(57)【要約】【課題】高性能且つコンパクト、大口径比であっても明るい画像を広画角で投影面上に拡大投影できる画像投影装置を提供する。【解決手段】ＤＭＤで反射された照明光のコーンアングルが投射光学系のコーンアングル以下、投射光学系のＦナンバーをＦno、ＤＭＤで反射された照明光の主光線と投射光学系の光軸とのなす角をα、ＤＭＤで反射された照明光のコーンアングルをβとしたとき、Ｆno＜1.8、8.5゜＜α＜10.5゜、β＜11.5゜投射光学系の射出瞳位置をEXP、投射光学系の射出瞳中心とＤＭＤの最大像高とを結んだ方線と投射光学系の光軸とのなす角をθ１、投射光学系の最大像高での下光線と投射光学系の光軸とのなす角をθ２、ＤＭＤで反射された照明光の下光線と投射光学系の光軸とのなす角をθ３としたとき、θ１＝θ２−sin（1／(Ｆno×2)）、θ２＞β−θ３、41mm＜EXP＜60mmの関係を満足する。【選択図】図１
2010145917.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から出射された光を集光して照明光を形成するテレセントリックな照明光学系と、
前記照明光を変調して反射することにより画像信号に応じた画像を形成する反射型の空間光変調素子と、
前記画像を投影面上に拡大投影する非テレセントリックな投射光学系とを備え、
前記空間変調素子で反射された照明光のコーンアングルが前記投射光学系のコーンアングル以下であり、
前記投射光学系のＦナンバーをＦno、前記空間変調素子で反射された照明光の主光線と前記投射光学系の光軸とのなす角をα、前記空間変調素子で反射された照明光のコーンアングルをβとしたときに、
Ｆno＜１．８、 
８．５゜＜α＜１０．５゜、 
β＜１１．５゜ 
の関係を満足し、
前記投射光学系の射出瞳位置をＥＸＰ、前記投射光学系の射出瞳中心と前記空間変調素子の最大像高とを結んだ方線と前記投射光学系の光軸とのなす角をθ１、前記投射光学系の最大像高での下光線と前記投射光学系の光軸とのなす角をθ２、前記空間変調素子で反射された照明光の下光線と前記投射光学系の光軸とのなす角をθ３としたときに、
θ１＝θ２−sin（１／(Ｆno×２)）、 
θ２＞β−θ３、 
４１ｍｍ＜ＥＸＰ＜６０ｍｍ 
の関係を満足することを特徴とする画像投影装置。
【請求項２】
前記照明光学系の光学倍率をＢとしたときに、
Ｂ＞２．６ 
の関係を満足することを特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。
【請求項３】
前記投射光学系のバックフォーカスを空気換算でＢＦ、焦点距離をＥＦＬとしたときに、
ＢＦ＞ＥＦＬ×０．９ 
の関係を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像投影装置。
【請求項４】
前記光源と前記照明光学系との間に、前記光源から出射された光を波長の異なる複数の色光に分離するカラーフィルタを周方向に配置して回転駆動される回転フィルタと、前記回転フィルタの各フィルタを通過した色光を前記照明光学系へと導く導光部材とが配置され、
前記導光部材は、その光軸と直交する方向の断面形状が平行四辺形であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の画像投影装置。
【請求項５】
前記導光部材の出射側の端面が光軸に対して斜めにカットされた形状を有することを特徴とする請求項４に記載の画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射型の空間光変調素子によって形成された画像を投影面上に拡大投影する画像投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像投影装置であるプロジェクタには、液晶方式とＤＬＰ(デジタル・ライト・プロセッシング：登録商標)方式とがある。このうち、ＤＬＰ方式は、ＤＭＤ(デジタル・マイクロミラー・デバイス：登録商標)と呼ばれる反射型の空間光変調素子を使用している。
