(57)【要約】  【課題】  構成の簡易化およびサイズの小型化を実現でき、且つ、映像投射に必要となる空間を縮小化できるようにする。  【解決手段】  プロジェクションシステムは、光を出射するプロジェクタ２と、プロジェクタ２から出射された光に基づき映像を表示する映像表示装置とを備える。プロジェクタ２は、光を出射する光源と、光源から出射された光を集光する集光体と、集光体から出射された光を変調する液晶表示部と、液晶表示部を通過した光を合成する合成部とを備える。映像表示装置は、プロジェクタ２が背面に設けられたスクリーン１と、プロジェクタ２から出射された光を集光する凹面ミラー３と、凹面ミラー３により集光された光をスクリーン１の背面側から前面側に向けて反射する反射ミラー４と、反射ミラー４により反射された光を拡散し、スクリーン１に投射する凸面ミラー５とを備える。これにより、プロジェクタ２から出射される光をスクリーン１の背面側から前面側に回すようにしてスクリーン１に投射することができる。【選択図】  図２
2007010787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射するプロジェクタと、
上記プロジェクタから出射された光に基づき映像を表示する映像表示装置と
を備え、
上記プロジェクタは、
光を出射する光源と、
上記光源から出射された光を集光する集光体と、
上記集光体から出射された光を変調する液晶表示部と、
上記液晶表示部を通過した光を合成する合成部と
を備え、
上記映像表示装置は、
上記プロジェクタが背面に設けられたスクリーンと、
上記プロジェクタから出射された光を上記スクリーンに投射する結像光学系と
を備え、
上記結像光学系は、
上記プロジェクタから出射された光を集光する凹面ミラーと、
上記凹面ミラーにより集光された光を上記スクリーンの背面側から前面側に向けて反射する反射ミラーと、
上記反射ミラーにより反射された光を拡散し、上記スクリーンに投射する凸面ミラーと
を備えることを特徴とするプロジェクションシステム。
【請求項２】
上記集光体は、
入射側端面と、
上記入射側端面の中心線と同軸上に対向すると共に入射側端面よりも面積の大きな出射側端面と、
上記中心線を含む断面において上記入射側端面の端点を焦点とする放物線を１または２以上含む放物面からなる側面とを有し、
上記入射側端面を介して入射した光を集光し、上記出射側端面から一定の出射角度の範囲内で出射することを特徴とする請求項１記載のプロジェクションシステム。
【請求項３】
上記プロジェクタは、上記集光体と上記液晶表示部との間にモーフィング部をさらに備え、
上記モーフィング部の形状は、上記集光体の出射側端面の形状から上記液晶表示部の表示面の形状に連続的に変化することを特徴とする請求項１記載のプロジェクションシステム。
【請求項４】
光を出射する光源と、
上記光源から出射された光を集光する集光体と、
上記集光体から出射された光を変調する液晶表示部と、
上記液晶表示部を通過した光を合成する合成部と
を備えることを特徴とするプロジェクタ。
【請求項５】
スクリーンと、
上記スクリーンの背面側に設けられたプロジェクタから出射された光を上記スクリーンに投射する結像光学系と
を備え、
上記結像光学系は、
上記プロジェクタから出射された光を集光する凹面ミラーと、
上記凹面ミラーにより集光された光を上記スクリーンの背面側から前面側に向けて反射する反射ミラーと、
上記反射ミラーにより反射された光を拡散し、上記スクリーンに投射する凸面ミラーと
を備えることを特徴とすることを特徴とする映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、スクリーンに映像を投射するプロジェクタ、映像表示装置およびプロジェクションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、前面投射型のプロジェクションシステムは、ビジネス用途から教育用途まで広く使用されている。このプロジェクションシステムは、プロジェクタおよびスクリーンから構成され、スクリーンは、プロジェクタから離れた位置にプロジェクタの光軸（共軸）に対して垂直になるように配置されるのが一般的である。
【０００３】
プロジェクタは、大画面投射のために高出力を有し、照明光学系および結像光学系から構成されている。照明光学系は、光源、レンズおよび表示デバイスなどの光学部品から構成されている。表示デバイスとしては、液晶パネル、デジタル・マイクロミラー・デバイス(ＤＭＤ：Digital Micro-Mirror Device)またはグレーティング・ライト・バルブ(ＧＬＶ：Grating Light Valve)などが用いられる。
【０００４】
結像光学系は、照明光学系からの出射光をスクリーンに結像させるための結像レンズを備える（例えば特許文献１参照）。このように結像レンズを備えることにより、プロジェクタとスクリーンとの間の投射スペースをある程度省略できるので、室内で使用することが可能となる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２８７６７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の前面投射型のプロジェクションシステムには、以下の２つの問題点がある。まず、第１の問題点として、プロジェクタの構成の簡易化およびサイズの小型化が困難であることが挙げられる。上述のように結像光学系には結像レンズが備えられるが、この結像レンズは、屈折率を有するガラスまたはプラスチックなどで形成されているため、光が結像レンズを通過することで収差が生じてしまう。この収差を補正するためには、広角で屈折率の異なる複数のレンズを使用しなくてはならず、プロジェクタの構成が複雑になるとともに、プロジェクタのサイズが大きくなってしまう。
