投射光学系及び画像投射装置
【課題】複数の曲面反射面を用いて斜め投射を行う小型の投射光学系を提供する。
【解決手段】反射光学系Rは、基準軸光線L0を像面SCに対して斜めに入射させる。反射光学系Rのうち第1反射面S1から投射像の中心に到達する基準軸光線の光路を含む第1の断面において、最終反射面S4よりも1つ前の反射面S3から導光反射面MUに至る第1の主光線L1の光路と基準軸光線の光路とが第1の交点Aで交差し、該最終反射面よりも1つ前の反射面から導光反射面に至る第2の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第2の交点Bで交差する。また、第1の断面に直交して投射像の中心を通る中心線上での第3,4の端に到達する第3,4の主光線と基準軸光線の光路とが第3,4の交点で交差する。第1及び第2の交点間の中点P1と第3及び第4の交点間の中点P2との間に少なくとも1つの反射面S4が配置されている。
【解決手段】反射光学系Rは、基準軸光線L0を像面SCに対して斜めに入射させる。反射光学系Rのうち第1反射面S1から投射像の中心に到達する基準軸光線の光路を含む第1の断面において、最終反射面S4よりも1つ前の反射面S3から導光反射面MUに至る第1の主光線L1の光路と基準軸光線の光路とが第1の交点Aで交差し、該最終反射面よりも1つ前の反射面から導光反射面に至る第2の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第2の交点Bで交差する。また、第1の断面に直交して投射像の中心を通る中心線上での第3,4の端に到達する第3,4の主光線と基準軸光線の光路とが第3,4の交点で交差する。第1及び第2の交点間の中点P1と第3及び第4の交点間の中点P2との間に少なくとも1つの反射面S4が配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、フロントプロジェクタやリアプロジェクタ等、画像を被投射面に対して斜めに投射する画像投射装置に用いられる投射光学系に関する。
【背景技術】
【0002】
上記のような画像投射装置は、液晶パネルやマイクロミラーデバイス等の画像形成素子で生成された画像光を、投射光学系を介してスクリーン等の被投射面に斜めから投射することで画像を表示する。
【0003】
このような斜め投射用の投射光学系として、特許文献1にて開示されているように、基準軸光線の光路が回転非対称な反射面で折れ曲げられるオフアキシャル光学系(非共軸光学系)として構成されたものがある。
【0004】
オフアキシャル光学系は、一般に複数の反射面を使用するため、結像性能の改善と光学系の小型化を図るには、反射面の配置や光線の光路の設定が重要になる。例えば、特許文献2には、複数の反射面を有する投射光学系において、この投射光学系に入射する光線と射出する光線とを同じ2つの反射面の間を通過させることで、該2つの反射面間の間隙以外の反射面間の間隔を狭くしている。さらに、複数の反射面により囲まれた空間内で光路を複数回交差させている。これらにより、投射光学系の小型化を達成している。
【0005】
ところで、特にリアプロジェクタにおいては、装置の薄型化とともに、スクリーンよりも下側の部分(以下、装置下部という)の小型化が求められている。特許文献3にて開示されたリアプロジェクタでは、スクリーン背面側の下部スペースに投射光学系を配置し、投射光学系から射出した光束を、スクリーン背面側の上部スペースに配置した平面ミラーからなる導光ミラーを介してスクリーン背面に傾めに投射する。
【0006】
このような構成により、導光ミラーからスクリーン背面の下端部に向けて大きな入射角度で光束を入射させることができる。つまり、スクリーン背面側の下部に、導光ミラーからスクリーン背面に入射する光束が通らないスペースを作り、このスペースに投射光学系を配置できる。これにより、装置の薄型化と装置下部の高さの削減とを実現している。
【0007】
さらに、図21には、特許文献2に開示された複数の反射面S1〜S4により構成された投射光学系と特許文献3に開示された平面ミラー(導光ミラー)MUとを組み合わせたリアプロジェクタの例を示している。このような構成によれば、特許文献3にて開示の構成に比べて、より装置の薄型化と装置下部の高さの削減とを図ることが可能である。
【0008】
図21は、不図示の画像形成素子からの光束を、図の紙面に垂直な光軸を有する屈折光学系CLと光路を90°折り曲げるミラーMとを介して投射光学系に導き、該投射光学系から射出した光束を導光ミラーMUを介してスクリーンSCに投射する例を示す。投射光学系からの射出光束(L0,L1,L2)は、ミラーMと投射光学系における最終反射面S4の前段の反射面S3との間を通って導光ミラーMUに向かう。L0は、投射光学系の入射瞳の中心からスクリーンSに投射される画像の中心に到達する光線の光路を、L1,L2はそれぞれ、最終反射面S4から画像の上下端に到達する光線の光路を示す。
【特許文献1】特開2001−255462号公報(段落0052〜0055、図1,2等)
【特許文献2】特開2004−309765号公報(段落0015、図1等)
【特許文献3】特開2005−84576号公報(段落0010、図1等)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、図21に示したリアプロジェクタでは、投射光学系からの射出光束は、最終反射面S4と反射面S3との間に位置する該投射光学系の射出瞳EPから広がりながら導光ミラーMUに向かって進む。このため、該射出光束のミラーMと反射面S3との間での径EDが大きくなり、必然的にミラーMと反射面S3との間の距離も大きくなる。このことが投射光学系の小型化を妨げ、さらなる装置の薄型化と装置下部の高さの削減を困難にしている。
【0010】
また、投射光学系として、収差の少ない高精細な画像を投射できることが必要である。このため、収差が発生し易い斜め投射において、収差補正を良好に行えることも必要である。
【0011】
本発明は、複数の曲面反射面を用いて斜め投射を行う従来よりもさらに小型で高精細な画像を投射できるようにした投射光学系及びこれを用いた画像投射装置を提供することを目的の1つとしている。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明の一側面としての投射光学系は、それぞれの反射面で反射された光束の光路が他の反射面で反射された光束の光路と交差するように物体からの光束を順次反射する第1反射面から最終反射面までの曲率を持った複数の反射面を有する反射光学系と、該反射光学系からの光束を反射して像面に導く導光反射面とを有する。該投射光学系の入射瞳の中心を通り反射光学系及び導光反射面を介して像面上の投射像の中心に到達する光線を基準軸光線とするとき、該基準軸光線は前記像面に対して斜めに入射する。
【0013】
ここで、第1反射面から投射像の中心までの基準軸光線の光路を含む第1の断面において、投射像の第1の端に到達する主光線を第1の主光線とし、投射像の第2の端に第1の主光線よりも像面の法線に対して大きな角度で到達する主光線を第2の主光線とする。このとき、該複数の反射面のうち最終反射面よりも1つ前の反射面から導光反射面に至る第1の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第1の交点で交差し、複数の反射面のうち最終反射面よりも1つ前の反射面から導光反射面に至る第2の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第2の交点で交差する。
【0014】
さらに、投射像における第1の断面に直交して投射像の中心を通る中心線上での第3の端に到達する主光線を第3の主光線とし、第4の端に到達する主光線を第4の主光線とする。このとき、反射光学系の複数の反射面のうち光束を順に反射する2つの反射面間において、第3の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第3の交点で交差し、第4の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第4の交点で交差する。
【0015】
そして、第1及び第2の交点間の基準軸光線の光路に沿った中点を第1の中点とし、第3及び第4の交点間の基準軸光線の光路に沿った中点を第2の中点とする。このとき、第1の断面上での基準軸光線の光路の方向において、第1の中点は、第2の中点よりも像面側に位置する。さらに、第1の中点と前記第2の中点との間に、複数の反射面のうち最終反射面を含む少なくとも1つの反射面が配置されていることを特徴とする。
【0016】
また、本発明の他の側面としての投射光学系は、それぞれの反射面で反射された光束の光路が他の反射面で反射された光束の光路と交差するように物体からの光束を順次反射する第1反射面から最終反射面までの曲率を持った複数の反射面を有する反射光学系を備え、該最終反射面で反射された光束を他の反射面を介さずに被投射面に導く。該投射光学系の入射瞳の中心を通り反射光学系を介して被投射面上の投射像の中心に到達する光線を基準軸光線とするとき、該基準軸光線は被投射面に対して斜めに入射する。
【0017】
ここで、第1反射面から投射像の中心までの基準軸光線の光路を含む第1の断面において、投射像の第1の端に到達する主光線を第1の主光線とし、投射像の第2の端に第1の主光線よりも像面の法線に対して大きな角度で到達する主光線を第2の主光線とする。このとき、該複数の反射面のうち最終反射面よりも1つ前の反射面から被投射面に至る第1の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第1の交点で交差し、該複数の反射面のうち最終反射面よりも1つ前の反射面から被投射面に至る第2の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第2の交点で交差する。また、投射像における第1の断面に直交して投射像の中心を通る中心線上での第3の端に到達する主光線を第3の主光線とし、第4の端に到達する主光線を第4の主光線とするとき、該複数の反射面のうち光束を順に反射する2つの反射面間において、第3の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第3の交点で交差し、第4の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第4の交点で交差する。
【0018】
そして、第1及び第2の交点間の基準軸光線の光路に沿った中点を第1の中点とし、第3及び第4の交点間の基準軸光線の光路に沿った中点を第2の中点とするとき、第1の断面上での基準軸光線の光路の方向において、第1の中点は、第2の中点よりも像面側に位置し、かつ第1の中点と第2の中点との間に、該複数の反射面のうち最終反射面を含む少なくとも1つの反射面が配置されていることを特徴とする。
【0019】
なお、上記投射光学系を介して画像を投射する画像投射装置や、該画像投射装置とこの画像投射装置に画像信号を供給する画像供給装置とを有する画像表示システムは、本発明の他の側面を構成する。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、アジムス依存性が高い斜め投射光学系において、アジムス方向ごとに主光線の光路と基準軸光線の光路との交点間の中点(射出瞳に相当する)を、光学系のサイズ減少や収差補正上、最適に分離配置できる。これにより、小型化で高精細な画像を投射可能な投射光学系を実現することができる。特に、分離配置された中点間に曲率を有する反射面を配置することで、射出瞳の位置を適正に制御しながら像高ごとの収差補正を良好に行うことができる。この結果、より高精細な画像を投射することができる。
【0021】
そして、この投射光学系を用いることで、従来に比べてさらに薄型で、かつ装置下部の高さもさらに低い画像投射装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。
【0023】
まず、具体的な実施例の説明に先立って、複数の曲率を有する反射面(以下、曲面反射面という)を用いたオフアキシャル投射光学系及びこれを搭載した画像投射装置の小型化や収差補正に関する本発明の有効性について説明する。
【0024】
本発明では、反射光学系を構成する複数の曲面反射面のうち第1反射面から最終反射面及び導光ミラー(導光反射面)を介してスクリーン上(被投射面上、像面上)の投射画像の中心に到達する基準軸光線を含む断面を第1の断面とする。なお、反射光学系と導光ミラーとの位置関係は、装置の上下及び装置の左右のいずれでもよい。さらに言えば、反射光学系を装置下部に、導光反射面を装置上部に配置してもよいし、その逆の配置でもよい。また、スクリーン(被投射面、像面)は、原画を形成する原画形成素子(液晶変調素子や、ミラーデバイス等)と実質的に共役な関係である。
【0025】
そして、該第1の断面において、投射画像の第1の端(上端又は下端)に到達する主光線を第1の主光線とし、投射画像の第2の端(下端又は上端)に第1の主光線よりもスクリーンの法線に対して大きな角度で到達する主光線を第2の主光線とする。
【0026】
複数の反射面のうち最終反射面よりも1つ前の反射面から導光反射面に至る光路において、第1の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第1の交点で、第2の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第2の交点で交差している。より詳細に書くと、複数の反射面のうち最終反射面よりも1つ前の反射面から導光反射面に至る第1の主光線の光路と、前述の1つ前の反射面から導光反射面に至る基準軸光線の光路とが第1の交点で交差している。そして、複数の反射面のうち最終反射面よりも1つ前の反射面から導光反射面に至る第2の主光線の光路と、前述の1つ前の反射面から導光反射面に至る基準軸光線の光路とが第2の交点で交差している。ここで、第2の交点は、最終反射面と導光反射面との間であるとなおよい。
【0027】
ただし、本発明では、導光反射面を有さず、反射光学系の最終反射面で反射された光束が、他の反射面を介さずに被投射面(スクリーン等)に投射されるような構成であっても構わない。その場合は、上述の「導光反射面」を「被投射面」と読み替えればよく、本発明の効果を奏する。
【0028】
第1反射面とは、反射光学系を構成する複数の曲面反射面のうち、最初に光束を反射する反射面である。また、最終反射面とは、該複数の曲面反射面のうち最後に光束を反射する反射面である。
