JP2015114609A - 投射装置及び投射型映像表示装置 - Google Patents

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恵紘 横手
修 小沼
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修 小沼
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Katsutoshi Sasaki
勝利 佐々木
小林 正弘
Masahiro Kobayashi
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Abstract

【課題】本発明により、短い投射距離で、且つ、投射像のアスペクト比を変換することができる投射装置及び投射型映像表示装置を提供する。【解決手段】投射装置300に、画像表示素子500側から順に、屈折作用を有する第1光学系301と、反射作用を有する第2光学系302と、第2光学系302から出射された像のアスペクト比を変換するアスペクト比変換光学素子303と、を備える。第1光学系301と第2光学系302とにより、極めて短い投射距離で投射像を投射することができる。また、アスペクト変換素子303により、投射像のアスペクト比を変換することができる。【選択図】図5

Description

本発明は投射装置及び投射型映像表示装置に関する。
DMD(Digital Micro−Mirror Device)(登録商標)パネル等の画像表示素子に表示された画像を投射する投射型映像表示装置において、スクリーンに短い投射距離で像を投射する投射光学系を有するものがある。例えば、特許文献1には、短い投射距離で像を投射する投射光学系として、複数の屈折レンズを備える第1光学系と、反射面を備える第2光学系と、を有するものが記載されている。投射距離が短いことによるメリットとして、投射型映像表示装置の設置スペースを縮小することができる、投射光が視認者の目に入りにくくすることができる、発表者の影が投射画像に写らない等が挙げられる。
また、特許文献2には、複数のレンズを備える第1光学系と、アナモフィックな自由曲面形状を有する反射面を2つ備える第2光学系と、を備える投射型映像表示装置が記載されている。当該投射型映像表示装置は、アナモフィックな自由曲面形状を有する反射面を備えることにより、非点収差を補正している。また、一方の反射面に第1光学系の出射光が入射し、他方の反射面に当該一方の反射面から反射された光が入射し、一方の反射面が正のパワーを有することにより、他方の反射面のサイズを小さくできることが記載されている。
また、投射型映像表示装置において、画像表示素子に表示された画像を拡大して投射するために、画像のアスペクト比を変換するアスペクト比交換光学素子を備えるものがある。
例えば、特許文献3、4には、投射光学系の光出射側にアナモフィックレンズ又はアナモフィックプリズムを設けることにより、画像のアスペクト比を変換して投射する投射型映像表示装置が記載されている。
特開2013−120365号公報 特開2009−204846号公報 特開2010−186150号公報 特開2011−164450号公報
特許文献1に記載の短い投射距離で像を投射する投射光学系を有する投射型映像表示装置においても、画像表示素子の画像のアスペクト比を変換することができることが望まれる。なお、特許文献2に記載の投射型映像表示装置が備える反射面は、非点収差を補正するためのものであり、画像のアスペクト比を変換するものではない。すなわち、これまでに、短い投射距離で像を投射する投射光学系を有する投射型映像表示装置において、アスペクト比変換光学素子を備えるものはなかった。
第1の形態に係る投射装置は、画像表示素子側から順に、屈折作用を有する第1光学系と、反射作用を有する第2光学系と、前記第2光学系から出射された像のアスペクト比を変換するアスペクト比変換光学素子と、を備える。
第2の形態に係る投射型映像表示装置は、光源と、前記光源から出射された光線を画像表示素子に入射させる入射光学系と、前記画像表示素子から出射された像を投射する上記の投射装置と、を備える。
本発明により、短い投射距離で、且つ、投射像のアスペクト比を変換することができる投射装置及び投射型映像表示装置を提供することができる。
本発明の実施の形態1に係る投射型映像表示装置を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る投射型映像表示装置を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る投射装置とスクリーンを示す側面断面図である。 本発明の実施の形態1に係る投射装置とスクリーンを示す上面断面図である。 本発明の実施の形態1に係る投射装置を示す側面断面図である。 本発明の実施の形態1に係るアスペクト比変換素子を示す斜視図である。 本発明の実施の形態1に係る第1光学系及び第2光学系のレンズデータを示す表である。 本発明の実施の形態1に係る第7レンズ、第12レンズ、第13レンズの面形状データを示す表である。 本発明の実施の形態1に係る第13レンズ、第14レンズ、曲面ミラーの面形状データを示す表である。 本発明の実施の形態1に係るアスペクト比変換素子のレンズデータを示す表である。 本発明の実施の形態1に係るアスペクト比変換素子の面形状データを示す表である。 スクリーンに像を投射した場合の歪曲収差を示す図である。
以下、本発明を適用可能な実施の形態について説明する。なお、本発明は、下記の実施の形態に限定されるものではない。
実施の形態1.
