JP6341367B2 - 投射装置、および投射システム - Google Patents

Description

本発明は、投射装置、および投射システムに関するものである。

近年、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）や液晶パネルなどの画像表示素子で生成された画像をスクリーン上に投射表示する画像表示装置が広く用いられている。

特に、最近では、投射距離を短くしつつ、画像を拡大して表示することができる画像表示装置として、超短投射距離のフロント投射型プロジェクタの需要が高まっている。

なお、画像表示装置において、小型で超短投射距離を実現するために、例えば曲面ミラーを備える投射装置や、あるいは屈折光学系と曲面ミラーとを組み合わせる投射装置を用いるものが提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。

しかしながら、従来の超短投射距離の画像表示装置においては、投射角度が大きいため、周辺部、特に屈折光学系が共有する軸である光軸から最も離れた点での焦点深度が、数センチ程度と非常に狭くなる。

一方、学校の教室等でプロジェクタが利用される機会が増えているなかで、シリンドリカル形状や、凹面形状、あるいは周辺のみ曲面を有する黒板が被投射面として利用されていることも多い。

通常の投射距離のプロジェクタにおいて曲面に投射した場合には、焦点深度が広いため、特に解像の印象に影響が出ることはないものの、超短投射距離のプロジェクタにおいて曲面に投射した場合には、上述のように焦点深度が狭いため、解像の劣化が著しい。

また、曲面に投射した場合と同様に、プロジェクタに対してスクリーンが傾いている場合にも、解像の劣化が著しい。

しかしながら、特許文献１〜４の技術は、曲面を有したスクリーンや傾斜したスクリーンなどに対して調整を行う機構を有していないため、上述のような近年のプロジェクタの使用環境を考慮した場合に対応が不十分である。

ここで、曲面を有したスクリーン、あるいは斜めのスクリーンに対して画質調整を行う方法として、プロジェクタの装置自体をスクリーンに対して傾けるという方法がある。

しかしながら、この方法は、プロジェクタは、角度に対してフォーカスが非常に敏感であるため、設置が非常に難しくなるだけでなく、調整機構も大型化してしまうため、好ましくない。

また、装置自体を傾けた場合には、スクリーンに対する画位置も大きく変化してしまうため、傾き調整とともに高さ調整も同時に行わなければならず、設置の際の調整が困難である。

また、特に曲率の小さい曲面のスクリーンにおいては、装置自体を傾けただけでは、良好な解像を得ることができない。

本発明は、曲面の被投射面や傾いた被投射面に投射される画像の調整をすることができる投射装置を提供することを目的とする。

本発明は、画像表示素子に表示される画像を拡大投射する投射装置であり、軸対称に配置される複数のレンズからなるレンズ群を有する屈折光学系と、反射光学素子を有する反射光学系と、を備え、レンズ群が共有する軸を軸Ａ、レンズ群のうち最も拡大側のレンズを最も繰り出した状態において画像表示素子から屈折光学系の頂点までの軸Ａ上の距離をＬＴ、最も拡大側のレンズを最も繰り出した状態において画像表示素子からレンズ群の頂点までの軸Ａ上の距離をＬＮ、としたとき、
レンズのうち、
０．５ ＜ ＬＮ／ＬＴ
を満たす負レンズを軸Ａに垂直な方向に移動させる移動機構、を有する、ことを特徴とする。

本発明によれば、曲面の被投射面や傾いた被投射面に投射される画像の調整をすることができる。

本発明に係る投射装置の実施の形態を示す光学配置図である。 図１の投射装置による画像形成部の例を示す模式図である。 図１の投射装置の投射光学系を示す光学配置図である。 レンズ群の保持部材の例を示す模式図である。 上記レンズ群の調整機構の例を示す模式図である。 スクリーンの例を示す模式図である。 図６のスクリーンにおいて８０インチに対応したスポットダイアグラムである。 図６のスクリーンにおいて６０インチに対応したスポットダイアグラムである。 図６のスクリーンにおいて４８インチに対応したスポットダイアグラムである。 シリンドリカルスクリーンの例を示す模式図である。 図１０のスクリーンにおいて８０インチに対応したスポットダイアグラムである。 図１０のスクリーンにおいて６０インチに対応したスポットダイアグラムである。 図１０のスクリーンにおいて４８インチに対応したスポットダイアグラムである。 図１０のスクリーンにおいてレンズ群をＹ軸の負の方向に０．０１４１ｍｍだけ偏心した場合の８０インチに対応したスポットダイアグラムである。 図１０のスクリーンにおいてレンズ群をＹ軸の負の方向に０．０１４１ｍｍだけ偏心した場合の６０インチに対応したスポットダイアグラムである。 図１０のスクリーンにおいてレンズ群をＹ軸の負の方向に０．０１４１ｍｍだけ偏心した場合の４８インチに対応したスポットダイアグラムである。 図１０のスクリーンにおいてスクリーンの曲率半径を３０００ｍｍとした場合の８０インチに対応したスポットダイアグラムである。 図１０のスクリーンにおいてスクリーンの曲率半径を３０００ｍｍとした場合の６０インチに対応したスポットダイアグラムである。 図１０のスクリーンにおいてスクリーンの曲率半径を３０００ｍｍとした場合の４８インチに対応したスポットダイアグラムである。 図１０のスクリーンにおいてレンズ群をＹ軸の負の方向に０．０４１２ｍｍだけ偏心した場合の８０インチに対応したスポットダイアグラムである。 図１０のスクリーンにおいてレンズ群をＹ軸の負の方向に０．０４１２ｍｍだけ偏心した場合の６０インチに対応したスポットダイアグラムである。 図１０のスクリーンにおいてレンズ群をＹ軸の負の方向に０．０４１２ｍｍだけ偏心した場合の４８インチに対応したスポットダイアグラムである。 本発明に係る投射装置の別の実施の形態を示す光学配置図である。 図２３の投射装置の投射光学系を示す光学配置図である。 図６のスクリーンにおいて８０インチに対応したスポットダイアグラムである。 図６のスクリーンにおいて６０インチに対応したスポットダイアグラムである。 図６のスクリーンにおいて４８インチに対応したスポットダイアグラムである。 図１０のスクリーンにおいてスクリーンの曲率半径を１６２００ｍｍとした場合の８０インチに対応したスポットダイアグラムである。 図１０のスクリーンにおいてスクリーンの曲率半径を１６２００ｍｍとした場合の６０インチに対応したスポットダイアグラムである。 図１０のスクリーンにおいてスクリーンの曲率半径を１６２００ｍｍとした場合の４８インチに対応したスポットダイアグラムである。 図１０のスクリーンにおいてレンズ群をＹ軸の負の方向に０．０５７３ｍｍだけ偏心した場合の８０インチに対応したスポットダイアグラムである。 図１０のスクリーンにおいてレンズ群をＹ軸の負の方向に０．０５７３ｍｍだけ偏心した場合の６０インチに対応したスポットダイアグラムである。 図１０のスクリーンにおいてレンズ群をＹ軸の負の方向に０．０５７３ｍｍだけ偏心した場合の４８インチに対応したスポットダイアグラムである。

