(57)【要約】【課題】  高解像度高効率の薄型リアプロジェクションディスプレイを実現しうる、プロジェクタ光出射角度を限定したリアプロジェクションディスプレイ光学系を提供する．【解決手段】  画像表示素子１からの光を複数枚の非球面反射板２1，２2，‥‥，２nで順次反射させてスクリーン３へ導くリアプロジェクションディスプレイ光学系において、該光学系の光路を縦断する断面内で前記画像表示素子からの光の出射方向の最大角度θmaxと最小角度θminの差｜θmax−θmin｜が幾何光学から決定される角度α以下かつ波動光学から決定される角度β以上の範囲内にあり、かつ画像表示素子全面内を移動する一点からθmaxおよびθminの二角度で出射し最終段の非球面反射板２nで反射した二光線の交点の軌跡が略平面をなし、この略平面の凹凸範囲内に前記スクリーン面を位置せしめた。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示素子からの光を複数枚の非球面反射板で順次反射させてスクリーンへ導くリアプロジェクションディスプレイ光学系において、前記複数枚の非球面反射板のうち少なくとも二枚は互いの光軸が異なる直線上にあることを特徴とするリアプロジェクションディスプレイ光学系。
【請求項２】
請求項１に記載の光学系において、該光学系の光路を縦断する断面内で前記画像表示素子からの光の出射方向の最大角度θmaxと最小角度θminの差｜θmax−θmin｜が幾何光学から決定される角度α以下かつ波動光学から決定される角度β以上の範囲内にあり、かつ画像表示素子全面内を移動する一点からθmaxおよびθminの二角度で出射し最終段の非球面反射板で反射した二光線の交点の軌跡が略平面をなし、この略平面の凹凸範囲内に前記スクリーン面が位置することを特徴とする、プロジェクタ光出射角度を限定したリアプロジェクションディスプレイ光学系。
【請求項３】
前記画像表示素子から前記スクリーンまでの光路内に平面反射板および/またはレンズを有する請求項１または２に記載のリアプロジェクションディスプレイ光学系。
【請求項４】
前記略平面に代えて、略曲面としたことを特徴とする請求項２または３に記載のリアプロジェクションディスプレイ光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクタ光出射角度を限定したリアプロジェクションディスプレイ光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の薄型リアプロジェクションディスプレイの光学系は、例えば図２に示すように、スクリーン３に対してプロジェクタ光を急な角度で入射させることにより実現される。この場合それぞれの光学素子に対して光軸から大きくずれた角度で光を入射させなければならず、レンズ５においては収差が大きくなる問題や透過率が低下する問題が生じる。このため、スクリーンに対してプロジェクタ光を急な角度で入射させる光学系にレンズを用いて高解像度高効率のリアプロジェクションディスプレイを実現することは非常に困難である。
【０００３】
これに対して一般に反射板では光軸から大きくずれた角度で光を入射させても反射率が落ちないため、反射板を用いた光学系（例えば非特許文献１参照）はレンズを用いた光学系に比べて高解像度高効率のリアプロジェクションディスプレイの実現に適している。
【非特許文献１】Jun Ogawa et al.：SID04 DIGEST p170-173
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、反射板を用いた光学系においても、従来のレンズを用いた光学系が抱えていた収差による解像度低下の問題は同様に存在する。例えば上記非特許文献１の光学系では、光軸を合わせて配置した２枚の非球面反射板を光学系の基本構成としているが、光学素子に対するプロジェクタ光の入射角度を大きくした場合に収差が大きくなり、光学系の薄型化には限界がある。すなわち、従来の薄型リアプロジェクションディスプレイ光学系では、レンズを用いたものは無論のこと、反射板を用いたものでも、収差が大きくなるために、高解像度高効率の薄型リアプロジェクションディスプレイの実現は難しいという課題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、この課題を解決し、高解像度高効率の薄型リアプロジェクションディスプレイを実現しうる、プロジェクタ光出射角度を限定したリアプロジェクションディスプレイ光学系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】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明者らは、光学系を構成する複数枚の反射板のうち少なくとも一組（二枚）は互いの光軸が同一直線上にないという形態を有するリアプロジェクションディスプレイ光学系を案出し、この光学系において、画像表示素子から出射する光の角度を限定し、かつ結像面が略平面になるように設計することで光学系の収差を小さくし、高解像度高効率の表示性能を有する薄型リアプロジェクションディスプレイ光学系を案出した。
