JP2007024937A - 投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スクリーン上に投影される画像の台形歪みを取るために形成される中間像近傍での熱集中を緩和し、かつ各光学系に関して設計や配置に関する自由度を高め、特にデバイス側光学系の光学性能の劣化を防止することができる投影装置を提供すること。
【解決手段】 投影装置は、斜め投影型であって、表示体側から順に、第一投影光学系、偏向光学系、第二投影光学系、を有し、表示体は、第一投影光学系の光軸に直交する第一基準面に対してチルトし、中間像は、少なくとも第一基準面に対してチルトし、第一投影光学系の焦点距離をｆ１、表示体の第一基準面に対するチルト角をθ１、スクリーン上に投影される画像の鉛直方向に対応する方向での長さをＨ、中間像の第一基準面に対するチルト角をθ２とすると、以下の条件を満たす構成。

【選択図】なし

Description

この発明は、表示体の表示画像を台形状の中間画像を介してスクリーン上に斜めに投影する投影装置に関する。

従来、表示体の表示画像を台形歪みを生じることなくスクリーン上に斜めに投影する斜め投影型の投影装置が知られている。なお、本明細書において単に投影装置と記した場合には、斜め投影型を指すものとする。投影装置は、一般的に、表示体と表示体側光学系と中間像間、および該中間像とスクリーン側光学系とスクリーン間でシャインプルーフの法則が成立するように各光学部材の配置を決定することにより、表示体の表示画像を台形歪みを生じることなくスクリーン上に斜めに投影している。このような投影装置としては、例えば、以下の特許文献１に開示する構成が知られている。

特開平６−２６５８１４号公報

上記特許文献１では、中間像として表示体を縮小した実像を結像させ、該実像をスクリーン側光学系を介してスクリーンに斜めに投影している。しかし、特許文献１に記載の構成では、縮小された中間像が形成されるため、中間像の像面に塵や埃等が進入した場合に画質の低下が顕著になるといった問題点がある。さらに、中間像の像面近傍に熱が集中してしまうため、光学系の劣化が加速される、または特に中間像の像面近傍に配設されるレンズ等の光学部材に設計自由度の高い樹脂レンズを使用することができないといった問題点も指摘される。

また、縮小された中間像を形成するためには、表示体側光学系に関して、中間像側のＦナンバを小さく（中間像側をより明るく）しなければならない。従って、中間像の像面近傍にある光学面に入射する光束の両端の光線間の角度が大きくなり、該光学面での屈折角度が入射光束内で一様にはならず収差が発生してしまう。つまり、該表示体側光学系の光学性能を劣化させる原因となってしまう。

そこで、本発明は上記の事情に鑑み、スクリーン上に投影される画像の台形歪みを取るために形成される中間像近傍での熱集中を緩和し、かつ各光学系に関して設計や配置に関する自由度を高め、特に表示体側光学系の光学性能の劣化を防止することができる投影装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の投影装置は、矩形状の表示体から照射され台形歪みを持った中間像を形成する光をスクリーンに対して斜めに入射させることにより、スクリーン上に台形歪みがない画像を表示する投影装置であって、表示体側から順に、第一投影光学系、偏向光学系、第二投影光学系、を有し、表示体は、第一投影光学系の光軸に直交する第一基準面に対してチルトし、中間像は、少なくとも第一基準面に対してチルトし、第一投影光学系の焦点距離をｆ１、表示体の第一基準面に対するチルト角をθ１、スクリーン上に投影される画像の鉛直方向に対応する方向での長さ（つまり高さ）をＨ、中間像の第一基準面に対するチルト角をθ２とすると、以下の条件（１）、

ただし、各チルト角θ１、θ２は、第一投影光学系の光軸に対して反時計回りを正とする。
を満たすことを特徴とする。

請求項１に記載の投影装置によれば、tanθ２／tanθ１、つまり第一投影光学系の光軸上の倍率が等倍以上となるように構成される。従って、拡大された中間像が形成されることになる。よって中間像の像面での熱集中が解消され、各投影光学系の設計自由度や材料選択の自由度を向上させることができる。さらには、第一投影光学系の中間像側のＦナンバを大きくすることができるため、該第一投影光学系の光学性能の劣化を有効に防止することもできる。

