WO2010084666A1 - 投影装置 - Google Patents

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WO2010084666A1
WO2010084666A1 PCT/JP2009/070396 JP2009070396W WO2010084666A1 WO 2010084666 A1 WO2010084666 A1 WO 2010084666A1 JP 2009070396 W JP2009070396 W JP 2009070396W WO 2010084666 A1 WO2010084666 A1 WO 2010084666A1
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optical system
aperture
light
rod integrator
side direction
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Application number
PCT/JP2009/070396
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French (fr)
Inventor
靖昌 澤井
Original Assignee
コニカミノルタオプト株式会社
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/0994—Fibers, light pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3102—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] using two-dimensional electronic spatial light modulators
    • H04N9/3111—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] using two-dimensional electronic spatial light modulators for displaying the colours sequentially, e.g. by using sequentially activated light sources
    • H04N9/3114—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] using two-dimensional electronic spatial light modulators for displaying the colours sequentially, e.g. by using sequentially activated light sources by using a sequential colour filter producing one colour at a time
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/12—Picture reproducers
    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3141—Constructional details thereof
    • H04N9/315—Modulator illumination systems
    • H04N9/3152—Modulator illumination systems for shaping the light beam

Definitions

  • the present invention relates to a projection apparatus, and more particularly to a projection apparatus provided with a stop.
  • projection apparatuses that project illumination light modulated by an image display element such as a digital micromirror device (hereinafter also referred to as “DMD”) onto a projection surface such as a screen are widely used as projectors for home theaters and the like. It has come to be used.
  • DMD digital micromirror device
  • Such a projection apparatus usually includes an illumination optical system that emits illumination light, an image display element that modulates illumination light from the illumination optical system according to image information, and a modulated light modulated by the image display element, such as a screen.
  • a projection optical system for projecting onto the projection surface usually includes an illumination optical system that emits illumination light, an image display element that modulates illumination light from the illumination optical system according to image information, and a modulated light modulated by the image display element, such as a screen.
  • the brightness and contrast of the projected image projected on the screen are affected by the aperture state of the projection optical system. That is, when the aperture diameter of the stop provided in the projection optical system is large, the projected image becomes bright but the contrast is lowered. Conversely, when the aperture diameter of the stop is small, the projected image becomes dark but the contrast is improved.
  • a projection apparatus in which a bright projection image can be obtained by setting the FNo of the projection optical system to 2.5 while the FNo of the illumination optical system is 3.0 (for example, Patent Documents). 2).
  • a rod integrator whose section perpendicular to the optical axis is rectangular and between the light source and the rod integrator, An anamorphic lens having a refractive power in the long side direction larger than that in the short side direction with respect to the light incident surface, and the illumination light incident from the short side direction at an incident angle of the illumination light incident from the long side direction
  • a projection apparatus is known in which the in-plane light intensity distribution of illumination light is made more uniform by making the angle of incidence larger than the incident angle (see, for example, Patent Document 3).
  • the illumination light incident from the long side direction travels through the rod integrator while being totally reflected at a deeper angle (with a reflection angle smaller than the reflection angle of the illumination light incident from the short side direction). Therefore, the number of internal reflections is suppressed from being reduced compared to illumination light incident from the short side direction. As a result, the in-plane light intensity distribution of the illumination light emitted from the illumination optical system is made more uniform.
  • the brightness and contrast of the projected image projected on the screen are in a so-called trade-off relationship. For this reason, when performing projection using the projection apparatus described in Patent Document 1, if the aperture diameter of the variable stop of the projection optical system is reduced in order to obtain high contrast, there is a problem that the brightness decreases.
  • Patent Document 2 is suppressed to the light transmission efficiency of F3.0 as an optical system even if the projection lens has a light transmission efficiency of F2.5. There is a problem that the brightness corresponding to 5 cannot be obtained and only the brightness of F3.0 can be obtained.
  • the illumination optical system described in Patent Document 3 has a large NA (Numerical Aperture) because the anamorphic lens increases the incident angle of illumination light incident from the long side direction. That is, the divergence angle of the light beam becomes relatively large in a direction corresponding to the long side direction of the image display area of the DMD. For this reason, if the aperture diameter of the variable stop is reduced to increase the contrast, there is still a problem that the brightness is lowered.
  • NA Numerical Aperture
  • the present invention has been made in view of the above problems, and provides a projection apparatus capable of obtaining a high-contrast and beautiful projection image while suppressing a decrease in brightness in a projection apparatus having a diaphragm. Objective.
  • An illumination optical system that emits illumination light; a digital micromirror device that modulates the illumination light from the illumination optical system based on image information and has a rectangular image display region; and a modulator that has a stop and that modulates by the digital micromirror device
  • a projection optical system that projects light onto a projection surface through the diaphragm;
  • the illumination optical system includes a light source, a condensing optical system that condenses the light emitted from the light source, and the light that is collected by the condensing optical system and incident from the incident surface has a uniform in-plane intensity distribution.
  • a convergence angle in a direction corresponding to a long side direction of the image display region of the digital micromirror device of a light beam from the condensing optical system that is arranged between the rod integrator and incident on the rod integrator is a short side direction.
  • An optical element that is smaller than the convergence angle in the direction corresponding to The exit surface of the rod integrator and the image display area of the digital micromirror device are substantially similar in shape and optically conjugate.
  • An aperture shape of the stop is a flat shape that is long and flat in a direction corresponding to a short side direction of the image display area of the digital micromirror device.
  • the relay optical system includes a variable aperture having an aperture shape that is optically equivalent to the variable aperture included in the projection optical system, and the two variable apertures are controlled to interlock with each other to have the same aperture shape.
  • the projection apparatus according to any one of 2 to 4, characterized in that:
  • the convergence angle in the direction corresponding to the long side direction of the DMD image display region of the light beam from the condensing optical system incident on the rod integrator is set between the condensing optical system and the rod integrator.
  • An optical element that is smaller than the convergence angle in the direction corresponding to the direction is arranged, and the aperture shape of the aperture provided in the projection optical system is made flat and long in the direction corresponding to the short side direction of the image display area of the DMD .
  • the FNo in that direction is set to the FNo in the short side direction.
  • the aperture of the aperture shape corresponding to this is provided in the projection optical system.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of the projection apparatus 1.
  • the projection apparatus 1 includes an illumination optical system 19 that emits illumination light, a DMD 24 that modulates illumination light from the illumination optical system 19 based on image information, and a variable aperture 40 that can adjust the aperture shape.
  • the projection optical system 20 projects onto the projection surface via the variable aperture 40.
  • the illumination optical system 19 includes a discharge lamp 11 (light source), a lamp reflector 12 that collects light emitted from the discharge lamp 11, and a convergence angle of a light beam collected by the lamp reflector 12 in a predetermined direction.
  • a cylindrical lens 13 that loosens the light, a rod integrator 15 that emits light incident from the incident surface with the convergence angle in a predetermined direction being relaxed by the cylindrical lens 13 and increasing the uniformity of the in-plane intensity distribution, and the rod integrator 15
  • the relay optical system 18 etc. which guides the light emitted from the emission surface to the DMD 24.
  • the light source it is preferable to use a discharge lamp 11 that emits white light and has a large amount of light per unit area.
  • a discharge lamp 11 that emits white light and has a large amount of light per unit area.
  • the light source lamps used for the projection apparatus 1 such as an ultrahigh pressure mercury lamp and a metal halide lamp, and can use it suitably.
  • the lamp reflector 12 corresponds to the condensing optical system in the present invention, has a reflecting surface composed of an elliptical surface, and the discharge lamp 11 is disposed at the focal position. Therefore, the light flux from the discharge lamp 11 is emitted as convergent light.
  • the condensing optical system may be configured to use a lamp reflector having a paraboloid and to convert parallel light emitted from the lamp reflector into convergent light using a condenser lens.
