JP2003161885A - 斜め投影光学系 - Google Patents

斜め投影光学系

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JP2003161885A JP2001363653A JP2001363653A JP2003161885A JP 2003161885 A JP2003161885 A JP 2003161885A JP 2001363653 A JP2001363653 A JP 2001363653A JP 2001363653 A JP2001363653 A JP 2001363653A JP 2003161885 A JP2003161885 A JP 2003161885A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 結像性能が高く、スクリーンに対して垂直な
方向とスクリーンに沿う方向の双方について小型化が可
能な斜め投影光学系を提供する。 【解決手段】 斜め投影光学系をパワーを有する複数の
反射面で構成し、パワーを有する反射面の少なくとも２
つを自由曲面とし、パワーを有する反射面のうち、投影
面に最も近いものに負のパワーを、他の少なくとも１つ
に正のパワーをもたせる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、スクリーンに像を
拡大投影する投影光学系に関し、より詳しくは、スクリ
ーンに対して光束を斜めに入射させる斜め投影光学系に
関する。
【０００２】
【従来の技術】小さな表示面に表示した像をスクリーン
に拡大して投影することが古くより行われている。スク
リーンへの像の投影は、例えば映画館における映画の上
映のように、スクリーンの前方つまり観察者と同じ側か
ら行うフロントプロジェクションが一般的であったが、
近年では、光透過性を有するスクリーンを用いて、スク
リーンの後方から像を投影するリアプロジェクションも
行われており、後者を採用した大画面のテレビ装置も実
用化されている。
【０００３】投影によって像を提供するプロジェクショ
ン装置は、映画館のように大きな施設そのものを装置と
する場合を除き、大きなスクリーンを備えながら、小型
であることが望まれる。特に、スクリーンの後方から投
影するリアプロジェクション装置では、薄型化すなわち
スクリーンに対して垂直な方向の大きさを小さくするこ
とが求められている。
【０００４】初期のリアプロジェクション装置では、投
影光学系としてごく一般的な共軸系を用い、スクリーン
の後方に１枚の平面ミラーを配置して、投影光学系のう
ちパワーを有する部分からの射出光の光路をこの平面ミ
ラーで折り返すことによって、薄型化を図ることが行わ
れてきた。しかし、スクリーン上の像に歪曲が生じるの
を避けるために、平面ミラーで折り返した光軸がスクリ
ーンの中心を通り、かつスクリーンに対して垂直になる
ようにするため、一定以上の薄型化は困難になってい
た。光路の折り返しは横方向よりも短い縦方向について
行われ、通常、像を表示する表示面をはじめ光路折り返
し用の平面ミラー以外の部分は、スクリーンの下方に配
置される。
【０００５】リアプロジェクション装置のさらなる薄型
化のためには、スクリーンの中心への光線つまり像の中
心を表す光線のスクリーンへの入射角を大きくする斜め
投影が有効である。しかし、共軸系の投影光学系によっ
て斜め投影を実現しようとすると、平面ミラーで折り返
した光軸がスクリーンの中心から外れた位置を通るよう
にする必要が生じて、投影光学系を構成するレンズとし
て大口径の広角レンズを備えるとともに、投影にはその
一部のみを利用しなければならなくなる。そのような光
学系は実現可能ではあるもののコスト高となり、また、
投影光学系自体が大きくなるため、装置の薄型化の効果
も少ない。
【０００６】そこで、投影光学系に含まれるパワーを有
する素子を曲面の反射ミラーとすることが提案されてい
る。例えば、再公表公報ＷＯ９７／０１９８７号では、
４枚の曲面ミラーで投影光学系を構成している。これら
の曲面ミラーは、表示面側から順に、正、負、正、負の
パワーを有しており、表示面に最も近い曲面が球面、他
の３つの曲面が非球面とされている。本出願人が特開２
００１−２２１９４９号で提案した投影光学系も４枚の
曲面ミラーより成る。この投影光学系の曲面ミラーは、
表示面側から順に、正、正、負、負、または、正、正、
負、正のパワーを有しており、全てが球面または非球面
である。これら両公報のほか、３枚の曲面ミラーより成
る投影光学系等も提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】曲面ミラーで構成され
る従来の斜め投影光学系は、結像性能の低下を防止する
ためにＦ数の大きい光学系とされており、像を表示する
表示面からスクリーンが配される投影面までの光路長は
長い。そして、長い光路長を確保しながら装置の薄型化
という目的を達成するために、平面ミラーによる光路の
折り返しの回数を多くしている。最後の折り返しを除く
光路の折り返しは、スクリーンへの投影を妨げることが
ないようにスクリーンの周辺で行う必要があり、スクリ
ーンの下方または上方で行っている。このため、曲面ミ
ラーから成る斜め投影光学系は、装置の薄型化を達成す
ることができる一方で、装置の上下方向の小型化にはあ
まり寄与できない現状にある。また、従来の斜め投影光
学系の曲面ミラーは、小型化の妨げとならないように必
