JP2008096762A - 光学ユニット及びそれを用いた投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
装置を大型化することなく広角化を可能とすると共に、装置自体の製造も容易な光学ユニット及びそれを用いた投写型表示装置を提供する。
【解決手段】
光を発散させ、回転対称な面形状である屈折レンズと、回転非対称な自由曲面形状である複数個の自由曲面レンズとで後方レンズ群を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、映像表示素子からの画像を拡大してスクリーン等に投写して画像表示を行うための光学ユニット及び光学ユニットを用いた投写型表示装置に関する。

特開平５−１３４２１３号公報には、投影画面を投影系の光軸に対して垂直方向にシフトすると共に、投影系の光軸に対して所定の角度傾けて配置された付加光学系（アフォーカルコンバータ）とを用いて、映像をスクリーンに対して斜め方向に拡大投影する技術が開示されている。

特開２００４−１５７５６０号公報には、複数の反射鏡（反射系光学素子）を用い、映像表示素子の画像をスクリーン（投写面）上に拡大して投写する反射型結像光学系が開示されている。

特開平５−１３４２１３号公報 特開２００４−１５７５６０号公報

映像をスクリーンに対して斜め方向から投写すると、投写映像には、台形歪みが生じる。これを解消するために、特開平５−１３４２１３号公報に記載の光学ユニットでは、スクリーン側に配置された付加光学系（アフォーカルコンバータ）を偏心させて台形歪み抑えている。なお、ここで言う付加光学系とは、投影像の大きさを変換する作用を有する光学系であり、スクリーンに対する斜め方向からの透写に伴う投影像の歪を補正・低減して長方形の投影像を得るためのものである。しかし、この偏心付加光学系を形成するレンズは、倍率が低く、広角化が困難であるため、必要な倍率の投影像を得るためには、投影装置からスクリーンまでの距離が長くなり、また、投影画面と投影系との間の距離も長くなり、更には、装置自体が大きく（特に、光学ユニットの光軸方向の長さ）なるという問題点がある。加えて、上述した偏心付加光学系を構成するレンズとしては、口径の大きな付加光学系が必要となるが、それに伴って、光学ユニットのコスト上昇の原因となる。

一方、特開２００４−１５７５６０号公報に記載の反射型結像光学系は、従来の透過型の結像光学系（レンズ系）に代えて反射光学系（反射鏡）を利用することにより、結像光学系の大型化を抑え、且つ広画角化を図っている。しかし、反射鏡での光の偏心（偏向）量は大きいことから、特に、装置内において、その傾斜角度も含めて複数の反射鏡を正確な位置に配置することは難しく、また、振動によっても容易に反射鏡の傾斜角度等が変化することから、その製造が極めて困難である。

本発明は、上記した課題に鑑みて成されたもので、装置を大型化することなく広角化を可能とすると共に、装置自体の製造も容易な光学ユニット及びそれを用いた投写型表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一面は、光を発散させ、回転対称な面形状である屈折レンズと、回転非対称な自由曲面形状である複数個の自由曲面レンズとで後方レンズ群を形成する。

本発明によれば、口径の大きな付加光学系を必要とすることなく、斜め投写で広角化を可能とし、投写面（スクリーン）までの距離が変更しても歪みとスポットの劣化を最小限に抑え、装置の傾けによる画面位置調整に対してもフォーカスのずれも最小限に低減し、その製造も比較的容易な光学ユニット及びこれを用いた投写型表示装置を提供することが可能となる。

以下、実施例について、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。

まず、図１は、実施例１の光学ユニットを示す断面図であり、光学系をＸＹＺ直交座標系（図中に矢印で示す）におけるＹＺ断面で示している。

図１に示すように、実施例１の光学ユニットは、光源８からの光を光学像に応じた映像信号に変調する映像表示素子１とプリズム１０、前方レンズ群２と後方レンズ群３とを含む２つのレンズ群から形成される透過（レンズ）光学系と、そして、回転対称でない（即ち、非回転対称）自由曲面形状の反射面を有する反射鏡（以下、自由曲面ミラーと言う）４を含む反射光学系とで形成される。

ここでは、映像表示素子１として、例えば、液晶パネルに代表される透過型のものを採用した例を示しているが、これに限らず、例えば、ＣＲＴのような自発光型のものでもよい。また、映像表示素子１として、例えば、液晶パネルなどの透過型のものを採用する場合には、液晶パネルを照射する光源８となるランプが必要となる。また、液晶パネルとして、所謂、３板式のように、Ｒ、Ｇ、Ｂの複数の画像を合成する方式でもよく、その場合には、映像合成用のプリズム等が必要となる。しかしながら、これら液晶パネルの詳細やこれを照射する光源８となるランプ等については、後に説明することとし、ここでは直接的に関係しないため、その図示は省略している。一方、ＣＲＴのような自発光型のものでは、光源８は必要としないことは明らかであろう。

以上のように、実施例１の光学ユニットでは、映像表示素子１から出射した光は、まず、レンズ光学系を形成する前方レンズ群２に入射される。なお、後にもその詳細を説明するが、この前方レンズ群２は、回転対称な面形状であって、正のパワー及び負のパワーを有する複数の屈折レンズを含んでいる。ここで、光を収束させる機能を正のパワーといい、光を発散させる機能を負のパワーという。その後、この前方レンズ群２から出射した光は、少なくとも一方の面が回転対称でない（非回転対称な）自由曲面の形状を有する複数（本例では２枚）のレンズを含めた複数のレンズとで形成される後方レンズ群３を通過する。そして、この後方レンズ群３から出射した光は、更に、回転対称でない自由曲面形状の反射面を有する反射鏡（以下、自由曲面ミラーと言う）４を含む反射光学系で拡大反射された後、所定のスクリーン５（例えば、部屋の壁面やシート状のスクリーン等）上に投写されることとなる。

