JP4599391B2 - 投写型表示装置、リアプロジェクタ及びマルチビジョンシステム - Google Patents

Description

本発明は、投写型表示装置、それを用いたリアプロジェクタ及びマルチビジョンシステムに関する。

大画面映像を得る方法として、反射型ライトバルブ上に映像信号に応じた光学像を形成し、その光学像に光を照射して投写レンズによりスクリーン上に拡大投写する方法が従来からよく知られている。この反射型ライトバルブとして、映像信号に応じて光の進行方向を制御することにより光学像を形成する反射型の配光補正素子を用いれば、より光利用効率の高い、高輝度の投写画像を表示できる。

反射型ライトバルブとしては、ＤＭＤ（Digital Micro Mirror Device）が注目されている。ＤＭＤはシリコン基板の上に複数の微小な反射鏡（以下「微小ミラー」という。）を２次元的に配置してなるものであり、各微小ミラーが画素を構成する。各微小ミラーは、画素の対角位置において対角方向に設けられた二つの回転支軸によって、±１０度の範囲でシーソーのように可動するよう構成されている。例えば微小ミラーが＋１０度傾いた状態がＯＮ、１０度傾いた状態がＯＦＦとされる。ＤＭＤは、映像信号に応じて、各微小ミラーを＋１０度または−１０度傾かせることで光線の出射方向を制御し、光学像を形成する。

図１７は、従来からのＤＭＤの各画素を構成する微小ミラーの動作状態を示す図である。なお、同図はＤＭＤの各微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されており、反時計方向が微小ミラーの回転正方向となっている。図１７において、１９１から１９６は微小ミラーであり、各画素を構成している。１９７は投写レンズの一部を示している。

図１７の例では、微小ミラー１９１、微小ミラー１９３及び微小ミラー１９６は反射型ライトバルブ（ＤＭＤ）の基準面１９０に対して＋１０度（反時計方向）傾いており、ＯＮ状態となっている。このため微小ミラー１９１、微小ミラー１９３及び微小ミラー１９６で反射された入射光１９８は投写レンズ１９７に入射する。

一方、微小ミラー１９２、微小ミラー１９４及び微小ミラー１９５は反射型ライトバルブの基準面１９０に対して−１０度（時計方向）傾いており、ＯＦＦ状態となっている。このため、微小ミラー１９２、微小ミラー１９４及び微小ミラー１９５で反射された入射光１９８は投写レンズ１９７に入射しない。このようなＤＭＤは偏光を利用する液晶パネルに比べ、自然光を利用でき、光利用率が高く、更に応答速度が速いなどの特徴を持っている。

反射型ライトバルブとしてＤＭＤを用いた投写型表示装置の光学系として、特許文献１に構成例が示されている。図１８は、従来のＤＭＤを用いた投写型表示装置の概略構成を示す図である。図１９は、図１８に示すＤＭＤの近傍部分を拡大して示す図である。なお、図１８及び図１９では、ＤＭＤの各微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面が示されている。

最初に、図１８を用いて説明する。光源２０１は、凹面鏡２０１ｂとランプ２０１ａとで構成されている。凹面鏡２０１ｂは楕円面鏡であり、ガラス製の基材の内面に、赤外光を透過させるが可視光を反射させる光学多層膜を蒸着して形成されている。ランプ２０１ａは、その発光体の中心が凹面鏡２０１ｂの第１焦点（図示せず）に位置するように配置されている。

ランプ２０１ａから放射された光は、凹面鏡２０１ｂにより反射され、凹面鏡２０１ｂの第２焦点（図示せず）に向かい、第２焦点に発光体像を形成する。更に、第２焦点を通過した光は、レンズアレイ２０２ａ及び２０２ｂを順次通過して複数の光束に分割され、その後、リレーレンズ２０３に入射して重ね合わされる。レンズアレイ２０２ａ及び２０２ｂは複数の正パワーのレンズ素子で構成されている。

リレーレンズ２０３を出射した光は全反射ミラー２０４によって反射され、フィールドレンズ２０５を経て全反射プリズム２０８に入射する。全反射プリズム２０８は、空気層２０９を介して配置された２つの単体プリズム２０８ａと２０８ｂとで構成されている。２０７は投写レンズである。

次に、図１９を用いて説明する。全反射プリズム２０８に入射した入射光２０９ａ〜２０９ｃは単体プリズム２０８ｂと空気層２０９との界面で全反射して反射型ライトバルブ２０６側へと進行する。反射型ライトバルブ２０６は映像信号に応じて光の進行方向を制御して光学像を形成する。

反射型ライトバルブ２０６からの反射光２１０ａ〜２１０ｃは、反射型ライトバルブ２０６の表示領域に垂直な主光線を持つ光束として出射され、単体プリズム２０８ｂ又は２０８ａと空気層２０９との界面で反射されることなく全反射プリズム２０８を透過し、投写レンズ２０７（図１８参照）に入射する。これにより、反射型ライトバルブ２０６上の光学像は投写レンズ２０７によりスクリーン上に拡大投写される。

このように、図１８及び図１９に示した投写型表示装置を用いれば、照明光の光路と投写光の光路とが重なるのを防止でき、投写映像の画質の向上を図ることができる。また、投写レンズが大型化するのを抑制できる。

しかしながら、図１８及び図１９に示した投写型表示装置においては、照明光と投写光を分離するために全反射プリズム２０８が必要となるため、結局のところコストアップにつながっているという問題がある。また、全反射プリズム２０８においては、内部に微小な空気層を含んでいるため、その公差により、投写レンズ２０７の解像特性が大きく左右されるという問題もある。
この問題の解決を図るため、特許文献２には、投写レンズを非テレセントリック系とし、それに応じた照明を発生させる構成が開示されている。

図２０は、従来の投写レンズを非テレセントリック系とした投写型表示装置の概略構成を示す図である。図２１は、図２０に示す反射型ライトバルブの近傍部分を拡大して示す図である。なお、図２０及び図２１において、反射型ライトバルブとしてはＤＭＤが用いられている。図２０及び図２１は、ＤＭＤの各微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。

図２０に示すように、光源２１１は、図１８で示した光源と同様にランプ２１１ａと凹面鏡２１１ｂとで構成されている。なお、ランプ２１１ａ及び凹面鏡２１１ｂは、図１８で示したランプ２０１ａ及び凹面鏡２０１ｂと同様のものである。ランプ２１１ａも、その発光体の中心が凹面鏡２１１ｂの第１焦点ｆ１に位置するように配置されている。図１８の例と同様に、ランプ２１１ａから放射された光は、凹面鏡２１１ｂにより反射され、第２焦点ｆ２に発光体像を形成する。第２焦点ｆ２を通過した光はロッドレンズ２１２に入射し、均一化される。ロッドレンズ２１２で均一化された照明光は、リレーレンズ２１３を通過する。

図２１に示すように、リレーレンズ２１３を通過した照明光は、照明光学系の出射瞳２１７を通過して反射型ライトバルブ２１４に所定の入射角度で入射する。反射型ライトバルブ２１４は映像信号に応じて光の進行方向を制御して光学像を形成する。反射型ライトバルブ２１４への入射光２１５ａ〜２１５ｃはそれぞれ所定の角度で反射され、反射光２１６ａ〜２１６ｂは投写レンズの入射瞳２１８に入射する。

また、図２０及び図２１に示す投写型表示装置においては、投写レンズ２１９として非テレセントリック系の投写レンズが用いられている。このため、全反射プリズムを用いることなく、スクリーン上に、反射型ライトバルブ２１４の形成した光学像を拡大投写することができる。従って、図２０及び図２１で示した投写型表示装置によれば、図１８で示した投写型表示装置よりもコストを下げることができると考えられる。

ところで、反射型ライトバルブ２１４は、表示領域全体において、微小ミラーの反射面の法線方向が一定となるように構成されているため、図２０及び図２１に示す投写型表示装置の構成では、反射型ライトバルブ２１４の光軸と投写レンズの光軸を略一致させると、入射光２１５ａ〜２１５ｃと反射光２１６ａ〜２１６ｃの光路が重なってしまう。このため、図２０及び図２１に示すように、投写レンズ２１９の光軸を反射型ライトバルブ２１４の光軸に対してオフセットさせて、入射光２１５ａ〜２１５ｃと反射光２１６ａ〜２１６ｃとを分離させている。

しかしながら、上記図２０及び図２１で示した投写型表示装置においては、投写レンズ２１９は、その光軸が反射型ライトバルブ２１４の光軸に対してずれた状態で投影することとなるため、均一照明で、良好な画像を得るには、有効表示領域を拡大する必要がある。この結果、図２０及び図２１に示した投写型表示装置においては、光学系が大型化し、却ってコストアップになるという問題がある。また、正面投写ができないという問題もある。

さらに、特許文献３には、反射型ライトバルブの表示領域の直前に、投写レンズの一部を構成するコンデンサレンズが配置された投射型表示装置が開示されている。この投写型表示装置では、照明光は、このコンデンサレンズで屈折して反射型ライトバルブに入射し、反射型ライトバルブからの出射光も、このコンデンサレンズで屈折して投写レンズに入射する。また、このレンズは、その光軸を投写レンズの光軸に対して偏芯させて配置されている。

このため、反射型ライトバルブへの入射光の入射角と反射型ライトバルブからの出射光の出射角は、反射型ライトバルブの表示領域の位置に応じて変化し、この入射角及び出射角の変化は、反射型ライトバルブの光軸又は投写レンズの光軸に対して非対称になる。

よって、特許文献３に記載の投写型表示装置でも、反射型ライトバルブへの入射光の光路と反射型ライトバルブからの出射光の光路とが重なるのを抑制できる。また、プリズムを用いる必要がないため、装置の小型化を図ることができる。

しかしながら、特許文献３に記載の投写型表示装置では、反射型ライトバルブの表示領域の直前に配置されたコンデンサレンズを偏芯させており、このコンデンサレンズは投写レンズの一部を構成している。このため、光軸を中心に収差バランスが対称となる画像を得るのは困難であると考えられ、又収差バランスを補正しようとすると、投写レンズのレンズ枚数を増加させる必要があり、投写レンズが複雑化してしまう。

更に、特許文献３に記載の投写型表示装置では、良好な解像度を得るために、反射型ライトバルブを投写レンズの光軸に対して２度から８度傾ける構成としている。しかしながら、「シャインプルーフの定理」によると、この反射型ライトバルブの投写像も投写レンズの光軸に対し傾いてしまうと考えられる。このため、反射型ライトバルブの表示領域が長方形の場合、光軸に垂直な面での投写画像は台形形状となり、良好な表示画像を得るのは困難と言える。なお、シャインプルーフの定理とは、光軸に対して物体が傾斜していると、像は逆方向に傾斜し、これらの傾斜角度は互いに規定できるという定理をいう。

また、特許文献４にも、特許文献３と同様に、反射型ライトバルブの表示領域の直前に正レンズを配置する構成の投写型表示装置が開示されている。この投写型表示装置でも、照明光学系からの照明光は、正レンズを透過するため、屈折してから反射型ライトバルブを照明している。また、ライトバルブからの出射光は、この正レンズで屈折してから投写レンズに入射している。

但し、特許文献４に記載の投写型表示装置では、正レンズの有効領域における一部の領域を照明光の透過に用い、又残りの領域を反射型ライトバルブからの反射光の透過に用いるため、正レンズの光軸を投写レンズ主群の光軸と大きくずらして配置している。

このため、特許文献４に記載の投写型表示装置においても、反射型ライトバルブへの入射光と、反射型ライトバルブとの出射光との光路が重なるのを抑制でき、これらの光路を分離できる。また、プリズムを用いる必要がないため、装置の小型化を図ることができると考えられる。
ＷＯ９８−２９７７３号公報 特開２０００−９８２７２号公報 特開平１１−２４９０６９号公報 特開２０００−３９５８５号公報

