JP5163794B2 - 投射型画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、投写型画像表示装置に関する。

斜め投写、すなわちスクリーン主平面の法線に対し、所定の角度を以って(例えばスクリーン下方から)画像を投写する投写型画像表示装置においては、投射光学系の出射光学部品には、非球面乃至自由曲面のミラーが用いられる。一般に、これらのミラーは量産性を考慮して樹脂で成形し、アルミ若しくは銀を蒸着して製造されるが、帯電しやすいため空気中の塵や埃で汚染されやすい。ミラー表面に付着した塵や埃を拭き取ると、塵や埃の中にはミラー表面のコーティング材より固いものが含まれているミラー表面にヘヤーライン状の傷が生じてしまう。これらの傷は、画像のコントラストの低下に繋がるだけでなく、傷から水分が入りミラーの蒸着膜を錆びさせるといった不都合があった。

かかる問題に対処するため、投写光学系を窓の開いた筐体に収納し、投写光学系とスクリーンとの間にガラス板等からなる平板状の透明板を配置することにより塵や埃によりミラー表面の汚染を防止する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−０８２３８７号公報

しかし、かかる投写光学系ではコンパクト性を重視し、出射光学部品に非球面若しくは自由曲面のミラーを使用することにより投射距離を大幅に短縮している。そのため、画角が極めて広いことから、上記技術によっては、画面の両端部の映像光が透明板へ入射する角度が大きくなり、透明板での反射損失により画面両端部が暗くなるという問題があった。

本発明の目的は、画質の低下を抑制しつつ、光学部品を空気中の塵や埃から保護可能な技術を提供することにある。

上記課題を解決するため、出射光学部品を覆う透明部材を備える。

本発明によれば、画質の低下を抑制しつつ、光学部品を空気中の塵や埃から保護可能となる。

本実施の形態に係る投射型画像表示装置の概略側断面図である。 本実施の形態に係る投射型画像表示装置の光学系の要部の構成を示す側面図である。 本実施の形態に係る投射型画像表示装置の光学系の配置と光路を示すＸＺ断面図である。 本実施の形態に係る投射型画像表示装置の光学系の構成と光路を示すＹＺ断面図である。 本実施の形態に係る投射型画像表示装置の歪性能を表す図である。 本実施の形態に係る投射型画像表示装置の光学部品の面番号を説明する図である。 本実施の形態に係る投射型画像表示装置のスポット性能を表す図である。 本実施の形態に係る投射型画像表示装置の要部を表す斜視図である。 本実施の形態に係る投射型画像表示装置の要部を表す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、図示例に限定されるものではない。

図１は、本実施の形態に係る投射型画像表示装置１の概略側断面図であり、図２は、投射型画像表示装置の光学系の要部の構成を示す側面図である。

なお、図１及び図２は、光学系の要部の構成をＸＹＺ直交座標系におけるＹＺ断面で示したものである。ここで、ＸＹＺ直交座標系の原点は、後述する画像発生源８を構成する画像表示素子１０の表示画面の中央とし、Ｚ軸は後述するスクリーン２０の法線と平行であるものとする。Ｙ軸はスクリーン２０の画面の短辺方向、即ち、スクリーン２０の垂直方向と平行であるものとし、Ｘ軸は、スクリーン２０の画面の長辺方向、即ち、スクリーン２０の水平方向と平行であるものとする。

図１に示すように、投射型画像表示装置１には、キャスター２を備えたスタンド４に取り付けられた底板６には、画像を表示するための画像発生源８が備えられている。画像発生源８には、例えば、反射型や透過型の液晶パネル、または微小なミラーを複数備えた画像表示素子１０等の光変調素子、さらには、光変調素子を照射するためのランプが含まれている。また、画像表示素子１０は、いわゆる３板式のように複数の画を合成する方式でもよく、その場合には合成用プリズム等の合成光学系が備えられることとなる。なお、画像発生源は投写型ブラウン管を含むものであってもよい。

画像表示素子１０の光出射方向には、第１光学系を構成する投写レンズ１２が配置されている。投写レンズ１２には、回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズが含まれている前群１２と、少なくとも一方の面が回転非対称の自由曲面の形状を有するレンズ（以下、「自由曲面レンズ」という）が含まれている複数のレンズからなる後群１６が備えられている。前群１２は画像表示素子１０から出射された光の進行方向側に配置されており、後群１６は前群１２から出射された光の進行方向側に配置されている。

後群１６から出射された光の進行方向側には、第２光学系を構成する回転非対称の自由曲面形状の反射面を有する少なくとも１枚の反射鏡(以下、「自由曲面ミラー」という)が配置されている。そして、自由曲面ミラー１８により反射された光の進行方向には、スクリーン２０が配置されている。なお、本実施の形態においては、第２光学系として非球面ミラーを用いることとしてもよい。

