JP2019061227A - 画像投写装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型の画像投写装置を提供する。【解決手段】画像投写装置は、投写画像を形成する画像表示素子と、画像表示素子の出射面側に位置し、絞りと複数のレンズを含む透過光学系１１０と、透過光学系の出射光を反射する正のパワーを有する第１ミラー１２１と、第１ミラーの反射光を投写面に反射する平面ミラーである第２ミラー１２２とを含む反射光学系１２０と、を備える。第１ミラー１２１は、透過光学系の光軸方向において、第２ミラー１２２と投写面との間に位置し、かつ、第２ミラーの反射面が投写面と非平行となるように、反射光学系が配置される。透過光学系１１０と第１ミラー１２１との間に中間像が結像される。【選択図】図６

Description

本開示は、画像表示素子が生成した画像を投写する画像投写装置に関する。

特許文献１は、画像生成部で生成された画像を被投射面に拡大投射する投射装置を開示する。その投射装置は、光源を含む照明系と、光軸に沿って可動な焦点位置調整用の光学素子を含む複数の光学素子を有し、照明系から射出され前記画像生成部を経由した光を投射光として射出する投射光学系と、投射光学系から射出され被投射面に向かう投射光の光路上に配置され、少なくとも一部に平坦な反射面を有する反射光学部材と、反射面を被投射面に平行に維持した状態で、反射光学部材を被投射面に交差する所定方向に駆動し、これと連動して焦点位置調整用の光学素子を前記光軸に沿って駆動することにより、投射光の光路長の変化量に応じた投射画像の倍率変更と変化量に応じた焦点合わせとを同時に行う調整装置と、を備える。この構成により、拡大率の向上と操作性の向上を両立させている。

特開２０１２−１６８４８２号公報

本開示は、小型の画像投写装置を提供する。

本開示の一態様において、投写面に画像を投写するための画像投写装置が提供される。画像投写装置は、投写画像を形成する画像表示素子と、画像表示素子の出射面側に位置し、絞りと複数のレンズを含む透過光学系と、透過光学系の出射光を反射する正のパワーを有する第１ミラーと、第１ミラーの反射光を投写面に反射する平面ミラーである第２ミラーとを含む反射光学系と、を備える。第１ミラーは、透過光学系の光軸方向において、第２ミラーと投写面との間に位置し、かつ、第２ミラーの反射面が投写面と非平行となるように、反射光学系が配置される。透過光学系と第１ミラーとの間に中間像が結像される。

本開示によれば、透過光学系と第１ミラーとの間に中間像が結像されることにより、画像投写装置の小型化を実現することができる。

本開示の画像投写装置を説明する構成図である。 本開示の画像投写装置を拡大した構成図である。 数値実施例１における透過光学系の構成図である。 数値実施例２における透過光学系の構成図である。 数値実施例３における透過光学系の構成図である。 本開示の画像投写装置における光学系の駆動部を説明した図である。 第２ミラーの平行移動を説明した図である。 第２ミラーの平行移動による投影画像のサイズ変化を説明した図である。 ミラー駆動部の構成例１を示す図である。 ミラー駆動部の構成例２を示す図である。 ミラー駆動部の構成例３を示す図である。 第２ミラーの平行移動の投影画像への影響を説明した図である。 第２ミラーの回転移動の投影画像への影響を説明した図である。 第２ミラーの回転中心の位置を説明した図である。 第２ミラーおよび投写面に対する光線の入射角を説明した図である。 第１ミラーおよび第２ミラーに対する光線の入射角を説明した図である。

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態１）
１．画像投写装置の構成
以下、本開示の一実施の形態である画像投写装置１０を図１から図５を用いて説明する。

図１は、本開示の画像投写装置１０の光学系を説明する断面構成図である。画像投写装置１０は、投写光学系１００と、画像表示素子１３０と、透過素子１４０とから構成される。画像投写装置１０は、画像表示素子１３０で形成された画像を、画像投写装置１０と正対しない方向（斜めの方向）にあるスクリーンＳＣに投写する。ここで、スクリーンＳＣが画像投写装置１０と正対しない方向にある場合、画像投写装置１０が投写する画像の中心が到達するスクリーンＳＣの点における法線の方向と、投写光学系１００の最終面から出射する光線の内、画像の中心を通る光線の光路の方向とが一致しない。なお、本開示にかかる画像投写装置１０において、透過光学系１１０の絞りＡの中心と、最も投写側に位置するレンズの中心とを結ぶ線を光軸ＡＺとする。しかしながら、光軸ＡＺは、最も多くのレンズ中心を共有する軸としてもよいし、画像表示素子１３０の位置に対し、出射光の光路（画像表示素子１３０からスクリーンＳＣに至る光路における、画像表示素子１３０の表示面の中心からスクリーンＳＣ上の拡大像の中心に至る主光線の光路）を含む面内で偏心して設定してもよい。

画像投写装置１０は、光軸ＡＺの延長線とスクリーンＳＣ（投写面）とが交差する点を含む所定の領域に画像を投写する。ここで、画像投写装置１０は、透過光学系１１０内にプリズムやミラーなどの反射面を有する場合には、当該反射面で反射して曲げられた後の光学系の光軸の延長線とスクリーンＳＣとが交差する点を含む領域に画像を投写する。しかし、正対しない方向にあれば光軸ＡＺの延長線とスクリーンＳＣ（投写面）とは交差する領域に画像を投写する必要はない。

また、本開示にかかる画像投写装置１０は曲率を有するスクリーンＳＣに投写してもよい。

図２は、本開示の画像投写装置１０を拡大した断面構成図である。投写光学系１００は、全体として正のパワーの透過光学系１１０と、全体として正のパワーの反射光学系１２０とを備える。

