JP2004246042A

JP2004246042A - 画像投射装置

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Publication number: JP2004246042A
Application number: JP2003035336A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Fujita; 和弘藤田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-13
Also published as: JP4500497B2

Abstract

【課題】投射距離を縮めつつ、公差的にも組み付け性においても、より性能が安定した投射光学系を有する画像投射装置を実現する。
【解決手段】本発明は、照明光をライトバルブ１１に照射し、変調信号に応じてライトバルブで形成された画像を投射光学系でスクリーン１６に拡大投射する画像投射装置であり、投射光学系は、正のパワーを有している第一の投射光学系１２と、屈折光学系１４と負の発散パワーを有した反射光学系（反射面）１５を含む第二の投射光学系１３とで構成され、第二の投射光学系は、屈折光学系の第一透過面１４ａと第二透過面１４ｂ、反射面１５の少なくとも３面以上で構成され、第一の投射光学系からの投射画像は、第二の投射光学系の第一透過面を透過し、反射面で反射されて光路を折り曲げられ、第二透過面を透過して、スクリーンに投射される構成とした。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスクリーン等に画像を拡大投射する画像投射装置に関するものであり、特に、フロントプロジェクタにおける投射距離の短縮や、また、リアプロジェクションにおける薄型化を達成させることができる投射光学系を備えた画像投射装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、光源からの照明光を画像表示素子であるライトバルブで変調し、ライトバルブにより変調された光束を投射レンズで投射する表示光学ユニットを備え、表示光学ユニットからの投射光を反射面で折り返してスクリーン上に拡大投射する投射型ディスプレイ装置等に応用される画像投射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、オフィスなどにおいて、液晶プロジェクタ等の画像投射装置の高解像度化、明るさの向上、低価格化などが促進され、また、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）を利用した小型軽量なプロジェクタの普及により、より広くプロジェクタは利用されている。特に、その携帯性の向上から、数人といった小さな会議にも使われるようになってきた。ここで、プロジェクタを使う場面を想定すると、会議の準備として設置場所の決定、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）や種々の画像出力機器（ビデオテープレコーダ（ＶＴＲ）、光ディスクドライブ装置（ＣＤ−Ｒ／ＲＷ，ＤＶＤ等）等）との接続などを行う必要があり、設置場所はその状況（参加人数、会議の内容、机のレイアウト）に応じて様々なシチュエーションが想定できる。また、ホワイトボードを併用したい場合もあり、机のレイアウトもそのとき、その場所で最も論議しやすい形態をとる。その際に、少人数で比較的小さな会議室で利用する場合、投影画面サイズ、投射距離、ＰＣや画像出力機器等との接続、投影場所の制約から、プロジェクタの設置場所の制約が少なからずも発生するという問題点が発生していた。
【０００３】
また、気軽に利用するのを阻んでいる理由の一つに、投射スペース、すなわち、プロジェクタの投影空間がある程度必要であることが言える。最も大きな問題点としては次のような状況がある。プロジェクタを利用してプレゼンテーション資料を説明する説明者は、プロジェクタと映し出されるスクリーンの前に立たざるを得ない場合がでてくる。その場合、投影画像の陰となって現れ、聴講者には、投影画面が一部分見えなくなることが生じる。
【０００４】
近年、ますます大画面で投射距離を縮める工夫がなされているが、従来の技術では、画面サイズにもよるが、対角５０〜６０インチの画面サイズを得るためには、フロント型では、せいぜい１ｍ程度の投射距離が必要であり、この距離では、説明者の陰がスクリーン上に写り込み問題になる場合が多々生じていた。
【０００５】
そこで上記のような問題を解決するため、画像投射装置の投射距離を短くする技術が種々提案されている。
