JP6658543B2 - 光学ユニット及びそれを備えたプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は２軸に関してマイクロミラーの駆動を行うデジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)を有する光学ユニット及びそれを備えたプロジェクターに関する。

従来の光学ユニットは特許文献１、２に開示されている。特許文献１の光学ユニットはプロジェクターに搭載され、デジタル・マイクロミラー・デバイス、第１プリズム、第２プリズム及び第３プリズムを有する。デジタル・マイクロミラー・デバイスは反射型画像表示素子であり、複数の微小なマイクロミラーから成る画像表示面を有する。

第１プリズムは照明光を反射する反射面を有し、該反射面で反射した照明光はデジタル・マイクロミラー・デバイスに導かれる。デジタル・マイクロミラー・デバイスは各マイクロミラーの面の傾きがＯＮ／ＯＦＦ制御されて照明光を強度変調することにより画像を形成する。ＯＮ／ＯＦＦ制御される各マイクロミラーの駆動は１軸に関して行われ、ＯＮ状態のマイクロミラーの傾き角度とＯＦＦ状態のマイクロミラーの傾き角度は異なっている。

第２プリズムはＯＮ状態のマイクロミラーで反射したＯＮ光を透過するとともにＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射したＯＦＦ光を全反射する全反射面を有する。全反射面を透過したＯＮ光は第３プリズムに入射する。第３プリズムは第２プリズムから入射したＯＮ光を画像投射側に射出する。これにより、画像が投影される。この時、デジタル・マイクロミラー・デバイスで反射するＯＮ光の光軸は第１プリズム、第２プリズム及び第３プリズムの厚み方向の中心面上に配される。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスで反射するＯＦＦ光の光軸は第１プリズム及び第２プリズムの厚み方向の中心面上に配される。

投影画像に使用されないＯＦＦ光（不要光）が投影レンズに入射すると、ゴースト光が発生する。また、ＯＦＦ光が投影レンズに入射すると投影レンズの局所的な温度上昇が発生し、投影レンズの結像性能が低下する。これにより、投影画像のコントラストが低下する。特許文献１の光学ユニットによれば、ＯＦＦ光は第２プリズムの全反射面で反射してＯＮ光とは異なる方向に射出される。これにより、ＯＦＦ光が画像投影側に射出されず、投影画像のＯＦＦ光によるコントラストの低下を防止することができる。

また、直交する２軸に関してマイクロミラーの駆動を行うデジタル・マイクロミラー・デバイス(Tilt & Roll Pixel DMD)が非特許文献１に開示されている。このデジタル・マイクロミラー・デバイスでは、各マイクロミラーはＯＦＦ光の光軸がＯＮ光の光軸と照明光の光軸とを含む平面に対して離れる方向にＯＦＦ光を反射する。このため、２軸制御のデジタル・マイクロミラー・デバイスを上記特許文献１、２の光学ユニットに搭載することにより、投影画像の輝度を向上させることができる。

米国特許第６４５４４１７号明細書 米国特許第６８４０６３４号明細書

TEXAS INSTRUMENTS、"DLP Tilt & Roll Pixel Architecture and DLP IntelliBrightTM"、［online］、［平成２６年１０月３日検索］、インターネット＜URL：http://www.dlp.com/pico-projector/pico-product-developers/2trp-chip.aspx＞

プロジェクターに搭載される光学ユニットは小型化の市場要求がある。上記特許文献１、２の光学ユニットに２軸制御のデジタル・マイクロミラー・デバイスを搭載すると、ＯＮ光の光軸が第２プリズムの厚み方向の中心面上に配され、ＯＦＦ光の光軸が該中心面から離れて配される。このため、第２プリズムの厚みが大きくなり、光学ユニットが大型になる問題があった。

本発明は、小型化できる光学ユニット及びそれを用いたプロジェクターを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、複数のマイクロミラーからなる画像表示面において各前記マイクロミラーの面の傾きがＯＮ／ＯＦＦ制御されて照明光を強度変調することにより画像を形成し、ＯＮ／ＯＦＦ制御される各前記マイクロミラーの駆動を２軸に関して行うデジタル・マイクロミラー・デバイスと、
照明光を前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに導く第１プリズムと、
ＯＦＦ状態の前記マイクロミラーで反射されたＯＦＦ光を反射するとともにＯＮ状態の前記マイクロミラーで反射されたＯＮ光を透過するＯＦＦ光反射面を有する第２プリズムと、
第２プリズムから出射されたＯＮ光が入射して投影側に射出する第３プリズムと、
を備えた光学ユニットであって、
各前記マイクロミラーはＯＦＦ光の光軸がＯＮ光の光軸と照明光の光軸とを含む第１平面に対して離れる方向にＯＦＦ光を反射し、第２プリズムが第１平面に対してＯＦＦ光の光軸が配される一方の第１領域と他方の第２領域とを有し、
第１平面上を始端とする前記ＯＦＦ光反射面の外向きの法線ベクトルをＯＮ光の光軸に垂直な第２平面に投影した成分ベクトルの終端が第２領域に配されることを特徴としている。

