画像表示装置
【課題】 スクリーンとの距離が至近であっても、鮮明な大画面表示をすることができる画像表示装置に関する。
【解決手段】 光源から出射された光を画像表示素子に照射する照明光学系と、照明光学系からの照明光が照射され投射画像を形成する画像表示素子と、全体で正の屈折力を有し、画像表示素子によって形成された投射画像を被投射面に投射する投射光学系と、を有し、投射光学系は、複数のレンズ群からなるレンズ光学系と、第１ミラーおよび凹面ミラーである第２ミラーを有してなるミラー光学系と、を有してなり、第１ミラーと第２ミラーとの間に、レンズ光学系の光軸に最も近い画像表示素子に係る画素の中間像が形成され、投射レンズのうち第１ミラーに最も近いレンズのレンズ面は、凸面である画像表示装置による。
【解決手段】 光源から出射された光を画像表示素子に照射する照明光学系と、照明光学系からの照明光が照射され投射画像を形成する画像表示素子と、全体で正の屈折力を有し、画像表示素子によって形成された投射画像を被投射面に投射する投射光学系と、を有し、投射光学系は、複数のレンズ群からなるレンズ光学系と、第１ミラーおよび凹面ミラーである第２ミラーを有してなるミラー光学系と、を有してなり、第１ミラーと第２ミラーとの間に、レンズ光学系の光軸に最も近い画像表示素子に係る画素の中間像が形成され、投射レンズのうち第１ミラーに最も近いレンズのレンズ面は、凸面である画像表示装置による。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像を拡大してスクリーンに表示する画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来に比べてスクリーンの近くに設置することができる画像表示装置が知られている。このような画像表示装置は至近距離プロジェクタと呼ばれる。至近プロジェクタの目的は以下のようなものである。第１に、スクリーンの近くに立つプレゼンター（あるいは説明員、発表者など）の目に、投射光が入る眩しさを避けること、第２に、プレゼンターの説明を聞く聴講者にプロジェクタの排気や騒音の影響が及ばないようにすること、である。
【０００３】
至近距離プロジェクタが備える投射光学系は、従来の投射光学系（共軸・回転対称）の画角を広げることでスクリーン面との距離を短くするものや、曲面ミラーを使うもの等がある。従来の投射光学系の画角を広げるものは、従来技術の延長で至近投射の目的を達成することができる。しかし、スクリーンに近いレンズの外径を大型のものにする必要があり、プロジェクタ全体が大きくなる。これに対して、曲面ミラーを使う方式は、小型でありながら至近距離での投射を行うことができる。
【０００４】
曲面ミラーを使うものとして、例えば特許文献１や特許文献２に記載されている発明がある。特許文献１記載の発明は、レンズ光学系の後ろに凹面ミラーを置いて投射する方式である。特許文献２記載の発明は、レンズ光学系の後ろに凸面ミラーを置いて投射する方式である。いずれの方式においても、レンズとミラーを順番に配置するだけでセッティングができるので、部品間の配置精度を高くすることができる。しかし、レンズ光学系とミラーの間に長い距離が必要であり、投射光学系が大型化する。
【０００５】
レンズとミラーの距離を短くすることができるものとして、特許文献３や特許文献４に記載されている発明がある。特許文献３および特許文献４記載の発明は折り返しミラーを配置することで、レンズ光学系とミラーの間の長い距離を折り畳み、光学系の小型化を行なっている。
【０００６】
特許文献３記載の発明では、レンズ光学系の次に凹面ミラーと凸面ミラーを順に配置することで、小型化を図っている。また、特許文献４記載の発明では、凹面ミラーの後ろに平面ミラーを置くことによって小型化を図っている。
【０００７】
しかし、特許文献３と特許文献４に記載のいずれの光学系も、画像表示素子から曲面ミラーまでの距離が長い。そのため、スクリーンからプロジェクタ本体までの距離を、従来よりもさらに近づけるには、光学系本体の長さが邪魔になる。
【０００８】
このような「光学系自体の大きさ」に関する制約を解決するものとして、特許文献５に記載されている発明がある。特許文献５には、スクリーン面と画像表示素子の表示面が互いに垂直になる投射光学系が記載されている。このような縦型方式を採用することで、投射光学系自体の長さが、スクリーンとプロジェクタ本体の距離を近づけても邪魔になることはない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、特許文献５記載の投射光学系のように、投射レンズをスクリーンと平行になるように立てた形にした場合、投射光学系がスクリーンに対して垂直になる横型プロジェクタの投射光学系に比べて、投射レンズやミラーにゴミが付着しやすくなる。また、付着したゴミは、縦型の投射光学系の上に落ちるような状態になるため、重力の作用で自然に取れることもなく、そのまま放置すると、スクリーン面にゴミが映りこむ状態になる。
【００１０】
また、特許文献５記載の投射光学系はレンズ光学系の画角が狭いので、投射光束を反射させる２つのミラーのいずれかにゴミが付着すると、被投射面における光量に大きく影響するようになる。仮に、ミラーと被投射面の間に防塵ガラスを配置しても、０．０１mm以下の微細なゴミの侵入を防ぐことは困難である。
【００１１】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであって、縦型の投射光学系を備えた画像表示装置において、ゴミによる被投射面における光量への影響を防止することができる画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、画像表示装置に関するものであって、光源から出射された光を画像表示素子に照射する照明光学系と、照明光学系からの照明光が照射され投射画像を形成する画像表示素子と、全体で正の屈折力を有し、画像表示素子によって形成された投射画像を被投射面に投射する投射光学系と、を有し、投射光学系は、複数のレンズ群からなるレンズ光学系と、第１ミラーおよび凹面ミラーである第２ミラーを有してなるミラー光学系と、を有してなり、第１ミラーと第２ミラーとの間に、レンズ光学系の光軸に最も近い画像表示素子に係る画素の中間像が形成され、投射レンズのうち第１ミラーに最も近いレンズのレンズ面は、凸面であることを最も主な特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
発明によれば、超至近距離のスクリーンに大画面表示をすることができ、かつ、小型であって、レンズ光学系にゴミが付着しても、投射画像への影響を低減できる画像表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る画像表示装置の例を概略的に示す光学配置図である。
【図２】上記画像表示装置の一実施例が備える投射光学系の要部の例を示す側面図である。
【図３】上記投射光学系によって投射される光の様子を示す光路図である。
【図４】上記画像表示装置の別の実施例が備える投射光学系の要部を示す側面図である。
【図５】上記画像表示装置のさらに別の実施例が備える投射光学系の要部を示す側面図である。
【図６】上記投射光学系によって投射される光の軌跡を示す光線図である。
【図７】上記画像表示装置が有する反射型画像表示装置の例を示す平面図である。
