JP2007024938A - 投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 各投影光学系の倍率に関する選択自由度を補償しつつもアスペクト比に関する設計自由度を向上させ、かつスクリーンへの入射角を大きくしてより薄型化された斜め投影型の投影装置を提供すること。
【解決手段】 投影装置は、矩形状の画像を表示する表示体から照射された光により台形歪みを持つ中間像を形成する第一投影光学系、中間像からの光をスクリーン上に斜めに入射させて、台形歪みが補正された中間像を拡大投影する第二投影光学系、第一投影光学系から射出された光を偏向して第二投影光学系に導く偏向光学系、を有し、各投影光学系は、表示体の表示画像における短辺方向の一端から射出される第一の光束および他端から射出される第二の光束が互いに完全に離間した状態にある面を持つレンズを少なくとも一つ有し、少なくとも一つのレンズのうち所定のレンズについて所定位置での傾きおよび曲率が所定の条件を満たす構成にした。
【選択図】 図２

Description

この発明は、表示体の表示画像を台形状の中間画像を介してスクリーン上に斜めに投影する投影装置に関する。

従来、表示体の表示画像を台形歪みを生じることなくスクリーン上に斜めに投影する斜め投影型の投影装置が知られている。なお、本明細書において単に投影装置と記した場合には、斜め投影型を指すものとする。該投影装置は、一般的に、表示体、表示体に表示される画像を中間像として結像させる表示体側投影光学系、中間像からの光をスクリーンに導くスクリーン側投影光学系、表示体側投影光学系からの光をスクリーン側投影光学系に偏向する偏向光学系を有する。そして、表示体と表示体側光学系と中間像間、および該中間像とスクリーン側投影光学系とスクリーン間でシャインプルーフの法則が成立するように各光学部材を光軸に対して傾けて配置する。このような投影装置としては、例えば、以下の特許文献１に開示する構成が知られている。

特開平６−２６５８１４号公報

特許文献１に記載の構成によれば、表示体側投影光学系により形成される中間像は台形歪みを持つが、スクリーン側投影光学系を介してスクリーンに斜めに投影される画像は、台形歪みが補正された良好な画像になっている。なお、一般に投影装置により投影される画像は、通常使用状態にある装置における水平方向のほうが鉛直方向よりも長いいわゆるワイド画像になるように設計される。

しかし、上記構成によれば、表示体の表示画像とスクリーン上に投影される投影画像間のアスペクト比の変化は、表示体側投影光学系およびスクリーン側投影光学系の倍率に依存してしまう。特に、各投影光学系は、スクリーンに対して斜めに光が入射するように構成されるため、鉛直方向の倍率が必要以上に大きくなりやすい。そのため、アスペクト比の維持を重視すると各投影光学系の倍率に関する選択自由度が低くなり、各投影光学系の倍率の選択自由度を広げようとすると、アスペクト比を維持することが難しくなるといった問題がある。

また、一般に表示体側投影光学系は、倍率が小さいほどアスペクト比を維持しやすく、近軸で等倍以上に設計すると殆どアスペクト比の補正ができないという性質がある。そこで、アスペクト比の維持を重視し、倍率を小さく設定すると、形成される中間像近傍に熱集中の発生と言う別の問題が生じかねない。

さらに、投影装置は、スクリーンに対する入射角が大きくなればなるほど、装置の薄型化が達成されることが知られている。しかし、単に入射角を大きくしただけでは、スクリーン上でのアスペクト比が崩れてしまう。上記特許文献１には、この入射角とアスペクト比のバランスについて特に効果的な構成については触れていないため、さらなる改良が望まれていた。

