(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を照明光学系でＴＩＲプリズムに導き、そのＴＩＲプリズムで全反射した光をＤＭＤで反射させる事により光変調を行い、その光変調後に前記ＴＩＲプリズムを透過した光を投影光学系で被投影面上に投影する投影システムであって、
前記照明光学系が、前記光源からの集光された光が入射されその射出面で照明光を均一にする光平滑化素子と、前記光平滑化素子を射出した照明光を前記ＤＭＤに導くリレー光学系とを有し、
前記ＴＩＲプリズムが、前記照明光学系から射出した照明光を全反射させる第１プリズムと、前記ＤＭＤでの光変調後に前記第１プリズムを透過した光を透過させる第２プリズムと、から成り、
以下の条件式を満足する事を特徴とする投影システム；
１００≦Ｘａ≦２５０
２≦Ｆａ≦４
−１．５≦Ｕａ≦７．５
１００≦Ｘｂ≦２５０
２≦Ｆｂ≦４
−７．５≦Ｕｂ≦１．５
但し、
Ｘａ（ｍｍ）：ＤＭＤから照明光学系のＤＭＤ側の瞳までの距離
Ｆａ      ：照明光学系のＤＭＤ側のＦナンバー
Ｕａ（°）：照明光学系の周辺部のＵｐｐｅｒ ｒａｙが光軸と成す角度
Ｘｂ（ｍｍ）：ＤＭＤから投影光学系のＤＭＤ側の瞳までの距離
Ｆｂ      ：投影光学系のＤＭＤ側のＦナンバー
Ｕｂ（°）：投影光学系の周辺部のＵｐｐｅｒ  ｒａｙが光軸と成す角度
である。
【請求項２】
光源からの光を照明光学系でＴＩＲプリズムに導き、そのＴＩＲプリズムで全反射した光をＤＭＤで反射させる事により光変調を行い、その光変調後に前記ＴＩＲプリズムを透過した光を投影光学系で被投影面上に投影する投影システムであって、
前記照明光学系が前記光源からの光を平滑化する機能を備えるとともに、絞りと、少なくとも１つの、照明光の周辺光量を規制する光束規制部材を備え、
前記ＴＩＲプリズムが、前記照明光学系から射出した光を全反射させる第１プリズムと、前記ＤＭＤでの光変調後に前記第１プリズムを透過した光を透過させる第２プリズムと、から成り、
以下の条件式を満足する事を特徴とする投影システム；
１００≦Ｘａ≦２５０
２≦Ｆａ≦４
−１．５≦Ｕａ≦７．５
１００≦Ｘｂ≦２５０
２≦Ｆｂ≦４
−７．５≦Ｕｂ≦１．５
但し、
Ｘａ（ｍｍ）：ＤＭＤから照明光学系のＤＭＤ側の瞳までの距離
Ｆａ      ：照明光学系のＤＭＤ側のＦナンバー
Ｕａ（°）：照明光学系の周辺部のＵｐｐｅｒ ｒａｙが光軸と成す角度
Ｘｂ（ｍｍ）：ＤＭＤから投影光学系のＤＭＤ側の瞳までの距離
Ｆｂ      ：投影光学系のＤＭＤ側のＦナンバー
Ｕｂ（°）：投影光学系の周辺部のＵｐｐｅｒ  ｒａｙが光軸と成す角度
である。
【請求項３】
前記第２プリズムが、前記ＤＭＤで反射された光を内面反射させない形状を有する事を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の投影システム。
【請求項４】
前記第２プリズムにおいて、前記ＤＭＤで反射された光が入射する側面に、断面が鋸歯状のシートを接合した事を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の投影システム。
【請求項５】
前記照明光学系を構成している最もＤＭＤ側の光学素子は、前記照明光学系の光軸に対し、照明光束が入射してくる側のＤＭＤ端部に対応する側が光源に近づくように、傾いている事を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の投影システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影システムに関するものであり、更に詳しくは、光変調素子としてＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を備えた投影システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、投影システムの光変調素子として、ＤＭＤが注目されている。ＤＭＤは多数のマイクロミラーがマトリックス状に配置された表示面を有しており、そのマイクロミラー１枚で表示画像の１画素を構成するものである。各マイクロミラーの傾きは、光変調のために個別に駆動制御される構成になっており、各マイクロミラーはＯＮ状態とＯＦＦ状態との２つの傾き状態をとり得るようになっている。
【０００３】
ＯＮ状態のマイクロミラーでは、照明光が投影光学系内に向けて反射され、ＯＦＦ状態のマイクロミラーでは、照明光が投影光学系外に向けて反射される。従って、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射された光のみが投影光学系によって被投影面（例えばスクリーン面）上に到達し、その結果、明暗のパターンから成る表示画像が被投影面上に形成される。
【０００４】
図１３は、上記ＤＭＤを備えた投影システムの第１従来例を示す光学構成図である。同図（Ａ）は投影光学系ＰＬによるイメージサークル３とＤＭＤ２との位置関係を示しており、同図（Ｂ）は投影光学系ＰＬの光軸ＡＸ１に対して垂直方向から見た投影システムの要部を示している。投影光学系ＰＬは非テレセントリックに構成されており、照明光学系ＩＬはＤカットレンズ等（他のレンズは図中省略）で構成されている。ＡＸ２は照明光学系ＩＬの光軸である。
【０００５】
