JPWO2015129849A1

JPWO2015129849A1 - 画像投影装置

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Publication number: JPWO2015129849A1
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Inventors: 澤井　靖昌; 靖昌澤井
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Filing date: 2015-02-27
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Abstract

画像投影装置は、複数の画素反射面からなる画像表示面において、各画素反射面が画像表示状態と画像非表示状態の２つの角度状態をとることにより、照明光を強度変調して画像を形成する反射型画像表示素子を備える。画像表示状態の画素反射面の法線ベクトルをＶＡとし、画像非表示状態の画素反射面の法線ベクトルをＶＢとし、画素中心を原点に画像表示面の法線方向にＹ軸をとり、Ｙ軸及び法線ベクトルＶＡに直交する方向にＸ軸をとり、ベクトルＶＢのＸＹ平面への射影をｖｂとすると、射影ｖｂがＹ軸に対して平行ではない所定の角度をなし、画素反射面へ入射する照明光のＸＹ平面への射影のうち、Ｙ軸と最大角をなす射影が、Ｙ軸に対して射影ｖｂのある領域側にのみ存在する。

Description

本発明は画像投影装置に関するものであり、例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)等の反射型画像表示素子を備えた画像投影装置に関するものである。

プロジェクターに搭載される反射型画像表示素子として、デジタル・マイクロミラー・デバイスが知られている。デジタル・マイクロミラー・デバイスは、複数の微小なマイクロミラーからなる画像表示面を有しており、その画像表示面で各ミラー面の傾きを制御して、照明光を強度変調することにより画像を形成する。つまり、デジタル・マイクロミラー・デバイスの各画素のＯＮ／ＯＦＦは、例えば、画像表示面の各辺に対して４５°の角度をなす回転軸を中心とする±１２°のミラー面の回動により表現される。また、マイクロミラーの動きに関しては、新しい動作タイプのデジタル・マイクロミラー・デバイスが非特許文献１で提案されている。

デジタル・マイクロミラー・デバイスのような反射型画像表示素子では、投影画像に使われないＯＦＦ光と呼ばれる不要光が発生する。そのＯＦＦ光は、投影画像のコントラスト低下を招く原因となる。つまり、画素がＯＦＦ状態のときの傾斜したマイクロミラーの隙間から照明光がミラー裏面側に回り込んで乱反射され、それが迷光となってコントラストを低下させることになる。この迷光の発生を抑えるため、マイクロミラーの裏面側を黒い酸化膜で覆うことが非特許文献２に記載されている。また、コントラストの改善を狙ったものとしては、照明光の角度ずらしと非円形状の開口絞りを用いることが特許文献１で提案されており、画素傾斜軸方向に長い開口を持つ絞りを用いることが特許文献２で提案されている。

ＵＳ６，７７３，１２０ＵＳ５，４４２，４１４

TI intros DLP pico projector chipset based on its Tilt & Roll Pixel technology、インターネット＜URL：http://www.engadget.com/2013/09/06/ti-launches-dlp-pico-projector-chipset-based-on-tilt-and-roll/＞ウシオ電機株式会社「ライトエッジ」No.21 ＤＭＤ・ＤＬＰの技術、インターネット＜URL：http://www.ushio.co.jp/documents/technology/lightedge/lightedge_21/ushio_le21-09.pdf＞

特許文献１で提案されている照明光の角度ずらしの方向では、照明光がミラー裏面側に回り込み易くなる。また、特許文献２で提案されている構成では、照明光のミラー裏面側への回り込みを効果的に防ぐことができない。しかも、従来より知られている対策では、いずれも新しい動作タイプのデジタル・マイクロミラー・デバイスに対応することは不可能であり、非特許文献２に記載の構成でも迷光の発生を充分に抑えることができない。非特許文献１に開示された新しい動作タイプのデジタル・マイクロミラー・デバイスでは、ＯＮ光とＯＦＦ光の光をより離すことができ、コントラストを上げることができることになるが、裏面側への回り込み反射の問題がより大きくなる。

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、反射型画像表示素子において画像非表示状態にある画素反射面の裏面側への照明光の回り込みを抑えることにより、高コントラストの画像表示を可能とした画像投影装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の画像投影装置は、複数の画素反射面からなる画像表示面において、各画素反射面が画像表示状態と画像非表示状態の２つの角度状態をとることにより、照明光を強度変調して画像を形成する反射型画像表示素子を備えた画像投影装置であって、
前記画像表示状態の画素反射面の法線ベクトルをＶＡとし、前記画像非表示状態の画素反射面の法線ベクトルをＶＢとし、画素中心を原点に前記画像表示面の法線方向にＹ軸をとり、Ｙ軸及び法線ベクトルＶＡに直交する方向にＸ軸をとり、ベクトルＶＢのＸＹ平面への射影をｖｂとすると、射影ｖｂがＹ軸に対して平行ではない所定の角度をなし、
前記画素反射面へ入射する照明光のＸＹ平面への射影のうち、Ｙ軸と最大角をなす射影が、Ｙ軸に対して射影ｖｂのある領域側にのみ存在することを特徴とする。

