JP5825047B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

この発明は画像表示装置に関する。この画像表示装置は反射型のライトバルブを用いる投射型であって、各種のプロジェクタ装置として実施できる。

反射型のライトバルブを用いる投射型の画像表示装置の一般的な構成と機能を、図１を参照して説明する。

図１は、投射型の画像表示装置として一般的な「プロジェクタ装置」の光学配置を説明図として示している。

図中、符号ＬＢはライトバルブ、符号ＬＳはランプ光源、符号ＩＲはインテグレータロッド、符号ＬＮは照明用レンズ、符号Ｍはミラー、符号ＣＭは曲面ミラー、符号ＰＣＳは投射光学系を、それぞれ示している。

ライトバルブＬＢは、画像表示素子であって反射型である。
ランプ光源ＬＳは、ランプＬＰとリフレクタＲＦを有し、ライトバルブＬＢを照明するための照明光を放射する。

インテグレータロッドＩＲ、照明用レンズＬＮ、ミラーＭ、曲面ミラーＣＭは、ランプ光源ＬＳから放射される照明光をライトバルブＬＢに導光する照明光学系を構成する。

インテグレータロッドＩＲは、４つのミラーをトンネル状に組み合わせたライトパイプであり、入口部から入射する光をミラー面で反射させつつ出口部へ導光する。

投射光学系ＰＣＳは、ライトバルブＬＢからの反射光を、スクリーン等の被投射面にむけて投射し、被投射面上に「ライトバルブＬＢに表示された画像」を拡大して結像する。

ライトバルブＬＢは、例えば「ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）」であり、微小なミラーをアレイ状に配列してなる。個々の微小ミラーは、その法線方向を、互いに独立して、例えば±１２度の範囲で変化させることができる。

ランプＬＰから発せられた光をリフレクタＲＦで反射し、インテグレータロッドＩＲの入口部に集光する。入口部から入射した光は、インテグレータロッドＩＲ内で反射を繰り返しつつ導光され、出口部から「照度ムラを均された」一様な照度の光として射出する。

インテグレータロッドＩＲから射出した光は、照明用レンズＬＮ、ミラーＭ、曲面ミラーＣＭからなる照明光学系を介してライトバルブＬＢを照射する。

照明光学系の、照明レンズＬＮと曲面ミラーＣＭとは、インテグレータロッドＩＲの出口部における射出光を「光量むらの均された一様な照度の面光源」とし、この面光源の像をライトバルブＬＢ上に形成する。即ち、ライトバルブＬＢは一様な照度の照明光で照射される。

ライトバルブＬＢにおける微小ミラーの傾き角を、例えば、−１２度のとき、微小ミラーによる反射光が投射光学系ＰＯＳに入射し、＋１２度のときは投射光学系ＰＯＳに入射しないように定めて、ライトバルブＬＢと投射光学系ＰＯＳとの位置関係を定め、さらに曲面ミラーＣＭからの照射光の「ライトバルブＬＢへの入射方向」を設定する。

被投射面に投射結像するべき画像の画素に応じて、個々の微小ミラーの傾きを調整すれば、ライトバルブＬＢに画像を表示することができる。

このようライトバルブＬＢに画像を表示し、照明光をライトバルブＬＢに照射すれば、投射光学系ＰＯＳに入射する微小ミラーごとの反射光が、投射光学系ＰＯＳにより結像光束とされて被投射面上に、上記画像の拡大画像として投射され結像する。

ライトバルブＬＢは「一様な照度分布の光」で照射されるので、その拡大像である被投射面状の画像も一様な照度分布となる。このようにして、被投射面上に「デジタル画像」を表示できる。

以上が、一般的なプロジェクタ装置による画像表示の説明である。

さて、昨今、被投射面に対するプロジェクタ装置のセット位置が、従来のものよりも極端に近いプロジェクタ装置（以下「超至近プロジェクタ」と呼ぶ。）が広まりつつある。

超至近プロジェクタは、スクリーン面（被投射面）の近くに立つプレゼンタ（説明員、発表者など）の目に投射光が入る眩しさを避ける効果を有する。

また、プレゼンタの説明を聞く聴講者からプロジェクタ装置を離してセットできるので、聴講者への排気・騒音の悪影響を除くことが出来る効果を有する。

超至近プロジェクタ用の投射光学系としては、大別すると、従来の共軸・回転対称の投射光学系を広画角化して「被投射面との距離を短縮する」ものや、光学系中に曲面ミラーを用いるものがある。
これらのうち、前者は「従来技術の延長で超至近投射を実現きる」が、スクリーン面に近いレンズが大径化し易く、プロジェクタ装置としての大きさが増大しがちである。

