JP2006189551A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光強度均一化素子の断面形状を、反射型ライトバルブ上の理想の照明領域の形状に近い形状の領域に光束を照射することができる形状にすることによって、光利用効率を向上させることができる投写型表示装置を提供する。
【解決手段】光源ランプ４と、光強度均一化素子６と、ＤＭＤ素子２と、リレー光学系７，８，９と、投写光学系３とを有する投写型表示装置であって、光強度均一化素子６は、ＤＭＤ素子２上において画像形成領域を含む理想の照明領域の各角部の位置と、中心光束に直交する方向の断面形状がＤＭＤ素子２の画像形成領域と相似形状の矩形である基準用光強度均一化素子を用いたと仮定した場合における反射型ライトバルブ上の照明領域の各角部の位置と、基準用光強度均一化素子の断面形状の各角部の位置とに基づいて、光強度均一化素子の断面形状が決定される。
【選択図】 図１

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（ＤＭＤ）や反射型液晶表示素子等のような反射型ライトバルブを用いた投写型表示装置に関するものである。

従来の投写型表示装置として、光源からの光束をライトトンネル（筒状光学素子）を通してライトバルブに導く構成のものがある（例えば、特許文献１参照）。このライトトンネルは、入射口側に断面積が連続的に減少するように形成されたテーパー部を有し、出射口側に断面形状が一定になるように形成された平行部を有している。そして、平行部の断面形状及び出射口の形状がライトバルブの形状（矩形）と相似形に形成されている。

特開２００４−２５２１１２号公報（段落００３４、図２）

しかしながら、例えば、ライトバルブの入射面（「被照明面」又は「画像形成領域」とも言う。）に対して垂直に光束を照射しない場合には、光強度均一化素子の断面形状をライトバルブの入射面の形状の相似形にしたとしても、ライトバルブ上における実際の照明領域（「実照明領域」とも言う。）は、ライトバルブの入射面と異なる形状になってしまい、ライトバルブ上における理想の照明領域に比べ大きく歪んだ照明領域になってしまうという問題があった。このような問題は、光学系の構成上、ライトバルブの入射面に対して垂直に光束を入射させることができない場合、例えば、反射型ライトバルブを用いたために、光束をライトバルブに導くミラーとライトバルブで反射された光束を拡大投写する投写光学系とが隣接して配置される場合等において生じることが多い。

そこで、本発明は、上記したような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、反射型ライトバルブ上における実際の照明領域の形状を理想の照明領域の形状に略一致させることができる断面形状を持つ光強度均一化素子によって、光利用効率を向上させることができる投写型表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る投写型表示装置は、光源と、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、矩形の画像形成領域を有する反射型ライトバルブと、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、前記反射型ライトバルブ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とを有し、前記光強度均一化素子は、中心光束に直交する方向の断面形状を四辺形とした光学素子であり、前記反射型ライトバルブ上において前記画像形成領域を含むように決められた矩形の理想の照明領域の各角部の位置と、中心光束に直交する方向の断面形状が前記反射型ライトバルブの画像形成領域と相似形状の矩形である基準用光強度均一化素子を用いたと仮定した場合における前記反射型ライトバルブ上の照明領域の各角部の位置と、前記基準用光強度均一化素子の断面形状の各角部の位置とに基づいて、前記光強度均一化素子の断面形状を決定するものである。

本発明においては、反射型ライトバルブ上において画像形成領域を含む理想の照明領域の各角部の位置と、中心光束に直交する方向の断面形状が反射型ライトバルブの画像形成領域と相似形状の矩形である基準用光強度均一化素子を用いたと仮定した場合における反射型ライトバルブ上の照明領域の各角部の位置と、基準用光強度均一化素子の断面形状の各角部の位置とに基づいて、前記光強度均一化素子の断面形状を決定する。このため、本発明によれば、反射型ライトバルブの画像形成領域に対して垂直に光束を照射できない場合であっても、反射型ライトバルブ上に照射された光束による実際の照明領域を理想の照明領域に略一致させることが可能であり、光利用効率を向上させることができるという効果が得られる。

また、本発明において、光強度均一化素子の光入射端の形状と、光強度均一化素子の断面形状と、光強度均一化素子の光出射端の形状とが同一形状である場合には、光強度均一化素子の入射端から出射端までの断面形状が一定であるので、製造が容易になり、光強度均一化素子の製造コストの低減を図ることができ、また、装置内における固定保持が容易になる。このため、この場合には、投写型表示装置の製造コストの低減を図ることができるという効果が得られる。

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光学系の構成を概略的に示す図である。なお、図１には、投写型表示装置の実際の使用状態において、投写型表示装置の光学系を上から見た場合の各構成の配置が示されている。

