JP7505334B2 - 画像投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像投影装置に関する。

今日、様々な映像を拡大投影するプロジェクタ（画像投射装置）が広く普及している。プロジェクタは、光源から出射された光をＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）または液晶表示素子といった空間光変調素子（画像表示素子）に集光させ、映像信号に基づいて変調された空間光変調素子からの出射光（反射光）をスクリーン上にカラー映像として表示させる装置である。

従来、プロジェクタには、主に高輝度の超高圧水銀ランプ等が用いられてきたが、寿命が短くメンテナンスを頻繁に行う必要があり、有害物質である水銀の使用を抑えて環境側面に関しても配慮する必要があるために、レーザ光源またはＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源等の固体光源の使用に移行しつつある。レーザ光源またはＬＥＤ光源は、寿命が長く、その単色性により色再現性もよいため、今後超高圧水銀ランプを搭載したプロジェクタは特殊な用途でのみ使用されることとなり、市場の大部分のプロジェクタは固体光源に切り替わってくる。

また、ＤＭＤの解像性能に関しても、従来のＸＧＡ（ｅＸｔｅｎｄｅｄ Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ａｒｒａｙ）から、ＳＸＧＡ（Ｓｕｐｅｒ ｅＸｔｅｎｄｅｄ Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ａｒｒａｙ）と高画素化が進み、現在はフルＨＤ（Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）から４Ｋに移りつつある。一部であるが８Ｋ等の製品も現れていて、近い将来４Ｋ、８Ｋが主流となると言われている。この４Ｋおよび８Ｋに対応するためには、上述した空間光変調素子の高解像化が不可欠である。高解像化のためには、空間光変調素子を構成する一つの画素サイズが同じであれば、画素数に応じて空間光変調素子のサイズを大きくする必要がある。当該サイズを大きくすると、そのサイズに応じて、投射レンズのイメージサークルを大きくする必要があり、投射レンズが大きくなる傾向となる。その結果、プロジェクタの肥大化につながる。

一方、空間光変調素子のサイズの拡大を抑えながら、高解像化を実現する技術も開発されており、その中の技術の一つとして、いわゆる画素ずらしがある。例えば、画素ずらしは、投射光路中に平行平板を配置し、その平行平板を傾斜して投射光路をシフトすることによって実現される。しかしながら、この平行平板は有限の厚みあるため、空間光変調素子と投射レンズとの間に配置する場合、投射レンズのバックフォーカスを一定程度確保する必要があり、投射光学系全体の占める割合も大きくなる傾向がある。

以上のように、空間光変調素子の高解像化に伴って、そのサイズが大きくなることに起因して投射光学系が大きくなること、また、画素ずらしを実現するための平行平板を配置するためにバックフォーカスを長くする必要があるので投射光学系の占める容積が増大し、プロジェクタが大きくなるという傾向がある。このように投射光学系が大きくなると、空間光変調素子のオフ光または迷光等が投射光学系に入り込み、コントラストが低下してしまうという問題がある。

上述のようなオフ光および迷光に対処する技術として、二次元的に配列された複数のミラーの各々をオンとオフとの状態をとることにより変調画像を生成し、その画像を表示する画像表示装置において、オフ光の一部は、投射レンズの鏡筒の一部に設けた反射部で反射させて当該鏡筒の発熱を抑えたり、反射光が到達する先に光吸収部材で迷光を防ぐ技術が開示されている（例えば特許文献１）。

また、オフ光の投影光学系内への入射を防止するために、ＤＭＤから照明光学系のＤＭＤ側の瞳までの距離と、ＤＭＤの光軸位置から最軸外位置までの距離と、ＤＭＤを構成しているマイクロミラーの回転角とを規定した技術が開示されている（例えば特許文献２）。

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、たとえ光吸収部材があったとしても１００［％］完全に迷光を吸収することはなく、少なからず迷光は投射系に入り込むことになる。そもそも、オフ光を、鏡筒を含めた投射光学系に当てる前提の位置関係となっていて、オフ光を投射光学系に入り込むことを防ぐことはできず、コントラストを確保するには十分ではないという問題がある。また、空間光変調素子のサイズと投射光学系のバックフォーカスとの関係などは一切開示されていない。

また、特許文献２に記載された技術では、照明光学系のＦ値が異なる場合、およびＤＭＤの振れ角が異なる場合に関しては何ら開示しておらず、ＤＭＤの振れ角と投射光学系との関係に関しても何ら示唆しておらず、オフ光の投影光学系内への入り込みを防ぐ条件を定めてはいない。さらに、８Ｋ等の高精細の性能が必要となった場合の光学ユニットに求められる条件等の開示も示唆も全くなされていない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、投影画像のコントラストを高めることができる画像投影装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、照明光を出射する光源と、複数のマイクロミラーを有し、該複数のマイクロミラーが二次元に配置されることにより形成された面である画像表示面に対する前記各マイクロミラーの反射面の角度を変更することにより、前記照明光が前記反射面で反射した反射光の向きを変更する画像表示素子と、前記画像表示装置により生成された前記反射光を投影画像として被投射面に投射する投射光学系と、を備え、前記画像表示面に対する前記マイクロミラーの前記反射面の最大傾角θ１は、θ１≧１４［ｄｅｇ］を満たし、前記画像表示面の対角長Ｌ、および、前記投射光学系における前記画像表示面に最も近いレンズの面の頂点と前記画像表示面との該投射光学系の光軸上の距離ＢＦは、１．５＜ＢＦ／Ｌ＜２．２を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、投影画像のコントラストを高めることができる。