【０００７】
また、第２の問題点として、映像投射には広い空間が必要であるということが挙げられる。プロジェクタはスクリーンに正対して配置されるため、プロジェクタとスクリーンとの間にある程度の空間が生じてしまう。このように、スクリーンとプロジェクタとの間に空間が生じてしまうと、映像の投射中にその空間に物体または人物が存在した場合、スクリーン上の映像に影が生じてしまい、うまく投射できなくなる。
【０００８】
したがって、この発明の目的は、構成の簡易化およびサイズの小型化を実現できるプロジェクタ、映像表示装置およびプロジェクションシステムを提供することにある。
【０００９】
また、この発明の目的は、映像投射に必要となる空間を縮小化できるプロジェクタ、映像表示装置およびプロジェクションシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するために、第１の発明は、
光を出射するプロジェクタと、
プロジェクタから出射された光に基づき映像を表示する映像表示装置と
を備え、
プロジェクタは、
光を出射する光源と、
光源から出射された光を集光する集光体と、
集光体から出射された光を変調する液晶表示部と、
液晶表示部を通過した光を合成する合成部と
を備え、
映像表示装置は、
プロジェクタが背面に設けられたスクリーンと、
プロジェクタから出射された光をスクリーンに投射する結像光学系と
を備え、
結像光学系は、
プロジェクタから出射された光を集光する凹面ミラーと、
凹面ミラーにより集光された光をスクリーンの背面側から前面側に向けて反射する反射ミラーと、
反射ミラーにより反射された光を拡散し、スクリーンに投射する凸面ミラーと
を備えることを特徴とするプロジェクションシステムである。
【００１１】
第２の発明は、
光を出射する光源と、
光源から出射された光を集光する集光体と、
集光体から出射された光を変調する液晶表示部と、
液晶表示部を通過した光を合成する合成部と
を備えることを特徴とするプロジェクタである。
【００１２】
第３の発明は、
スクリーンと、
スクリーンの背面側に設けられたプロジェクタから出射された光をスクリーンに投射する結像光学系と
を備え、
結像光学系は、
プロジェクタから出射された光を集光する凹面ミラーと、
凹面ミラーにより集光された光をスクリーンの背面側から前面側に向けて反射する反射ミラーと、
反射ミラーにより反射された光を拡散し、スクリーンに投射する凸面ミラーと
を備えることを特徴とすることを特徴とする映像表示装置である。
【００１３】
第１および第２の発明では、集光体は、
入射側端面と、
入射側端面の中心線と同軸上に対向すると共に入射側端面よりも面積の大きな出射側端面と、
中心線を含む断面において入射側端面の端点を焦点とする放物線を１または２以上含む放物面からなる側面とを有し、
入射側端面を介して入射した光を集光し、出射側端面から一定の出射角度の範囲内で出射することが好ましい。
【００１４】
第１および第２の発明では、プロジェクタは、集光体と液晶表示部との間にモーフィング部をさらに備え、
モーフィング部の形状は、集光体の出射側端面の形状から液晶表示部の表示面の形状に連続的に変化することが好ましい。
【００１５】
第１の発明では、典型的には、プロジェクタ、結像光学系およびスクリーンが共通の光軸を有する。また、第３の発明では、典型的には、結像光学系およびスクリーンが共通の光軸を有する。また、第１および第３の発明では、映像表示装置を小型化するためには、結像光学系はスクリーンの近傍に設けることが好ましい。
【００１６】
第１および第２の発明では、プロジェクタから出射される光を凹面ミラーにより集光してスクリーンの上方もしくは下方または側方に向け、反射ミラーによりスクリーンの背面側から前面側に向けて反射し、凸面ミラーにより拡散してスクリーンに投射するので、プロジェクタから出射される光をスクリーンの背面側から前面側に回すようにしてスクリーンに投射することができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、この発明によれば、スクリーンの背面側および前面側に設けられた複数のミラーによって映像を結像することができるので、従来のようにプロジェクタ内に結像光学系を設ける必要がない。したがって、プロジェクタの構成の簡易化およびサイズの小型化を実現できる。
【００１８】
また、プロジェクタから出射された光を凹面ミラーにより集光し、反射ミラーによりスクリーン背面側から前面側に導いた後、凸面ミラーによりスクリーン前面側に投射することができるので、従来よりも映像投射に必要となる空間を縮小化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。
【００２０】
この第１の実施形態によるプロジェクションシステムは、屈折率を有する照明・結像系レンズを使用せずに、映像をスクリーン上に結像することができる前面投射型のプロジェクションシステムである。このプロジェクションシステムでは、例えば、２０〜３０インチ程度の映像をスクリーンに投射することができる。
【００２１】
図１は、この第１の実施形態によるプロジェクションシステムの外観を示す模式図である。図２は、この第１の実施形態によるプロジェクションシステムの概略構成を示す側面図である。この第１の実施形態によるプロジェクションシステムは、光を出射するプロジェクタ（照明光学系）２と、正のレンズパワーを有する凹面非球面ミラー３と、光路を例えば９０°変更する平面ミラー４と、負のレンズパワーを有する凸面非球面ミラー５と、映像が投射されるスクリーン１とを備える。なお、以下では、スクリーン１の映像が投射される側を前面側と称し、それとは反対の側を背面側と称する。
