JP7346964B2

JP7346964B2 - 光学系、画像投射装置および移動体

Info

Publication number: JP7346964B2
Application number: JP2019132802A
Authority: JP
Inventors: 公平牛尾; 高士窪田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2023-09-20
Anticipated expiration: 2039-07-18
Also published as: JP2020071474A

Description

本発明は、光学系、画像投射装置および移動体に関する。

マルチメディア時代の到来により、あらゆる場面で画像投射装置が用いられている。近年では、フロント投射型プロジェクタのみならず、サイネージや車載に搭載されるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）などにも展開されており、市場分野は拡大している。それらを構成するのに、光変調素子としてＤＭＤ（ディジタル・マイクロミラー・デバイス）を取り入れた光学系が主流化しており、小型・軽量・高輝度化・高ダイナミックレンジ（高コントラスト）化が進んでいる。

特許文献１では、反射型光変調器を有する投射型表示装置において、反射型光変調器に対する照明光学系に、照明光学系の光束の片側断面の一部を遮光して不要光を遮光する遮光板を照明光学系の光路内に挿抜可能に設けた構成を開示している。

特許文献２では、ＤＭＤで反射された光を透過する第１の面を有するプリズムを備えた光学系において、プリズムは、第１の面を透過された光のうち、オン状態のミラー素子により反射された光を透過し、オフ状態のミラー素子により反射された光を反射する第２の面を有する構成を開示している。

本発明は、コンパクトな光路構成で不要光の影響を低減する光学系、画像投射装置および移動体を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る光学系は、入射光を互いに異なる方向である第１の方向または第２の方向に出射する光変調素子と、光源から照射される照射光を、入射光として光変調素子に向けて出射する光学素子と、を備えた光学系であって、光変調素子から第１の方向に出射されて投射対象に導光される第１の出射光と、光変調素子から第２の方向に出射された第２の出射光および照射光と、のうち一方を透過し、他方を反射する界面を有し、第２の出射光の光線が、入射光の光線を挟んで記第１の出射光の光線の反対側に位置するように、光変調素子は第１、第２の出射光を出射し、光学素子と光変調素子との間に配置され、光学素子により反射された照射光を入射する第２の光学素子を備え、界面は、第１の出射光と、照射光、第２の出射光および照射光が第２の光学素子で透過されずに反射された反射光と、のうち一方を透過し、他方を反射することを特徴とする。

本発明によれば、コンパクトな光路構成で不要光の影響を低減する光学系、画像投射装置および移動体を提供することができる。

本発明の一実施形態としての光学系１００を示す断面図である。図１に示した光学素子１０２および光変調素子１０３の光路を示す断面図である。図１に示した光変調素子１０３の詳細な構成を示す図である。図１に示した光学系１００の変形例の一部構成を示す断面図である。図１に示した光学系１００の第２の変形例であって、光学素子１０２および光変調素子１０３Ｍの光路を示す断面図である。図１に示した光学系１００の第３の変形例を示す断面図である。図６に示した光学素子１０２、光学素子１０２Ｂおよび光変調素子１０３の光路を示す断面図である。図１に示した光学系１００の第４の変形例を示す断面図である。図８に示した光学素子１０２、光学素子１０２Ｃおよび光変調素子１０３の光路を示す断面図である。図１に示した光学系１００の第５の変形例を示す断面図である。図１０に示した光学素子１０２Ｒおよび光変調素子１０３の光路を示す断面図である。本発明の一実施形態としての画像投射装置３００を示す断面図である。図１に示した光学系１００の第６の変形例を示す断面図である。図１３に示した光学素子１０２および光変調素子１０３、第２の光学素子１０５の光路を示す断面図である。図１に示した光学系１００の第７の変形例を示す断面図である。図１５に示した光学素子１０２、光学素子１０２Ｂ、第２の光学素子１０５および光変調素子１０３の光路を示す断面図である。図１に示した光学系１００の第８の変形例を示す断面図である。図１７に示した光学素子１０２、光学素子１０２Ｃ、第２の光学素子１０５および光変調素子１０３の光路を示す断面図である。図１に示した光学系１００の第９の変形例を示す断面図である。図１９に示した光学素子１０２Ｒ、第２の光学素子１０５および光変調素子１０３の光路を示す断面図である。図１２に示した画像投射装置３００の変形例を示す断面図である。本発明の一実施形態としての画像投射装置３００を搭載した車両４００を示す図である。

図１は、本発明の一実施形態としての光学系１００を示す断面図である。

光学系１００は、光を照射する光源１０１と、入射光を透過または反射する光学素子１０２と、入射光を互いに異なる方向である第１の方向または第２の方向に出射する光変調素子１０３と、入射光を投射対象に投射する投射光学系の一例としての投射部１０４とを備える。

光源１０１は、ＬＤ（レーザダイオード）を含み、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）の３つの色と１対１に対応する３つの色光源と、反射する光の波長および透過する波長の光が予め定められているダイクロイックミラーを含む。

光学素子１０２は、２面以上を有するプリズムで構成されることが好ましく、本実施形態では、全反射三角プリズムユニット（所謂、ＴＩＲプリズムユニット）で構成される。

光変調素子１０３は、複数のマイクロミラーからなる略矩形のミラー面を有するＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）により構成される。

以上の構成において、光学素子１０２は、光源１０１から照射される照射光２５０を境界面（界面）Ｂで反射し、入射光２５０として光変調素子１０３に向けて入射させる。光源１０１と光学素子１０２の間には、光源１０１から照射される照射光２５０を光学素子１０２に導光するリレー光学系を設けても良い。

光変調素子１０３は、各マイクロミラーを時分割駆動することにより、入射光２５０を第１の方向に反射して第１の出射光２００を出射する場合と、入射光２５０を第２の方向に反射して第２の出射光２０１を出射する場合と、を切り替える。光変調素子１０３は、第２の出射光２０１の光線が、入射光２５０の光線を挟んで第１の出射光２００の光線の反対側に位置するように、第１、第２の出射光２００、２０１を出射する。

光学素子１０２は、光変調素子１０３から第１の方向に出射された第１の出射光２００を境界面Ｃおよび境界面Ｂで透過し、光変調素子１０３から第２の方向に出射された第２の出射光２０１を境界面Ｂで反射する。

光学素子１０２を透過した第１の出射光２００は、投射部１０４に導光されて入射して投射対象に投射され、光学素子１０２に反射された第２の出射光２０１は、不要光として処理され、例えば機構的なシボや光吸収帯に入射することにより再反射を防止される。

以上の構成により、第２の出射光２０１を第１の出射光２００から遠ざけることができるため、第２の出射光２０１が投射部１０４に入射することを抑制できる。これにより、第１の出射光２００を出射する場合の投射対象における輝度と、第２の出射光２０１を出射する場合の投射対象における輝度との、輝度差を大きくすることができる。

そして、光変調素子１０３への入射光２５０の光線は、光変調素子１０３からの第１の出射光２００の光線と第２の出射光２０１の光線の間に配置されているので、光路構成および光学素子１０２をコンパクトにすることができる。

さらに、光変調素子１０３への入射側と出射側で同じ光学素子１０２を用いること、および光源１０１からの照射光２５０と第２の出射光２０１を光学素子１０２の同一の境界面Ｂで反射することにより、光学系１００をコンパクトにすることができる。

また、境界面Ｂは、第１の出射光２００を透過し、第２の出射光２０１および照射光２５０を反射するため、同一の境界面で反射・透過することで、第１の出射光２００に対して、第２の出射光２０１と照射光２５０を同じ側に配置することが可能になり、光学素子１０２および光学系１００をコンパクトにすることができる。

図２は、図１に示した光学素子１０２および光変調素子１０３の光路を示す断面図である。

まず、光源１０１から照射された照射光２５０（実線）は、屈折率ｎ１の外部環境と屈折率ｎ２の光学素子１０２の境界面（界面）Ａに入射角θ１で入射され、θ２で屈折される。θ１とθ２の関係はＳｎｅｌｌの法則に則る（ｎ２／ｎ１＝ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２）。なお、屈折率ｎ１とｎ２の関係はｎ１＜ｎ２である。

境界面Ａに入射したθ２の角度成分を持つ光線は、光学素子１０２の境界面Ｂに対してθ３の角度成分で到達する。この時に、境界面Ｂでは全反射条件の臨界角θｃに対して、θ３は以下の関係を取り、光は全反射される（θ３≧θｃ：θｃ［＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ１／ｎ２）｛ｎ１＜ｎ２｝］）。

境界面Ｂで全反射された光線は、光学素子１０２の境界面（界面）Ｃに角度θ４で到達し、屈折角θ５で外部環境に出射される。

そして、光変調素子１０３の表面に対して角度θ６で到達され、入射光２５０として光変調素子１０３に入射し、光変調素子１０３にて反射、変調される。

光変調素子１０３により変調された出射光は、α方向（第１の方向）に出射される第１の出射光２００とβ方向（第２の方向）に出射される第２の出射光２０１に最低限分けられる。第１の出射光２００は、必要光として投射部１０４に導光され、第２の出射光２０１は、不要光として投射部１０４とは異なる位置に逃がして処理される。

第１の出射光２００（破線）は、光変調素子１０３表面の法線となす角α１に向けて、光変調素子１０３で反射されて、境界面Ｃに入射角α２で入射し、屈折角α３で光学素子１０２内を進む。