また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、以下の条件式（１）及び（２）を満たすと好ましい。
θａ≧θ１≧θｂ−１．５・・・（１）
θｅ−１５≦φ≦θｅ＋１５・・・（２）
ただし、
θａ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ）−ｓｉｎ^-1｛ｓｉｎ（α＋θＦ−２・β）／ｎ｝
θｂ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ）−ｓｉｎ^-1〈ｓｉｎ［ｃｏｓ^-1｛ｃｏｓα・ｃｏｓ（２・γ）｝−θＦ］／ｎ〉
θｅ＝ｔａｎ^-1｛ｓｉｎ（２・γ）／ｔａｎα｝
θＦ＝ｓｉｎ^-1（１／２・Ｆ）
であり、
α：前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの入射光の光軸と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
β：ＯＮ状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
γ：ＯＦＦ状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
ｎ：第２プリズムの屈折率、
Ｆ：Ｆナンバー、
θ１：前記ＯＦＦ光反射面の法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
φ：前記成分ベクトルと第１平面との成す角度、
である。

また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、第１プリズムが照明光を反射する照明光反射面を有してＯＮ光が前記照明光反射面を透過し、以下の条件式（３）を満たすと好ましい。
θｃ≧θ２≧θｄ・・・（３）
ただし、
θｃ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ１）＋ｓｉｎ^-1｛ｓｉｎ（α−θＦ−２・β）／ｎ１｝
θｄ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ１）−ｓｉｎ^-1｛ｓｉｎ（α−θＦ）／ｎ１｝
θＦ＝ｓｉｎ^-1（１／２・Ｆ）
であり、
ｎ１：第１プリズムの屈折率、
θ２：前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線と前記照明光反射面の法線との成す角度、
である。

また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、第１プリズムから出射される照明光が第２プリズムを介して前記マイクロミラーに導かれ、前記マイクロミラーで反射したＯＮ光は第２プリズム、第１プリズム及び第３プリズムの順に透過すると好ましい。

また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、前記マイクロミラーで反射したＯＮ光が第１プリズム、第２プリズム及び第３プリズムの順に透過し、前記マイクロミラーで反射したＯＦＦ光が第１プリズムを介して第２プリズムに入射すると好ましい。

また本発明は、上記構成の光学ユニットにおいて、第１プリズム及び第２プリズムは第３プリズムのＯＮ光を投影側へ出射する出射面に対して突出しないと好ましい。

また本発明のプロジェクターは、光源と、上記構成の光学ユニットと、前記光学ユニットに向けて照明光を出射する照明光学系と、前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに表示された画像をスクリーンに拡大投影する投影光学系とを備えたことを特徴としている。

本発明の光学ユニットによると、ＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射されたＯＦＦ光を反射するとともにＯＮ状態のマイクロミラーで反射されたＯＮ光を透過するＯＦＦ光反射面を有する第２プリズムを備える。これにより、２軸に関してマイクロミラーの駆動を行うデジタル・マイクロミラー・デバイスからの出射光のうち、画像投影に必要なＯＮ光から画像投影に不要なＯＦＦ光を適正に空間分離することができる。したがって、光学ユニット及びプロジェクターのＯＦＦ光に起因する温度上昇や迷光の発生を防止することができる。

また、各マイクロミラーはＯＦＦ光の光軸がＯＮ光の光軸と照明光の光軸とを含む第１平面に対して離れる方向にＯＦＦ光を反射し、第２プリズムが第１平面に対してＯＦＦ光の光軸が配される一方の第１領域と他方の第２領域とを有する。そして、第１平面上を始端とするＯＦＦ光反射面の外向きの法線ベクトルをＯＮ光の光軸に垂直な第２平面に投影した成分ベクトルの終端が第２領域に配される。これにより、第２プリズムの厚みを小さくして光学ユニット及びプロジェクターの小型化を図ることができる。

本発明の第１実施形態の光学ユニットを備えるプロジェクターを示す概略構成図 本発明の第１実施形態の光学ユニットを示す斜視図 本発明の第１実施形態の光学ユニットを示す正面図 本発明の第１実施形態の光学ユニットのＯＦＦ光の光軸の反射位置の上面断面図 本発明の第１実施形態の光学ユニットを示す側面図 本発明の第１実施形態の光学ユニットのデジタル・マイクロミラー・デバイスのマイクロミラーの基準状態、ＯＮ状態及びＯＦＦ状態を示す斜視図 本発明の第１実施形態の光学ユニットのデジタル・マイクロミラー・デバイスの動作を説明するための斜視図 本発明の第１実施形態の光学ユニットのデジタル・マイクロミラー・デバイスのマイクロミラーに対する照明光と、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射されたＯＮ光と、ＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射されたＯＦＦ光とを示す模式図 本発明の第１実施形態の光学ユニットのデジタル・マイクロミラー・デバイスの周辺を拡大した側面図 本発明の第２実施形態の光学ユニットを示す斜視図 本発明の第２実施形態の光学ユニットを示す正面図 本発明の第２実施形態の光学ユニットのＯＦＦ光の光軸の反射位置の上面断面図 本発明の第２実施形態の光学ユニットを示す側面図

＜第１実施形態＞
以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１は第１実施形態の光学ユニットを備えるプロジェクターの概略構成図を示している。１チップタイプ（単板式）のプロジェクターＰＪは光源１、照明光学系２、光学ユニットＰＵ、投影光学系ＬＮ、アクチュエーター４及び制御部３を備える。

光源１は例えばＬＥＤから成り、白色光を出射する。照明光学系２はレンズ７１（図５参照）を有し、光源１からの光を集光して照明光を光学ユニットＰＵに向けて出射する。光学ユニットＰＵはデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ、第１プリズムＰ１、第２プリズムＰ２及び第３プリズムＰ３を有し、支持部材（不図示）によりプロジェクターＰＪ内で支持される。光学ユニットＰＵはデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰで反射した投影光（後述のＯＮ光）を投影光学系ＬＮに向けて射出する。なお、光学ユニットＰＵの詳細については後述する。

