JP4029154B2

JP4029154B2 - projector

Info

Publication number: JP4029154B2
Application number: JP2003172311A
Authority: JP
Inventors: 香織向井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2003-06-17
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2023-06-17
Also published as: JP2005010295A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像を拡大投影するプロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶表示パネルやＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）などで変調された画像を拡大投影するプロジェクタにおいて、投射光学系はレンズを有する屈折光学系で構成されることが多く、また、通常はスクリーンに対して略垂直に投影される。このようなプロジェクタは室内等で利用されるため、スクリーンまでの距離が短い状態で画像を大きく投影する必要があるため、広画角な投射光学系が求められており、また、高い解像力も要求される。このような投射光学系を屈折光学系で構成した場合、広い角度範囲で色収差を含む諸収差を補正する必要があるために、例えば、屈折率分散の異なる硝材を使用して色収差補正する等を行うことによりレンズ枚数の多い、大きな投射光学系となってしまう。
【０００３】
また、スクリーンとこのスクリーンに正対する観察者の間にプロジェクタが位置すると、一部の投影画像がプロジェクタの影になるため観察者が投影画像を見にくい状態となる。あるいは、プロジェクタとスクリーンの間に観察者が存在すると、観察者で光が遮られるため、うまく投影できない。このため、スクリーンに対するプロジェクタの配置の自由度を上げるために、スクリーンに対して斜めの方向から投影可能とする必要がある。
【０００４】
以上のような問題を解決するために、反射光学系を用いて投射光学系を実現する方法が知られている（例えば、特許文献１又は２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
国際公開第ＷＯ９７／０１７８７号パンフレット
【特許文献２】
特開２００１−２５５４６２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の情報機器の小型化は目覚ましいものがあるが、携帯電話やＰＤＡ（携帯情報端末）などに搭載される液晶パネルなどの表示装置はある程度の大きさが必要である。情報機器は小型化が求められており、大きな表示装置の要求は困難であるが、プロジェクタであれば、機器は小型のままで、画像だけを大きく投影することが可能である。しかし、プロジェクタを小型化することにより、投射光学系だけでなく、画像表示装置も小型化する必要があるため、画像表示装置を構成する画素が小さくなることにより、高解像力を有し、且つ、明るい投射光学系が必要となる。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載されている投射光学系は暗い（Ｆ値が大きい）ため、特に小さな画像表示装置の画像を明るくすることが困難であるという課題がある。また、特許文献２に記載されている投射光学系はミラー枚数が多いため、プロジェクタが大きくなるという課題と、非軸対称ミラーを使用しているために、製作が難しくコストが高くなるという課題があった。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、小型且つ簡単な構成で、斜め投射可能な反射光学系で構成された投射光学系を用いたプロジェクタを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明に係るプロジェクタは、出射面に表示された画像が光束として出射する画像表示装置と、画像を制御する制御装置と、光束を投影面に投影画像として結像する投射光学系とから構成される。この投射光学系は、画像表示装置から出射された光束を反射する正のパワーを有する凹面状の反射面が形成された第１ミラーと、第１ミラーで反射された光束を反射する負のパワーを有する凸面状の反射面が形成された第２ミラーとを有し、第１ミラーと第２ミラーの反射面が対称軸に対して軸対称非球面形状に形成されるとともに、対称軸が一致するように配置された共軸系を構成する。このとき、この投射光学系の画像表示装置側の開口数が０．１以上であるように構成される。
【００１０】
なお、第１ミラーの反射面の曲率半径をｒ１とし、第２ミラーの反射面の曲率半径をｒ２としたき、次式
１．３｜ｒ１｜ ≧ ｜ｒ２｜ ≧ ｜ｒ１｜
を満足するように本発明に係るプロジェクタを構成することが好ましい。
【００１１】
また、投射光学系による投影画像の歪みを制御装置により画像表示装置に表示される画像を歪ませることによって補正をかけるように構成することが好ましい。
【００１２】
このとき、画像表示装置の出射面における光軸からの高さｈ′の位置から出射した画像の光線に対応して投射光学系から出射する主光線と光軸とのなす角度をθとし、投射光学系の焦点距離をｆとしたとき、次式
ｈ′ ＝ｆｓｉｎθ
を満足するように構成することが好ましい。
【００１３】
さらに、投射光学系から出射する主光線と光軸とのなす角度の大きさに対応して、画像の光量を調整することにより、投影画像を一様な明るさにするように構成することが好ましい。
【００１４】
