(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源部と、前記光源部からの光束を通過させ照明光を生成する照明光学系と、制御信号に応じて前記照明光の反射特性が変化する空間光変調素子と、前記空間光変調素子で反射した映像光をスクリーンに投影する投影手段とを備えた画像投影装置であって、前記光源部と前記投影手段の光軸が互いに略平行となるよう配置され、前記光軸と前記空間光変調素子の光軸が略直角に配置され、前記空間光変調素子に隣接して前記照明光と前記映像光の進行方向を変化させる光偏向手段として前記照明光を前記空間光変調素子に向けて反射させるミラーと前記照明光を透過させ前記映像光を全反射させる臨界角プリズムとが配置されており、前記映像光の主光線が前記臨界角プリズムの全反射面への入射角が増大する方向に傾斜しており、更に前記投影手段が前記臨界角プリズムの臨界角に満たない光束を遮断する光軸に対して非対称な絞りを有していることを特徴とする画像投影装置。
【請求項２】
前記臨界角プリズムの入射部に隣接して正のパワーを有するフィールドレンズが配置されており、前記フィールドレンズの光軸が前記臨界角プリズムに入射する照明光の光軸に対して偏心してい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】
前記フィールドレンズは前記臨界角プリズムに接着されていることを特徴とする請求項２に記載の画像投影装置。
【請求項４】
前記映像光の主光線が前記空間光変調素子の長辺方向に傾斜しており、前記照明光が前記空間光変調素子の長辺方向より短辺方向に大きな広がり角を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間光変調素子を用いた画像投影装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
画像投影装置に使用される空間光変調素子の一つとして、多数の微小なミラーを２次元的に配列したデジタルマイクロミラーデバイス（以下「ＤＭＤ」）がある。
【０００３】
図６は、ＤＭＤの画素構造を示したものであって、個々の画素は、外部からの制御信号に応じて、画素の対角方向を回転軸として±１０度または±１２度の角度で傾斜角を変化させることができる可動ミラーになっている。
【０００４】
ＤＭＤは、図６に示される２つの状態をそれぞれＯＮ状態及びＯＦＦ状態とし、照明光の反射方向を変化させることによって映像を作り出している。
【０００５】
ＤＭＤを画像投影装置に応用する方法としては、図７に示すような臨界角プリズムを用いた光学系が知られており、この光学系の動作を次に説明する。
【０００６】
光源部７０１で生成された光束は、ロッドインテグレータ７０２、コンデンサレンズ７０３を通過して、ミラー７０４によって反射され、臨界角プリズム７０５に導かれる。
【０００７】
臨界角プリズム７０５は、照明光を全反射させ映像光を透過させるよう傾斜角が設定されたエアギャップ７０５ａを有している。
【０００８】
臨界角プリズム７０５は、エアギャップ７０５ａの方向がＤＭＤ７０６のミラーの振れ方向と一致するよう、装置の水平方向に対して４５度傾斜させて配置されている。
【０００９】
これによって、照明光７０８は、装置の水平方向に対して４５度の方向から入射し、映像光がＯＮ状態のミラーによってＤＭＤ７０６の正面方向に反射するようにしている。
【００１０】
ＤＭＤ７０６で反射された映像光７０９は、臨界角プリズムのエアギャップを透過し、投影レンズ７０７によってスクリーンに映像が映し出される。
【００１１】
駆動回路７１０は、デジタル信号処理によりＤＭＤのミラーを制御するものであって、ＤＭＤの背面に配置されている。
【００１２】
ＤＭＤは極めて高速な信号処理により制御されてあり、装置の安定動作のため、このように駆動回路７１０とＤＭＤ７０６を一体に配置することが望ましい。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術による画像投影装置は、ＤＭＤを駆動する回路基板が光学系に対して直交して配置されており、装置サイズが大型化してしまう欠点を有している。
【００１４】
光学系に関しても、照明光を臨界角プリズムに対して４５度の方向から入射させる構造が、装置の小型化を妨げる原因になっている。
【００１５】
また、空間光変調素子と投影レンズの間の臨界角プリズムは、映像光がエアギャップを透過する際に非点収差を発生させ、投影画像の品位を劣化させる問題点を有している。
【００１６】
特開２０００−４７３２８公報に開示されている図８のような光学系を用いると、前述の非点収差の発生を回避することが可能であるが、この光学系は、映像光がプリズムで２回全反射される構成のため、上記従来技術よりもプリズム部の光路長が長くなり、投影レンズの寸法が大きくなる欠点がある。
【００１７】
また、上記従来技術と同様、駆動回路とＤＭＤを一体に配置する場合に光学系と直交してしまうなど、装置全体のレイアウトとしても小型化を妨げる要素が多く残っている。
