JP2007233056A - 投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】焦点調整用の反射鏡の移動量を拡大して、より大画面の投写を実現可能とする。
【解決手段】画像形成素子１５と、画像形成素子１５によって形成された画像を拡大投写する第１反射鏡１１〜第４反射鏡１４からなる結像光学系１Ａとを備え、第３反射鏡１３を画像形成素子１５の法線Ｘと非平行な基準軸Ｙに沿って移動させることによって焦点調整を実行可能とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、画像形成素子によって形成された画像を拡大投写する投写型表示装置に関するものであり、特に、複数枚の反射鏡から構成された結像光学系を備えた投写型表示装置に関するものである。

画像形成素子によって形成された画像を拡大投写する投写型表示装置の一つとして、複数枚の反射鏡から構成される結像光学系（反射型結像光学系）を備えた投写型表示装置が知られている。図９に、従来の反射型結像光学系の一例を示す。図示されている反射型結像光学系は、第１反射鏡５１〜第４反射鏡５４によって構成されている。不図示の光源から発せられた光は、同じく不図示の照明光学系によって画像形成素子５５に導かれる。画像形成素子５５は、入射した光を映像信号に基づいて変調し、画像（画像光）を形成する。画像形成素子５５によって形成された画像光は、第１反射鏡５１の反射面に入射して反射され、第２反射鏡５２の反射面に入射する。以後、第２反射鏡５２によって反射された画像光は、第３反射鏡５３、第４反射鏡５４によって順次反射され、最終的に不図示のスクリーンに向けて投射される。

図９に示すように、各反射鏡５１〜５４は前段の反射鏡よりも高い位置に配置され、各反射鏡５１〜５４は次段の反射鏡に向けて斜め上向きに画像光を打ち上げるようにレイアウトされている。これは、画像光と各反射鏡５１〜５４との干渉を避けるためである。かかる構成を有する従来の反射型結像光学系では、所定の反射鏡を往復移動させ、当該反射鏡とその前後の反射鏡との間隔を調整することによって焦点調整が行われる（特許文献１参照）。図示されている反射型結像光学系では、第３反射鏡５３が焦点調整用として機能する反射鏡であり、この第３反射鏡５３を画像形成素子５５の法線Ａと平行な基準軸Ｂに沿って移動させ、第４反射鏡５４との間隔を調整することによって焦点調整が行われる。このようにして第３反射鏡５３を第４反射鏡５４に近づけると焦点距離が伸びるので、当該投写型表示装置をスクリーンから遠ざけることによって、より大画面の投写が可能となる。
特開２００４−１４４９１４号公報

上記のように、より大きな画像を合焦状態で投写するためには、焦点調整用の反射鏡を次段の反射鏡に近づけて焦点距離を伸ばす必要がある。しかし、焦点調整用の反射鏡を次段の反射鏡に近づければ近づけるほど、次段の反射鏡によって折り返される光線は下がってくる。図９に示す反射型結像光学系を例にとってより具体的に説明すれば、焦点距離を伸ばすべく、第３反射鏡５３を第４反射鏡５４に近づければ近づけるほど、第４反射鏡５４によって折り返される光線が下がり、第３反射鏡５３との間のクリアランスが小さくなり、最終的には第３反射鏡５３と干渉することになる。従って、第３反射鏡５３の移動量を規制し、第３反射鏡５３が第４反射鏡５４に最接近したときの両反射鏡５３、５４間の間隔を上記干渉が生じない範囲に止める必要がある。

本発明の目的は、焦点調整用の反射鏡を次段の反射鏡になるべく近接可能として、より大画面の投写を実現可能とすることである。

本発明の投写型表示装置は、画像形成素子と、該画像形成素子によって形成された画像を拡大投写する複数の反射鏡からなる結像光学系とを備え、該結像光学系を構成する反射鏡の少なくとも一つを移動させることによって焦点調整が行われる投写型表示装置である。そして、焦点調整のために移動される反射鏡が画像形成素子の法線と非平行な直線に沿って移動することを特徴とする。

前記結像光学系を構成する複数の反射鏡の反射面のうち、焦点調整のために移動される反射鏡の反射面の曲率が最大であることが好ましい。

前記結像光学系は、画像形成素子から発せられた光が最初に入射する第１反射鏡、第１反射鏡によって反射された光が入射する第２反射鏡、第２反射鏡によって反射された光が入射する第３反射鏡、および第３反射鏡によって反射された光が入射する第４反射鏡から構成され、第３反射鏡が焦点調整のために移動されることが好ましい。この場合、第１反射鏡の反射面が球面であり、第２反射鏡、第３反射鏡および第４反射鏡の反射面が非球面または自由曲面であることがさらに好ましい。

