WO2000073844A1 - Systeme optique a reflexion et projecteur reflectif contenant ce systeme - Google Patents

Description

明 細

反射型光学系及びそれを用いた反射型プロジェク タ装置 技術分野

本発明は、 反射型光学系及びそれを用いた反射型プロジェクタ装置に関し、 前面投射方式や背面投射型の投射型プロ ジェク タ、 さ らには一般の投射型テ レ ビに適した ものである。 背景技術

一般に、 反射型プロ ジェ ク タは、 反射型パネルの特性：こよって 2種類に大 別される。

第 1 は、 反射型パネルに垂直に入射及び反射する方式のものである。 この 方式では、 投射レンズの光軸上にハーフ ミ ラー或はハーフプリ ズム等を配置 し、 このハーフ ミ ラ一或はハーフプリ ズムを介して照明光学系の光束が投射 レンズの一部を通り反射型パネル面に到達し反射し、 投射レンズを経てス ク リ ーン面に投射される方式が従来からある。 また、 最近では、 液晶の反射型 パネルでの偏光方向の回転と P B S素子を組合せて、 反射型パネルからの反 射光を投射レンズに導く 方式もある。 これらの方式では、 液晶の反射型パネ ルが用いられている。

第 2は、 反射型パネルに斜め方向から光束を入射し、 反射型パネルの中の 画素一つ一つに相当する微小なミ ラーで反射する方式のものである。 この方 式では、 反射型パネル全体に対しては入射光学系の光軸が斜めに配置され、 反射型パネルからの反射光束の中心は反射型パネル全体に対して垂直に反射 し、 また、 反射型パネル全体に対して垂直に配置された投射レンズを経てス ク リ ーン面に到達する。 この第 2 の方式では、 反射型パネルへの入射光束と反射型パネルからの反 射光束の通過する光路が異なるため、 入射光束の領域と反射光束の領域のた めに、 通常は、 反射型パネルの前面に空間を開けている。 この条件を投射レ ンズで考えると、 バッ クフォーカスの長い投射レンズが必要にな り 、 その分、 投射レンズの設計が難し く なる。 逆に、 同一 ft様の投射レンズを設計する場 合、 レンズ枚数の増加及び大型化が必要となる。 また、 ランプから反射型パ ネル迄の照明光学系で考える と、 照明光学系をテ レセン ト リ ッ クにするこ と が難し く な り 、 逆：こ、 同一仕様でテ レセン ト リ ッ クを実現するためには、 レ ンズ枚数の増加及び大型化が必要となる

一方で、 第 2 の方式で、 全反射プ リ ズムを用いて入射光束を反射型パネル に導く 例がある- この場合、 I：照明光学系の光路の折り 曲げ、 全反射プリ ズムの空気換算長が短く な り 、 その分、 投射レンズのバッ ク フォーカスを短 く でき る。 しかし、 その場合でも、 投射レンズのバッ ク フォーカスには数十 m m以上の大きな値が必要となっていた。

反射型パネルを用いた反射型プロ ジュク タにおける総合的な光利用効率を 向上させるために、 照明光学系及び投射レンズ系を共に、 テ レセン ト リ ック にするこ とが重要である。

第 8図を用いてテ レセン ト リ ックの必要性について説明する。 第 8図は、 反射型パネル 4 の右側に照明光学系 3 と投射レンズ 5 を配置した構成で、 反 射型パネル 4の直前の入射光線 . 直後の反射光線のみを示した図である。 図 の反射型パネル 4 には、 雑誌 「写真工業」 の 1 9 9 8年 5月号の第 9 6頁か ら第 9 9頁に示されてレ、る D λ'Ι D ( D i g i t a l M i c rom i r ror De v i c e ) (テキサ ス イ ンスツルメ ンッ社の登録商標） を用いている。 これは、 各画素に対応し た微小ミ ラーが画素数分あり 、 一 1 0度から + 1 0度へ傾き を変化させるこ とによって、 反射光が投射レンズ 5 (第 8図には図示せず） に入射する状態 と、 投射レンズ 5に入射しない状態を作り出す構成となっている。 この— 1 0度と 十 1 0度の選択によ って、 パネルの各画素の O Nと O F Fの状態を作 り出している 従って、 その ミ ラ一力； 1 0度回転するこ とによって、 反射型 パネル 4 の面全体に対して 2 0度の角度で入射した光線をちよ う ど、 反射型 パネル 4全体の法線方向に反射する構成となっており 、 その方向に配置した 投射レ ンズ 5 ；こ入射する- 一方、 ミ ラーが逆方向に一 1 0度回転した場合は、 反射型パネル 4 からの反射光線は、 投射レンズ 5 の方向に対して 4 0度離れ た方向に反射し投射レンズ 5 に入射できない、 これが、 反射型パネル 4 の◦ X Z O F Fの状態となる：

