JP2008191211A - 投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フレームレス化を達成しつつも投影光学系を構成する各部材の配置に関する効率を高めて全体を薄型化することができるリアプロジェクション方式の投影装置を提供すること。
【解決手段】投影装置は、表示素子により表示される像をスクリーンに拡大投影するリアプロジェクション方式の投影装置であって、表示素子側から順に、正のパワーを持つ第１光学系と、正のパワーの反射面を含む第２光学系と、を有する投影光学系と、スクリーンに対して略直角をなすように投影装置に取り付けられており、投影光学系から射出された光をスクリーンに向けて反射する平面ミラーと、を有し、正のパワーの反射面の有効反射領域全域は、平面ミラーから見て第１光学系の光軸より遠い位置に配置されるように構成した。
【選択図】図１

Description

この発明は、表示体の表示画像をスクリーン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スクリーン上に投影する投影装置が知られている。このような投影装置は、例えば、スクリーン裏面に表示画像を投影し、該画像をスクリーン正面から観察することができるいわゆるリアプロジェクターとして好適な構成とされる。このような投影装置は例えば特許文献１や特許文献２に記載されている。

特開２００４−２５８６２０号公報 特開２００２−２０７１９０号公報

特許文献１に記載の投影装置は、凹面鏡を有する投影光学系を使用している。特許文献１に記載の投影装置は、凹面鏡を使用することにより、倍率色収差を抑えつつも大きな画角を確保している。そのため、薄型化された投影装置が提供される。

ここで、特許文献１に記載の投影装置を更に薄型化するためには、装置背面、つまりスクリーン裏面に対向する面に配設された平面鏡を用いて当該スクリーンに像を投影する必要がある。つまり特許文献１に記載の投影装置では、スクリーン背面と平面鏡間の空間の殆どは光路として確保する必要がある。そのため、投影光学系は、該空間外、つまりスクリーンを正面から臨んだ場合に該スクリーンから外れた位置に配設しなくてはならない。従って特許文献１に記載の構成では、投影装置の鉛直方向の長さ（つまり投影装置の高さ）をスクリーンの鉛直方向の長さ（つまりスクリーンの高さ）に略一致させる、換言すれば投影装置をいわゆるフレームレス化させることができない。

なお、本文においては、説明の便宜上、投影装置はスクリーンを鉛直に設置した状態であるものと考え、これを「通常使用状態」と呼ぶことにする。また、通常使用状態にある投影装置において、スクリーンがある面を正面、正面に対向する面を背面、底面（すなわち載置面）に対向する面を上面とし、いずれもスクリーンに対して垂直であるものとする。また、通常使用状態にある投影装置に関する底面（または上面）に直交する面での断面において、背面から正面に向かう方向を前方、正面から背面に向かう方向を後方、底面から上面に向かう方向を上方、上面から底面に向かう方向を下方と定義する。

これに対し、特許文献２に記載の投影装置は、特許文献１に記載の構成とは異なり、装置上面（つまり天板）に平面ミラーを配置している。そして、光源からの光を凸面鏡で天板がある方向（上方）に偏向する。そして、平面ミラーが入射光を装置下前方に向かって折り返すことにより、スクリーンに像が投影される。このように構成することにより、投影光学系から平面ミラーを介してスクリーンへ到達する光の光路が特許文献１の構成とは異なる。そのため、スクリーン裏面と装置背面間の空間において光路が存在しない領域を形成することが可能になる。特許文献２に記載の投影装置は、該領域に投影光学系を配設することにより、いわゆるフレームレス化を達成している。

上記の通り、特許文献２に記載の投影装置は、凸面鏡を使用している。ここで、凸面鏡は、該凸面鏡よりも前段の各光学部材によって拡大された像をさらに拡大しつつ平面ミラーに導かなければならない。よって凸面鏡は、必然的に大型化せざるを得ない。にもかかわらず、特許文献２に記載の投影装置における光学的配置上、凸面鏡は、投影光学系における凸面鏡より前段にある他の光学部材よりも平面ミラーに近い位置に配置しなければならない。つまり、特許文献２に記載の投影装置では、上述した光路の存在しない領域は、平面ミラーから離れる（装置下方）につれて大きくなるにもかかわらず、投影光学系におけるより大型の光学部材（つまり凸面鏡）をより平面ミラー側に配設せざるを得ない。そのため、投影光学系の配置の効率が悪くなる、換言すれば設計自由度が低くなり、装置を厚型化せざるを得ないといった問題点が指摘される。

