JP6201619B2 - ３板式光学システム及びプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は３板式光学システム及びプロジェクター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)等の反射型表示素子からの出射光のうち、画像投影に不要なＯＦＦ光を適正に空間分離する機能を備えた３板式の画像投影用光学システムと、それを有するプロジェクター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。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。

デジタル・マイクロミラー・デバイスのような反射型表示素子では、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や機構部品を含む光学システムの温度上昇を招く原因となる。単板式のプロジェクターでは、特許文献１，２で提案されているように、ＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズムでの全反射角度を利用してＯＦＦ光を処理することができる。色分解合成プリズムと３枚のデジタル・マイクロミラー・デバイスを含む３板式のプロジェクターでは、投影光学系とデジタル・マイクロミラー・デバイスとの間隔が広く、ＯＮ光（投影光）とＯＦＦ光との分離が容易であるため、色分解合成プリズムの高さを増やすことによって色分解合成プリズム内でＯＦＦ光を投影光から分離処理することができる。また、特許文献３で提案されているように、楔形状のプリズムとその傾斜面に設けられたＯＦＦ光反射コートを利用することもＯＦＦ光の分離処理には有効である。

特開２００６−１１９３７６号公報 特開２００３−２１５４９５号公報 特開２０１３−１２５１６８号公報

しかし、３板式のプロジェクターにおいて色分解合成プリズムの高さが十分でない場合には、ＯＦＦ光は正しく処理されず色分解合成プリズム内で迷光になって、プロジェクター性能低下の原因となる。つまり、色合成に使用されるダイクロイックコーティングは照明光と投影光を中心に設計されているので、ＯＦＦ光の一部は正しく透過又は反射されず、色分解合成プリズム内で迷光となって投影画像のコントラスト低下や光学システムの温度上昇の要因となる。ＯＦＦ光を分離処理するには色分解合成プリズムの高さを増やすのが簡単であるが、ＯＦＦ光が迷光とならないようにプリズム外への導出を行うと、色分解合成プリズムを含む光学システムが大型化する傾向となり、その大型化に伴ってコストアップを招いたりプリズム保持の信頼性が低下したりするおそれがある。また、特許文献３に記載されているような楔形状プリズムを用いると、光学部品の増加によるコストアップを招くとともに、ブロードバンドの光源には適さない構成となる。

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、小型でありながら反射型表示素子からの不要光をダイクロイックコーティングに入射させずに分離処理することの可能な光学システムと、それを備えたプロジェクターを提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の光学システムは、複数の反射型表示素子と、少なくとも３つのプリズムからなる色分解合成プリズムと、を備え、前記色分解合成プリズムで照明光を色分解し、その色分解により得られた照明光で各反射型表示素子の画像表示面を照明し、照明された各反射型表示素子からの反射光のうち画像投影に用いられる投影光を前記色分解合成プリズムで色合成する３板式の画像投影用光学システムであって、
前記反射型表示素子が、複数のマイクロミラーからなる画像表示面において各マイクロミラー面の傾きがＯＮ／ＯＦＦ制御されて照明光を強度変調することにより画像を形成するデジタル・マイクロミラー・デバイスであり、
ＯＮ状態の前記マイクロミラーで反射された投影光は前記色分解合成プリズムに入射し、ＯＦＦ状態の前記マイクロミラーで反射された不要光は前記色分解合成プリズム内に入射しないように、前記色分解合成プリズムと各反射型表示素子との間に、不要光を投影光から分離させるための距離を確保して、前記色分解合成プリズムに各反射型表示素子を対向して配置されていることを特徴とする。

第２の発明の光学システムは、上記第１の発明において、以下の条件式（１）を満たすことを特徴とする。
Ｘ３≧｛２・Ｙ＋Ｘ１・（ｔａｎα１−ｔａｎβ１）＋Ｘ２・（ｔａｎα２−ｔａｎβ２）｝／（ｔａｎβ３−ｔａｎα３） …（１）
ただし、
α２＝ｓｉｎ^-1｛（ｎ１／ｎ２）・ｓｉｎα１｝
α３＝ｓｉｎ^-1｛（ｎ２／ｎ３）・ｓｉｎα２｝
β２＝ｓｉｎ^-1｛（ｎ１／ｎ２）・ｓｉｎβ１｝
β３＝ｓｉｎ^-1｛（ｎ２／ｎ３）・ｓｉｎβ２｝
であり、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射されて投影光として色合成される光をＯＮ光とし、ＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射された不要光をＯＦＦ光とすると、照明光の光軸とＯＮ光の光軸とを含む平面の法線方向から画像表示面を見たとき、
Ｙ：画像表示面の中心から最も離れた画素までの距離、
α１：デジタル・マイクロミラー・デバイスから最も離れた位置でＯＦＦ光から分離されるＯＮ光の光線が、ＯＮ光の光軸に対してなす角度、
β１：デジタル・マイクロミラー・デバイスから最も離れた位置でＯＮ光から分離されるＯＦＦ光の光線が、ＯＮ光の光軸に対してなす角度、
ｎ１：画像表示面とカバーガラスとの間の屈折率、
Ｘ１：画像表示面とカバーガラスとの間の距離、
ｎ２：カバーガラスの屈折率、
Ｘ２：カバーガラスの厚み、
ｎ３：カバーガラスと色分解合成プリズムとの間の屈折率、
Ｘ３：カバーガラスと色分解合成プリズムとの間の距離、
である。

