JP2014153478A - 画像投影装置および画像投影方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトであり、優れた表示性能を発揮する画像投影装置を提供する。
【解決手段】この画像投影装置は、入射側から順に１または２以上のレンズと凹面ミラーと平面ミラーとを有し、入射光を利用して画像を投影する投影光学系を備える。１または２以上のレンズは、凹面ミラーの手前に中間結像を形成する。平面ミラーのアスペクト比は、１．９以上である。
【選択図】図２

Description

本開示は、投影光学系を備えた画像投影装置およびそれを用いた画像投影方法に関する。

従来、ハロゲンランプやメタルハライドランプ等を光源として用いた照明光学系（照明装置）と、光変調素子や投影レンズを含む投影光学系（投影光学系）とを備えたプロジェクタ（画像投影装置）が知られている（例えば特許文献１参照）。

近年では、このようなプロジェクタの分野においてマイクロプロジェクタと呼ばれる小型（手のひらサイズ）かつ軽量な携帯型プロジェクタが普及し始めている。このマイクロプロジェクタでは、照明装置の光源として主にＬＥＤ（Light Emitting Diode）が使用されている。最近では、色再現範囲の拡大および低消費電力化の観点からレーザも注目されている。

一方、短焦点の投影レンズを備え、自らの姿勢（載置する際の設置面）を変えることで壁面（鉛直面）への投影と床面（水平面）への投影とを選択できる画像投影装置が提案されている（例えば特許文献２参照）。

特開２０１１−２６１１号公報 特開２０１０−１６０４７６号公報

しかしながら、最近では、ユーザの利便性向上のため、このようなプロジェクタに対するさらなるコンパクト化が要求されている。

本開示はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、よりコンパクトな構成でありながら、良好な表示性能を発揮しうる画像投影装置を提供することにある。また、本開示の他の目的は、大型の画像投影装置を用いることなく、良好な品質の画像を投影可能することのできる画像投影方法を提供することにある。

本開示の一実施形態としての第１の画像投影装置は、入射側から順に１または２以上のレンズと凹面ミラーと平面ミラーとを有し、入射光を利用して画像を投影する投影光学系を備える。ここで１または２以上のレンズは、凹面ミラーの手前に中間結像を形成する。また、平面ミラーのアスペクト比は、１．９以上である

本開示の一実施形態としての第２の画像投影装置は、入射側から順に１または２以上のレンズと凹面ミラーと平面光学基板とを有し、入射光を利用して画像を投影する投影光学系を備える。ここで１または２以上のレンズは、凹面ミラーの手前に中間結像を形成する。また、平面光学基板は、入射光の一部を反射すると共に入射光の他の一部を透過させるものである。

本開示の一実施形態としての第３の画像投影装置は、入射側から順に１または２以上のレンズと凹面ミラーと平面ミラーとを有し、入射光を利用して画像を投影する投影光学系を備える。ここで１または２以上のレンズは、凹面ミラーの手前に中間結像を形成する。また、平面ミラーを光路上に配置した第１の投影モードと平面ミラーを光路上から外した第２の投影モードとの切り替えを、１または２以上のレンズおよび凹面ミラーの姿勢を維持しつつ行う切り替え機構を有する。

本開示の一実施形態としての第４の画像投影装置は、入射側から順に１または２以上のレンズと凹面ミラーと平面光学基板とを有し、入射光を利用して画像を投影する投影光学系を備える。ここで１または２以上のレンズは、凹面ミラーの手前に中間結像を形成する。また、平面光学基板は、入射光の一部を反射すると共に入射光の他の一部を透過させ、平面光学基板を反射した光を第１の面に投影し、平面光学基板を透過した光を、第１の面と交差する第２の面に投影する。

本開示の一実施形態としての第１から第４の画像投影装置では、投影光学系が入射側から順に１または２以上のレンズと凹面ミラーと平面ミラーもしくは平面光学基板とを有するので、全体構成がよりコンパクトとなる。

本開示の一実施形態としての第１の画像投影方法は、１または２以上のレンズを透過した光を、その中間結像の形成ののち凹面ミラーにより反射させることと、凹面ミラーにより反射された光を、１．９以上のアスペクト比を有する平面ミラーにより反射させて投影面に画像を投影することとを含むものである。

本開示の一実施形態としての第２の画像投影方法は、１または２以上のレンズを透過した光を、その中間結像の形成ののち凹面ミラーにより反射させることと、凹面ミラーにより反射された反射光を、反射光の進路上に配置した平面ミラーにより反射させたのち投影面に対し照射することで画像を投影し、または、凹面ミラーにより反射された反射光を、反射光の進路上に平面ミラーを配置することなく投影面に対し照射することで画像を投影することとを含むものである。

本開示の一実施形態としての第１および第２の画像投影方法では、１または２以上のレンズを透過した光が凹面ミラーに到達する前に、その中間結像を形成するようにしたので、レンズと凹面ミラーとの距離を近づけることができる。

本開示の一実施形態としての画像投影装置によれば、光学性能を劣化させることなく、よりコンパクトな構成を実現することができる。また、本開示の一実施形態としての画像投影方法によれば、大型の画像投影装置を用いることなく良好な画像を投影することができる。

本開示の一実施の形態に係る表示装置の全体構成例を表す模式図である。 図１に示した投影光学系の詳細な構成例を表す説明図である。 図２に示した投影光学系における角度調整機構を表す斜視図である。 図２に示した投影光学系に用いられる平面ミラーの構成を表す説明図である。 図２に示した投影光学系に用いられる平面ミラーの他の構成を表す説明図である。 図２に示した投影光学系における平面ミラーの反射面のアスペクト比を説明するための第１の説明図である。 図２に示した投影光学系における平面ミラーの反射面のアスペクト比を説明するための第２の説明図である。 図２に示した投影光学系における透明平板の、レンズの中心軸からの距離を説明するための説明図である。 図２に示した投影光学系における平面ミラーの、レンズの中心軸からの距離を説明するための説明図である。 図２に示した投影光学系における透明平板の、レンズの中心軸からの距離を説明するための説明図である。 第１の変形例としての投影光学系の、第１の投影モードにおける構成を表す説明図である。 第１の変形例としての投影光学系の、第２の投影モードにおける構成を表す説明図である。 第１の変形例としての投影光学系における切り替え機構の構成を表す説明図である。 第２の変形例としての投影光学系の構成を表す説明図である。 第３の変形例としての投影光学系の構成を表す説明図である。 第４の変形例としての投影光学系の、第１の投影モードにおける構成を表す説明図である。 第４の変形例としての投影光学系の、第３の投影モードにおける構成を表す説明図である。 第４の変形例としての投影光学系の、第２の投影モードにおける構成を表す説明図である。

