(57)【要約】【課題】  フィールドレンズの表面反射によるゴーストの発生を防ぐ。【解決手段】  制御信号に応じて照明光３１の反射特性が変化する空間光変調素子１７と空間光変調素子１７で反射した映像光３２をスクリーンに投影する投影光学系（１６、１８）と、を有している画像投影装置。照明光３１とフィールドレンズ１６の表面反射によって形成される投影光学系の瞳像１８ｐとが交差しないように配置されている。照明光３１と瞳像１８ｐが交差しないようにするために、ＤＭＤ１７の有効領域外にフィールドレンズの光軸１６ａを設け、またフィールドレンズの光軸１６ａと交差しない方向から照明光３１をＤＭＤ１７の有効領域の入射させる。【選択図】  図３
2005037701.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源部と、
該光源部からの光束により照明光を生成する照明光学系と、
前記照明光を反射させ映像光を生成する空間光変調素子と、
該映像光をスクリーンに投影する投影光学系であって、前記照明光と前記映像光との双方を通過させるフィールドレンズを有する投影光学系と、を有し、
前記照明光が前記フィールドレンズの表面反射によって形成される前記投影光学系の瞳像と交差しないことを特徴とする画像投影装置。
【請求項２】
前記フィールドレンズの光軸が、前記空間光変調素子の有効領域外に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の画像投影装置。
【請求項３】
前記照明光が、前記フィールドレンズの光軸と交差しない方向から、前記有効領域に入射することを特徴とする請求項２に記載の画像投影装置。
【請求項４】
前記投影光学系が、少なくとも１枚以上の偏心したレンズを含む非共軸光学系であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の画像投影装置。
【請求項５】
前記フィールドレンズの光軸が、前記投影光学系を構成する他のレンズの光軸に対して、前記空間光変調素子の有効領域から遠ざかる方向に偏心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】
前記偏心したレンズがフィールドレンズのみであり、その他のレンズが共軸光学系の投影レンズとして構成されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の画像投影装置。
【請求項７】
前記投影レンズと前記フィールドレンズとの偏心量が、該偏心方向の前記空間光変調素子の有効領域の長さの１％から１０％の範囲に設定されていることを特徴とする請求項６に記載の画像投影装置。
【請求項８】
前記投影レンズが、前記空間光変調素子の有効領域に特化して、前記フィールドレンズで生じる収差を補正していることを特徴とする請求項６又は７に記載の画像投影装置。
【請求項９】
前記フィールドレンズが非球面レンズであることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項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、反射型の空間光変調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】
反射型の空間光変調素子を用いた画像投影装置に関しては、従来から様々な光学系が考案されているが、その一例として、図７に示す光学系が開示されている。図７に示す光学系では、光源１１１が放射する光束はリフレクター１１２によって集光され、ミラー１１４で反射された後、遮光部材１０４に設けられた開口部１４２を通過する。その後、フィールドレンズとして作用する光学系１０２を通過し、反射型パネル１０３を照明する。反射型パネル１０３は、個々の画素に可動ミラーを備えた空間光変調素子である。反射型パネル１０３において、黒状態の画素では、照明光が正反射され開口部１４１を通過しない。一方、白状態の画素では、照明光がパネルの法線方向に反射され、フィールドレンズ１０２と、開口部１４１と、投影レンズ１０５と、を通過し、スクリーン１０７に到達する映像光となる。このようして、スクリーン１０７にパネル上の映像が投影される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２０１７５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術による画像投影装置では、開口部１４２を通過した光束の一部が、フィールドレンズ１０２の表面反射によって反射型パネル１０３に到達する前に反射され、ゴースト光１０８となってスクリーン１０７に表示されてしまうという問題があった。このようなレンズの表面反射は、反射防止膜をコーティングすることにより、ある程度軽減することが可能であるが、完全に無くすことは不可能である。