【図８】上記画像表示装置が有するレンズ光学系の例を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る画像表示装置の実施例について図面を用いながら説明する。図１は、本発明に係る画像表示装置が備える光学エンジンの要部を一方向からみた側面図である。以下、本明細書において、投射光学系の光軸方向の軸をＺ軸とし、照明光学系の光軸方向の軸をＹ軸とし、Ｚ軸にもＹ軸にも直交する方向の軸をＸ軸とする。
【００１６】
図１においてプロジェクタ１００は、大まかには、光源であるランプ１から出射された光によって反射型画像表示素子であるＤＭＤ７を照明する照明光学系と、ＤＭＤ７で反射された光を被投射面であるスクリーン２０に向けて投射するための投射光学系と、を有してなる。図１は、投射光学系の一部であるレンズ光学系８のみを図示している。
【００１７】
なお、以下に説明する実施例においては、画像表示素子の例として、反射型画像表示素子であるＤＭＤを用いている。しかし、本発明に係る画像表示装置は、画像表示素子をＤＭＤに限ることはなく、他の画像表示素子、例えば液晶パネルを用いてもよい。
【００１８】
以下、プロジェクタ１００が有する照明光学系について説明する。光源であるランプ１から出射された光は、リフレクタ２によってインテグレータロッド３の入射口に集光される。インテグレータロッド３は、４つのミラーを組み合わせてトンネル状にしたライトパイプである。インテグレータロッド３に入射された光は、インテグレータロッド３内のミラー面で反射を繰り返し、インテグレータロッド３の出射口において光量が一様でムラのない光になる。
【００１９】
インテグレータロッド３の出射口を、光量が一様でムラのない面光源として捉えて、この面光源からの光を、ＤＭＤ照明用レンズ４、第１折り返しミラー５、第２折り返しミラー６を介して画像表示素子であるＤＭＤ７の有効画像領域に照射する。ＤＭＤ照明用レンズ４は、ＤＭＤ７の有効画像領域を効率よく照射するための光学素子である。第１折り返しミラー５は平面ミラーであって、第２折り返しミラー６は曲面ミラー（凹面ミラー）である。
【００２０】
インテグレータロッド３から出射された光は、ＤＭＤ照明用レンズ４を通過し、第１折り返しミラー５において図１斜め右下方向に反射され、第２折り返しミラー６に向かう。第２ミラーで反射された光は、ＤＭＤ７の表面を照明する。ＤＭＤ７の表面に配置されている微小ミラーによって照明光が反射され、画像投射光が形成される。この画像投射光が第２折り返しミラー６の側方を通過して投射光学系を構成するレンズ光学系８に入射され、スクリーン２０に画像投射光が投射されて、画像が表示される。ランプ１から第２折り返しミラー６までを照明光学系という。
【００２１】
上記照明光学系によって、ＤＭＤ７は光量ムラのない光で照明され、一様な照度分布となるので、その拡大像である投射画像も一様な照度分布となる。
【００２２】
ＤＭＤ７は多数の微小ミラーからなるデバイスであって、各微小ミラーの角度を＋１２°から−１２°の範囲で変化させることができる。例えば、微小ミラーの角度が−１２°のとき、当該微小ミラーで反射された照明光は投射レンズに入るようにする。この状態を「ＯＮ状態」という。また、ミラーの角度が＋１２°のときは、当該微小ミラーで反射された照明光は投射レンズに入らないようにする。この状態を「ＯＦＦ状態」という。
【００２３】
ＤＭＤ７の微小ミラーは、被投射面上に表示される画像の画素に対応する。したがって、ＤＭＤ７の各微小ミラーの傾斜角度を制御することで、スクリーン２０に表示される画像の形成に必要な投射光（投射画像光）を、投射光学系を介して投射することができる。
【００２４】
図１において投射光学系は、レンズ光学系８のみを図示しており、投射光学系に含まれるミラー光学系を省略している。レンズ光学系８は、複数のレンズからなる投射レンズと、この投射レンズを保持するレンズ鏡胴と、を有してなる。図１においてレンズ鏡胴は省略している。また、図示しないミラー光学系は、投射レンズからの投射光束をスクリーン２０に向けて反射させるミラーを有してなる。
【００２５】
（実施例１）
次に、本発明に係る画像表示装置が有する投射光学系の実施例について説明する。図２は、本実施例に係る投射光学系の要部を拡大した概要図である。図２において、照明光学系は図示を省略している。図２は、ＤＭＤ７が備える全ての微小ミラーがＯＮ状態であって、有効画像領域の全体を被投射面であるスクリーン２０に投射する状態を例示している。図２において投射光束１４は、ＤＭＤ７の有効画像領域端部からレンズ光学系８に入射し、ミラー光学系８を構成する第１ミラー９および第２ミラー１０を経てスクリーン２０に到達する２本の線として表されている。
【００２６】
レンズ光学系８は、レンズ鏡胴８１内に収められた複数のレンズ群からなる。投射光束１４は、レンズ鏡胴８１の内部で収束した後に拡散しながら、第１ミラー９に向かう。第１ミラー９は平面ミラーに限られないが、仮に凸面ミラーであるとすれば、第１ミラー９で反射された投射光束１４は、さらに発散性が強くなる。そうすると、第１ミラー９で反射された投射光束１４は、第２ミラー１０に向かう途中で、例えばレンズ鏡胴８１などにぶつかって、光がけられる（遮光される）可能性が高くなる。そのため、第１ミラー９は平面ミラーか、凹面ミラーであることが望ましい。
【００２７】
また、第１ミラー９で反射された投射光束１４をスクリーン２０に向けて反射する第２ミラー１０は、凹面ミラーであることが必要となる。仮に、第２ミラー１０が平面ミラーかまたは、凸面ミラーであるとすれば、第２ミラー１０によって反射された投射光束１４が拡散してしまい、スクリーン２０に向けて反射されなくなるからである。
【００２８】
つまり、第１ミラー９は平面ミラー、もしくは、凹面ミラーであって、第２ミラー１０は凹面ミラーとすることで、第２ミラー１０で反射された投射光束１４は、スクリーン２０と、第２ミラー１０の間で集光してから拡散し、スクリーン２０上に投射されて画像を表示することができる。
【００２９】
プロジェクタ１００とスクリーン２０の距離を超至近にしつつ、大画面表示をするには、レンズ光学系８からミラー光学系に入射する光束の発散性を強めて、ミラー光学系が備える凹面ミラー（第２ミラー１０）によって反射された後の投射光束１４を集光させ、さらに、その集光位置をスクリーン２０よりもずっと手前の第２ミラー１０に近い位置にする必要がある。集光位置１５が、スクリーン２０よりもずっと手前の第２ミラー１０に近い位置に無ければ、超至近距離に設置されたプロジェクタ１００からの投射光束１４が十分に発散せず、スクリーン２０上に大きな画像表示をすることができないからである。
【００３０】
例えば図３に示すように、集光位置１５が、スクリーン２０よりもずっと手前の、第２ミラー１０に近い位置にあれば、プロジェクタ１００がスクリーン２０の至近距離に設置されても、投射光束１４が十分に拡散し、スクリーン２０全体に大きく拡大された画像を表示することができる。
【００３１】
図２に戻る。レンズ光学系８は、重力方向に沿って縦に設置されている状態になるので、第１ミラー９に最も近いレンズ８０のレンズ面は、凸面であることが望ましい。レンズ８０のレンズ面には埃が乗りやすいが、そのレンズ面を凸面にすることで、レンズ面に乗った埃が重力によりレンズ面に沿い自然に下方向に落下しやすいからである。また，レンズ鏡胴８１の内部には、埃が入り込むことはなく、レンズ光学系８が有するレンズの中で、最もＤＭＤ７に近いレンズのレンズ面には埃が付きにくい。
【００３２】
以上説明した本実施例に係るプロジェクタ１００は、集光位置１５を、スクリーン２０よりもずっと手前の、第２ミラー１０に近い位置に設置することで、超至近距離においても、大画面表示を行うことができ、さらに、レンズ光学系８を縦型にしても、埃が投射画像に映り込むことを防ぐことができる。
【００３３】
