(57)【要約】【課題】正反射成分による迷光を減少し、コントラストを改善する。【解決手段】ＤＭＤ１１の反射面における位置情報を、ＯＮ状態のマイクロミラー１１Ｂで反射した光線とＤＭＤ１１の光軸とのなす広がり角情報に変換したフーリエ変換面１２Ａを作り出す入射側レンズ群と、フーリエ変換面１２Ａの近傍に配置され、ＯＮ状態のマイクロミラー１１Ｂからの反射光以外の光線を広がり角情報にしたがって遮蔽除去する変形絞り１２Ｂと、変形絞り１２Ｂを透過した光をスクリーン１３へ出射する出射側レンズ群とを投影レンズが備える。【選択図】図１
2008033339.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を集光する集光光学系システムと、
ランプ光源から発した光を第１のＦ値の光束として集光する集光レンズと、上記第１のＦ値の光束をその出射端面で均一な強度分布にして出射する光強度分布均一化素子と、上記第１のＦ値の光束を第２のＦ値の光束として上記反射型光空間変調素子へリレーするリレー系と、
画像を表示するスクリーンと、マイクロミラーのＯＮ／ＯＦＦ状態のスイッチングによって光を反射する反射型光空間変調素子と、上記反射型光空間変調素子で反射した光を上記スクリーンへ投影する投影光学系システムとを備え、上記集光光学系システムからの光を上記反射型光空間変調素子へ照射する画像表示装置において、
上記投影光学系システムは、上記反射型光空間変調素子の反射面における位置情報を、上記ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光線と上記反射型光空間変調素子の光軸とのなす広がり角情報に変換したフーリエ変換面を作り出す入射側レンズ群と、上記フーリエ変換面の近傍に配置され、上記ＯＮ状態のマイクロミラーからの反射光以外の光線を広がり角情報にしたがって遮蔽除去する第１の変形絞りと、上記第１の変形絞りを透過した光を上記スクリーンへ出射する出射側レンズ群とを備え、
上記集光光学系システムは、上記集光レンズの光軸と直交する第１の座標軸方向の幅を上記反射型光空間変調素子の傾斜角で決まるＦ値を基に設定し、上記集光レンズの光軸および上記第１の座標軸とそれぞれ直交する第２の座標軸方向の上記光の幅を上記第１の座標軸方向の上記光の幅よりも大きくして出射する光変換手段を上記ランプ光源と上記集光レンズとの間に備え、
上記リレー系は、上記反射型光空間変調素子の回転軸と上記第２の座標軸方向とを平行にして上記光束をリレーすることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
光変換手段は、集光レンズの光軸と一致する光軸を備え、第１の座標軸方向にのみレンズ作用を有するシリンドリカルレンズ群とすることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項３】
光変換手段は、第１の座標軸方向においてのみ、集光レンズの光軸に対して斜めに出射されたランプ光源からの光を上記集光レンズの光軸と平行な方向へ屈折するプリズムとすることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項４】
ランプ光源は、光を発する発光体および上記発光体を焦点に備えたパラボラリフレクタから構成され、
光変換手段は、上記パラボラリフレクタの開口に設けられた開口板とすることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項５】
ＯＮ状態におけるマイクロミラーの反射光線束の光軸方向を角度空間の原点とするとともに、ＯＦＦ状態における上記マイクロミラーの反射光線束の光軸方向をθｘ方向としたときに、第１の変形絞りは、上記ＯＮ状態の光軸からθｘ方向に角度θｃ以上の角度を持った光線を遮蔽除去する略Ｄ字型の開口を有することを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項６】
マイクロミラーのＯＮ状態とＯＦＦ状態とのスイッチング角度を±θＤＭＤとするとともに、第１の変形絞りによって透過が許容される角度をθｐとしたときに、上記第１の変形絞りは、０．５θＤＭＤ≦θｃ≦θｐを満たす開口を有することを特徴とする請求項５記載の画像表示装置。
【請求項７】
第１の変形絞りは、θｃ≒θＤＭＤを満たす開口を有することを特徴とする請求項５または請求項６記載の画像表示装置。
【請求項８】
ＯＮ状態におけるマイクロミラーの反射光線束の光軸方向を角度空間の原点とするとともに、ＯＦＦ状態における上記マイクロミラーの反射光線束の光軸方向をθｘ方向とし、上記θｘ方向と直交する方向をθｙ方向と定めるときに、第１の変形絞りは、上記ＯＮ状態の光軸から±θｘ方向に角度±θｃ’以上の角度を持つ光線を遮蔽除去する略長円型の開口を有することを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の画像表示装置。
【請求項９】
反射型光空間変調素子面のマイクロミラーのＯＮ状態とＯＦＦ状態のスイッチング角が±θＤＭＤであるとし、第１の変形絞りによって透過が許容される角度をθｐとしたときに、上記第１の変形絞りは、０．５θＤＭＤ≦θｃ’≦θｐを満たす開口を有することを特徴とする請求項８記載の画像表示装置。
【請求項１０】
第１の変形絞りは、θｃ’≒θＤＭＤを満たす開口を有することを特徴とする請求項８または請求項９記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、反射型光空間変調素子であるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤTM，Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅの略、以下ＤＭＤ）へ光を照射して画像を表示する画像表示装置に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
ＤＭＤは、例えば投影型スクリーンを備えた画像表示装置などに適用され、デジタル画像情報に基づいて空間的に光を強度変調する反射型の半導体素子である。集光光学系システムからリア面で光を受けて投影光学系システムへフロント面から強度変調光を出射する透過型の液晶方式と異なり、ＤＭＤを用いた画像表示装置は、集光光学系システムと投影光学系システムとをＤＭＤの反射面側に設けて反射光学系システムを構成している。
【０００３】
ＤＭＤの反射面には１６μｍ平方角のマイクロミラーが１７μｍのピッチで２次元マトリクス状に画面を構成する画素数相当、具体的には数十万個以上が配置されている。このマイクロミラーは画像の一画素と一対一に対応しており、集光レンズを介してランプ光源からの光をＤＭＤが反射面で受けると、各マイクロミラーはデジタル画像情報にしたがって光を強度変調する。強度変調された光は、時間的なＯＮ／ＯＦＦ制御によって画像情報光として反射面から出射する。
【０００４】
図２２はＤＭＤの反射面の一部を拡大した図である。
図２２において、１０１はＤＭＤの反射面、１０２は反射面１０１に設けられた正方形形状のマイクロミラー、Ｏはマイクロミラー１０２を傾斜制御するための回転軸である。マイクロミラー１０２はその対角線上に回転軸Ｏを有しており、このマイクロミラー１０２への入射主光線の入射方向は、反射面１０１に対して他方の対角線と平行になるように、そして反射面１０１の法線に対して２０°の入射角となるように設定される。
【０００５】
各マイクロミラー１０２は、メモリのデジタル画像情報に基づくコントロール電圧によって回転軸Ｏを中心としてＯＮ／ＯＦＦの２値制御を行うことができる。それぞれの傾斜角度は±１０°に設定されて入射光の反射方向をスイッチする。このマイクロミラー１０２の傾斜制御の動作について次に説明する。
【０００６】
図２３はマイクロミラーの傾斜制御の動作を説明するための図である。
図２３において、１０１はＤＭＤの反射面であり、ここでは反射面１０１を水平としてある。１０２Ａは反射面１０１とのなす傾斜角が＋１０°の場合のマイクロミラー、１０２Ｂは反射面１０１とのなす傾斜角が−１０°の場合のマイクロミラー、Ｏはマイクロミラー１０２Ａ，１０２Ｂの回転軸である。図２３では、回転軸Ｏを中心に時計周りの方向を＋の傾斜角、反時計周りの方向を−の傾斜角としている。
【０００７】
