(57)【要約】  【課題】    画素の角度変調によって画像を表示する反射型の表示素子を備える画像投影装置であって、フィールドレンズやＴＩＲプリズムを用いることなく照明光と投影光とを良好に分離し得るものを提供する。  【解決手段】  表示素子(30)の画素の偏向軸を表示素子(30)の表示領域の長辺に平行にし、投影光学系(40)の入射瞳を、表示領域の中心における法線上から表示領域の短辺に平行な方向に変位させる。さらに、表示領域の下端から投影光学系(40)の入射瞳に達する投影光のうち最も下の光線と、照明光学系(20)から表示領域の上端に達する照明光のうち最も上の光線との交点に基づいて、表示素子(30)から表示素子(30)に最も近い光学部品までの距離を定める。【選択図】      図２
2006099071.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画素を有し、その画素の角度変調によって画像を表示する反射型の表示素子と、
上記表示素子を照明する照明光を供給する光源と、
上記光源からの照明光を上記表示素子に導く照明光学系と、
上記表示素子からの画像を表す光を投影する投影光学系と、
を備える画像投影装置において、
上記画素における偏向軸が、上記表示素子における矩形の表示領域の長辺に対して平行になっており、
上記投影光学系の入射瞳が、上記表示領域の中心における法線から上記表示領域の短辺に平行な方向に変位した位置にあり、
以下の条件式（１）および条件式（２）を満たすことを特徴とする画像投影装置；
【数１】
2006099071.tif 000016
…  条件式（１）
ｓｉｎθ＞０．１３                                          …  条件式（２）
ただし、
表示素子における表示領域の法線の方向を基準方向とし、
Ｌは、表示素子における表示領域から光路上で表示素子の表示領域に最も近い光学部品までの基準方向の距離を表し、
αは、表示素子における表示領域の中心から投影光学系の入射瞳の中心に向かう方向と基準方向との成す角を表し、
ｄは、表示素子における表示領域の短辺の長さを表し、
Ｈは、表示素子における表示領域から投影光学系の入射瞳までの基準方向の距離を表し、
θは、表示素子における表示領域の短辺に平行な方向での照明光学系と投影光学系との開口数の逆正弦を表し、
χは、表示素子の表示面に対する画素の偏向角を表している。
【請求項２】
画素を有し、その画素の角度変調によって画像を表示する反射型の表示素子と、
上記表示素子を照明する照明光を供給する光源と、
上記光源からの照明光を上記表示素子に導く照明光学系と、
上記表示素子からの画像を表す光を投影する投影光学系と、
を備える画像投影装置において、
上記画素における偏向軸が、上記表示素子における矩形の表示領域の長辺に対して平行になっている一方、
上記投影光学系に複数の曲面ミラーが含まれるとともに、上記投影光学系の入射瞳が、上記表示領域の中心における法線から上記表示領域の短辺に平行な方向に変位した位置にあり、
さらに、上記照明光学系の射出瞳が、上記表示領域の中心における法線から上記表示領域の短辺に平行な方向で、上記投射光学系の入射瞳の変位方向と反対側に変位した位置にあって、
上記照明光学系が、上記表示素子からの画像を表す光を上記投影光学系の入射瞳に通るように配置されていることを特徴とする画像投影装置。
【請求項３】
以下の条件式（１）および条件式（２）を満たす請求項２に記載の画像投影装置；
【数２】
2006099071.tif 000017
…  条件式（１）
ｓｉｎθ＞０．１３                                          …  条件式（２）
ただし、
表示素子における表示領域の法線の方向を基準方向とし、
Ｌは、表示素子における表示領域から光路上で表示素子の表示領域に最も近い光学部品までの基準方向の距離を表し、
αは、表示素子における表示領域の中心から投影光学系の入射瞳の中心に向かう方向と基準方向との成す角を表し、
ｄは、表示素子における表示領域の短辺の長さを表し、
Ｈは、表示素子における表示領域から投影光学系の入射瞳までの基準方向の距離を表し、
θは、表示素子における表示領域の短辺に平行な方向での照明光学系と投影光学系との開口数の逆正弦を表し、
χは、表示素子の表示面に対する画素の偏向角を表している。
【請求項４】
上記投影光学系が、４枚の曲面ミラーを有していることを特徴とする請求項３に記載の画像投影装置。
【請求項５】
上記投影光学系が、上記表示素子側から１番目のミラーと２番目のミラーとの間にレンズを有していることを特徴とする請求項４に記載の画像投影装置。
【請求項６】
上記照明光学系が、上記表示素子の表示領域を含み、かつその表示素子の表示領域に略相似な領域を照明するインテグレータ光学系を含む請求項１〜５のいずれか１項に記載の画像投影装置。
【請求項７】
上記照明光学系の射出側と投影光学系の入射側とが、テレセントリックになっていることを特徴とする請求項１、３〜５のいずれか１項に記載の画像投影装置。
【請求項８】
以下の条件式（３）を満たす請求項７に記載の画像投影装置；