透過光学系１１０は、画像表示素子１３０からスクリーンＳＣの間に、順に、正のパワーの第１レンズ群Ｇ１と、正のパワーの第２レンズ群Ｇ２と、正のパワーの第３レンズ群Ｇ３と、正のパワーの第４レンズ群Ｇ４とを含む。画像表示素子１３０と第１レンズ群Ｇ１との間にプリズムＰＢが配置されている。

第１レンズ群Ｇ１は、１枚の両凸レンズから構成される。

第２レンズ群Ｇ２は、４枚のレンズ素子から構成される。

第３レンズ群Ｇ３は、開口絞りＡを備える。また、第３レンズ群Ｇ３は、この開口絞りＡよりも投写側において５枚のレンズ素子を有し、全体として正のパワーを有する。

透過光学系１１０の内、最もスクリーンＳＣ側にある第４レンズ群Ｇ４は、スクリーンＳＣから画像表示素子１３０までの間に、順に、投写側に凸を向けた正メニスカスレンズＬ１４、両凹レンズＬ１４１、及び、負レンズと正レンズを接合して形成される正メニスカス形状の接合レンズＬ１４２を備える。正のメニスカス形状の接合レンズＬ１４２は、画像表示素子１３０側に凸を向けて配置される。最投写側の第４レンズ群Ｇ４において、正メニスカス形状の最投写側レンズＬ１４と、正メニスカス形状の接合レンズＬ１４２は、互いに凹面を向かい合わせるようにして配置される。

また、第４レンズ群Ｇ４は、最もスクリーンＳＣ側に、透過光学系１１０において最も偏肉比が大きい形状を有するレンズＬ１４を有する。これにより、透過する光束の中心と周辺との屈折力差を大きくできるため、像面湾曲の補正に有効である。

最投写側レンズＬ１４の画像表示素子１３０側において隣接するレンズＬ１４１は、両凹形状を有している。この両凹形状のレンズＬ１４１の少なくとも一方の面が非球面形状を有することが望ましい。具体的には、レンズの中心から径方向に離れるに従って、曲率が小さくなる形状を有する。すなわち、レンズの中心側に比べてレンズの外側のパワーが小さい形状となっている。

なお、投写光学系１００は、第２レンズ群Ｇ２と第４レンズ群Ｇ４の２つのレンズ群でフォーカスを行う。第４レンズ群Ｇ４には非球面形状を少なくとも１面含み、フォーカス時に発生する像の歪みや解像度の劣化を抑制している。これにより、投写距離が変わっても良好な光学性能を満たせる。

透過光学系１１０とスクリーンＳＣとの間に中間像が結像される。こうすることで、透過光学系１１０から射出された光線と、最もスクリーンＳＣ側の第１ミラー１２１との共役位置が離れる。このため、第１ミラー１２１に入射する光線角度が緩くなり、反射光学系の小型化に有利となる。

反射光学系１２０は、透過光学系１１０が出射する光束を反射し、スクリーンＳＣに投写する。反射光学系１２０は、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２の２枚のミラーから構成される。第１ミラー１２１はその反射面が凹面の自由曲面形状をしており全体として正のパワーを有する。第２ミラー１２２は平面の反射面を有する平面ミラーである。なお、反射光学系１２０は、１枚以上のミラーから構成されればよく、ミラーの数は２枚に限定されるものではない。

画像表示素子１３０は、画像信号を基にスクリーンＳＣに投写する画像を形成する。画像表示素子としては、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、及び透過型または反射型の液晶パネル等の空間変調素子を用いることができる。本開示における画像表示素子１３０は、図２のＸ軸方向（紙面垂直方向）が長辺、Ｙ軸方向が短辺となる矩形形状を有する。スクリーンＳＣは、その表面（投写面）が画像表示素子１３０の表示面と平行とならないように、光軸ＡＺに対して直交しない角度で配置される。

透過素子１４０は、反射光学系１２０とスクリーンＳＣとの間に配置される。反射光学系１２０が反射した光束は、透過素子１４０を透過してスクリーンＳＣに投写される。また、透過素子１４０は、画像表示素子１３０の長辺方向と短辺方向に対応した方向で異なる曲率の面を有するトロイダル形状であり、スクリーンＳＣ側に凸面を向けた形状である。すなわち、透過素子１４０の入射面における画像表示素子１３０の長辺方向に対応するＸ軸方向（図２の紙面垂直方向）の曲率は、短辺方向に対応するＹ軸方向の曲率よりも大きい。

また、反射光学系１２０は、画像表示素子１３０側の第１ミラー１２１に自由曲面形状を設けることが望ましい。第１ミラー１２１に正パワーを有する自由曲面を配置することで、像歪み補正をしつつ、第２ミラー１２２に入射する光線高を抑制できるため小型化に有利である。なお、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２は図１、図２において一部光線領域と重なるように描画されているが、実際は画像表示素子１３０上で形成される画像が第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２で遮光されることなくスクリーンＳＣ上で拡大画像として形成されるよう、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２の有効径を適時設定される。

最もスクリーンＳＣ側に配置される第４レンズ群Ｇ４内のレンズＬ１４から自由曲面の反射面を有する第１ミラー１２１までの距離は、第１ミラー１２１から第２ミラー１２２までの距離よりも長い。これにより、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２の間隔を短縮でき、投写光学系１００のＹ軸方向の低背化ができる。

また、透過光学系１１０の光軸ＡＺから最も離れた第２ミラー１２２上の反射位置からレンズＬ１４の最も近い最外殻までを結ぶ線と、光軸ＡＺとがなす角は、第１ミラー１２１の最も外側の反射位置から最も近い第１レンズＬ１の最外殻までを結ぶ線と光軸ＡＺとがなす角に比べて小さい。

