(57)【要約】【課題】  プロジェクターの高さがスクリーン上表示画面高さに比べてかなり高くならざるを得ないという欠点を有していた。【解決手段】  ３つの画像表示パネルと、該３つの画像表示パネルを照明する照明系、屈折光学素子と２自由曲面ミラーと平面ミラーを有し、前記３つの画像表示パネルからの光をスクリーンに斜め投影する投影系とを有する表示装置であって、前記３つの画像表示パネルの中心から出射し前記スクリーンの中心に至る光束の中心の光線が通る光路のうち、前記投影系中及び前記投影系から前記スクリーンに至る光路が１つの平面内に収まらない。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの画像表示パネルと、該少なくとも１つの画像表示パネルを照明する照明系、少なくとも１枚以上の屈折光学素子と２枚以上の自由曲面ミラーと１枚以上の平面ミラーを有し、前記少なくとも１つの画像表示パネルからの光をスクリーンに斜め投影する投影系とを有する表示装置であって、
前記少なくとも１つの画像表示パネルの中心から出射し前記スクリーンの中心に至る光束の中心の光線が通る光路のうち、前記投影系中及び前記投影系から前記スクリーンに至る光路が１つの平面内に収まらないことを特徴とする表示装置。
【請求項２】
少なくとも１つの画像表示パネルと、該少なくとも１つの画像表示パネルを照明する照明系、少なくとも１枚以上の屈折光学素子と２枚以上の自由曲面ミラーと１枚以上の平面ミラーを含む複数の光学素子を有し、前記少なくとも１つの画像表示パネルからの光をスクリーンに斜め投影する投影系とを有する表示装置であって、
前記少なくとも１つの画像表示パネルの中心から出射し前記スクリーンの中心に至る光束の中心の光線の光路を、前記複数の光学素子で複数の光路に区切ったときに、該複数の光路のうち少なくとも１つは他の光路に対してねじれの関係であることを特徴とする表示装置。
【請求項３】
少なくとも画像表示パネル、該パネルへの照明系、該パネルとスクリーンとの間の光路中に位置し少なくとも１枚以上のレンズ（屈折光学系）と２枚以上の自由曲面ミラーと１枚以上の平面ミラーを有する投影系とを有し、該画像表示パネルからの出射光が該レンズの屈折透過と該ミラー間の反射を繰り返してスクリーンに到達する際に該スクリーンに該画像パネルの光像が拡大投影されるようにしたことを特徴とする表示装置において、主に平面ミラー及び曲面ミラーによる反射作用により形成される画像表示パネルからスクリーンまでの光路が立体的であり１つの平面内には収まらない構成としたことを特徴とする表示装置。
【請求項４】
該投影系を構成するレンズからスクリーンまでの光路中に該画像表示パネルの中間像を形成するようにしたことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の表示装置。
【請求項５】
前記中間像を各ミラー面上またはその近傍以外の位置に形成するようにしたことを特徴とする請求項４記載の表示装置。
【請求項６】
前記投影系を構成するレンズ内またはその近傍位置に入り口開口瞳を設けると共に、該投影系を構成するレンズからスクリーンまでの光路中に該入り口開口の瞳像位置がくるように構成したことを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の表示装置。
【請求項７】
前記瞳像を各ミラー面上またはその近傍以外の位置に形成するようにしたことを特徴とする請求項６記載の表示装置。
【請求項８】
前記投影系を構成するレンズ（屈折光学系）の焦点距離をｆ＿ａとした場合、前記投影光学系全体の焦点距離ｆに対し、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の表示装置。
２  ＜  ｜ｆ＿ａ／ｆ｜