【数３】
2006099071.tif 000018
…  条件式（３）
【請求項９】
以下の条件式（４）を満たす請求項１〜８のいずれか１項に記載の画像投影装置；
３０゜≦γ                                                  …  条件式（４）
ただし、
γは、表示素子における表示領域の中心に向かう照明光の主光線と、表示素子における表示領域の中心からの画像を表す光の主光線との成す角を表す。
【請求項１０】
以下の条件式（５）および条件式（６）を満たす請求項９に記載の画像投影装置；
４゜≦α≦２０゜                                            …  条件式（５）
０．１３≦sinθ≦０．２５                                   …  条件式（６）
【請求項１１】
上記表示素子が、デジタルマイクロミラーデバイスである請求項１〜５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、画像を表示して投影する画像投影装置に関するものである。特に、画素の角度変調によって画像を表示する反射型表示素子を用いた画像投影装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
画素の角度変調によって画像を表示する反射型の表示素子が、画像投影装置で多用されている。このような画像投影装置では、表示素子に照明光を導く照明光学系と、表示素子からの画像を表す光を投影する投影光学系とが備えられている。
【０００３】
ところで、照明光学系が画像を表す光（以下、投影光という）を遮ったり、投影光学系が照明光を遮ったりする事態を防止すべく、照明光学系および投影光学系は、照明光と投影光との分離している光路上に配置されなくてはならない。さらに、画像投影装置全体の小型化を図るために、照明光と投影光とを狭い空間内で分離することが望ましい。
【０００４】
そこで、例えば特許文献１の光投射システム（画像投影装置）は、表示素子近傍にフィールドレンズを備え、そのフィールドレンズで光束を収束させることで投影光と照明光との分離を促進させている。
【特許文献１】特開平８−２５４６６２号公報
【０００５】
また、画素の偏向軸が表示領域の長辺および短辺と４５゜の角度を成す表示素子を用いる画像投影装置は、エアギャップを有するＴＩＲプリズムを表示素子の直前に配置している。このような画像投影装置であれば、照明光と投影光との一方を選択的に全反射することによって、照明光と投影光とを分離できるためである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、フィールドレンズを備える画像投装置では、フィールドレンズの界面で反射が生じ易い。そのため、反射に起因し、ゴーストの発生やコントラストの低下が起きる。したがって、このような画像投影装置は、十分な画像品質を得られない。
【０００７】
また、画素の偏向軸が表示領域の辺と４５゜の角度を成す反射型表示素子とＴＩＲプリズムとを備えた画像投影装置は、既に実用化されている。しかし、ＴＩＲプリズムが高価なために、画像投影装置が高コストになる。また、このような画像投影装置では、ＴＩＲプリズムのエアギャップ面での光量損失が大きい。そのため、十分な明るさの画像を提供するには、高出力の光源が必要になる。
【０００８】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、フィールドレンズやＴＩＲプリズムを用いることなく、照明光と投影光とを良好に分離し得る画像投影装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、画素を有し、その画素の角度変調によって画像を表示する反射型の表示素子と、表示素子を照明する照明光を供給する光源と、光源からの照明光を上記表示素子に導く照明光学系と、表示素子からの画像を表す光を投影する投影光学系と、を備える画像投影装置になっている。その上、画素における偏向軸が、表示素子における矩形の表示領域の長辺に対して平行になっており、投影光学系の入射瞳が、表示領域の中心における法線から上記表示領域の短辺に平行な方向に変位した位置にあり、以下の条件式（１）および条件式（２）を満たしている。
【００１０】
【数４】
2006099071.tif 000003
…  条件式（１）
ｓｉｎθ＞０．１３                                          …  条件式（２）
ただし、
表示素子における表示領域の法線の方向を基準方向とし、
Ｌは、表示素子における表示領域から光路上で表示素子の表示領域に最も近い光学部品までの基準方向の距離を表し、
αは、表示素子における表示領域の中心から投影光学系の入射瞳の中心に向かう方向と基準方向との成す角を表し、
ｄは、表示素子における表示領域の短辺の長さを表し、
Ｈは、表示素子における表示領域から投影光学系の入射瞳までの基準方向の距離を表し、
θは、表示素子における表示領域の短辺に平行な方向での照明光学系と投影光学系との開口数の逆正弦を表し、