また請求項２に記載の投影装置によれば、中間像は、さらに第二投影光学系の光軸に直交する第二基準面に対してもチルトしており、中間像の像面における、第一投影光学系の光軸と第二投影光学系の光軸との間の距離をｄ、中間像の第二基準面に対するチルト角をθ３、第二投影光学系の焦点距離をｆ２とすると、以下の条件（２）、

ただし、各チルト角θ１、θ２は、第一投影光学系の光軸に対して反時計回りを正とし、チルト角θ３は、第二投影光学系の光軸に対して反時計回りを正とする。
を満たすことが望ましい。

条件（２）を満たすことにより、拡大された中間像を形成するように第一投影光学系を構成したことによる表示体と投影画像とのアスペクト比の不一致を、効果的に補正することができる。

請求項３に記載の投影装置によれば、各投影光学系の光軸は各投影光学系の光路を展開した状態において同一平面内にあり、距離ｄは、同一平面内において、第一投影光学系の光軸についてスクリーンに延ばした延長線に第二投影光学系の光軸が接近するような値に設定されることが望ましい。

なお、請求項４に記載の投影装置によれば、上記偏向光学系は、中間像の像面近傍に配設される。

以上のように、本発明によれば、拡大された中間像を形成することにより、該中間像近傍での熱集中を回避して、各光学系に関して設計や配置に関する自由度を高めることができる。また、特にデバイス側光学系に関して、中間像側のＦナンバを大きくすることができ、光学性能の劣化を防止することができる。

図１は、通常使用状態における実施形態の斜め投影型の投影装置１００の概略構成を示す図である。投影装置１００は、ハウジング５０内に、投影光学システム１０、第一ミラー２０、第二ミラー３０、スクリーンＳを有する。

図２は、投影装置１００における光路を展開しつつ投影光学システム１０を拡大して示す図である。図２において、第一ミラー２０と第二ミラー３０は図示を省略している。図２に示すように、投影光学システム１０は、第一投影光学系１、偏向光学系３、第二投影光学系２、表示体４を有する。

また図２において、ＡＸ１は第一投影光学系１の光軸を、ＡＸ２は第二投影光学系２の光軸を、それぞれ表す。図２において光軸ＡＸ１、ＡＸ２は一点鎖線で示す。つまり、図２は、投影光学システム１０に関し、光軸ＡＸ１、ＡＸ２を含む面（図２紙面と同一面）での断面図である。なお、光軸ＡＸ１、ＡＸ２を含む面は、スクリーンＳを、該スクリーンＳの中心を通り鉛直方向に延びる直線で略二等分する。以下の本文では、光軸ＡＸ１、ＡＸ２を含む面を基準面という。

なお、本実施形態の投影装置１００において、各投影光学系１、２を構成するレンズ（または一部の光学面）は、回転対称な光学系では十分に補正することができないような収差や歪曲の補正を目的として、互いに偏心している。そこで、本文においては、各投影光学系１、２において、光学面の芯を最も多く含む直線を各光学系の光軸と定義する。ただし特定の投影光学系において、各光学面の芯が全てずれている場合には、瞳に最も近い光学面の芯を通る直線を該光学系の光軸と定義する。

なお、実際の投影装置１００では、ハウジング５０の形状や他の部材との位置関係によって、第一ミラー２０と第二ミラー３０だけでなく、さらに投影光学システム１０内の図示しないミラーを配設して光路を折り曲げることもある。しかし以下では、上記各ミラーによる光路の折り曲げは考慮せず、光路を展開した状態、換言すれば全ての部材が基準面上に配設された状態を想定して各部材の説明を行う。

表示体４は、スクリーンＳに拡大投影される画像を表示する。表示体４から射出された光は、第一投影光学系１を介して中間像を形成する。偏向光学系３は、該中間像の像面Ｐ近傍に配設される三つの三角プリズムから構成される。偏向光学系３は、各投影光学系１、２の瞳を結合する光学系である。偏向光学系３は、中間像を形成した光を偏向し、第二投影光学系２に導く。第二投影光学系２は、偏向光学系３を介して入射する光を発散させる。第二投影光学系２、つまり投影光学システム１０から射出された発散光は、第一ミラー２０、第二ミラー３０で順次反射した後、スクリーンＳの裏面（つまり、装置内部側の面）に対して斜めに入射する。これにより、スクリーンＳには、表示体４に表示された画像が拡大投影される。

