JP5728202B2 - 投射光学系および画像投射装置 - Google Patents

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Description

本発明は、投射光学系および画像投射装置に関する。特に、小さな投射距離で大きな画面を投射可能とする投射光学系および画像投射装置に関する。
近年、小さな投射距離にもかかわらず大きな画面を投射可能な画像投射装置(超短焦点画像投射装置)が開発されてきている。超短焦点画像投射装置は、スクリーンまでの距離を小さくすることができるので、設置および取り扱いが容易であり、また、スクリーンと画像投射装置との間を人が歩くなどして画像が見られなくなることが少ないなど、有用である。また、最近では、変倍機能を有する超短焦点画像投射装置も開発されている。
しかし、超短焦点画像投射装置は、焦点距離が極めて小さくなるため、高いズーム倍率と大きな画角とを両立する設計が難しく、また、製造時に発生する組立の誤差などによる性能の変化が大きくなる。そこで、超短焦点画像投射装置においては、屈折光学系だけではなく、色収差が発生しない反射光学系も用いてこれらの問題を解決している(例えば、特許文献1〜5参照。)。
特開2007−011248号公報 特開2008−165187号公報 特開2008−090200号公報 特開2008−242028号公報 特開2004−295107号公報
しかし、特許文献1〜5に開示の技術においては、反射面が投射光束方向に飛び出て配置され投射面を観察する際の妨げになる問題が生じることがある。また、広角端から望遠端に移行した場合に投射画面位置が上下に移動する現象が生じ、利用者にとって使いにくくなるという問題も生じる。
本発明の一実施形態として、画像表示素子により形成された画像を変倍して第1中間像を結像する第1光学系と、前記第1中間像を拡大して第2中間像を結像する第2光学系と、前記第2中間像を結像した光を反射する凹面鏡を有する反射光学系とを有し、前記画像表示素子の中心位置における法線が前記第1光学系の光軸と一致し、前記第1光学系の光軸が前記第2光学系の光軸に対して前記第1光学系の光軸と垂直な方向に平行移動していることを特徴とする投射光学系を提供する。
本発明の一実施形態として、画像表示素子により形成された画像を変倍して第1中間像を結像する第1光学系と、前記第1中間像を拡大して第2中間像を結像する第2光学系と、前記第2中間像を結像した光を上方へ反射する凹面鏡を有する反射光学系とを有し、前記第1光学系の光軸と前記第2光学系の光軸とが同一直線上にあり、前記画像表示素子の中心法線は、前記第1光学系の光軸に対して前記第1光学系の光軸と垂直な方向に下方へ平行移動し、前記画像表示素子の周囲に前記第1光学系の光軸が通るように配置されていることを特徴とする投射光学系を提供する。
本発明の一実施形態として、画像表示素子により形成された画像を変倍して第1中間像を結像する第1光学系と、前記第1中間像を拡大して第2中間像を結像する第2光学系と、前記第2中間像を結像した光を反射する反射光学系と、前記第1光学系の出射する光を反射し前記第2光学系へ入射させる平面鏡とを有し、前記画像表示素子の中心位置における法線が前記第1光学系の光軸と一致することを特徴とする投射光学系を提供する。
本発明の一実施形態として、画像表示素子により形成された画像を変倍して第1中間像を結像する第1光学系と、前記第1中間像を拡大して第2中間像を結像する第2光学系と、前記第2中間像を結像した光を反射する反射光学系と、前記第1光学系の出射する光を反射し前記第2光学系へ入射させる平面鏡とを有し、前記画像表示素子の中心法線は、前記第1光学系の光軸に対して前記第1光学系の光軸と垂直な方向に下方へ平行移動し、前記画像表示素子の周囲に前記第1光学系の光軸が通るように配置されていることを特徴とする投射光学系を提供する。
本発明の一実施形態として、上記いずれかの実施形態に係る投射光学系を有する画像投射装置を提供する。
本発明によれば、反射光学系を凹面鏡とすることにより、反射光学系による投射面を観察する妨げとならないようにできる。また、変倍時において、投射画面位置を、投射画面の下辺や中央を不動にすることができる。また、複数の光学系を組み合わせて構成できるので、製造に発生する組立の誤差などによる性能の変化を小さくすることができる。