【0029】
また、本発明では、スクリーン上の投射画像における第1の断面に直交して投射画像の中心を通る中心線上での第3の端(右端又は左端)に到達する主光線を第3の主光線とする。さらに、投射画像における該中心線上の第4の端(左端又は右端)に到達する主光線を第4の主光線とする。このとき、反射光学系の複数の反射面のうち光束を順に反射する2つの反射面間において、第3の主光線の光路と基準軸光線の光路とを第3の交点で交差させ、第4の主光線の光路と基準軸光線の光路とを第4の交点で交差させる。
【0030】
そして、第1及び第2の交点間の基準軸光線の光路に沿った中点を第1の中点とし、第3及び第4の交点間の基準軸光線の光路に沿った中点を第2の中点とする。このとき、第1の断面上での基準軸光線の光路の方向において、第1の中点を、第2の中点よりも像面側に位置させ、かつ第1の中点と第2の中点との間に、複数の反射面のうち最終反射面を含む少なくとも1つの反射面を配置する。
【0031】
像面側とは、物体像を拡大投射する投射光学系においては、拡大側共役面ということができる。一方、この場合、物体側とは、縮小側共役面ということができる。
【0032】
なお、第1の交点が反射光学系内に、第2の交点が反射光学系外に位置するようにしてもよい。反射光学系内とは、反射光学系に入射した第1の主光線と基準軸光線が反射光学系から射出する前という意味である。また、反射光学系外とは、反射光学系に入射した第2の主光線と基準軸光線とが反射光学系から射出した後という意味である。第1の交点は、最終反射面よりも像面側であってもよいし、物体側であってもよい。
【0033】
また、第1の主光線は、第1の断面において、像面に到達する主光線束のうち像面の法線に対して最も小さい角度で到達する主光線と言い換えることもできる。また、第2の主光線は、上記主光線束のうち像面の法線に対して最も大きい角度で到達する主光線と言い換えることができる。
【0034】
本発明では、前述した第1及び第2の中点P1,P2を、反射光学系の射出瞳位置に相当する位置として定義している。そして、本発明は、投射光学系の互いに直交する2つの断面方向において射出瞳位置が分離されていることを特徴とする。
【0035】
回転対称面により構成される共軸光学系と異なり、オフアキシャル光学系では、その非対称性によって、アジムス方向に応じた瞳位置で各画角の主光線が1点で交わらない。このため、本実施例では、瞳位置に相当する位置としてP1及びP2を定義している。
【0036】
瞳位置では、光束全体が細くなっているため、複数の光学面又は光学素子を物理的な干渉なく配置する上で断面ごとに好適な位置に該瞳を配置することが可能である。
【0037】
例えば、一方の断面では光学系の小型化及び薄型化のために、光束が通過する2つの反射面間の近傍に瞳を配置し、反射面の配置間隔を狭める。これに対し、他方の断面では、画角を狭めるために瞳を像面からより離した位置に配置する。このように、瞳の位置を断面ごとに独立に設定することができる。
【0038】
さらに分離した瞳間に曲率を有する反射面を配置することで、該反射面よりも像面側の瞳位置を物体側の瞳位置とは独立に制御することができる。
【0039】
ここで、反射光学系を構成する複数の曲面反射面の形状は、回転非対称であることが望ましい。また、瞳位置の分離は、該分離された瞳位置間に配置された反射面よりも物体側の反射面で既に断面ごとに行われているのがよい。像高ごとに焦点距離が大きく異なる斜め投射の場合、像高ごとの入射瞳径が同じであっても、焦点距離に応じて射出瞳径、すなわち像面側瞳径が異なる。このため、両断面の瞳位置に近い位置となる両瞳位置の間に反射面を配置して、像高ごとに、球面収差やコマ収差等の瞳径に依存する収差を補正することが有効である。
【0040】
具体的な例として、図1及び図2を用いて複数の曲面反射面により構成されるオフアキシャル光学系について説明する。図1には、光源と画像形成素子と照明光学系を含む原画像形成光学系LVからの光線が曲面反射面S1,S2,S3,S4で順次反射されて反射面S1,S3間のスペースを通過してスクリーンSCに斜め投射されている例を示す。また、図2は、図1に直交する断面において反射面S1,S3間のスペースを通過する光線をスクリーン法線方向から見た様子を示している。
【0041】
図2において、SV,SHはそれぞれ、反射面S1,S3間のスペースの縦横の幅であり、Lは該スペースを通過する光線束の領域を示している。幅SVは、隣り合う2つの反射面S1,S3間のスペース幅として決定されるが、SHは反射面S1,S3による直接の制約は受けない。したがって、反射面S1,S3間のスペースを通過する光線束の領域Lは、幅SV方向において縮小する必要がある。
【0042】
その手段として、図1に示す断面において、反射面S1,S3間のスペースに射出瞳EPVを形成することが考えられる。このとき、図2に示す断面での射出瞳EPHの位置は、幅SHの制約が無いため、必ずしも反射面S1,S3間のスペースに配置する必要はない。
【0043】
ここで、投射光学系には、例えば16:9といった横長の投射画像をスクリーンSCに表示する必要がある。このとき、図2のスクリーン法線方向から見たときの左右の画角幅は、図1の断面上での上下の画角幅に比べて大きい。したがって、射出瞳EPHの位置は射出瞳EPVの位置よりも基準軸光線の光路方向における物体側に設定する。これにより、投射画像の左右方向での投射光学系からの光線の射出角を狭めて、スクリーンSCへの入射角を小さくすることができるとともに、諸収差の補正を行い易くすることができる。
【0044】
図3には、図1に示した投射光学系において、スクリーンSCの左端、左右方向中央及び右端のそれぞれでの上端,中央,下端の合計9像高に結像する光束の反射面S4上での径を示す。反射面S4は、図1及び図2のそれぞれの断面の射出瞳間に配置された反射面である。
【0045】
Fa’は図1においてスクリーンSCの上端に結像する像高(画角)光束La’の反射面S4上での光束径であり、FbはスクリーンSCの下部に結像する像高光束Lbの反射面S4上での光束径である。像高光束Lbは、図1の断面において、スクリーンSCに対して最小角度で入射する光束であり、La’は最大角度で入射する光束である。
【0046】
スクリーンSCの全域では、最大角度で入射する像高光束La(図示せず)は、スクリーンSCの上端における左端及び右端に入射する光束である。この像高光束Laの反射面S4上での光束径をFaとする。
【0047】
斜め投射の場合は、像高によって焦点距離が異なるため、反射光学系の入射瞳径が像高によらず一定であっても、射出瞳径は像高によって異なる。このため、射出瞳に近い反射面S4では、焦点距離の長い像高光束Laの光束径Faを、焦点距離の短い像高光束Lbの光束径Fbよりも大きく設定することで、像面照度の均一な投射光学系を実現できる。
【0048】
さらに、図1及び図2の断面での瞳に挟まれた反射面S4上では、該反射面S4が瞳に近いために、光束径が大きいながらも像高ごとに光束が分離されている。このため、回転非対称な反射面、すなわち自由曲面を用いて像高ごとの収差補正が可能である。
【0049】
このように、複数の反射面により構成されるオフアキシャル光学系では、反射面の位置と断面ごとの光学的パワー配置を適切に設定することで、高精細な画像投射が可能で、かつ小型の投射光学系を実現することができる。言い換えれば、本発明は、投射光学系の小型化を達成するためのパワー配置について、オフアキシャル光学系のアジムス依存性の適切な設定を、瞳位置の分離とその間への反射面の配置とによって達成している。
【0050】
次に、後述する各実施例での構成諸元の表し方及び実施例全体の共通事項について説明する。図19は、実施例における光学系の構成データを定義する座標系の説明図である。
【0051】
本発明の実施例では、縮小側の物体から拡大側の像面に進む1つの光線(図19中に一点鎖線で示し、基準軸光線という)に沿ってi番目の面を第i面とする。また、実施例において、画像(投射像)を投影する面を像面(最終結像面又はスクリーンともいう)と表現する。また、実施例では、縮小側を物体面として拡大側の像面に投影する形態で説明するが、逆の光路で物体像を縮小投射してもよい。
【0052】
図19において、第1面R1は屈折面、第2面R2は第1面R1に対してチルトした反射面である。第3面R3及び第4面R4はそれぞれの直前の面に対してシフト及びチルトした反射面である。また、第5面R5は、第4面R4に対してシフト及びチルトした屈折面である。
【0053】
第1面R1から第5面R5までのそれぞれの面は、ガラスやプラスチック等の媒質で構成される1つの光学素子上に形成されている。該光学素子を、図19中では、光学素子Qとする。図19では、不図示の物体面から第1面R1までの媒質は空気、第1面R1から第5面R5まではある共通の媒質、第5面R5から不図示の第6面R6までの媒質は空気である。
【0054】
実施例の光学系はオフアキシャル(Off-Axial)光学系である。このため、光学系を構成する各面は、共通の光軸を持っていない。そこで、実施例においては、まず第1面の中心を原点とする絶対座標系を設定する。そして、第1面の中心点を原点とすると共に、原点と最終結像面の中心とを通る光線(基準軸光線)の経路を光学系の基準軸と定義する。さらに、実施例中の基準軸は方向(向き)を持っており、その方向は、基準軸光線が結像に際して進行する方向である。
【0055】
実施例においては光学系の基準となる基準軸を上記のように設定したが、光学系の基準となる軸の決め方は、光学設計上、収差の取り纏め上、若しくは光学系を構成する各面の形状を表現する上で都合の良い軸を採用することもできる。但し、一般的には像面の中心と、絞り、入射瞳、射出瞳、光学系の第1面の中心又は最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を基準軸に設定するとよい。
【0056】
実施例においては、基準軸は第1面の中心点を通り、最終結像面の中心へ到達する基準軸光線が、各屈折面及び各反射面によって屈折及び反射する経路を基準軸に設定する。各面の順番は、基準軸光線が屈折と反射を受ける順番に設定する。
【0057】
基準軸は、設定された各面の順番に沿って、屈折又は反射の法則に従ってその方向を変化させつつ最終的に像面の中心に到達する。なお、実施例において、物体側、パネル側、像側、像面側、スクリーン側等とは、基準軸の方向(基準軸光線の光路の方向)に対してどちら側であるかを意味している。
【0058】
実施例における光学系の絶対座標系の各軸は以下のように定義される。
【0059】
Z軸:原点と物体面中心を通る直線であり、物体面から第1面R1に向かう方向を正とする。
【0060】
Y軸:原点を通り、右手座標系の定義に従ってZ軸に対して反時計回りに90゜をなす直線とする。
【0061】
X軸:原点を通り、Z及びY軸に対して直交する直線とする。
【0062】
光学系を構成する第i面の面形状及びチルト角を表すために、絶対座標系にてその面の形状及びチルト角を表記する方法もある。しかし、これよりも、基準軸と第i面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定し、該ローカル座標系でその面の面形状を表すとともに、基準軸とローカル座標系のなす角度でチルト角を表した方が形状を認識し易い。このため、実施例では、第i面の面形状及びチルト角を、以下のように定義されるローカル座標系で表す。
【0063】
そのために、まず基準軸上の任意の点に対して、以下の基準軸上座標系を設定する。
【0064】
zb軸:基準軸上の任意の点を通る直線であり、基準軸の方向を正とする。基準軸の偏向点においては入射方向を正とする。
【0065】
yb軸:基準軸上の任意の点を通り、右手座標系の定義に従ってzb軸に対して反時計回りに90゜をなす直線とする。該直線は、絶対座標系の原点で絶対座標系のY軸と一致する。なお、zb軸に対する回転はないものとする
xb軸:基準軸上の任意の点を通り、zb及びyb軸に直交する直線とする。
【0066】
次にローカル座標系を、以下のように設定する。
【0067】
z軸:ローカル座標の原点を通る面法線とする。
【0068】
y軸:ローカル座標の原点を通り、右手座標系の定義に従ってz方向に対し反時計方向に90゜をなす直線とする。
【0069】
x軸:ローカル座標の原点を通り、yb−zb面に対して直交する直線とする。
【0070】
したがって、第i面のyb−zb面内でのチルト角は、ローカル座標系のz軸が基準軸上座標系のzb軸に対してなす鋭角であり、反時計回り方向を正とした角度θxb,i (単位°)とする。また、第i面のxb−zb面内でのチルト角は、ローカル座標系のz軸が基準軸上座標系のzb軸に対してなす鋭角であり、反時計回り方向を正とした角度θyb,i(単位°)とする。さらに、第i面のxb−yb面内でのチルト角は、ローカル座標系のz軸が絶対座標系のyb軸に対してなす鋭角であり、反時計回り方向を正とした角度θzb,i(単位°)で表す。
【0071】
ただし、通常、θzb,iは面の回転に相当するもので、本発明の実施例においては存在しない。図20は、これらの絶対座標系、基準軸上座標系及びローカル座標系の相互関係を表している。
【0072】
また、実施例において、Diは第i面と第(i+1)面とのローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量である。Ndi,νdiはそれぞれ、第i面と第(i+1)面間の媒質の屈折率とアッベ数である。また、「E−J」は、「×10−J」を表す。
【0073】
また、第i面が球面である場合、該球面の形状は以下の式で表される。
【0074】
【数1】
【0075】
実施例の光学系は、少なくとも回転非対称な非球面を1面以上有し、その形状は以下の式により表す。
【0076】
z =C04x2 + C06y2
+ C08x2y + C10y3
+ C11x4 + C13x2y2+ C15y4
+ C17x4y + C19x2y3+ C21y5
+ C22x6 + C24x4y2+ C26x2y4 + C28y6
+ C30x6y + C32x4y3+ C34x2y5 + C36y7
+ C37x8 + C39x6y2+ C41x4y4 + C43x2y6 + C45y8
上記曲面式は、xに関して偶数次の項のみ含むため、上記曲面式により規定される曲面は、yz面を対称面とする面対称な形状である。
【0077】
なお、実施例の説明中、同じ符号は同一の機能を有する構成要素を示し、重複する説明は行わない。
【0078】
また、実施例において、第1及び第2の導光ミラーM,MUはいずれも平面ミラーとするが、本発明においてこれらの導光反射面は曲率を有していてもよい。
