JP6083149B2

JP6083149B2 - 画像表示装置

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Publication number: JP6083149B2
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Inventors: 柴山　恭之; 恭之柴山; 藤岡　哲弥; 哲弥藤岡; 逢坂　敬信; 敬信逢坂; 久保　良生; 良生久保
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Priority date: 2011-08-16
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2017-02-22
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Description

本発明は、画像を拡大してスクリーンに投射する画像表示装置に関するもので、一般的にはプロジェクタと称されているものである。

一般的にプロジェクタと称されている画像表示装置は、画像表示素子の違いによって、ＣＲＴプロジェクタ、液晶プロジェクタ、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）プロジェクタなどがある。上記ＤＭＤは、２次元的に配置された複数の微小ミラーを有し、個々の微小ミラーの傾斜角度を変化させて反射光をオン・オフする反射型画像表示素子である。本発明に係る画像表示装置は、画像表示素子として上記ＤＭＤのような反射型画像表示素子を備えている。反射型画像表示素子を備えた画像表示装置であって本発明に係る画像表示装置に関連のある公知の技術として、以下に述べるような特許文献１乃至４に記載されている技術がある。

特許文献１には、白色光源、カラーフィルタ、コンデンサレンズ、平面ミラー、球面ミラー、反射型画像表示素子の一種であるＤＭＤ、投射レンズがこの順に配置され、上記球面ミラーを投射レンズの入射部の直下に配置し、かつ、上記コンデンサレンズの中心軸と投射レンズの中心軸とを平面から見て所定角度で交差させた画像表示装置が記載されている。特許文献２に記載されている画像表示装置も特許文献１に記載されている画像表示装置と略同じ構成になっていて、コンデンサレンズを通った光線を反射させてＤＭＤに導く折り返しミラーを単一の凹面形状のミラーとし、この折り返しミラーを、上記ＤＭＤの微小ミラーから投射レンズに向かう反射光の光路外に配置したものである。

上記特許文献１および特許文献２に記載されている画像表示装置は、コンデンサレンズを通った光線を反射させてＤＭＤに導く折り返しミラーが、投射レンズを保持する保持具（以下「鏡筒」という）の入射端すなわちＤＭＤ側の端よりも出射端側に配置されている。そのため、上記折り返しミラーと鏡筒との物理的な干渉が生じ、折り返しミラーを鏡筒の外形に合わせて大きく切欠かなければならず、ＤＭＤに対する照明光量の大幅な減少および照度むらを生じやすく、投射画像の品質が劣化する。かかる問題を解消するために、上記球面ミラーの切欠きを小さくすると、投射レンズの口径、特に投射レンズの上記球面ミラー配置位置からＤＭＤ側の端に至るまでの口径を小さくする必要があり、投射レンズの明るさの低下、投射レンズ設計の自由度の制限といった別の問題が生じる。

特許文献３には、ランプ光源から放射される照明光を、パラボラリフレクタ、ロッドインテグレータ、集光光学系を経てＴＩＲ(ＴｏｔａｌＩｎｔｅｒｎａｌＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ)プリズムに入射させ、ＴＩＲプリズムで全反射させた照明光をＤＭＤに照射し、ＤＭＤで反射された光は再びＴＩＲプリズムを経て投射レンズに入射させるようにした画像表示装置が記載されている。

上記特許文献３に記載されている画像表示装置によれば、ＴＩＲプリズムの反射面を、ＤＭＤの中心付近で投射レンズの光軸近傍に設定することができるという利点がある。その半面、ＴＩＲプリズムを構成するには、研磨加工によって、面精度、各面相互の角度精度を高精度に仕上げた２つのプリズムが必要であるとともに、２つのプリズムを高い精度で一体化する必要があり、ＤＭＤの照明光学系を、ミラーを用いて構成する場合に比べてコスト高になるという問題がある。また、ＴＩＲプリズムの内部では全反射によって光路を曲げているが、ＴＩＲプリズムには、１．プリズム入射面、２．ＤＭＤ照射光の出射面、３．ＤＭＤ反射光の入射面、４．プリズム界面（出射側）、５．プリズム界面（入射側）６．プリズム出射面、という多くの面での反射ロスがあり、照明光利用効率低下の要因になっている。さらに、ＴＩＲプリズムの質量はミラーに比べて大きいため、画像表示装置の軽量化を阻害する要因となっている。

特許文献４には、発光体、集光手段、光ミキシング手段、第１レンズ群、第２レンズ群、反射型画像表示素子の一種であるライトバルブをこの順に配置してなる照明装置を備え、また、上記ライトバルブから出射した光をスクリーンに伝達する投射レンズ（投射光学系に相当）を備えた投射型表示装置が記載されている。