第３の発明の光学システムは、上記第１又は第２の発明において、前記画像表示面の長辺側から照明光を入射させることができる構成を有することを特徴とする。

第４の発明の光学システムは、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、照明光と投影光との分離を全反射と透過により行う面が、前記色分解合成プリズムの投影側に配置されないことを特徴とする。

第５の発明の光学システムは、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、照明光が、前記色分解合成プリズムに入射する前に、全反射面を有する１つの三角柱プリズムを経由することを特徴とする。

第６の発明の光学システムは、上記第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記色分解合成プリズムが、各反射型表示素子から射出した投影光が入射するプリズム面と隣り合うように、不要光の光路を確保するための傾斜面を有することを特徴とする。

第７の発明のプロジェクターは、３板式のプロジェクターであって、画像を表示する３つの反射型表示素子と、光源と、その光源からの光を集光する照明光学系と、その照明光学系からの光を前記反射型表示素子に導く上記第１〜第６のいずれか１つの発明に係る光学システムと、前記反射型表示素子に表示された画像をスクリーン面に拡大投影する投影光学系と、を備えたことを特徴とする。

本発明の光学システムによれば、色分解合成プリズムと各反射型表示素子との間に、各反射型表示素子から生じた不要光を色分解合成プリズム内に入射させずに投影光から分離させるための空間が確保されているので、色分解合成プリズム等の光学要素を大きくする必要が無く、小型でありながら反射型表示素子から投影光とは異なる角度で出射する不要光をダイクロイックコーティングに入射させずに分離処理することができる。そして、その光学システムをプロジェクターに備えることにより、小型で低コスト・高コントラストの３板式のプロジェクターを実現することができる。

不要光がダイクロイックコーティングに入射しないため、不要光が迷光となって投影画像のコントラスト低下や機構部品を含む光学システムの温度上昇を招くことを防止することができる。さらに、色分解合成プリズムでは不要光の分離処理のために必要であった高さを抑えることができる。したがって、色分解合成プリズムの小型化が可能になるため、コストダウンやプリズム保持での信頼性向上が可能となる。例えば、画像表示面の長辺側から照明光を入射させることの可能なデジタル・マイクロミラー・デバイスと色分解合成プリズムとを組み合わせることにより、投影光学系のバックワーキングディスタンスを過度に増やすことなく、不要光を色分解合成プリズムに入射させずに空間分離させることができる。

光学システムの第１の実施の形態を示す概略構成図。 図１の光学システムを搭載したプロジェクターの概略構成例を示す模式図。 従来の色分解合成プリズムの大型化を説明するための比較例を示す概略構成図。 色分解合成プリズムとデジタル・マイクロミラー・デバイスとの間に確保する不要光分離空間の最適化を説明するための図。 光学システムの第２の実施の形態を示す概略構成図。 光学システムの第２の実施の形態における外観及び光路を示す側面図。 光学システムの第２の実施の形態における外観及び光路を示す斜視図。 照明光と投影光との分離方向が画像表示面の長辺方向又は短辺方向に揃ったデジタル・マイクロミラー・デバイスの動作を説明するための図。

以下、本発明に係る光学システム及びプロジェクターの実施の形態等を、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。

図１に、光学システムＰＵ１の第１の実施の形態を示す。図１（Ａ）は光学システムＰＵ１を上面側から見た状態で示しており、図１（Ｂ）は光学システムＰＵ１を側面側から見た状態で示している。また図２に、光学システムＰＵ１を搭載したプロジェクターＰＪの概略構成例を示す。プロジェクターＰＪは、図２に示すように、投影光学系ＬＮ，光学システムＰＵ１，光源１１，照明光学系１２，制御部１３，アクチュエータ１４等を備えており、光学システムＰＵ１はＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズムＰＡ，色分解合成プリズムＰＢ，デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ等からなっており、制御部１３によりプロジェクターＰＪ全体の制御が行われる。