（実施例２）
次に、本発明に係る画像表示装置の別の実施例における投射光学系について説明する。図２に示した投射光学系において、第１ミラー９の面積をＳ１とし、第２ミラー１０の面積をＳ２とすると、図示のとおり、Ｓ１＜Ｓ２の関係が成立している。ミラーの面積とゴミの大きさの比率が小さいほど、スクリーン（面積Ｈ）におけるゴミの映り込みや光量減の影響は大きい。例えば、φ０．０１ｍｍのゴミが、第２ミラー１０に付いたときよりも、第１ミラー９に付いたときの方が、その影響は大きい。
【００３４】
よって、スクリーン２０の面積Ｈを変えずにゴミの映り込みや、ゴミによる光量への悪影響を低減させるには、第１ミラー９の面積Ｓ１を大きくすればよい。しかし、第１ミラー９の面積Ｓ１を大きくするには、レンズ光学系８の画角を広げる必要がある。レンズ光学系８の画角を広げた上で、投射光学系全体の構成をコンパクトなものにするには、レンズ光学系８が有するレンズ群のうち、第１ミラー９に近いレンズ群を凹レンズ群にし、ＤＭＤ７に近いレンズ群を正の屈折力を持つ凸レンズ群にすればよい。
【００３５】
この場合、投射光束１４の発散性がさらに強くなるため、第１ミラー９で反射された投射光束１４が拡散し、レンズ光学系８に当たってけられる可能性が生じる。そこで、第１ミラー９で反射されて第２ミラー１０に向かう光路において、障害になり得るレンズ光学系８の一部を切欠いて、投射光束１４がけられないようにする。そのため、レンズ光学系８を構成するレンズのうち、第１ミラー９に最も近いレンズを異形レンズにして、発散した投射光束１４が遮光されないようにすればよい。
【００３６】
図４は、第１ミラー９に最も近いレンズを異形レンズにした場合の投射光学系の本実施例を示す側面図である。図４において、レンズ光学系８ａは、第１ミラー９の最も近くに配置される異形レンズ８０ａと、これを保持するレンズ鏡胴８１ａを有してなる。図４に示すように、レンズ光学系８ａを構成するレンズのうち、第１ミラー９に最も近いレンズ８０ａの第２ミラー側の約半分を切欠き、約半分を残している。これによって、第１ミラー９から第２ミラー１０への光路上において、レンズ光学系８ａが障害にならず、第１ミラー９で反射された投射光束１４が、より強い発散性を有し光路が広がっても、第２ミラー１０に到達することができる。
【００３７】
このように、第１ミラー９に最も近いレンズ８０ａとレンズ鏡胴８１ａの端部を加工して切り欠き部を形成することで、第１ミラー９で反射された投射光束１４の通過可能な光路が広がって、投射光学系の小型化および軽量化を図ることができ、かつ、超至近距離においても大画面を表示することができるプロジェクタ１００を得ることができる。
【００３８】
図４に示す光線から明らかなように、レンズ８０ａの利用範囲は、上記切欠き部とは反対側に残されている部分であるから、スクリーン２０に投射される画像の鮮鋭度や明るさには影響がない。
【００３９】
なお、レンズ８０ａは、プラスチックレンズなどのモールドレンズであって、一部が欠けた形状のまま成形するものでよい。
【００４０】
（実施例３）
次に、本発明に係る画像表示装置のさらに別の実施例が有する投射光学系について説明する。図５は、本実施例に係る投射光学系の要部を拡大した概要図であって、実施例１に示した投射光学系に、防塵ガラスを付加した例を示している。
【００４１】
防塵ガラス１１は凹面ミラーである第２ミラー１０の保護や、レンズ光学系８へのゴミの混入防止を目的として、第２ミラー１０の上部に設置されている。防塵ガラス１１が設置されることで、投射画像の品質が大きく劣化することは無い。
【００４２】
本実施例において、防塵ガラス１１はなるべく小型であることが望ましい。なぜならば、防塵ガラス１１が大きくなると、投射光学系全体が大きくなり、プロジェクタ１００が大型化するからである。
【００４３】
スクリーン２０（図示せず）に向かう投射光束１４は、第２ミラー１０で反射されて一旦集光した後に拡散する。そこで、防塵ガラス１１を大きくすることなく、上記の目的を達するようにするには、集光位置１５が防塵ガラス１１の近傍になるようにすればよい。図５に示すように、投射光束１４の集光位置１５が防塵ガラス１１の近傍にあると、防塵ガラス１１を大きくする必要がなく、投射光学系の小型化を図ることができる。しかし、集光位置１５が防塵ガラス１１から離れた位置にあると、投射光束１４は一気に拡散するので、防塵ガラス１１を大きくしなければならない。
【００４４】
すなわち、第２ミラー１０からスクリーン２０に向かう投射光束１４がけられないこと、レンズ光学系８・第１ミラー９・第２ミラー１０を含む投射光学系全体の小型化を図ることができること、防塵ガラス１１を小型にできること、以上の３点を考慮すると、本実施例に係るプロジェクタ１００のように、集光位置１５は、防塵ガラス１１と平面ミラー９両方に近い位置であることが望ましい。
【００４５】
また、集光位置１５にゴミがあると，スクリーン２０における光量は低下するので、防塵ガラス１１は集光位置１５に配置しつつも，全ての投射光束１４に対して斜めになるように配置するとよい。例えば、図５に示すように防塵ガラスの配置はＤＭＤ７の平面に対して平行に配置すればよい。
【００４６】
（実施例４）
次に、本発明に係る画像表示装置のさらに別の実施例が有する投射光学系について説明する。図６は、図７に示すＤＭＤ７上の１５点からそれぞれ７本ずつ光線を出射させた場合の光線追跡図である。図６において、符号１６と符号１７は、本実施例に係るプロジェクタ１００の光路上において、中間像が結像される最適な位置を示している。
【００４７】
図７は、ＤＭＤ７の平面図である。図７において、ＤＭＤ７の平面上にある複数の点のうち、Ｘ軸方向の中点であって、Ｙ軸方向の下端の点７１は、Ｙ軸方向に偏心している。その偏心量は１．５６ｍｍである。
【００４８】
図６に戻る。図６は、本発明に係る画像表示装置に用いられる投射光学系によってスクリーンに投射される光の軌跡を示す光線図である。図６に示すように、投射光学系は、レンズ光学系８による結合光学系と凹面ミラーである第２ミラー１０からなる結合光学系の２つの結合光学系を有する。レンズ光学系８は、ＤＭＤ７の像を結ぶ（中間像を作る）機能を有する。第２ミラー１０は、ＤＭＤ７の中間像をスクリーン２０に結ぶ機能を有する。
【００４９】
２つの結像光学系を有する当該投射光学系は、ＤＭＤ７の像を「クッキリと」スクリーン２０に結ぶ機能を発揮するものである。この場合、中間像は「ぼやけた」像であって構わない。むしろ、ゴミがスクリーン２０に映りこまないようにするためには、中間像は「ぼやけた」像であるほど好ましい。なぜならば，中間像が「クッキリ」していると、第２ミラー１０によって「クッキリした中間像」が「クッキリ」とスクリーン２０に映されるからである。
【００５０】
中間像が存在する平面ミラーである第１ミラー９の近辺にゴミがあると、このゴミの像がスクリーンにくっきりと映されることになるが、この中間像が「ぼやけた」像であれば、第２ミラー１０によって、この「ぼやけた」像はクッキリとスクリーン２０に映されるから、ゴミが第１ミラー９上にあっても，スクリーン２０上では「ぼやけた」ゴミの像になり、目立ちにくいからである。よって，レンズ光学系８では「ぼやけた」中間像が作られる方が好ましく、第２ミラー１０によって「ぼやけた」中間像がくっきりとスクリーン２０に映されることが好ましい。
【００５１】
しかし、光軸に近い画素の中間像を「ぼやけた」像にすることが困難であるため、本実施例に係る画像表示装置に用いられる投射光学系においては、平面ミラーである第１ミラー上には光軸に近い画素の中間像を置かない構成にしている。
【００５２】
