JP5484098B2 - 投写光学系及び画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、小型の画像表示パネルから出射された変調光を拡大投写する投写光学系、及び、この投写光学系を含む画像表示装置に関するものである。

大画面の画像表示装置を安価に実現する方式として、投写型（リアプロジェクション型）の画像表示装置が知られている。しかし、投写型の画像表示装置は、投写光路を確保する空間を必要とするので、装置の奥行き及び高さが大きくなるという問題があった。この対策として、レンズ系とパワーミラーとを含む投写光学系からの投写光を投影面（スクリーン面）に対し垂直ではなく斜めに投写することによって、装置の奥行き寸法又は高さ寸法を小さくする提案がある。

例えば、特許文献１（図４，５など）には、レンズ系から出射した変調光をパワーミラーに入射する前に平面ミラーで水平方向に折り曲げることにより、画像表示装置の奥行き寸法を小さくすることが記載されている。

また、特許文献２（図２，４など）には、レンズ系から出射した変調光を凸面ミラーに入射する前に平面ミラーで上方向に折り曲げることにより、画像表示装置の奥行き寸法及び高さ寸法を小さくすることが記載されている。

特開２００７−３２３０４７号公報 特開２００７−９４４０５号公報

しかしながら、従来の投写光学系においては、レンズ系出射後から凸面ミラーに入射するまでの光路において光束は常に発散状態であるので、レンズ系出射後から凸面ミラーに入射するまで変調光と他の構成（例えば、スクリーンの下端）と干渉しないように配置するためには、画像表示装置のスクリーン下側に大きなスペースを確保することが必要となり、画像表示装置の高さ寸法（スクリーン下側の部分の袴高さ）を十分に小さくすることができないという問題があった。

また、特許文献１に記載の画像表示装置の投写光学系においては、レンズ系から出射されパワーミラーに入射する変調光は大きく発散しているので、変調光を折り曲げる平面ミラーのサイズは非常に大きくなる。そして、サイズの大きな平面ミラーをパワーミラーからスクリーンに向かう変調光と干渉しないように配置するためには、画像表示装置の筐体内のスクリーン下側に大きなスペースを確保することが必要となり、画像表示装置の高さ寸法（スクリーン下側の部分の袴高さ）を十分に小さくすることができないという問題があった。

また、特許文献２に記載の画像表示装置の投写光学系においては、レンズ系から出射され凸面ミラーに入射する変調光は発散しているので、変調光を折り曲げる平面ミラーのサイズが大きくなること、及び、平面ミラーにより変調光を上方に折り曲げる構成としていることから、画像表示装置の高さ寸法（スクリーン下側の部分の袴高さ）を十分に小さくすることができないという問題があった。

そこで、本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、画像表示装置の袴高さを小さくすることを可能にする投写光学系、並びに、袴高さの小さい画像表示装置を提供することにある。

本発明の一形態に係る投写光学系は、照明光を変調する画像表示パネルからの光束を、スクリーンに対して斜め方向に拡大投写する投写光学系において、複数のレンズを含み、前記画像表示パネルからの前記光束を屈折させるレンズ系と、前記レンズ系からの前記光束を反射する１つの凸面ミラーとを有し、前記レンズ系と前記凸面ミラーとは、前記画像表示パネル側から順に配置され、前記レンズ系は、収束した状態の光束を出射し、前記収束した状態の光束は、前記レンズ系出射後から前記凸面ミラーに入射するまでの光路中で一旦収束した後、発散した状態で前記凸面ミラーに入射し、前記レンズ系は、前記画像表示パネル側から順に、正のパワーを有する第１レンズ群と、レンズ系絞りと、正のパワーを有する第２レンズ群とを含み、前記レンズ系出射後から前記凸面ミラーに入射するまでの光束の収束点の位置と、前記レンズ系絞りの位置とが略共役の関係となるように構成されたことを特徴としている。

本発明の他の形態に係る投写光学系は、照明光を変調する画像表示パネルからの光束を、スクリーンに対して斜め方向に拡大投写する投写光学系において、複数のレンズを含み、前記画像表示パネルからの前記光束を屈折させるレンズ系と、前記レンズ系からの前記光束を反射する１つの凸面ミラーとを有し、前記レンズ系と前記凸面ミラーとは、前記画像表示パネル側から順に配置され、前記レンズ系は、収束した状態の光束を出射し、前記収束した状態の光束は、前記レンズ系出射後から前記凸面ミラーに入射するまでの光路中で一旦収束した後、発散した状態で前記凸面ミラーに入射し、前記レンズ系は、前記画像表示パネル側から順に、レンズ系絞りと、正のパワーを有する第１レンズ群と、正のパワーを有する第２レンズ群とを含み、前記レンズ系出射後から前記凸面ミラーに入射するまでの光束の収束点の位置と、前記レンズ系絞りの位置とが略共役の関係となるように構成したことを特徴としている。

また、本発明の画像表示装置は、前記投写光学系のいずれかと、前記投写光学系から出射される変調光の光束が投写されるスクリーンとを有することを特徴としている。

本発明の投写光学系によれば、レンズ系は、収束した状態の光束を出射し、収束した状態の光束はレンズ系出射後から凸面ミラーに入射するまでの光路中で一旦収束した後、発散した状態で凸面ミラーに入射するので、画像表示装置の袴高さを小さくすることができるという効果がある。また、本発明の画像表示装置によれば、レンズ系は、収束した状態の光束を出射し、収束した状態の光束はレンズ系出射後から凸面ミラーに入射するまでの光路中で一旦収束した後、発散した状態で凸面ミラーに入射するので、袴高さが小さくなるという効果がある。

比較例の画像表示装置の内部構成（平面ミラーを備えないと仮定した場合の内部構成）を概略的に示す図である。 比較例の画像表示装置の投写光学系の構成（平面ミラーを備えないと仮定した場合の構成）を拡大して示す図である。 比較例の画像表示装置の内部構成（平面ミラーを備えた場合の内部構成）を概略的に示す平面図である。 比較例の画像表示装置の内部構成を図３のＤ４方向に見る概略的な側面図である。 本発明の実施の形態１に係る画像表示装置の内部構成（平面ミラーを備えないと仮定した場合の内部構成）の一例を概略的に示す図である。 実施の形態１に係る画像表示装置の内部構成の一例を概略的に示す平面図である。 実施の形態１に係る画像表示装置の内部構成を図６のＤ７方向に見る概略的な側面図である。 実施の形態１に係る画像表示装置の投写光学系における結像関係の一例を示す図である。 凸面ミラーにより生じる像面湾曲の一例を示す図である。 凸面ミラーにより生じる像面湾曲の補正方法の一例を示す図である。 凸面ミラーにより生じる歪曲の一例を示す図である。 レンズ系により生じる歪曲の一例を示す図である。 投写光学系に光を照射する照明装置の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る画像表示装置の内部構成（平面ミラーを備えないと仮定した場合の内部構成）の一例を概略的に示す図である。 実施の形態２に係る画像表示装置の内部構成（平面ミラーを備えた場合の内部構成）の一例を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態３に係る画像表示装置の内部構成（平面ミラーを備えないと仮定した場合の内部構成）の一例を概略的に示す図である。 実施の形態３に係る画像表示装置の内部構成（平面ミラーを備えた場合の内部構成）の一例を概略的に示す平面図である。 レンズ系の光軸と凸面ミラーの光軸とのなす角度が略直角の場合の平面ミラーサイズを示す平面図である。 レンズ系の光軸と凸面ミラーの光軸とのなす角度が鋭角の場合の平面ミラーサイズを示す平面図である。 レンズ系の光軸と凸面ミラーの光軸とのなす角度が略直角の場合の平面ミラーサイズを示す側面図である。 レンズ系の光軸と凸面ミラーの光軸とのなす角度が鋭角の場合の平面ミラーサイズを示す側面図である。 本発明の実施の形態４に係る画像表示装置の内部構成（平面ミラーを備えないと仮定した場合の内部構成）の一例を概略的に示す図である。 実施の形態４に係る画像表示装置の内部構成（平面ミラーを備えた場合の内部構成）の一例を概略的に示す平面図である。 実施の形態２に係る投写光学系の数値例１の数値構成例を示す図である。 実施の形態２に係る投写光学系の数値例１の非球面データを示す図である。 実施の形態２に係る投写光学系に数値例１を適用した場合の内部構成（平面ミラーを備えないと仮定した場合の内部構成）の一例を概略的に示す図である。 実施の形態２に係る投写光学系に数値例１を適用した場合の内部構成（平面ミラーを備えた場合の内部構成）の一例を概略的に示す平面図である。 実施の形態２に係る投写光学系に数値例１を適用した場合のレンズ構成を示す図である。 実施の形態２に係る投写光学系に数値例１を適用した場合のディストーションを示す図である。 実施の形態２に係る投写光学系に数値例１を適用した場合のスポットダイアグラムを示す際のスクリーン上の位置を示す図である。 実施の形態２に係る投写光学系に数値例１を適用した場合のスポットダイアグラムを示す図である。 実施の形態４に係る投写光学系の数値例２の数値構成例を示す図である。 実施の形態４に係る投写光学系の数値例２の非球面データを示す図である。 実施の形態４に係る投写光学系に数値例２を適用した場合の内部構成（平面ミラーを備えないと仮定した場合の内部構成）の一例を概略的に示す図である。 実施の形態４に係る投写光学系に数値例２を適用した場合の内部構成（平面ミラーを備えた場合の内部構成）の一例を概略的に示す平面図である。 実施の形態４に係る投写光学系に数値例２を適用した場合のレンズ構成を示す図である。 実施の形態４に係る投写光学系に数値例２を適用した場合の中間像の像面湾曲の状態を示す図である。 実施の形態４に係る投写光学系に数値例２を適用した場合のレンズ群による画像表示パネルの像の像面湾曲の状態を示す図である。 実施の形態４に係る投写光学系に数値例２を適用した場合のディストーションを示す図である。 実施の形態４に係る投写光学系に数値例２を適用した場合のスポットダイアグラムを示す図である。