照明光学系ＩＬを通過した光は、ＤＭＤ２を斜め４５゜方向から照明する。ＤＭＤ２は、各マイクロミラーが軸ａｘを中心とした２つの傾き状態（ＯＮ状態とＯＦＦ状態）をとり得るように構成されているため、ＯＮ状態のマイクロミラーでは光が投影光学系ＰＬに向けて反射され、ＯＦＦ状態のマイクロミラーでは光が投影光学系ＰＬ外に向けて反射される。その結果、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射された光で被投影面１上に表示画像が形成される。
【０００６】
図１４，図１５は、上記ＤＭＤを備えた投影システムの第２従来例の要部を示す光学構成図である。図１４はＤＭＤ２のマイクロミラーがＯＮ状態のときの投影光の光路を示しており、図１５はＤＭＤ２のマイクロミラーがＯＦＦ状態のときの投影光の光路を示している。この投影システムは、第１プリズムＰＲ１と第２プリズムＰＲ２から成るＴＩＲ（Total Internal Refrection）プリズムＰＲを備えている。ここで、ＰＬは投影光学系であり、ＡＸは光軸である。
【０００７】
ＤＭＤ２のミラー回転角、つまりＤＭＤ２を構成しているマイクロミラーの回転角が±１０゜の場合、ＴＩＲプリズムＰＲを用いる事により、完全テレセントリックの構成でＦナンバーを最大の３．０にする事ができる。従って、光の利用効率が高くなって、明るい投影画像を得る事ができる。
【０００８】
図１６，図１７は、上記ＤＭＤを備えた投影システムの第３従来例の要部を示す光学構成図である。図１６はＤＭＤ２のマイクロミラーがＯＮ状態のときの投影光の光路を示しており、図１７はＤＭＤ２のマイクロミラーがＯＦＦ状態のときの投影光の光路を示している。第３従来例は、上述した第２従来例よりも投影光学系ＰＬのバック長が長く確保された構成をとっている。このため、ＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射された投影光学系ＰＬ寄りの光が、投影光学系ＰＬ内に入射するのを回避する事ができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１従来例の構成では、投影光学系ＰＬの光路と照明光学系ＩＬの光路とを分離するために、フルシフトの像円径が必要になる。つまり図１３（Ａ）に示すように、イメージサークル３のうちの極一部しかＤＭＤ２の配置に使用する事ができない。このため、広い画角が必要とされるリアプロジェクション方式の投影システムにおいては、投影光学系ＰＬの低コスト化が困難になる。また、投影光学系ＰＬと照明光学系ＩＬとの干渉を避けるためには、投影光学系ＰＬの後ろ絞り化やＤカットレンズの使用が必要になるが、図１３（Ｂ）に示すように、照明光学系ＩＬにＤカットレンズを用いると、照度分布を一様にするのが困難になる。
【００１０】
また、上記第２従来例のようにＤＭＤ２から投影光学系ＰＬまでの距離が短い１チップタイプの投影システムでは、図１５に示すようにＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射された光のうち、投影光学系ＰＬ寄りの反射光と、第２プリズムＰＲ２の側面で内面反射された光とが、投影光学系ＰＬ内に入射してしまう。これらの反射光はゴースト光になり、コントラスト低下の原因となる。またＤＭＤ２側にテレセントリックな構成では、テレセントリック側の正レンズに対して光線が高い位置で入射するため、倍率色収差を小さくする事が困難になる。
【００１１】
また、上記図１６，図１７に示した第３従来例では、投影光学系ＰＬのレンズバック長が長く確保された構成をとっているため、投影光学系ＰＬが大型化して低コスト化が困難になり、倍率色収差も悪化してしまう。そして、図１７に示すように、ＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射された光のうち、投影光学系ＰＬ寄りの反射光は投影光学系ＰＬ外へと射出するが、第２プリズムＰＲ２の側面で内面反射された光は投影光学系ＰＬ内に入射してしまう。このような反射光はゴースト光になり、コントラスト低下の原因となる。
【００１２】
特開平８−２５１５２０号公報で提案されているビデオプロジェクターでは、これらの問題を解決するために、ＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射された光を光源に戻す構成を採用している。しかし、照明光学系と投影光学系との共有部分があるため、その共有部分の面間ゴーストによるコントラストの低下は避けられない。
【００１３】
また、デジタルテレビ用の投影システムとしては、コントラストアップ、投影光学系のコンパクト化，低コスト化や、倍率色収差の充分な補正が要求される。特に最近では、いわゆるデジタル放送の立ち上げ時期が近づくにつれて、小型，低コストで高性能な背面投影型デジタルテレビ用光学系の需要が高まってきている。また背面投影デジタルテレビとしては、装置全体の薄型化や小型化が要求されている。さらに、投影画像に対しては、高コントラスト，高解像力，及び低歪曲収差等の性能が要求されている。
【００１４】
装置全体の薄型化は、投影光学系の広角化によって達成されるが、広角化と高性能化を同時に達成しようとした場合、一般的にはレンズ枚数，レンズ全長，及びレンズ径等が増大し、コストアップが避けられなくなる。特にこの影響は、広角化つまり短焦点化にもかかわらず長いレンズバックを必要とする光学系において顕著となる。加えてＤＭＤ側にテレセントリック性を要求されると、その困難さは著しく増大する。
【００１５】
