JP2009086315A - 投射光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画質低下防止と装置のコンパクト化の両立を実現できる投射光学装置を提供する。
【解決手段】ライトバルブと、透過型屈折素子を含む第一光学系５および反射型屈折素子を含む第二光学系３'を有する投射光学系を備え、ライトバルブで形成された画像を投射光学系により投射面４に投射する投射光学装置において、第一光学系５は、該第一光学系５内であって、該第一光学系５が反射型素子を含む場合にはそれを除いたライトバルブ寄りの範囲内で、光軸が下方向に曲げられ、且つ、水平方向に折り曲げられている。これにより、第一光学系５の第1群５Ａは、第二光学系３'の下端を下限とする下方スペース（デッドスペース）内に収容され、装置の奥行き寸法がＤ１に狭められる。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に斜め投射光学装置に好適な投射光学装置（投射結像装置の概念を含む）に関する。本発明は、画像表示装置に応用することができる。

小型のライトバルブに２次元的に画像表示した文字や絵などの静止画、あるいは動画などの原画像を、投射光学系によって拡大投影表示する、プロジェクションタイプの画像表示装置が知られている。ライトバルブは空間変調素子とも呼ばれるが、その種類としては、透過型液晶パネル、ＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）がある。
市場でもっとも使用されているのはＤＬＰであるが、コントラスト特性に秀で、光利用効率も透過型液晶パネルに勝っているＬＣｏＳパネルは、近年の画素数増大傾向にも追従しているデバイスであり、そのシェアを拡大しつつある。

プロジェクタ型の画像表示装置としては、ライトバルブ上の画像を、装置から離して設けた反射型スクリーンなどの投射面に拡大投射し、反射光を観察するフロントプロジェクション型と、装置内に透過型のスクリーンを投射面として設け、スクリーンの背面側からライトバルブ上の画像を拡大投射し、スクリーンの表面側から投射画像を観察するリアプロジェクション型とがある。
いずれのタイプの画像表示装置においても、かかる装置をできるだけコンパクトに構成することが望ましい。また、かかる装置から投影面までの投射距離を短くすることによって、省スペースで大画面投射を実現できる。

特許文献１には、ライトバルブからスクリーンまでの間で、光路を２回折り返すことによってライトバルブ上の縦長の原画像を、スクリーン上においては横長に投影するリアプロジェクション装置が開示されている。
投射レンズ系の光路内に第一の光偏向手段として平面ミラー２９を設けて、ベース面と鉛直方向に光路を偏向させたのち、投射レンズ系とスクリーン面の間の光路に第二の光偏向手段５を設け、光路をベース面と平行方向に偏向させる構成が記載されている。
特許文献２には、投射距離を短くする投射光学装置（斜め投射光学装置）が記載されている。ライトバルブ上の原画像の中間像が、透過型屈折系によって生成され、中間像は、凹面ミラーによって、スクリーンに再結像される光学的構成配置が記載されている。
特許文献３には、レンズ群から射出した光束をミラーによって光路偏向し、光軸を折り曲げる構成が開示されている。
パネル（空間変調素子）の像は、光学系２０を通過後、ミラー４２で折り曲げられて、さらにミラー４０で折り曲げられて凹面ミラー２１に至り、この凹面ミラー２１で折り返され、さらにミラー２５で折り返されて投射面２２に投射される。

特開２００４−３４７８７２号公報 特開２００６−２３５５１６号公報 ＷＯ２００６−０５８８８４号公報

しかしながら、特許文献１記載の構成では、第一の光偏向手段２９によって、投射レンズ系はベース板面に対し鉛直方向に延びてしまっている。さらに、第二の光偏向手段５は、投射レンズ系とスクリーン面の間の光路中に設けられている。
このような構成では、ベース面からの鉛直方向の嵩が高くなっているので、フロントプロジェクション装置に適用しようとすると、装置の嵩が高くなってしまう。
特許文献２の記載の光学系にあっては、フロント投射光学装置として利用する際には、上下方向の装置全体の厚みは、最も大きな凹面ミラーのサイズ（高さ）に依存していることが明らかであるが、これに加えて、透過型屈折光学系の全体が、凹面ミラーよりもさらに上に配置されているため、装置の全体的な高さは更に高くなってしまっている。
この問題は、係る光学系をリアプロジェクション装置内に用いる場合には、リアプロジェクション装置の筐体の中にあるためさほどめだつことはなく、深刻な問題にはなりにくいが、フロントプロジェクション装置に適用しようとする場合には、装置の大きさが目立つので問題になりやすい。
また、透過型屈折光学系の下部分のスペースは、凹面ミラーの下端を下限とした広いデッドスペースとなっている。また、光学系が投射方向に直線状に並んで配置されているため、投射方向の長さ、すなわち装置奥行きが長く、コンパクトな投射装置の実現が難しくなっている（投射画像の位置より奥に光学系が位置している）。

