投影装置
【課題】投影像の明るさ及びコントラストを調整するため投影光学系に可変絞りを設けた投影装置において、可変絞りの開口径を小さくした場合の明るさの低下を抑制し、良好な投影像を得ることができる投影装置を提供する。
【解決手段】照明光を変調する画像表示素子と、該画像表示素子に照明光を照射するための照明光学系と、該画像表示素子による変調光を被投影面に投影するための投影光学系と、を備えている。照明光学系は、光源と、集光光学系と、ロッドインテグレータと、照明リレー光学系とを有し、投影光学系は、開口径を調整できる投影可変絞りを有している。更に、投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、開口径が小さい状態での該投影可変絞りの開口を通過する光量が増加するように照明光学系を変化させる光学系変化手段を有している。
【解決手段】照明光を変調する画像表示素子と、該画像表示素子に照明光を照射するための照明光学系と、該画像表示素子による変調光を被投影面に投影するための投影光学系と、を備えている。照明光学系は、光源と、集光光学系と、ロッドインテグレータと、照明リレー光学系とを有し、投影光学系は、開口径を調整できる投影可変絞りを有している。更に、投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、開口径が小さい状態での該投影可変絞りの開口を通過する光量が増加するように照明光学系を変化させる光学系変化手段を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホームシアター用プロジェクターなどに用いることのできる投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶やデジタル・マイクロミラー・デバイス（以下、「ＤＭＤ」ともいう）などの画像表示素子によって変調された照明光を、スクリーンなどの被投影面に投影する投影装置が、ホームシアター用プロジェクターなどとして広く用いられるようになってきた。
【０００３】
このような投影装置は、通常、照明光を変調する画像表示素子と、該画像表示素子に照明光を照射するための照明光学系と、該画像表示素子による変調光を被投影面に投影するための投影光学系とを有している。
【０００４】
かかる投影装置において、スクリーンに投影される投影像の明るさ及びコントラストは、上記投影光学系の絞り状態に影響される。即ち、投影光学系に設けられた絞りの開口径が大きい場合、投影像は明るくなるがコントラストが低下する。逆に絞りの開口径が小さい場合には、投影像は暗くなるがコントラストが向上する。
【０００５】
そのため、表示画像に応じて、投影像の明るさ及びコントラストを調整できるように、投影光学系に開口径を調整できる可変絞りを設けた投影装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
一方、上記照明光学系に用いる光源としては、単位面積当たりの光量が大きい放電ランプが好んで用いられる。しかし、放電ランプからの光をコリメートした平行光は、面内光量分布が均一ではなく、光軸に近い領域の光量が周辺よりも小さくなる。
【０００７】
そのため、照明光の面内光量分布を均一化させるためのロッドインテグレータを用いた照明光学系が提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。
【特許文献１】特開平５−１８８３４５号公報
【特許文献２】特開２００３−１００６２２号公報
【特許文献３】米国特許第６７８９９３１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、スクリーンに投影される投影像の明るさ及びコントラストは、いわゆるトレードオフの関係にある。そのため、特許文献１に記載された投影装置を用いて投影を行う場合、高いコントラストを得るために投影光学系の可変絞りの開口径を小さくすると、明るさが低下するという問題があった。
【０００９】
また、投影装置の照明光学系として、光量分布を均一化するために、特許文献２、３に記載されているロッドインテグレータを用いた照明光学系を用いた場合であっても、投影光学系の可変絞りの開口径を小さくすることによる明るさの低下を抑制することはできないという問題があった。
【００１０】
特に、光源として放電ランプを用いた投影装置の場合には、光軸に近い領域における光量が特に小さいため、上記の問題が特に顕著であった。
【００１１】
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、投影像の明るさ及びコントラストを調整するため投影光学系に可変絞りを設けた投影装置において、可変絞りの開口径を小さくした場合の明るさの低下を抑制し、コントラストの高い良好な投影像を得ることができる投影装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有するものである。
【００１３】
１． 照明光を変調する画像表示素子と、該画像表示素子に照明光を照射するための照明光学系と、該画像表示素子による変調光を被投影面に投影するための投影光学系と、を備えた投影装置において、
前記照明光学系は、光源と、光源から出射した光を集光する集光光学系と、該集光光学系によって集光されて入射面から入射した光を面内光量分布の均一性を高めて出射面から出射するロッドインテグレータと、該ロッドインテグレータの出射面から出射した光を画像表示素子に導くための照明リレー光学系と、を有し、
前記投影光学系は、開口径を調整できる投影可変絞りを有し、
前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、開口径が小さい状態での該投影可変絞りの開口を通過する光量が増加するように該照明光学系を変化させる光学系変化手段を有することを特徴とする投影装置。
【００１４】
２． 前記光学系変化手段は、前記投影可変絞りの位置における光軸に垂直な面内において、光軸に近い領域の光量が大きくなるように光量分布を変化させる手段であることを特徴とする前記１に記載の投影装置。
【００１５】
３． 前記光学系変化手段は、光束を発散させる光学素子と、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、該光学素子を前記集光光学系に挿入する機構と、で構成されることを特徴とする前記１又は２に記載の投影装置。
【００１６】
４． 前記光束を発散させる光学素子は、発散レンズであることを特徴とする前記３に記載の投影装置。
【００１７】
５． 前記集光光学系は光束を集束させる光学素子を有し、
前記光学系変化手段は、前記光束を集束させる光学素子と、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、該光学素子を前記集光光学系から退避させる機構と、で構成されることを特徴とする前記１又は２に記載の投影装置。
【００１８】
６． 前記光束を集束させる光学素子は、集光レンズであることを特徴とする前記５に記載の投影装置。
【００１９】
７． 前記光学系変化手段は、前記照明光学系を構成する光学素子の一部からなる移動素子と、該移動素子を移動させる光学素子移動機構と、で構成されることを特徴とする前記１又は２に記載の投影装置。
【００２０】
８． 前記集光光学系は発散レンズを有し、
前記移動素子は前記発散レンズであり、
前記光学素子移動機構は、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、前記発散レンズを光軸に沿って前記光源の方向に移動させる機構であることを特徴とする前記７に記載の投影装置。
【００２１】
９． 前記集光光学系は集光レンズを有し、
前記移動素子は前記集光レンズであり、
前記光学素子移動機構は、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、前記集光レンズを光軸に沿って前記ロッドインテグレータの方向に移動させる機構であることを特徴とする前記７に記載の投影装置。
【００２２】
１０． 前記移動素子は、前記照明リレー光学系を構成する光学素子の一部であり、
前記光学素子移動機構は、前記照明リレー光学系を構成する光学素子の一部を光軸方向に移動する機構であることを特徴とする前記７に記載の投影装置。
【００２３】
１１． 前記光学系変化手段は、前記ロッドインテグレータと、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、前記ロッドインテグレータの出射面の面積に対する入射面の面積の比を小さくする機構と、で構成されることを特徴とする前記１又は２に記載の投影装置。
【００２４】
１２． 前記照明光学系は、前記投影可変絞りの絞り状態に応じて、該照明光学系の絞り値を変化させるための照明可変絞りを有することを特徴とする前記１〜１１のいずれか１項に記載の投影装置。
【００２５】
１３． 前記画像表示素子は、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前記１〜１２のいずれか１項に記載の投影装置。
【００２６】
１４． 前記光源は、放電ランプであることを特徴とする前記１〜１３のいずれか１項に記載の投影装置。
【発明の効果】
【００２７】
請求項１に記載の発明によれば、投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、開口径が小さい状態での投影可変絞りの開口を通過する光量が増加するように照明光学系を変化させる光学系変化手段を有するため、高いコントラストを得るために投影可変絞りの開口径を小さくした場合の明るさの低下を抑制することができる。
【００２８】
請求項２に記載の発明によれば、投影可変絞りの位置における光軸に垂直な面内において、光軸に近い領域の光量が大きくなるように光量分布を変化させるため、高いコントラストを得るために投影可変絞りの開口径を小さくした場合の明るさの低下を抑制することができる。
【００２９】
請求項３に記載の発明によれば、光束を発散させる光学素子を集光光学系に挿入して照明光学系を変化させることにより、投影可変絞りの開口を通過する光量を増加させるため、高いコントラストを得るために投影可変絞りの開口径を小さくした場合の明るさの低下を、簡易な構成で効果的に抑制することができる。
【００３０】
請求項４に記載の発明によれば、発散レンズを集光光学系に挿入して照明光学系を変化させるため、低コストで投影装置を構成することができる。
【００３１】
請求項５に記載の発明によれば、光束を収束させる光学素子を集光光学系から退避させて照明光学系を変化させることにより、投影可変絞りの開口を通過する光量を増加させるため、高いコントラストを得るために投影可変絞りの開口径を小さくした場合の明るさの低下を、簡易な構成で効果的に抑制することができる。
【００３２】
請求項６に記載の発明によれば、集光レンズを集光光学系から退避させて照明光学系を変化させるため、低コストで投影装置を構成することができる。
【００３３】
請求項７に記載の発明によれば、照明光学系を構成する光学素子の一部を移動させて照明光学系を変化させることにより、投影可変絞りの開口を通過する光量を増加させるため、投影可変絞りの開口径に応じて連続的に光量を調整することができ、絞り開口の変化による明るさの低下が少なく、よりコントラストの高い投影像を得ることができる。
【００３４】
請求項８に記載の発明によれば、発散レンズを光軸に沿って光源の方向に移動させて照明光学系を変化させることにより、投影可変絞りの開口を通過する光量を増加させるため、投影可変絞りの開口径に応じて連続的に光量を調整することができ、絞り開口の変化による明るさの低下が少なく、よりコントラストの高い投影像を得ることができる。
【００３５】
請求項９に記載の発明によれば、集光レンズを光軸に沿ってロッドインテグレータの方向に移動させて照明光学系を変化させることにより、投影可変絞りの開口を通過する光量を増加させるため、投影可変絞りの開口径に応じて連続的に光量を調整することができ、絞り開口の変化による明るさの低下が少なく、よりコントラストの高い投影像を得ることができる。
【００３６】
