(57)【要約】【課題】反射型のパネルによって照明光を変調する構成でありながら小型、特に薄型のプロジェクタを提供する。【解決手段】光源（１０）からの照明光をインテグレータ（２０）によって均一な強度分布とし、照明光学系（３０）によって反射型変調パネル（４０）に導く。照明光学系はリレーレンズ群（３１）と２つのプリズム（３４，３５）とコンデンサミラー（３６）を含む。プリズム（３４，３５）は微小な空隙を介して対向しており、パネル（４０）と投影光学系（５０）の間に位置する。リレーレンズ（３１）群からの照明光は、プリズム（３４）に入り、１つの面で反射され、次いでＴＩＲ面で全反射され、さらにコンデンサミラーで反射され、ＴＩＲ面で再度全反射されて、プリズム（３４）を出て、パネル（４０）に入射する。パネル（４０）からの映像光は、プリズム（３４）に入ってＴＩＲ面を透過し、プリズム（３５）を経て投影光学系（５０）に入射する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
与えられる照明光を反射しつつ変調して映像を表す映像光とする反射型変調パネルと、反射型変調パネルに与える照明光を供給する光源と、光源からの照明光の強度分布を均一にして射出するインテグレータ光学系と、インテグレータ光学系からの照明光を拡大して反射型変調パネルに導く照明光学系と、反射型変調パネルからの映像光を投影面に投影する投影光学系を備えるプロジェクタにおいて、
照明光学系が、当該照明光学系の瞳と投影光学系の瞳とを略共役にするためのコンデンサミラーと、インテグレータ光学系とコンデンサミラーの間の照明光の光路上に位置し、コンデンサミラーと協同してインテグレータ光学系の射出面と反射型変調パネルとを略共役にするリレーレンズと、リレーレンズとコンデンサミラーの間の照明光の光路上に位置し、入射角に応じて光を全反射しまたは透過させるＴＩＲ面を有するプリズムを含み、
コンデンサミラーが、プリズムの内部を進行したリレーレンズからの照明光を反射して再びプリズムの内部を進行させ、
プリズムのＴＩＲ面が、リレーレンズからの照明光を全反射してコンデンサミラーに導き、コンデンサミラーからの照明光を全反射して反射型変調パネルに導くとともに、反射型変調パネルからの映像光を透過させて投影光学系に導く
ことを特徴とするプロジェクタ。
【請求項２】
インテグレータ光学系の射出面の中心を通り、反射型変調パネルの中心で反射され、投影光学系の瞳の中心を通る光線を主光線とするとき、
反射型変調パネルに平行な所定の方向において、コンデンサミラーへの主光線の入射点が、反射型変調パネルの中心と投影面への主光線の入射点との間に位置することを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。
【請求項３】
インテグレータ光学系の射出面の中心を通り、反射型変調パネルの中心で反射され、投影光学系の瞳の中心を通る光線を主光線とするとき、
反射型変調パネルに平行な所定の方向において、投影光学系の光軸が、反射型変調パネルの中心とコンデンサミラーへの主光線の入射点との間に位置することを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。
【請求項４】
プリズムがＴＩＲ面以外の面でも照明光を反射し、
照明光がプリズムの内部にプリズムの面から面にわたる光路を少なくとも５つ有して、それらの光路を順に進むことを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。
【請求項５】
光の強度分布を均一にして射出するインテグレータ光学系から与えられる照明光を拡大して反射型素子に導く照明光学系において、
当該照明光学系の瞳と所定の面とを略共役にするコンデンサミラーと、インテグレータ光学系とコンデンサミラーの間の照明光の光路上に位置し、コンデンサミラーと協同してインテグレータ光学系の射出面と反射型素子とを略共役にするリレーレンズと、リレーレンズとコンデンサミラーの間の照明光の光路上に位置し、入射角に応じて光を全反射しまたは透過させるＴＩＲ面を有するプリズムを備え、
コンデンサミラーが、プリズムの内部を進行したリレーレンズからの照明光を反射して再びプリズムの内部を進行させ、
プリズムのＴＩＲ面が、リレーレンズからの照明光を全反射してコンデンサミラーに導き、コンデンサミラーからの照明光を全反射して反射型素子に導くとともに、反射型素子からの反射光を透過させて当該照明光学系の瞳と略共役な所定の面に導く
ことを特徴とする照明光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は映像を投影するプロジェクタに関し、特に、反射型のパネルによって照明光を変調して映像を表す映像光とするプロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
映像をスクリーンに拡大投影するプロジェクタでは、照明光を空間的に変調する小型のパネルに照明光を導き、パネルによって照明光を変調して映像を表す映像光とするのが一般的である。変調用のパネルには、照明光を透過させつつ変調する透過型と、照明光を反射しつつ変調する反射型がある。反射型のパネルとしては、米国テキサスインスツルメンツ社のＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）が広く知られ、多くのプロジェクタに採用されている。
【０００３】
照明光変調用の素子としてＤＭＤを用いるプロジェクタは、一般に、白色光を発するランプとその光を反射して集光するリフレクタより成る光源と、光源からの光を一端の入射面より内部に導き入れて、側面で反射ながら他端の射出面に導き、射出面上での光の強度分布を均一にするロッドインテグレータと、白色光を時間的に赤色光、緑色光、青色光に分解するカラーホイールと、ロッドインテグレータからの光を照明光としてＤＭＤに導く照明光学系と、ＤＭＤからの映像光を投影する投影光学系で構成される。また、照明光学系には、自己の瞳と投影光学系の瞳とを光学的に共役にするためのコンデンサレンズと、ロッドインテグレータとコンデンサレンズの間に位置し、コンデンサレンズと協同してロッドインテグレータの射出面とＤＭＤとを光学的に共役にするリレーレンズが含まれる。