図1に、本発明の実施の形態1に係る投射型映像表示装置を示す。図1に示す投射型映像表示装置は、画像表示素子としてDMD(Digital Micro−Mirror Device)(登録商標)パネルを用いた、単板式DLPプロジェクタ100である。なお、説明の便宜上、図1では投射型映像表示装置の光学要素だけを記載し他の要素は省略している。図1に示すように、単板式DLPプロジェクタ100は、光源(図示省略)、DMDパネル101(画像表示素子)、TIRプリズム102(入射光学系)、投射装置103等を備える。そして、光源から出射された光線は、TIRプリズム102により屈折および反射され、DMDパネル101に入射する。また、DMDパネル101から出射された光線は、TIRプリズム102を透過して投射装置103に入射する。そして、投射装置103は入射した光線をスクリーン(図示省略)に投射する。なお、単板式DLPプロジェクタ100において、光源からの射出光は、時間分割で、交互に、R(Red)、G(Green)、B(Blue)の光線としてプリズム102に入射される。
図2に、本発明の実施の形態1に係る投射型映像表示装置の他の例を示す。図2に示す投射型映像表示装置は、画像素子として液晶パネルを用いた、3板式液晶プロジェクタ200である。なお、説明の便宜上、図2では投射型映像表示装置の光学要素だけを記載し他の要素は省略している。図2に示すように、3板式液晶プロジェクタ200は、光源(図示省略)、2枚のダイクロイックミラー201、3枚の反射ミラー202、R光線用液晶パネル203、G光線用液晶パネル204、B光線用液晶パネル205、ダイクロイックプリズム206、投射装置207等を備える。なお、ダイクロイックミラー201、反射ミラー202、R光線用液晶パネル203、G光線用液晶パネル204、B光線用液晶パネル205、ダイクロイックプリズム206は、入射光学系として機能する。そして、光源(図示省略)から出射された光線は、ダイクロイックミラー201および反射ミラー202によって反射され、R光線用液晶パネル203、G光線用液晶パネル204、B光線用液晶パネル205のそれぞれに入射する。また、R光線用液晶パネル203、G光線用液晶パネル204、B光線用液晶パネル205のそれぞれから出射された光線は、ダイクロイックプリズム206を透過および反射して投射装置207に入射する。そして、投射装置207は入射した光線をスクリーン(図示省略)に投射する。
本発明にかかる投射型映像表示装置は、上述の単板式DLPプロジェクタ100、3板式液晶プロジェクタ200の何れであってもよい。すなわち、本発明にかかる投射装置は、上述の投射装置103、投射装置207の何れであってもよい。そこで、以下、説明のため、投射装置103、投射装置207を単に、投射装置300と称して説明する。
図3、図4に、本発明の実施の形態1に係る投射装置300とスクリーン400を示す。図3、図4において、投射装置300を透過する主光線のみを示している。
図3は、投射装置300とスクリーン400を示す側面断面図である。図3において、Y軸はスクリーン400の高さ方向であり、Z軸方向はスクリーン400の奥行き方向である。また、Z軸方向は、投射装置300の光軸の方向と一致する。図3は、投射装置300とスクリーン400をX軸方向から見た断面図である。
また、図4は、投射装置300とスクリーン400を示す上面断面図である。図4において、X軸方向はスクリーン400の幅方向である。換言すれば、図4は、投射装置300とスクリーン400をY軸方向から見た断面図である。
図5に、本発明の実施の形態1に係る投射装置300を示す。図5において、投射装置300を透過する主光線のみを示している。図5は、投射装置300をX軸方向から見た断面図である。図5において、画像表示素子500は、上述のDMDパネル101、R光線用液晶パネル203、G光線用液晶パネル204、B光線用液晶パネル205の何れであってもよい。また、同様に、プリズム600は、上述のTIRプリズム102、ダイクロイックプリズム206何れであってもよい。なお、画像表示素子500は、第1光学系301の光軸より上側(Y軸プラス方向側)に位置している。
図5に示すように、投射装置300は、画像表示素子500側から順に、屈折作用を有する第1光学系301と、反射作用を有する第2光学系302と、第2光学系302から出射された像のアスペクト比を変換するアスペクト比変換光学素子303を備える。
なお、アスペクト比変換光学素子303は、投射装置300に着脱可能に取り付けられている。
第1光学系301は、14枚の屈折レンズ1〜14を備える。具体的には、第1光学系301は、画像表示素子500側から順に、第1レンズ1、第2レンズ2、第3レンズ3、・・・、第14レンズ14を備える。第1レンズ1〜第6レンズ6、第8レンズ8〜第11レンズ11は、屈折作用を有する球面レンズである。また、第7レンズ7、第12レンズ12〜第14レンズ14は、屈折作用を有する軸対称非球面レンズである。