１０３は不図示の集光光学系システムからマイクロミラー１０２Ａ，１０２Ｂへ入射する入射主光線、１０４Ａはマイクロミラー１０２Ａからの出射主光線、１０４Ｂはマイクロミラー１０２Ｂからの出射主光線、１０５はスクリーン、１０５Ａはマイクロミラー１０２Ａ，１０２Ｂと対応するスクリーン１０５の一絵素、１０６はＤＭＤの反射面１０１とスクリーン１０５との間に設けられた投影光学系システムの投影レンズであり、投影レンズ１０６は出射主光線１０４Ａを一絵素１０５Ａへ投影する。
【０００８】
入射主光線１０３は反射面１０１の法線ｎと２０°の角度をなしてマイクロミラー１０２Ａまたは１０２Ｂへ入射している。
スクリーン１０５の一絵素１０５Ａへ光を投影する場合には、コントロール電圧によって傾斜角を＋１０°に傾斜制御する。このとき、入射主光線１０３はマイクロミラー１０２Ａの法線ｎＡと１０°の角度をなしてマイクロミラー１０２Ａへ入射することになる。したがって反射の法則により、入射主光線１０３は反射面１０１の法線ｎの方向へ反射主光線１０４Ａとして反射され、投影レンズ１０６を介してスクリーン１０５の一絵素１０５Ａを明るくする（ＯＮ状態）。
【０００９】
また、スクリーン１０５の一絵素１０５Ａへ光を投影しない場合には、コントロール電圧によって傾斜角を−１０°に傾斜制御する。このとき、入射主光線１０３はマイクロミラー１０２Ｂの法線ｎＢと３０°の角度をなしてマイクロミラー１０２Ｂへ入射することになる。したがって反射の法則により、入射主光線１０３は反射面１０１の法線ｎと４０°の角度をなす方向へ反射主光線１０４Ｂとして反射される。反射主光線１０４Ｂは、投影レンズ１０６の開口から外れる方向へ向うので、スクリーン１０５の一絵素１０５Ａを明るくしない（ＯＦＦ状態）。
【００１０】
このように、ＤＭＤでは、マイクロミラー１０２Ａ，１０２Ｂを通常±１０°の傾斜角でＯＮ／ＯＦＦ制御する。傾斜角＋１０°（―１０°）から傾斜角―１０°（＋１０°）へ変化させる際の所要時間は１０μｓｅｃ以下であり、ＤＭＤは光を高速変調することができる。
【００１１】
図２３から分かるように、マイクロミラー１０２Ａ，１０２Ｂは傾斜角±１０°で傾斜制御されるので、ＯＦＦ状態の場合の入射主光線１０３と出射主光線１０４Ｂとは６０°の角度をなす。一方、ＯＮ状態の場合の入射主光線１０３と出射主光線１０４Ａとは２０°の角度をなして最も接近する。このことを踏まえると、ＤＭＤへ入射可能な光束のＦ値はマイクロミラーの傾斜角±１０°によって制約されることが分かる。
【００１２】
図２４はＦ＝３の円錐形の光束がＯＮ状態のマイクロミラーへ入射する状態を表す図である。図２３と同一または相当する構成については同一符号を付してある。
図２４において、１０７，１０８はそれぞれマイクロミラーの中心を頂点とするＦ＝３（広がり角１０°、立体角）の円錐形の入射光束、出射光束である。入射光束１０７，出射光束１０８は、マイクロミラーの中心から観測したときの入射側、出射側の光の広がり方の様子をそれぞれ表している。
【００１３】
１０７Ａ，１０７Ｂは入射光束１０７に含まれる入射光線であり、１０８Ａ，１０８Ｂは出射光束１０８に含まれる出射光線である。入射光線１０７Ａは出射主光線１０４Ａに最も近く、入射光線１０７Ｂは出射主光線１０４Ａに最も遠くなっている。また、出射光線１０８Ａは入射主光線１０３に最も近く、出射光線１０８Ｂは入射主光線１０３に最も遠くなっている。
【００１４】
つまり、入射光線１０７Ａ，１０７Ｂはそれぞれ最も外側の入射光束であり、入射主光線１０３と広がり角θ＝１０°をなしてマイクロミラー１０２Ａへ入射して、マイクロミラー１０２Ａで反射されてそれぞれ出射光線１０８Ａ，１０８Ｂになる。１０９Ａは光軸ｎＡと直交する平面であり、平面１０９Ａで切断した場合の図２４（ａ）の入射光束１０７，出射光束１０８を図２４（ｂ）に示している。図２４（ｂ）では、便宜的に光線１０３，１０４Ａを平行とみなした場合の入射光束１０７，出射光束１０８を示している。
【００１５】
図２４（ａ）のＯＮ状態のマイクロミラー１０２Ａにおいて、入射主光線１０３と出射主光線１０４Ａとは２０°の角度をなしているので、入射主光線１０３を中心にした入射光束１０７の広がり角θをどの方向についても一定量と設定してあると、角度θ＝１０°の場合に入射光線１０７Ａ，出射光線１０８Ａが同一の法線ｎＡ上において一致する（図２４（ｂ））。
【００１６】
したがって、角度θが１０°を超えると、入射光線１０７Ａを含む入射光束１０７の一部と、出射光線１０８Ａを含む出射光束１０８の一部とが干渉してしまう。すなわち、入射光束を与える照明光学系と出射光束を取り込む投影光学系とが構造上重なってしまうことになる。このような理由によって、入射光束１０７と出射光束１０８との干渉を避けて角度θを１０°に設定する。
【００１７】
このとき、空気中の屈折率を１としてＦ＝１／［２ｓｉｎ（θ）］からＦ値を求めると、Ｆ値の最小値は約３であることが分かる。一般に、Ｆ値は光学系の明るさを表しており、Ｆ値が小さいほど（θが大きいほど）光学系は明るくなるので、傾斜角±１０°で傾斜制御されるマイクロミラー１０２Ａへ光を集光する従来の集光光学系システムでは、Ｆ＝３，すなわちθ＝１０°の円錐形の光束を入射する場合に、最も明るい光学系を作ることができる。
【００１８】
続いて、ＤＭＤ用の集光光学系システムを用いた画像表示装置について説明する。図２５は従来の集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図である。
図２５において、１１１は光を発する発光体、１１２は発光体１１１を焦点に備える回転放物面形状のパラボラリフレクタであり、発光体１１１，パラボラリフレクタ１１２からランプ光源が構成されている。１１３はパラボラリフレクタ１１２が反射した光を集光する集光レンズ、１１４は集光レンズ１１３からの光を３原色に色分離するカラーホイールである。以下では、１枚のカラーホイールを用いてＲＧＢ３原色を時分割で照射し、３原色による色空間を再現できる単板方式で説明を進めるが、ＲＧＢ３原色をそれぞれ独立にＤＭＤへ照射する３板方式の場合もある。
【００１９】
１１５はカラーホイール１１４からの光を入射端面で受け、輝度分布を均一化した光を出射端面から出射する４角柱形状のロッドインテグレータ、１１６はロッドインテグレータ１１５からの光をリレーするリレーレンズ、１１８は光路を折り曲げる折り返しミラー、１１９は入射光束中の各点の主光線方向をそろえるフィールドレンズである。
【００２０】
１２０はＴＩＲプリズムであり、投影光学系システムの入射部によって入射光束がケラレるのを防止するため、入射光束のみ全反射し、出射光束は直進させてそのまま通過させることで集光光学系システムと投影光学系システムとを構造的に分離する働きをしている。１２１は前述したＤＭＤ、１２２はＤＭＤ１２１の強度変調光を結像させる投影レンズ、１２３は投影レンズ１２２が結像した光を背面から受光して画像を表示する背面投影型のスクリーン、１２４は画像表示装置の各構成要素が共有する光軸である。
【００２１】
次に動作について説明する。
パラボラリフレクタ１１２の焦点には、できるかぎり点光源を目指した発光体１１１が設置されているので、発光体１１１が発した光はパラボラリフレクタ１１２によって反射されて概ね平行光として出射する。集光レンズ１１３は、パラボラリフレクタ１１２からの平行光をＦ１＝１（光軸１２４とのなす広がり角θ１＝３０°）の円錐形の光束として焦点に集光する。カラーホイール１１４を利用する場合には集光径を小さくする必要があるため、Ｆ＝１が最適なＦ値として一般的に選ばれる。
【００２２】
集光レンズ１１３の焦点にはロッドインテグレータ１１５の入射端面が設置してあり、カラーホイール１１４によって指定した色のみが選択された光は、矩形形状の入射端面からロッドインテグレータ１１５へ入射する。ロッドインテグレータ１１５へ入射した光は、ロッドインテグレータ１１５の側面を複数回反射することによって平均化され、出射端面では面内でほぼ均一な光強度分布になる。
【００２３】
ロッドインテグレータ１１５の出射端面から出射した光は、入射端面への入射光と同様にＦ１＝１で出射し、リレーレンズ１１６、折り返しミラー１１８、フィールドレンズ１１９を介してＴＩＲプリズム１２０へ入射する。ＴＩＲプリズム１２０への入射光はＴＩＲプリズム１２０内部で反射され、ＤＭＤ１２１へ照射されると、ＤＭＤ１２１はデジタル画像情報により画像情報を光束に与えて強度変調光を出射する。このときＤＭＤ１２１へ向う光はＦ＝３が最適値として選ばれている。ＤＭＤ１２１が出射した画像情報光は、ＴＩＲプリズム１２０を再び透過して投影レンズ１２２からスクリーン１２３へと投影される。
【００２４】
