JP5764952B2

JP5764952B2 - プロジェクター及び電子黒板

Info

Publication number: JP5764952B2
Application number: JP2011023650A
Authority: JP
Inventors: 栄時守国
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2011-02-07
Filing date: 2011-02-07
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2031-02-07
Also published as: JP2012163744A

Description

本発明は、プロジェクター、投写ユニット及び電子黒板、特に、近接投写のためのプロジェクターに関する。

近年、短い投写距離で大画面を表示可能とする、いわゆる近接投写のための投写光学系を備えるプロジェクターが製品化されている。この投写光学系を採用することで、従来のフロント投写型のプロジェクターに比べて超短距離で大画面（例えば、４０ｃｍの投写距離で１００インチ）を表示することが可能となっている。これらのプロジェクターは、超短距離投写のみに使用可能とされるのが一般的であって、超短距離投写から、従来広く知られているプロジェクターの中長距離投写まで、目的に応じた使用を可能とすることが期待されている。例えば、特許文献１には、投写レンズに対してスクリーン側に取り付けられる反射投写ユニットによってズーム比を拡大させるプロジェクターの技術が提案されている。反射投写ユニットを取り付けた状態と取り外した状態とで、異なるズーム比の画像を得ることが可能となる。

仮に、特許文献１に係る反射投写ユニットを超短距離投写に適用するには、ズーム比を大幅に拡大させる必要が生じる。この場合、ズーム比を大きくするほど、収差を低減させることが非常に困難となる。また、レンズの光軸（中心軸）に対して偏芯させて複数の曲面ミラーを配置する構成を採用していることから、光学要素の僅かなずれ等が画像へ大きな影響を及ぼす場合が多くなる。このため、所望の光学性能を得るためには非常に高精度な調整を要する上、偏芯光学系による収差を低減させることも困難となる。

また、近年、マルチメディアコンテンツの増加により、文教分野やプレゼンテーション等において使用される、いわゆるインタラクティブボードが普及しつつある。インタラクティブボードは、コンテンツを表示しながら、そのコンテンツへの使用者による書き込みが可能であることを特徴とする。通常、インタラクティブボードは、従来の黒板やホワイトボードと同様のサイズとなるため、比較的広範囲での表示が求められることとなる。インタラクティブボードでの広範囲の表示に一般的な直視型のモニターを適用すると、装置全体の重量、消費電力、コストの面で問題が生じる。

例えば、特許文献２及び３には、プロジェクターから投写された映像光を平面ミラーで反射させ、透過型スクリーンへ入射させる電子黒板の技術が提案されている。特許文献４には、超短距離投写のプロジェクターを備える電子黒板の技術が提案されている。プロジェクターを使用する拡大投写によって、広範囲での表示を可能とする。プロジェクターを使用することにより、重量、消費電力、コストの軽減が可能となる。但し、特許文献２及び３の技術の場合、広大な平面ミラーが透過型スクリーンに対して傾きを持たせて設置されることで、奥行き方向のサイズが大きくなり、設置性が低下する点が問題となる。特許文献４の技術におけるプロジェクターは、超短距離投写にのみ適用されるものであって、使用用途が限定されるために利便性が低いという点が問題となる。

特開２００２−６３９８号公報特開２００３−１３６８９２号公報特開２００４−２５２３４５号公報特開２００９−８３２７７号公報

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、超短距離での近接投写による画像の映し出しと、中長距離での投写による画像の映し出しとを実現するためのプロジェクター、及びそのプロジェクターに用いる投写ユニットを提供することを第１の目的とする。また、本発明は、重量、消費電力、コストの軽減、奥行きサイズの抑制を可能とし、利便性が高い電子黒板を提供することを第２の目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る第１のプロジェクターは、光源と、光源からの光で照明される表示面と、表示面からの光を射出する射出光学系とを含む本体部と、射出光学系から射出された表示面からの光を被照射面へ向けて投写させる投写ユニットと、を備え、投写ユニットは、負のパワーを持つ凸面の広角化ミラーを有し、広角化ミラーは、表示面に対して傾けられた表示面の像面をなす光を反射し広角化させる。

上記第１のプロジェクターでは、本体部と投写ユニットとを組み合わせて、超短距離の近接投写を可能にする。本体部は、投写ユニットが外されて、単体で中長距離投写を可能にする。ここで、投写ユニットに設けた広角化ミラーにより、表示面又は光軸に対して十分に傾けられた像面（つまり、光軸の法線又は光軸に垂直な面に対して十分に傾けられた像面）をなすことになる光を反射して広角化させるので、偏芯光学系を採用しなくても歪曲等の収差の発生を抑えた良好な近接投写を行える。また、広角化ミラーでの反射によって映像を形成する光を広角化させることにより、広角化による色収差の低減も可能となる。これにより、超短距離での近接投写による画像の映し出しと、中長距離投写による画像の映し出しとが可能なプロジェクターを得ることができる。

本発明に係る第２のプロジェクターでは、上記第１のプロジェクターにおいて、投写ユニットが、射出光学系から射出された光を表示面に対して傾けられた表示面の像面をなす光とする像面制御光学系を有する。像面制御光学系により、射出光学系に負担をかけることなく表示面の像面を傾斜させることができる。

上記第２のプロジェクターの具体的な側面(aspect)では、投写ユニットが、表示面に対して傾けられた表示面の像面をなす像について、倍率を変換させる変倍光学系を有する。この場合、射出光学系によって通常の投射範囲外に形成される像について、その像面を像面制御光学系によって傾斜させ、変倍光学系によって適度なサイズにすることができる。

本発明の別の側面では、記投写ユニットが、表示面に対して傾けられた表示面の像面を、表示面に平行な被照射面に結像させる。つまり、傾斜のない適切な像の観察が可能になる。

本発明のさらに別の側面では、射出光学系が、光軸に沿った比較的遠距離の第１の範囲で表示面に平行な表示面の像面をなす像を結像させる通常表示状態と、光軸に沿った比較的近距離の第２の範囲で表示面に平行な表示面の像面をなす像を結像させるマクロ表示状態とに切り換え可能である。射出光学系によって超短距離から中長距離まで広い投射距離をカバーすることができる。なお、通常表示状態の射出光学系によって比較的遠距離に比較的大きな像を形成でき、マクロ表示状態の射出光学系によって比較的近距離に比較的小さな像を形成できる。

本発明のさらに別の側面では、本体部が、プロジェクターに対して着脱可能である。これにより、プロジェクターから比較的軽量な本体部を取り出して中長距離投写をすることができる。

本発明のさらに別の側面では、射出光学系と、投写ユニットとは、光軸を一致させて配置される。これにより、所望の光学性能を得るための光学系の調整や、光学要素の加工をし易くできる。特に、本体部と投写ユニットとの位置合わせを容易にできる。

本発明のさらに別の側面では、射出光学系と、投写ユニットとは、表示面からの光を光軸からシフトさせて進行させるシフト光学系を構成する。これにより、広角化ミラーで反射した光の、光軸上の光学要素との干渉を回避させ、広角化させた光を被照射面へ進行させることができる。

本発明に係る投写ユニットは、光源と、前記光源からの光に照射される表示面と、前記表示面からの光を射出する射出光学系とを含む本体部と組み合わせて使用され、射出光学系から射出された表示面からの光を被照射面へ向けて投写させる投写ユニットであって、表示面に対して傾けられた像面をなす光を反射し広角化させる、負のパワーを持つ凸面の広角化ミラーを有する。

上記投写ユニットを本体部とを組み合わせることで、超短距離の近接投写が可能になり、投写ユニットを外した本体部は、単体で中長距離投写を可能にする。ここで、投写ユニットに設けた広角化ミラーにより、表示面又は光軸に対して十分に傾けられた像面（つまり、光軸の法線又は光軸に垂直な面に対して十分に傾けられた像面）をなす光を反射して広角化させるので、偏芯光学系を採用しなくても歪曲等の収差の発生を抑えた良好な近接投写を行える。また、広角化ミラーでの反射によって映像を形成する光を広角化させることにより、広角化による色収差の低減も可能となる。これにより、超短距離での近接投写による画像の映し出しと、中長距離投写による画像の映し出しとが可能なプロジェクターを提供することができる。

上記投写ユニットの具体的な側面では、射出光学系から射出された光を表示面の像面をなす光とする像面制御光学系を有する。

本発明の別の側面では、投写ユニットが、表示面に対して傾けられた表示面の像面をなす像について、倍率を変換させる変倍光学系を有する。

本発明に係る電子黒板は、上記のプロジェクターと、被照射面を備え、かつ被照射面への他の情報の書き込みを可能とする画面表示部とを備え、前記プロジェクターのうち、前記射出光学系を含む本体部は、着脱可能である。