そこで、本発明は上記の事情に鑑み、各投影光学系の倍率に関する選択自由度を確保しつつもアスペクト比の維持を容易にし、かつスクリーンへの入射角を大きくしてより薄型化された斜め投影型の投影装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の投影装置は、矩形状の画像を表示する表示体と、表示体から照射された光により台形歪みを持つ中間像を形成する第一投影光学系と、中間像からの光をスクリーン上に斜めに入射させて、台形歪みが補正された像を拡大投影する第二投影光学系と、第一投影光学系と第二投影光学系の各瞳を結合し、第一投影光学系から射出された光を偏向して第二投影光学系に導く偏向光学系と、を有し、第一投影光学系と第二投影光学系は、表示体により表示される画像における短辺方向の一端から射出される第一の光束および他端から射出される第二の光束が互いに完全に離間した状態にある面を持つレンズを少なくとも一つ有し、少なくとも一つのレンズのうち所定のレンズは、スクリーン側から順に第一面と第二面を有し、表示体により表示される画像の中央から射出される第三の光束の主光線が第一面を透過する位置での縦方向（スクリーンの鉛直方向に対応する方向）の接線の傾きをｓ１、前記第三の光束の主光線が第二面を透過する位置での縦方向の接線の傾きをｓ２とすると、以下の条件（１）、
ｓ１−ｓ２＞０・・・（１）
を満たし、かつ第一面における第三の光束の主光線が透過する位置での縦方向および横方向の曲率をそれぞれｃ１、ｃ２、第二面における第三の光束の主光線が透過する位置での縦方向および横方向の曲率をそれぞれｃ３、ｃ４とすると、以下の条件（２）、
（ｃ１−ｃ３）＞（ｃ２−ｃ４）・・・（２）
を満たすことを特徴とする。

請求項１に記載の投影装置によれば、条件（１）を満たすことにより、スクリーンに入射する光の入射角度を大きくすることができる。つまり、装置自体を薄型化することができる。また、条件（２）を満たすことにより、水平方向に画像を引き延ばす効果が得られ、アスペクト比を維持することが可能になる。

また請求項２に記載の投影装置によれば、所定のレンズは、第一面における第一の光束の主光線が透過する位置での縦方向の曲率から第二面における第一の光束の主光線が透過する位置での縦方向の曲率を引いた差をＣｕ、第一面における第二の光束の主光線が透過する位置での縦方向の曲率から第二面における第二の光束の主光線が透過する位置での縦方向の曲率を引いた差をＣｄ、第一面における第三の光束の主光線が透過する位置での縦方向の曲率から第二面における第三の光束の主光線が透過する位置での縦方向の曲率を引いた差をＣｃ、とすると、以下の条件（３）、
Ｃｄ＜Ｃｃ＜Ｃｕ・・・（３）
を満たすことが望ましい。

さらに好ましくは投影装置は、第一投影光学系の光軸に直交する面に対する表示体のチルト量（単位：ｄｅｇ）をαとすると、以下の条件（４）、

を満たすように構成される（請求項３）。

また、請求項４に記載の投影装置によれば、所定のレンズの両面は、該面の光軸上での接平面を、光軸から縦方向に延びるｙ軸と光軸および該ｙ軸に直交するｚ軸とにより規定され各軸と光軸との交点を原点とする座標系で表し、座標（ｙ，ｚ）でのサグ量をＸ（ｙ，ｚ）、曲率半径をｒ、円錐係数をＫ、ｙ^ｍｚ^ｎの非球面係数をＢ_ｍｎとすると、以下の式（５）、

により定義される形状を持ち、該レンズの少なくとも一方の面は、上記Ｂ_ｍｎ（ただしm≠n）が０ではなく、光軸に対して非回転対称な多項式面として構成される。そして、第一面に関する係数Ｂ_４０が第二面に関する係数Ｂ_４０よりも大きく設定することが望ましい。請求項４に記載の投影装置によれば、高次の非球面係数を用いることなく条件（３）を満たすことができる。

また、請求項５に記載の投影装置によれば、所定のレンズの両面は、回転対称軸からの高さがｙとなる非球面上の座標点の該非球面の回転対称軸上での接平面からの距離（サグ量）をＸ（ｙ）、非球面の回転対称軸上での曲率（１／ｒ）をＣ、円錐係数をＫ、非球面係数をＡ_４、Ａ_６、…とすると、以下の式（６）、

により定義される形状を持ち、所定のレンズの少なくとも一方の面は、４次、６次の非球面係数が０ではない回転対称非球面として構成される。そして、少なくとも所定のレンズは、シフトしている。これにより、請求項４に記載の構成と同等の効果を奏することができる。

請求項６に記載の投影装置によれば、所定のレンズは、第一面の非球面成分による曲率から第二面の非球面成分による曲率を引いた差が、回転対称軸からの高さが大きくなるにつれ正に大きくなるように設計される。