例えば、下記の特許文献１に記載の「反射型結像光学系」では、結像光学系の大型化を抑え且つ広画角化を図ることのできる反射型の結像光学系を提供することを目的としており、その実施例としては、第一から第四の四つの反射鏡を備えた反射型結像光学系であって、第一反射鏡は凹状の曲面、第二〜第四反射鏡は凸状の曲面からなる反射光学系を採用している。また、前記各反射鏡の内の少なくとも一つの反射鏡の反射面を、自由曲面形状に形成し、所望の投射性能を確保している。
【０００６】
また、特許文献２に記載の「背面投射型ディスプレイ」では、スクリーンまでの投射距離を短くして、背面投射型ディスプレイ装置の奥行を薄くする方法として、一対の集光作用を有する凹面鏡と、拡散作用を有する凸面鏡を、表示光学ユニットから背面反射ミラーへの光路上に、表示光学ユニット側から凹面鏡、凸面鏡の順で配置するなどして、投射距離をより短くすることができるようにしている。
【０００７】
さらに、特許文献３に記載の「ビデオプロジェクタ」では、テレビジョン受像機において、第１番目の鏡を凸面状に構成し、薄型化を図ったリアプロジェクション方式のビデオプロジェクタが開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−４０３２６号公報
【特許文献２】
特開２００２−１７４８５３号公報
【特許文献３】
特公平６−９１６４１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上の従来技術の共通の問題点としては、自由曲面等、非球面を多用し、結像性能を保ちながら広角化を実現しているために、面形状精度はもちろん、各面の間隔の精度などに、どうしても高精度化が必要であった。
また、反射タイプを多用すると、その精度誤差が性能に与える影響は単純に２倍となるために、従来の投射光学系での公差設定より一段と厳しくなるという問題点があった。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、その目的は、投射距離を縮める手段として反射型光学系を採用しつつも、その光学系の一部に透過屈折光学系を取り入れることにより、投射光学系の設計自由度を向上させることであり、従来からある画像投射装置の投射距離を縮めつつ、公差的にも組み付け性においても、より性能が安定した投射光学系を有する画像投射装置を実現することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための手段として、本発明に係る画像投射装置は以下のような構成とした。
第１の構成は、照明光を生成する照明光源と、変調信号に応じて画像形成するライトバルブと、該ライトバルブにより形成された画像を拡大投射する投射光学系を備え、前記照明光源により生成された照明光を前記ライトバルブに照射し、変調信号に応じて該ライトバルブにより形成された画像を前記投射光学系によりスクリーンに拡大投射する画像投射装置において、前記投射光学系は、正のパワーを有している第一の投射光学系と、屈折光学系と負の発散パワーを有した反射光学系を含む第二の投射光学系とで構成され、前記第二の投射光学系は、前記屈折光学系の第一透過面と、前記反射光学系の反射面、及び前記屈折光学系の第二透過面の、少なくとも３面以上で構成された投射光学系であり、前記第一の投射光学系から投射される投射画像は、前記第二の投射光学系の第一透過面を透過し、前記反射面で反射されて光路を折り曲げられ、その折り曲げられた光路上に位置する第二透過面を透過して、前記スクリーンに投射されることを特徴とするものである（請求項１）。
【００１２】
第２の構成は、第１の構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系を構成する屈折光学系の第一透過面と第二透過面は、光学媒質の連続した面上に形成されていることを特徴とするものである（請求項２）。
第３の構成は、第１または第２の構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系は、前記屈折光学系の第一透過面と第二透過面、及び前記反射光学系の反射面の３面で構成されており、これら３面は同一の光学媒質で一体成形されていることを特徴とするものである（請求項３）。
第４の構成は、第３の構成の画像投射装置において、前記第一、第二透過面と、前記反射面との間の距離は、前記光学媒質の厚さで調整することを特徴とするものである（請求項４）。
第５の構成は、第３の構成の画像投射装置において、前記反射面は、全反射条件を満たすように設定したことを特徴とするものである（請求項５）。
【００１３】
