JP2015138148A - 投射光学系および画像投射装置および拡大画像変位調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】拡大画像の像質の劣化を抑制しつつ、スクリーン上の大きい範囲で、拡大画像の位置調整が可能な、屈折・反射型の投射光学系を実現する。
【解決手段】画像表示素子１０に表示される画像を、被投射面Ｓ上に拡大画像として拡大投射するための投射光学系であって、縮小側から拡大側へ向かって順次、第１の屈折光学系２１、第２の屈折光学系２２、曲面ミラー２３を配してなり、第１の屈折光学系は、画像表示素子に表示された画像の中間像Ｉｍ１を、第１の屈折光学系と第２の屈折光学系の間に結像し、第２の屈折光学系と曲面ミラーは、中間像Ｉｍ１を結像した光を、被投射面上に拡大投射して拡大画像として結像させる機能を有し、第１の屈折光学系２１は、第１の屈折光学系を構成する各光学素子が光軸を共有する共軸光学系で、画像表示素子側および中間像側ともにテレセントリックな、両側テレセントリック光学系である。
【選択図】図４

Description

この発明は、投射光学系および画像投射装置および拡大画像変位調整方法に関する。

画像投射装置はプロジェクタとして実施できる。従って、画像投射装置を以下において「プロジェクタ」とも言う。

画像表示素子に表示される画像を、投射光学系により被投射面（以下、「スクリーン」とも言う。）上に拡大画像として拡大投射する画像投射装置は、従来から種々知られている（特許文献１〜６）。

近時、投射光学系を、屈折光学系（レンズ系）と曲面ミラーとの組み合わせにより構成するものが知られている（特許文献２〜６）。

以下、このような「屈折光学系と曲面ミラーを組み合わせた投射光学系」を、便宜上、屈折・反射型の投射光学系と呼ぶことにする。

図２と図３を参照して、屈折・反射型の投射光学系の２例を簡単に説明する。

図２は、屈折光学系Ｌと凸面ミラーＭＮとを組み合わせた投射光学系を説明するための図である。

符号０で示す画像表示素子に表示される画像を、屈折光学系Ｌと凸面ミラーＭＮとにより拡大して、スクリーンＳ上に拡大画像として結像させて拡大投射する。

図３は、屈折光学系Ｌと凹面ミラーＭＰとを組み合わせた投射光学系を説明するための図である。

画像表示素子０に表示される画像を、屈折光学系Ｌと凹面ミラーＭＰとにより拡大して、スクリーンＳ上に拡大画像として結像させて拡大投射する。

図２、図３に示す屈折・反射型の投射光学系は何れも、結像光束を「拡大機能を持つ曲面ミラーＭＮ、ＭＰ」で折り返してスクリーンＳ上に結像させる。

このため、投射光学系を装荷した画像投射装置の配置を、スクリーンＳに近接させることができ、所謂「超至近プロジェクタ」が可能になる。

ところで、プロジェクタにおいては「スクリーン上に拡大投射された拡大画像の位置」を、スクリーン上で変位調整する「拡大画像変位調整」が一般に望まれる。

屈折光学系のみで構成された投射光学系の場合には、屈折光学系をなすレンズ系を「光軸直交方向」に変位させることにより、この種の拡大画像変位調整が容易に可能である。

屈折・反射型の投射光学系で、拡大画像変位調整を行う最も単純な方法は、画像投射装置全体を変位させる方法である。

この方法の場合、画像投射装置全体を変位させるため、変位に必要なエネルギが大きく変位させるのが面倒である。

また、屈折・反射型の投射光学系を、画像投射装置のケーシング内で変位させるようにした場合には、投射光学系の変位のためのスペースがケーシング内に必要になる。
このため、ケーシングの大型化を招来してしまう。

別の方法として、屈折光学系のみを光軸直交方向に変位させる拡大画像変位調整方法も考えられる。
しかし、この方法では、屈折光学系の変位により、曲面ミラーに対する屈折光学系の位置関係が変化するため収差が発生し、投射される拡大画像の像質が劣化しやすい。

このため、屈折・反射型の投射光学系で屈折光学系のみを変位させる拡大画像変位調整方法では、拡大画像の変位量（以下「拡大画像シフト量」と呼ぶ。）は、拡大画像のサイズの４％程度が限界と考えられる。

この発明は、拡大画像の像質の劣化を抑制しつつ、スクリーン上の大きい範囲で、拡大画像の位置調整が可能な、屈折・反射型の投射光学系の実現を課題とする。

この発明の投射光学系は、画像表示素子に表示される画像を、被投射面上に拡大画像として拡大投射するための投射光学系であって、縮小側から拡大側へ向かって順次、第１の屈折光学系、第２の屈折光学系、曲面ミラーを配してなり、第１の屈折光学系は、画像表示素子に表示された画像の中間像を、第１の屈折光学系と第２の屈折光学系の間に結像し、第２の屈折光学系と曲面ミラーは、前記中間像を結像した光を、被投射面上に拡大投射して拡大画像として結像させる機能を有し、第１の屈折光学系は、該第１の屈折光学系を構成する各光学素子が光軸を共有する共軸光学系で、前記画像表示素子側および前記中間像側ともにテレセントリックな、両側テレセントリック光学系である。

