JP6879307B2 - 投射型表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は投射型表示装置に関するものであり、例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)等の反射型画像表示素子を備えた投射型表示装置に関するものである。
ＤＬＰ（digital light processing；米国テキサス・インスツルメンツ社の登録商標）方式のプロジェクターでは、数百万個の小さな鏡（マイクロミラー）が内蔵されたＤＬＰチップという光半導体を利用して画像投影が行われる。３枚のＤＬＰチップを用いる３チップタイプのＤＬＰ方式の場合、特殊なプリズムでランプの光をＲＧＢの光の三原色に分解し、各ＤＬＰチップを照明してカラー画像を表示する。また、１枚のＤＬＰチップを用いる１チップタイプのＤＬＰ方式の場合、ＲＧＢの３色に色分けされた１枚のカラーホイールでランプの光をＲＧＢの光の三原色に分解し、１枚のＤＬＰチップを照明してカラー画像を表示する。カラーホイールは高速回転しており、これに応じてマイクロミラーも高速でＯＮ／ＯＦＦが切り替わるようになっているため、人間の目には残像効果によってＲＧＢが合成されたカラー画像に見えることになる。
上記ＤＬＰチップに代表されるデジタル・マイクロミラー・デバイスは、プロジェクター用の反射型画像表示素子として一般的なものとなっている。デジタル・マイクロミラー・デバイスは、複数の微小なマイクロミラーからな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。つまり、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（つまり、１軸に関するマイクロミラー駆動）により表現される。そのマイクロミラーの動きに関しては、直交する２軸に関してマイクロミラー駆動を行う新しい動作タイプのデジタル・マイクロミラー・デバイス(Tilt & Roll Pixel DMD)も知られている。
上記デジタル・マイクロミラー・デバイスのような反射型の画像表示素子を搭載したプロジェクターとして、従来よりさまざまなタイプの投射型表示装置が提案されており（例えば、特許文献１参照。）、また、明るく高精細なプロジェクターが求められている。
特開２０１３−３７０４４号公報
上記のように高精細なプロジェクターが求められる中、反射型の画像表示素子を用いた従来の投射型表示装置では、照明光を全反射させて画像表示素子へ導くためのエアギャップが、透過させる画像光に画像劣化（コマ収差によるフレア）を生じさせてしまう。そのため、現状のままでは高精細化に限界がある。
例えば、特許文献１に記載の投射型表示装置では、傾斜したダイクロフィルターで発生する非点収差を補正するために、レンズユニットの光軸に対して非対称な光学素子（傾斜したくさび板や自由曲面レンズ等）をレンズ系内に追加している。これらの光学素子は非点収差の補正のために予め最適化設計されたものである。したがって、元から存在するレンズ系において、後から補正手段として追加するのは困難である。また特許文献１の場合、装置内にエアギャップが存在しないため、それに起因するコマ収差についても言及されていない。
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、プリズムユニット内で発生するコマ収差によるフレアを減らして、画質を向上させた投射型表示装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の投射型表示装置は、照明光を画像表示面で反射させることにより画像光に変換して出射する反射型の画像表示素子と、照明光の光路の折り曲げと画像光の透過とを行うプリズムユニットと、前記プリズムユニットを透過した画像光をスクリーンに投射する投射レンズ系と、を備えた投射型表示装置であって、
前記プリズムユニットが、前記画像表示面の中心から出射した画像光の主光線に対して傾いたエアギャップを有し、そのエアギャップを前記画像光が透過する際に発生するコマ収差を打ち消すように、前記投射レンズ系内の少なくとも１つのレンズが、前記投射レンズ系の光軸に対して偏芯しており、その偏芯しているレンズは、有効径に対する光束径の相対値が他のレンズに比べて大きいことを特徴とする。
本発明によれば、プリズムユニット内で発生するコマ収差によるフレアを減らして、画質を向上させることができ、その結果、明るく高精細な投射型表示装置を実現することが可能である。
投射型表示装置の第１の実施の形態を示す概略構成図。 投射型表示装置の第２の実施の形態を示す概略構成図。 投射型表示装置の第３の実施の形態を示す概略構成図。 第３の実施の形態の要部の一例を示す上面図。 投射型表示装置の第４の実施の形態を示す概略構成図。 第４の実施の形態の要部の一例を示す上面図。 第３の実施の形態における照明光と画像光との光路分離を示す光路図。 図７中の要部Ｍ１を拡大して示す光路図。 第３の実施の形態に対応する投射型表示装置の実施例を示す光路図。 実施例におけるコマ収差の補正前と補正後（レンズ移動偏芯）のＭＴＦを示すグラフ。 実施例におけるコマ収差の補正後（レンズ回転偏芯）のＭＴＦを示すグラフ。 実施例におけるコマ収差の補正前と補正後（レンズ移動偏芯）の横収差を示すグラフ。 実施例におけるコマ収差の補正後（レンズ回転偏芯）の横収差を示すグラフ。
以下、本発明に係る投射型表示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。
