KR20070083162A - 투영 광학계 및 이를 채용한 화상 투영 장치 - Google Patents

Abstract

투영광학계 및 이를 채용한 화상 투영 장치가 개시된다. 개시된 투영광학계는 상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 투영 광학계는, 피투영 화상을 화상 표시 영역에 표시하는 표시 소자와, 스크린에서 상기 표시 소자까지의 사이의 광경로를 따라서 순차적으로 배치된 제1광학계 및 제2광학계를 포함하는 투영 광학계에 있어서, 상기 제1광학계의 광축을 기준축으로 할 때, 상기 표시 소자의 화상 표시 영역이 상기 기준축에 대해 평행 편심되게 배치되고, 상기 제2광학계가 상기 기준축에 대해 편심되게 배치되어, 상기 화상 표시 영역에 표시된 피투영 화상을 상기 기준축에 대해 편심한 위치로 확대 투영하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 화상 투영 장치는 피투영 화상을 형성하기 위한 광을 조사하는 조명유닛과 본 발명의 투영광학계를 포함하는 것을 특징으로 한다,

Description

투영 광학계 및 이를 채용한 화상 투영 장치{Projection optical system and projection display device employing the same}

도 1은 본 발명의 제1실시예에 관한 화상 투영 장치의 개략 구성을 도시한 모식적인 정면도이다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 관한 화상 투영 장치에 사용하는 투영 광학계의 구성을 도시한 광축을 포함한 단면의 개략 구성도이다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 관한 화상 투영 장치의 개략 구성을 도시한 모식적인 정면도이다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 관한 화상 투영 장치에 사용하는 투영 광학계의 구성을 도시한 광축을 포함한 단면의 개략 구성도이다.

도 5는 본 발명의 제1실시예의 제1변형예 내지 제4변형에 의한 투영 광학계의 개략 구성 및 그 광경로를 도시한 광축을 포함한 단면의 광경로도이다.

도 6은 비교예의 왜곡 수차를 도시한 벡터도이다.

도 7은 제1, 제2변형예의 왜곡 수차를 도시한 벡터도이다.

도 8은 제3, 제4변형예의 왜곡 수차를 도시한 벡터도이다.

도 9는 각 변형예, 비교예의 상면 만곡의 계산 위치를 도시한 모식도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1,10...화상 투영 장치 2...조명 유닛

3...반사형 표시 소자 3a,7a...화상 표시 영역

3b,7b...중심 법선 4...투영 광학계

4A...제1광학계 4B...제2광학계

4a...제1광학계의 광축 4b...제2광학계의 광축

5...투영광 6...스크린

7...투과형 표시 소자 18...시야 렌즈

본 발명은, 투영 광학계 및 화상 투영 장치에 관한 것이다. 예를 들면 화상을 광축에서 어긋나게 한 위치에 오프셋 투영하는 투영 광학계 및 화상 투영 장치에 관한 것이다.

종래, 예를 들면 프로젝터 등 표시 소자에 표시된 화상을 스크린으로 확대 투영하는 화상 투영 장치에서는, 책상 위에서 사용하는 경우나 천정에 설치하는 경우 등, 장치 설치 위치에서 경사 윗쪽 또는 아래쪽에 위치하고, 예를 들면 벽면 등에 따른 수직면에 배치된 스크린에 화상을 투영하여 사용되는 것이 많다. 이 경우, 투영 광학계의 광축을 스크린을 향하여 경사진 방향으로 설정하기 때문에 스크린면이 광축에 대해 비스듬히 교차하게 된다. 이 경우, 투영 화상에 왜곡이 생겨 화질이 열화된다는 문제가 있었다.

따라서 투영 광학계의 광축을 수평에 가까운 배치로 하여 투영 광학계의 유효 화상 영역의 상측 영역에 화상을 어긋나게 하여 투영하는, 이른바 오프셋 투영을 하도록 한 것이 알려져 있다.

예를 들면, 특허문헌 1(일본특개평11―249069호 공보,도 9)에는 종래 기술로서 표시 소자인 DMD(Digi Micromirror Devicc)를, 그 표시 영역의 테두리부가 투영 광학계의 광축에 대략 일치하는 위치까지 평행 편심하여 배치하고, 투영 광학계의 투영 영역의 측면 반절, 예를 들면 상반부에 어긋나게 하여 투영하는 표시 광학계(화상 투영 장치)가 기재되어 있다.

또 유효 화상 영역 내에서 화상을 어긋나게 하여 투영하는 것은 아니지만, 여기에 관한 기술로서, 투영 광학계의 광축에 대해 편심 배치된 표시 소자가 표시하는 화상을 양호하게 위치 보정하여, 투영 광학계의 광축과 화상 표시 영역의 중심이 일치하도록 투영하는 기술이 알려져 있다.

예를 들면, 특허문헌 2(일본특개2000―39585호 공보, 도 1,2,5,6,9,10)에는 반사형 표시 소자와 투영 광학계 사이에 크게 편심한 편심 광학 소자를 배치하고, 투영 광학계의 광축에 대해 평행 편심 및 경사 편심되어 배치된 반사형 표시 소자의 화상 표시 영역의 중심이 투영 광학계의 광축과 일치하도록 투영하는 투영 표시 장치가 기재되어 있다.

그러나 상기와 같은 종래의 투영 광학계 및 화상 투영 장치에는 이하와 같은 문제가 있었다.

