JP2011150369A - Projection optical system and projection display device including the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a projection optical system capable of adjusting height of a projected image while having a simple mechanism and a high elevation angle and capable of adjusting variation of the height of the image due to focus adjustment or change of a projection face. <P>SOLUTION: The projection optical system for projecting a light beam passing through image display elements on a screen includes only a plurality of mirrors and has an adjusting function for adjusting a projection angle of projecting the image on the screen. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、画像投射機器に用いる結像光学系に関するものであり、例えば透過/反射型の液晶パネルや米テキサスインスツルメンツ社のデジタルマイクロミラーデバイス(DMD)又はソニー株式会社のグレーティングライトバルブ(GLV)等の画像表示素子によって、画素毎に対応して変調された照明光束をスクリーン等に投射するための投射光学系、及びそれを有する投射型表示装置に好適なものである。   The present invention relates to an imaging optical system used in an image projection apparatus, such as a transmission / reflection type liquid crystal panel, a digital micromirror device (DMD) manufactured by Texas Instruments, Inc., or a grating light valve (GLV) manufactured by Sony Corporation. This is suitable for a projection optical system for projecting an illumination light beam modulated corresponding to each pixel by an image display element such as a screen, and a projection display device having the projection optical system.

近年、DLPや液晶パネル等の画像表示素子を用い、スクリーン等に拡大投射する画像投射機器が提供されている。画像表示素子を光源光束により照明し、そこで変調された透過光又は反射光を、投影光学系により投射する。   2. Description of the Related Art In recent years, an image projection device that uses an image display element such as a DLP or a liquid crystal panel to perform an enlarged projection on a screen or the like has been provided. The image display element is illuminated with a light source light beam, and transmitted light or reflected light modulated there is projected by a projection optical system.

以下本発明にて画像投射機器と記すのは機器外に投射するフロントプロジェクタである。   Hereinafter, in the present invention, an image projection device is a front projector that projects outside the device.

まず、画像投射機器の投射仰角について説明する。   First, the projection elevation angle of the image projection device will be described.

ここでは投射光学系は、一般的な共軸屈折レンズ系を前提としている。周知のように共軸レンズ系は中心に一本の回転対称軸(所謂レンズの光軸)を共有する。当該機器に於いて画像表示素子の画面中心と、その投射画像の画面中心を結ぶ、所謂主光線が、共軸レンズ系の光軸に対してなす角度を投射仰角(又は単に仰角)とする。投射仰角の定義される平面をメリディオナル平面とする。一般に鉛直方向に平行な平面である。また、機器を天井吊りにして機器より低い位置に投射する場合は俯角である。本発明の技術は俯角に関しても実質的に同様なので仰角で代表する。   Here, the projection optical system is premised on a general coaxial refraction lens system. As is well known, the coaxial lens system shares one rotational symmetry axis (the so-called optical axis of the lens) at the center. In the device, the so-called principal ray connecting the screen center of the image display element and the screen center of the projected image with respect to the optical axis of the coaxial lens system is a projection elevation angle (or simply an elevation angle). The plane in which the projection elevation angle is defined is the meridional plane. Generally, it is a plane parallel to the vertical direction. In addition, when the device is suspended from the ceiling and projected to a position lower than the device, it is a depression angle. Since the technique of the present invention is substantially the same for the depression angle, it is represented by the elevation angle.

またこのとき設計上の共軸レンズ系の最大画角(最軸外像高)は、投射画像の上部の両角(隅)へ至る光線である。   Further, at this time, the designed maximum angle of view (most off-axis image height) of the coaxial lens system is a light beam reaching both corners (corners) of the upper part of the projected image.

一般的な、共軸屈折レンズ系による画像投射機器に於いて、投射仰角は多くの場合固定(変更できない)である。そのため当該機器を使用する場合、配置上の制限があった。即ち、投射画面サイズを決めると投射距離が概ね(ズームで調整が可能だが)決まる。投射仰角が一定のため、投射距離と同時に画面の高さ方向の位置も決まる。そのため、所望する投射画像のサイズと位置に合わせて、機器の設置場所を調整すれば良いが、それは余り容易ではなかった。   In a general image projection apparatus using a coaxial refraction lens system, the projection elevation angle is often fixed (cannot be changed). Therefore, when using the device, there is a limitation in arrangement. That is, when the projection screen size is determined, the projection distance is roughly determined (although it can be adjusted by zooming). Since the projection elevation angle is constant, the position in the height direction of the screen is determined simultaneously with the projection distance. Therefore, the installation location of the device may be adjusted according to the desired size and position of the projection image, but this is not very easy.

例えば投射された画像の位置を上下するために、投射機器の端部を上下してこれを傾け、仰角を変更する。即ち、像面に対する光軸の角度を所定の状態から傾ける。すると投射画像に台形歪みが発生する。一部の機器では、画像表示素子上で逆の歪みを与え、この歪みを補正する機能を持つ。しかしながら、該方法では、画像表示素子上の画像を敢えて部分的に縮小表示するので、画像表示素子本来の持つ解像力の一部を損なう。これは、近年強まる画像高精細化の要求から余り好ましくない。   For example, in order to move the position of the projected image up and down, the end of the projection device is moved up and down to tilt it, and the elevation angle is changed. That is, the angle of the optical axis with respect to the image plane is tilted from a predetermined state. Then, trapezoidal distortion occurs in the projected image. Some devices have a function of applying reverse distortion on the image display element and correcting the distortion. However, in this method, since the image on the image display element is intentionally reduced and partially displayed, a part of the resolving power inherent in the image display element is lost. This is not preferable because of the demand for higher image definition that has been strengthened in recent years.

一方、共軸屈折レンズ系を用いる一部の機器ではレンズシフトと呼ばれる投射角調整機構を有するものがある。それは、下記に説明するような問題を有する。   On the other hand, some devices using a coaxial refraction lens system have a projection angle adjustment mechanism called lens shift. It has problems as described below.

周知のように共軸屈折レンズ系は、光軸を中心に設計上の回転対称な円形の良像範囲(イメージサークル)を有する。一般に、光軸付近(軸上)が最も結像性能が高く、光軸から離れる周辺部(軸外〜最軸外)ほど性能は低い。通常、カメラなどの撮像レンズでは、主に軸上を中心とした範囲を使用する。ところが、画像投射機器の投射レンズの場合は、光軸から外れた部分(軸外領域)を主として使用する。この理由は軸上を中心に使用すると投射仰角が小さくなるからである。   As is well known, the coaxially refracting lens system has a circularly good image range (image circle) that is rotationally symmetric in design around the optical axis. In general, the vicinity of the optical axis (on the axis) has the highest imaging performance, and the performance is lower in the peripheral part (off-axis to off-axis) from the optical axis. Usually, an imaging lens such as a camera mainly uses a range centered on the axis. However, in the case of a projection lens of an image projection device, a portion (off-axis region) that is off the optical axis is mainly used. The reason for this is that the projection elevation angle becomes small when used on the axis.

仰角を最大にするには、物体側で画像表示素子の下端の両角(かど)部がイメージサークルに内接し、同上辺が光軸に一致する配置を用いる。即ち、レンズのイメージサークルの丁度半分(半画角)しか使用しない。   In order to maximize the elevation angle, an arrangement is used in which both corners at the lower end of the image display element on the object side are inscribed in the image circle and the upper side coincides with the optical axis. That is, only half of the lens image circle (half angle of view) is used.