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は斜め投射により装置の超薄型化を図ったリアプロジェクション表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の装置としては例えばＷＯ９７／０１７８７号等が開示されている。その投影光学系構成の１例を図８に示す。本件は３枚の共軸非球面反射ミラー（図中１２、１３、１４）と１枚の垂直配置平面ミラー（図中５）にてスクリーン１６に対し画像表示パネル１１の画像を台形歪み無く斜め投影するものであった。
【特許文献１】国際公開特許ＷＯ９７／０１７８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら当該従来例においては、そのトレース検討の結果、対角６０”（１５２４ｍｍ）投影において、光学系全高は約１２０ｃｍ（図５中のＨ）になり、装置にした場合の全高もスクリーン面上表示高さに比べてかなり高くなってしまう欠点を有していると判明した。
【０００４】
このトレース検討結果を表１のレンズデータと図５の光線追跡図に示す。さらにこのトレース検討では開口ＮＡ＝０．０８にて、投影像最大歪みが２．１％（台形歪み）、投影像平均ＭＴＦ（於１Ｌｐ／ｍｍ）は３０％であった。尚、この際の画像表示パネル表示サイズは対角３４ｍｍ、アスペクト１６：９、スクリーン上拡大表示サイズは対角６０”（１５２４ｍｍ）とした。
【０００５】
【表１】
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【０００６】
尚、上記表１のデータで面間隔ｄは画像表示パネルからの光束が曲面反射ミラーにて反射してその伝播方向を反転する毎にその符号も反転させている。また曲率径ｒは＋が凹面、−が凸面であることを表している。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明の表示装置は、
少なくとも１つの画像表示パネルと、該少なくとも１つの画像表示パネルを照明する照明系、少なくとも１枚以上の屈折光学素子と２枚以上の自由曲面ミラーと１枚以上の平面ミラーを有し、前記少なくとも１つの画像表示パネルからの光をスクリーンに斜め投影する投影系とを有する表示装置であって、前記少なくとも１つの画像表示パネルの中心から出射し前記スクリーンの中心に至る光束の中心の光線が通る光路のうち、前記投影系中及び前記投影系から前記スクリーンに至る光路が１つの平面内に収まらないことを特徴としている。ここで、「前記少なくとも１つの画像表示パネルの中心から出射し前記スクリーンの中心に至る光束の中心の光線が通る光路」は、前記少なくとも１つの画像表示パネルの中心と前記投影系の絞りの中心を通る光線であっても良いし、前記投影系の絞りと前記スクリーンの中心とを通る光線であっても良い。
【０００８】
また、少なくとも１つの画像表示パネルと、該少なくとも１つの画像表示パネルを照明する照明系、少なくとも１枚以上の屈折光学素子と２枚以上の自由曲面ミラーと１枚以上の平面ミラーを含む複数の光学素子を有し、前記少なくとも１つの画像表示パネルからの光をスクリーンに斜め投影する投影系とを有する表示装置であって、前記少なくとも１つの画像表示パネルの中心から出射し前記スクリーンの中心に至る光束の中心の光線の光路を、前記複数の光学素子で複数の光路に区切ったときに、該複数の光路のうち少なくとも１つは他の光路に対してねじれの関係であることを特徴としている。
【０００９】
また、少なくとも画像表示パネル、該パネルへの照明系、該パネルとスクリーンとの間の光路中に位置し少なくとも１枚以上のレンズ（屈折光学系）と２枚以上の自由曲面ミラーと１枚以上の平面ミラーを有する投影系とを有し、該画像表示パネルからの出射光が該レンズの屈折透過と該ミラー間の反射を繰り返してスクリーンに到達する際に該スクリーンに該画像パネルの光像が拡大投影されるようにしたことを特徴とする表示装置において、主に平面ミラー及び曲面ミラーによる反射作用により形成される画像表示パネルからスクリーンまでの光路が立体的であり１つの平面内には収まらない構成としたことを特徴としている。
【００１０】