第２の発明の画像投影装置は、複数の画素反射面からなる画像表示面において、各画素反射面が画像表示状態と画像非表示状態の２つの角度状態をとることにより、照明光を強度変調して画像を形成する反射型画像表示素子を備えた画像投影装置であって、
前記画像表示状態の画素反射面の法線ベクトルをＶＡとし、前記画像非表示状態の画素反射面の法線ベクトルをＶＢとし、画素中心を原点に前記画像表示面の法線方向にＹ軸をとり、Ｙ軸及び法線ベクトルＶＡに直交する方向にＸ軸をとり、ベクトルＶＢのＸＹ平面への射影をｖｂとすると、射影ｖｂがＹ軸に対して平行ではない所定の角度をなし、
前記画素反射面へ入射する照明光の照明光軸ベクトルをＶＣとし、ベクトルＶＣのＸＹ平面への射影をｖｃとし、射影ｖｂと射影ｖｃとのなす角をαとし、Ｙ軸と射影ｖｂとのなす角をβとすると、α＜βの関係を満たすことを特徴とする。

第３の発明の画像投影装置は、上記第１又は第２の発明において、Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向にＺ軸をとり、前記画素反射面へ入射する照明光の照明光軸及びＺ軸を含む平面を平面ＨＤとし、前記照明光軸を含み平面ＨＤに直交する平面を平面ＨＥとし、平面ＨＤ内での照明光の角度分布幅をγとし、平面ＨＥ内での照明光の角度分布幅をδとすると、γ＞δの関係を満たすことを特徴とする。

第４の発明の画像投影装置は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記画像表示面に照明光を導く照明系と、前記画像表示面に表示された画像を投影する投影系と、を備えることを特徴とする。

第５の発明の画像投影装置は、上記第４の発明において、前記画素反射面へ入射する照明光のうち、Ｙ軸に対して射影ｖｂの無い側の光の少なくとも一部を遮光する非円形状の異形開口絞りを、前記照明系に有することを特徴とする。

第６の発明の画像投影装置は、上記第５の発明において、前記照明系の異形開口絞りと共役関係にあり、かつ、相似形状の異形開口絞りを、前記投影系に有することを特徴とする。

第７の発明の画像投影装置は、複数の画素反射面からなる画像表示面において、各画素反射面が画像表示状態と画像非表示状態の２つの角度状態をとることにより、照明光を強度変調して画像を形成する反射型画像表示素子を備えた画像投影装置であって、
前記画素反射面へ入射する照明光に対する前記画素反射面の裏面側に回りこむ照明光の光量の比率が、１７．５％以下であることを特徴とする。

本発明の画像投影装置によれば、反射型画像表示素子において画像非表示状態にある画素反射面の裏面側への照明光の回り込みを抑える照明構成になっているため、迷光の元となる不要光量が減ることによって、高コントラストの画像表示を行うことが可能となる。

迷光が生じる原因を説明するための模式図。新しい動作タイプのデジタル・マイクロミラー・デバイスの動作を説明するための模式図。図２のデジタル・マイクロミラー・デバイスで通常想定される画素反射面ＯＮ状態を示す光学構成図。図２のデジタル・マイクロミラー・デバイスで通常想定される画素反射面ＯＦＦ状態を示す光学構成図。画素反射面ＯＦＦ状態の第１のタイプの照明構成を示す光学構成図。画素反射面ＯＮ状態の第２のタイプの照明構成を示す光学構成図。画素反射面ＯＦＦ状態の第２のタイプの照明構成を示す光学構成図。画素反射面ＯＦＦ状態の第３のタイプの照明構成を示す光学構成図。第３のタイプの照明構成を有する画像投影装置を示す光学構成図。図９の画像投影装置における第３のタイプの照明構成でのＯＦＦ光の光路処理等を示す模式図。第３のタイプの照明構成を有する画像投影装置の他の具体例を示す要部模式図。画素反射面ＯＦＦ状態の第４のタイプの照明構成を示す光学構成図。第４のタイプの照明構成に用いられる絞り部材を示す平面図。第４のタイプの照明構成を有する画像投影装置を示す光学構成図。

以下、本発明に係る画像投影装置の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。なお、実施の形態等の相互で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。

従来よりよく知られているデジタル・マイクロミラー・デバイスの各画素のＯＮ／ＯＦＦは、前述したように、例えば画像表示面の各辺に対して４５°の角度をなす回転軸を中心とする±１２°のミラー面の回動により表現される。それに対し、新しい動作タイプのデジタル・マイクロミラー・デバイスの場合（非特許文献１等）、ミラー面の回動は１つの回転軸を中心とするものではない。本発明に係る画像投影装置は、この新しい動作タイプのデジタル・マイクロミラー・デバイスに対する照明を、高コントラストの画像表示が得られるように行う照明構成に関するものである。そこで、その効果を説明するために、まず新しい動作のデジタル・マイクロミラー・デバイスを説明する。

