JP2004246042A

JP2004246042A - Image projection device

Info

Publication number: JP2004246042A
Application number: JP2003035336A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Fujita; 和弘藤田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-13
Also published as: JP4500497B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize an image projection device having a projection optical system whose performance is stable in terms of tolerance and assembly while the projection distance is shortened. <P>SOLUTION: The image projection device irradiates a light valve with illumination light and enlarges and projects an image, formed by the light valve according to a modulated signal, on a screen 16 by the projection optical system, which comprises a 1st projection optical system which has positive power and a 2nd projection optical system 13 including a refraction optical system 14 and a reflection optical system (reflecting surface) 15 having negative diverging power; and the 2nd projection optical system comprises at least three or more surfaces, i.e. a 1st transmission surface 14a and a 2nd transmission surface 14b of the refraction optical system and the reflecting surface 15, and the projection image from the 1st projection optical system is transmitted through the 1st transmission surface of the 2nd projection optical system, reflected by the reflecting surface to have its optical path bent, and transmitted through the 2nd transmission surface to be projected on the screen. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスクリーン等に画像を拡大投射する画像投射装置に関するものであり、特に、フロントプロジェクタにおける投射距離の短縮や、また、リアプロジェクションにおける薄型化を達成させることができる投射光学系を備えた画像投射装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、光源からの照明光を画像表示素子であるライトバルブで変調し、ライトバルブにより変調された光束を投射レンズで投射する表示光学ユニットを備え、表示光学ユニットからの投射光を反射面で折り返してスクリーン上に拡大投射する投射型ディスプレイ装置等に応用される画像投射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、オフィスなどにおいて、液晶プロジェクタ等の画像投射装置の高解像度化、明るさの向上、低価格化などが促進され、また、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）を利用した小型軽量なプロジェクタの普及により、より広くプロジェクタは利用されている。特に、その携帯性の向上から、数人といった小さな会議にも使われるようになってきた。ここで、プロジェクタを使う場面を想定すると、会議の準備として設置場所の決定、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）や種々の画像出力機器（ビデオテープレコーダ（ＶＴＲ）、光ディスクドライブ装置（ＣＤ−Ｒ／ＲＷ，ＤＶＤ等）等）との接続などを行う必要があり、設置場所はその状況（参加人数、会議の内容、机のレイアウト）に応じて様々なシチュエーションが想定できる。また、ホワイトボードを併用したい場合もあり、机のレイアウトもそのとき、その場所で最も論議しやすい形態をとる。その際に、少人数で比較的小さな会議室で利用する場合、投影画面サイズ、投射距離、ＰＣや画像出力機器等との接続、投影場所の制約から、プロジェクタの設置場所の制約が少なからずも発生するという問題点が発生していた。
【０００３】
また、気軽に利用するのを阻んでいる理由の一つに、投射スペース、すなわち、プロジェクタの投影空間がある程度必要であることが言える。最も大きな問題点としては次のような状況がある。プロジェクタを利用してプレゼンテーション資料を説明する説明者は、プロジェクタと映し出されるスクリーンの前に立たざるを得ない場合がでてくる。その場合、投影画像の陰となって現れ、聴講者には、投影画面が一部分見えなくなることが生じる。
【０００４】
近年、ますます大画面で投射距離を縮める工夫がなされているが、従来の技術では、画面サイズにもよるが、対角５０〜６０インチの画面サイズを得るためには、フロント型では、せいぜい１ｍ程度の投射距離が必要であり、この距離では、説明者の陰がスクリーン上に写り込み問題になる場合が多々生じていた。
【０００５】
そこで上記のような問題を解決するため、画像投射装置の投射距離を短くする技術が種々提案されている。
例えば、下記の特許文献１に記載の「反射型結像光学系」では、結像光学系の大型化を抑え且つ広画角化を図ることのできる反射型の結像光学系を提供することを目的としており、その実施例としては、第一から第四の四つの反射鏡を備えた反射型結像光学系であって、第一反射鏡は凹状の曲面、第二〜第四反射鏡は凸状の曲面からなる反射光学系を採用している。また、前記各反射鏡の内の少なくとも一つの反射鏡の反射面を、自由曲面形状に形成し、所望の投射性能を確保している。
【０００６】
また、特許文献２に記載の「背面投射型ディスプレイ」では、スクリーンまでの投射距離を短くして、背面投射型ディスプレイ装置の奥行を薄くする方法として、一対の集光作用を有する凹面鏡と、拡散作用を有する凸面鏡を、表示光学ユニットから背面反射ミラーへの光路上に、表示光学ユニット側から凹面鏡、凸面鏡の順で配置するなどして、投射距離をより短くすることができるようにしている。
【０００７】
さらに、特許文献３に記載の「ビデオプロジェクタ」では、テレビジョン受像機において、第１番目の鏡を凸面状に構成し、薄型化を図ったリアプロジェクション方式のビデオプロジェクタが開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−４０３２６号公報
【特許文献２】
特開２００２−１７４８５３号公報
【特許文献３】
特公平６−９１６４１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上の従来技術の共通の問題点としては、自由曲面等、非球面を多用し、結像性能を保ちながら広角化を実現しているために、面形状精度はもちろん、各面の間隔の精度などに、どうしても高精度化が必要であった。
また、反射タイプを多用すると、その精度誤差が性能に与える影響は単純に２倍となるために、従来の投射光学系での公差設定より一段と厳しくなるという問題点があった。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、その目的は、投射距離を縮める手段として反射型光学系を採用しつつも、その光学系の一部に透過屈折光学系を取り入れることにより、投射光学系の設計自由度を向上させることであり、従来からある画像投射装置の投射距離を縮めつつ、公差的にも組み付け性においても、より性能が安定した投射光学系を有する画像投射装置を実現することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための手段として、本発明に係る画像投射装置は以下のような構成とした。
第１の構成は、照明光を生成する照明光源と、変調信号に応じて画像形成するライトバルブと、該ライトバルブにより形成された画像を拡大投射する投射光学系を備え、前記照明光源により生成された照明光を前記ライトバルブに照射し、変調信号に応じて該ライトバルブにより形成された画像を前記投射光学系によりスクリーンに拡大投射する画像投射装置において、前記投射光学系は、正のパワーを有している第一の投射光学系と、屈折光学系と負の発散パワーを有した反射光学系を含む第二の投射光学系とで構成され、前記第二の投射光学系は、前記屈折光学系の第一透過面と、前記反射光学系の反射面、及び前記屈折光学系の第二透過面の、少なくとも３面以上で構成された投射光学系であり、前記第一の投射光学系から投射される投射画像は、前記第二の投射光学系の第一透過面を透過し、前記反射面で反射されて光路を折り曲げられ、その折り曲げられた光路上に位置する第二透過面を透過して、前記スクリーンに投射されることを特徴とするものである（請求項１）。
【００１２】
第２の構成は、第１の構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系を構成する屈折光学系の第一透過面と第二透過面は、光学媒質の連続した面上に形成されていることを特徴とするものである（請求項２）。
第３の構成は、第１または第２の構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系は、前記屈折光学系の第一透過面と第二透過面、及び前記反射光学系の反射面の３面で構成されており、これら３面は同一の光学媒質で一体成形されていることを特徴とするものである（請求項３）。
第４の構成は、第３の構成の画像投射装置において、前記第一、第二透過面と、前記反射面との間の距離は、前記光学媒質の厚さで調整することを特徴とするものである（請求項４）。
第５の構成は、第３の構成の画像投射装置において、前記反射面は、全反射条件を満たすように設定したことを特徴とするものである（請求項５）。
【００１３】
第６の構成は、第１〜５のいずれか一つの構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系を構成する屈折光学系の第一透過面及び第二透過面においては、入射側の第一透過面を通過する光路の有効領域と、出射側の第二透過面を通過する光路の有効領域が重ならないように設定したことを特徴とするものである（請求項６）。
第７の構成は、第１〜６のいずれか一つの構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系として、少なくとも一部の透過面あるいは反射面を非球面形状とした投射光学系を用いたことを特徴とするものである（請求項７）。
第８の構成は、第１〜７のいずれか一つの構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系を構成する屈折光学系の入射側の第一透過面及び出射側の第二透過面は同一形状であって、その形状は複数の面形状をつなぎ合わせて複合面としたことを特徴とするものである（請求項８）。
【００１４】
第９の構成は、第１〜８のいずれか一つの構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系の第二透過面から出射した光路が、前記第一の投射光学系のユニットで蹴られないように、少なくとも反射面を含む第二の投射光学系の一部を投射方向とは反対側にシフトしたことを特徴とするものである（請求項９）。
第１０の構成は、第９の構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系のシフト量を、連続的に、あるいは、段階的に調整することにより、スクリーンへの投射画角を変化させることを特徴とするものである（請求項１０）。
第１１の構成は、第１０の構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系のシフト調整量に応じて変化する光学的な歪み量を、ライトバルブ上に形成する画像でもって補正する手段を設けたことを特徴とするものである（請求項１１）。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成、動作及び作用を、図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
（実施例１）
まず、第１、第２の構成の実施例を説明する。図１は本発明の一実施例を示す画像投射装置の構成説明図である。この画像投射装置１０は、照明光を生成する照明光源（図示を省略）と、変調信号に応じて画像形成するライトバルブ１１と、ライトバルブ１１により形成された画像を拡大投射する投射光学系１２，１３を備え、照明光源により生成された照明光をライトバルブ１１に照射し、変調信号に応じて該ライトバルブ１１により形成された画像を投射光学系１２，１３によりスクリーン１６に拡大投射する構成となっている。そして、投射光学系は、正のパワーを有している第一の投射光学系１２と、屈折光学系と負の発散パワーを有した反射光学系を含む第二の投射光学系１３とで構成されている。
【００１７】
すなわち、本実施例の画像投射装置１０は、画像表示素子であるライトバルブ１１と、ライトバルブ１１で形成された画像をスクリーン１６に拡大投射するための正のパワーを有している第一の投射光学系（例えば投射レンズ）１２と、全体的には負のパワーとなりつつも、画角を広げるために設けた反射光学系の凸面状の反射面１５と正の屈折光学系１４とからなる第二の投射光学系１３とを有する投射光学系を備えている。そして、第二の投射光学系１３は、屈折光学系１４の第一透過面１４ａと、反射光学系の反射面１５、及び屈折光学系１４の第二透過面１４ｂの、少なくとも３面以上で構成された投射光学系であり、第一の投射光学系１２から投射される投射画像は、第二の投射光学系１３の第一透過面１４ａを透過し、反射面１５で反射されて光路を折り曲げられ、その折り曲げられた光路上に位置する第二透過面１４ｂを透過して、スクリーン１６に投射される。すなわち、この画像投射装置では、第一の投射光学系１２から投射される投射画像を第二の投射光学系１３で一端折り返して、投射方向とは逆の方向で投射距離Ｄの位置に設置したスクリーン１６上に拡大投影している。
【００１８】
ここで、図１に示す構成の画像投射装置１０では、第二の投射光学系１３を構成する屈折光学系１４の第一透過面１４ａと第二透過面１４ｂは、光学媒質（光学ガラス、透明樹脂等）の連続した面上に形成されている。
また、図１の構成の画像投射装置１０では、第二の投射光学系１３の屈折光学系１４と反射光学系（反射面）１５は別体に設けられており、反射面１５に対する第一透過面１４ａと第二透過面１４ｂの位置や角度を調整することが可能になっているが、後述の実施例のように屈折光学系１４と反射光学系（反射面）１５を一体化しても良い。
【００１９】
尚、図示は省略しているが、ライトバルブ１１へ照射する照明光を生成する照明光源が設けられており、この照明光源としては、例えばハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどが用いられる。また、効率よく照明光の照度を得られるように、光源からの光をリフレクターで反射集光させた後、インテグレータ光学系といわれる照度均一化手段を用いて照明光を均一化してもよい（これらの図示は省略する）。また、反射型タイプの液晶ライトバルブを用いる場合は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）と組み合わせて照明光路と投射光路を分離する手段が採用され、ＤＭＤを用いる場合は、ＤＭＤに斜めに照明光を入射するための斜め入射光学系や、全反射プリズムを使った光路分離などが採用されるが、これらはライトバルブの種類に応じて適切な光学系を採用すればよい。
【００２０】
ここで、フロントタイプのプロジェクタでは、投射画像を上方にシフトさせ、聴講者からみて投射画像をプロジェクタの陰とならないようにしている。つまり、投射光学系の光軸に対して垂直な面でシフト（図では下側にシフト）する事によって、投射光学系の上方から投影させるようにしている。このライトバルブのシフト量が多ければ多いほど、投射レンズの要求される仕様、特に有効画角を広くとる必要がある。本実施例では、このライトバルブ１１のシフト量を適切に設定したあと、図１に示したように、第二の投射光学系１３の負のパワー（発散）を有した反射光学系の反射面１５により画角を広げることにより、広角化を容易に達成することができる。しかし、このときに、収差的に像が広がり結像性能を低下させてしまうために、あらかじめ第一の投射光学系１２では正（集光）のパワーを適切に設定する必要がある。そこで本発明では、この第一の投射光学系１２で全ての正のパワーを配分するのではなく、図示したように第二の投射光学系１３に屈折光学系１４（屈折面となる透過面１４ａ，１４ｂ）を盛り込み、正のパワーを部分的に配分したことと、面数を増やして設計の自由度を向上させたことを特徴としている。そして、これらの面は、従来から有る光線追跡法などのシミュレーション手法によって、最適な諸元設定を行えばよい。
【００２１】
以上のように、本実施例の画像投射装置では、第一の投射光学系１２と、正の屈折光学系１４と凸面形状の負のパワーを有した反射光学系（反射面）１５を持ち合わせた第二の投射光学系１３からなる投射光学系を用い、光路を折り曲げてスクリーン１６に投射することにより、投射距離Ｄを短くするとともに、光学性能を落とすことなく高品質な光学系を実現することが可能となる。
【００２２】
（実施例２）
