(57)【要約】【課題】空間光変調素子（ＤＭＤ：デジタル・マイクロミラー・デバイス）を用いた画像投影装置のサイズを小型とし、高輝度かつ高画質の画像を表示する画像投影装置を提供する。【解決手段】画像投影装置は、光源１、ＲＧＢカラーフィルタ有し回転するカラーホイール２、照明光１１を生成する照明光学系３、ＤＭＤ制御信号に応じて各マイクロミラーの回動角度が変化するＤＭＤ７、ＤＭＤ７の各マイクロミラーで反射した映像光１２を投影する投影光学系９等を備える。照明光学系３の光軸と投影光学系９の光軸は略平行に配置され、ＤＭＤ７の配置面は投影光学系９の光軸と平行、かつ投影光学系９の光軸を通る垂線に対し略４５°に配置され、ＤＭＤ７はその配置面上で投影光学系９の光軸に対し略４５°に配置され、また、映像光１２の光軸とＤＭＤ７の光軸は略直角に配置される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、前記光源からの光束を照明光に生成する照明光学系と、制御信号に応じて前記照明光に対する反射面の反射特性が変化する空間光変調素子と、該空間光変調素子の前記反射面で反射した映像光を投影する投影光学系を備えた画像投影装置であって、前記照明光学系の光軸と前記投影光学系の光軸は略平行に配置され、前記空間光変調素子の配置面は前記投影光学系の光軸を通る垂線に対し略４５°に配置され、前記空間光変調素子は前記空間光変調素子の配置面上で前記投影光学系の光軸に対し略４５°に配置され、前記映像光の光軸と前記空間光変調素子の光軸は略直角に配置され、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素子が配置されていることを特徴とする画像投影装置。
【請求項２】
請求項１に記載の画像投影装置であって、前記光偏向素子は、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、該ミラーで反射した照明光を透過させ、前記映像光を全反射させる臨界角プリズムであることを特徴とする画像投影装置。
【請求項３】
請求項２に記載の画像投影装置であって、前記映像光の主光線は、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いることを特徴とする画像投影装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の画像投影装置であって、前記臨界角プリズムの入射部に隣接して正の光学パワーを有するフィールドレンズが配置されていることを特徴とする画像投影装置。
【請求項５】
請求項４に記載の画像投影装置であって、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し、さらに詳しくは、ＤＭＤのような反射型の空間光変調素子を用い、各構成要素を効率的に配置して全体の大きさを小型とし、高輝度かつ高画質な画像が得られる画像投影装置に関する。
【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例として、多数の微小ミラーを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という）が知られている。また、ＤＭＤを照明する光学系にプリズムを用いるプリズム方式の画像投影装置において、光源、プリズム、ＤＭＤ、投影レンズ等の構成要素を特定の結合関係をもって配置して、プリズムの小型化を図ることを目的としたものとして、特許文献１等に記載されたものが知られている。
【０００３】
図４は、ＤＭＤの画素構造を示す斜視図である。
ＤＭＤ５６の表面にマトリックス状に多数形成された個々の素子、すなわちマイクロミラー５６ａｉ，５６ａｉ＋１，…は、それぞれ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マイクロミラーになっている。
ＤＭＤ５６は、図４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。
【０００４】
図５は、従来技術による画像投影装置の光学系の構成を示す斜視図である。
ＤＭＤ５６を画像投影装置に応用する方法としては、図５に示すような臨界角プリズム５５を用いた光学系を使用することが知られている。
従来の画像投影装置において、光源５１で生成された光束は、光の三原色（ＲＧＢ）を含むカラーフィルタを有するカラーホイール５２の回転によって切り替えられ、照明光学系５３のロッドインテグレータ５３ａ、コンデンサレンズ５３ｂを通過して、反射ミラー５４によって反射され、臨界角プリズム５５に導かれる。
【０００５】
臨界角プリズム５５は、照明光６１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５５ａを有し、エアギャップ５５ａの面の方向がＤＭＤ５６のマイクロミラー５６ａｉ，５６ａｉ＋１，…の振れ方向と一致するように、つまりエアギャップ５５ａの面とマイクロミラーの軸方向とが平行になるような位置関係となるように、画像投影装置の水平方向に対して４５°傾斜させて配置されている。
これによって、反射ミラー５４によって反射された照明光６１は、画像投影装置の水平方向に対して４５°の方向から入射し、映像光６２がＯＮ状態のマイクロミラーによってＤＭＤ５６の正面方向に反射するようにしている。ここで、ＯＦＦ状態のマイクロミラーによって反射した映像光は、ＤＭＤ５６の正面方向から外れた方向に出射され吸収されることとなる。
ＯＮ状態のマイクロミラーによって反射された映像光６２は、臨界角プリズム５５のエアギャップ５５ａを透過し、投影光学系５８に入射し、スクリーンに映像が映し出される。
【０００６】