上記特許文献４記載の表示装置においても、前記特許文献１，２記載の発明のように、照明光学系を構成する光学部品の一つである第２レンズ群の一部を投射レンズの鏡筒が遮っており、第２レンズ群の一部を上記鏡筒の外形よりも大きく切欠いている。このため、反射型画像表示素子の照明光に照度むらが生じやすく、投射画像の品質が劣化する。

本発明は、以上説明したような従来技術の問題点を解消すること、すなわち、質量の増加およびコストの増大を防ぎながら、被投射面における照度むらを低減することができる画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る画像表示装置は、光源と、前記光源から出射される光を集光して所定の位置に集光像を形成する集光器と、前記集光像の近傍に入射端を有する光ミキシング素子と、２次元的に配置された複数の微小ミラーを有し個々の微小ミラーの傾き角度をオン状態とオフ状態で変化させることにより反射光の出射をオン・オフさせる反射型画像表示素子と、前記光ミキシング素子の出射端から前記反射型画像表示素子までの間に配置されているコンデンサレンズと照明用ミラーからなる照明光学系と、前記反射型画像表示素子を構成する複数の微小ミラーのうちオン状態にある微小ミラーからの反射光を被投射面に投射する投射光学系と、を備え、前記光ミキシング素子から前記反射型画像表示素子に至る光路において前記反射型画像表示素子に最も近い位置に前記照明用ミラーが配置されていて、この照明用ミラーの反射面は、前記投射光学系の一部を構成する投射レンズ系よりも前記反射型画像表示素子側であって、かつ前記反射型画像表示素子を構成する複数の微小ミラーが全てオン状態のとき、前記投射光学系に入射する光線の一部を前記照明用ミラーの反射面の稜線の一部が遮るように位置していることを最も主要な特徴とする。

照明用ミラーの反射面の有効領域を広げることができ、反射型画像表示素子の微小ミラー面の照度を均一化することができる。これによって、被投射面に投射される画像領域の照度むらが低減し、被投射面に投射される画像の品質を高めることができる。

本発明に係る画像表示装置の実施例１の要部を一方向からみた側面図である。上記実施例１の要部を別の角度から見た側面図である。上記実施例１の照明用ミラーと投射レンズ鏡筒の部分を拡大して示す側面図である。上記照明用ミラーと投射レンズ鏡筒の部分を別の角度から示す側面図である。上記照明用ミラーと投射レンズ鏡筒の部分を拡大して示す底面図である。上記照明用ミラーと投射レンズ鏡筒の部分を拡大して示す底面図である。上記実施例１の反射型画像表示素子における照度分布の一例を示す等高線図である。上記実施例１の反射型画像表示素子における照度分布の別の例を示す等高線図である。上記実施例１における第１照明用ミラーの曲率を説明するためのモデル図である。上記実施例１における第２照明用ミラーの外形および稜線を説明するための正面図である。本発明に係る画像表示装置における光源から光ミキシング素子に至るまでの光学部品配置例を示す側面図である。本発明に係る画像表示装置の実施例と被投射面との関係を示す正面図である。本発明に係る画像表示装置の実施例と被投射面との関係を示す側面図である。上記実施例における第２照明用ミラーのローカル座標系を示す斜視図である。本発明に係る画像表示装置における光源から光ミキシング素子に至るまでの光学部品配置例を示す側面図である。上記実施例における反射型画像表示素子としてのＤＭＤの微小ミラー配置例を示す斜視図である。上記実施例における照明用ミラーと投射レンズ鏡筒との関係を示す側面図である。本発明に係る画像表示装置の別の実施例における照明用ミラーと投射レンズ鏡筒との関係を示す側面図である。本発明に係る画像表示装置の実施例における第２投射ミラーから平板ガラスへの入射角度を被投射面の各領域に分けて示す図である。本発明に係る画像表示装置の実施例における第２照明用ミラーの切欠きを投射レンズ系と対比して示す底面図である。本発明に係る画像表示装置の実施例における第２照明用ミラーの断面ＡＡ’を示す図である。本発明に係る画像表示装置の実施例における第２照明用ミラーの丸み面取り部と遮光部を示す図である。

以下、本発明に係る画像表示装置の実施例について図面を参照しながら説明する。なお、図示の実施例は、投射光学系が投射レンズ系と投射ミラーを有してなり、投射レンズ系の光軸が被投射面に平行に配置され、投射レンズ系を透過する光束を投射ミラーが被投射面に向けて反射するように配置された構成になっている。しかし、本発明に用いられる投射光学系はこのような構成のものに限定されるものではなく、投射レンズ系の光軸が被投射面に対してほぼ正対する形式の画像表示装置にも適用可能である。

