画像表示装置
【課題】照度の低下を防止し、照度むらの低減を図ることができる画像投射装置を得る。
【解決手段】リフレクタ１１を有する光源、照明均一化素子４、リレーレンズ５，６、第１、第２折り返しミラー７，８を有してなる照明光学系と、配列された各ミラー画素を傾けて画像を形成し照明光学系によって照明光が照射される反射型空間光変調素子１０と、反射型空間光変調素子１０で反射される光を画像投射面に投射する投射光学系２０と、を有する。第２折り返しミラー８は、投射光学系２０の鏡筒部分と第２折り返しミラー８との機械的な重なり合いを避けるための切り欠き８１を有し、リフレクタ１１を有する光源ユニット１は、反射型空間光変調素子１０の照明領域において切り欠き８１に対応する部分の照度分布調整を行うための位置調整部材を有する。
【解決手段】リフレクタ１１を有する光源、照明均一化素子４、リレーレンズ５，６、第１、第２折り返しミラー７，８を有してなる照明光学系と、配列された各ミラー画素を傾けて画像を形成し照明光学系によって照明光が照射される反射型空間光変調素子１０と、反射型空間光変調素子１０で反射される光を画像投射面に投射する投射光学系２０と、を有する。第２折り返しミラー８は、投射光学系２０の鏡筒部分と第２折り返しミラー８との機械的な重なり合いを避けるための切り欠き８１を有し、リフレクタ１１を有する光源ユニット１は、反射型空間光変調素子１０の照明領域において切り欠き８１に対応する部分の照度分布調整を行うための位置調整部材を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像をスクリーンに投射して表示する画像表示装置に関するもので、一般的にはプロジェクタと称されているものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的にプロジェクタと称されている画像表示装置は、画像表示素子の違いによって、ＣＲＴプロジェクタ、液晶プロジェクタ、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）プロジェクタなどがある。上記ＤＭＤは、反射型空間光変調素子の一種で、２次元的に配置された無数の微小ミラーを有し、個々の微小ミラーの傾斜角度を変化させて反射光をオン・オフする反射型画像表示素子である。上記ＤＭＤは、各画素の傾斜角度の変化によってオン・オフすることによって画像を形成する。ＤＭＤの画素でオンされた光は、投射光学系を経てスクリーン面に導かれ、ＤＭＤで形成されている画像が上記投射光学系で拡大されてスクリーン面に投影される。
【０００３】
本発明に係る画像表示装置は、画像表示素子として上記ＤＭＤのような反射型画像表示素子を備えている。反射型画像表示素子を備えた画像表示装置であって本発明に係る画像表示装置の構成に関連のある公知の技術として、以下に述べるような特許文献１および特許文献２に記載されている技術がある。
【０００４】
特許文献１には、その図２において、ＤＭＤを一枚用いる単板式プロジェクタに関する技術が開示されている。このプロジェクタの照明系において、照明光をＤＭＤの反射面に収束させかつ光路を折り返すために、ミラーが複数枚用いられている。これらのミラーのうち投射レンズに最も近いミラーは、投射光学系を構成する投射レンズの一部と機械的に重ならないように、投射レンズの形状に応じて一部分が切り欠かれる場合がある。この切り欠きによって照明光が部分的に失われるため、ＤＭＤ上の照度分布において、照度が部分的に低下する（特許文献１、図１０の左下部参照）。さらに、スクリーン上でも照度は低下する（特許文献１、図１１の右下部参照）。このような照度むらが生じると、画像品質が劣化する。なぜなら、表示すべく入力した画像データの明るさのレベルが全画面において均一であるとしても、上記のような照度むらがあると、スクリーンの中央は明るく、画像の右下では暗く見え、均一な明るさの画像とは認識されないことがあるからである。特許文献１には、照度むらに関しては述べられておらず、また、照度むらを解消するための対策などについても開示されていない。
【０００５】
特許文献２には、ランプ光源、コンデンサレンズ、第１折り返しミラー、第２折り返しミラー、ＤＭＤ、投射レンズを有してなるプロジェクタに関する技術が開示されている。このような特許文献２記載のプロジェクタは、画像表示素子としてＤＭＤを用いたプロジェクタの構成として一般的に広く知られているもので、特許文献２には、後述の本願発明の特徴的な構成である光源とそれに付随するリフクレタの位置調整手段に関しては記載がない。
【０００６】
このように、特許文献１および特許文献２には、光源とそれに付随するリフクレタの位置調整手段を設けるという発想がない。そのため、折り返しミラーが切り欠きを有することを要因とする形成画像の照度低下および照度むらを解消することができず、形成される画像品質が劣化する難点がある。
【０００７】
ところで、近年の画像投射装置に対するユーザーからの要望の一つとして、主として可搬性を高める目的で、画像投射装置の小型化が挙げられる。小型化可能な光源の例として、発光ダイオード（ＬＥＤ）、あるいはレーザダイオード（ＬＤ）が考えられるが、これらの光源は明るさが不足しているため、画像投射装置の光源としては、超高圧水銀ランプ等の明るい白色光源が現在も主流になっている。上記超高圧水銀ランプ等は上記ＬＥＤやＬＤと比較して大型になるため、ランプ光源を使用した上で小型化を図ることが課題となる。
【０００８】
画像投射装置の小型化を図る上で、照明系に含まれる光学部品を小型化することは有効である。これはまたコスト低減にもつながる。しかしながら、光学部品を小型化することは、所望の光学特性を得ることと相反することになる場合が往々にしてある。照明系には、照明均一化手段として、例えばライトトンネルが用いられることが多い。ライトトンネルは、４枚の板状のミラーを、ミラー面がお互いに内側になり、かつ、横断面形状が矩形になるように、耐熱性に優れた接着剤などを用いて貼り合わせたもので、外観は柱状である。ライトトンネルの一端から照明光を入射させると、照明光は入射角に対応してライトトンネル内で複数回反射され、ライトトンネルの他端からほぼ均等な照度分布を持った照明光が出射される。
【０００９】
上記ライトトンネルに関しても、小型化と所望の光学特性を得ることとを両立させることが望まれる。ライトトンネルは、長ければ長いほど照明を良好に均一化することができ、照度むらの少ない高品質の画像の形成が可能となる。しかし、ライトトンネルが長くなる分、照明系は大きくなる。照明系を小型化するために、ライトトンネルを短くすると、ライトトンネル内での反射回数が少なくなるため照明光の均一化が不充分になる。ライトトンネルをさらに短くすると、ライトトンネル内で全く反射せず、出射する光の割合が増えるが、ＤＭＤ上の中心付近にピークのある不均一な照度分布になる。ライトトンネルの全長が長く、反射回数が多い場合は、照明光が暗くなる。これは、反射面での反射率をＲとして、反射回数をｎとすると、Ｒｎとなるからである。従って、ライトトンネルの長さと照明の均一性、さらにはトータルの反射率との兼ね合いでライトトンネルの長さを設定することになる。
【００１０】
後で詳細に説明する本発明においては、投射レンズの最も近傍にある第２折り返しミラーには切り欠きがあるため、何らかの照度低下防止手段および照度むら低減手段を施さないとすれば、ＤＭＤおよびスクリーン上に形成される画像の上記切欠きに対応する位置で、照度が低下する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、リフレクタを有する白色光源、照明均一化素子、折り返しミラー、反射型空間光変調素子を有し、上記折り返しミラーが切り欠きを有することによって生じる画像投射装置の問題点を解消し、照度の低下を防止し、照度むらの低減を図ることができる画像投射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、リフレクタを有する光源、照明均一化素子、リレーレンズ、第１折り返しミラーおよび第２折り返しミラーを有してなる照明光学系と、配列された各ミラー画素を傾けて画像を形成し前記照明光学系によって照明光が照射される反射型空間光変調素子と、前記反射型空間光変調素子で反射される光を画像投射面に投射する投射光学系と、を有する画像投射装置であって、前記第２折り返しミラーは、前記投射光学系の鏡筒部分と第２折り返しミラーとの機械的な重なり合いを避けるための切り欠きを有し、前記リフレクタを有する光源ユニットは、前記反射型空間光変調素子の照明領域において前記切り欠きに対応する部分の照度分布調整を行うための位置調整部材を有することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
リフレクタを有する光源が位置調整部材によって位置調整されて、照明領域内の照度分布調整が行われることにより、第２折り返しミラーの切り欠きに対応する部分の照度低下を低減し、投射される画像全体の照度むらを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る画像投射装置の実施例を示す斜視図である。
【図２】上記実施例における光源ユニットの周辺および照明光学系を模式的に示す平面図である。
【図３】上記光源ユニットの周辺および照明光学系が照度分布調整のために動かされた態様を模式的に示す平面図である。
【図４】照度分布調整のために上記光源ユニットの周辺および照明光学系の移動機構の別の例を示す平面図である。
【図５】照度分布調整のための移動機構の別の例を示す正面図である。
【図６】照度分布調整のための移動機構のさらに別の例を示す正面図である。
【図７】上記移動機構の動作態様を示す正面図である。
【図８】本発明に適用可能な照明均一化素子の設置構造例を示す側面図である。
【図９】本発明に係る画像投射装置の実施例の概要を示す光学配置図である。
【図１０】照度分布調整のための移動機構のさらに別の例を示す平面図である。
【図１１】上記移動機構の動作態様を示す正面図である。
【図１２】照度分布調整のための移動機構のさらに別の例を示す平面図である。
【図１３】本発明に係る画像投射装置の実施例の概要を示す正面図である。
【図１４】本発明の実施例中の第２折り返しミラーの正面図である。
【図１５】光源ユニットと照明均一化素子との寸法関係および照明均一化素子の縦横比の関係を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施例中の空間光変調素子について、長さ方向、幅方向、対角方向の照度分布の例を示すグラフである。
【図１７】照明均一化素子の長さによって照度分布が変わることを説明するための模式図およびグラフである。
【図１８】本発明の実施例中の照明均一化素子の外観例を示す斜視図である。
【図１９】本発明の実施例中の照明均一化素子の別の例を示す斜視図である。
【図２０】照明均一化素子の取り付け構造の例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。
【図２１】本発明の実施例中の空間光変調素子の例を示すもので、（ａ）は空間光変調素子全体の平面図、（ｂ）は空間光変調素子の一部の平面図、（ｃ）は微小ミラーの平面図、（ｄ）は空間光変調素子の一部の側面図、（ｅ）は微小ミラーがオンの場合とオフの場合の反射光路の違いを示す側面図である。
【図２２】本発明の実施例中の光源ユニットを示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図２３】本発明の実施例中の回転カラーフィルタを示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図２４】本発明の実施例における光源ユニットと空間光変調素子に対する防爆ガラスと回転カラーフィルタの配置例を示す平面図である。
【図２５】本発明の実施例における照明均一化素子と第１、第２リレーレンズの位置関係を示す平面図である。
【図２６】空間光変調素子上の照度分布につきシミュレーション実験を行った結果を示す照度分布図である。
【図２７】光源ユニットを一方向にシフトした場合の空間光変調素子上の照度分布図である。
【図２８】光源ユニットを逆向きにシフトした場合の空間光変調素子上の照度分布図である。
【図２９】光源ユニットを一方向の軸を中心に回転した場合の空間光変調素子上の照度分布図である。
【図３０】光源ユニットを一方向の軸を中心に逆向きに回転した場合の空間光変調素子上の照度分布図である。
【図３１】空間光変調素子上の位置を定義するための照度分布図である。
【図３２】空間光変調素子の対角方向に等間隔で照度をプロットして示すグラフである。
【図３３】照度分布調整のための移動機構のさらに別の例を示す正面図である。
【図３４】画像投射装置とスクリーンと人との位置関係を示すもので、（ａ）は超至近距離投射な画像投射装置の例を、（ｂ）は伝統的な画像投射装置の例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る画像投射装置の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例】
【００１６】
図１において、符号１は光源ユニットを示しており、光源ユニット１は、図９、図１５などに示す光源１２と、光源１２のほぼ半分を囲むリフレクタ１１を有してなる。光源１２は白色光源である。光源ユニット１の前方すなわち光源ユニットから出射される照明光の進路上には、防爆ガラス２、回転カラーフィルタ３、照明均一化素子であるライトトンネル４、第１リレーレンズ５、第２リレーレンズ６、第１折り返しミラー７、第２折り返しミラー８、カバーガラス１１０、反射型空間光変調素子であるＤＭＤ７、投射光学系２０、防塵ガラス２７がこの順に配置されている。光源ユニット１から第２折り返しミラー８までが、ＤＭＤ７の微小ミラー面を照明する照明光学系を構成している。
【００１７】
投射光学系２０は、光束の進行方向に、レンズを用いた屈折系の投射レンズ２１、折り返しミラーである平面ミラー２５および自由曲面ミラー２６がこの順に配置されることによって構成されている。投射光学系２０は、ＤＭＤ７の微小ミラーからの反射光を図９に示すスクリーン７０に投射して、ＤＭＤ７で形成される画像をスクリーン７０に拡大表示する。
【００１８】
