JP2014174229A - 投射光学系およびプロジェクタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】屈折光学系と、自由曲面による２面の反射面を有し、設計上の光学的な位置関係を容易に実現できる投射光学系を実現する。
【解決手段】投射光学系は、画像表示素子１０に表示される画像を拡大投影するための投射光学系であって、屈折光学系２１と、第１ミラー２３と、第２ミラー２５と、を有し、第１および第２ミラーのミラー面形状は共に自由曲面であり、第１ミラー２３は、画像表示素子側からミラー面２３Ａへ入射する結像光束の入射領域外に識別表示２３Ｂを有することを特徴とする。
【選択図】図６

Description

この発明は、投射光学系及びプロジェクタ装置に関する。

会議等におけるプレゼンテーション用や教育用、コンピュータのデータ表示用にプロジェクタ装置が広く用いられるようになった。

プロジェクタ装置に用いられる投射光学系は、画像表示素子に表示される画像を拡大投影するための光学系である。

投射光学系として、屈折光学系と反射光学系を組み合わせたものが知られている。
「屈折光学系」は、レンズ等により結像光線を屈折させる光学系で、「反射光学系」は、結像光線を反射曲面により反射させて投射画像の結像に寄与する光学系である。
反射曲面を用いる投射光学系は、プロジェクタ装置の小型化と、近距離投射の実現の可能性を秘めて居る。

「反射光学系」として、面形状の自由度の大きい「自由曲面」により反射面を形成することが提案されている（特許文献１〜５）。

自由曲面による反射面により反射光学系を構成することにより、被投射面上の投射画像の大画面化や高像質、近距離投射を実現できる。
特許文献２〜５は、自由曲面による反射面を２面用いた投射光学系を開示している。

投射光学系中に、自由曲面による反射面を２面用いると、１面の反射面を用いる場合に比して、反射光学系の果たすべき機能を２面の反射面に配分することができる。

このため、１面の反射面を用いる場合に比して、２面の反射面の個々の形成が容易になるなどの利点がある。

また、反射光学系の機能を２面の反射面に配分することにより「より像側に配置される反射面」の誤差感度を下げたり、光学性能を上げたりできる。

しかし反面、反射光学系に「自由曲面による２面の反射面」を用いた場合、反射面が１面である場合よりも、各反射面に要求される「位置精度」が格段に高くなる。

自由曲面による反射面が１面の場合は、屈折光学系からの結像光束を反射面で反射させ、スクリーン等の被投射面に拡大投影した状態で反射面の位置を調整できる。

投射画像の良否を決定するのは、最も目立ちやすい「投射画像の歪み」である。

拡大投影された投射画像を目視しながら反射面の位置を調整し、投射画像が最も良くなる位置（歪みが最小となる位置）として「反射面の設計上の位置」を実現するのである。

自由曲面による反射面が２面になると、このような方法を用いることができない。

即ち、投射画像は、屈折光学系と２面の反射面とにより結像するので、反射面を１面用いたのみでは投射画像を結像させることはできない。

従って、投射画像を目視しつつ調整を行うには、屈折光学系と２面の反射面の位置関係を「投射画像が結像される状態」に設定し、その上で、各反射面の位置を調整する。

しかし、「投射画像が結像される状態」で２面の反射面を独立に位置調整して「設計上の光学配置」を実現することは極めて難しい。

この発明は上述した事情に鑑み、屈折光学系と、自由曲面による２面の反射面を有し、光学的な位置関係を高い精度で容易に実現できる投射光学系の実現を課題とする。

この発明の投射光学系は、画像表示素子に表示される画像を拡大投影するための投射光学系であって、屈折光学系と、第１ミラーと、第２ミラーと、を有し、第１および第２ミラーのミラー面形状は共に自由曲面であり、前記第１ミラーは、前記画像表示素子側からミラー面へ入射する結像光束の入射領域外に識別表示を有することを特徴とする。

