２２から照射される光は、直接屈折光学系１２１に向かう光（有効光ＥＬ）と、画像表示素子２２の表面のカバーガラスで反射された不要光ＮＬに分かれる。不要光ＮＬは、筐体２２２に当たってフレア光の要因になる。

屈折光学系１２１は、画像表示素子２２で反射された光をスクリーンＳＣに投射する複数のレンズからなる投射レンズ群である。屈折光学系１２１の投射レンズ群は、鏡胴２２３により保持されている。屈折光学系１２１は、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を、画像情報として屈折光学系１２１を通り抜けて拡大投射させる。スクリーンＳＣに投射された光により、スクリーンＳＣ上には画像が形成される。

開口絞り１２３は、屈折光学系１２１内に投射レンズ群とともに配置されていて、画像表示素子２２からの流入光量を制限する。

フレアカット部材２２５は、屈折光学系１２１と凹面ミラー２２８との間の光路に配置されていて、屈折光学系１２１と凹面ミラー２２８との間の光路において中間像ＭＩが形成される位置付近に開口が設けられている。フレアカット部材２２５は、屈折光学系１２１から凹面ミラー２２８に向かう有効光ＥＬのみを通過させフレア光を遮蔽する。

また、フレアカット部材２２５は、凹面ミラー２２８からスクリーンＳＣとの間の光路においてスクリーンＳＣに向かう光が集束する位置付近にも開口が設けられていて、凹面ミラー２２８からスクリーンＳＣに向かうフレア光も遮蔽する。

凹面ミラー２２８は、屈折光学系１２１を透過した光をスクリーンＳＣに向けて反射する。凹面ミラー２２８は、鏡胴２２３およびフレアカット部材２２５とともに、ハウジング２２４を介して筐体２２２に保持されている。

画像表示装置１２０において、フレア光がスクリーンＳＣに照射されるのを防ぐには、屈折光学系１２１の中で画像表示素子２２に最も近いレンズ面の近辺にフレアカット部材２２５を配置することが有効である。

しかし、図１に示したように、画像表示素子２２に最も近いレンズ面の近辺にはミラー１６や曲面ミラー１８などの照明光学系の部品が配置されているため、フレアカット部材２２５は、その大きさや配置される位置によっては有効光ＥＬを遮ってしまうことがある。

また、フレア光は、投射光学系の内部やスクリーンＳＣに近いレンズ面の近辺などの位置でも遮光できるものの、フレア光の経路が不規則であり設計時には予測が難しいため、設計時にこれらの位置で遮光することは容易ではない。

図９に示す参考例の画像表示装置は、画像表示装置１２０とは異なり、投射光学系２２１がレンズのみで構成されていて画角ＡＶが上記屈折光学系１２１より広い。このため、参考例の画像表示装置は、投射光学系２２１の内部では有効光ＥＬと不要光ＮＬとの光路に差が出ないため、有効光ＥＬと不要光ＮＬとを区別できない。

参考例の画像表示装置の場合には、有効光ＥＬと不要光ＮＬの光路を区別することができないため、投射光学系２２１の出口以降の光路でフレア光を遮光するのは難しい。また、参考例の画像表示装置では、投射光学系２２１から広がったフレア光を遮光するには大型の遮光部品が必要になるため、装置構成を小型化しつつ効果的にフレア光を遮光することは難しい。

図１０に示す別の参考例の画像表示装置は、投射光学系２２１とスクリーンＳＣとの間に凸面ミラー１９が設けられている。別の参考例の画像表示装置においても、先に説明した参考例の画像表示装置と同様に、投射光学系２２１を出射した光は凸面ミラー１９に向かって広がるため、有効光ＥＬと不要光ＮＬとの区別ができずフレア光のみを遮光することは困難である。

図８に戻り、画像表示装置１２０は、微小ミラーの最大傾斜角が例えば１２°を越える大きな傾斜角となる画像表示素子２２と、屈折光学系１２１および凹面ミラー２２８を備える投射光学系とを有する。画像表示装置１２０の屈折光学系１２１は、屈折光学系１２１と凹面ミラー２２８との間の屈折光学系１２１の光軸に垂直な仮想平面に、画像表示素子２２の実像である中間像ＭＩを形成する。

中間像ＭＩは、画像表示素子２２の外形線のうち光軸から遠い２辺の内角が例えば９０度より大きく、光軸から近い２辺の内角より広い角度となるように形成されている。中間像ＭＩの歪曲収差は、一般的な屈折光学系が形成する中間像の歪曲収差が正の歪曲（いわゆる糸巻き型の歪曲）であるのに対して負の歪曲（いわゆる樽型の歪曲）である。

