JPWO2006112245A1 - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

投写型表示装置は、光源を含む照明光学系（１）と、照明光学系（１）によって照明される被照明面に画像形成領域を有する反射型ライトバルブ（２）と、反射型ライトバルブ（２）の画像形成領域に形成された画像を拡大投写する投写光学系（３）とを備える。投写光学系（１）は、その投写光軸に対して略直交する方向に移動可能である、投写光学系（３）のＦナンバーは、照明光学系（１）のＦナンバーよりも小さい。投写光学系（３）と反射型ライトバルブ（２）との間には、投写光学系（３）の移動によって移動せず、投写光学系（３）の入射側開口部を規定する開口部規定部材（１２）を備えている。

Description

本発明は、スクリーン上に画像を投写する投写型表示装置に関し、より詳細には、ディジタル・マイクロミラー・デバイス（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ：以下ＤＭＤと略する。）や反射型液晶表示素子等により構成された反射型ライトバルブを用いた投写型表示装置に関する。

反射型ライトバルブを用いた投写型表示装置の光学系は、テレセントリック型とノンテレセントリック型の２種類に大別される。テレセントリック型の光学系においては、プリズムを用いることにより、投写レンズを反射型ライトバルブに対してテレセントリックな構成としている。ノンテレセントリック型の光学系においては、プリズムを用いずに、投写レンズを反射型ライトバルブに対してテレセントリックではない構成としている。

近年、投写型表示装置においては、装置本体を移動させずに投写範囲を任意に移動できるよう、投写レンズを上下等にシフトさせる機能（レンズシフト機能）を備えたものが開発されている。このようなレンズシフト機能を実現するため、全反射プリズムを用いたテレセントリック型の光学系を採用することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

一方、投写型表示装置に用いられるノンテレセントリック型の光学系として、光源からの光をＤＭＤに導く集光レンズと、ＤＭＤで反射された光を投影する投影レンズとを用い、投影レンズの移動（シフト）に合わせて集光レンズを偏心させることで、ＤＭＤへの入射角度を変化させるようにした光学系が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−４２２５６号公報（第４−５頁、図３） 特開２００３−７５７６８号公報（第３−４頁、図１）

しかしながら、特許文献１に記載されているように、レンズシフト機能を実現するためにプリズムを用いたテレセントリック型の光学系を採用した場合、プリズムの界面での反射によって光利用効率が低下し、また、プリズムの界面での反射光が迷光となることから、投写画像の輝度及びコントラストが低下するという問題がある。また、プリズムを設けることで投写型表示装置の価格が上昇するという問題もある。

一方、特許文献２に記載されているように、レンズシフト機能を実現するためにノンテレセントリック型の光学系を採用した場合、投写レンズの移動に合わせて照明光学系の集光レンズを偏心させるため、可動部分が多くなり、その結果、投写型表示装置の大型化と価格の上昇を招くという問題点がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ノンテレセントリック型の光学系を採用し、照明光学系の集光レンズを偏心させることなくレンズシフト機能を実現し、投写画像の輝度及びコントラストが高く、小型で低価格な投写型表示装置を提供することにある。

本発明に係る投写型表示装置は、光源を含む照明光学系と、前記照明光学系によって照明される被照明面に画像形成領域を有する反射型ライトバルブと、前記反射型ライトバルブの前記画像形成領域に形成された画像を拡大投写する投写光学系であって、投写光軸に対して略直交する方向にシフト可能な投写光学系とを備えている。前記投写光学系のＦナンバーは、前記照明光学系のＦナンバーよりも小さい。また、前記投写光学系と前記反射型ライトバルブとの間に、前記投写光学系のシフトによって移動しない部材であって、前記投写光学系の入射側開口部を規定する開口部規定部材を有している。

本発明によれば、投写光学系のＦナンバーを照明光学系のＦナンバーよりも小さくし、反射型ライトバルブと投写光学系との間に投写光学系の入射側開口部（固定）を設けた構成により、集光レンズを偏心させることなく、ノンテレセントリック光学系を用いてレンズシフト機能を実現することができる。すなわち、投写型表示装置の大型化や価格の上昇を招くことなくレンズシフト機能を実現することができる。

また、本発明においては、反射型ライトバルブと投写光学系との間に、入射側開口部を規定する開口部規定部材を設けたため、投写光学系を移動した際に不要光がスクリーンに到達することを防止し、良好なコントラストを得ることができる。

さらに、本発明においては、プリズムを用いたテレセントリック型の光学系を用いる必要がないため、光利用効率が高く、コントラストが良好で、安価な投写型表示装置を提供することができる。

加えてまた、投写光軸に略直交する方向のシフト量Ｓ_Ｐ、開口部規定部材の入射側開口部の直径Ｅ、投写光学系の入射面の有効口径Ｅ_Ｐ、及び反射型ライトバルブの垂直走査方向の寸法Ｖ_ｄが、
Ｅ＜Ｅ_Ｐ
０．７×Ｖ_ｄ＞Ｓ_Ｐ＞０．４×Ｖ_ｄ
を満たすように構成することにより、照明光学系を構成する光学部品を偏心させることなく、ノンテレセントリック光学系を用いて、投写光学系を投写光軸に対して略直交する方向にシフトさせるだけで、良好なレンズシフト機能を実現することができる。その結果、装置の大型化や価格の上昇を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る投写型表示装置の基本構成を示す平面図である。 本発明の実施の形態１における投写型表示装置の光強度均一化素子及びＤＭＤ素子の関係を概念的に示す図である。 図１の投写型表示装置のＩＩＩ−ＩＩＩ線で示される面を矢印方向に見た側面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の実施の形態１におけるレンズシフト機能を模式的に示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施の形態１における投写光学系のイメージサークルを模式的に示す図である。 本発明の実施の形態１において投写光学系が鉛直方向にシフトしたときの配置を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態１において投写光学系が鉛直方向にシフトしたときの配置を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態１におけるレンズシフト時の光量損失を説明するための図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の実施の形態２におけるレンズシフト機能を模式的に示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施の形態２における投写光学系のイメージサークルを模式的に示す図である。 本発明の実施の形態２において投写光学系が鉛直方向にシフトしたときの配置を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態２において投写光学系が鉛直方向にシフトしたときの配置を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態２におけるレンズシフト時の光量損失を説明するための図である。 本発明の実施の形態３に係る投写型表示装置におけるＤＭＤ素子から投写光学系の入射面までの距離と性能について説明するための図である。 本発明の実施の形態４に係る投写型表示装置における照明光学系の集光点を説明するための図である。

符号の説明

１ 照明光学系、 １ａ 照明光学系の光軸、 ２ ＤＭＤ素子（反射型ライトバルブ）、 ２ｂ ＤＭＤ素子の被照明面、 ３ 投写光学系、 ３ａ 投写光学系の投写光軸、 ３ｄ 投写光学系の入射面、 ４ ランプ、 ５ カラーフィルタ、 ６ 光強度均一化素子、 ７ リレーレンズ群、 ８ 第１ミラー、 ９ 第２ミラー、 １０ 入射側開口部、 １２ 絞り部材（開口部規定部材）、 １００ スクリーン、 Ｄ_Ｈ 水平方向（ＤＭＤ素子の水平走査方向）、 Ｄ_Ｖ 鉛直方向（ＤＭＤ素子の垂直走査方向）、 Ｅ 絞り部材の入射側開口部の直径、 Ｅ_Ｐ 投写光学系の入射面の有効口径、 Ｆ_Ｉ 照明光学系のＦナンバー、 Ｆ_Ｐ 投写光学系のＦナンバー、 Ｌ 絞り部材とＤＭＤ素子との距離、 Ｓ_Ｐ 投写光学系のシフト量、 Ｖ_ｄ ＤＭＤ素子の短軸方向の寸法。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る投写型表示装置の基本構成を示す平面図である。この図１に示す投写型表示装置の各構成部品の配置は、投写型表示装置を実際の使用状態において上方から見た配置、すなわち上面視における配置である。

実施の形態１に係る投写型表示装置は、反射型ライトバルブとしてのＤＭＤ素子２と、このＤＭＤ素子２を照明する照明光学系１と、この照明光学系１により照明されたＤＭＤ素子２の画像を図示しないスクリーンに投写する投写光学系３とを備えている。

