JP2008096761A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、上記した事情に鑑みてなされたもので、斜投射方式において発生する台形歪等を改善した投射型表示装置を提供する。
【解決手段】
投射レンズのＦ値を規定する開口絞りを、投射レンズの屈折レンズ系の中に、且つ前記屈折レンズ系の光軸に対して偏心して配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、映像表示素子を使用して、スクリーン上に映像を投影する投射装置、例えば、液晶プロジェクタ装置や、反射式映像表示プロジェクタ装置、投射型リアプロジェクションテレビ等に関するものである。

映像表示素子の画像を投射レンズによってスクリーン上に拡大投影するカラー映像表示装置においては、スクリーン上で充分な大きさの拡大映像を得つつ投射距離を短縮することが要求されている。

これを実現する手段の一つが、投射レンズの広角化である。また、別の手段として、スクリーンに対して斜め方向から拡大投射する投射レンズを用いる斜投射方式がある。斜投射方式は、下記特許文献１、２などで開示されている。

特開平４−２７９１２号公報 特開２００６−１５４７２０号公報

図３と図４を用いて、広角化について説明する。

図３は、投射レンズ１と映像表示素子２とスクリーン３との間の結像関係を説明する図である。

図３から直ちに数１が導かれる。数１は、投射レンズ１の焦点距離ｆと、投射レンズ１から物体（映像表示素子２）までの距離ａと、投射レンズ１から像（スクリーン４）までの距離ｂの関係に関する結像の式である。数１の両辺にｂを掛け、倍率Ｍ＝ｂ／ａを用いて式を整理して、数２が得られる。

１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ …（数１）
ｆ＝ｂ／（Ｍ＋１） …（数２）
従って、投射距離ｂを短くするためには、投射レンズの焦点距離ｆを小さくすることが必要である。

しかしながら、投射レンズ１と映像表示素子２の間には、色合成作用を有するダクロスプリズム（実施例において後で説明する）が配置されるので、簡単には投射レンズ１の焦点距離ｆを小さくすることはできない。

図４は、投射レンズ１と映像表示素子２の間隔を確保しながら、投射レンズ１の焦点距離を小さくできるレトロフォーカス型投射レンズの説明図であり、その（１）図はレトロフォーカス型投射レンズの基本図、その（２）図はレトロフォーカス型投射レンズの大型化を説明する光線図である。

図４では、投射レンズ１を映像表示素子２側から順に、凸レンズ群１１と凹レンズ群１２の２群で形成している。投射レンズ１と映像表示素子２の間隔（所謂縮小系で考えたバックフォーカス）ｔよりも、光軸Ｌ１に平行な軸上光線Ｌ３を用いた作図で得られる投射レンズ１の焦点距離ｆを小さくできることがわかる。しかしながら、レトロフォーカス方式により焦点距離ｆは小さくできるが、映像表示素子２の周辺部から出射し凸レンズ群１１に入射した光束Ｌ２によって、図４（２）のように、凹レンズ群１２のレンズ径が大きくなり、その結果、投射レンズ１の大型化が避けられなくなる。

一方で、スクリーン３に対して斜めから照射する斜投射方式が、例えば、特許文献１（特開平４−２７９１２号公報）で開示されている。

図５は斜投射方式の説明図であり、図５（１）が斜投射方式の基本原理であるシャインプルフの法則の基本を示す図、図５（２）が斜投射方式での傾斜角度を説明するための図である。

シャインプルフの法則とは、投射レンズ１に対して斜めに配置した物体（映像表示素子２）の像がどのような面上に形成されるかを表したものである。作図上は、図５（１）に示すように、投射レンズ１の主平面１ｐの延長線と、物体（映像表示素子２）面２ｐの延長線と、像面（スクリーン３）３ｐの延長線が１点で交わると表現される。