なお、実施例１では、図１からも明らかなように、特許文献１のように投影画面（表示素子）を投影系の光軸に対して垂直方向にシフトし、更には、投影系の光軸に対して所定の角度傾けて付加光学系を配置する光学系とは異なり、映像表示素子１は、その表示画面の中央がレンズ光学系のほぼ光軸上に位置するように配置されている（即ち、ほぼ共軸光学系を形成している）。従って、映像表示素子１の表示画面の中央から出て表示面に垂直に出射しスクリーン５上の画面中央に向かう光線１１（以下、これを画面中央光線という）は、ほぼ、レンズ光学系（前方レンズ群２と後方レンズ群３を含む）の光軸近傍を進む。その後、この画面中央光線１１は、反射光学系（自由曲面ミラーを含む）の自由曲面形状を有する反射面４上の点Ｐ２で反射された後、スクリーン５上の画面中央の点Ｐ５に、スクリーンの法線７に対して下方から斜めに入射する。この角度を以下、「斜め入射角度」と称し、θｓで表わすこととする。このことは、即ち、レンズ光学系の光軸に沿って通過した光線がスクリーンに対して斜めに入射していることで、実質的にレンズ光学系の光軸がスクリーンに対して斜めに設けられている（斜め入射系となる）ことになる。

なお、上述したように、スクリーンに対して光線を斜めに入射すると、映像表示素子１から投写された長方形の形状が台形になる、所謂、台形歪を含め、その他にも、光軸に対して回転対称でないことによる種々の収差が生じることとなるが、実施例１では、これらの収差を、レンズ光学系を形成する後方レンズ群３と、そして、反射光学系の反射面とで補正するものである。

特に、映像表示素子１から投写された光線を、反射光学系を形成する反射鏡４で反射してスクリーン５上に、斜めに投写することによれば、透過型レンズ光学系から出射する画角に比較し、より大きな画角が得られ、また、倍率色収差が生じ難くいことから、装置の大型化を抑え、且つ、広画角化を図ることが可能となる。即ち、前方レンズ群２と後方レンズ群３を含むレンズ光学系を、特許文献１の付加光学系（アフォーカルコンバータ）を偏心させて台形歪み抑えるものと比較した場合、より口径の小さな光学系として形成することが可能となる。

また、反射光学系を形成する反射鏡４の反射面に入射する光を、上述したように、後方レンズ群に負のパワーを有するレンズを含むことにより、広角化を一部負担し所定の大きさまで広角化して投射することにより、特許文献２の反射鏡だけで拡大投射系を形成するものと比較して、その製造が容易となる。即ち、レンズ光学系を反射光学系とは個別に製造し、その後、装置筐体内において、これら両者の位置を固定調整することにより、特に、量産に適する。また、上記のように、台形歪等を補正するための後方レンズ群３を、前方レンズ群２の前方に配置すれば、この後方レンズ群３と前方レンズ群２との間の間隔を小さくして配置することが可能となることから、複数の反射面で形成する方式と比較して、光学ユニットを搭載する装置を全体的にコンパクトとすることができ、特に、スクリーンの下部での高さを小さく出来るという効果を得られる。

このように、自由曲面形状を有する透過型のレンズ光学系と、自由曲面形状を有する反射光学系とを組み合わせれば、特に、フロント投写型の表示装置に適用した場合、フロント投写型において強く要求される広画角化を、確実かつ比較的容易に、かつ、装置全体を小さくしたコンパクトな光学系として実現することが可能となる。

次に、図２及び図３には、反射光学系を含む光学ユニットにおける光学素子のレンズ面が示されている。即ち、図２は光学ユニットの斜視図であり、図３はその垂直方向断面（図３（ａ））、及びその水平方向断面（図３（ｂ））をそれぞれ示している。

これらの図にも示されるように、レンズ光学系では、映像表示素子１から出射される映像は、まず、回転対称形状を有する複数のレンズを含む前方レンズ群２に入射される。上述したように、前方レンズ群２は、回転対称の球面レンズと非球面レンズとを含んでいる。又は、後に図１３や図１４に示すように、途中に折り曲げミラーを配置して光線を直角に折り曲げてもよい。

また、後方レンズ群３は、少なくとも２つの自由曲面レンズで形成されている。これらの図にも示すように、反射鏡４の反射面Ｓ２２に最も近い自由曲面レンズ３３は、水平方向の断面で見ると、その光の出射方向に凹面を向けており、かつ、スクリーンの下端に入射する光線が通過する部分の曲率が、スクリーンの上端に入射する光線が通過する部分の曲率よりも大きく設定されている。即ち、自由曲面レンズは、その光の出射方向に凹を向けて湾曲されており、かつ、スクリーンの下端に入射する光線が通過する部分の曲率が、スクリーンの上端に入射する光線が通過する部分の曲率よりも大きい形状を有するものとする。

また、実施例１では、次の条件を満たすように形成されている。即ち、図１に示す断面内において、映像表示素子１の画面下端から出射されて前方レンズ群２の入射瞳の中央を通り、スクリーン５の画面上端の点Ｐ６に入射する光線を光線１２とする。この光線１２が自由曲面ミラー４を通過する点Ｐ３からスクリーン上の点Ｐ６にまで至る光路長をＬ１とする。また、映像表示素子１の画面上端から出射されて前方レンズ群２の入射瞳の中央を通り、スクリーン５の画面下端の点Ｐ４に入射する光線を光線１３とする。この光線１３が自由曲面ミラー４を通過する点Ｐ１からスクリーン上の点Ｐ４にまで至る光路長をＬ２とする。そして、光学ユニットでは、Ｌ１、Ｌ２が次の（数１）を満足するように形成されている。

ただし、ここで、Ｄｖは図１の断面内でのスクリーン上の画面の大きさであり、言い換えるとスクリーン上の画面上端の点Ｐ６から画面下端の点Ｐ４までの距離である。また、θｓは斜め入射角度である。

一方、映像表示素子１は、その表示画面の中央をレンズ光学系の光軸上に位置するように配置されているが、或いは、図３（ａ）にも示すように、表示画面の法線はレンズ光学系の光軸に対して僅かに傾けて配置することが望ましい。