１チップＤＭＤ用投影システムにおいて広角化が要求される場合、一般的には大きなＴＩＲプリズムとテレセントリック性が必要である。具体的には、画角２ω＝８０゜程度の投影光学系において、レンズバック長が空気換算で２ｆ〜３ｆ程度（ｆは焦点距離）必要とされている。この事が、小型，低コストで高性能な背面投影型デジタルテレビ用光学系の実現を阻んでいた。
【００１６】
本発明は、このような問題点に鑑み、投影光学系の小型化，広角化が達成可能で、しかも高いコントラストの投影画像が得られる高性能の投影システムを提供する事を目的とする。
【００１７】
【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、光源からの光を照明光学系でＴＩＲプリズムに導き、そのＴＩＲプリズムで全反射した光をＤＭＤで反射させる事により光変調を行い、その光変調後に前記ＴＩＲプリズムを透過した光を投影光学系で被投影面上に投影する投影システムであって、前記照明光学系が、前記光源からの集光された光が入射されその射出面で照明光を均一にする光平滑化素子と、前記光平滑化素子を射出した照明光を前記ＤＭＤに導くリレー光学系とを有し、前記ＴＩＲプリズムが、前記照明光学系から射出した照明光を全反射させる第１プリズムと、前記ＤＭＤでの光変調後に前記第１プリズムを透過した光を透過させる第２プリズムと、から成り、以下の条件式を満足する事を特徴とする。
１００≦Ｘａ≦２５０
２≦Ｆａ≦４
−１．５≦Ｕａ≦７．５
１００≦Ｘｂ≦２５０
２≦Ｆｂ≦４
−７．５≦Ｕｂ≦１．５
但し、
Ｘａ（ｍｍ）：ＤＭＤから照明光学系のＤＭＤ側の瞳までの距離
Ｆａ      ：照明光学系のＤＭＤ側のＦナンバー
Ｕａ（°）：照明光学系の周辺部のＵｐｐｅｒ ｒａｙが光軸と成す角度
Ｘｂ（ｍｍ）：ＤＭＤから投影光学系のＤＭＤ側の瞳までの距離
Ｆｂ      ：投影光学系のＤＭＤ側のＦナンバー
Ｕｂ（°）：投影光学系の周辺部のＵｐｐｅｒ  ｒａｙが光軸と成す角度
である。
【００１８】
また、光源からの光を照明光学系でＴＩＲプリズムに導き、そのＴＩＲプリズムで全反射した光をＤＭＤで反射させる事により光変調を行い、その光変調後に前記ＴＩＲプリズムを透過した光を投影光学系で被投影面上に投影する投影システムであって、前記照明光学系が前記光源からの光を平滑化する機能を備えるとともに、絞りと、少なくとも１つの、照明光の周辺光量を規制する光束規制部材を備え、前記ＴＩＲプリズムが、前記照明光学系から射出した光を全反射させる第１プリズムと、前記ＤＭＤでの光変調後に前記第１プリズムを透過した光を透過させる第２プリズムと、から成り、以下の条件式を満足する事を特徴とする。
１００≦Ｘａ≦２５０
２≦Ｆａ≦４
−１．５≦Ｕａ≦７．５
１００≦Ｘｂ≦２５０
２≦Ｆｂ≦４
−７．５≦Ｕｂ≦１．５
但し、
Ｘａ（ｍｍ）：ＤＭＤから照明光学系のＤＭＤ側の瞳までの距離
Ｆａ      ：照明光学系のＤＭＤ側のＦナンバー
Ｕａ（°）：照明光学系の周辺部のＵｐｐｅｒ ｒａｙが光軸と成す角度
Ｘｂ（ｍｍ）：ＤＭＤから投影光学系のＤＭＤ側の瞳までの距離
Ｆｂ      ：投影光学系のＤＭＤ側のＦナンバー
Ｕｂ（°）：投影光学系の周辺部のＵｐｐｅｒ  ｒａｙが光軸と成す角度
である。
【００１９】
さらに、前記第２プリズムが、前記ＤＭＤで反射された光を内面反射させない形状を有する事を特徴とする。或いは、前記第２プリズムにおいて、前記ＤＭＤで反射された光が入射する側面に、断面が鋸歯状のシートを接合した事を特徴とする。或いは、前記照明光学系を構成している最もＤＭＤ側の光学素子は、前記照明光学系の光軸に対し、照明光束が入射してくる側のＤＭＤ端部に対応する側が光源に近づくように、傾いている事を特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、上記図１３〜図１７で示した従来例や以下に示す実施形態の相互において、同一の部分や相当する部分には、同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。
【００２４】
図１，図２は、本発明の投影システムの一実施形態を示す光学構成図である。図１はＤＭＤ２のマイクロミラーがＯＮ状態のときの投影光の光路を示しており、図２はＤＭＤ２のマイクロミラーがＯＦＦ状態のときの投影光の光路を示している。本実施形態は、光源５，照明光学系ＩＬ，ＴＩＲプリズムＰＲ，ＤＭＤ２，及び投影光学系ＰＬを備えた、主としてデジタルテレビ用の投影システムである。
【００２５】
投影画像のカラー化は、例えば回転可能なカラーホイール（不図示）を光路中に配置する事により達成する事ができる。例えば、Ｒ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）を透過或いは反射させるカラーフィルターで構成されたカラーホイールを光路中で回転させて、投影する色光が時間的に順次切り替わるようにすれば良い。
【００２６】
本実施形態において、光源５はランプ５ａ及びこれを取り囲むように配置されるリフレクタ５ｂ等より成る。光源５の後方（図中上方）には、インテグレータロッド６が長手方向を光軸に沿うように配置されている。光源５から出た光は集光されてインテグレータロッド６の入射面６ａより入射し、射出面６ｂで均一な照明となる。
【００２７】