なお、投射レンズ１と映像表示素子２とスクリーン３を平行に配置している従来の光学系は、上記の交点が無限遠に存在している特異点と解釈できる。

ところで、斜投射方式では、投射レンズ１がレンズ１枚で形成されていればその投射レンズの光軸Ｌ１は明確に定まる。しかし、投射レンズが各レンズの光軸が異なる複数枚のレンズなどで形成されればその光軸が明確でなくなる。そこで、以下では、「投射レンズの投射軸」という概念を導入し、映像表示素子の中央部を出射し、像面の中央部に到達する光束で定義する。各レンズの光軸がずれてなければ、投射軸は光軸と一致することになる。

一般的な光学系では、光軸上の長さで投射距離は規定されるが、図５（１）のような斜投射方式では、ユーザにとってはスクリーン３の法線方向の長さが、装置を含めた全体的なコンパクト化にとっては重要な値である。実施例１においては、図５（１）のように、斜投射方式での光軸上の距離を「光路長」、スクリーン３面の法線方向の距離を「投射距離」と定義して説明に用いる。なお、これが、斜投射方式により、投射距離を短くできることの根本的な原理である。

次に、図５（２）は投射倍率と、傾斜角度の関係を説明する図である。光軸に垂直な面内での倍率である横倍率ｂ／ａは数２で既に説明しているが、光軸方向の倍率である縦倍率は、数１を微分して横倍率の自乗（ｂ／ａ）^２の式に相当する数４で定義される。

−Δａ／ａ^２−Δｂ／ｂ^２＝０ …（数３）
Δｂ／Δａ＝（ｂ／ａ）^２ …（数４）
従って、倍率が大きい場合は、投射レンズ１に対して映像表示素子２を少しの量（Δａに対応した傾斜角度α）、傾けるだけでも、投射レンズ１に対してスクリーン３を大きく（Δｂに対応した傾斜角度β）傾けることが、即ち、斜投射することが可能である。

ところで、映像表示素子２に照射された照明光学系の光束は、投射レンズ１に斜めから入射するので、投射レンズ１のＦ値の規定が難しくなる。即ち、照明光学系の光束をけらないように、大きなレンズ径や大きな絞り径を配置した場合は、照明光学系からの不要な光束（迷光やゴースト光など）を遮光することができない。また逆に、照明光学系からの不要な光束の遮光を優先し、小さいレンズ径や小さい絞り径を配置した場合は、Ｆ値として十分な光束を確保することができない。

一方で、斜投射方式の投射レンズにおいて、投射距離を変えて異なる投射サイズの投射を行う場合において、投射レンズ１全体もしくはその一部を光軸上で移動させることで合焦作用を実施する場合に、先に説明した光束の確保／遮光の条件を満足するものでなければならない。加えて、斜投射方式で発生する台形歪の補正も不可欠である。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたもので、斜投射方式において発生する台形歪等を改善した投射型表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一面は、投射レンズのＦ値を規定する開口絞りを、投射レンズの屈折レンズ系の中に、且つ前記屈折レンズ系の光軸に対して偏心して配置する。

本発明によれば、斜投射方式において発生する台形歪等を改善した投射型表示装置を提供できる。

以下、実施例１について、図面を参照しつつ説明する。なお、各図において、共通な機能を有する要素には同一な符号を付して示し、一度説明したものについてはその説明を省略する。

なお、偏心・倒れのない従来の光学系では、個々のレンズ面のローカル光軸と光学系全体のグローバル光軸は一致するが、偏心・倒れのある光学系では光学系全体のグロ−バル光軸が定まらない。そこで、映像表示素子の中央部を出射し、像面の中央部に到達する光線を、投射レンズの投射軸として定義する。従って、実施例においては、特に説明していない光軸は個々のレンズ面のローカル光軸を意味するものとする。