【００２２】
プロジェクタ２、凹面非球面ミラー３および平面ミラー４はスクリーン１の背面側に設けられ、凸面非球面ミラー５はスクリーン１の前面側に設けられている。これらのプロジェクションシステムを構成する各部は全て共軸系で配置されている。
【００２３】
スクリーン１の背面側には筐体６が備えられ、この筐体６内に、プロジェクタ２、凹面非球面ミラー３および平面ミラー４が収納されている。スクリーン１の前面側にはアーム７が備えられ、このアーム７により凸面非球面ミラー５が支持されている。
【００２４】
プロジェクタ２とスクリーン１とは一体型をなしている。プロジェクタ２は、このプロジェクタ２の物点の光が進行する光軸と、スクリーン１の主面とが平行になるように設けられている。なお、プロジェクタ２は、凹面非球面ミラー３により反射された光がプロジェクタ２によって遮られてしまうことを防ぐために、システム全体の共軸（光軸）上には設置されず、共軸から離れた位置に設けられる。
【００２５】
図３に、プロジェクタ２に備えられた液晶パネルの中心（重心）から共軸までの距離と共軸からスクリーン１上に投射される映像の中心までの距離との関係の一例を示す。図３に示すように、共軸からスクリーン１上に投射される映像の中心までの距離は、液晶パネルの中心（重心）から共軸までの距離に比例して増加する。この距離の関係は、例えば直線ｙ＝２８．７１６ｘにより表される。
【００２６】
凹面非球面ミラー３は、その凹面がプロジェクタ２と対向するようにプロジェクタ２の出射側近くに設けられる。また、凹面非球面ミラー３は、プロジェクタ２の光軸と同一軸上に位置する。
【００２７】
平面ミラー４は、スクリーン１の下方に設けられている。この平面ミラー４は、凹面非球面ミラー３からの入射光をスクリーン１の背面側から前面側に向けて反射して、凹面非球面ミラー３からの入射光の光路を例えば時計回りの方向に９０°変更するように設定される。
【００２８】
凸面非球面ミラー５は、視認者から見てこのミラー自体が投射映像に入らないように、スクリーン１の下側に設けられ、スクリーン１上に映像を斜めに投射する。凸面非球面ミラー５は、例えば平面ミラー４と同一高さに設定される。
【００２９】
次に、上述のプロジェクションシステムを構成する各部について順次説明する。
プロジェクタ
図４Ａは、この発明の第１の実施形態によるプロジェクタの概略構成を示す上面図である。図４Ｂは、この発明の第１の実施形態によるプロジェクタの概略構成を示す側面図である。このプロジェクタ２は、支持体１１、発光部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ、導波路パイプ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ、液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂおよびプリズム１５を備える。
【００３０】
支持体１１は、発光部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ、導波路パイプ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ、液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂおよびプリズム１５を支持するためのものである。支持体１１は、例えばＴの字状の形状を有し、そのＴの字状の交差部分にはプリズム１５が設けられている。３方向に延びた部分の端部にはそれぞれ発光部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂが設けられ、プリズム１５の発光部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂと対向する３方の面にはそれぞれ液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂが設けられる。そして、発光部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂと液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂとの間にはそれぞれ、導波路パイプ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂが設けられている。
【００３１】
発光部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂはそれぞれ赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光を出射可能なものであり、例えばＬＥＤ(Light Emitting Diode)などの光源を備えている。
【００３２】
導波路パイプ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂはそれぞれ、発光部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂより出射された光を液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂに導くためのものである。この導波路パイプ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂは、例えばガラス、プラスチックまたは石英などにより構成される。ガラスとしては、例えば、クラウンガラスまたはフリントガラスといった光学ガラスを使用でき、具体的には例えば、ホウ素と珪素とを含有する光学ガラスであるＢＫ７を用いることができる。プラスチックとしては、例えばアクリル樹脂（ＰＭＭＡ）を使用できる。
