JP5975012B2 - 画像投射装置 - Google Patents

Description

この発明は画像投射装置に関する。

画像投射装置はプロジェクタとして実施できる。

近年、プロジェクタが広く普及しつつある。

なかでも、画像表示素子からの光束を屈折光学系と凹面鏡とを介してスクリーンに結像させる「投射距離の短いプロジェクタ」の普及が著しい。

このようなプロジェクタにおいて「屈折光学系と凹面鏡」とを有し、投射画像を結像させる光学系は「投射光学系」と呼ばれる。

このタイプのプロジェクタの投射光学系は「光軸を共有する複数枚のレンズによる屈折光学系」と「非球面や自由曲面形状の凹面ミラー」の組み合わせが一般的であった。

近来、投射光学系の屈折光学系に「自由曲面レンズ」を採用する方式が提案されている（特許文献１〜６）。

自由曲面レンズを屈折光学系に採用すると、自由曲面の「レンズ面の位置に応じた光学機能」により、光線の向きを細かく制御できる。

このため、自由曲面レンズの採用により、投射画像の歪（歪曲収差）を小さくでき、画像品質を改善できるとともに、投射光学系全体の小型化が可能になる。

しかしながら反面、以下の如き問題もある。

即ち、自由曲面レンズが設計通りに組み付けられた投射光学系は、上記効果を有効に発揮するが、組み付け誤差が存在すると、投射画像を結像する機能が極端に損なわれる。

即ち、自由曲面レンズのレンズ面形状が「自由曲面」であるため、わずかな組み付け誤差でも、自由曲面の機能を発揮できない。

このため、組み付け誤差の存在は、投射画像の画質を著しく劣化させる原因となる。

この問題に対処する方策の１つは、自由曲面レンズの集光作用を弱め、自由曲面レンズの機能を、主として「歪曲収差や像面湾曲の補正の微調整」に当てることである。

自由曲面レンズの集光作用を弱め「自由曲面レンズへの入射光線と射出光線の屈折角差が小さいレンズ形状」にすれば、自由曲面の機能劣化が組付け誤差に対して鈍くなる。

このため、組み付け誤差による画質劣化を小さく抑えることができる。
しかし、集光作用を弱められた自由曲面レンズは、レンズの肉厚が薄くなり、ゴースト光の影響が現れやすい。

即ち、画像表示素子側からの光線が、自由曲面レンズに入射し、射出側のレンズ面から射出する際に、光線の一部が射出側のレンズ面で反射する。

この反射した光線は入射側レンズ面に戻り、このレンズ面で反射されたのち、射出側レンズ面から射出して「正規の光線に対するゴースト光」となる。

自由曲面レンズの形状が「入射光線と射出光線の屈折角差が小さい形状」であるため、ゴースト光となる光線は、正規の光線と近接した光路を辿る。

そして、投射画像にゴースト像を発生させる。

自由曲面レンズを用いるプロジェクタを提案する特許文献１〜６には、このようなゴースト光に対する対処は開示されておらず、また示唆されてもいない。

この発明は、自由曲面レンズに起因する上述のゴースト光の影響に対処可能な画像投射装置の実現を課題とする。

この発明の画像投射装置は、画像表示素子に表示される画像を、投射画像としてスクリーン上に拡大投射する画像投射装置であって、拡大投射されるべき画像を表示する画像表示素子と、自由曲面レンズを有する屈折光学系と、少なくとも１つの凹面ミラーを有する反射光学系と、画像形成に利用される光線を通す開口部を有し、画像形成に利用されない不要光となり得る光を遮光する遮光部材と、を有し、前記画像表示素子から前記屈折光学系に取り込まれスクリーンに結像する全ての光線の集まりである全体光束の前記凹面ミラー以後の光束断面において、投射画像の長辺方向に対応する方向をＡ方向、短辺方向に対応する方向をＢ方向とするとき、前記遮光部材を、前記全体光束の前記Ａ方向の光束幅がもっとも狭まる位置と、前記全体光束のＢ方向の光束幅がもっとも狭まる位置との間に前記開口部が位置するように配置したことを特徴とする。

この発明によれば、自由曲面レンズに起因するゴースト光に対処可能な画像投射装置を実現できる。

光源からの光が、投射光学系を介してスクリーンに向かう状態を説明するための図である。 屈折光学系と凹面ミラーを組み合わせた投射光学系による一般的な結像の様子を説明するための図である。 図２に示す如き投射光学系１２、１４と、画像表示素子１０とを、ケーシング１６に収納した状態を示す図である。 自由曲面レンズに起因するゴースト光の１例を説明するための図である。 自由曲面レンズに起因するゴースト光の別例を説明するための図である。 遮光部材によりゴースト光を除去する１例を説明するための図である。 遮光部材によりゴースト光を除去する別例を説明するための図である。 発明の実施の１形態を説明するための図である。 発明の実施の１形態を説明するための図である。 投射光学系の実施例１を説明するための図である。 投射光学系の実施例１の構成を説明するための図である。 投射光学系の実施例１のデータを示す図である。 投射光学系の実施例１の非球面データを示す図である。 投射光学系の実施例１の自由曲面データを示す図である。 自由曲面の形状表現を説明する図である。 投射光学系の実施例１の各レンズの焦点距離を示す図である。 投射光学系の実施例２を説明するための図である。 投射光学系の実施例２のレンズデータと位置データを示す図である。 投射光学系の実施例２の非球面データを示す図である。 投射光学系の実施例２の自由曲面データを示す図である。 投射光学系の実施例２の各レンズの焦点距離を示す図である。 実施例１における全体光束の集束状態を説明するための図である。