インテグレータロッド６の後方には、光の進む順にレンズ７，反射ミラーｍ，及びレンズ８等より成るリレーレンズ系９が配設されている。リレーレンズ系９は、光源側が略テレセントリックであり、ＤＭＤ側が非テレセントリックとなるように構成されている。なお、リレーレンズ系９内に配置された反射ミラーｍは、光軸を右に折り曲げる作用をしている。この反射ミラーｍがない構成としても良い。
【００２８】
以上のインテグレータロッド６からレンズ８までを照明光学系ＩＬとする。照明光学系ＩＬにおいては、インテグレータロッド６により、光源５から出た照明光を上述したように均一に、即ち平滑化する。この照明光の平滑化機能により、ＤＭＤ２の表示面上での軸上と最軸外との照度差がなくなる。つまり照度分布が一様となる。ここで、照明光学系ＩＬのレンズ等は、部分的に図示を省略している。
【００２９】
ＴＩＲプリズムＰＲは、第１プリズムＰＲ１と第２プリズムＰＲ２とから成っており、各プリズム間に微小なエアギャップがもうけてある。このＴＩＲプリズムＰＲによって、ＤＭＤ２に対する入力光と出力光との分離が行われる。第１プリズムＰＲ１は、照明光学系ＩＬから射出した光を全反射面ＰＲ１ａで全反射させる。そして、第１プリズムＰＲ１で全反射した光はＤＭＤ２を照明し、その照明光がＤＭＤ２での反射により光変調される。
【００３０】
第２プリズムＰＲ２は、ＤＭＤ２での光変調後に第１プリズムＰＲ１を透過した光を透過させる。このようにしてＤＭＤ２による光変調後にＴＩＲプリズムＰＲを透過した光は、複数のレンズ等から成る投影光学系ＰＬによって、図示しない被投影面上に投影される。但し、投影光学系ＰＬに入射して投影されるのは、後述するＯＮ状態のマイクロミラーＭで反射された光のみである。ここで、投影光学系ＰＬのレンズ等は、部分的に図示を省略している。なお、本実施形態での被投影面（不図示）はスクリーン面に相当する。
【００３１】
また、照明光学系及び投影光学系には、絞り（ここでは不図示）以外に、周辺光量を規制する光束規制部材がそれぞれ少なくとも一箇所に配置される。本実施形態では、照明光学系ＩＬにおいては、レンズ７直後に光束規制部材Ｓ１が設けられており、またレンズ８直前に光束規制部材Ｓ２が設けられている。また、投影光学系ＰＬにおいては、ＤＭＤ２側より順に、光束規制部材Ｓ３，Ｓ４が設けられている。なお、絞りは後述する照明光学系及び投影光学系のレンズ構成図中に、それぞれＳＰ１，ＳＰ２として示している。
【００３２】
図３，図４は、本発明の投影システムにおけるＤＭＤ近傍の光路を示す光学構成図であり、これによりＤＭＤによる光変調を詳しく説明する。図３はＤＭＤ２のマイクロミラーＭがＯＮ状態のときの光路を示しており、図４はＤＭＤ２のマイクロミラーＭがＯＦＦ状態のときの光路を示している。ＤＭＤ２は、多数のマイクロミラーＭがマトリックス状に配置された表示面を有しており、そのマイクロミラーＭ１枚で表示画像の１画素（例えば１６μｍピッチ）を構成する。
【００３３】
光変調のために、各マイクロミラーＭの傾きは、例えばミラー回転角±１０゜の傾斜で個別に駆動制御される構成になっており、各マイクロミラーＭは、図３に示すＯＮ状態と図４に示すＯＦＦ状態との２つの傾き状態をとり得るようになっている。ＯＮ状態のマイクロミラーＭでは、照明光が投影光学系ＰＬ内に向けて反射される。この反射光を以下「ＯＮ光」とも言う。また、ＯＦＦ状態のマイクロミラーＭでは、照明光が投影光学系ＰＬ外に向けて反射される。この反射光を以下「ＯＦＦ光」とも言う。
【００３４】
従って、ＯＮ状態のマイクロミラーＭで反射されたＯＮ光のみが投影光学系ＰＬによって被投影面上に到達し、その結果、明暗のパターンから成る表示画像が被投影面上に形成される。ＯＦＦ光は被投影面上での画像形成には必要ない不要光であり、このＯＦＦ光が投影光学系ＰＬ内に入射してしまうと、上述したようにコントラストの低下を招いてしまう。本発明の実施形態では、照明光学系ＩＬと投影光学系ＰＬとの間での光の伝達を非テレセントリック状態で行う事により、ＯＦＦ光、特に投影光学系ＰＬ寄りのＯＦＦ光が、投影光学系ＰＬ内に入射するのを防ぎ、また投影光学系ＰＬの収差補正の負担を軽くしている。
【００３５】
照明光学系ＩＬと投影光学系ＰＬとの間での光の伝達を非テレセントリック状態で行う場合、ＤＭＤ２側のＦナンバーとＤＭＤ２側の瞳位置とに関して、以下の条件式（１）を満足する事が望ましい。
１００≦Ｘａ≦２５０                                        （１）
但し、
Ｘａ（ｍｍ）：ＤＭＤから照明光学系のＤＭＤ側の瞳までの距離
である。
【００３６】
条件式（１）の上限を上回ると、照明光学系ＩＬのＤＭＤ２側の主光線の角度がテレセントリックに近づく。つまり、瞳からＤＭＤ２までの距離が無限大に近づくため、ＴＩＲプリズムＰＲ内でのＯＮ光とＯＦＦ光との分離が困難になり，ＯＦＦ光が投影光学系ＰＬ内に入り込む。そのため、コントラストが低下する。条件式（１）の下限を下回ると、照明光学系ＩＬのＤＭＤ２側の主光線の角度がテレセントリックから大きく外れるので、ＴＩＲプリズムＰＲ内で照明光の一部に全反射条件を満たさない光線が出てくる。このため、ＯＮ光として投影光学系ＰＬに入る光線が少なくなり、暗くなる。
【００３７】
また、以下の条件式（２）を満足する事が望ましい。
２≦Ｆａ≦４                                                （２）
但し、
Ｆａ：照明光学系のＤＭＤ側のＦナンバー
である。条件式（２）の下限値を下回ると、非常に高い性能のＤＭＤを用いる事になるため、高コストになる。上限値を上回ると、有効に光を利用できず、また映像が暗くなる。