以下、本発明に係る投射装置、および投射システムの実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

本実施の形態に係る投射装置は、画像表示素子に表示される画像を拡大投射する投射装置であり、軸対称に配置される複数のレンズからなるレンズ群を有する屈折光学系と、反射光学素子を有する反射光学系と、を備える。ここで、屈折光学系を構成するレンズ群は、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、最も拡大側のレンズが拡大側に移動する（繰り出す）。

ここで、レンズ群が共有する軸を軸Ａ、レンズ群のうち最も拡大側のレンズを最も繰り出した状態において画像表示素子から屈折光学系の頂点までの軸Ａ上の距離をＬＴとする。また、軸Ａに垂直な方向に移動可能なレンズ群を有していて、最も拡大側のレンズを最も繰り出した状態において画像表示素子から前記移動可能なレンズ群の頂点までの軸Ａ上の距離をＬＮとする。

このとき、本実施の形態に係る投射装置は、レンズのうち、下記式（１）を満たす負レンズを前記軸Ａに垂直な方向に移動させる移動機構を有する。

０．５ ＜ ＬＮ／ＬＴ （１）

本実施の形態に係る投射装置は、負レンズ１枚、もしくはそれを含んだレンズ群を光軸と垂直方向、特に最周辺画角の像面位置を効果的に移動させる。このようにすることで、本実施の形態に係る投射装置は、意図的に片ボケを引き起こし、曲面のスクリーン全体にフォーカスがあった状態にすることができる。

また、本実施の形態に係る投射装置によれば、条件式（１）を満たすことにより、負レンズの画角毎の光線通過位置の差が大きくなるため、像面位置を調整する効果が大きくすることができ、歪曲や画位置に与える影響も小さくすることができる。

また、本実施の形態に係る投射装置によれば、軸Ａに対してスクリーンが傾いている場合においても、レンズを偏心することでスクリーン全体にフォーカスがあった状態にすることができる。

本実施の形態に係る投射装置は、以下の条件式（１’）を満たすことが望ましい。

０．７５ ＜ ＬＮ／ＬＴ （１’）

本実施の形態に係る投射装置は、画像表示素子の中心から出射され、絞りの中心を通る光線を含む面内の軸で、屈折光学系が共有する軸Ａに垂直な軸をＹ軸としたときに、レンズ群がＹ軸に沿って移動するのが望ましい。

本実施の形態に係る投射装置によれば、レンズ群をＹ軸方向に移動させることにより、Ｘ軸方向にシリンドリカルな曲面に対してスクリーン全体にフォーカスがあった投射画像を投射することができる。

また、本実施の形態に係る投射装置は、Ｙ軸方向のみ移動可能とするのが望ましい。本実施の形態に係る投射装置によれば、このように構成することにより、機構を簡略化することができ、コストの低減、製造誤差感度の低減を図ることができる。

本実施の形態に係る投射装置は、反射光学素子の最大有効径をＤｍａｘ、負レンズの有効径をＤＮ、としたとき、負レンズが、下記式（２）を満たすのが望ましい。

０．７ ＜ ＤＮ／Ｄｍａｘ ≦ １ （２）

ここで、有効径とは、光学素子を通る光線と光学素子の交点のうち、軸Ａからの距離が最大となる距離のことをいう。

本実施の形態に係る投射装置によれば、式（２）を満たすことにより、像面湾曲の調整を効率的に行うことができる。

本実施の形態に係る投射装置は、屈折光学系内には、絞りが配置され、レンズ群は、絞りよりも反射光学素子側に配置されるのが望ましい。

本実施の形態に係る投射装置によれば、絞りよりも拡大側に曲面スクリーン用の調整機構を設けることにより、偏心収差の発生を抑えながら像面を調整することができる。

本実施の形態に係る投射装置は、反射光学素子が自由曲面を有する凹面ミラーであることが望ましい。

本実施の形態に係る投射装置によれば、凹面の自由曲面ミラーを用いることで、レンズ群の偏心収差を効果的に補正することができる。

また、本実施の形態に係る投射装置は、レンズ群を移動させる駆動機構を有するのが望ましい。

また、本実施の形態に係る投射装置は、レンズ群が、軸Ａと垂直方向に移動することができるように、レンズ群の保持部の内径とレンズ群の外径との間に間隙を有するのが望ましい。