  • the cylindrical lens 13 corresponds to an optical element in the present invention, has a plano-concave shape, and relaxes the convergence angle of the light beam collected by the lamp reflector 12 in the long side direction 15l of the incident surface 15i of the rod integrator 15. Is arranged. The light beam that has passed through the cylindrical lens 13 enters the color wheel 14.
  • the color wheel 14 includes three color filters that transmit light of wavelengths R (red), G (green), and B (blue). By rotating this, the color of the illumination light is sequentially switched over time, so that the projection information can be colored by sequentially switching and displaying the image information corresponding to each color on the DMD 24.
  • the color filter is not limited to the combination of three colors of R, G, and B. For example, other combinations capable of displaying a color image such as a combination of three colors of C (cyan), M (magenta), and Y (yellow). Combinations may be used.
  • the color wheel 14 may be omitted in the case of a monochrome image projection device or a projection device having a DMD and an illumination optical system for each color.
  • the light beam that has passed through the color wheel 14 enters the rod integrator 15.
  • the rod integrator 15 is made of glass, and is formed into an elongated quadrangular prism whose section perpendicular to the optical axis is rectangular.
  • the incident position of the light beam is shifted in the long side direction 15l of the incident surface 15i of the rod integrator 15, and the distribution region of the light beam on the incident surface 15i is as shown in FIG. It spreads in the long side direction 15l.
  • the light beam is expanded by the cylindrical lens 13 in a region where the conventional incident light beam is not present. Therefore, the light beam incident on the rod integrator 15 has almost no loss and the conventional brightness. Maintained.
  • FIG. 4A shows a light flux distribution region on the entrance surface 15i of the rod integrator 15 when the cylindrical lens 13 is not provided.
  • the cylindrical lens 13 widens the distribution region of the light source image, reduces the concentration, reduces the thermal load on the incident surface 15i of the rod integrator 15, particularly the load on the AR coat (antireflection coating), and AR The reliability of the coat is improved.
  • the light beam incident on the rod integrator 15 is mixed by repeating total reflection on the wall surface, and the uniformity of the in-plane light intensity distribution is improved on the exit surface 15o of the rod integrator 15.
  • Such a rod integrator 15 emits from the exit surface 15o while maintaining the angular distribution of the light beam incident on the entrance surface 15i. For this reason, the light beam incident at a gentle angle in the long side direction 15l of the incident surface 15i of the rod integrator 15 by the action of the cylindrical lens 13 is emitted with a larger FNo in the long side direction 15l than in the short side direction 15o. Will do.
  • FIG. 2 shows the angle distribution of the incident light beam and the emitted light beam in the rod integrator 15.
  • 2A is a view of the rod integrator 15 as viewed from the side (short side direction)
  • FIG. 2B is a view of the rod integrator 15 as viewed from above (long side direction).
  • a light beam having a convergence angle ⁇ in the short side direction 15 s incident on the incident surface 15 i of the rod integrator 15 is not affected by the cylindrical lens 13 and remains at the convergence angle ⁇ as it is. After being incident on 15 and mixed, it is emitted at a divergence angle ⁇ .
  • the light flux with the convergence angle ⁇ in the long side direction 15l incident on the incident surface 15i of the rod integrator 15 is affected by the cylindrical lens 13 and has a more gentle convergence angle ⁇ h. After entering the rod integrator 15 and mixing, it is emitted at a divergence angle ⁇ h.
  • the light beam emitted from the rod integrator 15 becomes a light beam having a smaller divergence angle ⁇ h in the long side direction 15l of the emission surface 15o of the rod integrator 15.
  • the light beam emitted from the rod integrator 15 forms a plurality of light source images at the pupil position of the relay optical system 18 in accordance with the number of reflections in the rod integrator 15, and illuminates the DMD 24 by superimposing these images. High quality lighting is realized.
  • the distribution region in the direction corresponding to the long side direction 15l of the plurality of light source images is the direction corresponding to the short side direction 15s. Becomes narrower than the distribution region.
  • FIG. 5B shows the distribution of the plurality of light source images K formed at the pupil position of the relay optical system 18, and FIG. 5A shows the distribution of the light source images K when the cylindrical lens 13 is not provided. Indicates.
  • the horizontal direction on the paper surface corresponds to the long side direction 15 l of the exit surface 15 o of the rod integrator 15.
  • the distribution region of the light source image K is narrowed in the direction corresponding to the long side direction 15l of the rod integrator 15, and the FNo in that direction is large.
  • a relay optical system 18, a prism unit 23, and a DMD 24 are disposed behind the rod integrator 15, and light emitted from the rod integrator 15 illuminates the DMD 24 through the relay optical system 18.
  • ON light again enters the projection optical system 20 through the prism unit 23, and an image is projected onto the screen.
  • the relay optical system 18 is composed of three lenses 16a, 16b, 16c and the like, and functions together with the prism unit 23 to guide the light emitted from the exit surface 15o of the rod integrator 15 to the DMD 24.
  • the exit surface 15o of the rod integrator 15 is conjugate with the image display area of the DMD 24.
  • the prism unit 23 is composed of two prisms, a first prism 21 and a second prism 22.
  • the first prism 21 has a first entrance surface 21a, a critical surface 21b, and a first exit surface 21c
  • the second prism 22 has a second entrance surface 22a and a second exit surface 22b.
  • the critical surface 21b of the first prism 21 and the second incident surface 22a of the second prism 22 are arranged to face each other with an air layer interposed therebetween.
  • an entrance lens 16 c is bonded to the first incident surface 21 a of the first prism 21.
  • the entrance lens 16c is provided to make the illumination light telecentric.
  • the entrance surface 21a of the first prism 21 may be curved to provide the function of the entrance lens 16c.
  • the illumination light from the relay optical system 18 enters the first prism 21 from the first incident surface 21a through the entrance lens 16c.
  • the critical surface 21b of the first prism 21 is arranged so that the incident illumination light is totally reflected.
  • the illumination light is reflected by the critical surface 21b and emitted from the first exit surface 21c of the first prism 21. Illuminate the DMD 24.
  • the DMD 24 which is a reflection type image display element, has an image display area in which a large number of micromirrors are arranged in a matrix, and one micromirror constitutes one pixel of a display image.
  • the inclination of the micromirrors is configured to be individually driven and controlled, and each micromirror can take two inclination states, an ON state and an OFF state.
  • the illumination light is reflected toward the projection optical system 20 by the micromirror in the ON state, and the illumination light is reflected in a direction not entering the projection optical system 20 by the micromirror in the OFF state. Therefore, only the light reflected by the micromirror in the ON state reaches the screen by the projection optical system 20, and the target image is displayed on the screen.
  • the DMD 24 has a rectangular image display area, each pixel (micromirror) of the DMD 24 has a deflection axis that forms an angle of 45 degrees with the long side and the short side of the image display area, and the pixel has a deflection axis.
  • Image display is performed by deflecting ⁇ 12 ° to the center and deflecting the reflection direction of the illumination light.
  • the light beam reflected by the pixel in the image display state (ON state), that is, projection light (modulated light) enters the first prism 21 again from the first exit surface 21 c of the first prism 21, and The critical surface 21b is reached.
  • the projection light Since the projection light is incident on the critical surface 21b at an angle that does not satisfy the total reflection condition, the projection light passes through the critical surface 21b, enters the second prism 22 from the second incident surface 22a through the air layer. Then, the light exits from the second exit surface 22 b of the second prism 22 and enters the projection optical system 20.
  • the projection optical system 20 includes four lenses 20a, 20b, 20c, and 20d, a variable aperture 40, and the like, and projects the projection light emitted from the prism unit 23 onto the screen.
  • the pupil position of the relay optical system 18 and the pupil position of the projection optical system 20 are configured to have an optically conjugate relationship, and the above-described FIG. 5B formed at the pupil position of the relay optical system 18 is used. Similarly, a light source image K as shown is also formed at the pupil position of the projection optical system 20.
