JP2004061961A

JP2004061961A - 投射光学系、投射型画像表示装置および画像表示システム

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Publication number: JP2004061961A
Application number: JP2002221772A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Sunaga; 須永　　敏弘; Sawako Chatani; 茶谷　　佐和子; Yoshiaki Kurioka; 栗岡　　善昭; Katsumi Kurematsu; 榑松　　克巳; Takayuki Ishii; 石井　　隆之
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2004-02-26
Also published as: EP1387208A1; DE60331707D1; US20040032571A1; US6991338B2; EP1387208B1

Abstract

【課題】各反射面の傾き角を小さく抑えたまま入射側基準軸と射出側基準軸のなす角度を十分大きくすることができるようにした投射光学系が望まれている。
【解決手段】原画Ｐからの光束を被投射面に投射する投射光学系において、曲率を有する少なくとも３面の複数の反射面Ｒ１〜Ｒ７を設け、原画の中心から被投射面に投射される最終結像画像の中心に至る中心主光線がたどる経路（光路）を基準軸としたとき、入射側基準軸と射出側基準軸とを相互に傾けるとともに、かつ各反射面を、この投射光学系内において基準軸が少なくとも１回交差するように配置する。
【選択図】　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フロントプロジェクタやリアプロジェクタ等の投射型画像表示装置に用いられる投射光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１４には、特開平８−２９２３７１号公報にて提案されている反射光学系の例を示している。同図において、不図示の物体からの光束は絞りを通過し、反射光学素子ＲＥに第１面Ｒ１から入射する。反射光学素子ＲＥに入射した光束は、第１面Ｒ１で屈折し、第２面Ｒ２，第３面Ｒ３，第４面Ｒ４，第５面Ｒ５および第６面Ｒ６で反射し、第７面Ｒ７で屈折して反射光学素子ＲＥを射出する。このとき、光束は、第２面Ｒ２付近の中間結像面に１次結像し、第５面Ｒ５近傍に瞳を形成する。
【０００３】
そして、反射光学素子ＲＥを射出した光束は撮像面（ＣＣＤ等の撮像媒体の撮像面）上に最終的に結像する。
【０００４】
この光学系では、複数の曲面や平面の反射面を一体的に形成した光学素子を用い、反射光学系全体の小型化を図りつつ、また個別に配置したミラーにより構成される反射光学系にありがちなミラーの配置精度（組立精度）による光学性能の悪化を緩和している。
【０００５】
また、上記光学系は、絞りを光学系の最も物体側に配置し、かつこの光学系の中で物体像を少なくとも１回結像させる構成とすることにより、広画角の反射光学素子でありながら、光学素子の有効径の縮小化を図り、さらに光学素子を構成する複数の反射面に適切な屈折力を与え、各反射面を偏心配置することにより、光学系内の光路を所望の形状に屈曲させ、該光学系の全長の短縮化を達成している。
【０００６】
こうした非共軸光学系はオフアキシャル光学系と称される。すなわち、像中心と瞳中心を通る中心主光線のたどる経路を基準軸としたときに、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（オフアキシャル曲面）を含む光学系として定義される光学系である。このオフアキシャル光学系において、基準軸は折れ曲がった形状となる。
【０００７】
このオフアキシャル光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を使った光学系の構築がしやすい。また、特開平８−２９２３７２号公報、特開平９−２２２５６１号公報および特開平９−２５８１０５号公報等にはそれら光学素子を用いた変倍光学系が、特開平９−５６５０号公報にはその設計法が提案されている。
【０００８】
また、特開２００１−２５５４６２号公報には、オフアキシャル光学系を投射型画像表示装置の投射光学系に応用することが提案されている。本願図１５は、上記特開２００１−２５５４６２号公報にて提案されている投射光学系を示している。この図において、Ｌは投射光学系、ＰＡは投射光学系Ｌの入射側基準軸、ＳＡは投射光学系Ｌの射出側基準軸、θｐｓは両基準軸ＰＡ，ＳＡのなす角である。