この発明によれば、拡大画像の像質の劣化を抑制しつつ、スクリーン上の大きい範囲で、拡大画像の位置調整が可能な、屈折・反射型の投射光学系を実現できる。

投射光学装置を説明するための図である。 凸面ミラーを用いる屈折・反射型の投射光学系を説明する説明図である。 凹面ミラーを用いる屈折・反射型の投射光学系を説明する説明図である。 投射光学系の実施の１形態を説明図として示す図である。 図４の投射光学系における拡大画像変位調整を説明するための図である。 第１の屈折光学系が両側テレセントリック光学系でない場合を比較例として示す図である。 図６に示す比較例で、第１の屈折光学系を変位させた状態を説明するための図である。 実施例の投射光学系の第１の屈折光学系を示す図である。 実施例の第１の屈折光学系のデータを示す図である。 実施例の投射光学系の第２の屈折光学系と曲面ミラーを示す図である。 実施例の第２の屈折光学系のデータを示す図である。 実施例の第２の屈折光学系における非球面のデータを示す図である。 実施例の曲面ミラーの自由曲面のデータを示す図である。 実施例の投射光学系を用いた画像投射装置の１例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、図１を参照して、投射光学装置のあらましを説明する。
図１は、主として、画像表示素子とその照明光学系を説明するための図である。

図１において、符号１０は「画像表示素子」を示している。

画像表示素子１０としては、公知の適宜のもの、例えば、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラーアレイ・デバイス テキサスインスツルメント社製）や液晶パネルを用い得る。

液晶パネルは、反射型・投射型ともに使用可能である。

ＤＭＤや液晶パネルは、自ら発光する「自発光機能」を持たないので、表示される画像を照明する照明光学系を必要とする。

しかし、画像表示素子としては、これらに限らず、ＬＥＤアレイ等のように、自発光機能を持つものを用いることもでき、その場合には、照明光学系は不要である。

説明の具体性のため、図１に示す形態例における画像表示素子１０はＤＭＤであるとするが、この発明の画像投射装置は勿論、画像表示素子の種類を問わない。

照明光学系による照明を説明する。

光源１は、ランプ１Ａとリフレクタ１Ｂを有する。
ランプ１Ａを発光させると、リフレクタ１Ｂは、ランプ１Ａからの光を反射させて、インテグレータロッド３の入射部分に集光させる。

インテグレータロッド３は、４つの短冊状平面鏡をトンネル状に組み合わせたライトパイプである。

インテグレータロッド３の入射部分に集光した光は、ライトパイプ内で反射を繰り返しつつ導光され、射出部分から射出する。

このとき、射出部分は「均一な光強度の面」として機能する。インテグレータロッド３から射出した光は、レンズ系５を透過し、ミラー７により光路を屈曲される。

ミラー７により反射された光は、曲面ミラー９に入射して反射され、ＤＭＤ１０の画像表示面に照射される。

ＤＭＤ１０の画像表示面には、多数のマイクロミラーが２次元的にアレイ配列され、個々のマイクロミラーは、鏡面を＋１２度〜−１２度の傾き角範囲で傾けることができる。

「拡大投射される画像」は、傾けられたマイクロミラーの２次元的な分布として表示される。

このようにして画像表示面に表示された画像は、曲面ミラー９による反射光により照明される。

インテグレータロッド３と画像表示面との間に配備された光学系であるレンズ系５、ミラー７、曲面ミラー９は「結像光学系」を構成する。

そして、この結像光学系は、インテグレータロッド３の射出部分における上記「均一な光強度の面」を物体として、その拡大像を画像表示面に結像させる。

従って、画像表示面は「均一な光強度（均一な照度分布）」で照明される。ミラー７は平面鏡でもよいし、パワーを持つ曲面ミラーでもよい。

ＤＭＤ１０の画像表示面におけるマイクロミラーの傾きは、例えば、−１２度のときに反射光が投射光学系１００に入射し、＋１２°のときは入射しないように設定される。

画像表示面により反射されて、投射光学系１００に入射する光は、画像表示面に表示された画像により強度変調されている。

投射光学系１００は、入射してくる光を、図示されないスクリーン上に結像させる。
結像する像は、画像表示面に表示された画像の拡大画像である。

以下に説明するように、この発明の投射光学系は、屈折光学系と、曲面ミラーを有し、屈折光学系は、第１および第２の屈折光学系を有する。

投射光学系の具体的な実施例を説明する前に、実施の形態を通じて説明する。

図４は、この発明の投射光学系の実施の１形態を、説明図として示す図である。

図４において、符号１０は、図１におけると同じく画像表示素子（ＤＭＤを想定しているが、勿論、これに限らない。）を示している。
図４には、画像表示素子１０の「画像表示面の部分」が示されている。以下の図においても同様である。

符号２１は、第１の屈折光学系、符号２２は第２の屈折光学系、符号２３は曲面ミラーを示している。

第１の屈折光学系２１と第２の屈折光学系２２とは「屈折光学系」を構成し、この屈折光学系と曲面ミラー２３とで、投射光学系が構成されている。
図４に図示されていないが、第１の屈折光学系２２内には開口絞りが配設されている。