上記第１折り返しミラー７はシリンダーミラーすなわち円筒形の反射面を持つである。第２折り返しミラー８は球面であり、図１４に示すように、一隅部に切り欠き８１を有している。第１、第２折り返しミラー７，８はいずれも凹面に反射面が形成されている。本実施例では、光源ユニット１から照明光が水平方向に出射され、ライトトンネル４、第１、第２リレーレンズ５、６を水平方向に透過し、ＤＭＤ７の上方を通過した照明光が第１折り返しミラー７によって斜め上方に反射されるように、第１折り返しミラー７が斜め上方に向けて設置されている。第１折り返しミラー７で反射された照明光は第２折り返しミラー８によってＤＭＤ７に向けて反射されるように、第２折り返しミラー８は斜め下に向けて設置されている。ＤＭＤ７は、前述のとおり画素に相当する無数の微小ミラーを有していて、微小ミラーが水平面上に並ぶように配置され、オンした微小ミラーによる反射光が垂直方向上方に向かうようになっている。この垂直方向上方への光束の通路から外れた位置に第２折り返しミラー８が配置されている。
【００１９】
上記のようにオンした微小ミラーにより反射されて垂直方向上方に向かう光の通路には前記投射レンズ２１が配置されている。後で具体的に説明するとおり、オフした微小ミラーによる反射光は投射レンズ２１の光路を外れ、投射光学系２０には入射しない。第２折り返しミラー８の一隅部は投射レンズ２１の鏡筒の下端部外周と機械的に重なり合う位置にあるため、この重なり合いを避けるために、上記第２折り返しミラー８の一隅部に前記切り欠き８１が形成されている。
【００２０】
前記防塵ガラス２７は、投射光学系２０、前記照明光学系およびＤＭＤ１０に、上方から埃や塵が侵入するのを防ぐために設けられている。さらに、ＤＭＤ１０の直近上方にＤＭＤ１０をほぼするためのカバーガラス１１０が配置されている。
【００２１】
前記自由曲面ミラー２６は、ＤＭＤ１０で空間変調された画像を、画像投射装置の至近距離にあるスクリーンに向かって斜め上方に投射し、スクリーン上に画像を形成するためのものである。本実施例の照明光学系において、ライトトンネル４の出射端とＤＭＤ１０の微小ミラー面は、第１、第２リレーレンズ５，６および第１、第２折り返しミラー７，８によって互いに共役な関係にある。
【００２２】
水平方向であって光源ユニット１から照明光が出射する方向をｚ方向、水平方向であってｚ方向に直交する方向をｘ方向、ｚ方向とｘ方向を含む面に直交する方向をｙ方向とする。ＤＭＤ１０の微小ミラー面はｚ方向とｘ方向を含む面に配列されており、光源ユニット１から放射されＤＭＤ１０の微小ミラー面で反射される光は、ｙ方向上方に向かって進行するようになっている。
【００２３】
図２、図３は、上記実施例における光源ユニット１を含む照明光学系を模式的に示している。図２、図３において、光源ユニット１、防爆ガラス２は光源ユニットケース１６内に組み込まれている。光源ユニットケース１６は、光源筐体１５内に配置されるとともに板ばね１７で、光源筐体１５の内壁面に突き当てられている。板バネ１７は２箇所に配置され、一つの板バネ１７は光源ユニットケース１６の一側面を光源筐体１５の一側壁内面に押し付け、他の一つの板バネ１７は光源ユニットケース１６を光源筐体１５の前方に向かって押し付けている。光源ユニットケース１６の一側前端と光源筐体１５の前壁内面との間には光源ユニット１の傾き調整部材として、スペーサの一種である楔１８が介在している。
【００２４】
光源筐体１５の外側における各光学素子は、カラーホイール３、ライトトンネル４、第１リレーレンズ５、第２リレーレンズ６、第１折り返しミラー７、第２折り返しミラー８、ＤＭＤ１０、投射光学系２０の順に配置されている。ライトトンネル４から投射光学系２０の一部を構成する投射レンズ２１の下部までは、樹脂などによって一体成形された光学系筐体４０内に配置されている。光源筐体１５と光学系筐体４０の間に回転カラーフィルタ３が配置されている。
【００２５】
図１３に示すように、上記光源筐体１５、光学系筐体４０および回転カラーフィルタ３は、樹脂などによって一体成形されたハウジング６０内に設置されている。光源筐体１５は、図示の例のように照明系の光学系筐体４０と別に設けることによって、発生した熱が光学系筐体４０側に伝達されることを軽減することができる。ただし、光源筐体１５と光学系筐体４０とを別に設けることが必須ではなく、光源筐体１５と光学系筐体４０が同じハウジング６０内に収まっていればよい。
【００２６】
図２、図３において、前記リフレクタ１１の縦断面形状は例えば楕円形であり、その回転軸Ｏ上に、例えば超高圧水銀ランプからなる白色の光源１２が配置されている。光源１２から放射される照明光は、リフレクタ１１の凹面からなる楕円形の反射面で反射されることにより、上記回転軸Ｏを中心とした照明光が回転軸Ｏに沿って出射される。
【００２７】
前述のように、第２折り返しミラー８の一隅部には、投射光学系２０を構成する投射レンズ２１の鏡筒部分と第２折り返しミラー８との機械的な重なり合いを避けるための切り欠き８１が形成されている。そのため、ＤＭＤ１０に照射される照明光の照度が上記切り欠き８１に対応する部分で低下し、照度むらが生じる。そこで、上記切欠き８１を有することによる照度の低下および照度むらを軽減するための光源ユニット１の位置調整部材が設けられている。前記楔１８は上記位置調整部材の一つである。
【００２８】
図２に示す態様では、二つの板ばね１７の弾力により、光源ユニットケース１６の一側面が光源筐体１５の一側壁内面に、光源ユニットケース１６の前面が光源筐体１５の前壁内面に押し付けられている。この態様では、前記楔１８が機能しておらず、光源ユニット１の照明光の中心軸が、第１、第２リレーレンズ５，６の光軸とほぼ一致している。
【００２９】
図３に示す態様は、光源ユニット１の傾き調整部材としての楔１８を、光源ユニットケース１６の一側前端と光源筐体１５の前壁内面との間にスライドさせながら挿入したときの態様である。楔１８の挿入によって光源ユニットケース１６が二つの板ばね１７の弾力に抗して傾き、光源ユニットケース１６とともに光源ユニット１が傾いて、照明光の中心軸であるリフクレタ１１の回転軸Ｏも傾く。このようにして容易に光源１２の傾きを調整することができる。
【００３０】
上記調整部材としてのスペーサは楔１８に限られるものではなく、図４、図５に示すように、平板状のスペーサからなる調整部材１８１であってもよい。平板状の調整部材１８１を、図４、図５に示す例のように、光源ユニットケース１６の一側前端と光源筐体１５の前壁内面との間に挿入すると、光源ユニットケース１６が二つの板ばね１７の弾力に抗して移動しながら傾く。光源ユニットケース１６とともに光源ユニット１が移動するとともに傾く。この光源ユニット１の移動量および傾き量は、調整部材１８１の厚さを変えることにより、あるいは調整部材１８１の重ね枚数を変えることによって調整することができる。図２乃至図５に示す例では、調整部材１８，１８１をスライドさせながら移動させる方向は、ｘ方向である。
【００３１】
図５において、光学系筐体４０は、軽量で強度のある金属、例えばマグネシウムなどを素材とし、鋳造法で作製される。この光学系筐体４０には、個々の光学素子を設置するための溝、孔乃至は開口が形成されている。具体的には、第１のリレーレンズ５を設置するための溝４５と第２のリレーレンズ６を設置するための溝４６が形成されている。前記ライトトンネル４は横断面形状が矩形であり、その一辺の長さおよび幅に合った段差４７が学系筐体４０に形成されている。また、学系筐体４０には、ＤＭＤ１０を設置するために矩形の開口４１と、投射レンズ２１の鏡筒を設置するための円形の開口４２が形成されている。
【００３２】
前記第１、第２の折り返しミラー７，８はミラーハウジング４８内に設置されている。ミラーハウジング４８は光学系筐体４０とは別部材になっていて、光学系筐体４０内に設置されている。ミラーハウジング４８は金属または樹脂で、あるいは金属と樹脂の複合体で作製される。図２乃至図１３に示す例では、投射光学系２０のうち投射レンズ２１のみが光学系筐体４０内に設置されているが、投射光学系２０を構成する前記平面ミラー２５、さらには自由曲面ミラー２６を含めて光学系筐体４０内に設置してもよい。光源ユニット１は防爆ガラス２を有している。
【００３３】
光源ユニット１と光学系筐体４０の間には回転カラーフィルタ３が配置されている。回転カラーフィルタ３の回転中心には駆動モータ３１の軸が結合され、モータ３１によって回転カラーフィルタ３が回転駆動されるようになっている。図２乃至図７に示すように、光源１２から放射され、リフレクタ１１で反射された照明光は、回転カラーフィルタ３を透過した後、ライトトンネル４の入射端で集光する。一般的には、ライトトンネル４の入射端面（ｘ方向とｙ方向を含む面内）の中央に集光するのが望ましい。ただし、本発明においては、ｘ方向、さらにはｙ方向にずらすことが好ましい場合がある。防爆ガラス２、カラーホイール３は、これらによって照明光が反射され、光源１２への戻り光を防ぐため、数度から１０°程度傾けて設置されている。
【００３４】
図２乃至図５に示す例では、光源ユニット１の傾き調整を、ｙ方向の軸を中心に回転させて行っているが、図６、図７に示すように、ｘ方向の軸を中心として回転させることにより調整を行うこともできる。図６、図７に示す例では、調整部材としての楔１８を、光源ユニットケース１６の前面上端と光源筐体１５の前壁前面との間に介在させている。楔１８の挿入量を調整することにより、光源ユニットケース１６内の光源ユニット１の傾き調整を行うことができる。
【００３５】
また、第２折り返しミラー８が一隅部に前記切り欠き８１を有することによって、ＤＭＤ１０の照明領域の上記切欠き８１に対応する部分の照度低下がないように、ライトトンネル４がその中心軸線の周りに回転（傾斜）した態様で設置されている。図８は、光源側からライトトンネル４を見た図である。ライトトンネル１を設置する前記段差４７が傾けて形成されていて、この段差４７にライトトンネル４が設置されることにより、ライトトンネル４が段差４７の傾き角度と同じ角度で傾いて設置されている。
【００３６】
図１０、図１１に示すように、光源の傾き調整部材は、ねじ５０であってもよい。ねじ５０は光源筐体１５の前壁に外側前面からねじ込まれ、ねじ５０の先端が上記前壁を貫いて、光源筐体１５の上端近くかつ一側端近くの前面に当接している。光源筐体１５の前壁に対するねじ５０のねじ込み量を調整することにより、光源筐体１５に対する光源ユニットケース１６およびこれと一体の光源ユニット１の、ｘ方向の軸を中心とした傾きを連続的に調整することができる。
【００３７】
なお、光源ユニット１、回転カラーフィルタ３、照明光学系を構成するライトトンネル４などが密接して配置されているため、ねじ５０を回すのに必要なスペースがない場合がある。そこで、図１２に示すように、ねじ５０の頭部と一体に、長いレバー５１を形成し、レバー５１を操作することによりねじ５０を回転するようにするとよい。図１０乃至図１２に示す例のように、光源の傾き調整部材がねじ５０で構成されていると、光源の傾き調整部材をねじの回転量によって連続的に調整することができかつ微調整が可能である。また、ねじ５０を一定の角度ごとに調整するようにしておけば、段階的な調整が可能になる。
【００３８】
ところで、画像投射装置を外観から分類すると、縦型と横型があり、それぞれに対応して光学素子が配置される。ここまで説明してきた実施例は縦型である。図９で代表されるように、画像投射装置のハウジング６０内に、防爆ガラス２を含む光源ユニット１、白色の照明光から少なくとも赤、緑、青の光を時分割で形成する回転カラーフィルタ３、照明均一化素子としてのライトトンネル４、第１、第２リレーレンズ５，６、第１、第２折り返しミラー７，８、空間光変調素子としてのＤＭＤ１０、投射レンズ２１、投射ミラー系２２が配置されている。投射ミラー系２２は、図１に示す平面ミラー２５と自由曲面ミラー２６で構成されている。図示していないが、冷却ファン、光源駆動部、ＤＭＤ駆動部、各種光学素子の保持部材等がハウジング６０内に配置されている。光源ユニット１から第２折り返しミラー８までを照明光学系と呼ぶ。また、投射レンズ１２から自由曲面ミラー１２までを合わせて投射光学系を構成している。図９では省略されているが、照明光学系の各素子は、前述のように、光源筐体１５および光学系筐体４０に設置されている。
【００３９】
光源１２から出射した白色の照明光はリフレクタ１１で集光されつつ前方に進む。白色の照明光のうち、紫外線（ＵＶ）及び赤外線（ＩＲ）は防爆ガラス２に設けられているＵＶカットフィルター、ＩＲカットフィルターによりカットされる。さらに、白色照明光は、回転カラーフィルタ３により、例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三色に、時分割される。これらの光は、ライトトンネル４内で多数回反射され、その空間的な強度分布が均一化される。リフレクタ１１の反射面は、例えば凹形の楕円体で表され、第１焦点に光源（発光部）１２を設置し、第２の焦点位置に、ライトトンネル４の入口（入射端）を設置する。従って、光源１２から出射した光はライトトンネル４の入射端において一旦集光される。
【００４０】
ライトトンネル４を出た光は第１リレーレンズ７、第２リレーレンズ８を経て、第１折り返しミラー７で折り返され、さらに第２折り返しミラー８で折り返され、ＤＭＤ１０に到達する。ライトトンネル４の出射端面とＤＭＤ１０の表示面とは、共役の関係が成立するように、第１、２のリレーレンズ５，６、第２折り返しミラー８のパワーが配分されている。第１、第２の折り返しミラー７，８によって照明光の光路が３次元的に折り返得されるようになっていて、これによりハウジング６０の小型化を図っている。また、図８について説明したように、ライトトンネル４が、光軸周りに回転し傾斜した姿勢で設置されているのも、照明光が第１、第２の折り返しミラー７，８により三次元的に折り返される構成になっていることによる。
【００４１】
ｘ、ｙ、ｚの直交座標系については前述のとおりである。図９の右下には、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を中心とした回転をそれぞれα、β、γとするものとして示している。これは他の図においても共通である。
【００４２】
図９において、ＤＭＤ１０の画像表示面は、ｚ軸とｘ軸を含む面に平行である。また、投射レンズ２１は、その光軸がｙ軸方向に沿うように設置されかつＤＭＤ１０の画像表示面に対して垂直になっている。画像が投射されるスクリーン７０は、ｙｚ面に平行である。従って、ＤＭＤ１０の画像表示面とスクリーン７０は直交している。投射レンズ２１の光軸とスクリーン７０は平行であり、スクリーン７０は床に垂直なｙ方向とｚ方向を含む面に平行である。また、画像投射装置を設置する部屋の床や机などの平坦な台の表面は、ｚ方向とｘ方向を含む面と平行である。このような関係にある本実施例に係る画像投射装置を縦型と呼ぶことにする。従来の横型の画像投射装置においては、投射レンズの光軸がｘ軸と平行で、これに垂直にスクリーンがある（例えば特許文献２参照）。本発明に係る技術思想は縦型に限定されるものではなく、横型の画像投射装置にも適用することができる。