投影光学系ＬＮはレンズ５１、５２（図５参照）を有し、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ上に表示された画像をスクリーンＳＣに拡大投影する。アクチュエーター４はレンズ５１、５２を移動させ、例えばズーミング、フォーカシングや投影画像の上下シフト等を行う。制御部３はＣＰＵを有し、プロジェクターＰＪ全体の制御を行う。

図２〜図５は光学ユニットＰＵの斜視図、正面図、上面断面図及び側面図をそれぞれ示している。なお、図４はＯＦＦ光Ｌ３の光軸ＡＸ３の反射位置の上面断面図を示している。図２〜図５において、Ｘ方向は第１〜第３プリズムＰ１〜Ｐ３の厚み方向を示している。Ｚ方向はデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰで反射する投影光（後述のＯＮ光）の光軸方向を示している。Ｙ方向はＸ方向及びＺ方向に垂直な方向を示している。

第１プリズムＰ１、第２プリズムＰ２及び第３プリズムＰ３は内部全反射プリズム（ＴＩＲ Prism：Total Internal Reflection Prism）から成り、材質として例えばガラスを用いることができる。本実施形態では、第１〜第３プリズムＰ１〜Ｐ３は屈折率が同じガラスにより形成される。支持部材は光学ユニットＰＵの両側面（第１〜第３プリズムの厚み方向の両端面）に接して配され、光学ユニットＰＵを挟持する。

デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰと第３プリズムＰ３との間には第２プリズムＰ２及び第１プリズムＰ１が配置される。第２プリズムＰ２はデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰと第１プリズムＰ１との間に配置され、第１プリズムＰ１は第２プリズムＰ２と第３プリズムＰ３との間に配置される。なお、第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２との間、第２プリズムＰ２と第３プリズムＰ３との間及び第１プリズムＰ１と第３プリズムＰ３との間にはエアーギャップ層（不図示）が設けられる。

デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰは正面投影において、第１〜第３プリズムＰ１〜Ｐ３に重なるように配置されるとともに第２プリズムＰ２の厚み方向（Ｘ方向）の中央よりも一方（図３において右方）に片寄って配置される。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰと第２プリズムＰ２との間にはカバーガラスＣＧが設けられる。

デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰは各マイクロミラーＭＲ（図７参照）の面の傾きがＯＮ／ＯＦＦ制御されて照明光Ｌ１を強度変調することにより画像を形成する。ＯＮ状態のマイクロミラーＭＲで反射されたＯＮ光Ｌ２は光学ユニットＰＵから射出されて画像表示に使用される。一方、ＯＦＦ状態のマイクロミラーＭＲで反射されたＯＦＦ光Ｌ３は画像表示に使用されない。図８に示すように、各マイクロミラーＭＲはＯＦＦ光Ｌ３の光軸ＡＸ３がＯＮ光Ｌ２の光軸ＡＸ２と照明光Ｌ１の光軸ＡＸ１とを含む第１平面ＰＬ１に対して離れる方向にＯＦＦ光Ｌ３を反射する。なお、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰについての詳細は後述する。

第１プリズムＰ１は入射面１２、照明光反射面１１及び出射面１３を有している。入射面１２はＺ方向に対して傾斜し、レンズ７１に対向して照明光Ｌ１を入射する。照明光反射面１１はレンズ７１から離れるほどデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに近づくように傾斜し、入射面１２から入射した照明光Ｌ１を反射する。出射面１３は第２プリズムＰ２に対向し、照明光反射面１１で反射した照明光Ｌ１を出射する。

第２プリズムＰ２はＯＦＦ光反射面２１、出射面２４及び入射面２５を有している。入射面２５はカバーガラスＣＧに対向し、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰで反射したＯＮ光Ｌ２及びＯＦＦ光Ｌ３を入射する。

ＯＦＦ光反射面２１は入射面２５から入射したＯＮ光Ｌ２を透過するとともにＯＦＦ光Ｌ３を反射する。出射面２４はＯＮ状態のマイクロミラーＭＲで反射したＯＮ光Ｌ２の光軸ＡＸ２に対して入射面１２の反対側に形成され、ＯＦＦ光反射面２１で反射したＯＦＦ光Ｌ３を出射する。

第２プリズムＰ２は第１平面ＰＬ１に対して一方（図３において左方）の第１領域２２及び他方（図３において右方）の第２領域２３を有する。第１領域２２の第１平面ＰＬ１の法線方向（Ｘ方向）の長さＤ１は第２領域２３の第１平面ＰＬ１の法線方向（Ｘ方向）の長さＤ２よりも長く形成される。ＯＦＦ光Ｌ３の光軸ＡＸ３は第１領域２２に含まれる。

また、第１平面ＰＬ１上を始端とするＯＦＦ光反射面２１の外向きの法線ベクトルＮＲ（図２参照）をＯＮ光Ｌ２の光軸ＡＸ２に垂直な第２平面ＰＬ２（図５参照）に投影した成分ベクトルＮＲ１（図３参照）の終端は第２領域２３に配される。これにより、図４に示すように、第１領域２２のＯＦＦ光反射面２１は第１平面ＰＬ１から離れるほど投影光学系ＬＮ（図５参照）に近づくように傾斜している。

また、第２プリズムＰ２の出射面２４に離れて対向して光吸収部材ＰＴ（図５参照）が設けられる。光吸収部材ＰＴは例えば黒色処理した金属プレートにより形成され、出射面２４から出射されたＯＦＦ光Ｌ３を吸収する。