【００３３】
図４Ｂに示すように、導波路パイプ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂは、集光体２１およびモーフィングパイプ２２から構成される。集光体２１とモーフィングパイプ２２とは一体成形されている。この集光体２１は、発光部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂから出射された光を高効率で収集するものであり、例えば発光部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂから出射された光の９８％を集光体内に集光することが可能である。
【００３４】
導波路パイプ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂの光入射口は、集光体２１の特性上円形を有しているのに対して、光出射口は液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの表示面と同形状の四角形状を有する。このような構成により、発光部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂから出射された光の集光と、発光部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂから液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの表示面までの光路短縮および面内の輝度分布の均一化とをすることができる。
【００３５】
なお、導波路パイプ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂの形状は上述の例に限定されるものではなく、導波路パイプ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂを光軸に対し回転対称系とすることもできる。但し、導波路パイプ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂを光軸に対し回転対称系とした場合には、パイプ断面が円形であるのに対して、液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの表示面の形状が四角形（通常は長方形）であり、液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂにくまなく光を照射するためにはパイプから出射された光の一部を捨てることになってしまう。これに対して、上述のように、導波路パイプ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂの断面を円形から四角形に連続的に変化させるモーフィング技術を利用したものを用いた場合には、導波路パイプ１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂから出射された光の一部を捨てることなく、液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂにくまなく光を照射できるので、発光部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂからの出射光を有効に活用することができる。
【００３６】
図５は、発光部１２Ｇおよび集光体２１の一構成例を示す断面図である。発光部１２Ｇは、光反射鏡付き支持体３１と、この光反射鏡付き支持体３１上に設けられた光源３２と、光反射鏡付き支持体３１と集光体２１とを接合する接合部３３とを備える。
【００３７】
光反射鏡付き支持体３１は、光源３２の支持体であると共に、光源３２から発せられた緑色光の一部を反射し、集光体２１の方向へ導くためのものである。この光反射鏡付き支持体３１は、例えば、支持体と、この支持体の集光体２１と対向する側の面に設けられた反射膜とからなる。反射膜は、例えば蒸着法により支持体上に形成されたアルミ膜である。なお、発光部１２Ｒ，１２Ｂの構成はそれぞれ光源３２として赤色光、青色光を出射するものを備える以外のことは、上述の発光部１２Ｇと同様である。
【００３８】
光反射鏡付き支持体３１上に配置された光源３２は、点光源または面光源のどちらから構成してもよい。前者としては、例えば冷却陰極管（ＣＣＦＬ：Cold Cathode Fluorescent Lamp）などが挙げられ、後者としては、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）などが挙げられる。
【００３９】
集光体２１は、発光部１２Ｇからの入射光を集光すると共に、これらの光を一定の出射角度の範囲内で出射するものである。この集光体２１は、発光部１２Ｇ上に配置される。
【００４０】
図６は、集光体２１の一形状例を示す斜視図である。この集光体２１は略円錐台形状を有している。以下では、集光体２１の上底側（図６では下側）を入射側端面４２、集光体２１の下底側（図６では上側）を出射側端面４３と称する。
【００４１】
入射側端面４２は、光源３２からの入射光ＬＩが入射される面である。この入射側端面４２は光源３２に対向しており、その端面の形状は、例えば点Ｃ１を中心とする円形状である。