また、本実施の形態においては、投写レンズ１２を構成するレンズが直線的に配列されているが、図３に示すように、自由曲面ミラー１８と前記投写レンズ１２の後群１６との間に反射ミラー１５を配置して投写レンズ１２の光軸をＸ軸方向に折り曲げることとしてもよい。これによって、投射型画像表示装置の全長が長くなることを防止することができる。また、投射型画像表示装置の全長が長くなることを防止するために、投写レンズ１２の前群１２と後群１６の間、または前群１２の途中に反射ミラー１５を配置することとしてもよい。

本実施の形態においては、図２に示すように、投写レンズ１２の下端部Ｐ１から出射した光線Ｌ１は、自由曲面ミラー１８の下端部Ｐ３で反射されてスクリーン２０の下端部Ｐ６に導かれるようになっている。また、投写レンズ１２の上端部Ｐ２から出射した光線Ｌ２は、自由曲面ミラー１８の上端部Ｐ５で反射されてスクリーン２０の上端部Ｐ８に導かれるようになっている。

図２に示すように、画像表示素子１０は、その表示画面の中央が投写レンズ１２の光軸上に位置するように配置されている。従って、画像表示素子１０の表示画面の中央を透過して投写レンズ１２の入射瞳の中央を通ってスクリーン２０上の画面中央に向かう光線（以下、「画面中央光線」という）Ｌ３は、ほぼ投写レンズの光軸に沿って進む。画面中央光線Ｌ３は、自由曲面ミラー１８の反射面上の点Ｐ４で反射されて、スクリーン２０上の画面中央の点Ｐ７にスクリーンの法線Ｌ４に対して所定の角度を以って（すなわち斜めに）入射される（画面中央光線Ｌ３と法線Ｌ４の為す角度（以下、「斜め入射角度」という）をθｓとする）。

このように、投写レンズ１２から出射した光線をスクリーン２０に対して斜め入射させると、投写した長方形の形状が台形になる、いわゆる台形歪の他に、光軸に対して回転対称でない種々の収差が生じる。本実施形態では、これらを投写レンズ１２の後群１６と第２光学系（自由曲面ミラー１８）の反射面とで補正している。

図２に示すように、点Ｐ５から点Ｐ８に到る光線２２の光路長は、点Ｐ３から点Ｐ６に到る光線２３の光路長よりも長くなっている。これは、投写レンズ１２から見て、スクリーン上の像点Ｐ８が像点Ｐ６よりも遠くにあることを意味している。

そこで、スクリーン上の像点Ｐ８に対応する物点（表示画面上の点）がより投写レンズ１２に近い点に、また、像点Ｐ６に対応する物点がより投写レンズ１２から遠い点に位置させることで、像画面の傾きの補正を行う。具体的には、画像表示素子１の表示画面の中央における法線ベクトルをＹＺ平面内において、自由曲面ミラー１８の位置する方向に傾けるものである。

光軸に対して傾いた像平面を得るのに物平面を傾ける方法は周知であるが、実用的な大きさの画角では、物平面の傾きによる像面は光軸に対して非対称な変形を生じ、回転対称な投写レンズでは補正が困難である。

この点、本実施の形態では、投射光学系において、回転非対称の自由曲面レンズ２２及び自由曲面ミラー１８を用いていることから、非対称な像面の変形に対応できる。このため、物平面を傾けることで低次の像面の歪を大きく低減でき、自由曲面レンズ又は自由曲面ミラーによる収差補正を補助する上で効果的である。

以下において、さらに台形歪や収差の補正について詳述する。第１光学系である投写レンズ１２は、その前群１２が前記画像表示素子１０の表示画面をスクリーン２０に投写するための主レンズであり、回転対称な光学系における基本的な収差を補正する。投写レンズ１２の後群１６は、回転非対称の自由曲面レンズ２２を含んでいる。ここで本実施形態においては、自由曲面ミラー１８に最も近い自由曲面レンズ２２は、その光出射方向に対して凹を向くように湾曲して形成されている。そして第２光学系は、回転非対称の自由曲面形状を有する自由曲面ミラー１８を有している。

自由曲面ミラー１８は、その一部が光の反射方向に対して凸を向くように湾曲された、回転非対称の凸面ミラーである。具体的には、自由曲面ミラー１８は、スクリーン２０の下方に向かう光を反射する部分の曲率を、スクリーン２０の上方に向かう光を反射する部分の曲率よりも大きくなるように形成されている。また、自由曲面ミラー１８のスクリーン２０の下方に向かう光を反射する部分が光の反射方向に凸の形状を為し、スクリーン２０の上方に向かう光を反射する部分が光の反射方向に凹の形状に形成してもよい。

