JP5412884B2 - 光学系及び画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明の少なくとも一つの態様は、光学系及び画像表示装置の少なくとも一つに関する。

従来、投射光学系及び画像表示装置に関する様々な技術が知られている。

例えば、特開２００７−２１２７４８号公報（特許文献１）の図１及び図２には、第一光学系と第二光学系と、折り返しミラーからなるリアプロジェクターに搭載している光学系が開示されている。特に、特開２００７−２１２７４８号公報の図２には、第二光学系を構成する凹面ミラーで反射した光線が、折り返しミラーで反射され、第一光学系と第二光学系の間を通過する光束を横切って、スクリーンに投射される構成が開示されている。

しかしながら、図に開示されている構成では、折り返しミラーがない場合の投射画面は、投射光学系を挟んで、スクリーン前面の反対側に形成される。つまり、折り返しミラーの有無により、同じ平面に投射することはこの公知技術の構成では不可能又は困難である。また、スクリーンに映し出される投射画像の縦方向より大きな投射光学系となってしまう。また、第一光学系と第二光学系の位置関係は所望の位置関係が保たれていないと結像性能が損なわれる。すなわち、特にフロントプロジェクターに適用した場合は、凹面ミラーを第一光学系との位置関係を保って保持する部材が大きくなり、装置の肥大化は避けられない。また、スクリーンと観察者との間にプロジェクターが配置されるので実用性に乏しい投射系システムになり得るという問題点があった。

また、例えば、特開２００６−２３５５１６号公報（特許文献２）には、１対の共役面のうち、縮小側の共役面上の画像を拡大側の共役面上に拡大して結像させる光学系において、前記縮小側の共役面側から順に、第１結像系と第２結像系とを配設してなり、前記第１結像系は複数のレンズを有するのに対し、前記第２結像系は凹面の非球面形状をなす反射ミラーを有し、前記第１結像系と前記第２結像系の間の位置に、中間像を形成するように構成されていることを特徴とする投写光学系などが開示されている。特に、特開２００６−２３５５１６号公報の図１には、屈折系で中間像を形成し、その後に、凹面鏡で反射させた後、斜め入射でスクリーンに投射する投射光学系が記載されている。

しかしながら、特開２００６−２３５５１６号公報の図１に記載される投射光学系においては、投射表示側（図１のレンズ上部）への出っ張りはないが、下部方向への凹面ミラーの出っ張りがあり、装置の高さが厚くなってしまう投射スタイルのみしか選択できないという使い勝手の制約があった。

また、例えば、特開平８−５９８０（特許文献３）には、１台の液晶プロジェクタにおいて、一本の投射レンズで投射された光線をそのまま投射することにより投射型として使用し、この投射された光線を可動ミラーで反射することにより透過型スクリーンに投影することにより透過型として利用する技術が開示されている。つまり、特開平８−５９８０記載の図９、図１０に示されているように、筐体３１内に設けられている可動ミラー３４が、透過型スクリーン３２に光線が反射されない位置に跳ね上げられ投射光が３４に反射されることなく直進し、外部スクリーン３８上に写し出される状態１と、反射されて、透過型スクリーン３２に写し出される状態２となる液晶プロジェクタの技術が開示されている。

しかしながら、特開平８−５９８０号公報に記載されている可動ミラーの有無によって切り替えられる投射画像は同一平面上に形成させることができない。具体的には、装置を机上に立てた状態で、装置を挟んで、２通りの投射画面を得るような使い方が出来ない。壁面に投射した場合も、同様である。

本発明の第一の目的は、光学系を提供することである。

本発明の第二の目的は、画像表示装置を提供することである。

本発明の第一の態様は、光軸を有する少なくとも一つの光学素子、物体からの光の光路を偏向させることが可能な平面を有する偏向素子、並びに、該物体からの光を該偏向素子によって偏向させる状態及び該物体からの光を該偏向素子によって偏向させない状態を切り換える切り換え手段を含む、光学系において、該偏向素子の平面は、該少なくとも一つの光学素子の光軸と平行な平面であると共に、前記偏向素子は、前記物体からの光を前記偏向素子によって偏向させる状態において前記物体からの光を反射させると共に前記物体からの光を前記偏向素子によって偏向させない状態において前記物体からの光を透過させる平面を有する素子であることを特徴とする、光学系である。

本発明の第二の態様は、画像を形成する画像形成部及び該画像に共役な像を表示面に投射する投射光学系を含む、画像表示装置において、該投射光学系は、本発明の第一の態様の光学系を含むことを特徴とする、画像表示装置である。

本発明の第一の態様によれば、光学系を提供することが可能になる。

本発明の第二の態様によれば、画像表示装置を提供することが可能になる。

図１は、本発明の第一の実施例における画像表示装置の概念を説明する図である。 図２は、本発明の第一の実施例における偏向素子の例を説明する図である。 図３は、本発明の第一の実施例における偏向素子の別の例を説明する図である。 図４は、本発明の第二の実施例における画像表示装置を説明する図である。 図５は、本発明の第三の実施例における画像表示装置の（第一の状態を示す）断面図である。 図６は、本発明の第三の実施例における画像表示装置の（第一の状態を示す）斜視図である。 図７は、本発明の第三の実施例における画像表示装置の（第二の状態を示す）斜視図である。

