JP2016177302A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スクリーンとの距離が至近であっても、鮮明な大画面表示をすることができる画像表示装置を提供する。【解決手段】照明光学系と、画像表示素子と、投射光学系と、を有し、投射光学系は、複数のレンズ群からなるレンズ光学系８と、第１ミラーおよび凹面ミラーである第２ミラーを有してなるミラー光学系と、を有してなり、第１ミラーと第２ミラーとの間に、レンズ光学系の光軸に最も近い画像表示素子に係る画素の中間像が形成され、画像表示素子と被投射面がなす角度は略直角であり、第１ミラーは、レンズ光学系と第２ミラーの位置関係を変えずに、第２ミラーに向かう光束の光路を変更可能な位置調整手段を介して保持され、位置調整手段は、第１ミラーを３点で支持する３個の固定部品と、固定部品のそれぞれを画像表示装置内に設けられている背面支持部に固定する締結部品と、第１ミラーの背面と背面支持部の間に挿入されるスペーサと、を有する。【選択図】図５

Description

本発明は、拡大画像をスクリーンに投影して表示する画像表示装置に関するものである。

従来のものに比べて、スクリーンのより近くに設置しても拡大画像を表示することができる画像表示装置が知られている。このような画像表示装置は至近距離プロジェクタと呼ばれる。至近距離プロジェクタの目的は、以下のようなものである。第１に、スクリーンの近くに立つプレゼンター（説明員や発表者など）の目に投射光が入り眩しくなることを避けるため、第２に、プレゼンターの説明を聞く聴講者にプロジェクタの排気や騒音の影響が及ばないようにするため、である。

至近距離プロジェクタを備える投射光学系は、複数の形式のものが知られている。例えば、従来の投射光学系（共軸・回転対称）の画角を広げることでスクリーン面との距離を短くすることができる形式のもの、また、曲面ミラーを用いる形式のもの等である。従来の投射光学系の画角を広げるものは、従来技術の延長で至近投射を実現することができる。しかし、スクリーンに近いレンズの外径を、大型のものにする必要があるために、プロジェクタ全体が大きくなる。

一方、曲面ミラーを使う方式は、投射光学系を小型にしつつ、至近距離での投射を実現することができる。曲面ミラーを用いた投射光学系を備えるプロジェクタの例としては、特許文献１や特許文献２に記載されているものがある。特許文献１のプロジェクタが備える投射光学系は、レンズ光学系の後ろに凹面ミラーを配置している。特許文献２記載のプロジェクタが備える投射光学系は、レンズ光学系の後ろに凸面ミラーを配置している。いずれも、レンズとミラーを順番に配置するだけでセッティングができるので、部品間の配置精度を高くすることができる。しかし、レンズ光学系とミラーの距離を長くする必要があるために、投射光学系が大きくなる。

レンズとミラーの距離を短くすることができるものとして、たとえば、特許文献３や特許文献４に記載されている発明がある。特許文献３および特許文献４記載の発明は折り返しミラーを配置することで、レンズ光学系とミラーの間の長い距離を折り畳み、投射光学系の小型化を図っている。

特許文献３記載の発明は、レンズ光学系の次に凹面ミラーと凸面ミラーを順に配置することで、小型化を図っている。また、特許文献４記載の発明は、凹面ミラーの後ろに平面ミラーを置くことによって小型化を図っている。

しかし、特許文献３と特許文献４に記載のいずれの光学系も、画像表示素子から曲面ミラーまでの距離が長い。そのため、スクリーンからプロジェクタ本体までの距離を、従来よりもさらに近づけるには、光学系本体の長さが邪魔になる。

このような「光学系自体の大きさ」に関する制約を解決するものとして、特許文献５に記載されている発明がある。特許文献５には、スクリーン面と画像表示素子の表示面が互いに垂直になる投射光学系が記載されている。このような縦型方式を採用することで、投射光学系自体の長さが、スクリーンとプロジェクタ本体の距離を近づけても邪魔になることはない。

