JP2007047767A

JP2007047767A - 投影装置

Info

Publication number: JP2007047767A
Application number: JP2006189976A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Azuma; 健我妻; Shohei Matsuoka; 祥平松岡
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2007-02-22

Abstract

【課題】安価かつ効率よく製造できる中間光学系を採用することができる斜め投影型の投影装置を提供すること。
【解決手段】投影装置は、光源からの光が入射する表示体における矩形状の画像を台形歪みを持った中間像に変換し、該中間像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拡大投影する投影装置であって、表示体から照射された光により中間像を形成する第一投影光学系と、中間像を、その台形歪みを補正しつつスクリーン上に拡大投影する第二投影光学系と、第一投影光学系と第二投影光学系の各瞳を結合し、第一投影光学系から射出された光を偏向して第二投影光学系に導く中間光学系と、を有し、第一投影光学系および第二投影光学系は、それぞれ、中間像側が略テレセントリックになっている構成にした。
【選択図】図２

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を光軸に対して傾けて配置することにより、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

一般に上記のような投影装置は、表示体側光学系により形成される中間像をスクリーン側光学系に導くための中間光学系を持っている。該中間光学系は、以下の３つの光学性能を備える必要がある。第一に、表示体側光学系から射出された光を効率よく取り込む性能である。第二に、該中間光学系射出後の発散光がスクリーン側光学系に効率よく取り込まれるように該発散光の広がり具合を調整する性能である。そして第三に、通常使用状態の投影装置の鉛直方向に、入射する光を折り曲げるプリズムとしての性能である。

ここで、各部材は、光軸に対して傾いた状態で配置されている。なお、表示体側・スクリーン側の各光学系において、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。各部材を光軸に対して傾けて配置するという投影装置の構成上、上記第一の光学性能における表示体側光学系から射出された光および上記第二の光学性能における該中間光学系射出後の光は、中間光学系近傍では、通常使用状態の投影装置のスクリーンに投影される画像の鉛直方向および水平方向のそれぞれに対応する方向で発散度が異なる。よって、第一、第二の光学性能を得るために、中間光学系は、方向によりパワーが異なることが要求される。方向によりパワーが異なる光学系を使用する場合には、種々の非対称な収差の発生を抑える必要が生じる。

そこで、上記特許文献１では、フレネルレンズを２枚含む構成の中間光学系を採用し、各レンズを偏心させることにより、諸収差の発生を抑えつつも上記３つの光学性能を発揮するようにしている。

しかし、上記特許文献１の中間光学系は、非常に高性能なフレネルレンズを高精度に設計する必要がある。しかも、該フレネルレンズは偏心した状態で使用される。そのため、通常高い精度を得るのが難しいとされるレンズ端部も高性能であるように製造する必要がある。よって、製造コストが上昇し、歩留まりの悪さも指摘されている。

そこで、本発明は上記の事情に鑑み、安価かつ効率よく製造できる中間光学系を採用することができる斜め投影型の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、光源からの光が入射する表示体における矩形状の画像を台形歪みを持った中間像に変換し、該中間像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拡大投影する投影装置であって、上記光源から照射され、表示体を介した光により中間像を形成する第一投影光学系と、その台形歪みを補正しつつ中間像をスクリーン上に拡大投影する第二投影光学系と、第一投影光学系と第二投影光学系の各瞳を結合し、第一投影光学系から射出された光を偏向して第二投影光学系に導く中間光学系と、を有し、第一投影光学系および第二投影光学系は、それぞれ、中間像側が略テレセントリックになっていることを特徴とする。

請求項１に記載の投影装置によれば、中間光学系に関して、上記３つの光学性能のうち、第一と第二の効果に対する負担が効果的に低減する。つまり、本発明に係る中間光学系は、第三の光学性能さえ備えていればよい。よって、製造時に要求される難易度やコストが抑えられ、製造効率の向上を図ることができる。

