JP2016177194A - 画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 携帯性に優れ、画像を手軽に拡大表示、かつ品質良く表示できる画像投射装置を得る。【解決手段】 光源と、光源により照明される画像表示素子と、画像表示素子において形成される画像を被投射物に向けて拡大投影する投射光学系と、を有してなり、投射光学系は、レンズにより構成される屈折光学系と、少なくとも１つの反射面を備える反射光学系と、を有し、投射光学系により投影される画像は、縦横比が画像表示素子の縦横比と異なる、画像投射装置による。【選択図】図２

Description

本発明は、画像投射装置に関するものである。

接続した情報端末から入力されるデータに応じて生成した画像光を被投射物に向けて拡大投射し画像を表示する画像投射装置が知られている。画像投射装置は、プロジェタと呼ばれる。プロジェクタの一種に、被投射物であるスクリーンまでの距離が短い超短焦点プロジェクタがある。

近年普及しているスマートフォンやタブレット型情報端末のような携帯型情報端末に接続できるプロジェクタもある。なお、以下において、携帯型情報端末を単に携帯端末と表記する。

携帯端末は、表示画面の大型化と高機能化が進んでいる。しかし、表示画面の大型化には限界がある。したがって、高齢者など視力が低下している人には使いづらい面がある。また、携帯端末の表示画面に表示させた画像を見るときは、本体をいずれか一方の手で持つことになる。したがって、両手が塞がっているときには画面表示を見ることができない。

携帯端末にプロジェクタを接続すれば、表示画面を大きくすることができ、本体を持たなくても画面表示を見ることができる。しかし、プロジェクタは、持ち運びを前提にしたものではなく、スマートフォンなどに比べると携帯性が劣る。

また、プロジェクタは、一般的には、平面スクリーンに画像光を投射して表示させる。したがって、室外、移動中または作業中において、携帯端末にプロジェクタを接続して情報等を表示させる場合、平面スクリーンのある場所で行う必要がある。そうすると、携帯端末の手軽さが損なわれる。仮に、平面スクリーンではなく湾曲しているところに投射すると、そこに表示される画像は投射面の形態に応じて歪む。

画像の歪みの補正に利用できる画像のアスペクト比の変換を行うプロジェクタが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

人体に装着可能な程度の大きさ及び重量であって、被投射物として人体の一部を用いることができ、かつ、表示される画像が歪まないプロジェクタがあれば好適である。仮に、超短焦点プロジェクタと特許文献１記載のプロジェクタの利点を組み合わせて、プロジェクタの装着位置の近傍にある人体に画像を投射することができる光学系を備えるプロジェクタを実現すれば、画像の歪みは補正できるものになる可能性がある。しかしながら、人体の一部を被投射物にするプロジェクタを実現するには、解決すべき課題が他にもある。

人体の一部を被投射物にすると投射場所は平面ではない。被投射物が仮に腕であれば、投射面は湾曲している。湾曲している被投射面では、表示画像の中央部と端部でのピントが異なる。これによって、画像は不鮮明になる。また、十分な大きさの画像を表示するには、さらなる工夫を必要とする。

本発明は、携帯性に優れていて画像を手軽に拡大表示でき、かつ、表示される画像の品質を高品質にすることができる画像投射装置を提供することを目的とする。

本発明は、光源と、前記光源により照明される画像表示素子と、前記画像表示素子において形成される画像を被投射物に向けて拡大投影する投射光学系と、を有する画像投射装置であって、前記投射光学系は、レンズにより構成される屈折光学系と、少なくとも１つの反射面を備える反射光学系と、を有し、前記投射光学系により投影される画像は、縦横比が前記画像表示素子の縦横比と異なる、ことを最も主な特徴とする。

本発明によれば、携帯性に優れていて画像を手軽に拡大表示でき、かつ、表示される画像の品質を高品質にすることができる。

本発明に係る画像投射装置の実施形態が備える光学エンジンの例を示す光学配置図である。 本発明に係る画像投射装置の実施形態を示す概要図である。 本発明に係る画像投射装置の実施形態であるプロジェクタを一側面からみた側面図である。 上記プロジェクタを他の側面からみた側面図である。 上記プロジェクタが備える画像表示素子と、上記プロジェクタが表示する画像の寸法を対比する図である。 上記プロジェクタの開口数の設定例を説明するための光学配置図である。 上記プロジェクタの開口数の別の設定例を説明するための光学配置図である。 上記プロジェクタの開口数のさらに別の設定例を説明するための光学配置図である。 上記プロジェクタの開口数のさらに別の設定例を説明するための光学配置図である。 上記プロジェクタが有する光源１０１の例を示す図である。 上記プロジェクタの使用例を示す模式図である。 上記プロジェクタの第１実施例を示す断面図である。 上記プロジェクタの第２実施例を示す断面図である。 上記プロジェクタの第３実施例を示す断面図である。 上記プロジェクタの第４実施例を示す断面図である。 上記プロジェクタの第４実施例の中の画像表示素子の寸法の例を示す図である。 上記プロジェクタの第４実施例の中の表示画面の寸法の例を示す図である。 上記プロジェクタの第３実施例を示す拡大断面図である。 本発明に係る画像投射装置の別の実施形態を示す概略図である。