図４に示された矢印は、画像表示素子１０の画像表示面からの光線であり、これらは全て「主光線」である。

「主光線」は、一般的に定義されているように、結像光学系の入射瞳（図示の例では、第１の屈折光学系内に位置する。）の中心を通る光線である。

第１の屈折光学系２１は、これを構成する各光学素子Ｌ１１、Ｌ１２が「光軸を共有」する共軸光学系である。

図４には、第１の屈折光学系２１が２枚のレンズＬ１１、Ｌ１２で構成されるように描かれている。

これは説明の便宜性のためであり、第１の屈折光学系２１を構成するレンズが２枚であることに限られる訳でないことは言うまでもない。

図４に示された状態では、第１の屈折光学系２１と第２の屈折光学系２２とは、光軸を共有している。

画像表示素子１０の画像表示面からの光は、第１の屈折光学系２１に入射すると、図示の如く、第１の屈折光学系の結像作用により、中間像Ｉｍ１を結像する。

中間像Ｉｍ１の結像位置は「第１の屈折光学系２１と第２の屈折光学系２２との間」である。

中間像Ｉｍ１を結像した光は、第２の屈折光学系２２に入射し、第１の中間像Ｉｍ１を物体として第２の中間像Ｉｍ２を、曲面ミラー２３の手前に結像する。

曲面ミラー２３は、この例において「凹面ミラー」であり、第２の中間像Ｉｍ２を物体として、その拡大像を図示されないスクリーン上に結像させる。

即ち、第１の屈折光学系２１は、画像表示素子１０に表示された画像の中間像Ｉｍ１を、第１の屈折光学系２１と第２の屈折光学系２２の間に結像させる機能を有する。

第２の屈折光学系２２と曲面ミラー２３は、中間像Ｉｍ１を、図示されないスクリーン（被投射面）上に拡大投射して拡大画像として結像させる機能を有する。

さて、図４に示した全ての主光線は、第１の屈折光学系２１の物体側（縮小側）および像側（拡大側）の何れにおいても「光軸に平行」である。

即ち、第１の屈折光学系２１は、画像表示素子１０側（縮小側）および中間像Ｉｍ１側（拡大側）ともにテレセントリックな「両側テレセントリック光学系」である。

図４に示された状態は、屈折光学系を構成する第１の屈折光学系２１と第２の屈折光学系２２とが光軸を共有する。

そして、第２の屈折光学系２２と曲面ミラー２３とは「設計された位置関係」に位置関係を設定されている。

以下、この状態を投射光学系における「基準状態」と呼ぶ。

この基準状態において、スクリーン上に投射される拡大画像の位置を「基準の投射画像位置」と呼ぶ。

スクリーン上に投射された拡大画像の位置の「基準の投射画像位置に対する変位調整」を以下に説明する。

図５は、図４に示す基準状態から、第１の屈折光学系２１のみを、屈折光学系の光軸に直交する方向（図において上方）へ変位させた状態を示している。

この変位における変位量を「シフト量」と呼び、「Δ」で表す。

即ち、図５の状態は、図４に示す基準状態から、第１の屈折光学系２１のみを光軸直交方向にシフト量：Δだけ変位させた状態である。

この変位により、画像表示素子１０と第１の屈折光学系２１との位置関係は、光軸直交方向（図の上下方向）において相対的にずれることになる。

しかし、第１の屈折光学系２１は「両側テレセントリック光学系」であるから、シフト量：Δの存在に拘わらず、全ての主光線は第１の屈折光学系２１の光軸に平行である。

このとき、第１の屈折光学系２１により結像される第１の中間像Ｉｍ１Ａは、基準状態における結像位置よりも、光軸直交方向（図の上方）へずれる。

第１の中間像Ｉｍ１Ａの「中間像Ｉｍ１（図４）に対するずれ量」は、第１の屈折光学系２１の横倍率：β１と、シフト量：Δとの積：Δ・β１になる。

第１の中間像Ｉｍ１Ａを結像した光は、ついで、第１の屈折光学系２１により、第２の中間像Ｉｍ２Ａとして結像される。

このとき、第２の中間像Ｉｍ２Ａの「中間像Ｉｍ２（図４）に対するずれ量」は、第２の屈折光学系２２の横倍率：β２と、上記ずれ量：Δ・β１との積になる。

即ち、第２の中間像Ｉｍ２Ａのずれ量は「Δ・β１・β２」になる。

第２の中間像Ｉｍ２Ａを結像した光はついで、曲面ミラー２３により、図示されないスクリーン上に、拡大画像として拡大投射される。

スクリーン上に拡大投射された拡大画像の「基準の投射画像位置に対する変位量」は、曲面ミラー２３の横倍率：β３と前記ずれ量：Δ・β１・β２との積になる。

即ち、図４に示す基準状態から、第１の屈折光学系２１が光軸直交方向にシフト量：Δだけ変位すると、スクリーン上の拡大画像は「Δ・β１・β２・β３」だけ変位する。

図５に示す如く、第１の屈折光学系２１の「両側テレセントリック性」が成り立つ範囲のシフト量：Δ（≠０）に対しては、第１の中間像：Ｉｍ１Ａの結像に際しては「収差の劣化」が生じない。

また、第２の屈折光学系２３は、第１の屈折光学系２１の両側テレセントリック性により、シフト量：Δ（≠）の如何に拘わらず、常に平行な主光線を受けることになる。

従って、中間像：Ｉｍ２Ａの結像に際しても収差の劣化は生じない。

スクリーン上の拡大画像の変位量：Δ・β１・β２・β３は、シフト量：Δの最大値と横倍率：β１、β２、β３とにより定まるが、これらは何れも設計条件として定まる。

従って、これらを適宜に設定することにより、所望の大きさの変位を、スクリーン上の拡大画像に対して与えることができる。

上記のように、この発明の投射光学系では、第１の屈折光学系が拡大側・縮小側にテレセントリックである「両側テレセントリック光学系」である。

ここで、比較のために、第１の屈折光学系が「両側テレセントリック光学系」でない場合の例を「比較例」として、図６、図７を参照して説明する。

繁雑を避けるため、混同の恐れがないと思われるものについては、比較例を示す図６、図７において、図４、５と符号を共通化する。

従って、図６、図７においても、符号１０は画像表示素子、符号２１は第１の屈折光学系、符号２２は第２の屈折光学系、符号２３は曲面ミラーを示す。

図６、図７の例では、第１の屈折光学系２１は、物体側（縮小側）、像側（拡大側）ともにテレセントリックでない。

図６は、第１の屈折光学系２１の光軸と第２の屈折光学系２２の光軸が合致している状態（図４の場合に倣って、この場合も「基準状態」と呼ぶ。）を示している。

この基準状態において第１の屈折光学系２１により結像する中間像を、第１の中間像Ｉｍ１０とする。
図４の場合の第１の中間像Ｉｍ１と区別するために符号をＩｍ１０としている。