図１に示されるように、実施の形態１に係る投写型表示装置は、照明光学系１と、反射型ライトバルブとしてのＤＭＤ素子２と、照明光学系１により照明されたＤＭＤ素子２の被照明面（画像形成領域）２ｂの画像をスクリーン（図示せず）に投写する投写光学系３とを有している。照明光学系１は、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂに光束を照射するための光学系である。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、この回転カラーフィルタ５を透過した光束の当該光束断面内（すなわち、中心光束に直交する平面内）における強度分布を均一化する光強度均一化素子６と、レンズ７１〜７３を含むリレーレンズ群７と、第１ミラー８と、第２ミラー９とを有している。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から出射した光束をＤＭＤ素子２に導くリレー光学系（すなわち、構成部材７，８，９）を構成している。

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焦点に収束させるものである。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の照明光軸１а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よい。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（図示せず）により収束させればよい。また、楕円面鏡４ｂに代えて放物面鏡以外の凹面鏡を用いることもできる。

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たものである。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ものである。回転カラーフィルタ５は、照明光軸１аと略平行な軸線５аを中心として回転し、それぞれのフィルタ領域が光源ランプ４の照明光軸１а上において、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（すなわち、照明光軸１а上を進む中心光束に直交する平面内）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）機能を有する。光強度均一化素子６としては、一般的に、ガラス又は樹脂等の透明材料で作られ、側壁内側が全反射面となるように構成された四角柱状のロッド（すなわち、断面形状が四辺形の柱状部材）、又は、光反射面を内側にして筒状に組み合わされ、断面形状が四辺形のパイプ（管状部材）がある。光強度均一化素子６が四角柱状ロッドである場合には、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た後に出射端（出射口）から出射させる。光強度均一化素子６が四辺形のパイプである場合には、内側を向く表面鏡の反射作用を利用して光を複数回反射させた後に、出射口から出射させる。光強度均一化素子６は、光束の進行方向に適当な長さを確保すれば、内部で複数回反射した光が光強度均一化素子６の出射端６ｂの近傍に重畳照射され、光強度均一化素子６の出射端６ｂ近傍においては、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出射端（「光源面」とも言う。）６ｂを、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の被照明面２ｂを照明する。

図２は、光源４が形成する光源像４ｃ、光強度均一化素子６、及びＤＭＤ素子２の関係を概念的に示す模式図である。実施の形態１においては、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の出射端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。ここで、光源像４ｃの面積をＳ１とし、光強度均一化素子６の出射端６ｂの面積をＳ３とし、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの面積をＳ２とする。また、図２においては、光源像４ｃの位置と、光強度均一化素子６の入射端６ａの位置とが異なるように描かれているが、実際の装置においては、光源像４ｃの位置と光強度均一化素子６の入射端６ａの位置とは略一致するように構成されている。光源像４ｃから出射される光束の立体角をΩ１とすると、光強度均一化素子６へ入射する光束の立体角もΩ１となり、光強度均一化素子６内において角度が保存され、出射端６ｂから出射される光束の立体角もΩ１となる。一方、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂにおける入射光束の立体角をΩ２とすると、それぞれの面積と立体角との積は一定に保たれる。即ち、Ｓ１×Ω１＝Ｓ２×Ω２が成立する。

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（すなわち、マイクロミラーが形成された基板の表面）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に向けて反射し、投写光学系３に入射した光束はスクリーン（図示せず）上の画像投写に利用される。また、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）に向けて反射し、光吸収板に入射した光束はスクリーン上の画像投写に利用されない。

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の法線８аは、光軸１а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持ち、この第１ミラー８の形状は、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の厚みも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すると、ＤＭＤ素子２へ斜めの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。第１ミラー８の反射面を凹状の非球面で構成した場合も、ＤＭＤ素子２へ斜めの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。また、図１に示される第１ミラー８において、光強度均一化素子６の出射端６ｂの中心から射出された主光線（すなわち、中心光束）が、第１ミラー８の反射面８ｂに到達する位置を符号８ｃで示す。

図３は、実施の形態１に係る投写型表示装置を、図１におけるIII−III線方向に見たときの構成を概略的に示す図である。ＤＭＤ素子２は、照明光軸１а（図３には示さず）よりも図３において上方に配置されている。投写光学系３は、鏡筒３ｃ内にレンズ群（図示せず）を配置したものであり、その入射側開口部３ｂがＤＭＤ素子２に略対向している。投写光学系３のレンズ群の投写光軸３аは、ＤＭＤ素子２の被照明面（画像表示領域）２ｂの中心を通る法線２аに対して、平行でかつ所定量δずれている。