このとき、投射光学系から出射する主光線と光軸とのなす角度をθとしたとき、画像の放射強度を１／ｃｏｓ⁴θに比例するように画像の光量を調整することが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。本発明に係るプロジェクタ３０は、図１に示すとおり、コンピュータやＤＶＤプレーヤー等の外部装置４０からの画像信号を受けて、その拡大像をスクリーン３４に出力するものであり、外部装置４０からの画像信号を制御する制御装置３１と、制御装置３１により制御された信号により変調された光束を出射する画像表示装置３２と、画像表示装置３２から出射された光束をスクリーン３４に拡大して投影する投射光学系３３とから構成されている。この画像表示装置３２としては、透過型の液晶表示パネルや自己発光型の有機ＥＬパネル等が好適であるが、配置上可能であれば、反射型の液晶表示パネルやＤＭＤ等を用いることもできる。
【００１６】
このような本発明に係るプロジェクタ３０に用いられる投射光学系３３は図２に示すように、画像表示装置３２の出射面Ｏに凹面を向けた正のパワーを持つ反射面が形成され、出射面Ｏから出射した光束を反射する第１ミラーＭ１と、第１ミラーＭ１に凸面を向けた負のパワーを持つ反射面が形成され、第１ミラーＭ１で反射された光束を反射する第２ミラーＭ２とから構成される。なお、第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２との間には絞りＳ（図２においては、図示せず）が配設されている。この投射光学系３３から出射した光束（つまり、第２ミラーＭ２で反射された光束）は、スクリーン３４の投射面Ｉに拡大されて投影画像として投影される。
【００１７】
この第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２に形成された反射面は、軸対称非球面の形状をしており、その対称軸が一致するように第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２が配設された共軸系として構成されている。そして、この投射光学系３３の画像表示装置３２側の開口数が０．１以上となるように投射光学系３３を構成することにより、小型で、製作が容易で、画像表示装置３２が小さくても十分な光量を確保できるプロジェクタ３０を構成することができる。この場合、投射光学系３３は反射光学系で構成されているため、色収差の問題は生じることがない。
【００１８】
さらに、第１ミラーＭ１の反射面の曲率半径をｒ１とし、第２ミラーＭ２の反射面の曲率半径をｒ２としたとき、次に示す条件式（１）を満足するように構成することが好ましい。
【００１９】
【数１】
１．３｜ｒ１｜ ≧ ｜ｒ２｜ ≧ ｜ｒ１｜（１）
【００２０】
第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２の反射面の曲率半径ｒ１，ｒ２の比が１に近いほど、ペッツヴァル和が０に近くなる。そのため、条件式（１）の範囲内で第ミラーＭ１と第２ミラーＭ２の反射面が形成されていれば、非点収差及び像面湾曲の補正が容易な、斜め投影に適した投射光学系３３を持つプロジェクタ３０を構成することができる。
【００２１】
このように構成されたプロジェクタ３０において、投射光学系３３を用いて画像表示装置３２から出射された光束を投影すると、この投射光学系３３により画像が歪んで投影されてしまう。そのため、外部装置４０から得た画像信号を、制御装置３１において、図３に示すように歪ませた画像として画像表示装置３２から出射するように補正をかけることにより歪みの少ない投影画像を得ることができる。
【００２２】
投射光学系３３の拡大倍率が大きい場合は、図４に示すように、画像表示装置３２（出射面Ｏ）を像面とし、投影画像（投影面Ｉ）が無限遠にある無限遠系と見なすことが可能であり、この場合、投射光学系３３の焦点距離をｆとすると、この投影面Ｉから出射した光線の投射光学系３３への入射角ωと、この光線が投射光学系３３により出射面Ｏに結像した像位置ｈの関係が通常の正射影ｈ＝ｆｔａｎωではなく、ｈ＝ｆｓｉｎωの射影関係として成り立つ。
【００２３】
このように投射光学系３３においてｈ＝ｆｓｉｎωの射影関係が成り立つ場合、出射面Ｏにおいて、光軸（第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２の対称軸）からの距離ｈ′の位置から出射した光線が投射光学系３２を通って出射するときの主光線の光軸とのなす角度（以下、「出射角」と呼ぶ）をθとしたとき、次に示す条件式（２）の関係を満たすように制御装置３１で画像を歪ませて画像表示装置３２から出射するように構成することにより、歪みのより少ない投影画像を得ることができる。
【００２４】
【数２】
ｈ′ ＝ｆｓｉｎθ （２）
【００２５】
また、投射光学系３３を無限遠系と見なしたときに、ｈ＝ｆｓｉｎωの射影関係が成り立つ場合、投射面Ｉにおいて出射角θが大きい位置にある投影画像ほど引き延ばされて暗くなってしまう。このため、投影画像を一様な明るさにする場合には、出射角θが大きい位置に対応する画像ほど光量を多くするように制御する必要がある。特に、画像の一画素からの放射強度を１／ｃｏｓ⁴θに比例するように、出射角θが大きいほど明るくした場合、投影画像の明るさの一様性がより一層向上する。
【００２６】
この出射角θと投影画像の明るさの関係は、以下のように説明することができる。なお、投射光学系３３は、上述のようにｈ＝ｆｓｉｎω（ｈ′＝ｆｓｉｎθ）の射影関係があるものとし、図４において、光軸方向をＺ、光軸に垂直で入射角を含む方向をＹ、ＹＺ面に垂直な方向をＸとして説明する。
【００２７】
出射角θの主光線の回りの微小角δθによる画像と投影画像の面積を考える。投影画像のＹ方向の微小長さδＹは、式（３）のように表され、Ｘ方向の微小長さδＸは、式（４）のように表される。
【００２８】
【数３】