この場合、第１の中間像Ｉｍ１０を結像する主光線は、互いに平行ではない。

第１の中間像Ｉｍ１０を結像した光は、第２の屈折光学系２２により第２の中間像Ｉｍ２０として、結像する。

そして、第２の中間像Ｉｍ２０の、曲面ミラー２３による拡大像が「画像表示素子１０に表示された画像の拡大画像」として、図示されないスクリーン上に拡大投射される。

図４、図５の場合に倣い、この場合にスクリーン上に投射される拡大画像の位置も「基準の投射画像位置」と呼ぶ。

このとき「基準の投射画像位置」に投射される拡大画像が良好になるように、第１、第２の屈折光学系、曲面ミラーを設計することは勿論可能である。

図７は、図６の示す基準状態から、第１の屈折光学系２１のみを、光軸直交方向にシフト量：Δだけ変位させた状態を示している。

第１の屈折光学系２１はテレセントリックでないので、第１の屈折光学系２１が図７のように変位した場合も、第１の屈折光学系２１から射出する主光線は、互いに平行とならない。

このため、第１の中間像Ｉｍ１０Ａの結像に関しても「収差の劣化」が生じやすい。

また、第１の中間像Ｉｍ１０Ａを結像した主光線が互いに平行でないため、第２の屈折光学系２２に入射する光線の角度が、レンズ面上の入射位置ごとに変化する。
このため、第２の屈折光学系２２による第２の中間像（図示されず）の結像に際しても収差の大幅な劣化が生じる。

従って、図６、図７のような投射光学系の場合には「第１の屈折光学系のみの変位による拡大画像変位調整」を、拡大画像の像質劣化を伴わずに良好に行うことは困難である。

図４、図５に即して説明したように、スクリーン上の拡大画像の変位量は「Δ・β１・β２・β３」である。

Δは第１の屈折光学系の変位の大きさ（シフト量）であり、β１、β２、β３はそれぞれ、第１、第２の屈折光学系および曲面ミラーの横倍率である。

これら、Δ、β１〜β３は設計条件として適宜に設定できる。
しかし、投射光学系、延いては画像投射装置のコンパクト性や、画像品質のばらつきの抑制といった観点からすると、横倍率：β１は、以下の条件を満足するのが良い。

即ち、第１の屈折光学系（両側テレセントリック光学系である。）の横倍率：β１は、０．９〜４．０の範囲であることが好ましい。

第１の屈折光学系の横倍率：β１が上記範囲であると、第１の中間像Ｉｍ１、Ｉｍ１Ａや、第２の中間像Ｉｍ２、Ｉｍ２Ａのサイズ、曲面ミラーのサイズを小さく抑制できる。

上に言う中間像や曲面ミラーの「サイズ」は、図４、図５における上下方向のサイズである。

中間像や曲面ミラーのサイズを小さく押さえることができると、第２の屈折光学系のレンズサイズや、曲面ミラーのサイズを小さく抑えることができる。

従って、横倍率：β１を、上記範囲に抑えることは、投射光学系、延いては画像投射装置の小型化（コンパクト性）に資するところが大きい。

第１の屈折光学系の横倍率：β１は、上記範囲のうちで「略等倍（即ち１倍近傍）」であることがより好ましい。

第１の屈折光学系の横倍率が略等倍であると、縦倍率（＝β１^２）も略１に等しい。

従って、第１の屈折光学系と画像表示素子の位置関係が、画像表示面の法線方向に多少ずれても、第１の中間像の結像位置は第１の屈折光学系の光軸方向に大きく変化しない。

図４、図５の場合に即して説明する。

例えば、第１の屈折光学系の横倍率：β１＝１であるとすると、縦倍率もβ１となる。
このとき、画像表示面と第１の屈折光学系との位置関係が、第２の屈折光学系２２の光軸方向において微少量：ΔＺだけ、ずれたとする。

このように「画像表示面と第１の屈折光学系２１との位置関係」が微小量:ΔＺだけずれた場合、第１の中間像Ｉｍ１やＩｍ１Ａの結像位置の上記方向の変化もΔＺである。

ΔＺは微小であるから、第１の中間像と第２の屈折光学系との位置関係のずれも微小となり、第２の中間像Ｉｍ２やＩｍ２Ａの結像に際しての収差の劣化も大きくならない。

即ち、横倍率：β１を１近傍に設定することにより、投射光学系の組み付け精度に対する要求が有効に緩和され、投射光学系や投射光学系の組み付け作業が容易化される。

逆に、例えば、β１＝１０のように大きな横倍率の場合に、第１の屈折光学系２１が画像表示素子１０に対して「ΔＺの位置ずれ」をもって組みつけられた場合を考える。

この場合、第１の中間像Ｉｍ１、Ｉｍ１Ａ１の結像位置の「ずれ量」は、１００ΔＺとなり、第１の中間像と第２の屈折光学系２２の位置関係が大幅にずれる。

このため、スクリーン上ではピントが合わなくなることが考えられる。

このような事態を避けるためには「画像表示素子と第１の屈折光学系」を、極めて高い精度で組み付ける必要がある。

この発明の投射光学系は、前述の如く、第１の屈折光学系は「両側テレセントリック光学系」であるが、第２の屈折光学系にはテレセントリック性は特に要求されない。

しかし、第２の屈折光学系も「第１の屈折光学系が形成する中間像に対してテレセントリックな光学系」であることが好ましい。
このようにすると、第１の中間像Ｉｍ１Ａを結像した全ての主光線が「光軸に平行」に第２の屈折光学系に入射する。