以下、実施の形態を説明する。

先ず、プロジェクタの一般的な構成を説明する。

図１は、光源からの光が、投射光学系を介してスクリーンに向かう様子を説明するための図である。

図１において、符号１はランプ、符号２はリフレクタを示している。ランプ１とリフレクタ２とは「光源」を構成する。

ランプ１を発光させると、ランプ１からの光およびリフレクタ２により反射された光は、インテグレータロッド３の入射口を集光照明する。

インテグレータロッド３は、４面のミラーを組み合わせてトンネル状の導光路とした光学素子であり、入射口から入射した光は導光路内で反射を繰り返しつつ射出口に向かう。

そして、射出口で「光量分布が均一な光束」となって射出する。

この射出口を「光強度均一の面光源」とし、この面光源の像を「画像表示素子の画像表示面」に結像させる。この結像は「照明光学系」により行われる。

図１の例では、照明光学系は、レンズ系４と、ミラー５、曲面ミラー６により構成されている。

インテグレータロッド３の射出口から射出した光は、レンズ系４を透過し、ミラー５により光路を折り曲げられ、曲面ミラー６によりさらに光路を折り曲げられる。

そして、画像表示素子７の「画像表示面」に照射される。画像表示面は「投射光学系により拡大投射されるべき画像」を表示する面積部分である。

画像表示面には、インテグレータロッド３の射出口の「光強度均一の面光源」の照明光学系による像が、レンズ系４と曲面ミラー６の合成パワーにより結像される。

画像表示面に結像するのは、上記面光源の像であるので、画像表示面は均一な光強度の照明光で照明されることになる。

画像表示素子は「ライトバルブ」とも呼ばれ、液晶パネルを初めとする種々のものが知られている。図１の例では、画像表示素子７として、ＤＭＤが想定されている。

ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）は、多数の微小なミラー（マイクロミラー）を、個々のマイクロミラーを独立して傾けられるように２次元的に配列してなる。

個々のマイクロミラーの傾き角の範囲は±１２度程度である。

個々のマイクロミラーは「画像の１画素」をなす。表示すべき画像を構成する画素に対応するマイクロミラーの傾き角を制御し、照明光を所定の方向へ反射する。

所定の方向とは、拡大投射するべき画像に応じた反射光（以下「画像光」とも言う。）が投射光学系８に向かう方向である。

画像光は、投射光学系８により、図示されないスクリーン上に拡大された投射画像として結像投射される。

このようにして、画像表示素子の画像表示面に表示される画像が、投射光学系により投射画像としてスクリーン上に拡大投射される。

以上の説明は、一般的な説明であり、既に良く知られたものである。
上の説明では、画像表示素子としてＤＭＤを例示した。ＤＭＤは「自ら発光する機能」を持たないので、照明光による照明を行う必要がある。

しかし、例えば、フォトダイオードを２次元的に配列した画像表示素子であれば、画像表示素子が自ら発光する機能を持つので、この場合「照明光による照明」は不要である。

また、図１に即して説明したのは、モノクロ画像を投射する場合であるが、既に広く知られた種々の方式で、カラー画像の投射も可能である。

図２は「屈折光学系と凹面ミラーを組み合わせた投射光学系」による一般的な結像の様子を説明するための図である。

この例では、投射光学系が屈折光学系１２と凹面ミラー１４とにより構成されている。

符号１０は画像表示素子を示している。屈折光学系と凹面ミラーを組み合わせる投射光学系の場合、一般には「斜光線」を用いて結像が行われる。

このため、画像表示素子１０の画像表示面は、屈折光学系１２に対し、図で上方へずれており、画像表示面の「図で下方の縁部」は、屈折光学系１２の光軸よりも上にある。

画像表示素子１０からの「画像光」は、屈折光学系１２に入射し、屈折光学系１２から射出すると、凹面ミラー１４に入射して反射され、スクリーン２０上に結像する。

凹面ミラー１４により反射されてスクリーン２０に向かう結像光束は、凹面ミラー１４の近傍で一端「光束径が絞られた」のち、発散しつつスクリーン２０に入射する。

図２において、符号Ｐで示すのは「結像光束の光束径が最も細くなる部分」である。

図３は、図２に示す如き投射光学系１２、１４と、画像表示素子１０とを、ケーシング１６に収納した状態を示している。

ケーシング１６は「遮光性」であり、凹面ミラー１４により反射された結像光束を射出させる開口部ＡＰを有する。

開口部ＡＰは、凹面ミラー１４により反射された結像光束の「光束径が最も細く」なる部位Ｐの位置に形成され、最小の開口径で結像光束を通過させることができる。

ケーシング１６は「開口部を有する遮光部材」の１例である。

以上、屈折光学系と凹面ミラーとを有する投射光学系と、これを用いる画像投射装置の一般的な構成を簡単に説明した。

以下に、屈折光学系が自由曲面レンズを含む場合の「ゴースト光」について説明する。

なお、繁雑を避けるため、図４以下の図においても、混同の恐れが無いと思われるものについては、図２、図３と符号を共通化する。

図４に示す画像投射装置では、投射光学系における屈折光学系が、共軸レンズ系１２１と自由曲面レンズ１２２により構成されている。

共軸レンズ系１２１は「光軸を共有する複数のレンズ」により構成されたレンズ系である。
自由曲面レンズ１２２は、少なくとも一方のレンズ面を自由曲面としたレンズである。