図１，図２に、投射型表示装置の第１，第２の実施の形態として、１チップタイプのプロジェクターＰＪ１，ＰＪ２をそれぞれ示す。図３に、投射型表示装置の第３の実施の形態として、３チップタイプのプロジェクターＰＪ３を示し、その要部の一例を図４に示す。図５に、投射型表示装置の第４の実施の形態として、３チップタイプのプロジェクターＰＪ４を示し、その要部の一例を図６に示す。
図１，図２，図３，図５において、グローバルな直交座標系はデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画像表示面ＤＳの中心を原点とするローカルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と一致した絶対座標系になっており、Ｘ方向は画像表示面ＤＳの面法線に対して平行な方向であり、Ｚ方向はエアギャップＡＧの傾き回転軸に対して平行な方向であり、Ｙ方向はＸ方向及びＺ方向に直交する方向である。したがって、図１，図２，図３，図５の紙面がＸＹ平面に相当し、図４，図６の紙面がＸＺ平面に相当する。
１チップタイプのプロジェクターＰＪ１，ＰＪ２（図１，図２）は、光源装置１，カラーホイール２，インテグラルロッド３，照明光学系ＩＬ，投射レンズ系ＰＯ，デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ等を備えた構成になっている。また、３チップタイプのプロジェクターＰＪ３，ＰＪ４（図３，図５）は、光源装置１，インテグラルロッド３，照明光学系ＩＬ，投射レンズ系ＰＯ，デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ等を備えた構成になっている。
プロジェクターＰＪ１，ＰＪ２，ＰＪ３，ＰＪ４において照明光Ｌ１を発生させる光源装置１としては、例えば、キセノンランプ，レーザー光源等が挙げられる。プロジェクターＰＪ１，ＰＪ２，ＰＪ３で用いられる光源装置１は白色光源であり、プロジェクターＰＪ４で用いられる光源装置１は３つの波長帯域：Ｒ（赤色）・Ｇ（緑色）・Ｂ（青色）の色光をそれぞれ発生させるカラー光源である。
光源装置１では、楕円面で構成されたランプリフレクターの反射面の焦点位置に発光点を配置し、光源装置１から出射させた収束光をインテグラルロッド３（図３，図５）又はカラーホイール２（図１，図２）に入射させる構成になっている。つまり、プロジェクターＰＪ３，ＰＪ４ではインテグラルロッド３に収束光を入射させ、プロジェクターＰＪ１，ＰＪ２ではカラーホイール２に収束光を入射させる構成になっており、カラーホイール２を通過した光束はインテグラルロッド３に入射することになる。
プロジェクターＰＪ１，ＰＪ２に搭載されているカラーホイール２は、Ｒ・Ｇ・Ｂの色光を透過させる３種類のカラーフィルターで構成されている。カラーホイール２を回転させることにより、照明する色光が時間的に順次切り替り、各色に対応した画像情報をデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに表示することにより、投影画像をカラー化することが可能となる。
ここで想定しているインテグラルロッド３は、４枚の平面ミラーを貼り合わせてなる中空ロッド方式の光強度均一化素子である。インテグラルロッド３の入口側端面（ロッド入口面）から入射してきた照明光Ｌ１は、インテグラルロッド３の側面（すなわち内壁面）で何度も繰り返し反射されることによりミキシングされ、照明光Ｌ１の空間的なエネルギー分布が均一化されて出口側端面（ロッド出口面）Ｒ０から出射する。
インテグラルロッド３の出口側端面Ｒ０の形状は、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画像表示面ＤＳと略相似の四角形（長方形でもよく、台形でもよい。）になっており、また、インテグラルロッド３の出口側端面Ｒ０はデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画像表示面ＤＳに対して共役又は略共役になっている。したがって、上記ミキシング効果により出口側端面Ｒ０での輝度分布が均一化されることにより、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰは効率良く均一に照明されることになる。
なお、インテグラルロッド３は中空ロッドに限らず、四角柱形状のガラス体からなるガラスロッドでもよい。また、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画像表示面ＤＳの形状と適合するならば、その側面についても４面に限らない。つまり、断面形状は長方形，台形等の四辺形に限らない。したがって、用いるインテグラルロッド３としては、複数枚の反射ミラーを組み合わせてなる中空筒体、多角柱形状のガラス体等が挙げられる。
インテグラルロッド３の出口側端面Ｒ０から出射した照明光Ｌ１は、照明光学系ＩＬに入射する。照明光学系ＩＬは、入射してきた照明光Ｌ１をデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに導いて、その画像表示面ＤＳを照明する反射屈折光学系である。そして、照明光Ｌ１を集光する集光レンズ系ＬＮ（レンズ，平面ミラー等からなっている。）と、照明光Ｌ１の光路の折り曲げと画像光Ｌ２の透過とを行うプリズムユニットとして、第１プリズムユニットＰＵ１又は第１，第２プリズムユニットＰＵ１，ＰＵ２と、を備えており、インテグラルロッド３の出口側端面Ｒ０と画像表示面ＤＳとを共役又は略共役としている。なお、図１〜図６中の光路は、照明光Ｌ１と画像光Ｌ２の中心主光線（光軸ＡＸに相当し、画像表示面ＤＳの中心から出射した画像光Ｌ２の主光線であり、画像表示面ＤＳの中心を通る。）を示している。