特許文献３記載の構成では、ミラー４０で光軸が下方向に折り曲げられているが、パネル（空間変調素子）が凹面ミラー２１の下になり、セット高さが高くなる課題がある。
また、投射レンズ系と凹面ミラーの間で光路を折り返しているので、この光路偏向に要する素子のサイズが後述の理由により大きくなり、投射レンズ系から凹面ミラーに至る投射光束は投射レンズ系の光軸からはずれた位置にあるので、光路偏向素子に要する素子のセッティングも容易でない。
また、光路を折り曲げる素子を挿入するためには投射レンズ系と凹面ミラーの間の距離を広く取る必要があり、投射レンズから凹面ミラーに至る投射光束は、先に説明した特許文献２において示されている光路図からわかるように、高画角側ほどレンズ系の光軸と成す角度が大きくなる傾向を示しているので、これらの光束を受ける凹面ミラーのサイズは、レンズ系からの距離が遠くなるほど大型化し、凹面ミラーのコストもこれに伴い増大するという不具合がある。
また、投射レンズ系と凹面ミラーの間には中間像があり、その近傍で折り曲げているため、光束が集光している位置に折り返しミラーを配置しているので、投射画像の画質が、折り返しミラーの僅かな形状誤差の影響を受けて劣化しやすくなる、という問題点がある。

ところで、本発明者らの視点に基づく考察によれば、特許文献２や３に記載の「中間像を形成するタイプの光学系」においては、投射レンズ系から射出する光線には特徴がある。
すなわち、画角の高い（物体高の高いところから出射した）光線は、最終レンズにおいてレンズの端に近いところを通過し、大きな出射角を以って凹面ミラーに導かれている、という特徴がある。
このような特徴があるため、この投射レンズ系において、折り返しのための光路空間を長く取ろうとしたときには、最終レンズあるいはその近傍に配置されるレンズのサイズが大型化しやすい。
さらには、レンズ系から広がった光束を凹面ミラーが受けるので、凹面ミラーのサイズも同様に大型化しやすい。

この観点から、光軸を折り曲げる構成を有する特許文献１、３を考えて見ると、投射レンズ系から大きな出射角を以って出射した光線を折り返しミラーで光路偏向して折り曲げる構成となっている。
このような光軸の折り曲げは、上記理由によりレンズサイズ等の大型化を招き、小型化には却って妨げとなる。
また、上記のように、光束が集光している位置に折り返しミラーを配置した場合、投射画像の画質が折り返しミラーの僅かな形状誤差の影響を受けて劣化しやすくなる。
以上の通り、この種の投射光学装置においては、単に折り返しミラーで光軸を折り曲げれば装置のコンパクト化が実現できるというものではなく、画質低下防止と装置のコンパクト化の両立は極めて困難な現状にある。
特許文献３の例えば図９では、折り返しミラー３０で光軸を折り曲げた後に、レンズ９１を配置して光束の広がりを抑制する構成が見られるが、上述した「投射画像の画質が折り返しミラーの僅かな形状誤差の影響を受けて劣化しやすくなる」という問題は依然として残る。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、画質低下防止と装置のコンパクト化の両立を実現できる投射光学装置の提供を、その主な目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、投射レンズ系から大きな出射角を以って出射した光線を折り曲げるのではなく、投射レンズ系の空間変調素子側において光線が広がらない部位、あるいはそのように設計された部位で折り曲げるという考えに基づいている。
光線が広がらないようにするためには、例えば、折り曲げ空間に対して物体側（空間変調素子側）に配置されるレンズ群のパワーを正にしておくことが有効である。パワーを強くするほど光線は収束する方向に制御できることになる。軸上色収差や像面倒れなどの収差のバランスも考慮しながら設計を行うことが有効である。
折り曲げを行う空間よりも空間変調素子側にあるレンズ群から射出する光線が広がらないように設計することによって、折り曲げ空間での光線の広がり（素子のサイズアップ）を回避することができる。
また、折り曲げを行う空間には中間像が結像するような「光束集光」の条件は存在しないので、折り曲げのために設ける光路偏向手段（折り返しミラー等）の形状誤差等による画質劣化も抑制できることになる。

上記技術思想の下、請求項１記載の発明では、空間変調素子と、透過型屈折素子を含む第一光学系および反射型屈折素子を含む第二光学系を有する投射光学系と、を具備し、前記空間変調素子で形成された画像を前記投射光学系により投射面に投射する投射光学装置において、前記空間変調素子で形成された画像の中心から前記投射面に至る光路のうち、前記第二光学系から前記投射面に至る光路を通過する光線aが前記投射面の法線に対して斜めに投射され、前記光線ａの進行方向ベクトルをベクトルＡとし、前記ベクトルＡにおける、前記投射面への略平行な射影成分を上方向、その反対方向を下方向と規定するとき、前記第一光学系は、該第一光学系内であって、前記空間変調素子側寄りの範囲で、前記で規定された上下方向のベクトルを含む方向に、光軸が光路偏向手段を介して折り曲げられていることを特徴とする。

