画像表示装置
【課題】 装置の小型化が可能で、かつ、表示画像の劣化の低減可能な画像表示装置を得る。
【解決手段】 光源１と、入射光の出射を制御して画像を表示する画像表示素子７と、光源から出射された光で画像表示素子を照明する照明光学系と、画像表示素子の表示面に表示された画像を被投射面２０に投射して拡大表示させる投射光学系と、を備えた画像表示装置であって、画像表示素子の表示面と被投射面とは略直交し、投射光学系は、レンズ光学系８と、レンズ光学系を透過した光を反射する第１ミラー９と、第１ミラーで反射された光を被投射面に向けて反射する第２ミラー１０と、を備え、レンズ光学系は、画像表示素子と被投射面との光路上に中間像（Ｐ１，Ｐ２）を結像し、２つのミラーのいずれか一方のミラーを中間像が跨ぐように設定され、中間像に跨れたミラーは、その光学面が鉛直方向下向きに配置されている。
【解決手段】 光源１と、入射光の出射を制御して画像を表示する画像表示素子７と、光源から出射された光で画像表示素子を照明する照明光学系と、画像表示素子の表示面に表示された画像を被投射面２０に投射して拡大表示させる投射光学系と、を備えた画像表示装置であって、画像表示素子の表示面と被投射面とは略直交し、投射光学系は、レンズ光学系８と、レンズ光学系を透過した光を反射する第１ミラー９と、第１ミラーで反射された光を被投射面に向けて反射する第２ミラー１０と、を備え、レンズ光学系は、画像表示素子と被投射面との光路上に中間像（Ｐ１，Ｐ２）を結像し、２つのミラーのいずれか一方のミラーを中間像が跨ぐように設定され、中間像に跨れたミラーは、その光学面が鉛直方向下向きに配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スクリーン面等に投影原画像を拡大して表示する画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来のものに比べて極端にスクリーン面（スクリーンの被投射面で、像面に相当する）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、超至近プロジェクタなどと呼ばれる。超至近プロジェクタの目的は、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】
超至近プロジェクタが備える投射光学系には、単純に従来の投射光学系（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（例えば、特許文献１，２参照）、などがある。ここで、投射光学系の画角を広げる方式であれば、従来技術の延長で超至近投射の目的を達成することができる。しかし、この方式では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、超至近距離での投射を行うことができる。
【０００４】
特許文献１記載の発明は、投射光学系を構成するレンズ光学系の後ろに凹面ミラーを配置して投射する方式である。一方、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配置し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することができるため、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との間に長い距離が必要であるため、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も提案されている（例えば、特許文献３，４参照）。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との間の長い距離を折り畳み、光学系の小型化を図っている。ここで、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。一方、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配置することで小型化を図っている。
【０００６】
しかし、特許文献３および特許文献４のいずれに記載の光学系も、画像表示素子から曲面ミラーまでの距離が長い（例えば、特許文献３の図４の「Ｌ１」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り、スクリーン面からのプロジェクタ本体の出っ張り量に限界があった。
【０００７】
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も提案されている（例えば、特許文献５参照）。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、いわゆる縦型方式の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、スクリーン面からのプロジェクタ本体の出っ張り量に対する制約とならないため、超至近投射を可能にしている。
【０００８】
このような縦型方式の投射光学系の小型化とスローレシオ０．３以下の超至近投射について鋭意検討した結果，特許文献５の図１２に示された構成では，超至近投射であっても大画面を投射することが困難であることが判明した。すなわち、超至近投射で大画面を投影するには、レンズ光学系からミラー系に入射する光の発散性をより強くする必要があることや、画像表示素子とスクリーン面との間で中間像を結ぶ光学系が好ましいこと、が判明した。
【０００９】
しかし、画像表示素子とスクリーン面との間で中間像を結ぶことで下記の課題が出る。中間像方式では、画像表示素子としてのＤＭＤ（Digital Micromirror Device）と中間像とが共役であり、かつ、中間像はスクリーン面と共役である。したがって、中間像近傍に配置された光学素子にほこり等が付着すると、スクリーン面に拡大投射されてしまい、画像欠陥となる。このような画像欠陥は、表示画像の品質を低下させてしまう。
【００１０】
この画像欠陥の対策として、中間像の近傍に光学素子を配置しないことも考えられる。しかし、これは光路レイアウトに制約を加えてしまう結果となる。つまり、光路レイアウトに制約があると縦型方式の採用が難しくなり、画像表示装置の小型化を妨げてしまうため、好ましくない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、以上のような従来技術の問題点を解消するためになされたもので、装置の小型化が可能で、かつ、表示画像の劣化の低減可能な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、光源と、入射光の出射を制御して画像を表示する画像表示素子と、光源から出射された光で画像表示素子を照明する照明光学系と、画像表示素子の表示面に表示された画像を被投射面に投射して拡大表示させる投射光学系と、を備えた画像表示装置であって、画像表示素子の表示面と被投射面とは略直交し、投射光学系は、レンズ光学系と、レンズ光学系を透過した光を反射する第１ミラーと、第１ミラーで反射された光を被投射面に向けて反射する第２ミラーと、を備え、レンズ光学系は、画像表示素子と被投射面との光路上に中間像を結像し、２つのミラーのいずれか一方のミラーを中間像が跨ぐように設定され、中間像に跨れたミラーは、その光学面が鉛直方向下向きに配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、本体の小型化が可能で、かつ、表示画像の劣化を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明にかかる画像表示装置の実施の形態を示す光学配置図である。
