JP6658335B2 - 画像表示装置および画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像表示装置および画像投射装置に関するものである。

光源と、照明光学系と、画像表示素子を有する画像表示装置が、例えばプロジェクタに使用されている。画像表示素子として、近年では、多数のマイクロミラーを平面に配列したデジタル・マイクロミラー・デバイス（以下「ＤＭＤ」という）が多用されている。ＤＭＤは反射型の画像表示素子である。ＤＭＤに照明光学系から照明光を照射し、ＤＭＤの各マイクロミラーの傾きを制御して照明光の反射方向をオン・オフ制御することにより、画像を表示することができる。

従来のＤＭＤのほとんどは、マイクロミラーの回転軸が１軸で、１軸を中心としたマイクロミラーの回転態様によって、マイクロミラーに入射する照明光の反射方向をオン方向とオフ方向に切り替える。

近年は、表示画像の高精細化が求められることによってＤＭＤのマイクロミラー（以下「可動ミラー」という）の微細化が進み、それに伴ってマイクロミラーによる光の回折が解決課題になっている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、上記課題を解決するために、入射光線と、可動ミラーのピッチ、傾き角度、回折の条件が記載されている。上記光の回折による不具合を解消するために、可動ミラーの回転角を大きくすることも有効である。

可動ミラーを、直交する２軸を中心に回転可能にしたＤＭＤも公表されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２のＦｉｇ．２９には、回折光が直交する２軸方向に延び、回折光が投影レンズに入射することを避ける様子が記載されている。

しかしながら、前述のような２軸を中心として回転するＤＭＤの可動ミラーによる回折光は、特許文献２に記載されているような回折光に限らない。ＤＭＤの可動ミラーの配列が２次元であることにより原理的に生ずる回折光があり、表示画像のコントラスト比を高めるためには、かかる回折光を低減する必要がある。

本発明は、コントラストを高めることができる画像表示装置および画像投影装置を提供することを目的とする。

本発明は、
光源、照明光学系、画像表示素子を有し、
前記画像表示素子は反射型であり可動ミラーが複数配列されて矩形の画像表示面を形成し、
前記各可動ミラーは、第１の方向に傾いて前記画像表示素子に入射する光線を第１の反射方向に反射してオン光を生成し、第１の方向と異なる第２の方向に傾いて前記画像表示素子に入射する光線を前記第１の反射方向とは異なる第２の反射方向に反射してオフ光を生成し、
前記照明光学系から前記画像表示素子に入射する入射光は、その主光線が前記画像表示面の法線に対し角度を持って入射し、
前記入射光の前記法線との角度を入射角、前記入射光の前記画像表示面の辺に対してなす角度を方位角とし、
前記可動ミラーの前記第２の方向への傾き角をα（°）、前記可動ミラーが前記第２の方向に傾いたとき前記入射光の前記可動ミラーへの入射角が小さくなる側への方位角の変化をプラス、前記入射光の前記可動ミラーへの入射角が大きくなる側への方位角の変化をマイナスとしたとき、
前記画像表示面の略中央において、前記入射角は２α＋１（°）以上であり、前記入射光の方位角はマイナスであることを最も主要な特徴とする。