この発明の投射光学系は、第１ミラーが「画像表示素子側からミラー面へ入射する結像光束の入射領域外」に識別表示を有する。

従って、画像表示素子側からミラー面へ結像光束を入射させつつ、入射領域外の識別表示を目印として入射状態を調整でき、第１ミラーの設置を高い精度で実現できる。

このように第１ミラーが位置調整されたら、第１ミラーに対して第２ミラーの位置を調整して第２ミラーの設置を高い精度で実現できる。

投射光学系の実施の１形態を概念的に示す図である。 画像表示素子から第２ミラーまでの光路部分を示す図である。 第１ミラーの位置調整を説明するための図である。 第１ミラーの位置調整を説明するための図である。 第１ミラーの位置調整を説明するための図である。 第１ミラーのミラー面への結像光束の入射状況と識別表示を示す図である。 識別表示の断面形状の１例を示す図である。 識別表示の断面形状の他の例を示す図である。 第２ミラーの位置調整の１例を説明するための図である。 第２ミラーの位置調整の１例を説明するための図である。 投射光学系の具体的な１例を示す図である。 図１１の部分拡大図である。 照明系の１例を説明するための図である。

図１に、投射光学系の実施の１形態を概念的に示す。

図１に示す投射光学系は、画像表示素子１０に表示される画像を拡大投影するための投射光学系であって、屈折光学系２１と、第１ミラー２３と、第２ミラー２５を有する。

画像表示素子１０は、所謂ライトバルブで、従来から公知のＣＤパネルやＬＣＯＳパネル、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等の任意のものを用いることができる。

以下では説明の具体性のため、画像表示素子１０はＤＭＤであるとする。

画像表示素子１０がＤＭＤであるので、画像表示素子１０は照明光により画像表示面を照明される。照明部の構成については後述する。

以下の説明においては、画像表示素子１０の照明形態については簡略化して図示する。

投射されるべき画像は、画像表示素子１０であるＤＭＤの画像表示面に表示され、照明光により照明される。

画像表示面により反射された光束は、表示された画像に従って強度変調されている。

上記光束は、屈折光学系２１、第１ミラー２３、第２ミラー２５により結像光束として導光され、スクリーン２７上に、投射画像として拡大投射される。

「結像光束」は、画像表示素子１０からスクリーン２７に向かって投射光学系により導光され、投射画像の結像に寄与する光束である。

第１ミラー２３、第２ミラー２５はそのミラー面（以下、「反射面」とも言う。）の形状が、共に自由曲面である。
自由な形状が定義できる面の総称として自由曲面と呼ばれている。特には回転非対称な面である。

この実施の形態において、第１ミラー２３は、画像表示素子１０側からミラー面へ入射する結像光束の入射領域外に「識別表示」を有している。

図２は、図１における「画像表示素子１０から第２ミラー２５までの光路部分」を説明図として拡大して示している。

画像表示素子１０は光学ハウジング３０に設けられ、この光学ハウジング３０に鏡胴４０が設けられている。鏡胴４０には屈折光学系が収納されている。

光学ハウジング３０は、図示を簡略化して描いてあり、実際には後述する照明部の構成を有している。

光学ハウジング３０には、第１ミラー保持部材２３０が固定されている。第１ミラー保持部材２３０は第１ミラー２３を保持している。

第２ミラー２５は、第２ミラー保持部材２５０により保持されている。
第２ミラー保持部材２５０は、連結部材２３１、２３３により、第１ミラー保持部材２３０に連結されて固定されている。

上記各部の組み付けは、以下の如くに行われる。
即ち、画像表示素子１０を保持する光学ハウジング３０に対して、先ず、屈折光学系を保持する鏡胴４０を位置決めして固定する。