【０００９】
この投射光学系では、ライトバルブＬＶからの光束を、不図示のスクリーンに斜め方向から投射するものである。
【００１０】
このように、殆どのプロジェクタは観察者が見やすいように斜めに投射できるようになっている。つまり、図１５のθｐｓがある程度の角度を持っているのが普通である。
【００１１】
プロジェクタを机の上だけでなく、床や天井から吊り下げて使用する場合には、θｐｓとしてさらに大きな角度が必要になる。また、リアプロジェクタ等に使われる投射光学系も、スクリーンにその背面から斜めに光束を投射することにより、装置全体の薄型化を図っている。斜めに投射する角度が大きければ大きいほど、装置は薄型になる。この場合にも、θｐｓは大きくなる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
特開平８−２９２３７１号公報などにて提案されている光学系は、本願図１６に示すように、基準軸が、図中反時計回り方向を正としたときに、第１反射面Ｒ１０１で正の方向に回転し、次の第２反射面Ｒ１０２で負の方向に回転し、第３反射面Ｒ１０３によって正の方向に回転し、最後の第４反射面Ｒ１０４で負の方向に回転するといった反射面の配置になっている。つまり、基準軸と各反射面のなす角が正，負，正，負…と交互なるように反射面が配置されている。
【００１３】
ここで、入射側基準軸ＰＡと射出側基準軸ＳＡのなす角が小さければこのような面配置でも問題にならない。しかしながら、プロジェクタのように入射側基準軸と射出側基準軸にある程度の角度を持たせようとする場合はこの構成では不都合が生じる。
【００１４】
図１７（Ａ）は、射出側基準軸ＳＡを下方に向けるよう複数の反射面を配置した様子を示している。この図に示すように、入射側基準軸ＰＡと第１反射面１０１から第２反射面１０２に向かう基準軸とのなす角度ξ１、および第２反射面１０２から第３反射面１０３に向かう基準軸と第３反射面１０３から第４反射面１０４に向かう基準軸とのなす角度ξ３の角度を広げる一方、第１反射面１０１から第２反射面１０２に向かう基準軸と第２反射面１０２から第３反射面１０３に向かう基準軸とのなす角度ξ２、および第３反射面１０３から第４反射面１０４に向かう基準軸と射出側基準軸とのなす角度ξ４を狭くする。
【００１５】
しかしながら、ξ２，ξ４を狭くし過ぎると光束がけられてしまうので、これら角度を大幅に狭くすることはできない。つまり、ξ１，ξ３を大きく広げる必要がある。
【００１６】
一般的に基準軸と反射面とのなす角が大きくなると性能をとりづらくなるので、入射側基準軸と射出側基準軸とがなす角度として大きな角度が必要な場合、ξ１とξ３が大きくなって必要な性能がとれなくなる。また、反射面の入射出角が大きい場合、保持誤差の影響を受けやすくなる。
【００１７】
図２０（Ａ），（Ｂ）は反射面に対する入射出角の違いによる誤差の影響を示している。図中のＡは反射面に入射する光線であり、図２０（Ａ）では入射出角は大きく、図２０（Ｂ）では入射出角が小さい。
【００１８】
Ｒは設計値で反射面の位置を表しており、Ｒ’はＲからαだけ図中右方向にシフトした反射面の位置を示している。β，γは反射面がＲからαだけシフトした場合に光線Ａが反射面にあたるヒットポイントのずれ量を示している。この図から分かるように、図２０（Ａ）に示す入射出角が大きい場合の方がヒットポイントのずれ量βが大きく、光学性能に与える影響が大きい。
【００１９】
このように、反射面の位置誤差が同じであっても、反射面に対する光線の入射出角が大きいほど光学性能は劣化しやすい。
【００２０】
図１７（Ｂ）は、射出側基準軸ＳＡを上方に向けるように反射面を配置した様子を示している。この場合、ξ１，ξ３を小さく、ξ２，ξ４を大きくする必要がある。そしてこの場合も、図１７（Ａ）に示した場合と同様に、ξ１，ξ３を小さくすることに限界があり、ξ２とξ４を必要以上に大きくすることになる。
【００２１】
このように、単純に反射面の傾き角を大きくしたのでは、入射側基準軸と射出側基準軸とのなす角度を大きくすることが難しい。この角度が３０度以上になる場合、性能が保てなくなる。
【００２２】
図１８には、基準軸を交差させるよう反射面Ｒ１０１〜Ｒ１０４を配置した投射光学系を示している。この場合、入射側基準軸ＰＡ，反射面間の基準軸および射出側基準軸ＳＡがなす角度は、入射側から順に、負，負，正，負となり、正の角度が基準軸を交差させることにより負になり、この角度の約２倍分だけ入射側基準軸ＰＡと射出側基準軸ＳＡが傾く。このように、光路内で基準軸を交差させた場合、各反射面の傾き角を抑えたまま入射側基準軸と射出側基準軸のなす角度を大きくできる。
