JP2007212748A - 光学系および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反射光学系を採用しつつも、その光学系の大半に透過屈折光学系を取り入れることにより設計自由度を向上させ、公差的、組付け性においてもより安定し、かつ反射光学系の反射面に特徴を与えることにより、更なる薄型化が図れる光学系を実現する。
【解決手段】本発明の光学系は、屈折光学系を少なくとも一つ含む第一光学系１０２と、反射光学系を少なくとも一つ含む第二光学系１０４とから構成され、ライトバルブ１０１に近い側から第一光学系１０２、第二光学系１０４と配置し、第一光学系１０２と第二光学系の第一反射面１０３は、像面１０６の中心からの法線を挟み込む配置関係となっており、第二光学系の第一反射面１０３は、負または正のパワーを持つことを特徴としており、像面とその背後にある反射面との間の距離を狭くすることができるので、全体系の厚さＤの更なる薄型化が可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ライトバルブにより形成された画像を拡大する光学系に関し、特に、フロントプロジェクタにおける光学系や、リアプロジェクションにおける薄型化を達成させる光学系と、その光学系を搭載した画像表示装置に関する。

近年、透過型または反射型のドットマトリクス液晶や、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）等を用いた表示装置（以下、ライトバルブと称する）を用い、このライトバルブに表示される画像をスクリーンに拡大投射して大画面として見せる拡大投射方式が着目されている。
しかし、大画面を投射するに当たり、ライトバルブ自体を大面積化するには、製作のうえで欠陥のない大型液晶表示装置を得ることは容易でなく、仮に得られたとしても極めて高価になる。

このようなことから、透過型または反射型の液晶や、ＤＭＤ等のライトバルブを用いて、これに表示される画像を拡大投射すれば、画面の大きさに制約を受けず、迫力のある大画面を得ることが可能である。
しかし、通常の投影方式によりスクリーンの正面から投射すると、暗い室内でしか使用することができず、利用範囲が限られるばかりでなく、別置きのスクリーンを用意しなければならないため、手軽に使用するうえにおいて難がある。

上記のような事情から、ライトバルブを用いて拡大投射する光学系をキャビネット内に納め、キャビネットの前面に設けたスクリーンに背面投射して、キャビネットの前面から拡大画像を見ることができるようにしたディスプレイ型の表示装置が提供されるに至っている。
この種のライトバルブを用いた従来の背面投射型表示装置は、例えば特許文献１（実開平１−８５７７８号公報）にも見られるように、透過型液晶パネルに光源から照明を与え、この液晶パネルに表示される画像を投影レンズにより拡大して反射ミラーにより光路を変換させ、スクリーンの背面に導く構造である。こうすることにより投射光学系は全てキャビネット内に納められ、任意の場所へ移動が可能であり、かつ明るい室内であってもスクリーン上の画像を見ることができる。

しかし、この従来技術では、ディスプレイを薄型にするに当たり、ライトバルブを透過した光束を反射ミラーにより光路変換してスクリーンの背面に導く構造であるため、スクリーンに対し垂直な光軸をもって投射しないとキーストン歪などにより画像に歪みが生じるので、反射ミラーの設置条件に大きな制約を受け、奥行き方向の寸法つまりキャビネットの厚さが増し、薄型の背面投射型表示装置とすることができないという問題があった。

そこで、背面投射型表示装置の薄型化を達成するために、例えば特許文献２（特許第２９３２６０９号公報）には、ライトバルブを用い、その画像をキャビネットの前面のスクリーンに背面投射して拡大画像を得るに当り、キャビネットの奥行きを可能な限り薄型に構成することができる背面投射型表示装置が提案されている。この背面投射型表示装置では、スクリーンはキャビネットの前面に設けられ、投射光学系と第１反射ミラーとがキャビネット内において対向する位置に設けられており、キャビネット内の後部に第１反射ミラーによって反射された光をスクリーンの背面に対し所定の傾斜角度をもって入射させる第２反射ミラーを設け、この第２反射ミラーはスクリーンと略平行に配設されていることを特徴としている。
しかし、この従来技術では、スクリーン上部（または下部）にライトバルブや結像手段からなる投射光学系を配置し、その投射光学系に対して対向する位置に第１反射ミラーを配置しているが、その反射ミラーに対しての細かい指定はなされていない。従って更なる薄型化への言及がない。

