JPWO2017094690A1 - 投射型表示装置とその設計方法 - Google Patents

Abstract

投射型表示装置は、照明された画像表示面での反射により画像光を出射する反射型の画像表示素子と、画像表示素子から出射した画像光の光路を折り曲げるプリズムユニットと、プリズムユニットから出射した画像光をスクリーンに投射する投影光学系と、を備える。画像表示面は複数のマイクロミラーからなり、画像表示面において各マイクロミラー面の傾きがＯＮ／ＯＦＦ制御されて照明光を強度変調することにより画像が形成される。プリズムユニットは、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所定の角度傾いたエアギャップを有し、そのエアギャップを画像表示素子から出射した画像光が透過する。投影光学系は、円形開口の周辺部分が弓形の遮光部で一部切り欠かれた形状の非円形開口を持つ絞りを有し、Ｆナンバー光束においてエアギャップに対する入射角の大きい側の端部に対応する画像光が、所定の条件を満たす遮光部で遮光される。

Description

本発明は投射型表示装置とその設計方法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１チップタイプの投射型表示装置とその設計方法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のに対し、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、非特許文献１で提案されている。

上記デジタル・マイクロミラー・デバイスのような反射型画像表示素子を搭載したプロジェクターとしては、従来よりさまざまなタイプのものが提案されており（例えば、特許文献１〜３参照。）、また、明るく（Ｆナンバーが小さく）高コントラストで高画質なプロジェクターが求められている。

特開２００３−３２２８２２号公報 特開２００６−３０８９９２号公報 ＷＯ２０１１／１０８０７７ Ａ１

DLP(R) TRP pixel architecture and chipsets,インターネット＜URL：http://www.ti.com/lsds/ti/dlp/video-and-data-display/trp-technology.page#0.2＞

しかし、明るさを保持しながらコントラストと画質を両立させることは困難である。特許文献１，２に記載の投射型表示装置では、コントラストを向上させるために、投影光学系内に配置されている絞りが、画像光と不要光との干渉部分を遮光する形状になっている。また、特許文献３に記載の投射型表示装置では、コントラストを向上させるために、照明光束を楕円形とし、それに合わせて投影光学系の絞り形状も通常とは異なったものとしている。しかし、いずれも画像光がエアギャップを透過する際に発生するフレアについては考慮されていないため、画質の向上を図ることのできる構成にはなっていない。

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、明るさを保持しながら不要光とフレア成分の遮光によりコントラストと画質を向上させた投射型表示装置とその設計方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の投射型表示装置は、照明された画像表示面での反射により画像光を出射する反射型の画像表示素子と、前記画像表示素子から出射した画像光の光路を折り曲げるプリズムユニットと、前記プリズムユニットから出射した画像光をスクリーンに投射する投影光学系と、を備えた投射型表示装置であって、
前記画像表示面が複数のマイクロミラーからなり、前記画像表示面において各マイクロミラー面の傾きがＯＮ／ＯＦＦ制御されて照明光を強度変調することにより画像が形成され、
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所定の角度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表示素子から出射した画像光が透過し、
前記投影光学系が、円形開口の周辺部分が弓形の遮光部で一部切り欠かれた形状の非円形開口を持つ絞りを有し、Ｆナンバー光束において前記エアギャップに対する入射角の大きい側の端部に対応する画像光が前記遮光部で遮光され、
以下の条件式（１）及び（２）を満たすことを特徴とする。
０．９×Ｃｇ＜Ｇ＜１．１×Ｃｇ …（１）
（０．２−０．０５×Ｆ）＜Ｓ＜（１−０．２×Ｆ） …（２）
ただし、前記画像表示面で強度変調された出射光のうち、ＯＮ状態のマイクロミラーでの反射光をＯＮ光とし、ＯＦＦ状態のマイクロミラーでの反射光をＯＦＦ光とし、ＯＮ光を前記画像光とし、前記画像表示面の中心に対する入射直前の照明光の主光線と、その反射直後のＯＮ光の主光線と、を含む平面を基準平面とするとき、
Ｃｇ＝ｓｉｎ^-1（１／Ｎ）−（Ｒ−ｓｉｎ^-1（１／（２Ｆ）））／Ｎ
Ｎ：画像光が通過するプリズムのｄ線での屈折率、
Ｒ：画像表示面の中心で反射した直後のＯＮ光の主光線とＯＦＦ光の主光線とが基準平面上に射影されたときになす角度（度）、
Ｆ：投影光学系の最小Ｆナンバー、
Ｇ：画像表示面の中心から出射した画像光の主光線に垂直な平面に対するエアギャップの角度（度）、
Ｓ：絞りの非円形開口を構成する遮光率（Ｓ＝［遮光部の弓形の半径方向の幅］／［円形開口の半径］）、
Ｓ＞０
である。

