(57)【要約】【課題】小型且つ簡単な構成で、斜め投射可能な反射光学系で構成された投射光学系を用いたプロジェクタを提供する。【解決手段】出射面Ｏに表示された画像を光束として出射する画像表示装置３２と、画像を制御する制御装置３１と、光束を投影面Ｉに投影画像として結像する投射光学系３３とからなるプロジェクタ３０において、投射光学系３３が、光束を反射する正のパワーを有する凹面状の反射面が形成された第１ミラーＭ１と、第１ミラーＭ１で反射した光束を反射する負のパワーを有する凹面状の反射面が形成された第２ミラーＭ２とを有し、第１ミラーと第２ミラーの反射面１，３が軸対称非球面形状に形成されるとともに、対称軸が一致するように配設された共軸系で構成される。そして、投射光学系３３の画像表示装置３２側の開口数が０．１以上となるように各部材の諸元が設定されて構成される。【選択図】  図５
2005010295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出射面に表示された画像が光束として出射する画像表示装置と、前記画像を制御する制御装置と、前記光束を投影面に投影画像として結像する投射光学系とからなるプロジェクタにおいて、
前記投射光学系が、前記光束を反射する正のパワーを有する凹面状の反射面が形成された第１ミラーと、
前記第１ミラーで反射された前記光束を反射する負のパワーを有する凸面状の反射面が形成された第２ミラーとを有し、
前記第１ミラーと前記第２ミラーの前記反射面が対称軸に対して軸対称非球面形状に形成されるとともに、前記対称軸が一致するように配設された共軸系で構成され、
前記投射光学系の画像表示装置側の開口数が０．１以上であることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項２】
前記第１ミラーの前記反射面の曲率半径をｒ１とし、前記第２ミラーの前記反射面の曲率半径をｒ２としたとき、次式
１．３｜ｒ１｜  ≧  ｜ｒ２｜  ≧  ｜ｒ１｜
を満足することを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ。
【請求項３】
前記投射光学系による前記投影画像の歪みを前記制御装置により前記画像を歪ませることによって補正をかけることを特徴とする請求項１又は２に記載のプロジェクタ。
【請求項４】
前記画像表示装置の前記出射面における光軸からの高さｈ′の位置から出射した前記画像の光線に対応して前記投射光学系から出射する主光線と前記光軸とのなす角度をθとし、前記投射光学系の焦点距離をｆとしたとき、次式
ｈ′  ＝  ｆｓｉｎθ
を満足するように前記画像を歪ませたことを特徴とする請求項３に記載のプロジェクタ。
【請求項５】
前記投射光学系から出射する前記主光線と前記光軸とのなす角度の大きさに対応して前記画像の光量を調整することにより、前記投影画像を一様な明るさにすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプロジェクタ。
【請求項６】
前記投射光学系から出射する前記主光線と前記光軸とのなす角度をθとしたとき、前記画像の放射強度を１／ｃｏｓ４θに比例するように前記画像の光量を調整することを特徴とする請求項５に記載のプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像を拡大投影するプロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶表示パネルやＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）などで変調された画像を拡大投影するプロジェクタにおいて、投射光学系はレンズを有する屈折光学系で構成されることが多く、また、通常はスクリーンに対して略垂直に投影される。このようなプロジェクタは室内等で利用されるため、スクリーンまでの距離が短い状態で画像を大きく投影する必要があるため、広画角な投射光学系が求められており、また、高い解像力も要求される。このような投射光学系を屈折光学系で構成した場合、広い角度範囲で色収差を含む諸収差を補正する必要があるために、例えば、屈折率分散の異なる硝材を使用して色収差補正する等を行うことによりレンズ枚数の多い、大きな投射光学系となってしまう。