本実施の形態に係る投射装置によれば、複雑な機構を有さずに、画位置の調整をすることができる。

本実施の形態に係る投射装置は、屈折光学系が、ノンテレセントリック光学系であるのが望ましい。

本実施の形態に係る投射装置によれば、屈折光学系をノンテレセントリック光学系とすることで、小型化に有利となるだけでなく、レンズ群のパワーを小さくすることができる。つまり、本実施の形態に係る投射装置によれば、レンズ群の移動によって生じる歪曲等の偏心収差の発生と画位置の移動量を小さくすることができる。

本実施の形態に係る投射装置は、画像表示素子が、軸Ａと交差しない位置に配置されているのが望ましい。

本実施の形態に係る投射装置によれば、レンズの片側のみを用いることで、片ボケを用いることになるため、Ｘ軸方向に曲面を有するシリンドリカル形状のスクリーンに対して良好に投射画像を投射することができる。

本実施の形態に係る投射システムは、画像表示素子に表示される画像を拡大投射する投射装置と、投射装置が拡大投射した画像を映すスクリーンと、を有してなる。

ここで、本実施の形態に係る投射システムにおいて、投射装置が、以上説明した投射装置であり、スクリーンが、凹面ミラーと前記軸Ａとの交点から前記スクリーンまでの距離／スクリーン横幅をＴＲとしたとき、下記式（３）を満たす。

ＴＲ ＜ ０．２５ （３）

本実施の形態に係る投射装置によれば、上記式（３）を満たすことにより、投射距離の非常に短い投射装置を得ることができる。

また、本実施の形態に係る投射システムにおいて、軸Ａと、画像表示素子の中心から出射され、絞りの中心を通る光線を含む面内の軸で、屈折光学系が共有する軸Ａに垂直な軸であるＹ軸とに対して垂直な軸をＸ軸とする。

ここで、本実施の形態に係る投射システムは、スクリーンの曲率半径をＲ、投射画像が最大となるときの投射画像の対角長をＩｍｇ、としたとき、スクリーンが、Ａ−Ｙ断面においては平面で、Ｘ軸方向に曲率１／Ｒを有し、下記式（４）を満たす。

｜Ｒ｜／Ｉｍｇ ＞ １．４ （４）

本実施の形態に係る投射システムによれば、上記式（４）を満たすことにより、解像劣化なしに没入感を得る映像を投射することができる。

次に、本発明に係る投射装置と投射システムの実施例について説明する。

図１は、本発明に係る投射装置の実施例を示す光学配置図である。図１には、本発明に係る投射装置を有してなる画像表示装置１００を示す。同図に示すように、画像表示装置１００は、照明光学系ＬＳからの光により照射された画像形成部ＬＶ上の拡大像を、投射光学系（屈折光学系）１１でスクリーンＳＣに投射する。

なお、図１には、投射光学系１１の自由曲面レンズが最も光の進行方向側に繰り出している、４８インチの場合の画像表示装置１００の光路図を示している。また、図１において、スクリーンＳＣは、下端部のごく一部のみが示されている。

図１に示すように、以下の説明において、画像形成部ＬＶの法線方向であり、軸対称レンズが共有する軸である軸Ａと平行な軸をＺ軸、画像形成部ＬＶの中心から出射され、絞りの中心を通る光線を含む面内の軸のうち、軸Ａに垂直な軸をＹ軸とする。そして、以下の説明において、軸Ａ、Ｙ軸に垂直な軸をＸ軸とする。また、以下の説明において、時計回りの回転方向を＋α方向とする。

画像表示装置１００の画像形成部ＬＶから出射される光の進行方向には、平行平板Ｆと、投射光学系１１と、ミラー１２と、凹面ミラー１３とが、この順に配置されている。

また、投射光学系１１内には、絞りＳが配置されている。

画像形成部ＬＶは、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）、透過型液晶パネル、反射型液晶パネル等の画像表示素子からなる。本実施の形態において、画像形成部ＬＶは、自ら発光する機能を持たないＤＭＤを想定している。画像形成部ＬＶとして示している部分は、投射装置が投射すべき画像を形成する部分である。

画像形成部ＬＶが自ら発光する機能を持たない場合には、照明光学系ＬＳからの照明光により画像形成部ＬＶが照射され、画像形成部ＬＶに形成された画像情報が投射される。

なお、画像形成部ＬＶは、上述のように自ら発光する機能を持たないものに限定されず、生成した画像を発光させる自己発光方式のものを利用することもできる。

照明光学系ＬＳは、画像形成部ＬＶを効率よく照射する機能を有するものが好ましい。ここで、照明光学系ＬＳは、例えばロッドインテグレータやフライアイインテグレータを用いることで、配光を均一にすることができる。

なお、照明光学系ＬＳの光源には、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの白色光源、単色発光ＬＥＤや、ＬＤ（Laser Diode）などの単色光源を用いることができる。

画像情報に基づいて画像形成部ＬＶにより２次元的に強度変調された光は、物体光としての投射光となる。つまり、画像形成部ＬＶからの投射光は、投射光学系１１、ミラー１２、凹面ミラー１３を通って結像光束となる。

