JP5678693B2 - 画像投影装置 - Google Patents

Description

本発明は画像投影装置に関するものであり、更に詳しくは、表示素子としてデジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)を備え、その画像表示面を照明するための光源として例えばレーザ光源を備えたカラー画像投影装置に関するものである。

画像投影装置に搭載される表示素子として、デジタル・マイクロミラー・デバイスが知られている。デジタル・マイクロミラー・デバイスは、複数の微小なミラーから成る画像表示面を有しており、その画像表示面で各ミラー面の傾きを制御して、照明光を強度変調することにより画像を形成する。デジタル・マイクロミラー・デバイスの各画素のＯＮ／ＯＦＦは、例えば、画像表示面の各辺に対して４５°の角度をなす回転軸を中心とする±１２°のミラー面の回動により表現される。

上記デジタル・マイクロミラー・デバイスの高精細化が近年進められている。このため、デジタル・マイクロミラー・デバイスの高精細化により画素ピッチが細かくなると、それに伴う回折の影響が無視できなくなる。つまり、画素ピッチが小さくなるとデジタル・マイクロミラー・デバイスが回折格子として作用し、回折角に相当する分だけ反射光が広がって、光の伝達効率が低下してしまう。特にレーザ光源を用いた場合には、その影響が大きく表れることになる。

デジタル・マイクロミラー・デバイスでの回折の影響を低減する技術としては、特許文献１で提案されている加工用レーザ照射装置が挙げられる。そのレーザ照射装置では、回折による光の伝達効率の低下を防ぐために、デジタル・マイクロミラー・デバイスの画像表示面を対物レンズの光軸に対して所定角度傾けており、幾何的な反射角と回折角とを合わせることで、回折の影響を抑えることを可能としている。

特開２０１０−４４２７２号公報

しかし、特許文献１に記載の技術を画像投影装置に適用することは困難である。画像投影装置では、画面全体の結像状態を適正にする必要があるため、回折の影響が抑えられるほどデジタル・マイクロミラー・デバイスを傾けることは困難だからである。このため、デジタル・マイクロミラー・デバイスでの回折の影響を考慮した画像投影装置は未だ提案されていない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、投影光学系に対する光量伝達ロスが少なく、かつ、高品質の投影像が得られる画像投影装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の画像投影装置は、青，緑，赤の各色の照明光を出射する光源装置と、各色の照明光を画像表示面で強度変調することにより各色の画像を形成するデジタル・マイクロミラー・デバイスと、各色の画像を拡大投影する投影光学系と、を備え、以下の条件式（１）及び（３）を満たすことを特徴とする。
ＦＰ≦１／〔２・ｓｉｎ［ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＩ）｝＋Δ］〕 …（１）
ＦＰ≧１／〔２・ｓｉｎ［ｓｉｎ ^-1 ｛１／（２・ＦＩ）｝＋（√５・λＲ）／（√２・ｄ）＋γ］〕 …（３）
ただし、デジタル・マイクロミラー・デバイスの画像表示面において各画素を構成するミラー面を画素面とし、その画素面で照明光軸上の光線が鏡面反射されることによって生じた反射光を鏡面反射光とし、
青の照明光軸上の光線がデジタル・マイクロミラー・デバイスで回折されることによって生じた回折光のうち、前記鏡面反射光に最も近い進行方向の回折光が、前記画像表示面の法線と成す角度を青色光の回折角βＢとし、
緑の照明光軸上の光線がデジタル・マイクロミラー・デバイスで回折されることによって生じた回折光のうち、前記鏡面反射光に最も近い進行方向の回折光が、前記画像表示面の法線と成す角度を緑色光の回折角βＧとし、
赤の照明光軸上の光線がデジタル・マイクロミラー・デバイスで回折されることによって生じた回折光のうち、前記鏡面反射光に最も近い進行方向の回折光が、前記画像表示面の法線と成す角度を赤色光の回折角βＲとすると、
Δ：回折角βＢ，βＧ，βＲのうち最も大きい回折角であり、
ＦＩ：照明光のＦナンバー、
ＦＰ：投影光学系のＦナンバー、
ｄ：デジタル・マイクロミラー・デバイスの画素ピッチ、
λＲ：赤色光の波長、
γ：鏡面反射光が画像表示面の法線と成す角度、
ＦＩ：照明光のＦナンバー、
ＦＰ：投影光学系のＦナンバー、
である。

第２の発明の画像投影装置は、上記第１の発明において、前記光源装置が、照明光として青色のレーザ光を出射する青色レーザ光源と、照明光として緑色のレーザ光を出射する緑色レーザ光源と、照明光として赤色のレーザ光を出射する赤色レーザ光源と、を有することを特徴とする。

第３の発明の画像投影装置は、上記第１又は第２の発明において、以下の条件式（２）を満たすことを特徴とする。
ＦＰ≦１／〔２・ｓｉｎ［ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＩ）｝＋λＲ／（√２・ｄ）＋γ］〕 …（２）
ただし、
ｄ：デジタル・マイクロミラー・デバイスの画素ピッチ、
λＲ：赤色光の波長、
γ：鏡面反射光が画像表示面の法線と成す角度、
ＦＩ：照明光のＦナンバー、
ＦＰ：投影光学系のＦナンバー、
である。

第４の発明の画像投影装置は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、γ＝０であることを特徴とする。

