(57)【要約】【課題】  被投射面を均一に照明する。【解決手段】  光源１と、光源１からの光により２次発光体を形成する発光体形成素子２を備え光源１からの光を導光する照明光学系２０と、複数の反射面を備え照明光学系２０からの光を変調する光変調素子６と、投射レンズ系７と投射レンズ系７を保持する鏡筒とを備え光変調素子からの光を被投射面に投射する投射光学系３０と、を有し、鏡筒の入射側の先端部の外径をφ、反射面から先端部までの距離をＨとして、鏡筒は、式φ＜０.７１Ｈ＋８.５を満足する。【選択図】図３
2017044870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光により２次発光体を形成する発光体形成素子を備え前記光源からの光を導光する照明光学系と、
複数の反射面を備え前記照明光学系からの光を変調する光変調素子と、
投射レンズ系と前記投射レンズ系を保持する鏡筒とを備え前記光変調素子からの光を被投射面に投射する投射光学系と、
を有し、
前記鏡筒の入射側の先端部の外径をφ、前記反射面から前記先端部までの距離をＨとして、
前記鏡筒は、式
φ＜０.７１Ｈ＋８.５
を満足する、
画像表示装置。
【請求項２】
前記投射光学系は、前記光変調素子の前記反射面の長辺方向を回転軸として前記反射面に対して回転して配置されていて前記光変調素子からの光を透過する透過型平板部材を備え、
前記透過型平板部材の入射面及び出射面と前記反射面とのなす角度をａｎｇとするとき、
前記ａｎｇは、前記φ、前記Ｈに対して式
2017044870.tif 000022
ただし、
2017044870.tif 000023
を満足する、請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記投射光学系は、前記光変調素子から前記被投射面に向かう光の経路上に、前記投射レンズ系と第１投射ミラーと第２投射ミラーと前記透過型平板部材が順に配置されていて、
前記第２投射ミラーは、凹面の非球面のミラーであり、
前記第２投射ミラーと前記投射レンズ系の光軸との交点から前記被投射面までの距離と前記被投射面における投射画像の横幅との比をＴＲとすると、式
2017044870.tif 000024
を満足する、請求項２記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記投射光学系は、式
2017044870.tif 000025
を満足する、請求項３記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記照明光学系は、照明レンズ系と、前記投射光学系の前記鏡筒の外形に沿って一部が切り欠かれた照明光学素子とを有し、
前記照明光学素子は、前記発光体形成素子から前記光変調素子に至る光の経路において最も前記光変調素子に近い位置に配置されている、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記照明光学素子は、球面のミラーである、請求項５に記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記照明光学素子は、トロイダル面のミラーである、請求項５に記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記投射レンズ系は、前記光変調素子に最も近いレンズ群の位置を前記投射レンズ系の光軸方向において調整する調整部を備える、請求項１乃至７のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記光変調素子の長辺の長さをＬＬ、前記光変調素子の短辺の長さをＬＳとするとき、
ＬＬ／ＬＳ≧１.７７
を満足する、請求項１乃至８のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１０】
光により形成される画像を投射する画像表示ユニットであり、
前記画像表示ユニットは、
光源と、
前記光源からの光により２次発光体を形成する発光体形成素子を備え前記光源からの光を導光する照明光学系と、
複数の反射面を備え前記照明光学系からの光を変調する光変調素子と、
投射レンズ系と、前記投射レンズ系を保持する鏡筒とを備え前記光変調素子からの光を被投射面に投射する投射光学系と、
を有し、
前記鏡筒の入射側の先端部の外径をφ、前記光変調素子の前記反射面から前記先端部までの距離をＨとして、
前記鏡筒は、式
φ＜０.７１Ｈ＋８.５
を満足する、
画像表示ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置と画像表示ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
装置の前方に画像を投射するフロント投射型プロジェクタ装置などの画像表示装置は、企業でのプレゼンテーション用、学校教育用、あるいは家庭用として幅広く用いられている。
【０００３】
画像表示装置において、光源からの光を変調する光変調素子にＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、画像表示装置において、短い投射距離で画像を大きく表示することができる、いわゆる超短投射距離のフロント投射型プロジェクタの需要が高まっている。このような超短投射距離のフロント投射型プロジェクタにおいて、投射レンズ系と凹面ミラーを用いた反射光学系とを備える投射光学系を有するものが知られている（例えば、特許文献２，３参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、被投射面を均一に照明することができる画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、光源と、光源からの光により２次発光体を形成する発光体形成素子を備え光源からの光を導光する照明光学系と、複数の反射面を備え照明光学系からの光を変調する光変調素子と、投射レンズ系と投射レンズ系を保持する鏡筒とを備え光変調素子からの光を被投射面に投射する投射光学系と、を有し、鏡筒の入射側の先端部の外径をφ、反射面から先端部までの距離をＨとして、鏡筒は、式