図６において、位置１６は、光軸に近い画素の中間像が結像する位置を示している。また、位置１７は、光軸から遠い画像の中間像が結像する位置を示している。ＤＭＤ１１内で、レンズ光学系８の光軸から最も遠い画素の中間像は、自然と収差が大きくなるので、ミラー上の光スポット径は大きく、ミラー面のゴミの映りこみは小さい。
【００５３】
凹面ミラーである第２ミラー１０は、レンズ光学系８において形成される中間像の像をスクリーン２０に結ぶので、位置１６近傍にゴミがあると、ゴミの像がスクリーン２０に結ばれることになる。特にスポット径が小さい（クッキリした）中間像の位置にゴミがあるときは、スクリーン２０においてもゴミの像がクッキリと映ってしまう。一方、スポット径が大きい（ぼやけた）中間像の位置にゴミがあるときは、スクリーン２０上でもゴミの像は「ぼやけた像」として映されるので、ゴミの像が目立ちにくくなる。よって、光軸から遠い画像の中間像は、レンズ光学系８と第１ミラー９の間に形成させようにする。これによって、像面湾曲を大きくとり、スクリーン２０とプロジェクタ１００との距離を至近にして大画面の投射をすることができる画像表示装置を得ることができる。
【００５４】
光軸近傍から光軸に遠い画素によって第１ミラー９の反射面上に形成される中間像は、上記のように第１ミラー上のゴミの映りこみを避けるために、第２ミラー１０の反射面上におけるスポット径が太くなるようにし（中間像がぼやけるようにし）、第１ミラー９と第２ミラーの間に中間像が結像されるようにしている。
【００５５】
レンズ光学系８の第１ミラー９側のレンズを２枚非球面レンズとして、スポット径を最適な状態にしている。また、光軸に近い画素の中間像のスポット径は太く、かつ、光軸に近い画素のスクリーン２０の被投射面上のスポット径が細くなるように、絞り近辺のレンズを非球面レンズとする。
【００５６】
本実施例に係るプロジェクタ１００とは異なる形態であって、ＤＭＤ７から出射された投射光束１４を第１ミラー９で折り返すことなく、レンズ光学系８を通過した投射光束１４が第２ミラー１０にあたるように、投射光学系を配置したプロジェクタを考えると、その投射光学系が外装に配置されることで、スクリーン２０にプロジェクタ１００の本体筐体がぶつかる状態になるためプロジェクタを設置することができない。つまり、本実施例に示すプロジェクタ１００のように、第１ミラー９と第２ミラー１０を用いて、強い発散性を有する投射光束１４を反射させスクリーン２０に投射させる構成によって、従来とは異なる超至近距離投射が可能な画像表示装置を得ることができる。
【００５７】
図８に、レンズ光学系８の構成例を示す。図８において、レンズの光軸方向をＺ軸とし、それに直交する二つの軸をＸ軸、Ｙ軸とする。図８に示したレンズ光学系８は、それぞれのレンズの光軸が、同じ直線上に乗っている共軸光学系である。
【００５８】
この光軸と、図７に示したＤＭＤ７の平面上にある複数の点のうちＹ軸方向の下端の点７１は、Ｙ軸方向に偏心しており、その偏心量は１．５６ｍｍである。すなわち、図８において、光軸の方がＤＭＤ７の下端よりも１．５６ｍｍ下方にある。
【００５９】
また、図８に示すように、レンズ光学系８を構成する複数のレンズ群のうち、画像表示素子であるＤＭＤ１１に最も近いレンズ群には、絞り８２が含まれている。この絞り８２によって、ＤＭＤ１１からスクリーン２０（図示せず）に到達する光束量を決定することができ、また、絞り８２をＤＭＤ１１に最も近いレンズ群に含ませることで、画角を広くとることができる。これによって、ゴミが最も溜まりやすいミラー光学系に近いレンズ位置での光束の広がりや、ミラー光学系の反射面上での光束の広がりを大きくし、ゴミの映り込みの影響を小さくすることができる。
【００６０】
次に、投射光学系の具体的な数値例を示す。表１は、上記共軸光学系の構成を示す。
【表１】
【００６１】
表１中、面４、５、２１、２２、２３、２４は非球面で、これらの非球面係数を表２に示す。
【表２】
【００６２】
上記非球面係数を適用して非球面を算出する式を式１に示す。
【数１】
【００６３】
第２ミラー１０の反射面を形成するための係数を表３に示す。
【表３】
【００６４】
上記係数を適用して第２ミラー１０の反射面を算出する式を式２に示す。
【数２】
【００６５】
第１ミラー９と第２ミラー１０及び防塵ガラス１１のレイアウトを表４に示す。
【表４】
【００６６】
以上において示した構成を有するプロジェクタ１００によれば、超至近投射でありながら、大画面を表示することができる画面表示装置を得ることができる。
【００６７】
なお、表３中に記載において、「＊＊」はべき乗演算を意味する。また、「＊」は乗算を意味する。
【００６８】
以上のように、本発明に係る画像表示装置は、中間像の結像位置を調整することで、ゴミの映り込みの影響を低減し、超至近距離から大画面の画像をスクリーンに表示することができる
【符号の説明】
【００６９】
７ ＤＭＤ
８ レンズ光学系
９ 第１ミラー
１０ 第２ミラー
１４ 投射光束
１５ 集光位置
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７０】
【特許文献１】特許第４３２９８６３号公報
【特許文献２】特許第３７２７５４３号公報
【特許文献３】特開２００９−１５７２２３号公報
【特許文献４】特開２００９−１４５６７２号公報
【特許文献５】特許第４２１０３１４号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像を拡大してスクリーンに表示する画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来に比べてスクリーンの近くに設置することができる画像表示装置が知られている。このような画像表示装置は至近距離プロジェクタと呼ばれる。至近プロジェクタの目的は以下のようなものである。第１に、スクリーンの近くに立つプレゼンター（あるいは説明員、発表者など）の目に、投射光が入る眩しさを避けること、第２に、プレゼンターの説明を聞く聴講者にプロジェクタの排気や騒音の影響が及ばないようにすること、である。
【０００３】
至近距離プロジェクタが備える投射光学系は、従来の投射光学系（共軸・回転対称）の画角を広げることでスクリーン面との距離を短くするものや、曲面ミラーを使うもの等がある。従来の投射光学系の画角を広げるものは、従来技術の延長で至近投射の目的を達成することができる。しかし、スクリーンに近いレンズの外径を大型のものにする必要があり、プロジェクタ全体が大きくなる。これに対して、曲面ミラーを使う方式は、小型でありながら至近距離での投射を行うことができる。
【０００４】
曲面ミラーを使うものとして、例えば特許文献１や特許文献２に記載されている発明がある。特許文献１記載の発明は、レンズ光学系の後ろに凹面ミラーを置いて投射する方式である。特許文献２記載の発明は、レンズ光学系の後ろに凸面ミラーを置いて投射する方式である。いずれの方式においても、レンズとミラーを順番に配置するだけでセッティングができるので、部品間の配置精度を高くすることができる。しかし、レンズ光学系とミラーの間に長い距離が必要であり、投射光学系が大型化する。
【０００５】
レンズとミラーの距離を短くすることができるものとして、特許文献３や特許文献４に記載されている発明がある。特許文献３および特許文献４記載の発明は折り返しミラーを配置することで、レンズ光学系とミラーの間の長い距離を折り畳み、光学系の小型化を行なっている。
【０００６】
特許文献３記載の発明では、レンズ光学系の次に凹面ミラーと凸面ミラーを順に配置することで、小型化を図っている。また、特許文献４記載の発明では、凹面ミラーの後ろに平面ミラーを置くことによって小型化を図っている。