【００４２】
側面４１は、入射側端面４２に入射された入射光ＬＩを集光する面である。この側面４１は、例えば、放物線を中心線ＬＣの周りを回転することにより得られる放物面であり、その放物線は、例えば、中心線ＬＣを含む面内において、入射側端面の一方の端点を焦点とし、入射側端面４２の他方の端点と出射側端面４３の他方の端点とを通るものである。
【００４３】
出射側端面４３は、側面４１において集光された入射光ＬＩを出射光ＬＯとして出射する面である。出射側端面４３は、例えば点Ｃ２を中心とする円形状である。なお、この出射側端面４３は、入射側端面４２よりも大きな面積を有する。また、入射側端面４２と出射側端面４３とは平行であり、入射側端面４２の点Ｃ１と出射側端面４３の点Ｃ２とは中心線ＬＣに含まれる。
【００４４】
図７は、中心線ＬＣを含むように集光体２１を切断したときの断面を示す。図７に示すように、この集光体２１の断面は、入射側端面４２内にて点Ｃ１を通る線分ａ−ｂと、出射側端面４３内にて点Ｃ２を通る線分ａ0−ｂ0と、一対の放物線ａ−ｂ0，ｂ−ａ0とにより規定される。
【００４５】
放物線ｂ−ａ0は、線分ａ−ｂの一方の端点ａを焦点とし、線分ａ−ｂの他方の端点ｂと線分ａ0−ｂ0の一方の端点ａ0とを通る放物線Ａの一部である。放物線ａ−ｂ0は、線分ａ−ｂの他方の端点ｂを焦点とし、線分ａ−ｂの一方の端点ａと線分ａ0−ｂ0の他方の端点ｂ0とを通る放物線Ｂの一部である。また、図７中の直線Ａ１、Ｂ１はぞれぞれ、これらの放物線Ａ，Ｂの対称軸を表し、角度θはこれらの対象軸Ａ１，Ｂ１同士がなす角度を表している。
【００４６】
集光体２１に、例えば光源３２からの発光光線Ｌ１が入射した場合、その光は放物線ｂ−ａ0上で全反射され、出射側の線分ａ0−ｂ0間から出射される。また、例えば入射側の線分ａ−ｂにほぼ沿った方向から発光光線Ｌ２が入射した場合にも、その光は放物線ａ−ｂ0もしくはｂ−ａ0上の焦点ａもしくは焦点ｂの近傍で全反射され（図７に示す例では焦点ａの近傍で全反射され）、出射側の線分ａ0−ｂ0上の端点ａ0または端点ｂ0の近傍から出射される（図７に示す例では、端点ａ0の近傍から出射される）。その際の発光光線Ｌ２の光路は、対称軸Ｂ１または対称軸Ａ１と平行になる（図７に示す例では、対称軸軸Ｂ１と平行になる）ので、以下の式（２）の関係が成り立つ。
（対象軸同士がなる角度）＝（出射側端面からの出射光の最大出射角度）＝θ      （１）
【００４７】
よって、光源３２が発する光の出射角度が１８０°未満であれば、その光源３２を図５に示したように集光体２１の下方に配置し、その光源３２から光を入射側端面４２に入射させることで、光のほとんどを側面４１において集光し、出射側端面４３から最大出射角度θの範囲内で出射させることができる。このようにして、光源３２から出射された光の利用効率を大幅に向上させることができる。
【００４８】
例えば、図６の例では、入射側端面４２の直径をＲin、出射側端面４３の直径をＲout、出射光の最大出射角度をθとすると、Ｒin、Ｒoutおよびθは、以下の式（２）の関係を満たす。
Ｒout＝Ｒin／ｓｉｎθ      （２）
【００４９】
よって、上述のように出射光の出射角度は１８０°未満であるので、出射側端面４３の直径Ｒoutの方が、入射側端面４２の直径Ｒinよりも大きくなる。すなわち、上述のように、出射側端面４３の面積のほうが、入射側端面４２の面積よりも大きくなる。
【００５０】
このような構成によって、光源３２から発せられた光が、集光体２１に入射側端面４２から入射し、所定の放物面からなる側面４１において集光され、入射側端面４２よりも面積の大きな出射側端面４３から出射される。この側面４１は、例えば入射側の線分ａ−ｂの端点ａ，ｂをそれぞれ焦点とする放物線Ａ，Ｂの一部（放物線ａ−ｂ0，ｂ−ａ0）を、中心線ＬＣを軸として回転させてなる放物面である。これにより、放物線Ａ，Ｂの対称軸Ａ１，Ｂ１同士がなす角度θと、集光体２１からの出射光の最大出射角度θとが等しくなる。したがって、光源３２が発する光の出射角度が１８０°未満であれば、その光源３２を図５に示したように集光体２１の下方に配置し、その光を入射側端面４２から入射させることで、光のほとんどを側面４１において集光させると共に、出射側端面４３から最大出射角度θの範囲内で出射させることができる。
【００５１】
次に、集光体２１の光利用効率について説明する。集光体２１の光利用効率は、例えば、光源３２が発した光束量と集光体２１が出射した光束量とを比較することにより求められる。光束量の測定には、例えば積分球が用いられる。
【００５２】
図８は、集光体２１（光源３２として、３ｍｍ×３ｍｍの大記載のＬＥＤを使用）の光束量を積分球を用いて測定した結果を表すものである。この図において、縦軸は単位波長あたりの光束量（ｌｍ／ｎｍ）を表し、横軸は集光体２１からの出射光の波長（ｎｍ）を表す。また、図中の波形Ｐ１は、光源３２からの出射光の光束量を表し、波形Ｐ２は、集光体２１からの出射光、すなわち集光体２１において集光後の光の光束量を表す。
【００５３】
図８に示すように、波形Ｐ１と波形Ｐ２とは、ほぼ同様の波形であることが分かる。また、これらの波形における光束量の差を求めると約２（ｌｍ／ｎｍ）であり、集光体２１は、ＬＥＤよりなる光源３２からの出射光のうち、約９４％、すなわちほとんどの光を集光していることが分かる。
【００５４】