と こ ろで、 第 8図 （ 1 ) は反射型パネル 4 の右側に照明光学系 3 の瞳 （ひ と み） 位置がある場合であり 、 瞳位置から出射した入射光線！； ③は、 反射 型パネル 4の各ミ ラ一で反射しそれぞれ反射光線 ' ¾ ' : ' となる。 と ころ で、 上記説明のよ う に入射光線 (Iと同じ角度の入射光線は反射型パネル 4で 反射し反射光線①' と同じ角度で反射するが、 瞳 （ひとみ） 位置が図のよ う に 有限距離で小さい場合は、 入射光線② · ③の反射型パネル 4上のミ ラ一での 法線角度がズレるので、 反射光線②' · ③' は、 図のよ うに外側に向かって反 射する。 すなわち、 投射レンズ 5 の瞳位置は、 反射型パネル 4 の左側にある 必要がある。

逆に、 第 8図 （ 2 ) は反射型パネルの左側に照明光学系 3 の瞳位置がある 場合であ り 、 同様に、 瞳位置から出射した入射光線①②③は、 反射型パネル 4の各ミ ラーで反射しそれぞれ反射光線①' ②' ③' となる。 入射光線①と同 じ角度の入射光線は反射型パネル 4 で反射し反射光線①' と同じ角度で反射 するが、 今度は逆に、 瞳位置が図のよ う に有限距離で小さい場合は、 入射光 線② · ③の反射型パネル 4上のミ ラ一での法線角度が逆側にズレるので、 反 射光線②' · ③' は、 図のよ うに内側に向かって反射する。 すなわち、 投射レ ンズ 5 の瞳位置は、 図で反射型パネル 4 の右側にある必要がある。

以上をまとめると、 反射型パネル 4に対する照明光学系 3 と投射レンズ 5 の瞳位置は、 互いに反対側となる。 従って、 この問題点を解決するに、 テ レ セン ト リ ックまたは同等の状態にできれば、 互いに瞳位置が反射型パネル 4 に対して反対側にあっても、 実質的な角度差が小さ くするこ とができ る。 一般的なテ レセン ト リ ック化の実現手段は、 像面あるいは写像面の手前に 凸レンズを配置する方法である。 しかしながら、 反射型パネル 4の反射で入 出射光線角度が異なる場合は、 入射光線と反射光線の光路を分離させるため に、 反射型パネル 4の直前に大きな空間を確保する必要がある。

従って、 反射型パネル 4の直前に凸 レンズを配置できない場合は、 照明光 学系及び投射レ ンズのバ ッ ク フォーカスが大き く なるので、 テ レセン ト リ ッ ク化が困難であり 、 逆に、 テ レセン ト リ ッ ク化を実現するためには、 レンズ 枚数が増えたり、 レンズ系が大型化する等の問題がある。

本発明の課題は、 レンズ枚数を増加させずに、 また、 レンズ系全体を大型 化せずに、 照明光学系及び投射レンズをテ レセン ト リ ック化するこ とである。 ここで、 ある計算モデルでの瞳位置の違いによる光線通過率の計算結果を 用いて、 定量的な補足説明を行う。

第 9図に計算結果の表を、 第 1 0図にそのグラフを示した。 照明光学系の 瞳位置は、 反射型パネルに対して照明光学系側に、 投射レンズの瞳位置は反 射型パネルに対して投射レンズ側に設けた。 これは、 フィ ール ド レンズを用 いない場合での一般的な瞳位置であり、 符号は負の値で表した。

こ こでは、 照明光学系と投射レンズの瞳位置の不整合時の光線通過率の劣 化の具合を明らかにするこ とが目的であるので、 投射レンズの瞳位置は短い 一 5 O mmと長い— 5 0 O mmの 2種類と し、 照明光学系の瞳位置は一 1 0 O mm、 一 2 0 0 mm、 一 5 0 0 mm、 一 1 0 0 0 mm、 一 2 0 0 0 mm、 一 5 0 0 0 mm、 一 1 0 0 0 0 mmの 7種類と した。 この結果、 投射レンズ の瞳位置が一 5 0 0 mmと大き く ほぼテ レセン ト リ ックに近い場合には、 照 明光学系の瞳位置を概略一 2 0 O mm程度迄大き くすれはよい。 投射レンズ の瞳位置が一 5 0 m mと小さ く テ レセン ト リ ッ ク と呼べないよ う な場合は、 照明光学系の瞳位置を一 1 0 0 0 0 m mと して も光線通過率が大幅に劣化し てしま う こ と を定量的に確認できる。