平行平板Ｆは、画像形成部ＬＶの近傍に配置される、画像形成部ＬＶのカバーガラス（シールガラス）である。

また、画像表示装置１００は、外装部Ｈを有する。

図２は、図１の投射装置による画像形成部ＬＶの例を示す模式図である。投射光学系の各光学素子は、それぞれ光軸を共有している。そのため、画像形成部ＬＶは、光軸（軸Ａ）に対してＹ軸方向にシフトしている。ここで、画像形成部ＬＶにおいて、画像が形成される面を画像形成面とする。

本実施の形態において、画像表示装置１００は、投射光学系１１と、ミラー１２、一枚の凹面ミラー１３を用いて系を構成している。

投射光学系１１を通った光は、画像形成部ＬＶに形成された画像情報に共役な中間像を、ミラー１２よりも画像形成部ＬＶ側の位置に空間像として形成する。ここで、中間像は、平面像として結像する必要がないため、本実施の形態においては曲面像として形成している。

凹面ミラー１３は、最も拡大側に配置された自由曲面ミラーである。凹面ミラー１３は、中間像を拡大投射し、スクリーンＳＣに投射する。ここで、中間像は、像面湾曲や歪曲を持っているが、凹面ミラー１３に自由曲面を用いることにより、像面湾曲や歪曲を補正することができる。

凹面ミラー１３を自由曲面で構成することにより、画像表示装置１００は、投射光学系１１の収差補正の負担が減るため、投射装置や画像表示装置の設計の自由度が増し、装置構成の小型化を図ることができる。

ここで、自由曲面とは、任意のｙ軸方向の位置にてｘ軸方向の位置に応じたｘ軸方向の曲率が一定ではなく、任意のｘ軸方向の位置にてｙ軸方向の位置に応じたｙ軸方向の曲率が一定でないアナモフィック面のことをいう。ここで、ｘ軸、ｙ軸は、上述のＸ軸、Ｙ軸とは一致しなくてもよい。

防塵ガラス１４は、凹面ミラー１３とスクリーンＳＣとの間に設置される。なお、防塵ガラス１４は、平板ガラスであっても、曲率がついているガラスや、レンズなど屈折力を持った光学素子であってもよい。

また、画像表示装置１００は、投射画像を曲面もしくは傾斜したスクリーンＳＣに投射する場合に発生する歪みを画像処理で補正する不図示の処理機構を有する。

●投射光学系の構成
次に、画像表示装置１００の投射光学系の具体的な構成を説明する。

図３は、図１の投射装置の投射光学系１１を示す光学配置図である。同図は、投射光学系１１の光学配置とフォーカスの様子を示す。ここで、同図（ａ）は、投射光学系１１が遠距離側（８０インチ）にフォーカシングされた様子を示し、同図（ｂ）は、投射光学系１１が近距離側（４８インチ）にフォーカシングされた様子を示す。

図３に示すように、投射光学系１１は、画像形成部ＬＶ側から拡大側に向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群（Ｉ）と、正の屈折力を有する第２レンズ群（ＩＩ）とを有する。また、投射光学系１１は、負の屈折力を有する第３レンズ群（ＩＩＩ）と、正の屈折力を有する第４レンズ群（ＩＶ）とを有する。投射光学系１１の最も拡大側には、光の方向を変更する（折り曲げる）ミラー１２と、凹面ミラー１３が配置される（図１参照）。

図３（ａ）と（ｂ）とを比較して、投射光学系１１の投射距離の変動に対するフォーカシングを説明する。投射光学系１１は、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、正の第２レンズ群（ＩＩ）と負の第３レンズ群（ＩＩＩ）が、画像形成部ＬＶ側に移動し、正の第４レンズ群（ＩＶ）が拡大側に移動する。

第１レンズ群（Ｉ）は、画像形成部ＬＶ側から順に、画像形成部ＬＶ側に強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズと、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた負メニスカスレンズおよび画像形成部ＬＶ側により強い凸面を向けた両凸レンズの接合レンズと、絞りＳと、画像形成部ＬＶ側により強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズと、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、拡大側に凸面を向けた正メニスカスレンズおよび画像形成部ＬＶ側により強い凹面を有する両凹レンズの接合レンズと、拡大側に強い凸面を向けた両凸レンズからなる。

第２レンズ群（ＩＩ）は、画像形成部側により強い凸面を向けた両凸レンズ一枚からなる。

また、第３レンズ群（ＩＩＩ）は、２つの群に別れていて、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズ（レンズ群Ｄ）と、もう一つのレンズ群である画像形成部ＬＶ側により強い凹面を有した両面非球面両凹レンズからなる。ここで、第３レンズ群（ＩＩＩ）は、負メニスカスレンズのみがＹ軸方向すなわち軸Ａに直交する方向に可動する。

第４レンズ群（ＩＶ）は、拡大側に凸面を向けた両面非球面正メニスカスレンズからなる。

画像表示装置１００は、投射光学系１１における、絞りＳよりも拡大側、図１において最もスクリーンＳＣ側のレンズから３番目に配置され、負のパワーを有した球面レンズ１枚からなるレンズ群Ｄを有している。レンズ群Ｄは、調整機構により軸Ａに対してＹ軸方向に可動する。

なお、レンズ群Ｄは、調整機構により、Ｘ軸方向、もしくはＸＹ方向に可動するようにしてもよい。

図４は、レンズ群Ｄの保持部材の例を示す模式図である。同図に示すように、レンズ群Ｄは、レンズ面の側面の外周を囲むように形成される保持部材１により、所定の間隙ｄを持って保持される。