照明光学系ＩＬに入射した照明光Ｌ１は、集光レンズ系ＬＮで集光された後、第１プリズムユニットＰＵ１に入射する。第１プリズムユニットＰＵ１は、２つの略三角柱状のプリズムＰ１，Ｐ２で構成されたＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズムからなっており、プリズムＰ１，Ｐ２間にはエアギャップＡＧが設けられている。このエアギャップＡＧは、後述するように画像表示面ＤＳの中心から出射した画像光Ｌ２の中心主光線Ｌ２ｐ（図７）に対して所定の角度（９０°−Ｇ）だけ傾いており（Ｇ：画像表示面ＤＳの中心から出射した画像光Ｌ２の主光線Ｌ２ｐ（光軸ＡＸ）に垂直な平面に対するエアギャップＡＧの角度（図７））、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに対する照明光（入力光）Ｌ１と画像光（出力光）Ｌ２との光路分離を行う。
プロジェクターＰＪ１，ＰＪ２では、第１プリズムユニットＰＵ１が照明光Ｌ１の光路を折り曲げて、照明光Ｌ１をデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに入射させる。この光路の折り曲げは、エアギャップＡＧを形成するプリズムＰ１の斜面に全反射条件を満たす角度で照明光Ｌ１が入射し、全反射することにより行われる。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰで反射され、第１プリズムユニットＰＵ１に入射した画像光Ｌ２は、エアギャップＡＧを透過し、第１プリズムユニットＰＵ１から出射して投射レンズ系ＰＯに入射し、スクリーンに投射される。
プロジェクターＰＪ３では、第１プリズムユニットＰＵ１が、ＲＧＢの波長帯域を含む照明光Ｌ１の光路を折り曲げて、照明光Ｌ１を第２プリズムユニットＰＵ２に入射させる。この光路の折り曲げは、エアギャップＡＧを形成するプリズムＰ１の斜面に全反射条件を満たす角度で照明光Ｌ１が入射し、全反射することにより行われる。
プロジェクターＰＪ３に搭載されている第２プリズムユニットＰＵ２は、３つのプリズムＰＲ，ＰＧ，ＰＢで構成された色分離合成用のカラープリズムからなっている。例えば図４に示すように、第１プリズムユニットＰＵ１から出射した照明光Ｌ１をＲＧＢの波長帯域に分離して３つのデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢにそれぞれ入射させ、各デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢから出射した画像光Ｌ２を合成して第１プリズムユニットＰＵ１に入射させる。そして、第１プリズムユニットＰＵ１に入射した画像光Ｌ２は、エアギャップＡＧを透過し、第１プリズムユニットＰＵ１から出射して投射レンズ系ＰＯに入射し、スクリーンに投射される。
第２プリズムユニットＰＵ２での色分離合成を更に詳しく説明する。図４は、第１，第２プリズムユニットＰＵ１，ＰＵ２をＹ方向（図３）に沿って上面側から見た状態で示している。第２プリズムユニットＰＵ２は、図４に示すように、略三角柱状の青プリズムＰＢ及び赤プリズムＰＲ、並びにブロック状の緑プリズムＰＧが、順次組み合わされた構成になっている。また、照明光Ｌ１を画像表示面ＤＳで画像信号に応じて変調するデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ（図３）として、赤用のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲと、緑用のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＧと、青用のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＢと、が設けられている。
青プリズムＰＢと赤プリズムＰＲとの間には、青色光を反射する青ダイクロイック面、及びそれに隣接してエアギャップ層が設けられている。このエアギャップ層は光軸ＡＸに対し傾斜している。また、赤プリズムＰＲと緑プリズムＰＧとの間には、赤色光を反射する赤ダイクロイック面、及びそれに隣接してエアギャップ層が設けられている。このエアギャップ層も光軸ＡＸに対し傾斜している。その傾斜方向は、青プリズムＰＢと赤プリズムＰＲによるエアギャップ層の傾き方向とは逆方向である。
青プリズムＰＢの入出射面から入射した照明光Ｌ１は、青ダイクロイック面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で反射された青色光は、青プリズムＰＢの入出射面により全反射され、青プリズムＰＢ側面である青入出射面より出射して、青用デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＢを照明する。青ダイクロイック面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で反射され、緑色光は透過する。赤ダイクロイック面で反射された赤色光は、青ダイクロイック面に隣接して設けられたエアギャップ層により全反射され、赤プリズムＰＲ側面である赤入出射面より出射して、赤用デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲを照明する。赤ダイクロイック面を透過した緑色光は、緑プリズムＰＧ側面である緑入出射面より出射して、緑用デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＧを照明する。