また、第2光学系302は、第1光学系301側に凹の反射面を有する曲面ミラー15を備える。曲面ミラー15の反射面は、屈折作用を有する軸対称な非球面形状を有する。また、曲面ミラー15は、第1光学系301の光軸より下側(Y軸マイナス方向側)に設けられている。曲面ミラー15が強い屈折力を有することにより、第1光学系301によって結像された中間像を極めて短い投射距離で拡大投射することができる。
具体的には、本実施の形態1では、当該中間像が形成される第14レンズ14と曲面ミラー15との間の光軸上距離は152.4mmであるのに対して、ミラー15の焦点距離fはf=R/2=72.132/2=36.066と短い焦点距離を有する。換言すれば、曲面ミラー15は強い屈折力を有している。なお、当該中間像は、画像表示素子500に表示された像と共役な像である。また、曲面ミラー15によって投射された投射像は、アスペクト比を変換されたものではない。
また、第1光学系301は、第7レンズ7と第8レンズ8との間に絞り16を備える。
アスペクト比変換光学素子303は、1以上のアナモフィックレンズを備える。本実施の形態1では、図5に示すように、アスペクト比変換光学素子303は、2枚のアナモフィックレンズ17、18を備える。なお、アスペクト比変換光学素子303は、像のアスペクト比を変換する機能を有するプリズム等を備えて構成されてもよい。
また、アスペクト比変換光学素子303は、図5に示すように、第2光学系302から出射された光束が収束する付近に配置されている。換言すれば、アスペクト比変換光学素子303は、曲面ミラー15により反射された光束が収束する付近に配置されている。これにより、アスペクト比変換光学素子303のサイズが大型化してしまうことを防ぐことができる。なお、アスペクト比変換光学素子303のサイズのコンパクト化の観点から言えば、アスペクト比変換光学素子303が配置される場所は、第2光学系302から出射された光束が収束する位置に近ければ近いほどよい。しかしながら、収差補正等のその他の観点から、アスペクト比変換光学素子303は、第2光学系302から出射された光束が収束する位置よりも像側(スクリーン400側)に配置されていることが好ましい。
換言すれば、第2光学系302から出射された光束が収束する付近とは、アスペクト比変換光学素子303のサイズが大型化になりすぎない、当該サイズが好適な範囲となる、第2光学系302から出射された光束が収束する位置を中心とした所定距離の範囲である。さらに、収差補正等の観点から、アスペクト比変換光学素子303が配置される場所は、当該所定距離の範囲のうち、像側であることが好ましい。
具体的には、本実施の形態1では、アスペクト比変換光学素子303は、曲面ミラー15から光軸(Z軸)方向に127.4mm離れた位置に配置されている。
また、図5に示すように、アスペクト比変換光学素子303は、第1光学系301の光軸(Z軸)に対して、所定のチルト角度で傾いて配置されている。換言すれば、アスペクト比変換光学素子303のY’軸及びZ’軸は、第1光学系301のY軸及びZ軸から、X軸周りに所定のチルト角度で回動している。具体的には、本実施の形態1では、アスペクト比変換光学素子303は、第1光学系301の光軸(Z軸)に対して、54.6°傾いて配置されている。
図6は、アスペクト比変換光学素子303を示す斜視図である。図6に示すように、アスペクト比変換光学素子303は、第2光学系302側から順に、アナモフィックレンズ17、アナモフィックレンズ18を備える。
また、アナモフィックレンズ17の入射面S1、出射面S2及びアナモフィックレンズ18の入射面S3、出射面S4は、トロイダルな形状を有している。換言すれば、入射面S1、出射面S2、入射面S3、出射面S4は、Y軸方向(アナモフィックレンズ17、18の縦方向)の曲率半径(Y曲率半径)とX軸方向(アナモフィックレンズ17、18の横方向)の曲率半径(X曲率半径)とが異なる形状を有する。
また、入射面S1、出射面S2、入射面S3、出射面S4は、X軸方向(横方向)に非球面形状を有している。
これにより、アスペクト比変換光学素子303は、投射像のアスペクト比を変換することが可能となる。また、入射面S1、出射面S2、入射面S3、出射面S4をX軸方向に非球面形状を有する形状とすることで、X軸方向に投射像を伸長することによって発生する歪曲収差を低減することができる。
