(57)【要約】      （修正有）【課題】画像投射装置本体や通信コード又は電源コードが画面を遮ることなく、また、画像投射装置を肥大化させることがないような、小型の画像投射装置を提供する。【解決手段】画像投射装置10の投射光学系は、中間像13を形成する正のパワーを有する第一の光学系12と反射させて拡大投影する正のパワーを有する凹面ミラー14からなり、投射される投射画像は、前記投射光学系を構成する第一の光学系の光軸中心17に対して、前記投射画像の縦方向（短手方向）、及び横方向（長手方向）の両方向にシフトして投射され、前記投射光学系から投射画像位置に至るまでの投射光路中には、投射光切替手段15が配置されており、投射光を縦方向又は横方向のうちいずれかのシフトの方向とは逆の方向へ偏向させるか否かを選択できるようにする。【選択図】図１
2011112811.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、画像形成部と、前記画像形成部で形成される画像を拡大投射する投射光学系により構成される画像投射装置であって、
前記投射光学系は、正のパワーを有する第一の光学系により中間像を形成し、該中間像を正のパワーを有する凹面ミラーで反射させて拡大投射する光学系であり、
前記画像投射装置より投射される投射画像は、前記投射光学系を構成する第一の光学系の光軸中心に対して、前記投射画像の縦方向（短手方向）、及び横方向（長手方向）の両方向にシフトして投射され、
前記投射光学系から投射画像位置に至るまでの投射光路中には、投射光切替手段が配置されており、
前記投射光切替手段によって、投射光を縦方向又は横方向のうちいずれかのシフトの方向とは逆の方向へ偏向させるか否かを選択できることを特徴とする画像投射装置。
【請求項２】
請求項１に記載の画像投射装置において、投射画像の縦方向（短手方向）をＹ軸、投射画像の横方向（長手方向）をＸ軸とし、Ｘ軸とＹ軸の交点を前記第一の光学系の光軸上に位置するようにしたとき、得られる４つの領域（＋Ｘ,＋Ｙ）、（＋Ｘ,−Ｙ）、（−Ｘ,＋Ｙ）、（−Ｘ,−Ｙ）の何れかに、前記画像形成部を配置することを特徴とする画像投射装置。
【請求項３】
請求項２に記載の画像投射装置において、投射光切替手段は、少なくとも投射光路を偏向する偏向素子と、該偏向素子を投射光路上に配置させるか否かを選択する移動選択手段とから構成することを特徴とする画像投射装置。
【請求項４】
請求項２に記載の画像投射装置において、投射光切替手段の偏向素子は、第一の状態では反射し、第二の状態では透過する機能を選択できる素子であることを特徴とする画像投射装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の画像投射装置において、投射光切替手段を構成する偏向素子を、投射画面の法線に対して略平行に配置することを特徴とする画像投射装置。
【請求項６】
請求項５に記載の画像投射装置において、投射光切替手段を構成する偏向素子は、投射光を少なくとも垂直方向と水平方向の２方向に偏向させることができるように、２つの位置を選択可能であることを特徴とする画像投射装置。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれかに記載の画像投射装置において、投射光切替手段により投射方向を折り返す場合と折り返さない場合とに応じて、入力画像を反転像とする画像処理部を設けることを特徴とする画像投射装置。
【請求項８】
請求項２に記載の画像投射装置において、投射光学系を構成する凹面ミラーは、第一の光学系の光軸を中心に、左右方向、上下方向ともに非対称な形状であることを特徴とする画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶パネルなどのライトバルブにより生成された画像を投射表示する投射光学装置、又はそれを用いた表示装置に関する。この投射光学装置は、フロントプロジェクター等に応用することができる。
【背景技術】
【０００２】
従来の投射光学装置としては、特開２００５−１５６５７３号公報や特開２００９−８０４６２号公報に記載されたものがある。
特開２００５−１５６５７３号公報（「画像投射装置」、特許文献１）には、図１２に示されるように、上方（レンズの光軸を含む鉛直方向断面（所謂メリディオナル断面））のみならず同時に横方向（ラディアルアジムス成分方向）に投射する機能を有しており、結果的に投射装置５２に対して斜め上方又は下方へ投射する画像投射装置が開示されている。この画像投射装置では光軸まわりに画像表示パネル５３を回動可能として、投射画面５１の左右シフト方向をどちらにするかを切り替えている。
画像投射装置では投射光学系の投射倍率に応じて、画像表示パネル５３の位置精度は厳しくなる。これは少しの画像表示パネル５３の位置変動が、そのまま拡大されて投射画像５１へ影響を及ぼすからである。画像表示パネルと投射レンズの位置を変えるとなると、位置変動を抑える必要がありメカ機構が必要となる。また、位置変動誤差による投射画像の品質を損なうという問題があった。これは投射倍率が大きくなればなるほど顕著となるので、拡大投射装置（いわゆるプロジェクター）においては解決すべき大きな課題となっていた。
