(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表示パネルに導き、それにより照明された表示パネルの表示画像を投影光学系でスクリーンに投影する投影型表示装置であって、
前記光源からの光を集光して２次光源を形成する集光光学系と、前記２次光源近傍に入射端面を有し前記集光光学系で集光された光の空間的なエネルギー分布を均一化する光強度均一化手段と、その光強度均一化手段の入射端面近傍又は射出端面近傍でカラー表示のために射出光色を時分割で変化させるカラーフィルタと、前記光強度均一化手段の射出端面の像を前記表示パネルのパネル面上に形成する反射光学系と、を前記照明光学系に有し、
前記表示パネルが反射型であり、前記照明光学系が前記表示パネルのパネル面に対して斜め方向から照明を行い、前記投影光学系が前記表示パネル側に斜めテレセントリックであり、
前記反射光学系がパワーを有する光学面として第１，第２の凹面反射面のみを有し、前記第１の凹面反射面で前記２次光源から３次光源を形成し、前記第２の凹面反射面で前記３次光源からの光を前記投影光学系の入射瞳に導き、
前記表示パネルのパネル面の縦方向をy軸方向とし横方向をz軸方向とすると、前記第１，第２の凹面反射面のうちの少なくとも１面がy軸方向とz軸方向とにそれぞれ非対称な自由曲面形状を有し、
前記光強度均一化手段の射出端面の中心から前記表示パネルを通過し、前記投影光学系の入射瞳中心に至る光線が、前記自由曲面形状の凹面反射面に当たる点での曲率半径について、前記自由曲面形状を有する凹面反射面が以下の条件式(i)の関係を満足し、その自由曲面形状が面対称性を有しないことを特徴とする投影型表示装置；
|CRy|＜|CRz|  …(i)
ただし、
CRz：自由曲面形状を有する凹面反射面への入射光線と射出光線とを含む平面で切られる曲率半径、
CRy：自由曲面形状を有する凹面反射面への入射光線と射出光線とを含む平面に垂直であるとともに、その凹面反射面の法線ベクトルを含む平面で切られる曲率半径、
である。
【請求項２】
さらに、前記光強度均一化手段の光軸と前記投影光学系の光軸とが略平行になるように、又は前記光強度均一化手段の光軸方向と前記表示パネルのパネル面の法線方向とが略一致するように、前記第１の凹面反射面と前記第２の凹面反射面との間に平面反射面を有することを特徴とする請求項１記載の投影型表示装置。
【請求項３】
光源からの光を照明光学系で表示パネルに導き、それにより照明された表示パネルの表示画像を投影光学系でスクリーンに投影する投影型表示装置であって、
前記光源からの光を集光して２次光源を形成する集光光学系と、前記２次光源近傍に入射端面を有し前記集光光学系で集光された光の空間的なエネルギー分布を均一化する光強度均一化手段と、その光強度均一化手段の入射端面近傍又は射出端面近傍でカラー表示のために射出光色を時分割で変化させるカラーフィルタと、前記光強度均一化手段の射出端面の像を前記表示パネルのパネル面上に形成する反射光学系と、を前記照明光学系に有し、
前記表示パネルが反射型であり、前記照明光学系が前記表示パネルのパネル面に対して斜め方向から照明を行い、
前記反射光学系がパワーを有する光学面として第１，第２の凹面反射面のみを有し、さらに、前記光強度均一化手段の光軸と前記投影光学系の光軸とが略平行になるように、又は前記光強度均一化手段の光軸方向と前記表示パネルのパネル面の法線方向とが略一致するように、前記第１の凹面反射面と前記第２の凹面反射面との間に平面反射面を有し、前記第１の凹面反射面で前記２次光源から３次光源を形成し、前記第２の凹面反射面で前記３次光源からの光を前記投影光学系の入射瞳に導き、
前記表示パネルのパネル面の縦方向をy軸方向とし横方向をz軸方向とすると、前記第１，第２の凹面反射面のうちの少なくとも１面がy軸方向とz軸方向とにそれぞれ非対称な自由曲面形状を有し、
前記光強度均一化手段の射出端面の中心から前記表示パネルを通過し、前記投影光学系の入射瞳中心に至る光線が、前記自由曲面形状の凹面反射面に当たる点での曲率半径について、前記自由曲面形状を有する凹面反射面が以下の条件式(i)の関係を満足し、その自由曲面形状が面対称性を有しないことを特徴とする投影型表示装置；
|CRy|＜|CRz|  …(i)
ただし、
CRz：自由曲面形状を有する凹面反射面への入射光線と射出光線とを含む平面で切られる曲率半径、
CRy：自由曲面形状を有する凹面反射面への入射光線と射出光線とを含む平面に垂直であるとともに、その凹面反射面の法線ベクトルを含む平面で切られる曲率半径、
である。
【請求項４】
前記第１，第２の凹面反射面が、いずれもy軸方向とz軸方向とにそれぞれ非対称な自由曲面形状を有することを特徴とする請求項２又は３記載の投影型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は投影型表示装置に関するものであり、更に詳しくは、画像投影を行うための照明に反射型の照明光学系を備えた投影型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
投影型表示装置に用いられる反射型の表示パネルとして、デジタル・マイクロミラー・デバイス(Digital Micromirror Device)が知られている。デジタル・マイクロミラー・デバイスは複数のマイクロミラーを備えており、その長辺又は短辺に対し所定の傾き(例えば４５°)を持つ方向の軸を中心として、各マイクロミラーが回動可能に構成されている。画素毎のＯＮ／ＯＦＦ状態は、各マイクロミラーが２つの傾き状態(例えば±１２°)をとることにより得られる。マイクロミラーがＯＮ状態の場合には、反射された照明光が投影光学系の入射瞳に導かれた後、スクリーンに到達する。一方、マイクロミラーがＯＦＦ状態の場合には、反射された照明光が投影光学系の入射瞳位置とは異なる方向に反射されるため、スクリーンには何も表示されない。