以下に、本発明の実施の形態の説明に用いる比較例の画像表示装置を説明し、その後に、本発明の実施の形態１，２，３，４を説明する。

比較例．
図１は、比較例の画像表示装置の内部構成（平面ミラーを備えないと仮定した場合の内部構成）を概略的に示す図であり、図２は、図１の比較例の画像表示装置の投写光学系の構成（平面ミラーを備えないと仮定した場合の構成）を拡大して示す図である。図１及び図２は、比較例の画像表示装置の投写光学系の構成とスクリーン下側の袴高さＨ０との関係を説明するための図であり、平面ミラー３による変調光の折り曲げが無いと仮定した場合を示している。また、図３は、比較例の画像表示装置の内部構成（平面ミラーを備えた場合の内部構成）を概略的に示す平面図であり、図４は、比較例の画像表示装置の内部構成を図３のＤ４方向に見る概略的な側面図である。

図１乃至図４に示されるように、比較例の画像表示装置は、画像表示パネル１と、２つのレンズ群及び絞りＳ０を含み、変調光を発散光として出射するレンズ系２と、レンズ系２から出射された変調光を折り曲げる平面ミラー３と、平面ミラー３からの変調光を拡大投写する凸面ミラー４と、凸面ミラー４からの投写光を受けて画像を表示するスクリーン５とを有している。比較例においては、画像表示パネル１は、図示しない光源からの光を変調して変調光を出射し、この変調光はレンズ系２で屈折され、平面ミラー３で折り曲げられ、凸面ミラー４で反射されてスクリーン５に拡大投写される。レンズ系２においては、光束は一旦レンズ系２内の絞りＳ０で収束し、その後、発散する。なお、レンズ系２内で中間像を形成する場合も、光束は発散状態でレンズ系２から出射する。

レンズ系２と凸面ミラー４は、歪曲などの光学性能を確保するために、ある程度距離を離して配置する必要がある。また、レンズ系２の全長を短くするためにはレンズ系２を構成する各レンズ群のパワーを強くしなければならず、レンズ系２における光学的な諸収差を良好に補正することが困難になるので、レンズ系２の全長はある程度大きくする必要がある。このため、図１及び図２に示されるように、平面ミラー３を設けずに、レンズ系２と凸面ミラー４とを直線的に配置する場合には、画像表示パネル１とレンズ系２は、スクリーン５よりも前方（スクリーン５面に対して凸面ミラー４と反対側）に突き出てしまい、画像表示装置の筐体（図４の符号６）のデザイン上好ましくない。したがって、投写光学系を画像表示装置の筐体６内に収納する場合には、図３及び図４に示されるように、レンズ系２出射後から凸面ミラー４に入射するまでの光路中に平面ミラー３を配置し、光路を折り曲げることが望ましい。

図１乃至図４から理解できるように、比較例においては、レンズ系２出射後から凸面ミラー４に入射するまでの全光路において、光束は発散している。このため、平面ミラー３には、レンズ系２出射時の光束の径よりも大径の光束が入射することになり、平面ミラー３のサイズを大きくする必要がある。しかし、平面ミラー３のサイズを大きくした場合には、凸面ミラー４からスクリーン５に向かう変調光（投写光）と干渉しないように（図２の位置ＩＮＴにより投写光を遮らずに）、筐体６内に平面ミラー３を配置するために、スクリーン５をより上方（投写光学系から遠ざかる方向）に配置することが必要となり、画像表示装置の袴高さＨ０が大きくなる。

画像表示装置の袴高さＨ０を小さくするためには、平面ミラー３を小さくする、すなわち、図２に示されるように、レンズ系２から凸面ミラー４に向かう光束のうちの最も上側の光線Ｐ２４と凸面ミラー４からスクリーン５に向かう光束のうちの最も下側の光線Ｐ４５との交点Ｘをできるだけ下方にする必要がある。しかし、図２において、スクリーン５を下方に下げると、交点Ｘは光線Ｐ２４に沿ってスクリーン５に近づく（交点Ｘからスクリーン５までの水平距離Ｌ５Ｘは小さくなる）ので、平面ミラー３を凸面ミラー４から離す方向に移動させなければならず、投写光学系がスクリーン５より前方に突き出てしまう。

また、光線Ｐ２４の水平方向に対する角度を急峻にする（レンズ系２からの出射光束をより大きく発散させる）場合には、凸面ミラー４のサイズが一定であるという条件下では、交点Ｘは光線Ｐ４５に沿って凸面ミラー４の方向に近づく（距離Ｌ５Ｘが大きくなる）が、同時に、レンズ系２と凸面ミラー４間の距離を小さくする必要がある。このため、レンズ系２から交点Ｘまでの水平距離Ｌ２Ｘを小さくする必要があり、平面ミラー３を配置するためのスペースが確保できなくなる。また、凸面ミラー４のサイズを大きくすると、交点Ｘは光線Ｐ４５に沿ってスクリーン５に近づき（距離Ｌ５Ｘが小さくなり）、平面ミラー３がスクリーン５より前方に突き出てしまう。

さらに、光線Ｐ２４を下方にシフトするために、レンズ系２の径及び凸面ミラー４のサイズを小さくする場合には、歪曲などの諸収差の補正が困難になり、適切な光学性能の確保が困難になる。レンズ系２の径を小さくせずに、光線Ｐ２４を下方にシフトするためには、レンズ系２と凸面ミラー４間の距離を小さくする必要があり、そのため、水平距離Ｌ２Ｘは小さくなり、平面ミラー３を配置するスペースが確保できなくなる。

また、平面ミラー３を配置するスペースを確保するために、レンズ系２の径及び凸面ミラー４のサイズを一定として、レンズ系２と凸面ミラー４間の距離を大きくすると、交点Ｘは光線Ｐ４５に沿ってスクリーン５に近づき、同時に上方に移動してしまう。また、図２において平面ミラー３を備えない場合においても、レンズ系２から凸面ミラー４に向かう発散光束Ｐ２４とスクリーン５の下端との干渉を回避するために、レンズ系２は、スクリーン５の下端よりも下側にある程度下げて配置することが必要である。

以上に説明したように、比較例の画像表示装置においては、レンズ系２出射後から凸面ミラー４に入射するまでの全光路において、光束は発散しているので、水平距離Ｌ２Ｘ及びＬ５Ｘを適切に確保しつつ、交点Ｘを十分下方に配置することは困難であり、その結果、画像表示装置の袴高さＨ０を小さくすることは困難である。

実施の形態１．
図５は、本発明の実施の形態１に係る画像表示装置の内部構成（平面ミラーを備えないと仮定した場合の内部構成）の一例を概略的に示す図である。図６は、実施の形態１に係る画像表示装置の内部構成の一例を概略的に示す平面図であり、図７は、実施の形態１に係る画像表示装置の内部構成を図６のＤ７方向に見る概略的な側面図である。

図５乃至図７に示されるように、実施の形態１に係る画像表示装置は、筐体１６と、筐体１６の内部に設けられた投写光学系１０と、筐体１６の前面に備えられ、投写光学系１０から出射される変調光の光束が投写されるスクリーン１５とを有している。実施の形態１においては、投写光学系１０は、筐体１６内のスクリーン１５の下側に配置されており、スクリーン１５の背面側の斜め下側からスクリーン１５に向けて画像情報を持つ変調光を拡大投写する。なお、以下の説明においては、投写光学系１０がスクリーン１５の下側に配置された場合を説明するが、投写光学系１０の位置は、スクリーン１５の下側に限定されず、スクリーン１５の上側、又は、左側、又は、右側のように、スクリーン１５のいずれかの辺に隣接した位置（概ねスクリーン５の外側）に配置することができる。また、図５においては、平面ミラー１３の設置状態を破線で示しており、レンズ系１２と凸面ミラー１４は平面ミラー１３がないと仮定した場合の設置状態、すなわち、直線的に設置している場合を示しているが、投写光学系１０の構成は、実際には、図６又は図７のように平面ミラー１３を含む構成になる。

投写光学系１０は、入力画像信号に応じて変調された変調光を出射する画像表示パネル１１と、画像表示パネル１１から出射された変調光を屈折させて、収束する光束として出射するレンズ系１２と、レンズ系１２から出射された光束（変調光）を折り曲げる平面ミラー１３と、平面ミラー１３で折り曲げられた光束（変調光）を反射して、該光束を拡大投写する凸面ミラー１４とを有している。