自由曲面レンズ１２２は、この例において、共軸レンズ系１２１と凹面ミラー１４との間に配置されている。

画像表示素子１０からの画像光は、共軸レンズ系１２１に入射し、共軸レンズ系１２１から射出すると、自由曲面レンズ１２２に入射する。

自由曲面１２２から射出した光束は凹面ミラー１４に入射して反射され、図示されないスクリーン上に投射画像として結像する。

図４の符号ＬＮは、共軸レンズ系１２１と自由曲面レンズ１２２と凹面ミラー１４の結像作用により、図示されないスクリーン上に投射画像を結像する結像光束である。

この結像光束ＬＮを構成する光線を「正規の光線」と呼ぶ。

図４の符号ＬＧは「ゴースト光束」を示す。ゴースト光束を構成する光線を「ゴースト光」と呼ぶ。

ゴースト光は、以下の如くして発生する。

図４に示す如く、共軸レンズ系１２１から射出した正規の光線が、自由曲面レンズ１２２を透過するとき、その一部が自由曲面レンズ１２２の射出面１２２ｂで反射される。

射出面１２２ｂで反射された光線は自由曲面レンズ１２２の入射面１２２ａに戻り、入射面１２２ａで反射され、ゴースト光となって凹面ミラー１４に入射する。

凹面ミラー１４に反射されたゴースト光は、ゴースト光束ＬＧをなし、図示されないスクリーンに「投射画像」に重なるように照射される。

ゴースト光束ＬＧも画像として結像するが、その結像位置は正規の光線による結像位置とは離れており、ゴースト画像としては視認されない。

しかし、正規の光線により結像する投射画像の周辺部では「ゴースト像」が目立ち易くなる。

図４において、符号ＬＧＵＮ、ＬＧＵＰは、投射画像の周辺部（図では上下の周辺部）に向かうゴースト光を示している。

これらのうちで、ゴースト光ＬＧＵＮはスクリーンの下側に向かうゴースト光、ゴースト光ＬＧＵＰはスクリーンの上側に向かうゴースト光である。

これらのゴースト光の「スクリーンへの入射角」は、ゴースト光ＬＧＵＮにおいて、より大きい。従って、ゴースト光ＬＧＵＮの結像の焦点深度は相対的に深い。

このため、スクリーンの下側の部分では「ゴースト像」が相対的に目立ち易い。

ゴースト光ＬＧＵＰはスクリーンへの入射角が大きいので、ゴースト光ＬＧＵＰの結像の焦点深度は相対的に浅く、ゴースト像は相対的に目立ち難い。

図４において、符号Ｐは、結像光束ＬＮの光束径が「最も小さくなる位置（「Ｐ位置」と言う。）」である。

符号ＰＧは、ゴースト光束ＬＧの光束径が「最も小さくなる位置（「ＰＧ位置」と言う。）」である。

図５に示す画像投射装置は、投射光学系における屈折光学系が、共軸レンズ系１２１と自由曲面レンズ１２２により構成されている。

図５の投射光学系と、図４の投射光学系とは、具体的なレンズ構成・レンズ系体としては異なるが、繁雑を避けるため図５においても図４におけると同一の符号を付した。

画像表示素子１０からの画像光は、共軸レンズ系１２１に入射し、共軸レンズ系１２１から射出すると、自由曲面レンズ１２２に入射する。

図４におけると同じく、正規の光線による結像光束ＬＮは、図示されないスクリーン上に投射画像を結像する。ゴースト光によるゴースト光束ＬＧはゴースト像を結像する。

ゴースト光は、自由曲面レンズ１２２の射出面１２２ｂで反射され、入射面１２２ａに戻り、入射面１２２ａに反射された光線である。

この場合にも、ゴースト光の「スクリーンへの入射角」は、投射画像の下側に入射する
ゴースト光ＬＧＵＮにおいて、より大きい。

従って、ゴースト光ＬＧＵＮの結像の焦点深度は相対的に深く、スクリーンの下側の部分では「ゴースト像」が相対的に目立ち易い。

投射画像の上側に入射するゴースト光ＬＧＵＰは、スクリーンへの入射角が大きく、結像の焦点深度は相対的に浅く、ゴースト像は相対的に目立ち難い。

図４と図５とを比較すると、図４では、Ｐ位置の方がＰＧ位置よりも凹面ミラー１４から離れ、図５では、ＰＧ位置の方がＰ位置よりも凹面ミラー１４から離れている。

また、ゴースト光束ＬＧと結像光束ＬＮとの「光束の太さ」を見ると、図４の場合では、ゴースト光束ＬＧは、Ｐ位置よりもスクリーン側で結像光束ＬＮよりも太い。

図５の場合では、ゴースト光束ＬＧは、Ｐ位置よりも凹面ミラー１４の側で結像光束ＬＮよりも太い。

このように、Ｐ位置とＰＧ位置との位置を結像光束ＬＮの光路上で分離し「Ｐ位置とＰＧ位置のどちらを凹面ミラー１４側に位置させるか」は、投射光学系の設計により選択可能である。