χは、表示素子の表示面に対する画素の偏向角を表している。
【００１１】
このような画像投影装置は、表示素子における画素の偏向軸を表示領域の長辺に平行にしている。そのため、照明光や投影光が表示領域の長辺に対し垂直な方向に導かれる。しかも、投影光学系の入射瞳が表示領域の短辺に平行な方向（長辺に垂直な方向）に変位することにより、照明光に対する投影光の偏向の度合いを大きくできる。そのため、照明光と投影光との分離が促進される。
【００１２】
条件式（１）は、照明光と投影光とを分離させる条件を表している。したがって、この条件が満たされると、照明光と投影光とは確実に分離される。また、条件式（２）が満たされることにより、照明光学系から表示素子に向かう照明光と表示素子から投影光学系に向かう投影光との開口数が大きくなる。そのため、両光学系間で十分なエネルギー伝達効率が確保される。
【００１３】
また、本発明は、画素を有し、その画素の角度変調によって画像を表示する反射型の表示素子と、表示素子を照明する照明光を供給する光源と、光源からの照明光を上記表示素子に導く照明光学系と、表示素子からの画像を表す光を投影する投影光学系と、を備える画像投影装置であって、画素における偏向軸が、上記表示素子における矩形の表示領域の長辺に対して平行になっている一方、投影光学系に複数の曲面ミラーが含まれるとともに、投影光学系の入射瞳が、表示領域の中心における法線から上記表示領域の短辺に平行な方向に変位した位置にあり、さらに、照明光学系の射出瞳が、表示領域の中心における法線から上記表示領域の短辺に平行な方向で、上記投射光学系の入射瞳の変位方向と反対側に変位した位置にあって、照明光学系が、表示素子からの画像を表す光を投影光学系の入射瞳に通るように配置されていてもよい。
【００１４】
また、かかるような構成の画像投影装置も、上記の条件式（１）および条件式（２）を満たすと望ましい。
【００１５】
なお、かかるような画像投影装置では、投影光学系が、４枚の曲面ミラーを有していると望ましい。また、投影光学系が、表示素子側から１番目のミラーと２番目のミラーとの間にレンズを有していても望ましい。
【００１６】
その上、本発明における画像投影装置では、照明光学系が、表示素子の表示領域を含み、かつその表示素子の表示領域に略相似な領域を照明するインテグレータ光学系を含むようになっているとよい。
【００１７】
この構成であれば、表示素子上の照度分布が均一になって、一様な明るさの画像を提供することが可能になる。また、照明光の損失も抑えられる。
【００１８】
また、本発明の画像投影装置は、照明光学系の射出側と投影光学系の入射側とが、テレセントリックになっているとよい。さらに、かかる構成では、以下の条件式（３）を満たすと望ましい。
【００１９】
【数５】
2006099071.tif 000004
…  条件式（３）
【００２０】
一般的に、照明光を表示素子に対して斜めに導くと、表示素子上の照度分布に差が生じ易い。しかし、テレセントリックな光学系とすることで、照度分布の差が抑えられる。
【００２１】
その上、条件式（３）は、テレセントリックな光学系における照明光と投影光の分離条件を表している。したがって、この式３を満たすことにより、分離が確実になる。
【００２２】
また、本発明の画像投影装置は、以下の条件式（４）を満たすと望ましい。
【００２３】
３０゜≦γ                                                 …  条件式（４）
ただし、
γは、表示素子における表示領域の中心に向かう照明光の主光線と、表示素子における表示領域の中心からの画像を表す光の主光線との成す角を表す。
【００２４】
さらに、以下の条件式（５）および条件式（６）を満たすと一層望ましい。
４゜≦α≦２０゜                                            …  条件式（５）
０．１３≦sinθ≦０．２５                                   …  条件式（６）
【００２５】
条件式（４）または条件式（５）を満たすことで、照明光と投影光との確実な分離を容易に行うことが可能になる。また、条件式（６）を満たすことで、光学系の伝達効率を高く保ちながら、十分な結像性能が確保される。
【００２６】
また、本発明の画像投影装置では、表示素子が、デジタルマイクロミラーデバイスであってもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の画像投影装置では、投影光学系の入射瞳が表示領域の短辺に平行な方向に変位しているので、照明光に対する投影光の偏向の度合いを大きくすることが可能である。そのため、照明光と投影光との分離が促進される。
【００２８】
また、条件式（１）を満たすことで、照明光と投影光とが確実に分離され、分離のためにフィールドレンズやＴＩＲプリズムを用いる必要がなくなる。その結果、フィールドレンズやＴＩＲプリズムに起因する前述の不都合が生じない。さらに、条件式（２）を満たすことで、照明光学系と投影光学系とのエネルギー伝達効率も十分に確保される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、第１の実施形態における画像投影装置１の光学構成の全体を示している。図２は、第１の実施形態における画像投影装置１の光学構成の要部を示している。
