KR100856415B1

KR100856415B1 - 투영 광학계 및 이를 이용한 화상 투영 장치

Info

Publication number: KR100856415B1
Application number: KR1020070016771A
Authority: KR
Inventors: 오사무 코누마
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2027-02-16
Also published as: KR100860986B1; CN101026719A; JP2007219383A; KR20070083203A; KR20070083162A; CN100593324C

Abstract

투영 광학계 및 이를 이용한 화상 투영 장치가 개시되어 있다. 개시된 투영 광학계는, 피투영 화상을 화상 표시 영역(3a)에 표시하는 반사형 표시 소자(3)와, 스크린(6)에서 반사형 표시 소자(3)까지의 사이의 광로를 따라서 순차 배치된 제1 광학계(4A), 제2 광학계(4B)를 가지며, 화상 표시 영역(3a)을 제1 광학계(4A)의 광축(4a)에 대해서 편심된 위치에 확대 투영하는 투영 광학계(4)로서, 광축(4a)을 기준축으로 했을 때, 화상 표시 영역(3a)이 적어도 평행 편심되어 배치됨과 동시에, 제2 광학계(4B)가 편심되어 배치된 구성으로 한다.

이와 같은 구성에 의하여, 이른바 오프셋 투영을 행하는 경우에 간단한 구성에 의해 수차를 저감시키고, 고화질의 화상을 투영할 수 있도록 한다.

Description

투영 광학계 및 이를 이용한 화상 투영 장치{Projection optical system and image projection apparatus using the same}

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 화상 투영 장치의 개략 구성을 나타내는 모식적인 정면도이고,

도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 화상 투영 장치에 사용하는 투영 광학계의 구성을 나타내는 광축을 포함하는 단면의 개략 구성도이고,

도 3은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 화상 투영 장치의 개략 구성을 나타내는 모식적인 정면도이고,

도 4는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 화상 투영 장치에 사용하는 투영 광학계의 구성을 나타내는 광축을 포함하는 단면의 개략 구성도이고,

도 5는 본 발명의 제1 실시형태 및 그 변형예에 따른 투영 광학계의 각 실시예의 개략 구성 및 그 광로를 나타내는 광축을 포함하는 단면의 개략 광로도이고,

도 6은 비교예의 왜곡 수차를 나타내는 벡터도이고,

도 7a 및 도 7b는 제1 실시예 및 제2 실시예의 왜곡 수차를 나타내는 벡터도이고,

도 8a 및 도 8b는 제3 실시예 및 제4 실시예의 왜곡 수차를 나타내는 벡터도이고,

도 9는 각 실시예 및 비교예의 상면 만곡의 계산 위치를 나타내는 모식도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 10...프로젝터(화상 투영 장치) 2...조명 유닛

3...반사형 표시 소자(표시 소자) 3a, 7a...화상 표시 영역

3b, 7b...중심 법선 4...투영 광학계

4A...제1 광학계 4B...제2 광학계

4a...광축(기준축) 4b...광축

5...투영광 6...스크린(투영면)

7...투과형 표시 소자(표시 소자) 18...시야 렌즈

본 발명은 투영 광학계 및 이를 이용한 화상 투영 장치에 관한 것이다. 예를 들면, 화상을 광축에서 벗어난 위치에 오프셋 투영하는 투영 광학계 및 화상 투영 장치에 관한 것이다.

종래의 화상 투영 장치에서는, 예를 들면, 프로젝터 등의 표시 소자에 표시된 화상을 스크린에 확대 투영하는 화상 투영 장치에서는, 탁상에서 사용하는 경우나 천정에 설치하는 경우 등, 장치 설치 위치로부터 비스듬히 위쪽 또는 아래쪽에 위치하고, 예를 들면, 벽면 등에 따라서 수직면에 배치된 스크린에 화상을 투영하 여 사용되는 것들이 많다. 이 경우, 투영 광학계의 광축을 스크린을 향하는 경사 방향으로 설정하기 때문에, 스크린면이 광축에 대해서 비스듬히 만나게 된다. 이 경우, 투영 화상에 왜곡이 발생하여 화질이 악화되는 문제점이 있었다.

이 때문에, 투영 광학계의 광축을 수평에 가까운 배치로 하여, 투영 광학계의 유효 화상 영역의 상측 영역에 화상이 어긋나서 투영되는, 이른바 오프셋 투영이 되도록 한 구성이 알려져 있다.

예를 들면, 일본 특허공개공보 평11―249069호(이하, 특허문헌 1이라 한다)에는 종래 기술로서, 표시 소자인 DMD(Digital Micromirror Devicc)를, 그 표시 영역의 주연부가 투영 광학계의 광축에 거의 일치하는 위치까지 평행 편심되어 배치되고, 투영 광학계의 투영 영역의 한쪽 절반, 예를 들면 상반부에 어긋나도록 투영하는 표시 광학계(화상 투영 장치)가 기재되어 있다.

또 유효 화상 영역 내에서 화상을 어긋나도록 투영하는 것은 아니나, 이에 관련되는 기술로서, 투영 광학계의 광축에 대해서 편심 배치된 표시 소자가 표시하는 화상을 양호하게 위치 보정하여, 투영 광학계의 광축과 화상 표시 영역의 중심이 일치하도록 투영하는 기술이 알려져 있다.

예를 들면, 일본 특허공개공보 2000―39585호(이하, 특허문헌 2라 한다)에는 반사형 표시 소자와 투영 광학계의 사이에 크게 편심된 편심 광학 소자를 배치하고, 투영 광학계의 광축에 대해서 평행 편심 및 경사 편심되어 배치된 반사형 표시 소자의 표시면의 화상 표시 영역의 중심이 투영 광학계의 광축과 일치하도록 투영하는 투영 표시 장치가 기재되어 있다.

하지만, 상기한 바와 같은 종래의 투영 광학계 및 화상 투영 장치에는 이하와 같은 문제점이 있었다.

