JP2006091867A - 薄型投射光学系、及びこれを採用した画像表示装置 - Google Patents

薄型投射光学系、及びこれを採用した画像表示装置 Download PDF

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虔 皓 趙
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Abstract

【課題】 薄型投射光学系、及びこれを採用した画像表示装置を提供する。
【解決手段】 ディスプレイ素子で形成された画像の中間像を形成し、第１歪曲を発生させるリレイレンズ群と、リレイレンズ群を通過した画像を拡大投射し、第２歪曲を発生させる投射レンズ群と、投射レンズ群により拡大された画像をスクリーンに向けて広角に反射させる反射部とを備え、第１歪曲と第２歪曲は、反射部により発生する歪曲を相殺することを特徴とする投射光学系である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、薄型投射光学系及びこれを採用した画像表示装置に係り、さらに詳細にはディスプレイ素子で形成された画像をスクリーンに向けて広角に投射し、広角に投射するときに発生する歪曲を補正して画質を向上させると共に、薄型化された光学システム、及びこれを採用した画像表示装置に関する。
画像表示装置は、ランプ光源から出射された光を、ディスプレイ素子で画素単位でオンオフ制御してカラー画像を形成し、このカラー画像をスクリーンに向けて拡大投射させる装置である。最近、画像表示装置は、大画面化、高画質化と共にスリム化が要求されており、かかる要求を満足させるための研究が活発に進められている。
画像表示装置のスリム化のために、投射光学系からの光線束の画角を広角にすることが必要である。しかし、投射光学系をスクリーンの中心部に配置する場合、投射光学系からの光線束の画角を大きくするには限界がある。このため、図１に図示されているように、投射光学系からの光線束の画角をさらに大きくして画像表示装置を薄型にするために、投射光学系２０をスクリーン４０の下部方向に傾斜するように配置する。光学エンジン１０で形成された画像が投射光学系２０を介して拡大投射されて反射ミラー３０に入射される。そして、反射ミラー３０で反射された画像がスクリーン４０に投影される。
上記の通り、投射光学系２０をスクリーン４０の下部方向に傾斜するように配置し、投射光学系２０から出射された画像を反射ミラー３０で反射させてスクリーン４０に送るとき、画像表示装置が非常に薄いために、投射光学系２０から出射される画像の広がり角がかなり大きくならねばならない。しかし、投射光学系２０をスクリーン４０の下部方向に位置させて画像を広角に投影すれば、歪曲が発生するので、画質が不良になるという問題点がある。従って、スクリーンを大型化すると共に、画像表示装置を薄型化し、かつ高画質の画像を提供するのには、技術的困難さが伴う。
特開平１１−３２６７５５号公報 特開２００３−５７５４０号公報
本発明は、前記の問題点を解決するために案出され、画像を広角に投射させ、画像を広角に投射するとき発生する歪曲を補正して画質を向上し、かつ薄型化を達成した投射光学系、及びこれを採用した画像表示装置を提供することを目的とする。
前記の課題を解決するために、本発明による投射光学系は、ディスプレイ素子で形成された画像の中間像を形成し、第１歪曲を発生させるリレイレンズ群と、前記リレイレンズ群を通過した画像を拡大投射し、第２歪曲を発生させる投射レンズ群と、前記投射レンズ群により拡大された画像をスクリーンに向けて広角に反射させる反射部とを備え、前記第１歪曲と第２歪曲は、前記反射部により発生する歪曲を相殺することを特徴とする。
前記反射部は、非球面ミラーであることが望ましい。前記反射部は、負の屈折力を有することが望ましい。
前記リレイレンズ群と投射レンズ群との間及び前記投射レンズ群と反射部との間に、光路を変換するための光路変換器が備わることを特徴とする。
前記ディスプレイ素子の光軸は、リレイレンズ群と投射レンズ群の光軸と同軸であることが望ましい。
前記反射部の光軸は、前記ディスプレイ素子の光軸とオフセットされていることが望ましい。
前記第１及び第２歪曲は、糸巻き型歪曲であり、前記反射部で発生する歪曲は、樽型歪曲であることを特徴とする。
前記課題を解決するために本発明による投射光学系は、ディスプレイ素子で形成された画像を拡大して透過させる屈折光学系と、前記屈折光学系から出射された画像を広角に反射させる反射光学系と、前記ディスプレイ素子と反射光学系との間に配置され、前記反射光学系で発生する歪曲を予備的に相殺するための第１歪曲を誘導するリレイレンズ群とを備え、前記屈折光学系は、前記第１歪曲と協同し、前記反射光学系で発生する歪曲を予備的に相殺するための第２歪曲を誘導することを特徴とする。