【００１８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、小型で高輝度、かつ臨界角プリズムの臨界角に満たない光束を遮断してより高コントラストで高画質の画像投影装置を提供することを目的としたものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
この発明による画像投影装置は、光源部と、前記光源部からの光束を通過させ照明光を生成する照明光学系と、制御信号に応じて前記照明光の反射特性が変化する空間光変調素子と、前記空間光変調素子で反射した映像光をスクリーンに投影する投影手段とを備えた画像投影装置であって、前記光源部と前記投影手段の光軸が互いに略平行となるよう配置され、前記光軸と前記空間光変調素子の光軸が略直角に配置され、前記空間光変調素子に隣接して前記照明光と前記映像光の進行方向を変化させる光偏向手段として前記照明光を前記空間光変調素子に向けて反射させるミラーと前記照明光を透過させ前記映像光を全反射させる臨界角プリズムとが配置されており、前記映像光の主光線が前記臨界角プリズムの全反射面への入射角が増大する方向に傾斜しており、更に前記投影手段が前記臨界角プリズムの臨界角に満たない光束を遮断する光軸に対して非対称な絞りを有している。
【００２０】
この画像投影装置によれば、光源部と投影手段、及び空間光変調素子の各光軸の向き、並びに光偏向手段としてのミラーと臨界角プリズムとの配置によって空間光変調素子からの映像光は光源部の光軸の方向に戻り、映像光の主光線が臨界角プリズムの全反射面への入射角が増大する方向に傾斜していることによって投影手段の光軸が更に光源部の光軸に近づくので、臨界角プリズムでの光量ロスの発生が防止でき投影画像が明るくなる。その結果、画像投影装置全体としても小形化することができる。更に、投影手段が臨界角プリズムの臨界角に満たない光束を遮断する光軸に対して非対称な絞りを有しているので、投影手段からスクリーンに投影される最終段階において迷光や不要光が映像光に混入することがないので、高コントラストで高画質が得られる。
【００２１】
この画像投影装置において、前記臨界角プリズムの入射部に隣接して正のパワーを有するフィールドレンズを配置し、前記フィールドレンズの光軸を前記臨界角プリズムに入射する照明光の光軸に対して偏心させることができる。フィールドレンズは、空間光変調素子を照射する照明光をテレセントリックなものとし、照度分布の均一性を良好なものとする。また、臨界角プリズムの入射部に配置することによって、光路長を大幅に短縮する働きをする。
【００２２】
また、フィールドレンズを配置した上記画像投影装置において、前記フィールドレンズを前記臨界角プリズムに接着することができる。空間光変調素子を使用する場合、照明光は素子に対して所定の傾斜角をもって入射させる必要があるが、フィールドレンズをプリズムの入射面に接着することで、フィールドレンズを傾斜した面に対して安定して保持することができる。
【００２３】
更に、上記各画像投影装置において、前記映像光の主光線が前記空間光変調素子の長辺方向に傾斜しており、前記照明光が前記空間光変調素子の長辺方向より短辺方向に大きな広がり角を有するとすることができる。この場合には、投影手段において部品の有効領域が無駄なく活用され、画像投影装置の高輝度化を図ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施形態を示す画像投影装置の光路図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は側面図である。
【００２５】
本実施形態において光学系は、光源部１０１、光源部からの光束を通過させ照明光を生成する照明光学系１０２、空間光変調素子であるＤＭＤ１０３、ＤＭＤが反射した映像光をスクリーンに映し出す投影レンズ１０４、反射ミラー１０５、フィールドレンズ１０６、臨界角プリズム１０７によって構成されている。
【００２６】
そして、これらの構成要素を以下に述べる関係に従って配置している。
【００２７】
光源部１０１と投影レンズ１０４は、互いの光軸が略平行となるよう配置している。
【００２８】
これらの光軸に対して、ＤＭＤ１０３は、その光軸が略直角となるよう配置している。
【００２９】
ＤＭＤ１０３の背面には、駆動回路１１１を配置している。駆動回路１１１の配置が光学系に対して略平行となっていることから、装置幅の増加が最小限に止められている。
【００３０】
ＤＭＤ１０３の前面には、照明光１０８をＤＭＤに向けて反射させる反射ミラー１０５、照明光１０８を透過させ映像光１０９を全反射させる臨界角プリズム１０７を配置し、照明光と映像光が所定の方向に進むようにしている。
【００３１】
臨界角プリズム１０７の全反射面１０７ａは、その法線ベクトルが装置の水平方向に一致するよう配置しており、これによって装置の薄型化を図っている。
【００３２】