【００３０】
本実施形態の画像投影装置１は、光源１０、照明光学系２０、反射型の表示素子３０、投影光学系４０、およびスクリーン５０を有する。
【００３１】
光源１０は、白色光を発するランプ１１と回転楕円面のリフレクタ１２とを含んでおり、表示素子３０を照明するための照明光を提供する。
【００３２】
そして、ランプ１１はリフレクタ１２の第１焦点上に配置されており、ランプ１１の発した光はリフレクタ１２で反射されて第２焦点に集光する。
【００３３】
照明光学系２０は、カラーホイール２１、インテグレータロッド２２、およびリレー光学系２３を含んでいる。
【００３４】
そして、カラーホイール２１は、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、青色（Ｂ）光をそれぞれ選択的に透過させるフィルターを有している。このカラーホイール２１は、回転することでいずれかのフィルターを光源１０からの照明光の光路上に位置するようにし、照明光をＲ光、Ｇ光、またはＢ光とする。
【００３５】
なお、詳細については後述するが、表示素子３０は、１つの画像をＲ成分、Ｇ成分、Ｂ成分に分けて、カラーホイール２１の回転に同期して表示する。そのため、画像投影装置１は、時分割表示でカラー画像を提供できる。
【００３６】
インテグレータロッド２２は、表示素子３０の表示領域（像を表示する範囲）に相似の矩形断面を有する四角柱状の透明部材である。なお、インテグレータロッド２２における一方の端面の中心がリフレクタ１２の第２焦点上に位置し、側面がリフレクタ１２の第１焦点と第２焦点を結ぶ直線に平行になるように、配置されている。
【００３７】
そして、カラーホイール２１を透過した光源１０からの照明光は、入射端面を透過してインテグレータロッド２２の内部に入り、側面で全反射されて出射端面に達する。かかる場合、インテグレータロッド２２の入射端面に対する照明光の入射角は様々であり、出射端面上のあらゆる部位には、入射端面に対する入射角に応じた回数だけ側面で全反射された様々な光線が到達して、出射端面上の照明光の強度分布は均一になる。
【００３８】
なお、インテグレータロッド２２に代えて、レンズアレイから成るインテグレータを採用することもできる。その場合、リフレクタ１２として回転放物面のものを用いて、光源１０からの照明光を平行光としておく。
【００３９】
リレー光学系２３は、３つのレンズより成り、インテグレータロッド２２からの照明光を表示素子３０に導く。リレー光学系２３は、インテグレータロッド２２の出射端面と、表示素子３０における表示領域の中心を含む平面とを光学的に共役にし、その平面上にインテグレータロッド２２の出射端面の像を形成する。
【００４０】
なお、表示素子３０の表示面は、リレー光学系２３からの照明光の主光線と直交しない。ただし、表示面を含む平面上の照明範囲が矩形である表示領域と略相似な形状となっており、その表示領域は均一に照明される。また、リレー光学系２３は、照明範囲を表示素子３０の表示領域よりも僅かに大きくなるように設定している。そのため、表示領域から外れる照明光は少なくなり、照明効率が高くなる。
【００４１】
また、光源１０から表示素子３０に至るまでの光路に反射ミラーを配置してもよい。例えば、表示素子３０とリレー光学系２３の最も表示素子３０側のレンズとの間に反射ミラーを配置してもよいし、リレー光学系２３の最も表示素子３０側のレンズとそれ以外のレンズとの間に反射ミラーを配置してもよい。このような構成であれば、例えば、反射ミラーから光源１０側の光路が図１および図２の紙面に対して垂直方向に折り曲げられる。すると、画像投影装置の高さ寸法と厚さ方向とが抑制できる。
【００４２】
反射型の表示素子３０は、２次元に配列された多数の画素を有している。そして、表示素子３０は、画素の角度変調によって画像を表示し、照明光を反射して表示した画像を表す光（投影光）とする。なお、画素の角度変調によって画像を表示する素子としては、例えばテキサスインスツルメント社のデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等が挙げられる。
【００４３】
投影光学系４０は、球面、回転対称非球面あるいは自由曲面の４つのミラー４１、４３、４４、４５と、１つのレンズ４２とを含んでいる。そして、投影光学系４０は、表示素子３０からの投影光をスクリーン５０に導いて、投影光の表す画像の拡大像をスクリーン５０上に形成する。なお、４枚のミラーのうち最も表示素子側の曲面ミラー４１は凹面であり、表示素子側から２番目の曲面ミラー４３は凸面である。また、レンズ４２は、曲面ミラー４１と曲面ミラー４３との間に配置されている。また、曲面ミラー４４、４５は自由曲面になっている。
【００４４】
