プロジェクタ用光学系
【課題】 本発明は、大型化を招くことなく、高コントラストでゴーストのない投影画像が得られるプロジェクタ用光学系を提供することを目的とする。
【解決手段】 画像の各画素と対応するように、微小なミラー素子が一平面内で規則的に配列され、各々の該ミラー素子が、入力される映像信号に応じて、オン状態またはオフ状態をとることにより、照明光を投影光学系の光軸方向また前記光軸方向とは異なる方向に択一的に反射するＤＭＤと、前記ＤＭＤと前記投影光学系の間に配置されており、照明光を反射して前記ＤＭＤに導くとともに、前記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とを備えたプロジェクタ用光学系において、前記プリズムは、第１の面を透過された光のうち、前記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の面を有する構成とする。
【解決手段】 画像の各画素と対応するように、微小なミラー素子が一平面内で規則的に配列され、各々の該ミラー素子が、入力される映像信号に応じて、オン状態またはオフ状態をとることにより、照明光を投影光学系の光軸方向また前記光軸方向とは異なる方向に択一的に反射するＤＭＤと、前記ＤＭＤと前記投影光学系の間に配置されており、照明光を反射して前記ＤＭＤに導くとともに、前記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とを備えたプロジェクタ用光学系において、前記プリズムは、第１の面を透過された光のうち、前記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の面を有する構成とする。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プロジェクタ用光学系に関し、特に映像信号に応じて照射光の反射角度を変化させ、信号光のみを投影光学系方向に反射させ得る多数の光反射角可変ミラー素子を備えたデジタル・マイクロミラー・デバイス（以下、ＤＭＤと称する）を搭載してなるプロジェクタ用光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、高精細画像の要求の高まりに伴い、プロジェクタの分野においても、光学系のサイズを大型化することなく画素数を飛躍的に増大させる技術の開発が要望されている。このような要望に鑑み、ＤＭＤを用いたプロジェクタが開発されている。
【０００３】このＤＭＤは、映像信号により回転角を変えることができる高反射率の矩形状の微小なミラー素子を、半導体技術を用いてシリコンメモリーチップ上に形成してなるものである。ＤＭＤを用いたプロジェクタは、上記ミラー素子の回転角を変えることで照明光の反射方向を制御し、所望の反射光のみをスクリーン上に集束させて所望の映像の投影を可能としている。
【０００４】図７にプロジェクタ用光学系におけるＤＭＤの原理を示す。ＤＭＤ１０１の各素子がオン状態である場合の光の進行の様子を（ａ）に、同じくオフ状態である場合の光の進行の様子を（ｂ）に示す。（ａ）に示すように、入出力分離プリズム系１０２を介してＤＭＤ１０１のオン状態の各素子１０１ａに入射された照明光は、略投影光学系１０３の光軸Ａｘ方向へ反射される（以下、この反射光をオン光ということにする）。このオン光は、投影光学系１０３によりスクリーン上に投影される。投影光学系１０３によりスクリーン上に投影される光の光路を以下有効光路ということにする。
【０００５】尚、入出力分離プリズム系１０２は、面１０２ａで入射角度の違いを利用して照明光を反射してＤＭＤ１０１に導くとともに、ＤＭＤ１０１からの反射光を透過することにより入出力光を分離する。
【０００６】一方、オン状態とは回転角の異なるオフ状態の各素子１０１ｂに入射された照明光は、（ｂ）に示すようにオン光とは異なる方向へ反射される（以下、この反射光をオフ光ということにする）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来のプロジェクタ用光学系においては、図７（ｂ）に示すようなオフ光が投影光学系に入射してしまう場合がある。このような光は、有効光路を辿り、スクリーン上に本来の像とは別の像（ゴースト）を形成したり、投影画面のコントラストを低下させたりする。
【０００８】図８に、オフ光が投影光学系に入射してしまう例を示す。図８には、ＤＭＤ１０１の位置Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４からのオフ光の進行の様子を示す。投影光学系１０３は各ミラー素子からのオン光が入射されるように配置されている。しかし、投影光学系１０３の位置においては、左側の位置Ｐ２１からのオフ光１０５と、右側の位置Ｐ２４からオン光１０４とが完全には分離されておらず、オン光１０４を取り込む投影光学系１０３は同時にオフ光１０５を取り込むことになる。
【０００９】図９に、図８とは異なる従来例を示す。この例においては、図８の光学系での問題点を解決すべく、投影光学系１０３とＤＭＤ１０１の間隔を長くとっている。この光学系においては、投影光学系１０３の位置において、位置Ｐ２１からのオフ光１０５と位置Ｐ２４からのオン光１０４は完全に分離され、オフ光が投影光学系１０３に入射することはない。しかしながら、このような構成は、光学系の大型化を招く。
【００１０】本発明は、上記問題点を鑑みて、大型化を招くことなく、高コントラストでゴーストのない投影画像が得られるプロジェクタ用光学系を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、画像の各画素と対応するように、微小なミラー素子が一平面内で規則的に配列され、各々の該ミラー素子が、入力される映像信号に応じて、回転角の異なる二つの状態をとることにより、照明光を第１または第２の方向に択一的に反射するデジタル・マイクロミラー・デバイスと、入射する光を投影する投影光学系と、前記デジタル・マイクロミラー・デバイスと前記投影光学系の間に配置されており、照明光を反射して前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに導くとともに、前記デジタル・マイクロミラー・デバイスで反射された光を透過する第１の面を有するプリズムとを備え、第１の方向が前記プリズムを透過して前記投影光学系に向かう方向であるプロジェクタ用光学系において、前記プリズムは、第１の面を透過された光のうち、前記デジタル・マイクロミラー・デバイスで第１の方向に反射された光を透過し、第２の方向に反射された光を反射する第２の面を有する構成とする。