【００４３】
第２折り返しミラー８を図１４に示す。第２折り返しミラー８は一隅部に切り欠き８１を有していて、切り欠き８１も含めて型枠を使った圧縮成形によって製作することができる。また、切削加工によって形成してもよい。
【００４４】
図１５に示すように、光源１２とリフレクタ１１を含む光源ユニット１から出射する照明光の最大角を２θとする。ライトトンネル４の断面は矩形であり、横断面における内面の短辺の長さをａ、長辺の長さをｂ、対角線の長さを２ｃ、光軸に沿ったライトトンネル４の長さ（全長）をＬとする。最大角の１／２でライトトンネル４に入射した光がライトトンネル４内で一回目に反射されるまでの光軸に沿った距離をｓとすると、ｓ＝ｃ＊ｔａｎθである。一例として、Ｌ＝２５ｍｍ、θ＝３０°、ａ＝３．４ｍｍ、ｂ＝５．７ｍｍである。またｃ＝３．３２ｍｍ、ｓ＝５．７５ｍｍである。さらにＬ／ｓは、最大入射角の照明光のライトトンネル内での反射回数を表し、４．３５回である。
【００４５】
照明光の角度θが３０°よりも小さいと、ライトトンネル内での反射回数は少なくなる。またＬが３０ｍｍ、２０ｍｍ、または１５ｍｍで、他は同じとすると、Ｌ／ｓはそれぞれ５．２２、３．４８、２．６１である。ライトトンネル４の反射面の１回の反射率が９８％（平均）とすると、これらの反射回数により、トータルの反射率は、Ｌ＝３０ｍｍで９０．０％、Ｌ＝２５ｍｍで９１．６％、Ｌ＝２０ｍｍで９３．２％、Ｌ＝１５ｍｍで９４．８％である。Ｌが大きいほど、反射回数は多くなり、トータルの反射率は低下し、Ｌが小さいほど、反射回数は少なくなり、トータルの反射率は向上する。光学素子の単品として、トータルの反射率で９０％以上が好ましい。また、照明光の均一化の観点から、反射回数が少なすぎるのは好ましくない。従って、
３．４８ｓ≦Ｌ≦５．２２ｓ
とするのが望ましい。
【００４６】
ＤＭＤ１０が大きな照度むらがなく適切に照明されている場合、ＤＭＤ１０上の照度分布はほぼ平坦になる。図１６はＤＭＤ１０上の照度分布を示す。図１６において、曲線（Ａ）はＤＭＤ１０の短辺方向の照度分布、曲線（Ｂ）はＤＭＤ１０の長辺方向の照度分布、曲線（Ｃ）はＤＭＤ１０の対角線方向の照度分布を示している。ＤＭＤ１０上の照度分布は、ライトトンネル４内での光の反射回数に依存する。反射回数が少なく、照明の均一化が不充分な場合、上部が平坦な曲線とはならず、中央が尖った不均一な分布となる。
【００４７】
第２折り返しミラー８の切り欠き８１を要因とするＤＭＤ４上の照度低下を、光源ユニット１の位置調整により向上・回復させることができる。その理由を、図１７を参照しながら説明する。図１７（ａ）から（ｃ）は、光源ユニット１とライトトンネル４の位置関係を描いたものである。（ａ）はライトトンネル４が充分に長い場合でありかつ第２折り返しミラー８の切り欠き８１の影響が無い場合を示しており、ＤＭＤ１０上の照度分布（対角）はグラフ（ｉ）に示すように均一になる。しかし、上記切り欠き８１の影響がある場合、照度分布はグラフ（ｉｉ）のように、片側の照度が落ちる。
【００４８】
図１７（ｂ）はライトトンネル４が短い場合を示している。ライトトンネル４が短い場合、光源ユニット１から出射された照明光は、ライトトンネル４内で反射されることなく出射される照明光の割合が増え、ＤＭＤ１０上の照度分布曲線において中央にピークが生じる。さらに第２折り返しミラー８の切り欠き８１の影響により照度分布曲線の片側が低下する。この場合のグラフを（ｉｉｉ）に示す。この場合に、図２乃至図７に示すような光源ユニット１の調整部材により照明光の中心軸を傾けると、ＤＭＤ１０上の照度分布曲線の中央にあったピークが移動する。そこで、第２折り返しミラー８の切り欠き８１により低下した照度を相殺する方向に上記照明光の中心軸を傾ければ、図１７のグラフ（ｖｉ）に示すように、照度の低下を回復・向上させることができる。
【００４９】
本発明の実施例によれば、第２折り返しミラー８の切り欠き８１によりＤＭＤ１０上の照度が低下し、かつ、短いライトトンネル４を用いた場合であっても、リフクレタ１１を有する光源ユニット１の位置調整手段により、照度むらの少ない画像投射装置を得ることができる。
【００５０】
次に、上記実施例の各構成部分について、より詳細に説明する。
照明均一化素子としてのライトトンネル４は、図１８に示すように、４枚の板状のミラーを、ミラー面がお互いに内側に、断面形状が矩形になるように張り合わせたもので、外観は柱状である。各ミラーは耐熱性に優れた接着剤などを用いて貼り合わせられている。前述のとおり、ライトトンネル４の長さは長い程、内面での反射回数が増えるため、照明光の照度分布を均一にすることができるが、照度分布の均一性と照明系のサイズとの兼ね合いで、ライトトンネルの長さは２０ｍｍから３０ｍｍ程度に設定される。
【００５１】
ＤＭＤ１０として０．６５インチのＷＸＧＡ（１６：１０）、画素ピッチ１０．８μｍのものを採用した。これに対応するライトトンネル４の内寸は、６ｍｍ×３ｍｍ程度である。ライトトンネル４を構成する各ミラーの反射率は９８％（波長４２０ｎｍ〜６８０ｎｍ）以上が好ましい。上記ミラーの反射面は、Ａｇ、Ａｌなどの金属膜を真空蒸着、あるいはスパッタリングによりガラス面に成膜したものである。金属膜に代えて、誘電体多層膜を成膜してもよい。各ミラーの板の厚みは１ｍｍ前後である。このような構成の照明均一化素子は、ライトトンネル、ライトパイプ、ロッドレンズ、ロッドインテグレータなどとも呼ばれる。
【００５２】
照明均一化素子は、図１８に示すようなミラー板を張り合わせたものでなくてもよく、例えばガラス柱であってもよい。照明均一化素子としてガラス柱を用いた場合、ガラス柱内面の全反射を利用して照明光を反射することができるため、反射膜を成膜する必要なない。
【００５３】
光源１２から放射され、リフレクタ１１で反射されて光源ユニット１から出射される照明光は、配光分布を有しており、そのままスクリーンに投射すると、照度（明るさ）むらとなって人に認識される。照度むらは、一般に、スクリーンの中心領域では明るいが、周辺では暗くなっているという場合が多い。照明均一化素子としてのライトトンネル４により、照度むらを低減することができる。その原理は、カレードスコープと同様である。照明均一化手段に適当な角度で入射した光は、ライトトンネル４の内面のミラーで複数回反射を繰り返し、光を折りたたむように重ね合わされ、ライトトンネル４の出射端では照度が均一化されている。
【００５４】
ライトトンネル４の設置および調整構造に関して説明する。図２０において、ライトトンネル４は、前記光学系筐体４０の段差４７に、ライトトンネル４の形状に応じた固定具４９により設置されている。上記段差４７に続く縦方向の壁面があり、段差４７と上記縦方向の壁面とで構成される角隅部にライトトンネル４が配置され、互いに直交する２面を持つアングル状の固定具４９によってライトトンネル４を上記各隅部に押圧することにより、ライトトンネル４が固定されている。
【００５５】
ライトトンネル４は、図１９に示すようにホルダー４４に入れてもよい。ホルダー４４の材質は例えばステンレスであり、耐熱性があるものが好ましい。ホルダー４４の内面とライトトンネル４の外面を接触させることにより冷却効果を高めることができる。ライトトンネル４を直接、もしくはライトトンネル４を保持したホルダー４４を、図２０に示すように、固定具４９により光学系筐体４０の段差４７に固定する。固定具４９はステンレス鋼やアルミニウムのような熱伝導性の高い金属で製作され、光学系筐体４０にねじ止めされている。
【００５６】
図２０（ｂ）に示すように、ライトトンネル４と固定具４９との間には、弾性部材である板ばね５２が介在している。光学系筐体４０側にはねじ孔が形成され、このねじ孔に調整ねじ５３がねじ込まれている。調整ねじ５３は、ライトトンネル４の底面側と一側面側の２方向からねじ込まれ、各調整ねじ５３の先端がライトトンネル４の底面側と一側面側に当接している。ライトトンネル４を挟んで上記２本の調整ねじ５３と反対側にそれぞれ上記板ばね５２が介在している。このように、調整ねじ５３、板ばね５２ともに２方向に設けられていて、ライトトンネル４をｘ軸方向と、ｙ軸方向に位置調整可能な位置調整構造を構成し、調整ねじ５３が調整部材となっている。
【００５７】
少なくとも一つの調整ねじ５３を回すことにより、ライトトンネル４が上記調整ねじ５３の反対側にある板ばね５２を付勢する向きに押される。また、上記調整ねじ５３を反対側に回すと、その反対側の板ばね５２の弾力によってライトトンネル４が押され、逆向きに動く。板ばね５２は、固定具４９とライトトンネル４との間に単に介在しているだけであってもよいし、固定具４９と一体に設けられていてもよい。調整ねじ５３を設ける位置は、ライトトンネル４の入射側と出射側のいずれか一方に設けてもよいし、その両方に設けてもよい。ライトトンネル４の長さ方向の傾きを調整するのであれば入射側と出射側のいずれか一方に設ければよく、位置調整（例えばライトトンネル４を平行移動（シフト）させるなど）もするのであれば入射側と出射側の両方に設ける。
【００５８】
空間光変調素子には、透過型のものと反射型のものに大別される。また液晶と偏光を用いた液晶空間光変調素子と、微小ミラーアレイを有し個々の微小ミラーを傾けてオン光とオフ光に切り換えるＤＭＤがある。前記実施例ではＤＭＤを用いている。ＤＭＤは無偏光光を用いる。
【００５９】
図２１は、上記ＤＭＤ１０を模式的に示している。図２１(ａ)はＤＭＤ１０を上から見たものである。画像表示領域は矩形になっていて、この画像表示領域には、図２１（ｂ）に示すように無数の微小ミラー１０２が画素として配列されている。各微小ミラー１０２は一辺１０μｍ前後の正方形である。微小ミラー配列数はＸＧＡで１２８０×７６８画素（あるいはピクセル）、ＷＸＡＧＡで１２８０×７６８画素である。この微小ミラーの配列面がＤＭＤの表示面すなわち画像表示領域となっている。
【００６０】
画像表示のサイズはＤＭＤ１０の画像表示領域の対角線で、例えは０．５インチ、０．６５インチというように決められる。また、矩形の画像表示領域の長辺と短辺との比を取り、４：３、１６：１０というように画面の縦横比を表現する。各画素を構成する微小ミラー１０２は正方形であり、微小ミラー１０２の配列周期を画素ピッチという。画素ピッチは１０μｍ前後である。図面には現れていないが、実際の微小ミラー１０２のサイズは画素ピッチよりも若干小さい。画素ピッチに対する実際の微小ミラー１０２のサイズの比率を開口率と呼ぶ。
【００６１】
図２１（ｄ）は、ＤＭＤ１０の画素配列を横から見た場合を示している。画素配列の上側には保護用のカバーガラス１１０が置かれている。正方形の各微小ミラー１０２は、その対角線を回転軸として回転する（図２１（ｃ）参照）。各微小ミラー１０２の回転の方向は、回転軸に対して時計周り、反時計周りの両方であり、回転の向きをプラスとマイナスで区別する。回転角度は±１０°乃至１２°である。微小ミラー１０２の回転をチルトということもある。回転した微小ミラー１０２は、図２１（ｅ）に示すように、プラス方向の回転とマイナス方向の回転とで、入射光に対する反射光の方向を変えることできる。これによりオンとオフとの二値をとることができる。
【００６２】
各微小ミラー１０２は、その回転角度が＋１２°のときをオンとし、回転角度が−１２°のときをオフとする。微小ミラーがオンのとき上記微小ミラーで反射される光が画像形成に寄与し、微小ミラーがオフのとき上記微小ミラーで反射される光は画像形成に寄与せず、黒表示となる。上記オンのとき、微小ミラーで反射された光は、前記投射レンズ２１の入射瞳に入ることができ、投射レンズ２１を経て、前記スクリーン７０に到達する。一方、オフのとき、微小ミラーで反射した光は、投射レンズ２１の入射瞳に入ることはできず、ＤＭＤ１０の近傍に設けられているオフ光処理用の吸収部材に到達する。この吸収部材は冷却を要する。また、上記オンとオフとの間に微小ミラーが平坦な姿勢をとる瞬間がある。ＤＭＤの表示面とは反対側にヒートシンク及び冷却ファンを設置して、ＤＭＤの冷却を行う。
【００６３】
前記白色の光源１２としては、管球形状の高圧または超高圧水銀ランプを用いるとよい。または、ハロゲンランプであってもよい。光源ユニット１のリフレクタ１１の形状は楕円体状が好ましい。楕円体の二つの焦点の一方に、管球（発光部）を設置し、他方の焦点に、照明均一化素子の入射端を設置する。光源１２として、出力が例えば１８０Ｗ−２６０Ｗ（ワット）前後のものを用いる。ランプの出力が高いほど、明るい投射画像を実現できる。
【００６４】
水銀ランプは破裂することがあり、破裂してもガラス片が飛散しないように、リフレクタ１１の前面に防爆ガラス２を設置する。防爆ガラス２は、例えば４０ｍｍ角、厚み３ｍｍ前後の、硼珪酸ガラスからなり、光源ユニット１の光軸に対して例えば１０°傾けて設置する。これは、防爆ガラス２で反射した光が戻り光となり、管球の位置で焦点を結ばないようにするためである。このような戻り光があるとランプの寿命が短くなる。防爆ガラス２には、赤外線（ＩＲ）カットフィルター、紫外線（ＵＶ）カットフィルターの多層膜を施す。リフレクタ１１は適宜のハウジングに納められており、防爆のために、目の細かい金属のメッシュで上記ハウジングを覆ってもよい。画像投射装置において光源としてのランプは消耗品であり、数千時間といった長時間の使用により明るさが低減するので、そのときは、ランプハウジングまたは光源ユニットごと交換する。
【００６５】
管球からなる光源１２およびリフレクタ１１を図２２に示す。図２２の（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。リフクレタ１１の形状には楕円あるいは双曲線等がある。いずれも回転軸を有する。またこの回転軸上に光源１２としての管球が設置されている。
【００６６】
光源１２は、紫外線から可視光線、そして赤外線まで広い範囲の光を放射しており、従って白色光源である。このうち紫外線と赤外線は、上記のように、ランプ出射直後でカットし、残りの可視光域の光を回転カラーフィルタ３により色成分ごとに分離され、特に光の三原色であるＲ、Ｇ、Ｂの単色光を用いてカラー画像を形成する。
【００６７】