レンズ系１２及び凸面ミラー１４は、レンズ系１２から凸面ミラー１４までの光路の途中で光束が収束点で収束し、その後、発散する光束となるように配置されている。また、投写光学系１０は、レンズ系１２から凸面ミラー１４までの光路中に配置された絞りＳ２を有している。絞りＳ２は、平面ミラー１２で折り曲げられる光束が絞りＳ２を通過した光束となるように配置されているが、平面ミラー１２で折り曲げ後に絞りＳ２を通過するように配置してもよい。ただし、絞りと平面ミラー１２が干渉して絞りが配置できなくなる場合には、絞りＳ２を省略することが可能である。すなわち、絞りＳ２が配置されるべき「絞り位置」には、機械的な開口を有する部材を実際に配置する必要がない場合もあり、その場合の「絞り位置」とは、絞りが配置されるべき位置近傍であって光束径が最も小さくなる位置を意味する。

画像表示パネル１１としては、例えば、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）、透過型又は反射型液晶パネルなどを用いることができる。画像表示パネル１１の表示面は、その面内に２次元の画素構造を有し、画像信号に応じて、各画素単位で照明光を変調することで画像を形成する。実施の形態１においては、画像表示パネル１１は、後述する図１３の光源からの光を画像信号に応じて変調して変調光を出射する。

また、レンズ系１２は、画像表示パネル１１側に配置された第１レンズ群１２ａと、凸面ミラー１４側に配置された第２レンズ群１２ｂと、第１レンズ群１２ａと第２レンズ群１２ｂとの間に配置されたレンズ系内の絞り（以下「レンズ系内絞り」とも言う。）Ｓ１と、を有している。レンズ系１２においては、第１レンズ群１２ａからの光束は一旦レンズ系絞りＳ１で収束し、その後、発散し、第２レンズ群１２ｂで収束し、収束点以降で発散する。レンズ系絞りＳ１を設けずに、レンズ系１２内で中間像Ｉ１を形成するように構成してもよく、この場合にも、レンズ系１２から収束光を出射させることができる。レンズ系１２からの収束光は、収束点以降では発散光となり、収束点の近傍で平面ミラー１３により折り曲げられ、凸面ミラー１４で反射されてスクリーン１５に拡大投写される。

背面投写型の画像表示装置を構成する場合には、透過型のスクリーン１５を用いる。スクリーン１５としては、光束の入射側から出射側へ順に配置された、主としてフレネルレンズ及びレンチキュラーレンズで構成したものを用いることができる。フレネルレンズは、凸面ミラー１４からの発散した光束を受け、発散した光束を、平行光化しつつ透過させ、観測者の方向へ光束を偏向させる。レンチキュラーレンズは、その表面に複数のシリンドリカルレンズが形成されており、フレネルレンズからの出射光を受け、水平方向、又は、水平方向と垂直方向の両方向に拡散させて出射し、適切な視野角を確保する。

また、画像表示パネル１１として、透過型液晶パネル又は反射型液晶パネルを用いた場合には、液晶層を透過する光束のうち、表示面の法線に対して平行でない、傾きを持った成分が多くなると、暗い画面を表示する際に漏れ光が多くなり、背景が白浮きしてしまう。実施の形態１に係る投写光学系１０は、画像表示パネル１１側を略テレセントリックとしているので、画像表示パネル１１としてＤＭＤを用いることができ、また、透過型液晶パネル又は反射型液晶パネルを用いた場合であっても、漏れ光が少なく、コントラストの高い投写画像を表示することができる。

図５及び図６において、Ａ０は、投写光学系の光軸を示し、ＡＬは、光軸Ａ０の内の平面ミラー１３よりも画像表示パネル１１側の光軸を示し、ＡＭは、光軸Ａ０の内の平面ミラー１３よりも凸面ミラー１４側の光軸を示す。レンズ系１２と凸面ミラー１４とは、共通の光軸Ａ０を有する同軸光学系である。レンズ系１２は、画像表示パネル１１側に略テレセントリックに構成されている。画像表示パネル１１及びスクリーン１５は、画像表示パネル１１の表示面の法線方向及びスクリーン１５の投影面の法線方向が、光軸Ａ０に対してそれぞれ平行となるように配置されている。また、画像表示パネル１１の表示面の中心及びスクリーン１５の中心が、光軸Ａ０から上方（スクリーン１５側）にシフトして配置されている。すなわち、投写光学系は、光軸Ａ０よりも上方に、正倍率にて画像を拡大投写する斜め投写光学系となっている。

画像表示パネル１１からの光束は、レンズ系１２で屈折された後、平面ミラー１３で反射され、さらに凸面ミラー１４で反射され、スクリーン１５に拡大投写される。画像表示パネル１１の像は、レンズ系１２内で中間像Ｉ１を形成した後、最終的にスクリーン１５上に結像される。ここで、画像表示パネル１１の中間像Ｉ１は倒立像（倍率は負）、スクリーン１５上には正立像（倍率は正）として形成される。

次に、投写光学系１０における結像関係について説明する。第１レンズ群１２ａに関しては、画像表示パネル１１と中間像Ｉ１とが共役の関係となっている。また、第２レンズ群１２ｂに関しては、レンズ系絞りＳ１と絞りＳ２とが共役の関係となっている。また、第２レンズ群１２ｂと凸面ミラー１４から成る合成光学系に関しては、中間像Ｉ１とスクリーン１５とが共役の関係となっている。また、レンズ系１２及び凸面ミラー１４から成る投写光学系全体に関しては、画像表示パネル１１とスクリーン１５とが共役の関係となっている。また、凸面ミラー１４は、レンズ系１２により形成される画像表示パネル１１の像を虚物体としてスクリーン１５に結像させる。

次に、投写光学系１０における光束の収束及び発散状態について説明する。第１レンズ群１２ａ及び第２レンズ群１２ｂのそれぞれは、複数のレンズを含み、かつ、それぞれ全体として正のパワーを有する。画像表示パネル１１を出射し、レンズ系１２に入射した光束は、第１レンズ群１２ａによりレンズ系内絞りＳ１において、又は、レンズ系内絞りＳ１位置の近傍において、一旦収束した後発散し、その後、画像表示パネル１１の中間像Ｉ１が形成される。中間像Ｉ１を形成した発散光束は、第２レンズ群１２ｂに入射し、第２レンズ群１２ｂにより絞りＳ２において再び収束された後発散し、その後、凸面ミラー１４に入射する。凸面ミラー１４に入射した発散光束は、凸面ミラー１４によりさらに発散され、スクリーン１５に入射する。

図１乃至図４で説明したように、上記比較例の投写光学系においては、レンズ系２を出射した光束は単純に拡散するため、光路を折り曲げる平面ミラー３のサイズが大きくなり、その結果、画像表示装置の袴高さＨ０が大きくなる。これに対し、実施の形態１に係る投写光学系１０においては、レンズ系１２出射後から凸面ミラー１４に入射するまでの光束は、光束径が徐々に小さくなり、一旦絞りＳ２、又は、絞りＳ２位置の近傍において、収束する。よって、レンズ系１２出射後から凸面ミラー１４に入射するまでの光路を水平に折り曲げるための平面ミラー１３を絞りＳ２近傍に配置することで、平面ミラー１３のサイズを垂直方向及び水平方向に十分小さくすることができる。その結果として、凸面ミラー１４からスクリーン１５の画像表示領域（スクリーン１５における画像表示に使用される領域）の最下端に向かう光線と、平面ミラー１３の上端との干渉が生じず、且つ、平面ミラー１３がスクリーン１５よりも前方に突出しないように構成できる。すなわち、実施の形態１の投写光学系１０を用いれば、光軸Ａ０よりも上方に配置されるスクリーン１５の、光軸Ａ０からの距離（上方へのシフト量）を小さくすることができ、画像表示装置の投写光学系１０を配置する部分の高さ（実施の形態１においては、袴高さ）Ｈ１の小さい画像表示装置を実現できる。

なお、図５において、凸面ミラー１４からスクリーン１５までの光路を、スクリーン１５に略平行に配置された平面の背面ミラー（図示せず）によって折り返すことにより、さらに薄型化を図ることも可能である。しかし、物理的な配置上の制約から、スクリーン１５の画像表示領域の下端（下辺）を、凸面ミラー１４の光反射領域の上端以下に配置することはできない。また、スクリーン１５の、光軸Ａ０からの距離（上方へのシフト量）を一定とすると、背面ミラーを配置する場合には、配置しない場合に比べて、凸面ミラー１４からスクリーン１５までの光路長が大きくなる。このため、凸面ミラー１４からスクリーン１５の画像表示領域の下端に向かう光線と光軸Ａ０とのなす角度が小さくなり、平面ミラー１３との干渉が生じやすくなる。よって、より画像表示装置の袴高さＨ１を小さくするためには、凸面ミラー１４からスクリーン１５までの光路長を小さくし、背面ミラー１５を配置せずに、画像を凸面ミラー１４からスクリーン１５に直接投写することが好ましい。