一方、後者は、プロジェクタ装置としての大きさを小型に保ちつつ、超至近投射を達成できる可能性を有している。

投射光学系中に曲面ミラーを用いるものとして、例えば、特許文献１〜７開示のものが知られている。

特許文献１、６、７に記載のものは、レンズ系と凸面ミラーを組合せたもので、主としてリアプロジェクションＴＶの薄型化を目的とする。

特許文献２〜５に記載のものは、レンズ系と凹面ミラーを組合せたもので、超至近投射を実現している。

「凸面ミラーを用いる投射光学系」は、例えば、特許文献６の図９等に明らかなように「凸面ミラーからスクリーンに到る結像光束」の径が単調に拡大する。
このため、凸面ミラーとスクリーンの間に「凸面ミラー保護用の防塵ガラス」を設置する場合を考えると、超至近投射では、単調拡大する結像光束径の拡大が急激であることから「防塵ガラスのサイズ」が大型化しやすく、プロジェクタ装置としての重さ・コストの面で問題なしとしない。

防塵ガラスは必須と言うわけではないが、防塵ガラスを用いないと、凸面ミラーが剥き出しになり、ミラー面に「ごみ」が付着したり、傷がついたり、あるいはプロジェクタ装置のユーザーが凸面ミラーに触れて、指紋がついたりしやすい。

これら「ごみ」や傷、指紋は、投射画像の明るさや画質の低下の原因となる可能性が高い。

このような点を鑑みて、凸面ミラーを用いる投射光学系は、筐体に収めてリアプロジェクタの形態で用いられることが多い（特許文献１の図２５等）。

一方、投射光学系中に凹面ミラーを用いる場合は、結像光束を「凹面ミラーとスクリーンの間で１度絞れる」ので、防塵ガラスを配置しても、防塵ガラスの大型化を避けることができる。

しかし、超至近プロジェクタでは、凹面ミラーとスクリーンの距離が近く、大画面を表示するため「スクリーンに入射する光線角度」がかなり急峻となる。
従って、防塵ガラスを有するフロントプロジェクタ（スクリーンに対して正面から画像を投射するプロジェクタ装置）で凹面ミラーを用いると、凹面ミラーから防塵ガラスに入射する光線角度は、スクリーン上の画像端部に向かう光ほど、急峻になる。

このため、「防塵ガラスの透過率」は、スクリーン上で画像端部に向かう光ほど低くなり、画像端部近傍での光量も低くなる。即ち、被投射面上の画像の端部近傍に近づくほど投射された画像の明るさが低下する。

プロジェクタ装置の小型化と言う面では、特許文献５の図１３のように、レンズ系と凹面ミラーの間に「平面の折り返しミラー」を挿入し、光路を折り曲げることにより投射光学系を小型化できるが、折り返しミラーに入射する光線角度は（凹面ミラーで反射した光線ほどではないが）急峻になるので、折り返しミラーを配置するプロジェクタ装置では、スクリーン上の「画像端部の光量」は、折り返しミラーによっても低下する。

特許文献２〜４記載のように、防塵ガラスを斜めに配置して、スクリーン法線に対して斜めの角度を持たせれば、画面端部に向かう光線の「角度の急峻さ」を若干緩めることが可能になるが、特に折り返しミラーを有する投射光学系の場合には「防塵ガラスを斜めに配置」しようとすると、折り返しミラーと干渉したり、折り返しミラーから凹面ミラーに向かう光路を遮ったりしやすく、これを避けると防塵ガラスが極めて大きくなりやすい。

特許文献１には、反射型のライトバルブ（ＤＭＤ）に最も近いレンズ面の位置を入射瞳位置と一致させ、ＤＭＤに最も近いレンズ面に「開口絞り機能」を持たせて、投射光学系のレンズ枠などによる「光の蹴られ」を小さくし、レンズの大きさを最小化することが開示されている。

しかし「反射型のライトバルブを用いるプロジェクタ装置」の場合は、入射瞳の位置に留意しないと、ライトバルブを照明する照明光学系のレンズやミラーにより、光が蹴られて画像周辺の光量が減少する。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、投射光学系に凹面ミラーを有するとともに、凹面ミラーの像側に防塵ガラスを有し、超至近投射を行なう投射型の画像表示装置において、投射画像の周辺部の明るさを有効に増加させることを課題とする。