本発明の一実施形態に係る投射光学系を用いた画像投射装置の使用状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る投射光学系の構成図である。 本発明の一実施形態に係る投射光学系を用いた画像投射装置の使用状態をスクリーンの正面方向から見た図である。 本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例における詳細なレンズ構成図である。 本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例における広角端から望遠端に移行するときに移動するレンズの移動の様子を示す図である。 本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例における全体のレンズ構成図である。 本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例におけるスクリーン面での波長520nmでのスポットダイアグラムである。 本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例における歪曲収差を示す図である。 本発明の一実施形態に係る投射光学系の構成図である。 本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例における全体のレンズ構成図である。 本発明の一実施形態に係る投射光学系の構成図である。 本発明の一実施形態に係る投射光学系を用いた画像投射装置の使用状態をスクリーンの正面方向から見た図である。 発明の一実施形態に係る投射光学系の構成図である。 本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例における詳細なレンズ構成図である。 本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例における広角端から望遠端に移行するときに移動するレンズの移動の様子を示す図である。 本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例における全体のレンズ構成図である。 本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例におけるスクリーン面での波長520nmでのスポットダイアグラムである。 本発明の一実施形態に係る投射光学系の一実施例における歪曲収差を示す図である。
本発明を実施するための形態を、いくつかの実施形態および実施例として説明する。なお、本発明はこれらの実施形態および実施例に限定されることはなく、種々の変形を加えて実施することも可能である。
(実施形態1)
図1は、本発明の一実施形態に係る投射光学系を用いた画像投射装置の使用状態を示す図である。図1(a)は、使用状態を側面から見た図である。図1(b)は、使用状態を正面から見た図である。図1(c)は使用状態を上面から見た図である。画像投射装置100が、スクリーン101の近傍に配置される。図1(a)では、画像投射装置100は、スクリーンの下方に配置されているが、スクリーンの左方、右方あるいは上方に配置されていてもよい。そして、画像投射装置100は、スクリーン101に向けて斜めに光103を投射する。スクリーン101が反射型のスクリーンであれば、スクリーン101に投射された画像を方向104から見ることができる。また、スクリーン101が透過型のスクリーンであれば、スクリーン101に投射された画像を方向105から見ることができる。
図2は、本実施形態に係る投射光学系の構成図である。投射光学系は、第1光学系201と、第2光学系202と、反射光学系203とを有する。
第1光学系201は、光軸204を有し、変倍機能を有する複数の屈折レンズを含む屈折光学系である。すなわち、第1光学系201に入射する入射光207が液晶パネルなどの画像表示素子を透過し、画像表示素子が形成する画像206の光208を屈折させる複数の屈折レンズを光軸方向に移動することにより、第1光学系201からの出射光209が結像してできる第1中間像210の大きさを変化させる。なお、画像表示素子としては、液晶パネルに限定されることはなく、DMD(Digital Micromirror Device)など種々の素子を用いることが可能である。