請求項７に記載の投影装置によれば、第二投影光学系において、第二投影光学系のスクリーン側の瞳位置よりもスクリーン側に位置しているものが所定のレンズとして採用される。

請求項８に記載の投影装置によれば、所定のレンズは、近軸でのパワーが正であれば第二投影光学系の光軸を基準として中間像の像面と第二投影光学系の主平面とスクリーンとの各延長面が交わる交線から離れる方向にシフトしており、近軸でのパワーが負であれば第二投影光学系の光軸を基準として上記交線に近づく方向にシフトするように構成することが好ましい。

以上のように、本発明によれば、所定のレンズを種々の条件を満たすように設計、配置することにより、該所定のレンズにスクリーンに入射する光の入射角を大きくする作用と、スクリーンに投影される画像のアスペクト比を表示体が表示する画像のアスペクト比になるような補正作用を付与することができる。従って、投影画像のアスペクト比を良好に補正することができると同時に、各投影光学系の倍率の選択自由度が向上する。また、上記入射角を大きくする作用により、投影装置の薄型化も達成される。

図１は、通常使用状態にある実施形態の斜め投影型の投影装置１００の概略構成を示す図である。投影装置１００は、ハウジング５０内に、投影光学システム１０、第一ミラー２０、第二ミラー３０、スクリーンＳを有する。

図２は、投影装置１００における光路を展開しつつ投影光学システム１０を拡大して示す図である。図２において、第一ミラー２０と第二ミラー３０は図示を省略している。図２に示すように、投影光学システム１０は、第一投影光学系１、第二投影光学系２、偏向光学系３、表示体４を有する。図２において、ＡＸ１は第一投影光学系１の光軸を、ＡＸ２は第二投影光学系２の光軸を、それぞれ表す。各図において光軸ＡＸ１、ＡＸ２は一点鎖線で示す。つまり、図２は、投影光学システム１０に関し、光軸ＡＸ１、ＡＸ２を含む面（図２紙面と同一面）での断面図である。なお、光軸ＡＸ１、ＡＸ２を含む面は、スクリーンＳを、該スクリーンＳの中心を通り鉛直方向に延びる直線で略二等分する。本文では、説明の便宜上、光軸ＡＸ１、ＡＸ２を含む面を基準面という。

なお、本実施形態の投影装置１００において、各投影光学系１、２を構成するレンズ（または一部の光学面）は、回転対称な光学系では十分に補正することができないような収差や歪曲の補正を目的として、互いに偏心している。そこで、本文においては、各投影光学系１、２において、光学面の芯を最も多く含む直線を各光学系の光軸と定義する。ただし特定の投影光学系において、各光学面の芯が全てずれている場合には、瞳に最も近い光学面の芯を通る直線を該光学系の光軸と定義する。

また、本文では、投影装置１００内の各部材を説明するにあたり、通常使用状態における投影装置１００のスクリーンＳ上に投影される画像の鉛直方向に対応する方向を縦方向という。そして、該画像の水平方向に対応する方向を横方向という。つまり、図１の紙面上下方向が鉛直方向（縦方向）、紙面に直交する方向が水平方向（横方向）である。縦方向の寸法を高さといい、横方向の寸法を幅という。本実施形態の表示体４により表示される画像は、高さが幅よりも小さい所定のアスペクト比を持つ長方形状を呈している。従って、表示体４により表示される画像における短辺方向とは、縦方向を意味する。また投影装置１００は、鉛直下方からスクリーンに対して光を入射させる構成であると想定する。

なお、実際の投影装置１００では、ハウジング５０の形状や他の部材との位置関係によって、第一ミラー２０と第二ミラー３０だけでなく、さらに投影光学システム１０内の図示しないミラーを配設して光路を折り曲げることもある。しかし以下では、上記各ミラーによる光路の折り曲げは考慮せず、光路を展開した状態を想定して各部材の説明を行う。

表示体４は、スクリーンＳに拡大投影される画像を表示する。表示体４から射出された光は、第一投影光学系１を介して中間像を形成する。本実施形態では、中間像の像面Ｐは、偏向光学系３の最も第一投影光学系１側の面に略一致する。

