JP2005202437A - 拡大投写型ディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源から発せられた光の利用効率が高く、かつ、高輝度で照度ムラの少ない投写画像が得られる拡大投写型ディスプレイ装置を提供する。
【解決手段】照明光学系を正のパワーを有する最終段の結像光学素子を含む２以上の光学素子によって構成され、それら２以上の光学素子の少なくとも一つが前記輝度ムラ低減手段の光軸に対して回転偏心して配置されているアフォーカル光学系によって構成し、投写光学系を光軸に対して偏心した絞りを有するテレセントリックな屈折型結像光学系によって構成した。
【選択図】 図４

Description

本発明は、液晶ライトバルブやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ（ディジタルマイクロミラーデバイス）：テキサス・インスツルメンツ社の登録商標）等の画像形成素子により提供される画像をスクリーン上に拡大投影する拡大投写型ディスプレイ装置に関する。

従来より、液晶ライトバルブやＤＭＤ等の画像形成素子により提供される画像をスクリーン上に拡大投影する拡大投写型ディスプレイ装置が、種々提案されている。このような拡大投写型ディスプレイ装置では、近年、高性能化に伴いスクリーンへの到達光束量が少ない、すなわち光利用効率の向上が求められている。特にＤＭＤを画像形成素子に用いた拡大投写型ディスプレイ装置では、その必要性が増して来ている。

ＤＭＤを画像形成素子に用いた拡大投写型ディスプレイ装置用の照明光学系として、反射光学素子を用いて小型で高効率な照明光学系が特許文献１に開示されている。特許文献１に記載された照明光学系は、白色光源のアークランプから発した光線はコンデンサレンズ、球面ミラーを経てＤＭＤに高角度で入射するように構成されている。
国際公開第ＷＯ９８／０２９７７３号パンフレット

しかし、特許文献１に記載された照明光学系ではキーストーン歪等が補正されておらず、照射領域形状をＤＭＤ等の画像形成素子形状に相似するような手段はとられていない。このため、特許文献１に記載されたような照明光学系を備えた拡大投写型ディスプレイ装置では、均一で高輝度の投写画像を得ることは困難であった。また、最終的に照度ムラの少ない高輝度の投写画像を得るためには、照明光学系のみならず、画像形成素子の出射光束をスクリーン等に投写する投写光学系の改良が必要である。さらに、実用化の観点からは、照明光学系や投写光学系を構成する光学素子間の間隔を可及的に狭くするなどして装置の小型化や低コスト化を達成する必要もある。

本発明の目的の一つは、キーストーン歪を補正し、照明光学系により形成される照射領域形状を画像形成素子形状とほぼ同一にすることで光の利用率の高効率化を達成することである。本発明の目的の他の一つは、正反射型画像形成素子（例えば正反射型液晶ライトバルブ）や透過型画像形成素子（例えば透過型液晶ライトバルブ）等の画像形成素子に対する照明光学系としても、より小型化を達成するために照明光路を反射ミラーなどで折り返し、画像形成素子を斜めに照明しても光の利用率が高効率な照明光学系を備えた投写型ディスプレイ装置を提供することである。本発明の目的の他の一つは、投写型ディスプレイ装置の小型化や低コスト化を実現することである。

本発明は、液晶ライトバルブやＤＭＤなどに代表される画像形成素子をもつ拡大投写型ディスプレイ装置における照明光学系をアフォーカル光学系（アフォーカル系とは、平行光束がレンズ系を通った後再び平行光束となる光学系）で構成し、光利用効率を向上させ、かつ小型化を達成している。さらに、絞りを光軸から偏心させたテレセントリックな屈折型結像光学系を投写光学系に用いることによって、投写画像の照度ムラを低減し、高輝度な投写画像を実現している。また、回転対称非球面形状の反射鏡からなるテレセントリックな反射型結像光学系を投写光学系に用いることによって、広い画角を実現すると共に、さらになる小型化や低コスト化を実現している。

本発明の拡大投写型ディスプレイ装置に組み込まれる照明光学系は、アフォーカル光学系及び輝度ムラ低減手段を含み、前記アフォーカル光学系は、正のパワーを有する最終段の結像光学素子を含む２以上の光学素子によって構成され、それら２以上の光学素子の少なくとも一つが前記輝度ムラ低減手段の光軸に対して回転偏心して配置されていることを特徴とする。かかる特徴を有する照明光学系の一例としては、光源と、この光源からの光束を集光して仮想的な２次光源を作る集光ミラーと、２次光源の位置に入射端面が配置されて２次光源からの光束の輝度分布を均一化して出射する輝度ムラ低減素子、所謂、ライトトンネルやロッドレンズ等、光束が内面で繰り返し反射することによりその出射面での輝度ムラを均一化する光学素子と、輝度ムラ低減素子の出射面を物体面とし、物体面からの光束を照射面、所謂、像面に導くアフォーカル光学系とを有し、アフォーカル光学系が上記特徴を具備している照明光学系が挙げられる。かかる照明光学系を組み込む時には、アフォーカル光学系における物体面の任意の点からの出射光束においてその光束の中心を通るいずれの光線も、像面から出射する際に像面の法線とのなす角が５°以上となるようにするのが望ましい。

ライトトンネルやロッドレンズ等で代表される輝度ムラ低減素子と、画像形成素子との間に設けられるアフォーカル光学系は、図１〜図３のように、画像形成素子６から出射して投写レンズに代表される投写光学系（図示省略）に向かう任意光束（出射光束８ｂ）の主光線８（「主光線」とは任意の物点からの光束においてその光束の中心を通る光線として定義し、「光軸光線」とは仮想物体面の原点と照射面の原点とを通る光束の中心を通る光線として定義する。）と画像形成素子６の法線１０とのなす角度θが５°以上である。ここで、図１（ａ）〜（ｃ）（（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である）は画像形成素子６がＤＭＤの場合を示しており、上述の角度θは図１（ｃ）の側面図に示すように、紙面内断面に射影したときの角度である。図２（ａ）、（ｂ）（（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である）は画像形成素子６が正反射型の場合で、出射光束８ｂの主光線８と法線１０との成す角度θは図２（ｂ）の側面図で示した角度、所謂、反射角である。図３（ａ）、（ｂ）（（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図）は画像形成素子６が透過型の場合で、出射光束８ｂの主光線８と法線１０との成す角度θは図３（ｂ）の側面図で示した角度である。なお、図中、８ａは画像形成素子に入射する入射光束である。

本発明の拡大投写型ディスプレイ装置に組み込まれる照明光学系の第２の特徴は、上記アフォーカル光学系を構成する各素子が３次元空間配置されていることである。画像形成素子にＤＭＤを用いた場合を例に取ると図４のようになる。図４は画像形成素子６にＤＭＤを用いた本発明の拡大投写型ディスプレイ装置に組み込まれた照明光学系の一例を示す側面図である。

図４では輝度ムラ低減素子にライトトンネル３を用いている。ライトトンネル３は、光源１からの光束が集光ミラー２により集光されて形成される仮想的な２次光源の位置に入射端面３ａが位置するように配置されている。ライトトンネル３の出射面３ｂ側に配置されたアフォーカル光学系は３つのレンズ４ａ、４ｂ、４ｃと反射ミラー５で構成されている。第２のレンズ４ｂと第３のレンズ４ｃ（光源に近い方から順に第１、第２、第３レンズとする）の間に設けた反射ミラー５は平面鏡であり光路を変更するのみで、アフォーカル光学系に必須の要素ではないから無くてもよい。光路を折り返して装置を小型にする場合等、必要に応じて設ければよい。

アフォーカル光学系を構成する３つのレンズ４ａ、４ｂ、４ｃにおいて、第１のレンズ４ａは、光源１と輝度ムラ低減素子であるライトトンネル３の中心を結ぶ光軸Ｏから上下方向にシフトしている。即ち、第１のレンズ４ａの中心は光軸Ｏ上にはない。第２のレンズ４ｂは光軸Ｏから上下左右にシフトし、さらに回転偏心をしており、第２のレンズ４ｂの光軸は光軸Ｏに平行ではない。第３のレンズ４ｃは、投写レンズ光軸と平行で、画像形成素子６の中心点の法線から、シフトし回転偏心している。反射ミラー５が無い場合は、画像形成素子６から見て各光学素子の相互の相対的位置を確保したまま画像形成素子６より斜め下方向に配置される。