（光学系及び画像表示装置）

本発明の実施形態は、光学系及び画像表示装置に関する。

本発明の実施形態の第一の目的は、改善された使用性を備えた光学系を提供することである。

本発明の実施形態の第二の目的は、改善された使用性を備えた画像表示装置を提供することである。

本発明の実施形態の第一の態様は、光軸を有する少なくとも一つの光学素子、物体からの光の光路を偏向させることが可能な平面を有する偏向素子、並びに、該物体からの光を該偏向素子によって偏向させる状態及び該物体からの光を該偏向素子によって偏向させない状態を切り換える切り換え手段を含む、光学系において、該偏向素子の平面は、該少なくとも一つの光学素子の光軸と平行な平面であることを特徴とする、光学系である。

本発明の実施形態の第二の態様は、画像を形成する画像形成部及び該画像に共役な像を表示面に投射する投射光学系を含む、画像表示装置において、該投射光学系は、本発明の実施形態の第一の態様の光学系を含むことを特徴とする、画像表示装置である。

本発明の実施形態の第一の態様によれば、改善された使用性を備えた光学系を提供することが可能になる。

本発明の実施形態の第二の態様によれば、改善された使用性を備えた画像表示装置を提供することが可能になる。

次に、本発明のいくつかの実施形態及び実施例を図面と共に説明する。

本発明の第一の実施形態は、画像を生成させる画像形成部と、該画像形成部の画像情報を投射画像として表示する投射光学系と、少なくとも一つの屈折力を有さない偏向機能を有する偏向素子を含む画像表示装置において、前記投射光学系は、正の屈折力を有すると共に物体に共役な中間像を形成する第一の光学系と、少なくとも一つの反射型光学素子を含むと共に該中間像に共役な像を形成する第二の光学系を含む投射光学系であり、前記画像表示装置は、前記偏向素子により前記投射光学系から出でた投射光束を偏向させると共に投射光束が第一の光学系と第二の光学系の間を通過して投射画像１を表示する第一の状態と、前記偏向素子により投射光束を偏向させないで投射画像２を表示する第二の状態を選択する選択手段を有するととともに、前記投射画像１、投射画像２は仮想的な同一の平面上に形成したことを特徴とする画像表示装置である。

本発明の第一の実施形態によれば、正の屈折力を有すると共に物体に共役な中間像を形成する第一の光学系及び少なくとも一つの光学素子を含むと共に該中間像に共役な像を形成する第二の光学系を含む投射光学系において、光束の光路を偏向させると共に光路が偏向された光束が該複数の光学素子の間を通過するように設けられた且つ屈折力を有さない偏向素子を含み、その偏光素子の配置によって、同一の平面上に、２通りの投射画像を選択できるようになったので、（１）コンパクトな投射画像表示装置を構成できると共に、（２）スクリーン面を変えることなく、光束の投射位置、方向を選ぶことができると共に、（３）装置を挟んで、同一の平面上に、投射画面を切り替えることができる投射表示装置が実現でき、利用者にとって、取り扱いやすい装置となった。

すなわち、投射光学装置の肥大化を防ぎ、より小型な投射光学系を提供すること、スクリーン面を変えることなく、光束の投射位置、方向を選ぶことができるプロジェクタを提供すること、具体的には、装置を挟んで、同一の平面上に、投射画面を切り替えることができる投射表示装置を提供すること、及び／又は、利用者にとって、扱いやすい装置を提供することが、可能になる。

本発明の第二の実施形態は、前記偏向素子は、第一の状態として、第二の状態で得られる投射画像２を含む平面に対して略垂直に配置されたことを特徴とする本発明の第一の実施形態による画像表示装置である。

本発明の第二の実施形態によれば、偏向素子は、第一の状態として、第二の状態で得られる投射画像２を含む平面に対して略垂直に配置されたため、同一の平面上に、２通りの投射画像を選択できるようになったことはもちろん、投射レンズの焦点位置を第一の状態と第二の状態に応じてそれぞれ調整することなく、表示が可能となり、使い勝手のよい投射装置を得ることが出来た。

すなわち、投射光学装置の肥大化を防ぎ、より小型な投射光学系を提供すること、スクリーン面を変えることなく、光束の投射位置、方向を選ぶことができるプロジェクターを提供すること、具体的には、装置を挟んで、同一の平面上に、投射画面を切り替えることができる投射表示装置を提供すること、及び／又は、利用者にとって、扱いやすい装置を提供することが、可能になる。

本発明の第三の実施形態は、前記偏向素子の第一の状態および第二の状態の選択手段として、該偏向素子によって投射光束をさえぎらない位置に、該偏向素子を移動させる手段であることを特徴とする本発明の第一の又は第二の実施形態による画像表示装置である。

本発明の第三の実施形態によれば、偏光素子の移動手段を設けることにより、簡易に投射位置を変えることができるようになった。つまり、投射画面の位置切り替え機構を単純な構成とするとことができるようになった。それにより、装置のコストアップを防ぎ、より低コスト化な投射表示装置を実現できた。

すなわち、投射画面の位置切り替え機構を単純な構成とするとことにより、装置のコストアップを防ぎ、より低コスト化を図ることが、可能になる。

本発明の第四の実施形態は、前記偏向素子は、第一の状態は反射、第二の状態は透過する機能を選択できる素子である本発明の第一の又は第二の実施形態による画像表示装置である。