モーフィングパイプ２２は、集光体２１により集光された光を液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂに導くためのものである。モーフィングパイプ２２の形状は、集光体２１の出射側端面の形状から液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ、１４Ｂの表示面の形状に連続的に変化する。すなわち、モーフィングパイプ２２の入射側端面は集光体２１の出射側端面と同一形状を有し、モーフィングパイプ２２の出射側端面は液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの表示面と同一の形状を有する。
【００５５】
液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂは、制御部（図示省略）により制御され、発光部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂからそれぞれ出射されたＲ、Ｇ、Ｂの各色光を空間変調してプリズムに供給する。液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂとしては、例えば、光透過型の液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂが用いられる。
【００５６】
プリズムは、液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂからの出射光を１つの出射光ビームに合成し、凹面非球面ミラー３に出射するためのものである。
【００５７】
凹面非球面ミラー
凹面非球面ミラー３は、凹面形状を有する非球面ミラーであり、その基本となる形状（凹面）により光を集光する正のレンズパワーを有する光反射ミラーである。凹面非球面ミラー３の反射面には、例えば蒸着法によりアルミニウム膜がコーティングされ、このコーティングにより可視光域の反射率が、例えば約９８％に設定される。凹面非球面ミラー３の曲率半径|ｒ１|は、例えば１６０ｍｍである。また、凹面非球面ミラー３は、光を集光する機能以外に、収差の緩和・投射映像のディストーションの補正を行う機能も有するため、非球面化した形状になっている。この非球面を表す定義式は、
Ｚ＝(ｙ2/ｒ)/(１＋(１−(１＋ｋ)ｙ2/ｒ2)1/2)＋Ａｙ4＋Ｂｙ6＋Ｃｙ8＋・・・（３）
となる。
但し、式（３）に含まれる各文字は、
Ｚ：光軸と非球面ミラーの交点を含み、かつ光軸に垂直な基準平面からの非球面の変位量
Ｙ：光軸からの距離
ｒ：ミラーの曲率半径
ｋ：コーニック（円錐）係数
Ａ：４次の非球面係数
Ｂ：６次の非球面係数
Ｃ：８次の非球面係数
である。また、コーニック係数ｋは、例えばｋ＝−１．５である。式（３）の高次項は、例えば全て０であり、この場合には凹面非球面ミラー３の反射面に変極点が存在しない。
【００５８】
平面ミラー
平面ミラー４は、凹面非球面ミラー３からの入射光を反射することにより、その光路を時計周りの方向に例えば９０°変更してスクリーン１の背面側から前面側に入射光を射出するミラーである。凹面非球面ミラー３の反射面には、例えば蒸着法によりアルミニウム膜がコーティングされ、このコーティングにより可視光域の反射率は、例えば約９８％に設定される。
【００５９】
凸面非球面ミラー
凸面非球面ミラー５は、凸面形状を有する非球面ミラーであり、その基本となる形状（凸面）により光を拡散する負のレンズパワーを有する光反射ミラーである。この凸面非球面ミラー５の反射面には、例えば蒸着法によりアルミニウム膜がコーティングされ、このコーティングにより可視光域の反射率が、例えば約９８％に設定される。凸面非球面ミラー５の曲率半径|ｒ２|は、例えば１６５ｍｍである。
【００６０】
また、凸面非球面ミラー５は、光を集光する機能以外に、収差の緩和・投射映像のディストーションの補正を行う機能も有するため、非球面化した形状になっている。非球面の定義式は上述の（３）式と同様であり、コーニック係数ｋは例えばｋ＝−６．４５である。また、非球面係数は例えば全て０であり、この場合には凸面非球面ミラー５の反射面に変極点が存在しない。
【００６１】
次に、上述のように構成されたプロジェクションシステムの動作について説明する。
各発光部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂより出射されたＲＧＢの各色光は、例えばアクリル樹脂などからなる導波路パイプ１３Ｒ，１３Ｇ、１３Ｂにより集光されるとともに、面内の輝度分布が均一化されて、液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの表示面に入射される。そして、液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの表示面に入射するＲＧＢの各色光は、各色の画像が作成された液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂを通過した後、プリズム１５で合成され、プロジェクタ２の光軸と同一軸上に位置する凹面非球面ミラー３に向けて出射される。
【００６２】
凹面非球面ミラー３に入射する光は、凹面非球面ミラー３により反射されて、平面ミラー４に入射する。平面ミラー４に入射する光は、平面ミラー４によりその光路が時計回りの方向に例えば９０°傾けられて、スクリーン１の背面側から前面側に向かい、凸面非球面ミラー５に入射する。凸面非球面ミラー５に入射する光は、この凸面非球面ミラー５により、拡大・フォーカスされて、スクリーン１に投射される。上述したようにして、プロジェクタ２により作成された映像が、上述のミラー群を経てスクリーン１に結像される。
【００６３】
