JP6098506B2 - 投射型画像表示装置及び投射光学系 - Google Patents

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Description

本開示は、投射型画像表示装置及び投射光学系に関する。
近年、スクリーン上に投影画像を表示する投射型表示装置として、プロジェクタ装置が広く知られている。特に、最近では、投射空間を小さくしつつも大画面を表示できる超広角のフロント投射型プロジェクタ装置の需要が高まってきている。超広角のフロント投射型プロジェクタ装置を用いれば、スクリーンに対して斜めかつ広角に打ち込むことで、限定された空間において大画面を投射することが可能になるからである。
例えば、特許文献１には、前述したような投射型表示装置の一例が開示されている。
特開２０１０−１２２５７３号公報
一方で、超広角に対応しつつ、超広角非対応の従来型と同様に明るさを得るためには、大型の曲面反射面を持ち、かつ、明るい画面を達成するため大きな開口数（あるいは小さなＦ値）を持つ光学系を構成する必要がある。換言すると、超広角に対応する光学系は、超広角非対応の場合と同等の明るさを得ようとすると、当該超広角非対応の場合に比べてコストアップする傾向が強くなる。したがって、上記機能の実現については、極力コストアップを抑制し得るようにすることが望ましい。
そこで、本開示では、超広角に対応する場合であっても容易かつ小型で安価な構成によって行い得る投射型画像表示装置及び投射光学系を提供することを目的とする。
本開示によれば、光源と、前記光源から発せられた光束を１次像面となる画像変調素子の面上に均一照射する照明光学系と、前記画像変調素子で変調された前記１次像面の画像情報を２次像面となるスクリーン上へ拡大投射する投射光学系とを備え、前記投射光学系は、正の屈折力を持つ第１光学系と、曲面反射面を持つ第２光学系を有し、前記第１光学系は、全ての光学部品が回転対称面を持つ共通の光軸で構成され、前記第１光学系を構成する複数の光学部品が、前記光軸と略平行に沿って移動することで変倍を行う変倍機能と、前記第１光学系を構成する、少なくとも１つの光学部品、もしくは複数の光学部品で構成される１つの群の前記光軸からの略垂直方向への移動によって前記２次像面を移動させる画面シフト機能１を有し、前記変倍機能による拡大側から縮小側までの任意の変倍位置において、前記画面シフト機能１は、前記光軸からの前記略垂直方向へ移動した光軸上では無い位置が初期位置となる変倍位置を一つ以上持つ、投射型画像表示装置が提供される。
また、本開示によれば、正の屈折力を持つ第１光学系と、曲面反射面を持つ第２光学系を有し、前記第１光学系は、全ての光学部品が回転対称面を持つ共通の光軸で構成され、前記第１光学系を構成する複数の光学部品が、前記光軸と略平行に沿って移動することで変倍を行う変倍機能と、前記第１光学系を構成する、少なくとも１つの光学部品、もしくは複数の光学部品で構成される１つの群の前記光軸からの略垂直方向への移動によって前記２次像面を移動させる画面シフト機能１を有し、前記変倍機能による拡大側から縮小側までの任意の変倍位置において、前記画面シフト機能１は、前記光軸からの前記略垂直方向へ移動した光軸上では無い位置が初期位置となる変倍位置を一つ以上持つ、投射光学系が提供される。
以上説明したように本開示によれば、超広角に対応する場合であっても容易かつ小型で安価な構成によって行い得る投射型画像表示装置及び投射光学系が提供される。
なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
従来のプロジェクタ装置による投射例を示した説明図である。 超短焦点のプロジェクタ装置の投射例を示した説明図である。 超短焦点のプロジェクタ装置の投射例を示した説明図である。 超短焦点のプロジェクタ装置の光学系の例について説明するための説明図である。 投射光学系の光軸と画像表示素子の中心位置が一致した光学系による画像位置ＳＣＲ（ａ）と、一致していない場合（ｂ）の画像位置ＳＣＲの例について説明するための説明図である。 液晶プロジェクタ装置の概略構成例を示す説明図である。 光源および照明光学系の概略構成例を示す説明図である。 第１の実施の形態における投射光学系の概略構成例を示す光路図である。 第１の実施の形態における投射光学系ユニットの要部構成例を示す説明図である。 第１の実施の形態における投射光学系ユニットの要部構成例を示す説明図である。 第１の実施の形態における投射光学系ユニットの要部構成例について説明するための説明図である。 画面位置及び画面サイズについて説明するための図である。 画面位置及び画面サイズについて説明するための図である。 画面位置及び画面サイズについて説明するための図である。 画面位置及び画面サイズについて説明するための図である。 画面位置及び画面サイズについて説明するための図である。 画面位置及び画面サイズについて説明するための図である。 画面位置及び画面サイズについて説明するための図である。 画面位置及び画面サイズについて説明するための図である。 