電子黒板は、本体部及び投写ユニットが組み合わせられたプロジェクターからの近接投写によって、画面表示部に映像を表示する。近接投写のための構成を採用することで、奥行き方向のサイズを小さく抑えることができる。また、射出光学系を含む本体部が電子黒板から着脱可能であり、本体部単体での中長距離投写を可能とすることで、高い汎用性、利便性を確保できる。電子黒板は、拡大投写のためのプロジェクターの適用により、重量、消費電力、コストの軽減が可能となる。これにより、重量、消費電力、コストの軽減、奥行きサイズの抑制を可能とし、利便性が高い電子黒板を得られる。

本発明に係る第３のプロジェクターは、上記第１のプロジェクターと同様の本体部と投写ユニットとを備え、投写ユニットが、映像光による像の倍率を変換させる変倍光学系と、変倍光学系からの映像光を反射させて広角化させる広角化ミラーとを備え、変倍光学系が、射出光学系の光軸に対して傾けられた像面（つまり、光軸の法線又は光軸に垂直な面に対して十分に傾けられた像面）をなす像について、倍率を変換させる。つまり、第３のプロジェクターは、映像光を射出する射出光学系を含む本体部と、射出光学系から射出された映像光を被照射面へ向けて投写させる投写ユニットと、を有し、投写ユニットは、映像光による像の倍率を変換させる変倍光学系と、変倍光学系からの映像光を反射させて広角化させる広角化ミラーと、を備え、変倍光学系は、射出光学系の光軸に対して傾けられた像面をなす像について、倍率を変換させることを特徴とする。

さらに、本発明に係る第４のプロジェクターは、上記第１のプロジェクターと同様の本体部と投写ユニットとを備え、射出光学系は、映像光による像の倍率を変換させる変倍光学系としての機能を備え、変倍光学系は、射出光学系の光軸に対して傾けられた像面（つまり、光軸の法線又は光軸に垂直な面に対して十分に傾けられた像面）をなす像について、倍率を変換させる。つまり、第４のプロジェクターは、映像光を射出する射出光学系を含む本体部と、射出光学系から射出された映像光を被照射面へ向けて投写させる投写ユニットと、を有し、投写ユニットは、射出光学系からの映像光を反射させて広角化させる広角化ミラーを備え、射出光学系は、映像光による像の倍率を変換させる変倍光学系としての機能を備え、変倍光学系は、射出光学系の光軸に対して傾けられた像面をなす像について、倍率を変換させることを特徴とする。

第３及び第４のプロジェクターは、本体部と投写ユニットとが組み合わせられて、超短距離投写をする。本体部は、投写ユニットが外されて、単体で中長距離投写をする。光軸に対して傾けられた像を、倍率を変換させてから広角化させる構成とすることにより、偏芯光学系を採用しなくても近接投写を可能にできる。広角化ミラーでの反射により映像光を広角化させることにより、広角化による色収差の低減も可能となる。これにより、超短距離での近接投写による画像の映し出しと、中長距離での投写による画像の映し出しとが可能なプロジェクターを得られる。

また、本発明の具体的な側面では、第３及び第４のプロジェクターにおいて、射出光学系から投写ユニットを経ずに映像光を投写させた場合に、光軸に対して略垂直な像面をなす像を結像させる結像範囲を第１の範囲、映像光の光路のうち第１の範囲以外の範囲を第２の範囲、とすると、射出光学系は、第２の範囲において、光軸に対して傾けられた像面をなす映像光を射出可能である。これにより、本体部は、第１の範囲を中長距離投写のために利用し、第２の範囲を近接投写のために利用することが可能となる。

また、本発明の別の側面では、本体部は、プロジェクターから着脱可能である。これにより、プロジェクターから本体部を取り出して中長距離投写をすることができる。

また、本発明の別の側面では、射出光学系は、本体部単体で画像を表示するための第１のモードと、本体部と投写ユニットとを組み合わせて画像を表示するための第２のモードと、に切り換え可能である。これにより、第１のモードにより、光軸に垂直な像面の像を得る場合と、第２のモードにより、傾けられた像面の像を得る場合と、を切り換えることができる。

また、本発明の別の側面では、射出光学系と、変倍光学系と、広角化ミラーとは、光軸を略一致させて配置される。これにより、所望の光学性能を得るための光学系の調整や、光学要素の加工をし易くできる。特に、本体部と投写ユニットとの位置合わせを容易にできる。

また、本発明の別の側面では、射出光学系と、変倍光学系と、広角化ミラーとは、映像光の光束を光軸からシフトさせて進行させるシフト光学系を構成する。これにより、広角化ミラーで反射した映像光の、光軸上の光学要素との干渉を回避させ、広角化させた映像光を被照射面へ進行させることができる。

さらに、本発明に係る投写ユニットは、映像光を射出する射出光学系を含む本体部と組み合わせて使用され、射出光学系から射出された映像光を被照射面へ向けて投写させる投写ユニットであって、射出光学系から射出された映像光による像の倍率を変換させる変倍光学系と、変倍光学系からの映像光を反射させて広角化させる広角化ミラーと、を有し、変倍光学系は、射出光学系の光軸の法線に対して傾けられた像面をなす像について、倍率を変換させることを特徴とする。これにより、超短距離での近接投写による画像の映し出しと、中長距離での投写による画像の映し出しとを実現するための投写ユニットを得られる。

また、本発明の別の側面では、上記投写ユニットにおいて、変倍光学系と、広角化ミラーとは、光軸を略一致させて配置される。これにより、所望の光学性能を得るための光学系の調整や、光学要素の加工をし易くできる。

また、本発明の別の側面では、広角化ミラーは、像面が被照射面に略平行になるように、映像光を折り返す。これにより、被照射面において光軸に略垂直な像面の画像を得ることができる。

さらに、本発明に係る電子黒板は、上記第３及び第４のプロジェクターと、プロジェクターから入射した映像光により映像を表示し、かつ映像の表示面への書き込みを可能とする画面表示部と、を有し、プロジェクターのうち、映像光を射出する射出光学系を含む本体部は、着脱可能である。

電子黒板は、本体部及び投写ユニットが組み合わせられたプロジェクターからの超短距離投写によって、画面表示部に映像を表示する。超短距離投写のための構成を採用することで、奥行き方向のサイズを抑制させる。また、射出光学系を含む本体部が電子黒板から着脱可能であり、本体部単体での中長距離投写を可能とすることで、高い汎用性、利便性を確保できる。電子黒板は、拡大投写のためのプロジェクターの適用により、重量、消費電力、コストの軽減が可能となる。これにより、重量、消費電力、コストの軽減、奥行きサイズの抑制を可能とし、利便性が高い電子黒板を得られる。

本発明の第１実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図。本体部の概略構成を示す図。（Ａ）は、本体部単体による投写について説明する模式図で、（Ｂ）は、本体部に投写ユニットを組み合わせる場合の投写について説明する模式図である。投写ユニットの断面構成と映像光の光線とを示す図。図４に示す各光学要素の機能について説明する模式図。（Ａ）は、マスターレンズを示す模式図であり、（Ｂ）は、アフォーカル光学系の例を示す模式図であり、（Ｃ）は、マスターレンズとアフォーカル光学系とを組み合わせた構成の模式図であり、（Ｄ）は、凹レンズを用いた広角化について説明する模式図であり、（Ｅ）は、凸ミラーを用いた広角化について説明する模式図であり、（Ｆ）は、シフト光学系について説明する模式図である。（Ａ）は、マスターレンズのみによる投写について説明する図であり、（Ｂ）は、平面ミラーによる光線の折り返しについて説明する図であり、（Ｃ）は、近接化とミラーの変形について説明する図であり、（Ｄ）は、非球面ミラーの非球面形状について説明する図である。像高と光線距離との関係を説明する図。近接化と光線距離の変化とについて説明する図。（Ａ）は、近接投写のために傾けられた像面のシミュレーション例を示す図であり、（Ｂ）は、マスターレンズの光学特性について説明する図である。傾けられた像面をマスターレンズによって得るための手法を説明する図。バックフォーカスと像面の倒れとについて説明する図。スクリーンでの結像について説明する図。（Ａ）は、第１実施形態の実施例の光学系について説明する図であり、（Ｂ）は、実施例の光学系による近接投射を説明する図である。（Ａ）は、本体部から投写ユニットを切り離した状態を示し、（Ｂ）は、本体部から投写ユニットを切り離した場合の中遠距離投射を説明する図である。（Ａ）、（Ｂ）は、図１４（Ｂ）の系から投写ユニットを除いた状態を示す図及びその拡大図である。本発明の第２実施形態に係るプロジェクターの各光学要素の模式図。（Ａ）は、第２実施形態におけるマスターレンズの光学特性について説明する図であり、（Ｂ）は、近接投写のために傾けられた像面のシミュレーション例を示す図。本発明の第３実施形態に係るプロジェクターの概要を説明する図。第３実施形態のプロジェクターの各光学要素の模式図。（Ａ）は、第３実施形態の実施例の光学系について説明する図であり、（Ｂ）は、実施例の光学系による近接投射を説明する図である。（Ａ）は、本体部から投写ユニットを切り離した状態を示し、（Ｂ）は、本体部から投写ユニットを切り離した場合の中遠距離投射を説明する図である。（Ａ）は、図２１（Ｂ）の系から投写ユニットを除いた状態を示す拡大図及び光束状態を示す図であり、（Ｂ）は、広角化ミラーを除いた状態を示す。第４実施形態に係るプロジェクターの各光学要素の模式図。本発明の第５実施形態に係る電子黒板の正面側斜視図。電子黒板の背面側斜視図。（Ａ）は、プロジェクター固定部とその周辺部分を示す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示す状態から本体部が取り外された状態を示す図である。ガイド構造を備えるプロジェクター固定部を示す図。画面表示部に形成されているフレネルレンズの断面模式図。棒状部材に代えてカバーが設けられた電子黒板の背面側斜視図。第５実施形態の変形例に係る電子黒板の正面側斜視図。