その後、第１の出射光２００は、境界面Ｂに角度α４＜θｃで到達し、屈折角α５で外部環境に出射され、投射部１０４に入射される。

これに対して第２の出射光２０１（一点鎖線）は、光変調素子１０３表面の法線となす角β１に向けて、光変調素子１０３で反射される。ここで、第２の出射光２０１の光線は、入射光２５０の光線を挟んで第１の出射光２００の光線の反対側に位置している。

第２の出射光２０１は、境界面Ｃに入射角β２で入射し、屈折角β３で光学素子１０２内を進み、境界面Ｂに角度β４≧θｃで到達して、その境界面Ｂで全反射し、境界面Ａに向かう。

そして、第２の出射光２０１は、境界面Ａでは屈折角β６で外部環境に出射される。第２の出射光２０１は、例えば、機構的なシボや光吸収帯に入射することにより再反射を防止される。

外部環境の屈折率ｎ１＝１．００、光学素子の屈折率ｎ２＝１．５９の条件とすると、各種パラメータの具体例は下記の通りになる。
θｃ＝３８．９｛＝ａｒｃｓｉｎ（１．００／１．５９）｝
θ１＝０
θ２＝０
θ３＝４６．２｛≧θｃ｝
θ４＝２．４
θ５＝３．８
θ６＝３．８
α１＝２７．８
α２＝２７．８
α３＝１７．０
α４＝２６．８｛＜θｃ｝
α５＝４５．８
β１＝２０．２
β２＝２０．２
β３＝１２．５
β４＝５６．４｛≧θｃ｝
β５＝１０．２
β６＝１６．３

以上の構成により、光学素子１０２の境界面Ｂを介して必要光としての第１の出射光２００と、不要光としての第２の出射光２０１を明確に分離して第２の出射光２０１を第１の出射光２００から遠ざけることができる。これにより、第２の出射光２０１が投射部１０４に入射することを抑制でき、第１の出射光２００を出射する場合の投射対象における輝度と、第２の出射光２０１を出射する場合の投射対象における輝度との、輝度差を大きくすることができる。

図３は、図１に示した光変調素子１０３の詳細な構成を示す図である。図３（ａ）は光変調素子１０３の上面図を示し、図３（ｂ）は光変調素子１０３の断面図を示す。

光変調素子１０３は、入射光２５０を第１または第２の方向に変調して出射する可変領域１０３Ａと、可変領域１０３Ａを囲むように配置され、入射光２５０を変調せずに第２の方向に固定して出射する固定領域１０３Ｂを含む。

図１、図２で説明したように、光変調素子１０３から第１の方向に出射された第１の出射光２００は、投射部１０４に導光されて入射して投射対象に投射され、光変調素子１０３から第２の方向に出射された第２の出射光２０１は、不要光として処理される。

本実施形態では、固定領域１０３Ｂから出射される光は、第２の出射光２０１と平行な光のみであり、第１の出射光２００と平行な光は含まれないので、投射部１０４に導光されることはない。

これにより、可変領域１０３Ａから不要光として第２の出射光２０１を出射しているときに、固定領域１０３Ｂから出射される光が投射対象に投射されることがなく、第１の出射光２００を出射する場合の投射対象における輝度と、第２の出射光２０１を出射する場合の投射対象における輝度との、輝度差を大きくすることができる。

図４は、図１に示した光学系１００の変形例の一部構成を示す断面図である。

図４に示す光学系１００は、図１に示したＬＤ（レーザダイオード）を含む光源１０１に代えて、ＬＥＤ光源光学系を含む光源１０１Ｅを備える。

光源１０１Ｅは、光を発散照射するＬＥＤ１１０と、ＬＥＤ１１０から照射される照射光を緩やかに集光するカップリングレンズ１１１で構成される。このとき、カップリングレンズ１１１から出射される主光線１２０に対して、カップリングレンズ１１１から出射される上光線１２１と下光線１２２は各々１０度の角度がついている。

本変形例では、主光線１２０に対して上光線１２１と下光線１２２は１０度の傾きを持って光学素子１０２に入射されるが、上光線１２１と下光線１２２においても図１、図２における照射光２５０と同様の内容が成立する。

外部環境の屈折率ｎ１＝１．００、光学素子の屈折率ｎ２＝１．５９の条件とすると、主光線１２０における各種パラメータの具体例は下記の通りになる。
θｃ＝３８．９｛＝ａｒｃｓｉｎ（１．００／１．５９）｝
θ１＝０
θ２＝０
θ３＝４６．２｛≧θｃ｝
θ４＝２．４
θ５＝３．８
θ６＝３．８
α１＝２７．８
α２＝２７．８
α３＝１７．０
α４＝２６．８｛＜θｃ｝
α５＝４５．８
β１＝２０．２
β２＝２０．２
β３＝１２．５
β４＝５６．４｛≧θｃ｝
β５＝１０．２
β６＝１６．３

上光線１２１は光学素子１０２に対する入射角θ１が１０度傾いているのと同義であるので、上光線１２１における各種パラメータの具体例は下記の通りになる。
θ１＝１０．０
θ２＝６．３
θ３＝３９．９｛≧θｃ｝
θ４＝６．３
θ５＝１０．０
θ６＝１０．０
α１＝１７．８
α２＝１７．８
α３＝１１．１
α４＝３２．７｛＜θｃ｝
α５＝５９．４
β１＝３０．２
β２＝３０．２
β３＝１８．４
β４＝６２．２｛≧θｃ｝
β５＝１６．０
β６＝２６．１

下光線１２２も上光線１２１と同様に、各種パラメータの具体例は下記の通りになる。
θ１＝１０．０
θ２＝６．３
θ３＝５２．５｛≧θｃ｝
θ４＝８．６
θ５＝１３．８
θ６＝１３．８
α１＝３７．８
α２＝３７．８
α３＝２２．７
α４＝２１．１｛＜θｃ｝
α５＝３５．０
β１＝１０．２
β２＝１０．２
β３＝６．４
β４＝５０．２｛≧θｃ｝
β５＝４．０
β６＝６．４

そして、光変調素子１０３への入射光２５０（主光線１２０）の光線は、光変調素子１０３からの第１の出射光２００の光線と第２の出射光２０１の光線の間に配置されているので、光路構成および光学素子１０２をコンパクトにすることができる。

図５は、図１に示した光学系１００の第２の変形例であって、光学素子１０２および光変調素子１０３Ｍの光路を示す断面図である。

図５に示す光学系１００は、図１に示したＤＭＤ（レーザダイオード）により構成される光変調素子１０３に代えて、ＭＥＭＳにより構成される光変調素子１０３Ｍを備える。

光変調素子１０３Ｍにより変調された出射光は、α方向（第１の方向）とβ方向（第２の方向）の間で走査される。すなわち、光変調素子１０３Ｍにより変調された出射光は、図２と同様に、α方向（第１の方向）に出射される第１の出射光２００と、β方向（第２の方向）に出射される第２の出射光２０１を含むとともに、γ方向（第３の方向）に出射される第３の出射光２０２を含む。

第１の出射光２００および第２の出射光２０１の光路は、図２と同じであり、説明は省略する。

第３の出射光２０２は光変調素子１０３Ｍの走査範囲内、すなわち第１の出射光２００の光線と第２の出射光２０１の光線の間の光線であり、光学素子１０２の境界面Ｂにおける入射角が臨界角に等しい光路である。

第３の出射光２０２は、光変調素子１０３Ｍ表面の法線となす角γ１に向けて、光変調素子１０３Ｍで反射されて、光学素子１０２の境界面Ｃに入射角γ２で入射し、屈折角γ３で光学素子１０２内を進む。

その後、第３の出射光２０２は、境界面Ｂに角度γ４＝θｃで到達しては境界面Ｂで全反射するので、外部環境に出射されず、光学素子１０２の境界面Ａに向かう。

第３の出射光２０２は、境界面Ａに対して角度γ５で到達し、屈折角γ６で外部環境に出射される。この第３の出射光２０２による境界面Ｂへの入射角度γ４を境に、第１の出射光２００と同様に境界面Ｂを透過する必要光と、第２の出射光２０１と同様に境界面Ｂにより反射される不要光が切り替わる。

光変調素子１０３Ｍの走査範囲が２４度（±１２度）で、外部環境の屈折率ｎ１＝１．００、光学素子の屈折率ｎ２＝１．５９の条件下において、各種パラメータの具体例は下記の通りになる。
θｃ＝３８．９｛＝ａｒｃｓｉｎ（１．００／１．５９）｝
θ１＝０
θ２＝０
θ３＝４６．２｛≧θｃ｝
θ４＝２．４
θ５＝３．８
θ６＝３．８
α１＝２７．８
α２＝２７．８
α３＝１７．０
α４＝２６．８｛＜θｃ｝
α５＝４５．８
β１＝２０．２
β２＝２０．２
β３＝１２．５
β４＝５６．４｛＞θｃ｝
β５＝１０．２
β６＝１６．３
γ１＝７．８
γ２＝７．８
γ３＝４．９
γ４＝３８．９｛＝θｃ｝
γ５＝７．３
γ６＝１１．６

そして、光変調素子１０３Ｍへの入射光２５０の光線は、光変調素子１０３Ｍからの第１の出射光２００の光線と第２の出射光２０１の光線の間に配置されているので、光路構成および光学素子１０２をコンパクトにすることができる。