スクリーン５０は、透過型であり、画像の観察者とは逆側から投影光を受けるようになっている。なお、投影光における主光線（表示素子３０の表示領域の中央の画素からの中央の光線）のスクリーン５０に対する入射角は、７０゜程度と大きくなっている。また、画像投影装置１は、提供する画像の大きさの割に、前後方向に薄い構成となっている。
【００４５】
反射型の表示素子３０は、２次元に配列された多数の向き可変の微小な画素を有し、各画素で画像の一点を表す。各画素は、表示素子３０全体としての表示面に平行な偏向軸を中心に、正逆両方向に向きを変える（偏向する）。画素の偏向角χは、例えば±１２゜である。
【００４６】
図３は、１つの画素３１による照明光の反射の様子を示している。この図３に示すように、表示素子３０に対する照明光の入射角は一定であるが、画素３１の向きによって、進行方向の異なる２つの反射光が生じる。なお、反射光の一方が画像を表す光（投影光）となり、他方は不要な光となる。そして、不要な光は投影光学系４０に入射することなく棄てられる。本実施形態の画像投影装置１では、照明光との角度差の小さい方の反射光を投影光としている。
【００４７】
表示素子３０は、１０．５ｍｍ×１８．６ｍｍの大きさの矩形の表示領域を有する。また、表示素子３０の各画素３１は、一辺を０．０１４ｍｍとする正方形であり、対向する２辺に平行で他の２辺の中点を通る偏向軸を有する。そして、全ての画素３１は、偏向軸が表示素子３０の表示領域の長辺と平行になるように配置されている。
【００４８】
図４は、表示素子３０の表示領域３０ａと一部の画素３１とを示している。そして、図４において、３２が画素３１の偏向軸を示している。以下、図４に示すように、表示領域３０ａの中心を通り表示領域３０ａの長辺に平行な軸をｘ軸、表示領域３０ａの中心を通り表示領域３０ａの短辺に平行な軸をｙ軸と定める。なお、ｘ軸、ｙ軸の正の方向は図示したとおりである。また、表示領域３０ａの中心を通りｘ軸とｙ軸に垂直な軸をｚ軸と定める。ｚ軸の正の方向は図４の紙面の手前側である。
【００４９】
なお、ここでは、表示領域３０ａに全ての画素３１が含まれる表示素子３０の例を掲げているが、これに限定されるものではない。表示領域３０ａと画素３１との関係が異なる他の表示素子を用いてもよい。例えば、図５に示すように、偏向軸３２が画素３１の対角方向で、画素３１の配列の縁が各画素３１の辺に平行な表示素子３０を用い、そのうちの一部を表示領域３０ａとして利用することができる。要は、表示領域３０ａの長辺に対して各画素３１の偏向軸３２が平行であればよい。
【００５０】
投影光学系４０は、入射側（表示素子３０側）でテレセントリックな光学系とされている。したがって、その入射瞳は無限遠に位置する。ただし、投影光学系４０の入射瞳は、表示素子３０の表示領域３０ａに平行であるものの、その中心が表示領域３０ａの中心における法線上から表示領域３０ａの短辺に平行な方向に変位している。
【００５１】
具体的には、投影光学系４０の入射瞳の中心は、ｘ＝０の平面上、かつｙ＞０、ｚ＞０の範囲に存在する。そして、表示領域３０ａの中心および投影光学系４０の入射瞳の中心を結ぶ直線と、表示領域３０ａの中心における法線との成す角は、４゜である。
【００５２】
なお、ここでは、表示面の法線に対する投影光学系４０の入射瞳の方向の傾斜角を４゜としているが、他の値としてもよい。ただし、この傾斜角が小さすぎる場合、照明光と投影光との分離が困難になる一方、傾斜角が大きすぎる場合、結像性能が低下する。そのため、投影光学系４０の入射瞳の方向の傾斜角は、４゜〜２０゜とするのがよい〔条件式（５）〕。
【００５３】
照明光学系２０は、表示素子３０からの投影光が投影光学系４０の入射瞳を通るように配置されている。そして、照明光学系２０の射出瞳の中心は、ｘ＝０、ｙ＜０、ｚ＞０の範囲に位置する。より具体的には、表示素子３０の表示領域３０ａの中心と照明光学系２０の射出瞳の中心とを結ぶ直線が、表示素子３０の表示面の法線に対して２８゜の角度を成す。したがって、照明光の主光線と投影光の主光線との成す角は、３２゜である。
【００５４】
なお、ここでは、照明光の主光線と投影光の主光線との成す角を３２゜としているが、他の値としてもよい。ただし、この角が小さすぎると投影光と照明光との分離は困難になる。したがって、照明光の主光線と投影光の主光線との成す角は、３０゜以上とするのがよい〔条件式（４）〕。
【００５５】
また、照明光学系２０は、投影光学系４０に合わせて、射出側（表示素子３０側）でテレセントリックな光学系とされている。斜め照明では、このようにテレセントリックとするのが、照度分布差を小さくする上で有用である。ただし、照明光学系２０は、必ずしも完全にテレセントリックな光学系である必要はない。表示領域３０ａの中心に導く照明光の主光線と、表示領域３０ａの周辺部に導く照明光の主光線との角度差が±５゜程度以内であれば、十分許容できる。
【００５６】
ところで、投影光学系４０および照明光学系２０の開口数（ＮＡ）は０．１４であり、これはＦ３．５に相当する。また、表示素子３０の表示領域３０ａから、表示領域３０ａに最も近い光学部品である投影光学系４０におけるミラー４１の最も表示素子に近い箇所までの距離（表示素子３０の表示面の法線方向についての距離）は、７５ｍｍである。したがって、大きな開口数を確保しながら、投影光と照明光とが十分に分離できている。