以下、実施の形態１に係る投写光学系１００が満足することが好ましい条件を説明する。なお、各数値実施例における投写光学系１００に対して、複数の条件が規定されるが、これら複数の条件すべてを満足する投写光学系の構成が最も望ましい。しかしながら、個別の条件を満足することにより、それぞれ対応する効果を奏する投写光学系を得ることも可能である。

２．光学系の実施例
以下、本実施の形態の画像投写装置１０における光学系の数値実施例を示す。図３は、数値実施例１における投写光学系１００内の透過光学系１１０の構成図である。図４は、数値実施例２における透過光学系１１０の構成図である。図５は、数値実施例３における透過光学系１１０の構成図である。

本開示に係る投写光学系１００は、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。

０＜ＴＬ／ｆｔ＜１０ ・・・（１）
ただし、
ｆｔ：透過光学系１１０の焦点距離
ＴＬ：画像表示素子１３０の長辺方向の中心を通り投写面の最も投写装置側に投写される光束の主光線の第１ミラー１２１で反射する位置から画像表示素子１３０までの光軸ＡＺに平行な距離
である。

条件式（１）は、透過光学系１１０の焦点距離と全長との好適な範囲を規定している。条件式（１）を満足することで、小型でありながら画像歪みの低減された投写光学系とすることが可能である。ＴＬ／ｆｔが条件式（１）の上限を超えると透過光学系に対する全長が長くなり、透過光学系１１０の小型化が困難となる。反対に、ＴＬ／ｆｔが条件式（１）の下限を下回ると、透過光学系に対する全長が短くなり過ぎ、諸収差の発生を抑制することが困難となる。

さらに、以下の条件式（１）’を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

０．０５＜ＴＬ／ｆｔ＜７．５ ・・・（１）’
さらに、以下の条件式（１）’’を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

０．０７＜ＴＬ／ｆｔ＜５．０ ・・・（１）’’
本開示に係る投写光学系は、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。

０．１ ＜ ｆｔ／ｆｍｘ ＜ ６０ ・・・（２）
ただし、
ｆｍｘ：画像表示素子１３０の長辺方向の中心を通り投写面の最も投写装置側に投写される光束の主光線が反射する第１ミラー１２１上の位置のＸ方向（画像長辺方向）の焦点距離
である。

条件式（２）は、第１ミラー１２１の形状の好適な範囲を規定している。ｆｔ／ｆｍｘが下限を下回ると、投写画像の画像表示素子１３０の長辺方向における歪みが大きくなる。反対に、ｆｔ／ｆｍｘが上限を超えると、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２との間隔が大きくなり過ぎ、小型化に不利になる。さらに、透過光学系１１０のパワーが強くなりすぎるため、透過光学系１１０でコマ収差および像面湾曲が発生する。

なお、画像表示素子１３０の長辺方向の中心を通り投写面の最も画像投写装置側に投写される光束の主光線が反射する第１ミラー１２１の位置におけるＸ軸方向の焦点距離ｆｍｘは、ｆｍｘ＝−１／（２×（ｄ^２ｚ／ｄｘ^２））で表すことができる。ここで、ｄｚ／ｄｘは、第１ミラー１２１の反射面のＸ軸方向のサグ量の変化（傾き）を示し、ｄ^２ｚ／ｄｘ^２は第１ミラー１２１のＸ軸方向の傾きの変化を示している。

さらに、以下の条件式（２）’を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

３ ＜ ｆｔ／ｆｍｘ ＜ ５０ ・・・（２）’
さらに、以下の条件式（２）’’を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

５ ＜ ｆｔ／ｆｍｘ ＜ ４０ ・・・（２）’’
本開示に係る投写光学系は、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。

０．１ ＜ ｆｔ／ｆｍｙ ＜ ６０ ・・・（３）
ただし、
ｆｍｙ：画像表示素子１３０の長辺の中心を通り投写面の最も画像投写装置側に投写される光束の主光線が反射する第１ミラーの位置のＹ方向（画像短辺方向）の焦点距離
である。

条件式（３）は、第１ミラー１２１の形状の好適な範囲を規定している。ｆｔ／ｆｍｙが下限を下回ると、画像表示素子の短手方向における像の歪みが大きくなる。反対に、ｆｔ／ｆｍｙが上限を超えると、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２との間隔が大きくなり過ぎ、小型化に不利になるとともに、透過光学系のパワーが強くなりすぎるため、透過光学系でコマ収差および像面湾曲が発生する。

なお、画像表示素子１３０の長辺方向の中心断面を通り投写面の最も画像投写装置側に投写される光束の主光線が反射する第１ミラー１２１の位置におけるＹ軸方向の焦点距離ｆｍｙは、ｆｍｙ＝−１／（２×（ｄ^２ｚ／ｄｙ^２））で表すことができる。ここで、第１ミラー面のＹ方向のサグ量変化（傾き）をｄｚ／ｄｙで定義し、また、Ｙ方向の傾きの変化をｄ^２ｚ／ｄｙ^２で定義している。

さらに、以下の条件式（３）’を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

３ ＜ ｆｔ／ｆｍｙ ＜ ５０ ・・・（３）’
さらに、以下の条件式（３）’’を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