また、リアプロジェクターの薄型化を達成するために、例えば特許文献２（特開２００１−２２２０６３号公報）に記載の「リアプロジェクション光学系」のように、反射光学系を駆使して薄型化を図ることが提案されているが、屈折光学系に比べその精度誤差が性能に与える影響は単純に２倍となるために、従来の投射光学系での公差設定より一段厳しくなるという問題点がある。

実開平１−８５７７８号公報 特許第２９３２６０９号公報 特開２００１−２２２０６３号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、反射型光学系を採用しつつも、その光学系の大半に透過屈折光学系を取り入れることにより、光学系の設計自由度を向上させ、公差的、組み付け性においてもより安定し、かつその反射光学系の反射面に特徴を与えることにより、更なる薄型化が図れる光学系を実現することを目的とする。
また、本発明は、その薄型の光学系を搭載し、更なる薄型化が図れる画像表示装置を実現することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明では以下のような技術的手段を採っている。
本発明の第１の手段は、光源からの照明光をライトバルブに照射し、変調信号に応じて該ライトバルブにより形成された画像を拡大する光学系において、屈折光学系を少なくとも一つ含む第一光学系と、反射光学系を少なくとも一つ含む第二光学系とから構成され、前記ライトバルブに近い側から第一光学系、第二光学系と配置し、前記第一光学系と前記第二光学系の第一反射面は、像面（例えばスクリーン等）の中心からの法線を挟み込む配置関係となっており、前記第二光学系の第一反射面は、負または正のパワーを持つことを特徴とする。

本発明の第２の手段は、第１の手段の光学系において、前記第二光学系の第一反射面は、負のパワーを持つ球面、非球面、自由曲面のいずれかであることを特徴とする。

本発明の第３の手段は、第１の手段の光学系において、前記第二光学系の第一反射面は、正のパワーを持ち、前記第二光学系の第一反射面と前記像面との間で中間像を形成することを特徴とする。
また、本発明の第４の手段は、第３の手段の光学系において、前記第二光学系の第一反射面は、正のパワーを持つ球面、非球面、自由曲面のいずれかであることを特徴とする。

本発明の第５の手段は、第１乃至第４のいずれか一つの手段の光学系において、前記第一光学系と前記第二光学系の間に反射ミラー（折り曲げミラー）を配置し、前記第一光学系から前記第二光学系に至る光路を前記反射ミラーで折り曲げ、前記第一光学系と前記第二光学系の距離を短縮したことを特徴とする。
また、本発明の第６の手段は、第１乃至第５のいずれか一つの手段の光学系において、前記第一光学系の屈折光学系には非球面形状が含まれていることを特徴とする。

本発明の第７の手段は、照明光を生成する光源と、変調信号に応じて画像形成するライトバルブを備え、前記光源からの照明光を前記ライトバルブに照射し、変調信号に応じて該ライトバルブにより形成された画像を光学系により拡大する画像表示装置において、前記光学系として、第１乃至第６のいずれか一つの手段の光学系を搭載したことを特徴とする。

本発明では、光学系に反射光学系を採用することで、さらなる薄型化を図ることが可能となった。

以下、本発明の構成、動作および作用効果を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

［実施例１］
図１は本発明の一実施例を示す光学系の概略構成図である。この光学系は、投射光学系の一例を示しており、変調信号に応じて画像形成するライトバルブ１０１と、その像を拡大するための第一光学系１０２と第二光学系１０４と、画像を投射するためのスクリーン（像面）１０６とで構成されている。なお、ライトバルブ１０１に照射する照明光を生成する光源や照明用光学系が設けられるが、これらの図示は省略する。

第一光学系１０２はレンズ等で構成される屈折光学系であり、パワーをもたせることによる像の拡大や、波長の違いによって起こる色収差の補正などの役目を果たしている。第二光学系１０４は反射ミラー（単数もしくは複数のミラー）による構成であり、本実施例では第二光学系１０４の第一反射面を構成する凸面ミラー１０３に加え、その後段に、反射面の一例である折り返しミラー１０５を設け、この折り返しミラー１０５を像面であるスクリーン１０６の背後に配置して、計２枚の反射ミラーを用いている。もちろん第二光学系の第一反射面を構成するミラー１枚だけで第二光学系１０４を構成しても良い。第一光学系（屈折光学系）１０２と第二光学系１０４は図１のように像面（スクリーン）１０６の中心からの法線を挟み込む配置関係となっており、スクリーン１０６の中心の法線に対して対向する位置に配置されている。