回転カラーフィルタ３は色分離手段である。回転カラーフィルタ３は、図２３に示すように、円板を円グラフのように複数の領域に回転方向に分け、それぞれの領域を異なる色とする（図２３（ａ）参照）。具体的には、円形のガラス板の面に多層膜を蒸着してカラーフィルタとする。基本的には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）であり、これに白（Ｗ）を加え四つに領域を分割する。白（Ｗ）の領域は、明るさ増大のために設けるもので、多層膜を形成しない透明の領域である。また、色再現性を高めるために、黄（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）などを加えることもある。
【００６８】
上記白色の光源１２から出射される照明光から、必要なスペクトルを回転カラーフィルタ３により取り出す。回転カラーフィルタ３のベースをなすガラスの円板は、例えば直径４０ｍｍ程度、厚み１ｍｍ程度である。各色のフィルタ領域は物理的に分離されている。上記円板の回転中心をモータ３１の回転出力軸に取り付け、モータ３１により高速で回転駆動する。回転速度は数千ｒｐｍから１万ｒｐｍ前後である。回転カラーフィルタ３の各色の位置情報を検出するセンサが備えられており、このセンサの出力により、ＤＭＤ１０による画像表示を同調させている。従って、回転カラーフィルタ３は、時分割（フィールドシーケンシャル）で各色を生成している。ＤＭＤ１０の微小ミラーの応答速度は高速であるため、フィールドシーケンシャルでカラー画像を何ら問題なく形成することができる。また、光源ユニット１から集光される途中の光のスポット３２（図２３（ａ）参照）は、常に回転カラーフィルタ３の同じ位置に当る。
【００６９】
光源ユニット１から照明均一化素子であるライトトンネル４までの配置を図２４に示す。光源ユニット１の直前には防爆ガラス２が配置され、続いて回転カラーフィルタ３が配置されている。前述のように、防爆ガラス２と回転カラーフィルタ３は、ｙ軸に対して数度から１０°程度チルトさせて配置されている。光源１２から出射され、リフレクタ１１により集光される照明光の角度すなわち照明角は約６０°である。図１８に示すように、リフクレタ１１の回転軸はｚ軸に平行であり、この軸上に管球からなる光源１２、ライトトンネル４の中心を通る軸がある。
【００７０】
図２５は、ライトトンネル４と第１、第２リレーレンズ５，６との位置関係を模式的に示す。図２５において、第１、２リレーレンズ５，６は、ライトトンネル４に対して、ｚ軸すなわち照明光の光軸方向における位置は異なるが、ｘ軸、ｙ軸の座標は同じである。従って、第１、２リレーレンズ５，６とライトトンネル４は共軸である。しかし、第１、２リレーレンズ５，６はライトトンネル４の中心を通る軸に対してシフトし、第１、２リレーレンズ５，６の光軸とライトトンネル４の中心軸は互いにずれている。第１、２リレーレンズ５，６は、球面レンズであれば研磨により、非球面レンズの場合はプレス成型で作製するのが好ましい。
【００７１】
照明系を構成する、ライトトンネル４からＤＭＤ１０までの光学部品の位置座標および詳細な数値を表１と表２に示す。
表１
【００７２】
表２
【００７３】
また、投射光学系２０の一例として、構成レンズその他の光学素子の位置座標を表３に、投射系レンズの詳細な数値を表４、表５、表６に示す。表３に示す座標は、スクリーン上に対角長さ４３インチの画像を投射する場合である。
【００７４】
表３
【００７５】
表４
【００７６】
表５
【００７７】
表６
【００７８】
表７に、投射光学系の構成部材の一つである自由曲面ミラー２６の形状の詳細を示す。
表７
【００７９】
表４乃至表６に示すいくつかの非球面レンズの形状は式１に従う。
式１
【００８０】
表７における自由曲面ミラー２６の面形状は式２に従う。
式２
【００８１】
ライトトンネル４の設置に関して、光線追跡計算ソフトＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ（ＯＲＡ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社）を用いて、シミュレーション実験を行った。光源ユニット１の位置および傾き調整した場合のＤＭＤ１０上での照度分布を求めた。ＤＭＤ１０の１画素のピッチは１０．８μｍ、対角長０．６５インチのＷＸＧＡのものを想定した。
【００８２】
図１および表１乃至表７に示す構成で、ＤＭＤ上の照度分布につきシミュレーション実験を行った結果を図２６に示す。図２６は、光源ユニットをシフトも回転もすることなく実験したもので、これを中央値とする。次に、光源ユニットをｘ方向に＋０．３ｍｍシフトさせた場合のＤＭＤ上の照度分布を求めた。その結果を図２７に示す。さらに、光源ユニットをｙ方向に−０．３ｍｍシフトさせた場合のＤＭＤ上の照度分布を求めた。その結果を図２８に示す。さらに、光源ユニットをα方向に−０．５°回転させた場合のＤＭＤ上の照度分布を求めた。その結果を図２９に示す。さらに、光源ユニットをβ方向に−０．５°回転させた場合のＤＭＤ上の照度分布を求めた。その結果を図３０に示す。図２９、図３０の場合、ライトトンネル４の入射端の中央に回転中心を設定している。図２６乃至図３０を参照すると、いずれの場合においても、照度分布が変化していることが分かる。
【００８３】
図３１に示すように、ＤＭＤ上の位置を表すのに、中央を「０」、左下を「２４」とし、対角方向に等間隔で照度をプロットしたものを図３２に示す。図３２において、照度は規格化されており、その基準は、照度分布全体における最大値である。光源ユニットを位置調整した場合、位置２４において、いずれも中央値の照度が大きくなっていることが分かる。ただし、図２８、２９からわかるように、光源ユニットをそれぞれｙ方向に−０．３ｍｍシフトし、あるいはα方向に−０．５°回転させて位置調整すると、ＤＭＤの右上で照度の低下が見られるため、画質としてはよくない。従って、光源ユニットの位置調整の向きは、図２８、図３０に示すように、ｘ方向に−０．３ｍｍシフトし、あるいは、β方向に−０．５°回転させることが望ましい。また、図３２から明らかなように、ｘ方向、ｙ方向へのシフトよりも、α方向、β方向への回転の方が、照度低下の低減効果および照度むらの低減効果が高い。
【００８４】
ここまで説明してきた各実施例において、照度分布を調整する調整部材は、主に光源ユニットの傾き角度を調整可能としたものであり、実施例によっては光源ユニットをシフトすなわち平行移動させることもできるようになっていた。ここで、光源ユニットをｘ方向、もしくはｙ方向にシフトさせて照度分布を調整することのみで足りるのであれば、調整部材は、図３３に示す例のように構成することができる。すなわち、光源ユニットケース１６の上面と光源筐体１５との間および光源ユニットケース１６の背面と光源筐体１５との間に板バネ１７を介在させ、光源ユニットケース１６の底面と光源筐体１５との間に平板状の調整部材５４を介在させている。調整部材５４の厚さを変え、あるいは調整部材５４の重ね枚数を変えることにより、光源ユニット１とともに光源ユニットケース１６の位置をｙ方向にシフトすることができる。
【００８５】
図３１において、中央値で位置２４での規格化照度はおよそ０．７５である。これに対して、光源ユニットの位置調整を行うと、０．７８乃至０．８１となる。従って、この位置での照度は、照度分布全体の最大値に対して、０．７５以上、照度の低下で考えると０．２５未満程度が好ましい。
【００８６】
前に説明したように、画像投射装置には、外観から分類すると縦型と横型がある。本発明は縦型と横型の何れにも適用可能である。図示の実施例は、画像投射装置本体があり、これとは独立に反射型のスクリーンがあり、スクリーン前方から画像を投影するフロント投射型の画像投射装置として構成されている。人はスクリーン位置を基準にして画像投射装置を設置しているのと同じ側からスクリーン上の画像を観ることになる。伝統的なフロント投射型画像投射装置は、画像投射装置−人−スクリーンの位置関係になるとともに、画像投射装置本体とスクリーンとの間には、投射のためにある程度の距離が必要になり、これが画像投射装置を設置する際の制約の一つになっている。図３４（ｂ）に示すように、講演等において上記伝統的な画像投射装置３００を使用する場合、画像投射装置３００とスクリーン７０の間に人７５が入ることがあり、投射画像に人７５の影が写り、影になった部分の画像は観ることができない。講演者は光源からの光が目に入って不快な思いをする難点がある。
【００８７】
これに対して、近年、投射レンズの短焦点化、広角化により、至近距離からの投射が可能となってきている。図３４（ａ）はこのような画像投射装置の配置関係を示している。この場合、人７５−画像投射装置１００または２００−スクリーン７０の位置関係が可能となり、人７５がスクリーン７０に近づいても、投射画像中に人７５の影が入りにくく、講演者等にとっては目に投射光が入りにくく、不愉快な思いをすることがなくなる。
【００８８】
さらに、前記実施例のように、投射レンズ２１から出射した光を、自由曲面ミラー２６を用いてスクリーンに投射する構成にすることにより、より至近距離から投射可能な画像投射装置を得ることができる。かかる画像投射装置を用いた投射のことを超至近距離投射などと呼んでいる。投射レンズ２１から出射した光を、単なる平面ミラーで折り返しただけの場合、特定の角度以外では、投射レンズ２１からの画像に、台形歪みが生じるなどの問題が生じる。そこで自由曲面ミラー２６を用いて上記台形歪みを解消している。投射レンズ２１と自由曲面ミラー２６を合わせて、また、前記実施例では平面ミラー２５も合わせて投射光学系と呼ぶ。図３４（ａ）において、符号１００は図示の実施例のように自由曲面ミラー２６を使用することによって台形歪みを解消した超至近距離投射可能な画像投射装置を示している。符号２００は、自由曲面ミラー２６を持たない超至近距離投射可能な画像投射装置を示している。
【００８９】
至近距離からの投射の度合いを示す指標としてスローレシオ（Ｔｈｒｏｗ Ｒａｔｉｏ）がある。これは投射画像の対角サイズを、画像投射装置からスクリーンまでの距離で割ったものである。この値が大きいほど、より至近距離から大きなスクリーンに投射することができる度合いが大きいことになる。
【００９０】
至近距離投射の場合、図３４（ａ）のように、人―画像投射装置−スクリーンの位置関係が成立する。このとき、画像投射装置を符号２００で示すようにスクリーン７０の中央の高さに設置すると、聴衆から見て画像投射装置本体がスクリーン７０と重なり、画像観察の邪魔になる。従って、至近距離の画像投射装置の設置位置は符号１００で示すようにスクリーン７０よりも下になる。例えば、床７２に置くこともあり得る。この場合、スクリーン７０の斜め下方から投射するため、スクリーン７０の下端（床側）と上端（天井側）とでは、光線の入射角が異なり、上端の方が入射角は大きくなる。従って、スクリーンの上端に入った光は、天井７１の方向に反射される割合が増え、見ている人の方に向かう光の割合は少なくなる。これはスクリーン７０の上端部分が暗い画像となる。図３４（ｂ）に示すような伝統的な投射方式の画像投射装置ではこのようなことは生じない。
【００９１】
縦型で至近距離投射可能な画像投射装置においては、前記自由曲面ミラー２６を含む投射光学系２０を用いるため、通常の横型の画像投射装置とは異なり、特異な歪曲に伴う投射画像領域の変形や、スクリーン７０の上部が暗く下が明るいといった照度むらの課題がある。これに、前述の照明光学系中の折り返しミラーに切り欠きが存在することによる照度の低下が加わると、さらに画質は低下する。これに対して、前記本発明の実施例のように、光源の位置調整部材を備えていると、照度むらの軽減および照度低下の軽減に有効である。
【符号の説明】
【００９２】
１ 光源ユニット
２ 防爆ガラス
３ 回転カラーフィルタ
４ 照明均一化素子（ライトトンネル）
５ 第１リレーレンズ
６ 第２リレーレンズ
７ 第１折り返しミラー
８ 第２折り返しミラー
１０ 空間光変調素子（ＤＭＤ）
１１ リフレクタ
１２ 光源
１５ 光源筐体
１６ 光源ユニットケース
１７ 弾性体（板ばね）
１８ 傾き調整部材（楔）
２０ 投射光学系
２１ 投射レンズ
２２ 投射ミラー系
２５ 平面ミラー
２６ 自由曲面ミラー
４０ 光学系筐体
４８ ミラーハウジング
５０ 傾き調整ねじ
６０ ハウジング
７０ スクリーン
８１ 切り欠き
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９３】
【特許文献１】特開２００４−１３８６６８号公報
【特許文献２】特開２０００−０９８２７２号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像をスクリーンに投射して表示する画像表示装置に関するもので、一般的にはプロジェクタと称されているものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的にプロジェクタと称されている画像表示装置は、画像表示素子の違いによって、ＣＲＴプロジェクタ、液晶プロジェクタ、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）プロジェクタなどがある。上記ＤＭＤは、反射型空間光変調素子の一種で、２次元的に配置された無数の微小ミラーを有し、個々の微小ミラーの傾斜角度を変化させて反射光をオン・オフする反射型画像表示素子である。上記ＤＭＤは、各画素の傾斜角度の変化によってオン・オフすることによって画像を形成する。ＤＭＤの画素でオンされた光は、投射光学系を経てスクリーン面に導かれ、ＤＭＤで形成されている画像が上記投射光学系で拡大されてスクリーン面に投影される。
【０００３】
本発明に係る画像表示装置は、画像表示素子として上記ＤＭＤのような反射型画像表示素子を備えている。反射型画像表示素子を備えた画像表示装置であって本発明に係る画像表示装置の構成に関連のある公知の技術として、以下に述べるような特許文献１および特許文献２に記載されている技術がある。
【０００４】
特許文献１には、その図２において、ＤＭＤを一枚用いる単板式プロジェクタに関する技術が開示されている。このプロジェクタの照明系において、照明光をＤＭＤの反射面に収束させかつ光路を折り返すために、ミラーが複数枚用いられている。これらのミラーのうち投射レンズに最も近いミラーは、投射光学系を構成する投射レンズの一部と機械的に重ならないように、投射レンズの形状に応じて一部分が切り欠かれる場合がある。この切り欠きによって照明光が部分的に失われるため、ＤＭＤ上の照度分布において、照度が部分的に低下する（特許文献１、図１０の左下部参照）。さらに、スクリーン上でも照度は低下する（特許文献１、図１１の右下部参照）。このような照度むらが生じると、画像品質が劣化する。なぜなら、表示すべく入力した画像データの明るさのレベルが全画面において均一であるとしても、上記のような照度むらがあると、スクリーンの中央は明るく、画像の右下では暗く見え、均一な明るさの画像とは認識されないことがあるからである。特許文献１には、照度むらに関しては述べられておらず、また、照度むらを解消するための対策などについても開示されていない。