そこで、本発明は上記の事情に鑑み、フレームレス化を達成しつつも投影光学系を構成する各部材の配置に関する効率を高めて全体を薄型化することができるリアプロジェクション方式の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、表示素子により表示される像をスクリーンに拡大投影するリアプロジェクション方式の投影装置であって、表示素子側から順に、正のパワーを持つ第１光学系と、正のパワーの反射面を含む第２光学系と、を有する投影光学系と、スクリーンに対して略直角をなすように投影装置に取り付けられており、投影光学系から射出された光をスクリーンに向けて反射する平面ミラーと、を有し、正のパワーの反射面の有効反射領域全域は、平面ミラーから見て第１光学系の光軸より遠い位置に配置されていることを特徴とする。

また請求項２に記載の投影装置によれば、表示素子は、第１光学系の光軸に垂直な面内で平面ミラーに対して第１光学系の光軸より近い位置に配設されており、第１光学系は第２光学系より手前に中間像を形成するように構成される。

請求項３に記載の投影装置によれば、スクリーンの中心を通り鉛直方向に延びる仮想上の直線を含みかつ該スクリーンに直交する平面での断面において、スクリーンの平面ミラー側端点から第１光学系の光軸までの距離をＨＬ、スクリーンの鉛直方向の長さをＶＳ、とすると、以下の条件、
０．５＜ＨＬ／ＶＳ＜０．９
を満たすことが望ましい。

請求項４に記載の投影光学系によれば、スクリーンの中心を通り鉛直方向に延びる仮想上の直線を含みかつ該スクリーンに直交する平面での断面において、スクリーンの平面ミラー側端点から第１光学系の光軸までの距離と、第１光学系の光軸から第２光学系の有効反射領域の最下端までの距離との和をＨＭとすると、以下の条件、
０．７＜ＨＭ／ＶＳ＜１．０
を満たすことが望ましい。

請求項５に記載の投影光学系によれば、スクリーンの中心を通り鉛直方向に延びる仮想上の直線を含みかつ該スクリーンに直交する平面での断面において、スクリーンに入射する光線における最大入射角（単位：degree）をθｕ、スクリーンに入射する光線における最小入射角（単位：degree）をθＬ、とすると、以下の条件、
０．５＜θＬ／θｕ＜０．８５
を満たすことが望ましい。

請求項６に記載の投影光学系によれば、平面ミラーの法線とスクリーンの法線とがなす角度（単位：degree）をθＭとすると、以下の条件、
７５＜｜θＭ｜＜８６
を満たすことが望ましい。

また、請求項７に記載の投影光学系によれば、表示素子はスクリーンに対して略垂直に配置されており、該表示素子から前記第１光学系の少なくとも一部までの光軸は、スクリーンに略平行でかつ略水平方向に沿って配設されており、投影光学系は、表示素子および第１光学系の少なくとも一部から射出された光束を第２光学系に向かう方向に偏向する偏向部をさらに有するように構成することができる。

以上のように、本発明に係る投影装置によれば、正のパワーを持つ反射面を有する投影光学系を採用し、かつ上記のように各部材を配置構成することにより、フレームレス化された投影装置が提供される。また装置内部において、上記反射面の有効領域は、投影光学系を構成する他の部材、詳しくは第１光学系の光軸よりも下方に配置される。つまり像を拡大投影する投影光学系を構成する各部材において相対的に大型であることが要求される上記反射面を、光路と干渉するおそれがない装置下部に配置することになる。これにより、設計の自由度も高まり、薄型化された投影装置が提供される。

以下、本発明に係る投影装置の具体的実施形態について説明する。なお、本文では、投影装置および該装置内部に配設される光学系を説明するにあたり、便宜上、通常使用状態において、スクリーンの厚み方向をＸ方向、鉛直方向（高さ方向）をＹ方向、水平方向（幅方向）をＺ方向と定義する。

図１および図２は、通常使用状態における実施形態の投影装置１００の概略構成を示す断面図である。図１は、投影装置１００の正面（図中左側）に設けられたスクリーンＳの中心を通り鉛直方向（Ｙ方向）に延びる仮想上の直線を含みかつ該スクリーンＳに直交する平面での断面図である。また図２は、装置１００背面からスクリーンＳを臨んだＹ−Ｚ平面での断面図である。なお、図１に示す破線は投影装置１００の外形、つまりハウジングを示す。後述する図３（Ａ）においても同様とする。