【０００３】
上記のように動作するデジタル・マイクロミラー・デバイスを搭載した投影型表示装置では、デジタル・マイクロミラー・デバイスの画面全体に対して斜め方向から照明を行い、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した照明光が投影光学系の入射瞳に効率的に導かれるようにする必要がある。それとともに、ＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射した照明光が投影光学系の入射瞳に入らないようにする必要もある。そのため様々なタイプの照明光学系が従来より提案されており、例えば楕円ミラーやコンデンサレンズを備えた照明光学系が特許文献１で提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３１２１８４３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
照明光学系にレンズを用いると色収差が発生するので、それを補正するために部品点数が増大してしまう。反射面はレンズ面に比べて１面あたりに負担可能なパワーが大きいため、照明光学系に反射面を用いると部品点数を削減することができ、色収差も発生しない。しかし、特許文献１に記載されている照明光学系のようにレンズ面との組み合わせで反射面を用いると、照明光学系として十分な光学性能を得ることが難しくなり、結果として表示装置のコストアップや大型化を招くことになる。
【０００６】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、照明光学系に高い光学性能を有する、低コストでコンパクトな投影型表示装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の投影型表示装置は、光源からの光を照明光学系で表示パネルに導き、それにより照明された表示パネルの表示画像を投影光学系でスクリーンに投影する投影型表示装置であって、前記光源からの光を集光して２次光源を形成する集光光学系と、前記２次光源近傍に入射端面を有し前記集光光学系で集光された光の空間的なエネルギー分布を均一化する光強度均一化手段と、その光強度均一化手段の入射端面近傍又は射出端面近傍でカラー表示のために射出光色を時分割で変化させるカラーフィルタと、前記光強度均一化手段の射出端面の像を前記表示パネルのパネル面上に形成する反射光学系と、を前記照明光学系に有し、前記表示パネルが反射型であり、前記照明光学系が前記表示パネルのパネル面に対して斜め方向から照明を行い、前記投影光学系が前記表示パネル側に斜めテレセントリックであり、前記反射光学系がパワーを有する光学面として第１，第２の凹面反射面のみを有し、前記第１の凹面反射面で前記２次光源から３次光源を形成し、前記第２の凹面反射面で前記３次光源からの光を前記投影光学系の入射瞳に導き、前記表示パネルのパネル面の縦方向をy軸方向とし横方向をz軸方向とすると、前記第１，第２の凹面反射面のうちの少なくとも１面がy軸方向とz軸方向とにそれぞれ非対称な自由曲面形状を有し、前記光強度均一化手段の射出端面の中心から前記表示パネルを通過し、前記投影光学系の入射瞳中心に至る光線が、前記自由曲面形状の凹面反射面に当たる点での曲率半径について、前記自由曲面形状を有する凹面反射面が以下の条件式(i)の関係を満足し、その自由曲面形状が面対称性を有しないことを特徴とする。
|CRy|＜|CRz|  …(i)
ただし、
CRz：自由曲面形状を有する凹面反射面への入射光線と射出光線とを含む平面で切られる曲率半径、
CRy：自由曲面形状を有する凹面反射面への入射光線と射出光線とを含む平面に垂直であるとともに、その凹面反射面の法線ベクトルを含む平面で切られる曲率半径、
である。
【０００８】
第２の発明の投影型表示装置は、上記第１の発明の構成において、さらに、前記光強度均一化手段の光軸と前記投影光学系の光軸とが略平行になるように、又は前記光強度均一化手段の光軸方向と前記表示パネルのパネル面の法線方向とが略一致するように、前記第１の凹面反射面と前記第２の凹面反射面との間に平面反射面を有することを特徴とする。
【０００９】
第３の発明の投影型表示装置は、光源からの光を照明光学系で表示パネルに導き、それにより照明された表示パネルの表示画像を投影光学系でスクリーンに投影する投影型表示装置であって、前記光源からの光を集光して２次光源を形成する集光光学系と、前記２次光源近傍に入射端面を有し前記集光光学系で集光された光の空間的なエネルギー分布を均一化する光強度均一化手段と、その光強度均一化手段の入射端面近傍又は射出端面近傍でカラー表示のために射出光色を時分割で変化させるカラーフィルタと、前記光強度均一化手段の射出端面の像を前記表示パネルのパネル面上に形成する反射光学系と、を前記照明光学系に有し、前記表示パネルが反射型であり、前記照明光学系が前記表示パネルのパネル面に対して斜め方向から照明を行い、前記反射光学系がパワーを有する光学面として第１，第２の凹面反射面のみを有し、さらに、前記光強度均一化手段の光軸と前記投影光学系の光軸とが略平行になるように、又は前記光強度均一化手段の光軸方向と前記表示パネルのパネル面の法線方向とが略一致するように、前記第１の凹面反射面と前記第２の凹面反射面との間に平面反射面を有し、前記第１の凹面反射面で前記２次光源から３次光源を形成し、前記第２の凹面反射面で前記３次光源からの光を前記投影光学系の入射瞳に導き、前記表示パネルのパネル面の縦方向をy軸方向とし横方向をz軸方向とすると、前記第１，第２の凹面反射面のうちの少なくとも１面がy軸方向とz軸方向とにそれぞれ非対称な自由曲面形状を有し、前記光強度均一化手段の射出端面の中心から前記表示パネルを通過し、前記投影光学系の入射瞳中心に至る光線が、前記自由曲面形状の凹面反射面に当たる点での曲率半径について、前記自由曲面形状を有する凹面反射面が以下の条件式(i)の関係を満足し、その自由曲面形状が面対称性を有しないことを特徴とする。