要な部分のみとされているが、いずれも、面形状は球面
または非球面であって軸対称性を有する。
【０００８】しかし、結像性能の低下防止のために光路
長を長くする限り、薄型化をある程度犠牲にしなければ
スクリーンの上下方向の小型化は難しく、現在の斜め投
影光学系は、プロジェクション装置の薄型化と上下方向
の小型化の両立に関して、限界に近いと考えられる。本
発明は、このような現状に鑑みてなされたもので、結像
性能が高く、しかも、スクリーンに対して垂直な方向の
みならずスクリーンに沿う方向についても、一層の小型
化が可能な斜め投影光学系を提供することを目的とす
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、像が表示される表示面からの光束を、
表示面の中心からの光束が斜めに入射するように投影面
に導いて、表示面上の像を拡大して投影面上に投影する
斜め投影光学系であって、パワーを有する複数の反射面
を備えるものにおいて、パワーを有する反射面の少なく
とも２つが自由曲面であり、パワーを有する反射面のう
ち、投影面に最も近いものが負のパワーを有し、他の少
なくとも１つが正のパワーを有する構成とする。
【００１０】この斜め投影光学系は、共軸系である従来
の投影光学系とは異なり、反射面として自由曲面を採用
している。自由曲面の反射面を採用することで、歪曲の
ほとんどない斜め投影を、結像性能を損なうことなく短
い光路長で実現することが可能になる。像を表示する手
段を表示面に配し、スクリーンを投影面に配することで
プロジェクション装置が得られるが、得られるプロジェ
クション装置は、光路長が短いため、薄型すなわちスク
リーンに対して垂直な方向について小型となるだけでな
く、スクリーンに沿う方向についても小型となる。この
斜め投影光学系は、光路を折り返す平面ミラーを備える
ことによりリアプロジェクション装置に採用するのに好
適となり、フロントプロジェクション装置に採用するこ
ともできる。
【００１１】パワーを有する反射面のうち投影面に最も
近いものは、拡大率（投影倍率）を大きくする上で負の
パワーを有することが好ましく、したがって、パワーを
有する反射面のうち少なくとも他の１つは、表示面の各
点からの光束を投影面上の一点に収束させるために、正
のパワーを有する必要がある。この要件を満たすように
反射面のパワーは設定されている。
【００１２】上記斜め投影光学系は、パワーを有する反
射面の数が４であり、パワーを有する各反射面が、表示
面に近いものから順に、正、負、正、負のパワーを有す
る構成とするとよい。このようにすると、表示面から投
影面までの光路長を短くし易くなり、装置の薄型化とス
クリーンに沿う方向の小型化を容易に両立させることが
できる。
【００１３】ここで、表示面が横方向よりも縦方向に小
さく、パワーを有する各反射面が表示面からの光束を表
示面の縦方向に変位させるように反射し、パワーを有す
る反射面のうち表示面に２番目に近いものと表示面との
間に瞳面が位置し、表示面の縦方向に対応する方向のＦ
数をＦnoｙ、表示面の横方向に対応する方向のＦ数をＦ
noｚで表すとき、Ｆnoｙ≧Ｆnoｚ、Ｆnoｙ≦４．５、か
つ、Ｆnoｚ≦４．０の関係を満たすようにすることがで
きる。各反射面が表示面からの光束を表示面の縦方向に
変位させるようにすることで、装置をスクリーンの縦方
向に小型化することが容易になり、また、瞳面の位置お
よびＦ数の関係をこのようにすることで、明るい像を提
供することができる。
【００１４】表示面が横方向よりも縦方向に小さく、パ
ワーを有する各反射面が表示面からの光束を表示面の縦
方向に変位させるように反射し、表示面の縦方向に対応
する方向の投影面の大きさをＨ、表示面から投影面に至
る光束が通る空間の投影面の法線方向の最大の長さをＤ
で表すとき、Ｄ／Ｈ≦０．３５の関係を満たすようにす
ることもできる。この斜め投影光学系を備える装置はス
クリーンの大きさの割に薄型となる。
【００１５】さらに、表示面の大きさに対する投影面の
大きさの比をβで表すとき、３０≦β≦１００の関係を
満たすようにすることもできる。βは投影による像の拡
大率を表すが、拡大率が３０未満では、反射面相互の干
渉を避けるために、空間内で隣り合う反射面を投影面に
対して垂直な方向にずらさなければならなくなり、ま
た、拡大率が１００を超えると、明るさを確保するため
にＦ数を小さくする必要があり、結像性能を高くしつつ
光路長を短くすることが困難になる。上記の関係を満た
すことで、高い結像性能の維持と、この斜め投影光学系
を採用する装置の薄型化、小型化の両立が容易になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の斜め投影光学系の
実施の形態について、図面および表を参照しながら説明
する。実施の形態として、コンストラクションデータ等
の数値を具体化した７つの実施例を掲げる。第１〜第７
の実施例の斜め投影光学系１〜７は、パワーを有する４
枚の曲面ミラーとパワーを有しない１枚の平面ミラーよ
り成り、横方向に長い長方形の表示面からの光束を、表
示面の縦方向に変位するように各ミラーで反射しながら
投影面に導き、投影面上に収束させて、表示面と略相似
な長方形の範囲に、表示面上に表示される像の拡大像を
形成（投影）するものである。
【００１７】各実施例においては、表示面をＳ０、投影
面をＳ６で表し、各ミラーの反射面を、表示面Ｓ０から
の光を受ける順（光路上、表示面Ｓ０に近い順）に、Ｓ
