(57)【要約】【課題】画像表示装置に複数の光源を用いた場合、投影光学系への入射瞳近傍の光束の分布に偏りが発生し効率が低下する可能性がある。【解決手段】複数の光源からの光で画像表示素子を照明する照明光学系と、曲率を有する回転非対称反射面を少なくとも３面以上有してスクリーンに斜め投影する投影光学系とを有する画像投影装置で、投影光学系が回転非対称な入射瞳を有しており、該入射瞳近傍に配置された絞りが、絞りよりもスクリーン側に配置された光学素子によって負の倍率で結像する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光源からの光で少なくとも１つの画像表示素子を照明する照明光学系と、曲率を有する回転非対称反射面を少なくとも３面以上有し、前記少なくとも１つの画像表示素子からの光を被投影面に投影する投影光学系とを有する画像投影装置であって、
前記画像表示素子中心と前記被投影面に形成された像の中心とを通る光束の中心線が前記被投影面に対して傾いており、
前記投影光学系が、前記画像表示素子と前記少なくとも３面の回転非対称反射面との間又は前記少なくとも３面の回転非対称反射面の間に、回転非対称な形状の入射瞳を形成し、該入射瞳の位置近傍に絞りを有しており、さらに、前記入射瞳の位置近傍に配置された絞りの像を、前記投影光学系が有する光学素子のうち前記絞りよりも前記被投影面側に配置された光学素子によって負の倍率で結像し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、画像表示素子（例えば透過型液晶パネル、反射型液晶パネル、ＤＭＤ、高分子分散液晶等の受動型画像形成装置）により形成した画像をスクリーン等の被投影面に投影する画像投影装置（フロントプロジェクター、リアプロジェクター）に関し、特に回転非対称な反射面（所謂自由曲面）を有する画像投影装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、投射型表示装置においては画像表示パネルに照射された照明光を投射光学系によって投影することで画像の表示を行う。画像表示パネルを照明する照明光学系の光量は照明系を構成する光源、集光リフレクタ、インテグレータ、コンデンサレンズなどの組み合わせによって画像表示パネル面を均一に照射するとともに投射光学系との整合性を取り出射光学系からの出射光束量を改善するように構成される。光学構成の工夫による光学効率の改善に対して複数の光源を使用する事による照明光量の改善はより効果が大きい。そこで少なくとも２つ以上の光源を用いた照明光学系による高輝度の投射光学系を構成して画像表示パネルの照明を複数の光源により行う事例が特開平１１−１４９０６１号公報、特開２００１−０１６３７８号公報などがある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−１４９０６１号公報
【特許文献２】
特開２００１−０１６３７８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来例にあるように複数の光源からの照明光は画像表示パネルに入射する前に合成されて略平行な光束に変換されフライアイレンズやフィールドレンズによるにインテグレータ部で画像表示パネルへの照明光が均一化されている。
【０００５】
一方、色順次切り替え方式のミラー反射デバイスを画像表示パネルとして使用する場合には色切り替えの効率をよくするためインテグレータとしてロッドインテグレータを用いる事が多い。この方式の場合、光源からの光束の高効率に合成するためにはロッドインテグレータ入口へ複数光源の光束を同一光軸で導入する必要がある。しかしながら、複数の光源からの光束を正確に同一光軸で導入することはむずかしい。
【０００６】
