JP3631182B2 - 画像投射装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光を走査して形成する2次元画像を斜めに投射する画像投射装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
前方投射型のプロジェクタに用いられる投射光学系において、スクリーンと装置との距離を短くするためにスクリーンに対して斜めからの投射が可能な投射光学系が提案されている。
【0003】
図13には、特開平5−100312号公報にて提案されているプロジェクタを示している。図中、Lは照明光源であり、LVは透過型又は反射型ドットマトリックス液晶等を用いたライトバルブである。投射光学系は、ライトバルブLVに写る像を拡大投影してスクリーンSに映し出す。このプロジェクタでは、投射光学系として大画角の広角レンズを用い、ライトバルブLVおよびスクリーンSを投射光学系の光軸に対してシフトさせて配置し、画角の端の部分を使用して投射することにより斜め投射の光学系を構成している。
【0004】
また、図14には、特開平5−080418号公報にて提案されているプロジェクタを示している。図中、Lは照明光源であり、LVは透過型又は反射型ドットマトリックス液晶等を用いたライトバルブである。第1の投射光学系は、ライトバルブLVに写る像の中間像を形成し、第2の投射光学系はこの中間像をスクリーンSに拡大投影する。このプロジェクタでは、第1および第2の投射光学系を光軸に対して傾けることにより、スクリーンSに対する斜め投射を行う。
【0005】
また、再公表特許WO97/01787号には、複数の反射面を用いて斜め投射光学系を構成している。
【0006】
一方、非共軸光学系において、特開平9−5650号公報にその設計法や焦点距離等の近軸量の計算方法が提案されている。また、特開平8−292371号、特開平8−292372号および特開平9−222561号公報にその設計例が示されている。これらの設計例により、基準軸という概念を導入し、構成面を非対称非球面にすることで、十分収差が補正された光学系が構築可能であることが、明らかになってきた。
【0007】
こうした非共軸光学系は、オフアキシャル光学系と称される。すなわち、像中心と瞳中心を通る光線に沿った基準軸を考えた時、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面(オフアキシャル曲面)を含む光学系として定義される光学系であり、基準軸は折れ曲がった形状となる。
【0008】
このオフアキシャル光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を使った光学系の構築がしやすい。また、光学系内で中間像を形成することにより、高画角でありながらコンパクトな光学系を構成することができる。
【0009】
さらに、前絞りの光学系でありながら、光路の引き回しが比較的自由に行なえるために、コンパクトな光学系を構成できる。
【0010】
また、特開平6−295159号公報には、レーザー光線を回転多面鏡により2次元的にスキャンし、画像を表示する装置が提案されている。この場合、レーザー光線の強度変調のタイミングを適切な値にすることにより、すなわち電気的な補正によりディストーションを補正することは可能である。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
特開平5−100312号公報にて提案されているように、光軸に対してライトバルブとスクリーンをシフトさせた投射光学系の場合は、図15に示すように、使用する画角の大きさはθ2であるが、使用されるレンズ系はかなり大きい画角(θ1)をカバーする高画角の大型レンズ系が必要になる。
【0012】
また、図16に示すように、光軸AがスクリーンSの中心に向かうように構成した場合、通常のレンズ系ではスクリーンS上に像が結像されず光軸に垂直な平面S’上に結像される。この場合、像が台形状に歪み、スクリーンSの上下でピントがずれてしまう。
【0013】
この像面の傾きを補正する場合、スクリーンSの上部を通る光線の光路L1とスクリーンSの下部を通る光線の光路L2との差を打ち消さなければならない。そしてこの差を補正する場合、結像面付近で補正できればL1とL2の光路差は縮小されるので補正量は少なくて済む。一方、像が拡大されたスクリーン側の光学面で補正をする場合、L1、L2の光路差がそのまま影響する。
【0014】