偏向光学系３は、各投影光学系１、２の瞳を結合する光学系である。偏向光学系３は、３つの三角プリズムから構成される。なお、偏向光学系３を安価かつ効率よく製造可能な三角プリズムから構成すると、偏向光学系３において発生する可能性のある収差は、軸上色収差や球面収差といったいわゆる基本的な収差に限定される。よって、偏心による非対称な収差等が生じていた従来の構成に比べて、収差補正が容易になる。偏向光学系３は、中間像を形成した光を偏向し、第二投影光学系２に導く。

第二投影光学系２は、偏向光学系３を介して入射する光を発散させる。第二投影光学系２、つまり投影光学システム１０から射出された発散光は、第一ミラー２０、第二ミラー３０で順次反射した後、スクリーンＳの裏面（つまり、装置内部側の面）に対して斜めに入射する。これにより、スクリーンＳには、表示体４に表示された画像が拡大投影される。

なお、各図において、スクリーンＳの画像中心を通り鉛直方向に延びる直線上において、該画像の上端を形成する光束を第一の光束Ｕ、第一の光束Ｕの主光線を主光線Ｌｕ、該画像の中心を形成する光束を第二の光束Ｃ、第二の光束Ｃの主光線を主光線Ｌｃ、該画像の下端を形成する第三の光束をＤ、第三の光束Ｄの主光線を主光線Ｌｄとする。図２（および以下に示す図４〜図６）では、第一の光束Ｕおよび主光線Ｌｕを破線で、第二の光束Ｃおよび主光線Ｌｃを実線で、第三の光束Ｄおよび主光線Ｌｄを点線で、それぞれ示す。なお、以下の説明で画像の上端、下端と記した場合には、スクリーンＳの中心を通り鉛直方向に延びる直線上での画像における上端、下端を意味するものとする。

スクリーンＳには図示しない薄膜状のフレネルレンズが貼り付けられている。そのためスクリーンＳの裏面に斜めに入射した光は、該スクリーンＳの表面（つまり、使用者（観察者）側の面）から略直角に射出される。

図３は、スクリーンＳと投影光学システム１０を構成する各部材の配置関係を説明するための模式図である。図３では、説明の便宜上、各投影光学系１、２を簡略化して単レンズで示している。投影装置１００において、表示体４と第一投影光学系１と中間像の像面Ｐは、シャインプルーフの法則を満たすように互いに傾いて配設されている。つまり、表示体４、第一投影光学系１、像面Ｐの各延長面が同一直線（以下、第一基準直線という。）Ｌ１で交わる。具体的には、表示体４は、第一投影光学系１の光軸ＡＸ２に直交する仮想面（以下、第一仮想面という。）Ｐ１に対してチルトしている。図３では表示体４のチルト角をαで示す。同様に、中間像の像面Ｐも、第一仮想面Ｐ１に対してチルトしている。

また、スクリーンＳと第二投影光学系２と中間像の像面Ｐもシャインプルーフの法則を満たすように互いに傾いて配設されている。つまり、スクリーンＳ、第二投影光学系２の主平面、像面Ｐの各延長面が同一直線（以下、第二基準直線という。）Ｌ２で交わる。具体的には、中間像の像面Ｐは、第一仮想面Ｐ１だけでなく、第二投影光学系２の光軸ＡＸ２に直交する仮想面（以下、第二仮想面という。）Ｐ２に対してもチルトしている。また、スクリーンＳも第二仮想面Ｐ２に対してチルトしている。

以上のように投影装置１００では、シャインプルーフの法則を二回適用することにより、矩形状の画像を表示する表示体４から射出された光は、第一投影光学系１を介して台形歪みを持つ中間像を結ぶ。そして台形歪みを持つ中間像を結んだ光は、第二投影光学系２によって、台形歪みが補正された矩形状の拡大画像をスクリーンＳ上に形成する。つまり使用者（観察者）は、台形歪みのない拡大画像を観察することができる。

図２に示すように、本実施形態の第二投影光学系２は、第一面、第二面いずれにおいても第一の光束Ｕと第二の光束Ｄが離間した（一部であっても重複しない）位置に入射するレンズを有する。なお、本文において、光路上、レンズのスクリーンＳに近い側の面を第一面、表示体４に近い側の面を第二面という。詳しくは、面番号ｒ３とｒ４により規定される最もスクリーン側のレンズ２１と、面番号ｒ１８とｒ１９、および面番号ｒ２０とｒ２１により規定される偏向光学系３側の二つのレンズ２２、２３が該当する。上記レンズ２１〜２３のうち、第二投影光学系２のスクリーンＳ側の瞳位置よりもスクリーンＳ側に位置するレンズ（ここではレンズ２１）は、投影画像のアスペクト比を補正しかつスクリーンＳに入射する光の入射角度を大きくするための補正用レンズとしての機能を有する。