【０００４】
ＤＭＤは、２次元に配列された多数の微小ミラーの向きを個別に制御することが可能な素子であり、微小ミラーの向きを個別に変えて反射光の進行方向に変化をもたらすことにより、照明光を変調する。微小ミラーの向きの可変範囲は、例えば±１２゜であり、あまり大きくないが、可変範囲の一端の向きにある状態（オン状態という）での反射光（オン光という）の進行方向と、可変範囲の他端にある状態（オフ状態という）での反射光（オフ光という）の進行方向に差異を生じさせて、オン光とオフ光を分離することができる。オン光は映像光として投影光学系に入射して投影され、オフ光は投影光学系に入射することなく捨てられる。各微小ミラーは映像の１画素に相当し、映像信号に応じて各微小ミラーのオン状態とオフ状態の時間を調節することで、オン光に階調をもたせることができる。
【０００５】
ＤＭＤのような反射型のパネルによって照明光を変調して映像光とする場合、照明光と映像光とを分離する必要がある。この分離のために、図２２（ａ）に示す構成と、図２２（ｂ）に示す構成が知られている。
【０００６】
図２２（ａ）の構成は、投影光学系１５０を、その光軸方向にパネル１４０から大きく離間させ、かつ、光軸に垂直な方向についてもパネル１４０の中心から大きく離間させて、配置したものである。パネル１４０には照明光学系のコンデンサレンズ１３６からの照明光が直接入射する。この構成では、投影光学系１５０の光軸Ａｘと照明光学系のコンデンサレンズ１３６に大きな角度差があるため、パネル１４０に平行な方向における投影光学系１５０の一端とコンデンサレンズ１３６の一端とに大きな距離が生じ、光学系全体として大きな厚さが必要である。
【０００７】
この構成に用いる照明光学系としては、例えば、特許第３１２１８４３号公報に提案されているように、ミラーを含めて反射型とし、小型化を図ったものがある。しかしながら、投影光学系１５０による投影方向と照明光学系による照明方向が上下に分かれるため、薄型化には限界がある。
【０００８】
図２２（ｂ）の構成は、照明光学系に２つのプリズム１３４、１３５を含めて、これらをパネル１４０と投影光学系１５０の間に配置し、プリズム１３４の面１３４ｃに対する照明光の入射角と映像光の入射角の差によって、照明光を面１３４ｃで全反射（ＴＩＲ）し、映像光を面１３４ｃを透過させるようにしたものである。以下、このような面およびプリズムをそれぞれＴＩＲ面およびＴＩＲプリズムという。照明光学系のコンデンサレンズ１３６は投影光学系１５０の光軸Ａｘに対して平行に近いため、光学系全体としての厚さは小さくなり、薄型化に適している。
【０００９】
この構成では、ＴＩＲプリズムを用いることから、明るさのむらを低減するために必然的にテレセントリックな光学系が求められる。その場合、投影光学系１５０の入射瞳を無限遠に位置させることになるため、投影光学系１５０のイメージサークル（良像範囲）を大きく取りさえすれば、投影方向を自由に選ぶことができて、本質的には厚さを抑えたレイアウトが可能である。
【００１０】
【特許文献１】特許第３１２１８４３号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、照明光学系の素子として透過型であるコンデンサレンズを使用すると、厚さを抑えることは難しい。また、パネルと投影光学系の間に存在するのが空間ではなくプリズムであるため、光路を折り返すためのレイアウトの自由度が小さく、小型化、薄型化が困難になっている。
【００１２】
コンデンサレンズおよびＴＩＲプリズムを用いたテレセントリックな照明光学系１３０を図２３に模式的に示す。図２３において、１２０ａおよび１２０ｂはそれぞれロッドインテグレータ１２０の入射面および射出面、１３１はリレーレンズ、１３０ａは照明光学系１３０の絞り、１３６はコンデンサレンズ、１３４はＴＩＲプリズム、１４０は反射型変調パネル、１５０ａは投影光学系１５０の絞りである。なお、パネル１４０は反射型であるが、図上での照明光と映像光との重なり、および投影光学系１５０と他の素子との重なりを避けるために、ここでは、光軸が一直線を成すように光路を展開して、あたかも透過型の如く表している。光路を展開しているため、プリズム１３４は重複して現れている。また、照明光学系１３０の絞り１３０ａは照明光学系１３０の瞳に位置し、投影光学系１５０の絞り１５０ａは投影光学系１５０の瞳に位置している。
【００１３】
照明光学系１３０を小型化することは、ロッドインテグレータの射出面１２０ｂからパネル１４０までの全長を短くすることであるが、次のような制約がある。インテグレータ１２０の射出面１２０ｂの大きさとパネル１４０の大きさの関係は、照明倍率β（リレーレンズ１３１の焦点距離に対するコンデンサレンズ１３６の焦点距離の比）によって一意に定まる。また、テレセントリックであるという条件から、インテグレータ１２０の射出面１２０ｂおよび照明光学系１３０の絞り１３０ａは、それぞれリレーレンズ１３１の前焦点および後焦点の位置に定まり、照明光学系１３０の絞り１３０ａおよびパネル１４０は、それぞれコンデンサレンズ１３６の前焦点および後焦点の位置に定まって、次の関係が成り立つ必要がある。
【００１４】
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したがって、全長を短くするためには、インテグレータ１２０の射出面１２０ｂからパネル１４０までの各素子の間隔、およびインテグレータ１２０の射出面１２０ｂとパネル１４０の大きさを一定の率で相似的に縮小するとともに、リレーレンズ１３１およびコンデンサレンズ１３６の焦点距離を同じ率で短くすることが必要である。