ＤＭＤ５６が設置されている回路基板５７には駆動回路が形成され、駆動回路はデジタル信号処理によりＤＭＤ５６のマイクロミラー５６ａｉ，５６ａｉ＋１，…を制御するものであって、ＤＭＤ５６の背面に配置された回路基板５７上に形成されている。ＤＭＤ５６は極めて高速な信号処理により制御されており、装置の安定動作のため、このように駆動回路とＤＭＤ５６を一体に配置することが望ましい。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−４７３２６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術による画像投影装置は、ＤＭＤを駆動する駆動回路を有する回路基板が投影光学系に対して直交して配置されており、画像投影装置のサイズが大型化していた。照明光学系に関しても、照明光を臨界角プリズムに対して４５°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た。また、ＤＭＤ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原因になっていた。
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、画像投影装置のサイズを小型とし、高輝度かつ高画質の画像を表示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ものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の技術手段は、光源と、前記光源からの光束を照明光に生成する照明光学系と、制御信号に応じて前記照明光に対する反射面の反射特性が変化する空間光変調素子と、該空間光変調素子の前記反射面で反射した映像光を投影する投影光学系を備えた画像投影装置であって、前記照明光学系の光軸と前記投影光学系の光軸は略平行に配置され、前記空間光変調素子の配置面は前記投影光学系の光軸を通る垂線に対し略４５°に配置され、前記空間光変調素子は前記空間光変調素子の配置面上で前記投影光学系の光軸に対し略４５°に配置され、前記映像光の光軸と前記空間光変調素子の光軸は略直角に配置され、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素子が配置されていることを特徴とし、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留め、スリムで可搬性に優れた画像投影装置が可能となる。
【００１０】
第２の技術手段は、第１の技術手段の画像投影装置であって、前記光偏向素子は、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、該ミラーで反射した照明光を透過させ、前記映像光を全反射させる臨界角プリズムであることを特徴とし、エアギャップを透過する際の非点収差の発生がなくなり、結像性能の優れた画像投影装置が可能となる。
【００１１】
第３の技術手段は、第２の技術手段の画像投影装置であって、前記映像光の主光線は、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いることを特徴とし、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画像投影装置が可能となる。
【００１２】
第４の技術手段は、第３の技術手段の画像投影装置であって、前記臨界角プリズムの入射部に隣接して正の光学パワーを有するフィールドレンズが配置されていることを特徴とし、照明系の光路長が効果的に短縮され、画像投影装置のさらに小型の画像投影装置が可能となる。
【００１３】
第５の技術手段は、第４の技術手段の画像投影装置であって、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し、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画像投影装置が可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図３に示す実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施例による画像投影装置の光学系全体を示す図であり、図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は正面図、図１（Ｃ）は右側面図である。
図２は、本発明の実施例による画像投影装置の光学系全体を示す図であり、図１（Ｃ）における、Ａ方向からの矢視図である。
図３は、本発明の実施例による画像投影装置の光学系全体を示す斜視図である。
【００１５】
実施例の画像投影装置における全体の光学系は、光源１、光の三原色（ＲＧＢ）を含むカラーフィルタを回転させながら切り替えるカラーホイール２、光源からの光束を通過させ照明光を生成する照明光学系３、反射ミラー４、フィールドレンズ５、臨界角プリズム６、空間光変調素子の一例であるＤＭＤ７、ＤＭＤを設置するとともにＤＭＤを駆動する駆動回路が設けられている回路基板８、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を含む投影光学系９によって構成されている。これらの構成要素は、以下に述べる関係に従って配置されている。
【００１６】
照明光学系３と投影光学系９は、互いの光軸が概ね平行となるよう配置されている。これらの光軸に対して、ＤＭＤ７はその光軸が略直角となるよう配置されている。ＤＭＤ７の背面には、ＤＭＤ７の各マイクロミラーを駆動する駆動回路を有する回路基板８が配置されており、回路基板８の配置が照明光学系３及び投影光学系９の光軸に対して略平行となっていることから、画像投影装置の幅の増加が最小限に留められている。
【００１７】
ＤＭＤ７及び回路基板８は、図１（Ｃ）に示すように、ＤＭＤ設置面である回路基板８の法線１５と投影光学系９の光軸を通る垂線１４とのなす角θ１が略４５°になるように配置している。ＤＭＤ７及び回路基板８をこのように配置することにより、光学系全体の高さを低くすることが可能となっている。
【００１８】
ＤＭＤ７と回路基板８の位置関係は、図２に示すように、ＤＭＤ７の横軸と回路基板８の横軸とのなす角θ２が略４５°となるように配置し、これによりスクリーン上の画像角度を水平に保持している。つまり、ＤＭＤ７の表面に形成された各マイクロミラーの回転軸（ヒンジ）の軸方向は、四辺形をなすＤＭＤの横軸あるいは縦軸に対し４５°傾いているので、後述する臨界角プリズム６の全反射面６ａの配置との関係で、このような取り付け角度で配置される。
【００１９】