第２の発明の投射型表示装置は、上記第１の発明において、前記画像表示素子から出射した画像光が、前記光路の折り曲げのために前記プリズムユニット内で全反射した後、前記エアギャップを透過して前記プリズムユニットから前記投影光学系へと出射することを特徴とする。

第３の発明の投射型表示装置は、上記第１又は第２の発明において、前記絞りの非円形開口と前記遮光部との境界が、弓形の弦に相当し、かつ、基準平面に対して垂直な略直線状をなすことを特徴とする。

第４の発明の投射型表示装置は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記画像表示素子として１枚のデジタル・マイクロミラー・デバイスを有する１チップタイプであることを特徴とする。

第５の発明の設計方法は、照明された画像表示面での反射により画像光を出射する反射型の画像表示素子と、前記画像表示素子から出射した画像光の光路を折り曲げるプリズムユニットと、前記プリズムユニットから出射した画像光をスクリーンに投射する投影光学系と、を備えた投射型表示装置の設計方法であって、
前記画像表示面が複数のマイクロミラーからなり、前記画像表示面において各マイクロミラー面の傾きがＯＮ／ＯＦＦ制御されて照明光を強度変調することにより画像が形成され、
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所定の角度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表示素子から出射した画像光が透過し、
前記投影光学系が、円形開口の周辺部分が弓形の遮光部で一部切り欠かれた形状の非円形開口を持つ絞りを有し、Ｆナンバー光束において前記エアギャップに対する入射角の大きい側の端部に対応する画像光が前記遮光部で遮光され、
以下の条件式（１）及び（２）を満たすように投射型表示装置を設計することを特徴とする。
０．９×Ｃｇ＜Ｇ＜１．１×Ｃｇ …（１）
（０．２−０．０５×Ｆ）＜Ｓ＜（１−０．２×Ｆ） …（２）
ただし、前記画像表示面で強度変調された出射光のうち、ＯＮ状態のマイクロミラーでの反射光をＯＮ光とし、ＯＦＦ状態のマイクロミラーでの反射光をＯＦＦ光とし、ＯＮ光を前記画像光とし、前記画像表示面の中心に対する入射直前の照明光の主光線と、その反射直後のＯＮ光の主光線と、を含む平面を基準平面とするとき、
Ｃｇ＝ｓｉｎ^-1（１／Ｎ）−（Ｒ−ｓｉｎ^-1（１／（２Ｆ）））／Ｎ
Ｎ：画像光が通過するプリズムのｄ線での屈折率、
Ｒ：画像表示面の中心で反射した直後のＯＮ光の主光線とＯＦＦ光の主光線とが基準平面上に射影されたときになす角度（度）、
Ｆ：投影光学系の最小Ｆナンバー、
Ｇ：画像表示面の中心から出射した画像光の主光線に垂直な平面に対するエアギャップの角度（度）、
Ｓ：絞りの非円形開口を構成する遮光率（Ｓ＝［遮光部の弓形の半径方向の幅］／［円形開口の半径］）、
Ｓ＞０
である。