【０００３】
ＤＭＤは、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いて、ねじれ軸周りに±１２゜の角度範囲で傾きを変えることができる微小な鏡（マイクロミラー）をＣＭＯＳ半導体デバイス上に多数並べて形成したものであり、各ミラーの傾きを画像信号に応じて切り換えながら、光源からの光の反射方向を制御し、各ミラーからの反射光の有無（ＯＮ／ＯＦＦ）によって画像を表示可能としている。
【０００４】
また、ＤＬＰ方式のプロジェクタは、このようなＤＭＤに集光された照明光を入射させる照明光学系と、このようなＤＭＤで反射された照明光によって形成された画像をスクリーンなどの投影面上に拡大投影する投射光学系とを備えている（例えば、特許文献１〜５を参照。）。
【０００５】
ここで、ＤＬＰ方式のプロジェクタにおいて、例えば照明光学系がテレセントリック光学系で、投射光学系がテレセントリック光学系である場合には、ＤＭＤの前面にフィールドレンズなどを配置する必要があり、更にレンズが大口径となるため、これらがコストアップの要因となっている。また、プロジェクタの小型化及び薄型化を図るためには、よりコンパクトでレンズ径が小さいものが求められる。
【０００６】
一方、照明光学系がテレセントリック光学系で、投射光学系が非テレセントリック光学系である場合には、フィールドレンズが不要となるものの、ＤＭＤに照明光を入射させる照明光学系の影響を受けないようにするためには、バックフォーカスをある程度長くする必要がある。しかしながら、バックフォーカスが長くするほど、良好な光学性能を得るためのレンズ設計が難しくなる。例えば、照明光学系からＤＭＤへの照明光の入射角度によっては、ＤＭＤで反射された照明光のうち、投射光学系のレンズ端から入射する周辺光束の一部が投射光学系の有効口径から外れて、レンズ端で受けきれなくなり、その結果、周辺光量の低下を招くことがある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１８５９６４号公報
【特許文献２】特開２００８−１０７８４４号公報
【特許文献３】特開２０００−９８２７２号公報
【特許文献４】特開平１１−２４９０６９号公報
【特許文献５】特開２００８−１４６０８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、テレセントリックな照明光学系と非テレセントリックな投射光学系との組み合わせにおいて、高性能且つコンパクト、大口径比であっても明るい画像を広画角で投影面上に拡大投影できる画像投影装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る画像投影装置は、光源と、光源から出射された光を集光して照明光を形成するテレセントリックな照明光学系と、照明光を変調して反射することにより画像信号に応じた画像を形成する反射型の空間光変調素子と、画像を投影面上に拡大投影する非テレセントリックな投射光学系とを備え、空間変調素子で反射された照明光のコーンアングルが投射光学系のコーンアングル以下であり、投射光学系のＦナンバーをＦno、空間変調素子で反射された照明光の主光線と投射光学系の光軸とのなす角をα、空間変調素子で反射された照明光のコーンアングルをβとしたときに、Ｆno＜１．８、 ８．５゜＜α＜１０．５゜、 β＜１１．