JP2016105386A - 照明装置と画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成により被投射面を明るく照明する。【解決手段】 光源１と、光源からの光束により複数の光源の像による２次光源を形成する光ミキシング素子２と、複数の２次光源からの光束を光変調素子７に投射する照明光学系と、を有する照明装置であって、照明光学系は、アナモルフィック面を有する光学素子５を備え、光学素子は、アナモルフィック面の面頂点からの法線を回転軸として、光変調素子に対して回転した位置にあることを特徴とする照明装置。【選択図】図３

Description

本発明は、照明装置および照明装置を有する画像表示装置に関するものである。

装置前方に設置したスクリーン上に画像を投射するフロント投射型プロジェクタ装置などの画像表示装置は、例えば、企業でのプレゼンテーション用、学校教育用、あるいは家庭用として、幅広く用いられている。

画像表示装置の被投射面上に表示される画像の明るさは、光源のパワーと光学系の光利用効率とによって決まる。ここで、光利用効率とは、照射光束の強さに対する反射光束の強さの割合である。画像表示装置において、光利用効率を向上させるためには、光学系を構成する光学素子の透過率や反射率を向上させる、あるいは光路中での光のけられによる光量損失を抑制させる、などの対策が考えられる。

光学素子の透過率や反射率を向上させるには、光学素子の少なくとも入射面又は出射面に無反射コーティングを施すことで、透過率や反射率を数％以下にすることができる。

一方、けられによる光量損失は、光の投射範囲が光学素子の有効領域よりも大きくなることが原因である。

ライトトンネルとＤＭＤ（Digital Micromirror Decive）とを備える画像表示装置において、けられによる光量損失は、ライトトンネルカップリング損失とＤＭＤ損失がある。

ライトトンネルカップリング損失とは、光源から発した光がライトトンネルに入射するまでの間で生じる光量損失である。

ＤＭＤ損失とは、照明光学系の光学素子で反射した光束がＤＭＤに投射されるときに生じる光量損失である。すなわち、ＤＭＤ損失は、ＤＭＤの方向に投射される光束（以下「ＤＭＤ投射光束」という。）がＤＭＤの有効領域よりも大きく、かつ、ＤＭＤの有効領域に対して歪んだ形状をしているために生じる。ここで、ＤＭＤの有効領域とは、ＤＭＤ投射光束を反射することができるＤＭＤ上の領域をいう。

そこで、ＤＭＤ損失を抑えて、被投射面を明るく照明することができる照明装置が必要とされている。

これまでにも、例えば、光源からの光を画像として結像させる結像光学系と、結像させた画像をスクリーンに投影させる投影光学系と、を有する画像表示装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。ここで、特許文献１には、照明光学系が、ロッドインテグレータと、リレーレンズと、第１照明ミラーと、第２照明ミラーと、コンデンサーレンズと、により構成されることが開示されている。

また、特許文献１には、非点収差の発生を抑制して高い結像性能を得るために、第２照明ミラーの反射面を、ロッドインテグレータの出射端の長辺方向に対応する曲率半径が短辺方向に対応する曲率半径より大きい回転非対称な反射面とすることが開示されている。

また、特許文献２に記載の画像表示装置は、第１照明ミラーがシリンダミラーであり、第２照明ミラーが球面ミラーである。

しかしながら、特許文献１及び２には、ＤＭＤ照射光束の形状を最適化することにより、ＤＭＤ損失を抑えて被投射面を明るくすることができるアナモルフィック面のミラーの配置については開示されていなかった。

また、特許文献１の技術では、第１照明ミラーと第２照明ミラーの反射面とはどちらもアナモルフィック面であり、ともに高次の拡張非球面係数を用いて構成されている自由曲面形状である。そのため、特許文献１の技術では、反射面の形状が適切に形成されているか否かの検査に時間を要するという問題があった。

本発明は、簡易な構成により被投射面を明るく照明することができる照明装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる照明装置は、光源と、光源からの光束により複数の光源の像による２次光源を形成する光ミキシング素子と、複数の２次光源からの光束を光変調素子に投射する照明光学系と、を有する照明装置であって、照明光学系は、アナモルフィック面を有する光学素子を備え、光学素子は、アナモルフィック面の面頂点からの法線を回転軸として、光変調素子に対して回転した位置にあることを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成により被投射面を明るく照明することができる。