請求項１０に記載の発明によれば、照明リレー光学系を構成する光学素子の一部を光軸方向に移動させて照明光学系を変化させることにより、投影可変絞りの開口を通過する光量を増加させるため、ロッドインテグレータの手前にレンズを配置する必要がなく、レンズ界面による光量損失を防止することができる。また、投影可変絞りの開口径に応じて連続的に光量を調整することができ、絞り開口の変化による明るさの低下が少なく、よりコントラストの高い投影像を得ることができる。
【００３７】
請求項１１に記載の発明によれば、ロッドインテグレータの出射面の面積に対する入射面の面積の比を小さくして照明光学系を変化させることにより、投影可変絞りの開口を通過する光量を増加させるため、ロッドインテグレータの手前にレンズを配置する必要がなく、レンズ界面による光量損失を防止することができる。
【００３８】
請求項１２に記載の発明によれば、投影可変絞りの絞り状態に応じて照明光学系の絞り値を変化させるための照明可変絞りを有するため、よりコントラストの高い投影像を得ることができる。
【００３９】
請求項１３に記載の発明によれば、画像表示素子としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いているため、投影可変絞りの開口径を小さくすることによるコントラストの向上効果が高く、よりコントラストの高い投影像を得ることができる。
【００４０】
請求項１４に記載の発明によれば、光源として放電ランプを用いているため、投影可変絞りの開口径を小さくした場合における、明るさの低下を抑制する効果が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜１０を参照しながら詳細に説明する。
【００４２】
（第１の実施形態）
本発明の投影装置の第１の実施形態について、図１〜６を参照しながら説明する。図１及び図２は、第１の実施形態の投影装置１０１の構成図である。図１は、投影可変絞り４０の開口径を大きくした状態を、図２は、投影可変絞り４０の開口径を小さくし、ロッドインテグレータ１５の手前に凹レンズ１３を挿入して照明光学系を変化させた状態を、それぞれ示している。
【００４３】
先ず、図１を参照しながら、投影装置１０１の構成について説明する。投影装置１０１は、照明光を変調する画像表示素子（ＤＭＤ２４）と、画像表示素子に照明光を照射するための照明光学系と、画像表示素子による変調光を被投影面に投影するための投影光学系２０とを有している。
【００４４】
照明光学系は、光源（放電ランプ１１）、光源から出射した光を集光する集光光学系（ランプリフレクタ１２）、集光光学系によって集光されて入射面から入射した光を面内光量分布の均一性を高めて出射面から出射するロッドインテグレータ１５、ロッドインテグレータの出射面から出射した光を画像表示素子に導くための照明リレー光学系１８などから構成されている。
【００４５】
光源としては、白色光を発し、単位面積当たりの光量が大きい放電ランプ１１を用いることが好ましい。放電ランプ１１の種類に特に制限はなく、超高圧水銀ランプやメタルハライドランプなど、投影装置に用いられる光源ランプの中から適宜選択して用いることができる。
【００４６】
集光光学系として機能するランプリフレクタ１２は楕円面からなる反射面を有し、その焦点位置に放電ランプ１１が配置されている。そのため、放電ランプ１１からの光束は収束光として出射し、カラーホイール１４に入射する。この他、放物面を有するランプリフレクタを用いて、ランプリフレクタから出射した平行光を、コンデンサーレンズを用いて収束光とする構成とすることもできる。
【００４７】
カラーホイール１４は、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の波長の光をそれぞれ透過させる３色のカラーフィルターで構成される。これを回転させることで照明光の色が時間的に順次切り替るため、各色に対応した画像情報をＤＭＤ２４に順次切り替えて表示することにより、投影像をカラー化することができる。カラーフィルターは、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の組み合わせに限られず、例えば、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）の３色の組み合わせなど、カラー画像の表示が可能な他の組み合わせを用いてもよい。また、カラーホイール１４は、モノクロ画像の投影装置や、各色毎にＤＭＤ２４と照明光学系とを備えた形態の投影装置の場合には省略することもできる。
【００４８】
カラーホイール１４を通過した光束は、ロッドインテグレータ１５に入射する。ロッドインテグレータ１５に入射した光束は、壁面で反射を繰り返すことでミキシングされ、ロッドインテグレータ１５の出射面では、面内光量分布の均一性が高められる。ロッドインテグレータ１５での反射回数に応じて、照明リレー光学系１８内に複数の２次光源像が形成され、これらが重畳してＤＭＤ２４を照明することにより、均一性の高い照明が実現される。
【００４９】
ロッドインテグレータ１５の後方には、照明リレー光学系１８、プリズムユニット２３、ＤＭＤ２４が配設され、ロッドインテグレータ１５から出た光は、照明リレー光学系１８を経て、ＤＭＤ２４を照明する。
【００５０】
照明リレー光学系１８は、３つのレンズ１６ａ、１６ｂ、１６ｃと、照明可変絞り１７とから構成される。本実施形態においては、プリズムユニット２３と共に機能して、ロッドインテグレータ１５の出射面から出射した光をＤＭＤ２４に導く。ロッドインテグレータ１５の出射面はＤＭＤ２４の表示面と共役であり、ロッドインテグレータ１５の出射面の形状をＤＭＤ２４の表示領域と略相似形にすることにより、効率よく照明できる。
【００５１】
反射型の画像表示素子であるＤＭＤ２４は、多数のマイクロミラーがマトリックス状に配置された表示面を有し、そのマイクロミラー１枚で表示画像の１画素を構成するものである。マイクロミラーの傾きは個別に駆動制御される構成になっており、各マイクロミラーはＯＮ状態とＯＦＦ状態との２つの傾き状態をとり得るようになっている。ＯＮ状態のマイクロミラーでは投影光学系２０に向けて照明光が反射され、ＯＦＦ状態のマイクロミラーでは投影光学系２０に入らない方向に照明光が反射される。したがって、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射された光のみが投影光学系２０によってスクリーンに到達し、目的とする画像がスクリーンに表示される。
【００５２】
画像表示素子としてＤＭＤ２４を用いた場合のコントラスト低下の原因は、主に表示面で発生する散乱である。黒表示（ＯＦＦ状態）のとき、マイクロミラーからの反射光が投影光学系２０に入らないようになっているが、マイクロミラーのエッジなどの散乱成分があり、そこで発生する散乱光が投影光学系２０に入り込んでスクリーンに到達し、黒レベルを上げてしまう。このような散乱光は、投影光学系２０の可変絞り４０を絞り込むことによって効果的に減らすことができる。そのため、画像表示素子としてＤＭＤ２４を用いた場合、投影光学系２０の可変絞り４０の開口径を小さくすることによるコントラストの向上効果が非常に高い。
【００５３】
プリズムユニット２３は、第１プリズム２１、第２プリズム２２の２つのプリズムから構成されている。第１プリズム２１は、第１入射面２１ａ、臨界面２１ｂ、第１出射面２１ｃを有し、第２プリズム２２は、第２入射面２２ａ、第２出射面２２ｂを有する。第１プリズム２１の臨界面２１ｂと第２プリズム２２の第２入射面２２ａは、空気層を介して対向して配置されている。
【００５４】
さらに、第１プリズム２１の第１入射面２１ａにエントランスレンズ１６ｃが貼り合わされている。エントランスレンズ１６ｃは照明光をテレセントリックにするため設けられている。第１プリズム２１の入射面２１ａを曲面にして、エントランスレンズ１６ｃの機能を持たせてもよい。
【００５５】
照明リレー光学系１８からの照明光は、エントランスレンズ１６ｃを経て、第１入射面２１ａから第１プリズム２１に入射する。第１プリズム２１の臨界面２１ｂは、入射した照明光が全反射するように配置されており、照明光は臨界面２１ｂで反射されて、第１プリズム２１の第１出射面２１ｃから出射し、ＤＭＤ２４を照明する。
【００５６】
ＤＭＤ２４は長方形の画像表示領域を有し、ＤＭＤ２４の各画素（マイクロミラー）は、矩形の表示領域と４５度の角度をなす偏向軸を有し、画素は偏向軸を中心に１２°偏向し、照明光の反射方向を偏向させることにより、画像表示を行う。画像表示状態（ＯＮ状態）にて画素で反射された光束、すなわち投影光は、第１プリズム２１の第１出射面２１ｃから再び第１プリズム２１に入射し、第１プリズム２１の臨界面２１ｂに到達する。投影光は、全反射条件を満たさない角度で臨界面２１ｂに入射するため、臨界面２１ｂを透過し、空気層を経て、第２入射面２２ａから第２プリズム２２に入射する。そして、第２プリズム２２の第２出射面２２ｂから出射し、投影光学系２０に入射し、スクリーンに投影される。
【００５７】
なお、本発明においてプリズムユニット２３は必ずしも必須の要素ではなく、ロッドインテグレータ１５を出射した照明光が照明リレー光学系１８を経て直接ＤＭＤ２４を照明する構成とすることもできる。また、画像表示素子はＤＭＤ２４に限定されるものではなく、液晶表示素子など、同様の機能を有する他の素子を用いることもできる。反射型の素子でもよいし、透過型の素子でもよい。
【００５８】
次に、投影光学系２０及び照明リレー光学系１８にそれぞれ設けられた可変絞り（投影可変絞り４０、照明可変絞り１７）について説明する。投影可変絞り４０と照明可変絞り１７とは、いずれも同様の構成を有している。それぞれ、絞り状態を検知する絞り位置センサ３２と、開口径を変化させるための絞り駆動モータ３３とを有し、開口径をＦ２．４からＦ７．２まで変化させることができる。
【００５９】
図３は、可変絞りの基本構成を示す図である。図３（ａ）は可変絞りの上面図、図３（ｂ）は可変絞りの正面図である。また、図４は可変絞りの分解構成図である。
【００６０】
可変絞りは、固定板４５、回転板４６、カバー４７、６枚の絞り羽根４４から構成されている。絞り羽根４４には２本のピン４２が立てられ、一方のピン４２は、固定板４５の穴４９に嵌合し、他方のピン４２は回転板４６のカム溝４８に嵌合している。回転板４６にはギア部４３が設けられ、絞り駆動モータ３３に設けられたギア５２と噛み合っている。絞り駆動モータ３３の回転により回転板４６が回転し、それによって絞り羽根４４が固定板４５の穴４９に嵌合したピン４２を中心に回転し、絞りの開口径が変化する。
【００６１】
また、回転板４６には、斜面を持つ突出部４１が設けられており、この突出部４１がリニア抵抗５０と係合し、回転板４６の回転、すなわち、可変絞りの開口径の変化に対応して抵抗値が変化する。この抵抗値により、可変絞りの開口径を検知する事が出来る。
【００６２】
投影可変絞り４０と照明可変絞り１７とは、それぞれ独立して開口径を調整することができる。しかし、よりコントラストが高く、良好な投影像を得るためには、投影光学系２０のＦ値と照明光学系のＦ値とが同じになるように、それぞれの可変絞りを制御することが好ましい。特に、画像表示素子としてＤＭＤ２４を用いる場合には、両者のＦ値を同じにすることで、ＤＭＤ２４を照明する光量が減少することによって表示面で発生する散乱光が減少するため、コントラストの改善効果が特に大きい。
【００６３】
次に、投影可変絞り４０の開口径を小さくする場合の照明光学系の変化について説明する。
【００６４】
図２に示すように、本実施形態では、ロッドインテグレータ１５の手前に凹レンズ１３を挿入することによって照明光学系を変化させる。図１のように、投影可変絞り４０の開口径を大きくする場合、凹レンズ１３は光路から退避しているため、ランプリフレクタ１２からの集束光は、収束角度が緩められることなくロッドインテグレータ１５に入射する。
【００６５】
これに対し、投影可変絞り４０の開口径を小さくすると、絞り位置センサ３２からの情報を受けた演算部３６が、凹レンズ切り替え機構３１に指示を出し、図２のように凹レンズ１３を挿入して照明光学系を変化させる。凹レンズ切り替え機構３１は、モータ等のアクチュエータを有し、それによって凹レンズ１３を光路中に挿入させた状態と退避させた状態とを切り替えるための機構である。凹レンズ１３の挿入によって、ランプリフレクタ１２からの集束光は、収束角度が緩められた状態でロッドインテグレータ１５に入射する。
【００６６】