図１は、第１の実施形態に係る画像投影装置の全体構成の一例を示す図である。 図２は、ＤＭＤの構成の一例を示す図である。 図３は、ＤＭＤの画像表示面に対する入射角および方位角を説明する図である。 図４は、照明光がＤＭＤに長辺方向から入射した場合の動作を説明する図である。 図５は、照明光がＤＭＤに短辺方向から入射した場合の動作を説明する図である。 図６は、オン光の照度分布を説明する図である。 図７は、オフ光の分布を説明する図である。 図８は、ＤＭＤのオン光とオフ光との関係を説明する図である。 図９は、ＤＭＤに対して投射光学系をオフセットした場合の動作を説明する図である。 図１０は、第１の実施形態に係る画像投影装置の光線カット構造の位置の一例を示す図である。 図１１は、第２の実施形態に係る画像投影装置の要部構成の一例を示す図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明に係る画像投影装置の実施形態を詳細に説明する。また、以下の実施形態によって本発明が限定されるものではなく、以下の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想到できるもの、実質的に同一のもの、およびいわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下の実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換、変更および組み合わせを行うことができる。

［第１の実施形態］
（画像投影装置の全体構成）
図１は、第１の実施形態に係る画像投影装置の全体構成の一例を示す図である。図１を参照しながら、本実施形態に係る画像投影装置１の全体構成について説明する。

図１に示すように、画像投影装置１は、光源から出射される照明光に基づいて、スクリーン等に画像を投影させるための画像光を生成する画像表示装置２と、当該画像光をスクリーン等に投影させる投射光学系４０と、を備えている。図１に示す光学系は、テレセントリック光学系である。

画像表示装置２は、図１に示すように、光源１０と、防爆ガラス１１と、カラーホイール１２と、ライトトンネル１３と、照明光学系２０と、ＤＭＤ３０と、カバーガラス３１と、を備えている。

光源１０は、例えばランプ光源である。防爆ガラス１１は、光源１０を保護するガラスである。カラーホイール１２は、光源１０から出射された照明光を所望の色（例えば赤、緑、青）に分離するホイール部材である。ライトトンネル１３は、カラーホイール１２を透過した照明光を照明光学系２０へ導光する光学部材である。

照明光学系２０は、光源１０から入射した照明光をＤＭＤ３０へ導く光学系である。照明光学系２０は、図１に示すように、第１リレーレンズ２１と、第２リレーレンズ２２と、ミラー２３と、第３リレーレンズ２４と、第４リレーレンズ２５と、全反射プリズム２６と、を有る。

第１リレーレンズ２１および第２リレーレンズ２２は、ライトトンネル１３により導光された照明光を取り込み、ミラー２３へ導くリレーレンズである。ミラー２３は、第２リレーレンズ２２から出射した照明光の向きを折り曲げる反射部材である。第３リレーレンズ２４および第４リレーレンズ２５は、ミラー２３で反射された照明光を全反射プリズム２６へ導くリレーレンズである。

全反射プリズム２６は、２つの三角柱状のプリズムが接合された光学部材である。全反射プリズム２６は、入射する照明光を反射してＤＭＤ３０へ向けて照射し、当該ＤＭＤ３０からの反射光を外部へ向けて出射する。

ＤＭＤ３０は、反射型の画像表示素子であり、複数の可動ミラーが縦横に配列されて、矩形の画像表示面を形成している。ＤＭＤ３０は、個々の可動ミラーが所定の軸を中心に回転することにより、入射する照明光を特定の方向（投射光学系４０へ向かう方向）に反射するオン光を生成する動作と、当該特定の方向とは異なる方向に反射するオフ光を生成する動作と、を切り替えることができる。本実施形態では、ＤＭＤ３０の個々の可動ミラーは、互いに異なる軸方向となっている第１回転軸および第２回転軸を有する。なお、ＤＭＤ３０の具体的な構成については、後述する。

図１に示すように、ＤＭＤ３０は、図１の紙面視において全反射プリズム２６の下面側にカバーガラス３１を介して配置されており、ＤＭＤ３０による反射光が全反射プリズム２６の上面から出射する構成となっている。全反射プリズム２６の上方に投射光学系４０が配置されている。

光源１０から、照明光学系２０およびＤＭＤ３０までの各素子は、金属性またはプラスチック製のハウジングで保持されている。

投射光学系４０は、全反射プリズム２６を介してＤＭＤ３０から反射された反射光（オン光、画像光）を、スクリーン等に投射する光学系である。投射光学系４０を構成する光学部材のうち、ＤＭＤ３０からの反射光が入射するレンズ、すなわち、最もＤＭＤ３０側に配置されたレンズを、投射光学系第１レンズ４１とする。投射光学系４０の光軸をＡとしている。投射光学系４０は、鏡筒に収められ、上述のハウジングに固定されている。

上述のように、光源１０から出射した照明光は、防爆ガラス１１、カラーホイール１２、およびライトトンネル１３を経て照明光学系２０へ入射する。照明光は、照明光学系２０内へ入射すると、第１リレーレンズ２１、第２リレーレンズ２２、ミラー２３、第３リレーレンズ２４、第４リレーレンズ２５、および全反射プリズム２６を経て、ＤＭＤ３０へ入射する。

なお、上述のように、光源１０はランプ光源であるものとしたが、これに限定されるものではなく、半導体レーザ光源またはＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）光源等であってもよい。