【0079】
さらに、実施例においては、物体である画像形成素子からの光束を反射光学系Rの第1反射面S1に導く導光光学系が設けられている。そして、反射光学系Rの物体側の瞳は、基準軸光線の光路方向において、第1反射面S1よりも物体側に設定されている。
【実施例1】
【0080】
図4には、本発明の実施例1であるリアプロジェクションタイプの画像投射装置に用いられる投射光学系における基準軸光線を含む第1の断面での光束を示している。図5は、該反射光学系Rの拡大図である。また、図6は、反射光学系R及びその前段の原画像形成光学系LV及び導光光学系(CL,ST,M)の鳥瞰図である。
【0081】
図6において、原画像形成光学系LVは、不図示の画像形成素子と該画像形成素子を照明するための光源及び照明光学系を備えている。
【0082】
本実施例の画像投射装置には、パーソナルコンピュータ、DVDプレーヤ、ビデオデッキ、テレビチューナ等の画像供給装置100が接続されている。画像供給装置100からの画像信号は、画像形成素子に接続された駆動回路101に入力される。駆動回路101は、入力された画像信号に応じて画像形成素子を駆動する。該画像投射装置と画像供給装置100とにより画像表示システムが構成される。このことは、後述する他の実施例でも同じである。
【0083】
光源としては高圧水銀ランプやLED(発光ダイオード)を用いる。また、半導体レーザや固体レーザを用いてもよい。
【0084】
照明光学系は、光源からの白色光を、不図示の偏光変換素子、フライアイレンズ及びコンデンサレンズ等を含むインテグレート部とダイクロイックプリズムや色フィルタや偏光ビームスプリッタ等により構成される色分離合成部を経て画像形成素子を照明する。
【0085】
画像形成素子としては、透過型や反射型の液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス(DMD)等を用いることができる。本実施例では、詳細は図示しないが、アスペクト比が16:9、画素数がフルHD(1920×1080)で、対角サイズが0.7インチ(17.78mm)の反射型液晶パネルをRGBの波長ごとに計3つ用いている。
【0086】
画像形成素子から射出した光束(図6には、基準軸光線L0のみを示す)は、屈折光学系CLと回転非対称な形状を有する絞りSTとを経て、第1の導光ミラーMで反射される。第1の導光ミラーMによって光路を曲げられた(例えば、90°曲げられた)光束は、反射光学系Rに後述する第2及び第3反射面S2,S3の間のスペースから入射する。
【0087】
ここで、絞りSTの径は、反射光学系R内で基準軸光線が偏向される方向、すなわち図23でいうY方向の寸法をX方向に対して短くして、反射光学系Rに導かれる前にY方向のFナンバーをX方向よりも大きくしておくことが望ましい。これにより、反射光学系R内での光束が細くなるため、反射光学系Rを構成する反射面の配置自由度が増す。また、該反射面による光束の偏向角を小さくすることができるため、角度が付いた反射によって発生する非対称収差の制御自由度が向上する。この効果については、本発明者が、特開2005−24695号公報にて詳細に説明している。また、このことは、後述する他の実施例でも同じである。
【0088】
反射光学系Rに入射した光束は、図5に示した4つの曲面反射面(第1〜第3反射面及び最終反射面)S1,S2,S3,S4の順に反射される。これらの反射面S1〜S4は、透光性の光学素子上に一体形成されている。ただし、反射面S1〜S4を、4つのミラーを組み合わせることで構成してもよい。このことは、後述する他の実施例でも同じである。
【0089】
図5において、IMは、反射光学系R内における後述する第1の交点Aよりも物体側に形成された中間像である。より詳しくは、本実施例では、第2反射面S2と第3反射面S3との間に中間像IMが形成されている。
【0090】
最終反射面S4で反射された光束は、導光光学系の第1の導光ミラーMと第3反射面S3との間のスペースを通過して該反射光学系Rから射出し、スクリーンSCの背面側上部に配置された第2の導光ミラーMUに向かう。第2の導光ミラーMUで反射された光束は、スクリーンSCに斜めに入射して結像する。こうして、スクリーンSC上に投射画像が形成される。
【0091】
本実施例では、スクリーンSC上での投射画像のアスペクト比を16:9とし、対角サイズを64インチ(1625.6mm)としている。スクリーンSCは、斜めに入射した光束をスクリーンSCの表側(観察者側)に特定の視野角で拡散する。スクリーンSCとしては、フレネルレンズ、レンチキュラーレンズ及び拡散材等を積層したものを用いるとよい。
【0092】
図7には、図4と同一断面に示した光束のうち、投射画像(スクリーンSC)の上端、上下方向中央及び下端にそれぞれ到達する主光線L0,L1,L2の光路のみを示している。また、図8は、反射光学系Rの拡大図であり、上記主光線L0,L1,L2の光路のみを示している。
【0093】
L0は基準軸光線であり、本実施例では、スクリーンSCに、その法線(以下、スクリーン法線という)nに対して72度の角度で入射する。L1は投射画像の上端(第1の端)に到達する第1の主光線であり、この図の断面においてスクリーンSCに入射する主光線束のうちスクリーン法線nに対して最小の角度で入射する。L2は投射画像の下端(第2の端)に到達する第2の主光線であり、この図の断面においてスクリーンSCに入射する光線束のうちスクリーン法線nに対して最大の角度で入射する。
【0094】
また、Aは基準軸光線L0の光路と第1の主光線L1の光路との交点(第1の交点)であり、反射光学系Rの内部(最終反射面S4に対してその像面側にて近い位置)に位置する。Bは基準軸光線L0の光路と第2の主光線L2の光路との交点(第2の交点)であり、最終反射面S4及び第1の交点Aよりも像面側であって反射光学系Rの外部(反射光学系Rと第2の導光ミラーMUとの間)に位置する。P1は交点A,B間の基準軸光線の光路に沿った中点(第1の中点)である。
【0095】
なお、本実施例では、図7に示す断面において、以下のように主光線の光路が設定されている。すなわち、最終反射面S4から第2の導光ミラーMUに到達するまでの間において、第1の主光線L1の光路は、基準軸光線L0の光路に対して、第2の導光ミラーMUに近づくほどスクリーンSCに近づくように傾いている。また、第2の主光線L2の光路は、基準軸光線L0の光路に対して、第2の導光ミラーMUに近づくほどスクリーンSCから遠ざかるように傾いている。
【0096】
図9には、反射光学系Rの断面であって、図7及び図8に示す第1の断面に直交し、第3及び第4反射面S3,S4の間の基準軸光線L0を含む断面K(図7中に一点鎖線で示す)での主光線L0,L3,L4を示す。
【0097】
L3は、第3反射面S3から図7の断面に直交して投射画像の中心を通る中心線G(図7参照)上における投射画像のスクリーン表面側から見たときの右端(第3の端)に到達する第3の主光線である。L4は第3反射面S3から中心線G上における投射画像のスクリーン表面側から見たときの左端(第4の端)に到達する第4の主光線である。
【0098】
Cは基準軸光線L0の光路と第3の主光線L3の光路との交点(第3の交点)であり、Dは基準軸光線L0の光路と第4の主光線L4との光路の交点(第4の交点)である。P2は交点C,D間の基準軸光線の光路に沿った中点(第2の中点)である。
【0099】
本実施例では、反射面S1〜S4としてローカル座標系のy軸に対してのみ対称な回転非対称面を用いている。このため、スクリーン左右方向における対称な2端に到達する主光線L3,L4の光路と基準軸光線L0の光路との交点C,Dは、第2の中点P2にて一致する。図8には、図7と同じ断面における上記第2の中点P2の位置を丸印で示している。図8に示すように、第2の中点P2は、最終反射面S4及び第1の中点P1よりも、基準軸光線L0の光路方向における像面側に位置する。
【0100】
そして、本実施例では、図8に示すように、第1の中点P1を、最終反射面S4と第2の導光ミラーMUとの間であって、第1の導光ミラーMと反射面S3との間のスペースの近傍に配置している。これにより、該スペースを通過して反射光学系Rから射出する光束の第1の断面上での径を細くすることができる。したがって、第1の導光ミラーM及び屈折光学系CLを、反射面S3の方向に近づけて配置することができ、反射光学系Rのスクリーン法線方向でのサイズを小さくすることができる。
【0101】
また、第2の中点P2を、第1の中点P1よりも物体側に配置された反射面S3,S4の間に配置することで、投射画角の大きい第1の断面において、射出瞳位置をスクリーンSCから遠ざけることができる。これにより、スクリーンSCに対する入射角を小さくすることができ、収差補正を良好に行い易くすることができる。
【0102】
さらに、本実施例では、第1の中点(第1の断面での射出瞳)P1と、第2の中点(上記断面Kでの射出瞳)P2との間に、最終反射面S4を配置している。
【0103】
図10は、スクリーンSCを表面側から見たときに投射画像の左端での上端,中央,下端、左右方向中央での上端,中央,下端及び右端での上端,中央,下端の9点に結像する像高光束に対応した最終反射面S4上での光束径を示している。結像位置と図10に示した光束径F1〜F9との対応関係は、以下の通りである。
【0104】
投射画像の左端 上端→F9 中央→F6 下端→F3
投射画像の左右方向中央 上端→F8 中央→F5 下端→F2
投射画像の右端 上端→F7 中央→F4 下端→F1。
【0105】
スクリーン法線に対して最大角度でスクリーンSCに入射する主光線を含む像高光束は、投射画像の左端及び右端における下端(第1の位置)にて結像する光束であり、それらの光束が最終反射面S4上で形成する光束径はF1,F3である。光束径F1,F3は、光学系の対称性から同じとなり、上記F1〜F9のうち最大である。
【0106】
一方、スクリーン法線に対して最小角度でスクリーンSCに入射する主光線を含む像高光束は、投射画像の左右方向中央にて上端(第2の位置)に結像する光束であり、この光束が最終反射面S4上で形成する光束径はF8である。光束径F8は、上記F1〜F9のうち最小である。
【0107】
そして、最大の光束径F1,F3をFaとし、最小の光束径F8のFbとするとき、Fa=23.4mm、Fb=5.9mmである。すなわち、Fa>Fbを満たす。
【0108】
表1〜表3には、本実施例の数値例を示す。
【0109】
【表1】
【0110】
【表2】
【0111】
【表3】
【0112】
また、図23〜26には、本実施例におけるスクリーンS上での横収差図を示す。各横収差図(1〜20)とスクリーンS上での投射位置との関係は、図22に示す通りである。なお、光学系の対称性より収差もスクリーンS上で左右対称に発生するため、スクリーンS上での右側半分についての横収差を図示する。さらに、図27には、図23〜26に示した横収差量を数値で示している。
【実施例2】
【0113】
図11には、本発明の実施例2であるリアプロジェクションタイプの画像投射装置に用いられる投射光学系における基準軸光線を含む第1の断面での光束を示している。図12は、該反射光学系Rの拡大図である。
【0114】
また、図13は、反射光学系R及びその前段の原画像形成光学系LV及び導光光学系(CL,ST,M)の鳥瞰図である。
【0115】
本実施例でも、画像形成素子としては、アスペクト比が16:9、画素数がフルHD(1920×1080)、対角サイズが0.7インチ(17.78mm)の反射型液晶パネルをRGBの波長ごとに計3つ用いる。
【0116】
画像形成素子から射出した光束(図13には、基準軸光線L0のみを示す)は、屈折光学系CLと回転非対称な形状を有する絞りSTとを経て、第1の導光ミラーMで反射される。第1の導光ミラーMによって光路を曲げられた(例えば、90°曲げられた)光束は、反射光学系Rに後述する第2及び最終反射面S2,S5の間のスペースから入射する。
【0117】
反射光学系Rに入射した光束は、図12に示した5つの曲面反射面(第1〜第4反射面及び最終反射面)S1,S2,S3,S4,S5の順に反射される。
【0118】
図12において、IMは、反射光学系R内における後述する第1の交点Aよりも物体側に形成された中間像である。より詳しくは、本実施例では、第2反射面S2と第3反射面S3との間に中間像IMが形成されている。
【0119】
最終反射面S5で反射された光束は、第1反射面S1と第4反射面S4との間のスペースを通過して該反射光学系Rから射出し、スクリーンSCの背面側上部に配置された第2の導光ミラーMUに向かう。第2の導光ミラーMUで反射された光束は、スクリーンSCに斜めに入射して結像する。こうして、スクリーンSC上に投射画像が形成される。
【0120】
本実施例では、スクリーンSC上での投射画像のアスペクト比を16:9とし、対角サイズを64インチ(1625.6mm)としている。
【0121】
図14には、図11と同一断面に示した光束のうち、投射画像(スクリーンSC)の上端、上下方向中心及び下端にそれぞれ到達する主光線L0,L1,L2の光路のみを示している。また、図15は、反射光学系Rの拡大図であり、上記主光線L0,L1,L2の光路のみを示している。
【0122】
L0は基準軸光線であり、本実施例では、スクリーンSCに、スクリーン法線に対して72度の角度で入射する。L1は投射画像の上端(第1の端)に到達する第1の主光線であり、この図の断面においてスクリーンSCに入射する主光線束のうちスクリーン法線に対して最小の角度で入射する。L2は投射画像の下端(第2の端)に到達する第2の主光線であり、この図の断面においてスクリーンSCに入射する光線束のうちスクリーン法線に対して最大の角度で入射する。
【0123】
また、Aは基準軸光線L0の光路と第1の主光線L1の光路との交点(第1の交点)であり、反射光学系Rの内部(第4反射面S4と最終反射面S5との間)に位置する。Bは基準軸光線L0の光路と第2の主光線L2の光路との交点(第2の交点)であり、第1の交点A及び最終反射面S5よりも像面側であって反射光学系Rの外部(反射光学系Rと第2の導光ミラーMUとの間)に位置する。P1は交点A,B間の基準軸光線の光路に沿った中点(第1の中点)である。
【0124】
なお、本実施例では、図14に示す断面において、以下のように主光線の光路が設定されている。すなわち、最終反射面S5から第2の導光ミラーMUに到達するまでの間において、第1の主光線L1の光路は、基準軸光線L0の光路に対して、第2の導光ミラーMUに近づくほどスクリーンSCに近づくように傾いている。また、第2の主光線L2の光路は、基準軸光線L0の光路に対して、第2の導光ミラーMUに近づくほどスクリーンSCから遠ざかるように傾いている。