仰角を更に大きくするにはイメージサークルを大きく(画角を広く)設計し、画面内に光軸を含まないところまで画像表示素子をシフトさせる。即ち、画面全域で軸外領域だけを使用する構成である。この様子を図9に示す。しかし、光軸から離れるほど結像性能は低くなる。画角の大きなレンズは設計製造も難しくなる。また、性能の良い軸上部分を全く使用しないのは無駄である。従って、最大仰角の事実上の限度は半画角時で、一般に10〜15°程度である。   In order to further increase the elevation angle, the image circle is designed to be large (the angle of view is widened), and the image display element is shifted to a place where the optical axis is not included in the screen. That is, only the off-axis region is used in the entire screen. This is shown in FIG. However, the imaging performance decreases as the distance from the optical axis increases. A lens with a large angle of view is difficult to design and manufacture. Also, it is useless to use no on-axis portion with good performance. Therefore, the practical limit of the maximum elevation angle is half angle of view and is generally about 10 to 15 °.

このレンズシフト機構では、画像表示素子と共軸レンズ系の位置関係をメリディオナル面内にてシフトさせる。先に記した仰角最大(画像が最も高い位置)状態から、画像表示素子の中心が光軸に近づくように相対的に平行シフトさせる。素子の中心に光軸が一致する(水平)までシフトさせれば、画像の投射高さは下がる。この操作で水平方向へ投射している状態までの範囲において投射画像の高さを連続可変できる。通常、実際に的に動くのはレンズの方である。   In this lens shift mechanism, the positional relationship between the image display element and the coaxial lens system is shifted within the meridional plane. From the state of maximum elevation angle described above (position where the image is highest), the image display element is relatively shifted in parallel so that the center of the image display element approaches the optical axis. If the shift is made until the optical axis coincides with the center of the element (horizontal), the projection height of the image decreases. With this operation, the height of the projected image can be continuously varied in the range up to the state of projecting in the horizontal direction. Normally, it is the lens that actually moves.

ところが前述のように最大仰角が半画角なので、この方法での可変範囲は、水平〜最大仰角までの間を可変できるに留まる。これは、仰角が固定の機器の画像高さと同じところから画像を下へ下げられるだけである。   However, since the maximum elevation angle is a half angle of view as described above, the variable range in this method can only be varied from horizontal to the maximum elevation angle. This can only lower the image down from the same height as the image height of the fixed device.

一方で、最近軸外し光学系を利用し、光学系全体の小型化を図った結像系が種々提案されている。軸外し光学系では、構成面を自由形状の非回転対称非球面、所謂自由曲面にすることで、十分収差が補正された光学系が構築可能である。例えば、特許文献1にその設計法が、特許文献2、3にはその設計例が、それぞれ開示されている。   On the other hand, various imaging systems have recently been proposed that use off-axis optical systems to reduce the size of the entire optical system. In the off-axis optical system, it is possible to construct an optical system in which aberrations are sufficiently corrected by making the constituent surface a free-form non-rotationally symmetric aspherical surface, a so-called free-form surface. For example, Patent Document 1 discloses the design method, and Patent Documents 2 and 3 disclose the design example.

また、これを利用した画像投射機器が提案されている。共軸屈折レンズ系に自由曲面反射面を組み合わせたものや、光学系全てを自由曲面反射面で構成したものなどである。   In addition, an image projection device using this has been proposed. There are a combination of a free-form reflecting surface and a coaxial refractive lens system, and a configuration in which the entire optical system is formed of a free-form reflecting surface.

これらの光学系の特徴として、
・光路の配置自由度が高い、
反射面のみで構成した光学系の場合、
・原理的に色収差が出ない、
共軸屈折レンズ系のように全ての面が対向していないため、
・各面間の繰り返し反射が起こりにくい、
・即ちゴースト、フレアが発生しにくい、
等の特徴がある。
As a feature of these optical systems,
・ High degree of freedom in optical path placement,
In the case of an optical system composed only of reflective surfaces,
・ No chromatic aberration in principle
Because not all surfaces are facing like a coaxial refraction lens system,
・ Repetitive reflections between each surface are unlikely to occur.
・ In other words, ghosts and flares are unlikely to occur.
There are features such as.

該曲面反射光学系を利用した投射光学系(一部は非球面レンズなどの屈折光学素子も併用)の特許としては、特許文献4(ミノルタ)、5(ミノルタ)、6(日照技研)等に開示されている。   Patents of the projection optical system using the curved reflection optical system (some of which also use a refractive optical element such as an aspheric lens) are disclosed in Patent Documents 4 (Minolta), 5 (Minolta), 6 (Nichijo Giken), etc. It is disclosed.

これらの構成をフロントプロジェクタに用いれば、例えば40°を超えるような大きな投射仰角も良好な性能で設計することができる。   If these configurations are used for a front projector, a large projection elevation angle exceeding 40 °, for example, can be designed with good performance.

本来共軸屈折レンズ系を用いた投射系の仰角は、10〜15°程度で低い。そこで高い位置に投射しようとすると、機器をスクリーンから遠ざける必要がある。すると、投射画面が不必要に大きくなることがある。また、投射機器が鑑賞者に近づいてきて邪魔であるとか、熱排気や騒音などの問題が生ずる。一方で、機器を傾けて投射位置を上げると、台形歪みが出て、これを電気的に補正すると画質が劣化する。レンズシフトによる調整機構を有する場合でも、最大の投射仰角は先の10〜15°程度を超えるものではない。また、このときの仰角調整範囲も該最大仰角から、0°(水平)投射までの範囲で変えられるにとどまる。即ち、低い範囲で変えられるだけである。   The elevation angle of a projection system that originally uses a coaxial refraction lens system is as low as about 10 to 15 °. So if you want to project to a higher position, you need to move the device away from the screen. Then, the projection screen may become unnecessarily large. In addition, problems such as thermal exhaust and noise occur when the projection device gets close to the viewer. On the other hand, if the device is tilted to raise the projection position, a trapezoidal distortion is generated, and when this is electrically corrected, the image quality deteriorates. Even in the case of having a lens shift adjustment mechanism, the maximum projection elevation angle does not exceed the previous 10 to 15 degrees. In addition, the elevation angle adjustment range at this time can only be changed within the range from the maximum elevation angle to 0 ° (horizontal) projection. That is, it can only be changed within a low range.

一方で、反射面を利用した投射光学系であれば、例えば40°を超える高い投射仰角でも台形歪みを出さないものが実現可能である。また、軸外し自由曲面反射光学系は共軸光学系に比較して近距離高倍率(ワイド)な構成が採り易い。近距離で大画面投射であるため、機器を前後に僅かな距離だけ移動すれば、画面サイズが大きく変化する。この効果を利用すればズーム機構がなくとも画面サイズ調整が容易に出来る。   On the other hand, if it is a projection optical system using a reflective surface, what does not produce trapezoidal distortion even at a high projection elevation angle exceeding 40 °, for example, can be realized. Further, the off-axis free-form surface reflecting optical system is easy to adopt a short distance high magnification (wide) configuration as compared with the coaxial optical system. Since it is a large screen projection at a short distance, if the device is moved a small distance back and forth, the screen size will change greatly. If this effect is used, the screen size can be easily adjusted without a zoom mechanism.

特開平9−005650号公報JP 9-005650 A 特開平8−292371号公報JP-A-8-292371 特開平8−292372号公報JP-A-8-292372 特開2001−215412号公報JP 2001-215212 A 特開2001−215612号公報JP 2001-215612 A 国際公開番号WO97/01787号公報International Publication No. WO 97/01787

しかしながら、このような高仰角投射可能な投射機器には以下のような問題がある。本来投射仰角が大きいことが災いし、上記機器の前後移動に伴い画像の高さも大きく上下移動することである。同様に、フォーカシングに対しても画面が上下移動する。共軸系の場合も同様の現象は生じているが、仰角が小さいため目立たなかった。   However, such a projection apparatus capable of projecting at a high elevation angle has the following problems. Originally, a large projection elevation angle is a disaster, and the height of the image greatly moves up and down as the device moves back and forth. Similarly, the screen moves up and down for focusing. In the case of the coaxial system, the same phenomenon occurs, but it is not noticeable because the elevation angle is small.