  • a region Ab shown in FIG. 5B shows a distribution region of the light source image K, and a diaphragm having an aperture shape 171o similar to that of the region Ab is provided at the pupil position of the projection optical system 20, so that FIG.
  • the ratio of unnecessary light scattered on the display surface of the DMD 24 to the screen can be reduced as compared with the case where the cylindrical lens 13 as shown is not provided, and a more sunk black can be expressed when displaying black. .
  • the cause of the contrast decrease is mainly scattering generated on the display surface.
  • black display OFF state
  • the reflected light from the micromirror does not enter the projection optical system 20, but there is a scattering component such as the edge of the micromirror, and the scattered light generated there is projected optically. It enters the system 20 and reaches the screen, raising the black level. Therefore, the black level can be lowered and the contrast can be increased by blocking such scattered light as much as possible by the diaphragm of the projection optical system 20. The details of the diaphragm will be described later.
  • the brightness can be expressed in white display, which is almost the same as the case where the cylindrical lens 13 is not provided, so that the contrast is improved without impairing the brightness. be able to.
  • a stop having an aperture shape 171o as shown in FIG. 5B may be further provided in the relay optical system 18.
  • the relay optical system 18 By providing the relay optical system 18 with a diaphragm having an aperture shape 171o similar to that of the projection optical system 20, the light flux of the component that does not originally pass through the projection optical system 20 without reducing the light transmission efficiency of the relay optical system 18. Can reach the DMD 24 and can be prevented from passing through the projection optical system 20 even though it is scattered and unnecessary light, and more sinking black can be expressed, so that the contrast can be further increased.
  • FIG. 6A is a diagram illustrating an open state in which the aperture opening of the variable aperture 17 is most opened
  • FIG. 6B is a diagram illustrating a closed state in which the aperture opening is most closed. Since the configuration and opening shape of the variable diaphragm 40 are the same as those of the variable diaphragm 17, the description thereof is omitted.
  • variable diaphragm 17 includes a fixed diaphragm plate 171 that determines the opening shape 171o in the open state, two variable diaphragm blades 173, and the like.
  • the gears 175 are provided on the two rotation shafts of the variable aperture blade 173 and are arranged so as to mesh with each other.
  • a diaphragm drive motor 33 is connected to one of the rotation shafts, and one variable diaphragm blade 173 is moved by rotation of the diaphragm drive motor 33, and the other variable diaphragm blade 173 is transferred in the opposite direction via the gear 175. Then, the opening state is changed.
  • variable diaphragm having such a configuration is provided in the projection optical system 20 and the relay optical system 18, and the variable diaphragm 40 of the projection optical system 20 and the variable diaphragm 17 of the relay optical system 18 system are interlocked to optically. It is controlled by the diaphragm control unit 36 so as to have an equivalent opening shape.
  • the optically equivalent aperture shape means that the respective apertures of the relay optical system 18 and the projection optical system 20 are in an optically conjugate positional relationship, and the shape of the optical image of one aperture aperture and the other aperture shape. It means that the shape of the aperture opening substantially matches.
  • the opening shape when the variable diaphragm 17 is in the open state is the opening shape 171o as shown in FIG. 5B described above, that is, the short side direction of the image display area of the DMD 24 (the short side direction 15s of the rod integrator 15).
  • the flat shape is long in the direction corresponding to the above, and the contrast can be improved without losing the brightness as described above.
  • the opening shape when the variable diaphragm 17 is in the closed state is an opening shape 173c as shown in FIG. 8A, and the inside of these opening shapes 171o and 173c is a range through which an effective light beam passes.
  • variable aperture 17 of the relay optical system 18 prevents an ineffective light beam from reaching the DMD 24 and becoming scattered light.
  • the variable aperture 40 of the projection optical system 20 prevents the DMD 24 from It is possible to prevent the scattered light on the display surface from passing through an ineffective area and greatly increase the contrast.
  • the intensity distribution of the light beam in the long side direction of the image display area of the DMD 24 becomes stronger at the center side (optical axis center side) than the intensity distribution in the short side direction, so-called hollow out of the light beam.
  • the aperture shape 173c when the variable aperture 17 is in the closed state is made a flat aperture that is long in the direction corresponding to the short side direction of the DMD 24, like the aperture shape 171o when the variable aperture 17 is in the open state. Even when the aperture area is the same, the amount of light passing therethrough is increased, and a relatively bright projected image can be obtained even with a small aperture.
  • the DMD 24 of the light beam from the lamp reflector 12 incident on the rod integrator 15 is interposed between the lamp reflector 12 (condensing optical system) and the rod integrator 15.
  • a cylindrical lens 13 optical element that makes the convergence angle in the direction corresponding to the long side direction of the image display area smaller than the convergence angle in the direction corresponding to the short side direction is disposed, and the variable stop 40 provided in the projection optical system 20.
  • the opening shape is a flat shape that is long in the direction corresponding to the short side direction of the image display area of the DMD 24.
  • the FNo in that direction is set to the short side.
  • the projection optical system 20 is provided with a diaphragm having an aperture shape that is larger than the direction FNo.
  • Embodiment 2 A projection apparatus 1 according to Embodiment 2 will be described.
  • the projection apparatus 1 according to the second embodiment is an optical element in which the cylindrical lens 14 in the first embodiment is replaced with a declination prism 50, and the other main components are substantially the same as those in the first embodiment. is there.
  • FIG. 3 shows the angle distribution of the incident light beam and the emitted light beam in the rod integrator 15 when the declination prism 50 is used.
  • 3A is a view of the rod integrator 15 viewed from the side (short side direction)
  • FIG. 3B is a view of the rod integrator 15 viewed from the top (long side direction).
  • the declination prism 50 has a shape in which two wedge prisms are arranged to face each other. Due to the action of the declination prism 50, each half region of the convergent light is incident on the incident surface 15 i of the rod integrator 15 at an angle close to perpendicular.
  • the convergence position of each light beam is shifted in the long side direction 15l of the incident surface 15i of the rod integrator 15, and the distribution region of the light beam on the incident surface 15i is in the long side direction 15l as shown in FIG. spread.
  • the light beam incident on the rod integrator 15 is hardly lost, and the conventional brightness I can maintain it.
  • the declination prism 50 expands the distribution area of the light source image, reduces the concentration, and reduces the concentration of the rod integrator 15.
  • the heat load on the incident surface 15i, particularly the load on the AR coating (antireflection coating) is reduced, and the reliability of the AR coating is improved.
  • the convergence angle ⁇ in the short side direction 15 s incident on the incident surface 15 i of the rod integrator 15 is not affected by the declination prism 50, and the rod integrator has the same convergence angle ⁇ . After being incident on 15 and mixed, it is emitted at a divergence angle ⁇ .
  • the convergence angle ⁇ in the long side direction 15l incident on the incident surface 15i of the rod integrator 15 is affected by the cylindrical lens 13, and the rod has a more gentle convergence angle ⁇ h. After entering the integrator 15 and mixing, it is emitted at a divergence angle ⁇ h.
  • the light beam emitted from the rod integrator 15 is smaller in the long side direction 15l of the exit surface 15o of the rod integrator 15 by the action of the declination prism 50. Of luminous flux.
  • the light source image K at the pupil position in the relay optical system 18 and the projection optical system 20 is distributed in a region Ac as shown in FIG.
  • the contrast can be increased without reducing the brightness.
  • Embodiment 3 A projection apparatus 1 according to Embodiment 3 will be described.
  • the projection apparatus 1 according to the third embodiment differs from the first embodiment in the flattening direction of the opening shape when the variable diaphragm 17 (variable diaphragm 40) is in the closed state. This is substantially the same as the case of.
  • FIG. 7A is a diagram illustrating an open state in which the aperture opening of the variable aperture 17 is most opened
  • FIG. 7B is a diagram illustrating a closed state in which the aperture opening is most closed. Since the configuration and opening shape of the variable diaphragm 40 are the same as those of the variable diaphragm 17, the description thereof is omitted.