５ ＜ ｆｔ／ｆｍｙ ＜ ４５ ・・・（３）’’
本開示にかかる投写光学系は、以下の条件式（４）を満足することが好ましい。

０ ＜ Ｔ２／Ｔ１ ＜ ５ ・・・（４）
ただし、
Ｔ１：第１ミラーの反射する光束の画像短手方向に最も光軸から離れた位置から光軸までの距離と、第２ミラーの反射する光束の画像短手方向に最も光軸から離れた位置から光軸までの距離の合計
Ｔ２：画像表示素子の長辺方向の中心を通り投写面の最も画像投写装置側に投写される光線において最も投写面に位置するレンズから第１ミラーまでの光路長
である。

条件式（４）は、透過光学系と反射光学系との間隔と第２ミラーが反射する光束のサイズに起因する投写エリアの大きさの好適な範囲を規定している。Ｔ２／Ｔ１が下限を下回ると、最投写側レンズと第１ミラー１２１との間隔が狭くなり、収差性能が良好な中間像を形成することができず、投写面で像面湾曲を適切に補正できなくなる。反対に、Ｔ２／Ｔ１が上限を超えると、最投写側レンズと第１ミラー１２１との間隔が広くなり、反射光学系１２０に入射する光線が広がり過ぎて投写光学系１００全体のサイズが大きくなる。

さらに、以下の条件式（４）’を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

０．２ ＜ Ｔ２／Ｔ１ ＜ ４ ・・・（４）’
さらに、以下の条件式（４）’’を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

０．４ ＜ Ｔ２／Ｔ１ ＜ ２ ・・・（４）’’
本開示に係る投写光学系は、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。

０ ＜ Ｔ２／ｆｔ ＜ ５ ・・・（５）
条件式（５）は、透過光学系の焦点距離と、透過光学系と反射光学系との間隔の好適な範囲を規定している。Ｔ２／ｆｔが下限を下回ると、透過光学系に対する最投写側レンズと第１ミラーとの間隔が狭くなり、スクリーンにおいて歪みのない画像を投写できる中間像を形成することが困難となる。反対に、Ｔ２／ｆｔが上限を超えると、最投写側レンズと第１ミラーとの間隔が広くなることで、反射光学系に入射する光線の広がりが大きくなり光学系全体のサイズが大きくなる。

さらに、以下の条件式（５）’を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

０．０５ ＜ Ｔ２／ｆｔ ＜ ３ ・・・（５）’
さらに、以下の条件式（５）’’を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

０．１０ ＜ Ｔ２／ｆｔ ＜ ２ ・・・（５）’’
本開示に係る投写光学系は、以下の条件式（６）を満足することが好ましい。

０ ＜ Ｔ１／ｆｔ ＜ ３ ・・・（６）
条件式（６）は、透過光学系１１０と第２ミラー１２２とから投写光学系の大きさの好適な範囲を規定している。Ｔ１／ｆｔが下限を下回ると、第２ミラー１２２のサイズが小さくなり、投写エリアを大きくすることができない。反対に、Ｔ１／ｆｔが上限を超えることで、第２ミラー１２２のサイズが大きくなり過ぎ、光軸ＡＺからの距離（高さ）方向で投写光学系１００のサイズが大きくなる。

さらに、以下の条件式（６）’を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

０．０５ ＜ Ｔ１／ｆｔ ＜ ３ ・・・（６）’
さらに、以下の条件式（６）’’を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

０．１０ ＜ Ｔ１／ｆｔ ＜ ２ ・・・（６）’’
本開示に係る投写光学系は、以下の条件式（７）を満足することが好ましい。

０．００５ ＜ Ｔｒ×（Ｔ１／ｆｔ） ＜ １ ・・・（７）
ただし、
Ｔｒ：投写光学系のスローレシオ
である。

条件式（７）は、投写光学系１００のスローレシオと反射光学系１２０のサイズの好適な範囲を規定している。なお、スローレシオは、投写光学系１００の投写距離をスクリーンＳＣに投写された画像の長手方向のサイズで除した値である。また投写距離とは、第２ミラー１２２の上端位置からスクリーンＳＣまでの距離である。Ｔｒ×（Ｔ１／ｆｔ）が下限を下回ると、投写面における歪曲収差を適切に補正することが困難となる。反対に、Ｔｒ×（Ｔ１／ｆｔ）が上限を超えることで、透過光学系１１０の射出瞳位置が反射光学系１２０側に近接し、透過光学系１１０から反射光学系１２０に入射する光線角度が広がるため、投写光学系１００の低背化には向かない。

さらに、以下の条件式（７）’を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

０．０１０ ＜ Ｔｒ×（Ｔ１／ｆｔ） ＜ ０．５０ ・・・（７）’
さらに、以下の条件式（７）’’を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

０．０２０ ＜ Ｔｒ×（Ｔ１／ｆｔ） ＜ ０．３０ ・・・（７）’’
本開示に係る投写光学系は、以下の条件式（８）を満足することが好ましい。

０．１ ＜ ｆｍｍａｘ／ｆｔ ＜ １０ ・・・（８）
ただし、
ｆｍｍａｘ：第１ミラー面上における最大の焦点距離
である。

条件式（８）は、第１ミラー１２１面で最大となる焦点距離と透過光学系１１０の焦点距離との関係の好適な範囲を規定している。ｆｍｍａｘ／ｆｔが下限を下回ると、投写面のうち画像投写装置側の中央付近の非点収差を良好に補正することが困難となる。反対に、ｆｍｍａｘ／ｆｔが上限を超えると、投写面のうちの周辺領域における歪みを補正することが困難となる。

なお、画像表示素子１３０から出射される光線を反射する第１ミラー１２１の位置において、ｆｍｍａｘは、ｆｍｘ＝−１／（２×（ｄ^２ｚ／ｄｘ^２））、ｆｍｙ＝−１／（２×（ｄ^２ｚ／ｄｙ^２））の中で最大となる焦点距離をいう。