第１の発明では、最も鏡面反射条件に近い偶数次の回折光が青・緑・赤のいずれにおいても投影光学系を通過するように、条件式（１）が設定されている。つまり条件式（１）では、青・緑・赤の各色の照明光がデジタル・マイクロミラー・デバイスで回折されることにより生じた回折光のうち、鏡面反射光に最も近くエネルギーが高い回折光を投影光学系で拾えるように、投影光学系のＦナンバーを設定しているので、デジタル・マイクロミラー・デバイスでの光量伝達を効率良く行うことができる。例えばレーザー光を照明系として用いた場合、照明光のＦナンバーは比較的大きく取れるので、投影光学系のＦナンバーを少々より小さくしても、それに起因する問題はほとんど生じない。この構成ではパーシャルコヒーレント照明になるため投影光学系の限界解像力は低くなるが、コヒーレント照明で解像できる周波数以下ではＭＴＦ（Modulation Transfer Function）は高くなる。したがって、投影光学系に対する光量伝達ロスが少なく、かつ、高品質の投影像が得られる画像投影装置を実現することができる。

第２の発明では、光源装置が青色レーザ光源，緑色レーザ光源及び赤色レーザ光源を有する構成になっているため、例えばシネマ用光源として十分な明るさの照明が可能である。デジタル・マイクロミラー・デバイスの高精細化により画素ピッチが細かくなると、それに伴う回折の影響は特にレーザ光を用いた場合に無視できなくなるほど大きくなるが、条件式（１）を満たす構成になっているため、投影光学系に対する光量伝達ロスは少なくて済む。なお、光源装置にＬＥＤ（light emitting diode）光源を用いたり、白色光源（キセノンランプ等）を射出光の波長帯域の狭いカラーホイールに組み合わせて用いたりした場合でも、光量伝達ロスを効果的に抑制することが可能である。

第３の発明では、照明光軸を含む断面において、赤色の鏡面反射光が奇数次の回折光と同じ角度になった場合の最も鏡面反射光に近い回折光が投影光学系を通過する条件を、投影光学系のＦナンバーの上限値としている。つまり条件式（２）では、例えばレーザ光源を用いた場合でも、主要な回折散乱光を投影光学系で拾えるように、投影光学系のＦナンバーを設定しているので、デジタル・マイクロミラー・デバイスでの光量伝達を効率良く行うことができる。最も鏡面反射光に近い回折光が、最も鏡面反射光から離れた条件となり、最も鏡面反射条件に近い偶数次の回折光が、青・緑・赤のいずれにおいても投影光学系を通過することになる。なお、条件式（２）を満たす投影光学系のＦナンバーは、条件式（１）を満たす場合よりも小さいか又は同じになる。

投影光学系のＦナンバーをあまり小さくしても、製造の困難さの増加に比べて、投影光学系を通過するエネルギーはさほど増えなくなる。そこで第１の発明では、これ以上Ｆナンバーを小さくしても効果があまり出ない、というＦナンバーの下限値を条件式（３）で設定している。条件式（３）を満たせば、軽量・コンパクトでありながら安価で光量伝達効率の良い画像投影装置を得ることができる。第１の発明では、照明光軸を含む断面において、赤色の鏡面反射光が奇数次の回折光と同じ角度になった場合の最も鏡面反射光に近い４つの回折光の次に鏡面反射光に近い８つの回折光が投影光学系を通過する条件を、投影光学系のＦナンバーの下限値としている。つまり条件式（３）では、少なくとも回折光の８０％以上のエネルギーが投影光学系を通過するので、これ以上Ｆナンバーを小さくしても光量伝達効率改善の効果は小さい。

第４の発明によれば、照明光軸上の光線が画素面で反射されて生じる鏡面反射光は、画像表示面に対して垂直であり（すなわちγ＝０）、投影光軸と一致するため、投影光学系のＦナンバーを大きくすることができる。鏡面反射光が投影光軸に対して角度を持つ場合（すなわちγ≠０）、光量伝達効率を維持しようとすると、投影光学系のＦナンバーをその分小さくする必要が生じて、投影光学系の大型化や高価格化に繋がることになる。

デジタル・マイクロミラー・デバイスの画像表示面とそれにより生じる回折パターンを示す図。 デジタル・マイクロミラー・デバイスをブレーズド回折格子と見立てたときの照明光，鏡面反射光及び回折光を模式的に示す断面図。 照明光の波長が５３２ｎｍの場合の各次数の回折光の分布を示す図。 照明光の波長が６３５ｎｍの場合の各次数の回折光の分布を示す図。 照明光の波長が６３５ｎｍで鏡面反射光軸に奇数次の回折光が一致する場合の各次数の回折光の分布を示す図。 画像投影装置の一実施の形態を示す側面図。 画像投影装置の一部を成すカラープリズムユニットを示す正面図。 レーザ光源ユニットの一部を成す半導体レーザアレイを示す平面図。 レーザ光源ユニットの一部を成すコリメータレンズアレイを示す平面図。 レーザ光源ユニットの一部を成す青帯域ＰＢＳミラーの偏光分離特性を示すグラフ。 レーザ光源ユニットの一部を成す緑帯域ＰＢＳミラーの偏光分離特性を示すグラフ。 レーザ光源ユニットの一部を成す赤帯域ＰＢＳミラーの偏光分離特性を示すグラフ。

以下、本発明に係る画像投影装置の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。なお、実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。

《デジタル・マイクロミラー・デバイスによる回折の説明（図１〜図５）》
図１（Ａ）に示すように、デジタル・マイクロミラー・デバイス１０は、画像表示面１０ａにおいて各画素を構成するミラー面を画素面１０ｂとして有している。各画素面１０ｂは正方形状であり、対角に回転軸を持ち±１２°傾斜してＯＮ／ＯＦＦを表示する。照明光は、回転軸に直交する斜め４５°方向（つまり、画像表示面１０ａが構成する矩形の画像表示領域の各辺に対して４５°の方向）から画像表示面１０ａに入射するが、このときデジタル・マイクロミラー・デバイス１０は回折格子として作用し、図１（Ｂ）に示すように回折反射によって回折パターンが形成される。つまり、画素の配列方向である左右上下方向（ｘ−ｙ方向）に回折次数に応じた回折光が生じることになる。