図２に示すように、光源１１から射出した照明光Ｌ１は、照明光学系１２，ＴＩＲプリズムＰＡ及び色分解合成プリズムＰＢでデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに導かれる。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰは、光を変調して画像を生成する反射型表示素子であり、画像を表示する画像表示面ＤＳ上にはカバーガラスＣＧが設けられている。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画像表示面ＤＳでは、照明光の強度変調により２次元画像が形成される（図１では画像表示面ＤＳを正面側から見た状態をあわせて示している。）。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画素は、画像表示面ＤＳが構成する長方形の画像表示領域の各辺に対して４５°の角度をなす回転軸を有しており、その軸回りに例えば±１２°回動することにより、ＯＮ／ＯＦＦを表現する。そして、ＯＮ状態のマイクロミラー（画素面）で反射した光のみが、後述するように光学システムＰＵ１及び投影光学系ＬＮを通過することになる。

光学システムＰＵ１は、図１に示すように３板式の画像投影用光学システムである。つまり、ＴＩＲプリズムＰＡ，色分解合成プリズムＰＢ，第１〜第３のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１〜Ｄ３（図２中のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに相当する。）等からなるプリズムシステムであり、照明光Ｌ１と投影光Ｌ２との分離、及び投影光（ＯＮ光）Ｌ２と不要光（ＯＦＦ光）Ｌ３との分離を行う（図１（Ｂ））。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰに表示された画像は、投影光学系ＬＮでスクリーン面ＳＣに拡大投影される。なお、投影光学系ＬＮ又はその一部の移動（例えば、ズーミング，フォーカシング）は、アクチュエータ１４（図２）で行われる。

光学システムＰＵ１の構成を、図１を用いて更に詳しく説明する。また、従来の色分解合成プリズムＰＢとの高さｈの違いを明確にするため、比較例として光学システムＰＵ０の構成を図３に示す。なお、図１（Ａ），（Ｂ）と同様、図３（Ａ）は光学システムＰＵ０を上面側から見た状態で示しており、図３（Ｂ）は光学システムＰＵ０を側面側から見た状態で示している。

光学システムＰＵ１では（図１（Ｂ））、ＴＩＲプリズムＰＡは略三角柱状の単一のプリズムからなっており、このＴＩＲプリズムＰＡによって、第１〜第３のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１〜Ｄ３（図１）に対する入力光（照明光）Ｌ１と出力光（投影光）Ｌ２との分離が行われる。照明光学系１２から射出した照明光Ｌ１は、ＴＩＲプリズムＰＡに入射し、その斜面に全反射条件を満たした角度で入射し、全反射して色分解合成プリズムＰＢに入射する。

一方、光学システムＰＵ０では（図３（Ａ），（Ｂ））、ＴＩＲプリズムＰＡは略三角柱状の２つのプリズムからなっており、プリズム斜面間にエアギャップ層が設けられている。このＴＩＲプリズムＰＡによって、第１〜第３のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１〜Ｄ３（図３）に対する入力光（照明光）Ｌ１と出力光（投影光）Ｌ２との分離が行われる。照明光学系１２から射出した照明光Ｌ１は、ＴＩＲプリズムＰＡに入射し、エアギャップ層を形成する斜面に全反射条件を満たした角度で入射し、全反射して色分解合成プリズムＰＢに入射する。

光学システムＰＵ０，ＰＵ１において、色分解合成プリズムＰＢは、Ｂ（青）・Ｒ（赤）・Ｇ（緑）に対応した３つのプリズムＰ１，Ｐ２，Ｐ３が組み合わされた構成になっている（図１（Ａ），図３（Ａ））。デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ（図２）としては、青用，赤用，緑用の第１，第２，第３のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１，Ｄ２，Ｄ３が設けられており（図１（Ａ），図３（Ａ））、照明光Ｌ１は色分解合成プリズムＰＢで青，赤，緑の各色に分解される。色分解合成プリズムＰＢを構成している３つのプリズムＰ１，Ｐ２，Ｐ３は、略三角柱状の青用プリズム及び赤用プリズム、並びにブロック状の緑用プリズムである。第１プリズムＰ１と第２プリズムＰ２との間には、第１の色光（青色光）を反射する第１ダイクロイックコーティングＣ１、及びそれに隣接してエアギャップ層が設けられている。また、第２プリズムＰ２と第３プリズムＰ３との間には、第２の色光（赤色光）を反射する第２ダイクロイックコーティングＣ２、及びそれに隣接してエアギャップ層が設けられている。