以下に図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係るプロジェクター１の概略構成を示す図である。プロジェクター１は、本体部２及び投写ユニット３を有する。本体部２は、画像信号に応じた映像光を射出する。投写ユニット３は、本体部２からの映像光をスクリーンＳＣの被照射面へ向けて投写させる。

図２は、本体部２の概略構成を示す図である。光源１０は、例えば、超高圧水銀ランプであって、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を含む光を射出する。ここで、光源１０は、超高圧水銀ランプ以外の放電光源であっても良いし、ＬＥＤやレーザーのような固体光源であっても良い。第１インテグレーターレンズ１１及び第２インテグレーターレンズ１２は、アレイ状に配列された複数のレンズ素子を有する。第１インテグレーターレンズ１１は、光源１０からの光束を複数に分割する。第１インテグレーターレンズ１１の各レンズ素子は、光源１０からの光束を第２インテグレーターレンズ１２のレンズ素子近傍にて集光させる。第２インテグレーターレンズ１２のレンズ素子及び重畳レンズ１４は、第１インテグレーターレンズ１１のレンズ素子の像を液晶表示パネル１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂに形成する。このような構成により、光源１０からの光が液晶表示パネル１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの所望の領域（画像表示面）全体を、略均一な明るさで照明する。

偏光変換素子１３は、第２インテグレーターレンズ１２からの光を所定の直線偏光に変換させる。重畳レンズ１４は、第１インテグレーターレンズ１１の各レンズ素子の像を液晶表示パネル１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの照射面上で重畳させる。第１ダイクロイックミラー１５は、重畳レンズ１４から入射したＲ光を反射させ、Ｇ光及びＢ光を透過させる。第１ダイクロイックミラー１５で反射したＲ光は、反射ミラー１６及びフィールドレンズ１７Ｒを経て、空間光変調装置である液晶表示パネル１８Ｒへ入射する。液晶表示パネル１８Ｒは、Ｒ光を画像信号に応じて変調する。

第２ダイクロイックミラー２１は、第１ダイクロイックミラー１５からのＧ光を反射させ、Ｂ光を透過させる。第２ダイクロイックミラー２１で反射したＧ光は、フィールドレンズ１７Ｇを経て、空間光変調装置である液晶表示パネル１８Ｇへ入射する。液晶表示パネル１８Ｇは、Ｇ光を画像信号に応じて変調する。第２ダイクロイックミラー２１を透過したＢ光は、リレーレンズ２２、２４、反射ミラー２３、２５、及びフィールドレンズ１７Ｂを経て、空間光変調装置である液晶表示パネル１８Ｂへ入射する。液晶表示パネル１８Ｂは、Ｂ光を画像信号に応じて変調する。色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム１９は、各液晶表示パネル１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂで変調された光を合成して映像光とし、投写レンズ２０へ進行させる。投写レンズ２０は、本体部２から映像光を射出させる射出光学系として機能する。なお、空間光変調装置としては、透過型の液晶表示パネル１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂに代えて、反射型の液晶表示パネルを採用しても良い。また、空間光変調装置としては、反射型のデバイス（例えば、マイクロミラーデバイス等）を採用しても良い。

図３（Ａ）は、本体部２単体によって映像光を投写した場合の投写距離について説明する模式図である。本体部２は、プロジェクター１から着脱可能とされている。プロジェクター１から取り外された単体の本体部２は、投写レンズ２０から投写させた映像光により、被照射面に映像を映し出す。この場合、本体部２は、スクリーンＳＣ側へ投写レンズ２０を向けて設置される。本体部２は、距離Ａから距離Ｂ（Ａ＜Ｂとする）の間において、同じ画面サイズでフォーカスを合わせることが可能であるとする。

図３（Ｂ）は、本体部２に投写ユニット３を組み合わせて映像光を投写した場合の投写距離について説明する模式図である。プロジェクター１は、投写レンズ２０から射出された映像光を投写ユニット３により投写させ、被照射面に映像を映し出す。この場合、本体部２は、スクリーンＳＣとは反対側の投写ユニット３へ投写レンズ２０を向けて、プロジェクター１に取り付けられる。プロジェクター１は、距離Ａより短い距離Ｃでの投写が可能となる。

図４は、投写ユニット３の断面構成と、投写ユニット３へ入射する前後における映像光の光線とを示す図である。投写ユニット３は、光学要素として、第１レンズ３１、第２レンズ３２及び広角化ミラー３３を備える。第１レンズ３１及び第２レンズ３２は、投写レンズ２０に対向する位置に配置されている。第１レンズ３１及び第２レンズ３２は、例えば、いずれも球面レンズである。第１レンズ３１及び第２レンズ３２は、レンズ支持部３４により、基板３６上に支持されている。

広角化ミラー３３は、第１レンズ３１及び第２レンズ３２からの映像光が入射する位置に設けられている。広角化ミラー３３は、映像光を反射させて広角化させる非球面ミラーである。広角化ミラー３３は、ミラー支持部３５により、基板３６上に支持されている。
第１レンズ３１及び第２レンズ３２と、広角化ミラー３３とは、共通の基板３６を介して位置決めされ、固定されている。

広角化ミラー３３は、中心軸（光軸）に関して略回転対称な形状、例えば、円錐形状の一部を切り取った非球面形状を備える。広角化ミラー３３の中心軸は、投写レンズ２０の光軸ＡＸと一致している。第１レンズ３１及び第２レンズ３２の光軸も、投写レンズ２０の光軸ＡＸと一致している。このように、投写レンズ２０、第１レンズ３１、第２レンズ３２及び広角化ミラー３３は、光軸を一致させて配置されている。

投写レンズ２０、第１レンズ３１、第２レンズ３２及び広角化ミラー３３は、画像信号に応じて変調された光を、特定の側へシフトさせて進行させる。具体的には、像側において、光軸ＡＸに対して特定の側である鉛直上側へ光をシフトさせて進行させる。クロスダイクロイックプリズム１９の入射面に仮想的に形成される像面の中心法線（後で説明する表示面ＤＳの画像表示面領域の中心法線と等しい）は、光軸ＡＸに対して平行であって、光軸ＡＸに対して特定の側とは反対側である鉛直下側にある。

なお、投写レンズ２０及び投写ユニット３を説明する際に、物体側とは液晶表示パネル側であり、像側とは像面ＩＭＧ側又はスクリーンＳＣ側である。

本体部２は、例えば、投写ユニット３とは完全に別体構造とし、プロジェクター１から着脱可能とされる。また、本体部２は、プロジェクター１内で移動させることとし、投写ユニット３と一体に構成されることとしても良い。例えば中長距離投写の場合、投写レンズ２０から投写される映像光が投写ユニット３により遮られない位置に本体部２を移動させる構成としても良い。本体部２と投写ユニット３とを一体構成とする場合、プロジェクター１の持ち運び後における両者の位置調整を省略できるなどにより、使用者の利便性を向上させることが可能となる。もちろん、本体部２を固定し、投写レンズ２０から投写される映像光が投写ユニット３により遮られない位置に投写ユニット３が移動できるようにしてもよい。

図５は、プロジェクター１の投射用光学系を構成する各光学要素を説明の都合上機能的に区分した模式図である。投射用のマスターレンズＭＬは、単独で図３（Ａ）に示すような中長距離投写を可能にする投写レンズ２０に相当する。正のパワーの光学要素Ｌ１と負のパワーの光学要素Ｌ２とを組み合わせたものは、投写レンズ２０との連結によって図３（Ｂ）に示すような近接投写を可能にする投写ユニット３に相当する。このうち光学要素Ｌ１は、投写ユニット３を構成する屈折光学系３０のうち物体側の第１レンズ３１に相当する。また、光学要素Ｌ２は、屈折光学系３０のうち像側の第２レンズ３２と投写ユニット３を構成する反射光学系としての広角化ミラー３３とを組み合わせたものに相当する。光学要素Ｌ２のうち第２レンズ３２は、負のパワーの光学要素Ｌ２１に相当し、広角化ミラー３３は、非球面ミラーＡＭに相当する。第１レンズ３１及び第２レンズ３２を備える屈折光学系３０は、マスターレンズＭＬからの光の像面を拡大する拡大光学系Ｗに相当する。なお、投写レンズ２０には、可動機構２２が付属しており、投写ユニット３の着脱に際して、投写レンズ２０の位置を手動又は電動で相対的に変更することができるようになっている。