このように、収束角度が緩められた状態でロッドインテグレータ１５に入射した光線は、凹レンズ１３を退避させた状態よりも、光軸とのなす角がより小さくなって、ロッドインテグレータ１５から出射する。ロッドインテグレータ１５の出射面とＤＭＤ２４の表示面は、互いに略テレセントリックで光学的に共役なため、ロッドインテグレータ１５の出射面で光軸とのなす角がより小さい光線は、ＤＭＤ２４の表示面でも光軸とのなす角がより小さくなる。更に、投影光学系２０も略テレセントリックな光学系のため、ＤＭＤの表示面上で光軸となす角が小さい光線ほど投影光学系２０の瞳位置、すなわち、投影可変絞りの位置で、より光軸に近いところを通過することになる。
【００６７】
このため、凹レンズ１３の挿入によって、投影可変絞り４０の位置における光軸に垂直な面内において、光軸に近い領域の光量が大きくなるように光量分布が変化する。従って、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に、投影可変絞り４０の開口を通過する光量が、凹レンズ１３を退避させた状態よりも増加し、より明るい投影像を得ることができる。
【００６８】
このように、凹レンズ１３の挿入によって照明光学系を変化させる構成とすることにより、高いコントラストを得るために投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合の明るさの低下を、簡易な構成で効果的に抑制することができる。ここで、演算部３６、凹レンズ切り替え機構３１、凹レンズ１３は、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に、開口が小さい状態での投影可変絞り４０の開口を通過する光量が増加するように照明光学系を変化させる光学系変化手段として機能する。
【００６９】
なお、ここでは、光学系変化手段として凹レンズ１３を用いているが、光束を発散させる機能を有する光学素子であれば、同様に用いることができる。例えば、光学面が球面からなる発散レンズ（凹レンズ）の他、非球面、シリンダ面、トロイダル面などを有する光学素子を用いてもよい。また、アキシコンと呼ばれる円錐プリズム面を有する光学素子を用いることもできる。中でも、低コストで投影装置を構成できるという観点からは、光学面が球面からなる発散レンズ（凹レンズ）を用いることが好ましい。
【００７０】
更に、本実施形態の変形例として、投影可変絞り４０の開口径を大きくした場合に、光束を収束させる光学素子が照明光学系に挿入された状態となり、開口径を小さくした場合に、当該光学素子を退避させて投影可変絞りの開口を通過する光量を増加させる構成としてもよい。このような構成とすることにより、上述の凹レンズ１３を用いる場合と同様に、高いコントラストを得るために投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合の明るさの低下を、簡易な構成で効果的に抑制することができる。
【００７１】
光束を収束させる光学素子に特に制限はなく、種々の形状の光学素子を適宜選択して用いることができる。中でも、低コストで投影装置を構成できるという観点からは、光学面が球面からなる集光レンズ（凸レンズ）を用いることが好ましい。
【００７２】
次に、図５を用いて、投影可変絞り４０の位置（投影瞳面）における光量分布の変化について説明する。図５は、投影可変絞り４０の位置における光量分布の変化を概念的に示すグラフである。横軸は光軸からの距離、縦軸は光量である。凹レンズ１３を退避させた状態の光量を破線で示し、凹レンズ１３を挿入した状態の光量を実線で示している。なお、このグラフは、光軸に垂直な断面の面積が、光軸からの距離によって異なることを予め考慮した上で、光量分布の変化を概念的に示したものである。
【００７３】
凹レンズ１３を退避させた状態の場合、投影可変絞り４０の開口を通過する光量は、投影可変絞り４０が開放のとき（開口径が大きい状態）は、図５の（２）＋（３）＋（４）＋（５）の領域に相当し、投影可変絞り４０の開口径が小さいときは、（２）＋（３）の領域に相当する。これに対して、凹レンズ１３を挿入すると、光軸に近い領域の光量が大きくなるように光量分布が変化し、投影可変絞り４０の開口を通過する光量は、投影可変絞り４０が開放のときは、図５の（１）＋（２）＋（４）の領域に相当し、投影可変絞り４０の開口径が小さいときは、（１）＋（２）の領域に相当する。
【００７４】
従って、投影可変絞り４０の開口径を大きくする場合には、凹レンズ１３を退避させておくことでより明るい投影像を得ることがでる。一方、高いコントラストを得るために可変投影可変絞り４０の開口径を小さくする場合には、凹レンズ１３を挿入して照明光学系を変化させることで、明るさの低下を最小限に抑えることができる。
【００７５】
図６は、投影光学系２０のＦ値と投影像の明るさとの関係の１例を示すグラフである。グラフの横軸は投影光学系２０のＦ値、縦軸はスクリーンに到達する光束である。凹レンズ１３を退避させた状態の関係を破線で示し、凹レンズ１３を挿入した状態の関係を実線で示している。
【００７６】
投影光学系２０のＦ値が大きくなるにつれて（投影可変絞り４０の開口径を小さくするにつれて）、投影像の明るさは暗く（光束が小さく）なっていく。このとき、Ｆ値が４．５より小さい場合には、凹レンズ１３を退避させた状態の方が投影像が明るく、Ｆ値が４．５以上の場合には、凹レンズ１３を挿入した状態の方が投影像が明るくなる。従って、絞り位置センサ３２で検出した投影可変絞り４０の開口径を基に、演算部３６にて、投影光学系２０のＦ値が所定の値（図６の例では、Ｆ４．５）より大きいか小さいかを判断し、その結果、Ｆ値が所定の値以上であれば凹レンズ１３を挿入し、Ｆ値が所定の値より小さければ凹レンズを退避させることで、何れの場合も、より明るい投影像を得ることができる。
【００７７】
（第２の実施形態）
次に、本発明の投影装置の第２の実施形態について、図７を参照しながら説明する。図７は、第２の実施形態の投影装置１０２の構成図である。上述の第１の実施形態の投影装置１０１との違いは、投影可変絞り４０の開口径によって凹レンズ１３の挿入、退避を行う代わりに、凹レンズ駆動機構３７によって凹レンズ１３（発散レンズ）を光軸方向に移動させることにより、照明光学系を変化させる点である。
【００７８】
本実施形態において、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に、開口径が小さい状態での投影可変絞り４０の開口を通過する光量が増加するように照明光学系を変化させる光学系変化手段は、移動素子である凹レンズ１３と、光学素子移動機構である演算部３６及び凹レンズ駆動機構３７と、で構成される。ここで、凹レンズ駆動機構３７は、モータ等のアクチュエータを有し、それによって凹レンズ１３を光軸方向に移動させるための機構である。
【００７９】
凹レンズ１３は、演算部３６からの指示によって動作する凹レンズ駆動機構３７に保持されている。絞り位置センサ３２で検出した投影可変絞り４０の開口径（投影光学系２０のＦ値）に応じ、絞ったときにより効率よく光束が通過するように、すなわち、Ｆ値が大きくなるにつれ、凹レンズ１３を光源（放電ランプ１１）に近づくように移動させる。
【００８０】
凹レンズ１３が、ロッドインテグレータ１５に近づくほど、ランプリフレクタ１２からの光線は、凹レンズ１３の軸上に近い側を通過する。凹レンズ１３は、光軸に近いほどその面の傾斜が緩やかになり、屈折作用は小さくなる。このため、ランプリフレクタ１２からの収束光の集光点近傍では、凹レンズ１３の屈折作用は非常に小さい。
【００８１】
一方、凹レンズ１３を光源側に近づけていくと、凹レンズ１３のより周辺部を光線が通過するようになる。このため、より凹レンズ１３の屈折作用を受けて、収束状態がより緩やかになる。
【００８２】
第１の実施形態の場合と同様に、ロッドインテグレータ１５に入射する光束の収束状態を緩やかにすることで、投影可変絞り４０の位置における光軸に垂直な面内において、光軸に近い領域の光量が大きくなるように光量分布を変化させることができる。従って、集光光学系に凹レンズ１３を配置し、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に、凹レンズ１３を光軸に沿って光源方向に移動させることにより、投影可変絞り４０の開口を通過する光量が、移動前よりも増加し、より明るい投影像を得ることができる。更に、本実施形態においては、投影可変絞り４０の開口径に応じて連続的に光量を調整することができるため、絞り開口の変化による明るさの低下が少なく、よりコントラストの高い投影像を得ることができる。
【００８３】
本実施形態においては、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に、投影可変絞りの開口を通過する光量が増加するよう、集光光学系に配置した凹レンズ１３（発散レンズ）を光軸に沿って光源方向に移動させる構成を例に挙げて説明した。同様にして、集光光学系に凸レンズ（集光レンズ）を配置し、開口径を小さくした場合に、凸レンズを光軸に沿ってロッドインテグレータ方向（光源と反対の方向）に移動させて、投影可変絞りの開口を通過する光量を増加させる構成としてもよい。
【００８４】
なお、本実施形態においても、発散レンズ、集光レンズとして用いる光学素子の形状に特に制限はなく、第１の実施形態の場合と同様に、種々の光学素子を用いることができる。
【００８５】
（第３の実施形態）
次に、本発明の投影装置の第３の実施形態について、図８を参照しながら説明する。図８は、第３の実施形態の投影装置１０３の構成図である。上述の第１の実施形態の投影装置１０１との違いは、投影可変絞り４０の開口径によって凹レンズ１３の挿入、退避を行う代わりに、照明リレー光学系１８を構成する光学素子の一部を光軸方向に移動させることにより、照明光学系を変化させる点である。
【００８６】
本実施形態において、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に照明光学系を変化させる光学系変化手段は、移動素子である凸レンズ１６ｂと、光学素子移動機構である演算部３６及びリレーレンズ駆動機構３８と、で構成される。リレーレンズ駆動機構３８は、モータ等のアクチュエータを有し、それによって凸レンズ１６ｂを光軸方向に移動させるための機構である。
【００８７】
照明リレー光学系１８を構成する光学素子の一部である凸レンズ１６ｂは、演算部３６からの指示によって動作するリレーレンズ駆動機構３８に保持されている。絞り位置センサ３２で検出した投影可変絞り４０の開口径（投影光学系２０のＦ値）に応じ、Ｆ値が大きくなるにつれ、凸レンズ１６ｂをロッドインテグレータ１５の出射面に近づくように移動させる。
【００８８】
照明リレー光学系１８は、ロッドインテグレータ１５の出射面をＤＭＤ２４の表示面に結像させている。照明リレー光学系１８を構成する凸レンズ１６ｂをロッドインテグレータ１５の出射面から遠ざければ、ＤＭＤ２４の表示面におけるロッドインテグレータ１５の出射面の像は小さくなり、凸レンズ１６ｂをロッドインテグレータ１５の出射面に近づければ、ＤＭＤ２４の表示面におけるロッドインテグレータ１５の出射面の像は大きくなる。
【００８９】
ロッドインテグレータ１５の出射面側のＮ．Ａ．をｕ、ロッドインテグレータ１５の出射面の像側のＮ．Ａ．をｕ’、像倍率をβとすると、ｕ＝β×ｕ’の関係が成り立つ。このため、ＤＭＤ２４の表示面におけるロッドインテグレータ１５の出射面の像が大きくなるにつれ、その像のＮ．Ａ．は小さくなり、ＤＭＤ２４で反射された後、投影光学系２０の瞳面（投影可変絞り４０の位置）を通過する際、より光軸に近い位置を通過することになる。
【００９０】
このように、照明リレー光学系１８を構成する凸レンズを、光軸に沿ってロッドインテグレータ１５の出射面側に移動させることにより、投影可変絞り４０の位置において、光軸に近い領域の光量が大きくなるように光量分布が変化する。従って、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に、開口径が小さい状態での投影可変絞り４０の開口を通過する光量が、移動前よりも増加し、より明るい投影像を得ることができる。
【００９１】
また、本実施形態においては、ロッドインテグレータ１５の手前に、集光光学系を変化させるためのレンズを配置する必要が無いため、レンズの界面による光量損失を防止することができる。更に、第２の実施形態の場合と同様に、投影可変絞り４０の開口径に応じて連続的に光量を調整することができるため、絞り開口の変化による明るさの低下が少なく、よりコントラストの高い投影像を得ることができる。