なお、図１を見ると、前にも述べたように、点Ｐ３から点Ｐ６に到る光路長は、点Ｐ１から点Ｐ４に到る光路長よりも長くなっている。これは、レンズ光学系から見て、スクリーン上の像点Ｐ６が像点Ｐ４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Ｐ６に対応する物点（表示画面上の点）がよりレンズ光学系に近い点に、また、像点Ｐ４に対応する物点がよりレンズ光学系から遠い点にあれば、像面の傾きを補正できる。そのためには、映像表示素子１の表示画面中央の法線ベクトルを、スクリーン５の法線と画面中央光線を含む平面内において、図３（ａ）に示すように、レンズ光学系の光軸に対して僅かに傾けるようにすることが好ましい。そして、その傾斜の方向は、スクリーン５が傾斜する方向と反対方向とすることが好ましい。

なお、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知られているが、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った。実施例１では、後方レンズ群３において、回転非対称の自由曲面レンズ３２、更には、やはり自由曲面レンズ３３を用いているため、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、すなわち映像表示素子の表示面を傾けることで、低次の像面の歪を大きく低減でき、自由曲面による収差補正を補助する上で効果的である。

次に、上記した各光学要素の作用については、レンズ光学系ではその前方レンズ群２（レンズ２１〜２７）が、映像表示素子１の表示画面をスクリーン５上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。また、レンズ光学系の後方レンズ群３（レンズ３１〜３３）は回転対称でない（回転非対称）自由曲面形状を有するレンズで形成される。更に、反射光学系４は、回転対称でない自由曲面形状を有する反射面で形成されるため、主として、斜め入射によって生じる収差の補正を行う。すなわち、反射光学系をなすミラー４が主として台形歪を補正し、レンズ光学系の後方レンズ系群３が主として像面の歪みなどの非対称な収差の補正を行っている。

以上のように、実施例１では、反射光学系は回転対称でない自由曲面形状を有する１枚の反射面（ミラー）４で形成され、レンズ光学系の後方レンズ群３は、両面共に回転非対称な自由曲面形状を有する２枚の透過型レンズを（反射ミラー４側のレンズ３２及び３３）含んでいる。ここで、自由曲面ミラー４は、その反射方向に凸を向けるように湾曲されている。そして、画面中央光線と投写面の法線とを含む断面内において、自由曲面ミラー４のスクリーンの下端に入射する光線を反射する部分の曲率は、スクリーンの上端に入射する光線を反射する部分の曲率よりも大きくしている。また、スクリーンの下端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に対し凸の形状を為し、他方、スクリーンの上端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に凹の形状を為すようにしてもよい。

次に、図４には、スクリーンに対して光軸を傾けて斜め投写する方式の光学系で、光学ユニットからスクリーンまでの投写距離を変えた場合の問題を示している。即ち、図４に示すように、スクリーン位置を設計した位置から大幅に移動させて投写距離を大きく変化させる場合、斜め投写をしない回転対称な光学系では、パネルとレンズの距離を変える等の調節によりピントが合わせられ、図形歪もあまり変化しないが、スクリーンに対して光軸を傾けて斜め投写する方式の光学系では、歪が大きくなり、また、図５にも示すようにスポットサイズも大きくなり、画質が大きく劣化する。

図４には、スクリーン５の位置を、設計位置５１（設計画面サイズ、例えば、８０インチ相当）から、投射画面を小さくする方向の位置５２（例えば、画面サイズ６０インチ相当）に置いた場合と、画面を大きくする方向の位置５３に（例えば、画面サイズ１００インチ相当）置いた場合での、図形歪の状態を示している。図４の（Ａ）はスクリーン位置５２における図形歪、図４（Ｂ）はスクリーン位置５１における図形歪、図４（Ｃ）はスクリーン位置５３における図形歪を示している。

図５では、図４と同じ３つの異なるスクリーン位置での画面上の８つの点におけるスポットの形状を示している。これら８つの点は、画面の中央を原点として、画面横幅で規格化した水平方向座標Ｘ、画面縦幅で規格化した垂直方向座標Ｙ、で言うと、（０．５，０．５）、（０，０．５）、（０．３，０．３）、（０．５，０）、（０，０）、（０．３、−０．３）、（０．５、−０．５）、（０、−０．５）の８点であり、図５の上から順に（１）〜（８）で表示している。ここで、Ｙ座標は画面の垂直方向で図５の上側を正としている。また、図５の（Ａ）はスクリーン位置５２、図５の（Ｂ）はスクリーン位置５１、図５の（Ｃ）はスクリーン位置５３におけるスポット形状を示している。これらからも明らかなように、歪の大きさは画面縦幅の約２％以上にまで大きくなり、スポット形状は設計位置の場合の５倍以上に大きくなり解像性能が劣化する。

スポットサイズの増大は、例えばパネルの位置を前後に移動させてピント合せを行っても、画面全体でのスポット形状を良好にすることはできない。その理由は、図５にも示すようにスポットサイズの増大量は画面の場所によって異なっており、光学系が回転対称でないため、パネルや回転対称のレンズの移動では、画面の一部のフォーカスを合わせると、他の部分のフォーカスが大きくずれることになるためである。また、自由曲面レンズである後方レンズ群のレンズ３２や３３のみの移動でも、やはり、このスポット形状の補正は困難である。これは、スクリーン位置の大幅な移動に伴うピント位置の移動には、回転対称レンズのパワーが必要になるためである。

そこで、幾つかのレンズを投写距離の変化に対応して移動させるとともに、他の移動しないレンズも含めて、種々の投写距離での性能がバランス良くなるように形状を最適とすることによって、投写距離の変化に対して性能劣化を生じない投写光学系が得られることを見出した。

移動させるレンズの選択では、スクリーン位置の移動に対応して、レンズを移動させ、もって、スポット形状の歪や解像性能の改善に効果があるレンズを調査した結果、特に、後方レンズ群を形成する負のパワーを有するレンズ３１と共に、自由曲面を有する透過レンズ３２と、そして透過レンズ３３とを、それぞれ独立して、その光軸方向に所定の距離だけ移動させることが有効であることを見出した。なお、自由曲面を有するミラー４を移動させることも効果的である。しかしながら、傾いて設置され、かつ、比較的サイズが大きい自由曲面のミラー４を移動させることは、装置の構造上からも、困難な点が多いため、特に、後方レンズ群３を形成するレンズ３１〜３３を移動することが最も有効である。