특허문헌 1에 기재된 종래 기술에서는, 비스듬히 위쪽으로 투영하는 경우라도 스크린과 투영 광학계의 화상면을 평행하게 설정할 수 있으므로, 화상면이 스크린에 대해서 회전함에 따른 화상의 왜곡은 발생하지 않으나, 유효 화상 영역의 상반부 등, 일부분에 표시 소자의 화상 표시 영역 전체를 투영해야 한다. 즉, 투영 화각 중, 수차가 좋지 않은 고화각부를 포함하는 좁은 범위의 화각만 이용할 수 있는 것이다. 이 때문에 예를 들면, 투영 광학계의 유효 영역을 더욱 확대하거나, 광학 소자의 수를 늘리거나 하여 수차 저감을 도모해야 했다. 그 결과, 투영 광학계가 대형화되어 복잡해지고 비싸진다는 문제점이 있다.

한편, 특허문헌 2에 기재된 기술을 이용하여 표시 소자와 투영 광학계의 사이에 편심 광학 소자를 배치하고, 편심 배치된 표시 소자의 화상의 투영 영역을 이동하는 것도 생각할 수 있으나, 특허문헌 2에 기재된 기술은, 화상 투영 영역의 중심이 투영 광학계의 광축 중심과 일치하는 위치에 편심 광학 소자를 편심 배치함으로써 양호한 수차를 달성하는 것이다. 따라서, 표시 소자를 평행 편심시켜 오프셋 투영을 하는 의미가 없어진다. 즉, 오프셋 투영의 투영 광학계에는 적용할 수 없다는 문제점이 있다.

그래도 이 기술을 적용하고자 한다면, 오프셋 방향의 표시 영역의 변을 2배로 하여 생각하고, 수차가 개선된 전체 영역의 절반만 사용해야 하며, 이 경우, 동일한 정도로는 수차가 개선되지 않는다는 것은 명백하다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제에 감안하여 이루어진 것으로, 이른바 오프셋 투영을 하는 경우에 간단한 구성에 의해 수차를 저감시키고, 고화질의 화상을 투영할 수 있는 투영 광학계 및 이를 이용한 화상 투영 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 투영 광학계는 피투영 화상을 화상 표시 영역에 표시하는 표시 소자와, 투영면에서 상기 표시 소자까지의 사이의 광로를 따라서 순차적으로 배치된 제1 광학계와 제2 광학계를 가지며, 상기 화상 표시 영역을 상기 제1 광학계의 광축에 대해서 편심된 위치에 확대 투영하는 투영 광학계로서, 상기 제1 광학계의 광축을 기준축으로 했을 때, 상기 표시 소자의 화상 표시 영역이 적어도 평행 편심되어 배치됨과 동시에, 상기 제2 광학계가 편심되어 배치된 구성으로 한다.

본 발명에 의하면, 표시 소자측의 제2 광학계를, 투영면측의 제1 광학계의 광축을 기준축으로 하여 편심시켜 배치하기 때문에, 기준축에 대해서 적어도 평행 편심되어 배치된 화상 표시 영역으로부터 편심된 상태로 진행하는 확산 광속의 광선 방향을 제2 광학계의 편심량에 따라 보정할 수 있다.

즉, 표시 소자의 화상 표시 영역을 기준축에 대해서 평행 편심시켜 배치하여, 이른바 오프셋 투영하는 경우에는, 광선이 투영 광학계의 고상(高像) 높이 부분을 투과하기 때문에 수차가 커지는 경향이 있으며, 또 화상 표시 영역과 기준축 이 일치하지 않기 때문에, 투영 화상 내에서는 비대칭 수차가 발생한다.

한편, 제2 광학계를 평행 편심시키면, 그 평행 편심 방향으로 왜곡 수차에서 대표되는 축 시프트 성분을 갖는 수차가 발생한다. 따라서, 화상 표시 영역의 기준축에 대한 평행 편심 방향과 같은 방향으로 제2 광학계를 평행 편심시켜 왜곡 수차 등을 없애, 왜곡 수차 등의 크기와 대칭성을 개선할 수 있다. 또 제2 광학계를 기준축 및 화상 표시 영역의 평행 편심 방향으로 각각 직행하는 축 회전으로 경사 편심시키면, 왜곡 수차에서 대표되는 축 시프트 성분을 갖는 수차가 발생하므로, 제2 광학계를 경사 편심함에 따라서도 왜곡 수차 등을 없애, 왜곡 수차 등의 크기와 대칭성을 개선할 수 있다.

그 결과, 제1 광학계의 고상 높이 부분에 왜곡 수차 등의 수차를 남긴 상태라도, 화상이 투영되는 범위에서 쉽게 수차를 보정할 수 있다.

또한, 본 발명의 화상 투영 장치는 본 발명의 투영 광학계를 사용하여 상기 화상 표시 영역의 화상을 확대 투영하는 구성으로 한다.

본 발명에 의하면, 본 발명의 투영 광학계를 사용하므로, 본 발명의 투영 광학계와 동일한 작용 효과를 갖는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 모든 도면에 있어서, 실시형태가 다른 경우라도 동일하거나 또는 해당하는 부재에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 각 도면 모두 모식도이기 때문에, 치수나 형상은 과장되어 도시되어 있을 수 있으며, 반드시 정확한 위치 관계를 나타내는 것은 아니다.

[제1 실시형태]

본 발명의 제1 실시형태에 따른 투영 광학계 및 이를 이용한 화상 투영 장치에 대해서 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 화상 투영 장치의 개략 구성을 나타내는 모식적인 정면도이다. 도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 화상 투영 장치에 사용하는 투영 광학계의 구성을 나타내는 광축을 포함하는 단면의 개략 구성도이다.

본 실시형태의 프로젝터(1)의 개략 구성은, 도 1에 도시한 바와 같이 조명 유닛(2), 반사형 표시 소자(3) 및 투영 광학계(4)가 하우징(1a) 내에 배치된 것이다. 또 특별히 도시하지는 않았으나, 장치를 구동하는 전원 공급부와 장치의 제어를 행하는 장치 제어부를 구비하고 있으며, 모두 조명 유닛(2) 및 반사형 표시 소자(3)에 접속되어 있다.