上記課題を解決するために本発明の投射光学系は、画像表示素子を経た光束を投射するための投射光学系であって、前記画像表示素子を経た光束を投射する角度を調整する投射角度調整機能と、所定の面に対してフォーカス調整を行うフォーカス調整機能と、を備え、前記投射角度調整機能は、前記フォーカス調整機能と同期連動して、前記所定の面における前記投射光学系による投射画像の高さの変化が所定の範囲内に保つように前記角度を調整することを特徴としている。 In order to solve the above problems, a projection optical system of the present invention is a projection optical system for projecting a light beam that has passed through an image display element, and adjusts an angle at which the light beam that has passed through the image display element is projected. And a focus adjustment function for performing focus adjustment on a predetermined surface, and the projection angle adjustment function is a projection image by the projection optical system on the predetermined surface in synchronization with the focus adjustment function. The angle is adjusted so that the change in the height is kept within a predetermined range.

更には、前記投射角度調整機能は、前記フォーカス調整機能と同期連動して、前記投射画像の高さが一定に保つように前記角度を調整することを特徴としている。また、また、前記フォーカス調整機能は、前記面と前記投射光学系との間の距離が変化した際に、オートフォーカス動作を行っており、前記投射角度調整機能は、該オートフォーカス動作にに同期して、前記投射画像の高さの変化が前記所定の範囲に保つように前記角度を調整することを特徴としている。Furthermore, the projection angle adjustment function adjusts the angle so as to keep the height of the projection image constant in synchronization with the focus adjustment function. In addition, the focus adjustment function performs an autofocus operation when the distance between the surface and the projection optical system changes, and the projection angle adjustment function is synchronized with the autofocus operation. Then, the angle is adjusted so that the change in the height of the projected image is kept within the predetermined range.

また、本発明の別側面の投射光学系は、画像表示素子を経た光束を投射するための投射光学系であって、前記画像表示素子を経た光束を投射する角度を調整する投射角度調整機能と、所定の面に対してフォーカス調整を行うフォーカス調整機能と、を備え、前記投射角度調整機能は、前記フォーカス調整機能と同期連動して、前記所定の面における前記投射光学系による投射画像の高さの変化が所定の軌跡に従うように前記角度を調整することを特徴としている。A projection optical system according to another aspect of the present invention is a projection optical system for projecting a light beam that has passed through an image display element, and a projection angle adjusting function that adjusts an angle at which the light beam that has passed through the image display element is projected. A focus adjustment function for performing focus adjustment on a predetermined surface, and the projection angle adjustment function synchronizes with the focus adjustment function to increase a height of a projection image by the projection optical system on the predetermined surface. The angle is adjusted so that the change of the height follows a predetermined locus.

更に、前記フォーカス調整機能は、前記面と前記投射光学系との間の距離が変化した際に、オートフォーカス動作を行っており、前記投射角度調整機能は、該オートフォーカス動作にに同期して、前記投射画像の高さの変化が所定の軌跡に従うように前記角度を調整することを特徴としている。Further, the focus adjustment function performs an autofocus operation when the distance between the surface and the projection optical system changes, and the projection angle adjustment function is synchronized with the autofocus operation. The angle is adjusted so that the change in the height of the projected image follows a predetermined trajectory.

また、前述の投射光学系は、表面反射ミラーのみを複数枚組み合わせて構成されていることが望ましい。   Further, it is desirable that the above-described projection optical system is configured by combining only a plurality of surface reflection mirrors.

また、本発明の投射型表示装置は、少なくとも1つの画像表示素子と、前記少なくとも1つの画像表示素子からの光を投射する、請求項1乃至15いずれかに記載の投射光学系とを有することを特徴としている。   Moreover, the projection type display apparatus of this invention has an at least 1 image display element and the projection optical system in any one of Claims 1 thru | or 15 which projects the light from the said at least 1 image display element. It is characterized by.

簡単な機構で高仰角でありながら投射画像高さ調整が可能になり、またフォーカス調整や投射面変更による画像高さの変動を調整できる投射光学系を提供することが可能となる。   It is possible to provide a projection optical system that can adjust the height of the projected image while maintaining a high elevation angle with a simple mechanism, and that can adjust fluctuations in the image height due to focus adjustment or change of the projection surface.

本発明の第一実施例の投射光学系要部概略図Schematic diagram of essential parts of the projection optical system of the first embodiment of the present invention 本発明の第一実施例の投射光学系の全有効範囲光路概観図Overview of the entire effective range optical path of the projection optical system of the first embodiment of the present invention 本発明の第一実施例の投射光学系下方向シフトの概観図Overview of the downward shift of the projection optical system of the first embodiment of the present invention 本発明の第一実施例の投射光学系上方向シフトの概略図Schematic of the upward shift of the projection optical system of the first embodiment of the present invention 本発明の第一実施例の機能説明図Functional explanatory diagram of the first embodiment of the present invention 本発明の第一実施例の投射光学系の概観図Overview of the projection optical system of the first embodiment of the present invention 本発明の第二実施例の動作機能説明図Operational function explanatory diagram of the second embodiment of the present invention 本発明の第三実施例の動作機能説明図Operational function explanatory diagram of the third embodiment of the present invention 屈折系による投射結像系の従来例Conventional example of projection imaging system by refraction system

反射面を利用した軸外し投射光学系に於いては、様々なメリットが明らかでありながらも先に述べた問題が残る。そこで、それらの問題点を解決すると共に、新たなる効果をもたらす方法を考案した。その手段として、反射光学系に対して、共軸レンズ系で用いられているレンズシフトの考え方を導入する。反射光学系に適用することにより、共軸屈折系の場合よりも大きな効果を得ることができる。本実施例に記載した軸外し投射光学系は、自由曲面反射面(回転非対称な反射面)で構成された投射光学系であり、好ましくは反射面のみで形成されていることが望ましいが、複数の自由曲面反射面の(光路上の)両側又は片側にレンズ等の屈折光学素子や回折光学素子等を有していても構わない。   In the off-axis projection optical system using the reflecting surface, the above-mentioned problems remain although various advantages are obvious. Therefore, we devised a method to solve these problems and to bring about new effects. As a means for this, the concept of lens shift used in the coaxial lens system is introduced to the reflective optical system. By applying it to a reflective optical system, a greater effect than in the case of a coaxial refraction system can be obtained. The off-axis projection optical system described in the present embodiment is a projection optical system constituted by a free-form curved reflecting surface (rotationally asymmetric reflecting surface), and preferably formed by only the reflecting surface. A refracting optical element such as a lens, a diffractive optical element, or the like may be provided on both sides or one side (on the optical path) of the free-form curved reflecting surface.

以下、本実施例の軸外し投射光学系について述べる。   Hereinafter, the off-axis projection optical system of this embodiment will be described.

反射面の軸外し投射光学系には、本来軸上/軸外の概念がないので、設計に際して予め高い投射仰角を中心使用範囲として設定することが可能である。該光学系に対しては、例えそれが共軸系の半画角としては設計が不可能なほど大きな角度であっても、多くの場合、好適な性能に設計可能という特質を有している。   Since the off-axis projection optical system of the reflecting surface does not originally have an on-axis / off-axis concept, it is possible to set a high projection elevation angle as the center use range in advance during design. The optical system has a characteristic that it can be designed to have suitable performance in many cases even if the angle is so large that the half angle of view of the coaxial system cannot be designed. .