  • variable diaphragm 17 according to the third embodiment is arranged at a position where the variable diaphragm blade 173 in the first embodiment is rotated 90 degrees clockwise with respect to the fixed diaphragm plate 171.
  • the constituent members are substantially the same as those in the first embodiment.
  • the opening shape when the variable diaphragm 17 is closed is the opening shape 173c as shown in FIG. 8B, that is, the long side direction of the image display area of the DMD 24 (the rod integrator 15). In the long side direction 15l).
  • the distribution pitch of the light source images formed at the pupil positions of the projection optical system 20 and the relay optical system 18 is a direction corresponding to the long side direction of the DMD 24 (the incident surface of the rod integrator 15).
  • the pitch Pl in the long side direction 15l with respect to 15i is larger than the pitch Ps in the direction corresponding to the short side direction (short side direction 15s with respect to the incident surface 15i of the rod integrator 15). Therefore, in the variable aperture 17 in the case of the first embodiment shown in FIG. 6, the number of light source images K in the direction corresponding to the long side direction of the DMD 24 that passes through the small aperture decreases, and the superposition effect in that direction is small. Thus, the uniformity of the in-plane light intensity distribution tends to be reduced.
  • the opening shape 173c in the closed state is formed into a flat shape that is long in the direction corresponding to the long side direction of the DMD 24, thereby corresponding to the long side direction of the DMD 24 passing through the same opening area.
  • the number of light source images K in the direction can be increased.
  • the uniformity of the in-plane light intensity distribution of the illumination light at the time of small aperture can be improved.
  • the opening shape 173c in the closed state is shaped so that the number of light source images K in the direction corresponding to the long side direction of the DMD 24 is approximately the same as the number of light source images K in the direction corresponding to the short side direction. More preferable.
  • the contrast can be increased by the same action as in the first embodiment.
  • the present invention has been described with reference to the embodiments.
  • the present invention should not be construed as being limited to the above-described embodiments, and can be appropriately changed and improved.
  • the aperture shape 173c at the time of the small apertures of the variable apertures 17 and 40 is not limited to the elliptical shape as shown in FIG. 6 (b), but may be various as shown in FIGS. 9 (a) to 9 (d). Shape is conceivable.
  • the projector 1 having a single DMD 24 and the color wheel 14 has been described. However, three DMDs corresponding to R, G, and B colors and color separation / combination are performed. You may apply to the projector of the structure provided with the color prism to perform.
  • the condenser lens surface is the toric surface
  • the convergence angle in the long side direction incident on the incident surface 15i of the rod integrator 15 is the short side. You may make it become smaller than the convergence angle of a direction.
  • an embodiment having a converging angle conversion function and a condensing function integrally is also within the technical scope of the present invention. That is, the convergence angle of the condenser lens in the direction corresponding to the long side direction of the DMD image display region of the light beam from the lamp reflector (condensing optical system) incident on the rod integrator is the direction corresponding to the short side direction. It can be said that the optical element is made smaller.

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Abstract