第2光学系202は、光軸205を有し、複数の屈折レンズを含む屈折光学系である。第2光学系202は、第1中間像210を結像した光211が入射されると、第1中間像210の表わす画像をスクリーンに投射するための拡大を行なう。このため、第2光学系202が出射する光212は、第2中間像213を結像する。
反射光学系203は、第2中間像213をさらに拡大させ、スクリーンに投射する。反射光学系203としては、図2に示すように凹面鏡が用いられることが好ましい。凹面鏡を用いることにより、図2における斜め上方214に光が投射され、スクリーンを観察するときの妨害となることを回避できるからである。
反射光学系203で発生する収差(球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲など)と第2光学系202の屈折光学系で発生する収差が相殺されるようになっていることが好ましい。また、反射光学系203は、非球面形状を有することが、収差の補正を行なうために好ましい。
本実施形態では、光軸204と光軸205とは略平行であるが一致していない。すなわち、投射光学系を図2に示すように側面から見た場合に、光軸204と光軸205とは略平行である。また、光軸204は、光軸205に対して、光軸204と垂直な方向に平行移動している位置関係となる。この位置関係により、スクリーンに向けて斜め上方への投射が可能となる。
また、本実施形態では、像206を形成する画像表示素子の中心位置における法線(中心法線)と第1光学系の光軸204が略一致している。これにより、第1光学系の光軸204を中心として第1中間像210が変倍する。したがって、スクリーン上において、変倍によって投射画像の中心が動かないようにすることができる。
なお、「像206を形成する画像表示素子の中心位置」とは、像206の形成に有効な画素のあつまりの形状の中心位置である。
図3は、本実施形態に係る投射光学系を用いた画像投射装置の使用状態をスクリーンの正面方向から見た図である。枠301は、投射光学系を広角端にした場合の投射画像の周辺を示し、枠302は、投射光学系を望遠端にした場合の投射画像の周辺を示す。図3に示されるように枠301と枠302との中心位置は略一致することになる。
なお、図3において、投射画像を左右に二分し、スクリーンに垂直な平面上に画像投射装置300が配置されている。これは、光軸204が、光軸205に対して、光軸204と垂直な方向に平行移動していることが理由の一つである。ただし、本実施形態は、これに限られるものではなく、光軸204は、光軸205に対して、光軸204と任意の方向に平行移動していてもよい。これにより、画像投射装置300は、投射画像を左右に二分し、スクリーンに垂直な平面に対して任意の位置に配置することができる。
図4aは、本実施形態に係る投射光学系の一実施例における詳細なレンズ構成図である。図4aの上部には、広角端におけるレンズ構成を示し、図4aの下部には、望遠端におけるレンズ構成を示す。また、図4bは、広角端から望遠端に移行するときに移動するレンズの移動の様子を、広角端におけるレンズ構成と望遠端におけるレンズ構成との間の矢印により示す。図4bに示されるように、広角端と望遠端との間を移行するときには、第1光学系の屈折レンズのいくつかが移動するのに対し、第2光学系の屈折レンズは移動しない。
なお、図4aの上部の広角端におけるレンズ構成において、GBはダイクロイックミラーなどのガラスブロックを表わす。ガラスブロックGBの図4aにおける左側に液晶表示素子が配置され、液晶表示素子の左側から平行光が入射し、画像が形成される。
また、図4aに示す広角端におけるレンズ配置において、全ての面に、液晶表示素子の左側の面を第1面とした面番号を付している。なお、面番号13、面番号27、面番号28および面番号42は絞りに付された面番号である。また、面番号27と面番号28とは、同一の絞りに付された面番号である。また、図4aに示す望遠端におけるレンズ配置において、面間の間di(i=1,2,...,53)の位置を示す。