さらに、光変調素子１０３Ｍへの入射側と出射側で同じ光学素子１０２を用いること、および光源１０１からの照射光２５０と第２の出射光２０１を光学素子１０２の同一の境界面Ｂで反射することにより、光学系１００をコンパクトにすることができる。

図６は、図１に示した光学系１００の第３の変形例を示す断面図である。

光学系１００は、図１に示した構成に加えて、三角プリズムにより構成される光学素子１０２Ｂを備える。光学素子１０２Ｂは、光学素子１０２を透過した第１の出射光２００を透過し、光学素子１０２Ｂを透過した第１の出射光２００は、投射部１０４に導光されて入射して投射対象に投射される。これにより、収差の補正や出射方向の調整が容易となる。

図７は、図６に示した光学素子１０２、光学素子１０２Ｂおよび光変調素子１０３の光路を示す断面図である。図中、左下の丸で囲ってある部分は、右上の丸で囲ってある部分の拡大図である。

入射光（照射光）２５０および第２の出射光２０１の光路は、図２と同じであるため、説明を省略する。

第１の出射光２００（破線）は、光変調素子１０３表面の法線となす角α１に向けて、光変調素子１０３で反射されて、光学素子１０２の境界面Ｃに入射角α２で入射し、屈折角α３で光学素子１０２内を進む。

その後、第１の出射光２００は、境界面Ｂに角度α４＜θｃで到達し、屈折角α４’で外部環境に射出され、その次に、光学素子１０２Ｂの境界面（界面）Ｄに屈折角α４’で入射される。光学素子１０２Ｂは、屈折率ｎ２であり、境界面Ｄと境界面（界面）Ｅのなす角度はφである。

光学素子１０２と光学素子１０２Ｂの間は屈折率ｎ１の空気層となっており、光学素子１０２の境界面Ｂと光学素子１０２Ｂの境界面Ｄが平行になるように光学素子１０２と光学素子１０２Ｂは配置されているので、境界面Ｂへの入射角α４と境界面Ｄにおける屈折角α５は等しくなる。光学素子１０２と光学素子１０２Ｂの間の空気層は広くなるほど投射画像に影響が出る為、空気層の距離Lは１０μｍ以下が望ましい。

第１の出射光２００は、屈折角α５で光学素子１０２Ｂ内を進み、光学素子１０２Ｂの境界面Ｅに角度α６＜θｃで到達し、屈折角α７で外部環境に出射され、投射部１０４に入射される。

外部環境の屈折率ｎ１＝１．００、光学素子の屈折率ｎ２＝１．５９の条件とすると、各種パラメータの具体例は下記の通りになる。
θｃ＝３８．９｛＝ａｒｃｓｉｎ（１．００／１．５９）｝
φ＝４０．０
θ１＝０
θ２＝０
θ３＝４６．２｛≧θｃ｝
θ４＝２．４
θ５＝３．８
θ６＝３．８
α１＝２７．８
α２＝２７．８
α３＝１７．０
α４＝２６．８｛＜θｃ｝
α４’＝４５．８
α５＝２６．８
α６＝１３．２｛＜θｃ｝
α７＝２１．３
β１＝２０．２
β２＝２０．２
β３＝１２．５
β４＝５６．４｛≧θｃ｝
β５＝１０．２
β６＝１６．３

図８は、図１に示した光学系１００の第４の変形例を示す断面図である。

光学系１００は、図６に示した光学素子１０２Ｂに代えて、三角プリズムにより構成される光学素子１０２Ｃを備える。光学素子１０２Ｃは、光学素子１０２を透過した第１の出射光２００を反射し、光学素子１０２Ｂにより反射された第１の出射光２００は、投射部１０４に導光されて入射して投射対象に投射される

以上の構成により、第２の出射光２０１を第１の出射光２００からさらに遠ざけることができるため、第２の出射光２０１が投射部１０４に入射することを抑制できる。これにより、第１の出射光２００を出射する場合の投射対象における輝度と、第２の出射光２０１を出射する場合の投射対象における輝度との、輝度差を確実に大きくすることができる。

図９は、図８に示した光学素子１０２、光学素子１０２Ｃおよび光変調素子１０３の光路を示す断面図である。図中、左下の丸で囲ってある部分は、右上の丸で囲ってある部分の拡大図である。

その後、第１の出射光２００は、境界面Ｂに角度α４＜θｃで到達し、屈折角α４’で外部環境に射出され、その次に、光学素子１０２Ｃの境界面Ｄに屈折角α４’で入射される。光学素子１０２Ｃは、屈折率ｎ２であり、境界面Ｄと境界面Ｅのなす角度はφである。

光学素子１０２と光学素子１０２Ｃの間は屈折率ｎ１の空気層となっており、光学素子１０２の境界面Ｂと光学素子１０２Ｃの境界面Ｄは平行になるように光学素子１０２と光学素子１０２Ｃは配置されているので、境界面Ｂへの入射角α４と面Ｄにおける屈折角α５は等しくなる。光学素子１０２と光学素子１０２Ｃの間空気層は広くなるほど投射画像に影響が出る為、空気層の距離Lは１０μｍ以下が望ましい。

第１の出射光２００は、屈折角α５で光学素子１０２Ｃ内を進み、光学素子１０２Ｃの境界面Ｅに角度α６≧θｃで到達する。その後、第１の出射光２００は、境界面Ｅで全反射された後、境界面（界面）Ｆに角度α６’で到達し、屈折角α’で外部環境に出射され‘、投射部１０４に入射される。

外部環境の屈折率ｎ１＝１．００、光学素子の屈折率ｎ２＝１．５９の条件とすると、各種パラメータの具体例は下記の通りになる。
θｃ＝３８．９｛＝ａｒｃｓｉｎ（１．００／１．５９）｝
φ＝１００．０
θ１＝０
θ２＝０
θ３＝４６．２｛≧θｃ｝
θ４＝２．４
θ５＝３．８
θ６＝３．８
α１＝２７．８
α２＝２７．８
α３＝１７．０
α４＝２６．８｛＜θｃ｝
α４’＝４５．８
α５＝２６．８
α６＝７３．２｛≧θｃ｝
α６’＝２３．２
α７＝３８．９
β１＝２０．２
β２＝２０．２
β３＝１２．５
β４＝５６．４｛≧θｃ｝
β５＝１０．２
β６＝１６．３

以上の構成により、第２の出射光２０１を第１の出射光２００からさらに遠ざけることができる。

図１０は、図１に示した光学系１００の第５の変形例を示す断面図である。光学系１００は、図１に示した光学素子１０２に代えて、三角プリズムにより構成される光学素子１０２Ｒを備える。

光学素子１０２Ｒは、光変調素子１０３から第１の方向に出射された第１の出射光２００を境界面Ａで反射し、光源１０１から照射される照射光２５０および光変調素子１０３から第２の方向に出射された第２の出射光２０１を境界面Ａおよび境界面Ｂで透過する。

光学素子１０２Ｒにより反射された第１の出射光２００は、投射部１０４に導光されて入射して投射対象に投射され、光学素子１０２Ｒを透過した第２の出射光２０１は、不要光として処理され、例えば機構的なシボや光吸収帯に入射することにより再反射を防止してもよい。

また、光変調素子１０３は、第２の出射光２０１の光線が、入射光２５０の光線を挟んで第１の出射光２００の光線の反対側に位置するように、第１、第２の出射光２００、２０１を出射する。

さらに、光学素子１０２Ｒは、光源１０１から照射される照射光２５０を、入射光２５０として光変調素子１０３に向けて透過する。

そして、光変調素子１０３への入射光２５０の光線は、光変調素子１０３からの第１の出射光２００の光線と第２の出射光２０１の光線の間に配置されているので、光路構成および光学素子１０２Ｒをコンパクトにすることができる。

さらに、光変調素子１０３への入射側と出射側で同じ光学素子１０２Ｒを用いることにより、光学系１００をコンパクトにすることができる。

図１１は、図１０に示した光学素子１０２Ｒおよび光変調素子１０３の光路を示す断面図である。

まず、光源から照射された照射光２５０（実線）は、屈折率ｎ１の外部環境と屈折率ｎ２の光学素子１０２Ｒの境界面Ａに入射角θ１で入射され、θ２で屈折される。この入射面の境界面Ａでは、Ｓｎｅｌｌの法則に則る。なお、屈折率ｎ１とｎ２の関係はｎ１＜ｎ２である。

境界面Ａに入射したθ２の角度成分を持つ光線は、光学素子１０２Ｒの境界面Ｂに対してθ３の角度成分で到達する。この時に、境界面Ｂでは全反射条件の臨界角θｃに対して、θ３は以下の関係を取り、光は透過する（θ３＜θｃ：θｃ［＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ１／ｎ２）｛ｎ１＜ｎ２｝］）。

境界面Ｂで透過された光線は、屈折角θ４で外部環境に出射される。そして、光変調素子１０３の表面に対して角度θ５で到達され、入射光２５０として光変調素子１０３に入射し、光変調素子１０３にて反射、変調される。

光変調素子１０３により変調された出射光は、α方向（第１の方向）に出射される第１の出射光２０１とβ方向（第２の方向）に出射される第２の出射光２０１に最低限分けられる。第１の出射光２００は、必要光として投射部１０４に導光され、第２の出射光２０１は、不要光として投射部１０４とは異なる位置に逃がして処理される。