【００１５】
しかも、パネル１４０をあまりに小さくしすぎると、投影倍率を大きくする必要が生じて、投影光学系の焦点距離を短くしなければならなくなる。しかし、照明光の光束をけられなくパネル１４０に導くためにはプリズム１３４にある程度の大きさが必要であり、したがって、投影光学系のレンズバックが長くなる。焦点距離が短くレンズバックの長い投影光学系は、設計が困難であり、また設計できたとしても大型化してしまう。そのため、パネル１４０はある程度の大きさ以上に保たなければならない。
【００１６】
上記の相似的な条件を満たして照明光学系の全長を短くしても、コンデンサレンズ１３６を使用する限り、その焦点距離の２倍の直線距離が照明光学系の全長に含まれることになるのは避けられない。コンデンサレンズ１３６の焦点距離は、パネル１４０の大きさに関係するから、ある程度以上とする必要があり、その焦点距離の２倍の直線距離は大きくなる。また、コンデンサレンズ１３６とパネル１４０の間のＴＩＲプリズム１３４は、照明光を一度全反射するのみで、光路長の確保には有効に利用されていない。
【００１７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、反射型のパネルによって照明光を変調する構成でありながら小型、特に薄型のプロジェクタを提供することを目的とする。また、そのようなプロジェクタに好適な照明光学系を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、与えられる照明光を反射しつつ変調して映像を表す映像光とする反射型変調パネルと、反射型変調パネルに与える照明光を供給する光源と、光源からの照明光の強度分布を均一にして射出するインテグレータ光学系と、インテグレータ光学系からの照明光を拡大して反射型変調パネルに導く照明光学系と、反射型変調パネルからの映像光を投影面に投影する投影光学系を備えるプロジェクタにおいて、照明光学系が、当該照明光学系の瞳と投影光学系の瞳とを略共役にするためのコンデンサミラーと、インテグレータ光学系とコンデンサミラーの間の照明光の光路上に位置し、コンデンサミラーと協同してインテグレータ光学系の射出面と反射型変調パネルとを略共役にするリレーレンズと、リレーレンズとコンデンサミラーの間の照明光の光路上に位置し、入射角に応じて光を全反射しまたは透過させるＴＩＲ面を有するプリズムを含み、コンデンサミラーが、プリズムの内部を進行したリレーレンズからの照明光を反射して再びプリズムの内部を進行させ、プリズムのＴＩＲ面が、リレーレンズからの照明光を全反射してコンデンサミラーに導き、コンデンサミラーからの照明光を全反射して反射型変調パネルに導くとともに、反射型変調パネルからの映像光を透過させて投影光学系に導くものとする。
【００１９】
このプロジェクタの照明光学系は、自己の瞳と投影光学系の瞳とを光学的に略共役にするための素子として、反射型であるコンデンサミラーを備えており、コンデンサミラーに入射する直前の照明光とコンデンサミラーによって反射された直後の照明光は重なる。しかも、プリズムのＴＩＲ面が照明光を少なくとも２回反射するため、小さなプリズムであっても、プリズム内の照明光の光路を長くすることができて、反射型変調パネルをある程度以上の大きさとして、投影光学系が大型化するのを避けることができる。光路を折り返すための他の光学素子も必要ない。したがって、小型、薄型化が容易である。さらに、プリズムのＴＩＲ面によって照明光を反射してコンデンサミラーに導くため、コンデンサミラーへの入射角を小さくすることも可能であり、これにより収差の発生が抑えられる。
【００２０】
なお、コンデンサミラーは、プリズムに近づけて配置してもよいし、プリズムに密接して配置してもよい。さらに、プリズムの一部の表面を曲面にするとともに、その表面に反射膜を施して、これをコンデンサミラーとしてもよい。
【００２１】
ここで、インテグレータ光学系の射出面の中心を通り、反射型変調パネルの中心で反射され、投影光学系の瞳の中心を通る光線を主光線とするとき、反射型変調パネルに平行な所定の方向において、コンデンサミラーへの主光線の入射点が、反射型変調パネルの中心と投影面への主光線の入射点との間に位置する設定とするとよい。このようにすると、所定の方向について小型、つまり薄型のプロジェクタとなる。
【００２２】
また、インテグレータ光学系の射出面の中心を通り、反射型変調パネルの中心で反射され、投影光学系の瞳の中心を通る光線を主光線とするとき、反射型変調パネルに平行な所定の方向において、投影光学系の光軸が、反射型変調パネルの中心とコンデンサミラーへの主光線の入射点との間に位置する設定としてもよい。このようにしても、薄型のプロジェクタとなる。
【００２３】
プリズムがＴＩＲ面以外の面でも照明光を反射し、照明光がプリズムの内部にプリズムの面から面にわたる光路を少なくとも５つ有して、それらの光路を順に進む構成とすることもできる。このようにすると、インテグレータ光学系から反射型変調パネルに至る照明光の光路の大部分を小さなプリズム内に収めることができて、一層小型かつ薄型のプロジェクタとなる。
【００２４】
前記目的を達成するために、本発明ではまた、光の強度分布を均一にして射出するインテグレータ光学系から与えられる照明光を拡大して反射型素子に導く照明光学系は、当該照明光学系の瞳と所定の面とを略共役にするコンデンサミラーと、インテグレータ光学系とコンデンサミラーの間の照明光の光路上に位置し、コンデンサミラーと協同してインテグレータ光学系の射出面と反射型素子とを略共役にするリレーレンズと、リレーレンズとコンデンサミラーの間の照明光の光路上に位置し、入射角に応じて光を全反射しまたは透過させるＴＩＲ面を有するプリズムを備え、コンデンサミラーが、プリズムの内部を進行したリレーレンズからの照明光を反射して再びプリズムの内部を進行させ、プリズムのＴＩＲ面が、リレーレンズからの照明光を全反射してコンデンサミラーに導き、コンデンサミラーからの照明光を全反射して反射型素子に導くとともに、反射型素子からの反射光を透過させて当該照明光学系の瞳と略共役な所定の面に導く構成とする。