【００３８】
このとき、以下の条件式（３）を満足する事が望ましい。
−１．５≦Ｕａ≦７．５                                      （３）
但し、
Ｕａ（°）：照明光学系の周辺部のＵｐｐｅｒ  ｒａｙが光軸と成す角度
である。ここで、Ｕｐｐｅｒ  ｒａｙについて以下に説明する。
【００３９】
図５は、Ｕｐｐｅｒ  ｒａｙの方向の定義を示す模式図であり、投影光学系を例に挙げて示している。同図において、ＤＭＤ２から投影光学系ＰＬに向かう光Ｌの内、各像高において最も外側を通る光線Ｕｐｐｅｒ  ｒａｙをＵｒとおくと、同図のようにＵｒが投影光学系に対して内側に傾いている場合にＵｒと光軸ＡＸとの成す角度Ｕａを正の値（＋）とし、Ｕｒが外側に傾いている場合のＵａを負の値（−）とする。照明光学系からＤＭＤ２に向かうＵｐｐｅｒ  ｒａｙについては符号が逆となる。
【００４０】
また、以下の条件式（４）を満足する事が望ましい。
１００≦Ｘｂ≦２５０                                        （４）
但し、
Ｘｂ（ｍｍ）：ＤＭＤから投影光学系のＤＭＤ側の瞳までの距離
である。
【００４１】
条件式（４）の上限を上回ると、投影光学系ＰＬのＤＭＤ２側の主光線の角度がテレセントリックに近づく。つまり、瞳からＤＭＤ２までの距離が無限大に近づくため、投影光学系ＰＬの最終面を通る光線が光軸ＡＸから離れてしまう。このため、特に倍率色収差や歪曲収差の補正が困難になる。また、投影光学系ＰＬの大型化を招く事になる。条件式（４）の下限を下回ると、投影光学系ＰＬで使用できる光線の一部が、全反射条件を満たさない光線となる。このため、ＯＮ光として投影光学系ＰＬに入る光線が少なくなり、暗くなる。
【００４２】
また、以下の条件式（５）を満足する事が望ましい。
２≦Ｆｂ≦４                                                （５）
但し、
Ｆｂ：投影光学系のＤＭＤ側のＦナンバー
である。条件式（５）の下限値を下回ると、非常に高い性能のＤＭＤを用いる事になるため、高コストになる。上限値を上回ると、有効に光を利用できず、また映像が暗くなる。
【００４３】
このとき、以下の条件式（６）を満足する事が望ましい。
−７．５≦Ｕｂ≦１．５                                      （６）
但し、
Ｕｂ（°）：投影光学系の周辺部のＵｐｐｅｒ  ｒａｙが光軸と成す角度
である。
【００４４】
さらに、以下の条件式（７）を満足する事が望ましい。
１．５ｆ≦Ｌ≦４．６ｆ                                      （７）
但し、
ｆ（ｍｍ）：投影光学系の焦点距離
Ｌ（ｍｍ）：投影光学系の空気換算でのレンズバック長
である。
【００４５】
本実施形態のように、ＴＩＲプリズムＰＲとＤＭＤ２を用いた投影システムにおいて、照明光学系ＩＬのＤＭＤ２側のＦナンバーを大きく、即ち暗くし、且つＤＭＤ側の瞳位置を短くして、テレセントリック性を外す構成をとれば、ＯＮ光とＯＦＦ光（不要光）の影響によるコントラストの低下を改善する事ができる。つまり、テレビにとって重要なコントラストを大きく改善する事ができるため、例えば本実施形態の投影システムをデジタルテレビに適用する事により、高画質の投影画像を得る事ができる。
【００４６】
特に、本実施形態では、投影光学系の瞳位置と周辺光束を、照明光学系のそれに合わせた構成をとる事によって、投影光学系のより一層の広角化が達成可能となる。このような瞳位置の設定とマッチングによって、ＴＩＲプリズムの小型化（従来より外寸で３０％減）を図り、２ω＝８５゜と広角で小型な投影光学系を実現している。本発明をいわゆるリアプロジェクションテレビに応用した場合、投影光学系の広角化によって装置全体の薄型化が達成される。また、上記光束規制部材により、ＯＦＦ光の中で特に有害な光線を有効にカットする事で、高コントラスト化を達成している。
【００４７】
本実施形態に用いられているＴＩＲプリズムＰＲは、図１，図２に示したように、第２プリズムＰＲ２がＤＭＤ２で反射された光を内面反射させない形状、つまり投影光学系ＰＬ側を光軸ＡＸに対して垂直方向に突出させた３角形状を有している。上述した従来例（図１３〜図１７）では第２プリズムＰＲ２の側面が光軸ＡＸに対して平行になっているため、その側面で内面反射したＯＦＦ光が投影光学系ＰＬに入射してしまうが、図２に示すように第２プリズムＰＲ２の側面１０を光軸ＡＸに対して傾斜させれば、ＯＦＦ光が側面１０に入射しないため、ＯＦＦ光が内面反射して投影光学系ＰＬに入射するのを回避する事ができる。従って、ＯＦＦ光の内面反射によるコントラストの低下を防止する事ができる。
【００４８】
上記のように第２プリズムＰＲ２の側面１０を傾斜させる代わりに、図６に示すように、ＤＭＤ２で反射されたＯＦＦ光が入射する側面１０に、断面が鋸歯状（例えばフレネル状）のシート１１を接合しても良い。第２プリズムＰＲ２のＯＦＦ光が入射する側面１０に鋸歯状のシート１１を接合すれば、ＯＦＦ光は側面１０とシート１１を通過する事になる。従って、ＯＦＦ光が内面反射して投影光学系ＰＬに入射するのを回避する事ができる。このようにシート１１を用いる事により、ＯＦＦ光の内面反射によるコントラストの低下を防止するとともに、第２プリズムＰＲ２の軽量，小型化が可能となる。
【００４９】