次に第３、第４の構成の実施例を説明する。第３の構成では、実施例１に示した構成の画像投射装置において、第二の投射光学系１３は、屈折光学系１４の第一透過面１４ａと第二透過面１４ｂ、及び反射光学系の反射面１５の３面で構成されており、これら３面は同一の光学媒質で一体成形されていることが特徴である。形状的には同一の光学媒質の両側２面に光学面を持ち合わせた形状である。この第二の投射光学系１３の片面は反射面１５として使用するために、反射面１５と対向する屈折光学系（透過面）１４は行きと帰りで往復し、第一面の透過面１４ａ、第二面の透過面１４ｂとして機能する。また、第一、第二透過面１４ａ，１４ｂと、反射面１５との間の距離は、光学媒質の厚さで調整する。
この一体成形された第二の投射光学系１３を構成する光学媒質としては、様々なガラス部材で構成しても良く、また、ガラスモールドにより一体形成しても良い。もちろん、透明な光学プラスチック部材による一体成形でも可能である。
【００２３】
図２は第３、第４の構成の一実施例を示す画像投射装置の構成説明図であり、この画像投射装置では、第二投射光学系１３は、凸面の第一透過面１４ａ、凸面の反射面１５、凹面の第二透過面１４ｂ（第一透過面と同一の面であるが、反射面側から見ると凹面となる）の構成としている。凸面の反射面１５は、反射で用いるために画像が広がり、負の発散パワーとして機能する。第二透過面１４ｂは正のパワーとして機能するが、屈折作用によるため、同一曲率だと、反射で用いるより相対的にパワーは小さい。したがって、第二の投射光学系１３としては全体で負のパワーとなる。尚、図２において、透過面１４の領域Ａは第一透過面１４ａにおいて入射側光束のみの部分であり、領域Ｂは出射側光束のみの部分であり、領域Ｃは入射側光束と出射側光束が重なった部分であるが、光学媒質の厚さを調整して、第一、第二透過面１４ａ，１４ｂと、反射面１５との間の距離を調整すれば、この重なった部分の領域Ｃを調整することができる。
【００２４】
次に図３は第３、第４の構成の別の実施例を示す画像投射装置の構成説明図であり、この画像投射装置は、第二の投射光学系１３の屈折光学系（透過面）１４と反射面１５は共に負のパワーとした構成例であり、全体としては、もちろん負のパワーとした構成例である。この場合、第一の投射光学系１２はより強い正のパワーを有する光学系とする必要がある。
【００２５】
以上のように、本実施例の画像投射装置では、従来では凸面形状の反射面一面のみに持たせたパワーを、第一透過面１４ａ、第二透過面１４ｂの屈折面にも一部分散することが可能となり、従来の投射光学系（スクリーンと投射レンズの間に凸面鏡のみを配置した広角投射光学系）に比べ、収差補正には有利となる。すなわち、これは設計の自由度が向上し、また、公差に関する許容量を拡大できるという非常に効果の大きい利点がある。従って、より加工性が向上し、量産性に富む成形による作成方法を採用するなどして、屈折光学系と反射光学系を一体的に構成することで、より低コストで安定した形状確保、性能を保つことが可能となる。
【００２６】
（実施例３）
次に第５の構成の実施例を説明する。第５の構成では、実施例２の構成の画像投射装置において、前記反射面１５は、全反射条件を満たすように設定したことを特徴とする。
図５は第５の構成の実施例を示す図であり、図５に示すように、第二の投射光学系１３を構成する第一透過面（屈折面）１４ａ、あるいは第一の投射光学系１２の画角を適切に選ぶことにより、
全反射条件：ｎ・ｓｉｎθ＝ｎ０
（ｎ：一体モールド品、あるいはプラスチック部材の屈折率、
θ：最大入射角、
ｎ０：空気中の屈折率）
を満たすようなθより大きな入射角度で光束を反射面１５に入射させるようにすればよい。また、屈折率ｎの高い硝材、材質を選定するなどしてもよい。結像性能としては、第一の投射光学系１２と合成した光学性能を確保するように、従来のシミュレーション技術により最適化を図ればよい。
【００２７】
以上のように、本実施例の画像投射装置では、前記反射面１５は、全反射条件を満たすように設定したので、金属膜などの高反射率部材を形成（蒸着等）する必要が無く、また、全反射を利用しているので光利用効率の面でも効率の高い画像投射装置を実現することができる。
【００２８】
（実施例４）
次に第６の構成の実施例を、図４（ａ），（ｂ）に従って説明する。第６の構成は、実施例１または実施例２で示した構成の画像投射装置において、第二の投射光学系１３を構成する屈折光学系１４の第一透過面１４ａ及び第二透過面１４ｂにおいては、入射側の第一透過面１４ａを通過する光路の有効領域と、出射側の第二透過面１４ｂを通過する光路の有効領域が重ならないように設定したことを特徴とする。より具体的には、第一の投射光学系１２から投射した光束は、第二の投射光学系１３の屈折光学系１４の第一透過面（屈折面）１４ａを通過した後、反射光学系の反射面１５により折り返され、通過してきた面を第二の透過面（屈折面）１４ｂとして光学的に作用して、該透過面（屈折面）１４ｂを通過し、スクリーン１６へと向かう。このとき、第一の透過面（屈折面）１４ａ、第二の透過面（屈折面）１４ｂは、同一の光学媒質の連続した透過面１４であるが、本実施例では透過する光束が重ならないような画角となるように、反射面１５に対する透過面１４の距離、角度、形状を設定した。図４（ｂ）はその部分の拡大図（断面図）であり、本実施例では、反射面１５に対する透過面１４の距離、角度、形状を調整し、透過面１４の入射側光束の透過エリア（第一の透過面の領域）１４ａと、出射側光束の透過エリア（第二の透過面の領域）１４ｂが完全に分離した設定とする。
【００２９】
以上のように、本実施例の画像投射装置では、第二の投射光学系１３の透過面１４が、同一の連続した屈折面であっても、入射側光束の透過エリアと、出射側光束の透過エリアが重ならないように設定しているので、第一の屈折面形状と、第二の屈折面形状とは、光学的に異なる面形状とすることが可能となる。従って、設計の自由度をさらに向上させることが可能となる。
【００３０】
（実施例５）
次に第７の構成の実施例を説明する。本実施例では、実施例１〜４で説明した構成の画像投射装置において、第二の投射光学系１３として、少なくとも一部の透過面１４ａ，１４ｂあるいは反射面１５を非球面形状とした投射光学系を用いたことを特徴とする。
広角投射光学系では、収差を抑えつつ、ディストーション（歪曲歪み）を低減するのが非常に困難であるが、第二の投射光学系１３の少なくとも一部の透過面１４ａ，１４ｂあるいは反射面１５に非球面形状を採用することにより改善することができる。また、光学的に完全に補正できなくとも、ライトバルブ１１の画像として、投射光学系の歪み量を逆補正した画像を形成するようにし、投射画像としては、歪みの目立たない画像としてもよい。
【００３１】
以上のように、本実施例の画像投射装置では、第二の投射光学系１３の少なくとも一部の透過面１４ａ，１４ｂあるいは反射面１５に非球面形状を採用するとともに、ライトバルブ１１の表示画像を光学的な歪みの量だけ逆補正する手段を用いたため、投射光学系への設計の負担を軽減でき、歪み以外の収差の補正が可能となる。
【００３２】
（実施例６）
次に第８の構成の実施例を説明する。本実施例では、実施例１〜５で説明した構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系１３を構成する入射側の第一透過面１４ａ及び出射側の第二透過面１４ｂは同一形状であって、その形状は複数の面形状をつなぎ合わせて複合面としたことを特徴とする。
第二の投射光学系１３を構成する第一透過面（屈折面）１４ａと第二透過面（屈折面）１４ｂでは、図１や図２に示すように入射光束と出射光束が互いに干渉しない領域が必ずある（図２の屈折面Ａ、Ｂは互いに干渉しない領域、Ｃは交わる干渉領域）。そして、第６の構成の実施例では、それが完全に重ならないように設定している。しかし、像高の高い位置からも取り込むように、より広画角化すると、周辺部での光学特性の低下を引き起こす。そこで、このときに透過面（屈折面）１４ａ，１４ｂを複数の面形状をつなぎ合わせた複合面とすることにより、反射面１５の周辺部の形状を中心部分の曲面形状とは異なる形状とすることが可能となる。このような構成を採用することで、周辺部の特性向上に対して、より自由度の高い設計が可能となる。具体的には、設計性能が許される範囲内で、交わり部分を少なくし、干渉しない領域を拡大していけばよい。
【００３３】
（実施例７）
次に第９の構成の実施例を説明する。本実施例では、実施例１または実施例２の構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系１３の第二透過面１４ｂから出射した光路が、前記第一の投射光学系１２のユニットで蹴られないように、少なくとも反射面を含む第二の投射光学系１３の一部を投射方向とは反対側にシフトしたことを特徴とする。すなわち本実施例では図６に示すように、第二の投射光学系１３全体、あるいは、負の反射光学系（反射面）１５を含む一部を第一の投射光学系１２の光軸Ｏに対してシフトさせることを特徴とする。ここでは煩雑さを避けるために、図６には第一の投射光学系１２と、屈折光学系を省略して反射面のみを記載した第二の投射光学系１３を図示し、その作用を説明する。
【００３４】
図６に示した第二の投射光学系１３の凸面状の反射面は、第一の投射光学系１２の光軸Ｏ上にはなく、スクリーン配置側の反対方向にシフトさせている。波線は、第一の投射光学系１２と同じ光軸上に第二の投射光学系１３の軸を共通にした場合の光路の様子を示す。このときにはスクリーン１６−１上で所望の画面サイズになるように、第一の投射光学系１２と第二の投射光学系１３の形状、配置間隔等が、従来のレンズ設計シミュレーション技術を用いて最適設計されている。ここで、少なくとも反射面を含む第二投射光学系１３の一部を図に示すようにスクリーン配置側の反対方向にシフトさせることにより、実線で示したように光路を大きく偏向させることが可能となる。この角度は、画角が大きくなる、すなわち、図で示した上方になればなるほどその反射角度方向は拡大される。このシフト量を調整して、初期のスクリーン１６−１の位置より投射装置側に近いスクリーン１６−２の位置に投射できるようになる。
【００３５】
従来では、凸面鏡のみで拡大反射させていたので、一面の反射のみだと、画角と結像性能を保つのは不可能であったが、本実施例の画像投射装置では、第二投射光学系１３が反射光学系（反射面）１５と屈折光学系（第一、第二透過面）１４とを組み合わせた構成であるため、少なくとも反射面１５を含む第二投射光学系１３の一部を図に示すようにスクリーン配置側の反対方向にシフトさせることにより、反射位置の変化に応じて透過屈折面の透過位置も変えることができる。すなわち、本実施例では、ズーム機能を搭載しつつも光学系の設計の自由度を向上させることが可能となる。
【００３６】
（実施例８）
次に第１０の構成の実施例を説明する。本実施例は、実施例７の構成の画像投射装置において、第二の投射光学系１３のシフト量を、連続的に、あるいは、段階的に調整することにより、スクリーン１６への投射画角を変化させることを特徴とする。
実施例７の説明で用いた図６でも明らかなように、第二投射光学系１３の反射面が凸面形状であるために、シフト量に応じてスクリーン１６への画角が連続的に変化することがわかる。本実施例ではこの特性を利用して、シフト量をズーム、あるいは多焦点光学系により段階的にシフトさせる構成とする。このシフト量は、ユーザが調整することによって、スクリーン１６に投影する画像サイズを連続的に（ズーム機能）、あるいは、段階的に変化させることができる。
【００３７】
尚、本実施例では、実施例５と同じく、画像補正により歪み量を補正する手段を持ち合わせることができるので、投射光学系への設計の負担を軽減でき、歪み以外の収差の補正が可能となる。
【００３８】
（実施例９）
次に第１１の構成の実施例を説明する。本実施例は、実施例８の構成の画像投射装置において、第二の投射光学系１３のシフト調整量に応じて変化する光学的な歪み量を、ライトバルブ１１上に形成する画像でもって補正する手段を設けたことを特徴とする。
すなわち、実施例８の構成の画像投射装置では、ズーム全域でスクリーン１６上で良好な結像性能を得るのが望ましいが、特に歪みに関しては、光学系のみで改善するのではなく、画像処理により歪みが補正された状態で投影できるように、ライトバルブ１１で形成される画像を表示するようにするとよい。
また、歪みの補正量は一定でなく、短焦点側と長焦点型、その中間領域とで分割していてもよく、あらかじめ、それらの領域に応じた補正量を記録しておき、第二投射光学系１３のシフト量を検出するか、あるいは移動量から画像補正すべき情報を読み出して、画像投射装置に入力される画像に補正処理を加えておけばよい。
【００３９】
以上のように、本実施例では、画像補正と組み合わせて画像投射装置を構成したので、光学設計的にはより自由度が向上し、歪み以外の光学性能を光学設計上向上させることが可能となる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、第１の構成の画像投射装置においては、第一の投射光学系と、正の屈折光学系（第一、第二透過面）と凸面形状の負のパワーを有した反射光学系（反射面）を持ち合わせた第二の投射光学系からなる投射光学系を用い、第二の投射光学系で光路を折り曲げてスクリーンに投射することにより、投射距離Ｄを短くするとともに、光学性能を落とすことなく高品質な光学系を実現することが可能となる。
また、第２〜４の構成の画像投射装置においては、従来では凸面形状の反射面一面のみに持たせたパワーを、連続した面で構成される第一透過面、第二透過面の屈折面にも一部分散することが可能となり、従来の投射光学系（スクリーンと投射レンズの間に凸面鏡のみを配置した広角投射光学系）に比べ、収差補正には有利となる。すなわち、これは設計の自由度が向上し、また、公差に関する許容量を拡大できるという非常に効果の大きい利点がある。従って、より加工性が向上し、量産性に富む成形による作成方法を採用するなどして、第二の投射光学系を一体的に構成することで、より低コストで安定した形状確保、性能を保つことが可能となる。
さらに第５の構成の画像投射装置においては、反射面は、全反射条件を満たすように設定したので、金属膜などの高反射率部材を形成する必要が無く、また、全反射を利用しているので光利用効率の面でも効率の高い画像投射装置を実現することができる。
【００４１】
第６の構成の画像投射装置においては、第二の投射光学系の透過面が、同一の連続した屈折面であっても、入射側光束の透過エリアと、出射側光束の透過エリアが重ならないように設定しているので、第一の透過面形状と、第二の透過面形状とは、光学的に異なる面形状とすることが可能となる。従って、設計の自由度をさらに向上させることが可能となる。
また、第７の構成の画像投射装置においては、第二の投射光学系の少なくとも一部の透過面あるいは反射面に非球面形状を採用するとともに、ライトバルブの表示画像を光学的な歪みの量だけ逆補正する手段を用いたため、投射光学系への設計の負担を軽減でき、歪み以外の収差の補正が可能となる。
さらに、第８の構成の画像投射装置においては、透過面（屈折面）を複数の面形状をつなぎ合わせた複合面とすることにより、反射面の周辺部の形状を中心部分の曲面形状とは異なる形状とすることが可能となる。そして、このような構成を採用することで、周辺部の特性向上に対して、より自由度の高い設計が可能となる。
【００４２】
第９の構成の画像投射装置においては、第二投射光学系が反射面と屈折光学系（第一、第二透過面）とを組み合わせた構成であるため、少なくとも反射面を含む第二投射光学系の一部をスクリーン配置側の反対方向にシフトさせることにより、反射位置の変化に応じて透過屈折面の透過位置も変えることができ、ズーム機能を搭載しつつも光学系の設計の自由度を向上させることが可能となる。
また、第１０の構成の画像投射装置においては、第二の投射光学系のシフト量を、連続的に、あるいは、段階的に調整することにより、スクリーンへの投射画角を変化させる構成とすることにより、スクリーンに投影する画像サイズを連続的に（ズーム機能）、あるいは、段階的に変化させることができる。
さらに、第１１の構成の画像投射装置においては、第二の投射光学系のシフト調整量に応じて変化する光学的な歪み量を、ライトバルブ上に形成する画像でもって補正する手段を設けたので、光学設計的にはより自由度が向上し、歪み以外の光学性能を光学設計上向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１、第２の構成の実施例を示す画像投射装置の構成説明図である。
【図２】第３、第４の構成の実施例を示す画像投射装置の構成説明図である。
【図３】第３、第４の構成の別の実施例を示す画像投射装置の構成説明図である。
【図４】第６の構成の実施例を示す画像投射装置の構成説明図である。
【図５】第５の構成の実施例を示す画像投射装置の構成説明図である。
【図６】第９の構成の実施例を示す画像投射装置の構成説明図である。
【符号の説明】
１０画像投射装置
１１ライトバルブ
１２第一の投射光学系
１３第二の投射光学系
１４屈折光学系（透過面）
１４ａ第一透過面（屈折面）
１４ｂ第二透過面（屈折面）
１５反射光学系の反射面
１６スクリーン
Ｌ投射光束