以上の画像表示装置では、ロッドインテグレータ１１５の入射端面への入射光束のＦ値とＤＭＤ１２１の反射面への入射光束のＦ値とによって、ロッドインテグレータ１１５の入射端面・出射端面とＤＭＤ１２１の反射面とのサイズ比が決定される。
【００２５】
図２６はロッドインテグレータおよびＤＭＤの関係を説明するための図である。図２５と同一または相当する構成については同一の符号を付してあり、折り返しミラー１１８、フィールドレンズ１１９、ＴＩＲプリズム１２０などは図示を省略するとともに、フィールドレンズ１１９の特性はリレーレンズ１１６に含めて図示している。本来はＤＭＤへの入射光はＤＭＤ光軸に対して２０°の方向から入射するが、以下ではＤＭＤへの入射条件のみを論じるので、入射主光線をＤＭＤへ垂直に入射した場合の図も便宜的に用いることにする。
【００２６】
図２６において、ｗはロッドインテグレータ１１５の入射端面および出射端面の１辺長、ａはロッドインテグレータ１１５からリレーレンズ１１６までの光軸１２４の長さ、ｂはリレーレンズ１１６からＤＭＤ１２１までの光軸１２４の長さ、ＷはＤＭＤ１２１の反射面の１辺長である。
【００２７】
また、θ１はロッドインテグレータ１１５の出射端面からの光束が光軸１２４となす開き角、θ２はＤＭＤ１２１の反射面へ入射する光束が光軸１２４となす開き角である。一般に、角度θ１，θ２がさほど大きくない場合には、ｗ／Ｗ＝ａ／ｂ＝θ２／θ１＝Ｆ１／Ｆ２の関係式が近似的に成り立つ。
【００２８】
カラーホイール１１４を使用するためにθ１＝３０°（Ｆ＝１）としてあり、また傾斜角±１０°で傾斜制御されるＤＭＤ１２１の使用条件からθ２＝１０°（Ｆ２＝３）としているので、ｗ／Ｗ＝ａ／ｂ＝Ｆ１／Ｆ２＝１／３の関係式が得られる。つまり、図２６の光学系では、リレーレンズ１１６を媒介して、１辺長ｗのロッドインテグレータ１１５からの光が１辺長ＷのＤＭＤ１２１へ倍率Ｗ／ｗ＝３で光が照射されている。このように、ＤＭＤ１２１の反射面サイズと角度θ１，θ２とが決定されると、ロッドインテグレータ１１５の出射端面（入射端面）サイズも自動的に決定される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
従来の集光光学系システムは以上のように構成されているので、傾斜角によってＤＭＤへの入射光束のＦ値が制約されて、ロッドインテグレータの入射端面を大きくして損失を軽減することができず、光学系の明るさが制約されてしまうという課題があった。
【００３０】
上の課題について具体的に説明する。
図２５の画像表示装置に適用した集光光学系システムでは、できる限り点光源を目指した発光体１１１から全方向へ出射された光をパラボラリフレクタ１１２と集光レンズ１１３とによってＦ１＝１（光軸１２４とのなす開き角が３０°）の光線を変換してロッドインテグレータ１１５の入射面上へ集光している。図２７（ｂ）に示すように、このときのロッドインテグレータ１１５の入射面１１５Ａへの集光分布１２５は光軸１２４に対して回転対象体となっている。
【００３１】
ここで、もしランプ光源の大きさが無限小であれば、ロッドインテグレータ１１５上での集光面積もゼロになり、全ての光がロッドインテグレータ１１５内に取り込まれる。しかしながら、実際には、発光体１１１は有限の大きさを持っており、全方向へ出射された光を開き角３０°まで縮めることは、リレーレンズと同様の原理によって、ランプ光源の大きさが拡大投影されてロッドインテグレータ１１５の入射面上に投影像として照射される。
【００３２】
このランプ光源の投影像１２５Ａは、ロッドインテグレータ１１５の入射面１１５Ａよりも大きく（図２７（ｃ））、ランプ光源からの全ての光が入射面１１５Ａへ取り込まれるわけではなく、一部の光はケラレて無駄になっており、全体の光利用効率の低下につがっている。
【００３３】
この光のケラレを減少させるためにロッドインテグレータ１１５の入射端面を大きくしようとすると、前述したように、集光レンズ１１３からの光のＦ値（Ｆ１＝１）と、ＤＭＤ１２１への光のＦ値（Ｆ２＝３）とが定まっているため、倍率Ｗ／ｗ＝３の関係を満たすようにＤＭＤ１２１のサイズを大きくしなければならず、コストアップにつながってしまう。
【００３４】
また、従来の画像表示装置は、広い角度範囲の光まで投影レンズで拾うために、ＤＭＤやＴＩＲプリズムで生じる正反射成分の角度が迷光として一部含まれてしまい、コントラストが悪化してしまうという課題があった。
【００３５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、傾斜角によるＤＭＤへの入射光束のＦ値の制約を受けることなく、ロッドインテグレータの入射端面を大きくして損失を軽減し、光学系の明るさを改善することができるＤＭＤ用の画像表示装置を構成することを目的とする。
【００３６】
また、この発明は、正反射成分による迷光を減少し、コントラストを改善することが可能な画像表示装置を構成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
この発明に係る画像表示装置は、上記投影光学系システムが、上記反射型光空間変調素子の反射面における位置情報を、上記ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光線と上記反射型光空間変調素子の光軸とのなす広がり角情報に変換したフーリエ変換面を作り出す入射側レンズ群と、上記フーリエ変換面の近傍に配置され、上記ＯＮ状態のマイクロミラーからの反射光以外の光線を広がり角情報にしたがって遮蔽除去する第１の変形絞りと、上記第１の変形絞りを透過した光を上記スクリーンへ出射する出射側レンズ群とを備え、上記集光光学系システムが、ランプ光源から発した光を第１のＦ値の光束として集光する集光レンズと、上記第１のＦ値の光束をその出射端面で均一な強度分布にして出射する光強度分布均一化素子と、上記第１のＦ値の光束を第２のＦ値の光束として上記反射型光空間変調素子へリレーするリレー系とを備えるとともに、上記集光レンズの光軸と直交する第１の座標軸方向の幅を上記反射型光空間変調素子の傾斜角で決まるＦ値を基に設定し、上記集光レンズの光軸および上記第１の座標軸とそれぞれ直交する第２の座標軸方向の上記光の幅を上記第１の座標軸方向の上記光の幅よりも大きくして出射する光変換手段を上記ランプ光源と上記集光レンズとの間に備え、上記リレー系が、上記反射型光空間変調素子の回転軸と上記第２の座標軸方向とを平行にして上記光束をリレーするようにしたものである。
【００３８】
この発明に係る画像表示装置は、光変換手段は、集光レンズの光軸と一致する光軸を備え、第１の座標軸方向にのみレンズ作用を有するシリンドリカルレンズ群とするようにしたものである。
【００３９】
この発明に係る画像表示装置は、光変換手段は、第１の座標軸方向においてのみ、集光レンズの光軸に対して斜めに出射されたランプ光源からの光を集光レンズの光軸と平行な方向へ屈折するプリズムとするようにしたものである。
【００４０】
この発明に係る画像表示装置は、ランプ光源は、光を発する発光体および発光体を焦点に備えたパラボラリフレクタから構成され、光変換手段は、パラボラリフレクタの開口に設けられた開口板とするようにしたものである。
【００４１】
この発明に係る画像表示装置は、ＯＮ状態におけるマイクロミラーの反射光線束の光軸方向を角度空間の原点とするとともに、ＯＦＦ状態におけるマイクロミラーの反射光線束の光軸方向をθｘ方向とし、θｘ方向と直交する方向をθｙ方向と定めるときに、第１の変形絞りは、ＯＮ状態の光軸からθｘ方向に角度θｃ以上の角度を持った光線を遮蔽除去する略Ｄ字型の開口を有するようにしたものである。
【００４２】
この発明に係る画像表示装置は、マイクロミラーのＯＮ状態とＯＦＦ状態とのスイッチング角度を±θＤＭＤとするとともに、第１の変形絞りによって透過が許容される角度をθｐとしたときに、第１の変形絞りは、０．５θＤＭＤ≦θｃ≦θｐを満たす開口を有するようにしたものである。
【００４３】
この発明に係る画像表示装置は、第１の変形絞りは、θｃ≒θＤＭＤを満たす開口を有するようにしたものである。
【００４４】
この発明に係る画像表示装置は、ＯＮ状態におけるマイクロミラーの反射光線束の光軸方向を角度空間の原点とするとともに、ＯＦＦ状態におけるマイクロミラーの反射光線束の光軸方向をθｘ方向とし、θｘ方向と直交する方向をθｙ方向と定めるときに、第１の変形絞りは、ＯＮ状態の光軸から±θｘ方向に角度±θｃ’以上の角度を持つ光線を遮蔽除去する略長円型の開口を有するようにしたものである。