図5は、本実施形態に係る投射光学系の一実施例におけるスクリーンの投射面を含めた全体のレンズ構成図である。図5(1)は、広角端におけるスクリーンの投射面までの投射の様子を示し、図5(2)は、望遠端におけるスクリーンの投射面までの投射の様子を示す。
表1と表2として、(1)各レンズ面のレンズが非球面であればその旨の表示、(2)各レンズ面の曲率半径、(3)間隔、(4)d線屈折率、(5)アッベ数を示す。なお、以下の数値は、投射光学系の仕様を、焦点距離fを4.3mm以上8.6mm以下、Fナンバー1.5以上3.0以下、広角端における画角を75.1°、第28面以降の面を15.4mmシフト偏芯(光軸と垂直な方向に移動)した場合の数値である。


また、表3として、変倍時の間隔データを示す。Diは、面番号がiの面とi+1の面との間diの間隔の大きさを示す。

表4として、非球面データを示す。なお、Zを面のザク量とし、hを光軸からの半径とし、cを近軸曲率(曲率半径の逆数)、Hを光軸に対して垂直な方向の高さとした場合、非球面式を
Z=ch2/(1 + SQRT{1 - (1 + k)c2h2}) + Ah4+ Bh6 + Ch8 + Dh10
とする。
図6は、本実施形態に係る投射光学系のスクリーン面における波長520nmでのスポットダイアグラムを示す。左側が広角端の場合であり、中央が望遠端の場合である。F1〜F6は、スクリーン面における位置を示し、それは、図6の右側に示す通りである。
図7は、本実施形態に係る投射光学系の歪曲収差を示す。図7(1)が広角端の場合であり、図7(2)が望遠端の場合である。
なお、上述の説明において、第1光学系201の光軸204と第2光学系の光軸205とが略平行であると記した。しかし、本発明はこれに限られることはなく、第1光学系201から第2光学系202へ至る光路の途中に鏡が配置され、第1光学系201の光軸204が鏡により鏡像の関係にとなる光軸と、第2光学系202の光軸205とが略平行になっていてもよい。
図8は、本実施形態に係る投射光学系において、第1光学系201の出射する光を反射し、第2光学系202へ入射する鏡を用いる構成の上面図である。図12に示されるように平面鏡1301が配置されている。図12においては光軸204と平面鏡1301とのなす角は約45°である。また、図12において、光軸204と光軸205とは略垂直となる。このように、第1光学系201から第2光学系202へ至る光路の途中に鏡を配置することにより、投射光学系のサイズを小さくすることが可能である。
図9は、図8の構成の投射光学系の一実施例におけるレンズ構成図である。図9は、図1(c)に対応し、投射光学系を上面から見た図となる。第1光学系、第2光学系、反射光学系としては、図4a、図4b、図5、表1〜表4に示したものがそのまま用いることができる。ただし、平面鏡1301に面番号27が付され、図4a、図5、表1〜表4において面番号27移行の面番号は1つ大きくなる。このため、例えば反射鏡の面番号は55となる。
以上のように、本実施形態においては、大きな画角で、高変倍率の投射光学系が得られる。スクリーン面では変倍によって投射画像の中心が不動となる。
本実施形態のように、投射光学系を、画像の変倍を行なう光学系(第1光学系)と、スクリーンに向けて第1光学系による中間像を拡大する光学系(第2光学系および反射光学系)とに機能により分離することにより、超短焦点画像投射装置の設計を容易にすることができる。
例えば、第1光学系を拡大変倍光学系とすることにより、第2光学系のFナンバーを大きくする設計とすることができる。
(実施形態2)
上記の実施形態においては、画像表示素子の中心位置における法線(中心法線)と第1光学系201の光軸204が略同一直線上にあるので、スクリーンに投射される画像の中心が、変倍によっても移動しないようにすることができる。すなわち、第1光学系201の光軸204が画像表示素子の形成する画像を貫通する位置が、変倍によっても移動しないようにすることができる。
したがって、第1光学系201の光軸204が、画像表示素子の形成する画像の内部又は周囲を貫通するように画像表示素子の位置を決めることにより、第1光学系201の調整を行なって変倍を行なう場合に、投射される画像の移動を予測しやすいようにすることができる。