Ｏ第一投射光学系の光軸[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an image projection apparatus for enlarging and projecting an image on a screen or the like, and in particular, to an image provided with a projection optical system capable of shortening a projection distance in a front projector and achieving a thinner rear projection. The present invention relates to a projection device. More specifically, the present invention includes a display optical unit that modulates illumination light from a light source with a light valve that is an image display element, and projects a light beam modulated by the light valve with a projection lens. The present invention relates to an image projection device applied to a projection type display device or the like that projects light on a screen by turning light back on a reflection surface.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, in offices and the like, higher resolution, higher brightness, lower cost, and the like of image projection devices such as liquid crystal projectors have been promoted. As a result, projectors are more widely used. In particular, because of its improved portability, it has come to be used for small meetings such as several people. Here, assuming a situation where a projector is used, determination of an installation location, preparation of a conference, a personal computer (PC), various image output devices (video tape recorder (VTR)), an optical disk drive (CD-R / RW, DVD) Etc.), and various situations can be assumed for the installation location according to the situation (the number of participants, the content of the meeting, the layout of the desk). In some cases, it may be desirable to use a whiteboard in combination, and the layout of the desk will take the form that is most easily discussed at that location. In this case, when using in a relatively small conference room with a small number of people, there are not a few restrictions on the installation location of the projector due to the restrictions on the projection screen size, projection distance, connection with PCs and image output devices, etc. There was a problem that occurred.
[0003]
In addition, one of the reasons for preventing easy use is that a projection space, that is, a projection space of the projector is required to some extent. The biggest problems are as follows. In some cases, a presenter who uses a projector to explain presentation materials must stand in front of a screen that is projected as a projector. In this case, the projected image appears behind the projected image, and a part of the projected screen cannot be seen by the listener.
[0004]
In recent years, an attempt has been made to reduce the projection distance with an increasingly large screen, but in the conventional technology, depending on the screen size, in order to obtain a screen size of 50 to 60 inches diagonally, the front type is at best. A projection distance of about 1 m is required, and at this distance, the shadow of the presenter often appears on the screen and causes a problem.
[0005]
Therefore, in order to solve the above-described problems, various techniques for shortening the projection distance of the image projection device have been proposed.
For example, in the "reflection-type imaging optical system" described in Patent Document 1 below, a reflection-type imaging optical system capable of suppressing an increase in the size of the imaging optical system and achieving a wide angle of view is provided. As an example, a reflection type imaging optical system including first to fourth four reflecting mirrors, wherein the first reflecting mirror has a concave curved surface, and the second to fourth reflecting mirrors Adopts a reflection optical system having a convex curved surface. In addition, the reflecting surface of at least one of the reflecting mirrors is formed in a free-form surface shape to secure a desired projection performance.
[0006]
Further, in the “rear projection display” described in Patent Document 2, as a method of shortening the projection distance to the screen and reducing the depth of the rear projection display device, a pair of concave mirrors having a light collecting action A convex mirror having an effect is arranged on the optical path from the display optical unit to the rear reflection mirror in the order of the concave mirror and the convex mirror from the display optical unit side, so that the projection distance can be further reduced.
[0007]
Further, in a "video projector" described in Patent Document 3, a rear projection type video projector in which a first mirror is formed in a convex shape in a television receiver to reduce the thickness is disclosed.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-40326
[Patent Document 2]
JP-A-2002-174853
[Patent Document 3]
Japanese Patent Publication No. 6-91641
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The common problem of the above-mentioned conventional technologies is that aspherical surfaces such as free-form surfaces are frequently used to achieve a wide angle while maintaining imaging performance. In such a case, high precision was absolutely necessary.
Further, when the reflection type is frequently used, the effect of the accuracy error on the performance is simply doubled, so that there is a problem that the tolerance setting becomes more severe than the tolerance setting in the conventional projection optical system.
[0010]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to adopt a reflective optical system as a means for shortening a projection distance, and to incorporate a transmission / refraction optical system in a part of the optical system, thereby projecting light. Improving the degree of freedom in designing the optical system, realizing an image projection device with a projection optical system that has more stable performance in terms of tolerance and assembly while shortening the projection distance of the conventional image projection device Is to do.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
As means for achieving the above object, an image projection apparatus according to the present invention has the following configuration.
The first configuration includes an illumination light source that generates illumination light, a light valve that forms an image in accordance with a modulation signal, and a projection optical system that enlarges and projects an image formed by the light valve. In the image projection apparatus that irradiates the light valve to the light valve, and enlarges and projects an image formed by the light valve on a screen by the projection optical system according to a modulation signal, the projection optical system has a positive power. A first projection optical system having a second projection optical system including a refraction optical system and a reflection optical system having a negative divergence power, the second projection optical system, A first transmitting surface of the refractive optical system, a reflecting surface of the reflecting optical system, and a second transmitting surface of the refracting optical system; Projected from the system The projected image is transmitted through the first transmission surface of the second projection optical system, is reflected by the reflection surface, is bent in the optical path, and is transmitted through the second transmission surface located on the bent optical path, The light is projected onto the screen (claim 1).
[0012]
According to a second configuration, in the image projection device according to the first configuration, the first transmission surface and the second transmission surface of the refractive optical system forming the second projection optical system are formed on a continuous surface of an optical medium. (Claim 2).
A third configuration is the image projection device according to the first or second configuration, wherein the second projection optical system includes a first transmission surface and a second transmission surface of the refractive optical system, and a reflection surface of the reflection optical system. The surface is composed of three surfaces, and these three surfaces are integrally formed of the same optical medium (claim 3).
A fourth configuration is the image projection device according to the third configuration, wherein a distance between the first and second transmission surfaces and the reflection surface is adjusted by a thickness of the optical medium. (Claim 4).
A fifth configuration is the image projection device according to the third configuration, wherein the reflection surface is set so as to satisfy a total reflection condition.
[0013]
In a sixth configuration, in the image projection device according to any one of the first to fifth configurations, the first transmission surface and the second transmission surface of the refractive optical system that forms the second projection optical system have an incident side. The effective area of the optical path passing through the first transmission surface is set so as not to overlap with the effective area of the optical path passing through the second transmission surface on the emission side (claim 6).