本発明の第四の実施形態によれば、偏向素子に、第一の状態は反射、第二の状態は透過する機能を外部信号によって選択できる素子としたことで、メカニカルな移動機構がなくなり、高い位置精度を確保して高品質な画像表示を行うことができた。

すなわち、偏向素子のメカニカルな移動機構をなくし、故障や位置精度を確保して高品質な画像表示を行うことが、可能になる。

本発明の第五の実施形態は、偏向素子の第一の状態、第二の状態に応じ、投射表示される投射画像１および投射画像２が反転関係となるように、画像形成部の画像を生成する画像処理部が設けられていることを特徴とする本発明の第一の、第二の、第三の、又は第四の実施形態による画像表示装置である。

本発明の第五の実施形態によれば、状態に応じて、投射画面の反転を補正して表示するようにしたので、正しい画面が出力されるようになり、使用勝手の良いプロジェクターとなった。

すなわち、画面の切り替え動作により、正しい画面が出力されるようにし、使用勝手の良いプロジェクターを提供することが可能になる。

本発明の第六の実施形態は、前面投射型の画像表示装置であることを特徴とする本発明の第五の実施形態による画像表示装置である。

本発明の第六の実施形態によれば、本発明の第一の、第二の、第三の、第四の、又は第五の実施形態の効果を兼ね備えた、使用勝手の良いプロジェクターを得ることができた。

すなわち、投射画面をさえぎるものをなくし、使用勝手の良いプロジェクターを提供することが可能になる。

（実施例１）
次に、本発明の第一の実施例を図１、図２、及び図３と共に説明する。

図１は、本発明の第一の実施例における画像表示装置の概念を説明する図である。

図１に示すように画像表示装置１００は、画像を生成させる画像形成部１０１と、該画像形成部１０１の画像情報を投射画像として表示する投射光学系と、少なくとも一つの屈折力を有さない偏向機能を有する偏向素子１０２で構成される。また、上記の画像表示装置１００は、この偏向素子１０２により偏向された投射光束が前記光学系の内部を通過して投射される第一の状態と、偏向されずに投射される第二の状態を選択でき、第一の状態で得られる投射画像（１）１０３と第二の状態で得られる投射画像（２）１０４は同一平面上に形成されていることを特徴とした画像表示装置である。

ここで、投射光学系は、正の屈折力を有すると共に物体に共役な中間像面１０５を形成する第一の光学系１０６と、少なくとも一つの反射型光学素子を含むと共に該中間像面１０５に共役な像を形成する第二の光学系１０７を含む投射光学系である。図１に図示された投射光学系は、第一の光学系１０６として屈折レンズ、第二の光学系１０７として凹面ミラーが設けられたものである。

また、画像形成部１０１は光学系の物体にあたり、この物体情報は、第一の光学系１０６により中間像面１０５として形成され、その中間像面１０５の位置については、中間像面１０５は、一点鎖線で示した第一の光学系１０６の光軸（像面に垂直な軸）を挟んで、物体とは反対側に形成されている。さらに、この中間像面１０５は、第二の光学系１０７により、中間像面１０５に共役な結像像面（仮想平面）１０８上に投射画像として結像する。中間像面１０５の位置は、図１では光軸より上に存在しているが、投射画像は、偏向素子１０２がない場合は、図１では光軸より下側に結像される。

ここで、偏向素子１０２は、前記投射光学系から射出された投射光束を偏向させる機能を有しているので、画像形成部１０１と共役の位置である結像像面（仮想平面）１０８上に投射画像（１）が形成される。このとき、凹面ミラーにより反射された投射光束が第一の光学系１０６（屈折レンズ）と第二の光学系１０７（凹面ミラー）の間を通過して投射画像（１）１０３を得ている。これを第一の状態と呼ぶことにする。また、偏向素子１０２が、投射光路内に配置されていない状態とする選択手段（図示せず）により、偏向素子１０２が光路中に介在しない状態としたとき、投射画像（２）１０４が 画像形成部１０１と共役の位置である結像像面（仮想平面）１０８上に形成される。これを第二の状態と呼ぶことにする。

第一の状態の偏向素子１０２の位置は、第一の光学系１０６と第二の光学系１０７の間にあって、その偏向面が結像像面（仮想平面）１０８に垂直となっている。

次に、偏向素子１０２が、投射光路内に配置されていない状態とする選択手段についての例を示す。つまり、第一の状態は偏向素子１０２が投射光路中に配置され、第二の状態とする選択手段として、偏向素子１０２によって投射光束をさえぎらない位置に偏向素子１０２を移動させる手段を設けることである。

図２は、本発明の第一の実施例における偏向素子の例を説明する図である。ここで、図２（ａ）は、第一の状態における偏向素子の例を示すと共に、図２（ｂ）は、第二の状態における偏向素子の例を示す。

図２（ａ）及び（ｂ）には、第一光学系から第二光学系に向かって見たときの偏向素子２０１の構成を示した。偏向素子２０１は、その表面が反射面２０２となっている。第一の状態では、偏向素子２０１は、投射光束２０３を反射させる位置に配置される。偏向素子２０１に設けられた偏向素子移動補助部材２０４により、この偏向素子移動補助部材２０４を矢印側に移動させることにより偏向素子２０１を投射光路中から外すことができる。図２（ｂ）に示すごとく投射光束は反射せずに投射画像（２）を形成する。これが第二の状態を示す。つまり、選択手段とは、偏向素子２０１を光路中に配置するか、しないかについての外部からの命令によって、偏向素子２０１を移動させる手段を指す。