특허문헌 1에 기재된 종래 기술에서는 경사 윗쪽으로 투영하는 경우에도 스 크린과 투영 광학계의 상면을 평행하게 설정할 수 있기 때문에 상면(像面)이 스크린에 대해 회전함에 따른 화상의 왜곡은 발생하지 않지만, 유효 화상 영역의 상반부 등 일부분에 표시 소자의 화상 표시 영역 전체를 투영하여야 한다. 즉, 투영 화각(畵角) 중 수차가 좋지 않은 고화각부를 포함한 좁은 범위의 화각 밖에는 이용할 수 없는 것이다. 따라서 예를 들면, 투영 광학계의 유효 영역을 더욱 확대하거나 광학 소자의 수를 늘려 수차 저감을 꾀할 필요가 있었다. 그 결과, 투영 광학계가 대형화되어 복잡하면서 비싸진다는 문제가 있다.

한편, 특허문헌 2에 기재된 기술을 사용하여 표시 소자와 투영 광학계 사이에 편심 광학 소자를 배치하여, 편심 배치된 표시 소자의 화상의 투영 영역을 이동하는 것도 생각할 수 있지만, 특허문헌 2에 기재된 기술은, 화상 투영 영역의 중심이 투영 광학계의 광축 중심에 일치하는 위치에 편심 광학 소자를 편심 배치함으로써 양호한 수차를 달성하는 것이다. 따라서 표시 소자를 평행 편심하여 오프셋 투영을 하는 의미가 없어져 버린다. 즉, 오프셋 투영 투영 광학계에는 적용할 수 없다는 문제가 있다.

어떻게든 이 기술을 적용하려면, 오프셋 방향의 표시 영역의 변을 2배로 하여 생각하고 수차가 개선된 전체 영역의 반절만 사용할 필요가 있으며, 그 경우, 같은 정도로는 수차가 개선되지 않는 것은 명백하다.

본 발명은, 상기와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로서, 이른바 오프셋 투영을 하는 경우에, 간소한 구성에 의해 수차를 저감시켜 고화질의 화상을 투영할 수 있는 투영 광학계 및 화상 투영 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 투영 광학계는, 피투영 화상을 화상 표시 영역에 표시하는 표시 소자와, 스크린에서 상기 표시 소자까지의 사이의 광경로를 따라서 순차적으로 배치된 제1광학계 및 제2광학계를 포함하는 투영 광학계에 있어서, 상기 제1광학계의 광축을 기준축으로 할 때, 상기 표시 소자의 화상 표시 영역이 상기 기준축에 대해 평행 편심되게 배치되고, 상기 제2광학계가 상기 기준축에 대해 편심되게 배치되어, 상기 화상 표시 영역에 표시된 피투영 화상을 상기 기준축에 대해 편심한 위치로 확대 투영하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 화상 투영 장치는 피투영 화상을 형성하기 위한 광을 조사하는 조명유닛과 본 발명의 투영광학계를 포함하는 것을 특징으로 한다,

본 발명에 의하면, 표시 소자쪽의 제2광학계를, 스크린쪽의 제1광학계의 광축을 기준축으로 하여 편심하여 배치하기 때문에, 기준축에 대해 적어도 평행 편심되어 배치된 화상 표시 영역에서 편심한 상태에서 진행되는 확산 광속의 광선 방향을 제2광학계의 편심 분량에 따라 보정할 수 있다.

즉, 표시 소자의 화상 표시 영역을 기준축에 대해 평행 편심하여 배치하여, 이른바 오프셋 투영하는 경우에는, 광선이 투영 광학계의 고상고(高像高) 부분을 투과하기 때문에 수차가 커지는 경향이 있고, 또 화상 표시 영역과 기준축이 일치하지 않기 때문에 투영 화상 내에서는 비대칭의 수차가 발생한다.

한편, 제2광학계를 평행 편심하면, 그 평행 편심 방향으로 왜곡 수차로 대표 되는 축시프트 성분을 가진 수차가 발생한다. 따라서 화상 표시 영역의 기준축에 대한 평행 편심 방향과 같은 방향으로 제2광학계를 평행 편심하여 왜곡 수차 등을 캔슬하고, 왜곡 수차 등의 크기와 대칭성을 개선할 수 있다. 또 제2광학계를 기준축 및 화상 표시 영역의 평행 편심 방향으로 각각 직행하는 축둘레로 경사 편심하면, 왜곡 수차로 대표되는 축시프트 성분을 가진 수차가 발생하기 때문에, 제2광학계를 경사 편심함으로써도 왜곡 수차 등을 캔슬하여 왜곡 수차 등의 크기와 대칭성을 개선할 수 있다.

그 결과, 제1광학계의 고상고(高像高) 부분에 왜곡 수차 등의 수차를 남긴 상태라 해도 화상이 투영되는 범위에서 용이하게 수차를 보정할 수 있다.

또 본 발명의 화상 투영 장치는, 본 발명의 투영 광학계를 사용하여 상기 화상 표시 영역의 화상을 확대 투영하는 구성으로 한다.

본 발명의 화상 투영 장치는 본 발명의 투영 광학계를 사용하기 때문에 본 발명의 투영 광학계와 동일한 작용 효과를 갖는다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 대해서 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 모든 도면에서 실시예가 다른 경우라 해도 동일 또는 상당하는 부재에는 동일한 부호를 첨부하고 공통된 설명은 생략한다.

본 발명의 제1실시예에 의한 투영 광학계 및 화상 투영 장치에 대해서 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 관한 화상 투영 장치의 개략 구성을 도시한 모식적인 정면도이다. 도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 화상 투영 장치에 사용 하는 투영 광학계의 구성을 도시한 것으로 광축을 포함하는 단면의 개략 구성도이다.

각 도면은 모두 모식도이기 때문에 치수나 형상은 과장되게 그려져 있는 경우가 있으며, 반드시 정확한 위치 관계를 나타내는 것은 아니다(이하 동일).