A seventh configuration is the image projection device according to any one of the first to sixth configurations, wherein, as the second projection optical system, a projection optical system in which at least a part of a transmission surface or a reflection surface has an aspherical shape. It is characterized in that it is used (claim 7).
An eighth configuration is the image projection device according to any one of the first to seventh configurations, wherein the first transmission surface on the entrance side and the second transmission surface on the exit side of the refractive optical system forming the second projection optical system. The surfaces have the same shape, and the shape is a composite surface formed by connecting a plurality of surface shapes (claim 8).
[0014]
A ninth configuration is the image projection device according to any one of the first to eighth configurations, wherein an optical path emitted from a second transmission surface of the second projection optical system is a unit of the first projection optical system. A part of the second projection optical system including at least the reflection surface is shifted to the opposite side to the projection direction so as not to be kicked (claim 9).
A tenth configuration is the image projection device according to the ninth configuration, wherein the shift amount of the second projection optical system is adjusted continuously or stepwise to change the angle of view projected on the screen. (Claim 10).
According to an eleventh configuration, in the image projection device according to the tenth configuration, an optical distortion amount that changes according to a shift adjustment amount of the second projection optical system is corrected by an image formed on the light valve. A means is provided (claim 11).
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the configuration, operation and operation of the present invention will be described in detail based on the illustrated embodiment.
[0016]
(Example 1)
First, embodiments of the first and second configurations will be described. FIG. 1 is an explanatory diagram of a configuration of an image projection apparatus according to an embodiment of the present invention. The image projection device 10 includes an illumination light source (not shown) that generates illumination light, a light valve 11 that forms an image according to a modulation signal, and a projection optical system 12 that enlarges and projects an image formed by the light valve 11. , 13 for irradiating the light valve 11 with the illumination light generated by the illumination light source, and enlarging and projecting the image formed by the light valve 11 on the screen 16 by the projection optical systems 12 and 13 according to the modulation signal. It has become. The projection optical system includes a first projection optical system 12 having a positive power, and a second projection optical system 13 including a refraction optical system and a reflection optical system having a negative divergence power. Have been.
[0017]
That is, the image projection device 10 of the present embodiment has a light valve 11 as an image display element and a first power having a positive power for enlarging and projecting an image formed by the light valve 11 onto a screen 16. The projection optical system (for example, a projection lens) 12 includes a convex reflecting surface 15 and a positive refractive optical system 14 of a reflective optical system provided to widen the angle of view while having a negative power as a whole. And a projection optical system having a second projection optical system 13. The second projection optical system 13 includes at least three or more of a first transmission surface 14a of the refraction optical system 14, a reflection surface 15 of the reflection optical system, and a second transmission surface 14b of the refraction optical system 14. The projection image projected from the first projection optical system 12 passes through the first transmission surface 14a of the second projection optical system 13, is reflected by the reflection surface 15, and bends the optical path. Then, the light passes through the second transmission surface 14 b located on the bent optical path and is projected on the screen 16. That is, in this image projection device, the projection image projected from the first projection optical system 12 is once turned back by the second projection optical system 13 and is installed at a position of the projection distance D in a direction opposite to the projection direction. The image is enlarged and projected on the screen 16.
[0018]
Here, in the image projection device 10 having the configuration shown in FIG. 1, the first transmission surface 14a and the second transmission surface 14b of the refractive optical system 14 constituting the second projection optical system 13 are formed of an optical medium (optical glass, transparent glass). (Resin, etc.).
In the image projection apparatus 10 having the configuration shown in FIG. 1, the refractive optical system 14 and the reflective optical system (reflective surface) 15 of the second projection optical system 13 are provided separately, and the first transmission Although the position and angle between the surface 14a and the second transmission surface 14b can be adjusted, the refraction optical system 14 and the reflection optical system (reflection surface) 15 may be integrated as in an embodiment described later. .
[0019]
Although not shown, an illumination light source for generating illumination light for irradiating the light valve 11 is provided. Examples of the illumination light source include a halogen lamp, a xenon lamp, a metal halide lamp, and an ultra-high pressure mercury lamp. Is used. Further, in order to efficiently obtain the illuminance of the illumination light, the light from the light source is reflected and condensed by a reflector, and then the illumination light may be made uniform by using an illuminance uniforming unit called an integrator optical system. Is omitted). When a reflection-type liquid crystal light valve is used, a unit for separating an illumination optical path from a projection optical path in combination with a polarizing beam splitter (PBS) is employed. When a DMD is used, illumination light is obliquely incident on the DMD. For this purpose, an oblique incidence optical system, an optical path separation using a total reflection prism, or the like is employed. For these, an appropriate optical system may be employed according to the type of the light valve.
[0020]
Here, in the front type projector, the projected image is shifted upward so that the projected image is not shaded by the projector as viewed from the listener. That is, the projection is performed from above the projection optical system by shifting (shifting downward in the figure) on a plane perpendicular to the optical axis of the projection optical system. The greater the shift amount of the light valve, the wider the required specifications of the projection lens, particularly, the wider the effective angle of view. In the present embodiment, after the shift amount of the light valve 11 is appropriately set, as shown in FIG. 1, the reflection surface of the reflection optical system having negative power (divergence) of the second projection optical system 13 is used. By widening the angle of view according to 15, widening of the angle can be easily achieved. However, at this time, it is necessary to appropriately set the positive (condensing) power in advance in the first projection optical system 12 in order to spread the image in an aberrational manner and deteriorate the imaging performance. Therefore, in the present invention, instead of distributing all the positive power in the first projection optical system 12, as shown in the drawing, the second projection optical system 13 is provided with a refraction optical system 14 (a transmission surface 14a serving as a refraction surface). , 14b), the positive power is partially distributed, and the number of surfaces is increased to improve the degree of freedom in design. For these surfaces, optimal specifications may be set by a conventional simulation method such as a ray tracing method.
