JP2019144394A - 光学装置及び投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源からの照明光を光変調素子に照射するための光学系の結像性能及び効率の両方を向上する。【解決手段】ロッドインテグレータ１０３は、光源からの光を入射開口１０３ａで受けて出射開口１０３ｂから出力する。部分光学系は、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂから出力された光を、画素領域の面の垂線に対して非ゼロの入射角を有して画素領域に入射するようにＤＭＤ３０２に伝達する。ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂは、部分光学系によって伝達された光が画素領域に入射する方向から見た画素領域の輪郭の形状に対して相似形の端面、又は相似形の鏡像の端面を有する。部分光学系の少なくとも１つのレンズは、ロッドインテグレータ１０３の光軸を延長した光学装置の仮想的な光軸であって、部分光学系の各レンズが存在しないと仮定したときの光学装置の仮想的な光軸Ａ１に対して垂直な方向にシフトされる。【選択図】図１

Description

本開示は、光源からの光をディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）などの光変調素子に照射するための光学装置に関する。本開示はまた、そのような光学装置を備えた投写型表示装置に関する。

大画面に映像を表示するために、映像信号に応じて光を空間的に変調する光変調素子に光を照射することにより映像の光学像を形成し、この光学像を投写レンズにより拡大してスクリーンに投写する投写型表示装置が知られている。光変調素子として、例えばディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）が用いられる。ＤＭＤは、電気的にオン又はオフすることにより傾きが変化する多数のマイクロミラーを有し、各マイクロミラーの傾きを変化させることにより、光源によって発生された光（照明光）を空間的に変調して映像の光学像（映像光）を形成する。

特開２０１１−０５９３１７号公報 特開２００３−１４９５９７号公報

光変調素子を備えた投写型表示装置では、照明光は光変調素子の画素領域（例えばＤＭＤのマイクロミラーを含む領域）に対して垂直に入射するのではなく、垂線から所定角度だけ傾斜して入射する。この入射角の傾きに起因して２つの課題が生じる。第１の課題は、照明光が光源から光変調素子まで進む経路の長さが光変調素子上の位置に応じて異なるので、光源から光変調素子までの光学系（「照明光学系」ともいう）の結像性能が、照明光が画素領域に対して垂直に入射する場合に比べて低下する、ということにある。結像性能の低下に起因して、画面全体で映像光の輝度が不均一になる。第２の課題は、照明光によって照射される領域の輪郭の形状が照明光の入射角及び方位角に応じて変化するので、照明光が光変調素子の画素領域の外部を照射することで投写型表示装置の効率が低下する、ということにある。

例えば、特許文献１は、ＤＭＤを備えた投写型表示装置において照明光の利用効率を高めるために、光源からＤＭＤまで光学系のレンズを光軸に対して傾斜又は偏心させることを開示している。また、特許文献２は、ＤＭＤを備えた投写型表示装置において照明光の利用効率を高めるために、照明光の断面形状を決めるロッドインテグレータの形状を照明光の経路の長さに応じて拡大又は縮小することを開示している。しかしながら、特許文献１及び２は、上述した２つの課題の両方を解決することができない。

本開示の目的は、光源からの照明光を光変調素子に照射するための光学装置であって、従来技術に比較して結像性能及び効率の両方が向上された光学装置を提供することにある。

本開示の一態様によれば、光源からの光を、２次元的に配列された複数の画素を含む画素領域を有する光変調素子に照射するための光学装置が提供される。光学装置は、互いに対向する入射開口及び出射開口を有し、光源からの光を入射開口で受けて出射開口から出力するロッドインテグレータと、ロッドインテグレータの出射開口から出力された光を、画素領域の面の垂線に対して非ゼロの入射角を有して画素領域に入射するように光変調素子に伝達する１つ又は複数のレンズを含む部分光学系とを備える。ロッドインテグレータの出射開口は、部分光学系によって伝達された光が画素領域に入射する方向から見た画素領域の輪郭の形状に対して相似形の端面、又は相似形の鏡像の端面を有する。部分光学系の少なくとも１つのレンズは、ロッドインテグレータの光軸を延長した光学装置の仮想的な光軸であって、部分光学系の各レンズが存在しないと仮定したときの光学装置の仮想的な光軸に対して垂直な方向にシフトされる。

