(57)【要約】【目的】入射屈折面と光学的パワーを持った複数の反射面と出射屈折面とを有する内部反射プリズムを備え、画像表示素子からスクリーンまでの距離が短い投写型画像表示装置に好適な、拡大投映に要する光路長を確保できかつコンパクトな投写光学系およびこれを用いた投写型画像表示装置を得る。【構成】入射屈折面１１に入射された投映光を反射させる、光学的パワーを持った第１および第２の内部反射面１０、９を有し投映光を出射屈折面８から出射させる第１の内部反射プリズム２１と、絞り２３と、入射屈折面６に入射された投映光を反射させる、光学的パワーを持った第１〜第４の内部反射面５、４、３、２を有し投映光を出射屈折面１から出射させる第２の内部反射プリズム２２とからなる投写光学系を備え、画像表示素子３３に表示された画像をスクリーン３４に結像させる装置である。面１、２、３、４、５、９、１０、１１は自由曲面である。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示素子上に表示された画像をスクリーンに拡大投写する投写光学系において、前記投写光学系は、入射屈折面と光学的パワーを持った複数の反射面と出射屈折面とを有する内部反射プリズムを少なくとも１つ備えてなることを特徴とする投写光学系。
【請求項２】
前記投写光学系は、前記内部反射プリズムを含む複数個のプリズムを備えてなることを特徴とする請求項１記載の投写光学系。
【請求項３】
前記内部反射プリズムを含む複数個のプリズムのうちのいずれか２つの間の空間部に絞りが配設されていることを特徴とする請求項２記載の投写光学系。
【請求項４】
前記入射屈折面、前記反射面、前記出射屈折面のうち少なくとも１つの面は非球面形状を有することを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の投写光学系。
【請求項５】
前記入射屈折面、前記反射面、前記出射屈折面のうち少なくとも１つの面は自由曲面形状を有することを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の投写光学系。
【請求項６】
前記入射屈折面、前記反射面、前記出射屈折面のうち少なくとも１つの面は回転対称非球面形状を有することを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項記載の投写光学系。
【請求項７】
前記投写光学系の最もスクリーン側にあるプリズムの射出面と前記スクリーンとの距離をＬ１とし、前記投写光学系の最も画像表示素子側にあるプリズムの入射面と前記画像表示素子との距離をＬ２としたとき、
Ｌ１／Ｌ２＜２０
を満足することを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項記載の投写光学系。
【請求項８】
請求項１〜７のうちいずれか１項記載の投写光学系を用いて、画像表示素子上に表示された画像をスクリーンに拡大投写することを特徴とする投写型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示素子上に表示された画像をスクリーンに拡大投写する投写光学系に関し、特に、コンパクト性に優れた投写光学系およびこれを用いた投写型画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
近年、種々の画像表示素子が開発されているが、これに伴って投写光学系およびこれを用いた投写型画像表示装置としても、画像表示素子からスクリーンまでの距離が長いものから短いものまで、様々に用途が拡大している。
【０００３】
画像表示素子からスクリーンまでの距離が比較的短いものの中には、例えば、携帯できるサイズの機器に搭載される投写光学系およびこれを用いた投写型画像表示装置がある。このような投写光学系では、機器のサイズ上の制約からコンパクトな投写光学系が要望される。
【０００４】
従来の投写型画像表示装置の投写光学系は、複数のレンズの組合せにより構成されることが一般的であった。しかしながら、レンズ系による投写光学系では、たとえ内部に光路変向手段を配置し光路を折り曲げるように配置したとしても、拡大投映に要する光路長を確保しながらコンパクト化を図ることには限界がある。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、画像表示素子からスクリーンまでの距離が比較的短いタイプの投写型画像表示装置に好適な、拡大投映に要する光路長を確保できかつコンパクトな投写光学系およびこれを用いた投写型画像表示装置を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る投写光学系は、画像表示素子上に表示された画像をスクリーンに拡大投写する投写光学系において、前記投写光学系は、入射屈折面と光学的パワーを持った複数の反射面と出射屈折面とを有する内部反射プリズムを少なくとも１つ備えてなることを特徴とするものである。