第１の出射光２００（破線）は、光変調素子１０３表面の法線となす角α１として、光変調素子１０３で反射されて、境界面Ｂに入射角α２で入射し、屈折角α３で光学素子１０２Ｒ内を進む。

その後、第１の出射光２００は、境界面Ａに角度α４≧θｃで到達して全反射され、境界面Ｃに向かう。

そして、第１の出射光２００は、境界面Ｃでは屈折角α６で外部環境に出射され、投射部１０４に入射される。

これに対して第２の出射光２０１は、光変調素子１０３表面の法線となす角β１として、光変調素子１０３で反射され、境界面Ｂに入射角β２で入射し、屈折角β３で光学素子１０２Ｒ内を進む。

その後、第２の出射光２０１は境界面Ａに角度β４＜θｃで到達し、屈折角β５で外部環境に出射される。

外部環境の屈折率ｎ１＝１．００、光学素子の屈折率ｎ２＝１．５９の条件とすると、各種パラメータの具体例は下記の通りになる。
θｃ＝３８．９｛＝ａｒｃｓｉｎ（１．００／１．５９）｝
θ１＝４６．０
θ２＝２６．９
θ３＝３．１｛＜θｃ｝
θ４＝５．０
θ５＝５．０
α１＝２９．０
α２＝２９．０
α３＝１７．７
α４＝４７．７｛≧θｃ｝
α５＝１２．３
α６＝１９．８
β１＝１９．０
β２＝１９．０
β３＝１１．８
β４＝１８．２｛＜θｃ｝
β５＝２９．８

以上の構成により、光学素子１０２Ｒの境界面Ａを介して必要光としての第１の出射光２００と、不要光としての第２の出射光２０１を明確に分離して第２の出射光２０１を第１の出射光２００から遠ざけることができる。

また、光学素子１０２Ｒの境界面Ａは、第１の出射光２００を反射し、第２の出射光２０１および照射光２５０を透過するため、同一の境界面で反射・透過することで、第１の出射光２００に対して、第２の出射光２０１と照射光２５０を同じ側に配置することが可能になり、光学素子１０２Ｒおよび光学系１００をコンパクトにすることができる。

以上説明した本実施形態に係る光学系１００は、境界面に特徴を有しない形態の場合、光源１０１から照射される照射光を、光学素子１０２、１０２Ｒを介することなく、光変調素子１０３に入射してもよい。その場合、光変調素子１０３は、入射光を互いに異なる方向である第１の方向または第２の方向に透過して出射する透過型により構成しても良い。また、本実施形態における光源１０１は、ＬＤ、ＬＥＤに限らず、有機ＥＬ素子等の他の発光素子を用いても良い。

図１２は、本発明の一実施形態としての画像投射装置３００を示す断面図である。

画像投射装置３００は、フロント投射型プロジェクタであり、スクリーン４００に画像を投射する。画像投射装置３００は、自動車に搭載されることを想定しているが、これに限られるものではなく、様々な用途に用いることが可能であり、バイクや航空機などに搭載することもできる。

図１２に示す画像投射装置３００は、光源１０１と、リレー光学系３０１と、光学素子１０２と、光変調素子１０３と、投射光学系１０４とを備える。

光源１０１、光学素子１０２、光変調素子１０３および投射光学系１０４は、図１～１２にて説明した光学系１００における光源１０１、光学素子１０２、１０２Ｒ、光変調素子１０３および投射光学系１０４と同様に構成される。

光源１０１は、赤色（Ｒ）、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）の３つの色と１対１に対応する３つの色光源１１Ｒ、１１Ｂ、１１Ｇと、反射する光の波長および透過する波長の光が予め定められているダイクロイックミラー１２、１３とを含む。

リレー光学系３０１は、フライアイレンズ１４、コンデンサレンズ１５、折り返しミラー１６を含み、光源１０１から照射される照射光２５０を光学素子１０２に導光する

光変調素子１０３は、入射光２５０を画像データに基づいて変調する。光変調素子１０３は、ＤＭＤで構成され、入力された画像データに基づいて各マイクロミラーを時分割駆動することにより、画像データに基づく画像へと光を加工して反射する。

以上の構成において、光学素子１０２は、リレー光学系３０１から導光される照射光２５０を境界面Ｂで反射し、入射光２５０として光変調素子１０３に向けて入射させる。

光変調素子１０３は、各マイクロミラーを時分割駆動することにより、入射光２５０を第１の方向に反射して第１の出射光２００を出射する場合と、入射光２５０を第２の方向に反射して第２の出射光２０１を出射する場合と、を切り替える。光変調素子１０３は、第２の出射光２０１の光線が、入射光２５０の光線を挟んで第１の出射光２００の光線の反対側に位置するように、第１、第２の出射光２００、２０１を出射する。光学素子１０２は、光変調素子１０３から第１の方向に出射された第１の出射光２００を透過し、光変調素子１０３から第２の方向に出射された第２の出射光２０１を境界面Ｂで反射する。

光学素子１０２を透過した第１の出射光２００は、画像データに基づく画像を形成するＯＮ光として投射部１０４へ導光され、第２の方向に出射された第２の出射光２０１は、画像を形成しないＯＦＦ光として処理され、例えば機構的なシボや光吸収帯に入射することにより再反射を防止してもよい。

投射部１０４は、第１の出射光２００をスクリーン４００に投射して画像（入力された画像データに基づく画像）を形成する。スクリーン４００は、マルチレイヤーアレイ（ＭＬＡ）でもよい。

以上の構成により、光学素子１０２の境界面Ｂを介して画像を形成するＯＮ光としての第１の出射光２００と、画像を形成しないＯＦＦ光としての第２の出射光２０１を明確に分離して第２の出射光２０１を第１の出射光２００から遠ざけることができる。これにより、第２の出射光２０１が投射部１０４に入射することを抑制でき、第１の出射光２００を出射する場合のスクリーン４００における輝度と、第２の出射光２０１を出射する場合のスクリーン４００における輝度との、輝度差を大きくすることができる。よって、スクリーン４００に投射される画像の品質を向上させることができる。

図１３は、図１に示した光学系１００の第６の変形例を示す断面図である。

光学系１００は、図１に示した構成に加えて、光学素子１０２と光変調素子１０３との間に配置される第２の光学素子１０５を備える。第２の光学素子１０５は、光変調素子１０３の表面（基板）に平行に配置されたカバーガラスにより構成されており、光学素子１０２により反射された照射光２０５を入射して光変調素子１０３に向けて出射するとともに、第１の出射光２００および第２の出射光２０１を入射して光学素子１０２に向けて出射する。

以上の構成において、光学素子１０２は、光源１０１から照射される照射光２５０を境界面Ｂで反射し、第２の光学素子１０５に向けて入射させる。第２の光学素子１０２は、光学素子１０２の境界面Ｂで反射された照射光２５０を透過して、入射光２５０として光変調素子１０３に向けて入射させる。光学素子１０２の境界面Ｂで反射された照射光２５０の一部は、第２の光学素子１０５で透過されずに第２の光学素子１０５の表面で反射された反射光２５１となる。

光変調素子１０３は、第２の出射光２０１の光線が、入射光２５０の光線および反射光２５１を挟んで第１の出射光２００の光線の反対側に位置するように、第１、第２の出射光２００、２０１を出射する。第２の光学素子１０５は、光変調素子１０３から出射された第１の出射光２００および第２の出射光２０１を透過して、光学素子１０２に向けて出射する。

光学素子１０２は、第１の出射光２００を境界面Ｃおよび境界面Ｂで透過し、反射光２５１及び第２の出射光２０１を境界面Ｂで反射する。

光学素子１０２を透過した第１の出射光２００は、投射部１０４に導光されて入射して投射対象に投射され、光学素子１０２に反射された反射光２５１及び第２の出射光２０１は、不要光として処理され、例えば機構的なシボや光吸収帯に入射することにより再反射を防止される。

以上の構成により、不要光としての反射光２５１及び第２の出射光２０１を第１の出射光２００から遠ざけることができるため、反射光２５１及び第２の出射光２０１が投射部１０４に入射することを抑制できる。これにより、第１の出射光２００を出射する場合の投射対象における輝度と、第２の出射光２０１を出射する場合の投射対象における輝度との、輝度差を大きくすることができる。

よって、投射部１０４を光学素子１０２に近づけた場合でも、不要光が投射部１０４へ入射することを抑制できるため、光学素子１０２と投射部１０４を近づけることが可能になる。これにより、光学系１００をコンパクトにするともに、倍率を上げて投射対象の広角化も容易に行うことも可能になる。

そして、光変調素子１０３への入射光２５０の光線及び反射光２５１の光線は、光変調素子１０３からの第１の出射光２００の光線と第２の出射光２０１の光線の間に配置されているので、光路構成および光学素子１０２をコンパクトにすることができる。

さらに、光変調素子１０３への入射側と出射側で同じ光学素子１０２を用いること、および光源１０１からの照射光２５０、第２の出射光２０１及び反射光２５１を光学素子１０２の同一の境界面Ｂで反射することにより、光学系１００をコンパクトにすることができる。