本開示によれば、従来技術に比較して結像性能及び効率の両方が向上された光学装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る投写型表示装置１０の構成を示す図である。 図１のＤＭＤ３０２に入射する照明光を説明するための図である。 図１のロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂの端面を示す図である。 図１のカラーホイール１０４の正面図である。 図１のカラーホイール１０４の側面図である。 図１のリレーレンズ２００，２０１，２０３、及びＴＩＲプリズム３００のシフトを説明するための図である。 図５のリレーレンズ２００，２０１，２０３、及びＤＭＤ３０２をロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂから見た図である。 比較例に係る照明光学系によってＤＭＤ３０２の近傍に形成される像面を示す図である。 図１の投写型表示装置１０の照明光学系によってＤＭＤ３０２の近傍に形成される像面を示す図である。 比較例に係る照明光学系の結像位置を示すグラフである。 図１の投写型表示装置１０の照明光学系の結像位置を示すグラフである。 図１の投写型表示装置１０の照明光学系によって照射される領域を示す図である。 第２の実施形態に係る投写型表示装置のＤＭＤ３０２Ａに入射する照明光を説明するための図である。 第２の実施形態に係る投写型表示装置のロッドインテグレータ１０３Ａの出射開口１０３Ａｂの端面を示す図である。 第２の実施形態に係る投写型表示装置のリレーレンズ２００，２０１，２０３、及びＤＭＤ３０２Ａをロッドインテグレータ１０３Ａの出射開口１０３Ａｂから見た図である。 第２の実施形態に係る投写型表示装置の照明光学系によって照射される領域を示す図である。

以下、適宜図面を参照しながら、実施形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面及び以下の説明を提供するものであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

（第１の実施形態）
以下、図１〜図１１を参照して、第１の実施形態について説明する。

［１−１．構成］
図１は、第１の実施形態に係る投写型表示装置１０の構成を示す図である。投写型表示装置１０は、光源１００ａ，１００ｂ、集光レンズ１０１ａ，１０１ｂ、三角合成プリズム１０２ａ，１０２ｂ、ロッドインテグレータ１０３、カラーホイール１０４、リレーレンズ２００，２０１，２０３、リレーミラー２０２、ＴＩＲ（内部全反射）プリズム３００，３０１、ＤＭＤ（ディジタルマイクロミラーデバイス）３０２、及び投写レンズ３０３を備える。投写型表示装置１０は、光源１００ａ，１００ｂからの照明光をＤＭＤ３０２により変調して映像光を形成し、この映像光を投写型表示装置１０の外部のスクリーンに投写する。

本明細書では、光源１００ａ，１００ｂとＤＭＤ３０２との間の光学系、すなわち、集光レンズ１０１ａ，１０１ｂ、三角合成プリズム１０２ａ，１０２ｂ、ロッドインテグレータ１０３、カラーホイール１０４、リレーレンズ２００，２０１，２０３、リレーミラー２０２、ＴＩＲプリズム３００を「照明光学系」又は「光学装置」ともいう。また、ＤＭＤ３０２の後段の光学系、すなわち、ＴＩＲプリズム３００，３０１及び投写レンズ３０３を「投写光学系」ともいう。

図２は、図１のＤＭＤ３０２に入射する照明光を説明するための図である。ＤＭＤ３０２は、２次元的に配列された複数の画素を含む画素領域を有する光変調素子であり、各画素はマイクロミラー４０１を有する。画素領域の輪郭は矩形形状を有する。マイクロミラー４０１は、画素領域の輪郭の長辺に平行な回転軸４０２の周りに回転するように構成される。前述のように、ＤＭＤ３０２を備えた投写型表示装置１０では、照明光は、ＤＭＤ３０２の画素領域の面に対して垂直に入射するのではなく、画素領域の面の垂線に対して非ゼロの入射角θを有して画素領域に入射する。入射角θは、例えば３４度である。また、照明光は、マイクロミラー４０１の回転軸４０２に直交する方位角から画素領域に入射する。ここで、「方位角」は、画素領域の面に平行な面内で定義される。従って、照明光は、画素領域の輪郭の長辺に対して直交する方位角から画素領域に入射する。第１の実施形態では、マイクロミラー４０１が図２のように回転し、照明光が画素領域に図２のように入射する場合について説明する。

各図面では、説明のため、マイクロミラー４０１を実際の縮尺よりも大きく示す。また、各図面では、図示の簡単化のため、ＤＭＤ３０２の画素領域以外の部分（画素領域の輪郭の外部）を省略する。

再び図１を参照すると、光源１００ａ，１００ｂは、例えば白色ＬＥＤである。光源１００ａによって発生された光束は、集光レンズ１０１ａによって三角合成プリズム１０２ａに集光される。光源１００ｂによって発生された光束は、集光レンズ１０１ｂによって三角合成プリズム１０２ｂに集光される。三角合成プリズム１０２ａ，１０２ｂは、例えば、斜面に反射コートを施したガラスプリズムである。三角合成プリズム１０２ａ，１０２ｂに集光された光束は、斜面でそれぞれ反射され、ロッドインテグレータ１０３の入射開口１０３ａ（図１のロッドインテグレータ１０３の左端）にそれぞれ入射する。

