JP2007024936A

JP2007024936A - 投影装置

Info

Publication number: JP2007024936A
Application number: JP2005202794A
Authority: JP
Inventors: Shohei Matsuoka; 祥平松岡; Takeshi Azuma; 健我妻
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2007-02-01
Also published as: US20070013875A1

Abstract

【課題】スクリーンに対する入射角が大きい小型化された投影装置であって、かつ台形歪みのない高品質な画像をスクリーンに投影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、第二投影光学系による表示面の実像である中間像を台形状に歪ませることによって、表示面とは非平行なスクリーン面に投影される画像の範囲と表示面を略相似形とする投影装置であって、各投影光学系の光軸は同一平面内にあり、表示面は、その中心を通る法線を同一平面内に維持したまま第二投影光学系の光軸に垂直な面に対してチルトし、該表示面の中心は、第二投影光学系の光軸と該表示面との交点を基準として、同一平面内に含まれたまま、第二投影光学系から離れる方向にシフトしており、チルト角の絶対値をθ、シフト量をＳ１、表示面の幅をＨとすると、以下の条件（１）、
０＜Ｓ１≦（Ｈ／２）×（√tanθ）・・・（１）
を満たす構成にした。
【選択図】図２

Description

この発明は、表示体に表示された画像を、台形状の中間画像を介して、該表示体に対して斜めに傾いたスクリーン上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表示体に対して斜めに傾いたスクリーン上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、それぞれ、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。これにより、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９−２０３８８１号公報

上記特許文献１では、スクリーン側光学系を、該光学系の光軸が中間像の像面における表示体側光学系の光軸に対してずらして配置する。これにより、表示体側光学系の構成を変更することなく、スクリーンに対して大きな入射角を確保することができる。一般に、斜め投影型の投影装置は、スクリーンに対する入射角を大きくすることにより、小型化、薄型化することができる。また上記特許文献１の構成によれば、中間像の像面での偏向角度が大きくなるのを抑えて性能劣化を比較的低減することもできる。なお、ここで、偏向角度とは、スクリーン側光学系と表示体側光学系の各光軸が中間像の像面で交わる時になす角度（ただし、本文では、９０度および鋭角の方の角度をいう。）をいう。

しかし、上記特許文献１の構成では、偏向角度の低減が不十分であるため、依然としてスクリーン側光学系にかなりの高い光学性能が要求される。また、スクリーンに対する入射角とスクリーン側光学系の倍率および中間像の像面でのずれ量の各々がほぼ一対一で決定されてしまうので入射角の微調整が困難といった課題がある。

そこで、本発明は上記の事情に鑑み、スクリーンに対する入射角を大きくし小型化された投影装置であって、かつ各投影光学系に要求される光学性能を低く抑えながらも台形歪みのない高品質な画像をスクリーンに投影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、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、スクリーン面を有し、第一投影光学系による表示面の実像である中間像を台形状に歪ませることによって、表示面とは非平行なスクリーン面に投影される画像の範囲と表示面を略相似形とする投影装置であって、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、表示面は、その中心を通る法線を同一平面内に維持したまま第一投影光学系の光軸に垂直な面に対してチルトし、該表示面の中心は、第一投影光学系の光軸と該表示面との交点を基準として、同一平面内に含まれたまま、第一投影光学系から離れる方向にシフトしており、表示面のチルト角の絶対値をθ、表示面の中心のシフト量をＳ１、各投影光学系の光軸を含む面内における表示面の幅をＨとすると、以下の条件（１）、
０＜Ｓ１≦（Ｈ／２）×（√tanθ）・・・（１）
を満たすことを特徴とする。

また請求項２に記載の投影装置によれば、スクリーン面に投影される画像の範囲の中心は、第二投影光学系の光軸と該スクリーン面との交点を基準として、同一平面内に含まれたまま、第二投影光学系から離れる方向にシフトしており、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、投影範囲の中心のシフト量をＳ２、投影倍率をｍとすると、以下の条件（２）、
Ｓ２≧ｍ（Ｓ１＋ｄ）・・・（２）
を満たすことが望ましい。