【００１２】図１は、上記プリズムの構成例を示す断面図である。プリズム５０内において、５１を第１の面、５２を第２の面とする。第１の面、第２の面５２は、薄い空気層と接するため、入射角によって光を反射または透過させる。また、５３をＤＭＤ配置面とする。
【００１３】図１のような光学系において、例えば、ＤＭＤの位置Ｐ１で反射され、位置Ｐ２でプリズム５０に入射し、第２の面５２の位置Ｐ３で反射または透過される光線Ｋが存在するとする。このとき、光線Ｋの位置Ｐ１における出射角をθ1、位置Ｐ２でのプリズム５０への入射角をθ2、位置Ｐ３での第２の面への入射角をθ3とする。また、プリズム５０のｅ線の屈折率をｎeとする。このとき、第２の面の投影光学系の光軸Ａｘに対する角度をαとして第１の方向に反射された光を透過し、第２の方向に反射された光を反射するようなαの条件式を算出する。
【００１４】第２の面５２で、光線Ｋが全反射される場合、次式が成り立つ。
ｎesinθ3≧１ ・・・（１）
三角形の内角の和はπであるという関係より次式が成り立つ。
θ3＝π／２＋θ2−α ・・・（２）
（１）式に（２）式を代入すると、次式が導かれる。
sin（π／２＋θ2−α）≧１／ｎe π／２＋θ2−α≧sin-1（１／ｎe）
α≦π／２−sin-1（１／ｎe）＋θ2 ・・・（３）
（３）式を満たす光線Ｋは第２面５２で全反射される。（３）式は、光線が全反射される条件なので、反対に光線が透過される条件は以下のようになる。
α＞π／２−sin-1（１／ｎe）＋θ2 ・・・（４）
（４）式を満たす光線Ｋは第２面５２で透過される。
【００１５】次に光線Ｋについて考える。図２にＤＭＤからプリズムに入射する入射面における光路を模式的に示す。各ミラー素子からの反射光は中心光を中心として、所定の広がりを有する状態で反射される。この広がりを、±θ1aとする。尚、ここでθ1aは正の値とする。オン状態のミラー素子５３ａからの反射光は中心光Ｋa1が光軸Ａｘに沿うように反射されるので、光軸Ａｘに対して±θ1aの範囲内に広がりを有する状態で反射される。
【００１６】一方、オフ状態のミラー素子５３ｂからの反射光は中心光Ｋb1が光軸に対して所定の角度を有するように反射され、この中心光に対して±θ1aの広がりを有する状態で反射される。反射ミラー素子のオン状態とオフ状態の挟角を２ｘとすると（この場合、反射ミラーがミラー面に対して±ｘの回転角を有する状態がそれぞれオン状態またはオフ状態となる）、オフ光の中心光Ｋb1の光軸Ａｘに対する傾きは４ｘとなる。よって、オフ光は、光軸Ａｘに対して４ｘ±θ1aの範囲内に広がりを有する状態で反射される。
【００１７】第２面においては、その目的から、オン光である光線Ｋは透過され、オフ光である光線Ｋは反射されるように傾きが設定される必要がある。すなわち、オン光の最もオフ光よりの光線は透過され（図２においては光線Ｋa2）、オフ光の最もオン光よりの光線（図２においては光線Ｋb2）は反射されるように傾きを設定すればよい。オン光の最もオフ光よりの光線が透過される場合は、全てのオン光が透過されることになり、オフ光の最もオン光よりの光線が反射される場合は、全てのオフ光が反射されることになるからである。
【００１８】図２において、光線Ｋa2の反射ミラー素子での反射角はθ1aとなる。この光線Ｋa2のプリズム５０への入射角をθ2aとする。また、光線Ｋb2の反射ミラー素子での反射角をθ1b、プリズム５０への入射角をθ2bとする。
【００１９】光線Ｋa2が第２の面５２で透過されるためには、（４）式を満たせばよい。すなわち（４）式のθ2としてθ2aを代入した次式を満たせばよい。
α＞π／２−sin-1（１／ｎe）＋θ2a ・・・（４ａ）
【００２０】光線Ｋb2が第２の面５２で反射されるためには、（３）式を満たせばよい。すなわち（３）式のθ2としてθ2bを代入した次式を満たせばよい。
α≦π／２−sin-1（１／ｎe）＋θ2b ・・・（３ａ）
【００２１】以下、（４ａ）式、（３ａ）式におけるθ2a、θ2bを光学系のパラメータで表す。
【００２２】反射光の広がりを表すθ1aは投影光学系のＦＮｏ．に依存する値であり、投影光学系のＦＮｏ．をＦとすると以下の関係式が成り立つ。
sinθ1a＝１／（２Ｆ） ・・・（５）
また、スネルの式より次式が成り立つ。
sinθ1a＝ｎesinθ2a ・・・（６）
（５）式、（６）式より次式が導かれる。
θ2a＝sin-1（１／２ｎeＦ） ・・・（７）
【００２３】θ1bは先述のように、以下の関係式を満たす。
θ1b＝４ｘ−θ1a ・・・（８）
（８）式に（５）式の関係を代入すると、次式が導かれる。
θ1b＝４ｘ−sin-1（１／２Ｆ） ・・・（９）
また、スネルの式より以下の式が成り立つ。
sinθ1b＝ｎesinθ2b ・・・（１０）
（９）式、（１０）式より次式が導かれる。
θ2b＝sin-1〔（１／ｎe）sin｛４ｘ−sin-1（１／２Ｆ）｝〕・・（１１）
【００２４】請求項２に記載の発明は、第２の面の光軸に対する傾きαが（４ａ）式、（３ａ）式を満たすものなので、上記で説明したように、第２面において、オン光は透過され、オフ光は反射される。尚、（４ａ）式、（３ａ）式におけるα2a、θ2bは、それぞれ（７）式、（１１）式で表されるものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】〈第１の実施形態〉図３は、本発明に係るプロジェクタ用光学系の第１の実施形態を示す水平断面図である。このプロジェクタ用光学系は、照明光学系１と、入出力分離プリズム系２と、ＤＭＤ３と、投影光学系４とを備えてなる。