본 실시형태의 화상 투영 장치(1)의 개략 구성은, 도 1에 도시한 바와 같이 조명 유닛(2), 반사형 표시 소자(3) 및 투영 광학계(4)가 케이스(1a) 내에 배치되어 있다. 또 특별히 도시되지 않았으나, 장치를 구동하는 전원 공급부와 장치의 제어를 하는 장치 제어부를 구비하고 있으며, 모두 조명 유닛(2), 반사형 표시 소자(3)에 접속되어 있다.

이하에서는, 설명을 간단히 하기 위해 화상 투영 장치(1)의 케이스(1a)를 수평면으로 배치했을 때 투영광(5)이 상기 배치면에서 위쪽으로 경사지게 투영되어 배치면에 대해 수직으로 설치된 스크린(6) 위에 화상이 투영되는 경우의 예로 설명했으나, 이와 같은 배치 위치, 투영 방향에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 스크린(6)의 설치면이 경사면이거나, 투영 방향이 아래쪽으로 경사방향이어도 상관 없다.

조명 유닛(2)은 반사형 표시 소자(3)의 화상 표시 영역에 향해 조명광을 조사하는 광원이다. 본 실시형태에서는 풀컬러 화상을 표시하기 위해 적어도 광의 삼원색인 적(R), 녹(G), 청(B)과, 백색광에 대응하는 파장광을 시분할하여 순차적으로 조사할 수 있는 것이다. 예를 들면, 각각 독립 구동 가능한 R,G,B의 파장 광원을 각각 구비하고, 그들을 동일 광경로 상에 합성하는 것을 채용할 수 있다. 또 예 를 들면, 백색 광원을 구비하고 그 광경로 상에 R,G,B의 가동 필터를 설치한 것이어도 좋다.

조명 유닛(2)으로부터의 조명광은, 반사형 표시 소자(3)에 의한 반사광이 투영 광학계(4)에 대해 입사되면 어떠한 각도로 입사해도 좋지만, 본 실시형태에서는, 스크린의 아래쪽에서 윗방향으로 경사 조사되어 후술하는 제2광학계(4B)를 투과하여 반사형 표시 소자(3)에 입사하도록 되어 있다. 단, 장치 레이아웃의 상황에 따라 적절히 거울이나 프리즘을 만들어 광경로를 접어서 배치해도 좋다.

반사형 표시 소자(3)는 조명 유닛(2)으로부터 조사 타이밍에 따라 조사되는 파장의 조명광을 화상 신호에 따라 공간 변조하고, 색분해된 화상을 커버 유리(3c)(도 2참조)에 의해 덮힌 화상 표시 영역(3a)으로 표시하는 것이다.

화상 표시 영역(3a)은 특별히 도시되지 않았으나, 예를 들면 화상 신호의 화소 단위에 따른 다수의 공간 변조 요소가 표시 평면상에 격자형으로 배열되어 이루어진다. 본 실시형태에서는, 예를 들면 장변×단변이 W×H인 직사각형으로 마련되어 있다. 중심 법선(3b)은 화상 표시 영역(3a)의 중심에서의 표시 평면의 법선을 가리킨다.

반사형 표시 소자(3)의 화상 표시 영역(3a)은 투영 광학계(4)의 상면 위에서 중심 법선(3b)이, 후술하는 제1광학계(4A)의 광축(4a)에 대해 스크린의 방향과 반대쪽으로 거리(a)만큼 평행 편심한 위치에 배치되어 있다.

이 편심량(a)의, 화상 표시 영역(3a)의 단변의 반 정도에 대한 비를, 축오프셋(Δh)으로 표현하기로 한다. 즉,

Δh=a/(H/2) …(1)

축오프셋은, 오프셋 투영 조건에 따라 적절히 설정할 수 있지만, 본 실시형태에서는 다음 식의 범위로 한다.

0<Δh≤2.0 …(2)

또 바람직하게는, 다음 식의 범위로 한다.

1.0≤Δh≤1.5 …(3)

반사형 표시 소자(3)으로서는, 예를 들면 미소 거울 어레이인 디지털 마이크로 거울 디바이스(DMD)나 반사형 액정 패널(LCOS, Liquid Crystal On Silicm) 등의 소자를 채용할 수 있다.

투영 광학계(4)는, 반사형 표시 소자(3)의 화상 표시 영역(3a)에 표시된 화상을 확대하여 스크린(6) 위에 투영하기 위한 광학계로서, 화상 표시 영역(3a)과 스크린(6)에 공통으로 작용하는 것이다.

투영 광학계(4)의 구성은, 반사형 표시 소자(3)과 스크린(6) 간의 광경로 상에 제2광학계(4B), 제1광학계(4A)가 이 순서대로 배치되어 이루어진다.

제1광학계(4A)는, 화각(θ₀)을 가진 확대 투영 광학계이다. 본 실시형태에서는, 도 2에 도시한 바와 같이 스크린 쪽에서 제1렌즈(11), 제2렌즈(12), 제3렌즈(13), 제4렌즈(14), 제5렌즈(15), 제6렌즈(16),및 제7렌즈(17)가 광축(4a) 위에 배열되어 이루어진다. 광축(4a)은 화상 투영 장치(1)의 배치면과 수평으로 설치되어 있다.

이들 각 렌즈는, 확대 투영 광학계로서의 성능을 만족하는 적절한 형상, 파워로 설정할 수 있지만, 예를 들면 일례로서 이하와 같은 형상을 채용할 수 있다.

제1 렌즈(11), 제2 렌즈(12)는 모두 스크린 쪽이 볼록면의 오목 매니스커스 렌즈이다.

제3 렌즈(13)는 양 볼록 렌즈이다.

제4 렌즈(14)는 스크린쪽에서 양 볼록 렌즈의 렌즈(14A), 양 오목 렌즈의 렌즈(14B)가 이 순서대로 배열되어 서로 접합된 접합 렌즈로 이루어진다.