【図２】上記画像表示装置が備える投射光学系の要部拡大図である。
【図３】上記投射光学系により投射される光の光路を示す光路図である。
【図４】上記投射光学系を構成するレンズ光学系により形成される中間像の位置を示す光線図である。
【図５】別の投射光学系の要部拡大図である。
【図６】図５の投射光学系により投射される光の光路を示す光路図である。
【図７】本発明にかかる画像表示装置の別の実施の形態を示す、投射光学系の要部拡大図である。
【図８】本発明にかかる画像表示装置との比較例の投射光学系の要部拡大図である。
【図９】本発明にかかる画像表示装置の投射光学系のさらに別の例を示す要部拡大図である。
【図１０】本発明にかかる画像表示装置のさらに別の実施の形態を示す、投射光学系により投射される光の軌跡を示す光線図である。
【図１１】図１０の画像表示装置が有する反射型画像表示装置の平面図である。
【図１２】図１０の画像表示装置が有するレンズ光学系の光学配置図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明にかかる画像表示装置の実施の形態について説明する。
【００１６】
なお、以下に説明するように、本発明にかかる画像表示装置は、発散性の強い投射光束の集光位置を調整することで、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。
【００１７】
図１は、本発明にかかる画像表示装置の実施の形態を示す光学配置図である。画像表示装置であるプロジェクタ１００は、光源であるランプ１から出射された光で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（スクリーンの被投射面）に向けて投射する投射光学系と、を有してなる。
【００１８】
以下の説明において、投射光学系の光軸方向をＺ軸方向、照明光学系の光軸方向をＹ軸方向、Ｚ軸方向とＹ軸方向の双方に直交する方向をＸ軸方向とする。
【００１９】
なお、以下に説明する実施の形態では、入射光の出射を制御して画像を表示する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。ただし、本発明にかかる画像表示装置が備える画像表示素子はＤＭＤに限らず、液晶パネルなど他の画像表示素子を用いてもよい。
【００２０】
ここで、照明光学系について説明をする。光源であるランプ１から出射された光は、リフレクタ２により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形成され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。
【００２１】
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、この面光源の光源像を、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ＤＭＤ７の有効画像領域に生成する。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、平面ミラーである。また、第２折り返しミラー６は、曲面ミラー（凹面ミラー）である。
【００２２】
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の前方を通過して第１折り返しミラー５により、図１の紙面斜め右下方向に反射されて第２折り返しミラー６に向かう。第２折り返しミラー６で反射された光は、ＤＭＤ７の表示面を照明し、ＤＭＤ７の有効画像領域内のミラーにより反射されて、画像投射光である反射光束が第２折り返しミラー６の側方を通過して投射光学系を形成するレンズ光学系８に入射される。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。
【００２３】
このような照明光学系により、ＤＭＤ７は光量ムラのない照明光で照明され、一様な照度分布となるため、その拡大像である投射画像も一様な照度分布となる。
【００２４】
ＤＭＤ７は、多数の微小ミラーからなるデバイスで、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、微小ミラーで反射された照明光が投射レンズ内に入るように、各光学素子がレイアウトされている。この状態を「ＯＮ状態」という。また、ミラーの角度が＋１２°のとき、微小ミラーで反射された照明光が投射レンズ内に入らないように、各光学素子がレイアウトされている。この状態を「ＯＦＦ状態」という。
【００２５】
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。
【００２６】
なお、投射光学系は、レンズ光学系８とミラー光学系とを有してなるが、図１にはレンズ光学系８のみを図示している。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（不図示）と、を有してなる。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。
【００２７】
［実施例１］
以下、本発明にかかる画像表示装置の実施例について説明をする。図２は、本実施例にかかる画像表示装置の投射光学系の要部拡大図である。なお、図２において、照明光学系は、図示が省略されている。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スクリーン２０（不図示）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、ミラー光学系を構成する第１ミラー９と第２ミラー１０を経て、スクリーン２０（不図示）に到達する２本の線として表されている。
【００２８】
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、平面ミラーであって、その光学面は鉛直方向下向きになるように配置されている。
【００２９】
なお、第１ミラー９は、平面ミラーに限らない。ただし、仮に、第１ミラーが凸面ミラーであるとすると、第１ミラーで反射された投射光束１４は、さらに発散性が強くなる。その結果、第１ミラー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。したがって、第１ミラーは、平面ミラーまたは凹面ミラーであることが望ましい。
【００３０】
ここで、レンズ光学系８により結像されて形成される中間像について説明する。図４は、投射光学系により投射される光の軌跡を示す光線図である。図中、Ｐ１は、ＤＭＤ７の画素のうちレンズ光学系８の光軸から最も遠い画素により形成される中間像であり、Ｐ２は、レンズ光学系８の光軸から最も近い画素により形成される中間像である。図４に示すように、レンズ光学系８により形成される中間像は、第１ミラー９を跨ぐように形成される。換言すれば、投射光学系は、レンズ光学系８により形成される中間像が第１ミラー９を跨ぐように配置・設定されている。なお、中間像が第１ミラーを跨ぐとは、中間像の一部が光学的に第１ミラーの光源側とスクリーン側との双方に存在することを意味する。ここで、光学的とは、光源から光線進行方向に沿って見たとき、ということを意味する。
【００３１】
なお、本発明において、レンズ光学系８により形成される中間像が跨ぐのは、少なくとも第１ミラー９と第２ミラー１０のいずれか一方であればよい。
【００３２】
