(57)【要約】【課題】画像投影装置において、反射型空間変調素子を用いてもコンパクトな構成の装置とする。【解決手段】反射型空間変調素子５の表示画像を投影する画像投影装置１００であって、投影光学系４は、反射型空間変調素子５に近接され、反射型空間変調素子５による反射光を集光するとともに照明光学系３の一部をなす視野レンズ４１と、視野レンズ４１で集光された反射光を投影する第１光学系４２とを備え、照明光学系３は、視野レンズ４１および第１光学系４２の間の光路の側方に設けられ、光源部１からの光を集光する第２光学系３１と、視野レンズ４１および第１光学系４２の間の光路を挟んで第２光学系３１に対向して配置され、少なくとも反射面３２ｂを有することで第２光学系３１からの光を視野レンズ４１を介して反射型空間変調素子５上に照射せしめる第３光学系３２とを備える。【選択図】図１
2010117672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源部と、該光源部からの光によって照明光を形成する照明光学系と、前記照明光を空間変調して反射光により画像を表示する反射型空間変調素子と、該反射型空間変調素子に表示された画像を投影する投影光学系とを有する画像投影装置であって、
前記投影光学系は、
前記反射型空間変調素子に近接して配置され、該反射型空間変調素子による前記反射光を集光するとともに前記照明光学系の一部をなす視野レンズと、
該視野レンズによって集光された前記反射光を投影する第１光学系とを備え、
前記照明光学系は、
前記投影光学系の前記視野レンズおよび第１光学系の間の光路の側方に設けられ、前記光源部からの光を集光する第２光学系と、
前記投影光学系の前記視野レンズおよび第１光学系の間の光路を挟んで前記第２光学系に対向して配置され、屈折力を有するとともに、少なくとも反射面を有することにより前記第２光学系からの光を前記視野レンズを介して前記反射型空間変調素子上に照射せしめる第３光学系とを備えることを特徴とする画像投影装置。
【請求項２】
前記第３光学系は、
前記反射面への入射光と前記反射面での反射光とをそれぞれ透過させるレンズ光学系を備えることを特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は画像投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＤＭＤ（Digital Micro mirror Device）を用いた画像投影装置が提案されている。このような画像投影装置として、例えば、特許文献１には、光源と、第１、第２、第３部分光学系と、第１および第２部分光学系の光軸の側方に第３部分光学系と同方向側に配置されたプリズムと、第２部分光学系の近傍に第１部分光学系と対向する位置の光軸上に配置された反射型空間変調素子であるＤＭＤアレイとを備え、光源からの光を第３部分光学系によって集光し、プリズムによって反射することで第２部分光学系を介してＤＭＤアレイを照明し、ＤＭＤアレイで反射されて第２部分光学系を透過した光を第１部分光学系に入射させて、スクリーンに投影するものが提案されている。
【特許文献１】米国特許第６４３９７２６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のような従来の画像投影装置では、以下のような問題がある。
特許文献１に記載の技術では、第３部分光学系で集光された光をプリズムで折り曲げて第２部分光学系に入射させるため、第３部分光学系と第２部分光学系との距離を短くしても第３部分光学系と第１部分光学系とが干渉しない配置をとることが可能となるものの、第３部分光学系および光源の光路が、第１および第２部分光学系の光軸の側方に光路を折り曲げられて配置されるため、全体として、第１および第２部分光学系の光軸の側方に大きな配置スペースが必要となる。このため、コンパクトな装置を構成することができないという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、反射型空間変調素子を用いてもコンパクトな構成とすることが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】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明の画像投影装置は、光源部と、該光源部からの光によって照明光を形成する照明光学系と、前記照明光を空間変調して反射光により画像を表示する反射型空間変調素子と、該反射型空間変調素子に表示された画像を投影する投影光学系とを有する画像投影装置であって、前記投影光学系は、前記反射型空間変調素子に近接して配置され、該反射型空間変調素子による前記反射光を集光するとともに前記照明光学系の一部をなす視野レンズと、該視野レンズによって集光された前記反射光を投影する第１光学系とを備え、前記照明光学系は、前記投影光学系の前記視野レンズおよび第１光学系の間の光路の側方に設けられ、前記光源部からの光を集光する第２光学系と、前記投影光学系の前記視野レンズおよび第１光学系の間の光路を挟んで前記第２光学系に対向して配置され、屈折力を有するとともに、少なくとも反射面を有することにより前記第２光学系からの光を前記視野レンズを介して前記反射型空間変調素子上に照射せしめる第第３光学系とを備える構成とする。
この発明によれば、照明光学系が、視野レンズおよび第１光学系の間の光路を挟んで互いに対向して配置された第２光学系および少なくとも反射面を有する第３光学系を備えるため、第２光学系からの光を第３光学系の反射面によって反射し視野レンズに入射させて、反射型空間変調素子を照明することができる。このため、視野レンズおよび第１光学系の間の光路と、第２光学系および第３光学系の間の光路とが積層して配置されるため、省スペースな配置とすることができる。