色分解合成プリズムＰＢの第１プリズムＰ１に入射した照明光Ｌ１は、第１ダイクロイックコーティングＣ１（図１（Ａ）等）で第１の色光（青色光）が反射され、他の第２の色光（赤色光）及び第３の色光（緑色光）は透過する。第１ダイクロイックコーティングＣ１で反射された青色の照明光Ｌ１は、全反射された後、色分解合成プリズムＰＢから射出し、青用の第１のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１を照明する。ダイクロイックコーティングＣ１を透過した赤色と緑色の照明光Ｌ１のうち、赤色の照明光Ｌ１は第２ダイクロイックコーティングＣ２（図１（Ａ）等）で反射され、緑色の照明光Ｌ１は透過する。第２ダイクロイックコーティングＣ２で反射された赤色の照明光Ｌ１は、全反射された後、色分解合成プリズムＰＢから射出し、赤用の第２のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ２を照明する。第２ダイクロイックコーティングＣ２を透過した緑色の照明光Ｌ１は、色分解合成プリズムＰＢから射出し、緑用の第３のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ３を照明する。

青用の第１のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１で反射された青色の投影光Ｌ２は、色分解合成プリズムＰＢに入射して全反射された後、第１ダイクロイックコーティングＣ１で反射される。赤用の第２のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ２で反射された赤色の投影光Ｌ２は、色分解合成プリズムＰＢに入射して全反射された後、第２ダイクロイックコーティングＣ２で反射され、更に第１ダイクロイックコーティングＣ１を透過する。緑用の第３のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ３で反射された緑色の投影光Ｌ２は、色分解合成プリズムＰＢに入射して第２ダイクロイックコーティングＣ２及び第１ダイクロイックコーティングＣ１を透過する。このようにして、照明光Ｌ１を受けた３つのデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１〜Ｄ３からの出射光のうち、画像投影に用いられる投影光Ｌ２は第１，第２ダイクロイックコーティングＣ１，Ｃ２で色合成される。

光学システムＰＵ１（図１）では、上記青色，赤色，及び緑色の各投影光Ｌ２が、同一光軸ＡＸ（図２）に合成され、色分解合成プリズムＰＢから射出して、投影光学系ＬＮによってスクリーンＳＣに投影される。一方、光学システムＰＵ０（図３）では、上記青色，赤色，及び緑色の各投影光Ｌ２が、同一光軸ＡＸ（図２）に合成され、色分解合成プリズムＰＢから射出して、ＴＩＲプリズムＰＡに入射する。ＴＩＲプリズムＰＡに入射した投影光Ｌ２は、ここでは全反射条件を満たさないのでエアギャップ層を透過し、投影光学系ＬＮによってスクリーンＳＣに投影される。

上述した光学システムＰＵ０，ＰＵ１に搭載されている第１〜第３のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１〜Ｄ３では、投影画像に使われないＯＦＦ光Ｌ３と呼ばれる不要光が発生する（図１（Ｂ），図３（Ｂ））。ＯＦＦ光Ｌ３は、投影画像のコントラスト低下や機構部品等を含む光学システムＰＵ０，ＰＵ１の温度上昇を招く原因となる。光学システムＰＵ０（図３）では、これを解消するために色分解合成プリズムＰＢの高さｈ（例えば、ｈ＝１１０ｍｍ）を大きく確保している。しかし、これが色分解合成プリズムＰＢだけでなくその重量を支えるための保持機構もコストアップする要因となっている。また、色分解合成プリズムＰＢを十分大きくしても、第１，第２ダイクロイックコーティングＣ１，Ｃ２が照明光Ｌ１と投影光Ｌ２を中心に設計されているため、色分解合成プリズムＰＢに入射したＯＦＦ光Ｌ３が全反射条件やコート特性条件によりプリズムＰＢ内で迷光となり、プリズムＰＢの温度上昇やコントラスト低下の要因となってしまう。

光学システムＰＵ１（図１）では、上記問題点を解消するため、色分解合成プリズムＰＢと各デジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１〜Ｄ３との間に、各デジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１〜Ｄ３から生じたＯＦＦ光Ｌ３を色分解合成プリズムＰＢ内に入射させずに投影光Ｌ２から分離させるための不要光分離空間ＳＰを確保している。この構成によれば、色分解合成プリズムＰＢ等の光学要素を大きくする必要が無く、小型でありながらデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１〜Ｄ３から投影光Ｌ２とは異なる角度で出射するＯＦＦ光Ｌ３を第１，第２ダイクロイックコーティングＣ１，Ｃ２に入射させずに分離処理することができる。そして、この光学システムＰＵ１をプロジェクターＰＪに備えることにより、３板式プロジェクターＰＪの小型化，低コスト化，高コントラスト化を達成することができる。