図５を参照して説明すると、第２レンズ群１２ｂの最も凸面ミラー１４側のレンズ面から絞りＳ２までの光軸上距離をＬ１１、絞りＳ１から凸面ミラー１４までの光軸上距離をＬ１２、凸面ミラー１４からスクリーン１５面までの光軸上距離をｐとすると、Ｌ１１，Ｌ１２，ｐは以下の条件式を満足することが望ましい。
Ｌ１１＜Ｌ１２ …（１）
ｐ／２≦Ｌ１２≦２×ｐ …（２）

式（１）は、第２レンズ群１２ｂを構成するレンズ及び凸面ミラー１４のサイズの適切な関係を規定している。すなわち、式（１）において、距離Ｌ１１が右辺の距離Ｌ１２よりも大きくなると、凸面ミラー１４に対して相対的に第２レンズ群１２ｂの径が大きくなりすぎ、平面ミラー１３により光路を折り曲げた場合に、第２レンズ群１２ｂと、凸面ミラー１４からスクリーン１５に向かう光束との干渉が生じてしまう。

式（２）は、絞り位置の適切な範囲を規定している。すなわち、式（２）において、距離Ｌ１２が左辺の値ｐ／２より小さくなると、光束との干渉なく平面ミラー１３を配置することが困難になるとともに、レンズ系１２のパワーが強くなりすぎ、良好な光学性能を得ることが困難になる。一方、距離Ｌ１２が右辺の値２×ｐより大きくなると、絞りＳ２の位置と平面ミラー１３の位置のずれが大きくなりすぎ、平面ミラー１３のサイズが大きくなり、平面ミラー１３と、凸面ミラー１４からスクリーン１５に向かう光束との干渉が生じてしまう。

図６に示されるように、実施の形態１に係る投写光学系１０においては、レンズ系１２の光軸ＡＬと凸面ミラー１４の光軸ＡＭとは、角度α（α＞０であり、図６においては、略９０度）をなしている。レンズ系１２は、水平方向（図６が描かれている紙面に平行な方向）に関しては、スクリーン１５より前方に突き出ないように配置されており、垂直方向に関しては、凸面ミラー１４からスクリーン１５の画像表示領域の下端に向かう光線と、図示しない筐体の底面との間の空間に配置されている。このように、平面ミラー１３で光路を水平方向に折り返すことにより、レンズ系１２及び画像表示パネル１１がスクリーン１５より前方に突き出ることがなく、かつ、光束と平面ミラー１３及びレンズ系１２との干渉が生じることがないため、薄型かつ袴高さＨ１の小さい画像表示装置を実現できる。なお、図６においては、角度αは略直角としているが、角度αは略直角に限らず、レンズ系１２と光束との干渉が生じない程度に、角度αを鋭角とすることも可能である。なお、角度αは、望ましくは、２０°≦α≦９０°である。このような範囲が望ましい理由は、角度αが２０°より小さくなると、凸面ミラー１４とレンズ系１２や画像表示パネル１１等との干渉が生じ、角度αが９０°より大きくなると、レンズ系１２や画像表示パネル１１がスクリーン１５から前方に飛び出してしまうからである。

凸面ミラー１４は、高次の非球面形状を有しており、大きな負のパワーを持つ。よって、凸面ミラー１４は、レンズ系１２を出射した光束を受け、スクリーン１５に向けてより大きく斜め上方に発散させる。レンズ系１２に大きなパワーを持たせて光束を発散させると、色収差が大きくなるため好ましくない。それに対し、凸面ミラー１４は原理的に色収差を発生させないため、大きなパワーを持たせることができ、単焦点・広角投写が容易となる。よって、画像表示パネル１１及びスクリーン１５を光軸Ａ０から上方にシフトさせて、凸面ミラー１４からスクリーン１５に向けて斜め投写（斜め上方に向かう投写）としつつ、投写距離を小さくすることで、画像表示装置の薄型化を実現できる。

一般に、主光線の光軸からの高さが大きくなるほど、歪曲の補正が容易になる。よって、凸面ミラー１４は、レンズ系１２から一定の距離をおいて配置し、比較的サイズの大きな高次の非球面として設計の自由度を上げることで、単焦点投写の画像表示装置で特に問題となる歪曲を十分に補正することが可能となる。逆に、凸面ミラー１４のサイズを極端に小さくすると、歪曲の補正が困難となってしまう。なお、図５においては、実際に光束を受けて有効に機能する範囲である、光軸Ａ０より上方の部分のみを示している。

上述のように、凸面ミラー１４は、比較的サイズが大きくなるため、ガラスの成形で製作するのは精度面などで困難となり、樹脂の成形により製作されるのが望ましい。その場合、凸面ミラー１４の外形形状としては、実際に光束を反射させる有効範囲と、その周辺に保持部などのマージンを含めた略台形の外形形状として樹脂の体積を最小化すると、成形時間を短縮でき、低コストで凸面ミラー１４を製作することができる。

次に、投写光学系１０における像面湾曲の補正について説明する。図８は、実施の形態１に係る画像表示装置の投写光学系１０における結像関係の一例を示す図である。図８において、図５の構成と同一部分には同じ符号を付している。図８において、ＯＢは、画像表示パネル１１の表示面を示し、Ｉ２は、第２レンズ群１２ｂにより形成されるＩ１の像（レンズ系１２により形成されるＯＢの像に等しい）を示し、Ｉ３は、凸面ミラー１４により形成されるＩ２の像（投写光学系全体により形成されるＯＢの像、第２レンズ群１２ｂ及び凸面ミラー１４から成る合成光学系により形成されるＩ１の像に等しく、最終的にスクリーン１５上に投写される像）を示す。ここで、像Ｉ２は、凸面ミラー１４に対して虚物体となっている。

図９は、凸面ミラー１４により生じる像面湾曲の一例を示す図であり、平面物体の光軸近傍での結像状態を示す。図９において、ＯＢ１は、平面物体（凸面ミラー１４に対して虚物体）を示し、ＩＭ１は、凸面ミラー１４による平面物体ＯＢ１の像を示す。図９から、凸面ミラー１４による平面物体ＯＢ１の像ＩＭ１は、像高が大きくなるに従い、凸面ミラー１４に近づく方向へ湾曲することが分かる。

図１０は、凸面ミラー１４により生じる像面湾曲の補正方法の一例を示す図であり、湾曲した物体の光軸近傍での結像状態を示す。図１０において、ＯＢ２は、湾曲した物体（凸面ミラー１４に対して虚物体）を示し、ＩＭ２は、凸面ミラー１４による湾曲した物体ＯＢ２の像である。図１０から、湾曲した物体ＯＢ２があらかじめ、物体高が大きくなるに従い、凸面ミラー１４から遠ざかる方向へ湾曲していると、図９で説明した凸面ミラー１４により生じる像面湾曲が打ち消され、平坦な像ＩＭ２が得られることが分かる。

上記に鑑み、実施の形態１に係る投写光学系１０においては、レンズ系１２により形成される画像表示パネル１１の光軸近傍の像は、凸面ミラー１４に対して虚物体であり、かつ、像高が大きくなるに従い、凸面ミラー１４から遠ざかる方向に湾曲しており、凸面ミラー１４により生じる像面湾曲を打ち消している。その結果、スクリーン１５上に湾曲のない平坦な画像を表示することができる。

薄肉レンズの像面湾曲は、レンズのパワーと屈折率により決まる。よって、レンズ系１２の各レンズ群を構成するレンズのパワーと屈折率を勘案することで、レンズ系１２に上記のような所望の像面湾曲を生じさせることができる。特に、レンズ系１２の第１レンズ群１２ａ及び第２レンズ群１２ｂはともに正のパワーを有するため、像高が大きくなるに従い、各レンズ群に近づく方向へ像面が湾曲する傾向がある。この場合、負のパワーのレンズを適宜組み合わせれば、正のパワーのレンズにより生じる像面湾曲を打ち消す方向に作用するため、レンズ系１２の像面湾曲を適切に制御することができる。

以下、投写光学系における歪曲の補正について説明する。図１１は、凸面ミラー１４により生じる歪曲の一例を示す図であり、矩形の物体を凸面ミラー１４により結像させた場合に生じる歪曲した像を示す。凸面ミラー１４は、大きな負のパワーを有するため、図１１に示されるような、糸巻型の歪曲が生じる。

同様に、図１２は、レンズ系１２により生じる歪曲の一例を示す図であり、矩形の物体をレンズ系１２により結像させた場合に生じる歪曲した像を示す。レンズ系１２は、いずれも正のパワーを有する第１レンズ群１２ａと第２レンズ群１２ｂから構成され、図１１に示される凸面ミラー１４の糸巻型の歪曲とは逆に、図１２に示される樽型の歪曲を生じさせる。すなわち、実施の形態１に係る投写光学系においては、凸面ミラー１４及び屈折レンズ２０によりそれぞれ生じる糸巻型及び樽型の歪曲を全体として打ち消しあうため、スクリーン１５上に歪曲のない画像を表示することができる。

次に、中間像の結像倍率について説明する。図８において、第１レンズ群１２ａにより形成される中間像Ｉ１の大きさは、画像表示パネル１１の表示面ＯＢの大きさよりも大きくすることが望ましい。すなわち、第１レンズ群１２ａが画像表示パネル１１の表示面ＯＢを中間像Ｉ１として結像する際の倍率は、拡大倍率とすることが望ましい。