【００２６】上記照明光学系１は、白色光を発光する光源１１と、回転楕円面鏡であるリフレクター１２と、平行変換レンズ１３と、ミラー１４と、コンデンサーレンズ１５からなる。照明光学系１においては、光源１１からの光をリフレクター１２で反射させて平行変換レンズ１３で平行光に変換させ、さらにミラー１４で反射させた後コンデンサーレンズ１５で集光させて入出力分離プリズム系２に入射させるようになっている。
【００２７】図４に、図３のプロジェクタ用光学系の入出力分離プリズム系２のみを示す。入出力分離プリズム系２は、３つの多面体プリズム２１、２２、２３からなる。四角柱状のプリズム２２は薄い空気層を介して面２２ａが三角柱状のプリズム２１の面２１ｂと対向するように配されている。三角柱状のプリズム２３は、薄い空気層を介して面２３ａがプリズム２１の面２１ｂと対向するように、面２３ｂがプリズム２２の面２２ｂと対向するように配されている。プリズム２２の面２２ｃと、プリズム２３の面２３ｃは同一平面を形成する。面２１ｂは、面２１ａから入射される照明光を全反射させてＤＭＤ３に導き、ＤＭＤ３からの反射光を透過させるような傾きを有する。
【００２８】図３に戻って、ＤＭＤ３は、基板上に極めて多数のミラー素子（矩形状のアルミニウムの鏡）が配列されたミラー面を備えてなり、このミラー面を構成する各ミラー素子の反射方向を各々独立して二方向に切り替え得るように構成されている。この反射方向の切り替えは、上記各ミラー素子を画素としてＤＭＤ３に入力される映像信号のオンオフ制御により行われるようになっている。
【００２９】上記各ＤＭＤ３のミラー面からの反射光のうち、信号光となるオン状態のミラー素子からの反射光であるオン光は、入出力分離プリズム系２を透過された後、投影光学系４により、前方のスクリーン上に投影されるようになっている。この投影光学系４は、複数のレンズ（図３においては、最前部及び最後部のレンズ４１、４２のみを示す）よりなる。
【００３０】上記のように、本プロジェクタ用光学系は、ＤＭＤ３を一つのみ用いた構成となっている。この光学系をカラー画像投影用に用いる場合には、照明光学系１内にカラーホイールを設け、このホイールの駆動により赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の三色の光が時系列で順番にＤＭＤ３に入射するようにすればよい。この場合、ＤＭＤ３では各色の映像信号に対応させて制御がなされるようにする。
【００３１】以下、ＤＭＤ３のミラー面からの反射光について説明する。説明をわかりやすくするため、図３においては、ミラー面を形成するミラー素子のうちＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４にあるミラー素子からの反射光を模式的に図示する。Ｐ１１からの反射光については、オン光とオフ光を示し、その他Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４からの反射光については、オフ光のみを示す。
【００３２】ＤＭＤ３のミラー面への光入射は、上記照明光学系１から光路分離プリズム系２を介して行われるが、その際、投影光学系４の光軸Ａｘと所定角度をなす方向からミラー面へ光が入射するようになっている。
【００３３】上記ミラー面を構成する各ミラー素子は、ＤＭＤ３に入力される映像信号のうち該ミラー素子に対応する画素信号がオンのときには入射光を略投影光学系４の光軸Ａｘ方向に反射させる。一方、オフのときには入射光を光軸Ａｘを挟んで所定方向に反射させる。
【００３４】オフ光が投影光学系４に入射されると、この光により投影画面上にゴーストが形成されたり、コントラストが低下することになる。本実施形態においては、オフ光が投影光学系４に入射されないように、投影光学系４に入射しうるオフ光の光路を偏向する面２２ｂを入出力プリズム系２に設けた構成としている。
【００３５】面２２ｂは、オフ光を全反射させるとともに、オン光を透過させるように形成されている。具体的には、面２２ｂの光軸Ａｘに対する傾きα（図４参照）は、条件式（３ａ）及び条件式（４ａ）を満たすように形成されている。
【００３６】このような構成により、面２２ｂに入射されるオフ光（例えばＰ１１及びＰ１２からのオフ光）は面２２ｂで反射され有効光路外に排出される。面２２ｂに入射されないオフ光（例えばＰ１３、Ｐ１４からのオフ光）はもともと有効光路外にあるので偏向する必要はない。また、面２２ｂに入射されるオン光は透過される。以上説明したように、本実施形態においては、入出力分離プリズム系２に面２２ｂを設けただけの簡素で小型な構成で、オフ光が投影光学系４に入射することを防止できる。よって、ゴーストのない、高いコントラストの投影画像が得られる。
【００３７】〈第２の実施形態〉本実施形態のプロジェクタ用光学系は、第１の実施形態とは入出力分離プリズム系２の構成が異なるだけなのでこの部分のみ説明する。図５に、本実施形態のプロジェクタ用光学系の入出力分離プリズム系２を含む一部分の断面図を示す。
【００３８】入出力分離プリズム２は、３つのプリズム２４、２５、２６からなる。三角柱状のプリズム２５は薄い空気層を介して面２５ａが三角柱状のプリズム２４の面２４ｂと対向するように配されている。三角柱状のプリズム２６は、薄い空気層を介して面２６ａがプリズム２４の面２４ｂと対向するように、面２６ｂがプリズム２５の面２５ｂと対向するように配されている。
【００３９】面２４ｂは、面２４ａから入射される照明光を全反射させてＤＭＤ３に導き、ＤＭＤ３からの反射光を透過させるような傾きを有する。面２５ｂは、オフ光を全反射させるとともに、オン光を透過させるように形成されている。具体的には、面２５ｂの光軸Ａｘに対する傾きαは、条件式（３ａ）及び条件式（４ａ）を満たすように形成されている。
【００４０】全てのオフ光は、一旦プリズム２５の面２５ｂに入射されるが、上記のような構成によりオフ光は面２５ｂで反射される。また、面２５ｂに入射されるオン光は、面２５ｂを透過され、全てのオン光はプリズム２６の面２６ｃから入出力分離プリズム系２の外部に放出される。そして、投影光学系４に入射される。