次に、第１ミラー２３を保持した第１ミラー保持部材２３０の組み付けを行い、その後に、第２ミラー２５を保持した第２ミラー保持部材２５０の組み付けを行う。

即ち、第２ミラー２５の組付けは、第１ミラー２３を「鏡胴４０に対して高精度に位置調整」して光学ハウジング３０に組付けた後に行なう。

第１ミラー２３が組み付けられた状態で、第２ミラー２５を保持した第２ミラー保持部材２５０を、連結部材２３１、２３３により第１ミラー保持部材２３０に組み付ける。

この状態で、第１ミラー２３は鏡筒４０に保持された屈折光学系に対して高精度に位置調整されている。

第１ミラー保持部材２３０に、第２ミラー保持部材２５０を介して組み付けられた第２ミラー２５は、この状態で位置調整可能である。

この状態で、屈折光学系から結像光束を射出させ、第１ミラー２３の反射面に入射させて反射させる。反射された光束は第２ミラー２５に入射して反射される。

第２ミラー２５により反射された結像光束はスクリーン上に拡大投影され、投射画像を形成する。勿論、この状態では「投射画像」は未だ適正なものではない。

スクリーン上の投射画像を目視しながら、第２ミラーの位置を調整する。

このとき、第１ミラー２３が屈折光学系に対して高精度に位置決めされていないと、第２ミラー２５の高精度の位置調整を行うことができない。

第１ミラー２３の位置が正しくないと、スクリーンに投射される投射画像の「歪み」を、第２ミラー２５の位置調整によっては解消できないからである。

以下、図３〜図８を参照して、第１ミラー２３の組み付けを説明する。
説明中の実施の形態において、第１ミラー２３は「透明材料である透明樹脂を基体として、その１面に薄い金属膜を反射膜として形成した構成」となっている。

基体は樹脂であるので、型による面形状の形成が容易であり、所望の自由曲面を反射面形状として成形により形成されている。

「薄い金属膜」は、このように形成された反射面形状を覆うように形成される。

金属膜は膜厚を小さくし、反射面側に入射した光の一部が膜を透過するようにする。

この「透過」の程度は、第１ミラー２３の裏面側から「透過光を視認」できる程度であればよい。例えば「０．０５％程度の透過率」で十分である。

この程度の透過率であれば、金属の薄い膜の「反射面」としての機能に影響しない。

所謂マジックミラー等で知られたように、極薄く蒸着された金属膜では「反射率は膜厚が厚い場合と変わらず、透過率だけを大きくする」ことが可能である。

アルミなどの金属には、特性値として消衰係数：ｋがあり、光が金属内を１波長進むごとに光エネルギが４πｋの割合で減少することが知られている。

例えば、アルミニウムの消衰係数は５００ｎｍの光に対して６．１である。従って、蒸着する金属膜の厚さで透過率を調整できる。

金属膜をアルミニウムにより形成する場合、５００ｎｍの光に対して、０．０５％の透過率を持たせる膜厚は５０ｎｍ程度である。

第１ミラー２３の反射面をなす薄い金属膜は０．０５％の透過率を持つものとする。

第１ミラー２３の基体の裏面側は「滑らかな面」に形成されている。

図３は、第１ミラー２３の位置調整を説明するための図である。
第１ミラー２３は、第１ミラー保持部材２３０に保持されている。

この状態で、画像表示素子１０に照明光を照射して、画像表示素子１０による反射光束を鏡胴４０に保持された屈折光学系に入射させる。

すると、屈折率光学系から射出した結像光束は、第１ミラー２３の反射面に入射する。

第１ミラー２３の反射面は薄い金属膜により形成され、金属膜は０．０５％程度の透過率を有するから、入射した結像光束の光量の０．０５％程度が金属膜を透過する。

第１ミラー２３の「金属膜による反射面を形成された基体」は透明樹脂であるので、金属膜を透過した光は基体をも透過し、第１ミラー２３の裏面側から視認される。

例えば、投射画像の明るさが３０００ルーメンである場合であれば、第１ミラー２３に入射する結像光束の光量は３０００ルーメン強である。
この場合、透過率を０．０５％とすれば、第１ミラー２３を透過する光量は１．５ルーメンであり、暗室内であれば十分に視認可能である。

第１ミラー２３は、その反射面側に「識別表示」を有する。
図６は、第１ミラー２３の反射面２３Ａへの結像光束の入射状態を説明図的に示している。図中の符号ＦＬＸで示す部分は、反射面に入射した結像光束の光束断面である。