【0125】
図16には、反射光学系Rの断面であって、図14及び図15に示す第1の断面に直交し、第3及び第4反射面S3,S4の間の基準軸光線L0を含む断面K(図15中に一点鎖線で示す)での主光線L0,L3,L4を示す。
【0126】
L3は、第3反射面S3から図14の断面に直交して投射画像の中心を通る中心線G(図14参照)上における投射画像のスクリーン表面側から見たときの右端(第3の端)に到達する第3の主光線である。L4は第3反射面S3から中心線G上における投射画像のスクリーン表面側から見たときの左端(第4の端)に到達する第4の主光線である。
【0127】
Cは基準軸光線L0の光路と第3の主光線L3の光路との交点(第3の交点)であり、Dは基準軸光線L0の光路と第4の主光線L4との光路の交点(第4の交点)である。P2は交点C,D間の基準軸光線の光路に沿った中点(第2の中点)である。
【0128】
本実施例では、反射面S1〜S5としてローカル座標系のy軸に対してのみ対称な回転非対称面を用いている。このため、スクリーン左右方向における対称な2端に到達する主光線L3,L4の光路と基準軸光線L0の光路との交点C,Dは、第2の中点P2にて一致する。図15には、図14と同じ断面における上記第2の中点P2の位置を丸印で示している。図15に示すように、第1の中点P1は、最終反射面S5及び第2の中点P2よりも、基準軸光線L0の光路方向における像面側に位置する。
【0129】
そして、本実施例では、図15に示すように、第1の中点P1を、最終反射面S5と第2の導光ミラーMUとの間であって、反射面S1,S4の間のスペースの近傍に配置している。これにより、該スペースを通過して反射光学系Rから射出する光束の第1の断面上での径を細くすることができる。したがって、反射面S1,S4を互いに近づけて配置することができ、反射光学系Rのスクリーン法線方向でのサイズを小さくすることができる。
【0130】
また、第2の中点P2を、第1の中点P1よりも物体側に配置された反射面S3,S4の間に配置することで、投射画角の大きい第1の断面において、射出瞳位置をスクリーンSCから遠ざけることができる。これにより、スクリーンSCに対する入射角を小さくすることができ、収差補正を良好に行い易くすることができる。
【0131】
さらに、本実施例では、第1の中点(第1の断面での射出瞳)P1と、第2の中点(上記断面Kでの射出瞳)P2との間に、反射面S4,S5を配置している。
【0132】
図17及び図18は、スクリーンSCを表面側から見たときに投射画像の左端での上端,中央,下端、左右方向中央での上端,中央,下端及び右端での上端,中央,下端の9点に結像する像高光束に対応した反射面S4,S5上での光束径を示している。結像位置と図21,22に示した光束径F1〜F9との対応関係は、以下の通りである。
【0133】
投射画像の左端 上端→F9 中央→F6 下端→F3
投射画像の左右方向中央 上端→F8 中央→F5 下端→F2
投射画像の右端 上端→F7 中央→F4 下端→F1。
【0134】
スクリーン法線に対して最大角度でスクリーンSCに入射する主光線を含む像高光束は、投射画像の左端及び右端における下端(第1の位置)にて結像する光束であり、それらの光束径が反射面S4,S5上で形成する光束径はF1,F3である。いずれの反射面S4,S5においても、光束径F1,F3は、光学系の対称性から同じとなり、上記F1〜F9のうち最大である。
【0135】
一方、スクリーン法線に対して最小角度でスクリーンSCに入射する主光線を含む像高光束は、投射画像の左右方向中央の上端(第2の位置)にて結像する光束であり、この光束が最終反射面S4上で形成する光束径はF8である。いずれの反射面S4,S5においても、光束径F8は、上記F1〜F9のうち最小である。
【0136】
そして、最大の光束径F1,F3をFaとし、最小の光束径F8をFbとするとき、第4反射面S4上では、Fa=22.6mm、Fb=6.6mmであり、最終反射面S5上では、Fa=23.2mm、Fb=5.6mmである。すなわち、Fa>Fbを満たす。
【0137】
表4〜表6には、本実施例の数値例を示す。
【0138】
【表4】
【0139】
【表5】
【0140】
【表6】
【0141】
また、図28〜31には、本実施例におけるスクリーンS上での横収差図を示す。各横収差図(1〜20)とスクリーンS上での投射位置との関係は、図22に示す通りである。なお、光学系の対称性より収差もスクリーンS上で左右対称に発生するため、スクリーンS上での右側半分についての横収差を図示する。さらに、図32には、図28〜31に示した横収差量を数値で示している。
【0142】
上記各実施例では、4つ又は5つの曲面反射面により構成される反射光学系について説明したが、本発明は、3つ又は6つ以上の曲面反射面により構成される反射光学系を用いる場合にも適用することができる。
【0143】
また、上記各実施例では、リアプロジェクションタイプの画像投射装置について説明したが、本発明は、フロントプロジェクションタイプの画像投射装置にも適用することができる。
【0144】
さらに、上記各実施例では、原画像を形成する画像形成素子で変調された光をスクリーンに投射することで画像を表示する画像投射装置について説明した。しかし、本発明は、これに限らず、光源からスクリーンに投射される光線を走査デバイスにより2次元方向に走査してスクリーン上に画像を描画する画像投射装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0145】
【図1】投射光学系への入射光線が、複数の反射面で順次反射されてスクリーンに斜め投射されている例を示す概略図。
【図2】図1の投射光学系において、反射面間のスペースを通過する光線をスクリーン法線方向から見た様子を示す概略図。
【図3】図1の投射光学系における最終反射面上での各像高光束の径を説明する図。
【図4】本発明の実施例1である投射光学系の断面図。
【図5】実施例1の投射光学系の拡大断面図。
【図6】実施例1の投射光学系の鳥瞰図。
【図7】実施例1の投射光学系の断面図であって、主光線のみを示した図。
【図8】実施例1の投射光学系の拡大断面図であって、主光線のみを示した図。
【図9】実施例1の投射光学系の他の断面図であって、主光線のみを示した図。
【図10】実施例1の投射光学系における最終反射面上での各像高光束の径を説明する図。
【図11】本発明の実施例2である投射光学系の断面図。
【図12】実施例2の投射光学系の拡大断面図。
【図13】実施例2の投射光学系の鳥瞰図。
【図14】実施例2の投射光学系の断面図であって、主光線のみを示した図。
【図15】実施例2の投射光学系の拡大断面図であって、主光線のみを示した図。
【図16】実施例2の投射光学系の他の断面図であって、主光線のみを示した図。
【図17】実施例2の投射光学系における第4反射面上での各像高光束の径を説明する図。
【図18】実施例2の投射光学系における最終反射面上での各像高光束の径を説明する図。
【図19】実施例で用いる座標系の説明図。
【図20】実施例における絶対座標系、基準軸上座標系及びローカル座標系の関係を説明する図。
【図21】従来の投射光学系の示す概略図。
【図22】実施例1,2におけるスクリーン上での横収差の測定位置を示す図。
【図23】実施例1の横収差図。
【図24】実施例1の横収差図。
【図25】実施例1の横収差図。
【図26】実施例1の横収差図。
【図27】実施例1の横収差量を示す表。
【図28】実施例2の横収差図。
【図29】実施例2の横収差図。
【図30】実施例2の横収差図。
【図31】実施例2の横収差図。
【図32】実施例2の横収差量を示す表。
【符号の説明】
【0146】
L0 基準軸光線
L1,L2,L3,L4 主光線
SC スクリーン
LV 原画像形成光学系
CL 屈折光学系
R 反射光学系
M,MU 導光ミラー
S1,S2,S3,S4,S5 曲面反射面
ST 絞り
【技術分野】
【0001】
本発明は、フロントプロジェクタやリアプロジェクタ等、画像を被投射面に対して斜めに投射する画像投射装置に用いられる投射光学系に関する。
【背景技術】
【0002】
上記のような画像投射装置は、液晶パネルやマイクロミラーデバイス等の画像形成素子で生成された画像光を、投射光学系を介してスクリーン等の被投射面に斜めから投射することで画像を表示する。
【0003】
このような斜め投射用の投射光学系として、特許文献1にて開示されているように、基準軸光線の光路が回転非対称な反射面で折れ曲げられるオフアキシャル光学系(非共軸光学系)として構成されたものがある。
【0004】
オフアキシャル光学系は、一般に複数の反射面を使用するため、結像性能の改善と光学系の小型化を図るには、反射面の配置や光線の光路の設定が重要になる。例えば、特許文献2には、複数の反射面を有する投射光学系において、この投射光学系に入射する光線と射出する光線とを同じ2つの反射面の間を通過させることで、該2つの反射面間の間隙以外の反射面間の間隔を狭くしている。さらに、複数の反射面により囲まれた空間内で光路を複数回交差させている。これらにより、投射光学系の小型化を達成している。
【0005】
ところで、特にリアプロジェクタにおいては、装置の薄型化とともに、スクリーンよりも下側の部分(以下、装置下部という)の小型化が求められている。特許文献3にて開示されたリアプロジェクタでは、スクリーン背面側の下部スペースに投射光学系を配置し、投射光学系から射出した光束を、スクリーン背面側の上部スペースに配置した平面ミラーからなる導光ミラーを介してスクリーン背面に傾めに投射する。
【0006】
このような構成により、導光ミラーからスクリーン背面の下端部に向けて大きな入射角度で光束を入射させることができる。つまり、スクリーン背面側の下部に、導光ミラーからスクリーン背面に入射する光束が通らないスペースを作り、このスペースに投射光学系を配置できる。これにより、装置の薄型化と装置下部の高さの削減とを実現している。
【0007】
さらに、図21には、特許文献2に開示された複数の反射面S1〜S4により構成された投射光学系と特許文献3に開示された平面ミラー(導光ミラー)MUとを組み合わせたリアプロジェクタの例を示している。このような構成によれば、特許文献3にて開示の構成に比べて、より装置の薄型化と装置下部の高さの削減とを図ることが可能である。
【0008】
図21は、不図示の画像形成素子からの光束を、図の紙面に垂直な光軸を有する屈折光学系CLと光路を90°折り曲げるミラーMとを介して投射光学系に導き、該投射光学系から射出した光束を導光ミラーMUを介してスクリーンSCに投射する例を示す。投射光学系からの射出光束(L0,L1,L2)は、ミラーMと投射光学系における最終反射面S4の前段の反射面S3との間を通って導光ミラーMUに向かう。L0は、投射光学系の入射瞳の中心からスクリーンSに投射される画像の中心に到達する光線の光路を、L1,L2はそれぞれ、最終反射面S4から画像の上下端に到達する光線の光路を示す。
【特許文献1】特開2001−255462号公報(段落0052〜0055、図1,2等)
【特許文献2】特開2004−309765号公報(段落0015、図1等)
【特許文献3】特開2005−84576号公報(段落0010、図1等)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、図21に示したリアプロジェクタでは、投射光学系からの射出光束は、最終反射面S4と反射面S3との間に位置する該投射光学系の射出瞳EPから広がりながら導光ミラーMUに向かって進む。このため、該射出光束のミラーMと反射面S3との間での径EDが大きくなり、必然的にミラーMと反射面S3との間の距離も大きくなる。このことが投射光学系の小型化を妨げ、さらなる装置の薄型化と装置下部の高さの削減を困難にしている。
【0010】
また、投射光学系として、収差の少ない高精細な画像を投射できることが必要である。このため、収差が発生し易い斜め投射において、収差補正を良好に行えることも必要である。
【0011】
本発明は、複数の曲面反射面を用いて斜め投射を行う従来よりもさらに小型で高精細な画像を投射できるようにした投射光学系及びこれを用いた画像投射装置を提供することを目的の1つとしている。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明の一側面としての投射光学系は、それぞれの反射面で反射された光束の光路が他の反射面で反射された光束の光路と交差するように物体からの光束を順次反射する第1反射面から最終反射面までの曲率を持った複数の反射面を有する反射光学系と、該反射光学系からの光束を反射して像面に導く導光反射面とを有する。該投射光学系の入射瞳の中心を通り反射光学系及び導光反射面を介して像面上の投射像の中心に到達する光線を基準軸光線とするとき、該基準軸光線は前記像面に対して斜めに入射する。
【0013】
ここで、第1反射面から投射像の中心までの基準軸光線の光路を含む第1の断面において、投射像の第1の端に到達する主光線を第1の主光線とし、投射像の第2の端に第1の主光線よりも像面の法線に対して大きな角度で到達する主光線を第2の主光線とする。このとき、該複数の反射面のうち最終反射面よりも1つ前の反射面から導光反射面に至る第1の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第1の交点で交差し、複数の反射面のうち最終反射面よりも1つ前の反射面から導光反射面に至る第2の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第2の交点で交差する。
【0014】
さらに、投射像における第1の断面に直交して投射像の中心を通る中心線上での第3の端に到達する主光線を第3の主光線とし、第4の端に到達する主光線を第4の主光線とする。このとき、反射光学系の複数の反射面のうち光束を順に反射する2つの反射面間において、第3の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第3の交点で交差し、第4の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第4の交点で交差する。
【0015】
そして、第1及び第2の交点間の基準軸光線の光路に沿った中点を第1の中点とし、第3及び第4の交点間の基準軸光線の光路に沿った中点を第2の中点とする。このとき、第1の断面上での基準軸光線の光路の方向において、第1の中点は、第2の中点よりも像面側に位置する。さらに、第1の中点と前記第2の中点との間に、複数の反射面のうち最終反射面を含む少なくとも1つの反射面が配置されていることを特徴とする。