前記の課題を解決するために本発明による画像表示装置は、光源部から出射されたビームを受光するディスプレイ素子にて入力された画像信号によって処理して画像を形成し、前記画像をスクリーンに拡大投射する画像表示装置において、前記ディスプレイ素子で形成された画像の中間像を形成し、第１歪曲を発生させるリレイレンズ群と、前記リレイレンズ群を通過した画像を拡大投射し、第２歪曲を発生させる投射レンズ群と、前記投射レンズ群により拡大された画像をスクリーンに向けて広角に反射させる反射部とを備え、前記第１歪曲と第２歪曲は、前記反射部により発生する歪曲を相殺することを特徴とする。
前記課題を解決するために本発明による画像表示装置は、光源部から出射されたビームを受光するディスプレイ素子にて入力された画像信号によって処理して画像を形成し、前記画像をスクリーンに拡大投射する画像表示装置において、前記ディスプレイ素子で形成された画像を拡大して透過させる屈折光学系と、前記屈折光学系から出射された画像を広角に反射させる反射光学系と、前記ディスプレイ素子と反射光学系との間に配置され、前記反射光学系で発生する歪曲を予備的に相殺するための第１歪曲を誘導するリレイレンズ群とを備え、前記屈折光学系は、前記第１歪曲と協同し、前記反射光学系で発生する歪曲を予備的に相殺するための第２歪曲を誘導することを特徴とする。
本発明による投射光学系とこれを採用した画像表示装置は、屈折光学系と反射光学系とを備え、ディスプレイ素子で形成された画像を広角にスクリーンに投射することにより、画像表示装置を薄型化でき、反射光学系で発生する歪曲を相殺する歪曲をリレイレンズ群と屈折光学系とで予備的に誘導し、さらに高画質の画像を提供できる。
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明による画像表示装置は、図２を参照するに、ディスプレイ素子１００で形成された画像の中間像を形成するリレイレンズ群１１０と、リレイレンズ群１１０を通過した画像を一次的に拡大投影する投射レンズ群１３０と、投射レンズ群１３０からの画像をスクリーンＳに拡大反射させる反射部１４０とを有する投射光学系１５０を含む。
ディスプレイ素子１００は、受光されたビームを画像情報入力部（図示せず）から入力された画像情報によって変調して画像を形成する。ディスプレイ素子１００としては、例えば稼動ミラー装置（ＤＭＤ）、液晶表示素子（ＬＣＤ）、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、ＬＣＯＳ（リキッドクリスタルオンシリコン）などが使われうる。前記ＤＭＤは、複数個のマイクロミラーが二次元的に配列され、各マイクロミラーの稼動によって入射ビームが空間的に強度変調されて画像が形成される。
投射光学系１５０の具体的な実施例を図３に図示した。ディスプレイ素子１００とリレイレンズ群１１０との間に、ビームをディスプレイ素子１００方向に入射させ、ディスプレイ素子１００で形成された画像をリレイレンズ群１１０方向に送る全反射プリズム１０５が配置される。
投射レンズ群１３０は、リレイレンズ群１１０により形成された中間像を反射部１４０に一次的に拡大投射させ、反射部１４０は、投射レンズ群１３０からの画像を二次的に拡大投射させてスクリーンＳに送る。
反射部１４０は、平板ミラーであるか、または非球面ミラーであり、負のパワーを有して投射レンズ群１３０からの画像を発散させて拡大させる。また、反射部１４０は、プラスチックより形成されるのが望ましい。従って、投射レンズ群１３０と反射部１４０とにより超広角の画像が形成される。
リレイレンズ群１１０は、少なくとも１つのレンズを含み、ディスプレイ素子１００で形成された画像の中間像を形成し、反射部１４０で発生する歪曲を相殺するための第１歪曲を発生させるように設計される。次に、投射レンズ群１３０は、少なくとも１つのレンズを含んで前記第１歪曲と協同し、反射部１４０で発生する歪曲を相殺するための第２歪曲を発生させるように設計される。すなわち、反射部１４０で発生する歪曲を相殺する歪曲がリレイレンズ群１１０と投射レンズ群１３０とにより予備的に誘導される。
図３の投射光学系では、ディスプレイ素子１００とリレイレンズ群１１０と投射レンズ群１３０の光軸は、同軸に構成され、反射部１４０の光軸は、ディスプレイ素子１００の光軸にオフセットされて位置する。
図３を参照するに、反射部１４０で樽型歪曲が発生するとき、第１歪曲と第２歪曲として糸巻き型歪曲を発生させ、前記樽型歪曲を相殺する。従って、反射部１４０からスクリーンＳ側に反射された画像は、歪曲のほとんどない高画質の画像になる。
このように、本発明では、広角形成のために投射レンズ群１３０のような屈折光学系と、反射部１４０のような反射光学系とを備え、反射光学系で発生する歪曲をリレイレンズ群と投射レンズ群とで協同して相殺する第１及び第２歪曲が誘導される。
屈折光学系と反射光学系とを利用して効率的に光学系の画角を広角にすることができ、それにより画像表示装置の厚さを最小化できる。