【００４５】
この発明に係る画像表示装置は、反射型光空間変調素子面のマイクロミラーのＯＮ状態とＯＦＦ状態のスイッチング角が±θＤＭＤであるとし、第１の変形絞りによって透過が許容される角度をθｐとしたときに、第１の変形絞りは、０．５θＤＭＤ≦θｃ’≦θｐを満たす開口を有するようにしたものである。
【００４６】
この発明に係る画像表示装置は、第１の変形絞りは、θｃ’≒θＤＭＤを満たす開口を有するようにしたものである。
【発明の効果】
【００４７】
この発明によれば、上記投影光学系システムが、上記反射型光空間変調素子の反射面における位置情報を、上記ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光線と上記反射型光空間変調素子の光軸とのなす広がり角情報に変換したフーリエ変換面を作り出す入射側レンズ群と、上記フーリエ変換面の近傍に配置され、上記ＯＮ状態のマイクロミラーからの反射光以外の光線を広がり角情報にしたがって遮蔽除去する第１の変形絞りと、上記第１の変形絞りを透過した光を上記スクリーンへ出射する出射側レンズ群とを備え、上記集光光学系システムが、ランプ光源から発した光を第１のＦ値の光束として集光する集光レンズと、上記第１のＦ値の光束をその出射端面で均一な強度分布にして出射する光強度分布均一化素子と、上記第１のＦ値の光束を第２のＦ値の光束として上記反射型光空間変調素子へリレーするリレー系とを備えるとともに、上記集光レンズの光軸と直交する第１の座標軸方向の幅を上記反射型光空間変調素子の傾斜角で決まるＦ値を基に設定し、上記集光レンズの光軸および上記第１の座標軸とそれぞれ直交する第２の座標軸方向の上記光の幅を上記第１の座標軸方向の上記光の幅よりも大きくして出射する光変換手段を上記ランプ光源と上記集光レンズとの間に備え、上記リレー系が、上記反射型光空間変調素子の回転軸と上記第２の座標軸方向とを平行にして上記光束をリレーするようにしたので、正反射成分による迷光を減ずることができ、より明暗のはっきりした高いコントラストのある画像を表示できるという効果が得られる。また、デジタルマイクロミラーデバイスの傾斜角によって入射光束のＦ値を制約されることなく、光学系の明るさを改善することができるという効果が得られる。
【００４８】
この発明によれば、光変換手段は、集光レンズの光軸と一致する光軸を備え、第１の座標軸方向にのみレンズ作用を有するシリンドリカルレンズ群とするようにしたので、デジタルマイクロミラーデバイスの傾斜角によって入射光束のＦ値を制約されることなく、光学系の明るさを改善することができるという効果が得られる。
【００４９】
この発明によれば、光変換手段は、第１の座標軸方向においてのみ、集光レンズの光軸に対して斜めに出射されたランプ光源からの光を集光レンズの光軸と平行な方向へ屈折するプリズムとするようにしたので、デジタルマイクロミラーデバイスの傾斜角によって入射光束のＦ値を制約されることなく、光学系の明るさを改善することができるという効果が得られる。
【００５０】
この発明によれば、ランプ光源は、光を発する発光体および発光体を焦点に備えたパラボラリフレクタから構成され、光変換手段は、パラボラリフレクタの開口に設けられた開口板とするようにしたので、デジタルマイクロミラーデバイスの傾斜角によって入射光束のＦ値を制約されることなく、光学系の明るさを改善することができるという効果が得られる。
【００５１】
この発明によれば、ＯＮ状態におけるマイクロミラーの反射光線束の光軸方向を角度空間の原点とするとともに、ＯＦＦ状態におけるマイクロミラーの反射光線束の光軸方向をθｘ方向とし、θｘ方向と直交する方向をθｙ方向と定めるときに、第１の変形絞りは、ＯＮ状態の光軸からθｘ方向に角度θｃ以上の角度を持った光線を遮蔽除去する略Ｄ字型の開口を有するようにしたので、正反射成分による迷光を減ずることができ、より明暗のはっきりした高いコントラストのある画像を表示できるという効果が得られる。
【００５２】
この発明によれば、マイクロミラーのＯＮ状態とＯＦＦ状態とのスイッチング角度を±θＤＭＤとするとともに、第１の変形絞りによって透過が許容される角度をθｐとしたときに、第１の変形絞りは、０．５θＤＭＤ≦θｃ≦θｐを満たす開口を有するようにしたので、正反射成分による迷光を減ずることができ、より明暗のはっきりした高いコントラストのある画像を表示できるという効果が得られる。
【００５３】
この発明によれば、第１の変形絞りは、θｃ≒θＤＭＤを満たす開口を有するようにしたので、正反射成分による迷光を減ずることができ、より明暗のはっきりした高いコントラストのある画像を表示できるという効果が得られる。
【００５４】
この発明によれば、ＯＮ状態におけるマイクロミラーの反射光線束の光軸方向を角度空間の原点とするとともに、ＯＦＦ状態におけるマイクロミラーの反射光線束の光軸方向をθｘ方向とし、θｘ方向と直交する方向をθｙ方向と定めるときに、第１の変形絞りは、ＯＮ状態の光軸から±θｘ方向に角度±θｃ’以上の角度を持つ光線を遮蔽除去する略長円型の開口を有するようにしたので、正反射成分による迷光を減ずることができ、より明暗のはっきりした高いコントラストのある画像を表示できるという効果が得られる。
【００５５】
この発明によれば、反射型光空間変調素子面のマイクロミラーのＯＮ状態とＯＦＦ状態のスイッチング角が±θＤＭＤであるとし、第１の変形絞りによって透過が許容される角度をθｐとしたときに、第１の変形絞りは、０．５θＤＭＤ≦θｃ’≦θｐを満たす開口を有するようにしたので、正反射成分による迷光を減ずることができ、より明暗のはっきりした高いコントラストのある画像を表示できるという効果が得られる。
【００５６】
この発明によれば、第１の変形絞りは、θｃ’≒θＤＭＤを満たす開口を有するようにしたので、正反射成分による迷光を減ずることができ、より明暗のはっきりした高いコントラストのある画像を表示できるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５７】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図である。
図１において、１は光を発するほぼ点光源の発光体（集光光学系システム、ランプ光源）、２は発光体１を焦点に備える回転放物面形状のパラボラリフレクタ（集光光学系システム、ランプ光源）であり、発光体１，パラボラリフレクタ２からランプ光源が構成されている。なお、集光光学系システムのランプ光源は、楕円リフレクタを用いて点光源を直接点光源に変換するタイプであっても良い。３はパラボラリフレクタ２が反射した光を集光する集光レンズ（集光光学系システム）、４は集光レンズ３からの光を３原色に色分離するカラーホイールである。以下では、１枚のカラーホイールを用いてＲＧＢ３原色を時分割で照射し、３原色による色空間を再現できる単板方式で説明を進めるが、ＲＧＢ３原色をそれぞれ独立にＤＭＤへ照射する３板方式の場合もある。
【００５８】
５はカラーホイール４からの光を入射端面で受け、輝度分布を均一化した光を出射端面から出射する４角柱形状のロッドインテグレータ（集光光学系システム、光強度分布均一化素子）、６はロッドインテグレータ５からの光を平行化する第１レンズ群（集光光学系システム、リレー系、図１では単レンズで図示）、７はロッドインテグレータ５からの出射光束を整形する変形絞り（集光光学系システム、リレー系、第２の変形絞り）、８は光路を折り曲げる折り返しミラー、９は入射光束中の各点の主光線方向をそろえる第２レンズ群（集光光学系システム、リレー系、図１では単レンズで図示）である。第１レンズ群６，変形絞り７，第２レンズ群９は、この実施の形態１を特徴付ける構成要素であり、後述する非対称光束を生成する。また、光強度分布均一化素子は、ロッドインテグレータ５に限定されるものではなく、ライトパイプやフライアイレンズを代わりに用いて光強度分布を均一化することもできる。
【００５９】
１０はＴＩＲプリズムであり、投影光学系システムの入射部によって入射光束がケラレるのを防止するため、入射光束のみ全反射し、出射光束は直進させてそのまま通過させることで集光光学系システムと投影光学系システムとを光学的に分離する働きをしている。なお、ＴＩＲプリズム１０は、本発明に必須の構成要素ではなく、ＴＩＲプリズム１０を用いずに画像表示装置を構成することもできる。１１は傾斜角±１０°で傾斜制御される多数のマイクロミラーによって空間的に光を強度変調するＤＭＤ（反射型光空間変調素子）、１２はＤＭＤ１１の強度変調光を結像させる投影レンズ（投影光学系システム）、１２Ａは投影レンズ１２内の第１レンズ群によるフーリエ変換面（投影光学系システム）、１２Ｂは投影レンズ１２内の変形絞り（投影光学系システム、第１の変形絞り）、１３は投影レンズ１２が結像した光を背面から受光して画像を表示する背面投影型のスクリーン、１４は画像表示装置の各構成要素が共有する光軸である。