図６には、後方レンズ群３を形成するレンズ、即ち、自由曲面を有する透過レンズ３３と、他の自由曲面を有する透過レンズ３２と、そして、負のパワーを有する回転対称なレンズ３１を、投写するスクリーンの位置、すなわち画面サイズに合せて、所定の位置に移動させる様子を示している。なお、図６（ａ）は、図４において、スクリーンを、投射画面を小さくする方向の位置５２（例えば、画面サイズ６０インチ相当）に置いた場合、図６（ｂ）は、スクリーンを設計位置５１（例えば、画面サイズ８０インチ相当）に位置する場合、そして、図６（ｃ）は、スクリーンを投射画面を大きくする方向の位置５３（例えば、画面サイズ１００インチ相当）に移動した場合をそれぞれ示している。図６では、レンズの移動の様子を明瞭にするために、レンズの移動量を若干強調して表示している。

このように、スクリーンまでの距離すなわち投写距離の変化に応じて、３つのレンズ群を光軸方向に独立に移動させて調節することにより、スクリーンの位置５２から５３までの間で、スクリーンへのフォーカスと図形歪の両方を補正し、従来回転対称レンズのフォーカス調整のごとく、良好な性能を得られるようにしている。

なお、後方レンズ群３を形成するレンズ群３１〜３３を移動するための構造としては、例えば、図７にも示すように、２つの搭載台２１０、２２０上に、それぞれ、前方レンズ群２（回転対称のレンズ２１〜２７）と後方レンズ群３（レンズ３１〜３３）を組み込む。なお、一方の搭載台（例えば、搭載台２１０）上には、前方レンズ群２（回転対称のレンズ２１〜２７）を予め定められた位置に固定し、搭載台２１０を装置内に固定する。そして、他方の搭載台（例えば、搭載台２２０）には、予め曲線の溝２２１、２２２、２２３を形成しておくと共に、搭載台２２０を搭載台２１０に対して（この例では、図に矢印で示すように、レンズ群の光軸方向に対して直角方向）に移動可能に装置内に設置する。

なお、後方レンズ群３を形成するレンズ３１〜３３は、図６にも示すように、レンズ３１、レンズ３２、そして、レンズ３３からなる３群に分け、それぞれの位置が、スクリーンに投射して得られる画面のサイズ（６０インチ、８０インチ、１００インチ）に対応して移動する。そこで、溝２２１、２２２、２２３は、これら３群のレンズの移動に対応して形成されており、そして、図７にも示すように、移動可能な搭載台２２０を、その上に形成した基準を示すマーク２２４の位置に対応して（例えば、搭載台２２０が搭載された装置側の基台上に「６０」インチ、「８０」インチ「１００」インチなどの印を付けておく）、３群のレンズ、レンズ３１、レンズ３２、そして、レンズ３３が、それぞれ、所望の位置に配置されるように（即ち、各レンズ群に対して所望の傾斜角度で）形成されている。このことによれば、他方の搭載台２２０を移動するだけで、後方レンズ群３の各レンズ（レンズ３１〜３３）を前方レンズ群２に対して、光軸方向に対して自在に、その相対位置を変えることが可能となり、従来回転対称レンズのフォーカス調整のごとく簡易な操作で、スクリーン位置５２から５３までの間の投写距離の変化に対して、図形歪、フォーカス共に良好な性能を得られるようにしている。

次に、フロントプロジェクタの画面位置調整について説明する。フロントプロジェクタにおいては、投写した画像のスクリーン上での位置を微調整できることがユーザの使い勝手を良くする上で重要であり、特に上下方向位置の微調整が強く求められる。従来のように投写距離の長いフロントプロジェクタでは、装置を僅かばかり傾けるだけで画像の位置の微調整ができ、傾け角は微小であるためフォーカスずれ等の画質劣化はあまり気にならない。しかし、実施例１のように投写距離が極めて短い投写装置では、従来の装置と同じ量だけ画面位置を移動させるには装置を傾ける角度が比較的大きくなり、そのため、比較的大きなフォーカスのずれが発生し、また台形の歪も生じるため、画質が劣化するという問題がある。

図８は、装置を傾けてスクリーン上の画像を上側に移動させた場合のフォーカスずれの様子を模式的に示している。図８においては、装置を上側に傾けた時の状態を破線で、傾ける前の状態を実線で示している。装置を上向きに傾けた場合には、図８に示すように、画面全体が上側に移動するとともに、光学系の本来のフォーカスが良好な面は破線５１で示す位置に移動することになり、従って、スクリーン５の上における画面ではフォーカスのずれが発生する。例えば、画面の上端でいえば、傾ける前の画面上端の点Ｐ６は、装置を傾けることによって、スクリーン５上の点Ｐ６１に、即ち上側に移動するが、光学系のピントが合う点は光学系のフォーカス面５１上の点Ｐ６２に移動するため、点Ｐ６２からＰ６１までの距離だけフォーカスのずれが発生しスポットサイズが大きくなる。一方、画面の下端では、傾ける前のフォーカス点Ｐ４は傾けによって点Ｐ４１に移動するが、その差は画面の上端に比べて小さい。このようにフォーカスのずれは、図８にも示すように、画面の上側で大きく、下側で小さく、すなわち、画面の場所によってフォーカスずれの量が異なり、従って、スポット形状の劣化量も異なることになる。装置を傾ける前と後とで、画面の複数の点におけるスポット形状の変化の例を図９に示す。図９では、図５に示した画面上の点と同じ点でのスポットの形状を、セットを傾ける前と後のスポットの形状を示している。セット傾け前のスポットを図９（Ａ）に、傾け後のスポットを図９（Ｂ）に示す。図９に示したスポットの評価点の位置は前述した通りであり、それによれば、（１）〜（３）は画面の上側にある点であり、（４）は画面中央、（５）〜（８）は画面の下側にある点である。図９のスポット形状に示すように、画面の上側にある点でスポットの増大が大きく、画面の上端ではスポットサイズが傾ける前の５倍以上に拡大することがわかる。