各可動ミラーが異なる方向の２軸を中心に傾く画像表示素子を有する画像表示装置において、コントラストを高めることができる。

本発明に係る画像表示装置および画像投射装置の実施例を示す光学配置図である。 前記実施例中の画像表示素子としてのＤＭＤの例を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は各可動ミラーの２つの回転軸方向を示す概念図、（ｃ）は１つの回転軸を中心に可動ミラーが回転した様子を示す斜視図、（ｄ）は他の１つの回転軸を中心に可動ミラーが回転した様子を示す斜視図である。 前記ＤＭＤへの入射光の入射角および方位角の定義を説明するための斜視図である。 ＤＭＤへの入射光の入射方向の一例と前記方位角のプラスまたはマイナス方向への変化の定義を説明するための図で、（ａ）はＤＭＤの正面図、（ｂ）は１つの回転軸を中心に可動ミラーが回転した様子を示す斜視図、（ｃ）は他の１つの回転軸を中心に可動ミラーが回転した様子を示す斜視図である。 ＤＭＤへの入射光の入射方向の別の例と前記方位角のプラスまたはマイナス方向への変化の定義を説明するための図で、（ａ）はＤＭＤの正面図、（ｂ）は１つの回転軸を中心に可動ミラーが回転した様子を示す斜視図、（ｃ）は他の１つの回転軸を中心に可動ミラーが回転した様子を示す斜視図である。 比較例によるオン光の照度分布を示す模式図である。 前記比較例によるオフ光の照度分布を示す模式図である。 前記比較例による回折光の様子を示す模式図である。 図８に示す回折光の様子を線図で表した模式図である。 前記比較例によるオフ光の回折光とオン光との分離について示す模式図である。 本発明の実施例によるオフ光の回折光とオン光との分離について示す模式図である。 本発明に係る画像表示装置および画像投射装置の別の実施例を示す光学配置図である。 ＤＭＤ、オン光、オフ光、入射角、方位角の関係を立体的に示す模式図である。 ＤＭＤからの反射光であるオフ光が所定の位置に到達する様子を示す模式図である。 オン光とオフ光が所定の位置に到達するまでのエネルギーに関するグラフであって、（ａ）はエネルギー強度の変化を、（ｂ）は変化の差分を示す。 個体光源を用いる場合の光源部の例を示す光学配置図である。 個体光源を用いる場合の光源部の別の例を示す光学配置図である。 個体光源を用いる場合の光源部のさらに別の例を示す光学配置図である。 本発明に係る画像表示装置および画像投射装置のさらに別の実施例であって入射角と方位角の調整機構を有する実施例の光学配置図である。 入射角と方位角の調整機構の別の例を示す斜視図である。 ＤＭＤに入射する照明光の配光分布の例を示す模式図で、（ａ）は照明角が小さい場合を、（ｂ）照明角が大きい場合を示す。

以下、本発明に係る画像表示装置および画像投射装置の実施例について図面を参照しながら説明する。

画像表示装置および画像表示装置で表示される画像を投射する画像投射装置すなわちプロジェクタの光学系全体を図１に示す。図１に示す光学系はテレセントリックである。図１に示す光学系全体のうち、画像表示装置は、ランプからなる光源１０、照明光学系２０、画像表示素子としてのＤＭＤ３０を有してなる。

光源１０から出射する照明光は、防爆ガラス１１、カラーホイール１２、ライトトンネル１３を経て照明光学系２０に導かれる。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それぞれの構成および機能は周知のとおりである。

照明光学系２０は、前記照明光を導き入れる第１リレーレンズ２１、第２リレーレンズ２２と、導き入れる照明光の向きを折り曲げるミラー２３を有する。照明光学系２０はまた、ミラー２３で反射される照明光を全反射プリズム２６に導く第３リレーレンズ２４、第４リレーレンズ２５を有する。全反射プリズム２６は、二つの三角柱状のプリズムが接合されたもので、導入される照明光を反射してＤＭＤ３０に照射し、ＤＭＤ３０からの反射光を外部に向けて出射する。

図１に示す例では、全反射プリズム２６の下面に、カバーガラス３１を介してＤＭＤ３０が配置され、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になっている。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、金属性あるい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は鏡筒に収められ、前記ハウジングに固定されている。これらの部品乃至は部材以外にも、冷却ファン、放熱フィン、電気回路等があり、それぞれ適宜の筐体に収められている。

ＤＭＤ３０は、周知の通り、反射型の素子であり可動ミラーが複数縦横に配列されて矩形の画像表示面を形成している。周知のＤＭＤは、個々の可動ミラーが１つの軸を中心に回転して、入射する光線を特定の方向に反射するオン光の生成態様と、前記特定の方向とは異なる方向に反射するオフ光の生成態様を取ることができる。本発明に用いられるＤＭＤ３０は、個々の可動ミラーが、互いに異なる方向の第１の回転軸と第２の回転軸を持っていることが特徴になっている。ＤＭＤ３０の具体的な構成については後で説明する。

光源１０から出射する照明光は、防爆ガラス１１、カラーホイール１２、ライトトンネル１３を経て照明光学系２０に導入される。照明光学系２０内において、照明光は、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、全反射プリズム２６を経てＤＭＤ３０に入射する。