この第１の実施形態によるプロジェクションシステムにおいて、例えば、液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂのサイズを０．７インチとし、２０〜３０インチ程度に映像をスクリーン１に拡大投射する場合には、凹面非球面ミラー３の曲率半径ｒ１と凸面非球面ミラー５の曲率半径ｒ２との関係は|ｒ２|≒|ｒ１|となる。すなわち倍率が３０〜４０倍の場合は、曲率半径が上述の関係になる。また、例えば、使用されている非球面ミラー表面には変極点が存在しない。上述の非球面の定義式(３)より、非球面係数が全て０になるためである。
【００６４】
以下に、光学設計の寸法値の一例を示す。
液晶パネル〜凹面非球面ミラー距離＝９０．４ｍｍ
凹面非球面ミラー〜平面ミラー距離＝３１４．２ｍｍ
平面ミラー〜凸面非球面ミラー距離＝３１９．２ｍｍ
凸面非球面ミラー〜スクリーン距離＝２４９．２ｍｍ
なお、図２中にも上述の寸法値を付しているが、これらの数値は一例であってこの発明はこれらの数値に限定されるものではない。
【００６５】
この発明の第１の実施形態によれば以下の効果を得ることができる。
スクリーン１の背面側に設けられたプロジェクタ２から出射された光が、プロジェクタ２と同軸上に位置する凹面非球面ミラー３により反射されて、スクリーン１の下側に設けられた平面ミラー４により光路が時計回りの方向に例えば９０度傾くように反射され、スクリーン１の前面側に設けられた凸面非球面ミラー５によりスクリーン１に拡大投射されるので、従来のように結像レンズを用いることなく、凹面非球面ミラー３、平面ミラー４および凸面非球面ミラー５により映像をスクリーン１に結像することができる。したがって、結像光学系の構成を従来よりも簡易にできる。また、従来よりも映像投射に必要となる空間を縮小できる。
【００６６】
非球面ミラーを用いて結像光学系を構成することにより、結像光学系とスクリーン１とが一体型になったプロジェクションシステムを構築できるので、プロジェクションシステム全体をコンパクトにすることができる。
【００６７】
また、複数のレンズを用いずに、凹面非球面ミラー３、平面ミラー４および凸面非球面ミラー５によりスクリーン１に映像を結像することができるので、プロジェクションシステム全体を安価にし、かつ軽量化することができる。また、プロジェクションシステム全体を軽量化できるので、プロジェクションシステムを壁掛け等が可能なテレビなどの表示装置として使用することもできる。
【００６８】
また、集光体２１を、所定の放物面からなる側面４１を含む所定の形状から構成し、光源３２から発せられた光のほとんどを集光して出射するようにしたので、光源３２から出射される光の利用効率を向上させることができる。
【００６９】
また、集光した光を、集光体２１の側面４１の中心線ＬＣを含む断面における放物線の対象軸同士がなす角度θと等しい角度である最大出射角度θの範囲内で出射させることができるので、設計時などにあらかじめ出射光の最大出射角度を把握することが可能となる。
【００７０】
また、入射側端面４２および出射側端面４３の形状についても、前述の式（２）を満たすように設定すればよいので、容易に形成することができる。
【００７１】
さらに、光源３２についても、例えば点光源または面光源のどちらから構成してもよく、様々な構成をとることができるので、設計の自由度を向上させることができる。
【００７２】
また、ＬＥＤを光源３２として用いた場合には発光部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂそのものの大きさを数ｍｍ2と小さくでき、かつ導波路パイプ（モーフィング型集光体）１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂの断面も最大で液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂのサイズ程度にできる。すなわち、プロジェクタ２の光学部品を小型化できるので、例えば、プロジェクタ２の容量を５００ｃｃ程度まで小型化することができる。
【００７３】
次に、この発明の第２の実施形態について説明する。
図９Ａは、この発明の第２の実施形態によるプロジェクタの概略構成を示す上面図である。図９Ｂは、この発明の第２の実施形態によるプロジェクタの概略構成を示す側面図である。このプロジェクタ２は、支持体１１と、この支持体１１上に設けられた発光部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ、集光体２１、液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂおよびプリズム１５を備える。発光部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂから出射された光は、集光体２１により集光されて液晶パネル１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂの表示面に入射する。これ以外のことは上述の第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００７４】
以上、この発明の第１〜第２の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の第１〜第２の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【００７５】
例えば、上述の第１〜第２の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。
【００７６】