[0021]
As described above, in the image projection apparatus of the present embodiment, the first projection optical system 12, the positive refractive optical system 14, and the reflective optical system (reflective surface) 15 having a convex shape and negative power are provided. By using a projection optical system composed of the second projection optical system 13 and bending the optical path and projecting it on the screen 16, it is possible to shorten the projection distance D and realize a high-quality optical system without lowering the optical performance. Becomes possible.
[0022]
(Example 2)
Next, embodiments of the third and fourth configurations will be described. In the third configuration, in the image projection apparatus having the configuration shown in the first embodiment, the second projection optical system 13 includes the first transmission surface 14a and the second transmission surface 14b of the refraction optical system 14, and the reflection optical system. The reflecting surface 15 is composed of three surfaces, and these three surfaces are characterized by being integrally formed of the same optical medium. In terms of shape, it is a shape in which two surfaces on both sides of the same optical medium have optical surfaces. Since one surface of the second projection optical system 13 is used as the reflection surface 15, the refraction optical system (transmission surface) 14 facing the reflection surface 15 reciprocates back and forth, and the first transmission surface 14a, It functions as the transmission surface 14b of the second surface. The distance between the first and second transmission surfaces 14a and 14b and the reflection surface 15 is adjusted by the thickness of the optical medium.
The optical medium constituting the integrally formed second projection optical system 13 may be formed of various glass members, or may be formed integrally by a glass mold. Of course, integral molding with a transparent optical plastic member is also possible.
[0023]
FIG. 2 is an explanatory view of the configuration of an image projection device showing one embodiment of the third and fourth configurations. In this image projection device, the second projection optical system 13 includes a convex first transmission surface 14a and a convex surface. The reflective surface 15 and the concave second transmission surface 14b (the same surface as the first transmission surface, but a concave surface when viewed from the reflection surface side) are employed. The convex reflecting surface 15 spreads an image to be used for reflection, and functions as negative diverging power. The second transmitting surface 14b functions as a positive power, but the power is relatively smaller than that used for reflection if the curvature is the same because of the refraction. Therefore, the second projection optical system 13 has negative power as a whole. In FIG. 2, a region A of the transmission surface 14 is a portion of the first transmission surface 14a including only the incident light beam, a region B is a portion of the emission light beam only, and a region C is the incident light beam and the emission light beam. Are overlapped. If the thickness of the optical medium is adjusted to adjust the distance between the first and second transmission surfaces 14a and 14b and the reflection surface 15, the area C of the overlapped portion can be obtained. Can be adjusted.
[0024]
Next, FIG. 3 is an explanatory view of the configuration of an image projection apparatus showing another embodiment of the third and fourth configurations. This image projection apparatus has a refractive optical system (transmission surface) of a second projection optical system 13. 14 and the reflecting surface 15 are both negative power configurations, and of course, the overall configuration is negative power. In this case, the first projection optical system 12 needs to be an optical system having stronger positive power.
[0025]
As described above, in the image projection apparatus of the present embodiment, the power conventionally provided only on one convex reflecting surface is partially dispersed also on the refracting surfaces of the first transmitting surface 14a and the second transmitting surface 14b. This is advantageous for aberration correction as compared with a conventional projection optical system (a wide-angle projection optical system in which only a convex mirror is arranged between a screen and a projection lens). In other words, this has a very large advantage that the degree of freedom in design is improved and the tolerance regarding the tolerance can be increased. Therefore, by integrating the refractive optical system and the reflective optical system by adopting a molding method that improves processability and mass productivity, it is possible to secure a stable shape at lower cost and improve performance. Can be maintained.
[0026]
(Example 3)
Next, an example of the fifth configuration will be described. The fifth configuration is characterized in that, in the image projection apparatus having the configuration of the second embodiment, the reflection surface 15 is set so as to satisfy a total reflection condition.
FIG. 5 is a view showing an embodiment of the fifth configuration. As shown in FIG. 5, a first transmission surface (refraction surface) 14a constituting the second projection optical system 13 or a first projection optical system By properly selecting the 12 angles of view,
Total reflection condition: n · sin θ = n0
(N: Refractive index of one-piece molded product or plastic member,
θ: maximum incident angle,
n0: refractive index in air)
The light flux may be incident on the reflection surface 15 at an incident angle larger than θ so as to satisfy the condition. Further, a glass material or a material having a high refractive index n may be selected. The imaging performance may be optimized by a conventional simulation technique so as to ensure the optical performance combined with the first projection optical system 12.
[0027]
As described above, in the image projection apparatus of the present embodiment, since the reflection surface 15 is set so as to satisfy the total reflection condition, it is not necessary to form a high reflectance member such as a metal film (e.g., vapor deposition). In addition, since total reflection is used, an image projection apparatus with high light use efficiency can be realized.
[0028]
(Example 4)
Next, an embodiment of the sixth configuration will be described with reference to FIGS. The sixth configuration is such that, in the image projection apparatus having the configuration shown in the first or second embodiment, the first transmission surface 14a and the second transmission surface 14b of the refractive optical system 14 forming the second projection optical system 13 are used. Is characterized in that the effective area of the optical path passing through the first transmission surface 14a on the incident side and the effective area of the optical path passing through the second transmission surface 14b on the emission side do not overlap. More specifically, the light beam projected from the first projection optical system 12 passes through the first transmission surface (refraction surface) 14a of the refraction optical system 14 of the second projection optical system 13 and then passes through the reflection optical system. The surface that has been folded back by the reflection surface 15 and optically acts as a second transmission surface (refraction surface) 14b, passes through the transmission surface (refraction surface) 14b, and travels toward the screen 16. At this time, the first transmission surface (refraction surface) 14a and the second transmission surface (refraction surface) 14b are continuous transmission surfaces 14 of the same optical medium. However, in this embodiment, transmitted light fluxes do not overlap. The distance, angle, and shape of the transmission surface 14 with respect to the reflection surface 15 are set so as to obtain such an angle of view. FIG. 4B is an enlarged view (cross-sectional view) of the portion. In this embodiment, the distance, angle, and shape of the transmission surface 14 with respect to the reflection surface 15 are adjusted, and the transmission area of the incident-side light flux of the transmission surface 14 is adjusted. The setting is such that the (area of the first transmission surface) 14a and the transmission area (area of the second transmission surface) 14b of the light beam on the exit side are completely separated.