【０００５】
近年、空間光変調素子に関連する技術の進歩により投影画面の高コントラスト化が進んでおり、たとえ僅かな表面反射であっても、最終的に映像の品位を大きく損ねる原因となりうる。
【０００６】
本発明は、幾何光学的にゴーストが発生しない条件で投影光学系の結像性能を最適化し、画像投影装置の高画質化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一観点によれば、光源部と、該光源部からの光束により照明光を生成する照明光学系と、前記照明光を反射させ映像光を生成する空間光変調素子と、該映像光をスクリーンに投影する投影光学系であって、前記照明光と前記映像光との双方を通過させるフィールドレンズを有する投影光学系と、を有し、前記照明光が前記フィールドレンズの表面反射によって形成される前記投影光学系の瞳像と交差しないことを特徴とする画像投影装置が提供される。照明光が瞳像と交差しないようにすることにより、ゴースト光の発生を防ぐことができる。
【０００８】
前記フィールドレンズの光軸は、前記空間光変調素子の有効領域外に設けるのが好ましい。また、前記照明光は、前記フィールドレンズの光軸と交差しない方向から、前記有効領域に入射させるのが好ましい。これにより、例えば装置を水平な平面上に設置する場合、空間光変調素子に対して照明光を下方から入射させ、映像光を上方に出射させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、フィールドレンズの表面反射によるゴーストの発生を防ぎ、高コントラストの投影画像を得ることができる。請求項２、３記載の発明によれば、画像投影装置をテーブル上に設置する際にケラレが発生せず適度な高さに映像を投影することが可能となる。請求項４記載の発明によれば、結像性能の確保とゴースト抑制の両面から最適化された画像投影装置を構築することが可能となる。
【００１０】
請求項５記載の発明によれば、投影光学系の画角を増大させることなく、ゴーストの発生を効果的に抑制することができる。請求項６記載の発明によれば、投影光学系の構成を単純化することができ、光学系の生産性を良好なものとすることができる。請求項７記載の発明によれば、フィールドレンズの偏心による効果を適度に引き出し、投影光学系の結像性能を最適化することができる。請求項８記載の発明によれば、フィールドレンズのみが偏心した状態でありながら、必要な結像性能を確保することができる。請求項９記載の発明によれば、ゴーストに関して悪影響を与えることなく投影光学系の結像性能を向上させることできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の一実施の形態による画像投影装置の光学系の構成例を示す上面図である。図１に示すように、本実施の形態による画像投影装置の光学系は、光源部１１、１２と、光源部１１、１２からの光束を通過させ照明光３１を生成する照明光学系（１３、１４、１５）と、制御信号に応じて照明光３１の反射特性が変化する空間光変調素子１７と、空間光変調素子１７で反射した映像光３２をスクリーンに投影する投影光学系（１６、１８）と、を有している。尚、上記構成において、空間光変調素子１７に隣接して、照明光３１と映像光３２との双方が通過するフィールドレンズ１６が配置されており、実際には照射光学系と投影光学系の両方に属している。
【００１２】
光源部及び照明光学系の動作について以下に説明する。ランプ１１から放射される光束は、リフレクター１２によりロッドインテグレーター１３に集光される。ロッドインテグレーター１３に入射した光束は、その内部において反射を繰り返し、光束の照度分布が均一化される。均一化された光束は、照明レンズ１４を通りミラー１５により反射され、フィールドレンズ１６を介して照明光３１となり空間光変調素子１７をその表面の法線方向に対して斜めの方向から照明する。
【００１３】
空間光変調素子１７は、多数の微小なミラーを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」と称する）である。ＤＭＤ１７は、図２に示されるような画素構造を有しており、個々の画素は、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例えば±１０度或いは±１２度の角度で傾斜角を変化させることができる可動ミラーを構成している。そして、例えば、可動ミラーが傾斜している画素１７ａと画素１７ｂとのうち、照明光をＤＭＤの法線方向に反射させる画素をＯＮ状態、照明光をＤＭＤの法線に対して大きく傾斜した角度で反射させる画素をＯＦＦ状態とし、ＯＮ状態の画素により反射された映像光のみをスクリーンに投影するように制御することによって、映像を作り出している。
【００１４】
尚、本実施の形態においては、空間光変調素子としてＤＭＤを使用する例について説明するが、ＤＭＤに代えて、反射型の液晶パネル等を用いることも可能である。