従って、第２の屈折光学系による第２の中間像Ｉｍ２Ａの結像の際の収差の劣化を有効に抑制でき、拡大画像変位調整された拡大画像の像質を「より良好」に保てる。

以下、投射光学系の具体的な実施例を説明する。

図８は、投射光学系の実施例における「第１の屈折光学系」を示す図である。

図の如く、第１の光学系の光軸方向に「Ｚ方向」をとり、図の上下方向を「Ｙ方向」とし、図面に直交する方向は「Ｘ方向」とする。

混同の恐れは無いと思われるので、図４、図５におけると同じく、符号２１により第１の屈折光学系を表し、符号１０により画像表示素子を表す。

また、符号Ｉｍ１により「第１の中間像」を表す。

第１の屈折光学系２１は、光軸に対する回転対称である。

画像表示素子１０の画像表示面に表示された画像は、第１の屈折光学系２１により、第１の中間画像Ｉｍ１として結像される。

第１の屈折光学系２１は、図示の如く１０枚のレンズと開口絞りＳで構成され、開口絞りＳは物体側（縮小側）から数えて５枚目と６枚目のレンズの間に配置されている。

開口絞りＳよりも画像表示素子１０側にある「５枚のレンズの組み」をレンズ群Ｌ１Ａとし、拡大側にある「５枚のレンズの組み」をレンズ群Ｌ１Ｂとする。

画像表示素子１０から第１の屈折光学系２１に入射する光線は、開口絞りＳによってその光束幅を規制される。

図８において、レンズ群Ｌ１Ａは、図の左から右に向けて「光軸に平行な平行光束」が入射した場合に、その焦点位置が開口絞りＳの中心位置となるように構成されている。

この構成により、レンズ群Ｌ１Ａは「物体側、即ち縮小側にテレセントリック」となっている。

また、レンズ群Ｌ１Ｂは、図の右方、即ち拡大側から「光軸に平行な平行光束」を入射させた場合に、その焦点位置が開口絞りＳの中心位置となるように構成されている。

この構成により、レンズ群Ｌ１Ｂは「拡大側、即ち第１の中間像Ｉｍ１側にテレセントリック」となっている。

従って、レンズ群Ｌ１Ａ、Ｌ１Ｂと開口絞りＳで構成される第１の屈折光学系２１は、縮小側及び拡大側にテレセントリックな「両側テレセントリック光学系」となっている。

図８には、画像表示素子１０の画素表示面上の３画素を光源とする光線を「これらの画素ごとに３本ずつ」描いている。

各画素からの３本の光線のうち、開口絞りＳの中心を通る主光線は、画像表示面に対しても第１の中間像Ｉｍ１の像面に対しても直交し、且つ、互いに平行である。

即ち、第１の屈折光学系２１を、画像表示面に対して平行（図８のＹ方向）に変位させても、第１の中間像Ｉｍ１に入る主光線は常に第１の中間像Ｉｍ１の像面に垂直である。

なお、第１の屈折光学系２１の横倍率は１．０である。

画像表示素子１０に対する第１の屈折光学系２１の位置関係は、例えば、出荷工場での組み付け誤差等により、正規の位置関係からずれることがあり得る。

このように、画像表示素子１０に対して第１の屈折光学系２１がＺ方向にずれても、第１の中間像Ｉｍ１の「Ｚ方向のずれ量」は第１の屈折光学系２１のずれ量と同一である。

もともと、組み付け誤差等によるずれは「微小」であるので、第１の中間像Ｉｍ１のＺ方向への「ずれ量」も微小となる。

従って、この「ずれ」に起因して「スクリーン上での拡大画像」に大きなピントずれが生じることは無い。
画像投射装置のコンパクト性や、画像品質のばらつきの抑制といった観点からすると、第１の屈折光学系の横倍率の好適な範囲は、前述の如く０．９〜４．０の範囲である。

第１の屈折光学系の横倍率が４倍を超えると、画像表示素子１０に対する第１の屈折光学系のＺ方向のずれ量が、第１の中間像Ｉｍ１のずれ量として１６倍以上に拡大される。

このため、スクリーン上の「拡大画像のピントのずれ量」が、許容レベルを超える虞がある。

また、第２の屈折光学系のレンズ径が増大し、投射光学系、延いては画像投射装置の大型化を招来しやすくなる。

図８に示す第１の屈折光学系２１は「シフト調整機構」によって保持され、プロジェクタ内部で、図８のＹ方向に変位されるようになっている。

図８に示す第１の屈折光学系２１のデータを、図９に示す。図９において「面番号」とあるのは、縮小側から数えた面の番号である。

画像表示素子は画像表示面に接して平行平板状のカバーガラスが設けられ、このカバーガラスの画像表示面側が面番号：０、第１の屈折光学系側の面が面番号１である。

これら面番号：０、１の曲率半径を表す「１．０Ｅ＋１８」は「１．０×１０^１８」を意味し、以下に示す非球面や自由曲面等でも用いる表記である。

なお、「１．０Ｅ＋１８」は実質的に無限大である。

図１０には、実施例の「第２の屈折光学系」と、曲面ミラーを示す。
混同の虞は無いと思われるので、図１０においても図３におけると同じく、第２の屈折光学系を符号２２により、曲面ミラーを符号２３により現す。