以下、本開示の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

［表示装置の構成］
図１は、本開示の一実施の形態に係る表示装置の全体構成を表す。この表示装置は、スクリーン４（被投射面）に対して映像（映像光）を投影する投射型の表示装置（画像投影装置）であり、照明装置１と、この照明装置１からの照明光を用いて映像表示を行うための投影光学系２と、これらを収容する外装３とを備えている。照明装置１および投影光学系２は互いに固定され、例えば投影光学系２が外装３に固定されている。

（照明装置１）
照明装置１は、筐体１０の内部に、赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇ、青色レーザ１１Ｂ、カップリングレンズ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ、ダイクロイックプリズム１３１，１３２、フライアイレンズ１４およびコンデンサレンズ１５を備えている。なお、図中に示したＺ０は光軸を表している。

赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂはそれぞれ、赤色レーザ光、緑色レーザ光または青色レーザ光を発する３種類のレーザ光源である。これらのレーザ光源により光源部が構成されている。赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂは、それぞれ例えばパルス発光を行う。すなわち、例えば所定の発光周波数（発光周期）により、間欠的（断続的）にレーザ光を出射するようになっている。赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂはそれぞれ、例えば半導体レーザや固体レーザ等からなる。半導体レーザである場合、例えば、赤色レーザ光の波長λｒは６００〜７００ｎｍ程度、緑色レーザ光の波長λｇは５００〜６００ｎｍ程度、青色レーザ光の波長λｂは４００〜５００ｎｍ程度である。

カップリングレンズ１２Ｇは、緑色レーザ１１Ｇから出射された緑色レーザ光をコリメートして（すなわち平行光に変換してそれを）ダイクロイックプリズム１３１と結合するためのレンズ（結合レンズ）である。同様に、カップリングレンズ１２Ｂは、青色レーザ１１Ｂから出射された青色レーザ光をコリメートしてダイクロイックプリズム１３１と結合するためのレンズ（結合レンズ）である。カップリングレンズ１２Ｒは、赤色レーザ１１Ｒから出射された赤色レーザ光をコリメートしてダイクロイックプリズム１３２と結合するためのレンズ（結合レンズ）である。なお、これらのカップリングレンズ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂによって、ここでは入射した各レーザ光をコリメートしている（平行光に変換している）が、この場合には限られず、カップリングレンズ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂによってコリメートしなくてもよい（平行光としてなくてもよい）。ただし、上記のようにコリメートしたほうが装置構成の小型化を図ることができるので、より望ましい。

ダイクロイックプリズム１３１は、カップリングレンズ１２Ｂを介して入射した青色レーザ光を選択的に透過させる一方、カップリングレンズ１２Ｇを介して入射した緑色レーザ光を選択的に反射させるプリズムである。ダイクロイックプリズム１３２は、ダイクロイックプリズム１３１から出射した青色レーザ光および緑色レーザ光を選択的に透過させる一方、カップリングレンズ１２Ｒを介して入射した赤色レーザ光を選択的に反射させるプリズムである。これにより、赤色レーザ光、緑色レーザ光および青色レーザ光に対する色合成（光路合成）がなされる。

フライアイレンズ１４は、基板上に複数のレンズ（単位セル）が２次元配置された光学部材（インテグレータ）であり、これら複数のレンズの配列に応じて入射光束を空間的に分割して出射させるものである。フライアイレンズ１４は、ここではダイクロイックプリズム１３２とコンデンサレンズ１７との間の光路上に配置されている。フライアイレンズ１４では、分割された光束が重畳されるように出射される。これにより、フライアイレンズ１４からの出射光の均一化（面内の光量分布の均一化）が図られる。なお、フライアイレンズ１４では、斜入射光も効率良く照明光として利用するため、その光入射面側だけでなく光出射面側にも単位セル（所定の曲率を有する単位レンズ）が形成されているとよい。

コンデンサレンズ１５は、フライアイレンズ１５２からの出射光を集光し、照明光として出射させるためのレンズである。

照明装置１には、さらに、光変調素子としての反射型液晶パネル１６および偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ；Polarization Beam Splitter）１７を備えている。

ＰＢＳ１７は、特定の偏光（例えばＰ偏光）を選択的に透過させると共に、他の偏光（例えばＳ偏光）を選択的に反射させる光学部材である。これにより、照明装置１からの照明光（例えばＳ偏光）が選択的に反射されて反射型液晶パネル１６へ入射すると共に、この反射型液晶パネル１６から出射した映像光（例えばＰ偏光）が選択的に透過し、後述のレンズ２３へ入射するようになっている。

なお、ＰＢＳ１７と反射型液晶パネル１６との間の光路上に、フィールドレンズ（図示せず）を配置してもよい。このフィールドレンズにより照明光をテンセントリックに反射型液晶パネル２１へ入射させることで、照明装置１のコンパクト化を図ることができるからである。

反射型液晶パネル１６は、照明装置１からの照明光を、図示しない表示制御部から供給される映像信号に基づいて変調しつつ反射させることにより、映像光を出射する光変調素子である。このとき、反射型液晶パネル１６では、入射時の偏光と出射時の偏光とが異なるものとなるように反射がなされる。このような反射型液晶パネル１６は、例えばＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）等の液晶素子からなる。