【００２３】
本発明は、以上の点に鑑み、光路内で基準軸を交差させることにより、各反射面の傾き角を小さく抑えたまま入射側基準軸と射出側基準軸のなす角度を十分大きくすることができるようにした投射光学系を提供することを目的としている。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明では、原画からの光束を被投射面に投射する投射光学系において、曲率を有する少なくとも３面の複数の反射面を設けるとともに、原画の中心から被投射面に投射される最終結像画像の中心に至る光束の主光線である中心主光線がたどる経路（光路）を基準軸としたとき、投射光学系の入射側の基準軸と投射光学系の射出側の基準軸とを相互に傾かせ、かつ上記複数の反射面を、投射光学系内において基準軸が少なくとも１回交差するように配置する。
【００２５】
これにより、各反射面の傾き角を小さく抑えたまま入射側基準軸と射出側基準軸のなす角度を十分大きくすることができる投射光学系を実現することが可能となる。例えば、入射側基準軸と射出側基準軸とが相互に３０度以上傾いている投射光学系をも実現することが可能である。
【００２６】
また、上記投射光学系において、以下の条件を満足するようにしてもよい。
【００２７】
Ｌ＞７Ｙ　　…（１）
但し、Ｌは上記複数の反射面の基準軸に沿って隣り合う２面の最大間隔、Ｙは基準軸を含む面内での原画の大きさである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態な説明に入る前に、各実施形態の構成諸元の表し方および実施形態全体の共通事項について説明する。図９は本発明の実施形態として示す光学系の構成データを定義する座標系の説明図である。
【００２９】
本発明の実施形態では、物体側（原画側）から像面（被投射面）に進む１つの光線（図９中に一点鎖線で示すもので中心主光線又は基準軸光線と呼ぶ）に沿ってｉ番目の面を第ｉ面とする。
【００３０】
また、図９において、第１面Ｒ１は絞り、第２面Ｒ２は第１面と共軸な屈折面、第３面Ｒ３は第２面Ｒ２に対してチルトした反射面、第４面Ｒ４、第５面Ｒ５は各々の前面に対してシフト、チルトした反射面、第６面Ｒ６は第５面Ｒ５に対してシフト、チルトした屈折面である。第２面Ｒ２から第６面Ｒ６までの各々の面はガラス、プラスチック等の媒質で構成される１つの光学素子上に構成されている。
【００３１】
従って、図９の構成では、不図示の物体面から第２面Ｒ２までの媒質は空気、第２面Ｒ２から第６面Ｒ６まではある共通の媒質、第６面Ｒ６から不図示の第７面Ｒ７までの媒質は空気で構成されている。
【００３２】
本発明の光学系は、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ　光学系であり、光学系を構成する各面は共通の光軸を持っていない。そこで、本発明の実施形態においては第１面の光線有効径の中心を原点とする絶対座標系を設定する。
【００３３】
そして、本発明の実施形態においては、第１面の光線有効径の中心点を原点とすると共に、この原点と最終結像面（最終結像画像）の中心とを通る光線（中心主光線又は基準軸光線）のたどる経路を光学系の基準軸と定義する。さらに、実施形態中の基準軸は方向（向き）を持っている。その方向は中心主光線が結像に際して進行する方向である。
【００３４】
なお、本発明の実施形態においては、光学系の基準となる基準軸を上記のように設定したが、光学系の基準となる軸の決め方は光学設計上、収差の取り纏め上、若しくは光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の良い軸を採用すればよい。しかし、一般的には像面の中心と、絞り、入射瞳、射出瞳又は光学系の第１面の中心若しくは最終結像面の中心のいずれかを通る光線の経路を光学系の基準となる基準軸に設定する。
【００３５】
つまり、本発明の実施形態においては、第１面（絞り面）の光線有効径の中心点を通り、最終結像面の中心へ至る中心主光線（基準軸光線、基準軸）が各屈折面及び反射面によって屈折、反射する経路を基準軸に設定している。各面の順番は中心主光線が屈折、反射を受ける順番に設定している。従って、基準軸は設定された各面の順番に沿って屈折若しくは反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的に像面の中心に到達する。
【００３６】
本発明の実施形態の光学系を構成するチルト面は、基本的にすべてが同一面内でチルトしている。そこで、絶対座標系の各軸を以下のように定める。