本発明にかかる画像表示装置の実施の形態を示す被投射面との配置関係を示す概略構成図である。 上記画像表示装置と被投射面との配置関係を示す概略構成図である。 上記画像表示装置の実施の形態を示す光学配置図である。 上記画像表示装置の光源からライトトンネルまでの構成を示す概略構成図である。 上記画像表示装置の第２照明ミラーを示す斜視図である。 上記画像表示装置のＤＭＤの斜視図である。 上記ＤＭＤが有する微小ミラーの傾きの状態を示す模式図である。 上記画像表示装置の投射光学系の構成を示す光学配置図である。 上記投射レンズ系の構成を示す光学配置図である。 上記投射光学系が有する第２投射ミラーの構成を示す斜視図である。 上記第２投射ミラーの座標位置を示す斜視図である。 上記ＤＭＤの有効領域とライトトンネルの開口の頂点から放射された光束の照射領域との関係を示す模式図である。 上記ライトトンネルの出射端の中央に配置された点光源から発した光線の進路を示す光路図である。 上記点光源から発した光線の投射レンズ系の入射端の仮想面に配置された受光器上の照度分布を示すグラフである。 第２照明ミラーの回転角γを設計中央値から９０度回転した状態において、上記点光源から発した光線の投射レンズ入口の仮想面に配置された受光器上の照度分布を示すグラフである。 上記第２照明ミラーの設計中央値からの回転角とＳＤ／ＳＩとの関係を示すグラフである。 上記ＤＭＤ上の照度分布を光線追跡により計算した結果を示すグラフである。 本発明にかかる画像表示装置の別の実施の形態が備える第２照明ミラーを示す斜視図である。 上記画像表示装置が備える点光源から発した光線の投射レンズ系の入射端の仮想面に配置された受光器上の照度分布を示すグラフである。 上記第２照明ミラーの回転角γを設計中央値から９０度回転した状態において、上記点光源から発した光線の投射レンズ入口の仮想面に配置された受光器上の照度分布を示すグラフである。 上記画像表示装置が備えるＤＭＤ上の照度分布を光線追跡により計算した結果を示すグラフである。 平面ガラスに入射する光束の入射角を、前記光束が被投射面に入射したときの入射位置に対応づけて示す図である。 図１７における照度分布のうち被投射面の上半分に対応する領域および下半分に対応する領域の平均照度を示す図である。 図１７における照度分布のうち被投射面に向かって垂直および水平に分割した各領域の平均照度を示す図である。

以下、本発明にかかる照明装置と、その照明装置を有す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。

●画像表示装置（１）●
まず、本発明にかかる画像表示装置の実施の形態について説明する。

図１に示すように、画像表示装置１００は、投射像を被投射面１０１に投射する。また、図２は、画像表示装置１００と被投射面１０１との配置関係を示す概略構成図である。ここで、被投射面１０１は、例えばスクリーンである。

●画像表示装置１００の構成
図３に示すように、画像表示装置１００は、照明装置２００、カバーガラス６、ＤＭＤ７、および投射光学系８を有してなる。

なお、以下の説明において、絶対座標系（ｘｙｚ系）の原点Ｏは、ＤＭＤ７の中心（中央部）とし、ＤＭＤ７の水平面（表面）内の方向の１つ（ＤＭＤ７の短手方向）をｘ軸とする。また、ｘ軸に直交するＤＭＤ７の水平面方向（ＤＭＤ７の長手方向）をｚ軸、ｘ軸とｚ軸との双方に直交するＤＭＤ７の表面に垂直方向の軸をy軸とする。また、ｘ軸はＤＭＤ７の短手方向に平行であり、ｚ軸はＤＭＤ７の長手方向に平行である。

さらに、以下の説明において、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りの回転角を、それぞれ回転角α、β、γとする。回転角αと回転角βとは、ｘ軸およびｙ軸のそれぞれの＋方向から見て左回りを正とする。また、回転角γは、ｚ軸の＋の方向から見て右回りを正とする。

●照明装置２００の構成
照明装置２００は、ＤＭＤ７に光束を投射する装置である。照明装置２００は、光源１と、ライトトンネル２と、防爆ガラス１２と、カラーホイール１３と、照明光学系１８と、を有してなる。

図３に示すように、光源１は、リフレクタ４０１を備える。リフレクタ４０１の内部には、発光体および集光ミラーを有してなる。発光体は、例えばキセノンランプ、水銀ランプ、あるいはメタルハライドランプなどである。光源１の前端部には、ランプカバーが設けられている。

照明装置２００は、集光ミラーを用いて光源１から出射される光束から光源像を形成する。光源１から出射される光束の光軸は、ｚ軸方向である。また、光源１は、光源１から出射される光束の配光分布が光軸（ｚ軸）に対して略回転対称で等方的になるように配置されている。

図４に示すように、光源１とライトトンネル２との間には、防爆ガラス１２と、カラーホイール１３と、が配置されている。防爆ガラス１２とカラーホイール１３とは、それぞれの入出射面を光源１の光軸（図４においてｚ軸方向）に対して所定角度（例えば１０度）傾けて配置されている。

カラーホイール１３は、輪帯部分が光の三原色（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））に対応して３つに分割された、周知の光学フィルタである。カラーホイール１３は、赤、緑、青に白（Ｗ）を加えて４つに分割された光学フィルタであってもよい。

光源１からの光束は、カラーホイール１３が回転駆動されると輪帯部分が光の光路を横切るため、Ｒ、Ｇ、Ｂ、あるいはＷを加えた各色の光束に時分割されて、ライトトンネル２に入射される。つまり、画像表示装置１００は、カラーホイール１３の各色の光学フィルタに対応した画像を被投射面１０１に投射することで、被投射面１０１にカラー画像を形成する。

ライトトンネル２は、４枚の板状のミラーの反射面が内側を向いて四角筒が形成されるように構成された光ミキシング素子である。なお、光ミキシング素子としては、ライトトンネル２のほかに、公知のロッドインテグレータやライトパイプなどを用いてもよい。

ライトトンネル２は、入射端２１と出射端２２とに矩形の開口を有する。ライトトンネル２は、カラーホイール１３の後方における光の焦点位置近傍に入射端２１が位置するように配置されている。光源１からの光束は、光の焦点位置が入射端２１近傍に配置されるように調整することによって、ライトトンネル２に効率よく入射される。