なお、図１および図２において、スクリーンＳの中心を通り鉛直方向に延びる直線上（基準面での断面）における、投影画像の最上端を形成する光線を光線Ｌｕ、該投影画像の中央を形成する光線をＬｃ、該投影画像の最下端を形成する光線を光線Ｌｄとする。なお、以下の説明で画像の最上端、最下端と記した場合には、スクリーンＳの中心を通り鉛直方向に延びる直線上での画像における最上端、最下端を意味するものとする。

スクリーンＳには図示しない薄膜状のフレネルレンズが貼り付けられている。そのためスクリーンＳの裏面に斜めに入射した光は、該スクリーンＳの表面（つまり、使用者（観察者）側の面）から略直角に射出される。

図３は、スクリーンＳと投影光学システム１０を構成する各部材の配置関係を説明するための図である。図３では、説明の便宜上、各投影光学系１、２を簡略化して単レンズで示している。投影装置１００において、表示体４と第一投影光学系１と中間像の像面Ｐ（偏向光学系３）は、シャインプルーフの法則を満たすように互いに傾いて配設されている。つまり、表示体４、第一投影光学系１、像面Ｐの各延長面が同一直線（以下、第一基準直線という。）Ｌ１で交わる。さらに具体的には、表示体４は、第一投影光学系１の光軸ＡＸ１に直交する仮想面（以下、第一仮想面という。）Ｐ１からチルト角θ１だけチルトしている。同様に、中間像の像面Ｐも、第一仮想面Ｐ１からチルト角θ２だけチルトしている。光軸ＡＸ１を基準として反時計回り（図中矢印で示す方向）を正とする。

ここで、第一投影光学系１の焦点距離をｆ１、表示体４の第一基準面に対するチルト角をθ１、通常使用状態においてスクリーン上に投影される画像の鉛直方向に対応する方向での長さ、つまり高さをＨ、中間像の第一基準面に対するチルト角をθ２とすると、以下の条件（１）、

を満たすように構成される。

条件（１）は、tanθ２／tanθ１、つまり第一投影光学系１の光軸上の倍率を規定する条件である。第一投影光学系１の光軸上の倍率が条件（１）の上限を超えると、縮小された中間像が形成されてしまうため、熱集中の原因となり好ましくない。また上記倍率が条件（１）の下限を下回ると、チルトした表示体４の一部が第一投影光学系１の焦点位置よりも該光学系１側に位置する。これにより、該一部からの光は有効に中間像を形成することができなくなるため、画質の低下を招き好ましくない。

上記条件（１）を満たすことにより、適切に拡大された中間像が形成されることになる。よって中間像の像面での熱集中が解消され、各投影光学系の設計自由度や材料選択の自由度を向上させることができる。

また、スクリーンＳと第二投影光学系２と中間像の像面Ｐ（偏向光学系３）もシャインプルーフの法則を満たすように互いに傾いて配設されている。つまり、スクリーンＳ、第二投影光学系２の主平面、像面Ｐの各延長面が同一直線（以下、第二基準直線という。）Ｌ２で交わる。さらに具体的には、中間像の像面Ｐは、第二投影光学系２の光軸ＡＸ２に直交する仮想面（以下、第二仮想面という。）Ｐ２に対してもチルト角θ３だけチルトしている。また、スクリーンＳも第二仮想面Ｐ２から所定のチルト角だけチルトしている。なお、ここでのチルト角θ３は、第二仮想面Ｐ２を基準として反時計回り（図中矢印で示す方向）を正とする。

一般に、回転対称光学系を用いて中間像として拡大実像を形成しようとすると、近軸において表示体４でのアスペクト比とスクリーンＳに投影される画像のアスペクト比を一致させることができないという問題がある。そこで本実施形態では、中間像の像面Ｐでの第一投影光学系１の光軸ＡＸ１の位置に対して第二投影光学系２の光軸ＡＸ２の位置を各基準直線Ｌ１、Ｌ２から離れる方向（図２では紙面上方）にずらしている。これにより、上記アスペクト比誤差を低減させている。具体的には、投影装置１００は、像面Ｐでの各光軸ＡＸ１、ＡＸ２間の距離をｄ、第二投影光学系２の焦点距離をｆ２とすると、投影光学システム１０は、以下の条件（２）、