【００９２】
移動させるレンズは、照明リレー光学系１８を構成するレンズであれば特に制限はない。但し、小さい移動距離で高い効果を得るためには、照明リレー光学系１８を構成するレンズのうち、結像作用の大きいレンズ、即ち光軸方向に移動させた場合の倍率変化の大きいレンズを移動させることが好ましい。更に、光軸方向に移動させた場合の倍率変化の最も大きいレンズを移動させることが、より好ましい。
【００９３】
（第４の実施形態）
次に、本発明の投影装置の第４の実施形態について、図９を参照しながら説明する。図９は、第４の実施形態の投影装置１０４の構成図である。上述の第１の実施形態の投影装置１０１との違いは、投影可変絞り４０の開口径によって凹レンズ１３の挿入、退避を行う代わりに、ストレート状のロッドインテグレータ１５ａと入射側がより狭くなっているテーパー状のロッドインテグレータ１５ｂとを切り換えることにより、照明光学系を変化させる点である。
【００９４】
本実施形態において、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に照明光学系を変化させる光学系変化手段は、ロッドインテグレータ１５ａ及び１５ｂと、演算部３６と、ロッド切り替え機構３９と、で構成される。ロッド切り替え機構３９は、モータ等のアクチュエータを有し、それによってロッドインテグレータ１５ａと１５ｂとを切り替えるための機構である。
【００９５】
ストレート状のロッドインテグレータ１５ａは、出射面の面積と入射面の面積とがほぼ等しい。これに対し、テーパー状のロッドインテグレータ１５ｂは、出射面の面積よりも入射面の面積の方が小さくなっている。２つのロッドインテグレータは、いずれもロッド切り替え機構３９に保持され、演算部３６からの指示によって切り替えられる。投影可変絞り４０の開口径が大きい場合は、ストレート状のロッドインテグレータ１５ａを用いるが、投影可変絞り４０の開口径を小さくする場合には、絞ったときにより効率よく光束が通過するように、入射側がより狭くなっているテーパー状のロッドインテグレータ１５ｂに切り換える。
【００９６】
テーパー状のロッドインテグレータ１５ｂのように、内面の反射面が出射側ほど広くなる傾斜した面の場合、反射した光線は、その角度が緩く、すなわち、光軸とのなす角が小さくなる。よって、テーパー状のロッドインテグレータ１５ｂの内面で反射された光線は、投影レンズ瞳面（投影可変絞り４０の位置）での光線の通過位置は、より軸上に近づくことになる。
【００９７】
一方、ストレート状のロッドインテグレータ１５ａでは、内面で反射しても光軸となす角度は変化しない。よって、ストレート状のロッドインテグレータ１５ａから、入射側がより狭くなっているテーパー状のロッドインテグレータ１５ｂに切り換えることにより、投影レンズ瞳面における少なくとも一部の光線の通過位置をより軸上に近づけることができる。従って、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に、開口径が小さい状態での投影可変絞り４０の開口を通過する光量が、ロッドインテグレータを切り替える前よりも増加し、より明るい投影像を得ることができる。
【００９８】
また、本実施形態においては、ロッドインテグレータの手前に、集光光学系を変化させるためのレンズを配置する必要が無いため、レンズの界面による光量損失を防止することができる。
【００９９】
（第５の実施形態）
次に、本発明の投影装置の第５の実施形態について、図１０を参照しながら説明する。図１０は、第５の実施形態の投影装置１０５の構成図である。上述の第４の実施形態の投影装置１０４との違いは、ストレート状のロッドインテグレータ１５ａとテーパー状のロッドインテグレータ１５ｂとを切り換える代わりに、ロッドインテグレータの反射面の傾斜角を変更可能な構成にし、投影光学系２０のＦ値に応じて傾斜角を変化させることにより、照明光学系を変化させる点である。
【０１００】
本実施形態において、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に照明光学系を変化させる光学系変化手段は、ロッドインテグレータ１５ｃと、演算部３６と、ロッド反射面傾斜機構２５と、で構成される。ロッド反射面傾斜機構２５は、ロッドインテグレータ１５ｃの反射面の傾斜角を変化させるための機構であり、例えば、次のような構成とすることができる。
【０１０１】
ロッド反射面傾斜機構２５はモータを備え、該モータの回転軸に、投影装置１０５のロッドインテグレータ１５ｃの、対向する２つの反射面の入射側を係合している。当該２つの反射面の出射側は回動可能に保持されている。ロッド反射面傾斜機構２５のモータの回転軸には、先端側に右ネジ、根元側に左ネジが切られており、２つの反射面の一方が右ネジに、他方が左ネジに係合している。そうして、演算部３６からの指示によってロッド反射面傾斜機構２５のモータが回転することにより、２つの反射面の係合部が、互いに近づいたり遠ざかったりして、反射面の傾斜角が変化する構造になっている。
【０１０２】
ロッド反射面傾斜機構２５によって、２つの反射面の係合部が近づくほど、出射面の面積に対する入射面の面積の比が、より小さいロッドインテグレータとなり、ロッドインテグレータ１５ｃ内で反射された光線は、より、光軸とのなす角が小さくなる。このように、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に、ロッドインテグレータ１５ｃの出射面の面積に対する入射面の面積の比がより小さくなるよう、ロッドインテグレータの反射面の傾斜を変化させることにより、投影レンズ瞳面における少なくとも一部の光線の通過位置をより軸上に近づけることができる。従って、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に、開口径が小さい状態での投影可変絞り４０の開口を通過する光量が、傾斜を変化させる前よりも増加し、より明るい投影像を得ることができる。
【０１０３】
また、第４の実施形態の場合と同様に、ロッドインテグレータの手前に、集光光学系を変化させるためのレンズを配置する必要が無いため、レンズの界面による光量損失を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】第１の実施形態の投影装置１０１の構成図（凹レンズ１３を退避させた状態）である。
【図２】第１の実施形態の投影装置１０１の構成図（凹レンズ１３を挿入した状態）である。
【図３】可変絞りの基本構成を示す図（上面図、正面図）である。
【図４】可変絞りの分解構成図である。
【図５】投影可変絞りの位置における光量分布の変化を示すグラフである。
【図６】投影光学系のＦ値と投影像の明るさとの関係の１例を示すグラフである。
【図７】第２の実施形態の投影装置１０２の構成図である。
【図８】第３の実施形態の投影装置１０３の構成図である。
【図９】第４の実施形態の投影装置１０４の構成図である。
【図１０】第５の実施形態の投影装置１０５の構成図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１１ 放電ランプ
１２ ランプリフレクタ
１３ 凹レンズ
１４ カラーホイール
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ ロッドインテグレータ
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ レンズ
１７ 照明可変絞り
１８ 照明リレー光学系
２０ 投影光学系
２１ 第１プリズム
２２ 第２プリズム
２３ プリズムユニット
２４ ＤＭＤ
２５ ロッド反射面傾斜機構
３１ 凹レンズ切り替え機構
３２ 絞り位置センサ
３３ 絞り駆動モータ
３６ 演算部
３７ 凹レンズ駆動機構
３８ リレーレンズ駆動機構
３９ ロッド切り替え機構
４０ 投影可変絞り
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５ 投影装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホームシアター用プロジェクターなどに用いることのできる投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶やデジタル・マイクロミラー・デバイス（以下、「ＤＭＤ」ともいう）などの画像表示素子によって変調された照明光を、スクリーンなどの被投影面に投影する投影装置が、ホームシアター用プロジェクターなどとして広く用いられるようになってきた。
【０００３】
このような投影装置は、通常、照明光を変調する画像表示素子と、該画像表示素子に照明光を照射するための照明光学系と、該画像表示素子による変調光を被投影面に投影するための投影光学系とを有している。
【０００４】
かかる投影装置において、スクリーンに投影される投影像の明るさ及びコントラストは、上記投影光学系の絞り状態に影響される。即ち、投影光学系に設けられた絞りの開口径が大きい場合、投影像は明るくなるがコントラストが低下する。逆に絞りの開口径が小さい場合には、投影像は暗くなるがコントラストが向上する。
【０００５】
そのため、表示画像に応じて、投影像の明るさ及びコントラストを調整できるように、投影光学系に開口径を調整できる可変絞りを設けた投影装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
一方、上記照明光学系に用いる光源としては、単位面積当たりの光量が大きい放電ランプが好んで用いられる。しかし、放電ランプからの光をコリメートした平行光は、面内光量分布が均一ではなく、光軸に近い領域の光量が周辺よりも小さくなる。
【０００７】
そのため、照明光の面内光量分布を均一化させるためのロッドインテグレータを用いた照明光学系が提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。
【特許文献１】特開平５−１８８３４５号公報
【特許文献２】特開２００３−１００６２２号公報
【特許文献３】米国特許第６７８９９３１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、スクリーンに投影される投影像の明るさ及びコントラストは、いわゆるトレードオフの関係にある。そのため、特許文献１に記載された投影装置を用いて投影を行う場合、高いコントラストを得るために投影光学系の可変絞りの開口径を小さくすると、明るさが低下するという問題があった。
【０００９】
また、投影装置の照明光学系として、光量分布を均一化するために、特許文献２、３に記載されているロッドインテグレータを用いた照明光学系を用いた場合であっても、投影光学系の可変絞りの開口径を小さくすることによる明るさの低下を抑制することはできないという問題があった。
【００１０】
特に、光源として放電ランプを用いた投影装置の場合には、光軸に近い領域における光量が特に小さいため、上記の問題が特に顕著であった。
【００１１】
本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、投影像の明るさ及びコントラストを調整するため投影光学系に可変絞りを設けた投影装置において、可変絞りの開口径を小さくした場合の明るさの低下を抑制し、コントラストの高い良好な投影像を得ることができる投影装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有するものである。
【００１３】
１． 照明光を変調する画像表示素子と、該画像表示素子に照明光を照射するための照明光学系と、該画像表示素子による変調光を被投影面に投影するための投影光学系と、を備えた投影装置において、
前記照明光学系は、光源と、光源から出射した光を集光する集光光学系と、該集光光学系によって集光されて入射面から入射した光を面内光量分布の均一性を高めて出射面から出射するロッドインテグレータと、該ロッドインテグレータの出射面から出射した光を画像表示素子に導くための照明リレー光学系と、を有し、
前記投影光学系は、開口径を調整できる投影可変絞りを有し、
前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、開口径が小さい状態での該投影可変絞りの開口を通過する光量が増加するように該照明光学系を変化させる光学系変化手段を有することを特徴とする投影装置。
【００１４】