１〜Ｓ５で表す。また、瞳面（絞り）をＡＰＲで表す。
【００１８】各実施例の斜め投影光学系１〜７は、パワ
ーを有する反射面Ｓ１〜Ｓ４の一部または全部に自由曲
面の反射面を含んでおり、面対称ではあるが、光学系全
体としての光軸は存在しない。したがって、光軸を基準
とする座標系で面Ｓ０〜Ｓ６を定義するのは適当でな
い。そこで、絶対座標系の中に面Ｓ０〜Ｓ６ごとのロー
カル座標系を定めて、面Ｓ０〜Ｓ６をそれぞれのローカ
ル座標系で表し、絶対座標系における各ローカル座標系
の位置および方向によって、光学系全体を定義する。
【００１９】絶対座標系および各ローカル座標系は直交
座標系であり、絶対座標系の座標軸をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸
とし、各ローカル座標系の座標軸をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と
する。長さの単位はｍｍとする。絶対座標系は、表示面
Ｓ０の中心を原点とし、投影面Ｓ６の法線方向、縦方向
および横方向をそれぞれｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の方向と
して定める。各ローカル座標系の原点は絶対座標系のｘ
-ｙ平面上にとる。また、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の単位ベク
トルをそれぞれＶＸ、ＶＹ、ＶＺとし、これらの単位ベ
クトルＶＸ、ＶＹ、ＶＺを絶対座標系で表して、絶対座
標系におけるローカル座標系の方向を表す。各ローカル
座標系のＺ軸は絶対座標系のｚ軸と平行であり、したが
って、Ｘ-Ｙ平面はｘ-ｙ平面に一致する。面Ｓ０〜Ｓ６
はそれぞれのローカル座標系のＸ-Ｙ平面に関して対称
であり、光学系全体は絶対座標系のｘ-ｙ平面に関して
対称である。
【００２０】面Ｓ０〜Ｓ６は拡張非球面の式ＥＳで定義
する。
【数１】
【００２１】ここで、Ｃ0は面頂点（Ｘ軸との交点）に
おける曲率、εは円錐係数、ｉ、ｊ、ｋは０以上の整数
であり、Ｈ2＝Ｘ2＋Ｙ2である。Ａｉは次数がｉのＨの
項の係数、ＢｊｋはＹの次数がｊでＺの次数がｋのＹＺ
の項の係数である。各実施例では、Ｈの項の次数ｉを１
２までとしており、ＹＺの項の次数ｊ＋ｋは１０までと
している。各実施例の説明では係数Ａｉ、Ｂｊｋの値を
表記するが、値が０の係数については表記を省略する。
【００２２】＜第１の実施例＞第１の実施例の斜め投影
光学系１の構成および光路を図１〜図４に示し、コンス
トラクションデータを表３〜表１０に示す。表３〜表１
０は、各表の上部に記した符号の面データである。Ｎ
０、Ｎ１は面への入射前と入射後（反射後）の媒質の屈
折率を表し、「位置」は絶対座標系におけるローカル座
標系の原点の位置を表す。瞳面ＡＰＲのデータを示す表
５におけるＲは、瞳（絞り）の半径を表す。
【００２３】なお、後述する他の実施例においても、コ
ンストラクションデータの示すところは、表３〜表１０
と同様である。
【００２４】図１は、ｘ-ｙ面での断面図であり、面Ｓ
０〜Ｓ６と共に、表示面Ｓ０の横方向の中央からの光束
のうち、縦方向の両端点および縦方向を４等分する３つ
の等分点からの５本の光束を表している。図２は、ｚ方
向から見た側面図であり、上記の５本の光束に重ねて、
表示面Ｓ０の横方向の両端からの光束のうち縦方向につ
いて上記と同じ位置からのものを表している。なお、面
Ｓ０〜Ｓ６の表示は省略している。
【００２５】図３は、ｙ方向から見た上面図であり、面
Ｓ０〜Ｓ６と共に、面Ｓ０の縦方向の中央からの光束の
うち、横方向の両端点および横方向を８等分する７つの
等分点からの９本の光束を表している。図４は、ｘ方向
から見た正面図であり、面Ｓ０〜Ｓ６と共に、表示面Ｓ
０の縦方向の両端と縦方向を４等分する等分線からの光
束のうち、横方向の両端点および横方向を８等分する７
つの等分点からの４５本の光束を表している。
【００２６】図５に投影面Ｓ６上のスポットダイアグラ
ムを示す。これは、投影面Ｓ６の縦方向の両端と縦方向
を４等分する等分線と、横方向の両端と横方向を８等分
する等分線との交点の近傍でのダイアグラムであり、各
ダイアグラムに示した座標軸の原点がこれらの交点に相
当する。横方向（Ｚ方向）については対称であるから、
半分のみを示している。つまり、図５は図４の４５本の
光束のうちの２５本のスポットダイアグラムを表してお
り、上から３番目で左端のダイアグラムが投影面Ｓ６の
中心付近のものである。各ダイアグラムにおけるスポッ
トは同一光束内の異なる光線の入射位置を表しており、
各ダイアグラムに併記した数値が、同一光束内の全ての
光線の入射位置の中心の座標（ローカル座標系）を示
す。なお、各ダイアグラムの座標軸に付した±２の数値
は、その座標軸の原点からの距離である。
【００２７】図６に投影面Ｓ６上での像の歪曲を示す。
実線が斜め投影光学系１のものであり、破線は歪曲のな
い理想的な状態を表す。
【００２８】後述の変形例および他の実施例において
も、断面図、上面図、側面図、スポットダイアグラムお
よび歪曲を示す図が示すところは、図１〜図３および図
５、図６と同様である。
【００２９】本実施例の斜め投影光学系１では、表４〜
表８に示すように、反射面Ｓ１が球面、反射面Ｓ２が非
球面、反射面Ｓ３が自由曲面、反射面Ｓ４が自由曲面で
あり、瞳面ＡＰＲは反射面Ｓ１と反射面Ｓ２の間に存在
する。なお、表３、表９、表１０に示すように、表示面