この移動手段の機構としては、様々な方法を採用できる。偏向素子２０１を手動により移動させてもよい。ガイドにそって、スライド機構を利用して偏向素子２０１の位置精度を保つこともできる。偏向素子移動補助部材２０４は外部コマンドによって電動モータを駆動し、ギア連動により移動してもよい。

図３は、本発明の第一の実施例における偏向素子の別の例を説明する図である。

偏向素子３０１は、また、第一の状態と第二の状態については、それぞれ、偏向機能に相当する反射面３０２と偏向させない状態に相当する透過面が一体構造とした図３に示すような断面構造としてもよい。つまり、透明部材の表面の半分に反射面３０２を形成し、のこりは透過されるように構成されており、この反射面３０２を第一の状態として機能する反射領域３０３の部分とし、透過される部分を第二の状態として機能する透過領域３０４の部分として選択可能とした。

さらに偏向素子の別の例として、メカニカルな移動はせずに、偏向素子を反射と透明状態を切り替える素子で構成してもよい。具体的には、偏向素子に偏光分離素子として、光の偏光特性を利用して、Ｓ偏光を投射光としたときはそれを反射とし、Ｐ偏光を投射光としたときはそれを透過するようにすればよい。投射光の偏光を切り替えるには、偏光板による直線偏光としたあと、９０度偏光を旋廻できる液晶素子を介在させて投射光の偏光を切り替えてもよい。投射光の偏向を切り換える手段を、第一の投射光学系の内部に設けると好適である。また、偏向素子の直前に前記液晶素子を配置しても良い。

（実施例２）
次に、本発明の第二の実施例を図４と共に説を説明する。

図４は、本発明の第二の実施例における画像表示装置を説明する図である。

図４に示すように、画像表示装置４００においては、物体としての画像生成部４０１から射出され、第一光学系４０２を構成する光学素子の間を通過する結像光束４０３は、第二光学系４０４によって反射される。ここで、画像表示装置４００が、投射光路中に偏向素子４０５を含まない場合を第二の状態とすると、第二光学系４０４によって反射された光は、偏向素子４０５がない場合の投射画像（２）４０６を形成する。

画像表示装置４００が、投射光路中に偏向素子４０５が介在している場合は、ここでは第一の状態と呼ばれるが、第二光学系４０４によって反射された光の光路は、偏向素子４０５によって偏向させられる。投射光学系から射出され且つ偏向素子４０５によって光路が偏向させられた（反射させられた）投射光束４０７は、第一光学系４０２に対して偏向素子４０５がない場合の投射画像（２）４０６と反対側に、偏向素子４０５によって反射された投射画像（１）４０８を形成する。

加えて、本発明の第二の実施例は、第一光学系４０２により中間像を形成し、さらに第二光学系４０４で拡大投射している投射光学系である。物体面の情報は、第一光学系４０２により若干拡大されて中間像を形成する。この中間像を第二光学系４０４によって拡大投射されている。中間像の形成位置は、図４には図示していないが、第一光学系４０２と第二光学系４０４の間に形成される。なお、投射結像位置において、所望の結像性能を得るように、光学系全体を最適化してさえすればよく、中間像自体の結像性能としては特に問題とならない。このような光学系にあって、偏向素子４０５が上記投射光学系から出て投射位置に至る間に配置される。すると、投射光束の光路は、光路偏向素子４０５により偏向され、その偏向された投射光束４０７を、投射光学系内部の光路の結像光束４０３と交差させて投射している（第一の状態）。なお、上記投射光学系では、中間像を形成しているが、必ずしも中間像は必要ない。しかしながら、中間像を形成する光学系が最も好ましい構成として記載とした。また、中間像は、十分に投射光束が通過するスペースを確保すれば、投射光学系のどの位置でもかまわない。従来からあるレンズ設計手法により、投射光束が通過するスペースの確保をすればよい。

なお、中間像を形成させる光学系が好適なのは、図１に記載したとおり、第一光学系４０２の光軸を挟んで、光軸上側と光軸下側という方向を定義すると、画像形成部４０１に、画像投射表示デバイスを配置することにより、第一の光学系４０２により中間像面に中間像を形成する。画像形成部４０１は、光軸下側に配置されているので、第一の光学系４０２により光軸上側に中間像を形成する。すなわち、中間像面の近傍では、光軸下側には光線が通らない領域が生まれる。中間像は再び発散し、第二の光学系４０４により集光されて、第一の光学系４０２の光軸近傍に配置された偏光素子４０５により反射され、偏光素子４０５がない場合には、光軸下側に投射画像を形成するのであるが、偏光素子４０５により、反射されるので、光軸上側に投射画像を形成する。

以上のように、画像投射表示デバイスを、投射光学系を構成する第一の光学系４０２の光軸を通らないように、光軸下側に配置したことにより、投射光束をさえぎることない位置に偏向素子４０５を配置する空間が生まれた。したがって、偏向素子４０５により、装置の小型化が成されるようになった。

さらに、図４に示すように、投射画像（１）４０８、および、投射画像（２）４０６は、画像形成部４０１と共役な像面上に投射される。これは、画像形成部４０１と共役な像面上に垂直な面に平行に偏向素子４０５の反射面が設定されている。

このような配置関係としたので、投射画像（１）４０８、および、投射画像（２）４０６は、投射装置を挟んで、図４では、上側と下側に焦点位置を変えることなく、また、台形ひずみもなく、投射画面を切り替えることができるようになった。