また、光源部からの光を離間して配置された第２および第３光学系によって集光するので、第２および第３光学系の間で屈折力を配分することにより、照度分布を良好に保ちつつ、照明光学系の全長を短縮したり、第２光学系から出射される光束の光束径を縮径したりすることができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の画像投影装置によれば、視野レンズおよび第１光学系の間の光路と、第２光学系および第３光学系の間の光路とを積層させて省スペースな配置をとるため、反射型空間変調素子を用いてもコンパクトな構成とすることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【０００８】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る画像投影装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る画像投影装置の概略構成を示す模式的な斜視図である。図２（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る画像投影装置の図１におけるＡ視の模式的な平面図である。図２（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る画像投影装置の図１におけるＢ視の模式的な正面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る照明光学系の図１におけるＡ視の光路図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係る照明光学系の図１におけるＢ視の光路図である。
【０００９】
なお、図１、図２（ａ）、（ｂ）には、後述する反射型空間変調素子５の矩形状の画像表示面５ａの中心点Ｉに原点が固定されたｘｙｚ座標系を記載している。ｘ軸、ｙ軸は、それぞれ画像表示面５ａの長辺方向および短辺方向に沿う軸であり、ｚ軸は、画像表示面５ａの基準平面の法線に沿う軸である。
【００１０】
図１に示すように、本実施形態の画像投影装置１００は、反射型空間変調素子５を照明して、反射型空間変調素子５に表示される画像を投影するもので、例えば、プロジェクションテレビジョン、ビデオプロジェクタなどとして好適となるものである。
画像投影装置１００の概略構成は、光源部１と、光源部１からの光によって照明光を形成する照明光学系３と、照明光学系３によって形成された照明光を空間変調して反射光により画像を表示する反射型空間変調素子５と、反射型空間変調素子５に表示された画像を投影する投影光学系４とを備え、これらが不図示の筐体内に位置決めして配置されている。なお、特に図示しないが、光源部１および反射型空間変調素子５には、これらの動作を制御する制御部が電気的に接続されている。
投影光学系４によって投影された画像は、装置外部の投影面である不図示のスクリーン上に映写される。
【００１１】
光源部１は、例えば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）、白色（Ｗ）の波長分布を有し、矩形領域内で略均等な照度分布を有する照明光を発生させるものであり、本実施形態では、光源１０、回転フィルタ１１、および照明インテグレータ１２からなる。
光源１０は、高輝度の白色の光束を発生させるランプ、例えば、メタルハライドランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプなどからなる。
回転フィルタ１１は、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光をそれぞれ透過させる３つのカラーフィルタとＷ光を透過させるＮＤフィルタとが周方向に設けられたカラーホイールが、例えばステッピングモータなどのモータによって回転可能に支持されたものである。カラーホイール上の各フィルタは、光源１０から出射される光束の光束径よりも大きな面積を有している。このため、カラーホイールの角度位置を切り換えることにより、光源１０から出射された白色の光束を、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光、およびＷ光として透過させることができる。
照明インテグレータ１２は、回転フィルタ１１を透過した光束の照度分布を矩形領域内で略均等化する光学素子である。本実施形態では、回転フィルタ１１側の端部である入射口１２ａと、入射口１２ａと反対側の端部である出射口１２ｂがそれぞれ矩形状のロッドインテグレータを採用している。
【００１２】
照明光学系３は、照明インテグレータ１２の出射口１２ｂから出射された光束を、適宜変倍することで、反射型空間変調素子５の画像表示面５ａを覆う矩形領域を照明するための光学系である。
本実施形態では、照明インテグレータ１２から出射される光束の光路上に、照明インテグレータ１２側から、順次配置された第２光学系３１および第３光学系３２と、第２光学系３１と第３光学系３２との間の光路の側方において、レンズ光軸Ｑ１が第２光学系３１と第３光学系３２との間の光路に対して交差する位置関係、もしくはねじれの位置関係となる状態に配置された視野レンズ４１とを備える。
以下では、第２光学系３１のレンズ光軸を、光軸Ｐ１と称する。光軸Ｐ１は、照明インテグレータ１２の出射口１２ｂの中心に略一致されている。以下では、出射口１２ｂと光軸Ｐ１との交点を点Ｏと称する。
【００１３】
第２光学系３１は、照明インテグレータ１２側（以下、物体側）から、第１レンズ３１Ａ、第２レンズ３１Ｂ、および第３レンズ３１Ｃを備え、これらにより全体として正の屈折力を有する３枚構成の集光光学系である。
以下、図３、４を参照して、各レンズについて説明する。なお、図３、４は、光路図のため、第３光学系３２の外形を簡略化して、矩形外形を有する形状に描いている。
第１レンズ３１Ａ、第２レンズ３１Ｂは、それぞれ物体側のレンズ面が凹面である正メニスカスレンズである。
第３レンズ３１Ｃは、両凸レンズである。
【００１４】
第３光学系３２は、光軸Ｐ１を光軸Ｐ１に対する開き角が鋭角をなす光軸Ｐ２として反射する屈折力を有する反射型光学系である。本実施形態では、物体側のレンズ面が凹面３２ａとされた負メニスカスレンズの凸面の表面に、内部反射面を構成する反射面３２ｂが形成された１枚構成の反射面付きレンズを採用している。すなわち、第３光学系３２は、凹面３２ａを有する負メニスカスレンズによって形成されるレンズ光学系と、反射面３２ｂによって形成される凹反射面による反射光学系とが複合されたものである。