［ＤＭＤの構成と動作］
図２（ａ）に示すように、ＤＭＤ３０は、一辺が数μｍから十数μｍの微小な可動ミラー３２が多数、縦方向と横方向に配列され、矩形の画像表示面を形成している。可動ミラー３２が一方向に傾き、また異なる方向に傾くことにより、入射する光を互いに異なる方向に反射する。可動ミラー３２が一方向に傾くと、ＤＭＤ３０に入射する光は、全反射プリズム２６と投射光学系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による反射光をオン光とする。

可動ミラー３２が前記異なる方向に傾くと、ＤＭＤ３０に入射する光は、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による反射光をオフ光とする。

全反射プリズム２６は、全反射プリズム２６を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オン状態となってオン光を投射光学系４０に向かって透過する。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オフ状態となり、オフ光を投射光学系４０から外れる向きに反射する。

図２（ａ）はＤＭＤを正面から見た図で、正方形状の無数の画素が縦横方向に配列されている。前記画素は可動ミラー３２からなる。可動ミラー３２はマイクロミラーともいわれるもので、図２（ａ）では可動ミラー３２を間引いて描いている。実際に配列される可動ミラー３２の数は、例えば、８００×１２００というように、無数の可動ミラー３２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、正方形の一辺の長さは、例えば５．４μｍである。

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（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、ｘ方向に直交する方向の可動ミラー３２の辺と平行な方向をｙ方向とする。図２（ｃ）に示すように、可動ミラー３２はｙ方向の回転軸を中心に回転して傾くことができる。このｙ方向の回転軸を第１の回転軸とする。可動ミラー３２は、第１の回転軸を中心に第１の方向に傾くことによってＤＭＤ３０に入射する光線を第１の反射方向に反射してオン光を生成する。

図２（ｄ）に示すように、可動ミラー３２は、ｘ方向の回転軸を中心に回転して傾くことができる。このｘ方向の回転軸を第２の回転軸とする。可動ミラー３２は、第２の回転軸を中心に第２の方向に傾くことによってＤＭＤ３０に入射する光線を第２の反射方向に反射してオフ光を生成する。

前記第１の回転軸および第２の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の反射面すなわちｘ−ｙ平面に対する傾き角あるいは回転角をそれぞれα（°）とする。

以上、可動ミラー３２の第１、第２の回転軸が、可動ミラー３２の辺と平行なものとして説明した。現実には、矩形の可動ミラーの対角を結ぶ線に沿った２つの軸を第１、第２の回転軸とするものがあるが、技術思想には何ら変わりがないから、引き続きｘ方向とｙ方向の２つの回転軸を有するものとして説明する。

［可動ミラーへの入射角と方位角］
画像投影装置に用いる画像表示装置の性能を評価する要素として、投射される画像の品質があり、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ＤＭＤ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比が低下し、投射される画像の品質が落ちる。コントラスト比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り、好ましい入射角に関して提案されている。本発明の実施例では、入射角に止まらず、ＤＭＤの画像表示面の辺に対してなす角度すなわち方位角に関しても考慮している。方位角に関しては、従来の技術では顧みられなかった。

図３は、ＤＭＤ３０の画像表示面に対する入射光の入射角と方位角の関係を示している。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の成す角を入射角（θ）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。この例では、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、画像表示面の法線Ｎおよび出射光線ＯＵＴは同一平面内にある。また、画像表示面の法線Ｎは、投射レンズの光軸Ｏ（図１参照）と平行である

図４（ａ）は、ＤＭＤ３０の短辺方向右側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（θ）をもって入射し、入射角と同じ出射角（θ）をもって出射する。図４（ｂ）（ｃ）は一つの可動ミラー３２を拡大して示しており、図４（ｂ）はオフ状態、（ｃ）はオン状態である。可動ミラー３２がオン状態にある場合、可動ミラー３２で反射される光は、ＤＭＤ３０の上方に設置されている投射光学系４０に入射する。可動ミラー３２がオフ状態にある場合は、オン状態の場合とは別の方向に光が反射される。

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軸方向の第１の回転軸を中心に回転したとき、可動ミラー３２への入射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。