仮にある投射仰角に対して光学系を設計し、これを基準の投射仰角の状態であると定義する。次に各反射面上の有効域サイズを、メリディオナル面内に対応する上下両方向に1次元的に所定の大きさだけ延長拡大したものを設計する。或いは、予めその画像表示素子のサイズをメリディオナル方向上下に所定の面積だけ延長拡大した仮の画像表示素子を設定して、これに対して光学系を設計する方法もある。   An optical system is designed for a certain projection elevation angle, and this is defined as a reference projection elevation angle state. Next, an effective area size on each reflecting surface is designed to be extended and enlarged one-dimensionally by a predetermined size in both the upper and lower directions corresponding to the meridional surface. Alternatively, there is a method in which an optical system is designed for a temporary image display element in which the size of the image display element is previously extended and enlarged by a predetermined area vertically in the meridional direction.

有効域の拡大分は、光学系自体の大きさや、構成する各ミラーの機械的干渉を考慮し、また画像表示位置の調整可能量を考慮して決める。調整可能範囲は広い方が良いが、必要以上に広くても実質的に殆ど使用しないのでは、光学系も大きくなり無駄である。実用的には投射仰角が45°前後の場合、投射画面のメリディオナル方向の辺の長さに対して上下各20〜30%増し程度が妥当である。   The enlargement of the effective area is determined in consideration of the size of the optical system itself, the mechanical interference of the constituent mirrors, and the adjustable amount of the image display position. A wider adjustable range is better, but even if it is wider than necessary, if it is practically hardly used, the optical system becomes large and wasted. Practically, when the projection elevation angle is around 45 °, it is reasonable to increase the height by 20 to 30% with respect to the length of the side in the meridional direction of the projection screen.

画像表示素子と投射光学系の位置関係は、当初は基準の位置(例えば調整範囲の中央付近)にあり、必要に応じて光学系を全体でメリディオナル方向に相対的に移動する。この移動により投射画像の上下方向位置は設定した範囲に応じて移動し、例えば画面縦方向サイズの30%の調整が可能になる。   The positional relationship between the image display element and the projection optical system is initially at a reference position (for example, near the center of the adjustment range), and the optical system as a whole moves relatively in the meridional direction as necessary. By this movement, the vertical position of the projected image moves according to the set range, and for example, 30% of the screen vertical size can be adjusted.

このような軸外し反射系によるシフト機構は、その効果に於いて共軸レンズ系のそれより優れた特徴がある。それは、本来共軸レンズ系では実現不可能な大きな投射仰角に投射可能であって、そこを中心に上下に画像高さ位置が調整できることである。該光学系の場合、元来軸上/軸外の区別がないので、標準の投射仰角を屈折系に於ける軸上のように扱い、そこから更に大きな仰角を与える方向に調整可能な設計ができる。   Such a shift mechanism using an off-axis reflection system is superior to that of a coaxial lens system in its effect. That is, it is possible to project at a large projection elevation angle that cannot be realized by a coaxial lens system, and the image height position can be adjusted up and down around the projection elevation angle. In the case of the optical system, since there is no distinction between on-axis and off-axis, a standard projection elevation angle is treated as if it is on an axis in a refraction system, and a design that can be adjusted in a direction that gives a larger elevation angle therefrom. it can.

但し、仰角を際限なく大きくしても良いわけではないことには注意しなければならない。像面で光軸に垂直な方向の結像性能は良くても、像面へ大きな入射角を持つ画角では、メリディオナル方向に於ける実質的な解像度は像面への入射角θに依存して損なわれる。像面上でのスポットサイズ(又は最小錯乱円径)は、入射角θのとき1/COSθ倍だけ大きくなるからである。また、鑑賞者に届く光束はスクリーンによる拡散反射成分である。そのため拡散性が極端に少ない(鏡面に近い平滑な)スクリーンの場合、入射角度が大きくなる画面の上端部など(下から投射する場合)で、画面が暗く見えることもある。これはスクリーン上端部に入射する光束が、殆ど散乱されずにほぼ正反射され上方へ逃げてしまうからである。   However, it should be noted that the elevation angle may not be increased without limit. Although the imaging performance in the direction perpendicular to the optical axis on the image plane is good, the effective resolution in the meridional direction depends on the incident angle θ on the image plane at an angle of view with a large incident angle on the image plane. Will be damaged. This is because the spot size (or the minimum circle of confusion) on the image plane increases by 1 / COSθ times at the incident angle θ. The light beam reaching the viewer is a diffuse reflection component by the screen. Therefore, in the case of a screen with extremely low diffusivity (smooth near a mirror surface), the screen may appear dark at the upper end of the screen where the incident angle is large (when projecting from below). This is because the light beam incident on the upper end of the screen is almost regularly reflected without being scattered and escapes upward.

しかしながら、本発明の方法であれば、光学系全体を一体として画像表示素子に対して相対的にシフトさせるだけで済むので機構が簡単である。また、該光学系はミラーの相対位置関係の変位誤差に弱いので、ミラーを個別に動かさずに済むことは結像性能を十分発揮させる上でも好適である。   However, according to the method of the present invention, the mechanism is simple because it is only necessary to shift the entire optical system as a unit relative to the image display element. In addition, since the optical system is vulnerable to a displacement error in the relative positional relationship of the mirrors, it is preferable not to move the mirrors individually in order to sufficiently exhibit the imaging performance.

また、本件の投射光学系のフォーカシング機構は、例えば光学系全体を画像表示素子に対して繰り出す方法が適している。このような全体繰り出しの場合、上記のシフト機構と方向が異なるだけなので機構的に共通の構成を採り易い。しかしながら、勿論一部の反射面だけを動かしてフォーカシングする部分系フォーカシングの構成であっても、本発明の適用は問題なく、効果も変わらない。   For the focusing mechanism of the projection optical system of the present case, for example, a method in which the entire optical system is extended to the image display element is suitable. In the case of such an overall extension, since only the direction is different from that of the above-mentioned shift mechanism, it is easy to adopt a common structure mechanically. However, even in the case of a partial focusing structure in which only a part of the reflecting surfaces are moved for focusing, the application of the present invention has no problem and the effect does not change.

詳細は後述するが上記のように機器を前後させて画面サイズを調整するときやフォーカシングを行う際に画面が上下に移動する。このとき該投射仰角調整機構と同期連動されると新たな効果が得られる。   Although details will be described later, the screen moves up and down when adjusting the screen size by moving the device back and forth as described above or when performing focusing. At this time, if synchronized with the projection elevation angle adjusting mechanism, a new effect is obtained.

先述のように、近距離高倍率(ワイド)であって、且つ高仰角投影が可能な投射機器の場合、機器本体を像面に対し前後させて画面サイズの調整したり、フォーカシング操作をすると画像高さの上下移動が発生する。ここで軸外し反射光学系のシフトによる投射画像の高さ調整機構により、これを再調整して実質的に相殺することができる。   As described above, in the case of a projection device that is short-range, high-magnification (wide) and capable of high-elevation projection, the image can be displayed by adjusting the screen size or performing a focusing operation by moving the device body back and forth with respect to the image plane. A vertical movement of the height occurs. Here, the height adjustment mechanism of the projected image by shifting the off-axis reflecting optical system can readjust this and substantially cancel it.

また、この画面サイズ調整のための投射機器の前後移動によって発生する、投射画像高さ上下移動に同調させて、画像高さ調整を行う方法もある。この場合には、画像サイズ調整操作による画像高さの変動を相殺するように光学系シフト機構が連動する。この結果、画像サイズ調整操作を行っても画像の高さ位置を一定に保つことが可能である。   There is also a method of adjusting the image height in synchronism with the vertical movement of the projected image generated by the back-and-forth movement of the projection device for adjusting the screen size. In this case, the optical system shift mechanism is interlocked so as to cancel the fluctuation of the image height due to the image size adjustment operation. As a result, the height position of the image can be kept constant even when the image size adjustment operation is performed.