不要光分離空間ＳＰを十分に確保すると、ＯＦＦ光Ｌ３は第１，第２ダイクロイックコーティングＣ１，Ｃ２に入射せず（図１）、色分解合成プリズムＰＢ内にすら入射しないため、迷光となって投影画像のコントラスト低下や機構部品を含む光学システムＰＵ１の温度上昇を招くことを効果的に防止することができる。さらに、不要光分離空間ＳＰとして空気層を確保すると、ＯＦＦ光Ｌ３が色分解合成プリズムＰＢで屈折しないため、短い距離で投影光Ｌ２とＯＦＦ光Ｌ３とを分離することができる。これにより色分解合成プリズムＰＢ内にＯＦＦ光Ｌ３の光路を確保する必要がなくなるので、色分解合成プリズムＰＢにおいてＯＦＦ光Ｌ３の分離処理のために必要であった高さｈを抑えることができる（例えば、ｈ＝８５ｍｍ）。したがって、色分解合成プリズムＰＢの小型化が可能になるため、コストダウンやプリズム保持での信頼性向上が可能となる。なお、空間分離した各ＯＦＦ光Ｌ３は、まとめてダンパー（例えば、後で説明する図６中のダンパーＤＭ）に吸収させてもよく、各チャンネルごとに設けたダンパーに吸収させてもよい。

図４に、光学システムＰＵ１の要部を拡大して示し、色分解合成プリズムＰＢと各デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ（Ｄ１〜Ｄ３）との間に確保する不要光分離空間ＳＰの最適化を説明する。ここで、反射型表示素子としてデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰを用いた場合（つまり、複数のマイクロミラーからなる画像表示面ＤＳにおいて各マイクロミラー面の傾きがＯＮ／ＯＦＦ制御されて照明光Ｌ１を強度変調することにより画像を形成する素子構成の場合）に有効な不要光分離空間ＳＰの設定を考えると、以下の条件式（１）を満たすことが望ましい。
Ｘ３≧｛２・Ｙ＋Ｘ１・（ｔａｎα１−ｔａｎβ１）＋Ｘ２・（ｔａｎα２−ｔａｎβ２）｝／（ｔａｎβ３−ｔａｎα３） …（１）
ただし、
α２＝ｓｉｎ^-1｛（ｎ１／ｎ２）・ｓｉｎα１｝
α３＝ｓｉｎ^-1｛（ｎ２／ｎ３）・ｓｉｎα２｝
β２＝ｓｉｎ^-1｛（ｎ１／ｎ２）・ｓｉｎβ１｝
β３＝ｓｉｎ^-1｛（ｎ２／ｎ３）・ｓｉｎβ２｝
であり、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射されて投影光Ｌ２として色合成される光をＯＮ光とし、ＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射された不要光をＯＦＦ光Ｌ３とすると、照明光Ｌ１の光軸ＡＸ１（すなわち照明光学系１２の光軸）とＯＮ光Ｌ２の光軸ＡＸ２（すなわち投影光学系ＬＮの光軸）とを含む平面の法線方向から画像表示面ＤＳを見たとき、
Ｙ：画像表示面ＤＳの中心から最も離れた画素までの距離、
α１：デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰから最も離れた位置でＯＦＦ光Ｌ３から分離されるＯＮ光Ｌ２の光線Ｌ２ａが、ＯＮ光Ｌ２の光軸ＡＸ２に対してなす角度、
β１：デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰから最も離れた位置でＯＮ光Ｌ２から分離されるＯＦＦ光Ｌ３の光線Ｌ３ａが、ＯＮ光Ｌ２の光軸ＡＸ２に対してなす角度、
ｎ１：画像表示面ＤＳとカバーガラスＣＧとの間の屈折率、
Ｘ１：画像表示面ＤＳとカバーガラスＣＧとの間の距離、
ｎ２：カバーガラスＣＧの屈折率、
Ｘ２：カバーガラスＣＧの厚み、
ｎ３：カバーガラスＣＧと色分解合成プリズムＰＢとの間の屈折率、
Ｘ３：カバーガラスＣＧと色分解合成プリズムＰＢとの間の距離、
である。

条件式（１）を満たすことによって、色分解合成プリズムＰＢの高さｈを抑えながら、各デジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１〜Ｄ３で生じたＯＦＦ光Ｌ３を、色分解合成プリズムＰＢ内に入射させずに投影光Ｌ２から分離させて、ＯＦＦ光Ｌ３が迷光となるのを効果的に防止することができる。

照明光Ｌ１と投影光Ｌ２との分離を全反射と透過により行う面は、色分解合成プリズムＰＢの投影側に配置されないことが望ましい。例えば、図３に示すように照明光Ｌ１と投影光Ｌ２との分離を全反射と透過により行うＴＩＲプリズムＰＡ等の光学系は、投影光学系ＬＮと色分解合成プリズムＰＢとの間に配置されないことが望ましい。また、照明光Ｌ１は色分解合成プリズムＰＢに入射する前に、図１に示すＴＩＲプリズムＰＡのように、全反射面を有する１つの三角柱プリズムを経由することが望ましい。図１に示す光学システムＰＵ１の第１の実施の形態では、色分解合成プリズムＰＢにおいて照明光Ｌ１が入射し、かつ、投影光Ｌ２が射出するプリズム面で、投影光Ｌ２と照明光Ｌ１とが分離している。したがって、従来タイプのＴＩＲプリズムＰＡ（図３）は不要であり、照明パスにのみ全反射面を有する三角柱プリズムにより照明光Ｌ１の方向を制御している。