【００２９】
ここで、ｚは投影画像から瞳までのＺ方向の距離である。一方、対応する画像のＹ方向の微小長さδＹ′は、式（５）のように表され、Ｘ方向の微小長さδＸ′は式（６）のように表される。
【００３０】
【数４】

【００３１】
よって、投影画像の微小面積δＳは、式（７）のように表され、画像の微小面積δＳ′は、式（８）のように表されるため、その比は式（９）のように表される。
【００３２】
【数５】

【００３３】
以上より、式（９）で示した関係は、画像表示装置３２から出射される画像が、面積で１／ｃｏｓ⁴θだけ引き延ばされた投影画像となることを表している。そのため、その分だけ投影画像は暗くなるので、画像の方でｃｏｓ⁴θに反比例するように、画像の面積比に応じて光量を多くする補正を行えば、スクリーンの反射角度特性その他の影響を無視すれば、一様な明るさとすることができる。
【００３４】
なお、画像の光量を補正する方法としては、画像表示装置３２から出射される画像の輝度や開口面積を調整する方法、照明系の開口数や照明時間を制御する方法、若しくは、照明光の透過率を制御する方法が考えられる。
【００３５】
以上に説明した本発明に係るプロジェクタ３０に用いられる投射光学系３３は、通常の液晶プロジェクタに使用される投射光学系としても利用することができる。この投射光学系３３は、反射ミラー２枚（Ｍ１，Ｍ２）から構成されているため、プラスティックモールドレンズ等を使用すれば、安価に構成することができる。また、石英やパイレックス（登録商標）のような熱膨張率の低い硝材を使い、画像表示装置３２やミラーＭ１，Ｍ２の間の距離を熱膨張率の低い材質で構成すれば、非常に熱変動に強い投射光学系３３を構成することができる。
【００３６】
上述の説明では、本発明に係るプロジェクタ３０の投射光学系３３は、凹凸２枚のミラー（Ｍ１，Ｍ２）から構成しているが、図示しない照明光学系や制御装置３１の配置のためや、全体の構成との関係で、第１及び第２ミラーＭ１，Ｍ２と画像表示装置３２との間や、投射光学系３３の投影側に平面ミラーを配置する可能性がある。平面ミラーは収差には影響を与えないので、平面ミラーが加わっても本発明は適用可能である。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明に係るプロジェクタ３０の具体的な実施例について説明する。下に示す２つの実施例は、図５及び図８に示す構成となっている。なお、いずれの実施例においても、投射光学系３３は、上述したような第１ミラーＭ１、絞りＳ及び第２ミラーＭ２で構成されている。
【００３８】
各実施例において、第１及び第２ミラーＭ１，Ｍ２に形成された反射面は、下に示す式（１０）で表される軸対称非球面形状をしている。
【００３９】
【数６】

【００４０】
式（１０）において、Ｚは光軸と非球面の交点を含み、且つ、光軸に垂直な基準平面からの非球面の変位量（サグ量）であり、ｙは光軸からの距離であり、Ｒは光軸上の曲率半径であり、Κは円錐係数であり、Ａは４次の非球面係数であり、Ｂは６次の非球面係数であり、Ｃは８次の非球面係数である。
【００４１】
なお、以下の実施例では、波長５００ｎｍの光線に対する結像性能を評価しているが、反射光学系で構成されているために色収差が発生しないので、波長は本質的な問題ではない。
【００４２】
（第１実施例）
図５は、本発明の第１実施例に係るプロジェクタ３０における要部の光路図である。また、下の表１に、本第１実施例における光学系の諸元を示す。表１における面番号０〜３は本発明に係るプロジェクタに関するものであり、それぞれ図５における符号０〜３に対応し、第０面は出射面Ｏを、第１面は第１ミラーＭ１の反射面を、第２面は絞りＳを、第３面は第２ミラーＭ２の反射面をそれぞれ表しており、この関係は以降の実施例でも同様である。なお、表１におけるｆは投射光学系３３の焦点距離を、ＮＡは投射光学系３３の画像表示装置３２側の開口数を、βは投射光学系３３の倍率を、ｒは曲率半径を、ｄは面間隔をそれぞれ示している。また、非球面係数Ａ，Ｂ，Ｃにおいて、「Ｅ−０９」等は「×１０^-09」等を示す。以上の表１の記号の説明は、以降の実施例においても同様である。また、以下の全ての諸元値において掲載されている、焦点距離ｆ、曲率半径ｒ、面間隔ｄその他の長さの単位は、特記の無い場合、一般に「ｍｍ」が使われる。
【００４３】
【表１】