画面高さを一定に保つ場合でも画面中心高さを維持する場合や、画面の上端、下端の高さを固定するということなども任意に可能である。更に、敢えて画像高さの変化を所望の範囲で許容する、例えば緩やかに変化するようにする、曲線を含む所望の軌跡を辿るように変化する、などの方法もある。   Even when the screen height is kept constant, the center height of the screen can be maintained, or the heights of the upper and lower edges of the screen can be fixed arbitrarily. Further, there is a method that dares to change the image height within a desired range, for example, to change the image height gently, or to change to follow a desired locus including a curve.

更に、フォーカシング操作によって投射画像高さが上下に移動するのに同調して、前述の光学系シフトによる画像高さ調整を行う方法もある。この場合には、フォーカシング操作による画像高さの変化を相殺するように光学系シフトが連動する。この結果、フォーカス操作を行っても、画像の高さを一定に保つことが可能である。   Further, there is a method of adjusting the image height by the above-described optical system shift in synchronization with the projected image height moving up and down by the focusing operation. In this case, the optical system shift is interlocked so as to cancel the change in the image height due to the focusing operation. As a result, the height of the image can be kept constant even when the focus operation is performed.

フォーカシング時に於いても、画面高さを一定に保つ場合でも画面中心高さを維持する場合や、画面の上端、下端の高さを固定するということなども任意に可能である。更に、敢えて画像高さの変化を所望の範囲で許容する、例えば緩やかに変化するようにする、曲線を含む所望の軌跡を辿るように変化する、などの方法もある。   Even during focusing, it is possible to maintain the center height of the screen even when the screen height is kept constant, or to fix the heights of the upper and lower ends of the screen. Further, there is a method that dares to change the image height within a desired range, for example, to change the image height gently, or to change to follow a desired locus including a curve.

次に、実施形態について具体的に説明するために、まず基準光軸、グローバル座標系、ローカル座標系の3つの項目について定義し説明する。   Next, in order to specifically describe the embodiment, first, three items of a reference optical axis, a global coordinate system, and a local coordinate system will be defined and described.

本発明で対象とする光学系は軸外しの反射光学系である(又はこれを含む)ため反射光学系を構成する各面は共通の光軸を持っていない。本発明の実施形態においては、まず、画像表示素子中心から投射画像中心へ至る光線を基準と考え、この光線を基準光軸と定義する。基準光軸は実施例図中では特に他の光線と明確に分けて描画されていない。   The optical system that is the subject of the present invention is an off-axis reflection optical system (or includes this), and therefore each surface constituting the reflection optical system does not have a common optical axis. In the embodiment of the present invention, first, a light ray from the center of the image display element to the center of the projection image is considered as a reference, and this light ray is defined as a reference optical axis. The reference optical axis is not clearly drawn separately from other light beams in the embodiment drawings.

次に、光学系全体に対して定義されるグローバル座標系(グローバル座標は大文字XYZで表現する)を考える。各実施例の図中に記載したXYZ座標系の軸が同図の光学系全体に対して定義されたグローバル座標系の向きである。尚、座標系は右手系とする。実施例の図示の方向にも因るが、本発明に於いて何れの実施例でも前記基準光軸は必ずYZ面内に存在する。グローバル原点は、物体平面と前記基準光軸の交点と定義する。また、グローバル原点は物体面である画像表示素子の中心に位置する。   Next, consider a global coordinate system defined for the entire optical system (global coordinates are expressed in capital letters XYZ). The axes of the XYZ coordinate system described in the drawings of the respective examples are the orientations of the global coordinate system defined with respect to the entire optical system of FIG. The coordinate system is a right-handed system. Although depending on the direction of illustration of the embodiment, in any embodiment of the present invention, the reference optical axis always exists in the YZ plane. The global origin is defined as the intersection of the object plane and the reference optical axis. The global origin is located at the center of the image display element that is the object plane.

光学系を構成する第m面の面形状を表現する方法として、グローバル座標系を用いて第m面の形状を表記するのは分かりにくい。そこで各面毎にローカル座標系による表記を導入する。第m−1面のローカル原点から第m面までの所定の間隔分(ローカル原点間隔)だけ進んだ点を第m面のローカル原点とする。このように各面毎にローカル座標系(ローカル座標は小文字xyzで表現する)を設定する。物体平面(又は像平面)ではグローバル原点とその面のローカル原点は一致する。   As a method for expressing the surface shape of the m-th surface constituting the optical system, it is difficult to understand the notation of the shape of the m-th surface using the global coordinate system. Therefore, we will introduce a local coordinate system for each surface. A point advanced by a predetermined interval (local origin interval) from the local origin of the m-1st surface to the mth surface is defined as the local origin of the mth surface. In this manner, a local coordinate system (local coordinates are expressed in lower case xyz) is set for each surface. In the object plane (or image plane), the global origin coincides with the local origin of the plane.

図1の第一実施例(詳細は後述)の図のみローカル座標系を、各ミラー面上に一致させて表示している(他の図では省略)。   Only the local coordinate system of the first embodiment (details will be described later) in FIG. 1 is displayed on each mirror surface (not shown in other figures).

ローカル座標系も右手系である。また、面のティルトも各面に対応するローカル座標系をティルトさせることにより表現することとする。第m面に対応するローカル座標系のYZ面内でのティルト角はグローバル座標系のZ軸に対して反時計回り方向を正とした角度θm[単位°以下省略]で表す。よって、当然のことながら本発明の実施形態では各面のローカル座標の原点は全てYZ平面上にある。XZおよびXY面内での面の偏心はない。グローバル座標、ローカル座標共に、YZ、yz平面が光学系のメリディオナル断面である。   The local coordinate system is also a right-handed system. Also, the tilt of the surface is expressed by tilting the local coordinate system corresponding to each surface. The tilt angle in the YZ plane of the local coordinate system corresponding to the m-th plane is represented by an angle θm (unit is omitted below) with the counterclockwise direction being positive with respect to the Z axis of the global coordinate system. Therefore, as a matter of course, in the embodiment of the present invention, the origins of the local coordinates of each surface are all on the YZ plane. There is no surface eccentricity in the XZ and XY planes. In both global coordinates and local coordinates, the YZ and yz planes are meridional sections of the optical system.

本発明の光学系は少なくとも回転非対称な非球面反射面を1面以上有し、その形状は各面ローカル座標系に於いてxy面内の位置をパラメータとする関数にて、z方向高さ(面のSag量)を与える形式で表現される。   The optical system of the present invention has at least one rotationally asymmetrical aspherical reflecting surface, and the shape thereof is a function using the position in the xy plane as a parameter in each surface local coordinate system. (Sag amount of the surface).

先の基準光軸の各面に於ける通過点は、その面のローカル座標系の原点の位置とは無関係である。また、各面のローカル原点は必ずしもその面の光線有効領域内にあるとも限らない。   The passing point on each surface of the previous reference optical axis is independent of the position of the origin of the local coordinate system on that surface. Also, the local origin of each surface is not necessarily within the effective ray area of that surface.

図6に示すのは、本発明による第1〜3実施例の画像投影機器の光学系を含む、装置使用時の全体図である。本実施例では画像表示素子上に表示された画像をスクリーンに拡大投射する投射光学系である。この例の場合、基準状態に於ける投射仰角は40°である。   FIG. 6 is an overall view when the apparatus is used, including the optical system of the image projection apparatus of the first to third embodiments according to the present invention. The present embodiment is a projection optical system that enlarges and projects an image displayed on an image display element onto a screen. In the case of this example, the projection elevation angle in the reference state is 40 °.

