説明

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、画像表示素子と被投射面がなす角度は略直角であり、第1ミラーは、位置調整可能に保持されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、拡大画像をスクリーンに投影して表示する画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
従来のものに比べて、スクリーンのより近くに設置しても拡大画像を表示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。至近距離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(説明員や発表者など)の目に投射光が入り眩しくなることを避けるため、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ため、である。
【0003】
至近距離プロジェクタを備える投射光学系は、複数の形式のものが知られている。例えば、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ことができる形式のもの、また、曲面ミラーを用いる形式のもの等である。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を実現することができる。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るために、プロジェクタ全体が大きくなる。
【0004】
一方、曲面ミラーを使う方式は、投射光学系を小型にしつつ、至近距離での投射を実現することができる。曲面ミラーを用いた投射光学系を備えるプロジェクタの例としては、特許文献1や特許文献2に記載されているものがある。特許文献1のプロジェクタが備える投射光学系は、レンズ光学系の後ろに凹面ミラーを配置している。特許文献2記載のプロジェクタが備える投射光学系は、レンズ光学系の後ろに凸面ミラーを配置している。いずれも、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距離を長くする必要があるために、投射光学系が大きくなる。
【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、たとえば、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、投射光学系の小型化を図っている。
【0006】
特許文献3記載の発明は、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】
特許文献5記載の投射光学系のように縦型方式の投射光学系を用いると、超至近投射で大画面投影をするには、レンズ光学系からミラー光学系に入射する光の発散性をより強くする必要がある。
【0010】
しかしながら、発散性を強くすると、光線の屈折角が大きくなるため、レンズ光学系やミラー光学系の位置ずれによる投影画像への品質の影響が大きく、画質の劣化が生じることになる。特に、レンズ光学系と第2ミラー(光路上、スクリーンに最も近いミラー)の位置がずれると、像面湾曲が大きく変動し、画質の大幅な劣化の要因となる。
【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、光学系の位置ずれによる投影画像の品質劣化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によって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、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、画像表示素子と第2ミラーとの間に、画像表示素子に係る画素の中間像が形成され、画像表示素子と被投射面がなす角度は略直角であり、第1ミラーは、位置調整可能に保持されていることを最も主な特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、光学系の位置ズレによる投射画像の画質の劣化を防ぎ、至近距離のスクリーンに大画面表示をすることが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例が備える投射光学系の要部の例を拡大した概要図である。
【図3】上記画像表示装置の例が備える投射光学系の要部と被投射面の例を示す概要図である
【図4】上記画像表示装置の例が備える投射光学系の要部の例を拡大した概要図である。
【図5】上記投射光学系が備える第1ミラーの位置調整手段の例を示す(a)正面図、(b)右側面図である。
【図6】上記投射光学系が備える第1ミラーの位置調整手段の別の例を示す(a)平面図、(b)右側面図である。
【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9】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、本実施例に係る画像表示装置であるプロジェクタ100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。
【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。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。
【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、画像表示素子として用いる素子を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の内壁を構成するミラー面において繰り返し反射される。これによって、インテグレータロッド3に入射された光は、光量が一様でムラのない光として出射口に現れる。
【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は自由曲面ミラー(凹面ミラー)である。
【0020】
インテグレータロッド3の出射口である面光源から発せられた光は、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て、第2折り返しミラー6に向かう。第2ミラーで上記の光はDMD7の表面に向けて反射され、DMD7の表面が照明される。DMD7の表面には微小ミラーが配置されている。この微小ミラーによって照明光は反射されて、画像投射光が形成される。この画像投射光は第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に向けて投射される。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。
【0021】
上記の照明光学系により、DMD7は光量ムラのない光で照明されて、一様な照度分布となる。よって、スクリーン20に投射されて表示され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が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画素ごとに「ON」「OFF」制御し、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)を生成し、投射光学系を介してスクリーン20に画像を表示させることができる。
【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は省略されている。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されている。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】
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、レンズ光学系8と、ミラー光学系を図示している。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。
【0026】
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。
【0027】