本発明によれば、プリズムユニットに特徴的なエアギャップを有するとともに投影光学系に特徴的な絞りを有する構成になっているため、不要光（ＯＦＦ光やプリズム面でのイレギュラーな反射光等）を事前に遮光することでコントラスト向上を図りつつ、エアギャップで発生するフレア成分を遮光して画質を向上させることができる。したがって、明るさを保持しながら不要光とフレア成分の遮光によりコントラストと画質を向上させた投射型表示装置を実現することが可能である。

投射型表示装置の一実施の形態を示す概略構成図。 直交する２軸に関してマイクロミラー駆動を行うデジタル・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。 デジタル・マイクロミラー・デバイスのＯＮ状態のマイクロミラーで反射したＯＮ光の光路を示す光路図。 デジタル・マイクロミラー・デバイスのＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射したＯＦＦ光の光路を示す光路図。 非円形開口を持つ絞りを示す平面図。 図３中の要部Ｍ１を拡大して示す光路図。 ＯＮ光とＯＦＦ光との分離角度Ｒを説明するための図。

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に、投射型表示装置の一実施の形態として、１チップタイプのプロジェクターＰＪを示す。図１において、グローバルな直交座標系はロッド出口面Ｒ０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方向はロッド出口面Ｒ０の面法線に対して平行な方向であり、Ｙ方向はロッド出口面Ｒ０の短辺に対して平行な方向である。したがって、図１の紙面がＸＹ平面に相当する。

図１に示すプロジェクターＰＪ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，投影光学系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。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，レーザー光源等の白色光源が挙げられる。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カラーホイール２に入射させる構成になっている。カラーホイール２は、Ｒ（赤色）・Ｇ（緑色）・Ｂ（青色）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。

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、インテグラルロッド３の後方に配置されている照明光学系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を集光するレンズ群ＬＮと、レンズ群ＬＮから出射した照明光Ｌ１を光束規制する絞りＳＴ０と、絞りＳＴ０から出射した照明光Ｌ１をデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに導くプリズムユニットＰＵ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、レンズ群ＬＮで集光され、絞りＳＴ０で光束規制された後、プリズムユニットＰＵでデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに導かれて、その画像表示面ＤＳを照明する。なお、この実施の形態ではレンズ群ＬＮとプリズムユニットＰＵとの間に絞りＳＴ０が配置されているが、絞りＳＴ０位置はこれに限らず、光学設計に応じた配置にしてもよい。例えば、レンズ群ＬＮ内に絞りＳＴ０を配置してもよく、プリズムユニットＰＵ内に絞りＳＴ０を配置してもよい。

プリズムユニットＰＵは、第１プリズムＰ１，第２プリズムＰ２，第３プリズムＰ３，第４プリズムＰ４及び反射光学素子ＦＲを有する構成になっている。第１プリズムＰ１と第４プリズムＰ４はＺ方向（図１における紙面垂直方向）に延びる三角柱形状を有しており、第２プリズムＰ２と第３プリズムＰ３はＺ方向に延びる四角柱形状を有している。また、プリズムユニットＰＵは反射光学素子ＦＲに曲面反射面ＲＳを有している。

第１プリズムＰ１と第３プリズムＰ３との間には第２プリズムＰ２が配置されており、第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２との間にエアギャップＡＧ１が設けられており、第２プリズムＰ２と第３プリズムＰ３との間にエアギャップＡＧ２が設けられている。つまり、第２プリズムＰ２は、第１プリズムＰ１との間にエアギャップＡＧ１を有し、第３プリズムＰ３との間にエアギャップＡＧ２を有しているので、第１，第３プリズムＰ１，Ｐ３間には、２つのエアギャップＡＧ１，ＡＧ２を全反射のために有していることになる。

また、第３プリズムＰ３と第４プリズムＰ４との間にはエアギャップＡＧ３が設けられている。このエアギャップＡＧ３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３）に対して所定の角度Ｇだけ傾いており、画像光Ｌ２を透過させるが、画像光Ｌ２を全反射させるためのものではなく、ＯＦＦ光Ｌ３（図４）が投影光学系ＰＯに入射しないようにＯＦＦ光Ｌ３を全反射させて遮光するものある。