そこで、Ｐ位置とＰＧ位置の位置関係が図４の如くである場合には、図６に示すように、遮光部材１６１によりゴースト光ＬＧＵＮ、ＬＧＵＰを遮断すればよい。

結像光束ＬＮは開口部ＡＰを通過し、遮光部材１６１によっては遮光されない。

また、Ｐ位置とＰＧ位置の位置関係が図５の如くである場合には、図７に示すように、遮光部材１６２によりゴースト光ＬＧＵＮ、ＬＧＵＰを遮断すればよい。

結像光束ＬＮは開口部ＡＰを通過し、遮光部材１６２によっては遮光されない。

前述したように、スクリーン上で目立ち易いゴースト像は、ゴースト光ＬＧＵＮにより「投射画像の下側に発生」するものである。

従って、ゴースト光ＬＧＵＰによるゴースト像が、殆ど目立たないような場合には、遮光部材１６１、１６２が、ゴースト光ＬＧＵＮのみを遮断するようにしても効果がある。

以上が、ゴースト像の影響除去の基本的な説明である。

ここで、自由曲面レンズについて説明を補足する。

前述の如く、自由曲面レンズは組み付け誤差に大きく影響され易い。

この発明の投射画像装置では、自由曲面レンズを「集光作用の弱いレンズ」としてこの問題に対処している。

このような「集光作用の弱いレンズ」としての自由曲面レンズのレンズ系体としては、以下の如きものが好ましい。

即ち、画像表示素子側からの全体光束が入射する第１面と、該全体光束を射出する第２面からなる集光作用の弱いレンズである。

「全体光束」は、画像表示素子から屈折光学系に取り込まれスクリーンに結像する全ての光線の集まりである。上述の「結像光束」に対応する。

ゴースト光束は「スクリーン上には結像しない」ので全体光束には含まれない。

そして、第１面と第２面が「同じ方向に凸面形状または凹面形状を向けたレンズ形状」であることが好ましい。

図４〜図７に示した自由曲面レンズ１２２も「第１面と第２面が同じ方向（凹面ミラー１４側）に凸面形状を向けたレンズ形状」となっている。

このようなレンズ形状であると、たとえ入射面（第１面）または出射面（第２面）の屈折力が強く、屈折角度が大きくても「自由曲面レンズ全体での屈折力」を弱くできる。

従って、組み付け誤差に対する感度を鈍く抑えることができる。

自由曲面レンズが「集光作用の弱いレンズ」であることは、以下のように言うことができる。

自由曲面レンズを光線が通過する領域での「自由曲面レンズの光軸方向の厚さ」が、最も厚い部分の厚さを「α」、最も薄い部分の厚さを「β」とする。

このとき、これらの比：α／βが、条件：
α／β ＜ １．５
を満足することである。

この発明の画像投射装置では「斜光線を用いた結像」により投射画像を形成する。

このため、画像表示素子における画像表示面は、屈折光学系に対し、スクリーンのある側へずれ、画像表示面の「下方の縁部」は、屈折光学系の光軸よりも上にある。

その結果、ゴースト光のスクリーンへの入射角が大きい「投射画像の下部」において、ゴースト像が目立ちやすくなる。

この点を考慮すると、画像表示素子の「最も光軸に近い画素から屈折光学系に取り込まれた画素光束が、自由曲面レンズの第１面と第２面を透過する領域」が重要になる。

これらの領域は自由曲面形状であるが、これらの領域における自由曲面形状との差が最も小さい球面形状の曲率半径を「近似曲率半径」と定義する。

即ち、上記領域の非球面形状に最も良くフィットする（即ち、自由曲面形状との差が最も小さくなる）球面形状の曲率半径が「近似曲率半径」である。

この近似曲率半径を、第１面についてＲ１、第２面についてＲ２とすると、これらが、条件：｜Ｒ１｜＞｜Ｒ２｜
を満足することが好ましい。

この条件を満足することにより、投射画像の下側にゴースト画像を発生させやすい部分の「組み付け誤差に対する感度」を鈍く抑えることが容易になる。
また、画像表示素子の長辺（画像表示面における長辺）に垂直な断面をＹ断面、Ｙ断面において光軸と垂直な方向をＹ方向、Ｙ方向に垂直な断面をＸ断面、Ｘ断面において光軸と垂直な方向をＸ方向とすると、以下の条件が満足されることが好ましい。

即ち、自由曲面レンズの、Ｙ方向における第１面の近似曲率半径：Ｒ１Ｘ、第２面の近似曲率半径：Ｒ２Ｙ、Ｘ方向における第１面の近似曲率半径：Ｒ１Ｘ、第２面の近似曲率半径：Ｒ２Ｘが、条件：
｜Ｒ１Ｙ｜＞｜Ｒ２Ｙ｜または｜Ｒ１Ｘ｜＞｜Ｒ２Ｘ｜
を満足するのが好ましい。

屈折光学系内に自由曲面レンズを組み付ける際の「自由曲面レンズと共軸レンズ系の光軸との位置関係を調整する工程」を考慮すると、Ｘ方向またはＹ方向だけでも屈折力を小さくすることは自由曲面レンズの組み付け作業の容易性に有効である。

上記Ｘ方向もＹ方向も「組付け誤差感度が高い」場合、調整工程では、自由曲面レンズを光軸に対してＸ方向もＹ方向も精度良く組付ける必要がある。

しかし、Ｘ方向のみ、もしくはＹ方向のみで、精度の良い組み付けが要求されるのであれば、組み付け作業が「格段に容易」となる。

従って、組付け時間が短縮され、量産時に画像投射装置間での品質差を小さく抑えることができる。

さらに、自由曲面レンズの材質の屈折率と近似曲率半径：Ｒ１ＹとＲ２Ｙとから求まるＹ断面での近似焦点距離：ｆＹ、屈折率と近似曲率半径：Ｒ１ＸとＲ２Ｘとから求まるＸ断面での近似焦点距離：ｆＸとするとき、屈折光学系内部のレンズまたは接合レンズの焦点距離の絶対値において、｜ｆＹ｜または｜ｆＸ｜が最も大きいことが好ましい。

このようにすると、自由曲面レンズの上記領域におけるＸ方向もしくはＹ方向の屈折力を屈折光学系内で最も弱くでき、組付け誤差感度を有効に低くできる。

図４〜図７を参照して「ゴースト光と、その影響の除去」を説明した。
この説明では、説明の簡単のため、全体光束がＰ位置で、ゴースト光束がＰＧ位置で、最も「光束の大きさが小さくなる」ものとして説明した。