本発明は、 高精細化と併せ、 高階調で疑似輪郭改善され、 かつ高輝度の画 像表示が可能な技術の提供を目的と している。 発明の開示

上記目的を達成するため、 本発明では、

投射レンズの光軸と同軸で投射レンズの一部を構成し正の焦点距離を有する フィ ール ドレンズを全反射プリ ズムと反射型パネルの間に配し、 かつ、 フィ ール ドレ ンズを通過する前の照明光の光軸が上記フィ 一ル ドレンズによる屈 折後に所定の角度で反射型パネルのほぼ中央に所定の角度で入射するように、 フィ ール ドレンズと照明光学系の配置を規定する。 図面の簡単な説明

第 1 図は、 本発明の実施例での光学系の基本構成図、 第 2 図は、 本発明の 実施例でのフィ ール ドレンズの作用説明図、 第 3図は、 本発明の実施例のレ ンズアレイを用いた第 1 の構成図、 第 4 図は、 本発明の実施例のレンズァレ ィを用いた第 2 の構成図、 第 5図は、 従来例のレ ンズアレイの形状説明図、 第 6 図は、 本発明の実施例のレンズアレイの形状説明図、 第 7図は、 本発明 の実施例のロ ッ ドレンズを用いた構成図、 第 8 図は、 本発明のフ ィ ール ドレ ンズによるテレセン ト リ ッ ク化の理由の説明図、 第 9 図は、 照明光学系の瞳 位置と投射レンズの瞳位置の違いによる光線通過率の計算結果、 第 1 0図は、 照明光学系の瞳位置と投射レ ンズの瞳位置の違いによる光線通過率の計算結 果の図、 第 1 1 図は、 反射型パネルの中央部での入射光束と反射光束の空間 的な関係を示す図、 第 1 2図は、 反射型パネルの中央部と周辺図での入射光 束と反射光束の空間的な関係を示す図、 第 1 3 図は、 反射型パネルの直前に 全反射プリ ズムを配置した際の入射光線と反射光線の状態を表した図、 第 1 4図は、 同一形状の三角プリ ズム 2個によ り全反射プリ ズムを構成した構成 図、 第 1 5図は、 全反射プリ ズムとフィ 一ル ドレンズを貼り合わせた構成図、 第 1 6図は、 全反射プリ ズムとフ ィ ール ドレンズをモール ドで一体状に成形 した構成図、 第 1 7図は、 全反射プリ ズムとフ ィ 一ル ドレンズの貼り合わせ 実施例の具体的な形状図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 図面を用いて本発明をよ り詳細に説明する。

第 1 図は、 本発明の実施の形態による反射型プロジェク 夕装置の光学系の 基本構成図である。 1 はラ ンプ、 2 はリ フ レク タ、 4 は反射型パネル、 5 は 投射レンズ、 6 はフィ ール ドレンズ、 7 は色分離手段と してのカラーホイ一 ル、 2 0 は全反射プリ ズムであり、 3 はラ ンプ 1 からフィ ール ドレンズ 6 ま での照明光学系である。 ところで、 フィ ール ドレンズ 6 は投射レンズ 5の一 部と も解釈できるが、 こ こではその機能から、 フィ ール ドレ ンズ 6 と投射レ ンズ 5 は、 区別して説明する。

図ではリ フ レク タ 2 は断面形状が楕円面である楕円面リ フ レクタ と してい るが、 この場合、 リ フ レクタ 2の第 1 焦点位置或はその近傍に配置したラ ン プ 1 から出射した光束は、 リ フ レク タ 2の第 2焦点位置或はその近傍に結像 し、 スポッ ト像を形成する。 このスポッ ト像の位置にカラ一ホイール 7のダ ィク ロイ ツ ク ミ ラ一部が回転し、 R、 G、 B等の色に分離される。 このカラ 一ホイール 7で分離された R、 G、 B等の光束は、 全反射プリ ズム 2 0で全 反射後、 フィ ール ドレンズ 6でテレセン ト リ ッ クな光束に変換され、 所定の 入射角度で反射型パネル 4 に入射する。 その後、 反射型パネル 4で反射した 光束はフィ ール ドレンズ 6を再び透過し、 全反射プリ ズム 2 0を今度は透過 し、 最後に投射レンズ 5を経てスク リ ーン面 （図示せず） に投射される。 また、 第 2図を用いて反射型パネル 4 での反射前後の状態について説明す る。