画面位置及び画面サイズについて説明するための図である。 スクリーンと投射光学系との間の位置関係について説明するための図である。 画面位置及び画面サイズについて説明するための図である。 投射光学系、スクリーン、及び光路の位置関係の一例を示した図である。 投射光学系、スクリーン、及び光路の位置関係の一例を示した図である。 投射光学系、スクリーン、及び光路の位置関係の一例を示した図である。 変倍機能および画面シフト機能を用いた場合の投射光学系による横収差図である。 変倍機能および画面シフト機能を用いた場合の投射光学系による横収差図である。 変倍機能および画面シフト機能を用いた場合の投射光学系による横収差図である。 変倍機能および画面シフト機能を用いた場合の投射光学系による横収差図である。 変倍機能および画面シフト機能を用いた場合の投射光学系による横収差図である。 変倍機能および画面シフト機能を用いた場合の投射光学系による横収差図である。 変倍機能および画面シフト機能を用いた場合の投射光学系による横収差図である。 変倍機能および画面シフト機能を用いた場合の投射光学系による横収差図である。 変倍機能および画面シフト機能を用いた場合の投射光学系による横収差図である。 変倍機能および画面シフト機能を用いた場合の投射光学系による横収差図である。 変倍機能および画面シフト機能を用いた場合の投射光学系による横収差図である。 変倍機能および画面シフト機能を用いた場合の投射光学系による横収差図である。 第１の実施の形態における投射光学系のレンズデータの一例である。 第１の実施の形態における投射光学系の１次像面側の開口数、最大半画角、及び最大の１次像面高の一例を示した説明図である。 第１の実施の形態で使用する画像表示素子の、ドットサイズ、横方向長さ、縦方向長さ、及び光軸から素子中心距離を示す説明図である 非球面データの一例である。 第１の実施の形態で使用する各変倍位置の合成焦点距離、画面シフト機能、変倍機能、および第２の画面シフト機能を示す説明図である。 各変倍位置における、各群の屈折力および変倍機能ＭＦによる各移動群の移動量の一例である。 条件式を示した図である。 第２の実施の形態における投射光学系の概略構成例を示す説明図である。 第２の実施の形態における投射光学系の要部構成例を示す説明図である。 第２の実施の形態における投射光学系の要部構成例を示す説明図である。 第２の実施の形態における投射光学系の要部構成例を示す説明図である。 変倍機能および、画面シフト機能を用いた場合の投射光学系による横収差図である。 変倍機能および、画面シフト機能を用いた場合の投射光学系による横収差図である。 第２の実施の形態における投射光学系のレンズデータの一例である。 第２の実施の形態における投射光学系ユニットの１次像面側の開口数、最大半画角、最大の１次像面高さの一例を示した説明図である。 第２の実施の形態で使用する画像表示素子の、ドットサイズ、横方向長さ、縦方向長さ、光軸から素子中心距離を示す説明図である。 非球面データの一例である。 第２の実施の形態で使用する各変倍位置の合成焦点距離、画面シフト機能、変倍機能、および第２の画面シフト機能を示す説明図である。 各変倍位置における、各群の屈折力および変倍機能ＭＦによる各移動群の移動量の一例である。 条件式を示した図である。 画面位置及び画面サイズの一例を示した図である。
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
なお、説明は以下の順序で行うものとする。
１．課題の整理
２．投射型表示装置の概要
３．投射型表示装置の概略構成例
４．投射光学系の構成例
４．１．第１の実施の形態
４．２．第２の実施の形態
５．まとめ
＜１．課題の整理＞
まず、投射型表示装置の一例について説明し、その後、本実施形態に係る投射型表示装置の課題について整理する。
近年、スクリーン上に投影画像を表示する投射型表示装置として、プロジェクタ装置が広く知られている。特に、最近では、投射空間を小さくしつつも大画面を表示できる超広角のフロント投射型プロジェクタ装置の需要が高まってきている。超広角のフロント投射型プロジェクタ装置を用いれば、スクリーンに対して斜めかつ広角に打ち込むことで、限定された空間において大画面を投射することが可能になるからである。
超広角に対応することの利点としては、例えば以下に述べる事項が挙げられる。
図１は従来のプロジェクタ装置による投射例を示したものである。画面Ａに投射する場合の人１および人２の位置を考える。人１および人２の位置はある投射距離以下には近づけない。たとえば人２の位置では影Ｓ１が出来てしまうため、近寄ることは出来ない。また、設置時天吊り金具Ｓ２が必要なため、大掛かりなものになってしまう。
その一方超短焦点の場合は、図２となる。図のように、プロジェクタは壁際の床に設置され、そこから画面Ａを投射する、この場合、人１，２ともに視聴が可能となる。また図１にあった天吊り金具Ｓ２も必要ない。以上のように超短焦点の場合、特別な装置を用意することなく、より画面に近づいて視聴が出来ることになる。
