JP2005084576A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 プロジェクターの高さがスクリーン上表示画面高さに比べてかなり高くならざるを得ないという欠点を有していた。
【解決手段】 表示デバイスと、該表示デバイスを照明する照明光学系と、前記表示デバイスからの光をスクリーンに投影する投影光学系とを有するリアプロジェクション表示装置であって、前記スクリーン上端部後ろ側に平面ミラーを、該平面ミラー位置と反対側のスクリーン下端部後ろ側に曲面ミラーを有しており、該曲面ミラーから該平面ミラーへの入射光束のうち前記スクリーンと反対側の最外域光線が該スクリーンと実質的に平行である。
【選択図】 図１

Description

本発明は斜め投射により装置の薄型化とコンパクト化を図ったリアプロジェクション表示装置に関するものである。

従来、この種の装置としては例えばＷＯ９７／０１７８７号等が開示されている。その投影光学系構成の１例を図４に示す。本件は３枚の共軸非球面反射ミラー（図中２２、２３、２４）と１枚の垂直配置平面ミラー（図中２５）にてスクリーン２６に対し画像表示パネル２１の画像を台形歪み無く斜め投影するものであった。
国際公開特許ＷＯ９７／０１７８７号公報

しかしながら当該従来例においては、投影系（表示パネル２１、ミラー２２、２３、２４）がスクリーン下のスペースを所定量占有せざるを得ず、装置全高がスクリーン上表示画面高さに比べてかなり高くならざるを得ないという欠点を有していた。

該従来例のトレース検討結果を表１のレンズデータと図４の光線追跡図に示す。我々のトレース検討では、画像表示パネル表示サイズをアスペクト１６：９の対角３４ｍｍ、スクリーン上拡大表示サイズをアスペクト１６：９の対角６０”（対角１５２４ｍｍ）としたが、図中のＨで示した光学系全高は表示画面高さ７５ｃｍより約４５ｃｍ高い約１２０ｃｍになった。また光学性能につては開口ＮＡ＝０．０８にて、投影像最大歪みが２．１％（台形歪み）、投影像平均ＭＴＦ（於１Ｌｐ／ｍｍ）は３０％であった。

尚、上記表１のデータで面間隔ｄは画像表示パネルからの光束が曲面反射ミラーにて反射してその伝播方向を反転する毎にその符号も反転させている。また曲率径ｒは＋が凹面、−が凸面であることを表している。

そこで本発明においては、この欠点を克服してよりコンパクトなリアプロジェクション表示装置を実現すべく、少なくともレンズ、曲面反射ミラー、平面反射ミラー、スクリーンから成る投影系と、表示デバイスとその照明系等を有し、スクリーン上端または下端部後ろ側に平面ミラーを配置し、該平面ミラー位置と反対側のスクリーン上端または下端部後ろ側に曲面ミラーを配置したことにより、該曲面ミラーから該平面ミラーへ光束が入射し、その光束が該平面ミラーにて反射されることによりスクリーンに対して光束が斜め入射されるととに、該曲面ミラーから該平面ミラーへの入射光束のうちスクリーンと反対側の最外域光線が該スクリーンと平行になるようにしたことを特徴としている。

以上説明したように、本発明においては、少なくともレンズ、曲面反射ミラー、平面反射ミラー、スクリーンから成る投影系と、表示デバイスとその照明系等を有し、スクリーン上端または下端部後ろ側に平面ミラーを配置し、該平面ミラー位置と反対側のスクリーン上端または下端部後ろ側に曲面ミラーを配置したことにより、該曲面ミラーから該平面ミラーへ光束が入射し、その光束が該平面ミラーにて反射されることによりスクリーンに対して光束が斜め入射されるとともに、該曲面ミラーから該平面ミラーへの入射光束のうちスクリーンと反対側の最外域光線が該スクリーンと平行になるようにしたことにより、当該リアプロジェクション表示装置の薄型化かつコンパクト化の両立を達成可能にしたものである。