また図７に示すように、照明光学系ＩＬを構成している最もＤＭＤ２側のレンズ８が光軸ＡＸに対して傾いた構成としても良い。このように、照明光学系ＩＬのＤＭＤ２側の光学素子を傾ける事により、照明エリアのフォーカス状態を良くする事ができる。従って、光の利用効率が高くなって、明るい投影画像を得る事ができる。
【００５０】
以下、本発明を実施した投影システムの構成を、光学系のコンストラクションデータ等を挙げて、更に具体的に説明する。以下に挙げる実施例１，２の光学系は、上述した本実施形態の照明光学系ＩＬ及び投影光学系ＰＬに対応するものであり、また実施例３の光学系は、ズームレンズの例における本実施形態の投影光学系ＰＬに対応するものである。
【００５１】
図８に実施例１の照明光学系ＩＬのレンズ構成を示し、図９に実施例１の投影光学系ＰＬのレンズ構成を示す。また、図１０に実施例２の照明光学系ＩＬのレンズ構成を示し、図１１に実施例２の投影光学系ＰＬのレンズ構成を示す。さらに、図１２に実施例３の投影光学系ＰＬのレンズ構成を示す。各図では照明光学系ＩＬの左側が光源５側であり、投影光学系ＰＬの左側が被投影側である。
【００５２】
各光学系の右端部に配置されている平板は、ＤＭＤ２のカバーガラスに相当する。なお、図１２中の矢印は、ズーム時のそれぞれ第１レンズ群Ｇｒ１，第２レンズ群Ｇｒ２，第３レンズ群Ｇｒ３のテレ端からワイド端への移動の様子を模式的に表したものである。また、同図はそのズーム時のテレ端の状態を示している。
【００５３】
各実施例において、ri(i=1,2,3...)は、被投影側又は光源５側から数えてi 番目の面及びその曲率半径(mm)を示し、di(i=1,2,3...)は、被投影側又は光源５側から数えてi 番目の軸上面間隔(mm)を示し、Ni(i=1,2,3...)，νi(i=1,2,3...) は、それぞれ被投影側又は光源５側から数えてi 番目のレンズのｄ線に対する屈折率，アッベ数を示す。なお、各実施例におけるＤＭＤ２のミラー回転角は±１０゜である。
【００５４】
また、実施例３中の投影光学系ＰＬの焦点距離ｆ，及びＦナンバーＦｂ、並びに第１レンズ群と第２レンズ群との間隔(d8)，第２レンズ群と第３レンズ群との間隔(d14)，及び第３レンズ群とそれ以降のレンズ系との間隔(d21)は、左から順に、テレ端（Ｔ），ミドル（Ｍ），ワイド端（Ｗ）でのそれぞれの値に対応している。なお、各実施例中、曲率半径に＊印を付した面は、非球面で構成された面である事を示し、非球面の面形状を表す式は、以下に定義する。
【００５５】
Ｘ＝Ｘ0＋ΣＡiＹi                          ・・・・・（ａ）
Ｘ0 ＝ＣＹ2／｛１＋（１−εＣ2Ｙ2）1/2｝   ・・・・・（ｂ）
但し、
Ｘ  ：光軸方向の基準面からの変位量（面頂点基準）
Ｙ  ：光軸と垂直な方向の高さ
Ｃ  ：近軸曲率
ε  ：２次曲面パラメータ
Ａi ：ｉ次の非球面係数
である。
【００５６】
《実施例１の照明光学系（ＩＬ）》
Xa=143mm, Fa=3.0, Ua=4.2#
[曲率半径] [軸上面間隔] [屈折率(Nd)] [アッベ数(νd)]
r1=  ∞
d1=  8.000   N1=1.52307   ν1= 58.57
r2*=-14.680
d2=  0.0
r3=  ∞(光束規制部材S1 φ21.4mm)
d3= 14.000
r4= 318.894
d4=  1.500   N2=1.75520   ν2= 27.53
r5=  23.100
d5= 12.000   N3=1.62041   ν3= 60.34
r6= -29.123
d6=  0.0
r7=  ∞(絞りSP1 φ24.43mm)
d7=100.000
r8=  ∞(光束規制部材S2 φ31.1mm)
d8=  0.0
r9=  39.739
d9=  5.000   N4=1.62041    ν4= 60.34
r10= ∞
d10=19.207   N5=1.51680    ν5= 64.20
r11= ∞
d11=19.601   N6=1.51680    ν6= 64.20
r12= ∞
d12= 3.404
r13= ∞
d13= 2.827   N7=1.47069    ν7= 67.39
r14= ∞
[第２面(r2)の非球面係数]
ε= 0.50000
【００５７】
《実施例１の投影光学系（ＰＬ）》
Xb=123mm, Fb=3.0, Ub=-4.4#, L=2.3f, f=10.604mm
[曲率半径] [軸上面間隔] [屈折率(Nd)] [アッベ数(νd)]
r1=  102.093
d1=  2.500   N1=1.49700   ν1= 81.61
r2=   18.897
d2=  5.200
r3=   24.049
d3=  3.500   N2=1.49300   ν2= 58.34
r4*=  14.977
d4= 35.000
r5=   ∞(光束規制部材S4 φ13.4mm)
d5=  0.0
r6=   22.125
d6=  1.700   N3=1.61800   ν3=63.39
r7=   10.676
d7=  1.600
r8=   13.113
d8=  3.000   N4=1.75520   ν4= 27.53
r9=  313.074
d9=  2.200
r10=  ∞(絞りSP2 φ8.32mm)
d10= 3.000
r11=  ∞(光束規制部材S3 φ9.2mm)
d11= 1.300
r12= -26.785
d12= 1.300   N5=1.75520   ν5= 27.53