また、特開平5−80418号公報にて提案されている投射光学系の場合、レンズ系をチルトしているだけなので、像面を十分に傾けることが難しい。また、レンズ系のチルト量が多すぎると、光学性能を確保することが難しくなる。
【0015】
さらに、再公表特許WO97/01787号にて開示されている光学系では、1つの反射面の大きさが大きくなり、精度良く製造することが難しい。
【0016】
特開平6−295159号公報等に示されているように、点光源又は一次元の画像表示素子を回転多面鏡若しくはガルバノミラー等で走査し表示する方法において、電気的な補正だけではディストーションを補正しきれない場合があり、この場合には光学的な補正が必要となる。
【0017】
本発明は、光学系としての小型化を図りつつ、かつ拡大率が高く、歪みの少ない斜め投射型の画像投射装置を提供することを目的としている。
【0018】
また、本発明は、光学系としての小型化を図りつつ、歪みの少ない斜め投射又は入射型の光学系を備えた画像投射装置を提供することを目的としている。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本願第1の発明では、画像投射装置を、画像を表示するための変調光を発する光変調手段と、この光変調手段からの光を2次元画像を得るために走査する光走査手段と、この光走査手段により走査される光を反射させて被投射面に投射する、複数の曲面反射面を有した投射光学系とを備えた構成とし、光変調手段からの光を、この投射光学系の光路内で少なくとも1回、中間結像させると共に、この投射光学系の瞳の中心と投射画像の中心とを結ぶ基準軸が被投射面の法線に対して傾け、基準軸の被投射面の法線に対する傾き角をθとし、基準軸と被投射面の法線とを含む面を表すアジムスをαとし、この投射光学系の基準軸まわりに展開したアジムスξ°における倍率をβ(ξ)とするとき、
|1−β(α)/(β(α+90°)cosθ)|<0.3
なる条件を満足するようにしている。
【0020】
これにより、基準軸まわりに展開される焦点距離や倍率等を適切な値に設定することによって、斜め投射型でありながら、小型で、ディストーション(主に台形歪み)を抑えた投射光学系を得ることが可能となる。
【0022】
さらに、上記第1の発明において、曲面反射面を回転非対称面としたオフアキシャル光学系を用いることにより、光学的な軸に対して非対称な特性を持たせることが容易になる。このため、例えば、光走査手段による非走査方向に関しては通常のカメラレンズと同様のf・tanθ特性を持たせ、走査方向においては光走査手段に合わせてfθレンズやアークサインレンズ等の特性を持たせることが可能であり、ディストーションの補正に有利である。
【0026】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に入る前に、実施形態の構成諸元の表し方および実施形態全体の共通事項について説明する。図19は、実施形態の光学系の構成データを定義する座標系の説明図である。
【0027】
図19において、第1面R1は屈折面、第2面R2は第1面R1に対してチルトした反射面、第3面R3および第4面R4は各々の前面に対してシフト、チルトした反射面、第5面R5は第4面R4に対してシフト、チルトした屈折面である。
【0028】
第1面R1から第5面R5までの各々の面は、ガラス、プラスチック等の媒質で構成される1つの光学素子上に構成されており、図19中では第1の光学素子B1としている。
【0029】
すなわち、図19において、不図示の物体面から第1面R1までの媒質は空気、第1面R1から第5面R5までは共通の媒質、第5面R5から不図示の第6面R6までの媒質は空気で構成されている。
【0030】
本実施形態の光学系は Off−Axial光学系であるため、光学系を構成する各面は共通の光軸を持っていない。そこで、本実施形態においては、まず第1面の中心を原点とする絶対座標系を設定する。
【0031】
そして、第1面の中心点である原点と最終結像面の中心とを通る光線(基準軸光線)の経路を光学系の基準軸と定義し、図19に一点鎖線で示す。さらに、本実施形態中の基準軸は方向(向き)を持っている。その方向は基準軸光線が結像に際して進行する方向である。
【0032】
なお、本実施形態においては、光学系の基準となる基準軸を上記のように設定したが、光学系の基準となる軸の決め方は光学設計上、収差の取り纏め上、若しくは光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の良い軸を採用すればよい。一般的には像面の中心と、絞り又は入射瞳又は射出瞳又は光学系の第1面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を光学系の基準となる基準軸に設定する。
