(57)【要約】【課題】短焦点レンズにおける収差の抑制。【解決手段】投写光学系３０は、非球面レンズを備え、光軸から離れた光を用いて約６０〜約８０°という範囲の画角で光を打ち上げ可能に構成されている。こうすることにより、所望のサイズの画像を短い投写距離で得ることができるとともに、非球面レンズにより、光軸から離れた光の利用によって生じる非点収差を効率的に補正できる。よって、投写される画像の歪みやぼけを抑制でき、画質を向上できる。【選択図】図２
2008209831.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示装置であって、
光源と、
前記光源からの射出光を用いて画像を形成する画像形成光学系と、
球面ミラーと、前記球面ミラーにおいて発生する収差を相殺するように構成された非球面レンズとを有し、前記画像形成光学系により形成された画像を表示するための表示手段に画像を投写する投写光学系であって、前記投写光学系の焦点距離ｆと前記投写光学系の光軸からの像高ｙが、式１となるように構成されている投写光学系とを備える、画像表示装置。
１．１｜ｙ｜／約tan６０°≧ｆ≧０．７｜ｙ｜／約tan８０°      （式１）
【請求項２】
請求項１記載の画像表示装置であって、
前記投写光学系は、前記画像を形成する光線の対角画角が約１５０°以上となるように構成されている、画像表示装置。
【請求項３】
請求項１記載の画像表示装置であって、
前記非球面レンズは、前記非球面ミラーの近傍に配置されている、画像表示装置。
【請求項４】
請求項１記載の画像表示装置であって、
前記画像形成光学系への入射光は、光学系の光軸に略平行な光である、画像表示装置。
【請求項５】
請求項１記載の画像表示装置であって、
前記非球面レンズは、メニスカス形状に形成されている、画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、種々の光学素子を用いて画像を表示する画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ライトバルブやデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Micromirror Device）等の空間光変調機器を、光源装置から射出された光線で照射して画像を表示する画像表示装置が利用されている。このような画像表示装置は、短い投写距離で大きな投影画像を得るために、口径の大きな投写レンズを用いるものがある。
【０００３】
【特許文献１】特許第３７２７５４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、大口径レンズを用いると、画像表示装置が大型化し重量も増加する。そのため、設置や運搬が容易でないという問題がある。また、大口径レンズを用いると収差が増大し、投写画像の画質が低下するという問題もある。
【０００５】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、投写距離に対する投写画像の大きさの向上とともに、収差の低減を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題の少なくとも一部を解決するために、本発明の第１の態様は、画像表示装置を提供する。第１の態様の画像表示装置は、
光源と、
前記光源からの射出光のうち、光軸より下方の光線を用いて画像を形成する画像形成光学系と、
光線絞りと、非球面ミラーと、前記非球面ミラーにおいて発生する非点収差を相殺するように構成された非球面レンズとを有し、前記画像形成光学系により形成された画像を表示するための表示手段に画像を表示する投写光学系であって、前記投写光学系の焦点距離ｆと前記投写光学系の光軸からの像高ｙが、式１となるように構成されている投写光学系を備えることを要旨とする。
１．１｜ｙ｜／約tan６０°≧ｆ≧０．７｜ｙ｜／約tan８０°      （式１）
【０００７】
第１の態様によれば、画像表示装置は、約６０°〜約８０°の画角で投写できるため、よりサイズの大きい画像を短い投写距離で投写できる。また、第１の態様の画像表示装置は、画角の拡大につれて増大する収差を補正する非球面レンズを備えるため、収差により像の歪みやぼけを抑制でき画質向上を図ることができる。また、第１の態様の画像表示装置によれば、非球面ミラーを用いて画像を投写できるため、画角に伴って口径が増大する投写用のレンズを用いる必要がなく、画像表示装置を小型化できる。
【０００８】
第１の態様の画像表示装置において、
前記投写光学系は、前記画像を形成する光線の対角画角が約１５０°以上となるように構成されていてもよい。
【０００９】