【０００３】
また、特開２００９−８０４６２号公報（「投射光学系及び画像表示装置」、特許文献２）に記載された画像投射装置は、屈折系で一旦中間像を作った後、凹面ミラーで拡大する投射系を有し、この凹面ミラーの後に平面状の偏向素子を配置し、この偏向素子によって投射方向を折り曲げている。このように、凹面ミラーによって反射集光させているので、反射屈折力を非常に高くできるため、超広角化が容易であり近い位置から大きな画像を得るというユーザメリットがある。
しかしながら、プロジェクターを使って説明するプレゼンテーターが、画面の前に位置するとき、プレゼンテーターと画面の間に投射装置を設置することになるが、これを回避するために投射装置を画面の隅に配置したい場合には、適用することができないなどの制約があった。また、画像を上方から投射させる形態では、パソコンとの通信コードや電源コードなどが画面の前に垂れ下がるので、邪魔になっていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明の課題は、上記従来の画像投射装置が有する問題点を解決するために、画像投射装置本体や通信コード又は電源コードが画面を遮ることなく、また画像表示パネルの位置変動誤差をなくすための機構によって画像投射装置を肥大化させることがないように、投射画面の四隅方向の何れにも画像投射装置を配置することができ、至近から投射可能な小型の画像投射装置を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以下に、上記課題を解決するために講じた手段を作用とともに説明する。
(１) 本発明に係る画像投射装置（請求項１に対応）は、少なくとも、画像形成部と、前記画像形成部で形成される画像を拡大投射する投射光学系により構成される画像投射装置であって、
前記投射光学系は、正のパワーを有する第一の光学系により中間像を形成し、該中間像を正のパワーを有する凹面ミラーで反射させて拡大投射する光学系であり、
前記画像投射装置より投射される投射画像は、前記投射光学系を構成する第一の光学系の光軸中心に対して、前記投射画像の縦方向（短手方向）、及び横方向（長手方向）の両方向にシフトして投射され、
前記投射光学系から投射画像位置に至るまでの投射光路中には、投射光切替手段が配置されており、
前記投射光切替手段によって、投射光を縦方向又は横方向のうちいずれかのシフトの方向とは逆の方向へ偏向させるか否かを選択できることである。
【０００６】
このように構成することによって、第一の光学系によって中間像が形成され、この中間像が凹面ミラーにより反射集光され画面に投射画像が形成される。投射光切替手段が投射光路中に位置され投射光路が折り返される状態では、第一の状態で得られる投射画像(Ｉ)が形成され、投射光切替手段が投射光路から外され投射光路が折り返されない状態では、第二の状態で得られる投射画像(II)が形成される。
このように、投射画像は、第一の光学系の光軸中心に対して、縦方向（短手方向）と横方向（長手方向）の両方向にシフトして投射されるので、画像投射装置を投射画面に対して画面の隅に配置することができ、かつ、投射画像の投射位置を画面左右のいずれかの方向に、又は画面上下のいずれかの方向に容易に選択することができる。また、中間像を形成するので、中間像を形成しない従来の光学系と比較して、格段に投射光切替手段を小さくすることができる。
【０００７】
(２) また、上記(１)の画像投射装置において、投射画像の縦方向（短手方向）をＹ軸、投射画像の横方向（長手方向）をＸ軸とし、Ｘ軸とＹ軸の交点を前記第一の光学系の光軸上に位置するようにしたとき、得られる４つの領域（＋Ｘ,＋Ｙ）、（＋Ｘ,−Ｙ）、（−Ｘ,＋Ｙ）、（−Ｘ,−Ｙ）の何れかに、前記画像形成部を配置することができる。（請求項２に対応）
このような構成によって、例えば、画像形成部を（＋Ｘ,−Ｙ）の領域に配置すれば、第一の光学系によって光軸を挟んで反対側の（−Ｘ,＋Ｙ）の領域に中間像が形成される。この中間像が凹面ミラーにより反射集光され、投射光切替手段により投射光路が折り返される状態（第一の状態）では、（＋Ｘ,＋Ｙ）の領域に投射画像(Ｉ)が形成され、投射光路が折り返されない状態（第二の状態）では、（＋Ｘ,−Ｙ）の領域に投射画像(II)が形成される。
画像形成部が光軸からシフトして配置されているので、共軸の投射系に適用することが可能であり、設計し易く、製作する場合にも投射系を構成するレンズ要素の光軸を合わせる光軸調整がし易くなる。
【０００８】
(３) また、上記(２)の画像投射装置において、投射光切替手段は、少なくとも投射光路を偏向する偏向素子と、該偏向素子を投射光路上に配置させるか否かを選択する移動選択手段とから構成してもよい。（請求項３に対応）
このような構成によって、移動選択手段によりミラー等の偏向素子を移動するだけで投射光路を切り替えることができる。
【０００９】
(４) また、上記(２)の画像投射装置において、投射光切替手段の偏向素子は、第一の状態では反射し、第二の状態では透過する機能を選択できる素子であってもよい。（請求項４に対応）