さらに、以下の条件式（８）’を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

０．１３０ ＜ ｆｍｍａｘ／ｆｔ ＜ ５ ・・・（８）’
さらに、以下の条件式（８）’’を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

０．１６０ ＜ ｆｍｍａｘ／ｆｔ ＜ ３ ・・・（８）’’
実施の形態に係る投写光学系は、以下の条件式（９）を満足することが好ましい。

０．００１ ＜ ｆｍｍｉｎ／ｆｔ ≦ ０．１ ・・・（９）
ただし、
ｆｍｍｉｎ：第１ミラーの反射面上における各光線が反射する位置での最小の焦点距離
である。

条件式（９）は、画像表示素子１３０から出射される各光線が第１ミラー面上で反射する位置から求まる焦点距離のうち、第１ミラー面上で最小となる焦点距離の好適な範囲を規定している。ｆｍｍｉｎ／ｆｔが下限を下回ると、投写面の画像投写装置側の中央付近の非点収差を適切に補正することが困難となる。反対に、ｆｍｍｉｎ／ｆｔが上限を超えることで、投写面の中央付近における歪みを適切に補正することが困難となる。

なお、画像表示素子から出射される各光線が反射する第１ミラー位置において、ｆｍｍｉｎはｆｍｘ＝−１／（２×（ｄ^２ｚ／ｄｘ^２））、ｆｍｙ＝−１／（２×（ｄ^２ｚ／ｄｙ^２））の中で最小となる焦点距離をいう。

さらに、以下の条件式（９）’を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

０．０１０ ＜ ｆｍｍｉｎ／ｆｔ ≦ ０．０９ ・・・（９）’
さらに、以下の条件式（９）’’を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

０．０１５ ＜ ｆｍｍｉｎ／ｆｔ ≦ ０．０８ ・・・（９）’’
表１に、数値実施例１から３に係る投射光学系について求めた各条件式の対応値を示す。

（条件式の対応値）
以下、上記各実施の形態に係る投写光学系を具体的に実施した数値実施例を説明する。なお、各数値実施例において、表中の長さの単位はすべて「ｍｍ」であり、画角の単位はすべて「°」である。また、各数値実施例において、ｒは曲率半径、ｄは面間隔、ｎｄはｄ線に対する屈折率、ｖｄはｄ線に対するアッベ数である。また、各数値実施例において、＊印を付した面は非球面または自由曲面であり、非球面形状は次式で定義している。
ここで、
ｚ：ｚ軸に平行な面のサグ量、
ｒ：半径方向の距離（＝√（ｘ^２＋ｙ^２））、
ｃ：面頂点における曲率
ｋ：コーニック係数、
である。

なお、非球面係数は、円錐常数Ｋ以外は０でない係数のみ記す。また、レンズ群データにおいて、レンズ構成長は、第１面から終面までの間隔、前側主点位置は、第１面からの距離、後側主点位置は、第１面からの距離である。

また、自由曲面形状は、その面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いた次式で定義している。
ここで、
ｚ：ｚ軸に平行な面のサグ両
ｒ：半径方向の距離（＝√（ｘ^２＋ｙ^２））
ｃ：面頂点における曲率
ｋ：コーニック係数
Ｃｊ：単項式ｘｍｙｎの係数
である。

なお、以下の各データにおいて、便宜的に、多項式における自由曲面係数であるｘのｉ次の項、ｙのｊ次の項を、ｘｉｙｊというように記載する。例えば、「Ｘ２Ｙ」とは、多項式におけるｘの２次、ｙの１次の項の自由曲面係数であることを示す。

（１）数値実施例１
以下の表２から表７に、数値実施例１の透過光学系の具体的なデータを示す。なお、数値実施例１におけるスローレシオは、０．１７５である。また、投写倍率は１１１．７９から２１７．０９である。また、使用する画像表示素子のサイズは、長辺方向が９．８５６ｍｍ、短辺方向が６．１６２ｍｍである。

実施例１の各光学素子の面データを以下の表２に示す。

以下、非球面データを表３に示す。

以下、自由曲面データを表４に示す。

以下、ズームデータを表５に示す。

以下、単レンズデータを表６に示す。

以下、レンズ群データを表７に示す。

（２）数値実施例２
以下の表８から表１３に、数値実施例２の透過光学系の具体的なデータを示す。なお、数値実施例２におけるスローレシオは、０．１７６である。また、投写倍率は１１３．２３から２１７．５９である。また、使用する画像表示素子のサイズは、長辺方向が９．８５６ｍｍ、短辺方向が６．１６２ｍｍである。

実施例２の各光学素子の面データを以下の表８に示す。

以下、非球面データを表９に示す。

以下、自由曲面データを表１０に示す。
以下、ズームデータを表１１に示す。

以下、単レンズデータを表１２に示す。

以下、レンズ群データを表１３に示す。

（３）数値実施例３
以下の表１４から表１９に、数値実施例３の透過光学系の具体的なデータを示す。なお、数値実施例１におけるスローレシオは、０．１８４である。また、投写倍率は１１２．８５から２１７．１２倍である。また、使用する画像表示素子のサイズは、長辺方向が９．８５６ｍｍ、短辺方向が６．１６２ｍｍである。