【００２５】
この照明光学系は、コンデンサミラーによって、反射型素子からの反射光を、自己の瞳と略共役な所定の面に導くことができる。コンデンサミラーに入射する直前の照明光とコンデンサミラーによって反射された直後の照明光が重なる上、プリズムのＴＩＲ面が照明光を少なくとも２回反射するため、小さなプリズムであっても、プリズム内の照明光の光路を長くすることが可能である。この照明光学系の瞳と略共役な所定の面に瞳が位置するように投影光学系を配置し、反射型素子として反射型変調パネルを用いることで、小型、特に薄型のプロジェクタを容易に実現することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のプロジェクタの実施形態について図面を参照しながら説明する。第１の実施形態のプロジェクタ１の光学構成の斜視図、正面図、側面図、および上面図をそれぞれ図１、図２、図３および図４に示す。また、プロジェクタ１の光学構成の要部を、光軸が一直線を成すように光路を展開して、模式的に図６に示す。プロジェクタ１は、光源１０、ロッドインテグレータ２０、照明光学系３０、反射型変調パネル４０、および投影光学系５０を備え、また、光源１０とロッドインテグレータ２０の間にＵＶ−ＩＲカットフィルタ６１、ロッドインテグレータ２０と照明光学系３０の間にカラーホイール６２を備える。
【００２７】
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より成る。ランプ１１の発する光が反射型変調パネル４０の照明光となる。ランプ１１はその発光部がリフレクタ１２の第１焦点上に位置するように配置されており、ランプ１１が発した光はリフレクタ１２によって反射されて、リフレクタ１２の第２焦点に収束する。ＵＶ−ＩＲカットフィルタ６１は、紫外領域および赤外領域の光を遮断し、可視光のみを透過させる。
【００２８】
ロッドインテグレータ２０は、断面が長方形の四角柱状であり、一方の端面２０ａから内部に入った光を側面で全反射して他方の端面２０ｂに導き、端面２０ｂより射出する。ロッドインテグレータ２０は、リフレクタ１２の第１、第２焦点を結ぶ直線が入射面２０ａの中心と射出面２０ｂの中心を通り、かつ、入射面２０ａの中心がリフレクタ１２の第２焦点に一致するように配置されている。したがって、リフレクタ１２からの照明光は入射面２０ａの中心に収束する。
【００２９】
入射面２０ａを透過した照明光は、入射面２０ａに対する入射角に応じた回数だけロッドインテグレータ２０の側面で全反射されて射出面２０ｂに達する。射出面２０ｂのあらゆる部位には入射角の異なる光が略同一の割合で入射し、射出面２０ｂ上での照明光の強度分布は均一になる。射出面２０ｂを透過した照明光は発散光となり、カラーホール６２を経て、照明光学系３０に入射する。
【００３０】
カラーホイール６２は、赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ選択的に透過させる３種のカラーフィルターを有しており、回転することにより、いずれかのカラーフィルターが、ロッドインテグレータ２０が射出した照明光の光路上に位置する。このカラーホイル６２により、白色光の照明光は時間的に赤色光、緑色光、青色光に分解され、カラー映像の提供が可能になる。
【００３１】
照明光学系３０は、１対のレンズ３２、３３より成るリレーレンズ群３１、２つのプリズム３４、３５、およびコンデンサミラー３６より成る。リレーレンズ群３１は、その光軸がロッドインテグレータ２０の入射面２０ａの中心と射出面２０ｂの中心を通り、かつ、その前焦点が射出面２０ｂの中心に一致するように配置されている。リレーレンズ群３１は、ロッドインテグレータ２０の入射面２０ａと照明光学系３０の瞳に位置する絞り（図６に符号３０ａで示す）を光学的に共役にしている。また、リレーレンズ群３１とコンデンサミラー３６は、ロッドインテグレータ２０の射出面２０ｂと反射型変調素子４０とを光学的に略共役にしている。
【００３２】
２つのプリズム３４、３５は、図３の側面図および図４の上面図より明らかなように、その大部分が反射型変調パネル４０と投影光学系５０との間に位置するように配置されている。また、光源１０からリレーレンズ群３１までの各素子は、投影光学系５０の側方に位置する。
【００３３】
図１〜図４には現れていないが、プリズム３４とプリズム３５との間には微小な空隙が存在する。プリズム３４、３５を大きく分離した斜視図を図５に示す。プリズム３４の面３４ｃとプリズム３５の面３５ａが、空隙を挟んで対向する面である。これらの面３４ｃと面３５ａは平行であり、両者間の距離、すなわち空隙の厚さは、５μｍ〜２０μｍ程度である。
【００３４】
コンデンサミラー３６は、プリズム３４の面３４ｄに密接して配置されており、プリズム３４と一体となっている。また、コンデンサミラー３６とプリズム３４は同じ材料で作製されている。プリズム３４の面３４ｄを曲面とし、その曲面に反射膜を設けて、これをコンデンサミラー３６とすることもできる。また、コンデンサミラー３６をプリズム３４から僅かに離間させてもかまわない。
【００３５】
リレーレンズ群３１からの照明光は、プリズム３４の面３４ａを透過してプリズム３４内に入り（この照明光を図１にＬ１で示す）、面３４ｂに入射する。面３４ｂのうち照明光が入射する部位には反射膜が設けられており、照明光は面３４ｂによって反射され（この照明光をＬ２で示す）、上述の面３４ｃに入射する。面３４ｃは面３４ｂによって反射された照明光の入射角が臨界角を超えるように向きを設定されており、面３４ｃに最初に入射する照明光は全反射される。以下、面３４ｃをＴＩＲ面ともいう。
【００３６】