絞りＳＴ０から出射した照明光Ｌ１は、第１プリズムＰ１内に入射し、エアギャップＡＧ１に接するプリズム面で全反射し、第１プリズムＰ１外へ出射して、反射光学素子ＦＲの曲面反射面ＲＳで反射される。プリズムユニットＰＵ中の反射光学素子ＦＲは、いわゆる自由曲面ミラーであって、第１プリズムＰ１近傍に配置されており、正パワー（パワー：焦点距離の逆数で定義される量）を有する回転非対称な曲面反射面ＲＳを有している。その曲面反射面ＲＳで反射した照明光Ｌ１は、第１プリズムＰ１内に再入射し、エアギャップＡＧ１を透過して第２プリズムＰ２に入射する。なお、自由曲面ミラーに限らず、球面ミラーでも、回転対称非球面ミラーでも、回転非対称自由曲面ミラーでもよい。

第２プリズムＰ２に入射した照明光Ｌ１は、反射されることなく第２プリズムＰ２から出射し、エアギャップＡＧ２を透過して第３プリズムＰ３に入射する。第３プリズムＰ３に入射した照明光Ｌ１は、反射されることなく第３プリズムＰ３から出射し、カバーガラスＣＧを透過した後、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画像表示面ＤＳに到達する。画像表示面ＤＳでの照明光Ｌ１の反射により得られた画像光Ｌ２は、第３プリズムＰ３に入射し、エアギャップＡＧ２に接するプリズム面で全反射し、第３プリズムＰ３外へ出射する。そして、エアギャップＡＧ３と第４プリズムＰ４を透過した後、投影光学系ＰＯに入射する。

デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ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と、その上に配置されたカバーガラスＣＧ等で構成されている。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、投影光学系ＰＯを通過することになる。一方、照明光学系ＩＬに好適な新しい動作タイプのデジタル・マイクロミラー・デバイスの場合（非特許文献１等参照。）、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２に、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の要部、つまりマイクロミラーＭＲが矩形の画素反射面（マイクロミラー面）ＭＳで構成する画素のＯＮ状態とＯＦＦ状態を示す。画像表示面ＤＳは複数のマイクロミラーＭＲ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ＭＳ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制御されて、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。

上記のようにマイクロミラー駆動は直交する２軸に関して行われるため、図２から分かるように、マイクロミラーＭＲの画素反射面ＭＳは、ある一辺方向に傾斜した状態がＯＮ状態であり、それと直交する辺方向に傾斜した状態が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の法線方向に反射されて、ＯＮ光（画像光）Ｌ２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て、ＯＦＦ光（不要光）Ｌ３となる。

図３に、ＯＮ光Ｌ２の軸上光束の光路を示す。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ＯＮ光Ｌ２がデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰから出射して、プリズムユニットＰＵ内のエアギャップＡＧ２での全反射により光路が折り曲げられる。このとき、中心主光線Ｌ２ｐは、画像表示面ＤＳに対して略垂直に出射して略直角に全反射する。そしてＯＮ光Ｌ２は、光軸ＡＸに対して角度Ｇだけ傾いたエアギャップＡＧ３を透過し、プリズムユニットＰＵを出射した後、投影光学系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ＡＧ３の上端は、ＯＮ光Ｌ２を遮らない上限位置より上方に設定されるのが好ましい。

ＯＮ光Ｌ２のうち入射角α２でエアギャップＡＧ３に入射する光線は、エアギャップＡＧ３に対して大きく傾いているので、エアギャップＡＧ３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６に示す。ＯＮ光Ｌ２のうち入射角α２でエアギャップＡＧ３に入射した光線は、図６から分かるように、エアギャップＡＧ３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、投影光学系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。

図４に、ＯＦＦ光Ｌ３の軸上光束の光路を示す。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ＯＦＦ光Ｌ３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、図７に示すように、画像表示面ＤＳの中心で反射した直後のＯＮ光Ｌ２の主光線Ｌ２ｐに対してＯＦＦ光Ｌ３の主光線Ｌ３ｐが角度Ｒをなして、ＯＦＦ光Ｌ３がＯＮ光Ｌ２から分離される。