第２ミラー９は、図３において投写光学系３の下側に隣接して配置されている。第２ミラー９と投写光学系３の鏡筒３ｃとは、互いに干渉し合わない範囲でできるだけ近接するように配置されている。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に入射し、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂにより反射され、投写光学系３の入射開口部３ｂに入射する。第２ミラー９の反射面９ｂは、例えば、凹面状の球面や楕円反射面等で構成する。第２ミラー９の反射面を楕円反射面で構成すると、光利用効率を向上する効果が高い。

なお、図１に示すように、ＤＭＤ素子２から投写光学系３までの光束の進行方向は、光源ランプ４から第１ミラー８までの光束の進行方向に対し、上面視で（すなわち、図１において）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２а及び投写光学系３の投写光軸３аは、いずれも上面視では、照明光軸１аに対して略直交している。このように配置した理由は、第１に、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの法線２аと投写光学系３の投写光軸３аとの関係が略直交する関係から大きく外れた場合には、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のそれぞれの光路を遮らずに、これらの構成部材を配置することが困難になるからである。また、第２に、光源ランプ４の傾き角度は、約１５度程度までその使用を許可しているが、傾き角度が大きくなると明るさが低下してしまう共に、光源ランプ４のフリッカ現象を引き起こし良好な画像を得難くなるという欠点があるからである。これらの理由により、図１に示すように、照明光学系１の照明光軸１аとＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの法線２аとの交わり角γ（照明光学系１の照明光軸１аと投写光学系３の投写光軸３аとの交わり角と同じ角度）は、９０±５度で構成することが望ましい。

次に、実施の形態１における光強度均一化素子６の断面形状（実施の形態１においては、出射端形状でもある）の決定方法について説明する。

図４は、ＤＭＤ素子２上の被照明面２ｂと、断面形状をＤＭＤ素子の被照明面と相似形の矩形とした光強度均一化素子（本出願においては「基準用光強度均一化素子」と言う。）を用いた場合におけるＤＭＤ素子２上の実照明領域２ｃ´とを概略的に示す図であり、図５は、ＤＭＤ素子２上の被照明面２ｂと理想の照明領域２ｄとを概略的に示す図である。また、図６（ａ）は、基準用光強度均一化素子を用いた場合におけるＤＭＤ素子２上の実照明領域２ｃ´を示す図であり、同図（ｂ）は、基準用光強度均一化素子の断面形状６ｃ´を概略的に示す図である。さらに、図７は、ＤＭＤ素子２上の被照明面２ｂと、理想の照明領域２ｄと、基準用光強度均一化素子を用いた場合におけるＤＭＤ素子２上の実照明領域２ｃ´とを概略的に示す図であり、図８は、基準用光強度均一化素子の断面形状６ｄ´と、実施の形態１における光強度均一化素子６の断面形状（端部形状でもある）６ｅとを概略的に示す図である。さらにまた、図９は、ＤＭＤ素子２上の被照明面２ｂと、理想の照明領域２ｄと、実施の形態１における光強度均一化素子６を用いた場合におけるＤＭＤ素子２上の実照明領域２ｆとを概略的に示す図であり、図１０は、実施の形態１における光強度均一化素子６の形状を概略的に示す外観斜視図である。

一般的な照明光学系（図１の照明光学系１に対応する照明光学系）おいては、光強度均一化素子（基準用光強度均一化素子）の断面形状６ｃ´（図６（ｂ）に示す。）は入射端（図１の入射端６ａに対応する入射端）から出射端（図１の出射端６ｂに対応する出射端）まで一定であり、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂと相似形である矩形で形成されている。また、ＤＭＤ素子２を用いた照明光学系１においては、図１に示すように、第２ミラー９からＤＭＤ素子２の被照明面２ｂに対して垂直な法線方向（図１及び図３における軸線２ａ方向）に対して傾斜した斜め方向から照射するため、照明光学系１の設計を工夫しても、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂ上の実際の照明領域（実照明領域）に歪みが発生してしまうことが多い。

例えば、表１に示すような構成で光学系を設計した場合の事例（断面形状をＤＭＤ素子の被照明面と相似形の矩形とした基準用光強度均一化素子を用いた事例であり、以下「基準例」と言う。）について説明する。

基準例においては、表１に示すように、基準用光強度均一化素子（図１の光強度均一化素子６に対応する素子）の断面形状６ｃ´（図６（ｂ）に示す。）をＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの形状と相似形の矩形で形成している。また、リレーレンズ群７を球面レンズ３枚で構成し、第１ミラー８を平面ミラーで構成し、第２ミラー９を凹状の球面ミラーで構成している。また、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂのサイズが、縦１０．５１ｍｍ、横１４．０１ｍｍである。