【0016】
また、本発明の他の側面としての投射光学系は、それぞれの反射面で反射された光束の光路が他の反射面で反射された光束の光路と交差するように物体からの光束を順次反射する第1反射面から最終反射面までの曲率を持った複数の反射面を有する反射光学系を備え、該最終反射面で反射された光束を他の反射面を介さずに被投射面に導く。該投射光学系の入射瞳の中心を通り反射光学系を介して被投射面上の投射像の中心に到達する光線を基準軸光線とするとき、該基準軸光線は被投射面に対して斜めに入射する。
【0017】
ここで、第1反射面から投射像の中心までの基準軸光線の光路を含む第1の断面において、投射像の第1の端に到達する主光線を第1の主光線とし、投射像の第2の端に第1の主光線よりも像面の法線に対して大きな角度で到達する主光線を第2の主光線とする。このとき、該複数の反射面のうち最終反射面よりも1つ前の反射面から被投射面に至る第1の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第1の交点で交差し、該複数の反射面のうち最終反射面よりも1つ前の反射面から被投射面に至る第2の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第2の交点で交差する。また、投射像における第1の断面に直交して投射像の中心を通る中心線上での第3の端に到達する主光線を第3の主光線とし、第4の端に到達する主光線を第4の主光線とするとき、該複数の反射面のうち光束を順に反射する2つの反射面間において、第3の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第3の交点で交差し、第4の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第4の交点で交差する。
【0018】
そして、第1及び第2の交点間の基準軸光線の光路に沿った中点を第1の中点とし、第3及び第4の交点間の基準軸光線の光路に沿った中点を第2の中点とするとき、第1の断面上での基準軸光線の光路の方向において、第1の中点は、第2の中点よりも像面側に位置し、かつ第1の中点と第2の中点との間に、該複数の反射面のうち最終反射面を含む少なくとも1つの反射面が配置されていることを特徴とする。
【0019】
なお、上記投射光学系を介して画像を投射する画像投射装置や、該画像投射装置とこの画像投射装置に画像信号を供給する画像供給装置とを有する画像表示システムは、本発明の他の側面を構成する。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、アジムス依存性が高い斜め投射光学系において、アジムス方向ごとに主光線の光路と基準軸光線の光路との交点間の中点(射出瞳に相当する)を、光学系のサイズ減少や収差補正上、最適に分離配置できる。これにより、小型化で高精細な画像を投射可能な投射光学系を実現することができる。特に、分離配置された中点間に曲率を有する反射面を配置することで、射出瞳の位置を適正に制御しながら像高ごとの収差補正を良好に行うことができる。この結果、より高精細な画像を投射することができる。
【0021】
そして、この投射光学系を用いることで、従来に比べてさらに薄型で、かつ装置下部の高さもさらに低い画像投射装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。
【0023】
まず、具体的な実施例の説明に先立って、複数の曲率を有する反射面(以下、曲面反射面という)を用いたオフアキシャル投射光学系及びこれを搭載した画像投射装置の小型化や収差補正に関する本発明の有効性について説明する。
【0024】
本発明では、反射光学系を構成する複数の曲面反射面のうち第1反射面から最終反射面及び導光ミラー(導光反射面)を介してスクリーン上(被投射面上、像面上)の投射画像の中心に到達する基準軸光線を含む断面を第1の断面とする。なお、反射光学系と導光ミラーとの位置関係は、装置の上下及び装置の左右のいずれでもよい。さらに言えば、反射光学系を装置下部に、導光反射面を装置上部に配置してもよいし、その逆の配置でもよい。また、スクリーン(被投射面、像面)は、原画を形成する原画形成素子(液晶変調素子や、ミラーデバイス等)と実質的に共役な関係である。
【0025】
そして、該第1の断面において、投射画像の第1の端(上端又は下端)に到達する主光線を第1の主光線とし、投射画像の第2の端(下端又は上端)に第1の主光線よりもスクリーンの法線に対して大きな角度で到達する主光線を第2の主光線とする。
【0026】
複数の反射面のうち最終反射面よりも1つ前の反射面から導光反射面に至る光路において、第1の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第1の交点で、第2の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第2の交点で交差している。より詳細に書くと、複数の反射面のうち最終反射面よりも1つ前の反射面から導光反射面に至る第1の主光線の光路と、前述の1つ前の反射面から導光反射面に至る基準軸光線の光路とが第1の交点で交差している。そして、複数の反射面のうち最終反射面よりも1つ前の反射面から導光反射面に至る第2の主光線の光路と、前述の1つ前の反射面から導光反射面に至る基準軸光線の光路とが第2の交点で交差している。ここで、第2の交点は、最終反射面と導光反射面との間であるとなおよい。
【0027】
ただし、本発明では、導光反射面を有さず、反射光学系の最終反射面で反射された光束が、他の反射面を介さずに被投射面(スクリーン等)に投射されるような構成であっても構わない。その場合は、上述の「導光反射面」を「被投射面」と読み替えればよく、本発明の効果を奏する。
【0028】
第1反射面とは、反射光学系を構成する複数の曲面反射面のうち、最初に光束を反射する反射面である。また、最終反射面とは、該複数の曲面反射面のうち最後に光束を反射する反射面である。
【0029】
また、本発明では、スクリーン上の投射画像における第1の断面に直交して投射画像の中心を通る中心線上での第3の端(右端又は左端)に到達する主光線を第3の主光線とする。さらに、投射画像における該中心線上の第4の端(左端又は右端)に到達する主光線を第4の主光線とする。このとき、反射光学系の複数の反射面のうち光束を順に反射する2つの反射面間において、第3の主光線の光路と基準軸光線の光路とを第3の交点で交差させ、第4の主光線の光路と基準軸光線の光路とを第4の交点で交差させる。
【0030】
そして、第1及び第2の交点間の基準軸光線の光路に沿った中点を第1の中点とし、第3及び第4の交点間の基準軸光線の光路に沿った中点を第2の中点とする。このとき、第1の断面上での基準軸光線の光路の方向において、第1の中点を、第2の中点よりも像面側に位置させ、かつ第1の中点と第2の中点との間に、複数の反射面のうち最終反射面を含む少なくとも1つの反射面を配置する。
【0031】
像面側とは、物体像を拡大投射する投射光学系においては、拡大側共役面ということができる。一方、この場合、物体側とは、縮小側共役面ということができる。
【0032】
なお、第1の交点が反射光学系内に、第2の交点が反射光学系外に位置するようにしてもよい。反射光学系内とは、反射光学系に入射した第1の主光線と基準軸光線が反射光学系から射出する前という意味である。また、反射光学系外とは、反射光学系に入射した第2の主光線と基準軸光線とが反射光学系から射出した後という意味である。第1の交点は、最終反射面よりも像面側であってもよいし、物体側であってもよい。
【0033】
また、第1の主光線は、第1の断面において、像面に到達する主光線束のうち像面の法線に対して最も小さい角度で到達する主光線と言い換えることもできる。また、第2の主光線は、上記主光線束のうち像面の法線に対して最も大きい角度で到達する主光線と言い換えることができる。
【0034】
本発明では、前述した第1及び第2の中点P1,P2を、反射光学系の射出瞳位置に相当する位置として定義している。そして、本発明は、投射光学系の互いに直交する2つの断面方向において射出瞳位置が分離されていることを特徴とする。
【0035】
回転対称面により構成される共軸光学系と異なり、オフアキシャル光学系では、その非対称性によって、アジムス方向に応じた瞳位置で各画角の主光線が1点で交わらない。このため、本実施例では、瞳位置に相当する位置としてP1及びP2を定義している。
【0036】
瞳位置では、光束全体が細くなっているため、複数の光学面又は光学素子を物理的な干渉なく配置する上で断面ごとに好適な位置に該瞳を配置することが可能である。
【0037】
例えば、一方の断面では光学系の小型化及び薄型化のために、光束が通過する2つの反射面間の近傍に瞳を配置し、反射面の配置間隔を狭める。これに対し、他方の断面では、画角を狭めるために瞳を像面からより離した位置に配置する。このように、瞳の位置を断面ごとに独立に設定することができる。
【0038】
さらに分離した瞳間に曲率を有する反射面を配置することで、該反射面よりも像面側の瞳位置を物体側の瞳位置とは独立に制御することができる。
【0039】
ここで、反射光学系を構成する複数の曲面反射面の形状は、回転非対称であることが望ましい。また、瞳位置の分離は、該分離された瞳位置間に配置された反射面よりも物体側の反射面で既に断面ごとに行われているのがよい。像高ごとに焦点距離が大きく異なる斜め投射の場合、像高ごとの入射瞳径が同じであっても、焦点距離に応じて射出瞳径、すなわち像面側瞳径が異なる。このため、両断面の瞳位置に近い位置となる両瞳位置の間に反射面を配置して、像高ごとに、球面収差やコマ収差等の瞳径に依存する収差を補正することが有効である。
【0040】
具体的な例として、図1及び図2を用いて複数の曲面反射面により構成されるオフアキシャル光学系について説明する。図1には、光源と画像形成素子と照明光学系を含む原画像形成光学系LVからの光線が曲面反射面S1,S2,S3,S4で順次反射されて反射面S1,S3間のスペースを通過してスクリーンSCに斜め投射されている例を示す。また、図2は、図1に直交する断面において反射面S1,S3間のスペースを通過する光線をスクリーン法線方向から見た様子を示している。
【0041】
図2において、SV,SHはそれぞれ、反射面S1,S3間のスペースの縦横の幅であり、Lは該スペースを通過する光線束の領域を示している。幅SVは、隣り合う2つの反射面S1,S3間のスペース幅として決定されるが、SHは反射面S1,S3による直接の制約は受けない。したがって、反射面S1,S3間のスペースを通過する光線束の領域Lは、幅SV方向において縮小する必要がある。
【0042】
その手段として、図1に示す断面において、反射面S1,S3間のスペースに射出瞳EPVを形成することが考えられる。このとき、図2に示す断面での射出瞳EPHの位置は、幅SHの制約が無いため、必ずしも反射面S1,S3間のスペースに配置する必要はない。
【0043】
ここで、投射光学系には、例えば16:9といった横長の投射画像をスクリーンSCに表示する必要がある。このとき、図2のスクリーン法線方向から見たときの左右の画角幅は、図1の断面上での上下の画角幅に比べて大きい。したがって、射出瞳EPHの位置は射出瞳EPVの位置よりも基準軸光線の光路方向における物体側に設定する。これにより、投射画像の左右方向での投射光学系からの光線の射出角を狭めて、スクリーンSCへの入射角を小さくすることができるとともに、諸収差の補正を行い易くすることができる。
【0044】
図3には、図1に示した投射光学系において、スクリーンSCの左端、左右方向中央及び右端のそれぞれでの上端,中央,下端の合計9像高に結像する光束の反射面S4上での径を示す。反射面S4は、図1及び図2のそれぞれの断面の射出瞳間に配置された反射面である。
【0045】
Fa’は図1においてスクリーンSCの上端に結像する像高(画角)光束La’の反射面S4上での光束径であり、FbはスクリーンSCの下部に結像する像高光束Lbの反射面S4上での光束径である。像高光束Lbは、図1の断面において、スクリーンSCに対して最小角度で入射する光束であり、La’は最大角度で入射する光束である。
【0046】
スクリーンSCの全域では、最大角度で入射する像高光束La(図示せず)は、スクリーンSCの上端における左端及び右端に入射する光束である。この像高光束Laの反射面S4上での光束径をFaとする。
【0047】
斜め投射の場合は、像高によって焦点距離が異なるため、反射光学系の入射瞳径が像高によらず一定であっても、射出瞳径は像高によって異なる。このため、射出瞳に近い反射面S4では、焦点距離の長い像高光束Laの光束径Faを、焦点距離の短い像高光束Lbの光束径Fbよりも大きく設定することで、像面照度の均一な投射光学系を実現できる。
【0048】
さらに、図1及び図2の断面での瞳に挟まれた反射面S4上では、該反射面S4が瞳に近いために、光束径が大きいながらも像高ごとに光束が分離されている。このため、回転非対称な反射面、すなわち自由曲面を用いて像高ごとの収差補正が可能である。
【0049】
このように、複数の反射面により構成されるオフアキシャル光学系では、反射面の位置と断面ごとの光学的パワー配置を適切に設定することで、高精細な画像投射が可能で、かつ小型の投射光学系を実現することができる。言い換えれば、本発明は、投射光学系の小型化を達成するためのパワー配置について、オフアキシャル光学系のアジムス依存性の適切な設定を、瞳位置の分離とその間への反射面の配置とによって達成している。
【0050】
次に、後述する各実施例での構成諸元の表し方及び実施例全体の共通事項について説明する。図19は、実施例における光学系の構成データを定義する座標系の説明図である。
【0051】
本発明の実施例では、縮小側の物体から拡大側の像面に進む1つの光線(図19中に一点鎖線で示し、基準軸光線という)に沿ってi番目の面を第i面とする。また、実施例において、画像(投射像)を投影する面を像面(最終結像面又はスクリーンともいう)と表現する。また、実施例では、縮小側を物体面として拡大側の像面に投影する形態で説明するが、逆の光路で物体像を縮小投射してもよい。
【0052】
図19において、第1面R1は屈折面、第2面R2は第1面R1に対してチルトした反射面である。第3面R3及び第4面R4はそれぞれの直前の面に対してシフト及びチルトした反射面である。また、第5面R5は、第4面R4に対してシフト及びチルトした屈折面である。
【0053】