【００５７】
開口数を他の値とすることもできる。ただし、開口数が小さすぎると照明光学系２０から投影光学系４０へのエネルギーの伝達効率は低下し、大きすぎると投影光学系４０の結像性能は低下する。そのため、照明光学系２０および投影光学系４０の開口数は、０．１３〜０．２５とすることが好ましい〔条件式（６）〕。
【００５８】
本実施形態の画像投影装置１は、画素３１の偏向軸３２が矩形の表示領域３０ａの長辺に平行な反射型の表示素子３０を備え、画素３１の角度変調によって画像を表示するようになっている。そして、このような画像投影装置１は、次の式１〔条件式（１）〕を満たすことで、照明光と投影光とが分離している光路上に、照明光学系２０と投影光学系４０とを確実に配置できる。
【００５９】
【数６】
2006099071.tif 000005
…  式１
【００６０】
さらに、式２〔条件式（２）〕を満たすことで、照明光学系２０と投影光学系４０との間の良好なエネルギー伝達効率が確保される。
sinθ＞０．１３                                              …  式２
【００６１】
ここで、各パラメータを次のように定める。
Ｌ：表示素子の表示領域から光路上で表示素子の表示領域に最も近い光学部品までの、表示領域の法線方向の距離
α：表示素子の表示領域の中心から投影光学系の入射瞳の中心に向かう方向と表示領域の法線方向との成す角
ｄ：表示素子の表示領域の短辺の長さ
Ｈ：表示素子の表示領域から投影光学系の入射瞳までの、表示領域の法線方向の距離
θ：表示素子の表示領域の短辺に平行な方向における照明光学系と投影光学系の開口数の逆正弦
χ：表示素子の表示面に対する画素の偏向角
【００６２】
より詳細に説明すると、Ｌは表示素子の表示領域側から光路上で表示領域に最も近い光学部品の最も表示素子に近い箇所の、表示領域の法線方向の距離である。Ｈは、表示素子の表示領域から投影光学系の入射瞳中心までの、表示領域の法線方向の距離である。また、照明光学系と投影光学系との開口数が異なる場合、θは、小さいほうの開口数の逆正弦である。
【００６３】
そして、図６は、表示素子３０の表示領域３０ａの長辺方向（ｘ軸方向）からみた模式的な図になっている。この図６では、表示領域３０ａの下端から投影光学系４０の入射瞳に達する投影光のうち最も下の光線を光線Ｌ１とし、照明光学系２０から表示領域３０ａの上端に達する照明光のうち最も上の光線を光線Ｌ２としている。なお、表示領域３０ａの短辺方向（ｙ軸方向）を上下方向といい、ｙ軸の正側を上、負側を下と称す。
【００６４】
そして、式１は、図６に示すように、光線Ｌ１と光線Ｌ２との交点よりも、光学部品が表示領域３０ａから遠く（図６の斜線を付した範囲内に）に位置することを表している。
【００６５】
また、式１におけるｄ／（２・Ｈ）という項は、テレセントリック度合いを表す。そして、完全にテレセントリックな光学系では、この項〔ｄ／（２・Ｈ）〕は０になる。したがって、式１は式３となる。なお、テレセントリック度合いの逆正接が±５゜以内であれば、実際の光学系を構成するとき、式１に代えて式３〔条件式（３）〕を用いても特に問題はない。
【００６６】
【数７】
2006099071.tif 000006
…  式３
【００６７】
ところで、フィールドレンズやＴＩＲプリズムを用いず、投影光学系の入射瞳の方向を傾ける（入射瞳を変位させる）場合、その傾斜角が大きいと、投影光学系の結像性能が得にくくなり、逆に小さいと、十分な開口数の確保と投影光と照明光の分離を両立させることができなくなる。
【００６８】
一般の画像投影装置では、表示素子における画素の偏向軸が表示領域の長辺および短辺に対して４５゜を成す構成である。しかし、そのような構成よりも、本実施形態の画像投影装置１のように、画素３１の偏向軸３２が表示領域３０ａの長辺に平行な構成とするほうが、投影光と照明光とを分離するために必要な投影光学系４０の入射瞳の傾斜角を小さくできる。このため、大きな開口数としながら投影光学系４０と照明光学系２０とを容易にレイアウトすることが可能になり、高い伝達効率を確保することができる。以下、この点について説明する。
【００６９】
本実施形態の画像投影装置１は、画素の偏向軸が表示領域の長辺に平行で、投影光学系の入射瞳が表示領域の短辺に平行な方向（偏向軸に垂直な方向）に変位している。かかる構成の場合、表示素子の表示領域の中心から投影光学系の入射瞳の中心に向かう方向のベクトル（投影光学系の入射瞳方向ベクトルという）ｖＰは、式４となり、投影光を生成する画素の法線の方向のベクトルｖＤonは、式５となる。
【００７０】
【数８】
2006099071.tif 000007
…  式４
【００７１】
【数９】
2006099071.tif 000008
…  式５
【００７２】
また、効率のよい光学系とするために、投影光学系の入射瞳と照明光学系の射出瞳とが、同一光軸上に位置するように設定すると、投影光の主光線と照明光の主光線との成す角（主光線分離角という）γは、式４、式５より式６の関係を満たす。その結果、式７が成立する。