デジタル・マイクロミラー・デバイス１０を画素面１０ｂの回転軸方向から（すなわち、回転軸に直交する断面で）見ると、図２に示すようなブレーズド回折格子に見立てることができる。このとき、デジタル・マイクロミラー・デバイス１０の画像表示面１０ａ（Ｎａ：画像表示面１０ａの法線）に対する照明光Ｌｉの入射角をαとし、デジタル・マイクロミラー・デバイス１０の画素面１０ｂ（Ｎｂ：画素面１０ｂの法線）の傾斜角をθとすると、鏡面反射光Ｌｒの鏡面反射角γは、式：γ＝α−２・θで表される。また、画素ピッチをｄとし、波長をλとし、回折次数をｍとすると、回折光Ｌｄの回折角βは、式：β＝ｓｉｎ^-1｛ｓｉｎα−ｍ・λ／（√２・ｄ）｝で表される。

このとき、照明光Ｌｉの入射方向（すなわち画素対角方向）での回折次数ｍと回折光Ｌｄ（図２）の分布は、図３に示すようになる。図３（Ａ）は、デジタル・マイクロミラー・デバイス１０を正面から見たときの回折の様子を示しており、図３（Ｂ）は、画素面１０ｂの回転軸と直交する断面から見た回折の様子を示している。回折次数ｍが奇数のとき、照明光Ｌｉの鏡面反射光軸Ｘｒ上に奇数次の回折光Ｌｄは存在せず、鏡面反射光軸Ｘｒに一致し得るのは偶数次の回折光Ｌｄである。回折光Ｌｄはそれぞれの回折条件に対応したエネルギーを持って反射し、画素に対する照明光Ｌｉの鏡面反射と一致する場合、その回折条件の回折光Ｌｄにエネルギーが集中する。つまり、鏡面反射方向と偶数次の回折方向が一致するγ＝βのとき、エネルギーがその方向に集中して効率良く反射される。

図３は、画素ピッチｄ＝７．５６μｍ、画素傾斜角θ＝１２°、照明光Ｌｉの入射角α＝２４°、波長λ＝５３２ｎｍの場合の回折の様子を示している。この場合、偶数次の回折光軸（すなわち８次の回折光（ｍ＝８））と鏡面反射光軸Ｘｒが非常に近く、その差は０．５°ほどである。８次の回折光はほぼ鏡面反射方向に反射しており、その鏡面反射光軸Ｘｒに最も近い回折光（塗りつぶしの丸）に９５％以上のエネルギーが集中する。その他の回折次数の光束は、ほとんどエネルギーを持たず、回折の影響をあまり受けずに反射している。

一方、図４は、画素ピッチｄ＝７．５６μｍ、画素傾斜角θ＝１２°、照明光Ｌｉの入射角α＝２４°、波長λ＝６３５ｎｍの場合の回折の様子を示している。図４（Ａ）は、デジタル・マイクロミラー・デバイス１０を正面から見たときの回折の様子を示しており、図４（Ｂ）は、画素面１０ｂの回転軸と直交する断面から見た回折の様子を示している。図４（Ｂ）では、奇数次の回折光軸（すなわち７次の回折光（ｍ＝７））と鏡面反射光軸Ｘｒが近く、その差は０．５°である。しかし、図４（Ａ）から分かるように、鏡面反射光軸Ｘｒの近くには奇数次の回折光が存在しないので、最も鏡面反射光軸Ｘｒに近いのは偶数次である６次の回折光（ｍ＝６）となっている。このとき、鏡面反射光軸Ｘｒに近い鏡面反射から２．９°離れた６次の回折光が２８．３％のエネルギーを持ち、２つの７次の回折光は鏡面反射から３．４°離れて、それぞれ１５．３％ほどのエネルギーを持ち、鏡面反射から３．９°離れた８次の回折光が８．３％のエネルギーを持つことになる。

以上のように、画素ピッチｄ＝７．５６μｍ、画素傾斜角θ＝１２°、照明光Ｌｉの入射角α＝２４°の場合、波長λ＝５３２ｎｍでは、鏡面反射光軸Ｘｒ方向からほとんど拡散せず反射するが、波長λ＝６３５ｎｍでは、回折により鏡面反射光軸Ｘｒから拡散して反射する。このように、波長によっては回折によりエネルギーをもつ光束の進行方向が広がってしまう。カラー表示のための赤・緑・青の各波長に対し効率良く投影光学系でスクリーンに投影するためには、その最も拡がった光束を捉えるだけの明るいＦナンバーにすればよい。回折光は、鏡面反射光軸Ｘｒに近いほどより多くのエネルギーを持つ。よって効率良く投影光学系で光量伝達させるには、少なくともこの鏡面反射光軸Ｘｒに最も近い偶数次の回折光が投影光学系を通過することが重要である。

図２において、青・緑・赤の色光に関し、鏡面反射角γに最も近い偶数次の回折光Ｌｄの回折角βのうち、絶対値の最も大きなβをΔとする。例えば、画素ピッチｄ＝７．５６μｍ、画素傾斜角θ＝１２°、照明光Ｌｉの入射角α＝２４°で、青色レーザの波長λＢ＝４４５ｎｍ、緑色レーザの波長λＧ＝５３２ｎｍ（図３の条件）、赤色レーザの波長λＲ＝６３５ｎｍ（図４の条件）である画像投影装置の場合、偶数次の回折角βは以下の表１に示すようになる。