【０００３】
また、スクリーンとこのスクリーンに正対する観察者の間にプロジェクタが位置すると、一部の投影画像がプロジェクタの影になるため観察者が投影画像を見にくい状態となる。あるいは、プロジェクタとスクリーンの間に観察者が存在すると、観察者で光が遮られるため、うまく投影できない。このため、スクリーンに対するプロジェクタの配置の自由度を上げるために、スクリーンに対して斜めの方向から投影可能とする必要がある。
【０００４】
以上のような問題を解決するために、反射光学系を用いて投射光学系を実現する方法が知られている（例えば、特許文献１又は２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
国際公開第ＷＯ９７／０１７８７号パンフレット
【特許文献２】
特開２００１−２５５４６２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の情報機器の小型化は目覚ましいものがあるが、携帯電話やＰＤＡ（携帯情報端末）などに搭載される液晶パネルなどの表示装置はある程度の大きさが必要である。情報機器は小型化が求められており、大きな表示装置の要求は困難であるが、プロジェクタであれば、機器は小型のままで、画像だけを大きく投影することが可能である。しかし、プロジェクタを小型化することにより、投射光学系だけでなく、画像表示装置も小型化する必要があるため、画像表示装置を構成する画素が小さくなることにより、高解像力を有し、且つ、明るい投射光学系が必要となる。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載されている投射光学系は暗い（Ｆ値が大きい）ため、特に小さな画像表示装置の画像を明るくすることが困難であるという課題がある。また、特許文献２に記載されている投射光学系はミラー枚数が多いため、プロジェクタが大きくなるという課題と、非軸対称ミラーを使用しているために、製作が難しくコストが高くなるという課題があった。
【０００８】
本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、小型且つ簡単な構成で、斜め投射可能な反射光学系で構成された投射光学系を用いたプロジェクタを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明に係るプロジェクタは、出射面に表示された画像が光束として出射する画像表示装置と、画像を制御する制御装置と、光束を投影面に投影画像として結像する投射光学系とから構成される。この投射光学系は、画像表示装置から出射された光束を反射する正のパワーを有する凹面状の反射面が形成された第１ミラーと、第１ミラーで反射された光束を反射する負のパワーを有する凸面状の反射面が形成された第２ミラーとを有し、第１ミラーと第２ミラーの反射面が対称軸に対して軸対称非球面形状に形成されるとともに、対称軸が一致するように配置された共軸系を構成する。このとき、この投射光学系の画像表示装置側の開口数が０．１以上であるように構成される。
【００１０】
なお、第１ミラーの反射面の曲率半径をｒ１とし、第２ミラーの反射面の曲率半径をｒ２としたき、次式
１．３｜ｒ１｜  ≧  ｜ｒ２｜  ≧  ｜ｒ１｜
を満足するように本発明に係るプロジェクタを構成することが好ましい。
【００１１】
また、投射光学系による投影画像の歪みを制御装置により画像表示装置に表示される画像を歪ませることによって補正をかけるように構成することが好ましい。
【００１２】
このとき、画像表示装置の出射面における光軸からの高さｈ′の位置から出射した画像の光線に対応して投射光学系から出射する主光線と光軸とのなす角度をθとし、投射光学系の焦点距離をｆとしたとき、次式
ｈ′  ＝  ｆｓｉｎθ
を満足するように構成することが好ましい。
【００１３】
さらに、投射光学系から出射する主光線と光軸とのなす角度の大きさに対応して、画像の光量を調整することにより、投影画像を一様な明るさにするように構成することが好ましい。