【0033】
本実施形態においては、投射光学系の瞳の中心から第1面の中心点を通り、最終結像面(投射画像)の中心へ至る光線(基準軸光線)が各屈折面および反射面によって屈折・反射する経路を基準軸に設定する。各面の順番は基準軸光線が屈折・反射を受ける順番に設定している。
【0034】
従って、基準軸光線は、設定された各面の順番に沿って屈折若しくは反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的に像面の中心に到達する。
【0035】
本実施形態の光学系を構成するチルト面は、基本的にすべてが同一面内でチルトしている。そこで、絶対座標系の各軸を以下のように定める。
【0036】
Z軸:原点と物体面中心を通る直線であり、物体面から第1面R1に向かう方向を正とする。
【0037】
Y軸:原点を通りチルト面内(図19の紙面内)でZ軸に対して反時計回りに90゜をなす直線。
【0038】
X軸:原点を通りZ,Yの各軸に直交する直線(図19の紙面に垂直な直線)。
【0039】
また、光学系を構成する第i面の面形状を表すには、絶対座標系にてその面の形状を表記するより、基準軸と第i面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定して、ローカル座標系でその面の面形状を表した方が形状を認識する上で理解し易い。このため、第i面の面形状をローカル座標系で表わす。
【0040】
さらに、第i面のYZ面内でのチルト角は絶対座標系のZ軸に対して反時計回り方向を正とした角度θi(単位°)で表す。よって、本実施形態では、各面のローカル座標の原点は図19中のYZ平面上にある。また、XZおよびXY面内での面の偏心はない。
【0041】
また、第i面のローカル座標(x,y,z)のy,z軸は絶対座標系(X,Y,Z)に対してYZ面内で角度θi傾いており、具体的には以下のように設定する。
【0042】
z軸:ローカル座標の原点を通り、絶対座標系のZ 方向に対しYZ面内において反時計方向に角度θiをなす直線。
【0043】
y軸:ローカル座標の原点を通り、z方向に対しYZ面内において反時計方向に90゜をなす直線。
【0044】
x軸:ローカル座標の原点を通り、YZ面に対し垂直な直線。
【0045】
また、Diは第i面と第(i+1) 面のローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量、Ndi,νdiはそれぞれ第i面と第(i+1)面間の媒質の屈折率とアッベ数である。
【0046】
ここで、球面は以下の式で表される形状である。
【0047】
【数1】
【0048】
また、本実施形態の光学系は、少なくとも回転非対称な非球面を1面以上有し、その形状は以下の式により表す。
【0049】
上記曲面式はxに関して偶数次の項のみであるため、上記曲面式により規定される曲面はyz面を対称面とする面対称な形状である。さらに以下の条件が満たされる場合はxz面に対して対称な形状を表す。
【0050】
C03 =C21 =t =0
さらに、
C02 =C20 C04=C40 = C22/2 C06 =C60 =C24/3 =C42/3
が満たされる場合は回転対称な形状を表す。以上の条件を満たさない場合は非回転対称な形状である。
【0051】
(第1実施形態)
図1には、本発明の第1実施形態である画像投射装置を示している。図1において、Tは1次元の光変調ユニットであり、具体的には、発光ダイオードや半導体レーザー等の発光強度を変調できる自発光デバイスを用いることができる。なお、このような自発光デバイス以外に、ドットマトリックス液晶パネルやデジタルミラーデバイス等を用いたライトバルブと、これらに照明光を入射させる照明系とを含むユニットを用いてもよい。
【0052】
1は光変調ユニットTの像をスクリーン(被投射面)Sに拡大投影するための投射光学系であり、より詳しい構成を図2に示している。
【0053】
投射光学系1において、STOPは絞りであり、MMはガルバノミラーや回転多面鏡などの光走査ユニットである。
【0054】
光変調ユニットTのY軸方向の長さは8mmであり、スクリーンSの大きさは、縦横比が3:4で対角は300mmである。
【0055】
また、スクリーンSの法線に対して投射光学系1の基準軸は45度傾いている。以下、本実施形態に用いられている投射光学系1の構成データを示す。