（実施例１）
図１に本発明第１実施例の薄型リアプロジェククション表示装置の縦断面構成光線追跡図を示す。同図において１はＤＬＰ（ＤＭＤ）等の反射型表示パネル、２は共軸レンズ、３、４、５はＡｇ蒸着自由曲面ミラー、６は平面ミラー、７は斜入射用スクリーン、８は装置外装、９は照明系（ユニット外形のみ）である。また、図３には当該薄型リアプロジェククション表示装置の水平断面構成図（光線追跡図）を示す。

本図には特に上記以外の部品は記載されていないが、表示パネル１は反射タイプであり、照明系９により図中の各パーツおよび追跡光線線図に干渉しないように斜め前から照明され、該表示パネル１にて反射されその前面から出射される画像光は共軸レンズ２に向かう。この共軸レンズにて所定の屈折作用を受けた光束は次に自由曲面ミラー３に向かう。この後、図中の光線線図で図示されるように、光線が順次自由曲面ミラー３、４、５の各面によって反射されながら進んで行き、最後に光束を平面ミラー６に向けて出射する。この際、該自由曲面ミラー群は各面の光線反射角変調作用の合成による補助的結像作用と歪み調整作用を有しているが、共軸レンズ２との総合作用により表示パネル１の矩形画像面を光軸に対して斜めに配置されている（光軸入射角６６°）スクリーン７上に歪み無く拡大投影するものである。さらに、自由曲面ミラー５から出射された光束は図示のごとくまずスクリーン上部後側に位置する平面ミラー６にて反射され、その反射光束が斜め上方向から斜め下方向に向かってスクリーン７を照らすことにより画像光は該スクリーン７に斜め投影される。尚、ここでは自由曲面ミラー５から出射され該平面ミラー６へ入射する光束のうちスクリーンと反対側の最外域光線が該スクリーンとほぼ平行になると共に照明系９およびパネル１から該ミラー５までのエンジン部がスクリーン下部後側のスペースに収まるようにレイアウトしている。このようにレイアウトすることにより、このようなリアプロジェクションを構成するに際して、その奥行きを薄くすることが可能になると共に表示画面以外の必要領域を不要とすることで著しく当該装置の高さを低減するものである。因みに、本例によれば、９：５対角６６”表示画面で奥行き３０ｃｍを可能とすると共に、自由曲面ミラー３、４、５の並びから形成される光路の折り返しは無駄なくスクリーン下部裏側に詰まっているため、その装置全高については表示画面高さ８２ｃｍに対して７ｃｍ高いだけの装置全高８９ｃｍが可能になると見込まれる。