青用デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＢで反射された青色の画像光Ｌ２は、青入出射面に入射して青プリズムＰＢの入出射面で全反射された後、青ダイクロイック面で反射される。また、赤用デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲで反射された赤色の画像光Ｌ２は、赤入出射面に入射して、青ダイクロイック面に隣接して設けられたエアギャップ層により全反射された後、赤ダイクロイック面で反射され、更に青ダイクロイック面を透過する。さらに、緑用デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＧで反射された緑色の画像光Ｌ２は、緑入出射面に入射して、赤ダイクロイック面及び青ダイクロイック面を透過する。
そして、これら赤色，青色，及び緑色の各画像光Ｌ２は、同一光軸ＡＸに合成され、青プリズムＰＢの入出射面から出射して、第１プリズムユニットＰＵ１に入射する。第１プリズムユニットＰＵ１に入射した画像光Ｌ２は、ここでは全反射条件を満たさないのでエアギャップＡＧを透過し（図３）、投射レンズ系ＰＯによってスクリーンに画像が投影される。
プロジェクターＰＪ４では、色分離用のプリズムを用いずに、光源装置１，インテグラルロッド３，集光レンズ系ＬＮ及び第１プリズムユニットＰＵ１が、ＲＧＢの波長帯域のそれぞれについて設けられている。したがって、例えば図６に示すように、３つの第１プリズムユニットＰＵ１が、ＲＧＢの波長帯域に分けられた照明光Ｌ１の光路をそれぞれ折り曲げて、３つのデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢにそれぞれ照明光Ｌ１を入射させる。この光路の折り曲げは、エアギャップＡＧを形成するプリズムＰ１の斜面に全反射条件を満たす角度で照明光Ｌ１が入射し、全反射することにより行われる。
プロジェクターＰＪ４に搭載されている第２プリズムユニットＰＵ２は、３つのプリズムＰＲ，ＰＧ，ＰＢで構成された色合成用のカラープリズムからなっている。例えば図６に示すように、３つのデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢでそれぞれ反射され第１プリズムユニットＰＵ１を透過して出射した３つの画像光Ｌ２を合成して投射レンズ系ＰＯに入射させる。このとき、３つの第１プリズムユニットＰＵ１にそれぞれ入射した画像光Ｌ２は、エアギャップＡＧを透過し、第１プリズムユニットＰＵ１から出射して第２プリズムユニットＰＵ２に入射する。そして、投射レンズ系ＰＯに入射した画像光Ｌ２はスクリーンに投射される。
第２プリズムユニットＰＵ２での色合成を更に詳しく説明する。図６は、第１，第２プリズムユニットＰＵ１，ＰＵ２をＹ方向（図５）に沿って上面側から見た状態で示している。第２プリズムユニットＰＵ２は、図６に示すように、略三角柱状の青プリズムＰＢ及び赤プリズムＰＲ、並びにブロック状の緑プリズムＰＧが、順次組み合わされた構成になっている。また、照明光Ｌ１を画像表示面ＤＳで画像信号に応じて変調するデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ（図５）として、赤用のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲと、緑用のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＧと、青用のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＢと、が設けられている。
青プリズムＰＢと赤プリズムＰＲとの間には、青色光を反射する青ダイクロイック面、及びそれに隣接してエアギャップ層が設けられている。このエアギャップ層は光軸ＡＸに対し傾斜している。また、赤プリズムＰＲと緑プリズムＰＧとの間には、赤色光を反射する赤ダイクロイック面、及びそれに隣接してエアギャップ層が設けられている。このエアギャップ層も光軸ＡＸに対し傾斜している。その傾斜方向は、青プリズムＰＢと赤プリズムＰＲによるエアギャップ層の傾き方向とは逆方向である。
青用デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＢで反射された青色の画像光Ｌ２は、第１プリズムユニットＰＵ１を透過し、青入射面に入射して青プリズムＰＢの出射面で全反射された後、青ダイクロイック面で反射される。また、赤用デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲで反射された赤色の画像光Ｌ２は、第１プリズムユニットＰＵ１を透過し、赤入射面に入射して、青ダイクロイック面に隣接して設けられたエアギャップ層により全反射された後、赤ダイクロイック面で反射され、更に青ダイクロイック面を透過する。さらに、緑用デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＧで反射された緑色の画像光Ｌ２は、第１プリズムユニットＰＵ１を透過し、緑入射面に入射して、赤ダイクロイック面及び青ダイクロイック面を透過する。