以下、本発明に係る画像投射装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る画像投射装置が備える光学系の要部を一方向からみた側面図である。

●画像投射装置の構成●
●光学エンジンの構成
図１において光学エンジン１００は、大まかには、照明光学系と投射光学系１０８を有してなる。照明光学系は、光源１０１から出射された光によって画像表示素子であるＤＭＤ１０７を照明するための光学系である。投射光学系１０８は、ＤＭＤ１０７で反射された光を被投射物であるスクリーン２００に向けて投射するための光学系である。図１に示すように投射光学系１０８は、その一部である屈折光学系と、屈折光学系の入射端に配置されている開口絞り１０８１を備えている。なお、投射光学系１０８を構成する屈折光学系は、複数の光学素子が光軸ＬＸを共有する軸対称の共軸光学系である。

以下、光学エンジン１００が有する照明光学系について説明をする。光源１０１から出射された光は、リフレクタ１０２によってインテグレータロッド１０３の入射端に集光される。インテグレータロッド１０３は、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である。インテグレータロッド１０３に入射された光は、インテグレータロッド１０３内のミラー面で反射を繰り返し、インテグレータロッド１０３の出射端において光量分布が一様でムラのない光になる。なお、光源１０１には、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプなどが用いられる。

インテグレータロッド１０３の出射口を面光源として捉えて、この面光源の像を、ＤＭＤ照明用レンズ１０４、第１折返しミラー１０５、第２折返しミラー１０６を介して画像表示素子であるＤＭＤ１０７の有効画像領域において生成する。ＤＭＤ照明用レンズ１０４は、ＤＭＤ１０７の有効画像領域を効率よく照射するための光学素子である。第１折返しミラー１０５は反射面が平面からなる平面ミラーである。第２折返しミラー１０６は反射面が凹面からなる曲面ミラーである。

インテグレータロッド１０３から出射された光は、ＤＭＤ照明用レンズ１０４を通過し第１折返しミラー１０５によって、図１において斜め右下方向に反射され第２折返しミラー１０６に向かう。第２折返しミラー１０６で反射された光は、ＤＭＤ１０７の表面を照明し、ＤＭＤ１０７の有効画像領域内の多数の微小ミラーによって反射されて、画像投射光である反射光束が第２折返しミラー１０６の側方を通過して投射光学系１０８に入射される。なお、光源１０１から第２折返しミラー１０６までを照明光学系という。

上記照明光学系によって、ＤＭＤ１０７は光量ムラのない照明光で照明され、一様な照度分布となるので、その拡大像である投射画像も一様な照度分布となる。

ＤＭＤ１０７は多数の微小ミラーを備える画像表示素子である。各微小ミラーは、傾斜角度を＋１２度から−１２度の範囲で変化させる。例えば、微小ミラーの角度が−１２度のとき、当該微小ミラーで反射された照明光が投射レンズ内に入るようにする。この状態をＯＮ状態という。また、ミラーの角度が＋１２度のときは、当該微小ミラーで反射された照明光は投射光学系１０８の投射レンズに入らないようにする。この状態をＯＦＦ状態という。

ＤＭＤ１０７の微小ミラーは、スクリーン２００に表示される画像の画素に対応している。したがって、ＤＭＤ１０７の各微小ミラーの傾斜角度を制御することで、スクリーン２００に表示される画像の形成に必要な投射光、すなわち投射画像光を、投射光学系１０８を介してスクリーン２００に投射することができる。

次に、図２〜図５を参照しながら、画像投射装置の実施形態であるプロジェクタ１について説明する。プロジェクタ１の内部には、上記の光学エンジン１００が搭載されている。図２に示すように、プロジェクタ１は、利用者の腕１０００に装着できるリング型の本体であるリストバンド１１と、リストバンド１１の周方向の側面部に設けられ、投射光学系１０８（図１参照）からの画像光が出射される投影窓１２と、を有している。

投影窓１２から出射された画像光は、腕１０００の一部の表面において拡大投影される。この投影された画像光により画像が表示される領域を表示領域２０１とする。すなわち、プロジェクタ１における被投射物の一例は腕１０００の表面である。