【００４４】
本第１実施例において、投影画像は第２ミラーＭ２から光軸方向に３００ｍｍ離れた位置に２００ｍｍ（Ｙ）×３００ｍｍ（Ｘ）の大きさに投影される。この投影画像は、図１１に示すとおり、Ｙ方向には光軸からずれた位置に投影され、投影位置は光軸から１００ｍｍ〜３００ｍｍとなっている。また、投影画像側の主光線の光軸に対する角度（上述の出射角θ）は、１８．１８°から４７．８１°の範囲になっている。
【００４５】
図５及び表１から分かるように、本第１実施例に係る投射光学系３３は非常に小さく、約３０ｍｍ（光軸方向）×２０ｍｍ×２０ｍｍである。また、投射光学系３３の画像表示装置３２側はほぼテレセントリックになっている。
【００４６】
倍率βから計算される画像表示装置３２の出射面Ｏ（画像）のサイズは８．８１ｍｍ（Ｙ）×１３．２２ｍｍ（Ｘ）であるが、実際には歪曲収差の補正のために、図３のようになる。図３において、ＸＹ座標の（０，０）の位置が光軸であり、サイズはおおよそ５．０３ｍｍ（Ｙ）×１０．１６ｍｍ（Ｘ）となる。そのため、光軸から最も遠い部分のこの光軸からの距離は８．８８１ｍｍであり、対応する投影画像の主光線の出射角θ＝４７．８１°から計算されるｆｓｉｎθ＝８．８９１ｍｍとほぼ一致する。よって、画像表示装置３２の画像をｆｓｉｎθになるように歪ませることにより、ほぼ歪みのない投影画像を得ることができる。なお、図３における画像の位置ａ〜ｅと、図１１における投影画像の位置ａ〜ｅとが対応している。
【００４７】
図６に第１実施例における諸収差図を示し、図７にＭＴＦ（デフォーカス特性）を示す。これらの評価は、画像表示装置３２のピクセルサイズとの比較がしやすいように、画像表示装置３２側で行っており、ＭＴＦは１０μｍのピクセルサイズのナイキスト周波数である５０ｌｐ／ｍｍ（ｌｐはラインペアを示す）で評価している。このＭＴＦの評価位置は、図１１のａ〜ｅである。図６及び図７から分かるように、歪曲収差を除いて良好に収差補正されている。
【００４８】
（第２実施例）
図８に、本発明の第２実施例にかかるプロジェクタにおける要部の光路図を示す。本第２実施例では、投射光学系３３から２．５ｍ程度離れた位置で、１００インチサイズに画像を拡大表示する場合を示している。この第２実施例における光学系の諸元を表２に示す。
【００４９】
【表２】