このような構成によれば、偏向素子を光の偏光特性を利用する偏光分離素子によって構成することができるので、投射光切替手段にメカニカルな駆動機構がなくなるため、ミラーの位置変動による画像の焦点ズレや投射画像の位置ズレが発生しない。
【００１０】
(５) また、上記(１)〜(４)のいずれかの画像投射装置において、投射光切替手段を構成する偏向素子を、投射画面の法線に対して略平行に配置することができる。（請求項５に対応）
このような構成によって、投射光切替手段で反射された状態の投射画像(Ｉ)と、投射光切替手段が無効となっている状態の投射画像(II)が、同一平面内に存在することができるので、投射画像を画像投射装置に対して左右のどちらに投射するかを容易に選択することができる。
【００１１】
(６) また、上記(５)の画像投射装置において、投射光切替手段を構成する偏向素子は、投射光を少なくとも垂直方向と水平方向の２方向に偏向させることができるように、２つの位置を選択可能であってもよい。（請求項６に対応）
このような構成によって、投射光切替手段の偏向素子を投射画面の法線に対して略平行に配置すると共に、その反射面を縦方向（Ｙ方向）に略平行に設定するか、又は横方向（Ｘ方向）に略平行に設定するかによって、投射画像のシフト方向を３方向に変更することができる。
【００１２】
(７) また、上記(１)〜(６)のいずれかのの画像投射装置において、投射光切替手段により投射方向を折り返す場合と折り返さない場合とに応じて、入力画像を反転像とする画像処理部を設けることができる。（請求項７に対応）
このような構成によって、投射光切替手段による投射光切り替え情報を受け取って、これに連動させて投射画像を自動的に反転させ投射するので、投射画像のシフト方向の選択が容易となる。
【００１３】
(８) また、上記(２)の画像投射装置において、投射光学系を構成する凹面ミラーは、第一の光学系の光軸を中心に、左右方向、上下方向ともに非対称な形状であってもよい。（請求項８に対応）
このような構成によれば、第一の光学系は複数のレンズ系を組み合わせるため、それぞれのレンズの光軸を意図的にずらして組み合わせた構成は組み難いので、単一のミラーで構成される第二の光学系である凹面ミラーに非対称性を持たせる方が設定し易い。つまり、凹面ミラーを光軸を含んだＺＸ平面で非対称にし、かつ光軸を含んだＹＺ平面に対しても非対称にすることにより、投射光学系の設計の自由度を格段に向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の効果を請求項にしたがって整理すると次のとおりである。
(１) 請求項１に係る発明
投射画面に対して画像投射装置を画面の隅に配置することができ、かつ、投射画像の投射位置を画面左右のいずれかの方向に、又は画面上下のいずれかの方向に容易に選択することができる。
第一の光学系により中間像を形成するので、中間像を形成しない従来の光学系と比較して、格段に投射光切替手段を小さくすることができ、画像投射装置全体を小型化することができる。
また、配置の制約をさらになくすことができるので、画像投射装置の使い勝手を向上することができる。
【００１５】
(２) 請求項２に係る発明
画像形成部が光軸からシフトして配置されているので、共軸の投射系に適用することができ、設計し易く、また製作する場合にも投射系を構成するレンズ要素の光軸を合わせる光軸調整がし易いため、製造コストを下げることができる。
(３) 請求項３に係る発明
ミラー等の偏向素子を移動するだけで投射光路を切り替えることができるので、非常に簡便な機構で投射光切替手段を実現することができる。
(４) 請求項４に係る発明
投射光切替手段に可動部、即ち、メカニカルな駆動機構がなくなるので、信頼性が高くなる。また、ミラーの位置変動による画像の焦点ズレや投射画像の位置ズレが発生しない。
【００１６】
(５) 請求項５に係る発明
投射画像を投射装置に対して左右のどちらに投射するかを容易に選択することができるようになり、画像投射装置をひっくり返すような手間を省くことができる。
(６) 請求項６に係る発明
投射光切替手段の偏向素子の配置を選択するのみで、投射画像のシフト方向を３方向に変更することができるので、より一層自由度の高い設置方法を選択することができる。
【００１７】
(７) 請求項７に係る発明
投射光切替手段の切り替えと連動させて投射画面の反転を行うので、シフト方向の選択が容易となり、画像投射装置の使い勝手が格段に向上する。
(８) 請求項８に係る発明
投射光学系の設計の自由度を格段に向上させることができ、投射性能の向上と投射光学系の小型化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の実施例１による画像投射装置の概念図であり、画像形成部と投射光学系のＹ−Ｚ平面での配置を示す。
【図２】図２は、同じく実施例１による画像投射装置の概念図であり、画像形成部と投射光学系のＺ−Ｘ平面での配置を示す。
【図３】図３は、同じく実施例１による画像投射装置の概念図であり、画像形成部と投射光学系のＸ−Ｙ平面での配置を示す。
【図４】図４は、同じく実施例１による画像投射装置において、第一の光学系から第二の光学系に向かって見たときの偏向素子の構成を示す模式図である。