第６の構成は、第１〜５のいずれか一つの構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系を構成する屈折光学系の第一透過面及び第二透過面においては、入射側の第一透過面を通過する光路の有効領域と、出射側の第二透過面を通過する光路の有効領域が重ならないように設定したことを特徴とするものである（請求項６）。
第７の構成は、第１〜６のいずれか一つの構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系として、少なくとも一部の透過面あるいは反射面を非球面形状とした投射光学系を用いたことを特徴とするものである（請求項７）。
第８の構成は、第１〜７のいずれか一つの構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系を構成する屈折光学系の入射側の第一透過面及び出射側の第二透過面は同一形状であって、その形状は複数の面形状をつなぎ合わせて複合面としたことを特徴とするものである（請求項８）。
【００１４】
第９の構成は、第１〜８のいずれか一つの構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系の第二透過面から出射した光路が、前記第一の投射光学系のユニットで蹴られないように、少なくとも反射面を含む第二の投射光学系の一部を投射方向とは反対側にシフトしたことを特徴とするものである（請求項９）。
第１０の構成は、第９の構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系のシフト量を、連続的に、あるいは、段階的に調整することにより、スクリーンへの投射画角を変化させることを特徴とするものである（請求項１０）。
第１１の構成は、第１０の構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系のシフト調整量に応じて変化する光学的な歪み量を、ライトバルブ上に形成する画像でもって補正する手段を設けたことを特徴とするものである（請求項１１）。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成、動作及び作用を、図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
（実施例１）
まず、第１、第２の構成の実施例を説明する。図１は本発明の一実施例を示す画像投射装置の構成説明図である。この画像投射装置１０は、照明光を生成する照明光源（図示を省略）と、変調信号に応じて画像形成するライトバルブ１１と、ライトバルブ１１により形成された画像を拡大投射する投射光学系１２，１３を備え、照明光源により生成された照明光をライトバルブ１１に照射し、変調信号に応じて該ライトバルブ１１により形成された画像を投射光学系１２，１３によりスクリーン１６に拡大投射する構成となっている。そして、投射光学系は、正のパワーを有している第一の投射光学系１２と、屈折光学系と負の発散パワーを有した反射光学系を含む第二の投射光学系１３とで構成されている。
【００１７】
すなわち、本実施例の画像投射装置１０は、画像表示素子であるライトバルブ１１と、ライトバルブ１１で形成された画像をスクリーン１６に拡大投射するための正のパワーを有している第一の投射光学系（例えば投射レンズ）１２と、全体的には負のパワーとなりつつも、画角を広げるために設けた反射光学系の凸面状の反射面１５と正の屈折光学系１４とからなる第二の投射光学系１３とを有する投射光学系を備えている。そして、第二の投射光学系１３は、屈折光学系１４の第一透過面１４ａと、反射光学系の反射面１５、及び屈折光学系１４の第二透過面１４ｂの、少なくとも３面以上で構成された投射光学系であり、第一の投射光学系１２から投射される投射画像は、第二の投射光学系１３の第一透過面１４ａを透過し、反射面１５で反射されて光路を折り曲げられ、その折り曲げられた光路上に位置する第二透過面１４ｂを透過して、スクリーン１６に投射される。すなわち、この画像投射装置では、第一の投射光学系１２から投射される投射画像を第二の投射光学系１３で一端折り返して、投射方向とは逆の方向で投射距離Ｄの位置に設置したスクリーン１６上に拡大投影している。
【００１８】
ここで、図１に示す構成の画像投射装置１０では、第二の投射光学系１３を構成する屈折光学系１４の第一透過面１４ａと第二透過面１４ｂは、光学媒質（光学ガラス、透明樹脂等）の連続した面上に形成されている。
また、図１の構成の画像投射装置１０では、第二の投射光学系１３の屈折光学系１４と反射光学系（反射面）１５は別体に設けられており、反射面１５に対する第一透過面１４ａと第二透過面１４ｂの位置や角度を調整することが可能になっているが、後述の実施例のように屈折光学系１４と反射光学系（反射面）１５を一体化しても良い。