φ＜０.７１Ｈ＋８.５
を満足する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、被投射面を均一に照明することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係る実施の形態である画像表示装置と被投射面とを示す光学配置図である。
【図２】上記画像表示装置と被投射面とを示す−ｚ軸方向から見た光学配置図である。
【図３】上記画像表示装置の光学系を示す光学配置図である。
【図４】上記光学系を示すｙｚ平面の光学配置図である。
【図５】上記画像表示装置の光源からライトトンネルまでの構成を示すｙｚ平面の光学配置図である。
【図６】上記画像表示装置のＤＭＤを示す斜視図である。
【図７】上記ＤＭＤの反射面を構成する微小ミラー単体の傾きの状態を示す模式図である。
【図８】（ａ）上記画像表示装置の投射レンズ系の側面図と（ｂ）上記投射レンズ系の光学配置図である。
【図９】上記画像表示装置の平板ガラスへの光線入射角と光透過率の関係を示すグラフである。
【図１０】上記画像表示装置と被投射面の中心及び四隅に向かう光線の関係を示す模式図である。
【図１１】上記画像表示装置による投射画像の中心点とその周辺の４点の位置を説明する模式図である。
【図１２】上記画像表示装置による投射画像の中心点から隅に向かう軸上における照度変化を示すグラフである。
【図１３】上記ＤＭＤの反射面上の照度分布の一例を示す図である。
【図１４】上記画像表示装置の第２照明ミラーと第２照明ミラーの切り欠き部を示す光学配置図である。
【図１５】ＤＭＤ照明光束のケラレによるＤＭＤの反射面上の照度分布変化を説明するための図である。
【図１６】ＤＭＤから投射レンズ入射側の鏡筒の先端までの距離をパラメータとして、投射レンズ入射側の鏡筒の直径とＤＭＤの左下隅における規格化照度との関係を示すグラフである。
【図１７】ＤＭＤから投射レンズ入射側の鏡筒の先端までの距離及び投射レンズ入射側の鏡筒の直径と投射画像の左下隅における規格化照度の関係を示すグラフである。
【図１８】投射画像の左下隅における規格化照度と平板ガラスの傾斜角の関係を示すグラフである。
【図１９】鏡筒の内部における投射レンズ系を示す光学配置図である。
【図２０】本発明に係る別の実施の形態である画像表示装置における第２照明ミラーのトロイダル面を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
●画像表示装置（１）●
以下、本発明に係る画像表示装置と画像表示ユニットの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【０００９】
●画像表示装置の全体構成
【００１０】
図１に示すように、本実施の形態に係る画像表示装置５０は、本発明に係る画像表示ユニットの実施の形態である光学系１００により投射する画像が作成され、その画像を被投射面１０８に投射する。被投射面１０８には、例えばスクリーンが用いられる。
【００１１】
以下の説明において、絶対座標系（ｘｙｚ系）原点Ｏは、光変調素子であるＤＭＤ（Digital Micromirror Device）６を構成する複数の反射面の中心（中央部）とする。また、以下の説明において、ＤＭＤ６の反射面の長辺方向をｚ軸、反射面の短辺方向をｘ軸、ｘ軸とｚ軸との双方に直交する方向をｙ軸とする。ｙ軸は、ＤＭＤ６の反射面の法線方向である。
【００１２】
また、以下の説明において、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸回りの回転角を、それぞれ回転角α、β、γとする。α回転とβ回転は、＋ｘ軸方向及び＋ｙ軸方向から見て左回りを正とする。γ回転は、＋ｚ軸方向から見て右回りを正とする。
【００１３】
図２は、光学系１００を−ｚ軸方向から見た図である。図２に示すように、被投射面１０８は、ｙｚ面に平行な面であり、ＤＭＤ６の反射面に対して略垂直な面である。
【００１４】
●画像表示装置の光学系の構成
次に、画像表示装置５０の光学系１００の構成について説明する。
【００１５】
図３と図４に示すように、光学系１００は、光源１からＤＭＤ６までの照明光学系２０と、ＤＭＤ６で変調された光を被投射面１０８に投射する投射光学系３０を有している。
【００１６】
●照明光学系の構成
照明光学系２０は、光源１から順に、防爆ガラス１１と、カラーホイール１２と、ライトトンネル２と、レンズ群３と、第１照明ミラー４と、第２照明ミラー５と、ＤＭＤ６とを備える。
【００１７】
光源１には、例えば、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）、レーザなどの様々な種類の発光体１８が用いられる。光源１は、内面に例えば楕円曲面形状の集光ミラーが形成されているリフレクタ１３を備えている。
【００１８】
リフレクタ１３は、その楕円曲面の第１の焦点位置に発光体１８が配置されている。リフレクタ１３は、第１の焦点位置にある発光体１８から照射された光を第２の焦点位置に向かって集光させる。つまり、リフレクタ１３は、第２の焦点位置に発光体１８の光源像を形成する。なお、リフレクタ１３の第２の焦点位置は、ライトトンネル２の入射端の位置またはこの位置に略等しい位置になっている。光源１から出射される光の向きは、ｚ軸方向である。また、光の配光分布は、ｚ軸に対して等方的で略回転対称である。