レンズ光学系８により形成される中間像の付近の第１ミラー９の光学面にゴミやほこりが付着すると、そのゴミなどがスクリーンに映り込んでしまい、表示画像の画質の劣化を引き起こしてしまう。したがって、プロジェクタ１００本体の筐体内部にゴミなどが入り込まないようにすることが望ましい。しかし、プロジェクタ１００本体の筐体の隙間から筐体内部に侵入するゴミなどを皆無にすることは困難である。
【００３３】
そこで、前述のとおり、第１ミラー９の光学面を鉛直方向下向きに配置することで、たとえ筐体の隙間からゴミなどが入り込んだとしても、ゴミなどは重力により鉛直方向下向きに落下する。その結果、第１ミラーの光学面にゴミなどが付着・堆積しにくくなり、スクリーン２０への表示画像の画質の劣化を防止・低減することができ、画質を安定させることができる。い
【００３４】
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である。仮に、第２ミラーが平面ミラーかｍ面ミラーであるとすると、反射された投射光束１４は拡散してしまい、スクリーン２０に向けて反射されないからである。
【００３５】
このように、第１ミラー９は平面ミラーまたは凹面ミラーとし、第２ミラー１０は凹面ミラーとする。その結果、第２ミラー１０で反射された投射光束１４は、第２ミラー１０とスクリーン２０と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。
【００３６】
ここで、第１ミラー９と第２ミラー１０の２枚のミラーがパワーを有していると、スクリーン２０への表示画像が各ミラーの相対的な位置ずれの影響を受けやすくなる。そこで、２枚のミラーのうち、１枚のミラー（第１ミラー９）を平面ミラーとすることで、２枚のミラー間の相対的な位置ずれによる表示画像の劣化を低減することができる。
【００３７】
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、ミラー光学系を構成する第２ミラー１０で、反射された後の投射光束１４を集光させる必要がある。また、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に近い位置とする必要がある。これは、集光位置がスクリーン２０よりもずっと手前で、第２ミラー１０に近い位置でなければ、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が十分に発散してスクリーン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。
【００３８】
例えば、図３に示すように、集光位置１５が、スクリーン２０よりもずっと手前で、第２ミラー１０に近い位置にあれば、プロジェクタ１００とスクリーン２０が至近距離であっても、投射光束１４は十分に拡散する。その結果、プロジェクタ１００は、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。
【００３９】
なお、図３に示すように、ＤＭＤ７の表示面（図中、紙面上面）と、スクリーン２０の被投射面とは直交または略直交している。
【００４０】
集光位置について、さらに説明をする。集光位置１５は、スクリーン２０よりもずっと手前、つまり、第２ミラー１０に近いことが望ましいが、第２ミラー１０に近づきすぎてもよくない。集光位置１５は、凹面ミラーである第２ミラー１０よりも第１ミラー９に近い位置にあることが望ましい。その理由について、以下、図５を用いて説明する。
【００４１】
図５は、投射光学系の要部拡大図であって、集光位置１５を第１ミラー９よりも第２ミラー１０寄りにした場合の例を示している。投射光束１４は、集光位置１５において集光した後に一気に拡散する。そのため、図５に示すように、集光位置１５が第１ミラー９の近傍ではなく、第２ミラー１０側に寄っていると、集光位置１５から拡散した投射光束１４の光路上に第１ミラー９が配置された状態になる。その結果、投射光束１４の一部は、第１ミラー９に「けられた」状態になる。
【００４２】
図６は、図５の投射光学系により投射される光の様子を示す光路図である。図６に示すように、第２ミラー１０で反射されてスクリーン２０に向かう投射光束１４を、スクリーン２０のエッジ部分に当たる投射光１４１と、反対側のエッジ部分に当たる投射光１４２のそれぞれに注目して考える。投射光１４１は、第２ミラー１０で反射されて集光位置１５を経てスクリーン２０に投射される。一方、投射光１４２は、第２ミラー１０で反射されて集光位置１５を経た後に第１ミラー９に当たってけられてしまう。そうすると、投射光束１４によってスクリーン２０に表示されるはずの画像の一部が欠落した状態になってしまう。すなわち、集光位置１５は、第１ミラー９の近傍であることが望ましい、といえる。
【００４３】
集光位置１５が第１ミラー９の近傍ではなく、第１ミラー９から離れて第２ミラー１０の方に寄っていると、投射光束１４の一部が投射光学系にけられてしまい、スクリーン２０上に大画面表示を行うことができなくなる。そこで、本実施例にかかるプロジェクタ１００は、集光位置１５を、スクリーン２０よりもずっと手前であって、第２ミラー１０に近い位置であり、かつ、第１ミラー９の近傍となるように設定する。これによって、超至近距離においても、大画面表示を行うことができる。
【００４４】
また、図６に示すように、集光位置１５が第１ミラー９の近傍ではなく、第２ミラー１０に寄っていると、投射光束１４の一部である投射光１４２は、スクリーン２０上に到達する投射光１４１に比べてＸ−Ｚ平面と平行であるスクリーン２０に対し、おじぎをするような角度になる。換言すれば、第２ミラー１０で反射された投射光束１４において、一方のエッジ部分（投射光１４１）がスクリーン２０の法線に対してなす角度と、反対側のエッジ部分（投射光１４２）がスクリーン２０の法線に対してなす角度が、異なる符合の角度となる状態になると、投射光束１４がレンズ光学系８にけられる状態となる。
【００４５】
したがって、本実施例にかかるプロジェクタ１００は、被投射面であるスクリーン２０に投射される投射光束１４に係る画像の左右方向中心に入射する光線が、スクリーン２０の法線となす角度は、全て同じ符号の角度である。
【００４６】
［実施例２］
次に、本発明にかかる画像表示装置の別の実施例について、先に説明した実施例と異なる部分を中心に説明する。
【００４７】
図７は、本実施例における投射光学系の要部拡大図であって、実施例１に示した投射光学系に防塵ガラス１１を付加した構成である。
【００４８】
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、つまり、第２ミラーで反射されてスクリーン２０に向かう光線の光路中に設置されている。防塵ガラス１１が設置されることで、レンズ光学系８へのゴミの混入を防止することができるため、投射画像（スクリーン２０への表示画像）の品質の劣化を低減することができる。
【００４９】
なお、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、投射光学系全体の大きさが大きくなり、プロジェクタ１００が大型化するからである。
【００５０】
第２ミラー１０で反射されてスクリーン２０（不図示）に向かう投射光束１４は、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、前述のゴミなどの混入防止を実現するには、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７に示すように、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。
【００５１】