を満たすように構成される。

条件（２）において、距離ｄが正の値を取るように構成すれば、中間像の像面Ｐでの第一投影光学系１の光軸ＡＸ１の位置に対して第二投影光学系２の光軸ＡＸ２の位置を各基準直線Ｌ１、Ｌ２から離れる方向（図２では紙面上方）にずらすことができる。つまり、各光軸ＡＸ１、ＡＸ２が同一直線上にある構成に近似する構成を実現することができる。このように、各投影光学系の光軸が同一直線上にあるような配置に近づけることにより、偏心等のない光学系のような高い光学性能が発揮されると共に、スクリーンへの大きな入射角も確保することができる。

条件（２）は、表示体４で表示される画像のアスペクト比とスクリーンＳに投影される画像のアスペクト比の差を低減させるための条件である。条件（２）の上限を超えるほどｄの値が大きくなると、スクリーンＳに投影される画像のアスペクト比を表示体４で表示される画像のアスペクト比に一致させることができない。

なお、第二投影光学系２が回転対称レンズのみからなる光学系であるならば、ｄの値をどのように設定しても、近軸的にはアスペクト比差を補正することができない。しかし、第二投影光学系２を構成するレンズのいずれか、好ましくはよりスクリーン側にあるレンズを偏心させれば、光束は該レンズの外側領域を透過することになる。従って、アナモルフィックレンズとしての効果が発揮されることになり、アスペクト比補正効果を奏することができる。

以上のように投影装置１００では、シャインプルーフの法則を二回適用することにより、矩形状の画像を表示する表示体４から射出された光は、第一投影光学系１を介して台形歪みを持つ中間像を結ぶ。そして台形歪みを持つ中間像を結んだ光は、第二投影光学系２によって、台形歪みが補正された矩形状の拡大画像をスクリーンＳ上に形成する。つまり使用者（観察者）は、台形歪みのない拡大画像を観察することができる。

また、条件（１）、さらには条件（２）も満たすことにより、拡大された中間像を結像させて中間像の像面Ｐでの熱集中を効果的に抑えると同時に、拡大された像を形成することにより生じる表示体４での表示画像とスクリーンＳでの投影画像のアスペクト比の不一致も解消している。これにより投影装置１００は、高画質かつ見やすい拡大投影画像を提供することができる。

次に、本実施形態の投影装置１００の具体的な実施例を説明する。

表１は、実施例の投影装置の具体的数値例を示す。表１における各部材のチルト角φ（単位：ｄｅｇ）は、各光軸ＡＸ１、ＡＸ２に直交する面からのチルト量のことである。チルト量は、光軸ＡＸ１、ＡＸ２に対して反時計回り方向を正として表す。表１における各部材のシフト量Ｙは、各光軸に対するチルト量を維持した状態での各部材のずれ量をいう。シフト量Ｙは、第一基準直線Ｌ１および第二基準直線Ｌ２から離れる方向を正として表す。

面番号０はスクリーンＳを示す。面番号１〜２１は第二投影光学系２を示す。面番号２２〜２８は偏向光学系３を示す。面番号２９〜４３は第一投影光学系１を示す。面番号４４、４５は表示体４を示す。

面番号１、２、５、６、２２〜２４、２９〜３２、４４は、直後の面のシフトやチルトといった偏心状態を定義するために設けられた仮想上の面（偏心定義面）である。また面番号２５〜２７は、偏向光学系３を構成する３つの三角プリズムの面でありながら、偏心定義面でもある。なお、偏心の後の座標系は、該偏心定義面での状態を基準として定まる相対的座標である。ただし、面番号２４〜２７では、チルトしたことによる座標の変動は考慮せず、面番号２１での状態を基準とした座標系に従う。

表１に示すように面番号３、４、３３、３４、４２、４３は、回転対称非球面である。非球面の形状は回転対称軸からの高さがｈとなる非球面上の座標点の該非球面の回転対称軸上での接平面からの距離（サグ量）をＸ（ｈ）、非球面の回転対称軸上での曲率（１／ｒ）をＣ、円錐係数をＫ、非球面係数をＡ_４、Ａ_６、…として、以下の式（３）で表される。

なお表１に示す非球面係数において、表記Ｅは、１０を基数、Ｅの右の数字を指数とする累乗を表している。また、実施例では、いずれの面も円錐係数Ｋおよび明記されていない次数における非球面係数は０である。