図４では、装置を水平に設置した状態であるが、これを机上に立てて使用した場合、机上面を画像形成部４０１と共役な像面上とすることも可能であり、上側と下側に焦点位置を変えることなく、また、台形ひずみもなく、投射画面を切り替えることができるようになった。

また、このような構成を採用することで、投射光束が占有する空間の一部として、結像に必須な所望の空間（レンズ性能を満足するために必要な空間）を利用することが可能となり、物体から結像面までにいたる結像システムが占有する空間を有効利用できる。このような特徴を有しているので、投射画像を観察できる範囲が広範囲となる。さらに、装置の小型化とともに、前面投射型いわゆるフロントプロジェクター型に適した光学系となった。

また、第一の状態と第二の状態で得られるそれぞれの投射画像（１）４０８、および、投射画像（２）４０６は、画像生成部４０１の情報が同一であれば、互いにミラー反転像となっている。このままでは投射画像（１）４０８、あるいは、投射画像（２）４０６のいずれかは、正しく表示できない。そこで、投射画像（１）４０８、および、投射画像（２）４０６のいずれかの像を反転する必要があるが、例えば、第一の状態と第二の状態の切り替え手段に連動して、画像生成部４０１の情報をあらかじめ反転して表示するようにした。図４には具体的には図示していないが、第一の状態と第二の状態を判別し、切り替えたことを検知して、画像生成部４０１への入力画像を反転する画像処理部を設けた。このような構成を採用することで、正しい投射画像が得られるようになった。

（実施例３）
次に、本発明の第三の実施例を図５、図６、及び図７と共に説明する。

図５は、本発明の第三の実施例における画像表示装置の（第一の状態を示す）断面図である。

図５は、本発明の第三の実施例における画像表示装置５００の断面図であり、画像形成部５０１と、それを拡大投射する第一光学系５０２と第二光学系５０３と、第二光学系５０３と投射画像の間に位置し、パワーの持たない反射と透過を切り替えられる偏向素子５０４が、第一光学系５０２と第二光学系５０３の間を通過させるように、配置されていて、第二の光学系５０３から出でた投射光束を反射偏向している第一の状態（反射の状態）を示している。反射と透過を切り替えられる偏向素子５０４は、第一光学系５０２の外径５０５よりも、第一光学系５０２の光軸５０６側に配置されている。

第一光学系５０２は、パワーを有する複数の光学要素からなる光学系であり、第二光学系５０３は、反射光学系で構成されている。また、第一光学系５０２と第二光学系５０３は一体で所望の結像性能が得られるように最適化設計されている。より好適な実施例としては、第一光学系５０２は、複数の屈折レンズ系で構成されている。図５においては、第一光学系５０２は、９枚のレンズにより構成されている。

第二光学系５０３は、凹面のミラーで構成されている。これにより正のパワーと光路を折り曲げる機能を併用できている。凹面ミラーの具体的な形状としては、回転対称系の非球面形状がよく、されに、好適な形状としては、より自由度が高い自由曲面ミラー形状が好ましい。自由曲面ミラーとしては、光軸方向をＺ軸とし、水平方向をＸ軸、垂直方向をＹ軸としたときＸ方向とＹ方向の曲率が異なるＸ−Ｙポリノミナル面などが好適である。

また、本発明の第三の実施例においては、第一光学系５０２と第二光学系５０３との間に中間像面５０７を形成している。第一光学系５０２により中間像面５０７を形成し、さらに第二光学系５０３で拡大投射している投射光学系である。物体面の情報は、第一光学系５０２により若干拡大されて中間像面５０７を形成する。この中間像を第二光学系５０３によって拡大投射されている。前提で所望の結像性能が得られているので、中間像自体の結像性能としては特に問題とならない。

そして、投射光束５０８が、第一光学系５０２と正の屈折力を有する反射素子との間を通過するように反射と透過を切り替えられる偏向素子５０４を配置し、反射機能となる第一の状態と、偏光されないで透過する第二の状態を選択可能としている。図５には、第一の状態を示している。もちろん、図２の説明と同様に、偏光素子５０４を移動させることにより、第二の状態にもできる。

このように、投射状態が選択可能となる偏光素子５０４が含まれたことにより、投射装置のサイズを大きくすることなく、また、投射装置の姿勢を変えることなく、すくなくとも２通りの投射位置を選択可能となった。

ここで、偏向素子５０４が第一光学系５０２の外径５０５よりも第一光学系５０２の光軸５０６側に配置されていることを更に詳細に説明する。図５には、レンズを保持するいわゆる鏡筒や、保持部材は概念図として描いている。本発明の実施形態の主旨を説明する上で最低限の構成要件を囲んだ状態とした鏡筒を記載しているが、その鏡筒の最大外径より、光軸５０６に近い領域内配置するようにすればよい。もちろん投射光学系に他の部品を加えていくと、投射光学系の外径が大きくなることもありうるが、偏向素子５０４の配置のスペースも広がることになる。本発明の第三の実施例のポイントは、偏向素子５０４により投射光束を偏向させると共に、偏向素子５０４の位置される場所が、投射光学系のサイズを決定することのないように、投射光学系の最大有効径内に配置したことが特徴である。つまり、この構成を逸脱することのない範囲で偏向素子５０４の配置は自由である。