ライトトンネル２は、内面に配置された４枚のミラーで入射光が反射を繰り返すことにより、ライトトンネル２の出射端には光源の像が複数形成され、ライトトンネル２の出射端は２次光源を形成する。そのため、ライトトンネル２の出射端２２からは、照度分布が均一化された横断面矩形の光が出射される。ライトトンネル２の出射光の配光分布は、光軸（ｚ軸）に対して略対称なので、出射光の等方性は維持される。

出射端２２と、ＤＭＤ７のうち微小ミラー群が設けられている面とは、略共役な位置に配置されている。

ライトトンネル２の出射端２２には、ライトトンネル配置調整手段が設けられている。出射端２２は、ライトトンネル配置調整手段により、矩形開口の長手方向または短手方向（図３における矢印１０５または矢印１０６の方向）に傾動する。したがって、ライトトンネル配置調整手段は、ライトトンネル２からＤＭＤ７に投射される光の方向を調整することができる。

ライトトンネル２から出射した光の進路上には、照明光学系１８が配置されている。

●照明光学系１８の構成
照明光学系１８は、ライトトンネル２によって形成された複数の２次光源からの光束をＤＭＤ７に投射する光学系である。

照明光学系１８は、レンズ３と、第１照明ミラー４と、第２照明ミラー５と、を有してなる。照明光学系１８は、ライトトンネル２からＤＭＤ７に向かう光束の進行方向に、レンズ３と第１照明ミラー４と第２照明ミラー５がこの順に配置されている。

レンズ３は、ライトトンネル２からの出射光の略直進路上にある。レンズ３は、出射面に非球面を有する１枚のコンデンサーレンズで構成される。ここで、レンズ３の出射面の非球面は、数式１で定義される非球面と、後述する表１の曲率半径と、非球面係数と、によって表される。

（数式１）

なお、レンズ３は、複数枚で構成されていてもよい。

ここで、数式１におけるｚ’は、個々のレンズの面頂点を原点としたローカル座標系ｘ'、ｙ'、ｚ'で表される。すなわち、数式１において、ｚ’は、レンズ面のサグ量である。

第１照明ミラー４は、ライトトンネル２から出射する光束の略直進路上にある。第１照明ミラー４は、平面ミラーである。第１照明ミラー４は、レンズ３からの出射光を第２照明ミラー５へ投射するように、ｘ軸方向とｚ軸方向との双方に対して傾いた姿勢で設置されている。

第２照明ミラー５は、第１照明ミラー４による反射光を下方に設置されているＤＭＤ７に向かって投射する。第２照明ミラー５は、ｘ軸方向とｚ軸方向との双方に対して傾いた姿勢で設置されている。

光束の光路中において光変調素子の直前に第１照明ミラー４と第２照明ミラー５とが設置されていることにより、光変調素子の直前にレンズを配置した画像表示装置とは異なり、簡易な照明光学系を実現することができる。

図５に示すように、第２照明ミラー５の反射面は、アナモルフィック面である。また、第２照明ミラー５の反射面は、トロイダル面である。トロイダル面は、高次の拡張非球面係数を用いる面形状よりも単純な形状である。したがって、第２照明ミラー５の面形状の検査時間に要する時間を短くすることができ、部品の製作コストを低減することができる。

第２照明ミラー５のトロイダル面は、ローカル座標系（ｘ'ｙ'ｚ'系）の原点をＯ’とするとき、以下の数式２で定義される非球面である。この非球面は、ｙ'軸に平行な軸回りの曲率半径Ｒｙ＝７９．１ｍｍの円弧を曲率半径Ｒｘ＝６８．７ｍｍでｘ'軸に平行な軸回りに回転して形成される凹面のｘトロイダル面である。

（数式２）

このように、光源１から出射された光束は、照明光学系１８により、光の横断面形状が整形されてＤＭＤ７のうち後述する微小ミラー群が設けられている面に投射される。

前述のように照明光学系１８を配置することで、ライトトンネル２の出射端２２から出射した均一な光束は、ＤＭＤ７に対して均一に投射される。

また、前述のように、レンズ３からの光束は、第１照明ミラー４と第２照明ミラー５とＤＭＤ７とを経て投射光学系８に至るまでに、３次元的に数回反射される。

そして、第１照明ミラー４と第２照明ミラー５とは、光束がレンズ３から投射光学系８に至るまでの間に各光学部材によって干渉されないように、投射レンズ系８１の光軸を中心にｘ軸方向とｙ軸方向とに対して傾いて配置されている。

表１は、光源１からＤＭＤ７に至る、照明光学系１８の部品仕様を示す。

表２は、照明光学系１８を構成する各光学部品の位置座標を示す。表２に示した各光学部品の配置は、各光学部品のローカル座標系（ｘ'ｙ'ｚ'系）の３軸の向きと原点が、絶対座標系（ｘｙｚ系）に一致する位置を基準として、表２中の数値に基づいて各光学部品を移動および回転させることにより定まる。すなわち、各光学部品の配置は、まず、各光学部品のローカル座標系をそれぞれ表２中のｘｙｚ方向に変位させ、次に、ｘ’軸回りの回転（α回転）、ｙ’軸回りの回転（β回転）、およびｚ’軸回りの回転（γ回転）をさせることにより定まる。

カバーガラスは、ＤＭＤ７を保護するためにＤＭＤ７のうち微小ミラーが設けられている面の表面に配置されている。

●ＤＭＤ７の構成
図６に示すように、ＤＭＤ７は、ほぼ水平面に沿って配置されている。ＤＭＤ７には、２次元状に配置された微小ミラー群７−１〜７−ｋが設けられている。なお、ＤＭＤ７は、光変調素子に相当する。