|CRy|＜|CRz|  …(i)
ただし、
CRz：自由曲面形状を有する凹面反射面への入射光線と射出光線とを含む平面で切られる曲率半径、
CRy：自由曲面形状を有する凹面反射面への入射光線と射出光線とを含む平面に垂直であるとともに、その凹面反射面の法線ベクトルを含む平面で切られる曲率半径、
である。
【００１０】
第４の発明の投影型表示装置は、上記第２又は第３の発明の構成において、前記第１，第２の凹面反射面が、いずれもy軸方向とz軸方向とにそれぞれ非対称な自由曲面形状を有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施した投影型表示装置を、図面を参照しつつ説明する。図１〜図４に、投影型表示装置の一実施の形態を示す。図１は表示装置全系の概略光学構成を示す斜視図であり、図２〜図４はその主要部を示す斜視図，下面図，側面図である。図１〜図４において、LAは光源ランプ、L1は光源、L2は楕円リフレクタ、RIはロッドインテグレータ、CWはカラーホイール、M1〜M8は第１〜第８ミラー、SLは照明系瞳、SPは投影系瞳、PAは表示パネル、OPは光学エンジン部、SCはスクリーンである。なお、ここでは表示パネル(PA)としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを想定しているが、これに限らない。後述する投影光学系(PL)に適した他の非発光・反射型(又は透過型)の表示素子やライトバルブ(液晶表示素子等)を用いても構わない。
【００１２】
図１に示すように、光源ランプ(LA)から第７ミラー(M7)までが投影型表示装置の主要部を成す光学エンジン部(OP)である。その光学エンジン部(OP)において、図２〜図４に示すように、楕円リフレクタ(L2)と、ロッドインテグレータ(RI)と、カラーホイール(CW)と、第１〜第３ミラー(M1〜M3)とから成る照明光学系により、光源(L1)からの光が表示パネル(PA)に導かれる。その主要部を図５に光路展開して示す。図５は、反射型の光学要素を透過型に置き換えて、そのレイアウトと光線の通過を概略的に表現したものである。照明光学系により照明された表示パネル(PA)の表示画像は、第４〜第８ミラー(M4〜M8)から成る投影光学系(PL，図５)によってスクリーン(SC)に投影される。
【００１３】
各部の構成を更に詳しく説明する。図２〜図４に示すように、光源ランプ(LA)は、光源(L1)と楕円リフレクタ(L2)とから成っている。楕円リフレクタ(L2)は、光源(L1)からの光を集光して２次光源を形成する集光光学系であり、光源ランプ(LA)から射出した光がロッドインテグレータ(RI)の入射端面(t1)近傍で結像するように構成されている。なお、楕円リフレクタ(L2)の代わりに回転放物面鏡や球面鏡等を用いてもよいが、その場合、光源(L1)からの光を集光するために、集光レンズ等と組み合わせて集光光学系を構成する必要がある。
【００１４】
光源ランプ(LA)から射出した光は、ロッドインテグレータ(RI)に入射する。ロッドインテグレータ(RI)は、４枚の平面ミラーを貼り合わせて成る中空ロッド方式の光強度均一化手段であり、上述したように２次光源近傍に入射端面(t1)を有している。入射端面(t1)から入射してきた光は、ロッドインテグレータ(RI)の側面(すなわち内壁面)で何度も繰り返し反射されることによりミキシングされ、光の空間的なエネルギー分布が均一化されて射出端面(t2)から射出する。ロッドインテグレータ(RI)の入射端面(t1)と射出端面(t2)の形状は、表示パネル(PA)と相似の四角形になっている。また図５から分かるように、ロッドインテグレータ(RI)の入射端面(t1)は照明系瞳(SL)に対して共役になっており、ロッドインテグレータ(RI)の射出端面(T2)は表示パネル(PA)のパネル面に対して共役になっている。上記ミキシング効果により射出端面(t2)での輝度分布は均一化されるため、表示パネル(PA)は効率良く均一に照明されることになる。なお、ロッドインテグレータ(RI)は中空ロッドに限らず、四角柱形状のガラス体から成るガラスロッドでもよい。また、表示パネル(PA)のパネル面形状と適合するならば、その側面についても４面に限らない。したがって、用いるロッドインテグレータ(RI)としては、複数枚の反射ミラーを組み合わせて成る中空筒体、多角柱形状のガラス体等が挙げられる。
【００１５】