【００７３】
【数１０】
2006099071.tif 000009
…  式６
【００７４】
【数１１】
2006099071.tif 000010
…  式７
【００７５】
一方、画素の偏向軸が表示領域の長辺および短辺に対して４５゜を成す構成では、投影光を生成する画素の法線の方向のベクトルｖＤonは、式８となる。
【００７６】
【数１２】
2006099071.tif 000011
…  式８
【００７７】
また、効率のよい光学系とするために、投影光学系の入射瞳と照明光学系の射出瞳とが同一光軸上に位置するように設定すると、投影光と照明光との主光線分離角γは、式４・式８より式９の関係を満たす。その結果、式１０が成立する。
【００７８】
【数１３】
2006099071.tif 000012
…  式９
【００７９】
【数１４】
2006099071.tif 000013
…  式１０
【００８０】
ここで、図７に、投影光学系における入射瞳の方向の傾斜角αと、投影光および照明光の主光線分離角γとの関係を示す。図７において、γ９０は、画素の偏向軸が表示領域の長辺に平行な構成のものであり、γ４５は、従来のＤＭＤに相当するものであり、長辺および短辺に対して４５゜を成す構成のものである。また、画素の偏向角χはいずれも１２゜である。
【００８１】
図７より、入射瞳の方向の傾斜角αが同じ場合、本実施形態の画像投影装置１のように画素の偏向軸を表示領域の長辺に平行にした構成が、主光線分離角γを大きくなる。つまり、開口数が同じであれば、画素の偏向軸を表示領域の長辺に平行にしたほうが、投影光学系の入射瞳の傾斜角αを小さくしてもレイアウトし易いといえる。そのため、本実施形態の画像投影装置１は、投影画像の結像状態を容易に良好にできる。
【００８２】
したがって、投影光学系における入射瞳の方向の傾斜角αが同じであれば、画素の偏向軸を表示領域の長辺に平行にしたほうが、開口数を大きくしてもレイアウトがし易くなり、ひいては、画像投影装置１が、エネルギー伝達効率を高くして、明るい投影画像を容易に提供できるようになる。
【００８３】
ところで、本実施の形態における投影光学系４０は、複数の曲面ミラーを用いることで、画像を拡大してスクリーン５０上に投影している。このような反射型の投影光学系４０では、曲面ミラーへ入射し反射する光束が重なり合わないようにするために、光束の中心光線を屈曲させるように曲面ミラーが配置されている。
【００８４】
また、一般的に反射面への入射角が小さいほど、ミラー偏芯の度合いが少ないため、光学系の性能は高まる。ミラーの偏芯の度合いが小さいと、ミラー反射面の大きさも小さくできる。
【００８５】
そこで、本実施の形態における投影光学系４０においては、表示素子中心からスクリーン中心に至る光束の中心光線が表示素子３０の短辺に平行な平面に含まれるように、曲面ミラーで投影光束が折り返されている。これは、表示素子の長辺方向よりも短辺方向の光束の幅が小さく、ミラーの偏芯度合いが小さくなるためである。
【００８６】
本実施の形態の画像投影装置１のように、画素の偏向軸を表示領域の長辺に平行な構成にすると、表示素子の短辺に平行な平面内で中心光線が折り返されるように、容易に光線できる。そして、投影光学系４０における入射瞳の傾斜角αが小さいので、照明光束が投影光学系４０の瞳に良好に伝達されるとともに、各曲面ミラーをコンパクトにした高性能な投影光学系が実現できる。
【００８７】
［第２の実施の形態］
以下、第２の実施形態について説明する。前述のように、第１の実施形態の画像投影成装置１は、各画素３１からの２種類の反射光のうち（図３参照）、照明光との角度差の小さい方を投影光とし、照明光との角度差の大きい方を不要光としている。しかし、この設定では、不要光を生成する画素に起因して、投影画像のコントラストが低下することがある。
【００８８】
その理由を図８Ａに示す。図８Ａは、不要光を生成する状態の画素３１が並んだ様子を表したものである。不要光を生成する場合、画素３１は照明光に対してより平行に近づく。そのため、図８Ａに示すように、不要光を生成する画素３１が連続すると、画素３１と画素３１との間を通る照明光が生じる。
【００８９】
すると、画素３１と画素３１との間を通った照明光は、画素３１を支持する基板３０ｂ等で反射されて散乱し、一部が投影光に混入する。その結果、投影画像のうち黒であるべき部分が明るくなって、コントラストの低下を招く。そこで、本実施形態では、各画素３１からの２種類の反射光のうち、照明光との角度差の大きい方を投影光とし、照明光との角度差の小さい方を不要光として、コントラストの低下を防止する。
【００９０】
一方、図８Ｂに、本実施形態の画像投影装置２において、不要光を生成する状態の画素３１が並んだ様子を示す。この図８Ｂに示すように、不要光を生成する画素３１が連続しても、画素３１と画素３１との間を通る照明光は生じ得ない。したがって、コントラストの低下が防止される。
【００９１】
なお、図９は、本実施形態の画像投影装置２の光学構成の要部を示している。画像投影装置２の構成は、反射型の表示素子３０に対する照明光の角度と、表示素子３０の生成する投影光の角度とを除き、第１の実施形態の画像投影装置１と同様である。