Ｓ０、反射面Ｓ５、投影面Ｓ６は平面であり、これらは
互いに平行である。
【００３０】投影による像の拡大率（投影倍率）、表示
面Ｓ０および投影面Ｓ６の大きさ（像が表示または投影
される範囲の大きさ）、投影面Ｓ６への光線の入射角
度、ならびに表示面Ｓ０からの光束の入射瞳の位置を、
他の実施例のものと共に、表１に示す。ここで、表示面
Ｓ０および投影面Ｓ６の大きさは半値で表している。ま
た、入射瞳の位置は表示面Ｓ０のローカル座標系での
Ｘ、Ｙの値であり、Ｘが有限値のときはＹを長さで、Ｘ
が無限大のときはＹを角度で表している。
【００３１】拡大率は表示面Ｓ０の中心から投影面Ｓ６
の中心への投影倍率であり、β(Y)は縦方向（Ｙ方向(＝
ｙ方向)）の拡大率、β(Z)は横方向（Ｚ方向(＝ｚ方
向)）の拡大率を表す。表示面Ｓ０の大きさに対する投
影面Ｓ６の大きさの比として算出される拡大率βも、示
した値に略等しい。縦方向と横方向の拡大率β(Y)、β
(Z)はほとんど同じであるが、ごく僅かな差をanamo(Y/
Z)で示している。なお、横方向の拡大率β(Z)が負にな
ってるのは、ローカル座標系のＺ軸の方向が反射面Ｓ１
〜Ｓ５ごとに逆になっていることによる。
【００３２】斜め投影光学系１においては、縦方向の拡
大率β(Y)は７８．５７、横方向の拡大率β(Z)は７８．
５６である。投影面Ｓ６への入射角は、投影面Ｓ６の縦
方向の下端かつ横方向の中央において最小（２４．０
゜）、縦方向の上端かつ横方向の両端において最大（６
７．３゜）であり、中心においては５２．１゜である。
入射角の最大値と最小値の差で定義した画角は４３．３
゜となる。また、入射瞳が無限遠に位置し、斜めテレセ
ントリック光学系となっている。
【００３３】Ｆ数、光路の厚さＤ、投影面Ｓ６の縦方向
の長さＨ、投影面Ｓ６の長さＨに対する光路の厚さＤの
比、ならびにパワーを有する反射面Ｓ１〜Ｓ４の形状お
よびパワーの正負を、他の実施例のものと共に、表２に
示す。ここで、Ｆ数は入射瞳の径と入射瞳の位置から求
められる有効Ｆ数である。Ｆnoｙは表示面Ｓ０の縦方向
のＦ数、Ｆnoｚは横方向のＦ数を表す。光路の厚さＤ
は、表示面Ｓ０から投影面Ｓ６に至る光が通る空間の、
投影面Ｓ６の法線方向（Ｘ方向(＝ｘ方向)）についての
最大長である。
【００３４】面形状を表すsp、aspおよびexaspは、それ
ぞれ球面、非球面および自由曲面であることを示す。ま
た、(+)は凹面であってパワーが正であること、(-)は凸
面であってパワーが負であることを示す。ここで、反射
面Ｓ１〜Ｓ４のパワーは、表示面Ｓ０の中心から瞳面Ａ
ＰＲの中心を通って投影面Ｓ６に達する光線が通る位置
での面形状によるもので、曲面を定義する前述の式ＥＳ
の曲率Ｃ0の正負によるものではない。
【００３５】斜め投影光学系１では、縦方向のＦ数Ｆno
ｙは３．５、横方向のＦ数Ｆnoｚは３．４であり、投影
面Ｓ６の縦方向の長さに対する光路の厚さの比Ｄ／Ｈは
０．３０である。また、４つの反射面Ｓ１〜Ｓ４は、表
示面Ｓ０側から順に、正、負、正、負のパワーを有して
おり、投影面Ｓ６に最も近い反射面Ｓ４のパワーは負で
ある。
【００３６】投影面Ｓ６の縦方向の長さＨが約６８５ｍ
ｍであるのに対し、投影面Ｓ６の下端よりも下方に位置
する部分の縦方向の長さは約２１０ｍｍであり、光学系
全体の縦方向の長さの２３％程度である。また、投影面
Ｓ６と平面の反射面Ｓ５との距離は２００ｍｍであり、
光路の厚さＤはこれとほとんど同じである。投影面Ｓ６
の縦方向と横方向の長さの比は約９：１６である。
【００３７】＜第１の実施例の変形例１＞第１の実施例
の斜め投影光学系１の変形例である斜め投影光学系１-
ｂの断面図および上面図を図７および図８にそれぞれ示
す。斜め投影光学系１-ｂは、表示面Ｓ０から平面の反
射面Ｓ５までを投影面Ｓ６の方向にシフトさせたもので
ある。
【００３８】図７より明らかなように、反射面Ｓ４の大
部分は投影面Ｓ６に関して平面の反射面Ｓ５の反対側に
位置しており、斜め投影光学系１-ｂの下部の中央部分
は投影面Ｓ６から少し突出する形態となっている。この
ため、前述の表２に示したように、光学系全体としての
光路の厚さＤは大きくなっているが、図７と図１の比較
より判るように、投影面Ｓ６と平面の反射面Ｓ５の距離
は斜め投影光学系１よりも小さくなっている。
【００３９】＜第１の実施例の変形例２＞第１の実施例
の斜め投影光学系１の別の変形例である斜め投影光学系
１-ｃの断面図を図９に示す。この斜め投影光学系１-ｃ
は、平面の反射面Ｓ５を省略したものである。反射面Ｓ
５を省略したことにより、表２に示したように、光学系
全体としての光路の厚さＤは倍増するが、それでも、光
路の厚さＤは投影面Ｓ６の縦方向の長さＨの５９％程度
である。
【００４０】反射面Ｓ５を備える斜め投影光学系１はリ
アプロジェクションのみに適するが、斜め投影光学系１
-ｃはリアプロジェクションとフロントプロジェクショ
ンの双方に適する。なお、以下に述べる各実施例の斜め
投影光学系においても、本変形例のように、反射面Ｓ５
を省略することが可能である。
【００４１】＜第２の実施例＞第２の実施例の斜め投影
光学系２の断面図、側面図、上面図を図１０〜図１２に
それぞれ示し、コンストラクションデータを表１１〜表
１８に示す。また、投影面Ｓ６上のスポットダイアグラ
ム、投影面Ｓ６上での像の歪曲を図１３、図１４にそれ
ぞれ示す。
【００４２】表１に示したように、縦方向の拡大率β
(Y)は７１．４１、横方向の拡大率β(Z)は７１．３９で