ＴＩＲ面３４ｃによって全反射された照明光（この照明光をＬ３で示す）は、斜め上方に進み、コンデンサミラー３６に入射して反射される。コンデンサミラー３６によって反射された照明光（この照明光をＬ４で示す）は、ＴＩＲ面３４ｃに再び入射する。ＴＩＲ面３４ｃは、コンデンサミラー３６からの照明光の入射角も臨界角を超えるように設定されており、ＴＩＲ面３４ｃに２度目に入射する照明光も全反射される。ＴＩＲ面３４ｃによって再度全反射された照明光（この照明光をＬ５で示す）は、面３４ｂのうち反射膜が設けられていない部位に入射し、面３４ｂを透過して、反射型変調パネル４０に入射する。
【００３７】
このようにプリズム３４の内部には照明光の光路が５つ存在し、ロッドインテグレータ２０から反射型変調パネル４０までの光路の大部分がプリズム３４の内部に収まっている。
【００３８】
コンデンサミラー３６は、面３４ｂおよびＴＩＲ面３４ｃで折り返されたリレーレンズ群３１の光軸がその中心を通り、かつ、コンデンサミラー３６自体およびＴＩＲ面３４ｃによってさらに折り返されたリレーレンズ群３１の光軸が反射型変調パネル４０の中心を通るように設けられている。また、リレーレンズ群３１の後焦点からコンデンサミラー３６の中心までの光路長と、コンデンサミラー３６の中心から反射型変調パネル４０の中心までの光路長は、いずれもコンデンサミラー３６の焦点距離に略等しく設定されている。
【００３９】
したがって、照明光は反射型変調パネル４０を略テレセントリックに照明する。また、リレーレンズ群３１とコンデンサミラー３６によってロッドインテグレータ２０の射出面２０ｂの像が反射型変調パネル４０上に形成されるので、反射型変調パネル４０は、その全体を均一な強度分布の照明光で照明される。コンデンサミラー３６はまた、照明光学系３０の絞りと投影光学系５０の瞳に位置する絞り（図６に符号５０ａで示す）とを光学的に共役にする役割をもっている。これにより、ロッドインテグレータ２０を射出した照明光は、損失することなく投影光学系５０の瞳に導かれる。
【００４０】
反射型変調パネル４０はＤＭＤであり、オン状態の微小ミラーが反射したオン光が映像光となる。映像光は、面３４ｂのうち反射膜が設けられていない部位に入射してこれを透過し、ＴＩＲ面３４ｃに入射する。ＴＩＲ面３４ｃに対する映像光の入射角は小さく、映像光はＴＩＲ面３４ｃを透過し、前述の空隙を横断して面３５ａよりプリズム３５の内部に入る。この映像光は、プリズム３５の面３５ｂを透過して投影光学系５０に入射し、投影光学系５０によって所定の投影面に投影される。投影面にスクリーンを配置しておくことで、スクリーン上に拡大映像が表示される。
【００４１】
なお、プリズム３４が楔状であるため、プリズム３４を透過した映像光をそのまま投影光学系５０に導くと、大きな非点収差や色収差が生じる。プリズム３５はこれを防止するために備えられており、プリズム３４が楔状であるにもかかわらず、プロジェクタ１では、諸収差を良好に抑えた高品位の映像を提供することができる。
【００４２】
ロッドインテグレータ２０の射出面２０ｂから反射型変調パネル４０までのコンストラクションデータを表１〜表３に示す。ここでは、反射型変調パネル４０の反射面（ミラー面）の中心を原点とする絶対座標系の中にいくつかのローカル座標系を定め、各面をローカル座標系によって定義している。ローカル座標系のＸ、Ｙ、Ｚ軸は絶対座標系のｘ、ｙ、ｚ軸と必ずしも平行ではなく、絶対座標系に対するローカル座標系の傾きを、Ｘ軸およびＹ軸の単位ベクトルＶＸ、ＶＹで表している。ローカル座標系の原点Ｏは絶対標系のｘ、ｙ、ｚ軸の値で表している。
【００４３】
リレーレンズ群３１には非球面の面も含まれている。非球面は次式ＥＳによって定義している。なお、Ｈ２＝Ｙ２＋Ｚ２であり、長さの単位はｍｍである。また、ロッドインテグレータ２０の射出面２０ｂの大きさは３．５ｍｍ×４．９ｍｍ、反射型変調パネル４０の大きさは８．７ｍｍ×１１．８ｍｍであり、照明倍率βは約２．４である。
【数１】
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【００４４】
【表１】
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【００４５】
【表２】
2004286946.tif 000006
【００４６】
【表３】
2004286946.tif 000007
【００４７】
投影光学系５０の光軸は反射型変調パネル４０に対して垂直である。また、イメージサークルに対応する範囲全体にわたって、ＴＩＲ面３０ｃが照明光を等しい効率で反射し、映像光を等しい効率で透過させるようにするために、投影光学系５０は略テレセントリックに設定されている。したがって、投影光学系５０の入射瞳は略無限遠に位置し、反射型変調パネル４０に平行な任意の方向に投影光学系５０をシフトさせて、投影面上での映像の位置をシフトさせることができる。
【００４８】
投影光学系５０を反射型変調パネル４０に平行な上下方向（絶対座標系のｚ軸方向）にシフトさせた場合の３通りの設定を図７に示す。図７の説明に先立ち、主光線を、ロッドインテグレータ２０の射出面２０ｂの中心を通り、反射型変調パネル４０の中心で反射され、投影光学系５０の瞳の中心を通る光線、と定義する。
【００４９】
図７（ａ）は、ｚ軸方向において、投影光学系５０の光軸Ａｘが、反射型変調パネル４０の中心とコンデンサミラー３６への主光線の入射点Ｐｃとの間を通る設定である。投影面（スクリーン）６３への主光線の入射点Ｐｓは、コンデンサミラー３６への主光線の入射点Ｐｃに関して反射型変調パネル４０の中心の反対側に位置する。つまり、コンデンサミラー３６への主光線の入射点Ｐｃは、反射型変調パネル４０の中心と投影面６３への主光線の入射点Ｐｓとの間に位置する。
【００５０】
図７（ｂ）は、ｚ軸方向において、投影光学系５０の光軸Ａｘが反射型変調パネル４０の中心を通る設定である。また、図７（ｃ）は、ｚ軸方向において、投影光学系５０の光軸Ａｘが、反射型変調パネル４０の中心に関してコンデンサミラー３６の反対側を通る設定である。