屈折光学系１２１と凹面ミラー２２８とを備える投射光学系は、いわゆる超至近投射光学系とも呼ばれ、短い投射距離で大きなサイズの画像を投影できる。このような投射光学系において、フレア光の遮光効率を上げるために屈折光学系の横倍率を小さくして中間像を小さくすると、スクリーンに投影できる画像サイズが小さくなってしまう。屈折光学系１２１では、横倍率を変えずに中間像ＭＩのサイズを小さくするために、中間像に負の歪曲収差を発生させている。

以上の構成により、画像表示装置１２０では、屈折光学系１２１と凹面ミラー２２８との間に形成された中間像ＭＩの領域の光だけが有効光ＥＬでありそれ以外の光を不要光ＮＬであると容易に区別することができるため、フレア光を遮光することができる。

また、画像表示装置１２０では、画像表示素子２２に屈折光学系１２１の横倍率を掛けた値より中間像ＭＩのサイズが小型になりスクリーンＳＣに投影される画像サイズを変えずに中間像ＭＩの領域を小さくできるため、フレア光の遮光効率を上げることができる。ただし、中間像ＭＩの歪曲を負に設定することにより、画像表示装置１２０では、スクリーンＳＣ上で画像の光学特性（特に像面湾曲）が劣化することが考えられる。

さらに、画像表示装置１２０では、スクリーンＳＣに投影された画像の位置により凹面ミラー２２８からの光路長が大きく異なる。このため、画像表示装置１２０では、レンズのみで構成された投射光学系に比べ、屈折光学系の像面湾曲補正の負担が大きくなる。

このため、屈折光学系１２１を構成するレンズは、開口絞り１２３から中間像ＭＩまでの間で画像表示素子２２の各微小ミラーからの開口絞り１２３の中心を通る光線（主光線）がなるべく分離するように、レンズの径を大きくするのが望ましい。

中間像ＭＩで負の歪曲を生じさせるには開口絞り１２３から中間像ＭＩまでの間に正レンズが必要であるが、正レンズによる光線の屈折作用は、レンズの径を小さくする方向に働いてしまう。

そこで、フレア光の遮光を効率的に行いつつスクリーンＳＣの画像の光学特性を劣化させないために、屈折光学系１２１は、負の歪曲を発生させつつレンズ径が小さくならないように構成する。

画像表示装置１２０では、屈折光学系１２１の中でレンズ径が最も大きい投射レンズ２１１（光軸に垂直な方向に配置されるレンズ面において、レンズ面と有効光ＥＬの交点とレンズ中心との距離が最大のレンズ）が正レンズである。

レンズ径が最も大きいレンズでは、最も光軸から離れた位置を透過する有効光ＥＬの屈折が歪曲収差に最も大きく影響する。一般に、レンズの径方向におけるレンズの中心からの距離（光線高さ）が大きいほどレンズに入る光線の屈折量が大きく（正レンズの場合には負の歪曲が強く）なる。このように、画像表示装置１２０では、レンズ径が最も大きい投射レンズ２１１を正レンズにすることにより、レンズ径を大きく保ちつつ大きな負の歪曲を発生させることができる。

ところで、画像表示素子２２を照明する光を遮ることがないように、画像表示素子２２と投射光学系１１との間に一定量以上の空間を設けてバックフォーカス（Ｂｆ）を確保する必要がある。このため、画像表示装置１２０では、屈折光学系１２１の複数のレンズ群のうち、１または複数のレンズがフォーカス（合焦）時に光軸方向に移動し、さらに移動するレンズの負レンズの総数を正レンズの総数よりも多く配置している。

また、屈折光学系１２１は、凹面ミラー２２８よりのレンズに負の屈折力を有することにより、短い焦点距離でありながら凹面ミラー２２８上での有効光ＥＬが照射される範囲を広げることができる。

また、移動する負レンズのうちの少なくとも１枚は、面形状に変曲点を有する非球面レンズである。一般に、負のレンズを多数配置すると正の歪曲が生じてしまう。屈折光学系１２１は、その非球面形状が光軸から離れるにしたがって正屈折力になるような形状（変曲点がある形状）の非球面の負レンズを少なくとも１枚用いることにより、正の歪曲の発生を抑え、Ｂｆ確保と凹面ミラー２２８上での有効光線範囲を広げつつ、中間像に負の歪曲を持たせている。

屈折光学系１２１は、凹面ミラー２２８上での有効光ＥＬが照射される範囲を広げることで、スクリーンＳＣに投影される画像の歪曲収差の補正を効果的に行いつつ、大きな負の歪曲の中間像ＭＩを形成できる。