【００１９】
尚、図示は省略しているが、ライトバルブ１１へ照射する照明光を生成する照明光源が設けられており、この照明光源としては、例えばハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどが用いられる。また、効率よく照明光の照度を得られるように、光源からの光をリフレクターで反射集光させた後、インテグレータ光学系といわれる照度均一化手段を用いて照明光を均一化してもよい（これらの図示は省略する）。また、反射型タイプの液晶ライトバルブを用いる場合は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）と組み合わせて照明光路と投射光路を分離する手段が採用され、ＤＭＤを用いる場合は、ＤＭＤに斜めに照明光を入射するための斜め入射光学系や、全反射プリズムを使った光路分離などが採用されるが、これらはライトバルブの種類に応じて適切な光学系を採用すればよい。
【００２０】
ここで、フロントタイプのプロジェクタでは、投射画像を上方にシフトさせ、聴講者からみて投射画像をプロジェクタの陰とならないようにしている。つまり、投射光学系の光軸に対して垂直な面でシフト（図では下側にシフト）する事によって、投射光学系の上方から投影させるようにしている。このライトバルブのシフト量が多ければ多いほど、投射レンズの要求される仕様、特に有効画角を広くとる必要がある。本実施例では、このライトバルブ１１のシフト量を適切に設定したあと、図１に示したように、第二の投射光学系１３の負のパワー（発散）を有した反射光学系の反射面１５により画角を広げることにより、広角化を容易に達成することができる。しかし、このときに、収差的に像が広がり結像性能を低下させてしまうために、あらかじめ第一の投射光学系１２では正（集光）のパワーを適切に設定する必要がある。そこで本発明では、この第一の投射光学系１２で全ての正のパワーを配分するのではなく、図示したように第二の投射光学系１３に屈折光学系１４（屈折面となる透過面１４ａ，１４ｂ）を盛り込み、正のパワーを部分的に配分したことと、面数を増やして設計の自由度を向上させたことを特徴としている。そして、これらの面は、従来から有る光線追跡法などのシミュレーション手法によって、最適な諸元設定を行えばよい。
【００２１】
以上のように、本実施例の画像投射装置では、第一の投射光学系１２と、正の屈折光学系１４と凸面形状の負のパワーを有した反射光学系（反射面）１５を持ち合わせた第二の投射光学系１３からなる投射光学系を用い、光路を折り曲げてスクリーン１６に投射することにより、投射距離Ｄを短くするとともに、光学性能を落とすことなく高品質な光学系を実現することが可能となる。
【００２２】
（実施例２）
次に第３、第４の構成の実施例を説明する。第３の構成では、実施例１に示した構成の画像投射装置において、第二の投射光学系１３は、屈折光学系１４の第一透過面１４ａと第二透過面１４ｂ、及び反射光学系の反射面１５の３面で構成されており、これら３面は同一の光学媒質で一体成形されていることが特徴である。形状的には同一の光学媒質の両側２面に光学面を持ち合わせた形状である。この第二の投射光学系１３の片面は反射面１５として使用するために、反射面１５と対向する屈折光学系（透過面）１４は行きと帰りで往復し、第一面の透過面１４ａ、第二面の透過面１４ｂとして機能する。また、第一、第二透過面１４ａ，１４ｂと、反射面１５との間の距離は、光学媒質の厚さで調整する。
この一体成形された第二の投射光学系１３を構成する光学媒質としては、様々なガラス部材で構成しても良く、また、ガラスモールドにより一体形成しても良い。もちろん、透明な光学プラスチック部材による一体成形でも可能である。
【００２３】
図２は第３、第４の構成の一実施例を示す画像投射装置の構成説明図であり、この画像投射装置では、第二投射光学系１３は、凸面の第一透過面１４ａ、凸面の反射面１５、凹面の第二透過面１４ｂ（第一透過面と同一の面であるが、反射面側から見ると凹面となる）の構成としている。凸面の反射面１５は、反射で用いるために画像が広がり、負の発散パワーとして機能する。第二透過面１４ｂは正のパワーとして機能するが、屈折作用によるため、同一曲率だと、反射で用いるより相対的にパワーは小さい。したがって、第二の投射光学系１３としては全体で負のパワーとなる。尚、図２において、透過面１４の領域Ａは第一透過面１４ａにおいて入射側光束のみの部分であり、領域Ｂは出射側光束のみの部分であり、領域Ｃは入射側光束と出射側光束が重なった部分であるが、光学媒質の厚さを調整して、第一、第二透過面１４ａ，１４ｂと、反射面１５との間の距離を調整すれば、この重なった部分の領域Ｃを調整することができる。