（投影光学系２）
図２は、投影光学系２の詳細な構成を表している。投影光学系２は、例えば入射側から順に１または２以上の投影用のレンズ２３と凹面ミラー２２と平面ミラー２１とを有し、入射光を利用して画像ＩＭＧを例えば床面ＦＳへ投影するものである。レンズ２３は、鏡筒２４に収容されている。レンズ２３は、反射型液晶パネル１６により変調された照明光（映像光）をスクリーン４（図１）に対して投影（拡大投影）するためのレンズである。レンズ２３は、凹面ミラー２２の手前に中間結像Ｍを形成する。中間結像Ｍの形成位置は凹面ミラー２２の手前であればレンズ２３と凹面ミラー２２との間であってもよいし、あるいはレンズ２３の内部であってもよい。投影光学系２は、さらに、凹面ミラー２２と平面ミラー２１とを結ぶ光路上に、ガラスなどからなる透明平板２５を有している。投影光学系２は平面ミラー２１を除き、外装３に収容されている。なお、凹面ミラー２２は、レンズ２３と共に鏡筒２４に収容されていてもよい。平面ミラー２１は、例えば外装３の外面に設けられた支持部３０によって外装３の外部において支持されている。外装３は、凹面ミラー２２と平面ミラー２１とを結ぶ光路上に開口３Ｋを有し、その開口３Ｋを密封するように透明平板２５が隙間無く設けられている。

投影光学系２は、その最終面である平面ミラー２１の反射面２１Ｓに対して角度θ（例えばθ＝４５°）をなす投影面としての床面ＦＳに設けられたスクリーン４に画像ＩＭＧを投影する。但し、平面ミラー２１の角度θは、例えば図３に示した角度調整機構２０によって変更可能である。角度調整機構２０は、反射ミラー２１を保持する保持基板２０Ａと、その四隅に設けられた４つの調整ねじ２０Ｂとを有している。保持基板２０Ａは外装３の支持部３０に固定されており、調整ねじ２０Ｂを回転させることで外装３の支持部３０に対する傾斜角度が変化する。この角度調整機構２０により、投影像に指などを映り込ませることなく、平面ミラー２１を傾ける調整が簡単にできる。

平面ミラー２１の反射面２１Ｓに対する入射角は例えば５°から６０°の幅広い範囲であるため、平面ミラー２１における反射膜の構成材料としては銀（Ａｇ）がもっとも望ましい。銀コートは上記の角度範囲において、可視光の全域に対して９５％以上の反射効率を得ることができるからである。あるいは、平面ミラー２１の反射膜を誘電体膜によって構成してもよい。特にレーザ光源を用いる場合、誘電体膜の反射率を最適化することによって、所望の波長の反射率のみを維持しながら、銀を用いた場合よりも安価に製作することが可能である。一方でアルミニウム膜は入射角によるバラつきが大きく、平面ミラー２１における反射膜の構成材料としてはあまり望ましくない。

なお、平面ミラー２１における反射膜を銀により構成する場合、以下の手法により銀の酸化を防止することが望ましい。例えば図４Ａに示したように、銀からなる反射膜２１Ａを基板２１Ｂの上に形成し、さらに反射膜２１Ａを覆うように保護膜２１Ｃを設けるとよい。これにより、反射膜２１Ａが外気と接することがなくなり、反射膜２１Ａの酸化が防止される。その結果、反射膜２１Ａの、保護膜２１Ｃと接する面を反射面２１Ｓとして用いることができる。あるいは、図４Ｂに示したように、銀からなる反射膜２１Ａを基板２１Ｂの上に形成し、反射膜２１Ａの、基板２１Ｂと接する面を反射面２１Ｓとして利用してもよい。その場合、基板２１Ｂはガラスなどの透明部材とする。なお、基板２１Ｂの厚み２１ｔによってはゴースト発生の原因となるので、厚み２１ｔを十分に厚く（例えば３ｆ以上が望ましい）することで、これを防ぐことができる。ここでｆは投影光学系２の焦点距離である。おおむねｆ≦１．５ｍｍであると、投影光学系２の全長が１５０ｍｍ程度に収まり、かつ平面ミラー２１の幅が１５０ｍｍ以内に抑えられるので、コンパクト化に有利となる。特に、ｆ＝１．０ｍｍであれば投影光学系２の全長が１００ｍｍ程度に収まり、かつ平面ミラー２１の幅が１００ｍｍ以内に抑えられるので、よりいっそうコンパクト化を図ることができる。

また、平面ミラー２１の反射面２１Ｓのアスペクト比は１．９以上であることが望ましい。このようにすることで、よりコンパクトな構成とすることができるからである。図５Ａ，５Ｂに示したように、平面ミラー２１の反射面２１Ｓのアスペクト比Ｗは、床面ＦＳへ投影される画像ＩＭＧの画面アスペクト比をＷ０とすると、角度θだけ傾いた面への写像であることから
Ｗ≧Ｗ０／ｃｏｓθ
と表すことができる。その際には平面ミラー２１に余計な部分が生じないので、よりコンパクトな構成となる。画面センターへの投影角θは４５度以上であることが望ましい。そのようにすることで、折り返しが可能となるからである。たとえば、１６：９の画面アスペクト比はＷ０＝１．７８であり、θ＝４５°を用いてＷ≧２．５とすることで、平面ミラー２１の寸法を低減することができる。また、４：３のアスペクト比Ｗ０＝１．３３に対しては、Ｗ≧１．９とするのが望ましい。なお、図５Ａは、投影光学系２における透明平板２５、平面ミラー２１および画像ＩＭＧの関係を表す説明図であり、図５Ｂは、その展開図である。