これらの第１光学系の自由曲面レンズと第２光学系の自由曲面ミラー１８の作用により、主として、斜め入射によって生じる収差の補正が行われる。すなわち、本実施形態では、第２光学系が主として台形歪を補正し、第１光学系である投写レンズ１２の後群１６が、主として像面の歪みなどの非対称な収差の補正を行うようになっている。

また、このように投射光学系に自由曲面レンズ２２や自由曲面ミラー１８を用いることで、屈折面を有する投写レンズ１２において、レンズの偏心やレンズ径の増大を招くことなく、またレンズ枚数を増加させることなく、斜め入射による台形歪の補正を実現できる。

このように、本実施形態は、第１光学系が回転非対称の自由曲面レンズを少なくとも一つ含み、第２光学系が回転非対称の自由曲面ミラーを少なくとも一つ含むことによって、斜め投写によって生じる台形歪と収差の両方を補正可能としている。

以上の説明は、図２に示す実施形態に基づいて行った。しかしながら、ミラーによる光路の折り曲げの方向が、図２とは逆に画面長辺を含む平面内にある場合でも、上記説明した本実施形態と同様な考えを適用できる。

次に、本実施の形態に係る光学系について、具体的な数値を例示しつつ説明する。図３から図６と表１から表４を用いて本発明の数値実施例の１つについて説明する。

図３と図４は、数値例に基づく本発明に係る光学系の光線図を示している。前述したＸＹＺ直交座標系において、図３はＸＺ断面図、４はＹＺ断面、での構造を示している。図３では、投写レンズ１２の前群１２の途中に折り曲げミラー１５を設置して光路をＸ軸方向に一度折り曲げている例を示している。図４では、この折り曲げミラー１５を省略しており、光学系をＺ軸方向に展開して示している。折り曲げミラーは、設置の位置や角度に若干の任意性があり、また各光学要素の機能に影響を及ぼさない。従って、以下の説明では、折り曲げミラー１５を省略して説明することにする。

本例において、図４の下側に表示した画像表示素子１０から射出した光は、複数のレンズを含む投写レンズのうち、まず回転対称形状の面のみを有するレンズのみで構成される前群１２を通過する。そして、回転非対称の自由曲面レンズを含む後群１６を通り、第２光学系である自由曲面ミラー１８の反射面で反射された後、スクリーン２０に入射される。

ここで、投写レンズ１２の前群１４は、全て回転対称な形状の屈折面を持つ複数のレンズで構成されており、各屈折面のうち２つは回転対称な非球面であり、他は球面である。ここに用いられた回転対称な非球面は、各面ごとのローカルな円筒座標系を用いて、次の式で表される。

ここで、ｒは光軸からの距離であり、Ｚはサグ量を表している。また、ｃは頂点での曲率、ｋは円錐定数、ＡからＪはｒのべき乗の項の係数である。
前記投写レンズ１２の後群１６にある自由曲面レンズは、各面の面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）を用い、Ｘ、Ｙの多項式を含む次の式で表わされる。

ここで、ＺはＸ、Ｙ軸に垂直な方向で自由曲面の形状のサグ量を表わしており、ｃは頂点での曲率、ｒはＸ、Ｙ軸の平面内での原点からの距離、ｋは円錐定数、Ｃ（ｍ、ｎ）は多項式の係数である。

表１においてＲｄは各面の曲率半径であり、図の中で面の左側に曲率の中心がある場合は正の値で、逆の場合は負の値で表わしている。また表１においてＴＨは面間距離であり、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。あるレンズ面に対して、次のレンズ面が左側に位置するときには面間距離は正の値、右側に位置する場合は負の値で表している。表１においてＳ５、Ｓ６、Ｓ１６、Ｓ１７は回転対称な非球面であり、表１では面の番号の横に＊を付けて示している。これら４つ面の非球面の係数を表２に示している。表１において、Mは投写レンズの前群１２内に設けられた折り曲げ用のミラーの位置を示している。実際は、このミラーの位置で光軸が折り曲げられるが、図６では簡単のためミラーの位置を示すのみで、光軸は折り曲げずに書いてある。また、Ｓ２３はスクリーン２０であり、大きく、位置も離れているので図６には示していない。

表１においてＳ１８からＳ２１は自由曲面レンズの各屈折面であり、Ｓ２２は自由曲面ミラー１８の反射面であって、面の番号の横に＃を付けて示している。これら５つの自由曲面の形状を表す係数の値を表３に示す。