補正用レンズ２１は、以下のように構成される。図４は補正用レンズ２１近傍を拡大して示す図である。図４中、補正用レンズ２１の第一面２１ａ（図２中面番号ｒ３）において主光線Ｌｃが透過する位置をｐ１とする。補正用レンズ２１の第二面２１ｂ（図２中面番号ｒ４）において主光線Ｌｃが透過する位置をｐ２とする。また、第一面２１ａにおいて主光線Ｌｕ、Ｌｄが透過する位置をそれぞれ、ｐ３、ｐ５、第二面２１ｂにおいて主光線Ｌｕ、Ｌｄが透過する位置をそれぞれ、ｐ４、ｐ６とする。

位置ｐ１での縦方向の傾きをｓ１、位置ｐ２での縦方向（つまり、スクリーンＳの鉛直方向に対応する方向）の接線の傾きをｓ２とすると、補正用レンズ２１は以下の条件（１）を満たすように設計される。
ｓ１−ｓ２＞０・・・（１）

条件（１）を満たすように補正用レンズ２１を設計することにより、補正用レンズ２１に入射した光束をスクリーンＳの鉛直上方に向かってより大きく折り曲げるプリズム効果を奏することができる。

また、位置ｐ１での縦方向の曲率をｃ１、横方向の曲率をｃ２、位置Ｐ２での縦方向の曲率をｃ３、横方向の曲率をｃ４とすると、補正用レンズ２１は、以下の条件（２）を満たすように設計される。
（ｃ１−ｃ３）＞（ｃ２−ｃ４）・・・（２）

条件（２）を満たすことにより、補正用レンズ２１は、少なくとも表示体４から照射された光が入射する領域（特に第三の光束Ｃが入射する領域）において、アナモフィックな形状を持つ。これにより、スクリーンＳに投影される画像のアスペクト比を補正する、特に横方向の倍率を大きくし、投影画像を水平方向に引き延ばす作用が得られる。
また、位置ｐ３での縦方向の曲率から位置ｐ４での縦方向の曲率を引いた差をＣｕ、位置ｐ１での縦方向の曲率から位置ｐ２での縦方向の曲率を引いた差（つまり、上記（ｃ１−ｃ３））をＣｃ、位置ｐ５での縦方向の曲率から位置ｐ６での縦方向の曲率を引いた差をＣｄ、とすると、補正用レンズ２１は、以下の条件（３）を満たすように設計される。
Ｃｄ＜Ｃｃ＜Ｃｕ・・・（３）

条件（３）を満たすことにより、投影装置１００をより小型、薄型化するために、スクリーンＳに入射する光束の入射角を一層大きく設定した場合に、投影光学システム１０内の各部材およびスクリーンＳの相対的位置関係をシャインプルーフの法則に従って決定したことのみでは不十分となる投影画像の上部と下部での縦方向の倍率差の補正効果を増加させることができる。

さらに、補正用レンズ２１は、各曲率差Ｃｄ、Ｃｃ、Ｃｕが、図３に示す表示体４の第一仮想面Ｐ１に対するチルト角αとの関係において、以下の条件（４）を満たすように設計される。

条件（４）において、中辺は、補正用レンズ２１による投影画像の上端近傍での縦方向の像縮小効果と下端近傍での縦方向の像縮小効果の比を表す。また、右辺は、補正用レンズ２１を設けない場合にスクリーンＳに投影される画像の上端近傍でのアスペクト比と下端近傍でのアスペクト比との比を表す。つまり条件（４）は、上端近傍での縦方向の像縮小効果を下端近傍での縦方向の像縮小効果よりも大きくするものの、シャインプルーフの法則に起因して発生するアスペクト比の変化以上の過剰な補正は行われないように補正用レンズ２１の曲率を設定するための条件である。