[第一実施例]
図1に示すのは本発明の第一実施例を示す図である。
[First embodiment]
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.

図1に於いて、画像表示素子の裏側に不図示の照明光学系があり該素子を裏側から照明する。本図ではRGBの3色の光路全ては記載せずG光路以外は省略しているが、RBの光路はGの光路と共役である。色合成プリズムにより合成されたRGB光束は、図1に於いて第1ミラー〜第5ミラーの自由曲面反射ミラーにより構成された投射光学系によりスクリーンへ投射される。最も画像表示素子側に位置するのが第1ミラーであり、光束の進む方向に順次第2ミラー〜第5ミラーという順序で番号が割り当てられている。   In FIG. 1, there is an illumination optical system (not shown) on the back side of the image display element, which illuminates the element from the back side. In this figure, all the three color optical paths of RGB are not shown and other than the G optical path is omitted, but the optical path of RB is conjugate with the G optical path. The RGB luminous flux synthesized by the color synthesizing prism is projected onto the screen by a projection optical system constituted by free-form reflecting mirrors of the first to fifth mirrors in FIG. The first mirror is located closest to the image display element, and numbers are sequentially assigned in the order of the second mirror to the fifth mirror in the light beam traveling direction.

図2に示すのは、本発明による第1〜3実施例による光学系の設計上の有効部の全てを光束が通過する様子を表示したものである。図2では、画像表示素子が上下調整範囲の中央にあるときの光束を黒い実線の光線で示す。また同図中、該光束の上下に点線の光線で示されている光束がある。これは、画像表示素子と投射光学系が相対的に上又は下にシフトしているときに、上下それぞれに拡大された有効部を光束が通過する様子を同時に示している。ここでは、画像表示素子の縦方向サイズの30%に相当する大きさだけ上下に有効部を大きく設定して設計している。   FIG. 2 shows a state in which the light beam passes through all the effective portions of the optical system design according to the first to third embodiments of the present invention. In FIG. 2, the luminous flux when the image display element is at the center of the vertical adjustment range is indicated by a black solid line. In the same figure, there are luminous fluxes indicated by dotted lines above and below the luminous flux. This simultaneously shows a state in which the light beam passes through the effective portion enlarged up and down when the image display element and the projection optical system are relatively shifted upward or downward. Here, the effective portion is designed to be set large in the vertical direction by a size corresponding to 30% of the vertical size of the image display element.

図3に示すのは画像表示素子に対して、光学系を下方向にシフトさせた場合である。薄く重ねて描かれているのは、光学系をシフトさせなかった場合の光路である。このシフトにより、投射画像は上方向に最大で縦辺の30%分シフトできる。   FIG. 3 shows a case where the optical system is shifted downward with respect to the image display element. Thinly drawn are the optical paths when the optical system is not shifted. By this shift, the projected image can be shifted upward by 30% of the vertical side at the maximum.

図4に示すのは画像表示素子に対して、光学系を上方向にシフトさせた場合である。薄く重ねて描かれているのは、光学系をシフトさせなかった場合の光路である。このシフトにより、投射画像は下方向に最大で縦辺の30%分シフトできる。   FIG. 4 shows a case where the optical system is shifted upward with respect to the image display element. Thinly drawn are the optical paths when the optical system is not shifted. By this shift, the projected image can be shifted downward by up to 30% of the vertical side.

高倍率な投射であるため、投射画像を30%シフトさせるための光学系の移動量は、図3、4からも分かるように、画像のシフト量からすれば非常に僅かな距離で済む。従って、機構的にも大がかりなものは必要ない。   Since it is a high-magnification projection, the amount of movement of the optical system for shifting the projected image by 30% is very small as far as the shift amount of the image is understood, as can be seen from FIGS. Therefore, a large-scale mechanism is not necessary.

図5に示すのは、光学系を上にそれぞれシフトしたときの、投射画像の高さの変化の様子を模式的に示したものである。この図に示すように投射画像の高さは、光学系の上下のシフトにより、本来の高仰角投射された高い位置から更に、上下に30%移動することができる。   FIG. 5 schematically shows how the height of the projected image changes when the optical system is shifted upward. As shown in this figure, the height of the projected image can be further moved 30% up and down from the original high-elevated-angle projected position by the vertical shift of the optical system.

本発明は、以上記してきた原理に従い、光学系全体を画像表示素子面とほぼ平行な方向にシフトさせることにより、投射画像高さを単独で所望の高さに調整するものである。   The present invention adjusts the height of the projected image independently to a desired height by shifting the entire optical system in a direction substantially parallel to the image display element surface in accordance with the principle described above.

また、図示しないが、第一〜第三実施例に於いて、フォーカシングは軸外し反射光学系全体をグローバル系にてZ軸方向に微小シフトさせることで行うことができる。   Although not shown, in the first to third embodiments, focusing can be performed by minutely shifting the entire off-axis reflecting optical system in the Z-axis direction in the global system.

更に付け加えれば、画像表示素子に対して光学系全体を水平方向にシフトさせることで投射された画像の高さではなく、水平方向の位置を変更することが可能である。この場合は、軸外し反射光学系の各ミラーの有効領域は水平方向に拡大されていることが必要である。   In addition, it is possible to change not the height of the projected image but the horizontal position by shifting the entire optical system in the horizontal direction with respect to the image display element. In this case, the effective area of each mirror of the off-axis reflection optical system needs to be expanded in the horizontal direction.

[第二実施例]
図7に示すのは本発明の第二実施例を示す図である。
[Second Example]
FIG. 7 shows a second embodiment of the present invention.

以下第二実施例について説明する。   The second embodiment will be described below.

本実施例は、光学系の構成、及びそのシフトによる画像高さ調整原理機構に関しては基本的に上記の第一実施例と同一である。よって、重複する詳細な図の説明は省略する。本実施例ではその使用上の工夫により新たな効果を発現するものである。   The present embodiment is basically the same as the first embodiment with respect to the configuration of the optical system and the image height adjustment principle mechanism by the shift. Therefore, the description of overlapping detailed drawings is omitted. In this embodiment, a new effect is manifested by the device in use.

まず、投射機器は実際のスクリーンの有る位置A’に対して、面Aにフォーカスの合った状態にあった。そして、次に実際のスクリーン位置に投射画像のフォーカスを合わせようと、光学系を繰り出し、A’面にフォーカスを合わせた。   First, the projection device was in focus on the surface A with respect to the position A ′ where the actual screen is located. Next, in order to focus the projected image on the actual screen position, the optical system was extended to focus on the A ′ plane.

このとき従来であれば、画像の高さは、図の太い点線で示された位置に下がってしまう。しかしながら、本発明では、光学系のフォーカシングのための繰り出しに同期連動して、光学系が下方向へシフト(図3に示すのと同様)するため投射画像は上方向へシフトする。これらの動作を同期させて実行させることにより、フォーカス調整にて投射画像が上下に移動するのを相殺することができる。即ち所定の範囲でフォーカス調整を行っても投射画像の高さはほぼ固定されたままでフォーカスが合って行くという効果が得られる。   At this time, conventionally, the height of the image is lowered to the position indicated by the thick dotted line in the figure. However, in the present invention, the projection image shifts upward because the optical system shifts downward (similar to that shown in FIG. 3) in synchronization with the payout for focusing of the optical system. By executing these operations in synchronization, it is possible to cancel the movement of the projected image in the vertical direction by the focus adjustment. That is, even if the focus adjustment is performed within a predetermined range, the effect is obtained that the height of the projected image remains substantially fixed and the focus is adjusted.