色分解合成プリズムＰＢは、図１，図４に示すように、各デジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１〜Ｄ３から射出した投影光Ｌ２が入射するプリズム面と隣り合うように、不要光の光路を確保するための傾斜面ＳＬを有することが望ましい。ＯＦＦ光Ｌ３は、色分解合成プリズムＰＢにおける画像表示面ＤＳ側のプリズム面の外周を通るので、ＯＦＦ光Ｌ３の光路を確保するための傾斜面ＳＬを設けることにより、不要光分離に必要な空間ＳＰを小さくすることができる。

図５に、光学システムＰＵ２の第２の実施の形態を示す。図５（Ａ）は光学システムＰＵ２を上面側から見た状態で示しており、図５（Ｂ）は光学システムＰＵ２を側面側から見た状態で示している。また、図６に光学システムＰＵ２の要部光路を側面図で示し、図７に光学システムＰＵ２の要部光路を斜視図で示す。なお、図６では空間分離した各ＯＦＦ光Ｌ３をまとめてダンパーＤＭに吸収させる構成を示しているが、各チャンネルごとにダンパーＤＭを設けてＯＦＦ光Ｌ３を吸収させてもよい。

第２の実施の形態の特徴は、使用するデジタル・マイクロミラー・デバイスＤ１〜Ｄ３での照明方向及び投影方向にある。その他の構成は前記第１の実施の形態と共通しているので、それにより得られる効果も同じである。図８に、光学システムＰＵ２に使用可能なデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ（Ｄ１〜Ｄ３）を示す。図８（Ａ）は画像表示面ＤＳの長辺ＥＬ側から照明光Ｌ１を入射させることができる構成を有するデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰを示しており、図８（Ｂ）は画像表示面ＤＳの短辺ＥＳ側から照明光Ｌ１を入射させることができる構成を有するデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰを示している。

つまり、図８（Ａ）に示すデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰは照明光Ｌ１と投影光Ｌ２との分離方向が画像表示面ＤＳの長辺ＥＬ方向に対して垂直方向に揃った構成を有しており、図８（Ｂ）に示すデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰは照明光Ｌ１と投影光Ｌ２との分離方向が画像表示面ＤＳの短辺ＥＳ方向に対して垂直方向に揃った構成を有している。これらのうち、光学システムＰＵ２（図５〜図７）に用いられるデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰ（Ｄ１〜Ｄ３）は、図８（Ａ）に示すものである。また、図８（Ｃ）は、図８（Ａ），（Ｂ）の画像表示面ＤＳの一部Ｐを拡大して示す部分拡大図であり、図８（Ｄ）は、図８（Ｃ）の要部を拡大して示すＱ−Ｑ’線断面図である。

光学システムＰＵ２に用いられているデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰは、光学システムＰＵ１に用いられているものと同様、複数のマイクロミラーＭＲからなる画像表示面ＤＳにおいて各マイクロミラー面の傾きがＯＮ／ＯＦＦ制御されて照明光を強度変調することにより画像を形成するデジタル・マイクロミラー・デバイスである。ただし、図８（Ａ）に示すように、画像表示面ＤＳの長辺ＥＬ側から照明光Ｌ１を入射させることができる構成になっている。

つまり、光学システムＰＵ１に用いられているデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画素は、画像表示面ＤＳが構成する長方形の画像表示領域の各辺に対して４５°の角度をなす回転軸を有しており、その軸回りに例えば±１２°回動することにより、ＯＮ／ＯＦＦを表現するのに対し、光学システムＰＵ２に用いられているデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰの画素（マイクロミラーＭＲ）は、画像表示面ＤＳが構成する長方形の画像表示領域の長辺ＥＬに対して平行な回転軸（短辺ＥＳに対して垂直な回転軸）ＸＲを有しており（図８（Ｃ），（Ｄ））、その軸回りに例えば±１２°回動することにより、ＯＮ／ＯＦＦを表現する。

光学システムＰＵ２に用いられているデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰは、画像表示面ＤＳの長辺ＥＬ側から照明光Ｌ１を入射させることができる構成になっているため、色分解合成プリズムＰＢとの組み合わせにより、像高の低い短辺ＥＳ側での照明光Ｌ１と投影光Ｌ２とＯＦＦ光Ｌ３との分離を容易に行うことが可能である。したがって、光学システムＰＵ１よりも投影光学系ＬＮのバックワーキングディスタンス（投影光学系ＬＮのレンズ最終面から画像表示面ＤＳまでの空気換算距離）を短くすることができる。つまり、投影光学系ＬＮのバックワーキングディスタンスを過度に増やすことなく、不要光を色分解合成プリズムＰＢに入射させずに空間分離させることが可能となる。