第３プリズムＰ３は入射面３３及び出射面３２を有している。入射面３３はレンズ７１から離れるほどデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに近づくように傾斜し、第２プリズムＰ２のＯＦＦ光反射面２１を透過したＯＮ光Ｌ２を入射する。出射面３２は投影光学系ＬＮのレンズ５１、５２に対向し、入射面３３から入射したＯＮ光Ｌ２を出射する。第１プリズムＰ１の投影光学系ＬＮ側の端部は第３プリズムＰ３の出射面３２に対して出射側に突出している。なお、第１プリズムＰ１を出射面３２に対して出射側に突出しないように形成してもよい。

上記構成のプロジェクターＰＪにおいて、光源１から光が出射されると、照明光学系２のレンズ７１で集光されて照明光Ｌ１が光学ユニットＰＵに向けて出射される。照明光Ｌ１は第１プリズムＰ１の入射面１２に入射した後に照明光反射面１１で反射する。照明光反射面１１で反射した照明光Ｌ１は出射面１３から出射した後に、ＯＦＦ光反射面２１を介して第２プリズムＰ２に入射する。第２プリズムＰ２に入射した照明光Ｌ１は第２プリズムＰ２及びカバーガラスＣＧを順に透過した後にデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに入射する。これにより、第１プリズムＰ１により照明光Ｌ１がデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに導かれる。

図６はデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰのマイクロミラーＭＲの基準状態、ＯＮ状態及びＯＦＦ状態の斜視図を示している。図７はデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの動作を説明するための斜視図を示している。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰは複数の矩形形状の微小なマイクロミラーＭＲを有し、マイクロミラーＭＲにより画素を構成する画素反射面（マイクロミラー面）ＭＳが形成される。

図６において、マイクロミラーＭＲの基準状態を基準平面ＭＳ１で示し、マイクロミラーＭＲのＯＮ状態を反射面ＭＳ２で示し、マイクロミラーＭＲのＯＦＦ状態を反射面ＭＳ３で示している。マイクロミラーＭＲは基準状態から第１軸ａｘ１に対して傾いた後に第２軸ａｘ２に対して回動することができる。これにより、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰは、複数の画素反射面ＭＳからなる画像表示面ＤＳにおいて、各画素反射面ＭＳがＯＮ／ＯＦＦ制御され、マイクロミラーＭＲが画像表示状態（ＯＮ状態）と画像非表示状態（ＯＦＦ状態）と、の２つの角度状態をとる。すなわち、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰは直交する２軸に関してマイクロミラーＭＲの駆動を行い、マイクロミラーＭＲは基準状態、ＯＮ状態及びＯＦＦ状態をとることができる。これにより、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰは照明光Ｌ１を強度変調して所望の画像を生成する反射型画像表示素子を構成する。

各マイクロミラーＭＲの駆動は直交する２軸（第１軸ａｘ１、第２軸ａｘ２）に関して行われるため、マイクロミラーＭＲの画素反射面ＭＳは異なる面内で傾斜する。本実施形態ではＹＺ平面内で傾斜した状態がＯＮ状態であり、ＸＺ平面内で傾斜した状態がＯＦＦ状態である。通常想定されるＯＮ／ＯＦＦ制御では、画素反射面ＭＳがＯＮ状態のとき、マイクロミラーＭＲに入射した照明光Ｌ１は画像表示面ＤＳの法線（デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの法線）方向に反射されてＯＮ光Ｌ２（投影光）となる。また、画素反射面ＭＳがＯＦＦ状態のとき、マイクロミラーＭＲに入射した照明光Ｌ１は画像表示面ＤＳの法線方向から大きな角度を持って反射され、ＯＦＦ光Ｌ３（不要光）となる。

このため、図８に示すように、各マイクロミラーＭＲはＯＦＦ光Ｌ３の光軸ＡＸ３がＯＮ光Ｌ２の光軸ＡＸ２と照明光Ｌ１の光軸ＡＸ１とを含む第１平面ＰＬ１に対して離れる方向にＯＦＦ光Ｌ３を反射する。また、画像表示面ＤＳの法線（デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの法線）はデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの近傍のＯＮ光Ｌ２（投影光）の光軸ＡＸ２と平行になっている。

以上のように、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画像表示面ＤＳでは、照明光Ｌ１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ＤＰは、前述したように直交する２軸に関してマイクロミラーＭＲの駆動を行うことによりＯＮ／ＯＦＦを表現する。

ＯＮ状態のマイクロミラーＭＲで反射したＯＮ光Ｌ２は第２プリズムＰ２の入射面２５から第２プリズムＰ２に入射し、ＯＦＦ光反射面２１を透過した後に第１プリズムＰ１に入射する。第１プリズムＰ１に入射したＯＮ光Ｌ２は照明光反射面１１を透過した後に入射面３３を介して第３プリズムＰ３に入射する。第３プリズムＰ３に入射したＯＮ光Ｌ２は第３プリズムＰ３を透過して出射面３２から投影光学系ＬＮに向けて出射される。

投影光学系ＬＮに入射したＯＮ光Ｌ２はスクリーンＳＣ（図１参照）に投射される。これにより、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに表示された画像はスクリーンＳＣに拡大投影される。この時、アクチュエーター４により例えばズーミング、フォーカシングや投影画像の上下シフト（Ｙ方向での移動）等が行われる。

