WO2006112245A1

WO2006112245A1 - 投写型表示装置

Info

Publication number: WO2006112245A1
Application number: PCT/JP2006/306611
Authority: WO
Inventors: Kuniko Kojima; Hiroshi Kida
Original assignee: Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2006-10-26
Also published as: JPWO2006112245A1; TW200706910A; EP1850172A1; JP3904597B2; TWI300854B; EP1850172B1; US7695145B2; EP1850172A4; KR20070069199A; KR100903908B1; US20080036973A1

Description

明細書

投写型表示装置

技術分野

[0001] 本発明は、スクリーン上に画像を投写する投写型表示装置に関し、より詳細には、ディジタノレ'マイクロミラー 'デノイス (Digital Micro— mirror Device :以下 DMD と略する。）や反射型液晶表示素子等により構成された反射型ライトバルブを用いた投写型表示装置に関する。

背景技術

[0002] 反射型ライトバルブを用いた投写型表示装置の光学系は、テレセントリック型とノンテレセントリック型の 2種類に大別される。テレセントリック型の光学系においては、プリズムを用いることにより、投写レンズを反射型ライトバルブに対してテレセントリックな構成としている。ノンテレセントリック型の光学系においては、プリズムを用いずに、投写レンズを反射型ライトバルブに対してテレセントリックではな、構成として、る。

[0003] 近年、投写型表示装置においては、装置本体を移動させずに投写範囲を任意に移動できるよう、投写レンズを上下等にシフトさせる機能 (レンズシフト機能)を備えたものが開発されている。このようなレンズシフト機能を実現するため、全反射プリズムを用いたテレセントリック型の光学系を採用することが提案されている（例えば、特許文献 1参照)。

[0004] 一方、投写型表示装置に用いられるノンテレセントリック型の光学系として、光源からの光を DMDに導く集光レンズと、 DMDで反射された光を投影する投影レンズとを用い、投影レンズの移動（シフト）に合わせて集光レンズを偏心させることで、 DMD への入射角度を変化させるようにした光学系が提案されている（例えば、特許文献 2 参照)。

[0005] 特許文献 1 :特開 2001—42256号公報 (第 4— 5頁、図 3)

特許文献 2：特開 2003 - 75768号公報 (第 3— 4頁、図 1)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題 [0006] し力しながら、特許文献 1に記載されて、るように、レンズシフト機能を実現するためにプリズムを用いたテレセントリック型の光学系を採用した場合、プリズムの界面での反射によって光利用効率が低下し、また、プリズムの界面での反射光が迷光となることから、投写画像の輝度及びコントラストが低下するという問題がある。また、プリズムを設けることで投写型表示装置の価格が上昇するという問題もある。

[0007] 一方、特許文献 2に記載されているように、レンズシフト機能を実現するためにノンテレセントリック型の光学系を採用した場合、投写レンズの移動に合わせて照明光学系の集光レンズを偏心させるため、可動部分が多くなり、その結果、投写型表示装置の大型化と価格の上昇を招くという問題点がある。

[0008] 本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ノンテレセントリック型の光学系を採用し、照明光学系の集光レンズを偏心させることなくレンズシフト機能を実現し、投写画像の輝度及びコントラストが高ぐ小型で低価格な投写型表示装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0009] 本発明に係る投写型表示装置は、光源を含む照明光学系と、前記照明光学系によって照明される被照明面に画像形成領域を有する反射型ライトバルブと、前記反射型ライトバルブの前記画像形成領域に形成された画像を拡大投写する投写光学系であって、投写光軸に対して略直交する方向にシフト可能な投写光学系とを備えている。前記投写光学系の Fナンバーは、前記照明光学系の Fナンバーよりも小さい。また、前記投写光学系と前記反射型ライトバルブとの間に、前記投写光学系のシフトによって移動しない部材であって、前記投写光学系の入射側開口部を規定する開口部規定部材を有している。

発明の効果

[0010] 本発明によれば、投写光学系の Fナンバーを照明光学系の Fナンバーよりも小さくし、反射型ライトバルブと投写光学系との間に投写光学系の入射側開口部（固定)を設けた構成により、集光レンズを偏心させることなぐノンテレセントリック光学系を用いてレンズシフト機能を実現することができる。すなわち、投写型表示装置の大型化や価格の上昇を招くことなくレンズシフト機能を実現することができる。 [0011] また、本発明においては、反射型ライトバルブと投写光学系との間に、入射側開口部を規定する開口部規定部材を設けたため、投写光学系を移動した際に不要光がスクリーンに到達することを防止し、良好なコントラストを得ることができる。

[0012] さらに、本発明においては、プリズムを用いたテレセントリック型の光学系を用いる必要がないため、光利用効率が高ぐコントラストが良好で、安価な投写型表示装置を提供することができる。

[0013] 加えてまた、投写光軸に略直交する方向のシフト量 S、開口部規定部材の入射側

P

開口部の直径 E、投写光学系の入射面の有効口径 E、及び反射型ライトバルブの

P

垂直走査方向の寸法 Vが、

d

E<E

p

0. 7 XV >S 〉0· 4 XV

d P d

を満たすように構成することにより、照明光学系を構成する光学部品を偏心させることなぐノンテレセントリック光学系を用いて、投写光学系を投写光軸に対して略直交する方向にシフトさせるだけで、良好なレンズシフト機能を実現することができる。その結果、装置の大型化や価格の上昇を抑制することができる。

図面の簡単な説明

[0014] [図 1]本発明の実施の形態 1に係る投写型表示装置の基本構成を示す平面図である

[図 2]本発明の実施の形態 1における投写型表示装置の光強度均一化素子及び D MD素子の関係を概念的に示す図である。

[図 3]図 1の投写型表示装置の III ΠΙ線で示される面を矢印方向に見た側面図である。

[図 4] (A)及び (B)は、本発明の実施の形態 1におけるレンズシフト機能を模式的に示す図である。

[図 5] (A)〜 (C)は、本発明の実施の形態 1における投写光学系のイメージサークルを模式的に示す図である。

[図 6]本発明の実施の形態 1において投写光学系が鉛直方向にシフトしたときの配置を模式的に示す図である。 [図 7]本発明の実施の形態 1において投写光学系が鉛直方向にシフトしたときの配置を模式的に示す図である。

[図 8]本発明の実施の形態 1におけるレンズシフト時の光量損失を説明するための図である。

[図 9] (A)及び (B)は、本発明の実施の形態 2におけるレンズシフト機能を模式的に示す図である。

[図 10] (A)〜 (C)は、本発明の実施の形態 2における投写光学系のイメージサークルを模式的に示す図である。

[図 11]本発明の実施の形態 2において投写光学系が鉛直方向にシフトしたときの配置を模式的に示す図である。

[図 12]本発明の実施の形態 2において投写光学系が鉛直方向にシフトしたときの配置を模式的に示す図である。

[図 13]本発明の実施の形態 2におけるレンズシフト時の光量損失を説明するための図である。

[図 14]本発明の実施の形態 3に係る投写型表示装置における DMD素子から投写光学系の入射面までの距離と性能について説明するための図である。

[図 15]本発明の実施の形態 4に係る投写型表示装置における照明光学系の集光点を説明するための図である。

符号の説明

1 照明光学系、 la 照明光学系の光軸、 2 DMD素子 (反射型ライトバルブ）、 2b DMD素子の被照明面、 3 投写光学系、 3a 投写光学系の投写光軸、 3d 投写光学系の入射面、 4 ランプ、 5 カラーフィルタ、 6 光強度均一化素子、 7 リレーレンズ群、 8 第 1ミラー、 9 第 2ミラー、 10 入射側開口部、 12 絞り部材（開口部規定部材）、 100 スクリーン、 D 水平方向（DMD素子の水

H

平走査方向）、 D 鉛直方向（DMD素子の垂直走査方向）、 E 絞り部材の入射

V

側開口部の直径、 E 投写光学系の入射面の有効口径、 F 照明光学系の Fナ

P I

ンバー、 F 投写光学系の Fナンバー、 L 絞り部材と DMD素子との距離、 S

p P 投写光学系のシフト量、 V DMD素子の短軸方向の寸法。発明を実施するための最良の形態

[0016] 実施の形態 1.