【００６０】
次に動作について説明する。
パラボラリフレクタ２の焦点には、アーク長が短く点光源に近い発光体１が設置されているので、発光体１が発した光はパラボラリフレクタ２によって反射されて概ね平行光として出射する。集光レンズ３は、パラボラリフレクタ２からの平行光をＦ１＝１（光軸１４とのなす広がり角θ１＝３０°）の円錐形の光束として焦点に集光する。カラーホイール４を利用する場合には集光径を小さくする必要があるため、Ｆ１＝１（第１のＦ値）が最適なＦ値として一般的に選ばれる。
【００６１】
集光レンズ３の焦点にはロッドインテグレータ５の入射端面が設置してあり、カラーホイール４によって指定した色のみが選択された光は、矩形形状の入射端面からロッドインテグレータ５へ入射する。この実施の形態１では、ＤＭＤ１１の反射面サイズＷに対して、ロッドインテグレータ５の入射端面（出射端面）サイズｗをＷ／２に設定して倍率Ｗ／ｗ＝２にしてある。従来と比較して、ロッドインテグレータ５の入射端面サイズを大きく設定しているので、集光レンズ３からの受光効率が改善されることになる。
【００６２】
ロッドインテグレータ５へ入射した光は、ロッドインテグレータ５の壁面を複数回反射することによって平均化され、出射端面では面内でほぼ均一な光強度分布になる。ロッドインテグレータ５の出射端面から出射した光は、入射端面への入射光と同様にＦ１＝１で出射し、第１レンズ群６，変形絞り７，折り返しミラー８，第２レンズ群９を介して非対称光束に変換され、ＴＩＲプリズム１０へ入射する。
【００６３】
ＴＩＲプリズム１０へ入射した非対称光束はＴＩＲプリズム１０内部で反射され、ＤＭＤ１１を照射する。ＤＭＤ１１は、デジタル画像情報により非対称光束に画像情報を与えた強度変調光を出射する。ＤＭＤ１１より出射した強度変調光は、ＴＩＲプリズム１０を再び透過して投影レンズ１２からスクリーン１３へと投影される。
【００６４】
さて、従来（Ｗ／ｗ＝３）と比較して受光効率を改善するために、この実施の形態１では倍率Ｗ／ｗ＝２に設定しているので、ｗ／Ｗ＝θ２／θ１＝Ｆ１／Ｆ２の関係から、ＤＭＤ１１を照射する光のＦ値はＦ２＝２（第２のＦ値、広がり角θ２＝１５°）となっている。Ｆ２＝２の場合には、従来の構成によると、次に示すような問題が発生する。
【００６５】
図２はＦ２＝２の円錐形の光束がＯＮ状態のマイクロミラーへ入射する状態を表す図である。
図２において、１５は水平に設置したＤＭＤ反射面、ｎはＤＭＤ反射面１５の法線、１６はＤＭＤのマイクロミラー、ｎＡはマイクロミラー１６の法線である。マイクロミラー１６はＯＮ状態に傾斜制御されており、ＤＭＤ反射面１５と＋１０°の傾斜角をなしており、このとき法線ｎＡと法線ｎとはθ＝１０°の角度をなしている。
【００６６】
１７はマイクロミラー１６の中心へ入射する入射主光線、１８は入射主光線１７を中心としたＦ２＝２（広がり角１５°，立体角）の入射光束、１８Ａ，１８Ｂはそれぞれ入射光束１８に含まれる入射光線、１９はマイクロミラー１６で入射主光線１７が反射された出射主光線、２０は出射主光線１９を中心としたＦ２＝２の出射光束、２０Ａ，２０Ｂはそれぞれ出射光束２０に含まれる出射光線である。
【００６７】
入射光束１８，出射光束２０は、マイクロミラー１６から観測したときの入射側、出射側の光の広がり方の様子をそれぞれ表している。入射光線１８Ａは出射主光線１９に最も近く、入射光線１８Ｂは出射主光線１９に最も遠くなっている。また、出射光線２０Ａは入射主光線１７に最も近く、出射光線２０Ｂは入射主光線１７に最も遠くなっている。
【００６８】
つまり、入射光線１８Ａ，１８Ｂはそれぞれ最も外側の入射光束中の光線であり、入射主光線１７と角度θ２＝１５°をなしてマイクロミラー１６へ入射し、マイクロミラー１６で反射されてそれぞれ出射光線２０Ａ，２０Ｂになる。
【００６９】
２１は入射光束１８と出射光束２０との干渉成分、２２Ａは入射主光線１７と直交する平面、２２Ｂは出射主光線１９と直交する平面であり、平面２２Ａで切断した入射光束１８、平面２２Ｂで切断した出射光束２０の断面をともに図２（ｂ）に示している。図２（ｂ）では、便宜的に入射主光線１７、出射主光線１９を平行とみなしている。比較のために、図１２（ｂ）を図２（ｃ）に再掲する。
【００７０】
傾斜角±１０°で傾斜制御されるマイクロミラー１６において、入射主光線１７は法線ｎＡと角度θ＝１０°をなしており、反射の法則により、出射主光線１９は法線ｎＡと角度θ＝１０°をなすので、入射主光線１７と出射主光線１９とは２０°の角度をなしている。このような場合に、広がり角θ２＝１５°の入射光束１８がマイクロミラー１６へ入射すると、入射光束１８と出射光束２０との間で干渉成分２１（図２の斜線部分）が発生する。
【００７１】
図２（ｂ）と図２（ｃ）とを比較すると、広がり角θ２＝１５°にした図２（ｂ）の方が、広がり角を１０°にした従来の図２（ｃ）よりも光束の断面積が大きくなって光利用の照明効率を向上できるが、干渉成分２１が発生してしまうため、Ｆ２＝３より小さなＦ値の入射光束はＤＭＤへ入射できないものと考えていたのが従来の設計基準であった。
【００７２】
この干渉成分２１の発生を回避するように光学系の設計を制約しなければならないという考え方が従来の基本設計であり、この考え方に立脚して構成した光学系では、ＤＭＤの傾斜角によって決まるＦ値が制約されて、画像表示装置の明るさを改善することができない。
【００７３】
これに対して、この実施の形態１では、従来の基本設計に全く則らず、Ｆ値がＦ２＝２の光束をＤＭＤへ入射するようにして光学系の明るさを改善している。このときに、Ｆ２＝２の入射光束から干渉成分２１を除去した非対称光束を生成するために、第１レンズ群６、変形絞り７、第２レンズ群９をリレー系として設けている。以下、第１レンズ群６、変形絞り７、第２レンズ群９の具体的な動作について詳述する。
【００７４】
図３は第１レンズ群６および第２レンズ群９の働きを説明するための図である。図１と同一または相当する構成については同一の符号を付してあり、説明の便宜上、折り返しミラー８やＴＩＲプリズム１０の図示を省略して、ＤＭＤ１１の反射面に対して入射主光線を垂直に入射している。
【００７５】
図３において、２３はロッドインテグレータ５の出射端面上の３点Ａ，Ｂ，Ｃからそれぞれ出射したＦ＝１の各光束である。ここでは点Ａ，Ｂ，Ｃからの光束２３を代表として考える。点Ａから出射する光束２３（１点破線）、点Ｂから出射する光束２３（実線）、点Ｃから出射する光束２３（破線）はいずれもＦ１＝１でロッドインテグレータ５の出射端面から出射している。
【００７６】
各光束２３の主光線には○印をそれぞれ付しており、○印の各主光線とθ１＝３０°の広がり角をなして出射する互いに平行な各光線には×印、△印をそれぞれ付してある。このうち×印の光線とその近傍の光線が図２の干渉成分２１になるものとする。
【００７７】
ロッドインテグレータ５の出射端面上の点Ａ〜Ｃから広がり角θ１＝３０°でそれぞれ出射した各光束２３は、第１レンズ群６へ入射する。第１レンズ群６は、各光束２３に含まれる光線を全て平行化するように作用するので、各点Ａ〜Ｃから出射した×印、○印、△印の各光線は、光軸１４と直交するフーリエ変換面７Ａ上の点Ｄ，Ｅ，Ｆにそれぞれ集められる。
【００７８】
すなわち、第１レンズ群６は、ロッドインテグレータ５の出射端面の位置情報を広がり角情報に２次元フーリエ変換している。したがって、フーリエ変換面７Ａ上の各点Ｄ〜Ｆでは、広がり角θ１が等しい光線は全て同一の１点に集光され、×印の光線、○印の光線、△印の光線は、点Ｄ，Ｅ，Ｆにそれぞれ集まる。
【００７９】
点Ｄ〜Ｆを透過した各光線は第２レンズ群９へ入射する。第２レンズ群９は、ＤＭＤ１１反射面の各点Ｇ，Ｈ，ＩへＦ２＝２の光束を入射する働きをしている。各点Ｇ〜Ｉへ入射する光束では、○印を付した各主光線に対して、×印の光線と△印の光線とは広がり角θ２＝１５°をなしている。
【００８０】
図４はロッドインテグレータからの出射光束、変形絞りおよび非対称光束の断面形状を示す図である。図４（ａ）はロッドインテグレータから出射したＦ＝１の出射光束２３の断面形状、図４（ｂ）は変形絞り７の断面形状、図４（ｃ）はＤＭＤ１１へ入射する非対称光束の断面形状である。図１，３と同一または相当する構成については、同一の符号を付してある。ＤＭＤおよびＴＩＲプリズムの特性から、変形絞りの断面形状は図４に示されるように、わずかに湾曲するＤ字形が最適となる。