ここまで全体的な構成およびメカニズムを説明してきたが、次に共軸レンズ２と自由曲面ミラー３、４、５からなる投影系主要部分にについて説明する。図２に該投影系主要部分の拡大断面図を示す。ここで、共軸レンズ２は開口（レンズ入り口部）と２つの貼り合せレンズと２枚の単レンズから成っている。下記表２に該投影系のレンズデータ（各面曲率半径、各面面間隔、各面偏心量、各面面定義等）を示す。尚、本例での表示パネル表示域サイズは対角２０．６ｍｍアスペクト比９：５、スクリーン上拡大表示サイズは対角１６７３ｍｍ（６６”）アスペクト比９：５である。ここでの座標系については、まず表示パネル１の中心を最初の原点とし、ここと共軸レンズ開口の中心を結ぶ直線を光軸兼ｚ軸とした。 この原点から光の出射する向きをｚ軸＋方向とし、ｙ軸はこのｚ軸に垂直な図中（図１＆図２）上方向を＋とする軸、ｘ軸はこのｚ＆ｙ軸に垂直な図中（図１＆図２）紙面手前方向を＋とする軸とした（デカルト座標定義準拠）。共軸レンズのレンズデータについてはこのｚ軸にそって各面面間隔が設定されるが、ミラー面による反射後は光軸も光軸光線の反射に従ってその方向を変えるため、反射後の光軸光線を新たなｚ軸とし、反射毎にその向き（符号）が反転するものとした。さらに各自由曲面ミラー面についてはその面形状定義用に設計データに従って入射光軸（ｚ軸）に沿って所定ミラー間隔離れかつ所定シフトした点をローカル原点とするローカル座標を設定した。該ローカル座標でのローカルｘｙｚ軸については、まず該ローカル原点を通りｘ軸に平行で符号と方向関係も同じつまり紙面手前方向を＋とする軸をローカルｘ軸とした。さらに各自由曲面ミラーが該ローカルｘ軸を回転軸とするチルト角と入射光軸（ｚ軸）に垂直なｙ方向シフトを有するため、入射光軸に対して該ローカル原点を中心に所定方向（符号）に所定角度チルトした後の軸をローカルｚ軸とし、該ローカルｚ軸に対して垂直な図中（図１＆図２）上方向を＋とし、かつこのｚ＆ｘ軸に垂直な軸をローカルｙ軸とした（デカルト座標定義準拠）。そしてこのローカルｘｙｚ軸にて設定される座標を該自由曲面を定義するローカル座標とした。また、前述のチルト角の符号はローカルｘ軸を回転軸として＋ｙ軸方向が＋ｚ次軸方向（入射光軸）に近づくようにチルトする方向を＋とした。さらにこれら各自由曲面ミラー面の自由曲面形状については該ローカル座標に基づくｘｙ多項式により定義し、その定義式は
ｚ＝Ｃ_４ｘ^２＋Ｃ_６ｙ^２＋Ｃ_８ｘ^２ｙ＋Ｃ_１０ｙ^３＋Ｃ_１１ｘ_４＋Ｃ_１３ｘ^２ｙ^２＋Ｃ_１５ｙ^４＋Ｃ_１７ｘ^４ｙ＋Ｃ_１９ｘ^２ｙ^３＋Ｃ_２１ｙ^５＋Ｃ_２２ｘ^６＋Ｃ_２４ｘ^４ｙ^２＋Ｃ_２６ｘ^２ｙ^４＋Ｃ_２８ｙ^６
とした。この上式中の各Ｃ_ｎ係数値等を各自由曲面ミラー面形状データとして下記表３に示している。

なお、該反射面にて反射された後の座標系については、次のローカル座標系のｚ軸極性は光の進行方向に対して反転するものとし、それ以外は前述の座標定義に準拠している。したがって、本件においては該ローカル座標系の定義は反射毎にｚ軸（光軸）極性が反転し、面間隔ｄの符号とチルト角の符号が反射毎に反転している。

このような面定義に則ったトータル３面の自由曲面ミラー面を構成要素とする該投影系は成型＆Ａｇ蒸着にて形成された自由曲面ミラー３、４、５を不図示のＡＬ製フレームにて共軸レンズ２や表示パネル１と共に保持することにより、表２に示したレンズデータに則るように配置されるものである。

＊（回転軸はｘ軸／＋ｙ方向がｚ軸＋方向に回転するチルト方向を＋とする）

本投影系によればその光線および光束は図示の如くに共軸レンズ２を通過後は各自由曲面ミラー３、４にて反射されながらジグザグ光路を取ったのち、自由曲面ミラー５によって上方に反射され、今度は上方に位置する平面ミラー６にて下方向に反射されることによりスクリーン７に対しては上方から斜めに投影される。このような光路構成を取ることにより、装置の薄さ低減と高さ低減を同時に達成でき、さらに所謂フレームディスターバンス（表示画面名以外の領域）の非常に少ないコンパクトなリアプロジェクション表示装置にまとめることが可能になった。

この投影系により達成された光学スペックについては、スクリーンへの入射角が６６°とかなり厳しい斜入射であるにも拘わらず、ディストーション１％以下、平均ＭＴＦ６０％（於０．５Ｌｐ／ｍｍ）、物体側数値開口０．１６７、明るさムラ２０％以下となった。つまり十分な光束取り込み角（開口０．１６７）と結像性能が得られ、所謂ハイビジョンレベルの高解像高品位画像投影にも適用できるレベルのものであった。

また、スクリーン７については本例では画面中心で６６°と超斜入射であるため、これに対応できるように、入射側から順に、反射型偏心フレネル板、レンティキュラ板の少なくとも２枚を重ねた構成のものを採用している。特に反射型偏心フレネル板は重要であり、その内訳については特公平４−８０３７０にて詳しく紹介されているが、これにより超斜入射光であっても効率よく全投影光の方向変換を行うことができる。