【００３７】
Ｚ軸：原点を通り第２面Ｒ２に向かう基準軸、ここで、原点から第２面Ｒ２に向かう方向を正とする。
【００３８】
Ｙ軸：原点を通りチルト面内（図９の紙面内）でＺ軸に対して反時計回り方向に９０゜をなす方向。
【００３９】
Ｘ軸：原点を通りＺ，Ｙ各軸に垂直な直線（図９の紙面に垂直な方向、紙面手前側が正）。詳細には、Ｚ軸の正の方向から見て、原点を中心にＹ軸を反時計回りに９０度回転させた方向。
【００４０】
また、光学系を構成する第ｉ面の面形状を表すには、絶対座標系にてその面の形状を表記するより、基準軸と第ｉ面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定して、ローカル座標系でその面の面形状を表した方が形状を認識する上で理解し易いため、第ｉ面の面形状をローカル座標系で表わす。ローカル座標ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸は以下のように定義する。
【００４１】
ｚ軸：ローカル座標の原点を通り、このローカル座標の原点における第ｉ面の法線方向であり、前述の絶対座標系のＺ方向に対してなす角度が９０°未満である方向を正とする。
【００４２】
ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、ｚ方向に対し絶対座標のＹＺ面内において反時計回り方向に９０゜回転させた方向を正とする。
【００４３】
ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ＹＺ面に対し垂直な方向（ｚ軸の正の方向から見て、原点を中心にｙ軸を反時計回りに９０°回転させた方向を正とする）。
【００４４】
また、第ｉ面のＹＺ面内でのチルト角は絶対座標系のＺ軸に対して反時計回り方向を正とした角度θｉ（単位°）で表す。ここでの角度θｉは、第ｉ面のｚ軸の絶対座標系のＺ軸に対する、ＹＺ平面内での反時計回り方向への傾き角のことである。つまり、第ｉ面のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）のｙ，ｚ軸は絶対座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対してＹＺ面内で角度θｉ傾いていると言うことができる。本発明の実施形態では、各面のローカル座標の原点は図９中のＹＺ平面上にある。また、本発明の実施形態においては、ＸＺおよびＸＹ面内での面の偏心はない。
【００４５】
また、本発明の実施形態では光学系の断面図とともに数値データを示す。ここで、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面のローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量である。Ｎｄｉ，νｄｉはそれぞれ第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の媒質の屈折率とアッベ数である。
【００４６】
また、球面は以下の式で表される形状である：
【００４７】
【数１】

【００４８】
また、本発明の光学系は少なくとも回転非対称な非球面を３面以上有し、その形状は以下の式により表す：
ｚ　＝Ｃ０２ｙ^２＋Ｃ２０ｘ^２＋Ｃ０３ｙ^３＋Ｃ２１ｘ^２ｙ＋Ｃ０４ｙ^４＋Ｃ２２ｘ^２ｙ^２＋Ｃ４０ｘ^４
＋Ｃ０５ｙ^５＋Ｃ２３ｘ^２ｙ^３＋Ｃ４１ｘ^４ｙ＋Ｃ０６ｙ^６＋Ｃ２４ｘ^２ｙ^４＋Ｃ４２ｘ^４ｙ^２＋Ｃ６０ｘ^６
上記曲面式はｘに関して偶数次の項のみであるため、上記曲面式により規定される曲面はｙｚ面を対称面とする面対称な形状である。さらに以下の条件が満たされる場合はｘｚ面に対して対称な形状を表す。
【００４９】
Ｃ０３　＝Ｃ２１　＝ｔ　＝０
さらに、
Ｃ０２　＝Ｃ２０
Ｃ０４＝Ｃ４０　＝　Ｃ２２／２
Ｃ０６＝Ｃ６０　＝Ｃ２４／３　＝Ｃ４２／３
が満たされる場合は回転対称な形状を表す。以上の条件を満たさない場合は回転非対称な形状である。
【００５０】
なお、実施形態では、絞りの直径を絞り径として示している。これは光学系の明るさに関係する。また、各実施形態においては投射光学系の横収差図を示す。具体的には、結像面上において画面の中心を原点とし、垂直方向（Ｙ方向）の結像面サイズをＶＳ、水平方向（Ｘ方向）の結像面サイズＨＳとしたとき、
（０，ＶＳ／２），（０，０），（０，−ＶＳ／２），（ＨＳ／２，ＶＳ／２），（ＨＳ／２，０），（ＨＳ／２，−ＶＳ／２）
となる画角１〜６の光束の横収差を示す。
【００５１】
横収差図においては、横軸は瞳への入射高さを表し、縦軸は収差量を表し、入射瞳面上におけるｙ断面とｘ断面の２つの収差を示す。