　本発明は、明るさの低下を抑えながらコントラストの高い投影像が得られる投影装置を提供する。照明光学系（１９）と、画像表示領域が長方形状のＤＭＤ（２４）と、絞り（４０）を有しＤＭＤ（２４）による変調光を被投影面に投影する投影光学系（２０）と、を備えた投影装置（１）において、照明光学系（１９）は、光源（１１）と、集光光学系（１２）と、断面が長方形状のロッドインテグレータ（１５）と、リレー光学系（１８）と、ロッドインテグレータ（１５）へ入射する光束の画像表示領域の長辺方向に相当する方向の収束角度を短辺方向よりも小さくする光学素子（１３）と、を有し、ロッドインテグレータ（１５）の射出面とＤＭＤ（２４）の画像表示領域は略相似形状であって、光学的に共役であり、絞り（４０）の開口形状は、ＤＭＤ（２４）の画像表示領域の短辺方向に相当する方向に長い偏平な形状である。

Description

投影装置
　本発明は、投影装置に関し、特に、絞りを備えた投影装置に関する。
　近年、デジタル・マイクロミラー・デバイス（以下、「ＤＭＤ」とも記する）等の画像表示素子によって変調された照明光を、スクリーン等の被投影面に投影する投影装置が、ホームシアター用プロジェクタ等として広く用いられるようになってきた。
　このような投影装置は、通常、照明光を射出する照明光学系、照明光学系からの照明光を画像情報に応じて変調する画像表示素子、及び画像表示素子により変調された変調光をスクリーン等の被投影面に投影する投影光学系等を備えている。
　係る投影装置において、スクリーンに投影される投影像の明るさ及びコントラストは、投影光学系の絞り状態に影響される。即ち、投影光学系に設けられた絞りの開口径が大きい場合、投影像は明るくなるがコントラストが低下する。逆に絞りの開口径が小さい場合には、投影像は暗くなるがコントラストが向上する。
　その為、表示画像に応じて、投影像の明るさ及びコントラストを調整できるように、投影光学系に開口径を調整できる可変絞りを設けた投影装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
　また、照明光学系のＦＮｏが３．０に対して、投影光学系のＦＮｏを２．５にすることで、明るい投影像が得られるようにした投影装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
　また、照明光学系から射出される照明光の面内光強度分布を均一にする為の、光軸に垂直な断面が長方形状のロッドインテグレータと、光源とロッドインテグレータとの間に、ロッドインテグレータの光入射面に対し長辺方向の屈折力が短辺方向の屈折力よりも大きなアナモフィックレンズと、を備える構成とし、長辺方向から入射する照明光の入射角度を短辺方向から入射する照明光の入射角度に比べて大きくすることで、照明光の面内光強度分布をより均一にするようにした投影装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。係る投影装置においては、長辺方向から入射する照明光は、より深い角度で（短辺方向から入射する照明光の反射角度よりも小さな反射角度で）全反射しながらロッドインテグレータ内を進行することとなる為、内面反射回数が短辺方向から入射する照明光に比べて少なくなってしまうのを抑制するものである。その結果、照明光学系から射出される照明光の面内光強度分布をより均一にするものである。
特開平５－１８８３４５号公報 米国特許第６７７３１２０号明細書 特開２００７－６５０１６号公報
　前述のように、スクリーンに投影される投影像の明るさ及びコントラストは、所謂トレードオフの関係にある。この為、特許文献１に記載の投影装置を用いて投影を行う場合、高いコントラストを得る為に投影光学系の可変絞りの開口径を小さくすると、明るさが低下するという問題がある。
　また、特許文献２に記載の投影装置は、投影レンズがＦ２．５の光線伝達効率を有していても、光学系としては、Ｆ３．０の光線伝達効率に抑え込まれており、Ｆ２．５に相当する明るさを出すことができず、Ｆ３．０の明るさしか出せないという問題がある。
　また、特許文献３に記載の照明光学系は、アナモフィックレンズにより、長辺方向から入射する照明光の入射角度を大きくしているので、ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ：開口数）が大きくなる。すなわち、光束の発散角度は、ＤＭＤの画像表示領域の長辺方向に相当する方向に相対的に大きくなる。この為、コントラストを高める為に可変絞りの開口径を小さくすると、やはり、明るさが低下するという問題があった。
　本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、絞りを備えた投影装置において、明るさの低下を抑えながら、コントラストの高い綺麗な投影像を得ることが可能な投影装置を提供することを目的とする。
　上記目的は、下記の１から８の何れか１項に記載の発明によって達成される。
　１．照明光を射出する照明光学系と、該照明光学系からの前記照明光を画像情報に基づき変調し画像表示領域が長方形状のデジタルマイクロミラーデバイスと、絞りを有し前記デジタルマイクロミラーデバイスによる変調光を該絞りを介して被投影面に投影する投影光学系と、を備えた投影装置において、
　前記照明光学系は、光源と、該光源から射出した光を集光する集光光学系と、該集光光学系によって集光されて入射面から入射した光を面内強度分布の均一性を高めて射出面から射出し光軸に垂直な断面が長方形状のロッドインテグレータと、該ロッドインテグレータの射出面から射出した光を前記デジタルマイクロミラーデバイスに導くリレー光学系と、前記集光光学系と前記ロッドインテグレータとの間に配置され、前記ロッドインテグレータへ入射する前記集光光学系からの光束の前記デジタルマイクロミラーデバイスの前記画像表示領域の長辺方向に相当する方向の収束角度を短辺方向に相当する方向の収束角度よりも小さくする光学素子と、を有し、
　前記ロッドインテグレータの前記射出面と前記デジタルマイクロミラーデバイスの前記画像表示領域は略相似形状であって、光学的に共役であり、
　前記絞りの開口形状は、前記デジタルマイクロミラーデバイスの前記画像表示領域の短辺方向に相当する方向に長い偏平な形状であることを特徴とする投影装置。
　２．前記絞りは、その開口形状が調整可能な可変絞りであることを特徴とする前記１に記載の投影装置。
　３．前記可変絞りの小絞り時の開口形状は、前記デジタルマイクロミラーデバイスの前記画像表示領域の短辺方向に相当する方向に偏平な形状であることを特徴とする前記２に記載の投影装置。
　４．前記可変絞りの小絞り時の開口形状は、前記デジタルマイクロミラーデバイスの前記画像表示領域の長辺方向に相当する方向に偏平な形状であることを特徴とする前記２に記載の投影装置。
　５．前記リレー光学系は、前記投影光学系が有する前記絞りの開口形状と光学的に等価な開口形状の絞りを有することを特徴とする前記１に記載の投影装置。
　６．前記リレー光学系は、前記投影光学系が有する前記可変絞りと光学的に等価な開口形状の可変絞りを有し、２つの該可変絞りは、連動して同じ開口形状になるように制御されることを特徴とする前記２から４の何れか１項に記載の投影装置。
　７．前記光学素子は、シリンドリカルレンズであることを特徴とする前記１から６の何れか１項に記載の投影装置。
　８．前記光学素子は、偏角プリズムであることを特徴とする前記１から６の何れか１項に記載の投影装置。
　本発明によれば、集光光学系とロッドインテグレータとの間に、ロッドインテグレータへ入射する集光光学系からの光束のＤＭＤの画像表示領域の長辺方向に相当する方向の収束角度を短辺方向に相当する方向の収束角度よりも小さくする光学素子を配し、投影光学系に設けた絞りの開口形状を、ＤＭＤの画像表示領域の短辺方向に相当する方向に長い偏平な形状とした。
　すなわち、ロッドインテグレータのＤＭＤの画像表示領域の長辺方向に相当する方向（ロッドインテグレータの入射面に対して長辺方向）のエタンデュの余裕を利用し、その方向のＦＮｏを短辺方向のＦＮｏよりも大きくし、それに対応した開口形状の絞りを投影光学系に設ける構成とした。
　これにより、伝達する光量を損失することなく、投影光学系を通過する有効な投影光を確保するとともに、ＤＭＤで発生する不要な散乱光の投影光学系の通過を投影光学系での絞りで減らすことができる。その結果、明るさの低下を抑えながら、コントラストの高い綺麗な投影像を得ることが可能となる。
本発明の実施形態１に係る投影装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態１に係るシリンドリカルレンズの作用を説明する図である。 本発明の実施形態２に係る偏角プリズムの作用を説明する図である。 ロッドインテグレータの入射面における光束の分布の様子を示す図である。 光源像の分布の様子と可変絞りの開状態の開口形状を示す図である。 本発明の実施形態１に係る可変絞りの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態３に係る可変絞りの概略構成を示す図である。 光源像の分布の様子と可変絞りの閉状態の開口形状を示す図である。 可変絞りの小絞り時の開口形状の別例を示す図である。