図 1は、本発明の実施の形態 1に係る投写型表示装置の基本構成を示す平面図である。この図 1に示す投写型表示装置の各構成部品の配置は、投写型表示装置を実際の使用状態において上方力見た配置、すなわち上面視における配置である。

[0017] 実施の形態 1に係る投写型表示装置は、反射型ライトバルブとしての DMD素子 2と、この DMD素子 2を照明する照明光学系 1と、この照明光学系 1により照明された D MD素子 2の画像を図示しないスクリーンに投写する投写光学系 3とを備えている。

[0018] 照明光学系 1は、光源ランプ 4と、この光源ランプ 4力も射出された光束のうち特定の波長帯域の光束を通過させる回転カラーフィルタ 5と、回転カラーフィルタ 5を通過した光束の当該光束断面内における強度分布を均一化する光強度均一化素子 6と、光強度均一化素子 6から射出された光束をその進行方向に伝達するリレーレンズ群 7と、リレーレンズ群 7によって伝達された光束を DMD素子 2に向けて反射するための第 1ミラー 8及び第 2ミラー 9とを有して、る。

[0019] 光源ランプ 4は、例えば、白色光を射出する発光体 4aと、この発光体 4aの周囲に設けられた楕円面鏡 4bとから構成されている。楕円面鏡 4bは、楕円の第 1中心に対応する第 1焦点力射出された光束を反射して、楕円の第 2中心に対応する第 2焦点に収束させる。発光体 4aは、楕円面鏡 4bの第 1焦点近傍に配置されており、この発光体 4aから射出された光束は、楕円面鏡 4bの第 2焦点近傍に収束される。楕円面鏡 4bの第 1焦点と第 2焦点とを通る軸線により、照明光学系 1の光軸 laが規定される

[0020] なお、光源ランプ 4は図 1に示した構成に限られず、例えば楕円面鏡 4bに代えて放物面鏡を用いても良い。この場合には、発光体 4aから射出された光束を放物面鏡により略平行ィ匕したのち、コンデンサレンズにより収束させることができる。

[0021] 回転カラーフィルタ 5は、円盤状の部材を、例えば、扇状に 3分割して、それぞれ赤、緑及び青の 3つのフィルタ領域としている。赤、緑及び青の 3つのフィルタ領域は、それぞれ赤色、緑色及び青色の各波長帯域に対応する光束のみを通過させる。回転カラーフィルタ 5は、照明光学系 1の光軸 laと略平行な軸線を中心として回転し、それぞれのフィルタ領域が照明光学系 1の光軸 laに直交する方向に広がり、且つ、楕円面鏡 4bの第 2焦点近傍に位置するように構成されている。この回転カラーフィルタ 5を画像信号に同期して回転させることにより、赤色光、緑色光及び青色光が順に (フィールドシーケンシャルに） DMD素子 2に照射される。

[0022] 光強度均一化素子 6は、回転カラーフィルタ 5を通過した光束の、当該光束断面内における強度分布を均一化する (すなわち、照度ムラを低減する)。光強度均一化素子 6の構成例としては、一般的には、透明のガラス又は樹脂で形成された四角柱状のロッドや、表面鏡をその反射面を内側にして筒状に組み合わせたパイプが知られている。前者は透明材料と空気界面との全反射作用を利用して光を複数回反射させるものであり、後者は表面鏡の反射作用を利用して光を複数回反射させるものである。この光の振る舞いは、万華鏡のそれと略同じであり、適当な長さを確保すれば、光強度均一化素子 6で複数回反射した光が光強度均一化素子 6の出射面 6bの近傍に重畳照射され、光強度均一化素子 6の出射面 6b近傍において略均一な強度分布が得られる。この略均一な強度分布を有する光束を、後述するリレーレンズ群 7、第 1ミラー 8及び第 2ミラー 9によって DMD素子 2へと導き、 DMD素子 2に照射させる。なお、光強度均一化素子 6として、例えば、複数のレンズ素子を平面的に配列したレンズアレイのような他の光学素子を用いても良、。

[0023] 図 2は、光強度均一化素子 6の出射面 6bから射出された光束の収束状態を模式的に示す図である。リレーレンズ群 7、第 1ミラー 8及び第 2ミラー 9は、光強度均一化素子 6の出射面 6bと DMD素子 2の被照明面 2bとが光学的に共役な関係になるように構成されている。光強度均一化素子 6の出射面 6bの対角寸法を hとし、 DMD素子 2 の被照明面 2bの対角寸法を Hとすると、リレーレンズ群 7、第 1ミラー 8及び第 2ミラー 9の合成結像倍率 Mが HZhとほぼ等しくなるように設計されている。

[0024] リレーレンズ群 7は、 1枚又は複数枚のレンズにより構成されており、図 1に示した例【こおヽて ίま 3枚のレンズ 71, 72, 73【こより構成されて!ヽる。

[0025] DMD素子 2は、各画素に対応する可動式のマイクロミラーを多数 (例えば、数十万個）平面的に配列したものであり、画素情報に応じて各マイクロミラーの傾角（チルト）を変化させるように構成されている。マイクロミラーの配列された面を基準面とすると、 DMD素子 2は、各マイクロミラーを基準面に対して一定の方向に角度 α (例えば、 1 2度)だけ傾けることにより、入射光束を投写光学系 3に向けて反射する。 DMD素子 2は、またマイクロミラーを基準面に対して反対方向に角度 αだけ傾けることにより、入射光束を投写光学系 3から離れた位置に設けられた光吸収板 (図示せず）に向けて反射する。一般的な DMD素子の構成は、例えば、文献し H. Hornbeck, "Digi tal Lignt Processing for high— brightness, high resolution appncati ons", Prog. SPIE, Vol. 3013, pp. 27—40, 1997"【こ開示されて!ヽる。なお、 D MD素子 2において多数のマイクロミラーが配列された領域は、照明光学系 1により照明されて画像を形成する画像形成領域に相当する。

[0026] 図 3は、実施の形態 1に係る投写型表示装置の、図 1において III III線で示される面を矢印方向に (すなわち、照明光学系 1側から)見た図である。図 3に示されるように、 DMD素子 2は、光軸 laからずれた位置（図 3においては、光軸 laよりも上方であり、 DMD素子 2の垂直走査方向に平行な方向である。 )に配置されている。投写光学系 3は、鏡筒 3c内に図示しないレンズ群を配置しており、その入射面 3dが DMD 素子 2の略正面に対向配置されている。投写光学系 3のレンズ群の光軸 3aは、 DM D素子 2の被照明面 2bの中心を通る法線 2aに対して、平行でかつ所定量ずれている。

[0027] 第 1ミラー 8は、反射面 8bを有しており、図 1に示すように第 1ミラー 8の反射面 8bを通る法線 8aは、光軸 laに対して傾斜している。このような構成により、第 1ミラー 8の反射面 8bは、リレーレンズ系 7から入射した光束を第 2ミラー 9に向けて反射する。第 1ミラー 8は、 DMD素子 2を照射する照明光束の形状及び良好な照射位置を決定する作用を有し、平面ミラー又は凹状の反射ミラーで構成される。第 1ミラー 8を平面ミラ一で構成した場合には、 DMD素子 2を照射する照明光束の形状を良好に決定する効果は弱くなるが、最も安価に構成できるとともに、第 1ミラー 8の厚みを最も薄く構成できるため、 DMD素子 2や第 2ミラー 9との干渉を回避し易くなる。第 1ミラー 8の反射面を円筒凹面で構成した場合には、 DMD素子 2に斜めに照射することにより発生する歪曲収差を良好に補正し、良好な照明光束の形状及び照射位置を実現することが可能となる。図 1に示した第 1ミラー 8の反射面 8bにおいて、光強度均一化素子 6の出射面 6bの中心カゝら射出された光線が到達する位置を符号 8cで示す。

[0028] 図 3に示すように、第 2ミラー 9は、投写光学系 3の下側（図 3における下側）に隣接して配置されている。また、後述するレンズシフトのために投写光学系 3が移動した際に第 2ミラー 9と干渉しないよう、第 2ミラー 9は投写光学系 3の鏡筒 3cより（投写光軸 3 aの方向にぉ、て） DMD素子 2側に配置されて、る。第 2ミラー 9の反射面 9bにより反射された光束は、 DMD素子 2の被照明面 2bにて反射され、投写光学系 3の入射側開口部 10に入射する。

[0029] なお、図 1に示すように、 DMD素子 2から投写光学系 3までの光束の中心を通る光線は、光源ランプ 4力も第 1ミラー 8までの光束の中心を通る光線 (光軸 la)に対し、上面視で略直交するようになっている。また、 DMD素子 2の被照明面 2bの法線 2a 及び投写光学系 3の光軸 3aは、いずれも上面視においては、光軸 laに対して略直交している。

[0030] 上記略直交を大きく外れると、光源ランプ 4、リレーレンズ群 7、第 1ミラー 8、第 2ミラ一 9、反射型ライトバルブ 2及び投写光学系 3を、互いの光路を遮らないように配置することが難しくなる。また、光源ランプ 4の傾き角度は、約 15度までが許容範囲内であり、傾き角度が大きくなるほど明るさが低下し、また光源ランプ 4のフリツ力現象を引き起こして良好な画像を得にくくなる。これらの理由より、照明光学系 1の光軸 laと DM D素子 2の被照明面 2bの法線 2a及び投写光学系 3の投写光軸 3aとの交わり角 γ ( 図 1)は、 90± 5度の範囲内であることが望ましい。