図１０に示された第２の屈折光学系２２が、図８に示す第１の屈折光学系２１の拡大側に組み合わせられるのである。

第２の屈折光学系２２は、第１の中間像Ｉｍ１の側がテレセントリックな構成となっている。

第２の屈折光学系２２は、１５枚のレンズにより構成されている。
図１０に示す第２の屈折光学系２２と曲面ミラー２３のデータを図１１に示す。

前述の如く、図８に示す第１の屈折光学系２１は、第２の屈折光学系２２に対して、光軸直交方向（Ｙ方向）へ変位可能である。

図１１において、面番号１、２を有するレンズは「平行平板ガラス」である。

この平行平板ガラスの面番号１の面は、第１の中間像Ｉｍ１（図１１において「中間像１」と表記されている。）に対して間隔：１ｍｍを介して位置している。

面番号２は、平行平板ガラスの拡大側の面である。

面番号９のレンズ面には、開口径：８．５ｍｍの「光線絞り」が形成されている。

面番号１〜９のレンズ群に対して、図１０の左から、光軸に平行な平行光線を入射するとき、その焦点位置が面９の「光線絞り位置の中心」に設定されている。

即ち、面番号１〜９によるレンズ群は、第１の中間像Ｉｍ１側がテレセントリックであり、第１の屈折光学系２１からの光を受けても、収差が劣化しない構成となっている。

図１１に示すように、第２の屈折光学系２２は非球面（面番号：３、４、２３〜２８）を含んでいる。

また、曲面ミラー２３（図１１には「凹面ミラー」と表記されている。）のミラー面形状は「自由曲面」である。
図１２は、第２の屈折光学系の、上記非球面のデータを示している。

図１２の下図は、非球面を表す「非球面形状式」を示している。

「非球面」は、周知の次の非球面形状式で表される。

「非球面形状式」
Ｄ＝Ｃ・Ｈ^２／[１＋√{１−(１＋Ｋ)Ｃ^２・Ｈ^２}]
＋Ｅ_４・Ｈ^４＋Ｅ_６・Ｈ^６＋Ｅ_８・Ｈ^８＋Ｅ₁₀・Ｈ¹⁰＋Ｅ₁₂・Ｈ¹²＋・・
この非球面形状式において、「Ｄ」は非球面量、「Ｈ」は光軸からの距離、「Ｃ」は近軸曲率、「Ｋ」は楕円定数、「Ｅ_４、Ｅ_６、・・Ｅ_１2・・」は高次の非球面係数である。

図１３には、曲面ミラー２３のミラー面をなす自由曲面のデータを示す。

「自由曲面」は、周知の以下の「自由曲面形状式」で表す。

「自由曲面形状式」
ｚ＝ｃ・ｈ^２／[１＋√{１−(１＋ｋ)ｃ^２・ｈ^２}]＋ΣＣｊｘ^ｍｙ^ｎ
この自由曲面形状式において、右辺の「ｃ」は、自由曲面のｚ方向の頂点近傍における曲率である。
また「ｋ」は楕円定数、ｘ、ｙは、ｚ方向に直交し、互いに直交する２方向であり、自由曲面の位置を表す座標である。
また「ｈ」は、前記頂点を通り、ｚ方向に平行な軸からの距離を表す。
「ｈ＝√（ｘ^２＋ｙ^２）」である。

曲面ミラー２３は、図１１に示すように「頂点位置」が、第２の屈折光学系の光軸に対してＹ方向へ「−０．７ｍｍ」ずらされ、ｚ方向がＹＺ面に平行な面内で、上記光軸に対して時計方向に３．０度傾けて配置されている。

ｘ方向は、ＹＺ面に対して交わり、ｙ方向はＹＺ面内にある。

上に説明した実施例の、第１の屈折光学系２１、第２の屈折光学系２２、曲面ミラー２３を組み合わせてケーシングＣＳに組み込んだプロジェクタを、図１４に示す。

図１４において、符号ＣＳで示す「画像投射装置のケーシング」内に、上に説明した投射光学系が、画像表示素子や、照明光学系等とともに配備されている。

画像表示素子は、例えばＤＭＤであり、照明光学系は、例えば「図１に即して説明した如きもの」である。

図１４の左図は、スクリーンＳ上における拡大画像の位置を「Ｙ方向において最も下げた」ときの状態を示す。

図１４の右図は、スクリーンＳ上における拡大画像の位置を「Ｙ方向において最も上げた」ときの状態を示す。

画像表示素子の画像表示面は長方形形状であり、図８におけるＹ方向の辺の長さが８．６４ｍｍである。

第１の屈折光学系２１は、その光軸が、基準状態において、画像表示面における「Ｙ方向の上端位置」に対して一致するようにレイアウトされている。

従って、この基準状態においては、第１の結像光学系２１により結像される第１の中間像は、Ｙ方向の下端位置が、第１の屈折光学系の光軸位置に合致する。

第２の屈折光学系２２は、基準状態において結像された第１の中間像の「Ｙ方向の下端部」に対して、光軸がＹ方向に−４．０ｍｍだけずれるようにレイアウトされている。

即ち、基準状態に置いて、第２の屈折光学系２２の光軸は、第１の屈折光学系２１の光軸に対してＹ方向のマイナス側へ４ｍｍだけずれている。

先に、図４、図５に即して説明した例では、第１の屈折光学系２１の光軸と、第２の屈折光学系の光軸とは「基準状態において合致」している。

しかし、説明中の実施例のように、第１、第２の屈折光学系の光軸が「基準状態において互いにＹ方向へずれた」レイアウトも可能である。

図１４の左図は、上記「基準状態」に対し、第２の屈折光学系２２、曲面ミラー２３の画像表示素子１０に対する相対位置はそのままにして、第１の屈折光学系２１のみを、基準状態から「Ｙ方向に−１ｍｍだけ変位」させた状態を示している。