請求項２記載の発明では、請求項１記載の投射光学装置において、前記一方向のベクトルを含む上下方向と直交する方向を水平方向と規定したとき、前記第一光学系は、前記上下方向のベクトルを含む方向に加え、さらに水平方向のベクトルを含む方向にも、光軸が折り曲げられていることを特徴とする。
請求項３記載の発明では、請求項１又は２記載の投射光学装置において、前記第一光学系の、前記折り曲げ位置よりも前記空間変調素子側に配置されたレンズ群の合成パワーが正であり、該レンズ群から射出する光束は広がらず、あるいは略平行であることを特徴とする。

請求項４記載の発明では、請求項１又は２記載の投射光学装置において、前記第一光学系内での前記折り曲げ位置は、該折り曲げ位置よりも前記空間変調素子側に配置されるレンズ群から射出する光束が広がらず、あるいは略平行となることを確保できる位置であることを特徴とする。
請求項５記載の発明では、請求項１〜４のいずれか１つに記載の投射光学装置において、前記第二光学系が正のパワーを有する反射型屈折素子を含み、前記第一光学系と前記第二光学系との間に中間像が生成されることを特徴とする。

請求項６記載の発明では、請求項５記載の投射光学装置において、前記正のパワーを有する反射型屈折素子が、前記投射光学系の中で最も大きな有効径を有していることを特徴とする。
請求項７記載の発明では、請求項６記載の投射光学装置において、前記第一光学系における前記上下方向のベクトルを含む方向の折り曲げが前記反射型屈折素子の下方端側へ向けてなされ、前記第一光学系の、前記折り曲げ位置よりも前記空間変調素子側に配置された群は、前記反射型屈折素子の下方端を下限とする空間領域内に配置されていることを特徴とする。

請求項７記載の発明では、請求項１〜６のいずれか１つに記載の投射光学装置において、前記第一光学系における、前記空間変調素子側に配置された群の光軸をＬ１、光軸Ｌ１上の第一の光路偏向手段によって折り曲げられた光軸をＬ２、光軸Ｌ２上の第二の光路偏向手段によって折り曲げられた光軸をＬ３とするとき、前記第一光学系は該光学系内において前記光軸Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が同一平面上にないことを特徴とする。
請求項８記載の発明では、請求項１〜７のいずれか１つに記載の投射光学装置において、前記第一光学系はフォーカシング調整機構を有し、前記フォーカシング調整機構を前記第一光学系の前記第二光学系側の群に設けたことを特徴とする。

請求項９記載の発明では、請求項１〜８のいずれか１つに記載の投射光学装置において、前記光路変更手段の少なくとも１つは平面ミラーであることを特徴とする。
請求項１０記載の発明では、請求項１〜９のいずれか１つに記載の投射光学装置において、前記光路偏向手段を複数有し、１つの光軸上に位置する２つの光路偏向手段が一体的ないし連続的に構成されていることを特徴とする。

請求項１１記載の発明では、請求項１０記載の投射光学装置において、前記光路偏向手段は、１つの光路偏向手段が有する偏向反射面の法線と他の光路偏向手段が有する偏向反射面の法線とが直交するプリズムであることを特徴とする。
請求項１２記載の発明では、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の投射光学装置において、前記空間変調素子の制御基板は、前記投射面における左右方向、および、前記第一光学系における、前記第二光学系側に配置された群の光軸を含む面に対して略平行に配置されることを特徴とする。

請求項１３記載の発明では、請求項７記載の投射光学装置において、前記光軸Ｌ１、Ｌ２及びＬ３によって囲まれる側の空間領域に、照明光学系が配置されていることを特徴とする。
請求項１４記載の発明では、請求項１〜１３のいずれか１つに記載の投射光学装置において、前記空間変調素子は、前記第二光学系の最下端と同位、もしくは上位に配置されることを特徴とする。
請求項１５記載の発明では、請求項１〜１４のいずれか１つに記載の投射光学装置において、前記第二光学系を前記第一光学系に対して接離可能に支持する可動機構を有し、非投射時には前記第二光学系を前記第一光学系側へ移動して装置奥行き寸法を低減可能であることを特徴とする。
請求項１６記載の発明では、請求項１〜１５のいずれか１つに記載の投射光学装置において、前記第二光学系から前記投射面に至る光路に、開口部及び遮光部が設けられ、画像投射時には、前記開口部を前記第二光学系からの反射光が収束して通過することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、装置の奥行きを小さくでき、装置の小型化ないしコンパクト化を実現できる。
請求項２記載の発明によれば、第一光学系の嵩（容積）が増すのを抑えることができ、同時に、従来ではデッドスペースだった部分を有効利用でき、装置の容積を縮小することができる。
請求項３又は４記載の発明によれば、光束の広がりがない空間で折り曲げるので、レンズのサイズアップ等の弊害を回避でき、装置の小型化に確実に寄与できる。

請求項５記載の発明によれば、短い投射距離で光学的な歪のない大画面を投射する装置を実現できるのと同時に、装置の奥行きや、容積を従来より小さなものとすることができる。
請求項６記載の発明によれば、正のパワーを有する反射型屈折素子が、投射光学系の中で最も大きな有効径を有していると、装置の高さを実質決定しているミラー（反射型屈折素子）の高さが投射光学系内で最も大きいサイズであるから、その高さの範囲内に第一光学系を折り込め易くなる。
したがって、装置の高さ方向のサイズを損なうことなく、奥行きを短縮でき、また、従来問題であったデットスペースも有効利用できるようになり、装置をコンパクト化することができる。