本発明の拡大投写型ディスプレイ装置に組み込まれる照明光学系は、アフォーカル光学系を図５に示すように少なくとも２つの屈折型光学素子（第１のレンズ４ａと第２のレンズ４ｂ）で構成してもよい（反射ミラー５は図４の場合と同じである）。また、アフォーカル光学系を構成する光学素子のうち、少なくとも１つを、曲面を持つ反射光学素子で構成してもよい。例えば、図４、図５における反射ミラー５を凹面鏡とした構成としてもよい。さらに、アフォーカル光学系を構成する光学素子のうち、少なくとも１つを非球面光学素子で構成してもよい。

アフォーカル光学系を構成する光学素子のうち、少なくとも１つをプラスチック光学素子で構成すると加工が容易で安価に照明光学系が構成でき、装置全体の生産コストも低減される。

本発明の拡大投写型ディスプレイ装置は、図４、図５に示す如く、上述の照明光学系と、照明光学系を構成するアフォーカル光学系の照射面（像面）に配置された画像形成素子６と、画像形成素子６の出射側に配置されて画像形成素子６からの出射光をスクリーンに投写する投写光学系とを含んだ構成になっている。先に説明したように、上記投写光学系は、屈折型結像光学系である投写レンズ７や１枚或いは複数枚の反射鏡から成る反射型結像光学系等で構成できる。

投写光学系に屈折型結像光学系を用いた本発明の拡大投写型ディスプレイ装置は、光源およびアフォーカル光学系を有する照明光学系と、前記照明光学系の照射面（像面）に配置された画像形成素子と、前記画像形成素子から出射した光束をスクリーンに屈折・投写するテレセントリックな屈折型結像光学系とを少なくとも有し、前記屈折型結像光学系の絞りが、当該屈折型結像光学系の光軸から偏心した位置に配置されていることを特徴としている。

屈折型結像光学系の絞りを偏心させると、画像形成素子上の特定光点から出射される光の上光線と下光線は、その出射方向が投写光軸に対して非対称となり、出射光線が投射光軸に対して傾けられる。その結果、画像形成素子上の各点から出射する光線が平行になり、明るさにムラのない投写光が得られる。これにより、投写画像の照度ムラが小さくなると共に、高輝度の投写画像となる。

投写光学系に反射型結像光学系を用いた本発明の拡大投写型ディスプレイ装置は、光源およびアフォーカル光学系を有する照明光学系と、前記照明光学系の照射面（像面）に配置された画像形成素子と、前記画像形成素子から出射した光束をスクリーンに反射・投写するテレセントリックな反射型結像光学系とを少なくとも有し、前記反射型結像光学系が、前記画像形成素子に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第２の反射鏡と、前記第２の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面又は回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第３の反射鏡と、前記第３の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第４の反射鏡とから構成されていることを特徴としている。

上記反射鏡の反射面形状は、具体的には、反射鏡の光軸をｚ軸、ｚ軸に垂直な平面をｘ−ｙ平面、ｚ軸とｘ−ｙ平面との交点を原点Ｏ、原点Ｏで交わりｘ−ｙ平面上の互いに直交する軸をｘ軸、ｙ軸として座標軸を設定したとき、下記の（１）式〜（３）式で表される回転対称非球面形状になっている。

ρ²＝ｘ²＋ｙ² （２）
ｃ＝１／ｒ （３）
ここで、α_i（ｉ＝１、２、・・・、８）は補正係数、ｋは円錐係数、ｒは反射面の曲率半径である。

上記の拡大投写型ディスプレイ装置において、照明光学系に反射鏡やプリズム等で代表される光路変換素子を備えると拡大投写型ディスプレイ装置の奥行きを小さくできる利点がある。

（作用・原理）
一般に、図１、図２、図３のように主光線８が角度θを持つことで、画像形成素子６への入射光束８ａの主光線８も所定の角度を持つ。特に画像形成素子６にＤＭＤを使用した場合には、図１に示すように、入射光束８ａの主光線８は所定の角度が２方向にわたって大きく傾く。

図７は通常の結像光学系（レンズ系４０）を用いて斜め方向から輝度ムラ低減素子の出射面像を画像形成素子面に導く様子を示す概略図である。図８は図７における照射面での照射状態、即ち、照度分布を示す図で、画像形成素子６の周囲に描かれた等高線のような曲線は等照度曲線である。図７に図示したように、大きく傾いた方向から画像形成素子６に主光線８が入射するとき、輝度ムラ低減素子の出射面３ｂでは光学系の光軸と光線の交点までが等しい出射面３ｂ上の点Ａ、Ｂでも、照射面上では光軸と照射面上の交点の距離Ａ’、Ｂ’が大きく異なってしまう。このようにして発生する倍率の差がキーストーン歪と呼ばれる収差である。この収差が発生すると、照射領域６０と画像形成素子６とが相似形にならず、図８のように照射領域（図８における等照度曲線で囲まれた領域）６０が歪み、光利用効率が低下する。そのため、本発明の拡大投写型ディスプレイ装置では、照明光学系にアフォーカル光学系を用いてキーストーン歪収差を補正し、光利用効率を向上させている。

アフォーカル光学系がキーストーン歪収差を補正できる理由を図９を使用して説明する。

図９は、キーストーン歪補正の基本的な考え方を示す概略図である。図９の光学系では図７で説明した照明光学系（光源と輝度ムラ低減素子は図示省略。輝度ムラ低減素子の出射面３ｂとレンズ系４０のみが描いてある）と照射領域６０との間に、新たに正のパワーを有する光学系（屈折型光学素子）４１を配置している。このとき、正のパワーを有する光学系４１を、主光線８と照射領域６０とのなす角が一定となるように配置すれば、前述の距離Ａ’、Ｂ’を、概略等しくすることができる。

このように、正のパワーを有する光学系４１を配置することによって、キーストーン歪を効果的に補正することができる。正のパワーを有する光学系４１を配置した照明光学系は、前述のように照射領域６０に配置される画像形成素子６へ入射する主光線８と画像形成素子６の法線とのなす角が一定となる。そのため、画像形成素子６の全面にわたって同一方向から入射する光線を投写光学系（図示省略）の方向に出射することができ、特定の方向からのみ光線を受けるような投写光学系により、効率よく光を投写画面、所謂、スクリーン（図示省略）に導くことができる。さらに、平面及び正のパワーを持つ光学系を反射型光学素子とすることによって、光学系全体の占有スペースを小さくできる。しかし単純に屈折型光学素子の替わりに反射型光学素子を配置するだけでは、図１０に示す如く新たな歪みが発生するので工夫を要する。

図１０で示すように、正のパワーを持つ光学系を反射型光学素子４２で構成すると、反射型光学素子４２への入射光線と、画像形成素子６からの出射光線との干渉が起こらないように反射型光学素子４２を配置しなければならない。これは光軸に対して反射型光学素子４２を傾けて配置することを意味する。そのため出射面３ｂで光学系光軸から等距離にある２つの点Ａ、Ｂに対応する主光線は異なる入射高さで反射光学素子４２に入射する。そのため、照射領域６０と光学系光軸との交点から出射面３ｂ上の２点Ａ、Ｂから光学系を通過した照射領域６０上の２点までの距離Ａ’、Ｂ’は異なってしまう。このことが新たな歪みである。

正のパワーを有する光学系を傾けたことに起因する歪を、以下に示す２つの構成を単独あるいは組合せて補正する。第１の構成は、図１１のように、照明光学系のレンズ系４０を複数の互いに回転偏心しているレンズ郡で構成する方法である。このレンズ郡は１枚で回転偏心していてもよい。一部のレンズ郡を正のパワーを持つ光学系４１への主光線入射高がそろうように回転偏心させることで歪を補正できる。

第２の構成は、出射面３ｂをレンズ系４０の光軸に対して正のパワーを持つ光学系と同一の方向に傾ける構成である。このように構成することによって、正のパワーを持つ光学系への入射高さを補正することができ、歪が補正される。さらに、図１１の如く、出射面３ｂからレンズ系に主光線を略平行に入射させる構成を採用すると、照明光学系の構成を簡単にすることができるとともに、フォーカスがさらに向上し照射領域６０とそうでない領域との区別がはっきりする（図４、図５の構成参照）。