本発明の投写型表示装置では、焦点調整用の反射鏡の移動量を従来よりも増加させて、焦点距離をさらに伸ばすことが可能となる。よって、投写型表示装置をスクリーンからさらに遠ざけて大画面を投写することができる。

（実施形態１）
以下、本発明の投写型表示装置の実施形態の一例について説明する。本例の投射型表示装置は、光源、画像形成素子、光源から発せられた光を画像形成素子に導くための照明光学系、画像形成素子によって形成された画像（画像光）をスクリーン上で結像させるための結像光学系、各部に電源を供給するための電源ユニット、各部を冷却するための冷却用ファンなどを備え、それらが筐体内に収容されている。もっとも、本発明の投写型表示装置は、結像光学系の構成に特徴を有し、その他の構成は従来の同種表示装置と異なるところはなく、当業者にとって自明である。そこで、以下では結像光学系についてのみ詳細に説明し、その他の構成についての説明は省略する。

図１は、本例の投写型表示装置が備える結像光学系１Ａの基本構成を示す模式的斜視図である。結像光学系１Ａは、自由曲面形状の反射面を有する第１反射鏡１１〜第４反射鏡１４までの４枚の反射鏡によって構成された反射型結像光学系である。図示されている各反射鏡１１〜１４中に記載されている鎖線２０は、それら反射鏡１１〜１４の対称線を示しており、各々の反射鏡１１〜１４はこの対称線２０に関して対称な形状を有する。画像形成素子１５によって形成された画像光は、まず第１反射鏡１１の反射面１１ａに入射し、該反射面１１ａによって反射されて第２反射鏡１２の反射面１２ａに入射する。第２反射鏡１２の反射面１２ａに入射した画像光は、該反射面１２ａによって反射されて第３反射鏡１３の反射面１３ａに入射し、該反射面１３ａによって反射されて第４反射鏡１４の反射面１４ａに入射する。第４反射鏡１４の反射面１４ａに入射した画像光は、該反射面１４ａによって、不図示のスクリーンに向けて反射（投射）される。

ここで、第１反射鏡１１〜第４反射鏡１４の各反射面１１ａ〜１４ａのうち、第３反射鏡１３の反射面１３ａの曲率が最も大きく、この第３反射鏡１３が焦点調整用の反射鏡として機能する。即ち、第３反射鏡１３は、図２に示すように、画像形成素子１５の法線Ｘと非平行な直線（以下「基準軸Ｙ」）に沿って往復移動する。換言すれば、第３反射鏡１３は、図２の紙面右上から左下に斜動し、また、左下から右上に斜動する。本例では、画像形成素子１５の法線Ｘに対する基準軸Ｙの傾斜角度θを20°としてある。このように、第３反射鏡１３を画像形成素子１５の法線Ｘと非平行な基準軸Ｙに沿って移動させることによって、第４反射鏡１４によって折り返された光線と第３反射鏡１３との間のクリアランスを確保しつつ、従来よりも第３反射鏡１３を第４反射鏡１４に近接させることができる。かかる本発明の作用効果を比較例との対比おいてより具体的に説明する。ここで、基準軸Ｙが各反射鏡１１〜１４の対称線２０を含む平面内に存在するようにすると、第３反射鏡１３が移動しても、常に第３反射鏡１３が対称線２０に対して対称性を確保できるので、第３反射鏡１３の移動に起因する収差補正をあまり考慮しなくてよいので好ましい。

図３は、比較例となる結像光学系１Ｂを示す模式的側面図である。結像光学系１Ｂも第１反射鏡３１〜第４反射鏡３４までの４枚の反射鏡によって構成される反射型結像光学系であって、画像形成素子３５によって形成された画像（画像光）を不図示のスクリーン上に結像させる。各反射鏡３１〜３４の形状や寸法などは、反射鏡１１〜１４と共通であり、各反射面の面形状も共通である。異なるのは、第３反射鏡３３を画像形成素子３５の法線Ｘと平行な直線（以下「基準軸Ｙ’」）に沿って移動させることによって焦点調整が実現される点のみである。