また、請求項３に記載の投影装置によれば、距離ｄが０の場合、さらに以下の条件（３）、
Ｓ２＝ｍ×Ｓ１・・・（３）
を満たすことができる。

また、請求項４に記載の投影装置によれば、表示体をシフトさせるシフト機構を有することが望ましい。これにより、シフト量Ｓ１を任意に変化させることが可能になり、スクリーンに対して所望の入射角を得ることができる。

なお、請求項５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、上記の条件を満たすように表示体を配置構成することにより、スクリーンに対する入射角をより大きくして小型化を達成しつつも、中間像の像面での偏向角度を抑えることができる。これにより、偏向光学系を簡素化したり、偏向による縦方向の倍率色収差の発生を効果的に抑えることができ、かつ各投影光学系に必要とされる光学性能を低く抑えることもできる。結果として本発明に係る投影装置によれば、スクリーン上に、台形歪みのない高品質な画像が投影される。

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、駆動部４０、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、偏向光学系としてのフレネルレンズ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。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（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。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、スクリーンＳに拡大投影される画像を表示する表示面を持つ。なお、投影装置１００内において表示体４を位置決めするとき、厳密には表示面が基準となる。しかし、以下では説明の便宜上、表示面と表示体を厳格に区別することなく、いずれも表示体４として説明する。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。フレネルレンズ３は、該中間像の像面Ｐ近傍に配設されており、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、フレネルレンズ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の画像中心を通り鉛直方向に延びる直線上（つまり基準面内）において、該画像の上端を形成する光線を光線Ｌｕ、該画像の中央を形成する光線をＬｃ、該画像の下端を形成する光線を光線Ｌｄ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模式図である。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（フレネルレンズ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の主平面、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。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（フレネルレンズ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、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。投影光学システム１０を構成する各部材のより具体的な配置については後に詳述する。従って、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。

以下、本発明の特徴である、投影光学システム１０およびスクリーンＳの配置について詳述する。

まず、表示体４の配置について図４を参照しつつ説明する。表示体４は、上述した表示体４と第一投影光学系１と中間像の像面Ｐ（フレネルレンズ３）との関係においてシャインプルーフの法則を満たす必要がある。そのため表示体４は、第一投影光学系１の光軸ＡＸ１に直交する状態から軸Ｚを回転軸としてチルトしている。図４では、チルト前の表示体４ａを二点鎖線で示し、チルト後の表示体４ｂを破線で示す。例えば、表示体４に着目すると、表示体４は、中心を通る法線が基準面内に維持された状態で光軸ＡＸ１に直交する面に対して傾いている。

ここでチルト後の表示体４ｂは、チルト前の表示体４ａに比べて、表示体の軸Ｚと直交する方向における一端（チルト前は４１ａの位置にあった一端）４１ｂが第一投影光学系１側に接近し、他端（チルト前は４１ｂの位置にあった他端）４２ｂが第一投影光学系１から離間した状態にある。この状態では、表示体４ｂの一端４１ｂから第一投影光学系１に入射する光線の入射角度が大きくなってしまうので第一投影光学系１に要求される画角が大きくなってしまう。

そのため本実施形態では、チルト後の表示体４ｂを、表示体４ｂと同一平面内において、光軸ＡＸ１を基準として表示体４ｂの中心が第一投影光学系１から遠ざかる方向に平行移動（シフト）させている。図４では、シフト後の表示体４を実線で示す。これにより、表示体４の一端４１ｂの第二投影光学系２への接近の程度を最小限に抑え、第一投影光学系１に要求される光学性能（具体的には画角に関する負担）を軽減している。