図３に示すようにプロジェクタ１が腕１０００に装着された状態を側面方向から見ると、腕１０００の表面である表示領域２０１における短手方向の中央部分から投影窓１２までの高さ方向の距離である第１距離ｄ０は、リストバンド１１の厚みとほぼ同等である。

図４に示すように、プロジェクタ１を腕１０００の挿入口方向から見て、投影窓１２から投射された光による画像が表示される表示領域２０１（図２参照）の短手方向の端部と投影窓１２までの高さ方向の距離を第２距離ｄ１とする。第２距離ｄ１は、第１距離ｄ０よりも長くなる。これは、プロジェクタ１の投影窓１２から出射された光がリストバンド１１の周方向に向かうときに、腕１０００における短手方向の丸みの分だけ、投影窓１２との距離が伸びるからである。

ここで、表示領域２０１の縦横比と、ＤＭＤ１０７（図１参照）の縦横比の違いについて、図５を用いて説明する。図５に示すように、表示領域２０１の短手方向の寸法をｓ１とし、長手方向の寸法をｍ０とする。すなわち、表示領域２０１の縦横比はｓ１：ｍ０で表される。また、ＤＭＤ１０７の短手方向の寸法をｓ０とし、長手方向の寸法をｍ０とする。これによってＤＭＤ１０７の縦横比はｓ０：ｍ０で表される。プロジェクタ１は、腕１０００を被投射物にするからスクリーン２００に相当する表示領域２０１において、その短手方向の寸法であるｓ１は、ＤＭＤ１０７の寸法であるｓ０よりも長くなる。すなわち、プロジェクタ１を装着して腕１０００の表示領域２０１に画像を表示すると、短手方向において画像の焦点が乱れる可能性がある。以下、縦横比をアスペクト比という。

●プロジェクタ１の特徴
プロジェクタ１は、上記のような画像の焦点の乱れが生じないように工夫されている。以下、プロジェクタ１における主な特徴について説明する。

上に説明した第１距離ｄ０と第２離ｄ１の差は、プロジェクタ１を装着した個人の腕１０００の太さによって異なる。この差が大きい人ほど、第１距離ｄ０を元に焦点を合わせると、第２距離ｄ１に相当する位置、すなわち、表示領域２０１の短手方向端部における焦点が乱れる。焦点が乱れると表示される画像が不鮮明になる。

一般的に、投射距離が長ければ、焦点深度は深くなるため、表示領域２０１の短手方向端部と短手方向中央部における投影窓１２からの距離の差程度では、いわゆるピンボケは生じない。しかし、光学エンジン１００は、超短距離投射を行うためのものであるから、焦点深度が浅く、ピンボケが生じやすい。

そこでプロジェクタ１は、光学エンジン１００の光源１０１（図１参照）に固体光源素子を用いる。固体光源素子とは、たとえば、発光ダイオードやレーザーダイオードである。光源１０１を光源１０１から固体光源素子にすることで、投射光学系１０８における開口数であるＮＡを小さくすることができる。

ＮＡとは、ＤＭＤ１０７などの画像表示素子から、投射光学系１０８（図１参照）に取り込まれる光束の立体角を示すパラメータである。図６を用いてＮＡを説明する。図６に示すように、光学エンジン１００において、光源１０１から出射された光がＤＭＤ１０７で反射されて投射光学系１０８へ入射する。この投射光学系１０８への入射光路を２つに分けて考える。一つは、ＤＭＤ１０７から投射光学系１０８の入射口を通過し、開口窓である開口絞り１０８１の開口部中央を透過する第１光線Ｌ１である。もう一つは、ＤＭＤ１０７から投射光学系１０８の入射口を通過し、開口絞り１０８１の開口の端部、すなわち周縁部に至る第２光線Ｌ２である。第２光線Ｌ２は第１光線Ｌ１を基準として、開口絞り１０８１の開口部端部に向かって角度θをもって広がっている。角度θの半値の正弦がＮＡである。すなわち、ＮＡはｓｉｎ（θ／２）で表される。以上説明のとおり、開口絞り１０８１は、ＤＭＤ１０７から投射光学系１０８へ入射する光量を規定する。

光源１０１を、ＬＥＤすなわち発光ダイオード、ＬＤすなわちレーザーダイオードなどの固体光源素子にすることで、ＮＡを例えば０．１５以下にすることができる。以下に示すプロジェクタ１の構成によれば、ＮＡを小さくすることで、焦点深度を深くすることができ、さらに、画像の明るさの減少を最小に留めることができる。なお、光学エンジン１００において画像表示素子をＤＭＤ１０７に変えて液晶素子パネルを用いた場合は、ＮＡは０．２以上になる。また、ＤＭＤ１０７の微小ミラーの傾斜角が１２度程度であればほとんどのＮＡは０．２になる。