表１から分かるように、波長４４５ｎｍでは１０次の−０．５°、波長５３２ｎｍでは８次の０．５°、波長６３５ｎｍでは６次の２．９°が、それぞれ鏡面反射光軸Ｘｒに最も近い回折光である。そのうち絶対値の最も大きな回折角は、赤色の波長６３５ｎｍの２．９°である。したがって、Δ＝２．９°であり、この回折光をスクリーンまで伝達することができるように投影光学系のＦナンバーを設定すればよい。

ここで、照明光のＦナンバーをＦＩとすると、照明光の拡がり角θＩは、主光線に対して、式：θＩ＝ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＩ）｝で表すことができ、投影光学系のＦナンバーをＦＰとすると、投影光学系が捉えることのできる角度θＰは、式：θＰ＝ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＰ）｝で表すことができる。角度θＰは少なくともθＩ＋Δ以上であれば、鏡面反射光軸Ｘｒに最も近い回折光を取り込むことができるため、かなりのエネルギーを捉えることができる。つまり、式：θＰ≧θＩ＋Δから得られる以下の条件式（１）を満たせばよい。条件式（１）を満たすことにより、デジタル・マイクロミラー・デバイス１０での回折角に相当する分、照明光のＦナンバーに対し、投影光学系のＦナンバーを小さくし、光量伝達ロスを少なくすることが可能となる。
θＰ≧θＩ＋Δ
ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＰ）｝≧ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＩ）｝＋Δ
１／（２・ＦＰ）≧ｓｉｎ［ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＩ）｝＋Δ］
ＦＰ≦１／〔２・ｓｉｎ［ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＩ）｝＋Δ］〕 …（１）

したがって、画像投影装置は以下の条件式（１）を満たすことが好ましい。
ＦＰ≦１／〔２・ｓｉｎ［ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＩ）｝＋Δ］〕 …（１）
ただし、デジタル・マイクロミラー・デバイスの画像表示面において各画素を構成するミラー面を画素面とし、その画素面で照明光軸上の光線が鏡面反射されることによって生じた反射光を鏡面反射光とし、
青の照明光軸上の光線がデジタル・マイクロミラー・デバイスで回折されることによって生じた回折光のうち、前記鏡面反射光に最も近い進行方向の回折光が、前記画像表示面の法線と成す角度を青色光の回折角βＢとし、
緑の照明光軸上の光線がデジタル・マイクロミラー・デバイスで回折されることによって生じた回折光のうち、前記鏡面反射光に最も近い進行方向の回折光が、前記画像表示面の法線と成す角度を緑色光の回折角βＧとし、
赤の照明光軸上の光線がデジタル・マイクロミラー・デバイスで回折されることによって生じた回折光のうち、前記鏡面反射光に最も近い進行方向の回折光が、前記画像表示面の法線と成す角度を赤色光の回折角βＲとすると、
Δ：回折角βＢ，βＧ，βＲのうち最も大きい回折角であり、
ＦＩ：照明光のＦナンバー、
ＦＰ：投影光学系のＦナンバー、
である。

例えば、ＦＩ＝３．０とすると、Δ＝２．９°から、
１／〔２・ｓｉｎ［ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＩ）｝＋Δ］〕＝２．３
である。したがって、ＦＰ≦２．３であれば、投影光学系でのエネルギー伝達を効率良く行うことができる。

鏡面反射光軸Ｘｒに最も近い偶数次の回折光を取り込むことが重要であるが、偶数次の回折光が最も鏡面反射光軸Ｘｒから離れるのは、鏡面反射光軸Ｘｒに奇数次の回折光が図２に示す断面から見て一致する場合である。このときエネルギーの分散は大きいが、そのとき近接する偶数次の回折光を取り込むことができると、かなりのエネルギーを投影光学系で捉えることができる。

今、奇数次の回折角をβ₂・_k+1、偶数次の回折角をβ2・_kとすると、
ｓｉｎβ2・_k+1＝ｓｉｎα−（２・ｋ＋１）・λ／（√２・ｄ）
ｓｉｎβ2・_k＝ｓｉｎα−（２・ｋ）・λ／（√２・ｄ）
が成立し、β≒０で近似すると、その差δは、
δ＝β2・_k−β2・_k+1≒λ／（√２・ｄ）
となる。

偶数次の回折光が鏡面反射光軸Ｘｒから離れたときの値であるδは、波長λと画素ピッチｄによるので、青・緑・赤に同じピッチのデジタル・マイクロミラー・デバイス１０を使う場合や、同じ単一のデジタル・マイクロミラー・デバイス１０を色時分割表示して使う場合には、波長λの大きい赤色のδが最も大きくなるので、赤の波長λＲのときのδ分を投影光学系で取り込むことができればよい。

角度θＰが少なくともθＩ＋δ＋γ以上であれば、近接する偶数次の回折光を取り込むことができるため、かなりのエネルギーを捉えることができる。つまり、式：θＰ≧θＩ＋δ＋γから得られる以下の条件式（２）を満たせばよい。
θＰ≧θＩ＋δ＋γ
ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＰ）｝≧ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＩ）｝＋λＲ／（√２・ｄ）＋γ
１／（２・ＦＰ）≧ｓｉｎ［ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＩ）｝＋λＲ／（√２・ｄ）＋γ］
ＦＰ≦１／〔２・ｓｉｎ［ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＩ）｝＋λＲ／（√２・ｄ）＋γ］〕 …（２）

したがって、画像投影装置は以下の条件式（２）を満たすことが好ましい。
ＦＰ≦１／〔２・ｓｉｎ［ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＩ）｝＋λＲ／（√２・ｄ）＋γ］〕 …（２）
ただし、
ｄ：デジタル・マイクロミラー・デバイスの画素ピッチ、
λＲ：赤色光の波長、
γ：鏡面反射光が画像表示面の法線と成す角度、
ＦＩ：照明光のＦナンバー、
ＦＰ：投影光学系のＦナンバー、
である。

