JP2012108267A

JP2012108267A - 投射光学系および画像投射装置

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Publication number: JP2012108267A
Application number: JP2010256278A
Authority: JP
Inventors: Osamu Konuma; 修小沼; Yoshihiro Yokote; 恵紘横手; Katsutoshi Sasaki; 勝利佐々木
Original assignee: Samsung Yokohama Research Institute
Current assignee: Samsung R&D Institute Japan Co Ltd
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2010-11-16
Publication date: 2012-06-07
Anticipated expiration: 2030-11-16
Also published as: EP2456207A2; EP2456207A3; KR20120052892A; JP5728202B2; US20120120484A1

Abstract

【課題】超短焦点画像投射装置用の投射光学系を提供する
【解決手段】本発明の一実施形態として、画像表示素子により形成された画像を変倍して第１中間像を結像する第１光学系と、前記第１中間像を拡大して第２中間像を結像する第２光学系と、前記第２中間像を結像した光を反射する凹面鏡とを有し、前記第１光学系の光軸が前記第２光学系の光軸に対して前記第１光学系の光軸と垂直な方向に平行移動していることを特徴とする投射光学系を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、投射光学系および画像投射装置に関する。特に、小さな投射距離で大きな画面を投射可能とする投射光学系および画像投射装置に関する。

近年、小さな投射距離にもかかわらず大きな画面を投射可能な画像投射装置（超短焦点画像投射装置）が開発されてきている。超短焦点画像投射装置は、スクリーンまでの距離を小さくすることができるので、設置および取り扱いが容易であり、また、スクリーンと画像投射装置との間を人が歩くなどして画像が見られなくなることが少ないなど、有用である。また、最近では、変倍機能を有する超短焦点画像投射装置も開発されている。

しかし、超短焦点画像投射装置は、焦点距離が極めて小さくなるため、高いズーム倍率と大きな画角とを両立する設計が難しく、また、製造時に発生する組立の誤差などによる性能の変化が大きくなる。そこで、超短焦点画像投射装置においては、屈折光学系だけではなく、色収差が発生しない反射光学系も用いてこれらの問題を解決している（例えば、特許文献１〜５参照。）。

特開２００７−０１１２４８号公報特開２００８−１６５１８７号公報特開２００８−０９０２００号公報特開２００８−２４２０２８号公報特開２００４−２９５１０７号公報

しかし、特許文献１〜５に開示の技術においては、反射面が投射光束方向に飛び出て配置され投射面を観察する際の妨げになる問題が生じることがある。また、広角端から望遠端に移行した場合に投射画面位置が上下に移動する現象が生じ、利用者にとって使いにくくなるという問題も生じる。

本発明の一実施形態として、画像表示素子により形成された画像を変倍して第１中間像を結像する第１光学系と、前記第１中間像を拡大して第２中間像を結像する第２光学系と、前記第２中間像を結像した光を反射する反射光学系とを有し、前記第１光学系の光軸が前記第２光学系の光軸に対して前記第１光学系の光軸と垂直な方向に平行移動していることを特徴とする投射光学系を提供する。

本発明の一実施形態として、画像表示素子により形成された画像を変倍して第１中間像を結像する第１光学系と、前記第１中間像を拡大して第２中間像を結像する第２光学系と、前記第２中間像を結像した光を反射する反射光学系とを有し、前記第１光学系の光軸と前記第２光学系の光軸とが略同一直線上にあることを特徴とする投射光学系を提供する。

本発明の一実施形態として、画像表示素子により形成された画像を変倍して第１中間像を結像する第１光学系と、前記第１中間像を拡大して第２中間像を結像する第２光学系と、前記第２中間像を結像した光を反射する反射光学系と、前記第１光学系の出射する光を反射し前記第２光学系へ入射させる平面鏡とを有する投射光学系を提供する。