そして、第1光学系301は、当該第1光学系301と第2光学系302との間に、画像表示素子500に表示された画像と共役な中間像を結像する。また、第2光学系302は、当該中間像を拡大するように出射する。また、アスペクト比変換光学素子303は、第2光学系302から出射された像(投射像)のアスペクト比を変換して、スクリーン400に投射する。
また、本発明の実施の形態1に係る投射装置300のFナンバー(F値)は2.0、最大物体高は17.2mm、投射距離は420mmである。換言すれば、曲面ミラー15とスクリーン400とのZ軸方向の間隔は420mmである。なお、最大物体高とは、光学系の光軸を中心として、その中心から画像表示素子のコーナー端までの距離である。
図7は、本発明の実施の形態1に係る第1光学系301及び第2光学系302のレンズデータを示す表である。
図7の表において、物体面(画像表示素子500の画像が表示される面)の面番号を0とする。そして、像面(スクリーン400の投射像が表示される面)の面番号は38である。また、絞り16の面番号は18である。また、図7の表において、「CG」は画像表示素子500のカバーガラスを意味し、「P1」はプリズム600を意味する。また、図6の表において、「L101」〜「L114」は、それぞれ、第1レンズ1〜第14レンズ14を意味する。また、図7の表において、「M1」は、曲面ミラー15を意味する。また、図7の表において、「*」は、第7レンズ7、第12レンズ12〜第14レンズ14の面形状が次の(1)式により規定されることを意味する。
Figure 2015114609
(1)式において、Zはサグ量、cは曲率、kはコーニック定数、AR1、AR2、・・・、AR30はそれぞれ1次、2次、・・・、30次の非球面係数、rは第1光学系301の光軸からの高さである。
図8、図9は、第7レンズ7、第12レンズ12〜第14レンズ14、曲面ミラー15の面形状データを示す表である。図8、図9に示すように、第7レンズ7、第12レンズ12〜第14レンズ14の両レンズ面及び曲面ミラー15の反射面は、第1光学系301の光軸に対して回転対称に形成された非球面形状を有する。
図10は、アナモフィックレンズ17、18のレンズデータを示す表である。図11は、アナモフィックレンズ17、18の面形状データを示す表である。具体的には、図11の表に、次の(2)式で用いられる各パラメータの値を示す。なお、図10及び図11において、アナモフィックレンズ17の入射面S1、出射面S2及びアナモフィックレンズ18の入射面S3、出射面S4の面番号は、それぞれ、34、35、36、37である。
Figure 2015114609
(2)式において、Zはサグ量、CUXはX曲率、kはコーニック定数、A、B、C、Dはそれぞれ4次、6次、8次、10次の非球面係数、xはアスペクト比変換光学素子303の光軸(Z’軸)からの高さ(光線高さ)である。なお、X曲率とは、X曲率半径の逆数である。
なお、アナモフィックレンズ17、18は、第2光学系302から出射された光束が透過する有効径を満たす大きさに形成されている。
図10、図11に示すように、アナモフィックレンズ17の入射面S1、出射面S2及びアナモフィックレンズ18の入射面S3、出射面S4は、トロイダルな形状を有している。これにより、アスペクト比変換光学素子303は、投射像のアスペクト比を変換することができる。また、入射面S1、出射面S2、入射面S3、出射面S4をX軸方向に非球面形状を有する形状とすることで、X軸方向に投射像を伸長することによって発生する歪曲収差を低減することができる。
図12に、本実施の形態1に係る投射装置300を用いてスクリーン400に像を投射した場合の歪曲収差を示す。なお、図12に示す歪曲収差は、光学シミュレーションにより得られた結果である。図12の上側は、アスペクト比変換光学素子303を用いずに、11行11列のグリッド格子の像を大きさ(対角線の長さ)が100インチのスクリーン400に投射した投射像を示している。また、図12の下側は、アスペクト比変換光学素子303を用いて、11行11列のグリッド格子の像を大きさ(対角線の長さ)が125インチのスクリーン400に投射した投射像を示している。図12の上側の投射像のアスペクト比は、画像表示素子500のアスペクト比と同じで、16:9である。一方、図12の下側の投射像のアスペクト比は、21:9となっている。
図12に示すように、本実施の形態1に係る投射装置300によれば、短い投射距離で、投射像のアスペクト比を変換することに伴って生じる歪曲収差を低減しつつ、投射像のアスペクト比を変換して投射することができる。
以上に説明した本発明の実施の形態1に係る投射型映像表示装置及び投射装置300によれば、画像表示素子500側から順に、屈折作用を有する第1光学系301と、反射作用を有する第2光学系302と、第2光学系302から出射された像のアスペクト比を変換するアスペクト比変換光学素子303と、を備える。