スクリーンSの中心を原点にとり、スクリーンS上でy方向における像高が、−100%、−50 %、0 %、50%、100 %のとき光走査手段の振れ角は、スクリーン中心に結像するときの角度を0度とすると、2.437 、1.286 、0 、−1.35,−2.753となる。角度の正負は反射面のチルト角に順ずる。
【0056】
ここで、光走査ユニットの振れ角は正負非対称になっている。本実施形態の場合、スクリーンSに対して光学系の基準軸が傾いているために必然的に光学系の特性がスクリーンSの上下で非対称になる。この非対称の光学特性を、振れ角を正側と負側とで非対称とすることにより、補正をしている。
【0057】
図1,2において、投射光学系1は、光変調ユニットTからの光線の通過順に、絞りSTOPと、光走査ユニットMMと、凹面鏡R1,凹面鏡R2,凸反射面R3および凹面鏡R4の4つの反射面とから構成されている。すべての反射面は、YZ平面のみに対して対称な、すなわち対称面が1つの回転非対称面である。
【0058】
また、光束は凸面鏡R3および凹面鏡R4との間で中間結像しており、凹面鏡R4付近で瞳の結像をしている。このように、絞りの像が絞り位置よりスクリーン側の光学系によって実像を形成する構成をとることにより、各面の光線有効径を小さく抑え、各光学素子および撮影光学系全体のコンパクト化を達成している。
【0059】
次に、本実施形態における光学作用を説明する。光変調ユニットTで変調された赤、緑、青の3色の光は、不図示の色合成光学系にて同一光軸上に合成された後、絞りSTOPで光量を制限される。
【0060】
ここで、色合成光学系としては、ダイクロイックプリズムや光学楔等を用いることができる。
【0061】
次に、光走査ユニットMMで反射した光束は、4つの反射面R1〜R4で次々に反射しながら拡大され、1次元像がスクリーンSに映し出される。そして、光走査ユニットMMが駆動回路DRによって振れ駆動され、反射した光がスキャンされることにより、スクリーンS上に2次元画像が表示される。
【0062】
図3には、スクリーンS上でのスポットの大きさを示している。具体的には、スクリーンSの中心を原点とし、xの正の方向で像高を0 %、33%、67%、100 %に4分割し、さらにy方向で像高を‐100 %、‐50%、0 %、50%、100 %の5分割した位置、つまりスクリーン上で20ポイントの位置でのスポットを表している。なお、スクリーンYZ平面に対して対称な構成であるのでも、図3においてはxのマイナス方向は省略している。
【0063】
また、本実施形態の投射光学系1におけるディストーションの様子を図4に示している。この図4から分かるように、x方向の像高±67%近辺で若干のディストーションが見られるが、全体として大きなディストーションはなく、非対称なディストーションも少ない。
【0064】
本実施形態で用いられている投射光学系1において、光変調ユニットTの中心からの光束がスクリーンSの中心で像を結ぶとき、アジムス0度と90度における焦点距離f1(0) ,f1(90)、絞り面からの前側主点H1(0) 、H1(90)および基準軸のまわりに展開したアジムス0度( 走査方向) と90度( 非走査方向) における倍率β1(0),β1(90) はそれぞれ、
f1(0) =−13.9276 ,f1(90)=−11.5646
H1(0) =−37.2581 ,H1(90)=−35.2098
β1(0)=f1(0)/(f1(0)−24−H1(0))=20.8
β1(90) =f1(90)/(f1(90)−24−H1(90)) =32.6
となる。
【0065】
したがって、
|1 −β1(0)/( β1(90) ×cos(45°))|=0.098 <0.3 ・・・( 1)
となる(ここで45度はスクリーンSの法線と基準軸とのなす角である)。
【0066】
図17は図16におけるスクリーンSの部分を表している。図17において、Aは基準軸、Sは傾いたスクリーン、S’はAに垂直な平面であり、SとS’は角度θだけ傾いている。本来、S’上に投射光学系で拡大投影された像が結像される。
【0067】
特開平9−5650号公報にて提案されているように、基準軸Aのまわりに展開し、評価面を基準軸に垂直な平面S’として評価した場合、近軸量はアジムスξとアジムスξ+180 ° で同じ値を示す。このため、特開平9−5650号公報に示される近軸量が像面の傾きを起こすわけではない。つまり、像面湾曲と同種の収差、すなわち、SとS’の交線から離れるにしたがってピント位置がずれる収差が発生しているために像面が傾くと解釈できる。
【0068】
このように解釈した場合、評価面であるS’におけるy’方向の倍率βy’はSにおける倍率βyが射影されたと考えることができるので、スクリーンS上で縦横比が保たれるためには、以下の関係を満たしている必要がある。