本発明の一実施形態として、上記いずれかの実施形態に係る投射光学系を有する画像投射装置を提供する。

本発明によれば、反射光学系を凹面鏡とすることにより、反射光学系による投射面を観察する妨げとならないようにできる。また、変倍時において、投射画面位置を、投射画面の下辺や中央を不動にすることができる。また、複数の光学系を組み合わせて構成できるので、製造に発生する組立の誤差などによる性能の変化を小さくすることができる。

本発明の一実施形態に係る投射光学系を用いた画像投射装置の使用状態を示す図である。本発明の一実施形態に係る投射光学系の構成図である。本発明の一実施形態に係る投射光学系を用いた画像投射装置の使用状態をスクリーンの正面方向から見た図である。本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例における詳細なレンズ構成図である。本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例における広角端から望遠端に移行するときに移動するレンズの移動の様子を示す図である。本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例における全体のレンズ構成図である。本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例におけるスクリーン面での波長５２０ｎｍでのスポットダイアグラムである。本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例における歪曲収差を示す図である。本発明の一実施形態に係る投射光学系の構成図である。本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例における全体のレンズ構成図である。本発明の一実施形態に係る投射光学系の構成図である。本発明の一実施形態に係る投射光学系を用いた画像投射装置の使用状態をスクリーンの正面方向から見た図である。発明の一実施形態に係る投射光学系の構成図である。本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例における詳細なレンズ構成図である。本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例における広角端から望遠端に移行するときに移動するレンズの移動の様子を示す図である。本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例における全体のレンズ構成図である。本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例におけるスクリーン面での波長５２０ｎｍでのスポットダイアグラムである。本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例における歪曲収差を示す図である。

本発明を実施するための形態を、いくつかの実施形態および実施例として説明する。なお、本発明はこれらの実施形態および実施例に限定されることはなく、種々の変形を加えて実施することも可能である。

（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態に係る投射光学系を用いた画像投射装置の使用状態を示す図である。図１（ａ）は、使用状態を側面から見た図である。図１（ｂ）は、使用状態を正面から見た図である。図１（ｃ）は使用状態を上面から見た図である。画像投射装置１００が、スクリーン１０１の近傍に配置される。図１（ａ）では、画像投射装置１００は、スクリーンの下方に配置されているが、スクリーンの左方、右方あるいは上方に配置されていてもよい。そして、画像投射装置１００は、スクリーン１０１に向けて斜めに光１０３を投射する。スクリーン１０１が反射型のスクリーンであれば、スクリーン１０１に投射された画像を方向１０４から見ることができる。また、スクリーン１０１が透過型のスクリーンであれば、スクリーン１０１に投射された画像を方向１０５から見ることができる。

図２は、本実施形態に係る投射光学系の構成図である。投射光学系は、第１光学系２０１と、第２光学系２０２と、反射光学系２０３とを有する。

第１光学系２０１は、光軸２０４を有し、変倍機能を有する複数の屈折レンズを含む屈折光学系である。すなわち、第１光学系２０１に入射する入射光２０７が液晶パネルなどの画像表示素子を透過し、画像表示素子が形成する画像２０６の光２０８を屈折させる複数の屈折レンズを光軸方向に移動することにより、第１光学系２０１からの出射光２０９が結像してできる第１中間像２１０の大きさを変化させる。なお、画像表示素子としては、液晶パネルに限定されることはなく、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）など種々の素子を用いることが可能である。

第２光学系２０２は、光軸２０５を有し、複数の屈折レンズを含む屈折光学系である。第２光学系２０２は、第１中間像２１０を結像した光２１１が入射されると、第１中間像２１０の表わす画像をスクリーンに投射するための拡大を行なう。このため、第２光学系２０２が出射する光２１２は、第２中間像２１３を結像する。

反射光学系２０３は、第２中間像２１３をさらに拡大させ、スクリーンに投射する。反射光学系２０３としては、図２に示すように凹面鏡が用いられることが好ましい。凹面鏡を用いることにより、図２における斜め上方２１４に光が投射され、スクリーンを観察するときの妨害となることを回避できるからである。