●実施の形態の効果
以上説明したように、画像表示装置１２０によれば、光源からスクリーンまでの光利用効率を上げつつ、その副作用として生じるフレア光を減少させることができる。

また、画像表示装置１２０によれば、屈折光学系１２１による歪曲を樽型にしつつ光学性能を向上させることができる。

●画像表示装置（２）●
次に、本発明に係る画像表示装置の別の実施の形態について、先に説明した実施の形態との相違点を中心に説明する。

図１１に示すように、本発明に係る別の実施の形態の画像表示装置２２０は、投射光学系が屈折光学系１２１から凹面ミラー２２８までの光路中の中間像ＭＩが形成される位置の近傍に平面ミラー２１６を備える非テレセントリックな投射光学系である。

平面ミラー２１６形状やサイズは、中間像ＭＩの形状やサイズに対応させて決定される。このような平面ミラー２１６により、画像表示装置２２０では、有効光ＥＬは凹面ミラー２２８に反射され、不要光ＮＬは凹面ミラー２２８に反射されない。つまり、画像表示装置２２０では、不要光ＮＬは凹面ミラー２２８に導かれずスクリーンＳＣに到達しない。

図１２に示すように、平面ミラー２１６は、中間像ＭＩの樽型歪曲に対応させて、光軸から最も遠い辺２１６ｄと、辺２１６ｄに接する辺２１６ｂ、２１６ｃとの内角が９０度よりも大きい形状、例えば略台形状の略多角形の反射面形状であるのが好ましい。換言すれば、中間像ＭＩが照射される有効光照射領域ＥＡの形状と平面ミラー２１６の形状は、少なくとも光軸に近い方の辺２１６ａの長さが光軸から遠い方の辺２１６ｄの長さよりも長い。

なお、図１２において、有効光照射領域ＥＡの形状は、便宜上台形状に描画されているが、歪曲収差によっては頂点が明確な角にならない形状も含まれる。

また、図１１に示す画像表示装置２２０は、フレアカット部材３２５が凹面ミラー２２８からスクリーンＳＣまでの光路のフレア光を遮光する点が、先に説明した画像表示装置１２０と相違する。

●実施の形態の効果
以上説明したように、画像表示装置２２０によれば、フレア光をより効果的に遮光することができる。

また、画像表示装置２２０によれば、平面ミラー２１６を用いてフレア光の遮光を行うことで有効光照射領域ＥＡが平面ミラー２１６のミラー面に映り込むと、これを目視できるため、平面ミラー２１６と有効光照射領域ＥＡとの位置を容易に調整することができる。

●画像表示装置（３）●
本発明に係る画像表示装置のさらに別の実施の形態について、先に説明した実施の形態との相違点を中心に説明する。

図１３に示すように、本発明に係るさらに別の実施の形態の画像表示装置３２０は、先に説明した画像表示装置２２０の具体的な数値実施例である。画像表示装置３２０は、画像表示装置２２０と同様に光軸から最も遠い２辺の内角が９０度よりも大きい略多角形の形状の中間像ＭＩを形成する屈折光学系の構成を示す。図１３では、画像表示装置３２０の画像表示素子２２からスクリーンＳＣまでの光学系の全体を示す。

図１３において、画像表示装置３２０は、０．６５インチ（Ｙ軸方向に８．６４ｍｍ、Ｙ軸方向と垂直方向に１３．８４ｍｍのサイズ）の画像表示素子２２の画像を６０インチに拡大投影している。

図１４は、画像表示装置３２０の投射光学系周辺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３２０の屈折光学系１２１は、画像表示素子２２から順に、第１レンズ群１２１１、第２レンズ群１２１２、第３レンズ群１２１３、および第４レンズ群１２１４の４つのレンズ群から構成されている。また、屈折光学系１２１には、第１レンズ群１２１１に開口絞り１２３が、凹面ミラー２２８からスクリーンＳＣまでの光路にはガラス板などの防塵部材２２６が、それぞれ設けられている。

表１は、画像表示装置３２０の投射光学系１２１を構成するレンズの曲率半径、レンズ面間隔、屈折率、およびミラー面の傾き角度などの仕様を示す。

表１

屈折光学系１２１は、第２レンズ群１２１２と第３レンズ群１２１３と第４レンズ群１２１４とが図１４のＺ軸方向にそれぞれ異なる量だけ移動することにより、スクリーンＳＣの位置が図１４のＹ軸方向に上下したときの合焦を行う。