さらに図３のように画面Ａ，Ｂといったように自由に画面サイズを変更できることが出来れば、例えば映画等の臨場感を必要とする時には画面Ａ、ニュース等臨場感を必要としないコンテンツには画面Ｂといった画面サイズごとの使い分けが自由に出来る。
その時、電気的に画面Ａから画面Ｂに切り取るのではなく、光学的なズーミング機構を用いることで、解像力を保つことが出来る。さらにズーミング時のＮＡ値を照明光学系側のＮＡ値以上にすることで、明るさも保つことが可能となり、明視聴下においても視認性の良い画像を見ることが出来る。
しかしながら、このような光学系の実現は従来技術では困難であった。原理的に超短焦点の光学系の構成は図４Ａのようになる。これは図４Ｂの参照符号（ｂ）に示すように、光軸を中心にＳＣＲが配置される図４Ｂの参照符号（ａ）と異なり、ズーミング時において、光軸ＡＸＩＳを中心に画面が拡大・縮小される。
したがって、図４Ａの画面Ａ、Ｂのように、イメージサークルは、ａ１からｂ１に変わるため、ズーミング時はＡＸＩＳ中心に拡大・縮小する。この場合、人１の画面視聴位置がａ１からｂ１に大きく移動してしまう。
例えば、特許文献１は、画面シフト機能を第１光学系の１部の光学系を光軸と垂直方向に偏心させることで可能とする。
しかしながら、特許文献１に開示された構成では、光学系の一部を光軸と垂直方向に偏心させることで画面位置を移動させるため、原理的に偏心収差が発生し、光学性能を劣化させる可能性がある。そのため画面位置の移動量はあまり大きく出来ない場合がある。
つまり、上述した従来技術では、大きく画面位置や画面サイズを動かすために、装置構成が大型化または複雑化してしまい、これに伴ってコストアップを招くおそれがある。
一方で、超広角に対応しつつ、超広角非対応の従来型と同様に明るさを得るためには、大型の曲面反射面を持ち、かつ、明るい画面を達成するため大きな開口数（あるいは小さなＦ値）を持つ光学系を構成する必要がある。換言すると、超広角に対応する光学系は、超広角非対応の場合と同等の明るさを得ようとすると、当該超広角非対応の場合に比べてコストアップする傾向が強くなる。したがって、上記機能の実現については、極力コストアップを抑制し得るようにすることが望ましい。
そこで、本開示では、簡素な構成による画面シフト・変倍機能を実現可能にすることで、超広角に対応する場合であっても容易かつ小型で安価な構成によって行い得る投射型画像表示装置及び投射光学系を提供することを目的とする。
＜２．投射型表示装置の概要＞
先ず、投射型表示装置の概要について、プロジェクタ装置を例に挙げて、簡単に説明する。
プロジェクタ装置は、高圧水銀ランプ等の光源から照射される光を、画像変調素子である液晶表示素子もしくはＤＭＤ(デジタルマイクロミラーデバイス)等で変調して映像信号に応じた光学像を形成するとともに、その光学像を投射光学系で拡大投影してスクリーン上に表示するように構成されている。このようなプロジェクタ装置としては、Ｒ（赤）色、Ｇ（緑）色およびＢ（青）色のそれぞれに対応するパネル状の表示素子を備えた、いわゆる三板式が広く知られている。
ところで、ここで説明するプロジェクタ装置では、投射光学系が、例えば半画角にして７０°近辺という超広角に対応しているものとする。
＜３．投射型表示装置の概略構成例＞
続いて、超広角対応の液晶プロジェクタ装置の概略構成について説明する。図５は、液晶プロジェクタ装置の概略構成例を示す説明図である。図例のように、液晶プロジェクタ装置は、その筐体内に、光源１と、照明光学系２と、投射光学系３と、を備えている。
図６は、光源１および照明光学系２の概略構成例を示す説明図である。
光源１は、例えば高圧水銀ランプもしくはＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）等からなり、照明光学系２に対して光束を発するようになっている。
照明光学系２は、光源１から発せられた光束を、１次像面となる画像変調素子(液晶パネル)の面上に均一照射するようになっている。さらに具体的には、照明光学系２では、光源１からの光束が、第１および第２のフライアイレンズＦＬ、偏光変換素子ＰＳおよび集光レンズＬを経る。そして、これらを経た後に、特定の波長帯域の光だけを反射するダイクロイック・ミラーＤＭによって、ＲＧＢの各色成分光に分離される。ＲＧＢの各色成分光は、全反射ミラーＭやレンズＬ等を利用しつつ、ＲＧＢの各色に対応して設けられた液晶パネルＰに入射される。そして、各液晶パネルＰにて映像信号に応じた光変調が行われた後は、光変調された各色成分光がダイクロイック・プリズムＰＰによって合成されて、投射光学系３に向けて出射されるようになっている。
なお、ここでは、透過型液晶パネルを用いて構成された照明光学系ユニット２を例に挙げているが、反射型液晶パネルを用いても照明光学系２を構成することは可能である。また、画像変調素子としては、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等を用いることもできる。さらには、ダイクロイック・プリズムＰＰに代わり、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）やＲＧＢ各色の映像信号を合成する色合成プリズム、ＴＩＲ（Total Internal Reflection）プリズム等を用いることも考えられる。