照明光は、図５（ａ）に示すように、ＤＭＤ３０の長辺方向から入射させることもできる。図５（ａ）は、ＤＭＤ３０の長辺方向下側から照明光が入射する場合を示しており、図５（ｂ）はオン状態、図５（ｃ）はオフ状態を示す。可動ミラー３２がオフ状態になるためにｘ軸方向の第２の回転軸を中心に回転したとき、可動ミラー３２への入射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、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、あるい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。

［入射角について］
本発明では、入射角を２×α°＋１°以上とし、これに加えて、方位角を０°よりも小さくする。これは、以下に述べるように、投射光学系４０のＤＭＤ３０に最も近いレンズすなわち投射光学系第１レンズ４１（図１参照）の直径内において、オフのときの回折光を、オン光から分離するための照明光学系２０の条件である。

図６は、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ン光の照度分布を示す。可動ミラー３２は図４（ｃ）に示す状態にあり、傾き角αは１７°である。ＤＭＤ３０の画像表示面にある全ての可動ミラー３２すなわち各画素がオンの状態、いわゆる全白（フルオン）である。投射光学系第１レンズ４１の直径をＤとすると、オン光ＯＮの領域は投射光学系第１レンズ４１の直径Ｄ内に分布している。

図６は、本発明の実施例に対する比較例であって、入射角θは３５．５°、方位角は０°の例である。これは、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である。この照度分布の投射光が投射光学系４０を経てスクリーンに投射される。この照度分布のｘ断面を図６（ｂ）に、ｙ方向の断面を図６（ｃ）に示す。それぞれの方向の照度分布の最大値を、オン光ＯＮの照度の最大値と定義する。

図７に、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ＯＦＦの照度分布を示す。この照度分布は図４（ｂ）に示す状態での照度分布であり、可動ミラー３２の傾き角αは１７°である。ＤＭＤ３０の画像表示面にある全ての可動ミラー３２がオフ状態すなわち全黒（フルオフ）である。

オン状態とオフ状態では可動ミラー３２の傾き方向が異なる。オフ光ＯＦＦの分布領域は図７の左斜め上側に移行し、オフ光ＯＦＦは投射光学系第１レンズ４１に入らない理想的な状態になる。したがって、オフ光ＯＦＦはスクリーンには到達せず、完全な黒表示となる。しかしながら、以下に述べる回折の影響により、可動ミラー３２がオフ状態でもスクリーンに到達する光が生じ、完全な黒表示とはならない。

ＤＭＤ３０の全可動ミラー３２がオン状態の場合を全白、このときのスクリーン上の照度を全白（照度）とし、全可動ミラー３２がオフ状態の場合を全黒、このときのスクリーン上の照度を全黒（照度）とすると、コントラスト比は、次の式（１）で与えられる。
コントラスト比＝全白（照度）／全黒（照度） 式（１）

あるいは、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（照度）が大きくなるほどコントラスト比は小さくなり、画質的は低下する。

［回折光について］
ＤＭＤ３０の画素すなわち可動ミラー３２のサイズは、例えば５．４μｍと微小であるため、回折が生じ、これがコントラスト比を低下させる要因となる。回折光の影響を見るため、ＤＭＤ３０での回折を考慮した光線追跡シミュレーションを行った。その結果を図８に複数の斑点状のパターンで示す。図８において、左上に比較的大きい領域で示しているものは、図７の幾何光学的なオフ光ＯＦＦである。その周辺に複数の回折光が生じている。図７では、４つの領域に生じている回折光ＤＦ１，ＤＦ２，ＤＦ３，ＤＦ４が生じている様子を示している。これらの回折光以外にも回折光が生じるが、他の回折光は照度が低いため、図示を省略している。

図７に、オフ光ＯＦＦの領域の中心から３方に向かって示した破線の矢印は、回折光が生じる方向を示している。回折光ＤＦ１，ＤＦ２は横方向すなわちｙ方向に生じている回折光であり、回折光ＤＦ３は縦方向すなわちｘ方向に生じている回折光である。さらに、回折光ＤＦ４のように、斜め方向に生じるものもある。

これらの回折光のうち、ｙ方向に生じた回折光の一部分が、そして斜めに生じた回折光は全体が、投射光学系第１レンズ４１の直径Ｄ内に入っている。この回折光は、図６に示すオン光ＯＮと比べると照度は小さいが、式（１）に従いコントラスト比の低下要因になる。