投影装置１００は、スクリーンＳの他に、内部に投影光学系１０と平面ミラー２０を有する。投影光学系１０は、矩形状の表示領域を有し、該表示領域に所定の像を表示する表示素子１０ａを有する。また、投影光学系１０は、光路上、表示素子１０ａ側から順に第１光学系Ｌ１、ミラーＭ１、第２光学系Ｌ２を有する。

本実施形態の第１光学系Ｌ１は、全体として正のパワーを持ち、光軸ＡＸがＺ方向に略平行になるように配設されている。なお、図１、図２に示す第１光学系Ｌ１は、図示を簡略化するために一枚の正レンズとして描いているが、実際には複数のレンズから構成されることもある。また本実施形態では、収差や歪曲補正を目的として第１光学系Ｌ１を構成するレンズの少なくとも一部を偏心させて配置することもある。そこで、本文における光軸ＡＸは、第１光学系Ｌ１において、光学面の芯を最も多く含む直線と定義する。ここで、図２に示すように、表示素子１０ａは、第１光学系Ｌ１の光軸ＡＸから外れた、より詳しくは光軸ＡＸよりも装置上方に平行移動した位置に配設される。これにより、像をスクリーンにおいて斜めに投影することができる。

第１光学系Ｌ１は、図示しない光源から照射され表示素子１０ａを介した光束をミラーＭ１に導く。ミラーＭ１は、図１や図２に示すように、平面ミラーであり、第１光学系Ｌ１から射出された光束を第２光学系Ｌ２に向かうように偏向する。ミラーＭ１は第１光学系Ｌ１の構成によっては、第１光学系Ｌ１内に配置されることもある。

本実施形態の第２光学系Ｌ２は、一枚の凹面鏡から構成される。第２光学系Ｌ２は、第１光学系Ｌ１から射出された光束が入射するように、投影光学系１０を構成する各部材の中で最も底面寄りに配設されている。より詳しくは、投影装置１００内において、第２光学系Ｌ２を構成する凹面鏡における有効領域は、第１光学系Ｌ１の光軸ＡＸよりも下方に位置している。

第２光学系Ｌ２は、ミラーＭ１を介して入射する光束を偏向して装置天板に配設された平面ミラー２０に導く。平面ミラー２０で反射した光束は、スクリーンＳの背面に像を投影する。スクリーンＳには、図示しないフレネルレンズが貼り付けられている。そのため、斜めに入射した光束は、スクリーンＳの前面（つまりユーザに対向する面）からほぼ直角に射出される。

次に、投影装置１００における投影光学系１０等の光学的配置について図３（Ａ）、（Ｂ）を参照しつつ詳説する。図３（Ａ）、（Ｂ）は、投影装置１００における各部材の光学的配置を説明するための図である。図３（Ａ）は、スクリーンＳの中心を通り鉛直方向（Ｙ方向）に延びる仮想上の直線を含みかつ該スクリーンＳに直交する平面での断面図であって、ミラーＭ１による偏向を展開した図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）におけるスクリーンＳ最上端近傍を含む領域Ｐを拡大して示す図である。

図３中、二点鎖線で示すように、本実施形態の第２光学系Ｌ２は、回転対称の凹面鏡として構成される。そして、第１光学系Ｌ１と第２光学系Ｌ２は、ミラーＭ１による偏向を展開した状態において、該凹面鏡の回転中心Ｏが第１光学系Ｌ１の光軸ＡＸ上に位置するように配設される。

なお、第１光学系Ｌ１は、該光学系Ｌ１から射出された光束が第１光学系Ｌ１から第２光学系Ｌ２の間に中間像ｉを形成するように設計されている。上記の通り、表示素子１０ａは第１光学系Ｌ１の光軸ＡＸよりも装置上方に平行移動した位置に配設されている。そのため、形成される中間像ｉは、光軸ＡＸよりも装置下方に形成されることになる。結果として、該凹面鏡の有効領域として形成される第２光学系Ｌ２も光軸ＡＸよりも装置下方に配設される。