上述の説明から本発明の拡大投写型ディスプレイ装置を構成する照明光学系は、画像形成素子形状に略相似な照明領域を得ることが可能になるが、ＤＭＤや正反射型の画像形成素子を用いる場合、画像形成素子への入射光と出射光の光路が重なりあうため、光路上に置かれる投写光学系と照明光学系を構成する光学素子が干渉することは明らかである。そのため画像形成素子からの出射光の主光線に所定の角度θ（画像形成素子の法線との成す角）を持たせ、投写光学系を角度つきテレセントリック光学系で構成し、光量ロスを招かないようにするのが望ましい。本発明ではこの角θをθ≧５°として干渉を防止している。

本発明は、照明光学系にアフォーカル光学系を含むことによって、キーストーン歪や、光路折り返し用の反射光学素子を用いたことによる歪の発生を抑制でき、画像形成素子サイス゛と照射領域をほぼ同一にできた。また、輝度ムラ低減素子の出射面の輝度分布を保ったまま高い照度で均一な照度分布の矩形照射領域を形成でき、光利用効率が向上した。さらに、アフォーカル光学系を構成する光学素子に、光路を折り返す機能とアファーカル光学系を構成する機能とを兼ね備えた１つの反射型光学素子を用いることで装置全体の小型化が可能になった。

照明光学系の照射面（像面）に配置された画像形成素子から投写光学系に出射する出射光束の主光線と画像形成素子の法線との成す角度θ（図１、２、３参照）を５°以上にしたことで、照明光学系と投写光学系の干渉を無くすことができた。

投写光学系を回転対称非球面形状の反射鏡から成るテレセントリックな反射結像光学系で構成したので広い画角が実現でき、且つ、各反射鏡の間隔も小さくできて小型化が可能になった。さらに、反射結像光学系を構成する反射鏡が回転対称非球面形状なので、加工がしやすく、樹脂化に対応でき、安価な反射型結像光学系が実現できる。この結果、拡大投写型ディスプレイ装置の低価格化が可能になった。また、絞りを光軸から偏心させたテレセントリックな屈折型結像光学系を投写光学系に用いたので、投写画像の照度ムラが低減でき、高輝度の投写画像が得られた。

（第１の実施の形態）
本発明の拡大投写型ディスプレイ装置に組み込まれる照明光学系の第１の実施形態を図４に示す。図４は画像形成素子６をＤＭＤとして、拡大投写型ディスプレイ装置の照明光学系に本発明の照明光学系を適用した側面図である。拡大投写型ディスプレイ装置は、図４に示す如く、画像形成素子６を照明する照明光学系と、画像形成素子６と、画像形成素子６からの光束をスクリーン（図示省略）に投写する投写レンズ（投写光学系）７とから構成されている。

照明光学系は、光源１と、この光源１からの光束を集光して仮想的な２次光源を作る集光ミラー２と、２次光源の位置に入射端面３ａが位置するように配置されて２次光源からの光束の輝度分布を均一化して出射面３ｂから出射するライトトンネル３（輝度ムラ低減素子）と、ライトトンネル３からの出射光束を画像形成素子６であるＤＭＤに導くアフォーカル光学系とで構成されている。

ライトトンネル３は、画像形成素子形状が四角形なので照明領域が四角になるよう中空四角柱形状のものを用いた。ライトトンネル３の内壁は反射面になっており、ライトトンネル３に入射した光線は内部で数回繰り返し反射・進行することによってライトトンネル出射端での輝度ムラが低減する。ライトトンネル３の替わりに角柱状や円柱状、棒状のレンズ、所謂、ロッドレンズを用いてもライトトンネルと同様の効果が得られる。なお、ライトトンネルやロッドレンズの輪郭形状は画像形成素子形状に合わせればよい。

アフォーカル光学系は第１〜第３のレンズ４ａ〜４ｃと反射ミラー５とから成り、ライトトンネル３の出射面３ｂを物体面としている。反射ミラー５は平面鏡であり、光路を変更するだけの機能しか持たず、アフォーカル光学系に必須の要素ではないから無くてもよい。本実施形態では光路を折り返して装置を小型にする目的で第２のレンズ４ｂと第３のレンズ４ｃの間に設けた。アフォーカル光学系の照射面（像面）には画像形成素子６としてＤＭＤが配置される。

アフォーカル光学系を構成する３つのレンズのうち、第１のレンズ４ａは平凸レンズとし、平面側をライトトンネル３に面するようにして、光源１とライトトンネル３の中心を結ぶ光軸Ｏから上下方向にシフトして第１のレンズ４ａの中心を光軸Ｏ上からずらして配置してある。第２のレンズ４ｂも平凸レンズとし、光軸Ｏから上下左右にシフトすると共に回転偏心させて配置している。第３のレンズ４ｃは凸レンズを使用し、ＤＭＤの中心点の法線から、シフトし回転偏心して設置され、反射ミラー５からの光束をＤＭＤに照射するようになっている。ＤＭＤはアフォーカル光学系の照射面の位置に配置されている。なお、画像形成素子６のＤＭＤ、投写光学系の投写レンズ７は公知のものを用いたので説明は省略する。

図４の構成によれば、光源１より出射された光束は、集光ミラー２に反射して仮想的な２次光源を作る。仮想的な２次光源より出射した光束は、仮想的な２次光源位置に入射端面３ａを配置したライトトンネル３に入射する。ライトトンネル３に入射した光束は、ライトトンネル３の内部で複数回反射を繰り返してライトトンネル３から出射し、第１〜第３のレンズ４ａ〜４ｃを有するアフォーカル光学系に入射する。アフォーカル光学系を通過して出射した光束の主光線は平行になって、アフォーカル光学系の照射面、即ち、画像形成素子６のＤＭＤに至る。ＤＭＤに入射した光束はＤＭＤで反射され、投写レンズ７を経てスクリーン（図示省略）に投写される。このとき、ＤＭＤから投写レンズ７に向かう光束の主光線と照射面の法線との角度を７．７８°に設定してある。

図４に示した照明光学系の各光学素子の具体的な構成をＤＭＤも含めて表１及び図６（ａ）〜（ｃ）に示す。ここで、表１は各光学素子の具体的な位置、向きを数値で表している。図６（ａ）〜（ｃ）は各光学素子の配置を模式的に示す図で、図６（ａ）は上面図、図６（ｂ）は側面図、図６（ｃ）は正面図を示している。

表１の面属性欄における面番号１の「出射面」とは輝度ムラ低減素子（この実施形態ではライトトンネル３）の光線出口面（図４、図６における出射面３ｂ）のことである。このライトトンネル３の出射面３ｂの中心点を原初期原点とし、この原点を通り出射面３ｂに垂直な軸をｚ軸、光線が光源１からライトトンネル３に向かう方向をｚ軸の「＋」方向とし、出射面３ｂをｘ−ｙ平面、ｚ軸に直交し、且つ、互いに直交する軸をそれぞれｘ軸、ｙ軸（図４において紙面に垂直な軸がｘ軸、紙面上の軸がｙ軸）とする座標系を初期の座標系（図６参照）とし、面番号順に相対的に次の原点、即ち、光学素子の面の中心座標位置を「座標変換」で表してある。座標系は右手座標系であり、表中のシフト量、回転量における「＋」、「−」の符号は図６（ａ）〜（ｃ）の表示に従う。

表中、面番号「２」〜「４」は第１のレンズ４ａ、面番号「５」〜「１０」は第２のレンズ４ｂ、面番号「１１」〜「１７」は反射ミラー５、面番号「１８」〜「２６」は第３のレンズ４ｃ、面番号「２７」〜「３４」はＤＭＤの各配置位置と向き及び形状をそれぞれ表している。なお、面番号「３２」、「３３」の「平面」は、ＤＭＤ表面に設けたカバーガラスを意味している。

「面間距離」はその面番号の面から次の面までのｚ軸方向の距離（単位はｍｍ）を表している。言い換えれば、面番号の面から次の面まで座標系をｚ軸方向の平行移動した（或いは平行移動させる）距離である。例えば、面番号「１」の面間距離はこの面番号の面（出射面３ｂ）から面番号「３」の平面までのｚ軸に沿った平行移動距離、面番号「３」の面間距離は面番号「３」の平面から面番号「４」の球面までのｚ軸に沿った平行移動距離、面番号「４」の面間距離は面番号「４」の球面から面番号「９」の平面までのｚ軸に沿った平行移動距離を表している。以下の面間距離についても同様である。