図２に、マイクロミラーＭＲが矩形の画素反射面ＭＳで構成する画素のＯＮ状態とＯＦＦ状態を示す。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰは、複数の画素反射面ＭＳからなる画像表示面ＤＳにおいて、各画素反射面ＭＳが画像表示状態（ＯＮ状態）と画像非表示状態（ＯＦＦ状態）の２つの角度状態をとることにより、照明光Ｌ１を強度変調して画像を形成する反射型画像表示素子である。マイクロミラーＭＲの画素反射面ＭＳは、ある一辺方向に傾斜した状態がＯＮ状態であり、それと直交する辺方向に傾斜した状態がＯＦＦ状態である。通常想定されるＯＮ／ＯＦＦ制御では、照明光Ｌ１は、画素反射面ＭＳがＯＮ状態のとき、投影光（ＯＮ光）Ｌ２として画像表示面ＤＳの法線方向に反射するように、マイクロミラーＭＲに入射し、画素反射面ＭＳがＯＦＦ状態のとき、照明光Ｌ１は画像表示面ＤＳの法線方向から大きな角度を持って反射されて、ＯＦＦ光（不要光）Ｌ３となる。したがって、各マイクロミラーＭＲの傾きのＯＮ／ＯＦＦ制御により照明光Ｌ１を強度変調すれば、所望の画像を形成することができる。なお、画像表示面ＤＳは、全ての画素反射面ＭＳの中心を含む平面である。

図３は、マイクロミラーＭＲがＯＮ状態のときの照明光Ｌ１，投影光Ｌ２等を示しており、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図である。図４は、マイクロミラーＭＲがＯＦＦ状態のときの照明光Ｌ１等を示す上面図である。これら図３，図４は、新しい動作タイプのデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ（図２）で通常想定されるＯＮ状態及びＯＦＦ状態を示している。

図３，図４では、画像表示面ＤＳの中心を原点（０，０，０）として、画像表示面ＤＳの法線方向にＹ軸、側面方向（Ｙ軸及び法線ベクトルＶＡに直交する方向）にＸ軸、上方向（Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向）にＺ軸をそれぞれ設定している。画素反射面ＭＳの傾斜角をβとして、ＯＮ状態の画素反射面ＭＳの法線ベクトルをＶＡとし、ＯＦＦ状態の画素反射面ＭＳの法線ベクトルをＶＢとすると、ＶＡ＝（０，−ｃｏｓβ，−ｓｉｎβ）、ＶＢ＝（ｓｉｎβ，−ｃｏｓβ，０）となり、ベクトルＶＢのＸＹ平面への射影はｖｂ＝（ｓｉｎβ，−ｃｏｓβ，０）となり、Ｙ軸とはβの角度をなすため平行ではない。通常では図３に示すように、投影光Ｌ２の中心がベクトル（０，１，０）方向に進行するように、照明光Ｌ１の中心をベクトル（０，−ｃｏｓ２β，ｓｉｎ２β）方向から照明する。このとき、画素反射面ＭＳへ入射する照明光Ｌ１のＸＹ平面への射影のうち、Ｙ軸と最大の角度φｍａｘをなす照明光Ｌ１の射影は、図４に示すようにＸが正の領域と負の領域の両方に、Ｙ軸に関して対称に存在する。

上記のように、Ｙ軸に対して最大角φｍａｘをなす照明光Ｌ１の射影がＹ軸に関して対称に存在すると（図４）、図１（Ａ）に示すようにＯＦＦ状態にある傾斜したマイクロミラーＭＲに対し、照明光Ｌ１ａが画素反射面ＭＳの裏面側に直接入射したり、照明光Ｌ１ｂが画素反射面ＭＳでの反射後に画素反射面ＭＳの裏面側に入射する割合が増え、それが迷光となってコントラスト低下の原因となる。照明光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂの入射方向を矢印ｍａ，ｍｂ方向にそれぞれずらせば、照明光Ｌ１ａ，Ｌ１ｂは画素反射面ＭＳの裏面側に回り込みにくくなる。なお、最大角φｍａｘは、任意の画素の中心から照明光を見たとき、幾何的に決まる有効光路とＹ軸とでなす角度のうち最大となる角度を言う。

図５に、第１のタイプの照明構成におけるマイクロミラーＭＲのＯＦＦ状態を示す。本発明に係る画像投影装置では、図５に示すように、画素反射面ＭＳへ入射する照明光Ｌ１のＸＹ平面への射影のうち、Ｙ軸と最大の角度φｍａｘをなす射影が、Ｘの正の領域にのみ存在するようにしている。つまり、画素反射面ＭＳへ入射する照明光Ｌ１のＸＹ平面への射影のうち、Ｙ軸と最大角φｍａｘをなす射影が、Ｙ軸に対して射影ｖｂのある領域側にのみ存在するようにしている。このように照明方向を設定すれば、画素反射面ＭＳの裏面側（ミラー裏面側）へ回り込んで迷光となる照明光Ｌ１の割合が減るため、コントラストを改善することができる。