一方、ＯＦＦ状態のマイクロミラーＭＲで反射したＯＦＦ光Ｌ３は第２プリズムＰ２の入射面２５から第２プリズムＰ２に入射した後にＯＦＦ光反射面２１で反射する。ＯＦＦ光反射面２１で反射したＯＦＦ光Ｌ３は出射面２４から出射され、第２プリズムＰ２の外部へ排出される。第２プリズムＰ２から排出されたＯＦＦ光Ｌ３は光吸収部材ＰＴにより吸収される。

この時、光吸収部材ＰＴは第２プリズムＰ２の出射面２４から離れて設けられている。これにより、ＯＦＦ光Ｌ３を吸収した光吸収部材ＰＴの熱の第２プリズムＰ２への伝熱を低減することができる。したがって、第２プリズムＰ２の温度上昇を抑え、第２プリズムＰ２の熱変形等を防止することができる。その結果、光学ユニットＰＵ及びプロジェクターＰＪの長寿命化を図ることができる。

また、ＯＦＦ光Ｌ３の光軸ＡＸ３は第１領域２２に含まれる。第２プリズムＰ２を通るＯＦＦ光Ｌ３の光軸ＡＸ３上の光は第１領域２２の第１平面ＰＬ１に対向する端面２２ａとは異なる出射面２４から出射される。これにより、ＯＦＦ光Ｌ３の端面２２ａへの入射を低減することができる。したがって、端面２２ａでの光の散乱や光の吸収による温度上昇を低減することができる。また、ＯＦＦ光Ｌ３を端面２２ａで反射させるための端面２２ａの処理（例えば研磨等）を省くことができるため、コストの増大を抑えることができる。

なお、ＯＮ状態及びＯＦＦ状態の一方から他方へ移行中のマイクロミラーＭＲで反射した照明光Ｌ１（フラット光）はマイクロミラーＭＲの法線方向に対して照明光Ｌ１とは反対方向へ反射される。フラット光やカバーガラスＣＧでの照明光Ｌ１の反射光も第２プリズムＰ２に入射してＯＦＦ光反射面２１で反射し、その後に出射面２４から出射される。これにより、フラット光やカバーガラスＣＧでの照明光Ｌ１の反射光の投影光学系ＬＮへの入射を防止することができる。したがって、投影画像のコントラストの低下を防止することができる。

なお、本実施形態において、照明光学系２と光源１との間にカラーホイール（不図示）を設けてもよい。カラーホイールは環状の枠を有し、枠内に赤色、青色及び緑色のフィルタが周方向に順に配置される。カラーホイールを周方向に回転させてフィルタに照明光Ｌ１を透過させることにより、カラー画像を投影することができる。

ここで、ＯＦＦ光反射面２１の法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの法線との成す角度θ１が以下の条件式（１）を満たすとともに、成分ベクトルＮＲ１と第１平面ＰＬ１との成す角度φが以下の条件式（２）を満たすと、ＯＦＦ光反射面２１はＯＮ光Ｌ２を透過してＯＦＦ光Ｌ３をほぼ全反射することができるので好ましい。

θａ≧θ１≧θｂ−１．５・・・（１）
θｅ−１５≦φ≦θｅ＋１５・・・（２）
ただし、
θａ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ）−ｓｉｎ^-1｛ｓｉｎ（α＋θＦ−２・β）／ｎ｝
θｂ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ）−ｓｉｎ^-1〈ｓｉｎ［ｃｏｓ^-1｛ｃｏｓα・ｃｏｓ（２・γ）｝−θＦ］／ｎ〉
θｅ＝ｔａｎ^-1｛ｓｉｎ（２・γ）／ｔａｎα｝
θＦ＝ｓｉｎ^-1（１／２・Ｆ）
であり、
α：デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの入射光の光軸とデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの法線との成す角度、
β：ＯＮ状態のマイクロミラーＭＲの法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの法線との成す角度、
γ：ＯＦＦ状態のマイクロミラーＭＲの法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの法線との成す角度、
ｎ：第２プリズムＰ２の屈折率、
Ｆ：Ｆナンバー、
である。

図９に示すように、第１平面ＰＬ１上の光軸ＡＸ１を有する照明光Ｌ１はＦナンバーに基づく角度θＦの広がりを有している。角度θａは、ＯＮ光の光軸ＡＸ２から最も離れた照明光Ｌ１の光線Ｌ１２（Lower Ray）がＯＮ光Ｌ２としてＯＦＦ光反射面２１に入射する際の入射角が臨界角となる角度を表している。角度θｂは、ＯＦＦ状態のマイクロミラーＭＲで反射された照明光Ｌ１のうち最も入射角が小さくなる光線がＯＦＦ光Ｌ３としてＯＦＦ光反射面２１に入射する際の入射角が臨界角となる角度を表している。

例えば、α＝３４°、β＝１７°、γ＝１７°、ｎ＝１．５１８７２、ＦナンバーをＦ／１．８０とすると、角度θａは３０．６４°、角度θｂは２１．６９°、角度φは３９．７°となる。

ここで、角度θ１を２１．６９°に設定してＯＦＦ光反射面２１を形成すると、入射したＯＦＦ光Ｌ３をすべて全反射することができるが、角度θ１を２１．６９°よりもある程度小さくしてもＯＦＦ光反射面２１はＯＦＦ光Ｌ３の大部分を全反射することができる。ここで、角度θ１が２１．６９°よりも１．５°小さい２０．１９°の時に、ＯＦＦ光Ｌ３のすべてが全反射される照明光Ｌ１のＦナンバーはＦ／２．１３である。実際に全反射条件を満たさないのは、ＯＦＦ光反射面２１に対して入射角度が浅くなる１方向のみのＦ／１．８０〜Ｆ／２・１３の照明光Ｌ１のみである。また、角度θ１が２１．６９°であれば、角度φを±１５°の範囲で変動させてもＦナンバーがＦ／１．８０からＦ／１．９０までの照明光Ｌ１を入射させた場合に、ＯＦＦ光反射面２１は入射したＯＦＦ光Ｌ３のすべてを全反射することができる。