第1面R1から第5面R5までのそれぞれの面は、ガラスやプラスチック等の媒質で構成される1つの光学素子上に形成されている。該光学素子を、図19中では、光学素子Qとする。図19では、不図示の物体面から第1面R1までの媒質は空気、第1面R1から第5面R5まではある共通の媒質、第5面R5から不図示の第6面R6までの媒質は空気である。
【0054】
実施例の光学系はオフアキシャル(Off-Axial)光学系である。このため、光学系を構成する各面は、共通の光軸を持っていない。そこで、実施例においては、まず第1面の中心を原点とする絶対座標系を設定する。そして、第1面の中心点を原点とすると共に、原点と最終結像面の中心とを通る光線(基準軸光線)の経路を光学系の基準軸と定義する。さらに、実施例中の基準軸は方向(向き)を持っており、その方向は、基準軸光線が結像に際して進行する方向である。
【0055】
実施例においては光学系の基準となる基準軸を上記のように設定したが、光学系の基準となる軸の決め方は、光学設計上、収差の取り纏め上、若しくは光学系を構成する各面の形状を表現する上で都合の良い軸を採用することもできる。但し、一般的には像面の中心と、絞り、入射瞳、射出瞳、光学系の第1面の中心又は最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を基準軸に設定するとよい。
【0056】
実施例においては、基準軸は第1面の中心点を通り、最終結像面の中心へ到達する基準軸光線が、各屈折面及び各反射面によって屈折及び反射する経路を基準軸に設定する。各面の順番は、基準軸光線が屈折と反射を受ける順番に設定する。
【0057】
基準軸は、設定された各面の順番に沿って、屈折又は反射の法則に従ってその方向を変化させつつ最終的に像面の中心に到達する。なお、実施例において、物体側、パネル側、像側、像面側、スクリーン側等とは、基準軸の方向(基準軸光線の光路の方向)に対してどちら側であるかを意味している。
【0058】
実施例における光学系の絶対座標系の各軸は以下のように定義される。
【0059】
Z軸:原点と物体面中心を通る直線であり、物体面から第1面R1に向かう方向を正とする。
【0060】
Y軸:原点を通り、右手座標系の定義に従ってZ軸に対して反時計回りに90゜をなす直線とする。
【0061】
X軸:原点を通り、Z及びY軸に対して直交する直線とする。
【0062】
光学系を構成する第i面の面形状及びチルト角を表すために、絶対座標系にてその面の形状及びチルト角を表記する方法もある。しかし、これよりも、基準軸と第i面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定し、該ローカル座標系でその面の面形状を表すとともに、基準軸とローカル座標系のなす角度でチルト角を表した方が形状を認識し易い。このため、実施例では、第i面の面形状及びチルト角を、以下のように定義されるローカル座標系で表す。
【0063】
そのために、まず基準軸上の任意の点に対して、以下の基準軸上座標系を設定する。
【0064】
zb軸:基準軸上の任意の点を通る直線であり、基準軸の方向を正とする。基準軸の偏向点においては入射方向を正とする。
【0065】
yb軸:基準軸上の任意の点を通り、右手座標系の定義に従ってzb軸に対して反時計回りに90゜をなす直線とする。該直線は、絶対座標系の原点で絶対座標系のY軸と一致する。なお、zb軸に対する回転はないものとする
xb軸:基準軸上の任意の点を通り、zb及びyb軸に直交する直線とする。
【0066】
次にローカル座標系を、以下のように設定する。
【0067】
z軸:ローカル座標の原点を通る面法線とする。
【0068】
y軸:ローカル座標の原点を通り、右手座標系の定義に従ってz方向に対し反時計方向に90゜をなす直線とする。
【0069】
x軸:ローカル座標の原点を通り、yb−zb面に対して直交する直線とする。
【0070】
したがって、第i面のyb−zb面内でのチルト角は、ローカル座標系のz軸が基準軸上座標系のzb軸に対してなす鋭角であり、反時計回り方向を正とした角度θxb,i (単位°)とする。また、第i面のxb−zb面内でのチルト角は、ローカル座標系のz軸が基準軸上座標系のzb軸に対してなす鋭角であり、反時計回り方向を正とした角度θyb,i(単位°)とする。さらに、第i面のxb−yb面内でのチルト角は、ローカル座標系のz軸が絶対座標系のyb軸に対してなす鋭角であり、反時計回り方向を正とした角度θzb,i(単位°)で表す。
【0071】
ただし、通常、θzb,iは面の回転に相当するもので、本発明の実施例においては存在しない。図20は、これらの絶対座標系、基準軸上座標系及びローカル座標系の相互関係を表している。
【0072】
また、実施例において、Diは第i面と第(i+1)面とのローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量である。Ndi,νdiはそれぞれ、第i面と第(i+1)面間の媒質の屈折率とアッベ数である。また、「E−J」は、「×10−J」を表す。
【0073】
また、第i面が球面である場合、該球面の形状は以下の式で表される。
【0074】
【数1】
【0075】
実施例の光学系は、少なくとも回転非対称な非球面を1面以上有し、その形状は以下の式により表す。
【0076】
z =C04x2 + C06y2
+ C08x2y + C10y3
+ C11x4 + C13x2y2+ C15y4
+ C17x4y + C19x2y3+ C21y5
+ C22x6 + C24x4y2+ C26x2y4 + C28y6
+ C30x6y + C32x4y3+ C34x2y5 + C36y7
+ C37x8 + C39x6y2+ C41x4y4 + C43x2y6 + C45y8
上記曲面式は、xに関して偶数次の項のみ含むため、上記曲面式により規定される曲面は、yz面を対称面とする面対称な形状である。
【0077】
なお、実施例の説明中、同じ符号は同一の機能を有する構成要素を示し、重複する説明は行わない。
【0078】
また、実施例において、第1及び第2の導光ミラーM,MUはいずれも平面ミラーとするが、本発明においてこれらの導光反射面は曲率を有していてもよい。
【0079】
さらに、実施例においては、物体である画像形成素子からの光束を反射光学系Rの第1反射面S1に導く導光光学系が設けられている。そして、反射光学系Rの物体側の瞳は、基準軸光線の光路方向において、第1反射面S1よりも物体側に設定されている。
【実施例1】
【0080】
図4には、本発明の実施例1であるリアプロジェクションタイプの画像投射装置に用いられる投射光学系における基準軸光線を含む第1の断面での光束を示している。図5は、該反射光学系Rの拡大図である。また、図6は、反射光学系R及びその前段の原画像形成光学系LV及び導光光学系(CL,ST,M)の鳥瞰図である。
【0081】
図6において、原画像形成光学系LVは、不図示の画像形成素子と該画像形成素子を照明するための光源及び照明光学系を備えている。
【0082】
本実施例の画像投射装置には、パーソナルコンピュータ、DVDプレーヤ、ビデオデッキ、テレビチューナ等の画像供給装置100が接続されている。画像供給装置100からの画像信号は、画像形成素子に接続された駆動回路101に入力される。駆動回路101は、入力された画像信号に応じて画像形成素子を駆動する。該画像投射装置と画像供給装置100とにより画像表示システムが構成される。このことは、後述する他の実施例でも同じである。
【0083】
光源としては高圧水銀ランプやLED(発光ダイオード)を用いる。また、半導体レーザや固体レーザを用いてもよい。
【0084】
照明光学系は、光源からの白色光を、不図示の偏光変換素子、フライアイレンズ及びコンデンサレンズ等を含むインテグレート部とダイクロイックプリズムや色フィルタや偏光ビームスプリッタ等により構成される色分離合成部を経て画像形成素子を照明する。
【0085】
画像形成素子としては、透過型や反射型の液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス(DMD)等を用いることができる。本実施例では、詳細は図示しないが、アスペクト比が16:9、画素数がフルHD(1920×1080)で、対角サイズが0.7インチ(17.78mm)の反射型液晶パネルをRGBの波長ごとに計3つ用いている。
【0086】
画像形成素子から射出した光束(図6には、基準軸光線L0のみを示す)は、屈折光学系CLと回転非対称な形状を有する絞りSTとを経て、第1の導光ミラーMで反射される。第1の導光ミラーMによって光路を曲げられた(例えば、90°曲げられた)光束は、反射光学系Rに後述する第2及び第3反射面S2,S3の間のスペースから入射する。
【0087】
ここで、絞りSTの径は、反射光学系R内で基準軸光線が偏向される方向、すなわち図23でいうY方向の寸法をX方向に対して短くして、反射光学系Rに導かれる前にY方向のFナンバーをX方向よりも大きくしておくことが望ましい。これにより、反射光学系R内での光束が細くなるため、反射光学系Rを構成する反射面の配置自由度が増す。また、該反射面による光束の偏向角を小さくすることができるため、角度が付いた反射によって発生する非対称収差の制御自由度が向上する。この効果については、本発明者が、特開2005−24695号公報にて詳細に説明している。また、このことは、後述する他の実施例でも同じである。
【0088】
反射光学系Rに入射した光束は、図5に示した4つの曲面反射面(第1〜第3反射面及び最終反射面)S1,S2,S3,S4の順に反射される。これらの反射面S1〜S4は、透光性の光学素子上に一体形成されている。ただし、反射面S1〜S4を、4つのミラーを組み合わせることで構成してもよい。このことは、後述する他の実施例でも同じである。
【0089】
図5において、IMは、反射光学系R内における後述する第1の交点Aよりも物体側に形成された中間像である。より詳しくは、本実施例では、第2反射面S2と第3反射面S3との間に中間像IMが形成されている。
【0090】
最終反射面S4で反射された光束は、導光光学系の第1の導光ミラーMと第3反射面S3との間のスペースを通過して該反射光学系Rから射出し、スクリーンSCの背面側上部に配置された第2の導光ミラーMUに向かう。第2の導光ミラーMUで反射された光束は、スクリーンSCに斜めに入射して結像する。こうして、スクリーンSC上に投射画像が形成される。
【0091】
本実施例では、スクリーンSC上での投射画像のアスペクト比を16:9とし、対角サイズを64インチ(1625.6mm)としている。スクリーンSCは、斜めに入射した光束をスクリーンSCの表側(観察者側)に特定の視野角で拡散する。スクリーンSCとしては、フレネルレンズ、レンチキュラーレンズ及び拡散材等を積層したものを用いるとよい。
【0092】
図7には、図4と同一断面に示した光束のうち、投射画像(スクリーンSC)の上端、上下方向中央及び下端にそれぞれ到達する主光線L0,L1,L2の光路のみを示している。また、図8は、反射光学系Rの拡大図であり、上記主光線L0,L1,L2の光路のみを示している。
【0093】
L0は基準軸光線であり、本実施例では、スクリーンSCに、その法線(以下、スクリーン法線という)nに対して72度の角度で入射する。L1は投射画像の上端(第1の端)に到達する第1の主光線であり、この図の断面においてスクリーンSCに入射する主光線束のうちスクリーン法線nに対して最小の角度で入射する。L2は投射画像の下端(第2の端)に到達する第2の主光線であり、この図の断面においてスクリーンSCに入射する光線束のうちスクリーン法線nに対して最大の角度で入射する。
【0094】
また、Aは基準軸光線L0の光路と第1の主光線L1の光路との交点(第1の交点)であり、反射光学系Rの内部(最終反射面S4に対してその像面側にて近い位置)に位置する。Bは基準軸光線L0の光路と第2の主光線L2の光路との交点(第2の交点)であり、最終反射面S4及び第1の交点Aよりも像面側であって反射光学系Rの外部(反射光学系Rと第2の導光ミラーMUとの間)に位置する。P1は交点A,B間の基準軸光線の光路に沿った中点(第1の中点)である。
【0095】
なお、本実施例では、図7に示す断面において、以下のように主光線の光路が設定されている。すなわち、最終反射面S4から第2の導光ミラーMUに到達するまでの間において、第1の主光線L1の光路は、基準軸光線L0の光路に対して、第2の導光ミラーMUに近づくほどスクリーンSCに近づくように傾いている。また、第2の主光線L2の光路は、基準軸光線L0の光路に対して、第2の導光ミラーMUに近づくほどスクリーンSCから遠ざかるように傾いている。
【0096】
図9には、反射光学系Rの断面であって、図7及び図8に示す第1の断面に直交し、第3及び第4反射面S3,S4の間の基準軸光線L0を含む断面K(図7中に一点鎖線で示す)での主光線L0,L3,L4を示す。
【0097】
L3は、第3反射面S3から図7の断面に直交して投射画像の中心を通る中心線G(図7参照)上における投射画像のスクリーン表面側から見たときの右端(第3の端)に到達する第3の主光線である。L4は第3反射面S3から中心線G上における投射画像のスクリーン表面側から見たときの左端(第4の端)に到達する第4の主光線である。
【0098】
Cは基準軸光線L0の光路と第3の主光線L3の光路との交点(第3の交点)であり、Dは基準軸光線L0の光路と第4の主光線L4との光路の交点(第4の交点)である。P2は交点C,D間の基準軸光線の光路に沿った中点(第2の中点)である。
【0099】
本実施例では、反射面S1〜S4としてローカル座標系のy軸に対してのみ対称な回転非対称面を用いている。このため、スクリーン左右方向における対称な2端に到達する主光線L3,L4の光路と基準軸光線L0の光路との交点C,Dは、第2の中点P2にて一致する。図8には、図7と同じ断面における上記第2の中点P2の位置を丸印で示している。図8に示すように、第2の中点P2は、最終反射面S4及び第1の中点P1よりも、基準軸光線L0の光路方向における像面側に位置する。
【0100】
そして、本実施例では、図8に示すように、第1の中点P1を、最終反射面S4と第2の導光ミラーMUとの間であって、第1の導光ミラーMと反射面S3との間のスペースの近傍に配置している。これにより、該スペースを通過して反射光学系Rから射出する光束の第1の断面上での径を細くすることができる。したがって、第1の導光ミラーM及び屈折光学系CLを、反射面S3の方向に近づけて配置することができ、反射光学系Rのスクリーン法線方向でのサイズを小さくすることができる。
【0101】