微小ミラー群７−１〜７−ｋの数は、長手方向の微小ミラー数Ｍは１２８０個であり、短手方向の微小ミラー数Ｎは８００個である。すなわち、ＤＭＤ７は、合計ｋ＝Ｍ×Ｎ＝１０２４０００個の微小ミラー群７−１〜７−ｋが設けられている。ここで、ＤＭＤ７のアスペクト比は、１２８０：８００＝１６：１０である。

微小ミラー群７−１〜７−ｋの傾きは、それぞれ独立して変化する。微小ミラー群７−１〜７−ｋの傾きが変化することにより、光束の反射角度を変化させることができる。ここで、微小ミラー群７−１〜７−ｋの偏向角度は、およそ±１２度である。

微小ミラー群７−１〜７−ｋのそれぞれは、光束の反射角度によりオン状態とオフ状態とを有する。ここで、オン状態とは、微小ミラーの反射光が後続の投射光学系８に投射する状態である。オフ状態とは、微小ミラーの反射光が後続の投射光学系８に投射しないで逸れる状態である。

図７は、微小ミラー群７−１〜７−ｋのうち任意の１枚（以下「微小ミラー７−ｊ」という。）を示している。微小ミラー７−ｊは、ｘｚ面上でｘ＝ｚの直線に平行な軸、すなわちｘ’軸まわりに回転する。

ｘｚ面に対して微小ミラー７−ｊが＋１２度の傾角のとき（オン状態）、微小ミラー７−ｊで反射した光束（第１光束）は、第１の方向（投射光学系８の方向）に向かう。また、ｘｚ面に対して微小ミラー７−ｊが−１２度のとき（オフ状態）、微小ミラー７−ｊで反射した光束（第２光束）は、第２の方向（投射光学系８から逸れる方向）に向かう。

すなわち、ＤＭＤ７で反射される光束は、反射される光束を被投射面１０１に投射する投射光学系８が設けられている方向に反射される第１光束を含んでいる。

第２照明ミラー５からＤＭＤ７に向かう光は微小ミラー７−ｊの回転軸に交わる方向、すなわち−ｘ、＋ｚ、＋ｙ側の空間から原点に向かう方向に投射される。

オン状態にある微小ミラー７−ｍ〜７−ｎ（ｍとｎとは、１以上ｋ以下の整数である。）は、第２照明ミラー５で反射された光束を投射光学系８に向けて反射する。そして、オン状態にある微小ミラー７−ｍ〜７−ｎからの反射光は、投射光学系８により、ｙ軸およびｚ軸を含む平面に平行に設置された被投射面１０１上に投射される。ここで、被投射面１０１上に投射される画像サイズは、最大８０インチである。

●投射光学系８の構成
投射光学系８は、ＤＭＤ７からの光束を被投射面１０１に投射する光学系である。

図８に示すように、投射光学系８は、鏡筒１０と、投射レンズ系８１と、第１投射ミラー８４と、第２投射ミラー８５と、板状の平面ガラス９と、を有してなる。ＤＭＤ７から投射光学系８に向かって反射された光束は、投射光学系８から被投射面１０１に投射される。ＤＭＤ７の中心で反射して投射光学系８を介して被投射面１０１に向かう中心光線２０１は、平面ガラス９に入射角をもって入射する。入射角は、０度よりも大きい。鏡筒１０は、投射レンズ系８１を保持している。

図９は、投射光学系８の投射レンズ系８１の構成を示す光学配置図である。投射レンズ系８１は、投射レンズ８１１、投射レンズ８１２、投射レンズ８１３、投射レンズ８１４、投射レンズ８１５、投射レンズ８１６、投射レンズ８１７、投射レンズ８１８、投射レンズ８１９、投射レンズ８２０、および投射レンズ８２１の１１枚のレンズで構成されている。投射レンズ系８１の入射端は、投射レンズ８１１である。また、投射レンズ系８１の出射端は、投射レンズ８２１である。

投射レンズ系８１の光軸は、ｙ軸方向に向いている。また、被投射面１０１は、投射レンズ系８１の光軸と平行に設置されている。また、第１投射ミラー８４と第２投射ミラー８５とは、投射レンズ系８１を透過した光束を被投射面１０１に向けて投射するように配置されている。

表３は、投射レンズ系８１の仕様を示す。

表３において、面番号に該当する面の曲率半径をＲ、隣り合う面相互の間隔をｄ、各レンズのＤ線に対する屈折率をｎｄ、各レンズのアッベ数をνｄとする。投射レンズ８１１と投射レンズ８２０と投射レンズ８２１とは、両側の面がともに非球面のレンズである。

表４は、投射レンズ８１１と投射レンズ８２０と投射レンズ８２１との非球面係数を示す。投射レンズ８１１と投射レンズ８２０と投射レンズ８２１との非球面レンズの非球面形状は、上述の数式１で定義されるローカル座標系を用いた非球面式と、表４に示す非球面係数で表される。

なお、投射光学系８は、投射レンズ系８１の光軸が被投射面１０１に対して略垂直に配置される構成にも適用することができる。

図２などに示すように、第１投射ミラー８４は、投射レンズ系８１からの光束を第２投射ミラー８５に向けて反射する。

図１０は、投射光学系８が有する第２投射ミラー８５を示す斜視図である。第２投射ミラー８５は、反射面に自由曲面が形成されている。第２投射ミラー８５の反射面に形成された自由曲面により、被投射面１０１に投射される画像の上下左右の歪みが矯正される。