シフト量の欄における「ｘ軸方向」、「ｙ軸方向」は光学素子の面の座標原点が、その面の前の面番号で決まった原点の位置からのｘ軸方向、ｙ軸方向へのシフト量（単位はｍｍ）を示している。例えば、第１のレンズ４ａの例では、面番号「１」における出射面の面間距離が５．３ｍｍで、面番号「２」における座標変換のシフト量がｘ軸方向で−２．１８ｍｍ、ｙ軸方向で０．８６ｍｍであるから、ライトトンネル３の出射面３ｂの中心を座標原点とし、出射面３ｂに垂直な軸をｚ軸、出射面３ｂをｘ−ｙ平面、水平方向をｘ軸、垂直方向をｙ軸とした座標系において、出射面３ｂからｚ軸方向に５．３ｍｍ、ｘ軸方向に−２．１８ｍｍ、ｙ軸方向に０．８６ｍｍの位置に第１のレンズ４ａの光線入力面、即ち、面番号「３」の平面の中心があることを表している。また、面番号「３」の面属性が平面、平面の面間距離が１０ｍｍ、面番号４の面属性が球面で、球面の曲率半径が−１２ｍｍであるから、第１のレンズは平凸レンズで、光線入射側の面すなわちライトトンネル３に面した面が平面（面番号の若い方の面を光線入射側としている）、光線出射側が凸面で、平面（面番号「３」）と球面（面番号「４」）の中心間の距離が１０ｍｍであることを表している。

尚、曲率半径を「−」で表記してあるのは、面の属性が座標変換なので、曲率半径自体の定義がないため、「−」で表記してある。仮想面については全て「−」と表記するのが正しい。

回転量欄の「ｘ軸中心」、「ｙ軸中心」、「ｚ軸中心」はそれぞれ光学素子を回転させる時の回転軸を意味している。例えば面番号「１」の場合、ｘ軸中心とｙ軸中心が０、ｚ軸中心が２１．４°であるから、出射面、即ち、ライトトンネル３をｚ軸を回転軸として図６（ｃ）の正面図において反時計回りに２１．４°回転していることを示している。

座標変換は面番号の若い順に、（１）ｚ軸上平行移動（面間距離の移動）、（２）ｘ軸上平行移動（ｘシフト量）、（３）ｙ軸上平行移動（ｙシフト量）（４）ｚ軸中心の回転、（５）ｙ軸中心の回転、（６）ｘ軸中心の回転、の順序で行われる。

この座標変換によれば第２のレンズ４ｂの例では（面番号「５」〜「１０」）、面番号「４」の球面（第１のレンズ４ａの光線出射面）における面間距離が１８ｍｍ、面番号「５」の座標変換におけるシフト量がｘ軸方向が１．３ｍｍ、ｙ軸方向が−０．６ｍｍ、面番号「６」のシフト量がｘ軸方向が０．５ｍｍ、ｙ軸方向が−１ｍｍなので、面番号「９」における平面（第２のレンズ４ｂの光線入力面）の中心（座標原点）は、球面（面番号「４」）の座標系（面番号「１」〜「３」における座標変換を経た後の座標系。座標原点は球面の中心にあり、ｚ軸は球面に垂直。）の原点（球面（面番号「４」））からｚ軸上を１８ｍｍ移動し、ｘ軸方向に１．３ｍｍ、ｙ軸方向に−０．６ｍｍ（面番号「５」）移動した点からさらに、ｘ軸方向に０．５ｍｍ、ｙ軸方向に−１ｍｍ移動（面番号「６」）した位置にある。また、面番号「７」、「８」の座標変換における回転量がｙ軸中心で−５．２°、ｘ軸中心で１１．７°であるから、球面（面番号「４」）の座標系を上記平面（面番号「９」）の座標原点の位置まで原点を平行移動して出来た座標系をｙ軸を回転の中心軸として−５．２°回転し（面番号「７」）、さらにｘ軸を回転の中心軸として１１．７°回転（面番号「８」）した座標系が平面（面番号「９」）の座標系となる。この座標系のｘ−ｙ平面が面番号「９」の平面となり、初期の座標系に対する平面（面番号「９」）の中心位置と傾きが定まる。面番号「１０」の球面（光線出射面）の中心（曲率の中心ではない）は、平面（面番号「９」）における面間距離が１０ｍｍなので、平面（面番号「９」）の座標系においてｚ軸方向に座標原点（平面（面番号「９」）の中心）から１０ｍｍの位置になる。なお、平面（面番号「９」）の座標系のｚ軸が第２のレンズ４ｂの光軸になる。

平面（面番号「９」）の座標系をｚ軸に沿って１０ｍｍ平行移動し、球面（面番号「１０」）の中心に座標原点を移した座標系（球面（面番号「１０」）の座標系）が、次の光学素子、この実施形態では反射ミラー５の位置と向き、即ち、反射ミラー５の座標系を決めるために座標変換を行う出発の座標系となる。

反射ミラー５（面番号「１１」〜「１７」）の例では、面番号「１０」の球面（第２のレンズ４ｂの光線出射面）における面間距離が０ｍｍ、面番号「１１」の座標変換における回転量がｘ軸中心で−１１．７°、面番号「１２」の座標変換における回転量がｙ軸中心で５．２°、面番号「１３」の座標変換におけるシフト量がｘ軸方向が−０．５ｍｍ、ｙ軸方向が１ｍｍなので、取敢ずｚ軸方向の座標原点の移動は行わず、先ず、球面（面番号「１０」）の座標系において、ｘ軸を回転の中心軸として−１１．７°回転し（面番号「１１」）、ｙ軸を回転の中心軸として５．２°回転する（面番号「１２」）。この回転操作の座標変換により得られた座標系の各座標軸は初期の座標系の対応する各座標軸に平行な座標系になる。この後、この座標系（面番号「１１」、「１２」の回転操作により座標変換した座標系）において、座標原点（球面（面番号「１０」の中心にある）をｘ軸方向に−０．５ｍｍ、ｙ軸方向に１ｍｍ（面番号「１３」）平行移動して出来た座標系を仮想面（面番号「１７」）の座標系とし、この座標系のｘ−ｙ平面を仮想面（面番号「１７」）に設定する。座標原点は仮想面（面番号「１７」）の中心となる。

仮想面（面番号「１７」）における面間距離が４０ｍｍ、面番号「１５」の座標変換における回転量がｙ軸中心で−３４°、面番号「１６」の座標変換における回転量がｘ軸中心で１５°であるから、仮想面の座標系において、座標原点をｚ軸上で４０ｍｍ移動して座標系を平行移動した後、座標軸をｙ軸を回転中心軸として−３４°、ｘ軸を回転中心軸として１５°順次回転して得られた座標系が反射ミラー５の座標系となる。この座標系のｘ−ｙ平面が反射ミラー５の反射面、座標原点が反射ミラー５の中心であり、反射ミラー５の位置と向きが定まる。

以上、第２のレンズ４ｂと反射ミラー５を例に、表１の座標変換について説明したが、他の光学素子の面についても表１の表記に従って上記と同様にして座標変換すればよい。

本実施形態で得られた画像形成素子上の照明状態を図１２、図１３（ａ）（図１２と同一の図である）に示す。また、画像形成素子上の照度分布を図１３（ｂ）に示す。図１２に示すように、画像形成素子サイス゛と照射領域６０をほぼ同一にすることができ、歪みのない均一な照度分布が得られた。なお、図１２、図１３（ａ）における画像形成素子周辺の曲線は等照度曲線を示している。

図１３（ｂ）は、画像形成素子上における図１３（ａ）で示すＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ上の照度分布を示す図である。図中、縦軸は照度、横軸は画像形成素子上の位置を示し、曲線１３ａはＡ−Ａ上の照度分布を示す曲線、曲線１３ｂはＢ−Ｂ上の照度分布を示す曲線である。図１３（ｂ）によれば、画像形成素子は均一な照度で照明されていることが分かる。

（第２の実施の形態）
本発明の拡大投写型ディスプレイ装置に組み込まれる照明光学系の第２の実施形態を図５に示す。図５は画像形成素子６をＤＭＤとして、拡大投写型ディスプレイ装置の照明光学系に本発明の照明光学系を適用した側面図である。拡大投写型ディスプレイ装置は、図５に示す如く、画像形成素子６を照明する照明光学系と、画像形成素子６と、画像形成素子６からの光束をスクリーン（図示省略）に投写する投写レンズ７、所謂、屈折型結像光学系の投写光学系とから成る。照明光学系は、光源１と、この光源１からの光束を集光して仮想的な２次光源を作る集光ミラー２と、仮想的な２次光源の位置に入射面３ａが位置するように配置されて仮想的な２次光源からの光束の輝度分布を均一化して出射面３ｂから出射するライトトンネル３（輝度ムラ低減素子）と、ライトトンネル３からの出射光束を画像形成素子６であるＤＭＤに導くアフォーカル光学系とで構成されている。