照明光学系１は、光源ランプ４と、この光源ランプ４から射出された光束のうち特定の波長帯域の光束を通過させる回転カラーフィルタ５と、回転カラーフィルタ５を通過した光束の当該光束断面内における強度分布を均一化する光強度均一化素子６と、光強度均一化素子６から射出された光束をその進行方向に伝達するリレーレンズ群７と、リレーレンズ群７によって伝達された光束をＤＭＤ素子２に向けて反射するための第１ミラー８及び第２ミラー９とを有している。

光源ランプ４は、例えば、白色光を射出する発光体４ａと、この発光体４ａの周囲に設けられた楕円面鏡４ｂとから構成されている。楕円面鏡４ｂは、楕円の第１中心に対応する第１焦点から射出された光束を反射して、楕円の第２中心に対応する第２焦点に収束させる。発光体４ａは、楕円面鏡４ｂの第１焦点近傍に配置されており、この発光体４ａから射出された光束は、楕円面鏡４ｂの第２焦点近傍に収束される。楕円面鏡４ｂの第１焦点と第２焦点とを通る軸線により、照明光学系１の光軸１ａが規定される。

なお、光源ランプ４は図１に示した構成に限られず、例えば楕円面鏡４ｂに代えて放物面鏡を用いても良い。この場合には、発光体４ａから射出された光束を放物面鏡により略平行化したのち、コンデンサレンズにより収束させることができる。

回転カラーフィルタ５は、円盤状の部材を、例えば、扇状に３分割して、それぞれ赤、緑及び青の３つのフィルタ領域としている。赤、緑及び青の３つのフィルタ領域は、それぞれ赤色、緑色及び青色の各波長帯域に対応する光束のみを通過させる。回転カラーフィルタ５は、照明光学系１の光軸１ａと略平行な軸線を中心として回転し、それぞれのフィルタ領域が照明光学系１の光軸１ａに直交する方向に広がり、且つ、楕円面鏡４ｂの第２焦点近傍に位置するように構成されている。この回転カラーフィルタ５を画像信号に同期して回転させることにより、赤色光、緑色光及び青色光が順に（フィールドシーケンシャルに）ＤＭＤ素子２に照射される。

光強度均一化素子６は、回転カラーフィルタ５を通過した光束の、当該光束断面内における強度分布を均一化する（すなわち、照度ムラを低減する）。光強度均一化素子６の構成例としては、一般的には、透明のガラス又は樹脂で形成された四角柱状のロッドや、表面鏡をその反射面を内側にして筒状に組み合わせたパイプが知られている。前者は透明材料と空気界面との全反射作用を利用して光を複数回反射させるものであり、後者は表面鏡の反射作用を利用して光を複数回反射させるものである。この光の振る舞いは、万華鏡のそれと略同じであり、適当な長さを確保すれば、光強度均一化素子６で複数回反射した光が光強度均一化素子６の出射面６ｂの近傍に重畳照射され、光強度均一化素子６の出射面６ｂ近傍において略均一な強度分布が得られる。この略均一な強度分布を有する光束を、後述するリレーレンズ群７、第１ミラー８及び第２ミラー９によってＤＭＤ素子２へと導き、ＤＭＤ素子２に照射させる。なお、光強度均一化素子６として、例えば、複数のレンズ素子を平面的に配列したレンズアレイのような他の光学素子を用いても良い。

図２は、光強度均一化素子６の出射面６ｂから射出された光束の収束状態を模式的に示す図である。リレーレンズ群７、第１ミラー８及び第２ミラー９は、光強度均一化素子６の出射面６ｂとＤＭＤ素子２の被照明面２ｂとが光学的に共役な関係になるように構成されている。光強度均一化素子６の出射面６ｂの対角寸法をｈとし、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの対角寸法をＨとすると、リレーレンズ群７、第１ミラー８及び第２ミラー９の合成結像倍率ＭがＨ／ｈとほぼ等しくなるように設計されている。

リレーレンズ群７は、１枚又は複数枚のレンズにより構成されており、図１に示した例においては３枚のレンズ７１，７２，７３により構成されている。

ＤＭＤ素子２は、各画素に対応する可動式のマイクロミラーを多数（例えば、数十万個）平面的に配列したものであり、画素情報に応じて各マイクロミラーの傾角（チルト）を変化させるように構成されている。マイクロミラーの配列された面を基準面とすると、ＤＭＤ素子２は、各マイクロミラーを基準面に対して一定の方向に角度α（例えば、１２度）だけ傾けることにより、入射光束を投写光学系３に向けて反射する。ＤＭＤ素子２は、またマイクロミラーを基準面に対して反対方向に角度αだけ傾けることにより、入射光束を投写光学系３から離れた位置に設けられた光吸収板（図示せず）に向けて反射する。一般的なＤＭＤ素子の構成は、例えば、文献Ｌ．Ｈ．Ｈｏｒｎｂｅｃｋ，“Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｈｉｇｈ−ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ， ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，Ｐｒｏｇ．ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．３０１３，ｐｐ．２７−４０，１９９７”に開示されている。なお、ＤＭＤ素子２において多数のマイクロミラーが配列された領域は、照明光学系１により照明されて画像を形成する画像形成領域に相当する。

図３は、実施の形態１に係る投写型表示装置の、図１においてＩＩＩ−ＩＩＩ線で示される面を矢印方向に（すなわち、照明光学系１側から）見た図である。図３に示されるように、ＤＭＤ素子２は、光軸１ａからずれた位置（図３においては、光軸１ａよりも上方であり、ＤＭＤ素子２の垂直走査方向に平行な方向である。）に配置されている。投写光学系３は、鏡筒３ｃ内に図示しないレンズ群を配置しており、その入射面３ｄがＤＭＤ素子２の略正面に対向配置されている。投写光学系３のレンズ群の光軸３ａは、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの中心を通る法線２ａに対して、平行でかつ所定量ずれている。

第１ミラー８は、反射面８ｂを有しており、図１に示すように第１ミラー８の反射面８ｂを通る法線８ａは、光軸１ａに対して傾斜している。このような構成により、第１ミラー８の反射面８ｂは、リレーレンズ系７から入射した光束を第２ミラー９に向けて反射する。第１ミラー８は、ＤＭＤ素子２を照射する照明光束の形状及び良好な照射位置を決定する作用を有し、平面ミラー又は凹状の反射ミラーで構成される。第１ミラー８を平面ミラーで構成した場合には、ＤＭＤ素子２を照射する照明光束の形状を良好に決定する効果は弱くなるが、最も安価に構成できるとともに、第１ミラー８の厚みを最も薄く構成できるため、ＤＭＤ素子２や第２ミラー９との干渉を回避し易くなる。第１ミラー８の反射面を円筒凹面で構成した場合には、ＤＭＤ素子２に斜めに照射することにより発生する歪曲収差を良好に補正し、良好な照明光束の形状及び照射位置を実現することが可能となる。図１に示した第１ミラー８の反射面８ｂにおいて、光強度均一化素子６の出射面６ｂの中心から射出された光線が到達する位置を符号８ｃで示す。

図３に示すように、第２ミラー９は、投写光学系３の下側（図３における下側）に隣接して配置されている。また、後述するレンズシフトのために投写光学系３が移動した際に第２ミラー９と干渉しないよう、第２ミラー９は投写光学系３の鏡筒３ｃより（投写光軸３ａの方向において）ＤＭＤ素子２側に配置されている。第２ミラー９の反射面９ｂにより反射された光束は、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂにて反射され、投写光学系３の入射側開口部１０に入射する。

なお、図１に示すように、ＤＭＤ素子２から投写光学系３までの光束の中心を通る光線は、光源ランプ４から第１ミラー８までの光束の中心を通る光線（光軸１ａ）に対し、上面視で略直交するようになっている。また、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの法線２ａ及び投写光学系３の光軸３ａは、いずれも上面視においては、光軸１ａに対して略直交している。

上記略直交を大きく外れると、光源ランプ４、リレーレンズ群７、第１ミラー８、第２ミラー９、反射型ライトバルブ２及び投写光学系３を、互いの光路を遮らないように配置することが難しくなる。また、光源ランプ４の傾き角度は、約１５度までが許容範囲内であり、傾き角度が大きくなるほど明るさが低下し、また光源ランプ４のフリッカ現象を引き起こして良好な画像を得にくくなる。これらの理由より、照明光学系１の光軸１ａとＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの法線２ａ及び投写光学系３の投写光軸３ａとの交わり角γ（図１）は、９０±５度の範囲内であることが望ましい。