ロッドインテグレータ(RI)の射出端面(t2)の近傍には、カラー表示のために射出光色を時分割で変化させるカラーホイール(CW)が配置されている。カラーホイール(CW)は、表示パネル(PA)をカラーシーケンシャル方式で照明するためのカラーフィルタから成っており、照明光透過位置のフィルタ部分が回転移動することにより射出光の色を変化させる。なお、カラーホイール(CW)の位置は、ロッドインテグレータ(RI)の射出端面(t2)の近傍に限らない。その位置は他の光学要素の配置等に応じて設定すればよく、例えばロッドインテグレータ(RI)の入射端面(t1)の近傍にカラーホイール(CW)を配置してもよい。またさらに、ＵＶ(ultraviolet ray)−ＩＲ(infrared ray)カットフィルターを配置することにより、照明光から紫外線と赤外線をカットするように構成してもよい。
【００１６】
カラーホイール(CW)を射出した光は、第１〜第３ミラー(M1〜M3)から成る反射光学系に入射する。そして、反射光学系がロッドインテグレータ(RI)の射出端面(t2)の像を表示パネル(PA)のパネル面上に形成する。その結像を行うためのパワーは、第１，第３ミラー(M1,M3)が負担している。つまり、第１，第３ミラー(M1,M3)の各反射面が凹面反射面になっており、第２ミラー(M2)の反射面が平面反射面になっている。第１ミラー(M1)の凹面反射面によって、ロッドインテグレータ(RI)の入射端面(t1)近傍の２次光源が再結像して、照明系瞳(SL)位置近傍に３次光源が形成される。３次光源からの光は、第３ミラー(M3)の凹面反射面によって表示パネル(PA)に導かれる。表示パネル(PA)に入射した光は、ＯＮ／ＯＦＦ状態(例えば±１２°の傾き状態)の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に強度変調される。その際、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光のみが、第４〜第８ミラー(M4〜M8)から成る投影光学系(PL)に入射し、第３ミラー(M3)の凹面反射面のパワーによって投影光学系(PL)の入射瞳(SP)に効率良く導かれる。そして、投影光学系(PL)によりスクリーン(SC)に投射される。
【００１７】
この実施の形態においては、上記のようにパワーを有する光学面として２つの凹面反射面のみを反射光学系に有する構成になっている。このため、照明光学系の部品点数の削減とコンパクト化を達成することが可能であり、色収差が発生しないため色ムラの発生もなく、照度低下を抑えることができる。したがって、良好な光学性能を保持しつつ、コンパクトで量産性やコスト面で有利な光学部品を用いることが可能となり、表示装置の低コスト化・コンパクト化・高性能化を達成することが可能となる。
【００１８】
また、図５に示す光路から分かるように、投影光学系(PL)は表示パネル(PA)側に斜めテレセントリックな構成になっている。テレセントリックな光学系の場合、表示パネルから投影光学系への入射光線のうち、各像高からの光束の主光線同士が略平行になるように設計され、これにより照明光学系・投影光学系共に大きさを略等しくすることが可能となる。しかし、投影光学系にかかる光学的な負担は大きくなるため、光学性能を満足させようとするとレンズ枚数が増加する等のデメリットがある。この実施の形態のように、照明光学系においてパワーを有する光学素子として、凹面反射面を有する２枚のミラー(M1,M3)を用いれば、原理的に最少枚数の照明光学系を構成することができるため、表示パネル(PA)側にテレセントリックな投影光学系(PL)向きの照明光学系を構成することができる。そして、反射面数が少ないために反射ロスが低減され、明るい表示を得ることが可能となる。
【００１９】
この実施の形態の場合、ロッドインテグレータ(RI)の射出端面(t2)と照明系瞳(SL)との間にリレーレンズ機能を有する第１ミラー(M1)を配置して、ロッドインテグレータ(RI)の入射端面(t1)と照明系瞳(SL)とが共役になるように第１ミラー(M1)のパワーが設定されている。また、照明系瞳(SL)と表示パネル(PA)との間にコンデンサレンズ機能を有する第３ミラー(M3)を配置して、投影系瞳(SP)よりも表示パネル(PA)側に位置する第４ミラー(M4)と合わせて、照明系瞳(SL)と投影系瞳(SP)とが共役になるように第３ミラー(M3)のパワーが設定されている。それとともに、リレーレンズ機能を有する第１ミラー(M1)とコンデンサレンズ機能を有する第３ミラー(M3)とで、ロッドインテグレータ(RI)の射出端面(t2)と表示パネル(PA)のパネル面とが共役になるように設定されている。この構成によると、ロッドインテグレータ(RI)の射出端面(t2)から出た光を、小型の表示パネル(PA)に効率的に導いて、そのパネル面からの反射光を投影光学系(PL)に効率的に導くことができる。したがって、照明光学系において高い光学性能を保持しながら照度低下を少なくすることが可能となり、しかも表示装置の低コスト化・コンパクト化を達成することができる。
【００２０】
また、凹面反射面を有する第１，第３ミラー(M1,M3)間において、平面反射面を有する第２ミラー(M2)が、ロッドインテグレータ(RI)の光軸方向と表示パネル(PA)のパネル面の法線方向とが略一致するように、光路を折り曲げる構成になっている。このように、ロッドインテグレータ(RI)の光軸方向と表示パネル(PA)のパネル面の法線方向とが略一致するように、又はロッドインテグレータ(RI)の光軸と投影光学系(PL)の光軸とが略平行になるように、２つの凹面反射面の間に平面反射面を有することが望ましい。第１，第３ミラー(M1,M3)間で光路を折り曲げることにより、表示装置全体の光学構成をコンパクト化することが可能となり、さらに設計基準軸の共通化による誤差の低減、位置調整の簡素化、レイアウトの自由度の確保等が可能となる。また、第１，第３ミラー(M1,M3)を一部品化することにより、２つの凹面反射面を１つの部品に一体化することが好ましく、これにより部品点数の削減、誤差の低減及び精度の向上を達成することが可能となる。