図１５は、画像表示装置３２０により生成される中間像ＭＩの歪曲収差を示すグラフである。同図に示すように、中間像ＭＩは、歪曲収差が負の歪曲であり、大きくマイナス側へカーブしたグラフとなる。第３レンズ群１２１３および第４レンズ群１２１４は、光軸付近において凹面で変曲点を経て光軸から離れるに従い凸面であるレンズ面形状を持つ非球面レンズをそれぞれ備える。非球面レンズにより、画像表示装置３２０は、屈折光学系１２１に歪曲収差を持たせつつ凹面ミラー２２８上の有効光の照射領域を広げることができる。

表２は、非球面レンズの係数を示す。

表２

また、非球面レンズの非球面式を式２に示す。

式２

屈折光学系１２１は、平面ミラー２１６に最も近い（有効光の通過する範囲が最も広い）レンズＬ４１を正レンズとすることにより、効率的に負の歪曲収差を得ている。

表３は、凹面ミラー２２８の自由曲面係数を示す。凹面ミラー２２８は、ミラー面が任意のＹ軸方向の位置にてＸ軸方向の位置に応じたＸ軸方向の曲率が一定ではなく、任意のＸ軸方向の位置にてＹ軸方向の位置に応じたＹ軸方向の曲率が一定ではないアナモフィック面である、自由曲面ミラーである。

表３

また、凹面ミラー２２８の自由曲面式を式３に示す。

式３

●実施の形態の効果
以上のような構成とすることで、画像表示装置３２０は、例えば画像表示素子２２の微小ミラーの傾斜角が１７度に対応するようなＮＡ＝０．２９の場合であっても、フレア光を効果的に遮光することができる。

１０ 照明光学系
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
１６ ミラー
１７ カラーホイール
１８ 曲面ミラー
１９ 凸面ミラー
２２ 画像表示素子
３６ 第１プリズム
３８ 第２プリズム
１２０ 画像表示装置
１２１ 屈折光学系
２１１ 投射レンズ
２１６ 平面ミラー
２２２ 筐体
２２３ 鏡胴
２２４ ハウジング
２２５ フレアカット部材
２２６ 防塵部材
２２８ 凹面ミラー
１２１１ 第１レンズ群
１２１２ 第２レンズ群
１２１３ 第３レンズ群
１２１４ 第４レンズ群

特開２０１２−００８４２０号公報

Claims (9)

1. 光源と、
   最大傾斜角が１２°よりも大きい複数のマイクロミラーが配置され矩形状の外形線を有する画像表示素子と、
   前記光源から出射される光を前記画像表示素子に導光する照明光学系と、
   複数のレンズ群からなり、前記画像表示素子から出射される光により前記複数のレンズ群の光軸に垂直な仮想平面に負の歪曲の中間像を形成する屈折光学系、および前記屈折光学系からの光を反射する凹面ミラーを備え、前記画像表示素子に表示される画像を投射する投射光学系と、
   を有する、画像表示装置。
2. 前記中間像は、前記画像表示素子の外形線のうち前記光軸から遠い２辺の内角が前記光軸から近い２辺の内角より広い、
   請求項１記載の画像表示装置。
3. 前記中間像は、前記画像表示素子の外形線のうち前記光軸から遠い２辺の内角が９０度よりも大きい、
   請求項１または２記載の画像表示装置。
4. 前記レンズ群を構成するレンズのうち、前記光軸に垂直な方向に配置されるレンズ面において、前記レンズ面と前記光線の交点とレンズ中心との距離が最大のレンズが正レンズである、
   請求項１乃至３のいずれかに記載の画像表示装置。
5. 前記レンズ群は、１または複数のレンズが前記光軸方向に移動して合焦し、
   移動する前記レンズ群は、負レンズの総数が正レンズの総数以上であり、少なくとも１の非球面レンズを有し、
   前記非球面レンズは、面形状に変曲点を有する負レンズである、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の画像表示装置。
6. 前記投射光学系は、非テレセントリックな投射光学系である、
   請求項１乃至５のいずれかに記載の画像表示装置。
7. 前記投射光学系は、前記屈折光学系から前記凹面ミラーまでの光路中に全反射プリズムを有するテレセントリックな投射光学系である、
   請求項１乃至５のいずれかに記載の画像表示装置。
8. 前記投射光学系は、前記屈折光学系から前記凹面ミラーまでの光路中に平面ミラーを備える、
   請求項７記載の画像表示装置。
9. 前記平面ミラーは、前記光軸から最も遠い２辺の内角が９０度よりも大きい多角形の反射面形状である、
   請求項８記載の画像表示装置。
   

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