【００５０】
本第２実施例において、投影画像は第２ミラーＭ２から光軸方向に２．５ｍ離れた位置に１５００ｍｍ（Ｙ）×２０００ｍｍ（Ｘ）の大きさの拡大像が投影される。図１１に示すように、Ｙ方向には光軸からずれた位置に投影され、投影位置は光軸から７００ｍｍ〜２２００ｍｍになっている。また、投影画像側の主光線の光軸に対する角度（出射角θ）は、１５．５３°から４３．８３°の範囲になっている。また、投射光学系３３の画像表示装置側はほぼテレセントリックになっている。
【００５１】
倍率βから計算される画像表示装置３２の出射面Ｏ（画像）のサイズは３３．２５ｍｍ（Ｙ）×４４．３３ｍｍ（Ｘ）であるが、実際には歪曲収差の補正のために歪んでいて、サイズはおおよそ２０．３９ｍｍ（Ｙ）×３５．７２ｍｍ（Ｘ）となる。光軸から最も遠い部分のこの光軸からの距離は３４．６１６ｍｍであり、対応する投影画像の主光線の出射角θ＝４３．８３°から計算されるｆｓｉｎθ＝３４．６２６ｍｍとほぼ一致する。よって、画像表示装置３２の画像をｆｓｉｎθになるように歪ませることにより、ほぼ歪みのない投影画像を得ることができる。
【００５２】
図９に第２実施例における諸収差図を示し、図１０にＭＴＦを示す。これらの評価は、画像表示装置３２側で行っており、ＭＴＦは２０μｍのピクセルサイズのナイキスト周波数である２５ｌｐ／ｍｍで評価している。ＭＴＦの投影画像側の評価位置を図１１のａ〜ｅに示す。図９及び図１０から分かるように、歪曲収差を除いて良好に収差補正されている。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、凹凸２枚の軸対称非球面ミラーを使用して、コンパクトで安価且つ、解像力に優れた斜め投影できるプロジェクタを構成することができる。また、画像表示装置の画像を制御することにより、より画像品質に優れたプロジェクタを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプロジェクタの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施例に係る光学系を上方から見た場合の光路図である。
【図３】本発明の第１実施例に係る画像表示装置の画像を示す図である。
【図４】画像と投影画像の位置関係を示す図である。
【図５】本発明の第１実施例に係る要部を側面から見た場合の光路図である。
【図６】本発明の第１実施例に係る諸収差図である。
【図７】本発明の第１実施例に係るＭＴＦである。
【図８】本発明の第２実施例に係る要部を側面から見た場合の光路図である。
【図９】本発明の第２実施例に係る諸収差図である。
【図１０】本発明の第２実施例に係るＭＴＦである。
【図１１】投影画像の大きさと位置を示す図である。
【符号の説明】
３０プロジェクタ
３１制御装置
３２画像表示装置
３３投射光学系
Ｍ１第１ミラー
Ｍ２第２ミラー
Ｏ出射面
Ｉ投影面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a projector that enlarges and projects an image.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a projector that magnifies and projects an image modulated by a liquid crystal display panel, DMD (digital micromirror device), or the like, the projection optical system is often composed of a refractive optical system having a lens. On the other hand, it is projected substantially perpendicularly. Since such a projector is used indoors, it is necessary to project a large image with a short distance to the screen, so a projection optical system with a wide angle of view is required, and high resolution is also required. Is done. When such a projection optical system is constituted by a refractive optical system, it is necessary to correct various aberrations including chromatic aberration in a wide angle range. For example, chromatic aberration correction using a glass material having different refractive index dispersion is performed. Doing so results in a large projection optical system with a large number of lenses.
[0003]
Further, when the projector is positioned between the screen and the viewer facing the screen, a part of the projected image becomes a shadow of the projector, so that the viewer becomes difficult to see the projected image. Alternatively, if there is an observer between the projector and the screen, light cannot be projected well because the observer blocks light. For this reason, in order to increase the degree of freedom of the arrangement of the projector with respect to the screen, it is necessary to be able to project from an oblique direction with respect to the screen.
[0004]
In order to solve the above problems, a method of realizing a projection optical system using a reflection optical system is known (see, for example, Patent Document 1 or 2).
[0005]
[Patent Document 1]
International Publication No. WO97 / 01787 Pamphlet [Patent Document 2]
JP-A-2001-255462 [0006]
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, there is a remarkable downsizing of information equipment in recent years, but a display device such as a liquid crystal panel mounted on a mobile phone or a PDA (personal digital assistant) needs to have a certain size. Information devices are required to be miniaturized, and it is difficult to request a large display device. However, if a projector is used, it is possible to project only an image while keeping the device small. However, since it is necessary to downsize not only the projection optical system but also the image display device by downsizing the projector, the pixels constituting the image display device are reduced, so that high resolution is achieved, and A bright projection optical system is required.
[0007]
However, since the projection optical system described in Patent Document 1 is dark (F value is large), there is a problem that it is difficult to brighten an image of a particularly small image display device. Moreover, since the projection optical system described in Patent Document 2 has a large number of mirrors, there is a problem that the projector becomes large, and a problem that the manufacturing is difficult and the cost is high because a non-axisymmetric mirror is used. there were.
[0008]
SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is that it provides a projector using a projection optical system including a reflective optical system capable of oblique projection with a small and simple configuration.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, a projector according to the present invention forms an image display device that emits an image displayed on an exit surface as a light beam, a control device that controls the image, and forms the light beam as a projected image on a projection surface. And a projection optical system. The projection optical system includes a first mirror having a concave reflecting surface having a positive power for reflecting a light beam emitted from an image display device, and a negative power for reflecting the light beam reflected by the first mirror. And a second mirror formed with a convex reflecting surface, and the reflecting surfaces of the first mirror and the second mirror are formed in an axisymmetric aspherical shape with respect to the symmetry axis, and the symmetry axes coincide with each other. A coaxial system arranged so as to be configured is configured. At this time, the numerical aperture on the image display device side of the projection optical system is configured to be 0.1 or more.
[0010]
When the radius of curvature of the reflecting surface of the first mirror is r1 and the radius of curvature of the reflecting surface of the second mirror is r2, the following equation 1.3 | r1 | ≧ | r2 | ≧ | r1 |
It is preferable to configure the projector according to the present invention so as to satisfy the above.
[0011]
Further, it is preferable that the distortion of the projection image by the projection optical system is corrected by distorting the image displayed on the image display device by the control device.
[0012]
At this time, the angle formed between the principal ray emitted from the projection optical system and the optical axis corresponding to the light ray of the image emitted from the position of the height h ′ from the optical axis on the emission surface of the image display device is defined as θ. When the focal length of the optical system is f, the following expression h ′ = fsinθ
It is preferable that the configuration is satisfied.
[0013]
Furthermore, the projected image can be configured to have uniform brightness by adjusting the amount of light of the image corresponding to the size of the angle formed between the principal ray emitted from the projection optical system and the optical axis. preferable.