まず、図１２、図１３を参照しながら本実施例に係る画像表示装置の概略を説明する。図１２、図１３において、符号１００は画像表示装置を、１０１はスクリーンすなわち被投射面を示している、本実施例の絶対座標原点は、後述する反射型画像表示素子の中心とし、水平面内の一方向をｘ軸、これに直交する水平面内の一方向をｚ軸、ｘ軸にもｚ軸にも直交する垂直方向の軸をy軸とする。図１２、図１３に表されている画像表示装置１００の構成部材は、光源１と、光源１から放射される光を集光して所定の位置に集光像を形成する集光器と、集光像の近傍に入射端を有する光ミキシング素子２と、第１照明用ミラー４と、第２照明用ミラー５と、投射レンズ系を保持している鏡筒１０と、投射レンズ系とともに投射光学系を構成する第１投射ミラー８４と、第２投射ミラー８５と、平板ガラス９を備えている。

光源１およびその集光器と、光ミキシング素子２と、第１照明用ミラー４と、第２照明用ミラー５は照明光学系を構成していて、図示されない反射型画像表示素子の反射面を均等に照明するようになっている。反射型画像表示素子は前記ＤＭＤからなり、ＤＭＤに表示されている画像に対応した反射光が投射光学系を構成するレンズ鏡筒１０内の投射レンズ系、第１、第２の投射ミラー８４，８５を経て被投射面１０１に投射されるように構成されている。上記投射レンズ系の光軸は垂直なｙ軸方向に向いていて、被投射面１０１も投射レンズ系の光軸と平行に垂直方向に設置されている。画像表示装置１００は、被投射面１０１の下端よりも下方にあって、斜め上方にある被投射面１０１に向かい投射光が斜め上方に出射するように構成されている。被投射面１０１に向かい斜め上方に出射されて被投射面１０１に投射される画像の上下左右の歪みを矯正するために、第２投射ミラー８５の反射面は、自由曲面に形成されている。

上記画像表示装置１００の構成をより具体的に説明する。図１、図２は、上記照明光学系と投射光学系を含む画像表示装置１００の構成を、見る方向を変えて示している。図１、図２において、光源１は、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からなる発光体を内部に備えている。上記発光体から放射される照明光はリフレクタ４０１の内側に設けられている集光ミラーにより所定の位置で集光される。光源１はその前端部に図示されないランプカバーが取り付けられている。図１５に示すように、ランプカバーの前面には、発光体の光軸（絶対座標のｚ軸方向）に対し角度を１０度だけ傾けて防爆ガラス１２が配置されている。

図１、図２において、光源１から出射する照明光の光路上には光ミキシング素子２が配置され、上記照明光の焦点位置近傍に光ミキシング素子２の入射端が位置している。光ミキシング素子２として本実施例では矩形の開口を有する周知のライトトンネルが用いられている。ライトトンネルは、４枚の板状のミラーを、反射面を内側にして四角筒を形成するように結合したものである。ライトトンネルの一端近傍に上記照明光の焦点位置があることによって照明光がライトトンネルに入射する。この入射光は４枚のミラーの内面で反射を繰り返し、ライトトンネルの他端の出射端からは、照度分布が均一化された横断面矩形の照明光が出射される。光ミキシング素子２として、ライトトンネルのほかに、公知のロッドインテグレータ、ライトパイプなどを用いてもよい。

光ミキシング素子２から出射した照明光の進路上にはコンデンサレンズ３、第１照明用ミラー４、第２照明用ミラー５がこの順に配置されている。コンデンサレンズ３と第１照明用ミラー４は、光ミキシング素子２から出射する照明光の略直進路上にある。第１照明用ミラー４は、コンデンサレンズ３から出射される照明光を斜め後ろ上方に向かって折り曲げるように、ｘ軸方向にもｚ軸方向にも傾いた斜め上向きの姿勢で設置されている。第２照明用ミラー５は、第１照明用ミラー４による反射光を、下方に設置されている反射型画像表示素子であるＤＭＤ７に向かい下前方に折り曲げるように、ｘ軸方向にもｚ軸方向にも傾いた斜め下向きの姿勢で設置されている。

このように、照明光がコンデンサレンズ３、第１照明用ミラー４、第２照明用ミラー５の順に透過し反射されることにより、照明光の横断面形状が整形され、第２照明用ミラー５で反射された照明光がＤＭＤ７に照射されるようになっている。光ミキシング素子２の出射端には非図示のライトトンネルの配置調整手段が設けられており、光ミキシング素子２の出射端を矩形開口の長手方向、短手方向（それぞれ，図１の１０５、１０６の方向）に傾動させることでＤＭＤ７の照射光の位置調整がなされる。ＤＭＤ７の前面にはカバーガラス６が配置されている。ＤＭＤ７はほぼ水平面に沿って配置され、ＤＭＤ７が有している微小ミラーがオンのとき、第２照明用ミラー５を経て照射される照明光を垂直方向上方に向かって反射するようになっている。光ミキシング素子２の出射端とＤＭＤ７の後述の微小ミラー面は、コンデンサレンズ３、第１照明用ミラー４、第２照明用ミラー５からなる照明光学系に関し共役な位置にあり、光ミキシング素子２の出射端の均一な照明光がＤＭＤ７の微小ミラー面に均一に照射される。