次に、プロジェクター１による近接投写における各光学要素の機能について説明する。例えば、図６（Ａ）に示す焦点距離ｆのマスターレンズＭＬに対して、光学要素の追加により焦点距離を短縮化させるとする。焦点距離を短縮化させるには、像の倍率を拡大させるための光学系として、アフォーカル光学系を追加することが考えられる。

アフォーカル光学系は、例えば図６（Ｂ）に示すように、正のパワーの光学要素Ｌ１と負のパワーの光学要素Ｌ２とを組み合わせて構成される。光学要素Ｌ１は、例えば凸レンズである。光学要素Ｌ２は、例えば凹レンズであって、光学要素Ｌ１の射出側に設けられている。光学要素Ｌ１と光学要素Ｌ２とは、焦点位置を合わせて配置される。焦点距離ｆ１の光学要素Ｌ１と焦点距離ｆ２の光学要素Ｌ２とは、倍率（−ｆ１／ｆ２）のガリレオ式望遠鏡を構成する。

図６（Ｃ）に示すように、光学要素Ｌ１及び光学要素Ｌ２からなるアフォーカル光学系の入射側にマスターレンズＭＬを配置すると、倍率（−ｆ１／ｆ２）のフロントコンバーター（この場合、広角化用のワイドコンバーター）になる。焦点距離は、マスターレンズＭＬのみの場合のｆに対して、ｆ'（＝ｆ×（−ｆ１／ｆ２））へ短縮化される。レンズからなる光学系で広角化（アフォーカル倍率の高倍率化）をするほど、色収差の発生が顕著となるため、色収差を低減させるためのレンズを併用することとなる。図６（Ｄ）に示すように、凹レンズである光学要素Ｌ２の曲率を大きくすることで、例えば１３０度以上の広角化を実現しようとする場合、色収差低減のためのレンズを使用しても、光学要素Ｌ２に起因する色収差の低減が困難となる。

そこで、図６（Ｅ）に示すように、負のパワーの光学要素Ｌ２として、凹レンズに代えて凸面を備えるミラーを有するものを用いることとする。光線角度の変化が大きくなる部分にミラーを使用することにより、色収差を低減させる。光学要素Ｌ２として使用されるミラーは、広角化の他、反射により光を折り返す機能も備える。そこで、図６（Ｆ）に示すように、マスターレンズＭＬ、光学要素Ｌ１及び光学要素Ｌ２をシフト光学系として、表示面ＤＳを光軸ＡＸから外すことにより、光軸ＡＸ近傍の光線の干渉を回避させる。なお、表示面ＤＳとは、本実施形態の本体部２の液晶表示パネル１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂにおいて画像信号に応じた画像が形成される画像表示面に対応する。

図７（Ａ）に示すように、マスターレンズＭＬのみでスクリーンＳＣへ光を投写させる場合の光線は、図７（Ｂ）に示すように単純な平面ミラーＰＭを光路中に挿入することで折り返される。光線の折り返し部分とスクリーンＳＣとを近接化させるには、図７（Ｃ）に示すように、折り返し部分の平面ミラーＰＭを湾曲させる変形が必要となる。平面ミラーＰＭの変形により得られる非球面ミラーＡＭは、近接化させたスクリーンＳＣへマスターレンズＭＬからの光線を反射させるように反射面を連続させることにより得られる。このようにして得られる非球面ミラーＡＭは、図７（Ｄ）に示すように、光軸ＡＸに近くなるに従い曲率が増大するような非球面形状を備える。これにより、近接投写により、近接化させたスクリーンＳＣすなわち被照射面で像を結像させることができる。

図８は、像高と光線距離との関係を説明する図である。像高とは、光軸ＡＸを基準とする鉛直方向についての像の高さとする。マスターレンズＭＬによる一般的な中長距離投写の場合、像高が最小である部分の倍率ａｓ０／ａｐと、像高が最大である部分の倍率ｂｓ０／ｂｐとは近い値となり、像面ＩＭＧ０は光軸ＡＸに略垂直（表示面ＤＳに略平行）となる。これに対して、投写ユニット３を追加した超短距離の近接投写の場合、スクリーンＳＣと非球面ミラーＡＭとの間の投写距離Ｌが短くなることにより、像高が最小である部分の倍率ａｓ／ａｐと、像高が最大である部分の倍率ｂｓ／ｂｐとは大きく異なる値となる。仮に光学要素Ｌ２すなわち非球面ミラーＡＭが無いものとして光線を直進させたとすると、図中破線で示すように、光軸ＡＸの法線Ｎに対して大きく傾けられた像面ＩＭＧを形成することとなる。非球面ミラーＡＭは、映像光を反射させることにより、像面ＩＭＧを光軸ＡＸに対して垂直（表示面ＤＳに平行）に正立又は倒立させる役割を果たしている。像面ＩＭＧを表示面ＤＳに平行に正立又は倒立させることにより、表示面ＤＳに平行なスクリーンＳＣの被照射面において適正に結像させることができる。

非球面ミラーＡＭは、以下の多項式ｈで表される非球面形状を含む。ここで、ｙは光軸ＡＸからの像の高さ（像高）、ｃは非球面ミラーＡＭの形状の基準とする球面の曲率、ｋは円錐定数、Ａ２、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、・・・のそれぞれは所定の補正項とする。

上記式の分数項は、基準となる非球面形状を表す項であって、ｋ＝０である場合に球面形状を表す。補正項は、その基準となる非球面形状からのずれを表す。上記式は、基準となる非球面形状が補正項によって補正されても、中心軸に関して回転対称な非球面形状を表している。なお、多項式ｈにおける補数項の個数は、任意であるものとする。

映像光を広角化させる場合、一般的に、光軸ＡＸから遠くの周辺部ほど、歪曲等の収差が発生し易くなるため、特に、周辺部の収差を大きく低減させる設計が必要とされる。本実施形態では、非球面ミラーＡＭの形状を表す多項式ｈに補数項が含まれることで、ｃ及びｋで定められた二次曲線に対し、光軸ＡＸからの高さｙに応じた形状の補正が可能となる。各補数項にはｙの階乗が乗算されることから、ｙが大きくなる部分ほど効果的に補正がなされることとなる。従って、非球面ミラーＡＭ等を含む投写ユニット３によってマスターレンズＭＬを短焦点化しても、周辺部に歪曲等の収差が非常に少なく高性能な光学系を実現することが可能となる。なお、非球面ミラーＡＭの形状を表す式は、本実施形態で説明するものに限られず、適宜変形しても良い。さらに、広角化ミラー３３の形状は、ＸＹ多項式として表される自由曲面であっても良い。また、広角化ミラーは、負のパワーを持つ凸面ミラーに代えて、正のパワーを持つ凹面ミラーであっても良い。

図９に示すように、スクリーンＳＣと非球面ミラーＡＭとをさらに近接化させていくと、像高が最大である部分については、光線の距離がｂｓからｂｓ'へと変化する。像高が高い部分については、このように光線の距離を変化させるように非球面ミラーＡＭの形状を表す多項式を調整することにより、効果的な補正が可能となる。近接化が進められると、像高が高い部分のみならず、像高が低い部分についても、光線の距離をａｓからａｓ'と変化させるような補正が必要となってくる。像高が低い部分ほど、上記の非球面ミラーＡＭの多項式による補正が困難となる。そこで、本実施形態では、像高が低い部分については、非球面ミラーＡＭによる収差補正によらず、マスターレンズＭＬの光学特性を利用して収差補正を行うこととする。

図１０（Ａ）は、比較例における近接投写のために傾けられた像面ＩＭＧのシミュレーション例を示す図である。図１０（Ａ）に示されたマスターレンズＭＬのみによって結像される近接透写のために傾けられた像面ＩＭＧは、一般的な中長距離投写における焦点距離の範囲ＦＬまで倒される。このようなマスターレンズＭＬからの光を、非球面ミラーＡＭを介してスクリーンＳＣ上に結像させると、像面ＩＭＧは表示面ＤＳと平行となり、表示面ＤＳと平行なスクリーンＳＣ上に適切に画像を投写することができる。しかしながら、かかる像面ＩＭＧの投写をマスターレンズＭＬのみによって通常の中長距離投写における焦点距離の範囲ＦＬ内のスクリーンＳＣ上へ行う場合に、被照射面（表示面ＤＳに平行な面）に対して像面が傾けられたままとなりやすく、結果的に被照射面における結像が容易でなくなる。そこで、本実施形態は、マスターレンズＭＬによってマスターレンズＭＬに比較的近い位置（一般的な中長距離投写における焦点距離の範囲ＦＬよりマスターレンズＭＬ側の範囲）に傾きを持たせた像面を得てから、その像を投写ユニット３の拡大光学系Ｗによって拡大させるとともに被球面ミラーＡＭでその像を表示面ＤＳと平行にして、近接する表示面ＤＳに平行なスクリーンＳＣ上に投写する構成を採用する。