　以下図面に基づいて、本発明に係る投影装置の実施の形態を説明する。尚、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。
（実施形態１）
　最初に、実施形態１による投影装置の概略構成を図１を用いて説明する。図１は、投影装置１の概略構成を示す図である。
　投影装置１は、照明光を射出する照明光学系１９、照明光学系１９からの照明光を画像情報に基づき変調するＤＭＤ２４、及び開口形状を調整可能な可変絞り４０を有しＤＭＤ２４による変調光を可変絞り４０を介して被投影面に投影する投影光学系２０等から構成される。
　照明光学系１９は、放電ランプ１１（光源）、放電ランプ１１から射出した光を集光するランプリフレクタ１２（集光光学系）、ランプリフレクタ１２で集光された光束の所定の方向の収束角度を緩めるシリンドリカルレンズ１３、シリンドリカルレンズ１３によって所定の方向の収束角度が緩められて入射面から入射した光を面内強度分布の均一性を高めて射出面から射出するロッドインテグレータ１５、及びロッドインテグレータ１５の射出面から射出した光をＤＭＤ２４に導くリレー光学系１８等から構成される。
　光源としては、白色光を発し、単位面積当たりの光量が大きい放電ランプ１１を用いることが好ましい。放電ランプ１１の種類に特に制限はなく、超高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等、投影装置１に用いられる光源ランプの中から適宜選択して用いることができる。
　ランプリフレクタ１２は、本発明における集光光学系に該当し、楕円面からなる反射面を有し、その焦点位置に放電ランプ１１が配置されている。その為、放電ランプ１１からの光束は収束光として射出する。この他、集光光学系としては、放物面を有するランプリフレクタを用いて、ランプリフレクタから射出した平行光を、コンデンサレンズを用いて収束光とする構成とすることもできる。
　シリンドリカルレンズ１３は、本発明における光学素子に該当し、平凹状の形状をなし、ランプリフレクタ１２で集光された光束の、ロッドインテグレータ１５の入射面１５ｉの長辺方向１５ｌの収束角度を緩めるように配置されている。シリンドリカルレンズ１３を経た光束は、カラーホイール１４に入射する。
　カラーホイール１４は、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の波長の光をそれぞれ透過させる３色のカラーフィルターで構成される。これを回転させることで照明光の色が時間的に順次切り替る為、各色に対応した画像情報をＤＭＤ２４に順次切り替えて表示することにより、投影像をカラー化することができる。カラーフィルターは、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の組み合わせに限られず、例えば、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）の３色の組み合わせ等、カラー画像の表示が可能な他の組み合わせを用いてもよい。また、カラーホイール１４は、モノクロ画像の投影装置や、各色毎にＤＭＤと照明光学系とを備えた形態の投影装置の場合には省略することもできる。
　カラーホイール１４を通過した光束は、ロッドインテグレータ１５に入射する。ロッドインテグレータ１５は、ガラスからなり、光軸に垂直な断面が長方形状の細長い四角柱に形成されている。
　このとき、シリンドリカルレンズ１３の作用により、ロッドインテグレータ１５の入射面１５ｉの長辺方向１５ｌでは、光束の入射位置がずれ、入射面１５ｉにおける光束の分布領域は、図４（ｂ）に示すように長辺方向１５ｌに拡がる。ロッドインテグレータ１５の入射面１５ｉにおいては、従来入射光束が無かった領域にシリンドリカルレンズ１３により光束が拡げられているので、ロッドインテグレータ１５に入射する光束は、殆ど損失することなく、従来の明るさを維持できている。
　図４（ａ）に、シリンドリカルレンズ１３が備わっていない場合の、ロッドインテグレータ１５の入射面１５ｉでの光束の分布領域を示す。
　この比較により、シリンドリカルレンズ１３により、光源像の分布領域が拡がり、集中が緩和され、ロッドインテグレータ１５の入射面１５ｉへの熱負荷、特にＡＲコート（反射防止コート）への負荷が軽減され、ＡＲコートの信頼性が向上する。
　ロッドインテグレータ１５に入射した光束は、壁面で全反射を繰り返すことでミキシングされ、ロッドインテグレータ１５の射出面１５ｏでは、面内光強度分布の均一性が高められる。
　このようなロッドインテグレータ１５では、入射面１５ｉに入射した光束の角度分布を保った状態で射出面１５ｏより射出する。この為、シリンドリカルレンズ１３の作用により、ロッドインテグレータ１５の入射面１５ｉの長辺方向１５ｌに緩やかな角度になって入射した光束は、短辺方向１５ｏより長辺方向１５ｌのほうが、大きなＦＮｏで射出することになる。
　図２に、ロッドインテグレータ１５における入射光束、射出光束の角度分布を示す。図２（ａ）は、ロッドインテグレータ１５を横から（短辺方向）見た図、図２（ｂ）は、ロッドインテグレータ１５を上から（長辺方向）見た図である。
　図２（ａ）に示すように、ロッドインテグレータ１５の入射面１５ｉに入射する短辺方向１５ｓの収束角度がθの光束は、シリンドリカルレンズ１３の作用を受けず、そのままの収束角度θでロッドインテグレータ１５に入射し、ミキシングされたのち、発散角度θで射出する。
　一方、図２（ｂ）に示すように、ロッドインテグレータ１５の入射面１５ｉに入射する長辺方向１５ｌの収束角度がθの光束は、シリンドリカルレンズ１３の作用を受け、より緩やかな収束角度θｈでロッドインテグレータ１５に入射し、ミキシングされたのち、発散角度θｈで射出する。
　このように、シリンドリカルレンズ１３の作用により、ロッドインテグレータ１５から射出する光束は、ロッドインテグレータ１５の射出面１５ｏの長辺方向１５ｌにより小さな発散角度θｈの光束となる。
　ロッドインテグレータ１５から射出した光束は、ロッドインテグレータ１５内での反射回数に応じて、リレー光学系１８の瞳位置に複数の光源像を形成し、これらを重畳してＤＭＤ２４を照明することにより、均一性の高い照明が実現される。
　ロッドインテグレータ１５の長辺方向１５ｌのＦＮｏは、短辺方向１５ｓのＦＮｏよりも大きいので、これら複数の光源像の長辺方向１５ｌに相当する方向の分布領域は、短辺方向１５ｓに相当する方向の分布領域よりも狭くなる。
　図５（ｂ）にリレー光学系１８の瞳位置に形成される複数の光源像Ｋの分布の様子を、図５（ａ）にシリンドリカルレンズ１３が備わっていない場合の光源像Ｋの分布の様子を示す。尚、図５において、紙面左右方向がロッドインテグレータ１５の射出面１５ｏの長辺方向１５ｌに相当する。
　これらの比較からもわかるように、シリンドリカルレンズ１３を用いることにより、ロッドインテグレータ１５の長辺方向１５ｌに相当する方向に光源像Ｋの分布領域が狭くなり、その方向のＦＮｏが大きくなっている。
　図１に戻って、ロッドインテグレータ１５の後方には、リレー光学系１８、プリズムユニット２３、ＤＭＤ２４が配設され、ロッドインテグレータ１５から射出した光は、リレー光学系１８を経て、ＤＭＤ２４を照明する。ＤＭＤ２４からの反射光の内、ＯＮ光が、再びプリズムユニット２３を経て、投影光学系２０に入射し、スクリーンに画像が投影される。
　リレー光学系１８は、３つのレンズ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ等から構成され、プリズムユニット２３と共に機能して、ロッドインテグレータ１５の射出面１５ｏから射出した光をＤＭＤ２４に導く。ロッドインテグレータ１５の射出面１５ｏは、ＤＭＤ２４の画像表示領域と共役であり、ロッドインテグレータ１５の射出面１５ｏの形状をＤＭＤ２４の画像表示領域と略相似形にすることにより、効率よく照明できる。したがって、ロッドインテグレータ１５の長辺方向１５ｌは、ＤＭＤ２４の長方形状の画像表示領域の長辺方向に相当する。
　プリズムユニット２３は、第１プリズム２１、第２プリズム２２の２つのプリズムから構成されている。第１プリズム２１は、第１入射面２１ａ、臨界面２１ｂ、第１射出面２１ｃを有し、第２プリズム２２は、第２入射面２２ａ、第２射出面２２ｂを有する。第１プリズム２１の臨界面２１ｂと第２プリズム２２の第２入射面２２ａは、空気層を介して対向して配置されている。
　さらに、第１プリズム２１の第１入射面２１ａにエントランスレンズ１６ｃが貼り合わされている。エントランスレンズ１６ｃは、照明光をテレセントリックにする為に設けられている。尚、第１プリズム２１の入射面２１ａを曲面にして、エントランスレンズ１６ｃの機能を持たせてもよい。
　リレー光学系１８からの照明光は、エントランスレンズ１６ｃを経て、第１入射面２１ａから第１プリズム２１に入射する。第１プリズム２１の臨界面２１ｂは、入射した照明光が全反射するように配置されており、照明光は臨界面２１ｂで反射されて、第１プリズム２１の第１射出面２１ｃから射出し、ＤＭＤ２４を照明する。