ＤＭＤ７の前方には、照明光１１をＤＭＤ７に向けて反射させる反射ミラー４、及び照明光１１を透過させ、ＤＭＤ７の各マイクロミラーで反射した映像光１２を全反射させる臨界角プリズム６を配置し、照明光１１及び映像光１２が所定の方向に進むようにしている。
照明光１１及び映像光１２の進行方向を変化させる偏向手段としては、前記した反射ミラー４や臨界角プリズム６のほか、偏光ビームスプリッタやホログラム等の光学素子を利用することができる。
【００２０】
光源１は、集光手段として楕円リフレクタ１ａを使用している。楕円リフレクタ１ａの集光位置には、光の三原色（ＲＧＢ）を含むカラーフィルタを回転させながら切り替えるカラーホイール２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。
光源部１の集光手段は、楕円リフレクタ１ａのほか、放物リフレクタ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。
また、カラーホイール２は、照明光学系３のロッドインテグレータ３ａの出射部とコンデンサレンズ３ｂの間等に配置してもよい。
【００２１】
光源１の光軸は、投影光学系９の光軸に対して必ずしも完全に平行とする必要はない。光路全体の占有スペースを考えると、多少の傾斜角θ３を設けた方がよい場合もあり、本実施例においては、図３に示すように光源部１の光軸の傾斜角θ３を投影光学系９の光軸に対して９°として、光源１が他の構成要素に比べて突起しないようにしている。
【００２２】
投影光学系９の投影レンズに入射する映像光１２は、主光線が投影光学系９の光軸に対して所定の傾斜角θ４を有している。
この傾斜角θ４は、臨界角プリズム６の全反射面６ａ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６おける照明光１１の透過と映像光１２の全反射を確実なものとしている。
【００２３】
実施例の画像投影装置においては、空間光変調素子としてマイクロミラーの振れ角が±１２°のＤＭＤ７を使用し、臨界角プリズム６のガラス材として屈折率が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θ５を４６°、主光線の傾斜角θ４を５°としている。
【００２４】
臨界角プリズム６の入射部には、正の光学パワーを有するフィールドレンズ５を配置している。図３に示すように実施例ではレンズの入射面、出射面の２面のうち、入射面を凸形状、出射面を平形状の平凸レンズにより、前記正の光学パワーを有している。凸形状部には一般的な曲面はもちろん、非球面形状を選択することも可能である。
フィールドレンズ５は、ＤＭＤ７を照射する照明光１１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６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。
フィールドレンズ５は、照明系入射面に対して安定して保持するため、臨界角プリズム６の入射面に接着している。
【００２５】
実施例の画像投影装置においては、照明光学系３にロッドインテグレータ３ａ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く、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。
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。
【００２６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、照明光学系の光軸と投影光学系の光軸が略平行に配置され、空間光変調素子が投影光学系の光軸を通る垂線に対し略４５°に配置され、空間光変調素子は空間光変調素子配置面上で投影光学系の光軸に対し略４５°に配置され、また投影光学系の光軸と空間光変調素子の光軸が略直角に配置されたことにより、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留め、スリムで可搬性に優れた画像投影装置を提供することができる。
【００２７】
また、映像光を臨界角プリズムで全反射させる構成により、全反射面のエアギャップを透過する際の非点収差の発生がなくなり、結像性能の優れた画像投影装置を提供することができる。
【００２８】
また、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。
【００２９】
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。
【００３０】
さらに、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による画像投影装置の光学系全体を示す図であり、図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は正面図、図１（Ｃ）は右側面図である。
【図２】本発明の実施例による画像投影装置の光学系全体を示す図であり、図１（Ｃ）のＡ方向からの矢視図である。
【図３】本発明の実施例による画像投影装置の光学系全体を示す斜視図である。
【図４】ＤＭＤの画素構造を示す斜視図である。
【図５】従来技術による画像投影装置の光学系を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…光源、１ａ…楕円リフレクタ、２…カラーホイール、３…照明光学系、３ａ…ロッドインテグレータ、３ｂ…コンデンサレンズ、４…反射ミラー、５…フィールドレンズ、６…臨界角プリズム、６ａ…全反射面、７…ＤＭＤ、８…回路基板、９…投影光学系、１１…照明光、１２…映像光、１４…投影光学系の光軸を通る垂線、１５…回路基板の法線、５１…光源、５２…カラーホイール、５３…照明光学系、５３ａ…ロッドインテグレータ、５３ｂ…コンデンサレンズ、５４…反射ミラー、５５…臨界角プリズム、５５ａ…エアギャップ、５６…ＤＭＤ、５７…回路基板、５８…投影光学系、６１…照明光、６２…映像光。
【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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