５゜ の関係を満足し、投射光学系の射出瞳位置をＥＸＰ、投射光学系の射出瞳中心と空間変調素子の最大像高とを結んだ方線と投射光学系の光軸とのなす角をθ１、投射光学系の最大像高での下光線と投射光学系の光軸とのなす角をθ２、空間変調素子で反射された照明光の下光線と投射光学系の光軸とのなす角をθ３としたときに、θ１＝θ２−sin（１／(Ｆno×２)）、 θ２＞β−θ３、 ４１ｍｍ＜ＥＸＰ＜６０ｍｍ の関係を満足することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る画像投影装置では、テレセントリックな照明光学系と非テレセントリックな投射光学系とを組み合わせた場合に、上記関係を満足することによって、光変調素子で反射された照明光のうち、投射光学系のレンズ端から入射する周辺光束の一部が投射光学系の有効口径から外れて、レンズ端で受けきれなくなることを防止することができ、光の利用効率を向上させることが可能である。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、本発明よれば、テレセントリックな照明光学系と非テレセントリックな投射光学系との組み合わせにおいて、高性能且つコンパクト、大口径比であっても明るい画像を広画角で投影面上に拡大投影できる画像投影装置を提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示されるレンズデータ等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００１３】
本発明を適用した画像投影装置の一例として、図１に示すＤＬＰ方式のプロジェクタ５０について説明する。
このプロジェクタ５０は、図１に示すように、光源であるランプ５１と、ランプ５１から出射された光を集光して照明光を形成する照明光学系５２と、照明光を変調して反射することにより画像信号に応じた画像を形成する反射型の空間光変調素子であるＤＭＤ５３と、画像を投影面であるスクリーン５５上に拡大投影する投射光学系５４とを備えている。
【００１４】
また、ランプ５１と照明光学系５２との間には、ランプ５１から出射された光を波長の異なる複数の色光に分離するカラーフィルタを周方向に配置して回転駆動される回転フィルタであるカラーホイール５６と、カラーホイール５６の各フィルタを通過した色光を照明光学系５２へと導く導光部材であるロッドインテグレータ５７とが配置されている。
【００１５】
本発明を適用したプロジェクタ５０では、照明光学系５２がテレセントリック光学系、投射光学系５４が非テレセントリック光学系であり、フィールドレンズを使用しない構成となっている。
【００１６】
具体的に、照明光学系５２は、全体として正の屈折力を有するレンズ群を有しており、このレンズ群を構成する各レンズＬ１〜Ｌ４が互いの光軸を一致させた状態で配置されている。
【００１７】
一方、投射光学系５４は、全体として負の屈折力を有する第１のレンズ群５４ａと、全体として正の屈折力を有する第２のレンズ群５４ｂとを有しており、これら第１及び第２のレンズ群５４ａ，５４ｂを構成する各レンズＬ５〜Ｌ１４が互いの光軸を一致させた状態で配置されている。また、第２のレンズ群５４ｂを構成するレンズＬ１０とレンズＬ１１との間には、絞り５６が配置されている。
【００１８】
なお、本発明は、上記照明光学系５２及び投射光学系５４のレンズ構成に必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、例えばレンズの形状やその組み合わせ及び枚数等について、適宜変更して実施することが可能である。
【００１９】
本発明を適用したプロジェクタ５０では、投射光学系５４のレンズ端から入射する周辺光束の一部が投射光学系５４の有効口径から外れて、レンズ端で受けきれなくなることを防止するため、ＤＭＤ５３で反射された照明光のコーンアングルが投射光学系５４のコーンアングル以下となっている。
【００２０】
ここで、ＤＭＤ５３で反射された照明光のコーンアングルとは、ＤＭＤ５３で反射されて投射光学系５４に入射する照明光の広がり角のことであり、全角で表される値である。一方、投射光学系５４のコーンアングルとは、投射光学系５４の光軸上の像点に対し射出瞳が張る角度（開口角という。）のことであり、一般に半角で表される値である。本発明では、互いを全角（又は半角）で比較した場合において、ＤＭＤ５３で反射された照明光のコーンアングルが投射光学系５４のコーンアングルと同じかそれよりも小さくなることを意味する。