【００４１】本実施形態においては、面２５ｂにおいて全てのオフ光が有効光路からかけ離れた方向へ反射される。よって、投影光学系４を透過するオフ光を排除するだけでなく、投影光学系４の脇からスクリーン方向に向かうオフ光をも排除するので、ゴーストののらない非常に高いコントラストの投影画像が得られる。
【００４２】〈第３の実施形態〉本実施形態のプロジェクタ用光学系は、第１の実施形態とは入出力分離プリズム系２の構成が異なるだけなのでこの部分のみ説明する。図６（ａ）に、本実施形態のプロジェクタ用光学系の入出力分離プリズム系２を含む一部分の断面図を示す。
【００４３】入出力分離プリズム２は、３つのプリズム２７、２８、２９からなる。四角柱状のプリズム２８は薄い空気層を介して面２８ａが三角柱状のプリズム２７の面２７ｂと対向するように配されている。四角柱状のプリズム２９は、薄い空気層を介して面２９ａがプリズム２７の面２７ｂと対向するように、面２９ｂがプリズム２８の面２８ｂと対向するように配されている。
【００４４】面２７ｂは、面２７ａから入射される照明光を全反射させてＤＭＤ３に導き、ＤＭＤ３からの反射光を透過させるような傾きを有する。面２８ｂは、オフ光を全反射させるとともに、オン光を透過させるように形成されている。具体的には、面２８ｂの光軸Ａｘに対する傾きαは、条件式（３ａ）及び条件式（４ａ）を満たすように形成されている。さらに、条件式（４ａ）で規定される下限値に程近い傾きαを有するように構成されている。
【００４５】上記のような構成とすることにより、面２８ｂでは、オフ光が反射されるだけでなく、オン光の散乱光が反射され完全に有効光路外に排出される。オン光の散乱光とは、図２においてオン状態のミラー素子からの反射光でθ1aより大きい反射角で出射される光である。散乱光は、ＤＭＤ３の構造の問題により生じてしまう光である。例えばＤＭＤ３のミラー素子間の数ミクロンの隙間に入り込み、そこから出射されるような光であったり、各ミラー素子のくぼみで反射されるような光であったりする。各ミラー素子の反射面を完全な平面に構成することは不可能であり、中央部にくぼみが生じてしまう場合がある。
【００４６】図６（ｂ）にオン光の散乱光の光路を様子を示す。図６（ｂ）においては、Ｐ１３で反射されるオン光のみを示す。オフ光よりの散乱光６２は、面２８ｂで全反射されることにより有効光路外に排出される。一方、光軸Ａｘを挟んで散乱光６２とは逆側に発生する散乱光６１は、面２７ｂで反射される。
【００４７】本実施形態においては、オフ光が完全に有効光路外へ排除され、かつオン光の散乱光も有効光路外へ排除される。よって、エッジのはっきりした投影画像が得られる。ゴーストのない、高いコントラストの投影画像が得られることは勿論である。
【００４８】
【発明の効果】本発明によると、投影光学系にオフ光が入射されることを防止することができる。よって、ゴーストのない高いコントラストの投影画像が得られる。その上、プリズムに第２の面を設けるだけの簡素な構成で、上記効果が得られるので、光学系の大型化、または高コスト化を招くことはない。
【００４９】さらに、第２の面の角度を工夫することにより、散乱光が投影光学系に入射されることを防止することができる。このように構成することにより、よりコントラストの高い投影画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプリズムの構成例を示す断面図。
【図２】ＤＭＤからの反射光のプリズムへの入射面付近の光路の様子を示す図。
【図３】第１の実施形態のプロジェクタ用光学系の水平断面図。
【図４】第１の実施形態のプロジェクタ用光学系のプリズム系の詳細図。
【図５】第２の実施形態のプロジェクタ用光学系の一部分の断面図。
【図６】第３の実施形態のプロジェクタ用光学系の一部分の断面図であり、（ａ）ではオフ光の光路を示し、（ｂ）では散乱光の光路を示す。
【図７】ＤＭＤの原理を説明するための図であり、（ａ）ではオン状態を示し、（ｂ）ではオフ状態を示す。
【図８】従来のプロジェクタ用光学系の一例を示す図。
【図９】従来のプロジェクタ用光学系の他の例を示す図。
【符号の説明】
１ 照明光学系
２ 入出力分離プリズム系
３ ＤＭＤ
４ 投影光学系
１１ 光源
１２ リフレクター
１５ コンデンサーレンズ
２１、２２、２３ 多面体プリズム
２１ｂ 第１の面
２２ｂ 第２の面
２４、２５、２６ 多面体プリズム
２４ｂ 第１の面
２５ｂ 第２の面
２７、２８、２９ 多面体プリズム
２７ｂ 第１の面
２８ｂ 第２の面
５０ プリズム
５１ 第１の面
５２ 第２の面
５３ ＤＭＤ配置面
Ａｘ 投影光学系の光軸
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プロジェクタ用光学系に関し、特に映像信号に応じて照射光の反射角度を変化させ、信号光のみを投影光学系方向に反射させ得る多数の光反射角可変ミラー素子を備えたデジタル・マイクロミラー・デバイス（以下、ＤＭＤと称する）を搭載してなるプロジェクタ用光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、高精細画像の要求の高まりに伴い、プロジェクタの分野においても、光学系のサイズを大型化することなく画素数を飛躍的に増大させる技術の開発が要望されている。このような要望に鑑み、ＤＭＤを用いたプロジェクタが開発されている。
【０００３】このＤＭＤは、映像信号により回転角を変えることができる高反射率の矩形状の微小なミラー素子を、半導体技術を用いてシリコンメモリーチップ上に形成してなるものである。ＤＭＤを用いたプロジェクタは、上記ミラー素子の回転角を変えることで照明光の反射方向を制御し、所望の反射光のみをスクリーン上に集束させて所望の映像の投影を可能としている。