ここで、光学システムＰＵ２（図５〜図７）における小型化の効果を具体的に説明する。光学システムＰＵ２の色分解合成プリズムＰＢの屈折率を１．５１６８とすると、光学システムＰＵ０（図３）のＴＩＲプリズムＰＡの射出面からデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰまでの空気換算長は約６１ｍｍであり、光学システムＰＵ２（図５〜図７）の色分解合成プリズムＰＢの射出面からデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＰまでの空気換算長も約６１ｍｍと同じであるが、以下に示すように色分解合成プリズムＰＢの体積は約４０％小さくなっている。
空気換算長（ｍｍ）：
光学システムＰＵ０ …｛（２５．５＋５９．５）／１．５１６８｝＋（１＋４）≒６１
光学システムＰＵ２ …（６０．７／１．５１６８）＋２１≒６１
面積（ｍｍ²）：
光学システムＰＵ０ …（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）＝（１１３１，７１２，６７８）
光学システムＰＵ２ …（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３）＝（６６８，４０４，４１６）
高さｈ（ｍｍ）：
光学システムＰＵ０ …ｈ＝１１０
光学システムＰＵ２ …ｈ＝７０
体積（ｍｍ³）：
光学システムＰＵ０ …２７７３８６
光学システムＰＵ２ …１６３７５３
｛（２７７３８６−１６３７５３）／２７７３８６｝×１００≒４０．９％

また、不要光分離空間ＳＰの最適化に関して、光学システムＰＵ２における条件式（１）の対応値を、具体的な数値を挙げて以下に示す（図４等）。
Ｙ＝５．８３２ｍｍ，α１＝１０．２１°，β１＝４１．７９°，
ｎ１＝１．０，ｎ２＝１．４８７，ｎ３＝１．０，
Ｘ１＝０．５ｍｍ，Ｘ２＝３．０ｍｍとしたとき、
α２＝６．８５°，α３＝１０．２１°，
β２＝２６．６３°，β３＝４１．７９°となる。
｛２・Ｙ＋Ｘ１・（ｔａｎα１−ｔａｎβ１）＋Ｘ２・（ｔａｎα２−ｔａｎβ２）｝／（ｔａｎβ３−ｔａｎα３）＝｛２・５．８３２＋０．５・（ｔａｎ１０．２１°−ｔａｎ４１．７９°）＋３．０・（ｔａｎ６．８５°−ｔａｎ２６．６３°）｝／（ｔａｎ４１．７９°−ｔａｎ１０．２１°）＝１４．２４
したがって、カバーガラスＣＧから色分解合成プリズムＰＢまでの距離Ｘ３は、１４．２４ｍｍ以上あればよいことが分かる。

なお、光学システムＰＵ０における条件式（１）の対応値も、具体的な数値を挙げて以下に示す（図３等）。
Ｙ＝１１．９４４ｍｍ，α１＝８．３８°，β１＝４３．６２°，
ｎ１＝１．０，ｎ２＝１．４８７，ｎ３＝１．０，
Ｘ１＝０．５ｍｍ，Ｘ２＝３．０ｍｍとしたとき、
α２＝５．６２°，α３＝８．３８°，
β２＝２７．６４°，β３＝４３．６２°となる。
｛２・Ｙ＋Ｘ１・（ｔａｎα１−ｔａｎβ１）＋Ｘ２・（ｔａｎα２−ｔａｎβ２）｝／（ｔａｎβ３−ｔａｎα３）＝｛２・１１．９４４＋０．５・（ｔａｎ８．３８°−ｔａｎ４３．６２°）＋３．０・（ｔａｎ５．６２°−ｔａｎ２７．６４°）｝／（ｔａｎ４３．６２°−ｔａｎ８．３８°）＝２７．５７
したがって、カバーガラスＣＧから色分解合成プリズムＰＢまでの距離Ｘ３は、２７．５７ｍｍ以上必要であることから、図３に示す光学システムＰＵ０では条件式（１）を満たさないことが分かる。