上記のように、照明光は、コンデンサレンズ３から、第１照明用ミラー４、第２照明用ミラー５、ＤＭＤ７を経て投射光学系８に至るまでに、三次元的に数回反射される。その間に照明光が上記各部材によって干渉されないように、第１照明用ミラー４、第２照明用ミラー５は、ｘ軸、ｙ軸方向に対して傾くとともに、平面方向から見て、投射レンズ系８１の光軸を中心にしてその周囲に配置されている。

上記光源１からＤＭＤ７に至る光学系の部品仕様を表１に、各光学部品の位置座標を表２に示す。表１、表２において、「ランプ１」とは上記光源１のことである。また、「レンズ１」および「レンズ２」とは、コンデンサレンズ３を構成する第１レンズおよび第２レンズ、「第１ミラー４」とは第１照明用ミラー４、「第２ミラー５」とは第２照明用ミラー５をそれぞれ示している。

表１

表２

反射型画像表示素子であるＤＭＤ７は、図１６に示すように、７−１から７−ｋまで２次元状に配置された微小ミラーを有している。各微小ミラーは独立して傾きを変化させ、所定の向きから所定の角度で入射する光の反射角度を変化させることによりオン状態とオフ状態を作ることができる。各微小ミラーの偏向角度はおよそ±１２°である。上記オン状態とは、例えば反射光を後続の光学系に入射させる状態、オフ状態とは反射光が後続の光学系からそれる状態をいう。本実施例におけるＤＭＤ７は、長手方向の微小ミラー数Ｍが、Ｍ＝１２８０個、短手方向の微小ミラー数Ｎが、Ｎ＝８００個、合計ｋ＝Ｍ×Ｎ＝１０２４０００個の微小ミラーにより構成され、アスペクト比は１２８０：８００＝１６：１０である。各微小ミラーの配置間隔（画素ピッチ）は１０．８ミクロンである。

上記光学系を構成する各光学部品の絶対座標の原点は、図１、図２、図１２、図１６に示すように、ＤＭＤ７の反射面の中心とする。ＤＭＤ７の長手方向をｚ軸、短手方向をｘ軸、ＤＭＤ７の法線方向をｙ軸とし、ｘ、ｙ、ｚ軸回りの回転をそれぞれα、β、γとする。光源１から出射する照明光の光軸はｚ軸方向になる。コンデンサレンズ３は、それぞれ出射面に非球面を有する２枚のレンズ（表１、表２における「レンズ１」と「レンズ２」）によって構成され、非球面は数式１で定義される非球面と、表１に示した曲率半径、非球面係数によって表される。ただし、非球面の定義式（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、ｚ’がレンズ面のサグ量である。

数式１

第１照明用ミラー４はシリンダ形状の反射面を持つミラーであり、第２照明用ミラー５は球面形状の反射面を持つ凹面ミラーである。第１照明用ミラー４のシリンダ面は、図９に示すように、ｘ軸方向の曲率半径をＲｘ、ｙ軸方向の曲率半径をＲｙとするとき、Ｒｘ＝−４７５ｍｍ、Ｒｙ＝∞（平面）の凹のシリンダ面である。

ＤＭＤ７のオン状態にある微小ミラーは、第２照明用ミラー５で反射される照明光を投射光学系８に向けて反射する。微小ミラーからの反射光は、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上に結像投射される。投射画像サイズは最大８０インチである。

図１、図２に示すように、投射光学系８は、鏡筒１０によってその内部に保持されている投射レンズ系８１と、投射ミラーとで構成され、投射ミラーは、第１投射ミラー８４と第２投射ミラー８５で構成されている。投射レンズ系８１は、入射端のレンズ８１１から出射端のレンズ８２１に至る１１枚のレンズで構成されている。表３は、投射レンズ系８１のデータを示している。上記入射端のレンズ８１１から出射端のレンズ８２１に向かって順に「投射レンズ１」乃至「投射レンズ１１」としている。Ｒは面番号に該当する面の曲率半径、ｄは隣り合う面相互の間隔、ｎｄは各レンズのＤ線に対する屈折率、νｄは各レンズのアッベ数を示している。

表３

上記表３中の「投射レンズ１」、「投射レンズ１０」、「投射レンズ１１」は両側の面がともに非球面のレンズである。各々の非球面形状は数式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。

表４

また、第２投射ミラー８５に該当する「投射ミラー２」の反射面は、図１４に示すようにローカル座標軸ｘ´、ｙ´、ｚ´をとったとき、数式２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２

表５

表６は、投射光学系８を構成する投射レンズおよび第２投射ミラー８５以外の光学部品の仕様を示す。表６において「投射ミラー１」は、第１投射ミラー８４に該当する。「絞り１」、「絞り２」、「絞り３」は図示していない。