ある。投影面Ｓ６への入射角は、投影面Ｓ６の縦方向の
下端、横方向の中央において最小（２４．７゜）、縦方
向の上端、横方向の両端において最大（６５．８゜）で
あり、中心においては５０．９゜である。画角は４１．
１゜である。また、入射瞳が表示面Ｓ０の中心における
法線上の無限遠に位置し、テレセントリック光学系とな
っている。
【００４３】表２に示したように、縦方向のＦ数Ｆnoｙ
は２．５、横方向のＦ数Ｆnoｚも２．５であり、投影面
Ｓ６の縦方向の長さに対する光路の厚さの比Ｄ／Ｈは
０．３２である。また、４つの反射面Ｓ１〜Ｓ４は、表
示面Ｓ０側から順に、正、負、正、負のパワーを有して
おり、投影面Ｓ６に最も近い反射面Ｓ４のパワーは負で
ある。表示面Ｓ０に近い２つの反射面Ｓ１、Ｓ２は非球
面であり、投影面Ｓ６に近い２つの反射面Ｓ３、Ｓ４は
自由曲面である。
【００４４】投影面Ｓ６の縦方向の長さＨが約６２３ｍ
ｍであるのに対し、投影面Ｓ６の下端よりも下方に位置
する部分の縦方向の長さは約２３３ｍｍであり、光学系
全体の縦方向の長さの２７％程度である。また、投影面
Ｓ６と平面の反射面Ｓ５との距離は２００ｍｍであり、
これが光路の厚さＤとなっている。投影面Ｓ６の縦方向
と横方向の長さの比は約９：１６である。
【００４５】＜第３の実施例＞第３の実施例の斜め投影
光学系３の断面図、側面図、上面図を図１５〜図１７に
それぞれ示し、コンストラクションデータを表１９〜表
２６に示す。また、投影面Ｓ６上のスポットダイアグラ
ム、投影面Ｓ６上での像の歪曲を図１８、図１９にそれ
ぞれ示す。
【００４６】表１に示したように、縦方向の拡大率β
(Y)は７１．４０、横方向の拡大率β(Z)は７１．３９で
ある。投影面Ｓ６への入射角は、投影面Ｓ６の縦方向の
下端、横方向の中央において最小（２４．３゜）、縦方
向の上端、横方向の両端において最大（６５．７゜）で
あり、中心においては５０．７゜である。画角は４１．
４゜である。また、入射瞳は無限遠に位置し、斜めテレ
セントリック光学系となっている。
【００４７】表２に示したように、縦方向のＦ数Ｆnoｙ
は２．６、横方向のＦ数Ｆnoｚは２．５であり、投影面
Ｓ６の縦方向の長さに対する光路の厚さの比Ｄ／Ｈは
０．３２である。また、４つの反射面Ｓ１〜Ｓ４は、表
示面Ｓ０側から順に、正、負、正、負のパワーを有して
おり、投影面Ｓ６に最も近い反射面Ｓ４のパワーは負で
ある。表示面Ｓ０に近い２つの反射面Ｓ１、Ｓ２は非球
面であり、投影面Ｓ６に近い２つの反射面Ｓ３、Ｓ４は
自由曲面である。
【００４８】投影面Ｓ６の縦方向の長さＨが約６２３ｍ
ｍであるのに対し、投影面Ｓ６の下端よりも下方に位置
する部分の縦方向の長さは約２２５ｍｍであり、光学系
全体の縦方向の長さの２７％程度である。また、投影面
Ｓ６と平面の反射面Ｓ５との距離は２００ｍｍであり、
これが光路の厚さＤとなっている。投影面Ｓ６の縦方向
と横方向の長さの比は約９：１６である。
【００４９】＜第４の実施例＞第４の実施例の斜め投影
光学系４の断面図、側面図、上面図を図２０〜図２２に
それぞれ示し、コンストラクションデータを表２７〜表
３４に示す。また、投影面Ｓ６上のスポットダイアグラ
ム、投影面Ｓ６上での像の歪曲を図２３、図２４にそれ
ぞれ示す。
【００５０】瞳面ＡＰＲは表示面Ｓ０に最も近い反射面
Ｓ１と表示面Ｓ０との間に位置しており、斜め投影光学
系４は後ろ絞りの光学系である。反射面Ｓ１から反射面
Ｓ２に至る光束を遮ることなく、この瞳位置に絞りを配
置することも可能である。
【００５１】表１に示したように、縦方向の拡大率β
(Y)は５１．２３、横方向の拡大率β(Z)は５１．２７で
ある。投影面Ｓ６への入射角は、投影面Ｓ６の縦方向の
下端、横方向の中央において最小（３５．９゜）、縦方
向の上端、横方向の両端において最大（７１．４゜）で
あり、中心においては６１．３゜である。画角は３５．
５゜である。また、入射瞳は表示面Ｓ０から有限距離に
位置し、非テレセントリック光学系となっている。
【００５２】表２に示したように、縦方向のＦ数Ｆnoｙ
は３．６、横方向のＦ数Ｆnoｚは３．５であり、投影面
Ｓ６の縦方向の長さに対する光路の厚さの比Ｄ／Ｈは
０．２６である。また、４つの反射面Ｓ１〜Ｓ４は、表
示面Ｓ０側から順に、正、負、正、負のパワーを有して
おり、投影面Ｓ６に最も近い反射面Ｓ４のパワーは負で
ある。これら４つの反射面Ｓ１〜Ｓ４は全て自由曲面で
ある。
【００５３】投影面Ｓ６の縦方向の長さＨが約４９８ｍ
ｍであるのに対し、投影面Ｓ６の下端よりも下方に位置
する部分の縦方向の長さは約２２８ｍｍであり、光学系
全体の縦方向の長さの３１％程度である。また、投影面
Ｓ６と平面の反射面Ｓ５との距離は１１０ｍｍであり、
光路の厚さＤはこれよりも３１ｍｍ程度大きく、下部の
中央部分は投影面Ｓ６から少し突出する形態である。投
影面Ｓ６の縦方向と横方向の長さの比は約９：１６であ
る。
【００５４】前述の各実施例の斜め投影光学系１〜３
は、表示面Ｓ０から反射面Ｓ１に至る光束が表示面Ｓ０
の縦方向について対称性の高い構成となっている。この
ため、表示面Ｓ０に像を表示するパネルを反射面Ｓ１側
から照明するのは難しい。したがって、斜め投影光学系
１〜３は、像表示用のパネルとして、透過型液晶パネル
等、透過型のものを用いる場合に適する。
【００５５】一方、本実施例の斜め投影光学系４は、表
示面Ｓ０から反射面Ｓ１に至る光束が表示面Ｓ０の縦方
向について大きく非対称であり、像表示用のパネルを反
射面Ｓ１側から照明するのも容易である。このため、斜