【００５２】
各実施形態とも基本的に各面がｙｚ面を対称面とする面対称の形状となっているため、横収差図においても水平方向のプラス、マイナス方向は同一となるので、マイナス方向の横収差図は省略している。
【００５３】
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態である投射光学系を備えたプロジェクタ（投射型画像表示装置）の光学全系を示している。また、図２には、上記投射光学系の構成を示している。
【００５４】
これらの図において、Ｐは反射型ドットマトリックス液晶やデジタルマイクロミラーデバイス等を用いた画像表示素子である。１は画像表示素子Ｐに表示された原画の像をスクリーンＳに拡大投影するための投射光学系である。
【００５５】
ここで、画像表示素子Ｐの大きさは、９．６　×７．２ｍｍ　、スクリーンＳの大きさは縦横比４：３の３０インチである。また、スクリーンＳの法線Ｓａは基準軸Ａに対し３２度傾いており、前述した入射側基準軸と射出側基準軸は３２度傾いている。
【００５６】
以下、本実施形態に用いられる投射光学系の構成データを示す。ここで、Ｙｉ、Ｚｉは各反射面の原点の絶対座標系における座標であり、θｉは各反射面のチルト角であり、Ｄｉは、第ｉ面と第ｉ＋１面との面間隔であり、Ｎｄｉ、νｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の媒質の屈折率、アッベ数である。

図１および図２において、投射光学系１は画像表示素子Ｐからの光線の通過順に、絞りＲ１と、凹面鏡Ｒ２，凸面鏡Ｒ３，凹面鏡Ｒ４，凸面鏡Ｒ５，凸面鏡Ｒ６および凹面鏡Ｒ７の６つの反射面とからで構成されている。
【００５７】
すべての反射面は、ＹＺ平面のみに対して対称な面である。ここで、光束は、凸面鏡Ｒ６と凹面鏡Ｒ７との間で中間結像しており、凹面鏡Ｒ７で反射されたあとで瞳の結像をしている。さらに、凸面鏡Ｒ５から凸面鏡Ｒ６へ向かう光路と凹面鏡Ｒ７から出た光路とが交差している。そして、最終の反射面である凹面鏡Ｒ７で反射した光束は、凹面鏡Ｒ４と凸面鏡Ｒ６との間の空間を通ってスクリーンＳに投射される。
【００５８】
本実施形態では、各反射面の法線と基準軸とのなす角は最大で２７°と小さくなっている。このように、光路（基準軸）を交差させることにより、各反射面の傾き角の大きさは小さく抑えられている。
【００５９】
また、光路を交差させる場合、反射面間の間隔を長くとる必要がある。図１５は、凸面鏡Ｒ５から凸面鏡Ｒ６へ向う光路の模式図である。
【００６０】
図１９において、Ｈは凸面鏡Ｒ５に入る光束の幅を示していて、この幅は全光路で大して変わらず、ほぼ中間結像面の大きさと同じくらいである。図に示すように、光路が交差するためには、Ｄ５（つまりは凸面鏡Ｒ５と凸面鏡Ｒ６の面間隔）の長さはＨの約２．５倍以上確保しなければならない。Ｄ５がこれよりも小さいと、光路を交差させることができなくなる。反射鏡の保持等の関係から、相互に隣接する反射面間の間隔を広げる必要がある場合は、面間隔をさらに長くする必要がある。
【００６１】
中間結像の大きさは、ミラー（表面反射面）で構成されている投射光学系の場合、画像表示素子（原画）の基準軸を含む面（ＹＺ面）内での大きさの２．５〜７程度になる。中間結像面以降の反射面は、多くて２面程度であり、中間結像面での開口が大きいと必要な性能を確保することができない。つまり、像の明るさと中間結像面の大きさには密接な関係が存在する。
【００６２】
特開平８−２９２３７１号公報等にて提案されている撮像光学系に用いられる画像表示素子は、投射光学系に使われる画像表示素子より小さく、同じＦナンバーにしても像は暗くなる。つまり、特開平８−２９２３７１号公報にて提案されている撮像光学系と比べて画像表示素子のサイズが大きい場合、その分、中間結像面を大きくし、そこでの開口を小さくしなければならない。このため、中間結像面の大きさは画像表示素子の基準軸を含む面内での大きさの２．５〜７程度になる。
【００６３】
したがって、少なくとも投射光学系における反射面間の最大の面間隔は画像表示素子の基準軸を含む面内での大きさの７．５倍以上必要となる。
【００６４】
本実施形態の場合、基準軸を含む面内での画像表示素子の大きさは７．２　ｍｍであり、最大の面間隔は６０ｍｍであるので、この条件、すなわち上記条件式（１）を満たしている。
【００６５】
図３には、スクリーンＳ上での横収差を、図４には、スクリーンＳ上でのディストーションを示している。これらの図から分かるように、どちらも十分な性能が確保できている。
【００６６】