一方、図４に図示されているように、投射光学系の厚さをさらに薄くするために、ディスプレイ素子１００から出射される光の経路上に少なくとも１つの光路変換器を備え、光路を曲げられる。光路変換器は、例えば反射ミラーまたは全反射プリズムでありうる。
例えば、リレイレンズ群１１０の内部に第１光路変換器Ｍ１を、リレイレンズ群１１０と投射レンズ群１３０との間に第２光路変換器Ｍ２を、投射レンズ群１３０と反射部１４０との間に第３光路変換器Ｍ３を備えうる。ここで、光路変換器は、画像表示装置の構造及びサイズにより、光の進行を妨害させない経路に多様な方式で配置されうる。
次に、本発明による投射光学系の具体的な設計データを示す。
半径 厚さ、またはレンズ間の距離 材質
OBJ: INFINITY 2.796436
STO: INFINITY 0.000000
2: INFINITY 4.500000 FC5_HOYA
3: INFINITY 2.857478
4: INFINITY 31.500000 BSC7_HOYA
5: INFINITY 3.750000
6: 138.75844 8.280000 530000.558000
非球面：
K : 0.000000 KC: 100
IC : YES CUF: 0.000000 CCF: 100
A :0.370357E-05 B :0.595265E-08 C :0.622826E-11 D :-.963985E-14
AC : 0 BC : 0 CC : 0 DC : 0
XDE: 0.000000 YDE: -8.462589 ZDE: 0.000000
XDC: 100 YDC: 0 ZDC: 100
ADE: 0.000000 BDE: 0.000000 CDE: 0.000000
ADC: 100 BDC: 100 CDC: 100
7: -66.68653 0.250000
非球面：
K : 0.000000 CUF: 0.000000 CCF: 100
A :0.250570E-05 B :0.233156E-07 C :-.299779E-10 D :0.100220E-13
AC : 0 BC : 0 CC : 0 DC :0
8: 25.92585 9.050000 585000.300000
非球面：
K : 0.000000 KC : 100
IC : YES CUF: 0.000000 CCF: 100
A :-.809231E-05 B :0.394152E-07 C :-.418399E-10 D :0.365897E-13
AC : 0 BC : 0 CC : 0 DC : 0
9: 34.01128 16.693085
非球面：
K : 0.000000 KC : 100
IC : YES CUF: 0.000000 CCF: 100
A :-.678826E-05 B :0.348919E-07 C :0.492448E-10 D :-.655992E-13
AC : 0 BC : 0 CC : 0 DC : 0
10: 148.22470 3.000000 FD60_HOYA
11: 21.70852 8.460000 BACD16_HOYA
12: -74.30484 0.931819
13: INFINITY 5.347270
14: -20.84671 6.560000 FDS90_HOYA
15: -25.42430 39.432636
16: 88.74154 9.500000 BACD16_HOYA
17: 226.38703 130.338902
18: 245.86016 14.350000 NBFD11_HOYA
19: -284.65876 3.292052
20: 58.51450 20.595944 NBFD11_HOYA
21: 117.70609 21.122648
22: -117.72384 7.000000 FD60_HOYA
23: 106.58194 17.234922
24: 1530.78719 18.740000 FD60_HOYA
25: -80.72770 45.384350
26: 21.35497 5.000676 492000.572000
SLB: "a31"(lable)
ASP:
K : 0.000000 KC : 100
IC : YES CUF: 0.000000 CCF: 100
A :-.442430E-04 B :-.621669E-07 C :0.379227E-09 D :-.573845E-12
AC : 0 BC : 0 CC : 0 DC : 0
27: 24.92272 0.263109
SLB: "a32"
ASP:
K : 0.000000 KC : 100
IC : YES CUF: 0.000000 CCF: 100
A :-.290067E-04 B :0.520341E-07 C :0.138136E-09 D :-.150310E-12