ロッドインテグレータ１０３は、互いに対向する入射開口１０３ａ及び出射開口１０３ｂ（図１のロッドインテグレータ１０３の左端及び右端）を有し、光源１００ａ，１００ｂからの光を入射開口１０３ａで受けて出射開口１０３ｂから出力する。ロッドインテグレータ１０３は、例えば中実な石英ガラスである。ロッドインテグレータ１０３は、入射開口１０３ａの端面及び出射開口１０３ｂの端面が互いに平行であるように形成される。ロッドインテグレータ１０３の他の側面は、入射開口１０３ａで受けた光を全反射しながら出射開口１０３ｂまで導くように形成される。これにより、ロッドインテグレータ１０３は、光源１００ａ，１００ｂからの光束の強度分布を均一化する。

図３は、図１のロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂの端面を示す図である。投写型表示装置１０の効率を向上するために、ＤＭＤ３０２の画素領域の外部において照明光によって照射される領域を可能な限り小さくすることが求められる。このため、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂは、その後段の光学系（部分光学系）によって伝達される照明光が画素領域に入射する方向から見た画素領域の輪郭の形状に対して相似形の端面、又は相似形の鏡像の端面を有するように形成される。照明光が画素領域に図２のように入射する場合、画素領域の輪郭は台形に見える。従って、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂは、図３に示すように台形の端面を有するように形成される。辺の傾きを示す角度αは、例えば２度である。

ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂの形状が鏡像になるか否かは、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂとＤＭＤ３０２との間に存在するミラーの個数に依存し、偶数個のミラーが存在すれば正立像になり、奇数個のミラーが存在すれば鏡像になる。

再び図１を参照すると、カラーホイール１０４は、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂから出力された照明光（白色光）から、赤、緑、及び青の各色成分を時分割で選択的に取り出す。

図４Ａは、図１のカラーホイール１０４の正面図である。図４Ｂは、図１のカラーホイール１０４の側面図である。カラーホイール１０４は、円板の異なる角度範囲にそれぞれ形成された赤色フィルタ１０４Ｒ、緑色フィルタ１０４Ｇ、及び青色フィルタ１０４Ｂと、円板を回転させるモータ１０４Ｍとを備える。赤色フィルタ１０４Ｒは、青色〜緑色の波長域において高い反射特性を有し、赤色の波長域において高い透過特性を有する。緑色フィルタ１０４Ｇは、青色及び赤色の波長域において高い反射特性を有し、緑色の波長域において高い透過特性を有する。青色フィルタ１０４Ｂは、緑色〜赤色の波長域において高い反射特性を有し、青色の波長域において高い透過特性を有する。モータ１０４Ｍによって赤色フィルタ１０４Ｒ、緑色フィルタ１０４Ｇ、及び青色フィルタ１０４Ｂが回転することにより、赤色光、緑色光、及び青色光を周期的に切り換えながら取り出すことができる。

再び図１を参照すると、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂから出力されてカラーホイール１０４を透過した照明光は、リレーレンズ２００，２０１を通り、リレーミラー２０２によって反射され、リレーレンズ２０３を通り、ＴＩＲプリズム３００に入射する。ＴＩＲプリズム３００に入射した照明光は、ＴＩＲプリズム３００の側面で全反射した後、ＴＩＲプリズム３００から出力され、ＤＭＤ３０２に入射する。本明細書では、リレーレンズ２００，２０１，２０３、リレーミラー２０２、及びＴＩＲプリズム３００からなる光学系を「部分光学系」ともいい、リレーレンズ２００，２０１，２０３を単に「レンズ」ともいう。部分光学系は、ＤＭＤ３０２の画素領域の面の垂線に対して非ゼロの入射角θを有して画素領域に入射するように、かつ、画素領域の輪郭の長辺に対して直交する方位角から画素領域に入射するように、照明光をＤＭＤ３０２に伝達する。

図５は、図１のリレーレンズ２００，２０１，２０３、及びＴＩＲプリズム３００のシフトを説明するための図である。図６は、図５のリレーレンズ２００，２０１，２０３、及びＤＭＤ３０２をロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂから見た図である。図５及び図６では、図示の簡単化のため、リレーミラー２０２及びＴＩＲプリズム３００の側面による照明光の反射を省略する。符号３００ａは、照明光がＴＩＲプリズム３００の側面により反射された後に進むＴＩＲプリズム３００の領域を示す。符号Ａ１は、ロッドインテグレータ１０３の光軸を延長した照明光学系の仮想的な光軸であって、部分光学系の各リレーレンズ２００，２０１，２０３が存在しないと仮定したときの照明光学系の仮想的な光軸を示す。仮想的な光軸Ａ１は、実際には、リレーミラー２０２及びＴＩＲプリズム３００の側面などによって反射されることにより、図１に示すように屈曲してもよい。部分光学系の少なくとも１つのリレーレンズ２００，２０１，２０３は、仮想的な光軸Ａ１に対して垂直な方向にシフトされる。詳しくは、ＤＭＤ３０２の画素領域は、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂから最も遠隔した第１の画素Ｂ１と、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂに最も近接した第２の画素Ｂ２とを含む。このとき、部分光学系の少なくとも１つのリレーレンズ２００，２０１，２０３は、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂからＤＭＤ３０２を見たときに第１の画素Ｂ１に対して第２の画素Ｂ２が位置する方向（図５の下方）にシフトされる。

