(57)【要約】      （修正有）【課題】球面スクリーンのスクリーン面に対して投写レンズの光軸を斜めに設定して投影する場合に球面スクリーン全面で良好な解像を得ること。【解決手段】照明された変調可能な元画像３あるいは発光する元画像３をスクリーン上に拡大投影する投写型表示装置７であって、前記元画像３を拡大投影する投写手段４と、前記投写手段４のフォーカス位置を調整するフォーカス調整手段４Ｃと、前記投写手段４の光軸４Ａを前記元画像３の表示面３ｆの中心３Ｃからずらすシフト手段６と、前記投射手段４の光軸４Ａを元画像３の表示面３ｆの法線に対して傾ける傾き量可変手段５と、前記投射手段４の像面湾曲を変化させる像面湾曲調整手段４Ｂを備えることを特徴とする。【選択図】図１
2020020845.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明された変調可能な元画像あるいは発光する元画像をスクリーン上に拡大投影する投写型表示装置であって、
前記元画像を拡大投影する投写手段と、
前記投写手段のフォーカス位置を調整するフォーカス調整手段と、
前記投写手段の光軸を前記元画像の表示面の中心からずらすシフト手段と、
前記投射手段の光軸を元画像の表示面の法線に対して傾ける傾き量可変手段と、
前記投射手段の像面湾曲を変化させる像面湾曲調整手段と、
を備えることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項２】
照明された変調可能な元画像あるいは発光する元画像をスクリーン上に拡大投影する投写型表示装置であって、
前記元画像を拡大投影する投写手段と、
前記投写手段からスクリーンまでのスクリーン上の複数点の距離情報を測定する距離測定手段と、
前記投写手段の光軸を前記元画像の表示面の中心からずらすシフト手段と、
前記投写手段の光軸と前記元画像の表示面の中心とのずれ量を認識するシフト量検出手段と、
前記投写手段のフォーカス位置を調整するフォーカス調整手段と、
前記フォーカス調整手段のフォーカス位置を検出するフォーカス位置検出手段と、
前記投射手段の光軸を元画像の表示面の法線に対して傾ける傾き量可変手段と、
前記傾き量可変手段の傾き量を検出する傾き量検出手段と、前記投射手段の像面湾曲を変化させる像面湾曲調整手段と、
前記像面湾曲調整手段の像面湾曲位置を検出する像面湾曲位置検出手段と、を備え、
前記距離測定手段から得られた前記投写手段から前記スクリーンまでの複数点の距離情報と前記投射レンズの前記シフト量検出手段、前記フォーカス位置検出手段、前記傾き量検出手段、前記像面湾曲位置検出手段から得られた情報から、スクリーン上のピンボケ量が最小となる前記投写手段の前記元画像表示面の法線に対する傾き角度と、前記投写手段の像面湾曲発生量およびフォーカス位置を算出する演算手段と、前記演算手段から得られた演算結果から前記傾き量可変手段、前記像面湾曲調整手段およびフォーカス調整手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項３】
前記投写手段の瞳は、上下方向と左右方向の瞳径が異なり、瞳径が大きい方向のスクリーンまでの複数の距離情報により、前記投写手段の像面湾曲調整を行うことを特徴とする請求項２に記載の投写型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スクリーン上に変調可能な元画像を拡大投影する投写型画像表示装置に関し、特にスクリーン形状が平面でなく、かつ前記投写型画像表示装置の投射レンズの光軸とスクリーンが傾いて設置されている場合でも、スクリーン全面において解像の高い投影像を実現する投写型画像表示に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、像面湾曲の度合いを調整可能なプロジェクターは特許文献１にて開示されている。
【０００３】
一方、投影像を投写レンズ光軸に対して傾けて投影することが可能なプロジェクターは特許文献２にて開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５４２８８８５号公報
【特許文献２】特開平２−１９５３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の投写型表示装置は、スクリーン上の投影像の像面湾曲量を調整することが可能なものはあったが、像面湾曲調整機能およびスクリーン上の投影像を傾ける機能の両方を有するものがなく、スクリーンが球状で、かつプロジェクターの投射レンズの光軸が球状のスクリーンに対して、傾いて投影される場合、スクリーン全面にピントを合わせることが困難であった。