特許文献５記載の投射光学系のように縦型方式の投射光学系を用いると、超至近投射で大画面投影をするには、レンズ光学系からミラー光学系に入射する光の発散性をより強くする必要がある。

しかしながら、発散性を強くすると、光線の屈折角が大きくなるため、レンズ光学系やミラー光学系の位置ずれによる投影画像への品質の影響が大きく、画質の劣化が生じることになる。特に、レンズ光学系と第２ミラー（光路上、スクリーンに最も近いミラー）の位置がずれると、像面湾曲が大きく変動し、画質の大幅な劣化の要因となる。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであって、縦型の投射光学系を備えた画像表示装置において、光学系の位置ずれによる投影画像の品質劣化を防止することができる画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、光源から出射された光を画像表示素子に照射する照明光学系と、照明光学系からの照明光によって投射画像を形成する画像表示素子と、全体で正の屈折力を有し、画像表示素子によって形成された投射画像を被投射面に投射する投射光学系と、を有する画像表示装置であって、投射光学系は、複数のレンズ群からなるレンズ光学系と、第１ミラー、凹面ミラーである第２ミラー、を有してなるミラー光学系と、を有してなり、画像表示素子と第２ミラーとの間に、画像表示素子に係る画素の中間像が形成され、画像表示素子と被投射面がなす角度は略直角であり、第１ミラーは、レンズ光学系と第２ミラーの位置関係を変えずに、第２ミラーに向かう光束の光路を変更可能な位置調整手段を介して保持され、位置調整手段は、第１ミラーを３点で支持する３個の固定部品と、固定部品のそれぞれを画像表示装置内に設けられている背面支持部に固定する締結部品と、第１ミラーの背面と背面支持部の間に挿入されるスペーサと、を有する、ことを主な特徴とする。

本発明によれば、光学系の位置ズレによる投射画像の画質の劣化を防ぎ、至近距離のスクリーンに大画面表示をすることができる画像表示装置を得ることができる。

本発明に係る画像表示装置の例を概略的に示す光学配置図である。 上記画像表示装置の例が備える投射光学系の要部の例を拡大した概要図である。 上記画像表示装置の例が備える投射光学系の要部と被投射面の例を示す概要図である 上記画像表示装置の例が備える投射光学系の要部の例を拡大した概要図である。 上記投射光学系が備える第１ミラーの位置調整手段の例を示す（ａ）正面図、（ｂ）右側面図である。 上記投射光学系が備える第１ミラーの位置調整手段の別の例を示す（ａ）平面図、（ｂ）右側面図である。 上記画像表示装置が有する反射型画像表示装置の例を示す平面図である。 上記投射光学系によって投射される光の軌跡を示す光線図である。 上記画像表示装置が有するレンズ光学系の例を示す側面図である。

以下、本発明に係る画像表示装置の実施例について図面を用いながら説明する。図１は、本実施例に係る画像表示装置であるプロジェクタ１００が備える光学エンジンの要部を一方向からみた側面図である。

図１においてプロジェクタ１００は、大まかには、光源であるランプ１から出射された光によって反射型画像表示素子であるＤＭＤ７を照明する照明光学系と、ＤＭＤ７で反射された光を被投射面であるスクリーン２０に向けて投射するための投射光学系と、を有してなる。図１は、投射光学系の一部であるレンズ光学系８のみを図示している。以下、本明細書において、投射光学系の光軸方向の軸をＺ軸とし、照明光学系の光軸方向の軸をＹ軸とし、Ｚ軸にもＹ軸にも直交する方向の軸をＸ軸とする。

なお、以下に説明する実施例においては、画像表示素子の例として、反射型画像表示素子であるＤＭＤを用いている。しかし、本発明に係る画像表示装置は、画像表示素子として用いる素子をＤＭＤに限ることはなく、他の画像表示素子、例えば液晶パネルを用いてもよい。