【００９２】
また、本実施形態の画像投影装置２では、投影光学系４０が入射側（表示素子３０側）でテレセントリックな光学系になっており、照明光学系２０が出射側（表示素子３０側）でテレセントリックな光学系になっている。そして、投影光学系４０の入射瞳は、表示領域の中心における法線上から表示領域の短辺に平行な方向に変位している。また、表示領域の中心と投影光学系４０の入射瞳の中心とを結ぶ直線と、表示領域の中心における法線との成す角は、３０゜である。
【００９３】
なお、各画素からの２種類の反射光のうち照明光との角度差の大きい方を投影光とし、照明光との角度差の小さい方を不要光とするため、画像投影装置２での表示素子３０に対する照明光の傾きは、画像投影装置１での表示素子３０に対する照明光の傾きよりも小さくなっている。
【００９４】
具体的には、表示素子３０の表示領域の中心および照明光学系２０の射出瞳の中心を結ぶ直線と、表示領域の中心における法線との成す角が、６゜である。このように照明角度が比較的に小さくなっていると、表示素子３０上の照度分布は一層均一になる。
【００９５】
なお、投影光を生成する状態の画素の法線と照明光との成す角δonは、式１１となり、不要光を生成する状態の画素の法線と照明光との成す角δoffは、式１２となる。
【００９６】
【数１５】
2006099071.tif 000014
…  式１１
【００９７】
【数１６】
2006099071.tif 000015
…  式１２
【００９８】
また、画素の偏向角χは±１２゜であり、表示面の法線と照明光との成す角が６゜であることから、δon＝６゜、δoff＝１８゜となり、δon≧δoffになる。また、投影光と不要光とは、照明光に関して互いに反対側を進行する。すなわち、照明光は投影光と不要光との間から表示素子３０に導かれる。
【００９９】
また、不要光を生成する状態の画素の法線と照明光との成す角δoffを画素の偏向角χの半分以下（δoff≦χ／２）にすれば、照明光が画素と画素の間に入らないので、コントラストの低下防止に有効である。すなわち、偏向角χ＝±１２゜のときは、δoff≦６゜とするのが好ましい。
【０１００】
上記各実施形態の画像投影装置１・２は、フィールドレンズやＴＩＲプリズムを用いることなく、照明光と投影光を確実に分離することができる。そのため、本実施形態の画像投影装置１・２は、明るく質の高い画像を提供することが可能であり、コストも抑えられる。したがって、投射型テレビとするのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】図１は、第１の実施形態の画像投影装置の光学構成の全体を示す図である。
【図２】図２は、上記画像投影装置の光学構成の要部を示す図である。
【図３】図３は、表示素子の１つの画素による照明光の反射の様子を模式的に示す図である。
【図４】図４は、表示素子の表示領域と一部の画素を示す図である。
【図５】図５は、上記画像投影装置で採用可能な別の表示素子とその表示領域を示す図である。
【図６】図６は、表示素子の表示領域の下端から投影光学系の入射瞳に達する投影光のうち最も下の光線と、照明光学系から表示領域の上端に達する照明光のうち最も上の光線を模式的に示す図である。
【図７】図７は、投影光学系の入射瞳の方向と投影光と照明光の主光線の分離角の関係を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、不要光を生成する状態の画素が並ぶことによりコントラストが低下する理由を説明する説明図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、コントラストの低下を防止するために第２の実施形態の画像投影装置で採用する設定を示す説明図である。
【図９】図９は、第２の実施形態の画像投影装置の光学構成の要部を示す図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１    画像投影装置
２    画像投影装置
１０    光源
１１    ランプ
１２    リフレクタ
２０    照明光学系
２１    カラーホイール
２２    インテグレータロッド
２３    リレー光学系
３０    反射型表示素子
３０ａ  表示領域
３１    画素
３２    偏向軸
４０    投影光学系
４１    ミラー
４３    ミラー
４４    ミラー
４５    ミラー
４２    レンズ
５０    スクリーン
【図１】
2006099071.tif 000019
【図２】
2006099071.tif 000020
【図３】
2006099071.tif 000021
【図４】
2006099071.tif 000022
【図５】
2006099071.tif 000023
【図６】
2006099071.tif 000024
【図７】
2006099071.tif 000025
【図８Ａ】
2006099071.tif 000026
【図８Ｂ】
2006099071.tif 000027
【図９】
2006099071.tif 000028