以上説明した３点、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を含む投射光学系の小型化を図ること、防塵ガラス１１の小型化を図ること、を実現するには、集光位置１５が、スクリーン２０よりもずっと手前で第２ミラー１０に近い位置であり、第２ミラーよりも第１ミラーに近い位置であり、かつ、防塵ガラス１１に近い位置であることが望ましい。
【００５２】
図８は、本発明にかかる画像表示装置との比較例の投射光学系の要部拡大図であって、レンズ光学系８を構成する複数のレンズのうち第１ミラー９に最も近い位置に配置されているレンズのレンズ面が凹面の場合を示している。この比較例の構成の場合、第１ミラー９で反射された光束のうちレンズ光学系８の最も近傍を通過する光束が、前述の凹面に入射してしまい、第２ミラー１０に到達できない可能性がある。
【００５３】
したがって、小型化を図りつつ、大画面を表示可能な画像表示装置においては、図９に示すように、レンズ光学系８を構成する複数のレンズのうち第１ミラー９に最も近い位置に配置されているレンズ８０のレンズ面を凸面とすることが望ましい。レンズ８０のレンズ面を凸面にすることで、第１ミラー９で反射された光束がレンズ光学系８の近傍を通過しても、レンズ８０の外周縁部やレンズ鏡胴８１の上端部によってけられることがない。そのため、第１ミラー９で反射された光束が発散性の強い光束であっても、第２ミラー１０に到達することができる。
【００５４】
また、レンズ光学系８を構成する複数のレンズのうち、第１ミラー９に最も近いレンズ８０のレンズ面を凸面にすることで、ゴミなどが筐体内に入り込んだとしても、レンズ８０のレンズ面にゴミなどが堆積せずに落下しやすくなる。その結果、スクリーン２０への表示画像の画質の劣化を防止・低減することができる。
【００５５】
［実施例３］
次に、本発明にかかる画像表示装置のさらに別の実施例について、先に説明した実施例と異なる部分を中心に説明する。
【００５６】
図１０は、最適な集光位置１５を実現するために配置された、レンズ光学系８、第１ミラー９、第２ミラー１０、防塵ガラス１１で構成される投射光学系により投射される光の軌跡を示す光線図である。同図には、ＤＭＤ７からの光がレンズ光学系８に入射し、第１ミラー（平面ミラー）９で反射した後に第２ミラー（凹面の自由曲面）で反射し、防塵ガラス１１を透過してスクリーン２０に至る様子を示している。
【００５７】
ここで、ＤＭＤ７の平面図である図１１に示すように、ＤＭＤ７は、ＤＭＤ７上の１５点からそれぞれ７本ずつ光線を出射させている。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。
【００５８】
図１０に戻る。集光位置１５での集光度合いは、スポット的に細くはならないが、集光位置１５近傍に防塵ガラス１１を配置することで投射光学系の小型化を図ることができる。
【００５９】
また、集光位置１５を第１ミラー９の近傍、特に、第１ミラー９の反射面を含む無限に広い仮想平面近傍に置くことで、投射光束１４が第１ミラー９にけられることない。また、第１ミラー９と第２ミラー１０の距離を離さなくてもよいので、投射光学系の小型化を図ることができる。
【００６０】
ここで、レンズ光学系８を通過した投射光束１４を、第１ミラー９で折り返すことなく、第２ミラー１０に当たるように投射光学系を配置したプロジェクタの場合、投射光学系が外装に配置されると、スクリーン２０にプロジェクタ本体の筐体がぶつかる。つまり、超至近距離投射を実現するためには、本発明にかかるプロジェクタのように、強い発散性を有する投射光束を、第１ミラー９と第２ミラー１０とを用いて反射させてスクリーン２０に投射させる構成でなければならない。
【００６１】
図１２は、レンズ光学系８の構成例を示す光学配置図である。図１２において、レンズの光軸方向（紙面左右方向）をＺ軸とし、それに直交する二つの軸をＸ軸、Ｙ軸とする（紙面上下方向がＹ軸）。図１２に示すレンズ光学系８は、レンズ光学系８を構成する各レンズの光軸が、同一直線上に乗っている（重なる）共軸光学系である。
【００６２】
レンズ光学系８の光軸と、図１１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１２において、レンズ光学系８の光軸は、ＤＭＤ７の（紙面）下端よりも１．５６ｍｍ下方にある。
【００６３】
本実施例のレンズ光学系８は、ＤＭＤ７側でテレセントリックとしていない。つまり、レンズ光学系８の入射瞳位置は非テレセントリック光学系である。この構成により、ＤＭＤ７側のレンズ径を小さくすることができるため、プロジェクタ１００の小型化が可能となる。
【００６４】
次に、投射光学系の具体的な数値例を示す。
【００６５】
表１は、前述の共軸光学系の構成を示す。
（表１）
【００６６】
表１において、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）
【００６７】
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。
（式１）
【００６８】
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。なお、表３中において、「＊＊」はべき乗演算を意味する。また、「＊」は乗算を意味する。
（表３）
【００６９】
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。
（式２）
【００７０】
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）
【００７１】
以上示した構成を有するプロジェクタ１００によれば、スローレシオ０．３以下の超至近投射でありながら、スクリーン２０に大画面を表示することができる。なお、前述の数値例によれば、スローレシオは０．２３である。ここで、スローレシオは、フロント投射型のプロジェクタにおいて、「投射距離÷スクリーン横方向の長さ」で算出される値であり、この値が小さいほど、至近距離から投射していることを意味する。
【符号の説明】
【００７２】
１ 光源
２ リフレクタ
３ インテグレータロッド
４ ＤＭＤ照明用レンズ
５ 第１折り返しミラー
６ 第２折り返しミラー
７ ＤＭＤ
８ レンズ光学系
９ 第１ミラー
１０ 第２ミラー
１１ 防塵ガラス
１４ 投射光束
１５ 集光位置
２０ スクリーン
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７３】
【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、スクリーン面等に投影原画像を拡大して表示する画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、従来のものに比べて極端にスクリーン面（スクリーンの被投射面で、像面に相当する）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、超至近プロジェクタなどと呼ばれる。超至近プロジェクタの目的は、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】
超至近プロジェクタが備える投射光学系には、単純に従来の投射光学系（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（例えば、特許文献１，２参照）、などがある。ここで、投射光学系の画角を広げる方式であれば、従来技術の延長で超至近投射の目的を達成することができる。しかし、この方式では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、超至近距離での投射を行うことができる。