이하에서는 설명의 편의상, 프로젝터(1)의 하우징(1a)을 수평면에 배치했을 때, 투영광(5)이 배치면의 비스듬히 위쪽에 투영되어, 배치면에 대해서 수직으로 설치된 스크린(6)(투영면) 위에 화상이 투영되는 경우를 예로 들어 설명하겠으나, 이러한 배치 위치 및 투영 방향에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 설치면이 경사면이거나, 투영 방향이 비스듬히 아래로 향한 방향일 수도 있음은 당연하다.

조명 유닛(2)은 반사형 표시 소자(3)의 화상 표시 영역을 향해 조명광을 조사하는 광원이다. 본 실시형태에서는 풀 컬러 화상을 표시하므로, 적어도 광의 삼원색인 적색(R), 녹색(G), 청색(B)과 백색광에 대응되는 파장광을 시분할하여 순차 적으로 조사할 수 있다. 예를 들면, 각각 독립 구동할 수 있는 R, G, B의 파장 광원을 각각 구비하고, 그것들을 동일 광로 상에 합성하는 것을 채용할 수 있다. 또한, 예를 들면, 백색 광원을 구비하고, 그 광로 상에 R, G, B의 가동 필터를 설치한 것 등일 수도 있다.

조명 유닛(2)으로부터의 조명광은 반사형 표시 소자(3)에 의한 반사광이 투영 광학계(4)에 대해서 입사되면, 어떠한 각도로 입사해도 상관 없으나, 본 실시형태에서는 투영면의 아래쪽에서 비스듬히 위쪽으로 조사되고, 후술하는 제2 광학계(4B)를 투과하여 반사형 표시 소자(3)에 입사하도록 되어 있다. 단, 장치 레이아웃의 상황에 따라서 적당히 미러나 프리즘을 설치하여 광로를 접어 배치할 수도 있다.

반사형 표시 소자(3)는 조명 유닛(2)으로부터 조사 타이밍에 따라서 조사되는 파장의 조명광을 화상 신호에 따라 공간 변조하고, 색분해된 화상을 커버 글래스(3c)(도 2 참조)에 의해 덮힌 화상 표시 영역(3a)에 표시하는 것이다.

화상 표시 영역(3a)은 특별히 도시하지는 않았으나, 예를 들면, 화상 신호의 화소 단위에 따른 다수의 공간 변조 요소가 표시 평면상에 격자 모양으로 배열된다. 본 실시형태에서는 예를 들면, 장변×단변이 W×H인 직사각형 모양으로 설치되어 있다. 중심 법선(3b)은 화상 표시 영역(3a)의 중심에서의 표시 평면의 법선을 나타낸다.

반사형 표시 소자(3)의 화상 표시 영역(3a)은 투영 광학계(4)의 화상면 상에서 중심 법선(3b)이 후술하는 제1 광학계(4A)의 광축(4a)에 대해서 투영면의 방향 과 반대측에 거리(a)만큼 평행 편심된 위치에 배치되어 있다.

이 편심량(a)의, 화상 표시 영역(3a)의 단변의 절반에 대한 비율을, 축 오프셋(Δh)으로 나타낸다. 즉, 축 오프셋(Δh)은 하기의 수학식 1로 나타낼 수 있다.

Δh= a/(H/2)

축 오프셋(Δh)은, 오프셋 투영 조건에 따라서 적당히 설정할 수 있으나, 본 실시형태에서는 하기의 수학식 2의 범위로 한다.

0<Δh≤2.0

또한, 축 오프셋(Δh)은, 바람직하게는 하기의 수학식 3의 범위로 한다.

1.0≤Δh≤1.5

반사형 표시 소자(3)로는, 예를 들면, 미소 미러 어레이인 디지털 마이크로 미러 디바이스(DMD)나 반사형 액정 패널(Liquid Crystal On Silicm:LCOS)의 소자를 채용할 수 있다.

투영 광학계(4)는 반사형 표시 소자(3)의 화상 표시 영역(3a)에 표시된 화상을 확대하여 스크린(6) 상에 투영하기 위한 광학계로서, 화상 표시 영역(3a)과 스크린(6)을 서로 공역으로 하는 것이다

투영 광학계(4)의 구성은 반사형 표시 소자(3)와 스크린(6) 사이의 광로 상에 제2 광학계(4B), 제1 광학계(4A)가 이 순서로 배치되어 이루어진다.

제1 광학계(4A)는 화각(θ_o)을 갖는 확대 투영 광학계이다. 본 실시형태에서는, 도 2에 도시한 바와 같이 투영면측으로부터 제1 렌즈(11), 제2 렌즈(12), 제3 렌즈(13), 제4 렌즈(14), 제5 렌즈(15), 제6 렌즈(16), 및 제7 렌즈(17)이 광축(4a) 상에 배열되어 이루어진다. 광축(4a)은 프로젝터(1)의 배치면과 수평으로 설치되어 있다.

이들 각 렌즈는 확대 투영 광학계로서의 성능을 만족하는 적당한 형상과 파워로 설정할 수 있으나, 예를 들면, 일례로 이하와 같은 형상을 채용할 수 있다.

제1 렌즈(11) 및 제2 렌즈(12)는 모두 투영면측이 볼록면의 오목 매니스커스 렌즈이다.

제3 렌즈(13)는 양면 볼록 렌즈다.

제4 렌즈(14)는 투영면측으로부터 양면 볼록 렌즈의 렌즈(14A), 양면 오목 렌즈의 렌즈(14B)가 이 순서대로 배열하여 서로 접합된 접합 렌즈로 이루어진다.

제5 렌즈(15)는 양면 오목 렌즈다.

제6 렌즈(16)는 표시면측이 볼록면의 볼록 매니스커스 렌즈이다.

제7 렌즈(17)는 양면 볼록 렌즈이다.

그리고, 이들 파워에 의해, 투영면측에서 표시면을 향하여 (-), (-), (+), (+), (-), (+), (+)의 파워를 갖는 구성이 실현되고 있다.