【０００６】
本発明は、投写レンズが変調可能な画像表示素子に対してシフトおよびテイルト可能で、投射レンズは像面湾曲調整手段を有するため、スクリーンが球状で、かつプロジェクターの投写レンズの光軸が球状のスクリーンに対して、傾いて投影される場合、スクリーン全面にピントを合わせることが可能な投写型表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明に係る投写型表示装置は、
照明された変調可能な元画像あるいは発光する元画像をスクリーン上に拡大投影する投写型表示装置であって、
前記元画像を拡大投影する投写手段と、
前記投写手段のフォーカス位置を調整するフォーカス調整手段と、
前記投写手段の光軸を前記元画像の表示面の中心からずらすシフト手段と、
前記投射手段の光軸を元画像の表示面の法線に対して傾ける傾き量可変手段と、
前記投射手段の像面湾曲を変化させる像面湾曲調整手段と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る投写型表示装置によれば、スクリーンが平面でなく、球面や楕円面であり、かつ投写型表示装置の設置位置がスクリーンの球面や楕円面に対して投写レンズの光軸を斜めに設定して投影する場合においても、スクリーン上のピント合わせをスクリーン全面において良好にあわせることが可能となるため、従来より非常に臨場感のある投影像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明第１実施例の構成図
【図２】本発明第１実施例の投写型画像表示装置とスクリーンの配置図
【図３】本発明第１実施例の図４に示した投影状態における構成図
【図４】本発明第１実施例の図４に示した投影状態における投写型画像表示装置とスクリーンの配置図
【図５】本発明第２実施例の投写型表示装置の構成図
【図６】本発明第２実施例の投写型表示装置の距離測定手段の構成図
【図７】本発明第２実施例の投写型表示装置の図６とは異なる距離測定手段の構成図
【図８】図７の元画像３の表示面の表示パターンを示す図
【図９】本発明第３の投写型表示装置の実施例を楕円面スクリーン２４裏側から見た正面図で紙面上下方向が上下方向
【図１０】本発明第３の投写型表示装置の側面図
【図１１】本発明第３の投写型表示装置の実施例を楕円面スクリーン２４裏側から見た正面図で紙面上下方向が左右方向
【図１２】本発明第３の投写型表示装置の上面図
【図１３】本発明第３の投写型表示装置の楕円面スクリーン２４に対して投写レンズの光軸が斜めに入射している場合（上下方向）の実施例を楕円面スクリーン２４裏側から見た正面図で紙面上下方向が上下方向
【図１４】本発明第３の投写型表示装置の楕円面スクリーン２４に対して投写レンズの光軸が斜めに入射している場合（上下方向）の実施例側面図
【図１５】本発明第３の投写型表示装置の楕円面スクリーン２４に対して投写レンズの光軸が斜めに入射している場合（上下方向）の実施例を楕円面スクリーン２４裏側から見た正面図で紙面上下方向が左右方向
【図１６】本発明第３の投写型表示装置の実施例の楕円面スクリーン２４に対して投写レンズの光軸が斜めに入射している（上下方向）場合の上面図
【図１７】本発明第３実施例の照明光学系の側面図
【図１８】本発明第３実施例の照明光学系の上面図
【図１９】本発明第１，２，３実施例に使用される投写レンズ４の数値実施例のレンズ断面図
【図２０】本発明第１，２，３実施例に使用される投写レンズ４の数値実施例のＧ１−２間隔を変化させた場合の像面湾曲収差図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図１は、本発明の第１実施例の構成図を示す。図２は本発明第１実施例とスクリーンの配置図を示す。
【００１２】
光源１により発光された照明光は、反射鏡２で集光され、変調可能な元画像３を照明し、前記元画像３で変調された画像は、投射手段４により、図２に示すスクリーン８上に拡大投影される。
【００１３】
前記投射手段４は、スクリーン８上の投影像のピント位置を調整するフォーカス調整手段４Ｃと、前記投射手段４の光軸４Ａを前記元画像３の表示面３ｆの中心３ｃからずらすシフト手段６と、前記投写手段の光軸を前記元画像の表示面の法線に対して傾ける傾き量可変手段５と、前記投写手段４の像面湾曲を変化させる像面湾曲調整手段４Ｂを備える。
【００１４】
前記シフト手段６は、紙面上下方向に移動可能な板６Ａ、紙面に対して垂直な方向に移動可能な板６Ｂ、投写型画像表示装置７に対して固定の板６Ｃより構成される。