ここで、表示体４は、高さＨが１０．４６ｍｍ、高さＨに直交する方向（スクリーンＳ上に投影される画像の水平方向に対応する方向）での長さ（つまり幅）の寸法が１８．８５ｍｍのものを想定する。実施例１では、第一投影光学系１の焦点距離ｆ１は２２．８ｍｍ、表示体４のチルト角θ１は面番号４４に記載の通り−２６．５°、中間像のチルト角θ２は２９．４である。以上の具体的数値を、上記条件（１）に代入すると、
-1＞-1.130＞-9.770
となる。つまり実施例は条件（１）を満たす。ここで、表示体４の面積が１９７．２ｍｍ^２であるのに対し、中間像の面積は５５７．５ｍｍ^２となる。つまり、中間像は表示体４の約２．８３倍に拡大され、熱集中が有効に回避されていることが分かる。

また、距離ｄは、６．１ｍｍ、中間像のチルト角θ３は、−０．２°、第二投影光学系２の焦点距離ｆ２は、２５．１ｍｍである。以上の具体的数値を上記条件（２）に代入すると、
-1.131≦-1.000
となる。つまり実施例は条件（２）も満たす。これにより、表示体４で表示される画像のアスペクト比とスクリーンＳに投影される画像のアスペクト比の差を効果的に低減することができる。

図４は、実施例の投影装置１００により実際に投影された画像の歪み具合を示す図である。図４中、実線が実際にスクリーンＳに投影された画像を、破線が歪みのない理想的な画像を示す。上記のように構成された実施例の投影装置１００により投影される画像は、歪みが良好に低減され、理想的な画像に極めて近い画像であることがわかる。

以上が本発明の実施形態である。本発明にかかるプロジェクタ用光学系は、上記の実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では偏向光学系として三つの三角プリズムを用いているが、フレネルミラー等の他の偏向部材を使用することも可能である。

本発明の実施形態の投影装置の概略構成を表す図である。 実施形態の投影装置における光路を展開しつつ投影光学システムを拡大して示す図である。 スクリーンと投影光学システムを構成する各部材の配置関係を説明するための図である。 実施例の投影装置により実際に投影された画像の歪み具合を示す図である。

符号の説明

１ 第一投影光学系
２ 第二投影光学系
３ 偏向光学系
４ 表示体
１０ 投影光学システム
１００ 投影装置
Ｓ スクリーン

Claims (4)

1. 矩形状の表示体から照射され台形歪みを持った中間像を形成する光をスクリーンに対して斜めに入射させることにより、前記スクリーン上に台形歪みがない画像を表示する投影装置であって、
   前記表示体側から順に、第一投影光学系、偏向光学系、第二投影光学系、を有し、
   前記表示体は、前記第一投影光学系の光軸に直交する第一基準面に対してチルトし、
   前記中間像は、少なくとも前記第一基準面に対してチルトし、
   前記第一投影光学系の焦点距離をｆ１、前記表示体の前記第一基準面に対するチルト角をθ１、前記スクリーン上に投影される画像の鉛直方向に対応する方向での長さをＨ、前記中間像の前記第一基準面に対するチルト角をθ２とすると、以下の条件（１）、
   

   

   ただし、各チルト角θ１、θ２は、前記第一投影光学系の光軸に対して反時計回りを正とする。
   を満たすことを特徴とする投影装置。
2. 前記中間像は、さらに前記第二投影光学系の光軸に直交する第二基準面に対してもチルトしており、
   前記中間像の像面における、前記第一投影光学系の光軸と前記第二投影光学系の光軸との間の距離をｄ、前記中間像の前記第二基準面に対するチルト角をθ３、前記第二投影光学系の焦点距離をｆ２とすると、以下の条件（２）、
   

   

   ただし、前記チルト角θ３は、前記第二投影光学系の光軸に対して反時計回りを正とする。
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
3. 請求項２に記載の投影装置において、
   各投影光学系の光軸は前記各投影光学系の光路を展開した状態において同一平面内にあり、
   前記距離ｄは、前記同一平面内において、前記第一投影光学系の光軸についてスクリーンに延ばした延長線に前記第二投影光学系の光軸が接近するような値に設定されることを特徴とする投影装置。
4. 前記偏向光学系は、前記中間像の像面近傍に配設されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の投影装置。

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