光源から入射した光束は画像表示パネルを照明した後、投射光学系の入射瞳近傍に光源の像を形成している。そのため照明光学系への光源からの光束を効率よく導入するために入射角度を変更しながら画像表示パネルへの均一な照明を実現しようとすると投射光学系への入射瞳近傍の光束の分布に偏りが発生し効率低下の問題が発生してくる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記のような問題点の解決するために、本願発明の画像投影装置は、複数の光源からの光で少なくとも１つの画像表示素子を照明する照明光学系と、曲率を有する回転非対称反射面を少なくとも３面以上有し、前記少なくとも１つの画像表示素子からの光を被投影面に投影する投影光学系とを有する画像投影装置であって、前記画像表示素子中心と前記被投影面に形成された像の中心とを通る光束の中心線が前記被投影面に対して傾いており、前記投影光学系が、前記画像表示素子と前記少なくとも３面の回転非対称反射面との間又は前記少なくとも３面の回転非対称反射面の間に、回転非対称な形状の入射瞳を形成し、該入射瞳の位置近傍に絞りを有しており、さらに、前記入射瞳の位置近傍に配置された絞りの像を、前記投影光学系が有する光学素子のうち前記絞りよりも前記被投影面側に配置された光学素子によって負の倍率で結像していることを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の投影光学系は回転非対称な非球面（曲率を有する回転非対称な反射面）を有しており、その形状は以下の式により表すことができる。
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上記曲面式はｘに関して偶数次の項のみであるため、上記曲面式により規定されている曲面はｙｚ面を対称面とする面対称な形状である。
【０００９】
また、以下の条件が満たされる場合にはｘｚ面に対して対称な形状を表す。
Ｃ０３  ＝Ｃ２１  ＝０
これに加えて、さらに以下の条件式を満たす場合は、回転対称な形状を表す。
Ｃ０２  ＝Ｃ２０    Ｃ０４  ＝Ｃ４０  ＝Ｃ２２／２    Ｃ０６  ＝Ｃ６０  ＝Ｃ２４／３  ＝Ｃ４２／３
以上の条件を満たさない場合は非回転対称な形状である。
【００１０】
（第１の実施例）
本発明の第１の実施例を説明する。第１の実施例における画像投影装置の全体図を図１示す。本発明の投影光学系は図１からわかるように画像表示パネルＬＶは反射デジタルマイクロミラーデバイスや反射液晶を用いたライトバルブであり、ＬはＬＶを照明する照明光学系である。また、１はＬＶからの画像光を投射スクリーンＳに拡大投影するための反射投影光学系である。
【００１１】
図１のように画像表示パネルＬＶとスクリーンＳは平行ではなくスクリーンＳに投射される画像表示パネルの実像も平行にはならず角度を持って配置されている。第１の実施例における投影光学系の拡大図を図２に示す。反射面Ｒ１からＲ６までは６枚の回転非対称反射面からなる反射型斜め投影光学系を構成している。
【００１２】
前記６面の反射面は、ライトバルブの像をスクリーン上に結像するが、ライトバルブとスクリーンとの間にライトバルブの中間像を形成する。この中間像は２回以上形成するように構成しても構わない。
【００１３】
ここで、ライトバルブ（画像表示素子）の中心とスクリーン（被投影面）に形成された投影像の中心とを通る光束の中心を通る線を中心線と称する。そのとき、この中心線はスクリーンに対して傾いており（垂直ではない）、特に画像光を斜め上方に投影するように構成されている。また、この中心光線を含む平面は、スクリーンに対して実質的に垂直である。ただ、必ずしも垂直である必要は無く、０〜３０度の範囲でずれていても構わない。
【００１４】
これらの反射面Ｒ１からＲ６まではそれぞれ個別に金属面を切削加工した表面ミラーから構成されている。ミラーの材質は本実施例に示した金属以外にもガラス材料、樹脂材料などが適している。表面の加工は本実施例のように金属では切削加工、プレス加工、またガラス材料ではモールド加工や切削加工でもよい、樹脂材料ではモールド加工が一般的であるが詳細にはインジェクション加工やコンプレション加工がありこれらを組み合わせたものでもよい。さらにインジェクションモールドの表面にレプリカ転写した反射面を形成することもできる。
【００１５】