【０００４】図７にプロジェクタ用光学系におけるＤＭＤの原理を示す。ＤＭＤ１０１の各素子がオン状態である場合の光の進行の様子を（ａ）に、同じくオフ状態である場合の光の進行の様子を（ｂ）に示す。（ａ）に示すように、入出力分離プリズム系１０２を介してＤＭＤ１０１のオン状態の各素子１０１ａに入射された照明光は、略投影光学系１０３の光軸Ａｘ方向へ反射される（以下、この反射光をオン光ということにする）。このオン光は、投影光学系１０３によりスクリーン上に投影される。投影光学系１０３によりスクリーン上に投影される光の光路を以下有効光路ということにする。
【０００５】尚、入出力分離プリズム系１０２は、面１０２ａで入射角度の違いを利用して照明光を反射してＤＭＤ１０１に導くとともに、ＤＭＤ１０１からの反射光を透過することにより入出力光を分離する。
【０００６】一方、オン状態とは回転角の異なるオフ状態の各素子１０１ｂに入射された照明光は、（ｂ）に示すようにオン光とは異なる方向へ反射される（以下、この反射光をオフ光ということにする）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来のプロジェクタ用光学系においては、図７（ｂ）に示すようなオフ光が投影光学系に入射してしまう場合がある。このような光は、有効光路を辿り、スクリーン上に本来の像とは別の像（ゴースト）を形成したり、投影画面のコントラストを低下させたりする。
【０００８】図８に、オフ光が投影光学系に入射してしまう例を示す。図８には、ＤＭＤ１０１の位置Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３、Ｐ２４からのオフ光の進行の様子を示す。投影光学系１０３は各ミラー素子からのオン光が入射されるように配置されている。しかし、投影光学系１０３の位置においては、左側の位置Ｐ２１からのオフ光１０５と、右側の位置Ｐ２４からオン光１０４とが完全には分離されておらず、オン光１０４を取り込む投影光学系１０３は同時にオフ光１０５を取り込むことになる。
【０００９】図９に、図８とは異なる従来例を示す。この例においては、図８の光学系での問題点を解決すべく、投影光学系１０３とＤＭＤ１０１の間隔を長くとっている。この光学系においては、投影光学系１０３の位置において、位置Ｐ２１からのオフ光１０５と位置Ｐ２４からのオン光１０４は完全に分離され、オフ光が投影光学系１０３に入射することはない。しかしながら、このような構成は、光学系の大型化を招く。
【００１０】本発明は、上記問題点を鑑みて、大型化を招くことなく、高コントラストでゴーストのない投影画像が得られるプロジェクタ用光学系を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、画像の各画素と対応するように、微小なミラー素子が一平面内で規則的に配列され、各々の該ミラー素子が、入力される映像信号に応じて、回転角の異なる二つの状態をとることにより、照明光を第１または第２の方向に択一的に反射するデジタル・マイクロミラー・デバイスと、入射する光を投影する投影光学系と、前記デジタル・マイクロミラー・デバイスと前記投影光学系の間に配置されており、照明光を反射して前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに導くとともに、前記デジタル・マイクロミラー・デバイスで反射された光を透過する第１の面を有するプリズムとを備え、第１の方向が前記プリズムを透過して前記投影光学系に向かう方向であるプロジェクタ用光学系において、前記プリズムは、第１の面を透過された光のうち、前記デジタル・マイクロミラー・デバイスで第１の方向に反射された光を透過し、第２の方向に反射された光を反射する第２の面を有する構成とする。
【００１２】図１は、上記プリズムの構成例を示す断面図である。プリズム５０内において、５１を第１の面、５２を第２の面とする。第１の面、第２の面５２は、薄い空気層と接するため、入射角によって光を反射または透過させる。また、５３をＤＭＤ配置面とする。
【００１３】図１のような光学系において、例えば、ＤＭＤの位置Ｐ１で反射され、位置Ｐ２でプリズム５０に入射し、第２の面５２の位置Ｐ３で反射または透過される光線Ｋが存在するとする。このとき、光線Ｋの位置Ｐ１における出射角をθ1、位置Ｐ２でのプリズム５０への入射角をθ2、位置Ｐ３での第２の面への入射角をθ3とする。また、プリズム５０のｅ線の屈折率をｎeとする。このとき、第２の面の投影光学系の光軸Ａｘに対する角度をαとして第１の方向に反射された光を透過し、第２の方向に反射された光を反射するようなαの条件式を算出する。
【００１４】第２の面５２で、光線Ｋが全反射される場合、次式が成り立つ。
ｎesinθ3≧１ ・・・（１）
三角形の内角の和はπであるという関係より次式が成り立つ。
θ3＝π／２＋θ2−α ・・・（２）
（１）式に（２）式を代入すると、次式が導かれる。
sin（π／２＋θ2−α）≧１／ｎe π／２＋θ2−α≧sin-1（１／ｎe）
α≦π／２−sin-1（１／ｎe）＋θ2 ・・・（３）
（３）式を満たす光線Ｋは第２面５２で全反射される。（３）式は、光線が全反射される条件なので、反対に光線が透過される条件は以下のようになる。
α＞π／２−sin-1（１／ｎe）＋θ2 ・・・（４）
（４）式を満たす光線Ｋは第２面５２で透過される。
【００１５】次に光線Ｋについて考える。図２にＤＭＤからプリズムに入射する入射面における光路を模式的に示す。各ミラー素子からの反射光は中心光を中心として、所定の広がりを有する状態で反射される。この広がりを、±θ1aとする。尚、ここでθ1aは正の値とする。オン状態のミラー素子５３ａからの反射光は中心光Ｋa1が光軸Ａｘに沿うように反射されるので、光軸Ａｘに対して±θ1aの範囲内に広がりを有する状態で反射される。
【００１６】一方、オフ状態のミラー素子５３ｂからの反射光は中心光Ｋb1が光軸に対して所定の角度を有するように反射され、この中心光に対して±θ1aの広がりを有する状態で反射される。反射ミラー素子のオン状態とオフ状態の挟角を２ｘとすると（この場合、反射ミラーがミラー面に対して±ｘの回転角を有する状態がそれぞれオン状態またはオフ状態となる）、オフ光の中心光Ｋb1の光軸Ａｘに対する傾きは４ｘとなる。よって、オフ光は、光軸Ａｘに対して４ｘ±θ1aの範囲内に広がりを有する状態で反射される。