【0069】
βy=βy’/cos θ=βx (図18参照)
したがって、
【0070】
【数2】
【0071】
ここで、上記(2)式におけるss’(0) ,ss’(90) はアジムス0°と90°における投射光学系のスクリーン側主点位置からスクリーンまでの距離である。つまり、(1)式の値が小さいことが、2次元の投射画像のスクリーンS上での縦横比が保たれる条件である。(1)式の値が0.3より大きくなるとディストーションが大きくなり、収差補正が難しくなる。
【0072】
本実施形態では、回転非対称反射面を表面反射面として用いているが、特開平8−292372号、特開平9−222561号および特開平9−258105号公報等のように、透明体の表面に回転非対称反射面を形成した光学ブロックを使用してもよい。さらに、複数の回転非対称な表面反射面を一体にモールド成形してもよい。
【0073】
また、本実施形態では、回転非対称反射面を4面用いているが、反射面は4面に限らない。ただし、収差補正上、少なくとも3面以上あることが望ましい。また、回転非対称反射面はある平面に対して対称な形状であるが、これに限られるものではない。
【0074】
(第2実施形態)
図5には、本発明の第2実施形態である画像投射装置の構成を示している。図5において、Tは1次元の光変調ユニットであり、具体的には、発光ダイオードや半導体レーザー等の発光強度を変調できる自発光デバイスを用いることができる。なお、このような自発光デバイス以外に、ドットマトリックス液晶パネルやデジタルミラーデバイス等を用いたライトバルブと、これらに照明光を入射させる照明系とを含むユニットを用いてもよい。
【0075】
2は光変調ユニットTの像をスクリーン(被投射面)Sに拡大投影するための投射光学系であり、より詳しい構成を図6に示している。
【0076】
投射光学系2において、LGは屈折レンズ群である。MMはガルバノミラーや回転多面鏡などの光走査ユニットであり、絞りも兼ねている。
【0077】
光変調ユニットTのY軸方向の長さは2.7mmであり、スクリーンSの大きさは、縦横比が4:3で対角は50mmである。
【0078】
また、スクリーンSの法線に対して投射光学系2の基準軸は60度傾いている。以下、本実施形態に用いられている投射光学系2の構成データを示す。
スクリーンSの中心を原点にとり、スクリーンS上でy方向における像高が、−100%、−67 %、−33 %、0 %、33%、67%、100 %のときの光走査ユニットMMの振れ角は、スクリーン中心に結像するときの角度を0度とすると、7 、4.67、2.33、0 、−2.33 、−4.67 、−7となる。角度の正負は反射面のチルト角に順ずる。
【0079】
ここで、光走査ユニットMMの振れ角はスクリーンS上でのy方向について比例関係になっている。つまり、y方向においてfθレンズ特性を持っている。
【0080】
しかし、x方向については一次元の像を結像させているので通常のカメラレンズの特性であるf・tanθ特性を持っている。
【0081】
つまり、本実施形態の投射光学系2はy方向とx方向とで異なる特性を持つ必要がある。通常の共軸回転対称光学系ではこのようなことは不可能であり、オフアキシャル光学系を用いれば容易に達成できる。
【0082】
図5,6において、投射光学系2は光変調ユニットTからの光線の通過順に、回転対称の屈折レンズ群LGと、絞りを兼ねている光走査ユニットMMと、凹面鏡R1,凹面鏡R2,凹面鏡R3および凹面鏡R4の4つの反射面とから構成されている。すべての反射面はYZ平面のみに対して対称な面、すなわち回転非対称面である。ここで、光束は凹面鏡R1および凹面鏡R2の間で中間結像しており、凹面鏡R3付近で瞳の結像をしている。
【0083】
次に、本実施形態における光学作用を説明する。光変調ユニットTで変調された赤、緑、青の3色の光は、不図示の色合成光学系において同一光軸上に合成される。色合成光学系としては、ダイクロイックプリズムや光学楔等を用いることができる。
【0084】
次に、色合成された光は、回転対称の屈折レンズ群LGを通り、光走査ユニットMMで反射した後、4つの反射面R1〜R4を次々と反射しながら拡大され、1次元像がスクリーンSに映し出される。そして、駆動回路DRによって振れ駆動される光走査ユニットMMによりスキャンされることによって2次元画像がスクリーンSに表示される。
【0085】