したがって、α＝３４°、β＝１７°、γ＝１７°、ｎ＝１．５１８７２、ＦナンバーをＦ／１．８０とすると、角度θ１が３０．６４°≧θ１≧２０．１９°を満たすとともに、角度φが５４．７°≧φ≧２４．７°を満たせば、ＯＦＦ光反射面２１はＯＮ光Ｌ２を透過してＯＦＦ光Ｌ３をほぼ全反射することができる。

ここで、角度θ１を下限角度の２０．１９°に設定してＯＦＦ光反射面２１を形成すると、光学ユニットＰＵのＯＮ光Ｌ２（投影光）の光軸ＡＸ２方向（Ｚ方向）の長さを短くすることができる。これにより、投影光学系ＬＮの後方焦点距離（レンズ５１の最前面から画像表示面ＤＳまでの距離）を短くすることができる。したがって、光学ユニットＰＵ及びプロジェクターＰＪの小型化を図ることができる。

また、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの法線と照明光反射面１１の法線との成す角度θ２が以下の条件式（３）を満たすと、照明光反射面１１はＯＮ光Ｌ２を透過して照明光Ｌ１をほぼ全反射することができるので好ましい。

θｃ≧θ２≧θｄ・・・（３）
ただし、
θｃ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ１）＋ｓｉｎ^-1｛ｓｉｎ（α−θＦ−２・β）／ｎ１｝
θｄ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ１）−ｓｉｎ^-1｛ｓｉｎ（α−θＦ）／ｎ１｝
θＦ＝ｓｉｎ^-1（１／２・Ｆ）
であり、
α：デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの入射光の光軸とデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの法線との成す角度、
β：ＯＮ状態のマイクロミラーＭＲの法線とデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの法線との成す角度、
ｎ１：第１プリズムＰ１の屈折率、
Ｆ：Ｆナンバー、
である。

角度θｃは光線Ｌ１１（図９参照）がＯＮ光Ｌ２として照明光反射面１１に入射する際の入射角が臨界角となる角度を表している。角度θｄは入射面１２から入射した光線Ｌ１１が照明光として照明光反射面１１に入射する際の入射角が臨界角となる角度を表している。

例えば、α＝３４°、β＝１７°、γ＝１７°、ｎ１＝１．５１８７２、ＦナンバーをＦ／１．８０としたときに、３０．６４°≧θ２≧２９．５２°となる。この時、照明光反射面１１はＯＮ光Ｌ２を透過して照明光Ｌ１をほぼ全反射することができる。

ここで、角度θ２を下限角度の２９．５２°に設定して照明光反射面１１を形成すると、光学ユニットＰＵのＯＮ光Ｌ２（投影光）の光軸ＡＸ２方向（Ｚ方向）の長さを短くすることができる。これにより、投影光学系ＬＮの後方焦点距離（レンズ５１の最前面から画像表示面ＤＳまでの距離）を短くすることができる。したがって、光学ユニットＰＵ及びプロジェクターＰＪを小型化することができる。

本実施形態によると、ＯＦＦ状態のマイクロミラーＭＲで反射されたＯＦＦ光Ｌ３を反射するとともにＯＮ状態のマイクロミラーＭＲで反射されたＯＮ光Ｌ２を透過するＯＦＦ光反射面２１を有する第２プリズムＰ２を備える。これにより、２軸に関してマイクロミラーＭＲの駆動を行うデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの反射光のうち、画像投影に必要なＯＮ光Ｌ２から画像投影に不要なＯＦＦ光Ｌ３を適正に空間分離することができる。したがって、ＯＦＦ光Ｌ３の投影光学系ＬＮへの入射によるゴースト光の発生を防止することができる。また、ＯＦＦ光Ｌ３の投影光学系ＬＮへの入射による投影光学系ＬＮの局所的な温度上昇を防止することができる。したがって、投影光学系ＬＮの結像性能の低下を防止し、投影画像のコントラストの低下を防止することができる。

また、第２プリズムＰ２が第１平面ＰＬ１に対してＯＦＦ光Ｌ３の光軸ＡＸ３が配される一方の第１領域２２と他方の第２領域２３とを有し、第１平面ＰＬ１上を始端とするＯＦＦ光反射面２１の外向きの法線ベクトルＮＲをＯＮ光Ｌ２の光軸ＡＸ２に垂直な第２平面ＰＬ２に投影した成分ベクトルＮＲ１の終端が第２領域２３に配される。これにより、第２プリズムＰ２の厚みを小さくして光学ユニットＰＵ及びプロジェクターＰＪを小型化することができる。

また、条件式（１）及び（２）を満たすと、ＯＦＦ光反射面２１はＯＮ光Ｌ２を透過させるとともにＯＦＦ光Ｌ３をほぼ全反射することができる。

また、条件式（３）を満たすと、照明光反射面１１はＯＮ光Ｌ２を透過させるとともに照明光Ｌ１をほぼ全反射することができる。

また、第１プリズムＰ１から出射される照明光Ｌ１が第２プリズムＰ２を介してマイクロミラーＭＲに導かれ、マイクロミラーＭＲで反射したＯＮ光Ｌ２は第２プリズムＰ２、第１プリズムＰ１及び第３プリズムＰ３の順に透過する。これにより、ＯＦＦ光Ｌ３の投影光学系ＬＮへの入射を防止して投影光学系ＬＮの後方焦点距離を短くすることができる。