【００１５】
前記傾き量可変手段５の部材５Ｂは、前記シフト手段６の前記紙面上下方向に移動可能な板６Ａに対して固定されており、部材５Ａと前記部材５Ｂの境界部は、球面形状となっており、前記部材５Ｂに対して前記部材５Ａは前記部材５Ｂに対して移動可能で、上下方向、左右方向、斜め方向に傾けることが可能な構成となっている。
【００１６】
図１のように投射型表示装置を構成することにより、スクリーン上の投影像の傾き量、像面湾曲量、投影像の位置（投射手段の光軸に対して垂直方向の位置）、投影像の投射手段の光軸方向の位置（ピント位置）を独立に自由に変化させることが可能となるため、スクリーン形状が球状で、投写手段の光軸がスクリーンに対して斜めに入射する場合においても、スクリーン全面に投影像のピントを合わせることが可能となる。
【００１７】
なお、元画像３は、元画像３の表示面自体が発光する表示装置であってもよい。
【００１８】
図３は本発明第１実施例を使用し、図４に示す球面スクリーン１０に対して投写型表示装置７の投写手段４の光軸４Ａが斜めに設定された場合の図１に示す本発明投写型表示装置の第１実施例の各構成手段の状態を表す構成図を示す。
【００１９】
図４に示すように、スクリーン１０は球面であり、投写型表示装置７の投写手段４の光軸４Ａがスクリーン１０に対して斜めに設定されている。
【００２０】
図４に示すような投写型表示装置７と球面スクリーン１０の配置の場合、球面スクリーン１０上のいずれの場所においても投写型表示装置７の投影像のピントを合わせるためには、投写手段４を図３に示すように傾き量可変手段５により紙面上向きに傾けることで球面スクリーン１０上の像面を像面９の位置に傾け、シフト手段６により投写手段４の光軸４Ａを元画像３の中心３Ｃに対して下側にずらし、像面湾曲調整手段４Ｂにより投影像を球面スクリーン１０に合わせて湾曲させ、フォーカス調整手段４Ｃにより、球面スクリーン１０に投影像のピンと位置を一致させるようフォーカス調整を行っている。
【００２１】
本発明の投写型表示装置を使用することにより、従来のプロジェクターでは、スクリーン全面において正確なピント合わせが不可能だった球面スクリーンを使用し、プロジェクターの設定位置が球面スクリーンの球芯位置から大きくずれた場合においても、スクリーン全面において、正確なピント合わせを行うことが可能となる。
【００２２】
図５は本発明第２実施例の投写型表示装置の構成図を示す。
【００２３】
光源１および反射鏡２により照明された変調可能な元画像３、投射手段４により、球面スクリーン１０上に拡大投影される。
【００２４】
前記投写手段４は、球面スクリーン１０上の投影像のピント位置を調整するフォーカス調整手段４Ｃと、フォーカス調整手段４Ｃの光軸上のフォーカス位置を検出するフォーカス位置検出手段４Ｅと、記投射手段４の像面湾曲を変化させる像面湾曲調整手段４Ｂと、像面湾曲量検出手段４Ｄを備える。
【００２５】
前記投写型表示装置７は、前記投射手段４の光軸４Ａを前記元画像３の表示面３ｆの中心３ｃからずらすシフト手段６と、前記元画像３の表示面２３の中心３ｃからのずれ量を検出するシフト量検出手段６Ｄと、前記投射手段の光軸を前記元画像の表示面の法線に対して傾ける傾き量可変手段５と、前記投射手段４の光軸を前記元画像３の表示面３ｆの法線に対する傾き量を検出する傾き量検出手段５Ｃと前記投射手段４の像面湾曲を変化させる像面湾曲調整手段４Ｂと、像面湾曲量検出手段４Ｄを備える。
【００２６】
さらに、球面スクリーン１０上の複数点の距離情報を測定する距離測定手段１１を有し、前記距離測定手段１１から得られた前記投写手段４から前記球面スクリーン１０までの複数点の距離情報と前記投写手段４の前記シフト量検出手段６Ｄ、傾き量検出手段５Ｃ、像面湾曲量検出手段４Ｄ、フォーカス位置検出手段４Ｅから得られた情報から、球面スクリーン１０上のピンボケ量が最小となる前記投写手段４の前記元画像表示面３ｆの法線に対する傾き量と、前記投写手段４の像面湾曲発生量を算出する演算手段１２Ａを備え、演算手段１２より算出された、傾き量と像面湾曲発生量から、傾き量可変手段５と、像面湾曲調整手段４Ｂとフォーカス調整手段４Ｃを制御する制御手段１２Ｂを備える演算制御手段１２を備える。
【００２７】
図６は図５に示す本発明第２実施例の複数点の距離情報を測定する距離測定手段１１の構成図を示す。
【００２８】
投光レンズ１１ＬＬで赤外光源１４，１５，１６，１７，１８より点像が球面スクリーン１０上に投影され、球面スクリーン１０上に投影された点像は、受光レンズ１１ＬＵを介して赤外線受光センサー１９，２０，２１，２２，２３に結像され、赤外線センサー上の基準位置との赤外線点像の位置ずれ（Δａ，Δｂ、Δｃ、Δｄ、Δｅ）から、球面スクリーン上の各点の距離情報を得ることができる。