[0014]
At this time, it is preferable to adjust the light quantity of the image so that the radiation intensity of the image is proportional to 1 / cos ⁴ θ, where θ is the angle formed between the principal ray emitted from the projection optical system and the optical axis.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the projector 30 according to the present invention receives an image signal from an external device 40 such as a computer or a DVD player, and outputs an enlarged image thereof to the screen 34. A control device 31 that controls the signal, an image display device 32 that emits a light beam modulated by the signal controlled by the control device 31, and a projection that expands and projects the light beam emitted from the image display device 32 onto the screen 34 And an optical system 33. As the image display device 32, a transmissive liquid crystal display panel, a self-luminous organic EL panel, or the like is suitable. However, a reflective liquid crystal display panel, DMD, or the like can be used as long as the arrangement is possible. .
[0016]
As shown in FIG. 2, the projection optical system 33 used in the projector 30 according to the present invention is formed with a reflective surface having a positive power with the concave surface facing the exit surface O of the image display device 32, and the exit surface. A first mirror M1 that reflects the light beam emitted from O and a reflective surface having a negative power with a convex surface facing the first mirror M1, and a second mirror M2 that reflects the light beam reflected by the first mirror M1. It consists of. A diaphragm S (not shown in FIG. 2) is disposed between the first mirror M1 and the second mirror M2. The light beam emitted from the projection optical system 33 (that is, the light beam reflected by the second mirror M2) is enlarged on the projection surface I of the screen 34 and projected as a projection image.
[0017]
The reflecting surfaces formed on the first mirror M1 and the second mirror M2 have an axisymmetric aspherical shape, and the first mirror M1 and the second mirror M2 are arranged so that the symmetry axes coincide with each other. It is configured as a coaxial system. Then, by configuring the projection optical system 33 so that the numerical aperture of the projection optical system 33 on the image display device 32 side is 0.1 or more, the projection optical system 33 is small, easy to manufacture, and the image display device 32 is small. In addition, it is possible to configure the projector 30 that can secure a sufficient amount of light. In this case, since the projection optical system 33 is composed of a reflection optical system, the problem of chromatic aberration does not occur.
[0018]
Further, it is preferable that the following conditional expression (1) is satisfied when the radius of curvature of the reflecting surface of the first mirror M1 is r1 and the radius of curvature of the reflecting surface of the second mirror M2 is r2. .
[0019]
[Expression 1]
1.3 | r1 | ≧ | r2 | ≧ | r1 | (1)
[0020]
The Petzval sum becomes closer to 0 as the ratio of the curvature radii r1 and r2 of the reflecting surfaces of the first mirror M1 and the second mirror M2 is closer to 1. Therefore, if the reflecting surfaces of the first mirror M1 and the second mirror M2 are formed within the range of the conditional expression (1), a projection optical system suitable for oblique projection that can easily correct astigmatism and field curvature. A projector 30 having 33 can be configured.
[0021]
In the projector 30 configured as described above, when the light beam emitted from the image display device 32 is projected using the projection optical system 33, the image is distorted and projected by the projection optical system 33. For this reason, the image signal obtained from the external device 40 is corrected by the control device 31 so as to be output from the image display device 32 as a distorted image as shown in FIG. Can do.
[0022]
When the enlargement magnification of the projection optical system 33 is large, as shown in FIG. 4, the image display device 32 (exit surface O) is used as an image plane, and the projection image (projection plane I) is regarded as an infinite system at infinity. In this case, if the focal length of the projection optical system 33 is f, the incident angle ω of the light beam emitted from the projection plane I to the projection optical system 33 and the light beam is emitted by the projection optical system 33. The relationship of the image position h formed on the surface O is not a normal orthographic projection h = ftanω but a projection relationship of h = fsinω.
[0023]
Thus, when the projection relationship of h = fsinω is established in the projection optical system 33, the light beam emitted from the position h ′ from the optical axis (symmetric axis of the first mirror M1 and the second mirror M2) on the emission surface O. Satisfying the relationship of the following conditional expression (2), where θ is the angle (hereinafter referred to as “exit angle”) formed with the optical axis of the principal ray when the light is emitted through the projection optical system 32 Further, the control device 31 distorts the image and emits it from the image display device 32, whereby a projection image with less distortion can be obtained.
[0024]
[Expression 2]
h ′ = fsinθ (2)
[0025]
Further, when the projection optical system 33 is regarded as an infinite system, if a projection relationship of h = fsin ω holds, the projection image at a position where the emission angle θ is large on the projection surface I is extended and becomes darker. End up. For this reason, in order to make the projected image uniform brightness, it is necessary to perform control so that the amount of light is increased in the image corresponding to the position where the emission angle θ is large. In particular, when the emission angle θ is increased so that the radiation intensity from one pixel of the image is proportional to 1 / cos ⁴ θ, the brightness uniformity of the projected image is further improved.
[0026]
The relationship between the emission angle θ and the brightness of the projected image can be explained as follows. Note that the projection optical system 33 has a projection relationship of h = fsin ω (h ′ = fsinθ) as described above, and in FIG. 4, the optical axis direction is Z, and the direction perpendicular to the optical axis and including the incident angle is used. A direction perpendicular to the Y and YZ planes will be described as X.
[0027]
Consider the area of the image and the projected image by the minute angle δθ around the principal ray of the emission angle θ. The minute length δY in the Y direction of the projected image is expressed as in Expression (3), and the minute length δX in the X direction is expressed as in Expression (4).
[0028]
[Equation 3]