しかしながら、特許文献４に開示された投写型表示装置でも、反射型ライトバルブは、その光軸が、投写レンズ主群の光軸に対し５度〜１５度の確度をなすように配置されている。よって、投写像の光軸とライトバルブの光軸とが、投写レンズの光軸と平行ではない。

このため、特許文献４に開示された投写型表示装置でも、特許文献３に開示の投写型表示装置と同様に、「シャインプルーフの定理」により投写画像が傾いて台形形状となると考えられるため、良好な画像を得るのは困難であると言える。

また、反射型ライトバルブの表示領域の直前に配置された正レンズは、その光軸がライトバルブの光軸に対して角度をなすように配置されている。更に、投写レンズの中に偏芯レンズを配置する必要がある。このため、特許文献４に開示の投写型表示装置でも、特許文献３に開示の投写型表示装置と同様に、光軸を中心に収差バランスが対称となる画像を得るのは困難であると考えられる。また、収差バランスを補正しようとすると、投写レンズのレンズ枚数を増加させる必要があり、投写レンズが複雑化してしまう。更に、この場合、正レンズを両凸レンズで構成すると、レンズの中心厚が増大してしまうという問題が生じ、又メニスカスレンズで構成すると、十分なパワーを確保するのが困難という問題が生じる。

更に、特許文献４に開示された投写型表示装置では、正レンズに入射した照明光の一部は、この正レンズと空気層との屈折率差により、これらの間の界面で反射する。また、この正レンズとしては、両面が凸面のレンズ、又は投写レンズ側が凸面、反射型ライトバルブ側が凹面のレンズが用いられている。

このため、この界面で反射した反射光は、投写レンズの主群方向に反射されスクリーンに到達する。この界面で反射した反射光は、反射型ライトバルブに入力される映像信号に関係なく恒常的に発生する迷光であり、投写画像におけるコントラストの低下やゴースト像の発生の要因となり、投写画像の品位は著しく低下してしまう。

ところで、一般に、実用上十分な性能を有する反射防止膜は、入射光のうち最低０．５％程度を反射し、最大９９．５％程度を透過させる。このため、上記の正レンズの表面にＴｉ０₂膜、Ｓｉ０₂膜等を積層して構成した通常レベルの反射防止膜を形成してやれば、反射光の低減を図ることができると考えられる。しかし、このような多層膜で構成された反射防止膜の形成だけでは、上述のように反射光の低減には限界があり、よって投写画像の高画質化にも限界がある。また、入射光の１００％を透過させる反射防止膜を形成できれば良いが、現時点では、このような反射防止膜の形成は事実上不可能である。

本発明の目的は、上記課題を解決し、反射型ライトバルブにおける入射光の光路と出射光の光路との重なりを抑制し、更にレンズ界面における不要な反射光が投写レンズに入射するのを抑制して、小型で、高画質の投写画像を得ることができる投写型表示装置、それを用いたリアプロジェクタ及びマルチビジョンシステムを提供することにある。

上記目的を達成するため本発明にかかる投写型表示装置は、光源の放射する光を集めて照明光を形成する照明光学系と、前記照明光を反射して、光学像を形成する変調光を出射する反射型ライトバルブと、前記反射型ライトバルブの形成した光学像を投影する投写レンズと、正パワーのレンズ素子とを有し、前記反射型ライトバルブは、複数の画素を有し、前記複数の画素がそれぞれ前記照明光の反射方向を制御することによって前記変調光を形成するように構成され、前記レンズ素子は、１枚の平凸レンズで構成され、前記反射型ライトバルブと前記投写レンズとの間に、凸面を前記投写レンズに向けた状態で、前記照明光が前記レンズ素子を通過して前記反射型ライトバルブを照明し、又前記反射型ライトバルブから出射する前記変調光が前記レンズ素子を通過して前記投写レンズに入射するように配置され、前記レンズ素子と前記反射型ライトバルブとは、互いの光軸を平行にした状態で、前記レンズ素子の光学界面で反射される前記照明光の不要光成分のうち前記投写レンズに入射する光が前記変調光の有効光成分と分離されかつ前記不要光成分により形成される虚像が形成される面と前記反射型ライトバルブの変調光を出射する面とが略一致するように光軸間に距離を設けて配置されていることを特徴とする。

上記本発明にかかる投写型表示装置においては、前記投写レンズと前記レンズ素子とが、互いの光軸が一致するように配置され、前記投写レンズは、その光軸に対して偏心した絞りを有し、前記照明光学系は、前記変調光が前記絞りを通過するように配置されているのが好ましい。この場合、前記絞りの偏心方向が、前記照明光学系の光軸から離れる方向であり、前記投写レンズが、その光軸方向への移動のみによって焦点調整を行う手段を有しているのが好ましい。更に、この場合、前記投写レンズのＦナンバをＦ１、照明光学系から出射し、前記反射型ライトバルブで反射されて前記投写レンズに入射する光の広がり角をθ１、前記反射型ライトバルブの表示領域の中心から出射される主光線と前記投写レンズの光軸とのなす角をαとしたときに、下記式（１）を満たしているのが好ましい。
Ｆ１=１／（２ｓｉｎ（θ１十α））・・・・・（１）
また、上記本発明にかかる投写型表示装置においては、前記照明光学系は、複数の部分瞳要素で形成された出射瞳を有し、前記照明光の光束分布が前記反射型ライトバルブで反射されたときに均一となるように構成されているのが好ましい。

更に、上記本発明にかかる投写型表示装置においては、前記照明光学系の出射瞳と前記投写レンズの入射瞳とが、前記レンズ素子について略共役関係にあり、前記照明光学系の出射瞳を通る光束のうち前記反射型ライトバルブの表示領域で反射される光束の８０％以上が、前記レンズ素子を通過して前記投写レンズの入射瞳の有効領域に入射しているのが好ましい。

上記目的を達成するために本発明にかかるリアプロジェクタは、上記いずれかの本発明にかかる投写型表示装置と、前記投写型表示装置から投写された光を反射するミラーと、前記ミラーで反射された光を透過散乱させて表示するスクリーンとを少なくとも有することを特徴とする。

また、上記目的を達成するために本発明にかかるマルチビジョンシステムは、複数の投写システムと、映像信号分割回路とを有し、前記複数の投写システムそれぞれは、上記いずれかの本発明にかかる投写型表示装置と、前記投写型表示装置から投写された光を映し出す透過型スクリーンと、前記投写型表示装置を収納する筐体とで構成されており、前記映像信号分割回路は、画面を複数の領域に分割し、各領域の映像信号を加工して前記投写システムを構成する前記投写型表示装置それぞれに供給することを特徴とする。

本発明によれば、反射型ライトバルブ表示領域の近傍に正パワーのレンズ素子を配置し、照明光学系の出射瞳の虚像を有効表示領域内に形成しないようにすることができる。このため、テレセントリックな光学系においても、投写レンズの入射瞳、照明光学系の出射瞳の有効系を小さくすることができ、入射光と出射光の光路をコンパクトな構成で分離できる。このため、従来使用されていた全反射プリズムスプリッタ等の照明光と投影光とを分離する手段が不用となる。よって、コストダウンを図りつつ、テレセントリックな光学系での正面投写が可能となり、投写面内における画質の均質化を実現できる。

即ち、本発明の投写型表示装置によれば、反射型ライトバルブを用いた、コンパクトで、且つ、高画質の表示光学系を実現する事ができると言える。また、本発明にかかる投写型表示装置は正面投写による均質な画像を確保することができる。更に、プリズムを用いないため、低価格化を図ると同時に、明るくコントラストの良い高画質を得ることができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１にかかる投写型表示装置について、図１、図２を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態１にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。図２（ａ）は、図１に示す反射型ライトバルブの近傍部分における照明光と投写光の光路を示す図であり、図２（ｂ）は、図１に示す反射型ライトバルブの近傍部分における正パワーのレンズ素子の光学界面での反射光の振る舞いを示す図である。

なお、本実施の形態１では、反射型ライトバルブとして、図１７で示したＤＭＤが用いられている。また、図１および図２はＤＭＤを構成する微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。微小ミラーの可動範囲は±１０度である。

最初に、図１を用いて本実施の形態１にかかる投写型表示装置の構成および動作を説明する。図１に示すように、本実施の形態にかかる投写型表示装置は、光源１と、光源１の放射する光を集めて照明光を形成する照明光学系２と、照明光を反射して、光学像を形成する変調光を出射する反射型ライトバルブ（空間光変調素子）６と、反射型ライトバルブ６の形成した光学像を投影する投写光学系７と、正パワーのレンズ素子５とを少なくとも有している。

また、図１に示すように、正パワーのレンズ素子５は、１枚の平凸レンズで構成されており、反射型ライトバルブ６と投写レンズ７との間に、凸面を投写レンズ７に向けた状態で配置されている。更に、正パワーのレンズ素子５の配置は、照明光がレンズ素子５を通過して反射型ライトバルブ６を照明するように、又反射型ライトバルブ６から出射する変調光がレンズ素子５を通過して投写レンズ７に入射するように行われている。

本実施の形態１では、光源１は、ランプ１ａと凹面鏡１ｂとで構成されており、図１８で示した光源２０１と同様のものである。従って、ランプ１ａから放射された光は、凹面鏡１ｂにより反射され、凹面鏡１ｂの第２焦点ｆ２に発光体像を形成する。

照明光学系２は、ロッドレンズ３とリレーレンズ系４とで構成されている。凹面鏡１ｂの第２焦点ｆ２はロッドレンズ３の入射面１８と略一致している。ロッドレンズ３に入射した光は、ロッドレンズ３の内面で多重反射を繰り返す。そのため、ロッドレンズ３の入射面１８で光量ムラを持っていた光束は、ロッドレンズ３の出射面１９においては均一化される。

ロッドレンズ３から出射された光は、リレーレンズ系４に入射し、リレーレンズ系４から反射型ライトバルブ６へと出射される。リレーレンズ系４から出射された光は、正パワーのレンズ素子５を通過し、反射型ライトバルブ６を照明する。

この結果、反射型ライトバルブ６からの出射光は、正パワーのレンズ素子５を通過して投写光学系７に入射し、反射型ライトバルブ６上の光学像がスクリーン上に拡大投写される。なお、ロッドレンズ３の出射面１９と反射型ライトバルブ６の表示領域とは、リレーレンズ系４と正パワーのレンズ素子５とを合成してなる光学系において共役関係にある。

次に、図２を用いて本発明の投写型表示装置の原理を説明する。図１の説明で述べたように、照明光学系２の出射瞳８からは、光源１により集光され、照明光学系２により均一化および整形された光束が出射する。即ち、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、照明光学系２の出射瞳８からは、反射型ライトバルブ６の上部を照明する光束１０ａ、反射型ライトバルブ６の中央部を照明する光束１０ｂ、反射型ライトバルブ６の下部を照明する光束１０ｃが出射される。

なお、本明細書でいう「上部」、「中央部」、「下部」とは図中における位置関係を示している。また、図２（ａ）及び（ｂ）では、光束１０ａ〜１０ｃは、出射瞳８の上端から出射する上光線、出射瞳８の中心から出射する主光線、出射瞳８の下端から出射する下光線といった代表的な光線のみで示している。

光束１０ａ、１０ｂ及び１０ｃは、正パワーのレンズ素子５を通過して反射型ライトバルブ６へと入射する。このため、出射瞳８から出射する光線の内、反射型ライトバルブ上部を照明する光束１０ａは、正パワーのレンズ素子５により屈折し、正パワーのレンズ素子５に入射する前と比べ、正パワーのレンズ素子５の光軸１４となす角が小さくなる方向に屈折する。