本実施形態の反射面３２ｂは、例えば真空蒸着法などによる反射膜コーティングによって形成されている。ただし、全反射による内部反射面が形成できる場合には、反射膜コーティングはなくてもよい。
第３光学系３２の屈折力は、反射面３２ｂが凹面鏡で正の屈折力を有するので、負メニスカスレンズの屈折力の大きさによっては、全体として正の屈折力を持たせることもできるが、本実施形態では、凹反射面の曲率を緩やかに設定することで、全体として負の屈折力を持たせている。
【００１５】
また第３光学系３２は、光軸Ｐ２を、図３の紙面手前側（Ｙ軸正方向側）かつ図示上側（Ｘ軸正方向側）に跳ね上げる方向に反射するため、偏心して配置されている。
第３光学系３２の外形は、図１、図２（ｂ）に示すように、それぞれ図示ｙ軸方向の一辺が斜め視野レンズ４１側から投影光学系４側に向かって傾斜する切欠き面３２ｃを備える略台形状とされている。
切欠き面３２ｃは、第３光学系３２を、投影光学系４の構成部材および光路に干渉することなくこれら構成部材および光路の下方（図示ｙ軸負方向側）に配置できるように、第３光学系３２の有効径範囲外に設けられている。
ただし、第３光学系３２の外形のうち切欠き面３２ｃを除く部分の形状は、図１、図２（ｂ）に示すようなコ字状には限定されず、有効径範囲外において第３光学系３２の取付部の形状に応じて、台形以外の適宜形状に形成することができる。
【００１６】
視野レンズ４１は、第３光学系３２によって反射されて光軸Ｐ２に沿って入射される光束を集光して、照明インテグレータ１２の出射口１２ｂの像を反射型空間変調素子５の矩形状の画像表示面５ａを覆う範囲に投影するとともに、後述する反射型空間変調素子５のオン状態のマイクロミラーによって反射された光を集光して第１光学系４２に入射させるものである。本実施形態では１枚構成の両凸レンズを採用している。
視野レンズ４１は、図２（ａ）に示すようにｚｘ平面でレンズ光軸Ｑ１が光軸Ｐ１と直交する角度で、光軸Ｐ１の上側（図１の図示ｙ軸正方向側）に配置されている。このため、レンズ光軸Ｑ１と光軸Ｐ１とはねじれの位置関係にある。
画像表示面５ａが配置される像面は、図２（ａ）に示すように、視野レンズ４１の下半部分（レンズ光軸Ｑ１に対して図示ｙ軸負方向側の領域）に形成されるようになっている。
【００１７】
反射型空間変調素子５は、画像表示面５ａに２次元格子状に配列された複数の表示要素の反射特性を制御することにより、照射される光を空間変調して画像を表示するものである。反射型空間変調素子５としては、例えば、画像信号に応じて傾斜角がオン状態とオフ状態との２種類の傾斜角に変化されるマイクロミラーを、表示要素として２次元格子状に配列したＤＭＤなどのデバイスを採用することができる。
本実施形態では、画像表示面５ａの法線に対する傾斜角がそれぞれ±θとなるＤＭＤを採用している。傾斜角θは、例えば、１０°、１２°といった小さな角度である。
【００１８】
視野レンズ４１から画像表示面５ａに入射される照明光の軸上主光線の入射角は、２θとされている。このため、反射型空間変調素子５のマイクロミラーがオン状態とされ角度θだけ傾斜されたときに、オン状態のマイクロミラーの反射光が視野レンズ４１のレンズ光軸Ｑ１に沿う方向に反射されるようになっている。
なお、反射型空間変調素子５は、図３、４に示すように（図１、図２（ａ）、（ｂ）では図示略）、画像表示面５ａと視野レンズ４１との間に、画像表示面５ａを覆うカバーガラス５ｂが設けられている。
【００１９】
投影光学系４は、視野レンズ４１と、この視野レンズ４１と同軸に設けられた第１光学系４２とを備え、反射型空間変調素子５に照射される照明光のうち、反射型空間変調素子５のオン状態のマイクロミラーによって反射され、視野レンズ４１を介して第１光学系４２に入射した光をスクリーンなどの投影面に投射するものである。
また、反射型空間変調素子５のマイクロミラーがオフ状態とされて、オン状態と反対側に角度θだけ傾斜されたときには、視野レンズ４１を透過した反射光は、第１光学系４２の開口角の範囲外に反射されるようになっている。
第１光学系４２の具体的なレンズ構成は、周知の画像投影装置に用いる適宜の投影レンズを採用することができる。
以下では、レンズ光軸Ｑ１と同軸とされた投影光学系４の光軸を光軸Ｐ３と称する。
【００２０】
次に、画像投影装置１００の動作について、照明光学系３および投影光学系４の光路の作用を中心に説明する。
画像投影装置１００によってカラー画像をスクリーンに投影するには、まず、光源１０を点灯させる。そして、制御部は、カラー画像を形成するＲ光、Ｇ光、Ｂ光、Ｗ光の画像に対応する各画像信号を、時間順次に、反射型空間変調素子５および回転フィルタ１１に送出する。
反射型空間変調素子５では、送出された画像信号に応じて、各マイクロミラーのオン状態とオフ状態とを制御する。
回転フィルタ１１では、送出された画像信号の色種類に応じて、モータを駆動してカラーホイールを回転させ、光源１０から出射される光束の光路上に色種類に対応したカラーフィルタまたはＮＤフィルタを移動させる。
【００２１】
回転フィルタ１１を透過した光束、例えば、Ｒ光の光束は、照明インテグレータ１２の入射口１２ａに入射される。この入射光束は、照明インテグレータ１２の内部では、内部反射を繰り返して出射口１２ｂまで導光される。この導光の過程で、入射口１２ａに入射した際の照度分布が均一化され、出射口１２ｂからは、出射口１２ｂの範囲で略均一な照度分布を有する照明光が出射される。
【００２２】
照明インテグレータ１２の出射口１２ｂから出射された光束は、図３に示すように、光軸Ｐ１に沿って進み、第１レンズ３１Ａ、第２レンズ３１Ｂ、第３レンズ３１Ｃを透過して徐々に集光される。
第３レンズ３１Ｃを透過した光束は、光軸Ｐ１に沿って進み、第３光学系３２の凹面３２ａに入射し、凹面３２ａの負の屈折力によるレンズ作用を受けて、第３光学系３２の内部を進み、反射面３２ｂによって、光軸Ｐ１に対して鋭角をなす光軸Ｐ２の方向に反射される。