【図５】図５は、同じく実施例１による画像投射装置において、第一の光学系から第二の光学系に向かって見たときの別の偏向素子の構成を示す模式図である。
【図６】図６は、本発明の実施例２による画像投射装置の概念図であり、画像形成部と投射光学系のＸ−Ｙ平面での配置を示す。
【図７】図７は、本発明の実施例１による画像投射装置の第一の状態を示す斜視図である。
【図８】図８は、同じく実施例１による画像投射装置の第一の状態を示すＹ−Ｚ平面図である。
【図９】図９は、同じく実施例１による画像投射装置の第一の状態を示すＺ−Ｘ平面図である。
【図１０】図１０は、同じく実施例１による画像投射装置の第一の状態を示すＸ−Ｙ平面図である。
【図１１】図１１は、本発明の画像投射装置の全体システムを示す概念図である。
【図１２】図１２は、従来の画像投射装置の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明による実施例１及び実施例２について、図１〜図１１を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２０】
本発明の実施例１による画像投射装置について、図１〜図５を参照しながら説明する。図１〜図３は画像投射装置の概念図であり、図１はＹ−Ｚ平面での配置、図２はＺ−Ｘ平面での配置、図３はＸ−Ｙ平面での配置を示している。また、図４及び図５は投射光切替手段の説明図である。
画像投射装置１０は、画像形成部１１と、この画像形成部１１で形成される画像情報を拡大投射する投射光学系（拡大投射光学系）とにより構成される。この投射光学系は、複数のレンズで構成される第一の光学系１２と、少なくとも１枚から成りパワー（屈折力）を有する反射光学素子で構成される第二の光学系（凹面ミラー）１４とから成っている。
【００２１】
上記画像投射装置１０により投射される投射画像は、上記投射光学系の光軸中心に対して、上記投射画像の縦方向（短手方向）と横方向（長手方向）の両方向にシフトして投射される。この投射光学系の投射光路中には、投射光切替手段１５が配置されている。この投射光切替手段１５は、投射光を縦方向又は横方向のうちいずれかのシフトの方向とは逆の方向へ偏向させるか否かを選択することができる光路切替手段であり、図１に示されるように、第一の状態で得られる投射画像(Ｉ)１６ａ、又は第二の状態で得られる投射画像(II)１６ｂのいずれかを、それぞれ異なる位置へ拡大投射できるように、投射方向を切り替える機能を有している。
【００２２】
上記画像形成部１１と投射光学系（第一及び第二の光学系１２,１４）の位置関係について、図１を用いて説明する。図１は、紙面に垂直な方向をＸ方向、上下方向をＹ方向（上側が＋）、第一の光学系１２の光軸方向をＺ方向（右側が＋）としたとき、Ｙ−Ｚ平面での配置関係を示している。ここで、画像形成部１１は、第一の光学系の光軸１７より下側（図面では−Ｙ側）に配置されている。
また、図２には図１と同じ画像投射装置１０を示しており、方向の異なるＹ方向から見た図であり、Ｚ−Ｘ平面での配置関係を示している。画像形成部１１は第一の光学系の光軸１７上にはなく、Ｘ方向にシフトされていて、図に示すようにＸ軸矢印方向（＋Ｘ側）に配置されている。
ここで、上記第一の光学系の光軸１７とは、投射光学系を構成する複数のレンズの光軸のうち最多数のレンズにより共有される光軸とする。ここでは、第一の光学系１２を構成する複数のレンズで共有される光軸と一致する。
【００２３】
また、画像形成部１１の位置を明確に規定するために、光軸を基準として４つの領域を以下のとおり定義する。つまり、投射画像の縦方向（短手方向）をＹ軸、投射画像の横方向（長手方向）をＸ軸とし、Ｘ軸とＹ軸の交点を上記第一の光学系１２の光軸１７上に位置するようにしたとき、４つの領域が得られるが、その４つの領域を（＋Ｘ,＋Ｙ）、（＋Ｘ,−Ｙ）、（−Ｘ,＋Ｙ）、（−Ｘ,−Ｙ）として定義する。
上記４つの領域の何れかに画像生成部１１を配置し、２つ以上の領域に含まれないようにする。
【００２４】
ここで、画像形成部１１は、Ｙ軸とＸ軸の両方向にシフトさせているので、第二の光学系１４は、シフトさせた反対側のみに反射面を持たせれば良い。つまり、第二の光学系１４である凹面ミラーを肥大化させることなく、必要な反射領域のみに形成した凹面ミラーを用意すれば良い。
上記画像形成部１１のシフト量は、Ｙ軸方向とＸ軸方向のどちらにも１００％以上のシフトとすることが望ましい。シフト量について説明すると、シフト量とは、物体に相当する画像形成部１１を光軸１７に対してどれだけシフトさせているかを表す量である。画像形成部１１の中心と光軸１７が一致しているとき、即ち、投射光学系の光軸中心に画像形成部１１を配置したときのシフト量を０％とし、それから物体面上をスライドして画像形成部１１の最端部が光軸１７と重なる位置までシフトさせたときのシフト量を１００％とする。つまり、シフト量が１００％未満であれば、光軸は画像形成部上のどこかと交わっているが、１００％以上になると画像形成部と光軸は交わらなくなる。
【００２５】
上記シフト量は縦方向と横方向とによって定義され、大抵は画面の縦方向、つまりＹ軸方向には１００％を超えたシフト量となっている。１００％を超えないと、凹面ミラー（第二の光学系１４）で反射された後の光束が、第一の光学系と干渉し、画像形成ができないためである。