一方、反射型ライトバルブ６の下部を照明する光束１０ｃは、正パワーのレンズ素子５により、光軸１４とのなす角が大きくなる方向に屈折する。よって、正パワーのレンズ素子５を通過した光束１０ａ、１０ｂ及び１０ｃは、それぞれ主光線が互いに略並行で、反射型ライトバルブ６の光軸１５となす角度が約２０度のテレセントリックな照明光となり、反射型ライトバルブ６の表示領域は均一に照明されることとなる。また、各光束の広がり角はいずれも略等しくなる。

また、反射型ライトバルブ６の各微小ミラーはＯＮ状態では正パワーのレンズ素子５の光軸１４に垂直な面に対して反時計方向に１０度傾くように構成されている。よって、照明光がテレセントリックであるので、微小ミラーがＯＮ状態の場合、反射型ライトバルブ６からの出射光の光束１１ａ、１１ｂ及び１１ｃの主光線は、反射型ライトバルブ６の表示領域のいずれにおいても、反射型ライトバルブ６の光軸１５に略平行で、テレセントリックとなる。

反射型ライトバルブ６からの出射光の光束１１ａ、１１ｂ及び１１ｃはいずれも正パワーのレンズ素子５を通過し、投写光学系７の入射瞳９に入射する。投写光学系７の入射瞳９に入射した光は投写光学系によってスクリーンに拡大投影される。

ここで、図２（ｂ）に示すように、光束１０ａ、光束１０ｂ及び光束１０ｃは正パワーのレンズ素子５を通過して反射型ライトバルブ６へと入射するが、レンズ素子５の光学界面（凸面）２０ａで一部が反射し、光束２１ａ、光束２１ｂ、光束２１ｃを形成する。この光学界面２０ａによる反射光はライトバルブ表示領域近傍に虚像２２を形成し、不要光成分となる。更に、この不要光成分の一部は、投写レンズ７の入射瞳９に入射し、スクリーンに到達すると考えられる。

一方、正パワーのレンズ素子５の光学界面２０ｂは、平面でパワーを持たない面である。このため、照明光学系２の出射瞳８から出射する光束１０ａ、１０ｂ及び１０ｃは、反射型ライトバルブ６と光軸が平行である光学界面２０ｂを通過する際には、光学界面２０ｂと空気層との屈折率差に応じて「スネルの法則」に従って屈折する。

この場合、光学界面２０ｂでも光学界面２０ａと同様に反射が発生するが、光学界面２０ｂは平面であるため、反射光は、界面の法線を基準とした入射光の入射角度と同じ大きさの角度で出射する。更に、照明光学系２の出射瞳８から出射される光束１０ａ、１０ｂ及び１０ｃが光学界面２０ｂで略テレセントリックとなるため、光学界面２０ｂで反射して発生した光束も略テレセントリックとなる。

このため、この反射光の各光束の広がり角は相等しく、又反射光の各光束の主光線が界面の法線となす角度は全て同じであり、主光線は略平行となる。この結果、光学界面２０ｂにおける反射光による虚像は、ライトバルブから極めて離れた位置に形成されるので、光学界面２０ｂにおける反射光の一部が投写レンズ７に入射しても、光束の集中によってスクリーン上に表示されたり、ゴースト像が形成されたりすることは無いと言える。

ところで、正パワーのレンズ素子５の凸面（光学界面２０ａ）を反射型ライトバルブ６側に向けた態様や、従来の投写型表示装置のように正パワーのレンズ素子として両面が凸面のレンズを用いた態様が考えられる。しかしながら、このような態様では、反射型ライトバルブ６に入射する照明光の光束１０ａ、１０ｂ及び１０ｃは、正パワーのレンズ素子を通過した後に、テレセントリックになる。

即ち、上記の態様では、照明光の光束１０ａ、１０ｂ及び１０ｃの主光線は、正パワーのレンズ素子５におけるいずれの光学界面においても互いに略平行にならず、これらの光学界面での反射光は、反射型ライトバルブの近傍に虚像を形成する。このため、上記の態様では、本実施の形態１に比べて、投写レンズ７に入射する不要光成分が多く、その結果、投影画像上にゴースト等が発生し、投写画像の画質が大きく劣化すると言える。

このように、本実施の形態１にかかる投写型表示装置においては、正パワーのレンズ素子５として１枚の平凸レンズを用い、更に、正パワーのレンズ素子５は、その凸面（光学界面２０ａ）を投写レンズ７に向けた状態で、反射型ライトバルブ６と投写レンズ７との間に配置される。このため、本実施の形態１にかかる投写型表示装置を用いれば、従来の投写型表示装置に比べ、投写レンズ７に入射する不要光成分によって投写画像の画質が低下するのを抑制することができる。

また、正パワーのレンズ素子５をこのように配置しているため、正パワーのレンズ素子５の光軸１４に対して傾斜した方向から入射する各光束１０ａ、１０ｂ及び１０ｃに、比較的バランスよく屈折力が働くこととなる。よって、反射型ライトバルブ６の表示領域の一部に光束が集中することがなく、輝度ムラの発生を抑制できる。

本実施の形態１にかかる投写型表示装置においては、正パワーのレンズ素子５の光学界面（凸面）２０ａには、極超低反射コート等を施して反射防止膜を形成するのが好ましい態様である。このような態様とすることで、光学界面２０ａでの反射光の発生をより抑制でき、更にスクリーン上に到達する不要光成分を小さくできるので、よりコントラストの低下しない良好な画像を得ることができる。反射防止膜としては、例えばＴｉ０₂、Ｓｉ０₂などの透明光学薄膜や、これらの積層膜等が挙げられる。

また、本実施の形態１にかかる投写型表示装置では、正パワーのレンズ素子５を用いているため、投写レンズ７としてテレセントリックな光学系を用いても、投写光学系７の入射瞳９と照明光学系２の出射瞳８とを小さくすることができる。更に、プリズムを用いることなく照明光学系２からの入射光の光路と反射型ライトバルブからの出射光の光路とを分離することができる。このため、本実施の形態１にかかる投写型表示装置によれば、装置の小型化を図ることができ、更に正面投写が実現できる。

更に、図１及び図２（ａ）に示すように、本実施の形態１にかかる投写型表示装置においては、反射型ライトバルブ６の光軸１５、投写光学系７の光軸１３及び正パワーのレンズ素子５の光軸１４は互いに平行であり、これらは一致している。このため、投写光学系に偏芯した要素がなく、投写画像の収差が良好に補正できる。

なお、本明細書でいう「光軸が平行」には、許容できる範囲の誤差を有している場合も含まれる。同様に、「光軸が一致」には完全に一致している場合だけでなく、許容できる範囲の誤差を有している場合も含まれる。

また、光軸１３〜１５が互いに平行であって、一致するため、反射型ライトバルブ６からの出射光の光束１１ａ、１１ｂ及び１１ｃの主光線は、正パワーのレンズ素子５の焦点１６を通ることとなる。更に、図１及び図２（ａ）に示すように、照明光学系２の出射瞳８と投写レンズ７の入射瞳９とは、正パワーのレンズ素子５について共役関係にあり、正パワーのレンズ素子５の焦点面１７と投写レンズ７の入射瞳９とは一致する。

このため、本実施の形態にかかる投写型表示装置においては、投写レンズ７で周辺光が通過できずにけられるのを抑制でき、投写画像は最大の明るさを得ることができる。また、正パワーのレンズ素子５における光学界面２０ａ（凸面）の頂点から投写レンズ７の入射瞳９までの距離ｄは、正パワーのレンズ素子５のバックフォーカスと略一致する。

なお、照明光学系２の出射瞳８と投写光学系７の入射瞳９とは、正パワーのレンズ素子５について共役関係にあるが、ここでいう「共役関係」は、図１及び図２に示すように投写レンズ７の入射瞳９が、正パワーのレンズ素子５の焦点面１６と一致している場合だけを言うのではない。正パワーのレンズ素子５と反射型ライトバルブ６により構成される結像系によって、入射瞳９が照明光学系２の出射瞳８の位置に結像される場合をもいう。具体的には、照明光学系２の出射瞳８を通る光束のうち反射型ライトバルブ６で反射される光束の８０％以上が、レンズ素子５を通過して投写レンズ７の入射瞳９の有効領域に入射している場合であれば、上記の「共役関係」にあるといえる。

また、図１及び図２（ａ）に示すように、本実施の形態１においては、照明光学系２は、出射瞳８が正パワーのレンズ素子５の焦点面１７の近傍となるように配置されている。照明光学系２をこのように配置することにより、反射型ライトバルブ６に入射する照明光を容易にテレセントリックにでき、更に照明光の損失を抑制することができる。

本実施の形態においては、正パワーのレンズ素子５として焦点距離が４０ｍｍ〜８０ｍｍ程度のものを用いるのが好ましい。このような正パワーのレンズ素子５を用いれば、適切なパワーが得られ、照明光学系２の出射瞳８からの光束と反射型ライトバルブ６を出射して投写光学系７の入射瞳９に入射する光束との分離を確実なものとできるからである。なお、正パワーのレンズ素子５の焦点距離は、反射型ライトバルブ６への入射光と反射型ライトバルブ６からの出射光とがなす角度、反射型ライトバルブ６への入射光のＦナンバ、反射型ライトバルブ６からの出射光のＦナンバにあわせて適宜選択できる。

ところで、上述したように反射型ライトバルブ６がＯＮ状態のとき、反射型ライトバルブ６で反射された光（ＯＮ光）は投写レンズ７に入射するが、ＯＦＦ状態のとき、反射された光（ＯＦＦ光）は光軸１５に対して一４０度（時計方向）の方向に出射する。このＯＦＦ光も同様に正パワーのレンズ素子５に入射するが、ＯＮ光と出射方向が異なるため、正パワーのレンズ素子５の焦点面１７に近いが、投写レンズ７の入射瞳９とは異なる位置に集光する。このため、投写レンズ７の最終面に近接して絞りを設けた構成とすることで、不要光の入射を極力抑えることができる。

本実施の形態１では、正パワーのレンズ素子５は、屈折率の高い硝材で形成するのが好ましい。この場合、正パワーのレンズ素子５の中心厚を薄くでき、投写型表示装置をより小型化することができる。また、レンズ素子の凸面の曲率半径を大きくしても、強いパワーで入射光を屈折させることができるので、反射光による不要光成分がスクリーン上に到達するのを抑制できる。具体的には、屈折率が１.７４以上、１．８５以下の材料を用いるのが好ましい。このような材料であれば、硝材コストを押さえつつ、十分な性能を得ることができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２にかかる投写型表示装置について、図３及び図４を参照しながら説明する。図３は、本発明の実施の形態２にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。図４は、図３に示す正パワーのレンズ素子の表面を拡大して示す図である。なお、本実施の形態２でも、反射型ライトバルブとして、図１７で示したＤＭＤが用いられている。図３は、ＤＭＤを構成する微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。

図３に示すように、本実施の形態２にかかる投写型表示装置は、正パワーのレンズ素子３５が異なる以外は、実施の形態１にかかる投写型表示装置と同様に構成されている。即ち、光源３１、照明光学系３２、反射型ライトバルブ３６及び投写レンズ３７は、実施の形態１で用いられたものと同様のものである。