【０００５】
特許文献２には、ランプ光源、コンデンサレンズ、第１折り返しミラー、第２折り返しミラー、ＤＭＤ、投射レンズを有してなるプロジェクタに関する技術が開示されている。このような特許文献２記載のプロジェクタは、画像表示素子としてＤＭＤを用いたプロジェクタの構成として一般的に広く知られているもので、特許文献２には、後述の本願発明の特徴的な構成である光源とそれに付随するリフクレタの位置調整手段に関しては記載がない。
【０００６】
このように、特許文献１および特許文献２には、光源とそれに付随するリフクレタの位置調整手段を設けるという発想がない。そのため、折り返しミラーが切り欠きを有することを要因とする形成画像の照度低下および照度むらを解消することができず、形成される画像品質が劣化する難点がある。
【０００７】
ところで、近年の画像投射装置に対するユーザーからの要望の一つとして、主として可搬性を高める目的で、画像投射装置の小型化が挙げられる。小型化可能な光源の例として、発光ダイオード（ＬＥＤ）、あるいはレーザダイオード（ＬＤ）が考えられるが、これらの光源は明るさが不足しているため、画像投射装置の光源としては、超高圧水銀ランプ等の明るい白色光源が現在も主流になっている。上記超高圧水銀ランプ等は上記ＬＥＤやＬＤと比較して大型になるため、ランプ光源を使用した上で小型化を図ることが課題となる。
【０００８】
画像投射装置の小型化を図る上で、照明系に含まれる光学部品を小型化することは有効である。これはまたコスト低減にもつながる。しかしながら、光学部品を小型化することは、所望の光学特性を得ることと相反することになる場合が往々にしてある。照明系には、照明均一化手段として、例えばライトトンネルが用いられることが多い。ライトトンネルは、４枚の板状のミラーを、ミラー面がお互いに内側になり、かつ、横断面形状が矩形になるように、耐熱性に優れた接着剤などを用いて貼り合わせたもので、外観は柱状である。ライトトンネルの一端から照明光を入射させると、照明光は入射角に対応してライトトンネル内で複数回反射され、ライトトンネルの他端からほぼ均等な照度分布を持った照明光が出射される。
【０００９】
上記ライトトンネルに関しても、小型化と所望の光学特性を得ることとを両立させることが望まれる。ライトトンネルは、長ければ長いほど照明を良好に均一化することができ、照度むらの少ない高品質の画像の形成が可能となる。しかし、ライトトンネルが長くなる分、照明系は大きくなる。照明系を小型化するために、ライトトンネルを短くすると、ライトトンネル内での反射回数が少なくなるため照明光の均一化が不充分になる。ライトトンネルをさらに短くすると、ライトトンネル内で全く反射せず、出射する光の割合が増えるが、ＤＭＤ上の中心付近にピークのある不均一な照度分布になる。ライトトンネルの全長が長く、反射回数が多い場合は、照明光が暗くなる。これは、反射面での反射率をＲとして、反射回数をｎとすると、Ｒｎとなるからである。従って、ライトトンネルの長さと照明の均一性、さらにはトータルの反射率との兼ね合いでライトトンネルの長さを設定することになる。
【００１０】
後で詳細に説明する本発明においては、投射レンズの最も近傍にある第２折り返しミラーには切り欠きがあるため、何らかの照度低下防止手段および照度むら低減手段を施さないとすれば、ＤＭＤおよびスクリーン上に形成される画像の上記切欠きに対応する位置で、照度が低下する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、リフレクタを有する白色光源、照明均一化素子、折り返しミラー、反射型空間光変調素子を有し、上記折り返しミラーが切り欠きを有することによって生じる画像投射装置の問題点を解消し、照度の低下を防止し、照度むらの低減を図ることができる画像投射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、リフレクタを有する光源、照明均一化素子、リレーレンズ、第１折り返しミラーおよび第２折り返しミラーを有してなる照明光学系と、配列された各ミラー画素を傾けて画像を形成し前記照明光学系によって照明光が照射される反射型空間光変調素子と、前記反射型空間光変調素子で反射される光を画像投射面に投射する投射光学系と、を有する画像投射装置であって、前記第２折り返しミラーは、前記投射光学系の鏡筒部分と第２折り返しミラーとの機械的な重なり合いを避けるための切り欠きを有し、前記リフレクタを有する光源ユニットは、前記反射型空間光変調素子の照明領域において前記切り欠きに対応する部分の照度分布調整を行うための位置調整部材を有することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
リフレクタを有する光源が位置調整部材によって位置調整されて、照明領域内の照度分布調整が行われることにより、第２折り返しミラーの切り欠きに対応する部分の照度低下を低減し、投射される画像全体の照度むらを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る画像投射装置の実施例を示す斜視図である。
【図２】上記実施例における光源ユニットの周辺および照明光学系を模式的に示す平面図である。
【図３】上記光源ユニットの周辺および照明光学系が照度分布調整のために動かされた態様を模式的に示す平面図である。
【図４】照度分布調整のために上記光源ユニットの周辺および照明光学系の移動機構の別の例を示す平面図である。
【図５】照度分布調整のための移動機構の別の例を示す正面図である。
【図６】照度分布調整のための移動機構のさらに別の例を示す正面図である。
【図７】上記移動機構の動作態様を示す正面図である。
【図８】本発明に適用可能な照明均一化素子の設置構造例を示す側面図である。
【図９】本発明に係る画像投射装置の実施例の概要を示す光学配置図である。
【図１０】照度分布調整のための移動機構のさらに別の例を示す平面図である。
【図１１】上記移動機構の動作態様を示す正面図である。
【図１２】照度分布調整のための移動機構のさらに別の例を示す平面図である。
【図１３】本発明に係る画像投射装置の実施例の概要を示す正面図である。
【図１４】本発明の実施例中の第２折り返しミラーの正面図である。
【図１５】光源ユニットと照明均一化素子との寸法関係および照明均一化素子の縦横比の関係を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施例中の空間光変調素子について、長さ方向、幅方向、対角方向の照度分布の例を示すグラフである。
【図１７】照明均一化素子の長さによって照度分布が変わることを説明するための模式図およびグラフである。
【図１８】本発明の実施例中の照明均一化素子の外観例を示す斜視図である。
【図１９】本発明の実施例中の照明均一化素子の別の例を示す斜視図である。
【図２０】照明均一化素子の取り付け構造の例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。
【図２１】本発明の実施例中の空間光変調素子の例を示すもので、（ａ）は空間光変調素子全体の平面図、（ｂ）は空間光変調素子の一部の平面図、（ｃ）は微小ミラーの平面図、（ｄ）は空間光変調素子の一部の側面図、（ｅ）は微小ミラーがオンの場合とオフの場合の反射光路の違いを示す側面図である。
【図２２】本発明の実施例中の光源ユニットを示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図２３】本発明の実施例中の回転カラーフィルタを示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図２４】本発明の実施例における光源ユニットと空間光変調素子に対する防爆ガラスと回転カラーフィルタの配置例を示す平面図である。
【図２５】本発明の実施例における照明均一化素子と第１、第２リレーレンズの位置関係を示す平面図である。
【図２６】空間光変調素子上の照度分布につきシミュレーション実験を行った結果を示す照度分布図である。
【図２７】光源ユニットを一方向にシフトした場合の空間光変調素子上の照度分布図である。
【図２８】光源ユニットを逆向きにシフトした場合の空間光変調素子上の照度分布図である。
【図２９】光源ユニットを一方向の軸を中心に回転した場合の空間光変調素子上の照度分布図である。
【図３０】光源ユニットを一方向の軸を中心に逆向きに回転した場合の空間光変調素子上の照度分布図である。
【図３１】空間光変調素子上の位置を定義するための照度分布図である。
【図３２】空間光変調素子の対角方向に等間隔で照度をプロットして示すグラフである。
【図３３】照度分布調整のための移動機構のさらに別の例を示す正面図である。
【図３４】画像投射装置とスクリーンと人との位置関係を示すもので、（ａ）は超至近距離投射な画像投射装置の例を、（ｂ）は伝統的な画像投射装置の例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る画像投射装置の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例】
【００１６】
図１において、符号１は光源ユニットを示しており、光源ユニット１は、図９、図１５などに示す光源１２と、光源１２のほぼ半分を囲むリフレクタ１１を有してなる。光源１２は白色光源である。光源ユニット１の前方すなわち光源ユニットから出射される照明光の進路上には、防爆ガラス２、回転カラーフィルタ３、照明均一化素子であるライトトンネル４、第１リレーレンズ５、第２リレーレンズ６、第１折り返しミラー７、第２折り返しミラー８、カバーガラス１１０、反射型空間光変調素子であるＤＭＤ７、投射光学系２０、防塵ガラス２７がこの順に配置されている。光源ユニット１から第２折り返しミラー８までが、ＤＭＤ７の微小ミラー面を照明する照明光学系を構成している。
【００１７】
投射光学系２０は、光束の進行方向に、レンズを用いた屈折系の投射レンズ２１、折り返しミラーである平面ミラー２５および自由曲面ミラー２６がこの順に配置されることによって構成されている。投射光学系２０は、ＤＭＤ７の微小ミラーからの反射光を図９に示すスクリーン７０に投射して、ＤＭＤ７で形成される画像をスクリーン７０に拡大表示する。
【００１８】
上記第１折り返しミラー７はシリンダーミラーすなわち円筒形の反射面を持つである。第２折り返しミラー８は球面であり、図１４に示すように、一隅部に切り欠き８１を有している。第１、第２折り返しミラー７，８はいずれも凹面に反射面が形成されている。本実施例では、光源ユニット１から照明光が水平方向に出射され、ライトトンネル４、第１、第２リレーレンズ５、６を水平方向に透過し、ＤＭＤ７の上方を通過した照明光が第１折り返しミラー７によって斜め上方に反射されるように、第１折り返しミラー７が斜め上方に向けて設置されている。第１折り返しミラー７で反射された照明光は第２折り返しミラー８によってＤＭＤ７に向けて反射されるように、第２折り返しミラー８は斜め下に向けて設置されている。ＤＭＤ７は、前述のとおり画素に相当する無数の微小ミラーを有していて、微小ミラーが水平面上に並ぶように配置され、オンした微小ミラーによる反射光が垂直方向上方に向かうようになっている。この垂直方向上方への光束の通路から外れた位置に第２折り返しミラー８が配置されている。
【００１９】
上記のようにオンした微小ミラーにより反射されて垂直方向上方に向かう光の通路には前記投射レンズ２１が配置されている。後で具体的に説明するとおり、オフした微小ミラーによる反射光は投射レンズ２１の光路を外れ、投射光学系２０には入射しない。第２折り返しミラー８の一隅部は投射レンズ２１の鏡筒の下端部外周と機械的に重なり合う位置にあるため、この重なり合いを避けるために、上記第２折り返しミラー８の一隅部に前記切り欠き８１が形成されている。
【００２０】
前記防塵ガラス２７は、投射光学系２０、前記照明光学系およびＤＭＤ１０に、上方から埃や塵が侵入するのを防ぐために設けられている。さらに、ＤＭＤ１０の直近上方にＤＭＤ１０をほぼするためのカバーガラス１１０が配置されている。
【００２１】
前記自由曲面ミラー２６は、ＤＭＤ１０で空間変調された画像を、画像投射装置の至近距離にあるスクリーンに向かって斜め上方に投射し、スクリーン上に画像を形成するためのものである。本実施例の照明光学系において、ライトトンネル４の出射端とＤＭＤ１０の微小ミラー面は、第１、第２リレーレンズ５，６および第１、第２折り返しミラー７，８によって互いに共役な関係にある。
【００２２】
水平方向であって光源ユニット１から照明光が出射する方向をｚ方向、水平方向であってｚ方向に直交する方向をｘ方向、ｚ方向とｘ方向を含む面に直交する方向をｙ方向とする。ＤＭＤ１０の微小ミラー面はｚ方向とｘ方向を含む面に配列されており、光源ユニット１から放射されＤＭＤ１０の微小ミラー面で反射される光は、ｙ方向上方に向かって進行するようになっている。
【００２３】
図２、図３は、上記実施例における光源ユニット１を含む照明光学系を模式的に示している。図２、図３において、光源ユニット１、防爆ガラス２は光源ユニットケース１６内に組み込まれている。光源ユニットケース１６は、光源筐体１５内に配置されるとともに板ばね１７で、光源筐体１５の内壁面に突き当てられている。板バネ１７は２箇所に配置され、一つの板バネ１７は光源ユニットケース１６の一側面を光源筐体１５の一側壁内面に押し付け、他の一つの板バネ１７は光源ユニットケース１６を光源筐体１５の前方に向かって押し付けている。光源ユニットケース１６の一側前端と光源筐体１５の前壁内面との間には光源ユニット１の傾き調整部材として、スペーサの一種である楔１８が介在している。
【００２４】
光源筐体１５の外側における各光学素子は、カラーホイール３、ライトトンネル４、第１リレーレンズ５、第２リレーレンズ６、第１折り返しミラー７、第２折り返しミラー８、ＤＭＤ１０、投射光学系２０の順に配置されている。ライトトンネル４から投射光学系２０の一部を構成する投射レンズ２１の下部までは、樹脂などによって一体成形された光学系筐体４０内に配置されている。光源筐体１５と光学系筐体４０の間に回転カラーフィルタ３が配置されている。
【００２５】