【０００７】
また、前記投写光学系は、前記内部反射プリズムを含む複数個のプリズムを備えてなることが好ましい。また、前記内部反射プリズムを含む複数個のプリズムのうちのいずれか２つの間の空間部に絞りが配設されていることがより好ましい。
【０００８】
また、前記入射屈折面、前記反射面、前記出射屈折面のうち少なくとも１つの面は非球面形状を有することが好ましい。また、前記入射屈折面、前記反射面、前記出射屈折面のうち少なくとも１つの面は自由曲面形状を有することがより好ましい。また、前記入射屈折面、前記反射面、前記出射屈折面のうち少なくとも１つの面は回転対称非球面形状を有することが好ましい。
【０００９】
また、前記投写光学系の最もスクリーン側にあるプリズムの射出面と前記スクリーンとの距離をＬ１とし、前記投写光学系の最も画像表示素子側にあるプリズムの入射面と前記画像表示素子との距離をＬ２としたとき、
Ｌ１／Ｌ２＜２０
を満足することが好ましい。
【００１０】
本発明に係る投写型画像表示装置は、前記投写光学系を用いて、画像表示素子上に表示された画像をスクリーンに拡大投写することを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る投写光学系について図面を用いて説明する。図１は、後述する本発明の実施例に係る投写光学系を用いた投写型表示装置を示す図である。
【００１２】
この投写光学系は、入射屈折面と光学的パワーを持った複数の反射面と出射屈折面とを有する第１および第２の内部反射プリズム２１、２２およびこれらの内部反射プリズム２１、２２の間の空間部に配設された絞り２３からなる。外部から入力される映像信号３１に基づく画像表示用基板３２からの信号に基づいて、液晶等の画像表示素子３３に画像が表示され、図示されない照明光学系からの照明光がこの画像表示素子３３により変調され、投映光とされて第１の内部反射プリズム２１、絞り２３、第２の内部反射プリズム２２を順に介してスクリーン３４に画像を拡大投写する。なお、図中３０は光軸を示す。
【００１３】
画像表示素子側から第１の内部反射プリズム２１の入射屈折面１１に入射された投映光は、光学的パワーを持った内部反射面１０においてプリズム内部で反射され、次いで光学的パワーを持った内部反射面９においてプリズム内部で全反射されて出射屈折面８から出射される。さらに絞り２３を介し、第２の内部反射プリズム２２の入射屈折面６に入射された投映光は、光学的パワーを持った内部反射面５においてプリズム内部で全反射され、次いで光学的パワーを持った内部反射面４、３の順にプリズム内部で全反射され、さらに光学的パワーを持った内部反射面２で反射されて出射屈折面１から出射される。第１および第２の内部反射プリズム２１、２２の各面１１〜８、６〜１の屈折作用により、この投映光はスクリーン３４に画像を結像させることができる。
【００１４】
従来、スクリーンに画像を結像させる投写光学系は、複数のレンズの組合わせにより構成されることが一般的であった。しかし、複数のレンズの組合わせにより構成される投写光学系を用いた場合と比較し、本実施形態のように内部反射プリズムを用いた場合には、少ない部材数でコンパクト性に優れた投写光学系を得ることができる。内部反射プリズムの内部で複数回全反射されることにより、投映光を任意の方向に変向させることができるため、いわば光路を稼ぐことができ、これにより画像表示素子からスクリーンまで直線的に光路を設定するよりも画像表示素子からスクリーンまでの空間的距離を短縮することができる。複数のレンズを組み合わせた場合には、ミラーを配することによりこのような光路を設定することが可能となるが、部材数の増加が避けられない。
【００１５】
例えば、図１に示す投写光学系によれば、画像表示素子３３の表示面とスクリーン３４とを略平行に配置し、これらの面に直交する方向をｚ軸方向とすると、画像表示素子３３からの投映光は投写光学系内を、ｚ軸方向（紙面左右方向）に往復されながらｙ軸の＋方向（紙面上方）に進む。これによりこの投写型画像表示装置は、画像表示素子３３からスクリーン３４までのｚ軸方向の距離を短くすることができ、装置のコンパクト化が可能となる。
【００１６】
このような構成はこの投写型画像表示装置の薄型化に有効となる。薄型化を要望される投写型画像表示装置としては、例えば携帯サイズの機器がある。また、例えばデジタルカメラなどの画像表示部に、液晶表示板に替えてスクリーンを配設し、本実施形態の投写光学系およびこれを用いた投写型画像表示装置によりこのスクリーンに画像を投写する構成も可能である。このように用いた場合、従来の画像表示部にあたる液晶表示板よりも、格段に小型の液晶表示素子を用いる構成となる。
【００１７】