また請求項２に記載の投影装置によれば、第一投影光学系と第二投影光学系の各光軸を含む面での断面において、第一投影光学系は、表示体最下端から射出された光の主光線と光軸とがなす角と、表示体最上端から射出された光の主光線と光軸とがなす角との差である第一の角度差が、表示体の略中心から射出され該第一投影光学系を介して前記中間光学系に収束しつつ入射する光束の収束角よりも小さく構成され、第二投影光学系は、表示体最下端から射出された光の主光線と光軸とがなす角と、表示体最上端から射出された光の主光線と光軸とがなす角との差である第二の角度差が、表示体の略中心から射出され中間光学系から発散しつつ射出される光束の発散角よりも小さく構成される。

より具体的には、請求項３に記載の投影装置によれば、第二投影光学系の光軸に直交する面に対するスクリーンのチルト角度の絶対値をθとし、投影装置の投影倍率をＭとすると、上記第一の角度差および前記第二の角度差がいずれもθ／Ｍ以上であるように構成される。

上記のように各投影光学系のテレセン性に幅を持たせることにより、中間光学系で発生する軸上色収差や球面収差を良好に補正することができる。

上記のように構成することにより、中間光学系を少なくとも一つ以上のプリズムにより構成することができる（請求項４）。つまり、安価かつ製造効率の良いプリズムを中間光学系として使用することができる。また、該中間光学系は、色収差補正作用を有することができる（請求項５）。

以上のように、本発明によれば、中間光学系を挟んで配設される二つの投影光学系の中間像側を略テレセントリックにすることにより、中間光学系に要求される光学性能を低減することができる。よって本発明によれば、例えばプリズムのような安価かつ効率よく製造できる光学部材により構成された中間光学系を採用することができる投影装置が提供される。

図１は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、第二投影光学系２、中間光学系３、表示体４を有する。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。各図において、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、該スクリーンの中心を通り鉛直方向に延びる直線で略二等分する。本文では、説明の便宜上、光軸ＡＸ１、ＡＸ２を含む面を基準面という。

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。

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。

表示体４は、該表示体４より前段に配設された光源（不図示）から照射された光を用いてスクリーンＳに拡大投影される画像を表示する。表示体４としては、例えば透過型液晶素子や反射型液晶素子、ＤＭＤ（登録商標）などがある。表示体４から射出された光（より詳しくは、表示体４で反射した光あるいは表示体４を透過した光）は、第一投影光学系１を介して中間像を形成する。ここで、中間像は、必ずしも良好に結像している必要はない。つまり、中間像の段階では諸収差が残存している、あるいはシャインプルーフの法則が精確に成立していない場合であっても、後段の第二投影光学系２で補償させることが可能であるため問題ない。本実施形態では、中間像の像面Ｐは、中間光学系３の最も第一投影光学系１側の面に略一致する。中間光学系３は、各投影光学系１、２の瞳を結合する光学系である。中間光学系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、中間光学系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以降の各図において、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、画像の最上端を形成する光束の主光線を主光線Ｌｕ、画像の中心を形成する光束の主光線を主光線Ｌｃ、画像の最下端を形成する光束の主光線を主光線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。具体的には、表示体４は、第一投影光学系１の光軸ＡＸ２に直交する仮想面（以下、第一仮想面という。）Ｐ１に対してチルトしている。同様に、中間像の像面Ｐも、第一仮想面Ｐ１に対してチルトしている。

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。具体的には、中間像の像面Ｐは、第一仮想面Ｐ１だけでなく、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に対してもチルトしている。また、スクリーンＳも第二仮想面Ｐ２に対してチルトしている。

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。

本実施形態の投影装置１００は、第一投影光学系１の中間像側および第二投影光学系２の中間像側をそれぞれ略テレセントリックとなるように配置構成される。これにより中間光学系３は、光路を折り曲げる光学性能のみを持つように構成することができる。本実施形態では、図２に示すように、中間光学系３を安価かつ効率よく製造可能な三角プリズムを３つ用いて構成している。