また、プロジェクターＰＪは、光学ユニットＰＵに向けて照明光Ｌ１を出射する照明光学系２と、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに表示された画像をスクリーンＳＣに拡大投影する投影光学系ＬＮとを備える。これにより、プロジェクターＰＪを小型化できるとともにプロジェクターＰＪは高コントラストの画像を投影することができる。

＜第２実施形態＞
次に本発明の第２実施形態について説明する。図１０〜図１３は第２実施形態の光学ユニットの斜視図、正面図、上面図及び側面図をそれぞれ示している。なお、図１２はＯＦＦ光Ｌ３の光軸ＡＸ３の反射位置の上面断面図を示している。説明の便宜上、図１〜図９に示す第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付している。本実施形態では第１〜第３プリズムＰ１〜Ｐ３の配置が第１実施形態とは異なっている。その他の部分は第１実施形態と同様である。

デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰと第３プリズムＰ３との間には第１プリズムＰ１及び第２プリズムＰ２が配置される。第２プリズムＰ２は第１プリズムＰ１と第３プリズムＰ３との間に配置される。第１プリズムＰ１はデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰと第２プリズムＰ２との間に配置される。

第１プリズムＰ１の出射面１３はカバーガラスＣＧに対向している。第２プリズムＰ２の入射面２５はレンズ７１から離れるほどデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに近づくように傾斜している。出射面２４は第２プリズムＰ２の前面に形成される。出射面２４に離れて対向して光吸収部材ＰＴが設けられる。入射面３３はレンズ７１から離れるほどデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰから離れるように傾斜している。

また、第１プリズムＰ１及び第２プリズムＰ２は第３プリズムＰ３の出射面３２に対して画像投影側に突出していない。これにより、光学ユニットＰＵとレンズ５１との間の距離を短くしてもＺ方向に移動する投影光学系ＬＮのレンズ５１、５２と光学ユニットＰＵとの干渉を防止することができる。したがって、投影画像の拡大や縮小を容易に行うことができる。また、Ｙ方向に移動する投影光学系ＬＮのレンズ５１、５２と光学ユニットＰＵとの干渉を防止することができる。したがって、投影光学系ＬＮによる投影画像の上下シフト（Ｙ方向での移動）を容易に行うことができる。また、投影光学系ＬＮの後方焦点距離を長くすることなく、出射面３２とレンズ５１との間に他の部材（例えばスムースピクチャ）等を配置することができる。

本実施形態の光学ユニットＰＵにおいて、入射面１２から第１プリズムＰ１に入射した照明光Ｌ１は照明光反射面１１で反射して出射面１３からデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに向けて出射される。ＯＮ状態のマイクロミラーＭＲで反射したＯＮ光Ｌ２は第１プリズムＰ１の照明光反射面１１を透過した後に入射面２５から第２プリズムＰ２に入射する。第２プリズムＰ２に入射したＯＮ光Ｌ２はＯＦＦ光反射面２１を透過して入射面３３から第３プリズムＰ３に入射する。第３プリズムＰ３に入射したＯＮ光Ｌ２は出射面３２から投影光学系ＬＮに向けて出射される。これにより、ＯＮ状態のマイクロミラーＭＲで反射したＯＮ光Ｌ２は第１プリズムＰ１、第２プリズムＰ２及び第３プリズムＰ３の順に透過する。

一方、ＯＦＦ状態のマイクロミラーＭＲで反射したＯＦＦ光Ｌ３は第１プリズムＰ１の照明光反射面１１を透過して第２プリズムＰ２に入射する。そして、第２プリズムＰ２に入射したＯＦＦ光Ｌ３はＯＦＦ光反射面２１で反射して出射面２４から第２プリズムＰ２の外部へ出射される。第２プリズムＰ２の外部へ排出されたＯＦＦ光Ｌ３は光吸収部材ＰＴにより吸収される。

本実施形態でも第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第１プリズムＰ１及び第２プリズムＰ２は第３プリズムＰ３の出射面３２に対して画像投影側に突出していない。これにより、Ｙ方向に移動する投影光学系ＬＮのレンズ５１、５２と光学ユニットＰＵとの干渉を防止することができる。したがって、投影光学系ＬＮによる投影画像の上下シフトを容易に行うことができる。

本発明は、マイクロミラーの駆動を２軸に関して行うデジタル・マイクロミラー・デバイスを有する光学ユニット及びそれを備えたプロジェクターに利用することができる。

ＰＪ プロジェクター
ＬＮ 投影光学系
ＰＵ 光学ユニット
ＰＴ 光吸収部材
ＤＰ デジタル・マイクロミラー・デバイス
ＤＳ 画像表示面
ＭＲ マイクロミラー
ＭＳ 画素反射面
ＮＲ 法線ベクトル
ＮＲ１ 成分ベクトル
ＣＧ カバーガラス
Ｐ１ 第１プリズム
Ｐ２ 第２プリズム
Ｐ３ 第３プリズム
Ｌ１ 照明光
Ｌ２ ＯＮ光（投影光）
Ｌ３ ＯＦＦ光（不要光）
ＡＸ１ 照明光の光軸
ＡＸ２ 投影光（ＯＮ光）の光軸
ＡＸ３ ＯＦＦ光の光軸
ＭＳ１ 基準平面
ＭＳ２ ＯＮ反射面
ＭＳ３ ＯＦＦ反射面
ＰＬ１ 第１平面
ＰＬ２ 第２平面
１ 光源
２ 照明光学系
３ 制御部
４ アクチュエーター
１１ 照明光反射面
２１ ＯＦＦ光反射面
５１、５２、７１ レンズ
ＡＸ 光軸
ＳＣ スクリーン