そして、これら赤色，青色，及び緑色の各画像光Ｌ２は、同一光軸ＡＸに合成され、青プリズムＰＢの出射面から出射して投射レンズ系ＰＯに入射し、投射レンズ系ＰＯによってスクリーンに画像が投影される。なお、各デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢで反射されて第１プリズムユニットＰＵ１に入射した画像光Ｌ２は、全反射条件を満たさないのでエアギャップＡＧを透過する（図５）。
デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ；ＤＲ，ＤＧ，ＤＢは、光を変調して画像を生成する反射型の画像表示素子であり、照明光Ｌ１の強度変調により２次元画像を形成する画像表示面ＤＳ、その上に配置されたカバーガラスＣＧ等を備えた構成になっている（図１〜図３等）。例えば、画像表示面ＤＳは複数のマイクロミラーからなっており、画像表示面ＤＳにおいて各マイクロミラー面（画素反射面）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が形成される。つまり、このデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰは、複数の矩形のマイクロミラー面からなる画像表示面ＤＳにおいて、各マイクロミラー面がＯＮ／ＯＦＦ制御されて、マイクロミラーが画像表示状態（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ことにより、照明光Ｌ１を強度変調して所望の画像を形成することを可能としている。
従来よりよく知られているデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ；ＤＲ，ＤＧ，ＤＢの画素は、画像表示面ＤＳが構成する長方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。そして、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光のみが、投射レンズ系ＰＯを通過することになる。一方、新しい動作タイプのデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ；ＤＲ，ＤＧ，ＤＢの場合、ミラー面の回動は１つの回転軸を中心とするものではなく、直交する２つの回転軸を中心とするものである。
図７に、プロジェクターＰＪ３における画像光Ｌ２の軸上光束の光路を示す。照明光Ｌ１がプリズムＰ１に入射すると、第１プリズムユニットＰＵ１内のエアギャップＡＧでの全反射により光路が折り曲げられる。照明光Ｌ１は、プリズムＰ１から出射し、第２プリズムユニットＰＵ２を経て、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画像表示面ＤＳに照射される。照明光Ｌ１がデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画像表示面ＤＳに照射されると、照明された画像表示面ＤＳでの反射により画像光Ｌ２がデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰから出射する。このとき、画像表示面ＤＳの中心に入射する直前の照明光Ｌ１の主光線Ｌ１ｐに対して画像表示面ＤＳの中心で反射した直後の画像光Ｌ２の主光線Ｌ２ｐが所定の角度をなして、照明光Ｌ１から画像光Ｌ２が分離される。
画像光Ｌ２は、図７に示すように、第２プリズムユニットＰＵ２を経て、第１プリズムユニットＰＵ１を透過する。このとき画像光Ｌ２は、光軸ＡＸに垂直な平面に対して角度Ｇだけ傾いたエアギャップＡＧを透過し、プリズムＰ２から第２プリズムユニットＰＵ２を出射した後、投射レンズ系ＰＯに入射してスクリーンへ投射される。なお、エアギャップＡＧの下端は、画像光Ｌ２を遮らない下限位置より下方に設定されるのが好ましい。
上述したように、プロジェクターＰＪ１〜ＰＪ４はいずれも、照明光Ｌ１を画像表示面ＤＳで反射させることにより画像光Ｌ２に変換して出射するデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰと、照明光Ｌ１の光路の折り曲げと画像光Ｌ２の透過とを行う第１プリズムユニットＰＵ１と、第１プリズムユニットＰＵ１を透過した画像光Ｌ２をスクリーンに投射する投射レンズ系ＰＯと、を備えている。そして、図７に示すように、第１プリズムユニットＰＵ１は、画像表示面ＤＳの中心から出射した画像光Ｌ２の主光線Ｌ２ｐに対して傾いたエアギャップＡＧを有し、そのエアギャップＡＧを画像光Ｌ２が透過する。
画像光Ｌ２のうち入射角α２でエアギャップＡＧに入射する光線は、エアギャップＡＧに対して大きく傾いているので（α１＜α２）、エアギャップＡＧで大きく屈折する。その屈折が生じる要部Ｍ１を拡大して図８に示す。エアギャップＡＧは、対向するように配置されたプリズム面Ａ１，Ａ２で構成されており、エアギャップＡＧの傾き回転軸は、Ｚ方向に対して平行になっている。そして、画像光Ｌ２のうち入射角α２でエアギャップＡＧに入射した光線は、図８から分かるように、エアギャップＡＧで大きく屈折する。この屈折により生じるフレア成分Δは、いわゆるコマ収差であり、投射レンズ系ＰＯによる結像時にフレアが発生する原因となる。なお、フレア成分Δの方向はスクリーン面に対して平行であり、フレアはスクリーン面上での距離として評価される。