第１の態様によれば、収差を補正しながら投写距離に対する画面の横幅を表すスローレシオを低くでき、同一サイズの画像を短い投写距離で表示できる。
【００１０】
第１の態様の画像表示装置において、
前記非球面レンズは、前記非球面ミラーの近傍に配置されていてもよい。
【００１１】
画像を表示手段に投写する非球面ミラーに近接するほど光軸から光が遠ざかり収差は増大する。よって、第１の態様によれば、収差を効率的に補正できる。
【００１２】
第１の態様の画像表示装置において、
前記画像形成光学系への入射光は、光学系の光軸に略平行な光としてもよい。
【００１３】
第１の態様の画像表示装置によれば、主光線に沿った光を用いて画像を形成する光学素子を用いる場合にも同一サイズの画像を短い投写距離で表示できる。
【００１４】
第１の態様の画像表示装置において、
前記非球面レンズは、メニスカス形状に形成されていてもよい。
【００１５】
メニスカス形状に形成されている非球面レンズはメリジオナル光線とサジタル光線に対するパワーに大きな差を付けることができるため、大きな非点収差を生じさせることができる。よって、第１の態様の画像表示装置によれば、非球面ミラーによって発生する非点収差の補正を効率的行うことができる。
【００１６】
本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
図１を参照して、第１実施例における画像表示装置としてのプロジェクタについて説明する。図１は、第１実施例におけるプロジェクタの概略構成について例示する説明図である。
【００１８】
図１に示すように、プロジェクタ１０００は、光源装置１０、画像形成光学系２０、投写光学系３０、および表示手段としてのスクリーン９０を備える。
【００１９】
光源装置１０は、プロジェクタ１０００の光源として用いられる。光源装置１０は、約６５０ｎｍの波長を有する赤色レーザ光を出力する。なお、プロジェクタ１０００は、光源装置１０の他に、約５４０ｎｍの波長を有する緑色レーザ光を出力する光源装置、約４３０ｎｍの波長を有する青色レーザ光を出力する光源装置を備える。プロジェクタ１０００の光源としてランプ光源を用いてもよい。
【００２０】
画像形成光学系２０は、光源装置１０から射出された光を用いて、スクリーン９０に表示する画像を形成する。
【００２１】
投写光学系３０は、種々のレンズやミラーから構成され、画像形成光学系２０から投写された画像を、スクリーン９０に投影する。表示光学系の詳細については、後に詳述する。
【００２２】
以上説明したように、プロジェクタ１０００は、光源装置１０からの射出光を画像形成光学系２０に入射させて画像を形成後、投写光学系３０で合成しスクリーン９０に投影する。鑑賞者は、スクリーン９０に投影された画像を視認する。
【００２３】
Ａ２．光学系詳細構成：
図２を参照して、第１実施例の光学系について説明する。図２は、第１実施例における画像形成光学系２０および投写光学系３０の詳細構成について例示する説明図である。
【００２４】
画像形成光学系２０は、ライトバルブ６０およびダイクロイックプリズム７０を備える。
【００２５】
ライトバルブ６０は、高温ポリシリコン（ＨＴＰＳ：Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｏｌｙ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）を用いて形成されており、アクティブマトリクス駆動方式の透過型液晶パネルである。ライトバルブ６０は、入射光を制御して画像を描画する。図示を省略したが、画像形成光学系２０は、各光源装置に対応したライトバルブを備える。
【００２６】
ダイクロイックプリズム７０は、三角プリズムを４つ組み合わせて直方体とした構成を有しており、ライトバルブ６０を通過した光を合成して画像を形成し、投写光学系３０に向けて射出する。
【００２７】
投写光学系３０は、非球面レンズ８１，８７，８９、球面レンズ８０、８２〜８６、８８、光線絞り９０および非球面ミラー９５を備える。投写光学系３０は、画角（第１実施例では、打ち上げ角度、ともいう）が約６０°〜約８０°の範囲内に含まれるように、レンズ口径やレンズ表面の曲率、レンズの組合せなどが構成されている。
【００２８】
非球面レンズ８１、８７、８９は、レンズの中心付近とレンズの外周付近とで曲率半径が異なるレンズである。球面レンズ８０、８２〜８６、８８は、表面形状を一つの曲率半径で表すことができるレンズである。非球面レンズ８１、８７、８９および球面レンズ８０、８２〜８６、８８は、いずれも、表面の形状に応じて入射光を屈折させて射出する。一般的に、球面レンズでは、レンズの中央から入射する光とレンズの端から入射する光との焦点がずれることにより像面湾曲、歪曲収差、非点収差などの収差が生じる。第１実施例では、球面レンズにより生じる収差を相殺する収差を発生させるように、各非球面レンズのレンズ表面を形成する。