【００２１】
第１，第３ミラー(M1,M3)に設けられている凹面反射面はいずれも自由曲面形状を成している。この実施の形態のように反射面のパワーのみで照明光学系を構成する場合には、そのうちの少なくとも１面を自由曲面にすれば、それに応じた照明効率の向上が可能となる。例えば、表示パネル(PA)としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合、パネル面に対する斜め照明が必須となるが、自由曲面を用いれば斜め照明に際しても歪曲等の収差を良好に補正することができる。それにより、投影光学系(PL)の入射瞳(SP)に向けて効率的に光を導いて、表示を明るくすることができる。つまり、ロッドインテグレータ(RI)の射出端面(t2)に対して共役な表示パネル(PA)への結像性能(例えばボケや歪曲)を高めることができるので、表示パネル(PA)での反射光を投影光学系(PL)の入射瞳(SP)に効率的に集めて、照明効率を上げることが可能となるのである。また、画面中の位置による照度変化も少なくできるので、明るさムラの低減も可能となる。
【００２２】
この実施の形態において第１，第３ミラー(M1,M3)の凹面反射面を自由曲面形状にしているのは、表示パネル(PA)に最も近い凹面反射面やロッドインテグレータ(RI)の射出端面(t2)に最も近い凹面反射面を自由曲面形状にすることが、上記照明効率の向上や明るさムラの低減を達成する上で有効だからである。表示パネル(PA)としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合、表示パネル(PA)に最も近い凹面反射面を自由曲面にすると、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した照明光を効率良く投影系瞳(SP)に導くことができる。したがって、照明効率の向上や明るさムラの低減を効果的に達成することが可能である。また、ロッドインテグレータ(RI)の射出端面(t2)に最も近い凹面反射面を自由曲面形状にすると、射出端面(t2)を表示パネル(PA)上で結像させる際の収差補正を良好に行うことが可能となる。それによって、歪曲やボケの低減による照明効率の向上を更に効果的に達成することができる。
【００２３】
また、表示パネル(PA)のパネル面の縦方向をy軸方向とし横方向をz軸方向とすると、第１，第３ミラー(M1,M3)の凹面反射面は、いずれもy軸方向とz軸方向とにそれぞれ非対称な自由曲面形状を有している。このように、反射光学系を構成する凹面反射面のうちの少なくとも１面は、y軸方向とz軸方向とにそれぞれ非対称な自由曲面形状を有することが望ましい。こうすることで、その凹面反射面に当たる位置によって光線の反射方向を制御しやすくなるため、結像や歪曲の光学性能を向上させることができる。また本実施の形態の場合、図３や図４から分かるように、物体面{ロッドインテグレータ(RI)の射出端面(t2)}と像面{表示パネル(PA)のパネル面}とが主にz軸方向に大きくなっており、各凹面反射面の自由曲面もそのレイアウトを反映した形状で最適化されている。
【００２４】
さらに、ロッドインテグレータ(RI)の射出端面(t2)の中心から表示パネル(PA)を通過し、投影光学系(PL)の入射瞳(SP)中心に至る光線が、自由曲面形状の凹面反射面に当たる点での曲率半径について、自由曲面形状を有する凹面反射面が以下の条件式(i)の関係を満足し、その自由曲面形状が面対称性を有しないことが望ましい。この構成によると、光学性能の向上を図り、歪曲を減少させたり、結像性能を向上させたりすることが可能になる。ひいては、照明効率を高めることが可能になる。
|CRy|＜|CRz|  …(i)
ただし、
CRz：自由曲面形状を有する凹面反射面への入射光線と射出光線とを含む平面で切られる曲率半径、
CRy：自由曲面形状を有する凹面反射面への入射光線と射出光線とを含む平面に垂直であるとともに、その凹面反射面の法線ベクトルを含む平面で切られる曲率半径、
である。
【００２５】
各ミラー(M1〜M8)の反射面を構成する基板材料としては、ガラス，プラスチック，金属，セラミック等、いずれの材料を用いてもよく、必要に応じたものを用いればよい。例えば、温度変化による結像性能の劣化を防ぐには、ガラス等の形状変化の少ない材料が好ましく、コストを低減するには、ＰＭＭＡ(polymethyl methacrylate)，ＰＣ(polycarbonate)等のプラスチック材料が好ましい。照明効率を高くするには基板上に反射率の高いコートを施す必要があり、具体的にはAl(アルミニウム)やAg(銀)等の金属反射薄膜を形成したり、誘電体をコートした増反射膜を形成したりすればよい。また、数十層の誘電体から成る多層膜をコートしてもよい。その場合、金属膜とは異なり、金属による光吸収がないため、使用時にも吸収光が熱に変わるといった不具合がないので好ましい。また、反射面の可視光での反射率は、概ね９０％以上の反射率があることが好ましい。
【００２６】
【実施例】