レンズ２３は、同一の中心軸Ｓ上に配置された対称光学系である。透明平板２５は、レンズ２３の中心軸Ｓと実質的に平行に延在しているとよい。また、透明平板２５における、入射側の通過光束重心位置および出射側の通過光束重心位置は、それぞれ、レンズ２３の中心軸Ｓから投影光学系２の焦点距離ｆの４．６倍以下の距離Ｘに配置されていることが望ましい。以下、その理由を説明する。透明平板２５はなるべく小さくすることが望まれる。透明平板２５は、外装３の開口３Ｋに設けられ、凹面ミラー２２からの光を透過させる窓部であるが、小型化することでそのクリーニングが容易となるからである。また、小型化することで、重量を低減できるうえ、材料費等のコストの低下にも繋がるからである。例えば図６に示したように、凹面ミラー２２よりも入射側に位置するレンズ２３が同一の中心軸Ｓ上に配置されている場合、凹面ミラー２２で反射したのち、各像高からの光は一旦この中心軸Ｓ上において集光する。本実施の形態における、透明平板２５への入射角度φは、収差バランスの関係上φ≦６０°とすることが望まれる。よって透明平板２５の位置が中心軸Ｓから離れるにつれ、透明平板２５の寸法が急激に増大する。光束の半径Ｒは、中心軸Ｓと透明平板２５との距離をＸとすれば、
Ｒ＝Ｘｔａｎφ
に従って増大する。ここで凹面ミラー２２の焦点距離ｆ１は、収差を低減できるパワーおよびサイズの関係上、投影光学系２の焦点距離ｆに対して、
｜ｆ１｜≦４．０×｜ｆ｜
を満たすことが望ましい。凹面ミラー２２の反射面２２Ｓの曲率半径Ｒｍは、Ｒｍ＝２×｜ｆ１｜であり、半径Ｒがこれを上回ると透明平板２５の平面寸法が凹面ミラー２２の反射面２２Ｓの平面寸法を上回るため、外装３の寸法が大きくなってしまう。よって、
Ｒｍ≧Ｒ
を満たすことが望ましく、
２×｜ｆ１｜≧Ｘｔａｎφ
８．０×｜ｆ｜≧Ｘｔａｎφ
８．０×｜ｆ｜／ｔａｎφ≧Ｘ
となる。ここでφ＝６０°とすれば、
４．６×｜ｆ｜≧Ｘ
を満たす必要がある。たとえば焦点距離ｆ＝１[ｍｍ]ならば、
４．６≧Ｘ［ｍｍ］
を満たす必要がある。またこの部分には透明平板２５のほか、波長板やフィルターなどの光学素子を置くのに適している。

平面ミラー２１の位置についても一定程度の範囲に収めることで投影光学系２のコンパクト化が可能である。具体的には、図７において、平面ミラー２１における光束重心位置２１Ｐとレンズ２３の中心軸Ｓとの距離Ｙは、凹面ミラー２２の曲率半径Ｒｍの１．４２倍以上であるとよい。平面ミラー２１の高さは、自身の光線と凹面ミラー２２の干渉を避けられる程度に高く、かつ自らのサイズが一定程度小さくなるよう低くしなければならない。図７に示したように、最もレンズ２３の近くに投影される光線のケラレを避けるために、平面ミラー２１を、一定程度高く設ける必要がある。すなわち、
Ｄ２−Ｄ１≧ｆ１
を満たすことが望ましい。この範囲を逸脱すると、平面ミラー２１において反射した光線が凹面ミラー２１と干渉してしまうからである。ここで、Ｄ１は、レンズ２３の中心軸Ｓ上における凹面ミラー２２の焦点２２ＦＰと平面ミラー２１の光束重心位置２１Ｐとの距離である。また、Ｄ２は、中心軸Ｓ上における光束重心位置２１Ｐと平面ミラー２１で反射した光線の透過点２１ＬＰとの距離である。平面ミラー２１の、中心軸Ｓに対する角度をψとすれば、距離Ｙは以下のように表すことができる。
Ｙ｛ｔａｎ（２ψ−φ）−ｔａｎ（φ）｝≧ｆ１
Ｙ≧｜ｆ１｜／｛ｔａｎ（２ψ−φ）−ｔａｎ（φ）｝
ここでψ＝４５°の場合、最少画角到達光線ではφを４０°以下とすることが好ましい。よって、
Ｙ≧２．８４×｜ｆ１｜＝１．４２×｜Ｒｍ｜
となる。
Ｒｍ＝−７ｍｍとすれば、
Ｙ≧９．９ｍｍ
を満たす必要がある。
なお平面ミラー２１の高さ、すなわち距離Ｙは、なるべく低いほうが望ましい。投影光学系２の薄型化を図ることができるからである。

＜平面ミラーと組み合わせた際の平面ガラス位置＞
特に、透明平板２５を用いる場合、透明平板２５とレンズ２３の光軸（中心軸Ｓ）との距離Ｘは、平面ミラー２１における光束重心位置２１Ｐとレンズ２３の中心軸Ｓとの距離Ｙの０．３倍以下であるとよい。図８に示したように、透明平板２５を凹面ミラー２２の焦点２２ＦＰから最近傍の反射光線までのＤ３内に入るように構成しておけば、必ず反射光線を避けられ、光学的に有利だからである。
Ｄ３＝Ｙ−Ｙｔａｎφ／ｔａｎ（２ψ―φ）
であるから、
Ｄ３≧Ｘ
Ｙ−Ｙｔａｎφ／ｔａｎ（２ψ―φ）≧Ｘ
を満たす必要がある。
ここでψ＝４５°の場合、レンズ設計上φ≦４０°とすることが望ましいので、
０．３×Ｙ≧Ｘ
がより望ましいこととなる。前述の前提を用いれば、
Ｙ＝９．９ｍｍとして、
２．９[ｍｍ] ≧Ｘ
となる。

［表示装置の表示動作］
この表示装置では、図１に示したように、まず照明装置１において、赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂからそれぞれ出射された各色レーザ光（赤色レーザ光、緑色レーザ光および青色レーザ光）が、カップリングレンズ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂによってそれぞれコリメートされ、平行光となる。次いで、平行光となった各色レーザ光は、ダイクロイックプリズム１３１，１３２によって色合成（光路合成）がなされる。光路合成がなされた各レーザ光は、フライアイレンズ１４およびコンデンサレンズ１５をこの順に通過し、照明光としてＰＢＳ１７に入射する。この際、フライアイレンズ１４により、ＰＢＳ１７への入射光の均一化（面内の光量分布の均一化）が図られている。