第 2 図は、 照明光学系 3の光軸上の光線 （ラ ンプ 1 と リ フ レクタ 2の頂点 を結んだ直線） が、 フィ ール ドレ ンズ 6 と反射型パネル 4 にどのように入射 し反射していく かを示した概略図である。

図の反射型パネル 4 には、 前記の雑誌 「写真工業」 記載の D M Dを用いて いる。 この D M Dには各画素に対応した微小 ミ ラーが画素数分あり、 一 1 0 度から + 1 ()度へ傾きを変化させる こ とによって、反射光が投射レンズ 5 (第 2図には図示せず） に入射する状態と、 投射レ ンズ 5 に入射しない状態を作 り出す構成となっている。 この一 1 0度と + 1 0度の選択によって、 反射型 パネル 4 の各画素の 0 Nと 0 F Fの状態を作り出 している。

図では、 照明光学系 3の光軸上の光線 （ラ ンプ 1 と リ フ レクタ 2 の頂点を 結んだ直線） に重なる光線がフィ ール ドレ ンズ 6で屈折し反射型パネル 4 の 面全体の法線に対して 2 0度の角度で入射し、 上記の微小ミ ラーが 1 0度傾 いた状態で、 反射光線が反射型パネル 4 から垂直に出射する。 この光線は、 反射型パネル 4 の光軸上に傾けずに配置したフ ィ ール ドレンズ 6を経て投射 レンズ 5 に到達する。 また、 微小 ミ ラーが一 1 0度逆側に傾いた状態では、 反射角度が 2 0度の倍で 4 0度異なり、 投射レンズ 5 に入射しない。

また、 第 2図では， 反射型パネル 4 の中央で反射した 0 N光が， 投射レン ズ 5 の光軸に重なる図を示したが、 前面投射式のプロジェクタ一に適用 した 場合、 投射レンズ 5の光軸と反射型パネル 4の中心位置をずらす、 いわゆる 光軸シフ トを行う。 この場合でも， 以下説明するテレセン ト リ ッ ク系を採用 する ことによって、 照明光学系の光軸に重なる入射光線が、 反射型パネル 4 の中央で反射した反射光は、 投射レンズ 5 の光軸にほぼ平行となる。

次に、 フィ ール ドレンズ 6 の具体的な レンズデータについて説明する。 フ ィ 一ル ドレンズ 6 は、 硝材は屈折率 N = 1 . 5 1 6 8である H 0 Y A製の B S C 7 (通称 B K 7 ) 、 曲率半径はラ ンプ 1 側力、 ' r = 8 4 . 5 1 m m (曲率 半径の中心は反射型パネル 4側にある） で反射型パネル 4側が平面、 厚さが d = 3 . 5 m m、 反射型パネル 5迄の空気換算距離を t = 8 . 5 m mと した。 ここで、 投射レ ンズ 5 の光軸を基準に、 フィ ール ドレンズ 6への入射角度 を α、 前面での屈折後の光線角度を yS、 後面出射で反射型パネル 4への入射 角度を 7 と し、 フ ィ ール ドレンズ 6 の前面での光線高さを h、 後面での光線 高さを h 0 とする。 このとき、 数式 1 から h 0 = 3 . 0 9 m m、 数式 2 から β = 1 3 . 0度となる。

h 0 = t X t a η 7 (数式 1 ) β = a r c s i n ( ( s i n ァ ） / ) (数式 2 ) 次に、 曲面上での高さは、 前面と投射レンズ 5の光軸の交点を原点と して、 数式 3の円と数式 4の直線との交点から、 h = 3 . 8 8 m mと求まる。

( X - d ) X ( X — d ) + y x y = r x r (数式 3 ) ( y - h O ) / ( x - d ) = - t a n β (数式 4 ) 最後に、 交点での法線角度が、 数式 5 から = 2 . 6 3度、 従って、 数式 6から α = 1 8 . 5 2度が求まる。

0 = a r c s i n ( h / r ) (数式 5 ) s i n { α - Θ ) = N x s i n ( β - Θ ) (数式 6 ) 以上のように、 フィ ール ドレンズ 6を配置する ことによって、 反射型パネ ル 4 に対し正対して配置したフィ ール ドレンズ 6を経た照明光学系の光軸が 反射型パネル 4 の中央に 2 0度の入射角度で入射し、 反射型パネル 4 内の微 小ミ ラーを 1 0度傾いた、 いわゆる 0 Νの状態で反射光線がフィ 一ル ドレン ズ 6に再び今度は垂直に入射し、 その後、 投射レンズ 5 に入射する。