請求項７記載の発明によれば、第一光学系内で２回以上光軸を折り曲げることによって、上下方向の偏向とこれ以外の方向への偏向を行うことができる。これ以外の方向には、たとえば上下方向の軸と直交する面内方向も含まれる。このように光軸を折り返すことによって、第一光学系の一部の上下方向高さを低くすることができる。また、これに連なる照明光学系の上下方向高さも同時に低くすることができる。総じて装置全体の嵩を低くすることができる。第一光学系内に光路偏向手段を配置するので、光路変更手段を小型化できる。また、第一光学系と第二光学系の間には折り返しミラーを配置することなく装置をコンパクト化できる。よって、第一光学系と第二光学系の間に折り返しミラーを設けるスペースが不要となり、第二光学系を第一光学系に近づけることができ、凹面ミラーサイズを小型化することができる。
請求項８記載の発明によれば、フォーカシング調整機構が装置の天面から奥まったところにある場合と比較して、調整機構の一部を天面から出して手動調整する機構とすることができるため、自動調整機構による複雑化を回避でき、小型・簡易化を実現できる。

請求項９記載の発明によれば、光路偏向手段として平面ミラーを採用しているため、光路偏向素子のコストを極めて低くすることができる。
請求項１０記載の発明によれば、２つの光路偏向手段を一体的に構成することによって、光路偏向手段の各々が有する２つの光路偏向面の相対的な配置精度を予め確保することができる。これによって光学系の組み付けが容易になり、組み付け調整コストを下げることができる。
請求項１１記載の発明によれば、一方の光路偏向手段が有する偏向反射面と他方の光路偏向手段が有する偏向反射面の法線が直交するプリズムとすることによって、光路偏向作用を一体型の光路偏向素子によって実現できる。

請求項１２記載の発明によれば、装置の嵩が制御基板サイズの影響を受けずに済むことになり、装置の嵩を低くすることができる。
空間変調素子の長手方向がベース面の法線方向になるように配置したときは、空間変調素子と制御基板を接続するケーブルは空間変調素子の短手方向についていることが多いので、ケーブルが天面側に延びるように配置することができ、これと制御基板をつなげることが容易になるとともに、制御基板とベース面を略平行に配置することもできる。
請求項１３記載の発明によれば、ベース面と平行な面内で投射光学系をＬ字型に折り曲げて配置し、その内側のスペースに照明光学系を配置することによって、装置全体のデッドスペースを少なくし、装置を小型化することができる。
請求項１４記載の発明によれば、第一光学系の上下方向の折り曲げによって、奥行き方向が短縮されると同時に、装置の高さを実質決定しているミラー（第二光学系）の高さよりも、大きくならないように第一光学系を折り込めることができる。したがって、装置の高さ方向のサイズを損なうことなく、奥行きを短縮でき、また、従来問題であったデッドスペースも有効利用できるようになり、装置をコンパクト化することができる。

請求項１５記載の発明によれば、第二光学系およびこれを支持する部材を、可動機構によって第一光学系側に移動させることができるので、収納時の装置サイズをコンパクト化できる。可動機構の一部は、第一光学系における第２群とベース面の間にあるスペースに設けることによって、装置の概観が複雑化することを回避できる。
所望の投射性能を確保するためには第一光学系と第二光学系の間隔を極端に近づけることが難しいが、装置を使用しない場合においてはこの間隔は不要である。
請求項１６記載の発明によれば、開口を通過しないフレアが投射画像上に到達しなくなるので、画像上のフレア成分を低減し、画像のコントラスト性能を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。図１乃至図７に基づいて第１の実施形態を説明する。
図７は、従来から知られているフロントプロジェクション装置（特許文献２に相当）の側面図を示している。空間変調素子としてのライトバルブ１上に生成される原画像は、第一光学系２と第二光学系３からなる投射光学系によって、被投影面４に拡大投射される。図７の例では、第一光学系２は透過型屈折系で構成されている。また、第二光学系３は反射型屈折系で構成されている。
ライトバルブ１上の原画像は、被投影面４上に正立像として投影される。また、ライトバルブ１上の原画像の倒立像が、中間像として、透過型屈折系によって、第一光学系２と第二光学系３の間に生成されている。
この中間像は、第二光学系３によって、被投影面４に正立像として投射されている。
ライトバルブ１と第一光学系２は直線状に配置されているため、装置の奥行き寸法はＤであり、第一光学系２の下面と第二光学系３の下端との間はデッドスペースとなっている。