投射光学系３は、照明光学系２からの出射光を受け取ることで、照明光学系２の液晶パネルＰで変調された１次像面の画像情報を、２次像面となるスクリーン上へ拡大投射する。
＜４．投射光学系の構成例＞
ここで説明する液晶プロジェクタ装置は、投射光学系３に特徴がある。以下、投射光学系３の構成について、第１、２の実施の形態を例に挙げて順に説明する。
［４．１．第１の実施の形態］
図７は、第１の実施の形態における投射光学系の概略構成例を示す光路図であり、（ａ）Ｗｉｄｅ、（ｂ）Ｍｉｄｄｌｅ１、（ｃ）Ｍｉｄｄｌｅ２、（ｄ）Ｔｅｌｅとなる。図例のように、投射光学系３は、正の屈折力を持つ第１光学系Ｌ１と、凹面反射面を持つ第２光学系Ｌ２と、を有している。第１光学系Ｌ１は、当該第１光学系Ｌ１を構成する全ての光学部品が回転対称面を持つ共通の光軸を有している。
また、第２光学系Ｌ２は、曲面反射面で構成され、第１光学系Ｌ１と共通の前記光軸を持つ。
そして、このような第１光学系Ｌ１および第２光学系Ｌ２を有することで、投射光学系３は、縮小側の１次像面から拡大側の２次像面へ拡大投射するように構成されている。すなわち、照明光学系２の液晶パネルＰで変調されダイクロイック・プリズムＰＰによって合成された１次像面の画像情報を、２次像面となるスクリーン上へ拡大投射するようになっている。
このような構成の投射光学系３において、第１光学系Ｌ１は、１次像面の側から、正の屈折力を持つ第１１光学系Ｌ１１と、負の屈折力を持つ第１２光学系Ｌ１２と、が配されて構成されている。そして、当該第１光学系Ｌ１から出射された光束は、第２光学系Ｌ２との間に中間像ＩＭを一旦結像させた後、当該第２光学系Ｌ２に入射するようになっている。
なお、図中に示すＭ１には、それぞれ第１平面反射面が配置されることとなるが、この図においては便宜上ダミー面としている。
図８Ａ〜図８Ｃは、第１の実施の形態における投射光学系ユニットの要部構成例について説明するための説明図である。図例では、近距離投射時における第１光学系Ｌ１のレンズ断面を示している。
図８Ａ及び図８Ｂにおいて、投射光学系１１は画面シフト機能１および２を有し、前記光軸からの前記略垂直方向への移動された位置が初期位置となるような一つ以上の変倍位置を持つ。図８Ａにおいて、Ｗｉｄｅ時は光軸の位置であり、Ｍｉｄｄｌｅ１は、光軸から垂直方向に０．４５７ｍｍ下側に、Ｍｉｄｄｌｅ２は、０．９７５ｍｍ下側に、そしてＴｅｌｅでは１．５４８ｍｍ下側に移動していることを示しており、それぞれが画面シフト機能１による、各変倍位置の初期位置である。
また図８Ｂにおいて、変倍時４つの移動群（２）、（３）、（４）、（５）を持ち、Ｗｉｄｅ，Ｍｉｄｄｌｅ１、Ｍｉｄｄｌｅ２、Ｔｅｌｅにおいて、図８Ｃに示される移動量を有する。この図から４つの光学部品がＷｉｄｅからＴｅｌｅへの変倍によって、２次像面側に移動する。以上より、この２つの機能が連動することによる画面位置、画面サイズを示したものが、図９Ａに示すＷｉｄｅ、図９Ｂに示すＭｉｄｄｌｅ１、図９Ｃに示すＭｉｄｄｌｅ２、図９Ｄに示すＴｅｌｅである。ここで、（０，０）は、光軸と２次像面を含む平面との交点となる。図１０は、上記図９Ａに示すＷｉｄｅと図９Ｄに示すＴｅｌｅを重ねあわせたものある。点線がＷｉｄｅ、実線がＴｅｌｅである。
以上の変倍機能および画面シフト機能１をもちいることで、機構的に複雑かつ大型化することなく、図３に示されるような画面Ａ(ここではＷｉｄｅと同等)、およびＢ（ここではＴｅｌｅと同等）を達成できることになる。
また同時に画面シフト機能２により、任意の変倍位置において２次像面の移動を独立に行う事が可能となる。図１１Ａに示すＷｉｄｅ＋０．１、図１１Ｂに示すＷｉｄｅ−０．１、図１１Ｃに示すＴｅｌｅ＋０．１、図１１Ｄに示すＴｅｌｅ−０．１は、Ｗｉｄｅ，Ｔｅｌｅの各変倍位置の２次像面の移動例である。点線が画面シフト機能による画面位置、実線が画面シフト機能２により、第１１光学系を光軸から垂直方向に＋０．１ｍｍおよび−０．１ｍｍ移動させた時の２次像面位置を示す。
従って、連動する前記変倍機能、画面シフト機能１と独立した形で画面シフト機能２をもつことで、図３に示されるようなコンテンツに対する画面サイズの自由度だけではなく、設置の自由度も上げることが可能となる。
本開示に示されるような超短焦点の光学系は入射角７０度近辺を持つため、図１２のように、入射角のｔａｎθに比例して、設置が難しくなる。そのため、画面位置の調整を持つことも重要である。
前記変倍機能および画面シフト機能１を連動させる、あるいは第画面シフト機能２については、公知例を利用した機構もしくは電気的な処理を施すことで容易に達成可能となる。
このように、第１光学系Ｌ１を構成する一部の光学部品（具体的には、第１１光学系Ｌ１１。）を光軸に対して略垂直に移動させることで、２次像面の結像位置を移動させる画面シフト機能を第１光学系Ｌ１に持たせることができる。