[0029]
As described above, in the image projection apparatus of the present embodiment, even if the transmission surface 14 of the second projection optical system 13 is the same continuous refraction surface, the transmission area of the incident-side light beam and the transmission area of the output-side light beam Since the transmission areas are set so as not to overlap, the first refraction surface shape and the second refraction surface shape can be optically different surface shapes. Therefore, the degree of freedom in design can be further improved.
[0030]
(Example 5)
Next, an example of the seventh configuration will be described. In the present embodiment, in the image projection apparatus having the configuration described in the first to fourth embodiments, the second projection optical system 13 is configured such that at least a part of the transmission surface 14a, 14b or the reflection surface 15 has an aspherical shape. It is characterized by using a system.
In a wide-angle projection optical system, it is very difficult to reduce distortion while suppressing aberrations. However, at least a part of the transmission surfaces 14a, 14b or the reflection surface 15 of the second projection optical system 13 This can be improved by employing an aspherical shape. Even if the optical valve cannot be completely corrected, an image in which the distortion amount of the projection optical system is inversely corrected may be formed as the image of the light valve 11, and the projected image may be an image with less noticeable distortion.
[0031]
As described above, in the image projection apparatus of the present embodiment, at least a part of the transmission surface 14a, 14b or the reflection surface 15 of the second projection optical system 13 has an aspherical shape, and the display image of the light valve 11 is displayed. Since the means for inversely correcting the distortion by the amount of the optical distortion is used, the burden of design on the projection optical system can be reduced, and the aberration other than the distortion can be corrected.
[0032]
(Example 6)
Next, an embodiment of the eighth configuration will be described. In the present embodiment, in the image projection apparatus having the configuration described in the first to fifth embodiments, the first transmission surface 14a on the incident side and the second transmission surface 14b on the emission side that constitute the second projection optical system 13 are the same. A plurality of surface shapes connected to form a composite surface.
In the first transmission surface (refraction surface) 14a and the second transmission surface (refraction surface) 14b constituting the second projection optical system 13, as shown in FIGS. 1 and 2, a region where the incident light beam and the outgoing light beam do not interfere with each other. (The refraction surfaces A and B in FIG. 2 do not interfere with each other and C intersects with each other). Then, in the embodiment of the sixth configuration, it is set so that they do not completely overlap. However, if the angle of view is made wider so that the image is taken even from a position where the image height is high, the optical characteristics in the peripheral portion are reduced. Therefore, at this time, by forming the transmission surfaces (refraction surfaces) 14a and 14b as a composite surface obtained by connecting a plurality of surface shapes, the shape of the peripheral portion of the reflection surface 15 is made different from the curved surface shape of the central portion. It becomes possible. By adopting such a configuration, it is possible to design with a higher degree of freedom in improving the characteristics of the peripheral portion. Specifically, it is only necessary to reduce the intersections and expand the non-interfering region within a range where design performance is allowed.
[0033]
(Example 7)
Next, an embodiment of the ninth configuration will be described. In the present embodiment, in the image projection apparatus having the configuration of the first or second embodiment, the optical path emitted from the second transmission surface 14b of the second projection optical system 13 is a unit of the first projection optical system 12. The second projection optical system 13 including at least the reflection surface is shifted to the side opposite to the projection direction so that the projection optical system 13 is not kicked. That is, in the present embodiment, as shown in FIG. 6, the entire second projection optical system 13 or a part including the negative reflection optical system (reflection surface) 15 is set to the optical axis O of the first projection optical system 12. It is characterized in that the shift is performed. Here, in order to avoid complication, FIG. 6 shows a first projection optical system 12 and a second projection optical system 13 in which only a reflection surface is described by omitting a refraction optical system. I do.
[0034]
The convex reflecting surface of the second projection optical system 13 shown in FIG. 6 is not on the optical axis O of the first projection optical system 12, but is shifted in the direction opposite to the screen arrangement side. The dashed line indicates the state of the optical path when the axis of the second projection optical system 13 is shared on the same optical axis as the first projection optical system 12. At this time, the shapes, arrangement intervals, and the like of the first projection optical system 12 and the second projection optical system 13 are optimized using the conventional lens design simulation technology so that a desired screen size is obtained on the screen 16-1. Designed. Here, by shifting at least a part of the second projection optical system 13 including the reflecting surface in the opposite direction to the screen arrangement side as shown in the figure, it is possible to largely deflect the optical path as shown by the solid line. Become. The angle of view increases, that is, the higher the angle of view is, that is, the higher the angle of view is, the larger the direction of the reflection angle is. By adjusting this shift amount, it is possible to project the screen 16-2 closer to the projection device than the initial position of the screen 16-1.
[0035]
Conventionally, since the reflection was performed only by the convex mirror, it was impossible to maintain the angle of view and the imaging performance only by the reflection of one surface. Since the system 13 has a configuration in which a reflection optical system (reflection surface) 15 and a refraction optical system (first and second transmission surfaces) 14 are combined, at least a part of the second projection optical system 13 including the reflection surface 15 is used. By shifting in the direction opposite to the screen arrangement side as shown in the figure, the transmission position of the transmission / refraction surface can be changed according to the change in the reflection position. That is, in the present embodiment, it is possible to improve the degree of freedom in designing the optical system while mounting the zoom function.
[0036]
(Example 8)
Next, an example of the tenth configuration will be described. In this embodiment, in the image projection apparatus having the configuration of the seventh embodiment, the shift amount of the second projection optical system 13 is adjusted continuously or stepwise so that the angle of view projected on the screen 16 is increased. It is characterized by changing.
As is clear from FIG. 6 used in the description of the seventh embodiment, since the reflecting surface of the second projection optical system 13 has a convex shape, the angle of view on the screen 16 changes continuously according to the shift amount. You can see that. In this embodiment, the shift amount is zoomed or shifted stepwise by a multifocal optical system using this characteristic. By adjusting the shift amount by the user, the image size projected on the screen 16 can be changed continuously (zoom function) or stepwise.