以下、プロジェクタ１００が有する照明光学系について説明する。光源であるランプ１から出射された光は、リフレクタ２によってインテグレータロッド３の入射口に集光される。インテグレータロッド３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３に入射された光は、インテグレータロッド３の内壁を構成するミラー面において繰り返し反射される。これによって、インテグレータロッド３に入射された光は、光量が一様でムラのない光として出射口に現れる。

インテグレータロッド３の出射口を光量が一様でムラのない面光源として捉えて、この面光源からの光を、ＤＭＤ照明用レンズ４、第１折り返しミラー５、第２折り返しミラー６を介して画像表示素子であるＤＭＤ７の有効画像領域に照射する。ＤＭＤ照明用レンズ４は、ＤＭＤ７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折り返しミラー５は平面ミラーであって、第２折り返しミラー６は自由曲面ミラー（凹面ミラー）である。

インテグレータロッド３の出射口である面光源から発せられた光は、ＤＭＤ照明用レンズ４を通過し、第１折り返しミラー５において図１斜め右下方向に反射されて、第２折り返しミラー６に向かう。第２ミラーで上記の光はＤＭＤ７の表面に向けて反射され、ＤＭＤ７の表面が照明される。ＤＭＤ７の表面には微小ミラーが配置されている。この微小ミラーによって照明光は反射されて、画像投射光が形成される。この画像投射光は第２折り返しミラー６の側方を通過して投射光学系を構成するレンズ光学系８に入射され、スクリーン２０に向けて投射される。ランプ１から第２折り返しミラー６までを照明光学系という。

上記の照明光学系により、ＤＭＤ７は光量ムラのない光で照明されて、一様な照度分布となる。よって、スクリーン２０に投射されて表示される投射画像も一様な照度分布となる。

ＤＭＤ７は多数の微小ミラーからなるデバイスであって、各微小ミラーの角度を＋１２°から−１２°の範囲で変化させることができる。例えば、微小ミラーの角度が−１２°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°のときは、当該微小ミラーで反射された照明光は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。

ＤＭＤ７の微小ミラーは、被投射面上に表示される画像の画素に対応する。したがって、ＤＭＤ７の各微小ミラーの傾斜角度を制御することで画素ごとに「ＯＮ」「ＯＦＦ」制御し、スクリーン２０に表示される画像の形成に必要な投射光（投射画像光）を生成し、投射光学系を介してスクリーン２０に画像を表示させることができる。

図１において投射光学系は、レンズ光学系８のみを図示しており、投射光学系に含まれるミラー光学系は省略されている。レンズ光学系８は、複数のレンズからなる投射レンズと、この投射レンズを保持するレンズ鏡胴と、を有してなる。図１においてレンズ鏡胴は省略されている。また、図示しないミラー光学系は、投射レンズからの投射光束をスクリーン２０に向けて反射させるミラーを有してなる。

次に、本発明に係る画像表示装置が有する投射光学系の実施例について説明する。図２は、本実施例に係る投射光学系の要部を拡大した概要図である。図２において、照明光学系は図示を省略し、レンズ光学系８と、ミラー光学系を図示している。図２は、ＤＭＤ７が備える全ての微小ミラーがＯＮ状態であって、有効画像領域の全体を被投射面であるスクリーン２０に投射する状態を例示している。

図２において投射光束１４は、ＤＭＤ７の有効画像領域端部からレンズ光学系８に入射し、ミラー光学系を構成する第１ミラー９および第２ミラー１０を経てスクリーン２０に到達する２本の線として表されている。

レンズ光学系８は、レンズ鏡胴８１内に収められた複数のレンズ群からなる。投射光束１４は、レンズ鏡胴８１の内部で収束した後に拡散しながら、第１ミラー９に向かう。レンズ光学系８から第１ミラー９に向かう光が、図２のように強い発散性の光束であることが、スクリーン２０とプロジェクタ１００が近距離であっても、大画面を投射することができる条件である。また、第２ミラー１０で反射した光は、スクリーン２０よりもずっと第２ミラー１０に寄った位置で集光し、その後、拡散しながらスクリーン２０に投射されることが、近距離でも大画面の投射を可能とする条件である。