r13=  15.268
d13= 5.200   N6=1.61800   ν6= 63.39
r14= -21.152
d14= 0.500
r15=-402.914
d15= 1.000   N7=1.68150   ν7= 36.64
r16=  21.671
d16= 3.000
r17= 663.887
d17= 4.000   N8=1.49310   ν8= 83.58
r18= -20.309
d18= 0.300
r19=  29.119
d19= 6.900   N9=1.49310   ν9= 83.58
r20= -29.298
d20= 3.000
r21=  ∞
d21=24.000   N10=1.51680  ν10=64.20
r22=  ∞
d22= 3.200
r23=  ∞
d23= 2.750   N11=1.47069  ν11=67.39
r24=  ∞
[第４面(r4)の非球面係数]
ε= 0.20000
A4=-0.16282×10-4
A6=-0.28393×10-7
A8=-0.86959×10-10
【００５８】
《実施例２の照明光学系（ＩＬ）》
Xa=243mm, Fa=3.0, Ua=6.1#
[曲率半径] [軸上面間隔] [屈折率(Nd)] [アッベ数(νd)]
r1=   ∞
d1=  8.000   N1=1.52307   ν1= 58.57
r2*= -14.186
d2=  0.0
r3=   ∞(光束規制部材S1 φ21.4mm)
d3= 14.000
r4=  273.434
d4=  1.800   N2=1.75520   ν2= 27.53
r5=   22.100
d5= 12.400   N3=1.62041   ν3= 60.34
r6=  -28.106
d6=  0.0
r7=   ∞(絞りSP1 φ24.4mm)
d7= 90.000
r8=   ∞(光束規制部材S2 φ30.6mm)
d8=  0.0
r9=   42.200
d9=  5.500   N4=1.62041    ν4= 60.34
r10=  ∞
d10=19.207   N5=1.51680    ν5= 64.20
r11=  ∞
d11=19.601   N6=1.51680    ν6= 64.20
r12=  ∞
d12= 3.404
r13=  ∞
d13= 2.827   N7=1.47069    ν7= 67.39
r14=  ∞
[第２面(r2)の非球面係数]
ε= 0.50000
【００５９】
《実施例２の投影光学系（ＰＬ）》
Xb=233mm, Fb=3.0, Ub=-6.4#, L=2.8f, f=10.6mm
[曲率半径] [軸上面間隔] [屈折率(Nd)] [アッベ数(νd)]
r1=  121.131
d1=  3.300   N1= 1.49700  ν1= 81.61
r2=   22.354
d2=  6.600
r3=   31.402
d3=  4.400   N2= 1.49300  ν2= 58.34
r4*=  17.982
d4= 45.300
r5=   ∞(光束規制部材S4 φ13.6mm)
d5=  0.0
r6=   26.817
d6=  2.300   N3= 1.61800  ν3= 63.39
r7=   13.161
d7=  2.000
r8=   16.406
d8=  3.200   N4= 1.75520  ν4= 27.53
r9= 8954.958
d9=  2.000
r10=  ∞(絞りSP2 φ9.06mm)
d10= 5.000
r11=  ∞(光束規制部材S3 φ10.6mm)
d11= 1.100
r12= -25.410
d12= 2.300   N5= 1.75520  ν5= 27.53
r13=  19.294
d13= 6.500   N6= 1.61800  ν6= 63.39
r14= -20.547
d14= 0.670
r15= 186.679
d15= 1.700   N7= 1.68150  ν7= 36.64
r16=  24.261
d16= 3.500
r17= 120.686
d17= 4.800   N8= 1.49310  ν8= 83.58
r18= -29.273
d18= 0.300
r19=  29.605
d19= 6.800   N9= 1.49310  ν9= 83.58
r20= -42.262
d20= 3.000
r21=  ∞
d21=24.000   N10=1.51680  ν10=64.20
r22=  ∞
d22= 3.200
r23=  ∞
d23= 2.750   N11=1.47069  ν11=67.39
r24=  ∞
[第４面(r4)の非球面係数]
ε= 0.20000
A4=-0.10852×10-4
A6=-0.15264×10-7
A8=-0.23190×10-10
【００６０】
《実施例３の投影光学系（ＰＬ）》
テレ端    Xb=113mm, Fb=4.0, Ub=-1.2#
ワイド端  Xb=113mm, Fb=4.0, Ub=-1.4#
f=32.28mm〜28.495mm〜24.856mm
[曲率半径] [軸上面間隔] [屈折率(Nd)] [アッベ数(νd)]
r1=   70.274
d1=  1.900   N1= 1.71300  ν1= 53.93
r2=   23.767
d2=  4.900
r3=  283.526
d3=  1.700   N2= 1.71300  ν2= 53.93