[0037]
In this embodiment, as in the fifth embodiment, a means for correcting the amount of distortion by image correction can be provided, so that the design load on the projection optical system can be reduced, and aberration other than distortion can be corrected. Become.
[0038]
(Example 9)
Next, an example of the eleventh configuration will be described. In the present embodiment, in the image projection apparatus having the configuration of the eighth embodiment, the optical distortion amount that changes according to the shift adjustment amount of the second projection optical system 13 is corrected by the image formed on the light valve 11. A means for performing the operation.
That is, in the image projection apparatus having the configuration of the eighth embodiment, it is desirable to obtain good imaging performance on the screen 16 over the entire zoom range. In particular, distortion is not improved only by the optical system, but is improved by image processing. It is preferable to display an image formed by the light valve 11 so that the image can be projected with the distortion corrected.
Further, the amount of distortion correction is not constant, and may be divided into a short focal length side, a long focal length type, and an intermediate region therebetween, and the correction amount according to those regions is recorded in advance, and the second projection is performed. It is sufficient to detect the shift amount of the optical system 13 or read out information to be image-corrected from the movement amount, and add a correction process to the image input to the image projection device.
[0039]
As described above, in the present embodiment, since the image projection apparatus is configured in combination with the image correction, the degree of freedom in optical design is improved, and the optical performance other than distortion can be improved in optical design. Become.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, in the image projection apparatus of the first configuration, the first projection optical system, the positive refractive optical system (first and second transmission surfaces), and the reflection having the negative power of the convex shape are used. By using a projection optical system having a second projection optical system having an optical system (reflection surface) and bending the optical path with the second projection optical system and projecting the optical path on a screen, the projection distance D is shortened, and It is possible to realize a high-quality optical system without deteriorating performance.
Further, in the image projection apparatuses of the second to fourth configurations, the power that has been conventionally provided only on one convex reflecting surface is the refracting surface of the first transmitting surface and the second transmitting surface that are formed by continuous surfaces. This is advantageous for aberration correction as compared with a conventional projection optical system (a wide-angle projection optical system in which only a convex mirror is arranged between a screen and a projection lens). In other words, this has a very large advantage that the degree of freedom in design is improved and the tolerance regarding the tolerance can be increased. Therefore, by improving the workability and adopting a production method by molding that is rich in mass productivity, by integrating the second projection optical system, it is possible to secure a stable shape at a lower cost and perform more efficiently. It is possible to keep.
Further, in the image projection device of the fifth configuration, the reflecting surface is set so as to satisfy the total reflection condition, so that it is not necessary to form a high reflectance member such as a metal film, and the total reflection is utilized. Therefore, it is possible to realize an image projection apparatus with high light use efficiency.
[0041]
In the image projection device having the sixth configuration, even if the transmission surface of the second projection optical system is the same continuous refraction surface, the transmission area of the incident-side light beam and the transmission area of the emission-side light beam do not overlap. Thus, the first transmission surface shape and the second transmission surface shape can be optically different from each other. Therefore, the degree of freedom in design can be further improved.
Further, in the image projection device having the seventh configuration, at least a part of the transmission surface or the reflection surface of the second projection optical system has an aspherical shape, and the display image of the light valve is reduced in the amount of optical distortion. Only the means for performing reverse correction is used, so that the design load on the projection optical system can be reduced, and aberration other than distortion can be corrected.
Further, in the image projection device of the eighth configuration, by forming the transmission surface (refraction surface) as a composite surface in which a plurality of surface shapes are connected, the shape of the peripheral portion of the reflection surface is different from the curved shape of the central portion. Different shapes are possible. By adopting such a configuration, it is possible to design with a higher degree of freedom in improving the characteristics of the peripheral portion.
[0042]
In the image projection device having the ninth configuration, the second projection optical system has a configuration in which the reflection surface and the refraction optical system (first and second transmission surfaces) are combined, and thus the second projection optical system including at least the reflection surface. By shifting a part of the system in the direction opposite to the screen arrangement side, the transmission position of the transmission / refraction surface can be changed according to the change in the reflection position. Can be improved.
Further, in the image projection apparatus having the tenth configuration, the shift amount of the second projection optical system is adjusted continuously or stepwise to change the angle of view projected on the screen. Thus, the image size projected on the screen can be changed continuously (zoom function) or stepwise.
Further, in the image projection apparatus having the eleventh configuration, a means is provided for correcting an optical distortion amount that changes according to the shift adjustment amount of the second projection optical system with an image formed on the light valve. Therefore, the degree of freedom in optical design is further improved, and optical performance other than distortion can be improved in optical design.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a configuration of an image projection device showing an embodiment of first and second configurations.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a configuration of an image projection device showing an embodiment of a third and a fourth configuration.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a configuration of an image projection device showing another embodiment of the third and fourth configurations.
FIG. 4 is a configuration explanatory view of an image projection device showing an embodiment of a sixth configuration.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a configuration of an image projection device showing an embodiment of a fifth configuration.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a configuration of an image projection apparatus showing an embodiment of a ninth configuration.
[Explanation of symbols]
10 Image projection device
11 Light bulb
12 First projection optical system
13 Second projection optical system
14. Refractive optical system (transmission surface)
14a First transmission surface (refractive surface)
14b Second transmission surface (refractive surface)
15 Reflective surface of reflective optical system
16 screen
L Projection light flux
O Optical axis of the first projection optical system