ＮＡを０．１５に設定すれば、少なくとも、ＮＡが０．２である光学エンジン１００に比べて、焦点深度を１．３倍以上に拡げられる。これによって、腕１０００の丸みに対応するには十分な焦点深度を得ることができる。

光学エンジン１００の投射光学系１０８に設けた開口絞り１０８１を絞れば、ＮＡを小さく設定することができる。このように、開口絞り１０８１を絞って焦点深度を拡げる方法は、カメラレンズにおいてＦ値を大きく設定し、被写界深度を拡げる方法と同じである。

ＮＡを小さくすると、ＤＭＤ１０７から投射光学系１０８に入射する光量が減少する。投射光学系１０８への光量が減少すると、表示領域２０１に表示される画像が暗くなる。そこで、プロジェクタ１では、光源１０１の代わりに固体光源素子を用いることで、画像における明るさの減少を最小限に留める。

以下、図６乃至図１０を用いてＮＡを小さくして焦点深度を深くしつつ、表示画像の明るさの減少を最小限に留める構成について説明する。まず、図６に示す光学エンジン１００を用いて、光線Ｌ１と光線Ｌ２を比較する。図６において、光線Ｌ１は、インテグレータロッド１０３の正面から入射し、投射光学系１０８の開口絞り１０８１の中心を通過する。すなわち光線Ｌ１は、入射口正面からインテグレータロッド１０３に入射する。光線Ｌ２は、投射光学系１０８の開口絞り１０８１の端部を通過する。光線Ｌ２は、入射口斜めからインテグレータロッド１０３に入射する。

インテグレータロッド１０３は、すでに説明したとおり、入射した光が内部で全反射を繰り返しながら出射口において面光源としてみなせるようにする光学素子である。したがって、インテグレータロッド１０３から出射される光の光量のうち、入射口正面から入射する光線Ｌ１の光量はわずかであり、入射口斜めから入射する光線Ｌ２の光量の総和が光線Ｌ１の光量よりも大きい。

次に、ＮＡを小さくするために、光学エンジン１００において開口絞り１０８１を絞った状態について検討する。図７に示すように、光学エンジン１００が備える投射光学系１０８の開口絞り１０８１を絞ると、投射光学系１０８のＮＡは小さくなり、周辺の光線Ｌ２は遮光される。これによって、光線Ｌ２の光量は著しく減少する。

これに対して、図８に示すように、光源１０１に変えてＬＥＤやＬＤなどの固体光源１１１を用いると、周辺の光線Ｌ２の光量に対する固体光源１１１から正面に進む光線Ｌ１の光量の比率が増大する。

また、図９に示すように、光学エンジン１００が備える投射光学系１０８の開口絞り１０８１を絞ると、開口絞り１０８１の開口端部に至る光線Ｌ３の広がり角がθ´に狭められ、ＮＡが小さくなる。このようにＮＡを小さくしても、光源１０１に光源１０１に比べて、光量減少の度合いを小さくできる。

次に、一般的なランバートの配光分布を持つ固体光源１１１を光源１０１に用いることによる光量減少の度合いについて図１０を用いて説明する。なお、ランバードの配向分布とは、正面に向かう光線の保有するエネルギーに対して、斜めに向かう光線の保有するエネルギーは、斜め出射角度αの余弦であるcosαに比例するという配光分布のことである。

図１０は、固体光源素子である固体光源１１１の配向分布の例を示す図である。図１０において、矢印線の長さが光線のエネルギーを示し、矢印線が長いほど光線のエネルギーが強いことを示している。固体光源１１１の中央から射出する光を考えると、正面方向の光のエネルギーが一番大きく、斜め方向に射出される光ほど、すなわち、出射角度αが大きくなるほど、光線のエネルギーは弱くなる。このような配向分布を一般的なランバード分布という。

次に、ＮＡの値を変化させた場合における、図８と図９に示した光学エンジン１００における開口絞り１０８１への光線の入射度合いの違いについて説明する。

図８に示した光学エンジン１００において、ＮＡを０．２に設定すると、θの値は２３．０７度になる。また、ＮＡを０．１５に設定するとθ´は１７．２５度になる。
ここで、固体光源１１１から出射する光線Ｌ２と光線Ｌ１との角度αを３０度と仮定すると、光線Ｌ１に対する光線Ｌ２のエネルギーは角度αの余弦であるから、その値は０．８７になる。すなわち、光線Ｌ２のエネルギーは、光線Ｌ１のエネルギーの８７％である。