先ず、最初に、斜投射方式における偏心絞りについて、図６と図７を用いて説明する。

図６は、照明光学系の光軸Ｌ４を中心に分布している照明光学系の光束が、映像表示素子２に入射し、映像表示素子２に対して傾いて配置している投射レンズ１に入射する様子を模式的に表した模式図である。

図６に示すように、投射レンズ１は、映像表示素子２側から順に、複数のレンズを同じ光軸Ｌ１上に配し全体として偏心量と倒れ量（傾斜角度）を有する屈折レンズ系２１と、異なる偏心量と倒れ量を有する反射ミラー系２２からなる。なお、図６においては、絞りを通過する光束に着目して説明するため、反射ミラー系２２の図示を省略している。

比較のために示した図６（１）では、屈折レンズ系２１の中に、Ｆ値を規定する無偏心絞りＳＴ２を、該屈折レンズ系２１の光軸Ｌ１と同じ光軸上に配置している。この場合、無偏心絞りＳＴ２の図紙面下側に隙間があるので、照明光学系で発生した迷光やゴースト光が、無偏心絞りＳＴ２を通過してしまう。

これに対して、実施例１を示す図６（２）では、屈折レンズ系２１の光軸Ｌ１に対して照明光学系の光軸Ｌ４との交差側（図紙面では上側）に所定量偏心している偏心絞りＳＴ１を配置している。従って、偏心絞りＳＴ１は、上記の迷光やゴースト光を遮光しながらも、所定のＦ値の光束を通過させることができる。

ところで、みかけ上、投射光束を偏向させる手段として光軸シフト方式があるので、光軸シフト方式の説明及び、本発明との違いについて説明する。

図７は、光軸シフト方式の基本方式及び、テレセントリック方式との関係についての説明図で、その（１）図は光軸シフト方式の基本方式を示す図、その（２）図はテレセントリックな関係を説明する光線図である。

図７（１）で、投射レンズ１の光軸Ｌ１の垂直方向に、映像表示素子２をシフトさせたものが光軸シフト方式であり、投射距離の点では短縮化の効果は期待できない。また、映像表示素子２をシフトさせた結果、投射レンズ１にとっては、物体サイズがみかけ上、大きくなるので、その分、投射レンズ１の大型化が不可欠となってしまう。

ところで、図７（２）に示すように、光軸シフトによって、照明光学系４の光軸Ｌ４と、投射レンズ１の光軸Ｌ１にずれが生じても、投射レンズ１に配置している絞りには無偏心絞りＳＴ３が用いられている。この理由は、照明光学系４と投射レンズ１をそれぞれテレセントリックで設計しているからである。テレセントリックとは瞳位置を無限大として設計することであり、照明光学系４からの主光線（代表光線）Ｌ５は映像表示素子２に垂直に照射される。そして、映像表示素子２から垂直に出射した主光線（代表光線）Ｌ２は、同様にテレセントリックで設計した投射レンズ１に入射し、投射レンズ１の中に配置した無偏心絞りＳＴ３の中央部を通過する。

従って、照明光学系４を基準に表現すると、上記の状態で投射レンズ１を偏心させても、投射レンズ１に入射する主光線（代表光線）は映像表示素子２に垂直であることには変化が無く、従って、先に説明したように、主光線は投射レンズ１の中に配置した無偏心絞りＳＴ３の中央部を通過できる。

このことを、換言すれば、光軸シフト方式では、投射レンズ１の中の絞りは、投射レンズ１と同軸の、即ち、無偏心絞りを配置すれば良いことが分かる。

これに対して、実施例１では、投射レンズ１の中に、投射レンズ１の中の同軸な屈折レンズ系に対して偏心した偏心絞りＳＴ１を配置することが要点である。

ここで、テレセントリック設計の必然性について補足する。所定の偏光光線以外の光線をカットする偏光板や、各色の偏光光線の振動方向を制御する位相差板等の光学素子は、光束が各光学素子に垂直に入射した方がそれぞれの光学特性が良くなるため、照明光学系をテレセントリックで設計する。次に、照明光学系４と投射レンズ１の瞳の位置及び大きさを合致させることが、照明光学系４から出射した光束を効率的に、投射レンズ１に入射させるために必要なので、同様に投射レンズ１をテレセントリックで設計している。