図５及び図６は、すべてのリレーレンズ２００，２０１，２０３が下方にシフトされている場合を示す。符号Ａ１１，Ａ１２，Ａ１３は、リレーレンズ２００，２０１，２０３の光軸をそれぞれ示す。リレーレンズ２００，２０１，２０３は、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂから遠ざかるにつれて照明光学系の仮想的な光軸Ａ１から次第に大きくシフトされる。例えば、ＤＭＤ３０２の画素領域の対角線の長さが約２５ｍｍ（１インチ）であり、入射角θが３４度である場合、リレーレンズ２００はｄ１＝２ｍｍだけシフトされ、リレーレンズ２０１はｄ２＝３ｍｍだけシフトされ、リレーレンズ２０３はｄ３＝３．５ｍｍだけシフトされる。

ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂの端面と、部分光学系の各リレーレンズ２００，２０１，２０３とは、照明光学系の仮想的な光軸Ａ１に対して垂直に配置される。

部分光学系は両側テレセントリックであってもよい。

再び図１を参照すると、部分光学系からＤＭＤ３０２の画素領域に入射した照明光はＤＭＤ３０２によって変調される。変調された光、すなわち映像光は、ＴＩＲプリズム３００，３０１及び投写レンズ３０３によって、投写型表示装置１０の外部のスクリーンに投写される。

［１−２．動作］
図７は、比較例に係る照明光学系によってＤＭＤ３０２の近傍に形成される像面を示す図である。図７は、各リレーレンズ２００，２０１，２０３の光軸が仮想的な光軸Ａ１に一致している場合を示す。照明光学系は、図７に示すような像面を形成する。照明光がＤＭＤ３０２の画素領域の面の垂線に対して非ゼロの入射角を有して画素領域に入射する場合、画素Ｂ１及びＢ２の両方に同時に焦点を合わせることができない。従って、照明光学系の結像性能が、照明光が画素領域に対して垂直に入射する場合に比べて低下する。その結果、画面全体において映像光の輝度が不均一になる。

図８は、図１の投写型表示装置１０の照明光学系によってＤＭＤ３０２の近傍に形成される像面を示す図である。リレーレンズ２００，２０１，２０３を仮想的な光軸Ａ１に対して下方にシフトすることにより、照明光学系の実際の光軸は符号Ａ２の位置に現れる。ＤＭＤ３０２の画素領域の中央を実際の光軸Ａ２に合わせることにより、画素Ｂ１及びＢ２の両方に同時に焦点を合わせることができる。従って、画素領域のエッジの全体に焦点を合わせることができる。

図９は、比較例に係る照明光学系の結像位置を示すグラフである。図１０は、図１の投写型表示装置１０の照明光学系の結像位置を示すグラフである。図９の比較例は、図７と同様に、各リレーレンズ２００，２０１，２０３の光軸が仮想的な光軸Ａ１に一致している場合を示す。図１０の実施形態は、図８と同様に、リレーレンズ２００，２０１，２０３が仮想的な光軸Ａ１に対してシフトしている場合を示す。各リレーレンズ２００，２０１，２０３の曲率は、図９の比較例及び図１０の実施形態において互いに同じである。図９及び図１０において、縦軸はＤＭＤ３０２の画素領域の対角線上の位置を示し、横軸は、ＤＭＤ３０２の画素領域の面に対して垂直な方向に沿った位置を示す。縦軸は画素領域の中心を基準（０ｍｍ）とし、横軸は画素領域の面を基準（０ｍｍ）とする。

図９の比較例によれば、照明光が非ゼロの入射角を有して画素領域に入射することに起因して、画素領域の対角線上の位置−１２ｍｍ及び＋１２ｍｍの両方に焦点を合わせることができない。

一方、図１０の実施形態によれば、リレーレンズ２００，２０１，２０３を仮想的な光軸Ａ１に対してシフトすることにより、照明光が非ゼロの入射角を有して画素領域に入射する場合であっても、画素領域の対角線上の位置−１２ｍｍ及び＋１２ｍｍの両方に焦点を合わせることができる。従って、前述のように、画素領域のエッジの全体に焦点を合わせることができる。その結果、照明光を画素領域に照射するとき、照明光の輪郭を画素領域の輪郭の形状に正確に合わせることができる。一方、画素領域の中心付近は、照明光によって十分な輝度が得られればよく、部分光学系の焦点が合っている必要はない。このように、実施形態によれば、画面の全体において映像光の輝度の均一性を向上することができる。

図１１は、図１の投写型表示装置１０の照明光学系によって照射される領域を示す図である。符号５０１は、実施形態に係る照明光学系により照射される領域を示す。符号５０２は、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂが矩形の端面を有し、かつ、各リレーレンズ２００，２０１，２０３の光軸が仮想的な光軸Ａ１に一致している比較例に係る照明光学系により照射される領域を示す。