また、境界面Ｂは、第１の出射光２００を透過し、照射光２５０、第２の出射光２０１および反射光２５１を反射するため、同一の境界面で反射・透過することで、第１の出射光２００に対して、照射光２５０、第２の出射光２０１および反射光２５１を同じ側に配置することが可能になり、光学素子１０２および光学系１００をコンパクトにすることができる。

図１４は、図１３に示した光学素子１０２、第２の光学素子１０５および光変調素子１０３の光路を示す断面図である。

まず、光源１０１から照射された照射光２５０（実線）は、屈折率ｎ１の外部環境と屈折率ｎ２の光学素子１０２の境界面Ａに入射角θ１で入射され、θ２で屈折される。θ１とθ２の関係はＳｎｅｌｌの法則に則る（ｎ２／ｎ１＝ｓｉｎθ１／ｓｉｎθ２）。なお、屈折率ｎ１とｎ２の関係はｎ１＜ｎ２である。

境界面Ａに入射したθ２の角度成分を持つ光線は、光学素子１０２の境界面Ｂに対してθ３の角度成分で到達する。この時に、境界面Ｂでは全反射条件の臨界角θｃに設定しているので、光線は全反射される（θ３≧θｃ：θｃ［＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ１／ｎ２）｛ｎ１＜ｎ２｝］）。

境界面Ｂで全反射された光線は、光学素子１０２の境界面Ｃに角度θ４で到達し、屈折角θ５で外部環境に出射される。

そして、第２の光学素子１０５を透過し、光変調素子１０３の表面に対して角度θ６で到達され、入射光２５０として光変調素子１０３に入射し、光変調素子１０３にて反射、変調される。

光変調素子１０３により変調された出射光は、α方向（第１の方向）に出射される第１の出射光２００とβ方向（第２の方向）に出射される第２の出射光２０１に最低限分けられる。

また、このとき、γ方向（第３の方向）には第２の光学素子１０５で透過されずに第２の光学素子１０５の表面で反射された反射光２５１が出射される。第１の出射光２００は、必要光として投射部１０４に導光され、第２の出射光２０１及び反射光２５１は、不要光として投射部１０４とは異なる位置に逃がして処理される。

反射光２５１は、第２の光学素子１０５の表面において反射角γ１で反射される。その後、反射光２５１は、境界面Ｃに入射角γ２で入射し、屈折角γ３で光学素子１０２内を進み、境界面Ｂに角度γ４≧θｃで到達して、境界面Ｂで全反射し、境界面Ａに向かう。

反射光２５１は、境界面Ａに対して角度γ５で到達し、屈折角γ６で外部環境に出射される。反射光２５１は、第２の出射光２０１と同様、例えば、機構的なシボや光吸収帯に入射することにより再反射を防止される。

外部環境の屈折率ｎ１＝１．００、光学素子の屈折率ｎ２＝１．６４、光変調素子１０３の変調角が片側１２度の条件とすると、各種パラメータの具体例は下記の通りになる。
θｃ＝３７．６｛＝ａｒｃｓｉｎ（１．００／１．６）｝
θ１＝０
θ２＝０
θ３＝４５．０｛≧θｃ｝
θ４＝０
θ５＝０
θ６＝０
α１＝２４．０
α２＝２４．０
α３＝１４．３
α４＝３０．７｛＜θｃ｝
α５＝５６．９
β１＝２４．０
β２＝２４．０
β３＝１４．３
β４＝５９．３｛≧θｃ｝
β５＝１４．３
β６＝２４．０
γ１＝０
γ２＝０
γ３＝０
γ４＝４５．０｛≧θｃ｝
γ５＝０
γ６＝０

以上について、境界面Ｂへの入射角が一致していたり、境界面Ｂ上での透過、全反射の条件が成立していたりすれば、第２の光学素子１０５以外での表面反射・散乱光といった他の不要光も取り除くことができる。

以上の構成により、光学素子１０２の境界面Ｂを介して必要光としての第１の出射光２００と、不要光としての反射光２５１及び第２の出射光２０１を明確に分離して反射光２５１及び第２の出射光２０１を第１の出射光２００から遠ざけることができる。これにより、反射光２５１及び第２の出射光２０１が投射部１０４に入射することを抑制でき、第１の出射光２００を出射する場合の投射対象における輝度と、第２の出射光２０１を出射する場合の投射対象における輝度との、輝度差を大きくすることができる。

さらに、光変調素子１０３への入射側と出射側で同じ光学素子１０２を用いること、および光源１０１からの照射光２５０と第２の出射光２０１及び反射光２５１を光学素子１０２の同一の境界面Ｂで反射することにより、光学系１００をコンパクトにすることができる。

続いて、図１３および図１４に示した光学系１００において、ＬＤ（レーザダイオード）を含む光源１０１に代えて、図４に示したようなＬＥＤ光源光学系を含む光源１０１Ｅを備えた場合について、以下に説明する。

外部環境の屈折率ｎ１＝１．００、光学素子の屈折率ｎ２＝１．６４１．５９光変調素子１０３の変調角が片側１２度の条件とすると、主光線１２０における各種パラメータの具体例は下記の通りになる。
θｃ＝３７．６｛＝ａｒｃｓｉｎ（１．００／１．６４）｝
θ１＝０
θ２＝０
θ３＝４５．０｛≧θｃ｝
θ４＝０
θ５＝０
θ６＝０
α１＝２４．０
α２＝２４．０
α３＝１４．３
α４＝３０．７｛＜θｃ｝
α５＝５６．９
β１＝２４．０
β２＝２４．０
β３＝１４．３
β４＝５９．３｛≧θｃ｝
β５＝１４．３
β６＝２４．０
γ１＝０
γ２＝０
γ３＝０
γ４＝４５．０｛≧θｃ｝
γ５＝０
γ６＝０

上光線１２１は光学素子１０２に対する入射角θ１が１０度傾いているのと同義であるので、上光線１２１における各種パラメータの具体例は下記の通りになる。
θ１＝１０．０
θ２＝６．１
θ３＝３８．９｛≧θｃ｝
θ４＝６．１
θ５＝１０．０
θ６＝１０．０
α１＝１４．０
α２＝１４．０
α３＝８．５
α４＝３６．５｛＜θｃ｝
α５＝８０．０
β１＝３４．０
β２＝３４．０
β３＝１９．９
β４＝６４．９｛≧θｃ｝
β５＝１９．９
β６＝３４．０
γ１＝１０．０
γ２＝１０．０
γ３＝６．１
γ４＝５１．１｛≧θｃ｝
γ５＝６．１
γ６＝１０．０

下光線１２２も上光線１２１と同様に、各種パラメータの具体例は下記の通りになる。
θ１＝１０．０
θ２＝６．１
θ３＝５１．１｛≧θｃ｝
θ４＝６．１
θ５＝１０．０
θ６＝１０．０
α１＝３４．０
α２＝３４．０
α３＝１９．９
α４＝２５．１｛＜θｃ｝
α５＝４４．２
β１＝１４．０
β２＝１４．０
β３＝８．５
β４＝５３．５｛≧θｃ｝
β５＝８．５
β６＝１４．０
γ１＝１０．０
γ２＝１０．０
γ３＝６．１
γ４＝３８．９｛≧θｃ｝
γ５＝６．１
γ６＝１０．０

本実施形態では光変調素子１０３の変調角が片側１２度であるため、第１の出射光２００の主光線１２０の延長線と反射光２５１の主光線１２０の延長線の成す角度は２４度（半分の角度は１２度）である。これに対して、各光の主光線１２０と上光線１２１または下光線１２２の成す角度は１０度である。

第１の出射光２００と反射光２５１の各光における主光線１２０と上光線１２１または下光線１２２がなす角度が、第１の出射光２００の主光線１２０の延長線と表面反射光２５１の主光線１２０の延長線の成す角度の半分以下であれば、上記以外の角度であってもよい。

これにより、必要光である第１の出射光２００と不要光である反射光２５１は第１の光学素子１０２の境界面Ｂを境に混ざることなく分離でき、第１の出射光２００を出射する場合の投射対象における輝度と、第２の出射光２０１を出射する場合の投射対象における輝度との、輝度差を大きくすることができる。

図１５は、図１に示した光学系１００の第７の変形例を示す断面図である。

光学系１００は、図１に示した光学系１００の第６の変形例である図１３に示した構成に加えて、図６と同様に三角プリズムにより構成される光学素子１０２Ｂを備える。光学素子１０２Ｂは、光学素子１０２を透過した第１の出射光２００を透過し、光学素子１０２Ｂを透過した第１の出射光２００は、投射部１０４に導光されて入射して投射対象に投射される。これにより、収差の補正や出射方向の調整が容易となる。

図１６は、図１５に示した光学素子１０２、光学素子１０２Ｂ、第２の光学素子１０５および光変調素子１０３の光路を示す断面図である。図中、左下の丸で囲ってある部分は、右上の丸で囲ってある部分の拡大図である。

入射光（照射光）２５０、第２の出射光２０１、反射光２５１の光路は、図１４と同じであるため、説明を省略する。

その後、第１の出射光２００は、境界面Ｂに角度α４＜θｃで到達し、屈折角α４’で外部環境に射出され、その次に、光学素子１０２Ｂの境界面Ｄに屈折角α４’で入射される。光学素子１０２Ｂは、屈折率ｎ２であり、境界面Ｄと境界面Ｅのなす角度はφである
。