【００２４】
次に図３は第３、第４の構成の別の実施例を示す画像投射装置の構成説明図であり、この画像投射装置は、第二の投射光学系１３の屈折光学系（透過面）１４と反射面１５は共に負のパワーとした構成例であり、全体としては、もちろん負のパワーとした構成例である。この場合、第一の投射光学系１２はより強い正のパワーを有する光学系とする必要がある。
【００２５】
以上のように、本実施例の画像投射装置では、従来では凸面形状の反射面一面のみに持たせたパワーを、第一透過面１４ａ、第二透過面１４ｂの屈折面にも一部分散することが可能となり、従来の投射光学系（スクリーンと投射レンズの間に凸面鏡のみを配置した広角投射光学系）に比べ、収差補正には有利となる。すなわち、これは設計の自由度が向上し、また、公差に関する許容量を拡大できるという非常に効果の大きい利点がある。従って、より加工性が向上し、量産性に富む成形による作成方法を採用するなどして、屈折光学系と反射光学系を一体的に構成することで、より低コストで安定した形状確保、性能を保つことが可能となる。
【００２６】
（実施例３）
次に第５の構成の実施例を説明する。第５の構成では、実施例２の構成の画像投射装置において、前記反射面１５は、全反射条件を満たすように設定したことを特徴とする。
図５は第５の構成の実施例を示す図であり、図５に示すように、第二の投射光学系１３を構成する第一透過面（屈折面）１４ａ、あるいは第一の投射光学系１２の画角を適切に選ぶことにより、
全反射条件：ｎ・ｓｉｎθ＝ｎ０
（ｎ：一体モールド品、あるいはプラスチック部材の屈折率、
θ：最大入射角、
ｎ０：空気中の屈折率）
を満たすようなθより大きな入射角度で光束を反射面１５に入射させるようにすればよい。また、屈折率ｎの高い硝材、材質を選定するなどしてもよい。結像性能としては、第一の投射光学系１２と合成した光学性能を確保するように、従来のシミュレーション技術により最適化を図ればよい。
【００２７】
以上のように、本実施例の画像投射装置では、前記反射面１５は、全反射条件を満たすように設定したので、金属膜などの高反射率部材を形成（蒸着等）する必要が無く、また、全反射を利用しているので光利用効率の面でも効率の高い画像投射装置を実現することができる。
【００２８】
（実施例４）
次に第６の構成の実施例を、図４（ａ），（ｂ）に従って説明する。第６の構成は、実施例１または実施例２で示した構成の画像投射装置において、第二の投射光学系１３を構成する屈折光学系１４の第一透過面１４ａ及び第二透過面１４ｂにおいては、入射側の第一透過面１４ａを通過する光路の有効領域と、出射側の第二透過面１４ｂを通過する光路の有効領域が重ならないように設定したことを特徴とする。より具体的には、第一の投射光学系１２から投射した光束は、第二の投射光学系１３の屈折光学系１４の第一透過面（屈折面）１４ａを通過した後、反射光学系の反射面１５により折り返され、通過してきた面を第二の透過面（屈折面）１４ｂとして光学的に作用して、該透過面（屈折面）１４ｂを通過し、スクリーン１６へと向かう。このとき、第一の透過面（屈折面）１４ａ、第二の透過面（屈折面）１４ｂは、同一の光学媒質の連続した透過面１４であるが、本実施例では透過する光束が重ならないような画角となるように、反射面１５に対する透過面１４の距離、角度、形状を設定した。図４（ｂ）はその部分の拡大図（断面図）であり、本実施例では、反射面１５に対する透過面１４の距離、角度、形状を調整し、透過面１４の入射側光束の透過エリア（第一の透過面の領域）１４ａと、出射側光束の透過エリア（第二の透過面の領域）１４ｂが完全に分離した設定とする。
【００２９】
以上のように、本実施例の画像投射装置では、第二の投射光学系１３の透過面１４が、同一の連続した屈折面であっても、入射側光束の透過エリアと、出射側光束の透過エリアが重ならないように設定しているので、第一の屈折面形状と、第二の屈折面形状とは、光学的に異なる面形状とすることが可能となる。従って、設計の自由度をさらに向上させることが可能となる。
【００３０】
（実施例５）
次に第７の構成の実施例を説明する。本実施例では、実施例１〜４で説明した構成の画像投射装置において、第二の投射光学系１３として、少なくとも一部の透過面１４ａ，１４ｂあるいは反射面１５を非球面形状とした投射光学系を用いたことを特徴とする。
広角投射光学系では、収差を抑えつつ、ディストーション（歪曲歪み）を低減するのが非常に困難であるが、第二の投射光学系１３の少なくとも一部の透過面１４ａ，１４ｂあるいは反射面１５に非球面形状を採用することにより改善することができる。また、光学的に完全に補正できなくとも、ライトバルブ１１の画像として、投射光学系の歪み量を逆補正した画像を形成するようにし、投射画像としては、歪みの目立たない画像としてもよい。