제5 렌즈(15)는 양 오목 렌즈이다.

제6 렌즈(16)는 화상표시영역(3a) 쪽이 볼록면의 볼록 매니스커스 렌즈이다.

제7 렌즈(17)는 양 볼록 렌즈이다.

그리고 이들 파워에 의해 스크린쪽에서 화상표시영역(3a)을 향해 음(-),음(-), 양(+), 양(+), 음(-), 양(+), 양(+)의 파워를 가진 구성이 실현되어 있다.

제2광학계(4B)는, 제1광학계(4A)와 반사형 표시 소자(3) 간의 광속의 광경로 및 집광 상태를 조정하기 위한 양(+)의 파워를 가진 광학계이고, 광축(4a)에 대해 편심되어 배치되어 있다. 본 실시예에서는 반사형 표시 소자(3)의 편심 방향과 같은 방향으로 거리(b) 만큼 평행 편심되어 배치되어 있다. 참조부호 4b는 제2광학계(4B)의 광축을 가리킨다.

이 평행 편심량(b)의 크기,방향은, 투영 광학계(4)의 구성 등에 따라 다르기 때문에 광선 추적을 하여, 예를 들면 화상 표시 영역(3a)이 확대 투영되는 투영 위치에서의 왜곡 수차량이나, 대칭성 밸런스 등이 허용 범위가 되도록 적절히 설정한 다.

일반적으로, 평행 편심량(b)은 반사형 표시 소자(3)의 평행 편심량(a)에 비해 작은 값으로도 충분한 효과를 얻을 수 있고, 따라서 제2광학계(4B)를 편심시켜도 스크린(6) 위의 화상 투영 영역은 많이 변화하지 않고 오프셋 투영 상태가 유지된다.

제2광학계(4B)의 구성은, 본 실시예에서는 화상 표시 영역(3a) 쪽이 대략 평면에 가까운 양 볼록 렌즈인 시야 렌즈(18)로만 이루어진다.

그리고 시야 렌즈(18)는, 파워가 없는 커버 유리(3c)를 사이에 두고, 화상 표시 영역(3a)과 대향하여 배치되어 있다. 이 때문에 파워를 가진 광학 소자로서는, 반사형 표시 소자(3)에 가장 가까운 위치에 위치한다.

또 본 실시형태의 제2광학계(4B)는, 조명 유닛(2)과 반사형 표시 소자(3) 간의 광경로상에 걸쳐 마련되어 있으며, 조명 유닛(2)으로부터의 조명광을 화상 표시 영역(3a)상에 집광하는 구성으로 되어 있다.

다음으로, 화상 투영 장치(1)의 동작에 대해서 투영 광학계(4)의 광학 작용을 중심으로 설명한다.

소정의 타이밍에 따라 소정의 파장광으로서 조명 유닛(2)에서 출사되는 조명광은, 도 2에 도시한 바와 같이 제2광학계(4B)를 투과하여 집광된다. 그리고 커버 유리(3c)를 투과하여 화상 표시 영역(3a)의 중심 법선(3b)에 대해 경사 아래 방향에서 입사한다.

화상 표시 영역(3a)상의 각 공간 변조 요소는, 소정의 파장, 타이밍에 따른 화상 신호에 따라, 예를 들면 조명광을 투영 광학계(4)에 입사하는 방향으로 반사하는 온 상태와, 조명광을 투영 광학계(4)에 입사하지 않는 방향으로 안내하는 오프 상태로 구동된다.

따라서 화상 표시 영역(3a)상에는 온 상태의 공간 변조 요소에서 반사된 광에 의해 화상이 표시된다. 이들 반사광은 커버 유리(3c)를 투과하여 제2광학계(4B)에 입사되고, 제2광학계(4B)의 굴절 작용을 받아 집광되면서 제1광학계(4A) 쪽으로 출사된다.

이 때, 시야 렌즈(18)를 광축(4a)에 대해 거리(b)만큼 평행 편심했기 때문에 시야 렌즈(18)가 광축(4a)과 동축인 경우에 비해 광의 굴절 방향이 편심 방향, 편향량에 따라 변화한다. 따라서 시야 렌즈(18)의 파워, 초점 거리에 따라 제1광학계(4A)로의 입사 위치, 입사각이 변경된다.

이 때, 시야 렌즈(18)는 확대 투영을 하는 투영 광학계(4)에서, 반사형 표시 소자(3)의 반사광이 최초로 통과하는 파워를 가진 광학 소자이기 때문에 상대적으로 광속 직경이 작은 광으로서 투과한다. 따라서 시야 렌즈(18)의 굴절 작용은, 구면 수차 등의 결상 성능보다도 왜곡 수차나 상면 만곡 등의 스크린에서의 결상 위치의 기하학적인 엇갈림량에 관한 수차에 영향을 미치게 된다. 예를 들면, 평행 편심은 주로 왜곡 수차에 영향을 주고, 경사 편심은 주로 상면 만곡에 영향을 준다.

그리고 평행 편심량(b)를 적절히 설정함으로써 후단의 광학 소자에 비해 작은 편심 분량으로도 왜곡 수차를 저감시키거나 대칭성을 개선할 수 있다.

이와 같은 편심을 함으로써 화상 투영 영역과 다른 스크린(6)을 향한 광경로 에서의 수차는 오히려 악화된다고 볼 수도 있지만, 오프셋 투영에서는, 그와 같은 영역에 화상을 투영하지 않기 때문에 전혀 문제가 되지 않는다. 이와 같이 본 실시예는, 투영 광학계(4)의 전 화각 내의 수차 분포를 변경하여 스크린(6)의 화상 투영 영역 부분의 수차의 향상을 꾀하는 것이다.