これは、投射光学系のパワーが等方的であることに相当する。

屈折光学系と凹面ミラーを有し「屈折光学系に自由曲面レンズを用いた投射光学系」では、一般にパワーは「等方性」にならず、結像の縦横方向でパワーが異なるものになる。

自由曲面レンズの屈折力が「Ｘ方向とＹ方向で異なる」ためである。

以下、全体光束の「凹面ミラー以後の光束断面」において、投射画像の長辺方向に対応する方向をＡ方向、短辺方向に対応する方向をＢ方向とする。

「光束断面」は、光束の進行方向に交わる仮想的な断面」である。

上記の投射光学系では、一般に、投射光学系のパワーは、Ａ方向とＢ方向とで異なるものとなる。

このように、パワーがＡ方向、Ｂ方向で互に異なると、前記光束の光束幅が「Ａ方向で最も狭まる位置」と「Ｂ方向で最も狭まる位置」とが光束の進行方向に分離する。

図８は、この場合の結像光束ＬＮの状態を「Ａ方向」から見た状態を示している。

図に示すように、図の左右方向が「Ｂ方向」、上下方向が前述の「Ｙ方向」で、図面に直交する方向が「Ａ方向」である。
図中の符号「ＰＡ」で示すＰＡ位置は結像光束ＬＮが「Ａ方向で最も狭まる位置」、符号「ＰＢ」で示すＰＢ位置は結像光束ＬＮが「Ｂ方向で最も狭まる位置」である。

図９は、図８の状態をＢ方向から見た状態である。図９では「Ｂ方向」は図面に直交する方向である。

符号「ＬＮＰＵ」は、結像光束のうち、スクリーンの上部に向かう部分、符号「ＬＮＵＮ」は、結像光束のうち、スクリーンの下部に向かう部分を示す。

このように、ＰＡ位置とＰＢ位置とが「光束の進行方向に分離」する場合、遮光部材１６０は、図８、図９のように「ＰＡ位置とＰＢ位置の間に開口部が位置する」ように配置するのが良い。

ただし、Ｘ方向またはＹ方向において「屈折力が弱い方向」ほど、ゴースト像がスクリーン上で目立ち易い。

したがって、自由曲面レンズのＸ方向あるいはＹ方向で、屈折力が弱い方（ｆＸまたはｆＹが大きい方）の集光部寄りに開口部を位置させることが好ましい。

図８、図９に示した例では、自由曲面レンズ１２２の焦点距離：ｆＸ、ｆＹの大小関係が「ｆＹ＞ｆＸ」の場合を想定して「ＰＢ位置より」に開口部を位置させている。

また、図７、図８に示した例では、これらの図の上下方向が「重力方向」となる。

これらの図において、遮光部材１６０は、重力方向に直交する面（図の左右方向）に対して傾いている。

そして、この傾きは「図示されないスクリーン面（図の左方に位置する）から遠い側から近い側にかけて、重力方向」に向かって傾いている。

遮光部材１６０の傾きを逆にして「スクリーン面に近い側から遠い側にかけて、重力方向」に向かって傾ける」と、遮光部材１６０の開口部が過大になってしまう。

後述の実施例に即して説明するが、前記Ｘ断面またはＹ断面における全体光束の幅：ＺＨ、遮光部材の開口部のＸ断面またはＹ断面における開口幅：ＫＨと「投射倍率」とが、Ｘ断面またはＹ断面において、以下の条件（１）を満足することが好ましい。

（１） √（投射倍率）×０．３＋ＺＨ ＜ ＫＨ 。

「投射倍率」は、「スクリーンサイズ／画像表示素子の画像表示面のサイズ」として定義される。

以下、投射光学系の具体的な実施例を２例あげる。

「実施例１」
図１０は実施例１の投射光学系の図である。

図１０において、符号１００は「画像表示素子と投射光学系」の全体を示す。

図１０（ａ）において符号２０はスクリーンを示し、同図は、全体光束がスクリーン２０上に拡大画像を結像している状態を示す。

図１０（ｂ）において、符号１６０で示す遮光部材の開口部ＡＰは、全体光束がＡ方向（図面に直交する方向）において最も光束径が小さくなる位置と、Ａ方向において最も光束径が小さくなる位置の間に配置されている。