図４に示すように、結像光学系１Ｂを備えた投写型表示装置２Ｂの前面から263mm離なれた位置にスクリーンを設置し、投写画像の焦点が合うように図３に示す第３反射鏡３３の位置を調整すると、スクリーン上には60inchの画像が投写される。図５に示すように、60inchの画像が合焦状態で表示されているとき、第４反射鏡３４（図３）によって反射された画像光（スクリーンに向けて投射される光）と第３反射鏡３３との間のクリアランスL11は、8.7mmである。再び図４を参照する。60inchの画像が表示されている状態でスクリーンを659mmまで離すと、投写画像は100inchに拡大される。このままでは、投写画像の焦点が合っていないので、図５に示すように、第３反射鏡３３を画像形成素子３５の法線と平行な基準軸Ｙ’に沿って第４反射鏡３４（図３）に近接する方向に移動させる。焦点があった時点での第３反射鏡３３の移動距離ｄ1は3.8mmであり、第４反射鏡３４によって反射された画像光と第３反射鏡３３との間のクリアランスL12は3.1mmである。

一方、図４に示すように、結像光学系１Ａを備えた本例の投写型表示装置２Ａについても、その前面から263mm離なれた位置にスクリーンを設置し、投写画像の焦点が合うように第３反射鏡１３（図２）の位置を調整し、スクリーン上に60inchの焦点が合った画像を投写する。図６に示すように、60inchの画像が合焦状態で表示されているとき、第４反射鏡１４（図２）によって反射された画像光（スクリーンに向けて投射される光）と第３反射鏡１３との間のクリアランスL21は8.7mmである。次に、投写型表示装置２Ａの前面から659mmまでスクリーンを離して投写画像を100inchまで拡大する。また、第３反射鏡１３を画像形成素子２の法線Ｘに対して非平行な基準軸Ｙに沿って第４反射鏡１４に近接する方向に移動させて焦点を合わせる。焦点があった時点での第３反射鏡１３の移動距離ｄ2は3.8mmであり、第４反射鏡１４によって反射された画像光と第３反射鏡１３との間のクリアランスL22は4.3mmである。

以上のように、結像光学系１Ａと結像光学系１Ｂとでは、60inchの画像投写時の位置を基準としたときの第３反射鏡１３、３３の移動距離が同一であっても（ｄ1＝ｄ2）、移動後の第３反射鏡１３、３３と画像光とのクリアランスに大きさ差がある。具体的には、結像光学系１Ａの方が結像光学系１Ｂに比べて、クリアランスが39％増加している。このことは、結像光学系１Ａを備える本例の投写型表示装置２Ａでは、第３反射鏡１３をさらに第４反射鏡１４に近づけて焦点距離を伸ばしても、十分なクリアランスが確保され、さらに大画面の投写が可能であることを意味する。以上の比較結果を表１にまとめる。

（実施形態２）
以下、本発明の投写型表示装置の実施形態の他例について説明する。本例の投写型表示装置は、実施形態１の投写型表示装置と略同一の構成を有するので、共通する構成については説明を省略する。本例の投写型表示装置と実施形態１の投写型表示装置との相違点は、次の２点である。相違点の一つは、第１反射鏡の反射面が球面であること、相違点の他の一つは、第３反射鏡の移動方向を規定する基準軸が画像形成素子の法線に対して14.66°傾斜していることである。

図７は、本例の投写型表示装置が備える結像光学系の第３反射鏡２３を示す。本例の投写型表示装置が備える結像光学系では、スクリーン上に焦点の合った60inchの画像が投写されているとき、第３反射鏡２３と第４反射鏡（不図示）によって反射された画像光との間のクリアランスL31は、9.6mmである。また、スクリーン上に焦点の合った100inchの画像が投写されているとき、第３反射鏡２３と第４反射鏡によって反射された画像光との間のクリアランスL32は、6.2mmである。さらに、60inchの画像投写時の位置を基準としたとき、100inchの画像の焦点を合わせるために必要な第３反射鏡２３の移動距離ｄ3は、3.33mmである。

一方、焦点調整用の第３反射鏡の移動方向が画像形成素子の法線と平行である点以外は本例における結像光学系と同一の構成を有する結像光学系を比較例として図８に示す。この結像光学系では、スクリーン上に焦点の合った60inchの画像が投写されているとき、第３反射鏡４３と第４反射鏡（不図示）によって反射された画像光との間のクリアランスL41は、9.6mmである。また、スクリーン上に焦点の合った100inchの画像が投写されているとき、第３反射鏡４３と第４反射鏡によって反射された画像光との間のクリアランスL42は、5.5mmである。さらに、60inchの画像投写時の位置を基準としたとき、100inchの画像の焦点を合わせるために必要な第３反射鏡４３の移動距離ｄ4は、3.33mmである。

以上のように、本例の投写型表示装置が備えている結像光学系では、図８に示す比較例に比べて、第３反射鏡と第４反射鏡によって反射された画像光との間のクリアランスが13％増加している。比較結果を表２にまとめる。