したがって、複数の画素反射面からなる画像表示面において、各画素反射面が画像表示状態と画像非表示状態の２つの角度状態をとることにより、照明光を強度変調して画像を形成する反射型画像表示素子を備えた画像投影装置では、前記画像表示状態の画素反射面の法線ベクトルをＶＡとし、前記画像非表示状態の画素反射面の法線ベクトルをＶＢとし、画素中心を原点に前記画像表示面の法線方向にＹ軸をとり、Ｙ軸及び法線ベクトルＶＡに直交する方向にＸ軸をとり、ベクトルＶＢのＸＹ平面への射影をｖｂとすると、射影ｖｂがＹ軸に対して平行ではない所定の角度をなす場合、前記画素反射面へ入射する照明光のＸＹ平面への射影のうち、Ｙ軸と最大角をなす射影が、Ｙ軸に対して射影ｖｂのある領域側にのみ存在することが好ましい。

ところで、ＯＦＦ状態の画素反射面ＭＳの裏面側に照明光Ｌ１が回り込む際には、照明光Ｌ１がマイクロミラーＭＲ間の開口隙間を通過することになる。そこで、ＸＹ平面における照明光Ｌ１の入射角θと、ＯＦＦ状態のマイクロミラーＭＲ間の開口隙間の割合η（θ）と、の関係を検討する。画素ピッチＰ，傾斜角βの画素反射面ＭＳからなる画像表示面ＤＳに対して、入射角θで照明光Ｌ１が入射するものとする。図１（Ｂ）に示すθ＝０の場合、開口隙間：Ｐ（１−ｃｏｓβ）であるため、開口隙間の割合η（０）＝Ｐ（１−ｃｏｓβ）／Ｐ＝１−ｃｏｓθとなる。また、図１（Ｃ）に示すように入射角θだけ画素法線側に傾いた方向から入射する場合、開口隙間：Ｐ（１−ｃｏｓθ−ｓｉｎβｔａｎθ）ｃｏｓθであるため、開口隙間の割合η（θ）＝Ｐ（１−ｃｏｓβ−ｓｉｎβｔａｎθ）ｃｏｓθ／（Ｐｃｏｓθ）＝１−ｃｏｓβ−ｓｉｎβｔａｎθ＝η（０）−ｓｉｎβｔａｎθ＜η（０）となる。

ＸＹ平面における照明光Ｌ１の入射角θが大きくなるほど、ＯＦＦ状態の画素反射面ＭＳの裏面側に回り込める隙間開口部の割合ηが減る。画素法線側の方向からの照明光（θ＞０の場合）は、ミラー裏面側に回り込める開口隙間の割合が少なくなるが、逆方向側からの照明光（θ＜０の場合）は、ミラー裏面側に回り込める開口隙間の割合が多くなる。したがって、図５に示すように画素反射面ＭＳの裏面側に回り込める開口隙間の割合が少なくなる方向に照明光軸を傾斜させたり、後述するように開口隙間の割合が多い入射角θ＜０の照明光Ｌ１を遮光したりすれば、画素反射面ＭＳの裏面側へ回り込んで迷光となる照明光Ｌ１の割合が減るため、コントラストを改善することができる。

図６，図７に、第２のタイプの照明構成におけるマイクロミラーＭＲのＯＮ状態，ＯＦＦ状態を示す。図６は、マイクロミラーＭＲがＯＮ状態のときの照明光Ｌ１，投影光Ｌ２等を示しており、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図である。図７は、マイクロミラーＭＲがＯＦＦ状態のときの照明光Ｌ１，ＯＦＦ光Ｌ３等を示しており、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図である。

第２のタイプの照明構成では、図７に示すように、照明光Ｌ１がミラー裏面側に回りこみにくい方向に照明光軸ＡＸ１をずらして照明する構成になっている。ここでは、照明光軸ＡＸ１をＺ軸周りに角度−θずらしたベクトルＶＣ＝（ｃｏｓ２β・ｓｉｎθ，−ｃｏｓ２β・ｃｏｓθ，ｓｉｎ２β）方向に照明する構成になっている。このとき、ベクトルＶＣのＸＹ平面への射影はｖｃ＝（ｃｏｓ２β・ｓｉｎθ，−ｃｏｓ２β・ｃｏｓθ，０）で、射影ｖｂと射影ｖｃとのなす角はα＝β−θであり、α＜βとなるように設定されることになる。このように照明方向を設定すれば、画素反射面ＭＳの裏面側（ミラー裏面側）へ回り込んで迷光となる照明光Ｌ１の割合が減るため、コントラストを改善することができる。

したがって、複数の画素反射面からなる画像表示面において、各画素反射面が画像表示状態と画像非表示状態の２つの角度状態をとることにより、照明光を強度変調して画像を形成する反射型画像表示素子を備えた画像投影装置では、前記画像表示状態の画素反射面の法線ベクトルをＶＡとし、前記画像非表示状態の画素反射面の法線ベクトルをＶＢとし、画素中心を原点に前記画像表示面の法線方向にＹ軸をとり、Ｙ軸及び法線ベクトルＶＡに直交する方向にＸ軸をとり、ベクトルＶＢのＸＹ平面への射影をｖｂとすると、射影ｖｂがＹ軸に対して平行ではない所定の角度をなす場合、前記画素反射面へ入射する照明光の照明光軸ベクトルをＶＣとし、ベクトルＶＣのＸＹ平面への射影をｖｃとし、射影ｖｂと射影ｖｃとのなす角をαとし、Ｙ軸と射影ｖｂとのなす角（つまり、画素反射面ＭＳの傾斜角）をβとすると、α＜βの関係を満たすことが好ましい。