図１１に、実施例１の投射光学系の具体的な構成を示した。煩雑を避けるため、図の各部には、図２以下におけると同じ符号を付している。

符号１０は画像表示素子、符号１２１は屈折光学系の共軸レンズ系を示し、符号１２２は自由曲面レンズ、符号１４は凹面ミラーを示している。

符号ＰＸ１は、画像表示素子１０の画像表示面において「共軸レンズ系１２１の光軸に最も近い画素」を示す。

画素ＰＸ１から射出した光は、光束ＬＮ１となり、凹面ミラー１４に反射されると、スクリーンにおける投射画像の下端部に向かう。

符号ＰＸ２は、画像表示素子１０の画像表示面において、共軸レンズ系１２１の光軸から最も遠い画素である。

画素ＰＸ２から射出した光は、光束ＬＮ２となり、凹面ミラー１４に反射されると、スクリーンにおける投射画像の上端部に向かう。

図１２に、実施例１のデータを示す。
屈折光学系は１２枚のレンズで構成されている。

図１２において、面番号１と２とは、画像表示素子（ＤＭＤが想定されている。）のカバーガラスの両面である。

画像表示素子側から第１〜第１１番目のレンズは、光軸を共有する「共軸レンズ系」をなし、これらのレンズは球面レンズもしくは非球面レンズである。

画像表示素子側から１２枚目のレンズは、自給曲面レンズである。

自由曲面レンズは、ｆｘが−７５０ｍｍ、ｆｙが−６７７ｍｍで「Ｘ方向の形状」の方が、屈折力が弱い。

これらｆｘやｆｙを定めるＲ１ｘ、Ｒ２ｘ、Ｒ１ｙ、Ｒ２ｙの「近似曲率半径」は、図１１に示す光束ＬＮ１が「自由曲面レンズを透過する領域」から求めたものである。

因みに、Ｒ１ｘ＝−３７．９ｍｍ、Ｒ２ｘ＝−４５．７ｍｍ、Ｒ１ｙ＝−３０．９ｍｍ、Ｒ２ｙ＝−３７．６ｍｍである。

実施例１の投射光学系の「共軸レンズ系に含まれる非球面レンズ」のデータを、図１３に示す。非球面は、図１３の下図に示された周知の式による。

自由曲面レンズの両面と凹面ミラーの反射面とは、ともに自由曲面形状であり、これらの面の自由曲面のデータを図１４に示す。自由曲面の表現形式は、図１５の要領に従う。

図１６に、実施例１におけるレンズおよび自由曲面レンズの焦点距離を示す。
左欄のＬ１〜Ｌ１１が、共軸レンズ系を構成するレンズを表し、「自由曲面Ｌ」は、自由曲面レンズを表す。

「実施例２」
図１７に、実施例２の光学構成を図１０にならって示す。（ａ）はスクリーンまでの結像の様子を示す。符号２００は、画像表示素子まで含めた投射光学系をあらわす。

図１７（ｂ）に示すように、この投射光学系でも、画像表示素子１０からの画像光をスクリーン上に結像させる投射光学系は、屈折光学系と反射光学系とを有する。

図１７で、図中の「上下方向」は、（ａ）についてはＹ方向、（ｂ）についてはＢ方向であり、「左右方向」は、（ａ）についてはＢ方向、（ｂ）についてはＹ方向である。

屈折光学系は、共軸レンズ系２１１と自由曲面レンズ２２２とにより構成され、反射光学系は、平面鏡１５と凹面ミラー１４とにより構成されている。

平面ミラー１５は、全体光束を凹面ミラー１４に向けて折り返す機能を持つ。

実施例２の投射光学系のデータを図１２に倣って図１８に示す。図１８下図は、レンズデータの２６面の面頂点を基準とした、反射面形状とスクリーンの基準点の位置である。

また、共軸レンズ系中の非球面レンズの非球面データを図１９に示す。

投射光学系中における自由曲面は、自由曲面レンズの両面と凹面ミラーの反射面であり、これらの自由曲面データを図１４に倣って図２０に示す。

また、図２１には、実施例２におけるレンズおよび自由曲面レンズの焦点距離を、図１６に倣って示す。
左欄のＬ１〜Ｌ１２が、共軸レンズ系を構成するレンズを表し、「自由曲面Ｌ」は、自由曲面レンズを表す。

自由曲面レンズは、ｆｘが１５４ｍｍ、ｆｙが１４２ｍｍであり、「Ｘ方向の形状」の方が屈折力が弱い。

因みに、Ｒ１ｘ＝−３５．９ｍｍ、Ｒ２ｘ＝−２７．４ｍｍ、Ｒ１ｙ＝−３１．８ｍｍ、Ｒ２ｙ＝−２４．８ｍｍである。

ｆｘの絶対値は、図２１に示すように、屈折光学系の中で最も長く、この自由曲面レンズは、少なくとも「Ｘ方向への組付けについては組付け誤差による感度」が鈍く、Ｘ方向における組み付け誤差による光学性能劣化は少ないといえる。

図２２は、実施例１の投射光学系を用い、画像表示素子から放出される多数の光線が、開口窓を通過する位置座標をＡ方向を横軸、Ｂ方向を縦軸としてプロットした図である。

「開口窓」は、遮光部材の開口部近傍に仮想的に設定した窓である。

「開口窓０ｍｍ」とあるのは、結像光束の光束幅が「Ａ方向において最も小さくなった位置」である。
開口窓の位置をＹ方向の正の向きに２ｍｍずらすと「開口窓Ｙ方向に＋２ｍｍ」のように、結像光束の光束幅は、Ｂ方向には小さくなるが、Ａ方向には大きくなる。

開口窓の位置をＹ方向の正の向きに４ｍｍずらすと「開口窓Ｙ方向に＋４ｍｍ」のように、結像光束の光束幅は、Ｂ方向には最も小さくなるが、Ａ方向にはさらに大きくなる。

このことから、遮光部材は、その開口部が「開口窓０ｍｍ」の位置、すなわち、結像光束の光束幅がＡ方向に最も小さくなる位置に設けるのが好ましいことがわかる。

これは、実施例１の投射光学系では、自由曲面レンズ２２２の焦点距離：ｆＸ、ｆＹの大小関係が「ｆｘ＞ｆｙ」であることによる。

このように、遮光部材の開口部（の凹面ミラー側の面）は「Ａ方向において全体光束が最も絞られる位置」に近いことが望ましい。

しかし、実施例１の光学系の場合には、Ａ方向で最も絞られる位置（開口窓０ｍｍ）とＢ方向で最も絞られる位置（開口窓Ｙ方向に４ｍｍ）の差が４ｍｍ程度しかない。

したがって、これら２つの間に開口部を配置すれば、ゴースト光の影響を有効に除去できる。

実施例１の投射光学系においては、スクリーン上の拡大された投射画像のサイズは、対角長：８０インチ、画像表示素子の画像表示面の対角長：０．６５インチである。

従って、実施例１の投射光学系の投射倍率は略１２３倍である。

前述の条件（１）の式：
√（投射倍率）×０．３＋ＺＨ＜（ＫＨ）
に、投射倍率（＝１２３倍）と、図２２における「開口窓０ｍｍ位置」でのＺＨを当てはめると、以下のようになる。