本実施形態に係る投写光学系は、このようにコンパクト性に優れているので、画像表示素子の画像を、投写光学系からさほど遠くない位置のスクリーンに結像させるための構成として特に有効である。すなわち、投写光学系の最もスクリーン側にある第２の内部反射プリズム２２の射出面１とスクリーン３４との距離をＬ１とし、投写光学系の最も画像表示素子側にある第１の内部反射プリズム２１の入射面１１と画像表示素子３３との距離をＬ２としたとき、
Ｌ１／Ｌ２＜２０
を満足するような構成において、その利点を発揮することができる。
【００１８】
さらに、本実施形態に係る投写光学系は、各プリズム内部の反射面２〜５、９、１０に屈折力を持たせているので、この面による反射では色収差が発生せず、全体としても色収差の低減を図ることができる。より望ましくは、内部反射プリズムの入射面、出射面の屈折力は弱くし、反射面に屈折力の多くを負担させることが、色収差補正の上で有利となる。
【００１９】
また、本実施形態に係る投写光学系は、内部反射プリズムの入射面、出射面、および内部反射面を適宜設定することにより、比較的容易に光線を変向させることができるので、投写光学系およびこれを用いた投写型画像表示装置の設計の自由度が高い。
【００２０】
この内部反射プリズムの入射屈折面６、１１、出射屈折面１、８、および内部反射面２〜５、９、１０の形状としては、非球面形状を適宜用いることにより、結像性能を良好とすることができる。また、このような広義の非球面形状の範囲のうち、さらに限定された形状として、自由曲面形状、または回転対称非球面形状を適宜用いることにより、結像性能をより良好とすることができる。
【００２１】
なお、自由曲面形状は、下記自由曲面形状式により表される。自由曲面形状を用いることにより、自由度の高い面形状とすることができ、光線の変向方向を設定する自由度が高い。また、自由曲面形状を用いることにより、偏心して配置された内部反射面で発生する収差を良好に補正することができる。
【００２２】
【数１】
2004077825.tif 000003
【００２３】
また、回転対称非球面形状は下記回転対称非球面形状式により表される。回転対称非球面形状は自由曲面の中でもさらに限定された形状であり、自由曲面形状よりも容易に製造できるという利点がある。
【００２４】
【数２】
2004077825.tif 000004
【００２５】
なお、本発明の投写光学系およびこれを用いた投写型画像表示装置としては、上記実施形態のものに限られるものではなく種々の態様の変更が可能である。例えば、内部反射プリズムは、光学的パワーを持った複数の反射面と、光学的パワーを持たない反射面とを有するものであってもよい。これらの反射面の数は適宜設定することができる。また、この反射面と、各プリズムの入射屈折面および出射屈折面において、面形状、曲率半径Ｒ、偏心量、面間隔Ｄ等を適宜設定することが可能である。
【００２６】
また、投写光学系は、入射屈折面と光学的パワーを持った複数の反射面と出射屈折面とを有する内部反射プリズムを含む、複数個のプリズムを備えてなるものであってもよいし、１つの内部反射プリズムからなるものであってもよい。これら複数個のプリズムとしては、内部に反射面を有さないものを含んでいてもよい。複数個のプリズムを備えることにより絞りを配置することが容易となる。また、入射面、出射面および反射面の数を増やすことが容易となるので、面形状を適宜設定し、収差補正をより良好に行なうことができる。
【００２７】
また、絞りは迷光を排除するために有効であるが、プリズムの数に拘わらず投写光学系は絞りを配置しない構成とすることも可能である。また、内部反射プリズムを含む複数個のプリズムのうちの、いずれか２つの間の空間部に絞りが配設された構成とすることも可能である。
【００２８】
また、本発明の投写型画像表示装置の画像表示素子としては、透過型液晶、反射型液晶、ＤＭＤ等の画像表示素子を用いることができる。
また、本発明の投写光学系およびこれを用いた投写型画像表示装置において、適宜、変向のためのミラー、またはレンズを配置することも可能である。
【００２９】
なお、自由曲面プリズムを用いた光学系としては、プリズム外部の射出瞳位置に観察者の瞳が置かれるように構成された、例えばヘッド・マウント・ディスプレイに用いられるものが知られている。しかしながら、このような構成は観察者が画像表示素子に表示された画像を虚像として観察できる構成であり、画像表示素子に表示された画像を投写光学系からさほど遠くない位置のスクリーン上に結像させる本発明の構成とは、異なるものである。
【００３０】
【実施例】
以下、実施例についてデータを用いて具体的に説明する。この実施例に係る投写光学系およびこれを用いた投写型画像表示装置は、前述したとおり図１に示すような構成とされている。すなわちこの投写光学系は、画像表示素子側から順に、入射屈折面１１に入射された投映光を反射させる、光学的パワーを持った第１の内部反射面１０および第２の内部反射面９を有し投映光を出射屈折面８から出射させる第１の内部反射プリズム２１と、絞り２３と、入射屈折面６に入射された投映光を反射させる、光学的パワーを持った第１〜第４の内部反射面５、４、３、２を有し投映光を出射屈折面１から出射させる第２の内部反射プリズム２２とからなる。内部反射面９、５、４、３は全反射面であり、内部反射面１０、２はミラーによる反射面である。