【００５１】
これらの設定のいずれも選択可能であるが、照明光学系３０と投影光学系５０を合わせた全体のｚ軸方向の寸法は、図７（ａ）の設定が最も小さい。したがって、薄型のプロジェクタとするには図７（ａ）の設定を採用するのが好ましい。
【００５２】
なお、プロジェクタ１は、使用に際し、どのような向きに配設してもよい。例えば、図７（ａ）の状態のままで机上に載置することもできるし、上下を逆にして部屋の天井に取り付けることもできるし、さらに、９０゜回転させて部屋の壁に取り付けることもできる。
【００５３】
本実施形態のプロジェクタ１のプリズム３４は（図１、図５参照）、リレーレンズ群３１からの照明光が入射する面３４ａとＴＩＲ面３４ｃが異なり、リレーレンズ群３１からの照明光が入射する面３４ａと最初に照明光を反射する面３４ｂが反射型変調パネル４０に関して同じ側に位置し、最初に照明光を反射する面３４ｂが照明光を透過させる面を兼ねる設定である。以下、プロジェクタ１と同様にプリズム３４内に照明光の光路を５つ有し、プリズム３４の面の利用方法が異なる他の実施形態について説明する。なお、各実施形態のプロジェクタの構成要素の数や機能はプロジェクタ１と同様であるので、同様の構成要素は同じ符号で表し、重複する説明は省略する。
【００５４】
第２の実施形態のプロジェクタ２の光学構成の斜視図、正面図、側面図、および上面図をそれぞれ図８、図９、図１０および図１１に示す。また、プリズム３４とプリズム３５を分離して図１２に示す。
【００５５】
リレーレンズ群３１からの照明光は、プリズム３４の面３４ｅを透過してプリズム３４内に入り（この照明光を図８にＬ１で示す）、面３４ｆに入射する。面３４ｆには反射膜が設けられており、照明光は面３４ｆによって反射され（この照明光をＬ２で示す）、面３４ｇに入射する。面３４ｇは面３４ｆによって反射された照明光の入射角が臨界角を超えるように向きを設定されており、面３４ｇに最初に入射する照明光は全反射される。以下、面３４ｇをＴＩＲ面ともいう。
【００５６】
ＴＩＲ面３４ｇによって全反射された照明光（この照明光をＬ３で示す）は、斜め上方に進み、面３４ｈに密接して設けられたコンデンサミラー３６に入射して反射される。コンデンサミラー３６によって反射された照明光（この照明光をＬ４で示す）は、ＴＩＲ面３４ｇに再び入射する。ＴＩＲ面３４ｇは、コンデンサミラー３６からの照明光の入射角も臨界角を超えるように設定されており、ＴＩＲ面３４ｇに２度目に入射する照明光も全反射される。ＴＩＲ面３４ｇによって再度全反射された照明光（この照明光をＬ５で示す）は、面３４ｋに入射し、これを透過して、反射型変調パネル４０に入射する。
【００５７】
反射型変調パネル４０からの映像光は、面３４ｋに入射してこれを透過し、ＴＩＲ面３４ｇに入射する。ＴＩＲ面３４ｇに対する映像光の入射角は小さく、映像光はＴＩＲ面３４ｇを透過し、プリズム３４とプリズム３５の間の空隙を横断して面３５ａよりプリズム３５の内部に入る。この映像光は、プリズム３５の面３５ｂを透過して投影光学系５０に入射し、投影光学系５０によって投影面に投影される。
【００５８】
このように、本実施形態のプロジェクタ２は、リレーレンズ群３１からの照明光が入射する面３４ｅとＴＩＲ面３４ｇが異なり、リレーレンズ群３１からの照明光が入射する面３４ｅと最初に照明光を反射する面３４ｆが反射型変調パネル４０に関して反対側に位置し、最初に照明光を反射する面３４ｆと照明光を透過させる面３４ｋが異なる設定である。
【００５９】
図１１の上面図より明らかなように、上方から見て、リレーレンズ群３１の光軸と投影光学系５０の光軸は略直交する。したがって、リレーレンズ群３１の側方かつ投影光学系５０の側方となる位置に、電源等の諸部材をまとめて配置することができる。
【００６０】
プロジェクタ２の全体構成を図１３の上面図に模式的に示す。プロジェクタ２は、直方体状の筐体７１を有し、その中に、光源１０、ロッドインテグレータ２０、照明光学系３０、反射型変調パネル４０、投影光学系５０のほか、電源ユニット７２、ランプバラスト７３、ファン７４、回路基板７５を収容している。
【００６１】
電源ユニット７２は、ランプバラスト７３、ファン７４、回路基板７５、カラーホイール６２等に電力を供給し、ランプバラスト７３は光源１０のランプ１１に高電圧を印加する。光源１０はケースに収納されてユニット化されており、筐体７１の底面に設けられた穴（不図示）を介して着脱可能である。ランプ１１の寿命等により提供する映像の明るさが低下したときには、光源ユニットを交換することができる。ファン７４は光源１１のケースに隣接して配置されており、光源１１の発熱により温度上昇した筐体７１内の空気を外部に排出する。
【００６２】
回路基板７５は、反射型変調パネル４０、カラーホイール６２、ファン７４等の制御を行う制御部と、映像信号を受ける信号入力部と、受けた映像信号を加工する映像処理部と、使用者がプロジェクタ２の状態を変更するためのインターフェース部より成る（不図示）。
【００６３】
電源部からの電力供給が開始されると、カラーホイール６２、ファン７４が回転し、続いて、ランプ１１が点灯する。信号入力部を介して回路基板７５に与えられた映像信号は、映像処理部でＡ／Ｄ変換され、さらにスケーリング、γ補正、輪郭補正等のデジタル処理を施されて、反射型変調パネル４０を駆動するための駆動信号に変換される。カラーホイール６２は同期検出用のセンサ（不図示）を有し、その同期信号に基づいて反射型変調パネル４０に駆動信号が送られる。反射型変調パネル４０は、駆動信号に基づいて入射する照明光を変調し、オン光である映像光が投影光学系５０によって投影されて、カラー映像が提供される。
【００６４】
電源部からの電力供給を停止する際には、まず、ランプ１１を消灯し、所定時間が経過した後、または、光源１０のケース近傍の温度センサ（不図示）によって検出された温度が所定温度以下に低下した時に、カラーホイール６２およびファン７４を停止させる。電力供給の開始時や停止時の制御、カラーホイール６２と駆動信号の同期等の一連の制御は回路基板７５の制御部が行う。