【００１９】
図５に示すように、光源１の光の出射方向前方には、防爆ガラス１１、カラーホイール１２、ライトトンネル２の順で各光学部材が配置されている。防爆ガラス１１とカラーホイール１２は、リフレクタ１３の前側に保持されている。防爆ガラス１１とカラーホイール１２は、それぞれの入出射面をｚ軸に対して所定の角度ｄｅｇ１と角度ｄｅｇ２（例えば１０°）だけ傾けて配置されている。防爆ガラス１１とカラーホイール１２とをこのように配置することで、照明光学系２０では、各光学部材の入出射面での多重反射によるゴースト光の発生などを抑制している。
【００２０】
カラーホイール１２は、輪帯部分が光の三原色（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））に対応して３つに分割されている、周知の光学フィルタである。なお、カラーホイール１２は、赤、緑、青に白（Ｗ）を加えて４つに分割されている光学フィルタでもよい。カラーホイール１２は、照明光学系２０において回転可能に保持されている。
【００２１】
光源１から放射された光は、カラーホイール１２が回転駆動されると輪帯部分が光の光路を横切る。このため、光源１から放射された光は、Ｒ、Ｇ、Ｂ、あるいはＷを加えた各色の光に時分割されて、ライトトンネル２に入射する。つまり、画像表示装置５０は、カラーホイール１２の各色の光学フィルタに対応した光により形成される画像を被投射面１０８に投射することで、被投射面１０８にカラー画像を形成することができる。
【００２２】
ライトトンネル２は、４枚の板状のミラーの反射面が内側を向いて四角形の筒が形成されている光ミキシング素子である。なお、照明光学系２０において、光ミキシング素子には、上述のライトトンネル２のほかに、公知のロッドインテグレータやライトパイプなどの様々な発光体形成素子を用いてもよい。ライトトンネル２は、入射端と出射端共に同サイズの矩形開口を有している。上述のように、ライトトンネル２は、その入射端をリフレクタ１３の第２の焦点位置またはその近傍とすることで、効率よく光を取り込むことができる。
【００２３】
ライトトンネル２に入射した光は、ライトトンネル２を構成する４枚のミラー面によりライトトンネル２の内部で反射を繰り返す。これにより、ライトトンネル２の出射端面は、複数の２次発光体で照射されたのと等価になる。このため、ライトトンネル２の出射端面では、均一化された照度分布が得られる。
【００２４】
ライトトンネル２は、入射端を支持部として、ライトトンネル２の先端を２方向に首振りさせて角度調整できる可動機構を有する。可動機構により首振りする２方向は、ライトトンネル２の開口の短辺方向を回転軸とする方向と、ライトトンネル２の短辺方向を回転軸とする方向である。ライトトンネル２の可動機構を有することにより、照明光学系２０では、ＤＭＤ６を照明する照明光の位置調整ができる。
【００２５】
ライトトンネル２を出射した光がＤＭＤ６に至る光路上には、レンズ群３、第１照明ミラー４、第２照明ミラー５の順で光学素子が配置されている。ライトトンネル２の出射端とＤＭＤ６の反射面は、光学的に略共役関係になるように設置されている。照明光学系２０において、第２照明ミラー５からＤＭＤ６に向かう光は、−ｘ軸、＋ｚ軸、＋ｙ軸側の空間から原点に向かう方向に照明される。
【００２６】
レンズ群３は、レンズ３１とレンズ３２の２枚のレンズにより照明レンズ系を構成している。前方（ライトトンネル２側）のレンズ３１は、入射面が球面で出射面が非球面の両凸非球面レンズである。後方（第１照明ミラー４側）のレンズ３２は、入射面と出射面がともに球面の両凸球面レンズである。ここで、レンズ３１の出射面は、下記の数式１で定義される非球面と、後述する表１に示す曲率半径と、非球面係数と、によって表される非球面である。
【００２７】
数式１
2017044870.tif 000003
【００２８】
ここで、数式１におけるｚ’は、個々のレンズ３１の面頂点を原点としたローカル座標系ｘ'、ｙ'、ｚ'で表される。すなわち、数式１において、ｚ’は、レンズ面のサグ量である。
【００２９】
なお、レンズ群３は、レンズ３１とレンズ３２の２枚構成に限定されず、３枚以上で構成されていてもよい。
【００３０】
第１照明ミラー４は、ライトトンネル２から出射する光が直進する光路上または略直進路する光路上に配置されている。第１照明ミラー４は、平面ミラーである。第１照明ミラー４は、レンズ群３を出射した光を第２照明ミラー５へ向けて反射するように、ｘｙｚ軸に対して傾斜した姿勢で設置されている。
【００３１】
第２照明ミラー５は、第１照明ミラー４からの反射光を第２照明ミラー５の下方に設置されているＤＭＤ６に向かって反射するように、ｘｙｚ軸に対して傾斜した姿勢で設置されている。第２照明ミラー５は、照明光学素子であり、例えば球面ミラーである。なお、第２照明ミラー５の反射面形状は、球面に限らず、例えばトロイダル面、多項式非球面、自由曲面等の非球面であってもよい。
【００３２】
以上の光学素子により、照明光学系２０は、ほぼ均一な照度分布を持つ光でＤＭＤ６を照明することができる。
【００３３】
●ＤＭＤの構成
ＤＭＤ６は、上述したように光変調素子である。ＤＭＤ６は、複数の反射面、すなわち微小ミラーを備え、複数の微小ミラーを個別に偏向することによって光の変調を行う。ＤＭＤ６の光利用効率は６６％である。
【００３４】
図６に示すように、ＤＭＤ６の反射面は、２次元状に配置された微小ミラー６−１〜６−ｋによって形成されている。ＤＭＤ６の反射面はｘｚ面内にあり、ＤＭＤ６の反射面の中心が絶対座標原点である。ＤＭＤ６の反射面の上部には、カバーガラスが配置されている。
【００３５】