【００１５】
図３は、反射ミラー１５から後の光学系の構成例を示す側面図である。図３に示す光学系は、照明光３１とフィールドレンズ１６の表面反射によって形成される投影光学系の瞳像１８ｐとが交差しないように配置されている。瞳像１８ｐの詳細は後述するが、照明光３１と瞳像１８ｐが交差しないようにするためには、ＤＭＤ１７の有効領域外にフィールドレンズの光軸１６ａを設け、また照明光３１をフィールドレンズの光軸１６ａと交差しない方向からＤＭＤ１７の有効領域に入射させるのが望ましい。
【００１６】
例えば、本実施の形態による画像投影装置においては、ＤＭＤ１７の図３における下方から照明光３１を入射させ、さらに、投影光学系のレンズ、特にフィールドレンズ１６の光軸１６ａをＤＭＤ１７の有効領域ｈの図３における上方にオフセットさせている。このように構成すれば、照明光と瞳像とが交差しない上に、映像を装置の上方に向けて投影することができる。これによって、例えばテーブル上に装置を設置した場合に、テーブルによる映像光のケラレを防ぐことが可能となる。
【００１７】
図４は、フィールドレンズ１６の表面反射によって形成される投影光学系の瞳像１８ｐについて、その形成の様子を示した図である。図４に示すように、本実施の形態による投影光学系は、レンズ群１８のうち最もＤＭＤ１７側のレンズにおいて光束径が最小となるように設計されており、このレンズが投影光学系の実質的な絞り１８ｓとして機能している。従って、瞳像１８ｐとしては、フィールドレンズの表面反射によって形成される絞り１８ｓの像を考えればよい。
【００１８】
瞳像１８ｐの位置と大きさは、絞り１８ｓからフィールドレンズ１６に向かう光線３３を追跡することによって算出する。光線３３はフィールドレンズ１６のスクリーン側の表面１６ｒで反射すると、実像を形成しない発散光３４となる。このような場合、光線の方向を逆転させ、フィールドレンズ内部に向かう光線３５をレンズの屈折による影響を考慮しながら光線を追跡し、光線３５が結像する位置によって瞳像１８pを求めればよい。
【００１９】
このようにして求められた瞳像１８pは、フィールドレンズ１６の表面で反射される光束がスクリーンに到達するか否かを判断する指標となる。照明光３１が瞳像１８pを通過する場合、フィールドレンズ１６の表面反射によって、スクリーン上にゴーストが出現する。しかしながら、本実施の形態による画像投影装置においては、照明光３１が瞳像１８pと交差しないように配置されているため、たとえフィールドレンズ１６で表面反射が起きたとしても、それが投影光学系で取り込まれることはなく、スクリーン上にゴーストが発生しない。
【００２０】
瞳像１８pの位置と形状は、近軸計算によって算出するとよい。これによって、実用上十分な精度でゴーストを抑制することができる。しかしながら、より厳密な計算によれば、瞳像１８pの位置と形状は、投影光学系の口径食やフィールドレンズ１６の収差の影響のため、絞り位置１８ｓから光線追跡する際の角度によって僅かながら変化する。特に、投影光学系に口径食や異形絞り（光軸非対称な絞り）がある場合、絞り１８ｓがその分だけ小さくなったのと等価な状態になり、これに対応して瞳像１８ｐも小さくなるため、照明光と瞳像の交差しない条件が近軸計算に比べて緩和される。これを目的として、照明光３１が通過するフィールドレンズの表面１６rの各位置に対し、各位置に向かう角度の光線を追跡して瞳像の位置と形状を算出し、この瞳像と各位置の照明光との交差の有無を調べてもよい。このようにして照明光と瞳像が交差しない条件を厳密に計算することによって、光学設計の自由度が増し、光学性能を改善することができる。
【００２１】
尚、上記の例では、フィールドレンズの表面１６ｒで発生する表面反射についてのみ瞳像１８pを算出しているが、必要に応じてフィールドレンズ１６の他の面の表面反射によって形成される瞳像を算出してもよい。
【００２２】
本実施の形態による投影光学系では、図３に示すように、フィールドレンズ１６が他のレンズ群１８に対して偏心した非共軸光学系になっている。フィールドレンズ１６は、投影光学系のレンズの中でＤＭＤ１７の最も近くに配置されたレンズであり、これを偏心させることによって、ゴーストを制御できる上に、歪曲収差をはじめとする様々な収差も効果的に制御することが可能となる。また、必要に応じて、フィールドレンズ１６以外のレンズ群１８に偏心したレンズを含ませることによって、より高度な収差補正を実現することも可能である。
【００２３】
本実施の形態では、投影光学系で偏心しているレンズはフィールドレンズ１６のみとし、他のレンズ群１８は共軸光学系の投影レンズとして構成している。これにより、レンズ群１８を回転対称な鏡胴内に収め、光学系の生産性を高めることができる上に、必要に応じてズームレンズを搭載することも容易になる。
【００２４】