【００１７】第２面においては、その目的から、オン光である光線Ｋは透過され、オフ光である光線Ｋは反射されるように傾きが設定される必要がある。すなわち、オン光の最もオフ光よりの光線は透過され（図２においては光線Ｋa2）、オフ光の最もオン光よりの光線（図２においては光線Ｋb2）は反射されるように傾きを設定すればよい。オン光の最もオフ光よりの光線が透過される場合は、全てのオン光が透過されることになり、オフ光の最もオン光よりの光線が反射される場合は、全てのオフ光が反射されることになるからである。
【００１８】図２において、光線Ｋa2の反射ミラー素子での反射角はθ1aとなる。この光線Ｋa2のプリズム５０への入射角をθ2aとする。また、光線Ｋb2の反射ミラー素子での反射角をθ1b、プリズム５０への入射角をθ2bとする。
【００１９】光線Ｋa2が第２の面５２で透過されるためには、（４）式を満たせばよい。すなわち（４）式のθ2としてθ2aを代入した次式を満たせばよい。
α＞π／２−sin-1（１／ｎe）＋θ2a ・・・（４ａ）
【００２０】光線Ｋb2が第２の面５２で反射されるためには、（３）式を満たせばよい。すなわち（３）式のθ2としてθ2bを代入した次式を満たせばよい。
α≦π／２−sin-1（１／ｎe）＋θ2b ・・・（３ａ）
【００２１】以下、（４ａ）式、（３ａ）式におけるθ2a、θ2bを光学系のパラメータで表す。
【００２２】反射光の広がりを表すθ1aは投影光学系のＦＮｏ．に依存する値であり、投影光学系のＦＮｏ．をＦとすると以下の関係式が成り立つ。
sinθ1a＝１／（２Ｆ） ・・・（５）
また、スネルの式より次式が成り立つ。
sinθ1a＝ｎesinθ2a ・・・（６）
（５）式、（６）式より次式が導かれる。
θ2a＝sin-1（１／２ｎeＦ） ・・・（７）
【００２３】θ1bは先述のように、以下の関係式を満たす。
θ1b＝４ｘ−θ1a ・・・（８）
（８）式に（５）式の関係を代入すると、次式が導かれる。
θ1b＝４ｘ−sin-1（１／２Ｆ） ・・・（９）
また、スネルの式より以下の式が成り立つ。
sinθ1b＝ｎesinθ2b ・・・（１０）
（９）式、（１０）式より次式が導かれる。
θ2b＝sin-1〔（１／ｎe）sin｛４ｘ−sin-1（１／２Ｆ）｝〕・・（１１）
【００２４】請求項２に記載の発明は、第２の面の光軸に対する傾きαが（４ａ）式、（３ａ）式を満たすものなので、上記で説明したように、第２面において、オン光は透過され、オフ光は反射される。尚、（４ａ）式、（３ａ）式におけるα2a、θ2bは、それぞれ（７）式、（１１）式で表されるものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】〈第１の実施形態〉図３は、本発明に係るプロジェクタ用光学系の第１の実施形態を示す水平断面図である。このプロジェクタ用光学系は、照明光学系１と、入出力分離プリズム系２と、ＤＭＤ３と、投影光学系４とを備えてなる。
【００２６】上記照明光学系１は、白色光を発光する光源１１と、回転楕円面鏡であるリフレクター１２と、平行変換レンズ１３と、ミラー１４と、コンデンサーレンズ１５からなる。照明光学系１においては、光源１１からの光をリフレクター１２で反射させて平行変換レンズ１３で平行光に変換させ、さらにミラー１４で反射させた後コンデンサーレンズ１５で集光させて入出力分離プリズム系２に入射させるようになっている。
【００２７】図４に、図３のプロジェクタ用光学系の入出力分離プリズム系２のみを示す。入出力分離プリズム系２は、３つの多面体プリズム２１、２２、２３からなる。四角柱状のプリズム２２は薄い空気層を介して面２２ａが三角柱状のプリズム２１の面２１ｂと対向するように配されている。三角柱状のプリズム２３は、薄い空気層を介して面２３ａがプリズム２１の面２１ｂと対向するように、面２３ｂがプリズム２２の面２２ｂと対向するように配されている。プリズム２２の面２２ｃと、プリズム２３の面２３ｃは同一平面を形成する。面２１ｂは、面２１ａから入射される照明光を全反射させてＤＭＤ３に導き、ＤＭＤ３からの反射光を透過させるような傾きを有する。
【００２８】図３に戻って、ＤＭＤ３は、基板上に極めて多数のミラー素子（矩形状のアルミニウムの鏡）が配列されたミラー面を備えてなり、このミラー面を構成する各ミラー素子の反射方向を各々独立して二方向に切り替え得るように構成されている。この反射方向の切り替えは、上記各ミラー素子を画素としてＤＭＤ３に入力される映像信号のオンオフ制御により行われるようになっている。
【００２９】上記各ＤＭＤ３のミラー面からの反射光のうち、信号光となるオン状態のミラー素子からの反射光であるオン光は、入出力分離プリズム系２を透過された後、投影光学系４により、前方のスクリーン上に投影されるようになっている。この投影光学系４は、複数のレンズ（図３においては、最前部及び最後部のレンズ４１、４２のみを示す）よりなる。
【００３０】上記のように、本プロジェクタ用光学系は、ＤＭＤ３を一つのみ用いた構成となっている。この光学系をカラー画像投影用に用いる場合には、照明光学系１内にカラーホイールを設け、このホイールの駆動により赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の三色の光が時系列で順番にＤＭＤ３に入射するようにすればよい。この場合、ＤＭＤ３では各色の映像信号に対応させて制御がなされるようにする。
【００３１】以下、ＤＭＤ３のミラー面からの反射光について説明する。説明をわかりやすくするため、図３においては、ミラー面を形成するミラー素子のうちＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４にあるミラー素子からの反射光を模式的に図示する。Ｐ１１からの反射光については、オン光とオフ光を示し、その他Ｐ１２、Ｐ１３、Ｐ１４からの反射光については、オフ光のみを示す。
【００３２】ＤＭＤ３のミラー面への光入射は、上記照明光学系１から光路分離プリズム系２を介して行われるが、その際、投影光学系４の光軸Ａｘと所定角度をなす方向からミラー面へ光が入射するようになっている。