제2 광학계(4B)는 제1 광학계(4A)와 반사형 표시 소자(3) 사이의 광속(光束)의 광로 및 집광 상태를 조정하기 위한 (+)의 파워를 갖는 광학계이고, 광축(4a)에 대해서 편심되어 배치되어 있다. 본 실시형태에서는 반사형 표시 소자(3)의 편심 방향과 같은 방향으로 거리(b)만큼 평행 편심되어 배치되어 있다. 부호(4b)는 제2 광학계(4B)의 광축을 나타낸다.

이 평행 편심량(b)의 크기와 방향은 투영 광학계(4)의 구성 등에 따라서 다르므로, 광선 추적을 행하여, 예를 들면, 화상 표시 영역(3a)이 확대 투영되는 투영 위치에서의 왜곡 수차량이나, 대칭성 균형 등이 허용 범위가 되도록 적당히 설정한다.

일반적으로, 평행 편심량(b)은 반사형 표시 소자(3)의 평행 편심량(a)에 비해 작은 값이라도 충분한 효과를 얻을 수 있으며, 이 때문에, 제2 광학계(4B)를 편심시키더라도 스크린(6) 상의 화상 투영 영역은 그다지 변화되지 않으며, 오프셋 투영 상태가 유지된다.

제2 광학계(4B)의 구성은, 본 실시형태에서는 표시면측이 거의 평면에 가까운 양면 볼록 렌즈인 시야 렌즈(18)만으로 이루어진다.

그리고, 시야 렌즈(18)는 파워를 갖지 않는 커버 글래스(3c)를 사이에 두고, 화상 표시 영역(3a)과 대향되어 배치되어 있다. 이 때문에, 파워를 갖는 광학 소자로는 반사형 표시 소자(3)에 가장 가까운 위치에 위치한다.

또 본 실시형태의 제2 광학계(4B)는 조명 유닛(2)과 반사형 표시 소자(3) 사이의 광로 상에 걸쳐 설치되어 있고, 조명 유닛(2)으로부터의 조명광을 화상 표시 영역(3a) 상에 집광하는 구성으로 되어 있다.

다음에, 프로젝터(1)의 동작에 대해서 투영 광학계(4)의 광학 작용을 중심으 로 설명하기로 한다.

소정의 타이밍에 따라서 소정의 파장광으로서 조명 유닛(2)으로부터 출사되는 조명광은, 도 2에 도시한 바와 같이 제2 광학계(4B)를 투과하여 집광된다. 그리고, 커버 글래스(3c)를 투과하고, 화상 표시 영역(3a)의 중심 법선(3b)에 대해서 비스듬히 아래쪽으로부터 입사한다.

화상 표시 영역(3a) 상의 각 공간 변조 요소는 소정의 파장, 타이밍에 따른 화상 신호에 따라서, 예를 들면, 조명광을 투영 광학계(4)에 입사하는 방향으로 반사하는 온 상태와, 조명광을 투영 광학계(4)에 입사하지 않는 방향으로 안내하는 오프 상태로 구동된다.

이 때문에, 화상 표시 영역(3a) 상에는 온 상태의 공간 변조 요소에서 반사된 광에 의해 화상이 표시된다. 이들 반사광은 커버 글래스(3c)를 투과하여 제2 광학계(4B)에 입사하고, 제2 광학계(4B)의 굴절 작용을 받아 집광되면서 제1 광학계(4A)측으로 출사된다.

이 때, 시야 렌즈(18)를 광축(4a)에 대해서 거리(b)만큼 평행 편심시키고 있기 때문에, 시야 렌즈(18)가 광축(4a)과 동축인 경우에 비해, 광의 굴절 방향이 편심 방향, 편향량에 따라서 변화된다. 따라서, 시야 렌즈(18)의 파워, 초점 거리에 따라서 제1 광학계(4A)로의 입사 위치, 입사각이 변경된다.

이 때, 시야 렌즈(18)는 확대 투영을 하는 투영 광학계(4)에서, 반사형 표시 소자(3)의 반사광이 최초로 통과하는 파워를 갖는 광학 소자이기 때문에, 상대적으로 광속 직경이 작은 광으로서 투과한다. 이 때문에, 시야 렌즈(18)의 굴절 작용은 구면 수차 등의 결상 성능보다, 왜곡 수차나 상면(像面) 만곡 등의 투영면에서의 결상 위치의 기하학적인 어긋남량에 따른 수차에 영향을 미치는 것으로 되어 있다. 예를 들면, 평행 편심은 주로 왜곡 수차에 영향을 미치고, 경사 편심은 주로 상면 만곡에 영향을 미친다.

그리고, 평행 편심량(b)을 적당히 설정함으로써, 후단의 광학 소자에 비해 작은 편심량으로도 왜곡 수차를 저감시키거나, 대칭성을 개선할 수 있다.

이러한 편심을 행함으로써, 화상 투영 영역과 다른 투영면을 향하는 광로에서의 수차는 오히려 나빠진다는 것을 생각할 수 있으나, 오프셋 투영에서는 그러한 영역에 화상을 투영하지 않으므로, 아무런 문제가 되지 않는다. 이와 같이, 본 실시형태는 투영 광학계(4)의 모든 화각 내의 수차 분포를 변경하여, 화상 투영 영역 부분의 수차의 향상을 도모하는 것이다.

제2 광학계(4B)로부터 출사된 광은 제1 광학계(4A)로 입사하고, 광로를 따라서 제7 렌즈(17), 제6 렌즈(16), 제5 렌즈(15), 제4 렌즈(14), 제3 렌즈(13), 제2 렌즈(12), 제1 렌즈(11)를 투과하여 각각에 의해 굴절 작용을 받아서, 도 1에 도시한 바와 같이 투영 광학계(4)의 배율에 대응하여, 광축(4a)에 대해서 비스듬히 위쪽으로 연장되는 투영 중심축(5a)을 중심으로 하여 화각(θ1)의 범위를 나아가 스크린(6) 상에서 결상된다.

이와 같이 하여, 화상 표시 영역(3a)에 표시된 화상이 스크린(6) 상에 확대 투영된다. 이 때, 스크린(6) 상의 투영 위치는 투영 광학계(4)의 배율과 화상 표시 영역(3a)의 중심 법선(3b)의 평행 편심량(a)에 의해 대략 결정되고, 투영 위치에서 의 왜곡 수차가 제2 광학계(4B)의 평행 편심량(b)에 의해 개선된다. 그 결과, 프로젝터(1)에 의해 고화질의 화상을 오프셋 투영할 수 있다.