自由曲面とは、任意のＹ方向の位置にてＸ方向の位置に応じたＸ方向の曲率が一定ではなく、任意のＸ方向の位置にてＹ方向の位置に応じたＹ方向の曲率が一定ではないアナモフィック面のことをいう。

図１１において、Ｙ＝０の位置において、レンズ面位置（Ｘ,Ｙ）＝（０，０）とレンズ面位置（Ｘ,Ｙ）＝（−Ｘ１，０）、レンズ面位置（Ｘ,Ｙ）＝（＋Ｘ１，０）とでそれぞれＸ方向の曲率は異なる。また、Ｘ＝０の位置にて、レンズ面位置（Ｘ,Ｙ）＝（０，０）とレンズ面位置（Ｘ,Ｙ）＝（０，−Ｙ２）とでＹ方向の曲率は異なる。

レンズ面位置（Ｘ,Ｙ）＝（０，０）においてＸ方向とＹ方向との曲率が異なる。レンズ面位置（Ｘ,Ｙ）＝（０，−Ｙ２）においてもＸ方向とＹ方向との曲率が異なる。

表５は、第２投射ミラー８５の反射面の形状を示す非球面係数を示す表である。第２投射ミラー８５の反射面は、図１０に示すようにローカル座標系（ｘ’ｙ’ｚ’系）原点をＯ’とするとき、数式３で定義される非球面式と表５の非球面係数を用いて表される非球面に形成される。

（数式３）

表６は、投射光学系８を構成する投射レンズ系８１および第２投射ミラー８５以外の光学部品の仕様を示す。表６中の絞り１と絞り２と絞り３とは、図において省略した。

表７は、被投射面１０１に投射される画面サイズが４３インチの場合における投射光学系８の光学部品の配置座標を示す。

同表に示すように、画像表示装置１００は、投射光が被投射面１０１に向かって斜め上方に投射するように構成されている。

平面ガラス９は、光路中において第２投射ミラー８５の後方に配置されている。本実施の形態において、平面ガラス９は、第１投射ミラー８４と第２投射ミラー８５との上端に近接してｘ軸とｚ軸を含む面に平行に配置されている。平面ガラス９は、画像表示装置１００が組み込まれている筐体の上端開口に嵌め込まれている。この構成により、画像表示装置内部の防塵をすることができる。

●ＤＭＤ７と第２照明ミラー５との位置関係
図１２は、ＤＭＤ７の有効領域とライトトンネル２の開口の頂点から投射された後第２照明ミラー５によりＤＭＤ７に投射された光束の照射領域との関係を示す模式図である。

ここで、ライトトンネル２の出射端２２の開口の頂点（四隅の各点）から投射された光束のｘｚ平面に平行でありｙ＝０の位置に配置された仮想面における集光点を、それぞれ集光点Ｐ１、点Ｐ２、点Ｐ３、点Ｐ４とする。換言すれば、集光点Ｐ１〜Ｐ４の位置は、ライトトンネル２の出射端２２の開口の四隅の各点から投射された光束の、ＤＭＤ７の反射面と同一平面上の仮想面における重心座標位置である。

図１２に示すように、集光点Ｐ１〜Ｐ４を仮想的に線で結んだときに形成される形状は、歪んだ矩形形状となる。

一般的に、レンズやミラーなどの光学素子を３次元空間に偏心して配置された照明光学系は、ライトトンネルの開口形状が矩形であっても、ＤＭＤ上の結像形状が開口形状に対応した完全な矩形から変形した歪んだ矩形形状となる。

ＤＭＤ損失のうち、ＤＭＤ投射光束とＤＭＤ７の位置との調整マージンを確保するために、ＤＭＤ投射光束を小さくすることは得策ではない。そこで、ＤＭＤ損失を抑え、ＤＭＤでの光利用効率を向上するためには、ＤＭＤ投射光束の歪みを無くし、ＤＭＤ投射光束をできるだけＤＭＤ７の有効領域に相似形状にすることが有効である。そこで、画像表示装置１００では、第２照明ミラー５の反射面にトロイダル面を採用する。

第２照明ミラー５のＤＭＤ７に対する回転角γは、微小ミラー群７−１〜７−ｋの回転軸ｚ’方向の配光角度分布が、回転軸ｚ’に直交する方向の配光角度分布よりも小さくなる位置に設定される。ここで、第２照明ミラー５の回転角γの回転軸は、第２照明ミラー５の面頂点からの法線である。また、ＤＭＤ７の回転角γは０度である。

●受光器上の照度分布
次に、受光器上の照度分布を、シミュレーション結果を用いて説明する。図１３に示す受光器７０１は、投射光学系８への反射光を解析するための、シミュレーション上の仮想的な素子である。

なお、図１３〜図１６のシミュレーションは、米国ＯＲＡ社のLightTools（登録商標）を用いて実施した。また、シミュレーションに使用した光源は、フィリップス社の高圧水銀ランプUHP 240-190W 0.8 E20.9 FusionStarである。