Claims

An illumination light source for generating illumination light, a light valve for forming an image in accordance with a modulation signal, and a projection optical system for enlarging and projecting an image formed by the light valve, wherein the illumination light generated by the illumination light source is An image projection apparatus that irradiates a light valve and enlarges and projects an image formed by the light valve on a screen by the projection optical system according to a modulation signal.
The projection optical system includes a first projection optical system having a positive power, a second projection optical system including a refractive optical system and a reflective optical system having a negative divergence power, The second projection optical system is a projection optical system including at least three of a first transmission surface of the refraction optical system, a reflection surface of the reflection optical system, and a second transmission surface of the refraction optical system. The projection image projected from the first projection optical system is transmitted through the first transmission surface of the second projection optical system, is reflected by the reflection surface, is bent in the optical path, and is bent. An image projection device, wherein the image is projected on the screen through a second transmission surface located on an optical path.

The image projection device according to claim 1,
The image projection apparatus according to claim 1, wherein the first transmission surface and the second transmission surface of the refractive optical system constituting the second projection optical system are formed on a continuous surface of an optical medium.

The image projection device according to claim 1 or 2,
The second projection optical system includes three surfaces, a first transmission surface and a second transmission surface of the refractive optical system, and a reflection surface of the reflection optical system, and these three surfaces are formed of the same optical medium. An image projection device, which is integrally formed.

The image projection device according to claim 3,
The image projection device according to claim 1, wherein a distance between the first and second transmission surfaces and the reflection surface is adjusted by a thickness of the optical medium.

The image projection device according to claim 3,
The image projection device according to claim 1, wherein the reflection surface is set so as to satisfy a total reflection condition.

The image projection device according to any one of claims 1 to 5,
In the first transmission surface and the second transmission surface of the refractive optical system constituting the second projection optical system, the effective area of the optical path passing through the first transmission surface on the incident side, and the second transmission surface on the output side An image projection apparatus, wherein the effective areas of the optical paths passing through are set so as not to overlap.

The image projection apparatus according to any one of claims 1 to 6,
An image projection apparatus, wherein a projection optical system in which at least a part of a transmission surface or a reflection surface has an aspherical shape is used as the second projection optical system.

The image projection device according to any one of claims 1 to 7,
The first transmission surface on the entrance side and the second transmission surface on the exit side of the refractive optical system constituting the second projection optical system have the same shape, and the shape is a composite surface by connecting a plurality of surface shapes. An image projection device, comprising:

The image projection device according to any one of claims 1 to 8,
Projecting a part of the second projection optical system including at least the reflection surface so that the optical path emitted from the second transmission surface of the second projection optical system is not kicked by the unit of the first projection optical system. An image projection device characterized by being shifted in a direction opposite to a direction.

The image projection device according to claim 9,
An image projection apparatus, wherein a projection angle of view on a screen is changed by continuously or stepwise adjusting a shift amount of the second projection optical system.

The image projection device according to claim 10,
An image projection apparatus, comprising: means for correcting an optical distortion amount that changes according to a shift adjustment amount of the second projection optical system with an image formed on a light valve.