表６

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の光学部品の配置座標を示す。

表７

図１、図２において、第１投射ミラー８４、第２投射ミラー８５の上端に近接してｘ軸とｚ軸を含む面に平行に平板ガラス９が配置されている。本実施例にかかる画像表示装置は図示されない筐体内に組み込まれていて、上記筐体の上端開口に平板ガラス９が嵌め込まれることにより、画像表示装置内部の防塵が図られている。

次に、図３乃至図６を参照しながら、照明光学系、特に、第１照明用ミラー４、第２照明用ミラー５と、投射光学系８を構成する投射レンズ系８１およびその鏡筒１０の配置関係および形状についてより詳細に説明する。図５、図６では、錯綜をさけるためにＤＭＤ７とカバーガラス６は描かれていない。

図３乃至図６において、前記光ミキシング素子２の出射端で均一化された輝度分布をもつ照明光は、コンデンサレンズ３、第１照明用ミラー４、第２照明用ミラー５の順に配置された光学素子を経てＤＭＤ７の照射光となる。したがって、光路の途中で光束が物理的に干渉されていわゆる「けられ」が生じると、ＤＭＤ７の照明光照射領域で照度むらが生じ、被投射面に投射される画像に照度むらを生じ、投射画像の品質が劣化する。光ミキシング素子２の出射端からＤＭＤ７に至る光路上では、第２照明用ミラー５が投射レンズ系８１に近接しているため、第２照明用ミラー５と投射レンズ系８１の鏡胴１０が干渉しないように、第２照明用ミラー５を部分的に切り欠くことが多い。そのため、第２照明用ミラー５の上記切り欠きの部分で光束の「けられ」が発生しやすかった。

そこで、図示の実施例では、上記の問題点を解消するために、光ミキシング素子２から反射型画像表示素子であるＤＭＤ７に至る光路においてＤＭＤ７に最も近い位置に第２照明用ミラー５を配置し、この照明用ミラー５の反射面を、投射光学系８の一部を構成する投射レンズ系８１よりもＤＭＤ７側に位置させた。ここで、照明用ミラー５の反射面とは、特に断りがない限り実体のある反射面だけを指すのではなく、その延長域面も含むものとする。具体的には、図３において照明用ミラー５の物理的な反射面だけを指すのではなく、符号１５を付して点線で示した空間に延長した面も含むものとする。

また、照明用ミラー５の反射面を、投射光学系８の一部を構成する投射レンズ系８１よりもＤＭＤ７側に位置させるとは、図３において、照明用ミラー５の反射面のｙ軸方向の頂点１５１がＤＭＤ７側の投射レンズ８１１の入射面よりも下方（座標原点側）に位置していることである。第２照明用ミラー５の反射面を、上記のように投射レンズ系８１よりもＤＭＤ７側に位置させたことにより、第２照明用ミラー５の反射面を大きくしても、第２照明用ミラー５が投射レンズ系８１やその鏡筒１０と干渉することはない。

また、本実施例では、反射型画像表示素子であるＤＭＤ７の中心を原点、ＤＭＤ７が配置されている面をｘ軸およびこれに直交するｚ軸を含む面とし、投射光学系８を構成する投射レンズ系８１の光軸方向を前記ｘ軸およびｚ軸に直交するｙ軸、照明用ミラー（本実施例では第２照明用ミラー５）のｙ軸方向最大高さをｙｍａｘ、投射レンズ系８１を保持する鏡胴１０の入射端からｙ＝ｙｍａｘの範囲における上記光軸からｘ軸方向およびｚ軸方向の最大サイズをＲｍａｘとすると、上記第２照明用ミラー５の反射面の稜線の一部が投射レンズ系８１の光軸から上記Ｒｍａｘまでの間に位置している。上記反射面の「稜線」とは、第２照明用ミラー５の反射面をｘ軸とｚ軸を含む面に投射したときに生成される投射像の限界線のことである。図１０は第２照明用ミラー５の反射面をｙ軸方向から見た図であって、点線５１は上記稜線を示している。

本実施例では、投射レンズ鏡胴１０の入射端部のｙ座標はｙ＝４２．１３、第２照明用ミラー５のｙ軸方向最大高さはｙｍａｘ＝４６．６５ｍｍ、上記鏡胴１０の入射端からｙ＝ｙｍａｘの範囲における光軸からの最大半径はＲｍａｘ＝１３．２ｍｍである。

本実施例ではまた、ＤＭＤ７で反射され、投射レンズ系８１に入射する光束の最大サイズをＲｆとすると、上記稜線５１の一部が上記Ｒｆ内に入り込むように配置されている。換言すれば、投射レンズ系８１の光軸方向の投射面において、上記稜線５１の一部が投射レンズ系８１の投射面に侵入している。本実施例では、Ｒｆ＝１０．１ｍｍで、図５、図６に示すように、投射レンズ系８１の光軸から第２照明用ミラー５の反射面の稜線５１までの距離の最小値をｄｓｐとすると、ｄｓｐ＝８．９ｍｍである。上記の構成を備えていることにより、ＤＭＤ７の被照射面の照度の均一性が向上し、被投射面に投射される画像の品質を高めることができる。