図８に、第３のタイプの照明構成におけるマイクロミラーＭＲのＯＦＦ状態を示す。図８は、マイクロミラーＭＲがＯＦＦ状態のときの照明光Ｌ１，ＯＦＦ光Ｌ３等を示しており、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図である。第３のタイプの照明構成では、図８に示すように、照明光Ｌ１がミラー裏面側に回りこみにくい方向に照明光軸ＡＸ１をずらすとともに、照明光Ｌ１の角度分布を偏平にして照明する構成になっている。つまり、図８に示すように、Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向にＺ軸をとり、画素反射面ＭＳへ入射する照明光Ｌ１の照明光軸ＡＸ１及びＺ軸を含む平面を平面ＨＤとし、照明光軸ＡＸ１を含み平面ＨＤに直交する平面を平面ＨＥとし、平面ＨＤ内での照明光Ｌ１の角度分布幅をγとし、平面ＨＥ内での照明光の角度分布幅をδとしたとき、γ＞δの関係を満たした構成になっている。

例えば、投影レンズ７（図９）の開口、すなわち受光角＝２０°（−１０°〜＋１０°）とし、照明光Ｌ１のγ＝２０°（−１０°〜＋１０°）とする。δ＝２０°で、照明光軸ＡＸ１をθ＝２°ずらすと、すなわちγ＝２０°（−８°〜＋１２°）となる。ＯＮ状態のとき投影レンズ７に入射する投影光束Ｌ２は、γ方向に２０°（−１０°〜＋１０°）であるが、δ方向に２０°（−１２°〜＋８°）となり、１０°を超える角度の投影光束Ｌ２は投影レンズ７を通過できない。このとき、δ＝１６°（−６°〜＋１０°）であれば、投影レンズ７に入射するδ方向の角度は、１６°（−１０°〜＋６°）となり、すべて投影レンズ７を通過することができる。

図９に、上記第３のタイプの照明構成（図８）を有する画像投影装置ＰＪ１を示し、図１０に、画像投影装置ＰＪ１における第３のタイプの照明構成でのＯＦＦ光の光路処理等を（Ａ）上面図と（Ｂ）側面図で示す。図９に示す画像投影装置ＰＪ１は、ランプ光源１と、リフレクター２，カラーホイール３，ロッドインテグレーター４，リレー光学系５等からなる照明系と、プリズムユニット６からなる光路分離系と、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰと、投影レンズ７等からなる投影系と、で構成されている。そして、照明系でデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画像表示面ＤＳに照明光Ｌ１を導き、投影系で画像表示面ＤＳに表示された画像をスクリーン面に拡大投影するように、第１プリズム６ａ及び第２プリズム６ｂからなるプリズムユニット６で照明光Ｌ１と投影光Ｌ２との分離を行う構成になっている。

画像投影装置ＰＪ１では、照明光Ｌ１の角度分布が偏平な照明（偏平照明）を行うために、テーパーロッド形状のロッドインテグレーター４を使用している。ランプ光源１は、白色光を発する放電ランプである。ランプリフレクター２は反射面が楕円面からなっており、その焦点位置にランプ光源１が置かれている。このため、ランプ光源１からの光束は収束光として出射することになる。その収束光はカラーホイール３に入射する。カラーホイール３は、Ｒ（赤色）・Ｇ（緑色）・Ｂ（青色）の色光を透過させるカラーフィルターで構成されている。カラーホイール３を回転させることにより、照明する色光が時間的に順次切り替り、各色に対応した画像情報をデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに表示することにより、投影画像をカラー化することが可能となる。

カラーホイール３を通過した光束は、断面が長方形の細長い四角柱の形状をしたガラス製のロッドインテグレーター４に入射する。ロッドインテグレーター４の入射面から入射した光束は、壁面で全反射を繰り返してミキシングされ、出射面では均質なエネルギー分布となる。ロッドインテグレーター４の後方には、リレー光学系５，プリズムユニット６，反射型画像表示素子であるデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰが配設されている。ロッドインテグレーター４から出射した照明光は、リレー光学系５，プリズムユニット６を経て、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画像表示面ＤＳを照明する。照明されたデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰからの反射光のうち、ＯＮ状態の画素反射面ＭＳからの反射光は、投影レンズ７に入射して投影光Ｌ２としてスクリーンへ投射される。一方、ＯＦＦ状態の画素反射面ＭＳからの反射光は、ＯＦＦ光Ｌ１となるため、投影レンズ７に入射せずスクリーンには投射されない。結果として、スクリーン上には画像が投影表示される。

ロッドインテグレーター４とプリズムユニット６との間に配置されているリレー光学系５（第１プリズム６ａに貼り合わされたエントランスレンズ５ａを含む。）は、ロッドインテグレーター４の出射面の像をデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画像表示面ＤＳに投影させて均一照明を行う。つまり、ロッドインテグレーター４の出射面は画像表示面ＤＳと共役であり、ロッドインテグレーター４の出射面の形状を画像表示面ＤＳの表示領域と略相似形にすることにより、効率の良い照明を可能としている。このとき照明光軸ＡＸ１は、図８に示すように、ＯＦＦ状態の画素反射面ＭＳの法線ベクトルＶＢが傾斜している方向に傾いて設定されている。