比較例によれば、照明光によって照射される領域５０２の形状がＤＭＤ３０２の画素領域の輪郭の形状とは異なるので、画素領域の外部の大きな領域が照射され、投写型表示装置の効率が低下する。さらに、比較例によれば、照明光によって照射される領域５０２の輪郭のうちの少なくとも一部の形状は、照明光学系の低い結像性能に起因して不鮮明になる。

一方、実施形態によれば、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂが台形の端面を有するので、照明光によって照射される領域５０１の形状がＤＭＤ３０２の画素領域の輪郭の形状と相似になり、画素領域の外部において照明光によって照射される領域を比較例の場合よりもずっと小さくすることができる。さらに、実施形態によれば、リレーレンズ２００，２０１，２０３が仮想的な光軸Ａ１に対してシフトしているので、画素領域のエッジの全体に焦点を合わせ、画面の全体において映像光の輝度の均一性を比較例の場合よりも向上することができる。このように、実施形態によれば、照明光学系の結像性能及び効率の両方を比較例よりも向上することができる。

［１−３．効果等］
本開示の態様に係る光学装置（照明光学系）によれば、光源１００ａ，１００ｂからの光を、２次元的に配列された複数の画素を含む画素領域を有するＤＭＤ３０２に照射するための光学装置が提供される。光学装置は、ロッドインテグレータ１０３と、１つ又は複数のリレーレンズ２００，２０１，２０３を含む部分光学系とを備える。ロッドインテグレータ１０３は、互いに対向する入射開口１０３ａ及び出射開口１０３ｂを有し、光源１００ａ，１００ｂからの光を入射開口１０３ａで受けて出射開口１０３ｂから出力する。部分光学系は、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂから出力された光を、画素領域の面の垂線に対して非ゼロの入射角を有して画素領域に入射するようにＤＭＤ３０２に伝達する。ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂは、部分光学系によって伝達された光が画素領域に入射する方向から見た画素領域の輪郭の形状に対して相似形の端面、又は相似形の鏡像の端面を有する。部分光学系の少なくとも１つのリレーレンズ２００，２０１，２０３は、ロッドインテグレータ１０３の光軸を延長した光学装置の仮想的な光軸であって、部分光学系の各リレーレンズ２００，２０１，２０３が存在しないと仮定したときの光学装置の仮想的な光軸Ａ１に対して垂直な方向にシフトされる。

これにより、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂが台形の端面を有し、かつ、リレーレンズ２００，２０１，２０３が仮想的な光軸Ａ１に対してシフトしているので、光学装置の結像性能及び効率の両方を従来技術に比較して向上することができる。

本開示の態様に係る光学装置によれば、ＤＭＤ３０２の画素領域の輪郭は矩形形状を有する。部分光学系は、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂから出力された光を、画素領域の輪郭の１辺に対して直交する方位角から画素領域に入射するようにＤＭＤ３０２に伝達する。ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂは台形の端面を有する。

これにより、マイクロミラー４０１がＤＭＤ３０２の画素領域の輪郭の長辺に平行な回転軸４０２の周りに回転し、かつ、照明光が画素領域の輪郭の長辺に対して直交する方位角から画素領域に入射する場合に、光学装置の効率を従来技術に比較して向上することができる。

本開示の態様に係る光学装置によれば、ロッドインテグレータ１０３は、入射開口１０３ａの端面及び出射開口１０３ｂの端面が互いに平行であるように形成される。

例えば特許文献２は、投写型表示装置の効率を向上するために、その図４において、ロッドインテグレータの出射開口の端面を光軸に対して垂直な方向から傾けることを開示している。しかしながら、特許文献２は、照明光学系の結像性能が低下し、画面全体で映像光の輝度が不均一になる、という課題を解決できない。一方、本開示の態様に係る光学装置によれば、前述のように、光学装置の結像性能及び効率の両方を従来技術に比較して向上することができる。

本開示の態様に係る光学装置によれば、画素領域は、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂから最も遠隔した第１の画素と、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂに最も近接した第２の画素とを含む。部分光学系の少なくとも１つのリレーレンズ２００，２０１，２０３は、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂからＤＭＤ３０２を見たときに第１の画素に対して第２の画素が位置する方向にシフトされる。

これにより、光学装置の結像性能を従来技術に比較して向上するように、リレーレンズ２００，２０１，２０３が仮想的な光軸Ａ１に対してシフトすることができる。

本開示の態様に係る光学装置によれば、部分光学系は複数のリレーレンズ２００，２０１，２０３を含む。複数のリレーレンズ２００，２０１，２０３は、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂから遠ざかるにつれて光学装置の仮想的な光軸Ａ１から次第に大きくシフトされる。