図１３に示すように、上記光源筐体１５、光学系筐体４０および回転カラーフィルタ３は、樹脂などによって一体成形されたハウジング６０内に設置されている。光源筐体１５は、図示の例のように照明系の光学系筐体４０と別に設けることによって、発生した熱が光学系筐体４０側に伝達されることを軽減することができる。ただし、光源筐体１５と光学系筐体４０とを別に設けることが必須ではなく、光源筐体１５と光学系筐体４０が同じハウジング６０内に収まっていればよい。
【００２６】
図２、図３において、前記リフレクタ１１の縦断面形状は例えば楕円形であり、その回転軸Ｏ上に、例えば超高圧水銀ランプからなる白色の光源１２が配置されている。光源１２から放射される照明光は、リフレクタ１１の凹面からなる楕円形の反射面で反射されることにより、上記回転軸Ｏを中心とした照明光が回転軸Ｏに沿って出射される。
【００２７】
前述のように、第２折り返しミラー８の一隅部には、投射光学系２０を構成する投射レンズ２１の鏡筒部分と第２折り返しミラー８との機械的な重なり合いを避けるための切り欠き８１が形成されている。そのため、ＤＭＤ１０に照射される照明光の照度が上記切り欠き８１に対応する部分で低下し、照度むらが生じる。そこで、上記切欠き８１を有することによる照度の低下および照度むらを軽減するための光源ユニット１の位置調整部材が設けられている。前記楔１８は上記位置調整部材の一つである。
【００２８】
図２に示す態様では、二つの板ばね１７の弾力により、光源ユニットケース１６の一側面が光源筐体１５の一側壁内面に、光源ユニットケース１６の前面が光源筐体１５の前壁内面に押し付けられている。この態様では、前記楔１８が機能しておらず、光源ユニット１の照明光の中心軸が、第１、第２リレーレンズ５，６の光軸とほぼ一致している。
【００２９】
図３に示す態様は、光源ユニット１の傾き調整部材としての楔１８を、光源ユニットケース１６の一側前端と光源筐体１５の前壁内面との間にスライドさせながら挿入したときの態様である。楔１８の挿入によって光源ユニットケース１６が二つの板ばね１７の弾力に抗して傾き、光源ユニットケース１６とともに光源ユニット１が傾いて、照明光の中心軸であるリフクレタ１１の回転軸Ｏも傾く。このようにして容易に光源１２の傾きを調整することができる。
【００３０】
上記調整部材としてのスペーサは楔１８に限られるものではなく、図４、図５に示すように、平板状のスペーサからなる調整部材１８１であってもよい。平板状の調整部材１８１を、図４、図５に示す例のように、光源ユニットケース１６の一側前端と光源筐体１５の前壁内面との間に挿入すると、光源ユニットケース１６が二つの板ばね１７の弾力に抗して移動しながら傾く。光源ユニットケース１６とともに光源ユニット１が移動するとともに傾く。この光源ユニット１の移動量および傾き量は、調整部材１８１の厚さを変えることにより、あるいは調整部材１８１の重ね枚数を変えることによって調整することができる。図２乃至図５に示す例では、調整部材１８，１８１をスライドさせながら移動させる方向は、ｘ方向である。
【００３１】
図５において、光学系筐体４０は、軽量で強度のある金属、例えばマグネシウムなどを素材とし、鋳造法で作製される。この光学系筐体４０には、個々の光学素子を設置するための溝、孔乃至は開口が形成されている。具体的には、第１のリレーレンズ５を設置するための溝４５と第２のリレーレンズ６を設置するための溝４６が形成されている。前記ライトトンネル４は横断面形状が矩形であり、その一辺の長さおよび幅に合った段差４７が学系筐体４０に形成されている。また、学系筐体４０には、ＤＭＤ１０を設置するために矩形の開口４１と、投射レンズ２１の鏡筒を設置するための円形の開口４２が形成されている。
【００３２】
前記第１、第２の折り返しミラー７，８はミラーハウジング４８内に設置されている。ミラーハウジング４８は光学系筐体４０とは別部材になっていて、光学系筐体４０内に設置されている。ミラーハウジング４８は金属または樹脂で、あるいは金属と樹脂の複合体で作製される。図２乃至図１３に示す例では、投射光学系２０のうち投射レンズ２１のみが光学系筐体４０内に設置されているが、投射光学系２０を構成する前記平面ミラー２５、さらには自由曲面ミラー２６を含めて光学系筐体４０内に設置してもよい。光源ユニット１は防爆ガラス２を有している。
【００３３】
光源ユニット１と光学系筐体４０の間には回転カラーフィルタ３が配置されている。回転カラーフィルタ３の回転中心には駆動モータ３１の軸が結合され、モータ３１によって回転カラーフィルタ３が回転駆動されるようになっている。図２乃至図７に示すように、光源１２から放射され、リフレクタ１１で反射された照明光は、回転カラーフィルタ３を透過した後、ライトトンネル４の入射端で集光する。一般的には、ライトトンネル４の入射端面（ｘ方向とｙ方向を含む面内）の中央に集光するのが望ましい。ただし、本発明においては、ｘ方向、さらにはｙ方向にずらすことが好ましい場合がある。防爆ガラス２、カラーホイール３は、これらによって照明光が反射され、光源１２への戻り光を防ぐため、数度から１０°程度傾けて設置されている。
【００３４】
図２乃至図５に示す例では、光源ユニット１の傾き調整を、ｙ方向の軸を中心に回転させて行っているが、図６、図７に示すように、ｘ方向の軸を中心として回転させることにより調整を行うこともできる。図６、図７に示す例では、調整部材としての楔１８を、光源ユニットケース１６の前面上端と光源筐体１５の前壁前面との間に介在させている。楔１８の挿入量を調整することにより、光源ユニットケース１６内の光源ユニット１の傾き調整を行うことができる。
【００３５】
また、第２折り返しミラー８が一隅部に前記切り欠き８１を有することによって、ＤＭＤ１０の照明領域の上記切欠き８１に対応する部分の照度低下がないように、ライトトンネル４がその中心軸線の周りに回転（傾斜）した態様で設置されている。図８は、光源側からライトトンネル４を見た図である。ライトトンネル１を設置する前記段差４７が傾けて形成されていて、この段差４７にライトトンネル４が設置されることにより、ライトトンネル４が段差４７の傾き角度と同じ角度で傾いて設置されている。
【００３６】
図１０、図１１に示すように、光源の傾き調整部材は、ねじ５０であってもよい。ねじ５０は光源筐体１５の前壁に外側前面からねじ込まれ、ねじ５０の先端が上記前壁を貫いて、光源筐体１５の上端近くかつ一側端近くの前面に当接している。光源筐体１５の前壁に対するねじ５０のねじ込み量を調整することにより、光源筐体１５に対する光源ユニットケース１６およびこれと一体の光源ユニット１の、ｘ方向の軸を中心とした傾きを連続的に調整することができる。
【００３７】
なお、光源ユニット１、回転カラーフィルタ３、照明光学系を構成するライトトンネル４などが密接して配置されているため、ねじ５０を回すのに必要なスペースがない場合がある。そこで、図１２に示すように、ねじ５０の頭部と一体に、長いレバー５１を形成し、レバー５１を操作することによりねじ５０を回転するようにするとよい。図１０乃至図１２に示す例のように、光源の傾き調整部材がねじ５０で構成されていると、光源の傾き調整部材をねじの回転量によって連続的に調整することができかつ微調整が可能である。また、ねじ５０を一定の角度ごとに調整するようにしておけば、段階的な調整が可能になる。
【００３８】
ところで、画像投射装置を外観から分類すると、縦型と横型があり、それぞれに対応して光学素子が配置される。ここまで説明してきた実施例は縦型である。図９で代表されるように、画像投射装置のハウジング６０内に、防爆ガラス２を含む光源ユニット１、白色の照明光から少なくとも赤、緑、青の光を時分割で形成する回転カラーフィルタ３、照明均一化素子としてのライトトンネル４、第１、第２リレーレンズ５，６、第１、第２折り返しミラー７，８、空間光変調素子としてのＤＭＤ１０、投射レンズ２１、投射ミラー系２２が配置されている。投射ミラー系２２は、図１に示す平面ミラー２５と自由曲面ミラー２６で構成されている。図示していないが、冷却ファン、光源駆動部、ＤＭＤ駆動部、各種光学素子の保持部材等がハウジング６０内に配置されている。光源ユニット１から第２折り返しミラー８までを照明光学系と呼ぶ。また、投射レンズ１２から自由曲面ミラー１２までを合わせて投射光学系を構成している。図９では省略されているが、照明光学系の各素子は、前述のように、光源筐体１５および光学系筐体４０に設置されている。
【００３９】
光源１２から出射した白色の照明光はリフレクタ１１で集光されつつ前方に進む。白色の照明光のうち、紫外線（ＵＶ）及び赤外線（ＩＲ）は防爆ガラス２に設けられているＵＶカットフィルター、ＩＲカットフィルターによりカットされる。さらに、白色照明光は、回転カラーフィルタ３により、例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の三色に、時分割される。これらの光は、ライトトンネル４内で多数回反射され、その空間的な強度分布が均一化される。リフレクタ１１の反射面は、例えば凹形の楕円体で表され、第１焦点に光源（発光部）１２を設置し、第２の焦点位置に、ライトトンネル４の入口（入射端）を設置する。従って、光源１２から出射した光はライトトンネル４の入射端において一旦集光される。
【００４０】
ライトトンネル４を出た光は第１リレーレンズ７、第２リレーレンズ８を経て、第１折り返しミラー７で折り返され、さらに第２折り返しミラー８で折り返され、ＤＭＤ１０に到達する。ライトトンネル４の出射端面とＤＭＤ１０の表示面とは、共役の関係が成立するように、第１、２のリレーレンズ５，６、第２折り返しミラー８のパワーが配分されている。第１、第２の折り返しミラー７，８によって照明光の光路が３次元的に折り返得されるようになっていて、これによりハウジング６０の小型化を図っている。また、図８について説明したように、ライトトンネル４が、光軸周りに回転し傾斜した姿勢で設置されているのも、照明光が第１、第２の折り返しミラー７，８により三次元的に折り返される構成になっていることによる。
【００４１】
ｘ、ｙ、ｚの直交座標系については前述のとおりである。図９の右下には、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を中心とした回転をそれぞれα、β、γとするものとして示している。これは他の図においても共通である。
【００４２】
図９において、ＤＭＤ１０の画像表示面は、ｚ軸とｘ軸を含む面に平行である。また、投射レンズ２１は、その光軸がｙ軸方向に沿うように設置されかつＤＭＤ１０の画像表示面に対して垂直になっている。画像が投射されるスクリーン７０は、ｙｚ面に平行である。従って、ＤＭＤ１０の画像表示面とスクリーン７０は直交している。投射レンズ２１の光軸とスクリーン７０は平行であり、スクリーン７０は床に垂直なｙ方向とｚ方向を含む面に平行である。また、画像投射装置を設置する部屋の床や机などの平坦な台の表面は、ｚ方向とｘ方向を含む面と平行である。このような関係にある本実施例に係る画像投射装置を縦型と呼ぶことにする。従来の横型の画像投射装置においては、投射レンズの光軸がｘ軸と平行で、これに垂直にスクリーンがある（例えば特許文献２参照）。本発明に係る技術思想は縦型に限定されるものではなく、横型の画像投射装置にも適用することができる。
【００４３】
第２折り返しミラー８を図１４に示す。第２折り返しミラー８は一隅部に切り欠き８１を有していて、切り欠き８１も含めて型枠を使った圧縮成形によって製作することができる。また、切削加工によって形成してもよい。
【００４４】
図１５に示すように、光源１２とリフレクタ１１を含む光源ユニット１から出射する照明光の最大角を２θとする。ライトトンネル４の断面は矩形であり、横断面における内面の短辺の長さをａ、長辺の長さをｂ、対角線の長さを２ｃ、光軸に沿ったライトトンネル４の長さ（全長）をＬとする。最大角の１／２でライトトンネル４に入射した光がライトトンネル４内で一回目に反射されるまでの光軸に沿った距離をｓとすると、ｓ＝ｃ＊ｔａｎθである。一例として、Ｌ＝２５ｍｍ、θ＝３０°、ａ＝３．４ｍｍ、ｂ＝５．７ｍｍである。またｃ＝３．３２ｍｍ、ｓ＝５．７５ｍｍである。さらにＬ／ｓは、最大入射角の照明光のライトトンネル内での反射回数を表し、４．３５回である。
【００４５】
照明光の角度θが３０°よりも小さいと、ライトトンネル内での反射回数は少なくなる。またＬが３０ｍｍ、２０ｍｍ、または１５ｍｍで、他は同じとすると、Ｌ／ｓはそれぞれ５．２２、３．４８、２．６１である。ライトトンネル４の反射面の１回の反射率が９８％（平均）とすると、これらの反射回数により、トータルの反射率は、Ｌ＝３０ｍｍで９０．０％、Ｌ＝２５ｍｍで９１．６％、Ｌ＝２０ｍｍで９３．２％、Ｌ＝１５ｍｍで９４．８％である。Ｌが大きいほど、反射回数は多くなり、トータルの反射率は低下し、Ｌが小さいほど、反射回数は少なくなり、トータルの反射率は向上する。光学素子の単品として、トータルの反射率で９０％以上が好ましい。また、照明光の均一化の観点から、反射回数が少なすぎるのは好ましくない。従って、
３．４８ｓ≦Ｌ≦５．２２ｓ
とするのが望ましい。
【００４６】
ＤＭＤ１０が大きな照度むらがなく適切に照明されている場合、ＤＭＤ１０上の照度分布はほぼ平坦になる。図１６はＤＭＤ１０上の照度分布を示す。図１６において、曲線（Ａ）はＤＭＤ１０の短辺方向の照度分布、曲線（Ｂ）はＤＭＤ１０の長辺方向の照度分布、曲線（Ｃ）はＤＭＤ１０の対角線方向の照度分布を示している。ＤＭＤ１０上の照度分布は、ライトトンネル４内での光の反射回数に依存する。反射回数が少なく、照明の均一化が不充分な場合、上部が平坦な曲線とはならず、中央が尖った不均一な分布となる。
【００４７】
第２折り返しミラー８の切り欠き８１を要因とするＤＭＤ４上の照度低下を、光源ユニット１の位置調整により向上・回復させることができる。その理由を、図１７を参照しながら説明する。図１７（ａ）から（ｃ）は、光源ユニット１とライトトンネル４の位置関係を描いたものである。（ａ）はライトトンネル４が充分に長い場合でありかつ第２折り返しミラー８の切り欠き８１の影響が無い場合を示しており、ＤＭＤ１０上の照度分布（対角）はグラフ（ｉ）に示すように均一になる。しかし、上記切り欠き８１の影響がある場合、照度分布はグラフ（ｉｉ）のように、片側の照度が落ちる。
【００４８】
図１７（ｂ）はライトトンネル４が短い場合を示している。ライトトンネル４が短い場合、光源ユニット１から出射された照明光は、ライトトンネル４内で反射されることなく出射される照明光の割合が増え、ＤＭＤ１０上の照度分布曲線において中央にピークが生じる。さらに第２折り返しミラー８の切り欠き８１の影響により照度分布曲線の片側が低下する。この場合のグラフを（ｉｉｉ）に示す。この場合に、図２乃至図７に示すような光源ユニット１の調整部材により照明光の中心軸を傾けると、ＤＭＤ１０上の照度分布曲線の中央にあったピークが移動する。そこで、第２折り返しミラー８の切り欠き８１により低下した照度を相殺する方向に上記照明光の中心軸を傾ければ、図１７のグラフ（ｖｉ）に示すように、照度の低下を回復・向上させることができる。