図５は、レンズ群Ｄの調整機構の例を示す模式図である。同図に示すように、調整機構１０は、保持部材１と、バネ２と、ネジ３とにより構成される。

保持部材１は、上述の通りレンズ群Ｄを所定の間隙ｄを持って保持する。保持部材１には、側面の外周から内周に向けて貫通するネジ穴が設けられている。

バネ２は、保持部材１の内周とレンズ群Ｄの外周との間の間隙、もしくは保持部材１とその内周の不図示の保持部材との間の間隙に介在する。ここで、バネ２は、レンズ群Ｄの中心に関して保持部材１のネジ穴の位置と対称な位置に設けられている。

ネジ３は、保持部材１のネジ穴に螺合し、保持部材１に対して締め込むことによってレンズ群Ｄをバネ２の反発力に抗して押し付け、保持部材１に対するレンズ群Ｄの位置をバネ２の方向に移動させる。ネジ３を緩めると、レンズ群Ｄは、バネ２の反発力によりネジ３の方向に移動する。

つまり、調整機構１０は、ネジ３の締め込み度合いにより、ユーザーが容易にスクリーンＳＣに対してレンズ群Ｄの軸Ａに直交する方向の位置を調整することができる。

また、レンズ群Ｄの調整機構としては、例えば外装部Ｈの不図示のレバーと、レバーに保持された不図示のギアと、レンズ群Ｄの保持部材１に取り付けられギアと嵌合する不図示のスクリューとにより構成される構造などが考えられる。

なお、調整機構１０は、ネジ３のネジ頭に不図示のモーターの回転軸に連結して回転させることで、電動化することができる。

以下、表１〜表５に、レンズデータを示す。表中面番号に＊が付いているものは非球面を示し、＊＊がついているものは自由曲面を示す。また、表中面番号に※がついているレンズは、Ｙ軸方向に移動可能なレンズである。

本実施の形態における記号の意味は以下の通りである。
ｆ：全系の焦点距離
ＮＡ：開口数
ω：半画角（ｄｅｇ）
Ｒ：曲率半径（非球面にあっては近軸曲率半径）
Ｄ：面間隔
Ｎｄ：屈折率
νｄ：アッベ数
Ｋ：非球面の円錐定数
Ａｉ：ｉ次の非球面係数
Ｃｊ：自由曲面係数

本実施の形態において、非球面形状は、近軸曲率半径の逆数（近軸曲率）をＣ、光軸からの高さをＨ、円錐定数をＫとして、上記各次数の非球面係数Ａｉを用い、光軸方向における非球面量をＸとして、周知の式（５）で表されるものである。

（５）

つまり、非球面形状は、式（５）に近軸曲率Ｃと円錐定数Ｋ、非球面係数Ａｉを与えて形状を特定する。

また、本実施の形態において、自由曲面形状は、近軸曲率半径の逆数（近軸曲率）をＣ、光軸からの高さをＨ、円錐定数をＫ、上記自由曲面係数Ｃｊを用い、光軸方向における自由曲面量をＸとして、周知の式（６）で表されるものである。

（６）

ただし、ｊは、式（７）に示す通りである。

（７）

自由曲面形状は、式（６）に近軸曲率Ｃと円錐定数Ｋと自由曲面係数Ｃｊを与えて形状を特定する。

表１

表２

表３

表４

表５

また、画像形成部ＬＶであるＤＭＤのサイズは、ドットサイズを１０．８μｍ、横方向の長さを１３．８２４ｍｍ、縦方向の長さを８．６４０ｍｍ、光軸から素子中心までの距離を５．６２ ｍｍとする。

図３に示すように、画像表示素子からレンズ群Ｄの拡大側の面と軸Ａとの交点Ｂまでの距離をＬＮ、画像表示素子から最も拡大側のレンズの４８インチでの軸Ａとの交点Ｃまでの距離をＬＴとすると、ＬＮとＬＴとの関係は、以下の式（１−１）の通りである。

ＬＮ／ＬＴ ＝ ０．８０ （１−１）

また、投射光学系１１を構成する光学素子の最大有効径をＤｍａｘ、負レンズの有効径をＤＮとすると、負レンズが以下の式（２−１）を満たす。

ＤＮ／Ｄｍａｘ ＝ ０．７５４ （２−１）

ここで、有効径とは、光学素子を通る光線と光学素子の交点のうち、軸Ａからの距離が最大となる距離のことをいう。上記式（２−１）を満たすことにより、投射光学系１１によれば、像面湾曲の調整を効率的に行うことができる。

最も反射面側に位置するレンズの投射画像が最大となる合焦状態での頂点からのミラー１２、凹面ミラー１３の位置座標を表６に示す。なお、表６において、回転に関しては面法線と光軸とのなす角度を示している。

表６

図６は、スクリーンの例を示す模式図である。同図において、Ｆ１〜Ｆ１３は、スクリーン上の画像形成領域における任意の点を示す。

図７は、図６のスクリーンにおいて８０インチに対応したスポットダイアグラムである。また、図８は、図６のスクリーンにおいて６０インチに対応したスポットダイアグラムである。また、図９は、図６のスクリーンにおいて４８インチに対応したスポットダイアグラムである。

図７〜９において、各スポットダイアグラムは、スクリーン面での結像特性（ｍｍ）を、波長６２５ｎｍ（赤）、５５０ｎｍ（緑）、４２５ｎｍ（青）について示している。

各画サイズでのＷＸＧＡにおける画素サイズは８０インチ、６０インチ、４８インチがそれぞれ、１．３５ｍｍ、１．０ｍｍ、０．８ｍｍであるので、図７から図９によれば、投射光学系１１が画像表示装置１００として十分な性能を持っていることがわかる。