次に、 上記説明 した本発明の基本構成にスク リ ーン面での照度の一様性を 改善するためのイ ンテグレータを用いた場合の実施の形態について、 第 3 図 から第 7図を用いて説明する。

第 3図は、 第 1 図の基本構成に、 レンズアレイ方式のイ ンテグレータを用 いた構成図である。 8 は 1 枚または複数枚の第 1 の凸レンズ、 9 は 1 枚また は複数枚の第 2 の凸レ ンズ、 1 0 は第 1 の平板状のレ ンズアレイ、 1 1 は第 2の平板状のレ ンズア レイ、 1 2 は 1 枚または複数枚の凸レ ンズを有する集 光レンズである。 ここでは、 リ フ レク タ 2 には断面形状が放物面である放物 面リ フ レク タを用いており、 カラーホイール 7面上にスポッ ト像を形成する ための 1 枚または複数枚の第 1 の凸レ ンズ 8を配置している。 また、 レ ンズ ァレィ方式なので、 スポ ッ ト像を再び平行光束に変換するために 1 枚または 複数枚の第 2の凸レンズ 9が必要となっている。

第 4 図は、 リ フ レク タ 2 に断面形状が楕円である楕円面リ フ レク タを用い たので、 第 3図での第 1 の凸レンズ 8 は不要となっている。 以下、 基本構成 及び基本作用は、 第 3図と同一である。

第 5図と第 6図は、 レンズアレイ方式でのレ ンズア レイについての説明図 である。

レンズアレイ方式では、第 1 の平板状のレンズアレイ 1 0での各セル（個々 のレンズ） での光量分布をパネル面上の重骨する こ とが基本作用であり、 通 常は、 第 1 の平板状のレンズアレイ 1 0上のセルには矩形形状である矩形形 状セルが用いられる。 ところで、 本方式の反射型パネル 4 の場合では、 反射 型パネル 4 に対して 2 0度の入射角度で照明光学系の光束を照射するので、 第 1 の平板状のレンズアレイ 1 0 の各セルの像は l Z c o s 2 0度 = 1 . 0 6倍に拡大される。 ここで、 入射角度をずら した分の c o s i n e量で説明 したが、 照明光学系の瞳位置と投射レンズ系の瞳位置の整合問題と して第 8 図で説明 したように、 フィ ール ドレンズ 6を用いてテレセン ト リ ッ ク系を実 現しているので、 像面位置ずれによる倍率差に起因する台形歪を考慮せずに、 1 / c o s 2 0度を考慮すればよい。 従って、 予め、 第 1 の平板状のレンズアレイ 1 0 の各セルの形状を ミ ラー が土 1 0度回転する方向で、 c o s 2 0度分圧縮しておけばよい。

以上は、 セル 1 個 1 個に関する議論であるが、 この非矩形形状セルを隙間 なく稠密状態で配列する必要があるので、 第 6図のよう に斜めに配列した。 また、 第 1 の平板状のレンズアレイ 1 0 は無偏心タイプと したので、 第 2 の平板状のレンズアレイ 1 1 にも同じレンズアレイを使用している。

次に、 別方式のイ ンテグレー夕方式であるロ ッ ドレ ンズ方式での実施の形 態について第 7図を用いて説明する。

図で、 1 3 はロ ッ ドレンズ、 1 4 は 1 枚または複数枚の凸レンズを有する リ レーレンズ系である。 リ フ レク タ 2 には断面形状が楕円である楕円面リ フ レク タを用い、 直接、 カラーホイール 7面上にスポッ ト像を形成している。 このカラ一ホイール 7の直後のロ ッ ドレンズ 1 3 に入射した光束は、 ロ ッ ド レンズ 1 3の出射面から出射し、 リ レーレンズ系 1 4及び全反射プリ ズ厶 2 0 により反射型パネル 4 面にロ ッ ドレンズ 1 3 の像を形成する。 ロ ッ ドレン ズ 1 3 に入射した光束は、 ロ ッ ドレ ンズ 1 3の入射面では、 ラ ンプ 1 自体の 配光分布に起因する角度分布を有している力 ロ ッ ドレンズ 1 3 の側面で全 反射を繰返すことによって、 ロ ッ ドレンズ 1 3 の出射面では光束の分布の一 様性が改善される。 リ レーレ ンズ系 1 4 は、 ロ ッ ドレンズ 1 3の出射面を物 面、 反射型パネル 4面を像面と した写像関係にあるので、 ロ ッ ドレンズ 1 3 で改善された一様な分布の光束が、 反射型パネル 4面に導かれることとなる。 ところで、 カラ一ホイール 7 とロ ッ ドレンズ 1 3の配置順に関しては、 本 実施例では、 カタ一ホイール 7が先で次にロ ッ ドレンズ 1 3 を配置したが、 原理的には、 ロ ッ ドレンズ 1 3が先で次にカラーホイール 7を配置してもよ い。