ＰＢＳ１７へ入射した照明光は、ＰＢＳ１７によって選択的に反射され、反射型液晶パネル１６へ入射する。反射型液晶パネル１６では、この照明光が映像信号に基づいて変調されつつ反射されることにより、映像光として出射する。ここで、反射型液晶パネル１６では、入射時の偏光と出射時の偏光とが異なるので、反射型液晶パネル１６から出射した映像光は選択的にＰＢＳ１７を透過し、レンズ２３へと入射する。そして、レンズ２３へ入射した映像光は、レンズ２３を含む投影光学系２によって、スクリーン４に対して投影（拡大投影）される。具体的には、映像光はレンズ２３を透過し、その中間結像Ｍを形成したのち凹面ミラー２２により反射し、平面ミラー２１へ向かう。平面ミラー２１では、凹面ミラー２２により反射された映像光をさらに反射してスクリーン４へ画像を拡大投影する。

この際、赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇおよび青色レーザ１１Ｂはそれぞれ、例えば、所定の発光周波数による間欠的な発光動作を行う。これにより、各色レーザ光（赤色レーザ光，緑色レーザ光，青色レーザ光）が、時分割的に順次出射される。そして、反射型液晶パネル１６では、各色成分（赤色成分、緑色成分、青色成分）の映像信号に基づいて、対応する色のレーザ光が時分割的に順次変調される。このようにして、映像信号に基づくカラー映像表示がこの表示装置においてなされる。

［表示装置の作用効果］
このような構成により、本実施の形態の表示装置によれば、光学性能を劣化させることなく、よりコンパクトな構成を実現することができる。例えば本実施の形態では、投影光学系２の、最も像側の構成要素として平面ミラー２１を配置するようにした。平面ミラー２１の反射面２１Ｓを最終面とすることにより、一般的な超短焦点レンズの構成であり、フットプリントが大きく高さが小さい状態でありながら、床面ＦＳへの投影を可能にしている（図２参照）。また、投影光学系２が、入射側から順にレンズ２３と凹面ミラー２２と平面ミラー２１とを有し、凹面ミラー２２の手前に中間結像Ｍを形成するようにしたので、平面ミラー２１の寸法を小さくすることができる。

さらに、平面ミラー２１の反射面２１Ｓのアスペクト比を１．９以上とすれば、よりコンパクトな構成とすることができる。また、本実施の形態では、レンズ２３が同一の中心軸Ｓ上に配置された対称光学系であり、透明平板２５は、中心軸Ｓと実質的に平行に延在し、かつ、中心軸Ｓから焦点距離ｆの４．６倍以下の距離Ｘに配置されている。このため、全体構成のコンパクト化に有利となっている。但し、透明平板２５は、中心軸Ｓと平行でなくともよい。

［変形例１］
図９Ａおよび図９Ｂは、上記実施の形態における第１の変形例としての投影光学系２Ａを備えた表示装置を表している。本変形例の投影光学系２Ａでは、平面ミラー２１を凹面ミラー２２からの映像光（反射光）の光路上（進路上）に配置した第１の投影モード（図９Ａ）と平面ミラー２１をその光路上から外した第２の投影モード（図９Ｂ）との切り替えが行われる。すなわち、第１の投影モードでは、凹面ミラー２２により反射された反射光を、その進路上に配置した平面ミラー２１により反射し、さらに平面ミラー２１により反射された反射光を投影面に照射することで画像を投影する。一方、第２の投影モードでは、平面ミラー２１を配置することなく、凹面ミラー２２により反射された反射光を投影面に照射することで画像を投影する。投影光学系２Ａは、例えば、レンズ２３および凹面ミラー２２の姿勢を維持しつつ、第１の投影モードと第２の投影モードとの切り替えを行う切り替え機構３１を有する。この切り替え機構３１は、例えば図９Ｃに示したように、平面ミラー２１を保持する保持基板３２の一端が、保持基板３２の一辺に沿った回転軸Ｚ３１を中心として回転可能に外装３に取り付けられたものである。詳細には、回転軸Ｚ３１上において、例えば保持基板３２の一端にはギア３３および円柱状の突起３４が設けられると共に他端には他の円柱状の突起３４が設けられている。ギア３３は、例えばモータの駆動軸に固定されたギア（図示せず）と係合し、突起３４は、例えば外装３に設けられた嵌号穴（図示せず）と嵌号している。この切り替え機構３１では、ギア３３が例えばモータなどにより駆動されて回転軸Ｚ３１を中心として回転すると、保持基板３２と共に平面ミラー２１が回転軸Ｚ３１を中心として回動するようになっている。このとき第１の投影モードでは平面ミラー２１の角度の精度が重要であるので、外装３に位置精度の高いストッパ（図示せず）を設け、そのストッパに突き当たるまで平面ミラー２１を回動させるとよい。また、保持基板３２に対する平面ミラー２１の傾きを微調整するために、例えば図３のような調整機構をさらに設けてもよい。あるいは、切り替え機構３１を設ける代わりに、平面ミラー２１およびそれを保持する保持基板３２が外装３に対し着脱可能となっていてもよい。図９Ａに示した第１の投影モードでは、平面ミラー２１を反射した光を外装３の設置面に沿った投影面（例えば外装３のフットプリントと平行な投影面）である床面ＦＳに画像ＩＭＧを投影する。一方、図８Ｂに示した第２の投影モードでは、凹面ミラー２２からの光を、平面ミラー２１を介することなく外装３の設置面と交差する投影面（例えば外装３のフットプリントに垂直な投影面）である壁面ＷＳに画像ＩＭＧを投影する。

このように、本変形例では、平面ミラー２１を、外装３から取り外し、あるいは光路上から外れるように移動させることで、凹面ミラー２２から投影面へ向かう光束と干渉しないようにしている。また、凹面ミラー２２から投影面に向かう光束を平面ミラー２１により折り返した場合であっても、その光束が外装３などと干渉しないように構成されている。その結果、床面ＦＳおよび壁面ＷＳの双方への画像ＩＭＧの投影を、本体の姿勢を変更することなく、簡易的な方法で行い得る。なお、平面ミラー２１の取り外しや移動の具体的手段は上述のものに限られない。手動もしくは電気式のいずれでもよいし、また平面ミラー２１を光軸と交差する横方向に避ける方法のほか、平面ミラー２１を折りたたむなどの方法も考えられる。このように、平面ミラー２１の着脱や移動が行われた場合であっても、透明平板２５により、依然として凹面ミラー２２に対する防塵機能および防接触機能を維持することができる。