図４に示されるように、基準用光強度均一化素子を用いた基準例におけるけるＤＭＤ素子２上の実照明領域２ｃ´はＤＭＤ素子２の被照明面２ｂの形状（矩形）に比べて歪んだ形状となっている。このように歪んだ実照明領域２ｃ´になる場合には、ＤＭＤ素子の製品のばらつきによっては、実照明領域２ｃ´における照明マージンの小さい部分に光束が照射されない状況が発生することがある。このような場合には、表示された映像画面に暗くなり影として認識される部分が生じる問題がある。また、照明マージンの大きい部分においては照明光束が無駄に捨てられ、照明光束の損失が大きいという問題がある。

図５に示されるように、ＤＭＤ素子２上における理想の照明領域２ｄは、例えば、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂに対して、全方向に一定幅の照明マージンを確保するような矩形の領域である。また、理想の照明領域２ｄを、例えば、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂに相似形（ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂに一定の倍率（例えば、１．０３倍）を掛けた領域）であって、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂを含むような矩形の領域とすることもできる。さらに、理想の照明領域２ｄを、例えば、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂを含み、水平走査方向（図５の横方向）に幅ＷＨのマージンを確保し、垂直走査方向（図５の縦方向）に幅ＷＶ（≠ＷＨ）のマージンを確保するような矩形の領域にすることもできる。基準用光強度均一化素子を用いた基準例（表１）における実照明領域２ｃ´を、理想の照明領域２ｄに近づけるために、照明光学系１の構成や設計で工夫しても、実際には限界があり、歪みが残ってしまう。そこで、本発明の実施の形態１においては、光強度均一化素子６の断面形状（端部形状を含む）を最適化することによって、実照明領域の歪みを、図９における符号２ｆのように少なくし、実照明領域２ｆを理想の照明領域２ｄに近づけることを検討した。

ここで、実施の形態１における光強度均一化素子６の断面形状６ｅ（図８に示す。）について説明する。図６（ａ）には、表１に示される基準例において、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂに向かって見た場合の実照明領域２ｃ´の４隅（４つの角部）の点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１を示し、図６（ｂ）には、同図（ａ）に示された点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１に対応する、基準用光強度均一化素子の出射端に向かって見た場合の断面形状６ｃの４隅（４つの角部）の点Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２を示す。図６（ａ）に示されるＤＭＤ素子２上の実照明領域２ｃ´の点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１はそれぞれ、基準用光強度均一化素子の断面形状６ｃ´の点Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２に対応する。

上記したように、基準用光強度均一化素子を用いた基準例（表１）においては、ＤＭＤ素子２上の実照明領域２ｃ´が歪んだ形状となるが、実施の形態１における光強度均一化素子６を用いた場合には、ＤＭＤ素子２上の実照明領域２ｆを理想の照明領域２ｄに近づけることができる。以下に、実施の形態１における光強度均一化素子６の断面形状６ｄについて説明する。図７に示されるように、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂのサイズは、縦１０．５１ｍｍ、横１４．０１ｍｍであり、一例として、３％の設計マージンを設定して、理想の照明領域２ｄを、縦１０．８３ｍｍ、横１４．４３ｍｍとする。図７に示すように、基準用光強度均一化素子を用いた基準例（表１）における実照明領域２ｃ´は理想の照明領域２ｄに比べて大きく歪んだ形状となっている。基準用光強度均一化素子を用いた基準例（表１）における実照明領域２ｃ´の歪みの程度を示すため、理想の照明領域２ｄと実照明領域２ｃ´の比較結果を表２に示す。

図７及び表２において、ｘ方向はＤＭＤ素子２の長手方向、ｙ方向はＤＭＤ素子２の短手方向を示している。基準例において、基準用光強度均一化素子を縦４．２３ｍｍ、横６．０８ｍｍの矩形で形成した場合（表１）、基準用光強度均一化素子の断面形状の４隅の点Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２から出射した光線がＤＭＤ素子２の被照明面２ｂを照射する位置をそれぞれ点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１で示している。表２には、表２における理想の照明領域２ｄ（すなわち、ＤＭＤ素子２の被照明面２ｂに対して３％の設計マージンを設定した領域）の幅（ｘ方向）及び高さ（ｙ方向）をそれぞれ１とした時、実照明領域２ｃ´について４隅の各点についてｘ方向、ｙ方向の相対値を示している。

表２において、点Ａ１の到達位置は理想の照明領域２ｄに比べて、ｘ方向が３％大きく、ｙ方向は同じとなっており、点Ａ１の到達位置はほとんど理想の位置になっていることがわかる。一方、点Ｄ１の到達位置は理想の照明領域２ｄに比べて、ｘ方向が５４％、ｙ方向が１５％大きくなっており、理想の位置から大きくずれている（すなわち、照射面積がかなり大きくなっている）ことがわかる。同様に、点Ｂ１及び点Ｃ１についても、理想の照明領域２ｄから、外れた到達位置となっている。