【００３３】上記ミラー面を構成する各ミラー素子は、ＤＭＤ３に入力される映像信号のうち該ミラー素子に対応する画素信号がオンのときには入射光を略投影光学系４の光軸Ａｘ方向に反射させる。一方、オフのときには入射光を光軸Ａｘを挟んで所定方向に反射させる。
【００３４】オフ光が投影光学系４に入射されると、この光により投影画面上にゴーストが形成されたり、コントラストが低下することになる。本実施形態においては、オフ光が投影光学系４に入射されないように、投影光学系４に入射しうるオフ光の光路を偏向する面２２ｂを入出力プリズム系２に設けた構成としている。
【００３５】面２２ｂは、オフ光を全反射させるとともに、オン光を透過させるように形成されている。具体的には、面２２ｂの光軸Ａｘに対する傾きα（図４参照）は、条件式（３ａ）及び条件式（４ａ）を満たすように形成されている。
【００３６】このような構成により、面２２ｂに入射されるオフ光（例えばＰ１１及びＰ１２からのオフ光）は面２２ｂで反射され有効光路外に排出される。面２２ｂに入射されないオフ光（例えばＰ１３、Ｐ１４からのオフ光）はもともと有効光路外にあるので偏向する必要はない。また、面２２ｂに入射されるオン光は透過される。以上説明したように、本実施形態においては、入出力分離プリズム系２に面２２ｂを設けただけの簡素で小型な構成で、オフ光が投影光学系４に入射することを防止できる。よって、ゴーストのない、高いコントラストの投影画像が得られる。
【００３７】〈第２の実施形態〉本実施形態のプロジェクタ用光学系は、第１の実施形態とは入出力分離プリズム系２の構成が異なるだけなのでこの部分のみ説明する。図５に、本実施形態のプロジェクタ用光学系の入出力分離プリズム系２を含む一部分の断面図を示す。
【００３８】入出力分離プリズム２は、３つのプリズム２４、２５、２６からなる。三角柱状のプリズム２５は薄い空気層を介して面２５ａが三角柱状のプリズム２４の面２４ｂと対向するように配されている。三角柱状のプリズム２６は、薄い空気層を介して面２６ａがプリズム２４の面２４ｂと対向するように、面２６ｂがプリズム２５の面２５ｂと対向するように配されている。
【００３９】面２４ｂは、面２４ａから入射される照明光を全反射させてＤＭＤ３に導き、ＤＭＤ３からの反射光を透過させるような傾きを有する。面２５ｂは、オフ光を全反射させるとともに、オン光を透過させるように形成されている。具体的には、面２５ｂの光軸Ａｘに対する傾きαは、条件式（３ａ）及び条件式（４ａ）を満たすように形成されている。
【００４０】全てのオフ光は、一旦プリズム２５の面２５ｂに入射されるが、上記のような構成によりオフ光は面２５ｂで反射される。また、面２５ｂに入射されるオン光は、面２５ｂを透過され、全てのオン光はプリズム２６の面２６ｃから入出力分離プリズム系２の外部に放出される。そして、投影光学系４に入射される。
【００４１】本実施形態においては、面２５ｂにおいて全てのオフ光が有効光路からかけ離れた方向へ反射される。よって、投影光学系４を透過するオフ光を排除するだけでなく、投影光学系４の脇からスクリーン方向に向かうオフ光をも排除するので、ゴーストののらない非常に高いコントラストの投影画像が得られる。
【００４２】〈第３の実施形態〉本実施形態のプロジェクタ用光学系は、第１の実施形態とは入出力分離プリズム系２の構成が異なるだけなのでこの部分のみ説明する。図６（ａ）に、本実施形態のプロジェクタ用光学系の入出力分離プリズム系２を含む一部分の断面図を示す。
【００４３】入出力分離プリズム２は、３つのプリズム２７、２８、２９からなる。四角柱状のプリズム２８は薄い空気層を介して面２８ａが三角柱状のプリズム２７の面２７ｂと対向するように配されている。四角柱状のプリズム２９は、薄い空気層を介して面２９ａがプリズム２７の面２７ｂと対向するように、面２９ｂがプリズム２８の面２８ｂと対向するように配されている。
【００４４】面２７ｂは、面２７ａから入射される照明光を全反射させてＤＭＤ３に導き、ＤＭＤ３からの反射光を透過させるような傾きを有する。面２８ｂは、オフ光を全反射させるとともに、オン光を透過させるように形成されている。具体的には、面２８ｂの光軸Ａｘに対する傾きαは、条件式（３ａ）及び条件式（４ａ）を満たすように形成されている。さらに、条件式（４ａ）で規定される下限値に程近い傾きαを有するように構成されている。
【００４５】上記のような構成とすることにより、面２８ｂでは、オフ光が反射されるだけでなく、オン光の散乱光が反射され完全に有効光路外に排出される。オン光の散乱光とは、図２においてオン状態のミラー素子からの反射光でθ1aより大きい反射角で出射される光である。散乱光は、ＤＭＤ３の構造の問題により生じてしまう光である。例えばＤＭＤ３のミラー素子間の数ミクロンの隙間に入り込み、そこから出射されるような光であったり、各ミラー素子のくぼみで反射されるような光であったりする。各ミラー素子の反射面を完全な平面に構成することは不可能であり、中央部にくぼみが生じてしまう場合がある。
【００４６】図６（ｂ）にオン光の散乱光の光路を様子を示す。図６（ｂ）においては、Ｐ１３で反射されるオン光のみを示す。オフ光よりの散乱光６２は、面２８ｂで全反射されることにより有効光路外に排出される。一方、光軸Ａｘを挟んで散乱光６２とは逆側に発生する散乱光６１は、面２７ｂで反射される。
【００４７】本実施形態においては、オフ光が完全に有効光路外へ排除され、かつオン光の散乱光も有効光路外へ排除される。よって、エッジのはっきりした投影画像が得られる。ゴーストのない、高いコントラストの投影画像が得られることは勿論である。
【００４８】
【発明の効果】本発明によると、投影光学系にオフ光が入射されることを防止することができる。よって、ゴーストのない高いコントラストの投影画像が得られる。その上、プリズムに第２の面を設けるだけの簡素な構成で、上記効果が得られるので、光学系の大型化、または高コスト化を招くことはない。
【００４９】さらに、第２の面の角度を工夫することにより、散乱光が投影光学系に入射されることを防止することができる。このように構成することにより、よりコントラストの高い投影画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプリズムの構成例を示す断面図。