中間像Ｉ１を最終像Ｉ３としてスクリーン１５上に結像させるという機能面に着目すれば、第２レンズ群１２ｂ及び凸面ミラー１４から成る合成光学系は、比較例におけるレンズ系２と凸面ミラー４から成る投写光学系と同等の機能を持つと考えることができる。ここで、仮に、画像表示パネル１１のサイズを０．５インチ、スクリーン１５のサイズを６５インチとすれば、結像倍率は１３０倍となり、非常に高い倍率が要求される。その場合、仮に、第１レンズ群１２ａの結像倍率を縮小倍率とすることは、比較例の投写光学系において画像表示パネル（図１の符号１）のサイズをさらに小さくすることに等しく、１３０倍を超える倍率が必要となり、解像度をはじめ光学性能の確保が困難になる。このことは、実施の形態１に係る投写光学系１０においては、合成光学系が、中間像Ｉ１を最終像Ｉ３としてスクリーン１５上に結像する際の倍率を極端に大きくする必要があることに等しく、合成光学系により所望の光学性能を確保することが困難となってしまう。よって、第１レンズ群１２ａの結像倍率は拡大倍率とし、第２レンズ群１２ｂと凸面ミラー１４から成る合成光学系の結像倍率が過度に大きくならないようにすることが望ましい。

さらに、像面湾曲及び歪曲以外にも、図１のレンズ系２と凸面ミラー４から成る比較例の投写光学系では十分に補正できない他の収差に関して、以下の利点がある。実施の形態１の第１レンズ群１２ａを付加することにより、第２レンズ群１２ｂと凸面ミラー１４から成る合成光学系における残存収差を打ち消すことができ、比較例の投写光学系よりも良好な光学性能を確保することが容易となる。よって、サイズが大きく、高コストな凸面ミラー１４をより小型化することができる。その結果、レンズ系１２出射後から凸面ミラー１４に入射するまでの光束のうち、最も上方（スクリーン１５側）の光線の位置が下方（スクリーン１５から離れる方向）に移動することになり、平面ミラー１３のサイズが小さくなり、袴高さＨ１のより小さい画像表示装置を実現できる。

次に、実施の形態１に係る投写光学系１０を用いて画像表示装置を構成する場合に必要となる、画像表示パネル１１に光束を照射する照明装置について説明する。図１３は、投写光学系１０に光を照射する照明装置の構成の一例を示す図である。図１３に示されるように、照明装置は、光源５０と、光束均一化・成形素子４１と、照明光学系５２とを有している。光源５０から放射された光束は、光束均一化・成形素子４１に入射し、光源特有の光強度分布が均一化されるとともに、光束の断面積が、画像表示パネル１１と相似の矩形に成形され出射される。照明光学系１２は、均一化・成形された光束を、照明光として、画像表示パネル１１の表示面と相似の略矩形形状に効率良く照射する。画像表示パネル１１を照射した照明光は、画像表示パネル１１により変調され、レンズ１２、平面ミラー１３、凸面ミラー１４を経由してスクリーン１５に投写される。

光源５０としては、例えば、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、発光ダイオード、半導体レーザなどを用いることができる。光源５０として、発行ダイオード又はレーザなどの単色光源を用いた場合には、白色光源を得るために、各単色光源を合成するためのダイクロイックミラーなどを用いた合成光学系を付加すればよい。また、光源としてレーザを用いた場合には、その指向性の高さから、明るさを確保しつつ、光学系のＦ値を大きくすることができる。よって、所望の光学性能を確保することが容易になるため、レンズ系や凸面ミラー１４を小型化することができ、一層薄型かつ袴高さＨ１の小さい画像表示装置を実現することが可能となる。

光束均一化・成形素子４１としては、セグメント化されたレンズを２次元に配置した一組のフライアイレンズや、内面の多重反射を利用した矩形の断面形状を有する中空のライトパイプ、ガラスと空気との界面での全反射を利用した矩形の断面形状を有するガラスロッドなどを用いることができる。

照明光学系１２としては、レンズやミラーなどを適宜組み合わせて構成することができる。なお、時分割でＲＧＢを表示する単板方式の場合は、白色光源を画像信号に合わせてＲＧＢに時分割で切り替える手段としてカラーホイールなどを用いることができる。

以上に説明したように、実施の形態１に係る投写光学系１０によれば、薄型で袴高さＨ１の十分小さい画像表示装置を提供することができる。

実施の形態２．
図１４は、本発明の実施の形態２に係る画像表示装置の内部構成（平面ミラーを備えないと仮定した場合の内部構成）の一例を概略的に示す図である。図１５は、実施の形態２に係る画像表示装置の内部構成の一例を概略的に示す平面図である。図１４及び図１５の画像表示パネル２１、レンズ系２２（レンズ群２２ａ，２２ｂ）、平面ミラー２３、凸面ミラー２４、及びスクリーン２５はそれぞれ、図５及び図６における画像表示パネル１１、レンズ系１２（レンズ群１２ａ，１２ｂ）、平面ミラー１３、凸面ミラー１４、及びスクリーン１５に対応する構成である。実施の形態２に係る投写光学系２０は、レンズ系内の絞り（レンズ系絞り）Ｓ３を、レンズ系２２の最も画像表示パネル２１側に配置している点、すなわち、画像表示パネル２１側を非テレセントリックとしている点が実施の形態１と異なる。また、図１４においては、平面ミラー２３の設置状態を破線で示しており、レンズ系２２と凸面ミラー２４は平面ミラー２３がないと仮定した場合の設置状態、すなわち、直線的に設置している場合を示しているが、投写光学系２０の構成は、実際には、図１５のように平面ミラー２３を含む構成になる。

次に、投写光学系１０における結像関係について説明する。第１レンズ群２２ａに関しては画像表示パネル２１と中間像Ｉ１とが共役の関係となっている。また、第１レンズ群２２ａ及び第２レンズ群２２ｂから成る合成光学系に関しては、レンズ系絞りＳ３と絞りＳ２が共役の関係となっている。また、第２レンズ群２２ｂと凸面ミラー２４から成る合成光学系に関しては中間像Ｉ１とスクリーン２５とが共役の関係となっている。また、レンズ系２２及び凸面ミラー２４から成る投写光学系全体に関しては画像表示パネル２１とスクリーン２５とが共役の関係となっている。また、凸面ミラー２４は、レンズ系２２により形成される画像表示パネル２１の像を虚物体としてスクリーン２５面に結像させるように構成されている。

次に、投写光学系２０における光束の収束及び発散状態について説明する。第１レンズ群２２ａ及び第２レンズ群２２ｂは、いずれも複数のレンズを含み、且つ、いずれも全体として正のパワーを有する。画像表示パネル２１を出射した光束は、レンズ系絞りＳ３で収束して第１レンズ群２２ａに入射し、第１レンズ群２２ａから発散して出射され、中間像Ｉ１を形成する。中間像Ｉ１を形成した発散光束は、第２レンズ群２２ｂに入射し、第２レンズ群２２ｂにより絞りＳ２において再び収束された後発散し、その後、凸面ミラー２４に入射する。凸面ミラー２４に入射した発散光束は、凸面ミラー２４によりさらに発散され（発散角が大きくなり）、スクリーン２５に入射する。

レンズ系２２出射後から凸面ミラー２４に入射するまでの光束は、一旦絞りＳ２にて最も収束する点は、実施の形態１の場合と、同様である。よって、レンズ系２２出射後から凸面ミラー２４に入射するまでの光路を水平方向に折り曲げるための平面ミラー２３を絞りＳ２近傍に配置することで、平面ミラー２３のサイズを垂直方向及び水平方向に十分小さくすることができる。その結果、凸面ミラー２４からスクリーン２５の画像表示領域の下端に向かう光線と、平面ミラー２３との干渉が生じることなく、また、平面ミラー２３がスクリーン２５から前方に突き出ることなく、スクリーン２５の、光軸Ａ０に対する上方へのシフト量を小さくすることができ、袴高さの小さい画像表示装置を実現できる。

実施の形態２に係る投写光学系２０においては、レンズ系絞りＳ３を、レンズ系２２の最も画像表示パネル２１側に配置した非テレセントリック系であるため、第１レンズ群２２ａに入射する光束径が小さく、第１レンズ群２２ａを小型化することができる。また、それに伴い、照明光学系などから発生する不要光のレンズ系２２への入射を抑制でき、ゴーストや迷光の少ない、コントラストの高い画像表示装置を実現できる。

また、テレセントリック系では、画像表示パネル２１からの光束を第１レンズ群２２ａによりレンズ系絞りＳ３に収束させる必要があるのに対し、非テレセントリック系では、画像表示パネル２１からの光束が第１レンズ群２２ａに入射する前に、レンズ系絞りＳ３にて直接収束するため、第１レンズ群２２ａには、レンズ系絞りＳ３に収束させるための正のパワーが不要となる。よって、第１レンズ群２２ａの正のパワーが小さくてよく、且つ、レンズ系２２の全長も小さくすることができる。すなわち、レンズ系２２の小型化が可能となる。

以上に説明したように、実施の形態２に係る投写光学系２０によれば、平面ミラー２３を小型化できるだけでなく、レンズ系２２をも小型化できるので、薄型で袴高さの十分小さい画像表示装置を提供することができる。