先と同様に、画素ピッチｄ＝７．５６μｍ、画素傾斜角θ＝１２°、照明光Ｌｉの入射角α＝２４°、緑色レーザの波長λＧ＝５３２ｎｍ、赤色レーザの波長λＲ＝６３５ｎｍ、青色レーザの波長λＢ＝４４５ｎｍで、ＦＩ＝３．０の場合を考える。δ≒λ／（√２・ｄ）は、青色でδ≒２．３８°、緑色でδ≒２．８５°、赤色でδ≒３．４０°となり、奇数次と偶数次の回折角の差は、波長λが大きい赤色の場合が最も大きくなる。よって、赤色の波長条件で偶数次の回折光を取り込めると、他の色の偶数次の回折光も取り込むことができ、かなりのエネルギーを捉えることができる。

また、このとき、δ≒λ／（√２・ｄ）＝３．４０°、γ＝０°となるので、ＦＩ＝３．０のとき、
１／〔２・ｓｉｎ［ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＩ）｝＋λ／（√２・ｄ）＋γ］〕＝２．２２
である。したがって、ＦＰ≦２．２２であれば、投影光学系でのエネルギー伝達を効率良く行うことができる。

また、照明光Ｌｉの入射角αが異なる同様の条件のとき、すなわち、画素ピッチｄ＝７．５６μｍ、画素傾斜角θ＝１２°、照明光Ｌｉの入射角α＝２６°、青色レーザの波長λＢ＝４４５ｎｍ、緑色レーザの波長λＧ＝５３２ｎｍ、赤色レーザの波長λＲ＝６３５ｎｍ、ＦＩ＝３．０の場合、赤の波長のδは同じくδ≒λ／（√２・ｄ）＝３．４０°で、このときのγは、γ＝２６−２×１２＝２°となる。したがって、
１／〔２・ｓｉｎ［ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＩ）｝＋λ／（√２・ｄ）＋γ］〕＝１．９３
である。効率良く投影光学系でエネルギー伝達を行うには、ＦＰ≦１．９３とする必要があり、鏡面反射光軸Ｘｒがデジタル・マイクロミラー・デバイス１０の表示面法線Ｎａと角度差を持った分、明るい投影光学系にする必要がある。

図５に、鏡面反射光軸Ｘｒに奇数次の回折光が図２に示す断面から見て一致する場合の回折の状態であって、画素ピッチｄ＝５．５２μｍ、画素傾斜角θ＝１２°、照明光Ｌｉの入射角α＝２４°、波長λ＝６３５ｎｍの場合の回折の様子を示す。図５（Ａ）は、デジタル・マイクロミラー・デバイス１０を正面から見たときの回折の様子を示しており、図５（Ｂ）は、画素面１０ｂの回転軸と直交する断面から見た回折の様子を示している。

小さい一点鎖線上の４つの回折光（塗りつぶしの丸）は、それぞれ１６．４％のエネルギーを持ち、この４つの回折光を取り込むことで、６５％のエネルギーを取り込むことができる。このときδ＝０．６３５／（√２・５．５２）≒４．６６°、γ＝０°であり、例えば、照明光のＦナンバー＝５とすると、θＩ＝ｓｉｎ^-1｛１／（２・５）｝≒５．７４°であるから、θＰ≧１０．４°、すなわち、ＦＰ≧１／｛２・ｓｉｎ（１０．４°）｝≒２．７７となる。

大きい一点鎖線上の８つの回折光（白抜きの丸）は、それぞれ１．８％のエネルギーを持ち、この８つの回折光まで取り込むことで、８０％のエネルギーを取り込むことができる。大きい一点鎖線の角度範囲は、図５（Ａ）に示すように概略√５・δであり、この範囲の回折光を取り込む投影光学系のＦナンバーは、一般式で表すと、
ＦＰ＝１／〔２・ｓｉｎ［ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＩ）｝＋（√５・λ）／（√２・ｄ）＋γ］〕
となる。

図５に示す例においては、√５・δ≒１０．４２°となるので、同様に、照明光のＦナンバー＝５とすると、θＩ＝ｓｉｎ^-1｛１／（２・５）｝≒５．７４°、γ＝０°であるから、この大きい一点鎖線までの回折光を取り込む投影光学系の角度は、θＰ≒１６．１６°、すなわち、ＦＰ＝１／｛２・ｓｉｎ（１６．１６°）｝≒１．８となる。これより外側の回折光まで取り込もうとすると、更に６．５°も投影光学系の取り込み角を増やさなければならないが、そうしても６％程度しかエネルギーは増えず、投影光学系は大きく、重く、高価格になり、また、設計も難しくなり、あまり効率的とは言えない。よって、投影光学系の取り込み範囲は、図５（Ａ）に示す大きい一点鎖線の範囲までに抑えるのが望ましい。

したがって、画像投影装置は以下の条件式（３）を満たすことが好ましい。
ＦＰ≧１／〔２・ｓｉｎ［ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＩ）｝＋（√５・λＲ）／（√２・ｄ）＋γ］〕 …（３）
ただし、
ｄ：デジタル・マイクロミラー・デバイスの画素ピッチ、
λＲ：赤色光の波長、
γ：鏡面反射光が画像表示面の法線と成す角度、
ＦＩ：照明光のＦナンバー、
ＦＰ：投影光学系のＦナンバー、
である。