AC : 0 BC : 0 CC : 0 DC : 0
28: 25.57319 17.990480 BACD16_HOYA
29: 26.92306 1.340263
30: 19.25781 13.924676 BACD16_HOYA
31: -17.81165 5.070000 FDS9_HOYA
32: -42.17431 23.521612
33: -23.57450 6.000000 492000.572000
SLB: "a51"(lable)
ASP:
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35: -23.85229 5.130000 NBFD15_HOYA
36: -37.12781 5.464499
37: -35.05967 8.000000 492000.572000
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ASP:
K : 0.000000 KC : 100
IC : YES CUF: 0.000000 CCF: 100
A :0.234861E-04 B :-.617487E-07 C :0.481096E-10 D :-.130429E-13
AC : 0 BC : 0 CC : 0 DC : 0
38: -90.20913 99.950000
SLB: "l"(lable)
ASP:
K : 0.000000 KC : 100
IC : YES CUF: 0.000000 CCF: 100
A :-.982918E-05 B :0.444483E-08 C :-.494745E-11 D :0.946184E-15
AC : 0 BC : 0 CC : 0 DC : 0
39: INFINITY -97.400000 REFL
SLB: "m"(lable)
SPS XYP:
IC : YES
SCO/SCC
X2: 1.7502E-03 Y2: 1.7342E-03 X2Y: -4.6569E-06
SCC C4: 0 SCC C6: 0 SCC C8: 0
Y3: -6.2731E-06 X4: -2.7828E-08 X2Y2: -5.4611E-08
SCC C10: 0 SCC C11: 0 SCC C13: 0
Y4: -3.3816E-09 X4Y: 1.2384E-10 X2Y3: 2.3422E-10
SCC C15: 0 SCC C17: 0 SCC C19: 0
Y5: 2.3965E-11 X6: 2.4256E-14 X4Y2: 3.8056E-13
SCC C21: 0 SCC C22: 0 SCC C24: 0
X2Y4: 3.5202E-13 Y6: 9.6308E-14 X6Y: 2.3936E-16
SCC C26: 0 SCC C28: 0 SCC C30: 0
X4Y3: 3.2006E-16 X2Y5: -1.1911E-15 Y7: 1.0423E-16
SCC C32: 0 SCC C34: 0 SCC C36: 0
X8: 1.2656E-17 X6Y2: 1.0115E-18 X4Y4: -1.9730E-17
SCC C37: 0 SCC C39: 0 SCC C41: 0
X2Y6: -8.6550E-18 Y8: -7.1187E-19 X8Y: -8.4031E-20
SCC C43: 0 SCC C45: 0 SCC C47: 0
X6Y3: -2.2846E-20 X4Y5: -4.5095E-21 X2Y7: 2.3931E-20
SCC C49: 0 SCC C51: 0 SCC C53: 0
Y9: -4.1720E-21 X10: -1.6329E-22 X8Y2: 2.5535E-22
SCC C55: 0 SCC C56: 0 SCC C58: 0
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SCC C60: 0 SCC C62: 0 SCC C64: 0
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BDZ: 3.0000E+02
SCC C84:
XDE: 0.000000 YDE: 29.882489 ZDE: 0.000000 DAR
XDC: 100 YDC: 0 ZDC: 100
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SLB: "g2"(lable)
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0.00000
APERTURE DATA/EDGE DEFINITIONS
CA
APERTURE data not specified for surface Obj thru 43
REFRACTIVE INDICES