図８は、上記実施例の光学系構成において、照明用光学系による照明光のＤＭＤ７の反射面における照度分布をシミュレーションによって求めた結果を示す。ＤＭＤ７の照度分布位置は、−ｚ方向が被投射面（スクリーン）を正面から見て左方向、＋ｚ方向が右方向、−ｘ方向が被投射面を正面から見て上方向，＋ｘ方向が下方向にそれぞれ対応する。図８中、点線７１で囲まれた領域がＤＭＤ７の有効領域である。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。有効範囲内での規格化照度分布の最小値は７６％以上になっている。ちなみに、人間の目は、５０％の照度分布があっても、その違いをほとんど感じることができないから、上記のような照度分布の最小値７６％は何ら問題にならない。

図７は、ｄｓｐの値をｄｓｐ＝Ｒｍａｘ＋０．５ｍｍ＝１３．７ｍｍとした場合、すなわち、第２照明用ミラー５の反射面を、図６における点線１１で示すように、鏡胴１０の最大半径Ｒｍａｘに沿って切り欠いた場合のＤＭＤ７の反射面における照度分布を示す。この例では、ＤＭＤ７の有効範囲内のうち、＋ｘ，−ｚ側の角隅部で４９％まで規格化照度分布が低下している。この場合、被投射面を正面から見て左下隅で照度低下が発生する。しかし、この程度の照度分布低下は、前述のとおり、実用上問題にはならない。本実施例は、上記のように、第２照明用ミラー５の反射面を鏡胴１０の最大半径Ｒｍａｘに沿って切り欠いたことが特徴の一つになっている。

本実施例にかかる画像表示装置は、表５に示したように投射レンズ系８１の光軸がｙ軸に平行、すなわち被投射面に平行で、図１、図２に示すように防塵用の平板ガラス９がｘ軸およびｚ軸を含む面に平行すなわち被投射面に対して直角をなす方向に設置されている。このため、投射光学系８の第２投射ミラー８５で反射され平板ガラス９を透過する光線のうち、被投射面の左右下隅に向かう光線は、平板ガラス９への入射角度が大きくなり、透過損失が大きくなる。

図１９は、被投射面の中央部に向かう光線と被投射面の上下左右の隅に向かう光線の平板ガラス９への入射角度を示している。平板ガラス９への入射角度は、被投射面全域では２０度弱〜約８０度と広範囲なものになる。上記入射角度は被投射面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の入射角度は８０度以上になる。一般に光学素子への入出射角度は大きくなるほど透過率が低下するため、被投射面の左右下隅では平板ガラス９による透過損失により照度低下が発生しやすい。特に被投射面の左下隅は、上述した第２照明用ミラー５の反射面の切り欠きに伴うＤＭＤ７の照度低下エリアと重なるため、上記被投射面の左下隅の照度低下はより大きくなる。

前記第２照明用ミラー５と投射光学系８の配置関係は本実施例の特徴で、これによって、前述のとおり被投射面上の照度分布の均一性向上効果を得ることができる。かかる照度分布の均一性向上効果は、上記のように照度むらの原因となる要素が複数ある場合に、より顕著になる。

本実施例において、第２照明用ミラー５の反射面を投射レンズ系８１の光軸に近づけていくと、ＤＭＤ７上の照度分布の平坦度は改善される反面、投射レンズ系８１に入射するＤＭＤ７の反射光束の「けられ」量も増していく。そのため、第２照明用ミラー５の反射面の投射レンズ系８１へのせり出しが大きくなりすぎると、光学系の光利用効率を低下させる。

表８は、投射レンズ系８１の光軸から第２照明用ミラー５の反射面の稜線５１までの距離の最小値ｄｓｐが、ｄｓｐ＝１３．７ｍｍの場合を基準として、ｄｓｐを変化させたときの光利用効率とＤＭＤ７上での規格化照度分布を計算した結果を示す。図２０に示すように、第２照明用ミラー５を、その反射面切り欠き部における稜線１０４の形状を維持したまま、ｘ軸方向に移動させ、ｄｓｐ＝１３．７ｍｍ、１０．５ｍｍ、９．０ｍｍ、８．０ｍｍ、７．０ｍｍの各位置における照度分布を計算した。表８において、光利用効率はｄｓｐ＝１３．７ｍｍの場合を１００％として規格化している。また、ＤＭＤ７上の照度分布は被投射面の上下左右の４隅に対応する位置の規格化照度を抽出して記載している。