これまでの説明から明らかなように、本発明は、画像形成素子の法線と非平行な基準軸に沿って移動可能な反射鏡を備えた結像光学系を有することを特徴とする。よって、結像光学系を構成する反射鏡の枚数、各反射鏡の材料や反射面形状などは特に限定されない。もっとも、複数の反射鏡から構成される拡大結像光学系では、画像形成素子によって形成された画像光が最初に入射する反射鏡（初段の反射鏡）に歪みや変形などが存在すると、その影響が順次拡大される。よって、初段の反射鏡の反射面には、それ以降の反射鏡の反射面に比べてより高い精度が要求される。さらに、画像形成素子に最も近接している初段の反射鏡は熱の影響を大きく受ける。従って、線膨張係数の低い材料によって形成されることが望ましい。以上のような観点からは、初段の反射鏡の反射面を球面とすることが好ましい。反射面を球面とすることによって、線膨張係数の低いガラス材料を用いる場合にも、生産コストの低い研磨製法によって高精度の反射面を得ることができるからである。

一方、結像光学系には、単にサイズの大きな画像を投写することだけでなく、歪みのない画像を投写することも要求される。しかし、初段の反射鏡の反射面を上記理由から球面とした場合、初段の反射鏡に大きな歪み補正効果を期待することはできない。また、焦点調整に伴う光路変化をなるべく抑制するためには、焦点調整用として機能する反射鏡の反射面は、なるべく平面に近い方が好ましい。従って、初段および焦点調整用として機能する反射鏡以外の反射鏡に歪み補正負荷の大部分を配分することが好ましい。

以上を総合的に勘案すると、初段の反射鏡の反射面を球面とし、その他の反射鏡の反射面を歪み補正に関する設計自由度の高い非球面または自由曲面とし、さらに、焦点調整用として機能する反射鏡の反射面の曲率を全ての反射鏡のうちで最大とすることが好ましい。

また、画像形成素子は、液晶パネルであっても、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）であってもよい。画像形成素子がＤＭＤである場合、その法線とは、各微小ミラーの表面を近似する平面の法線を意味する。さらに、各微小ミラーの前面にカバーガラスが配置されている場合、少なくとも本発明においては、カバーガラス表面の法線と各微小ミラーの表面を近似する平面の法線とは同一視できる。

本発明の投写型表示装置が備える結像光学系の一例を示す模式的斜視図である。 図１に示す結像光学系の模式的側面図である。 比較例としての結像光学系を示す模式的斜視図である。 投写型表示装置とスクリーンとの位置関係を示す側面図である。 図３に示す結像光学系における第３反射鏡と画像光とのクリアランスを示す一部省略の模式的側面図である。 図２に示す結像光学系における第３反射鏡と画像光とのクリアランスを示す一部省略の模式的側面図である。 本発明の投写型表示装置が備える結像光学系の他例を示す一部省略の模式的側面図である。 比較例としての結像光学系における第３反射鏡と画像光とのクリアランスを示す一部省略の模式的側面図である。 従来の結像光学系の一例を示す模式的側面図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ 結像光学系
１１、２１、３１ 第１反射鏡
１２、２２、３２ 第２反射鏡
１３、２３、３３ 第３反射鏡
１４、２４、３４ 第４反射鏡
１５、３５ 画像形成素子

Claims (4)

1. 画像形成素子と、該画像形成素子によって形成された画像を拡大投写する複数の反射鏡からなる結像光学系とを備え、該結像光学系を構成する反射鏡の少なくとも一つを移動させることによって焦点調整が行われる投写型表示装置において、
   焦点調整のために移動される反射鏡は、前記画像形成素子の法線と非平行な直線に沿って移動することを特徴とする投写型表示装置。
2. 前記結像光学系を構成する複数の反射鏡の反射面のうち、焦点調整のために移動される反射鏡の反射面の曲率が最大であることを特徴とする請求項１記載の投写型表示装置。
3. 前記結像光学系が前記画像形成素子から発せられた光が最初に入射する第１反射鏡、前記第１反射鏡によって反射された光が入射する第２反射鏡、前記第２反射鏡によって反射された光が入射する第３反射鏡、および前記第３反射鏡によって反射された光が入射する第４反射鏡から構成され、前記第３反射鏡が焦点調整のために移動されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の投写型表示装置。
4. 前記第１反射鏡の反射面が球面であり、前記第２反射鏡、第３反射鏡および第４反射鏡の反射面が非球面または自由曲面であることを特徴とする請求項３記載の投写型表示装置。

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