図４（Ａ）及び（Ｂ）は、レンズシフト機能を説明するための図である。レンズシフト機能は、投写光学系３を、その投写光軸３ａに対して略直交する方向（ここでは、鉛直方向（ＤＭＤ素子２の垂直走査方向であり、図３における方向Ｄ_Ｖ）及び／又は水平方向（ＤＭＤ素子２の水平走査方向であり、図１における方向Ｄ_Ｈ））に移動、すなわち、シフトすることで、投影範囲を任意に移動させる機能である。図４（Ａ）は、投写光学系３とスクリーン１００とを側方から見た側面図である。図４（Ｂ）は、投写光学系３とスクリーン１００とを上方から見た平面図である。投写光学系３が鉛直方向に移動すると、図４（Ａ）に示すようにスクリーン１００上の投影範囲が上方（矢印Ｕ）又は下方（矢印Ｄ）に移動する。また、投影光学系３が水平方向に移動すると、図４（Ｂ）に示すようにスクリーン１００上の投影範囲が左側（矢印Ｌ）又は右側（矢印Ｒ）に移動する。

図４（Ａ）において、投写光学系３が鉛直方向における第１の位置（下方位置）にあるときには、スクリーン１００上の符号Ｙ_１で示す範囲に映像が投影される。このとき、投写光学系３の投写光軸３ａの鉛直方向位置と、投影範囲Ｙ_１の鉛直方向中心とが一致する。このときの投写光学系３のシフト量を０％とする。

一方、投写光学系３が鉛直方向における第２の位置（上方位置）にあるときには、スクリーン１００上の符号Ｙ_２で示す範囲に映像が投影される。このとき、投写光学系３の投写光軸３ａの鉛直方向位置と、投影範囲Ｙ_２の下端部とが一致する。投影範囲Ｙ_２は、投影範囲Ｙ_１に対して上方に投影幅（短軸方向）の５０％だけ変位した位置にある。そのため、このときの投写光学系３のシフト量を５０％とする。投写光学系３のシフト量が５０％の状態においては、スクリーン１００に対して投写光学系３から上向きに映像が投影されることになる。なお、投影光学系３自身のシフト量（移動量）は投影範囲の移動量に比べて小さいため、図４（Ａ）では図示を省略している。

図４（Ｂ）において、投写光学系３が水平方向における第１の位置（中央位置）にあるときには、スクリーン１００上の符号Ｘ_１で示す範囲に映像が投影される。このとき、投写光学系３の投写光軸３ａの水平方向位置と、投影範囲Ｘ_１の水平方向中心とが一致する。このときの投写光学系３のシフト量を０％とする。

一方、投写光学系３が水平方向における第２の位置（右端位置）にあるときには、スクリーン１００上の符号Ｘ_２で示す範囲に映像が投影される。投影範囲Ｘ_２は、投影範囲Ｘ_１に対して右側に投影幅（長軸方向）の１０％だけ変位した位置にあるため、このときの投写光学系３のシフト量を＋１０％とする。同様に、投写光学系３が水平方向における第３の位置（左端位置）にあるときには、スクリーン１００上の符号Ｘ_３で示す範囲に映像が投影される。投影範囲Ｘ_３は、投影範囲Ｘ_１に対して左側に投影幅の１０％だけ変位した位置にあるため、このときの投写光学系３のシフト量を−１０％とする。

なお、投写光学系３の鉛直方向及び水平方向のシフト量は、投写光学系３の構成によって異なるものであり、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示した範囲に限定されるものではない。

図４（Ａ）及び（Ｂ）に示したレンズシフト機能を実現するためには、投写光学系３のイメージサークル１１をシフト量に応じた大きさに設計する必要がある。ここでは、長方形のＤＭＤ素子２の水平方向（長軸方向、すなわち、長辺方向）の寸法Ｈｄを１４．０１ｍｍ、鉛直方向（短軸方向、すなわち短辺方向）の寸法Ｖｄを１０．５１ｍｍ、鉛直方向のシフト量を５０％、水平方向のシフト量を±１０％とし、この場合のイメージサークル１１の大きさを図５（Ａ）〜（Ｃ）に示す。

図５（Ａ）は、投写光学系３の水平方向及び鉛直方向のシフト量がいずれも０％の場合のイメージサークル１１を示す。この場合、投写光学系３のイメージサークル１１は、直径１７．５１ｍｍの円となる。

図５（Ｂ）は、投写光学系３の鉛直方向のシフト量が５０％で、水平方向のシフト量が０％の場合のイメージサークル１１を示す。この場合、ＤＭＤ素子２の中心から鉛直方向に当該シフト量（５０％）だけ変位した位置がイメージサークル１１の中心となるため、イメージサークル１１は直径２５．２６ｍｍの円となる。

図５（Ｃ）は、投写光学系３の鉛直方向のシフト量が０％で、水平方向のシフト量が１０％の場合のイメージサークル１１を示す。この場合、ＤＭＤ素子２の中心から水平方向に当該シフト量（１０％）だけ変位した位置がイメージサークル１１の中心となるため、イメージサークル１１は直径１８．６５ｍｍの円となる。なお、図５（Ｃ）は、投写光学系３が水平方向片側（左側）にシフトした例を示しているが、反対側（右側）にシフトした場合も、図５（Ｃ）に示した直径１８．６５ｍｍのイメージサークル１１の範囲内に含まれている。

図５（Ｂ）及び（Ｃ）には、投写光学系３を鉛直方向のみ、及び水平方向のみにシフトした場合について示したが、イメージサークル１１を適切に決定することにより、投写光学系３を鉛直方向及び水平方向にシフトして映像を表示することができる。ここでは、図５（Ｂ）に示したように、イメージサークル１１の直径を２５．２６ｍｍに設定している。

実施の形態１における照明光学系１及び投写光学系３の構成について説明する。上述したように、投写光学系３のイメージサークル１１の直径が２５．２６ｍｍに設定されているため、シフトが鉛直方向のみであれば、投写光学系３はシフト量５０％までシフトすることできる（図５（Ｂ））。図６に、投写光学系３の鉛直方向のシフト量が５０％の場合の光路を示す。

図６に示すように、投写光学系３の入射面３ｄよりも僅かにＤＭＤ素子２側には、投写光学系３の入射側開口部１０を規定する絞り部材（開口部規定部材）１２が配置されている。絞り部材１２の入射側開口部１０は直径Ｅの円形状であり、その周囲は不要光を遮断するように黒色のコーティング等が施されている。投写光学系３の鉛直方向のシフト量が５０％であるため、投写光学系３の投写光軸３ａは、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの中心を通る法線２ａに対し、鉛直方向すなわちＤＭＤ素子２の短軸方向に５０％（すなわち、５．２５５ｍｍ）変位した位置にある。絞り部材１２により規定される入射側開口部１０の中心は、ＤＭＤ素子２の法線２ａから鉛直方向に５０％（すなわち５．２５５ｍｍ）変位した位置にある。

照明光学系１からの光束（照明光学系１の第２ミラー９で反射された光束）は、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂで反射され、投写光学系３の入射側開口部１０を通過して投写光学系３に入射する。このとき、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂから投写光学系３の入射側開口部１０までの距離をＬとし、入射側開口部１０の直径をＥとし、照明光学系１の光束の広がりを入射側開口部１０の直径Ｅに合わせて設計すると、照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉは、以下の式（１）により算出される。
Ｆ_Ｉ＝１／（２×Ｓｉｎ（Ｔａｎ^−１（Ｅ／２Ｌ））） …（１）
照明光学系１の明るさは、照明光学系のＦナンバーＦ_Ｉにより決定される。

一方、投写光学系３は、投写光学系３の入射側開口部１０を通過した光束を効率よく取り込める大きさが必要になる。投写光学系３の入射面３ｄと入射側開口部１０とは近接して配置されているため、図６に示すように投写光学系３の投写光軸３ａと入射側開口部１０の中心とが一致している場合には、投写光学系３の入射面３ｄの有効口径Ｅ_Ｐは、入射側開口部１０の直径Ｅと略等しく、又は、直径Ｅより少し大きくすればよい。このことは、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐを、照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉと略等しく、又は、照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉより僅かに小さくできること、すなわち、照明光学系１を明るく構成できることを意味している。