ここで、該投影系を構成するレンズからスクリーンまでの光路中に該画像表示パネルの中間像を形成するようにすると良い。また、前記中間像を各ミラー面上またはその近傍以外の位置に形成するようにすると良い。
【００１１】
また、前記投影系を構成するレンズ内またはその近傍位置に入り口開口瞳を設けると共に、該投影系を構成するレンズからスクリーンまでの光路中に該入り口開口の瞳像位置がくるように構成すると好ましい。ここで、前記瞳像を各ミラー面上またはその近傍以外の位置に形成すると良い。
【００１２】
また、前記投影系を構成するレンズ（屈折光学系）の焦点距離をｆ＿ａとした場合、前記投影光学系全体の焦点距離ｆに対し、以下の条件式を満たすと尚良い。
【００１３】
２＜｜ｆ＿ａ／ｆ｜
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明では、共軸レンズと数枚の自由曲面ミラーを用いると共にそれらにて形成される光路を立体配置した斜入射投影系をリアプロジェクション表示装置に適応することにより、高画質かつ薄型のみならず著しく低装置高の大画面リアプロジェクション表示装置を提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（実施例１）
図１に本発明第１実施例の薄型リアプロジェククション表示装置の斜視図（フレームワーク光線追跡図）、図２にその水平断面構成図（光線追跡図）、図３にその縦断面構成図（光線追跡図）を示す。同図において１はＤＬＰ（ＤＭＤ）等の反射型表示パネル、２は共軸レンズ、４、５はＡｇ蒸着自由曲面ミラー３、６は平面ミラー、７は斜入射用スクリーンである。
【００１６】
本図には特に上記以外の部品は記載されていないが、表示パネル１は不図示の照明系により該表示パネル１の斜め上方から照明され、該表示パネル１から反射される画像光は共軸レンズ２に向かう。そしてこの共軸レンズにて所定の屈折作用受けた光束は次に平面ミラー３に向かうが、ここまでの光束の進路は装置横手方向（投影像表示スクリーン面と平行方向）に取られている。次に、この平面ミラー３での反射にて光束は装置手前方向（奥行き方向）にほぼ９０°曲げられ、自由曲面ミラー４に向かう。その後は図中の光線線図で図示されるように自由曲面ミラー４、５によって反射されながら進んで行く。そして、自由曲面ミラー５から出射された光束は図示のごとくスクリーン奥つまり装置後ろ側に位置する平面ミラー６にて反射され、その後、斜め下方向から斜め上方向に向かってスクリーン７を照らす。つまり画像光は該スクリーン７に下から斜め投影される。尚、ここでの平面ミラー６はスクリーン７に平行かつ鉛直（本例での座標定義は鉛直方向とは無関係）になるように配置されている。
【００１７】
該投影系は自由曲面ミラー４＆５面の光線反射角変調作用と共軸レンズ２の合成による結像作用を有しているが、この結像作用は表示パネル１の矩形画像面を光軸に対して斜めに配置されている（光軸入射角４１°）スクリーン７上に拡大矩形投影するものである。そしてこのようにレイアウトされることにより、リアプロジェクションを構成するに際して、その奥行きを大幅に薄くすることが可能になる。因みに、本例によれば、アスペクト比４：３対角４３”表示画面で奥行き２５ｃｍが可能になると見込まれる。さらに本例では使用自由曲面ミラーは２枚のみであり、該自由曲面ミラー１４、１５と平面ミラー１３、１６の並びから形成される光路の折り返しは無駄なく３次元的に装置下部に詰まっており、特に平面ミラー１３による横方向への光路折り曲げによる効果により、装置の全高を大幅に低く構成することが可能になり、上記スクリーンサイズにても全高８５ｃｍ以下が見込まれる。尚、前例で紹介した全高１２０ｃｍは６０”投影（アスペクト１６：９）での値であったが、これを本例と同じ投影サイズ＆アスペクトに換算しても１０５ｃｍになってしまう。
【００１８】