また、第2の中点P2を、第1の中点P1よりも物体側に配置された反射面S3,S4の間に配置することで、投射画角の大きい第1の断面において、射出瞳位置をスクリーンSCから遠ざけることができる。これにより、スクリーンSCに対する入射角を小さくすることができ、収差補正を良好に行い易くすることができる。
【0102】
さらに、本実施例では、第1の中点(第1の断面での射出瞳)P1と、第2の中点(上記断面Kでの射出瞳)P2との間に、最終反射面S4を配置している。
【0103】
図10は、スクリーンSCを表面側から見たときに投射画像の左端での上端,中央,下端、左右方向中央での上端,中央,下端及び右端での上端,中央,下端の9点に結像する像高光束に対応した最終反射面S4上での光束径を示している。結像位置と図10に示した光束径F1〜F9との対応関係は、以下の通りである。
【0104】
投射画像の左端 上端→F9 中央→F6 下端→F3
投射画像の左右方向中央 上端→F8 中央→F5 下端→F2
投射画像の右端 上端→F7 中央→F4 下端→F1。
【0105】
スクリーン法線に対して最大角度でスクリーンSCに入射する主光線を含む像高光束は、投射画像の左端及び右端における下端(第1の位置)にて結像する光束であり、それらの光束が最終反射面S4上で形成する光束径はF1,F3である。光束径F1,F3は、光学系の対称性から同じとなり、上記F1〜F9のうち最大である。
【0106】
一方、スクリーン法線に対して最小角度でスクリーンSCに入射する主光線を含む像高光束は、投射画像の左右方向中央にて上端(第2の位置)に結像する光束であり、この光束が最終反射面S4上で形成する光束径はF8である。光束径F8は、上記F1〜F9のうち最小である。
【0107】
そして、最大の光束径F1,F3をFaとし、最小の光束径F8のFbとするとき、Fa=23.4mm、Fb=5.9mmである。すなわち、Fa>Fbを満たす。
【0108】
表1〜表3には、本実施例の数値例を示す。
【0109】
【表1】
【0110】
【表2】
【0111】
【表3】
【0112】
また、図23〜26には、本実施例におけるスクリーンS上での横収差図を示す。各横収差図(1〜20)とスクリーンS上での投射位置との関係は、図22に示す通りである。なお、光学系の対称性より収差もスクリーンS上で左右対称に発生するため、スクリーンS上での右側半分についての横収差を図示する。さらに、図27には、図23〜26に示した横収差量を数値で示している。
【実施例2】
【0113】
図11には、本発明の実施例2であるリアプロジェクションタイプの画像投射装置に用いられる投射光学系における基準軸光線を含む第1の断面での光束を示している。図12は、該反射光学系Rの拡大図である。
【0114】
また、図13は、反射光学系R及びその前段の原画像形成光学系LV及び導光光学系(CL,ST,M)の鳥瞰図である。
【0115】
本実施例でも、画像形成素子としては、アスペクト比が16:9、画素数がフルHD(1920×1080)、対角サイズが0.7インチ(17.78mm)の反射型液晶パネルをRGBの波長ごとに計3つ用いる。
【0116】
画像形成素子から射出した光束(図13には、基準軸光線L0のみを示す)は、屈折光学系CLと回転非対称な形状を有する絞りSTとを経て、第1の導光ミラーMで反射される。第1の導光ミラーMによって光路を曲げられた(例えば、90°曲げられた)光束は、反射光学系Rに後述する第2及び最終反射面S2,S5の間のスペースから入射する。
【0117】
反射光学系Rに入射した光束は、図12に示した5つの曲面反射面(第1〜第4反射面及び最終反射面)S1,S2,S3,S4,S5の順に反射される。
【0118】
図12において、IMは、反射光学系R内における後述する第1の交点Aよりも物体側に形成された中間像である。より詳しくは、本実施例では、第2反射面S2と第3反射面S3との間に中間像IMが形成されている。
【0119】
最終反射面S5で反射された光束は、第1反射面S1と第4反射面S4との間のスペースを通過して該反射光学系Rから射出し、スクリーンSCの背面側上部に配置された第2の導光ミラーMUに向かう。第2の導光ミラーMUで反射された光束は、スクリーンSCに斜めに入射して結像する。こうして、スクリーンSC上に投射画像が形成される。
【0120】
本実施例では、スクリーンSC上での投射画像のアスペクト比を16:9とし、対角サイズを64インチ(1625.6mm)としている。
【0121】
図14には、図11と同一断面に示した光束のうち、投射画像(スクリーンSC)の上端、上下方向中心及び下端にそれぞれ到達する主光線L0,L1,L2の光路のみを示している。また、図15は、反射光学系Rの拡大図であり、上記主光線L0,L1,L2の光路のみを示している。
【0122】
L0は基準軸光線であり、本実施例では、スクリーンSCに、スクリーン法線に対して72度の角度で入射する。L1は投射画像の上端(第1の端)に到達する第1の主光線であり、この図の断面においてスクリーンSCに入射する主光線束のうちスクリーン法線に対して最小の角度で入射する。L2は投射画像の下端(第2の端)に到達する第2の主光線であり、この図の断面においてスクリーンSCに入射する光線束のうちスクリーン法線に対して最大の角度で入射する。
【0123】
また、Aは基準軸光線L0の光路と第1の主光線L1の光路との交点(第1の交点)であり、反射光学系Rの内部(第4反射面S4と最終反射面S5との間)に位置する。Bは基準軸光線L0の光路と第2の主光線L2の光路との交点(第2の交点)であり、第1の交点A及び最終反射面S5よりも像面側であって反射光学系Rの外部(反射光学系Rと第2の導光ミラーMUとの間)に位置する。P1は交点A,B間の基準軸光線の光路に沿った中点(第1の中点)である。
【0124】
なお、本実施例では、図14に示す断面において、以下のように主光線の光路が設定されている。すなわち、最終反射面S5から第2の導光ミラーMUに到達するまでの間において、第1の主光線L1の光路は、基準軸光線L0の光路に対して、第2の導光ミラーMUに近づくほどスクリーンSCに近づくように傾いている。また、第2の主光線L2の光路は、基準軸光線L0の光路に対して、第2の導光ミラーMUに近づくほどスクリーンSCから遠ざかるように傾いている。
【0125】
図16には、反射光学系Rの断面であって、図14及び図15に示す第1の断面に直交し、第3及び第4反射面S3,S4の間の基準軸光線L0を含む断面K(図15中に一点鎖線で示す)での主光線L0,L3,L4を示す。
【0126】
L3は、第3反射面S3から図14の断面に直交して投射画像の中心を通る中心線G(図14参照)上における投射画像のスクリーン表面側から見たときの右端(第3の端)に到達する第3の主光線である。L4は第3反射面S3から中心線G上における投射画像のスクリーン表面側から見たときの左端(第4の端)に到達する第4の主光線である。
【0127】
Cは基準軸光線L0の光路と第3の主光線L3の光路との交点(第3の交点)であり、Dは基準軸光線L0の光路と第4の主光線L4との光路の交点(第4の交点)である。P2は交点C,D間の基準軸光線の光路に沿った中点(第2の中点)である。
【0128】
本実施例では、反射面S1〜S5としてローカル座標系のy軸に対してのみ対称な回転非対称面を用いている。このため、スクリーン左右方向における対称な2端に到達する主光線L3,L4の光路と基準軸光線L0の光路との交点C,Dは、第2の中点P2にて一致する。図15には、図14と同じ断面における上記第2の中点P2の位置を丸印で示している。図15に示すように、第1の中点P1は、最終反射面S5及び第2の中点P2よりも、基準軸光線L0の光路方向における像面側に位置する。
【0129】
そして、本実施例では、図15に示すように、第1の中点P1を、最終反射面S5と第2の導光ミラーMUとの間であって、反射面S1,S4の間のスペースの近傍に配置している。これにより、該スペースを通過して反射光学系Rから射出する光束の第1の断面上での径を細くすることができる。したがって、反射面S1,S4を互いに近づけて配置することができ、反射光学系Rのスクリーン法線方向でのサイズを小さくすることができる。
【0130】
また、第2の中点P2を、第1の中点P1よりも物体側に配置された反射面S3,S4の間に配置することで、投射画角の大きい第1の断面において、射出瞳位置をスクリーンSCから遠ざけることができる。これにより、スクリーンSCに対する入射角を小さくすることができ、収差補正を良好に行い易くすることができる。
【0131】
さらに、本実施例では、第1の中点(第1の断面での射出瞳)P1と、第2の中点(上記断面Kでの射出瞳)P2との間に、反射面S4,S5を配置している。
【0132】
図17及び図18は、スクリーンSCを表面側から見たときに投射画像の左端での上端,中央,下端、左右方向中央での上端,中央,下端及び右端での上端,中央,下端の9点に結像する像高光束に対応した反射面S4,S5上での光束径を示している。結像位置と図21,22に示した光束径F1〜F9との対応関係は、以下の通りである。
【0133】
投射画像の左端 上端→F9 中央→F6 下端→F3
投射画像の左右方向中央 上端→F8 中央→F5 下端→F2
投射画像の右端 上端→F7 中央→F4 下端→F1。
【0134】
スクリーン法線に対して最大角度でスクリーンSCに入射する主光線を含む像高光束は、投射画像の左端及び右端における下端(第1の位置)にて結像する光束であり、それらの光束径が反射面S4,S5上で形成する光束径はF1,F3である。いずれの反射面S4,S5においても、光束径F1,F3は、光学系の対称性から同じとなり、上記F1〜F9のうち最大である。
【0135】
一方、スクリーン法線に対して最小角度でスクリーンSCに入射する主光線を含む像高光束は、投射画像の左右方向中央の上端(第2の位置)にて結像する光束であり、この光束が最終反射面S4上で形成する光束径はF8である。いずれの反射面S4,S5においても、光束径F8は、上記F1〜F9のうち最小である。
【0136】
そして、最大の光束径F1,F3をFaとし、最小の光束径F8をFbとするとき、第4反射面S4上では、Fa=22.6mm、Fb=6.6mmであり、最終反射面S5上では、Fa=23.2mm、Fb=5.6mmである。すなわち、Fa>Fbを満たす。
【0137】
表4〜表6には、本実施例の数値例を示す。
【0138】
【表4】
【0139】
【表5】
【0140】
【表6】
【0141】
また、図28〜31には、本実施例におけるスクリーンS上での横収差図を示す。各横収差図(1〜20)とスクリーンS上での投射位置との関係は、図22に示す通りである。なお、光学系の対称性より収差もスクリーンS上で左右対称に発生するため、スクリーンS上での右側半分についての横収差を図示する。さらに、図32には、図28〜31に示した横収差量を数値で示している。
【0142】
上記各実施例では、4つ又は5つの曲面反射面により構成される反射光学系について説明したが、本発明は、3つ又は6つ以上の曲面反射面により構成される反射光学系を用いる場合にも適用することができる。
【0143】
また、上記各実施例では、リアプロジェクションタイプの画像投射装置について説明したが、本発明は、フロントプロジェクションタイプの画像投射装置にも適用することができる。
【0144】
さらに、上記各実施例では、原画像を形成する画像形成素子で変調された光をスクリーンに投射することで画像を表示する画像投射装置について説明した。しかし、本発明は、これに限らず、光源からスクリーンに投射される光線を走査デバイスにより2次元方向に走査してスクリーン上に画像を描画する画像投射装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0145】
【図1】投射光学系への入射光線が、複数の反射面で順次反射されてスクリーンに斜め投射されている例を示す概略図。
【図2】図1の投射光学系において、反射面間のスペースを通過する光線をスクリーン法線方向から見た様子を示す概略図。
【図3】図1の投射光学系における最終反射面上での各像高光束の径を説明する図。
【図4】本発明の実施例1である投射光学系の断面図。
【図5】実施例1の投射光学系の拡大断面図。
【図6】実施例1の投射光学系の鳥瞰図。
【図7】実施例1の投射光学系の断面図であって、主光線のみを示した図。
【図8】実施例1の投射光学系の拡大断面図であって、主光線のみを示した図。
【図9】実施例1の投射光学系の他の断面図であって、主光線のみを示した図。
【図10】実施例1の投射光学系における最終反射面上での各像高光束の径を説明する図。
【図11】本発明の実施例2である投射光学系の断面図。
【図12】実施例2の投射光学系の拡大断面図。
【図13】実施例2の投射光学系の鳥瞰図。
【図14】実施例2の投射光学系の断面図であって、主光線のみを示した図。
【図15】実施例2の投射光学系の拡大断面図であって、主光線のみを示した図。
【図16】実施例2の投射光学系の他の断面図であって、主光線のみを示した図。
【図17】実施例2の投射光学系における第4反射面上での各像高光束の径を説明する図。
【図18】実施例2の投射光学系における最終反射面上での各像高光束の径を説明する図。
【図19】実施例で用いる座標系の説明図。
【図20】実施例における絶対座標系、基準軸上座標系及びローカル座標系の関係を説明する図。
【図21】従来の投射光学系の示す概略図。
【図22】実施例1,2におけるスクリーン上での横収差の測定位置を示す図。
【図23】実施例1の横収差図。
【図24】実施例1の横収差図。
【図25】実施例1の横収差図。
【図26】実施例1の横収差図。
【図27】実施例1の横収差量を示す表。
【図28】実施例2の横収差図。
【図29】実施例2の横収差図。
【図30】実施例2の横収差図。
【図31】実施例2の横収差図。
【図32】実施例2の横収差量を示す表。
【符号の説明】
【0146】
L0 基準軸光線
L1,L2,L3,L4 主光線
SC スクリーン
LV 原画像形成光学系
CL 屈折光学系
R 反射光学系
M,MU 導光ミラー
S1,S2,S3,S4,S5 曲面反射面
ST 絞り
【特許請求の範囲】
【請求項1】
それぞれの反射面で反射された光束の光路が他の反射面で反射された光束の光路と交差するように物体からの光束を順次反射する第1反射面から最終反射面までの曲率を持った複数の反射面を有する反射光学系と、
該反射光学系からの光束を反射して像面に導く導光反射面とを有し、
該投射光学系の入射瞳の中心を通り前記反射光学系及び前記導光反射面を介して前記像面上の投射像の中心に到達する光線を基準軸光線とするとき、該基準軸光線は前記像面に対して斜めに入射し、