図７は、投写光学系３の鉛直方向（Ｄ_Ｖ方向）のシフト量が０％の状態を示す。図７に示すように、投写光学系３がシフト（ここでは、下方に移動）しても、投写光学系３以外の構成要素（照明光学系１、ＤＭＤ素子２及び入射開口部１０を規定する絞り部材１２）は移動しない。照明光学系１からの光束は、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂで反射した後、ＤＭＤ素子２の中心を通る法線２ａに対して鉛直方向に５．２５５ｍｍ（＝１０．５１ｍｍ×５０％）シフトした位置に中心を有する投写光学系３の入射側開口部１０に達する。入射側開口部１０を通過した光束を全て取り込むには、投写光学系３の入射面３ｄの有効口径Ｅ_Ｐは、入射側開口部１０の直径Ｅより少なくともシフト量Ｓ_Ｐの２倍に相当する分だけ（図７においては５．２５５ｍｍの２倍）大きく設定する必要がある。

ここで、照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉを２．４とした場合について説明する。照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉを２．４とし、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂから投写光学系３の入射側開口部１０までの距離Ｌを４７．５ｍｍとしたとき、入射側開口部１０の直径Ｅは、上述した式（１）から
Ｅ＝（２×４７．５）×Ｔａｎ（Ｓｉｎ^−１（１／（２×２．４）））≒２０．２
で計算でき、約２０．２ｍｍとなる。照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉが２．４の場合、図６に示すように投写光学系３のシフト量が５０％の場合、投写光学系３の入射面３ｄの有効口径Ｅ_Ｐも２０．２ｍｍに略等しい大きさがあれば、照明光学系１からの光束を効率よく取り込むことができる。このとき、入射側開口部１０と投写光学系３の入射面３ｄとが接近して配置されていることから、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂから入射面３ｄまでの距離もＬに略等しくなるため、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐを、照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉと同じ２．４、又は、２．４よりも僅かに小さい値（例えば２．３５）とすることで、入射側開口部１０を通過した光束を効率良く取り込むことができる。

同様に、図７に示すように、投写光学系３のシフト量Ｓ_Ｐが０％の場合は、入射側開口部１０の直径Ｅは２０．２ｍｍであるが、投写光学系３の入射面３ｄの有効口径Ｅ_Ｐは更に５．２５５ｍｍの２倍（すなわち、１０．５１ｍｍ）だけ大きく、３０．７１ｍｍ（＝２０．２ｍｍ＋１０．５１ｍｍ）となる。このときの投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐは、
Ｆ_Ｐ＝１／（２×Ｓｉｎ（Ｔａｎ^−１（Ｅ_Ｐ／２×Ｌ））） …（２）
で計算できる。ここで、
Ｅ_Ｐ＝Ｅ＋２×Ｓ_Ｐ …（３）
である。
式（２）及び式（３）より、ＦナンバーＦ_Ｐを次式（４）で計算できる。
Ｆ_Ｐ＝１／（２×Ｓｉｎ（Ｔａｎ^−１（（Ｅ＋２×Ｓ_Ｐ）／２×Ｌ））） …（４）
すなわち、式（４）によりＦナンバーＦ_Ｐを計算すると、
Ｆ_Ｐ＝１／（２×Ｓｉｎ（Ｔａｎ^−１（（２０．２＋１０．５１）／２×４７．５）））
Ｆ_Ｐ＝１／（２×Ｓｉｎ（Ｔａｎ^−１（３０．７１／９５）））
≒１．６３
となり、この場合のＦナンバーＦ_Ｐは、約１．６３という非常に小さな値となることがわかる。

一般に、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐが小さいほど、明るさが増す一方で、照明光学系１の設計が難しくなり、またレンズ口径が大きくなってレンズ枚数も増加することからコストの増加を招くことが多い。一方、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐを大きくすると、投写光学系３の設計は容易になるが、投写光学系３の入射面３ｄの有効口径Ｅ_Ｐが小さくなるため、投写光学系３のシフト量が０％の場合（図７）に、入射側開口部１０を通過した光束を効率よく取り込むことができなくなる。

ここで、上述したように照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉを２．４とし、ＤＭＤ素子２から投写光学系３の入射側開口部１０までの距離Ｌを４７．５ｍｍとし、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐを変化させた場合の明るさの変化を調べた。その結果を表１に示す。実験結果Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７は、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐを、１．６３、１．７７、１．８９、２．０４、２．２２、２．４、２．６の７通りに変化させたものである。明るさの評価は、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐが１．６３のときの明るさ（以下、基準値とする。）を１００％とし、これに対する相対値として評価した。

表１に示すように、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐが大きくなるにつれて、すなわち、投写光学系３の入射面３ｄの有効口径Ｅ_Ｐが小さくなるにつれて、シフト量が０％のときの明るさが徐々に低下している。すなわち、ＦナンバーＦ_Ｐが１．７７、１．８９、２．０４、２．２２、２．４、２．６と大きくなるにつれて、シフト量が０％のときの明るさが基準値（ＦナンバーＦ_Ｐが１．６３のときの明るさを１００％とする。）の９９％、９７％、９５％、８８％、８３％、８０％と低下している。一方、シフト量が５０％のときの明るさは、ＦナンバーＦ_Ｐが１．７７、１．８９、２．０４、２．２２のときには１００％であるが、ＦナンバーＦ_Ｐが２．４のときには９８％に低下し、ＦナンバーＦ_Ｐが２．６のときには９３％に低下する。

表１における明るさの低下は、投写光学系３の入射面の有効口径Ｅ_Ｐが小さいほど、入射側開口部１０を通過する光束の一部を取り込めなくなることによる。図８は、実験結果Ｎｏ．４（ＦナンバーＦ_Ｐが２．０４）において、シフト量を０％とした場合の光束を示す模式図である。図８において、照明光学系１からの光束は、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂで反射され、投写光学系３の直径Ｅ（２０．２ｍｍ）を有する入射側開口部１０に達する。一方、投写光学系３の入射面３ｄは入射側開口部１０の中心から５．２５５ｍｍだけ下方に変位した位置に中心（投写光軸３ａ）を有し、その有効口径Ｅ_Ｐは２４ｍｍである。このとき、投写光学系３の入射側開口部１０に達した光束の一部（図８に符号Ａで示す三日月形の部分）は投写光学系３の入射面３ｄに入射することができず、光量損失となる。この部分Ａにおける光量損失は、表１の実験結果Ｎｏ．４より、基準値からの明るさの低下５％に相当する。

表１から、実験結果Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５、すなわちＦ_Ｐ＜Ｆ_Ｉとなる場合には、シフト量５０％のときの明るさの低下が全く見られず、シフト量０％のときの明るさの低下も僅かである。従って、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐを、Ｆ_Ｐ＜Ｆ_Ｉを満足するように設定することにより、レンズシフト機能を実現しつつ、光利用効率を向上し、コントラストの良好な映像表示が可能になることが分かる。

なお、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐを小さくするほど明るさを向上できるのに対し、ＦナンバーＦ_Ｐを大きくするほど製造コストを低減できる。従って、ＦナンバーＦ_Ｐの具体的な値は、投写光学系３の具体的な構成及び仕様に基づき、明るさと製造コストとのバランスを考慮して決定する。また、明るさ以外に、ＭＴＦ、歪曲、倍率色収差などの光学特性についても考慮する。

また、上述したように投写光学系３の入射側開口部１０の中心をＤＭＤ素子２の中心に対して５．２５５ｍｍだけ鉛直上方に設置した場合には、鉛直方向のシフト量が５０％のときの明るさが最大になるが、明るさは、投写光学系３の入射側開口部１０の配置やＤＭＤ素子２の被照明面２ｂからの光束の出射位置によって変化するものである。これら投写光学系３の入射側開口部１０の配置、及びＤＭＤ素子２の被照明面２ｂからの光束の出射位置は、投写型表示装置の仕様に基づいて決定すればよい。

以上説明したように、実施の形態１によれば、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐを照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉよりも小さくし、かつ投写光学系３の入射側開口部１０を固定する（すなわち投写光学系３の移動に伴って移動しない）よう構成したので、レンズシフト機能を実現しつつ、光利用効率を向上し、コントラストの良好な映像を表示することが可能になる。

特に、投写光学系３の移動に合わせて照明光学系１の集光レンズを偏心させる必要がないため、投写型表示装置の大型化や価格の上昇を招くことなくレンズシフト機能を実現することができる。さらに、プリズムを用いたテレセントリック型の光学系を用いる必要がないため、安価な投写型表示装置を提供することができる。加えて、ＤＭＤ素子２と投写光学系３との間に絞り部材１２を設けたことにより、不要光がスクリーンに到達することを防止し、コントラストを向上することができる。