反射光学系２０３で発生する収差（球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲など）と第２光学系２０２の屈折光学系で発生する収差が相殺されるようになっていることが好ましい。また、反射光学系２０３は、非球面形状を有することが、収差の補正を行なうために好ましい。

本実施形態では、光軸２０４と光軸２０５とは略平行であるが一致していない。すなわち、投射光学系を図２に示すように側面から見た場合に、光軸２０４と光軸２０５とは略平行である。また、光軸２０４は、光軸２０５に対して、光軸２０４と垂直な方向に平行移動している位置関係となる。この位置関係により、スクリーンに向けて斜め上方への投射が可能となる。

また、本実施形態では、像２０６を形成する画像表示素子の中心位置における法線（中心法線）と第１光学系の光軸２０４が略一致している。これにより、第１光学系の光軸２０４を中心として第１中間像２１０が変倍する。したがって、スクリーン上において、変倍によって投射画像の中心が動かないようにすることができる。

なお、「像２０６を形成する画像表示素子の中心位置」とは、像２０６の形成に有効な画素のあつまりの形状の中心位置である。

図３は、本実施形態に係る投射光学系を用いた画像投射装置の使用状態をスクリーンの正面方向から見た図である。枠３０１は、投射光学系を広角端にした場合の投射画像の周辺を示し、枠３０２は、投射光学系を望遠端にした場合の投射画像の周辺を示す。図３に示されるように枠３０１と枠３０２との中心位置は略一致することになる。

なお、図３において、投射画像を左右に二分し、スクリーンに垂直な平面上に画像投射装置３００が配置されている。これは、光軸２０４が、光軸２０５に対して、光軸２０４と垂直な方向に平行移動していることが理由の一つである。ただし、本実施形態は、これに限られるものではなく、光軸２０４は、光軸２０５に対して、光軸２０４と任意の方向に平行移動していてもよい。これにより、画像投射装置３００は、投射画像を左右に二分し、スクリーンに垂直な平面に対して任意の位置に配置することができる。

図４ａは、本実施形態に係る投射光学系の一実施例における詳細なレンズ構成図である。図４ａの上部には、広角端におけるレンズ構成を示し、図４ａの下部には、望遠端におけるレンズ構成を示す。また、図４ｂは、広角端から望遠端に移行するときに移動するレンズの移動の様子を、広角端におけるレンズ構成と望遠端におけるレンズ構成との間の矢印により示す。図４ｂに示されるように、広角端と望遠端との間を移行するときには、第１光学系の屈折レンズのいくつかが移動するのに対し、第２光学系の屈折レンズは移動しない。

なお、図４ａの上部の広角端におけるレンズ構成において、ＧＢはダイクロイックミラーなどのガラスブロックを表わす。ガラスブロックＧＢの図４ａにおける左側に液晶表示素子が配置され、液晶表示素子の左側から平行光が入射し、画像が形成される。

また、図４ａに示す広角端におけるレンズ配置において、全ての面に、液晶表示素子の左側の面を第１面とした面番号を付している。なお、面番号１３、面番号２７、面番号２８および面番号４２は絞りに付された面番号である。また、面番号２７と面番号２８とは、同一の絞りに付された面番号である。また、図４ａに示す望遠端におけるレンズ配置において、面間の間ｄｉ（ｉ＝１，２，．．．，５３）の位置を示す。

図５は、本実施形態に係る投射光学系の一実施例におけるスクリーンの投射面を含めた全体のレンズ構成図である。図５（１）は、広角端におけるスクリーンの投射面までの投射の様子を示し、図５（２）は、望遠端におけるスクリーンの投射面までの投射の様子を示す。

表１と表２として、（１）各レンズ面のレンズが非球面であればその旨の表示、（２）各レンズ面の曲率半径、（３）間隔、（４）ｄ線屈折率、（５）アッベ数を示す。なお、以下の数値は、投射光学系の仕様を、焦点距離ｆを４．３ｍｍ以上８．６ｍｍ以下、Ｆナンバー１．５以上３．０以下、広角端における画角を７５．１°、第２８面以降の面を１５．４ｍｍシフト偏芯（光軸と垂直な方向に移動）した場合の数値である。