また、Ｘ軸方向は必ずしも１００％でなくても良いが、Ｘ軸方向にシフトされた投射光の向きを変えて投射させる場合は、Ｘ軸方向のシフト量は１００％以上にする必要がある。
【００２６】
投射光学系（拡大投射光学系）は、正のパワー（屈折力）を有する第一の光学系１２と、同じく正のパワーを有する第二の光学系１４により構成されている。第一の光学系１２は少なくとも複数のレンズで構成され、第二の光学系１４は少なくとも凹面ミラーで構成されている。第一の光学系１２と第二の光学系１４との間には、第一の光学系１２により画像形成部１１の等倍から数倍の倍率の中間像１３が形成される。この中間像１３が、第二の光学系１４の凹面ミラーにより反射集光され、さらに拡大されて所望の投射位置に画像形成される。上記中間像１３は必ずしも平面ではなく、収差も多く含んでいても良い。第一の光学系１２と第二の光学系１４で構成される投射光学系は、所望の結像性能を持つように設計されている。
【００２７】
このように中間像面を一旦得る光学系を採用することにより、第二の光学系１４でいわゆる“絞り”に相当する光束が一旦集まる箇所ができるので、この近傍に光路を切り替える投射光切替手段１５を配置することによって、投射光切替手段１５のサイズを小さくすることができる。第二の光学系１４は一面の凹面ミラーにより構成されているので、“絞り”はないが、第一の光学系１２の“絞り”の像に相当する。つまり、第一の光学系１２の“絞り”の位置に共役な位置関係となる第一の光学系１２の“絞り”の像の位置の近傍では、光束が集まっているので、「投射光束」の広がりが比較的少ない。中間像を形成しない従来の他の光学系と比較すると、格段に投射光切替手段を小さくすることができる。
【００２８】
ここで、上記実施例１における投射光学系（第一及び第二の光学系１２,１４）と投射光切替手段１５と画像生成部１１の配置関係について、実際に用いる光学系を示す図７〜図１０を用いて説明する。図７は画像投射装置の第一の状態を示す斜視図、図８は同じく画像投射装置の第一の状態を示すＹ−Ｚ平面図、図９は同じく画像投射装置の第一の状態を示すＺ−Ｘ平面図、図１０は同じく画像投射装置の第一の状態を示すＸ−Ｙ平面図である。
第一の光学系１２と画像生成部１１の間には、図示していない照明光と投射光を分離するための光路分離用のプリズム１８などが配置されている。必要に応じて、他の部品と置き換えても良い。例えば、３板式透過型液晶パネルに適用する場合は、赤青緑のパネルの作像光を合成するいわゆるクロスプリズムなどが配置される。画像生成部１１は、Ｙ方向には１００％を超えるシフト量が付与され、Ｘ方向にはほぼ１００％に近いシフト量が付与されて配置されている。
【００２９】
次に、投射光切替手段１５について説明する。
この投射光切替手段１５は、投射光を反射させることにより、光路を折り曲げて投射光を折り返すことができる。このとき投射光は、第一の状態で得られる投射画像(Ｉ)１６ａを形成する。この第一の状態で得られる投射画像(Ｉ)１６ａと第二の状態で得られる投射画像(II)１６ｂは、それぞれ光軸１７を挟んで＋Ｙ側と−Ｙ側に位置している。
ここで、上記投射画像(Ｉ)１６ａは、投射光切替手段１５が機能して光路が折り返されている状態で得られる投射画像であり、上記投射画像(II)１６ｂは、光路が折り返されていない場合の投射画像であり、それぞれ投射画像の形成される位置が異なる。
【００３０】
次に、本発明の実施例１による画像投射装置の作動について、図３を参照しながら説明する。図３は画像投射装置のＺ方向に沿って見たＸ−Ｙ平面図である。
また、画像形成部、中間像形成位置、投射画像の位置について、先に定義した４つの領域（＋Ｘ,＋Ｙ）、（＋Ｘ,−Ｙ）、（−Ｘ,＋Ｙ）、（−Ｘ,−Ｙ）で説明する。
図３は、画像形成部１１から投射光学系を見た図を示しており、光路が折り返されている状態（第一の状態）と、折り返されていない状態（第二の状態）を図示している。画像形成部１１は、（＋Ｘ,−Ｙ）の領域に配置されていて、図には示されていないが、第一の光学系１２によって、光軸を挟んで反対側の（−Ｘ,＋Ｙ）の領域に中間像を形成する。この中間像が第二の光学系１４の凹面ミラーにより反射集光され、投射光路が折り返されている状態（第一の状態）では、（＋Ｘ,＋Ｙ）の領域に投射画像(Ｉ)１６ａが形成される。また、投射光路が折り返されていない状態（第二の状態）では、（＋Ｘ,−Ｙ）の領域に投射画像(II)１６ｂが形成される。
【００３１】
投射画像(Ｉ)１６ａと投射画像(II)１６ｂは横長の長方形であり、通常、横と縦の長さの比は４：３であるが、１６：９などのアスペクト比とする場合もある。一般に、長手方向を横方向とし、短手方向を縦方向としている。
投射光切替手段１５は、これまでに説明したとおり光路を折り返す機能を有しており、その具体的手段としては平面ミラーなどの反射部により構成される。図３では、その反射部が投射画像の長手方向に水平に置かれている状態である。光路切り替え方向は投射画像の短手方向、つまり上下方向となっていて、図３に示されているようにＹ方向である。
【００３２】