また、実施の形態１においては、入射側開口部１０を規定する絞り部材１２を投写光学系３の入射面の近傍に設け、投写光学系３の有効口径ＥＰを入射側開口部１０よりも大きく形成することにより、投写光学系３をシフトさせた際でも、ＤＭＤ素子２からの光を効率よく投写光学系３に取り込むことができる。

さらに、実施の形態１においては、第２ミラー９からＤＭＤ素子２に向かう光束の中心を通る光線がＤＭＤ素子２の画像形成領域の法線２ａに対して傾斜し、ＤＭＤ素子２から投写光学系３に向かう光束の中心を通る光線がＤＭＤ素子２の画像形成領域の法線２ａに対して傾斜する構成により、第２ミラー９、ＤＭＤ素子２及び投写光学系３を互いに干渉し合わないようにコンパクトに配置することができる。

また、実施の形態１においては、照明光学系１の第２ミラー９を、投影光軸３ａ方向において投影光学系３よりも反射型ライトバルブ２側に配置することにより、レンズシフト時の投写光学系３と照明光学系１との干渉を防止することができる。そのため、投写光学系３の移動に合わせて第２ミラー９を移動させる必要がなく、投写型表示装置を安価でコンパクトに構成することができる。

さらに、実施の形態１においては、光強度均一化素子６から第１ミラー８までの光束の中心を通る光線と、反射型ライトバルブ２から投写光学系３の入射側開口部１０までの光束の中心を通る光線とを略直交させることにより、レイアウトが容易になり、光源ランプ４の不具合の発生を抑えて良好な画像を得ることができる。

加えて、実施の形態１においては、反射型ライトバルブ２を、各画素の反射角の傾角を変化することのできる可動マイクロミラーで構成することにより、照明光束の断面内の強度分布を均一化し、照度ムラを抑えることができる。

また、実施の形態１においては、光強度均一化素子６を、内面で光を反射する管状部材で構成することにより、照明光束により素子自身の加熱が生じ難くなり、光強度均一化素子６の冷却及び保持構造が簡単になる。

さらに、実施の形態１においては、光強度均一化素子６を、四角柱状の透明材料で構成することにより、光強度均一化素子６の設計が容易になる。

加えて、実施の形態１においては、光強度均一化素子６を、複数のレンズ素子を平面的に配列したレンズアレイで構成することにより、照明光束の断面内の強度分布を均一にし、照度ムラを抑えることが可能となる。

実施の形態２．
図９（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る投写型表示装置のレンズシフト機能を説明するための図である。本発明の実施の形態２に係る投写型表示装置は、図１〜図３を参照して説明した実施の形態１に係る投写型表示装置と同様の基本構成を有する。以下では、実施の形態２に係る投写型表示装置が、実施の形態１に係る投写型表示装置と相違する点について説明する。

図９（Ａ）は、実施の形態２に係る投写型表示装置の投写光学系３とスクリーン１００とを側方から見た側面図である。図９（Ｂ）は、実施の形態２に係る投写型表示装置の投写光学系３とスクリーン１００とを上方から見た平面図である。投写光学系３が鉛直方向に移動すると、図９（Ａ）に示すようにスクリーン１００上の投影範囲が上方（矢印Ｕ）又は下方（矢印Ｄ）に移動する。また、投影光学系３が水平方向に移動すると、図９（Ｂ）に示すようにスクリーン１００上の投影範囲が左側（矢印Ｌ）又は右側（矢印Ｒ）に移動する。

実施の形態１と同様、図９（Ａ）において、投写光学系３が鉛直方向における第１の位置（下方位置）にあるときには、スクリーン１００上の符号Ｙ_１で示す範囲に映像が投影される。このとき、投写光学系３の投写光軸３ａの鉛直方向位置と、投影範囲Ｙ_１の鉛直方向中心とが一致する。このときの投写光学系３のシフト量を０％とする。

一方、投写光学系３が鉛直方向における第２の位置（上方位置）にあるときには、スクリーン１００上の符号Ｙ_２で示す範囲に映像が投影される。このとき、投写光学系３の投写光軸３ａの鉛直方向位置と、投影範囲Ｙ_２の下端部とが一致する。投影範囲Ｙ_２は、投影範囲Ｙ_１に対して上方に投影幅（短軸方向）の６０％（実施の形態１では５０％）だけ変位した位置にある。そのため、このときの投写光学系３のシフト量を６０％とする。投写光学系３のシフト量が６０％の状態においては、スクリーン１００に対して投写光学系３から上向きに映像が投影されることになる。なお、投影光学系３自身のシフト量（移動量）は投影範囲の移動量に比べて小さいため、図９（Ａ）においては図示を省略している。

実施の形態１と同様、図９（Ｂ）において、投写光学系３が水平方向における第１の位置（中央位置）にあるときには、スクリーン１００上の符号Ｘ_１で示す範囲に映像が投影される。このとき、投写光学系３の投写光軸３ａの水平方向位置と、投影範囲Ｘ_１の水平方向中心とが一致する。このときの投写光学系３のシフト量を０％とする。

また、投写光学系３が水平方向における第２の位置（右端位置）にあるときには、スクリーン１００上の符号Ｘ_２で示す範囲に映像が投影される。投影範囲Ｘ_２は、投影範囲Ｘ_１に対して右側に投影幅（長軸方向）の１０％だけ変位した位置にあるため、このときの投写光学系３のシフト量を＋１０％とする。同様に、投写光学系３が水平方向における第３の位置（左端位置）にあるときには、スクリーン１００上の符号Ｘ_３で示す範囲に映像が投影される。投影範囲Ｘ_３は、投影範囲Ｘ_１に対して左側に投影幅の１０％だけ変位した位置にあるため、このときの投写光学系３のシフト量を−１０％とする。

なお、投写光学系３の鉛直方向及び水平方向のシフト量は、投写光学系３の構成によって異なるものであり、図９（Ａ）及び（Ｂ）に示した範囲に限定されるものではない。

図９（Ａ）及び（Ｂ）に示したレンズシフト機能を実現するためには、投写光学系３のイメージサークル１１をシフト量に応じた大きさに設計する必要がある。ここでは、長方形のＤＭＤ素子２の水平方向（長軸方向、すなわち、長辺方向）の寸法Ｈ_ｄを１４．０１ｍｍ、鉛直方向（短軸方向、すなわち、短辺方向）の寸法Ｖ_ｄを１０．５１ｍｍ、鉛直方向のシフト量を６０％、水平方向のシフト量を±１０％とし、この場合のイメージサークル１１の大きさを図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示す。

図１０（Ａ）は、投写光学系３の水平方向及び鉛直方向のシフト量がいずれも０％の場合のイメージサークル１１を示す。この場合、投写光学系３のイメージサークル１１は、直径１７．５１ｍｍの円となる。

図１０（Ｂ）は、投写光学系３の鉛直方向のシフト量が６０％で、水平方向のシフト量が０％の場合のイメージサークル１１を示す。この場合、ＤＭＤ素子２の中心から鉛直方向に当該シフト量（６０％）だけ変位した位置がイメージサークル１１の中心となるため、イメージサークル１１は直径２７．０４ｍｍの円となる。

図１０（Ｃ）は、投写光学系３の鉛直方向のシフト量が０％で、水平方向のシフト量が１０％の場合のイメージサークル１１を示す。この場合、ＤＭＤ素子２の中心から水平方向に当該シフト量（１０％）だけ変位した位置がイメージサークル１１の中心となるため、イメージサークル１１は直径１８．６５ｍｍの円となる。なお、図１０（Ｃ）は、投写光学系３が水平方向片側（左側）にシフトした例を示しているが、反対側（右側）にシフトした場合も、図１０（Ｃ）に示した直径１８．６５ｍｍのイメージサークル１１の範囲内に含まれている。

図１０（Ｂ）及び（Ｃ）には、投写光学系３を鉛直方向のみ、及び水平方向のみにシフトした場合について示したが、イメージサークル１１を適切に決定することにより、投写光学系３を鉛直方向及び水平方向にシフトして映像を表示することができる。ここでは、図１０（Ｂ）に示したように、イメージサークル１１の直径を２７．０４ｍｍに設定している。

実施の形態２における照明光学系１及び投写光学系３の構成について説明する。上述したように、投写光学系３のイメージサークル１１の直径が２７．０４ｍｍに設定されているため、シフトが鉛直方向のみであれば、投写光学系３はシフト量６０％までシフトすることができる（図１０（Ｂ））。図１１に、投写光学系３の鉛直方向のシフト量が６０％の場合の光路を示す。