略垂直への移動に際しては、画面シフトが可能で、かつ、偏芯収差の発生が小さければ、いずれの光学部品を移動させてもよい。すなわち、必ずしも第１１光学系Ｌ１１を移動させる必要はなく、第１２光学系Ｌ１２を移動、または第1光学系全体を移動、あるいはこれらを構成する１つの光学部品を移動させてもよく、所望の移動量やコスト面から最適な移動群を選択すればよい。
つまり、第２光学系を含めた投射光学系全体ではなく、機構的に複雑になるおそれのある第２光学系を除く一部のみの移動によって、画面シフト機能を実現するのである。したがって、投射光学系を構成する光学部品の全てを移動させる場合や画像変調素子Ｐを移動させる場合等に比べて、移動させる部品点数が少なく、また大きさも小さくて済みさらには明るさの劣化等も無いので、結果として高画質を保ちつつ簡素な構成で画面シフト機能を実現することが可能になる。
また、前記変倍機能と前記画面シフト機能、および第２の画面シフト機能を実現する前記第１光学系の光学部品の屈折力φｓと、前記変倍機能を実現するレンズ群のうち最も移動量の大きいレンズ群の屈折力φｍと、前記第１光学系の拡大投射側の屈折力φ１ｗとが （１） ０．０５＜｜φｓ｜/φ１ｗ＜０．８
（２） ０．０５＜φｍ／φ１ｗ＜０．２
の関係を同時に満たすことで偏心収差を抑えつつ、良好な光学性能を得ることが可能となる。
上記の条件式（１）は、画面シフト機能１および画面シフト機能２を実現する移動群の屈折力を適切に規定したものである。すなわち、条件式（１）に規定する下限に満たない場合には、偏芯収差の発生は小さくなる一方で、同時に画面シフト量も小さくなる。また、条件式（１）に規定する上限を超えた場合には、移動による偏芯収差の発生が大きくなり、光学性能の劣化を招く。
上記の条件式（２）は、変倍機能を実現する移動群の屈折力を適切に規定したものである。すなわち条件式（１）に規定する下限に満たさない場合は、移動量が大きくなり光学系の大型化を招く。もしくは変倍率の大きい変倍機能を得ることは出来ない。上限を超えた場合には、移動量が小さくなり、高倍率化を実現する一方で、屈折力φｍが大きくなることで、移動により像面湾曲の変動量が増大し、変倍時の光学性能悪化を招く。
また、前記画面シフト機能による拡大側から縮小側までの最大シフト量をＳＦｍａｘと、その時全系の焦点距離ＦＬと、光軸と２次像面を含む平面上の交点から２次像面までの最短距離について、拡大側における距離Ｌｗと、拡大側を除く任意の変倍位置における距離Ｌａと、拡大側における全系の屈折力φｗと、縮小側における全系の屈折力φｔとが、
（３） ０．１＜｜ＳＦｍａｘ|／ＦＬ＜０．６
（４） ０．９＜Ｌａ／Ｌｗ
（５） １．２＜φｗ／φｔ＜３
の関係を同時に満たすことで、図３で示すような画面位置および画面サイズを満たすことが出来る。
上記の条件式（３）は、超短焦点の光学系において、画面シフトの移動量を適切な位置に移動させることを実現することを規定したものである。すなわち、条件式（３）に規定する下限に満たさない場合には、画面の移動量が小さく、図３で示すような画面位置を満たさない。また上限を超える場合には、移動量が大きくなりすぎてしまい、同様に図３で示すような画面位置を満たさない。
上記の条件式（４）の下限を満たさない場合の画面を図１３に示す。これはＴｅｌｅ時の画面シフト機能を０．０００にした場合のものであり、Ｗｉｄｅが点線、Ｔｅｌｅが実線となる。光軸に近い画面下端位置がＷｉｄｅからＴｅｌｅ時への変倍時に下に下がることがわかる。
条件式（５）は、適切な変倍域を示したものである。すなわち下限を満たさない場合、画面サイズの変化が小さく、図３で示されるような、コンテンツに合わせた視聴が出来ない。上限を超える場合は、変倍率が大きい一方で光学系全体が大型化する。
このように条件式（３）、（４）、（５）を満たさない場合、図に示されるように、視線位置が下がってしまう。また、図３で示されるような、適切な視線位置でコンテンツに合わせた視聴が不可能となる。
また、前記第１１光学系と前記第１２光学系との間に、光路を９０度以上変換する平面反射面が配置されることで、光学系全体の小型化を可能とし、２次像面を含む平面上に交差しない装置を実現できる。
図１４は、投射光学系、スクリーン、及び光路の位置関係の一例を示した概略的な斜視図である。図１４を上から見た図を図１５に示す。この場合、第１光学系の画像表示素子側において、２次像面を含む平面と丸印部分が交差する。したがって第１１光学系と第１２光学系間に光路を９０度以上変換する平面反射面を配置することで図１６のように、２次像面の交差しない小型の光学系を実現できる。
ここで、以上のように構成された投射光学系３について、具体的な数値例を挙げて、以下にその簡単な説明を行う。
図１７Ａ〜図１７Ｄは、前記変倍機能および、前記画面シフト機能を用いた場合のＷｉｄｅ、Ｍｉｄｄｌｅ１、Ｍｉｄｄｌｅ２、Ｔｅｌｅにおける投射光学系による横収差図である。図中において、一目盛り（１．３３ｍｍ）はＷｉｄｅ時の１ドットサイズをスクリーン上に拡大投射した時の１ドットサイズとなる。実線は５５０ｎｍ、破線は６２０ｎｍ、一点鎖線は４６０ｎｍとなる。なお、ここで示す横収差図は、ｙ方向に移動させたときの横収差図であるが、もちろん移動方向はｙ方向に限らず、光軸に垂直であればどの方向でもよい。