[0031] 図 4 (Α)及び (Β)は、レンズシフト機能を説明するための図である。レンズシフト機能は、投写光学系 3を、その投写光軸 3aに対して略直交する方向（ここでは、鉛直方向（DMD素子 2の垂直走査方向であり、図 3における方向 D )及び

V Z又は水平方向

(DMD素子 2の水平走査方向であり、図 1における方向 D ) )に移動、すなわち、シ

H

フトすることで、投影範囲を任意に移動させる機能である。図 4 (A)は、投写光学系 3 とスクリーン 100とを側方力も見た側面図である。図 4 (B)は、投写光学系 3とスクリーン 100とを上方から見た平面図である。投写光学系 3が鉛直方向に移動すると、図 4 (A)に示すようにスクリーン 100上の投影範囲が上方 (矢印 U)又は下方 (矢印 D)に移動する。また、投影光学系 3が水平方向に移動すると、図 4 (B)に示すようにスクリーン 100上の投影範囲が左側 (矢印 L)又は右側 (矢印 R)に移動する。

[0032] 図 4 (A)において、投写光学系 3が鉛直方向における第 1の位置（下方位置）にあるときには、スクリーン 100上の符号 Yで示す範囲に映像が投影される。このとき、投写光学系 3の投写光軸 3aの鉛直方向位置と、投影範囲 Yの鉛直方向中心とがー致する。このときの投写光学系 3のシフト量を 0%とする。

[0033] 一方、投写光学系 3が鉛直方向における第 2の位置 (上方位置）にあるときには、スクリーン 100上の符号 Yで示す範囲に映像が投影される。このとき、投写光学系 3の

2

投写光軸 3aの鉛直方向位置と、投影範囲 Yの下端部とがー致する。投影範囲 Yは

2 2

、投影範囲 Yに対して上方に投影幅 (短軸方向）の 50%だけ変位した位置にある。そのため、このときの投写光学系 3のシフト量を 50%とする。投写光学系 3のシフト量が 50%の状態においては、スクリーン 100に対して投写光学系 3から上向きに映像が投影されることになる。なお、投影光学系 3自身のシフト量 (移動量）は投影範囲の移動量に比べて小さ、ため、図 4 (A)では図示を省略して、る。

[0034] 図 4 (B)において、投写光学系 3が水平方向における第 1の位置（中央位置）にあるときには、スクリーン 100上の符号 Xで示す範囲に映像が投影される。このとき、投写光学系 3の投写光軸 3aの水平方向位置と、投影範囲 Xの水平方向中心とがー致する。このときの投写光学系 3のシフト量を 0%とする。

[0035] 一方、投写光学系 3が水平方向における第 2の位置 (右端位置）にあるときには、スクリーン 100上の符号 Xで示す範囲に映像が投影される。投影範囲 Xは、投影範囲

2 2

Xに対して右側に投影幅 (長軸方向）の 10%だけ変位した位置にあるため、このときの投写光学系 3のシフト量を + 10%とする。同様に、投写光学系 3が水平方向における第 3の位置 (左端位置）にあるときには、スクリーン 100上の符号 Xで示す範囲に

3

映像が投影される。投影範囲 Xは、投影範囲 Xに対して左側に投影幅の 10%だけ

3 1

変位した位置にあるため、このときの投写光学系 3のシフト量を一 10%とする。

[0036] なお、投写光学系 3の鉛直方向及び水平方向のシフト量は、投写光学系 3の構成によって異なるものであり、図 4 (A)及び (B)に示した範囲に限定されるものではない

[0037] 図 4 (A)及び (B)に示したレンズシフト機能を実現するためには、投写光学系 3のィメージサークル 11をシフト量に応じた大きさに設計する必要がある。ここでは、長方形の DMD素子 2の水平方向（長軸方向、すなわち、長辺方向）の寸法 Hdを 14. 01 mm、鉛直方向（短軸方向、すなわち短辺方向）の寸法 Vdを 10. 51mm,鉛直方向のシフト量を 50%、水平方向のシフト量を ± 10%とし、この場合のイメージサークル 1 1の大きさを図 5 (A)〜（C)に示す。

[0038] 図 5 (A)は、投写光学系 3の水平方向及び鉛直方向のシフト量がいずれも 0%の場合のイメージサークル 11を示す。この場合、投写光学系 3のイメージサークル 11は、直径 17. 51mmの円となる。

[0039] 図 5 (B)は、投写光学系 3の鉛直方向のシフト量が 50%で、水平方向のシフト量が 0%の場合のイメージサークル 11を示す。この場合、 DMD素子 2の中心から鉛直方向に当該シフト量 (50%)だけ変位した位置がイメージサークル 11の中心となるため、イメージサークル 11は直径 25. 26mmの円となる。

[0040] 図 5 (C)は、投写光学系 3の鉛直方向のシフト量が 0%で、水平方向のシフト量が 1 0%の場合のイメージサークル 11を示す。この場合、 DMD素子 2の中心から水平方向に当該シフト量（10%)だけ変位した位置がイメージサークル 11の中心となるため、イメージサークル 11は直径 18. 65mmの円となる。なお、図 5 (C)は、投写光学系 3が水平方向片側 (左側）にシフトした例を示している力反対側 (右側）にシフトした場合も、図 5 (C)に示した直径 18. 65mmのイメージサークル 11の範囲内に含まれている。

[0041] 図 5 (B)及び (C)には、投写光学系 3を鉛直方向のみ、及び水平方向のみにシフトした場合について示した力イメージサークル 11を適切に決定することにより、投写光学系 3を鉛直方向及び水平方向にシフトして映像を表示することができる。ここでは、図 5 (B)に示したように、イメージサークル 11の直径を 25. 26mmに設定している。

[0042] 実施の形態 1における照明光学系 1及び投写光学系 3の構成について説明する。

上述したように、投写光学系 3のイメージサークル 11の直径が 25. 26mmに設定されているため、シフトが鉛直方向のみであれば、投写光学系 3はシフト量 50%までシフトすることできる（図 5 (B) )。図 6に、投写光学系 3の鉛直方向のシフト量が 50%の場合の光路を示す。

[0043] 図 6に示すように、投写光学系 3の入射面 3dよりも僅かに DMD素子 2側には、投写光学系 3の入射側開口部 10を規定する絞り部材（開口部規定部材） 12が配置されている。絞り部材 12の入射側開口部 10は直径 Eの円形状であり、その周囲は不要光を遮断するように黒色のコーティング等が施されている。投写光学系 3の鉛直方向のシフト量が 50%であるため、投写光学系 3の投写光軸 3aは、 DMD素子 2の被照明面 2 bの中心を通る法線 2aに対し、鉛直方向すなわち DMD素子 2の短軸方向に 50% ( すなわち、 5. 255mm)変位した位置にある。絞り部材 12により規定される入射側開口部 10の中心は、 DMD素子 2の法線 2aから鉛直方向に 50% (すなわち 5. 255m m)変位した位置にある。

[0044] 照明光学系 1からの光束 (照明光学系 1の第 2ミラー 9で反射された光束）は、 DM D素子 2の被照明面 2bで反射され、投写光学系 3の入射側開口部 10を通過して投写光学系 3に入射する。このとき、 DMD素子 2の被照明面 2bから投写光学系 3の入射側開口部 10までの距離を Lとし、入射側開口部 10の直径を Eとし、照明光学系 1 の光束の広がりを入射側開口部 10の直径 Eに合わせて設計すると、照明光学系 1の Fナンバー Fは、以下の式（1)により算出される。

I

F = 1/ (2 X Sin (Tan^-1 (E/2L) ) ) · '· (1)

I

照明光学系 1の明るさは、照明光学系の Fナンバー F

Iにより決定される。

[0045] 一方、投写光学系 3は、投写光学系 3の入射側開口部 10を通過した光束を効率よく取り込める大きさが必要になる。投写光学系 3の入射面 3dと入射側開口部 10とは近接して配置されて！ヽるため、図 6に示すように投写光学系 3の投写光軸 3aと入射側開口部 10の中心とがー致している場合には、投写光学系 3の入射面 3dの有効口径 Eは、入射側開口部 10の直径 Eと略等しぐ又は、直径 Eより少し大きくすればよい。

P

このことは、投写光学系 3の Fナンバー Fを、照明光学系 1の Fナンバー Fと略等しく

P I

、又は、照明光学系 1の Fナンバー Fより僅かに小さくできること、すなわち、照明光

I

学系 1を明るく構成できることを意味して、る。

[0046] 図 7は、投写光学系 3の鉛直方向（D方向）のシフト量が 0%の状態を示す。図 7に

V

示すように、投写光学系 3がシフト (ここでは、下方に移動）しても、投写光学系 3以外の構成要素（照明光学系 1、DMD素子 2及び入射開口部 10を規定する絞り部材 12 )は移動しない。照明光学系 1からの光束は、 DMD素子 2の被照明面 2bで反射した後、 DMD素子 2の中心を通る法線 2aに対して鉛直方向に 5.255mm( = 10.51m m X 50%)シフトした位置に中心を有する投写光学系 3の入射側開口部 10に達する。入射側開口部 10を通過した光束を全て取り込むには、投写光学系 3の入射面 3d の有効口径 Eは、入射側開口部 10の直径 Eより少なくともシフト量 Sの 2倍に相当