【０００４】
特許文献１記載の発明は、投射光学系を構成するレンズ光学系の後ろに凹面ミラーを配置して投射する方式である。一方、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配置し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することができるため、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との間に長い距離が必要であるため、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も提案されている（例えば、特許文献３，４参照）。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との間の長い距離を折り畳み、光学系の小型化を図っている。ここで、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。一方、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配置することで小型化を図っている。
【０００６】
しかし、特許文献３および特許文献４のいずれに記載の光学系も、画像表示素子から曲面ミラーまでの距離が長い（例えば、特許文献３の図４の「Ｌ１」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り、スクリーン面からのプロジェクタ本体の出っ張り量に限界があった。
【０００７】
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も提案されている（例えば、特許文献５参照）。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、いわゆる縦型方式の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、スクリーン面からのプロジェクタ本体の出っ張り量に対する制約とならないため、超至近投射を可能にしている。
【０００８】
このような縦型方式の投射光学系の小型化とスローレシオ０．３以下の超至近投射について鋭意検討した結果，特許文献５の図１２に示された構成では，超至近投射であっても大画面を投射することが困難であることが判明した。すなわち、超至近投射で大画面を投影するには、レンズ光学系からミラー系に入射する光の発散性をより強くする必要があることや、画像表示素子とスクリーン面との間で中間像を結ぶ光学系が好ましいこと、が判明した。
【０００９】
しかし、画像表示素子とスクリーン面との間で中間像を結ぶことで下記の課題が出る。中間像方式では、画像表示素子としてのＤＭＤ（Digital Micromirror Device）と中間像とが共役であり、かつ、中間像はスクリーン面と共役である。したがって、中間像近傍に配置された光学素子にほこり等が付着すると、スクリーン面に拡大投射されてしまい、画像欠陥となる。このような画像欠陥は、表示画像の品質を低下させてしまう。
【００１０】
この画像欠陥の対策として、中間像の近傍に光学素子を配置しないことも考えられる。しかし、これは光路レイアウトに制約を加えてしまう結果となる。つまり、光路レイアウトに制約があると縦型方式の採用が難しくなり、画像表示装置の小型化を妨げてしまうため、好ましくない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、以上のような従来技術の問題点を解消するためになされたもので、装置の小型化が可能で、かつ、表示画像の劣化の低減可能な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、光源と、入射光の出射を制御して画像を表示する画像表示素子と、光源から出射された光で画像表示素子を照明する照明光学系と、画像表示素子の表示面に表示された画像を被投射面に投射して拡大表示させる投射光学系と、を備えた画像表示装置であって、画像表示素子の表示面と被投射面とは略直交し、投射光学系は、レンズ光学系と、レンズ光学系を透過した光を反射する第１ミラーと、第１ミラーで反射された光を被投射面に向けて反射する第２ミラーと、を備え、レンズ光学系は、画像表示素子と被投射面との光路上に中間像を結像し、２つのミラーのいずれか一方のミラーを中間像が跨ぐように設定され、中間像に跨れたミラーは、その光学面が鉛直方向下向きに配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、本体の小型化が可能で、かつ、表示画像の劣化を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明にかかる画像表示装置の実施の形態を示す光学配置図である。
【図２】上記画像表示装置が備える投射光学系の要部拡大図である。
【図３】上記投射光学系により投射される光の光路を示す光路図である。
【図４】上記投射光学系を構成するレンズ光学系により形成される中間像の位置を示す光線図である。
【図５】別の投射光学系の要部拡大図である。
【図６】図５の投射光学系により投射される光の光路を示す光路図である。
【図７】本発明にかかる画像表示装置の別の実施の形態を示す、投射光学系の要部拡大図である。
【図８】本発明にかかる画像表示装置との比較例の投射光学系の要部拡大図である。
【図９】本発明にかかる画像表示装置の投射光学系のさらに別の例を示す要部拡大図である。
【図１０】本発明にかかる画像表示装置のさらに別の実施の形態を示す、投射光学系により投射される光の軌跡を示す光線図である。
【図１１】図１０の画像表示装置が有する反射型画像表示装置の平面図である。
【図１２】図１０の画像表示装置が有するレンズ光学系の光学配置図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明にかかる画像表示装置の実施の形態について説明する。
【００１６】
なお、以下に説明するように、本発明にかかる画像表示装置は、発散性の強い投射光束の集光位置を調整することで、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。
【００１７】
図１は、本発明にかかる画像表示装置の実施の形態を示す光学配置図である。画像表示装置であるプロジェクタ１００は、光源であるランプ１から出射された光で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（スクリーンの被投射面）に向けて投射する投射光学系と、を有してなる。
【００１８】
以下の説明において、投射光学系の光軸方向をＺ軸方向、照明光学系の光軸方向をＹ軸方向、Ｚ軸方向とＹ軸方向の双方に直交する方向をＸ軸方向とする。
【００１９】
なお、以下に説明する実施の形態では、入射光の出射を制御して画像を表示する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。ただし、本発明にかかる画像表示装置が備える画像表示素子はＤＭＤに限らず、液晶パネルなど他の画像表示素子を用いてもよい。
【００２０】
ここで、照明光学系について説明をする。光源であるランプ１から出射された光は、リフレクタ２により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形成され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。
【００２１】