従来では、画像形成部と投射光学系の相対位置関係を変えて、つまり、Ｘ−Ｙ平面内で画像形成部の配置位置を変えることにより投射方向を設定していたので、投射方向を変える際には画像形成部の位置を変えざるを得なかった。すなわち、像高方向の位置シフト調整が必要であった。この場合、画像投射装置との距離関係（Ｚ方向の間隔）を狂わすことなく、像高の位置調整をする必要があるので、非常に大掛かりな装置となっていた。
これに対して、本発明では投射光切替手段１５を設けることによって、図３に示されるように、投射光を折り返すか否かによって、容易に投射画像の位置を４つの領域（第一、第二、第三、及び第四の状態）に設定することができる画像投射装置を実現することができた。
【００３３】
次に、投射光切替手段１５の具体的な例を図４及び図５に基づいて説明する。
投射光切替手段１５は、少なくとも反射面を有する偏向素子と、この偏向素子を移動させる移動補助部材２４から成ることが望ましい。
先ず、偏向素子の具体例について、図４を参照しながら説明する。図４は、第一の光学系から第二の光学系に向かって見たときの偏向素子の構成を示す。
偏向素子２１は、その表面が反射面２２と成っており、図４(ａ)に示す第一の状態では、投射光束２３を反射させる位置に配置されている。この偏向素子２１は、それに設けられた移動補助部材２４によって、矢印側に移動されることにより偏向素子２１を投射光路中から外すことができる。図４の矢印方向は、図１及び図２におけるＸ方向に対応する。図４(ｂ)に示す第二の状態では、投射光束２３は反射されずに投射画像(II)を形成する。つまり、投射光切替手段１５とは、偏向素子２１を投射光路中に配置するか否かについて、外部からの命令によって偏向素子２１を移動させる移動選択手段を指すものである。偏向素子２１は反射ミラーが好適であり、ミラー部でパワー（屈折力）を有しない平面ミラーが望ましい。
ここで、偏向素子２１により投射光路が折り返される場合を第一の状態とする。この第一の状態で形成される投射画像を投射画像(Ｉ)とする。投射画像(Ｉ)と投射画像(II)は、図１、図２と対応している。
【００３４】
上記移動補助部材２４を移動させる移動選択手段としては、様々な方法を採用することができる。偏向素子（例えば、平面ミラー）２１を手動により移動させても良い。また、ガイドに沿って移動するスライド機構を利用して、偏向素子２１の位置精度を保つこともできる。移動補助部材２４は、外部コマンドによって電動モータを駆動することにより、ギア連動により移動させることも可能である。
【００３５】
次に、偏向素子の別の具体例について、図５を参照しながら説明する。図５は、第一の光学系から第二の光学系に向かって見たときの偏向素子の構成を示す。
この偏向素子２６は、第一の状態と第二の状態について、それぞれ偏向機能を有する反射面２７と偏向させない機能を有する透過面２８を、図５に示される断面構造のように、一体構造としても良い。つまり、透明部材の表面の半分に反射面２７を形成し、残りの半分は透過面２８としており、この反射面２７を第一の状態として機能する反射領域２６ａとし、透過面２８を第二の状態として機能する透過領域２６ｂとして選択可能である。
【００３６】
また、偏向素子の別の具体例としては、上記各偏向素子２１,２６のようにメカニカルな移動をさせずに、偏向素子を反射状態と透明状態に切り替えることができる素子によって構成しても良い。具体的には、偏向素子を偏光分離素子として光の偏光特性を利用することにより、Ｓ偏光を投射光とした時はそれを反射し、Ｐ偏光を投射光とした時はそれを透過するようにすれば良い。投射光の偏光を切り替えるには、偏光板により直線偏光とした後、９０度偏光を旋廻できる液晶素子を介在させることによって、投射光の偏光を切り替えることができる。
上記投射光の偏光切換手段は、投射光学系の内部に設けるのが好適である。これは、図１及び図２などに示した画像投射装置１０の説明からも解るように、第一の光学系１２と第二の光学系１４の間に配置する構成を含むものである。
【００３７】
これまでに説明した実施例１では、投射光切替手段１５を構成する偏向素子は、全て投射画面の法線に対して略平行に配置されている。
例えば、図１に示されるように、第一の状態（投射光切替手段１５で反射された状態）の投射画像(Ｉ)１６ａと、第二の状態（投射光切替手段１５が無効となっている状態）の投射画像(II)１６ｂが同一平面内に存在することができる。つまり、投射光の切り替えにより、投射位置を変更させることなく投射することができるようになる。
これに対して、偏向素子を法線に対して平行に配置しない場合は、第一の状態（投射光切替手段１５で反射された状態）の投射画像(Ｉ)１６ａと、第二の状態（投射光切替手段１５が無効となっている状態）の投射画像(II)１６ｂは同一平面内にならず、歪みを発生し焦点ズレも生じてしまう。
【実施例２】
【００３８】
本発明の実施例２による画像投射装置３０について、図６を参照しながら説明する。図６は画像投射装置の概念図であり、Ｘ−Ｙ平面での配置を示している。
本実施例２の画像投射装置３０は、投射光切替手段３５を構成する偏向素子が、投射画面の法線に対して略平行に配置されると共に、Ｙ方向（縦方向）に略平行な反射面を有する偏向素子を含む手段であって、投射光の方向を投射画面の左右方向（Ｘ方向）へ切り替えることができると共に、上記偏向素子の反射面をＸ方向（横方向）に略平行な位置にも設定できるようにして、投射光の方向を上下方向（Ｙ方向）への切り替えも可能としたものである。