また、 以上の説明では、 カラーホイール 7を用いた基本構成についての説 明であつたが、 カラーホイール 7を用いずに色分離プリ ズムと複数枚の反射 型パネル 4を用いた構成においても、 フィールドレンズ 6を用いることによ る効果は同様である。

以下、 全反射プリズム 2 0の機能について説明し、 次に、 本発明でのフィ 一ルドレンズ 6のより効果的な配置方法について説明する。

第 1 1 図は、 反射パネル 4への入射光束と反射光束の状態を反射パネル 4 を基準に表した摸式図である。 反射パネル 4に対して 2 0度の入射角度で照 明光学系からの光束が入射し、 反射パネル 4で 2 0度角度を変え反射光束と なる。 入射光束に対しては、 入射光学系の光学部品を配置し、 反射光束に対 しては反射光学系の光学部品を配置することになるが、 入射光束の光束径が 大きいと、 反射光束の一部が反射光学系の中に収まりきれなくなる。 そこで、 実用上では、 第 1 1 図のように入射光束と反射光束の光路が物理的に干渉し ないように、 入射光束の大きさを制限している。

例えば、 2 0度の角度差なので、 入射光束と反射光束の干渉を避けるには 入射光束径は土 1 0度以内である必要がある。 この角度を F値に換算すると、 数式 7から F 2 . 8が得られる。

F = l / ( 2 x t a n ^ ) (数式 7 ) しかし、 レンズ玉等の光学部品には、 保持のために鏡筒が必要であり、 そ の鏡筒の干渉も考えると、 入射光束である照明光学系の F値は例えば F 3程 度迄大きくなる。 これに対して、 反射型パネル 4の手前にミ ラー等の光学部 材を配置すればレンズ玉等の保持部材である鏡筒の物理的な干渉を回避でき る。

以上は、 パネル中央に関する議論であるが、 実際は、 パネルの端部でも同 様の反射が起こり、 これについては第 1 2図を用いて説明する。

第 1 2図で、 パネルの中央での入射光束と反射光束の境界線と、 同様に作 図できるパネル周辺での入射光束と反射光束の境界線が、 平行の関係にある。 従って、 ミ ラー等を介して、 パネルへ入射光束である照明光学系の光束を入 射させるために必要なミ ラーの配置エリアが、 パネルの中央の場合と、 パネ ルの周辺の場合で異なるため、 反射ミ ラーを介して理想的にパネルの中央と 周辺に入射光束を照射することができない。

そこで、 パネルの中央で反射する光束と、 パネルの周辺で反射する光束が、 物理的に重なっていても、 入射光束と反射光束が分離可能な全反射プリズム の作用を説明し、 次に、 本発明でのフィールドレンズ 6 と全反射プリズム 2 0の貼り合わせ及び一体成形の効果について説明する。

第 1 3図は、 全反射プリズム 2 0での反射パネル 4への入射光線と反射光 線の光路を示した図である。 反射パネル 4の大きさや全反射プリズム 2 0の 配置位置によって異なるが、 図では、 分かり易いように、 反射パネル 4の中 央で反射した光線と、 反射パネル 4の周辺に入射する光線が全反射プリズム 2 0のほぼ同じ場所を通過している状態を示した。 この図で、 入射光線の全 反射プリ ズム 2 0の法線に対する入射角度に対して、 反射パネル 4で反射し た後の反射光線は、 角度が 2 0度異なつた結果、 全反射面プリズム 2 0の法 線に対する入射角度が 2 0度分小さく なつており、 全反射面で全反射せずに、 光線は透過する。 第 1 3図では、 照明光学系の軸上光線と主光線を代表して 示したが、 実際は、 その代表光線に F値の光線が加わった光束となるが、 例 えば、 反射パネル 4への入射角度を 2 0度とし、 光束の F値を F 3とすれば、 a r c t a n ( 1 / 2 / 3 ) = 9 . 5度となり、 全反射プリズム 2 0への入 射角度は 2 0度 ± 9 . 5度となる。 一方で、 反射光束は、 基準が 0度なので、 F 3の光束分の ± 9 . 5度を加えても ± 9 . 5度となるので、 9 . 5度と 1 0 . 5度 （ = 2 0 — 9 . 5 ) の間に全反射が起きる臨界角を設定すれば、 上 記全反射面で反射と透過の分離が可能となる。