【００２９】
図７は図５に示す本発明第２実施例の複数点の距離情報を測定する距離測定手段１１の別の具体的構成を示す構成図である。
【００３０】
複数点の距離情報を測定する距離測定手段１１は、図８に示すような格子パターンを信号発生器１３により元画像３に表示させ、投写手段４によって球面スクリーン１０に投影し、撮像レンズ１１Ｌにより、撮像素子１１Ｓ上に球面スクリーン１０上に投影された格子パターンを撮像し、格子パターンの各交差点における基準距離との格子交差位置とのずれ量（Δｆ，Δｇ、Δｈ、Δｉ、Δｊ）を認識することにより、複数点の距離情報を得ている。
【００３１】
図９、図１０、図１１、図１２は、スクリーン２４が、短辺方向と長辺方向の曲率半径が異なる楕円面である場合に本発明第３の実施例を応用した場合の説明図である。
【００３２】
図９は、楕円面スクリーン２４の背面側から投写手段４の瞳４Ｓを見た図を示す。
【００３３】
図９において、投写手段４の瞳４Ｓは、紙面左右方向が長い楕円形状となっている。
【００３４】
図１０は本発明第３実施例の側面図で、上下方向のピント位置は、楕円面スクリーン２４の長辺方向の曲率半径に合わせて、投写手段４の不図示の像面湾曲調整手段４Ｂにより調整されているので、図１０のスクリーンの上端および下端付近では、若干のピントずれが発生するが、上下方向の投写手段４の瞳４Ｓの幅を小さく設定しているので、ピントずれは目立たないレベルに収まる。
【００３５】
図１２は本発明第３実施例の上面図である。
【００３６】
投写手段４の像面湾曲は、像面湾曲調整手段４Ｂにより、楕円面スクリーン２４の左右方向（長辺方向）のスクリーン曲率に合わせて、調整されている。
【００３７】
このように、投写手段４の瞳４Ｓを楕円形状にし、楕円面スクリーン２４のスクリーン曲率と投影像の曲率が一致していないほうの瞳幅を小さくすることで、楕円面スクリーン２４を使用した場合においても、スクリーン全面において高い解像力を実現することが可能となる。
【００３８】
図１３、図１４、図１５、図１６は本発明第３の実施例を、短辺方向と長辺方向の曲率半径が異なる楕円面スクリーン２４に対して、投写手段４の光軸４Ａを斜めに配置した場合の説明図を示す。
【００３９】
図１４において、投写手段４が、楕円面スクリーン２４に対して、投写手段４の光軸４Ａを斜めに配置した場合においても、シフト手段６により投影像の位置を楕円面スクリーンに一致させることができ、傾き量化変手段５により楕円面スクリーン２４上の投影像の傾きを２点鎖線のように傾けることができ、かつ像面湾曲調整装置４Ｂにより投影像の像面湾曲を点線に示すように、楕円面スクリーン２４に近づけることができる。
【００４０】
図１４は本発明第３実施例の側面図で、上下方向のピント位置は、楕円面スクリーン２４の長辺方向の曲率半径に合わせて、投写手段４の不図示の像面湾曲調整手段４Ｂにより調整されているので、スクリーン２４の上端および下端付近では、若干のピントずれが発生するが、上下方向の投写手段４の瞳４Ｓの幅を小さく設定しているので、ピントずれは目立たないレベルに収まる。
【００４１】
図１７、１８は図９から図１６で示した投写手段４の瞳４Ｓを楕円形状にするための照明光学系３０の具体的構成を示す。
【００４２】
図１７は前記照明光学系の側面図、図１８は上面図である。
【００４３】
図１７において、光源１から発せられた照明光は、放物面反射鏡２により平行光に変換され、光源１側が凸の第１レンズアレイ２５により、元画像３側が凹面の第２レンズアレイ２６上に集光され、正レンズ２７および正レンズ２８を介して、元画像３上に照明される。
【００４４】
図１８において、光源１から発せられた照明光は、放物面反射鏡２により平行光に変換され、光源１側が平面の第１レンズアレイ２５により、元画像３側が平面の第２レンズアレイ２６上に集光され、正レンズ２７および正レンズ２８を介して、元画像３上に照明される。つまり第１レンズアレイ２５の光源側は凸のシリンダー形状となっており、第２レンズアレイ２６の元画像３側は凹のシリンダー形状となっており、このように照明光学系を構成することにより、上下方向の照明光学系の瞳幅を小さくすることができるので、投写手段４の瞳４Ｓの形状を図９から１６に示すように楕円形状とすることができる。
【００４５】
図１９は本発明の前記投写レンズ４のレンズ構成断面図を示す。
【００４６】