図7には、スクリーンS上でのスポットの大きさを示している。具体的には、スクリーンSの中心を原点とし、xの正の方向で像高を0 %、33%、67%、100 %に4分割し、さらにy方向で像高を‐100 %、‐50%、0 %、50%、100 %の5分割した位置、つまりスクリーン上で20ポイントの位置でのスポットを表している。なお、スクリーンYZ平面に対して対称な構成であるのでも、図7においてはxのマイナス方向は省略している。
【0086】
また、本実施形態の投射光学系2のディストーションの様子を図8に示している。この図8から分かるように、y方向の像高‐100 %,100 % の近辺およびx方向の像高33%〜−33 %かつy方向の像高50%近辺等で若干のディストーションが見られるが、全体として大きなディストーションはなく、非対称なディストーションも少ない。
【0087】
本実施形態で用いられる投射光学系2において、光変調ユニットTの中心からの光束がスクリーンSの中心で像を結ぶとき、アジムス0度と90度における焦点距離f2(0) ,f2(90)、絞り面からの前側主点H2(0) ,H2(90)および基準軸のまわりに展開したアジムス0度( 走査方向) と90度( 非走査方向) における倍率β2(0),β2(90) ははそれぞれ、
f2(0) =−6.33205 ,f2(90)=−3.79933
H2(90)=−11.4305 ,H2(90)=−9.49355
β2(0)= f2(0)/(f2(0) −5.985 −H2(0))=7.14
β2(90)= f2(90)/(f2(90)−5.985 −H2(90)) =13.07
となる。
【0088】
したがって、
|1 −β2(0)/( β2(90) ×cos(60°))|=0.093 <0.3 ・・・( 1)
となる(ここで60度はスクリーンSの法線と基準軸のなす角である)。
【0089】
このように、(1)式の値が0.3よりも小さいので、2次元の投射画像のスクリーンS上で縦横比が保たれている。
【0090】
本実施形態では、回転非対称反射面を表面反射面として用いているが、特開平8−292372号、特開平9−222561号および特開平9−258105号公報等のように、透明体の表面に回転非対称反射面を形成した光学ブロックを使用してもよい。さらに、複数の回転非対称な表面反射面を一体にモールド成形してもよい。
【0091】
また、本実施形態では、回転非対称反射面を4面用いているが、反射面は4面に限らない。ただし、収差補正上、少なくとも3面以上あることが望ましい。また、回転非対称反射面はある平面に対して対称な形状であるが、これに限られるものではない。
【0092】
また、本実施形態の投射光学系2は光走査ユニットMMの走査方向においてfθレンズ特性を持っているが、これ以外の特性を持っていてもよい。光走査ユニットが定角速度で触れるのであれば、投射光学系の走査方向においてfθレンズ特性を持たせればよいが、光走査ユニットが正弦波振動して走査する場合は、投射光学系の走査方向においてアークサインレンズの特性を持たせる必要がある。さらに、光走査ユニットの正弦波振動における角度変化の小さい山と谷の部分を除いた部分を光走査に使ってもよい。
【0093】
(第3実施形態)
図9には、本発明の第3実施形態である画像投射装置の構成を示している。図9において、Tは点状光源を有する光変調ユニットであり、具体的には発光ダイオードや半導体レーザー等の発光強度を変調できる自発光デバイスを用いることができる。なお、このような自発光デバイス以外に、ドットマトリックス液晶パネルやデジタルミラーデバイス等を用いたライトバルブと、これらに照明光を入射させる照明系とを含むユニットを用いてもよい。
【0094】
3は光変調ユニットTの像をスクリーン(被投射面)Sに拡大投影するための投射光学系であり、より詳しい構成を図10に示している。
【0095】
投射光学系2において、LGは屈折レンズ群である。MMはガルバノミラーや回転多面鏡などの光走査ユニットであり、絞りも兼ねている。また、光走査ユニットMMの走査方向は互いに直交する2方向である。Mは平面ミラーである。
【0096】
スクリーンSの大きさは縦横比が4:3で、対角は50mmである。また、スクリーンSの法線に対して投射光学系3の基準軸は60度傾いている。以下、本実施形態に用いられる投射光学系の構成データを示す。
スクリーンSの中心を原点にとり、スクリーンS上でy方向における像高が、−100%、−50 %、0 %、50%、100 %のとき、光走査ユニットMMのy方向における振れ角は、スクリーン中心に結像するときの角度を0 度とすると、5.33、2.66、0 、−2.63 、−5.08 となる。同様に、スクリーンS上でx方向における像高が0 %、33%、67%、100 %のとき、光走査ユニットMMのx方向における振れ角は、スクリーン中心に結像するときの角度を0 度とすると、0 、−2.05 、−4.12 、−6.21 となる。角度の正負は反射面のチルト角に順ずる。