また、表３として、変倍時の間隔データを示す。Ｄｉは、面番号がｉの面とｉ＋１の面との間ｄｉの間隔の大きさを示す。

表４として、非球面データを示す。なお、Ｚを面のザク量とし、ｈを光軸からの半径とし、cを近軸曲率（曲率半径の逆数）、Hを光軸に対して垂直な方向の高さとした場合、非球面式を
Ｚ＝cｈ²/(1 + SQRT{1 - (1 + k)c²h²}) + Ah⁴+ Bh⁶ + Ch⁸ + Dh¹⁰
とする。

図６は、本実施形態に係る投射光学系のスクリーン面における波長５２０ｎｍでのスポットダイアグラムを示す。左側が広角端の場合であり、中央が望遠端の場合である。Ｆ１〜Ｆ６は、スクリーン面における位置を示し、それは、図６の右側に示す通りである。

図７は、本実施形態に係る投射光学系の歪曲収差を示す。図７（１）が広角端の場合であり、図７（２）が望遠端の場合である。

なお、上述の説明において、第１光学系２０１の光軸２０４と第２光学系の光軸２０５とが略平行であると記した。しかし、本発明はこれに限られることはなく、第１光学系２０１から第２光学系２０２へ至る光路の途中に鏡が配置され、第１光学系２０１の光軸２０４が鏡により鏡像の関係にとなる光軸と、第２光学系２０２の光軸２０５とが略平行になっていてもよい。

図８は、本実施形態に係る投射光学系において、第１光学系２０１の出射する光を反射し、第２光学系２０２へ入射する鏡を用いる構成の上面図である。図１２に示されるように平面鏡１３０１が配置されている。図１２においては光軸２０４と平面鏡１３０１とのなす角は約４５°である。また、図１２において、光軸２０４と光軸２０５とは略垂直となる。このように、第１光学系２０１から第２光学系２０２へ至る光路の途中に鏡を配置することにより、投射光学系のサイズを小さくすることが可能である。

図９は、図８の構成の投射光学系の一実施例におけるレンズ構成図である。図９は、図１（ｃ）に対応し、投射光学系を上面から見た図となる。第１光学系、第２光学系、反射光学系としては、図４ａ、図４ｂ、図５、表１〜表４に示したものがそのまま用いることができる。ただし、平面鏡１３０１に面番号２７が付され、図４ａ、図５、表１〜表４において面番号２７移行の面番号は１つ大きくなる。このため、例えば反射鏡の面番号は５５となる。

以上のように、本実施形態においては、大きな画角で、高変倍率の投射光学系が得られる。スクリーン面では変倍によって投射画像の中心が不動となる。

本実施形態のように、投射光学系を、画像の変倍を行なう光学系（第１光学系）と、スクリーンに向けて第１光学系による中間像を拡大する光学系（第２光学系および反射光学系）とに機能により分離することにより、超短焦点画像投射装置の設計を容易にすることができる。

例えば、第１光学系を拡大変倍光学系とすることにより、第２光学系のＦナンバーを大きくする設計とすることができる。

（実施形態２）
上記の実施形態においては、画像表示素子の中心位置における法線（中心法線）と第１光学系２０１の光軸２０４が略同一直線上にあるので、スクリーンに投射される画像の中心が、変倍によっても移動しないようにすることができる。すなわち、第１光学系２０１の光軸２０４が画像表示素子の形成する画像を貫通する位置が、変倍によっても移動しないようにすることができる。

したがって、第１光学系２０１の光軸２０４が、画像表示素子の形成する画像の内部又は周囲を貫通するように画像表示素子の位置を決めることにより、第１光学系２０１の調整を行なって変倍を行なう場合に、投射される画像の移動を予測しやすいようにすることができる。