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。レンズ光学系8から第1ミラー9に向かう光が、図2のように強い発散性の光束であることが、スクリーン20とプロジェクタ100が近距離であっても、大画面を投射することができる条件である。また、第2ミラー10で反射した光は、スクリーン20よりもずっと第2ミラー10に寄った位置で集光し、その後、拡散しながらスクリーン20に投射されることが、近距離でも大画面の投射を可能とする条件である。
【0028】
図3は、本実施例に係る投射光学系の要部と被投射面であるスクリーンを含んだ概要図である。図3において、照明光学系は図示を省略し、レンズ光学系8とミラー光学系およびスクリーン20を図示している。図3に示すように、DMD7の反射面をY軸方向に延伸した平面と、スクリーン20をZ軸方向に延伸した平面が交わる角度は略直角である。すなわち、DMD7とスクリーン20がなす角度は略直角である。画像表示素子であるDMD7と被投射面であるスクリーン20が上記のような関係にあるプロジェクタ100の形態は、「縦型プロジェクタ」と呼ばれる。
【0029】
縦型プロジェクタであるプロジェクタ100は、投射光学系自体の長さが、スクリーン20とプロジェクタ100の距離の制約にならないので、超至近投射を実現することができるものである。
【0030】
プロジェクタ100のレンズ光学系8と第2ミラー10は、位置関係が大きくばらついてしまう可能性がある、レンズ光学系8と第2ミラー10の位置関係にばらつきが生じると、スクリーン20に表示される画像の品質が劣化する。そこで、本実施例に係るプロジェクタ100は、レンズ光学系とミラー光学系の位置関係を調整することができる位置調整手段を、備えている。
【0031】
ここで、レンズ光学系8とミラー光学系を構成する第1ミラー9、第2ミラー10の位置関係が「ばらつく」とはいかなる状態であるか、図4を用いて説明する。図4に示すように、第2ミラー10の位置が、レンズ光学系8に対して最適な位置から光束の進行方向に位置がずれることを「ばらつき」という。図4において、第2ミラー10aは、正常位置にあたる第2ミラー10からばらついた位置の例を示している。
【0032】
正常位置と異なる位置にずれている(ばらついている)第2ミラー10aに、正常位置の第2ミラー10に対応して設置された第1ミラー9が反射した投射光束14が当たると、その反射光からなる投射光束14aは、第2ミラー10が正常位置にあるときとは、異なる光路を経てスクリーンに向かうことになる。これによって、図示しないスクリーンに投射される画像の位置がずれたり、画像の品質が劣化したり、することになる。
【0033】
このような光路のばらつきを調整するために、本実施例に係るプロジェクタ100は、第1ミラー9を位置調整手段によって保持している。例えば、第1ミラー9を位置調整手段によって光束の進行方向(第1ミラー9の反射面の法線方向)に、平行に移動させることで、第2ミラー10aに合わせた位置(符号9b)に配置させることできる。
【0034】
レンズ光学系8と第2ミラー10の位置関係がばらついたとき、第1ミラー9を符号9bに示す位置に移動させると、第1ミラー9bで反射された光束は、符号14bで示す光路をとる。投射光束14bが第2ミラー10bで反射されると、正常位置の光路である投射光路14と同じ光路に戻る。このように、第1ミラー9を保持する位置調整手段によって、第2ミラー10の位置に生じたばらつきを相殺し、スクリーンに表示される画像の品質低下を防ぐことができる。
【0035】
次に、第1ミラー9の位置調整手段の実施形態について、図5を用いて説明する。図5(a)は、第1ミラー9を反射面側から見た正面図の例である。図5(b)は、図5(a)において符号Aにて示す矢印方向から見た第1ミラー9の右側面図の例である。図5において、第1ミラー9は平面ミラーであって、外形が長方形をなしている。
【0036】
位置調整手段90は、固定部品91、ネジ92、スペーサ93からなる。第1ミラー9は、長辺の一辺の中央付近と、他の長辺の両端付近に位置する固定部品91によって、3点が支持されて背面支持部94の所定の位置に固定されている。すなわち、第1ミラー9は、位置調整手段90を介して所定の位置に保持されている。
【0037】
固定部品91は、第1ミラー9を背面側に押し当てる圧力を加えるための弾性部材からなる部品であって、その一端は、第1ミラー9の背面側を支える背面支持部94に締結部品であるネジ92によって固定されている。固定部品91の他端は、第1ミラー9の正面側(ミラー面側)に係り、第1ミラー9を所定の位置、所定の姿勢で支持する。背面支持部94は、画像表示装置のハウジングの一部、または、ミラーホルダなどからなる。
【0038】
第1ミラー9と背面支持部94との間には、それぞれスペーサ93が挟持されている。各スペーサ93は、固定部品91が第1ミラー9を背面支持部94側に押し当てる箇所に挿入され配置されている。このスペーサ93によって、第1ミラー9と背面支持部94の間に空隙が形成され、第1ミラー9の背面側と背面支持部94との間に生じる摩擦力は低減され、第1ミラー9を平面方向に移動させることができる。
【0039】
各スペーサ93の厚さ寸法(厚み)をすべて同一にすれば、第1ミラー9を反射面に直角方向に平行移動させて位置調整をすることができる。また、スペーサ93の厚さ寸法をそれぞれ異なるものにすれば、第1ミラー9の反射面の第2ミラー10に対する傾きを変更し調整することもできる。
【0040】
このように、本実施例に係るプロジェクタ100の第1ミラー9が備える位置調整手段90によれば、レンズ光学系9と第2ミラー10との位置関係にばらつきが生じても、スペーサ93の厚さ寸法を調整することで、第1ミラー9の位置および傾きを任意に調整することができ、これによって、画像の品質向上を図ることができる。
【0041】
次に、第1ミラー9の位置調整手段90の別の実施形態について、図6を用いて説明する。図6(a)は、第1ミラー9を反射面側から見た正面図の例である。図6(b)は、図6(a)において符号Aにて示す矢印方向から見た第1ミラー9の右側面図の例である。図6に示すように、第1ミラー9の位置調整手段90aは、固定部品91(図5参照)を用いることなく、第1ミラー9に予め形成されたネジ孔91aに、ネジ92aを挿通し、スペーサ93とともに背面支持部94に固定するものである。各スペーサ93の厚さ寸法を個別に調整することで、第1ミラー9の傾きを調整することができる。また、スペーサ93に形成される孔をネジ92aの径寸法よりも大きなものにすることで、第1ミラー9を、背面支持部94に対して、ミラー面方向に平行に滑動させて位置調整をすることができるとともに、上記のような傾き調整もできる。
【0042】
このように、本実施例に係るプロジェクタ100の第1ミラー9が備える位置調整手段90aによれば、レンズ光学系9と第2ミラー10との位置関係にばらつきが生じても、スペーサ93の厚さ寸法を調整することで、第1ミラー9の位置および傾きを任意に調整することができ、これによって、画像の品質向上を図ることができる。
【0043】
次に、本発明に係る画像表示装置が有する投射光学系について説明する。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。図8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。
【0044】
従来から知られている投射光学系のように、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によって反射されてスクリーンの投射されるものであれば、投射光学系の配置のために、本体の外装部分がスクリーン側に出っ張る形状になる。これによって、プロジェクタとスクリーンの距離を、本発明に係る画像表示装置よりも長くとらなければ設置できないものとなる。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によって、強い発散性を有する投射光束14をスクリーン20に向けて投射させる構成は、従来のものでは実現できなかった超至近距離での投射が可能となる。
【0045】
図9に、レンズ光学系8の構成例を示す。図9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9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。
【0046】
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9において、光軸の方がDMD7の下端よりも1.56mm下方にある。
【0047】
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において面番号1と2は、DMD7の前面側に配置されているカバーガラスの両面のことである。その後に絞りが配置され、さらにその後に、面番号4から24で示すレンズが配置されている。
【表1】