図１０（Ｂ）は、本実施形態におけるマスターレンズＭＬの光学特性について説明する図である。マスターレンズＭＬによる像面は、所定距離より遠方の範囲である結像範囲においては、光軸ＡＸに対して略垂直（表示面ＤＳに略平行）に正立又は倒立し、それより近くの範囲においては、法線Ｎに対して傾けられる。マスターレンズＭＬは、像面を表示面ＤＳに対して平行に正立又は倒立させる第１の範囲ＦＬ１を使用して単独で中長距離投写をする。また、マスターレンズＭＬは、第１の範囲ＦＬ１よりマスターレンズＭＬ側の第２の範囲ＦＬ２では、図中太線で表すように、法線Ｎに対して傾けられた像面ＩＭＧ'を作り、超短距離の近接投写用とする。像面ＩＭＧ'を投写ユニット３の拡大光学系Ｗによって拡大させたものは、図１０（Ａ）に示すシミュレーション例における像面ＩＭＧに対応するものとなる。つまり、像面ＩＭＧ'は、図１０（Ａ）に示す像面ＩＭＧに対して小さいものとする。

図１１は、傾けられた像面をマスターレンズＭＬによって得るための手法を説明する図である。図中上段は、バックフォーカスをｆａとする中長距離投写の場合を示す（第１のモード）。第１のモードは、本体部２すなわちマスターレンズＭＬ単体で被照射面に画像を表示するモードであり、通常表示状態に相当する。図中下段は、バックフォーカスをｆａ'（ｆａ＜ｆａ'）とする超短距離の近接投写の場合を示す（第２のモード）。第２のモードは、本体部２と投写ユニット３とを組み合わせて被照射面に画像を表示するモードであり、マクロ表示状態に相当する。

第２のモード（マクロ表示状態）では、図５の可動機構２２により、第１のモード（通常表示状態）におけるマスターレンズＭＬの通常の位置に対して、バックフォーカスが長くなるように、マスターレンズＭＬを光軸ＡＸ方向について移動させる。近軸での結像位置をマスターレンズＭＬ側に移動させると、一般に、光軸ＡＸから離れた映像光による像面には倒れが生じることとなる。例えば、図１２に示すように、バックフォーカスを＋０から拡大させるに従って像面の倒れは不規則に現れ、＋０．５付近では、法線Ｎに対して完全に傾けられる。

超短距離の投写のための第２のモードを実現可能にマスターレンズＭＬを作製しておくことで、マスターレンズＭＬ等を備える本体部２を非球面ミラーＡＭ等を備える投写ユニット３に組み合わせる場合に、高い光学性能を発揮させることができる。本体部２内でマスターレンズＭＬを光軸ＡＸ方向について移動させる簡易な動作によってモードを変換可能とすることで、ほとんどコストアップを生じさせず、簡単かつ高精度な構成を実現できる。なお、傾けられた像面ＩＭＧ'をマスターレンズＭＬによって得る方法は、マスターレンズＭＬを光軸ＡＸの方向について移動させる場合に限られない。マスターレンズＭＬを構成する少なくとも一つのレンズの傾きを変化させることにより、傾けられた像面ＩＭＧ'を得ることとしても良い。この場合も、簡易な動作によるモードの変換が可能である。

第２のモードにおいて、マスターレンズＭＬによる像面ＩＭＧ'は、拡大光学系Ｗによって、図１０（Ａ）のシミュレーション例に示す像面ＩＭＧにまで拡大される。傾けられた像面ＩＭＧ'の像を拡大光学系Ｗによって拡大させた映像光は、図１３に示すように、非球面ミラーＡＭで反射させることにより表示面ＤＳに略平行に正立又は倒立して光軸ＡＸに対して略垂直なスクリーンＳＣ上で結像される。

以下、図５を参照してプロジェクター１を構成する投写ユニット３や投写レンズ２０の機能について説明する。マスターレンズＭＬに相当する投写レンズ２０は、光軸ＡＸの法線Ｎに対して傾けられた像面ＩＭＧ'（図１０（Ｂ）参照）を形成することができる。投写レンズ２０は、特に、像高が低い部分について、収差を補正する機能を持つ。投写ユニット３すなわち第１レンズ３１、第２レンズ３２及び広角化ミラー３３は、像を拡大させるフロントコンバーターとして機能する。

なお、図６（Ｃ）に示すようなフロントコンバーターに対して、本実施形態では図６（Ｆ）に示すようなシフト光学系を採用することから、焦点位置が若干異なることとなる。このために生じる諸収差に対しては、広角化ミラー３３による補正や、収差を低減させるためのレンズを併用する措置を取り得る。また、屈折光学系３０を構成する第１レンズ３１及び第２レンズ３２は、球面レンズに代えて非球面レンズを採用することとして、収差を補正する機能を持たせることとしても良い。このように収差補正の機能を持たせた複数の光学要素を組み合わせることにより、高性能な光学使用を満足させることが可能となる。特に、屈折光学系３０を構成するレンズ群内において、球面レンズに代えて非球面レンズや自由曲面レンズを採用することで、レンズの枚数を少なくさせることや、レンズを小型化させることも可能となる。これにより、コスト低減や鏡枠の小型化が可能となる。

正のパワーの光学要素Ｌ１である第１レンズ３１と、負のパワーの光学要素Ｌ２１である第２レンズ３２は、投写レンズ２０及び広角化ミラー３３の間において、投写レンズ２０による傾けられた像面ＩＭＧ'を拡大させる拡大光学系Ｗとして機能する。つまり、第１レンズ３１と第２レンズ３２とを備える拡大光学系Ｗは、光軸ＡＸの法線Ｎに対して傾けられた像面ＩＭＧ'をなす像について倍率を変換させる変倍光学系として機能する。

非球面ミラーＡＭに相当する広角化ミラー３３は、第２レンズ３２とともに第２光学要素Ｌ２を構成する。広角化ミラー３３は、拡大光学系Ｗにより拡大された像面ＩＭＧ（図１０（Ａ）参照）がスクリーンＳＣの被照射面に略平行になるように、映像光を折り返す。また、広角化ミラー３３は、特に、像高が高い部分について、収差を補正させる機能を持つ。

広角化ミラー３３は、中心軸に関して略回転対称な形状とすることで、他の構成（投写レンズ２０及び屈折光学系３０）との光軸ＡＸ合わせを容易にできる。また、広角化ミラー３３は、旋盤等による加工が可能であるため、容易かつ高い精度で製造することができる。プロジェクター１は、共軸光学系を採用することにより、通常の共軸光学系の設計手法を採用することが可能である。よって、光学系の設計工数を少なくし、かつ収差が少ない光学系を実現することができる。

本実施形態は、所定の間隔をなして複数の光学要素を配置する構成を採用することから、光軸を揃えることで組み立てを容易にでき、高い性能の実現も可能となる。特に、本体部２の着脱の際、本体部２の投写レンズ２０と、投写ユニット３の各光学要素との高精度な位置合わせが要求されることとなる。光軸を共通とすることで、本体部２側の光学要素と、投写ユニット３側の光学要素との位置調整をし易くすることができる。共軸光学系の場合、光軸から周辺に向かっての光学性能の変化が、偏芯光学系における光学性能の変化に対して緩やかにできる。このため、配置精度にある程度の余裕を持たせることが可能となるため、本発明に適した構成を実現可能となる。

以上により、画像の品質を劣化させずに、一台のプロジェクター１による超短距離の近接投写と中長距離投写とを実現することが可能となる。一台のプロジェクター１によって、超短距離から中長距離まで、広い投写距離をカバーすることができる。なお、本実施形態の投写ユニット３は、従来の投写型のプロジェクターと組み合わせることとしても良い。図１０（Ｂ）に示すような第２の範囲ＦＬ２において倒れた像面の像を形成可能な投写レンズを備えた従来のプロジェクターに投写ユニット３を適用して、本実施形態と同様の近接投写を実現できる。

投写ユニット３は、少なくとも広角化ミラー３３を有するものであれば良く、適宜変形しても良い。例えば、第２レンズ３２の変倍に寄与する機能は、広角化ミラー３３に持たせることとしても良い。さらに、第１レンズ３１の機能、或いは第１レンズ３１及び第２レンズ３２双方の機能は、本体部２の光学系、例えば投写レンズ２０に持たせることとしても良い。この場合も、プロジェクター１は、近接投写をすることができる。

