JP2011232566A - 光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】
円筒スクリーンに１８０°近くの映像を投影する光学系において、歪みを抑えるとともに、全面でピントが合った高解像の投影像を形成する。
【解決手段】
本発明の光学系は、映像表示素子１３に表示された映像を投影する投影光学系１４と、投影光学系１４にて投影された映像を反射して円筒スクリーン１１に１８０°近い映像を投影するシリンドリカルな円筒反射面１２と、を備え、投影光学系１４は、円筒反射面１２で発生する非点収差を補正する補正光学系Ｌ２を含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は投影光学系を含んで構成される光学系に関するものであり、特に、円筒状の投影面（スクリーン）に像歪み無く高解像な映像を投影することが可能な光学系に関するものである。

投影光学系を用いて円筒スクリーンに実像を投影する投影光学系について、特許文献１には、３６０°全方位（全周）の画角を有する画像を投影する光学系において、小型でフレアー光が少なく解像力のよい光学系を提供することが開示されている。

特開２００７−３３４０１９号公報

特許文献１に記載の光学系によれば、全周囲に映像を投影することで、観察者は全周にパノラマ状に広がる映像を観察させることで、観察者を映像に没入させることが可能となる。しかしながら、このような３６０°にわたる映像を投影するには、光学系を中心として、その周囲にある程度の空間を設けることが必要である。

したがって、特許文献１に記載の光学系では、例えば、飛行機の機内のような限られた空間で没入感のある映像を楽しむことは困難である。ここで、観察者が椅子やソファなどに着座した状況では３６０°にまで映像を投影するまでもなく、１８０°近くの投影像であっても没入感を得ることが可能であることが分かっている。これは、着座によって観察者の視点範囲が限られたものとなるためである。

本発明は、このような円筒状の投影面（円筒スクリーン）に１８０°近くの映像を投影する光学系において、歪みが抑えられるとともに、全面でピントが合った高解像の投影像を投影できることを特徴とした光学系を提供することを目的としている。

本発明に係る光学系は、映像表示素子に表示された映像を投影する投影光学系と、前記投影光学系にて投影された映像を反射して円筒スクリーンに１８０°近い映像を投影するシリンドリカルな円筒反射面と、を備えた光学系であって、前記投影光学系は、前記円筒反射面で発生する非点収差を補正する補正光学系を含むことを特徴としている。

さらに、本発明に係る光学系において、前記補正光学系は、シリンドリカルレンズであることを特徴としている。

以上、本発明によれば、簡単な構成で平面の映像表示素子の映像を、円筒状の投影面（円筒スクリーン）に像歪みが無く高解像に投影することが可能な投影光学系を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る光学系、及び、その周辺構成についてＹＺ平面における断面を示した図である。 本発明の実施形態に係る光学系、及び、その周辺構成についてＺＸ平面における断面を示した図である。 本発明の実施形態に係る光学系、及び、その周辺構成について、ＹＺ平面における断面、並びに、観察者による観察の様子を示した図である。

以下、実施例に基づいて本発明の光学系について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る光学系、及び、その周辺構成について、ＹＺ平面における断面を示した図である。また、図２は、図１においてＺＸ平面における断面を示した図である。

本実施形態における装置全体は、プロジェクター１０、円筒ミラー１２（円筒反射面）、円筒スクリーン１１を含んで構成されている。プロジェクター１０から投影された映像は、図２に示されるようにＺＸ平面に曲率を有する円筒ミラー１２にて反射され、同じくＺＸ平面に曲率を有する円筒スクリーン１１に投影される。

円筒ミラー１２は、円筒中心ＳＯを中心とし、ＺＸ平面に曲率を有する反射面である。この円筒ミラー１２の曲率半径Ｒ［ｍｍ］は、
２００＜Ｒ＜４００
とすることが好ましい。下限を超えると円筒ミラー１２面で発生する非点収差が大きくなり、シリンドリカルレンズで構成された補正光学系Ｌ２で補正することが出来なくなる。また、上限を超えると円筒ミラー１２の有効径を大きくすることとなり、装置が大型となると同時に、著しく観察位置が制限されたものとなってしまう。

円筒スクリーン１１は、円筒ミラー同様、円筒中心ＳＯを中心とし、ＺＸ平面に曲率を有する反射面である。この円筒スクリーン１１の中心軸Ａ１は、プロジェクター１０における投影光学系１４の中心軸Ａ２に対してＹ軸方向に偏心させた配置となっており、プロジェクター１０から円筒ミラー１２に斜めに投影される投影像を、円筒スクリーン１１に投影させることが可能となっている。円筒ミラー１２で反射されたプロジェクター１０の投影像は、この円筒スクリーン１１にて投影像となり観察者に観察される。

図１には、破線で囲まれた部分（プロジェクター１０）の拡大図が合わせて図示されている。プロジェクター１０は、ＬＣＤなど映像を表示する映像表示素子１３、理想レンズＬ１、補正光学系Ｌ２を含んで構成されている。理想レンズＬ１と補正光学系Ｌ２の間にはｒ５で示される絞り面が設けられている。本実施形態では、この理想レンズＬ１と補正光学系Ｌ２にて投影光学系１４が形成されている。