照明光学系に用いたアフォーカル光学系は、図５に示すように、第１のレンズ４ａと第２のレンズ４ｂの２つの屈折型光学素子および反射ミラー５で構成している。反射ミラー５は第１の実施形態の場合と同様、平面鏡であり、光路を変更するだけの機能しか持たず、アフォーカル光学系に必須の要素ではないから無くてもよい。本実施形態では光路を折り返して装置を小型にする目的で第１のレンズ４ａと第５のレンズ４ｂの間に設けた。アフォーカル光学系の照射面には画像形成素子６としてＤＭＤが配置される。この実施形態においては、θは７．８°であり、画像形成素子上の照明状態は図１４のように、画像形成素子サイス゛と照射領域をほぼ同一にすることができ、歪みのない均一な照度分布が得られた。なお、図１４における画像形成素子周辺の曲線は等照度曲線を示している。

図５に示した照明光学系の各光学素子の具体的な構成はＤＭＤも含めて表２に示す。

表２の面属性欄における面番号１の「出射面」は、第１実施形態の場合と同様、輝度ムラ低減素子（ライトトンネル３）の光線出口面（出射面３ｂ）のことである。また、このライトトンネル３の出射面３ｂの中心点を原初期原点として初期の座標系を設定するのも第１実施形態の場合と同様である。

表中、面番号「２」〜「４」は第１のレンズ４ａ、面番号「５」〜「８」は反射ミラー５、面番号「９」〜「１７」は第２のレンズ４ｂ、面番号「１８」〜「２５」はＤＭＤの各配置位置と向き及び形状をそれぞれ表している。なお、面番号「２３」、「２４」の平面は、ＤＭＤ表面に設けたカバーガラスを意味している。

（第３の実施の形態）
本発明の拡大投写型ディスプレイ装置の実施形態の一例を図１５に示す。本実施形態は、アフォーカル光学系に１枚の正のパワーを持つ反射ミラーを用いた構成例である。この拡大投写型ディスプレイ装置は、図１５に示す如く、画像形成素子６を照明する照明光学系と、画像形成素子６と、画像形成素子６からの光束をスクリーン（図示省略）に投写する投写レンズ７とから成る。照明光学系は、光源１と、この光源１からの光束を集光して仮想的な２次光源を作る集光ミラー２と、仮想的な２次光源の位置に入射面３ａが位置するように配置されて仮想的な２次光源からの光束の輝度分布を均一化して出射面３ｂから出射するライトトンネル３（輝度ムラ低減素子）と、ライトトンネル３からの出射光束を画像形成素子６であるＤＭＤに導くアフォーカル光学系とで構成されている。

照明光学系に用いたアフォーカル光学系は、図１５に示すように、第１のレンズ４ａと第２のレンズ４ｂの２つの屈折型光学素子および正のパワーを持つ反射ミラー４ｄと光路折り曲げ用の反射ミラー５で構成している。反射ミラー５は凸面鏡を用いた。アフォーカル光学系の照射面には画像形成素子６としてＤＭＤが配置される。この実施形態においては、θは７．８°であり、画像形成素子上の照明状態は図１６のように、画像形成素子サイス゛と照射領域をほぼ同一にすることができ、歪みのない均一な照度分布が得られた。なお、図１６における画像形成素子周辺の曲線は等照度曲線を示している。

図１５に示した照明光学系の各光学素子の具体的な構成をＤＭＤも含めて表３に示す。

表３の面属性欄における面番号１の「出射面」は、第１実施形態の場合と同様、輝度ムラ低減素子（ライトトンネル３）の光線出口面（出射面３ｂ）のことである。また、このライトトンネル３の出射面３ｂの中心点を原初期原点として初期の座標系を設定するのも第１実施形態の場合と同様である。

表中、面番号「２」〜「４」は第１のレンズ４ａ、面番号「５」〜「９」は第２のレンズ４ｂ、面番号「１０」〜「１５」は反射ミラー５、面番号「１６」〜「２３」は正のパワーを持つ反射光学素子４ｄ、面番号「２４」〜「３１」はＤＭＤの各配置位置と向き及び形状をそれぞれ表している。なお、面番号「２９」、「３０」の平面は、ＤＭＤ表面に設けたカバーガラスを意味している。

（第４の実施の形態）
本実施の形態は、照明光学系に非球面光学素子を含む拡大投写型ディスプレイ装置の例である。この拡大投写型ディスプレイ装置は、画像形成素子を照明する照明光学系と、画像形成素子と、画像形成素子からの光束をスクリーンに投写する投写レンズとから成るのは上記３つの実施形態と同じである。本実施形態の拡大投写型ディスプレイ装置は、図１５において、反射ミラー５を非球面反射ミラーに替えた構成になっていて、この他は第３実施形態と同じ構成である。この装置における照明光学系の各光学素子の具体的な構成をＤＭＤも含めて表４に示す。画像形成素子上の照明状態は図１７のようになった。

尚、表４における面番号１６のシリンダーとはかまぼこ形状のことで、面番号１６の面はｙ−ｚ平面（面番号１６の面の座標系）に平行な任意の面で切った断面が非球面を表す式を満足しているということである。また、非球面とは通常の非球面の式（上記「課題を解決するための手段」の欄に記載の式（１）〜（３））で表記される面のことである。

表の見方は上記３つの実施形態と同じである。表中、面番号「２」〜「４」は第１のレンズ４ａ、面番号「５」〜「９」は第２のレンズ４ｂ、面番号「１０」〜「１６」は非球面反射ミラー、面番号「１６」〜「２５」は正のパワーを持つ反射光学素子４ｄ、面番号「２６」〜「３３」はＤＭＤの各配置位置と向き及び形状をそれぞれ表している。なお、面番号「３１」、「３２」の平面は、ＤＭＤ表面に設けたカバーガラスを意味している。

この実施形態では反射ミラーを非球面光学素子としたが、反射ミラーに限らず、非球面光学素子に非球面レンズを用いてもよい。

（第５の実施の形態）
本実施の形態は、投写光学系に工夫を加えて投写画像の照度ムラを低減した拡大投写型ディスプレイ装置の例である。

拡大投写型ディスプレイ装置は、画像形成素子を照明する照明光学系と、画像形成素子と、画像形成素子からの光束をスクリーンに投写する投写光学系とから成るのは上記の実施形態と同じである。照明光学系が、光源と、この光源からの光束を集光して仮想的な２次光源を作る集光ミラー仮想的な２次光源の位置に入射端面が位置するように配置されて仮想的な２次光源からの光束の輝度分布を均一化して出射面から出射するライトトンネル（輝度ムラ低減素子）と、ライトトンネルからの出射光束を画像形成素子であるＤＭＤに導くアフォーカル光学系とで構成されているのも上記４つの実施形態と同じである。本実施形態においては、図４に示す構成の照明光学系、即ち、第１の実施形態と同じ照明光学系を用いた。

投写光学系はテレセントリックな屈折型結像光学系（投写レンズ）を用い、この屈折型結像光学系中に用いられている絞りの中心を、屈折型結像光学系の光軸（図１８のＬ１）から偏心（図１８中、偏心量ｈ）させた構成になっている。この投写光学系の具体例を図１８に示す。

図１８に示すように、投写レンズは、スクリーン側から順に第１レンズ群Ｇ１〜第４レンズ群Ｇ４から成る計１４枚のレンズと平行平面ガラスＧ５とから構成されている。第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３の間に絞りＳが設けられている。この絞りの中心は投写レンズの光軸Ｌ１からｈだけ偏心している。投写レンズを構成するレンズ群Ｇ１〜Ｇ４における各レンズのデータは表５に示す通りである。

なお、表中では、最もスクリーンに近い屈折面から順に面番号ｉを付しており、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率が示された番号の屈折面とその次の屈折面とによって１つの光学要素が構成される。面間隔ｄ（単位ｍｍ）は対応する番号の屈折面と次の屈折面とのレンズ厚み若しくは空気間隔を示している。なお、最終面の面間隔は平行平面ガラスから画像形成素子までの距離である。