２． 前記光学系変化手段は、前記投影可変絞りの位置における光軸に垂直な面内において、光軸に近い領域の光量が大きくなるように光量分布を変化させる手段であることを特徴とする前記１に記載の投影装置。
【００１５】
３． 前記光学系変化手段は、光束を発散させる光学素子と、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、該光学素子を前記集光光学系に挿入する機構と、で構成されることを特徴とする前記１又は２に記載の投影装置。
【００１６】
４． 前記光束を発散させる光学素子は、発散レンズであることを特徴とする前記３に記載の投影装置。
【００１７】
５． 前記集光光学系は光束を集束させる光学素子を有し、
前記光学系変化手段は、前記光束を集束させる光学素子と、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、該光学素子を前記集光光学系から退避させる機構と、で構成されることを特徴とする前記１又は２に記載の投影装置。
【００１８】
６． 前記光束を集束させる光学素子は、集光レンズであることを特徴とする前記５に記載の投影装置。
【００１９】
７． 前記光学系変化手段は、前記照明光学系を構成する光学素子の一部からなる移動素子と、該移動素子を移動させる光学素子移動機構と、で構成されることを特徴とする前記１又は２に記載の投影装置。
【００２０】
８． 前記集光光学系は発散レンズを有し、
前記移動素子は前記発散レンズであり、
前記光学素子移動機構は、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、前記発散レンズを光軸に沿って前記光源の方向に移動させる機構であることを特徴とする前記７に記載の投影装置。
【００２１】
９． 前記集光光学系は集光レンズを有し、
前記移動素子は前記集光レンズであり、
前記光学素子移動機構は、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、前記集光レンズを光軸に沿って前記ロッドインテグレータの方向に移動させる機構であることを特徴とする前記７に記載の投影装置。
【００２２】
１０． 前記移動素子は、前記照明リレー光学系を構成する光学素子の一部であり、
前記光学素子移動機構は、前記照明リレー光学系を構成する光学素子の一部を光軸方向に移動する機構であることを特徴とする前記７に記載の投影装置。
【００２３】
１１． 前記光学系変化手段は、前記ロッドインテグレータと、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、前記ロッドインテグレータの出射面の面積に対する入射面の面積の比を小さくする機構と、で構成されることを特徴とする前記１又は２に記載の投影装置。
【００２４】
１２． 前記照明光学系は、前記投影可変絞りの絞り状態に応じて、該照明光学系の絞り値を変化させるための照明可変絞りを有することを特徴とする前記１〜１１のいずれか１項に記載の投影装置。
【００２５】
１３． 前記画像表示素子は、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前記１〜１２のいずれか１項に記載の投影装置。
【００２６】
１４． 前記光源は、放電ランプであることを特徴とする前記１〜１３のいずれか１項に記載の投影装置。
【発明の効果】
【００２７】
請求項１に記載の発明によれば、投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、開口径が小さい状態での投影可変絞りの開口を通過する光量が増加するように照明光学系を変化させる光学系変化手段を有するため、高いコントラストを得るために投影可変絞りの開口径を小さくした場合の明るさの低下を抑制することができる。
【００２８】
請求項２に記載の発明によれば、投影可変絞りの位置における光軸に垂直な面内において、光軸に近い領域の光量が大きくなるように光量分布を変化させるため、高いコントラストを得るために投影可変絞りの開口径を小さくした場合の明るさの低下を抑制することができる。
【００２９】
請求項３に記載の発明によれば、光束を発散させる光学素子を集光光学系に挿入して照明光学系を変化させることにより、投影可変絞りの開口を通過する光量を増加させるため、高いコントラストを得るために投影可変絞りの開口径を小さくした場合の明るさの低下を、簡易な構成で効果的に抑制することができる。
【００３０】
請求項４に記載の発明によれば、発散レンズを集光光学系に挿入して照明光学系を変化させるため、低コストで投影装置を構成することができる。
【００３１】
請求項５に記載の発明によれば、光束を収束させる光学素子を集光光学系から退避させて照明光学系を変化させることにより、投影可変絞りの開口を通過する光量を増加させるため、高いコントラストを得るために投影可変絞りの開口径を小さくした場合の明るさの低下を、簡易な構成で効果的に抑制することができる。
【００３２】
請求項６に記載の発明によれば、集光レンズを集光光学系から退避させて照明光学系を変化させるため、低コストで投影装置を構成することができる。
【００３３】
請求項７に記載の発明によれば、照明光学系を構成する光学素子の一部を移動させて照明光学系を変化させることにより、投影可変絞りの開口を通過する光量を増加させるため、投影可変絞りの開口径に応じて連続的に光量を調整することができ、絞り開口の変化による明るさの低下が少なく、よりコントラストの高い投影像を得ることができる。
【００３４】
請求項８に記載の発明によれば、発散レンズを光軸に沿って光源の方向に移動させて照明光学系を変化させることにより、投影可変絞りの開口を通過する光量を増加させるため、投影可変絞りの開口径に応じて連続的に光量を調整することができ、絞り開口の変化による明るさの低下が少なく、よりコントラストの高い投影像を得ることができる。
【００３５】
請求項９に記載の発明によれば、集光レンズを光軸に沿ってロッドインテグレータの方向に移動させて照明光学系を変化させることにより、投影可変絞りの開口を通過する光量を増加させるため、投影可変絞りの開口径に応じて連続的に光量を調整することができ、絞り開口の変化による明るさの低下が少なく、よりコントラストの高い投影像を得ることができる。
【００３６】
請求項１０に記載の発明によれば、照明リレー光学系を構成する光学素子の一部を光軸方向に移動させて照明光学系を変化させることにより、投影可変絞りの開口を通過する光量を増加させるため、ロッドインテグレータの手前にレンズを配置する必要がなく、レンズ界面による光量損失を防止することができる。また、投影可変絞りの開口径に応じて連続的に光量を調整することができ、絞り開口の変化による明るさの低下が少なく、よりコントラストの高い投影像を得ることができる。
【００３７】
請求項１１に記載の発明によれば、ロッドインテグレータの出射面の面積に対する入射面の面積の比を小さくして照明光学系を変化させることにより、投影可変絞りの開口を通過する光量を増加させるため、ロッドインテグレータの手前にレンズを配置する必要がなく、レンズ界面による光量損失を防止することができる。
【００３８】
請求項１２に記載の発明によれば、投影可変絞りの絞り状態に応じて照明光学系の絞り値を変化させるための照明可変絞りを有するため、よりコントラストの高い投影像を得ることができる。
【００３９】
請求項１３に記載の発明によれば、画像表示素子としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いているため、投影可変絞りの開口径を小さくすることによるコントラストの向上効果が高く、よりコントラストの高い投影像を得ることができる。
【００４０】
請求項１４に記載の発明によれば、光源として放電ランプを用いているため、投影可変絞りの開口径を小さくした場合における、明るさの低下を抑制する効果が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜１０を参照しながら詳細に説明する。
【００４２】
（第１の実施形態）
本発明の投影装置の第１の実施形態について、図１〜６を参照しながら説明する。図１及び図２は、第１の実施形態の投影装置１０１の構成図である。図１は、投影可変絞り４０の開口径を大きくした状態を、図２は、投影可変絞り４０の開口径を小さくし、ロッドインテグレータ１５の手前に凹レンズ１３を挿入して照明光学系を変化させた状態を、それぞれ示している。
【００４３】
先ず、図１を参照しながら、投影装置１０１の構成について説明する。投影装置１０１は、照明光を変調する画像表示素子（ＤＭＤ２４）と、画像表示素子に照明光を照射するための照明光学系と、画像表示素子による変調光を被投影面に投影するための投影光学系２０とを有している。
【００４４】
照明光学系は、光源（放電ランプ１１）、光源から出射した光を集光する集光光学系（ランプリフレクタ１２）、集光光学系によって集光されて入射面から入射した光を面内光量分布の均一性を高めて出射面から出射するロッドインテグレータ１５、ロッドインテグレータの出射面から出射した光を画像表示素子に導くための照明リレー光学系１８などから構成されている。
【００４５】
光源としては、白色光を発し、単位面積当たりの光量が大きい放電ランプ１１を用いることが好ましい。放電ランプ１１の種類に特に制限はなく、超高圧水銀ランプやメタルハライドランプなど、投影装置に用いられる光源ランプの中から適宜選択して用いることができる。
【００４６】
集光光学系として機能するランプリフレクタ１２は楕円面からなる反射面を有し、その焦点位置に放電ランプ１１が配置されている。そのため、放電ランプ１１からの光束は収束光として出射し、カラーホイール１４に入射する。この他、放物面を有するランプリフレクタを用いて、ランプリフレクタから出射した平行光を、コンデンサーレンズを用いて収束光とする構成とすることもできる。
【００４７】
カラーホイール１４は、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の波長の光をそれぞれ透過させる３色のカラーフィルターで構成される。これを回転させることで照明光の色が時間的に順次切り替るため、各色に対応した画像情報をＤＭＤ２４に順次切り替えて表示することにより、投影像をカラー化することができる。カラーフィルターは、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の組み合わせに限られず、例えば、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンタ）、Ｙ（イエロー）の３色の組み合わせなど、カラー画像の表示が可能な他の組み合わせを用いてもよい。また、カラーホイール１４は、モノクロ画像の投影装置や、各色毎にＤＭＤ２４と照明光学系とを備えた形態の投影装置の場合には省略することもできる。
【００４８】
カラーホイール１４を通過した光束は、ロッドインテグレータ１５に入射する。ロッドインテグレータ１５に入射した光束は、壁面で反射を繰り返すことでミキシングされ、ロッドインテグレータ１５の出射面では、面内光量分布の均一性が高められる。ロッドインテグレータ１５での反射回数に応じて、照明リレー光学系１８内に複数の２次光源像が形成され、これらが重畳してＤＭＤ２４を照明することにより、均一性の高い照明が実現される。
【００４９】
ロッドインテグレータ１５の後方には、照明リレー光学系１８、プリズムユニット２３、ＤＭＤ２４が配設され、ロッドインテグレータ１５から出た光は、照明リレー光学系１８を経て、ＤＭＤ２４を照明する。
【００５０】
照明リレー光学系１８は、３つのレンズ１６ａ、１６ｂ、１６ｃと、照明可変絞り１７とから構成される。本実施形態においては、プリズムユニット２３と共に機能して、ロッドインテグレータ１５の出射面から出射した光をＤＭＤ２４に導く。ロッドインテグレータ１５の出射面はＤＭＤ２４の表示面と共役であり、ロッドインテグレータ１５の出射面の形状をＤＭＤ２４の表示領域と略相似形にすることにより、効率よく照明できる。
【００５１】
反射型の画像表示素子であるＤＭＤ２４は、多数のマイクロミラーがマトリックス状に配置された表示面を有し、そのマイクロミラー１枚で表示画像の１画素を構成するものである。マイクロミラーの傾きは個別に駆動制御される構成になっており、各マイクロミラーはＯＮ状態とＯＦＦ状態との２つの傾き状態をとり得るようになっている。ＯＮ状態のマイクロミラーでは投影光学系２０に向けて照明光が反射され、ＯＦＦ状態のマイクロミラーでは投影光学系２０に入らない方向に照明光が反射される。したがって、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射された光のみが投影光学系２０によってスクリーンに到達し、目的とする画像がスクリーンに表示される。