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、この面光源の光源像を、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ＤＭＤ７の有効画像領域に生成する。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、平面ミラーである。また、第２折り返しミラー６は、曲面ミラー（凹面ミラー）である。
【００２２】
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の前方を通過して第１折り返しミラー５により、図１の紙面斜め右下方向に反射されて第２折り返しミラー６に向かう。第２折り返しミラー６で反射された光は、ＤＭＤ７の表示面を照明し、ＤＭＤ７の有効画像領域内のミラーにより反射されて、画像投射光である反射光束が第２折り返しミラー６の側方を通過して投射光学系を形成するレンズ光学系８に入射される。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。
【００２３】
このような照明光学系により、ＤＭＤ７は光量ムラのない照明光で照明され、一様な照度分布となるため、その拡大像である投射画像も一様な照度分布となる。
【００２４】
ＤＭＤ７は、多数の微小ミラーからなるデバイスで、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、微小ミラーで反射された照明光が投射レンズ内に入るように、各光学素子がレイアウトされている。この状態を「ＯＮ状態」という。また、ミラーの角度が＋１２°のとき、微小ミラーで反射された照明光が投射レンズ内に入らないように、各光学素子がレイアウトされている。この状態を「ＯＦＦ状態」という。
【００２５】
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。
【００２６】
なお、投射光学系は、レンズ光学系８とミラー光学系とを有してなるが、図１にはレンズ光学系８のみを図示している。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（不図示）と、を有してなる。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。
【００２７】
［実施例１］
以下、本発明にかかる画像表示装置の実施例について説明をする。図２は、本実施例にかかる画像表示装置の投射光学系の要部拡大図である。なお、図２において、照明光学系は、図示が省略されている。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スクリーン２０（不図示）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、ミラー光学系を構成する第１ミラー９と第２ミラー１０を経て、スクリーン２０（不図示）に到達する２本の線として表されている。
【００２８】
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、平面ミラーであって、その光学面は鉛直方向下向きになるように配置されている。
【００２９】
なお、第１ミラー９は、平面ミラーに限らない。ただし、仮に、第１ミラーが凸面ミラーであるとすると、第１ミラーで反射された投射光束１４は、さらに発散性が強くなる。その結果、第１ミラー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。したがって、第１ミラーは、平面ミラーまたは凹面ミラーであることが望ましい。
【００３０】
ここで、レンズ光学系８により結像されて形成される中間像について説明する。図４は、投射光学系により投射される光の軌跡を示す光線図である。図中、Ｐ１は、ＤＭＤ７の画素のうちレンズ光学系８の光軸から最も遠い画素により形成される中間像であり、Ｐ２は、レンズ光学系８の光軸から最も近い画素により形成される中間像である。図４に示すように、レンズ光学系８により形成される中間像は、第１ミラー９を跨ぐように形成される。換言すれば、投射光学系は、レンズ光学系８により形成される中間像が第１ミラー９を跨ぐように配置・設定されている。なお、中間像が第１ミラーを跨ぐとは、中間像の一部が光学的に第１ミラーの光源側とスクリーン側との双方に存在することを意味する。ここで、光学的とは、光源から光線進行方向に沿って見たとき、ということを意味する。
【００３１】
なお、本発明において、レンズ光学系８により形成される中間像が跨ぐのは、少なくとも第１ミラー９と第２ミラー１０のいずれか一方であればよい。
【００３２】
レンズ光学系８により形成される中間像の付近の第１ミラー９の光学面にゴミやほこりが付着すると、そのゴミなどがスクリーンに映り込んでしまい、表示画像の画質の劣化を引き起こしてしまう。したがって、プロジェクタ１００本体の筐体内部にゴミなどが入り込まないようにすることが望ましい。しかし、プロジェクタ１００本体の筐体の隙間から筐体内部に侵入するゴミなどを皆無にすることは困難である。
【００３３】
そこで、前述のとおり、第１ミラー９の光学面を鉛直方向下向きに配置することで、たとえ筐体の隙間からゴミなどが入り込んだとしても、ゴミなどは重力により鉛直方向下向きに落下する。その結果、第１ミラーの光学面にゴミなどが付着・堆積しにくくなり、スクリーン２０への表示画像の画質の劣化を防止・低減することができ、画質を安定させることができる。い
【００３４】
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である。仮に、第２ミラーが平面ミラーかｍ面ミラーであるとすると、反射された投射光束１４は拡散してしまい、スクリーン２０に向けて反射されないからである。
【００３５】
このように、第１ミラー９は平面ミラーまたは凹面ミラーとし、第２ミラー１０は凹面ミラーとする。その結果、第２ミラー１０で反射された投射光束１４は、第２ミラー１０とスクリーン２０と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。
【００３６】
ここで、第１ミラー９と第２ミラー１０の２枚のミラーがパワーを有していると、スクリーン２０への表示画像が各ミラーの相対的な位置ずれの影響を受けやすくなる。そこで、２枚のミラーのうち、１枚のミラー（第１ミラー９）を平面ミラーとすることで、２枚のミラー間の相対的な位置ずれによる表示画像の劣化を低減することができる。
【００３７】
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、ミラー光学系を構成する第２ミラー１０で、反射された後の投射光束１４を集光させる必要がある。また、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に近い位置とする必要がある。これは、集光位置がスクリーン２０よりもずっと手前で、第２ミラー１０に近い位置でなければ、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が十分に発散してスクリーン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。
【００３８】
例えば、図３に示すように、集光位置１５が、スクリーン２０よりもずっと手前で、第２ミラー１０に近い位置にあれば、プロジェクタ１００とスクリーン２０が至近距離であっても、投射光束１４は十分に拡散する。その結果、プロジェクタ１００は、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。