オン光ＯＮ、オフ光ＯＦＦ、オフ光の回折光ＤＦ１〜ＤＦ４、投射光学系第１レンズ４１の関係を模式的に図９に示す。オフ光ＯＦＦ、回折光ＤＦ２、回折光ＤＦ３は投射光学系第１レンズ４１には入らない。しかし、回折光ＤＦ１の一部分と回折光ＤＦ４の全体は投射光学系第１レンズ４１に入る。この回折光ＤＦ１とＤＦ４のうち、オン光ＯＮと重なる部分が、コントラスト比の主たる低下要因になる。

これら回折光とオン光ＯＮとが重なる部分の総和が、式（１）の分母となる。従って、オン光ＯＮと重なる回折光を低減すれば、コントラスト比が高まる。ただし、回折光がオン光ＯＮと重ならない場合であっても、投射光学系４０の内部での反射、散乱によって迷光となり、コントラスト比の低下になる。よって、回折光とオン光ＯＮはできるだけ分離することが好ましい。あるいは、遮光部材により遮光するとよい。回折光を示す符号に付けた数字は便宜的なものであり、回折次数を表すものではない。

［入射角と方位角］
本発明は、前述の通り、ＤＭＤ３０への照明光の入射角と方位角を好適に設定することを特徴としており、これにより、オフ光の回折光がオン光と重なることを低減するものである。

図６、図７、図８は、本発明の実施例に対する比較例であって、入射角θは３５．５度、方位角Φは０度である。これら入射角θ、方位角Φは、ＤＭＤ３０の画像表示面の略中央に到達する主光線に関するものである。略中央とは、画像表示面の機械的な中央、若しくは、ライトトンネル１３（図１参照）の光路中心に沿って光を出し、この光が照明光学系２０を経て画像表示面に到達した位置とする。

これらオフ光の回折光とオン光との分離についてまとめたものを図１０に示す。図１０は、図６と図８を並べたもの、したがって、本発明の実施例に対する比較例である。図１０の左上と右下の図は図６に示すオン光、左下は図８に示すオフの回折光である。オン光ＯＮとオフ光ＯＦＦの照度の最大の位置の分離を定量化すると、ｘ方向での分離は２．９ｍｍ，ｙ方向での分離は２．６ｍｍである

次に、本発明の前記実施例において、入射角３６．０度、方位角マイナス３．４°の例を図１１に示す。この場合も、入射角、方位角は、ＤＭＤ３０の画像表示面の略中央に到達する主光線に関するものである。略中央とは、ＤＭＤ３０の画像表示面の機械的な中央、若しくは、ライトトンネル１３の光路中心に沿って光を出し、照明光学系２０を経て画像表示面に到達した位置とする。

図１１は、前記比較例を基にして、入射角、方位角を調整したものである。これに合わせて投射光学系４０の位置も変えている。図１１に示すデータによれば、オン光ＯＮとオフ回折光ＯＦＦとの分離は、ｘ方向で３．７ｍｍ、ｙ方向で５ｍｍである。図１０に示す比較例と比べて、オン光とオフ回折光との分離度合いがｘ方向で１．３倍、ｙ方向で１．９倍大きくなることを確認した。また、投射光学系４０を経てスクリーンに到達する回折光を含むオフ光の光量は、比較例１の場合を１とすると、前記実施例では０．５程度に低下した。

次に、非テレセントリック光学系を用いた本発明に係る画像表示装置および画像投射装置の実施例について図１２を参照しながら説明する。図１２に示す実施例は、図１に示す実施例と比較すると、照明光学系に全反射プリズム２６を使用していない点が異なっている。

図１２において、光源１０、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が光源部を構成している。光源部に続き、リレーレンズ２７、第１ミラー２８および第２ミラー２９がＤＭＤ３０に照明光を照射する照明光学系を構成している。第１ミラー２８は平面ミラー、第２ミラー２９は凹の曲面ミラーである。ＤＭＤ３０はカバーガラス３１で覆われている。ＤＭＤ３０の上方に投射光学系４０が配置されている。投射光学系４０は複数のレンズからなり、そのうちの投射光学系第１レンズ４１は、ＤＭＤ３０に最も近いレンズである。光源１０、ライトトンネル１３、照明光学系、ＤＭＤ３０などの部材はハウジングによって保持され、投射光学系４０は鏡胴で保持される。