ここで、第二光学系の第一反射面に負のパワーを持った凸面ミラー１０３を用いることにより、第一光学系（屈折光学系）１０２で担っていた像の拡大のためのパワーの負担を軽くでき、かつ、そのために第一光学系１０２の最終面と第二光学系１０４の第一反射面（凸面ミラー）１０３の間の光束の広がりが少なくなるため、スクリーン１０６とその背後にある折り返しミラー１０５との間の距離を狭くすることができ、投射光学系全体の厚さＤの更なる薄型化が可能になる。なお、第二光学系１０４の第一反射面１０３は、球面の凸面ミラーでも良いが、非球面の凸面ミラーでも良いし、自由曲面の凸面ミラーでも良い。球面の凸面ミラーにすることにより、色収差を発生させないまま画角を大きく広げることができる。また、非球面の凸面ミラーとすることにより、第一光学系１０２が担っている収差補正やディストーション補正を第二光学系１０４でも担うことができ、自由度の高い設計が可能で、かつ性能の良い結果を得ることが可能となる。さらに、自由曲面の凸面ミラーとすることにより、さらに自由度の高い設計が可能で、かつより性能の良い結果を得ることが可能となる。

［実施例２］
図２は本発明の別の実施例を示す光学系の概略構成図である。この光学系は、投射光学系の別の例を示しており、変調信号に応じて画像形成するライトバルブ２０１と、その像を拡大するための第一光学系２０２と第二光学系２０４と、画像を投射するためのスクリーン（像面）２０６とで構成されている。なお、ライトバルブ２０１に照射する照明光を生成する光源や照明用光学系が設けられるが、これらの図示は省略する。

第一光学系２０２はレンズ等で構成される屈折光学系であり、パワーをもたせることによる像の拡大や、波長の違いによって起こる色収差の補正などの役目を果たしている。第二光学系２０４は反射ミラー（単数もしくは複数のミラー）による構成であり、本実施例では第二光学系２０４の第一反射面を構成する凹面ミラー２０３に加え、その後段に反射面の１つである折り返しミラー２０５を設け、この折り返しミラー２０５を像面であるスクリーン２０６の背後に配置して、計２枚の反射ミラーを用いている。もちろん第二光学系の第一反射面を構成するミラー１枚だけで第二光学系２０４を構成しても良い。第一光学系（屈折光学系）２０２と第二光学系２０４は図２のように像面（スクリーン）２０６の中心からの法線を挟み込む配置関係となっており、スクリーン２０６の中心の法線に対して対向する位置に配置されている。

本実施例では、図１の実施例１の構成に対して、図２に示すように、第二光学系２０４の第一反射面として、負のパワーを持った凸面ミラーではなく正のパワーを持った凹面ミラー２０３を配置することにより、第二光学系２０４の第一反射面（凹面ミラー）２０３とスクリーン２０６の間で一度像（中間像と言う）を結ぶこととなる。さらに一度結んだ中間像が反転して拡大してゆき、スクリーン２０６上で拡大像を得ることができる。このように、凹面ミラー２０３とスクリーン２０６の間で一度中間像を結ぶことにより、第一光学系２０２のパワーを持つ役割を大幅に軽減でき、収差補正等に活用できるようになる。また、実施例１と同様に、第一光学系２０２からの出射光束が大きく広がることはなくなるため、スクリーン２０６とその背後にある折り返しミラー２０５との間の距離を狭くすることができ、投射光学系全体の厚さＤの更なる薄型化が可能になる。なお、第二光学系の第一反射面２０３は、球面の凹面ミラーでも良いし、非球面の凹面ミラーでも良いし、自由曲面の凹面ミラーでも良い。球面の凹面ミラーにすることにより、色収差を発生させないまま画角を大きく広げることができる。また、非球面の凹面ミラーとすることにより、第一光学系２０２が担っている収差補正やディストーション補正を第二光学系２０４でも担うことができ、自由度の高い設計が可能で、かつ性能の良い結果を得ることが可能となる。さらに、自由曲面の凹面ミラーとすることにより、さらに自由度の高い設計が可能で、かつより性能の良い結果を得ることが可能となる。

［実施例３］
図３は本発明のさらに別の実施例を示す光学系の概略構成図である。この光学系は、投射光学系のさらに別の例を示しており、変調信号に応じて画像形成するライトバルブ３０１と、その像を拡大するための第一光学系３０２と第二光学系３０４、３０５と、画像を投射するためのスクリーン（像面）３０６とで構成されている。なお、ライトバルブ１０１に照射する照明光を生成する光源や照明用光学系が設けられるが、これらの図示は省略する。