ここまで全体的な構成およびメカニズムを説明してきたが、次に共軸レンズ２と自由曲面ミラー４、５からなる投影系にについて説明する。図４に該投影系の部分拡大断面図を示す。ここで示されるように共軸レンズ２は開口２１、２つの貼り合せレンズ２２＆２３、２枚の単レンズ２４＆２５から成っている。下記表４に該投影系のレンズデータ（各面曲率半径、各面面間隔、各面偏心量、各面面定義等）を示す。尚、本例での表示パネル表示域サイズは対角１２ｍｍアスペクト比４：３、スクリーン上拡大表示サイズは対角４３”（１０９３ｍｍ）アスペクト比４：３である。
【００１９】
ここでの座標系については、まず表示パネル１の中心を最初の原点とし、ここと開口２１の中心を結ぶ直線を光軸兼ｚ軸とした。この原点から光の出射する向きをｚ軸＋方向とし、ｙ軸はこのｚ軸に垂直な図３の上方向を＋とする軸、ｘ軸はこのｚ＆ｙ軸に垂直な図３の紙面奥方向を＋とする軸とした（デカルト座標定義準拠）。共軸レンズのレンズデータについてはこのｚ軸にそって各面面間隔が設定されるが、ミラー面による反射後は光軸も光軸光線の反射に従ってその方向を変えるため、反射後の光軸光線を新たなｚ軸とし、反射毎にその向き（符号）が反転するものとした。さらに各自由曲面ミラー面についてはその面形状定義用に入射光軸（ｚ軸）と該ミラー面の交点をローカル原点とするローカル座標を設定した。該ローカル座標でのローカルｘｙｚ軸については各自由曲面ミラーが入射光軸（ｚ軸）に対して該ローカル原点を通るローカルｘ軸を回転軸とするチルト角を有するため、入射光軸に対して該ローカル原点を中心に所定方向（符号）に所定角度チルトした後の軸をローカルｚ軸とし、該ローカルｚ軸に対して垂直な図３の上方向を＋とする軸をローカルｙ軸、このｚ＆ｙ軸に垂直な図３の紙面奥方向を＋とする軸をローカルｘ軸とした（デカルト座標定義準拠）。そしてこのローカルｘｙｚ軸にて設定される座標を該自由曲面を定義するローカル座標とした。また、前述のチルト角の符号はローカルｘ軸を回転軸として＋ｙ軸方向が＋ｚ次軸方向（入射光軸）に近づくようにチルトする方向を＋とした。さらにこれら各自由曲面ミラー面の自由曲面形状については該ローカル座標に基づくｘｙ多項式により定義し、その定義式は、
ｚ＝Ｃ４ｘ２＋Ｃ６ｙ２＋Ｃ８ｘ２ｙ＋Ｃ１０ｙ３＋Ｃ１１ｘ４＋Ｃ１３ｘ２ｙ２＋Ｃ１５ｙ４＋Ｃ１７ｘ４ｙ＋Ｃ１９ｘ２ｙ３＋Ｃ２１ｙ５
＋Ｃ２２ｘ６＋Ｃ２４ｘ４ｙ２＋Ｃ２６ｘ２ｙ４＋Ｃ２８ｙ６
とした。この上式中の各Ｃｎ係数値等を各自由曲面ミラー面形状データとして下記表３に示している。また、ｙ軸を回転軸としてチルトしている面（平面ミラー第１面）については＋ｘ軸方向が＋ｚ軸方向に近づくようにチルトする方向を＋とした。
【００２０】
なお、該反射面にて反射された後の座標系については、次のローカル座標系のｚ軸極性は光の進行方向に対して反転するものとし、それ以外は前述の座標定義に準拠している。したがって、本件においては該ローカル座標系の定義は反射毎にｚ軸（光軸）極性が反転し、面間隔ｄの符号とチルト角の符号が反射毎に反転している。
【００２１】
このような面定義に則ったトータル２面の自由曲面ミラー面を構成要素とする該投影系は成型＆Ａｇ蒸着にて形成された自由曲面ミラーを不図示のＡＬ製フレームにて共軸レンズ２や平面ミラー３、６と共に保持することにより、表２に示したレンズデータに則るように配置されるものである。
【００２２】
【表２】
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【００２３】
＊（回転軸はｘ軸／＋ｙ方向がｚ軸＋方向に回転するチルト方向を＋とする）
【００２４】
【表３】
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【００２５】
本投影系によればその光線および光束は前例と同様に共軸レンズ２を通過後は平面ミラー３及び自由曲面ミラー４、５にて反射されながら立体的ジグザグ光路を取ったのち、垂直配置の平面ミラー６での反射を通じて、スクリーン７に対して下側から上側に向かって斜め投影されるが、本例の特徴としては平面ミラー３と自由曲面ミラー４との間に画像表示パネルの中間像８（図２＆３参照）、および自由曲面ミラー４と５の間に光束が絞られた点つまり開口瞳像１０（図３参照）が存在する。このような光路構成を取ると広画角投影にも拘らず自由曲画ミラー４と５の大きさを低減することが可能になり、当該投影光学系（特に自由曲面ミラー構成部）をさらにコンパクトにまとめることが可能となった。因みに自由曲面ミラー４と５の必要サイズは両者共に１００×７０ｍｍであった。また中間像８につては、ミラー等の光学部材上からは離れた位置にあるため、万一これら光学部材が埃等で汚れても投影画像への悪影響は非常に少ない。