このとき、反射面３２ｂは正の屈折力を有する凹面反射面となっているので、集光されつつ反射される。
そして、第３光学系３２の内部から凹面３２ａを透過する際には、再度、負の屈折力によるレンズ作用を受けて、視野レンズ４１に向けて出射される。
【００２３】
視野レンズ４１に入射された第３光学系３２による反射光の光束は、視野レンズ４１によって集光され、カバーガラス５ｂを透過して、画像表示面５ａが配置されている像面に到達する。
このため、画像表示面５ａは、照明インテグレータ１２の出射口１２ｂの拡大投影像である矩形状の光像が投影され、画像表示面５ａの全面が略均一な照度分布で照明される。
画像表示面５ａ上には、画像信号に応じてオン状態またはオフ状態に傾斜角が制御されたマイクロミラーが配列されており、これにより照明光が空間変調される。
すなわち、オン状態のマイクロミラーで反射された光は、視野レンズ４１のレンズ光軸Ｑ１に沿う方向に反射され、視野レンズ４１、第１光学系４２に順次入射し、不図示のスクリーンに向けて投射される。一方、オフ状態のマイクロミラーで反射された光は、視野レンズ４１に入射するものの、第１光学系４２の開口角の範囲外に進むため、スクリーンには到達しない。したがって、スクリーン上には、画像信号に応じて空間変調されたＲ光の画像が、拡大投影される。
このようにして、Ｇ光、Ｂ光、Ｗ光が順次、スクリーン上に投影される。
【００２４】
本実施形態では、画像表示面５ａが、視野レンズ４１の下半部分に重なる位置に配置されている。したがって、画像表示面５ａでの反射光は、図１に示すように、第１光学系４２の上半部分（光軸Ｐ３より図示ｙ軸正方向側）から光束Ｌとして、図示ｙｚ平面において、ｙ軸負方向側からｚ軸負方向側に進む上斜め方向に投射される。これにより、光軸Ｐ３を水平面からあまり傾けることなく斜め上方向に画像を投影することができる。このため投影歪みの少ない画像を投影することができる。
【００２５】
以上に説明したように、本実施形態の画像投影装置１００の投影光学系４は、反射型空間変調素子５に近接して配置され、反射型空間変調素子５による反射光を集光するとともに照明光学系３の一部をなす視野レンズ４１と、視野レンズ４１によって集光された反射光を投影する第１光学系４２とを備えている。
また、照明光学系３は、投影光学系４の視野レンズ４１および第１光学系４２の間の光路の側方に設けられ、光源部１からの光を集光する第２光学系３１と、投影光学系４の視野レンズ４１および第１光学系４２の間の光路を挟んで第２光学系３１に対向して配置され、屈折力を有するとともに、少なくとも反射面３２ｂを有することにより第２光学系３１からの光を視野レンズ４１を介して反射型空間変調素子５上に照射せしめる第３光学系３２とを備えている。
また、第３光学系３２は、反射面３２ｂへの入射光と反射面３２ｂでの反射光とをそれぞれ透過させるレンズ光学系を備えている。
【００２６】
このように本実施形態では、照明光学系３の第２光学系３１と第３光学系３２との間の光路と、投影光学系４の視野レンズ４１と視野レンズ４１との間の光路とが、図１のｙ軸方向から見て直交した状態で、ｙ軸方向に積層されている。
このため、これらの光路が積層しない光路配置をとる場合に比べて省スペース化されるので、コンパクトな装置とすることができる。
また、本実施形態では、光軸Ｐ１および光軸Ｐ２の開き角が鋭角になっている。そのため、これらの光軸の開き角が鈍角になっている場合に比べて、第３光学系３２の有効径範囲を小さくできるので、第３光学系３２を小型化することができる。
【００２７】
また、照明光学系３は、第２光学系３１、第３光学系３２、および視野レンズ４１からなる。そのため、第２光学系３１と第３光学系３２との間で集光に必要な屈折力を配分することができるので、第２光学系３１をコンパクトな構成とすることができる。
例えば、第２光学系３１、第３光学系３２にそれぞれ対応して、１つの光学系と平面反射ミラーとを用いる場合（後述する比較例参照）に比べて、同等以上の良好な照度分布を備えつつ、照明光学系の全長を短縮したり、第２光学系３１および第２光学系３１の間の光束径を縮小することによって、投影光学系４の全長を短縮したりすることができる。
【００２８】
また、第３光学系３２が、レンズ光学系を備えるため、凹面３２ａを有する負メニスカスレンズと正の屈折力を有する反射面３２ｂとの組合せにより、屈折力の設計自由度を高めることができ、収差補正がより容易となる。
【００２９】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る画像投影装置について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る照明光学系の図１におけるＡ視の光路図である。図６は、本発明の第２の実施形態に係る照明光学系の図１におけるＢ視の光路図である。
【００３０】
本実施形態の画像投影装置１１０は、上記第１の実施形態の画像投影装置１００の照明光学系３の第２光学系３１、第３光学系３２、および視野レンズ４１に代えて、それぞれ、第２光学系３３、第３光学系３４、および視野レンズ４３を備えたものである。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００３１】
第２光学系３３は、図５、６に示すように、物体側から、第１レンズ３３Ａ、第２レンズ３３Ｂ、および第３レンズ３３Ｃを備え、これらにより全体として正の屈折力を有する３枚構成の集光光学系である。なお、図５、６は光路図のため、第３光学系３４の外形を簡略化して、矩形外形を有する形状に描いている。
第１レンズ３３Ａ、第２レンズ３３Ｂは、それぞれ物体側のレンズ面が凹面である正メニスカスレンズである。
第３レンズ３３Ｃは、両凸レンズである。
【００３２】
第３光学系３４は、光軸Ｐ１を光軸Ｐ１に対する開き角が鋭角をなす光軸Ｐ２として反射する屈折力を有する反射型光学系である。本実施形態では、物体側のレンズ面が凸面３４ａとされた凸平レンズの平面の表面に、内部反射面を構成する反射面３４ｂが形成された１枚構成の反射面付きレンズを採用している。すなわち、第３光学系３４は、凸面３４ａを有する凸平レンズで形成されるレンズ光学系と、反射面３４ｂによって形成される屈折力を有しない反射光学系とが複合されたものである。