　反射型の画像表示素子であるＤＭＤ２４は、多数のマイクロミラーがマトリックス状に配置された画像表示領域を有し、そのマイクロミラー１枚で表示画像の１画素を構成するものである。マイクロミラーの傾きは個別に駆動制御される構成になっており、各マイクロミラーはＯＮ状態とＯＦＦ状態との２つの傾き状態をとり得るようになっている。ＯＮ状態のマイクロミラーでは投影光学系２０に向けて照明光が反射され、ＯＦＦ状態のマイクロミラーでは投影光学系２０に入らない方向に照明光が反射される。したがって、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射された光のみが投影光学系２０によってスクリーンに到達し、目的とする画像がスクリーンに表示される。
　ＤＭＤ２４は、長方形状の画像表示領域を有し、ＤＭＤ２４の各画素（マイクロミラー）は、画像表示領域の長辺および短辺と４５度の角度をなす偏向軸を有し、画素は偏向軸を中心に±１２°偏向し、照明光の反射方向を偏向させることにより、画像表示を行う。画像表示状態（ＯＮ状態）にて画素で反射された光束、すなわち投影光（変調光）は、第１プリズム２１の第１射出面２１ｃから再び第１プリズム２１に入射し、第１プリズム２１の臨界面２１ｂに到達する。投影光は、全反射条件を満たさない角度で臨界面２１ｂに入射する為、臨界面２１ｂを透過し、空気層を経て、第２入射面２２ａから第２プリズム２２に入射する。そして、第２プリズム２２の第２射出面２２ｂから射出し、投影光学系２０に入射する。
　投影光学系２０は、４つのレンズ２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、及び可変絞り４０等から構成され、プリズムユニット２３から射出した投影光をスクリーンに投影する。
　リレー光学系１８の瞳位置と投影光学系２０の瞳位置は光学的に共役な関係になるように構成されており、リレー光学系１８の瞳位置に形成された前述の図５（ｂ）で示したような光源像Ｋが、同様に、投影光学系２０の瞳位置にも形成される。
　図５（ｂ）に示す領域Ａｂは、光源像Ｋの分布領域を示し、領域Ａｂと同じような開口形状１７１ｏの絞りを投影光学系２０の瞳位置に設けることにより、図５（ａ）に示したようなシリンドリカルレンズ１３が備わっていない場合よりも、ＤＭＤ２４の表示面で散乱された不要光がスクリーンに到達する割合を減らすことができ、黒表示のときに、より沈んだ黒を表現できる。
　画像表示素子としてＤＭＤ２４を用いた場合のコントラスト低下の原因は、主に表示面で発生する散乱である。黒表示（ＯＦＦ状態）のとき、マイクロミラーからの反射光は、投影光学系２０に入らないようになっているが、マイクロミラーのエッジ等の散乱成分があり、そこで発生する散乱光が投影光学系２０に入り込んでスクリーンに到達し、黒レベルを上げてしまう。この為、投影光学系２０の絞りでそのような散乱光を少しでも遮光することにより、黒レベルを下げることができ、コントラストを高めることができる。尚、絞りの詳細については後述する。
　一方、本発明の実施形態１に係る投影装置１においては、白表示のときは、シリンドリカルレンズ１３の備わっていない場合と殆ど変わらない明るさを表現できるので、明るさを損なわずコントラストを向上させることができる。
　また、図５（ｂ）に示したような開口形状１７１ｏの絞りを、さらにリレー光学系１８に設けてもよい。リレー光学系１８にも投影光学系２０の場合と同様な開口形状１７１ｏの絞りを設けることにより、リレー光学系１８の光伝達効率を低下させることなく、本来投影光学系２０を通過しない成分の光束がＤＭＤ２４に到達し、散乱されて不要光であるにもかかわらず投影光学系２０を通過してしまうのを防ぎ、より沈んだ黒を表現できるので、コントラストをさらに高めることができる。
　ここで、リレー光学系１８に設けられた可変絞り１７、及び投影光学系２０に設けられた可変絞り４０の構成を図６を用いて説明する。図６（ａ）は、可変絞り１７の絞り開口が最も開いた開状態を示す図、図６（ｂ）は、絞り開口が最も閉じた閉状態を示す図である。尚、可変絞り４０の構成、開口形状は、可変絞り１７の場合と同様なので、その説明は省略する。
　可変絞り１７は、開状態の開口形状１７１ｏを決定する固定絞り板１７１、及び２つの可変絞り羽根１７３等で構成されている。
　可変絞り羽根１７３の２つの回動軸にはそれぞれギア１７５が設けられ互いに噛合うように配置されている。
　回動軸の一方には絞り駆動モータ３３が連結され、絞り駆動モータ３３の回転により一方の可変絞り羽根１７３が移動し、ギア１７５を介して他方の可変絞り羽根１７３を反対方向に移送させることで、開口状態を変化させる。
　このような構成の可変絞りは、投影光学系２０とリレー光学系１８に設けられており、投影光学系２０の可変絞り４０とリレー光学系１８系の可変絞り１７が連動して、光学的に等価な開口形状となるように絞り制御部３６によって制御されている。ここで、光学的に等価な開口形状とは、リレー光学系１８と投影光学系２０のそれぞれの絞りが光学的に略共役な位置関係にあり、一方の絞り開口の光学像の形状と他方の絞り開口の形状とが略一致することをいう。
　可変絞り１７が開状態のときの開口形状は、前述の図５（ｂ）に示したような開口形状１７１ｏ、すなわち、ＤＭＤ２４の画像表示領域の短辺方向（ロッドインテグレータ１５の短辺方向１５ｓ）に相当する方向に長い偏平な形状となり、前述のように明るさを損失することなくコントラストの向上が図れている。可変絞り１７が閉状態のときの開口形状は、図８（ａ）に示すような開口形状１７３ｃとなり、これらの開口形状１７１ｏ、１７３ｃの内側が有効な光束が通過する範囲である。
　このとき、明るさの低下を伴うが、リレー光学系１８の可変絞り１７では、有効でない光束がＤＭＤ２４に到達して散乱光となることを防ぎ、投影光学系２０の可変絞り４０では、ＤＭＤ２４の表示面での散乱光が有効でない領域を通過することを防ぎ、コントラストを大きく高めることができる。
　シリンドリカルレンズ１３の作用により、ＤＭＤ２４の画像表示領域の長辺方向の光束の強度分布は、短辺方向の強度分布に比べ、より中央側（光軸中心側）に強くなり、所謂光束の中抜けが軽減されている。この為、可変絞り１７が閉状態（小絞り状態）のときの開口形状１７３ｃを開状態のときの開口形状１７１ｏと同じようにＤＭＤ２４の短辺方向に相当する方向に長い偏平開口とすることにより、同じ開口面積でも通過する光束量が多くなり、小絞り時でも比較的明るい投影像が得られる。
　このように本発明の実施形態１に係る投影装置１においては、ランプリフレクタ１２（集光光学系）とロッドインテグレータ１５との間に、ロッドインテグレータ１５へ入射するランプリフレクタ１２からの光束のＤＭＤ２４の画像表示領域の長辺方向に相当する方向の収束角度を短辺方向に相当する方向の収束角度よりも小さくするシリンドリカルレンズ１３（光学素子）を配し、投影光学系２０に設けた可変絞り４０の開口形状を、ＤＭＤ２４の画像表示領域の短辺方向に相当する方向に長い偏平な形状とした。
　すなわち、ロッドインテグレータ１５のＤＭＤ２４の画像表示領域の長辺方向に相当する方向（ロッドインテグレータ１５の入射面１５ｉに対して長辺方向１５ｌ）のエタンデュの余裕を利用し、その方向のＦＮｏを短辺方向のＦＮｏよりも大きくし、それに対応した開口形状の絞りを投影光学系２０に設ける構成とした。
　これにより、伝達する光量を損失することなく、投影光学系２０を通過する有効な投影光を確保するとともに、ＤＭＤ２４で発生する不要な散乱光の投影光学系２０の通過を投影光学系２０での可変絞り４０で減らすことができる。その結果、明るさの低下を抑えながら、コントラストの高い綺麗な投影像を得ることが可能となる。
（実施形態２）
　実施形態２による投影装置１について説明する。実施形態２による投影装置１は、光学素子として、実施形態１の場合のシリンドリカルレンズ１４を偏角プリズム５０に置き換えたものであり、その他の要部構成は、実施形態１の場合と略同様である。
　図３に、偏角プリズム５０を用いた場合のロッドインテグレータ１５における入射光束、射出光束の角度分布を示す。図３（ａ）は、ロッドインテグレータ１５を横から（短辺方向）見た図、図３（ｂ）は、ロッドインテグレータ１５を上から（長辺方向）見た図である。
　偏角プリズム５０は、図３に示すように、２つの楔プリズムが対向して配置したような形状となっている。偏角プリズム５０の作用により、収束光の各半分の領域がそれぞれロッドインテグレータ１５の入射面１５ｉにより垂直に近い角度で入射する。
　この為、ロッドインテグレータ１５の入射面１５ｉの長辺方向１５ｌに、それぞれの光束の収束位置がずれ、入射面１５ｉにおける光束の分布領域は、図４（ｃ）に示すように長辺方向１５ｌに拡がる。ロッドインテグレータ１５の入射面１５ｉにおいては、従来入射光束が無かった領域に偏角プリズム５０により光束が拡げられているので、ロッドインテグレータ１５に入射する光束は、殆ど損失しておらず、従来の明るさを維持できている。
　また、前述の図４（ａ）の場合と比較すると、実施形態１のシリンドリカルレンズ１３の場合と同様に偏角プリズム５０により、光源像の分布領域が拡がり、集中が緩和され、ロッドインテグレータ１５の入射面１５ｉへの熱負荷、特にＡＲコート（反射防止コート）への負荷が軽減され、ＡＲコートの信頼性が向上する。