一方、図９に示した光学エンジン１００において、固体光源１１１から出射する光線Ｌ１と光線Ｌ３との角度α´は、図８に示した光線Ｌ２と光線Ｌ１との角度αと比較すると小さい。上述のθ＝２３．０７度、θ´＝１７．２５度、α＝３０度を前提に計算すると、図９におけるα´は２２度になる。光線Ｌ１に対する光線Ｌ３のエネルギーは角度α´の余弦であるから、その値は０．９３になる。すなわち、光線Ｌ３のエネルギーは、光線Ｌ１のエネルギーの９３％である。

開口絞り１０８１を絞ることで、光線Ｌ２は遮光されるが、固体光源１１１から出射される光線Ｌ３より内側の光線束が残るため、光量減少は最小減で食い止められる。これに対して、図６に示した光学エンジン１００のように、光源１０１を用いると光線Ｌ２のエネルギーの比率が高いから、光量減少幅が固体光源１１１に比べて大きい。

以上説明のとおり、光学エンジン１００は光源１０１に固体光源１１１を用いることで、ＮＡを小さくして、焦点深度を深くし、かつ、光量の減少による画像が暗くなることを防ぐことができる。

●プロジェクタ１の実施例●
以下、上記のプロジェクタ１に係る実施例について説明する。以下において説明する実施例１乃至４に係るプロジェクタ１は、光源１０１に固体光源１１１を備え、ＮＡは０．１５以下に設定されているものである。なお実施例１乃至４に係るプロジェクタ１が備えるＤＭＤ１０７のサイズは、０．１ｉｎｃｈであって、プロジェクタ１によって表示領域２０１に投影される画像のサイズは４ｉｎｃｈである。

ここで、以下の各実施例の仕様に含まれる投射距離ｈ０とリストバンド１１におけるバンド高さＫについて説明する。図１２などに示される表示領域２０１の垂直方向、すなわち、Ｙ方向において、第２ミラー１０８３で反射される光線のうち表示領域２０１から最も離れた点をＰ１とする。また、表示領域２０１のＹ方向において、第１ミラー１０８２で反射される光線のうち表示領域２０１に最も近い点をＰ２とする。投射距離ｈ０は、Ｙ方向におけるＰ１と表示領域２０１との距離である。また、リストバンド１１におけるバンド高さＫは、Ｙ方向におけるＰ１とＰ２の距離である。すなわち、バンド高さＫは距離Ｋでもある。

●実施例１
図１１は、実施例１に係るプロジェクタ１を装着した状態の例を示す模式図である。また、図１２は、実施例１に係るプロジェクタ１における投射光学系１０８の拡大図である。図１１において、投影窓１２は腕１０００ではなく、装着者の手の甲１００１に向いている。プロジェクタ１は、リストバンド１１の中に光学エンジン１００が収められているが、図１１においては光学エンジン１００のうち、投射光学系１０８のみを表している。なお、図１１において投射光学系１０８は、屈折光学系の手の甲１００１に向けて投射するためのミラー光学系も備えている。

図１２に示すように、プロジェクタ１は、ＤＭＤ１０７で形成される画像光が投射光学系１０８を構成する屈折光学系を通過し、ミラー光学系を構成する第１ミラー１０８２と第２ミラー１０８３反射されながら拡大される。拡大された画像光は、投影窓１２から被投射物である手の甲１００１に向けて投射される。なお、図１２に示すように、各実施例に係る投射光学系１０８における座標軸は、ＤＭＤ１０７から投射光学系１０８に光が進む方向であって、表示領域２０１と平行方向をＺ方向とする。Ｚ方向と直交する方向であってリストバンド１１の厚み方向をＹ方向とする。Ｚ方向とＹ方向に直交する方向をＸ方向とする。したがって、図１２は、プロジェクタ１のＹＺ断面図である。

実施例１に係る投射光学系１０８の仕様を表１に示す。実施例１に係る投射光学系１０８は、投射距離ｈ０は４２ｍｍ、筐体であるリストバンド１１におけるバンド高さＫは３５ｍｍ、ＮＡは０．１に設定されている。

実施例１に係る投射光学系１０８はＮＡを０．１に設定したことで、ＮＡが０．２に設定されるものに比べて、焦点深度を２倍程度深くすることができる。屈折力を有する光学素子である第２ミラー１０８３から表示領域２０１への垂直方向の距離を、投射距離ｈ０よりも大きい値にしても、ピンボケの発生を抑えることができる。なお、第２ミラー１０８３は、投射光学系１０８と表示領域２０１までの間に配置される光学素子であって、表示領域２０１に最も近い側に配置されている光学素子である。