このような偏向素子５０４の構成を、既に同一出願人により出願されている、特開２００４−２５８６２０号公報に記載された光学系や特開２００４−３０９７６５号公報に開示された光学系、特開２００６−２３５５１６号公報に開示された光学系等に採用すると好適である。特に、特開２００４−２５８６２０号公報に記載している光学系は屈折光学系と凹面ミラーにより拡大投射する光学系に関するものである。凹面ミラーから反射された光線すなわち本発明の第三の実施形態における説明に用いている「投射光束」を平面ミラーなどで折り返し、屈折光学系と凹面ミラーの間の空間を通過させる構成となるようにすればよい。このような構成を採用することにより、投射システムの小型化がなされ、投射光学装置に適用した場合に装置の大きさを小さくでき、設置性の向上、可搬性の向上、筐体のコンパクト化に伴い精度の確保、あるいは、材料の削減など、装置の小型化に寄与するさまざまな効果が得られる。

中間像面５０７を一旦得る光学系を採用する特有な効果として、第二光学系５０３でいわゆる“絞り”に相当する光束が一旦集まる箇所がある。この近傍に偏向素子を配置することにより偏向素子のサイズを小さくすることができる。第二光学系５０３は一面の凹面ミラーにより構成されているので、“絞り”はないが、第一光学系５０２の”絞り”の像に相当する。つまり、第一光学系５０２の“絞り”の位置に共役な位置関係となる第一光学系５０２の“絞り”の像の位置の近傍では、光束が集まっているので、「投射光束」の広がりが比較的少ない。中間像を形成しない従来の他の光学系と比較すると格段に「結像光束」と交差させやすい。つまり、従来にある拡大投射系では、「投射光束」は投射光学系を出でると徐々に光束幅が広がり、現実的には、投射光学系の内部を通過させる発想が得られない。また、通常、結像光学系は外界と遮蔽する目的もあり、レンズ鏡筒などに組み付けられており、結像光束中に投射光を通すといった発想は通常は行わない。本発明の第一の、第二の、及び第三の実施例においては、投射光の直進性にも着目し、フレア光による投射性能の劣化を発生させないように、「結像光束」と「投射光束」を交わるような構成を見出した。

図６は、本発明の第三の実施例における画像表示装置の（第一の状態を示す）斜視図である。

図６には、図５に示した画像表示装置５００と同様な本発明の第三の実施例における画像表示装置６００の斜視図を示す。図６は、図５と同様に、画像表示装置６００の第一の状態を示している。レンズ鏡筒は図示していない。図６に示す画像表示装置６００もまた、画像形成部６０１、画像形成部６０１から射出された光束を拡大投射する第一光学系６０２及び第二光学系６０３、並びに、第二光学系６０３と投射画像６０４との間に配置されたパワーの持たない偏向素子６０５を含む。反射の状態（第一の状態）にある偏向素子６０５は、偏向素子６０５によって反射された投射光束６０６が、第一光学系６０２と第二光学系６０３との間の空間を通過するように、配置されている。反射と透過を切り替えられる偏向素子６０５は、第一の状態では、第二光学系６０３から出でた投射光束を偏向し、第一光学系６０２と第二光学系６０３（凹面ミラー）の間を通過すると同時に、投射光学系の結像光束（第一光学系６０２と第二光学系６０３の内部通過する光束）と交わっている。

図７は、本発明の第三の実施例における画像表示装置の（第二の状態を示す）斜視図である。

図７には、図６に示した画像表示装置６００と同様な本発明の第三の実施例における画像表示装置７００の斜視図を示す。図７は、図６と同様に、画像表示装置７００の第二の状態の様子を示す。図７においても図６と同様に、レンズ鏡筒は図示していない。図７に示す画像表示装置７００もまた、画像形成部７０１、画像形成部７０１から射出された光束を拡大投射する第一光学系７０２及び第二光学系７０３、並びに、第二光学系７０３と投射画像との間に配置されたパワーの持たない偏向素子７０４を含む。透過の状態（第二の状態）にある偏向素子７０４は、第二の光学系７０３から反射された投射光束７０５を透過させる。すなわち、反射と透過を切り替えられる偏向素子７０４は、投射光束７０５を透過し、画面下側に投射画像（２）を形成する。この投射画像（２）は、図６の投射画像（１）と同一平面上に形成されている。

反射と透過を切り替えられる偏向素子で本発明の第三の実施例を説明したが、反射ミラーをスライドさせて、偏向素子を、それが投射光路に掛からない位置に移動してもよい。第一の状態では、偏向素子が、第二の光学系によって形成される第一光学系の絞りの像位置に最も近くに設けられているので、より小さい面積の反射ミラーである偏光素子で画像表示装置を構成することが出来る。これにより、偏向素子が十分に投射光学系の内部に配置できる構造を採用することが可能となり、本発明の第三の実施形態における投射光学装置をコンパクト化するという目的をも達成できる。
［付記］
付記（１）：光軸を有する少なくとも一つの光学素子、物体からの光の光路を偏向させることが可能な平面を有する偏向素子、並びに、該物体からの光を該偏向素子によって偏向させる状態及び該物体からの光を該偏向素子によって偏向させない状態を切り換える切り換え手段を含む、光学系において、該偏向素子の平面は、該少なくとも一つの光学素子の光軸と平行な平面であることを特徴とする、光学系。