【００２１】
また、本発明を適用したプロジェクタ５０では、図２に示すように、投射光学系５４のＦナンバーをＦno、ＤＭＤ５３で反射された照明光の主光線と投射光学系５４の光軸とのなす角をα、ＤＭＤ５３で反射された照明光のコーンアングルをβとしたときに、以下の関係を満足することが好ましい。
Ｆno＜１．８ 
８．５゜＜α＜１０．５゜ 
β＜１１．５゜ 
なお、Ｆnoは、以下の式で表される値である。
Ｆno＝１／（２sin(β＋α））
【００２２】
Ｆnoが１．８よりも小さい場合には、本発明のレンズ構成において最大像高での照明光の下光線側の光束を投射光学系５４で受けきれなくなってしまう。また、βが１１．５゜以上となった場合も、同様に照明光の下光線側の光束を投射光学系５４で受けきれなくなってしまう。αが８．５゜以下となる場合も同様である。一方、α１０．５゜以上となった場合には、ＤＭＤ５３の中心での照明光の上光線側の光束を投射光学系５４で受けきれなくなってしまう。
【００２３】
本発明において、α及びβの値が上記関係を満たす場合には、射出瞳の位置が重要となる。これは、射出瞳の位置によって、投射光学系５４の照明光の受ける角度が変化するためである。例えば図３（ａ），（ｂ）に示すように、射出瞳の位置が長ければそれだけテレセントリック（射出瞳位置が∞）となる。なお、図３（ａ）は、照明光学系５２の射出瞳位置が∞（テレセントリック）の場合であり、図３（ｂ）は、照明光学系５２の射出瞳位置が有限（非テレセントリック）の場合である。
【００２４】
また、投射光学系５４の射出瞳位置に対して、照明光学系５２の射出瞳位置が十分に離れている場合には、それぞれのレンズ光線の角度の乖離が少ないため、光の利用効率の良いプロジェクタ１の構成が可能となる。一方、投射光学系５４の射出瞳位置が長くなると、レンズ径が大きくなり小型化が困難となる。
【００２５】
このことから、本発明を適用したプロジェクタ５０では、図４に示すように、投射光学系５４の射出瞳位置をＥＸＰ、投射光学系５４の射出瞳中心とＤＭＤ５３の最大像高Ｈ１とを結んだ方線と投射光学系の光軸とのなす角をθ１、投射光学系の最大像高Ｈ１での下光線と投射光学系５４の光軸とのなす角をθ２、ＤＭＤ５３で反射された照明光の下光線と投射光学系５４の光軸とのなす角をθ３としたときに、以下の関係を満足することが好ましい。
θ１＝θ２−sin（１／(Ｆno×２)） 
θ２＞β−θ３ 
４１ｍｍ＜ＥＸＰ＜６０ｍｍ 
なお、ＥＸＰは、以下の式で表される値である。
ＥＸＰ＝Ｈ１／tanθ１  
【００２６】
ＥＸＰが４１ｍｍ以下となる場合には、最大像高Ｈ１での照明光の下光線側の光束を投射光学系５４で受けきれなくなってしまう。ＥＸＰが６０ｍｍ以上となる場合には、ＤＭＤ５３の中心での照明光の上光線側の光束を投射光学系５４で受けきれなくなってしまう。
【００２７】
また、上記関係を満足し、ＤＭＤ５３の上辺又は下辺が光軸と一致する像高を持った投射光学系５４である場合には、ＤＭＤ５３のオフセット量を１００％とすることが好ましい。なお、ここで言うオフセット量とは、投射光学系５４の光軸がＤＭＤ５３の中心にある場合をゼロ(０)とし、投射光学系５４の光軸がＤＭＤ５３の上辺側にずれた場合をプラス(＋)、ＤＭＤ５３の下辺側にずれた場合をマイナス(−)として、それぞれ１００％換算で表した値である。なお、このオフセット量は、一般にプロジェクタ１は卓上に設置されて、この卓上から上方のスクリーン５５に向かって投影するため、通常は＋オフセットとなっている。また、このオフセット量は、適宜変更することが可能であり、ＤＭＤ５３のサイズによって＋１００％以上とすることも＋１００％以下とすることも可能である。