具体的には、チルト角の絶対値をθ、表示体４の中心のシフト量をＳ１（ただし図４では、便宜上、一端４１ｂのシフト量をＳ１と表記している。）、表示体４におけるＺ軸と直交する方向の幅をＨとすると、表示体４は以下の条件（１）を満たすように配置される。
０＜Ｓ１≦（Ｈ／２）×（√tanθ）・・・（１）

条件（１）において、シフト量Ｓ１が上限および下限を越えてしまうと、表示体４の表示体の軸Ｚと直交する方向における一端と他端とで第一投影光学系１に入射する光線の角度差が大きくなり、第一投影光学系１に要求される光学性能が高くなるため好ましくない。条件（１）を満たすようにシフト量Ｓ１を設定することにより、第一投影光学系１に入射する光線の角度を小さくできるので、第一投影光学系１に要求される光学性能を低く設定し、より簡素化された光学系で必要な光学性能を達成することができる。また、これによって中間像の像高を抑えることができるので、第二投影光学系２に要求される光学性能（具体的には画角に関する負担）も小さくてすむ。

次いで、スクリーンＳと第二投影光学系２の配置関係、さらには両者と第一投影光学系１の配置関係について図２および図５を参照しつつ説明する。表示体４と同様に、スクリーンＳも、スクリーンＳと同一面内において、光軸ＡＸ２を基準としてスクリーンＳの投影範囲の中心が第二投影光学系２から遠ざかる方向に平行移動（シフト）させている。このように、表示体４だけでなくスクリーンＳもシフトさせることにより、図５に示す二つの光軸ＡＸ１、ＡＸ２がなす偏向角度αを小さく抑えることができる。

更に、図５に示すように中間像の像面Ｐにおいて、各投影光学系の光軸ＡＸ１、ＡＸ２をずらすことが可能である。二つの光軸ＡＸ１、ＡＸ２の中間像の像面Ｐにおけるずれ量をｄ、投影光学システム１０の投影倍率をｍ、とすると、表示体４のシフト量Ｓ１と、スクリーンＳの投影範囲の中心のシフト量Ｓ２とは、以下の条件（２）を満たす関係にある。
Ｓ２≧ｍ（Ｓ１＋ｄ）・・・（２）

もしずれ量ｄが０である、つまり中間像の像面Ｐにおいて、各投影光学系の光軸ＡＸ１、ＡＸ２が一致している場合には、各シフト量Ｓ１、Ｓ２は、以下の条件（３）を満たす関係にある。
Ｓ２＝ｍ×Ｓ１・・・（３）

上記条件（２）または（３）を満たすように構成することにより、第二投影光学系２から射出される光のスクリーンＳに対する入射角をより大きく設定することが可能になる。

なお、本実施形態では、表示体４は、駆動部４０によってシフト自在に構成されている。駆動部４０は、自動的にもしくは外部からの指示によって表示体４をシフトさせて、所定の入射角で画像がスクリーンＳに投影させる。このように、表示体４をシフト自在に構成することにより、使用者によるスクリーンへの入射角の変更が可能になる。

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におけるチルト量φは、光軸ＡＸ１、ＡＸ２に対して反時計回り方向を正として表す。シフト量Ｙは、該チルト量を維持した状態で、各部材のずれ量をいう。シフト量Ｙは各基準直線Ｌ１、Ｌ２から離れる方向を正として表す。

面番号０〜２はスクリーンＳを示す。面番号３〜２５は第二投影光学系２を示す。面番号２６〜２９はフレネルレンズ３を示す。面番号３０〜５０は第一投影光学系１を示す。面番号５１は表示体４を示す。

面番号０をスクリーンＳの基準位置として、面番号１は、スクリーンＳ中心をスクリーン面に沿って−３４２．００シフトした点、面番号２は、面番号１を−２０．００°チルトした面を表す。つまり、実施例のスクリーンＳは、光軸ＡＸ２に直交しその中心が一致したスクリーンに対して、＋２０．００°チルトし、かつ中心が光軸ＡＸ２から＋３４２．００離れた位置にシフトしている。以下、面番号１、２のような偏心状態を定義するための面を偏心定義面という。面番号２６、２９、３０、５０も偏心定義面である。なお、偏心定義面の後の座標系は、該偏心定義面を基準として定まる相対的座標である。