（ＤＭＤの構成および動作）
図２は、ＤＭＤの構成の一例を示す図である。図３は、ＤＭＤの画像表示面に対する入射角および方位角を説明する図である。図４は、照明光がＤＭＤに長辺方向から入射した場合の動作を説明する図である。図５は、照明光がＤＭＤに短辺方向から入射した場合の動作を説明する図である。図２～図５を参照しながら、ＤＭＤ３０の構成および動作について説明する。

図２（ａ）に示すように、ＤＭＤ３０は、一辺が数［μｍ］～十数［μｍ］の微小な多数のマイクロミラーと称される可動ミラー３２が縦横に配列されて、矩形の画像表示面を形成している。図２（ａ）に示すＤＭＤ３０では、可動ミラー３２を間引いて図示している。実際にＤＭＤ３０に配列されている可動ミラー３２は、例えば、４０９６×２１６０というような数が配列されている。個々の可動ミラー３２が画素になっている。各可動ミラー３２は、通常、図２（ｂ）示すように正方形であり、当該正方形の一辺の長さは、例えば５．４［μｍ］である。ＤＭＤ３０の対角サイズは、例えば約２５［ｍｍ］である。

可動ミラー３２は、一方向に傾き、または異なる方向に傾くことにより、入射する照明光を互いに異なる方向に反射する。ＤＭＤ３０に入射する照明光は、可動ミラー３２が一方向に傾くと、全反射プリズム２６および投射光学系４０を経て、スクリーンに到達する。この場合の可動ミラー３２による状態（オン状態）の反射光をオン光とする。一方、ＤＭＤ３０に入射する照明光は、可動ミラー３２が異なる方向に傾くと、オン光とは異なる方向に反射され、全反射プリズム２６を経て、投射光学系４０から外れる方向に出射する。この場合の可動ミラー３２による状態（オフ状態）の反射光をオフ光とする。

全反射プリズム２６は、構成する面への入射角の違いにより、反射か透過かを区別する。全反射プリズム２６は、可動ミラー３２で生成されるオン光に対しては投射光学系４０に向かって透過させる。一方、全反射プリズム２６は、可動ミラー３２で生成されるオフ光に対しては投射光学系４０から外れる向きに反射する。

次に、可動ミラー３２の動きについて説明する。可動ミラー３２は、図２（ｃ）および図２（ｄ）に示すように、２つの回転軸を中心に回転して傾くことができる。図２において、可動ミラー３２の一辺と平行な方向をｘ方向、可動ミラー３２の他辺と平行な方向であってｘ方向に直交する方向をｙ方向とする。

図２（ｃ）に示すように、可動ミラー３２は、ｙ方向と平行な回転軸を中心に回転して傾くことができる。このｙ方向と平行な回転軸を、上述の第１回転軸とする。可動ミラー３２は、第１回転軸を中心に所定の回転方向（第１方向）に傾くことによって、ＤＭＤ３０に入射する照明光を所定の反射方向（第１反射方向）に反射してオン光を生成する。

一方、図２（ｄ）に示すように、可動ミラー３２は、ｘ方向と平行な回転軸を中心に回転して傾くことができる。このｘ方向と平行な回転軸を、上述の第２回転軸とする。可動ミラー３２は、第２回転軸を中心に第１方向とは異なる方向（第２方向）に傾くことによって、ＤＭＤ３０に入射する照明光を第１反射方向とは異なる第２反射方向に反射してオフ光を生成する。

上述の第１回転軸および第２回転軸を中心として可動ミラー３２が回転したときの、可動ミラー３２の反射面のｘｙ平面に対する回転角（傾き角）を、それぞれθ［°］とする。

なお、可動ミラー３２の第１回転軸および第２回転軸が、可動ミラー３２の各辺と平行な軸であるものとしているが、これに限定されるものではない。例えば、矩形の可動ミラー３２の対角を結ぶ線に沿った２つの軸を第１回転軸および第２回転軸としてもよい。

次に、図３を参照しながら、ＤＭＤ３０の画像表示面への入射角および方位角について説明する。画像投影装置１に用いる画像表示装置２の性能を評価する要素として、投射される画像（投影画像）の品質があり、その中でもコントラスト比すなわち明暗比がある。画像表示素子としてＤＭＤ３０を用いた場合、オフ光が投射光学系４０に侵入するとコントラストが低下し、投射される画像の品質が低下する。コントラストを決定する要素の一つに、可動ミラー３２の法線に対する入射角がある。本実施形態では、入射角だけでなく、ＤＭＤ３０の画像表示面の辺に対してなす角度である方位角に関しても考慮している。

ＤＭＤ３０の画像表示面とは、可動ミラー３２が配列されることによって形成される面と定義する。この画像表示面に対する法線Ｎと入射光線ＩＮ（照明光）の成す角を入射角αと定義する。入射光線ＩＮと画像表示面の一辺であるｙ軸またはｘ軸に対して成す角を方位角φと定義する。図３に示す例では、ＤＭＤ３０の長辺方向と平行な方向をｙ軸としている。図３に示すように、入射光線ＩＮ、法線Ｎおよび出射光線ＯＵＴ（反射光）は、同一平面内にある。また、画像表示面の法線Ｎは、投射光学系４０の光軸Ａ（図１参照）と平行である。

次に、図４を参照しながら、ＤＭＤ３０の長辺方向（短辺に直交する方向）から照明光が入射した場合の動作について説明する。

図４（ａ）は、ＤＭＤ３０の長辺方向（短辺に直交する方向）から照明光が入射する場合を示している。照明光は画像表示面の法線に対して、ある入射角をもって入射し、当該入射角と同じ出射角をもって出射する。図４（ｂ）および図４（ｃ）は、１つの可動ミラー３２を拡大して示しており、図４（ｂ）はオフ光として反射する状態（オフ状態）、図４（ｃ）はオン光として反射する状態（オン状態）である。図４（ｃ）に示すように可動ミラー３２がオン状態にある場合、可動ミラー３２で反射されるオン光は、投射光学系４０に入射する。図４（ｂ）に示すように可動ミラー３２がオフ状態にある場合、可動ミラー３２で反射されるオフ光は、オン状態の場合とは別の方向に反射される。