図１８Ａ〜図１８Ｄ、図１９Ａ〜図１９Ｄもそれぞれ同様に第２画面シフト機能２による横収差図となる。図１８が＋０．１ｍｍ、図１９が―０．１ｍｍ、光軸〜垂直方向に移動した場合の横収差であり。一般的にこの一目盛りの範囲を大きく超えるような曲線になる場合は、光学性能、特に解像力が劣化していることになる。この場合、３つの機能を用いても解像力の劣化はほとんどない事がわかる。
図２０は、第１の実施の形態における投射光学系のレンズデータの具体例の説明図である。図中において、＊印は非球面を有する面であり、（５）式に従う。また、○印は、ダミー面であるが、それぞれ第１平面反射面を配置する。ｒは曲率半径、ｄは間隔およびレンズの芯厚、ｎｄは、ｄ線（５８７．５６ｎｍ）での屈折率、νｄは同様にｄ線でのアッベ数である。また｛印で纏められたレンズ群は変倍機能ＭＦおよび画面シフト機能ＳＦに関係するレンズ群である。また、ｄｉは変倍機能ＭＦを実現する際に変動するレンズ間隔である。
Figure 0006098506
図２１は、第１の実施の形態における投射光学系の１次像面側の開口数ＮＡ、最大半画角ω、最大の１次像面高さｙの具体例を示す説明図である。
図２２は、第１の実施の形態で使用する画像表示素子の、ドットサイズ、横方向長さ、縦方向長さ、光軸から素子中心距離を示す説明図である。図１７、１８、１９（ａ）〜（ｄ）で示される一目盛りのサイズは、ここでのドットサイズを投射する倍率で掛けた数値となる。
図２３は、第１の実施の形態で使用する図２０において「＊」が付された部分の非球面データである。Ｃは曲率、Ｋは、コーニック定数、Ａ（１）〜Ａ１６は、非球面係数であり、（５）式に従う。
図２４は、第１の実施の形態で使用する各変倍位置の合成焦点距離、画面シフト機能、変倍機能、および第２の画面シフト機能を示す。合成焦点距離は波長（５５０ｎｍ）での数値、画面シフト機能は面Ｓ３〜Ｓ２４間の、光軸と垂直方向の移動量を示し、各変倍位置でそれぞれ数値が決まる。変倍機能はｄ４、ｄ１３、ｄ１５、ｄ１８、ｄ２３の各変倍値における間隔を示す。第２の画面シフト機能は、変倍位置に依らず＋／−０．１、光軸と垂直方向に移動する。
図２５は、各変倍位置における、各群の屈折力および変倍機能ＭＦによる各移動群の移動量をＷｉｄｅ基準で示している。
図２６は、式（１）、（２）、（３）、（４）、（５）で示される条件式を示したものである。
以上のような具体的な数値例によって特定される投射光学系３によれば、画面シフト機能ＳＦ、変倍機能ＭＦを図８Ａのように移動させることによって、図９Ａに示すＷｉｄｅ、図９Ｂに示すＭｉｄｄｌｅ１、図９Ｃに示すＭｉｄｄｌｅ２、図９Ｄに示すＴｅｌｅで示すような画面サイズと画面位置変更を可能とし、図３に示されるような投射形態を実現する。また第２の画面シフト機能によって、任意の変倍位置においても図１０Ａに示すＷｉｄｅ＋０．１、図１０Ｂに示すＷｉｄｅ−０．１、図１０Ｃに示すＴｅｌｅ＋０．１、図１０Ｄに示すＴｅｌｅ−０．１に示されるように画面の位置を調整できる。
［４．２．第２の実施の形態］
図２７は、第２の実施の形態における投射光学系の概略構成例を示す説明図である。図例では（ａ）Ｗｉｄｅ、（ｂ）Ｔｅｌｅの光路を示している。
また図２８Ａ〜図２８Ｃは、第２の実施の形態における投射光学系の要部構成例を示す説明図である。図例ではＷｉｄｅ時における第１光学系のレンズ断面図を示している。
図例のように第２の実施の形態における投射光学系３は、上述した第１の実施の形態と同様に、第１１光学系の光軸と垂直方向の移動によって画面シフト機能１を実現し、光軸方向の各群の移動によって変倍機能を実現する。
ここで第２の実施の形態における投射光学系３について、具体的な数値例を挙げて、いかにその簡単な説明を行う。
図２９Ａ及び図２９Ｂは、前記変倍機能および、前記画面シフト機能１を用いた場合のＷｉｄｅ、Ｔｅｌｅにおける投射光学系による横収差図である。図中において、一目盛りはＷｉｄｅ時の１ドットサイズをスクリーン上に拡大投射した時の１ドットサイズとなる。実線は５５０ｎｍ、破線は６２０ｎｍ、一点鎖線は４６０ｎｍとなる。なお、ここで示す横収差図は、ｙ方向に移動させたときの横収差図であるが、もちろん移動方向はｙ方向に限らず、光軸に垂直であればどの方向でもよい。
図３０は、第２の実施の形態における投射光学系のレンズデータの具体例の説明図である。図中において、＊印は非球面を有する面であり、（５）式に従う。ｒは曲率半径、ｄは間隔およびレンズの芯厚、ｎｄは、ｄ線（５８７．５６ｎｍ）での屈折率、νｄは同様にｄ線でのアッベ数である。また｛印で纏められたレンズ群は変倍機能ＭＦおよび画面シフト機能に関係するレンズ群である。また、ｄｉは変倍機能ＭＦを実現する際に変動するレンズ間隔である。
図３１は、第２の実施の形態における投射光学系ユニットの１次像面側の開口数ＮＡ、最大半画角ω、最大の１次像面高さｙの具体例を示す説明図である。