照明光１０８と映像光１０９の進行方向を変化させる偏向手段としては、前述の反射ミラー１０５や臨界角プリズム１０７のほか、偏光ビームスプリッターやホログラム等の光学素子を利用してもよい。
【００３３】
光源部１０１は、集光手段として楕円リフレクター１０１ａを使用している。リフレクター１０１ａの集光位置１０２ａには、光の三原色を含むカラーフィルタを回転させながら切り替えていくカラーホイール１０１ｂを配置しており、カラー画像を表示することを可能としている。
【００３４】
光源部１０１の集光手段は、楕円リフレクター１０１ａのほか、放物リフレクターやコンデンサレンズの組み合わせ等によって実現してもよい。
【００３５】
また、カラーホイールは、ロッドインテグレータ１０２の出射部１０２ｂなどに配置してもよい。
【００３６】
光源部１０１の光軸は、投影レンズ１０４の光軸に対して必ずしも完全に平行とする必要はない。
【００３７】
光路全体の占有スペースを考えると、多少の傾斜角を設けた方がよい場合もあり、本実施形態においては、光源部１０１の光軸の傾斜角θ１を投影レンズ１０４の光軸に対して５度として、光源部１０１が他に比べて突起しないようにしている。
【００３８】
投影レンズ１０４に入射する映像光１０９は、主光線が光軸に対して所定の傾斜角を有している。
【００３９】
この傾斜角は、臨界角プリズム１０７の全反射面１０７ａへの入射角が増大する方向に設定しており、これによって臨界角プリズム１０７おける照明光１０８の透過と映像光１０９の全反射を確実なものとしている。
【００４０】
本実施形態においては、空間光変調素子としてミラーの振れ角が±１２度のＤＭＤ１０３を使用し、プリズム１０７の硝材として屈折率が１．５２程度の一般的な光学ガラスを用いた場合を想定し、プリズムの頂角θ２を４６度、主光線の傾斜角θ３を５度としている。
【００４１】
臨界角プリズム１０７の入射部には、正のパワーを有するフィールドレンズ１０６を配置している。
【００４２】
フィールドレンズ１０６は、ＤＭＤ１０３を照射する照明光をテレセントリックなものとし、照度分布の均一性を良好なものとしているほか、臨界角プリズム１０７の入射部に配置したことによって光路長を大幅に短縮する働きをしている。
【００４３】
図２は、臨界角プリズム１０７とフィールドレンズ１０６の詳細を示している。
【００４４】
ＤＭＤ１０３のような空間光変調素子を使用する場合、照明光１０８は素子に対して所定の傾斜角をもって入射させる必要がある。
【００４５】
本実施形態においては、照明光１０８を臨界角プリズム１０７に斜め上方から入射させることによってこれを達成しており、これに合わせてプリズム１０７の入射面１０７ｂを傾斜させている。
【００４６】
フィールドレンズ１０６は、このような傾斜した面に対して安定して保持するため、プリズム１０７の入射面に接着している。
【００４７】
臨界角プリズムとフィールドレンズは、図３に示すような形態であってもよい。
【００４８】
この例では、前述の例と異なりプリズム３０１の入射面３０１ａを傾斜させずに、フィールドレンズ３０２を照明光３０３に対して偏心して配置している。
【００４９】
偏心したフィールドレンズ３０２は、プリズム３０１の傾斜面が持っていた屈折力と同等の機能を有しており、プリズム３０１の形状を柱状のものとすることができる。
【００５０】
これによって、複数の臨界角プリズム３０１を一度に研磨できるようになるため、生産性を大きく向上させることが可能となる。
【００５１】
投影レンズ１０４は、前述の傾斜角を持った映像光の全てを取込可能となるよう、明るいＦナンバーの設計としているが、これに加えて、図１に示されるように、光軸に対して非対称な絞り１０４ａを設けている。
【００５２】
この絞り１０４ａは、臨界角プリズム１０７において全反射の条件を満たない光束１１０を遮断するよう配置している。
【００５３】
例えば、図４ａに示すような柱状のロッドインテグレータ４０１を照明光学系に用いる場合、図４ｂに示すように、投影レンズ１０４に入射した映像光４０２は、投影レンズ１０４が本来持っていた円形の絞り形状４０３に対して偏心した状態で絞り面を通過する。
【００５４】
臨界角に満たない光束は偏心方向と逆側を透過するため、その位置に合わせて光軸に非対称な絞り４０４を設けている。
【００５５】
これによって、照明光学系から混入する迷光がスクリーンに投影されなくなり、コントラスト比の優れた高品位の映像を得ることができる。
【００５６】
照明光学系のインテグレータとしては、図５（ａ）に示すようなテーパー型のものを使用してもよい。
【００５７】
この場合、ロッドインテグレータ５０１の入射部５０１ａの断面形状を出射部５０１ｂに比べて正方形に近いものとしたことによって、インテグレータ入射部における光束の取込効率を向上させることができる。
【００５８】
これと同時に、ロッド出射時の角度強度分布が空間光変調素子の短辺方向に広がり、図５ｂのように投影レンズ絞り面における映像光の通過範囲５０２が上下方向に大きくなる。
【００５９】