제2광학계(4B)로부터 출사된 광은 제1광학계(4A)에 입사하고, 광경로를 따라서 제7렌즈(17), 제6렌즈(16), 제5렌즈(15), 제4렌즈(14), 제3렌즈(13), 제2 즈(12), 제1렌즈(11)를 투과하고 각각에 의해 굴절 작용을 받아 도 1에 도시한 바와 같이 투영 광학계(4)의 배율에 대응하여 광축(4a)에 대해 경사 윗쪽으로 연장되는 투영 중심축(5a)을 중심으로 하여 화각(θ₁)의 범위를 증진하여 스크린(6) 위에서 결상된다.

이와 같이 하여 화상 표시 영역(3a)에 표시된 화상이 스크린(6) 위에 확대 투영된다. 그 때 스크린(6)위의 투영 위치는, 투영 광학계(4)의 배율과 화상 표시 영역(3a)의 중심 법선(3b)의 평행 편심량(a)에 의해 대략 결정되며, 투영 위치에서의 왜곡 수차가, 제2광학계(4B)의 평행 편심량(b)에 의해 개선된다. 그 결과, 화상 투영 장치(1)에 의해 고화질의 화상을 오프셋 투영할 수 있다.

다음으로, 본 실시예는 다양한 형태로 변형 가능하다. 즉, 상기와 같은 구성을 구비하면서 광학소자의 편심이 다양하게 바뀐 형태로 변형될 수 있다.

예를 들면, 제2광학계(4B)를 평행 편심하는 대신에 기준축인 제1광학계(4A)의 광축(4a) 및 반사형 표시 소자(3)의 평행 편심 방향과 직교하는 축에 대해 회전 시킴으로써, 제2광학계(4B)를 경사 편심되게 하는 것이다. 이 경우, 회전 방향에 의해 반사형 표시 소자(3)의 평행 편심에 의한 왜곡 수차를 개선할 수 있다.

또한, 예를 들면, 상기 제1실시예에서 제2광학계(4B)에 더해 제1광학계(4A) 내의 광학 소자의 일부를 평행 편심한다. 이 경우, 왜곡 수차 등에 대해 영향이 다른 또다른 광학 소자의 평행편심을 조합하기 때문에 자세한 수차 보정을 할 수 있다. 또 제1광학계(4A)의 광학 소자의 일부와 제2광학계(4B) 사이에 각각 최적의 편심 분량을 부여함으로써 다른 수차에 대한 영향을 줄일 수 있다.

더우기, 이 경우 투영 광학계(4)의 기준축이 되는 제1광학계(4A)의 광축(4a)이란, 편심된 광학 소자를 제외한 제1광학계(4A)의 광축을 의미한다.

또한, 예를 들면, 제1실시예, 상기 설명한 두 변형예에서 기준축 및 반사형 표시 소자(3)의 평행 편심 방향과 수직인 축에 대해 반사형 표시 소자(3), 제2광학계(4B) 또는 제1광학계(4A)의 일부의 광학 소자를 회전시킴으로써, 경사 편심을 더하는 것도 가능하다.

이 경우, 경사 편심은 상술한 바와 같이 주로 상면 만곡에 영향을 주기 때문에 상면 위치에 엇갈림에 의한 화상 등을 개선하고, 고화질의 오프셋 투영을 할 수 있게 된다.

경사 편심의 방향, 편심 분량은 투영 광학계(4)의 구성에 따라 다른 수차로의 영향을 고려하여 적절히 설정할 수 있다. 예를 들면, 평행 편심에 의해 왜곡 수차가 개선되지만, 상면 만곡이 악화되는 경우가 있는데 이 경우, 상면 만곡의 악화를 캔슬하는 방향으로 경사 편심을 더함으로써 왜곡 수차와 상면 만곡 각각이 양호 해지도록 할 수 있다.

본 발명의 제2실시예에 관한 투영 광학계 및 화상 투영 장치에 대해서 설명한다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 관한 화상 투영 장치의 개략 구성을 도시한 모식적인 정면도이다. 도 4는 본 발명의 제2실시예에 관한 화상 투영 장치에 사용하는 투영 광학계의 구성을 나타내는 광축을 포함하는 단면의 개략 구성도이다.

제2실시예의 화상 투영 장치(10)는 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 제1실시예의 화상 투영 장치(1)에서 반사형 표시 소자(3) 대신에 투과형 표시 소자(7)를 구비하고, 조명 유닛(2)의 조사 방향을 투과형 표시 소자(7)의 표시면 이면쪽으로 바꾼 점이 다르다. 이하, 상기 제1실시예와 다른 점을 중심으로 설명한다.

투과형 표시 소자(7)는 조명 유닛(2)에 의해 표시면 이면쪽에서 조사 타이밍에 따라 조사되는 파장의 조명광을 화상 신호에 따라 공간 변조하고, 색분해된 화상을 화상 표시 영역(7a)에 표시하는 것이다. 투과형 표시 소자(7)로서는, 예를 들면 액정 표시 디바이스(LCD)를 채용할 수 있다.

본 실시예에서는, 설명의 편의상 투과형 표시 소자(7)를 단판(單板)의 구성으로 하고 있는데, 조명광 R,G,B에 따른 3판 구성 LCD 등의 투과형 공간 변조 소자를 설치하고, 각각의 투과형 공간 변조 소자를 투과한 광을 색합성하는 구성으로 하는 것이 통상의 형태이다. 그 경우에는 투영 광학계(4)와 투과형 표시 소자(7) 사이에 색합성 광학 요소를 필요로 하지만, 본 설명에서는 생략했다. 더우기, 이와 같은 구성으로는 색합성 광학 요소에 의해 3개의 투과형 공간 변조 소자의 표시면 이 각각 광학적으로 등가의 위치에 배치된 화상 표시 영역을 이루고 있다.