本実施形態の反射面３４ｂは、例えば真空蒸着法などによる反射膜コーティングによって形成されている。ただし、全反射による内部反射面が形成できる場合には、反射膜コーティングはなくてもよい。
このような構成により、第３光学系３４は、全体として正の屈折力を有している。
【００３３】
また第３光学系３４は、光軸Ｐ２を、図５の紙面手前側（Ｙ軸正方向側）かつ図示上側（Ｘ軸正方向側）に跳ね上げる方向に反射するため、偏心して配置されている。
第３光学系３４の外形は、図１、図２（ｂ）に示すように、それぞれ図示ｙ軸方向の一辺が斜め視野レンズ４１側から投影光学系４側に向かって傾斜する切欠き面３４ｃを備える略台形状とされている。
切欠き面３４ｃは、第３光学系３４を、投影光学系４の構成部材および光路に干渉することなくこれら構成部材および光路の下方（図示ｙ軸負方向側）に配置できるように、第３光学系３４の有効径範囲外に設けられている。
ただし、第３光学系３４の外形のうち切欠き面３４ｃを除く部分の形状は、図１、図２（ｂ）に示すようなコ字状には限定されず、有効径範囲外において第３光学系３４の取付部の形状に応じて、台形以外の適宜形状に形成することができる。
【００３４】
視野レンズ４３は、上記第１の実施形態の視野レンズ４１とレンズ面の曲率半径がわずかに異なる両凸レンズであり、視野レンズ４１と同様の位置関係に配置されている。
【００３５】
本実施形態の画像投影装置１１０は、照明光学系３、投影光学系４の光学素子の構成が異なるのみで、各光学素子や光路の位置関係は上記第１の画像投影装置１００と略同様である。
【００３６】
照明インテグレータ１２の出射口１２ｂから出射された光束は、図３に示すように、光軸Ｐ１に沿って進み、第１レンズ３３Ａ、第２レンズ３３Ｂ、第３レンズ３３Ｃを透過して徐々に集光される。
第３レンズ３３Ｃを透過した光束は、光軸Ｐ１に沿って進み、第３光学系３４の凸面３４ａに入射し、凸面３４ａの正の屈折力によるレンズ作用を受けて、第３光学系３４の内部を進み、反射面３４ｂによって、光軸Ｐ１に対して鋭角をなす光軸Ｐ２の方向に反射される。このため、これらの光軸の開き角が鈍角になっている場合に比べて、第３光学系３４の有効径範囲を小さくできるので、第３光学系３４を小型化することができる。
なお、反射面３４ｂは平面反射面となっているので、入射した光束は偏向されるのみで、集光されることはない。
そして、第３光学系３４の内部から、凸面３４ａを透過する際に、再度、正の屈折力によるレンズ作用を受けて、視野レンズ４３に向けて出射される。
【００３７】
視野レンズ４３に入射した光束は、上記第１の実施形態とまったく同様にして、集光されて画像表示面５ａを照明し、画像表示面５ａによって空間変調された画像が、視野レンズ４３および第１光学系４２からなる投影光学系４によって、スクリーンに投影される。
【００３８】
画像投影装置１１０によれば、上記第１の実施形態の画像投影装置１００と同様に、視野レンズおよび第１光学系の間の光路と、第２光学系および第３光学系の間の光路とを積層させて省スペースな配置をとるため、反射型空間変調素子を用いてもコンパクトな構成とすることができる。
また、照明光学系３は、第２光学系３３、第３光学系３４、および視野レンズ４３からなるので、第２光学系３３と第３光学系３４との間で集光に必要な正の屈折力を配分することができるので、像面から遠い第２光学系３３の屈折力を低減し、像面に近い第３光学系３４の屈折力を相対的に大きくすることができる。
この場合、第３光学系３４の屈折力を相対的に小さくして、主に第２光学系３３の屈折力によって集光する場合に比べて、第２光学系３３と第３光学系３４との間の光路の光束径を縮径することができる。このため、視野レンズ４３と第１光学系４２との間の間隔を狭めることができるので、コンパクトな装置を構成とすることができる。
【００３９】
なお、上記の説明では、第２光学系および第３光学系の間の光路と、視野レンズおよび第１光学系の間の光路とが９０°に交差する場合、すなわち、光軸Ｐ１、Ｐ３が、図１のｙ軸方向から見て９０°に交差する場合の例で説明したが、これらの光路を積層させることができれば、交差角度は９０°には限定されず、９０°と異なる斜め方向に交差してもよい。
【００４０】
また、上記の説明では、第３光学系がその反射面への入射光とその反射面での反射光とをそれぞれ透過させるレンズ光学系を備える場合の例で説明したが、第３光学系は、例えば、表面反射による凹面鏡や凸面鏡で構成することによりレンズ光学系を有しない反射型光学系として構成としてもよい。
【００４１】
また、上記の説明では、反射型空間変調素子がＤＭＤの場合の例で説明したが、反射型空間変調素子であれば、ＤＭＤには限定されない。例えば、反射型液晶パネル（ＬＣＯＳ、Liquid Crystal On Silicon）なども好適に採用することができる。
【００４２】
また、上記の説明では光源部の一例として、光源１０、回転フィルタ１１、照明インテグレータ１２を備える構成で説明したが、光源部は、色分解された略均一な照度分布を有する光束が得られれば、この構成には限定されない。
例えば、光源は、ＬＥＤなどでもよい。また、回転フィルタに代えて、ダイクロイックプリズムなどで色分解された光束を形成してもよい。また、照明インテグレータとしては、ロッドインテグレータに限らず、例えば、フライアイインテグレータなどの均一化手段を採用することができる。
【００４３】
また、本明細書に説明されたすべての構成要素は、本発明の技術的思想の範囲で適宜組み合わせて実施することができる。
【実施例】
【００４４】
以下では、上記に説明した各実施形態の数値実施例について、比較例とともに説明する。