【0097】
図9,10において、投射光学系3は光変調ユニットTからの光線の通過順に、回転対称の屈折レンズ群LGと、絞りを兼ねている光走査ユニットMMと、凹面鏡R1,凹面鏡R2および凹面鏡R3の3つの反射面と、折り返しミラーMとから構成されている。すべての反射面はYZ平面のみに対して対称な面、すなわち回転非対称面である。ここで、光束は凹面鏡R1と凹面鏡R2との間で中間結像しており、凹面鏡R3付近で瞳の結像をしている。
【0098】
次に、本実施形態における光学作用を説明する。光変調ユニットTで変調された赤、緑、青の3色の光は、不図示の色合成光学系により同一光軸上に合成される。色合成光学系としては、ダイクロイックプリズムや光学楔等を用いることができる。
【0099】
次に、色合成された光は回転対称の屈折レンズ群LGを通り、光走査ユニッMMで反射し、3つの反射面R1〜R3で次々と反射していき、点像がスクリーンSに映し出される。そして、駆動回路DRによって光走査ユニットMMが2方向にスキャンされることにより、スクリーンSに2次元画像が表示される。
【0100】
図11には、スクリーンS上でのスポットの大きさを示している。具体的には、スクリーンSの中心を原点とし、xの正の方向で像高を0 %、33%、67%、100 %に4分割し、さらにy方向で像高を‐100 %、‐50%、0 %、50%、100 %の5分割した位置、つまりスクリーン上で20ポイントの位置でのスポットを表している。なお、スクリーンYZ平面に対して対称な構成であるのでも、図11においてはxのマイナス方向は省略している。
【0101】
また、本実施形態の投射光学系2のディストーションの様子を図12に示している。この図から分かるように、x方向の像高‐100 %,100 %の近辺かつy方向の像高0〜100 %近辺等で若干のディストーションが見られるが、全体として大きなディストーションはなく、非対称なディストーションも少ない。
【0102】
本実施形態で用いられる投射光学系3において、光変調ユニットTの中心からの光束がスクリーンSの中心で像を結ぶとき、アジムス0度と90度における焦点距離f3(0) ,f3(90)、絞り面からの前側主点H3(0) ,H3(90)および基準軸のまわりに展開したアジムス0度( 走査方向) と90度( 非走査方向) における倍率β3(0),β3(90) ははそれぞれ、
f3(0) =−5.25468 ,f3(90)=−3.54649
H3(0) =−11.7153 、H3(90)=−10.313
β3(0)= f3(0)/(f3(0) −6.996 −H3(0))=9.81
β3(90) =f3(90)/(f3(90)−6.996 −H3(90)) =15.45
となる。
【0103】
したがって、
|1 −β3(0)/( β3(90) ×cos(60°))|=0.27<0.3 ・・・( 1)
となる(ここで60度はスクリーンSの法線と基準軸とのなす角である)。
【0104】
このように、(1)式の値が0.3よりも小さいので、2次元の投射画像のスクリーンS上での縦横比が保たれている。
【0105】
なお、( 1)式の値が上記他の実施形態に比べてある程度大きいのは、光走査ユニットMMの2方向の振れ角が非対称になっていて、ディストーション等の収差を補正しているためである。
【0106】
本実施形態では、回転非対称反射面を表面反射面として用いているが、特開平8−292372号、特開平9−222561号および特開平9−258105号公報等のように、透明体の表面に回転非対称反射面を形成した光学ブロックを使用してもよい。さらに、複数の回転非対称な表面反射面を一体にモールド成形してもよい。
【0107】
また、本実施形態では、回転非対称反射面を3面用いているが、反射面は3面に限らない。ただし、収差補正上、少なくとも3面以上あることが望ましい。また、回転非対称反射面はある平面に対して対称な形状であるが、これに限られるものではない。
【0108】
さらに、以上説明した各実施形態では、近い方の共役面に光変調ユニットTを配置し、その像を遠い方の共役面であるスクリーンSに拡大投影する投射光学系について説明したが、本発明を、遠い方の共役面に配置した2次元被写体を近い方の共役面に配置したCCDやCMOS等の撮像素子(光電変換素子)で撮像する書画カメラ等の撮像光学系として用いてもよい。
【0110】
【発明の効果】