表８

表８から分かるように、ｄｓｐが小さくなるに従い、第２照明用ミラー５での「けられ」が減少し、スクリーンの左下隅に対応するＤＭＤ７上での規格化照度は上昇していく。一方、光学系の光利用効率も、ｄｓｐが小さくなるに従い、一旦、光利用効率は上昇するが、それ以降（ｄｓｐ＜９）は第２照明用ミラー５によるＤＭＤ７からの反射光束の「けられ」が増大するため、光利用効率は減少していく。したがって、ｄｓｐ＝９を下限に設定すれば、光利用効率を低下させることが無く、また、被投射面の下隅に対応するＤＭＤ７上での照度も左右での差異が１〜２％以内に抑えられ、左右の照度バランスを取ることができる。ここで、投射レンズ系８１に入射する光束の最大サイズＲｆは、本実施例の光学系ではＲｆ＝１０．１ｍｍであるから、これより、
ｄｓｐ／Ｒｆ≧９／１１０．１＝０．８９
とすれば良いことがわかる。このように構成することにより、光学系の光利用効率を低下させること無く、ＤＭＤ７の被照射面の照度分布の均一性を向上させ、被投射面に投射される画像の品質を向上させることができる。

図１７は、前記実施例１の図３、図４に示した照明光学系の第１照明用ミラー４、第２照明用ミラー５、投射レンズ系８１の入射側第１レンズ８１１、投射レンズ系８１を保持する鏡胴１０の部分を拡大して別の角度からみた図である。一方、図１８は、本発明の実施例２における照明光学系の、上記第１照明用ミラー４、第２照明用ミラー５、投射レンズ系８１の入射側第１レンズ８１１、投射レンズ系８１を保持する鏡胴１０の部分を拡大して別の角度からみた図である。

本実施例２では、図１８に示すように、第２照明用ミラー５の、投射レンズ系側のエッジに面取り１０３を施している。この面取り１０３を施したことにより、第２照明用ミラー５と鏡胴１０との干渉を避け、あるいは干渉が生じる範囲を少なくすることができ、これに加えて、第２照明用ミラー５を投射レンズ系の光軸方向に近づけられるため、第２照明用ミラー５の反射面の有効領域を広く確保することができる。これにより、ＤＭＤ７の被照射面における照明光の照度分布均一性、さらには被投射面上における照度分布の均一性が高まり、被投射面に投射される画像の品質を高めることができる。

実施例２ではミラーの反射面とは反対側のエッジに面取り処理を施したのに対し、本実施例３では、図１７における点線１００１内、すなわち、第２照明用ミラー５の投射レンズ系側の切り欠き部で、かつ、第２照明用ミラー５の反射面側のエッジ１００２に丸み面取りを施している。

図２１は、本発明に係る画像表示装置の実施例における第２照明用ミラーの断面ＡＡ’を示すための図である。図２２は、図２１において第２照明用ミラー５のみを断面ＡＡ’で見た場合の部分拡大図である。

図２２中、１００３が丸み面取り部で，図２１における切り欠き部側の稜線５１に沿って形成されている。また、１００４が丸み面取り部に設けられた遮光部である。この遮光部１００４は、第２照明用ミラー５の反射面よりも低い反射特性を有するものとする。

遮光部１００４は、遮光性を有する部材で第２照明用ミラー５の反射面（図１０における稜線５１の内側）に掛からないように、切り欠き側から丸み面取り部１００３を保持しても良いし、あるいは遮光性を有する部材を丸み面取り部１００３に貼付しても良い。あるいは遮光性を有する塗装でも良い。

丸み面取り部１００３に遮光部１００４を設けることで、ＤＭＤ７から反射した光束が第２照明用ミラー５の丸み面取り部で反射し、投射レンズ系８１に入射する迷光の発生を防止できる。これにより、被投射面に投射される画像の品質を高めることができる。

図１１は、本発明の実施例４の特徴部分である光源１と光ミキシング素子２までの部品配置を示している。図１１に示すように、本実施例では、光ミキシング素子２の入射端と前記防爆ガラス１２との間に、これら光ミキシング素子２の入射端と前記防爆ガラス１２に近接して、カラーホイール１３が配置されている。カラーホイール１３は、防爆ガラス１２と同様に光源１の光軸（図中、ｚ軸方向）に対して１０°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）〕に分割され、または、上記赤、緑、青に加えて白（Ｗ）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が回転駆動されると、照明光の光路を上記輪帯部分が横切り、光源１からの照明光は、Ｒ、Ｇ、Ｂ、さらにはＷの各色の照明光に時分割され、光ミキシング素子２に入射する。

上記の構成を有する実施例４によれば、カラー画像の投射装置を得ることができる。カラーホイール１３以外の光学部品の構成は、実施例１および実施例２の構成と同様とすることができるため、被投射面上の照度の均一性を高めた高品質のカラー画像を投射することができる画像表示装置を得ることができる。