【００５２】
画像表示素子としてＤＭＤ２４を用いた場合のコントラスト低下の原因は、主に表示面で発生する散乱である。黒表示（ＯＦＦ状態）のとき、マイクロミラーからの反射光が投影光学系２０に入らないようになっているが、マイクロミラーのエッジなどの散乱成分があり、そこで発生する散乱光が投影光学系２０に入り込んでスクリーンに到達し、黒レベルを上げてしまう。このような散乱光は、投影光学系２０の可変絞り４０を絞り込むことによって効果的に減らすことができる。そのため、画像表示素子としてＤＭＤ２４を用いた場合、投影光学系２０の可変絞り４０の開口径を小さくすることによるコントラストの向上効果が非常に高い。
【００５３】
プリズムユニット２３は、第１プリズム２１、第２プリズム２２の２つのプリズムから構成されている。第１プリズム２１は、第１入射面２１ａ、臨界面２１ｂ、第１出射面２１ｃを有し、第２プリズム２２は、第２入射面２２ａ、第２出射面２２ｂを有する。第１プリズム２１の臨界面２１ｂと第２プリズム２２の第２入射面２２ａは、空気層を介して対向して配置されている。
【００５４】
さらに、第１プリズム２１の第１入射面２１ａにエントランスレンズ１６ｃが貼り合わされている。エントランスレンズ１６ｃは照明光をテレセントリックにするため設けられている。第１プリズム２１の入射面２１ａを曲面にして、エントランスレンズ１６ｃの機能を持たせてもよい。
【００５５】
照明リレー光学系１８からの照明光は、エントランスレンズ１６ｃを経て、第１入射面２１ａから第１プリズム２１に入射する。第１プリズム２１の臨界面２１ｂは、入射した照明光が全反射するように配置されており、照明光は臨界面２１ｂで反射されて、第１プリズム２１の第１出射面２１ｃから出射し、ＤＭＤ２４を照明する。
【００５６】
ＤＭＤ２４は長方形の画像表示領域を有し、ＤＭＤ２４の各画素（マイクロミラー）は、矩形の表示領域と４５度の角度をなす偏向軸を有し、画素は偏向軸を中心に１２°偏向し、照明光の反射方向を偏向させることにより、画像表示を行う。画像表示状態（ＯＮ状態）にて画素で反射された光束、すなわち投影光は、第１プリズム２１の第１出射面２１ｃから再び第１プリズム２１に入射し、第１プリズム２１の臨界面２１ｂに到達する。投影光は、全反射条件を満たさない角度で臨界面２１ｂに入射するため、臨界面２１ｂを透過し、空気層を経て、第２入射面２２ａから第２プリズム２２に入射する。そして、第２プリズム２２の第２出射面２２ｂから出射し、投影光学系２０に入射し、スクリーンに投影される。
【００５７】
なお、本発明においてプリズムユニット２３は必ずしも必須の要素ではなく、ロッドインテグレータ１５を出射した照明光が照明リレー光学系１８を経て直接ＤＭＤ２４を照明する構成とすることもできる。また、画像表示素子はＤＭＤ２４に限定されるものではなく、液晶表示素子など、同様の機能を有する他の素子を用いることもできる。反射型の素子でもよいし、透過型の素子でもよい。
【００５８】
次に、投影光学系２０及び照明リレー光学系１８にそれぞれ設けられた可変絞り（投影可変絞り４０、照明可変絞り１７）について説明する。投影可変絞り４０と照明可変絞り１７とは、いずれも同様の構成を有している。それぞれ、絞り状態を検知する絞り位置センサ３２と、開口径を変化させるための絞り駆動モータ３３とを有し、開口径をＦ２．４からＦ７．２まで変化させることができる。
【００５９】
図３は、可変絞りの基本構成を示す図である。図３（ａ）は可変絞りの上面図、図３（ｂ）は可変絞りの正面図である。また、図４は可変絞りの分解構成図である。
【００６０】
可変絞りは、固定板４５、回転板４６、カバー４７、６枚の絞り羽根４４から構成されている。絞り羽根４４には２本のピン４２が立てられ、一方のピン４２は、固定板４５の穴４９に嵌合し、他方のピン４２は回転板４６のカム溝４８に嵌合している。回転板４６にはギア部４３が設けられ、絞り駆動モータ３３に設けられたギア５２と噛み合っている。絞り駆動モータ３３の回転により回転板４６が回転し、それによって絞り羽根４４が固定板４５の穴４９に嵌合したピン４２を中心に回転し、絞りの開口径が変化する。
【００６１】
また、回転板４６には、斜面を持つ突出部４１が設けられており、この突出部４１がリニア抵抗５０と係合し、回転板４６の回転、すなわち、可変絞りの開口径の変化に対応して抵抗値が変化する。この抵抗値により、可変絞りの開口径を検知する事が出来る。
【００６２】
投影可変絞り４０と照明可変絞り１７とは、それぞれ独立して開口径を調整することができる。しかし、よりコントラストが高く、良好な投影像を得るためには、投影光学系２０のＦ値と照明光学系のＦ値とが同じになるように、それぞれの可変絞りを制御することが好ましい。特に、画像表示素子としてＤＭＤ２４を用いる場合には、両者のＦ値を同じにすることで、ＤＭＤ２４を照明する光量が減少することによって表示面で発生する散乱光が減少するため、コントラストの改善効果が特に大きい。
【００６３】
次に、投影可変絞り４０の開口径を小さくする場合の照明光学系の変化について説明する。
【００６４】
図２に示すように、本実施形態では、ロッドインテグレータ１５の手前に凹レンズ１３を挿入することによって照明光学系を変化させる。図１のように、投影可変絞り４０の開口径を大きくする場合、凹レンズ１３は光路から退避しているため、ランプリフレクタ１２からの集束光は、収束角度が緩められることなくロッドインテグレータ１５に入射する。
【００６５】
これに対し、投影可変絞り４０の開口径を小さくすると、絞り位置センサ３２からの情報を受けた演算部３６が、凹レンズ切り替え機構３１に指示を出し、図２のように凹レンズ１３を挿入して照明光学系を変化させる。凹レンズ切り替え機構３１は、モータ等のアクチュエータを有し、それによって凹レンズ１３を光路中に挿入させた状態と退避させた状態とを切り替えるための機構である。凹レンズ１３の挿入によって、ランプリフレクタ１２からの集束光は、収束角度が緩められた状態でロッドインテグレータ１５に入射する。
【００６６】
このように、収束角度が緩められた状態でロッドインテグレータ１５に入射した光線は、凹レンズ１３を退避させた状態よりも、光軸とのなす角がより小さくなって、ロッドインテグレータ１５から出射する。ロッドインテグレータ１５の出射面とＤＭＤ２４の表示面は、互いに略テレセントリックで光学的に共役なため、ロッドインテグレータ１５の出射面で光軸とのなす角がより小さい光線は、ＤＭＤ２４の表示面でも光軸とのなす角がより小さくなる。更に、投影光学系２０も略テレセントリックな光学系のため、ＤＭＤの表示面上で光軸となす角が小さい光線ほど投影光学系２０の瞳位置、すなわち、投影可変絞りの位置で、より光軸に近いところを通過することになる。
【００６７】
このため、凹レンズ１３の挿入によって、投影可変絞り４０の位置における光軸に垂直な面内において、光軸に近い領域の光量が大きくなるように光量分布が変化する。従って、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に、投影可変絞り４０の開口を通過する光量が、凹レンズ１３を退避させた状態よりも増加し、より明るい投影像を得ることができる。
【００６８】
このように、凹レンズ１３の挿入によって照明光学系を変化させる構成とすることにより、高いコントラストを得るために投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合の明るさの低下を、簡易な構成で効果的に抑制することができる。ここで、演算部３６、凹レンズ切り替え機構３１、凹レンズ１３は、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に、開口が小さい状態での投影可変絞り４０の開口を通過する光量が増加するように照明光学系を変化させる光学系変化手段として機能する。
【００６９】
なお、ここでは、光学系変化手段として凹レンズ１３を用いているが、光束を発散させる機能を有する光学素子であれば、同様に用いることができる。例えば、光学面が球面からなる発散レンズ（凹レンズ）の他、非球面、シリンダ面、トロイダル面などを有する光学素子を用いてもよい。また、アキシコンと呼ばれる円錐プリズム面を有する光学素子を用いることもできる。中でも、低コストで投影装置を構成できるという観点からは、光学面が球面からなる発散レンズ（凹レンズ）を用いることが好ましい。
【００７０】
更に、本実施形態の変形例として、投影可変絞り４０の開口径を大きくした場合に、光束を収束させる光学素子が照明光学系に挿入された状態となり、開口径を小さくした場合に、当該光学素子を退避させて投影可変絞りの開口を通過する光量を増加させる構成としてもよい。このような構成とすることにより、上述の凹レンズ１３を用いる場合と同様に、高いコントラストを得るために投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合の明るさの低下を、簡易な構成で効果的に抑制することができる。
【００７１】
光束を収束させる光学素子に特に制限はなく、種々の形状の光学素子を適宜選択して用いることができる。中でも、低コストで投影装置を構成できるという観点からは、光学面が球面からなる集光レンズ（凸レンズ）を用いることが好ましい。
【００７２】
次に、図５を用いて、投影可変絞り４０の位置（投影瞳面）における光量分布の変化について説明する。図５は、投影可変絞り４０の位置における光量分布の変化を概念的に示すグラフである。横軸は光軸からの距離、縦軸は光量である。凹レンズ１３を退避させた状態の光量を破線で示し、凹レンズ１３を挿入した状態の光量を実線で示している。なお、このグラフは、光軸に垂直な断面の面積が、光軸からの距離によって異なることを予め考慮した上で、光量分布の変化を概念的に示したものである。
【００７３】
凹レンズ１３を退避させた状態の場合、投影可変絞り４０の開口を通過する光量は、投影可変絞り４０が開放のとき（開口径が大きい状態）は、図５の（２）＋（３）＋（４）＋（５）の領域に相当し、投影可変絞り４０の開口径が小さいときは、（２）＋（３）の領域に相当する。これに対して、凹レンズ１３を挿入すると、光軸に近い領域の光量が大きくなるように光量分布が変化し、投影可変絞り４０の開口を通過する光量は、投影可変絞り４０が開放のときは、図５の（１）＋（２）＋（４）の領域に相当し、投影可変絞り４０の開口径が小さいときは、（１）＋（２）の領域に相当する。
【００７４】
従って、投影可変絞り４０の開口径を大きくする場合には、凹レンズ１３を退避させておくことでより明るい投影像を得ることがでる。一方、高いコントラストを得るために可変投影可変絞り４０の開口径を小さくする場合には、凹レンズ１３を挿入して照明光学系を変化させることで、明るさの低下を最小限に抑えることができる。
【００７５】
図６は、投影光学系２０のＦ値と投影像の明るさとの関係の１例を示すグラフである。グラフの横軸は投影光学系２０のＦ値、縦軸はスクリーンに到達する光束である。凹レンズ１３を退避させた状態の関係を破線で示し、凹レンズ１３を挿入した状態の関係を実線で示している。
【００７６】
投影光学系２０のＦ値が大きくなるにつれて（投影可変絞り４０の開口径を小さくするにつれて）、投影像の明るさは暗く（光束が小さく）なっていく。このとき、Ｆ値が４．５より小さい場合には、凹レンズ１３を退避させた状態の方が投影像が明るく、Ｆ値が４．５以上の場合には、凹レンズ１３を挿入した状態の方が投影像が明るくなる。従って、絞り位置センサ３２で検出した投影可変絞り４０の開口径を基に、演算部３６にて、投影光学系２０のＦ値が所定の値（図６の例では、Ｆ４．５）より大きいか小さいかを判断し、その結果、Ｆ値が所定の値以上であれば凹レンズ１３を挿入し、Ｆ値が所定の値より小さければ凹レンズを退避させることで、何れの場合も、より明るい投影像を得ることができる。
【００７７】
（第２の実施形態）
次に、本発明の投影装置の第２の実施形態について、図７を参照しながら説明する。図７は、第２の実施形態の投影装置１０２の構成図である。上述の第１の実施形態の投影装置１０１との違いは、投影可変絞り４０の開口径によって凹レンズ１３の挿入、退避を行う代わりに、凹レンズ駆動機構３７によって凹レンズ１３（発散レンズ）を光軸方向に移動させることにより、照明光学系を変化させる点である。