第１レンズ群Ｇ１は、スクリーン側に凸面を向けた凸メニスカスレンズＧ１１、画像形成素子側に凹面を向けた凹メニスカスレンズＧ１２、凹レンズＧ１３の計３枚のレンズで構成されている。第２レンズ群Ｇ２は、画像形成素子側に凸面を向けた凸メニスカスレンズＧ２１とスクリーン側に凹面を向けた凹メニスカスレンズＧ２２の接合レンズと、凸レンズＧ２３とで構成されている。第３レンズ群Ｇ３は、凹レンズＧ３１と凸レンズＧ３２の接合レンズで構成されている。第４レンズ群Ｇ４は、凹レンズＧ４１、画像形成素子側に凸面を向けた凸メニスカスレンズＧ４２、凹レンズＧ４３と凸レンズＧ４４の接合レンズ、画像形成素子側に凸面を向けた凸メニスカスレンズＧ４５と凸レンズＧ４６で構成されている。凹レンズＧ４３と凸レンズＧ４４の接合レンズはその凹面をスクリーン側に向けて配置されている。

投写レンズは、フォーカス時に面番号６における面間隔ｄ６が変化して第１レンズ群Ｇ１が光軸Ｌ１に沿ってスクリーン側と画像形成素子側とに進退する。第１レンズ群Ｇ１以外の他のレンズ群Ｇ２〜Ｇ４は固定されている。変倍時においては、面番号１１、１５における面間隔ｄ１１、ｄ１５が変化して第２レンズ群Ｇ２、絞りＳ１、第３レンズ群Ｇ３が光軸Ｌ１に沿って移動する。絞りＳは光軸Ｌ１に対して垂直方向に偏心しており、絞りＳの開口中心から光軸Ｌ１までの距離ｈを絞り偏心量として示している。投写距離を無限遠とした時の広角端、標準、望遠端における全系の焦点距離、ｆナンバー、可変面間隔を表６に示す。

投写距離無限遠時のレンズ系全長Ｌ、絞り偏心量ｈ１、各レンズ群Ｇ１〜Ｇ４の焦点距離ｆ１〜ｆ４、広角端における全系の合成焦点距離ｆｗはそれぞれ
Ｌ＝１３９．５ｍｍ
ｈ＝４．５ｍｍ
ｆ１＝−３４．９７ｍｍ
ｆ２＝３７．２４ｍｍ
ｆ３＝１２５．９１ｍｍ
ｆ４＝４９．０３ｍｍ
ｆｗ＝２８．５８ｍｍ
である。

上記第１〜第５の実施形態では投写光学系として投写レンズ（屈折型結像光学系）を用いたが、この投写レンズに替えて１枚或いは複数枚の反射ミラーで構成した反射型結像光学系で投写光学系を構成してもよい。また、上記何れの実施の形態も画像形成素子６にＤＭＤを用いた例であるが、例えば反射型液晶ライトバルブ、透過型液晶ライトバルブ等、ＤＭＤ以外の画像形成素子を用いて拡大投写型ディスプレイ装置を構成しても上記実施形態と同様の効果が得られる。

（第６の実施の形態）
本発明の拡大投写型ディスプレイ装置の実施形態の他例を図１９に示す。本実施形態は、投写光学系に反射型結像光学系を用いた例である。

図１９に示す如く、拡大投写型ディスプレイ装置は、画像形成素子６と、画像形成素子６を照明する照明光学系１１と、画像形成素子６からの出射光束をスクリーン（図示省略）に投写する投写光学系とから成る。画像形成素子６と照明光学系１１は第１の実施形態と同じものを用い、同じ配置になっている。

投写光学系は４枚の反射鏡から成るテレセントリック反射型結像光学系から成る。投写光学系を構成するテレセントリックな反射型結像光学系は、回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第１の反射鏡７ａと、第１の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第２の反射鏡７ｂと、第２の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第３の反射鏡７ｃと、第３の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第４の反射鏡７ｄの４つの反射鏡から構成され、反射鏡７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄで順次反射された光束の光路がジグザグになるように反射鏡が配置されて、第４の反射鏡７ｄで反射された光束が投写スクリーン（図示省略）に拡大投写される構成のテレセントリックな反射型結像光学系である。この反射型結像光学系の結像面にはＤＭＤで構成された反射型の画像形成素子６が配置されている。

反射鏡７ａ〜７ｄの反射面形状（回転対称非球面形状）は、図２０に示すように、光軸をｚ軸、ｚ軸に垂直な平面をｘ−ｙ平面（図中４つの頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが張る平面）、ｚ軸とｘ−ｙ平面との交点を原点Ｏ、原点Ｏで交わりｘ−ｙ平面上の互いに直交する軸をｘ軸、ｙ軸に座標軸を設定すると、下記の（１）式〜（３）式を満足する形状になっている。

ρ²＝ｘ²＋ｙ² （２）
ｃ＝１／ｒ （３）
ここで、α_i（ｉ＝１、２、・・・、８）は補正係数、ｒは反射面の曲率半径、ｋは円錐係数である。

上記の式を満足する反射面形状を持つ反射鏡はｚ軸が中心を通る曲面α（図２０における点ａ、ｂ、ｃ、ｄが張る曲面）を反射面とした反射鏡でも、或いは、ｚ軸が中心を通らない、所謂オフセット型の曲面β（図２０における点ａ’、ｂ’、ｃ’、ｄ’が張る曲面）を反射面とした反射鏡でもよい。本実施の形態ではオフセット型を採用している。

各反射鏡間の空間的位置関係は、反射面形状を定める各反射鏡の座標系の原点が同一平面上にあるように配置するが、反射面形状とは異なり、単純な関係式で表現するのが難しいので、反射面形状を定める上記の（１）式〜（３）式と画像形成素子６への主光線の入射角、画像形成素子６から出射する光束の開き角や光学系の空間的大きさの制限、反射型結像光学系と組み合わせる画像形成素子６（液晶表示素子やＤＭＤ等）の種類とサイズ、画面投写位置等の設計仕様を基に、公知の光線追跡シミュレーションにより反射面形状と共に反射鏡７ａ〜７ｄの配置位置を決定する。この時、反射型結像光学系の光軸（図２２のＡ−Ａ軸、即ちＺ軸）とスクリーン（図２２参照）到達光線の角度、所謂、半画角が４０°以上９０°未満で、且つ、画像形成素子６から反射型結像光学系（投写光学系）への主光線角度θ（画像形成素子６から出射する主光線と画像形成素子の法線との成す角度（図１参照））を５°以上にする。主光線角度が５°以下の場合、画像形成素子６から反射型結像光学系への光線と照明光学系が干渉して光線のケラレが発生するので、主光線角度θを５°以下とするのは望ましくない。主光線角度θの上限は特にないが、反射型結像光学系を組み込む拡大投写型ディスプレイ装置の大きさによって上限は決まる。反射鏡間の上下方向の間隔が広がりすぎずにコンパクトにおさめ、小型化を図るためには、主光線角度の上限を２０°前後にとどめるのがよい。

光線追跡シミュレーションにより各反射鏡間の空間的位置関係を求める手順は、図２１に示すように、先ず、画角、画面サイズ、光学系の空間的大きさ、画像形成素子の種類と大きさ、画面投写位置等の設計仕様を定める（ステップＳ１）。次いで、設計仕様に基づいて、光学系の種類（テレセントリック系か否かを決める。本発明ではテレセントリック系を選択）、反射鏡数（本実施形態では４枚）、光軸シフト量等、設計構想を決める（ステップＳ２）。ステップＳ１、ステップＳ２の情報を基に、絞り位置、反射鏡の空間的配置の概略（各反射鏡が相互に干渉して反射光線の一部が遮蔽されることがないように配置）、反射鏡の形状決定方程式（本発明は上記（１）式〜（３）式を用いる）、光線追跡に必要な光学系要素の初期値等の初期データを作成する（ステップＳ３）。初期データを基に光線追跡シミュレーションを行い、各反射鏡の大きさ、空間的位置、傾き角度等を決定する。なお、光線追跡シミュレーションに当たっては、公知の方法を用いた。本発明者は市販の光学系設計ソフトウェアを用いて光線追跡シミュレーションを行った。光線追跡シミュレーションにおいては、先ず、光線追跡により（１）式〜（３）式におけるｘ、ｙの取り得る範囲、αi、ｒ、ｋをはじめとし、各反射鏡の大きさ、空間的位置、傾き角度等を決めるパラメータの値を算出する（ステップＳ４）。このステップＳ４の結果を基にＭＴＦ、公差、湾曲、収差、反射鏡の有効光束マージン等の性能評価を行い（ステップＳ５）、評価結果が設計仕様を満足するまでパラメータの算出・性能評価を繰り返し、反射鏡の形状と空間位置を決定する。