め投影光学系４は、透過型のパネルを用いる場合にも、
反射型のパネルを用いる場合にも適する。反射型のパネ
ルとしては、反射型液晶パネルのほか、微小な多数のミ
ラー素片より成り、ミラー素片の向きを変えることで照
明光を変調するミラー素子も利用可能である。
【００５６】＜第５の実施例＞第５の実施例の斜め投影
光学系５の断面図、側面図、上面図を図２５〜図２７に
それぞれ示し、コンストラクションデータを表３５〜表
４２に示す。また、投影面Ｓ６上のスポットダイアグラ
ム、投影面Ｓ６上での像の歪曲を図２８、図２９にそれ
ぞれ示す。
【００５７】表１に示したように、縦方向の拡大率β
(Y)は５１．２５、横方向の拡大率β(Z)は５１．２７で
ある。投影面Ｓ６への入射角は、投影面Ｓ６の縦方向の
下端、横方向の中央において最小（３４．８゜）、縦方
向の上端、横方向の両端において最大（６９．７゜）で
あり、中心においては５９．８゜である。画角は３４．
９゜である。また、入射瞳は表示面Ｓ０から有限距離に
位置し、非テレセントリック光学系となっている。
【００５８】表２に示したように、縦方向のＦ数Ｆnoｙ
は３．７、横方向のＦ数Ｆnoｚは３．５であり、投影面
Ｓ６の縦方向の長さに対する光路の厚さの比Ｄ／Ｈは
０．２４である。また、４つの反射面Ｓ１〜Ｓ４は、表
示面Ｓ０側から順に、正、負、正、負のパワーを有して
おり、投影面Ｓ６に最も近い反射面Ｓ４のパワーは負で
ある。これら４つの反射面Ｓ１〜Ｓ４は全て自由曲面で
ある。
【００５９】投影面Ｓ６の縦方向の長さＨが約４９８ｍ
ｍであるのに対し、投影面Ｓ６の下端よりも下方に位置
する部分の縦方向の長さは約２３４ｍｍであり、光学系
全体の縦方向の長さの３２％程度である。また、投影面
Ｓ６と平面の反射面Ｓ５との距離は１２０ｍｍであり、
これが光路の厚さＤとなっている。投影面Ｓ６の縦方向
と横方向の長さの比は約９：１６である。
【００６０】＜第６の実施例＞第６の実施例の斜め投影
光学系６の断面図、側面図、上面図を図３０〜図３２に
それぞれ示し、コンストラクションデータを表４３〜表
５０に示す。また、投影面Ｓ６上のスポットダイアグラ
ム、投影面Ｓ６上での像の歪曲を図３３、図３４にそれ
ぞれ示す。
【００６１】表１に示したように、縦方向の拡大率β
(Y)は７０．４５、横方向の拡大率β(Z)は７０．５０で
ある。投影面Ｓ６への入射角は、投影面Ｓ６の縦方向の
下端、横方向の中央において最小（４０．２゜）、縦方
向の上端、横方向の両端において最大（７３．２゜）で
あり、中心においては６４．３゜である。画角は３３．
０゜である。また、入射瞳は表示面Ｓ０から大きく離れ
た位置に存在し、テレセントリック光学系に近い非テレ
セントリック光学系となっている。
【００６２】表２に示したように、縦方向のＦ数Ｆnoｙ
は３．４、横方向のＦ数Ｆnoｚは３．３であり、投影面
Ｓ６の縦方向の長さに対する光路の厚さの比Ｄ／Ｈは
０．２１である。また、４つの反射面Ｓ１〜Ｓ４は、表
示面Ｓ０側から順に、正、負、正、負のパワーを有して
おり、投影面Ｓ６に最も近い反射面Ｓ４のパワーは負で
ある。これら４つの反射面Ｓ１〜Ｓ４は全て自由曲面で
ある。
【００６３】投影面Ｓ６の縦方向の長さＨが約６８５ｍ
ｍであるのに対し、投影面Ｓ６の下端よりも下方に位置
する部分の縦方向の長さは約２８９ｍｍであり、光学系
全体の縦方向の長さの３０％程度である。また、投影面
Ｓ６と平面の反射面Ｓ５との距離は１４５ｍｍであり、
これが光路の厚さＤとなっている。投影面Ｓ６の縦方向
と横方向の長さの比は約９：１６である。
【００６４】＜第７の実施例＞第７の実施例の斜め投影
光学系６の断面図、側面図、上面図を図３５〜図３７に
それぞれ示し、コンストラクションデータを表５１〜表
５８に示す。また、投影面Ｓ６上のスポットダイアグラ
ム、投影面Ｓ６上での像の歪曲を図３８、図３９にそれ
ぞれ示す。
【００６５】表１に示したように、縦方向の拡大率β
(Y)は５１．２４、横方向の拡大率β(Z)は５１．２７で
ある。投影面Ｓ６への入射角は、投影面Ｓ６の縦方向の
下端、横方向の中央において最小（３６．８゜）、縦方
向の上端、横方向の両端において最大（６９．１゜）で
あり、中心においては５８．６゜である。画角は３２．
２゜である。また、入射瞳は無限遠に位置し、テレセン
トリック光学系となっている。
【００６６】表２に示したように、縦方向のＦ数Ｆnoｙ
は２．５、横方向のＦ数Ｆnoｚも２．５であり、投影面
Ｓ６の縦方向の長さに対する光路の厚さの比Ｄ／Ｈは
０．３１である。また、４つの反射面Ｓ１〜Ｓ４は、表
示面Ｓ０側から順に、正、負、正、負のパワーを有して
おり、投影面Ｓ６に最も近い反射面Ｓ４のパワーは負で
ある。これら４つの反射面Ｓ１〜Ｓ４は全て自由曲面で
ある。
【００６７】投影面Ｓ６の縦方向の長さＨが約４９８ｍ
ｍであるのに対し、投影面Ｓ６の下端よりも下方に位置
する部分の縦方向の長さは約２３３ｍｍであり、光学系
全体の縦方向の長さの３２％程度である。また、投影面
Ｓ６と平面の反射面Ｓ５との距離は１２５ｍｍであり、
光路の厚さＤはこれよりも２７ｍｍ程度大きく、下部の
中央部分は投影面Ｓ６から少し突出する形態である。投
影面Ｓ６の縦方向と横方向の長さの比は約９：１６であ
る。
【００６８】上記の各実施例では表示面Ｓ０と投影面Ｓ
６を平行にしているが、表示面Ｓ０を投影面Ｓ６に対し
て傾けることも可能であり、自由曲面の反射面を備える
斜め投影光学系１〜７では、そのような設定も容易であ