また、本実施の形態２では、光源３１、照明光学系３２、正パワーのレンズ素子３５、反射型ライトバルブ３６及び投写レンズ３７は、実施の形態１と同様に配置されている。本実施の形態２においても、反射型ライトバルブ３６、投写レンズ３７および正パワーのレンズ素子３５は、互いの光軸（４５、４３、４４）が平行となり、これらが一致するように配置されている。なお、図３において、３８は照明光学系３２の出射瞳、３９は投写レンズ３７の入射瞳、４７は正パワーのレンズ素子３５の焦点面、４６は正パワーのレンズ素子３５の焦点である。また、４０ａ〜４０ｃは照明光の光束であり、４１ａ〜４１ｃは反射型ライトバルブ３６からの出射光の光束である。

図３に示すように、本実施の形態２においては、正パワーのレンズ素子３５は、実施の形態１とは異なり、両凸レンズで構成されている。更に、図４に示すように、正パワーのレンズ素子３５の両面には、微細加工技術により、複数の微小な突起４２が形成されている。

この突起４２のピッチｐ１は可視帯域波長（照明光の波長）の１／２以下、好ましくは１５０ｎｍ〜２５０ｎｍに設定するのが良い。また、突起４２の高さｈ１はピッチｐ１の１倍以上、好ましくは３倍以上に設定するのが良く、具体的には、３００ｎｍ〜７５０ｎｍとするのが良い。

なお、図４の例では、突起４２は、円錐状に形成されており、軸断面の面積が先端から底部に向かうにつれて徐々に大きくなっているが、本発明はこれに限定されるものではない。突起４２は、柱状に形成されていても良く、また突起４２の断面は円形以外の多角形であっても良い。

このため、本実施の形態２においては、複数の微少な突起４２が形成されたレンズ面が空気層と接することとなり、下記の参考文献に記載のように、正パワーのレンズ素子３５に入射した光は、複数の微少な突起４２によって、あたかも連続的に屈折率が変化したかのごとく振舞うこととなる。この場合、正パワーのレンズ素子に入射した光は、図２（ｂ）で示したようにレンズ面で反射されること無く、レンズ素子に入射する。よって、本実施の形態２にかかる投写型表示装置によれば、投写レンズ３７に入射する不要光成分をゼロにすることができる。
［参考文献］
Hiroshi TOYOTA, Koji TAKAHARA, Masato OKANO, Tsutom YOTSUYA and Hisao KIKUTA “FabricatiＯｎof MicrocＯｎe Array for AntireflectiＯｎ Structured Surface Uｓｉｎg Metal Dotted Pattern"、Jpn. J. Appl. Phyn. Vol. 40 (2001 ) pp. 1747-1749
この結果、照明光学系３２からの光束４０ａ、４０ｂ及び４０ｃは正パワーのレンズ素子３５の各光学界面で反射されること無く、反射型ライトバルブ３６に到達し、光学像を照明する。また、反射型ライトバルブ３６からの出射した光は、正パワーのレンズ素子３５により収束され、投写レンズ３７の入射瞳３９に入射する。よって、反射型ライトバルブ３６上に形成された光学像は投写レンズ３７によりスクリーンに拡大投写される。

なお、本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、正パワーのレンズ素子３５として平凸レンズを用いることもでき、凸面を投写レンズ３７に向けて配置することができる。この場合は、凸面にのみに複数の微少な突起を設ければ良い。また、複数の微少な突起の形成方法としては、成形面に微少な凹部が複数設けられた金型を用いてレンズ全体と共に形成する方法や、複数の微少な突起が設けられていないレンズのレンズ面にエッチングを施して形成する方法等が挙げられる。

このように本実施の形態２にかかる投写型表示装置を用いれば、実施の形態１にかかる投写型表示装置よりも、更に不要光成分による投写画像の画質の低下を抑制することができる。また、本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、全反射プリズムを用いることなく正面投写を実現することができる。

また、本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、正パワーのレンズ素子３５は、屈折率の高い硝材で形成するのが好ましい。具体的には、屈折率が１.７４以上、１．８５以下の材料を用いるのが好ましい。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３にかかる投写型表示装置について、図５及び図６を参照しながら説明する。図５は、本発明の実施の形態３にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。図６は、図５に示す正パワーのレンズ素子を拡大して示す断面図である。なお、本実施の形態３でも、反射型ライトバルブとして、図１７で示したＤＭＤが用いられている。図５は、ＤＭＤを構成する微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。

図５に示すように、本実施の形態３にかかる投写型表示装置も、正パワーのレンズ素子５５が異なる以外は、実施の形態１にかかる投写型表示装置と同様に構成されている。即ち、光源５１、照明光学系５２、反射型ライトバルブ５６及び投写レンズ５７は、実施の形態１で用いられたものと同様のものである。

また、本実施の形態３では、光源５１、照明光学系５２、正パワーのレンズ素子５５、反射型ライトバルブ５６及び投写レンズ５７は、実施の形態１と同様に配置されている。本実施の形態３においても、反射型ライトバルブ５６、投写レンズ５７および正パワーのレンズ素子５５は、互いの光軸（６５、６３、６４）が平行となり、これらが一致するように配置されている。なお、図５において、５８は照明光学系５２の出射瞳、６７は正パワーのレンズ素子５５の焦点面、６６は正パワーのレンズ素子５の焦点である。また、６０ａ〜６０ｃは照明光の光束であり、６１ａ〜６１ｃは反射型ライトバルブ５６からの出射光の光束である。

図５及び図６に示すように、本実施の形態３においては、正パワーのレンズ素子５５は、実施の形態１とは異なり、平凹レンズ６８と平凸レンズ６９とを接合して構成されている。また、平凸レンズ６９の屈折率は、平凹レンズ６８の屈折率よりも大きくなっている。

具体的には、平凹レンズ６８は、下記表１に示すように、例えば、硝材Ａ、硝材Ｂなど、屈折率の比較的低い材料を用いて形成される。一方、平凸レンズ６９は、下記表１に示すように、硝材Ｃ、硝材Ｄ等の屈折率が比較的高い硝材を用いて形成される。なお、表１において「ｎｄ」は、硝材Ａ〜硝材Ｄの屈折率を示し、「νｄ」は、硝材Ａ〜硝材Ｄの分散を示している。

この平凹レンズ６８と平凸レンズ６９とを接合して構成したレンズ素子５５も、実施の形態１で用いられるレンズ素子と同様に、全体として正パワーを有している。このため、実施の形態１と同様に、照明光学系５２の出射瞳５８から出射される光束６０ａ、６０ｂ及び６０ｃは、それぞれ主光線が互いに略並行で、反射型ライトバルブ５６の光軸６５となす角度が約２０度のテレセントリックな照明光となる。また、各光束の広がり角はいずれも略等しくなる。

また、反射型ライトバルブ５６からの出射光は、正パワーのレンズ素子５５により光束が小さくされながら、投写レンズ５７の入射瞳５９に入射する。投写レンズ５７の入射瞳５９に入射した光は投写レンズ５７によってスクリーンに拡大投影される。

本実施の形態３においては、接合する２枚のレンズの屈折率差が大きいほど接合面のパワーが大きくなる。しかしながら、屈折率差が大きいほど接合面での界面反射が増大し、実施の形態１で述べたと同様の反射による不要光が接合面で発生する。このため、投写レンズ５７に入射する不要光成分が多いと、投写画像のコントラストが低下してしまう。

このため、本実施の形態３では、接合面での反射率を低減して不要光の発生を抑制するため、図６（ａ）に示すように、低屈折率材料で構成された平凹レンズ６８の面６８ｂと高屈折率材料で構成された平凸レンズ６９の面６９ａとの間に、平凹レンズ６８の屈折率よりも大きく、平凸レンズ６９の屈折率よりも小さい屈折率を有する膜が介在した態様としている。

具体的には、平凸レンズ６９の面６９ａに、両者の材料の少なくとも中間の屈折率を有する薄膜７０ｂを蒸着等によって形成し、薄膜７０ｂが形成された平凸レンズ６９と平凹レンズ６８とを、薄膜７０ｂと平凹レンズ６８との中間の屈折率を有する接着材７０ａによって接合している。図６（ａ）に示す薄膜７０ｂの例としては、Ｓｉ０₂膜、Ｔｉ０₂膜等や、これらの積層膜が挙げられる。

また、本実施の形態３では、図６（ｂ）に示すように、平凹レンズ６８の面６８ｂと平凸レンズ６９の面６９ａとの間に、屈折率が平凹レンズ６８の屈折率から平凸レンズ６９の屈折率まで変化する膜を介在させた態様とすることもできる。

具体的には、屈折率が１.５〜１.８５まで連続的に変化する薄膜７０ｂを平凸レンズ６９の面６９ａにスパッタリングによって形成し、この平凸レンズ６９と平凹レンズ６８とを、平凹レンズ６８と同等の屈折率をもつ接着剤７０ａ（例えば、チバ・スペシャル・ケミカルズ社製「アラルダイトＡＹ１０３」等）によって接合している。

図６（ｂ）に示す薄膜７０ｂの例としては、高い屈折率を有する膜と、中間の屈折率を有する膜と、低い屈折率を有する膜との積層膜が挙げられる。高い屈折率を有する膜としては、Ｎｂ₂Ｏ₅膜、Ｓｂ₂Ｏ₅膜、Ｔａ₂Ｏ₅膜等や、これらの積層膜が挙げられる。中間の屈折率を有する膜としては、Ｓｉ０₂膜、Ｔｉ０₂膜等や、これらの積層膜が挙げられる。また、低い屈折率を有する膜としては、ＭｇＦ₂膜、ＬｉＦ膜、ＢａＦ₂膜等や、これらの積層膜が挙げられる。

このような図６（ａ）及び（ｂ）に示す態様とすることにより、平凹レンズ６８と平凸レンズ６９との接合面での界面反射はほぼ零に抑制することができるで、反射光による不要光の発生を抑制した正パワーのレンズ素子を得ることができる。

本実施の形態３においても、照明光学系５２の出射瞳５８からの光束６０ａ、６０ｂ及び６０ｃは、凹レンズ６８の面６８ａに入射し、一部は面６８ａで反射する。しかし、面６８ａは凹面であり、光束６０ａ、６０ｂ及び６０ｃの各主光線は互いに平行ではない。従って、面６８ａの曲率半径を適切に設定することにより、光束６０ａ、６０ｂ及び６０ｃの面６８ａでの反射光がライトバルブ５６の有効表示領域上に虚像を形成するのを抑制できる。また、反射型ライトバルブ５６からの出射光の光束６１ａ、６１ｂ及び６１ｃが、互いに略平行に出射するためには、面６８ａは凹面であることが必要である。

ところで、平凹レンズ６８の凹面（面６８ａ）の曲率半径が小さいほど、光束６０ａ、６０ｂ及び６０ｃの反射光に含まれる各種光線の反射角度が大きくなり、反射光の投写レンズ５７に入射する成分は少なくなる。しかし、面６８ａの曲率半径が小さくなると、正パワーのレンズ素子５５全体のパワーを確保するためには、接合面となる面６８ｂ及び面６９ａの曲率半径を小さくするか、平凹レンズ６８と平凸レンズ６９との屈折率差を大きくする必要がある。

ところが、レンズ間の屈折率差は、実用上世の中に存在する透明ガラス材料を用いた場合は最大０.４５程度であり、それ以上大きくすることはできない。また、接合面となる面６８ｂ及び面６９ａの曲率半径を小さくしようとすると、レンズ加工上、中心厚を厚くする必要があり、投写レンズのバックフォーカスが長くなってしまう。従って、これらの理由から、平凹レンズ６８の凹面（面６８ａ）の曲率半径は、面６８ａにおける反射光が形成する虚像がライトバルブ５６の有効表示領域外に形成される範囲で最大の曲率半径を選択するとよい。

このように、正パワーのレンズ素子５５として、平凹レンズ６８と平凸レンズ６９との接合レンズを用いれば、不要反射光の入射を抑制しつつ、正パワーのレンズとして適切なパワーを得ることができる。更に、照明光学系５２の出射瞳５８からの光束と、反射型ライトバルブ５６から出射されて投写レンズ５７の入射瞳５９に入射する光束との分離を確実なものとできる。