次に、前述した照明光学系の光学構成を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。以下のコンストラクションデータでは、ロッドインテグレータ(RI)の射出端面(t2)から表示パネル(PA)のパネル面までを含めた系において、光源(L1)側から順に各光学要素の配置，面形状等の光学データを示している。各光学要素の配置は、その光学面の面頂点をローカルな直交座標系(x,y,z)の原点(o)として、グローバルな直交座標系(X,Y,Z)におけるローカルな直交座標系(x,y,z)の原点(o)とx軸，y軸の座標軸ベクトル(vx,vy)の座標データ(X,Y,Z)で表される(単位：mm)。また、２面以上の光学面から成る共軸系の光学要素については、その入射側の光学面に対する軸上面間隔(T'，mm)で表される。したがって、共軸系ブロックにおける回転対称軸の方向は、原点(o)での面法線ベクトル(vx)の座標データ(X,Y,Z)で表される。
【００２７】
各光学要素の面形状は、光学面の曲率(C0，mm-1)で表され、自由曲面の場合、その面頂点を原点(o)とするローカルな直交座標系(x,y,z)を用いた、以下の拡張非球面の式(FS)で定義される。また、各光学面の入射側に位置する媒質のｄ線に対する屈折率(N)、射出側に位置する媒質のｄ線に対する屈折率(N')、及び光学材料のアッベ数(νd)をあわせて示し、必要に応じて光学面の有効半径(R)も示す。
【００２８】
x＝(C0・h2)／{1+√(1-ε・C02・h2)}＋Σ{G(j,k)・yj・zk}  …(FS)
ただし、式(FS)中、
x：高さhの位置でのx軸方向の基準面からの変位量(面頂点基準)、
h：x軸に対して垂直な方向の高さ(h2=y2+z2)、
C0：面頂点での曲率(正負はx軸に対するものであり、正の場合その曲率中心がベクトルvx上の正方向に存在する。)、
ε：２次曲面パラメータ、
G(j,k)：yのj次、zのk次の拡張非球面係数(表記されていない項の係数は0である。)、
である。
【００２９】
〈ロッドインテグレータ(RI)の射出端面(t2)〉
ロッドサイズ(中空)：3.9mm(縦)×6.7mm(横)×35mm(長さ)
o :(  -14.02584 ,   12.00438 ,  -76.96887)
vx:(-1.00000000 , 0.00000000 , 0.00000000)
vy:( 0.00000000 ,-0.99838995 ,-0.05672304)
N=1.00000
C0=0.00000000
N'=1.00000
【００３０】
〈第１ミラー(M1)の凹面反射面〉
o :(  -46.47675 ,   12.00438 ,  -76.96887)
vx:(-1.00000000 , 0.00000000 , 0.00000000)
vy:( 0.00000000 ,-0.99838995 ,-0.05672304)
N=1.00000
C0=0.00000000
ε=1.00000000
G(1,0)= 0.000306699905
G(2,0)=-0.00908106398
G(3,0)=-8.07892955×10-7
G(4,0)=-1.98717695×10-6
G(5,0)= 1.08512241×10-8
G(6,0)= 5.58684963×10-9
G(7,0)=-3.34949549×10-11
G(8,0)=-4.91483340×10-12
G(0,1)= 0.329970530
G(1,1)= 0.000231084778
G(2,1)= 0.000105566790
G(3,1)=-6.04445485×10-8
G(4,1)= 1.65959977×10-7
G(5,1)= 1.77506594×10-9
G(6,1)=-5.46257539×10-10
G(7,1)= 1.22613569×10-12
G(0,2)=-0.00914828809
G(1,2)=-3.36307029×10-6
G(2,2)=-3.79663012×10-6
G(3,2)= 5.24678841×10-8
G(4,2)= 2.92382569×10-9
G(5,2)=-2.62911765×10-10
G(6,2)= 4.72402181×10-12
G(0,3)= 8.05884647×10-5
G(1,3)= 8.31497717×10-8
G(2,3)=-8.33084401×10-8
G(3,3)=-2.32070916×10-9
G(4,3)= 3.34976119×10-10
G(5,3)= 9.96252911×10-12
G(0,4)=-2.36232594×10-6
G(1,4)= 3.33590529×10-8
G(2,4)= 4.93651852×10-9
G(3,4)=-2.69043165×10-11
G(4,4)=-2.72594071×10-11
G(0,5)= 9.08689438×10-8
G(1,5)=-8.86313676×10-10
G(2,5)= 1.71838290×10-10
G(3,5)= 2.57328687×10-12
G(0,6)=-2.79012040×10-10
G(1,6)=-7.54028329×10-11
G(2,6)=-6.20207234×10-12
G(0,7)=-1.08926425×10-10
G(1,7)= 2.60400479×10-12
G(0,8)= 2.15734871×10-12
N'=-1.00000
【００３１】
〈第２ミラー(M2)の平面反射面〉
o :(  -10.00000 ,   10.44701 ,  -50.00000)
vx:( 0.94507308 , 0.30159769 ,-0.12599885)
vy:( 0.29066098 ,-0.95178425 ,-0.09809659)
N=1.00000