図４（ｂ）に示すように、可動ミラー３２がオフ状態にあるとき、入射する照明光に方位角を持たせる。すなわち、画像表示面の一辺に対して入射する照明光に角度を持たせる。可動ミラー３２がオフ状態になるために、ｙ軸と平行な方向の第１回転軸を中心に回転したとき、可動ミラー３２へ入射する照明光の入射角が小さくなる側への方位角の移動をプラス、反対側への方位角の移動をマイナスと定義する。

次に、図５を参照しながら、ＤＭＤ３０の短辺方向（長辺に直交する方向）から照明光が入射した場合の動作について説明する。

図５（ａ）は、ＤＭＤ３０の短辺方向（長辺に直交する方向）から照明光が入射する場合を示している。図５（ｂ）および図５（ｃ）は、１つの可動ミラー３２を拡大して示しており、図５（ｂ）はオン光として反射する状態（オン状態）、図５（ｃ）はオフ光として反射する状態（オフ状態）である。可動ミラー３２がオフ状態になるために、ｘ軸と平行な方向の第２回転軸を中心に回転したとき、可動ミラー３２へ入射する照明光の入射角が小さくなる側への方位角の移動をプラス、反対側への方位角の移動をマイナスと定義する。

なお、図４および図５に示す例において、方位角の最適値は光学設計によって求めてもよく、または調整手段を設けて調整によって最適値に調整するようにしてもよい。

（ＤＭＤからのオン光とオフ光との関係）
図６は、オン光の照度分布を説明する図である。図７は、オフ光の分布を説明する図である。図８は、ＤＭＤのオン光とオフ光との関係を説明する図である。

まず、図６を参照しながら、幾何学的な光線追跡シミュレーションにより求めたオン光の照度分布について説明する。なお、可動ミラー３２は図４（ｃ）に示すオン状態にあり、回転角θは１７［°］であるものとする。ＤＭＤ３０の画像表示面にあるすべての可動ミラー３２がオン状態であるいわゆる全白（フルオン）の状態である。

この場合、投射光学系第１レンズ４１の外径をＤとすると、オン光の光束領域を示すオン光領域ＯＮは、図６に示すように、投射光学系第１レンズ４１の外径Ｄ内に分布している。図６に示す例は、入射角αを３５．５［°］、方位角を０［°］とした場合において、投射光学系第１レンズ４１の、ＤＭＤ３０側における曲面頂点に接する平面での照度分布を示している。具体的には、図６において、ｘ方向からの照度分布の断面と、ｙ方向からの照度分布の断面とを示している。このような照度分布のＤＭＤ３０から反射光が投射光学系４０を経てスクリーンに投射される。

次に、図７を参照しながら、幾何光学的な光線追跡シミュレーションにより求めたオフ光の光束の領域であるオフ光領域ＯＦＦを示す。なお、可動ミラー３２は図４（ｂ）に示すオフ状態にあり、回転角θは１７［°］であるものとする。ＤＭＤ３０の画像表示面にあるすべての可動ミラー３２がオフ状態であるすなわち全黒（フルオフ）の状態である。

可動ミラー３２のオン状態とオフ状態とでは、可動ミラー３２の傾き方向が異なる。オフ状態では、オフ光領域ＯＦＦは、図７の左斜め上側に移行し、オフ光は、投射光学系第１レンズ４１に入射しない理想的な状態になる。したがって、オフ光はスクリーンには到達せず、完全な黒表示となる。

ＤＭＤ３０のすべての可動ミラー３２がオン状態である全白（フルオン）の場合のオン光の照度と、すべての可動ミラー３２がオフ状態である全黒（フルオフ）の場合のオフ光の照度とのコントラスト比は、コントラスト比＝（全白の照度）／（全黒の照度）として算出される。または、スクリーンを縦横それぞれ３等分して９分割したＡＮＳＩ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）によるコントラスト比も用いることができる。いずれにしても、全黒の照度が大きくなるほどコントラスト比は小さくなり、画質は劣化する。また、オフ光が投射光学系第１レンズ４１に入射すると、ゴースト光としてスクリーン上またはスクリーン近傍に到達してしまうことがあり、この場合も画質は劣化する。したがって、投射光学系第１レンズ４１にオフ光が入射しないようにする必要がある。

（投射光学系について）
図８は、ＤＭＤのオン光とオフ光との関係を説明する図である。図９は、ＤＭＤに対して投射光学系をオフセットした場合の動作を説明する図である。図８および図９を参照しながら、投射光学系４０について説明する。

プロジェクタである画像投影装置１に対して、ユーザからの要望として、小型化についての要望がある。この場合、投射光学系４０の大きさを小さくすることは、画像投影装置１全体の小型化に対する寄与は大きい。

投射光学系４０の大きさを小さくする方法として、投射光学系４０のＦ値を大きくするという方法がある。例えば、ＤＭＤ３０からの距離を同一とした場合、投射光学系４０のＦ値を大きくすると、最もＤＭＤ３０に近いレンズ（投射光学系第１レンズ４１）の外径を小さくすることができる。また、上述したように、ＤＭＤ３０を用いる画像投影装置１では、投射光学系第１レンズ４１にオフ光が入射しないようにする必要があるが、投射光学系４０のＦ値を大きくすることにより、オフ光が分離可能となるＤＭＤ３０からの距離を短くできるという効果も得られる。