図７(ａ)は、実施例１の照明光学系の像面における放射照度分布のシミュレーション結果を示す等高線図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＸ軸およびＹ軸に沿う断面における放射照度分布を示すグラフである。図８(ａ)は、実施例２の照明光学系の像面における放射照度分布のシミュレーション結果を示す等高線図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）のＸ軸およびＹ軸に沿う断面における放射照度分布を示すグラフである。図９は、比較例の照明光学系の図１におけるＡ視に相当する光路図である。図１０は、比較例の照明光学系の図１におけるＢ視に相当する光路図である。図１１(ａ)は、比較例の照明光学系の像面における放射照度分布のシミュレーション結果を示す等高線図である。図１１（ｂ）は、図１１（ｂ）の像面の中心を通りＸ軸に沿う断面およびＹ軸に沿う断面における放射照度分布を示すグラフである。
図７（ｂ）、図８（ｂ）、図１１（ｂ）のグラフにおいて、横軸は像面の中心からの位置（ｍｍ）、縦軸は放射照度（Ｗ／ｃｍ２）を示す。
【００４５】
［実施例１］
まず、上記第１の実施形態の照明光学系３の実施例１について図３、４を参照して説明する。
以下に実施例１の照明光学系３の構成パラメータを示す。
このような構成の照明光学系３は、物体側ＮＡは、０．５０、入射瞳無限遠、最大像高７．０ｍｍ（対角方向）、倍率２．２×である（以下の実施例２、比較例も同じ）。
図３、４に表記されたｒｉ、ｄｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータのｒｉ、ｄｉに対応する。長さの単位はｍｍ、回転角の単位は度である。また屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記している（図５、６、１０、１１でも同じ）。
偏芯面のＸＹＺ座標系は、照明インテグレータ１２の出射口１２ｂと光軸Ｐ１との交点である点Ｏを原点としたときに、光軸Ｐ１に沿って光線が進む方向をＺ軸正方向として図３、４の紙面内にとり、Ｚ軸と直交するＹ軸は、Ｙ軸正方向を図３の紙面手前側、図４の図示上側として、Ｚ軸およびＹ軸に直交するＸ軸は、Ｘ軸正方向を図３の図示上側、図４の紙面奥行き側とした座標系である。
偏芯面座標のＸ軸回転、Ｙ軸回転、Ｚ軸回転の回転角の符号は、各軸の正方向から負方向を見て時計回りを正、反時計回りを負とする。
【００４６】
面番号    曲率半径                面間隔            屈折率        アッベ数
0    ∞（物体面）            d0 = 3.000
1    r1 = -15.721            d1 = 7.000       n1 = 1.7440     ν1 = 44.8
2    r2 = -10.283            d2 = 6.439      
3    r3 = -70.742            d3 = 7.000       n2 = 1.6204     ν2 = 60.3
4    r4 = -17.047            d4 = 2.202      
5    r5 =  35.999            d5 = 6.688       n3 = 1.6204     ν3 = 60.3
6    r6 = -45.637            d6 =20.000      
7    r7 = -72.189            d7 = 2.000       n4 = 1.5163     ν4 = 64.1
8    r8 =-883.252（反射面）  d8 = 2.000       n5 = 1.5163     ν5 = 64.1
9    r9 =  72.189            d9 = 7.084      
10    r10= -25.306            d10= 8.350       n6 = 1.6031     ν6 = 60.7
11    r11= 120.000            d11= 2.360      
12    r12=  ∞                d12= 1.050       n7 = 1.5099     ν7 = 62.2
13    r13=  ∞                d13= 1.110      
14    ∞（像面）
（偏芯面座標）
面番号        Ｘ座標    Ｙ座標    Ｚ座標    Ｘ軸回転  Ｙ軸回転  Ｚ軸回転
0（物体面）   0.000     0.000     0.000     0.000     0.000     0.000
8             1.245     0.159    52.429    -5.832    38.488     0.000
10             7.630     9.749    49.415     0.000   -90.000     0.000
14（像面）    20.500     4.414    49.415     0.000   -90.000     0.000
【００４７】
このような実施例１では、物体面（出射口１２ｂ）と反射面（反射面３２ｂ）との距離は５２．４２９ｍｍであった。また、第２光学系３１と第３光学系３２との間の光路である第６面と第７面との間において、視野レンズ４１と第１光学系４２との間を進む照明光の光束径は、最大でφ１５．０ｍｍであった。
また、像面における照度分布は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、像面の長手方向および短手方向のいずれにおいても放射照度のバラツキが０．００５（Ｗ／ｃｍ２）未満と小さく、略平坦な分布を有する均一性に優れる照度分布が得られた。図７（ｂ）で折れ線２００、２０１はそれぞれ図８（ａ）のＸ軸上、Ｙ軸上の放射照度分布を示す。
【００４８】
［実施例２］
次に、上記第２の実施形態の照明光学系３の実施例２について図５、６を参照して説明する。
以下に実施例２の照明光学系３の構成パラメータを示す。
偏芯面のＸＹＺ座標系は、上記実施例１と同様であり、実施例１の図３、４は、本実施例の図５、６にそれぞれ対応する。
【００４９】
面番号    曲率半径                面間隔            屈折率        アッベ数
0    ∞（物体面）            d0 = 3.000