実施例３の各光学素子の面データを以下の表１４に示す。

以下、非球面データを表１５に示す。

以下、自由曲面データを表１６に示す。

以下、ズームデータを表１７に示す。

以下、単レンズデータを表１８に示す。

以下、レンズ群データを表１９に示す。

３．光学系の駆動部
図６は、本実施の形態の画像投写装置１０の光学系を駆動する駆動部を説明した図である。図６に示すように、画像投写装置１０は、第２ミラー１２２を平行移動及び／または回転させるミラー駆動部２００と、第２レンズ群Ｇ２を駆動する第１フォーカス駆動部２５０と、第４レンズ群Ｇ４を駆動する第２フォーカス駆動部２６０とを備える。第１フォーカス駆動部２５０及び第２フォーカス駆動部２６０は、フォーカス機能を実現するために第２レンズ群Ｇ２及び第４レンズ群Ｇ４を光軸ＡＺに沿って移動させるフォーカス調整機構である。ミラー駆動部２００、第１フォーカス駆動部２５０及び第２フォーカス駆動部２６０は制御部３００によって制御される。制御部３００は例えば所定のプログラムを実行することで所定の機能を実現するプロセッサで構成される。制御部３００は専用に設計された回路でもよい。すなわち、制御部３００はＣＰＵ、ＭＰＵ、ＧＰＵ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ等で実現できる。

第２ミラー１２２を第１ミラー１２１に対して平行移動及び／または回転させることにより、投写する画像の拡大／縮小及び台形補正を実現できる。例えば、図７に示すように、第２ミラー１２２を第１ミラー１２１からの距離がより遠くなるように位置Ａから位置Ｂに平行移動した場合、第２ミラー１２２からの反射光の光路が変化し、これにともない画像の投影範囲が変化する。図８（Ａ）は第２ミラー１２２が位置Ａにあるときの画像の投影範囲を示し、図８（Ｂ）は第２ミラー１２２が位置Ｂにあるときの画像の投影範囲を示す。第２ミラー１２２を位置Ａから位置Ｂに移動させることで、画像の投影範囲がＷＡからＷＢへ拡大している。これによりズームアップ機能が実現できる。

図９〜図１１は、画像投写装置１０における、第２ミラー１２２を駆動するミラー駆動部２００の具体的な構成例を説明した図である。いずれのミラー駆動部２００も第２ミラーを平行移動させる平行移動機構２１０と、第２ミラー１２２を回転させる回転機構２３０とを備える。

図９に示すミラー駆動部２００において、平行移動機構２１０は、第２ミラー１２２を保持する第１ベース部２０１と、第１ベース部２０１を移動させる送りねじ２０７と、送りねじ２０７を回転させるモータ２０９と、ガイドポール２０５と、ガイドポール２０５を支持する第２ベース部２０３とを備える。回転機構２３０はモータを含む。モータ２０９により送りねじ２０７を回転させることにより第１ベース部２０１がガイドポール２０５に沿って直進移動する。同時に、第１ベース部２０１に保持された第２ミラー１２２も直進移動する。また、回転機構２３０においてモータの回転により第２ベース部２０３を回転させることができ、これにより、第２ミラー１２２の角度を変更することができる。

図１０に示すミラー駆動部２００では、平行移動機構２１０は、送りねじ２０７と、送りねじ２０７を回転させるモータ２０９と、送りねじ２０７を支持する第２ベース部２０３とを備える。回転機構２３０は、第２ミラー１２２を保持する第１ベース部２０１と、第１ベース部２０１を回転させるモータ２３１とを含む。送りねじ２０７の先端にモータ２３１が取り付けられている。この構成において、モータ２０９により送りねじ２０７を回転させることにより、第１ベース部２０１を直進移動させることができる。また、モータ２３１の回転により第２ベース部２０３を回転させることができる。

図１１（Ａ）に示すミラー駆動部２００では、平行移動機構２１０は基本的に図９に示したものと同じである。但し、第２ミラー１２２は第１ベース部２０１に直接取り付けられておらず、伸縮部材２３２及びばね２３４を介して第１ベース部２０１に取り付けられている。伸縮部材２３２及びばね２３４は回転機構２３０を構成する。伸縮部材２３２は、電圧を受けて機械的に伸縮する圧電効果を有する部材であり、例えば、圧電素子（ピエゾ素子）で構成できる。図１１（Ｂ）に示すように第２ミラー１２２は３点で伸縮部材２３２を介して第１ベース部２０１に支持される。この構成において、モータ２０９により送りねじ２０７を回転させることにより、第１ベース部２０１を直進移動させることができる。また、３つの伸縮部材２３２を適宜伸縮させることにより、第２ミラー１２２の角度を任意に変化させることができる。

ズーム機能を実現するために第２ミラー１２２を平行移動させる場合の移動範囲内の少なくとも一部のミラー位置において、光軸ＡＺが、第２ミラー１２２における光線を反射する領域を通過するように、反射光学系１２０におけるミラー１２１、１２２を配置する。このように構成することで、画像投写装置１０の高さを小さくでき、画像投写装置１０のコンパクト化が図れる。

図１２は、第２ミラー１２２を平行移動させたときの投写画像への影響を説明した図である。図１２において、黒い星マークは、画像表示素子１３０の長辺方向の中心を通り投写面において最も画像投写装置１０に近い位置に投写される光束の主光線を示す。

第２ミラー１２２を平行移動させることで、図１２に示すように投写画像のサイズを変更できる。図１２（Ｃ）は第２ミラー１２２が基準位置Ｃにあるときの投写画像のサイズを示した図である。第２ミラー１２２を、基準位置Ｃから、第１ミラー１２１までの距離が小さくなる位置Ｂへ移動させた場合、図１２（Ｂ）に示すように、基準位置Ｃにある場合よりも投写画像のサイズが小さくなる。逆に、第２ミラー１２２を、基準位置Ｃから、第１ミラー１２１までの距離が大きくなる位置Ｄへ移動させた場合、図１２（Ｄ）に示すように、第２ミラー１２２が基準位置にある場合よりも投写画像のサイズが大きくなる。このように、第２ミラー１２２を平行移動させることにより投写される画像のサイズを変更すること、すなわち、ズーム機能を実現することができる。