この発明の画像表示装置は、画像表示素子である反射型のライトバルブと、該ライトバルブを照明するためのランプ光源と、該ランプ光源からの射出光を前記ライトバルブに導く照明光学系と、前記ライトバルブに表示された画像を投射して結像させる投射光学系と、該投射光学系の結像光束射出側に設けられる板状の防塵ガラスとを有する投射型の画像表示装置において、投射光学系は、複数のレンズからなる屈折光学系と、ライトバルブから前記屈折光学系に導光される光量を制限する開口絞りと、前記屈折光学系の像側に配置される凹面ミラーを有するミラー光学系を有し、前記ライトバルブと前記開口絞りとの間に、正の屈折力を有し、前記ライトバルブに対してアンダーな像面湾曲を有するレンズ群Ａが配置され、該レンズ群Ａは、前記ライトバルブ側から前記投射光学系側に向かって、正レンズ、負レンズ、正レンズの３枚を配してなることを特徴とする。

画像表示装置は、ライトバルブと前記開口絞りとの間に、配置されたレンズ群Ａが、正の屈折力を有し、ライトバルブに対してアンダーな像面湾曲を有することにより、ライトバルブの中心から投射光学系に向かう光量と、ライトバルブ端部から投射光学系に向かう光量の差を小さくでき、投射画像の周辺部の明るさを有効に増加させる投射画像の周辺部の明るさを有効に増加させることができる。

一般的なプロジェクタ装置を説明するための図である。 レンズ群Ａのライトバルブ側のアンダーな像面湾曲を説明する図である。 シミュレーションを説明するための図である。 シミュレーションを説明するための図である。 画像表示装置の実施例１を説明するための図である。 実施例１の光学配置の一部を示す図である。 実施例１の光学データを示す図である。 実施例１の非球面データを示す図である。 実施例１の凹面ミラーの鏡面形状のデータを示す図である。 画像表示装置の実施例２を説明するための図である。 実施例２の光学配置の一部を示す図である。 実施例２を説明するための図である。 実施例２において、防塵ガラスの配置上の問題を説明するための図である。 画像表示装置の全体を説明するための図である。 図１４の鏡胴１０の内部を示す図である。 ミラー５の一部をレンズ群Ａ（ＬＧＡ）の形状に応じて切り欠いた例を示す図である。 実施例３の光学配置の一部を示す図である。 実施例３の光学データを示す図である。 実施例３の非球面データを示す図である。 実施例３の凹面ミラーの鏡面形状のデータを示す図である。

上記の如く、この発明の画像表示装置では、ライトバルブと開口絞りとの間に「正の屈折力を有し、ライトバルブに対してアンダーな像面湾曲を有するレンズ群Ａ」が配置されている。

正の屈折力を持つレンズ群Ａが「ライトバルブに対してアンダーな像面湾曲」を有する意義を説明する。

まず「像面湾曲がアンダー」である点を、図２を参照して説明する。

図２において、符号ＬＧＡは、正の屈折力を持つレンズ群Ａを簡略化して示している。また、符号ＬＢはライトバルブを示している。
レンズ群Ａに、図２の左方から光束を入射させる。説明の簡単のため、入射させる光線は平行光束であるとする。このとき、ライトバルブＬＢの画像表示面を、レンズ群Ａの焦点面に合致させておけば、入射光束は、画像表示面上に集光する。

入射光束が、レンズ群Ａの光軸に合致している場合も、光軸に対して傾いている場合も、光束がレンズ群Ａの集光作用により画像表示面上に集光するならば、このとき、レンズ群Ａには「像面湾曲」が無い。

一方、レンズ群Ａに像面湾曲があれば、入射光束の光軸に対する傾き角の増加に従って、集光位置は「画像表示面」から離れていく。図２に「破線で示す」ように、集光位置が上記傾き角の増加に従って、レンズ群Ａの側に倒れるように「画像表示面から離れ」ていく場合は「レンズ群Ａの像面湾曲がライトバルブに対してアンダー」である。

即ち、レンズ群Ａの像面湾曲がライトバルブＬＢに対してアンダーであるならば、レンズ群Ａに図２の左方から入射する光束のうち、光軸に対して傾く光束は、画像表示面の手前（レンズ群Ａ側）で収束した後、発散光となって、画像表示面状の面積領域を照明することになる。

レンズ群ＡとライトバルブＬＢの画像表示面との関係を見ると、レンズ群Ａの光軸は、画像表示面の中央で、画像表示面に直交する。従って、レンズ群Ａと画像表示面との距離は「光軸位置で最短」であり、画像表示面上で光軸を離れるに従って、増大していく。