図３は、本実施例に係る投射光学系の要部と被投射面であるスクリーンを含んだ概要図である。図３において、照明光学系は図示を省略し、レンズ光学系８とミラー光学系およびスクリーン２０を図示している。図３に示すように、ＤＭＤ７の反射面をＹ軸方向に延伸した平面と、スクリーン２０をＺ軸方向に延伸した平面が交わる角度は略直角である。すなわち、ＤＭＤ７とスクリーン２０がなす角度は略直角である。画像表示素子であるＤＭＤ７と被投射面であるスクリーン２０が上記のような関係にあるプロジェクタ１００の形態は、「縦型プロジェクタ」と呼ばれる。

縦型プロジェクタであるプロジェクタ１００は、投射光学系自体の長さが、スクリーン２０とプロジェクタ１００の距離の制約にならないので、超至近投射を実現することができるものである。

プロジェクタ１００のレンズ光学系８と第２ミラー１０は、位置関係が大きくばらついてしまう可能性がある、レンズ光学系８と第２ミラー１０の位置関係にばらつきが生じると、スクリーン２０に表示される画像の品質が劣化する。そこで、本実施例に係るプロジェクタ１００は、レンズ光学系とミラー光学系の位置関係を調整することができる位置調整手段を、備えている。

ここで、レンズ光学系８とミラー光学系を構成する第１ミラー９、第２ミラー１０の位置関係が「ばらつく」とはいかなる状態であるか、図４を用いて説明する。図４に示すように、第２ミラー１０の位置が、レンズ光学系８に対して最適な位置から光束の進行方向に位置がずれることを「ばらつき」という。図４において、第２ミラー１０ａは、正常位置にあたる第２ミラー１０からばらついた位置の例を示している。

正常位置と異なる位置にずれている（ばらついている）第２ミラー１０ａに、正常位置の第２ミラー１０に対応して設置された第１ミラー９が反射した投射光束１４が当たると、その反射光からなる投射光束１４ａは、第２ミラー１０が正常位置にあるときとは、異なる光路を経てスクリーンに向かうことになる。これによって、図示しないスクリーンに投射される画像の位置がずれたり、画像の品質が劣化したり、することになる。

このような光路のばらつきを調整するために、本実施例に係るプロジェクタ１００は、第１ミラー９を位置調整手段によって保持している。例えば、第１ミラー９を位置調整手段によって光束の進行方向（第１ミラー９の反射面の法線方向）に、平行に移動させることで、第２ミラー１０ａに合わせた位置（符号９ｂ）に配置させることできる。

レンズ光学系８と第２ミラー１０の位置関係がばらついたとき、第１ミラー９を符号９ｂに示す位置に移動させると、第１ミラー９ｂで反射された光束は、符号１４ｂで示す光路をとる。投射光束１４ｂが第２ミラー１０ｂで反射されると、正常位置の光路である投射光束１４と同じ光路に戻る。このように、第１ミラー９を保持する位置調整手段によって、第２ミラー１０の位置に生じたばらつきを相殺し、スクリーンに表示される画像の品質低下を防ぐことができる。

次に、第１ミラー９の位置調整手段の実施形態について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、第１ミラー９を反射面側から見た正面図の例である。図５（ｂ）は、図５（ａ）において符号Ａにて示す矢印方向から見た第１ミラー９の右側面図の例である。図５において、第１ミラー９は平面ミラーであって、外形が長方形をなしている。

位置調整手段９０は、固定部品９１、ネジ９２、スペーサ９３からなる。第１ミラー９は、長辺の一辺の中央付近と、他の長辺の両端付近に位置する固定部品９１によって、３点が支持されて背面支持部９４の所定の位置に固定されている。すなわち、第１ミラー９は、位置調整手段９０を介して所定の位置に保持されている。

固定部品９１は、第１ミラー９を背面側に押し当てる圧力を加えるための弾性部材からなる部品であって、その一端は、第１ミラー９の背面側を支える背面支持部９４に締結部品であるネジ９２によって固定されている。固定部品９１の他端は、第１ミラー９の正面側（ミラー面側）に係り、第１ミラー９を所定の位置、所定の姿勢で支持する。背面支持部９４は、画像表示装置のハウジングの一部、または、ミラーホルダなどからなる。