次に、図１と図２を用いて、実施例１の投射型表示装置について説明する。

まず、図１から説明する。図１は、実施例１による斜投射方式の投射レンズを示し、その（１）図は全体図、その（２）図は投射レンズの詳細図である。

図１に示すように、映像表示素子２と投射光学系である投射レンズ１とスクリーン３とは、折り返しミラーである反射ミラー系２２を介して斜投射光学系を形成している。なお、以下で用いる光軸とは、各レンズのローカル座標における光軸を指すものとする。

投射レンズ１は、屈折レンズ系２１と反射ミラー系２２とからなり、映像表示素子２側に屈折レンズ系２１が配置され、屈折レンズ系２１の内部にその光軸に対して偏心した偏心絞りＳＴ１を有している。

反射ミラー系２２は、例えば、背面投射型表示装置に実施例１を適用した場合に、背面投射型表示装置の厚さを薄くするために映像表示素子２からの映像光をスクリーン３側に折り返すものである。勿論、これに限定されるものではない。ここでは、反射ミラー系２２は自由曲面ミラーとしている。

ところで、斜投射光学系では、台形歪が生じる。そこで、特許文献２において開示しているように、反射ミラー系２２を形成する自由曲面ミラーの収差補正能力を用いて補正している。さらに、実施例１では、屈折レンズ系２１に含まれる自由曲面レンズ（後述）でも台形歪補正を行う。

なお、特許文献２で開示された投射レンズでは、台形歪や他の諸収差の補正能力に優れた自由曲面ミラーを２枚用いていることと、斜投射角度が４０度とまだ小さく、投射レンズに対して映像表示素子を斜めに配置するには至ってない。

次に、図１を参照しながら、表１〜５を用いて、投射レンズ１の具体的な数字実施例について説明する。

表１〜５に示すレンズデータの数値は、物面上１３．２×９．９の範囲の映像を像面上１６２５．６×１２１９．２の大きさに投射する場合の一例である。

面番号は、図１（２）に示すように、映像表示素子２の表示面（物面）をＳ０とし、順次、符号Ｓ０〜Ｓ２３で示されている。具体的には、次に配置されたクロスプリズム１１１（後述）の入射面をＳ１、その出射面をＳ２、次に配置された屈折レンズ系２１を形成する第１レンズの入射面をＳ３、その出射面をＳ４、…、偏心絞りＳＴ１の面をＳ１１、…、反射ミラー系２２の反射面をＳ２２、スクリーン３の面（像面）をＳ２３と付している。

また、レンズデータは、それぞれのローカル座標で順に表示しているが、Ｘ軸Ｙ軸Ｚ軸の概略方向が分かるように、代表して、開口絞り面Ｓ１１でのローカル座標を図１に示している。

表１において、Ｒｄは各面の曲率半径であり、図の中で面の右側に曲率の中心がある場合は正の値で、逆の場合は負の値で表わしている。また、ＴＨは面間距離であり、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。あるレンズ面に対して、次のレンズ面が右側に位置するときには面間距離は正の値、左側に位置する場合は負の値で表している。更に、面Ｓ５，Ｓ６，Ｓ１２，Ｓ１３は回転対称な非球面であり、表１では面番号の横に＊を付けて示している。回転対称な非球面の面形状は下記の数５で表され、上記４つの非球面における数５の係数を表２に示している。