ここで用いているロッドインテグレーター４の出射面は、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画像表示面ＤＳと略相似な長方形であるが、ロッドインテグレーター４の入射面は略正方形となっており、対応する反射面が傾斜したテーパー状をなしている。このようなロッドインテグレーター４を用いることにより、画面長辺方向に相当する光束は反射を繰り返すごとに照明光軸ＡＸ１に対する角度が緩くなり、その方向の角度分布範囲が小さくなる。したがって、図８に示すような偏平な角度分布を有する照明光束Ｌ１を得ることができる。なお、テーパーロッドのテーパーにより角度分布範囲が小さくなる方向は、投影光と照明光が分離される方向とは直交する方向であるが、図９では便宜上、同じ紙面内で表示している。

ロッドインテグレーター４の入射面にはランプ光源１の像が形成されており、その入射面での光束分布範囲は円形である。このため、ロッドインテグレーター４の入射面形状の長辺方向を狭めて正方形に近づけても、ロッドインテグレーター４に入射する光量の損失は少ない。また、照明光軸ＡＸ１を角度ずらししていても、その方向に照明光束Ｌ１の角度幅が狭まっているので、投影レンズ７の絞りでケラレて損失する光量も少ない。

プリズムユニット６において、第１プリズム６ａは、第１入射面Ｓ１と、臨界面Ｓ２と、第１出射面Ｓ３とを有し、第２プリズム６ｂは、第２入射面Ｓ４と、第２出射面Ｓ５とを有する。第１プリズム６ａの臨界面Ｓ２と第２プリズム６ｂの第２入射面Ｓ４とは、空気層を介して対向して配置されている。さらに、第１プリズム６ａの第１入射面Ｓ１には、照明光をテレセントリックにするためエントランスレンズ５ａが貼り合わされている。照明光Ｌ１はエントランスレンズ５ａを経て第１入射面Ｓ１から第１プリズム６ａに入射する。第１プリズム６ａの臨界面Ｓ２は、入射した照明光Ｌ１が全反射するように配置されており、照明光Ｌ１は臨界面Ｓ２で反射されて、第１プリズム６ａの第１出射面Ｓ３から出射し、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰを照明する。

ＯＮ状態の画素反射面ＭＳで反射されたＯＮ光、すなわち投影光Ｌ２は、第１プリズム６ａの第１出射面Ｓ３から再び第１プリズム６ａに入射し、第１プリズム６ａの臨界面Ｓ２に到達する。投影光Ｌ２は、全反射条件を満たさない角度で臨界面Ｓ２に入射するため、臨界面Ｓ２を透過し、空気層を経て、第２入射面Ｓ４から第２プリズム６ｂに入射する。そして、第２プリズム６ｂの第２出射面Ｓ５から出射し、投影レンズ７に入射して、スクリーンに投影される。一方、ＯＦＦ状態の画素反射面ＭＳで反射されたＯＦＦ光、すなわち不要光Ｌ３も、投影光Ｌ２と同様に第１プリズム６ａの第１入射面Ｓ１から入射し、第２出射面Ｓ５から出射するが、投影光Ｌ２とは大きな角度差を持って出射するので、図１０に示すように投影レンズ７には入射しない。

図１０は、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰから投影レンズ７までのＯＮ光Ｌ２とＯＦＦ光Ｌ３の振る舞いの様子を示しており、このようにほとんどのＯＦＦ光Ｌ３をプリズムユニット６内に導き、かつ、プリズムユニット６外に導出させてから、遮光板８等でＯＦＦ光Ｌ３の処理を行なっている。図１０では、ＯＦＦ光Ｌ３がプリズムユニット６内をケラレず透過する十分な大きさを有しており、このように、デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの近傍やプリズムユニット６内でＯＦＦ光Ｌ３が散乱し迷光とならないようにして、コントラストの低下を防いでいる。なお、リレー光学系５の瞳位置と投影レンズ７の瞳位置とは光学的に共役な関係になるように構成されており、リレー光学系５の絞り開口の像が投影レンズ７の瞳位置にも同様に形成される。

表１に照明光Ｌ１のずらし角度を変えたときのコントラストの改善効果を示す。表１で想定している光学系は照明系・投影系ともＦ２．５の光学系であり、画素傾斜角βは１４°，１５°，１６°，１７°，１８°の場合である。光束のＦナンバーは１／（２×ｓｉｎΘ）で表される（Θ：片側開き角）。また、Ｆ２．５≒１１．５°である。照明系の角度をずらしていくと、投影系を通る光束位置が投影系の絞り開口に対してずれていく。そのため、投影光量は減っていくが、画素反射面ＭＳの裏面側に回りこみ迷光となる照明光Ｌ１の光量も減っていき、その比率も減っていくためコントラストは改善していくことが分かる。また、画素傾斜角βが小さい方が、画素反射面ＭＳの裏面側に回りこめる開口も小さく、画素反射面ＭＳの裏面側に回りこむ迷光も少なくなって、コントラストが良くなる。なお、前記第１，第２のタイプの照明構成（図５〜図７）も画像投影装置ＰＪ１への適用は可能であり、その際に用いるロッドインテグレーターはストレート状（図１１，図１４）でもよい。