第１ミラー９と背面支持部９４との間には、それぞれスペーサ９３が挟持されている。各スペーサ９３は、固定部品９１が第１ミラー９を背面支持部９４側に押し当てる箇所に挿入され配置されている。このスペーサ９３によって、第１ミラー９と背面支持部９４の間に空隙が形成され、第１ミラー９の背面側と背面支持部９４との間に生じる摩擦力は低減され、第１ミラー９を平面方向に移動させることができる。

各スペーサ９３の厚さ寸法（厚み）をすべて同一にすれば、第１ミラー９を反射面に直角方向に平行移動させて位置調整をすることができる。また、スペーサ９３の厚さ寸法をそれぞれ異なるものにすれば、第１ミラー９の反射面の第２ミラー１０に対する傾きを変更し調整することもできる。

このように、本実施例に係るプロジェクタ１００の第１ミラー９が備える位置調整手段９０によれば、レンズ光学系８と第２ミラー１０との位置関係にばらつきが生じても、スペーサ９３の厚さ寸法を調整することで、第１ミラー９の位置および傾きを任意に調整することができ、これによって、画像の品質向上を図ることができる。

次に、第１ミラー９の位置調整手段９０の別の実施形態について、図６を用いて説明する。図６（ａ）は、第１ミラー９を反射面側から見た正面図の例である。図６（ｂ）は、図６（ａ）において符号Ａにて示す矢印方向から見た第１ミラー９の右側面図の例である。図６に示すように、第１ミラー９の位置調整手段９０ａは、固定部品９１（図５参照）を用いることなく、第１ミラー９に予め形成されたネジ孔９１ａに、ネジ９２ａを挿通し、スペーサ９３とともに背面支持部９４に固定するものである。各スペーサ９３の厚さ寸法を個別に調整することで、第１ミラー９の傾きを調整することができる。また、スペーサ９３に形成される孔をネジ９２ａの径寸法よりも大きなものにすることで、第１ミラー９を、背面支持部９４に対して、ミラー面方向に平行に滑動させて位置調整をすることができるとともに、上記のような傾き調整もできる。

このように、本実施例に係るプロジェクタ１００の第１ミラー９が備える位置調整手段９０ａによれば、レンズ光学系９と第２ミラー１０との位置関係にばらつきが生じても、スペーサ９３の厚さ寸法を調整することで、第１ミラー９の位置および傾きを任意に調整することができ、これによって、画像の品質向上を図ることができる。

次に、本発明に係る画像表示装置が有する投射光学系について説明する。図７は、ＤＭＤ７の平面図である。図７において、ＤＭＤ７の平面上にある複数の点のうち、Ｘ軸方向の中点であって、Ｙ軸方向の下端の点７１は、Ｙ軸方向に偏心している。その偏心量は１．５６ｍｍである。図８は、図７に示すＤＭＤ７上の１５点からそれぞれ７本ずつ光線を出射させた場合の光線追跡図である。

従来から知られている投射光学系のように、ＤＭＤ７から出射された投射光束１４を第１ミラー９で折り返すことなく、レンズ光学系８を通過した投射光束１４が第２ミラー１０によって反射されてスクリーンの投射されるものであれば、投射光学系の配置のために、本体の外装部分がスクリーン側に出っ張る形状になる。これによって、プロジェクタとスクリーンの距離を、本発明に係る画像表示装置よりも長くとらなければ設置できないものとなる。つまり、本実施例に示すプロジェクタ１００のように、第１ミラー９と第２ミラー１０によって、強い発散性を有する投射光束１４をスクリーン２０に向けて投射させる構成は、従来のものでは実現できなかった超至近距離での投射が可能となる。