C0=0.00000000
N'=-1.00000
【００３２】
〈照明系瞳(SL)〉
o :(  -21.12051 ,    0.11765 ,  -32.15182)
vx:(-0.48205523 ,-0.44754084 , 0.75321309)
vy:( 0.21295825 ,-0.89376373 ,-0.39475965)
N=1.00000
C0=0.00000000(R=15)
N'=1.00000
【００３３】
〈第３ミラー(M3)の凹面反射面〉
o :(  -50.00020 ,  -27.01956 ,   14.90964)
vx:(-0.70351808 ,-0.46400538 , 0.53829483)
vy:( 0.33768245 ,-0.88472575 ,-0.32129566)
N=1.00000
C0=0.00000000
ε=1.00000000
G(1,0)=-0.0165717437
G(2,0)=-0.00358908679
G(3,0)=-2.96168772×10-6
G(4,0)=-8.41908290×10-7
G(5,0)= 1.09778063×10-7
G(6,0)= 5.62907582×10-9
G(7,0)=-3.56648227×10-10
G(8,0)=-1.75864361×10-11
G(0,1)=-0.00730596825
G(1,1)=-0.000573447332
G(2,1)=-2.26990751×10-5
G(3,1)=-5.87353269×10-7
G(4,1)=-4.21148102×10-9
G(5,1)= 3.90388810×10-9
G(6,1)=-8.27699273×10-11
G(7,1)=-1.20079976×10-11
G(0,2)=-0.00318395834
G(1,2)= 9.26292117×10-7
G(2,2)=-8.57133481×10-7
G(3,2)=-1.15650143×10-7
G(4,2)=-3.34437629×10-9
G(5,2)= 4.84297082×10-10
G(6,2)= 2.47858612×10-11
G(0,3)=-1.26500601×10-5
G(1,3)= 4.53962253×10-7
G(2,3)=-5.34439218×10-9
G(3,3)= 2.07178981×10-9
G(4,3)= 5.26613238×10-10
G(5,3)= 2.04221150×10-11
G(0,4)=-6.68600297×10-7
G(1,4)=-7.24724659×10-9
G(2,4)= 5.29717438×10-9
G(3,4)=-1.84848215×10-11
G(4,4)= 7.58382766×10-12
G(0,5)= 9.43218162×10-9
G(1,5)=-1.74670419×10-9
G(2,5)=-6.08190477×10-11
G(3,5)=-1.88709489×10-11
G(0,6)= 1.34128868×10-9
G(1,6)= 1.25465294×10-11
G(2,6)=-1.36776768×10-11
G(0,7)=-1.22396504×10-12
G(1,7)= 1.49699829×10-12
G(0,8)=-5.01105893×10-13
N'=-1.00000
【００３４】
〈表示パネル(PA)の保護ガラス〉
o :(   -3.47000 ,    0.00000 ,    0.00000)
vx:( 1.00000000 , 0.00000000 , 0.00000000)
vy:( 0.00000000 ,-0.99838995 ,-0.05672304)
(入射側面)
N=1.00000
C0=0.00000000
N'=1.51872(νd=64.20)
T'=3
(射出側面)
N=1.51872(νd=64.20)
C0=0.00000000
N'=1.00000
【００３５】
〈表示パネル(PA)のパネル面〉
パネル面サイズ：10.3mm(縦)×17.6mm(横)
o :(    0.00000 ,    0.00000 ,    0.00000)
vx:( 1.00000000 , 0.00000000 , 0.00000000)
vy:( 0.00000000 , 1.00000000 , 0.00000000)
N=1.00000
C0=0.00000000
N'=1.00000
【００３６】
図６に第１ミラー(M1)の凹面反射面の自由曲面形状を示し、図７に第３ミラー(M3)の凹面反射面の自由曲面形状を示す。図６と図７のグラフは、各凹面反射面の自由曲面形状を、基準とする球面からの変位量が最小となるような曲率半径の球面を選んでプロットしたものであり、図６では曲率半径-187.03mmの球面からの変位量を0.75mmピッチで示しており、図７では曲率半径-68.96mmの球面からの変位量を0.25mmピッチで示している。各グラフ中、−の符号の部分が凹面を表しており、＋の符号の部分が凸面を表している。また、図８に表示パネル(PA)のパネル面上での照明光の反射状態を示し{ゼブラ模様部分がデジタル・マイクロミラー・デバイスのパネル面のエリアである。}、図９に表示パネル(PA)のパネル面上での照度分布を示し、図１０にスクリーン(SC)上での照度分布を示す。
【００３７】