本実施の形態において、微小ミラー６−１〜６−ｋのサイズは、７.０６×７.０６μｍである。微小ミラー６−１〜６−ｋが設けられているピッチは、ｘ軸、ｚ軸方向共に７.５６μｍである。微小ミラー６−１〜６−ｋの数は、長手方向（ｚ軸方向）の数Ｍが１９２０個、短手方向（ｘ軸方向）の数Ｎが１０８０個である。すなわち、ＤＭＤ６には、合計ｋ＝Ｍ×Ｎ＝２０７３６００個の微小ミラー６−１〜６−ｋが設けられている。
【００３６】
ＤＭＤ６のサイズは、長手方向が１９２０×７.５６μｍ＝１４.５１５２ｍｍ、短手方向が１０８０×７.５６μｍ＝８.１６４８ｍｍである。これより、ＤＭＤ６のアスペクト比は、１９２０：１０８０＝１６：９である。また、ＤＭＤ６の長手方向のサイズをＬＬ、短手方向のそれぞれのサイズをＬＳとすると、ＤＭＤ６のアスペクト比は、ＬＬ／ＬＳ＝１.７７である。
【００３７】
微小ミラー６−１〜６−ｋの傾きは、それぞれ独立して変化する。微小ミラー６−１〜６−ｋの傾きが変化することにより、微小ミラー６−１〜６−ｋは、それぞれ異なる方向に反射した光の進行方向を変化させることができる。微小ミラー６−１〜６−ｋの偏向角度は、±１２°である。
【００３８】
微小ミラー６−１〜６−ｋのそれぞれは、光束の反射角度によりオン状態とオフ状態とを有する。ここで、オン状態とは、微小ミラー６−１〜６−ｋの反射光が後続の投射光学系３０に向かう状態である。オフ状態とは、微小ミラー６−１〜６−ｋの反射光が後続の投射光学系３０とは別の方向に向かう状態である。
【００３９】
図７は、微小ミラー６−１〜６−ｋのうち任意の１枚である微小ミラー６−ｊの動作を示している。微小ミラー６−ｊは、面ｘｚ上でｘ＝ｚの直線に平行な軸Ａｘ周りに回転する。
図７のｓｔ１の位置で示すように、微小ミラー６−ｊが面ｘｚに対して＋１２°の傾角、つまりオン状態のとき、微小ミラー６−ｊで反射された光は、投射光学系３０の方向に向かう。一方、図７のｓｔ２の位置で示すように、微小ミラー６−ｊが面ｘｚに対して−１２°、つまりオフ状態のとき、微小ミラー６−ｊで反射された光は、投射光学系３０とは別の方向に向かう。
【００４０】
表１に、光源１からＤＭＤ６に至る、照明光学系２０の部品仕様を示す。
【００４１】
表１
2017044870.tif 000004
【００４２】
また、表２に、照明光学系２０を構成する各光学部品の配置位置座標を示す。
【００４３】
表２
2017044870.tif 000005
【００４４】
表２に示した照明光学系２０の各光学部品の配置は、各光学部品のローカル座標系（ｘ'ｙ'ｚ'系）の３軸の向きと原点が、絶対座標系（ｘｙｚ系）に一致する位置を基準として、表２中の数値に基づいて各光学部品を移動及び回転させることにより定まる。すなわち、照明光学系２０の各光学部品の配置は、各光学部品のローカル座標系をそれぞれ表２中のｘｙｚ方向に変位させた後、ｘ’軸回りの回転（α回転）、ｙ’軸回りの回転（β回転）、及びｚ’軸回りの回転（γ回転）をさせることにより定まる。
【００４５】
照明光学系２０の各光学部品の配置について、具体的に説明する。ライトトンネル２の入出射端の開口面は、ローカル座標系（ｘ’ｙ’ｚ’系）のｘ’ｙ’面に平行（開口の短手方向がｘ’軸方向、開口の長手方向がｙ’軸方向）である。ライトトンネル２の入出射端の開口面は、絶対座標系の原点からｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向にシフトさせた後、γ回転させることで配置位置が定まる。
【００４６】
レンズ群３の中心軸（ローカル座標系のｚ’軸）は、絶対座標系のｚ軸と平行であり、絶対座標系の原点からｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向にシフトさせることで配置位置が定まる。
【００４７】
第１照明ミラー４は、平面ミラーであるため、ローカル座標系の原点位置は任意である。第１照明ミラー４は、絶対座標系の原点からｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向にシフトさせ、α，β，γ回転させることで配置位置が定まる。
【００４８】
第２照明ミラー５のローカル座標系の原点位置はミラー面頂点位置で、配置位置は第１照明ミラー同様にして定まる。
【００４９】
ＤＭＤ６の反射面は、上述のように複数の微小ミラー６−１〜６−ｋによって形成されている。反射面は、絶対座標のｘｚ面に平行である。
【００５０】
●投射光学系の構成
図３と図４に示すように、投射光学系３０は、ＤＭＤ６のオン状態の微小ミラー６−１〜６−ｋにより反射された光を被投射面１０８に投射する光学系である。投射光学系３０は、ＤＭＤ６の微小ミラー６−１〜６−ｋにより形成された画像を被投射面１０８に拡大投影する。
【００５１】
投射光学系３０は、ＤＭＤ６から被投射面１０８に向かう光線１０９の経路上に、ＤＭＤ６から順に、投射レンズ系７と、第１投射ミラー８と、第２投射ミラー９と、透過型平板部材である平板ガラス１０とを備える。投射光学系３０では、ＤＭＤ６と第２投射ミラー９の間に中間像が形成される。光線１０９は、ライトトンネル２の中心から発して被投射面１０８に至るまでの主光線の経路を示す。
【００５２】
図８（ａ）は、投射レンズ系７の側面図である。図８（ｂ）は、投射レンズ系７の光学配置図である。投射レンズ系７は、図８（ｂ）に示す投射レンズ群１６を構成するレンズが、図８（ｂ）に示す投射レンズ入射側鏡筒１５と投射レンズ出射側鏡筒１４の内部に保持されている。投射レンズ群１６は、レンズ８０１からレンズ８１５の１５枚のレンズから構成されている。
【００５３】
投射レンズ系７の光軸は、絶対座標系のｙ軸に平行であり、ＤＭＤ６の中心からｘ軸方向に５.３ｍｍ偏心させた位置であり、ｚ軸方向の偏心はゼロである。
【００５４】
投射レンズ系７を出射した光は、第１投射ミラー８、第２投射ミラー９の順に反射された後、平板ガラス１０を透過して被投射面１０８に到達する。