即ち、第１の屈折光学系のシフト量：Δ＝−１ｍｍである。

図１４の右図は、上記「基準状態」に対し、第２の屈折光学系２２、曲面ミラー２３の画像表示素子１０に対する相対位置はそのままにして、第１の屈折光学系２１のみを、基準状態から「Ｙ方向に＋０．４ｍｍだけ変位」させた状態を示している。

即ち、第１の屈折光学系のシフト量：Δ＝＋４ｍｍである。

図１４の左図の状態では、第１の屈折光学系の光軸は、画像表示面内に位置する。
しかし、第２の屈折光学系の光軸が、基準状態において画像表示面のＹ方向の課端部から−側へ４ｍｍずれ、曲面ミラーも頂点位置が第２の屈折光学系の光軸上からずれ、ｚ方向が、上記光軸に対して時計回りに傾いている。

従って、画像表示面において第１の屈折光学系２１の光軸に最も近い画素からの光が、曲面ミラー２３により反射されて画像表示面側に戻ることはない。

図１４の「左右の図」に示された状態で、スクリーンＳ上で「拡大画像の位置の差」は、図に示されたように、２２８ｍｍである。

また、スクリーンＳ上における拡大画像のＹ方向のサイズは７５３ｍｍである。このサイズを「ＭＳ」で表す。

スクリーンＳ上で「拡大画像の位置の差」とＭＳとの比を「レンズシフト」と呼ぶ。

説明中の実施例では、レンズシフトは０．３であり、百分率で３０％である。

即ち、図１４に示す画像投射装置（プロジェクタ）は、スクリーンＳ上に投射される拡大画像の位置を、Ｙ方向において「拡大画像サイズの３０％」も変位調整できる。

レンズシフトが０．３であれば、拡大画像をスクリーン上で変位させうる大きさは「０．３×ＭＳ」となる。

かかる「拡大画像変位調整」は、投射光学系における第１の屈折光学系のみを、光軸に直交する方（上の説明でＹ方向）に変位量を調整変位させて行われる。

この変位は、図示されない「変位機構」によって行われる。

拡大画像変位調整に必要な第１の屈折光学系の変位は「平行移動による変位」である。

従って、変位機構は、従来から種々知られている「平行変位を調整的に行う機構」を適宜に用いて構成することができる。

このように、この発明による投射光学系を用いることにより、曲面ミラーを含む投射光学系全体を変位させるような大掛かりな構成を用いることなく、従来の「屈折光学系のみにより構成される投射光学系」の場合と同レベルの拡大画像変位調整を実現できる。

前述のように、屈折・反射型の投射光学系で「屈折光学系のみを変位」させる方法では、拡大画像の「シフト量」は、拡大画像のサイズの４％程度が限界と考えられている。

従って、レンズシフトが１０％（０．１×ＭＳ）であっても、実用上十分な拡大画像変位調整が出来たと言える。

図１４に示すように、ケーシングＣＳには防塵ガラスＣＧが設けられている。
防塵ガラスＣＧはケーシングＣＳの内部を防塵する機能を有するとともに、曲面ミラー２３により反射された「結像光束」をスクリーンＳ側へ向かって射出させる。

この発明の画像投射装置では、第１の屈折光学系の変位により、拡大画像変位調整を行うので、曲面ミラー２３により反射された結像光束の方向の変化範囲が大きい。

結像光束の方向の変化範囲が大きくなると、防塵ガラスＣＧの「光束射出面領域の幅」を大きく設定する必要がある。

防塵ガラスＣＧにおけるこの幅は、スクリーンＳ上での拡大画像の位置が下端に位置するとき（図１４左図）と、上端のとき（図１３右図）の光線経路で決定される。

特に、拡大画像が下端に位置するときが「光束射出面領域の幅」への影響が大きい。

これは、図１４の左図のように、スクリーンＳに対する光線角度が垂直に近くなるためであり、この角度が垂直から遠ければ、図１４の右図のように、上記幅は小さくてよい。

防塵ガラスＣＧの光束射出面領域の幅が大きくなり過ぎないようにするには、スクリーンＳ上の拡大画像のＹ方向の最下端への光線の入射角は１９度以上が好ましい。

なお、防塵ガラスＣＧは、図１０に示すように、曲面ミラー２３の「Ｙ方向の上端部」に接触して設けられている。

防塵ガラスＣＧの中央部の「Ｙ方向の位置」は、図１１に示すように、基準状態における第１の屈折光学系の光軸から３１ｍｍ（内側面）および３４ｍｍ（外側面）であり、従って厚みは３ｍｍである。

以上に説明したこの発明の投射光学系は、画像表示素子１０に表示される画像を、被投射面Ｓ上に拡大画像として拡大投射するための投射光学系であって、縮小側から拡大側へ向かって順次、第１の屈折光学系２１、第２の屈折光学系２２、曲面ミラー２３を配してなり、第１の屈折光学系２１は、画像表示素子１０に表示された画像の中間像Ｉｍ１を、第１の屈折光学系２１と第２の屈折光学系２２の間に結像し、第２の屈折光学系２２と曲面ミラー２３は、前記中間像Ｉｍ１を結像した光を、被投射面Ｓ上に拡大投射して拡大画像として結像させる機能を有し、第１の屈折光学系２１は、該第１の屈折光学系を構成する各光学素子が光軸を共有する共軸光学系で、前記画像表示素子１０側および前記中間像Ｉｍ１側ともにテレセントリックな、両側テレセントリック光学系である。