【図２】ＤＭＤからの反射光のプリズムへの入射面付近の光路の様子を示す図。
【図３】第１の実施形態のプロジェクタ用光学系の水平断面図。
【図４】第１の実施形態のプロジェクタ用光学系のプリズム系の詳細図。
【図５】第２の実施形態のプロジェクタ用光学系の一部分の断面図。
【図６】第３の実施形態のプロジェクタ用光学系の一部分の断面図であり、（ａ）ではオフ光の光路を示し、（ｂ）では散乱光の光路を示す。
【図７】ＤＭＤの原理を説明するための図であり、（ａ）ではオン状態を示し、（ｂ）ではオフ状態を示す。
【図８】従来のプロジェクタ用光学系の一例を示す図。
【図９】従来のプロジェクタ用光学系の他の例を示す図。
【符号の説明】
１ 照明光学系
２ 入出力分離プリズム系
３ ＤＭＤ
４ 投影光学系
１１ 光源
１２ リフレクター
１５ コンデンサーレンズ
２１、２２、２３ 多面体プリズム
２１ｂ 第１の面
２２ｂ 第２の面
２４、２５、２６ 多面体プリズム
２４ｂ 第１の面
２５ｂ 第２の面
２７、２８、２９ 多面体プリズム
２７ｂ 第１の面
２８ｂ 第２の面
５０ プリズム
５１ 第１の面
５２ 第２の面
５３ ＤＭＤ配置面
Ａｘ 投影光学系の光軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】 画像の各画素と対応するように、微小なミラー素子が一平面内で規則的に配列され、各々の該ミラー素子が、入力される映像信号に応じて、回転角の異なる二つの状態をとることにより、照明光を第１または第２の方向に択一的に反射するデジタル・マイクロミラー・デバイスと、入射する光を投影する投影光学系と、前記デジタル・マイクロミラー・デバイスと前記投影光学系の間に配置されており、照明光を反射して前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに導くとともに、前記デジタル・マイクロミラー・デバイスで反射された光を透過する第１の面を有するプリズムとを備え、第１の方向が前記プリズムを透過して前記投影光学系に向かう方向であるプロジェクタ用光学系において、前記プリズムは、第１の面を透過された光のうち、前記デジタル・マイクロミラー・デバイスで第１の方向に反射された光を透過し、第２の方向に反射された光を反射する第２の面を有することを特徴とするプロジェクタ用光学系。
【請求項２】 前記プリズムは複数の多面体のプリズム部材からなり、第２の面は空気層と接する前記プリズム部材の一つの面であり、投影光学系のＦＮｏ．をＦ、前記プリズム部材のｅ線の屈折率をｎe、デジタル・マイクロミラー・デバイスの異なる二つの状態のミラー素子の挟角を２ｘとすると、第２の面の前記投影光学系の光軸に対する角度αは、π／２−sin-1（１／ｎe）＋sin-1（１／２ｎeＦ）＜αα≦π／２−sin-1（１／ｎe）＋sin-1〔（１／ｎe）sin｛４ｘ−sin-1（１／２Ｆ）｝〕
を満たすことを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ用光学系。
【請求項１】 画像の各画素と対応するように、微小なミラー素子が一平面内で規則的に配列され、各々の該ミラー素子が、入力される映像信号に応じて、回転角の異なる二つの状態をとることにより、照明光を第１または第２の方向に択一的に反射するデジタル・マイクロミラー・デバイスと、入射する光を投影する投影光学系と、前記デジタル・マイクロミラー・デバイスと前記投影光学系の間に配置されており、照明光を反射して前記デジタル・マイクロミラー・デバイスに導くとともに、前記デジタル・マイクロミラー・デバイスで反射された光を透過する第１の面を有するプリズムとを備え、第１の方向が前記プリズムを透過して前記投影光学系に向かう方向であるプロジェクタ用光学系において、前記プリズムは、第１の面を透過された光のうち、前記デジタル・マイクロミラー・デバイスで第１の方向に反射された光を透過し、第２の方向に反射された光を反射する第２の面を有することを特徴とするプロジェクタ用光学系。
【請求項２】 前記プリズムは複数の多面体のプリズム部材からなり、第２の面は空気層と接する前記プリズム部材の一つの面であり、投影光学系のＦＮｏ．をＦ、前記プリズム部材のｅ線の屈折率をｎe、デジタル・マイクロミラー・デバイスの異なる二つの状態のミラー素子の挟角を２ｘとすると、第２の面の前記投影光学系の光軸に対する角度αは、π／２−sin-1（１／ｎe）＋sin-1（１／２ｎeＦ）＜αα≦π／２−sin-1（１／ｎe）＋sin-1〔（１／ｎe）sin｛４ｘ−sin-1（１／２Ｆ）｝〕
を満たすことを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ用光学系。
【図１】
【図２】
【図４】
【図８】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図２】
【図４】
【図８】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【公開番号】特開２０００−２５８７０３（Ｐ２０００−２５８７０３Ａ）
【公開日】平成１２年９月２２日（２０００．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１１−５７９８２
【出願日】平成１１年３月５日（１９９９．３．５）
【出願人】（０００００６０７９）ミノルタ株式会社 (155)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１２年９月２２日（２０００．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１１年３月５日（１９９９．３．５）
【出願人】（０００００６０７９）ミノルタ株式会社 (155)
【Ｆターム（参考）】
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