【００２９】
各種収差について説明する。像面湾曲収差は、画角によって集光位置が異なるために生じる収差であり、平面物体が湾曲面に結像した状態となる、すなわち、平面物体の像が湾曲したものとなる。非点収差は、光軸と主光線とを含むメリジオナル平面内に含まれる光線であるメリジオナル光線の結像点と、主光線を含みメリジオナル平面に対して垂直なサジタル平面内に含まれる光線であるサジタル光線の結像点とが異なることにより生じる収差であり、サジタル光線による像がぼけたものとなる。歪曲収差は、光軸中心から離れた位置を通過する光ほど強く屈折されるために画面周辺で像が歪曲する収差であり、物体と像とが相似形状にならない。
【００３０】
非球面レンズ８１は、主に、像面湾曲収差を補正するように構成されている。
【００３１】
非球面レンズ８７は、レンズの中央がレンズの周辺部より厚く、一の面が凸状で他方の面が凹状に形成されたメニスカス形状に形成された非球面レンズであり、主に非点収差を補正する。以降、第１実施例では、非球面レンズ８７を非球面メニスカスレンズ８７と呼ぶ。
【００３２】
非球面レンズ８９は、主に、歪曲収差を補正するように構成されている。
【００３３】
光線絞り９０は、開口部を有し、光を吸収する板状の部材である。光線絞り９０は、通過する光量を調整するために開口部以外に当たる光を遮蔽する。
【００３４】
非球面ミラー９５は、反射面が球面でない曲面に形成されたミラーである。非球面ミラー９５は、例えば、アクリルやＡＢＳ樹脂などで形成された光学面に、アルミや、金、鋼などを蒸着して形成される。非球面ミラー９５は、入射光を打ち上げ方向に反射してスクリーン９０に画像を投写する。
【００３５】
第１実施例の光学系（画像形成光学系２０，投写光学系３０）は、液晶パネルを用いて画像を形成し投写するため、投写レンズ３０ａの光軸に対して主光線が平行に入射する光を利用して画像を形成する。このような光学系は、テレセントリック光学系とよばれる。テレセントリック光学系は、レンズ光軸に対して主光線が平行に入射する光を利用するため本来は画角を大きく取ることが困難である。しかしながら、第１実施例では、約６０〜約８０°という範囲の画角で像を投写するために、投写光学系３０に含まれる種々の光学素子を用いて、光軸から離れた光を打ち上げている。この結果、非点収差が拡大する。第１実施例では、投写光学系３０に非球面レンズを配置することにより、かかる非点収差を補正する。詳細については後述する。
【００３６】
Ａ３．投写光学系の原理について：
図３〜図５を参照して、第１実施例における投写光学系３０の詳細について説明する。図３は、第１実施例における投写光学系３０の原理について説明する模式図である。図４は、第１実施例における光の入射領域について説明する模式図である。図５は、第１実施例における投写光線の角度について説明する説明図である。
【００３７】
投写光学系３０は、複数の光学素子から構成された一つのレンズと考えることができる。よって、図３に示すように、投写光学系３０を、一つの投写レンズ３０ａとして表す。また、像面９０ａは、スクリーン９０を表す。
【００３８】
第１実施例では、プロジェクタ１０００は、短い投写距離ｄで所望の像サイズ（画像サイズ）を投写可能とするために、最大画角θmaxが約８０°以下かつ最小画角θminが約６０°以下となるように構成されている。一般的に、画角θと焦点距離ｆと像高ｙとの間には、式２の関係が成り立つ。なお、焦点距離は、投写レンズ３０ａから焦点Ｐまでの距離であり、像高ｙとは、光軸を含み投写画像に対してほぼ垂直な面に対する、投写画像の任意の点からの垂線の長さ、すなわち、光軸から画像までの距離を表す。
【００３９】
ｙ＝−ｆtanθ    …（式２）
【００４０】
よって、一般的には最大画角θmaxが約８０°以下かつ最小画角θminが約６０°以下とするためには、焦点距離Ｆが式３の範囲に含まれることが好ましい。
【００４１】
｜ｙ｜／約tanθmin≧ｆ≧｜ｙ｜／約tanθmax      （式３）
【００４２】
しかし、本発明においては、より短い投写距離で所望の画像サイズを投写可能とするために焦点距離が式４の範囲に含まれることが好ましい。
【００４３】
１．１｜ｙ｜／約tanθmin≧ｆ≧０．７｜ｙ｜／約tanθmax      （式４）
【００４４】
すなわち、第１実施例では、焦点距離が式５の範囲に含まれることが好ましい。
【００４５】
１．１｜ｙ｜／約tan６０°≧ｆ≧０．７｜ｙ｜／約tan８０°      （式５）
【００４６】
よって、投写光学系３０は、各レンズの曲率や配置、組合せ方等により、焦点距離ｆが上述の式４となるように構成されている。