図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）は、第２のモードの投写レンズ２０及び投写ユニット３を組み合わせた近接投射の具体的な実施例１を説明する図である。ここで、投写レンズ２０は、レンズＬ０１〜Ｌ１０を有する。また、投写ユニット３は、第１及び第２レンズ３１，３２と、広角化ミラー３３とを有する。

以下の表１に、実施例１のレンズデータ等を示す。この表１において、「面番号」は、物体面ＯＳ側から順に各レンズの面に付した番号である。また、「面タイプ」は、球面・非球面の別や反射面であることを示し、「Ｒ」は、曲率半径を示し、「Ｄ」は、次の面との間のレンズ厚み或いは空気空間を表している。さらに、「Ｎｄ」は、レンズ材料のｄ線における屈折率を示し、「νｄ」はレンズ材料の分散を示す。

実施例１において、投写レンズ２０や投写ユニット３は、基本的に球面で形成されているが、第５レンズＬ０５の射出面と、第９レンズＬ０９の入出射面と、広角化ミラー３３とについては、非球面となっている。これらの非球面形状の光軸ＯＡ方向の面頂点からの変位量は、上述の多項式ｈとして与えられる。実施例１を構成する非球面の円錐定数「ｋ」、高次補正項「Ａ_２」〜「Ａ_１０」の値については、下記の表２に示した通りである。

図１４（Ｂ）は、本体部２に投写ユニット３を接続した場合のスクリーンＳＣへの投射状態を示している。図からも明らかなように、スクリーンＳＣ上に良好な結像状態で近接投写が行われている。

図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）は、本体部２から投写ユニット３を切り離し投写レンズ２０が第１のモードとなった状態を示している。この場合、図１４（Ａ）の状態と比較すると、第１レンズＬ０１〜第１０レンズＬ１０が一体的に物体側に移動して通常表示状態となっている。

図１５（Ｂ）は、本体部２から投写ユニット３を切り離した場合のスクリーンＳＣへの投射状態を示している。この場合、投写レンズ２０は、通常表示状態となっている。図からも明らかなように、投写レンズ２０単独でスクリーンＳＣ上に良好な結像状態で近接投写が行われている。

図１６（Ａ）は、図１４（Ｂ）の状態から投写ユニット３を除き、投写レンズ２０はマクロ表状態のままの場合を示しており、正面のスクリーンＳＣ上に像面ＩＭＧ'が結像されず、投写レンズ２０に近い位置に像面ＩＭＧ'が結像されていることが分かる。

図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）の一部を拡大した図であり、投写ユニット３がないとした場合、投写レンズ２０に近い位置で傾いた像面ＩＭＧ'が形成されていることが分かる。

〔第２実施形態〕
図１７は、本発明の第２実施形態に係るプロジェクターの各光学要素を機能的に説明する模式図である。本実施形態は、第１実施形態の拡大光学系Ｗに代えて設けられた縮小光学系Ｒを備えることを特徴とする。第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。投写ユニット３は、光学要素として、第１レンズ４１、第２レンズ４２及び広角化ミラー３３を備える。投写レンズ（射出光学系）２０、第１レンズ４１、第２レンズ４２及び広角化ミラー３３は、光軸を一致させて配置されている。

第１レンズ４１は、負のパワーの光学要素であって、球面或いは非球面を備える凹レンズである。第２レンズ４２は、第１レンズ４１の射出側に設けられた正のパワーの光学要素であって、球面或いは非球面を備える凸レンズである。本実施形態は、投写レンズ２０であるマスターレンズＭＬによって傾きを持たせた像面を得てから、その像を投写ユニット３の縮小光学系Ｒによって縮小させる構成を採用する。縮小光学系Ｒは、第１レンズ４１と第２レンズ４２とを含む屈折光学系４０によって構成される。縮小光学系Ｒは、光軸ＡＸの法線Ｎに対して傾けられた像面をなす像について倍率を変換させる変倍光学系として機能する。

図１８（Ａ）は、本実施形態におけるマスターレンズＭＬの光学特性について説明する図である。マスターレンズＭＬによる像面は、所定距離より近くの範囲である結像範囲においては、光軸ＡＸに対して略垂直（表示面ＤＳに略平行）に正立又は倒立し、それより遠くの範囲においては、法線Ｎに対して傾けられる。マスターレンズＭＬは、像面を表示面ＤＳに平行に正立又は倒立させる第１の範囲ＦＬ１を使用して中長距離投写をする。また、マスターレンズＭＬは、マスターレンズＭＬから見て第１の範囲ＦＬ１より遠くの第２の範囲ＦＬ２では、図中太線で表すように、法線Ｎに対して傾けられた像面ＩＭＧ'を作り、超短距離の近接投写用とする。

図１８（Ｂ）は、近接投写のために傾けられた像面ＩＭＧのシミュレーション例を示す図である。マスターレンズＭＬによる像面ＩＭＧ'は、縮小光学系Ｒによって、図示する像面ＩＭＧにまで縮小される。傾けられた像面ＩＭＧ'の像を縮小光学系Ｒによって縮小させた映像光は、非球面ミラーＡＭで反射させることにより表示面ＤＳに平行に正立又は倒立して近接化させたスクリーンに結像される。

このように、投写レンズ（射出光学系）２０は、単独で使用される第１のモードにおいて、第１の範囲ＦＬ１で像面を表示面ＤＳに正立又は倒立させた中長距離投写をする。また、投写レンズ２０は、投写ユニット３と組み合わせる第２のモードにおいて、可動機構２２等の活用により光軸ＡＸの法線Ｎに対して傾けられた像面ＩＭＧ'（図１８（Ａ）参照）を形成する。投写ユニット３を構成する第１レンズ４１、第２レンズ４２及び広角化ミラー３３は、全体として、像を拡大させるフロントコンバーターとして機能する。このうち、第１レンズ４１及び第２レンズ４２は、縮小光学系Ｒとして、マスターレンズＭＬ及び広角化ミラー３３の間において、マスターレンズＭＬによる傾けられた像面ＩＭＧ'を縮小させる。傾けられた状態で適度に縮小された像面ＩＭＧ'に対応する映像光は、非球面ミラーＡＭで反射させることにより、第１実施形態の場合と同様に表示面ＤＳに略平行に正立又は倒立した光軸ＡＸに対して略垂直な状態で近接配置されたスクリーンＳＣ（図１３参照）上で結像される。本実施形態の場合も、画像の品質を劣化させずに、一台のプロジェクター１による超短距離の近接投写と中長距離投写とを実現することが可能となる。

〔第３実施形態〕
図１９は、第３実施形態に係るプロジェクターを説明する模式図である。本実施形態のプロジェクター１は、第１実施形態のプロジェクター１を変形したものであり、同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態のプロジェクター１において、本体部２は、単独で前方のスクリーンＳＣに対して中長距離投写を可能にする。投写ユニット３は、本体部２に接続されることで後方のスクリーンＳＣに対して短距離投写を可能にする。

投写ユニット３は、光学要素として、屈折光学系１３０と広角化ミラー１３３とを備え、これらの光学要素１３０，１３３は、光軸を一致させた状態で不図示の基板上に一体的に支持されている。なお、屈折光学系１３０は、例えば第１レンズ１３１と第２レンズ１３２とを含む。

図２０は、プロジェクター１の投射用光学系を構成する各光学要素を説明の都合上機能的に区分した模式図である。投写レンズ（射出光学系）２０は、図５のマスターレンズＭＬに相当するものであり、単独で図１９に示すような中長距離投写を可能にする。投写ユニット３は、図５の正のパワーの光学要素Ｌ１と負のパワーの光学要素Ｌ２とを組み合わせたものである。このうち光学要素Ｌ１は、投写ユニット３を構成する屈折光学系１３０のうち物体側の第１レンズ１３１に相当し、光学要素Ｌ２は、屈折光学系１３０のうち像側の第２レンズ１３２と広角化ミラー１３３とを組み合わせたものである。

広角化ミラー１３３は、図５の非球面ミラーＡＭと同様に、像面ＩＭＧを光軸ＡＸに対して垂直（表示面ＤＳに平行）に正立又は倒立させるとともにスクリーンＳＣ上での像面湾曲を低減する役割を果たしている。

本実施形態において、投写レンズ２０の移動によって、投写レンズ２０を第１のモード（中長距離投写、通常表示状態）と第２のモード（近接投写、マクロ表示状態）とに切り換えることができる。すなわち、投写レンズ２０を光軸ＡＸに沿って例えば像側に移動させることで第２のモードとすることができ、比較的近い位置に像面を形成することができる。また、正のパワーの第１レンズ１３１と負のパワーの第２レンズ１３２とにより、この比較的近い位置の像面に傾きを持たせるとともに、その像を拡大させ、広角化ミラー１３３で像を表示面ＤＳと平行にすることによって、近接するスクリーンＳＣ上への投写を可能にする。つまり、屈折光学系１３０は、像面制御光学系である像面傾斜光学系Ｔとしての機能と、変倍光学系である拡大光学系Ｗとしての機能とを兼ね備えたものとなっている。結果的に、本実施形態の投写レンズ２０は、第１実施形態の場合と異なり、それ自体で像面制御光学系としての機能を有していない。