P P

する分だけ（図 7においては 5.255mmの 2倍)大きく設定する必要がある。

[0047] ここで、照明光学系 1の Fナンバー Fを 2.4とした場合について説明する。照明光

I

学系 1の Fナンバー Fを 2.4とし、 DMD素子 2の被照明面 2bから投写光学系 3の入

I

射側開口部 10までの距離 Lを 47.5mmとしたとき、入射側開口部 10の直径 Eは、上述した式（1)から

E=(2X47.5) XTan(Sin^_1(l/(2X2.4))) =20.2

で計算でき、約 20.2mmとなる。照明光学系 1の Fナンバー Fが 2.4の場合、図 6に

I

示すように投写光学系 3のシフト量が 50%の場合、投写光学系 3の入射面 3dの有効口径 Eも 20.2mmに略等しい大きさがあれば、照明光学系 1からの光束を効率よく

P

取り込むことができる。このとき、入射側開口部 10と投写光学系 3の入射面 3dとが接近して配置されて、ること力、 DMD素子 2の被照明面 2b力も入射面 3dまでの距離も Lに略等しくなるため、投写光学系 3の Fナンバー Fを、照明光学系 1の Fナンバー

P

Fと同じ 2.4、又は、 2.4よりも僅かに小さい値 (例えば 2.35)とすることで、入射側

I

開口部 10を通過した光束を効率良く取り込むことができる。

[0048] 同様に、図 7に示すように、投写光学系 3のシフト量 S力O%の場合は、入射側開

P

口部 10の直径 Eは 20.2mmである力投写光学系 3の入射面 3dの有効口径 Eは

P

更に 5· 255mmの 2倍（すなわち、 10· 51mm)だけ大きぐ 30.71mm( = 20.2m m+10.51mm)となる。このときの投写光学系 3の Fナンバー Fは、

P

F =l/(2XSin(Tan^_1(E /2XL))) ·'·(2)

Ρ Ρ

で計算できる。ここで、

E =E + 2XS ---(3)

P P

である。式 (2)及び式 (3)より、 Fナンバー Fを次式 (4)で計算できる。

P

F =l/(2XSin(Tan^_1((E + 2XS )/2XL))) ·'·(4)

Ρ Ρ

すなわち、式 (4)により Fナンバー Fを計算すると、

p

F =l/(2XSin(Tan^_1((20.2+10.51)/2X47.5)))

P

F = 1/ (2 X Sin (Tan^-1 (30.71/95)))

P

=1.63

となり、この場合の Fナンバー Fは、約 1.63という非常に小さな値となることがわかる

P

[0049] 一般に、投写光学系 3の Fナンバー F力、さいほど、明るさが増す一方で、照明光

P

学系 1の設計が難しくなり、またレンズ口径が大きくなつてレンズ枚数も増加すること力もコストの増加を招くことが多い。一方、投写光学系 3の Fナンバー Fを大きくする

P

と、投写光学系 3の設計は容易になるが、投写光学系 3の入射面 3dの有効口径 Eが

P

小さくなるため、投写光学系 3のシフト量が 0%の場合（図 7)に、入射側開口部 10を通過した光束を効率よく取り込むことができなくなる。

[0050] ここで、上述したように照明光学系 1の Fナンバー Fを 2.4とし、 DMD素子 2から投

I

写光学系 3の入射側開口部 10までの距離 Lを 47.5mmとし、投写光学系 3の Fナンバー Fを変化させた場合の明るさの変化を調べた。その結果を表 1に示す。実験結

P

果 No. l〜No.7は、投写光学系 3の Fナンバー Fを、 1.63、 1.77、 1.89、 2.04

P

、 2.22、 2.4、 2.6の 7通りに変化させたものである。明るさの評価は、投写光学系 3 の Fナンバー Fが 1.63のときの明るさ（以下、基準値とする。）を 100%とし、これに

P

対する相対値として評価した。

[0051] [表 1] 照明光学系 F【=2.4、D M D素子から投写光学系入射側開口部までの距離 L=47.5m m

No. 1 2 3 4 5 6 7 投写光学系の入

射面の有効口径 30.71 28 26 24 22 20.2 1 8.6

E_p、mm )

F_P 1 .63 1 .77 1 .89 2.04 2.22 2.4 2.6 シフト量

1 00% 1 00% 1 00% 1 00% 1 00% 98% 93% 50%

明るさ

シフト量

1 00% 99% 97% 95% 88% 83% 80%

0%

[0052] 表 1に示すように、投写光学系 3の Fナンバー Fが大きくなるにつれて、すなわち、

P

投写光学系 3の入射面 3dの有効口径 E力、さくなるにつれて、シフト量が 0%のとき

P

の明るさが徐々に低下している。すなわち、 Fナンバー Fが 1· 77、 1. 89、 2. 04、 2

P

. 22、 2. 4、 2. 6と大きくなるにつれて、シフト量が 0%のときの明るさが基準値 (Fナンノ一 F力 ^1. 63のときの明るさを 100%とする。）の 99%、 97%、 95%、 88%、 83

P

%、 80%と低下している。一方、シフト量が 50%のときの明るさは、 Fナンバー Fが 1

P

. 77、 1. 89、 2. 04、 2. 22のときには 100⁰/₀である力 Fナンノー Fカ 2. 4のときに

P

は 98%に低下し、 Fナンバー Fが 2. 6のときには 93%に低下する。

P

[0053] 表 1における明るさの低下は、投写光学系 3の入射面の有効口径 E力、さいほど、

P

入射側開口部 10を通過する光束の一部を取り込めなくなることによる。図 8は、実験結果 No. 4 (Fナンバー Fが 2. 04)において、シフト量を 0%とした場合の光束を示

P

す模式図である。図 8において、照明光学系 1からの光束は、 DMD素子 2の被照明面 2bで反射され、投写光学系 3の直径 E (20. 2mm)を有する入射側開口部 10に達する。一方、投写光学系 3の入射面 3dは入射側開口部 10の中心から 5. 255mmだけ下方に変位した位置に中心（投写光軸 3a)を有し、その有効口径 Eは 24mmであ

P

る。このとき、投写光学系 3の入射側開口部 10に達した光束の一部（図 8に符号 Aで示す三日月形の部分）は投写光学系 3の入射面 3dに入射することができず、光量損失となる。この部分 Aにおける光量損失は、表 1の実験結果 No. 4より、基準値からの明るさの低下 5%に相当する。

[0054] 表 1から、実験結果 No. l〜No. 5、すなわち F <Fとなる場合には、シフト量 50 %のときの明るさの低下が全く見られず、シフト量 0%のときの明るさの低下も僅かである。従って、投写光学系 3の Fナンバー Fを、 Fく Fを満足するように設定すること

P P I

により、レンズシフト機能を実現しつつ、光利用効率を向上し、コントラストの良好な映像表示が可能になることが分かる。

[0055] なお、投写光学系 3の Fナンバー Fを小さくするほど明るさを向上できるのに対し、

P

Fナンバー Fを大きくするほど製造コストを低減できる。従って、 Fナンバー Fの具体

P P

的な値は、投写光学系 3の具体的な構成及び仕様に基づき、明るさと製造コストとのバランスを考慮して決定する。また、明るさ以外に、 MTF、歪曲、倍率色収差などの光学特性につ！ヽても考慮する。

[0056] また、上述したように投写光学系 3の入射側開口部 10の中心を DMD素子 2の中心に対して 5. 255mmだけ鉛直上方に設置した場合には、鉛直方向のシフト量が 50 %のときの明るさが最大になる力明るさは、投写光学系 3の入射側開口部 10の配置や DMD素子 2の被照明面 2bからの光束の出射位置によって変化するものである。これら投写光学系 3の入射側開口部 10の配置、及び DMD素子 2の被照明面 2bからの光束の出射位置は、投写型表示装置の仕様に基づ!、て決定すればょ、。

[0057] 以上説明したように、実施の形態 1によれば、投写光学系 3の Fナンバー Fを照明

P

光学系 1の Fナンバー Fよりも小さくし、かつ投写光学系 3の入射側開口部 10を固定

I

する（すなわち投写光学系 3の移動に伴って移動しない)よう構成したので、レンズシフト機能を実現しつつ、光利用効率を向上し、コントラストの良好な映像を表示することが可能になる。