【００３９】
なお、図３に示すように、ＤＭＤ７の表示面（図中、紙面上面）と、スクリーン２０の被投射面とは直交または略直交している。
【００４０】
集光位置について、さらに説明をする。集光位置１５は、スクリーン２０よりもずっと手前、つまり、第２ミラー１０に近いことが望ましいが、第２ミラー１０に近づきすぎてもよくない。集光位置１５は、凹面ミラーである第２ミラー１０よりも第１ミラー９に近い位置にあることが望ましい。その理由について、以下、図５を用いて説明する。
【００４１】
図５は、投射光学系の要部拡大図であって、集光位置１５を第１ミラー９よりも第２ミラー１０寄りにした場合の例を示している。投射光束１４は、集光位置１５において集光した後に一気に拡散する。そのため、図５に示すように、集光位置１５が第１ミラー９の近傍ではなく、第２ミラー１０側に寄っていると、集光位置１５から拡散した投射光束１４の光路上に第１ミラー９が配置された状態になる。その結果、投射光束１４の一部は、第１ミラー９に「けられた」状態になる。
【００４２】
図６は、図５の投射光学系により投射される光の様子を示す光路図である。図６に示すように、第２ミラー１０で反射されてスクリーン２０に向かう投射光束１４を、スクリーン２０のエッジ部分に当たる投射光１４１と、反対側のエッジ部分に当たる投射光１４２のそれぞれに注目して考える。投射光１４１は、第２ミラー１０で反射されて集光位置１５を経てスクリーン２０に投射される。一方、投射光１４２は、第２ミラー１０で反射されて集光位置１５を経た後に第１ミラー９に当たってけられてしまう。そうすると、投射光束１４によってスクリーン２０に表示されるはずの画像の一部が欠落した状態になってしまう。すなわち、集光位置１５は、第１ミラー９の近傍であることが望ましい、といえる。
【００４３】
集光位置１５が第１ミラー９の近傍ではなく、第１ミラー９から離れて第２ミラー１０の方に寄っていると、投射光束１４の一部が投射光学系にけられてしまい、スクリーン２０上に大画面表示を行うことができなくなる。そこで、本実施例にかかるプロジェクタ１００は、集光位置１５を、スクリーン２０よりもずっと手前であって、第２ミラー１０に近い位置であり、かつ、第１ミラー９の近傍となるように設定する。これによって、超至近距離においても、大画面表示を行うことができる。
【００４４】
また、図６に示すように、集光位置１５が第１ミラー９の近傍ではなく、第２ミラー１０に寄っていると、投射光束１４の一部である投射光１４２は、スクリーン２０上に到達する投射光１４１に比べてＸ−Ｚ平面と平行であるスクリーン２０に対し、おじぎをするような角度になる。換言すれば、第２ミラー１０で反射された投射光束１４において、一方のエッジ部分（投射光１４１）がスクリーン２０の法線に対してなす角度と、反対側のエッジ部分（投射光１４２）がスクリーン２０の法線に対してなす角度が、異なる符合の角度となる状態になると、投射光束１４がレンズ光学系８にけられる状態となる。
【００４５】
したがって、本実施例にかかるプロジェクタ１００は、被投射面であるスクリーン２０に投射される投射光束１４に係る画像の左右方向中心に入射する光線が、スクリーン２０の法線となす角度は、全て同じ符号の角度である。
【００４６】
［実施例２］
次に、本発明にかかる画像表示装置の別の実施例について、先に説明した実施例と異なる部分を中心に説明する。
【００４７】
図７は、本実施例における投射光学系の要部拡大図であって、実施例１に示した投射光学系に防塵ガラス１１を付加した構成である。
【００４８】
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、つまり、第２ミラーで反射されてスクリーン２０に向かう光線の光路中に設置されている。防塵ガラス１１が設置されることで、レンズ光学系８へのゴミの混入を防止することができるため、投射画像（スクリーン２０への表示画像）の品質の劣化を低減することができる。
【００４９】
なお、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、投射光学系全体の大きさが大きくなり、プロジェクタ１００が大型化するからである。
【００５０】
第２ミラー１０で反射されてスクリーン２０（不図示）に向かう投射光束１４は、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、前述のゴミなどの混入防止を実現するには、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７に示すように、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。
【００５１】
以上説明した３点、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を含む投射光学系の小型化を図ること、防塵ガラス１１の小型化を図ること、を実現するには、集光位置１５が、スクリーン２０よりもずっと手前で第２ミラー１０に近い位置であり、第２ミラーよりも第１ミラーに近い位置であり、かつ、防塵ガラス１１に近い位置であることが望ましい。
【００５２】
図８は、本発明にかかる画像表示装置との比較例の投射光学系の要部拡大図であって、レンズ光学系８を構成する複数のレンズのうち第１ミラー９に最も近い位置に配置されているレンズのレンズ面が凹面の場合を示している。この比較例の構成の場合、第１ミラー９で反射された光束のうちレンズ光学系８の最も近傍を通過する光束が、前述の凹面に入射してしまい、第２ミラー１０に到達できない可能性がある。
【００５３】
したがって、小型化を図りつつ、大画面を表示可能な画像表示装置においては、図９に示すように、レンズ光学系８を構成する複数のレンズのうち第１ミラー９に最も近い位置に配置されているレンズ８０のレンズ面を凸面とすることが望ましい。レンズ８０のレンズ面を凸面にすることで、第１ミラー９で反射された光束がレンズ光学系８の近傍を通過しても、レンズ８０の外周縁部やレンズ鏡胴８１の上端部によってけられることがない。そのため、第１ミラー９で反射された光束が発散性の強い光束であっても、第２ミラー１０に到達することができる。
【００５４】
また、レンズ光学系８を構成する複数のレンズのうち、第１ミラー９に最も近いレンズ８０のレンズ面を凸面にすることで、ゴミなどが筐体内に入り込んだとしても、レンズ８０のレンズ面にゴミなどが堆積せずに落下しやすくなる。その結果、スクリーン２０への表示画像の画質の劣化を防止・低減することができる。
【００５５】
［実施例３］
次に、本発明にかかる画像表示装置のさらに別の実施例について、先に説明した実施例と異なる部分を中心に説明する。
【００５６】
図１０は、最適な集光位置１５を実現するために配置された、レンズ光学系８、第１ミラー９、第２ミラー１０、防塵ガラス１１で構成される投射光学系により投射される光の軌跡を示す光線図である。同図には、ＤＭＤ７からの光がレンズ光学系８に入射し、第１ミラー（平面ミラー）９で反射した後に第２ミラー（凹面の自由曲面）で反射し、防塵ガラス１１を透過してスクリーン２０に至る様子を示している。
【００５７】
ここで、ＤＭＤ７の平面図である図１１に示すように、ＤＭＤ７は、ＤＭＤ７上の１５点からそれぞれ７本ずつ光線を出射させている。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。
【００５８】
図１０に戻る。集光位置１５での集光度合いは、スポット的に細くはならないが、集光位置１５近傍に防塵ガラス１１を配置することで投射光学系の小型化を図ることができる。