r4=   38.470
d4=  4.800
r5=  -91.051
d5=  1.700   N3= 1.71300  ν3= 53.93
r6=   68.457
d6=  0.900
r7=   51.780
d7=  4.600   N4= 1.7440   ν4= 44.93
r8=  -50.891
d8=  3.648〜10.129〜17.981
r9=  -55.047
d9=  1.700   N5= 1.76182  ν5= 26.61
r10=  78.453
d10= 3.800   N6= 1.71300  ν6= 53.93
r11= -40.154
d11= 0.300
r12=  34.181
d12= 3.500   N7= 1.71300  ν7= 53.93
r13=-533.561
d13= 0.0
r14=  ∞(光束規制部材S4 φ16.6mm)
d14= 8.292〜4.824〜1.700
r15=  ∞(絞りSP2 φ11.74mm)
d15= 3.000
r16=  31.585
d16= 3.000   N8= 1.76182   ν8= 26.61
r17= -88.687
d17= 1.200   N9= 1.62041   ν9= 60.29
r18=  42.918
d18= 0.500
r19=  ∞(光束規制部材S3 φ12.0mm)
d19= 3.800
r20= -83.988
d20= 1.500   N10=1.84666   ν10=23.78
r21=  39.900
d21= 7.000〜7.300〜7.000
r22=  63.188
d22= 2.600   N11=1.84666   ν11=23.78
r23=  25.353
d23= 4.000
r24= 136.107
d24= 4.300   N12=1.49310   ν12=83.58
r25= -31.287
d25= 0.240
r26=  31.760
d26= 5.500   N13=1.49310   ν13=83.58
r27= -82.575
d27= 7.300
r28=  ∞
d28=22.000   N14=1.51680   ν14=64.20
r29=  ∞
d29= 3.000
r30=  ∞
d30= 2.750   N15=1.50847   ν15=61.19
r31=  ∞
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、投影光学系の小型化，広角化が達成可能で、しかも高いコントラストの投影画像が得られる高性能の投影システムを提供する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の投影システムの一実施形態を示す光学構成図（ＯＮ状態）。
【図２】本発明の投影システムの一実施形態を示す光学構成図（ＯＦＦ状態）。
【図３】本発明の投影システムにおけるＤＭＤ近傍の光路を示す光学構成図（ＯＮ状態）。
【図４】本発明の投影システムにおけるＤＭＤ近傍の光路を示す光学構成図（ＯＦＦ状態）。
【図５】Ｕｐｐｅｒ  ｒａｙの方向の定義を示す模式図。
【図６】断面が鋸歯状のシートを接合したＴＩＲプリズムの作用の説明図。
【図７】照明光学系のＤＭＤ側のレンズが光軸に対して傾いた構成を示す図。
【図８】実施例１の照明光学系のレンズ構成を示す図。
【図９】実施例１の投影光学系のレンズ構成を示す図。
【図１０】実施例２の照明光学系のレンズ構成を示す図。
【図１１】実施例２の投影光学系のレンズ構成を示す図。
【図１２】実施例３の投影光学系のレンズ構成を示す図。
【図１３】投影システムの第１従来例を示す光学構成図。
【図１４】投影システムの第２従来例の要部を示す光学構成図（ＯＮ状態）。
【図１５】投影システムの第２従来例の要部を示す光学構成図（ＯＦＦ状態）。
【図１６】投影システムの第３従来例の要部を示す光学構成図（ＯＮ状態）。
【図１７】投影システムの第３従来例の要部を示す光学構成図（ＯＦＦ状態）。
【符号の説明】
２    ＤＭＤ
５    光源
６    インテグレータロッド
７，８    レンズ
９    リレーレンズ系
１０    側面
１１    シート
ＩＬ    照明光学系
ＰＬ    投影光学系
ＰＲ    ＴＩＲプリズム
Ｓ１〜Ｓ４    光束規制部材
ＳＰ    絞り
ＡＸ    光軸
【図１】
0004126853.tif 000002
【図２】
0004126853.tif 000003
【図３】
0004126853.tif 000004
【図４】
0004126853.tif 000005
【図５】
0004126853.tif 000006
【図６】
0004126853.tif 000007
【図７】
0004126853.tif 000008
【図８】
0004126853.tif 000009
【図９】
0004126853.tif 000010
【図１０】
0004126853.tif 000011
【図１１】
0004126853.tif 000012
【図１２】
0004126853.tif 000013
【図１３】
0004126853.tif 000014
【図１４】
0004126853.tif 000015
【図１５】
0004126853.tif 000016
【図１６】
0004126853.tif 000017
【図１７】
0004126853.tif 000018