[0058] 特に、投写光学系 3の移動に合わせて照明光学系 1の集光レンズを偏心させる必要がないため、投写型表示装置の大型化や価格の上昇を招くことなくレンズシフト機能を実現することができる。さらに、プリズムを用いたテレセントリック型の光学系を用いる必要がないため、安価な投写型表示装置を提供することができる。加えて、 DM D素子 2と投写光学系 3との間に絞り部材 12を設けたことにより、不要光力 Sスクリーンに到達することを防止し、コントラストを向上することができる。

[0059] また、実施の形態 1においては、入射側開口部 10を規定する絞り部材 12を投写光学系 3の入射面の近傍に設け、投写光学系 3の有効口径 EPを入射側開口部 10よりも大きく形成することにより、投写光学系 3をシフトさせた際でも、 DMD素子 2からの光を効率よく投写光学系 3に取り込むことができる。

[0060] さらに、実施の形態 1においては、第 2ミラー 9から DMD素子 2に向力光束の中心を通る光線が DMD素子 2の画像形成領域の法線 2aに対して傾斜し、 DMD素子 2 から投写光学系 3に向かう光束の中心を通る光線が DMD素子 2の画像形成領域の法線 2aに対して傾斜する構成により、第 2ミラー 9、 DMD素子 2及び投写光学系 3を互ヽに干渉し合わな、ようにコンパタトに配置することができる。

[0061] また、実施の形態 1においては、照明光学系 1の第 2ミラー 9を、投影光軸 3a方向において投影光学系 3よりも反射型ライトバルブ 2側に配置することにより、レンズシフト時の投写光学系 3と照明光学系 1との干渉を防止することができる。そのため、投写光学系 3の移動に合わせて第 2ミラー 9を移動させる必要がなぐ投写型表示装置を安価でコンパクトに構成することができる。

[0062] さらに、実施の形態 1においては、光強度均一化素子 6から第 1ミラー 8までの光束の中心を通る光線と、反射型ライトバルブ 2から投写光学系 3の入射側開口部 10までの光束の中心を通る光線とを略直交させることにより、レイアウトが容易になり、光源ランプ 4の不具合の発生を抑えて良好な画像を得ることができる。

[0063] 力!]えて、実施の形態 1においては、反射型ライトバルブ 2を、各画素の反射角の傾角を変化することのできる可動マイクロミラーで構成することにより、照明光束の断面内の強度分布を均一化し、照度ムラを抑えることができる。

[0064] また、実施の形態 1においては、光強度均一化素子 6を、内面で光を反射する管状部材で構成することにより、照明光束により素子自身の加熱が生じ難くなり、光強度均一化素子 6の冷却及び保持構造が簡単になる。

[0065] さらに、実施の形態 1においては、光強度均一化素子 6を、四角柱状の透明材料で構成することにより、光強度均一化素子 6の設計が容易になる。

[0066] カロえて、実施の形態 1にお!/、ては、光強度均一化素子 6を、複数のレンズ素子を平面的に配列したレンズアレイで構成することにより、照明光束の断面内の強度分布を均一にし、照度ムラを抑えることが可能となる。

[0067] 実施の形態 2. 図 9 (A)及び (B)は、本発明の実施の形態 2に係る投写型表示装置のレンズシフト機能を説明するための図である。本発明の実施の形態 2に係る投写型表示装置は、図 1〜図 3を参照して説明した実施の形態 1に係る投写型表示装置と同様の基本構成を有する。以下では、実施の形態 2に係る投写型表示装置が、実施の形態 1に係る投写型表示装置と相違する点について説明する。

[0068] 図 9 (A)は、実施の形態 2に係る投写型表示装置の投写光学系 3とスクリーン 100とを側方力見た側面図である。図 9 (B)は、実施の形態 2に係る投写型表示装置の投写光学系 3とスクリーン 100とを上方力も見た平面図である。投写光学系 3が鉛直方向に移動すると、図 9 (A)に示すようにスクリーン 100上の投影範囲が上方 (矢印 U)又は下方 (矢印 D)に移動する。また、投影光学系 3が水平方向に移動すると、図 9 (B)に示すようにスクリーン 100上の投影範囲が左側（矢印 L)又は右側（矢印 R)に移動する。

[0069] 実施の形態 1と同様、図 9 (A)において、投写光学系 3が鉛直方向における第 1の位置（下方位置）にあるときには、スクリーン 100上の符号 Yで示す範囲に映像が投影される。このとき、投写光学系 3の投写光軸 3aの鉛直方向位置と、投影範囲 Yの鉛直方向中心とがー致する。このときの投写光学系 3のシフト量を 0%とする。

[0070] 一方、投写光学系 3が鉛直方向における第 2の位置（上方位置）にあるときには、スクリーン 100上の符号 Yで示す範囲に映像が投影される。このとき、投写光学系 3の

2

2 2

、投影範囲 Yに対して上方に投影幅 (短軸方向）の 60% (実施の形態 1では 50%) だけ変位した位置にある。そのため、このときの投写光学系 3のシフト量を 60%とする。投写光学系 3のシフト量が 60%の状態においては、スクリーン 100に対して投写光学系 3から上向きに映像が投影されることになる。なお、投影光学系 3自身のシフト量 (移動量）は投影範囲の移動量に比べて小さいため、図 9 (A)においては図示を省略している。

[0071] 実施の形態 1と同様、図 9 (B)において、投写光学系 3が水平方向における第 1の位置（中央位置）にあるときには、スクリーン 100上の符号 Xで示す範囲に映像が投影される。このとき、投写光学系 3の投写光軸 3aの水平方向位置と、投影範囲 Xの水平方向中心とがー致する。このときの投写光学系 3のシフト量を 0%とする。

[0072] また、投写光学系 3が水平方向における第 2の位置 (右端位置）にあるときには、スクリーン 100上の符号 Xで示す範囲に映像が投影される。投影範囲 Xは、投影範囲

2 2

3

3 1

[0073] なお、投写光学系 3の鉛直方向及び水平方向のシフト量は、投写光学系 3の構成によって異なるものであり、図 9 (A)及び (B)に示した範囲に限定されるものではない

[0074] 図 9 (A)及び (B)に示したレンズシフト機能を実現するためには、投写光学系 3のィメージサークル 11をシフト量に応じた大きさに設計する必要がある。ここでは、長方形の DMD素子 2の水平方向（長軸方向、すなわち、長辺方向）の寸法 Hを 14. 01 d mm、鉛直方向（短軸方向、すなわち、短辺方向）の寸法 Vを 10. 51mm,鉛直方 d

向のシフト量を 60%、水平方向のシフト量を ± 10%とし、この場合のイメージサークル 11の大きさを図 10 (A)〜（C)に示す。

[0075] 図 10 (A)は、投写光学系 3の水平方向及び鉛直方向のシフト量がいずれも 0%の場合のイメージサークル 11を示す。この場合、投写光学系 3のイメージサークル 11は

、直径 17. 5 lmmの円となる。

[0076] 図 10 (B)は、投写光学系 3の鉛直方向のシフト量が 60%で、水平方向のシフト量力 SO%の場合のイメージサークル 11を示す。この場合、 DMD素子 2の中心から鉛直方向に当該シフト量 (60%)だけ変位した位置がイメージサークル 11の中心となるため、イメージサークル 11は直径 27. 04mmの円となる。

[0077] 図 10 (C)は、投写光学系 3の鉛直方向のシフト量が 0%で、水平方向のシフト量が

10%の場合のイメージサークル 11を示す。この場合、 DMD素子 2の中心から水平方向に当該シフト量（10%)だけ変位した位置がイメージサークル 11の中心となるため、イメージサークル 11は直径 18. 65mmの円となる。なお、図 10 (C)は、投写光学系 3が水平方向片側 (左側）にシフトした例を示しているが、反対側 (右側）にシフトした場合も、図 10 (C)に示した直径 18. 65mmのイメージサークル 11の範囲内に含まれている。

[0078] 図 10 (B)及び (C)には、投写光学系 3を鉛直方向のみ、及び水平方向のみにシフトした場合について示した力イメージサークル 11を適切に決定することにより、投写光学系 3を鉛直方向及び水平方向にシフトして映像を表示することができる。ここでは、図 10 (B)に示したように、イメージサークル 11の直径を 27. 04mmに設定している。

[0079] 実施の形態 2における照明光学系 1及び投写光学系 3の構成について説明する。

上述したように、投写光学系 3のイメージサークル 11の直径が 27. 04mmに設定されているため、シフトが鉛直方向のみであれば、投写光学系 3はシフト量 60%までシフトすることができる（図 10 (B) )。図 11に、投写光学系 3の鉛直方向のシフト量が 60 %の場合の光路を示す。