外部環境の屈折率ｎ１＝１．００、光学素子の屈折率ｎ２＝１．６４、光変調素子１０３の変調角が片側１２度の条件とすると、各種パラメータの具体例は下記の通りになる。
θｃ＝３７．６｛＝ａｒｃｓｉｎ（１．００／１．６４）｝
φ＝３０．７
θ１＝０
θ２＝０
θ３＝４５．０｛≧θｃ｝
θ４＝０
θ５＝０
θ６＝０
α１＝２４．０
α２＝２４．０
α３＝１４．３
α４＝３０．７｛＜θｃ｝
α４’＝５６．９
α５＝３０．７
α６＝０｛＜θｃ｝
α７＝０
β１＝２４．０
β２＝２４．０
β３＝１４．３
β４＝５９．３｛≧θｃ｝
β５＝１４．３
β６＝２４．０
γ１＝０
γ２＝０
γ３＝０
γ４＝４５．０｛≧θｃ｝
γ５＝０
γ６＝０

図１７は、図１に示した光学系１００の第８の変形例を示す断面図である。

光学系１００は、図１に示した光学系１００の第７の変形例である図１５に示した構成において、光学素子１０２Ｂに代えて、図８と同様に三角プリズムにより構成される光学素子１０２Ｃを備える。光学素子１０２Ｃは、光学素子１０２を透過した第１の出射光２００を反射し、光学素子１０２Ｂにより反射された第１の出射光２００は、投射部１０４に導光されて入射して投射対象に投射される

以上の構成により、第２の出射光２０１および反射光２５１を第１の出射光２００からさらに遠ざけることができるため、第２の出射光２０１および反射光２５１が投射部１０４に入射することを抑制できる。これにより、第１の出射光２００を出射する場合の投射対象における輝度と、第２の出射光２０１を出射する場合の投射対象における輝度との、輝度差を確実に大きくすることができる。

図１８は、図１７に示した光学素子１０２、光学素子１０２Ｃ、第２の光学素子１０５および光変調素子１０３の光路を示す断面図である。図中、左下の丸で囲ってある部分は、右上の丸で囲ってある部分の拡大図である。

その後、第１の出射光２００は、境界面Ｂに角度α４＜θｃで到達し、屈折角α４’で外部環境に射出され、その次に、光学素子１０２Ｃの境界面Ｄに屈折角α４’で入射される。光学素子１０２Ｃは、屈折率ｎ２であり、境界面Ｄと境界面Ｅのなす角度はφである
。

光学素子１０２と光学素子１０２Ｃの間は屈折率ｎ１の空気層となっており、光学素子１０２の境界面Ｂと光学素子１０２Ｃの境界面Ｄは平行になるように光学素子１０２と光学素子１０２Ｃは配置されているので、境界面Ｂへの入射角α４と境界面Ｄにおける屈折角α５は等しくなる。光学素子１０２と光学素子１０２Ｃの間空気層は広くなるほど投射画像に影響が出る為、空気層の距離Lは１０μｍ以下が望ましい。

第１の出射光２００は、屈折角α５で光学素子１０２Ｃ内を進み、光学素子１０２Ｃの境界面Ｅに角度α６≧θｃで到達する。その後、第１の出射光２００は、境界面Ｅで全反射された後、境界面Ｆに角度α６’で到達し、屈折角α’で外部環境に出射され‘、投射部１０４に入射される。

外部環境の屈折率ｎ１＝１．００、光学素子の屈折率ｎ２＝１．６４、光変調素子１０３の変調角が片側１２度の条件とすると、各種パラメータの具体例は下記の通りになる。
θｃ＝３７．６｛＝ａｒｃｓｉｎ（１．００／１．６４）｝
φ＝９０．０
θ１＝０
θ２＝０
θ３＝４５．０｛≧θｃ｝
θ４＝０
θ５＝０
θ６＝０
α１＝２４．０
α２＝２４．０
α３＝１４．３
α４＝３０．７｛＜θｃ｝
α４’＝５６．９
α５＝３０．７
α６＝５９．３｛≧θｃ｝
α６’＝９．３
α７＝１５．５
β１＝２４．０
β２＝２４．０
β３＝１４．３
β４＝５９．３｛≧θｃ｝
β５＝１４．３
β６＝２４．０
γ１＝０
γ２＝０
γ３＝０
γ４＝４５．０｛≧θｃ｝
γ５＝０
γ６＝０

以上の構成により、第２の出射光２０１および反射光２５１を第１の出射光２００からさらに遠ざけることができる。

図１９は、図１に示した光学系１００の第９の変形例を示す断面図である。

光学系１００は、図１に示した光学系１００の第６の変形例である図１３に示した構成において、光学素子１０２に代えて、図１０と同様に三角プリズムにより構成される光学素子１０２Ｒを備える。

光学素子１０２Ｒは、第１の出射光２００を境界面Ａで反射し、光源１０１から照射される照射光２５０、反射光２５１及び第２の出射光２０１を境界面Ａおよび境界面Ｂで透過する。

光学素子１０２Ｒにより反射された第１の出射光２００は、投射部１０４に導光されて入射して投射対象に投射され、光学素子１０２Ｒを透過した反射光２５１及び第２の出射光２０１は、不要光として処理され、例えば機構的なシボや光吸収帯に入射することにより再反射を防止してもよい。

そして、光変調素子１０３への入射光２５０の光線及び反射光２５１の光線は、光変調素子１０３からの第１の出射光２００の光線と第２の出射光２０１の光線の間に配置されているので、光路構成および光学素子１０２Ｒをコンパクトにすることができる。

図２０は、図１９に示した光学素子１０２Ｒ、第２の光学素子１０５および光変調素子１０３の光路を示す断面図である。

境界面Ｂで透過された光線は、屈折角θ４で外部環境に出射される。そして、第２の光学素子１０５を透過し、光変調素子１０３の表面に対して角度θ５で到達され、入射光２５０として光変調素子１０３に入射し、光変調素子１０３にて反射、変調される。

反射光２５１は、第２の光学素子１０５の表面において反射角γ１で反射される。その後、反射光２５１は、境界面Ｂに入射角γ２で入射し、屈折角γ３で光学素子１０２Ｒ内を進み、境界面Ａに角度γ４＜θｃで到達し、屈折角γ５で外部環境に出射される。

外部環境の屈折率ｎ１＝１．００、光学素子の屈折率ｎ２＝１．５９、光変調素子１０３の変調角が片側１２度の条件とすると、各種パラメータの具体例は下記の通りになる。
θｃ＝３８．９｛＝ａｒｃｓｉｎ（１．００／１．５９）｝
θ１＝４６．０
θ２＝２６．９
θ３＝３．１｛＜θｃ｝
θ４＝５．０
θ５＝５．０
α１＝２９．０
α２＝２９．０
α３＝１７．７
α４＝４７．７｛≧θｃ｝
α５＝１２．３
α６＝１９．８
β１＝１９．０
β２＝１９．０
β３＝１１．８
β４＝１８．２｛＜θｃ｝
β５＝２９．８
γ１＝５．０
γ２＝５．０
γ３＝３．１
γ４＝３３．１｛＜θｃ｝
γ５＝６０．４

以上について、境界面Ａへの入射角が一致していたり、境界面Ａ上での透過、全反射の条件が成立していたりすれば、第２の光学素子１０５以外での表面反射・散乱光といった他の不要光も取り除くことができる。

以上の構成により、光学素子１０２Ｒの境界面Ａを介して必要光としての第１の出射光２００と、不要光としての反射光２５１及び第２の出射光２０１を明確に分離して反射光２５１及び第２の出射光２０１を第１の出射光２００から遠ざけることができる。

よって、投射部１０４を光学素子１０２Ｒに近づけた場合でも、不要光が投射部１０４へ入射することを抑制できるため、光学素子１０２Ｒと投射部１０４を近づけることが可能になる。これにより、光学系１００をコンパクトにするともに、倍率を上げて投射対象の広角化も容易に行うことも可能になる。

また、光学素子１０２Ｒの境界面Ａは、第１の出射光２００を反射し、照射光２５０、第２の出射光２０１および反射光２５１を透過するため、同一の境界面で反射・透過することで、第１の出射光２００に対して、照射光２５０、第２の出射光２０１および反射光２５１を同じ側に配置することが可能になり、光学素子１０２Ｒおよび光学系１００をコンパクトにすることができる。

以上説明した本実施形態に係る光学系１００は、光源１０１から照射される照射光を、光学素子１０２、１０２Ｒを介することなく、光変調素子１０３に入射してもよい。その場合、光変調素子１０３は、入射光を互いに異なる方向である第１の方向または第２の方向に透過して出射する透過型により構成しても良い。

また、本実施形態における光源１０１は、ＬＤ、ＬＥＤに限らず、有機ＥＬ素子等の他の発光素子を用いても良い。

図２１は、図１２に示した画像投射装置３００の変形例を示す断面図である。

画像投射装置３００は、図１２に示した構成に加えて、第２の光学素子１０５を備える。第２の光学素子１０５は、図１３～２０にて説明した光学系１００における第２の光学素子１０５と同様に構成される。