実施例２は、ＤＭＤ３０の画像表示面の略中央に到達する主光線に関して、入射角θは４３．４°、方位角Φはマイナス１．２°である。略中央の意味は前述の通りである。これらの数値は設計により実現したものである。スクリーンに到達する回折光を含むオフ光の光量は、前記比較例の場合を１とすると０．８１で、コントラストの低下要因が減少した。

図１に示す実施例１はテレセントリック光学系であり、全反射プリズム２６が必要であったが、実施例２は非テレセントリック光学系であり、全反射プリズム２６を用いる必要がない。このため、設計の自由度が高く、入射角、方位角を大きく取ることが可能であり、オフ時に投射光学系４０に進入する回折光の量を低減することができる。

非テレセントリック光学系を用いた実施例２においても、入射角、方位角の調整機構を設置することができる。図２２はこれらの調整機構の例を示す。図２２は、図１２に示す光学系において、照明光学系中の第２ミラー２９とＤＭＤ３０のみを示す。この調整機構は、第２ミラー２９に直交する２つの軸を中心とする回転機構を有し、これらの軸を中心に第２ミラー２９を回転させて、入射角と方位角を個別に調整できるようにしている。

［オン光とオフ光との分離］
図１３は、ＤＭＤ３０、オン光ＯＮ、オフ光Ｏｆｆ、入射角θ、方位角Φの関係を立体的に描いたものである。図１３に示す例において方位角Φはマイナスである。照明光の入射光ＩＮの広がりすなわち照明角（半角）ＬｄはＦ値でも表される。

ここで、オン光とオフ光との分離を、図１３に示したオフ光ＯＦＦの主光線とオン光ＯＮの主光線との間の角度で定量化する。ここでは、方位角の正負および大小と、分離角について考察する。

図１４に示すように、ＤＭＤ３０を中心とした仮想的な半球を考える。ＤＭＤ３０の中心を通る水平方向の線を赤道５０とし、ＤＭＤ３０の中心の真上に位置する半球の１点を頂点５１とする。この半球は検出器であり、中心から半球に到達したエネルギーを、光線追跡計算によって計測する。図１４ではＤＭＤ３０からの反射光であるオフ光ＯＦＦがこの半球に到達する様子を模式的に示している。

赤道５０から天頂５１に向かって半球に到達したエネルギーを積算していく。この積算したエネルギーをエンサークルドエナジーという。オフ光ＯＦＦの広がりに着目して、赤道５０に最も近いオフ光と赤道５０との角度をＤ１、赤道５０から最も遠いオフ光と赤道５０との角度をＤ２とする。オフ光ＯＦＦは角度Ｄ１と角度Ｄ２との間でエレルギーを持つ。エネルギーの積算のされ方は、入射角θ、方位角Φ、照明角Ｌｄ（図１３参照）と、配光分布に依存する。

同様のことをオン光について考えると、オン光はオフ光よりも、天頂５１側でエネルギーが積算される。幾何光学的な光線追跡計算による結果の一例を図１５（ａ）に示す。入射角θは３５°、方位角φは０°、照明角１５°、配光分布はランバード分布である。可動ミラー３２の傾き角αは１７°である。オン光は、角度１６０°を過ぎて天頂５１近くになって強度が急激に高まる。オフ光は１２０°付近から強度が立ち上がり、１５０°付近から天頂５１までは一定である。

図１５（ａ）に示すオン光とオフ光において、それぞれの前後の強度の差、すなわち変化率を図１５（ｂ）に示す。オフ光とオン光とで釣鐘状の分布となり、これら釣鐘状の分布のピーク位置間の角度が分離角Ｄｓである。図１５において、分離角Ｄｓは約３９．６度である。分離角Ｄｓが大きいほど、オフ光とオン光との分離は良好であり、投射される画像のコントラスト比を高めることができる。

入射角をそれぞれ３５°、４０°、４５°、方位角をそれぞれ０°、±５°、±１０°、±１５°とし、図１５と同様にして求めた分離角を表１に示す。照明角はすべて１５°である。表１において、入射角が大きいほど分離角は大きい。方位角はプラスよりもマイナスの方が、分離角が大きくなることが分かる。