【００１４】
このとき、投射光学系から出射する主光線と光軸とのなす角度をθとしたとき、画像の放射強度を１／ｃｏｓ４θに比例するように画像の光量を調整することが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。本発明に係るプロジェクタ３０は、図１に示すとおり、コンピュータやＤＶＤプレーヤー等の外部装置４０からの画像信号を受けて、その拡大像をスクリーン３４に出力するものであり、外部装置４０からの画像信号を制御する制御装置３１と、制御装置３１により制御された信号により変調された光束を出射する画像表示装置３２と、画像表示装置３２から出射された光束をスクリーン３４に拡大して投影する投射光学系３３とから構成されている。この画像表示装置３２としては、透過型の液晶表示パネルや自己発光型の有機ＥＬパネル等が好適であるが、配置上可能であれば、反射型の液晶表示パネルやＤＭＤ等を用いることもできる。
【００１６】
このような本発明に係るプロジェクタ３０に用いられる投射光学系３３は図２に示すように、画像表示装置３２の出射面Ｏに凹面を向けた正のパワーを持つ反射面が形成され、出射面Ｏから出射した光束を反射する第１ミラーＭ１と、第１ミラーＭ１に凸面を向けた負のパワーを持つ反射面が形成され、第１ミラーＭ１で反射された光束を反射する第２ミラーＭ２とから構成される。なお、第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２との間には絞りＳ（図２においては、図示せず）が配設されている。この投射光学系３３から出射した光束（つまり、第２ミラーＭ２で反射された光束）は、スクリーン３４の投射面Ｉに拡大されて投影画像として投影される。
【００１７】
この第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２に形成された反射面は、軸対称非球面の形状をしており、その対称軸が一致するように第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２が配設された共軸系として構成されている。そして、この投射光学系３３の画像表示装置３２側の開口数が０．１以上となるように投射光学系３３を構成することにより、小型で、製作が容易で、画像表示装置３２が小さくても十分な光量を確保できるプロジェクタ３０を構成することができる。この場合、投射光学系３３は反射光学系で構成されているため、色収差の問題は生じることがない。
【００１８】
さらに、第１ミラーＭ１の反射面の曲率半径をｒ１とし、第２ミラーＭ２の反射面の曲率半径をｒ２としたとき、次に示す条件式（１）を満足するように構成することが好ましい。
【００１９】
【数１】
１．３｜ｒ１｜  ≧  ｜ｒ２｜  ≧  ｜ｒ１｜          （１）
【００２０】
第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２の反射面の曲率半径ｒ１，ｒ２の比が１に近いほど、ペッツヴァル和が０に近くなる。そのため、条件式（１）の範囲内で第ミラーＭ１と第２ミラーＭ２の反射面が形成されていれば、非点収差及び像面湾曲の補正が容易な、斜め投影に適した投射光学系３３を持つプロジェクタ３０を構成することができる。
【００２１】
このように構成されたプロジェクタ３０において、投射光学系３３を用いて画像表示装置３２から出射された光束を投影すると、この投射光学系３３により画像が歪んで投影されてしまう。そのため、外部装置４０から得た画像信号を、制御装置３１において、図３に示すように歪ませた画像として画像表示装置３２から出射するように補正をかけることにより歪みの少ない投影画像を得ることができる。
【００２２】
投射光学系３３の拡大倍率が大きい場合は、図４に示すように、画像表示装置３２（出射面Ｏ）を像面とし、投影画像（投影面Ｉ）が無限遠にある無限遠系と見なすことが可能であり、この場合、投射光学系３３の焦点距離をｆとすると、この投影面Ｉから出射した光線の投射光学系３３への入射角ωと、この光線が投射光学系３３により出射面Ｏに結像した像位置ｈの関係が通常の正射影ｈ＝ｆｔａｎωではなく、ｈ＝ｆｓｉｎωの射影関係として成り立つ。