第 1 4図は、 全反射プリズム 2 0を同一形状の 2個のプリズムブロックを 貼り合わせて構成した例である。 これによつて、 全反射プリズム 2 0の低コ ス ト化が可能となる。 また、 光学的な効果としては、 反射型パネル 4で反射 した O F F光の全反射防止がある。 すなわちち、 第 1 3図の全反射プリ ズム 2 0 の上部端面は、 投射レンズの光軸と平行となっているので、 上部端面で の全反射が起き易いが、 上部端面を斜めにする こ とによって、 この面での全 反射を防止し、 よって、 0 F F光が投射レンズ 5 に入射する ことを防いでい る。 本来、 0 F F光が第 1 3 図のような形状の全反射プリ ズム 2 0 の上部端 面で全反射した場合でも、 角度が保存されるため、 投射レンズ 5 の F値を考 える と、 けらるはずであるが、 投射レンズ 5の鏡筒内部での反射等が考えら れるので、 上記のような全反射は防止した方が、 コ ン トラス ト性能にと って は望ま しい。

また、 第 1 5 図は、 本発明の作用を示す図である。 図で、 フィ ール ドレン ズ 6 の形状を、 反射型パネル 4側の面を凸面と し、 その反対側の面を平面に 定めた。 さ らに、 このフィ ール ドレンズ 6を全反射プリ ズム 2 0 に貼付けた 構成と した。 この目的は、 フィ ール ドレンズ 6 のレンズ面と全反射プリ ズム 2 0 の表面それぞれに起因するゴ一ス ト等の反射を低減し、 コン トラス 卜の 良好な光学系を達成することである。

更には、 第 1 6 図に示すように、 上記フィ ール ドレンズ 6 と全反射プリ ズ ム 2 0を構成するプリ ズムをプラスチッ クで一体状に成形した場合には、 貼 り合わせの位置調整作業を不要にできる。

第 1 7図は、 上記フ ィ ール ドレンズ 6 と全反射プリ ズム 2 0の貼り合わせ 実施例の場合での具体的な形状を示す図である。 図で、 フール ドレンズ 6 と 全反射プリ ズム 2 0の材質には、 屈折率 N = 1 . 5 1 6 8である H O Y A製 の B S C 7 (通称 B K 7 ) を用いている。 また、 図に示すように、 三角形の 内角が 1 0 0度と 3 3. 9 6度と 4 6. 0 4度であるプリ ズム 2個用いた。 また、 フィ ール ドレンズ 6 は、 厚さが 3 m mで、 反射型パネル 4側に曲率半 径 8 4. 5 1 m mの凸面を向けた配置と した。 なお、 フィ ール ドレンズ 6か ら反射型パネル 4の ミ ラー反射面迄の距離は空気換算で 1 0. 3 mmと した。 上記説明では、 全反射プリ ズム 2 0の全反射作用の詳細について触れては いないが、 前記の雑誌 「写真工業」 記載の D M D関連記事の中に、 T I Rプ リ ズム （Total Internal Reflection Prism) と して紹介があり、 入射角が 4 0. 5度以上でほぼ 1 0 0 %反射すると記載してある。 このことから、 全反 射面に空気層がある こ とがわかる。 例えば、 H O Y A製の B S C 7 (通称 B K 7 ) の場合で、 d線に対して全反射を起こす臨界角は a r c s i n ( 1 / 1. 5 1 6 8 )= 4 1. 2度であり、 また、 短い波長での屈折率を考慮すると、 4 0. 5度以上でほぼ 1 0 0 %反射する という内容にほぼ一致する。

以上の説明の中で、 イ ンテグレ一夕 と してレ ンズアレイ方式と、 ロ ッ ドレ ンズ方式を示したが、 イ ンテグレ一タ と しては、 同様の光学作用を有する光 学素子であればよい。

本発明によれば、 レンズ枚数を増加させずに、 また、 レ ンズ系全体を大型 化せずに、 照明光学系及び投射レ ンズのテレセ ン ト リ ッ ク化を実現する こ と ができる。 産業上の利用可能性