表１に示すように面番号３、４、２８、３４、３５、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、以下の数１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、幅Ｈが１０．９２ｍｍ、幅Ｈに直交する方向（Ｚ軸方向）の寸法が１９．３８ｍｍのものを想定する。従って、上記条件（１）に実施例の数値を代入すると、
3.28≦（10.92／2）×√tan32.02＝4.21
となる。つまり実施例は条件（１）を満たす。これにより、第一投影光学系１に要求される画角の最大値は、Ｓ１だけシフトさせる前後で２７．８°から２３．７°に低減する。つまり、第一投影光学系１に要求される性能が緩和される。

また、実施例は、光線追跡により、ずれ量ｄ＝０．２７、投影倍率ｍ＝８６と求まる。上記条件（２）に実施例の数値を代入すると、
342≧86（3.28＋0.27）＝305
となる。つまり実施例は条件（２）を満たす。これにより、スクリーンＳへの光の入射角は、各投影光学系１、２をシフトさせる前後で３６°から４８°に上昇する。つまり実施例は、投影装置１００の小型化、薄型化が達成されている。

また、中間像の像面Ｐでの偏向角度も、条件（１）、（２）を満たす前後で２５．４°から２４．１°に低減している。つまり実施例の各投影光学系１、２は、より直線上に配列された光学系に近づき、高品質な画像を投影することができる。

さらに、表１に基づき光線追跡することにより、中間像の面積（単位：ｍｍ^２）も、条件（１）、（２）を満たす前後で４０．５２ｍｍ^２から２６．２６ｍｍ^２に縮小されていることが分かる。従って、第二投影光学系２に要求される画角や径が小さく抑えることができるといった効果を奏する。

図６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６実線に示す画像は、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偏心させたフレネルレンズを用いているが、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。表示体の配置について説明するための図である。スクリーンと第一投影光学系と第二投影光学系の配置関係について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フレネルレンズ
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

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、スクリーン面を有し、
第一投影光学系による前記表示面の実像である中間像を台形状に歪ませることによって、前記表示面とは非平行な前記スクリーン面に投影される画像の範囲と前記表示面を略相似形とする投影装置であって、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、
前記表示面は、その中心を通る法線を前記同一平面内に維持したまま前記第一投影光学系の光軸に垂直な面に対してチルトし、
さらに該表示面の中心は、前記第一投影光学系の光軸と該表示面との交点を基準として、前記同一平面内に含まれたまま、前記第一投影光学系から離れる方向にシフトしており、
前記表示面のチルト角の絶対値をθ、前記表示面の中心のシフト量をＳ１、前記各投影光学系の光軸を含む面内における表示面の幅をＨとすると、以下の条件（１）、
０＜Ｓ１≦（Ｈ／２）×（√tanθ）・・・（１）
を満たすことを特徴とする投影装置。
前記スクリーン面に投影される画像の範囲の中心は、前記第二投影光学系の光軸と該スクリーン面との交点を基準として、前記同一平面内に含まれたまま、前記第二投影光学系から離れる方向にシフトしており、
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、前記投影範囲の中心のシフト量をＳ２、投影倍率をｍとすると、以下の条件（２）、
Ｓ２≧ｍ（Ｓ１＋ｄ）・・・（２）
を満たすことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
請求項２に記載の投影装置において、
さらに以下の条件（３）、
Ｓ２＝ｍ×Ｓ１・・・（３）
を満たすことを特徴とする投影装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の投影装置において、
前記表示体を表示面内においてシフトさせる表示体シフト機構を有することを特徴とする投影装置。
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から請求項４のいずれかに記載の投影装置。