方向Ａについて：３．３＋２０＝２３．３ｍｍ
方向Ｂについて：３．３＋３５＝３８．３ｍｍ 。

このことから、開口部の開口幅：ＫＨは「２３．３ｍｍ×３８．３ｍｍよりも少し大きい程度のサイズ」にすること良いと言える。

条件（１）の意義は、以下のように考えられる。

前述の如く投射倍率は「投射倍率＝スクリーンサイズ／画像表示素子サイズ」である。

実施例１の投射光学系は、全体光束の光路上において、屈折光学系と凹面ミラーの間に「中間像」を形成する。従って、投射倍率は以下のように表すことができる。

投射倍率＝スクリーンサイズ÷中間像サイズ×中間像サイズ÷画像表示素子サイズ
即ち「投射倍率の平方根」は、スクリーンと中間像の「サイズ比」の目安である。

例えば、「投射倍率が１００」の場合、「スクリーンサイズ÷中間像サイズ」は１０であることも５であることもあり得るが、概ねの比は分かる。
この値（比）に０．３を掛けた値に全体光束幅を加えた値が、開口窓サイズの最小値の目安になる。
例えば、図１１を見れば明らかなように、中間像のサイズは概ね「凹面ミラー１４上での光線幅」であり、スクリーンサイズは図１０（ａ）のスクリーン２０上で「光線が当たっている範囲」である。

このサイズ比の目安である√（投射倍率）の増加は「投射倍率の増大」であり、スクリーン２０に当たっている光線エリアが広がることを意味する。

これは「凹面ミラー１４からスクリーン２０に向かう光線の角度が広がる」ことを意味する。
これを図１０（ａ）で説明すると、スクリーン２０の下側に向かう光線が「より下方」に向かい、上側に向かう構成が「より上方」に向かうことになる。

すなわち、「凹面ミラー１４からスクリーン２０に向かう光線角度が大きく」なる。

従って、開口部のサイズを「投射倍率が小さい場合よりも大きめ」に取らないと、少しの部品組付け誤差で「スクリーンに行くべき光線」が遮光部材で遮光されてしまう。

このように「√（投射倍率）」は、「投射画像と中間像のサイズ比の目安」、換言すれば「凹面ミラーからスクリーンに向かう光線角度の目安」である。

このことから、条件（１）は「開口部の開口を最小にして、ゴースト光の影響を最小にする」のに有効な条件であることが理解される。

条件（１）における「０．３という数値」は、画像投射装置内部品の組付け精度と、凹面ミラーからスクリーンへの光線角度の２つから検討した結果、投射倍率が１００倍のときにおよそ３ｍｍ程度の余裕がないと全体光束が遮光されてしまうことから設定した。

なお、図１６に示すように、実施例１の投射光学系の自由曲面レンズは、屈折光学系内部でｆｘ，ｆｙともに焦点距離の絶対値が最も大きい。

従って、組付け誤差感度に強い形状であることがわかる。

なお、自由曲面レンズを光線が通過する領域での「自由曲面レンズの光軸方向の厚さ」が、最も厚い部分の厚さ：αと、最も薄い部分の厚さ：βの比：α／βは、実施例１において「１．３」、実施例２において「１．２」であり、１．５を超えていない。

１０ 画像表示素子
１２１ 屈折光学系の共軸レンズ系
１２２ 自由曲面レンズ
１４ 凹面ミラー
２０ スクリーン
ＰＡ 全体光束の光束径がＡ方向において最も小さくなる位置
ＰＢ 全体光束の光束径がＢ方向において最も小さくなる位置
１６０ 遮光部材
ＡＰ 開口部

特開２００８−２２５４５５号公報 特開２００８−２４２０２５号公報 特開２００８−２４２０２８号公報 特開２０１１−０３３７３８号公報 特開２０１１−１５００２９号公報 特開２０１１−１５００３０号公報

Claims (11)