表３においては、係数の名称と値を左右に並べて枠の組で表示しており、右側が係数の値であり、左側が名称で括弧内のカンマで区切った２組の数値は式２に示したｍとｎの値を示している。

本実施例における、各面のローカル座標系の傾き又は偏心の様子を表４に示す。表４において、面番号の右側に傾き角度、偏心の値を示しており、ＡＤＥは図の断面と平行な面内での傾きの大きさである。傾きの方向は図の断面内で反時計回りに回転する方向を正としている。また、ＹＤＥは偏心の大きさであり、偏心は図の断面内でかつ光軸に垂直な方向で設定され、図の断面において下側への偏心を正とする。

上記表１〜４の数値は、物面上１２．１６×６．８４の範囲の映像を像面上１８４１．９×１０３６．１の大きさに投写する場合の一例である。そのときの図形歪を図５に示す。図５の縦方向は図４の上下方向であり、Ｙ軸の方向である。図５の横方向はスクリーン２０上でＹ軸と直交する方向であり、図の長方形の中央が画面の中央である。図は画面の縦方向を４分割、横方向を８分割した直線の曲がりの状態を表示して図形歪の様子を示している。

本数値実施例のスポットダイアグラムを図７に示す。図７では、映像表示素子１１の表示画面上、Ｘ，Ｙ座標の値で、（６．０８，３．４２）、（０，３．４２）、（３．６５，２．０５）、（６．０８，０）、（０，０）、（３．６５、−２．０５）、（６．０８、−３．４２）、（０、−３．４２）の８点から射出した光束のスポットダイアグラムを上から順に示す。単位はｍｍである。各スポットダイアグラムの横方向はスクリーン上でのＸ方向、縦方向はスクリーン上でのＹ方向である。このように、両者ともに、良好な性能を維持している。

図６に示す、Ｓ０からＳ２０までは、図示しないシャーシ乃至鏡筒等の容器に収められているため、塵や埃に対し十分対策することができるようになっている。

これに対して、投写レンズ１２を構成するレンズのうち、最も自由曲面ミラー１８側に配置された自由曲面レンズ２２及び自由曲面ミラー１８は、光透過性を有する透明カバー２４で覆われている。透明カバー２４は、湾曲形成された部材であり、自由曲面レンズ２２の自由曲面ミラー１８側のレンズ面Ｓ２１及び自由曲面ミラー１８の反射面Ｓ２２のＺ軸と交わる点を略中心とした円弧を持つように形成されている。

透明カバー２４の湾曲形成された両端のうちの一端は、自由曲面レンズ２２に設けられたレンズ鍔２６に取り付けられ、また、湾曲形成され両端のうちの他端を自由曲面ミラー１８のミラー鍔２８に取り付けられている。また、湾曲形成されていない端部は、底板６に密着して取り付けられている。よって、自由曲面レンズ２２の自由曲面ミラー１８に対向したレンズ面Ｓ２１及び自由曲面ミラー１８の反射面Ｓ２２は、投射型画像表示装置１内に形成された密閉空間に収納され外気から遮断されている。

透明カバー２４は、湾曲形成されているため、自由曲面ミラー１８から出射する光線が透明カバーに対し大きな入射角にならないようになっている。このため、透明カバー２４で映像光が反射して画像周辺部が暗くなるという問題は生じない。本実施の形態においては、透明カバー２４に入射する光線の入射角は画像周辺部で約２０°であり、画像中心最下部で入射角は最大３３°となっている。この場合の映像光の透過率は、実用性に十分な８９％となり、さらに増透処理を行うことで透過率を向上させることとしてもよい。

また、透明カバー２４の形成する材料の材質に特に制限はないが、例えば、可撓性に優れたプラスチックを用いることが好ましい。かかる材質のプラスチックにより透過カバーを形成することで、レンズ鍔２６、ミラー鍔２８及び底板６に容易に固定することが可能となる。また、かかる材質のプラスチックにより透明カバーを形成することで、透明カバーが傷ついたり、汚れたりしたときにも交換が容易となる。

図９は、透明カバー２４のその他の実施例を示す斜視図である。図９には、図２で示した光線２２と光線２３を書き加えてある。各々の光線は図２では左右が重なっていたため各１本しか表記していなかったが、図９は斜視図であるので、左右２本表示してある。これら４本の光線が映像の４コーナーの光線を示すものである。

透明カバー２４は、スクリーン２０に投射される映像光の範囲のみ透明であればよく、光線２２及び光線２３で囲まれた範囲が通過する範囲以外の部分は、遮光することとしてもよい。透明カバーの遮光は、例えば、透明カバー２４の表面に塗装又は印刷をすることにより行う。