【００２３】
このように投射光学系３３においてｈ＝ｆｓｉｎωの射影関係が成り立つ場合、出射面Ｏにおいて、光軸（第１ミラーＭ１と第２ミラーＭ２の対称軸）からの距離ｈ′の位置から出射した光線が投射光学系３２を通って出射するときの主光線の光軸とのなす角度（以下、「出射角」と呼ぶ）をθとしたとき、次に示す条件式（２）の関係を満たすように制御装置３１で画像を歪ませて画像表示装置３２から出射するように構成することにより、歪みのより少ない投影画像を得ることができる。
【００２４】
【数２】
ｈ′  ＝  ｆｓｉｎθ                    （２）
【００２５】
また、投射光学系３３を無限遠系と見なしたときに、ｈ＝ｆｓｉｎωの射影関係が成り立つ場合、投射面Ｉにおいて出射角θが大きい位置にある投影画像ほど引き延ばされて暗くなってしまう。このため、投影画像を一様な明るさにする場合には、出射角θが大きい位置に対応する画像ほど光量を多くするように制御する必要がある。特に、画像の一画素からの放射強度を１／ｃｏｓ４θに比例するように、出射角θが大きいほど明るくした場合、投影画像の明るさの一様性がより一層向上する。
【００２６】
この出射角θと投影画像の明るさの関係は、以下のように説明することができる。なお、投射光学系３３は、上述のようにｈ＝ｆｓｉｎω（ｈ′＝ｆｓｉｎθ）の射影関係があるものとし、図４において、光軸方向をＺ、光軸に垂直で入射角を含む方向をＹ、ＹＺ面に垂直な方向をＸとして説明する。
【００２７】
出射角θの主光線の回りの微小角δθによる画像と投影画像の面積を考える。投影画像のＹ方向の微小長さδＹは、式（３）のように表され、Ｘ方向の微小長さδＸは、式（４）のように表される。
【００２８】
【数３】
2005010295.tif 000003
【００２９】
ここで、ｚは投影画像から瞳までのＺ方向の距離である。一方、対応する画像のＹ方向の微小長さδＹ′は、式（５）のように表され、Ｘ方向の微小長さδＸ′は式（６）のように表される。
【００３０】
【数４】
2005010295.tif 000004
【００３１】
よって、投影画像の微小面積δＳは、式（７）のように表され、画像の微小面積δＳ′は、式（８）のように表されるため、その比は式（９）のように表される。
【００３２】
【数５】
2005010295.tif 000005
【００３３】
以上より、式（９）で示した関係は、画像表示装置３２から出射される画像が、面積で１／ｃｏｓ４θだけ引き延ばされた投影画像となることを表している。そのため、その分だけ投影画像は暗くなるので、画像の方でｃｏｓ４θに反比例するように、画像の面積比に応じて光量を多くする補正を行えば、スクリーンの反射角度特性その他の影響を無視すれば、一様な明るさとすることができる。
【００３４】
なお、画像の光量を補正する方法としては、画像表示装置３２から出射される画像の輝度や開口面積を調整する方法、照明系の開口数や照明時間を制御する方法、若しくは、照明光の透過率を制御する方法が考えられる。
【００３５】
以上に説明した本発明に係るプロジェクタ３０に用いられる投射光学系３３は、通常の液晶プロジェクタに使用される投射光学系としても利用することができる。この投射光学系３３は、反射ミラー２枚（Ｍ１，Ｍ２）から構成されているため、プラスティックモールドレンズ等を使用すれば、安価に構成することができる。また、石英やパイレックス（登録商標）のような熱膨張率の低い硝材を使い、画像表示装置３２やミラーＭ１，Ｍ２の間の距離を熱膨張率の低い材質で構成すれば、非常に熱変動に強い投射光学系３３を構成することができる。
【００３６】