【００４９】
本発明の実施例によれば、第２折り返しミラー８の切り欠き８１によりＤＭＤ１０上の照度が低下し、かつ、短いライトトンネル４を用いた場合であっても、リフクレタ１１を有する光源ユニット１の位置調整手段により、照度むらの少ない画像投射装置を得ることができる。
【００５０】
次に、上記実施例の各構成部分について、より詳細に説明する。
照明均一化素子としてのライトトンネル４は、図１８に示すように、４枚の板状のミラーを、ミラー面がお互いに内側に、断面形状が矩形になるように張り合わせたもので、外観は柱状である。各ミラーは耐熱性に優れた接着剤などを用いて貼り合わせられている。前述のとおり、ライトトンネル４の長さは長い程、内面での反射回数が増えるため、照明光の照度分布を均一にすることができるが、照度分布の均一性と照明系のサイズとの兼ね合いで、ライトトンネルの長さは２０ｍｍから３０ｍｍ程度に設定される。
【００５１】
ＤＭＤ１０として０．６５インチのＷＸＧＡ（１６：１０）、画素ピッチ１０．８μｍのものを採用した。これに対応するライトトンネル４の内寸は、６ｍｍ×３ｍｍ程度である。ライトトンネル４を構成する各ミラーの反射率は９８％（波長４２０ｎｍ〜６８０ｎｍ）以上が好ましい。上記ミラーの反射面は、Ａｇ、Ａｌなどの金属膜を真空蒸着、あるいはスパッタリングによりガラス面に成膜したものである。金属膜に代えて、誘電体多層膜を成膜してもよい。各ミラーの板の厚みは１ｍｍ前後である。このような構成の照明均一化素子は、ライトトンネル、ライトパイプ、ロッドレンズ、ロッドインテグレータなどとも呼ばれる。
【００５２】
照明均一化素子は、図１８に示すようなミラー板を張り合わせたものでなくてもよく、例えばガラス柱であってもよい。照明均一化素子としてガラス柱を用いた場合、ガラス柱内面の全反射を利用して照明光を反射することができるため、反射膜を成膜する必要なない。
【００５３】
光源１２から放射され、リフレクタ１１で反射されて光源ユニット１から出射される照明光は、配光分布を有しており、そのままスクリーンに投射すると、照度（明るさ）むらとなって人に認識される。照度むらは、一般に、スクリーンの中心領域では明るいが、周辺では暗くなっているという場合が多い。照明均一化素子としてのライトトンネル４により、照度むらを低減することができる。その原理は、カレードスコープと同様である。照明均一化手段に適当な角度で入射した光は、ライトトンネル４の内面のミラーで複数回反射を繰り返し、光を折りたたむように重ね合わされ、ライトトンネル４の出射端では照度が均一化されている。
【００５４】
ライトトンネル４の設置および調整構造に関して説明する。図２０において、ライトトンネル４は、前記光学系筐体４０の段差４７に、ライトトンネル４の形状に応じた固定具４９により設置されている。上記段差４７に続く縦方向の壁面があり、段差４７と上記縦方向の壁面とで構成される角隅部にライトトンネル４が配置され、互いに直交する２面を持つアングル状の固定具４９によってライトトンネル４を上記各隅部に押圧することにより、ライトトンネル４が固定されている。
【００５５】
ライトトンネル４は、図１９に示すようにホルダー４４に入れてもよい。ホルダー４４の材質は例えばステンレスであり、耐熱性があるものが好ましい。ホルダー４４の内面とライトトンネル４の外面を接触させることにより冷却効果を高めることができる。ライトトンネル４を直接、もしくはライトトンネル４を保持したホルダー４４を、図２０に示すように、固定具４９により光学系筐体４０の段差４７に固定する。固定具４９はステンレス鋼やアルミニウムのような熱伝導性の高い金属で製作され、光学系筐体４０にねじ止めされている。
【００５６】
図２０（ｂ）に示すように、ライトトンネル４と固定具４９との間には、弾性部材である板ばね５２が介在している。光学系筐体４０側にはねじ孔が形成され、このねじ孔に調整ねじ５３がねじ込まれている。調整ねじ５３は、ライトトンネル４の底面側と一側面側の２方向からねじ込まれ、各調整ねじ５３の先端がライトトンネル４の底面側と一側面側に当接している。ライトトンネル４を挟んで上記２本の調整ねじ５３と反対側にそれぞれ上記板ばね５２が介在している。このように、調整ねじ５３、板ばね５２ともに２方向に設けられていて、ライトトンネル４をｘ軸方向と、ｙ軸方向に位置調整可能な位置調整構造を構成し、調整ねじ５３が調整部材となっている。
【００５７】
少なくとも一つの調整ねじ５３を回すことにより、ライトトンネル４が上記調整ねじ５３の反対側にある板ばね５２を付勢する向きに押される。また、上記調整ねじ５３を反対側に回すと、その反対側の板ばね５２の弾力によってライトトンネル４が押され、逆向きに動く。板ばね５２は、固定具４９とライトトンネル４との間に単に介在しているだけであってもよいし、固定具４９と一体に設けられていてもよい。調整ねじ５３を設ける位置は、ライトトンネル４の入射側と出射側のいずれか一方に設けてもよいし、その両方に設けてもよい。ライトトンネル４の長さ方向の傾きを調整するのであれば入射側と出射側のいずれか一方に設ければよく、位置調整（例えばライトトンネル４を平行移動（シフト）させるなど）もするのであれば入射側と出射側の両方に設ける。
【００５８】
空間光変調素子には、透過型のものと反射型のものに大別される。また液晶と偏光を用いた液晶空間光変調素子と、微小ミラーアレイを有し個々の微小ミラーを傾けてオン光とオフ光に切り換えるＤＭＤがある。前記実施例ではＤＭＤを用いている。ＤＭＤは無偏光光を用いる。
【００５９】
図２１は、上記ＤＭＤ１０を模式的に示している。図２１(ａ)はＤＭＤ１０を上から見たものである。画像表示領域は矩形になっていて、この画像表示領域には、図２１（ｂ）に示すように無数の微小ミラー１０２が画素として配列されている。各微小ミラー１０２は一辺１０μｍ前後の正方形である。微小ミラー配列数はＸＧＡで１２８０×７６８画素（あるいはピクセル）、ＷＸＡＧＡで１２８０×７６８画素である。この微小ミラーの配列面がＤＭＤの表示面すなわち画像表示領域となっている。
【００６０】
画像表示のサイズはＤＭＤ１０の画像表示領域の対角線で、例えは０．５インチ、０．６５インチというように決められる。また、矩形の画像表示領域の長辺と短辺との比を取り、４：３、１６：１０というように画面の縦横比を表現する。各画素を構成する微小ミラー１０２は正方形であり、微小ミラー１０２の配列周期を画素ピッチという。画素ピッチは１０μｍ前後である。図面には現れていないが、実際の微小ミラー１０２のサイズは画素ピッチよりも若干小さい。画素ピッチに対する実際の微小ミラー１０２のサイズの比率を開口率と呼ぶ。
【００６１】
図２１（ｄ）は、ＤＭＤ１０の画素配列を横から見た場合を示している。画素配列の上側には保護用のカバーガラス１１０が置かれている。正方形の各微小ミラー１０２は、その対角線を回転軸として回転する（図２１（ｃ）参照）。各微小ミラー１０２の回転の方向は、回転軸に対して時計周り、反時計周りの両方であり、回転の向きをプラスとマイナスで区別する。回転角度は±１０°乃至１２°である。微小ミラー１０２の回転をチルトということもある。回転した微小ミラー１０２は、図２１（ｅ）に示すように、プラス方向の回転とマイナス方向の回転とで、入射光に対する反射光の方向を変えることできる。これによりオンとオフとの二値をとることができる。
【００６２】
各微小ミラー１０２は、その回転角度が＋１２°のときをオンとし、回転角度が−１２°のときをオフとする。微小ミラーがオンのとき上記微小ミラーで反射される光が画像形成に寄与し、微小ミラーがオフのとき上記微小ミラーで反射される光は画像形成に寄与せず、黒表示となる。上記オンのとき、微小ミラーで反射された光は、前記投射レンズ２１の入射瞳に入ることができ、投射レンズ２１を経て、前記スクリーン７０に到達する。一方、オフのとき、微小ミラーで反射した光は、投射レンズ２１の入射瞳に入ることはできず、ＤＭＤ１０の近傍に設けられているオフ光処理用の吸収部材に到達する。この吸収部材は冷却を要する。また、上記オンとオフとの間に微小ミラーが平坦な姿勢をとる瞬間がある。ＤＭＤの表示面とは反対側にヒートシンク及び冷却ファンを設置して、ＤＭＤの冷却を行う。
【００６３】
前記白色の光源１２としては、管球形状の高圧または超高圧水銀ランプを用いるとよい。または、ハロゲンランプであってもよい。光源ユニット１のリフレクタ１１の形状は楕円体状が好ましい。楕円体の二つの焦点の一方に、管球（発光部）を設置し、他方の焦点に、照明均一化素子の入射端を設置する。光源１２として、出力が例えば１８０Ｗ−２６０Ｗ（ワット）前後のものを用いる。ランプの出力が高いほど、明るい投射画像を実現できる。
【００６４】
水銀ランプは破裂することがあり、破裂してもガラス片が飛散しないように、リフレクタ１１の前面に防爆ガラス２を設置する。防爆ガラス２は、例えば４０ｍｍ角、厚み３ｍｍ前後の、硼珪酸ガラスからなり、光源ユニット１の光軸に対して例えば１０°傾けて設置する。これは、防爆ガラス２で反射した光が戻り光となり、管球の位置で焦点を結ばないようにするためである。このような戻り光があるとランプの寿命が短くなる。防爆ガラス２には、赤外線（ＩＲ）カットフィルター、紫外線（ＵＶ）カットフィルターの多層膜を施す。リフレクタ１１は適宜のハウジングに納められており、防爆のために、目の細かい金属のメッシュで上記ハウジングを覆ってもよい。画像投射装置において光源としてのランプは消耗品であり、数千時間といった長時間の使用により明るさが低減するので、そのときは、ランプハウジングまたは光源ユニットごと交換する。
【００６５】
管球からなる光源１２およびリフレクタ１１を図２２に示す。図２２の（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。リフクレタ１１の形状には楕円あるいは双曲線等がある。いずれも回転軸を有する。またこの回転軸上に光源１２としての管球が設置されている。
【００６６】
光源１２は、紫外線から可視光線、そして赤外線まで広い範囲の光を放射しており、従って白色光源である。このうち紫外線と赤外線は、上記のように、ランプ出射直後でカットし、残りの可視光域の光を回転カラーフィルタ３により色成分ごとに分離され、特に光の三原色であるＲ、Ｇ、Ｂの単色光を用いてカラー画像を形成する。
【００６７】
回転カラーフィルタ３は色分離手段である。回転カラーフィルタ３は、図２３に示すように、円板を円グラフのように複数の領域に回転方向に分け、それぞれの領域を異なる色とする（図２３（ａ）参照）。具体的には、円形のガラス板の面に多層膜を蒸着してカラーフィルタとする。基本的には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）であり、これに白（Ｗ）を加え四つに領域を分割する。白（Ｗ）の領域は、明るさ増大のために設けるもので、多層膜を形成しない透明の領域である。また、色再現性を高めるために、黄（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）などを加えることもある。
【００６８】
上記白色の光源１２から出射される照明光から、必要なスペクトルを回転カラーフィルタ３により取り出す。回転カラーフィルタ３のベースをなすガラスの円板は、例えば直径４０ｍｍ程度、厚み１ｍｍ程度である。各色のフィルタ領域は物理的に分離されている。上記円板の回転中心をモータ３１の回転出力軸に取り付け、モータ３１により高速で回転駆動する。回転速度は数千ｒｐｍから１万ｒｐｍ前後である。回転カラーフィルタ３の各色の位置情報を検出するセンサが備えられており、このセンサの出力により、ＤＭＤ１０による画像表示を同調させている。従って、回転カラーフィルタ３は、時分割（フィールドシーケンシャル）で各色を生成している。ＤＭＤ１０の微小ミラーの応答速度は高速であるため、フィールドシーケンシャルでカラー画像を何ら問題なく形成することができる。また、光源ユニット１から集光される途中の光のスポット３２（図２３（ａ）参照）は、常に回転カラーフィルタ３の同じ位置に当る。
【００６９】
光源ユニット１から照明均一化素子であるライトトンネル４までの配置を図２４に示す。光源ユニット１の直前には防爆ガラス２が配置され、続いて回転カラーフィルタ３が配置されている。前述のように、防爆ガラス２と回転カラーフィルタ３は、ｙ軸に対して数度から１０°程度チルトさせて配置されている。光源１２から出射され、リフレクタ１１により集光される照明光の角度すなわち照明角は約６０°である。図１８に示すように、リフクレタ１１の回転軸はｚ軸に平行であり、この軸上に管球からなる光源１２、ライトトンネル４の中心を通る軸がある。
【００７０】
図２５は、ライトトンネル４と第１、第２リレーレンズ５，６との位置関係を模式的に示す。図２５において、第１、２リレーレンズ５，６は、ライトトンネル４に対して、ｚ軸すなわち照明光の光軸方向における位置は異なるが、ｘ軸、ｙ軸の座標は同じである。従って、第１、２リレーレンズ５，６とライトトンネル４は共軸である。しかし、第１、２リレーレンズ５，６はライトトンネル４の中心を通る軸に対してシフトし、第１、２リレーレンズ５，６の光軸とライトトンネル４の中心軸は互いにずれている。第１、２リレーレンズ５，６は、球面レンズであれば研磨により、非球面レンズの場合はプレス成型で作製するのが好ましい。
【００７１】
照明系を構成する、ライトトンネル４からＤＭＤ１０までの光学部品の位置座標および詳細な数値を表１と表２に示す。
表１
【００７２】
表２
【００７３】
また、投射光学系２０の一例として、構成レンズその他の光学素子の位置座標を表３に、投射系レンズの詳細な数値を表４、表５、表６に示す。表３に示す座標は、スクリーン上に対角長さ４３インチの画像を投射する場合である。
【００７４】
表３
【００７５】
表４
【００７６】
表５
【００７７】
表６
【００７８】
表７に、投射光学系の構成部材の一つである自由曲面ミラー２６の形状の詳細を示す。
表７
【００７９】
表４乃至表６に示すいくつかの非球面レンズの形状は式１に従う。
式１
【００８０】
表７における自由曲面ミラー２６の面形状は式２に従う。
式２
【００８１】
ライトトンネル４の設置に関して、光線追跡計算ソフトＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ（ＯＲＡ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社）を用いて、シミュレーション実験を行った。光源ユニット１の位置および傾き調整した場合のＤＭＤ１０上での照度分布を求めた。ＤＭＤ１０の１画素のピッチは１０．８μｍ、対角長０．６５インチのＷＸＧＡのものを想定した。