遮光されている部分の明度は低ければ低いほどよく、特に好ましくは黒色の塗料等を用いることが好ましい。また、例えば、透明カバー２４の遮光領域の内側を黒色の塗料等で塗装し、外側を投写型画像表示装置全体のデザインを考えた色に塗装しても良い。このようにできる限り投射型画像表示装置１内に外光が侵入することを防止することにより、映像のコントラストを向上させることができる。

次に、本実施の形態に係る投射型画像表示装置１の作用について説明する。

本実施の形態に係る投射型画像表示装置１に電源を投入すると、画像発生源８から画像光が出射され、投写レンズ１２に投射される。投写レンズ１２に投射された画像光は、投写レンズ１２を構成するレンズを透過し、自由曲面レンズ２２から出射された後に自由曲面ミラー１８に投射され、自由曲面ミラー１８に反射される。

自由曲面ミラー１８により反射された画像光は、透明カバー２４に照射される。この際、画像光は透明カバー２４の透明な部分に照射されるので、透明な部分を透過した後にスクリーン２０に照射され、映像が表示されることとなる。透明カバー２４は湾曲形成されているので、自由曲面ミラー１８から投射された画像光の損失はほとんど無く、透明カバー２４を透過してスクリーン２０に照射される。また、投射型画像表示装置１外の光は透明カバー２４の遮光された部分によって遮光されるので、投射型画像表示装置１内への外部の光の入光は防止される。

また、自由曲面ミラー１８の光反射面と自由曲面レンズ２２の光出射面は、透明カバー２４により投射型画像表示装置１の外部から隔離された密閉空間に収納されているため、投射型画像表示装置１の駆動時に自由曲面ミラー１８や自由曲面レンズ２２が帯電したとしても、外気中の塵や埃が付着することはない。

以上述べたように、本実施形態によれば、透明カバー２４により自由曲面ミラー１８及び自由曲面レンズ２２は覆われているので、空気中の塵や埃で汚染されることはない。また、透明カバー２４が湾曲形成されていることから、透明カバー２４に入射する光線の最大入射角が大きくならないため、透明カバーでの反射損失により画面両端部が暗くなるといった不都合がない。

１…投射型画像表示装置、２…キャスター、４…スタンド、６…底板、８…画像発生源、１０…画像表示素子、１２…投射レンズ、１４…前群、１５…反射ミラー、１６…後群、１８…自由曲面ミラー、２０…スクリーン、２２…自由曲面レンズ、２４…透明カバー、２６…レンズ鍔、２８…ミラー鍔、Ｌ１…光線、Ｌ２…光線、Ｌ３…画面中央光線、Ｌ４…法線

Claims (8)

1. 映像表示素子の映像をスクリーンに拡大投射する複数のレンズを含む投写レンズと、
   前記投写レンズからの映像を反射する反射光学系と、
   前記複数のレンズのうち前記反射光学系に最も近い位置に配置された第１のレンズの光出射面と前記反射光学系の光反射面との間の光路を覆う部材を備え、
   前記第１のレンズは自由曲面レンズであり、
   前記反射光学系は自由曲面ミラー又は非球面ミラーであり、
   前記スクリーンの平面をＸＹ平面、前記スクリーンの水平方向をＸ軸、前記Ｘ軸と垂直な方向をＹ軸、前記ＸＹ平面に垂直な方向をＺ軸と定義すると、前記部材の前記映像光出射面上における当該部材両端の頂点を通る部分は直線であり、かつ、当該直線はＹＺ平面に略平行である、投射型表示装置。
2. 前記部材の前記反射光学系で反射した映像が通過する領域以外の領域は、遮光領域である、請求項１記載の投射型表示装置。
3. 前記遮光領域は、塗装又は印刷により作られる、請求項２記載の投射型表示装置。
4. 前記反射光学系は、前記映像を反射する方向に対して凸形状である、請求項１記載の投射型表示装置。
5. 前記投写レンズは容器に収納され、
   前記容器の前記反射光学系側の端部に形成された第１鍔部と、
   前記反射光学系の側縁部に形成された第２鍔部を備え、
   前記部材の両端は、それぞれ、前記第１鍔部と前記第２鍔部に取り付けられる、請求項１記載の投射型表示装置。
6. 前記部材は、可撓性を有する、請求項１記載の投射型表示装置。
7. 前記部材は、透明である、請求項１記載の投射型表示装置。
8. 前記部材に対する前記映像光の透過率は、８９％以上である、請求項１記載の投射型表示装置。

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