以上のように、 本発明にかかる技術は、 反射型プロジェク タ装置に関する もので、 前面投射方式や背面投射型の投射型プロジェクタに広く 利用できる。 更に、 一般の投射型テレビといった分野にも広く 利用できる。

Claims

1 δ 請求の範囲

1 . 反射型プロジェクタ装置用の反射型光学系において、

ランプ 1 と リ フ レクタを有して成る照明光学系と、

全反射プリ ズムと、

反射型パネルと、

全反射プリ ズム と上記反射型パネルと の間に配され、 正の焦点距離を有す るフィール ド レンズと、

投射レンズと、

を備え、

上記照明光学系側からの出射光束が上記全反射プリ ズムで全反射され、 フ ィ一ル ドレンズを経て上記反射型パネルで反射され、 再び上記フィール ドレ ンズを経て該全反射プリ ズムを通り 上記投射レンズに導かれるよ う にしたこ とを特徴とする反射型光学系。

2 . 上記フィ ール ド レンズを透過する光束は、 入射経路と出射経路が重なら ないよ う にされる請求の範囲第 1項に記載の反射型光学系。

3 . 上記フィール ドレンズに入射する前の上記照明光学系の光の光軸と上記 投射レンズの光軸とのなす角が、 上記フィール ド レンズで屈折させた後の該 照明光学系の光の光軸と該投射レンズの光軸とのなす角よ り も小さい請求の 範囲第 1項に記載の反射型光学系。

4 . 上記照明光学系の光が上記フィ ール ドレンズの屈折作用によ り上記反射 型パネルの略中央に入射後、 反射し、 該反射光と上記投射レンズの光軸がほ ぼ重なるかまたはほぼ平行となる請求の範囲第 1 項に記載の反射型光学系。

5 . 上記リ フ レク タ と上記全反射プリ ズムとの間に、 イ ンテグレータ と して の第 1 の平板状の レンズア レイ と、 第 2 の平板状の レンズア レイ と 、 凸 レン ズを有した集光レンズとを配した請求の範囲第 3項または第 4項に記載の反 射型光学系。

6 . 上記第 1 の平板状の レンズア レイは、 レンズ形状が矩形サイ ズに対し略 4 5度方向に略 6 %圧縮された形状である請求の範囲第 5項に記載の反射型 光学系。

7 . 上記リ フ レク タは放物面状の反射面を有し、 該リ フ レク タ と上記第 1 の 平板状のア レイ レンズとの間に、 第 1 の凸レンズと、 カラ一ホイールと 、 第 2の凸レンズを配した請求の範囲第 5項または第 6項に記載の反射型光学系。

8 . 上記リ フ レ ク タは楕円面状の反射面を有し、 該リ フ レク タ と上記第 1 の 平板状のア レイ レンズと の間に、 カ ラーホイ一ルと、 凸 レンズを配した請求 の範囲第 5項または第 6項に記載の反射型光学系 ₌

9 . 上記リ フ レ ク タは放物面状の反射面を有し、 該リ フ レク タ力ゝらの反射光 路上に、 凸 レンズと、 カ ラ一ホイールと 、 イ ンテグレ一タ と してのロ ッ ド レ ンズと、 リ レ一 レン ズ系とを配した請求の範囲第 4項に記載の反射型光学系。

1 0 . 上記リ フ レクタは楕円面状の反射面を有し、 該リ フ レクタからの反射 光路上に、 カラ一ホイールと、 イ ンテグ レ一タ と してのロ ッ ドレンズと 、 凸 レ ンズを有する リ レー レ ンズ系と を配した請求の範囲第 4項に記載の反射型 光学系。

1 1 . 上記フィール ドレンズは、 上記反射型パネル側のレンズ面形状が凸状、 反対側が平面状であり 、 かつ、 上記全反射プリ ズムと貼り合わせた構成であ る請求の範囲第 1 0項に記載の反射型光学系。

1 2 . 上記フィールドレンズは、 上記反射型パネル側のレンズ面形状が凸状、 反対側が平面状であり 、 かつ、 上記全反射プリ ズムを構成するプリ ズムと一 体状に形成されている請求の範囲第 1 1項に記載の反射型光学系。

1 3 . 上記フィ ール ド レンズと上記全反射プリ ズムを構成するプリ ズムは、 プラスチックで一体状に形成される請求の範囲第 1 2項に記載の反射型光学 系。

1 4 . 請求の範囲第 1 項から第 1 3項のいずれかに記載の反射型光学系を用 いて構成した反射型プロジェクタ装置。