また、本実施の形態においては、フィールドレンズの光軸１６ａを、他のレンズの光軸１８ａに対して、ＤＭＤ１７から遠ざける方向に偏心させている。これにより、投影光学系の画角を増大させることなく、瞳像１８ｐを上方に移動させ、ゴーストの発生を効果的に抑制することができる。
【００２５】
フィールドレンズの偏心量ｄは、ＤＭＤの高さｈの１％から１０％の範囲、特に好ましくは２％から７％の範囲に設定するとよい。１％よりも小さいと偏心による効果が小さくなり、一方、１０％を超えると投影光学系の収差が急激に増大するためである。本実施の形態による装置では、フィールドレンズの偏心量ｄをＤＭＤの高さｈの６．１％としており、これによりゴーストの発生を抑制しつつ、レンズ性能の最適化を図っている。
【００２６】
フィールドレンズ１６は、レンズ径が大きい割にレンズ面の曲率半径が小さく、投影光学系の中で大きな収差の発生源となっている。このため、投影レンズ１８において、フィールドレンズ１６で発生する収差を補正する必要がある。投影レンズ１８を共軸光学系とした場合、光軸対称に発生する収差を取り除くことはできるが、偏心したフィールドレンズ１６によって生じる収差を完全に取り除くことは不可能である。このため、ＤＭＤ１７の有効領域に特化してフィールドレンズ１６の収差を取り除くように、投影レンズ１８を設計するのが好ましい。
【００２７】
図５は、フィールドレンズの偏心方向である垂直断面について投影光学系の像面湾曲を算出した例であり、横軸が像面の倒れ、縦軸が像高を示す。像高については、投影レンズの光軸１８ａの上側と下側の両方を対象として、メリジオナル像面を実線５１で、サジタル像面を破線５２でプロットしている。尚、メリジオナル及びサジタルの定義は、投影レンズの光軸１８ａを基準としたものである。
【００２８】
図５から明らかなように、メリジオナル像面５１は、上下方向の対称性が大きく崩れている。これは、投影光学系の非対称性に起因するが、結果として投影レンズの上側の像高５４において、メリジオナル像面５１とサジタル像面５２とが分離し、大きな非点収差を生じている。一方、ＤＭＤ１７の有効領域が含まれる投影レンズの下側の像高５３においては、メリジオナル像面５１とサジタル像面５２の倒れがほとんど無く、良好な結像状態を維持している。
【００２９】
投影レンズ１８の設計により図５に例示される状態を形成することで、フィールドレンズのみが偏心した光学系であっても、ＤＭＤの有効領域に対する収差は十分に補正され、画像投影装置として必要な結像性能を確保することが可能となる。
【００３０】
フィールドレンズは、図６に示すような非球面レンズ６１としても良い。フィールドレンズの表面反射によって投影光学系の瞳像が形成される位置は、主としてフィールドレンズの中心近傍の形状に支配されている。一方、球面のフィールドレンズ１６で発生する収差は、主としてレンズ周辺部の形状に起因している。そこで、フィールドレンズの中心部の形状は維持し、周辺部の形状を最適化した非球面レンズを採用することによって、ゴーストに関して悪影響を与えることなく、極めて効果的に投影光学系の結像性能を向上させることが可能となる。尚、フィールドレンズは、図６に示されるような単レンズに限らす、フレネルレンズ、貼り合わせレンズ、ハイブリッドレンズなどを採用してもよく、また複数枚のレンズで構成されるレンズ群としてもよい。
【００３１】
以上、本発明に関して実施の形態に沿って説明を行ったが、本発明はこれらの例に限定されるものではなく、種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の活用例としては、プロジェクター装置その他の画像投影装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施の形態による画像投影装置の構成例を示す光学系の上面図である。
【図２】ＤＭＤの画素構造例を示す図である。
【図３】光学系の側面図である。
【図４】投影光学系の瞳像を示す図である。
【図５】投影光学系の収差を示す図である。
【図６】非球面レンズの構成例である。
【図７】従来技術による画像投影装置を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１１…ランプ、１２…リフレクター、１３…ロッドインテグレーター、１４…照明レンズ、１５…ミラー、１６…フィールドレンズ、１７…ＤＭＤ、１８…投影レンズ、３１…照明光、３２…映像光、５１…メリジオナル像面、５２…サジタル像面、６１…非球面レンズ、１０２…フィールドレンズ、１０３…反射型パネル，１０４…遮光部材、１０５…投影レンズ、１０６…光軸、１０７…スクリーン、１０８…ゴースト光、１１１…光源、１１２…リフレクター、１１４…ミラー、１４１…開口部、１４２…開口部。
【図１】
2005037701.tif 000003
【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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