また、本実施形態の投射光学系においては、基準軸を交差させているので、面と面の間隔が必要になり、反射面の大きさが大きくなる。反射面の大きさが大きいと高精度に反射面を保持をするのが難しくなる。そこで、望ましくは、投射光学系の内部に中間結像を形成するようにしたほうがよい。
【００６７】
なお、本実施形態では、絞りを画像表示素子と投射光学系との間に設けた場合について説明したが、本発明の投射光学系はこれに限られるものではない。
【００６８】
また、本実施形態では、回転非対称な反射面はある平面に対して対称な形状であるが、本発明においてはこれに限られるものではない。
【００６９】
さらに、本発明の投射光学系における光学面の配置は、本実施形態によって限定されるものではない。
【００７０】
（第２実施形態）
図５には、本発明の第２実施形態である投射光学系を備えたプロジェクタの光学全系を示している。また、図５には、上記投射光学系の構成を示している。
【００７１】
これらの図において、Ｐは反射型ドットマトリックス液晶やデジタルマイクロミラーデバイス等を用いた画像表示素子である。２は画像表示素子Ｐの像をスクリーンＳに拡大投影するための投射光学系である。
【００７２】
本実施形態では、画像表示素子Ｐの大きさは、　１７．４　×９．８ｍｍ　、スクリーンＳの大きさは縦横比１６：９の６０インチである。また、スクリーンＳの法線Ｓａは基準軸Ａに対して３６度傾いていて、入射側基準軸と射出側基準軸は１２６度傾いている。以下、本実施形態に用いられる投射光学系の構成データを示す。ここで、Ｙｉ、Ｚｉは各反射面の原点の絶対座標系における座標であり、θｉは各反射面のチルト角であり、Ｄｉは、第ｉ面と第ｉ＋１面との面間隔であり、Ｎｄｉ、νｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の媒質の屈折率、アッベ数である。

図５および図６において、投射光学系２は画像表示素子Ｐからの光線の通過順に、絞りＲ１と、凹面鏡Ｒ２，凸面鏡Ｒ３，凹面鏡Ｒ４，凸反射面Ｒ５，凹面鏡Ｒ６および凹面鏡Ｒ７の６つの反射面とから構成されている。すべての反射面はＹＺ平面のみに対して対称な面である。
【００７３】
ここで、光束は、凸面鏡Ｒ５の近傍で中間結像しており、凹面鏡Ｒ７で反射されたあとで瞳の結像をしている。さらに、凹面鏡Ｒ４，凸反射面Ｒ５，凹面鏡Ｒ６により囲まれる空間内で光路（基準軸）が３回交差している。そして、最終の反射面である凹面鏡Ｒ７で反射した光束は、凸反射面Ｒ５と凹面鏡Ｒ６との間の空間を通ってスクリーンＳに投射される。
【００７４】
各反射面の法線と基準軸とのなす角は最大で２９°と小さくなっている。このようの光路を交差させることにより、各反射面の傾き角の大きさは小さく抑えられている。
【００７５】
本実施形態の場合、基準軸を含む平面（ＹＺ平面）内での画像表示素子Ｐの大きさは　９．８ｍｍ、最大の面間隔は　１７０ｍｍであるので、最大の面間隔は画像表示素子Ｐの上記大きさの約１７倍であり、条件式（１）を十分満足する最大面間隔が設けられている。
【００７６】
図７には、本実施形態の投射光学系２のスクリーンＳ上での横収差を、図８はスクリーンＳ上でのディストーションを示している。これらの図から分かるように、どちらも十分な性能が確保できている。
【００７７】
また、本実施形態の投射光学系においては、基準軸を交差させているので、面と面の間隔が必要になり、反射面の大きさが大きくなる。反射面の大きさが大きいと高精度に反射面を保持をするのが難しくなる。そこで、望ましくは、投射光学系の内部に中間結像を形成するようにしたほうがよい。
【００７８】
なお、本実施形態では、絞りを画像表示素子と投射光学系との間に設けた場合について説明したが、本発明の投射光学系はこれに限られるものではない。
【００７９】
また、本実施形態では、回転非対称な反射面はある平面に対して対称な形状であるが、本発明においてはこれに限られるものではない。
【００８０】
さらに、本発明の投射光学系における光学面の配置は、本実施形態によって限定されるものではない。
【００８１】
（第３実施形態）
図１０には、本発明の第３実施形態である光学系を示している。Ｐは反射型ドットマトリックス液晶やデジタルマイクロミラーデバイス等を用いた画像表示装置である。（勿論、透過型の画像表示素子を用いても構わない）。また、パネルは基準軸光線に対して１０度傾いている。２はＰの像をスクリーンＳに拡大投影するための光学系である。図１１は光学系２の詳細図である。Ｐの大きさは１７．４×９．８ｍｍ　、スクリーンＳの大きさは縦横比１６：９の６０インチである。また、スクリーンＳの法線Ｓａは基準軸Ａに対し４２．５３　度傾いていて、入射側基準軸と射出側基準軸は４７．４７　度傾いている。以下、本実施形態に用いられる反射光学系の構成データを示す。