また、面Ｓ１８から面Ｓ２１は自由曲面レンズの各屈折面であり、面Ｓ２２は自由曲面ミラーの反射面であって、面番号の横に＃を付けて示している。これら５つの自由曲面の形状は下記の数６で表され、下記の式において各ｍ、ｎの値に対する係数Ｃ（ｍ，ｎ）の値を表３に示す。なお、２枚の自由曲面レンズは、反射ミラー系２２の自由曲面ミラーと連携して、斜投射によって生じる台形歪を補正するものである。

表３においては、係数の名称と値を左右に並べて枠の組で表示しており、右側が係数の値であり、左側が名称で括弧内のカンマで区切った２組の数値は数２に示したｍとｎの値を示している。

本実施例における、各面のローカル座標系の傾き又は偏心の様子を表４に示す。面の傾きは、前のレンズの主平面に対する傾斜角度で表され、偏心は、前のレンズの光軸に対する偏心量で表される。表４において、ＡＤＥは図の断面と平行な面内での傾きの大きさで、傾きの方向は図の断面内で時計回りに回転する方向を正とし、単位は度である。また、ＹＤＥは偏心の大きさであり、偏心は図の断面内でかつ光軸に垂直な方向で設定され、図の断面において下側への偏心を正とし、単位はｍｍである。レンズデータはそれぞれのローカル座標系を基準に順に表示しているが、Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の概略の方向が分かるように、代表して、開口絞り面Ｓ１１でのローカル座標系を図１に示した。

表４に示した傾き又は偏心において、面Ｓ３は面Ｓ２を基準に偏心・倒れ量を定義しており、同様に、面Ｓ２２は面Ｓ２１を基準に偏心・倒れ量を定義している。

ところで、レンズ面が透過面である場合、順次、前のレンズ面を基準に偏心・倒れを定義することで、光学系を形成する。しかしながら、レンズ面が反射面の場合、反射面をθ傾けると、光線（即ち、次の光軸）は２θ傾くことになる。さらに、面Ｓ２２は光軸上でも面に勾配を有することが可能な自由曲面ミラーであり、且、偏心量も設定しているので、面Ｓ２２の後に設定するローカル光軸と実際の光線には、ずれが生じる。そこで、面Ｓ２２で反射した後のローカル光軸を定義するダミー面（図示せず）を面Ｓ２２の位置で面Ｓ２１を基準に＋５９．８度傾けて設定した。この角度は、面Ｓ２２の傾き２６．４９５度の２倍となる５２．９９度からずれているが、この理由は先に説明したように偏心した自由曲面ミラーの影響である。

そして、面Ｓ２３（スクリーン面）は、このダミー面の光軸に対して−５０度傾けて配置している。なお、面Ｓ２３（スクリーン面）においても、光軸と実際の光線の位置には差があり、先に定義した投射レンズの投射軸に対しては図１に示した様に−５５．６度の傾きとなる。

表５は、投射距離の変化に対応して移動するレンズについて、移動するレンズ間の面間距離の変化を示している。表５のＳｃ１、Ｓｃ２、Ｓｃ３に対応する欄の値は、各々、画面サイズが８０インチ、１００インチ、６０インチとなるスクリーン位置に対応するレンズ間隔を示している。
図１において、偏心絞りＳＴ１は、投射レンズ１の屈折レンズ系２１の中で、屈折レンズ系２１の光軸に対して、やや左上方に１．７５ｍｍ偏心して配置している。

次に、図２を用いて、実施例１の偏心絞りを用いた投射型表示装置について説明する。図２は、実施例１の偏心絞りを用いた投射型表示装置を示す図である。

図２において、光源ユニット１０１から出射した光束は、ＵＶカットフィルタ１０２で紫外線をカットされ、インテグレータとしての一対のマルチレンズアレイ１０３ａ・１０３ｂに入射する。なお、通常、紫外線カットは、他の光学素子でも行うが、赤外線カットも含め、詳しい記載を省略する。