図１１に示すように、投写光学系３の入射面３ｄよりも僅かにＤＭＤ素子２側には、投写光学系３の入射側開口部１０を規定する絞り部材（開口部規定部材）１２が配置されている。絞り部材１２の入射側開口部１０は直径Ｅの円形状であり、その周囲は不要光を遮断するように黒色のコーティング等が施されている。投写光学系３の鉛直方向のシフト量が６０％であるため、投写光学系３の投写光軸３ａは、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの中心を通る法線２ａに対し、鉛直方向すなわち、ＤＭＤ素子２の短軸方向に６０％（すなわち、６．３ｍｍ）変位した位置にある。絞り部材１２により規定される入射側開口部１０の中心は、ＤＭＤ素子２の法線２ａから鉛直方向に６０％（すなわち、６．３ｍｍ）変位した位置にある。

照明光学系１からの光束（照明光学系１の第２ミラー９で反射された光束）は、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂで反射され、投写光学系３の入射側開口部１０を通過して投写光学系３に入射する。このとき、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂから投写光学系３の入射側開口部１０までの距離をＬとし、入射側開口部１０の直径をＥとし、照明光学系１の光束の広がりを入射側開口部１０の直径Ｅに合わせて設計すると、照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉは、実施の形態１でも説明した式（１）により算出される。
Ｆ_Ｉ＝１／（２×Ｓｉｎ（Ｔａｎ^−１（Ｅ／２×Ｌ））） …（１）
照明光学系１の明るさは、照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉにより決定される。

一方、投写光学系３は、投写光学系３の入射側開口部１０を通過した光束を効率よく取り込める大きさが必要になる。投写光学系３の入射面３ｄと入射側開口部１０とは近接して配置されているため、図１１に示すように投写光学系３の投写光軸３ａと入射側開口部１０の中心とが一致している場合には、投写光学系３の入射面３ｄの有効口径Ｅ_Ｐは、入射側開口部１０の直径Ｅと略等しく、又は、直径Ｅより少し大きくすればよい。このことは、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐを、照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉと略等しく、又は、照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉより僅かに小さくできること、すなわち、照明光学系を明るく構成できることを意味している。

図１２は、投写光学系３の鉛直方向（Ｄ_Ｖ方向）のシフト量が０％の状態を示す。図１２に示すように、投写光学系３がシフト（ここでは、下方に移動）しても、投写光学系３以外の構成要素（照明光学系１、ＤＭＤ素子２及び入射開口部１０を規定する絞り部材１２）は移動しない。照明光学系１からの光束は、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂで反射した後、ＤＭＤ素子２の中心を通る法線２ａに対して鉛直方向に６．３ｍｍ（＝１０．５１ｍｍ×６０％）シフトした位置に中心を有する投写光学系３の入射側開口部１０に達する。入射側開口部１０を通過した光束を全て取り込むには、投写光学系３の入射面３ｄの有効口径Ｅ_Ｐは、入射側開口部１０の直径Ｅより少なくともシフト量Ｓ_Ｐの２倍に相当する分だけ（図１２においては、６．３ｍｍの２倍）大きく設定する必要がある。

ここで、照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉを２．４とした場合について説明する。照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉを２．４とし、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂから投写光学系３の入射側開口部１０までの距離Ｌを４４．５ｍｍとしたとき、入射側開口部１０の直径Ｅは、上述した式（１）から
Ｅ＝（２×４４．５）×Ｔａｎ（Ｓｉｎ^−１（１／（２×２．４）））≒１８．９
で計算でき、約１８．９ｍｍとなる。照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉが２．４の場合、図１１に示すように投写光学系３のシフト量が６０％の場合、投写光学系３の入射面３ｄの有効口径Ｅ_Ｐも１８．９ｍｍに略等しい大きさがあれば、照明光学系１からの光束を効率よく取り込むことができる。このとき、入射側開口部１０と投写光学系３の入射面３ｄとが接近して配置されていることから、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂから入射面３ｄまでの距離もＬに略等しくなるため、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐを、照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉと同じ２．４、又は、２．４よりも僅かに小さい値（例えば、２．３５）とすることで、入射側開口部１０を通過した光束を効率良く取り込むことができる。

同様に、図１２に示すように、ＤＭＤ素子２に対する投写光学系３のシフト量Ｓ_Ｐが０％の場合は、入射側開口部１０の直径Ｅは１８．９ｍｍであるが、投写光学系３の入射面３ｄの有効口径Ｅ_Ｐは更に６．３ｍｍの２倍（すなわち、１２．６ｍｍ）だけ大きく、３１．５ｍｍ（＝１８．９ｍｍ＋１２．６ｍｍ）となる。このときの投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐは、実施の形態１でも説明した式（２）
Ｆ_Ｐ＝１／（２×Ｓｉｎ（Ｔａｎ^−１（Ｅ_Ｐ／２×Ｌ））） …（２）
で計算できる。ここで、
Ｅ_Ｐ＝Ｅ＋２×Ｓ_Ｐ …（３）
である。
式（２）及び式（３）より、ＦナンバーＦ_Ｐを次式（４）で計算できる。
Ｆ_Ｐ＝１／（２×Ｓｉｎ（Ｔａｎ^−１（（Ｅ＋２×Ｓ_Ｐ）／２×Ｌ））） …（４）
すなわち、式（４）によりＦナンバーＦ_Ｐを計算すると、
Ｆ_Ｐ＝１／（２×Ｓｉｎ（Ｔａｎ^−１（（１８．９＋１２．６）／２×４４．５）））
Ｆ_Ｐ＝１／（２×Ｓｉｎ（Ｔａｎ^−１（３１．５／８９）））
≒１．５
となり、この場合のＦナンバーＦ_Ｐは、約１．５という非常に小さな値となることがわかる。

一般に、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐが小さいほど、明るさが増す一方で、投写光学系３の設計が難しくなり、またレンズ口径が大きくなってレンズ枚数も増加することからコストの増加を招くことが多い。一方、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐを大きくすると、投写光学系３の設計は容易になるが、投写光学系３の入射面３ｄの有効口径Ｅ_Ｐが小さくなるため、投写光学系３のシフト量が０％の場合（図１２）に、入射側開口部１０を通過した光束を効率よく取り込むことができなくなる。

ここで、上述したように照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉを２．４とし、ＤＭＤ素子２から投写光学系３の入射側開口部１０までの距離Ｌを４４．５ｍｍとし、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐを変化させた場合の明るさの変化を調べた。その結果を表２に示す。実験結果Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７は、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐを、１．５、１．８、１．９、２．０、２．２、２．４、２．６の７通りに変化させたものである。明るさの評価は、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐが１．５のときの明るさ（以下、基準値とする。）を１００％とし、これに対する相対値として評価した。

表２に示すように、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐが大きくなるにつれて、すなわち、投写光学系３の入射面３ｄの有効口径Ｅ_Ｐが小さくなるにつれて、シフト量が０％のときの明るさが徐々に低下している。すなわち、ＦナンバーＦ_Ｐが１．８、１．９、２．０、２．２、２．４、２．６と大きくなるにつれて、シフト量が０％のときの明るさが、基準値（ＦナンバーＦ_Ｐが１．５のときの明るさを１００％とする。）の９９％、９７％、９５％、８８％、８３％、８０％と低下している。一方、ＦナンバーＦ_Ｐが１．８、１．９、２．０、２．２のときには、シフト量が６０％のときの明るさは１００％であるが、ＦナンバーＦ_Ｐが２．４のときには、シフト量が６０％のときの明るさは９８％に低下し、ＦナンバーＦ_Ｐが２．６のときには、シフト量が６０％のときの明るさは９３％に低下する。

表２における明るさの低下は、投写光学系３の入射面の有効口径Ｅ_Ｐが小さいほど、入射側開口部１０を通過する光束の一部を取り込めなくなることによる。図１３は、実験結果Ｎｏ．４（ＦナンバーＦ_Ｐが２．０）において、シフト量を０％とした場合の光束を示す模式図である。図１３において、照明光学系１からの光束は、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂで反射され、投写光学系３の直径Ｅ（１８．９ｍｍ）を有する入射側開口部１０に達する。一方、投写光学系３の入射面３ｄは入射側開口部１０の中心から６．３ｍｍだけ下方に変位した位置に中心（投写光軸３ａ）を有し、その有効口径Ｅ_Ｐは２３ｍｍである。このとき、投写光学系３の入射側開口部１０に達した光束の一部（図１３に符号Ａで示す三日月形の部分）は投写光学系３の入射面３ｄに入射することができず、光量損失となる。この部分Ａにおける光量損失は、表２の実験結果Ｎｏ．４より、基準値からの明るさの低下５％に相当する。