【0048】
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】

【0049】
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】

【0050】
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】

【0051】
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】

【0052】
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】

【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
以上のように、本発明に係る画像表示装置は、第2ミラーとレンズ光学系の位置関係がばらついたときに、第1ミラーの位置を調子調整することで、ばらつきを相殺し、表示される画像の品質を向上させることができる。
【符号の説明】
【0056】
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
90 位置調整手段
【先行技術文献】
【特許文献】
【0057】
【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によって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、
前記画像表示素子と前記第2ミラーとの間に、前記画像表示素子に係る画素の中間像が形成され、
前記画像表示素子と前記被投射面がなす角度は略直角であり、
前記第1ミラーは、位置調整可能に保持されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項2】
前記第1ミラーは平面ミラーであ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】
前記第1ミラーは、位置調整手段を介して所定の位置に保持されており、
前記位置調整手段は、
前記第1ミラーを3点で支持する3個の固定部品と、
前記3個の固定部品を前記画像表示装置内に設けられている背面支持部に固定する3個の締結部品と、
前記第1ミラーの背面と前記背面支持部の間に挿入される3個のスペーサと、を有してなり、
前記第1ミラーの位置は、前記各スペーサの厚さによって調整され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4】
前記各スペーサの厚みは同一であり、前記第1ミラーは反射面に対して直角方向の位置を調整可能に保持されていることを特徴とする請求項3記載の画像表示装置。
【請求項5】
前記スペーサの厚みはそれぞれ異なり、前記第1ミラーは反射面の傾きを調整可能に保持されていることを特徴とする請求項3記載の画像表示装置。
【請求項6】
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5のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項7】
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6のいずれかに記載の画像表示装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【公開番号】特開2013−97120(P2013−97120A)
【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2011−238812(P2011−238812)
【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)】