ここで、反射面Ｒ１からＲ６までの面のうち複数の面を一体的に形成した光学ブロックを採用しても構わない。例えばＲ１面とＲ３面とを一体的にモールド成形で作成すれば、投影光学系の作成を容易に行うことができる。勿論、Ｒ１面からＲ６面までのすべての面を一体的に形成しても構わない。その際、Ｒ１面からＲ６面までの光路上の媒質は空気であっても構わないし、空気とは異なる屈折率を有する透明体を用いても構わない。この透明体とは、例えばガラス、プラスチック、樹脂、空気とは屈折率の異なる気体、液体等を用いることができる。また、この光学ブロック内の光路を空気とは屈折率を有する媒質で満たす場合、この光学ブロックへの入口及び出口の面は透過面である必要がある。この入口及び出口に配置される透過面は、中心線に垂直に配置した平面でも構わないし、曲率を有する屈折面としても構わないし、勿論曲率を有する回転非対称な屈折面としても構わない。
【００１６】
図２の照明系Ｌは簡略化して表記されている。図３に前記照明系の光源からロッドインテグレータ部の配置を模式的に示した。集光リフレクタ１０はロッドインテグレータ１１の入口に光源を集光している。ここでは２灯の光源からの光束を効率よく集光できるように集光リフレクタ１０は一部が重なった形状となっている。
【００１７】
図２に示した本発明の実施例において投射光学系の絞りＳＳの開口形状を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）に示した従来例の円形の絞り形状に対して水平方向に長軸を有する楕円開口をなしている。
【００１８】
図７は本発明の第１の実施例における集光リフレクタとロッドインテグレータの配置の片側のみを示している。図６は従来例に対応する集光リフレクタとロッドインテグレータの配置関係を示す。
【００１９】
図６、図７の配置で光源からの光束がロッドインテグレータに導入されたとき投射光学系の絞りＳＳの位置における光束の強度分布を図５に示す。
【００２０】
図５（ａ）は従来例の照明配置による強度分布であり、光軸中央にピークを持った強度分布となっている。この場合には従来例に用いられた図４（ａ）で示した回転対称な開口形状でも効率への問題が発生しない。
【００２１】
一方、図５（ｂ）に本実施例の照明配置による絞り位置での強度分布を示す。このような強度分布を持っているため上記に示した従来例の図４（ａ）に示した開口形状では強度のピークに当たる部分が絞りによってけられてしまう。このため図４（ｂ）に示した本実施例の絞りＳＳの回転対称ではない開口形状によって図５（ｂ）のように強度分布に偏りが発生しても投射光学系へ光量の減衰が少ない光学系が実現できている。
【００２２】
さらに少なくとも２つ以上の光源からの光束を高効率で導入できることからスクリーンへ到達する光束の絶対量が向上することから本実施例を用いた光学系により視認性の良い明るい表示装置が実現できた。
【００２３】
また、本実施例の回転対称でない絞りによって斜め投射されていることによる水平方向と垂直方向のＮＡ（開口数）の違いも改善され光学性能の方向依存性が少なく画面内での光学特性の均一性がよく、高いコントラストも実現できている。
【００２４】
（第２の実施例）
本発明の第２の実施例を示す。本第２の実施例の画像投影装置は、第１の実施例と同様に図１に示した投影光学系を用いる。第２の実施例では第１の実施例と異なり回転非対称反射面としてのＲ１面とＲ３面が位置が近く接続しやすいのでＲ１面とＲ３面の反射面を一体の部品としてモールド成型した。Ｒ２面、Ｒ４〜Ｒ６面は反射面の配置の関係で個別に成型加工してから組み合わせた。材料は形状転写性の良いポリカーボネートを用いた。ここで使用した成型材料は一例でありこの材料に限定されるわけではない。ここでも表面反射面を用いたが裏面反射鏡を使用設計もできる。第２の実施例の投射光学系の光学性能は第１の実施例と同様に良好に得られた。
【００２５】
本発明の第２の実施例における照明系のロッドインテグレータ付近を図８に示す。図８は２つの光源が略対向したように配置され光束合成部材１６によって反射された光束がロッドインテグレータ１１の入口付近で合成される。このような配置にすることで第１の実施例で集光リフレクタ１０が一部欠落した形で使用されているような問題点もさらに改善されている。
【００２６】
第１の実施例で説明したのと同様にロッドインテグレータ１１に角度を持って入射した光源からの光束により投射光学系の絞り付近に形成された強度分布の偏りに対して本実施例の絞りの開口形状では強度のピークをけられることなく投射光学系に導入できるため高輝度な表示画面を提供できる投射光学形となっている。