また、迷光比率、言い換えると、画素反射面へ入射する照明光に対する前記画素反射面の裏面側に回りこむ照明光の光量の比率が、１７．５％以下であることが望ましい。この迷光比率は、全ての画素反射面が非画像表示状態における裏面反射光量の割合である。

表２に、照明光Ｌ１を偏平な照明光束にした場合（図８）の角度ずらしによる効果を示す。表２で想定している投影系はＦ２．５であるが、照明系はテーパーロッドによってずらし方向に角度分布幅が狭いＦ４．２で照明し、それと直交する方向にはＦ２．５で照明している。照明光軸ＡＸ１の角度ずらし方向に光束幅を狭めているので、少々角度をずらしても投影光量はあまり減らず、画素反射面ＭＳの裏面側へ回り込んで迷光となる照明光Ｌ１の光量が減っていく。このため、表１の場合に比べて、明るさをあまり損失せずにコントラストの改善を達成している。また、迷光比率は、コントラストを考えるとさらに、１５％以下であることが望ましい。

図１１に、第３のタイプの照明構成の他の具体例の主要部を示す。図１１に示す照明構成では、偏平な角度分布の照明を実現するために、テーパー状のロッドインテグレーター４（図９）の代わりに、ストレート状のロッドインテグレーター４Ａとシリンドリカルレンズ９を用いている。シリンドリカルレンズ９は平面と凹面を有し、ロッドインテグレーター４Ａの入射面に集光する光束のうち、入射面の長辺方向の光束の集光角度を緩めることで、その方向の角度分布幅を狭めている。したがって、この照明構成を有する画像投影装置ＰＪ２（図１１）によれば、前記画像投影装置ＰＪ１等と同様、画素反射面ＭＳの裏面側へ回り込んで迷光となる照明光Ｌ１の割合が減るため、コントラストの改善が可能となる。なお、シリンドリカルレンズのより角度分布幅が狭められる方向は、投影光と照明光が分離される方向とは直交する方向である。

図１２に、第４のタイプの照明構成におけるマイクロミラーＭＲのＯＦＦ状態を示す。図１２は、マイクロミラーＭＲがＯＦＦ状態のときの照明光Ｌ１，ＯＦＦ光Ｌ３等を示しており、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図である。図１３に、第４のタイプの照明構成を実現する絞り部材を示し、図１４に、第４のタイプの照明構成（図１２）を有する画像投影装置ＰＪ３を示す。

第４のタイプの照明構成では、図１２に示すように、照明光Ｌ１がミラー裏面側に回り込みやすい入射角度の光束を異形開口の照明系絞りＳＴ１（図１３）でカットする構成になっている。つまり、画素反射面ＭＳへ入射する照明光Ｌ１のうち、Ｙ軸に対して射影ｖｂ（図１２）の無い側の光の少なくとも一部を遮光する非円形状の異形開口絞りを、照明系絞りＳＴ１（図１３）として照明系に有する構成（図１４）になっている。さらに、照明系絞りＳＴ１と共役関係にあり、かつ、相似形状の異形開口絞りを、投影系絞りＳＴ２（図１３）として投影系に有する構成（図１４）になっている。

画像投影装置ＰＪ３（図１４）は、投影系と照明系にそれぞれＤカット状の絞りＳＴ１，ＳＴ２を有する点に特徴があり、その他は画像投影装置ＰＪ１，ＰＪ２（図９，図１１）とほぼ同じ構成になっている。照明系のリレー光学系５の瞳位置と投影レンズ７の瞳位置とが光学的に共役な関係になるように構成されており、照明系絞りＳＴ１のＤカット状開口と相似なＤカット状開口を有する投影系絞りＳＴ２が投影レンズ７に設けられている。画素反射面ＭＳの裏面側へ回り込みやすいデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰへの入射角の照明光束Ｌ１を、Ｄカット状の照明系絞りＳＴ１でカットすることにより、コントラストの改善を可能としている。さらに、照明系と投影系に相似な開口の絞りＳＴ１，ＳＴ２を設けることにより、コントラストの最適化を図ることをも可能としている。

照明系絞りＳＴ１によって、投影系絞りＳＴ２の位置における投影光束Ｌ２の形状が決まる。このとき、投影系絞りＳＴ２の開口がその絞り位置での投影光束断面よりも大きければ、投影光束の損失は無い。しかし、ＯＦＦ状態のマイクロミラーＭＲで散乱された迷光が投影レンズ７を通過する際の開口も大きいことになるため、コントラストは低下してしまう。また逆に、投影系絞りＳＴ２の開口がその絞り位置での投影光束断面よりも小さければ、ＯＦＦ状態のマイクロミラーＭＲで散乱された迷光が投影レンズ７を通過する際の開口も小さいことになるため、投影レンズ７を通過する迷光は少なくなる。しかし、投影レンズ７を通るＯＮ状態の投影光Ｌ２も大きく低下してしまうため、さほどのコントラスト改善効果は得られない。よって、投影系絞りＳＴ２の開口形状は、照明系絞りＳＴ１の開口形状と光学的に共役な相似形状にすることが望ましい。