例えば、図１０に示すように画像表示素子の周囲に第１光学系２０１の光軸２０１が通るようにしてもよい。このようにすることにより、画像を矩形とすると、変倍時には、第１中間像２１０は、第１光学系２０１の光軸２０４を底辺として変倍することになる。したがって、第２光学系２０２と反射光学系２０３とにより投射されるスクリーン面の画像は、変倍によって投射画像の下辺が移動しないようにすることができる。

図１１は、本実施形態に係る投射光学系を用いた画像投射装置の使用状態をスクリーンの正面方向から見た図である。枠１５０１は、投射光学系を広角端にした場合の投射画像の周辺を示し、枠１５０２は、投射光学系を望遠端にした場合の投射画像の周辺を示す。図１１に示されるように枠１５０１と枠１５０２との下辺は略一致することになる。これにより、変倍後の投射画像の位置を予測することができ、利便性の高い画像投射を行なうことができる。

なお、上記の説明では、「下」、「下辺」などの言葉を用いて説明を行なったが、これらは相対的な方向を示しているに過ぎない。例えば、図１１の上下を逆にすると、枠１５０１と枠１５０２との上辺が略一致することになる。これにより、画像投射装置をスクリーンの上部に設置し、変倍を行なっても投射される画像を常に見やすく表示することが可能となる。

（実施形態３）
図１２は、本発明の実施形態３に係る投射光学系の構成図である。本実施形態に係る投射光学系の構成は実施形態１と同じであるが、第１光学系２０１の光軸と第２光学系２０２の光軸とが略一致している点が異なる。すなわち、第１光学系２０１と第２光学系２０２とは、共通の光軸２０４を持つように構成されている。

なお、このように第１光学系２０１と第２光学系２０２とが共通の光軸２０４を有する場合には、投射画像を斜め上方に結像させるために画像表示素子の中心の法線を共通光軸２０４に対して、共通光軸とは垂直な方向に移動させる必要がある。また、望遠端においては、投射画像が上記の実施形態におけるよりも下方向に移動するので、第２光学系２０２の屈折レンズと干渉する場合がある。この場合は、第２光学系２０２の屈折レンズの有効光線領域以外をカットすればよい。

図１３ａは、本実施形態に係る投射光学系の一実施例における詳細なレンズ構成図である。図１３ａの上部には、広角端におけるレンズ構成を示し、図１３ａの下部には、望遠端におけるレンズ構成を示す。また、図１３ｂは、広角端から望遠端に移行するときに移動するレンズの移動の様子を、広角端におけるレンズ構成と望遠端におけるレンズ構成との間の矢印により示す。図１３ｂに示されるように、広角端と望遠端との間を移行するときには、第１光学系の屈折レンズのいくつかが移動するのに対し、第２光学系の屈折レンズは移動しない。

なお、本実施例では、望遠端において、投射画像が第２光学系２０２のスクリーン側の屈折レンズと干渉するので、第２光学系２０２の屈折レンズの有効光線領域以外がカットされている。

なお、図１３ａの上部に示す広角端におけるレンズ構成において、ＧＢはダイクロイックミラーなどのガラスブロックを表わす。ガラスブロックＧＢの図１３ａにおける左側に液晶表示素子が配置され、液晶表示素子の左側から平行光が入射し、画像が形成される。

図１３ａの広角端におけるレンズ配置において、全ての面に液晶表示素子の左側の面を第１面とした面番号を付している。なお、面番号１５、面番号３２および面番号４３は絞りに付された面番号である。また、図１３ａに示す望遠端におけるレンズ配置において、面間の間ｄｉ（ｉ＝１，２，．．．，５８）の位置を示す。

図１４は、本実施形態に係る投射光学系の一実施形態における全体のレンズ構成図である。図１４（１）は、広角端におけるスクリーンの投射面までの投射の様子を示し、図１４（２）は、望遠端におけるスクリーンの投射面までの投射の様子を示す。