以上説明したように、本願第1の発明によれば、基準軸まわりに展開される焦点距離や倍率等を適切な値に設定することによって、斜め投射型でありながら、小型で、ディストーション(主に台形歪み)を抑えた投射光学系を得ることができる。
【0111】
特に、上記第1の発明において、曲面反射面を回転非対称面としたオフアキシャル光学系を用いれば、光学的な軸に対して非対称な特性を持たせることが容易になるので、例えば、光走査手段による非走査方向に関しては通常のカメラレンズと同様のf・tanθ特性を持たせ、走査方向においては光走査手段に合わせてfθレンズやアークサインレンズ等の特性を持たせることができ、ディストーションを効果的に補正することができる。
【0113】
そして、特に、上記第1の発明において、( 1 ) 式を満足するようにすれば、投射画像や撮像画像等の縦横比を適正に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態である画像投射装置の構成を示す図である。
【図2】上記第1実施形態の画像投射装置に用いられている投射光学系の拡大図である。
【図3】上記第1実施形態の画像投射装置により投射されたスポットのスクリーン上での大きさを示す図である。
【図4】上記第1実施形態の投射光学系のディストーションを示す図である。
【図5】本発明の第2実施形態である画像投射装置の構成を示す図である。
【図6】上記第2実施形態の画像投射装置に用いられている投射光学系の拡大図である。
【図7】上記第2実施形態の画像投射装置により投射されたスポットのスクリーン上での大きさを示す図である。
【図8】上記第2実施形態の投射光学系のディストーションを示す図である。
【図9】本発明の第3実施形態である画像投射装置の構成を示す図である。
【図10】上記第3実施形態の画像投射装置に用いられている投射光学系の拡大図である。
【図11】上記第3実施形態の画像投射装置により投射されたスポットのスクリーン上での大きさを示す図である。
【図12】上記第3実施形態の投射光学系のディストーションを示す図である。
【図13】従来のシフト光学系の概念図である。
【図14】斜め投射する光学系の概念図である。
【図15】従来の斜め投射光学系を示す図である。
【図16】従来の斜め投射光学系を示す図である。
【図17】図16の投射光学系により投射される画像とスクリーンの概念図である。
【図18】斜め投射する場合の倍率の関係を示す図である。
【図19】上記実施形態における投射光学系の座標系の説明図である。
【符号の説明】
1,2,3 投射光学系
L 照明光源
LV ライトバルブ
LG 屈折レンズ群
R1〜R4 反射面
S スクリーン
STOP 絞り
S’ 基準軸に直交する平面
MM 光走査ユニット
M 折り返しミラー
A 基準軸
T 光変調ユニット
βx,βy,βy’ 倍率
Ri,Rm,Rn 光学面
Bi i番目の光学素子
Di 基準軸に沿った面間隔
Ndi 屈折率
νdi アッベ数
Claims (5)
- 画像を表示するための変調光を発する光変調手段と、この光変調手段からの光を2次元画像を得るために走査する光走査手段と、この光走査手段により走査される光を反射させて被投射面に投射する、複数の曲面反射面を有した投射光学系とを備えた画像投射装置であって、前記光変調手段からの光を、この投射光学系の光路内で少なくとも1回、中間結像させると共に、この投射光学系の瞳の中心と投射画像の中心とを結ぶ基準軸が前記被投射面の法線に対して傾いており、前記基準軸の前記被投射面の法線に対する傾き角をθとし、前記基準軸と前記被投射面の法線とを含む面を表すアジムスをαとし、この投射光学系の前記基準軸まわりに展開したアジムスξ°における倍率をβ(ξ)とするとき、
|1−β(α)/(β(α+90°)cosθ)|<0.3
なる条件を満足することを特徴とする画像投射装置。 - 前記曲面反射面が回転非対称面であることを特徴とする請求項1に記載の画像投射装置。
- 前記光変調手段は、発光強度を変調可能な発光素子であることを特徴とする請求項1に記載の画像投射装置。
- 前記光変調手段は、照明光を発する照明系と、この照明系からの照明光を変調する変調素子とを有して構成されていることを特徴とする請求項1に記載の画像投射装置。
- 前記基準軸が前記被投射面の法線に対して所定方向に傾いており、前記光走査手段は、前記所定方向に関して振れ角が非対称となるように前記光変調手段からの光を走査することを特徴とする請求項1に記載の画像投射装置。
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