装置を傾けてスクリーン上の画面を移動させる場合、スクリーン上にフォーカスを合わせるには、画面の場所によってフォーカスのずれ量が異なるため、パネル位置の調節や回転対称なレンズの移動で調整することは困難である。

そこで、レンズを移動させ、もって、上記フォーカスずれの改善に効果があるレンズを調査した結果、特に、後方レンズ群を形成する自由曲面を有する透過レンズ３２と透過レンズ３３の２枚のレンズを、各々独立に、その光軸方向に所定の距離だけ移動させることが有効であることを見出した。装置を傾けてスポットサイズが大きくなった状態で、透過レンズ３２と透過レンズ３３を移動させてスポットを調節した結果のスポット形状の例を図９の（Ｃ）に示す。図９（Ｃ）に示すように、自由曲面を有する透過レンズ３２と透過レンズ３３を光軸方向に移動して調節することにより、スポット形状を良好に補正することができる。なお、自由曲面を有するミラー４を移動させることも効果的である。しかしながら、傾いて設置され、かつ、比較的サイズが大きい自由曲面のミラー４を移動させることは、装置の構造上からも、困難な点が多いため、特に、透過レンズ３２と透過レンズ３３を移動することが最も有効的である。

以上のように、装置を傾けて画面を移動させた時に、レンズの移動によってフォーカスのずれは良好に補正されるが、台形歪は補正できない。しかし、ここで発生する台形歪はほぼ台形でかつ大きさは約１０％なので回路による図形歪補正処理で対応可能である。

以上のように、画面移動に対応したフォーカス調整に透過レンズ３２と透過レンズ３３を光軸方向に移動させることが有効であることを見出した。一方で、透過レンズ３２と透過レンズ３３は、その前に述べた投写距離を変化させた場合の調整にも利用されている。２つのレンズを上記２つの調整に対応させるには、透過レンズ３２と透過レンズ３３を駆動する装置は、画面移動に対する調整と、投写距離変化に対する調整との２種類の駆動装置が必要になり、その駆動構造は極めて複雑になり、容易に実現できない。

そこで、スクリーン位置の変化に対応する場合の透過レンズ３２と透過レンズ３３の移動における位置関係と、画面位置の調整に対応する場合の透過レンズ３２と透過レンズ３３の移動における位置関係とを詳細に検討した結果、両方の場合の透過レンズ３２と透過レンズ３３の移動の位置関係がほぼ同じになることを見出した。

これについて、さらに詳細に説明する。図１０は、上記調節のために移動するレンズについて、透過レンズ３３の位置と透過レンズ３２の位置との関係を示している。図１０において、横軸は透過レンズ３３の位置を、縦軸は透過レンズ３２の位置を示している。この時、両レンズの位置とは、所謂面間距離のような互いのレンズどうしの間隔ではなく、移動しないレンズ（例えばレンズ群２のレンズ２８）の面頂点を原点とし、レンズ群の光軸をＺ軸として、パネルのある側から自由曲面ミラー４に向かう方向を正としたＺ座標の値で示している。また、縦軸、横軸共に、設計中心である画面サイズ（例えば画面サイズ８０インチ相当）における両透過レンズの位置を基準とした相対値で示している。

図１０において、投射距離の変化に対応してレンズが移動する場合に、透過レンズ３３の位置に対する透過レンズ３２の位置の関係を点Ａから点Ｂへの実線６１で示している。点Ａは投写距離が近い（例えば画面サイズ６０インチ相当）場合の位置であり、点Ｂは投写距離が遠い（例えば画面サイズ１００インチ相当）場合の位置であり、原点Ｃは投写距離が設計中心（例えば画面サイズ８０インチ相当）の時の位置である。実線６１は、投写距離が設計中心から近く画面サイズが小さくなる時、透過レンズ３３、透過レンズ３２共に、正の方向、すなわち自由曲面ミラー４の方向に移動し、投写距離が設計上最も近い時に点Ａで示す位置まで移動すること、また、投写距離が設計上最も遠くなる時には、透過レンズ３３、透過レンズ３２共に、負の方向に移動し点Ｂで示す位置まで移動することを示している。この時、凹レンズである透過レンズ３１は、図１０の点線６２で示すように、投写距離が最も遠い時の点Ｅから、投写距離が最も近い時の点Ｄに向かうように移動する。

一方、画面位置の移動に対する調節の場合は図１０の破線で示すように移動する。例えば、投写距離が短い状態（画面サイズ６０インチ相当）では透過レンズ３３と３２は点Ａの位置にあるが、装置を傾けてスクリーン上の画面を上側に移動させた場合、これに対応して透過レンズ３３と透過レンズ３２を、点Ａから図の破線６３に沿って点Ｆに向かって移動させる。これにより、フォーカスのアンバランスを緩和して良好な画質を保持できることを見出した。画面の上端が画面縦幅の約２０％だけ上側に移動した時、透過レンズ３３と透過レンズ３２の位置を点Ｆで示す位置にまで移動させるのが良い。

ここで、点Ｆは点Ａから点Ｂに向かう実線６１のごく近傍にある、すなわち、点Ａから点Ｆに向かう破線６３は、点Ａから点Ｂに向かう実線６１とほぼ同じ線上にあることがわかる。このことは、透過レンズ３３と透過レンズ３２の位置関係は、投写距離の変化に対応して調節場合でも、画面移動に対して調整する場合も、ほぼ同じ位置関係で移動することを示している。すなわち、どちらの調整であれ、透過レンズ３３の位置が決まれば、同時に透過レンズ３２の位置が一意に決まることを示している。

次に、投写距離が設計中心（例えば画面サイズ８０インチ相当）にある場合には、装置の傾きゼロの時に透過レンズ３３と３２の位置は点Ｃにあり、装置を傾けて画面を上側に移動させた時には透過レンズ３３と３２の位置を点Ｃから破線６４に従って移動させ、画面が上側に画面縦幅の約２０％移動した時には点Ｇまで移動させるのが良い。この場合にも、点Ｃから点Ｇに向かう破線６４は、ほぼ点Ａから点Ｂに向かう実線６１の上にあることがわかる。