화상 표시 영역(7a)은 특별히 도시되어 있지 않으나, 예를 들면 화상 신호의 화소 단위에 따른 다수의 공간 변조 요소가 표시 평면상에 격자형으로 배열되어 이루어진다. 본 실시형태에서는, 예를 들면 장변×단변이 W×H인 직사각형으로 마련되어 있다. 중심 법선(7b)은 화상 표시 영역(7a)의 중심에서의 표시 평면의 법선을 가리킨다.

투과형 표시 소자(7)의 화상 표시 영역(7a)은 투영 광학계(4)에 대해 제1 실시형태의 반사형 표시 소자(3)과 동일한 위치 관계로 배치되어 있다. 즉, 투영 광학계(4)의 상면 위에서 중심 법선(7b)이 제1광학계(4A)의 광축(4a)에 대해 스크린의 방향과 반대쪽으로 거리(a) 만큼 평행 편심한 위치에 배치되어 있다.

또 축오프셋(Δh)도 상기 제1실시예와 같이 정의된다.

이와 같이 본 실시예의 화상 투영 장치(10)는 표시 소자로서 반사형 표시 소자(3) 대신에 투과형 표시 소자(7)를 사용한 예로 되어 있다.

따라서 조명광을 투과형 표시 소자(7)의 이면쪽에서 조사할 수 있기 때문에 조명 유닛(2)을 투영 광학계(4)에 간섭하지 않도록 배치하는 것이 용이해져 장치 레이아웃의 자유도를 향상시킬 수 있다.

또 투영 광학계로서는, 조명 유닛(2)으로부터의 조명광이 제2광학계(4B)를 투과하지 않고 표시 소자에 유도되는 점이 다를 뿐이기 때문에, 표시 소자에서 스크린(6)까지의 광경로 및 광학 작용에 관한 작용 효과는 제1실시예의 경우와 동일해진다.

따라서, 화상 표시 영역(7a)에 표시된 화상은, 투영 광학계(4)에 의해 스크린(6) 위에 확대 투영된다. 그 때, 스크린(6) 위의 투영 위치는 화상 표시 영역(7a)의 중심 법선(7b)의 평행 편심량(a)에 의해 대략 결정되고, 투영 위치에서의 왜곡 수차가, 제2광학계(4B)의 평행 편심량(b)에 의해 개선된다. 따라서 화상 투영 장치(10)에 의해 고화질의 화상을 오프셋 투영할 수 있다.

또한, 제2실시예의 경우도, 제1실시예에서 설명한 바와 같이 다양한 형태로 변형 가능하다.

더우기, 상기 제1실시예의 설명에서는, 조명 유닛(2)으로부터의 조명광을 제2광학계(4B)에 투과시켜 화상 표시 영역(3a)으로 유도하는 구성의 경우의 예로 설명했으나, 반사형 표시 소자(3)를 사용하는 경우의 구성은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 조명 유닛(2) 중에서 조명광의 수습 정도를 적절히 설정해 놓고, 제2광학계(4B)를 투과시키지 않고 화상 표시 영역(3a)을 조명해도 좋다.

또 상기 설명에서는, 제2광학계(4B)가 단렌즈로 구성되는 경우의 예로 설명했으나, 제2광학계(4B)는 렌즈군으로 구성되어 있어도 좋다.

또 상기 설명에서는, 표시 소자가 하나의 공간 변조 소자 또는 복수의 공간 변조 소자와 색합성 광학 요소로 이루어지고, 이들 공간 변조 소자의 화상 표시면이 화상 표시 영역인 경우의 예로 설명했으나, 표시 소자의 화상 표시 영역은, 예를 들면 공간 변조 소자의 화상 표시면의 화상을 다른 표시면에 릴레이로 형성해도 좋다.

또 상기 설명에서는, 화상 투영 장치로서 장치의 외부에 설치된 스크린에 화 상을 투영한, 이른바 프론트 프로젝션 방식의 화상 투영 장치의 예로 설명했으나, 장치의 외주부에 마련된 투과형 스크린에 장치 내부쪽에서 화상을 투영하는, 이른바 리어 프로젝션 방식의 화상 투영 장치에 사용해도 좋다.

또 상기 설명에서는, 표시 소자의 축오프셋 방향을 단변 방향으로 하여 설명했으나, 축오프셋 방향은 단변 방향에 한정되지 않는다. 예를 들면, 장변 방향 또는 임의의 방향으로 축오프셋하여 오프셋 투영을 하는 경우에도, 그 축오프셋 방향에 따라 광학 소자의 오프셋 방향을 바꿈으로써 같은 효과를 얻을 수 있다.

또 상기 설명에서는, 표시 소자, 제2광학계, 제1광학계의 일부의 광학 소자의 편심은 일정하다고 설명했으나, 편심 가변 기구를 설치하여 필요에 따라 수동 또는 자동으로 조정할 수 있도록 해도 좋다.

또 상기 각 실시예 및 이들의 가능한 변형예에 기재된 구성 요소는, 기술적으로 가능하다면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 적절히 조합하여 실시할 수 있다.

다음으로, 상기에 설명한 제1실시예를 변형한 제1 내지 제4변형예 및 종래 기술에 관한 비교예에 의한 투영 광학계의 대해서 설명한다. 단, 제2실시예에서도 스크린과 표시면 간의 구성은 동일하기 때문에 하기의 각 실시예는 제2실시예의 변형예로도 될 수 있다.

도 5는, 본 발명의 제1변형예 내지 제4변형예에 관한 투영 광학계의 개략 구성 및 그 광경로를 나타내는 광축을 포함한 단면의 개략적인 도면이다. 각 변형예에서는 일부의 광학 소자가 편심되어 있는데, 각각의 편심량은 얼마 안되기 때문에 각 변형예 모두 공통의 도면을 사용하여 설명한다.