図９に、レンズ光学系８の構成例を示す。図９において、レンズの光軸方向をＺ軸とし、それに直交する二つの軸をＸ軸、Ｙ軸とする。図９に示したレンズ光学系８は、それぞれのレンズの光軸が、同じ直線上に乗っている共軸光学系である。

この光軸と、図７に示したＤＭＤ７の平面上にある複数の点のうちＹ軸方向の下端の点７１は、Ｙ軸方向に偏心しており、その偏心量は１．５６ｍｍである。すなわち、図９において、光軸の方がＤＭＤ７の下端よりも１．５６ｍｍ下方にある。

次に、投射光学系の具体的な数値例を示す。表１は、上記共軸光学系の構成を示す。表１において面番号１と２は、ＤＭＤ７の前面側に配置されているカバーガラスの両面のことである。その後に絞りが配置され、さらにその後に、面番号４から２４で示すレンズが配置されている。

表１中、面４、５、２１、２２、２３、２４は非球面で、これらの非球面係数を表２に示す。

上記非球面係数を適用して非球面を算出する式を式１に示す。

第２ミラー１０の反射面を形成するための係数を表３に示す。

上記係数を適用して第２ミラー１０の反射面を算出する式を式２に示す。

第１ミラー９と第２ミラー１０及び防塵ガラス１１のレイアウトを表４に示す。

以上において示した構成を有するプロジェクタ１００によれば、超至近投射でありながら、大画面を表示することができる画面表示装置を得ることができる。

なお、表３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、第２ミラーとレンズ光学系の位置関係がばらついたときに、第１ミラーの位置を調子調整することで、ばらつきを相殺し、表示される画像の品質を向上させることができる。

７ ＤＭＤ
８ レンズ光学系
９ 第１ミラー
１０ 第２ミラー
１４ 投射光束
９０ 位置調整手段

特許第４３２９８６３号公報 特許第３７２７５４３号公報 特開２００９−１５７２２３号公報 特開２００９−１４５６７２号公報 特許第４２１０３１４号公報

Claims (7)

1. 光源から出射された光を画像表示素子に照射する照明光学系と、
   前記照明光学系からの照明光によって投射画像を形成する前記画像表示素子と、
   全体で正の屈折力を有し、前記画像表示素子によって形成された投射画像を被投射面に投射する投射光学系と、を有する画像表示装置であって、
   前記投射光学系は、複数のレンズ群からなるレンズ光学系と、第１ミラー、凹面ミラーである第２ミラー、を有してなるミラー光学系と、を有してなり、
   前記画像表示素子と前記第２ミラーとの間に、前記画像表示素子に係る画素の中間像が形成され、
   前記画像表示素子と前記被投射面がなす角度は略直角であり、
   前記第１ミラーは、前記レンズ光学系と前記第２ミラーの位置関係を変えずに、前記第２ミラーに向かう光束の光路を変更可能な位置調整手段を介して保持され、
   前記位置調整手段は、
   前記第１ミラーを３点で支持する３個の固定部品と、
   前記固定部品のそれぞれを前記画像表示装置内に設けられている背面支持部に固定する締結部品と、
   前記第１ミラーの背面と前記背面支持部の間に挿入されるスペーサと、を有する、
   ことを特徴とする画像表示装置。
2. 前記第１ミラーは平面ミラーであることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
3. 前記第１ミラーの位置は、前記各スペーサのそれぞれの厚さによって調整されることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
4. 前記スペーサの厚みは同一であり、前記第１ミラーは反射面に対して直角方向の位置を調整可能に保持されていることを特徴とする請求項３記載の画像表示装置。
5. 前記スペーサの厚みはそれぞれ異なり、前記第１ミラーは反射面の傾きを調整可能に保持されていることを特徴とする請求項３記載の画像表示装置。
6. 前記第２ミラーは自由曲面ミラーであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の画像表示装置。
7. 前記画像表示素子は、
   ２次元的に配置された複数の微小ミラーを有し、個々の微小ミラーの傾き角度をオン状態とオフ状態で変化させることにより反射光の出射をオン・オフさせる反射型画像表示素子であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の画像表示装置。