【０００７】
しかし、特許文献３と特許文献４に記載のいずれの光学系も、画像表示素子から曲面ミラーまでの距離が長い。そのため、スクリーンからプロジェクタ本体までの距離を、従来よりもさらに近づけるには、光学系本体の長さが邪魔になる。
【０００８】
このような「光学系自体の大きさ」に関する制約を解決するものとして、特許文献５に記載されている発明がある。特許文献５には、スクリーン面と画像表示素子の表示面が互いに垂直になる投射光学系が記載されている。このような縦型方式を採用することで、投射光学系自体の長さが、スクリーンとプロジェクタ本体の距離を近づけても邪魔になることはない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、特許文献５記載の投射光学系のように、投射レンズをスクリーンと平行になるように立てた形にした場合、投射光学系がスクリーンに対して垂直になる横型プロジェクタの投射光学系に比べて、投射レンズやミラーにゴミが付着しやすくなる。また、付着したゴミは、縦型の投射光学系の上に落ちるような状態になるため、重力の作用で自然に取れることもなく、そのまま放置すると、スクリーン面にゴミが映りこむ状態になる。
【００１０】
また、特許文献５記載の投射光学系はレンズ光学系の画角が狭いので、投射光束を反射させる２つのミラーのいずれかにゴミが付着すると、被投射面における光量に大きく影響するようになる。仮に、ミラーと被投射面の間に防塵ガラスを配置しても、０．０１mm以下の微細なゴミの侵入を防ぐことは困難である。
【００１１】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであって、縦型の投射光学系を備えた画像表示装置において、ゴミによる被投射面における光量への影響を防止することができる画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、画像表示装置に関するものであって、光源から出射された光を画像表示素子に照射する照明光学系と、照明光学系からの照明光が照射され投射画像を形成する画像表示素子と、全体で正の屈折力を有し、画像表示素子によって形成された投射画像を被投射面に投射する投射光学系と、を有し、投射光学系は、複数のレンズ群からなるレンズ光学系と、第１ミラーおよび凹面ミラーである第２ミラーを有してなるミラー光学系と、を有してなり、第１ミラーと第２ミラーとの間に、レンズ光学系の光軸に最も近い画像表示素子に係る画素の中間像が形成され、投射レンズのうち第１ミラーに最も近いレンズのレンズ面は、凸面であることを最も主な特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
発明によれば、超至近距離のスクリーンに大画面表示をすることができ、かつ、小型であって、レンズ光学系にゴミが付着しても、投射画像への影響を低減できる画像表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る画像表示装置の例を概略的に示す光学配置図である。
【図２】上記画像表示装置の一実施例が備える投射光学系の要部の例を示す側面図である。
【図３】上記投射光学系によって投射される光の様子を示す光路図である。
【図４】上記画像表示装置の別の実施例が備える投射光学系の要部を示す側面図である。
【図５】上記画像表示装置のさらに別の実施例が備える投射光学系の要部を示す側面図である。
【図６】上記投射光学系によって投射される光の軌跡を示す光線図である。
【図７】上記画像表示装置が有する反射型画像表示装置の例を示す平面図である。
【図８】上記画像表示装置が有するレンズ光学系の例を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る画像表示装置の実施例について図面を用いながら説明する。図１は、本発明に係る画像表示装置が備える光学エンジンの要部を一方向からみた側面図である。以下、本明細書において、投射光学系の光軸方向の軸をＺ軸とし、照明光学系の光軸方向の軸をＹ軸とし、Ｚ軸にもＹ軸にも直交する方向の軸をＸ軸とする。
【００１６】
図１においてプロジェクタ１００は、大まかには、光源であるランプ１から出射された光によって反射型画像表示素子であるＤＭＤ７を照明する照明光学系と、ＤＭＤ７で反射された光を被投射面であるスクリーン２０に向けて投射するための投射光学系と、を有してなる。図１は、投射光学系の一部であるレンズ光学系８のみを図示している。
【００１７】
なお、以下に説明する実施例においては、画像表示素子の例として、反射型画像表示素子であるＤＭＤを用いている。しかし、本発明に係る画像表示装置は、画像表示素子をＤＭＤに限ることはなく、他の画像表示素子、例えば液晶パネルを用いてもよい。
【００１８】
以下、プロジェクタ１００が有する照明光学系について説明する。光源であるランプ１から出射された光は、リフレクタ２によってインテグレータロッド３の入射口に集光される。インテグレータロッド３は、４つのミラーを組み合わせてトンネル状にしたライトパイプである。インテグレータロッド３に入射された光は、インテグレータロッド３内のミラー面で反射を繰り返し、インテグレータロッド３の出射口において光量が一様でムラのない光になる。
【００１９】
インテグレータロッド３の出射口を、光量が一様でムラのない面光源として捉えて、この面光源からの光を、ＤＭＤ照明用レンズ４、第１折り返しミラー５、第２折り返しミラー６を介して画像表示素子であるＤＭＤ７の有効画像領域に照射する。ＤＭＤ照明用レンズ４は、ＤＭＤ７の有効画像領域を効率よく照射するための光学素子である。第１折り返しミラー５は平面ミラーであって、第２折り返しミラー６は曲面ミラー（凹面ミラー）である。
【００２０】
インテグレータロッド３から出射された光は、ＤＭＤ照明用レンズ４を通過し、第１折り返しミラー５において図１斜め右下方向に反射され、第２折り返しミラー６に向かう。第２ミラーで反射された光は、ＤＭＤ７の表面を照明する。ＤＭＤ７の表面に配置されている微小ミラーによって照明光が反射され、画像投射光が形成される。この画像投射光が第２折り返しミラー６の側方を通過して投射光学系を構成するレンズ光学系８に入射され、スクリーン２０に画像投射光が投射されて、画像が表示される。ランプ１から第２折り返しミラー６までを照明光学系という。
【００２１】
上記照明光学系によって、ＤＭＤ７は光量ムラのない光で照明され、一様な照度分布となるので、その拡大像である投射画像も一様な照度分布となる。
【００２２】
ＤＭＤ７は多数の微小ミラーからなるデバイスであって、各微小ミラーの角度を＋１２°から−１２°の範囲で変化させることができる。例えば、微小ミラーの角度が−１２°のとき、当該微小ミラーで反射された照明光は投射レンズに入るようにする。この状態を「ＯＮ状態」という。また、ミラーの角度が＋１２°のときは、当該微小ミラーで反射された照明光は投射レンズに入らないようにする。この状態を「ＯＦＦ状態」という。
【００２３】
ＤＭＤ７の微小ミラーは、被投射面上に表示される画像の画素に対応する。したがって、ＤＭＤ７の各微小ミラーの傾斜角度を制御することで、スクリーン２０に表示される画像の形成に必要な投射光（投射画像光）を、投射光学系を介して投射することができる。
【００２４】
図１において投射光学系は、レンズ光学系８のみを図示しており、投射光学系に含まれるミラー光学系を省略している。レンズ光学系８は、複数のレンズからなる投射レンズと、この投射レンズを保持するレンズ鏡胴と、を有してなる。図１においてレンズ鏡胴は省略している。また、図示しないミラー光学系は、投射レンズからの投射光束をスクリーン２０に向けて反射させるミラーを有してなる。