【００２７】
（第３の実施例）
本発明の第３の実施例について図９を用いて説明する。
【００２８】
図９のリアプロジェクション表示装置を示している。光源を含む照明系Ｌ１、反射投射光学系２、かによって第１、第２の実施例と同様にスクリーンＳに画像表示パネルの画像を斜め投射する。さらに反射投影系２とスクリーンＳの間に平面ミラーＭ１及びＭ２によって出射光束を折り曲げて筐体Ｋに収めてある。斜め投射と平面鏡による折り曲げによって奥行きが薄い筐体Ｋに収める事ができ薄型のリア投射型表示装置が実現できる。
【００２９】
本発明の第３の実施例ではスクリーンＳが透過型のものを使用しているため反射投射光学系によりスクリーンＳ後方から投射した画像が表示される。
【００３０】
本実施例でこのような構成にすることで暗所ではなくても視認性が良くするためにスクリーン光束量を向上させ明るい表示が実現できた。
【００３１】
以上、第１〜第３実施例において、投影光学系、画像投影装置の具体的な構成について述べて来たが、本発明の実施例はこれに限らない。
上記の実施例では、曲率をする回転非対称反射面は６面の例だけであるが、少なくとも３面有するように構成すれば構わない。
【００３２】
また、上記の実施例では、ライトバルブが１つしか開示されていないが、その限りではなく、ライトバルブを赤、緑、青用として３つ有するような構成としても構わない。
【００３３】
本実施例の実施態様は以下のように記載することができる。
【００３４】
（実施態様１）
複数の光源からの光で少なくとも１つの画像表示素子を照明する照明光学系と、曲率を有する回転非対称反射面を少なくとも３面以上有し、前記少なくとも１つの画像表示素子からの光を被投影面に投影する投影光学系とを有する画像投影装置であって、
前記画像表示素子中心と前記被投影面に形成された像の中心とを通る光束の中心線が前記被投影面に対して傾いており、
前記投影光学系が、前記画像表示素子と前記少なくとも３面の回転非対称反射面との間又は前記少なくとも３面の回転非対称反射面の間に、回転非対称な形状の入射瞳を形成し、該入射瞳の位置近傍に絞りを有しており、さらに、前記入射瞳の位置近傍に配置された絞りの像を、前記投影光学系が有する光学素子のうち前記絞りよりも前記被投影面側に配置された光学素子によって負の倍率で結像していることを特徴とする画像投影装置。
【００３５】
（実施態様２）
前記入射瞳が略楕円形状をしていることを特徴とする実施態様１記載の画像投影装置。
【００３６】
（実施態様３）
前記入射瞳が前記中心線に垂直な面上で水平方向の径が垂直方向の径より大きいことを特徴とする実施態様１又は２記載の画像投影装置。
【００３７】
（実施態様４）
前記中心光線を含む平面は、前記被投影面に垂直であることを特徴とする実施態様１乃至３いずれかに記載の画像投影装置。
【００３８】
（実施態様５）
前記画像表示素子と前記被投影面とが非平行であることを特徴とする実施態様１乃至４いずれかに記載の画像投影装置。
【００３９】
（実施態様６）
前記画像表示素子の中間像を少なくとも一回形成することを特徴とする実施態様１乃至５いずれかに記載の画像投影装置。
【００４０】
（実施態様７）
前記少なくとも３面の回転非対称反射面のうち少なくとも一つが表面反射鏡となっていることを特徴とする実施態様１乃至６いずれか記載の画像投影装置。
【００４１】
（実施態様８）
前記少なくとも３面の回転非対称反射面のうち少なくとも一つが裏面反射鏡となっていることを特徴とする実施態様１乃至７いずれかに記載の画像投影装置。
【００４２】
（実施態様９）
２つの透過面と、曲率を有する少なくとも１つの回転非対称反射面を有する光学ブロックを備えることを特徴とする実施態様１乃至８いずれかに記載の画像投影装置。
【００４３】
（実施態様１０）
前記２つの透過面は曲率を有する屈折面であることを特徴とする実施態様９記載の画像投影装置。
【００４４】
（実施態様１１）
前記光学ブロックは、前記２つの屈折透過面の間の光路が所定の屈折率を有する透明体で形成されていることを特徴とする実施態様９又は１０記載の画像投影装置。
【００４５】
（実施態様１２）