これにより、光学装置の結像性能を従来技術に比較して向上することができる。

本開示の態様に係る光学装置によれば、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ｂの端面と、部分光学系の各リレーレンズ２００，２０１，２０３とは、光学装置の仮想的な光軸Ａ１に対して垂直に配置される。

例えば引用文献１は、その実施例１において、光源からＤＭＤまで光学系のレンズを光軸に対して傾斜させることを開示している。しかしながら、レンズを傾斜させると収差が発生し、それにもかかわらず、結像性能は大きく向上しない。また、引用文献１は、その実施例２において、光源からＤＭＤまで光学系のレンズを光軸に対して偏心させ、これにより、照明光によって照射される領域の歪みが改善し、計算上、効率が０．３％ほど向上することを開示している。しかしながら、例えば正方形の断面形状を有する照明光を所定の入射角でＤＭＤに照射したときに、照射される領域の輪郭が菱形に歪むことは解決できず、効率の改善は不十分である。引用文献１で効率が改善される物理的根拠は、レンズの偏心により光路が変化して光学系の倍率が変化し、それに起因して、照明光によって照射される領域が小さくなったことにある、と推測される。照明光によって照射される領域が小さいと、製品の振動又は落下などに起因して照明光によって照射される領域の位置がずれたとき、光変調素子の一部に照明光が当たらなくなるおそれがある。一方、本開示の態様に係る光学装置によれば、引用文献１のような欠点は発生せず、前述のように、光学装置の結像性能及び効率の両方を従来技術に比較して向上することができる。

本開示の態様に係る光学装置によれば、部分光学系は両側テレセントリックである。

これにより、ロッドインテグレータ１０３によって均一化された互いに平行な複数の光束からなる照明光を、平行なまま、ＤＭＤ３０２に照射することができる。

本開示の態様に係る光学装置によれば、投写型表示装置１０の光源１００ａ，１００ｂからの光を投写型表示装置１０のＤＭＤ３０２に照射するように構成される。

これにより、従来技術に比較して結像性能及び効率の両方が向上された投写型表示装置１０を提供することができる。

本開示の態様に係る投写型表示装置１０によれば、光源１００ａ，１００ｂと、請求項９記載の光学装置と、ＤＭＤ３０２とを備える。

これにより、従来技術に比較して結像性能及び効率の両方が向上された投写型表示装置１０を提供することができる。

（第２の実施形態）
以下、図１２〜図１５を参照して、第２の実施形態について説明する。

第１の実施形態では、マイクロミラー４０１がＤＭＤ３０２の画素領域の輪郭の長辺に平行な回転軸４０２の周りに回転する場合について説明した。しかしながら、ＤＭＤの仕様によりマイクロミラーが回転する範囲及び回転軸の向きは異なり、それに応じて、照明光がＤＭＤの画素領域に入射する入射角及び方位角も異なる。第２の実施形態では、マイクロミラーの回転軸の向きが第１の実施形態のものとは異なる場合について説明する。

［２−１．構成］
図１２は、第２の実施形態に係る投写型表示装置のＤＭＤ３０２Ａに入射する照明光を説明するための図である。ＤＭＤ３０２Ａの各画素はマイクロミラー４０１Ａを有する。マイクロミラー４０１Ａは、ＤＭＤ３０２Ａの画素領域の面内にある軸であって、画素領域の輪郭の各辺に対して斜め方向、例えば４５度の方向に沿った回転軸４０２Ａの周りに回転するように構成される。照明光は、ＤＭＤ３０２Ａの画素領域の面の垂線に対して例えば２４度の入射角θを有して画素領域に入射する。また、照明光は、画素領域の輪郭の長辺に対して斜め、例えば４５度の方位角から画素領域に入射する。第２の実施形態では、マイクロミラー４０１Ａが図１２のように回転し、照明光が画素領域に図１２のように入射する場合について説明する。

図１３は、第２の実施形態に係る投写型表示装置のロッドインテグレータ１０３Ａの出射開口１０３Ａｂの端面を示す図である。ロッドインテグレータ１０３Ａの出射開口１０３Ａｂは、第１の実施形態の場合と同様に、その後段の部分光学系によって伝達される照明光がＤＭＤ３０２Ａの画素領域に入射する方向から見た画素領域の輪郭の形状に対して相似形の端面、又は相似形の鏡像の端面を有するように形成される。照明光が画素領域に図１２のように入射する場合、画素領域の輪郭は平行四辺形に見える。従って、ロッドインテグレータ１０３Ａの出射開口１０３Ａｂは、図１３に示すように平行四辺形の端面を有する。辺の傾きを示す角度βは、例えば１度である。