【００２６】
この投影系により達成された光学スペックについては、スクリーンへの入射角が４１°とかなり厳しい斜入射であるにも拘わらず、ディストーション１．０％以下、平均ＭＴＦ５０％（於０．５Ｌｐ／ｍｍ）、物体側数値開口０．１６７、明るさムラ２０％以下となった。つまり、十分な光束取り込み角（開口０．１６７）と結像性能が得られ、所謂ＴＶ映像は言うまでもなくＳＶＧＡ（解像度）相当の画像投影にも適用できるレベルものであった。参考として本例投影光学系でのスポット像を図６に掲載した。また、図３に示した本例光学系の全高Ｈ１は８０ｃｍであり、これにてリアプロジェクション表示装置を構成した場合には、薄さのみならず装置全高（８５ｃｍ於４３”／４：３）をも抑えることが可能になった。
【００２７】
尚、本投影光学系では全系の焦点距離ｆは−５．５７ｍｍ（アジマス９０°＆０°との平均値）であり、前述レンズデータに示したように６枚のレンズからなる屈折系のみの焦点距離ｆ＿ａは４６．９７ｍｍ（アジマス９０°＆０°との平均値）であり、パラメータ｜ｆ＿ａ／ｆ｜は８．４３であった。このパラメータ｜ｆ＿ａ／ｆ｜が小さすぎると自由曲面反射系の効果を有効に使えなくなるため、本例のような光学系では該値が２以上であることが好ましい。
【００２８】
また、スクリーン７については本例では斜入射用のものを用いており、入射側から順に、偏心フレネル板、レンティキュラ板の少なくとも２枚を重ねて構成している。
【００２９】
この偏心フレネル板については一般的な同心円フレネルの中心から所定距離オフセットした位置にて切り出すことにより形成している。
【００３０】
このように本例では、開口０．１６７という十分な光束取り込み角と前述の如き優れた結像性能が得られているが、これは斜入射という厳しい条件にても、その使用枚数は２枚と少ないものの自由曲面（反射式）による優れた歪み補正作用により所望の光学性能が得られるからである。また、同じ開口値において光学性能を上げるには、表示パネルからスクリーンまでのトータルの光路長を十分長くとる必要があるが、本例のように立体的に光路を取ることにより装置高低減と光学性能確保の両立がより達成され易くなる。
【００３１】
ところで、以上説明した本例の構成はあくまで１つの実施例であり、様々にアレンジすることが可能である。例えば本例では、光路が立体配置となっているがが、平面ミラーを多用してさらに異なる配置にアレンジしても差し支えはない。また表示デバイスとしてはＤＬＰ（ＤＭＤ）パネルを用いたが、前例同様これに限定される訳ではない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明第１実施例の薄型リアプロジェクション表示装置の斜視図
【図２】本発明第１実施例の薄型リアプロジェクション表示装置の水平断面図
【図３】本発明第１実施例の薄型リアプロジェクション表示装置の縦断面構成図
【図４】本発明第１実施例の薄型リアプロジェクション表示装置の投影系部分拡大図
【図５】従来の薄型リアプロジェクション用光学系縦断面構成図
【図６】本発明第１実施例での投影スポット像
【符号の説明】
【００３３】
１  反射型表示パネル
２  共軸レンズ
４、５  自由曲面ミラー
３、６  平面ミラー
７  スクリーン
８  表示パネル中間像
１０  開口像
２１  開口
【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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