【００５９】
また、集光位置１５を第１ミラー９の近傍、特に、第１ミラー９の反射面を含む無限に広い仮想平面近傍に置くことで、投射光束１４が第１ミラー９にけられることない。また、第１ミラー９と第２ミラー１０の距離を離さなくてもよいので、投射光学系の小型化を図ることができる。
【００６０】
ここで、レンズ光学系８を通過した投射光束１４を、第１ミラー９で折り返すことなく、第２ミラー１０に当たるように投射光学系を配置したプロジェクタの場合、投射光学系が外装に配置されると、スクリーン２０にプロジェクタ本体の筐体がぶつかる。つまり、超至近距離投射を実現するためには、本発明にかかるプロジェクタのように、強い発散性を有する投射光束を、第１ミラー９と第２ミラー１０とを用いて反射させてスクリーン２０に投射させる構成でなければならない。
【００６１】
図１２は、レンズ光学系８の構成例を示す光学配置図である。図１２において、レンズの光軸方向（紙面左右方向）をＺ軸とし、それに直交する二つの軸をＸ軸、Ｙ軸とする（紙面上下方向がＹ軸）。図１２に示すレンズ光学系８は、レンズ光学系８を構成する各レンズの光軸が、同一直線上に乗っている（重なる）共軸光学系である。
【００６２】
レンズ光学系８の光軸と、図１１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１２において、レンズ光学系８の光軸は、ＤＭＤ７の（紙面）下端よりも１．５６ｍｍ下方にある。
【００６３】
本実施例のレンズ光学系８は、ＤＭＤ７側でテレセントリックとしていない。つまり、レンズ光学系８の入射瞳位置は非テレセントリック光学系である。この構成により、ＤＭＤ７側のレンズ径を小さくすることができるため、プロジェクタ１００の小型化が可能となる。
【００６４】
次に、投射光学系の具体的な数値例を示す。
【００６５】
表１は、前述の共軸光学系の構成を示す。
（表１）
【００６６】
表１において、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）
【００６７】
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。
（式１）
【００６８】
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。なお、表３中において、「＊＊」はべき乗演算を意味する。また、「＊」は乗算を意味する。
（表３）
【００６９】
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。
（式２）
【００７０】
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）
【００７１】
以上示した構成を有するプロジェクタ１００によれば、スローレシオ０．３以下の超至近投射でありながら、スクリーン２０に大画面を表示することができる。なお、前述の数値例によれば、スローレシオは０．２３である。ここで、スローレシオは、フロント投射型のプロジェクタにおいて、「投射距離÷スクリーン横方向の長さ」で算出される値であり、この値が小さいほど、至近距離から投射していることを意味する。
【符号の説明】
【００７２】
１ 光源
２ リフレクタ
３ インテグレータロッド
４ ＤＭＤ照明用レンズ
５ 第１折り返しミラー
６ 第２折り返しミラー
７ ＤＭＤ
８ レンズ光学系
９ 第１ミラー
１０ 第２ミラー
１１ 防塵ガラス
１４ 投射光束
１５ 集光位置
２０ スクリーン
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７３】
【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】
光源と、
入射光の出射を制御して画像を表示する画像表示素子と、
上記光源から出射された光で上記画像表示素子を照明する照明光学系と、
上記画像表示素子の表示面に表示された上記画像を被投射面に投射して拡大表示させる投射光学系と、
を備えた画像表示装置であって、
上記画像表示素子の表示面と上記被投射面とは略直交し、
上記投射光学系は、レンズ光学系と、上記レンズ光学系を透過した光を反射する第１ミラーと、上記第１ミラーで反射された光を上記被投射面に向けて反射する第２ミラーと、を備え、
上記レンズ光学系は、上記画像表示素子と上記被投射面との光路上に中間像を結像し、
上記２つのミラーのいずれか一方のミラーを上記中間像が跨ぐように設定され、
上記中間像に跨れたミラーは、その光学面が鉛直方向下向きに配置されている、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
上記レンズ光学系を構成する複数のレンズのうち上記第１ミラーに最も近いレンズのレンズ面は、凸面である、
請求項１記載の画像表示装置。
【請求項３】
上記中間像が跨ぐミラーは、平面ミラーである、
請求項１記載の画像表示装置。
【請求項４】
上記中間像が跨ぐミラーは、上記第１ミラーである、
請求項１記載の画像表示装置。
【請求項５】
上記レンズ光学系の入射瞳位置は、非テレセントリック光学系である、
請求項１記載の画像表示装置。
【請求項１】
光源と、
入射光の出射を制御して画像を表示する画像表示素子と、
上記光源から出射された光で上記画像表示素子を照明する照明光学系と、
上記画像表示素子の表示面に表示された上記画像を被投射面に投射して拡大表示させる投射光学系と、
を備えた画像表示装置であって、
上記画像表示素子の表示面と上記被投射面とは略直交し、
上記投射光学系は、レンズ光学系と、上記レンズ光学系を透過した光を反射する第１ミラーと、上記第１ミラーで反射された光を上記被投射面に向けて反射する第２ミラーと、を備え、
上記レンズ光学系は、上記画像表示素子と上記被投射面との光路上に中間像を結像し、
上記２つのミラーのいずれか一方のミラーを上記中間像が跨ぐように設定され、
上記中間像に跨れたミラーは、その光学面が鉛直方向下向きに配置されている、
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
上記レンズ光学系を構成する複数のレンズのうち上記第１ミラーに最も近いレンズのレンズ面は、凸面である、
請求項１記載の画像表示装置。
【請求項３】
上記中間像が跨ぐミラーは、平面ミラーである、
請求項１記載の画像表示装置。
【請求項４】
上記中間像が跨ぐミラーは、上記第１ミラーである、
請求項１記載の画像表示装置。
【請求項５】
上記レンズ光学系の入射瞳位置は、非テレセントリック光学系である、
請求項１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９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−９７１０９（Ｐ２０１３−９７１０９Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３８７０７（Ｐ２０１１−２３８７０７）
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【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２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月３１日（２０１１．１０．３１）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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