【００３１】
以上のように、本実施例の画像投射装置では、第二の投射光学系１３の少なくとも一部の透過面１４ａ，１４ｂあるいは反射面１５に非球面形状を採用するとともに、ライトバルブ１１の表示画像を光学的な歪みの量だけ逆補正する手段を用いたため、投射光学系への設計の負担を軽減でき、歪み以外の収差の補正が可能となる。
【００３２】
（実施例６）
次に第８の構成の実施例を説明する。本実施例では、実施例１〜５で説明した構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系１３を構成する入射側の第一透過面１４ａ及び出射側の第二透過面１４ｂは同一形状であって、その形状は複数の面形状をつなぎ合わせて複合面としたことを特徴とする。
第二の投射光学系１３を構成する第一透過面（屈折面）１４ａと第二透過面（屈折面）１４ｂでは、図１や図２に示すように入射光束と出射光束が互いに干渉しない領域が必ずある（図２の屈折面Ａ、Ｂは互いに干渉しない領域、Ｃは交わる干渉領域）。そして、第６の構成の実施例では、それが完全に重ならないように設定している。しかし、像高の高い位置からも取り込むように、より広画角化すると、周辺部での光学特性の低下を引き起こす。そこで、このときに透過面（屈折面）１４ａ，１４ｂを複数の面形状をつなぎ合わせた複合面とすることにより、反射面１５の周辺部の形状を中心部分の曲面形状とは異なる形状とすることが可能となる。このような構成を採用することで、周辺部の特性向上に対して、より自由度の高い設計が可能となる。具体的には、設計性能が許される範囲内で、交わり部分を少なくし、干渉しない領域を拡大していけばよい。
【００３３】
（実施例７）
次に第９の構成の実施例を説明する。本実施例では、実施例１または実施例２の構成の画像投射装置において、前記第二の投射光学系１３の第二透過面１４ｂから出射した光路が、前記第一の投射光学系１２のユニットで蹴られないように、少なくとも反射面を含む第二の投射光学系１３の一部を投射方向とは反対側にシフトしたことを特徴とする。すなわち本実施例では図６に示すように、第二の投射光学系１３全体、あるいは、負の反射光学系（反射面）１５を含む一部を第一の投射光学系１２の光軸Ｏに対してシフトさせることを特徴とする。ここでは煩雑さを避けるために、図６には第一の投射光学系１２と、屈折光学系を省略して反射面のみを記載した第二の投射光学系１３を図示し、その作用を説明する。
【００３４】
図６に示した第二の投射光学系１３の凸面状の反射面は、第一の投射光学系１２の光軸Ｏ上にはなく、スクリーン配置側の反対方向にシフトさせている。波線は、第一の投射光学系１２と同じ光軸上に第二の投射光学系１３の軸を共通にした場合の光路の様子を示す。このときにはスクリーン１６−１上で所望の画面サイズになるように、第一の投射光学系１２と第二の投射光学系１３の形状、配置間隔等が、従来のレンズ設計シミュレーション技術を用いて最適設計されている。ここで、少なくとも反射面を含む第二投射光学系１３の一部を図に示すようにスクリーン配置側の反対方向にシフトさせることにより、実線で示したように光路を大きく偏向させることが可能となる。この角度は、画角が大きくなる、すなわち、図で示した上方になればなるほどその反射角度方向は拡大される。このシフト量を調整して、初期のスクリーン１６−１の位置より投射装置側に近いスクリーン１６−２の位置に投射できるようになる。
【００３５】
従来では、凸面鏡のみで拡大反射させていたので、一面の反射のみだと、画角と結像性能を保つのは不可能であったが、本実施例の画像投射装置では、第二投射光学系１３が反射光学系（反射面）１５と屈折光学系（第一、第二透過面）１４とを組み合わせた構成であるため、少なくとも反射面１５を含む第二投射光学系１３の一部を図に示すようにスクリーン配置側の反対方向にシフトさせることにより、反射位置の変化に応じて透過屈折面の透過位置も変えることができる。すなわち、本実施例では、ズーム機能を搭載しつつも光学系の設計の自由度を向上させることが可能となる。
【００３６】
（実施例８）
次に第１０の構成の実施例を説明する。本実施例は、実施例７の構成の画像投射装置において、第二の投射光学系１３のシフト量を、連続的に、あるいは、段階的に調整することにより、スクリーン１６への投射画角を変化させることを特徴とする。