　図３（ａ）に示すように、ロッドインテグレータ１５の入射面１５ｉに入射する短辺方向１５ｓの収束角度θが光束は、偏角プリズム５０の作用を受けず、そのままの収束角度θでロッドインテグレータ１５に入射し、ミキシングされたのち、発散角度θで射出する。
　一方、図３（ｂ）に示すように、ロッドインテグレータ１５の入射面１５ｉに入射する長辺方向１５ｌの収束角度θが光束は、シリンドリカルレンズ１３の作用を受け、より緩やかな収束角度θｈでロッドインテグレータ１５に入射し、ミキシングされたのち、発散角度θｈで射出する。
　このように、実施形態１のシリンドリカルレンズ１３の場合と同様に偏角プリズム５０の作用により、ロッドインテグレータ１５から射出する光束は、ロッドインテグレータ１５の射出面１５ｏの長辺方向１５ｌにより小さな発散角度θｈの光束となる。
　その結果、リレー光学系１８や投影光学系２０での瞳位置の光源像Ｋは、図５（ｃ）に示すような領域Ａｃに分布する。この為、領域Ａｃと同じような開口形状１７１ｏの絞りを投影光学系２０やリレー光学系１８の瞳位置に設けることにより、明るさを低下させることなく、コントラストを高めることができる。
　また、図５（ｂ）、図５（ｃ）からもわかるように、シリンドリカルレンズ１３を用いた場合よりも偏角プリズム５０を用いた場合のほうが、中央部に光束を存在させ易く、所謂光束の中抜け現象をより軽減でき、小絞り時の急激な光量変化を軽減することができる。
（実施形態３）
　実施形態３による投影装置１について説明する。実施形態３による投影装置１は、可変絞り１７（可変絞り４０）の閉状態のときの開口形状の偏平方向が実施形態１の場合と異なるものであり、その他の要部構成は、実施形態１の場合と略同様である。
　実施形態３による可変絞り１７の構成を図７を用いて説明する。図７（ａ）は、可変絞り１７の絞り開口が最も開いた開状態を示す図、図７（ｂ）は、絞り開口が最も閉じた閉状態を示す図である。尚、可変絞り４０の構成、開口形状は、可変絞り１７の場合と同様なので、その説明は省略する。
　実施形態３による可変絞り１７は、図７に示すように、実施形態１の場合の可変絞り羽根１７３を固定絞り板１７１に対して時計廻りに９０度回転させた位置に配置したものであり、構成部材は、実施形態１の場合と略同様である。
　このような構成にすることにより、可変絞り１７の閉状態のときの開口形状は、図８（ｂ）に示すような開口形状１７３ｃ、すなわち、ＤＭＤ２４の画像表示領域の長辺方向（ロッドインテグレータ１５の長辺方向１５ｌ）に相当する方向に長い偏平な形状となる。
　投影光学系２０、及びリレー光学系１８の瞳位置に形成される光源像の分布ピッチは、図８（ｂ）に示すように、ＤＭＤ２４の長辺方向に相当する方向（ロッドインテグレータ１５の入射面１５ｉに対して長辺方向１５ｌ）のピッチＰｌが短辺方向に相当する方向（ロッドインテグレータ１５の入射面１５ｉに対して短辺方向１５ｓ）のピッチＰｓよりも大きい。この為、図６に示した実施形態１の場合の可変絞り１７では、小絞り時に通過するＤＭＤ２４の長辺方向に相当する方向の光源像Ｋの数が少なくなり、その方向の重畳効果が小さくなり、面内光強度分布の均一性が低下し易くなる。
　そこで、図７に示したように、閉状態の開口形状１７３ｃをＤＭＤ２４の長辺方向に相当する方向に長い偏平な形状にすることにより、同じ開口面積で通過するＤＭＤ２４の長辺方向に相当する方向の光源像Ｋの数を増やすことができる。これにより、小絞りに時の照明光の面内光強度分布の均一性を高めることができる。望ましくは、閉状態の開口形状１７３ｃを、ＤＭＤ２４の長辺方向に相当する方向の光源像Ｋの数が短辺方向に相当する方向の光源像Ｋの数と同じぐらいになるような形状とすればより好ましい。これにより、小絞り時においても、照明光の面内光強度分布の均一性をさらに高め、照度ムラの少ない綺麗な投影像を得ることができる。また、このとき、前述の実施形態１の場合と同様な作用により、コントラストを高めることができる。
　以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は前述の実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、適宜変更、改良が可能であることは勿論である。例えば、可変絞り１７、４０の小絞り時の開口形状１７３ｃは、図６（ｂ）に示したような楕円形に限らず、図９（ａ）～図９（ｄ）に示すような種々の形状が考えられる。また、前述の実施の形態においては、単一のＤＭＤ２４とカラーホイール１４を備えた構成の投影装置１について説明したが、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色に対応した３つのＤＭＤと色分解・合成を行うカラープリズムを備えた構成の投影装置に適用してもよい。
　また、ランプリフレクタを放物面鏡としコンデンサレンズを用いて収束光とする場合に、コンデンサレンズの面をトーリック面として、ロッドインテグレータ１５の入射面１５ｉに入射する長辺方向の収束角度を短辺方向の収束角度よりも小さくなるようにしてもよい。このように集光角度の変換作用と集光作用とを一体的に持つ実施形態も、本発明の技術範囲である。つまり、コンデンサレンズが、ロッドインテグレータに入射するランプリフレクタ（集光光学系）からの光束のＤＭＤの画像表示領域の長辺方向に相当する方向の収束角度を短辺方向に相当する方向の収束角度よりも小さくする光学素子であるといえる。
　１　投影装置
　１１　放電ランプ
　１２　ランプリフレクタ
　１３　シリンドリカルレンズ
　１４　カラーホイール
　１５　ロッドインテグレータ
　１６ａ、１６ｂ、１６ｃ　リレーレンズ
　１７、４０　可変絞り
　１７１　固定絞り板
　１７３　可変絞り羽根
　１７５　ギア
　１８　リレー光学系
　１９　照明光学系
　２０　投影光学系
　２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ　投影レンズ
　２１　第１プリズム
　２２　第２プリズム
　２３　プリズムユニット
　２４　ＤＭＤ
　３３　絞り駆動モータ
　３６　絞り制御部
　５０　偏角プリズム

Claims (8)

  1. 　照明光を射出する照明光学系と、該照明光学系からの前記照明光を画像情報に基づき変調し画像表示領域が長方形状のデジタルマイクロミラーデバイスと、絞りを有し前記デジタルマイクロミラーデバイスによる変調光を該絞りを介して被投影面に投影する投影光学系と、を備えた投影装置において、
    　前記照明光学系は、光源と、該光源から射出した光を集光する集光光学系と、該集光光学系によって集光されて入射面から入射した光を面内強度分布の均一性を高めて射出面から射出し光軸に垂直な断面が長方形状のロッドインテグレータと、該ロッドインテグレータの射出面から射出した光を前記デジタルマイクロミラーデバイスに導くリレー光学系と、前記集光光学系と前記ロッドインテグレータとの間に配置され、前記ロッドインテグレータへ入射する前記集光光学系からの光束の前記デジタルマイクロミラーデバイスの前記画像表示領域の長辺方向に相当する方向の収束角度を短辺方向に相当する方向の収束角度よりも小さくする光学素子と、を有し、
    　前記ロッドインテグレータの前記射出面と前記デジタルマイクロミラーデバイスの前記画像表示領域は略相似形状であって、光学的に共役であり、
    　前記絞りの開口形状は、前記デジタルマイクロミラーデバイスの前記画像表示領域の短辺方向に相当する方向に長い偏平な形状であることを特徴とする投影装置。
  2. 　前記絞りは、その開口形状が調整可能な可変絞りであることを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
  3. 　前記可変絞りの小絞り時の開口形状は、前記デジタルマイクロミラーデバイスの前記画像表示領域の短辺方向に相当する方向に偏平な形状であることを特徴とする請求項２に記載の投影装置。
  4. 　前記可変絞りの小絞り時の開口形状は、前記デジタルマイクロミラーデバイスの前記画像表示領域の長辺方向に相当する方向に偏平な形状であることを特徴とする請求項２に記載の投影装置。
  5. 　前記リレー光学系は、前記投影光学系が有する前記絞りの開口形状と光学的に等価な開口形状の絞りを有することを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
  6. 　前記リレー光学系は、前記投影光学系が有する前記可変絞りと光学的に等価な開口形状の可変絞りを有し、２つの該可変絞りは、連動して同じ開口形状になるように制御されることを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載の投影装置。
  7. 　前記光学素子は、シリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の投影装置。
  8. 　前記光学素子は、偏角プリズムであることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の投影装置。
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