表２から、実験結果Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５、すなわち、Ｆ_Ｉ＞Ｆ_Ｐとなる場合には、シフト量６０％のときの明るさの低下が全く見られず、シフト量０％のときの明るさの低下も僅かである。従って、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐを、Ｆ_Ｉ＞Ｆ_Ｐを満足するように設定することにより、レンズシフト機能を実現しつつ、光利用効率を向上し、コントラストの良好な映像表示が可能になることが分かる。

ただし、実験結果のＮｏ．１は、シフト量０％の時でも明るさの損失が無く、照明光学系１からの光束を全て取り込むことができる。この場合の投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐは１．５と非常に小さな値となり、投写光学系３の設計を非常に難しくするとともに、レンズ口径が大きくなったり、レンズ枚数が多くなったりして、製造コストが高くなってしまう。

すなわち、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐを小さくするほど明るさを向上できるのに対して、ＦナンバーＦ_Ｐを大きくするほど製造コストを低減できる。従って、ＦナンバーＦ_Ｐの具体的な値は、投写光学系３の具体的な構成及び仕様に基づき、明るさと製造コストとのバランスを考慮して決定する。また、明るさ以外に、ＭＴＦ、歪曲、倍率色収差などの光学特性についても考慮する。

また、上述したように投写光学系３の入射側開口部１０の中心をＤＭＤ素子２の中心に対して６．３ｍｍだけ鉛直上方に設置した場合には、鉛直方向のシフト量が６０％のときの明るさが最大になるが、明るさは、投写光学系３の入射側開口部１０の配置やＤＭＤ素子２の被照明面２ｂからの光束の出射位置によって変化するものである。これら投写光学系３の入射側開口部１０の配置、及びＤＭＤ素子２の被照明面２ｂからの光束の出射位置は、投写型表示装置の仕様に基づいて決定すればよい。

投写光学系３の鉛直方向のシフト量Ｓ_Ｐについては、図３に示すように、シフト量が小さいと、照明光学系１の第２ミラー９とＤＭＤ素子２からの光束が干渉し、光利用効率の損失を招くことになる。一方、シフト量を大きくすると、図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示した投写光学系３のイメージサークル１１が大きくなり、投写光学系３の設計を困難にする要因となる。

すなわち、第２ミラー９とＤＭＤ素子２からの光束の干渉をなくすためには、投写光学系３の鉛直方向のシフト量Ｓ_ＰをＤＭＤ素子２の鉛直方向の寸法Ｖ_ｄの０．４倍より大きく構成することが望ましい。また、投写光学系３のイメージサークルの増大を抑えるためには、投写光学系３の鉛直方向のシフト量Ｓ_Ｐを、ＤＭＤ素子２の鉛直方向の寸法Ｖ_ｄの０．７倍よりも小さく構成することが望ましい。この条件は、次式（５）で表すことができる。
０．７×Ｖ_ｄ＞Ｓ_Ｐ＞０．４×Ｖ_ｄ …（５）

以上説明したように、実施の形態２によれば、投写光学系３のＦナンバーを上述した関係式の式（１）及び式（２）が成立するように構成し、かつ投写光学系３の入射側開口部１０を固定する（すなわち、投写光学系３の移動に伴って移動しない）よう構成したので、レンズシフト機能を実現しつつ、光利用効率を向上し、コントラストの良好な映像を表示することが可能になる。

特に、投写光学系３の移動に合わせて照明光学系１の集光レンズを偏心させる必要がないため、投写型表示装置の大型化や価格の上昇を招くことなくレンズシフト機能を実現することができる。さらに、プリズムを用いたテレセントリック型の光学系を用いる必要がないため、安価な投写型表示装置を提供することができる。加えて、ＤＭＤ素子２と投写光学系３との間に絞り部材１２を設けたことにより、不要光がスクリーンに到達することを防止し、コントラストを向上させることができる。

また、実施の形態２においては、入射側開口部１０を規定する絞り部材１２を投写光学系３の入射面の近傍に設け、投写光学系３の有効口径Ｅ_Ｐを入射側開口部１０よりも大きく形成することにより、投写光学系３をシフトさせた場合であっても、ＤＭＤ素子２からの光を効率よく投写光学系３に取り込むことができる。

さらに、実施の形態２によれば、投写光学系３のシフト量を上述した関係式の式（５）が成立するように構成したので、光利用効率を向上し、コントラストの良好な映像を表示することが可能になる。

さらに、実施の形態２においては、第２ミラー９からＤＭＤ素子２に向かう光束の中心を通る光線がＤＭＤ素子２の画像形成領域の法線２ａに対して傾斜し、ＤＭＤ素子２から投写光学系３に向かう光束の中心を通る光線がＤＭＤ素子２の画像形成領域の法線２ａに対して傾斜する構成により、第２ミラー９、ＤＭＤ素子２及び投写光学系３を互いに干渉し合わないようにコンパクトに配置することができる。

また、実施の形態２においては、照明光学系１の第２ミラー９を、投影光軸３ａ方向において投影光学系３よりも反射型ライトバルブ２側に配置することにより、レンズシフト時の投写光学系３と照明光学系１との干渉を防止することができる。そのため、投写光学系３の移動に合わせて第２ミラー９を移動させる必要がなく、投写型表示装置を安価でコンパクトに構成することができる。

さらに、実施の形態２においては、光強度均一化素子６から第１ミラー８までの光束の中心を通る光線と、反射型ライトバルブ２から投写光学系３の入射側開口部１０までの光束の中心を通る光線とを略直交させることにより、レイアウトが容易になり、光源ランプ４の不具合の発生を抑えて良好な画像を得ることができる。

加えて、実施の形態２においては、反射型ライトバルブ２を、各画素の反射角の傾角を変化することのできる可動マイクロミラーで構成することにより、照明光束の断面内の強度分布を均一化し、照度ムラを抑えることができる。

また、実施の形態２においては、光強度均一化素子６を、内面で光を反射する管状部材で構成することにより、照明光束により素子自身の加熱が生じ難くなり、光強度均一化素子６の冷却及び保持構造が簡単になる。

さらに、実施の形態２においては、光強度均一化素子６を、四角柱状の透明材料で構成することにより、光強度均一化素子６の設計が容易になる。

加えて、実施の形態２においては、光強度均一化素子６を、複数のレンズ素子を平面的に配列したレンズアレイで構成することにより、照明光束の断面内の強度分布を均一にし、照度ムラを抑えることが可能となる。

実施の形態３．
投写光学系３の設計を行なう際、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐが小さくなると設計が困難になるとともに、製造コストも高くなる。一方、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂから投写光学系３の入射側開口部１０までの距離Ｌが長くなると、同様に投写光学系３の設計が困難になるとともに、製造コストも高くなる。しかし、図１及び図３に示すように、第２ミラー９は、投写光学系３の下側に隣接して配置するとともに、レンズシフトのために投写光学系３が移動した際に第２ミラー９と干渉しないよう、第２ミラー９は投写光学系３の鏡筒３ｃより（投写光軸３ａの方向において）ＤＭＤ素子２側に配置する必要があり、この配置を考えると、距離Ｌは長い方が望ましい。

図１４は、本発明の実施の形態３に係る投写型表示装置におけるＤＭＤ素子から投写光学系の入射面までの距離と性能について説明するための図である。図１４に示すように、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂから投写光学系３の入射側開口部１０までの距離Ｌが距離Ｌ_２に長くなると、同じシフト量Ｓ_Ｐ（図１４においては、６．３ｍｍ）及び同じＦナンバーＦ_Ｐとした場合、投写光学系３の入射面の有効口径Ｅ_Ｐ２は有効口径Ｅ_Ｐに比べて大きくなる。すなわち、距離Ｌが長くなると、投写光学系３の入射面の有効口径Ｅ_ＰとＤＭＤ素子２の鉛直方向の寸法Ｖ_ｄとの比率Ｅ_Ｐ／Ｖ_ｄが大きくなる。そこで、照明光学系１のＦナンバーＦ_Ｉが２．４であり、投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐが２．０である時の、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂから投写光学系３の入射側開口部１０までの距離Ｌを変化させた時の性能の変化について評価した。明るさの評価は、表２に示した投写光学系３のＦナンバーＦ_Ｐが１．５のときの明るさ（基準値）を１００％とし、これに対する相対値として評価した。