●実施例２
次に、実施例２について説明する。図１３は、実施例２に係るプロジェクタ１における投射光学系１０８のＹＺ断面図である。図１３において、投射光学系１０８は屈折光学系の後段にミラー光学系を構成する第１ミラー１０８２と第２ミラー１０８３が配置されている。実施例２に係る投射光学系１０８の仕様を表２に示す。実施例２に係る投射光学系１０８は、投射距離ｈ０は３３ｍｍ、リストバンド１１におけるバンド高さＫは３５ｍｍ、ＮＡは０．１に設定されている。

実施例２に係る投射光学系１０８は、ＮＡの設定を小さくして焦点深度を深くしている。また、利用者が衣類の上からプロジェクタ１を装着する場合を想定して、投射距離ｈ０を衣類の厚みを考慮した分だけ短くしてある。

実施例２に係る投射光学系１０８は、リストバンド１１におけるバンド高さＫよりも投射距離ｈ０を短く設定し、投射距離ｈ０の位置での表示領域２０１の大きさを４ｉｎｃｈにする。これによって、衣類を着た場合であっても、表示領域２０１の大きさは実施例１の投射光学系１０８の場合と同じ大きさになる。

●実施例３
次に実施例３について説明する。図１４は、実施例３に係るプロジェクタ１における投射光学系１０８のＹＺ断面図である。図１４において、投射光学系１０８は屈折光学系の後段にミラー光学系を構成する第１ミラー１０８２と第２ミラー１０８３が配置されている。実施例３に係る投射光学系１０８の仕様を表３に示す。実施例３に係る投射光学系１０８は、投射距離ｈ０は４５ｍｍ、リストバンド１１におけるバンド高さＫは３４．３ｍｍ、ＮＡは０．１５に設定されている。

実施例３に係る投射光学系１０８は、実施例１に係る投射光学系１０８に比べて、ＮＡを大きく設定している。本実施例のようにＮＡを大きくしても、リストバンド１１におけるバンド高さＫも、投射距離ｈ０も、ほぼ同じ値にすることができる。

実施例３に係る投射光学系１０８を備えるプロジェクタ１は、実施例１と実施例２に比べて、投射画像の光量が増加する。一方、焦点深度は浅くなり、利用者の腕１０００における丸みや凹凸への対応範囲が狭くなる。ただし、腕１０００の丸みが少ない人物であれば、実施例１に係る投射光学系１０８を備えるプロジェクタ１のメリットは大きい。

また、実施例３に係る投射光学系１０８は、図１８に示すように、投射光学系１０８が有する各レンズが、光軸ＬＸに対して回転対称になっている。

●実施例４
次に実施例４について説明する。図１５は、実施例４に係るプロジェクタ１が備える投射光学系１０８のＹＺ断面図である。図１５において、投射光学系１０８は屈折光学系の後段にミラー光学系を構成する第１ミラー１０８２と第２ミラー１０８３が配置されている。実施例４に係る投射光学系１０８の仕様を表４に示す。実施例４に係る投射光学系１０８は、投射距離ｈ０は３３．６ｍｍ、リストバンド１１におけるバンド高さＫは３４ｍｍ、ＮＡは０．１に設定されている。また、表示領域２０１のアスペクト比である投影画像のアスペクト比が１５：１０、ＤＭＤ１０７のアスペクト比が１６：１０である。

本実施例に係るＤＭＤ１０７のアスペクト比の例を図１６に示す。また、本実施例に係るＤＭＤ１０７による投影画像のアスペクト比である表示領域２０１のアスペクト比を図１７に示す。図１６に示すようにＤＭＤ１０７は、横の寸法であるｓ０が２．１４ｍｍ、縦の寸法であるｍ０が１．３３ｍｍである。したがって、ＤＭＤ１０７のアスペクト比は、１６：１０である。これを、共軸の軸対称光学系を用いて拡大投射すると、当然ながら表示される画像のアスペクト比も１６：１０になる。すでに説明したとおり、プロジェクタ１は、腕１０００に装着され、表示領域２０１は平面ではない。したがって、ＤＭＤ１０７のアスペクト比と同じアスペクト比で画像を表示するには、工夫が必要である。

そこで、実施例４に係る投射光学系１０８は、第２ミラー１０８３を非軸対称な自由曲面ミラーにした。（図１５参照）。これによって、図１７に示すように投影画像のアスペクト比を１５：１０にすることができる。

横方向の画像サイズ゛がＤＭＤ１０７よりも小さい。この場合、仮に平面スクリーンに投影すれば表示される画像は横方向が圧縮されたようになる。しかし、プロジェクタ１は、腕１０００のような丸みを帯びている部分に画像を投影すれば、画像の横幅が拡がるので、自然な画像になる。