ここで、図８を参照しながら、オフ光が分離可能となるＤＭＤ３０からの距離について説明する。

図８（ａ）は、Ｆ値の小さい（エタンデュの大きい）投射光学系４０におけるＤＭＤ３０で反射した反射光の光束の振る舞いを表す図である。図８（ａ）において、実線でＦ値の小さい（エタンデュの大きい）投射光学系４０に対応するオン光およびオフ光の光束を示し、一点鎖線でオン光およびオフ光の主光線のみ抽出した光束を示す。テレセントリックの場合、オン光の主光線の幅は、ＤＭＤの幅と一致する。投射光学系４０は、オン光の主光線だけでなく、マージナル光線（周辺光線）等の周辺領域の光線も取り込んでスクリーンに投射する。投射光学系４０は、Ｆ値が小さくなる（エタンデュが大きくなる）とオン光の主光線からより離れた領域まで取り込み、Ｆ値が大きくなる（エタンデュが小さくなる）とオン光の主光線により近い領域のみを取り込むことになる。

図８（ｂ）は、投射光学系４０のＦ値の大小（エタンデュの大小）によるオン光とオフ光とが分離可能になる高さの変化を説明する図である。図８（ｂ）において、実線でＦ値の大きい（エタンデュの小さい）投射光学系４０に対応するオン光の光束を示し、点線でＦ値の小さい（エタンデュの大きい）投射光学系４０に対応するオン光の光束を示す。図８（ｂ）に示すように、ＤＭＤ３０からの距離が等しい位置において、Ｆ値の小さい投射光学系４０に対応する光束よりも、Ｆ値の大きい投射光学系４０に対応する光束の方が、狭いことがわかる。このため、オン光とオフ光とが分離可能になるＤＭＤ３０からの距離は、Ｆ値の大きい場合の方が短い。したがって、投射光学系４０のＦ値を大きくすることによって、ＤＭＤ３０から投射光学系第１レンズ４１までの距離を短くでき、コントラスト向上と小型化とを両立したプロジェクタを得られる。

次に、図９を参照しながら、投射光学系４０のオフセットについて説明する。カメラ（撮像装置）の光学系と異なり、プロジェクタの光学系では、通常、ＤＭＤ等の画像表示素子の中心を投射光学系の光軸の延長線からオフセットする。これは、画像表示素子の中心を投射光学系の光軸の延長線と一致させた場合、プロジェクタを机等に置いて投影すると投影領域が机等で遮光されてしまうからである。これを避けるために、ユーザはプロジェクタ前方を上方に傾ける必要があり、使い勝手が悪い。一方、画像表示素子の中心を投射光学系の光軸の延長線から下方にオフセットすると、共役関係により投影領域は投射光学系の光軸に対して上方にシフトするので、投影領域が机等で遮光されることがなく、ユーザの利便性が高まる。したがって、画像表示素子の中心を投射光学系の光軸の延長線からオフセットするのが通常である。

本実施形態において、投射光学系４０の最もＤＭＤ３０に近いレンズである投射光学系第１レンズ４１の光軸（すなわち投射光学系４０の光軸）をＡとし、光軸ＡとＤＭＤ３０の画像表示面Ｓを含む平面との交点を点Ｏとし、ＤＭＤ３０の画像表示面Ｓ上の任意の点をＰとする。また、任意の点Ｐのうち点Ｏから最も離れた点をＰ０とし、光軸Ａと点Ｐ０との距離をＩｍＣとしたとき、投射光学系４０に必要なイメージサークルの大きさは、光軸Ａを中心とし、半径を距離ＩｍＣとする円となる。画像表示面Ｓ上のすべての点が投射光学系４０のイメージサークル内に存在する必要があるためである。しかし、ＤＭＤ３０に対する投射光学系４０のオフセット量が大きすぎると画像表示面Ｓのうち投射光学系４０の光軸Ａから最も離れた点Ｐ０を含めるために必要な投射光学系４０のイメージサークルの大きさ（すなわち距離ＩｍＣの大きさ）が大きくなってしまう。したがって、最もＤＭＤ３０に近い投射光学系第１レンズ４１をはじめとして、投射光学系４０全体の大型化を招くので適切に設定する必要がある。

（コントラストを向上させる条件式について）
以下、投射光学系４０の投影画像のコントラストを向上させる条件式について説明する。

本実施形態に係る画像投影装置１において、ＤＭＤ３０の画像表示面に対する可動ミラー３２の反射面の最大傾角をθ１とし、画像表示面の対角長をＬとし、投射光学系４０における画像表示面に最も近い投射光学系第１レンズ４１の面の頂点と画像表示面との光軸Ａ上の距離をＢＦとしたとき、下記の条件式（１）および（２）を満たすことが望ましい。

θ１≧１４［ｄｅｇ］ ・・・（１）
１．２＜ＢＦ／Ｌ＜２．２ ・・・（２）

条件式（１）は、可動ミラー３２の傾斜角（回転角θ）の最適な範囲を示している。ＤＭＤ３０においては可動ミラー３２の傾斜により、オン光とオフ光とに分けるが、傾斜角（回転角θ）が小さいと、オン光とオフ光とを十分に分離できず、オフ光が投射光学系４０に入射して迷光となり、コントラストの低下を引き起こしてしまう。そこで、条件式（１）を満たすことにより、オフ光が投射光学系４０に入射しにくくできる。