【００４７】
プロジェクタ１０００では、最大画角θmaxが約８０°以下かつ最小画角θminが約６０°以下で画像を表示するために、投写レンズ３０ａにおいて、最小画角θminが約６０°以上で最大画角θmaxが約８０°以下となる投写レンズ３０ａの端部の下方領域２００に、ダイクロイックプリズム７０からの射出光１００が入射するように、ダイクロイックプリズム７０が構成されている。下方領域２００に入射した光は、図３に示すように画角約６０°〜画角約８０°で画像を投影する。すなわち、投写光学系３０では、ダイクロイックプリズム７０から射出され投写光学系３０に向かう光が、図４に示すように、投写光学系３０の球面レンズ８０の下方領域２００から投写光学系３０に入射し、画角約６０°〜８０°の範囲で画像を投写する。
【００４８】
なお、第１実施例では、厳密にｔａｎ６０°、ｔａｎ８０°である必要はなく、数％程度の誤差を許容する。
【００４９】
また、投写光学系３０は、図５に示すように、像面９０ａの対角画角αが約１５０°以上かつ像９０ａを形成する投写光線の最大角度θ１と最小角度θ２との差βが約１５°以内となるように構成されている。
【００５０】
Ａ４．収差補正：
第１実施例における収差の補正について図３を参照して説明する。図３に、併せて非点収差を表すグラフ３００を示す。グラフ３００は、横軸に光軸Ｗからのピントのずれを表し、縦軸に光軸Ｗからの距離を表す。ここで、サジタル光線とメリジオナル光線の位置ずれ（ピントずれ）が非点収差の大きさを示している。すなわち、非点収差３１０は、サジタル光線３１０ａとメリジオナル光線３１０ｂとの位置ずれの大きさを示しており、非点収差３２０は、サジタル光線３２０ａとメリジオナル光線３２０ｂとの位置ずれの大きさを示している。グラフ３００において、非点収差３１０は、非球面レンズ８７が設置されていない場合の投写レンズ３０ａ（投写光学系３０）の非点収差を表す。グラフ３００が示すように、非点収差３１０は、光軸Ｗ上ではほとんど発生しないことに対し、光軸から離れるにつれて増大する。すなわち、レンズの端部を通過する光ほど、非点収差が大きく生じる。第１実施例では、投写光学系の端部を通過する光を利用して所望の画角を得ているため、非球面レンズ８７が設置されていない場合には、投写光学系の中心部を通過する光を用いる場合よりも非点収差が大きくなる。
【００５１】
一方、グラフ３００において、非点収差３２０は非球面レンズ８７の作用を示すために、非球面レンズ８７が設置され、かつ、非球面ミラー９５が設置されていない場合の投写レンズ３０ａ（投射光学系３０）の非点収差を表す。グラフ３００に示すように、非点収差３２０は、非点収差３１０と逆方向の収差を生じている。その結果、非点収差３２０は非点収差３１０を相殺して補正する。
【００５２】
なお、非点収差は、像高ごとに異なるため、像高ごとに適した逆方向の収差を発生させることにより効率的に補正できる。非球面メニスカスレンズ８７を通過する光のうち、ほぼ同じ領域を通過する光はほぼ同量の非点収差となるため、全ての像高の光線が非球面メニスカスレンズ８７のほぼ同じ領域を通過しても同程度の非点収差しか発生せず、補正効率は低い。従って、非球面メニスカスレンズ８７は、画像を投写する非球面ミラー９５の近傍に配置することが好ましい。非球面ミラー９５近傍では、光線が適度に分散されているため、非球面メニスカスレンズ８７を通過する光は、像高ごとに異なる領域を通過でき、像高ごとに異なる収差量を効率的に補正できる。ただし、非点収差は非球面ミラー９５に近接するほど大きくなるため、これを補正するためには非球面メニスカスレンズ８７の中心厚みも厚くなり、プロジェクタの大型化を招く虞がある。よって、非球面レンズ８７は収差量とレンズ厚みに応じて、適宜レンズ位置を考慮することが好ましい。
【００５３】
また、主に歪曲収差を補正する非球面レンズ８９は、非球面ミラー９５に近接する位置に配置することが好ましい。非球面レンズ８９はメニスカス形状でないから非点収差の補正量に応じて中心厚みが厚くならない。よって、非球面ミラー９５に近接する位置に配置することにより、効率的に歪曲収差を補正できる。
【００５４】
また、主に像面湾曲収差を補正する非球面レンズ８１は、光線絞り９０とライトバルブとの間に配置されることが好ましい。
【００５５】
以上説明した第１実施例のプロジェクタによれば、非球面レンズが無い場合の投写光学系で発生する収差と逆方向の収差を発生させる非球面レンズを投写光学系に設置することにより、収差を相殺することができる。従って種々の収差を補正でき、像のぼけや歪みを抑制して画質を向上できる。第１実施例では、投写光学系の端部を通過する光を利用して約６０〜約８０°の範囲の画角で像を投影しているため、光軸付近の光を用いる場合に比べて大きな収差が生じるが、非球面レンズにより、収差を効率的に補正できる。