【０００７】
すなわち、本発明は、画像表示素子からの光を複数枚の非球面反射板で順次反射させてスクリーンへ導くリアプロジェクションディスプレイ光学系において、前記複数枚の反射板のうち少なくとも二枚は互いの光軸が異なる直線上にあることを特徴とするリアプロジェクションディスプレイ光学系である。
また、本発明は、前記光学系において、該光学系の光路を縦断する断面内で前記画像表示素子からの光の出射方向の最大角度θmaxと最小角度θminの差｜θmax−θmin｜が幾何光学から決定される角度α以下かつ波動光学から決定される角度β以上の範囲内にあり、かつ画像表示素子全面内を移動する一点からθmaxおよびθminの二角度で出射し最終段の非球面反射板で反射した二光線の交点の軌跡が略平面をなし、この略平面の凹凸範囲内に前記スクリーン面が位置することを特徴とする、プロジェクタ光出射角度を限定したリアプロジェクションディスプレイ光学系である。
【０００８】
本発明では、前記画像表示素子から前記スクリーンまでの光路内に平面反射板および/またはレンズを有してもよい。また、前記略平面に代えて略曲面としてもよい。すなわちスクリーン面が平面でなく例えば円柱側面の一部または球面の一部等の曲面であってもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、高解像度高効率の表示性能を有する薄型リアプロジェクションディスプレイを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は本発明の概要を示す光学系の光路を縦断する断面図である。この光学系では、画像表示素子１からの光がｎ（ｎ≧２）個の、うち少なくとも二枚（一組）は互いの光軸が同一直線上にない、非球面反射板２１、２２、…、２ｉ、…、２ｎで順次反射されてスクリーン３へ導かれる。該導かれる光が通過する空間範囲（光路）を縦断する一断面を、ここではxyz直交座標系のz-y断面とした。この断面内で画像表示素子１からの光の出射方向の最大角度はθmax、最小角度はθminとされている。なお、角度座標系は同図に示すように水平方向を０°、反時計回りを正、時計回りを負とし、角度の値域は−９０〜９０°とする（以下同じ）。
【００１１】
幾何光学的に考えると、｜θmax−θmin｜が大きい場合、非球面反射板の一点に対して様々な角度でプロジェクタ光が入射し、プロジェクタ光反射方向の設計条件が厳しくなるため、収差の小さな光学系の設計は困難である。一方、波動光学的に考えると、｜θmax−θmin｜が小さい場合、回折が生じてしまい、収差の小さい光学系の設計は困難になる。このことから、｜θmax−θmin｜は、幾何光学的に考えて収差の十分小さな光学系を実現する観点から決定される｜θmax−θmin｜の上限α以下で、かつ波動光学的に考えて収差の十分小さな光学系を実現する観点から決定される｜θmax−θmin｜の下限β以上であること、すなわち次式を満たすことが必要である。
【００１２】
【数１】
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【００１３】
[数１]の式中のαの値は、光学系の倍率および許容する収差の量によって変化するが、従来一般に用いられている光学系の倍率および収差を仮定した光線追跡によるシミュレーション結果によれば、次式を満たさなければならない。
【００１４】
【数２】
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【００１５】
[数１の]式中のβは、図６に示すように空間位相変調素子１５の光軸に対して略平行に光が伝播する系について任意の平面における光の振幅および位相状態から許容される範囲内に収差を抑えるための空間位相変調素子１５の大きさの条件を求め、その結果を図７に示すように反射板１１の光軸に対して斜めに光が伝播する系における、許容される範囲内に収差を抑えるためのプロジェクタ光出射角度幅に対する条件に拡張することで得られる。ここで、図６は実像ｇ(x1,y1)が存在する平面をx1-y1平面、x1-y1平面からａだけ離れており空間位相変調素子１５が存在する平面をx2-y2平面、x2-y2平面からｂだけ離れて存在する平面をx3-y3平面とした光学系のモデルであり、波動光学によりx3-y3平面における光の振幅および位相状態を求めることができる。また、図７は例としてy1=(1/4f1)z12で表される表面形状を有する反射板（パラボリックリフレクタ）１１に点(z10,f1)から角度θminで出射した光が入射する位置のz1座標をz11とし、角度θmaxで出射した光が入射する位置のz1座標をz11'とした光学系のモデルであり、図６のモデルから得られた空間位相変調素子の大きさに関する条件を、光の波長λを用いた角度に関する条件に変換することができる。この場合βは以下の式で表される。