図１３は、第２ミラー１２２を回転させたときの投写画像への影響を説明した図である。第２ミラー１２２を回転させることで、図１３に示すように投写画像の形状を変更できる。図１３（Ａ）において、反時計回りの方向を回転移動の正の方向とする。図１３（Ｃ）は第２ミラー１２２が基準位置（角度）Ｃにあるときの投写画像を示した図である。この状態で投写画像は矩形形状である。第２ミラー１２２を基準位置から正の方向に回転させた場合、図１３（Ｄ）に示すように、投写画像は上底が下底より長い台形形状となる。また、第２ミラー１２２を基準位置から負の方向に回転させた場合、図１３（Ｂ）に示すように、投写画像は下底が上底より長い台形形状となる。このように、第２ミラー１２２の回転により、投写画像の形状を、基準の矩形形状から、回転方向及び回転量に応じた台形形状に変更できる。すなわち、第２ミラー１２２の回転により投写面上の画像の歪みを光学的に補正することができる。なお、図１４に示すように、第２ミラー１２２の回転中心ＡＲは、透過光学系１１０の光軸ＡＺに対し、第１ミラー１２１の反対側に設定される。

第２ミラー１２２の平行移動と回転はいずれか一方のみを行っても良いし、双方を同時にまたは順に行っても良い。例えば、ミラー駆動部２００は、投写面上での画像の歪みを維持した状態で第２ミラー１２２を平行移動してズームを行い、その後に第２ミラー１２２を回転させることで投写面上での画像の歪みを補正してもよい。

第１フォーカス駆動部２５０及び第２フォーカス駆動部２６０は、フォーカス動作において、レンズ群Ｇ２とレンズ群Ｇ４をそれぞれ光軸ＡＺに沿って移動させる。第１フォーカス駆動部２５０及び第２フォーカス駆動部２６０も、ミラー駆動部２００の平行移動機構と同様の構成を有している。制御部３００は、第２ミラー１２２を駆動するときには、第２ミラー１２２の動きに連動して第２レンズ群Ｇ２及び第４レンズ群Ｇ４（フォーカスレンズ）を移動させる。すなわち、第２ミラー１２２と第２レンズ群Ｇ２及び第４レンズ群Ｇ４とを同時に駆動する。ただし、投写面上にて高い光学性能を維持できる場合においては、第２レンズ群Ｇ２及び第４レンズ群Ｇ４を同時に駆動させる必要はなく、制御部３００は、第２ミラー１２２を駆動するときに、第２ミラー１２２の動きと連動して一方のフォーカスレンズ群を移動させる。

図１５は、第２ミラー１２２と投写面（スクリーンＳＣ表面）との相対的な位置関係を説明した図である。第２ミラー１２２と投写面（ＳＣ）に対する、画像表示素子１３０の長辺方向の中心を通り投写面の最も画像投写装置１０側に投写される光束の主光線ＬＢの入射角が以下の関係を満すように、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２を配置することが好ましい。
｜θM2｜ ＜ ｜θSCN｜ ・・・（１０）
ここで、θM2は、画像表示素子１３０の長辺方向の中心を通り投写面の最も画像投写装置１０側に投写される光束の主光線ＬＢについて、第２ミラー１２２の法線に対する入射角度である。θSCNは、投写面ＳＣの法線に対するその主光線ＬＢの入射角度である。すなわち、画像投写装置１０の使用時において、第２ミラー１２２の反射面が投写面（ＳＣ）に対して平行とならないように反射光学系１２０内のミラーを配置するのがよい。θM2、θSCNは例えば以下の値に設定する。

式（１０）を満たすことで、第１ミラー１２１によって光線が遮光されることなく、投写面（スクリーンＳＣ表面）に画像を投写することができる。すなわち、光学性能を維持した状態で反射光学系１２０の小型化（低背化）が可能となる。

図１６は、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２の相対的な位置関係を説明した図である。第１ミラー１２１と第２ミラー１２２に対する、画像表示素子１３０の長辺方向の中心を通り投写面（ＳＣ）の最も画像投写装置１０側に投写される光束の主光線ＬＢの入射角が以下の関係を満すように、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２を配置することが好ましい。
０ ＜ ｜θM1｜−｜θM2｜ ＜ ３０ ・・・（１１）
ここで、θM1は、主光線ＬＢが第１ミラー１２１で反射される位置における、第１ミラー１２１の法線に対する主光線ＬＢの入射角度である。θM2は、第１ミラー１２１で反射された主光線ＬＢが第２ミラー１２２で反射される位置における、第２ミラー１２２の法線に対する主光線ＬＢの入射角度である。

式（１１）は、光学性能を良好に維持した状態で、第１ミラー１２１及び第２ミラー１２２で構成される反射光学系１２０の小型化を実現するための条件である。｜θM1｜−｜θM2｜が式（１０）の下限値を下回る場合、画像表示素子１３０から射出され、第２ミラー１２２で反射される光線の領域が広範囲に広がる。このため、反射光学系１２０の小型化に不利な配置条件となる。一方、｜θM1｜−｜θM2｜が式（１１）の上限値を上回る場合、画像表示素子１３０から射出され、第２ミラー１２２で反射される光線の一部が投写面（ＳＣ）に届く前に第１ミラー１２１の一部で遮光される。よって、画像表示素子１３０上の画像を投写面上に完全に再現できない。また、第１ミラー１２１で遮光された光は迷光となりゴースト像となって投写画像の品質を劣化させる。