以上の構成により、光学素子１０２の境界面Ｂを介して画像を形成するＯＮ光としての第１の出射光２００と、画像を形成しないＯＦＦ光としての第２の出射光２０１および反射光２５１を明確に分離して第２の出射光２０１および反射光２５１を第１の出射光２００から遠ざけることができる。これにより、第２の出射光２０１および反射光２５１が投射部１０４に入射することを抑制でき、第１の出射光２００を出射する場合のスクリーン４００における輝度と、第２の出射光２０１を出射する場合のスクリーン４００における輝度との、輝度差を大きくすることができる。よって、スクリーン４００に投射される画像の品質を向上させることができる。

図２２は、本発明の一実施形態としての画像投射装置３００を搭載した移動体４００を示す図である。

車両（移動体）４００は、画像を投射する画像投射装置３００と、画像投射装置３００で形成された画像３０１を反射する光学部品４０１Ａ、４０１Ｂ、４０１Ｃ（フロントガラス）を備え、車両４００に乗車した乗車者５０１に、数ｍ先に虚像６００として認識させることができる。画像投射装置３００は、図１２および図２１にて説明した画像投射装置３００と同様に構成される。

以上の構成により、画像を形成するＯＮ光としての第１の出射光２００と、画像を形成しないＯＦＦ光としての第２の出射光２０１および反射光２５１を明確に分離して、第２の出射光２０１および反射光２５１を第１の出射光２００から遠ざけることができる。これにより、第２の出射光２０１および反射光２５１が投射部１０４に入射することを抑制でき、第１の出射光２００を出射する場合の虚像６００における輝度と、第２の出射光２０１を出射する場合の虚像６００における輝度との、輝度差を大きくすることができる。よって、虚像６００の画像品質を向上させることができる。

以上説明したように、本発明の一実施形態に係る光学系１００は、入射光２５０を互いに異なる方向である第１の方向または第２の方向に出射する光変調素子１０３と、光源１０１から照射される照射光２５０を、入射光２５０として光変調素子１０３に向けて出射する光学素子１０２、１０２Ｒと、を備え、光学素子１０２、１０２Ｒは、光変調素子１０３から第１の方向に出射されて投射対象に導光される第１の出射光２００と、光変調素子１０３から第２の方向に出射された第２の出射光２０１および照射光２５０と、のうち一方を透過し、他方を反射する境界面（界面）を有する。

すなわち、光学素子１０２は、第１の出射光２００を透過し、第２の出射光２０１および照射光２５０を反射する境界面（界面）Ｂを有する。あるいは、光学素子１０２Ｒは、第１の出射光２００を反射し、第２の出射光２０１および照射光２５０を透過する境界面（界面）Ａを有する。

これにより、第２の出射光２０１を第１の出射光２００から遠ざけることができるため、投射対象における第２の出射光２０１の影響を低減することができる。また、光学素子１０２、１０２Ｒの同一の境界面で反射・透過することにより、第１の出射光２００に対して、第２の出射光２０１と照射光２５０を同じ側に配置することが可能になり、光学素子１０２、１０２Ｒおよび光学系１００をコンパクトにすることができる。

よって、光学系１００をコンパクトにしつつ、第１の出射光２００を出射する場合の投射対象における輝度と、第２の出射光２０１を出射する場合の投射対象における輝度との、輝度差を大きくすることができる。

よって、投射対象を光学素子１０２、１０２Ｒに近づけた場合でも、不要光が投射対象へ入射することを抑制できるため、光学素子１０２、１０２Ｒと投射対象を近づけることが可能になる。これにより、光学系１００をコンパクトにするともに、倍率を上げて投射対象の広角化も容易に行うことも可能になる。

また、本発明の一実施形態に係る光学系１００は、入射光２５０を互いに異なる方向である第１の方向または第２の方向に出射する光変調素子１０３と、第１の方向に出射された第１の出射光２００、および第２の方向に出射された第２の出射光２０１の一方を透過し、他方を反射する光学素子１０２、１０２Ｒと、を備え、第２の出射光２０１の光線が、入射光２５０の光線を挟んで第１の出射光２００の光線の反対側に位置するように、光変調素子１０３は第１、第２の出射光２００、２０１を出射する。

具体的には、光学素子１０２の境界面Ｂまたは光学素子１０２Ｒの境界面Ａにおいて、第２の出射光２０１は、入射光２５０を挟んで第１の出射光２００の反対側に位置する。

この構成により、第２の出射光２０１を第１の出射光２００から遠ざけることができるため、第２の出射光２０１の影響を低減することができる。よって、第１の出射光２００を出射する場合の投射対象における輝度と、第２の出射光２０１を出射する場合の投射対象における輝度との、輝度差を大きくすることができる。

そして、光変調素子１０３への入射光２５０の光線は、光変調素子１０３からの第１の出射光２００の光線と第２の出射光２０１の光線の間に配置されているので、光路構成をコンパクトにすることができる。

また、本発明の一実施形態に係る光学系１００は、入射光２５０を互いに異なる方向である第１の方向または第２の方向に出射する光変調素子１０３と、光源１０１から照射される照射光２５０を、入射光２５０として光変調素子１０３に向けて出射する光学素子１０２、１０２Ｒと、光学素子１０２、１０２Ｒと光変調素子１０３との間に配置され、光学素子１０２、１０２Ｒから出射された照射光２０５を入射する第２の光学素子１０５を備え、光学素子１０２、１０２Ｒは、光変調素子１０３から第１の方向に出射されて投射対象に導光される第１の出射光２００と、第２の光学素子１０５で透過されずに反射された反射光２５１と、のうち一方を透過し、他方を反射する。

これにより、反射光２５１を第１の出射光２００から確実に遠ざけることができるため、投射対象における反射光２５１の影響を低減することができる。

光学素子１０２、１０２Ｒは、第１の出射光２００と、光変調素子１０３から第２の方向に出射された第２の出射光２０１および反射光２５１と、のうち一方を透過し、他方を反射する。これにより、第２の出射光２０１および反射光２５１を第１の出射光２００から確実に遠ざけることができて、投射対象における第２の出射光２０１および反射光２５１の影響を低減することができる。

光学素子１０２は、第１の出射光２００を透過し、第２の出射光２０１および反射光２５１を反射する境界面Ｂを有する。あるいは、光学素子１０２Ｒは、第１の出射光２００を反射し、第２の出射光２０１および反射光２５１を透過する境界面Ａを有する。

このように、光学素子１０２、１０２Ｒの同一の境界面で反射・透過することにより、第１の出射光２００に対して、第２の出射光２０１と反射光２５１を同じ側に配置することが可能になり、光学素子１０２および光学系１００をコンパクトにすることができる

光学素子１０２、１０２Ｒは、第１の出射光２００と、照射光２５および反射光２５１と、のうち一方を透過し、他方を反射する。

光学素子１０２は、第１の出射光２００を透過し、照射光２５０および反射光２５１を反射する境界面Ｂを有する。あるいは、光学素子１０２Ｒは、第１の出射光２００を反射し、照射光２５０および反射光２５１を透過する境界面Ａを有する。

このように、光学素子１０２、１０２Ｒの同一の境界面で反射・透過することにより、第１の出射光２００に対して、照射光２５０と反射光２５１を同じ側に配置することが可能になり、光学素子１０２、１０２Ｒおよび光学系１００をコンパクトにすることができる

そして、光学素子１０２の境界面Ｂまたは光学素子１０２Ｒの境界面Ａにおいて、第２の出射光２０１が、入射光２５０および反射光２５１を挟んで第１の出射光２００の反対側に位置するように、光変調素子１０３は第１、第２の出射光２００、２０１を出射する。

また、第１の出射光２００および反射光２５１は、主光線と、主光線とそれぞれ角度をなす上光線および下光線と、をそれぞれ含み、第１の出射光２００における主光線と、上光線または下光線がなす角度、および反射光２５１における主光線と、上光線または下光線がなす角度は、第１の出射光２００における主光線の延長線と反射光２５１における主光線の延長線のなす角度の半分以下である。

これにより、光学系１００が最も条件が厳しい反射光２５１を含む場合でも、必要光と不要光を混ざらずに抽出することができる。

光変調素子１０３は、入射光２５０を反射して第１または前記第２の方向に出射する。これにより、入射光２５０、第１の出射光２００、および第２の出射光２０１が、光変調素子１０３の表面側に配置されるため、光学系１００をコンパクトにすることができる。

光変調素子１０３は、デジタル・マイクロミラー・デバイスである。これにより、第１の出射光２００を出射する場合の投射対象における輝度と、第２の出射光２０１を出射する場合の投射対象における輝度との、輝度差を容易に大きくすることができる。

光変調素子１０３は、入射光２５０を前記第１または前記第２の方向に出射する可変領域１０３Ａと、入射光２５０を前記第２の方向に固定して出射する固定領域１０３Ｂを含む。

これにより、固定領域１０３Ｂから出射される光は、第２の出射光２０１と平行な光のみであり、第１の出射光２００と平行な光は含まれないので、投射部１０４に導光されることはない。よって、可変領域１０３Ａから不要光として第２の出射光２０１を出射しているときに、固定領域１０３Ｂから出射される光が投射対象に投射されることがなく、第１の出射光２００を出射する場合の投射対象における輝度と、第２の出射光２０１を出射する場合の投射対象における輝度との、輝度差を大きくすることができる。

光学素子１０２、１０２Ｒはプリズムである。これにより、簡単な構成で、第１の出射光２００を出射する場合の投射対象における輝度と、第２の出射光２０１を出射する場合の投射対象における輝度との、輝度差を大きくすることができる。