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NBFD11_HOYA 1.782176 1.790150 1.803176
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INFINITE CONJUGATES
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FNO 0.0000
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RED -40.4490
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OAL 672.7685
PARAXIAL IMAGE
HT 134.2905
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ANG 0.0000
ENTRANCE PUPIL
DIA 0.4082E+10
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EXIT PUPIL
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THI -379.4730
図５は、本発明による画像表示装置に表示される光スポットをフィールド位置別に表したものであり、図６は、歪曲を表したものであり、画質が良好に表されうることが分かる。
本発明では、屈折光学系と反射光学系とを利用して効果的に広角を形成することにより、同じ大きさのスクリーンに画像を投影する場合に、既存の画像表示装置でより厚さを薄くすることが可能である。
本発明の薄型投射光学系、及びこれを採用した画像表示装置は、例えば画像表示関連の技術分野に効果的に適用可能である。
従来の画像表示装置を概略的に表した図である。 本発明による画像表示装置を概略的に表した図である。 本発明による投射光学系の一実施形態を表した図である。 図３に図示された投射光学系の配列を変形した例を表した図である。 本発明による画像表示装置を介して表示されたフィールド位置による光スポットを表した図である。 本発明による画像表示装置を介して表示された画像の歪曲を表した図である。
符号の説明
１００ ディスプレイ装置
１０５ 全反射プリズム
１１０ リレイレンズ
１３０ 投射レンズ群
１４０ 反射部
１５０ 投射光学系
Ｓ スクリーン

Claims (31)

  1. ディスプレイ素子で形成された画像の中間像を形成し、第１歪曲を発生させるリレイレンズ群と、
    前記リレイレンズ群を通過した画像を拡大投射し、第２歪曲を発生させる投射レンズ群と、
    前記投射レンズ群により拡大された画像をスクリーンに向けて広角に反射させる反射部とを備え、前記第１歪曲と第２歪曲は、前記反射部により発生する歪曲を相殺することを特徴とする投射光学系。
  2. 前記反射部は、非球面ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の投射光学系。
  3. 前記反射部は、負の屈折力を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の投射光学系。
  4. 前記リレイレンズ群と投射レンズ群との間及び前記投射レンズ群と反射部との間に、光路を変換するための光路変換器が備わることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の投射光学系。
  5. 前記リレイレンズ群の内部に光路変換器がさらに備わることを特徴とする請求項４に記載の投射光学系。
  6. 前記光路変換器は、ミラーまたは全反射プリズムであることを特徴とする請求項４に記載の投射光学系。
  7. 前記ディスプレイ素子の光軸は、リレイレンズ群と投射レンズ群の光軸と同軸であることを特徴とする請求１項または請求項２に記載の投射光学系。
  8. 前記反射部の光軸は、前記ディスプレイ素子の光軸とオフセットされていることを特徴とする請求項７に記載の投射光学系。
  9. 前記第１及び第２歪曲は、糸巻き型歪曲であり、前記反射部で発生する歪曲は、樽型歪曲であることを特徴とする請求１項または請求項２に記載の投射光学系。
  10. ディスプレイ素子で形成された画像を拡大して透過させる屈折光学系と、
    前記屈折光学系から出射された画像を広角に反射させる反射光学系と、
    前記ディスプレイ素子と反射光学系との間に配置され、前記反射光学系で発生する歪曲を予備的に相殺するための第１歪曲を誘導するリレイレンズ群とを備え、
    前記屈折光学系は、前記第１歪曲と協同し、前記反射光学系で発生する歪曲を予備的に相殺するための第２歪曲を誘導することを特徴とする投射光学系。
  11. 前記反射光学系は、非球面ミラーであることを特徴とする請求項１０に記載の投射光学系。