本発明に係る画像表示装置は、パソコン、テレビ、ＤＶＤプレーヤ等からの映像信号を表示するためのプロジェクタ、その他の画像表示装置として広く利用することができる。

１光源
２光ミキシング素子
３コンデンサレンズ
４第１照明用ミラー
５第２照明用ミラー
７反射型画像表示素子
８投射光学系
９平板ガラス
１０レンズ鏡筒
８１投射レンズ系
８４第１投射ミラー
８５第２投射ミラー

特開２０００−９８２７２号公報特許第３１２１８４３号公報特許第４０２７７１２号公報特許第４１５８３１７号公報

Claims

光源と、
前記光源から出射される光を集光して所定の位置に集光像を形成する集光器と、
前記集光像の近傍に入射端を有する光ミキシング素子と、
２次元的に配置された複数の微小ミラーを有し個々の微小ミラーの傾き角度をオン状態とオフ状態で変化させることにより反射光の出射をオン・オフさせる反射型画像表示素子と、
前記光ミキシング素子の出射端から前記反射型画像表示素子までの間に配置されているコンデンサレンズと照明用ミラーからなる照明光学系と、
前記反射型画像表示素子を構成する複数の微小ミラーのうちオン状態にある微小ミラーからの反射光を被投射面に投射する投射光学系と、を備え、
前記光ミキシング素子から前記反射型画像表示素子に至る光路において前記反射型画像表示素子に最も近い位置に前記照明用ミラーが配置されていて、この照明用ミラーの反射面は、前記投射光学系の一部を構成する投射レンズ系よりも前記反射型画像表示素子側であって、かつ前記反射型画像表示素子を構成する複数の微小ミラーが全てオン状態のとき、前記投射光学系に入射する光線の一部を前記照明用ミラーの反射面の稜線の一部が遮るように位置している画像表示装置。
前記反射型画像表示素子の中心を原点、
前記反射型画像表示素子が配置される面をｘ軸とこれに直交するｚ軸を含む面とし、
前記投射光学系を構成する投射レンズ系の光軸方向を前記ｘ軸およびｚ軸に直交するｙ軸、
前記照明用ミラーのｙ軸方向最大高さをｙｍａｘ、
前記投射レンズ系を保持する鏡胴の入射端からｙ＝ｙｍａｘの範囲における前記光軸からｘ軸方向およびｚ軸方向の最大サイズをＲｍａｘとすると、
前記照明用ミラーの反射面の稜線の一部が前記投射レンズ系の光軸から上記Ｒｍａｘまでの間に位置している請求項１記載の画像表示装置。
前記光ミキシング素子から前記反射型画像表示素子に至る光路において前記反射型画像表示素子に最も近い位置に配置されている前記照明用ミラーの反射面の稜線から前記投射レンズ系の光軸までの距離の最小値をｄｓｐ，前記反射型画像表示素子で反射され前記投射レンズ系に入射する光束の最大サイズをＲｆとしたとき、
ｄｓｐ／Ｒｆ≧０．８９
である請求項１又は２記載の画像表示装置。
前記光ミキシング素子から前記反射型画像表示素子に至る光路において前記反射型画像表示素子に最も近い位置に配置されている前記照明用ミラーは、前記投射レンズ系側のエッジが面取りされている請求項１乃至３の何れかに記載の画像表示装置。
前記光ミキシング素子から前記反射型画像表示素子に至る光路において前記反射型画像表示素子に最も近い位置に配置されている前記照明用ミラーは、前記投射レンズ系側で、かつ、反射面側のエッジが面取りされている請求項１乃至４の何れかに記載の画像表示装置。
前記照明用ミラーの反射面側の面取りされた部分には、遮光部材が配置されている請求項５に記載の画像表示装置。
前記投射光学系は前記投射レンズ系と投射ミラーを有してなり、前記投射レンズ系の光軸は前記被投射面に平行に配置され、前記投射ミラーは前記投射レンズ系を透過する光束を前記被投射面に向けて反射するように配置されている請求項１乃至６の何れかに記載の画像表示装置。
前記投射光学系は最後部に平板ガラスを備え、前記平板ガラスは、その光入出射面が前記被投射面に直交する方向に配置されている請求項７記載の画像表示装置。
前記照明光学系には、前記光ミキシング素子の入射端近傍または出射端近傍に回転カラーフィルタが配置されている請求項１乃至８の何れかに記載の画像表示装置。
前記照明光学系は、コンデンサレンズとその後ろに配置されている第１、第２照明用ミラーからなり、前記反射型画像表示素子に最も近い位置に配置されている照明用ミラーが前記第２照明用ミラーである請求項１乃至９の何れかに記載の画像表示装置。
前記投射ミラーは、前記投射レンズ系を透過する光を、斜め上方に位置する前記被投射面に向けて反射するように配置され、前記投射ミラーの反射面は、斜め上方の前記被投射面に投射される画像の歪みを矯正するために自由曲面に形成されている請求項７または８記載の画像表示装置。