実際に、図７及び表２に示した歪んだ実照明領域２ｃ´を理想の照明領域２ｄに近づける方法について説明する。基本的な考え方としては、ＤＭＤ素子２の実照明領域２ｃ´の４隅の点Ａ１，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１に対応する光強度均一化素子６の４隅の点Ａ２，Ｂ２，Ｃ２，Ｄ２が、ＤＭＤ素子２の実照明領域２ｃ´を補正するように構成される四辺形で光強度均一化素子６を形成する。

図８に、表１に示される基準用光強度均一化素子の断面形状６ｄ´と、補正後の（すなわち、本発明の実施の形態１における）光強度均一化素子６の断面形状６ｅを示す。図８における断面形状６ｄ´及び６ｅは、光強度均一化素子６の出射端６ｂに向かって見た図である。

補正後の光強度均一化素子６の断面形状６ｅの決定方法は、理論的には基準用光強度均一化素子の断面形状６ｄ´で照射した場合のＤＭＤ素子２の実照明領域２ｃ´の歪みを相殺するような形状にすればよい。表３に、表２に示した基準例における実照明領域２ｃ´の歪みを相殺する光強度均一化素子６の断面形状６ｅについて、基準用光強度均一化素子の断面形状６ｄ´の４隅の点を１とした場合の比を、表２と同様に光強度均一化素子６の長手方向をｘ方向、短手方向をｙ方向とした場合の補正位置を示す。

実際の設計において、照明光学系１の持つ性能及び投写光学系３の性能をも考慮に入れて、光強度均一化素子６の断面形状６ｅを決定することが望ましい。例えば、表３に示した理論的な補正断面形状６ｅに対して各方向にそれぞれ、若干の裕度を持たせて決定することが望ましい。表３に、実施の形態１の設計事例における、最終的な光強度均一化素子６の補正後の断面形状６ｆを示す。また、図９に、補正後の断面形状６ｆの光強度均一化素子６で照射した場合の、ＤＭＤ素子２の照明領域２ｆを示す。

図９において、補正後の断面形状６ｆを持つ光強度均一化素子６でＤＭＤ素子２を照射した場合の照明領域２ｆ（断面形状６ｅを持つ光強度均一化素子６でＤＭＤ素子２を照射した場合の照明領域と略同じ形状である。）は、理想の照明領域２ｄにかなり近い形状となっていることがわかる。この場合の光強度均一化素子６の形状を図１０に示す。この光強度均一化素子６は、入射端６аから出射端６ｂまでその断面形状が形状６ｆで一定の四辺形から形成されている。また、その断面形状６ｆの面積はもとの断面形状６ｄの面積と略等しくなっており、Ｓ１×Ω１＝Ｓ２×Ω２の関係を保っている。

実施の形態１においては、図１０に示すような光強度均一化素子６を用いているので、ＤＭＤ素子の被照明面と相似形の矩形の断面形状を持つ基準用光強度均一化素子を用いた場合と比較して、ＤＭＤ素子２の照明領域６ｆが被照明面６ｂに対して全方向に一定の設計マージンを確保した理想の照明領域６ｃに近い形状となるため、光利用効率が高まるとともに、画面の一部分が暗くなるというような不具合も発生しなくなる。

具体的にいえば、実施の形態１においては、基準用光強度均一化素子を採用する場合に比べ、光利用効率が計算上約１割向上することが確認できた。

また、実施の形態１において、光強度均一化素子６から第１ミラー８までの光束の進行方向と、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３ｂまでの光束の進行方向とが略直交しているため、レイアウトし易く、光源ランプ４の不具合の発生を抑え、良好な画像を得ることが可能となる。

さらに、実施の形態１において、反射型ライトバルブ２の各画素を反射角の傾角を変化させることのできる可動マイクロミラーにより構成したので、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可能となる。

さらにまた、実施の形態１において、光強度均一化素子６を管状部材でその内面で光束を反射するように構成した場合には、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の冷却及び保持が簡単になる。

また、実施の形態１において、光強度均一化素子６を透明材料により四辺形柱状の部材で構成したので、光強度均一化素子６の設計が容易になる。

実施の形態２
図１１は、本発明の実施の形態２におけるＤＭＤ素子上の被照明面と、理想の照明領域とを、中心光束を原点する直交座標系上に示す図であり、図１２は、実施の形態２におけるＤＭＤ素子上の理想の照明領域と、基準用光強度均一化素子を用いた場合におけるＤＭＤ素子上の実照明領域とを、中心光束を原点する直交座標系上に示す図である。また、図１３は、基準用光強度均一化素子の断面形状を、中心光束を原点する直交座標系上に示す図であり、図１４は、基準用光強度均一化素子の断面形状と、実施の形態２における光強度均一化素子の断面形状とを、中心光束を原点する直交座標系上に示す図である。