一方、レンズ群Ａの画像表示面側の像面湾曲は、上記の如く、光軸を離れるに従いアンダーに増加し、画像表示面からレンズ群Ａの側に離れる。
湾曲した像面は、レンズ群Ａによる集光点であるから「ライトバルブ側のアンダーの像面湾曲」は、レンズ群Ａの正の屈折力、即ち、集光力が、光軸からの傾き角の増大と共に強くなることを意味する。即ち、レンズ群Ａの「見かけ上の焦点距離」は、光軸に対して傾く程、短くなる。

従って、このようなレンズ群Ａを、ライトバルブＬＢと「開口絞り」の間に配置することにより、画像表示面の周辺部からの光を、強く集光させて入射瞳（レンズ群Ａによる開口絞りの像）に入射させることができる。
即ち、画像表示面の中心部からレンズ群Ａに入射する光束は、レンズ群Ａを透過すると平行光束となるが、画像表示面の周辺部からレンズ群Ａに入射する光束は、レンズ群Ａに対する物体距離が、レンズ群Ａの上記見かけの焦点距離よりも長くなり、このため、レンズ群Ａを透過すると収束光束になり、入射瞳に入射する光量が増大する。

画像表示面の画面端部の光量を「特許文献１に記載の、ＤＭＤに最も近いレンズ面の位置を入射瞳位置と一致させ、ＤＭＤに最も近いレンズ面に「開口絞り機能」を持たせる」場合に比して、より増大させて投射光学系に取り入れることが可能になる。

上に説明したところを、以下に説明するシミュレーションにより確認した。

図３および図４を参照する。
図３、図４で、ライトバルブＬＢから「投射光学系の入射瞳Ｅ」までの距離を同一に揃え、ライトバルブＬＢの中心（レンズ群Ａおよび投射光学系の光軸に合致する部分）から放射される光線束のうち、入射瞳内に取り込める光量と、ライトバルブＬＢの端部（周辺部）から放射される光線束のうち、入射瞳内に取り込める光量の比を比較した。

図３の構成では、ライトバルブＬＢからレンズ群Ａの入射側レンズ面までの距離：４２．０８ｍｍ、レンズ群Ａの中心肉厚：７．１８ｍｍ、材質の屈折率：１．５１５、ライトバルブＬＢ側のレンズ面の曲率半径：４３．４０４、開口絞りＳ側のレンズ面の曲率半径：−１６．７８４、該レンズ面から開口絞りＳまでの距離：１．６ｍｍ、入射瞳径：１９．８ｍｍである。

このレンズ群Ａは、ライトバルブＬＢに対してアンダーの像面湾曲を有する。

図３において、ライトバルブＬＢの中心に当たる部分に点光源を配し、この点光源から放射される光線束の「入射瞳全体を通るのに十分な発散角」の光線を通したときの光利用効率（入射瞳Ｅを通過する光線数）と、ライトバルブＬＢの端部（上記中心から６．９２ｍｍの距離の周辺部）に配置した点光源からの光利用効率を比較すると、ライトバルブＬＢの上記中心からの放射光の光利用効率を１００％として、上記端部から放射される光に光利用効率は９８．２％であった。

図４の構成は、図３の構成からレンズ群Ａを除去し、ライトバルブＬＢから開口絞りＳの開口部（入射瞳Ｅとなる。）までの距離：５０ｍｍ、入射瞳径：１９．８ｍｍとして、ライトバルブＬＢからの光が直接に開口絞りＳを介して、投射光学系における「最もライトバルブ側」のレンズＬへ入射するようにしたものである。

図４の構成に対して、図３の構成の場合と同じシミュレーションを実施すると、ライトバルブＬＢの「端部の光利用効率」は、ライトバルブＬＢの上記中心からの放射光の光利用効率を１００％に対して９７．４％である。

このことから、像面湾曲を有するレンズ群Ａを、ライトバルブＬＢと開口絞りＳとの間に配置することにより、光利用効率を０．８％改善できることが分る。
なお、上記両シミュレーションにおいて、レンズＬは光利用効率には関係しない。

以下、実施の形態を具体的な実施例に即して説明する。
以下に挙げる実施例１〜３のうち、実施例１と実施例２は、正の屈折力を有するレンズ群Ａが「１枚の凸レンズ」で構成されたものであり「参考例」であるが、混同の恐れはないと思われるので、以下においてそれぞれ、実施例１、実施例２と記する。この発明の画像表示装置の実施例は從って実施例３である。