図６において、符号２３Ｂで示すのは「識別表示」である。

識別表示２３Ｂは、画像表示素子側から反射面２３Ａへ入射する結像光束の入射領域外の４箇所に、入射領域を取り囲むように形成されている。

図３に示すように、暗室内で、第１ミラー２３の反射面に結像光束を入射させ、位置調整作業を行う作業者は、第１ミラー２３の裏面側から入射状況を観察する。

このとき、作業者は、図６に示された光束断面ＦＬＸと識別表示２３Ｂとを、第１ミラー２３を透過した光により視認することになる。

第１ミラー２３の基体の裏面側は「滑らかな面」に形成されているので、光束断面ＦＬＸと識別表示２３Ｂは裏面側から明瞭に目視できる。

識別表示２３Ｂは、結像光束の第１ミラー２３への「適正な入射状態」を定めるように形成されている。

即ち、図６に示すように、識別表示２３Ｂで囲まれた反射面領域の中心と、光束断面ＦＬＸの中心が一致した状態が「適正な入射状態」である。

従って、図３に示すように、作業者は、第１ミラー２３の裏面側から「光束断面ＦＬＸと識別表示２３Ｂとの位置関係」を目視して、第１ミラー２３の位置を調整する。

即ち、「識別表示２３Ｂで囲まれた反射面領域の中心と、光束断面ＦＬＸの中心」を一致させるように第１ミラー２３の位置調整を行う。

この位置調整が実現できたら、その状態を第１ミラー２３の適正位置とし、第１ミラー２３と屈折光学系の位置関係を固定する。

この「位置関係の固定」は適宜に行なえば良い。

例えば、第１ミラー保持部材２３０を、光学ハウジング３０に対して、図３の左右方向に平行移動可能にしておく。

そして、第１ミラー保持部材２３０を平行移動させて、光学ハウジング３０に対する位置調整を行う。

この平行移動の方向は「画像表示素子１０の画像表示面に平行な方向」である。

第１ミラー保持部材２３０を光学ハウジング３０に固定したら、図４に示すように、第１ミラー保持部材２３０に対して第１ミラー２３を変位させて位置調整する。

そして、調整後に、第１ミラー２３を第１ミラー保持部材２３０に、接着剤やバネなどで固定する。

この場合には、第１ミラー２３の周縁部に、第１ミラー保持部材２３０に対して滑らせて変位させることができるように平面部を形成しておく。

あるいは、予め、第１ミラー保持部材２３０に対して第１ミラー２３を位置調整して固定的に保持させておく。

そして、第１ミラー２３の裏面側から、結像光束と識別表示２３Ｂの位置関係を目視しながら、第１ミラー保持部材２３０と第１ミラー２３とを一体として変位させる。

この変位は、図５の矢印のように、第１ミラー保持部材２３０の平行移動により行う。

第１ミラー２３の適正な位置調整ができたら、第１ミラー保持部材２３０を光学ハウジング３０に接着等により固定する。

さらには、上に述べた２つの方法を組み合わせて行っても良い。

なお、このとき、画像表示素子の画像表示面の「屈折光学系による像（以下「中間像」と言う。）」が、第１ミラー２３の反射面近傍に結像するようにすることが好ましい。

識別表示の例を、図７、図８に示す。

識別表示を、凹部による段差２３ｂや２３ｃのようにすると「ミラー面の自由曲面」を加工するときに同時加工が可能である。

また、ミラー面の中心に対して高い位置精度で加工可能である。

段差２３ｂや２３ｂに当たった結像光束部分は、段差により拡散され、あるいは屈折して進行方向が変化し、第１ミラー裏面側に透過して作業者の目に入る光量が減少する。

あるいは、第１ミラーの裏面で反射された一部の光が段差を照射して段差を視認可能とする。

このように、識別表示は「第１ミラーの裏面側で作業者の目に入る光量が、他の部位に比べて減少する構成」であればよい。

従って、識別表示は、段差でなく「粗し面」や「黒インクなどの印刷」加工で形成しても良い。

前記凹部による段差に代えて「凸部による段差」として識別表示を形成しても良い。

第１ミラーの裏面は、裏面全体を「凸面」とし、この凸面による屈折により「光束断面と識別表示」を拡大して観察できるようにすると、位置調整の作業が容易になる。

上記の如くして、第１ミラー２３の「屈折光学系に対する位置関係」を固定した後に、第２ミラー保持部材を第１ミラー保持部材２３０に対して組付ける。

即ち、図２に示すように、第２ミラー２５を保持する第２ミラー保持部材２５０を、連結部材２３１、２３３により第１ミラー保持部材２３０に組み付ける。

この状態では、上記の如く、第１ミラー２３は鏡筒４０に保持された屈折光学系に対して高精度に位置調整されている。