図に示すように投影光学系１４の中心軸Ａ２は、映像表示素子１３の中心軸Ａ３に対して偏心して配置されている。そのため、映像表示素子１３から照射された映像は、理想レンズＬ１の周囲を用いて投影されることとなり、ちょうどシフトレンズを用いたと同様、偏心配置された円筒ミラー１２に対して斜めに投影される。

このように、映像表示素子１３をシフト偏心させて、斜め投影を行って場合にはディストーションの発生が無く好ましい。なお、投影光学系１４を傾けたティルト配置させた場合には台形の像歪が発生するが、このような像歪は電子的に補正することが可能である。

本実施形態では、横方向に投影画角を拡大する手段として、円筒ミラー１２（円筒反射面）を用いることとしている。しかしながら、円筒ミラー１２を用いたことで非点収差が発生し、円筒スクリーン上に形成する映像を劣化させてしまう。そこで、本実施形態では、シリンドリカルレンズからなる補正光学系Ｌ２を用いて、この非点収差を補正している
。

本実施形態では、投影光学系１４に理想レンズＬ１を用いて設計している。光線追跡は円筒スクリーン１１面から映像表示素子１３に向かう逆光線追跡で追跡している。なお、座標原点Ｏは、円筒スクリーン中心とし、図１の紙面において、紙面手前をＸ軸正方向、上方向をＹ軸正方向、右方向をＺ軸正方向としている。

以下に、数値実施例を示す。なお、データの記載されていない係数項は０である。屈折率、アッベ数については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを記載している。なお、特に表記のない長さの単位はｍｍである。

偏心面については、スクリーン面を除いて円筒中心ＳＯからの偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ、Ｙ、Ｚ）と、光学系の原点に定義される座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角（それぞれα、β、γ（°））とが与えられている。なお、αとβの正は、それぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して反時計回りを意味している。

円筒スクリーン１１は、円筒スクリーン中心ＳＯを中心位置に持つ半径１ｍの円筒面内側である。プロジェクター１０の理想レンズＬ１の焦点距離は５０ｍｍ、像高は１３．４７×２２．５８としている。

［数値実施例］
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
r1（物体面） シリンドリカル面[1] 700.00
r2 シリンドリカル面[2] -300.00 偏心[1]
r3 シリンドリカル面[3] -5.00 偏心[2] 1.5163 64.1
r4 ∞ -10.00 偏心[3]
r5（絞り面） -50.00 偏心[4]
r6 ∞ -46.60 偏心[5]
r7（像面） ∞ 偏心[6]

シリンドリカル面[1]
Ｘ方向曲率半径 1000.00
Ｙ方向曲率半径 ∞

シリンドリカル面[2]
Ｘ方向曲率半径 300.00
Ｙ方向曲率半径 ∞

シリンドリカル面[3]
Ｘ方向曲率半径 -570.73
Ｙ方向曲率半径 ∞

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 345.48 Ｚ -300.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 500.00 Ｚ -600.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 500.00 Ｚ -605.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 500.00 Ｚ -615.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 500.00 Ｚ -665.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 526.70 Ｚ -718.40
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

図３は、本発明の実施形態に係る光学系、及び、その周辺構成について、ＹＺ平面における断面、並びに、観察者による観察の様子を示した図である。構成、並びに、光線については図１と同様である。本実施形態の装置において、観察者は例えば、図示するように着座した状況で観察が行われる。観察上、着座状態で観察者の視線方向が、Ｚ軸に沿うようにすることが好ましい。そのため、プロジェクター１０、円筒ミラー１２を可動式にし、着座の状態に応じて位置を変更可能とすることで、着座状況に応じて観察しやすい投影像を提供することが可能となる。また、リクライニング式の可動シートなどにおいては、リクライニングの角度に応じて、装置全体を傾ける構成としてもよい。

このように、本実施形態の光学系を用いた装置によれば、観察者が着座した状態などにおいて没入感のある投影像を提供することが可能となる。さらに、円筒スクリーン１１に、歪みが抑えられるとともに、全面でピントがあった高解像の投影像を投影することが可能となる。

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１０…プロジェクター、１１…円筒スクリーン、１２…円筒ミラー（円筒反射面）、１３…映像表示素子、Ｌ１…理想レンズ、Ｌ２…補正光学系、ＳＯ…円筒中心

Claims (2)

1. 映像表示素子に表示された映像を投影する投影光学系と、
   前記投影光学系にて投影された映像を反射して円筒スクリーンに１８０°近い映像を投影するシリンドリカルな円筒反射面と、を備えた光学系であって、
   前記投影光学系は、前記円筒反射面で発生する非点収差を補正する補正光学系を含むことを特徴とする
   光学系。
2. 前記補正光学系は、シリンドリカルレンズであることを特徴とする
   請求項１に記載の光学系。