また、上記の効果を高める点から、本実施の形態３においては、正パワーのレンズ素子５５として焦点距離が４０ｍｍ〜８０ｍｍ程度のものを用いるのが好ましい。なお、正パワーのレンズ素子５５の焦点距離は、反射型ライトバルブ５６への入射光とそれからの出射光とがなす角度、反射型ライトバルブ５６への入射光のＦナンバ、それからの出射光のＦナンバにあわせて適宜選択できる。

このように本実施の形態３にかかる投写型表示装置を用いれば、実施の形態１にかかる投写型表示装置よりも、更に不要光成分による投写画像の画質の低下を抑制することができる。また、本実施の形態３においても、実施の形態１と同様に、全反射プリズムを用いることなく正面投写を実現することができる。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４にかかる投写型表示装置について、図７及び図８を参照しながら説明する。図７は、本発明の実施の形態４にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。図８（ａ）は、図７に示す反射型ライトバルブの近傍部分における照明光と投写光の光路を示す図であり、図８（ｂ）は、図７に示す反射型ライトバルブの近傍部分における正パワーのレンズ素子の光学界面での反射光の振る舞いを示す図である。

なお、本実施の形態４でも、反射型ライトバルブとして、図１７で示したＤＭＤが用いられている。図７および図８は、ＤＭＤを構成する微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。また、微小ミラーの可動範囲は±１０度である。

最初に図７を用いて本実施の形態４における投写型表示装置の構成および動作を説明する。本実施の形態４にかかる投写型表示装置は、以下の点で実施の形態１にかかる投写型表示装置と異なっている。図７に示すように、反射型ライトバルブ７６と正パワーのレンズ素子７５とは互いの光軸（８５、８４）を平行にした状態で、光軸（８５、８４）間に距離ｄ１を設けて配置されている。また、距離ｄ１は、レンズ素子７５の光学界面８８で反射する照明光の不要光成分のうち投写レンズ７７に入射する光が、反射型ライトバルブから出射される変調光の有効光成分と分離されるように設定されている。

更に、本実施の形態４では、正パワーのレンズ素子７５は、実施の形態１で示したレンズ素子と同様の形状を有しているが、有効径や屈折率の点で異なっている。また、投写レンズ７７のスクリーン側に遮光部７３を有している。

上記の点以外の点では、本実施の形態４にかかる投写型表示装置は、実施の形態１にかかる投写型表示装置と同様に構成されている。即ち、正パワーのレンズ素子７５の配置は、照明光がレンズ素子７５を通過して反射型ライトバルブ７６を照明するように、又反射型ライトバルブ７６から出射する変調光がレンズ素子７５を通過して投写レンズ７７に入射するように行われている。

また、光源７１、照明光学系７２、反射型ライトバルブ７６及び投写レンズ７７は、実施の形態１で用いられたものと同様のものである。更に、正パワーのレンズ素子７５と投写レンズ７７とは、互いの光軸（８４、８３）が平行となり、これらが一致するように配置されている。照明光学系７２の出射瞳７８と投写レンズ７７の入射瞳７９とは、正パワーのレンズ素子７５について共役関係にある。なお、図７において、８７は正パワーのレンズ素子７５の焦点面、８６は正パワーのレンズ素子７５の焦点である。

このような構成により、本実施の形態４にかかる投写型表示装置においても、実施の形態１と同様に、反射型ライトバルブ７６からの出射光が正パワーのレンズ素子７５を通過して投写レンズ７７に入射することにより、反射型ライトバルブ７６上の光学像がスクリーン上に拡大投写される。

次に、図８を用いて本発明の投写型表示装置の原理を説明する。照明光学系７２の出射瞳７８からは、実施の形態１と同様に、光源７１により集光され、照明光学系７２により均一化および整形された光束が出射する。即ち、図８（ａ）に示すように、照明光学系７２の出射瞳７８からは、反射型ライトバルブ７６の上部を照明する光束８０ａ、反射型ライトバルブ７６の中央部を照明する光束８０ｂ、反射型ライトバルブ７６の下部を照明する光束８０ｃが出射される。

光束８０ａ、８０ｂ及び８０ｃは、正パワーのレンズ素子７５を通過して反射型ライトバルブ７６へと入射する。このため、出射瞳７８から出射する光線の内、反射型ライトバルブ上部を照明する光束８０ａは、正パワーのレンズ素子７５により屈折し、正パワーのレンズ素子７５に入射する前と比べ、正パワーのレンズ素子７５の光軸８４となす角が小さくなる方向に屈折する。

一方、反射型ライトバルブ７６の下部を照明する光束８０ｃは、正パワーのレンズ素子７５により、光軸８４とのなす角が大きくなる方向に屈折する。このように、実施の形態１と同様に、正パワーのレンズ素子７５を通過した光束８０ａ、光束８０ｂ及び光束８０ｃはそれぞれ主光線が互いに略並行で、反射型ライトバルブ７６の光軸８５となす角度が約２０度のテレセントリックな照明光となる。また、各光束の広がり角はいずれも略等しくなる。

このとき、図８（ｂ）に示すように、実施の形態１と同様に、照明光学系７２の出射瞳７８からの光束８０ａ、８０ｂ及び８０ｃの一部は、正パワーのレンズ素子７５の光学界面８８で反射され、光束９０ａ、９０ｂ及び９０ｃが発生し、投写レンズ７７の方向に進行する。これらの光束は、反射型ライトバルブ７６の近傍に虚像８２を形成する不要光である。

しかしながら、本実施の形態４では、上述したように反射型ライトバルブ７６と正パワーのレンズ素子７５とは、互いの光軸（８５、８４）が距離ｄ１だけ離れるように配置されている。また、距離ｄ１は、上述したように、光学界面８８で発生した光束９０ａ、９０ｂ及び９０ｃのうち投写レンズ７７に入射する光が、反射型ライトバルブ７６から出射される変調光の有効光成分と分離されるように設定されている。

このため、本実施の形態４によれば、虚像８２は、反射型ライトバルブ７６の有効表示領域以外に形成されることとなり、よって、スクリーンの表示領域上における不要光の発生を抑制できるので、画質の優れた投写画像を得ることができる。

なお、反射型ライトバルブ７６の光軸８５と正パワーのレンズ素子７５の光軸８４との距離ｄ１の設定においては、反射型ライトバルブ７６の有効表示領域の大きさ、照明光学系７２の出射瞳７８の大きさや形状、虚像８２の強度分布等を加味して行なわれる。

具体的には、距離ｄ１の設定は、以下のようにして行なうことができる。例えば、反射型ライトバルブ７６が矩形の表示領域を有しており、この矩形のいずれかの辺と平行に距離ｄ１が設けられるのであるならば、距離ｄ１はこの辺の長さの１／４以上、１／２以下とするのが好ましい。この場合、投写レンズ７７の有効像円を著しく大きくすること無く、又光軸を互いにチルトさせること無く、適切なパワーで、照明光学系７２の出射瞳７８からの光束と、反射型ライトバルブ７６から出射されて投写レンズ７７の入射瞳７９に入射する光束との分離を確実なものとしつつ、不要光の発生を抑制できる。

また、本実施の形態４においては、上述したように、投写レンズ７７のスクリーン側に遮光部７３を有している。このため、投写レンズ７７に入射した不要光を遮光することができる。なお、遮光部７３は、不要光を適切に遮蔽できるのであれば、投写レンズ７７からスクリーンまでの間のいずれに配置してもよい。

図７の例では、不要光は投写レンズ７７から出射する光束のうちの一部であるため、遮光部７３の形状は、不要光の通過する領域のみを遮蔽する形状となっている。但し、遮光部７３の形状は特に限定されるものではなく、例えば、開口部を有した枠状や環状等であっても良い。

この場合、遮光部７３の開口部は、反射型ライトバルブ７６から出射して投写レンズ７７に入射する光束のうち、本来の映像の表示に必要な有効光束のみが、スクリーン（図示せず）に到達するように設ければ良い。

また、この場合、遮光部７３を投写レンズ７７のスクリーン側に配置するのであれば、一般にここでの光束はスクリーンの有効表示領域とほぼ相似形であるため、開口部もスクリーンの有効表示領域とほぼ相似形となるように形成するのが好ましい。

本実施の形態４においては、虚像８２が形成される面と反射型ライトバルブ７６の変調光を出射する表示面とが略一致した態様とするのが好ましい。この態様とすれば、表示領域中の虚像８２と重なる領域を最も小さくでき、又正パワーのレンズ素子７５の光軸８４と反射型ライトバルブ７６の光軸８５との距離ｄ１を小さくできる。更に、この態様とすれば、投写レンズ７７の有効像円を小さくできる。

また、本実施の形態４においては、正パワーのレンズ素子７５として焦点距離が５０ｍｍ〜１２０ｍｍ程度のものを用いるのが好ましい。このような正パワーのレンズ素子７５を用いれば、適切なパワーが得られ、照明光学系７２の出射瞳７８からの光束と反射型ライトバルブ７６から出射して投写レンズ７７の入射瞳７９に入射する光束との分離を確実なものとできるからである。

なお、正パワーのレンズ素子７５の焦点距離は、反射型ライトバルブ７６への入射光とそれからの出射光とがなす角度、反射型ライトバルブ７６への入射光のＦナンバ、それからの出射光のＦナンバにあわせて適宜選択できる。

また、本実施の形態４では、上述したように、レンズ素子７５として、実施の形態１で用いられたレンズ素子よりも有効径が大きいレンズ素子が用いられている。これは、距離ｄ１が設定されているため、正パワーのレンズ素子７５における照明光の光束が通過する領域と反射型ライトバルブ７６から出射される光束が通過する領域とを合わせた有効領域が広がるからである。

ところで、１枚の平凸レンズで正パワーのレンズ素子７５を構成し、有効径を大きくしようとすると、コバ厚を確保するために、厚い中心厚が必要になる。従って、本実施の形態４においても、実施の形態１と同様に、正パワーのレンズ素子７５は屈折率の高い硝材で形成するのが好ましい。具体的には、屈折率が１.７４以上、１．８５以下の材料を用いるのが好ましい。

このように本実施の形態４にかかる投写型表示装置を用いれば、実施の形態１にかかる投写型表示装置よりも、更に不要光成分による投写画像の画質の低下を抑制することができる。また、本実施の形態４においても、実施の形態１と同様に、全反射プリズムを用いることなく正面投写を実現することができる。

（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５にかかる投写型表示装置について、図９及び図１０を参照しながら説明する。図９は、本発明の実施の形態５にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。図１０は、図９に示す反射型ライトバルブの近傍部分を拡大して示す図である。なお、本実施の形態５でも、反射型ライトバルブとして、図１７で示したＤＭＤが用いられている。図９及び図１０は、ＤＭＤを構成する微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。

最初に、図９を用いて本実施の形態５にかかる投写型表示装置の構成および動作を説明する。本実施の形態５にかかる投写型表示装置は、以下の点で実施の形態１にかかる投写型表示装置と異なっている。図９に示すように、レンズ素子９５と反射型ライトバルブ９６との光軸方向における距離ｄ２は、レンズ素子９５の光学界面で反射する照明光の不要光成分のうち投写レンズ９７に入射する光が、反射型ライトバルブ９６から出射される変調光の有効光成分と分離されるように設定されている。

また、本実施の形態５にかかる投写型表示装置は、投写レンズ９７のスクリーン側に遮光部１２０を有している。更に、本実施の形態５にかかる投写型表示装置は、カラーホイール１２１を有しており、照明光学系９２の構成が実施の形態１と異なっている。