【００８１】
図４において、７Ｚは変形絞り７に設けられた遮蔽部であり、干渉成分を発生させる光線を遮蔽除去する。遮蔽部７Ｚ以外の部分は変形絞り７のＤ字形開口である。２４は変形絞り７によって形成された非対称光束、２４Ｚは変形絞り７の遮蔽部７Ｚによって遮蔽除去された部分光束であり、部分光束２４Ｚが図２の干渉成分２１を発生させる。
【００８２】
図５は変形絞り９の働きを説明するための図である。図１，図３と同一または相当する構成については同一の符号を付してある。図５では、第１群レンズ６と第２群レンズ９からなる図３の光学系において、図４（ｂ）の変形絞り７を光軸１４に開口を直交させてフーリエ変換面７Ａの近傍に設置している。
【００８３】
フーリエ変換面７Ａに設置された変形絞り７は、干渉成分２１に含まれる×印の光線とその近傍の光線（干渉成分２１を発生する部分光束２４Ｚ）を遮蔽部７Ｚによって一括して遮蔽除去する。したがって、図５では、○印の主光線と２０°の角度をなす□印の光線（広がり角２０°）と、○印の主光線と３０°の角度をなす△印の光線および○印の主光線が、変形絞り７の開口を通過して第２レンズ群９へ入射する。以上では、変形絞りが明らかな開口を有するように説明したが、円形部分は入射側で制限されている場合、図４の遮蔽部７Ｚのみで同等の作用を得ることができる。
【００８４】
第２レンズ群９は、ＤＭＤ１１の点Ｇ〜Ｉを照射する。点Ｇ〜Ｉへは、破線の光線、実線の光線、一点破線の光線がそれぞれ集光され、×印を付した光線は変形絞り７によって遮蔽除去されているので、点Ｇ〜Ｈへ入射する○印の主光線に対して広がり角１５°の△印の光線、広がり角２０°の□印の光線を含んだ各非対称光束２４がＤＭＤ１１へ入射する。以上のように、第１レンズ群６，変形絞り７，第２レンズ群９によって非対称光束２４を作り出している。
【００８５】
図６は非対称光束がＯＮ状態のマイクロミラーへ入射する状態を表す図である。図２と同一または相当する構成については同一の符号を付してある。ここでのリレー系は従来と同様の構成であっても良い。
ＤＭＤのマイクロミラー１６へ入射する非対称入射光束１８Ｚは、入射光線１８Ｂや入射光線１８Ｃを含んでいる。入射光線１８Ｂは図３，図５の△印を付した光線に相当する。また、入射光線１８Ｃは変形絞り７の遮蔽部７Ｚによって遮蔽除去された図２の干渉成分２１と接する光線であり、図５の□印を付した光線に相当し、マイクロミラー１６の反射によって出射光線２０Ｃになる。
【００８６】
非対称光束１８Ｚは、図６（ｂ）に示した従来の光束１０７，１０８と比較して、ＤＭＤ１１のマイクロミラー１６をより多く照明できるようになっており、かつ、入射主光線１７に対して非対称な断面形状を有しているので、非対称出射光束２０Ｚと干渉することなくマイクロミラー１６によって反射される。図６（ｂ）の斜線を施した部分がこの実施の形態１の効果であり、照明効率の改善結果に相当する。
【００８７】
なお、遮蔽部７Ｚの形状は、ＤＭＤ１１へ入射する光束のＦ値や入射角に応じて、干渉成分２１が発生しないように設計する。
【００８８】
上述した非対称光学系の適用によって、光学系の明るさを改善できるようになる。ところで、従来の光学系と比較して、非対称光学系では照射する角度範囲が特に広く、その角度範囲の広い光線を全て拾うためにＦ値の小さい投影レンズを用いている。このように広い角度範囲の光まで投影レンズで拾うと、正反射成分の角度が一部含まれて（ＯＮ以外の光線、つまり迷光が投影レンズの絞り内に入り込む）コントラストが悪化し、白黒のはっきりしないボケた画像がスクリーンに表示されてしまうことになる。
【００８９】
まず、コントラスト悪化の第１の原因について説明する。
図７は非対称光学系におけるコントラスト悪化の第１の原因を説明するための図である。図７に示すように、コントラストを悪化させる迷光は、ＴＩＲプリズム１０のＤＭＤ対抗面１０Ａからの反射光Ｃ１，ＤＭＤチップ１１のカバーガラス１１Ａからの反射光Ｃ２，Ｃ３に起因している。反射防止膜のない状態で約４％の反射率があり、例え反射防止膜を施しても照明光のスペクトルは白色と大変広く、その入射角度範囲も広いために、せいぜい０．５〜１％程度しか反射率を抑えられず、迷光を発生させる原因となる。
【００９０】
また、コントラスト悪化の第２の原因として、ＤＭＤ１１の表面からの散乱光がある。
図８，図９は非対称光学系におけるコントラスト悪化の第２の原因を説明するための図である。ＤＭＤ１１に対する照明光線束は図８の矢印のようになっている。つまり、ＤＭＤ１１のチップ基板に対する法線をｎとすると、法線ｎから−２０°の方向が照射光線束の光軸Ｚであり、光軸Ｚの周りに約±１５°の角度範囲内から光線が入射している。ここで、光軸Ｚの傾き角−２０°は、ＤＭＤ１１のマイクロミラー１１Ｂのスイッチング角度を±１０°として、マイクロミラー１１ＢがＯＮ状態の傾き角―１０°のときにその反射光が垂直方向へ向かう角度である。約±１５°という照射光線束の角度の値は、Ｆ値２．０の投影レンズに対応している。
【００９１】
ここで、全てのマイクロミラー１１Ｂが＋１０°方向に傾いてＯＦＦ状態となっている場合を考える。図２のような照明光に対する反射光Ｃｏｆｆの大部分はＯＦＦ状態の反射方向である＋４０°方向を中心として±１５°の範囲内に収まる。
【００９２】
しかしながら、図９に示すように、散乱または回折によってそれ以外の角度へ偏向される光線Ｃｘも少なからず存在し、特にＤＭＤ１１のチップ基板に対して正反射する方向へ偏向される成分が多い。この原因としてマイクロミラー１１Ｂの底面で反射する成分や、マイクロミラー１１Ｂの中央部に存在する支柱からの反射成分が考えられるが、この発明ではその起源を問わない。
【００９３】
とにかく、ＤＭＤ１１のチップ基板に対して正反射する光線のうち、法線ｎから−１５°以内で入射する光線がある場合に、その正反射方向はＦ／２．０の投影レンズの絞り（図９中の符号Ｒで示した斜線範囲）を通過してしまい、迷光となる。これがコントラスト悪化の第２の原因である。図１０は図８，図９の法線ｎに対して−１０°の方向からＤＭＤ１１へ入射する光線の反射の行方を示す図である。正反射光Ｃｒは＋１０°方向であり、Ｆ／１．７の投影レンズの見込み角度範囲Ｒ内に入ってしまう。
【００９４】
上述した２つの起源による正反射成分が存在するために、投影レンズの見込み角度範囲Ｒへ入り込む迷光の角度分布は一様ではなく、法線ｎから＋角度の大きい領域に多い。図１１は投影レンズの見込み角度範囲Ｒへ入り込む迷光の光量分布の一例を示す図である。図１１（ａ）の濃淡の濃い部分は光の強度の強い領域を表しており、リレー系のフーリエ変換面に設置された変形絞り７による光線のケラレは図１１中には図示していない。
【００９５】
ＤＬＰでは、放物面のリフレクタをもつ高圧水銀ランプを使うことが一般的である。この場合、角度に対する強度分布は中心の０°近傍の光強度が弱く、その周囲、例えば３°近傍にピーク強度を持つドーナツ型の角度分布を持つことが多い（図１１（ｂ）の断面ＡＡ’の強度分布参照）。図１２はドーナツ型の角度分布の光を照明したＯＮ状態のマイクロミラー１１Ｂによる反射光の角度分布を模式的に示す図であり、符号ＬＥＮで示す１５°の真円はＦ／２．０の投影レンズを表している。図１２中の斜線部ＤＥＬは、正反射方向にも光強度分布を持つので、これが投影レンズの入射瞳内に入り込んでしまう角度領域を表している。
【００９６】
そこで、この斜線部ＤＥＬの角度領域の光線を防ぐような変形絞り１２Ｂを図１の投影レンズ１２内に設ければ、正反射による迷光を減ずることができ、より明暗のはっきりした高いコントラストのある画像を表示することができる。図１３は投影レンズ１２内に設けた変形絞り１２Ｂの一例を示す図である。図１と同一符号は相当する構成である。変形絞り１２Ｂは、ＴＩＲプリズム側に設けられた投影レンズ１２内の入射側レンズ群によって作り出されるフーリエ変換面１２Ａ（ＤＭＤ１１の反射面における位置情報を、ＯＮ状態のマイクロミラー１１Ｂで反射した光線とＤＭＤ１１の光軸とのなす広がり角情報に変換した面）の位置に設置される。変形絞り１２Ｂを透過した光は、スクリーン１３側に投影レンズ１２内の出射側レンズ群を透過して、スクリーン１３へ投影される。なお、図１３では直線状に変形絞り１２Ｂの右側を削っているが、必ずしも直線状でなくても良い。
【００９７】