図１０は、シリンドリカルスクリーンの例を示す模式図である。同図に示すように、画像表示装置１００のスクリーンとして、例えばＸ軸方向の曲率半径が１６２００ｍｍ（｜Ｒ｜／Ｉｍｇ＝７．９７）となるような曲面を有したシリンドリカル形状なスクリーンＳＣ２を用いる場合を考える。

図１１は、図１０のスクリーンにおいて８０インチに対応したスポットダイアグラムである。また、図１２は、図１０のスクリーンにおいて６０インチに対応したスポットダイアグラムである。また、図１３は、図１０のスクリーンにおいて４８インチに対応したスポットダイアグラムである。

図１１〜１３によれば、投射光学系１１は、シリンドリカル形状のスクリーンＳＣ２に投射した場合には、平面のスクリーンＳＣに投射した場合に比較して、スポットサイズが大きくなっていることがわかる。

図１４は、図１０のスクリーンにおいてレンズ群をＹ軸の負の方向に０．０１４１ｍｍだけ偏心した場合の８０インチに対応したスポットダイアグラムである。また、図１５は、図１０のスクリーンにおいてレンズ群をＹ軸の負の方向に０．０１４１ｍｍだけ偏心した場合の６０インチに対応したスポットダイアグラムである。また、図１６は、図１０のスクリーンにおいてレンズ群をＹ軸の負の方向に０．０１４１ｍｍだけ偏心した場合の４８インチに対応したスポットダイアグラムである。

図１４〜１６において、曲面スクリーンを用いた場合に、レンズ群ＤをＹ軸の負の方向、つまり図３の下方向に０．０１４１ｍｍだけ偏心した場合の各画サイズにおけるスポットダイアグラムを示す。ここで、画位置の変化量はＹ軸の負の方向に０．７３ｍｍである。

従来の投射装置において、曲面のスクリーンに投射した場合には、特に最外角付近でのスポット径の広がりが大きくなり、解像劣化を起こす。

一方、図１４〜１６に示すように、レンズ群Ｄを偏心させることによって、曲面形状のスクリーンにおいても良好な解像を得ることができることがわかる。

図１７は、図１０のスクリーンにおいてスクリーンの曲率半径を３０００ｍｍとした場合の８０インチに対応したスポットダイアグラムである。また、図１８は、図１０のスクリーンにおいてスクリーンの曲率半径を３０００ｍｍとした場合の６０インチに対応したスポットダイアグラムである。また、図１９は、図１０のスクリーンにおいてスクリーンの曲率半径を３０００ｍｍとした場合の４８インチに対応したスポットダイアグラムである。

図１７〜１９において、スクリーンの曲率半径を３０００ｍｍ（｜Ｒ｜／Ｉｍｇ＝１．４７）とした場合の各スポットダイアグラムを示す。

図１７〜１９に示すように、曲面スクリーンに投射した場合には、平面スクリーンに投射した場合に比較してスポットサイズがかなり大きくなっていることがわかる。

図２０は、図１０のスクリーンにおいてレンズ群をＹ軸の負の方向に０．０４１２ｍｍだけ偏心した場合の８０インチに対応したスポットダイアグラムである。図２１は、図１０のスクリーンにおいてレンズ群をＹ軸の負の方向に０．０４１２ｍｍだけ偏心した場合の６０インチに対応したスポットダイアグラムである。図２２は、図１０のスクリーンにおいてレンズ群をＹ軸の負の方向に０．０４１２ｍｍだけ偏心した場合の４８インチに対応したスポットダイアグラムである。

図２０〜２２において、曲面スクリーンを用いた場合において、レンズ群ＤをＹ軸の負の方向、つまり図３の下方向に０．０４１２ｍｍだけ偏心した場合の各画サイズにおけるスポットダイアグラムを示す。

図２０〜２２に示すように、レンズ群Ｄを偏心させることによって、曲率の小さな曲面形状のスクリーンにおいても良好な解像を得ることができることがわかる。また、画位置の変化量はＹ軸の負の方向に１．１ｍｍである。

なお、以上の説明においては、画像表示装置１００により曲面スクリーンに投射した場合のみについて示したが、本発明に係る投射装置は、これらの構成には限定されない。例えば、本発明に係る投射装置において、スクリーンがＸ軸方向、Ｙ軸方向に斜めになっている場合においても同様にレンズ群Ｄを偏心させることで良好な拡大像を得ることができる。

次に、本発明に係る投射装置の別の実施例について、先に説明した実施例との相違点を中心に説明する。

図２３は、本発明に係る投射装置の別の実施例を示す光学配置図である。図２３には、本発明に係る投射装置を有してなる画像表示装置２００を示す。同図に示すように、画像表示装置２００は、照明光学系ＬＳからの光により照射された画像形成部ＬＶ上の拡大像を、投射光学系（屈折光学系）２１でスクリーンＳＣに投射する。

なお、図２３には、投射光学系２１の自由曲面レンズが最も光の進行方向側に繰り出している、４８インチの場合の画像表示装置２００の光路図を示している。

画像表示装置２００の画像形成部ＬＶから出射される光の進行方向には、平行平板Ｆと、投射光学系２１と、ミラー１２と、凹面ミラー１３とが、この順に配置されている。

本実施例において、画像表示装置２００は、投射光学系２１におけるレンズ群Ｄを構成するレンズの数と種類、つまり、調整機構により可動するレンズ群Ｄの構成が先に説明した実施例と相違する。