【００５５】
表３に、投射光学系３０の仕様を示す。表４に、投射レンズ系７のレンズの各非球面における円錐定数と非球面定数を示す。
【００５６】
表３
2017044870.tif 000006
【００５７】
表４
2017044870.tif 000007
【００５８】
表３と表４において、面番号１がＤＭＤ６の反射面を、面番号２から３がＤＭＤ６のカバーガラスを、面番号４から３１が投射レンズ系７を構成するレンズの入出射面を、面番号３２が第１投射ミラー８の反射面を、面番号３３が第２投射ミラー９の反射面を、それぞれ示す。表３と表４において、面番号に＊が付いているものは非球面を示している。
【００５９】
なお、表中の記号は、以下の通りである。
Ｒ：曲率半径(非球面の場合は近軸曲率半径)
ｎｄ：屈折率
νｄ：アッベ数
Ｋ：非球面の円錐定数
Ａｉ：ｉ次の非球面定数
Ｃｊ：自由曲面係数
【００６０】
投射レンズ系７を構成するレンズの非球面形状は、近軸曲率半径Ｒの逆数(近軸曲率)をＣ、光軸からの距離をＨ、円錐定数をＫ、各次の非球面定数をＡiとして、周知の数式２で表される。
【００６１】
数式２
2017044870.tif 000008
【００６２】
投射レンズ系７を構成するレンズは、数式２に近軸曲率半径Ｃ、円錐定数Ｋ、非球面係数Ａｉを与えることにより形状が特定される。
【００６３】
数式２におけるｚ’は、各レンズ面の面頂点をローカル座標系ｘ’ｙ’ｚ’の原点としたときのサグ量である。投射レンズ系７において、ローカル座標系のｚ’軸方向は、絶対座標系のｙ軸方向である。
【００６４】
表３に示すように、面番号２１面から２２面の間隔Ａ、２３面から２４面の間隔Ｂ、２９面から３０面の間隔Ｃ、３１面から３２面の間隔Ｄ、３３面から被投射面１０８の間隔Ｅは、それぞれ可変である。表５に、投射光学系３０における投射画像の画像サイズごとの各間隔の変化を示す。
【００６５】
表５
2017044870.tif 000009
【００６６】
表５に示すように、投射レンズ系７のレンズ面の間隔Ａ、Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、投射画像の画像サイズによって変化する。
【００６７】
表３における、面番号３２の第１投射ミラー８は平面ミラーであり、面番号３３の第２投射ミラー９は凹面の自由曲面ミラーである。第２投射ミラー９の自由曲面の形状は、周知の数式３で表される。
【００６８】
数式３
2017044870.tif 000010
【００６９】
ただし、ｊは、数式４で示される。
【００７０】
数式４
2017044870.tif 000011
【００７１】
表６に、第２投射ミラー９の自由曲面の円錐定数と自由曲面係数を示す。
【００７２】
表６
2017044870.tif 000012
【００７３】
ここで、画像の投射距離を、投射レンズ系７の光軸と第２投射ミラー９の交点から被投射面１０８までの距離として、（投射距離）／（投射画像の横幅）をＴＲとする。このとき、画像表示装置における投射画像サイズとＴＲとの関係は表７に示す。
【００７４】
表７
2017044870.tif 000013
【００７５】
本実施の形態に係る画像表示装置５０では、投射画像サイズが６０〜１００インチのとき、ＴＲ＜０.３である。
【００７６】
なお、表３における、面番号３２の第１投射ミラー８の反射面は、図７に示した面ｘｚをｚ軸回りに４５°回転させた面に平行である。また、面番号３３の第２投射ミラー９の反射面は、面ｘｚをｚ軸回りに７７.２°回転した位置がローカル座標系の基準となる。
【００７７】
図２，図３，図４に示すように、投射光学系３０の最も後段には、平板ガラス１０が面ｘｚに対してβ回転の方向に傾斜させて配置されている（図４，図５，図６参照）。つまり、平板ガラス１０は、入射面と出射面の法線が被投射面１０８に対して角度を有して配置されている。平板ガラス１０は、画像表示装置５０の筐体外部から光学系１００内部への塵埃の進入を防ぐ。
【００７８】
平板ガラス１０の入射面と出射面には、多層膜の無反射コーティングが施されている。図９のグラフは、波長が４５０，５５０，６５０［ｎｍ］の光線について、平板ガラス１０への光線入射角と光透過率との関係を示す。
【００７９】
図１０に示すように、画像表示装置５０のようにＴＲの小さいプロジェクタは、平板ガラス１０への光の入射角の範囲が広くなる。画像表示装置５０の投射光学系３０から被投射面１０８の左右方向、つまり±ｚ軸方向に広がって被投射面１０８の下隅方向に向かう光線１１０と光線１１１は、平板ガラス１０への光線入射角が最も大きくなる。このため、光線１１０と光線１１１は、平板ガラス１０における光透過率が低下する。光線１１０と光線１１１により照射される投射画像の左右下隅の位置は、照度の低下量も他の位置より大きい。
【００８０】
平板ガラス１０の面ｘｚに対するβ回転の傾斜角を大きくすれば、投射画像左右下隅に向かう光線の平板ガラス１０への入射角を小さくすることができる。しかし、この場合には、傾斜角を大きくとりすぎると平板ガラス１０のエッジ１１５の位置が＋ｙ軸方向に高くなるため、装置サイズが大きくなってしまう。
【００８１】
また、プロジェクタの照明性能を表す指標の一つとして、投射画像内における照度の均一性がある。投射画像内の照度の均一性は、一般的に周辺照度比によって定義される。周辺照度比は、「ＪＩＳ  Ｘ  ６９１１：２００３  データプロジェクタの仕様書様式」に定められている。周辺照度比とは、全白の画像の中心点と周辺の４点の平均との照度比率を百分率で表した数値である。
【００８２】
図１１には、周辺照度比を検証する際の投射画像１０７の例を示す。投射画像１０７において、中心点を符号１０１で示す。また、周辺の４点とは、投射画像１０７を３×３の９つの領域１０７０に分割したとき、中心点１０１の上下左右の斜め方向外側の４つの領域１０７０の中心の点１０２，点１０３，点１０４，点１０５である。