以下に第１の実施形態を説明する。なお、図７で示した従来例と同一部分は同一符号で示す。
本実施形態を説明する前に、投射光学装置としての斜め投射光学装置におけるＹ方向がどの方向であるかを特定するために、以下のようにベクトルＡを定義する。
図１には、空間変調素子１で形成された画像の中心から投射面４に至る光路のうち、第二光学系３'から投射面４に至る光路を通過する光線を光線ａとして示している。光線ａは投射面４の法線に対して斜めに投射されている。この場合、光線ａの進行途中に偏向素子があったとしても光線ａは透過直進して投射面４に達するものとして考える。
光線ａの進行方向ベクトルをベクトルＡとし、ベクトルＡにおける、投射面４への略平行な射影成分を上方向、その反対方向を下方向と規定すると、Ｙ方向は上下方向に相当するので、光路の折り曲げ方向は上下方向を含んでいる。

図１においては、第一光学系５の光軸は、光路偏向手段６（図３参照）によって＋Ｙ側に偏向されたのち、２つ目の光路偏向手段７（図３参照）によって＋Ｘ方向に偏向されている。
本実施形態では、第一光学系５の内部で光路を折り曲げており、折り曲げ位置よりも物体側（空間変調素子側）において、少なくとも上下方向への折り曲げが行われていることを特徴とする。
より具体的には、折り曲げない場合の第一光学系の光軸より（図７参照）−Ｙ方向に折り曲げた構成とした。
このような構成を採用することで、図１に示すように、装置の奥行きは、折り曲げない場合においてはＤ２（図７におけるＤ）であったものが、Ｄ１となり、装置の奥行きを短縮できるようになった。
また、光路を折り曲げない場合の第一光学系の下部デットスペース（図７参照）に折り曲げて配置することもできるので、デッドスペースを有効利用できるようになった。

図５に本実施形態に係る投射光学装置のＹＺ平面図（図５（ａ））と、ＸＺ平面図（図５（ｂ））を示す。図５（ａ）を見ても明らかであるが、第一光学系５を構成する第１群（ライトバルブ側の群）５Ａは、ベース面（ＸＺ面）に近い位置に配置される。上面図（図５（ｂ））で示した第一光学系５の第２群５Ｂ以外のエリアが一段低いＹ１の高さとなり、装置の大部分を示す高さ（嵩）、つまり、図に示すＨの高さを低く設定できることがわかる。図５において、符号２２は装置筐体を示している。また、図５では分かりやすいように、光路偏向手段６、７の形状を矩形としている。
このように、第一光学系５の内部でＹ方向の上下方向に折り曲げることで、空間変調素子１による作像部分を低い位置に配置することができるようになった。
しかしながら、投射性能を優先し、レイアウト条件を犠牲にせざるを得ない場合がある。このように、必ずしも、折り返すための光路空間が充分に長い光学系の設計結果を得られない場合があり、その場合は光路が下方向に伸びてしまう新たな課題が発生する場合がある。
すなわち、下方向に折り曲げただけでは、下方向への長さが大きくなって第二光学系３'の下端を越え、装置高さを増加させる場合もあり得る。

本実施形態ではこの問題にも対処すべく、装置の高さが、図５（ａ）において、Ｙ３より下部にならないようにするには、少なくとも、第一光学系５を、上下方向と直交する水平方向にも折り曲げればよい。これにより、高さを抑えることができる。
つまり、このＹ２〜Ｙ３の範囲内で、−Ｙ方向に折り曲げ、かつ、水平方向にも折り曲げることにより、装置の全体的な高さが増えてしまうことを抑制できる。
空間変調素子１としては、液晶パネルなどのライトバルブが好適であるが、パネルを照明する照明系エンジンを装置の下部（デッドスペース）に配置することもできるようになるため、より重心の安定した装置が実現できる。

特に、図２の構成例において、第二光学系３'の最下端の高さはＹ３で示されているが、空間変調素子１は第二光学系３'の最下端よりも上に配置されるように設定することで、装置高さを増やすことなく、デットスペースを有効利用でき、容積がより小さい装置構成を実現することができる。
図２（拡大図）はＸＹ面図であり、第１群５Ａと第２群５Ｂの間の光路内に光路偏向手段（平面ミラー）６、７が設けられている。第１群５Ａの光軸Ｌ１（図４参照）はＺ軸方向であり、光路変更手段６によって光軸はＹ方向に偏向されている。
つづいて光路偏向手段７が設けられており、光軸Ｌ２（図４参照）はＸ軸方向に光軸Ｌ３（図４参照）として偏向されている。第２群５Ｂと、第二光学系（正のパワーを有する反射型屈折素子）３'の間の光路空間には中間像面が生成されている。
装置のベース面はＸＺ面内にあり、ベース面のＹ方向高さは、反射型屈折素子３'のＹ方向最小高さと略一致した例を図示している。

図３（斜視図）において、空間変調素子１の原画像の長手がＹ方向になるように配置した例を示している。空間変調素子１上の原画像の長手方向は、光路偏向手段６の偏向面上においてはＹＺ面内にある。
光路偏向手段６の偏向面の法線はＹＺ面上にあり、Ｚ軸に対して４５度傾けて配置されている。
光路偏向手段７の偏向面上において、空間変調素子１上の原画像の長手方向は、こんどは、Ｚ軸方向になっている。光路偏向手段７の偏向面の法線はＸＹ面上にあり、Ｘ軸に対して−４５度傾けて配置されている。
光路偏向手段７によって、光軸はＸ方向に偏向されているから、投射面はＹＺ面となるので、投射面、すなわちＹＺ面に対し、像の長手方向がＺ方向になっているので、投影画像は、横方向に長い画像となる。