「実施例１」
画像表示装置の具体的な実施例１を、図５に示す。
図５（ａ）は、被投射面であるスクリーンＳＣの上下方向（Ｙ方向）と法線方向（Ｚ方向）に平行な面における断面図であり、図５（ｂ）は、スクリーンＳＣの左右方向（Ｘ方向と法線方向（Ｚ方向）に平行な面における断面図である。

図５において、光学配置は「ランプ光源と照明光学系」の部分、即ち、図１におけるランプ光源ＬＳから凹面ミラーＣＮＭまでを省略し、ライトバルブＬＢ（ＤＭＤである。）から投射光学系ＰＯＳ、防塵ガラスＧを介してスクリーンＳＣまでの部分を示している。なお、符号ＣＮＭは、投射光学系の凹面ミラーを示している。

ライトバルブＬＢと凹面ミラーＣＮＭとの間の部分は「レンズ群Ａと開口絞りと屈折光学系」により構成される部分である。

図６は、実施例１におけるライトバルブＬＢ（カバーガラスＣＧを含む）とレンズ群Ａ（「ＬＧＡ」で示す。）と投射光学系の「屈折光学系ＰＯＳＬ（図５に示す凹面ミラーＣＮＭとともに投射光学系ＰＯＳを構成する。凹面ミラーＣＮＭは、実施例１では単独で、ミラー光学系をなす。）」の部分を示している。

なお、図示を省略されているランプ光学系と照明光学系の部分は、図１に即して説明したものと同様である。

図１に即して説明したように、ランプ光源から放射された光は、照明光学系を介してライトバルブＬＢに照明光として照射される。
ライトバルブの画像表示面で反射され、表示画像により強度変調された光は、図６に示すように、入射瞳（ＬＧＡによる開口絞りＳの像）に向かって進み、開口絞りＳを介して屈折光学系ＰＯＳＬに取込まれる。

取込まれた光束の殆どが、スクリーンＳＣ上の画像表示に有効に使われる。

即ち、ライトバルブＬＢの画像表示面の「どの位置」からの光も、同じ光量が開口絞りＳを通過し、投射光学系ＰＯＳ内部での「光の蹴られ」が無ければ、スクリーンＳＣ上の画像の光量分布は一様に近づく。

しかし、図５に示すように、凹面ミラーＣＮＭから防塵ガラスＧに入射する光線角度は、ＹＺ面、ＸＺ面のいずれにおいても鋭角であり、スクリーンＳＣ上に投射結像される画面の下部に向かう光線束（防塵ガラスＧへの入射角が大きい）が防塵ガラスＧを透過する透過率は低い水準になる。

この場合、ＹＺ断面（図５（ａ））においては、例えば、特許文献４の図１の如く「防塵ガラスを傾け、画面上部と画面下部に向かう各光線の防塵ガラス入射角をバランスすることで透過率を上げる（画面の光量分布の一様性を向上させる）ことが可能である。

しかし、このように防塵ガラスを傾けても、図５（ｂ）の「ＸＺ面」で防塵ガラスＧに向かう光線角度は変化しないので、投射結像した画像の左右方向端部での光量減少は避け難い。
図６に示すように、正の屈折力を持つレンズ群Ａ（ＬＧＡ）を配置し、そのアンダーの像面湾曲の作用により、画像表示面中心の画素（屈折光学系ＰＯＳＬの光軸に最も近い画素）よりも、画像表示面周辺部の画素（上記光軸から最も遠い画素）の「光取り込み量」を増加させ、開口絞りＳを通過した時点で「画像中心からの光量よりも、画像周辺部からの光量の方が多い状況」を作ることで、スクリーンＳＣ上での「光量分布一様性の向上」に寄与することができる。

このとき、ライトバルブＬＢと開口絞りＳの間のレンズ枚数を増やすと、これらのレンズの径方向の大きさが必然的に拡大傾向になり、光学系の大型化や、照明光学系との干渉（図１の曲面ミラーＣＭと、図６のＬＧＡの干渉）で、ライトバルブＬＢの画像表示面の一様照明が妨げられる問題がある。
この点を考慮すると、レンズ群Ａを構成するレンズ枚数は、最小枚数、即ち「投射光学系の収差補正のバランスが取れる最小枚数」とするのがよく、好ましくはＬＧＡを１枚のレンズ、あるいは後述の実施例３のように「正・負・正の３枚のレンズ」で構成するのがよい。