【００６５】
投影する映像の色調やコントラストの変更、あるいは投影する映像の上下／左右の反転等のプロジェクタ２内部の設定を変更するための使用者からの指示は、回路基板７５のインターフェース部に与えられ、その設定変更の情報を制御部が受け取って設定変更を行う。
【００６６】
第１の実施形態のプロジェクタ１、以下に述べる第３、第４の実施形態のプロジェクタも、上記と同様の構成要素を備えている。ただし、これらのプロジェクタでは、上方から見て、リレーレンズ群３１の光軸と投影光学系５０の光軸が斜交するため、構成要素は適宜分散して配置される。
【００６７】
図１３に示した形態のプロジェクタ２は、持ち運び可能なポータブル型とすることができるし、据付型とすることもできる。また、観察者と同じ側からスクリーンに映像光を投影するフロントプロジェクションタイプとして用いることも、観察者の反対側からスクリーンに映像光を投影するリアプロジェクションタイプとして用いることも可能である。さらに、図１３に示したものとは別の形態としてもよく、例えば、リアプロジェクションテレビとすることも可能である。これらは、第１の実施形態のプロジェクタ１、および第３、第４の実施形態のプロジェクタにも当てはまる。なお、プロジェクタとは、映像（画像）を拡大して投影する装置をいう。
【００６８】
第３の実施形態のプロジェクタ３の光学構成の斜視図、正面図、側面図、および上面図をそれぞれ図１４、図１５、図１６および図１７に示す。また、プリズム３４とプリズム３５を分離して図１８示す。
【００６９】
リレーレンズ群３１からの照明光は、プリズム３４の面３４ｍを透過してプリズム３４内に入り（この照明光を図１４にＬ１で示す）、面３４ｎに入射する。面３４ｎのうち照明光が入射する部位には反射膜が設けられており、照明光は面３４ｎによって反射され（この照明光をＬ２で示す）、再度面３４ｍに入射する。面３４ｍは面３４ｎによって反射された照明光の入射角が臨界角を超えるように向きを設定されており、照明光は全反射される。以下、面３４ｍをＴＩＲ面ともいう。
【００７０】
ＴＩＲ面３４ｍによって全反射された照明光（この照明光をＬ３で示す）は、斜め上方に進み、面３４ｐに密接して設けられたコンデンサミラー３６に入射して反射される。コンデンサミラー３６によって反射された照明光（この照明光をＬ４で示す）は、もう一度ＴＩＲ面３４ｍに入射する。ＴＩＲ面３４ｍは、コンデンサミラー３６からの照明光の入射角も臨界角を超えるように設定されており、コンデンサミラー３６からの照明光も全反射される。ＴＩＲ面３４ｍによって全反射された照明光（この照明光をＬ５で示す）は、面３４ｎのうち反射膜が設けられていない部位に入射し、これを透過して反射型変調パネル４０に入射する。
【００７１】
反射型変調パネル４０からの映像光は、面３４ｎに入射してこれを透過し、ＴＩＲ面３４ｍに入射する。ＴＩＲ面３４ｍに対する映像光の入射角は小さく、映像光はＴＩＲ面３４ｍを透過し、プリズム３４とプリズム３５の間の空隙を横断して、面３５ａよりプリズム３５の内部に入る。この映像光は、プリズム３５の面３５ｂを透過して投影光学系５０に入射し、投影光学系５０によって投影面に投影される。
【００７２】
このように、本実施形態のプロジェクタ３は、リレーレンズ群３１からの照明光が入射する面３４ｍがＴＩＲ面を兼ね、リレーレンズ群３１からの照明光が入射する面３４ｍと最初に照明光を反射する面３４ｎが反射型変調パネル４０に関して同じ側に位置し、最初に照明光を反射する面３４ｎが照明光を透過させる面を兼ねる設定である。
【００７３】
第４の実施形態のプロジェクタ４は、第３の実施形態のプロジェクタ３のプリズム３４を修飾したものである。プロジェクタ４のプリズム３４、３５の斜視図、および正面図をそれぞれ図１９および図２０に示し、両者を分離して図２１に示す。本実施形態のプロジェクタ４のプリズム３４には、上述の面３４ｎに対して僅かに傾斜した面３４ｑが設けられている。
【００７４】
リレーレンズ群３１からの照明光は、プリズム３４の面３４ｍを透過してプリズム３４内に入り（この照明光を図１９にＬ１で示す）、面３４ｑに入射する。面３４ｑには反射膜が設けられており、照明光は面３４ｑによって反射され（この照明光をＬ２で示す）、再度面３４ｍに入射する。面３４ｍは上述のようにＴＩＲ面であり、照明光は全反射される。
【００７５】
ＴＩＲ面３４ｍによって全反射された照明光（この照明光をＬ３で示す）は、斜め上方に進み、面３４ｐに密接して設けられたコンデンサミラー３６に入射して反射される。コンデンサミラー３６によって反射された照明光（この照明光をＬ４で示す）は、もう一度ＴＩＲ面３４ｍに入射して全反射され（この照明光をＬ５で示す）、面３４ｎを透過して反射型変調パネル４０に入射する。
【００７６】
反射型変調パネル４０からの映像光は、面３４ｎを透過し、ＴＩＲ面３４ｍを透過し、プリズム３５を経て、投影光学系５０によって投影面に投影される。
【００７７】
このように、本実施形態のプロジェクタ３は（図１９、図２１参照）、リレーレンズ群３１からの照明光が入射する面３４ｍがＴＩＲ面を兼ね、リレーレンズ群３１からの照明光が入射する面３４ｍと最初に照明光を反射する面３４ｑが反射型変調パネル４０に関して同じ側に位置し、最初に照明光を反射する面３４ｑと照明光を透過させる面３４ｎが異なる設定である。
【００７８】