条件式（２）は、画像投影装置１の小型化、ならびに、オフ光および当該オフ光の回折光が投射光学系４０に入射することによるコントラストの低下の低減を両立させるための式である。ＢＦ／Ｌが条件式（２）の上限値を上回ると、オフ光の投射光学系４０への入射を妨げることが可能となるが、バックフォーカスが大きくなることにより、画像投影装置１が大型化するだけでなく、ＤＭＤ３０に最も近いレンズ（投射光学系第１レンズ４１）が大きくなることにより、回折光および照明光学系２０のメカ部材等からの迷光が投射光学系４０に入射してしまいコントラストの低下を起こしてしまう。また、ＢＦ／Ｌが条件式（２）の下限値を下回ると、画像投影装置１を小型化することができるが、オフ光とオン光とを十分に分離することができなくなる。そこで、条件式（１）および（２）を同時に満たすことにより、オン光とオフ光とを十分に分離し、投射光学系４０内への迷光を最小限に抑え、投影画像のコントラストを向上させ、画像投影装置１を大幅に小型化することが可能となる。

さらに好ましくは、下記の条件式（２ａ）を満たすことが望ましい。

１．２＜ＢＦ／Ｌ＜ １．９ ・・・（２ａ）

この条件式（２ａ）を満たすことにより、さらにコントラストを向上させることが可能になる。

さらに好ましくは、下記の条件式（２ｂ）を満たすことが望ましい。

１．４＜ＢＦ／Ｌ＜１．８ ・・・（２ｂ）

この条件式（２ｂ）を満たすことにより、投射光学系４０の支持部材の遮光部材等について複雑な形状とする必要がなくなり、低コスト化することができる。

さらに好ましくは、投射光学系４０の画像表示面に最も近い投射光学系第１レンズ４１の外径をＤとし、点Ｏ（図９参照）と点Ｐ（図９参照）との距離が最大になる点をＰ０とし、その距離をＩｍＣとしたとき、下記の条件式（３）を満たすことが望ましい。

（Ｄ／２－ＩｍＣ）／ＢＦ＜０．２ ・・・（３）

条件式（３）は、画像表示面に最も近い投射光学系第１レンズ４１の外径Ｄの最適な範囲を示した式である。外径Ｄをなるべく大きくすることにより、画像投影装置１の光利用効率を上げることができるが、同時に、コントラストの低下を招いてしまうため、上述の条件式（１）および（２）と併せて最適な範囲とする必要がある。（Ｄ／２－ＩｍＣ）／ＢＦが条件式（３）の上限値を上回ると、上述した通り、オフ光、回折光、およびメカ部材等からの迷光が投射光学系４０に入射し、コントラストの低下を招いてしまう。

さらに好ましくは、下記の条件式（３ａ）を満たすことが望ましい。

（Ｄ／２－ＩｍＣ）／ＢＦ＜０．１８ ・・・（３ａ）

この条件式（３ａ）を満たすことにより、さらにコントラストを向上させることが可能になる。

さらに好ましくは、下記の条件式（３ｂ）を満たすことが望ましい。

－０．５＜（Ｄ／２－ＩｍＣ）／ＢＦ＜０．１５ ・・・（３ｂ）

さらに好ましくは、投射光学系４０がテレセントリックレンズであることが望ましい。テレセントリックレンズとすることにより、効率のよい照明系を選択することが可能となる。

さらに好ましくは、投射光学系４０の開口絞りよりもＤＭＤ３０側に視野絞りを配置することが望ましい。開口絞り（投射光学系４０内で光束が最も細くなる面）よりもＤＭＤ３０側に視野絞りを配置することによって、上光線をカットすることができるため、投射光学系４０における高い像高でのコマ収差の低減をすることが可能になる。これによって、高解像度化することができるだけでなく、特にミラーを用いた超短焦点レンズにおいては、最も拡大側にあるミラーにより反射された光とレンズとの干渉を回避しやすくなるため、小型化することが可能になる。さらに、視野絞りにより、迷光および回折光等をカットすることができるため、コントラストを向上させることが可能となる。

さらに好ましくは、投射光学系４０とＤＭＤ３０との間に複数の光学素子を有し、当該複数の光学素子の総厚をＴとしたときに、下記の条件式（４）を満たすことが望ましい。

Ｔ／ＢＦ＜０．７ ・・・（４）

条件式（４）は、バックフォーカスに占める光学素子の厚みの割合を示す条件式である。Ｔ／ＢＦが条件式（４）の上限値を上回ると、ＤＭＤ３０に最も近い投射光学系第１レンズ４１の位置において、オフ光が分離できなくなってしまうため、コントラストの低下を招く。そこで、条件式（４）を満たすことにより、短いバックフォーカスでもオフ光を十分に分離することが可能となり、コントラストが向上する。

さらに好ましくは、上述の複数の光学素子のうち１つの光学素子が平行平板であり、駆動素子によって光軸Ａに対してチルトすることが望ましい。平行平板をチルトすることにより、光路を平行移動させることができ、画素ずらしを実現することにより高解像度化をすることが可能となる。

さらに好ましくは、図１０に示すように、ＤＭＤ３０に一番近いレンズ群のレンズ支持部材４２のオフ光および回折光が入射する位置に、当該オフ光および回折光等の光を吸収する光線カット構造４３を配置することが望ましい。ここで、レンズ群とは、上述の開口絞りからＤＭＤ３０までの間の１つまたは複数のレンズのことを指す。これによって、光利用効率を落とさずに、コントラストを向上させることが可能になる。なお、光線カット構造４３は、レンズ支持部材４２に一体化されている必要はなく、別部材として組み込まれていてもよい。