上記第１プリズムユニットＰＵ１を含むプロジェクターＰＪ１〜ＰＪ４では、エアギャップＡＧを画像光Ｌ２が透過する際に発生するコマ収差を打ち消すように、投射レンズ系ＰＯ内の少なくとも１つのレンズが、投射レンズ系ＰＯの光軸ＡＸに対して偏芯している。その偏芯しているレンズが偏芯レンズＤＬ（図１〜図３，図５）である。プロジェクターＰＪ１（図１）の場合、投射レンズ系ＰＯの光軸ＡＸに対して偏芯しているレンズが、投射レンズ系ＰＯの光軸ＡＸ及びエアギャップＡＧの傾き回転軸に対して垂直な方向（Ｙ方向に対して平行方向）に移動偏芯（例えば平行偏芯）した偏芯レンズＤＬである。プロジェクターＰＪ２（図２）の場合、投射レンズ系ＰＯの光軸ＡＸに対して偏芯しているレンズが、エアギャップＡＧの傾き回転軸に対して平行な軸（Ｚ方向に対して平行）を中心に回転偏芯した偏芯レンズＤＬである。プロジェクターＰＪ３，ＰＪ４における偏芯レンズＤＬも、プロジェクターＰＪ１，ＰＪ２と同様であり、投射レンズ系ＰＯ内の少なくとも１つのレンズが移動偏芯又は回転偏芯した偏芯レンズＤＬ（図３，図５）となっている。
投射レンズ系ＰＯ内の少なくとも１つのレンズが、投射レンズ系ＰＯの光軸ＡＸに対して偏芯すると、その偏芯によるコマ収差が投射レンズ系ＰＯにおいて発生することになる。エアギャップＡＧを画像光Ｌ２が透過することにより発生するコマ収差と逆方向のコマ収差を偏芯レンズＤＬで発生させると、フレアの発生が打ち消されるため、投影像のフレアが解消されて高画質化が可能となる。しかも、フレアをカットするのではなく、フレアをキャンセルするコマ収差を発生させるので、このフレア補正には明るさが落ちないというメリットがある。したがって、明るさを保持しながら高精細化を達成することが可能である。
偏芯させるレンズは、コマ収差の感度に対してコマ収差以外の感度が充分低いことが望ましい。そのようなレンズを偏芯させることで、他の収差を発生させることなくコマ収差を補正することができ、画質を効果的に向上させることができる。一般に、レンズ径に対する光束径が相対的に大きいレンズは、コマ収差の感度が高い。また、偏芯レンズＤＬの移動偏芯量及び回転偏芯量は、エアギャップＡＧの厚さ及び傾き量に比例する。
プロジェクターＰＪ１（図１）のように、投射レンズ系ＰＯの光軸ＡＸに対して偏芯しているレンズとして、投射レンズ系ＰＯの光軸ＡＸ及びエアギャップＡＧの傾き回転軸に対して垂直な方向に移動偏芯させた偏芯レンズＤＬを用いれば、画像光Ｌ２がエアギャップＡＧを透過する際のフレアの発生を抑えることができ、容易かつ効果的に画質を向上させることができる。例えば、投射レンズ系ＰＯの外筒に対してレンズの保持枠を移動方向にビスで押し引きするように移動偏芯させれば、移動偏芯の調整を容易に行うことができる。また、投射型表示装置に投射レンズ系ＰＯを取り付けるときに、個別に調整することも可能となる。
プロジェクターＰＪ２（図２）のように、投射レンズ系ＰＯの光軸ＡＸに対して偏芯しているレンズとして、エアギャップＡＧの傾き回転軸に対して平行な軸を中心に回転偏芯させた偏芯レンズＤＬを用いれば、画像光Ｌ２がエアギャップＡＧを透過する際のフレアの発生を抑えることができ、容易かつ効果的に画質を向上させることができる。例えば、投射レンズ系ＰＯの外筒に対してレンズの保持枠を回転方向にビスで押し引きするように回転偏芯させれば、回転偏芯の調整を容易に行うことができる。また、投射型表示装置に投射レンズ系ＰＯを取り付けるときに、個別に調整することも可能となる。
３チップタイプのプロジェクターＰＪ３は、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢ（図４）が、複数の波長帯域ＲＧＢのそれぞれについて設けられており、プリズムユニットとして、複数の波長帯域ＲＧＢを含む照明光Ｌ１の光路を、エアギャップＡＧを構成するプリズム面Ａ１での反射により折り曲げる第１プリズムユニットＰＵ１と、第１プリズムユニットＰＵ１で折り曲げられて出射した照明光Ｌ１を複数の波長帯域ＲＧＢに分離して複数のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢにそれぞれ入射させ、各デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢから出射した画像光Ｌ２を合成して第１プリズムユニットＰＵ１に入射させる第２プリズムユニットＰＵ２（色分離合成用のカラープリズム）と、を含んでいる。そして、第１プリズムユニットＰＵ１に有するエアギャップＡＧは、画像表示面ＤＳの中心から出射した画像光Ｌ２の主光線Ｌ２ｐに対して傾いており、第１プリズムユニットＰＵ１に入射した画像光Ｌ２が、エアギャップＡＧを透過し、第１プリズムユニットからＰＵ１出射して投射レンズ系ＰＯに入射する構成になっている。
前述したように、エアギャップＡＧでのフレアの発生は、少なくとも１つの偏芯レンズＤＬにより、結果として打ち消される。したがって、プロジェクターＰＪ３によれば、画質は向上し、明るさを保持しながら高精細化を達成することが可能となる。３チップタイプの投射型表示装置では、より高輝度が求められるため、大きな温度変化に対応できるようエアギャップＡＧを比較的広めに設定する必要がある。その分発生するフレアも大きくなるので、上記効果も大きなものとなる。