表３に示すように、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂから投写光学系３の入射側開口部１０までの距離Ｌが４５．５ｍｍから４１．５ｍｍまで変化した場合、距離Ｌが４５．５ｍｍの時は投写光学系３の入射面の有効口径Ｅ_Ｐは２３．５ｍｍ、距離Ｌが４１．５ｍｍの時は投写光学系３の入射面の有効口径Ｅ_Ｐは２１．４ｍｍと、距離Ｌが小さくなると有効口径Ｅ_Ｐも小さくなる。距離Ｌが４５．５ｍｍの時は、シフト量が６０％の場合に光学系の性能としての明るさは１００％となり、シフト量が０％の場合に光学系の性能としての明るさは９８％と良好である。また、距離Ｌが４４．５ｍｍの時は、シフト量が１００％の場合に光学系の性能としての明るさは１００％となり、シフト量が０％の場合に光学系の性能としての明るさは９５％となっている。しかし、距離Ｌが短くなるに従って、明るさの損失量が大きくなる。

表３から、実験結果のＮｏ．１とＮｏ．２はシフト量６０％の時の明るさの損失が無く、かつシフト量０％における損失量も５％以内であり良好な性能を得ることができる。この時の、投写光学系３の入射面の有効口径Ｅ_ＰとＤＭＤ素子２の鉛直方向の寸法Ｖ_ｄとの比が以下の条件式を満たしている。
Ｅ_Ｐ／Ｖ_ｄ＞２．１５
従って、この条件式を満たすように、投写光学系３の入射面の有効口径Ｅ_Ｐと、ＤＭＤ素子２の鉛直方向の寸法Ｖ_ｄとを決定することによって、明るさの損失量を小さくすることができる。

以上説明したように、実施の形態３によれば、投写光学系３の入射側開口部１０までの距離Ｌにより決定される、投写光学系３の入射面の有効口径Ｅ_ＰとＤＭＤ素子２の寸法の比を、Ｅ_Ｐ／Ｖ_ｄ＞２．１５が成立するように構成したので、レンズシフト機能を実現しつつ、光利用効率を向上し、コントラストの良好な映像を表示することが可能になる。

実施の形態４．
図１５は、本発明の実施の形態４に係る投写型表示装置における照明光学系の集光点を説明するための図である。図１５に示されるように、実施の形態４に係る投写型表示装置においては、リレーレンズ群７の出射後の第１ミラー８側の位置に、照明光学系１の絞り１３が配置されている。この照明光学系１の絞り１３については、開口を規定する部材を設けない場合が多い。図１５に示されるように、光強度均一化素子６から出射した光束は、一旦、絞り１３において集光する。照明光学系１の絞り１３と、投写光学系３の入射側瞳位置とを共役な関係に設計することにより、光利用効率が向上する。

本来、投写光学系３が移動するレンズシフト機能を有する装置においては、投写光学系３の入射側瞳位置を投写光学系３よりもＤＭＤ素子２側（すなわち、投写光学系３の入射側開口部１０）にすることが望ましいが、投写光学系３のレンズ外に入射側瞳位置を配置することは、投写光学系３の設計上の大きな制約となり、設計を困難にすることになる。このため、実施の形態４に係る投写型表示装置においては、図１５に示すように、照明光学系１の集光点１４（すなわち、投写光学系３の入射側瞳位置）を投写光学系３の入射面よりもスクリーン寄り、すなわち、投写光学系３内に位置するような構成とする。

以上説明したように、実施の形態４によれば、照明光学系１の集光点１４を、投写光学系３の入射面よりもスクリーン側に配置したことにより、投写光学系３の設計の制約を減らし、設計の柔軟性を持たせることが可能となる。

なお、上記説明においては、投写型表示装置の実際の使用状態における方向を示すために「上」又は「下」という表現を用いたが、本発明の投写型表示装置は上記説明と異なる姿勢で設置することもできる。

また、上記説明においては、回転カラーフィルタ５を光源ランプ４と光強度均一化素子６の間に設置する構成を示したが、光強度均一化素子６の直後のように照明光束が小さく収束する箇所であれば、他の箇所に配置することも可能である。

さらに、上記説明においては、反射型ライトバルブ２としてＤＭＤ素子を用いた場合を示したが、反射型液晶表示素子のような他のライトバルブを用いても良い。

Claims (14)

1. 光源を含む照明光学系と、
   前記照明光学系によって照明される被照明面に画像形成領域を有する反射型ライトバルブと、
   前記反射型ライトバルブの前記画像形成領域に形成された画像を拡大投写する投写光学系であって、投写光軸に対して略直交する方向にシフト可能な投写光学系と
   を備え、
   前記投写光学系のＦナンバーは、前記照明光学系のＦナンバーよりも小さく、
   前記投写光学系と前記反射型ライトバルブとの間に、前記投写光学系のシフトによって移動しない部材であって、前記投写光学系の入射側開口部を規定する開口部規定部材を有する
   ことを特徴とする投写型表示装置。
2. 前記投写光学系の入射面の有効口径が、前記入射側開口部よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
3. 前記開口部規定部材が、前記投写光学系の入射面の近傍に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
4. 前記照明光学系が、
   前記光源から出射された光束の強度分布を均一化する光強度均一化素子と、
   前記光強度均一化素子から出射された光束を前記反射型ライトバルブに導くリレー光学系と
   をさらに備え、
   前記リレー光学系から前記反射型ライトバルブに向かう光束の中心を通る光線が、前記反射型ライトバルブの画像形成領域の法線に対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
5. 前記反射型ライトバルブの前記画像形成領域から前記投写光学系に向かう光束の中心を通る光線が、前記反射型ライトバルブの前記画像形成領域の法線に対して傾斜していることを特徴とする請求項４に記載の投写型表示装置。
6. 前記リレー光学系が、
   前記光強度均一化素子から出射された光束を伝播するリレーレンズ群と、
   前記リレーレンズ群から出射された光束を反射する第１ミラーと、
   前記第１ミラーからの反射光束を前記反射型ライトバルブに向けて反射する第２ミラーと
   を備え、
   前記第２ミラーが、前記投写光軸の方向において、前記投写光学系よりも前記反射型ライトバルブ側に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の投写型表示装置。
7. 前記投写光学系のシフト方向と平行に見た場合、前記光強度均一化素子から前記第１ミラーに向かう光束の中心を通る光線と、前記反射型ライトバルブから前記投写光学系に向かう光束の中心を通る光線とが、略直交していることを特徴とする請求項６に記載の投写型表示装置。
8. 前記反射型ライトバルブが、反射面の傾角を変化させることのできる複数の可動マイクロミラーを有することを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
9. 前記光強度均一化素子は、管状部材であり、該管状部材の内面で光束を反射するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
10. 前記光強度均一化素子は、透明の角柱状部材であり、該角柱状部材の内部で光束を反射するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
11. 前記光強度均一化素子は、複数のレンズ素子を平面的に配列したレンズアレイであることを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
12. 前記反射型ライトバルブの矩形の前記画像形成領域から前記投写光学系に向かう光束の中心を通る光線が、前記反射型ライトバルブの前記画像形成領域の法線に対して傾斜しており、
    前記反射型ライトバルブに対する、前記投写光学系の前記投写光軸に略直交する方向のシフト量をＳ_Ｐとし、
    前記開口部規定部材の入射側開口部の直径をＥとし、
    前記投写光学系の入射面の有効口径をＥ_Ｐとし、
    前記反射型ライトバルブの垂直走査方向の寸法をＶ_ｄとすると、
    Ｅ＜Ｅ_Ｐ
    ０．７×Ｖ_ｄ＞Ｓ_Ｐ＞０．４×Ｖ_ｄ
    を満たす
    ことを特徴とする請求項３に記載の投写型表示装置。
13. Ｅ_Ｐ／Ｖ_ｄ＞２．１５
    をさらに満たすことを特徴とする請求項１２に記載の投写型表示装置。
14. 前記照明光学系の集光点を、前記投写光学系の入射面よりも出射面側にしたことを特徴とする請求項１２に記載の投写型表示装置。
    

Images