【００２５】
（実施例１）
次に、本発明に係る画像表示装置が有する投射光学系の実施例について説明する。図２は、本実施例に係る投射光学系の要部を拡大した概要図である。図２において、照明光学系は図示を省略している。図２は、ＤＭＤ７が備える全ての微小ミラーがＯＮ状態であって、有効画像領域の全体を被投射面であるスクリーン２０に投射する状態を例示している。図２において投射光束１４は、ＤＭＤ７の有効画像領域端部からレンズ光学系８に入射し、ミラー光学系８を構成する第１ミラー９および第２ミラー１０を経てスクリーン２０に到達する２本の線として表されている。
【００２６】
レンズ光学系８は、レンズ鏡胴８１内に収められた複数のレンズ群からなる。投射光束１４は、レンズ鏡胴８１の内部で収束した後に拡散しながら、第１ミラー９に向かう。第１ミラー９は平面ミラーに限られないが、仮に凸面ミラーであるとすれば、第１ミラー９で反射された投射光束１４は、さらに発散性が強くなる。そうすると、第１ミラー９で反射された投射光束１４は、第２ミラー１０に向かう途中で、例えばレンズ鏡胴８１などにぶつかって、光がけられる（遮光される）可能性が高くなる。そのため、第１ミラー９は平面ミラーか、凹面ミラーであることが望ましい。
【００２７】
また、第１ミラー９で反射された投射光束１４をスクリーン２０に向けて反射する第２ミラー１０は、凹面ミラーであることが必要となる。仮に、第２ミラー１０が平面ミラーかまたは、凸面ミラーであるとすれば、第２ミラー１０によって反射された投射光束１４が拡散してしまい、スクリーン２０に向けて反射されなくなるからである。
【００２８】
つまり、第１ミラー９は平面ミラー、もしくは、凹面ミラーであって、第２ミラー１０は凹面ミラーとすることで、第２ミラー１０で反射された投射光束１４は、スクリーン２０と、第２ミラー１０の間で集光してから拡散し、スクリーン２０上に投射されて画像を表示することができる。
【００２９】
プロジェクタ１００とスクリーン２０の距離を超至近にしつつ、大画面表示をするには、レンズ光学系８からミラー光学系に入射する光束の発散性を強めて、ミラー光学系が備える凹面ミラー（第２ミラー１０）によって反射された後の投射光束１４を集光させ、さらに、その集光位置をスクリーン２０よりもずっと手前の第２ミラー１０に近い位置にする必要がある。集光位置１５が、スクリーン２０よりもずっと手前の第２ミラー１０に近い位置に無ければ、超至近距離に設置されたプロジェクタ１００からの投射光束１４が十分に発散せず、スクリーン２０上に大きな画像表示をすることができないからである。
【００３０】
例えば図３に示すように、集光位置１５が、スクリーン２０よりもずっと手前の、第２ミラー１０に近い位置にあれば、プロジェクタ１００がスクリーン２０の至近距離に設置されても、投射光束１４が十分に拡散し、スクリーン２０全体に大きく拡大された画像を表示することができる。
【００３１】
図２に戻る。レンズ光学系８は、重力方向に沿って縦に設置されている状態になるので、第１ミラー９に最も近いレンズ８０のレンズ面は、凸面であることが望ましい。レンズ８０のレンズ面には埃が乗りやすいが、そのレンズ面を凸面にすることで、レンズ面に乗った埃が重力によりレンズ面に沿い自然に下方向に落下しやすいからである。また，レンズ鏡胴８１の内部には、埃が入り込むことはなく、レンズ光学系８が有するレンズの中で、最もＤＭＤ７に近いレンズのレンズ面には埃が付きにくい。
【００３２】
以上説明した本実施例に係るプロジェクタ１００は、集光位置１５を、スクリーン２０よりもずっと手前の、第２ミラー１０に近い位置に設置することで、超至近距離においても、大画面表示を行うことができ、さらに、レンズ光学系８を縦型にしても、埃が投射画像に映り込むことを防ぐことができる。
【００３３】
（実施例２）
次に、本発明に係る画像表示装置の別の実施例における投射光学系について説明する。図２に示した投射光学系において、第１ミラー９の面積をＳ１とし、第２ミラー１０の面積をＳ２とすると、図示のとおり、Ｓ１＜Ｓ２の関係が成立している。ミラーの面積とゴミの大きさの比率が小さいほど、スクリーン（面積Ｈ）におけるゴミの映り込みや光量減の影響は大きい。例えば、φ０．０１ｍｍのゴミが、第２ミラー１０に付いたときよりも、第１ミラー９に付いたときの方が、その影響は大きい。
【００３４】
よって、スクリーン２０の面積Ｈを変えずにゴミの映り込みや、ゴミによる光量への悪影響を低減させるには、第１ミラー９の面積Ｓ１を大きくすればよい。しかし、第１ミラー９の面積Ｓ１を大きくするには、レンズ光学系８の画角を広げる必要がある。レンズ光学系８の画角を広げた上で、投射光学系全体の構成をコンパクトなものにするには、レンズ光学系８が有するレンズ群のうち、第１ミラー９に近いレンズ群を凹レンズ群にし、ＤＭＤ７に近いレンズ群を正の屈折力を持つ凸レンズ群にすればよい。
【００３５】
この場合、投射光束１４の発散性がさらに強くなるため、第１ミラー９で反射された投射光束１４が拡散し、レンズ光学系８に当たってけられる可能性が生じる。そこで、第１ミラー９で反射されて第２ミラー１０に向かう光路において、障害になり得るレンズ光学系８の一部を切欠いて、投射光束１４がけられないようにする。そのため、レンズ光学系８を構成するレンズのうち、第１ミラー９に最も近いレンズを異形レンズにして、発散した投射光束１４が遮光されないようにすればよい。
【００３６】
図４は、第１ミラー９に最も近いレンズを異形レンズにした場合の投射光学系の本実施例を示す側面図である。図４において、レンズ光学系８ａは、第１ミラー９の最も近くに配置される異形レンズ８０ａと、これを保持するレンズ鏡胴８１ａを有してなる。図４に示すように、レンズ光学系８ａを構成するレンズのうち、第１ミラー９に最も近いレンズ８０ａの第２ミラー側の約半分を切欠き、約半分を残している。これによって、第１ミラー９から第２ミラー１０への光路上において、レンズ光学系８ａが障害にならず、第１ミラー９で反射された投射光束１４が、より強い発散性を有し光路が広がっても、第２ミラー１０に到達することができる。
【００３７】
このように、第１ミラー９に最も近いレンズ８０ａとレンズ鏡胴８１ａの端部を加工して切り欠き部を形成することで、第１ミラー９で反射された投射光束１４の通過可能な光路が広がって、投射光学系の小型化および軽量化を図ることができ、かつ、超至近距離においても大画面を表示することができるプロジェクタ１００を得ることができる。
【００３８】
図４に示す光線から明らかなように、レンズ８０ａの利用範囲は、上記切欠き部とは反対側に残されている部分であるから、スクリーン２０に投射される画像の鮮鋭度や明るさには影響がない。
【００３９】
なお、レンズ８０ａは、プラスチックレンズなどのモールドレンズであって、一部が欠けた形状のまま成形するものでよい。
【００４０】
（実施例３）
次に、本発明に係る画像表示装置のさらに別の実施例が有する投射光学系について説明する。図５は、本実施例に係る投射光学系の要部を拡大した概要図であって、実施例１に示した投射光学系に、防塵ガラスを付加した例を示している。
【００４１】
防塵ガラス１１は凹面ミラーである第２ミラー１０の保護や、レンズ光学系８へのゴミの混入防止を目的として、第２ミラー１０の上部に設置されている。防塵ガラス１１が設置されることで、投射画像の品質が大きく劣化することは無い。
【００４２】
本実施例において、防塵ガラス１１はなるべく小型であることが望ましい。なぜならば、防塵ガラス１１が大きくなると、投射光学系全体が大きくなり、プロジェクタ１００が大型化するからである。