ＰＪ プロジェクター
ＬＮ 投影光学系
ＰＵ０，ＰＵ１，ＰＵ２ 光学システム
ＤＰ デジタル・マイクロミラー・デバイス（反射型表示素子）
Ｄ１ 第１のデジタル・マイクロミラー・デバイス（反射型表示素子）
Ｄ２ 第２のデジタル・マイクロミラー・デバイス（反射型表示素子）
Ｄ３ 第３のデジタル・マイクロミラー・デバイス（反射型表示素子）
ＤＳ 画像表示面
ＭＲ マイクロミラー
ＸＲ 回転軸
ＥＳ 短辺
ＥＬ 長辺
ＰＡ ＴＩＲプリズム
ＰＢ 色分解合成プリズム
Ｐ１ 第１プリズム
Ｐ２ 第２プリズム
Ｐ３ 第３プリズム
Ｃ１ 第１ダイクロイックコーティング
Ｃ２ 第２ダイクロイックコーティング
ＳＬ 傾斜面
Ｌ１ 照明光
Ｌ２ ＯＮ光（投影光，必要光）
Ｌ３ ＯＦＦ光（不要光）
ＡＸ１ 照明光の光軸
ＡＸ２ ＯＮ光の光軸
ＡＸ３ ＯＦＦ光の光軸
ＳＰ 不要光分離空間
ＳＣ スクリーン
１１ 光源
１２ 照明光学系
１３ 制御部
１４ アクチュエータ
ＡＸ 光軸

Claims (7)

1. 複数の反射型表示素子と、少なくとも３つのプリズムからなる色分解合成プリズムと、を備え、前記色分解合成プリズムで照明光を色分解し、その色分解により得られた照明光で各反射型表示素子の画像表示面を照明し、照明された各反射型表示素子からの反射光のうち画像投影に用いられる投影光を前記色分解合成プリズムで色合成する３板式の画像投影用光学システムであって、
   前記反射型表示素子が、複数のマイクロミラーからなる画像表示面において各マイクロミラー面の傾きがＯＮ／ＯＦＦ制御されて照明光を強度変調することにより画像を形成するデジタル・マイクロミラー・デバイスであり、
   ＯＮ状態の前記マイクロミラーで反射された投影光は前記色分解合成プリズムに入射し、ＯＦＦ状態の前記マイクロミラーで反射された不要光は前記色分解合成プリズム内に入射しないように、前記色分解合成プリズムと各反射型表示素子との間に、不要光を投影光から分離させるための距離を確保して、前記色分解合成プリズムに各反射型表示素子を対向して配置されていることを特徴とする光学システム。
2. 以下の条件式（１）を満たすことを特徴とする請求項１記載の光学システム；
   Ｘ３≧｛２・Ｙ＋Ｘ１・（ｔａｎα１−ｔａｎβ１）＋Ｘ２・（ｔａｎα２−ｔａｎβ２）｝／（ｔａｎβ３−ｔａｎα３） …（１）
   ただし、
   α２＝ｓｉｎ^-1｛（ｎ１／ｎ２）・ｓｉｎα１｝
   α３＝ｓｉｎ^-1｛（ｎ２／ｎ３）・ｓｉｎα２｝
   β２＝ｓｉｎ^-1｛（ｎ１／ｎ２）・ｓｉｎβ１｝
   β３＝ｓｉｎ^-1｛（ｎ２／ｎ３）・ｓｉｎβ２｝
   であり、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射されて投影光として色合成される光をＯＮ光とし、ＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射された不要光をＯＦＦ光とすると、照明光の光軸とＯＮ光の光軸とを含む平面の法線方向から画像表示面を見たとき、
   Ｙ：画像表示面の中心から最も離れた画素までの距離、
   α１：デジタル・マイクロミラー・デバイスから最も離れた位置でＯＦＦ光から分離されるＯＮ光の光線が、ＯＮ光の光軸に対してなす角度、
   β１：デジタル・マイクロミラー・デバイスから最も離れた位置でＯＮ光から分離されるＯＦＦ光の光線が、ＯＮ光の光軸に対してなす角度、
   ｎ１：画像表示面とカバーガラスとの間の屈折率、
   Ｘ１：画像表示面とカバーガラスとの間の距離、
   ｎ２：カバーガラスの屈折率、
   Ｘ２：カバーガラスの厚み、
   ｎ３：カバーガラスと色分解合成プリズムとの間の屈折率、
   Ｘ３：カバーガラスと色分解合成プリズムとの間の距離、
   である。
3. 前記画像表示面の長辺側から照明光を入射させることができる構成を有することを特徴とする請求項１又は２記載の光学システム。
4. 照明光と投影光との分離を全反射と透過により行う面が、前記色分解合成プリズムの投影側に配置されないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学システム。
5. 照明光が、前記色分解合成プリズムに入射する前に、全反射面を有する１つの三角柱プリズムを経由することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学システム。
6. 前記色分解合成プリズムが、各反射型表示素子から射出した投影光が入射するプリズム面と隣り合うように、不要光の光路を確保するための傾斜面を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学システム。
7. ３板式のプロジェクターであって、画像を表示する３つの反射型表示素子と、光源と、その光源からの光を集光する照明光学系と、その照明光学系からの光を前記反射型表示素子に導く請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学システムと、前記反射型表示素子に表示された画像をスクリーン面に拡大投影する投影光学系と、を備えたことを特徴とするプロジェクター。