さらに好ましくは、下記の条件式（５）を満たすことが望ましい。

Ｅｔ＜３５［ｍｍ^２・ｓｒ］ ・・・（５）

この条件式（５）におけるＥｔはエタンデュであり、ＤＭＤ３０の画像表示面の面積をＭとし、投射光学系４０の開口数ＮＡを用いて、以下の式（６）で求められる。

Ｅｔ＝Ｍ×π×ＮＡ^２ ・・・（６）

条件式（５）は、光源１０および照明光学系２０のエタンデュを規定した式である。条件式（５）と共に、条件式（４）、（１）および（２）を同時に満たすことにより、短いバックフォーカスでオン光とオフ光とを十分に分離し、回折光等の投射光学系４０への入射を低減させることができ、コントラスト向上および画像投影装置１の小型化を両立させることが可能になる。

さらに好ましくは、下記の条件式（５ａ）を満たすことが望ましい

Ｅｔ＜２０［ｍｍ^２・ｓｒ］ ・・・（５ａ）

さらに好ましくは、下記の条件式（５ｂ）を満たすことが望ましい。

Ｅｔ＜１７［ｍｍ^２・ｓｒ］ ・・・（５ｂ）

以上のように、本実施形態に係る画像投影装置１では、条件式（１）および（２）を満たすことにより、オン光とオフ光とを十分に分離し、投射光学系４０内への迷光を最小限に抑え、投影画像のコントラストを向上させ、画像投影装置１を大幅に小型化することが可能となる。すなわち、迷光を最小限に抑え、投影画像のコントラストを向上させることができるとともに、従来技術には課題としてとらえられていなかった装置の小型化に着目し、投射光学系４０のバックフォーカスを規定することにより、投射光学系４０の小型化に寄与することが可能となり、それによって画像投影装置１の大幅な小型化が可能となる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る画像投影装置について、第１の実施形態に係る画像投影装置１と相違する点を中心に説明する。第１の実施形態では、光源１０をランプ光源とする構成を説明した。本実施形態では、光源に半導体レーザを用いた構成について説明する。

図１１は、第２の実施形態に係る画像投影装置の要部構成の一例を示す図である。図１１を参照しながら、本実施形態に係る画像投影装置１の要部構成について説明する。

本実施形態に係る画像投影装置１の画像表示装置２は、図１１に示すように、光源１０ａと、コリメータレンズ１４と、第１レンズ群１５と、ダイクロイックミラー１６と、第２レンズ群１７と、蛍光体ホイール１８と、第３レンズ群１９と、を備えている。光源１０ａから照射される照明光の伝搬方向に、この順で配置された構成となっている。また、画像表示装置２は、さらに、上述の第１の実施形態と同様に、カラーホイール１２と、ライトトンネル１３と、照明光学系２０と、ＤＭＤ３０と、カバーガラス３１と、を備えている。なお、図１１では簡略化のため、照明光学系２０、ＤＭＤ３０およびカバーガラス３１の図示を省略している。

光源１０ａは、半導体レーザに基づく複数の固体光源である。光源１０ａは、後述する蛍光体ホイール１８が備える蛍光体を励起させる励起光Ｂとして、例えば発光強度の中心波長が４５５［ｎｍ］の青色帯域の光を出射する。光源１０ａから出射される青色レーザ光は、偏光状態が一定の直線偏光であり、後述するダイクロイックミラー１６に対してＳ偏光となるように配置されている。なお、光源１０ａが出射する励起光Ｂは、蛍光体ホイール１８の蛍光体を励起させることができる波長の光であれば、他の波長帯域の光であってもよい。また、図１１に示すように、光源１０ａは複数の固体光源としているが、これに限定されるものではなく、単一の固体光源であってもよい。また、複数の固体光源とする場合、基板上にアレイ状に配置した光源ユニットを使用してもよいが、これに限定されるものではない。

コリメータレンズ１４は、各光源１０ａから出射された照明光である励起光Ｂを略平行光とするレンズである。第１レンズ群１５は、コリメータレンズ１４により略平行光とされた励起光Ｂをダイクロイックミラー１６へ導くレンズ群である。

ダイクロイックミラー１６は、平行平板形状のガラス板であり、入射面において励起光Ｂの波長帯域を反射し、蛍光体ホイール１８により発生する蛍光光を透過させるようなコートが施されている。また、ダイクロイックミラー１６により反射された励起光Ｂは、第２レンズ群１７の光軸に対してシフトされている。

第２レンズ群１７は、ダイクロイックミラー１６により反射された励起光Ｂを、図１１に示すように、蛍光体ホイール１８の法線に対して傾いた状態で当該蛍光体ホイール１８に入射するようにするレンズ群である。

蛍光体ホイール１８は、第２レンズ群１７から入射された励起光Ｂを、蛍光体により蛍光光にする部材である。蛍光体ホイール１８により射出された蛍光光は、再び第２レンズ群１７を通過することにより略平行光となり、当該第２レンズ群１７の光軸に対してダイクロイックミラー１６の反対側を通過し、第３レンズ群１９へ入射する。第３レンズ群１９は、第２レンズ群１７を通過した蛍光体ホイール１８からの蛍光光を、カラーホイール１２へ集光させるレンズ群である。

カラーホイール１２は、第１の実施形態で上述したように、光源１０ａから出射された照明光を所望の色（例えば赤、緑、青）に分離するホイール部材である。ライトトンネル１３は、第１の実施形態で上述したように、カラーホイール１２を透過した照明光を照明光学系２０へ導光する光学部材である。