ここで、付記（１）における“平面”は、完全な平面及び実質的に平面とみなせる面の両方を含む。なお、実質的に平面とみなせる面は、平面度が、数ｍＲ（Ｒは、実質的に平面とみなせる面の曲率半径である。数ｍＲは、実質的に平面とみなせる面の曲率半径が数ｍであることを意味する。）以上である面を意味する。また、付記（１）における“平行な”は、完全に平行であること及び実質的に平行とみなせることの両方を含む。なお、実質的に平行とみなせることは、平行からの角度的な差異が１〜２度以下であることを意味する。

付記（１）に記載の発明によれば、改善された使用性を備えた光学系を提供することが可能になる。

付記（２）：付記（１）に記載の光学系において、前記偏向素子によって偏向させられた光の像及び前記偏向素子によって偏向させられない光の像は、同一の平面に形成される、光学系。

ここで、付記（２）における同一の平面は、前記偏向素子によって偏向させられた光の像の像面及び前記偏向素子によって偏向させられない光の像の像面が、完全に一つの仮想的な平面にあること、及び、前記偏向素子によって偏向させられた光の像の像面及び前記偏向素子によって偏向させられない光の像の像面が、実質的に一つの仮想的な面にあるとみなせることを意味する。なお、実質的に一つの仮想的な面にあることは、前記偏向素子によって偏向させられた光の像の像面及び前記偏向素子によって偏向させられない光の像の像面の間隔及び角度が、それぞれ、数ｃｍ以下及び２〜４度以下であることを意味する。

付記（２）に記載の発明によれば、同一の平面において、偏向素子によって偏向させられた光の像及び偏向素子によって偏向させられない光の像を切り換えることが可能になる。

付記（３）：付記（１）又は（２）に記載の光学系において、前記偏向素子は、屈折力を有さない光学素子であることを特徴とする、光学系。

付記（３）に記載の発明によれば、偏向素子によって偏向させられた光の像及び偏向素子によって偏向させられない光の像を、偏向素子の平面に対して対称的に形成することが可能になる。

付記（４）：付記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光学系において、前記少なくとも一つの光学素子によって構成された且つ前記物体に共役な中間像を形成する第一の光学系及び該中間像に共役な像を形成する第二の光学系を含むことを特徴とする、光学系。

付記（４）に記載の発明によれば、偏向素子のサイズを低減することが可能になる。

付記（５）：付記（４）に記載の光学系において、前記第一の光学系は、正の屈折力を有することを特徴とする、光学系。

付記（５）に記載の発明によれば、より容易により高い倍率を備えた光学系を提供することが可能になる。

付記（６）：付記（４）又は（５）に記載の光学系において、前記第二の光学系は、少なくとも一つの反射光学素子を含むことを特徴とする、光学系。

付記（６）に記載の発明によれば、少なくとも一つの光学素子の光軸の方向における光学系の長さを低減することが可能になる。

付記（７）：付記（４）乃至（６）のいずれかに記載の光学系において、前記偏向素子によって偏向させられた光の光路は、前記第一の光学系及び前記第二の光学系の間を通過することを特徴とする、光学系。

付記（７）に記載の発明によれば、より小型な光学系を提供することが可能になる。

付記（８）：付記（１）乃至（７）のいずれかに記載の光学系において、前記切り換え手段は、前記偏向素子を移動させる手段を含むことを特徴とする、光学系。

付記（８）に記載の発明によれば、より容易に物体からの光を偏向素子によって偏向させる状態及び物体からの光を該偏向素子によって偏向させない状態を切り換えることが可能になる。

付記（９）：付記（８）に記載の光学系において、前記偏向素子を移動させる手段は、前記光軸に対して平行に前記偏向素子を移動させる手段を含むことを特徴とする、光学系。

付記（９）における“平行に”は、完全に平行であること及び実質的に平行とみなせることの両方を含む。なお、実質的に平行とみなせることは、平行からの角度的な差異が１〜２度以下であることを意味する。

付記（９）に記載の発明によれば、さらに容易に物体からの光を偏向素子によって偏向させる状態及び物体からの光を該偏向素子によって偏向させない状態を切り換えることが可能になる。

付記（１０）：付記（１）乃至（９）のいずれかに記載の光学系において、前記偏向素子は、前記物体からの光を前記偏向素子によって偏向させる状態において前記物体からの光を反射させると共に並びに前記物体からの光を前記偏向素子によって偏向させない状態において前記物体からの光を透過させる平面を有する素子であることを特徴とする、光学系。

付記（１０）に記載の発明によれば、より高い精度で物体からの光を偏向素子によって偏向させる状態及び物体からの光を該偏向素子によって偏向させない状態を切り換えることが可能になる。

付記（１１）：画像を形成する画像形成部及び該画像に共役な像を表示面に投射する投射光学系を含む、画像表示装置において、該投射光学系は、付記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の光学系を含むことを特徴とする、画像表示装置。

付記（１１）に記載の発明によれば、改善された使用性を備えた画像表示装置を提供することが可能になる。

付記（１２）：付記（１１）に記載の画像表示装置において、前記画像形成部は、前記物体からの光を前記偏向素子によって偏向させる状態において表示面に投射される前記画像に共役な像が、前記物体からの光を前記偏向素子によって偏向させない状態において表示面に投射される前記画像に共役な像と反転するように、前記画像を形成する手段を含むことを特徴とする、画像表示装置。