[0080] 図 11に示すように、投写光学系 3の入射面 3dよりも僅かに DMD素子 2側には、投写光学系 3の入射側開口部 10を規定する絞り部材 (開口部規定部材） 12が配置されている。絞り部材 12の入射側開口部 10は直径 Eの円形状であり、その周囲は不要光を遮断するように黒色のコーティング等が施されている。投写光学系 3の鉛直方向のシフト量力 ½0%であるため、投写光学系 3の投写光軸 3aは、 DMD素子 2の被照明面 2bの中心を通る法線 2aに対し、鉛直方向すなわち、 DMD素子 2の短軸方向に 60% (すなわち、 6. 3mm)変位した位置にある。絞り部材 12により規定される入射側開口部 10の中心は、 DMD素子 2の法線 2aから鉛直方向に 60% (すなわち、 6 . 3mm)変位した位置にある。

[0081] 照明光学系 1からの光束 (照明光学系 1の第 2ミラー 9で反射された光束）は、 DM D素子 2の被照明面 2bで反射され、投写光学系 3の入射側開口部 10を通過して投写光学系 3に入射する。このとき、 DMD素子 2の被照明面 2bから投写光学系 3の入射側開口部 10までの距離を Lとし、入射側開口部 10の直径を Eとし、照明光学系 1 の光束の広がりを入射側開口部 10の直径 Eに合わせて設計すると、照明光学系 1の Fナンバー Fは、実施の形態 1でも説明した式（1)により算出される。 F = 1/ (2 X Sin (Tan" (E/2 X L) ) ) …ひ）

I

照明光学系 1の明るさは、照明光学系 1の Fナンバー Fにより決定される。

I

[0082] 一方、投写光学系 3は、投写光学系 3の入射側開口部 10を通過した光束を効率よく取り込める大きさが必要になる。投写光学系 3の入射面 3dと入射側開口部 10とは近接して配置されて！ヽるため、図 11に示すように投写光学系 3の投写光軸 3aと入射側開口部 10の中心とがー致している場合には、投写光学系 3の入射面 3dの有効口径 Eは、入射側開口部 10の直径 Eと略等しぐ又は、直径 Eより少し大きくすればよ

P

い。このことは、投写光学系 3の Fナンバー Fを、照明光学系 1の Fナンバー Fと略等

P I

しぐ又は、照明光学系 1の Fナンバー Fより僅かに小さくできること、すなわち、照明

I

光学系を明るく構成できることを意味している。

[0083] 図 12は、投写光学系 3の鉛直方向（D方向）のシフト量が 0%の状態を示す。図 12

V

に示すように、投写光学系 3がシフト (ここでは、下方に移動）しても、投写光学系 3以外の構成要素（照明光学系 1、DMD素子 2及び入射開口部 10を規定する絞り部材 12)は移動しない。照明光学系 1からの光束は、 DMD素子 2の被照明面 2bで反射した後、 DMD素子 2の中心を通る法線 2aに対して鉛直方向に 6. 3mm ( = 10. 51 mm X 60%)シフトした位置に中心を有する投写光学系 3の入射側開口部 10に達する。入射側開口部 10を通過した光束を全て取り込むには、投写光学系 3の入射面 3 dの有効口径 Eは、入射側開口部 10の直径 Eより少なくともシフト量 Sの 2倍に相当

P P

する分だけ（図 12においては、 6. 3mmの 2倍)大きく設定する必要がある。

[0084] ここで、照明光学系 1の Fナンバー Fを 2. 4とした場合について説明する。照明光

I

学系 1の Fナンバー Fを 2. 4とし、 DMD素子 2の被照明面 2bから投写光学系 3の入

I

射側開口部 10までの距離 Lを 44. 5mmとしたとき、入射側開口部 10の直径 Eは、上述した式（1)から

E= (2 X 44. 5) XTan (Sin^{_ 1} (l/ (2 X 2. 4) ) ) = 18. 9

で計算でき、約 18. 9mmとなる。照明光学系 1の Fナンバー Fが 2. 4の場合、図 11

I

に示すように投写光学系 3のシフト量が 60%の場合、投写光学系 3の入射面 3dの有効口径 Eも 18. 9mmに略等しい大きさがあれば、照明光学系 1からの光束を効率よ

P

く取り込むことができる。このとき、入射側開口部 10と投写光学系 3の入射面 3dとが接近して配置されて、ることから、 DMD素子 2の被照明面 2b力も入射面 3dまでの距離も Lに略等しくなるため、投写光学系 3の Fナンバー Fを、照明光学系 1の Fナンパ

P

一 Fと同じ 2.4、又は、 2.4よりも僅かに小さい値 (例えば、 2.35)とすることで、入射

I

側開口部 10を通過した光束を効率良く取り込むことができる。

[0085] 同様に、図 12に示すように、 DMD素子 2に対する投写光学系 3のシフト量 S力 0

P

%の場合は、入射側開口部 10の直径 Eは 18.9mmであるが、投写光学系 3の入射面 3dの有効口径 Eは更に 6.3mmの 2倍（すなわち、 12.6mm)だけ大きぐ 31.5

P

mm( = 18.9mm+12.6mm)となる。このときの投写光学系 3の Fナンバー Fは、

P

実施の形態 1でも説明した式 (2)

F =l/(2XSin(Tan^_1(E /2XL))) ---(2)

P P

で計算できる。ここで、

E =E + 2XS ---(3)

P P

である。

式 (2)及び式 (3)より、 Fナンバー Fを次式 (4)で計算できる。

P

F =l/(2XSin(Tan^_1((E + 2XS )/2XL))) ·'·(4)

Ρ Ρ

すなわち、式 (4)により Fナンバー Fを計算すると、

p

F =l/(2XSin(Tan^_1((18.9 + 12.6)/2X44.5)))

P

F = 1/ (2 X Sin (Tan^-1 (31.5/89)))

P

=1.5

となり、この場合の Fナンバー Fは、約 1.5という非常に小さな値となることがわかる。

P

[0086] 一般に、投写光学系 3の Fナンバー F力、さいほど、明るさが増す一方で、投写光

P

学系 3の設計が難しくなり、またレンズ口径が大きくなつてレンズ枚数も増加すること力もコストの増加を招くことが多い。一方、投写光学系 3の Fナンバー Fを大きくする

P

小さくなるため、投写光学系 3のシフト量が 0%の場合（図 12)に、入射側開口部 10 を通過した光束を効率よく取り込むことができなくなる。

[0087] ここで、上述したように照明光学系 1の Fナンバー Fを 2.4とし、 DMD素子 2から投

I

写光学系 3の入射側開口部 10までの距離 Lを 44.5mmとし、投写光学系 3の Fナンバー Fを変化させた場合の明るさの変化を調べた。その結果を表 2に示す。実験結

P

果 No. l〜No. 7は、投写光学系 3の Fナンバー Fを、 1. 5

P 、 1. 8、 1. 9、 2. 0、 2. 2

、 2. 4、 2. 6の 7通りに変化させたものである。明るさの評価は、投写光学系 3の Fナンバー Fが 1. 5のときの明るさ（以下、基準値とする。）を 100%とし、これに対する相

P

対値として評価した。

[0088] [表 2] 照明光学系 F,=2.4、 D M D素子から投写光学系入射側開口部までの距離 L=44.5mm

[0089] 表 2に示すように、投写光学系 3の Fナンバー Fが大きくなるにつれて、すなわち、

P

の明るさが徐々に低下している。すなわち、 Fナンバー Fが 1. 8、 1. 9、 2. 0、 2. 2、

P

2. 4、 2. 6と大きくなるにつれて、シフト量が 0%のときの明るさが、基準値 (Fナンパ一 F力 ^1. 5のときの明るさを 100%とする。；)の 99%、 97%、 95%、 88%、 83%、 8

P

0%と低下して!/、る。一方、 Fナンノー F力 ^1. 8、 1. 9、 2. 0、 2. 2のときには、シフト

P

量が 60%のときの明るさは 100%である力 Fナンバー Fが 2. 4のときには、シフト

P

量が 60%のときの明るさは 98%に低下し、 Fナンバー Fが 2. 6のときには、シフト量

P

力 60%のときの明るさは 93%に低下する。

[0090] 表 2における明るさの低下は、投写光学系 3の入射面の有効口径 E力、さいほど、

P

入射側開口部 10を通過する光束の一部を取り込めなくなることによる。図 13は、実験結果 No. 4 (Fナンバー Fが 2. 0)において、シフト量を 0%とした場合の光束を示

P

す模式図である。図 13において、照明光学系 1からの光束は、 DMD素子 2の被照明面 2bで反射され、投写光学系 3の直径 E (18. 9mm)を有する入射側開口部 10に達する。一方、投写光学系 3の入射面 3dは入射側開口部 10の中心力も 6. 3mmだけ下方に変位した位置に中心（投写光軸 3a)を有し、その有効口径 Eは 23mmであ

P

る。このとき、投写光学系 3の入射側開口部 10に達した光束の一部（図 13に符号 A で示す三日月形の部分）は投写光学系 3の入射面 3dに入射することができず、光量損失となる。この部分 Aにおける光量損失は、表 2の実験結果 No. 4より、基準値からの明るさの低下 5%に相当する。