本実施例に於いてはフォーカス調整のための光学系のZ軸方向シフトと、投射画像高さの調整のための光学系のY軸方向シフトは所定の相対位置関係を保ちながら連動する必要がある。これらは機械的なカムや案内溝のガイドに従って連動する構成でもよい。または、それぞれを電動で動く構成にして、連動の仕方は、投射距離などの条件に応じてそれぞれ最適な所定のプログラムされた軌跡に従うように構成することも可能である。   In the present embodiment, the Z-axis direction shift of the optical system for focus adjustment and the Y-axis direction shift of the optical system for adjustment of the projected image height must be interlocked while maintaining a predetermined relative positional relationship. is there. These may be configured to be interlocked according to a mechanical cam or guide in a guide groove. Alternatively, each may be configured to move electrically, and the way of interlocking may be configured to follow a predetermined programmed trajectory that is optimal according to conditions such as the projection distance.

また、図7では投射画像高さを維持する方法に於いて、画面中心を常に一定の高さに保つ例を示している。しかしながら、必ずしも画面中心高さを固定する場合だけでなく、他に以下に示すような場合もある。例えば、画面の下端を常に同じ高さに維持する、又は画面の上端を常に同じ高さに維持するという方法である。画面内の任意の箇所を同じ高さに維持する方法もある。更に、必要に応じて画面の高さを、敢えて変化させるという方法もある。この場合は当然ながら、従来フォーカシング時に生じていた画面高さ変動とは別なる、所望の高さ変化を作為的に施すものである。具体的には、本来フォーカシングにより急激に画面高さが変化するのを緩やかな変化に変える、曲線的に高さが変化するようにするなど用途により様々な適用が考えられる。   FIG. 7 shows an example in which the center of the screen is always maintained at a constant height in the method of maintaining the height of the projected image. However, the center height of the screen is not necessarily fixed, but there are other cases as shown below. For example, the bottom end of the screen is always maintained at the same height, or the top end of the screen is always maintained at the same height. There is also a method of keeping any part of the screen at the same height. In addition, there is a method in which the height of the screen is changed as needed. In this case, as a matter of course, a desired height change, which is different from the screen height fluctuation that has occurred in the conventional focusing, is artificially applied. Specifically, various applications such as changing the height of the screen abruptly due to focusing to a gradual change or changing the height in a curved manner can be considered.

[第三実施例]
図8に示すのは本発明の第三実施例を示す図である。
[Third embodiment]
FIG. 8 shows a third embodiment of the present invention.

以下第三実施例について説明する。   The third embodiment will be described below.

本実施例は、光学系の構成、及びそのシフトによる画像高さ調整原理機構に関しては基本的に上記の第一実施例と同一である。よって、重複する詳細な図の説明は省略する。本実施例ではその使用上の工夫により新たな効果を発現するものである。   The present embodiment is basically the same as the first embodiment with respect to the configuration of the optical system and the image height adjustment principle mechanism by the shift. Therefore, the description of overlapping detailed drawings is omitted. In this embodiment, a new effect is manifested by the device in use.

まず、投射機器はスクリーンに対してフォーカスの合った状態にあった。このときの投射画像のサイズはCである。そして、次にスクリーン上の投射画像のサイズをDへ縮小しようと投射機器をスクリーンに近づけた。光学系を繰り出しフォーカスを合わせると、画面サイズはDへと変化した(縮小された)。   First, the projection device was in focus with respect to the screen. The size of the projected image at this time is C. Then, the projection device was brought closer to the screen to reduce the size of the projected image on the screen to D. When the optical system was extended and focused, the screen size changed to D (reduced).

このとき従来であれば、画像の高さは、図の太い点線で示された位置に下がってしまう。しかしながら、本発明では、光学系のフォーカシングのための繰り出しに同期連動して、光学系が下方向へシフト(図3に示すのと同様)するため投射画像は上方向へシフトする。これらの動作を同期させて実行させることにより、画面サイズの調整にて投射画像が上下に移動するのを相殺することができる。即ち所定の範囲で投射機器を前後させて画面サイズを変更してもフォーカスを合わせると投射画像の高さはほぼ一定の高さに保たれると言う効果が得られる。   At this time, conventionally, the height of the image is lowered to the position indicated by the thick dotted line in the figure. However, in the present invention, the projection image shifts upward because the optical system shifts downward (similar to that shown in FIG. 3) in synchronization with the payout for focusing of the optical system. By executing these operations in synchronization, it is possible to cancel the upward and downward movement of the projected image by adjusting the screen size. In other words, even if the projection device is moved back and forth within a predetermined range and the screen size is changed, the effect is obtained that the height of the projected image is maintained at a substantially constant height when the focus is adjusted.

本実施例に於いては、フォーカス調整のための光学系のZ軸方向シフトと、投射画像高さの調整のための光学系のY軸方向シフトは所定の相対位置関係を保ちながら連動する必要がある。これらは機械的なカムや案内溝のガイドに従って連動する構成でもよい。   In this embodiment, the Z-axis direction shift of the optical system for focus adjustment and the Y-axis direction shift of the optical system for adjustment of the projected image height must be linked while maintaining a predetermined relative positional relationship. There is. These may be configured to be interlocked according to a mechanical cam or guide in a guide groove.

または、それぞれを電動で動く構成にして、連動の仕方は、投射距離などの条件に応じてそれぞれ最適な所定のプログラムされた軌跡に従うように構成することも可能である。   Alternatively, each may be configured to move electrically, and the way of interlocking may be configured to follow a predetermined programmed trajectory that is optimal according to conditions such as the projection distance.

これらを更に進めた構成として投射機器を前後させたとき、スクリーンに対して自動的に合焦する、オートフォーカスを内蔵すると更に便利である。このとき、オートフォーカスに同期連動して、画像高さ調整機構が動作するようにする。この構成では、機器本体を前後方向にスライドさせるとオートフォーカスがスクリーンへの合焦状態を維持し、同時に画像高さを一定に保ちながら、画面サイズが変化する(調整できる)。   As a further advanced configuration, it is more convenient to incorporate an autofocus that automatically focuses on the screen when the projection device is moved back and forth. At this time, the image height adjusting mechanism is operated in synchronization with the autofocus. In this configuration, when the device main body is slid back and forth, the autofocus maintains the focused state on the screen, and at the same time, the screen size changes (adjustable) while keeping the image height constant.

また、図8では投射画像高さを維持する方法に於いて、画面中心を常に一定の高さに保つ例を示している。しかしながら、必ずしも画面中心高さを固定する場合だけでなく、他に以下に示すような場合もある。例えば、画面の下端を常に同じ高さに維持する、又は画面の上端を常に同じ高さに維持するという方法である。画面内の任意の箇所を同じ高さに維持する方法もある。更に、必要に応じて画面の高さを、敢えて変化させるという方法もある。この場合は当然ながら、従来フォーカシング時に生じていた画面高さ変動とは別なる、所望の高さ変化を作為的に施すものである。具体的には、本来フォーカシングにより急激に画面高さが変化するのを緩やかな変化に変える、曲線的に高さが変化するようにするなど用途により様々な適用が考えられる。   FIG. 8 shows an example in which the center of the screen is always maintained at a constant height in the method of maintaining the height of the projected image. However, the center height of the screen is not necessarily fixed, but there are other cases as shown below. For example, the bottom end of the screen is always maintained at the same height, or the top end of the screen is always maintained at the same height. There is also a method of keeping any part of the screen at the same height. In addition, there is a method in which the height of the screen is changed as needed. In this case, as a matter of course, a desired height change, which is different from the screen height fluctuation that has occurred in the conventional focusing, is artificially applied. Specifically, various applications such as changing the height of the screen abruptly due to focusing to a gradual change or changing the height in a curved manner can be considered.