図１３は、ライトトンネル２の出射口の開口中心（ｘ、ｙ、ｚ）＝（-8.818、19.025、-30.897）に配置された点光源から発した光束７００の光線図である。図１３には、ライトトンネル２とＤＭＤ７以外の光学素子の図示は、省略されている。図１３の受光器７０１は、投射レンズ８１１の入射面位置（ｘ、ｙ、ｚ）＝（5.630、42.080、0）の仮想面上に配置されている。

図１３に示すように、受光器７０１の受光面は、光束７００の主光線に対して垂直に配置されている。ローカル座標系ｘ’ｚ’は、（ｘ、ｙ、ｚ）＝（5.630、42.080、0）を原点とし、x’軸はｘ＝ｚの直線の方向、z’軸はｘ’軸と直交する方向になっている。

図１４は、ライトトンネル２の出射端２２の開口中央に配置された点光源から発した光線の投射レンズ系８１の入射端の仮想面に配置された受光器７０１上の照度分布を示すグラフである。ここで、図１４のグラフの縦軸は、受光器７０１の受光面上の最大照度を１として規格化した規格化照度である。第２照明ミラー５の回転角γは、設計中央値（γ＝-８１.３１０度）となっている。なお、照度分布は、グラフと、規格化照度が０の直線とが交わる絶対値が大きいほど、照度分布が広がっていることを示す。

図１４に示すように、z’軸方向の照度分布は、x’軸方向の照度分布より広がっている。つまり、x’軸方向の配光角度分布が、z’軸方向の配光角度分布よりも小さくなっている。

光源１のリフレクタ４０１から放射される光束は光軸（ｚ軸）に対して略対称で等方的である。したがって、ＤＭＤ７を構成する複数の微小ミラーが第１の方向に反射した光束は、反射した光束のｘ’軸方向の配光角度分布がｚ’軸方向の配光角度分布よりも小さくなるように設定される。

図１５は、第２照明ミラー５の回転角γを，設計中央値（γ＝-８１.３１０度）から±９０度回転させた状態（γ＝８.６４０度あるいはγ＝−１７１.３１０度）において，図１３と同様に受光器７０１上の規格化照度分布を算出したものである。

図１５の状態では、図１４とは異なり、ｘ’軸方向の照度分布は、ｚ’軸方向の照度分布より広がっている。つまり、z’軸方向の照明光学系の配光角度分布が、x’軸方向の配光角度分布よりも大きくなっている。

すなわち、第２照明ミラー５の回転角γを調整することによって、ＤＭＤ７を構成する複数の微小ミラーが第１の方向に反射した光束のｘ’軸方向の配光角度分布がｚ’軸方向の配光角度分布よりも小さくなるように設定することができる。

●仮想平面上の多角形とＤＭＤ７の有効領域１７との関係
仮想面上で点Ｐ１、点Ｐ２、点Ｐ３および点Ｐ４を結んで形成される多角形Γと、ＤＭＤ７の有効領域と、の関係について説明する。

点Ｐ１、点Ｐ２、点Ｐ３および点Ｐ４を結んで形成される多角形Γの面積をＳＩとする。また、仮想面上の多角形Γ内でＤＭＤ７の有効領域１７の少なくとも１つの頂点が多角形に内接するように有効領域１７を相似縮小或いは相似拡大した多角形の面積をＳＤとする。

図１６は、第２照明ミラー５の設計中央値からの回転角γとＳＤ／ＳＩとの関係を示すグラフである。図１６は、表２に示した第２照明ミラー５の回転角γを，設計中央値（γ＝-８１.３１０度）を基準（Δγ＝０度）として−９０度から＋９０度まで変化させたときの回転量ΔγとＳＤ／ＳＩとの関係を示している。

図中のグラフは，それぞれ第２照明ミラー５の反射面の曲率半径Rx，Ryを，R=Rx＝Ryの球面とし，それぞれR=Rx，R=Ry，R=（Rx+Ry）/2とした場合のグラフを示している。同グラフは、第２照明ミラー５の反射面をトロイダル面とすることで、ＳＤ／ＳＩが最大になる回転角γが見出せることを示す。ＳＤ／ＳＩは、Δγ＝０において最大になっており、ＤＭＤ７での光利用効率も最大になる。

したがって、第２照明ミラー５の回転角γを前述の設定にすることで、ＤＭＤ投射光束を有効領域１７の形状に近づけることができる。すなわち、ＤＭＤ７での光利用効率を向上することができる。

図１７は、ＤＭＤ７上の照度分布を光線追跡により計算した結果を示すグラフである。図１７において、黒線で囲まれた領域がＤＭＤの有効領域１７である。また、照度分布は、領域内最大照度を１、すなわち１００％として規格化して表示している。

有効領域１７のＡＮＳＩ（American National Standards Institute）９点（有効領域１７を縦横均等サイズに９分割した際の各領域の中心の照度）の平均値は８９．３％である。つまり、有効領域１７の照度分布は、均一な分布になっていることを示している。

●平面ガラス９への入射角度と被投射面１０１の照度の関係
図２２は、平面ガラス９に入射する光束の入射角を、光束が被投射面１０１に入射したときの入射位置に対応づけて示す図である。中心光線２０１が平面ガラス９に入射する入射角は、２６．２°である。被投射面１０１に入射方向から見て右上端および左上端に入射する光線が平面ガラス９に入射する入射角は３６．５°、被投射面１０１の右下端および左下端に入射する光線が平面ガラス９に入射する入射角は８０．２°である。言い換えれば、被投射面１０１を上半分の第１領域１０１１と下半分の第２領域１０１２に２分したとき、第１領域１０１１に入射する光束が平面ガラス９へ入射する入射角度は、第２領域１０１２に入射する光束が平面ガラス９へ入射する入射角度より小さい。一般的に、被投射面１０１上における位置によって平面ガラス９に入射する角度は、２０°弱から約８０°と広範囲なものになる。