例えば、ＯＦＦ光Ｌ３（図４）のうち、エアギャップＡＧ２で全反射した後、エアギャップＡＧ３で更に全反射し、投影光学系ＰＯから離れた方向に出射する光線は、エアギャップＡＧ３が無ければ、投影光学系ＰＯに入射するものである。つまり、エアギャップＡＧ３により、ＯＦＦ光Ｌ３やプリズム面でのイレギュラーな反射光等の不要光を事前に遮光することが可能である。したがってプリズムユニットＰＵでは、ＯＦＦ光Ｌ３が、エアギャップＡＧ２で反射されることなくプリズムユニットＰＵから出射するか、あるいはエアギャップＡＧ２で反射されたとしてもエアギャップＡＧ３を透過することなくプリズムユニットＰＵから出射するように、エアギャップＡＧ３が構成されている。このため、ＯＦＦ光Ｌ３は投影光学系ＰＯに入射せず、スクリーンには投射されない。結果として、ＯＮ光Ｌ２のみ投射されるため、スクリーン上には高コントラストな画像が投影表示されることになる。

投影光学系ＰＯには、図１に示すように、遮光部ＳＰを有する絞りＳＴが設けられている。その絞りＳＴは、図５に示すように、円形開口Ａ０の周辺部分が弓形の遮光部ＳＰで一部切り欠かれた形状の非円形開口Ａ１を有している。そして、Ｆナンバー光束においてエアギャップＡＧ３に対する入射角の大きい側（入射角α２側，α１＜α２）の端部に対応する画像光Ｌ２が遮光部ＳＰで遮光される。つまり、ＯＮ光Ｌ２のうち大きい入射角α２でエアギャップＡＧ３に入射した光線を遮光するように、投影光学系ＰＯの絞りＳＴに遮光部ＳＰを設けている。これにより、前記フレア成分Δ（図６）が遮光されるため、投影像のフレアが解消されて高画質化が可能となる。

プロジェクターＰＪは、明るさを保持しながら不要光とフレア成分の遮光によりコントラストと画質を向上させるため、プリズムユニットＰＵに特徴的なエアギャップＡＧ３を有するとともに投影光学系ＰＯに特徴的な絞りＳＴを有する構成になっている。つまり、プロジェクターＰＪは以下の条件式（１）及び（２）を満たす構成になっている。
０．９×Ｃｇ＜Ｇ＜１．１×Ｃｇ …（１）
（０．２−０．０５×Ｆ）＜Ｓ＜（１−０．２×Ｆ） …（２）
ただし、画像表示面ＤＳで強度変調された出射光のうち、ＯＮ状態のマイクロミラーＭＲでの反射光をＯＮ光（画像光）Ｌ２とし、ＯＦＦ状態のマイクロミラーＭＲでの反射光をＯＦＦ光Ｌ３とし、画像表示面ＤＳの中心に対する入射直前の照明光Ｌ１の主光線Ｌ１ｐと、その反射直後のＯＮ光Ｌ２の主光線Ｌ２ｐと、を含む平面を基準平面（図１，図３，図４の紙面であるＸＹ平面に相当する。）とするとき、
Ｃｇ＝ｓｉｎ^-1（１／Ｎ）−（Ｒ−ｓｉｎ^-1（１／（２Ｆ）））／Ｎ
Ｎ：画像光Ｌ２が通過するプリズムＰ３，Ｐ４のｄ線での屈折率、
Ｒ：画像表示面ＤＳの中心で反射した直後のＯＮ光Ｌ２の主光線Ｌ２ｐとＯＦＦ光Ｌ３の主光線Ｌ３ｐとが基準平面上に射影されたときになす角度（単位は度であり、角度Ｒを図７に示す。）、
Ｆ：投影光学系ＰＯの最小Ｆナンバー、
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ＡＧ３の角度（単位は度であり、角度Ｇを図３に示す。）、
Ｓ：絞りＳＴの非円形開口Ａ１を構成する遮光率、
Ｓ＝ｔ／ｒ（ｔ：遮光部ＳＰの弓形の半径方向の幅、ｒ：円形開口Ａ０の半径であり、それぞれ図５に示す。）、
Ｓ＞０
である。