る。また、各実施例ではパワーを有する面を全て反射面
としているが、パワーを有する面の一部を屈折面として
もよい。すなわち、斜め投影光学系１〜７にレンズを組
み合わせること、あるいは、曲面または非球面を担うミ
ラーをレンズに置き換えることもできる。
【００６９】表示面は１つに限られず、クロスプリズム
等によって光学的に等価な表示面を複数設定することも
可能である。例えば、表示面Ｓ０と反射面Ｓ１との間に
クロスダイクロイックプリズムを配置することにより、
表示面Ｓ０と等価な２つの表示面に設定し、これら３つ
の表示面に像の赤色成分、緑色成分、青色成分を表示し
て、各色成分の光をクロスダイクロイックプリズムで合
成して、投影面Ｓ６上にカラー像を形成するようにする
こともできる。斜め投影光学系１〜７のいずれにおいて
も、表示面Ｓ０と反射面Ｓ１との間のうち表示面Ｓ０に
近い部位には、そのようなクロスプリズムを配置するに
足る空間が存在する。なお、１つの表示面Ｓ０のみであ
っても、像の赤色成分、緑色成分、青色成分を時分割表
示することで、カラー像の提供は可能である。
【００７０】
【表１】
【００７１】
【表２】
【００７２】
【表３】
【００７３】
【表４】
【００７４】
【表５】
【００７５】
【表６】
【００７６】
【表７】
【００７７】
【表８】
【００７８】
【表９】
【００７９】
【表１０】
【００８０】
【表１１】
【００８１】
【表１２】
【００８２】
【表１３】
【００８３】
【表１４】
【００８４】
【表１５】
【００８５】
【表１６】
【００８６】
【表１７】
【００８７】
【表１８】
【００８８】
【表１９】
【００８９】
【表２０】
【００９０】
【表２１】
【００９１】
【表２２】
【００９２】
【表２３】
【００９３】
【表２４】
【００９４】
【表２５】
【００９５】
【表２６】
【００９６】
【表２７】
【００９７】
【表２８】
【００９８】
【表２９】
【００９９】
【表３０】
【０１００】
【表３１】
【０１０１】
【表３２】
【０１０２】
【表３３】
【０１０３】
【表３４】
【０１０４】
【表３５】
【０１０５】
【表３６】
【０１０６】
【表３７】
【０１０７】
【表３８】
【０１０８】
【表３９】
【０１０９】
【表４０】
【０１１０】
【表４１】
【０１１１】
【表４２】
【０１１２】
【表４３】
【０１１３】
【表４４】
【０１１４】
【表４５】
【０１１５】
【表４６】
【０１１６】
【表４７】
【０１１７】
【表４８】
【０１１８】
【表４９】
【０１１９】
【表５０】
【０１２０】
【表５１】
【０１２１】
【表５２】
【０１２２】
【表５３】
【０１２３】
【表５４】
【０１２４】
【表５５】
【０１２５】
【表５６】
【０１２６】
【表５７】
【０１２７】
【表５８】
【０１２８】
【発明の効果】像が表示される表示面からの光束を、表
示面の中心からの光束が斜めに入射するように投影面に
導いて、表示面上の像を拡大して投影面上に投影する斜
め投影光学系であって、パワーを有する複数の反射面を
備えるものにおいて、本発明のように、パワーを有する
反射面の少なくとも２つが自由曲面であり、パワーを有
する反射面のうち、投影面に最も近いものが負のパワー
を有し、他の少なくとも１つが正のパワーを有する構成
とすると、歪曲のない斜め投影を、結像性能を損なうこ
となく短い光路長で実現することが可能となる。したが
って、この投影光学系を備えるプロジェクション装置
を、薄型すなわちスクリーンに対して垂直な方向につい
て小型としつつ、スクリーンに沿う方向についても小型
化することができる。
【０１２９】パワーを有する反射面の数を４とし、パワ
ーを有する各反射面が、表示面に近いものから順に、
正、負、正、負のパワーを有する構成とすると、表示面
から投影面までの光路長が短くなって、装置の薄型化と
スクリーンに沿う方向の小型化を容易に両立させること
ができる。
【０１３０】特に、表示面が横方向よりも縦方向に小さ
く、パワーを有する各反射面が表示面からの光束を表示
面の縦方向に変位させるように反射し、パワーを有する
反射面のうち表示面に２番目に近いものと表示面との間
に瞳面が位置し、表示面の縦方向に対応する方向のＦ数
をＦnoｙ、表示面の横方向に対応する方向のＦ数をＦno
ｚで表すとき、Ｆnoｙ≧Ｆnoｚ、Ｆnoｙ≦４．５、か
つ、Ｆnoｚ≦４．０の関係を満たすようにすると、装置
をスクリーンの縦方向に小型化することが容易になり、
しかも、明るい像を提供することができる。
【０１３１】また、表示面が横方向よりも縦方向に小さ
く、パワーを有する各反射面が表示面からの光束を表示
面の縦方向に変位させるように反射し、表示面の縦方向
に対応する方向の投影面の大きさをＨ、表示面から投影
面に至る光束が通る空間の投影面の法線方向の最大の長
さをＤで表すとき、Ｄ／Ｈ≦０．３５の関係を満たすよ
うにすると、スクリーンの大きさの割に薄型の装置を実
現することができる。
【０１３２】さらに、表示面の大きさに対する投影面の
大きさの比をβで表すとき、３０≦β≦１００の関係を
満たすようにすると、高い結像性能の維持と、装置の薄
型化、小型化との両立が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例の投影光学系のｘ-ｙ
面での断面図。
【図２】 第１の実施例の投影光学系のｚ方向から見た
側面図。
【図３】 第１の実施例の投影光学系のｙ方向から見た
上面図。
【図４】 第１の実施例の投影光学系のｘ方向から見た