【００２８】
また、本発明を適用したプロジェクタ５０では、照明光学系の光学倍率をＢとしたときに、以下の関係を満足することが好ましい。
Ｂ＞２．６ 
なお、光学倍率Ｂは、ロッドインテグレータ５７の射出後の照明光の最大出射角度をβで除した値である。
【００２９】
また、本発明を適用したプロジェクタ５０では、投射光学系５４のバックフォーカスを空気換算でＢＦ、焦点距離をＥＦＬとしたときに、以下の関係を満足することが好ましい。
ＢＦ＞ＥＦＬ×０．９ 
【００３０】
ＢＦが短すぎた場合には、照明光学系５２からＤＭＤ５３に入射する照明光と、ＤＭＤから投射光学系５４へと出射（反射）される照明光とが交差してしまうため、ある程度のＢＦが必要である。また、本発明では、ＢＦとＥＦＬとがほぼ同じ投射光学系５４を用いることで、上述した照明光の交差を回避している。
【００３１】
また、ロッドインテグレータ５７は、図５（ａ），（ｂ）に示すように、その光軸と直交する方向の断面形状を平行四辺形とすることが好ましい。具体的に、従来のようにロッドインテグレータ５７の断面形状が長方形である場合には、照明光学系５２によってＤＭＤ５３上に集光される照明光は、図６（ａ）に示すように、歪曲収差によって平行四辺形となってしまう。
【００３２】
これに対して、本発明のようにロッドインテグレータ５７の断面形状が平行四辺形である場合には、照明光学系５２によってＤＭＤ５３上に集光される照明光は、図６（ｂ）に示すように、歪曲収差が補正されてＤＭＤ５３と同じ長方形となる。このように、照明光学系５２側の収差補正をロッドインテグレータ５７で行うことで、照明光学系５２側のレンズ構成を安価に小型化することができる。
【００３３】
さらに、ロッドインテグレータ５７は、その出射側の端面５７ａが光軸に対して斜めにカットされた形状を有することが好ましい。この場合、図７（ａ）に示すように、ロッドインテグレータ５７の出射側の端面５７ａからは、照明光が斜めに出射されることになり、いわゆるアオリ効果によって、図中の囲み部分Ｘに示すように、照明光学系５２を介してＤＭＤ５３上に集光される照明光は、ＤＭＤ５３上において各光束が焦点を結ぶことになる。これにより、照明光のＤＭＤ５３上での集光特性を更に向上させることができる。
【００３４】
一方、図７（ｂ）に示すように、ロッドインテグレータ５７の出射側の端面５７ａが光軸に対して垂直にカットされた形状を有する場合には、図中の囲み部分Ｘに示すように、ＤＭＤ５３上に集光される各光束の焦点がずれるために、図７（ａ）に示す場合よりも照明光のＤＭＤ５３上での集光特性が劣ることになる。
【００３５】
以上のように、本発明を適用したプロジェクタ１では、テレセントリックな照明光学系５２と非テレセントリックな投射光学系５４とを組み合わせた場合に、上記関係を満足することによって、ＤＭＤ５３で反射された照明光のうち、投射光学系５４のレンズ端から入射する周辺光束の一部が投射光学系５４の有効口径から外れて、レンズ端で受けきれなくなるといったことを防止することができ、光の利用効率を向上させることが可能である。
【００３６】
したがって、このプロジェクタ５０では、テレセントリックな照明光学系５２と非テレセントリックな投射光学系５４との組み合わせにおいて、高性能且つコンパクト、大口径比であっても明るい画像を広画角で投影面上に拡大投影することが可能であり、さらに、装置全体の小型化及び薄型化も可能である。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
【００３８】
本実施例では、本発明を適用した画像投影装置として、上記図１に示すＤＬＰ方式のプロジェクタ５０と同様の構成を有するプロジェクタを作製し、その光の利用効率について測定を行った。
【００３９】
具体的に、本実施例に示す照明光学系の設計データについては、以下の表１に示すとおりである。