第１ミラー保持部材２３０に、第２ミラー保持部材２５０を介して組み付けられた第２ミラー２５は、この状態では位置調整可能である。

この状態で、屈折光学系から結像光束を射出させ、第１ミラー２３の反射面に入射させて反射させ、第１ミラー２３側から第２ミラー２５に入射して反射される。

第２ミラー２５により反射された結像光束はスクリーン上に拡大投影され、投射画像を形成する。勿論、この状態では「投射画像」は未だ適正なものではない。

スクリーン上の投射画像を目視しながら、投射画像の歪みを解消するように第２ミラー２５を変位させて、第２ミラー２５を適正な位置に調整する。

このようにして、第２ミラー２５の位置調整が終わったら、連結部材２３１、２３３により、第２ミラー保持部材２５０を第１ミラー保持部材２３０に固定する。

さらに、第２ミラー２５を第２ミラー保持部材２５０に固定する。

このようにして、屈折光学系に対して、第１ミラー２３、第２ミラー２５の位置が適正に実現される。

このようにすることにより、屈折光学系に対する第２ミラー２５の位置精度も向上し、画質の改善を図ることができる。

上には、第１ミラー２３の位置調整を行って組み付けた後に、スクリーン上に投射された投射画像を目視しながら、第２ミラーの位置を調整する場合を説明した。

このようにする代わりに、第２ミラー２５の位置調整も、第１ミラー２３の位置調整と同様にして行うことも可能である。

即ち、第２ミラー２５も、透明材料である樹脂の自由曲面形状としてミラー面形状を形成された基体に薄い金属膜を反射面として形成し、さらに識別表示を形成しておく。

金属膜の厚さの調整により、入射結像光束の０．０５％程度の光量が第２ミラーを透過するようにする。

図９は、このように形成した第２ミラー２５ａを、第２ミラー保持部材２５１に保持させ、第２ミラー保持部材２５１を光学ハウジング３０に載置した状態を示している。

図１０に示すように、第１ミラー２３により反射されて第２ミラー２５ａに入射する結像光束と識別表示の位置関係を、第２ミラー２５ａの裏面側から目視する。

作業者は、この目視状態で、入射結像光束の光束断面の中心が、識別表示の中心と合致するように第２ミラー２５ａを位置調整する。

位置調整は、第２ミラー保持部材２５１全体を光学ハウジング３０に対して図の左右方向へ平行移動させて行う。

入射結像光束の光束断面の中心が、識別表示の中心と合致したら、第２ミラー保持部材２５１を光学ハウジング３０に対してネジ止めなどの手段で固定する。

このようにして、第２ミラー２５ａの位置調整を実現できる。

なお、第２ミラー保持部材２５１を光学ハウジング３０に固定した後に、さらに、第２ミラー２５ａの傾きを調整すれば、より高精度な組み付けを実現できる。

以下に、投射光学系の具体的な例を挙げる。

この投射光学系は、画像表示素子であるＤＭＤに表示される画像を、画面サイズ（投射画像の対角長）：４８〜８０インチまで拡大して投射可能なものである。

画面サイズが４８インチであるときの、ＤＭＤからスクリーンに到る結像光束の光路図を図１１に示す。

図１１においても、図１におけると同様に、符号１０により画像表示素子、符号２１により屈折光学系、符号２３により第１ミラー、符号２５により第２ミラーを示す。

また、図１１において、符号２７はスクリーンを示す。

図１２は、図１１に示す「画像表示素子１０から第２ミラー２５までの光路部分」を拡大して示している。

図１２に示すように、投射光学系は、屈折光学系２１と、第１ミラー２３と、第２ミラー２５とを有している。

屈折光学系２１は、画像表示素子１０の側から順に、正屈折力の第１群２１１、負屈折力の第２群２１２、負屈折力の第３群２１３、正屈折力の第４群２１４を配してなる。

第１群２１１は「フォーカシングに際しては固定」され、第２群２１２、第３群２１３と第４群２１４は「フォーカシング時に可動」である。

第１ミラー２３、第２ミラー２５は共に凹面形状であり、何れも自由曲面である。

屈折光学系のデータを、表１に示す。表１に示すデータにおいて、面の「間隔」は、８０インチの投射画像を拡大投射したときのデータである。

面番号：２３〜２８のレンズ面は、非球面である。

非球面は、光軸方向の非球面量：Ｄ、光軸からの高さ：Ｈ、近軸曲率：Ｃ、楕円定数：Ｋ、高次の非球面係数：Ｅ_４、Ｅ_８、Ｅ_１０・・を用い周知の「数１」により表される。