表１

本発明に係る画像表示装置および画像投射装置において、画像表示素子への入射角の範囲は、可動ミラー３２の傾き角αが１７°であるとき、３５°≦入射角≦５１°である。入射角３５°から４５°は表１に基づく。上限の５１°は、図１３、図１４に示すオフ光の最小角がＤＭＤ３０と平行になる値である。方位角に関しては、プラスよりもマイナスがよい。これは、可動ミラー３２の傾きと、反射の法則に基づく入射角および反射角よるものと考える。方位角は、表１から、大きくしても飽和あるいは減少しており、−１５°より小さくしても効果が小さい。

図１３に示したように、照明角ＬｄはＤＭＤ３０への入射光束の広がりである。ここでは、照明角Ｌｄは半値すなわち半角を表している。照明角Ｌｄの広がりは、回折の広がりに影響を与える。図２３（ａ）は照明角Ｌｄが小さい場合、図２３（ｂ）は照明角Ｌｄが大きい場合を示している。

照明角Ｌｄの最大値は、可動ミラー３２の傾き角αで決まる。また、照明角Ｌｄは光学系の明るさを決定する。明るさを最大にするのではあれば、照明角を可動ミラー３２の傾き角αと同じにするのがよい。回折を低減し、コントラスト比を向上させるには、照明角をマイクロミラーの傾き角αよりも小さくとすることが好ましい。傾き角αを１７°とすると、これよりも小さい照明角とする。

実施例１、２では、光源１０として超高圧水銀ランプを用いている。超高圧水銀ランプには特有の配光分布があり、ＤＭＤ３０への入射照明光は、図２１に示すような定型的な円錐状にはならない。しかし、実施例１における照明角の最小値は１５．１°、実施例２における照明角の最小値は１２．５°である。いずれの実施例においても、可動ミラーの傾き角αは１７°であり、この傾き角αよりも照明角の最小値が小さくなっている。

実施例１、２では、光源としてランプ光源を用い、ランプ光源として超高圧水銀ランプを用いている。しかし、光源はこれに限られるものではなく、固体光源であっても良い。個体光源として、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）などを用いることができる。また、ＬＤおよびＬＥＤと、その励起光源として蛍光体を組み合わせたハイブリッド光源などを用いることもできる。ＬＤ光源を用いると、ランプ光源に比べて可干渉性が高く、回折の影響を受けやすくなる。

本発明によるオフの回折光とオン光とを分離する構成は、光源が固体光源の場合であっても有効であり、コントラスト比を高めることができる。

［個体光源を用いた光源部］
図１６に固体光源を用いた光源部の例を示す。光源部は、３つの個体光源１０１，１０２，１０３、各個体光源に対応するコリメートレンズ１１１，１１２，１１３、ダイクロイックミラー１２１，１２２を有する。個体光源１０１，１０２，１０３はそれぞれ波長が異なり、それぞれ赤色、緑色、青色の照明光を出射する。各コリメートレンズ１１１，１１２，１１３は、各個体光源からの照明光を平行光束にする。ダイクロイックミラー１２１，１２２は、各コリメートレンズを経て導入される各個体光源からの照明光を混合し白色光として出射する。

前記白色光の出射光路には、集光レンズ１５、ライトトンネル１３がこの順に配置されている。ライトトンネル１３以降は、前記照明光学系２０、ＤＭＤ３０および投射光学系４０に続く。この光源部の構成ではカラーホイールは不要である。固体光源はＬＥＤ、ＬＤのいずれでもよい。

固体光源を用いた光源部の別の例を図１７に示す。この光源部の例が図１６に示す光源部の例と異なっているのは、ダイクロイックミラーの代わりにクロスダイクロイックプリズム１４０を用いている点である。図１７において、クロスダイクロイックプリズム１４０には、３つの個体光源１０１，１０２，１０３からコリメートレンズ１１１，１１２，１１３を経て、それぞれ赤色、緑色、青色の照明光が入射する。クロスダイクロイックプリズム１４０は各色の照明光を混合して白色の照明光を出射する。白色の照明光の出射光路上には、図１６の例と同様に、集光レンズ１５、ライトトンネル１３が配置されている。