다음에, 본 실시형태의 변형예에 대해서 설명하기로 한다. 모두 상기한 바와 동일한 구성을 가지며, 광학 소자의 편심을 바꾼 것이다.

제1 변형예에서는 제2 광학계(4B)를 평행 편심시키는 대신에, 기준축 및 반사형 표시 소자(3)의 평행 편심 방향에 각각 직교하는 축 회전의 경사 편심을 부가하는 것이다. 이 경우, 회전 방향에 의해 반사형 표시 소자(3)의 평행 편심에 의한 왜곡 수차를 개선할 수 있다.

제2 변형예에서는 상기한 제1 실시형태에서, 제2 광학계(4B)에 부가하여 제1 광학계(4A) 내의 광학 소자의 일부를 평행 편심시킨다. 이 경우, 왜곡 수차 등에 대해서 영향이 다른 또 다른 광학 소자의 평행 편심을 조합하기 때문에 세밀한 수차 보정을 행할 수 있다. 또, 제1 광학계(4A)의 광학 소자의 일부와 제2 광학계(4B) 사이에 각각 최적의 편심량을 부여함으로써, 다른 수차에 대한 영향을 저감시킬 수 있다.

또한, 이 경우, 투영 광학계(4)의 기준축이 되는 제1 광학계(4A)의 광축(4a)이란, 편심된 광학 소자를 제외한 제1 광학계(4A)의 광축을 의미한다.

제3 변형예에서는 상기 제1 실시형태, 제1 변형예 및 제2 변형예에서, 기준축 및 반사형 표시 소자(3)의 평행 편심 방향에 각각 직교하는 축 회전의 경사 편심을 부가하는 것이다.

이 경우, 경사 편심은, 상술한 바와 같이 주로 상면 만곡에 영향을 미치므 로, 상면 위치에 어긋남에 의한 화상의 흐려짐 등을 개선하여, 고화질의 오프셋 투영을 행할 수 있게 된다.

경사 편심시킬 수 있는 것은 반사형 표시 소자(3), 제2 광학계(4B) 및 제1 광학계(4A)의 일부의 광학 소자이다.

경사 편심의 방향과 편심량은 투영 광학계(4)의 구성에 따라서 다른 수차에 대한 영향을 고려하여 적당히 설정할 수 있다. 예를 들면, 평행 편심에 의해 왜곡 수차가 개선되더라도 상면 만곡이 악화될 수 있는데, 이 경우, 상면 만곡의 악화를 없애는 방향으로 경사 편심을 가함으로써, 왜곡 수차와 상면 만곡이 각각 양호해지도록 할 수 있다.

[제2 실시형태]

본 발명의 제2 실시형태에 따른 투영 광학계 및 화상 투영 장치에 대해서 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 화상 투영 장치의 개략 구성을 나타내는 모식적인 정면도이다. 도 4는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 화상 투영 장치에 사용하는 투영 광학계의 구성을 나타내는 광축을 포함하는 단면의 개략 구성도이다.

본 실시형태의 프로젝터(10)는 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 제1 실시형태의 프로젝터(1)에서 반사형 표시 소자(3)를 대신하여 투과형 표시 소자(7)를 구비하고, 조명 유닛(2)의 조사 방향을 투과형 표시 소자(7)의 표시면의 이면측으로 바꾼 점이 다르다. 이하, 상기 제1 실시형태와 다른 점을 중심으로 설명하기로 한다.

투과형 표시 소자(7)는 조명 유닛(2)에 의해 표시면 이면측으로부터 조사 타이밍에 따라서 조사되는 파장의 조명광을 화상 신호에 따라서 공간 변조하고, 색 분해된 화상을 화상 표시 영역(7a)에 표시하는 것이다. 투과형 표시 소자(7)로는, 예를 들면 액정 표시 디바이스(LCD)를 채용할 수 있다.

본 실시형태에서는 설명의 편의상, 투과형 표시 소자(7)를 단일판의 구성으로 하고 있으나, 조명광(R, G, B)에 따른 3판 구성 LCD 등의 투과형 공간 변조 소자를 설치하여, 각각의 투과형 공간 변조 소자를 투과한 광을 색 합성하는 구성으로 하는 것이 일반적인 형태이다. 이 경우는, 투영 광학계(4)와 투과형 표시 소자(7) 사이에 색 합성 광학 요소를 필요로 하나, 본 설명에서는 생략했다. 또한, 이러한 구성에서는, 색 합성 광학 요소에 의해 3가지 투과형 공간 변조 소자의 표시면이 각각 광학적으로 등가인 위치에 배치된 화상 표시 영역을 이루고 있다.

화상 표시 영역(7a)은 특별히 도시하지는 않았으나, 예를 들면, 화상 신호의 화소 단위에 따른 다수의 공간 변조 요소가 표시 평면 상에 격자 모양으로 배열되어 이루어진다. 본 실시형태에서는 예를 들면, 장변×단변이 W×H인 직사각형 모양으로 설치되어 있다. 중심 법선(7b)은 화상 표시 영역(7a)의 중심에서의 표시 평면의 법선을 나타낸다.

투과형 표시 소자(7)의 화상 표시 영역(7a)은, 투영 광학계(4)에 대해서 제1 실시형태의 반사형 표시 소자(3)와 동일한 위치 관계에 배치되어 있다. 즉, 투영 광학계(4)의 상면 상에서 중심 법선(7b)이 제1 광학계(4A)의 광축(4a)에 대해서 투영면의 방향과 반대측으로 거리(a)만큼 평행 편심된 위치에 배치되어 있다.

또한, 축 오프셋(Δh)도 상기 제1 실시형태와 마찬가지로 정의된다.

이와 같이 본 실시형태의 프로젝터(10)는 표시 소자로서 반사형 표시 소자(3)를 대신하여 투과형 표시 소자(7)를 사용한 예로 되어 있다.