なお、表１中の「面番号ｉ（ｉは自然数を表す。）」は、照明光学系を構成する各レンズのうち、最もＤＭＤ側に位置するレンズのレンズ面を１番目として、ロッドインテグレータの出射面まで順次増加するレンズ面の番号を示している。また、表１中において、「Ｒ」は、各面番号に対応したレンズ面の曲率半径［ｍｍ］（但し、Ｒの値が０となる面は、その面が平面であることを示す。）、「Ｄ」は、ＤＭＤ側からｉ番目のレンズ面とｉ＋１番目のレンズ面との軸上面間隔［ｍｍ］、「Ｎｄ」は各レンズの屈折率、「Ｖｄ」は各レンズのアッベ数を示している。
【００４０】
【表１】
2010145917.tif 000003
【００４１】
また、本実施例に示す投射光学系の設計データについては、以下の表２に示すとおりである。
なお、表２中の「面番号ｉ（ｉは自然数を表す。）」は、投射光学系を構成する各レンズのうち、最もスクリーン側に位置するレンズのレンズ面を１番目として、ＤＭＤ側に向かうに従い順次増加するレンズ面の番号を示している。また、表２中において、「Ｒ」は、各面番号に対応したレンズ面の曲率半径［ｍｍ］（但し、Ｒの値が０となる面は、その面が平面であることを示す。）、「Ｄ」は、スクリーン側からｉ番目のレンズ面とｉ＋１番目のレンズ面との軸上面間隔［ｍｍ］、「Ｎｄ」は各レンズの屈折率、「Ｖｄ」は各レンズのアッベ数を示している。
【００４２】
【表２】
2010145917.tif 000004
【００４３】
そして、本実施例に示すプロジェクタの各条件は以下のとおりである。
照明光学系の射出瞳位置＝∞（テレセントリック） 
投射光学系の射出瞳位置＝４２．７ｍｍ 
Ｆno＝１．８ 
α＝８．５゜ 
β＝１１．１゜ 
ＥＦＬ＝２３ｍｍ 
ＢＦ＝２２．９ｍｍ 
θ１＝１２．８゜ 
θ２＝３．４゜ 
θ３＝２．６゜ 
Ｂ＝２．７ 
【００４４】
本実施例に示すプロジェクタは、上記本発明の条件を満たすものである。そして、このプロジェクタついて、光の利用効率を測定したところ、スクリーン上で約８１％の光の利用効率が実現された。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明を適用した画像投影装置の一構成例を示す斜視図である。
【図２】本発明の条件を説明するための模式図である。
【図３】図３（ａ）は、照明光学系の射出瞳位置が∞（テレセントリック）の場合を示す模式図、図３（ｂ）は、照明光学系の射出瞳位置が有限（非テレセントリック）の場合を示す模式図である。
【図４】本発明の条件を説明するための模式図である。
【図５】図５（ａ）は、ロッドインテグレータの側面図、図５（ｂ）は、ロッドインテグレータの断面図である。
【図６】図６（ａ）は、ロッドインテグレータの断面が平行四辺形である場合のＤＭＤ上に集光される照明光の形状を示す測定図、図６（ｂ）は、ロッドインテグレータの断面が長方形である場合のＤＭＤ上に集光される照明光の形状を示す測定図である。
【図７】図７（ａ）は、ロッドインテグレータの出射面が斜めにカットされた場合を示す模式図、図７（ｂ）は、ロッドインテグレータの出射面が垂直にカットされた場合を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４６】
５０…プロジェクタ（画像投影装置）  ５１…ランプ（光源）  ５２…照明光学系  ５３…ＤＭＤ（反射型の空間光変調素子）  ５４…投射光学系  ５５…スクリーン（投影面）  ５６…カラーホイール（回転フィルタ）  ５７…ロッドインテグレータ（導光部材）  ５７…絞り
【図１】
2010145917.tif 000005
【図２】
2010145917.tif 000006
【図３】
2010145917.tif 000007
【図４】
2010145917.tif 000008
【図５】
2010145917.tif 000009
【図６】
2010145917.tif 000010
【図７】
2010145917.tif 000011