上記の点以外の点では、本実施の形態５にかかる投写型表示装置は、実施の形態１にかかる投写型表示装置と同様に構成されている。即ち、光源９１と、正パワーのレンズ素子９５、反射型ライトバルブ９６及び投写レンズ９７は、実施の形態１で用いられたものと同様のものである。

また、反射型ライトバルブ９６、投写レンズ９７および正パワーのレンズ素子９５は、実施の形態１と同様に配置されており、互いの光軸（１０５、１０３、１０４）は平行、且つ、一致している。更に、実施の形態１と同様に、照明光学系９２の出射瞳９８と投写レンズ９７の入射瞳９９とは、正パワーのレンズ素子９５について共役関係にある。なお、図９において、１０７は正パワーのレンズ素子９５の焦点面、１０６は正パワーのレンズ素子９５の焦点である。

本実施の形態５においては、照明光学系９２は、照明光学系９２は、コンデンサレンズ１２２と、第１のレンズアレイ１２３と、第２のレンズアレイ１２４と、リレーレンズ１２５とを順に配置して構成されている。

本実施の形態５において、カラーホイール１２１は、光源９１からの光が集光する凹面鏡１ｂの第２焦点ｆ２に配置されている。カラーホイール１２１は、円周上にＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色のフィルタを順に並べて構成されており、その一部を光が通過する。カラーホイール１２１にはモータなどの原動機（図示せず）が取り付けられており、カラーホイール１２１は軸１２６を中心にして高速で回転するよう構成されている。そのため、通過光は順次Ｒ、Ｇ、Ｂに切り替わる。カラーホイール１２１を通過した光は凹面鏡１ｂの第２焦点ｆ２に焦点を持つコンデンサレンズ１２２により略平行光に変換される。

変換された略平行光は第１のレンズアレイ１２３に入射する。第１のレンズアレイ１２３は複数の正パワーのレンズ素子で構成されており、この複数の正パワーのレンズ素子はそれぞれ反射型ライトバルブ９６の表示領域の形状に略相似形の開口を有している。また、第２のレンズアレイ１２４も第１のレンズアレイ１２３と同様に複数の正パワーのレンズ素子で構成されている。よって、第１のレンズアレイ１２３に入射した略平行光は、第１のレンズアレイ１２３を構成する複数のレンズ素子によって分割され、該レンズ素子に対応する第２のレンズアレイ１２４を構成する各レンズ素子に発光体像を形成する。

第２のレンズアレイ１２４を構成する各レンズ素子から出射した光線は、リレーレンズ１２５、反射型ライトバルブ９６近傍の正パワーのレンズ素子９５を順に通過し、反射型ライトバルブ９６を照明する。このとき、第２のレンズアレイ１２４の各レンズ素子から出射した光線は反射型ライトバルブ９６の表示領域で重ね合わされる。なお、照明光学系９２の出射瞳９８は第２のレンズアレイ１２４の略近傍であって、リレーレンズ１２５中にある。

反射型ライトバルブ９６から出射した光線は、正パワーのレンズ素子９５により収束され、投写レンズ９７の入射瞳９９に入射する。よって、反射型ライトバルブ９６上に形成された光学像は投写レンズ９７によりスクリーンに拡大投写される。

次に、図１０を用いて、本実施の形態５の不要光成分と有効光成分の分離の原理を説明する。照明光学系９２の出射瞳９８からは、光源９１により集光され、照明光学系９２により均一化および整形された光束が出射し、反射型ライトバルブ９６の上部を照明する光束１００ａ、反射型ライトバルブ９６の中央部を照明する光束１００ｂ、反射型ライトバルブ９６の下部を照明する光束１００ｃが出射される。

このとき、図１０に示すように、図１０中の照明光学系９２の出射瞳９８からの光束１００ａ、１００ｂ及び１００ｃの一部は、正パワーのレンズ素子９５の光学界面１０２で反射され、光束１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃが発生し、投写レンズ９７の方向に進行する。これらの光束は、反射型ライトバルブ９６の近傍に虚像１１２を形成する不要光である。

しかしながら、本実施の形態５では、上述したように、レンズ素子９５と反射型ライトバルブ９６との距離ｄ２は、レンズ素子９５の光学界面１０２で発生した光束１１９ａ、１１９ｂ及び１１９ｃのうち投写レンズ９７に入射する光が、反射型ライトバルブ９６から出射される変調光の有効光成分と分離されるように設定されている。このため、スクリーンの表示領域上における不要光の発生を抑制でき、画質の優れた投写画像を得ることができる。

ここで、距離ｄ２の設定について説明する。距離ｄ２を徐々に大きしていくと、照明光の光束１００ａ、１００ｂ及び光束１００ｃがレンズ素子９５を通過する位置は図中下方向にシフトする。更にこれに伴い、反射光の光束１１９ａ、１１９ｂ及び１１９ｃが正パワーのレンズ素子９５で反射する位置も図中下方向にシフトする。

この場合、光束１１９ａ、１１９ｂ及び１１９ｃのうち投写レンズ９７に入射する光は、反射型ライトバルブ９６から出射される変調光の有効光成分と徐々に分離され、虚像１１２も、相対的に図中下方向に反射型ライトバルブ９６の光軸１０５から遠ざかるように移動する。

このことから、距離ｄ２は、虚像１１２が反射型ライトバルブ７６の有効表示領域以外に形成されるように設定するのが好ましく、この場合、上述したスクリーンの表示領域上における不要光の発生をより抑制することができ、より優れた画質の投写画像を得ることができる。

また、本実施の形態５においても、上述したように、投写レンズ９７のスクリーン側に遮光部１２０を有している。このため、投写レンズ９７に入射した不要光を遮光することができる。遮光部１２０は実施の形態４で示したものと同様のものである。

本実施の形態５においては、照明光学系９２の出射瞳９８から正パワーのレンズ素子９５までの距離と、正パワーのレンズ素子９５の焦点距離を適切に選択することで、虚像１１２が形成される面と、反射型ライトバルブ９６の表示面とを略一致させることができる。この場合、表示領域中の虚像１１２と重なる領域を最も小さくでき、又正パワーのレンズ素子９５と反射型ライトバルブ９６との距離ｄ２を小さくできるので、投写レンズ９７のバックフォーカスを短縮し、小型化を図ることができる。

ところで、本実施の形態５においては、距離ｄ２を設定しているため、反射型ライトバルブ９６からの出射光の光束は、実施の形態１に比べて大きくなる。このため、本実施の形態５においても、正パワーのレンズ素子の有効径を大きくするのが好ましい態様である。また、実施の形態４で述べたように、正パワーのレンズ素子９５を１枚の平凸レンズで構成しようとすると、コバ厚を確保するために、厚い中心厚が必要になる。従って、本実施の形態５においても、実施の形態１と同様に、正パワーのレンズ素子９５は屈折率の高い硝材で形成するのが好ましい。具体的には、屈折率が１.７４以上、１．８５以下の材料を用いるのが好ましい。

このように本実施の形態５にかかる投写型表示装置を用いれば、実施の形態１にかかる投写型表示装置よりも、更に不要光成分による投写画像の画質の低下を抑制することができる。また、本実施の形態５においても、実施の形態１と同様に、全反射プリズムを用いることなく正面投写を実現することができる。

（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６にかかる投写型表示装置について、図１１〜図１３を参照しながら説明する。図１１は、本発明の実施の形態６にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。図１２は、図１１に示す投写型表示装置を構成する投写レンズの入射瞳を示している。なお、本実施の形態６でも、反射型ライトバルブとして、図１７で示したＤＭＤが用いられている。図１１は、ＤＭＤを構成する微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。

最初に、図１１を用いて本実施の形態６にかかる投写型表示装置の構成および動作を説明する。図１１に示すように、本実施の形態６にかかる投写型表示装置は、投写レンズ９７のスクリーン側に遮光部１２０が設けられておらず、代わりに絞りが設けられている点で、実施の形態５にかかる投写型表示装置と異なっている。それ以外の点では、本実施の形態６にかかる投写型表示装置は、実施の形態５にかかる投写型表示装置と同様である。なお、図１１において図９と同じ符号が付された部分は、図９で示されたものと同様のものである。

本実施の形態６にかかる投写型表示装置においては、図１２に示すように投写レンズ９７の入射瞳９９に、投写レンズ９７の光軸１０３に対して偏心した絞り１３８が設けられている。また、後述するように第２の絞り（図示せず）も設けられている。１２７は有効領域である。このため、反射型ライトバルブ９６で反射される照明光のうち光学像を構成するもの（変調光の有効光成分）のみが絞り１３８を通過する。この点について図１３を用いて説明する。

図１３は、図１１に示す反射型ライトバルブの表示領域の中心部分における光束の振る舞いを示す図である。図１３では、反射型ライトバルブを構成する微小ミラーのうち表示領域の中心にあるもののみが図示されている。また、図１３は、ＤＭＤを構成する微小ミラーの回転支軸に垂直に切断してなる断面で示されている。図１３において、９６ａはＯＮ状態の微小ミラー、９６ｂはＯＦＦ状態の微小ミラーであり、投写レンズ９７については入射瞳９９のみが示されている。

図１３に示すように、照明光学系の光軸１２８と反射型ライトバルブ９６の光軸１０５（投写レンズ９７の光軸１０３）とがなす角をβ、ＯＮ状態の微小ミラーの法線１２９と反射型ライトバルブ９６の光軸１０５とがなす角をγとする。このとき、反射型ライトバルブ９６がＯＮ状態のときに出射される光束の主光線１３２と反射型ライトバルブ９６の光軸１０５とのなす角αは下記式（２）であらわされる。
α＝β−２γ・・・・・（２）
一方、反射型ライトバルブ９６がＯｆｆ状態のときに出射される光束１３９の主光線１３３と反射型ライトバルブの光軸１０５（投写レンズ９７の光軸１０３）とがなす角をδとすると、δは下記式（３）であらわされる。このＯＦＦ状態のときに出射される光束は不要光となる。
δ＝４γ＋α・・・・・（３）
投写画像の画質を向上するためには、不要光が投写レンズ９７の入射瞳９９に入射してレンズの内部に迷光を発生させたり、不要光がスクリーンに到達したりしないようにすることが必要である。従って、上記式（３）より、角度αを０以上とすれば、δが大きくなり、反射型ライトバルブ９６がＯＦＦ状態の時に出射される光束は、角度αが０の時に光束１４０の位置にあったものが光束１３９の位置へとシフトする。よって、主光線１３３は投写レンズの入射瞳９９から遠くなり、上記の不要光が入射瞳９９に入射するのを抑制できる。

また、反射型ライトバルブ９６がＯＮ状態のときに出射される光束の主光線１３２と反射型ライトバルブの光軸１０５とが一致するとき、即ちαが０度の場合の有効領域は点線で示す１３０である。しかし、主光線１３２が傾くと（α>０）と有効領域は図中上方向にシフトし、この場合の有効領域は図１２でも示した１２７となる。よって、本実施の態様においては、投写レンズの入射瞳９９のうち、有効領域１２７以外の領域は、不要光が通過しないよう絞り１３８を設けて遮光している。

また、反射型ライトバルブの表面に設けられた透明基板で反射される光も不要光となるが、この不要光の主光線１３４と反射型ライトバルブの光軸１０５（投写レンズ９７の光軸１０３）とがなす角もβとなる。よって、角度αを０度以上とすることで、この不要光の主光線１３４と反射型ライトバルブの光軸１０５（投写レンズ９７の光軸１０３）とがなす角βも大きくなり、この不要光が投写レンズの入射瞳９９に入射するのも抑制できる。