이 때문에, 조명광을 투과형 표시 소자(7)의 이면측에서 조사할 수 있기 때문에, 조명 유닛(2)을 투영 광학계(4)에 간섭하지 않도록 배치하기 쉬워져 장치 레이아웃의 자유도를 향상시킬 수 있다.

또 투영 광학계로는, 조명 유닛(2)으로부터의 조명광이 제2 광학계(4B)를 투과하지 않고 표시 소자로 유도되는 점만이 다르므로, 표시 소자에서 스크린(6)까지의 광로 및 광학 작용에 관한 작용 효과는 제1 실시형태의 경우와 동일하다.

따라서, 화상 표시 영역(7a)에 표시된 화상은, 투영 광학계(4)에 의해 스크린(6) 상에 확대 투영된다. 이 때, 스크린(6) 상의 투영 위치는, 화상 표시 영역(7a)의 중심 법선(7b)의 평행 편심량(a)에 의해 대략 결정되며, 투영 위치에서의 왜곡 수차가 제2 광학계(4B)의 평행 편심량(b)에 의해 개선된다. 따라서, 프로젝터(10)에 의해 고화질의 화상을 오프셋 투영할 수 있다.

또 제1 실시형태의 각 변형예는 본 실시형태에 대해서도 마찬가지로 적용할 수 있다.

또한, 상기한 제1 실시형태의 설명에서는, 조명 유닛(2)으로부터의 조명광을 제2 광학계(4B)에 투과시켜 화상 표시 영역(3a)으로 유도하는 구성인 경우를 예로 들어 설명했으나, 반사형 표시 소자(3)를 사용하는 경우의 구성은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 조명 유닛(2) 내에서 조명광의 수속 정도를 적당히 설정해 두 고, 제2 광학계(4B)를 투과시키지 않고 화상 표시 영역(3a)을 조명할 수도 있다.

또 상기한 설명에서는, 제2 광학계(4B)가 단일 렌즈로 구성되는 경우를 예로 들어 설명했으나, 제2 광학계(4B)는 렌즈군으로 구성되어 있을 수도 있다.

또 상기한 설명에서는, 표시 소자가 하나의 공간 변조 소자 또는 복수의 공간 변조 소자와 색 합성 광학 요소로 이루어지고, 이들 공간 변조 소자의 화상 표시면이 화상 표시 영역인 경우를 예로 들어 설명했으나, 표시 소자의 화상 표시 영역은, 예를 들면 공간 변조 소자의 화상 표시면의 화상을 다른 표시면으로 릴레이하여 형성할 수도 있다.

또 상기한 설명에서는, 화상 투영 장치로서 장치의 외부에 설치된 투영면에 화상을 투영하는, 이른바 프론트 프로젝션 방식의 프로젝터를 예로 들어 설명했으나, 장치의 외주부에 설치된 투과형 스크린에 장치 내부측으로부터 화상을 투영하는, 이른바 리어 프로젝션 방식의 프로젝터에 사용할 수도 있다.

또 상기한 설명에서는, 표시 소자의 축 오프셋 방향을 단변 방향으로 하여 설명했으나, 축 오프셋 방향은 단변 방향에 한정되지는 않는다. 예를 들면, 장변 방향 또는 임의의 방향으로 축 오프셋하여 오프셋 투영을 하는 경우라도, 그 축 오프셋 방향에 따라서 광학 소자의 오프셋 방향을 바꿈으로써 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또 상기한 설명에서는 표시 소자, 제2 광학계, 제1 광학계의 일부의 광학 소자의 편심은 일정하다고 설명했으나, 편심 가변 기구(미도시)를 설치하여, 필요에 따라서 수동 또는 자동으로 조정할 수 있도록 할 수도 있다. 이러한 편심 가변 기 구는 표시 소자, 제2 광학계 또는 제1 광학계의 편심된 일부의 광학 소자 각각을 고정시키는 홀더 자체이거나, 홀더의 각도나 배치 위치를 조정하는 것일 수가 있다. 이러한 위치나 각도를 조정하는 기구는 잘 알려져 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

또 상기한 각 실시형태, 각 변형예에 기재된 구성 요소는, 기술적으로 가능하다면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 적당히 조합하여 실시할 수 있다.

여기서, 상기 각 실시형태의 용어와 특허 청구 범위의 용어의 대응 관계에 대해서, 명칭이 다른 경우에 대해서 설명하기로 한다.

프로젝터(1, 10)는 각각 화상 투영 장치의 일실시형태이다. 반사형 표시 소자(3), 투과형 표시 소자(7)는 각각 표시 소자의 일실시형태이다. 광축(4a)은 기준축에 대응된다.

[실시예]

다음에, 상기에서 설명한 제1 실시형태 및 그 변형예의 투영 광학계의 제1 실시예 내지 제4 실시예, 및 종래 기술에 따른 투영 광학계의 비교예에 대해서 설명하기로 한다. 단, 제2 실시형태에서도 투영면과 표시면 사이의 구성은 같으므로, 하기의 각 실시예는 제2 실시형태의 실시예가 되기도 한다.

도 5는 본 발명의 제1 실시형태 및 그 변형예에 따른 투영 광학계의 각 실시예의 개략적인 구성 및 그 광로를 나타내는 광축을 포함하는 단면의 개략적인 광로도이다. 각 실시예에서는 일부의 광학 소자가 편심되어 있으나, 각각의 편심량은 아주 적기 때문에, 각 실시예 모두 공통 도면을 사용하여 설명하기로 한다.

이하에서는, 광축(4a)에 직교하는 방향 중, 스크린(6)의 평행 편심 방향(도 1, 2, 5의 도시 상방향)을 순방향으로 하여 Y축을 설정하고, 그와 직교하는 방향, 지면 앞 방향을 순방향으로 하여 X축을 설정한다. 즉, 화상 표시 영역(3a)은 X축 방향으로 폭(W), Y축 방향으로 높이(H)의 직사각형 모양으로 이루어져 있으며, 제1 실시형태의 평행 편심(b)은 Y축 역방향으로의 편심으로 되어 있다.