1    r1 = -11.579            d1 = 8.500       n1 = 1.7440     ν1 = 44.8
2    r2 =  -9.942            d2 = 5.596      
3    r3 =-195.733            d3 = 8.500       n2 = 1.6204     ν2 = 60.3
4    r4 = -19.960            d4 = 7.429      
5    r5 =  47.594            d5 = 8.500       n3 = 1.6204     ν3 = 60.3
6    r6 = -44.463            d6 =20.000      
7    r7 = 482.739            d7 = 2.000       n4 = 1.5163     ν4 = 64.1
8    r8 =  ∞（反射面）      d8 = 2.000       n5 = 1.5163     ν5 = 64.1
9    r9 =-482.739            d9 = 7.084      
10    r10= -25.306            d10= 8.350       n6 = 1.6031     ν6 = 60.7
11    r11= 120.000            d11= 2.360      
12    r12=  ∞                d12= 1.050       n7 = 1.5099     ν7 = 62.2
13    r13=  ∞                d13= 1.110      
14    ∞（像面）
（偏芯面座標）
面番号        Ｘ座標    Ｙ座標    Ｚ座標    Ｘ軸回転  Ｙ軸回転  Ｚ軸回転
0（物体面）   0.000     0.000     0.000     0.000     0.000     0.000
8            -0.590     0.103    63.182    -5.832    38.488     0.000
10             7.630     9.749    58.611     0.000   -90.000     0.000
14（像面）    20.500     4.414    58.611     0.000   -90.000     0.000
【００５０】
このような実施例２では、物体面（出射口１２ｂ）と反射面（反射面３４ｂ）との距離は６３．１８２ｍｍであった。また、第２光学系３３と第３光学系３４との間の光路である第６面と第７面との間において、視野レンズ４３と第１光学系４２との間を進む照明光の光束径は、最大でφ１５．２ｍｍであった。
また、像面における照度分布は、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、像面の長手方向および短手方向のいずれにおいても放射照度のバラツキが０．００５（Ｗ／ｃｍ２）未満となり、略平坦な分布を有する均一性に優れる照度分布が得られた。なお、図８（ｂ）で折れ線２０２、２０３はそれぞれ図８（ａ）のＸ軸上、Ｙ軸上の放射照度分布を示す。
【００５１】
［比較例］
次に、比較例の照明光学系について図９、１０を参照して説明する。
比較例の照明光学系は、上記第１の実施形態の、上記第１の実施形態の第２光学系３１、第３光学系３２、視野レンズ４１に代えて、それぞれ第２光学系５１、反射ミラー５２、視野レンズ６１を備える。
第２光学系５１は、第２光学系３１と同じタイプのレンズ構成を有する第１レンズ５１Ａ、第２レンズ５１Ｂ、第３レンズ５１Ｃが物体側から順次配列されたものである。すなわち、第１レンズ５１Ａ、第２レンズ５１Ｂは、それぞれ物体側のレンズ面が凹面である正メニスカスレンズであり、第３レンズ５１Ｃは、両凸レンズである。そして、第２光学系５１は全体として正の屈折力を有する集光光学系である。
また、反射ミラー５２は、厚さ２ｍｍの平板ガラスミラーからなり、ガラス表面５２ａの裏面に反射面５２ｂが形成され、ガラス表面５２ａを物体側に向けた状態で、第２光学系５１の光軸Ｐ１に対して傾斜して配置されている。
このような構成により、比較例の照明光学系は、投影光学系の光路の側方に第２光学系５１が配置され、第２光学系５１で集光された光束を反射ミラー５２で斜め上方向にはね上げて、視野レンズ６１に入射させ、視野レンズ６１と第１光学系４２とで構成される投影光学系の光路と、第２光学系５１および反射ミラー５１の間の光路とが、９０°に交差する位置関係に配置されている。また、光軸Ｐ１、Ｐ３はねじれの位置関係にある。
【００５２】
以下に比較例の照明光学系３の構成パラメータを示す。
偏芯面のＸＹＺ座標系は、上記実施例１と同様であり、実施例１の図３、４は、本比較例の図９、１０にそれぞれ対応する。
【００５３】
面番号    曲率半径                面間隔            屈折率        アッベ数
0    ∞（物体面）            d0 = 3.000
1    r1 = -11.579            d1 = 7.790       n1 = 1.7440     ν1 = 44.8
2    r2 =   8.900            d2 = 7.273      
3    r3 =-207.960            d3 = 8.000       n2 = 1.6204     ν2 = 60.3
4    r4 = -20.004            d4 = 7.816      
5    r5 =  69.781            d5 = 8.000       n3 = 1.6204     ν3 = 60.3
6    r6 = -38.200            d6 =18.442      
7    r7 =  ∞                d7 = 2.000       n4 = 1.5163     ν4 = 64.1