光学系１００は、光学素子１０２、１０２Ｒを通過した第１の出射光２００を入射し、投射対象に投射する投射光学系１０４を備える。

この構成により、第２の出射光２０１を第１の出射光２００から遠ざけることができるため、第２の出射光２０１（および反射光２５１）が投射部１０４に入射することを抑制できる。これにより、第１の出射光２００を出射する場合の投射対象における輝度と、第２の出射光２０１を出射する場合の投射対象における輝度との、輝度差を大きくすることができる。

よって、投射部１０４を光学素子１０２、１０２Ｒに近づけた場合でも、不要光が投射部１０４へ入射することを抑制できるため、光学素子１０２、１０２Ｒと投射部１０４を近づけることが可能になる。これにより、光学系１００をコンパクトにするともに、倍率を上げて投射対象の広角化も容易に行うことも可能になる。

本発明の一実施形態に係る画像投射装置３００は、以上の構成の光学系１００を備え、本発明の一実施形態に係る移動体は、上記構成の画像投射装置３００を備える。

この構成により、画像を形成するＯＮ光としての第１の出射光２００と、画像を形成しないＯＦＦ光としての第２の出射光２０１（および反射光２５１）を明確に分離して、第２の出射光２０１を第１の出射光２００から遠ざけることができる。これにより、投射対象における第２の出射光２０１（および反射光２５１）の影響を低減でき、第１の出射光２００を出射する場合の投射画像における輝度と、第２の出射光２０１を出射する場合の投射画像における輝度との、輝度差を大きくすることができる。よって、投射画像の品質を向上させることができる。

そして、光変調素子１０３への入射光２５０の光線（および反射光２５１の光線）は、光変調素子１０３からの第１の出射光２００の光線と第２の出射光２０１の光線の間に配置されているので、光路構成をコンパクトにすることができる。

また、光学素子１０２の境界面Ｂまたは光学素子１０２Ｒの境界面Ａは、第１の出射光２００と、照射光２５および第２の出射光２０１（および反射光２５１）と、のうち一方を透過し、他方を反射する。これにより、同一の境界面で反射・透過することで、第１の出射光２００に対して、照射光２５０および第２の出射光２０１（および反射光２５１）を同じ側に配置することが可能になり、光学素子１０２、１０２Ｒおよび光学系１００をコンパクトにすることができる。

１００光学系
１０１光源
１０２光学素子
Ａ境界面（界面）
Ｂ境界面（界面）
１０３光変調素子
１０４投射部
１０５第２の光学素子
２００第１の出射光
２０１第２の出射光
２５０入射光（照射光）
２５１反射光
３００画像投射装置
４００移動体（車両）

特開２００４－２５８４３９号公報特開２０００－２５８７０３号公報

Claims

入射光を互いに異なる方向である第１の方向または第２の方向に出射する光変調素子と、
光源から照射される照射光を、前記入射光として前記光変調素子に向けて出射する光学素子と、を備えた光学系であって、
前記光学素子は、前記光変調素子から前記第１の方向に出射されて投射対象に導光される第１の出射光と、前記光変調素子から前記第２の方向に出射された第２の出射光および前記照射光と、のうち一方を透過し、他方を反射する界面を有し、
前記第２の出射光の光線が、前記入射光の光線を挟んで前記第１の出射光の光線の反対側に位置するように、前記光変調素子は前記第１、第２の出射光を出射し、
前記界面は、前記第１の出射光を透過し、前記第２の出射光および前記照射光を反射することを特徴とする光学系。
入射光を互いに異なる方向である第１の方向または第２の方向に出射する光変調素子と、
光源から照射される照射光を、前記入射光として前記光変調素子に向けて出射する光学素子と、を備えた光学系であって、
前記光学素子は、前記光変調素子から前記第１の方向に出射されて投射対象に導光される第１の出射光と、前記光変調素子から前記第２の方向に出射された第２の出射光および前記照射光と、のうち一方を透過し、他方を反射する界面を有し、
前記第２の出射光の光線が、前記入射光の光線を挟んで前記第１の出射光の光線の反対側に位置するように、前記光変調素子は前記第１、第２の出射光を出射し、
前記光学素子と前記光変調素子との間に配置され、前記光学素子により反射された前記照射光を入射する第２の光学素子を備え、
前記界面は、前記第１の出射光と、前記照射光、前記第２の出射光および前記照射光が前記第２の光学素子で透過されずに反射された反射光と、のうち一方を透過し、他方を反射することを特徴とする光学系。
入射光を互いに異なる方向である第１の方向または第２の方向に出射する光変調素子と、
光源から照射される照射光を、前記入射光として前記光変調素子に向けて出射する光学素子と、を備えた光学系であって、
前記光学素子は、前記光変調素子から前記第１の方向に出射されて投射対象に導光される第１の出射光と、前記光変調素子から前記第２の方向に出射された第２の出射光および前記照射光と、のうち一方を透過し、他方を反射する界面を有し、
前記界面は、前記第１の出射光を反射し、前記第２の出射光および前記照射光を透過し、
前記光学素子と前記光変調素子との間に配置され、前記光学素子により反射された前記照射光を入射する第２の光学素子を備え、
前記界面は、前記第１の出射光と、前記照射光、前記第２の出射光および前記照射光が前記第２の光学素子で透過されずに反射された反射光と、のうち一方を透過し、他方を反射することを特徴とする光学系。
前記界面において、前記第２の出射光は、前記入射光を挟んで前記第１の出射光の反対側に位置することを特徴とする請求項１～３の何れか記載の光学系。
前記界面は、前記第１の出射光を透過し、前記第２の出射光、前記照射光および前記反射光を反射することを特徴とする請求項２または３記載の光学系。
入射光を互いに異なる方向である第１の方向または第２の方向に出射する光変調素子と、
光源から照射される照射光を、前記入射光として前記光変調素子に向けて出射する光学素子と、を備えた光学系であって、
前記光学素子は、前記光変調素子から前記第１の方向に出射されて投射対象に導光される第１の出射光と、前記光変調素子から前記第２の方向に出射された第２の出射光および前記照射光と、のうち一方を透過し、他方を反射する界面を有し、
前記光学素子と前記光変調素子との間に配置され、前記光学素子により反射された前記照射光を入射する第２の光学素子を備え、
前記界面は、前記第１の出射光と、前記照射光、前記第２の出射光および前記照射光が前記第２の光学素子で透過されずに反射された反射光と、のうち一方を透過し、他方を反射し、
前記界面は、前記第１の出射光を反射し、前記第２の出射光、前記照射光および前記反射光を透過することを特徴とする光学系。
前記界面において、前記第２の出射光は、前記入射光および前記反射光を挟んで前記第１の出射光の反対側に位置することを特徴とする請求項２、３、５、６の何れか記載の光学系。
入射光を互いに異なる方向である第１の方向または第２の方向に出射する光変調素子と、
光源から照射される照射光を、前記入射光として前記光変調素子に向けて出射する光学素子と、を備えた光学系であって、
前記光学素子は、前記光変調素子から前記第１の方向に出射されて投射対象に導光される第１の出射光と、前記光変調素子から前記第２の方向に出射された第２の出射光および前記照射光と、のうち一方を透過し、他方を反射する界面を有し、
前記光学素子と前記光変調素子との間に配置され、前記光学素子により反射された前記照射光を入射する第２の光学素子を備え、
前記界面は、前記第１の出射光と、前記照射光、前記第２の出射光および前記照射光が前記第２の光学素子で透過されずに反射された反射光と、のうち一方を透過し、他方を反射し、
前記第１の出射光および前記反射光は、主光線と、前記主光線とそれぞれ角度をなす上光線および下光線と、をそれぞれ含み、
前記第１の出射光における前記主光線と、前記上光線または前記下光線がなす角度、および前記反射光における前記主光線と、前記上光線または前記下光線がなす角度は、前記第１の出射光における前記主光線の延長線と前記反射光における前記主光線の延長線のなす角度の半分以下であることを特徴とする光学系。
前記光変調素子は、入射光を反射して前記第１または前記第２の方向に出射することを特徴とする請求項１～８の何れか記載の光学系。
前記光変調素子は、デジタル・マイクロミラー・デバイスであることを特徴とする請求項９記載の光学系。
入射光を互いに異なる方向である第１の方向または第２の方向に出射する光変調素子と、
光源から照射される照射光を、前記入射光として前記光変調素子に向けて出射する光学素子と、を備えた光学系であって、
前記光学素子は、前記光変調素子から前記第１の方向に出射されて投射対象に導光される第１の出射光と、前記光変調素子から前記第２の方向に出射された第２の出射光および前記照射光と、のうち一方を透過し、他方を反射する界面を有し、
前記光変調素子は、入射光を前記第１または前記第２の方向に出射する可変領域と、入射光を前記第２の方向に固定して出射する固定領域を含むことを特徴とする光学系。
前記光学素子はプリズムである請求項１～１１の何れか記載の光学系。
前記光学素子を通過した前記第１の出射光を入射し、投射対象に投射する投射光学系を備えた請求項１～１２の何れか記載の光学系。
請求項１～１３の何れか記載の光学系を備え、画像を投射する画像投射装置。
請求項１４記載の画像投射装置を備えた移動体。