実施の形態２に係る投写型表示装置は、光強度均一化素子６の断面形状（端部形状を含む）の決定手法が上記実施の形態１に係る投写型表示装置の場合と相違する。他の点は、上記実施の形態１の場合と同じであるので、実施の形態２の説明においては、図１をも参照する。

実施の形態２においては、図１１乃至図１４に示されるように、中心光束に直交する平面内において、中心光束位置を原点とし、ＤＭＤ素子２の被照明面（画像形成領域）２ｂの水平走査方向及び垂直走査方向のそれぞれにｘ軸及びｙ軸を置く座標系を用いる。このような座標系において、ＤＭＤ素子２上における理想の照明領域２ｄの角部の座標をそれぞれ、（−Ｘａ１，Ｙａ１）、（Ｘｂ１，Ｙｂ１）、（−Ｘｃ１，−Ｙｃ１）、（Ｘｄ１，−Ｙｄ１）とし、基準用光強度均一化素子を用いたと仮定した場合におけるＤＭＤ素子２上の実照明領域２ｃ´の角部の座標をそれぞれ、（−Ｘａ２，Ｙａ２）、（Ｘｂ２，Ｙｂ２）、（−Ｘｃ２，−Ｙｃ２）、（Ｘｄ２，−Ｙｄ２）とし、基準用光強度均一化素子の断面形状６ｄ´の角部の座標をそれぞれ、（−Ｘａ３，Ｙａ３）、（Ｘｂ３，Ｙｂ３）、（−Ｘｃ３，−Ｙｃ３）、（Ｘｄ３，−Ｙｄ３）とし、実施の形態２における光強度均一化素子６の断面形状６ｅの角部の座標をそれぞれ、（−Ｘａ４，Ｙａ４）、（Ｘｂ４，Ｙｂ４）、（−Ｘｃ４，−Ｙｃ４）、（Ｘｄ４，−Ｙｄ４）とする。実施の形態２に係る投写型表示装置においては、以下の条件式１乃至８を満たすように、光強度均一化素子６の断面形状６ｅを決定する。
０．９×（Ｘａ１／Ｘａ２）＜Ｘａ４／Ｘａ３＜１．２×（Ｘａ１／Ｘａ２） …式１
０．９×（Ｘｂ１／Ｘｂ２）＜Ｘｂ４／Ｘｂ３＜１．２×（Ｘｂ１／Ｘｂ２） …式２
０．９×（Ｘｃ１／Ｘｃ２）＜Ｘｃ４／Ｘｃ３＜１．２×（Ｘｃ１／Ｘｃ２） …式３
０．９×（Ｘｄ１／Ｘｄ２）＜Ｘｄ４／Ｘｄ３＜１．２×（Ｘｄ１／Ｘｄ２） …式４
０．９×（Ｙａ１／Ｙａ２）＜Ｙａ４／Ｙａ３＜１．２×（Ｙａ１／Ｙａ２） …式５
０．９×（Ｙｂ１／Ｙｂ２）＜Ｙｂ４／Ｙｂ３＜１．２×（Ｙｂ１／Ｙｂ２） …式６
０．９×（Ｙｃ１／Ｙｃ２）＜Ｙｃ４／Ｙｃ３＜１．２×（Ｙｃ１／Ｙｃ２） …式７
０．９×（Ｙｄ１／Ｙｄ２）＜Ｙｄ４／Ｙｄ３＜１．２×（Ｙｄ１／Ｙｄ２） …式８

基準用光強度均一化素子の断面形状のサイズに対する実施の形態２の光強度均一化素子の断面形状のサイズの割合が、条件式１乃至８における下限値より小さくなると、ＤＭＤ素子２上の実際の照明領域が小さくなり、投写画面の一部が暗くなる現象が発生し易くなる。また、基準用光強度均一化素子の断面形状のサイズに対する実施の形態２の光強度均一化素子の断面形状のサイズの割合が、条件式１乃至８における上限値より大きくなると、画像投写に利用されない光束が増加し、光利用効率が大きく低下する。

なお、理論的には、さらに、以下の条件式９乃至１６を実質的に満たす（すなわち、条件式９乃至１６において等号で示された条件式が略満たされる。）ことが望ましい。
Ｘａ４／Ｘａ３＝Ｘａ１／Ｘａ２ …式９
Ｘｂ４／Ｘｂ３＝Ｘｂ１／Ｘｂ２ …式１０
Ｘｃ４／Ｘｃ３＝Ｘｃ１／Ｘｃ２ …式１１
Ｘｄ４／Ｘｄ３＝Ｘｄ１／Ｘｄ２ …式１２
Ｙａ４／Ｙａ３＝Ｙａ１／Ｙａ２ …式１３
Ｙｂ４／Ｙｂ３＝Ｙｂ１／Ｙｂ２ …式１４
Ｙｃ４／Ｙｃ３＝Ｙｃ１／Ｙｃ２ …式１５
Ｙｄ４／Ｙｄ３＝Ｙｄ１／Ｙｄ２ …式１６