第一光学系３０２はレンズ等で構成される屈折光学系であり、パワーをもたせることによる像の拡大や、波長の違いによって起こる色収差の補正などの役目を果たしている。第二光学系は反射ミラー（単数もしくは複数のミラー）による構成であり、本実施例では第二光学系の第一反射面３０４を構成する反射ミラーに加え、その後段に折り返しミラー３０５を設け、この折り返しミラー３０５をスクリーン３０６の背後に配置して、計２枚の反射ミラーを用いている。もちろん第二光学系の第一反射面３０４を構成するミラー１枚だけで第二光学系を構成しても良い。なお、第二光学系の第一反射面３０４は負または正のパワーを持ち、図１に示したような球面または非球面または自由曲面の凸面ミラー、あるいは図２に示したような球面または非球面または自由曲面の凹面ミラーで構成されている。

第一光学系（屈折光学系）３０２と第二光学系の第一反射面３０４は像面（スクリーン）３０６の中心からの法線を挟み込む配置関係となっているが、本実施例では、図１の実施例１の構成（あるいは図２の実施例２の構成）に対し、図３に示すように、第一光学系（屈折光学系）３０２と第二光学系の第一反射面３０４の間に光路を折り曲げる折り曲げミラー３０３を配置している。このように反射面の１つである折り曲げミラー３０３を配置することにより、ライトバルブ３０１から折り曲げミラー３０３までの光路が、投射光学系全体の高さ方向ではない方向に折り曲げられるため（図ではスクリーン３０６に平行な横方向）、投射光学系全体の高さＨを短く（低く）することができる。さらに奥行き方向（つまり投射光学系の厚さ方向）ではない方向に折り曲げることで、投射光学系全体の厚みも増えることはなくなる。従って折り曲げミラー３０３で光路を折り曲げる方向は、スクリーン３０６に平行な横方向が望ましい。

［実施例４］
実施例１または実施例２の説明でも述べたが、実施例１〜３の投射光学系の第二光学系第一反射面に非球面形状の面を採用することで、収差補正やディストーション補正を球面よりも容易に実現することができる。また、実施例１〜３のいずれかの構成に加えて、さらに第一光学系の屈折光学系においても、非球面形状を付与したレンズ（非球面レンズ等）を用いることによって、より設計の自由度が向上し、より高性能な投射光学系を実現することができるようになる。

［実施例５］
本発明の画像表示装置は、照明光を生成する光源と、変調信号に応じて画像形成するライトバルブを備え、前記光源からの照明光を前記ライトバルブに照射し、変調信号に応じて該ライトバルブにより形成された画像を光学系により拡大する構成であり、前記光学系として、実施例１〜４のいずれかの構成の光学系（投射光学系）を搭載したことを特徴としている。

実施例１〜４のいずれかの構成の投射光学系を本実施例の画像表示装置に適用する場合は、ライトバルブへの照明光を生成する光源が用いられる。照明光源としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどが用いられる。また、高効率な照明効率を得られるように、通常は照明用光学系を搭載する。照明用光学系の具体例としては、光源近傍に配置されたリフレクター（光源と一体となっている）や、このリフレクターにより反射されて指向性を持った光束をインテグレータ光学系といわれる照度均一化手段でパネル面上へと照射して均一な照明分布を得られるようにした光学系などがあり、これらの照明用光学系を搭載することが望ましい。

ライトバルブに反射型タイプの液晶ライトバルブを用いる場合は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）などと組み合わせた照明光路と投射光路の分離手段を用いることなどで、より効率よい照明が可能となる。また、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）パネルを搭載する場合は、斜め入射光学系、または全反射プリズムを使った光路分離手段などが採用される。このように、ライトバルブの種類に応じて適切な光学系を採用すればよい。

本実施例の画像表示装置においては、光学系として、実施例１〜４のいずれかの構成の投射光学系を搭載したことにより、更なる薄型化が図れる画像表示装置（例えばリアプロジェクション装置等）を実現することができる。