なお、本実施の形態においては、レンズ系絞りＳ３はレンズ系２２よりも外側（画像表示パネル２１側）としたが、これに限らず、レンズ系絞りＳ３をレンズ系２２内に配置することも可能である。

なお、実施の形態２において、上記以外の点は、上記実施の形態１の場合と同じである。

実施の形態３．
図１６は、本発明の実施の形態３に係る画像表示装置の内部構成（平面ミラー３３を備えないと仮定した場合の内部構成）の一例を概略的に示す図である。また、図１７は、実施の形態３に係る画像表示装置の内部構成の一例を概略的に示す平面図（平面ミラー３３を備えた場合）である。図１６及び図１７の画像表示パネル３１、レンズ系３２（レンズ群３２ａ，３２ｂ）、平面ミラー３３、凸面ミラー３４、及びスクリーン３５はそれぞれ、図１４及び図１５における画像表示パネル２１、レンズ系２２（レンズ群２２ａ，２２ｂ）、平面ミラー２３、凸面ミラー２４、及びスクリーン２５に対応する構成である。実施の形態３に係る投写光学系３０は、実施の形態２の投写光学系２０において、角度αが鋭角となるように平面ミラー３３で光路を水平方向に折り曲げ、画像表示装置の袴高さをより小さくしたものである。投写光学系３０の各要素の機能は、実施の形態２の場合と概ね同様である。また、図１６においては、平面ミラー３３の設置状態を破線で示しており、レンズ系３２と凸面ミラー３４は平面ミラー３３がないと仮定した場合の設置状態、すなわち、直線的に設置している場合を示しているが、投写光学系３０の構成は、実際には、図１７のように平面ミラー３３を含む構成になる。

次に、画像表示装置の袴高さを小さくできる原理について説明する。図１８は、レンズ系３２の光軸ＡＬと凸面ミラー３４の光軸ＡＭとのなす角度αが略直角の場合の平面ミラーサイズを示す平面図であり、図１９は、レンズ系３２の光軸ＡＬと凸面ミラー３４の光軸ＡＭとのなす角度αが鋭角の場合の平面ミラーサイズを示す平面図である。また、図２０は、角度αが略直角の場合の平面ミラーサイズを示す側面図であり、図２１は、角度αが鋭角の場合の平面ミラーサイズを示す側面図である。

図１８及び図２０に示されるように、角度αが略直角である場合には、絞りＳ２から発散した光束を受けて反射させる平面ミラー３３が、発散光を極端に斜めに受けることとなり（すなわち、平面ミラー３３に対する発散光の中心光線の入射角が大きくなり）、平面ミラー３３の水平方向のサイズが大きくなるとともに、凸面ミラー３４に近い側の垂直方向のサイズが極端に大きくなってしまう。よって、凸面ミラー３４からスクリーン３５に向かう光束との干渉を回避するために、スクリーン３５を上方に配置せざるを得ず、画像表示装置の袴高さが大きくなってしまう。

一方、図１９及び図２１に示されるように、角度αを鋭角とした場合には、平面ミラー３３は、角度αを略直角とした場合に比べて、より正面から発散光を受けるので（すなわち、平面ミラー３３に対する発散光の中心光線の入射角が小さくなるので）、平面ミラー３３の水平方向及び垂直方向のサイズを比較的小さくできる。よって、凸面ミラー３４からスクリーン３５に向かう光束との干渉を回避することが容易になり、スクリーン３５をより下方に配置することができ、画像表示装置の袴高さを小さくすることができる。なお、角度αは、望ましくは、２０°≦α≦９０°である。このような範囲が望ましい理由は、角度αが２０°より小さくなると、凸面ミラー３４とレンズ系３２や画像表示パネル３１等との干渉が生じ、角度αが９０°より大きくなると、レンズ系３２や画像表示パネル３１がスクリーン３５から前方に飛び出してしまうからである。

また、実施の形態２で説明したように、非テレセントリック系の場合、第１レンズ群３２ａは十分小さくできるが、第２レンズ群３２ｂは第１レンズ群３２ａからの発散光束を受けるため、第１レンズ群３２ａほど小さくすることは困難である。さらに、角度αを鋭角とすることにより、図１７に示されるように、レンズ系３２は、より凸面ミラー３４に近づけて配置することとなるため、レンズ系３２の上方（スクリーン３５側）を通過する、凸面ミラー３４からスクリーン３５の画像表示領域の下端に向かう光束の高さがより低くなる。よって、平面ミラー３３の小型化によってスクリーン３５を十分下方（スクリーン３５から離れる方向）に配置した場合に、第２レンズ群３２ｂと、凸面ミラー３４からスクリーン３５の画像表示領域の下端に向かう光束との干渉が生じる可能性がある。

一方、図１６からも分かるように、第２レンズ群３２ｂは、主として下側のみ光束を透過させ、実際には上側は機能していないため、第２レンズ群３２ｂの上側（スクリーン３５側）を切り欠いている。これにより、角度αを鋭角にした場合でも、光束とレンズ群との干渉を生じることなく、画像表示装置の袴高さを小さくすることができる。第２レンズ群３２ｂは複数のレンズから構成され、切り欠くレンズは、光束との干渉の生じるレンズのみとすることができる。

以上に説明したように、実施の形態３に係る投写光学系３０によれば、平面ミラー３３を小型化できるだけでなく、レンズ系３２をも小型化できるので、薄型で袴高さの十分小さい画像表示装置を提供することができる。

なお、本実施の形態においては、レンズ系絞りＳ３はレンズ系３２よりも外側（画像表示パネル３１側）としたが、これに限らず、レンズ系絞りＳ３をレンズ系３２内に配置することも可能である。

なお、実施の形態３において、上記以外の点は、上記実施の形態１又は２の場合と同じである。

実施の形態４．
図２２は、本発明の実施の形態４に係る画像表示装置の内部構成（平面ミラー４３を備えないと仮定した場合の内部構成）の一例を概略的に示す図である。また、図２３は、実施の形態４に係る画像表示装置の内部構成の一例を概略的に示す平面図（平面ミラー４３を備えた場合）である。図２２及び図２３の画像表示パネル４１、レンズ系４２（レンズ群４２ａ，４２ｂ，４２ｃ）、平面ミラー４３、凸面ミラー４４、及びスクリーン４５はそれぞれ、図５及び図６における画像表示パネル１１、レンズ系１２（レンズ群１２ａ，１２ｂ）、平面ミラー１３、凸面ミラー１４、及びスクリーン１５に対応している。実施の形態４に係る投写光学系４０は、レンズ系絞りＳ１から中間像Ｉ１までの間に、第３レンズ群４２ｃを配置している点が、実施の形態１と異なる。また、図２２においては、平面ミラー４３の設置状態を破線で示しており、レンズ系４２と凸面ミラー４４は平面ミラー４３がないと仮定した場合の設置状態、すなわち、直線的に設置している場合を示しているが、投写光学系４０の構成は、実際には、図２３のように平面ミラー４３を含む構成になる。

投写光学系４０の各要素の機能は、実施の形態１の場合と概ね同様であるが、前述の通り、レンズ系絞りＳ１から中間像Ｉ１までの間に、第３レンズ群４２ｃを配置している点が、実施の形態１と異なる。第３レンズ群４２ｃは、絞りＳ１側から順に、負のパワーを有するレンズ群ｃ１と、正のパワーを有するレンズ群ｃ２と、負のパワーを有するレンズ群ｃ３とから構成される。各レンズ群ｃ１、ｃ２、ｃ３は、少なくとも１枚以上のレンズから構成される。

以下、レンズ群４２ｃを配置する効果について説明する。画像表示パネル４１を中間像Ｉ１に結像させる光学系に着目して考える。レンズ群４２ｃを配置しない場合には、レンズ系絞りＳ１に対して画像表示パネル４１側のみに正のパワーを有するレンズ群４２ａが配置されることとなり、正のパワーに起因した像面湾曲が大きくなりやすい。ここで、像面湾曲を補正する手法としては、光線の光軸からの高さが低い位置に負のパワーを配置すること、及び、像面に近い位置に負のパワーを配置することが有効である。レンズ群４２ｃを配置した場合には、光線の光軸からの高さが低い位置、すなわち、レンズ系絞りＳ１近傍に負のパワーを有するレンズ群ｃ１が配置され、さらに、像面に近い位置、すなわち中間像Ｉ１近傍に負のパワーを有するレンズ群ｃ３が配置されており、像面湾曲を補正する効果を有する。負のパワーを有するレンズ群ｃ１と負のパワーを有するレンズ群ｃ３のみでは、負のパワーが強くなりすぎ、光束が大きく広がってしまうため、正のパワーを持つレンズ群ｃ２をレンズ群ｃ１とレンズ群ｃ３との間に配置して、レンズ群ｃ１により広がった光束を一旦収束させると共に、レンズ群ｃ３以降のレンズ群を小型化している。