[0029]
Here, z is the distance in the Z direction from the projected image to the pupil. On the other hand, the minute length δY ′ in the Y direction of the corresponding image is expressed as in Expression (5), and the minute length δX ′ in the X direction is expressed as in Expression (6).
[0030]
[Expression 4]

[0031]
Therefore, the minute area δS of the projected image is expressed as shown in Expression (7), and the minute area δS ′ of the image is expressed as shown in Expression (8). Therefore, the ratio is as shown in Expression (9). expressed.
[0032]
[Equation 5]

[0033]
As described above, the relationship represented by Expression (9) represents that the image emitted from the image display device 32 is a projection image that is extended by 1 / cos ⁴ θ in area. For this reason, the projected image becomes darker by that amount. Therefore, if the correction is made so that the amount of light is increased according to the area ratio of the image so that it is inversely proportional to cos ⁴ θ in the image, the reflection angle characteristics of the screen and other effects will be affected. If ignored, uniform brightness can be obtained.
[0034]
In addition, as a method for correcting the light amount of the image, a method of adjusting the luminance and aperture area of the image emitted from the image display device 32, a method of controlling the numerical aperture and illumination time of the illumination system, or the transmission of illumination light A method for controlling the rate is conceivable.
[0035]
The projection optical system 33 used in the projector 30 according to the present invention described above can also be used as a projection optical system used in a normal liquid crystal projector. Since the projection optical system 33 is composed of two reflecting mirrors (M1, M2), if a plastic mold lens or the like is used, it can be constructed at low cost. In addition, if a glass material having a low coefficient of thermal expansion such as quartz or Pyrex (registered trademark) is used and the distance between the image display device 32 and the mirrors M1 and M2 is made of a material having a low coefficient of thermal expansion, the thermal fluctuation is extremely high. Can be configured.
[0036]
In the above description, the projection optical system 33 of the projector 30 according to the present invention is composed of two concave and convex mirrors (M1, M2), but for the arrangement of the illumination optical system and the control device 31 (not shown), There is a possibility that a plane mirror is arranged between the first and second mirrors M1 and M2 and the image display device 32 or on the projection side of the projection optical system 33 in relation to the overall configuration. Since the plane mirror does not affect the aberration, the present invention can be applied even if the plane mirror is added.
[0037]
【Example】
Hereinafter, specific examples of the projector 30 according to the present invention will be described. The two embodiments shown below are configured as shown in FIGS. In any of the embodiments, the projection optical system 33 includes the first mirror M1, the diaphragm S, and the second mirror M2 as described above.
[0038]
In each embodiment, the reflecting surfaces formed on the first and second mirrors M1 and M2 have an axisymmetric aspherical shape represented by the following formula (10).
[0039]
[Formula 6]

[0040]
In Expression (10), Z is the displacement amount (sag amount) of the aspheric surface from the reference plane perpendicular to the optical axis, including the intersection of the optical axis and the aspheric surface, and y is the distance from the optical axis. , R is a radius of curvature on the optical axis, Κ is a conical coefficient, A is a fourth-order aspheric coefficient, B is a sixth-order aspheric coefficient, and C is an eighth-order aspheric coefficient. is there.
[0041]
In the following examples, the imaging performance with respect to a light beam having a wavelength of 500 nm is evaluated. However, since the chromatic aberration does not occur because of the reflection optical system, the wavelength is not an essential problem.
[0042]
(First embodiment)
FIG. 5 is an optical path diagram of the main part of the projector 30 according to the first embodiment of the present invention. Table 1 below shows the specifications of the optical system in the first example. Surface numbers 0 to 3 in Table 1 relate to the projector according to the present invention, and correspond to reference numerals 0 to 3 in FIG. 5, respectively. The 0th surface is the exit surface O, and the first surface is the reflection of the first mirror M1. The surface, the second surface represents the stop S, and the third surface represents the reflecting surface of the second mirror M2, and this relationship is the same in the following embodiments. In Table 1, f is the focal length of the projection optical system 33, NA is the numerical aperture on the image display device 32 side of the projection optical system 33, β is the magnification of the projection optical system 33, r is the radius of curvature, and d is d. Indicates the surface spacing. In the aspherical coefficients A, B, and C, “E-09” and the like indicate “× 10 ⁻⁰⁹ ” and the like. The explanation of the symbols in Table 1 is the same in the following examples. In addition, unless otherwise specified, “mm” is generally used as the unit of the focal length f, radius of curvature r, surface interval d, and other lengths listed in all the following specification values.
[0043]
[Table 1]

[0044]
In the first embodiment, the projected image is projected to a size of 200 mm (Y) × 300 mm (X) at a position 300 mm away from the second mirror M2 in the optical axis direction. As shown in FIG. 11, this projection image is projected at a position shifted from the optical axis in the Y direction, and the projection position is 100 mm to 300 mm from the optical axis. Further, the angle of the principal ray on the projection image side with respect to the optical axis (the above-described emission angle θ) is in the range of 18.18 ° to 47.81 °.
[0045]
As can be seen from FIG. 5 and Table 1, the projection optical system 33 according to the first example is very small, approximately 30 mm (optical axis direction) × 20 mm × 20 mm. Further, the image display device 32 side of the projection optical system 33 is substantially telecentric.
[0046]
The size of the exit surface O (image) of the image display device 32 calculated from the magnification β is 8.81 mm (Y) × 13.22 mm (X). However, in order to correct distortion aberration, FIG. become that way. In FIG. 3, the position of (0, 0) in the XY coordinates is the optical axis, and the size is approximately 5.03 mm (Y) × 10.16 mm (X). Therefore, the distance from the optical axis of the portion farthest from the optical axis is 8.881 mm, which is almost equal to fsin θ = 8.891 mm calculated from the emission angle θ = 47.81 ° of the principal ray of the corresponding projection image. To do. Therefore, by distorting the image of the image display device 32 so as to be fsin θ, a projection image with almost no distortion can be obtained. Note that image positions a to e in FIG. 3 correspond to projection image positions a to e in FIG. 11.
[0047]
FIG. 6 shows various aberrations in the first example, and FIG. 7 shows MTF (defocus characteristics). These evaluations are performed on the image display device 32 side so that the comparison with the pixel size of the image display device 32 is easy. The MTF is a Nyquist frequency of 10 μm pixel size, 50 lp / mm (lp is a line pair). Is shown). The evaluation positions of this MTF are a to e in FIG. As can be seen from FIG. 6 and FIG. 7, the aberration is corrected satisfactorily except for distortion.
[0048]
(Second embodiment)
FIG. 8 shows an optical path diagram of the main part of the projector according to the second embodiment of the present invention. The second embodiment shows a case where an image is enlarged and displayed in a size of 100 inches at a position about 2.5 m away from the projection optical system 33. Table 2 shows the specifications of the optical system in the second example.
[0049]
[Table 2]