図３２は、第２の実施の形態で使用する画像表示素子の、ドットサイズ、横方向長さ、縦方向長さ、光軸から素子中心距離を示す説明図である。図２９（ａ）、（ｂ）で示される一目盛りのサイズは、ここでのドットサイズを投射する倍率で掛けた数値となる。
図３３は、第２の実施の形態で使用する図３０において「＊」が付された部分の非球面データである。Ｃは曲率、Ｋは、コーニック定数、Ａ（１）〜Ａ１６は、非球面係数であり、（５）式に従う。
図３４は、第２の実施の形態で使用する各変倍位置の合成焦点距離、画面シフト機能１、変倍機能を示す。合成焦点距離は波長（５５０ｎｍ）での数値、画面シフト機能１は面Ｓ３〜Ｓ２４間の、光軸と垂直方向の移動量を示し、各変倍位置でそれぞれ数値が決まる。変倍機能はｄ４、ｄ１３、ｄ１５、ｄ１８、ｄ２３の各変倍値における間隔を示す。
図３５は、各変倍位置における、各群の屈折力および変倍機能ＭＦによる各移動群の移動量をＷｉｄｅ基準で示している。
図３６は、式（１）、（２）、（３）、（４）、（５）で示される条件式を示したものである。
以上のような具体的な数値例によって特定される投射光学系３によれば、画面シフト機能１、変倍機能を図２８Ａ及び図２８Ｂのように移動させることによって、図３７で示すような画面サイズと画面位置変更を可能とし、図３に示されるような投射形態を実現する。
なお、上述した各実施の形態では、本開示の好適な実施具体例を説明したが、本開示はその内容に限定されることは無い。
特に、第１，２の実施の形態で例示した各部の具体的形状および数値は、本開示を実施するに際して行う具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。
また、例えば、上述した各実施の形態では、投射型画像表示装置として液晶プロジェクタを例に挙げて説明したが、他の投射型画像表示装置、すなわち画像表示素子として液晶パネル以外を用いたものであっても、全く同様に本開示を適用することが可能である。
さらに、例えば、上述した各実施の形態では、投射型画像表示装置の光学系として好適な投射光学系について説明したが、撮像装置(たとえばデジタルカメラ、監視用カメラ、書画カメラ)用の光学系としてももちろん使用可能である。
このように、本開示は、本実施形態で説明した内容に限定されることは無く、その要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
＜５．まとめ＞
以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
光源と、
前記光源から発せられた光束を１次像面となる画像変調素子の面上に均一照射する照明光学系と、
前記画像変調素子で変調された前記１次像面の画像情報を２次像面となるスクリーン上へ拡大投射する投射光学系とを備え、
前記投射光学系は、
正の屈折力を持つ第１光学系と、
曲面反射面を持つ第２光学系を有し、
前記第１光学系は、全ての光学部品が回転対称面を持つ共通の光軸で構成され、
前記第１光学系を構成する複数の光学部品が、前記光軸と略平行に沿って移動することで変倍を行う変倍機能と、
前記第１光学系を構成する、少なくとも１つの光学部品、もしくは複数の光学部品で構成される１つの群の前記光軸からの略垂直方向への移動によって前記２次像面を移動させる画面シフト機能１を有し、
前記変倍機能による拡大側から縮小側までの任意の変倍位置において、前記画面シフト機能１は、前記光軸からの前記略垂直方向へ移動した光軸上では無い位置が初期位置となる変倍位置を一つ以上持つ、投射型画像表示装置。
（２）
前記変倍機能と前記画面シフト機能１は、拡大側から縮小側への変倍時において連動する、前記（１）に記載の投射型画像表示装置。
（３）
前記第１光学系は、全体で正の屈折力をもつ第１１光学系と、全体で負の屈折力をもつ第１２光学系で構成され、前記第１１光学系に、前記変倍機能と前記画面シフト機能１を有する、前記（１）または（２）に記載の投射型画像表示装置。
（４）
前記任意の変倍位置において、前記初期位置とは異なる１つ以上の２次像面の移動を可能とする画面シフト機能２を持つ、前記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の投射型画像表示装置。
（５）
前記画面シフト機能１および前記画面シフト機能２を実現する前記第１光学系の光学部品の屈折力φｓと、前記変倍機能を実現するレンズ群のうち最も移動量の大きいレンズ群の屈折力φｍと、前記第１光学系の拡大投射側の屈折力φ１ｗとが
（１） ０．０５＜｜φｓ｜/φ１ｗ＜０．８
（２） ０．０５＜φｍ／φ１ｗ＜０．３
の関係を同時に満たす、前記（４）に記載の投射型画像表示装置。
（６）
前記画面シフト機能１による拡大側から縮小側までの最大シフト量をＳＦｍａｘと、その時の全系の焦点距離ＦＬと、拡大投射時での、前記第１光学系の光軸と前記２次像面との光軸との垂直方向の最短距離Ｌｗと、前記変倍機能における任意の縮小側変倍位置における距離Ｌａと、拡大側の全系の屈折力φｗと、縮小側の屈折力φｔとが、
（３） ０．１＜｜ＳＦｍａｘ|／ＦＬ＜０．６