平面ガラス９への光線入射角度は、被投射面１０１の中央から左右下隅に近づくにしたがって大きくなり、左右下隅に向かう光線が平面ガラス９に入射する入射角は８０°以上になる。一般に、光学素子への入出射角度が大きくなるほど透過率が低下するため、被投射面１０１の上半分の領域に向かう光線よりも、下半分に向かう光線の透過損失が大きくなる。また、被投射面１０１の左右下隅では、平面ガラス９による透過損失により照度低下が発生しやすい。

しかしながら、第２照明ミラー５は、第１領域１０１１に入射する光束のＤＭＤ７の反射面における平均照度をＬ１、第２領域１０１２に入射する光束のＤＭＤ７の反射面における平均照度をＬ２とするとき、Ｌ１＜Ｌ２となる位置に配置されている。平均照度は、図１７における照度分布の領域内の平均を示す。

図２３に示すように、第１領域１０１１（図１７における−ｘ側の有効域）の平均照度Ｌ１は、８６．２％である。第２領域１０１２（図１７における＋ｘ側の有効域）の平均照度Ｌ２は、９１．４％である。第２照明ミラー５の回転角γを前述の設定にすることで、Ｌ１＜Ｌ２の関係にすることができる。すなわち、第２照明ミラー５の回転角γを調整することで、平面ガラス９が投射光学系８の下流に配置されることにより生じる第２領域１０１２における光線の透過損失の増大を抑えることができる。

図２４は、図１７における照度分布のうち被投射面１０１に向かって垂直および水平に分割した各領域の平均照度を示す図である。左上の領域Ａ１０１３の平均照度ＬＡは８５．５％、右上の領域Ｂ１０１４の平均照度ＬＢは８７．１％である。左下の領域Ｃ１０１５の平均照度ＬＣは９１．５％、右下の領域Ｄ１０１６の平均照度ＬＤは９１．６％である。ＬＣとＬＤの差はほぼ等しくなっている。すなわち、第２照明ミラー５の回転角γを調整することで、平面ガラス９が投射光学系８の下流に配置されることにより生じる領域Ｃ１０１２における光線の透過損失の増大を抑えることができる。言い換えれば、左右でバランスのとれた均一な照度分布にすることができる。

以上説明した実施の形態によれば、第２照明ミラー５の回転角γを調整することでＤＭＤ７での光利用効率を調整することができる。すなわち、簡易な構成により被投射面を明るく、かつ均一に照明することができる。

●画像表示装置（２）●
次に、本発明にかか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異なる部分を中心に説明する。本実施の形態は、第２照明ミラーの反射面が面頂点からの法線に対して回転非対称の、多項式で表される非球面である点において、これまでに説明した実施の形態と異なる。

図１８に示すように、第２照明ミラー２０５の反射面は面頂点からの法線に対して回転非対称の多項式非球面である。この面は、ローカル座標系（ｘ’、ｙ’、ｚ’系）原点をＯ’とするとき、数式３で定義される非球面式と、表８に記載の曲率半径Ｒと非球面係数を用いて表される非球面である。表９は、光源１からＤＭＤ７に至る、照明光学系１８の部品仕様を示す。表１０は、照明光学系１８を構成する各光学部品の位置座標を示す。

図１９に示すように、投射レンズ系の入射端の仮想面に配置された受光器上におけるｚ’軸方向の照度分布は、ｘ’軸方向の照度分布より広がっている。つまり、ｘ’軸方向の配光角度分布はｚ’軸方向の配光角度分布より小さい。

図２０に示すように、第２照明ミラー２０５の回転角γを設計中央値から９０度回転した状態において、ｘ’軸方向の照度分布は、ｚ’軸方向の照度分布より広がっている。つまり、ｚ’軸方向の配光角度分布はｘ’軸方向の配光角度分布より小さい。ＤＭＤ７を構成する複数の微小ミラーが第１の方向に反射した光束のｘ’軸方向の配光角度分布が、ｚ’軸方向の配光角度分布よりも小さくなるように設定されている。

図２１は、ＤＭＤ７上の照度分布を光線追跡により計算した結果を示す模式図である。黒線で囲まれた領域がＤＭＤの有効領域１７である。また、照度分布は、領域内最大照度を１、すなわち１００％として規格化して表示している。本実施形態においてもＤＭＤ投射光束を有効領域１７の形状に近づけることができる。すなわち、ＤＭＤ７での光利用効率を向上することができる。

有効領域１７のＡＮＳＩ９点（有効領域１７を縦横均等サイズに９分割した際の各領域の中心の照度）の平均値は８９．７％である。つまり、有効領域１７の照度分布は、均一な分布になっていることを示している。

以上説明した本発明の第２の実施形態によれば、第２照明ミラー２０５の反射面を軸非対称の多項式非球面とし、図２０に示したような特性を持たせることで、ＤＭＤ投射光束の大きさと形状をＤＭＤ７の有効領域１７に近づけることができる。すなわち、ＤＭＤ損失が抑制され、簡易な構成により被投射面を明るく照明することができる。