제1 실시예는 제2 광학계(4B)를 Y축 역방향으로 O.3mm만큼 평행 편심된 실시예이다. 본 실시예는 상기 제1 실시형태의 일례로 되어 있다.

제2 실시예는 제1 실시예에서 화상 표시 영역(화상면)을 커버 글래스(3c)와 함께 지면 시계 방향으로 6분만큼 더 경사 편심된 실시예이다. 본 실시예는 상기 제1 실시형태의 제3 변형예의 일례로 되어 있다

제3 실시예는 제2 광학계(4B)를 지면 시계 방향으로 1.5도(1도 30분)만큼 경사 편심된 실시예이다. 본 실시예는 상기 제1 실시형태의 제1 변형예의 일례로 되어 있다.

제4 실시예는 제3 실시예에서, 제1 광학계(4A)의 제1 렌즈(11)를 지면 시계 방향으로 33분만큼 더 경사 편심된 실시예이다. 본 실시예는 상기 제1 실시형태의 제3 변형예의 다른 예로 되어 있다.

비교예는 종래예에 대한 수차 저감 비율을 산출하기 위해서 계산한 것으로, 제1 실시예에서 제2 광학계(4B)의 평행 편심을 Omm, 즉, 광축(4a)에 대해서 동축에 배치한 예이다.

어떠한 것도 반사형 표시 소자(3)는 어스펙트비 4:3의 O.55인치 DMD를 사용 하는 것으로 한다. 즉, 화상 표시 영역(3a)의 크기는 W=11.2mm, H=8.4mm이다. 그리고, 축 오프셋(Δh)은 %표시로 하여 Δh=130%로 하고 있다.

이 실시예들의 초점 거리는 16.4mm, F값은 2.3이다.

물체 거리가 무한원인 렌즈 데이터를 하기의 표 1에 나타낸다. 도 5에 표기된 r_i, d_i(i는 정수)는 표 1의 r_i, d_i에 대응한다. 길이의 단위는 mm이다. 또한, 굴절율에 대해서는 d선(파장 587.56nm)에 대한 것을 표기하고 있다.

여기서, y₁은 평행 편심량을 나타내고, α₁, α₂, α₃은 경사 편심량을 나타내며, 각 실시예에 따라서 하기의 표 2의 값을 취한다. 각각의 방향은 상기에서 설명한 바와 같다(도 5 화살표를 참조).

	y₁(mm)	α₁(분)	α₂(도)	α₃(분)
제1실시예	0.3	0	0	0
제2실시예	0.3	0	0	6
제3실시예	0	0	1.5	0
제4실시예	0	33	1.5	0
비교예	0	0	0	0

다음에, 각 실시예, 비교예의 왜곡 수차와 상면 만곡의 계산 결과에 대해서 설명하기로 한다.

이들 계산은 역광선 추적을 행하여 화상 표시 영역(3a) 위의 값으로 구했다.

도 6은 비교예의 왜곡 수차를 나타내는 벡터도이다. 왜곡 수차를 나타내는 벡터도의 횡축은 X축 방향의 상 높이(이하, X상 높이), 종축은 Y축 방향의 상 높이(이하, Y상 높이)를 나타내고, 각각의 단위는 mm이다. 또 왜곡 수차의 계산 위치는 화살표 시작점의 격자점으로 설정되고, 화살표 방향에서 왜곡 수차의 방향을 나타내고, 도면 중의 스케일에 대한 화살선의 길이로 왜곡 수차의 크기를 나타내고 있다(이하도 동일함). 도 7a 및 도 7b는 각각 제1 실시예 및 제2 실시예의 왜곡 수차를 나타내는 벡터도이다. 도 8a 및 도 8b는 각각 제3 실시예 및 제4 실시예의 왜곡 수차를 나타내는 벡터도이다. 도 9는 각 실시예, 비교예의 상면 만곡의 계산 위치를 나타내는 모식도이다.

각 실시예에 대해서 왜곡 수차의 최대값 Dmax(mm)과 개선율(%)을 다음 표 3에 나타낸다.

여기서, 개선율은 비교예의 Dmax에서 각 실시예의 Dmax를 빼고 비교예의 Dmax로 나눈 비율이다.

각 실시예에 대해서, 상면 만곡의 계산 결과를 다음 표 4에 나타낸다.

여기서, 각 상면 만곡량 C₊₊, C_+-, C_-+, C_--, C₀₀은 화상 표시 영역(3a)의 각 정점 위치와 중심 위치에서의 값이고, 도 9에 도시한 바와 같이 각각 x축 순방향 또 Y축 순방향의 정점(3d), X축 순방향 또 Y축 역방향의 정점(3e), X축 역방향 또 Y축 순방향의 정점(3f), X축 역방향 또 Y축 역방향의 정점(3g)과 중심 법선(3b)과의 교점의 중심 위치에 대응하는 것이며, 단위는 mm이다.

또, max―min는, 즉 화상 표시 영역(3a) 내의 상면 만곡의 최대값과 최소값의 차이를 나타낸다.

또 개선율은 상면 만곡의 편차 max―min에 대해서, 비교예의 값에서 각 실시예의 값을 빼고 비교예의 값으로 나눈 비율이다.

비교예의 왜곡 수차는, 도 6에 도시한 바와 같이 X상 높이의 중심의 Y상 높이 순방향측에서 왜곡 수차가 가장 작아지고, Y상 높이가 (-)측, X상 높이의 절대값이 커지는 측에서 각각 커지는 분포를 갖는다. 이 때문에, 피투영 화상의 상하 방향에 걸쳐 불균일한 왜곡이 발생하여 화질이 열화되는 것이다.

비교예의 상면 만곡은 표 4에 나타낸 바와 같이, 도 9의 정점(3e, 3g)에서 큰 값을 갖는다. 이 때문에, 그 근방에서의 핀트가 맞지 않았다.

제1 실시예에서는 왜곡 수차가 도 7a에 도시한 바와 같이, 화상 표시 영역(3a)의 중심 위치에서 최소가 되고, 상하 방향의 수차 발생량의 대칭성이 양호하다. 또 표 3에 나타낸 바와 같이, Dmax도 비교예에 비해 13.7% 개선되었다.