変形絞り１２Ｂで削り取る角度領域が増えれば、それだけ正反射による迷光成分を取り除くことになりコントラストは上昇するが、過剰に削り取ると、逆にＯＮ光の明るさまでもが減少してしまう。そこで、明るさの減少が許容できる範囲で正反射による迷光成分を取り除くように変形絞り１２Ｂの形状を決定するのが良い。
【００９８】
以上のように、この実施の形態１によれば、ＤＭＤ１１の反射面における位置情報を、ＯＮ状態のマイクロミラー１１Ｂで反射した光線とＤＭＤ１１の光軸とのなす広がり角情報に変換したフーリエ変換面１２Ａを作り出す入射側レンズ群と、フーリエ変換面１２Ａの近傍に配置され、ＯＮ状態のマイクロミラー１１Ｂからの反射光以外の光線を広がり角情報にしたがって遮蔽除去する変形絞り１２Ｂと、変形絞り１２Ｂを透過した光をスクリーン１３へ出射する出射側レンズ群とを投影レンズが備えるようにしたので、正反射成分による迷光を減ずることができ、より明暗のはっきりした高いコントラストのある画像を表示できるという効果が得られる。
【００９９】
また、この実施の形態１によれば、Ｆ１＝１の光束を受光するロッドインテグレータ５の入射端面サイズｗをＤＭＤ１１の反射面サイズＷの１／２倍に設定するとともに、ロッドインテグレータ５の出射光束の位置情報を第１レンズ群６によって広がり角情報にフーリエ変換し、干渉成分２１を発生させる部分光束２４ＺをＤ字形開口の変形絞り７によって一括して遮蔽除去し、変形絞り７の出射光線から第２レンズ群９によって非対称光束２４を生成してＤＭＤ１１へ照射するようにしたので、ＤＭＤ１１の傾斜角によって入射光束のＦ値を制約されることなく、光学系の明るさを改善することができるという効果が得られる。
【０１００】
実施の形態２． 
実施の形態１では、干渉成分となる光線を遮蔽除去した非対称光束を用いた例について説明したが、この実施の形態２では、楕円断面形状を有する光束について説明する。
【０１０１】
図１４はこの発明の実施の形態２による集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図である。図１４では、光軸１４の方向にｚ軸、ｚ軸と垂直にｘ軸（第１の座標軸）とｙ軸（第２の座標軸）とをそれぞれ設定しており、図１４（ａ）はｘ−ｚ面における断面図、図１４（ｂ）はｙ−ｚ面における断面図である。図１と同一または相当する構成については同一の符号を付してある。
【０１０２】
図１４において、２５，２６はランプ光源と集光レンズ３との間にそれぞれ設けられたシリンドリカルレンズ（集光光学系システム、光変換手段、シリンドリカルレンズ群）である。シリンドリカルレンズ２５，２６は、ｘ軸方向にのみレンズ作用を有しており、シリンドリカルレンズ２５は正レンズ、シリンドリカルレンズ２６は負レンズとして働く。図１４（ａ）のｘ軸方向において、ランプ光源からの平行光は、シリンドリカルレンズ２５，２６を介して幅Ａｘの平行光に変換される。
【０１０３】
一方、図１４（ｂ）のｙ軸方向では、シリンドリカルレンズ２５，２６はレンズ作用を有さないため、パラボラリフレクタ２からの幅Ａｙの平行光は、シリンドリカルレンズ２５，２６をそのまま平行に透過する。
【０１０４】
このときに、Ａｘ：Ａｙ＝２：３の比率になるように、シリンドリカルレンズ２５，２６のレンズ作用を設計しておくと、集光レンズ３を透過した幅Ａｘ，Ａｙの平行光は、ｘ軸方向の広がり角２０°、ｙ軸方向の広がり角３０°で集光される。
【０１０５】
このように、ロッドインテグレータ５の入射端面側において、直交する２つのｘ、ｙ軸方向で異なる角度分布の光束を生成することにより、楕円状の角度分布を有する入射光束を生成するようにしている。
【０１０６】
ロッドインテグレータ５の出射端面の縦軸、横軸方向のサイズをそれぞれＷｘ／２，Ｗｙ／２（Ｗｘ，ＷｙはＤＭＤ１１の縦軸、横軸方向の反射面サイズ）とすると、ｘ、ｙ軸方向にそれぞれ光軸と広がり角２０°、３０°をなした光束がロッドインテグレータ５から出射し、ｘ，ｙ軸方向に１０°，１５°の角度分布をそれぞれ有する光束がＤＭＤ１１へ入射する。このときのＤＭＤ１１への光束は、ｙ軸方向に３の長軸、ｘ軸方向に２の短軸をそれぞれ有する図１４（ｃ）の楕円断面形状の入射光束２７となる。
【０１０７】
実施の形態１と同様に、ＤＭＤ１１のマイクロミラーによって入射光束２７を反射した出射光束２８の主光線をＤＭＤ１１の反射面の法線方向へ出射し、この法線方向に対して光束２７の主光線を２０°の角度をなして、かつマイクロミラーの回転軸と入射光束２７、出射光束２８の長軸（ｙ軸）の関係は平行になるようにしてマイクロミラーへ入射すると、図１４（ｃ）に示すように、入射光束２７と出射光束２８との間に干渉成分を生じないようにすることができ、真円断面形状の従来の光束１０７，１０８と比較して、入射光束２７，出射光束２８の断面積の方が大きくなっているので、照明効率を改善することができるという効果が得られる。
【０１０８】
なお、入射光束２７、出射光束２８の楕円断面形状は、投影レンズ９の受光能力２９に合わせて決定する。また、シリンドリカルレンズ２５，２６の個数は特に限定されない。
【０１０９】
図１４に示す構成の他にも、楕円断面形状の光束を生成することができる。
図１５はこの発明の実施の形態２による集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図であり、図１５（ａ）は側面図（ｘ−ｚ面）、図１５（ｂ）は上面図（ｙ−ｚ面）である。図１と同一または相当する構成については同一の符号を付してあり、ロッドインテグレータ以降の構成は図示を省略している。
【０１１０】
図１５において、３０はランプ光源と集光レンズ３との間に設けられたプリズム（集光光学系システム、光変換手段）である。図１５（ａ）のｘ−ｚ面では、発光体１、パラボラリフレクタ２から構成されるランプ光源からの平行光を光軸１４に対して斜めに屈折し、この平行光をプリズム３０によって光軸１４と平行にする。プリズム３０から出射した平行光のｘ軸方向の幅はＡｘとなって集光レンズ３へ入射し、ｘ軸方向の光軸１４とのなす広がり角が２０°の光束として集光レンズ３から不図示のロッドインテグレータへ入射する。
【０１１１】
一方、図１５（ｂ）のｙ−ｚ面では、ランプ光源からの平行光はｙ軸方向の幅Ａｙを保ったままプリズム３０を透過して、光軸１４とのなす広がり角が３０°の光束として集光レンズ３から不図示のロッドインテグレータ５へ入射する。図１４と同様に、Ａｘ：Ａｙ＝２：３となるようにプリズム３０は設計されているので、以下の動作は、シリンドリカルレンズ２５，２６と同様である。
【０１１２】
このように、プリズム３０を用いることで、図５の場合と同様に、ｘ，ｙ軸方向の角度分布が異なる光束をロッドインテグレータへ入射しているので、楕円断面形状の光束を生成して干渉成分を発生させることなく、光学系の明るさを改善することができるという効果が得られる。
【０１１３】
図１６はこの発明の実施の形態２による集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図であり、図１６（ａ）は側面図（ｘ−ｚ面）、図１６（ｂ）は上面図（ｙ−ｚ面）である。図１と同一または相当する構成については同一の符号を付してあり、ロッドインテグレータ以降の構成は図示を省略している。
【０１１４】
図１６において、３１はパラボラリフレクタ２の開口を制限する開口板（集光光学系システム、光変換手段）である。開口板３１は、図１６（ｂ）のｙ−ｚ面では開口板３１から幅Ａｙの平行光を出射し、図１６（ａ）のｘ−ｚ面では幅Ａｘの開口板３１によってｘ軸方向の幅をＡｘに制限して平行光を集光レンズ３へ出射する。この場合にも、Ａｘ：Ａｙ＝２：３である。このようにして開口板３１から出射した平行光は、ｘ軸方向の平行光の幅Ａｘ，ｙ軸方向の平行光の幅Ａｙに応じて、光軸１４とのなすｘ軸方向の広がり角が２０°，光軸１４とのなすｙ軸方向の広がり角が３０°の光束として集光レンズ３から不図示のロッドインテグレータへ入射する。
【０１１５】
このようにしても、図１４や図１５と同様に、ｘ，ｙ軸方向の角度分布が異なる光束をロッドインテグレータへ入射しているので、楕円断面形状の光束を生成して干渉成分を発生させることなく、光学系の明るさを改善することができるという効果が得られる。
【０１１６】
なお、図１４のシリンドリカルレンズ２５，２６や図１５のプリズム３０は、ランプ光源からの平行光を全て透過して利用しているので、平行光の無駄なく利用することができる。
【０１１７】