尚、この反射型偏心フレネル板については一般的な同心円フレネルではなく、同心中心から所定距離オフセットした構成となっており、これにより斜入射投影像が画面全域に亘り均等に観察者（視聴者）側に指向される。

このように本例によれば開口０．１６７という十分な光束取り込み角と前述の如き優れた結像性能が得られているが、これは斜入射という厳しい条件にても自由曲面（反射式）による優れた歪み補正作用により所望の光学性能が得られるからである。

ところで、以上説明した本例の構成はあくまで１つの実施例であり、様々にアレンジすることが可能である。例えば本例では、投影系として自由曲面ミラーを３面用いたが、要求光学性能との兼ね合いで２〜４面と枚数を加減しても差し支えはない。さらに、本例光学系を上下逆転してもその機能と効果において差し支えない。また表示デバイスとしてはＤＬＰ（ＤＭＤ）パネルを用いたが、これに限定される訳ではなく、ＬＣＯＳ等の反射型液晶デバイス又は有機ＥＬ表示デバイス等を利用しても同様に薄型かつコンパクトなリアプロジェクション表示装置を構成することができる。

本発明第１実施例の薄型リアプロジェクション表示装置の縦断面構成図 本発明第１実施例の薄型リアプロジェクション表示装置の投影系部分拡大図 本発明第１実施例の薄型リアプロジェクション表示装置の水平断面図 従来の薄型リアプロジェクション用光学系縦断面構成図

符号の説明

１ 反射型表示パネル
２ 共軸レンズ
３、４、５ 自由曲面ミラー
６ 平面ミラー
７ スクリーン
８ 装置外装
９ 照明系ユニット

Claims (7)

1. 表示デバイスと、該表示デバイスを照明する照明光学系と、少なくともレンズ、曲面反射ミラー、平面反射ミラーとを有し、前記表示デバイスからの光をスクリーンに投影する投影光学系とを有するリアプロジェクション表示装置であって、前記スクリーン上端または下端部後ろ側に平面ミラーを配置し、該平面ミラー位置と反対側のスクリーン上端または下端部後ろ側に曲面ミラーを配置したことにより、該曲面ミラーから該平面ミラーへ光束が入射し、その光束が該平面ミラーにて反射されることによりスクリーンに対して光束が斜め入射されるとともに、該曲面ミラーから該平面ミラーへの入射光束のうちスクリーンと反対側の最外域光線が該スクリーンと平行またはほぼ平行になるようにしたことを特徴とする表示装置。
2. 表示デバイス、レンズ、曲面ミラーが該平面ミラー位置とは反対側のスクリーン上端または下端部後ろ側に配置されることを特徴とする第１項記載の表示装置。
3. 表示デバイスから出射される光束がレンズ、曲面反射ミラー、平面ミラー、スクリーンの順に経由していくことを特徴とする第１項〜第２記載の表示装置。
4. 該曲面ミラーが自由曲面形状ミラーであることを特徴とする第１項〜第３項記載の表示装置。
5. 該曲面ミラーが複数であり、そのうちの少なくとも１つが自由曲面形状ミラーであることを第１項〜第３項記載の表示装置。
6. スクリーンを構成するフレネルレンズ板において、該フレネルレンズを構成する各プリズム面の反射作用により斜めに入射された光束を正面方向に出射させるタイプのものを用いたことを特徴とする第１項〜第５項記載の表示装置。
7. 表示デバイスと、該表示デバイスを照明する照明光学系と、少なくともレンズ、曲面反射ミラー、平面反射ミラーとを有し、前記表示デバイスからの光をスクリーンに投影する投影光学系とを有するリアプロジェクション表示装置であって、前記スクリーン上端または下端部後ろ側に、前記スクリーンに光を導く平面ミラーを、該平面ミラー位置と反対側のスクリーン下端または上端部後ろ側に、前記平面ミラーに光を導く曲面ミラーを有しており、該曲面ミラーから該平面ミラーへの入射光束のうち前記スクリーンと反対側の最外域光線が該スクリーンと実質的に平行であることを特徴とする表示装置。
   

Images