  12. 前記反射光学系は、負の屈折力を有することを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の投射光学系。
  13. 前記リレイレンズ群と屈折光学系との間及び前記屈折光学系と反射光学系との間に光路を変換するための光路変換器が備わることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の投射光学系。
  14. 前記リレイレンズ群の内部に光路変換器がさらに備わることを特徴とする請求項１３に記載の投射光学系。
  15. 前記光路変換器は、ミラーまたは全反射プリズムであることを特徴とする請求項１３に記載の投射光学系。
  16. 前記ディスプレイ素子の光軸は、リレイレンズ群と屈折光学系の光軸と同軸であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の投射光学系。
  17. 前記反射光学系の光軸は、前記ディスプレイ素子の光軸とオフセットされていることを特徴とする請求項１６に記載の投射光学系。
  18. 前記第１及び第２歪曲は、糸巻き型歪曲であり、前記反射光学系で発生する歪曲は、樽型歪曲であることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の投射光学系。
  19. 光源部から出射されたビームを受光するディスプレイ素子にて入力された画像信号によって処理して画像を形成し、前記画像をスクリーンに拡大投射する画像表示装置において、
    前記ディスプレイ素子で形成された画像の中間像を形成し、第１歪曲を発生させるリレイレンズ群と、
    前記リレイレンズ群を通過した画像を拡大投射し、第２歪曲を発生させる投射レンズ群と、
    前記投射レンズ群により拡大された画像をスクリーンに向けて広角に反射させる反射部とを備え、前記第１歪曲と第２歪曲は、前記反射部により発生する歪曲を相殺することを特徴とする画像表示装置。
  20. 前記反射部は、非球面ミラーであることを特徴とする請求項１９に記載の画像表示装置。
  21. 前記反射部は、負の屈折力を有することを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載の画像表示装置。
  22. 前記リレイレンズ群と投射レンズ群との間及び前記投射レンズ群と反射部との間に、光路を変換するための光路変換器が備わることを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載の画像表示装置。
  23. 前記リレイレンズ群の内部に光路変換器がさらに備わることを特徴とする請求項２２に記載の画像表示装置。
  24. 前記光路変換器は、ミラーまたは全反射プリズムであることを特徴とする請求項２２に記載の画像表示装置。
  25. 前記ディスプレイ素子の光軸は、リレイレンズ群と投射レンズ群の光軸と同軸であることを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載の画像表示装置。
  26. 前記反射部の光軸は、前記ディスプレイ素子の光軸とオフセットされていることを特徴とする請求項２５に記載の画像表示装置。
  27. 前記第１及び第２歪曲は、糸巻き型歪曲であり、前記反射部で発生する歪曲は、樽型歪曲であることを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載の画像表示装置。
  28. 光源部から出射されたビームを受光するディスプレイ素子にて入力された画像信号によって処理して画像を形成し、前記画像をスクリーンに拡大投射する画像表示装置において、
    前記ディスプレイ素子で形成された画像を拡大して透過させる屈折光学系と、
    前記屈折光学系から出射された画像を広角に反射させる反射光学系と、
    前記ディスプレイ素子と反射光学系との間に配置され、前記反射光学系で発生する歪曲を予備的に相殺するための第１歪曲を誘導するリレイレンズ群とを備え、
    前記屈折光学系は、前記第１歪曲と協同し、前記反射光学系で発生する歪曲を予備的に相殺するための第２歪曲を誘導することを特徴とする画像表示装置。
  29. 前記反射光学系は、非球面ミラーであることを特徴とする請求項２８に記載の画像表示装置。
  30. 前記反射光学系は、負の屈折力を有することを特徴とする請求項２８または請求項２９に記載の画像表示装置。
  31. 前記リレイレンズ群と屈折光学系、及び屈折光学系と反射光学系との間の光路上に、光路を変換するための光路変換器が少なくとも一つ備わることを特徴とする請求項２８または請求項２９に記載の画像表示装置。
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