《画像投影装置の実施の形態（図６〜図１２）》
図６に、画像投影装置の実施の形態を示す。この画像投影装置２０は、レーザ光源ユニット４，コンデンサレンズ５，照明光学系７，ＴＩＲ（Total Internal Reflection）プリズムユニット８，カラープリズムユニット９，デジタル・マイクロミラー・デバイス１０，投影光学系１１等で構成されており（ＡＸ１：照明光軸，ＡＸ２：投影光軸）、図６では画像投影装置２０の全体構成をＤＭＤ画素の回転軸に平行な方向から見た状態で示している。レーザ光源ユニット４は、半導体レーザアレイ１（図８），コリメータレンズアレイ２（図９），光路合成用ミラー３等で構成されている。照明光学系７は、ロッドインテグレータ７ａ，集光レンズ７ｂ，リレー光学系７ｃ，折り返しミラー７ｄ，エントランスレンズ７ｅ等で構成されている。また、ＴＩＲプリズムユニット８は、第１プリズム８ａ，第２プリズム８ｂ等で構成されている。

図７はカラープリズムユニット９をＤＭＤ画素の回転軸と直交する上面側から見た状態で示している。図７から分かるように、カラープリズムユニット９は、赤プリズム９Ｒ，緑プリズム９Ｇ，青プリズム９Ｂ等で構成されており、デジタル・マイクロミラー・デバイス１０として、赤用，緑用，青用のデジタル・マイクロミラー・デバイス１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂが設けられている。

レーザ光源ユニット（光源装置）４には、波長４４５ｎｍの青色半導体レーザアレイ（青色レーザ光源）１Ｂｓ，１Ｂｐと、波長５３２ｎｍの緑色半導体レーザアレイ（緑色レーザ光源）１Ｇｓ，１Ｇｐと、波長６３５ｎｍの赤色半導体レーザアレイ（赤色レーザ光源）１Ｒｓ，１Ｒｐと、の３種類の半導体レーザアレイ１が搭載されており、青色用のミラー３Ｂｓ，３Ｂｐと、緑色用のミラー３Ｇｓ，３Ｇｐと、赤色用のミラー３Ｒｓ，３Ｒｐと、の６種類の光路合成用ミラー３が搭載されている。半導体レーザアレイ１を構成している半導体レーザは、光路合成用ミラー３に対する偏光特性が各色で揃うように配列されている。また、半導体レーザは一方向に光束の放射角の広がりが大きいので、図８に示すように、放射角の広がりに対応して一方向に広めのピッチで配置されている。コリメータレンズアレイ２は、図９に示すように、半導体レーザアレイ１の配列に対応した開口形状で形成されている。

レーザ光源ユニット４には、各色の半導体レーザアレイ１が２つずつ、計６個の半導体レーザアレイ１Ｒｓ，１Ｒｐ；１Ｇｓ，１Ｇｐ；１Ｂｓ，１Ｂｐが用いられており、各色の２つの半導体レーザアレイ１は互いに偏光方向が直交する関係で配置されている。つまり、青のＰ偏光の半導体レーザアレイ１Ｂｐ，青のＳ偏光の半導体レーザアレイ１Ｂｓ，緑のＰ偏光の半導体レーザアレイ１Ｇｐ，緑のＳ偏光の半導体レーザアレイ１Ｇｓ，赤のＰ偏光の半導体レーザアレイ１Ｒｐ，赤のＳ偏光の半導体レーザアレイ１Ｒｓが、順に並んで配置されている。

半導体レーザアレイ１から射出した光束は、コリメータレンズアレイ２で略平行光束となった後、光路合成用ミラー３に入射する。青のＰ偏光の光束は青反射ミラー３Ｂｐで反射され、図１０に示す特性（実線：Ｓ偏光，破線：Ｐ偏光）を持つ青帯域ＰＢＳ(polarizing beam splitter)ミラー３Ｂｓで青のＳ偏光の光束と合成されて青色光になる。青色光は、緑反射青透過ミラー３Ｇｐで緑のＰ偏光の光束と合成され、さらに、図１１に示す特性（実線：Ｓ偏光，破線：Ｐ偏光）を持つ緑帯域ＰＢＳ青透過ミラー３Ｇｓで緑のＳ偏光と合成されてシアン色光になる。シアン色光は、赤反射緑青透過ミラー３Ｒｐで赤のＰ偏光の光束と合成され、さらに、図１２に示す特性（実線：Ｓ偏光，破線：Ｐ偏光）を持つ赤帯域ＰＢＳ緑青透過ミラー３Ｒｓで赤のＳ偏光と合成されて白色光になる。合成された白色光は、コンデンサレンズ５で集光されてロッドインテグレータ７ａに入射する。なお、合成された白色光をファイバーに入射させて、ファイバーを経由してロッドインテグレータ７ａに入射させてもよい。

本構成のレーザ光源ユニット４には、多数個の半導体レーザがレーザ光源として用いられているので、スペックルが軽減されるという効果がある。不良レーザがあって途中で発光しないレーザがあってもその影響は小さく、継続した使用が可能であるため、メンテナンス性も良い。発光波長のバラツキがあっても平均化され、各色の光源ブロックごとでの色再現性の差が少ないという効果もある。

光路合成用ミラー３では、ダイクロイックミラー及びＰＢＳミラーを用いて色合成と偏光合成を行っており、見掛けの光源数は１／６になるため（ブロック数：６）、光学系のＮＡ（numerical aperture）を大きくせずに明るい光源が得られる。また、レーザ光をコリメータレンズアレイ２で略平行光にしてからダイクロイックミラーやＰＢＳミラーに入射させているので、入射角分布範囲も小さく効率よく偏光合成・色合成を行うことができる。なお、レーザ光源としては、本構成にかかわらず、様々な構成が一般的に知られているので、それらの構成を用いてもよい。