1. 画像表示素子に表示される画像を、投射画像としてスクリーン上に拡大投射する画像投射装置であって、
   拡大投射されるべき画像を表示する画像表示素子と、
   自由曲面レンズを有する屈折光学系と、
   少なくとも１つの凹面ミラーを有する反射光学系と、
   画像形成に利用される光線を通す開口部を有し、画像形成に利用されない不要光となり得る光を遮光する遮光部材と、を有し、
   前記画像表示素子から前記屈折光学系に取り込まれスクリーンに結像する全ての光線の集まりである全体光束の前記凹面ミラー以後の光束断面において、投射画像の長辺方向に対応する方向をＡ方向、短辺方向に対応する方向をＢ方向とするとき、前記遮光部材を、前記全体光束の前記Ａ方向の光束幅がもっとも狭まる位置と、前記全体光束のＢ方向の光束幅がもっとも狭まる位置との間に前記開口部が位置するように配置したことを特徴とする画像投射装置。
2. 請求項１記載の画像投射装置において、
   自由曲面レンズは、画像表示素子側からの全体光束が入射する第１面と、該全体光束を射出する第２面からなるレンズであり、
   前記第１面と前記第２面が、同じ方向に凸面形状または凹面形状を向けたレンズ形状であることを特徴とする画像投射装置。
3. 請求項１または２記載の画像投射装置において、
   自由曲面レンズを光線が通過する領域での前記自由曲面レンズの光軸方向の厚さが、最も厚い部分の厚さ：αと、最も薄い部分の厚さ：βの比：α／βが、条件：
   α／β ＜ １．５
   を満足することを特徴とする画像投射装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の画像投射装置において、
   屈折光学系は、光軸を共有する複数のレンズを有し、
   自由曲面レンズは、画像表示素子側からの全体光束が入射する第１面と、該全体光束を射出する第２面からなるレンズであり、
   画像表示素子の画像表示面が、前記屈折光学系の光軸から所定方向へ離れており、
   前記画像表示素子の画素のうち最も前記光軸に近い画素から前記屈折光学系に取り込まれた画素光束が、自由曲面レンズの前記第１面と前記第２面を透過する領域において、該領域における自由曲面形状との差が最も小さい球面形状の曲率を近似曲率半径とするとき、
   前記第１面の近似曲率半径：Ｒ１、前記第２面の近似曲率半径：Ｒ２が、条件：
   ｜Ｒ１｜＞｜Ｒ２｜
   を満足することを特徴とする画像投射装置。
5. 請求項４記載の画像投射装置において、
   画像表示素子の長辺に垂直な断面をＹ断面、Ｙ断面において光軸と垂直な方向をＹ方向、Ｙ方向に垂直な断面をＸ断面、Ｘ断面において光軸と垂直な方向をＸ方向として、
   自由曲面レンズの、Ｙ方向における第１面の近似曲率半径：Ｒ１Ｘ、第２面の近似曲率半径：Ｒ２Ｙ、Ｘ方向における第１面の近似曲率半径：Ｒ１Ｘ、第２面の近似曲率半径：Ｒ２Ｘが、条件：
   ｜Ｒ１Ｙ｜＞｜Ｒ２Ｙ｜
   または、
   ｜Ｒ１Ｘ｜＞｜Ｒ２Ｘ｜
   を満足することを特徴とする画像投射装置。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の画像投射装置において、
   自由曲面レンズの、画像表示素子側からの全体光束が入射する面を第１面、該全体光束を射出する面を第２面、画像表示素子の長辺に直交する断面をＹ断面、Ｙ断面において光軸と直交する方向をＹ方向、Ｙ方向に直交する断面をＸ断面、Ｘ断面において光軸と直交する方向をＸ方向とし、
   前記自由曲面レンズの、Ｙ方向における第１面の近似曲率半径：Ｒ１Ｘ、第２面の近似曲率半径：Ｒ２Ｙ、Ｘ方向における第１面の近似曲率半径：Ｒ１Ｘ、第２面の近似曲率半径：Ｒ２Ｘとするとき、
   前記自由曲面レンズの材質の屈折率と前記近似曲率半径Ｒ１ＹとＲ２Ｙとから求まるＹ断面での近似焦点距離：ｆＹ、前記屈折率と前記近似曲率半径Ｒ１ＸとＲ２Ｘとから求まるＸ断面での近似焦点距離：ｆＸとするとき、
   屈折光学系内部のレンズまたは接合レンズの焦点距離の絶対値において、｜ｆＹ｜または｜ｆＸ｜が最も大きいことを特徴とする画像投射装置。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の投射装置において、
   屈折光学系から自由曲面レンズを除いた光学系Ｃは、光学系Ｃのうち最も凹面ミラーに近いレンズ面から凹面ミラーに到る光路の途中に、画像表示素子に表示された画像の中間像を形成することを特徴とする画像投射装置。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の画像投射装置において、
   遮光部材は、重力方向に直交する面に対して傾き、
   該傾きは、スクリーン面から遠い側から近い側にかけて、重力方向に傾いていることを特徴とする画像投射装置。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の画像投射装置において、
   遮光部材は、全体光束が方向Ａにおいて最も細くなる位置と、方向Ｂにおいて最も細くなる位置の間に、開口部が位置するように配置され、
   自由曲面レンズの、画像表示素子側からの全体光束が入射する面を第１面、該全体光束を射出する面を第２面、画像表示素子の長辺に直交する断面をＹ断面、Ｙ断面において光軸と直交する方向をＹ方向、Ｙ方向に直交する断面をＸ断面、Ｘ断面において光軸と直交する方向をＸ方向とし、
   前記自由曲面レンズの、Ｙ方向における第１面の近似曲率半径：Ｒ１Ｘ、第２面の近似曲率半径：Ｒ２Ｙ、Ｘ方向における第１面の近似曲率半径：Ｒ１Ｘ、第２面の近似曲率半径：Ｒ２Ｘとするとき、
   前記自由曲面レンズの材質の屈折率と前記近似曲率半径Ｒ１ＹとＲ２Ｙとから求まるＹ断面での近似焦点距離：ｆＹ、前記屈折率と前記近似曲率半径Ｒ１ＸとＲ２Ｘとから求まるＸ断面での近似焦点距離：ｆＸとするとき、
   ｆＸ＞ｆＹのときは方向Ａにおいて全体光束が最も細くなる位置寄りに、ｆＸ＜ｆＹのときは方向Ｂにおいて全体光束が最も細くなる位置よりに配置されることを特徴とする画像投射装置。
10. 請求項１乃至９の任意の１に記載の画像投射装置において、
    画像表示素子の長辺に直交する断面をＹ断面、Ｙ断面において光軸と直交する方向をＹ方向、Ｙ方向に直交する断面をＸ断面、Ｘ断面において光軸と直交する方向をＸ方向とし、Ｘ断面またはＹ断面における全体光束の幅：ＺＨ、遮光部材の開口部のＸ断面またはＹ断面における開口幅：ＫＨ、スクリーンサイズ／画像表示素子の画像表示面のサイズとして定義される投射倍率が、前記Ｘ断面または前記Ｙ断面において、条件：
    （１） √（投射倍率）×０．３＋ＺＨ ＜ ＫＨ
    を満足することを特徴とする画像投射装置。
11. 請求項１乃至１０の何れか１項に記載の画像投射装置において、
    遮光部材は、凹面ミラーにより反射した光線のうち、画像形成に利用されない不要光線を遮光する機能を有することを特徴とする画像投射装置。

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