以上のように構成配置すると、従来と比較して、以下のように特有の効果が得られる。
・図６に示す従来構成よりも全体的に装置の奥行きを小さくすることができる。
・従来構成例では図６にハッチングで示したようにデッドスペースが多かったのに対して、本実施形態では図１に示すように、第一光学系５の下部のデッドスペースを少なくすることができる。したがって、大きな有効径を有する第二光学系３'の大きさで生じていたデッドスペースの有効利用を行うことができるとともに、省スペース化も実現できる。
・下方向への折り曲げと水平方向への折り曲げを行ったので、デッドスペースの有効利用と共に、上下すなわち、高さ方向に折り曲げている光学系の長さに相当するスペース分だけ、水平方向の光学系の長さを短縮できる。したがって、装置の奥行き方向の短縮を実現できる。
・空間変調素子の長手方向を装置のベース面に対して鉛直方向に配置し、投射面上においてベース面と平行な方向、すなわち横方向に長い画像を投射させることができる。空間変調素子をこのように鉛直方向に配置できると、クロスプリズムなどの体積を小さくすることができるという効果も得られ、クロスプリズムのローコスト化、装置の軽量化が達成される。

また、図１、図２、ならびに図３において、光路偏向手段６および光路偏向手段７は、第一光学系５における、空間変調素子１に近い側の第１群５Ａと中間像側に近い側の第２群５Ｂ間の光路空間に連続的に配置されているので、構成の複雑化、大型化を回避して、係る偏向手段を容易に配置できる。
なお、図３の斜視図例のように、第一光学系５の第１群５Ａの光軸Ｌ１はＺ軸と平行に配置されていなくてもよい。たとえば、光軸Ｌ１はＺ軸に対して、ＸＺ面内、あるいは、ＹＺ面内で所定の角度で傾いていてもよく、左記の２つの面に傾き成分をともに有する構成も可能である。
ＸＺ面内方向に傾けて配置する場合には、その角度に応じて空間変調素子１の姿勢を適宜回転して配置すれば、投射画面上で正規の向きに画像を投射することが可能である。

図６は、第一光学系５における、第２群５Ｂを構成する光学素子の移動のみによってフォーカシング調整を行う例を示している。図６（ａ）は投射画面サイズ５０インチ、図６（ｂ）は投射画面サイズ７５インチ、図６（ｃ）は投射画面サイズ１００インチにおける例である。
このように、フォーカシング調整機構（図示せず）は第２群５Ｂに集約している。第２群５Ｂは第１群５Ａに対して装置の天面に近い位置にある。これは、フォーカシング調整機構が装置の天面から奥まったところにないことを意味する。このことによって、フォーカシング調整機構を天面側に設けて操作するような構成が複雑化、大型化しないというメリットが得られる。逆に奥まってしまうと、操作部を天面の外に出すためにフォーカシング調整機構が大型化、複雑化してしまうということは、特に説明するまでもなく容易に理解できることである。
本実施形態では、光路偏向手段６、光路偏向手段７はいずれも平面ミラーで構成した例を図示しているが、平面ミラーは安価であるという利点がある。さらには、図示していない光学系鏡枠の形状は概ね円筒形であるが、この形状との整合が得られやすいという利点もある。

図８に第２の実施形態を示す。なお、上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、特に必要がない限り既にした構成上及び機能上の説明は省略して要部のみ説明する（以下の他の実施形態において同じ）。
本実施形態では、２つの直角プリズムを一体化した構成の光路偏向手段８を有している。光路偏向手段８は、第１の実施形態における光路偏向手段６に対応する第一の直角プリズム９と、第１の実施形態における光路偏向手段７に対応する第二の直角プリズム１０とから構成されている。
第一の直角プリズム９における偏向面９Ａと第二の直角プリズム１０における偏向面１０Ａの法線は直交するように構成配置されている。これによって、前述したように、空間変調素子１の長手方向をベース面の法線方向に配置し、投射画面の長手方向がベース面と平行になるように投射することができる。このことを以下に詳細に説明する。

図８において、第一の直角プリズム９に至る光路における空間変調素子１の長手方向は両矢印で表示したようにＹ方向である。次に第一の直角プリズム９（反射面である）から第二の直角プリズム１０に至る光路において、空間変調素子１の長手方向はＺ方向である。
最後に、第二の直角プリズム１０によって偏向反射された光路において、空間変調素子１の長手方向はＺ方向である。
このように、空間変調素子１の長手方向はＹ方向からＺ方向に変換される。ここで、図１、図３に示すように、装置におけるベース面をＸＺ面としているので、このベース面に対し、投射画像の長手方向が水平となるように投射することができる。なお、ベース面は、装置を設置する面に対して略水平であるものとしている。