[0091] 表 2から、実験結果 No. l〜No. 5、すなわち、 F >Fとなる場合には、シフト量 60

I P

%のときの明るさの低下が全く見られず、シフト量 0%のときの明るさの低下も僅かである。従って、投写光学系 3の Fナンバー Fを、 F >Fを満足するように設定すること

P I P

[0092] ただし、実験結果の No. 1は、シフト量 0%の時でも明るさの損失が無ぐ照明光学系 1からの光束を全て取り込むことができる。この場合の投写光学系 3の Fナンバー F は 1. 5と非常に小さな値となり、投写光学系 3の設計を非常に難しくするとともに、レ

P

ンズ口径が大きくなつたり、レンズ枚数が多くなつたりして、製造コストが高くなつてしまつ。

[0093] すなわち、投写光学系 3の Fナンバー Fを小さくするほど明るさを向上できるのに対

P

して、 Fナンバー Fを大きくするほど製造コストを低減できる。従って、 Fナンバー F

P P

の具体的な値は、投写光学系 3の具体的な構成及び仕様に基づき、明るさと製造コストとのバランスを考慮して決定する。また、明るさ以外に、 MTF、歪曲、倍率色収差などの光学特性にっ、ても考慮する。

[0094] また、上述したように投写光学系 3の入射側開口部 10の中心を DMD素子 2の中心に対して 6. 3mmだけ鉛直上方に設置した場合には、鉛直方向のシフト量が 60%のときの明るさが最大になるが、明るさは、投写光学系 3の入射側開口部 10の配置や D MD素子 2の被照明面 2bからの光束の出射位置によって変化するものである。これら投写光学系 3の入射側開口部 10の配置、及び DMD素子 2の被照明面 2bからの光束の出射位置は、投写型表示装置の仕様に基づ!、て決定すればよ!、。

[0095] 投写光学系 3の鉛直方向のシフト量 Sについては、図 3に示すように、シフト量が小さいと、照明光学系 1の第 2ミラー 9と DMD素子 2からの光束が干渉し、光利用効率の損失を招くことになる。一方、シフト量を大きくすると、図 10 (A)〜（C)に示した投写光学系 3のイメージサークル 11が大きくなり、投写光学系 3の設計を困難にする要因となる。

[0096] すなわち、第 2ミラー 9と DMD素子 2からの光束の干渉をなくすためには、投写光学系 3の鉛直方向のシフト量 Sを DMD素子 2の鉛直方向の寸法 Vの 0. 4倍より大

P d

きく構成することが望ましい。また、投写光学系 3のイメージサークルの増大を抑えるためには、投写光学系 3の鉛直方向のシフト量 Sを、 DMD素子 2の鉛直方向の寸

P

法 Vの 0. 7倍よりも小さく構成することが望ましい。この条件は、次式（5)で表すこと d

ができる。

0. 7 XV >S >0. 4 XV - -- (5)

d P d

[0097] 以上説明したように、実施の形態 2によれば、投写光学系 3の Fナンバーを上述した関係式の式 (1)及び式 (2)が成立するように構成し、かつ投写光学系 3の入射側開口部 10を固定する（すなわち、投写光学系 3の移動に伴って移動しない）よう構成したので、レンズシフト機能を実現しつつ、光利用効率を向上し、コントラストの良好な映像を表示することが可能になる。

[0098] 特に、投写光学系 3の移動に合わせて照明光学系 1の集光レンズを偏心させる必要がないため、投写型表示装置の大型化や価格の上昇を招くことなくレンズシフト機能を実現することができる。さらに、プリズムを用いたテレセントリック型の光学系を用いる必要がないため、安価な投写型表示装置を提供することができる。加えて、 DM D素子 2と投写光学系 3との間に絞り部材 12を設けたことにより、不要光力 Sスクリーンに到達することを防止し、コントラストを向上させることができる。

[0099] また、実施の形態 2においては、入射側開口部 10を規定する絞り部材 12を投写光学系 3の入射面の近傍に設け、投写光学系 3の有効口径 Eを入射側開口部 10より

P

も大きく形成することにより、投写光学系 3をシフトさせた場合であっても、 DMD素子 2からの光を効率よく投写光学系 3に取り込むことができる。

[0100] さらに、実施の形態 2によれば、投写光学系 3のシフト量を上述した関係式の式（5) が成立するように構成したので、光利用効率を向上し、コントラストの良好な映像を表示することが可能になる。

[0101] さらに、実施の形態 2においては、第 2ミラー 9から DMD素子 2に向力光束の中心を通る光線が DMD素子 2の画像形成領域の法線 2aに対して傾斜し、 DMD素子 2 から投写光学系 3に向かう光束の中心を通る光線が DMD素子 2の画像形成領域の法線 2aに対して傾斜する構成により、第 2ミラー 9、 DMD素子 2及び投写光学系 3を互ヽに干渉し合わな、ようにコンパタトに配置することができる。

[0102] また、実施の形態 2においては、照明光学系 1の第 2ミラー 9を、投影光軸 3a方向において投影光学系 3よりも反射型ライトバルブ 2側に配置することにより、レンズシフト時の投写光学系 3と照明光学系 1との干渉を防止することができる。そのため、投写光学系 3の移動に合わせて第 2ミラー 9を移動させる必要がなぐ投写型表示装置を安価でコンパクトに構成することができる。

[0103] さらに、実施の形態 2においては、光強度均一化素子 6から第 1ミラー 8までの光束の中心を通る光線と、反射型ライトバルブ 2から投写光学系 3の入射側開口部 10までの光束の中心を通る光線とを略直交させることにより、レイアウトが容易になり、光源ランプ 4の不具合の発生を抑えて良好な画像を得ることができる。

[0104] 力！]えて、実施の形態 2においては、反射型ライトバルブ 2を、各画素の反射角の傾角を変化することのできる可動マイクロミラーで構成することにより、照明光束の断面内の強度分布を均一化し、照度ムラを抑えることができる。

[0105] また、実施の形態 2においては、光強度均一化素子 6を、内面で光を反射する管状部材で構成することにより、照明光束により素子自身の加熱が生じ難くなり、光強度均一化素子 6の冷却及び保持構造が簡単になる。

[0106] さらに、実施の形態 2においては、光強度均一化素子 6を、四角柱状の透明材料で構成することにより、光強度均一化素子 6の設計が容易になる。

[0107] 力！]えて、実施の形態 2においては、光強度均一化素子 6を、複数のレンズ素子を平面的に配列したレンズアレイで構成することにより、照明光束の断面内の強度分布を均一にし、照度ムラを抑えることが可能となる。

[0108] 実施の形態 3.

投写光学系 3の設計を行なう際、投写光学系 3の Fナンバー Fが小さくなると設計が困難になるとともに、製造コストも高くなる。一方、 DMD素子 2の被照明面 2bから投写光学系 3の入射側開口部 10までの距離 Lが長くなると、同様に投写光学系 3の設計が困難になるとともに、製造コストも高くなる。しかし、図 1及び図 3に示すように、第 2ミラー 9は、投写光学系 3の下側に隣接して配置するとともに、レンズシフトのために投写光学系 3が移動した際に第 2ミラー 9と干渉しないよう、第 2ミラー 9は投写光学系 3の鏡筒 3cより（投写光軸 3aの方向において) DMD素子 2側に配置する必要があり、この配置を考えると、距離 Lは長い方が望ましい。

[0109] 図 14は、本発明の実施の形態 3に係る投写型表示装置における DMD素子力投写光学系の入射面までの距離と性能について説明するための図である。図 14に示すように、 DMD素子 2の被照明面 2bから投写光学系 3の入射側開口部 10までの距離 Lが距離 Lに長くなると、同じシフト量 S (図 14においては、 6. 3mm)及び同じ F

2 P

ナンバー Fとした場合、投写光学系 3の入射面の有効口径 E は有効口径 Eに比

P P2 P ベて大きくなる。すなわち、距離 Lが長くなると、投写光学系 3の入射面の有効口径 E と DMD素子 2の鉛直方向の寸法 Vとの比率 E /Vが大きくなる。そこで、照明光

P d P d

学系 1の Fナンバー Fが 2. 4であり、投写光学系 3の Fナンバー Fが 2. 0である時の

I P

、 DMD素子 2の被照明面 2bから投写光学系 3の入射側開口部 10までの距離 Lを変ィ匕させた時の性能の変化について評価した。明るさの評価は、表 2に示した投写光学系 3の Fナンバー Fが 1. 5のときの明るさ（基準値）を 100%とし、これに対する相

P

対値として評価した。

[0110] [表 3]

照明光学系 F,=2.4、投写光学系 F_p=2.0、 DM D素子の鉛直方向の寸法 V_d= 1 0.51 mm

No. 1 2 3 4 5

D M D素子から投写光学

系の入射面までの距離 L 45.5 44.5 43.5 42.5 41 .5

( mm ;