実施の形態２の投写型表示装置によれば、ＤＭＤ素子２の画像形成領域２ｂに対して垂直に光束を照射できない場合であっても、確実に実際の照明領域２ｆを理想の照明領域２ｄに略一致させることが可能であり、光利用効率を向上させることができるという効果が得られる。なお、実施の形態２において、上記以外の点は、上記実施の形態１の場合と同じである。

変形例の説明．
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、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の間に配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としてＤＭＤ素子を用いた場合を説明したが、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よい。

本発明の実施の形態１に係る投写型表示装置の光学系の構成を概略的に示す図である。 実施の形態１における光源像、光強度均一化素子、及びＤＭＤ素子の関係を概念的に示す模式図である。 実施の形態１に係る投写型表示装置を、図１におけるIII−III線方向に見たときの構成を概略的に示す図である。 ＤＭＤ素子上の被照明面と、断面形状をＤＭＤ素子の被照明面と相似形の矩形とした基準用光強度均一化素子を用いた場合におけるＤＭＤ素子上の実照明領域とを概略的に示す図である。 ＤＭＤ素子上の被照明面と理想の照明領域とを概略的に示す図である。 （ａ）は、基準用光強度均一化素子を用いた場合におけるＤＭＤ素子上の実照明領域を示す図であり、（ｂ）は、基準用光強度均一化素子の断面形状を概略的に示す図である。 ＤＭＤ素子上の被照明面と、理想の照明領域と、基準用光強度均一化素子を用いた場合におけるＤＭＤ素子上の実照明領域とを概略的に示す図である。 基準用光強度均一化素子の断面形状と、実施の形態１における光強度均一化素子の断面形状とを概略的に示す図である。 ＤＭＤ素子上の被照明面と、理想の照明領域と、実施の形態１における光強度均一化素子を用いた場合におけるＤＭＤ素子上の実照明領域とを概略的に示す図である。 実施の形態１における光強度均一化素子の形状を概略的に示す外観斜視図である。 本発明の実施の形態２におけるＤＭＤ素子上の被照明面と、理想の照明領域とを、中心光束を原点する直交座標系上に示す図である。 実施の形態２におけるＤＭＤ素子上の理想の照明領域と、基準用光強度均一化素子を用いた場合におけるＤＭＤ素子上の実照明領域とを、中心光束を原点する直交座標系上に示す図である。 基準用光強度均一化素子の断面形状を、中心光束を原点する直交座標系上に示す図である。 基準用光強度均一化素子の断面形状と、実施の形態２における光強度均一化素子の断面形状とを、中心光束を原点する直交座標系上に示す図である。

符号の説明

１ 照明光学系、 ２ ＤＭＤ素子、 ２ｂ ＤＭＤ素子の被照明面、 ２ｃ´ 基準用光強度均一化素子を用いた場合の実照明領域、 ２ｄ 理想の照明領域、 ２ｆ 実照明領域、 ３ 投写光学系、 ４ ランプ、 ５ 回転カラーフィルタ、 ６ 光強度均一化素子、 ６ａ 入射端、 ６ｂ 出射端、 ６ｄ´ 基準用光強度均一化素子の断面形状、 リレーレンズ群、 ８ 第１ミラー、 ９ 第２ミラー。

Claims (10)