３チップタイプのプロジェクターＰＪ４は、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢ（図６）が、複数の波長帯域ＲＧＢのそれぞれについて設けられており、プリズムユニットとして、複数の波長帯域ＲＧＢに分けられた複数の照明光Ｌ１の光路をそれぞれ折り曲げて複数のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢにそれぞれ入射させる複数の第１プリズムユニットＰＵ１と、複数のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＲ，ＤＧ，ＤＢでそれぞれ反射され第１プリズムユニットＰＵ１を透過して出射した複数の画像光Ｌ２を合成して投射レンズ系ＰＯに入射させる第２プリズムユニットＰＵ２（色合成用のカラープリズム）と、を含んでいる。そして、複数の第１プリズムユニットＰＵ１が、画像表示面ＤＳの中心から出射した画像光Ｌ２の主光線Ｌ２ｐに対して傾いたエアギャップＡＧをそれぞれ有し、複数の第１プリズムユニットＰＵ１にそれぞれ入射した画像光Ｌ２が、エアギャップＡＧを透過し、第１プリズムユニットＰＵ１から出射して第２プリズムユニットＰＵ２に入射する構成になっている。
前述したように、エアギャップＡＧでのフレアの発生は、少なくとも１つの偏芯レンズＤＬにより、結果として打ち消される。したがって、プロジェクターＰＪ４によれば、画質は向上し、明るさを保持しながら高精細化を達成することが可能となる。３チップタイプの投射型表示装置では、より高輝度が求められるため、大きな温度変化に対応できるようエアギャップＡＧを比較的広めに設定する必要がある。その分発生するフレアも大きくなるので、上記効果も大きなものとなる。
以上の説明から分かるように、上述した各実施の形態や後述する実施例には以下の特徴的な構成（＃１）〜（＃５）等が含まれている。
（＃１）：照明光を画像表示面で反射させることにより画像光に変換して出射する反射型の画像表示素子と、照明光の光路の折り曲げと画像光の透過とを行うプリズムユニットと、前記プリズムユニットを透過した画像光をスクリーンに投射する投射レンズ系と、を備えた投射型表示装置であって、
前記プリズムユニットが、前記画像表示面の中心から出射した画像光の主光線に対して傾いたエアギャップを有し、そのエアギャップを前記画像光が透過する際に発生するコマ収差を打ち消すように、前記投射レンズ系内の少なくとも１つのレンズが、前記投射レンズ系の光軸に対して偏芯していることを特徴とする投射型表示装置。
（＃２）：前記投射レンズ系の光軸に対して偏芯しているレンズが、前記投射レンズ系の光軸及び前記エアギャップの傾き回転軸に対して垂直な方向に移動偏芯した偏芯レンズであることを特徴とする（＃１）記載の投射型表示装置。
（＃３）：前記投射レンズ系の光軸に対して偏芯しているレンズが、前記エアギャップの傾き回転軸に対して平行な軸を中心に回転偏芯した偏芯レンズであることを特徴とする（＃１）記載の投射型表示装置。
（＃４）：前記画像表示素子が、複数の波長帯域のそれぞれについて設けられており、
前記プリズムユニットが、前記複数の波長帯域を含む照明光の光路を、前記エアギャップを構成するプリズム面での反射により折り曲げる第１プリズムユニットと、前記第１プリズムユニットで折り曲げられて出射した照明光を前記複数の波長帯域に分離して複数の前記画像表示素子にそれぞれ入射させ、各画像表示素子から出射した画像光を合成して前記第１プリズムユニットに入射させる第２プリズムユニットと、を含むことを特徴とする（＃１）〜（＃３）のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
（＃５）：前記画像表示素子が、複数の波長帯域のそれぞれについて設けられており、
前記プリズムユニットが、前記複数の波長帯域に分けられた複数の照明光の光路を、前記エアギャップを構成するプリズム面での反射により折り曲げて複数の前記画像表示素子にそれぞれ入射させる複数の第１プリズムユニットと、前記複数の画像表示素子でそれぞれ反射され前記第１プリズムユニットを透過して出射した複数の画像光を合成して前記投射レンズ系に入射させる第２プリズムユニットと、を含むことを特徴とする（＃１）〜（＃３）のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
以下、本発明を実施した投射型表示装置の構成等を、実施例のコンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例は、前述した第３の実施の形態のプロジェクターＰＪ３に対応する数値実施例であり、図９にその光路図を示す。
表１に、実施例の各種データとして、焦点距離（ｍｍ），レンズバック（ｍｍ），Ｆナンバー，像高（ｍｍ），及び半画角（ω，°）を示す。また表２に、実施例のコンストラクションデータを示す。そのコンストラクションデータでは、面データとして、左側の欄から順に、レンズＧｉ（拡大側から順に、ｉ＝１，２，３，．．．である。）等，曲率半径（ｍｍ），軸上面間隔（ｍｍ），ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に関する屈折率ｎｄ，ｄ線に関するアッベ数Ｖｄ，有効半径（ｍｍ），及び回転角（°）を示す。
図１０〜図１３に、実施例のコマ収差補正前後の光学性能を示す。ここでは、移動偏芯した偏芯レンズＤＬとしてレンズＧ１８（偏芯量：−０．８ｍｍ）を挙げ、回転偏芯した偏芯レンズＤＬとしてレンズＧ１８（偏芯量：−０．２ｄｅｇ），レンズＧ９（偏芯量：−０．１ｄｅｇ）を挙げる。偏芯方向は、図３等において、Ｙ方向の下方向を負方向とし、Ｚ方向に対して平行な軸を中心とする右回りを負方向とする。また、回転偏芯した偏芯レンズＤＬの場合、レンズＧ１８，Ｇ９の回転偏芯の中心軸（エアギャップＡＧの傾き回転軸に対して平行な軸）は、拡大側レンズ面の頂点に位置しており、その回転方向はエアギャップＡＧの傾き回転方向とは逆方向である。なお、実施例では光学設計上縮小系とし、スクリーン面を物面とみなして像面に相当する画像表示面（縮小側像面）ＤＳで光学性能を評価している。