【００７８】
本実施形態において、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に、開口径が小さい状態での投影可変絞り４０の開口を通過する光量が増加するように照明光学系を変化させる光学系変化手段は、移動素子である凹レンズ１３と、光学素子移動機構である演算部３６及び凹レンズ駆動機構３７と、で構成される。ここで、凹レンズ駆動機構３７は、モータ等のアクチュエータを有し、それによって凹レンズ１３を光軸方向に移動させるための機構である。
【００７９】
凹レンズ１３は、演算部３６からの指示によって動作する凹レンズ駆動機構３７に保持されている。絞り位置センサ３２で検出した投影可変絞り４０の開口径（投影光学系２０のＦ値）に応じ、絞ったときにより効率よく光束が通過するように、すなわち、Ｆ値が大きくなるにつれ、凹レンズ１３を光源（放電ランプ１１）に近づくように移動させる。
【００８０】
凹レンズ１３が、ロッドインテグレータ１５に近づくほど、ランプリフレクタ１２からの光線は、凹レンズ１３の軸上に近い側を通過する。凹レンズ１３は、光軸に近いほどその面の傾斜が緩やかになり、屈折作用は小さくなる。このため、ランプリフレクタ１２からの収束光の集光点近傍では、凹レンズ１３の屈折作用は非常に小さい。
【００８１】
一方、凹レンズ１３を光源側に近づけていくと、凹レンズ１３のより周辺部を光線が通過するようになる。このため、より凹レンズ１３の屈折作用を受けて、収束状態がより緩やかになる。
【００８２】
第１の実施形態の場合と同様に、ロッドインテグレータ１５に入射する光束の収束状態を緩やかにすることで、投影可変絞り４０の位置における光軸に垂直な面内において、光軸に近い領域の光量が大きくなるように光量分布を変化させることができる。従って、集光光学系に凹レンズ１３を配置し、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に、凹レンズ１３を光軸に沿って光源方向に移動させることにより、投影可変絞り４０の開口を通過する光量が、移動前よりも増加し、より明るい投影像を得ることができる。更に、本実施形態においては、投影可変絞り４０の開口径に応じて連続的に光量を調整することができるため、絞り開口の変化による明るさの低下が少なく、よりコントラストの高い投影像を得ることができる。
【００８３】
本実施形態においては、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に、投影可変絞りの開口を通過する光量が増加するよう、集光光学系に配置した凹レンズ１３（発散レンズ）を光軸に沿って光源方向に移動させる構成を例に挙げて説明した。同様にして、集光光学系に凸レンズ（集光レンズ）を配置し、開口径を小さくした場合に、凸レンズを光軸に沿ってロッドインテグレータ方向（光源と反対の方向）に移動させて、投影可変絞りの開口を通過する光量を増加させる構成としてもよい。
【００８４】
なお、本実施形態においても、発散レンズ、集光レンズとして用いる光学素子の形状に特に制限はなく、第１の実施形態の場合と同様に、種々の光学素子を用いることができる。
【００８５】
（第３の実施形態）
次に、本発明の投影装置の第３の実施形態について、図８を参照しながら説明する。図８は、第３の実施形態の投影装置１０３の構成図である。上述の第１の実施形態の投影装置１０１との違いは、投影可変絞り４０の開口径によって凹レンズ１３の挿入、退避を行う代わりに、照明リレー光学系１８を構成する光学素子の一部を光軸方向に移動させることにより、照明光学系を変化させる点である。
【００８６】
本実施形態において、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に照明光学系を変化させる光学系変化手段は、移動素子である凸レンズ１６ｂと、光学素子移動機構である演算部３６及びリレーレンズ駆動機構３８と、で構成される。リレーレンズ駆動機構３８は、モータ等のアクチュエータを有し、それによって凸レンズ１６ｂを光軸方向に移動させるための機構である。
【００８７】
照明リレー光学系１８を構成する光学素子の一部である凸レンズ１６ｂは、演算部３６からの指示によって動作するリレーレンズ駆動機構３８に保持されている。絞り位置センサ３２で検出した投影可変絞り４０の開口径（投影光学系２０のＦ値）に応じ、Ｆ値が大きくなるにつれ、凸レンズ１６ｂをロッドインテグレータ１５の出射面に近づくように移動させる。
【００８８】
照明リレー光学系１８は、ロッドインテグレータ１５の出射面をＤＭＤ２４の表示面に結像させている。照明リレー光学系１８を構成する凸レンズ１６ｂをロッドインテグレータ１５の出射面から遠ざければ、ＤＭＤ２４の表示面におけるロッドインテグレータ１５の出射面の像は小さくなり、凸レンズ１６ｂをロッドインテグレータ１５の出射面に近づければ、ＤＭＤ２４の表示面におけるロッドインテグレータ１５の出射面の像は大きくなる。
【００８９】
ロッドインテグレータ１５の出射面側のＮ．Ａ．をｕ、ロッドインテグレータ１５の出射面の像側のＮ．Ａ．をｕ’、像倍率をβとすると、ｕ＝β×ｕ’の関係が成り立つ。このため、ＤＭＤ２４の表示面におけるロッドインテグレータ１５の出射面の像が大きくなるにつれ、その像のＮ．Ａ．は小さくなり、ＤＭＤ２４で反射された後、投影光学系２０の瞳面（投影可変絞り４０の位置）を通過する際、より光軸に近い位置を通過することになる。
【００９０】
このように、照明リレー光学系１８を構成する凸レンズを、光軸に沿ってロッドインテグレータ１５の出射面側に移動させることにより、投影可変絞り４０の位置において、光軸に近い領域の光量が大きくなるように光量分布が変化する。従って、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に、開口径が小さい状態での投影可変絞り４０の開口を通過する光量が、移動前よりも増加し、より明るい投影像を得ることができる。
【００９１】
また、本実施形態においては、ロッドインテグレータ１５の手前に、集光光学系を変化させるためのレンズを配置する必要が無いため、レンズの界面による光量損失を防止することができる。更に、第２の実施形態の場合と同様に、投影可変絞り４０の開口径に応じて連続的に光量を調整することができるため、絞り開口の変化による明るさの低下が少なく、よりコントラストの高い投影像を得ることができる。
【００９２】
移動させるレンズは、照明リレー光学系１８を構成するレンズであれば特に制限はない。但し、小さい移動距離で高い効果を得るためには、照明リレー光学系１８を構成するレンズのうち、結像作用の大きいレンズ、即ち光軸方向に移動させた場合の倍率変化の大きいレンズを移動させることが好ましい。更に、光軸方向に移動させた場合の倍率変化の最も大きいレンズを移動させることが、より好ましい。
【００９３】
（第４の実施形態）
次に、本発明の投影装置の第４の実施形態について、図９を参照しながら説明する。図９は、第４の実施形態の投影装置１０４の構成図である。上述の第１の実施形態の投影装置１０１との違いは、投影可変絞り４０の開口径によって凹レンズ１３の挿入、退避を行う代わりに、ストレート状のロッドインテグレータ１５ａと入射側がより狭くなっているテーパー状のロッドインテグレータ１５ｂとを切り換えることにより、照明光学系を変化させる点である。
【００９４】
本実施形態において、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に照明光学系を変化させる光学系変化手段は、ロッドインテグレータ１５ａ及び１５ｂと、演算部３６と、ロッド切り替え機構３９と、で構成される。ロッド切り替え機構３９は、モータ等のアクチュエータを有し、それによってロッドインテグレータ１５ａと１５ｂとを切り替えるための機構である。
【００９５】
ストレート状のロッドインテグレータ１５ａは、出射面の面積と入射面の面積とがほぼ等しい。これに対し、テーパー状のロッドインテグレータ１５ｂは、出射面の面積よりも入射面の面積の方が小さくなっている。２つのロッドインテグレータは、いずれもロッド切り替え機構３９に保持され、演算部３６からの指示によって切り替えられる。投影可変絞り４０の開口径が大きい場合は、ストレート状のロッドインテグレータ１５ａを用いるが、投影可変絞り４０の開口径を小さくする場合には、絞ったときにより効率よく光束が通過するように、入射側がより狭くなっているテーパー状のロッドインテグレータ１５ｂに切り換える。
【００９６】
テーパー状のロッドインテグレータ１５ｂのように、内面の反射面が出射側ほど広くなる傾斜した面の場合、反射した光線は、その角度が緩く、すなわち、光軸とのなす角が小さくなる。よって、テーパー状のロッドインテグレータ１５ｂの内面で反射された光線は、投影レンズ瞳面（投影可変絞り４０の位置）での光線の通過位置は、より軸上に近づくことになる。
【００９７】
一方、ストレート状のロッドインテグレータ１５ａでは、内面で反射しても光軸となす角度は変化しない。よって、ストレート状のロッドインテグレータ１５ａから、入射側がより狭くなっているテーパー状のロッドインテグレータ１５ｂに切り換えることにより、投影レンズ瞳面における少なくとも一部の光線の通過位置をより軸上に近づけることができる。従って、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に、開口径が小さい状態での投影可変絞り４０の開口を通過する光量が、ロッドインテグレータを切り替える前よりも増加し、より明るい投影像を得ることができる。
【００９８】
また、本実施形態においては、ロッドインテグレータの手前に、集光光学系を変化させるためのレンズを配置する必要が無いため、レンズの界面による光量損失を防止することができる。
【００９９】
（第５の実施形態）
次に、本発明の投影装置の第５の実施形態について、図１０を参照しながら説明する。図１０は、第５の実施形態の投影装置１０５の構成図である。上述の第４の実施形態の投影装置１０４との違いは、ストレート状のロッドインテグレータ１５ａとテーパー状のロッドインテグレータ１５ｂとを切り換える代わりに、ロッドインテグレータの反射面の傾斜角を変更可能な構成にし、投影光学系２０のＦ値に応じて傾斜角を変化させることにより、照明光学系を変化させる点である。
【０１００】
本実施形態において、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に照明光学系を変化させる光学系変化手段は、ロッドインテグレータ１５ｃと、演算部３６と、ロッド反射面傾斜機構２５と、で構成される。ロッド反射面傾斜機構２５は、ロッドインテグレータ１５ｃの反射面の傾斜角を変化させるための機構であり、例えば、次のような構成とすることができる。
【０１０１】
ロッド反射面傾斜機構２５はモータを備え、該モータの回転軸に、投影装置１０５のロッドインテグレータ１５ｃの、対向する２つの反射面の入射側を係合している。当該２つの反射面の出射側は回動可能に保持されている。ロッド反射面傾斜機構２５のモータの回転軸には、先端側に右ネジ、根元側に左ネジが切られており、２つの反射面の一方が右ネジに、他方が左ネジに係合している。そうして、演算部３６からの指示によってロッド反射面傾斜機構２５のモータが回転することにより、２つの反射面の係合部が、互いに近づいたり遠ざかったりして、反射面の傾斜角が変化する構造になっている。
【０１０２】
ロッド反射面傾斜機構２５によって、２つの反射面の係合部が近づくほど、出射面の面積に対する入射面の面積の比が、より小さいロッドインテグレータとなり、ロッドインテグレータ１５ｃ内で反射された光線は、より、光軸とのなす角が小さくなる。このように、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に、ロッドインテグレータ１５ｃの出射面の面積に対する入射面の面積の比がより小さくなるよう、ロッドインテグレータの反射面の傾斜を変化させることにより、投影レンズ瞳面における少なくとも一部の光線の通過位置をより軸上に近づけることができる。従って、投影可変絞り４０の開口径を小さくした場合に、開口径が小さい状態での投影可変絞り４０の開口を通過する光量が、傾斜を変化させる前よりも増加し、より明るい投影像を得ることができる。
【０１０３】