ロッドインテグレータ７ａに入射した光は、ここで内面反射を繰り返し、均一な光量分布となって他端の射出面より射出する。ロッドインテグレータ７ａの射出面直後には集光レンズ７ｂが配置されており、更に後方にはリレー光学系７ｃが配置されている。ロッドインテグレータ７ａから射出した光は、集光レンズ７ｂで効率良くリレー光学系７ｃに導かれ、折り返しミラー７ｄを経て、ＴＩＲプリズムユニット８の入射側に配置されたエントランスレンズ７ｅを介して、ＴＩＲプリズムユニット８からカラープリズムユニット９を経てデジタル・マイクロミラー・デバイス１０を照明する。

デジタル・マイクロミラー・デバイス１０の画像表示面１０ａでは、照明光の強度変調により２次元画像が形成される。デジタル・マイクロミラー・デバイス１０の画素は、画像表示面１０ａが構成する矩形の画像表示領域の各辺に対して４５°の角度をなす回転軸を有しており、その軸回りに例えば±１２°回動することにより、ＯＮ／ＯＦＦを表現する。ＯＮ状態のマイクロミラー（画素面１０ｂ）で反射した光のみがＴＩＲプリズムユニット８，カラープリズムユニット９及び投影光学系１１を通過することができるため、デジタル・マイクロミラー・デバイス１０の表示画像がスクリーン（不図示）上に拡大投影されることになる。

ＴＩＲプリズムユニット８は、それぞれ略三角柱状の第１プリズム８ａと第２プリズム８ｂとから成っており、各プリズム斜面間にエアギャップ層８ｄが設けてある。このＴＩＲプリズムユニット８によって、デジタル・マイクロミラー・デバイス１０に対する入力光と出力光との分離が行われる。照明光学系７から射出した照明光は、第１プリズム８ａに入射し、エアギャップ層８ｄを形成する斜面に全反射条件を満たす角度で入射し、全反射してカラープリズムユニット９に入射する。

照明光は、カラープリズムユニット９で赤，緑，青の各色に分解される。カラープリズムユニット９は、図７に示すように、略三角柱状の青プリズム９Ｂ及び赤プリズム９Ｒ、並びにブロック状の緑プリズム９Ｂが、順次組み合わされている。

青プリズム９Ｂと赤プリズム９Ｒとの間には、青色光を反射する青ダイクロイック面ＤＢ、及びそれに隣接してエアギャップ層９ｄが設けられている。このエアギャップ層９ｄは投影光軸ＡＸ２に対し傾斜しており、投影光軸ＡＸ２とエアギャップ層９ｄの法線を含む面は、ＴＩＲプリズムユニット８のエアギャップ層８ｄと投影光軸ＡＸ２を含む面と直交している。

また、赤プリズム９Ｒと緑プリズム９Ｇとの間には、赤色光を反射する赤ダイクロイック面ＤＲ、及びそれに隣接してエアギャップ層９ｄが設けられている。このエアギャップ層９ｄも投影光軸ＡＸ２に対し傾斜しており、投影光軸ＡＸ２とエアギャップ層９ｄの法線を含む面は、同様にＴＩＲプリズムユニット８のエアギャップ層８ｄの法線と投影光軸ＡＸ２を含む面と直交している。傾斜方向は、青プリズム９Ｂと赤プリズム９Ｒによるエアギャップ層９ｄの傾き方向とは逆方向である。

青プリズム９Ｂの入射出面９ｅより入射した照明光は、青ダイクロイック面ＤＢで青色光が反射され、他の緑色光及び赤色光は透過する。青ダイクロイック面ＤＢで反射された青色光は、青プリズム９Ｂの入射出面９ｅにより全反射され、青プリズム９Ｂ側面である青入射出面ＳＢより射出して、青用デジタル・マイクロミラー・デバイス１０Ｂを照明する。青ダイクロイック面ＤＢを透過した緑色光と赤色光のうち、赤色光は赤ダイクロイック面ＤＲで反射され、緑色光は透過する。赤ダイクロイック面ＤＲで反射された赤色光は、青ダイクロイック面ＤＢに隣接して設けられたエアギャップ層９ｄにより全反射され、赤プリズム９Ｒ側面である赤入射出面ＳＲより射出して、赤用デジタル・マイクロミラー・デバイス１０Ｒを照明する。赤ダイクロイック面ＤＲを透過した緑色光は、緑プリズム９Ｇ側面である緑入射出面ＳＧより射出して、緑用デジタル・マイクロミラー・デバイス１０Ｇを照明する。

青用デジタル・マイクロミラー・デバイス１０Ｂで反射された青色の投影光は、青入射出面ＳＢに入射して青プリズム９Ｂの入射出面９ｅで全反射された後、青ダイクロイック面ＤＢで反射される。また、赤用デジタル・マイクロミラー・デバイス１０Ｒで反射された赤色の投影光は、赤入射出面ＳＲに入射して、青ダイクロイック面ＤＢに隣接して設けられたエアギャップ層９ｄにより全反射された後、赤ダイクロイック面ＤＲで反射され、更に青ダイクロイック面ＤＢを透過する。さらに、緑用デジタル・マイクロミラー・デバイス１０Ｇで反射された緑色の投影光は、緑入射出面ＳＧに入射して、赤ダイクロイック面ＤＲ及び青ダイクロイック面ＤＢを透過する。

そして、これら赤色，青色，及び緑色の各投影光は、同一光軸に合成され、青プリズム９Ｂの入射出面９ｅから射出して、ＴＩＲプリズムユニット８に入射する。ＴＩＲプリズムユニット８に入射した投影光は、ここでは全反射条件を満たさないのでエアギャップ層８ｄを透過し、投影光学系１１によってスクリーンに投影される。このとき投影光学系１１のＦナンバーは、デジタル・マイクロミラー・デバイス１０での回折による拡がりも考慮して、捉えることができるように設定されているので、各色とも効率良くスクリーンに投影することができる。