図１０及び図１１は、デフォーカス（ｍｍ）によるＭＴＦ(Modulation Transfer Function)の変化を示すグラフ（実線：ＸＹ平面（タンジェンシャル面）方向でのＭＴＦ値，破線：ＸＺ平面（サジタル面）方向でのＭＴＦ値；空間周波数：９０サイクル／ｍｍ，波長：５５０ｎｍ）である。図１０（Ａ）は偏芯無しのとき、図１０（Ｂ）はレンズＧ１８を移動偏芯させたとき（偏芯量：−０．８ｍｍ）、図１１（Ａ）はレンズＧ１８を回転偏芯させたとき（偏芯量：−０．２ｄｅｇ）、図１１（Ｂ）はレンズＧ９を回転偏芯させたとき（偏芯量：−０．１ｄｅｇ）、のＭＴＦ（評価像高は軸上（像高＝０）である。）をそれぞれ示している。
図１２及び図１３は横収差を示すグラフであり、図１２（Ａ），（Ｃ）と図１３（Ａ），（Ｃ）はＸＹ平面（タンジェンシャル面）方向での横収差ｅｙ（μｍ）を示しており（Ｐｙ：入射瞳座標）、図１２（Ｂ），（Ｄ）と図１３（Ｂ），（Ｄ）はＸＺ平面（サジタル面）方向での横収差ｅｚ（μｍ）を示している（Ｐｚ：入射瞳座標）。図１２（Ａ），（Ｂ）は偏芯無しのとき、図１２（Ｃ），（Ｄ）はレンズＧ１８を移動偏芯させたとき（偏芯量：−０．８ｍｍ）、図１３（Ａ），（Ｂ）はレンズＧ１８を回転偏芯させたとき（偏芯量：−０．２ｄｅｇ）、図１３（Ｃ），（Ｄ）はレンズＧ９を回転偏芯させたとき（偏芯量：−０．１ｄｅｇ）、の横収差（評価像高は軸上（像高＝０）である。）をそれぞれ示している。
上記のように偏芯レンズＤＬを用いると、プロジェクターＰＪ１〜ＰＪ４のいずれについても、エアギャップＡＧを画像光Ｌ２が透過することに起因するコマ収差を効果的に打ち消して、それによるフレアを減らして画質を向上させることができる。また、投射レンズ系ＰＯ内の少なくとも１つのレンズのみでコマ収差の打ち消しが完結するので、他の部品を変更する必要がないというメリットもある。なお、偏芯レンズＤＬとしては、移動偏芯させたレンズ，回転偏芯させたレンズのうちの一方を用いてもよく、両方を組み合わせて用いてもよく、移動偏芯と回転偏芯が複数組み合わされたレンズを用いてもよい。
Figure 0006879307
Figure 0006879307
ＰＪ１，ＰＪ２，ＰＪ３，ＰＪ４ プロジェクター（投射型表示装置）
ＩＬ 照明光学系
ＬＮ 集光レンズ系
ＰＵ１ 第１プリズムユニット
ＰＵ２ 第２プリズムユニット
ＰＲ 赤プリズム
ＰＧ 緑プリズム
ＰＢ 青プリズム
Ｐ１，Ｐ２ プリズム
Ａ１，Ａ２ プリズム面
ＡＧ エアギャップ
ＤＰ デジタル・マイクロミラー・デバイス（反射型の画像表示素子）
ＤＲ 赤用のデジタル・マイクロミラー・デバイス（反射型の画像表示素子）
ＤＧ 緑用のデジタル・マイクロミラー・デバイス（反射型の画像表示素子）
ＤＢ 青用のデジタル・マイクロミラー・デバイス（反射型の画像表示素子）
ＤＳ 画像表示面
Ｌ１ 照明光
Ｌ２ 画像光
Ｌ１ｐ，Ｌ２ｐ 中心主光線
ＰＯ 投射レンズ系
ＤＬ 偏芯レンズ
ＡＸ 光軸

Claims (5)

  1. 照明光を画像表示面で反射させることにより画像光に変換して出射する反射型の画像表示素子と、照明光の光路の折り曲げと画像光の透過とを行うプリズムユニットと、前記プリズムユニットを透過した画像光をスクリーンに投射する投射レンズ系と、を備えた投射型表示装置であって、
    前記プリズムユニットが、前記画像表示面の中心から出射した画像光の主光線に対して傾いたエアギャップを有し、そのエアギャップを前記画像光が透過する際に発生するコマ収差を打ち消すように、前記投射レンズ系内の少なくとも１つのレンズが、前記投射レンズ系の光軸に対して偏芯しており、その偏芯しているレンズは、有効径に対する光束径の相対値が他のレンズに比べて大きい投射型表示装置。
  2. 前記投射レンズ系の光軸に対して偏芯しているレンズが、前記投射レンズ系の光軸及び前記エアギャップの傾き回転軸に対して垂直な方向に移動偏芯した偏芯レンズである請求項１記載の投射型表示装置。
  3. 前記投射レンズ系の光軸に対して偏芯しているレンズが、前記エアギャップの傾き回転軸に対して平行な軸を中心に回転偏芯した偏芯レンズである請求項１記載の投射型表示装置。
  4. 前記画像表示素子が、複数の波長帯域のそれぞれについて設けられており、
    前記プリズムユニットが、前記複数の波長帯域を含む照明光の光路を、前記エアギャップを構成するプリズム面での反射により折り曲げる第１プリズムユニットと、前記第１プリズムユニットで折り曲げられて出射した照明光を前記複数の波長帯域に分離して複数の前記画像表示素子にそれぞれ入射させ、各画像表示素子から出射した画像光を合成して前記第１プリズムユニットに入射させる第２プリズムユニットと、を含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
  5. 前記画像表示素子が、複数の波長帯域のそれぞれについて設けられており、
    前記プリズムユニットが、前記複数の波長帯域に分けられた複数の照明光の光路を、前記エアギャップを構成するプリズム面での反射により折り曲げて複数の前記画像表示素子にそれぞれ入射させる複数の第１プリズムユニットと、前記複数の画像表示素子でそれぞれ反射され前記第１プリズムユニットを透過して出射した複数の画像光を合成して前記投射レンズ系に入射させる第２プリズムユニットと、を含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
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