●投射光学系の構成
次に、画像表示装置２００の投射光学系の具体的な構成を説明する。

図２４は、図２３の投射装置の投射光学系２１を示す光学配置図である。同図は、投射光学系２１の光学配置とフォーカスの様子を示す。ここで、同図（ａ）は、投射光学系２１が遠距離側（８０インチ）にフォーカシングされた様子を示し、同図（ｂ）は、投射光学系２１が近距離側（４８インチ）にフォーカシングされた様子を示す。

図２４に示すように、投射光学系２１は、画像形成部ＬＶ側から拡大側に向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群（Ｉ）と、正の屈折力を有する第２レンズ群（ＩＩ）とを有する。また、投射光学系２１は、負の屈折力を有する第３レンズ群（ＩＩＩ）と、正の屈折力を有する第４レンズ群（ＩＶ）とを有する。投射光学系２１の最も拡大側には、光の方向を変更する（折り曲げる）ミラー１２と、凹面ミラー１３が配置される。

図２４（ａ）と（ｂ）とを比較して、投射光学系２１の投射距離の変動に対するフォーカシングを説明する。投射光学系２１は、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、正の第２レンズ群（ＩＩ）と負の第３レンズ群（ＩＩＩ）が、画像形成部ＬＶ側に移動し、正の第４レンズ群（ＩＶ）が拡大側に移動する。

ここで、投射光学系２１は、レンズ群Ｄである第３レンズ群（ＩＩＩ）の構成が、先に説明した投射光学系１１と相違する。

すなわち、第３レンズ群（ＩＩＩ）（レンズ群Ｄ）は、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、画像形成部ＬＶ側により強い凹面を有した両面非球面両凹レンズからなる。ここで、第３レンズ群は、上記負メニスカスレンズと両面非球面両凹レンズが一体でＹ軸方向（軸Ａに直交する方向）に可動する。

なお、レンズ群Ｄは、調整機構により、Ｘ軸方向、もしくはＸＹ方向に可動するようにしてもよい。

また、レンズ群Ｄの位置を移動させる調整機構は、先に説明した構成と同様のものを用いることができる。

以下、表７〜表１１に、レンズデータを示す。表中面番号に＊が付いているものは非球面を示し、＊＊がついているものは自由曲面を示す。また、表中面番号に※がついているレンズは、Ｙ軸方向に移動可能なレンズである。

表７

表８

表９

表１０

表１１

また、画像形成部ＬＶであるＤＭＤのサイズは、ドットサイズを１０．８ｕｍ、横方向の長さを１３．８２４ｍｍ、縦方向の長さを８．６４０ｍｍ、光軸から素子中心までの距離を５．６２ ｍｍとする。

図２４に示すように、画像表示素子からレンズ群Ｄの拡大側の面と軸Ａとの交点Ｂまでの距離をＬＮ、画像表示素子から最も拡大側のレンズの４８インチでの軸Ａとの交点Ｃまでの距離をＬＴとすると、ＬＮとＬＴとの関係は、以下の式（１−２）の通りである。

ＬＮ／ＬＴ ＝ ０．８３ （１−２）

また、投射光学系１１を構成する光学素子の最大有効径をＤｍａｘ、負レンズの有効径をＤＮとすると、負レンズが先に説明した式（２−１）を満たす。

最も反射面側に位置するレンズの投射画像が最大となる合焦状態での頂点からのミラー１２、凹面ミラー１３の位置座標を表１２に示す。なお、表１２において、回転に関しては面法線と光軸とのなす角度を示している。

表１２

図２５は、図６のスクリーンにおいて８０インチに対応したスポットダイアグラムである。また、図２６は、図６のスクリーンにおいて６０インチに対応したスポットダイアグラムである。また、図２７は、図６のスクリーンにおいて４８インチに対応したスポットダイアグラムである。

図２５〜２７において、各スポットダイアグラムは、スクリーン面での結像特性（ｍｍ）を、波長６２５ｎｍ（赤）、５５０ｎｍ（緑）、４２５ｎｍ（青）について示している。

各画サイズでのＷＸＧＡにおける画素サイズは８０インチ、６０インチ、４８インチがそれぞれ、１．３５ｍｍ、１．０ｍｍ、０．８ｍｍであるので、図２５から図２７によれば、投射光学系２１が画像表示装置２００として十分な性能を持っていることがわかる。

画像表示装置２００のスクリーンとして、図１０に示した例えばＸ軸方向の曲率半径が１６２００ｍｍ（｜Ｒ｜／Ｉｍｇ＝７．９７）となるような曲面を有したシリンドリカル形状なスクリーンＳＣ２を用いる場合を考える。

図２８は、図１０のスクリーンにおいて８０インチに対応したスポットダイアグラムである。また、図２９は、図１０のスクリーンにおいて６０インチに対応したスポットダイアグラムである。また、図３０は、図１０のスクリーンにおいて４８インチに対応したスポットダイアグラムである。

図２８〜３０によれば、投射光学系２１は、シリンドリカル形状のスクリーンＳＣ２に投射した場合には、平面のスクリーンＳＣに投射した場合に比較して、スポットサイズが大きくなっていることがわかる。

図３１は、図１０のスクリーンにおいてレンズ群をＹ軸の負の方向に０．０５７３ｍｍだけ偏心した場合の８０インチに対応したスポットダイアグラムである。また、図３２は、図１０のスクリーンにおいてレンズ群をＹ軸の負の方向に０．０５７３ｍｍだけ偏心した場合の６０インチに対応したスポットダイアグラムである。また、図３３は、図１０のスクリーンにおいてレンズ群をＹ軸の負の方向に０．０５７３ｍｍだけ偏心した場合の４８インチに対応したスポットダイアグラムである。