付記（１２）に記載の発明によれば、物体からの光を偏向素子によって偏向させる状態において表示面に投射される画像に共役な像の方位を、物体からの光を偏向素子によって偏向させない状態において表示面に投射される画像に共役な像の方位と同一又は類似のものとすることが可能になる。

付記（１３）：付記（１１）又は（１２）に記載の画像表示装置において、前記画像表示装置は、前面投射型の画像表示装置であることを特徴とする、画像表示装置。

付記（１３）に記載の発明によれば、改善された使用性を備えた前面投射型の画像表示装置を提供することが可能になる。

本発明の少なくとも一つの実施形態又は実施例を画像表示装置に利用することができる可能性がある。例えば、本発明の少なくとも一つの実施形態又は実施例を液晶パネルなどのライトバルブにより生成された画像を投射表示する投射光学装置、あるいは、それを用いた表示装置に利用することができる可能性がある。また、例えば、本発明の少なくとも一つの実施形態又は実施例をフロントプロジェクター、又はそれらに搭載する投射光学系に利用することができる可能性がある。

本発明の少なくとも一つの態様を光学系及び画像表示装置の少なくとも一つに利用することができる可能性がある。

１００，４００，５００，６００，７００ 画像表示装置
１０１，４０１，５０１，６０１，７０１ 画像形成部
１０２，２０１，３０１，４０５，５０４，６０５，７０４ 偏向素子
１０３ 第一の状態で得られる投射画像（１）
１０４ 第二の状態で得られる投射画像（２）
１０５，５０７ 中間像面
１０６ 第一の光学系
１０７ 第二の光学系
１０８ 結像像面（仮想平面）
２０２，３０２ 反射面
２０３，５０８，６０６，７０５ 投射光束
２０４ 偏向素子移動補助部材
３０３ 第一の状態として機能する反射領域
３０４ 第二の状態として機能する透過領域
４０２，５０２，６０２，７０２ 第一光学系
４０３ 光学素子の間を通過する結像光束
４０４，５０３，６０３，７０３ 第二光学系
４０６ 偏向素子がない場合の投射画像（２）
４０７ 投射光学系から射出され且つ偏向素子によって反射させられた投射光束
４０８ 偏向素子によって反射された投射画像（１）
５０５ 第一光学系の外径
５０６ 第一光学系の光軸
６０４ 投射画像

特開２００７−２１２７４８号公報 特開２００６−２３５５１６号公報 特開平８−５９８０号公報

Claims (12)

1. 光軸を有する少なくとも一つの光学素子、物体からの光の光路を偏向させることが可能な平面を有する偏向素子、並びに、該物体からの光を該偏向素子によって偏向させる状態及び該物体からの光を該偏向素子によって偏向させない状態を切り換える切り換え手段を含む、光学系において、
   該偏向素子の平面は、該少なくとも一つの光学素子の光軸と平行な平面であると共に、
   前記偏向素子は、前記物体からの光を前記偏向素子によって偏向させる状態において前記物体からの光を反射させると共に前記物体からの光を前記偏向素子によって偏向させない状態において前記物体からの光を透過させる平面を有する素子である
   ことを特徴とする、光学系。
2. 請求項１に記載の光学系において、
   前記偏向素子によって偏向させられた光の像及び前記偏向素子によって偏向させられない光の像は、同一の平面に形成される
   ことを特徴とする、光学系。
3. 請求項１又は２に記載の光学系において、
   前記偏向素子は、屈折力を有さない光学素子である
   ことを特徴とする、光学系。
4. 請求項１から３までのいずれかに記載の光学系において、
   前記少なくとも一つの光学素子によって構成された且つ前記物体に共役な中間像を形成する第一の光学系及び該中間像に共役な像を形成する第二の光学系を含む
   ことを特徴とする、光学系。
5. 請求項４に記載の光学系において、
   前記第一の光学系は、正の屈折力を有する
   ことを特徴とする、光学系。
6. 請求項４又は５に記載の光学系において、
   前記第二の光学系は、少なくとも一つの反射光学素子を含む
   ことを特徴とする、光学系。
7. 請求項４から６までのいずれかに記載の光学系において、
   前記偏向素子によって偏向させられた光の光路は、前記第一の光学系及び前記第二の光学系の間を通過する
   ことを特徴とする、光学系。
8. 請求項１から７までのいずれかに記載の光学系において、
   前記切り換え手段は、前記偏向素子を移動させる手段を含む
   ことを特徴とする、光学系。
9. 請求項８に記載の光学系において、
   前記偏向素子を移動させる手段は、前記光軸に対して平行に前記偏向素子を移動させる手段を含む
   ことを特徴とする、光学系。
10. 画像を形成する画像形成部及び該画像に共役な像を表示面に投射する投射光学系を含む、画像表示装置において、
    該投射光学系は、請求項１から９までのいずれかに記載の光学系を含む
    ことを特徴とする、画像表示装置。
11. 請求項１０に記載の画像表示装置において、
    前記画像形成部は、前記物体からの光を前記偏向素子によって偏向させる状態において表示面に投射される前記画像に共役な像が、前記物体からの光を前記偏向素子によって偏向させない状態において表示面に投射される前記画像に共役な像と反転するように、前記画像を形成する手段を含む
    ことを特徴とする、画像表示装置。
12. 請求項１０又は１１に記載の画像表示装置において、
    前記画像表示装置は、前面投射型の画像表示装置である
    ことを特徴とする、画像表示装置。