以上、実施例に基づいて説明したように、本発明の光学系は、屈折光学系を少なくとも一つ含む第一光学系と、反射光学系を少なくとも一つ含む第二光学系とから構成され、ライトバルブに近い側から第一光学系、第二光学系と配置し、第一光学系と第二光学系の第一反射面は、像面の中心からの法線を挟み込む配置関係となっており、前記第二光学系の第一反射面は、負または正のパワーを持つことを特徴としており、像面（例えばスクリーン等）とその背後にある反射面（例えば折り返しミラー）との間の距離を狭くすることができるので、全体系の厚さＤの更なる薄型化が可能になる。
また、本発明の光学系では、第二光学系の第一反射面に負または正のパワーを持つ球面または非球面あるいは自由曲面を採用することにより、自由度の高い設計が可能で、かつ高性能な光学系を実現することができる。
さらに本発明の光学系では、第一光学系に屈折光学系を採用したことにより、加工面や組み付け性に関しても許容公差を緩くすることが可能となる。

本発明の光学系では、前記構成に加えて、第一光学系と第二光学系の間に反射ミラー（例えば折り曲げミラー）を配置し、第一光学系から第二光学系に至る光路を反射ミラー（折り曲げミラー）で折り曲げ、第一光学系と第二光学系の距離を短縮することにより、全体系の高さＨを短くすることができる。
また、本発明の光学系では、前記第一光学系の屈折光学系には非球面形状が含まれていることにより、設計の自由度が向上し、より高性能な光学系を実現することができる。

本発明では、照明光を生成する光源と、変調信号に応じて画像形成するライトバルブを備え、前記光源からの照明光を前記ライトバルブに照射し、変調信号に応じて該ライトバルブにより形成された画像を光学系により拡大する画像表示装置において、前記光学系として、第１乃至第６のいずれか一つの手段の光学系（例えば実施例１〜４のいずれかの構成の投射光学系）を搭載したことにより、更なる薄型化が図れる画像表示装置（例えばリアプロジェクション装置等）を実現することができる。

本発明の一実施例を示す光学系の概略構成図である。 本発明の別の実施例を示す光学系の概略構成図である。 本発明のさらに別の実施例を示す光学系の概略構成図である。

符号の説明

１０１、２０１、３０１：ライトバルブ
１０２、２０２、３０２：第一光学系（屈折光学系）
１０３：凸面ミラー（第一反射面）
１０４、２０４：第二光学系
１０５、２０５、３０５：折り返しミラー
１０６、２０６、３０６：スクリーン（像面）
２０３：凹面ミラー（第一反射面）
３０３：折り曲げミラー
３０４：第二光学系第一反射面

Claims (7)

1. 光源からの照明光をライトバルブに照射し、変調信号に応じて該ライトバルブにより形成された画像を拡大する光学系において、
   屈折光学系を少なくとも一つ含む第一光学系と、反射光学系を少なくとも一つ含む第二光学系とから構成され、前記ライトバルブに近い側から第一光学系、第二光学系と配置し、前記第一光学系と前記第二光学系の第一反射面は、像面の中心からの法線を挟み込む配置関係となっており、前記第二光学系の第一反射面は、負または正のパワーを持つことを特徴とする光学系。
2. 請求項１記載の光学系において、
   前記第二光学系の第一反射面は、負のパワーを持つ球面、非球面、自由曲面のいずれかであることを特徴とする光学系。
3. 請求項１記載の光学系において、
   前記第二光学系の第一反射面は、正のパワーを持ち、前記第二光学系の第一反射面と前記像面との間で中間像を形成することを特徴とする光学系。
4. 請求項３記載の光学系において、
   前記第二光学系の第一反射面は、正のパワーを持つ球面、非球面、自由曲面のいずれかであることを特徴とする光学系。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つに記載の光学系において、
   前記第一光学系と前記第二光学系の間に反射ミラーを配置し、前記第一光学系から前記第二光学系に至る光路を前記反射ミラーで折り曲げ、前記第一光学系と前記第二光学系の距離を短縮したことを特徴とする光学系。
6. 請求項１乃至５のいずれか一つに記載の光学系において、
   前記第一光学系の屈折光学系には非球面形状が含まれていることを特徴とする光学系。
7. 照明光を生成する光源と、変調信号に応じて画像形成するライトバルブを備え、前記光源からの照明光を前記ライトバルブに照射し、変調信号に応じて該ライトバルブにより形成された画像を光学系により拡大する画像表示装置において、
   前記光学系として、請求項１乃至６のいずれか一つに記載の光学系を搭載したことを特徴とする画像表示装置。

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