上記の手順に基づいて４枚の各反射面形状を最適化することにより、テレセントリック光学系における広画角化及び小型化に好適な反射鏡形状を得る。得られた結果の一例を図２２及び表７に示す。

図２２は反射鏡の配置を示す概略図、表７は反射鏡及びその配置を示す各パラメータの具体的な数値を示す表である。

図２２において、画像形成素子６と４枚の反射鏡７ａ〜７ｄとから成る光学系の座標系（座標軸を大文字で表す）は画像形成素子６の光軸Ａ−ＡをＺ軸、Ｚ軸に交わり紙面に垂直な軸をＸ軸、Ｚ軸と垂直に交わり紙面に平行な軸（紙面上の軸）をＹ軸とし、図の右方向をＺ軸の正の方向、左方向をＺ軸の負の方向、図の上方をＹ軸の正の方向、図の下方、Ｚ軸より下をＹ軸の負の方向、紙面表面から裏面に向かう方向をＸ軸の正の方向に設定し、紙面がＹ−Ｚ平面になっている。座標原点は何処に設定してもよいが、便宜上Ｚ軸と画像形成素子６の交点を座標原点としている。

表７の「Ｎｏ」は反射鏡７ａ〜７ｄ及び画像形成素子６を識別するための番号を示しており、「０」は画像形成素子６を、「１」は第１の反射鏡７ａを、「２」は第２の反射鏡７ｂを、「３」は第３の反射鏡７ｃを、「４」は第４の反射鏡７ｄを表している。「ｄｊ」は反射鏡間の距離を表しており、画像形成素子の欄、即ち、Ｎｏ．０の欄のｄｊは図２２に示したｄ０を表し、画像形成素子６から第１の反射鏡７ａまでの距離を示している。同様にして、Ｎｏ．１の欄、即ち、第１の反射鏡の欄のｄｊは図２２に示したｄ１を表し、第１の反射鏡７ａから第２の反射鏡７ｂまでの距離を示している。以下、同様である。Ｎｏ．４の欄（第４の反射鏡の欄）のｄｊ、即ち、ｄ４は第４の反射鏡７ｄからスクリーン９までの距離を示している。

図２２、表７における各パラメータ、即ち、反射鏡７ａ〜７ｄの曲率半径ｒ、画像形成素子６と第１の反射鏡７ａとの距離ｄ０、反射鏡間の距離ｄ１〜ｄ３、第４の反射鏡７ｄからスクリーン９までの距離ｄ４、及びＺ軸（画像形成素子の光軸Ａ−Ａ）から反射鏡７ａ〜７ｄの座標原点（反射鏡面形状を定義する座標原点、即ち反射鏡面形状を計算する際の座標の原点）までの距離Ｘ、Ｙの単位は「ｍｍ」である。反射鏡７ａ〜７ｄの回転角ａの単位は「度」で、反射鏡の反射面形状を定義する座標系（座標軸は小文字で表す）の座標軸ｘ、ｙ、ｚが光学系の座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚに平行な状態（ｙ軸がＺ軸（光軸Ａ−Ａ）に垂直な状態）を基準にしてｘ軸を回転軸として図中右回り（時計回り）回転を「＋」、左回り（反時計回り）回転を「−」とした。上記以外の各パラメータ（円錐係数ｋ、補正係数α１〜α７）は無名数である。距離ｄｊ（ｊ＝０〜４、即ち、図中のｄ０、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４）は、各反射面形状を定義する座標の原点間を光軸Ａ−Ａ（Ｚ軸）に平行に測った距離、即ち、各反射面形状を定義する各座標の原点のＺ座標間の間隔、Ｘは各反射面形状を定義する座標の原点を光軸Ａ−Ａ（Ｚ軸）からＸ軸方向に光軸Ａ−Ａ（Ｚ軸）に垂直に測った距離、Ｙは各反射鏡面形状を定義する座標の原点を光軸Ａ−Ａ（Ｚ軸）からＹ軸方向に光軸Ａ−Ａ（Ｚ軸）に垂直に測った距離である。図２２の例では、反射鏡はオフセット型としたのでその反射鏡の座標原点は反射鏡の中心からずれた位置にあり、距離ｄｊ（ｊ＝０〜４）は、各反射鏡面形状を定義する各座標の原点の相対的なＺ座標が分かればよい（Ｘ座標とＹ座標は不要）ので、図では各反射鏡面形状を定義する各座標の座標原点のＺ座標の位置は示しているが、Ｘ座標、Ｙ座標の位置は明示していない。反射鏡３ｄは左回転させたものであるが、オフセット型の反射鏡面形状の関係で見かけ上右回転したように描かれている。反射鏡の大きさは任意で、上記の反射鏡位置関係において光線が遮られないように大きさを設定すればよい。

図１９において、光源より発せられた光束は照明光学系１１の照射面（反射型結像光学系の結像面でもある）に配置された画像形成素子６に入射し、画像に応じた光強度分布に空間変調されて反射して反射型結像光学系に入射する。反射型結像光学系に入射した光束は、第１の反射鏡７ａ、第２の反射鏡７ｂ、第３の反射鏡７ｃ、第４の反射鏡７ｄで順次反射・拡大され、第４の反射鏡で反射された光束は投写スクリーン（図示省略）上に拡大投影される。このときの投写画像の投影画角は１４０°以上の広画角であった。

反射型結像光学系はテレセントリックな光学系で、主光線は画像形成素子６の法線に対し図２３に示すように所定の角度θを持つ。光束の主光線８に対する光束の開き角ψ（通常、ＮＡ及びＦＮＯに相当する）を持った光束が画像形成素子６に入射し、反射するときに画像形成素子６の法線に対して主光線が角度θを持つことで照明部の光学部品との干渉をなくし、ケラレ等発生させることなく光学系を構成することが出来る。また照明光学系をアフォーカル光学系にすることにより照射面での歪をなくし、照明効率も向上する。しかも画像形成素子が透過型でも反射型でも同一の反射型結像光学系で拡大投写型ディスプレイ装置等のディスプレイ装置を構成できる。

反射型結像光学系では光束が主光線角度θを持つことにより、一般的には投影画面の下側が狭くなり、上側は広がるといった扇形の歪曲収差が必然的に発生する。しかも広画角化にともなってそれはより顕著となる。本実施形態は回転対称非球面形状を持つ反射鏡４枚の構成で歪曲収差を良好にし、各光学部品が比較的大きくなり、高価になるというテレセントリック光学系の欠点を、回転対称非球面形状の反射鏡を使用することで各反射鏡の加工上の精度を緩和し、比較的大型の反射鏡でもプラスチック化を可能にして反射鏡の樹脂化によりコスト低減を実現した。また、反射面が回転対称非球面形状であるため各反射鏡間隔を１５０ｍｍ以下と小さくでき、装置がコンパクトになった。

拡大投写型ディスプレイ装置に適用した場合はその光源からの熱影響を考慮する必要がある。そのため、特に図１９における反射鏡７ｂにおいては、画像形成素子６の近くに配置されるので熱の影響を受け易いから画像歪を抑制する上でその材質の線膨張係数αを
α＜６×１０^-5
に抑えることが望ましい。

（第７の実施の形態）
照明光学系を用いてスクリーンと一体化した背面投写型のディスプレイ装置を構成した例を図２４に示す。図２４の背面投写型ディスプレイ装置は、照明光学系１１と、透過型画像形成素子６ａと、反射型結像光学系７０から成る投写光学系と、平面反射鏡１２ａ、１２ｂと、透過型スクリーン９とから構成されている。照明光学系１１と透過型画像形成素子６ａおよび反射型結像光学系７０の第１の反射鏡７ａは一直線上にあり、反射型結像光学系７０の結像面（照明光学系の像面でもある）に透過型画像形成素子６ａが配置されている。照明光学系１１は第１の実施形態のものと同じ照明光学系である。また、投写光学系を構成する反射型結像光学系７０は第６の実施形態のものと同じテレセントリックな反射型結像光学系を用いた。