【００８２】
ここで、Ｙｉ、Ｚｉは各反射面の原点の絶対座標系における座標であり、θｉは各反射面のチルト角であり、Ｄｉは、第ｉ面と第ｉ＋１面との面間隔であり、Ｎｄｉ、νｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の媒質の屈折率、アッベ数である。

図１０，　１１において、光学系２は、Ｐ　からの光線の通過順に、パネルのカバー硝子、絞り、屈折光学系Ｓ１〜８、凹面鏡Ｒ１、凸面鏡Ｒ２、凸面鏡Ｒ３、凹反射面Ｒ４の４つの反射面を有する反射光学系とにより構成されている。すべての反射面はＹＺ平面のみに対して対称な面である。ここで、凸面鏡Ｒ　３近傍で中間結像しており、凹面鏡Ｒ　４で反射されたあとで瞳の結像をしている。さらに、Ｓ８からＲ１に向かう光束とＲ２からＲ３に向かう光束が交差している。各反射面の法線と基準軸とのなす角は最大で３２°と小さくなっている。この様に交差させることにより各反射面の傾き角の大きさは低く抑えられている。この実施例の場合、基準軸を交差させるために折り曲げる方向におけるのパネルの大きさは９．８　ｍｍ、最大の面間隔は１４５　ｍｍであるので、最大の面間隔はパネルサイズの約１　５倍であり十分な間隔が設けられている。図１２はスクリーン上での横収差を、図１３はスクリーン上でのディストーションの様子を示している。どちらも十分な性能が確保できている。
本発明においては、基準軸を交差させているので面と面の間隔が必要になり、反射面の大きさが大きくなる。反射面の大きさが大きいと高精度に保持をするのが難しくなるので、望ましくは、光学系の内部に中間結像を形成するようにしたほうが良い。本実施例では絞りを表示パネルと反射光学系の間に設けたが本発明はこれに限らない。本実施例では回転非対称反射面はある平面に対して対称な形状であるが、これに限った事ではない。また光学面の配置等に限定されない。
【００８３】
ここで、第１〜第３実施形態では、前述の複数の（屈折力を有する）反射内部を通る中心主光線が含まれる平面が、スクリーン（被投影面）と垂直になるように構成していたがこの限りではない。具体的には、中心主光線が含まれる平面がスクリーンと実質的に平行になるように構成しても構わない。或いは、画像表示素子（透過型液晶パネル、反射型液晶パネル、ＤＭＤ等の公知の画像表示デバイス）の画像表示面に対する法線と、スクリーンの法線とが垂直になるように構成しても構わない。このような場合、複数の反射面のうち最終反射面（スクリーンに最も近い屈折力を有する面）とスクリーンとの間に、中心主光線の光路をスクリーン方向に向けるために、屈折力の無い平面ミラー等の反射部材を用いることにより、本発明の特徴を生かしたまま光路を折り曲げることができ、さらなる装置全体の小型化、薄型化を図ることができる。好ましくは、平面ミラーは２枚乃至３枚用いるのがよい。
【００８４】
また、第３実施形態においては、屈折光学系の光軸がスクリーンと実質的に平行に、屈折光学系の光軸がスクリーンの法線に対して実質的に垂直になるように構成しても構わない。また、この際に、反射面内の基準軸が形成する平面の法線をスクリーンの法線と実質的に垂直にしても良いし、また反射面内の基準軸が形成する平面の法線をスクリーンの法線と実質的に平行にしても良い。
【００８５】
また、本発明は投射光学系及び投射型画像表示装置に限定された発明ではなく、公知の各種コンピューター、カメラ（ビデオカメラ、デジタルカメラ等）、ビデオデッキ、携帯電話、電波受信装置（有線、無線不問）等の画像情報供給装置により、液晶パネル等の画像表示素子に原画を形成させるための画像情報を供給するように構成した画像表示システムにも適用可能である。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光学系内（特に反射光学系内）で光路（基準軸）を交差させることによって各反射面の傾き角を小さく抑えたまま入射側基準軸と射出側基準軸のなす角を大きく（例えば、３０度以上）傾けた投射光学系を実現することができる。また、反射面間の間隔を十分確保して、光線がけられないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である投射光学系を備えたプロジェクタの光学全系のＹＺ面内での全体構成を示す図。
【図２】図１に示した投射光学系の拡大図。
【図３】図１に示した投射光学系の横収差図。
【図４】図１に示した投射光学系のディストーション図。
【図５】本発明の第２実施形態である投射光学系を備えたプロジェクタの光学全系のＹＺ面内での全体構成を示す図。