また例えば投写距離が遠い（例えば画面サイズ１００インチ相当）場合には、装置の傾きが無い時に点Ｂの位置関係にある透過レンズ３３と透過レンズ３２は、画面が上側に移動するに従い破線６５に沿って点Ｈの方向に移動し、画面縦幅の約２０％移動したとき点Ｈの位置に置くのが良い。この破線６５も、実線６１の延長線上にあることがわかる。

さらに、投写距離が上記の値の中間にある場合でも、ここには記載していないが、画面の移動に対する調節のための透過レンズ３３と透過レンズ３２の移動の方向は、上記と同様に、略実線６１の上にある。

以上のように、装置傾けによる画面移動に対応した透過レンズ３３と透過レンズ３２の移動を示す破線が、投写距離が変化して画面サイズが変化することに対応した透過レンズ３３と透過レンズ３２の移動を示す実線６１と、どの投写距離でも、ほぼ同じ線の上にあるということを見出した。すなわち、透過レンズ３３と透過レンズ３２との位置関係は、投写距離の変化に対応するときと、画面移動に対応するときで、ほぼ同じ位置関係で移動することを示している。

そこで、投写距離の変化と、画面の移動との両方に対応して、透過レンズ３１〜３３を移動するための構造としては、例えば、図１１にも示すように、３つの搭載台３１０、３２０、３３０の上に、それぞれ、前方レンズ群２（回転対称のレンズ等２１〜２８）と後方レンズ群３（レンズ３１〜３３）を組み込む。始めの搭載台（例えば搭載台３１０）上には、前方レンズ群２を予め定められた位置に固定し、搭載台２１０を装置内に固定する。そして、次の搭載台(例えば搭載台３２０)には、予め溝３２１を形成しておくと共に、搭載台３２０を搭載台３１０に対して（この例では、図に矢印で示すように、レンズ群の光軸方向に対して直角方向に）移動可能に装置内に設置する。さらに、第３の搭載台（例えば搭載台３３０）には、予め溝３３１、３３２を形成しておくと共に、搭載台３３０を搭載台３１０、及び搭載台３２０に対して（この例では、図に矢印で示すように、レンズ群の光軸方向に対して直角方向に）移動可能に装置内に設置する。

なお、後方レンズ群３を形成するレンズ３１〜３３は、各々を１枚ごとに３つの群に分け、それぞれの群の位置が、スクリーンまでの投写距離の変化に対応して移動する。そこで、溝３２１、３３１、３３２は、これら３群のレンズの移動に対応して形成されており、そして、搭載台３２０、及び３３０には、例えば設計中心の位置に上記３群のレンズが配置される位置に基準を示すマーク３２２、３３３が形成されている。投写距離が変化した場合には、搭載台３２０と３３０の２つの搭載台を、各々のマークの位置が一致した条件で同時に移動することによって、後方レンズ群３を形成する３つのレンズ群を前方レンズ群２に対して光軸方向に自在にその相対位置を変えることができる。

さらには、レンズ３２の群とレンズ３３の群は、画面の上下移動に対応しても移動する。この場合、画面の移動に対してレンズ３２とレンズ３３とが移動する位置関係は、上述したように、投写距離の変化に対応する移動の位置関係と同じであるため、搭載台３３０のみを、例えば図１１の矢印で示す方向に移動することによって、レンズ３２と３３を前方レンズ群２に対して画面移動に対応した調整位置に自在にその相対位置を変えることができる。

以上述べたように、実施例１によれば、投写距離の変化による画面サイズの変化と、装置の傾けによる画面の上下移動との、両方に対応してフォーカスを調整できる簡易な方法を実現できる。

装置を傾けて画面を移動させた後に、投写距離を変えて画面サイズを変更させる場合、まずは、搭載台３２０と搭載台３３０を同時に同じ量だけ（すなわち、各々に形成されたマーク３２２、３３３の位置関係を変えずに）移動させた後、搭載台３２０と搭載台３３０とを独立に微小移動させることで調整可能である。

ここで、投写距離の変化による画面サイズ変化に対応して移動させるレンズ群の内、負のパワーを有する透過レンズ群３１は、複数の回転対称なレンズで形成されるレンズ群であっても良いが、レンズ群３１を形成するレンズには非球面レンズや自由曲面レンズは含まない方が好ましい。なぜなら、移動するレンズ群３１の中に含まれる非球面レンズは、設計自由度が高く、投写距離の変化に対応した調整のための移動において、比較的高次で細部の収差も補正するため、これと同時に移動する自由曲面を有する透過レンズ３２と透過レンズ３３の移動における位置関係が、レンズ群３１の移動を含まない上記画面移動に対応した調整用移動の場合の位置関係との差が大きくなり、レンズを駆動するのための構造が複雑になるためである。

また、レンズを駆動するための構造としては、上記搭載台に代えて、例えば、上記のような溝をその外周に形成した円筒を利用することによっても、上記と同様の機能を達成することもできる。なお、その場合、特に、後方レンズ群３において自由曲面を有する２枚の透過レンズ３２、３３は、光軸方向の相対位置の変更にもかかわらず、回転を伴う必要がない。このことから、例えば、上記筒状部材を互いに独立に回転可能に、即ち、先端側と後端側に分離し、その先端側を回転しないような構造とすることが好ましい。

実施例２では、具体的な数値実施例について説明する。

まず、図１２、図１３及び表１〜表４を用いて、実施例２の光学ユニットの詳細を、そのレンズ光学系及び反射光学系を含む光学素子の具体的数値を示して説明する。なお、図１２及び図１３は、第１の数値例に基づく光学系の光線図を示している。即ち、図１のＸＹＺ直交座標系において、図１２はＹＺ断面、即ち、光学系をＺ軸方向に展開して示している。また、図１３はＸＺ断面での構造を示している。なお、図１３では、その詳細を図１４に示すように、レンズ光学系を形成するレンズ光学系の前方レンズ群２と後方レンズ群３の途中に折り曲げミラー３５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。

本例において、図１２の下側に表示した映像表示素子１から出射した光は、複数のレンズを含むレンズ光学系のうち、まず回転対称形状の面のみを有するレンズのみで形成される前方レンズ群２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方レンズ群３を通り、反射光学系である自由曲面ミラー４の反射面で反射される。その反射光は、その後スクリーン５に入射される。