【００４３】
スクリーン２０（図示せず）に向かう投射光束１４は、第２ミラー１０で反射されて一旦集光した後に拡散する。そこで、防塵ガラス１１を大きくすることなく、上記の目的を達するようにするには、集光位置１５が防塵ガラス１１の近傍になるようにすればよい。図５に示すように、投射光束１４の集光位置１５が防塵ガラス１１の近傍にあると、防塵ガラス１１を大きくする必要がなく、投射光学系の小型化を図ることができる。しかし、集光位置１５が防塵ガラス１１から離れた位置にあると、投射光束１４は一気に拡散するので、防塵ガラス１１を大きくしなければならない。
【００４４】
すなわち、第２ミラー１０からスクリーン２０に向かう投射光束１４がけられないこと、レンズ光学系８・第１ミラー９・第２ミラー１０を含む投射光学系全体の小型化を図ることができること、防塵ガラス１１を小型にできること、以上の３点を考慮すると、本実施例に係るプロジェクタ１００のように、集光位置１５は、防塵ガラス１１と平面ミラー９両方に近い位置であることが望ましい。
【００４５】
また、集光位置１５にゴミがあると，スクリーン２０における光量は低下するので、防塵ガラス１１は集光位置１５に配置しつつも，全ての投射光束１４に対して斜めになるように配置するとよい。例えば、図５に示すように防塵ガラスの配置はＤＭＤ７の平面に対して平行に配置すればよい。
【００４６】
（実施例４）
次に、本発明に係る画像表示装置のさらに別の実施例が有する投射光学系について説明する。図６は、図７に示すＤＭＤ７上の１５点からそれぞれ７本ずつ光線を出射させた場合の光線追跡図である。図６において、符号１６と符号１７は、本実施例に係るプロジェクタ１００の光路上において、中間像が結像される最適な位置を示している。
【００４７】
図７は、ＤＭＤ７の平面図である。図７において、ＤＭＤ７の平面上にある複数の点のうち、Ｘ軸方向の中点であって、Ｙ軸方向の下端の点７１は、Ｙ軸方向に偏心している。その偏心量は１．５６ｍｍである。
【００４８】
図６に戻る。図６は、本発明に係る画像表示装置に用いられる投射光学系によってスクリーンに投射される光の軌跡を示す光線図である。図６に示すように、投射光学系は、レンズ光学系８による結合光学系と凹面ミラーである第２ミラー１０からなる結合光学系の２つの結合光学系を有する。レンズ光学系８は、ＤＭＤ７の像を結ぶ（中間像を作る）機能を有する。第２ミラー１０は、ＤＭＤ７の中間像をスクリーン２０に結ぶ機能を有する。
【００４９】
２つの結像光学系を有する当該投射光学系は、ＤＭＤ７の像を「クッキリと」スクリーン２０に結ぶ機能を発揮するものである。この場合、中間像は「ぼやけた」像であって構わない。むしろ、ゴミがスクリーン２０に映りこまないようにするためには、中間像は「ぼやけた」像であるほど好ましい。なぜならば，中間像が「クッキリ」していると、第２ミラー１０によって「クッキリした中間像」が「クッキリ」とスクリーン２０に映されるからである。
【００５０】
中間像が存在する平面ミラーである第１ミラー９の近辺にゴミがあると、このゴミの像がスクリーンにくっきりと映されることになるが、この中間像が「ぼやけた」像であれば、第２ミラー１０によって、この「ぼやけた」像はクッキリとスクリーン２０に映されるから、ゴミが第１ミラー９上にあっても，スクリーン２０上では「ぼやけた」ゴミの像になり、目立ちにくいからである。よって，レンズ光学系８では「ぼやけた」中間像が作られる方が好ましく、第２ミラー１０によって「ぼやけた」中間像がくっきりとスクリーン２０に映されることが好ましい。
【００５１】
しかし、光軸に近い画素の中間像を「ぼやけた」像にすることが困難であるため、本実施例に係る画像表示装置に用いられる投射光学系においては、平面ミラーである第１ミラー上には光軸に近い画素の中間像を置かない構成にしている。
【００５２】
図６において、位置１６は、光軸に近い画素の中間像が結像する位置を示している。また、位置１７は、光軸から遠い画像の中間像が結像する位置を示している。ＤＭＤ１１内で、レンズ光学系８の光軸から最も遠い画素の中間像は、自然と収差が大きくなるので、ミラー上の光スポット径は大きく、ミラー面のゴミの映りこみは小さい。
【００５３】
凹面ミラーである第２ミラー１０は、レンズ光学系８において形成される中間像の像をスクリーン２０に結ぶので、位置１６近傍にゴミがあると、ゴミの像がスクリーン２０に結ばれることになる。特にスポット径が小さい（クッキリした）中間像の位置にゴミがあるときは、スクリーン２０においてもゴミの像がクッキリと映ってしまう。一方、スポット径が大きい（ぼやけた）中間像の位置にゴミがあるときは、スクリーン２０上でもゴミの像は「ぼやけた像」として映されるので、ゴミの像が目立ちにくくなる。よって、光軸から遠い画像の中間像は、レンズ光学系８と第１ミラー９の間に形成させようにする。これによって、像面湾曲を大きくとり、スクリーン２０とプロジェクタ１００との距離を至近にして大画面の投射をすることができる画像表示装置を得ることができる。
【００５４】
光軸近傍から光軸に遠い画素によって第１ミラー９の反射面上に形成される中間像は、上記のように第１ミラー上のゴミの映りこみを避けるために、第２ミラー１０の反射面上におけるスポット径が太くなるようにし（中間像がぼやけるようにし）、第１ミラー９と第２ミラーの間に中間像が結像されるようにしている。
【００５５】
レンズ光学系８の第１ミラー９側のレンズを２枚非球面レンズとして、スポット径を最適な状態にしている。また、光軸に近い画素の中間像のスポット径は太く、かつ、光軸に近い画素のスクリーン２０の被投射面上のスポット径が細くなるように、絞り近辺のレンズを非球面レンズとする。
【００５６】
本実施例に係るプロジェクタ１００とは異なる形態であって、ＤＭＤ７から出射された投射光束１４を第１ミラー９で折り返すことなく、レンズ光学系８を通過した投射光束１４が第２ミラー１０にあたるように、投射光学系を配置したプロジェクタを考えると、その投射光学系が外装に配置されることで、スクリーン２０にプロジェクタ１００の本体筐体がぶつかる状態になるためプロジェクタを設置することができない。つまり、本実施例に示すプロジェクタ１００のように、第１ミラー９と第２ミラー１０を用いて、強い発散性を有する投射光束１４を反射させスクリーン２０に投射させる構成によって、従来とは異なる超至近距離投射が可能な画像表示装置を得ることができる。
【００５７】
図８に、レンズ光学系８の構成例を示す。図８において、レンズの光軸方向をＺ軸とし、それに直交する二つの軸をＸ軸、Ｙ軸とする。図８に示したレンズ光学系８は、それぞれのレンズの光軸が、同じ直線上に乗っている共軸光学系である。
【００５８】
この光軸と、図７に示したＤＭＤ７の平面上にある複数の点のうちＹ軸方向の下端の点７１は、Ｙ軸方向に偏心しており、その偏心量は１．５６ｍｍである。すなわち、図８において、光軸の方がＤＭＤ７の下端よりも１．５６ｍｍ下方にある。
【００５９】
また、図８に示すように、レンズ光学系８を構成する複数のレンズ群のうち、画像表示素子であるＤＭＤ１１に最も近いレンズ群には、絞り８２が含まれている。この絞り８２によって、ＤＭＤ１１からスクリーン２０（図示せず）に到達する光束量を決定することができ、また、絞り８２をＤＭＤ１１に最も近いレンズ群に含ませることで、画角を広くとることができる。これによって、ゴミが最も溜まりやすいミラー光学系に近いレンズ位置での光束の広がりや、ミラー光学系の反射面上での光束の広がりを大きくし、ゴミの映り込みの影響を小さくすることができる。
【００６０】