また、第４の実施形態の場合と同様に、ロッドインテグレータの手前に、集光光学系を変化させるためのレンズを配置する必要が無いため、レンズの界面による光量損失を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】第１の実施形態の投影装置１０１の構成図（凹レンズ１３を退避させた状態）である。
【図２】第１の実施形態の投影装置１０１の構成図（凹レンズ１３を挿入した状態）である。
【図３】可変絞りの基本構成を示す図（上面図、正面図）である。
【図４】可変絞りの分解構成図である。
【図５】投影可変絞りの位置における光量分布の変化を示すグラフである。
【図６】投影光学系のＦ値と投影像の明るさとの関係の１例を示すグラフである。
【図７】第２の実施形態の投影装置１０２の構成図である。
【図８】第３の実施形態の投影装置１０３の構成図である。
【図９】第４の実施形態の投影装置１０４の構成図である。
【図１０】第５の実施形態の投影装置１０５の構成図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１１ 放電ランプ
１２ ランプリフレクタ
１３ 凹レンズ
１４ カラーホイール
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ ロッドインテグレータ
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ レンズ
１７ 照明可変絞り
１８ 照明リレー光学系
２０ 投影光学系
２１ 第１プリズム
２２ 第２プリズム
２３ プリズムユニット
２４ ＤＭＤ
２５ ロッド反射面傾斜機構
３１ 凹レンズ切り替え機構
３２ 絞り位置センサ
３３ 絞り駆動モータ
３６ 演算部
３７ 凹レンズ駆動機構
３８ リレーレンズ駆動機構
３９ ロッド切り替え機構
４０ 投影可変絞り
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５ 投影装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光を変調する画像表示素子と、該画像表示素子に照明光を照射するための照明光学系と、該画像表示素子による変調光を被投影面に投影するための投影光学系と、を備えた投影装置において、
前記照明光学系は、光源と、光源から出射した光を集光する集光光学系と、該集光光学系によって集光されて入射面から入射した光を面内光量分布の均一性を高めて出射面から出射するロッドインテグレータと、該ロッドインテグレータの出射面から出射した光を画像表示素子に導くための照明リレー光学系と、を有し、
前記投影光学系は、開口径を調整できる投影可変絞りを有し、
前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、開口径が小さい状態での該投影可変絞りの開口を通過する光量が増加するように該照明光学系を変化させる光学系変化手段を有することを特徴とする投影装置。
【請求項２】
前記光学系変化手段は、前記投影可変絞りの位置における光軸に垂直な面内において、光軸に近い領域の光量が大きくなるように光量分布を変化させる手段であることを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項３】
前記光学系変化手段は、光束を発散させる光学素子と、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、該光学素子を前記集光光学系に挿入する機構と、で構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の投影装置。
【請求項４】
前記光束を発散させる光学素子は、発散レンズであることを特徴とする請求項３に記載の投影装置。
【請求項５】
前記集光光学系は光束を集束させる光学素子を有し、
前記光学系変化手段は、前記光束を集束させる光学素子と、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、該光学素子を前記集光光学系から退避させる機構と、で構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の投影装置。
【請求項６】
前記光束を集束させる光学素子は、集光レンズであることを特徴とする請求項５に記載の投影装置。
【請求項７】
前記光学系変化手段は、前記照明光学系を構成する光学素子の一部からなる移動素子と、該移動素子を移動させる光学素子移動機構と、で構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の投影装置。
【請求項８】
前記集光光学系は発散レンズを有し、
前記移動素子は前記発散レンズであり、
前記光学素子移動機構は、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、前記発散レンズを光軸に沿って前記光源の方向に移動させる機構であることを特徴とする請求項７に記載の投影装置。
【請求項９】
前記集光光学系は集光レンズを有し、
前記移動素子は前記集光レンズであり、
前記光学素子移動機構は、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、前記集光レンズを光軸に沿って前記ロッドインテグレータの方向に移動させる機構であることを特徴とする請求項７に記載の投影装置。
【請求項１０】
前記移動素子は、前記照明リレー光学系を構成する光学素子の一部であり、
前記光学素子移動機構は、前記照明リレー光学系を構成する光学素子の一部を光軸方向に移動する機構であることを特徴とする請求項７に記載の投影装置。
【請求項１１】
前記光学系変化手段は、前記ロッドインテグレータと、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、前記ロッドインテグレータの出射面の面積に対する入射面の面積の比を小さくする機構と、で構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の投影装置。
【請求項１２】
前記照明光学系は、前記投影可変絞りの絞り状態に応じて、該照明光学系の絞り値を変化させるための照明可変絞りを有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の投影装置。
【請求項１３】
前記画像表示素子は、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１〜１２のいずれか１項に記載の投影装置。
【請求項１４】
前記光源は、放電ランプであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の投影装置。
【請求項１】
照明光を変調する画像表示素子と、該画像表示素子に照明光を照射するための照明光学系と、該画像表示素子による変調光を被投影面に投影するための投影光学系と、を備えた投影装置において、
前記照明光学系は、光源と、光源から出射した光を集光する集光光学系と、該集光光学系によって集光されて入射面から入射した光を面内光量分布の均一性を高めて出射面から出射するロッドインテグレータと、該ロッドインテグレータの出射面から出射した光を画像表示素子に導くための照明リレー光学系と、を有し、
前記投影光学系は、開口径を調整できる投影可変絞りを有し、
前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、開口径が小さい状態での該投影可変絞りの開口を通過する光量が増加するように該照明光学系を変化させる光学系変化手段を有することを特徴とする投影装置。
【請求項２】
前記光学系変化手段は、前記投影可変絞りの位置における光軸に垂直な面内において、光軸に近い領域の光量が大きくなるように光量分布を変化させる手段であることを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
【請求項３】
前記光学系変化手段は、光束を発散させる光学素子と、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、該光学素子を前記集光光学系に挿入する機構と、で構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の投影装置。
【請求項４】
前記光束を発散させる光学素子は、発散レンズであることを特徴とする請求項３に記載の投影装置。
【請求項５】
前記集光光学系は光束を集束させる光学素子を有し、
前記光学系変化手段は、前記光束を集束させる光学素子と、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、該光学素子を前記集光光学系から退避させる機構と、で構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の投影装置。
【請求項６】
前記光束を集束させる光学素子は、集光レンズであることを特徴とする請求項５に記載の投影装置。
【請求項７】
前記光学系変化手段は、前記照明光学系を構成する光学素子の一部からなる移動素子と、該移動素子を移動させる光学素子移動機構と、で構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の投影装置。
【請求項８】
前記集光光学系は発散レンズを有し、
前記移動素子は前記発散レンズであり、
前記光学素子移動機構は、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、前記発散レンズを光軸に沿って前記光源の方向に移動させる機構であることを特徴とする請求項７に記載の投影装置。
【請求項９】
前記集光光学系は集光レンズを有し、
前記移動素子は前記集光レンズであり、
前記光学素子移動機構は、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、前記集光レンズを光軸に沿って前記ロッドインテグレータの方向に移動させる機構であることを特徴とする請求項７に記載の投影装置。
【請求項１０】
前記移動素子は、前記照明リレー光学系を構成する光学素子の一部であり、
前記光学素子移動機構は、前記照明リレー光学系を構成する光学素子の一部を光軸方向に移動する機構であることを特徴とする請求項７に記載の投影装置。
【請求項１１】
前記光学系変化手段は、前記ロッドインテグレータと、前記投影可変絞りの開口径を小さくした場合に、前記ロッドインテグレータの出射面の面積に対する入射面の面積の比を小さくする機構と、で構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の投影装置。
【請求項１２】
前記照明光学系は、前記投影可変絞りの絞り状態に応じて、該照明光学系の絞り値を変化させるための照明可変絞りを有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の投影装置。
【請求項１３】
前記画像表示素子は、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１〜１２のいずれか１項に記載の投影装置。
【請求項１４】
前記光源は、放電ランプであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の投影装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−１５７１６３（Ｐ２００９−１５７１６３Ａ）
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３６１８４（Ｐ２００７−３３６１８４）
【出願日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタオプト株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２７日（２００７．１２．２７）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタオプト株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
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