中間光学系３を複数の三角プリズムで構成すると、中間光学系３において発生する可能性のある収差は、軸上色収差や球面収差といったいわゆる基本的な収差に限定される。よって、偏心による収差等が生じていた従来の構成に比べて、収差補正が容易になる。ただし、各投影光学系１、２の中間像側をそれぞれ完全にテレセントリックにしてしまうと、中間光学系３において上記軸上色収差や球面収差を効果的に補正することができなくなる可能性がある。

そこで、本実施形態では、軸上色収差や球面収差等を補正する作用を中間光学系３に付与するために、各投影光学系１、２の中間像側を、所定の許容範囲を持ったテレセントリックな構成にする（つまり、必ずしも厳格にテレセントリックである必要はなく、若干の発散傾向を有している構成であっても含む）という意味で略テレセントリックという表現をしている。なお、中間光学系３は、中間光学系３を構成する各三角プリズムの屈折率とアッベ数を適切に選択することにより、角倍率の色収差を補正する作用が付与されている。なお、屈折率とアッベ数の組み合わせと併用して、あるいは該組み合わせとは独立して回折素子を設けることによっても中間光学系３に上記色収差補正作用を付与することができる。

次に図４を参照しつつ上記の中間光学系３に関する配置構成について詳述する。図４は、中間光学系３近傍の光路を示す図である。図４では、スクリーンＳに投影される画像を形成する光のうち、画像の中心を形成する光束Ｃに関してのみ、主光線Ｌｃだけでなく光束全体を示す。該画像の最上端および最下端を形成する光束については、主光線Ｌｕ、Ｌｄのみ示す。また、点線ａ１は光軸ＡＸ１と平行な線、点線ａ２は光軸ＡＸ２と平行な線である。

第一投影光学系１は、主光線Ｌｄと点線ａ１（つまり光軸ＡＸ１）がなす角φ１と、主光線Ｌｕと点線ａ１（つまり光軸ＡＸ１）がなす角φ２との角度差（第一の角度差）｜φ１−φ２｜が、像面Ｐに収束する光束Ｃの収束角φ３よりも小さくなるように構成される。第一投影光学系１の中間像側が略テレセントリックであるとは、上記のような構成を言う。なお、収束角とは、基準面において第一投影光学系１の射出瞳から射出される光束のなす角度と定義する。

第二投影光学系２は、主光線Ｌｄと点線ａ２（つまり光軸ＡＸ２）がなす角φ４と、主光線Ｌｕと点線ａ２（つまり光軸ＡＸ２）がなす角φ５との角度差（第二の角度差）｜φ４−φ５｜が、像面Ｐから射出される光束Ｃの発散角φ６よりも小さくなるように構成される。第二投影光学系２の中間像側が略テレセントリックであるとは、上記のような構成を言う。なお、発散角は、基準面において第二投影光学系の入射瞳に向かって発散する光束のなす角度と定義する。

また、軸上色収差や球面収差の補正を重視する場合、各投影光学系１、２は、投影装置１００の投影倍率をＭ、スクリーンＳの第二仮想面Ｐ２に対するチルト角をθとすると、第一の角度差｜φ１−φ２｜および第二の角度差｜φ４−φ５｜双方がθ／Ｍ以上となるように配置構成される。これにより、中間光学系３において上記の各収差の補正を容易に実行することができる。

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（単位：ｄｅｇ）は、各光軸ＡＸ１、ＡＸ２に直交する面Ｐ１、Ｐ２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は、各光軸に対するチルト量を維持した状態でのずれ量をいう。シフト量は、基準面にある光軸ＡＸ１、ＡＸ２を基準として各基準直線Ｌ１、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は中間光学系３を示す。面番号２９〜４４は第一投影光学系１を示す。面番号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、中間光学系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および明記していない非球面係数は０である。