図３１〜３３において、曲面スクリーンを用いた場合に、レンズ群ＤをＹ軸の負の方向、つまり図３の下方向に０．０５７３ｍｍだけ偏心した場合の各画サイズにおけるスポットダイアグラムを示す。ここで、画位置の変化量はＹ軸の負の方向に約５．４ｍｍである。

従来の投射装置において、曲面のスクリーンに投射した場合には、特に最外角付近でのスポット径の広がりが大きくなり、解像劣化を起こす。

一方、図１４〜１６に示すように、レンズ群Ｄを偏心させることによって、曲面形状のスクリーンにおいても良好な解像を得ることができることがわかる。

なお、以上説明した各実施例では、本発明の好適な実施例を示したが、本発明はその内容に限定されない。

すなわち、実施例で示した各部の具体的形状および数値は、本発明を実施する際の一例であり、本実施形態で説明した内容に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更することができる。

●実施例の効果●
以上説明したように、画像表示装置１００，２００によれば、投射光学系１１，２１を有することにより、投射距離が非常に短く、小型で画位置調整ができ、性能変化が少ない投射型映像表示装置を提供することができる。

１００ 画像表示装置
１ 保持部材
２ バネ
３ ネジ
１０ 調整機構
１１ 投射光学系
１２ ミラー
１３ 凹面ミラー
１２ ミラー
１４ 防塵ガラス
Ｆ 平行平板
ＬＳ 照明光学系
ＬＶ 画像形成部
Ｓ 絞り
Ｈ 外装部
ＳＣ スクリーン
ＳＣ２ 曲面スクリーン
２００ 画像表示装置
２１ 投射光学系

特開２００７−０７９５２４号公報 特開２００９−２５１４５８号公報 特開２０１１−２４２６０６号公報 特開２００９−２１６８８３号公報

Claims (10)

1. 画像表示素子に表示される画像を拡大投射する投射装置であり、
   絞りと、軸対称に配置される複数のレンズからなるレンズ群とを有する屈折光学系と、
   反射光学素子を有する反射光学系と、を備え、
   前記レンズ群が共有する軸を軸Ａとしたとき、前記画像表示素子の中心と前記軸Ａとが一致していない配置であり、
   前記レンズ群のうちの一部を、前記画像表示素子の中心と前記前記絞りの中心を通る光線とで定義される平面内の、前記軸Ａに垂直な軸に沿って移動させる移動機構を有し、
   前記レンズ群のうち最も拡大側のレンズを最も繰り出した状態において前記画像表示素子から前記屈折光学系の最も拡大側のレンズの拡大側の面と前記軸Ａとの交点までの前記軸Ａ上の距離をＬＴ、前記最も拡大側のレンズを最も繰り出した状態において前記画像表示素子から前記移動機構によって移動するレンズ群の拡大側の面と前記軸Ａとの交点までの前記軸Ａ上の距離をＬＮ、としたとき、
   前記移動機構によって移動するレンズ群は、
   ０．５ ＜ ＬＮ／ＬＴ
   を満たす負レンズである投射装置。
2. 前記反射光学素子の最大有効径をＤｍａｘ、前記軸Ａに垂直な方向に移動する前記負レンズにおける最も拡大共役側の面の有効径をＤＮ、としたとき、
   前記負レンズが、
   ０．７ ＜ ＤＮ ／ Ｄｍａｘ ≦ １
   を満たす、
   請求項１記載の投射装置。
3. 前記軸Ａに垂直な方向に移動する前記負レンズは、前記絞りよりも前記反射光学素子側に配置される、
   請求項１または２記載の投射装置。
4. 前記反射光学素子は、自由曲面を有する凹面ミラーである、
   請求項１乃至３のいずれかに記載の投射装置。
5. 前記レンズ群を移動させる駆動機構、
   を有する、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の投射装置。
6. 前記レンズ群は、前記軸Ａと垂直方向に移動することができるように、前記レンズ群の保持部の内径と前記レンズ群の外径との間に間隙を有する、
   請求項１乃至５のいずれかに記載の投射装置。
7. 前記屈折光学系は、ノンテレセントリック光学系である、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の投射装置。
8. 前記画像表示素子は、前記軸Ａと交差しない位置に配置されている、
   請求項１乃至７のいずれかに記載の投射装置。
9. 画像表示素子に表示される画像を拡大投射する投射装置と、
   前記投射装置が拡大投射した前記画像を映すスクリーンと、
   を有してなる投射システムであり、
   前記投射装置は、請求項１乃至８記載の投射装置であり、
   前記スクリーンは、前記反射光学素子の拡大側の面と前記軸Ａとの交点から前記スクリーンまでの距離／スクリーン横幅をＴＲとしたとき、
   ＴＲ ＜ ０．２５
   を満たす、
   投射システム。
10. 前記スクリーンは、
    前記軸Ａと、前記画像表示素子の中心から出射され、前記絞りの中心を通る光線を含む面内の軸で、前記レンズ群が共有する軸Ａに垂直な軸であるＹ軸とに対して垂直な軸をＸ軸、前記スクリーンの曲率半径をＲ、投射画像が最大となるときの投射画像の対角長をＩｍｇ、としたとき、
    Ａ−Ｙ断面においては平面で、前記Ｘ軸方向に曲率１／Ｒを有し、
    ｜Ｒ｜／Ｉｍｇ ＞ １．４
    を満たす、
    請求項９記載の投射システム。