数値例１．
図２４に、実施の形態２に係る投写光学系２００の具体的な数値例（数値例１）を示す。面番号ｓｉは、最も縮小側（画像表示素子側）の光学面を１番目として、拡大側（スクリーン側）に向かうに従い順次増加するｉ番目（ｉ＝１，２，…，５１）の光学面の番号を示す。曲率半径Ｒｉは、面番号ｓｉの光学面の曲率半径を示す。面間隔Ｄｉは、面番号ｓｉの光学面の面頂点から次の光学面（面番号ｓｉ＋１）の面頂点までの距離を示す。曲率半径Ｒｉ及び面間隔Ｄｉの単位は、ミリメートル（ｍｍ）である。屈折率及びアッベ数は、面番号ｓｉの光学面のｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）における屈折率ｎ及びアッベ数νをそれぞれ示す。また、面番号に付されたマーク「＊」は、対応する面が非球面であることを示す。各非球面（面番号ｓ４６、ｓ４７、ｓ５０）は、光軸方向をＺ軸とした直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）において、ｒを近軸曲率半径とし、Ｋを円錐定数とし、Ａ１、Ａ２、…をそれぞれ１次、２次、…の非球面係数とするとき、以下の式（３）により表される。また、非球面データ（非球面係数Ａ１、Ａ２、…及び円錐定数Ｋ）は、図２５に示す。

図２６は、図２４の数値例１に対応する投写光学系２００を含む画像表示装置の内部構成（平面ミラー２３０を備えないと仮定した場合の内部構成）を概略的に示す図である。また、図２７は、投写光学系２００を含む画像表示装置の内部構成を概略的に示す平面図（平面ミラー２３０を備えた場合）である。また、図２８は、投写光学系２００を構成するレンズ群２２０の詳細構成を示す図である。図２６、図２７及び図２８の画像表示パネル２１０、レンズ系２２０（レンズ群２２０ａ，２２０ｂ）、平面ミラー２３０、凸面ミラー２４０、及びスクリーン２５０はそれぞれ、図１４及び図１５における画像表示パネル２１、レンズ系２２（レンズ群２２ａ，２２ｂ）、平面ミラー２３、凸面ミラー２４、及びスクリーン２５に対応している。図２６においては、平面ミラー２３０の設置状態を破線で示しており、レンズ系２２０と凸面ミラー２４０は平面ミラー２３０がないと仮定した場合の設置状態、すなわち、直線的に設置している場合を示しているが、投写光学系２００の構成は、実際には、図２７のように平面ミラー２３０を含む構成になる。

ｓ１面は画像表示パネル２１０、ｓ２面及びｓ３面は平行平板、ｓ５面はレンズ系絞りＳ３、ｓ６面からｓ３１面まではレンズ群２２０ａ、ｓ３２面からｓ４７面まではレンズ群２２０ｂ、ｓ４８面は絞りＳ２、ｓ４９面は平面ミラー２３０、ｓ５０面は凸面ミラー、ｓ５１面はスクリーンに対応する。平面ミラー２３０は、スクリーン面に対し４０度傾いて配置されており、レンズ系２２０の光軸ＡＬと凸面ミラー２４０の光軸ＡＭとのなす角は８０度となっている。

数値例１が適用された投写光学系２００では、画像表示パネル２１０は対角サイズが０．６５インチ（アスペクト比１６：９）であり、スクリーン対角サイズは６８．４２インチ（１５１４．７ｍｍ×８５２．０ｍｍ）であり、Ｆナンバーは２．５である。また、スクリーン２５０の下端から光軸ＡＭまでの距離は１０１．７ｍｍである。また、式（１）におけるＬ１１は４１．３８ｍｍであり、Ｌ１２は１５０．７１ｍｍであり、式（１）の関係を満たしている。また、式（２）におけるＬ１２は１５０．７１ｍｍであり、ｐは９９．００ｍｍであり、式（２）の左辺値は４９．５となり、右辺値は１９８となるので、式（２）の関係を満たしている。

レンズ群２２０ａの焦点距離は２３．６ｍｍであり、レンズ群２２０ｂの焦点距離は５１．８ｍｍであり、レンズ系２２０の焦点距離は−１６．４ｍｍであり、投写光学系２００全体としての焦点距離は−１．２５ｍｍである。

図２９に、数値例１が適用された投写光学系２００のディストーション（歪曲）を示す。また、図３０及び図３１に、スポットダイアグラムの位置及び形状を示す。図３０は、スクリーン上の各位置をＧ１〜Ｇ１５で示しており、図３１のスポットダイアグラムに付したＧ１〜Ｇ１５に対応している。すなわち、図３１のスポットダイアグラムは、図３０に示すスクリーン上のＧ１〜Ｇ１５の各位置におけるスポットダイアグラムを示す。使用波長とそのウェイトは、波長４６０ｎｍ、波長５３２ｎｍ、波長６４０ｎｍについて、１：６：３としている。図２９に示すように、表示画像に目立った歪み等はなく、歪曲は十分に補正されている。また、図３１に示すとおり、良好な結像性能が得られており、像面湾曲は十分に補正されている。

数値例２．
図３２に、実施の形態４に係る投写光学系４００の具体的な数値例（数値例２）を示す。図３３に、面番号ｓｉ、曲率半径Ｒｉ、面間隔Ｄｉ、屈折率ｎ及びアッベ数ν、非球面の表記は数値例２と同様である。また、非球面データ（非球面係数Ａ１、Ａ２、…及び円錐定数Ｋ）は示す。

図３４は、図３２の数値例２に対応する投写光学系４００を含む画像表示装置の内部構成（平面ミラー４３０を備えないと仮定した場合の内部構成）を概略的に示す図である。また、図３５は、投写光学系４００を含む画像表示装置の内部構成を概略的に示す平面図（平面ミラー４３０を備えた場合）である。また、図３６は、投写光学系４００を構成するレンズ群４２０の詳細構成を示す図である。図３４、図３５及び図３６の画像表示パネル４１０、レンズ系４２０（レンズ群４２０ａ，４２０ｂ，４２０ｃ）、平面ミラー４３０、凸面ミラー４４０、及びスクリーン４５０はそれぞれ、図２２及び図２３における画像表示パネル４１、レンズ系４２（レンズ群４２ａ，４２ｂ，４２ｃ）、平面ミラー４３、凸面ミラー４４、及びスクリーン４５に対応している。図３４においては、平面ミラー４３０の設置状態を破線で示しており、レンズ系４２０と凸面ミラー４４０は平面ミラー４３０がないと仮定した場合の設置状態、すなわち、直線的に設置している場合を示しているが、投写光学系４００の構成は、実際には、図３５のように平面ミラー４３０を含む構成になる。

ｓ１面は画像表示パネル４１０、ｓ２面及びｓ３面は平行平板、ｓ５面からｓ１４面まではレンズ群４２０ａ、ｓ１５面はレンズ系絞りＳ１、ｓ１６面からｓ２９面まではレンズ群４２０ｃ（ｓ１６面からｓ２１面まではレンズ群ｃ１、ｓ２２面からｓ２３面まではレンズ群ｃ２、ｓ２４面からｓ２９面まではレンズ群ｃ３）、ｓ３０面からｓ４６面まではレンズ群４２０ｂ、ｓ４７面は絞りＳ２、ｓ４８面は平面ミラー４３０、ｓ４９面は凸面ミラー、ｓ５０面はスクリーンに対応する。平面ミラー４３０は、スクリーン面に対し４０度傾いて配置されており、レンズ系４２０の光軸ＡＬと凸面ミラー４４０の光軸ＡＭとのなす角は８０度となっている。

数値例２が適用された投写光学系４００では、画像表示パネル４１０は対角サイズが０．６５インチ（アスペクト比１６：９）、スクリーン対角サイズは６８．４２インチ（１５１４．７ｍｍ×８５２．０ｍｍ）、Ｆナンバーは２．７である。また、スクリーン下端から光軸ＡＭまでの距離は１０１．７ｍｍである。また、式（１）におけるＬ１１は３０．３４ｍｍ、Ｌ１２は１５１．４０ｍｍであり、式（１）の関係を満たしている。また、式（２）におけるＬ１２は１５１．４０ｍｍ、ｐは９９．００ｍｍであり、式（２）の左辺値は４９．５、右辺値は１９８となるので、式（２）の関係を満たしている。

レンズ群４２０ａの焦点距離は３６．９ｍｍ、レンズ群４２０ｂの焦点距離は４５．００ｍｍ、レンズ群４２０ｃの焦点距離は−４２．２ｍｍ（レンズ群ｃ１の焦点距離は−３３．９ｍｍ、レンズ群ｃ２の焦点距離は６４．７ｍｍ、レンズ群ｃ３の焦点距離は−４２．９ｍｍ）、レンズ系４２０の焦点距離は−１７．６ｍｍ、投写光学系４００全体としての焦点距離は−１．２７ｍｍである。