照明光学系１１の光源より発せられた光束は透過型液晶ライトバルブに代表される透過型画像形成素子６ａに入射する。透過型画像形成素子６ａを透過した光束はその主光線に対する開き角を持ったままテレセントリックな反射型結像光学系７０から成る投写光学系に入射する。反射型結像光学系７０は図１９に示した回転対称非球面形状を持つ４枚の反射鏡７ａ〜７ｄで構成されて、反射型結像光学系７０から出射した光束は、照度が均一で広画角になっている。反射型結像光学系７０を出射した光束は、反射型結像光学系７０の出射側の反射鏡３ｄに対向して反射面を垂直に配置した平面反射鏡１２ａと、平面反射鏡１２ａの上方に反射面を下に向けて反射面を水平に配置（平面反射鏡１２ａに垂直に配置）した平面反射鏡１２ｂとで順次反射し、平面反射鏡１２ａに平行に配置した透過型スクリーン９に拡大投射される。

図２４に示すように、反射型結像光学系７０に対して透過型スクリーン９および平面反射鏡１２ａ、１２ｂを配置すると、空間的に少ないスペースでスクリーン９に拡大投射できる。特に、平面反射鏡１２ｂを画像形成素子６ａの法線に対して平行に配置・構成することにより、透過型スクリーン９を観察する観察者の視界より装置全体を見えなくすることができる。また、照明光学系１１は、図４に示すように、光路折り返し用の反射ミラーを有するものを用いており、ディスプレイ装置の奥行きを小さくできる利点がある。

上記第６、第７の実施の形態は反射型結像光学系７０の第３の反射鏡７ｃに回転対称非球面形状の凹面鏡を用いた例であるが、第３の反射鏡７ｃを回転対称非球面形状の凸面鏡としても回転対称非球面形状の凹面鏡の場合と同様の効果が得られる。また、第６、第７の実施の形態は投写光学系にテレセントリックな反射結像光学系を用いたが、テレセントリックな反射結像光学系に替えて通常の反射光学系、例えば、極端な例だが、反射鏡１枚、或いは、複数枚で光路を折り返すように構成してもよい。

（ａ）〜（ｃ）は、ＤＭＤから成る画像形成素子に入・出射する光束及び主光線の様子を示す図。 （ａ）、（ｂ）は、正反射型画像形成素子に入・出射する光束及び主光線の様子を示す図。 （ａ）、（ｂ）は、透過型画像形成素子に入・出射する光束及び主光線の様子を示す図。 第１の実施形態として説明した照明光学系の斜視図。 第２の実施形態として説明した照明光学系の斜視図。 （ａ）〜（ｃ）は、光学素子の配置と座標軸の関係を模式的に示す図。 従来の照明光学系により斜め方向から画像形成素子を照射する様子を示す概略図。 従来の照明光学系による画像形成素子上の照明状態を示す図。 キーストーン歪補正の基本的な考え方を示す概略図。 正のパワーを持つ反射型光学素子を用いた時に歪が発生する様子を示す図。 歪補正の基本的な考え方を示す概略図。 図４に示す照明光学系による画像形成素子上の照明状態を示す図。 図４に示す照明光学系によって照明された画像形成素子上の照度分布を示す図。 図５に示す照明光学系による画像形成素子上の照明状態を示す図。 本発明の拡大投写型ディスプレイ装置の実施形態の一例を示す斜視図。 図１５に示す拡大投写型ディスプレイ装置における画像形成素子上の照明状態を示す図。 第４の実施形態として説明した拡大投写型ディスプレイ装置における画像形成素子上の照明状態を示す図。 第５の実施形態として説明した拡大投写型ディスプレイ装置における投写光学系の概略図。 第６の実施形態として説明した拡大投写型ディスプレイ装置の概略図。 図１９に示す投写光学系で用いた反射鏡の形状と座標軸との関係を示す図。 反射鏡形状と配置を決定する手順を示す流れ図。 各反射鏡の位置関係及び反射面形状の各パラメータを示す図。 画像形成素子と反射型結像光学系の部分拡大図。 第７の実施形態として説明したディスプレイ装置の概略図。

符号の説明

１ 光源
２ 集光ミラー
３ ライトトンネル（輝度ムラ低減素子）
３ａ 入射端面
３ｂ 出射面
４ａ 第１のレンズ
４ｂ 第２のレンズ
４ｃ 第３のレンズ
４ｄ 正のパワーを持つ反射光学素子
４０ レンズ系
４１ 正のパワーを持つ光学系
４２ 正のパワーを持つ反射型光学素子
５ 反射ミラー
６ 画像形成素子
６ａ 透過型画像形成素子
６０ 照射領域
７ 投写レンズ
７ａ 第１の反射鏡（凹面鏡）
７ｂ 第２の反射鏡（凸面鏡）
７ｃ 第３の反射鏡（凹面鏡又は凸面鏡）
７ｄ 第４の反射鏡（凸面鏡）
７０ 反射型結像光学系
８ 主光線
８ａ 入射光束
８ｂ 出射光束
９ スクリーン
１０ 画像形成素子の法線
１１ 照明光学系
１２ａ 平面反射鏡
１２ｂ 平面反射鏡
１３ａ 照度分布を示す曲線
１３ｂ 照度分布を示す曲線

Claims (4)

1. アフォーカル光学系及び輝度ムラ低減手段を含む照明光学系と、
   前記照明光学系によって、法線と非平行な方向から光が照射される画像形成素子と、
   前記画像形成素子の出射側に配置されて前記画像形成素子からの出射光束を投写する投写光学系と、
   前記画像形成素子の出射光束をスクリーンに投写する投写光学系と、を有し、
   前記アフォーカル光学系は、正のパワーを有する最終段の結像光学素子を含む２以上の光学素子によって構成され、それら２以上の光学素子の少なくとも一つが前記輝度ムラ低減手段の光軸に対して回転偏心して配置されており、
   前記投写光学系は、テレセントリックな屈折型結像光学系からなり、その屈折型結像光学系が当該屈折型結像光学系の光軸に対して偏心した絞りを有することを特徴とする拡大投写型ディスプレイ装置。
2. アフォーカル光学系及び輝度ムラ低減手段を含む照明光学系と、
   前記照明光学系によって、法線と非平行な方向から光が照射される画像形成素子と、
   前記画像形成素子の出射側に配置されて前記画像形成素子からの出射光束を投写する投写光学系と、
   前記画像形成素子の出射光束をスクリーンに投写する投写光学系と、を有し、
   前記アフォーカル光学系は、正のパワーを有する最終段の結像光学素子を含む２以上の光学素子によって構成され、それら２以上の光学素子の少なくとも一つが前記輝度ムラ低減手段の光軸に対して回転偏心して配置されており、
   前記投写光学系は、前記画像形成素子に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第１の反射鏡、前記第１の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第２の反射鏡、前記第２の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第３の反射鏡、及び前記第３の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第４の反射鏡から構成されるテレセントリックな反射型結像光学系であることを特徴とする拡大投写型ディスプレイ装置。
3. アフォーカル光学系及び輝度ムラ低減手段を含む照明光学系と、
   前記照明光学系によって、法線と非平行な方向から光が照射される画像形成素子と、
   前記画像形成素子の出射側に配置されて前記画像形成素子からの出射光束を投写する投写光学系と、
   前記画像形成素子の出射光束をスクリーンに投写する投写光学系と、を有し、
   前記アフォーカル光学系は、正のパワーを有する最終段の結像光学素子を含む２以上の光学素子によって構成され、それら２以上の光学素子の少なくとも一つが前記輝度ムラ低減手段の光軸に対して回転偏心して配置されており、
   前記投写光学系は、前記画像形成素子に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第１の反射鏡、前記第１の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第２の反射鏡、前記第２の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第３の反射鏡、及び前記第３の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第４の反射鏡から構成されるテレセントリックな反射型結像光学系であることを特徴とする拡大投写型ディスプレイ装置。
4. 反射型結像光学系を構成する反射鏡の反射面形状が、反射鏡の光軸をｚ軸、ｚ軸に垂直な平面をｘ−ｙ平面、ｚ軸とｘ−ｙ平面との交点を原点Ｏ、原点Ｏで交わりｘ−ｙ平面上の互いに直交する軸をｘ軸、ｙ軸として座標軸を設定したとき、下記の（１）式〜（３）式で表される回転対称非球面形状である請求項２又は請求項３記載の拡大投写型ディスプレイ装置。
   

   

   ρ²＝ｘ²＋ｙ² （２）
   ｃ＝１／ｒ （３）
   ここで、α_i（ｉ＝１、２、・・・、８）は補正係数、ｋは円錐係数、ｒは曲率半径である。

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