図１４は、第２の実施形態に係る投写型表示装置のリレーレンズ２００，２０１，２０３、及びＤＭＤ３０２Ａをロッドインテグレータ１０３Ａの出射開口１０３Ａｂから見た図である。部分光学系の少なくとも１つのリレーレンズ２００，２０１，２０３は、部分光学系の各リレーレンズ２００，２０１，２０３が存在しないと仮定したときの照明光学系の仮想的な光軸に対して垂直な方向にシフトされる。詳しくは、ロッドインテグレータ１０３Ａの出射開口１０３Ａｂから最も遠隔した画素及び最も近接した画素の位置は、照明光がＤＭＤ３０２Ａの画素領域に入射する方位角に応じて変化する。図１４の例では、ＤＭＤ３０２Ａの画素領域において、左上のコーナーの画素がロッドインテグレータ１０３Ａの出射開口１０３Ａｂから最も遠隔し（第１の画素）、右下のコーナーの画素がロッドインテグレータ１０３Ａの出射開口１０３Ａｂに最も近接する（第２の画素）。このとき、部分光学系の少なくとも１つのリレーレンズ２００，２０１，２０３は、ロッドインテグレータ１０３の出射開口１０３ＡｂからＤＭＤ３０２を見たときに左上のコーナーの画素に対して右下のコーナーの画素が位置する方向にシフトされる。図１４は、すべてのリレーレンズ２００，２０１，２０３が右下にシフトされている場合を示す。

第２の実施形態に係る投写型表示装置では、ＤＭＤ３０２Ａ、ロッドインテグレータ１０３Ａ、及び図１４の部分光学系以外は、第１の実施形態に係る投写型表示装置１０のものと同様に構成される。

［２−２．動作］
図１５は、第２の実施形態に係る投写型表示装置の照明光学系によって照射される領域を示す図である。符号５１１は、実施形態に係る照明光学系により照射される領域を示す。符号５１２は、ロッドインテグレータ１０３Ａの出射開口１０３Ａｂが矩形の端面を有し、かつ、各リレーレンズ２００，２０１，２０３の光軸が仮想的な光軸Ａ１に一致している比較例に係る照明光学系により照射される領域を示す。

比較例によれば、照明光によって照射される領域５１２の形状がＤＭＤ３０２Ａの画素領域の輪郭の形状とは異なるので、ＤＭＤ３０２Ａの画素領域の外部の大きな領域が照射され、投写型表示装置の効率が低下する。さらに、比較例によれば、照明光によって照射される領域５１２の輪郭のうちの少なくとも一部の形状は、照明光学系の低い結像性能に起因して不鮮明になる。

一方、実施形態によれば、ロッドインテグレータ１０３Ａの出射開口１０３Ａｂが平行四辺形の端面を有するので、照明光によって照射される領域５１１の形状が画素領域の輪郭の形状と相似になり、画素領域の外部において照明光によって照射される領域を比較例の場合よりもずっと小さくすることができる。さらに、実施形態によれば、リレーレンズ２００，２０１，２０３が仮想的な光軸Ａ１に対してシフトしているので、画素領域のエッジの全体に焦点を合わせ、画面の全体において映像光の輝度の均一性を比較例の場合よりも向上することができる。このように、実施形態によれば、結像性能及び効率の両方を比較例よりも向上することができる。

［２−３．効果等］
本開示の態様に係る光学装置によれば、ＤＭＤ３０２Ａの画素領域の輪郭は矩形形状を有する。部分光学系は、ロッドインテグレータ１０３Ａの出射開口１０３Ａｂから出力された光を、画素領域の輪郭の各辺に対して斜めの方位角から画素領域に入射するようにＤＭＤ３０２Ａに伝達する。ロッドインテグレータ１０３Ａの出射開口１０３Ａｂは平行四辺形の端面を有する。

これにより、マイクロミラー４０１ＡがＤＭＤ３０２Ａの画素領域の輪郭の各辺に対して斜め方向の回転軸４０２Ａの周りに回転し、かつ、照明光が画素領域の輪郭の各辺に対して斜めの方位角から画素領域に入射する場合に、光学装置の効率を従来技術に比較して向上することができる。

（他の実施形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、第１及び第２の実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施形態にも適用可能である。また、第１及び第２の実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施形態とすることも可能である。

そこで、以下、他の実施形態を例示する。

ロッドインテグレータは、少なくとも出射開口の端面において、部分光学系によって伝達された光が光変調素子の画素領域に入射する方向から見た画素領域の輪郭の形状に対して相似形、又は相似形の鏡像に形成されればよい。ロッドインテグレータは、製造の簡単化のために、その長手方向の全体にわたって、出射開口の端面の形状と同じ断面形状を有するように形成されてもよい。それに代わって、ロッドインテグレータの出射開口の近傍以外の部分は、出射開口の端面の形状とは異なる断面形状を有するように形成されてもよい。

ロッドインテグレータは、中実に形成されることに限定されず、入射開口及び出射開口の他の側面が反射面として形成された中空構造物として形成されてもよい。

光源は、ＬＥＤに限定されず、レーザー光源、蛍光体光源、ランプ光源、などであってもよい。光源は、２つの白色光源に限定されず、任意の色を有する１つ又は複数の光源を用いてもよい。光源の種類、色、及び個数は、所望の色度及び強度などに応じて、適時に決定可能である。例えば、異なる色をそれぞれ発生する複数の光源を用いて、各色の光を時分割で発生してもよい。また、カラーホイール、１つのＴＩＲプリズム、及び１つの光変調素子に代えて、色分割プリズム及び複数（例えば３個）の光変調素子を使用してもよい。この場合、カラーホイールは不要になる。