【００１６】
【数３】
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【００１７】
[数１]の式が満たされている場合、画像表示素子面内のいずれか一点からのプロジェクタ光の結像位置は、前記一点からθmax、θminの二角度でそれぞれ出射した二光線が第１段の非球面反射板２１から最終段の非球面反射板２ｎまでを順次辿ったのちに交わってなる交点でもって近似することができる。よって、平面であるスクリーン面にプロジェクタ光を結像させるためには、前記一点が画像表示素子１全面内を移動するときこれに追従して描かれる前記交点の軌跡が略平面をなす必要がある。すなわち、図１のようにz-y断面でみた場合、前記軌跡は略直線をなす必要がある。
【００１８】
この場合、前記軌跡が略直線をなすか否かの判定には、軌跡上の任意の点(zs,ys)と軌跡の近似直線との距離が、許容される近似直線からのズレを表す定数ｃ以下か否かにより判定する方法が好ましく用いうる。ここで近似直線がy=az+bと表される場合、軌跡が略直線であると判断するには以下の式が満たされなければならない。
【００１９】
【数４】
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【００２０】
一方、近似直線がz=dと表される場合、軌跡が略直線であると判断するには以下の式が満たされなければならない。
【００２１】
【数５】
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【００２２】
ここで定数ｃはz-y断面内の軌跡の長さLを用いて次式で表される。
【００２３】
【数６】
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【００２４】
本発明光学系では[数４]または[数５]の式が満たされており、前記軌跡は略直線をなし、この略直線をx方向（図１の紙面法線方向）に移動させた軌跡は略平面をなし、この略平面の凹凸範囲内にスクリーン３のスクリーン面が位置しているので、画像表示素子からのプロジェクタ光の最終結像位置とスクリーン面位置とのずれは[数４]または[数５]の式により規定される程度に十分小さい。なお、略平面の凹凸範囲は、略平面の近似平面の表裏面側にあって該近似平面からの距離が前記定数cである平行な二平面間の範囲とするのがよい。また、[数１]の式が満たされているから収差は十分小さい。よって、高解像度の表示性能が達成される。さらに、プロジェクタ光の急角度偏向手段として反射板を用いているから、同手段としてレンズを用いた場合のような透過率低下は起らず、高解像度高効率の表示性能が達成される。
【００２５】
もっとも、レンズによる収差や透過率低下が問題とならないような場合（例えばレンズで光路を大きく偏向しない場合など）には、本発明においても、プロジェクタからスクリーンまでの光路内にレンズを適宜配置することができる。
また、平面反射板は光路の単なる折り返し手段であって本発明の効果を損なうものではないから、本発明では、プロジェクタからスクリーンまでの光路内に平面反射板を適宜配置することができる。
【００２６】
また、スクリーン面が平面でなく例えば円柱側面の一部、または球面の一部等の曲面である場合に対しても、同様の設計方針に基き画像表示素子全面内を移動する一点からθmax,θminの二角度で出射し最終段の非球面反射板で反射した二光線の交点の軌跡をスクリーン面と略同じ形状の曲面（略曲面）とし、この略曲面の凹凸範囲内に前記スクリーン面を配置することで、所望の形状のスクリーンに高解像度高効率である画像を結像させることが可能である。
【実施例１】
【００２７】
実施例１では、図３に示した形態（２枚の非球面反射板１１、１２を用いた形態）で本発明光学系を実際に構築した。図は反射板１１に対して設定した点Ｏ1を原点とするx1y1z1直交座標系のz1-y1平面と、反射板１２に対して設定した点Ｏ2を原点とするx2y2z2直交座標系のz2-y2平面とを含む断面を表している。ここでz1軸とz2軸の間の距離をb1とし、y1軸とy2軸の間の距離をa1とした。このような系においてプロジェクタ光出射点Ｐ1から反射板１１上の点Ｑ1に向かって出射した光の点Ｑ1における反射後の光路をｌ1とし、ｌ1の反射板１２上の点Ｑ2における反射後の光路をｌ2とした。同様に点Ｐ1から反射板１１上の点Ｑ1'に向かって出射した光の点Ｑ1'における反射後の光路をｌ1'とし、ｌ1'の反射板１２上の点Ｑ2'における反射後の光路をｌ2'とした。またｌ2とｌ2'の交点を（zf,yf）とした。
【００２８】
用いたパラメータを以下に示す。