前記３面以上の回転非対称反射面の少なくとも２つの光学面が一体的に形成されていることを特徴とする実施態様１乃至１１いずれかに記載の画像投影装置。
【００４６】
（実施態様１３）
前記一体的に形成された２つの光学面は、モールド成型により形成したことを特徴とする実施態様１２記載の画像投影装置。
【００４７】
（実施態様１４）
前記投影光学系が有する光学素子がすべて反射部材であることを特徴とする実施態様１乃至１３いずれかに記載の画像投影装置。
【００４８】
（実施態様１５）
曲率を有する回転非対称な反射面を６面有することを特徴とする実施態様１乃至１４いずれかに記載の画像投影装置。
【００４９】
（実施態様１６）
前記照明光学系は集光リフレクタ、ロッドインテグレータを有しており、
前記複数の光源からの光を、前記ロッドインテグレータの光軸に対して傾いた状態で、前記ロッドインテグレータに入射させることを特徴とする実施態様１乃至１５いずれかに記載の画像投影装置。
【００５０】
（実施態様１７）
前記照明光学系は集光リフレクタ、ロッドインテグレータを有しており、
前記複数の光源からの光束のうち少なくとも１つの光束を、前記ロッドインテグレータの光軸に対して傾いた状態で、前記ロッドインテグレータに入射させることを特徴とする実施態様１乃至１５いずれかに記載の画像投影装置。
【００５１】
（実施態様１８）
前記照明光学系がロッドインテグレータを有しており、前記複数の光源からの光を前記ロッドインテグレータの入射口近傍に集光することにより、前記複数の光源からの光を前記ロッドインテグレータに入射させていることを特徴とする実施態様１乃至１７いずれかに記載の画像投影装置。
【００５２】
（実施態様１９）
前記照明光学系がロッドインテグレータと、前記複数の光源からの光束を合成し、前記ロッドインテグレータに導く合成光学部材とを有していることを特徴とする実施態様１乃至１８いずれかに記載の画像投影装置。
【００５３】
（実施態様２０）
前記複数の光源それぞれ対応した集光リフレクタを有しており、前記集光リフレクタの光軸が互いに傾いていることを特徴とする実施態様１乃至１９いずれかに記載の画像投影装置。
【００５４】
（実施態様２１）
前記中心線に垂直な面内において、前記中心線が形成する平面と平行な方向の前記入射瞳の径よりも、前記中心線が形成する平面と垂直な方向の前記入射瞳の径の方が大きいことを特徴とする実施態様１乃至２０いずれかに記載の画像投影装置。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によると画像表示を高輝度化するために光源を複数使用する画像投影装置において、光源のインテグレータへの導入効率を維持しながら投射光学系への光源光束の効率的導入を実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例における光学系の全体図
【図２】本発明の第１実施例における投射光学系の部分図
【図３】本発明の第１実施例における照明光学系の概略図
【図４】（ａ）従来例の絞りの開口形状
（ｂ）本発明の第１実施例に使用した絞りの開口形状
【図５】（ａ）従来例の絞り近傍での光束の強度分布
（ｂ）本発明の第１実施例における絞り近傍での光束の強度分布
【図６】従来例の照明系の光源とインテグレータの構成図。
【図７】本発明の第１の実施例における照明系の光源とインテグレータの構成図。
【図８】本発明の第２の実施例における照明系の光源とインテグレータの構成図。
【図９】本発明の第３の実施例における投射型表示装置の全体図。
【符号の説明】
１、２  反射光学系
Ｌ、Ｌ１  照明光学系
ＬＶ  光学変調素子
Ｓ  スクリーン
Ｍ１、Ｍ２  平面ミラー
Ｋ  筐体
ＳＳ  絞り
Ｒ１〜Ｒ６  回転非対称反射面
１０  実施例の集光リフレクタ
１１  ロッドインテグレータ
１２  従来例の集光リフレクタ
１３  実施例の入射軸の傾斜集光リフレクタ
１４、１５  集光リフレクタ
１６  光束合成部材
【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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