なお、第２の実施形態で示した第２照明ミラーの反射面は、数式３で表される軸非対称の、多項式で表される非球面であったが、反射面形状はこれに限るものではなく、例えば多項式非球面係数を有する湾曲トロイダル面などのアナモルフィック面であってもよい。

以上説明した実施の形態は、投射型の画像表示装置であった。しかし、本発明にかかる画像表示装置は、これ以外の、パーソナルコンピュータ、テレビジョン、ＤＶＤプレーヤなどの映像再生装置からの映像信号を表示するためのプロジェクタなどにも適用可能である。

１ 光源
２ ライトトンネル
３ レンズ
４ 第１照明ミラー
５ 第２照明ミラー
７ ＤＭＤ
８ 投射光学系
１８ 照明光学系
８１ 投射レンズ系
８４ 第１投射ミラー
８５ 第２投射ミラー
１００ 画像表示装置
１０１ 被投射面
２００ 照明装置

特開２００４−１８４６２６号公報 特開２００２−２６８０１０号公報

Claims (12)

1. 光源と、
   前記光源からの光束により複数の上記光源の像による２次光源を形成する光ミキシング素子と、
   前記複数の２次光源からの光束を光変調素子に投射する照明光学系と、
   を有する照明装置であって、
   前記照明光学系は、アナモルフィック面を有する光学素子を備え、
   前記光学素子は、前記アナモルフィック面の面頂点からの法線を回転軸として、前記光変調素子に対して回転した位置にあることを特徴とする照明装置。
2. 前記光変調素子で反射される光束は、前記反射される光束を被投射面に投射する投射光学系が設けられている方向に反射される第１光束を含んでいて、
   前記アナモルフィック面の面頂点からの法線を前記光学素子の回転軸とした前記光変調素子に対する前記光学素子の回転角は、前記光変調素子が備える複数の微小ミラーの回転軸方向における前記第１光束の配光角度分布が、前記微小ミラーの回転軸に直交する方向における前記第１光束の配光角度分布よりも小さくなる角度に設定されている、請求項１記載の照明装置。
3. 前記光学素子は、ミラーである、請求項１又は２記載の照明装置。
4. 前記アナモルフィック面は、トロイダル面である、請求項１乃至３のいずれかに記載の照明装置。
5. 前記アナモルフィック面の面頂点からの法線を前記光学素子の回転軸とした前記光変調素子に対する前記光学素子の回転角は、前記光変調素子に照射される光束に対する前記光変調素子の有効領域からの反射光束が最大となる角度に設定されている、請求項１乃至４のいずれかに記載の照明装置。
6. 前記アナモルフィック面は、面頂点からの法線に対して非対称の、多項式で表される非球面である、請求項１乃至３のいずれかに記載の照明装置。
7. 前記光ミキシング素子の頂点から投射される光束の前記光変調素子の反射面と同一平面上の仮想面における集光点を結んで形成される多角形の面積をＳＩとし、
   前記多角形内で前記光変調素子の有効領域の少なくとも１つの頂点が前記多角形に内接するように前記有効領域を相似縮小あるいは相似拡大した多角形の面積をＳＤとするとき、
   前記回転角は、ＳＤ／ＳＩが最大となる角度に設定されている、請求項２乃至５のいずれかに記載の照明装置。
8. 前記照明光学系は、レンズ系と、平面ミラーと、を有し、
   前記光ミキシング素子から前記光変調素子に向かう光束の光路中に、前記レンズ系と、前記平面ミラーと、前記光学素子が、この順に配置されている、請求項１乃至６のいずれかに記載の照明装置。
9. 前記レンズ系は、１枚のレンズで構成されている、請求項７記載の照明装置。
10. 照明装置と、
    前記照明装置からの光が投射光学系の方向に反射される光変調素子と、
    前記光変調素子からの光束を被投射面に投射する投射光学系と、
    を有する画像表示装置であって、
    前記照明装置は、請求項１乃至８のいずれかに記載の照明装置である、
    ことを特徴とする画像表示装置。
11. 前記投射光学系は、前記光変調素子から前記被投射面に向かう光束の光路中に投射レンズ系と平面ガラスをこの順に備え、
    前記平面ガラスは、前記投射レンズ系を通って被投射面に向かう光線に対して斜めに配置されており、
    前記被投射面を第１領域と第２領域に２分したとき、前記第１領域に入射する光束が前記平面ガラスへ入射する入射角度は、前記第２領域に入射する光束が前記平面ガラスへ入射する入射角度より小さく、
    前記第１領域に入射する光束の前記光変調素子の反射面における平均照度をＬ１、前記第２領域に入射する光束の前記光変調素子の反射面における平均照度をＬ２とするとき、前記アナモルフィック面の面頂点からの法線を前記光学素子の回転軸とした前記光変調素子に対する前記光学素子の回転角は、Ｌ１＜Ｌ２となる位置に配置されている、請求項１０記載の画像表示装置。
12. 前記第２領域を第３領域と第４領域に２分したとき、前記第３領域に入射する光束の前記光変調素子の反射面における平均照度をＬ３、前記第４領域に入射する光束の前記光変調素子の反射面における平均照度をＬ４とするとき、前記アナモルフィック面の面頂点からの法線を前記光学素子の回転軸とした前記光変調素子に対する前記光学素子の回転角は、Ｌ３とＬ４の差が等しくなる位置に配置されている、請求項１０記載の画像表示装置。