Claims (8)

1. 複数のマイクロミラーからなる画像表示面において各前記マイクロミラーの面の傾きがＯＮ／ＯＦＦ制御されて照明光を強度変調することにより画像を形成し、ＯＮ／ＯＦＦ制御される各前記マイクロミラーの駆動を２軸に関して行うデジタル・マイクロミラー・デバイスと、
   照明光を前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに導く第１プリズムと、
   ＯＦＦ状態の前記マイクロミラーで反射されたＯＦＦ光を反射するとともにＯＮ状態の前記マイクロミラーで反射されたＯＮ光を透過するＯＦＦ光反射面を有する第２プリズムと、
   第２プリズムから出射されたＯＮ光が入射して投影側に射出する第３プリズムと、
   を備えた光学ユニットであって、
   各前記マイクロミラーはＯＦＦ光の光軸がＯＮ光の光軸と照明光の光軸とを含む第１平面に対して離れる方向にＯＦＦ光を反射し、第２プリズムが第１平面に対してＯＦＦ光の光軸が配される一方の第１領域と他方の第２領域とを有し、
   第１平面上を始端とする前記ＯＦＦ光反射面の外向きの法線ベクトルをＯＮ光の光軸に垂直な第２平面に投影した成分ベクトルの終端が第２領域に配されることを特徴とする光学ユニット。
2. 以下の条件式（１）及び（２）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
   θａ≧θ１≧θｂ−１．５・・・（１）
   θｅ−１５≦φ≦θｅ＋１５・・・（２）
   ただし、
   θａ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ）−ｓｉｎ^-1｛ｓｉｎ（α＋θＦ−２・β）／ｎ｝
   θｂ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ）−ｓｉｎ^-1〈ｓｉｎ［ｃｏｓ^-1｛ｃｏｓα・ｃｏｓ（２・γ）｝−θＦ］／ｎ〉
   θｅ＝ｔａｎ^-1｛ｓｉｎ（２・γ）／ｔａｎα｝
   θＦ＝ｓｉｎ^-1（１／２・Ｆ）
   であり、
   α：前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの入射光の光軸と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
   β：ＯＮ状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
   γ：ＯＦＦ状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
   ｎ：第２プリズムの屈折率、
   Ｆ：Ｆナンバー、
   θ１：前記ＯＦＦ光反射面の法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
   φ：前記成分ベクトルと第１平面との成す角度、
   である。
3. 第１プリズムが照明光を反射する照明光反射面を有してＯＮ光が前記照明光反射面を透過し、
   以下の条件式（３）を満たすことを特徴とする請求項２に記載の光学ユニット。
   θｃ≧θ２≧θｄ・・・（３）
   ただし、
   θｃ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ１）＋ｓｉｎ^-1｛ｓｉｎ（α−θＦ−２・β）／ｎ１｝
   θｄ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ１）−ｓｉｎ^-1｛ｓｉｎ（α−θＦ）／ｎ１｝
   θＦ＝ｓｉｎ^-1（１／２・Ｆ）
   であり、
   ｎ１：第１プリズムの屈折率、
   θ２：前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線と前記照明光反射面の法線との成す角度、
   である。
4. 第１プリズムが照明光を反射する照明光反射面を有してＯＮ光が前記照明光反射面を透過し、
   以下の条件式（３）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
   θｃ≧θ２≧θｄ・・・（３）
   ただし、
   θｃ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ１）＋ｓｉｎ^-1｛ｓｉｎ（α−θＦ−２・β）／ｎ１｝
   θｄ＝ｓｉｎ^-1（１／ｎ１）−ｓｉｎ^-1｛ｓｉｎ（α−θＦ）／ｎ１｝
   θＦ＝ｓｉｎ^-1（１／２・Ｆ）
   であり、
   α：前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの入射光の光軸と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
   β：ＯＮ状態の前記マイクロミラーの法線と前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線との成す角度、
   ｎ１：第１プリズムの屈折率、
   Ｆ：Ｆナンバー、
   θ２：前記デジタル・マイクロミラー・デバイスの法線と前記照明光反射面の法線との成す角度、
   である。
5. 第１プリズムから出射される照明光が第２プリズムを介して前記マイクロミラーに導かれ、
   前記マイクロミラーで反射したＯＮ光は第２プリズム、第１プリズム及び第３プリズムの順に透過することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光学ユニット。
6. 前記マイクロミラーで反射したＯＮ光が第１プリズム、第２プリズム及び第３プリズムの順に透過し、前記マイクロミラーで反射したＯＦＦ光が第１プリズムを介して第２プリズムに入射することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光学ユニット。
7. 第１プリズム及び第２プリズムは第３プリズムのＯＮ光を投影側へ出射する出射面に対して突出しないことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の光学ユニット。
8. 光源と、請求項１〜請求項７のいずれかに記載の光学ユニットと、前記光学ユニットに向けて照明光を出射する照明光学系と、前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに表示された画像をスクリーンに拡大投影する投影光学系とを備えたことを特徴とするプロジェクター。

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