実施例１におけるライトバルブＬＢ（ＤＭＤ）の画像表示面から、防塵ガラスＧまでの部分の光学データを図７〜図９に示す。

図７は、各面の曲率半径、面間隔を「ｍｍ単位」で示し、材質の屈折率とアッベ数を示す。開口絞りについては開口半径を示す。また、曲率半径：０．０００は、曲率半径：∞、即ち平面を表す。
「偏芯Ｙ」は、ＬＧＡおよび屈折光学系ＰＯＳＬの光軸の「Ｙ方向（図５（ａ）に示す上下方向）のマイナス側（図５（ａ）の下方側）」へのシフト量を「ｍｍ」単位で示す。

「偏芯α」は、投射光学系の凹面ミラーＣＮＭおよび防塵ガラスＧの、上記光軸（Ｚ方向）とライトバルブＬＢの短手方向を含む面に対するシフト量を「ｍｍ」単位で示す。

また、非球面の欄において「黒丸」を付した面は非球面である。

面番号の欄において、「ＬＢ（０）」は、ライトバルブＬＢ（ＤＭＤ）」の画像表示面、面番号「１、２」はカバーガラスＣＧの両面である。面番号「３、４」は、ＬＧＡの入射側および射出側のレンズ面であり、これらは共に非球面である。

なお、曲率半径の欄において「１．０Ｅ＋１８」は、「１×１０^１８」を意味し、これらの曲率半径を持つ面は「実質的な平面」である。曲率半径の値は、非球面については「近軸曲率半径」である。

図８は、非球面データである。
非球面は、近軸曲率（近軸曲率半径の逆数）：Ｃ、楕円定数（コーニック定数）：Ｋ、高次の非球面係数：Ｅ_２ｊ（ｊ＝２、３、４、５、６、７、８）、光軸直交方向の座標：Ｈ、光軸方向のデプス：Ｄにより、周知の式、
Ｄ＝ＣＨ^２/［1＋√｛１−（１＋Ｋ）Ｃ^２Ｈ^２｝］
＋ΣＥ_２ｊＨ^２ｊ（ｊ＝１〜８）
で表現される。

図９は、凹面ミラーＣＮＭの鏡面形状のデータである。

凹面ミラーＣＮＭの鏡面形状は「自由曲面」であり、光軸上の近軸曲率半径：ｃ、コーニック定数：ｋ、高次の係数：Ｃｊ（ｊ＝２〜７２）、光軸直交方向の距離：ｒ、光軸に平行な「面のサグ量：ｚ」、図５におけるＸ方向の座標：ｘ、Ｙ方向の座標：ｙを用いて、以下の式で与えられる。

ｚ＝ｃｒ^２/［1＋√｛１−（１＋ｋ）ｃ^２ｒ^２｝］
＋ΣＣ_ｊ・ｘ^ｍｙ^ｎ（ｊ＝２〜７２）
図９において、例えば、Ｃ40を係数とする「ｘ＊＊４＊ｙ＊＊７」は「ｘ^４×ｙ^７」を表す。

「実施例２」
画像表示装置の実施例２を、図１０〜図１２に示す。

実施例２は、実施例１における屈折光学系ＰＯＳＬと凹面ミラーＣＮＭとの間に、光束を折り返す「平面ミラー」である折り返しミラーＰＭを配置し、防塵ガラスＧを、ライトバルブＬＢ（ＤＭＤ）の画像表示面と平行に配置した例である。
ＬＧＡ（レンズ群Ａ）、投射光学系の屈折光学系ＰＯＳＬ、凹面ミラーＣＮＭは、実施例１におけるものと同一である。実施例２では、凹面ミラーＣＮＭと折り返しミラーＰＭが「ミラー光学系」を構成する。）
この実施の形態では、図示されないランプ光源、照明光源と共にライトバルブ、ＬＧＡ、凹面ミラーＣＮＭ、折り返しミラーＰＭは、筐体ＢＸ内に収納され、防塵ガラスＧは、筐体ＢＸの窓として設けられている。

図１０は、ＹＺ面の断面、図１１は、ＸＺ面の構成であり、図１２０は、ライトバルブＬＢから防塵ガラスＧに至る光学配置の詳細な図である。

実施例２のような構成を取ることで、投射光学系の収差補正上の理由から「短縮化が困難な屈折光学系ＰＯＳＬから凹面ミラーＣＮＭまでの距離」をコンパクトに収めることが可能になり、プロジェクタ装置を収納する筐体ＢＸの小型化に貢献できる。

このように、屈折光学系ＰＯＳＬと凹面ミラーＣＮＭの間で、光路を折り返す構成にした場合、特許文献４の図１のように「防塵ガラスを入射光線に対して傾ける」ことができず、スクリーンＳＣ上の画面の端部での光量低下が顕著になる。