投写光学系の入射面の

23.5 23.0 22.5 21 .9 21 .4 有効口径 E_P ( mm )

E_P/V_d 2.23 2.1 9 2.1 4 2.09 2.04 シフト量 60% 1 00% 1 00% 98% 97% 96% 明るさ

シフト！： 0% 98% 95% 93% 92% 89%

[0111] 表 3に示すように、 DMD素子 2の被照明面 2bから投写光学系 3の入射側開口部 1 0までの距離 L力 5. 5mm力ら 41. 5mmまで変化した場合、距離 Lが 45. 5mmの時は投写光学系 3の入射面の有効口径 Eは 23. 5mm、距離 Lが 41. 5mmの時は

P

投写光学系 3の入射面の有効口径 Eは 21. 4mmと、距離 Lが小さくなると有効口径

P

Eも小さくなる。距離 Lが 45. 5mmの時は、シフト量が 60%の場合に光学系の性能

P

としての明るさは 100%となり、シフト量が 0%の場合に光学系の性能としての明るさは 98%と良好である。また、距離 Lが 44. 5mmの時は、シフト量が 100%の場合に光学系の性能としての明るさは 100%となり、シフト量が 0%の場合に光学系の性能としての明るさは 95%となっている。しかし、距離 Lが短くなるに従って、明るさの損失量が大きくなる。

[0112] 表 3から、実験結果の No. 1と No. 2はシフト量 60%の時の明るさの損失が無ぐかつシフト量 0%における損失量も 5%以内であり良好な性能を得ることができる。この時の、投写光学系 3の入射面の有効口径 Eと DMD素子 2の鉛直方向の寸法 Vとの

P d 比が以下の条件式を満たして、る。

E /V > 2. 15

P d

従って、この条件式を満たすように、投写光学系 3の入射面の有効口径 Eと、 DMD

P

素子 2の鉛直方向の寸法 Vとを決定することによって、明るさの損失量を小さくするこ d

とがでさる。

[0113] 以上説明したように、実施の形態 3によれば、投写光学系 3の入射側開口部 10までの距離 Lにより決定される、投写光学系 3の入射面の有効口径 Eと DMD素子 2の寸

P

法の比を、 E /V > 2. 15が成立するように構成したので、レンズシフト機能を実現

P d

しつつ、光利用効率を向上し、コントラストの良好な映像を表示することが可能になる

[0114] 実施の形態 4.

図 15は、本発明の実施の形態 4に係る投写型表示装置における照明光学系の集光点を説明するための図である。図 15に示されるように、実施の形態 4に係る投写型表示装置においては、リレーレンズ群 7の出射後の第 1ミラー 8側の位置に、照明光学系 1の絞り 13が配置されている。この照明光学系 1の絞り 13については、開口を規定する部材を設けない場合が多い。図 15に示されるように、光強度均一化素子 6から出射した光束は、一旦、絞り 13において集光する。照明光学系 1の絞り 13と、投写光学系 3の入射側瞳位置とを共役な関係に設計することにより、光利用効率が向上する。

[0115] 本来、投写光学系 3が移動するレンズシフト機能を有する装置においては、投写光学系 3の入射側瞳位置を投写光学系 3よりも DMD素子 2側 (すなわち、投写光学系 3の入射側開口部 10)にすることが望ましいが、投写光学系 3のレンズ外に入射側瞳位置を配置することは、投写光学系 3の設計上の大きな制約となり、設計を困難にすることになる。このため、実施の形態 4に係る投写型表示装置においては、図 15に示すように、照明光学系 1の集光点 14 (すなわち、投写光学系 3の入射側瞳位置)を投写光学系 3の入射面よりもスクリーン寄り、すなわち、投写光学系 3内に位置するような構成とする。

[0116] 以上説明したように、実施の形態 4によれば、照明光学系 1の集光点 14を、投写光学系 3の入射面よりもスクリーン側に配置したことにより、投写光学系 3の設計の制約を減らし、設計の柔軟性を持たせることが可能となる。

[0117] なお、上記説明においては、投写型表示装置の実際の使用状態における方向を示すために「上」又は「下」、う表現を用いたが、本発明の投写型表示装置は上記説明と異なる姿勢で設置することもできる。

[0118] また、上記説明においては、回転カラーフィルタ 5を光源ランプ 4と光強度均一化素子 6の間に設置する構成を示したが、光強度均一化素子 6の直後のように照明光束が小さく収束する箇所であれば、他の箇所に配置することも可能である。

さらに、上記説明においては、反射型ライトバルブ 2として DMD素子を用いた場合を示した力反射型液晶表示素子のような他のライトバルブを用いても良い。

Claims

請求の範囲

[1] 光源を含む照明光学系と、

前記照明光学系によって照明される被照明面に画像形成領域を有する反射型ライトバルブと、

前記反射型ライトバルブの前記画像形成領域に形成された画像を拡大投写する投写光学系であって、投写光軸に対して略直交する方向にシフト可能な投写光学系とを備え、

前記投写光学系の Fナンバーは、前記照明光学系の Fナンバーよりも小さぐ前記投写光学系と前記反射型ライトバルブとの間に、前記投写光学系のシフトによつて移動しない部材であって、前記投写光学系の入射側開口部を規定する開口部規定部材を有する

ことを特徴とする投写型表示装置。

[2] 前記投写光学系の入射面の有効口径が、前記入射側開口部よりも大きいことを特徴とする請求項 1に記載の投写型表示装置。

[3] 前記開口部規定部材が、前記投写光学系の入射面の近傍に配置されていることを特徴とする請求項 1に記載の投写型表示装置。

[4] 前記照明光学系が、

前記光源から出射された光束の強度分布を均一化する光強度均一化素子と、前記光強度均一化素子力出射された光束を前記反射型ライトバルブに導くリレー光学系と

をさらに備え、

前記リレー光学系から前記反射型ライトバルブに向力う光束の中心を通る光線が、前記反射型ライトバルブの画像形成領域の法線に対して傾斜していることを特徴とする請求項 1に記載の投写型表示装置。

[5] 前記反射型ライトバルブの前記画像形成領域から前記投写光学系に向かう光束の中心を通る光線が、前記反射型ライトバルブの前記画像形成領域の法線に対して傾斜していることを特徴とする請求項 4に記載の投写型表示装置。

[6] 前記リレー光学系が、前記光強度均一化素子力出射された光束を伝播するリレーレンズ群と、前記リレーレンズ群力出射された光束を反射する第 1ミラーと、

前記第 1ミラーからの反射光束を前記反射型ライトバルブに向けて反射する第 2ミラ一と

を備え、

前記第 2ミラーが、前記投写光軸の方向において、前記投写光学系よりも前記反射型ライトバルブ側に配置されていることを特徴とする請求項 5に記載の投写型表示装置。

[7] 前記投写光学系のシフト方向と平行に見た場合、前記光強度均一化素子から前記第 1ミラーに向力う光束の中心を通る光線と、前記反射型ライトバルブから前記投写光学系に向力う光束の中心を通る光線とが、略直交していることを特徴とする請求項 6に記載の投写型表示装置。

[8] 前記反射型ライトバルブが、反射面の傾角を変化させることのできる複数の可動マイク口ミラーを有することを特徴とする請求項 1に記載の投写型表示装置。

[9] 前記光強度均一化素子は、管状部材であり、該管状部材の内面で光束を反射するよう構成されて!ヽることを特徴とする請求項 1に記載の投写型表示装置。

[10] 前記光強度均一化素子は、透明の角柱状部材であり、該角柱状部材の内部で光束を反射するよう構成されて!ヽることを特徴とする請求項 1に記載の投写型表示装置

[11] 前記光強度均一化素子は、複数のレンズ素子を平面的に配列したレンズアレイであることを特徴とする請求項 1に記載の投写型表示装置。

[12] 前記反射型ライトバルブの矩形の前記画像形成領域から前記投写光学系に向かう光束の中心を通る光線が、前記反射型ライトバルブの前記画像形成領域の法線に対して傾斜しており、

前記反射型ライトバルブに対する、前記投写光学系の前記投写光軸に略直交する方向のシフト量を Sとし、

P

前記開口部規定部材の入射側開口部の直径を Eとし、

前記投写光学系の入射面の有効口径を Eとし、前記反射型ライトバルブの垂直走査方向の寸法を Vとすると、

d

E<E

p

0. 7 XV >S 〉0· 4 XV

d P d

を満たす

ことを特徴とする請求項 3に記載の投写型表示装置。

[13] E /V > 2. 15

P d

をさらに満たすことを特徴とする請求項 12に記載の投写型表示装置。

[14] 前記照明光学系の集光点を、前記投写光学系の入射面よりも出射面側にしたことを特徴とする請求項 12に記載の投写型表示装置。