ここで、表示体４は、通常使用状態においてスクリーンＳ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（高さ）が１０．４６ｍｍ、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（幅）の寸法が１８．８５ｍｍのものを想定する。

第一投影光学系１の中間像側において、第一の角度差｜φ１−φ２｜は、３．１７°であるのに対し、図４に示す収束角φ３は、６．５９°である。また、第二投影光学系２の中間像側において、第二の角度差｜φ４−φ５｜は、５．５３°であるのに対し、図４に示す発散角φ６は、１０．７°である。つまり、本実施例の各投影光学系１、２は、共に中間像側が略テレセントリックになっていることがわかる。

また、本実施例の投影装置１００は、投影倍率Ｍが７１．４３、スクリーンＳの第二仮想面Ｐ２に対するチルト角θが３４．３°である。従って、θ／Ｍ＝０．４８°となり、第一の角度差｜φ１−φ２｜、第二の角度差｜φ４−φ５｜の方が大きいことが分かる。つまり、本実施例の中間光学系３は、各投影光学系１、２の中間像側のテレセン性を高めたことにより中間光学系３透過時に軸上色収差や球面収差の非対称性を低減することができる。

図５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５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。図５実線に示す投影画像は、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。このように、実施例では、各投影光学系１、２の中間像側を略テレセントリックにすることにより、安価かつ容易に製造することができる三角プリズムを３つ組み合わせて構成される中間光学系３を使用可能としている。また、該中間光学系３を使用しても、良好な性能を発揮し、高画質な画像がスクリーン上に投影されることが分かる。

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、中間光学系３を構成する各三角プリズムにおいて、各投影光学系１、２に対向する面を、アスペクト比を調整したり、像面湾曲を補正したりするためのシリンドリカル面等に加工してもよい。また、プリズムだけでなく、テレセン性を確保するためのパワーを持つ光学部材を中間光学系に組み込んでも良い。さらには、上記実施形態では、３つのプリズムを組み合わせて中間光学系を構成しているが、１または２、さらには４つ以上の光学部材を組み合わせて構成しても良い。

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。実施形態の中間光学系近傍での光路を示す図である。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中間光学系
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

光源からの光が入射する表示体における矩形状の画像を台形歪みを持った中間像に変換し、該中間像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拡大投影する投影装置であって、
前記光源から照射され、前記表示体を介した光により前記中間像を形成する第一投影光学系と、
台形歪みを補正しつつ前記中間像を前記スクリーン上に拡大投影する第二投影光学系と、
前記第一投影光学系と前記第二投影光学系の各瞳を結合し、前記第一投影光学系から射出された光を第二投影光学系に導く中間光学系と、を有し、
前記第一投影光学系および前記第二投影光学系は、それぞれ、前記中間像側が略テレセントリックになっていることを特徴とする投影装置。
前記第一投影光学系と前記第二投影光学系の各光軸を含む面での断面において、
前記第一投影光学系は、前記表示体最下端から射出された光の主光線と光軸とがなす角と、前記表示体最上端から射出された光の主光線と光軸とがなす角との差である第一の角度差が、前記表示体の略中心から射出され該第一投影光学系を介して前記中間光学系に収束しつつ入射する光束の収束角よりも小さく構成され、
前記第二投影光学系は、前記表示体最下端から射出された光の主光線と光軸とがなす角と、前記表示体最上端から射出された光の主光線と光軸とがなす角との差である第二の角度差が、前記表示体の略中心から射出され前記中間光学系から発散しつつ射出される光束の発散角よりも小さく構成されることを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
前記スクリーンは、前記第二投影光学系の光軸に直交する面に対して所定の角度チルトしており、
前記所定の角度の絶対値をθ、前記投影装置の投影倍率をＭとすると、前記第一の角度差および前記第二の角度差がいずれもθ／Ｍ以上であることを特徴とする請求項２に記載の投影装置。
前記中間光学系は、少なくとも一つ以上のプリズムにより構成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の投影装置。
前記中間光学系は、色収差補正作用を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の投影装置。