即ち、図１１に示されたように、スクリーンＳＣ上の画面Ｉｍの下部に向かう光線の角度が、防塵ガラスＧの面に対して非常に急峻である。

このため、例えば、図１３（ＹＺ面）のように防塵ガラスを傾けて配置すると、図１１（ＸＺ面）では、防塵ガラスＧの一部の領域が、図１１の右方向に移動することになり、防塵ガラスＧが急激に大きくなり、重さ・コスト・小型化の面で好ましくない。

防塵ガラスＧを図１１の左方向（図１３の左方向）に動かそうとすると、図１３において、折り返しミラーＧで反射されて凹面ミラーＣＮＭに向かう光線と干渉してしまう。

即ち、折り返しミラーＰＭを用いる構成では、図１０のような角度に略近い状態を取らざるをえない。
このように、折り返しミラーＰＭを用いる方法でも、周辺光量を増加させることが重要であり、レンズ群Ａの「ライトバルブＬＢに対するアンダーの像面湾曲」により、画像表示面周辺部画素からの光の利用効率を高めることが重要となる。

レンズ群Ａに付与する「ライトバルブに対するアンダーの像面湾曲」は、なるべく大きいほうが、周辺部画素からの光の利用効率をより高められるので好ましいが、投射光学系ＰＯＳ全体の収差補正能力と、レンズ群Ａの像面湾曲量をバランスさせるには、レンズ群Ａ内に非球面を採用するのが好ましい。

上記実施例１やその変形例である実施例２では、レンズ群Ａ（ＬＧＡ）が単一の凸レンズで、その両面が非球面となっている。

上に説明した実施例２の光学系を用いる画像表示装置（プロジェクタ装置）の例を、図１４〜図１６を参照して説明する。

ランプ光源１から放射された光は、インテグレータロッド２の入口部に集光し、その内部で多重反射され、出口部から光量分布が均一に均された光束として射出する。

上記出口部における「一様な光量分布」の共役像を、レンズ群３、ミラー４、曲面ミラー５で、ＤＭＤであるライトバルブ７の画像表示面に結像させる。図１４で符号６はＤＭＤのカバーガラスを示す。

ライトバルブ７の画像表示面で反射された光（画像表示面に表示された画像により強度変調されている。）光は、光学系８に入射する。図１４に示す光学系８は「レンズ群Ａと、開口絞りと、屈折光学系と、置き返しミラーと、凹面ミラーとを合わせたもの」を示し、符号１０は「レンズ群Ａと、開口絞りと、屈折光学系とを保持する鏡胴を示す。

図１５において、符号８−１は、図１４に符号１０で示した鏡胴に保持されたレンズ系を示す。レンズ系８−１の各レンズの径方向のサイズが小さければ、鏡胴の径も小さくなることがわかる。

図１４に示すように、ミラー５と鏡胴１０とは「近接してレイアウト」されている。
照明光学系をコンパクトに収めるためにこのような構成を取っているが、インテグレータロッド２を「単純な直方体形」に加工した場合、特許文献１記載のように、ミラー５がライトバルブ７から投射光学系に向かう光を蹴り、周辺光量を劣化させる。

従って、開口絞りとライトバルブの間にレンズ群Ａを配置する光学系では、ランプ光源１からライトバルブ７に到る光路のうち、ライトバルブ７に最も近い光学素子（レンズやミラー）は、レンズ群Ａに合わせて切り欠くことが好ましい。

図１６は、ミラー５の一部をレンズ群Ａに合わせて切り欠いた例を示している。

「実施例３」
実施例３を、図１７以下を参照して説明する。

実施例３を説明するための図１７以下の図においては、凹面ミラーや折り返しミラーは図示を省略している。

図１７に示すように、実施例３ではレンズ群Ａ（ＬＧＡ）を、ライトバルブＬＢ側から「正レンズ・負レンズ・正レンズの３枚のレンズ」で構成し、収差補正上好ましい（光学系の中で対称性が高い）構成としている。
符号Ｓは開口絞り、符号ＰＯＳＬは「屈折光学系」を示す。

ＬＧＡを構成する３枚のレンズのうちで「ライトバルブＬＢ（ＤＭＤ）に最も近い正レンズ」の径が、上述の実施例１、２の場合（ＬＧＡが１枚のレンズにより構成される。）に比べて大きくなるので、図１４に示した曲面ミラー５との干渉があり得るが、スクリーン上の光量分布よりも収差補正に重きを置く場合には、このような構成も取り得る。