上述の説明では、本発明に係るプロジェクタ３０の投射光学系３３は、凹凸２枚のミラー（Ｍ１，Ｍ２）から構成しているが、図示しない照明光学系や制御装置３１の配置のためや、全体の構成との関係で、第１及び第２ミラーＭ１，Ｍ２と画像表示装置３２との間や、投射光学系３３の投影側に平面ミラーを配置する可能性がある。平面ミラーは収差には影響を与えないので、平面ミラーが加わっても本発明は適用可能である。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明に係るプロジェクタ３０の具体的な実施例について説明する。下に示す２つの実施例は、図５及び図８に示す構成となっている。なお、いずれの実施例においても、投射光学系３３は、上述したような第１ミラーＭ１、絞りＳ及び第２ミラーＭ２で構成されている。
【００３８】
各実施例において、第１及び第２ミラーＭ１，Ｍ２に形成された反射面は、下に示す式（１０）で表される軸対称非球面形状をしている。
【００３９】
【数６】
2005010295.tif 000006
【００４０】
式（１０）において、Ｚは光軸と非球面の交点を含み、且つ、光軸に垂直な基準平面からの非球面の変位量（サグ量）であり、ｙは光軸からの距離であり、Ｒは光軸上の曲率半径であり、Κは円錐係数であり、Ａは４次の非球面係数であり、Ｂは６次の非球面係数であり、Ｃは８次の非球面係数である。
【００４１】
なお、以下の実施例では、波長５００ｎｍの光線に対する結像性能を評価しているが、反射光学系で構成されているために色収差が発生しないので、波長は本質的な問題ではない。
【００４２】
（第１実施例）
図５は、本発明の第１実施例に係るプロジェクタ３０における要部の光路図である。また、下の表１に、本第１実施例における光学系の諸元を示す。表１における面番号０〜３は本発明に係るプロジェクタに関するものであり、それぞれ図５における符号０〜３に対応し、第０面は出射面Ｏを、第１面は第１ミラーＭ１の反射面を、第２面は絞りＳを、第３面は第２ミラーＭ２の反射面をそれぞれ表しており、この関係は以降の実施例でも同様である。なお、表１におけるｆは投射光学系３３の焦点距離を、ＮＡは投射光学系３３の画像表示装置３２側の開口数を、βは投射光学系３３の倍率を、ｒは曲率半径を、ｄは面間隔をそれぞれ示している。また、非球面係数Ａ，Ｂ，Ｃにおいて、「Ｅ−０９」等は「×１０−０９」等を示す。以上の表１の記号の説明は、以降の実施例においても同様である。また、以下の全ての諸元値において掲載されている、焦点距離ｆ、曲率半径ｒ、面間隔ｄその他の長さの単位は、特記の無い場合、一般に「ｍｍ」が使われる。
【００４３】
【表１】
2005010295.tif 000007
【００４４】
本第１実施例において、投影画像は第２ミラーＭ２から光軸方向に３００ｍｍ離れた位置に２００ｍｍ（Ｙ）×３００ｍｍ（Ｘ）の大きさに投影される。この投影画像は、図１１に示すとおり、Ｙ方向には光軸からずれた位置に投影され、投影位置は光軸から１００ｍｍ〜３００ｍｍとなっている。また、投影画像側の主光線の光軸に対する角度（上述の出射角θ）は、１８．１８°から４７．８１°の範囲になっている。
【００４５】
図５及び表１から分かるように、本第１実施例に係る投射光学系３３は非常に小さく、約３０ｍｍ（光軸方向）×２０ｍｍ×２０ｍｍである。また、投射光学系３３の画像表示装置３２側はほぼテレセントリックになっている。
【００４６】
倍率βから計算される画像表示装置３２の出射面Ｏ（画像）のサイズは８．８１ｍｍ（Ｙ）×１３．２２ｍｍ（Ｘ）であるが、実際には歪曲収差の補正のために、図３のようになる。図３において、ＸＹ座標の（０，０）の位置が光軸であり、サイズはおおよそ５．０３ｍｍ（Ｙ）×１０．１６ｍｍ（Ｘ）となる。そのため、光軸から最も遠い部分のこの光軸からの距離は８．８８１ｍｍであり、対応する投影画像の主光線の出射角θ＝４７．８１°から計算されるｆｓｉｎθ＝８．８９１ｍｍとほぼ一致する。よって、画像表示装置３２の画像をｆｓｉｎθになるように歪ませることにより、ほぼ歪みのない投影画像を得ることができる。なお、図３における画像の位置ａ〜ｅと、図１１における投影画像の位置ａ〜ｅとが対応している。
【００４７】
図６に第１実施例における諸収差図を示し、図７にＭＴＦ（デフォーカス特性）を示す。これらの評価は、画像表示装置３２のピクセルサイズとの比較がしやすいように、画像表示装置３２側で行っており、ＭＴＦは１０μｍのピクセルサイズのナイキスト周波数である５０ｌｐ／ｍｍ（ｌｐはラインペアを示す）で評価している。このＭＴＦの評価位置は、図１１のａ〜ｅである。図６及び図７から分かるように、歪曲収差を除いて良好に収差補正されている。