ここで、自由曲面形状の非対称性について具体的に説明する。物体面であるロッドインテグレータ(RI)の射出端面(t2)の中心から射出され、照明系瞳(SL)の略中心を通過し、像面である表示パネル(PA)のパネル面の中心に達する光線を主光線とすると、本実施例ではその主光線が通過する各面での位置が、各面のローカル座標(x,y,z)の原点(o)近傍を通過するように設計されている。そこで、y軸，z軸の各方向について各自由曲面の原点(o)近傍の曲率半径CRy，CRzを求めると、以下のようになる。
第１ミラー(M1)  …  CRy= -55.06，CRz= -63.82
第３ミラー(M3)  …  CRy=-139.37，CRz=-157.05
【００３８】
いずれも自由曲面であるためy軸方向とz軸方向とで曲率半径は異なっているが、偏心方向(z軸方向)に比べてy軸方向の曲率半径(絶対値)は明らかに小さくなっていることが分かる。したがって、物体面(t2)の中心から照明系瞳(SL)の中心を通る主光線が各面を通過する位置では、以下の式(I)が成り立つといえる。
｜偏心している方向の曲率半径｜＞｜偏心している方向に垂直な方向の曲率半径｜  …(I)。
【００３９】
更に厳密に言えば、物体面(t2)の中心から縦方向(すなわちy軸方向)に微少にずらした点から照明系瞳(SL)の中心を通過し、像面{すなわち表示パネル(PA)のパネル面}に至る光線が各面を通過する位置をPyとし、前記主光線が各面を通過する位置をP0とすると、各面のローカル座標系のy軸方向を、その面の法線ベクトルに垂直な面に射影した点P0から点Pyへのベクトルの方向にとり(z軸方向は法線ベクトルとy軸ベクトルから求まる。)、かつ、像面の横方向(像面座標＝グローバル座標系でZ軸方向)に主に偏心した光学系とすると、以下の式(II)が成り立つといえる。
｜各ローカル座標系のy軸方向の曲率半径｜＜｜各ローカル座標系のz軸方向の曲率半径｜  …(II)
【００４０】
本実施例では、像面座標(＝グローバル座標系)のy軸方向ベクトルと各面のローカル座標の法線ベクトルとを含む面内で、その法線ベクトルに垂直なベクトルを各面のローカル座標系のy軸方向としているが、前記のようなローカル座標系のy軸方向の取り方をする場合には、条件式(II)を使用すれば差し支えない。また、別法として、主光線が各面を通過した際の、入射光線と射出光線との２本の光線の角の２等分線上に入射光線の進む向きに面の法線ベクトルをとり、その法線ベクトルに垂直で、かつ、入射光線と射出光線とを含む面に垂直な方向にローカル座標系のy軸方向を、更にその法線ベクトルとy軸ベクトルに垂直な方向にz軸方向をとり、そのy軸方向とz軸方向のそれぞれの曲率半径の間に条件式(II)の関係が満たされるように光学系を構成するのがよい。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、反射光学系がパワーを有する光学面として第１，第２の凹面反射面のみを有し、第１の凹面反射面で２次光源から３次光源を形成し、第２の凹面反射面で３次光源からの光を投影光学系の入射瞳に効率良く導く構成になっているため、照明光学系に高い光学性能を保持しながら、投影型表示装置の低コスト化及びコンパクト化を達成することができる。さらに、非対称性を有する自由曲面形状の凹面反射面を用いれば、照明効率の向上や明るさムラの低減を効果的に達成することが可能であり、第１，第２の凹面反射面間に平面反射面を設ければ、表示装置全体の光学構成をコンパクト化することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る投影型表示装置の全系を示す斜視図。
【図２】本発明に係る投影型表示装置の要部概略構成を示す斜視図。
【図３】本発明に係る投影型表示装置の要部概略構成を示す下面図。
【図４】本発明に係る投影型表示装置の要部概略構成を示す側面図。
【図５】図１〜図４の表示装置における光学エンジン部の主要部を光路展開状態で示す光学構成図。
【図６】図１〜図４の表示装置において照明光学系に用いられている第１ミラーの自由曲面反射面形状を示すグラフ。
【図７】図１〜図４の表示装置において照明光学系に用いられている第３ミラーの自由曲面反射面形状を示すグラフ。
【図８】図１〜図４の表示装置における表示パネル面上での照明光の反射状態を示す図。
【図９】図１〜図４の表示装置における表示パネル面上での照度分布を示す図。
【図１０】図１〜図４の表示装置におけるスクリーン面上での照度分布を示す図。
【符号の説明】
OP  …光学エンジン部
LA  …光源ランプ
L1  …光源
L2  …楕円リフレクタ(集光光学系)
RI  …ロッドインテグレータ
t1  …入射端面
t2  …射出端面
CW  …カラーホイール(カラーフィルタ)
M1  …第１ミラー(第１の凹面反射面，反射光学系)
M2  …第２ミラー(平面反射面，反射光学系)
M3  …第３ミラー(第２の凹面反射面，反射光学系)
M4〜M8  …第４〜第８ミラー(投影光学系)
PL  …投影光学系
SL  …照明系瞳
SP  …投影系瞳
PA  …表示パネル
SC  …スクリーン
【図１】
0004066773.tif 000002
【図２】
0004066773.tif 000003
【図３】
0004066773.tif 000004
【図４】
0004066773.tif 000005
【図５】
0004066773.tif 000006
【図６】
0004066773.tif 000007
【図７】
0004066773.tif 000008
【図８】
0004066773.tif 000009
【図９】
0004066773.tif 000010
【図１０】
0004066773.tif 000011