なお、ＤＭＤ１０７の横方向の長さをＸ０、ＤＭＤ１０７の縦方向の長さをＹ０とする。また、表示領域２０１の横方向の長さをＸ１、表示領域２０１の縦方向の長さをＹ１とする。この場合、条件（Ｘ０／Ｙ０＞Ｘ１／Ｙ１）を満たす。なお、それぞれの縦方向の長さは、投射光学系１０８の光軸ＬＸの垂線と、表示領域２０１の垂線を含む断面内における長さである。それぞれの横方向の長さは、上記の縦方向に対する垂直方向の長さである。

●実施例５
次に実施例５について説明する。図１９は、投射光学系１０８が有する反射光学系を構成するミラー光学系を、第２ミラー１０８３のみで構成した例である。図１９に示すように、本実施例に係る投射光学系１０８は、屈折光学系の光軸を腕１０００の長さ方向と略平行にした実施例１乃至４とは異なり、屈折光学系の光軸を腕１０００の法線方向にしている。これによって、実施例１乃至４の投射光学系１０８では必要であった反射光学系の平面ミラーを省略することができる。

実施例５に係るプロジェクタ１は、投射光学系１０８の長手方向が、腕１０００の法線方向になるので、リストバンド１１の厚みに相当するバンド高さＫが長くなる。ただし、構成部品を実施例１乃至４よりも少なくでき、明るさの向上を図ることができる。

以上、プロジェクタ１は、手首に装着できる形状であるから、携帯性に優れ、かつ、手軽に大きな画像表示を行うことができる。また、手首周りの丸みにより生ずる投影画像の歪みを補正することができる。さらに、服の上から装着されても、画面サイズが小さくならず、更に明るい画像表示が可能となる。非常に携帯性に優れて、携帯型情報端末と連携させることで必要に有用なものである。

●各実施例における数値例
次に、実施例１乃至４に係る投射光学系１０８における具体的な数値例を示す。各実施例と各数値例を示す表との対比を表５に示す。

表５中の記載において、間隔（※１）は、図１２におけるＺ方向に沿った間隔のことである。また、偏心（※２）は、図１２におけるＹ方向に沿った偏心量、すなわち、軸ずれ量のことである。