이하에서는, 광축(4a)에 직교하는 방향 중 스크린(6)의 평행 편심 방향(도 1,2,5의 도시 윗방향)을 양의 방향으로 하여 Y축을 설정하고, 거기에 직교하는 방향, 지면 앞방향을 양의 방향으로 하여 X축을 설정한다. 즉, 화상 표시 영역(3a)은 X축방향으로 폭W, Y축방향으로 폭H의 직사각형으로 되어 있으며, 제1실시예의 평행 편심(b)은 Y축 부방향으로의 편심으로 되어 있다.

제1변형예는, 제2광학계(4B)를 Y축 -방향으로 O.3mm만큼 평행 편심한 실시예이다. 제1변형예는 상기 제1실시예의 일례이다.

제2변형예는, 제1변형예에서 또 화상 표시 영역(상면)을 커버 유리(3c)와 함께 지면 시계 방향으로 6분만큼 경사 편심한 실시예이다.

제3변형예는, 제2광학계(4B)를 지면상에서 시계 방향으로 1.5도(1도 30분)만큼 경사 편심한 것이다.

제4변형예는, 제3변형예에서 또 제1광학계(4A)의 제1 렌즈(11)를 지면상에서 시계 방향으로 33분만큼 경사 편심한 실시예이다.

비교예는, 종래예에 대한 수차 저감 비율을 산출하기 위해 계산한 것으로서, 제1변형예에서 제2광학계(4B)의 평행 편심을 Omm, 즉 광축(4a)에 대해 동축으로 배치한 예이다.

모두 반사형 표시 소자(3)은 어스펙트비 4:3의 O.55인치 DMD를 사용하는 것으로 한다. 즉, 화상 표시 영역(3a)의 크기는 W=11.2mm, H=8.4mm이다. 그리고 축오프셋(Δh)은 %표시로 하여 Δh=130%로 한다.

이들 변형예의 초점 거리는 16.4mm, F값은 2.3이다.

물체 거리가 무한대인 렌즈 데이터를 아래에 나타낸다. 도 5에 표기된 r_i, d_i(i는 정수)는 하기의 r_i, d_i에 대응한다. 길이의 단위는 (mm)이다. 또 굴절율에 관해서는 d선(파장 587.56nm)에 대한 것을 표기하고 있다.

여기에서 y1은 평행 편심 분량을, α₁,α₂,α₃은 경사 편심 분량을 나타내고, 각 변형예는 아래의 값을 취한다. 각각의 방향은 상기 설명과 같다(도 5 화살표 참조).

다음으로 각 변형예, 비교예의 왜곡 수차와 상면 만곡과의 계산 결과에 대해서 설명한다.

이러한 계산은 역광선 추적을 하여 화상 표시 영역(3a)상의 값으로서 구했다.

도 6은 비교예의 왜곡 수차를 도시한 벡터도이다. 왜곡 수차를 도시한 벡터도의 횡축은 X축 방향의 상(像)높이(X상고), 종축은 Y축 방향의 상높이(Y상고)를 나타내고, 각각의 단위는(mm)이다. 또 왜곡 수차의 계산 위치는 화살표의 시작점의 격자점으로 설정되고, 화살표의 방향에서 왜곡 수차의 방향을 표현하고, 도면 중의 스케일에 대한 화살선(矢線)의 길이로 왜곡 수차의 크기를 표현했다(이하 동일). 도 7a, 도 7b는 각각 제1, 제2 변형예의 왜곡 수차를 도시한 벡터도이다. 도 8a, 도 8b는 각각 제3, 제4 변형예의 왜곡 수차를 도시한 벡터도이다. 도 9는 각 변형예, 비교예의 상면 만곡의 계산 위치를 도시한 모식도이다.

각 변형예에 대해서 왜곡 수차의 최대값(Dmax)(mm)과 개선율(%)를 다음 표 3에 나타낸다.

여기에서 개선율은 비교예의 Dmax에서 각 변형예의 Dmax를 빼서 비교예의 Dmax로 나눈 비율이다.

각 변형예에 대해서 상면 만곡의 계산 결과를 다음 표 2에 나타낸다.

여기에서, 각 상면 만곡량 C₊₊,C_+-,C_--,C_-+,C₀₀은 화상 표시 영역(3a)의 각 꼭지점 위치와 중심 위치에서의 값으로서, 도 9에 도시한 바와 같이 각각 X축 +방향 또한 Y축 +방향의 꼭지점(3d), X축 정방향 또한 Y축 부방향의 꼭지점(3e), X축 -방향 또한 Y축 +방향의 꼭지점(3f), X축 -방향 또한 Y축 -방향의 꼭지점(3g)과 중심 법선(3b)과의 교차점의 중심 위치에 대응하는 것으로서, 단위는 (mm)이다.

또 (max―min)은 즉, 화상 표시 영역(3a) 내의 상면 만곡의 최대값과 최소값과의 차이를 나타낸다.

또 개선율은 상면 만곡의 편차(max―min)에 대해서, 비교예의 것에서 각 변형예의 것을 빼서 비교예의 것으로 나눈 비율이다.

비교예의 왜곡 수차는, 도 6에 도시한 바와 같이 X상고의 중심의 Y상 고정 방향쪽에서 왜곡 수차가 가장 작아지고, Y상고가 음인 쪽, X상고의 절대값이 커지는 쪽에서 각각 커지는 분포를 갖는다. 이 때문에, 피투영 화상의 상하 방향에 걸쳐 불균일한 왜곡이 생겨 화질이 열화되는 것이다.