【００８３】
しかし、投射画像は、投射画像の中心と周辺の４点だけでなく、周辺の４点よりも外側の領域でも十分な照度が確保されていることが望ましい。
【００８４】
図１２は、図１１に示した投射画像１０７の中心点１０１を原点として左下隅の点１０６に向かう軸を設定して、中心点１０１の照度を１００％、点１０４の照度を７０％または７５％としたときの軸上の照度分布を２次関数近似でプロットしたグラフである。すなわち、図１２は、投射画像１０７が中心点１０１を中心に外側に向かって等方的な照度分布だと仮定すると、周辺照度比が７０％または７５％の照度分布に相当するグラフである。なお、図１２の横軸は、中心点１０１から点１０６までの距離を１として規格化している。点１０４の位置は、原点から０.６７である。
【００８５】
図１２によれば、投射画像１０７の最も外側に位置する点１０６における照度は、周辺照度比７０％相当では少なくとも３２.５％、周辺照度比７５％相当では少なくとも４３.７％必要であることがわかる。
【００８６】
以上のように、画像表示装置５０において、投射画像１０７の最小照度は、照明光学系２０と投射光学系３０を構成する部品の仕様や部品の配置関係によって決まる。
【００８７】
本実施の形態に係る画像表示装置５０は、上述のような事情に鑑みて、照明光学系２０と投射光学系３０を以下のように構成することにより、小型で超短焦点距離でありながら被投射面１０８をムラなく均一に照明する。
【００８８】
●第２照明ミラーと投射レンズ入射側鏡筒との位置関係とＤＭＤ上の照度分布
図１３は、ＤＭＤ６を照明する光のＤＭＤ６の反射面上での照度分布の一例を示す。図１３は、面内最大照度を１００％として規格化して図表化したものである。図１３において、矩形の実線１１２内がＤＭＤ６の有効領域に対応する。
【００８９】
図１４は、第２照明ミラー５と投射レンズ入射側鏡筒１５との位置関係を示す。ＤＭＤ６への光の入射方向は、ＤＭＤ６を構成する微小ミラー６−１〜６−ｋの偏向角や投射レンズ系７の入射瞳位置などによって決まる。このため、画像表示装置５０では、ＤＭＤ６の直前に配置される第２照明ミラー５と投射レンズ入射側鏡筒１５とを近接させることができる。
【００９０】
第２照明ミラー５は、投射レンズ入射側鏡筒１５に近接している部分に、ｙ軸方向から見たときに投射レンズ入射側鏡筒１５の外形に沿うように一部が切り欠かれている、切り欠き部１１３を有する。なお、投射レンズ入射側鏡筒１５の直径が軸方向に一様でない場合は、投射レンズ入射側鏡筒１５のうち、第２照明ミラー５のＤＭＤ６から最も離れている箇所７７７よりもＤＭＤ６寄りの領域で最も直径の大きい部分を、投射レンズ入射側鏡筒１５の直径とみなす。
【００９１】
第２照明ミラー５の切り欠き部１１３により、投射レンズ入射側鏡筒１５は、第２照明ミラー５との干渉を回避してＤＭＤ６側に向かって突出させることができる。なお、切り欠き部１１３の形状は、一部が投射レンズ入射側鏡筒１５の外形に沿っていればよく、他の部分が直線状になっていてもよい。
【００９２】
切り欠き部１１３の切り欠き半径は、投射レンズ入射側鏡筒１５の外半径をｒ［ｍｍ］とすると、構造的な組み付け誤差に伴う第２照明ミラー５と投射レンズ入射側鏡筒１５との干渉を回避することを考慮すると、ｒ+１［ｍｍ］程度が望ましい。また、第２照明ミラー５の外周部から第２照明ミラー５の反射面の有効エリアまでの距離は１.５［ｍｍ］程度が望ましい。このため、第２照明ミラー５の反射面における切り欠き部１１３が設けられている側の有効エリアは、投射レンズ入射側鏡筒１５の中心からｒ+２.５［ｍｍ］以上離れた領域となる。
【００９３】
以上のような構成を有する照明光学系２０において、図８（ａ）に示すように投射レンズ入射側鏡筒１５のＤＭＤ６側の外径（以下「鏡筒先端径」という。）をφ、ＤＭＤ６の反射面から投射レンズ入射側鏡筒１５の先端部までの距離をＨとする。このとき、鏡筒先端径φが一定以上になると第２照明ミラー５の切り欠き部１１３の切り欠き半径も大きくなり、第２照明ミラー５で反射されてＤＭＤ６に向かう光の一部が切り欠き部１１３でけられる。一方、距離Ｈが一定以上に短くなった場合も、第２照明ミラー５で反射されてＤＭＤ６に向かう光の一部が投射レンズ入射側鏡筒１５の先端部でけられる。
【００９４】
図１５は、投射レンズ入射側鏡筒１５でのけられによってＤＭＤ６の反射面上での照度低下が発生した状態の照度分布の一例を示す。第２照明ミラー５の切り欠き部１１３、つまり投射レンズ入射側鏡筒１５の先端部でのけられによる照度低下は、ＤＭＤ６の反射面上の＋ｘ軸側、−ｚ軸側の隅から発生する。ＤＭＤ６の反射面上の照度低下が生じる位置は、図１０において光線１１０が向かう位置、つまり、被投射面１０８における投射画像を正面から見たとき画像の左下隅に対応する。
【００９５】
上述のように、投射画像の左右下隅では平板ガラス１０の光透過率が低くなるため、照度低下が発生しやすい。つまり、投射画像の左下隅は、けられの影響と平板ガラス１０の光透過率低下の影響とにより、投射画像内で最も照度が低くなりやすい。
【００９６】
図１６のグラフは、画像表示装置５０において、上記距離Ｈをパラメータにして、上記鏡筒先端径φとＤＭＤ６の反射面上における左下隅（＋ｘ軸、−ｚ軸側）の照度との関係をシミュレーションにより算出したものである。なお、シミュレーションは、米国ＯＲＡ社のLightTools（登録商標）を用いて実施した。また、シミュレーションにおける光源は、フィリップス社の高圧水銀ランプUHP 240-190W 0.8 E20.9 FusionStarを想定した。
【００９７】
図１６のグラフによれば、鏡筒先端径φが十分小さく（例えばφ＜１３［ｍｍ］）距離Ｈが１５〜３５［ｍｍ］の範囲であれば、けられによる照度低下は発生しないが、鏡筒先端径φが大きくなるにつれて照度が減少することがわかる。