実施例７の説明で用いた図６でも明らかなように、第二投射光学系１３の反射面が凸面形状であるために、シフト量に応じてスクリーン１６への画角が連続的に変化することがわかる。本実施例ではこの特性を利用して、シフト量をズーム、あるいは多焦点光学系により段階的にシフトさせる構成とする。このシフト量は、ユーザが調整することによって、スクリーン１６に投影する画像サイズを連続的に（ズーム機能）、あるいは、段階的に変化させることができる。
【００３７】
尚、本実施例では、実施例５と同じく、画像補正により歪み量を補正する手段を持ち合わせることができるので、投射光学系への設計の負担を軽減でき、歪み以外の収差の補正が可能となる。
【００３８】
（実施例９）
次に第１１の構成の実施例を説明する。本実施例は、実施例８の構成の画像投射装置において、第二の投射光学系１３のシフト調整量に応じて変化する光学的な歪み量を、ライトバルブ１１上に形成する画像でもって補正する手段を設けたことを特徴とする。
すなわち、実施例８の構成の画像投射装置では、ズーム全域でスクリーン１６上で良好な結像性能を得るのが望ましいが、特に歪みに関しては、光学系のみで改善するのではなく、画像処理により歪みが補正された状態で投影できるように、ライトバルブ１１で形成される画像を表示するようにするとよい。
また、歪みの補正量は一定でなく、短焦点側と長焦点型、その中間領域とで分割していてもよく、あらかじめ、それらの領域に応じた補正量を記録しておき、第二投射光学系１３のシフト量を検出するか、あるいは移動量から画像補正すべき情報を読み出して、画像投射装置に入力される画像に補正処理を加えておけばよい。
【００３９】
以上のように、本実施例では、画像補正と組み合わせて画像投射装置を構成したので、光学設計的にはより自由度が向上し、歪み以外の光学性能を光学設計上向上させることが可能となる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、第１の構成の画像投射装置においては、第一の投射光学系と、正の屈折光学系（第一、第二透過面）と凸面形状の負のパワーを有した反射光学系（反射面）を持ち合わせた第二の投射光学系からなる投射光学系を用い、第二の投射光学系で光路を折り曲げてスクリーンに投射することにより、投射距離Ｄを短くするとともに、光学性能を落とすことなく高品質な光学系を実現することが可能となる。
また、第２〜４の構成の画像投射装置においては、従来では凸面形状の反射面一面のみに持たせたパワーを、連続した面で構成される第一透過面、第二透過面の屈折面にも一部分散することが可能となり、従来の投射光学系（スクリーンと投射レンズの間に凸面鏡のみを配置した広角投射光学系）に比べ、収差補正には有利となる。すなわち、これは設計の自由度が向上し、また、公差に関する許容量を拡大できるという非常に効果の大きい利点がある。従って、より加工性が向上し、量産性に富む成形による作成方法を採用するなどして、第二の投射光学系を一体的に構成することで、より低コストで安定した形状確保、性能を保つことが可能となる。
さらに第５の構成の画像投射装置においては、反射面は、全反射条件を満たすように設定したので、金属膜などの高反射率部材を形成する必要が無く、また、全反射を利用しているので光利用効率の面でも効率の高い画像投射装置を実現することができる。
【００４１】
第６の構成の画像投射装置においては、第二の投射光学系の透過面が、同一の連続した屈折面であっても、入射側光束の透過エリアと、出射側光束の透過エリアが重ならないように設定しているので、第一の透過面形状と、第二の透過面形状とは、光学的に異なる面形状とすることが可能となる。従って、設計の自由度をさらに向上させることが可能となる。
また、第７の構成の画像投射装置においては、第二の投射光学系の少なくとも一部の透過面あるいは反射面に非球面形状を採用するとともに、ライトバルブの表示画像を光学的な歪みの量だけ逆補正する手段を用いたため、投射光学系への設計の負担を軽減でき、歪み以外の収差の補正が可能となる。
さらに、第８の構成の画像投射装置においては、透過面（屈折面）を複数の面形状をつなぎ合わせた複合面とすることにより、反射面の周辺部の形状を中心部分の曲面形状とは異なる形状とすることが可能となる。そして、このような構成を採用することで、周辺部の特性向上に対して、より自由度の高い設計が可能となる。
【００４２】
第９の構成の画像投射装置においては、第二投射光学系が反射面と屈折光学系（第一、第二透過面）とを組み合わせた構成であるため、少なくとも反射面を含む第二投射光学系の一部をスクリーン配置側の反対方向にシフトさせることにより、反射位置の変化に応じて透過屈折面の透過位置も変えることができ、ズーム機能を搭載しつつも光学系の設計の自由度を向上させることが可能となる。