表２に示す照明構成の場合では、照明系にＦ２．５×Ｆ４．２の楕円開口の絞りを設け、それと光学的に共役な楕円開口形状の絞りを投影系に設けてもよい。その場合、角度ずらし量に応じて投影レンズ７内では偏心した絞り開口となる。

なお、前述した各照明構成を有する画像投影装置では、１つのデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの使用を想定しているが、ＲＧＢの３色の照明光に色分離し、それぞれの色光に対応した３つのデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰでそれぞれの色光の画像表示を行い、それらを色合成してスクリーンに投影するような画像投影装置に前述した各照明構成を適用してもよい。

ＰＪ１，ＰＪ２，ＰＪ３画像投影装置
ＤＰデジタル・マイクロミラー・デバイス（反射型画像表示素子）
ＤＳ画像表示面
ＭＲマイクロミラー
ＭＳ画素反射面
ＳＴ１照明系絞り
ＳＴ２投影系絞り
Ｌ１照明光
Ｌ２ＯＮ光（投影光，必要光）
Ｌ３ＯＦＦ光（不要光）
ＡＸ１照明光軸
ＡＸ２投影光軸
１ランプ光源
２リフレクター（照明系）
３カラーホイール（照明系）
４，４Ａロッドインテグレーター（照明系）
５リレー光学系（照明系）
６プリズムユニット（光路分離系）
７投影レンズ（投影系）
８遮光板
９シリンドリカルレンズ

Claims

複数の画素反射面からなる画像表示面において、各画素反射面が画像表示状態と画像非表示状態の２つの角度状態をとることにより、照明光を強度変調して画像を形成する反射型画像表示素子を備えた画像投影装置であって、
前記画像表示状態の画素反射面の法線ベクトルをＶＡとし、前記画像非表示状態の画素反射面の法線ベクトルをＶＢとし、画素中心を原点に前記画像表示面の法線方向にＹ軸をとり、Ｙ軸及び法線ベクトルＶＡに直交する方向にＸ軸をとり、ベクトルＶＢのＸＹ平面への射影をｖｂとすると、射影ｖｂがＹ軸に対して平行ではない所定の角度をなし、
前記画素反射面へ入射する照明光のＸＹ平面への射影のうち、Ｙ軸と最大角をなす射影が、Ｙ軸に対して射影ｖｂのある領域側にのみ存在することを特徴とする画像投影装置。
複数の画素反射面からなる画像表示面において、各画素反射面が画像表示状態と画像非表示状態の２つの角度状態をとることにより、照明光を強度変調して画像を形成する反射型画像表示素子を備えた画像投影装置であって、
前記画像表示状態の画素反射面の法線ベクトルをＶＡとし、前記画像非表示状態の画素反射面の法線ベクトルをＶＢとし、画素中心を原点に前記画像表示面の法線方向にＹ軸をとり、Ｙ軸及び法線ベクトルＶＡに直交する方向にＸ軸をとり、ベクトルＶＢのＸＹ平面への射影をｖｂとすると、射影ｖｂがＹ軸に対して平行ではない所定の角度をなし、
前記画素反射面へ入射する照明光の照明光軸ベクトルをＶＣとし、ベクトルＶＣのＸＹ平面への射影をｖｃとし、射影ｖｂと射影ｖｃとのなす角をαとし、Ｙ軸と射影ｖｂとのなす角をβとすると、α＜βの関係を満たすことを特徴とする画像投影装置。
Ｘ軸及びＹ軸に直交する方向にＺ軸をとり、前記画素反射面へ入射する照明光の照明光軸及びＺ軸を含む平面を平面ＨＤとし、前記照明光軸を含み平面ＨＤに直交する平面を平面ＨＥとし、平面ＨＤ内での照明光の角度分布幅をγとし、平面ＨＥ内での照明光の角度分布幅をδとすると、γ＞δの関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２記載の画像投影装置。
前記画像表示面に照明光を導く照明系と、前記画像表示面に表示された画像を投影する投影系と、を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の画像投影装置。
前記画素反射面へ入射する照明光のうち、Ｙ軸に対して射影ｖｂの無い側の光の少なくとも一部を遮光する非円形状の異形開口絞りを、前記照明系に有することを特徴とする請求項４記載の画像投影装置。
前記照明系の異形開口絞りと共役関係にあり、かつ、相似形状の異形開口絞りを、前記投影系に有することを特徴とする請求項５記載の画像投影装置。
複数の画素反射面からなる画像表示面において、各画素反射面が画像表示状態と画像非表示状態の２つの角度状態をとることにより、照明光を強度変調して画像を形成する反射型画像表示素子を備えた画像投影装置であって、
前記画素反射面へ入射する照明光に対する前記画素反射面の裏面側に回りこむ照明光の光量の比率が、１７．５％以下であることを特徴とする画像投影装置。