図９に第３の実施形態を示す。
本実施形態では、空間変調素子１の短手方向からケーブル１１を天面側に出して、制御基板１２とジョイントするようにしており、制御基板１２はベース面と平行に配置することが容易である。
このように配置すると、装置の嵩が、制御基板１２の縦ないし横の長さの制約を受けることはないので、制御基板１２の縦ないし横の長さよりも短い嵩におさめることが可能になる。
本実施形態では偏光ビームスプリッタ１３を例示しているが、ワイヤグリッド偏光子を用いてもよい。図９において、符号１４は光合成プリズムを示している。

図１０に第４の実施形態を示す。
図１０はＸＺ平面図であり、光路偏向手段６より前段すなわち空間変調素子１側の投射光学系の光軸Ｌ１はＺ方向に配置され、光路変更手段７よって、その後段の投射光学系の光軸Ｌ３はＸ方向に配置され、平面的にはＬ字型状に折り曲げられた配置になっている。
図１０においてハッチングされた領域に照明光学系を配置することによって、装置全体における無駄なスペースを少なくすることができ、装置を小型化することができる。ここでの照明光学系については、通常の照明光学系を用いることができる。少なくとも光源、照度均一化光学系が含まれ、偏光変換素子を用いれば照明光の光利用効率を向上することができる。
照度の均一化はフライアイ光学系やロッドインテグレータ素子によって行うことができる。照明光の拡散角を調整するためのコンデンサレンズも用いられる。光源としてはメタルハライドランプ、高圧水銀ランプなどのランプを用いることもできるし、レーザやＬＥＤなどの固体光源を用いることも可能である。
図１０において、偏光分離板として、偏光分離特性に優れたワイヤグリッド偏光子を用いることもできる。あるいは、偏光ビームスプリッタであってもよい。
また、図１０では照明光を波長分離板によってＲＧＢの３色に分離して、その各々を空間変調素子に照明する所謂３板方式の例を示しているが、これに限定されるものではなく、空間変調素子１は１枚で、カラースクロールフィルターによってフィールドシーケンシャルに画像を生成するようにしても本発明の効果は失われない。

図１１に第５の実施形態を示す。
図１１（ａ）および図１１（ｂ）はＸＹ平面図であり、第一光学系５の第２群５Ｂの下、ベース面側には若干のスペースがある。このスペースに第二光学系３'の可動機構１５を設け、第二光学系３'と第一光学系５の間隔が短くなる方向に移動できるようにしたものである。
可動機構１５は、第一光学系５の第２群５Ｂの下のスペースにおいてベース面に固定された固定フレーム１６と、この固定フレーム１６内に収容され、第二光学系３'側へスライド可能な２連の可動フレーム１７、１８と、先端側の可動フレーム１８の先端部に固定され、第二光学系３'を支持する支持部材１９とを有している。
これによって、装置を使用しないとき、すなわち画像を投射しないときには、図１１（ｂ）に示すように、第二光学系３'の位置を第一光学系５側に近づけて、装置全体の占有スペースを小さくできるようになっている。

図１２に第６の実施形態を示す。
図１２（ａ）および図１２（ｂ）はＸＹ平面図であり、第二光学系３'と投射面４の間の光路空間に開口部２０と遮光部２１を設けており、第二光学系３'を反射して投射面４に至る光束が開口部２０を通るように配置している。
開口部２０は単なる穴（光通過口）でもよいが、光透過性部材で構成することが好ましい。開口部２０を設けることによって投射画面上へのフレア光をカットし、コントラストなどの画質を向上する効果が得られる。また、第二光学系３'の反射面へのゴミ、塵の付着を防止することができる。第二光学系３'の反射面上にゴミや塵が付着すると、投射画質が劣化する。
投射光の熱によってゴミや塵が反射面上で焦げ付くと、恒久的な投射画質劣化を招く恐れがあるが、こうした不具合を改善する効果が得られる。
上述した開口部２０および遮光部２１は、図１２（ｂ）に示すように、第二光学系３'とともに移動して、装置内に格納することができるように構成し、これによって、収納時には装置サイズを更に小型化することが可能になっている。可動構成は例えば図１１で示したものと同様の構成を採用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る投射光学装置の使用状態の概要側面図である。 要部拡大図である。 第一光学系の光軸の折り曲げ状態を示す外観斜視図である。 光軸の折り曲げ状態を示す模式図である。 投射光学装置を示す図で、（ａ）は第二光学系と対向する側からの側面図、（ｂ）は平面図である。 フォーカシングの調整を示す要部側面図である。 従来の投射光学装置の使用状態の概要側面図である。 第２の実施形態における光路偏向手段の斜視図である。 第３の実施形態における空間変調素子とその制御基板の配置関係を示す斜視図である。 第４の実施形態における各素子の配置関係を示す概要平面図である。 第５の実施形態における可動構成を示す図である。 第６の実施形態における開口構造、遮光構造及び可動構成を示す図である。

符号の説明

１ 空間変調素子
３' 第二光学系
４ 投射面
５ 第一光学系
６、７光路偏向手段としての平面ミラー
１５ 可動機構
２０ 開口部
２１ 遮光部

Claims (17)