また、図１４のシリンドリカルレンズ２５，２６や図１５のプリズム３０と比較して、図１６の開口板３１は構成が簡単であり、楕円断面形状の光束をより容易に生成することができる。
【０１１８】
さらに、図１６の開口板３１は、開口板３１のパラボラリフレクタを向いた裏面によって遮られた発光体１からの２０°から３０°までの広い角度領域の光は、開口板３１の裏面とパラボラリフレクタ２との間を複数回反射して開口板３１から広がり角２０°以下の狭い領域の光を出射するようになるので、ランプ光源の効率を向上するようにすることができる。
【０１１９】
なお、実施の形態１と同様に、図１４〜図１６の各非対称光学系を用いる場合も、ＴＩＲプリズムやＤＭＤで迷光が発生するため、図１３に示したような変形絞り１２Ｂを投影レンズ１２に適用することにより（図１４参照）、コントラストの改善を図ることができる。
【０１２０】
実施の形態３．
実施の形態１，実施の形態２の投影レンズ１２内に設けた変形絞り（第１の変形絞り）１２ＢをＤ字形状とするものである。この実施の形態３では、変形絞り１２ＢのＤ字形状、つまり変形絞り１２Ｂの開口の方向性についてまず説明する。
図１７，図１８は変形絞りの略Ｄ字形状を説明するための図であり、図１，図１２と同一符号は相当する構成である。ＯＮ状態におけるＤＭＤ反射面のマイクロミラーの反射光線束の光軸方向を角度空間の原点とし、ＤＭＤ反射面のマイクロミラーのＯＦＦ状態の反射光線束の光軸方向をθｘ方向、θｘ方向と直交する方向をθｙ方向と定める。このとき、投影レンズ１２内の変形絞り１２Ｂは、ＯＮ状態の光軸からθｘ方向にθｃなる角度以上の角度を持つ光線を遮蔽除去するような略Ｄ字型とする。図１８中の斜線部ＤＥＬは、図１７に示した略Ｄ字型の変形絞り１２Ｂによって遮蔽除去される角度領域を表しており、ここではθｃ＝１０°である。
【０１２１】
実施の形態４．
実施の形態３の場合に加えて、より望ましい投影レンズ内変形絞り（第１の変形絞り）の略Ｄ字形状を以下に述べる。ＤＭＤ反射面のマイクロミラーのＯＮ状態とＯＦＦ状態のスイッチング角（振れ角）を±θＤＭＤとし、投影レンズの変形絞りによって透過が許容される角度をθｐ（すなわち、投影レンズのＦ値をＦｐとするとき、θｐ＝Ａｒｃｔａｎ（０．５／Ｆｐ）である）としたときに、変形絞りが０．５θＤＭＤ≦θｃ≦θｐを満たすようにする。
【０１２２】
仮にいま、Ｆｐ＝２，θＤＭＤ＝１０°と仮定すると、θｐ＝１４°，０．５θＤＭＤ＝５°となるので、略Ｄ字形状の変形絞りによりカットされるθｘ方向角度の下限値θｃは５°≦θｃ≦１４°ということである。
【０１２３】
具体的に、Ｆｐ＝２，θＤＭＤ＝１０°の場合に、θｃの値を下げていったときに、ＯＮ光の明るさの減少量とＯＦＦ迷光量の減少量とを計算した一例を次の図１９に示す。
図１９は投影レンズ内のＤ字型の変形絞りによる明るさの減少の様子を示す図である。図１１で既に示したように、角度領域内において強度分布があるので、ＯＮ光の明るさ（実線）の減少よりも、ＯＦＦ迷光量（破線）の減少の方が急激であることが図１９から分かる。よって、変形絞りの遮光領域を広げていくと（θｃを大きくしていくと）、迷光量減少によるコントラスト増大・改善が予想される。コントラストを計算した一例を次の図２０に示す。
【０１２４】
図２０は投影レンズ内のＤ字型の変形絞りによるコントラストの増大の様子を示す図であり、ＯＮ光の光量も同時に示している。この図２０から、およそθｃが５°から１４°までの付近では、ＯＮ光の明るさ（実線）の減少はわずかであり、コントラスト（破線）の増大が大きいことが分かる。また、コントラストが最大となるのはθｃ＝１０°近傍なので、θｃ≒θＤＭＤ＝１０°がより望ましいことが図２０から分かる。
【０１２５】
実施の形態５．
実施の形態２の楕円断面形状の光束を用いる場合には、図２１に示すように、投影レンズ瞳を通過するＯＮ光の光線の角度分布は、−θｘ方向と＋θｘ方向の両側においてＯＮ状態の光線の通過しない領域が存在する。このような画像の表示に寄与しない角度領域は投影レンズ内の変形絞り（第１の変形絞り）によりできるだけカットしておくほうが迷光の除去のためにより望ましい。この場合、図２１の角度領域ＤＥＬ，ＤＥＬ’を除去するには、変形絞りの開口は略長円型になる。正反射光の除去のための考察は、上述したものと同様である。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】この発明の実施の形態１による集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図である。
【図２】Ｆ２＝２の円錐形の光束がＯＮ状態のマイクロミラーへ入射する状態を表す図である。
【図３】第１レンズ群および第２レンズ群の働きを説明するための図である。
【図４】ロッドインテグレータからの出射光束、変形絞りおよび非対称光束の断面形状を示す図である。
【図５】変形絞りの働きを説明するための図である。
【図６】非対称光束がＯＮ状態のマイクロミラーへ入射する状態を表す図である。
【図７】非対称光学系におけるコントラスト悪化の第１の原因を説明するための図である。
【図８】非対称光学系におけるコントラスト悪化の第２の原因を説明するための図である。
【図９】非対称光学系におけるコントラスト悪化の第２の原因を説明するための図である。
【図１０】図８，図９の法線に対して−１０°の方向からＤＭＤへ入射する光線の反射の行方を示す図である。
【図１１】投影レンズの見込み角度範囲へ入り込む迷光の光量分布の一例を示す図である。
【図１２】ドーナツ型の角度分布の光を照明したＯＮ状態のマイクロミラーによる反射光の角度分布を模式的に示す図である。
【図１３】投影レンズ内に設けた変形絞りの一例を示す図である。
【図１４】この発明の実施の形態２による集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図である。
【図１５】この発明の実施の形態２による集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図である。
【図１６】この発明の実施の形態２による集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図である。
【図１７】変形絞りの略Ｄ字形状を説明するための図である。
【図１８】変形絞りの略Ｄ字形状を説明するための図である。
【図１９】投影レンズ内のＤ字型の変形絞りによる明るさの減少の様子を示す図である。
【図２０】投影レンズ内のＤ字型の変形絞りによるコントラストの増大の様子を示す図である。
【図２１】変形絞りの略Ｄ字形状を説明するための図である。
【図２２】ＤＭＤの反射面の一部を拡大した図である。
【図２３】マイクロミラーの傾斜制御の動作を説明するための図である。
【図２４】Ｆ＝３の円錐形の光束がＯＮ状態のマイクロミラーへ入射する状態を表す図である。
【図２５】従来の集光光学系システムを用いた画像表示装置の構成を示す図である。
【図２６】ロッドインテグレータおよびＤＭＤの関係を説明するための図である。
【図２７】ロッドインテグレータに対する集光分布を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１２７】
１  発光体、２  パラボラリフレクタ、３  集光レンズ、４  カラーホイール、５  ロッドインテグレータ、６  第１レンズ群、７  変形絞り、７Ｚ  遮蔽部、８  折り返しミラー、９  第２レンズ群、１０  ＴＩＲプリズム、１０Ａ  ＤＭＤ対抗面、１１  デジタルマイクロミラーデバイス、１１Ａ  カバーガラス、１１Ｂ，１６  マイクロミラー、１２  投影レンズ、１２Ａ  フーリエ変換面、１２Ｂ  変形絞り、１３  スクリーン、１４  光軸、１５  ＤＭＤ反射面、１７  入射主光線、１８  入射光束、１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ  入射光線、１９  出射主光線、２０  出射光束、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ  出射光線、２１  干渉成分、２２Ａ，２２Ｂ  平面、２３  光束、２４  非対称光束、２４Ｚ  部分光束、２５，２６  シリンドリカルレンズ、３０  プリズム、３１  開口板、ｎ，ｎＡ  法線。
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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