マルチレンズアレイ１０３ａ・１０３ｂには、凸レンズ（セル）が二次元状に配置されており、マルチレンズアレイ１０３ａに入射した光束は、マルチレンズアレイ１０３ｂの各セルに光源像を二次元状に形成する。それぞれ集光した光源像は、偏光変換素子１０４で自然光は振動方向が一定方向の直線偏光に変換される。これは、後述する映像表示素子２ａ・２ｂ・２ｃが、振動方向が一定方向の直線偏光のみしか通過させないからである。マルチレンズアレイ１０３ａ・１０３ｂで二次元状に分割された光源像は、重畳作用を有する重畳レンズ１０５により、映像表示素子２ａ・２ｂ・２ｃの映像表示面に重畳される。

なお、重畳レンズ１０５と映像表示素子２ａ・２ｂ・２ｃの間にある色分解光学系で、赤色・緑色・青色の３色に分解される。

重畳レンズ１０５を通り全反射ミラー１０６ａで光路を偏向された光束は、先ず、第１のダイクロイックミラー１０７ａによって、青色の光束が透過し、赤色と緑色が反射される。青色の光束は全反射ミラー１０６ｂで偏向されコンデンサレンズ１０８ｂを経て青色用の映像表示素子２ｂに照射される。赤色と緑色は、第２のダイクロイックミラー１０７ｂによって、緑色の光束が反射し、赤色が透過する。緑色の光束はコンデンサレンズ１０８ａを経て緑色用の映像表示素子２ａに照射される。赤色の光束は、全反射ミラー１０６ｃ・１０６ｄで偏向されコンデンサレンズ１０８ｃを経て赤色用の映像表示素子２ｃに照射される。なお、赤色の光路はその光路長が青色や緑色より長いので、リレーレンズ１０９・１１０を用いてさらに写像されている。

青色用の映像表示素子２ｂと、緑色用の映像表示素子２ａと、赤色用の映像表示素子２ｃに照射された各光束は、クロスプリズム１１１により色合成され、投射レンズ１に入射する。

なお、以上の説明において省略したが、所定の偏光光線以外の光線をカットする偏光板や、各色の偏光光線の振動方向を制御する位相差板を配置しているが、実施例１の要点ではないので説明を省略する。

実施例１の投射レンズを示す図である。 実施例１の投射レンズを用いた投射型表示装置を示す図である。 結像の式の説明図である。 レトロフォーカス型投射レンズの説明図である。 シャインプルフの法則の説明図である。 実施例１の偏心絞りの配置を説明する図である。 光軸シフト方式を示す図である。

符号の説明

１…投射レンズ、２…映像表示素子、３…スクリーンもしくは像面、１１…凸レンズ群、１２…凹レンズ群、２１…屈折レンズ系、２２…反射ミラー系、１０１…光源ユニット、１０２…ＵＶカットフィルタ、１０３…マルチレンズアレイ、１０４…偏光変換素子、１０５…重畳レンズ、１０６…全反射ミラー、１０７…ダイクロイックミラー、１０８…コンデンサレンズ、１０９、１１０…リレーレンズ、１１１…クロスプリズム。

Claims (2)

1. 画像を表示する映像表示素子と、光源ユニットを有し前記映像表示素子を照射する照明光学部と、前記映像表示素子の画像を拡大投射する投射レンズとを備える投射型表示装置において、
   前記投射レンズは、
   前記映像表示素子側から、複数のレンズを同じ光軸上に配し全体として偏心量と倒れ量を有する屈折レンズ系と、
   異なる偏心量と倒れ量を有する反射ミラー系とで形成され、
   前記投射レンズの投射軸が像面の垂線に対し傾いており、
   前記投射レンズのＦ値を規定する開口絞りが、前記屈折レンズ系の中に、且つ前記屈折レンズ系の光軸に対して偏心して配置されていることを特徴とする投射型表示装置。
2. 請求項１に記載の投写型表示装置であって、
   前記反射ミラー系は、自由曲面ミラーであることを特徴とする投射型表示装置。
   

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