上記各光学系Ｌ１、Ｌ２の配置構成は、具体的には以下の条件（１）や（２）を満たすことにより実現される。
０．５＜ＨＬ／ＶＳ＜０．９…（１）
０．７＜ＨＭ／ＶＳ＜１．０…（２）
ただし、ＨＬは、スクリーンＳの中心を通り、鉛直方向（Ｙ方向）に延びる仮想上の直線を含みかつ該スクリーンＳに直交する平面での断面において、スクリーンＳ最上端、換言すればスクリーンＳの平面ミラー２０側端点から第１光学系Ｌ１の光軸ＡＸまでの距離を、
ＶＳは、当該断面において、スクリーンＳの鉛直方向の長さを、
ＨＭは、当該断面において、上記ＨＬと、第１光学系Ｌ１の光軸ＡＸから第２光学系Ｌ２の有効領域（本実施形態では凹面鏡の有効反射領域）の最下端までの距離との和を、それぞれ表す。

条件（１）および条件（２）は、スクリーンＳの最上端から第１光学系Ｌ１の光軸ＡＸまでの距離あるいは第２光学系Ｌ２までの距離を適切に設定することにより、広画角を確保しつつも表示素子１０ａの軸外し量を抑えて投影光学系１０のイメージサークルを小さく抑えるための条件である。投影光学系１０のイメージサークルを小さくできれば、投影光学系１０の小型化、薄型化が達成され、さらには装置内部における投影光学系１０の配置の自由度も高まり、フレームレス化を実現することができる。

条件（１）の値が上限以上になると、表示素子１０ａの軸外し量が大きくなりすぎる。そのため、投影光学系１０に要求されるイメージサークルも大きくせざるを得なくなる。結果として投影光学系１０全体の大型化に繋がるため、好ましくない。条件（１）の値が下限以下になると、投影光学系１０と平面ミラー２０の間の距離を十分に確保することができなくなる。そのため、投影光学系１０が平面ミラー２０によって反射された光束の光路中に侵入してしまうため好ましくない。

条件（２）の値が上限以上になると、Ｙ方向において、スクリーンＳよりも下方に第２光学系Ｌ２が突出してしまう。つまり、スクリーンＳのサイズに適合するように設計されたハウジング内に第２光学系Ｌ２を収納することができなくなる。つまり、投影装置１００のフレームレス化が達成されなくなるため好ましくない。また、条件（２）の値が下限以下になると、投影光学系１０が平面ミラー２０によって反射された光束の光路中に侵入してしまうため好ましくない。

また、本実施形態の投影装置１００は、フレームレス化を実現するために以下の条件（３）を満たすように構成される。
０．５＜θＬ／θｕ＜０．８５…（３）
ただし、θｕは、スクリーンＳに入射する光線における最大入射角（単位：degree、本文における角度は全て同一単位とする。）を、
θＬは、スクリーンＳに入射する光線における最小入射角を、それぞれ表す。

条件（３）の値が上限以上になると、第２光学系Ｌ２と平面ミラー２０間の距離が大きくなりすぎてしまう。よって、スクリーンＳのサイズに適合するように設計されたハウジング内に第２光学系Ｌ２を収納することができなくなる。つまり、投影装置１００のフレームレス化が達成されなくなるため好ましくない。条件（３）の値が下限以下になると、第２光学系Ｌ２と平面ミラー２０間の距離を十分に確保することができなくなる。そのため、投影光学系１０が平面ミラー２０によって反射された光束の光路中に侵入することになり好ましくない。

さらに、本実施形態の投影装置１００では、上述した各条件を容易に満足できるようにするため、平面ミラー２０を、該ミラーの反射面がスクリーンＳ裏面に対して所定の鋭角をなす状態で天板に取り付けられている。具体的には、平面ミラー２０は、以下の条件（４）を満たすように配設される。条件（４）を満たすように平面ミラー２０を配置することにより、フレームレス化した装置内部において、各光学部材の配置位置が最適化され、効率よく薄型化が達成される。
７５＜｜θＭ｜＜８６…（４）
ただし、θＭは、平面ミラー２０の法線とスクリーンＳの法線とがなす角度を表す。

条件（４）の値が上限以上になると、第２光学系Ｌ２の配置位置がＸ方向においてスクリーンＳから離れすぎてしまい、投影装置１００の薄型化の妨げになるため好ましくない。また、条件（４）の値が下限以下になると、第２光学系Ｌ２の配置位置がＸ方向においてスクリーンＳに近づきすぎてしまい、投影光学系１０が平面ミラー２０によって反射された光束の光路中に侵入してしまうため好ましくない。