このような構成により、投影レンズの有効領域を無駄なく活用し、投影画面の高輝度化を図ることできる。
【００６０】
なお、このような縦横で角度広がりが異なる照明光学系は、シリンドリカルレンズ等を用いて構成してもよい。
【００６１】
以上の説明では、照明光学系にロッドインテグレータを用いた例を述べてきたが、インテグレータとしてはフライアイレンズ等の素子を使用してもよい。
【００６２】
画面の均一性が問題にならなければ、インテグレータを使用しなくてもよい。
【００６３】
また、空間光変調素子に関しては、ＤＭＤ以外にも反射型液晶等の素子を使用してもよい。
【００６４】
【発明の効果】
この発明によれば、光源部と投影手段の光軸が互いに略平行となるよう配置し、前記光軸と空間光変調素子の光軸が略直角となるよう配置したことによって、光学系の構成要素や空間光変調素子の駆動回路による高さ及び幅方向の突起を最小限に止め、スリムで可搬性に優れた画像投影装置が提供される。
【００６５】
映像光を臨界角プリズムで全反射させる構成により、エアギャップを透過する際の非点収差の発生が無くなり、画像投影装置の結像性能が向上する。
【００６６】
映像光の主光線を臨界角プリズムの全反射面への入射角が増大する方向に傾斜させたことにより、臨界角プリズムでの光量ロスの発生を防ぎ、明るい投影画像を得ることができる。
【００６７】
また、臨界角プリズムの入射部に隣接して正のパワーを有するフィールドレンズを配置したことによって、照明系の光路長が効果的に短縮され、画像投影装置の更なる小型化を図ることができる。
【００６８】
また、臨界角プリズムにフィールドレンズを接着したことによって、光路長が更に短縮されるほか、レンズの保持機構を不要とし光学系の構成を簡素なものとすることができる。
【００６９】
フィールドレンズを偏心して配置したことによって、臨界角プリズムの形状を柱状のものとし、生産性を大きく向上させることができる。
【００７０】
更に、映像光の主光線が空間光変調素子の長辺方向に傾斜した光学系において、照明光が空間光変調素子の長辺方向より短辺方向に大きな広がり角を有するようにしたことによって、投影手段において部品の有効領域が無駄なく活用され、画像投影装置の高輝度化を図ることができる。
【００７１】
出射部より入射部の断面形状が正方形に近いロッドインテグレータを使用したことによって、インテグレータ入射部における光束の取込効率が向上し、画像投影装置の更なる高輝度化を図ることができる。
【００７２】
臨界角プリズムの臨界角に満たない光束を遮断する光軸に対して非対称な絞りを投影手段に設けたことによって、照明光学系から混入する迷光がスクリーンに投影されなくなり、コントラスト比の優れた高品位な映像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による画像投影装置の一実施形態を示す光学系の構成図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は側面図である。
【図２】  本発明のフィールドレンズと臨界角プリズムの形状を示す図である。
【図３】  本発明の偏心したフィールドレンズと臨界角プリズムを示す図である。
【図４】  本発明の一実施形態のロッドインテグレータと投影レンズの絞り面の分布を示す図である。
【図５】  本発明の別の実施形態のロッドインテグレータと投影レンズの絞り面の分布を示す図である。
【図６】  ＤＭＤの画素の構造を示す図である。
【図７】  従来技術による画像投影装置の光学系の構成図である。
【図８】  別の従来技術による画像投影装置の光学系の構成図である。
【符号の説明】
１０１…光源部、１０１ａ…リフレクター、１０１ｂ…カラーホイール、１０２…照明光学系、１０２ａ…ロッド入射部、１０２ｂ…ロッド出射部、１０３…ＤＭＤ、１０４…投影レンズ、１０４ａ…絞り、１０５…ミラー、１０６…フィールドレンズ、１０７…臨界角プリズム、１０７ａ…全反射面、１０８…照明光、１０９…映像光、１１０…臨界角に満たない光束、１１１…駆動回路、３０１…プリズム、３０１ａ…プリズム入射面、３０２…フィールドレンズ、３０３…照明光、４０１…ロッドインテグレータ、４０２…映像光、４０３…円形の絞り、４０４…非対称な絞り、５０１…ロッドインテグレータ、５０１ａ…ロッド入射部、５０１ｂ…ロッド出射部、５０２…映像光、５０３…絞り、７０１…光源部、７０２…ロッドインテグレータ、７０３…コンデンサレンズ、７０４…ミラー、７０５…臨界角プリズム、７０５ａ…エアギャップ、７０６…ＤＭＤ、７０７…投影レンズ、７０８…、７０９…映像光、７１０…駆動回路
【図１】
0003699409.tif 000002
【図２】
0003699409.tif 000003
【図３】
0003699409.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003699409.tif 000008
【図８】
0003699409.tif 000009