［変形例２］
図１０は、上記実施の形態における第２の変形例としての投影光学系２Ｂを備えた表示装置を表している。本変形例の投影光学系２Ｂは、平面ミラー２１の代わりに無偏光分離膜２６を設置するようにしたことを除き、他は上記実施の形態における投影光学系２と同様の構成である（変形例２）。

無偏光分離膜２６は、いわゆるハーフミラーであり、例えば誘電体や金属材料などを含む層を複数積層してなる多層膜である。無偏光分離膜２６は、波長選択性を有さず、また偏光についての選択性も有さず、入射したレーザ光の約半分の光量のレーザ光を透過すると共に残り半分の光量のレーザ光を反射するものである。あるいは、無偏光分離膜２６は、波長選択性を有するものであっても、使用される特定範囲の波長を有する入射したレーザ光について約半分の光量のレーザ光を透過すると共に残り半分の光量のレーザ光を反射するものであればよい。なお、無偏光分離膜２６におけるレーザ光の透過光量と反射光量との割合は適宜選択すればよく、１対１の割合に限定されるものではない。

このように、本変形例では、入射光の一部を透過し、他の一部を反射することで、床面ＦＳおよび壁面ＷＳの双方への画像ＩＭＧの投影を同時に行うことができるのでユーザの利便性が向上する。たとえば、センシングデバイスを床面側に配置し、透過率および反射率がいずれも５０％の無偏光分離膜２６を用いて床面ＦＳおよび壁面ＷＳへの同時投影を行う。ここで、例えば床面ＦＳへ投影した画像を入力用画像とし、壁面ＷＳへ投影した画像を表示用画像とするなどの使用方法が考えられる。センシングデバイスにより床面ＦＳへ投影された画像における指の位置を把握し、たとえば投影画面内のポインターを動かすように情報処理を行う。こうすることで、ユーザはより見やすい壁面ＷＳの画像を見ながらよりアクセスしやすい床面の画像での操作ができるようになる。超短焦点プロジェクタでは一般に指などを投影面内に配置すると影が長く伸びてしまい、投影情報の邪魔をしてしまうが、この手法ではポインティングしても壁面ＷＳの情報は邪魔をされず、かつ床面ＦＳへの画像にもある程度の画面情報が表示されるために非常に使いやすくなる。床面ＦＳにある程度の情報を表示するため、無偏光分離膜２６の反射率Ｒｆは
２０％≦Ｒｆ
とすることが望ましい。

また、無偏光分離膜２６が波長選択性を有するものであれば、その性質を利用して、壁面ＷＳと、床面ＦＳとに対してそれぞれ異なる画像を選択的に投影することもできる。

［変形例３］
さらに、図１１に示した投影光学系２Ｃのように、無偏光分離膜２６の代わりに偏光分離膜２７を載置してもよい（変形例３）。本変形例では、光源においてレーザ光の偏光を切り替えることで、床面ＦＳと、壁面ＷＳとに、それぞれ異なった画像を選択的に投影することが可能である。例えば、反射型液晶パネル１６とレンズ２３との間に偏光変換素子２８を載置し、反射型液晶パネル１６において２種類の画像（ＩＭＧ１およびＩＭＧ２）を時間的に変化させつつ、これと同期して偏光変換素子２８により偏光方向を時間的に変化させる。これによってたとえばＳ偏光であれば床面ＦＳへ画像ＩＭＧ１を投影し、Ｐ偏光であれば壁面ＷＳへ画像ＩＭＧ２を投影することが可能になり、一つのデバイスで２方向への異なった画像を投影することができる。

［変形例４］
さらに、図１２Ａ〜１２Ｃに示した投影光学系２Ｄのように、平面ミラー２１を光路上に載置した状態（図１２Ａ）と、無偏光分離膜２６を光路上に載置した状態（図１２Ｂ）と、それらを光路上から外した状態（図１２Ｃ）との切り替えが可能なものであってもよい。本変形例では、例えば平面ミラー２１の一端と無偏光分離膜２６の一端とが同一の軸ＳＳを中心として回転可能となっている。

以上、実施の形態および変形例を挙げて本技術を説明したが、本技術は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形が可能である。

例えば、上記実施の形態等では、複数種類（赤色用，緑色用，青色用）の光源がいずれもレーザ光源である場合について説明したが、この場合には限られず、他の光源（例えばＬＥＤ等）を用いてもよい。あるいは、レーザ光源と他の光源（例えばＬＥＤ等）とを組み合わせて用いてもよい。

加えて、上記実施の形態等では、光変調素子が反射型の液晶素子である場合を例に挙げて説明したが、この場合には限られない。すなわち、例えば透過型の液晶素子であってもよく、あるいは、液晶素子以外の光変調素子（例えば、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）など）であってもよい。

また、上記実施の形態等では、異なる波長の光を発する３種類の光源を用いた場合について説明したが、例えば３種類の光源ではなく、１種類や２種類，４種類以上の光源を用いるようにしてもよい。

さらに、上記実施の形態等では、照明装置および表示装置の各構成要素（光学系）を具体的に挙げて説明したが、全ての構成要素を備える必要はなく、また、他の構成要素を更に備えていてもよい。具体的には、例えばダイクロイックプリズム１３１，１３２の代わりに、ダイクロイックミラーを設けるようにしてもよい。