上記各非球面のデータを表２に示す。

また、画面サイズ：８０インチと４８インチでの「フォーカスによるレンズ群間隔の変化」を表３に示す。

さらに、屈折光学系のうち、第１ミラーに最も近いレンズ面（面番号：２８）の頂点を基準として、第１ミラー、第２ミラーおよびスクリーンの位置の変化を表４に示す。

第１ミラーと第２ミラーは「フォーカス時に不動」だが、第１ミラーに最も近い第４群の像側面（面番号：２８）は移動する。

従って、面番号：２８のレンズ面と第１、第２ミラー相対的な位置関係は変化する。

第１ミラー、第２ミラーの反射面形状は「自由曲面」であるが、この明細書において、自由曲面は次の「数２」によって表される。

数２において、「ｚ」は、ｚ軸に平行なサグ量、「ｃ」は、頂点曲率（ＣＵＹ）、「ｋ」は楕円定数、「Ｃｊ」は係数である。

第１ミラー、第２ミラーの反射面をなす自由曲面のデータを、表５、表６に示す。

表５、表６において、例えば、「C19＊X＊＊2＊Y＊＊5」は、「C19×X²×Y⁵」を表す。

図１２に示されたように、第１ミラー２３、第２ミラー２５は共に「凹面」であるが、「凹面の深さ」は、第１ミラー２３に比して第２ミラー２５のほうが深い。

即ち、第１ミラー２３の凹面は、第２ミラー２５の凹面に比して弱い曲がりである。

このようにすると、第１ミラー２３の誤差感度が、第２ミラー２５の誤差感度に比して小さくなる。

このため、第１ミラー２３の位置調整においては「ミラー面の傾き調整」を省略することもできる。

また、図１１に示されたように、画像表示素子１０の画像表示面に立てた法線ｎ１と、スクリーン２７に立てた法線ｎ２とは、互いに直交する。

従って「投射距離」は、第２ミラー２５の頂部からスクリーン２７までの距離であり、投射空間はこの投射距離とＸ方向の投射長さを掛けた体積で示される。

「Ｘ方向」は、図１２で左右方向であり、「Ｘ方向の長さ」は、画像表示素子１０から、スクリーン２７上のＣ’点までの距離である。

このような構成により、スクリーンを傾けたり、あるいはプロジェクタ装置本体を傾けたり、プロジェクタ装置内部で投射光学系を傾ける必要がなくなる。

従って、投射空間の最小化と簡便な設置が可能になる。

若干付言すると、屈折光学系と２枚のミラーを用いる投射光学系では、画像表示面に立てた法線とスクリーンに立てた法線を直交させない構成のものもある。

このようにすることにより、歪曲収差や像面湾曲の補正が容易になる場合や、屈折光学系と２枚のミラーとの間の光線のけられを防止できる場合があるからである。

しかし、これを実施すると「画像表示素子を床に平行に設置するようなプロジェクタ」では、プロジェクタとスクリーンを傾けて設置する必要があり不便である。

逆に、画像表示素子を「プロジェクタ装置の内部で傾ける」ように構成すると、プロジェクタ装置が大型化し易い。

図１１以下を参照して説明中の実施の形態では、上記の如く、スクリーンやプロジェクタ装置本体を傾ける必要や、プロジェクタ装置内部で投射光学系を傾ける必要がない。

従って、最も投射空間を小さくでき、プロジェクタ装置自体を小型で、簡便な設置を可能とすることができる。

投射光学系の説明中の具体例では、図１２に示すように、画像表示素子１０の画像表示面の「屈折光学系による中間像」が、第１ミラー２３の反射面近傍に結像する。

このようにすることにより、第１ミラー２３の裏面側から、結像光束の入射領域に対する視認性が良くなっている。

このような構成を採り、複数の画面サイズ（本実施例では４８〜８０インチ）でのフォーカスを可能にするには、フォーカス構造を工夫する必要がある。

説明中の形態例では、第１ミラー２３と第２ミラー２５を固定とし、屈折光学系２１の内部で、画面サイズごとに屈折光学系の像面湾曲を変化させる。

図１１において、画面サイズを４８インチよりも大きくするには、スクリーン２７を図の下方向に移動させ、屈折光学系２１内で第２〜第４群を移動させて実現する。

第２〜第４群の移動は、表３、表４に従って行なわれる。

なお、図１１において、上下方向がＹ方向で、図の下方をＹ方向の負の向きとする。