さらに、以下の条件式（１１ｂ）を満足することで、より顕著に上記の効果を奏することができる。
５ ＜ ｜θM1｜−｜θM2｜ ＜ ２５・・・（１１ｂ）

さらに、以下の条件式（１１ｃ）を満足することで、より顕著に上記の効果を奏することができる。
１０ ＜ ｜θM1｜−｜θM2｜ ＜ ２０・・・（１１ｃ）

さらに、以下の条件式（１１ｄ）を満足することで、より顕著に上記の効果を奏することができる。
１２．５ ＜ ｜θM1｜−｜θM2｜ ＜ １７．５・・・（１１ｄ）

｜θM1｜−｜θM2｜の値は例えば下記のとおりである。

４．効果、等 以上のように、本実施の形態の画像投写装置１０は投写面（ＳＣ）に画像を投写するための装置である。画像投写装置１０は、投写画像を形成する画像表示素子１３０と、画像表示素子１３０の出射面側に位置し、絞りと複数のレンズを含む透過光学系１１０と、透過光学系１１０の出射光を反射する正のパワーを有する第１ミラー１２１と、第１ミラーの反射光を投写面に反射する平面ミラーである第２ミラー１２２とを含む反射光学系１２０と、第２ミラーを平行移動及び／又は回転させるミラー駆動部２００と、を備える。第１ミラー１２１は、透過光学系１１０の光軸（ＡＺ）方向において、第２ミラー１２２と投写面との間に位置する。

上記構成によれば、第２ミラー１２２を平行移動及び／または回転させることにより、投写画像のズーム機能及び／または投写画像の歪み補正を実現することができる。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

例えば、上記の実施の形態では、図９〜図１１を用いてミラー駆動部２００の構成を説明したが、ミラー駆動部２００の構成例はこれに限定されない。第２ミラー１２２を平行移動及び／又は回転させるものであれば任意の構成を適用できる。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、画像表示素子に表示された画像を投写する投写に適用可能である。具体的には、プロジェクターやヘッドアップディスプレイなどに、本開示は適用可能である。

１０ 画像投写装置
１００ 投写光学系
１１０ 透過光学系
１２０ 反射光学系
１２１ 第１ミラー
１２２ 第２ミラー
１３０ 画像表示素子
１４０ 透過素子
２００ ミラー駆動部
２５０ 第１フォーカス駆動部
２６０ 第２フォーカス駆動部
３００ 制御部
Ａ 開口絞り
ＡＺ 透過光学系の光軸
ＡＲ 第２ミラーの回転中心
ＬＢ 投写面において最も画像投写装置側に入射する光束の主光線
ＰＢ プリズム
ＳＣ スクリーン

Claims (10)

1. 投写面に画像を投写するための画像投写装置であって、
   投写画像を形成する画像表示素子と、
   前記画像表示素子の出射面側に位置し、絞りと複数のレンズを含む透過光学系と、
   前記透過光学系の出射光を反射する正のパワーを有する第１ミラーと、前記第１ミラーの反射光を前記投写面に反射する平面ミラーである第２ミラーとを含む反射光学系と、を備え、
   前記第１ミラーは、前記透過光学系の光軸方向において、前記第２ミラーと前記投写面との間に位置し、かつ、前記第２ミラーの反射面が前記投写面と非平行となるように、前記反射光学系が配置され、
   前記透過光学系と前記第１ミラーとの間に中間像が結像される、
   画像投写装置。
2. 前記反射光学系が下記の関係式を満たす請求項１記載の画像投写装置。
   ０＜ＴＬ／ｆｔ＜１０
   ここで、
   ｆｔ：前記透過光学系の焦点距離
   ＴＬ：前記画像表示素子の長辺方向の中心を通り投写面の最も画像投写装置側に投写される光束の主光線が前記第１ミラーで反射する位置から前記画像表示素子までの光軸に平行な距離
3. 前記反射光学系が下記の関係式を満たす請求項１記載の画像投写装置。
   ｜θM2｜ ＜ ｜θSCN｜
   ここで、
   θM2：前記画像表示素子の長辺方向の中心を通り投写面の最も画像投写装置側に投写される光束の主光線について、前記第２ミラーの法線に対する入射角度
   θSCN：前記投写面の法線に対する前記主光線の入射角度
4. 前記反射光学系が下記の関係式を満たす請求項１記載の画像投写装置。
   ０ ＜ ｜θM1｜−｜θM2｜ ＜ ３０
   ここで、
   θM1：前記画像表示素子の長辺方向の中心を通り投写面の最も画像投写装置側に投写される光束の主光線が前記第１ミラーで反射される位置における、第１ミラーの法線に対する主光線の入射角度
   θM2：前記第１ミラーで反射された前記主光線が前記第２ミラーで反射される位置における、前記第２ミラーの法線に対する前記主光線の入射角度
5. 前記透過光学系の光軸が前記投写面を通過する、請求項１記載の画像投写装置。
6. 前記投写面と、前記画像表示素子の表示面とが平行でない、請求項１記載の画像投写装置。
7. 前記第２ミラーの反射面が前記投写面と平行でない、請求項１記載の画像投写装置。
8. フォーカス調整のために前記透過光学系に含まれるレンズを駆動するフォーカス駆動部をさらに備える、請求項１記載の画像投写装置。
9. 前記第２ミラーを平行移動させる場合の移動範囲内の少なくとも一部のミラー位置において、前記透過光学系の光軸が、前記第２ミラーにおける光線を反射する領域を通過するように前記反射光学系を配置する、請求項１記載の画像投写装置。
10. 前記第２ミラーの回転中心は、前記透過光学系の光軸に対して前記第１ミラーの反対側に設定される、請求項１記載の画像投写装置。