なお、ライトトンネル１３以降の構成は、第１の実施形態に係る構成と同様である。

以上のように、本実施形態に係る画像投影装置１では、半導体レーザによる固体光源とした光源１０ａを用いて画像表示装置２が構成されている。このように構成によっても、第１の実施形態の効果と同様に、オン光とオフ光とを十分に分離し、投射光学系４０内への迷光を最小限に抑え、投影画像のコントラストを向上させ、画像投影装置１を大幅に小型化することが可能となる。

上述の第１の実施形態および第２の実施形態に係る画像投影装置１において、最大傾角θ１、距離ＢＦ、対角長Ｌ、外径Ｄ、距離ＩｍＣ、総厚Ｔ、およびエタンデュＥｔの具体的な数値を、下記の（表１）に、実施例１～実施例５として示す。

なお、上述の各パラメータの数値は、上記の（表１）に記載された数値に限定されるものではなく、適宜変更することが可能である。

上述の各パラメータの数値を上記の（表１）とすることにより、上述の条件式（１）～（５）における各数式の値は、下記の（表２）に示した値となる。

上記の（表２）示すように、（表１）のような各パラメータの値とすることによって、実施例１～実施例５のいずれにおいても、条件式（１）～（５）のいずれも満たすことになり、コントラスト向上および小型化を両立した画像投影装置１を得ることができる。

１ 画像投影装置
２ 画像表示装置
１０、１０ａ 光源
１１ 防爆ガラス
１２ カラーホイール
１３ ライトトンネル
１４ コリメータレンズ
１５ 第１レンズ群
１６ ダイクロイックミラー
１７ 第２レンズ群
１８ 蛍光体ホイール
１９ 第３レンズ群
２０ 照明光学系
２１ 第１リレーレンズ
２２ 第２リレーレンズ
２３ ミラー
２４ 第３リレーレンズ
２５ 第４リレーレンズ
２６ 全反射プリズム
３０ ＤＭＤ
３１ カバーガラス
３２ 可動ミラー
４０ 投射光学系
４０ａ レンズ群
４１ 投射光学系第１レンズ
４２ レンズ支持部材
４３ 光線カット構造
Ａ 光軸
Ｄ 外径
ＩｍＣ 距離
ＩＮ 入射光線
Ｎ 法線
Ｏ 点
ＯＦＦ オフ光領域
ＯＮ オン光領域
ＯＵＴ 出射光線
Ｐ、Ｐ０ 点
ＰＡ 投影領域
Ｓ 画像表示面
α 入射角
θ 回転角
θ１ 最大傾角
φ 方位角

特開２０１７－０３２９６４号公報 特許第４０１６５３８号公報

Claims (9)

1. 照明光を出射する光源と、
   複数のマイクロミラーを有し、該複数のマイクロミラーが二次元に配置されることにより形成された面である画像表示面に対する前記各マイクロミラーの反射面の角度を変更することにより、前記照明光が前記反射面で反射した反射光の向きを変更する画像表示素子と、
   前記画像表示素子により生成された前記反射光を投影画像として被投射面に投射する投射光学系と、
   を備え、
   前記画像表示面に対する前記マイクロミラーの前記反射面の最大傾角θ１は、下記の式（１）を満たし、
   前記画像表示面の対角長Ｌ、および、前記投射光学系における前記画像表示面に最も近いレンズの面の頂点と前記画像表示面との該投射光学系の光軸上の距離ＢＦは、下記の式（２）を満たす画像投影装置。
   θ１≧１４［ｄｅｇ］ ・・・（１）
   １．５＜ＢＦ／Ｌ＜２．２ ・・・（２）
2. 前記投射光学系における前記画像表示面に最も近いレンズの外径Ｄ、前記光軸と前記画像表示面を含む平面との交点と、該画像表示面上の点のうち前記交点から最も離れた点との距離ＩｍＣ、および前記距離ＢＦは、下記の式（３）を満たす請求項１に記載の画像投影装置。
   （Ｄ／２－ＩｍＣ）／ＢＦ＜０．２ ・・・（３）
3. 前記投射光学系は、テレセントリックレンズである請求項１または２に記載の画像投影装置。
4. 前記投射光学系内で光束が最も細くなる面よりも前記画像表示素子側に配置された視野絞りを、さらに備えた請求項１～３のいずれか一項に記載の画像投影装置。
5. 前記投射光学系と前記画像表示素子との間に配置された複数の光学素子を、さらに備え、
   前記複数の光学素子の総厚Ｔ、および前記距離ＢＦは、下記の式（４）を満たす請求項１～４のいずれか一項に記載の画像投影装置。
   Ｔ／ＢＦ＜０．７ ・・・（４）
6. 前記複数の光学素子は、前記光軸に対してチルトした平行平板を含む請求項５に記載の画像投影装置。
7. 前記画像表示素子に最も近いレンズ群を支持する支持部材に配置され、光を吸収する光線カット構造を、さらに備えた請求項１～６のいずれか一項に記載の画像投影装置。
8. 前記画像表示面の面積Ｍと、前記投射光学系の開口数ＮＡとから、Ｅｔ＝Ｍ×π×ＮＡ^２により算出されるエタンデュＥｔは、下記の式（５）を満たす請求項１～７のいずれか一項に記載の画像投影装置。
   Ｅｔ＜３５［ｍ^２・ｓｒ］ ・・・（５）
9. 前記画像表示素子の中心は、前記投射光学系の光軸の延長線からオフセットされた請求項１～８のいずれか一項に記載の画像投影装置。

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