中間像Ｉｍ１の結像に対する第１の屈折光学系２１の横倍率は０．９倍ないし４．０倍であることが好ましく、特に、略等倍であることが好ましい。実施例では等倍である。

また、実施例に示した投射光学系では、第２の屈折光学系２２は、第１の屈折光学系２１が形成する中間像Ｉｍ１に対してテレセントリックな光学系である。
曲面ミラー２３は凹面ミラーであるが、これに限らず、凸面鏡により曲面ミラーを構成することもできる。

図１４に即して説明した画像投射装置は、画像表示素子に表示される画像を、投射光学系によって、被投射面Ｓ上に拡大画像として拡大投射する画像投射装置であって、画像表示素子と、投射光学系と、を有し、投射光学系は上に説明したこの発明のものであり、第１の屈折光学系、第２の屈折光学系および曲面ミラーを有し、投射光学系の第１の屈折光学系と画像表示素子を、第１の屈折光学系２１の光軸に直交する方向において相対的に変位させる変位機構を有する。

この変位機構は、投射光学系の第１の屈折光学系を、その光軸に直交する方向へ変位量調整可能に変位させるものである。

画像表示素子の画像が表示される有効領域の縦方向（Ｙ方向）の幅：ＭＳに対し、変位機構により変位可能な変位量が０．１×ＭＳ以上（実施例では０．３×ＭＳ）である。

また、被投射面Ｓに入射する光線角度が、被投射面の外向き法線に対して１９度以上である。

上記変位機構を用いて、被投射面上における拡大画像の位置を、変位調整する拡大画像変位調整方法を実施できる。

上には、屈折光学系における第１の屈折光学系を光軸直交方向に変位させて、拡大画像の位置調整を行う場合を説明した。

しかし、この発明は、この場合に限らず、投射光学系に対して、画像表示素子１０を屈折光学系の光軸に直交する方向に変位させて、拡大画像変位調整を行うこともできる。

この場合には、屈折光学系における第１の屈折光学系を光軸直交方向に変位させる必要は無い。

このような場合においても、第１の屈折光学系は、縮小側と拡大側に対しテレセントリックであるので、第２の屈折光学系の光軸に対する光軸間のずれが性能に影響しない。

従って、投射光学系の組み立てが容易である。

１０ 画像表示素子
２１ 第１の屈折光学系
２２ 第２の屈折光学系
２３ 曲面ミラー
Ｉｍ１ 第１の中間像
Ｉｍ２ 第２の中間像
Ｉｍ１Ａ 第１の屈折光学系２１を変位させたときの第１の中間像
Ｉｍ２Ａ 第１の屈折光学系２１を変位させたときの第２の中間像

特開２０１１−２３７４８２号公報 特表２０１３−５３２３１３号公報 特開２０１３− １５８５３号公報 特開２０１３− ３３２８３号公報 特開２０１１−１１８５４８号公報 特許第５１８２４４０号公報

Claims (10)

1. 画像表示素子に表示される画像を、被投射面上に拡大画像として拡大投射するための投射光学系であって、
   縮小側から拡大側へ向かって順次、第１の屈折光学系、第２の屈折光学系、曲面ミラーを配してなり、
   第１の屈折光学系は、画像表示素子に表示された画像の中間像を、第１の屈折光学系と第２の屈折光学系の間に結像し、
   第２の屈折光学系と曲面ミラーは、前記中間像を結像した光を、被投射面上に拡大投射して拡大画像として結像させる機能を有し、
   第１の屈折光学系は、該第１の屈折光学系を構成する各光学素子が光軸を共有する共軸光学系で、前記画像表示素子側および前記中間像側ともにテレセントリックな、両側テレセントリック光学系である投射光学系。
2. 請求項１に記載の投射光学系において、
   中間像の結像に対する第１の屈折光学系の横倍率が０．９倍ないし４．０倍であることを特徴とする投射光学系。
3. 請求項２に記載の投射光学系において、
   中間像の結像に対する第１の屈折光学系の横倍率が、略等倍であることを特徴とする投射光学系。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の投射光学系において、
   第２の屈折光学系が、第１の屈折光学系が形成する中間像に対してテレセントリックな光学系であることを特徴とする投射光学系。
5. 請求項１ないし４の何れか１項に記載の投射光学系において、
   曲面ミラーが凹面ミラーであることを特徴とする投射光学系。
6. 画像表示素子に表示される画像を、投射光学系によって、被投射面上に拡大画像として拡大投射する画像投射装置であって、
   画像表示素子と、投射光学系と、を有し、
   投射光学系は、請求項１〜５の何れか１項に記載されたものであって、第１の屈折光学系、第２の屈折光学系および曲面ミラーを有し、
   前記投射光学系の第１の屈折光学系と画像表示素子を、第１の屈折光学系の光軸に直交する方向において相対的に変位させる変位機構を有することを特徴とする画像投射装置。
7. 請求項６に記載の画像投射装置において、
   変位機構は、投射光学系の第１の屈折光学系を、その光軸に直交する方向へ変位量調整可能に変位させるものであることを特徴とする画像投射装置。
8. 請求項６または７に記載の画像投射装置において、
   画像表示素子の画像が表示される有効領域の縦方向の幅：ＭＳに対し、
   変位機構により変位可能な変位量が、０．１×ＭＳ以上であることを特徴とする画像投射装置。
9. 請求項６ないし８の何れか１項に記載の画像投射装置において、
   被投射面に入射する光線角度が、被投射面の外向き法線に対して１９度以上であることを特徴とする画像投射装置。
10. 請求項６ないし９の何れか１項に記載の画像投射装置における変位機構を用いて、被投射面上における拡大画像の位置を、変位調整する拡大画像変位調整方法。

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