本実施例によれば、近距離高倍率で且つ高仰角な投射を可能にする軸外し反射面投射光学系に於いて、簡単な機構で高仰角でありながら投射画像高さ調整が可能になり、またフォーカス調整や投射面変更による画像高さの変動を調整でき、更には前者と連動してどのような投射条件に於いても画像内の所望の箇所の高さを一定に保つことが可能になる。又は、画面の高さを所望の通りに変化させることが可能である。また、高仰角で近距離高倍率な投射が可能な、軸外し反射面光学系による画像投射光学系に於いて、画像表示素子に対して、光学系を相対的にシフトさせることで、投射仰角を調整可能とした投射光学系。更に、高仰角投射の弊害である、フォーカシング時や、投射距離変化時の画像の上下移動を相殺、またはこれらに連動して画像の高さを所望の範囲内に保持する、または所望の変化の仕方をさせる、などが可能となる。   According to the present embodiment, in the off-axis reflecting surface projection optical system that enables high-angle projection at a short distance and high magnification, it is possible to adjust the height of the projected image while maintaining a high elevation angle with a simple mechanism. In addition, it is possible to adjust the fluctuation of the image height due to focus adjustment and change of the projection surface, and in addition to the former, it is possible to keep the height of the desired part in the image constant under any projection conditions become. Alternatively, the screen height can be changed as desired. Further, in an image projection optical system using an off-axis reflective surface optical system capable of high-elevation and short-distance high-magnification projection, the projection elevation angle is obtained by shifting the optical system relative to the image display element. Adjustable projection optical system. Furthermore, the up / down movement of the image during focusing or when the projection distance is changed, which is a harmful effect of high elevation angle projection, or the image height is maintained within a desired range in conjunction with these, or the desired change You can do things like that.

また、本実施例の投射光学系は、勿論投射型表示装置に適用することが可能である。たとえば、光源と、光源からの光で画像表示素子(1つであっても複数であっても良い)を照明する照明光学系と、照明された画像表示素子からの光をスクリーン等に投射する、前述のような投射光学系とを備える構成とすれば良い。ここで、画像表示素子は、透過型液晶パネルであっても、反射型液晶パネルであっても、DMD等の微小ミラーデバイスであっても構わない。ここで、画像表示素子が複数ある場合には、それらの画像表示素子からの出射した光(の光路)を合成する色合成光学系が、偏光ビームスプリッタ−を有していることが望ましい。さらには、画像表示素子は無く、レーザー光源からの光を画像表示素子を介さずに投射光学系に導いても構わない。その際はレーザー光源から発する光自体を、画像信号に基づいて変調することにより画像を形成することができる。さらに、このレーザー光源からの光を画像表示素子等を介さずに投射光学系に導く場合には、レーザー光源からの光を2次元的に走査する走査光学系を設けることが望ましい。   In addition, the projection optical system of this embodiment can be applied to a projection display device. For example, a light source, an illumination optical system that illuminates an image display element (one or more) with light from the light source, and light from the illuminated image display element is projected onto a screen or the like. The above-described projection optical system may be used. Here, the image display element may be a transmissive liquid crystal panel, a reflective liquid crystal panel, or a micromirror device such as a DMD. Here, when there are a plurality of image display elements, it is desirable that the color combining optical system for combining the light (optical paths) emitted from these image display elements has a polarization beam splitter. Further, there is no image display element, and the light from the laser light source may be guided to the projection optical system without passing through the image display element. In that case, an image can be formed by modulating light itself emitted from a laser light source based on an image signal. Furthermore, when the light from the laser light source is guided to the projection optical system without going through the image display element or the like, it is desirable to provide a scanning optical system that scans the light from the laser light source two-dimensionally.

Claims (7)

画像表示素子を経た光束を投射するための投射光学系であって、
前記画像表示素子を経た光束を投射する角度を調整する投射角度調整機能
所定の対してフォーカス調整を行うフォーカス調整機能と、を備え、
前記投射角度調整機能は、前記フォーカス調整機能と同期連動して、前記所定の面における前記投射光学系による投射画像の高さの変化が所定の範囲内に保つように前記角度を調整することを特徴とする投射光学系。
A projection optical system for projecting a light beam that has passed through an image display element,
A projection angle adjusting function to adjust the angle for projecting a light beam having passed through the image display device,
And a focus adjustment function of performing focus adjustment for a predetermined plane,
Said projection angle adjusting function, in conjunction the focus adjustment function and synchronization, a change in the height of the projected image by the projection optical system in the predetermined plane to adjust said angle so coercive one within a predetermined range Projection optical system.
前記投射角度調整機能は、前記フォーカス調整機能と同期連動して、前記投射画像の高さが一定に保つように前記角度を調整することを特徴とする請求項1記載の投射光学系。The projection optical system according to claim 1, wherein the projection angle adjustment function adjusts the angle so as to keep the height of the projection image constant in synchronization with the focus adjustment function. 前記フォーカス調整機能は、前記面前記投射光学系との間の距離が変化した際に、オートフォーカス動作を行っており、
前記投射角度調整機能は、該オートフォーカス動作にに同期して、前記投射画像の高さの変化が前記所定の範囲に保つように前記角度を調整することを特徴とする請求項1又は2に記載の投射光学系。
The focus adjustment function, when the distance between the projection optical system and the surface is changed, and performing an autofocus operation,
The projection angle adjustment function adjusts the angle so that a change in height of the projection image is maintained in the predetermined range in synchronization with the autofocus operation. The projection optical system described.
画像表示素子を経た光束を投射するための投射光学系であって、
前記画像表示素子を経た光束を投射する角度を調整する投射角度調整機能
所定の対してフォーカス調整を行うフォーカス調整機能と、を備え、
前記投射角度調整機能は、前記フォーカス調整機能と同期連動して、前記所定の面における前記投射光学系による投射画像の高さの変化が所定の軌跡に従うように前記角度を調整することを特徴とする投射光学系。
A projection optical system for projecting a light beam that has passed through an image display element,
A projection angle adjusting function to adjust the angle for projecting a light beam having passed through the image display device,
And a focus adjustment function of performing focus adjustment for a predetermined plane,
It said projection angle adjusting feature, and characterized in that said interlocking focus adjustment function and synchronization, the change in height of the projected image by the projection optical system in the predetermined plane to adjust the angle to follow a predetermined trajectory Projection optical system.
前記フォーカス調整機能は、前記面前記投射光学系との間の距離が変化した際に、オートフォーカス動作を行っており、
前記投射角度調整機能は、該オートフォーカス動作にに同期して、前記投射画像の高さの変化が所定の軌跡に従うように前記角度を調整することを特徴とする請求項に記載の投射光学系。
The focus adjustment function, when the distance between the projection optical system and the surface is changed, and performing an autofocus operation,
Said projection angle adjusting function, in synchronism with the said autofocus operation, the projection optics according to claim 4, the change in height of the projected image and adjusting the angle to follow a predetermined trajectory system.
前記投射光学系は、表面反射ミラーのみを複数枚組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項1乃至いずれかに記載の投射光学系。 The projection optical system, projection optical system according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it is constituted by combining a plurality of only the surface reflecting mirror. 少なくとも1つの画像表示素子と、前記少なくとも1つの画像表示素子からの光を投射する、請求項1乃至いずれかに記載の投射光学系とを有することを特徴とする投射型表示装置。 At least one image display element, the projecting light from the at least one image display element, a projection display device characterized by having a projection optical system according to any one of claims 1 to 6.
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