表５と表６として画像表示素子を第１面として光が入射／出射する順にレンズ面に面番号を付した場合における（１）各レンズ面のレンズが非球面であればその旨の表示、（２）各レンズ面の曲率半径、（３）間隔、（４）ｄ線屈折率、（５）アッベ数を示す。なお、以下の数値は、投射光学系の仕様を、焦点距離ｆを４．３ｍｍ以上８．６ｍｍ以下、Ｆナンバー１．５以上２．４以下、広角端における画角を７４．０２°とした場合の数値である。

また、表３として、変倍時の間隔データを示す。Ｄｉは、面番号がｉの面とｉ＋１の面との間ｄｉの間隔の大きさを示す。

表８として、非球面データを示す。なお、非球面式は実施形態１に示したものと同じである。

また、表９として、面番号５７、５８，５９の非球面データを示す。この場合の非球面式は、
Ｚ＝ｃｈ²/(1 + SQRT{1 - (1 + k)c²H²}) + Ｃ₃h³ + Ｃ₄h⁴ + Ｃ₅h⁵ + Ｃ₆h⁶ + Ｃ₇h⁷ + Ｃ₈h⁸ +Ｃ₉h⁹ + Ｃ₁₀h¹⁰
となる。

図１５は、本実施形態に係る投射光学系のスクリーン面における波長５２０ｎｍでのスポットダイアグラムを示す。左側が広角端の場合であり、中央が望遠端の場合である。Ｆ１〜Ｆ６は、スクリーン面における位置を示し、それは、図１５の右側に示す通りである。

図１６は、本実施形態に係る投射光学系の歪曲収差を示す。図１６（１）が広角端の場合であり、図１６（２）が望遠端の場合である。

本実施形態においては、第１光学系の光軸と第２光学系の光軸とが略一致するので、光軸の不一致に起因する組立時の誤差を小さくすることが可能となる。

２０１第１光学系、２０２第２光学系、２０３反射光学系、
２０４，２０５光軸、
２０６画像、２０７光源からの入射方向、２０８，２０９，２１１，２１２光
２１０第１中間像、２１３第２中間像、２１４スクリーン方向

Claims

画像表示素子により形成された画像を変倍して第１中間像を結像する第１光学系と、
前記第１中間像を拡大して第２中間像を結像する第２光学系と、
前記第２中間像を結像した光を反射する反射光学系とを有し、
前記第１光学系の光軸が前記第２光学系の光軸に対して前記第１光学系の光軸と垂直な方向に平行移動していることを特徴とする投射光学系。
前記第１光学系の光軸が、前記画像表示素子の中心法線と同じとなることを特徴とする請求項１に記載の投射光学系。
前記第１光学系の光軸は、前記画像表示素子の内部または周囲を貫通する請求項１に記載の投射光学系。
画像表示素子により形成された画像を変倍して第１中間像を結像する第１光学系と、
前記第１中間像を拡大して第２中間像を結像する第２光学系と、
前記第２中間像を結像した光を反射する反射光学系とを有し、
前記第１光学系の光軸と前記第２光学系の光軸とが略同一直線上にあることを特徴とする投射光学系。
前記画像表示素子の中心法線は、前記第１光学系の光軸に対して前記第１光学系の光軸と垂直な方向に平行移動に移動していることを特徴とする請求項４に記載の投射光学系。
前記第１光学系の収差と、前記第２光学系および前記凹面鏡を含む光学系の収差とが相殺されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の投射光学系。
前記第１光学系は、拡大変倍光学系であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の投射光学系。
画像表示素子により形成された画像を変倍して第１中間像を結像する第１光学系と、
前記第１中間像を拡大して第２中間像を結像する第２光学系と、
前記第２中間像を結像した光を反射する反射光学系と、
前記第１光学系の出射する光を反射し前記第２光学系へ入射させる平面鏡とを有する投射光学系。
前記請求項１から８のいずれかに記載の投射光学系を有する画像投射装置。