●実施例１に係る数値例
まず、実施例１に係る数値例を示す。表６は、レンズの曲率半径、間隔、屈折率、偏心などを示す構成データである。

表６中の面４、１５、１６、１７、１８は非球面である。これらの非球面係数を表７に示す。

上記非球面係数を適用して非球面形状を算出する式は、以下の式１である。
（式１）

平面ミラーである第１ミラー１０８２と凹面ミラーである第２ミラー１０８３及びスクリーン２００のレイアウトに関するデータを表８に示す。

第２ミラー１０８３の反射面を形成するための自由曲面係数を表９に示す。

表９に示す係数を適用して第２ミラー１０８３の反射面を算出する式を式２に示す。
（式２）

なお、表１０中に記載において、「＊＊」はべき乗演算を意味する。また、「＊」は乗算を意味する。

●実施例２に係る数値例
次に、実施例２に係る数値例を示す。表６は、レンズの曲率半径、間隔、屈折率、偏心（※2）などを示す構成データである。

表１１中の面４、１５、１６、１７、１８は非球面である。これらの非球面係数を表１１に示す。

上記非球面係数を適用して非球面形状を算出する式は、実施例１において示した式１と同様の式である。

平面ミラーである第１ミラー１０８２と凹面ミラーである第２ミラー１０８３及びスクリーン２００のレイアウトに関するデータを表１２に示す。

第２ミラー１０８３の反射面を形成するための自由曲面係数を表１３に示す。

表１３に示す係数を適用して第２ミラー１０８３の反射面を算出する式は、実施例１にて示した式２と同様の式である。

なお、表１３中に記載において、「＊＊」はべき乗演算を意味する。また、「＊」は乗算を意味する。

●実施例３に係る数値例
次に、実施例３に係る数値例を示す。表１４は、レンズの曲率半径、間隔、屈折率、偏心）などを示す構成データである。

表１４中の面４、１５、１６、１７、１８は非球面である。これらの非球面係数を表１５に示す。

上記非球面係数を適用して非球面形状を算出する式は、実施例１において示した式１と同様の式である。

平面ミラーである第１ミラー１０８２と凹面ミラーである第２ミラー１０８３及びスクリーン２００のレイアウトに関するデータを表１６に示す。

第２ミラー１０８３の反射面を形成するための自由曲面係数を表１７に示す。

表１７に示す係数を適用して第２ミラー１０８３の反射面を算出する式は、実施例１にて示した式２と同様の式である。

なお、表１７中に記載において、「＊＊」はべき乗演算を意味する。また、「＊」は乗算を意味する。

●実施例４に係る数値例
次に、実施例４に係る数値例を示す。表１８は、レンズの曲率半径、間隔、屈折率、偏心などを示す構成データである。

表１８中の面４、１５、１６、１７、１８は非球面である。これらの非球面係数を表１９に示す。

上記非球面係数を適用して非球面形状を算出する式は、実施例１において示した式１と同様の式である。

平面ミラーである第１ミラー１０８２と凹面ミラーである第２ミラー１０８３及びスクリーン２００のレイアウトに関するデータを表２０に示す。

第２ミラー１０８３の反射面を形成するための自由曲面係数を表２１に示す。

表２１に示す係数を適用して第２ミラー１０８３の反射面を算出する式は、実施例１にて示した式２と同様の式である。

なお、表２１中に記載において、「＊＊」はべき乗演算を意味する。また、「＊」は乗算を意味する。

以上のように、本発明に係る画像表示装置は、発散性の強い投射光束の集光位置を調整することで、超至近距離から大画面の画像をスクリーンに表示することができる

１ プロジェクタ
１１ リストバンド
１００ 光学エンジン
１０１ 光源
１０７ ＤＭＤ
１０８ 投射光学系
２０１ 表示領域
１０８２ 第１ミラー
１０８３ 第２ミラー

特開２０１３−０３５６６号公報

Claims (7)

1. 光源と、
   前記光源により照明される画像表示素子と、
   前記画像表示素子において形成される画像を被投射物に向けて拡大投影する投射光学系と、を有する画像投射装置であって、
   前記投射光学系は、レンズにより構成される屈折光学系と、少なくとも１つの反射面を備える反射光学系と、を有し、
   前記投射光学系により投影される画像は、縦横比が前記画像表示素子の縦横比と異なる、
   ことを特徴とする画像投射装置。
2. 前記投射光学系は、少なくとも１の非軸対称Yな光学素子を有し、
   前記非軸対称な光学素子により、前記投影される画像は、縦横比が前記画像表示素子の縦横比と異なる、
   請求項１記載の画像投射装置。
3. 前記屈折光学系は、複数の光学素子が光軸を共有する軸対称な光学系であって、
   前記画像表示素子の横方向の長さをＸ０、
   前記画像表示素子の縦方向の長さをＹ０、
   前記被投射物が平面スクリーンであるとき、当該平面スクリーンに投影された前記画像の横方向の長さをＸ１、
   前記被投射物が平面スクリーンであるとき、当該平面スクリーンに投影された前記画像の縦方向の長さをＹ１、
   前記縦方向の長さを前記光軸の垂線と前記平面スクリーンの垂線を含む断面内における長さ、
   前記横方向の長さを前記縦方向に対する垂直方向の長さ、
   としたとき、
   条件Ｘ０／Ｙ０＞Ｘ１／Ｙ１を満たす、
   請求項１または２記載の画像投射装置。
4. 前記屈折光学系は、複数の光学素子が光軸を共有する軸対称な共軸光学系であって、
   前記屈折光学系は、前記画像表示素子から入射する光量を規定する開口絞りを有し、
   前記屈折光学系の開口数は、０．１５以下である、
   請求項１乃至３記載の画像投射装置。
5. 前記投射光学系は開口窓を有し、
   前記反射光学系は、第１ミラーと第２ミラーを備え、
   前記第１ミラーまたは前記第２ミラーのいずれか一方は、非軸対称な凹面ミラーである
   請求項１乃至４のいずれかに記載の画像投射装置。
6. 前記第２ミラーは、非軸対称な凹面ミラーであり、
   前記被投射物は、平面スクリーンであるとき、
   前記平面スクリーンの垂直方向において前記第２ミラーで反射される光線のうち前記平面スクリーンから最も離れた点と、前記平面スクリーンと、の距離である投射距離ｈ０は、
   前記平面スクリーンの垂直方向において前記第２ミラーで反射される光線のうち前記平面スクリーンから最も離れた点と、前記平面スクリーンの垂直方向において前記第１ミラーで反射される光線のうち前記平面スクリーンに最も近い点と、の距離である距離Ｋよりも短い、
   請求項５記載の画像投射装置。
7. 前記屈折光学系は、複数の光学素子が光軸を共有する軸対称な共軸光学系であって、
   前記被投射物は、平面スクリーンであり、
   前記平面スクリーンに投影される前記画像の長辺は、前記平面スクリーンの垂線と前記共軸光学系の光軸とを含む断面内にあり、
   前記画像の短辺は、前記長辺の前記断面に垂直な方向にある、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の画像投射装置。