【００３９】
図６を用いて説明すると、上記投射光切替手段３５の偏向素子を光軸Ｚを中心に９０度回転させて、水平にするか又は垂直にするかによって、（−Ｘ,−Ｙ）の位置又は（＋Ｘ,＋Ｙ）の位置に投射画像を形成することができるようになる。偏向素子を投射光路中から外すと、（＋Ｘ,−Ｙ）の位置に投射画像を形成することができる。
このように、画像投射装置３０の姿勢（配置）を全く変えないで、３つの状態の投射スタイルを実現することができる。
【００４０】
上記実施例１では、図１〜図３に示されるように、投射画像の長手方向に平行な偏向面により光路の折り曲げを行う投射光切替手段であったが、本実施例２においては、図６に示されるように、投射画像の短手方向に平行な偏向面により投射光路の折り曲げを行う投射光切替手段３５としている。
つまり、このような構成であれば、図６に示すように、画像投射装置３０に対して投射画像を左右のどちらに投射するかを容易に選択することが可能になる。
【００４１】
次に、画像投射装置の全体システムについて、図１１を参照しながら説明する。図１１は、画像投射装置の全体システムを示す概念図である。
画像投射装置の全体システムは、光源４１、リフレクタ４２、カラーホイール４３、ホイール駆動装置４４、ロッドインテグレータ４５、照明光学系４６、画像形成部（ＤＭＤパネル）１１、全反射プリズム１８、通信インターフェース４７、及び主制御装置４８などを有しており、画像形成部１１で形成された画像を本発明の投射光学系（拡大投射光学系）により拡大投射するものである。
【００４２】
上記通信インターフェース４７は、主制御装置４８と上位装置４９との通信を制御する。上記主制御装置４８は、通信インターフェース４７を介して受け取った画像に関する情報に応じて、光源４１、ホイール駆動装置４４、及び画像形成部１１を制御する。また、この主制御装置４８は、投射光切替手段１５から得られる投射光切り替え情報を受け取り、上位装置４９からの入力画像情報を反転する画像処理部を有している。
画像形成部（ＤＭＤパネル）１１は、ここでは、マトリックス状に配置された複数のマイクロミラーと、入射光に対する各マイクロミラーの傾斜角を個別に制御することができるミラー制御部などを有する、いわゆるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いたパネルである。上記ミラー制御部は、主制御装置からの画像情報に応じて、各マイクロミラーの傾斜角を制御する。すなわち、複数のマイクロミラーがマトリックス状に配置されているミラー面に、画像を形成することができるように構成されている。
【００４３】
上記光源４１には、キセノンランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどのランプ光源を用いることができる。なお、ＬＥＤ、ＬＤ、半導体レーザなどの固体光源を用いてもよい。この光源４１は、主制御装置４８の指示によって点灯される。
上記リフレクタ４２は、光源４１から射出された光束を集光させる。上記カラーホイール４３は、赤、青、緑の各フィルタを有する円盤状部材であり、該リフレクタ４２からの光束の集光位置近傍に配置されている。
上記ホイール駆動装置４４は、カラーホイール４３を回転させるための装置であり、主制御装置４８からの画像の色情報に応じて、上記リフレクタ４２からの光束が該色情報に対応するフィルタを通過するように、カラーホイール４３を回転させる。
【００４４】
上記ロッドインテグレータ４５は、カラーホイール４３を通過した光束の光量分布を均一にするものであり、上記照明光学系４６は、ロッドインテグレータ４５を通った光束の光路を効率よく全反射プリズム１８へ導く。この全反射プリズム１８は、２つの三角プリズムからなり、それらの間に微小な空気層を有している。
上記全反射プリズム１８へ入射した照明光学系４６からの光束は、画像形成部（ＤＭＤパネル）１１を照明する。この照明光は、画像形成部１１によって、画像情報に対応して変調される。そこで、画像形成部１１で反射されて、全反射プリズム１８に入射する光束は、この画像形成部１１上の画像から発せられた光束と考えることができる。この画像形成部１１で反射され、全反射プリズム１８に入射した光束は、この全反射プリズム１８を通過して、屈折光学系である第一の光学系１２に射出される。
【００４５】
ここで、主制御装置４８は、投射画像反転機構を有している。投射画像反転機構は、例えば、入力画像を一旦格納するメモリ等や、画像処理部によって外部からの命令により、投射画像を反転する機能である。外部からの命令としては、投射光切替手段１５による投射光切り替え情報などである。ここで、本実施例では、投射光切り替え情報に基づいて、自動的に画像を反転させて投射するようにした。つまり、光路を折り曲げる偏向手段により投射光路が折り曲げられた場合、折り曲げられていない画像に対して反転した画像となってしまうが、画像投射装置の画像反転設定をその都度行う必要がないように、自動的に設定するようにしたものである。
【００４６】