1. 光源と、
   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、
   矩形の画像形成領域を有する反射型ライトバルブと、
   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、
   前記反射型ライトバルブ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と
   を有し、
   前記光強度均一化素子は、中心光束に直交する方向の断面形状を四辺形とした光学素子であり、
   前記反射型ライトバルブ上において前記画像形成領域を含むように決められた矩形の理想の照明領域の各角部の位置と、中心光束に直交する方向の断面形状が前記反射型ライトバルブの画像形成領域と相似形状の矩形である基準用光強度均一化素子を用いたと仮定した場合における前記反射型ライトバルブ上の照明領域の各角部の位置と、前記基準用光強度均一化素子の断面形状の各角部の位置とに基づいて、前記光強度均一化素子の断面形状を決定する
   ことを特徴とする投写型表示装置。
2. 中心光束に直交する平面内において、中心光束位置を原点とし、前記反射型ライトバルブの画像形成領域の水平走査方向及び垂直走査方向のそれぞれにｘ軸及びｙ軸を置く座標系において、
   前記反射型ライトバルブ上における理想の照明領域の角部の座標をそれぞれ、（−Ｘａ１，Ｙａ１）、（Ｘｂ１，Ｙｂ１）、（−Ｘｃ１，−Ｙｃ１）、（Ｘｄ１，−Ｙｄ１）とし、
   前記基準用光強度均一化素子を用いたと仮定した場合における前記反射型ライトバルブ上の照明領域の角部の座標をそれぞれ、（−Ｘａ２，Ｙａ２）、（Ｘｂ２，Ｙｂ２）、（−Ｘｃ２，−Ｙｃ２）、（Ｘｄ２，−Ｙｄ２）とし、
   前記基準用光強度均一化素子の断面形状の角部の座標をそれぞれ、（−Ｘａ３，Ｙａ３）、（Ｘｂ３，Ｙｂ３）、（−Ｘｃ３，−Ｙｃ３）、（Ｘｄ３，−Ｙｄ３）とし、
   前記光強度均一化素子の断面形状の角部の座標をそれぞれ、（−Ｘａ４，Ｙａ４）、（Ｘｂ４，Ｙｂ４）、（−Ｘｃ４，−Ｙｃ４）、（Ｘｄ４，−Ｙｄ４）とした場合に、
   ０．９×（Ｘａ１／Ｘａ２）＜Ｘａ４／Ｘａ３＜１．２×（Ｘａ１／Ｘａ２） …式１
   ０．９×（Ｘｂ１／Ｘｂ２）＜Ｘｂ４／Ｘｂ３＜１．２×（Ｘｂ１／Ｘｂ２） …式２
   ０．９×（Ｘｃ１／Ｘｃ２）＜Ｘｃ４／Ｘｃ３＜１．２×（Ｘｃ１／Ｘｃ２） …式３
   ０．９×（Ｘｄ１／Ｘｄ２）＜Ｘｄ４／Ｘｄ３＜１．２×（Ｘｄ１／Ｘｄ２） …式４
   ０．９×（Ｙａ１／Ｙａ２）＜Ｙａ４／Ｙａ３＜１．２×（Ｙａ１／Ｙａ２） …式５
   ０．９×（Ｙｂ１／Ｙｂ２）＜Ｙｂ４／Ｙｂ３＜１．２×（Ｙｂ１／Ｙｂ２） …式６
   ０．９×（Ｙｃ１／Ｙｃ２）＜Ｙｃ４／Ｙｃ３＜１．２×（Ｙｃ１／Ｙｃ２） …式７
   ０．９×（Ｙｄ１／Ｙｄ２）＜Ｙｄ４／Ｙｄ３＜１．２×（Ｙｄ１／Ｙｄ２） …式８
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
3. Ｘａ４／Ｘａ３＝Ｘａ１／Ｘａ２ …式９
   Ｘｂ４／Ｘｂ３＝Ｘｂ１／Ｘｂ２ …式１０
   Ｘｃ４／Ｘｃ３＝Ｘｃ１／Ｘｃ２ …式１１
   Ｘｄ４／Ｘｄ３＝Ｘｄ１／Ｘｄ２ …式１２
   Ｙａ４／Ｙａ３＝Ｙａ１／Ｙａ２ …式１３
   Ｙｂ４／Ｙｂ３＝Ｙｂ１／Ｙｂ２ …式１４
   Ｙｃ４／Ｙｃ３＝Ｙｃ１／Ｙｃ２ …式１５
   Ｙｄ４／Ｙｄ３＝Ｙｄ１／Ｙｄ２ …式１６
   をさらに満たすことを特徴とする請求項２に記載の投写型表示装置。
4. 前記光強度均一化素子の光入射端の形状と、前記光強度均一化素子の前記断面形状と、前記光強度均一化素子の光出射端の形状とが同一形状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の投写型表示装置。
5. 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光束は、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乃至４のいずれかに記載の投写型表示装置。
6. 前記反射型ライトバルブの画像形成領域から前記投写光学系に向かう光束の中心光束は、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乃至５のいずれかに記載の投写型表示装置。
7. 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反射する第１ミラーと、
   前記投写光学系に隣接し、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
   を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の投写型表示装置。
8. 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光束と、前記第２ミラーから前記反射型ライトバルブの画像形成領域に向かう光束の中心光束とが略直交していることを特徴とする請求項７に記載の投写型表示装置。
9. 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が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乃至８のいずれかに記載の投写型表示装置。
10. 前記光強度均一化素子は、内面を光反射面とした断面形状が四辺形の管状部材、又は、透明材料により構成され側壁内側が全反射面となるように構成された断面形状が四辺形の柱状部材のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の投写型表示装置。

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