このとき、スクリーン２７上のＡ’点とＣ’点では「スクリーン２７に入射する光線角度が大きく異なる（Ａ’点では３８°、Ｃ’点では７３°）。

このため、スクリーン２７を動かした時のピント合わせのためのフォーカシング量が、Ａ'点とＣ’点で大きく異なる。

従って、屈折光学系２１の内部で「像面湾曲を変化させるようなフォーカス操作」が必要となる。説明中の形態例では，第２〜第４群の移動がこの役割を担っている。

このように、自由曲面を持つ第１、第２ミラーを、フォーカス時に固定とすることで、屈折光学系と第１、第２ミラーとの位置精度が高めることができている。

第１ミラーの自由曲面化は「投射光学系全体の像面湾曲補正」にも寄与している。

図１２に示すように、屈折光学系２１の光軸ＡＸに最も近い画素の１次像（中間像）は、第１ミラー２３と第２ミラー２５の間の光路上に結像している。

また、別の画素の中間像は、屈折光学系２１と第１ミラー２３との間の光路上に結像している。

「中間像全体」は、画像表示素子の画像表示面に対して「アンダーな像面湾曲」を有する。

このため「全ての画素が、第１ミラー２３の近傍にバランス良く中間像を形成する」ことになり、第１ミラーの位置調整の際に、作業者の視認性が良くなる。

近時、スクリーンに対するプロジェクタ装置の設置位置が、従来よりも極端に近いプロジェクタ装置（超至近プロジェクタ装置）が広まりつつある。

超至近プロジェクタ装置には、スクリーンの近くに立つプレゼンタの目に、投射光が入る眩しさを避ける効果がある。

また、プレゼンタの説明を聞く聴講者の近くにプロジェクタ装置が置かれる状況が避けられるので、聴講者は排気・騒音の悪影響を受け難い利点もある。

上に説明した投射光学系では、このような超至近プロジェクタ装置を実現可能である。

最後に、画像表示素子１０がＤＭＤである場合の、照明部の構成については説明する。

図１３は、照明部を説明図的に示している。

図に示す如く、リフレクタを有するランプ１からの光をインテグレータロッド（４つのミラーを組み合わせてトンネル状にしたライトパイプ）３の入口に集光する。

光はインテグレータロッド３内のミラー面で反射を繰り返し、インテグレータロッド３の出口では「光量むらが一様な状態」となる。

この出口を「光量むらが一様な面光源」とし、出口からの光をレンズ系５、ミラー７、９により画像表示素子１０の画像表示面に導光し、面光源の像として結像させる。

このようにして、画像表示素子１０の画像表示面は「一様な照度分布」で照明され、投射光学系によるその拡大像であるスクリーン上の投射画像も一様な照度分布となる。

画像表示素子１０であるＤＭＤは「揺動可能な多数の微小ミラーをアレイ配列したデバイス」で、微小ミラーの角度を±１２°の範囲で変えることができる。

従って、例えば、微小ミラーの角度が−１２°のとき、照明光の反射光が投射光学系に入射し、＋１２°のときは入射しないように設定する。

そして、各微小ミラー傾斜角度を制御することにより、スクリーン上にデジタル画像を投射することができる。

若干補足する。
この発明の投射光学系では、第１ミラーの反射面を薄い金属膜で形成する場合、前述の如く、透過率は０．０５％程度、望ましくは０．０５％以上である。

第１ミラーの位置調整の際には、結像光束を第１ミラーに入射させつつ裏面側から目視する。

投射画像としてカラー画像を表示するような場合、照明光源には通常、赤、緑、青の３種の単色光源が用いられる。

従って、第１ミラーの位置調整のために用いる結像光束としては、上記３種の単色光の何れかを用いれば良いが、比較的目に対する刺激の少ない緑色光を用いるのが好ましい。

緑色光は、波長：５５０ｎｍ付近であるから、このような場合には金属膜の透過率を、５５０ｎｍ近傍の波長の光に対して０．０５％（あるいはそれ以上）に設定すればよい。

また、第１ミラーは、屈折光学系からの結像光束の光路を「折り曲げる」機能を持つため、ミラー面への光線入射角度は４５°の両側に平均的に分散する。

従って、第１ミラーの金属膜の透過率は、反射面への光線入射角４５°近辺での透過率が０．０５％となるようにすることが好ましい。