ここで、レンズ光学系の前方レンズ群２は、全て回転対称な形状の屈折面を持つ複数のレンズで形成されており、これらレンズの屈折面のうち４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、（数２）の式で表される。

一方、レンズ光学系の後方レンズ群３を形成する自由曲面は、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（数３）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は、本実施例に係る光学系の数値データを示している。表１において、Ｓ０〜Ｓ２２は、図３に示された符号Ｓ０〜Ｓ２２にそれぞれ対応している。ここで、符号Ｓ０は映像表示素子１の表示面、すなわち物面を示しており、Ｓ２２は自由曲面ミラー４の反射面を示している。また、符号Ｓ２４は、図１２、図１３にも示すスクリーン５の入射面、すなわち像面を示している。また、符号Ｓ２３は、後に光軸の傾きを明確に示すための仮想の面である。

また、表１において、Ｒｄは各面の曲率半径（曲率ｃの逆数）であり、図３において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。そのレンズ面に対して、次のレンズ面が図の中で左側にある時には面間距離は正の値、右側にある場合は負の値で表している。

更に、表１において、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ１２、Ｓ１３は回転対称な非球面であり、この表１では面の番号の横に＊を付けて分かり易く表示しており、これら４つ面の非球面の係数を以下の表２に示している。

また、表１においてＳ１８からＳ２１はレンズ光学系の後方レンズ群３を形成する自由曲面形状を有する屈折面であり、Ｓ２２は反射光学系の自由曲面形状を有する反射面４であって、面の番号の横に＃を付けて表示した。これら５つの自由曲面の形状を表す係数の値を以下の表３に示す。また、表３に示す自由曲面の係数の値は、図３（ａ）において、右から左に向かう方向をＺ軸の正の方向、上側から下側に向かう方向をＹ軸の正の方向とした場合の値である。

また、図３の垂直方向断面に示すように、映像表示素子１の表示画面である物面を、レンズ光学系の光軸に対して−２．６０２度傾けている。各レンズ面での傾き及び偏心の様子を表４に示す。表４において、ＡＤＥは図３の垂直方向断面と平行な面内での傾きの大きさで、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、単位は度である。また、ＹＤＥは偏心の大きさであり、偏心は図３の垂直方向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し、単位はｍｍである。映像表示素子１のレンズ光学系に対する傾きは、表４でＳ３面でのＡＤＥとＹＤＥで表示している。

表４に示した傾き及び偏心で、Ｓ３面の傾き偏心はＳ３面を含むそれ以降の全ての面がＳ３面の傾いた光軸の上に配置される。すなわち、映像表示素子１であるＳ０面の中央から出る光軸に対して、Ｓ３面以降が反時計回りに２．６０２度傾け（合わせて図３の垂直方向断面で上方向に１．２８９ｍｍ偏心）ており、これによって、相対的に映像表示素子１がレンズ光学系に対して傾くことになる。

図３中の符号Ｓ２２で示す自由曲面ミラー４は、ミラー面であるＳ２２面のみが、その前の面の光軸に対して傾き偏心する。すなわち、表４から、Ｓ２２面のみが、反時計回りに２６．４９５度傾け、図３の垂直方向断面で上方向に１７．３６５ｍｍ偏心していることを示している。これによって、映像表示素子１の画面中央から出てほぼレンズ光学系の光軸に沿うよう進んできた画面中央光線は、Ｓ２２で反射後、その入射光線に対して５０〜６０度傾いた方向に進むことになる。

Ｓ２３面は、偏心前の原点がＳ２２と同じ位置にある仮想的な面である。表４に示すように、Ｓ２２面以降Ｓ２３面までが、＋５９．８度傾いて配置されている。これによって、Ｓ２２で反射された光線が向かう方向にスクリーン面であるＳ２４面を配置できることになる。そして、スクリーン面であるＳ２４面は、Ｓ２３面以降＋５９．８度傾いた光軸上にあって、光軸に対して−５０度傾けて配置される。

なお、表１、表３を見ると、実施例２では、曲率ｃとコーニック係数ｋが０となっていることがわかる。即ち、斜め入射による台形歪は、斜め入射の方向に極端に大きく発生し、これと垂直な方向での歪量は小さい。従って、斜め入射の方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる機能が必要であり、回転対称で全方向に機能する曲率ｃやコーニック係数ｋを利用しないことにより、非対称な収差を良好に補正することが可能となる。

また、実施例２において、物面Ｓ０となる映像表示素子１の表示画面上の画面サイズを、１３．２×９．９ｍｍ（比率４：３）とし、その映像を像面Ｓ２３に８０インチ（＋over-scanで１６２５．６×１２１９．２ｍｍ）に拡大して投写するのを設計中心とし、投写距離の変化で６０インチ（１２１９．２×９１４．４ｍｍ）から１００インチ（２０３２．０×１５２４．０ｍｍ）までのサイズに対応して投写できる。

表５には、この投写距離の変化に対応して移動するレンズに対し、その面間距離の変化を示している。表５には、投写距離の変化に対応して、Ｓ１５、Ｓ１７、Ｓ１９、Ｓ２１、Ｓ２２の面間距離が変化し、その値は欄Ｓｃ１の下に上記設計中心（８０“）の場合、欄Ｓｃ２の下に１００”、欄Ｓｃ３の下に６０“の場合の値を示している。

また、実施例２において、斜め投写の角度である、画面中央光線と投写面の法線との成す角度θｓ（図１に示す）は、５５．６度（１．２＊sinθｓ＝０．９９）であり、また、（数１）に示す光路長の差｜Ｌ１−Ｌ２｜の値は、スクリーン上の画面高さの０．７６１倍（上記６０“の時から１００”の時までの間での最大値）であることから、数１の条件を満足している。