【図６】図５に示した投射光学系の拡大図。
【図７】図５に示した投射光学系の横収差図。
【図８】図５に示した投射光学系のディストーション図。
【図９】本発明の実施形態における座標系の説明図。
【図１０】本発明の第３実施形態である投射光学系を備えたプロジェクタの光学全系のＹＺ面内での全体構成を示す図。
【図１１】図１０に示した投射光学系の拡大図。
【図１２】図１０に示した投射光学系の横収差図。
【図１３】図１０に示した投射光学系のディストーション図。
【図１４】従来の投射光学系のＹＺ面内での光学断面図。
【図１５】従来の反射面を用いた投射光学系のＹＺ面内での光学断面図。
【図１６】従来の投射光学系の模式図。
【図１７】（Ａ）は従来の投射光学系の入射側基準軸を下方に傾けた場合の模式図、（Ｂ）は従来の投射光学系の入射側基準軸を上方に傾けた場合の模式図。
【図１８】従来の投射光学系の基準軸を交差させたときの模式図。
【図１９】反射面間隔の説明図。
【図２０】（Ａ），（Ｂ）は反射面の位置ずれと反射面への光の入射角度との関係を説明する図。
【符号の説明】
１，２　　反射光学系
Ｒｉ　　絞り又は反射面
Ｄｉ　　基準軸に沿った面間隔
Ｎｄｉ　　屈折率
νｄｉ　　アッベ数
θ　　反射面の法線と基準軸とのなす角度
ξ　　基準軸の偏向角
Ｐ　　画像表示素子
ＰＡ　　入射側基準軸
ＬＶ　　ライトバルブ
Ｓ　　スクリーン
ＳＡ　　射出側基準軸

Claims

原画からの光束を被投射面に投射する投射光学系であって、曲率を有する少なくとも３面の複数の反射面を有し、
前記原画の中心から前記被投射面に投射される最終結像画像の中心に至る光束の主光線である中心主光線がたどる経路を基準軸としたとき、前記投射光学系の入射側の前記基準軸と前記投射光学系の射出側の前記基準軸とが相互に傾いており、
かつ前記複数の反射面が、前記投射光学系内において前記基準軸が少なくとも１回交差するように配置されていることを特徴とする投射光学系。
前記入射側基準軸と前記射出側基準軸とが相互に３０度以上傾いていることを特徴とする請求項１に記載の投射光学系。
前記複数の反射面がミラーにより構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の投射光学系。
以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の投射光学系。
Ｌ＞７Ｙ
但し、Ｌは前記複数の反射面の前記基準軸に沿って隣り合う２面の最大間隔、Ｙは前記基準軸を含む面内での前記原画の大きさである。
前記投射光学系の入射側の最大画角又は射出側の最大画角が２０度以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の投射光学系。
前記原画からの光束が、前記複数の反射面のうち前記被投射面に最も近い最終反射面と他の反射面との間で中間結像することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の投射光学系。
前記原画からの光束が、前記複数の反射面のうち２つの反射面の間の空間を通ってこの投射光学系に対して入射又は射出することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の投射光学系。
前記画像表示素子の法線と前記被投射面の法線とが実質的に垂直であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の投射光学系。
前記複数の反射面よりも前記画像表示素子側に少なくとも１つの透過型光学素子を有し、該透過型光学素子の光軸が前記被投影面の法線と実質的に垂直であることを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項記載の投射光学系。
前記少なくとも１つの透過型光学素子の光軸と、前記複数の反射面内の前記基準軸が形成する平面の法線とが実質的に平行であることを特徴とする請求項９記載の投射光学系。
前記少なくとも１つの透過型光学素子の光軸と、前記複数の反射面内の前記基準軸が形成する平面の法線とが実質的に垂直であることを特徴とする請求項９記載の投射光学系。
光源からの光で前記画像表示素子を照明する照明光学系と、請求項１から７のいずれか１項に記載の投射光学系とを有することを特徴とする投射型画像表示装置。
請求項１２に記載の投射型画像表示装置と、
前記画像表示素子に原画を表示させるための画像情報を前記投射型画像表示装置に供給する画像情報供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。