第２ミラーにも金属膜による反射面を形成し、透過光により位置調整をするような場合には以下のようにするのが良い。

即ち、「反射面への光線入射角の平均値に対して、０．０５％（あるいはそれ以上）の透過率になる」ように透過率を設計する。

第２ミラーにおいては、反射面への光線入射角度が、設計によって区々であるからである。

上の説明では、ミラー面の透過率制御を「金属膜の厚さ」で行なっているが、透過率制御は、これに限らず、例えば「誘電体多層膜」によって行っても良い。

また、上の説明においては、第１ミラーや第２ミラーの位置調整の際に、裏面からの目視により行っている。

しかし、これに限らず、ミラー面への結像光束の入射状況を、ミラー面の表面側から目視して位置調整を行うようにしても良い。

１０ 画像表示素子
２１ 屈折光学系
２３ 第１ミラー
２５ 第２ミラー
２３Ａ 第１ミラーの反射面
２３Ｂ 識別表示

特許第４８７８０４２号公報 特開２００８−２４２０２５号公報 特開２００８−２４２０２８号公報 特許第５０４５４２９号公報 特許第４９７３７９３号公報

Claims (12)

1. 画像表示素子に表示される画像を拡大投影するための投射光学系であって、
   屈折光学系と、第１ミラーと、第２ミラーと、を有し、
   第１および第２ミラーのミラー面形状は共に自由曲面であり、
   前記第１ミラーは、前記画像表示素子側からミラー面へ入射する結像光束の入射領域外に識別表示を有することを特徴とする投射光学系。
2. 請求項１記載の投射光学系において、
   第１ミラーのミラー面の識別表示は、ミラー面に対して凹部もしくは凸部の段差として形成されていることを特徴とする投射光学系。
3. 請求項１または２記載の投射光学系において、
   第１ミラーは、透明材料を基体とし、前記基体の表面側に金属膜を反射膜として有し、
   前記金属膜は、裏面側から視認できる光を透過させる透過率を有し、前記基体の裏面側は滑らかな面であることを特徴とする投射光学系。
4. 請求項１〜３の任意の１に記載の投射光学系において、
   第１ミラーの裏面は凸面であることを特徴とする投射光学系。
5. 請求項１〜４の任意の１に記載の投射光学系において、
   少なくとも画像表示素子の画像表示面に平行な方向に位置調整可能で、調整後に固定できる第１ミラー保持部材を有することを特徴とする投射光学系。
6. 請求項１〜５の任意の１に記載の投射光学系において、
   第１ミラーは、第１ミラーを保持する第１ミラー保持部材に対して、位置調整可能であり、調整後に前記第１ミラー保持部材に固定できることを特徴とする投射光学系。
7. 請求項１〜６の任意の１に記載の投射光学系において、
   第２ミラーを保持する第２ミラー保持部材は、第１ミラー保持部材に取り付け可能で、且つ、前記第１ミラーに対して傾き調整可能で、傾き調整後に前記第１ミラー保持部材に固着できることを特徴とする投射光学系。
8. 請求項１〜７の任意の１に記載の投射光学系において、
   第１及び第２ミラーのミラー面形状は、共に凹面の自由曲面であり、
   前記第１ミラーの凹面は、第２ミラーの凹面に比して弱い曲がりであることを特徴とする投射光学系。
9. 請求項１〜８の任意の１に記載の投射光学系において、
   第２ミラーは、第１ミラー側からミラー面へ入射する結像光束の入射領域外に識別表示を有することを特徴とする投射光学系。
10. 請求項１〜９の任意の１に記載の投射光学系において、
    フォーカス時に、第１および第２ミラーを固定し、屈折光学系の内部のレンズを移動させてピント合わせを行なうことを特徴とする投射光学系。
11. 請求項１〜１０の任意の１に記載の投射光学系において、
    画像表示素子の画像表示面に立てた法線と、画像を投射される被投射面に立てた法線が直交することを特徴とする投射光学系。
12. 請求項１〜１１の任意の１に記載の投射光学系を有するプロジェクタ装置。

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