また、本技術は以下のような構成を取り得るものである。
（１）
入射側から順に１または２以上のレンズと凹面ミラーと平面ミラーとを有し、入射光を利用して画像を投影する投影光学系を備え、
前記１または２以上のレンズは、前記凹面ミラーの手前に中間結像を形成し、
前記平面ミラーのアスペクト比は１．９以上である
画像投影装置。
（２）
前記凹面ミラーと前記平面ミラーとを結ぶ光路上に透明平板をさらに備えた
上記（１）に記載の画像投影装置。
（３）
前記１または２以上のレンズは、光軸上に配置された対称光学系であり、
前記透明平板における入射側の通過光束重心位置および前記透明平板における出射側の通過光束重心位置は、それぞれ、前記１または２以上のレンズの光軸から前記投影光学系の焦点距離の４．６倍以下の距離に配置されている
上記（２）記載の画像投影装置。
（４）
前記平面ミラーにおける光束重心位置と前記１または２以上のレンズの光軸との距離は、前記凹面ミラーの曲率半径の１．４２倍以上である
上記（３）記載の画像投影装置。
（５）
前記透明平板と前記１または２以上のレンズの光軸との距離は、前記平面ミラーにおける光束重心位置と前記１または２以上のレンズの光軸との距離の０．３倍以下である
上記（４）記載の画像投影装置。
（６）
前記平面ミラーの角度を調整する角度調整機構を有する
上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の画像投影装置。
（７）
前記平面ミラーを光路上に配置した第１の投影モードと前記平面ミラーを光路上から外した第２の投影モードとの切り替えを、前記１または２以上のレンズおよび前記凹面ミラーの姿勢を維持しつつ行う切り替え機構を有する
上記（１）から（６）のいずれか１つに記載の画像投影装置。
（８）
前記１または２以上のレンズおよび前記凹面ミラーを収容する筐体を備え、
前記第１の投影モードでは、前記平面ミラーを反射した光を前記筐体の設置面に沿った面に投影し、
前記第２の投影モードでは、前記凹面ミラーからの光を、前記平面ミラーを介することなく前記筐体の設置面と交差する面に投影する
上記（７）記載の画像投影装置。
（９）
前記平面ミラーに対して４５°をなす投影面に前記画像を投影する
上記（７）または（８）に記載の画像投影装置。
（１０）
照明光学系と、
前記照明光学系からの照明光を映像信号に基づいて変調する光変調素子と
をさらに備えた
上記（１）から（９）のいずれか１つに記載の画像投影装置。
（１１）
入射側から順に１または２以上のレンズと凹面ミラーと平面光学基板とを有し、入射光を利用して画像を投影する投影光学系を備え、
前記１または２以上のレンズは、前記凹面ミラーの手前に中間結像を形成し、
前記平面光学基板は、前記入射光の一部を反射すると共に前記入射光の他の一部を透過させる
画像投影装置。
（１２）
前記平面光学基板は、前記入射光を、その波長に応じて反射もしくは透過し、またはその偏光に応じて反射もしくは透過する
上記（１１）記載の画像投影装置。
（１３）
入射側から順に１または２以上のレンズと凹面ミラーと平面ミラーとを有し、入射光を利用して画像を投影する投影光学系を備え、
前記１または２以上のレンズは、前記凹面ミラーの手前に中間結像を形成し、
前記平面ミラーを光路上に配置した第１の投影モードと前記平面ミラーを光路上から外した第２の投影モードとの切り替えを、前記１または２以上のレンズおよび前記凹面ミラーの姿勢を維持しつつ行う切り替え機構を有する
画像投影装置。
（１４）
前記１または２以上のレンズおよび前記凹面ミラーを収容する筐体を備え、
前記第１の投影モードでは、前記平面ミラーを反射した光を前記筐体の設置面に沿った面に投影し、
前記第２の投影モードでは、前記凹面ミラーからの光を、前記平面ミラーを介することなく前記筐体の設置面と直交する面に投影する
上記（１３）記載の画像投影装置。
（１５）
前記筐体は、前記凹面ミラーと前記平面ミラーとを結ぶ光路上に開口を有し、
前記開口には透明平板が隙間無く設けられている
上記（１４）記載の画像投影装置。
（１６）
前記入射光の一部を反射すると共に前記入射光の他の一部を透過させる平面光学基板をさらに備え、
前記切り替え機構により、前記第１の投影モードまたは前記第２の投影モードと、前記平面ミラーを光路上から外すと共に前記平面光学基板を光路上に配置した第３の投影モードとの切り替えを行う
上記（１３）から（１５）のいずれか１つに記載の画像投影装置。
（１７）
入射側から順に１または２以上のレンズと凹面ミラーと平面光学基板とを有し、入射光を利用して画像を投影する投影光学系を備え、
前記１または２以上のレンズは、前記凹面ミラーの手前に中間結像を形成し、
前記平面光学基板は、前記入射光の一部を反射すると共に前記入射光の他の一部を透過させ、
前記平面光学基板を反射した光を第１の面に投影し、
前記平面光学基板を透過した光を、前記第１の面と交差する第２の面に投影する
画像投影装置。
（１８）
１または２以上のレンズを透過した光を、その中間結像の形成ののち凹面ミラーにより反射させることと、
前記凹面ミラーにより反射された光を、１．９以上のアスペクト比を有する平面ミラーにより反射させて投影面に画像を投影することと
を含む
画像投影方法。
（１９）
１または２以上のレンズを透過した光を、その中間結像の形成ののち凹面ミラーにより反射させることと、
前記凹面ミラーにより反射された反射光を、前記反射光の進路上に配置した平面ミラーにより反射させたのち投影面に対し照射することで画像を投影し、または、前記凹面ミラーにより反射された反射光を、前記反射光の進路上に平面ミラーを配置することなく投影面に対し照射することで画像を投影することと
を含む
画像投影方法。

１…照明装置、２，２Ａ，２Ｂ…投影光学系、３…外装、３Ｋ…開口、４…スクリーン、１０…筐体、１０Ｓ…下面、１１Ｒ…赤色レーザ、１１Ｇ…緑色レーザ、１１Ｂ…青色レーザ、１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ…カップリングレンズ、１３１，１３２…ダイクロイックプリズム、１４…フライアイレンズ、１５…コンデンサレンズ、１６…反射型液晶パネル、１７…偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、２０…角度調整機構、２０Ａ…保持基板、２０Ｂ…調整ねじ、２１…平面ミラー、２１Ｓ…反射面、２１Ｐ…光束重心位置、２２…凹面ミラー、２３…レンズ、２４…鏡筒、２５…透明平板、２６…無偏光分離膜、２７…偏光分離膜、２８…偏光変換素子、３０…支持部、３１…切り替え機構、３２…保持基板、Ｓ…中心軸。