8    r8 =  ∞（反射面）      d8 = 2.000       n5 = 1.5163     ν5 = 64.1
9    r9 =  ∞                d9 = 7.084      
10    r10= -25.306            d10= 8.350       n6 = 1.6031     ν6 = 60.7
11    r11= 120.000            d11= 2.360      
12    r12=  ∞                d12= 1.050       n7 = 1.5099     ν7 = 62.2
13    r13=  ∞                d13= 1.110      
14    ∞（像面）
（偏芯面座標）
面番号        Ｘ座標    Ｙ座標    Ｚ座標    Ｘ軸回転  Ｙ軸回転  Ｚ軸回転
0（物体面）   0.000     0.000     0.000     0.000     0.000     0.000
8             0.000     0.000    61.979    -5.832    38.488     0.000
10             7.630     9.749    57.408     0.000   -90.000     0.000
14（像面）    20.500     4.414    57.408     0.000   -90.000     0.000
【００５４】
このような比較例では、物体面（出射口１２ｂ）と反射面（反射面５２ｂ）との距離は６１．９７９ｍｍであった。また、第２光学系５１と反射ミラー５２との間の光路である第６面と第７面との間において、視野レンズ６１と第１光学系４２との間を進む照明光の光束径は、最大でφ１５．８ｍｍであった。
また、像面における照度分布は、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、像面の長手方向および短手方向のいずれにおいても放射照度のバラツキが０．００５（Ｗ／ｃｍ２）程度となり、上記各実施例よりわずかに劣るものの略同等の照度分布が得られた。なお、図１０（ｂ）で折れ線２０４、２０５はそれぞれ図８（ａ）のＸ軸上、Ｙ軸上の放射照度分布を示す。
【００５５】
［実施例と比較例の比較］
実施例１、２、および比較例は、照明光学系の光路が投影光学系の光路と交差するレイアウトによって略同等の光学性能を実現する場合に、第３光学系の屈折力の作用を示す例となっている。
すなわち、実施例１では、第３光学系が負の屈折力を有するため、物体面と反射面との距離が、正の屈折力を有する実施例２に比べて約１０，８ｍｍ、屈折力を有しない比較例に比べて約９．６ｍｍ、それぞれ短縮することができる。そのため、照明光学系の小型化が可能となる。
また、実施例１、２は、第３光学系を有するため、互いに離間された第２光学系と第３光学系との間で照明光学系の屈折力を配分することができるので、投影光学系に交差する照明光の光束径が、比較例に比べてそれぞれ０．８ｍｍ、０．６ｍｍずつ縮小されている。このため、第１光学系と視野レンズとの間の距離を短縮する設計が可能となり、投影光学系の小型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る画像投影装置の概略構成を示す模式的な斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る画像投影装置の図１におけるＡ視の模式的な平面図、および図１におけるＢ視の模式的な正面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る照明光学系の図１におけるＡ視の光路図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る照明光学系の図１におけるＢ視の光路図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る照明光学系の図１におけるＡ視の光路図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る照明光学系の図１におけるＢ視の光路図である。
【図７】実施例１の照明光学系の像面における放射照度分布のシミュレーション結果を示す等高線図、およびそのＸ軸およびＹ軸に沿う断面における放射照度分布を示すグラフである。
【図８】実施例２の照明光学系の像面における放射照度分布のシミュレーション結果を示す等高線図、およびそのＸ軸およびＹ軸に沿う断面における放射照度分布を示すグラフである。
【図９】比較例の照明光学系の図１におけるＡ視に相当する光路図である。
【図１０】比較例の照明光学系の図１におけるＢ視に相当する光路図である。
【図１１】比較例の照明光学系の像面における放射照度分布のシミュレーション結果を示す等高線図、およびそのＸ軸およびＹ軸に沿う断面における放射照度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５７】
１  光源部
３  照明光学系
４  投影光学系
５  反射型空間変調素子
５ａ  画像表示面
１０  光源
１１  回転フィルタ
１２  照明インテグレータ
１２ｂ  出射口
３１、３３  第２光学系
３２、３４  第３光学系
３２ａ  凹面
３２ｂ、３４ｂ  反射面
３４ａ  凸面
４１、４３  視野レンズ
４２  第１光学系
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３  光軸
Ｑ１  レンズ光軸
１００、１１０  画像投影装置
【図１】
2010117672.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010117672.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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