正面図。
【図５】 第１の実施例の投影光学系の投影面上のスポ
ットダイアグラム。
【図６】 第１の実施例の投影光学系の投影面上での歪
曲を示す図。
【図７】 第１の実施例の変形例の投影光学系のｘ-ｙ
面での断面図。
【図８】 第１の実施例の変形例の投影光学系のｙ方向
から見た上面図。
【図９】 第１の実施例の他の変形例の投影光学系のｘ
-ｙ面での断面図。
【図１０】 本発明の第２の実施例の投影光学系のｘ-
ｙ面での断面図。
【図１１】 第２の実施例の投影光学系のｚ方向から見
た側面図。
【図１２】 第２の実施例の投影光学系のｙ方向から見
た上面図。
【図１３】 第２の実施例の投影光学系の投影面上のス
ポットダイアグラム。
【図１４】 第２の実施例の投影光学系の投影面上での
歪曲を示す図。
【図１５】 本発明の第３の実施例の投影光学系のｘ-
ｙ面での断面図。
【図１６】 第３の実施例の投影光学系のｚ方向から見
た側面図。
【図１７】 第３の実施例の投影光学系のｙ方向から見
た上面図。
【図１８】 第３の実施例の投影光学系の投影面上のス
ポットダイアグラム。
【図１９】 第３の実施例の投影光学系の投影面上での
歪曲を示す図。
【図２０】 本発明の第４の実施例の投影光学系のｘ-
ｙ面での断面図。
【図２１】 第４の実施例の投影光学系のｚ方向から見
た側面図。
【図２２】 第４の実施例の投影光学系のｙ方向から見
た上面図。
【図２３】 第４の実施例の投影光学系の投影面上のス
ポットダイアグラム。
【図２４】 第４の実施例の投影光学系の投影面上での
歪曲を示す図。
【図２５】 本発明の第５の実施例の投影光学系のｘ-
ｙ面での断面図。
【図２６】 第５の実施例の投影光学系のｚ方向から見
た側面図。
【図２７】 第５の実施例の投影光学系のｙ方向から見
た上面図。
【図２８】 第５の実施例の投影光学系の投影面上のス
ポットダイアグラム。
【図２９】 第５の実施例の投影光学系の投影面上での
歪曲を示す図。
【図３０】 本発明の第６の実施例の投影光学系のｘ-
ｙ面での断面図。
【図３１】 第６の実施例の投影光学系のｚ方向から見
た側面図。
【図３２】 第６の実施例の投影光学系のｙ方向から見
た上面図。
【図３３】 第６の実施例の投影光学系の投影面上のス
ポットダイアグラム。
【図３４】 第６の実施例の投影光学系の投影面上での
歪曲を示す図。
【図３５】 本発明の第７の実施例の投影光学系のｘ-
ｙ面での断面図。
【図３６】 第７の実施例の投影光学系のｚ方向から見
た側面図。
【図３７】 第７の実施例の投影光学系のｙ方向から見
た上面図。
【図３８】 第７の実施例の投影光学系の投影面上のス
ポットダイアグラム。
【図３９】 第７の実施例の投影光学系の投影面上での
歪曲を示す図。
【符号の説明】
１、１-ｂ、１-ｃ、２、３、４、５、６、７ 斜め投影
光学系 Ｓ０ 表示面 Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４ 曲面反射面 Ｓ５ 平面反射面 Ｓ６ 投影面 ＡＰＲ 瞳面

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 像が表示される表示面からの光束を、表
    示面の中心からの光束が斜めに入射するように投影面に
    導いて、表示面上の像を拡大して投影面上に投影する斜
    め投影光学系であって、パワーを有する複数の反射面を
    備えるものにおいて、 パワーを有する反射面の少なくとも２つが自由曲面であ
    り、パワーを有する反射面のうち、投影面に最も近いも
    のが負のパワーを有し、他の少なくとも１つが正のパワ
    ーを有することを特徴とする斜め投影光学系。
  2. 【請求項２】 パワーを有する反射面の数が４であり、
    パワーを有する各反射面が、表示面に近いものから順
    に、正、負、正、負のパワーを有することを特徴とする
    請求項１に記載の斜め投影光学系。
  3. 【請求項３】 表示面が横方向よりも縦方向に小さく、
    パワーを有する各反射面が表示面からの光束を表示面の
    縦方向に変位させるように反射し、パワーを有する反射
    面のうち表示面に２番目に近いものと表示面との間に瞳
    面が位置し、表示面の縦方向に対応する方向のＦ数をＦ
    noｙ、表示面の横方向に対応する方向のＦ数をＦnoｚで
    表すとき、 Ｆnoｙ≧Ｆnoｚ Ｆnoｙ≦４．５ かつ、Ｆnoｚ≦４．０ の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の斜め
    投影光学系。
  4. 【請求項４】 表示面が横方向よりも縦方向に小さく、
    パワーを有する各反射面が表示面からの光束を表示面の
    縦方向に変位させるように反射し、表示面の縦方向に対
    応する方向の投影面の大きさをＨ、表示面から投影面に
    至る光束が通る空間の投影面の法線方向の最大の長さを
    Ｄで表すとき、 Ｄ／Ｈ≦０．３５ の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の斜め
    投影光学系。
  5. 【請求項５】 表示面の大きさに対する投影面の大きさ
    の比をβで表すとき、 ３０≦β≦１００ の関係を満たすことを特徴とする請求項４に記載の斜め
    投影光学系。
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