また、上述の第１〜第２の実施形態におけるプロジェクタに代えて、従来の背面投射型のプロジェクションシステムなどのプロジェクタを用いることも可能である。このようなプロジェクタとしては、例えばＬＣＤ（Liquid Crystal Display）方式またはＤＬＰ（Digital Light Processing）（登録商標）方式のプロジェクタを用いることができる。
【００７７】
また、上述の第１〜第２の実施形態によるプロジェクタを、従来の背面投射型のプロジェクションシステムに用いることもできる。これにより、従来の背面投射型のプロジェクションシステムを小型化することができるという効果を得ることができる。
【００７８】
また、上述の第１〜第２の実施形態において、図１０に示したように、光源３２と集光体２１における入射側端面との間の接合部に、その屈折率が集光体２１の屈折率と整合する整合層３４を設けるようにしてもよい。この整合層３４は、例えばエマージョンオイル、または水などにより構成される。例えば、前述のように集光体２１をガラス（ＢＫ７；屈折率１．４９）またはプラスチック（ＰＭＭＡ；屈折率１．５０）より構成した場合、整合層３４として、例えばその屈折率が１．５０程度であるアクリル溶液などを用いることができる。また、図１１に示したように、発光部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂの光源を面光源であるＬＥＤ光源３５により構成した場合でも、発光領域３６と集光体２１との間の接合部に、上述のような整合層３４を設けることができる。このような整合層３４を設けることで、例えばＬＥＤ光源３５と集光体２１との間に隙間があるような場合でも、整合層３４と集光体２１との界面において、ＬＥＤ光源３５からの入射光が反射されたり大きく屈折されたりすることなく集光体２１に入射され、ＬＥＤ光源３５から発せられる光の利用効率をより向上させることができる。
【００７９】
また、上述の第１〜第２の実施形態では、導波路パイプ１３Ｒ，１３Ｇ，１３ｂ全体が前述した材料で満たされている場合について説明してきたが、例えば、導波路パイプ１３Ｒ，１３Ｇ，１３ｂの内部を中空にするように構成してもよい。このような場合でも上述の第１〜第２の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。
【００８０】
また、上述の第１〜第２の実施形態では、集光体２１における入射側端面４２および出射側端面４３の形状が、中心線ＬＣとの交点Ｃ１，Ｃ２を中心とする円形である場合の例について説明してきたが、必ずしも円形である必要はなく、例えば、交点Ｃ１，Ｃ２を中心とする楕円形や多角形であってもよい。つまり、側面４１の形状が、中心線ＬＣを含む断面において、入射側端面４２の端点を焦点とする放物線を１または２種以上含むような放物面により構成されていればよく、このような場合でも上述の第１〜第２の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。
【００８１】
また、上述の第１〜第２の実施形態では、プロジェクションシステムが、スクリーン１の下方からスクリーン１に対して映像を投射する構成を有する場合について説明したが、映像の投射の方向はこの例に限定されるものではなく、スクリーン１の上方または側方から映像をスクリーン１に投射する構成とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】この発明の第１の実施形態によるプロジェクションシステムの外観を示す模式図である。
【図２】この発明の第１の実施形態によるプロジェクションシステムの一構成例を示す側面図である。
【図３】液晶パネルの中心（重心）から共軸までの距離と共軸からスクリーン上に投射される映像の中心までの距離との関係の一例を示すグラフである。
【図４】この発明の第１の実施形態によるプロジェクタの概略構成を示す上面図および側面図である。
【図５】この発明の第１の実施形態によるプロジェクタに備えられた集光体の一形状例を示す断面図である。
【図６】この発明の第１の実施形態によるプロジェクタに備えられた集光体の一形状例を示す模式図である。
【図７】この発明の第１の実施形態によるプロジェクタに備えられた集光体の形状を説明するための模式図である。
【図８】高束量の測定結果を表す特性図である。
【図９】この発明の第２の実施形態によるプロジェクタを示す上面図および側面図である。
【図１０】発光部の他の構成例を示す断面図である。
【図１１】発光部の他の構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１    スクリーン
２    プロジェクタ
３    凹面非球面ミラー
４    平面ミラー
５    凸面非球面ミラー
１１    支持体
１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ    発光部
１３Ｒ，１３Ｇ，１３Ｂ    導波路パイプ
１４Ｒ，１４Ｇ，１４Ｂ    液晶パネル
１５    プリズム
２１    集光体
２２    モーフィングパイプ
３２    光源
【図１】
2007010787.tif 000003
【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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【図７】
2007010787.tif 000009
【図８】
2007010787.tif 000010
【図９】
2007010787.tif 000011
【図１０】
2007010787.tif 000012
【図１１】
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