以上のように、本開示に係る技術の例示として実施形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

また、上述の実施形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、光源からの光を光変調素子に照射するための光学装置と、そのような光学装置を備えた投写型表示装置とに適用可能である。

１０…投写型表示装置、
１００ａ，１００ｂ…光源、
１０１ａ，１０１ｂ…集光レンズ、
１０２ａ，１０２ｂ…三角合成プリズム、
１０３，１０３Ａ…ロッドインテグレータ、
１０４…カラーホイール、
１０４Ｒ…赤色フィルタ、
１０４Ｇ…緑色フィルタ、
１０４Ｂ…青色フィルタ、
１０４Ｍ…モータ、
２００，２０１，２０３…リレーレンズ、
２０２…リレーミラー、
３００，３０１…ＴＩＲ（内部全反射）プリズム、
３０２，３０２Ａ…ＤＭＤ（ディジタルマイクロミラーデバイス）、
３０３…投写レンズ、
４０１，４０１Ａ…マイクロミラー、
４０２，４０２Ａ…マイクロミラーの回転軸、
５０１，５１１…実施形態に係る照明光学系により照射される領域、
５０２，５１２…比較例に係る照明光学系により照射される領域。

Claims (10)

1. 光源からの光を、２次元的に配列された複数の画素を含む画素領域を有する光変調素子に照射するための光学装置であって、
   互いに対向する入射開口及び出射開口を有し、前記光源からの光を前記入射開口で受けて前記出射開口から出力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の出射開口から出力された光を、前記画素領域の面の垂線に対して非ゼロの入射角を有して前記画素領域に入射するように前記光変調素子に伝達する１つ又は複数のレンズを含む部分光学系とを備え、
   前記ロッドインテグレータの出射開口は、前記部分光学系によって伝達された光が前記画素領域に入射する方向から見た前記画素領域の輪郭の形状に対して相似形の端面、又は相似形の鏡像の端面を有し、
   前記部分光学系の少なくとも１つのレンズは、前記ロッドインテグレータの光軸を延長した前記光学装置の仮想的な光軸であって、前記部分光学系の各レンズが存在しないと仮定したときの前記光学装置の仮想的な光軸に対して垂直な方向にシフトされた、
   光学装置。
2. 前記画素領域の輪郭は矩形形状を有し、
   前記部分光学系は、前記ロッドインテグレータの出射開口から出力された光を、前記画素領域の輪郭の１辺に対して直交する方位角から前記画素領域に入射するように前記光変調素子に伝達し、
   前記ロッドインテグレータの出射開口は台形の端面を有する、
   請求項１記載の光学装置。
3. 前記画素領域の輪郭は矩形形状を有し、
   前記部分光学系は、前記ロッドインテグレータの出射開口から出力された光を、前記画素領域の輪郭の各辺に対して斜めの方位角から前記画素領域に入射するように前記光変調素子に伝達し、
   前記ロッドインテグレータの出射開口は平行四辺形の端面を有する、
   請求項１記載の光学装置。
4. 前記ロッドインテグレータは、前記入射開口の端面及び前記出射開口の端面が互いに平行であるように形成された、
   請求項１〜３のうちの１つに記載の光学装置。
5. 前記画素領域は、前記ロッドインテグレータの出射開口から最も遠隔した第１の画素と、前記ロッドインテグレータの出射開口に最も近接した第２の画素とを含み、
   前記部分光学系の前記少なくとも１つのレンズは、前記ロッドインテグレータの出射開口から前記光変調素子を見たときに前記第１の画素に対して前記第２の画素が位置する方向にシフトされた、
   請求項１〜４のうちの１つに記載の光学装置。
6. 前記部分光学系は複数のレンズを含み、
   前記複数のレンズは、前記ロッドインテグレータの出射開口から遠ざかるにつれて前記光学装置の仮想的な光軸から次第に大きくシフトされた、
   請求項５記載の光学装置。
7. 前記ロッドインテグレータの出射開口の端面と、前記部分光学系の各レンズとは、前記光学装置の仮想的な光軸に対して垂直に配置された、
   請求項１〜６のうちの１つに記載の光学装置。
8. 前記部分光学系は両側テレセントリックである、
   請求項１〜７のうちの１つに記載の光学装置。
9. 投写型表示装置の光源からの光を前記投写型表示装置の光変調素子に照射するように構成された、
   請求項１〜８のうちの１つに記載の光学装置。
10. 光源と、
    請求項９記載の光学装置と、
    光変調素子とを備える、
    投写型表示装置。

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