（４） ０．９＜Ｌａ／Ｌｗ＜５
（５） １．２＜φｗ／φｔ＜３
の関係を同時に満たす、前記（１）〜（５）のいずれか一項に記載の投射型画像表示装置。
（７）
前記第１１光学系と前記第１２光学系との間に、光路の向きを９０度以上変換する平面反射面が配置される、前記（３）に記載の投射型画像表示装置。
（８）
正の屈折力を持つ第１光学系と、
曲面反射面を持つ第２光学系を有し、
前記第１光学系は、全ての光学部品が回転対称面を持つ共通の光軸で構成され、
前記第１光学系を構成する複数の光学部品が、前記光軸と略平行に沿って移動することで変倍を行う変倍機能と、
前記第１光学系を構成する、少なくとも１つの光学部品、もしくは複数の光学部品で構成される１つの群の前記光軸からの略垂直方向への移動によって前記２次像面を移動させる画面シフト機能１を有し、
前記変倍機能による拡大側から縮小側までの任意の変倍位置において、前記画面シフト機能１は、前記光軸からの前記略垂直方向へ移動した光軸上では無い位置が初期位置となる変倍位置を一つ以上持つ、投射光学系。
１ 光源
２ 照明光学系
３ 投射光学系
Ｐ 画像変調素子
Ｌ１ 第１光学系
Ｌ２ 第２光学系
Ｌ１１ 第１１光学系
Ｌ１２ 第１２光学系
Ｐ 液晶パネル
ＰＰ ダイクロイック・プリズム

Claims (5)

  1. 光源と、
    前記光源から発せられた光束を１次像面となる画像変調素子の面上に均一照射する照明光学系と、
    前記画像変調素子で変調された前記１次像面の画像情報を２次像面となるスクリーン上へ拡大投射する投射光学系とを備え、
    前記投射光学系は、
    正の屈折力を持つ第１光学系と、
    曲面反射面を持つ第２光学系を有し、
    前記第１光学系は、全ての光学部品が回転対称面を持つ共通の光軸で構成され、
    前記第１光学系を構成する複数の光学部品が、前記光軸と略平行に沿って移動することで変倍を行う変倍機能と、
    前記第１光学系を構成する、少なくとも１つの光学部品、もしくは複数の光学部品で構成される１つの群の前記光軸からの略垂直方向への移動によって前記２次像面を移動させる画面シフト機能１と、
    前記変倍機能による拡大側から縮小側までの任意の変倍位置において、前記光軸からの前記略垂直方向へ移動した光軸上では無い位置を初期位置として、当該初期位置とは異なる１つ以上の２次像面の移動を可能とする画面シフト機能２と、
    を有し、
    前記任意の変倍位置において、前記画面シフト機能１は、前記初期位置となる変倍位置を一つ以上持ち、
    前記画面シフト機能１および前記画面シフト機能２を実現する前記第１光学系の光学部品の屈折力φｓと、前記変倍機能を実現するレンズ群のうち最も移動量の大きいレンズ群の屈折力φｍと、前記第１光学系の拡大投射側の屈折力φ１ｗとが
    （１） ０．０５＜｜φｓ｜/φ１ｗ＜０．８
    （２） ０．０５＜φｍ／φ１ｗ＜０．３
    の関係を同時に満たす、投射型画像表示装置。
  2. 前記変倍機能と前記画面シフト機能１は、拡大側から縮小側への変倍時において連動する、請求項１に記載の投射型画像表示装置。
  3. 前記第１光学系は、全体で正の屈折力をもつ第１１光学系と、全体で負の屈折力をもつ第１２光学系で構成され、前記第１１光学系に、前記変倍機能と前記画面シフト機能１を有する、請求項１に記載の投射型画像表示装置。
  4. 前記第１１光学系と前記第１２光学系との間に、光路の向きを９０度以上変換する平面反射面が配置される、請求項３に記載の投射型画像表示装置。
  5. 正の屈折力を持つ第１光学系と、
    曲面反射面を持つ第２光学系を有し、
    前記第１光学系は、全ての光学部品が回転対称面を持つ共通の光軸で構成され、
    前記第１光学系を構成する複数の光学部品が、前記光軸と略平行に沿って移動することで変倍を行う変倍機能と、
    前記第１光学系を構成する、少なくとも１つの光学部品、もしくは複数の光学部品で構成される１つの群の前記光軸からの略垂直方向への移動によって、画像変調素子の面を１次像面とした場合における２次像面を移動させる画面シフト機能１と、
    前記変倍機能による拡大側から縮小側までの任意の変倍位置において、前記光軸からの前記略垂直方向へ移動した光軸上では無い位置を初期位置として、当該初期位置とは異なる１つ以上の２次像面の移動を可能とする画面シフト機能２と、
    を有し、
    前記任意の変倍位置において、前記画面シフト機能１は、前記初期位置となる変倍位置を一つ以上持ち、
    前記画面シフト機能１および前記画面シフト機能２を実現する前記第１光学系の光学部品の屈折力φｓと、前記変倍機能を実現するレンズ群のうち最も移動量の大きいレンズ群の屈折力φｍと、前記第１光学系の拡大投射側の屈折力φ１ｗとが
    （１） ０．０５＜｜φｓ｜/φ１ｗ＜０．８
    （２） ０．０５＜φｍ／φ１ｗ＜０．３
    の関係を同時に満たす、投射光学系。
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