비교예의 상면 만곡은, 표 2에 도시한 바와 같이 도 9의 꼭지점(3e),(3g)에서 큰 값을 가진다. 이 때문에 그 근방에서의 핀트가 맞지 않는다.

제1변형예에서는, 왜곡 수차가 도 7a에 도시한 바와 같이 화상 표시 영역(3a)의 중심 위치에서 최소가 되어 상하 방향의 수차 발생량의 대칭성이 양호해진다. 또, 표 1에 나타낸 바와 같이 Dmax도 비교예에 비해 13.7% 개선되어 있다.

따라서, 제1변형예에서는 왜곡 수차의 발생 방향으로 제2광학계(4B)를 평행 편심함으로써 왜곡 수차가 현격하게 향상된다.

한편, 표 2에 의하면, 상면 만곡은 전반적으로 비교예에 비해 악화된다.

제2변형예에서는, 왜곡 수차가 도 7b에 도시한 바와 같이 대략 제1변형예와 동일한 경향을 가지며, 또 표 1에 도시한 바와 같이 Dmax도 비교예에 비해 12.2% 개선되었다.

따라서, 반사형 표시 소자(3)의 경사 편심을 더해도 제1변형예와 대략 동등하게 왜곡 수차가 현격하게 향상된다.

한편, 표 2에 의하면 상면 만곡은 제1변형예보다 비교예에 가까운 값을 취하여 상면 만곡의 편차는 비교예에 비해 3.0% 개선되었다.

이와 같이 평행 편심과 경사 편심을 조합함으로써 왜곡 수차, 상면 만곡도 개선되었다.

제3변형예에서는, 왜곡 수차가 도 8a에 도시한 바와 같이, 대략 제1변형예와 동일한 경향을 가지고, 또 표 1에 도시한 바와 같이 Dmax도 비교예에 비해 3.6% 개선되었다.

이 때문에, 화상 왜곡의 개선 정도는 약간 적지만, 화상 왜곡의 대칭성이 양호해지는 것이다.

한편, 표 2에 의하면 상면 만곡은 비교예에 비해 악화되는 경향이 있다.

제4변형예에서는, 왜곡 수차가 표 1에 도시한 바와 같이 Dmax는 비교예에 비해 대략 동등(―0.7%)한 결과로서, 도 8b에 도시한 바와 같이, 상하 방향의 대칭성은, 대략 제1변형예와 마찬가지로 양호하다. 화상 왜곡의 대칭성이 양호해지는 것이다.

한편, 표 2에 의하면, 상면 만곡은 제3변형예에 비해 현저하게 개선되고, 비교예와도 대략 동등(―0.6%)한 결과이다.

이러한 결과로부터 제2광학계(4B)는 평행 편심, 경사 편심 모두 왜곡 수차를 개선할 수 있다는 것을 알 수 있다.

또 반사형 표시 소자(3), 제1광학계(4A)의 일부 광학 소자를 경사 편심을 더함으로써 상면 만곡을 개선할 수 있다는 것을 알 수 있다.

따라서 이들 평행 편심, 경사 편심을 필요에 따라 적절히 조합함으로써 왜곡 수차 및 상면 만곡을 개선할 수 있으며 화질 향상을 꾀할 수 있다.

그 때, 편심 방향을 역전하면 수차의 변화 방향도 역전하기 때문에 필요에 따라 광학 소자의 편심 방향을 바꿈으로써 전체의 수차를 보다 최적화할 수 있는 것이다.

본 발명의 투영 광학계 및 화상 투영 장치에 의하면, 표시 소자쪽에 배치된 제2광학계를 편심함으로써 화상 표시 영역을 오프셋 투영하는 부분의 수차를 저감시킬 수 있기 때문에 간소한 구성에 의해 수차를 저감시켜 고화질의 화상을 투영할 수 있는 효과를 나타낸다.

상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위 내에서 정해져야만 할 것이다.

Claims (8)

1. 피투영 화상을 화상 표시 영역에 표시하는 표시 소자와, 스크린에서 상기 표시 소자까지의 사이의 광경로를 따라서 순차적으로 배치된 제1광학계 및 제2광학계를 포함하는 투영 광학계에 있어서,

   상기 제1광학계의 광축을 기준축으로 할 때,

   상기 표시 소자의 화상 표시 영역이 상기 기준축에 대해 평행 편심되게 배치되고,

   상기 제2광학계가 상기 기준축에 대해 편심되게 배치되어,

   상기 화상 표시 영역에 표시된 피투영 화상을 상기 기준축에 대해 편심한 위치로 확대 투영하는 것을 특징으로 하는 투영 광학계.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2광학계가 파워를 가진 광학 소자로서는, 상기 표시 소자에 가장 가까운 위치에 위치하는 것을 특징으로 하는 투영 광학계.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2광학계가 상기 기준축에 대해 평행 편심되게 배치된 것을 특징으로 하는 투영 광학계.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제2광학계가 상기 기준축에 대해 경사 편심되게 배치된 것을 특징으로 하는 투영 광학계.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1광학계가 복수의 광학 소자로 이루어지고,

   상기 복수의 광학 소자 중 적어도 하나의 광학 소자가 상기 기준축에 대해 평행 편심 또는 경사 편심되게 배치된 것을 특징으로 하는 투영 광학계.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 표시 소자의 화상 표시 영역이 상기 기준축에 대해 경사 편심되게 배치된 것을 특징으로 하는 투영 광학계.
7. 피투영 화상을 형성하기 위한 광을 조사하는 조명 유닛과;

   제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 투영광학계;를 포함하는 화상투영장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 표시 소자의 화상 표시 영역이 상기 기준축에 대해 경사 편심되게 배치된 것을 특징으로 하는 투영 광학계.

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