【００３１】
第１および第２の内部反射プリズム２１、２２の各面１１〜８、６〜１の屈折作用により、この投写型画像表示装置は、画像表示素子３３に表示された画像をスクリーン３４に結像させる。なお、第１の内部反射プリズム２１において、内部反射面１１と内部反射面９とは連続するプリズム面上にあり、第２の内部反射プリズム２２において、内部反射面５と内部反射面３と出射屈折面１は連続するプリズム面上にある。
【００３２】
この投写光学系のプリズム入射屈折面１１、出射屈折面１、および内部反射面２、３、４、５、９、１０の形状は、上述した自由曲面形状式により表される自由曲面とされている。ただし、本実施例において自由曲面形状は球面を基準としており、上記自由曲面形状式のＫは１、Ａｎは０とされた下記自由曲面形状式となる。
【００３３】
【数３】
2004077825.tif 000005
【００３４】
この投写光学系の各面の近軸曲率半径Ｒ（近軸での焦点距離を１として規格化している）、各面の間隔Ｄ（近軸での焦点距離を１として規格化している）、各内部反射プリズムのｅ線における屈折率Ｎおよびアッベ数νの値は表１の上段に示すようになっている。なお、表１の表において左側の面番号の数字はスクリーン側からの順番を表すものであり図１の符合と一致させている。なお、面ＯＢＪはスクリーンに、面ＩＭＧは画像表示素子としての液晶表示パネルの表示面に、第７面は絞り面に相当する。
【００３５】
また、表１の下段には各面の偏心量が示されている。各面の偏心量は、その面の面頂点の、結像位置であるスクリーン上の光軸との接点からｚ軸方向にＤ移動した点を基準とした偏心量として表されており、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の偏心量（それぞれＸ、Ｙ、Ｚ）と、その面の中心軸（ｚ軸）の、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα、β、γ（°））とが与えられている。なお、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対しての反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対しての時計回りを意味する。
【００３６】
【表１】
2004077825.tif 000006
【００３７】
表１に示されるとおり、本実施例において、第２の内部反射プリズム２２の射出面１とスクリーン３４との距離Ｌ１は０．５５３ｍｍ、第１の内部反射プリズム２１の入射面１１と画像表示素子３３との距離Ｌ２は０．３６８ｍｍとされており、上記条件式Ｌ１／Ｌ２＜２０を満足している。
【００３８】
また、表２には各自由曲面形状式に対応するＣｉｊで示される各定数の値が示されている。
【００３９】
【表２】
2004077825.tif 000007
【００４０】
表２に示されるとおり、各自由曲面の上記各定数においては、ｉの値が奇数となる係数Ｃｉｊの値は全て０とされている。すなわち、この自由曲面はｙ−ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面である。このように対称面を１つのみ有する面対称自由曲面形状を有していることにより、面の偏心に基づく収差を良好に補正することができる。
【００４１】
図２は、本実施例に係る投写光学系の横収差を示す収差図である。各収差図は画像表示素子の座標に対応し（（Ｘ座標，Ｙ座標）で示している）、近軸での焦点距離を１として規格化された値を示している。図２に示すように、本実施例に係る投写光学系によれば収差が良好に補正されている。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の投写光学系によれば、入射屈折面と光学的パワーを持った複数の反射面と出射屈折面とを有する内部反射プリズムを備えることにより、画像表示素子からスクリーンまでの距離が比較的短いタイプの投写型画像表示装置に好適な、拡大投映に要する光路長を確保できかつコンパクトな投写光学系およびこれを用いた投写型画像表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る投写光学系を用いた投写型画像表示装置の構成図
【図２】本発明の実施例に係る投写光学系の横収差図
【符号の説明】
１〜１１　面（入射面、反射面、出射面、絞り面）
２１　第１の内部反射プリズム
２２　第２の内部反射プリズム
２３　絞り
３０　光軸
３１　映像信号
３２　画像表示用基板
３３　画像表示素子
【図１】
2004077825.tif 000008
【図２】
2004077825.tif 000009