[0050]
In the second embodiment, an enlarged image having a size of 1500 mm (Y) × 2000 mm (X) is projected as a projected image at a position 2.5 m away from the second mirror M2 in the optical axis direction. As shown in FIG. 11, the projection is performed at a position shifted from the optical axis in the Y direction, and the projection position is 700 mm to 2200 mm from the optical axis. Further, the angle (exit angle θ) of the principal ray on the projected image side with respect to the optical axis is in the range of 15.53 ° to 43.83 °. The image display device side of the projection optical system 33 is almost telecentric.
[0051]
The size of the exit surface O (image) of the image display device 32 calculated from the magnification β is 33.25 mm (Y) × 44.33 mm (X), but is actually distorted to correct distortion. The size is approximately 20.39 mm (Y) × 35.72 mm (X). The distance from the optical axis of the portion farthest from the optical axis is 34.616 mm, which is substantially equal to fsin θ = 34.626 mm calculated from the exit angle θ of the principal ray of the corresponding projection image = 43.83 °. Therefore, by distorting the image of the image display device 32 so as to be fsin θ, a projection image with almost no distortion can be obtained.
[0052]
FIG. 9 shows various aberration diagrams in the second example, and FIG. 10 shows the MTF. These evaluations are performed on the image display device 32 side, and the MTF is evaluated at 25 lp / mm which is a Nyquist frequency of a pixel size of 20 μm. Evaluation positions on the projected image side of the MTF are shown in FIGS. As can be seen from FIG. 9 and FIG. 10, the aberration is corrected satisfactorily except for distortion.
[0053]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, it is possible to construct a projector capable of oblique projection that is compact, inexpensive, and excellent in resolving power by using two concavo-convex axisymmetric aspherical mirrors. Further, by controlling the image of the image display device, it is possible to configure a projector with better image quality.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a projector according to the present invention.
FIG. 2 is an optical path diagram when the optical system according to the first embodiment of the present invention is viewed from above.
FIG. 3 is a diagram showing an image of the image display apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a positional relationship between an image and a projected image.
FIG. 5 is an optical path diagram when the main part according to the first embodiment of the present invention is viewed from the side.
FIG. 6 is a diagram illustrating various aberrations according to the first example of the present invention.
FIG. 7 is an MTF according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is an optical path diagram when the main part according to the second embodiment of the present invention is viewed from the side.
FIG. 9 is a diagram illustrating all aberrations according to Example 2 of the present invention.
FIG. 10 is an MTF according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing the size and position of a projected image.
[Explanation of symbols]
30 Projector 31 Control Device 32 Image Display Device 33 Projection Optical System M1 First Mirror M2 Second Mirror O Output Surface I Projection Surface

Claims

In a projector including an image display device that emits an image displayed on an exit surface as a light beam, a control device that controls the image, and a projection optical system that forms the light beam as a projection image on a projection surface,
A first mirror on which a concave reflecting surface having a positive power for reflecting the light beam is formed by the projection optical system;
A second mirror formed with a convex reflecting surface having a negative power to reflect the light beam reflected by the first mirror;
The reflection surfaces of the first mirror and the second mirror are formed in an axisymmetric aspheric shape with respect to a symmetry axis, and are configured by a coaxial system arranged so that the symmetry axes coincide with each other.
A projector having a numerical aperture of 0.1 or more on the image display device side of the projection optical system.

When the radius of curvature of the reflecting surface of the first mirror is r1 and the radius of curvature of the reflecting surface of the second mirror is r2, the following expression 1.3 | r1 | ≧ | r2 | ≧ | r1 |
The projector according to claim 1, wherein:

The projector according to claim 1, wherein a distortion of the projection image caused by the projection optical system is corrected by distorting the image by the control device.

The angle formed between the principal ray emitted from the projection optical system and the optical axis corresponding to the ray of the image emitted from the position of the height h ′ from the optical axis on the emission surface of the image display device is defined as θ. When the focal length of the projection optical system is f, the following expression h ′ = fsinθ
The projector according to claim 3, wherein the image is distorted to satisfy the following.

The projected image is made uniform brightness by adjusting the light quantity of the image corresponding to the size of the angle formed between the principal ray emitted from the projection optical system and the optical axis. The projector according to claim 1.

The amount of light of the image is adjusted so that the radiation intensity of the image is proportional to 1 / cos ⁴ θ, where θ is an angle formed by the principal ray emitted from the projection optical system and the optical axis. The projector according to claim 5.