条件式（１）は適切なエアギャップＡＧ３の角度Ｇを規定しており、条件式（２）は絞りＳＴにおける適切な遮光部ＳＰの大きさを規定している（Ｆナンバーが小さいほど遮光率Ｓが増大する。）。投影光路内に設けたエアギャップＡＧ３が条件式（１）を満たすことで、画像光Ｌ２を透過させるとともに画像光Ｌ２以外の不要光（図４中のＯＦＦ光Ｌ３等）を全反射等により遮光し、投影光学系ＰＯに不要光が侵入することを防ぎ、コントラストを向上させることができる。エアギャップＡＧ３は光軸ＡＸに対して傾いているので（図３）、コマ収差が発生して、図６（図３中の要部Ｍ１の拡大図）に示すように、フレア成分Δが発生するおそれがある。このフレア成分Δは、エアギャップＡＧ３の角度Ｇが大きいほど、屈折率Ｎが大きいほど、Ｆナンバーが小さいほど、発生しやすくなる。しかし、投影光学系ＰＯの絞りＳＴに条件式（２）を満たすような遮光部ＳＰを設けることで（図１，図５）、明るさを必要以上に失うことなくエアギャップＡＧ３で発生するフレア成分Δを除去して画質を向上させることができる。

条件式（１）の下限を下回ると、不要光を除去し切れなくなって、コントラストが低下傾向となり、条件式（１）の上限を上回ると、エアギャップＡＧ３によるフレア成分Δが大きく発生して、画質が劣化傾向となる。条件式（２）の下限を下回ると、フレア成分Δを除去しきれなくなって、画質が劣化傾向となり、条件式（２）の上限を上回ると、必要以上に画像光Ｌ２を遮光することになって、明るさが低下傾向となる。

条件式（１）及び（２）を満たす構成としては、
Ｎ＝１．７１３，
Ｒ＝３４，
Ｆ＝１．７，
Ｃｇ＝２５．８５３２，
Ｇ＝２５．５（＝０．９８６×Ｃｇ），
Ｓ＝０．３
が挙げられる。これを条件式（１）：
０．９×Ｃｇ＜Ｇ＜１．１×Ｃｇ
に対応させると、
０．９×２５．８５３２＜０．９８６×２５．８５３２＜１．１×２５．８５３２
２３．２６８＜２５．５＜２８．４３９
となり、条件式（２）：
（０．２−０．０５×Ｆ）＜Ｓ＜（１−０．２×Ｆ）
に対応させると、
（０．２−０．０５×１．７）＜０．３＜（１−０．２×１．７）
０．１１５＜０．３＜０．６６
となる。

上述したプロジェクターＰＪの構成によれば、プリズムユニットＰＵに特徴的なエアギャップＡＧ３を有するとともに投影光学系ＰＯに特徴的な絞りＳＴを有する構成になっているため、不要光（ＯＦＦ光Ｌ３やプリズム面でのイレギュラーな反射光等）を事前に遮光することでコントラスト向上を図りつつ、エアギャップＡＧ３で発生するフレア成分Δを遮光して画質を向上させることができる。したがって、明るさを保持しながら不要光とフレア成分Δの遮光によりコントラストと画質を向上させることが可能である。

以下の条件式（１ａ）を満たすことが望ましい。
０．９５×Ｃｇ＜Ｇ＜１．０５×Ｃｇ …（１ａ）
この条件式（１ａ）は、前記条件式（１）が規定している条件範囲のなかでも、前記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。したがって、好ましくは条件式（１ａ）を満たすことにより、前記効果をより一層大きくすることができる。