【００８２】
図１および表１乃至表７に示す構成で、ＤＭＤ上の照度分布につきシミュレーション実験を行った結果を図２６に示す。図２６は、光源ユニットをシフトも回転もすることなく実験したもので、これを中央値とする。次に、光源ユニットをｘ方向に＋０．３ｍｍシフトさせた場合のＤＭＤ上の照度分布を求めた。その結果を図２７に示す。さらに、光源ユニットをｙ方向に−０．３ｍｍシフトさせた場合のＤＭＤ上の照度分布を求めた。その結果を図２８に示す。さらに、光源ユニットをα方向に−０．５°回転させた場合のＤＭＤ上の照度分布を求めた。その結果を図２９に示す。さらに、光源ユニットをβ方向に−０．５°回転させた場合のＤＭＤ上の照度分布を求めた。その結果を図３０に示す。図２９、図３０の場合、ライトトンネル４の入射端の中央に回転中心を設定している。図２６乃至図３０を参照すると、いずれの場合においても、照度分布が変化していることが分かる。
【００８３】
図３１に示すように、ＤＭＤ上の位置を表すのに、中央を「０」、左下を「２４」とし、対角方向に等間隔で照度をプロットしたものを図３２に示す。図３２において、照度は規格化されており、その基準は、照度分布全体における最大値である。光源ユニットを位置調整した場合、位置２４において、いずれも中央値の照度が大きくなっていることが分かる。ただし、図２８、２９からわかるように、光源ユニットをそれぞれｙ方向に−０．３ｍｍシフトし、あるいはα方向に−０．５°回転させて位置調整すると、ＤＭＤの右上で照度の低下が見られるため、画質としてはよくない。従って、光源ユニットの位置調整の向きは、図２８、図３０に示すように、ｘ方向に−０．３ｍｍシフトし、あるいは、β方向に−０．５°回転させることが望ましい。また、図３２から明らかなように、ｘ方向、ｙ方向へのシフトよりも、α方向、β方向への回転の方が、照度低下の低減効果および照度むらの低減効果が高い。
【００８４】
ここまで説明してきた各実施例において、照度分布を調整する調整部材は、主に光源ユニットの傾き角度を調整可能としたものであり、実施例によっては光源ユニットをシフトすなわち平行移動させることもできるようになっていた。ここで、光源ユニットをｘ方向、もしくはｙ方向にシフトさせて照度分布を調整することのみで足りるのであれば、調整部材は、図３３に示す例のように構成することができる。すなわち、光源ユニットケース１６の上面と光源筐体１５との間および光源ユニットケース１６の背面と光源筐体１５との間に板バネ１７を介在させ、光源ユニットケース１６の底面と光源筐体１５との間に平板状の調整部材５４を介在させている。調整部材５４の厚さを変え、あるいは調整部材５４の重ね枚数を変えることにより、光源ユニット１とともに光源ユニットケース１６の位置をｙ方向にシフトすることができる。
【００８５】
図３１において、中央値で位置２４での規格化照度はおよそ０．７５である。これに対して、光源ユニットの位置調整を行うと、０．７８乃至０．８１となる。従って、この位置での照度は、照度分布全体の最大値に対して、０．７５以上、照度の低下で考えると０．２５未満程度が好ましい。
【００８６】
前に説明したように、画像投射装置には、外観から分類すると縦型と横型がある。本発明は縦型と横型の何れにも適用可能である。図示の実施例は、画像投射装置本体があり、これとは独立に反射型のスクリーンがあり、スクリーン前方から画像を投影するフロント投射型の画像投射装置として構成されている。人はスクリーン位置を基準にして画像投射装置を設置しているのと同じ側からスクリーン上の画像を観ることになる。伝統的なフロント投射型画像投射装置は、画像投射装置−人−スクリーンの位置関係になるとともに、画像投射装置本体とスクリーンとの間には、投射のためにある程度の距離が必要になり、これが画像投射装置を設置する際の制約の一つになっている。図３４（ｂ）に示すように、講演等において上記伝統的な画像投射装置３００を使用する場合、画像投射装置３００とスクリーン７０の間に人７５が入ることがあり、投射画像に人７５の影が写り、影になった部分の画像は観ることができない。講演者は光源からの光が目に入って不快な思いをする難点がある。
【００８７】
これに対して、近年、投射レンズの短焦点化、広角化により、至近距離からの投射が可能となってきている。図３４（ａ）はこのような画像投射装置の配置関係を示している。この場合、人７５−画像投射装置１００または２００−スクリーン７０の位置関係が可能となり、人７５がスクリーン７０に近づいても、投射画像中に人７５の影が入りにくく、講演者等にとっては目に投射光が入りにくく、不愉快な思いをすることがなくなる。
【００８８】
さらに、前記実施例のように、投射レンズ２１から出射した光を、自由曲面ミラー２６を用いてスクリーンに投射する構成にすることにより、より至近距離から投射可能な画像投射装置を得ることができる。かかる画像投射装置を用いた投射のことを超至近距離投射などと呼んでいる。投射レンズ２１から出射した光を、単なる平面ミラーで折り返しただけの場合、特定の角度以外では、投射レンズ２１からの画像に、台形歪みが生じるなどの問題が生じる。そこで自由曲面ミラー２６を用いて上記台形歪みを解消している。投射レンズ２１と自由曲面ミラー２６を合わせて、また、前記実施例では平面ミラー２５も合わせて投射光学系と呼ぶ。図３４（ａ）において、符号１００は図示の実施例のように自由曲面ミラー２６を使用することによって台形歪みを解消した超至近距離投射可能な画像投射装置を示している。符号２００は、自由曲面ミラー２６を持たない超至近距離投射可能な画像投射装置を示している。
【００８９】
至近距離からの投射の度合いを示す指標としてスローレシオ（Ｔｈｒｏｗ Ｒａｔｉｏ）がある。これは投射画像の対角サイズを、画像投射装置からスクリーンまでの距離で割ったものである。この値が大きいほど、より至近距離から大きなスクリーンに投射することができる度合いが大きいことになる。
【００９０】
至近距離投射の場合、図３４（ａ）のように、人―画像投射装置−スクリーンの位置関係が成立する。このとき、画像投射装置を符号２００で示すようにスクリーン７０の中央の高さに設置すると、聴衆から見て画像投射装置本体がスクリーン７０と重なり、画像観察の邪魔になる。従って、至近距離の画像投射装置の設置位置は符号１００で示すようにスクリーン７０よりも下になる。例えば、床７２に置くこともあり得る。この場合、スクリーン７０の斜め下方から投射するため、スクリーン７０の下端（床側）と上端（天井側）とでは、光線の入射角が異なり、上端の方が入射角は大きくなる。従って、スクリーンの上端に入った光は、天井７１の方向に反射される割合が増え、見ている人の方に向かう光の割合は少なくなる。これはスクリーン７０の上端部分が暗い画像となる。図３４（ｂ）に示すような伝統的な投射方式の画像投射装置ではこのようなことは生じない。
【００９１】
縦型で至近距離投射可能な画像投射装置においては、前記自由曲面ミラー２６を含む投射光学系２０を用いるため、通常の横型の画像投射装置とは異なり、特異な歪曲に伴う投射画像領域の変形や、スクリーン７０の上部が暗く下が明るいといった照度むらの課題がある。これに、前述の照明光学系中の折り返しミラーに切り欠きが存在することによる照度の低下が加わると、さらに画質は低下する。これに対して、前記本発明の実施例のように、光源の位置調整部材を備えていると、照度むらの軽減および照度低下の軽減に有効である。
【符号の説明】
【００９２】
１ 光源ユニット
２ 防爆ガラス
３ 回転カラーフィルタ
４ 照明均一化素子（ライトトンネル）
５ 第１リレーレンズ
６ 第２リレーレンズ
７ 第１折り返しミラー
８ 第２折り返しミラー
１０ 空間光変調素子（ＤＭＤ）
１１ リフレクタ
１２ 光源
１５ 光源筐体
１６ 光源ユニットケース
１７ 弾性体（板ばね）
１８ 傾き調整部材（楔）
２０ 投射光学系
２１ 投射レンズ
２２ 投射ミラー系
２５ 平面ミラー
２６ 自由曲面ミラー
４０ 光学系筐体
４８ ミラーハウジング
５０ 傾き調整ねじ
６０ ハウジング
７０ スクリーン
８１ 切り欠き
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９３】
【特許文献１】特開２００４−１３８６６８号公報
【特許文献２】特開２０００−０９８２７２号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リフレクタを有する光源、照明均一化素子、リレーレンズ、第１折り返しミラーおよび第２折り返しミラーを有してなる照明光学系と、配列された各ミラー画素を傾けて画像を形成し前記照明光学系によって照明光が照射される反射型空間光変調素子と、前記反射型空間光変調素子で反射される光を画像投射面に投射する投射光学系と、を有する画像投射装置であって、
前記第２折り返しミラーは、前記投射光学系の鏡筒部分と第２折り返しミラーとの機械的な重なり合いを避けるための切り欠きを有し、
前記リフレクタを有する光源ユニットは、前記反射型空間光変調素子の照明領域において前記切り欠きに対応する部分の照度分布調整を行うための位置調整部材を有することを特徴とする画像投射装置。
【請求項２】
請求項１記載の画像投射装置において、前記調整部材は、前記リフレクタによる照明光の中心軸の傾きを調整するものであることを特徴とする画像投射装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の画像投射装置において、前記調整部材は、スペーサであることを特徴とする画像投射装置。
【請求項４】
請求項１または２記載の画像投射装置において、前記調整部材は、ねじであることを特徴とする画像投射装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れかに記載の画像投射装置において、前記照明均一化素子は断面形状が矩形の角柱状であり、前記リフレクタを有する光源から出射される光の照明角の最大値の１／２をθ、前記矩形の対角線の長さの１／２をｃ、ｃ／ｔａｎθをｓ、すなわちｓ＝ｃ／ｔａｎθと表したとき、前記照明均一化素子の全長Ｌは、
３．４８ｓ≦Ｌ≦５．２２ｓ
であることを特徴とする画像投射装置。
【請求項６】
請求項１から５の何れかに記載の画像投射装置において、前記反射型空間光変調素子上の照度分布全体における照度の最大値に対して、前記第２折り返しミラーの切り欠きによる照度分布の部分的な低下が２５％未満であることを特徴とする画像投射装置。
【請求項７】
請求項１から６の何れかに記載の画像投射装置において、前記光源は白色光源であり、前記白色光源から出射される照明光から時分割で少なくとも赤、緑、青の三色を作り出すカラーフィルタを有することを特徴とする画像投射装置。
【請求項８】
請求項１から７の何れかに記載の画像投射装置において、光源ユニットの位置調整部材に加えて、照明均一化素子の位置調整部材を備えていることを特徴とする画像投射装置。
【請求項９】
請求項１から８の何れかに記載の画像投射装置において、投射光学系は、投射レンズと自由曲面ミラーを有することにより、至近距離投射を可能にしたことを特徴とする画像投射装置。
【請求項１】
リフレクタを有する光源、照明均一化素子、リレーレンズ、第１折り返しミラーおよび第２折り返しミラーを有してなる照明光学系と、配列された各ミラー画素を傾けて画像を形成し前記照明光学系によって照明光が照射される反射型空間光変調素子と、前記反射型空間光変調素子で反射される光を画像投射面に投射する投射光学系と、を有する画像投射装置であって、
前記第２折り返しミラーは、前記投射光学系の鏡筒部分と第２折り返しミラーとの機械的な重なり合いを避けるための切り欠きを有し、
前記リフレクタを有する光源ユニットは、前記反射型空間光変調素子の照明領域において前記切り欠きに対応する部分の照度分布調整を行うための位置調整部材を有することを特徴とする画像投射装置。
【請求項２】
請求項１記載の画像投射装置において、前記調整部材は、前記リフレクタによる照明光の中心軸の傾きを調整するものであることを特徴とする画像投射装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の画像投射装置において、前記調整部材は、スペーサであることを特徴とする画像投射装置。
【請求項４】
請求項１または２記載の画像投射装置において、前記調整部材は、ねじであることを特徴とする画像投射装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れかに記載の画像投射装置において、前記照明均一化素子は断面形状が矩形の角柱状であり、前記リフレクタを有する光源から出射される光の照明角の最大値の１／２をθ、前記矩形の対角線の長さの１／２をｃ、ｃ／ｔａｎθをｓ、すなわちｓ＝ｃ／ｔａｎθと表したとき、前記照明均一化素子の全長Ｌは、
３．４８ｓ≦Ｌ≦５．２２ｓ
であることを特徴とする画像投射装置。
【請求項６】
請求項１から５の何れかに記載の画像投射装置において、前記反射型空間光変調素子上の照度分布全体における照度の最大値に対して、前記第２折り返しミラーの切り欠きによる照度分布の部分的な低下が２５％未満であることを特徴とする画像投射装置。
【請求項７】
請求項１から６の何れかに記載の画像投射装置において、前記光源は白色光源であり、前記白色光源から出射される照明光から時分割で少なくとも赤、緑、青の三色を作り出すカラーフィルタを有することを特徴とする画像投射装置。
【請求項８】
請求項１から７の何れかに記載の画像投射装置において、光源ユニットの位置調整部材に加えて、照明均一化素子の位置調整部材を備えていることを特徴とする画像投射装置。
【請求項９】
請求項１から８の何れかに記載の画像投射装置において、投射光学系は、投射レンズと自由曲面ミラーを有することにより、至近距離投射を可能にしたことを特徴とする画像投射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【公開番号】特開２０１３−９７１２３（Ｐ２０１３−９７１２３Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３８８５０（Ｐ２０１１−２３８８５０）
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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