本実施形態によれば、画像の品質を劣化させずに、一台のプロジェクター１による超短距離の近接投写と中長距離投写とを実現することが可能となる。一台のプロジェクター１によって、超短距離から中長距離まで、広い投写距離をカバーすることができる。

図２１（Ａ）及び図２１（Ｂ）は、第２のモードの投写レンズ２０及び投写ユニット３を組み合わせた近接投射の具体的な実施例２を説明する図である。ここで、投写レンズ２０は、レンズＬ０１〜Ｌ１０を有する。また、投写ユニット３は、第１及び第２レンズ１３１，１３２と、広角化ミラー３３とを有する。

以下の表３に、実施例２のレンズデータ等を示す。この表３において、「面番号」、「面タイプ」、「Ｒ」、「Ｄ」、「Ｎｄ」、「νｄ」等は、実施例１と同様のものを意味するものとする。

実施例２において、投写レンズ２０や投写ユニット３は、基本的に球面で形成されているが、第５レンズＬ０５の射出面と、第９レンズＬ０９の入出射面と、広角化ミラー３３とについては、非球面となっている。これらの非球面形状の光軸ＯＡ方向の面頂点からの変位量は、上述の多項式ｈとして与えられる。実施例２を構成する非球面の円錐定数「ｋ」、高次補正項「Ａ_２」〜「Ａ_１０」の値については、下記の表４に示した通りである。

図２１（Ｂ）は、本体部２に投写ユニット３を接続した場合のスクリーンＳＣへの投射状態を示している。図からも明らかなように、スクリーンＳＣ上に良好な結像状態で近接投写が行われている。

図２２（Ａ）及び図２２（Ｂ）は、本体部２から投写ユニット３を切り離し投写レンズ２０が第１のモードとなった状態を示している。この場合、図２１（Ａ）の状態と比較すると、第１レンズＬ０１〜第１０レンズＬ１０等が一群として物体側に移動して通常表示状態となっている。

図２２（Ｂ）は、本体部２から投写ユニット３を切り離した場合のスクリーンＳＣへの投射状態を示している。この場合、投写レンズ２０は、通常表示状態となっている。詳細な説明を省略するが、投写レンズ２０単独でスクリーンＳＣ上に良好な結像状態で近接投写が行われている。

図２３（Ａ）は、図２１（Ａ）の状態から投写ユニット３を除き、投写レンズ２０はマクロ表示状態のままの場合を示しており、表示面ＤＳに平行な像は正面の遠いスクリーンＳＣ上に結像されず、投写レンズ２０に近い位置に配置されたスクリーンＳＣ上に結像されていることが分かる。

図２３（Ｂ）は、投写レンズ２０はマクロ表示状態で、投写ユニット３のうち屈折光学系１３０を残し、広角化ミラー３３のみを除いた場合の結像状態を示す図である。このように広角化ミラー３３がないとした場合、投写レンズ２０から離れた位置で大きく傾いた像面像面ＩＭＧ'が形成されていることが分かる。

〔第４実施形態〕
図２４は、本発明の第４実施形態に係るプロジェクターの各光学要素を説明の都合上機能的に区分した模式図である。なお、本実施形態のプロジェクター１は、第３実施形態又は第２実施形態のプロジェクター１を変形したものであり、同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

投写レンズ（射出光学系）２０は、図２０又は図１７のマスターレンズＭＬに相当するものであり、単独で中長距離投写を可能にする。投写ユニット３は、光学要素として、第１レンズ１４１、第２レンズ１４２及び広角化ミラー３３を備える。

投写ユニット３において、第１レンズ１４１は、負のパワーの光学要素であって、球面或いは非球面を備える凹レンズである。第２レンズ１４２は、第１レンズ１４１の射出側に設けられた正のパワーの光学要素であって、球面或いは非球面を備える凸レンズである。

本実施形態において、投写レンズ２０の移動等によって比較的遠い位置に表示面ＤＳに平行な像面を形成する。また、負のパワーの第１レンズ１４１と正のパワーの第２レンズ１４２とにより、この比較的遠い位置の像面に傾きを持たせるとともに、その像を縮小させることによって、近接するスクリーンＳＣ上への投写を可能にする。つまり、屈折光学系１４０は、像面制御光学系である像面傾斜光学系Ｔとしての機能と、変倍光学系である縮小光学系Ｒとしての機能とを兼ね備えたものとなっている。結果的に、本実施形態の投写レンズ２０は、第２実施形態の場合と異なり、それ自体で像面制御光学系又は像面傾斜光学系としての機能を有していない。また、本実施形態の屈折光学系１４０は、第３実施形態の場合と異なり、拡大光学系Ｗではなく縮小光学系Ｒの機能を有している。

本発明は、第１〜第４実施形態で説明した特徴を生かして、背面投写型のプロジェクターに応用してもよい。例えば、背面投写用のスクリーンと投写ユニット３を一体化させ、本体部２を着脱可能とすることで、リア型プロジェクターとしての利用と、フロント投写型プロジェクターとしての利用との実現が可能となる。

〔第５実施形態〕
図２５は、本発明の第５実施形態に係る電子黒板５０の正面側斜視図である。電子黒板５０は、第１〜４実施形態に係るプロジェクター１（図１等参照）と同様に構成されたプロジェクター５１を備える。プロジェクター５１は、本体部５２及び投写ユニット５３を有する。
本体部５２は、画像信号に応じた映像光を射出する。投写ユニット５３は、本体部５２からの映像光を画面表示部５４へ向けて投写させる。本体部５２及び投写ユニット５３は、それぞれ第１〜４実施形態で説明する本体部２（図２等参照）及び投写ユニット３（図４等参照）と同様に構成されている。投写ユニット５３の光学要素は、筐体に収納されている。筐体は、映像光を射出するための開口を備える。

画面表示部５４は、プロジェクター５１から入射した映像光により画像を表示し、かつ映像の表示面への書き込みを可能とする。画面表示部５４は、光を透過させる半透過ガラスもしくは合成樹脂を材料として構成されている。使用者は、書き込み用のツール、例えば、ペンや指し棒等を使用して、画面表示部５４へ文字や図画等を書き込む。また、使用者は、画面表示部５４への書き込みを、消去用のツール等を使用して消去する。

電子黒板５０は、読込装置（図示省略）を備える。読込装置は、画面表示部５４の表示面に書き込まれている書き込み内容や、画面表示部５４に表示されている映像、画面表示部５４にツールを接触あるいは近接させる等により入力された情報等を読み込む。読込装置としては、例えば、ＣＣＤカメラ等のイメージセンサを用いる。電子黒板５０は、読込装置を設けることにより、画面表示部５４への書き込み内容やその際に表示されている映像、入力情報等の記録が可能となる。

画面表示部５４は、枠状の基台５５に取り付けられて設置されている。基台５５のうち二本の脚部５８を繋ぐ角柱５９上には、プロジェクター５１を固定する板状部材であるプロジェクター固定部５６が設けられている。プロジェクター５１は、プロジェクター固定部５６により、画面表示部５４に対して鉛直下側に取り付けられている。プロジェクター固定部５６と基台５５とを繋いで放射状に延びる四本の棒状部材５７は、基台５５におけるプロジェクター固定部５６の取り付け強度を補強するための補強部材として機能する。

図２６は、電子黒板５０の背面側斜視図である。プロジェクター５１は、画面表示部５４のうち映像を観察する正面側とは反対側の裏面へ、映像光を近接投写する。画面表示部５４は、裏面へ入射したプロジェクター５１からの映像光を、正面側へ透過させる。画面表示部５４は、プロジェクター５１から入射した映像光を拡散させる光拡散性を備える。
画面表示部５４は、裏面から映像光を入射させて表示される映像に、表面に書き込まれた文字や図画等を重ね合わせて表示する。観察者は、表面に書き込まれた文字や図画等と、画面表示部５４で拡散した映像光とを観察する。

各棒状部材５７のうちプロジェクター固定部５６側の端部は、投写ユニット５３より後方の位置に接合されている。二本の棒状部材５７については、基台５５側の端部が、基台５５のうち画面表示部５４の左右上端付近に接合されている。残りの二本の棒状部材５７については、基台５５側の端部が、角柱５９と脚部５８とが接続する部分に接合されている。図中の破線矢印は、投写ユニット５３から画面表示部５４の四隅へそれぞれ進行する光線を表している。各棒状部材５７は、プロジェクター５１と画面表示部５４との間において映像光が進行する領域の周辺に配置されている。