以下に図１９に示した本発明に使用される投写レンズ４の数値実施例を示す。Ｇ１を光軸方向に移動して像面湾曲調整を行っている。Ｇ４およびＧ５／６を光軸方向に独立に移動させることによりスクリーンまでの距離変化に伴うピントずれ補正と像面湾曲補正を行っている。Ｇ７，Ｇ８、Ｇ９／１０，Ｇ１１／１２，Ｇ１３／１４およびＧ１５を光軸方向に独立に移動させて焦点距離を変化させている。
【００４７】
Ｇ１は光軸上が弱い負パワーで周辺部が弱い正パワーの非球面レンズであり、Ｇ２は光軸上が負パワーで、周辺部が光軸上のパワーより負のパワーが大きい非球面レンズより構成され、Ｇ１とＧ２の光軸上と周辺部のパワーの差が大きいレンズの組み合わせでレンズ間隔を変化させることで、光軸上と周辺部のパワー変化の差を大きく発生させている。
【００４８】
図２０は、図１９に示した投写レンズ４の数値実施例のＧ１−２間隔を変化させた場合の像面湾曲変化を示す。図２０の左側の収差図は、Ｇ１−２間隔を数値実施例で示した設計値に対して０．４ｍｍ広げた場合の像面湾曲の収差図で、中央は設計値の収差図、右側の収差図は数値実施例で示した設計値に対して０．４ｍｍ狭めた場合の像面湾曲の収差図を示す。このように像面湾曲を変化させることが可能となる。
【００４９】
面番号の右側に※が付記されている面は、以下の関数に従った非球面形状であることを示す。Ｋはコーニック系数、ｙは径方向の座標、ｚは光軸方向の座標を示す。Ｒは近軸曲率半径を示す。Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０，Ａ１２は、４次、６次、８次、１０次、１２次の非球面系数を示す。
ｚ＝（ｙ＾２/R）/((1+(1-y^2・ｋ/R^2)^0.5)+A4・ｙ＾４＋A6・ｙ^６＋A８・ｙ^８＋
A１０・ｙ^１０＋A１２・ｙ^１２
数値実施例１
【００５０】
【数１】
2020020845.tif 000003
【００５１】
非球面系数
１面
K=0
A4=2.74724e-6
A6=-8.766462e-10
A8=6.150328e-13
A10=-2.654043e-16
A12=7.683658e-20
３面
K=0
A4=-2.13015e-6
A6=-5.750979e-11
A8=1.458415e-12
A10=-1.127914e-15
A12=-2.566706e-19
Wide    Tele
焦点距離  17.1     22.2
Fナンバー  2.6     2.6
L1        69.81    34.73
L2         2.12    16.87
L3        15.15    26.60
L4         9.53     1.52
L5         2.95     4.08
L6         3.31    4.08
L7         2.68   17.69
【符号の説明】
【００５２】
１  光源、２  反射鏡、３  元画像、４  投写レンズ、５  傾き量可変手段、
６  シフト手段、７  投写型表示装置、８  スクリーン、１０  球面スクリーン、
１１  距離測定装置、１１ＬＬ  投光レンズ、１１ＬＵ  受光レンズ、
１２  演算装置および制御手段、１３  信号発生器、
１４，１５，１６，１７，１８  赤外光源、
１９，２０，２１，２２，２３  受光素子、
２４  楕円面スクリーン、２５  第１レンズアレイ、２６  第２レンズアレイ、
２７  レンズ１、２８  レンズ２
【図１】
2020020845.tif 000004
【図２】
2020020845.tif 000005
【図３】
2020020845.tif 000006
【図４】
2020020845.tif 000007
【図５】
2020020845.tif 000008
【図６】
2020020845.tif 000009
【図７】
2020020845.tif 000010
【図８】
2020020845.tif 000011
【図９】
2020020845.tif 000012
【図１０】
2020020845.tif 000013
【図１１】
2020020845.tif 000014
【図１２】
2020020845.tif 000015
【図１３】
2020020845.tif 000016
【図１４】
2020020845.tif 000017
【図１５】
2020020845.tif 000018
【図１６】
2020020845.tif 000019
【図１７】
2020020845.tif 000020
【図１８】
2020020845.tif 000021
【図１９】
2020020845.tif 000022
【図２０】
2020020845.tif 000023