따라서, 본 실시예에서는 왜곡 수차의 발생 방향으로 제2 광학계(4B)를 평행 편심시킴으로써 왜곡 수차가 현격히 향상되었다.

한편, 표 4에 의하면, 상면 만곡은 전반적으로 비교예에 비해 악화되었다.

제2 실시예에서는 왜곡 수차가 도 7b에 도시한 바와 같이, 거의 제1 실시예와 동일한 경향을 가지며, 또 표 3에 나타낸 바와 같이, Dmax도 비교예에 비해 12.2% 개선되었다.

따라서, 반사형 표시 소자(3)의 경사 편심을 가하더라도 제1 실시예와 거의 동일하게 왜곡 수차가 현격히 향상되었다.

한편, 표 4에 의하면, 상면 만곡은 제1 실시예보다 비교예에 가까운 값을 취하고, 상면 만곡의 편차는 비교예에 비해 3.0% 개선되었다.

이와 같이 평행 편심과 경사 편심을 조합함으로써 왜곡 수차, 상면 만곡 모두 개선되었다.

제3 실시예에서는 왜곡 수차가 도 8a에 도시한 바와 같이, 거의 제1 실시예와 동일한 경향을 가지며, 또 표 3에 나타낸 바와 같이, Dmax도 비교예에 비해 3.6% 개선되었다.

이 때문에, 화상 왜곡의 개선 정도는 약간 적으나, 화상 왜곡의 대칭성이 양호해졌다.

한편, 표 4에 의하면, 상면 만곡은 비교예에 비해 악화되는 경향이 있다.

제4 실시예에서는 왜곡 수차가 표 3에 나타낸 바와 같이, Dmax는 비교예에 비해 거의 동일(-0.7%)한 결과를 가지며, 도 8b에 도시한 바와 같이, 상하 방향의 대칭성은 거의 제1 실시예와 마찬가지로 양호하며, 화상 왜곡의 대칭성이 양호해졌다.

한편, 표 4에 의하면, 상면 만곡은 제3 실시예에 비해 현저히 개선되었고, 비교예와도 거의 동일(-0.6%)한 결과를 갖는다.

이 결과들로부터, 제2 광학계(4B)는 평행 편심과 경사 편심 중 어느 하나도로 왜곡 수차를 개선할 수 있음을 알 수 있다.

또 반사형 표시 소자(3), 제1 광학계(4A)의 일부 광학 소자에 경사 편심을 가함으로써 상면 만곡을 개선할 수 있음을 알 수 있다.

따라서, 이들 평행 편심과 경사 편심을 필요에 따라서 적당히 조합함으로써 왜곡 수차 및 상면 만곡을 개선할 수 있으며, 화질 향상을 도모할 수 있다.

이 때, 편심 방향을 역전하면 수차의 변화 방향도 역전되므로, 필요에 따라서 광학 소자의 편심 방향을 바꿈으로써 전체 수차를 더욱 최적화할 수 있다.

본 발명의 투영 광학계 및 이를 이용한 화상 투영 장치에 의하면, 표시 소자측에 배치된 제2 광학계를 편심함으로써, 화상 표시 영역을 오프셋 투영하는 부분의 수차를 저감시킬 수 있으므로, 간단한 구성에 의해서 수차를 저감시키고 고화질의 화상을 투영할 수 있는 효과를 나타낸다.

이러한 본원 발명인 투영 광학계 및 이를 이용한 화상 투영 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

피투영 화상을 화상 표시 영역에 표시하는 표시 소자와, 투영면에서 상기 표시 소자까지의 사이의 광로를 따라서 순차 배치된 제1 광학계와 제2 광학계를 가지며, 상기 표시 소자의 화상 표시 영역을 상기 제1 광학계의 광축에 대해서 편심된 위치에 확대 투영하는 투영 광학계로서,

상기 제1 광학계의 광축을 기준축으로 했을 때, 상기 표시 소자의 화상 표시 영역이 적어도 평행 편심되어 배치됨과 동시에, 상기 제2 광학계가 편심되어 배치되며,

상기 제2 광학계는, 상기 표시 소자에 가장 가까운 위치에서 상기 표시 소자의 화상 표시 영역에 편심되어 위치하며 파워를 갖는 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 투영 광학계.
제1항에 있어서,

상기 표시 소자의 화상 표시 영역은 상기 기준축에 대해서 투영면의 방향과 반대측으로 평행 편심된 것을 특징으로 하는 투영 광학계.
제1항에 있어서,

상기 표시 소자의 상기 기준축에 대한 축 오프셋 Δh는, 상기 화상 표시 영역의 평행 편심한 거리를 상기 화상 표시 영역의 편심 방향의 변의 길이의 반으로 나눈 값으로 주어진다고 할 때, 하기의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 투영 광학계.

<조건식 1>

0<Δh≤2.0
삭제
제1항에 있어서,

상기 제2 광학계는 상기 기준축에 대해서 평행 편심되어 배치된 것을 특징으로 하는 투영 광학계.
제1항에 있어서,

상기 제2 광학계는 상기 기준축에 대해서 경사 편심되어 배치된 것을 특징으로 하는 투영 광학계.
제1항에 있어서,

상기 제2 광학계의 편심을 수동 또는 자동으로 조정할 수 있는 편심 가변 기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투영 광학계.
제1항에 있어서,

상기 제1 광학계는 복수의 광학 소자를 포함하며,

상기 복수의 광학 소자 중 적어도 하나의 광학 소자가 상기 기준축에 대해서 편심되어 배치된 것을 특징으로 하는 투영 광학계.
제8항에 있어서,

상기 복수의 광학 소자 중 편심되어 배치된 적어도 하나의 광학 소자의 편심을 수동 또는 자동으로 조정할 수 있는 편심 가변 기구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투영 광학계.
제1항에 있어서,

상기 표시 소자의 화상 표시 영역이 상기 기준축에 대해서 경사 편심되어 배치된 것을 특징으로 하는 투영 광학계.
제1항 내지 제 3항, 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 투영 광학계를 사용하여 상기 표시 소자의 화상 표시 영역의 화상을 확대 투영하는 화상 투영 장치.