前記第1反射面から前記投射像の中心までの前記基準軸光線の光路を含む第1の断面において、前記投射像の第1の端に到達する主光線を第1の主光線とし、前記投射像の第2の端に前記第1の主光線よりも前記像面の法線に対して大きな角度で到達する主光線を第2の主光線とするとき、
前記複数の反射面のうち前記最終反射面よりも1つ前の反射面から前記導光反射面に至る前記第1の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第1の交点で交差し、
前記複数の反射面のうち前記最終反射面よりも1つ前の反射面から前記導光反射面に至る前記第2の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第2の交点で交差し、
前記投射像における前記第1の断面に直交して前記投射像の中心を通る中心線上での第3の端に到達する主光線を第3の主光線とし、第4の端に到達する主光線を第4の主光線とするとき、前記複数の反射面のうち前記光束を順に反射する2つの反射面間において、前記第3の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第3の交点で交差し、前記第4の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第4の交点で交差し、
前記第1及び第2の交点間の前記基準軸光線の光路に沿った中点を第1の中点とし、前記第3及び第4の交点間の前記基準軸光線の光路に沿った中点を第2の中点とするとき、
前記第1の断面上での前記基準軸光線の光路の方向において、前記第1の中点は、前記第2の中点よりも像面側に位置し、かつ前記第1の中点と前記第2の中点との間に、前記複数の反射面のうち前記最終反射面を含む少なくとも1つの反射面が配置されていることを特徴とする投射光学系。
【請求項2】
前記第1の中点は、前記最終反射面と前記導光反射面との間に位置し、前記第2の中点は、前記複数の反射面のうち前記最終反射面と前記最終反射面の1つ前の反射面との間に位置することを特徴とする請求項1に記載の投射光学系。
【請求項3】
それぞれの反射面で反射された光束の光路が他の反射面で反射された光束の光路と交差するように物体からの光束を順次反射する第1反射面から最終反射面までの曲率を持った複数の反射面を有する反射光学系を備え、前記最終反射面で反射された光束を他の反射面を介さずに被投射面に導く投射光学系であって、
該投射光学系の入射瞳の中心を通り前記反射光学系を介して前記被投射面上の投射像の中心に到達する光線を基準軸光線とするとき、該基準軸光線は前記被投射面に対して斜めに入射し、
前記第1反射面から前記投射像の中心までの前記基準軸光線の光路を含む第1の断面において、前記投射像の第1の端に到達する主光線を第1の主光線とし、前記投射像の第2の端に前記第1の主光線よりも前記像面の法線に対して大きな角度で到達する主光線を第2の主光線とするとき、
前記複数の反射面のうち前記最終反射面よりも1つ前の反射面から前記被投射面に至る前記第1の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第1の交点で交差し、
前記複数の反射面のうち前記最終反射面よりも1つ前の反射面から前記被投射面に至る前記第2の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第2の交点で交差し、
前記投射像における前記第1の断面に直交して前記投射像の中心を通る中心線上での第3の端に到達する主光線を第3の主光線とし、第4の端に到達する主光線を第4の主光線とするとき、前記複数の反射面のうち前記光束を順に反射する2つの反射面間において、前記第3の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第3の交点で交差し、前記第4の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第4の交点で交差し、
前記第1及び第2の交点間の前記基準軸光線の光路に沿った中点を第1の中点とし、前記第3及び第4の交点間の前記基準軸光線の光路に沿った中点を第2の中点とするとき、
前記第1の断面上での前記基準軸光線の光路の方向において、前記第1の中点は、前記第2の中点よりも像面側に位置し、かつ前記第1の中点と前記第2の中点との間に、前記複数の反射面のうち前記最終反射面を含む少なくとも1つの反射面が配置されていることを特徴とする投射光学系。
【請求項4】
以下の関係を満足することを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の投射光学系。
Fa>Fb
ただし、Fa,Fbはそれぞれ、前記最終反射面を含む少なくとも1つの反射面上での光束a,bの径であり、前記光束aは前記像面の法線に対して最大角度で該像面上の第1の位置に入射して結像する光束であり、前記光束bは前記像面の法線に対して最小角度で該像面上の第2の位置に入射して結像する光束である。
【請求項5】
前記複数の反射面は、4つ以上の反射面により構成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の投射光学系。
【請求項6】
前記第1の中点は、前記最終反射面と前記導光反射面との間に位置し、前記第2の中点は、前記複数の反射面のうち前記最終反射面と物体側から3番目の反射面との間に位置することを特徴とする請求項5に記載の投射光学系。
【請求項7】
前記反射光学系内において、前記基準軸光線の光路の方向における前記第1の交点よりも物体側に前記物体の中間像が形成されることを特徴とする請求項1から6のいずれか1つに記載の投射光学系。
【請求項8】
前記第1の交点は前記反射光学系内に位置し、前記第2の交点は前記反射光学系外に位置することを特徴とする請求項1から7のいずれか1つに記載の投射光学系。
【請求項9】
請求項1から8のいずれか1つに記載の投射光学系を介して画像を投射することを特徴とする画像投射装置。
【請求項10】
請求項9に記載の画像投射装置と、
該画像投射装置に画像信号を供給する画像供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。
【請求項1】
それぞれの反射面で反射された光束の光路が他の反射面で反射された光束の光路と交差するように物体からの光束を順次反射する第1反射面から最終反射面までの曲率を持った複数の反射面を有する反射光学系と、
該反射光学系からの光束を反射して像面に導く導光反射面とを有し、
該投射光学系の入射瞳の中心を通り前記反射光学系及び前記導光反射面を介して前記像面上の投射像の中心に到達する光線を基準軸光線とするとき、該基準軸光線は前記像面に対して斜めに入射し、
前記第1反射面から前記投射像の中心までの前記基準軸光線の光路を含む第1の断面において、前記投射像の第1の端に到達する主光線を第1の主光線とし、前記投射像の第2の端に前記第1の主光線よりも前記像面の法線に対して大きな角度で到達する主光線を第2の主光線とするとき、
前記複数の反射面のうち前記最終反射面よりも1つ前の反射面から前記導光反射面に至る前記第1の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第1の交点で交差し、
前記複数の反射面のうち前記最終反射面よりも1つ前の反射面から前記導光反射面に至る前記第2の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第2の交点で交差し、
前記投射像における前記第1の断面に直交して前記投射像の中心を通る中心線上での第3の端に到達する主光線を第3の主光線とし、第4の端に到達する主光線を第4の主光線とするとき、前記複数の反射面のうち前記光束を順に反射する2つの反射面間において、前記第3の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第3の交点で交差し、前記第4の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第4の交点で交差し、
前記第1及び第2の交点間の前記基準軸光線の光路に沿った中点を第1の中点とし、前記第3及び第4の交点間の前記基準軸光線の光路に沿った中点を第2の中点とするとき、
前記第1の断面上での前記基準軸光線の光路の方向において、前記第1の中点は、前記第2の中点よりも像面側に位置し、かつ前記第1の中点と前記第2の中点との間に、前記複数の反射面のうち前記最終反射面を含む少なくとも1つの反射面が配置されていることを特徴とする投射光学系。
【請求項2】
前記第1の中点は、前記最終反射面と前記導光反射面との間に位置し、前記第2の中点は、前記複数の反射面のうち前記最終反射面と前記最終反射面の1つ前の反射面との間に位置することを特徴とする請求項1に記載の投射光学系。
【請求項3】
それぞれの反射面で反射された光束の光路が他の反射面で反射された光束の光路と交差するように物体からの光束を順次反射する第1反射面から最終反射面までの曲率を持った複数の反射面を有する反射光学系を備え、前記最終反射面で反射された光束を他の反射面を介さずに被投射面に導く投射光学系であって、
該投射光学系の入射瞳の中心を通り前記反射光学系を介して前記被投射面上の投射像の中心に到達する光線を基準軸光線とするとき、該基準軸光線は前記被投射面に対して斜めに入射し、
前記第1反射面から前記投射像の中心までの前記基準軸光線の光路を含む第1の断面において、前記投射像の第1の端に到達する主光線を第1の主光線とし、前記投射像の第2の端に前記第1の主光線よりも前記像面の法線に対して大きな角度で到達する主光線を第2の主光線とするとき、
前記複数の反射面のうち前記最終反射面よりも1つ前の反射面から前記被投射面に至る前記第1の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第1の交点で交差し、
前記複数の反射面のうち前記最終反射面よりも1つ前の反射面から前記被投射面に至る前記第2の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第2の交点で交差し、
前記投射像における前記第1の断面に直交して前記投射像の中心を通る中心線上での第3の端に到達する主光線を第3の主光線とし、第4の端に到達する主光線を第4の主光線とするとき、前記複数の反射面のうち前記光束を順に反射する2つの反射面間において、前記第3の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第3の交点で交差し、前記第4の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第4の交点で交差し、
前記第1及び第2の交点間の前記基準軸光線の光路に沿った中点を第1の中点とし、前記第3及び第4の交点間の前記基準軸光線の光路に沿った中点を第2の中点とするとき、
前記第1の断面上での前記基準軸光線の光路の方向において、前記第1の中点は、前記第2の中点よりも像面側に位置し、かつ前記第1の中点と前記第2の中点との間に、前記複数の反射面のうち前記最終反射面を含む少なくとも1つの反射面が配置されていることを特徴とする投射光学系。
【請求項4】
以下の関係を満足することを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の投射光学系。
Fa>Fb
ただし、Fa,Fbはそれぞれ、前記最終反射面を含む少なくとも1つの反射面上での光束a,bの径であり、前記光束aは前記像面の法線に対して最大角度で該像面上の第1の位置に入射して結像する光束であり、前記光束bは前記像面の法線に対して最小角度で該像面上の第2の位置に入射して結像する光束である。
【請求項5】
前記複数の反射面は、4つ以上の反射面により構成されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の投射光学系。
【請求項6】
前記第1の中点は、前記最終反射面と前記導光反射面との間に位置し、前記第2の中点は、前記複数の反射面のうち前記最終反射面と物体側から3番目の反射面との間に位置することを特徴とする請求項5に記載の投射光学系。
【請求項7】
前記反射光学系内において、前記基準軸光線の光路の方向における前記第1の交点よりも物体側に前記物体の中間像が形成されることを特徴とする請求項1から6のいずれか1つに記載の投射光学系。
【請求項8】
前記第1の交点は前記反射光学系内に位置し、前記第2の交点は前記反射光学系外に位置することを特徴とする請求項1から7のいずれか1つに記載の投射光学系。
【請求項9】
請求項1から8のいずれか1つに記載の投射光学系を介して画像を投射することを特徴とする画像投射装置。
【請求項10】
請求項9に記載の画像投射装置と、
該画像投射装置に画像信号を供給する画像供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。
【図5】
【図9】
【図16】
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図6】
【図7】
【図8】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図9】
【図16】
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図6】
【図7】
【図8】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【公開番号】特開2008−145705(P2008−145705A)
【公開日】平成20年6月26日(2008.6.26)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−332265(P2006−332265)
【出願日】平成18年12月8日(2006.12.8)
【出願人】(000001007)キヤノン株式会社 (59,756)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成20年6月26日(2008.6.26)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年12月8日(2006.12.8)
【出願人】(000001007)キヤノン株式会社 (59,756)
【Fターム(参考)】
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