【００９８】
図１７は、図１６のグラフの横軸をξ＝（φ−８.５）／Ｈ＋０.３４として規格化した上で被投射面１０８上の投射画像の左下隅の照度を規格化したグラフである。
【００９９】
投射画像の左下隅の照度の規格化方法について説明する。投射画像の照度分布は、平板ガラス１０の透過率を波長、入射角度によらず１００％としてシミュレーションする。平板ガラス１０の透過率の影響は、別途考慮する。
【０１００】
次に、シミュレーションにより得られた照度分布から、投射画像の中心の照度を１００％として投射画像内の各位置の照度を規格化する。画像表示装置５０の投射光学系３０における、投射画像の中心と投射画像の左下隅の照度比は１：０.９２２である。このため、図１７の投射画像左下隅の規格化照度は、図１６におけるＤＭＤ６の反射面上の左下隅の規格化照度に０.９２２を乗じたものにほぼ等しい。
【０１０１】
図１７の実線は、シミュレーションにより得られた近似曲線である。被投射面１０８上の投射画像の左下隅の規格化照度をＬｔｈとするとき、近似曲線は次の数式５で表される。
【０１０２】
数式５
2017044870.tif 000014
【０１０３】
ここで、ξは、数式６
2017044870.tif 000015
【０１０４】
Ｅｆｆｃは、数式７
2017044870.tif 000016
【０１０５】
Ｈ０、ｍ０、ξ０は、数式８
2017044870.tif 000017
である。
【０１０６】
なお、数式７のＥｒｆｃ(ｘ)の右辺は相補誤差関数である。
【０１０７】
図１７によれば、Ｌｔｈはξ＞１.３４で０になる。投射画像内の規格化照度分布において、最小照度を３２.５％以上（Ｌｔｈ＞３２.５％）とするためには、図１７と数式６より、ξ＞１．０５、すなわち、
φ＜０.７１Ｈ＋８.５
とすればよい。
【０１０８】
この条件式には、平板ガラス１０の光透過率の影響を含んでいないため、平板ガラス１０の入射面と出射面にどのような光透過率のコーティングを行う場合であっても、画像表示装置５０の鏡筒先端径φは、この条件式を満せばよい。
【０１０９】
図１８は、平板ガラス１０の分光透過率特性より、投射画像内の規格化最小照度をパラメータとして、被投射面１０８上の投射画像左下隅の規格化照度Ｌｔｈと平板ガラス１０の面ｘｚに対する傾斜角ａｎｇとの関係を算出したグラフである。
【０１１０】
図１８によれば、矢印より上の領域であれば、画像表示装置５０は、それぞれの投射画像内で規格化最小照度を得ることができることを表している。例えば、Ｌｔｈが６０％の場合、投射画像内での規格化最小照度が３２.５％を満足するためには平板ガラス１０の傾斜角を４［°］以上とすればよい。
【０１１１】
図１８において、投射画像内での規格化最小照度が３２.５％の場合、Ｌｔｈに対するａｎｇの条件は次の数式９で近似される。
【０１１２】
数式９
2017044870.tif 000018
【０１１３】
ただし、数式１０
2017044870.tif 000019
【０１１４】
なお、数式９において、ａｎｇ＜０になるＬｔｈ（図１８においてＬｔｈ＞６８.９％）は、すべてａｎｇ＝０とする。ここで、平板ガラス１０の回転方向は、図２と図３において、平板ガラス１０の一方、つまり被投射面１０８から遠い方のエッジ１１５が＋ｙ軸方向に回転する方向をａｎｇの正方向とする。
【０１１５】
画像表示装置５０では、φ＝２３［ｍｍ］、Ｈ＝３１［ｍｍ］、ａｎｇ＝１５［°］としている。この場合に、ＴＲ＊ａｎｇ＜４.５である。
【０１１６】
以上のような構成とすることで、光学系１００を有する画像表示装置５０は、投射画像の最小照度を所望の値以上とし、投射画像内に照度ムラがない均一な照度分布を実現している。また、画像表示装置５０は、必要以上に平板ガラス１０を傾斜させることを回避できるため、装置を小型化することができる。
【０１１７】
第２照明ミラー５と投射レンズ入射側鏡筒１５が近接して配置されるミラー方式照明系で、いわゆる超短焦点プロジェクタにおいて、ＤＭＤ６の長短辺サイズ比（アスペクト比）が大きい場合には、光のけられによる投射画像の左下隅の照度が低下しやすい。このため、以上説明したように、画像表示装置５０の光学系１００において、数式５から数式１０に示した条件式を満足させることで、均一な照度分布を有する投射画像を実現することができる。
【０１１８】
図１９は、図１０に示した投射レンズ系７の投射レンズ出射側鏡筒１４と投射レンズ入射側鏡筒１５の接合部を示す断面図である。図１９に示すように、投射レンズ出射側鏡筒１４と投射レンズ入射側鏡筒１５との接合部１１４は、ヘリコイド形状である。接合部１１４がヘリコイド形状であることにより、投射レンズ系７は、レンズ８０１からレンズ８０９の群を投射レンズの光軸方向（ｙ軸方向）に調整した後に、ＤＭＤ６から投射レンズ系７までの距離を固定することができる。このような構造を有する接合部１１４は、ＤＭＤ６と投射レンズ系７との距離を高精度に位置合わせすることができる調整部として機能する。例えばＤＭＤ６と投射レンズ系７にスペーサを介して投射レンズ系７とＤＭＤ６との距離を調整する方式と比較すると、ヘリコイド形状の接合部１１４では、ＤＭＤ６から投射レンズ系７までの距離を連続的に変化させることができる。このため、接合部１１４によれば、より高品質の投射画像を得ることができる。なお、接合部１１４を有する場合であっても、上述のような条件式を満足させることで、均一な照度分布を得ることができる。
【０１１９】
●実施の形態の効果