ところで、反射型ライトバルブ９６の表示領域（図示せず）には、微少ミラー、駆動用信号線及び画素電極等で構成された画素が周期的に形成されている。投写画像の高精細化が進むにつれ、反射型ライトバルブ９６上の有効画素数も増大する。このため、反射型ライトバルブ９６のサイズが大型化しない限り、反射型ライトバルブ９６上の画素（微小ミラー）の大きさは小さくなり、画素のピッチも小さくなる。

また、一般に、反射型ライトバルブのサイズを小さくすることで、反射型ライトバルブ及びそれを用いた光学系のコストを低減することができるので、反射型ライトバルブは小型化するのが好ましいと言える。従って、画素の大きさ及びピッチは今後より小さくなる可能性が高いと考えられる。

ここで、図１７に示すような反射型ライトバルブのような周期的な構造を有する物体に光が入射した場合を考える。一般に、微細な周期構造をもつ物体に光が入射すると、周期構造をもつ物体は回折格子として機能し、０次光、１次光、２次光、・・・の回折光が発生する。回折格子が反射面で形成される場合には、反射光が回折光になる。回折光は次数に合わせて離散的に強度分布を持って発生し、各次数の回折光は下記式（４）を満たす。なお、下記式（４）において、θは入射光が光軸となす角、θ´は出射光が光軸となす角、ｎは整数で回折次数、λは波長、ｄ３は周期構造のピッチを示す。
（ｎλ）／ｄ３＝ｓｉｎθ−ｓｉｎθ´・・・・・（４）
従って、図１７に示すような反射型ライトバルブでは、反射型ライトバルブの透明基板で反射されて発生する不要光は、主光線１３４を中心として軸１３５ａ及び１３５ｂの方向に角度θ１の広がり角を有する光束１３６として出射されると共に、上記した微細な周期構造によって発生する回折光としても出射される。この回折光のうち、０次光の外側に発生する１次光の光束は、光束１３６の最外周に位置する軸１３５ａ及び１３５ｂに対し、離散的に出射するが、重畳されて、θ1よりおおきな広がり角を有する光束１３７として出射する。

ところで、上記の回折光において強度の最も強い光は、１次の回折光である。１次の回折光は、入射光に対し、下記式（５）で表される角度φの広がり角を持って出射される。
ｓｉｎφ＝λ／ｄ・・・・・（５）
従って、透明基板で反射されて発生する光束１３７は、上記式（５）より、光束１３６の広がり角θ１を含む角度（θ１＋φ）の角度で出射する。

一方、図１３から分かるように、βは下記式（６）の関係も満たす。なお、θ1は上述したように反射型ライトバルブ９６で反射されて投写レンズに入射する光の広がり角である。
β＝２θ1＋α・・・・・（６）
従って、図１３に示すように、反射型ライトバルブ９６から出射される変調光の有効光成分（ＯＮ光）の一部が不要光の光束１３７と重なってしまい、不要光の光束１３７の一部が有効領域１２７を通過してしまう。このため、本実施の形態６においては、図１３に示すように第２の絞り１３１を設けて有効領域１２７の一部を遮光し、光束１３７の一部が通過しない構成としている。また、第２の絞り１３１は、その最も光軸１０５側の端部と微小ミラー９６ａとを結ぶ線の光軸１０５に対する角度が（θ３−φ）又は（θ１＋α−φ）となるように、光束１３７の外形に沿って形成するのが好ましい。

また、本実施の形態６においては、入射瞳９９は図１３で示すように有効領域１２７を包含する必要がある。よって、投写レンズのＦナンバＦ１は、下記式（１）を満たすものであるのが好ましい。
Ｆ１=１／（２ｓｉｎ（θ１十α））・・・・・（１）
例えば、反射型ライトバルブの画素ピッチが１４μｍ程度である場合、１次回折光は光束１３６に対して約２.４度（φ＝２.４度）広がり角を大きくした範囲で発生する。従って、投写レンズの有効入射瞳（有効領域１２７）は光軸１０３に対して２.４度より大きい角度（α）で偏心させるのが好ましい。また、この場合、微小ミラー（９６ａ、９６ｂ）の傾き角が±１０度であるとすると、投写レンズのＦナンバＦ１は、偏芯の無い場合の約３に対し、上記式（１）より約２.４となる。

このように本実施の形態６にかかる投写型表示装置においては、投写レンズの入射瞳９９に偏心した絞り１３８と第２の絞り１３１とを設け、反射型ライトバルブからの画像を構成する光束がこれらの絞りを通過するように構成されている。即ち、本実施の形態６においては、反射型ライトバルブがＯＮ状態のときに出射される光束の主光線１３２と反射型ライトバルブの光軸１０５とのなす角αは０度より大きく設定されている。

よって、本実施の形態６にかかる投写型表示装置を用いれば、Ｏｆｆ光や透明基板で反射された光等の不要光が投写レンズの入射瞳９９に入射するのを抑制でき、投写画像の画質の向上を図ることができる。なお、本実施の形態では絞り１３８は円形を呈しているが、本実施の形態においてはこれに限定されるものではなく、例えば楕円形を呈するものであっても良い。

このように本実施の形態６にかかる投写型表示装置を用いれば、実施の形態１にかかる投写型表示装置よりも、更に不要光成分による投写画像の画質の低下を抑制することができる。また、本実施の形態６においても、実施の形態１と同様に、全反射プリズムを用いることなく正面投写を実現することができる。

また、このように投写レンズには偏心した絞り１３８や第２の絞り１３１が設けられているため、絞りが設けられているレンズまたはレンズ群を回転させ、この回転によって前後に焦点調整を行うのは好ましくない。従って、本実施の形態６においては、投写レンズの焦点調整手段としては、レンズ群を回転させることなく光軸方向への移動のみによって焦点調整を行うものが好ましく、特には投写レンズを構成するレンズ群のうち前群のみを移動させて焦点調整を行うものが好ましい。

具体的には、前進ヘリコイドを用いた焦点調整手段が挙げられる。なお、偏芯した絞りが設けられていないレンズ群のみを回転させて焦点調整を行うのであれば、このような焦点調整手段を用いるのも好ましい態様である。

また、本実施の形態６においても、実施の形態５と同様に、正パワーのレンズ素子９５は、屈折率の高い硝材で構成しているのが好ましい。具体的には、屈折率が１.７４以上、１．８５以下の材料を用いるのが好ましい。

（実施の形態７）
次に本発明の実施の形態７にかかる投写型表示装置について、図１４を参照しながら説明する。図１４は、本発明の実施の形態７にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。なお、本実施の形態７でも、反射型ライトバルブとして、図１７で示したＤＭＤが用いられている。図１４はＤＭＤを構成する微小ミラーの回転軸に垂直に切断してなる断面で示されている。

図１４に示すように、本実施の形態７にかかる投写型表示装置は、照明光学系の１４２の構成が異なる以外は、実施の形態６と同様に構成されている。即ち、光源１４１と、正パワーのレンズ素子１４５反射型ライトバルブ１４６及び投写レンズ１４７は実施の形態６と同様のものであり、これらは実施の形態６と同様に配置されている。

本実施の形態７においては、照明光学系１４２は、コンデンサレンズ１６０と、光束を分割するレンズアレイ１６４と、複数の光ファイバー１６６を束ねて構成されたライトガイド１６５と、リレーレンズ１６７とを順に配置して構成されている。

このため、カラーホイール１２１を通過し、コンデンサレンズ１６０によって変換された略平行光は、レンズアレイ１６４を通過して、ライトガイド１６５を構成する各光ファイバー１６６に入射する。各光ファイバー１６６に入射した光は、ファイバー内部で反射を繰り返した後、出射する。

ところで、実施の形態１〜実施の形態５に示す投写型表示装置では、照明光学系の各要素（例えば照明光学系２のリレーレンズ系４など）は照明光学系の光軸に垂直である。しかし、照明光学系は、その光軸が、正パワーのレンズの光軸及び反射型ライトバルブの光軸に対し傾斜するように配置されている。このため、「シャインプルーフの定理」から反射型ライトバルブ上に到達する照明光の形状が菱形や台形等の矩形を傾けた形状となる可能性がある。この場合、反射型ライトバルブから出射する光は図中上から下に向けて光束密度が高くなり、光束分布が不均一となる。

さらに、反射型ライトバルブ１４６から出射された光の光束１５１ａ、１５１ｂ及び１５１ｃが正パワーのレンズ素子１４５を通過すると、これらには屈折が発生するが、屈折方向および屈折力は反射型ライトバルブ１４６の表示領域のどの部分で反射されたかによって異なる。このため、投写レンズ１４７の入射瞳１４９においても図中上から下に向けて光束密度が高くなり、光束分布が不均一となる可能性がある。

このような光束分布の不均一が生じると、照明光学系１４２の出射瞳１４８における一部の領域と投写レンズ１４７の入射瞳１４９における一部の領域とは、正パワーのレンズについて、共役関係が保てなくなり、投写画像の明るさが不均一となる可能性がある。

このため、本実施の形態７においては、上述したように、ライトガイド１６５を用いて照明光学系１４２を構成している。ライトガイド１６５は複数の光ファイバー１６６を束ねて構成され、照明光学系１４２の出射瞳１４８は２次元状に配置された複数の光ファイバー１６６の出射光で構成される。よって、照明光学系１４２の出射瞳１４８は複数の部分瞳要素を有することとなり、出射瞳１４８の形状は複数の部分瞳要素の結合した面形状となる。なお、本実施の形態においてこの面は自由曲面であっても良い。

更に、図１４に示すように複数の光ファイバー１６６はライトガイド１６５の入射面１６５ａにおいて均等に配列され、出射面１６５ｂにおいて不均等に配列されている。図１４の例では、出射面１６５ｂにおいて光ファイバー１６６の密度は図中上から下に向けて低くなっている。このため照明光学系１４２から出射する照明光の光束分布は、出射された時点では不均一であるが、反射型ライトバルブで反射されたときに均一となる。即ち、「シャインプルーフの定理」から反射型ライトバルブ１４６上に到達する照明光の形状が矩形を傾けた形状となるのが抑制される。

よって、投写レンズ１４７の入射瞳１４９の全域又は略全域と照明光学系１４２の出射瞳１４８の全域又は略全域とは良好な共役関係を満たすようになり、照明光学系１４２の出射瞳１４８から出射する照明光は、投写光学系１４７の入射瞳１４９を最大限通過する。

本実施の形態７では、投写レンズ１４７の入射瞳１４９と照明光学系１４２の出射瞳１４８とは正パワーのレンズ素子１４５について共役関係にあるよう配置されている。従って、「シャインプルーフの定理」より、照明光学系１４２の出射瞳１４８の光束分布を適切に制御することで、投写レンズ１４７の入射瞳１４９上の光束分布を均一にすることができ、均一な明るさの投写画像を得ることができる。

なお、本実施の形態では、照明光学系１４２は、ライトガイド１６５を用いた態様に限定されるものではない。照明光学系１４２は、ライトガイド１６５の代わりに、複数の正パワーのレンズ素子で構成されたレンズアレイが複数枚配置された構成であっても良い。この構成では、レンズアレイを構成する正パワーのレンズ素子として焦点距離がそれぞれ異なるものを用いることで、照明光学系から出射する照明光の光束分布を適切に制御できる。よって、この態様においても反射型ライトバルブで反射された照明光の光束分布を均一なものとすることができる。また、本実施の形態７で示した照明光学系１４２は、他の実施の形態にかかる投写型表示装置の照明光学系として用いることもできる。

また、本実施の形態７においても、投写レンズ１４７に実施の形態６で示した構成と同様の絞り（図１３中に示す絞り１３８及び第２の絞り１３１）が設けられている。このため、照明光学系１４２は、反射型ライトバルブ１４６で反射される照明光のうち光学像を構成するものが、これら絞りを通過するように配置する必要がある。またこの場合、投写レンズのＦナンバは実施の形態６と同様に上記式（１）を満たしているのが好ましい。