以上説明した、本実施形態の投影装置１００の具体的実施例を以下に示す。表１は当該実施例の投影装置１００の具体的数値構成を表す。また、表２は、当該実施例の各条件（１）〜（４）の値を示す。

各表に示すように、実施例の投影装置１００は、上述した条件（１）〜（４）を全て満たす。つまり、実施例の投影装置１００は、フレームレス化を達成しつつも投影光学系を構成する各部材の配置に関する効率を高めて全体を薄型化されている。

本発明の実施形態の投影装置の、スクリーン中心を通り鉛直方向に延びる仮想上の直線を含みかつ該スクリーンに直交する平面での断面図である。 本発明の実施形態の投影装置のＹ−Ｚ端面図である。 図３（Ａ）は、各光学系間の光路を展開して示した図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）におけるスクリーン最上端近傍を含む領域Ｐを拡大して示す図である。

符号の説明

１０ 投影光学系
１００ 投影装置
１０ａ 表示素子
Ｌ１ 第１光学系
Ｌ２ 第２光学系
Ｍ１ ミラー

Claims (7)

1. 表示素子によって表示される像をスクリーンに拡大投影するリアプロジェクション方式の投影装置であって、
   前記表示素子側から順に、正のパワーを持つ第１光学系と、正のパワーの反射面を含む第２光学系と、を有する投影光学系と、
   前記スクリーンに対して略直角をなすように前記投影装置に取り付けられており、前記投影光学系から射出された光を前記スクリーンに向けて反射する平面ミラーと、を有し、
   前記正のパワーの反射面の有効反射領域全域は、前記平面ミラーから見て前記第１光学系の光軸より遠い位置に配置されていることを特徴とする投影装置。
2. 請求項１に記載の投影装置において、
   前記表示素子は、前記第１光学系の光軸に垂直な面内で、前記平面ミラーに対して前記第１光学系の光軸より近い位置に配設されており、
   前記第１光学系は前記第２光学系より手前に中間像を形成することを特徴とする投影装置。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の投影装置において、
   前記スクリーンの中心を通り鉛直方向に延びる仮想上の直線を含みかつ該スクリーンに直交する平面での断面において、前記スクリーンの前記平面ミラー側端点から前記第１光学系の光軸までの距離をＨＬ、前記スクリーンの鉛直方向の長さをＶＳ、とすると、以下の条件、
   ０．５＜ＨＬ／ＶＳ＜０．９
   を満たすことを特徴とする投影装置。
4. 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、
   前記スクリーンの中心を通り鉛直方向に延びる仮想上の直線を含みかつ該スクリーンに直交する平面での断面において、前記スクリーンの前記平面ミラー側端点から前記第１光学系の光軸までの距離と、前記第１光学系の光軸から第２光学系の有効反射領域の最下端までの距離との和をＨＭ、前記スクリーンの鉛直方向の長さをＶＳ、とすると、以下の条件、
   ０．７＜ＨＭ／ＶＳ＜１．０
   を満たすことを特徴とする投影装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の投影装置において、
   前記スクリーンの中心を通り鉛直方向に延びる仮想上の直線を含みかつ該スクリーンに直交する平面での断面において、
   前記スクリーンに入射する光線における最大入射角をθｕ（単位：degree）、前記スクリーンに入射する光線における最小入射角をθＬ（単位：degree）、とすると、以下の条件、
   ０．５＜θＬ／θｕ＜０．８５
   を満たすことを特徴とする投影装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の投影装置において、
   前記平面ミラーの法線と前記スクリーンの法線とがなす角度（単位：degree）をθＭとすると、以下の条件、
   ７５＜｜θＭ｜＜８６
   を満たすことを特徴とする投影装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の投影装置において、
   前記表示素子はスクリーンに対して略垂直に配置されており、該表示素子から前記第１光学系の少なくとも一部までの光軸は、前記スクリーンに略平行でかつ略水平方向に沿って配設されており、
   前記投影光学系は、前記表示素子および前記第１光学系の少なくとも一部から射出された光束を前記第２光学系に向かうように偏向する偏向部をさらに有することを特徴とする投影装置。

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