例えば、図10に示すように画像表示素子の周囲に第1光学系201の光軸201が通るようにしてもよい。このようにすることにより、画像を矩形とすると、変倍時には、第1中間像210は、第1光学系201の光軸204を底辺として変倍することになる。したがって、第2光学系202と反射光学系203とにより投射されるスクリーン面の画像は、変倍によって投射画像の下辺が移動しないようにすることができる。
図11は、本実施形態に係る投射光学系を用いた画像投射装置の使用状態をスクリーンの正面方向から見た図である。枠1501は、投射光学系を広角端にした場合の投射画像の周辺を示し、枠1502は、投射光学系を望遠端にした場合の投射画像の周辺を示す。図11に示されるように枠1501と枠1502との下辺は略一致することになる。これにより、変倍後の投射画像の位置を予測することができ、利便性の高い画像投射を行なうことができる。
なお、上記の説明では、「下」、「下辺」などの言葉を用いて説明を行なったが、これらは相対的な方向を示しているに過ぎない。例えば、図11の上下を逆にすると、枠1501と枠1502との上辺が略一致することになる。これにより、画像投射装置をスクリーンの上部に設置し、変倍を行なっても投射される画像を常に見やすく表示することが可能となる。
(実施形態3)
図12は、本発明の実施形態3に係る投射光学系の構成図である。本実施形態に係る投射光学系の構成は実施形態1と同じであるが、第1光学系201の光軸と第2光学系202の光軸とが略一致している点が異なる。すなわち、第1光学系201と第2光学系202とは、共通の光軸204を持つように構成されている。
なお、このように第1光学系201と第2光学系202とが共通の光軸204を有する場合には、投射画像を斜め上方に結像させるために画像表示素子の中心の法線を共通光軸204に対して、共通光軸とは垂直な方向に移動させる必要がある。また、望遠端においては、投射画像が上記の実施形態におけるよりも下方向に移動するので、第2光学系202の屈折レンズと干渉する場合がある。この場合は、第2光学系202の屈折レンズの有効光線領域以外をカットすればよい。
図13aは、本実施形態に係る投射光学系の一実施例における詳細なレンズ構成図である。図13aの上部には、広角端におけるレンズ構成を示し、図13aの下部には、望遠端におけるレンズ構成を示す。また、図13bは、広角端から望遠端に移行するときに移動するレンズの移動の様子を、広角端におけるレンズ構成と望遠端におけるレンズ構成との間の矢印により示す。図13bに示されるように、広角端と望遠端との間を移行するときには、第1光学系の屈折レンズのいくつかが移動するのに対し、第2光学系の屈折レンズは移動しない。
なお、本実施例では、望遠端において、投射画像が第2光学系202のスクリーン側の屈折レンズと干渉するので、第2光学系202の屈折レンズの有効光線領域以外がカットされている。
なお、図13aの上部に示す広角端におけるレンズ構成において、GBはダイクロイックミラーなどのガラスブロックを表わす。ガラスブロックGBの図13aにおける左側に液晶表示素子が配置され、液晶表示素子の左側から平行光が入射し、画像が形成される。
図13aの広角端におけるレンズ配置において、全ての面に液晶表示素子の左側の面を第1面とした面番号を付している。なお、面番号15、面番号32および面番号43は絞りに付された面番号である。また、図13aに示す望遠端におけるレンズ配置において、面間の間di(i=1,2,...,58)の位置を示す。
図14は、本実施形態に係る投射光学系の一実施形態における全体のレンズ構成図である。図14(1)は、広角端におけるスクリーンの投射面までの投射の様子を示し、図14(2)は、望遠端におけるスクリーンの投射面までの投射の様子を示す。
表5と表6として画像表示素子を第1面として光が入射/出射する順にレンズ面に面番号を付した場合における(1)各レンズ面のレンズが非球面であればその旨の表示、(2)各レンズ面の曲率半径、(3)間隔、(4)d線屈折率、(5)アッベ数を示す。なお、以下の数値は、投射光学系の仕様を、焦点距離fを4.3mm以上8.6mm以下、Fナンバー1.5以上2.4以下、広角端における画角を74.02°とした場合の数値である。


また、表3として、変倍時の間隔データを示す。Diは、面番号がiの面とi+1の面との間diの間隔の大きさを示す。