次に、投射光学系の具体的な数値例を示す。表１は、上記共軸光学系の構成を示す。
【表１】
【００６１】
表１中、面４、５、２１、２２、２３、２４は非球面で、これらの非球面係数を表２に示す。
【表２】
【００６２】
上記非球面係数を適用して非球面を算出する式を式１に示す。
【数１】
【００６３】
第２ミラー１０の反射面を形成するための係数を表３に示す。
【表３】
【００６４】
上記係数を適用して第２ミラー１０の反射面を算出する式を式２に示す。
【数２】
【００６５】
第１ミラー９と第２ミラー１０及び防塵ガラス１１のレイアウトを表４に示す。
【表４】
【００６６】
以上において示した構成を有するプロジェクタ１００によれば、超至近投射でありながら、大画面を表示することができる画面表示装置を得ることができる。
【００６７】
なお、表３中に記載において、「＊＊」はべき乗演算を意味する。また、「＊」は乗算を意味する。
【００６８】
以上のように、本発明に係る画像表示装置は、中間像の結像位置を調整することで、ゴミの映り込みの影響を低減し、超至近距離から大画面の画像をスクリーンに表示することができる
【符号の説明】
【００６９】
７ ＤＭＤ
８ レンズ光学系
９ 第１ミラー
１０ 第２ミラー
１４ 投射光束
１５ 集光位置
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７０】
【特許文献１】特許第４３２９８６３号公報
【特許文献２】特許第３７２７５４３号公報
【特許文献３】特開２００９−１５７２２３号公報
【特許文献４】特開２００９−１４５６７２号公報
【特許文献５】特許第４２１０３１４号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射された光を画像表示素子に照射する照明光学系と、
前記照明光学系からの照明光が照射され投射画像を形成する前記画像表示素子と、
全体で正の屈折力を有し、前記画像表示素子によって形成された投射画像を被投射面に投射する投射光学系と、を有する画像表示装置であって、
前記投射光学系は、複数のレンズ群からなるレンズ光学系と、第１ミラー、凹面ミラーである第２ミラー、を有してなるミラー光学系と、を有してなり、
前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に、前記レンズ光学系の光軸に最も近い前記画像表示素子に係る画素の中間像が形成され、
前記投射レンズのうち前記第１ミラーに最も近いレンズのレンズ面は、凸面であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記レンズ光学系は、前記複数のレンズ群のうち前記画像表示素子に最も近いレンズ群に開口絞りを有することを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記開口絞りを有するレンズ群の次のレンズ群から前記第１ミラーに最も近いレンズ群までの屈折力は、全体で負の屈折力であることを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記開口絞り近傍に非球面レンズを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の画像表示装置．
【請求項５】
前記第２ミラーと前記被投射面との間に防塵ガラスを有し、
前記防塵ガラスは、前記画像表示素子の平面と略平行であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の画像表示装置．
【請求項６】
前記レンズ光学系と前記第１ミラーとの間に、前記レンズ光学系の光軸に最も遠い前記画像表示素子に係る画素の中間像が形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記第２ミラーは自由曲面ミラーであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記画像表示素子は、
２次元的に配置された複数の微小ミラーを有し、個々の微小ミラーの傾き角度をオン状態とオフ状態で変化させることにより反射光の出射をオン・オフさせる反射型画像表示素子であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１】
光源から出射された光を画像表示素子に照射する照明光学系と、
前記照明光学系からの照明光が照射され投射画像を形成する前記画像表示素子と、
全体で正の屈折力を有し、前記画像表示素子によって形成された投射画像を被投射面に投射する投射光学系と、を有する画像表示装置であって、
前記投射光学系は、複数のレンズ群からなるレンズ光学系と、第１ミラー、凹面ミラーである第２ミラー、を有してなるミラー光学系と、を有してなり、
前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間に、前記レンズ光学系の光軸に最も近い前記画像表示素子に係る画素の中間像が形成され、
前記投射レンズのうち前記第１ミラーに最も近いレンズのレンズ面は、凸面であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記レンズ光学系は、前記複数のレンズ群のうち前記画像表示素子に最も近いレンズ群に開口絞りを有することを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記開口絞りを有するレンズ群の次のレンズ群から前記第１ミラーに最も近いレンズ群までの屈折力は、全体で負の屈折力であることを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記開口絞り近傍に非球面レンズを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の画像表示装置．
【請求項５】
前記第２ミラーと前記被投射面との間に防塵ガラスを有し、
前記防塵ガラスは、前記画像表示素子の平面と略平行であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の画像表示装置．
【請求項６】
前記レンズ光学系と前記第１ミラーとの間に、前記レンズ光学系の光軸に最も遠い前記画像表示素子に係る画素の中間像が形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記第２ミラーは自由曲面ミラーであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記画像表示素子は、
２次元的に配置された複数の微小ミラーを有し、個々の微小ミラーの傾き角度をオン状態とオフ状態で変化させることにより反射光の出射をオン・オフさせる反射型画像表示素子であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−８３８１７（Ｐ２０１３−８３８１７Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２３９８３（Ｐ２０１１−２２３９８３）
【出願日】平成２３年１０月１１日（２０１１．１０．１１）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１１日（２０１１．１０．１１）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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