画像投射装置の全体システムとして一例を説明したが、液晶パネルを画像形成部（パネル）１１として用いてよい。液晶パネルを用いる場合は、直線偏光とした照明光をパネルに照射し、偏光を回転させた変調画像を投射する。
上記実施例における画像投射装置の形状や構成は一例であり、これに限定されるものではない。
画像形成部１１として発光機能を有する画像形成素子を用いても良い。この場合は、上記光源４１は不要であり、これにより更なる小型化を図ることができる。
【００４７】
以上の実施例は、第二の光学系１４として凹面ミラーによる反射光学系を示している。この凹面ミラーの形状としては、光軸を中心にした回転対称形状でも良いが、より投射性能を向上させるために、非対称形状とすることが望ましい。Ｙ方向のみにシフトして投射する投射光学系では、Ｘ方向には軸対称であって、Ｙ軸方向には軸対称でなくてもかまわない。つまり、光軸を含んだＺＸ平面で非対称であり、光軸を含んだＹＺ平面で面対称形状であればよい。
本発明の投射光学系では、画像形成部１１がＸ方向にもシフトして配置されているので、光学系としては必ずしもＸ方向にも対称でなくともよい。つまり、光軸を含んだＹＺ平面に対しても非対称な形状であっても良い。第一の光学系１２は複数のレンズ系を組み合わせるため、それぞれのレンズの光軸を意図的にずらして組み合わせた構成は組み難いので、単一のミラーで構成された第二の光学系１４、つまり凹面ミラーに非対称性を持たせるほうが設定し易い。
つまり、凹面ミラーを光軸を含んだＺＸ平面で非対称にし、かつ光軸を含んだＹＺ平面に対しても非対称にすることによって、設計の自由度が格段に向上し、投射性能の向上と投射光学系の小型化に寄与することとなった。
【００４８】
具体的には、凹面ミラーの反射面の形状は、屈折光学系の光軸を基準として、次の式(１)のような多項式で示されるアナモフィックな自由曲面（多項式自由曲面）とする。
つまり、これまで説明したＹ軸方向が短軸方向でＸ軸方向が長軸方向であり、Ｚ軸方向が光線の進む方向であり、また曲面のデプスであるとし、また、Ｘ、Ｙ、Ｘ２、ＸＹ、Ｙ２、Ｘ３、ＸＹ２、Ｘ２Ｙ、Ｙ３、Ｘ４、Ｘ３Ｙ、Ｘ２Ｙ２、ＸＹ３、Ｙ４・・・は、係数であるとしたとき、
Ｚ＝Ｘ・ｘ＋Ｙ・ｙ＋Ｘ２・ｘ２＋ＸＹ・ｘｙ＋Ｙ２・ｙ２＋Ｘ３・ｘ３＋Ｘ２Ｙ・ｘ２ｙ＋ＸＹ２・ｘｙ２＋Ｙ３・ｙ３＋Ｘ４・ｘ４＋ＸＹ３・ｘｙ３＋Ｘ２Ｙ２・ｘ２ｙ２＋Ｘ３Ｙ・ｘ３ｙ＋Ｙ４・ｙ４＋Ｘ５・ｘ５＋Ｘ４Ｙ・ｘ４ｙ＋Ｘ３Ｙ２・ｘ３ｙ２＋Ｘ２Ｙ３・ｘ２ｙ３＋ＸＹ４・ｘｙ４＋Ｙ５・ｙ５＋Ｘ６・ｘ６＋・・      ………（１）
で表される反射面の式で、ｘ軸とｙ軸の両方とも奇数の次数が存在していることである。
【符号の説明】
【００４９】
１０…画像投射装置                      １１…画像形成部
１２…第一の光学系                      １３…中間像
１４…第二の光学系（凹面ミラー）
１５…投射光切替手段
１５ａ…投射光切替手段の反射面
１６ａ…第一の状態で得られる投射画像(Ｉ)
１６ｂ…第二の状態で得られる投射画像(II)
１６ｃ…第三の状態で得られる投射画像(III)
１６ｄ…第四の状態で得られる投射画像(IV)
１７…第一の光学系の光軸
１８…プリズム、全反射プリズム
２１…偏向素子                          ２２…反射面
２３…投射光束                          ２４…(偏向素子)移動補助部材
２６…偏向素子                          ２６ａ…反射領域
２６ｂ…透過領域                        ２７…反射面
２８…透過面
３０…画像投射装置                      ３１…画像形成部
３２…第一の光学系                      ３４…第二の光学系（凹面ミラー）
３５…投射光切替手段
４１…光源                              ４２…リフレクタ
４３…カラーホイール                    ４４…ホイール駆動装置
４５…ロッドインテグレータ              ４６…照明光学系
４７…通信インターフェース              ４８…主制御装置
４９…上位装置
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５０】
【特許文献１】特開２００５−１５６５７３号公報
【特許文献２】特開２００９−８０４６２号公報
【図１】
2011112811.tif 000003
【図２】
2011112811.tif 000004
【図３】
2011112811.tif 000005
【図４】
2011112811.tif 000006
【図５】
2011112811.tif 000007
【図６】
2011112811.tif 000008
【図１１】
2011112811.tif 000009
【図１２】
2011112811.tif 000010
【図７】
2011112811.tif 000011
【図８】
2011112811.tif 000012
【図９】
2011112811.tif 000013
【図１０】
2011112811.tif 000014