棒状部材５７は、映像光が進行する領域の周辺に配置されるように取り付けられることで、映像光を遮らないようにしてプロジェクター固定部５６の取り付け強度を補強する。
また、棒状部材５７は、電子黒板５０の周囲にある物による映像光の遮蔽を防ぐための防御構造としても機能する。

図２７（Ａ）は、電子黒板５０のうち、プロジェクター５１が設置されている状態のプロジェクター固定部５６とその周辺部分を示す図である。この電子黒板５０では、プロジェクター固定部５６によってプロジェクター５１を基台５５に固定することで、画面表示部５４に対して高い精度で位置決めされた状態でプロジェクター５１を保持することが可能となる。これにより、画面表示部５４において高精細な映像を表示することが可能となる。なお、プロジェクター５１のうち投写ユニット５３は、プロジェクター固定部５６に固定されており、プロジェクター５１のうち本体部５２は、投写ユニット５３から分離可能になっており、プロジェクター固定部５６から単独で取り外すことができる。

図２７（Ｂ）は、図２７（Ａ）に示す状態から本体部５２が取り外された状態を示す図である。本体部５２は、プロジェクター固定部５６から適宜着脱可能とされ、単独で使用可能になっている。これにより、本体部５２をプロジェクター固定部５６に取り付けることによる電子黒板５０としての使用（近接投射）と、電子黒板５０から本体部５２を取り出すことによる中長距離投写とが可能となる。画面表示部５４に対して鉛直下側にプロジェクター５１が配置される構成を採用することで、本体部５２は、電子黒板５０のうち低めの位置に設置される。これにより、電子黒板５０への本体部５２の取り付けを容易にすることができる。

また、図２８に示すように、プロジェクター固定部５６は、本体部５２を位置決めするためのガイド構造６０を備えることとしても良い。ガイド構造６０としては、例えば、本体部５２の側面に沿うように形成された板状部材を用いる。本体部５２は、ガイド構造６０に沿ってプロジェクター固定部５６上をスライドさせ、投写ユニット５３のケースに当接させることで位置決めされる。これにより、電子黒板５０に本体部５２を取り付けるごとに、正確な位置に、本体部５２を容易に設置することができる。なお、ガイド構造６０は、ここで図示する構成に限られず、電子黒板５０において本体部５２を投写ユニット５３等に対して位置決め可能であればいずれの構成を採用しても良い。

図２９は、画面表示部５４に形成されているフレネルレンズ６１の断面模式図である。フレネルレンズ６１は、画面表示部５４のうち、プロジェクター５１からの映像光が入射する側の裏面に形成されている。フレネルレンズ６１は、映像光を角度変換する角度変換部として機能する。

フレネルレンズ６１は、略三角形の断面形状をなす複数のプリズム構造体６２を備える。プリズム構造体６２は、光軸ＡＸ（図４等参照）を中心とする略同心円状に配置されている。フレネルレンズ６１は、画面表示部５４へ斜めに進行する映像光を角度変換することで、観察者の方向へ効率良く進行させる。これにより、電子黒板５０は、画面表示部５４において、明るく、かつ明るさが均一な映像を表示することが可能となる。

電子黒板５０は、超短距離の近接投写のためのプロジェクター５１を採用することで、奥行き方向のサイズを抑制させる。また、本体部５２単体での中長距離投写を可能とすることで、高い汎用性、利便性を確保できる。電子黒板５０は、近接して十分なサイズを確保できる拡大投写のためのプロジェクター５１の適用により、重量、消費電力、コストの軽減が可能となる。これにより、重量、消費電力、コストの軽減、奥行きサイズの抑制を可能とし、高い利便性を得ることができるという効果を奏する。

図３０は、棒状部材５７に代えてカバー６３が設けられた電子黒板５０の背面側斜視図である。カバー６３は、遮光性の板状部材を組み合わせて構成されている。カバー６３は、映像光が進行する領域を被覆する。カバー６３は、プロジェクター５１から画面表示部５４までの光路への外光の進入を制限させる。

カバー６３によって外光の進入を低減させることで、電子黒板５０は、コントラストが高い映像を画面表示部５４に表示することができる。また、カバー６３は、プロジェクター固定部５６の取り付け強度を補強するための補強部材として機能する。カバー６３は、映像光を遮らないようにしてプロジェクター固定部５６の取り付け強度を補強する。さらに、カバー６３は、映像光が進行する領域を進入物から防御する機能を果たす。

図３１は、本実施例の変形例に係る電子黒板７０の正面側斜視図である。本変形例に係る電子黒板７０は、画面表示部５４に対して鉛直上側にプロジェクター５１が取り付けられることを特徴とする。プロジェクター固定部５６は、基台５５のうち、画面表示部５４の上部に設けられた角柱７１にプロジェクター５１を固定する。

画面表示部５４に対して鉛直上側にプロジェクター５１を配置することで、画面表示部５４へは鉛直上側から映像光を入射させる。使用者による画面表示部５４への書き込みの際に、書き込みのためのツールの影は、鉛直下向きに生じることとなる。これにより、影によって書き込み位置を見失うケースを少なくし、利便性を向上させることができる。

前記実施形態のプロジェクター１は、第１レンズアレイ及び第２レンズアレイ及び重畳レンズを備える光学系を用いて液晶パネル１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの所望の領域全体を略均一な明るさで照明していたが、これに限定されるものではなく、導光ロッドを備える光学系など、他の照明光学系を用いて液晶パネル１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの所望の領域全体を略均一な明るさで照明することもできる。

前記第１〜第４実施形態のプロジェクター１は、投写画像を観察する側から透写するフロントタイプのプロジェクターとして適用しているが、投写画像を観察する側とは反対側から投写するリアタイプのプロジェクターにも適用できる。

前記実施形態のプロジェクター１は、３つの液晶パネルを用いたプロジェクターを例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、１つ、２つ又は４つ以上の液晶パネルを用いたプロジェクターにも適用可能である。

１プロジェクター、２本体部、３投写ユニット、ＳＣスクリーン、１０光源、１１第１インテグレーターレンズ、１２第２インテグレーターレンズ、１３偏光変換素子、１４重畳レンズ、１５第１ダイクロイックミラー、１６、２３、２５反射ミラー、１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂフィールドレンズ、１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂ液晶表示パネル、１９クロスダイクロイックプリズム、２０投写レンズ、２１第２ダイクロイックミラー、２２、２４リレーレンズ、３１第１レンズ、３２第２レンズ、３３広角化ミラー、３４レンズ支持部、３５ミラー支持部、３６基板、ＡＸ光軸、Ｎ法線、ＩＭＧ、ＩＭＧ' 像面、Ｗ拡大光学系、４１第１レンズ、４２第２レンズ、Ｒ縮小光学系、５０電子黒板、５１プロジェクター、５２本体部、５３投写ユニット、５４画面表示部、５５基台、５６プロジェクター固定部、５７棒状部材、５８脚部、５９角柱、６０ガイド構造、６１フレネルレンズ、６２プリズム構造体、６３カバー、７０電子黒板、７１角柱

Claims

光源と、前記光源からの光で照明される表示面と、前記表示面からの光を射出する射出光学系とを含む本体部と、
前記射出光学系から射出された前記表示面からの光を被照射面へ向けて投写させる投写ユニットと、を備え、
前記投写ユニットは、負のパワーを持つ凸面の広角化ミラーと、前記射出光学系から射出された前記光を前記表示面に対して傾けられた前記表示面の像面をなす光とする像面制御光学系と、前記表示面に対して傾けられた前記表示面の像面をなす像について、倍率を変換させる変倍光学系と、を有し、
前記広角化ミラーは、前記表示面に対して傾けられた前記表示面の像面をなす光を反射し広角化させ、
前記射出光学系は、光軸に沿った比較的遠距離の第１の範囲で前記表示面に平行な前記表示面の像面をなす像を結像させる通常表示状態と、前記光軸に沿った比較的近距離の第２の範囲で前記表示面に平行な前記表示面の像面をなす像を結像させるマクロ表示状態とに切り換え可能であるプロジェクター。
前記投写ユニットは、前記表示面に対して傾けられた前記表示面の像面を、前記表示面に平行な前記被照射面に結像させる、請求項１に記載のプロジェクター。
前記本体部は、前記プロジェクターに対して着脱可能である、請求項１または２に記載のプロジェクター。
前記射出光学系と、前記投写ユニットとは、光軸を一致させて配置される、請求項１から３までのいずれか一項に記載のプロジェクター。
前記射出光学系と、前記投写ユニットとは、前記表示面からの光を前記光軸からシフトさせて進行させるシフト光学系を構成する、請求項４に記載のプロジェクター。
請求項１から５までのいずれか一項に記載のプロジェクターと、
前記被照射面を備え、かつ前記被照射面への他の情報の書き込みを可能とする画面表示部と、を備え、
前記プロジェクターのうち、前記射出光学系を含む本体部は、着脱可能である、電子黒板。