f1=25.4mm，f2=101.6mm，a1=70mm，b1=50mm，z11=-16.63mm，z11’=-21.63mm，z10=0.1〜3.0mm（画像表示素子（画像表示デバイス）の設置範囲）
この光学系では、z10=3.0mm，z11’=z11-1000λ=-17.13mm（すなわちλ=500nm）の場合、[数３]の式より、β=0.9236°である。｜θmax-θmin｜は8.95〜9.89°の範囲にあり、この範囲はαの上限([数２]の式より、10°)以下でかつβ以上である。この光学系について、z10をその値域内で0.1mm間隔に変化させ、式(20),(21)により(zf,yf)を計算した。その結果を図４に示す。(zf,yf)の軌跡は略直線をなす。ちなみに、この軌跡の近似直線の式はy=az+b，a=-3.27，b=101.6mmであり、軌跡の長さL=31.77mm，c=L/50=0.635mmであり、｜yf-(azf+b)｜の計算値は0〜0.182mmであって、ｃ√(a2+1)=0.186mm以下であるから、[数４]の式を満たす（ただし、zs→zf，ys→yfとしている）。それと共に、画像表示デバイス上の0.1mm間隔の30点が、第２パラボリックリフレクタでの反射後、略等間隔に集光している。この結果は本実施例の光学系がリアプロジェクションディスプレイ光学系として使用可能であることを示している。本実施例は、略70°オフアクシス（スクリーン面の法線に対してプロジェクタ光入射角度が略７０°傾いている。）であるにもかかわらず、(zf,yf)の軌跡の近似直線をx軸方向（図３紙面法線方向）に移動してなる近似平面の位置に置いたスクリーン面に結像が得られ、薄型リアプロジェクションディスプレイ光学系として優れた特性が期待できる。
【実施例２】
【００２９】
実施例２では、実施例１と同様の形態において結像倍率を大きくした場合について(zf,yf)の軌跡を計算した。用いたパラメータを以下に示す。
f1=180mm，f2=15455.16mm，a1=1085.5mm，b1=15455.16mm，z11=-200mm，z11’=-205mm，z10=0.1〜3.0mmm（0.1mm間隔に変化）
この光学系では、結像倍率は略4700倍である。z10=3.0mm，z11’=z11-1000λ=-17.13mm（すなわちλ=500nm）の場合、[数３]の式より、β=0.1198°である。｜θmax-θmin｜は1.21〜1.19°の範囲にあり、この範囲はαの上限([数２]の式より、10°)以下でかつβ以上である。計算結果を図５に示す。この場合も、実施例１同様、(zf,yf)の軌跡は略直線をなす。ちなみに、この軌跡の近似直線の式はy=az+b，a=-19.9，b=15455.16mmであり、軌跡の長さL=13996.6mm，c=L/50=279.9mmであり、｜yf-(azf+b)｜の計算値は0〜1.46mmであって、ｃ√(a2+1)=14.05mm以下であるから、[数４]の式を満たす（ただし、zs→zf，ys→yfとしている）。それと共に、画像表示デバイス上の0.1mm間隔の30点が、第２パラボリックリフレクタでの反射後、略等間隔に集光している。この結果は本実施例の光学系がリアプロジェクションディスプレイ光学系として使用可能であることを示している。
【００３０】
なお、上記実施例では非球面反射板が２枚である最も簡単な構造の光学系について例示したが、非球面反射板が３枚以上であっても、本発明を適用することにより、同様の効果を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の概要を示す光学系の光路を縦断する断面図である。
【図２】従来技術の一例を示す説明図である。
【図３】実施例に用いた光学系における結像点と画像表示素子上の対応出射点との幾何光学的関係を示す断面図である。
【図４】結像点の軌跡計算結果を示すグラフである。
【図５】結像点の軌跡計算結果を示すグラフである。
【図６】一般的レンズ系の波動光学的結像についての説明図である。
【図７】反射板の光軸に対し斜めに光が伝播する系における、許容される範囲内に収差を抑えるためのプロジェクタ光出射角度幅に対する条件を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  画像表示素子
２  非球面反射板（添数字は複数枚の配置順番）
３  スクリーン
４  平面反射板
５  レンズ
６  プロジェクタ
１１  反射板（非球面反射板、例：パラボリックリフレクタ（第１パラボリックリフレクタ））
１２  反射板（非球面反射板、例：パラボリックリフレクタ（第２パラボリックリフレクタ））
１５  空間位相変調素子（レンズ、または反射板等）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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