表8として、非球面データを示す。なお、非球面式は実施形態1に示したものと同じである。

また、表9として、面番号57、58,59の非球面データを示す。この場合の非球面式は、
Z=ch2/(1 + SQRT{1 - (1 + k)c2H2}) + C3h3 + C4h4 + C5h5 + C6h6 + C7h7 + C8h8 +C9h9 + C10h10
となる。
図15は、本実施形態に係る投射光学系のスクリーン面における波長520nmでのスポットダイアグラムを示す。左側が広角端の場合であり、中央が望遠端の場合である。F1〜F6は、スクリーン面における位置を示し、それは、図15の右側に示す通りである。
図16は、本実施形態に係る投射光学系の歪曲収差を示す。図16(1)が広角端の場合であり、図16(2)が望遠端の場合である。
本実施形態においては、第1光学系の光軸と第2光学系の光軸とが略一致するので、光軸の不一致に起因する組立時の誤差を小さくすることが可能となる。
201 第1光学系、202 第2光学系、203 反射光学系、
204,205 光軸、
206 画像、207 光源からの入射方向、208,209,211,212 光
210 第1中間像、213 第2中間像、214 スクリーン方向

Claims (8)

  1. 画像表示素子により形成された画像を変倍して第1中間像を結像する第1光学系と、
    前記第1中間像を拡大して第2中間像を結像する第2光学系と、
    前記第2中間像を結像した光を反射する凹面鏡を有する反射光学系とを有し、
    前記画像表示素子の中心位置における法線が前記第1光学系の光軸と一致し、
    前記第1光学系の光軸が前記第2光学系の光軸に対して前記第1光学系の光軸と垂直な方向に平行移動していることを特徴とする投射光学系。
  2. 画像表示素子により形成された画像を変倍して第1中間像を結像する第1光学系と、
    前記第1中間像を拡大して第2中間像を結像する第2光学系と、
    前記第2中間像を結像した光を上方へ反射する凹面鏡を有する反射光学系とを有し、
    前記第1光学系の光軸と前記第2光学系の光軸とが同一直線上にあり、
    前記画像表示素子の中心法線は、前記第1光学系の光軸に対して前記第1光学系の光軸と垂直な方向に下方へ平行移動し、前記画像表示素子の周囲に前記第1光学系の光軸が通るように配置されていることを特徴とする投射光学系。
  3. 前記第1光学系の収差と、前記第2光学系および前記凹面鏡を含む光学系の収差とが相殺されることを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の投射光学系。
  4. 前記第1光学系は、拡大変倍光学系であることを特徴とする請求項1からのいずれかに記載の投射光学系。
  5. 画像表示素子により形成された画像を変倍して第1中間像を結像する第1光学系と、
    前記第1中間像を拡大して第2中間像を結像する第2光学系と、
    前記第2中間像を結像した光を反射する反射光学系と、
    前記第1光学系の出射する光を反射し前記第2光学系へ入射させる平面鏡とを有し、
    前記画像表示素子の中心位置における法線が前記第1光学系の光軸と一致することを特徴とする投射光学系。
  6. 画像表示素子により形成された画像を変倍して第1中間像を結像する第1光学系と、
    前記第1中間像を拡大して第2中間像を結像する第2光学系と、
    前記第2中間像を結像した光を反射する反射光学系と、
    前記第1光学系の出射する光を反射し前記第2光学系へ入射させる平面鏡とを有し、
    前記画像表示素子の中心法線は、前記第1光学系の光軸に対して前記第1光学系の光軸と垂直な方向に下方へ平行移動し、前記画像表示素子の周囲に前記第1光学系の光軸が通るように配置されていることを特徴とする投射光学系。
  7. 前記反射光学系は、前記第二光学系の光軸よりも下方で前記第二光学系から出射した光を反射させることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の投射光学系。
  8. 前記請求項1からのいずれかに記載の投射光学系を有する画像投射装置。
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