【００５６】
また、第１実施例のプロジェクタによれば、最大画角が約８０°以下、最小画角が約６０°以上、かつ、対角画角が約１５０°以上となるように投写光学系が構成されているため、スローレシオを０．２以下とできる。例えば、投写距離約２５ｃｍ以下で、約６０インチの画像を投写できる。
【００５７】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例では、ＤＭＤ（ＤＭＤ：Digital Micromirror Device）を用いたＤＬＰプロジェクタについて説明する。
【００５８】
Ｂ１．プロジェクタ概略構成：
図６は、第２実施例におけるプロジェクタ２０００の構成を例示する説明図である。第２実施例のプロジェクタ１０００は、図示しない光源装置と、投写光学系８１０と、デジタルマイクロミラーデバイス８２０とを備える。
【００５９】
ＤＭＤ８２０は、メムス（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）デバイスの一種類であり、多数の微少鏡面（マイクロミラー）を平面に配列した表示用素子である。ＤＭＤ８２０は、各マイクロミラーを傾斜させてＯＮとＯＦＦの二つの状態を実現しており、各マイクロミラーを個別に駆動して画像を形成している。
【００６０】
投写光学系８１０は、球面レンズ８１１〜８１７と、非球面レンズ８１８と、非球面ミラー８１９とを備える。投写光学系８１０は、ＤＭＤ８２０からの入射光を図示しないスクリーンに投写して画像を表示する。第２実施例の投写光学系８１０は、画角θが約６０°〜約８０°の範囲に含まれ、かつ、対角画角が１５０°となるように焦点距離等が構成されている。こうすることにより、スローレシオ０．２以下で画像を表示できる。例えば、投写距離２５ｃｍで６０インチの画像を表示できるというように、短投写距離で大きな画像を表示できる。
【００６１】
非球面レンズ８１８は、収差を補正するように表面が形成されている。具体的には、非球面レンズ８１８が無い場合の投写光学系８１０の収差と逆方向の収差を発生するようにレンズ表面が形成されており、収差を相殺して補正する。
【００６２】
プロジェクタ２０００は、図示しない光源装置から出力された光がＤＭＤ８２０で反射されて投写光学系に入射する。投写光学系８１０に入射した光は、種々のレンズで屈折され、非球面ミラー８１９で画角θで投写されスクリーンに画像を表示する。この際、非球面レンズ８１８が収差を補正する。非球面レンズを図６に示すように非球面ミラー８１９の近傍に配置すれば歪曲収差の補正に効果的であり、また、非球面レンズを光線絞りの近傍に配置すれば、球面収差の補正に効果的である。
【００６３】
上述した第２実施例のプロジェクタ２０００によれば、ＤＭＤを用いたＤＬＰプロジェクタにおいても、非球面レンズを用いることにより、短い投写距離で大きな画像を表示できる。ＤＬＰプロジェクタにおいて生じやすい歪曲収差や球面収差を補正でき、画質を向上できる。
【００６４】
Ｃ．変形例
（１）第１実施例のプロジェクタ１０００の投写光学系に、更に、光線絞りの近傍に非球面レンズを配置してもよい。こうすれば、球面収差を補正できる。
【００６５】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】第１実施例におけるプロジェクタの概略構成について例示する説明図。
【図２】第１実施例における画像形成光学系および投写光学系の詳細構成について例示する説明図。
【図３】第１実施例における投写光学系の原理について説明する模式図。
【図４】第１実施例における光の入射領域について説明する模式図。
【図５】第１実施例における投写光線の角度について説明する説明図。
【図６】第２実施例におけるプロジェクタの構成を例示する説明図。
【符号の説明】
【００６７】
１０…光源装置
２０…画像形成光学系
２５…投写距離
３０…投写光学系
３０ａ…投写レンズ
６０…ライトバルブ
７０…ダイクロイックプリズム
８０…球面レンズ
８１…非球面レンズ
８１…球面レンズ
８７…非球面レンズ
８７…非球面メニスカスレンズ
８９…非球面レンズ
９０…スクリーン
９０ａ…像面
９５…非球面ミラー
１００…射出光
２００…下方領域
３００…グラフ
３１０…非点収差
３２０…非点収差
８１０…投写光学系
８１１…球面レンズ
８１８…非球面レンズ
８１９…非球面ミラー
８２０…デジタルマイクロミラーデバイス
１０００…プロジェクタ
２０００…プロジェクタ
【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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