ここで、数値例２における像面湾曲の補正について説明する。図３７は、中間像の像面湾曲の状態を示す。中間像Ｉ１は、レンズ群ｃ３とレンズ群４２０ｂとの間に形成され、物体高が大きくなるにつれて、レンズ群４２０ｃから遠ざかる方向に湾曲している。図３８は、レンズ群４２０ｂにより形成される、中間像Ｉ１の像Ｉ２の像面湾曲の状態を示す。通常、このように湾曲した中間像Ｉ１を正のパワーを有するレンズ群４２０ｂで結像させると、その像は、物体高が大きくなるにつれて、レンズ群４２０ｂに近づく方向に湾曲する。しかし、数値例２においては、像Ｉ２は、物体高が大きくなるにつれて、レンズ群４２０ｂから遠ざかる方向に湾曲させている。その結果、図１０で説明した原理により、凸面ミラーにより生じる像面湾曲を打ち消すことができる。このような像面湾曲の補正機能をレンズ群４２０ｂに持たせるには、非球面レンズを使用するのが有効である。数値例２においては、レンズの有効径を小さくするために、レンズ群４２０ｂの最も凸面ミラー側に非球面レンズを用いているが、これに限らず、レンズ群４２０の任意の位置に非球面レンズを配置してもよい。また、レンズ群４２０ｂに限らず、レンズ群４２０ａやレンズ群４２０ｃに非球面レンズを配置して像面湾曲を補正することも可能である。

以上の像面湾曲の補正については、数値例１についても適用できる。図２４において、ｓ１７面からｓ２２面までの焦点距離は−３８．２ｍｍで前述のレンズ群ｃ１に相当する。同様に、ｓ２３面からｓ２５面までの焦点距離は８９．４ｍｍで前述のレンズ群ｃ２に相当し、ｓ２６面からｓ３１面までの焦点距離は−５８．０ｍｍで前述のレンズ群ｃ３に相当する。数値例１についても、レンズ群２２０にこのような構成を含ませることにより、像面湾曲を補正することが可能となる。非球面レンズの適用についても同様である。

図３９に、数値例２が適用された投写光学系２００のディストーション（歪曲）を示す。また、図４０に、スポットダイアグラムを示す。図４０のスポットダイアグラムは、図３０に示すスクリーン上Ｇ１〜Ｇ１５の各位置におけるスポットダイアグラムである。使用波長とそのウェイトは、波長４６０ｎｍ、波長５３２ｎｍ、波長６４０ｎｍについて、１：６：３としている。図３９に示すように、表示画像に目立った歪み等はなく、歪曲は十分に補正されている。また、図４０に示すように、良好な結像性能が得られており、像面湾曲は十分に補正されている。

なお、上記数値例１及び数値例２は、あくまで設計例として挙げたにすぎず、本発明に係る投写光学系は、これらの数値例に限定して解釈されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、画像表示パネルサイズ、スクリーンサイズ、Ｆナンバー、スクリーン下端から光軸までの高さは仕様により適宜変更することができ、投写光学系の各レンズ群のレンズ構成（レンズ枚数、硝材、曲率半径、レンズ厚等）も設計変更が可能である。

変形例．
上記実施の形態１〜４においては、１枚の画像表示パネル１１，２１，３１，４１を用いる単板方式の投写光学系について説明したが、本発明は、これに限定されず、ＲＧＢ各色のそれぞれに対して、独立した画像表示パネルを用いる３板方式の投写光学系にも適用可能である。

また、上記実施の形態１〜４においては、凸面ミラー１４，２４，３４，４４が高次の非球面形状を持つ場合を説明したが、凸面ミラー１４，２４，３４，４４の形状は、これに限定されず、より一層設計自由度を上げるために、自由曲面形状とすることも可能である。

さらに、上記実施の形態１〜４においては、レンズ系１２，２２，３２，４２及び凸面ミラー１４，２４，３４，４４が同軸光学系である場合を説明したが、本発明は、これに限定されず、より一層設計自由度を上げるために、レンズ系１２，２２，３２，４２の光軸ＡＬと凸面ミラー１４，２４，３４，４４の光軸ＡＭとが同軸ではない偏芯光学系にも適用可能である。

さらにまた、上記実施の形態１〜４においては、スクリーン１５，２５，３５，４５の背面から画像を投写する背面投写型の画像表示装置について説明したが、本発明は、これに限定されず、前面投写型の画像表示装置にも適用可能である。

また、上記実施の形態１〜４においては、レンズ系１２，２２，３２，４２出射後から凸面ミラー１４，２４，３４，４４に入射するまでの光路中に平面ミラー１３，２３，３３，４３を配置した場合を説明したが、本発明は、これに限定されず、平面ミラー１３，２３，３３，４３を備えない画像表示装置にも適用可能である。

１０，２０，３０，４０，２００，４００ 投写光学系、 １１，２１，３１，４１ 画像表示パネル、 １２，２２，３２，４２ レンズ系、 １２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａ 第１レンズ群、 １２ｂ，２２ｂ，３２ｂ，４２ｂ 第２レンズ群、 ４２ｃ 第３レンズ群、 １３，２３，３３，４３ 平面ミラー、 １４，２４，３４，４４ 凸面ミラー、 １５，２５，３５，４５ スクリーン、 １６ 筐体、 ５０ 光源、 ５１ 光束均一化・成形素子、 ５２ 照明光学系。

Claims (14)

1. 照明光を変調する画像表示パネルからの光束を、スクリーンに対して斜め方向に拡大投写する投写光学系において、
   複数のレンズを含み、前記画像表示パネルからの前記光束を屈折させるレンズ系と、
   前記レンズ系からの前記光束を反射する１つの凸面ミラーとを有し、
   前記レンズ系と前記凸面ミラーとは、前記画像表示パネル側から順に配置され、
   前記レンズ系は、収束した状態の光束を出射し、
   前記収束した状態の光束は、前記レンズ系出射後から前記凸面ミラーに入射するまでの光路中で一旦収束した後、発散した状態で前記凸面ミラーに入射し、
   前記レンズ系は、前記画像表示パネル側から順に、正のパワーを有する第１レンズ群と、レンズ系絞りと、正のパワーを有する第２レンズ群とを含み、前記レンズ系出射後から前記凸面ミラーに入射するまでの光束の収束点の位置と、前記レンズ系絞りの位置とが略共役の関係となるように構成された
   ことを特徴とする投写光学系。
2. 前記レンズ系は、前記レンズ系絞りから前記第２レンズ群までの間に、前記第１レンズ群による前記画像表示パネルの中間像が形成され、前記画像表示パネル側がテレセントリックであるように、構成されることを特徴とする請求項１に記載の投写光学系。
3. 前記レンズ系は、前記レンズ系絞りから前記中間像までの間に、さらに第３レンズ群を含み、前記第３レンズ群は、前記レンズ系絞り側から順に、少なくとも１枚の負のパワーのレンズと、少なくとも１枚の正のパワーのレンズと、少なくとも１枚の負のパワーのレンズとから構成されることを特徴とする請求項２に記載の投写光学系。
4. 照明光を変調する画像表示パネルからの光束を、スクリーンに対して斜め方向に拡大投写する投写光学系において、
   複数のレンズを含み、前記画像表示パネルからの前記光束を屈折させるレンズ系と、
   前記レンズ系からの前記光束を反射する１つの凸面ミラーとを有し、
   前記レンズ系と前記凸面ミラーとは、前記画像表示パネル側から順に配置され、
   前記レンズ系は、収束した状態の光束を出射し、
   前記収束した状態の光束は、前記レンズ系出射後から前記凸面ミラーに入射するまでの光路中で一旦収束した後、発散した状態で前記凸面ミラーに入射し、
   前記レンズ系は、前記画像表示パネル側から順に、レンズ系絞りと、正のパワーを有する第１レンズ群と、正のパワーを有する第２レンズ群とを含み、前記レンズ系出射後から前記凸面ミラーに入射するまでの光束の収束点の位置と、前記レンズ系絞りの位置とが略共役の関係となるように構成した
   ことを特徴とする投写光学系。
5. 前記レンズ系は、前記第１レンズ群から前記第２レンズ群までの間に、前記第１レンズ群による前記画像表示パネルの中間像が形成され、前記画像表示パネル側が非テレセントリックであるように、構成されることを特徴とする請求項４に記載の投写光学系。
6. 前記第２レンズ群を構成するレンズ又は前記第３レンズ群を構成するレンズは、前記変調光の光束が通過しない部分を持つレンズを少なくとも１つ含むことを特徴とする請求項３に記載の投写光学系。
7. 前記中間像を形成する前記第１レンズ群の結像倍率は、拡大倍率であることを特徴とする請求項２又は５のいずれか１項に記載の投写光学系。
8. 前記レンズ系出射後から前記凸面ミラーに入射するまでの光路中に配置された平面ミラーをさらに有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の投写光学系。
9. 前記画像表示パネルは、前記レンズ系の光軸を基準にして前記中間像が形成される側と反対側に配置されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の投写光学系。
10. 前記レンズ系は、前記凸面ミラーで発生する像面湾曲を打ち消す像面湾曲を発生させるように構成されたことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の投写光学系。
11. 前記レンズ系は、前記凸面ミラーで発生する歪曲を打ち消す歪曲を発生させるように構成されたことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の投写光学系。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の投写光学系と、
    前記投写光学系から出射される光束が投写されるスクリーンと
    を有することを特徴とする画像表示装置。
13. 請求項８に記載の投写光学系と、
    前記投写光学系から出射される光束が投写されるスクリーンと
    前面に前記スクリーンを備え、内部に前記投写光学系を収納する筐体とを有し、
    前記投写光学系の前記平面ミラーは、前記スクリーンの下側であって、前記凸面ミラーから前記スクリーンに向かう光束より下側に配置された
    ことを特徴とする画像表示装置。
14. 前記収束点の位置に絞りを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の投写光学系。

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