1. 空間変調素子と、
   透過型屈折素子を含む第一光学系および反射型屈折素子を含む第二光学系を有する投射光学系と、
   を具備し、前記空間変調素子で形成された画像を前記投射光学系により投射面に投射する投射光学装置において、
   前記空間変調素子で形成された画像の中心から前記投射面に至る光路のうち、前記第二光学系から前記投射面に至る光路を通過する光線aが前記投射面の法線に対して斜めに投射され、前記光線ａの進行方向ベクトルをベクトルＡとし、前記ベクトルＡにおける、前記投射面への略平行な射影成分を上方向、その反対方向を下方向と規定するとき、
   前記第一光学系は、該第一光学系内であって、前記空間変調素子側寄りの範囲で、前記で規定された上下方向のベクトルを含む方向に、光軸が光路偏向手段を介して折り曲げられていることを特徴とする投射光学装置。
2. 請求項１記載の投射光学装置において、
   前記一方向のベクトルを含む上下方向と直交する方向を水平方向と規定したとき、前記第一光学系は、前記上下方向のベクトルを含む方向に加え、さらに水平方向のベクトルを含む方向にも、光軸が折り曲げられていることを特徴とする投射光学装置。
3. 請求項１又は２記載の投射光学装置において、
   前記第一光学系の、前記折り曲げ位置よりも前記空間変調素子側に配置されたレンズ群の合成パワーが正であり、該レンズ群から射出する光束は広がらず、あるいは略平行であることを特徴とする投射光学装置。
4. 請求項１又は２記載の投射光学装置において、
   前記第一光学系内での前記折り曲げ位置は、該折り曲げ位置よりも前記空間変調素子側に配置されるレンズ群から射出する光束が広がらず、あるいは略平行となることを確保できる位置であることを特徴とする投射光学装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の投射光学装置において、
   前記第二光学系が正のパワーを有する反射型屈折素子を含み、前記第一光学系と前記第二光学系との間に中間像が生成されることを特徴とする投射光学装置。
6. 請求項５記載の投射光学装置において、
   前記正のパワーを有する反射型屈折素子が、前記投射光学系の中で最も大きな有効径を有していることを特徴とする投射光学装置。
7. 請求項６記載の投射光学装置において、
   前記第一光学系における前記上下方向のベクトルを含む方向の折り曲げが前記反射型屈折素子の下方端側へ向けてなされ、前記第一光学系の、前記折り曲げ位置よりも前記空間変調素子側に配置された群は、前記反射型屈折素子の下方端を下限とする空間領域内に配置されていることを特徴とする投射光学装置。
8. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の投射光学装置において、
   前記第一光学系における、前記空間変調素子側に配置された群の光軸をＬ１、光軸Ｌ１上の第一の光路偏向手段によって折り曲げられた光軸をＬ２、光軸Ｌ２上の第二の光路偏向手段によって折り曲げられた光軸をＬ３とするとき、前記第一光学系は該光学系内において前記光軸Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が同一平面上にないことを特徴とする投射光学装置。
9. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の投射光学装置において、
   前記第一光学系はフォーカシング調整機構を有し、前記フォーカシング調整機構を前記第一光学系の前記第二光学系側の群に設けたことを特徴とする投射光学装置。
10. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の投射光学装置において、
    前記光路変更手段の少なくとも１つは平面ミラーであることを特徴とする投射光学装置。
11. 請求項１〜９のいずれか１つに記載の投射光学装置において、
    前記光路偏向手段を複数有し、１つの光軸上に位置する２つの光路偏向手段が一体的ないし連続的に構成されていることを特徴とする投射光学装置。
12. 請求項１０記載の投射光学装置において、
    前記光路偏向手段は、１つの光路偏向手段が有する偏向反射面の法線と他の光路偏向手段が有する偏向反射面の法線とが直交するプリズムであることを特徴とする投射光学装置。
13. 請求項１〜１１のいずれか１つに記載の投射光学装置において、
    前記空間変調素子の制御基板は、前記投射面における左右方向、および、前記第一光学系における、前記第二光学系側に配置された群の光軸を含む面に対して略平行に配置されることを特徴とする投射光学装置。
14. 請求項７記載の投射光学装置において、
    前記光軸Ｌ１、Ｌ２及びＬ３によって囲まれる側の空間領域に、照明光学系が配置されていることを特徴とする投射光学装置。
15. 請求項１〜１３のいずれか１つに記載の投射光学装置において、
    前記空間変調素子は、前記第二光学系の最下端と同位、もしくは上位に配置されることを特徴とする投射光学装置。
16. 請求項１〜１４のいずれか１つに記載の投射光学装置において、
    前記第二光学系を前記第一光学系に対して接離可能に支持する可動機構を有し、非投射時には前記第二光学系を前記第一光学系側へ移動して装置奥行き寸法を低減可能であることを特徴とする投射光学装置。
17. 請求項１〜１５のいずれか１つに記載の投射光学装置において、
    前記第二光学系から前記投射面に至る光路に、開口部及び遮光部が設けられ、画像投射時には、前記開口部を前記第二光学系からの反射光が収束して通過することを特徴とする投射光学装置。

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