実施例２の図形歪を図１５に示す。この図１５の縦方向は、図１２の上下方向であり、図１のＹ軸の方向である。また、この図１５の横方向はスクリーン上でＹ軸の垂直な方向であり、図の長方形における中央部が画面の中央である。なお、この図１５は、画面の縦方向を４分割、横方向を８分割して表示した場合における、各直線の曲がりの状態を表示し、もって、図形歪の様子を示している。図１５には、投写距離が設計中心（画面サイズで８０“）のときの図形歪を（Ｂ）に、投写距離が画面サイズ６０”となるときの図形歪を（Ａ）に、また、投写距離が画面サイズで１００”となるときの図形歪を（Ｃ）に示している。図１５に示すように、図形歪は良好に補正されている。

更に、スポットダイアグラムを図１６に示す。図１６では、映像表示素子１の表示画面上、即ち、表示画面の中央を原点としてＸ、Ｙ座標の値で、（６．６，４．９５）、（０，４．９５）、（３．９６，２．９７）、（６．６，０）、（０，０）、（３．９６、−２．９７）、（６．６、−４．９５）、（０、−４．９５）の８点から出射した光束のスポットダイアグラムを上から順（（１）〜（８））に示している。なお、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。また、図１６において、投写距離が設計中心（画面サイズで８０“）のときのスポットを（Ｂ）に、投写距離が画面サイズ６０”となるときのスポットを（Ａ）に、また、投写距離が画面サイズで１００”となるときのスポットを（Ｃ）に示す。両者ともに、良好な性能を維持している。

以上述べたように、実施例２では、背景技術のように使用するレンズを偏心させる必要がないことから、口径の大きな付加光学系を必要とすることなく、しかも広角化を可能とすると共に、スクリーンまでの位置が変更しても歪みを最小限に抑えることが可能であり、かつ、その製造も比較的容易な光学ユニットが提供される。そして、かかる光学ユニットを利用することによれば、性能が良好で、かつ、よりコンパクトな外形寸法の投写型表示装置を実現することが可能となる。

実施例１の光学ユニットを示す断面図である。 実施例１の光学ユニットのレンズの配置の一例を示す斜視図である。 実施例１の光学ユニットのレンズの垂直方向及び水平方向の断面図である。 実施例１の光学ユニットを適用した投写型表示装置において、投写距離を変化させた場合の構造及び図形歪の状態を示す図である。 実施例１の光学ユニットを適用した投写型表示装置において、投写距離を変化させた場合のスポットの状態を示す図である。 実施例１の光学ユニットにおいて後方レンズ群を移動させた状態を示す図である。 実施例１の光学ユニットにおいて後方レンズ群を移動させるための構造の一例を示す図である。 実施例１の光学ユニットを傾けて画面を移動させた場合の図である。 実施例１の光学ユニットを傾けて画面を移動させた場合のスポットの変化を示す図ある。 実施例１の光学ユニットにおいて、画面移動に対する調整のため移動するレンズの位置関係を示す図である。 実施例１の光学ユニットにおいて、投写距離の変化と画面移動とに対応できる後方レンズ群の移動を実現する構造の一例を示す図である。 実施例２の構成と光路を示すＹＺ断面図である。 実施例２の構成と光路を示すＸＺ断面図である。 実施例２の光学ユニットのレンズ配置を示す斜視図である。 実施例２の光学ユニットの図形歪性能を示す図である。 実施例２の光学ユニットのスポット性能を示す図である。

符号の説明

１…映像発生源、２…前方レンズ群、３…後方レンズ群、４…自由曲面ミラー、５…スクリーン、６…自由曲面ミラーの原点座標の法線、７…スクリーンの法線

Claims (8)

1. 回転対称な面形状を持つ複数個のレンズを有する前方レンズ群と、
   前記前方レンズ群の後方に配置され、光を発散させ、回転対称な面形状である屈折レンズと、回転非対称な自由曲面形状を持つ複数個の自由曲面レンズを有する後方レンズ群と、
   前記後方レンズ群の後方に配置され、反射方向に対して、少なくとも一部が凸形状、且つ回転非対称な自由曲面形状を持つ反射ミラーとを有することを特徴とする光学ユニット。
2. 請求項１に記載の光学ユニットであって、
   前記前方レンズ群を搭載する第１の搭載台と、
   前記後方レンズ群を搭載する第２の搭載台とを有し、
   前記第２の搭載台は移動することを特徴とする光学ユニット。
3. 請求項１に記載の光学ユニットであって、
   前記屈折レンズを搭載する第３の搭載台と、
   前記複数個の自由曲面レンズを搭載する第４の搭載台とを有し、
   前記第３の搭載台と前記第４の搭載台は、各々移動することを特徴とする光学ユニット。
4. 請求項１に記載の光学ユニットであって、
   前記複数個の自由曲面レンズの内、前記反射ミラー側に配置された自由曲面レンズの曲率は、前記反射ミラーから投写される投写面の上端部に入射する光が通過する部分の曲率よりも、前記投写面の下端部に入射する光が通過する部分の曲率は大であることを特徴とする光学ユニット。
5. 請求項４に記載の光学ユニットにおいて、
   前記反射ミラーの曲率は、前記投写面の上端部に入射する光を反射する部分の曲率よりも、前記投写面の下端部に入射する光を反射する部分の曲率は大であることを特徴とする光学ユニット。
6. 請求項１に記載の光学ユニットにおいて、
   前記反射ミラーは、前記投写面の下端部に入射する光を反射する部分は、その反射方向に対して、凸形状、且つ前記投写面の上端部に入射する光を反射する部分は、その反射方向に対して、凹形状であることを特徴とする光学ユニット。
7. 請求項６に記載の光学ユニットにおいて、
   前記反射ミラーの前記投写面の上端部に入射する光を反射する部分から前記投写面の上端部に入射する光の経路の距離をＬ１、前記反射ミラーの前記投写面の下端部に入射する光を反射する部分から前記投写面の下端部に入射する光の経路の距離をＬ２、前記投写面の上端部から下端部までの距離をＤｖ、前記反射ミラーの中央部に入射する光と前記投写面の法線との成す角度をθｓとした場合、
   

   

   を満足することを特徴とする光学ユニット。
8. 光を出射する光源と、
   前記光源からの光を光学像に応じた映像信号に変調する映像表示素子と、
   請求項１〜７の何れか１項に記載の光学ユニットを有することを特徴とする投写型表示装置。
   

Images