この実施の形態では３板式を採用しているが、単板式を採用してもよい。その場合、同様の投影光学系１１のＦナンバーで構成すればよい。単板式の場合は、カラープリズムユニット９が無く、赤・緑・青の半導体レーザアレイ１を時間順次で発光させる。順次切り替わる色光に合わせてデジタル・マイクロミラー・デバイス１０に対応する色光の画像が表示され、スクリーンに投影される。人の目では認識できないほど色光の切り替えを高速で行うことにより、カラー画像として認識させることが可能となる。なお、光源装置にＬＥＤ光源を用いたり、白色光源（キセノンランプ等）を射出光の波長帯域の狭いカラーホイール（ロッドインテグレータ７ａの入射面近傍に配置される。）に組み合わせて用いたりした場合でも、光量伝達ロスを効果的に抑制することが可能である。

１ 半導体レーザアレイ
１Ｂｓ，１Ｂｐ 青色半導体レーザアレイ（青色レーザ光源）
１Ｇｓ，１Ｇｐ 緑色半導体レーザアレイ（緑色レーザ光源）
１Ｒｓ，１Ｒｐ 赤色半導体レーザアレイ（赤色レーザ光源）
２ コリメータレンズアレイ
３ 光路合成用ミラー
４ レーザ光源ユニット（光源装置）
５ コンデンサレンズ
７ 照明光学系
７ａ ロッドインテグレータ
７ｂ 集光レンズ
７ｃ リレー光学系
７ｄ 折り返しミラー
７ｅ エントランスレンズ
８ ＴＩＲプリズムユニット
８ａ 第１プリズム
８ｂ 第２プリズム
８ｄ エアギャップ層
９ カラープリズムユニット
９Ｂ 青プリズム
９Ｇ 緑プリズム
９Ｒ 赤プリズム
９ｄ エアギャップ層
ＳＢ 青入出射面
ＳＧ 緑入出射面
ＳＲ 赤入出射面
１０ デジタル・マイクロミラー・デバイス
１０ａ 画像表示面
１０ｂ 画素面
１０Ｒ 赤用のデジタル・マイクロミラー・デバイス
１０Ｇ 緑用のデジタル・マイクロミラー・デバイス
１０Ｂ 青用のデジタル・マイクロミラー・デバイス
１１ 投影光学系
２０ 画像投影装置
Ｌｉ 照明光
Ｌｒ 鏡面反射光
Ｌｄ 回折光
Ｎａ 画像表示面の法線
Ｎｂ 画素面の法線
ＡＸ１ 照明光軸
ＡＸ２ 投影光軸
Ｘｒ 鏡面反射光軸

Claims (4)

1. 青，緑，赤の各色の照明光を出射する光源装置と、各色の照明光を画像表示面で強度変調することにより各色の画像を形成するデジタル・マイクロミラー・デバイスと、各色の画像を拡大投影する投影光学系と、を備え、以下の条件式（１）及び（３）を満たすことを特徴とする画像投影装置；
   ＦＰ≦１／〔２・ｓｉｎ［ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＩ）｝＋Δ］〕 …（１）
   ＦＰ≧１／〔２・ｓｉｎ［ｓｉｎ ^-1 ｛１／（２・ＦＩ）｝＋（√５・λＲ）／（√２・ｄ）＋γ］〕 …（３）
   ただし、デジタル・マイクロミラー・デバイスの画像表示面において各画素を構成するミラー面を画素面とし、その画素面で照明光軸上の光線が鏡面反射されることによって生じた反射光を鏡面反射光とし、
   青の照明光軸上の光線がデジタル・マイクロミラー・デバイスで回折されることによって生じた回折光のうち、前記鏡面反射光に最も近い進行方向の回折光が、前記画像表示面の法線と成す角度を青色光の回折角βＢとし、
   緑の照明光軸上の光線がデジタル・マイクロミラー・デバイスで回折されることによって生じた回折光のうち、前記鏡面反射光に最も近い進行方向の回折光が、前記画像表示面の法線と成す角度を緑色光の回折角βＧとし、
   赤の照明光軸上の光線がデジタル・マイクロミラー・デバイスで回折されることによって生じた回折光のうち、前記鏡面反射光に最も近い進行方向の回折光が、前記画像表示面の法線と成す角度を赤色光の回折角βＲとすると、
   Δ：回折角βＢ，βＧ，βＲのうち最も大きい回折角であり、
   ＦＩ：照明光のＦナンバー、
   ＦＰ：投影光学系のＦナンバー、
   ｄ：デジタル・マイクロミラー・デバイスの画素ピッチ、
   λＲ：赤色光の波長、
   γ：鏡面反射光が画像表示面の法線と成す角度、
   ＦＩ：照明光のＦナンバー、
   ＦＰ：投影光学系のＦナンバー、
   である。
2. 前記光源装置が、照明光として青色のレーザ光を出射する青色レーザ光源と、照明光として緑色のレーザ光を出射する緑色レーザ光源と、照明光として赤色のレーザ光を出射する赤色レーザ光源と、を有することを特徴とする請求項１記載の画像投影装置。
3. 以下の条件式（２）を満たすことを特徴とする請求項１又は２記載の画像投影装置；
   ＦＰ≦１／〔２・ｓｉｎ［ｓｉｎ^-1｛１／（２・ＦＩ）｝＋λＲ／（√２・ｄ）＋γ］〕 …（２）
   ただし、
   ｄ：デジタル・マイクロミラー・デバイスの画素ピッチ、
   λＲ：赤色光の波長、
   γ：鏡面反射光が画像表示面の法線と成す角度、
   ＦＩ：照明光のＦナンバー、
   ＦＰ：投影光学系のＦナンバー、
   である。
4. γ＝０であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の画像投影装置。

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