また、第１０の構成の画像投射装置においては、第二の投射光学系のシフト量を、連続的に、あるいは、段階的に調整することにより、スクリーンへの投射画角を変化させる構成とすることにより、スクリーンに投影する画像サイズを連続的に（ズーム機能）、あるいは、段階的に変化させることができる。
さらに、第１１の構成の画像投射装置においては、第二の投射光学系のシフト調整量に応じて変化する光学的な歪み量を、ライトバルブ上に形成する画像でもって補正する手段を設けたので、光学設計的にはより自由度が向上し、歪み以外の光学性能を光学設計上向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１、第２の構成の実施例を示す画像投射装置の構成説明図である。
【図２】第３、第４の構成の実施例を示す画像投射装置の構成説明図である。
【図３】第３、第４の構成の別の実施例を示す画像投射装置の構成説明図である。
【図４】第６の構成の実施例を示す画像投射装置の構成説明図である。
【図５】第５の構成の実施例を示す画像投射装置の構成説明図である。
【図６】第９の構成の実施例を示す画像投射装置の構成説明図である。
【符号の説明】
１０画像投射装置
１１ライトバルブ
１２第一の投射光学系
１３第二の投射光学系
１４屈折光学系（透過面）
１４ａ第一透過面（屈折面）
１４ｂ第二透過面（屈折面）
１５反射光学系の反射面
１６スクリーン
Ｌ投射光束
Ｏ第一投射光学系の光軸

Claims

照明光を生成する照明光源と、変調信号に応じて画像形成するライトバルブと、該ライトバルブにより形成された画像を拡大投射する投射光学系を備え、前記照明光源により生成された照明光を前記ライトバルブに照射し、変調信号に応じて該ライトバルブにより形成された画像を前記投射光学系によりスクリーンに拡大投射する画像投射装置において、
前記投射光学系は、正のパワーを有している第一の投射光学系と、屈折光学系と負の発散パワーを有した反射光学系を含む第二の投射光学系とで構成され、前記第二の投射光学系は、前記屈折光学系の第一透過面と、前記反射光学系の反射面、及び前記屈折光学系の第二透過面の、少なくとも３面以上で構成された投射光学系であり、前記第一の投射光学系から投射される投射画像は、前記第二の投射光学系の第一透過面を透過し、前記反射面で反射されて光路を折り曲げられ、その折り曲げられた光路上に位置する第二透過面を透過して、前記スクリーンに投射されることを特徴とする画像投射装置。
請求項１記載の画像投射装置において、
前記第二の投射光学系を構成する屈折光学系の第一透過面と第二透過面は、光学媒質の連続した面上に形成されていることを特徴とする画像投射装置。
請求項１または２記載の画像投射装置において、
前記第二の投射光学系は、前記屈折光学系の第一透過面と第二透過面、及び前記反射光学系の反射面の３面で構成されており、これら３面は同一の光学媒質で一体成形されていることを特徴とする画像投射装置。
請求項３記載の画像投射装置において、
前記第一、第二透過面と、前記反射面との間の距離は、前記光学媒質の厚さで調整することを特徴とする画像投射装置。
請求項３記載の画像投射装置において、
前記反射面は、全反射条件を満たすように設定したことを特徴とする画像投射装置。
請求項１〜５のいずれか一つに記載の画像投射装置において、
前記第二の投射光学系を構成する屈折光学系の第一透過面及び第二透過面においては、入射側の第一透過面を通過する光路の有効領域と、出射側の第二透過面を通過する光路の有効領域が重ならないように設定したことを特徴とする画像投射装置。
請求項１〜６のいずれか一つに記載の画像投射装置において、
前記第二の投射光学系として、少なくとも一部の透過面あるいは反射面を非球面形状とした投射光学系を用いたことを特徴とする画像投射装置。
請求項１〜７のいずれか一つに記載の画像投射装置において、
前記第二の投射光学系を構成する屈折光学系の入射側の第一透過面及び出射側の第二透過面は同一形状であって、その形状は複数の面形状をつなぎ合わせて複合面としたことを特徴とする画像投射装置。
請求項１〜８のいずれか一つに記載の画像投射装置において、
前記第二の投射光学系の第二透過面から出射した光路が、前記第一の投射光学系のユニットで蹴られないように、少なくとも反射面を含む第二の投射光学系の一部を投射方向とは反対側にシフトしたことを特徴とする画像投射装置。
請求項９記載の画像投射装置において、
前記第二の投射光学系のシフト量を、連続的に、あるいは、段階的に調整することにより、スクリーンへの投射画角を変化させることを特徴とする画像投射装置。
請求項１０記載の画像投射装置において、
前記第二の投射光学系のシフト調整量に応じて変化する光学的な歪み量を、ライトバルブ上に形成する画像でもって補正する手段を設けたことを特徴とする画像投射装置。