なお、上記の各実施形態では、照明光をプリズム３４のＴＩＲ面３４ｃ、３４ｇ、３４ｍで２回反射し、コンデンサミラー３６で１回反射し、プリズム３４の他の面３４ｂ、３４ｆ、３４ｎ、３４ｑで一回反射するようにして、プリズム３４内に照明光の光路を５つ設けているが、プリズム３４の面による反射の回数をより多くして、プリズム内の照明光の光路をさらに多くしてもよい。また、ここでは、反射型変調パネルとしてＤＭＤを使用したが、反射型液晶パネル等の他の反射型のパネルを用いてもよい。さらに、ここではインテグレータ光学系としてロッドを用いたが、１対のレンズアレイをインテグレータ光学系として用いることもできる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明のプロジェクタは、照明光学系の瞳と投影光学系の瞳とを光学的に略共役にするための素子として、反射型であるコンデンサミラーを備えているため、照明光の光路の一部が重なる。しかも、プリズムのＴＩＲ面が照明光を少なくとも２回反射するため、小さなプリズムであっても、プリズム内の照明光の光路を長くすることができて、反射型変調パネルをある程度以上の大きさとして、投影光学系が大型化するのを避けることができる。光路を折り返すための他の光学素子も必要ない。したがって、小型、薄型のプロジェクタとなる。さらに、プリズムのＴＩＲ面によって照明光を反射してコンデンサミラーに導くため、コンデンサミラーへの入射角を小さくすることも可能であり、収差の発生が抑えられる。
【００８０】
反射型変調パネルに平行な所定の方向において、コンデンサミラーへの主光線の入射点が、反射型変調パネルの中心と投影面への主光線の入射点との間に位置する設定、あるいは、投影光学系の光軸が、反射型変調パネルの中心とコンデンサミラーへの主光線の入射点との間に位置する設定とすると、確実に薄型のプロジェクタとすることができる。
【００８１】
プリズムがＴＩＲ面以外の面でも照明光を反射し、照明光がプリズムの内部にプリズムの面から面にわたる光路を少なくとも５つ有して、それらの光路を順に進むようにすると、インテグレータ光学系から反射型変調パネルに至る照明光の光路の大部分を小さなプリズム内に収めることができて、一層小型かつ薄型のプロジェクタとなる。
【００８２】
また、本発明の照明光学系は、光源、インテグレータ光学系、反射型変調パネル、および投影光学系と組み合わせることで、小型、特に薄型のプロジェクタを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態のプロジェクタの光学構成を示す斜視図。
【図２】第１の実施形態のプロジェクタの光学構成を示す正面図。
【図３】第１の実施形態のプロジェクタの光学構成を示す側面図。
【図４】第１の実施形態のプロジェクタの光学構成を示す上面図。
【図５】第１の実施形態のプロジェクタの照明光学系に含まれる２つのプリズムを分離して示す斜視図。
【図６】各実施形態のプロジェクタの光学構成を展開して模式的に示す図。
【図７】各実施形態のプロジェクタの投影光学系を反射型変調パネルに平行な上下方向にシフトさせた場合の３通りの設定を示す図。
【図８】第２の実施形態のプロジェクタの光学構成を示す斜視図。
【図９】第２の実施形態のプロジェクタの光学構成を示す正面図。
【図１０】第２の実施形態のプロジェクタの光学構成を示す側面図。
【図１１】第２の実施形態のプロジェクタの光学構成を示す上面図。
【図１２】第２の実施形態のプロジェクタの照明光学系に含まれる２つのプリズムを分離して示す斜視図。
【図１３】第２の実施形態のプロジェクタの全体構成を模式的に示す上面図。
【図１４】第３の実施形態のプロジェクタの光学構成を示す斜視図。
【図１５】第３の実施形態のプロジェクタの光学構成を示す正面図。
【図１６】第３の実施形態のプロジェクタの光学構成を示す側面図。
【図１７】第３の実施形態のプロジェクタの光学構成を示す上面図。
【図１８】第３の実施形態のプロジェクタの照明光学系に含まれる２つのプリズムを分離して示す斜視図。
【図１９】第４の実施形態のプロジェクタの照明光学系に含まれる２つのプリズムを示す斜視図。
【図２０】第４の実施形態のプロジェクタの照明光学系に含まれる２つのプリズムを示す正面図。
【図２１】第４の実施形態のプロジェクタの照明光学系に含まれる２つのプリズムを分離して示す斜視図。
【図２２】反射型変調パネルの照明光と映像光とを分離する一般的な光学構成を模式的に示す図。
【図２３】コンデンサレンズおよびＴＩＲプリズムを用いたテレセントリックな照明光学系を含む従来のプロジェクタの光学構成を展開して模式的に示す図。
【符号の説明】
１、２、３、４  プロジェクタ
１０    光源
１１    ランプ
１２    リフレクタ
２０    ロッドインテグレータ
２０ａ  入射面
２０ｂ  射出面
３０    照明光学系
３０ａ  照明光学系絞り
３１    リレーレンズ群
３２、３３  リレーレンズ
３４    プリズム
３４ａ〜３４ｈ、３４ｋ、３４ｍ、３４ｎ、３４ｐ、３４ｑ  プリズム面
３４ｃ、３４ｇ、３４ｍ  ＴＩＲ面
３５    プリズム
３５ａ、３５ｂ  プリズム面
３６    コンデンサミラー
４０    反射型変調パネル
５０    投影光学系
５０ａ  投影光学系絞り
６１    ＵＶ−ＩＲカットフィルタ
６２    カラーホイール
６３    投影面（スクリーン）
７１    筐体
７２    電源ユニット
７３    ランプバラスト
７４    ファン
７５    回路基板
【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】
2004286946.tif 000012
【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】
2004286946.tif 000020
【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】
2004286946.tif 000025
【図１９】
2004286946.tif 000026
【図２０】
2004286946.tif 000027
【図２１】
2004286946.tif 000028
【図２２】
2004286946.tif 000029
【図２３】
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