Claims (19)

1. 入射側から順に１または２以上のレンズと凹面ミラーと平面ミラーとを有し、入射光を利用して画像を投影する投影光学系を備え、
   前記１または２以上のレンズは、前記凹面ミラーの手前に中間結像を形成し、
   前記平面ミラーのアスペクト比は、１．９以上である
   画像投影装置。
2. 前記凹面ミラーと前記平面ミラーとを結ぶ光路上に透明平板をさらに備えた
   請求項１記載の画像投影装置。
3. 前記１または２以上のレンズは、光軸上に配置された対称光学系であり、
   前記透明平板における入射側の通過光束重心位置および前記透明平板における出射側の通過光束重心位置は、それぞれ、前記１または２以上のレンズの光軸から前記投影光学系の焦点距離の４．６倍以下の距離に配置されている
   請求項２記載の画像投影装置。
4. 前記平面ミラーにおける光束重心位置と前記１または２以上のレンズの光軸との距離は、前記凹面ミラーの曲率半径の１．４２倍以上である
   請求項３記載の画像投影装置。
5. 前記透明平板と前記１または２以上のレンズの光軸との距離は、前記平面ミラーにおける光束重心位置と前記１または２以上のレンズの光軸との距離の０．３倍以下である
   請求項４記載の画像投影装置。
6. 前記平面ミラーの角度を調整する角度調整機構を有する
   請求項１記載の画像投影装置。
7. 前記平面ミラーを光路上に配置した第１の投影モードと前記平面ミラーを光路上から外した第２の投影モードとの切り替えを、前記１または２以上のレンズおよび前記凹面ミラーの姿勢を維持しつつ行う切り替え機構を有する
   請求項１記載の画像投影装置。
8. 前記１または２以上のレンズおよび前記凹面ミラーを収容する筐体を備え、
   前記第１の投影モードでは、前記平面ミラーを反射した光を前記筐体の設置面に沿った面に投影し、
   前記第２の投影モードでは、前記凹面ミラーからの光を、前記平面ミラーを介することなく前記筐体の設置面と交差する面に投影する
   請求項７記載の画像投影装置。
9. 前記平面ミラーに対して４５°をなす投影面に前記画像を投影する
   請求項７記載の画像投影装置。
10. 照明光学系と、
    前記照明光学系からの照明光を映像信号に基づいて変調する光変調素子と
    をさらに備えた
    請求項１記載の画像投影装置。
11. 入射側から順に１または２以上のレンズと凹面ミラーと平面光学基板とを有し、入射光を利用して画像を投影する投影光学系を備え、
    前記１または２以上のレンズは、前記凹面ミラーの手前に中間結像を形成し、
    前記平面光学基板は、前記入射光の一部を反射すると共に前記入射光の他の一部を透過させる
    画像投影装置。
12. 前記平面光学基板は、前記入射光を、その波長に応じて反射もしくは透過し、またはその偏光に応じて反射もしくは透過する
    請求項１１記載の画像投影装置。
13. 入射側から順に１または２以上のレンズと凹面ミラーと平面ミラーとを有し、入射光を利用して画像を投影する投影光学系を備え、
    前記１または２以上のレンズは、前記凹面ミラーの手前に中間結像を形成し、
    前記平面ミラーを光路上に配置した第１の投影モードと前記平面ミラーを光路上から外した第２の投影モードとの切り替えを、前記１または２以上のレンズおよび前記凹面ミラーの姿勢を維持しつつ行う切り替え機構を有する
    画像投影装置。
14. 前記１または２以上のレンズおよび前記凹面ミラーを収容する筐体を備え、
    前記第１の投影モードでは、前記平面ミラーを反射した光を前記筐体の設置面に沿った面に投影し、
    前記第２の投影モードでは、前記凹面ミラーからの光を、前記平面ミラーを介することなく前記筐体の設置面と直交する面に投影する
    請求項１３記載の画像投影装置。
15. 前記筐体は、前記凹面ミラーと前記平面ミラーとを結ぶ光路上に開口を有し、
    前記開口には透明平板が隙間無く設けられている
    請求項１４記載の画像投影装置。
16. 前記入射光の一部を反射すると共に前記入射光の他の一部を透過させる平面光学基板をさらに備え、
    前記切り替え機構により、前記第１の投影モードまたは前記第２の投影モードと、前記平面ミラーを光路上から外すと共に前記平面光学基板を光路上に配置した第３の投影モードとの切り替えを行う
    請求項１３記載の画像投影装置。
17. 入射側から順に１または２以上のレンズと凹面ミラーと平面光学基板とを有し、入射光を利用して画像を投影する投影光学系を備え、
    前記１または２以上のレンズは、前記凹面ミラーの手前に中間結像を形成し、
    前記平面光学基板は、前記入射光の一部を反射すると共に前記入射光の他の一部を透過させ、
    前記平面光学基板を透過した光を、前記第１の面と交差する第２の面に投影する
    画像投影装置。
18. １または２以上のレンズを透過した光を、その中間結像の形成ののち凹面ミラーにより反射させることと、
    前記凹面ミラーにより反射された光を、１．９以上のアスペクト比を有する平面ミラーにより反射させて投影面に画像を投影することと
    を含む
    画像投影方法。
19. １または２以上のレンズを透過した光を、その中間結像の形成ののち凹面ミラーにより反射させることと、
    前記凹面ミラーにより反射された反射光を、前記反射光の進路上に配置した平面ミラーにより反射させたのち投影面に対し照射することで画像を投影し、または、前記凹面ミラーにより反射された反射光を、前記反射光の進路上に平面ミラーを配置することなく投影面に対し照射することで画像を投影することと
    を含む
    画像投影方法。

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