また、本実施の形態７においても、実施の形態５と同様に、正パワーのレンズ素子１４５は、屈折率の高い硝材で形成するのが好ましい。具体的には、屈折率が１.７４以上、１．８５以下の材料を用いるのが好ましい。

本発明の投写型表示装置においては、反射型ライトバルブを複数枚用いることもできる。なお、この場合は、各反射型ライトバルブに単色光を入射させるための色分離光学系と、各反射型ライトバルブから出射する光を合成する色合成光学系とを設ける必要がある。

また、本発明の投写型表示装置においては、反射型ライトバルブの各画素を構成する微小ミラーの可動範囲は±１０度に限定されるものではない。本発明においては、微小ミラーの可動範囲は、使用される反射型ライトバルブの特性に応じ、最適な光出力と高いコントラストが得られるように設定すれば良い。

更に、本発明の投写型表示装置においては、反射型ライトバルブの各画素は稼動する微小ミラーで構成された態様に限定されるものではない。本発明の投写型表示装置においては、反射型ライトバルブは、光の入射方向と出射方向が異なるものであって、出射方向を制御できるものであれば良い。

（実施の形態８）
図１５は、本発明のリアプロジェクタの一例を示す構成図である。図１５に示すように、リアプロジェックタは、実施の形態１から実施の形態７のいずれかに示した投写型表示装置１７０と、投写型表示装置１７０から投写された光を反射するミラー１７１と、ミラー１７１で反射された光を透過散乱させて表示するスクリーン１７２と、これらを収容する筐体１７３とで構成される。

このように、図１５に示すリアプロジェクタでは、実施の形態１から実施の形態７のいずれかで示した投写型表示装置を用いるため、小型化及び低コスト化を図ることができ、又画質の良好な投写画像を表示することができる。

（実施の形態９）
図１６は、本発明のマルチビジョンシステムの一例を示す構成図である。図１６に示すように、マルチビジョンシステムは、複数の投写システムと、映像信号分割回路１８９とを有している。各投写システムは、実施の形態１から実施の形態７のいずれかで示した投写型表示装置（１８０〜１８２）と、透過型スクリーン（１８３〜１８５）と、筐体（１８６〜１８８）とで構成されている。

映像信号分割回路１８９は、画面を複数の領域に分割し、各領域の映像信号を加工して、各投写システムを構成する投写型表示装置１８０、１８１及び１８２に供給する。このため、投写型表示装置１８０、１８１及び１８２から投写されるそれぞれの映像は、それぞれに対応する透過型スクリーン１８３、１８４及び１８５に結像され、全体として１枚の画像を構成する。このように本実施の形態のマルチビジョンシステムによれば、大画面でありながら、奥行きの短いコンパクトなセットが実現できる。

また、透過型スクリーン１８３〜１８５のうちの２つで全体として一つの画像を表示し、残りの一つに別の画像を表示しても良い。また、視覚効果を得るために、各透過型スクリーンに同じ画像を表示しても良い。更に、多様な情報を１度に提供するため、各透過型スクリーンに別々のコンテンツを表示するようにして良い。

投写型表示装置１８０、１８１及び１８２は、各筐体内に取り付けられたセンサにより、点灯開始時の光出力及び色再現性に応じて、映像分割回路１８９によって分配された信号の輝度や色度、彩度等の色情報を加工する態様としても良い。この場合、投写型表示装置１８０、１８１及び投写型表示装置１８２から別々に投写される画像であっても、一つの画面として均一性の高い表示が実現できる。

本発明は、反射型ライトバルブにおける入射光の光路と出射光の光路との重なりを抑制し、更にレンズ界面における不要な反射光が投写レンズに入射するのを抑制して、小型で、高画質の投写画像を得ることができ、投写型表示装置、それを用いたリアプロジェクタ及びマルチビジョンシステムに有用である。

本発明の実施の形態１にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。 図２（ａ）は、図１に示す反射型ライトバルブの近傍部分における照明光と投写光の光路を示す図であり、図２（ｂ）は、図１に示す反射型ライトバルブの近傍部分における正パワーのレンズ素子の光学界面での反射光の振る舞いを示す図である。 本発明の実施の形態２にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。 図３に示す正パワーのレンズ素子の表面を拡大して示す図である。 本発明の実施の形態３にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。 図５に示す正パワーのレンズ素子を拡大して示す断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。 図８（ａ）は、図７に示す反射型ライトバルブの近傍部分における照明光と投写光の光路を示す図であり、図８（ｂ）は、図７に示す反射型ライトバルブの近傍部分における正パワーのレンズ素子の光学界面での反射光の振る舞いを示す図である。 本発明の実施の形態５にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。 図９に示す反射型ライトバルブの近傍部分を拡大して示す図である。 本発明の実施の形態６にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。 図１１に示す投写型表示装置を構成する投写レンズの入射瞳を示している。 図１１に示す反射型ライトバルブの表示領域の中心部分における光束の振る舞いを示す図である。 本発明の実施の形態７にかかる投写型表示装置の構成を示す図である。 本発明のリアプロジェクタの一例を示す構成図である。 本発明のマルチビジョンシステムの一例を示す構成図である。 従来からのＤＭＤの各画素を構成する微小ミラーの動作状態を示す図である。 従来のＤＭＤを用いた投写型表示装置の概略構成を示す図である。 図１８に示すＤＭＤの近傍部分を拡大して示す図である。 従来の投写レンズを非テレセントリック系とした投写型表示装置の概略構成を示す図である。 図２０に示す反射型ライトバルブの近傍部分を拡大して示す図である。

符号の説明

１、３１、５１、７１、９１、１４１ 光源
１ａ ランプ
１ｂ 凹面鏡
２、３２、５２、７２、９２、１４２ 照明光学系
３ ロッドレンズ
４ リレーレンズ系
５、３５、５５、７５、９５、１４５ 正パワーのレンズ素子
６、３６、５６、７６、９６、１４６ 反射型ライトバルブ
７、３７、５７、７７、９７、１４７ 投写レンズ
８、３８、５８、７８、９８、１４８ 照明光学系の出射瞳
９、３９、５９、７９、９９、１４９ 投写レンズの入射瞳９
１０ａ〜１０ｃ、４０ａ〜４０ｃ、６０ａ〜６０ｃ、８０ａ〜８０ｃ、１００ａ〜１００ｃ、１５０ａ〜１５０ｃ 照明光の光束
１１ａ〜１１ｃ、４１ａ〜４１ｃ、６１ａ〜６１ｃ、１０１ａ〜１０１ｃ、１５１ａ〜１５１ｃ 反射型ライトバルブからの出射光の光束
１３、４３、６３、８３、１０３、１５３ 投写レンズの光軸
１４、４４、６４、８４、１０４、１５４ 正パワーのレンズ素子の光軸
１５、４５、６５、８５、１０５、１５５ 反射型ライトバルブの光軸
１６、４６、６６、８６、１０６、１５６ 正パワーのレンズ素子の焦点
１７、４７、６７、８７、１０７、１５７ 正パワーのレンズ素子の焦点面
１８ ロッドレンズの入射面
１９ ロッドレンズの出射面
２０ａ、８８、１０２ 光学界面（凸面）
２０ｂ、８９ 光学界面（凸面）
２１ａ〜２１ｃ、９０ａ〜９０ｃ、１１９ａ〜１１９ｃ 光学界面における反射光の光束
２２、８２、１１２ 虚像
４２ 突起
６８ 平凹レンズ
６８ａ、６８ｂ 平凹レンズの面
６９ 平凸レンズ
６９ａ、６９ｂ 平凸レンズの面
７０ａ 接着剤
７０ｂ 薄膜
９６ａ ＯＮ状態の微小ミラー
９６ｂ Ｏｆｆ状態の微小ミラー
１２０ 遮光部
１２１ カラーホイール
１２２ コンデンサレンズ
１２３ 第１のレンズアレイ
１２４ 第２のレンズアレイ
１２５ リレーレンズ
１２６ 軸
１２７ 有効領域
１２９ ＯＮ状態の微小ミラーの法線
１３０ αが０度の場合の有効領域
１３１ 第２の絞り
１３２ 反射型ライトバルブがＯｎ状態のときに出射される光束の主光線
１３３ 反射型ライトバルブがＯｆｆ状態のときに出射される光束の主光線
１３４ 不要光の主光線
１３５ 軸
１３６ 不要光の光束
１３７ 回折光の光束
１３８ 絞り
１３９ 反射型ライトバルブがＯＦＦ状態のときに出射される光束
１６０ コンデンサレンズ
１６４ 光束を分割するレンズアレイ
１６５ ライトガイド
１６５ａ ライトガイドの入射面
１６５ｂ ライトガイドの出射面
１６６ 光ファイバー
１６７ リレーレンズ
１７０、１８０〜１８２ 投写型表示装置
１７１ ミラー
１７２、１８３〜１８５ スクリーン
１７３、１８６〜１８８ 筐体
１８９ 映像信号分割回路

Claims (6)

1. 光源の放射する光を集めて照明光を形成する照明光学系と、前記照明光を反射して、光学像を形成する変調光を出射する反射型ライトバルブと、前記反射型ライトバルブの形成した光学像を投影する投写レンズと、正パワーのレンズ素子とを有し、
   前記反射型ライトバルブは、複数の画素を有し、前記複数の画素がそれぞれ前記照明光の反射方向を制御することによって前記変調光を形成するように構成され、
   前記レンズ素子は、１枚の平凸レンズで構成され、前記反射型ライトバルブと前記投写レンズとの間に、凸面を前記投写レンズに向けた状態で、前記照明光が前記レンズ素子を通過して前記反射型ライトバルブを照明し、又前記反射型ライトバルブから出射する前記変調光が前記レンズ素子を通過して前記投写レンズに入射するように配置され、
   前記レンズ素子と前記反射型ライトバルブとは、互いの光軸を平行にした状態で、前記レンズ素子の光学界面で反射される前記照明光の不要光成分のうち前記投写レンズに入射する光が前記変調光の有効光成分と分離されかつ前記不要光成分により形成される虚像が形成される面と前記反射型ライトバルブの変調光を出射する面とが略一致するように光軸間に距離を設けて配置されていることを特徴とする投写型表示装置。
2. 前記投写レンズと前記レンズ素子とが、互いの光軸が一致するように配置され、前記投写レンズは、その光軸に対して偏心した絞りを有し、前記照明光学系は、前記変調光が前記絞りを通過するように配置されている請求項１に記載の投写型表示装置。
3. 前記絞りの偏心方向が、前記照明光学系の光軸から離れる方向である請求項２に記載の投写型表示装置。
4. 前記照明光学系は、複数の部分瞳要素で形成された出射瞳を有し、前記照明光の光束分布が前記反射型ライトバルブで反射されたときに均一となるように構成されている請求項１に記載の投写型表示装置。
5. 請求項１に記載の投写型表示装置と、前記投写型表示装置から投写された光を反射するミラーと、前記ミラーで反射された光を透過散乱させて表示するスクリーンとを少なくとも有することを特徴とするリアプロジェクタ。
6. 複数の投写システムと、映像信号分割回路とを有し、
   前記複数の投写システムそれぞれは、請求項１に記載の投写型表示装置と、前記投写型表示装置から投写された光を映し出す透過型スクリーンと、前記投写型表示装置を収納する筐体とで構成されており、
   前記映像信号分割回路は、画面を複数の領域に分割し、各領域の映像信号を加工して前記投写システムを構成する前記投写型表示装置それぞれに供給することを特徴とするマルチビジョンシステム。

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