図１８は、固体光源を用いた光源部のさらに別の例を示す。図１８に示す光源部の例は、図１７に示す光源部におけるクロスダイクロイックプリズム１４０に代えてクロスダイクロイックミラー１５０を用いた例である。他の構成は図１６、図１７の例と同様であるから、説明を省略する。

［入射角、方位角の調整機構］
入射角と方位角の調整機構の一例を図１９に示す。図１９に示す調整機構は、図１に示すテレセントリック光学系を用いた実施例１に組み込まれている。図１９において、光源１０から第４リレーレンズ２５までを照明ユニットとし、この照明ユニットが照明ユニット筐体７０に組み込まれている。また、全反射プリズム２６、ＤＭＤ３０、投射光学系４０を含む部分を投射ユニットとし、この投射ユニットが投射ユニット筐体６０に組み込まれている。

投射ユニット筐体６０は底板６１を有し底板６１と一体に結合された筐体である。照明ユニット筐体７０は、底板６１の上に、調整機構８０を介して取り付けられている。調整機構８０は、図１９（ｂ）に示すように、Ｕ字形の支持体８１を有する。支持体８１は、その底部が底板６１を貫通した垂直軸８２によって貫通され、垂直軸８２を中心に水平面内において回転可能である。

支持体８１は、垂直に立ち上がった二つの支持片を貫通した水平軸８３を有し、水平軸８３に、照明ユニット筐体７０の底部が連結されている。照明ユニット筐体７０は、水平軸８３を中心に垂直面内において回転可能であり、これによって、ＤＭＤ３０の画像表示面に対する入射角を調整することができる。照明ユニット筐体７０は、支持体８１とともに垂直軸８２を中心に水平面内において回転可能であり、これによって、ＤＭＤ３０の画像表示面に対する方位角を調整することができる。これにより、適切な入射角と方位角に調整することができる。

１０ 光源
１１ 防爆ガラス
１２ カラーホイール
１３ ライトトンネル
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（画像表示素子）
３１ カバーガラス
３２ 可動ミラー
４０ 投射光学系

特開２０１２−１３３２８４号公報 米国特許公開公報：ＵＳ２０１５／００７０７４９

Claims (9)

1. 光源、照明光学系、画像表示素子を有し、
   前記画像表示素子は反射型であり可動ミラーが複数配列されて矩形の画像表示面を形成し、
   前記各可動ミラーは、第１の方向に傾いて前記画像表示素子に入射する光線を第１の反射方向に反射してオン光を生成し、第１の方向と異なる第２の方向に傾いて前記画像表示素子に入射する光線を前記第１の反射方向とは異なる第２の反射方向に反射してオフ光を生成し、
   前記照明光学系から前記画像表示素子に入射する入射光は、その主光線が前記画像表示面の法線に対し角度を持って入射し、
   前記入射光の前記法線との角度を入射角、前記入射光の前記画像表示面の辺に対してなす角度を方位角とし、
   前記可動ミラーの前記第２の方向への傾き角をα（°）、前記可動ミラーが前記第２の方向に傾いたとき前記入射光の前記可動ミラーへの入射角が小さくなる側への方位角の変化をプラス、前記入射光の前記可動ミラーへの入射角が大きくなる側への方位角の変化をマイナスとしたとき、
   前記画像表示面の略中央において、前記入射角は２α＋１（°）以上であり、前記入射光の方位角はマイナスであることを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１に記載の画像表示装置において、前記可動ミラーの傾き角αが１７°であるとき、入射角の範囲は、３５°≦入射角≦５１°であることを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項１または２に記載の画像表示装置において、前記方位角の範囲は、−１５°≦方位角＜０°であることを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項１、２または３に記載の画像表示装置において、投射光学系は非テレセントリックであることを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の画像表示装置において、前記可動ミラーの傾き角をα（°）としたとき、照明光学系から前記画像表示素子に入射する光束の照明角の半角はα（°）以下であることを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項１から５に記載の画像表示装置において、光源は固体光源であることを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項１から５に記載の画像表示装置において、光源はランプ光源であることを特徴とする画像表示装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の画像表示装置において、入射角または方位角の調整手段を有することを特徴とする画像表示装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の画像表示装置を備え、前記画像表示装置に表示される画像を投射する投射光学系を備えた画像投影装置。