図１８、図１９、図２０に、実施例３の具体的な光学データを、実施例１の場合にならって示す。

図１８は各面の曲率半径、面間隔、材質等のデータを示し、図１９は非球面データ、図２０は凹面ミラーの鏡面形状に関するデータであり、それぞれ、図７、図８、図９に倣って記載されている。

以上に説明したように、この発明では、超至近投射を行なう画像表示装置において、投射光学系に凹面ミラーを用いることにより、防塵ガラスの配置を容易とし、必要に応じて折り返しミラーを配置して光学系を収める筐体の小型化を可能とし、防塵ガラスもしくは「折り返しミラーと防塵ガラス」による周辺光量の減少を、アンダーな像面湾曲を有するレンズ群Ａを用いることにより改善可能とした。

実施例１や２のように、レンズ群Ａを「１枚の凸レンズで構成」することは、画像表示装置の小型化に有効である。そして、レンズ群Ａを構成する１枚以上のレンズのうち、正レンズの、少なくとも片面が非球面形状とし、該正レンズの非球面を「近軸の曲率半径からなる球面形状よりも、像面湾曲がさらにアンダーとなる作用を齎す形状」とすることはレンズ群Ａの機能を高めることに有効である。

実施例２のように、ミラー光学系の凹面ミラーと屈折光学系との間の光路上に、平面の折り返しミラーを有すること、その場合に、防塵ガラスを「その板面がライトバルブの画像表示面と平行となるように配置」することは、画像表示装置のコンパクト化に有効である。

上に説明したように「ランプ光源からライトバルブに到る光路上で、ライトバルブに最も近いレンズまたはミラーを、レンズ群Ａの外形状に合わせて切り欠かく」ことは、スクリーン上に表示される画像の周辺光量の低下を改善する上で極めて有効である。
また、レンズ群Ａは「投射光学系によるズーミング・フォーカシングに際して固定」とすることが、ズーミング機構を簡略化・小型化する上で好ましいことは言うまでもない。

ＬＢ ライトバルブ
ＬＧＡ レンズ群Ａ
Ｓ 開口絞り
ＰＯＳＬ 屈折光学系
ＣＮＭ 凹面ミラー
Ｇ 防塵ガラス
ＰＭ 折り返しミラー

特許第３７２７５４３号公報 特表２００８５２２２２９号公報 特許第４４６７６０９号公報 特開２００９−１４５６７２号公報 特許第４２１０３１４号公報 特開２００７−１８３６７１号公報 特開２００８−９６７６２号公報

Claims (6)

1. 画像表示素子である反射型のライトバルブと、該ライトバルブを照明するためのランプ光源と、該ランプ光源からの射出光を前記ライトバルブに導く照明光学系と、前記ライトバルブに表示された画像を投射して結像させる投射光学系と、該投射光学系の結像光束射出側に設けられる板状の防塵ガラスとを有する投射型の画像表示装置において、
   投射光学系は、複数のレンズからなる屈折光学系と、ライトバルブから前記屈折光学系に導光される光量を制限する開口絞りと、前記屈折光学系の像側に配置される凹面ミラーを有するミラー光学系を有し、
   前記ライトバルブと前記開口絞りとの間に、正の屈折力を有し、前記ライトバルブに対してアンダーな像面湾曲を有するレンズ群Ａが配置され、
   該レンズ群Ａは、前記ライトバルブ側から前記投射光学系側に向かって、正レンズ、負レンズ、正レンズの３枚を配してなることを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１記載の画像表示装置において、
   レンズ群Ａを構成する正レンズの、少なくとも片面が非球面形状であり、
   該正レンズの非球面が、近軸の曲率半径からなる球面形状よりも、像面湾曲がさらにアンダーとなる作用を齎す形状であることを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項１または２記載の画像表示装置において、
   ミラー光学系の凹面ミラーと屈折光学系の間の光路上に、平面の折り返しミラーを有することを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項３記載の画像表示装置において、
   防塵ガラスが、その板面をライトバルブの画像表示面と平行にして配置されることを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項１〜４の任意の１に記載の画像表示装置において
   レンズ群Ａが、投射光学系によるズーミング・フォーカシングに際して固定であることを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項１〜５の任意の１に記載の画像表示装置において、
   ランプ光源からライトバルブに到る光路上で前記ライトバルブに最も近いレンズまたはミラーが、レンズ群Ａの外形状に合わせて切り欠かれていることを特徴とする画像表示装置。

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