以下の条件式（２ａ）を満たすことが望ましい。
（０．５３−０．２×Ｆ）＜Ｓ＜（０．８５−０．２６×Ｆ） …（２ａ）
この条件式（２ａ）は、前記条件式（２）が規定している条件範囲のなかでも、前記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。したがって、好ましくは条件式（２ａ）を満たすことにより、前記効果をより一層大きくすることができる。

上述したプロジェクターＰＪのように、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰから出射した画像光Ｌ２が、光路の折り曲げのためにプリズムユニットＰＵ内で全反射した後、エアギャップＡＧ３を透過してプリズムユニットＰＵから投影光学系ＰＯへと出射する構成が好ましい。照明光Ｌ１を全反射させてデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに照射するタイプに比べて、上記タイプでは不要光を全反射させるエアギャップＡＧ３の配置が容易であるため、プリズムユニットＰＵをコンパクトに構成することができる。また、画像光Ｌ２が透過するエアギャップＡＧ３が１つで済むので、画質劣化も少なくすることができる。

絞りＳＴの非円形開口Ａ１と遮光部ＳＰとの境界Ｂ１（図５）が、弓形の弦に相当し、かつ、基準平面に対して垂直な略直線状をなすことが好ましい。ＯＦＦ光Ｌ３のエアギャップＡＧ３に対する入射角が大きいほど（α１＜α２）フレア成分Δが発生しやすくなるので、境界Ｂ１を略直線状にすることは、フレア成分Δを最大限にカットし、かつ、明るさの低下を最小限に抑える上で効果的である。

ＰＪ プロジェクター（投射型表示装置）
ＩＬ 照明光学系
ＬＮ レンズ群
ＳＴ０ 絞り
ＰＵ プリズムユニット
Ｐ１〜Ｐ４ 第１〜第４プリズム
ＡＧ１，ＡＧ２，ＡＧ３ エアギャップ
ＦＲ 反射光学素子
ＲＳ 曲面反射面
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）
ＤＳ 画像表示面
ＭＲ マイクロミラー
ＭＳ 画素反射面
Ｌ１ 照明光
Ｌ２ 画像光（ＯＮ光）
Ｌ３ 不要光（ＯＦＦ光）
Ｌ１ｐ，Ｌ２ｐ，Ｌ３ｐ 中心主光線
ＰＯ 投影光学系
ＳＴ 絞り
ＳＰ 遮光部
Ａ０ 円形開口
Ａ１ 非円形開口
Ｂ１ 境界
ＸＹ 基準平面
ＡＸ 光軸
１ 光源装置
２ カラーホイール
３ インテグラルロッド
Ｒ０ ロッド出口面

Claims (5)