これにより、第1光学系301と第2光学系302とにより、極めて短い投射距離で投射像を投射することができる。また、アスペクト変換素子303により、投射像のアスペクト比を変換することができる。すなわち、短い投射距離で、且つ、投射像のアスペクト比を変換することができる投射装置300及び投射型映像表示装置を提供することができる。
また、アスペクト比変換光学素子303は、第2光学系302から出射された光束が収束する付近に配置されている。これにより、アスペクト比変換光学素子303のサイズが大型化してしまうことを防ぐことができる。
また、アスペクト比変換光学素子303は、第2光学系302から出射された光束が収束する位置よりも像側に配置されている。これにより、アスペクト比変換光学素子303を用いて投射像のアスペクト比を変換することによって生じる収差の悪化を低減することができる。
また、アスペクト比変換光学素子303は、第1光学系301の光軸に対して、所定のチルト角度で傾いて配置されている。これにより、スクリーン400上の各箇所へ向かう角度の異なる光線束に対して、収差補正上、最適な角度でアスペクト比変換光学素子303の各面を配置することが可能となる。すなわち、収差発生が最も少ない配置でアスペクト比変換効果を得ることができる。
また、アスペクト比変換光学素子303は、1以上のアナモフィックレンズ17、18を備え、アナモフィックレンズ17、18の入射面S1、S3及び出射面S2、S4の少なくとも1つは、は、トロイダルな形状を有する。
これにより、アスペクト比変換光学素子303が投射像のアスペクト比を変換することが可能となる。
また、アナモフィックレンズ17、18の入射面S1、S3及び出射面S2、S4は、当該アナモフィックレンズ17、18のX軸方向(横方向)に非球面形状を有する。
これにより、X軸方向に投射像を伸長又は圧縮することによって発生する歪曲収差を低減することができる。
また、第2光学系302は、第1光学系301側に凹の反射面を有する曲面ミラー15である。そのため、曲面ミラー15は強い屈折力を有する。これにより、第2光学系302は、第1光学系301から出射された中間像を極めて短い投射距離で拡大投射することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。例えば、アスペクト比変換光学素子303が伸長又は圧縮する投射像の方向はX軸(横)方向に限定されるものではなく、Y軸(縦)方向であってもよい。この場合、アナモフィックレンズ17、18はY軸方向(縦方向)に非球面形状を有することにより、投射像をY軸方向に伸長又は圧縮することによって生じる歪曲収差を低減することができる。
17、18 アナモフィックレンズ
100 単板式DLPプロジェクタ(投射型映像表示装置)
200 3板式液晶プロジェクタ(投射型映像表示装置)
103、207、300 投射装置
301 第1光学系
302 第2光学系
303 アスペクト比変換光学素子
400 スクリーン
500 画像表示素子
600 プリズム

Claims (8)

  1. 画像表示素子側から順に、屈折作用を有する第1光学系と、反射作用を有する第2光学系と、前記第2光学系から出射された像のアスペクト比を変換するアスペクト比変換光学素子と、を備える、投射装置。
  2. 前記アスペクト比変換光学素子は、前記第2光学系から出射された光束が収束する付近に配置されている、請求項1に記載の投射装置。
  3. 前記アスペクト比変換光学素子は、前記第2光学系から出射された光束が収束する位置よりも像側に配置されている、請求項1又は2に記載の投射装置。
  4. 前記アスペクト比変換光学素子は、前記第1光学系の光軸に対して、所定のチルト角度で傾いて配置されている、請求項1乃至3の何れか一項に記載の投射装置。
  5. 前記アスペクト比変換光学素子は、1以上のアナモフィックレンズを備え、
    前記アナモフィックレンズの入射面及び出射面の少なくとも1つは、トロイダルな形状を有する、請求項1乃至4の何れか一項に記載の投射装置。
  6. 前記アナモフィックレンズの入射面及び出射面の少なくとも1つは、当該アナモフィックレンズの縦方向及び横方向の少なくとも一方に非球面形状を有する、請求項5に記載の投射装置。
  7. 前記第2光学系は、前記第1光学系側に凹の反射面を有する曲面ミラーである、請求項1乃至6の何れか一項に記載の投射装置。
  8. 光源と、
    前記光源から出射された光線を画像表示素子に入射させる入射光学系と、
    前記画像表示素子から出射された像を投射する請求項1乃至7の何れか一項に記載の投射装置と、
    を備える、投射型映像表示装置。
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