以上説明したように、本実施の形態に係る画像表示装置５０とその光学系１００によれば、被投射面をムラなく均一に照明する小型の超短焦点距離の画像表示装置が実現できる。具体的には、画像表示装置５０と光学系１００によれば、φとＨとａｎｇについて上述の条件式に基づいて設定することで、被投射面に投射される画像の照度分布における最小照度を所望の照度以上の値にできるため、投射画像内での照度の均一性が確保できる。特に、最もＤＭＤ６側の第２照明ミラー５を球面ミラーとした超短焦点距離の画像表示装置では、上記効果が顕著になる。
【０１２０】
また、画像表示装置５０とその光学系１００によれば、平板ガラス１０の傾斜角を小さくすることができるため、装置を小型化できる。
【０１２１】
さらに、画像表示装置５０とその光学系１００によれば、投射レンズ系７のうちＤＭＤ６側の群を投射レンズの光軸方向に位置調整できる接合部１１４を有するため、ＤＭＤ６の長短方向のアスペクト比が大きい場合でも、高品質の投射画像を得ることができる。
【０１２２】
●画像表示装置（２）●
次に、本発明に係る画像表示装置と画像表示ユニットの別の実施の形態について、先に説明した実施の形態の相違点を中心に説明する。
【０１２３】
表８に、本実施の形態に係る画像表示装置における光源からＤＭＤに至る、照明光学系の部品仕様を示す。なお、照明光学系を構成する各光学部品の配置位置座標は表２と同様である。
【０１２４】
表８
2017044870.tif 000020
【０１２５】
表１と表８に示すように、先に説明した画像表示装置５０の照明光学系２０と本実施の形態に係る画像表示装置の照明光学系との違いは、ライトトンネル２の開口サイズと第２照明ミラー５の反射面形状のみである。
【０１２６】
図２０に示すように、本実施の形態に係る画像表示装置の第２照明ミラー５の反射面形状はトロイダル面である。トロイダル面とは、ローカル座標系（ｘ'ｙ'ｚ'系）の原点をＯ’とするとき、以下の数式１１で定義される非球面であり、ｙ'軸に平行な軸回りの曲率半径ｒｘの円弧を、曲率半径ｒｙでｘ'軸に平行な軸回りに回転して形成される面である。
【０１２７】
数式１１
2017044870.tif 000021
【０１２８】
本実施の形態に係る画像表示装置においても、φとＨとａｎｇの値を先に説明した画像表示装置５０と同様の条件式に基づいて、例えばφ＝２３［ｍｍ］，Ｈ＝３１［ｍｍ］，ａｎｇ＝１５［°］とする。このように設定することで、本実施の形態に係る画像表示装置によれば、投射レンズ系の先端部と第２照明ミラー５が近接する構成であっても、被照射面上での最小照度を所望の値以上にすることができる。
【０１２９】
また、本実施の形態に係る画像表示装置においても、ＴＲ＜０.３、ＴＲ＊ａｎｇ＜４.５、ＤＭＤ６のＬＬ／ＬＳ≧１.７７、ＤＭＤ６のアスペクト比などの値や、投射レンズ系の構成も先に説明した画像表示装置５０と同様である。
【０１３０】
●実施の形態の効果
以上説明したように、本実施の形態に係る画像表示装置によれば、被投射面をムラなく均一に照明する小型の超短焦点距離の画像表示装置が実現できる。
【符号の説明】
【０１３１】
１            ：面番号
１            ：光源
２            ：ライトトンネル
３            ：レンズ群
４            ：第１照明ミラー
５            ：第２照明ミラー
６            ：ＤＭＤ
７            ：投射レンズ系
８            ：第１投射ミラー
９            ：第２投射ミラー
１０          ：平板ガラス
１１          ：防爆ガラス
１２          ：カラーホイール
１３          ：リフレクタ
１４          ：投射レンズ出射側鏡筒
１５          ：投射レンズ入射側鏡筒
１６          ：投射レンズ群
１８          ：発光体
２０          ：照明光学系
３０          ：投射光学系
３１          ：レンズ
３２          ：レンズ
５０          ：画像表示装置
１００        ：光学系
１０１        ：中心点
１０７        ：投射画像
１０８        ：被投射面
１１３        ：切り欠き部
１１４        ：接合部
１１５        ：エッジ
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１３２】
【特許文献１】特開２０００−０９８２７２号公報
【特許文献２】特開２００８−１０７８０１号公報
【特許文献３】特開２０１１−２４２６０６号公報
【図１】
2017044870.tif 000026
【図２】
2017044870.tif 000027
【図３】
2017044870.tif 000028
【図４】
2017044870.tif 000029
【図５】
2017044870.tif 000030
【図６】
2017044870.tif 000031
【図７】
2017044870.tif 000032
【図８】
2017044870.tif 000033
【図１０】
2017044870.tif 000034
【図１４】
2017044870.tif 000035
【図１９】
2017044870.tif 000036
【図９】
2017044870.tif 000037
【図１１】
2017044870.tif 000038
【図１２】
2017044870.tif 000039
【図１３】
2017044870.tif 000040
【図１５】
2017044870.tif 000041
【図１６】
2017044870.tif 000042
【図１７】
2017044870.tif 000043
【図１８】
2017044870.tif 000044
【図２０】
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