1. 照明された画像表示面での反射により画像光を出射する反射型の画像表示素子と、前記画像表示素子から出射した画像光の光路を折り曲げるプリズムユニットと、前記プリズムユニットから出射した画像光をスクリーンに投射する投影光学系と、を備えた投射型表示装置であって、
   前記画像表示面が複数のマイクロミラーからなり、前記画像表示面において各マイクロミラー面の傾きがＯＮ／ＯＦＦ制御されて照明光を強度変調することにより画像が形成され、
   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所定の角度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表示素子から出射した画像光が透過し、
   前記投影光学系が、円形開口の周辺部分が弓形の遮光部で一部切り欠かれた形状の非円形開口を持つ絞りを有し、Ｆナンバー光束において前記エアギャップに対する入射角の大きい側の端部に対応する画像光が前記遮光部で遮光され、
   以下の条件式（１）及び（２）を満たすことを特徴とする投射型表示装置；
   ０．９×Ｃｇ＜Ｇ＜１．１×Ｃｇ …（１）
   （０．２−０．０５×Ｆ）＜Ｓ＜（１−０．２×Ｆ） …（２）
   ただし、前記画像表示面で強度変調された出射光のうち、ＯＮ状態のマイクロミラーでの反射光をＯＮ光とし、ＯＦＦ状態のマイクロミラーでの反射光をＯＦＦ光とし、ＯＮ光を前記画像光とし、前記画像表示面の中心に対する入射直前の照明光の主光線と、その反射直後のＯＮ光の主光線と、を含む平面を基準平面とするとき、
   Ｃｇ＝ｓｉｎ^-1（１／Ｎ）−（Ｒ−ｓｉｎ^-1（１／（２Ｆ）））／Ｎ
   Ｎ：画像光が通過するプリズムのｄ線での屈折率、
   Ｒ：画像表示面の中心で反射した直後のＯＮ光の主光線とＯＦＦ光の主光線とが基準平面上に射影されたときになす角度（度）、
   Ｆ：投影光学系の最小Ｆナンバー、
   Ｇ：画像表示面の中心から出射した画像光の主光線に垂直な平面に対するエアギャップの角度（度）、
   Ｓ：絞りの非円形開口を構成する遮光率（Ｓ＝［遮光部の弓形の半径方向の幅］／［円形開口の半径］）、
   Ｓ＞０
   である。
2. 前記画像表示素子から出射した画像光が、前記光路の折り曲げのために前記プリズムユニット内で全反射した後、前記エアギャップを透過して前記プリズムユニットから前記投影光学系へと出射することを特徴とする請求項１記載の投射型表示装置。
3. 前記絞りの非円形開口と前記遮光部との境界が、弓形の弦に相当し、かつ、基準平面に対して垂直な略直線状をなすことを特徴とする請求項１又は２記載の投射型表示装置。
4. 前記画像表示素子として１枚のデジタル・マイクロミラー・デバイスを有する１チップタイプであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の投射型表示装置。
5. 照明された画像表示面での反射により画像光を出射する反射型の画像表示素子と、前記画像表示素子から出射した画像光の光路を折り曲げるプリズムユニットと、前記プリズムユニットから出射した画像光をスクリーンに投射する投影光学系と、を備えた投射型表示装置の設計方法であって、
   前記画像表示面が複数のマイクロミラーからなり、前記画像表示面において各マイクロミラー面の傾きがＯＮ／ＯＦＦ制御されて照明光を強度変調することにより画像が形成され、
   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所定の角度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表示素子から出射した画像光が透過し、
   前記投影光学系が、円形開口の周辺部分が弓形の遮光部で一部切り欠かれた形状の非円形開口を持つ絞りを有し、Ｆナンバー光束において前記エアギャップに対する入射角の大きい側の端部に対応する画像光が前記遮光部で遮光され、
   以下の条件式（１）及び（２）を満たすように投射型表示装置を設計することを特徴とする設計方法；
   ０．９×Ｃｇ＜Ｇ＜１．１×Ｃｇ …（１）
   （０．２−０．０５×Ｆ）＜Ｓ＜（１−０．２×Ｆ） …（２）
   ただし、前記画像表示面で強度変調された出射光のうち、ＯＮ状態のマイクロミラーでの反射光をＯＮ光とし、ＯＦＦ状態のマイクロミラーでの反射光をＯＦＦ光とし、ＯＮ光を前記画像光とし、前記画像表示面の中心に対する入射直前の照明光の主光線と、その反射直後のＯＮ光の主光線と、を含む平面を基準平面とするとき、
   Ｃｇ＝ｓｉｎ^-1（１／Ｎ）−（Ｒ−ｓｉｎ^-1（１／（２Ｆ）））／Ｎ
   Ｎ：画像光が通過するプリズムのｄ線での屈折率、
   Ｒ：画像表示面の中心で反射した直後のＯＮ光の主光線とＯＦＦ光の主光線とが基準平面上に射影されたときになす角度（度）、
   Ｆ：投影光学系の最小Ｆナンバー、
   Ｇ：画像表示面の中心から出射した画像光の主光線に垂直な平面に対するエアギャップの角度（度）、
   Ｓ：絞りの非円形開口を構成する遮光率（Ｓ＝［遮光部の弓形の半径方向の幅］／［円形開口の半径］）、
   Ｓ＞０
   である。

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