【００４８】
（第２実施例）
図８に、本発明の第２実施例にかかるプロジェクタにおける要部の光路図を示す。本第２実施例では、投射光学系３３から２．５ｍ程度離れた位置で、１００インチサイズに画像を拡大表示する場合を示している。この第２実施例における光学系の諸元を表２に示す。
【００４９】
【表２】
2005010295.tif 000008
【００５０】
本第２実施例において、投影画像は第２ミラーＭ２から光軸方向に２．５ｍ離れた位置に１５００ｍｍ（Ｙ）×２０００ｍｍ（Ｘ）の大きさの拡大像が投影される。図１１に示すように、Ｙ方向には光軸からずれた位置に投影され、投影位置は光軸から７００ｍｍ〜２２００ｍｍになっている。また、投影画像側の主光線の光軸に対する角度（出射角θ）は、１５．５３°から４３．８３°の範囲になっている。また、投射光学系３３の画像表示装置側はほぼテレセントリックになっている。
【００５１】
倍率βから計算される画像表示装置３２の出射面Ｏ（画像）のサイズは３３．２５ｍｍ（Ｙ）×４４．３３ｍｍ（Ｘ）であるが、実際には歪曲収差の補正のために歪んでいて、サイズはおおよそ２０．３９ｍｍ（Ｙ）×３５．７２ｍｍ（Ｘ）となる。光軸から最も遠い部分のこの光軸からの距離は３４．６１６ｍｍであり、対応する投影画像の主光線の出射角θ＝４３．８３°から計算されるｆｓｉｎθ＝３４．６２６ｍｍとほぼ一致する。よって、画像表示装置３２の画像をｆｓｉｎθになるように歪ませることにより、ほぼ歪みのない投影画像を得ることができる。
【００５２】
図９に第２実施例における諸収差図を示し、図１０にＭＴＦを示す。これらの評価は、画像表示装置３２側で行っており、ＭＴＦは２０μｍのピクセルサイズのナイキスト周波数である２５ｌｐ／ｍｍで評価している。ＭＴＦの投影画像側の評価位置を図１１のａ〜ｅに示す。図９及び図１０から分かるように、歪曲収差を除いて良好に収差補正されている。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、凹凸２枚の軸対称非球面ミラーを使用して、コンパクトで安価且つ、解像力に優れた斜め投影できるプロジェクタを構成することができる。また、画像表示装置の画像を制御することにより、より画像品質に優れたプロジェクタを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプロジェクタの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施例に係る光学系を上方から見た場合の光路図である。
【図３】本発明の第１実施例に係る画像表示装置の画像を示す図である。
【図４】画像と投影画像の位置関係を示す図である。
【図５】本発明の第１実施例に係る要部を側面から見た場合の光路図である。
【図６】本発明の第１実施例に係る諸収差図である。
【図７】本発明の第１実施例に係るＭＴＦである。
【図８】本発明の第２実施例に係る要部を側面から見た場合の光路図である。
【図９】本発明の第２実施例に係る諸収差図である。
【図１０】本発明の第２実施例に係るＭＴＦである。
【図１１】投影画像の大きさと位置を示す図である。
【符号の説明】
３０  プロジェクタ
３１  制御装置
３２  画像表示装置
３３  投射光学系
Ｍ１  第１ミラー
Ｍ２  第２ミラー
Ｏ  出射面
Ｉ  投影面
【図１】
2005010295.tif 000009
【図２】
2005010295.tif 000010
【図３】
2005010295.tif 000011
【図４】
2005010295.tif 000012
【図５】
2005010295.tif 000013
【図６】
2005010295.tif 000014
【図７】
2005010295.tif 000015
【図８】
2005010295.tif 000016
【図９】
2005010295.tif 000017
【図１０】
2005010295.tif 000018
【図１１】
2005010295.tif 000019