上記の各条件（１）〜（４）を満たすために、補正用レンズ２１は少なくとも一方の面が例えば自由曲面等の非回転対称多項式面として構成される。非回転対称多項式面は、基準面に平行で光軸に垂直な軸をｙ軸、基準面と光軸双方に垂直な軸をｚ軸、該ｙ軸とｚ軸双方に垂直な軸をｘ軸とし、ｙ軸、ｚ軸、ｘ軸の交点を原点とする座標系で表される。詳しくは、該座標系において、座標（ｙ，ｚ）でのサグ量をＸ（ｙ，ｚ）、曲率半径をｒ、円錐係数をＫ、ｙ^ｍｚ^ｎの非球面係数をＢ_ｍｎとすると、以下の式（５）により表される。

式（５）により規定される非回転対称多項式面を補正用レンズ２１に施す場合、第一面２１ａに関する係数Ｂ_４０は、第二面２１ｂに関する係数Ｂ_４０よりも大きく設定されることが条件（３）に対する十分条件となる。

なお非回転対称多項式面としては、自由曲面以外にも、上記式（５）において、ｍやｎが共に偶数である項のみ係数を持つような、いわゆるトーリック非球面を採用することも可能である。

また、上記の各条件（１）〜（４）を満たすためには、少なくとも一方の面が回転対称非球面であるような補正用レンズ２１を使用しても良い。回転対称非球面を持つ補正用レンズ２１は、回転対称軸からの高さｙが高くなるにつれ、第一面２１ａの非球面成分による曲率から第二面２１ｂの非球面成分による曲率を引いた差が大きくなるように設計される。なお、ここで、非球面成分による曲率とは、任意の高さｙにおける非球面形状を考慮した曲率から、非球面形状を考慮しない（つまり球面レンズとしての）曲率を引いた差を意味する。回転対称非球面の形状は回転対称軸からの高さがｙとなる非球面上の座標点の該非球面の回転対称軸上での接平面からの距離（サグ量）をＸ（ｙ）、非球面の回転対称軸上での曲率（１／ｒ）をＣ、円錐係数をＫ、非球面係数をＡ_４、Ａ_６、…として、以下の式（６）で表される。

また回転対称非球面を持つ補正用レンズ２１を使用する場合、該補正用レンズ２１は、回転対称軸が光軸ＡＸ２からシフトした状態で配設される。具体的には、回転対称非球面を持つ補正用レンズ２１は、近軸でのパワーが正であれば、光軸ＡＸ２を基準として図３に示す第二基準直線Ｌ２から離れる方向にシフトして配設される。また、補正用レンズ２１は、近軸でのパワーが負であれば、光軸ＡＸ２を基準として第二基準直線Ｌ２に近づく方向にシフトして配設される。なお、上記の各条件（１）〜（４）を満たすことにより得られる効果をより高めるために、必要に応じて補正用レンズ２１をチルトさせても良い。

次に、本実施形態の投影装置１００の具体的な実施例を３例説明する。各実施例とも、表示体４は、高さが１０．４６ｍｍ、幅が１８．８５ｍｍのものを想定する。また投影倍率は、７１．４３倍である。

実施例１の投影装置１００のスクリーンＳと投影光学システム１０は、図２に示される。表１は、実施例１の投影装置１００の具体的数値例を示す。表１における各部材のチルト角（単位：ｄｅｇ）は、各光軸ＡＸ１、ＡＸ２に直交する面Ｐ１、Ｐ２からのチルト量のことである。チルト量は、光軸ＡＸ１、ＡＸ２に対して反時計回り方向を正として表す。表１における各部材のシフト量は、各光軸に対するチルト量を維持した状態で、ｘ軸から各部材の中心までのずれ量のことである。シフト量Ｙは、ｘ軸を基準として各基準直線Ｌ１、Ｌ２から離れる方向を正として表す。以下の各実施例においても同様である。

面番号０はスクリーンＳを示す。面番号１〜２１は第二投影光学系２を示す。面番号２２〜２８は偏向光学系３を示す。面番号２９〜４４は第一投影光学系１を示す。面番号４５は表示体４を示す。実施例１において、第二投影光学系２のスクリーンＳ側の瞳位置は、面番号２７からスクリーンＳ側に１１３．８ｍｍの位置にある。従って、実施例１の補正用レンズ２１は、面番号８よりもスクリーンＳ側にあるレンズが対象となる。つまり、面番号３、４により特定される、最もスクリーン側に位置するレンズが補正用レンズ２１である。

面番号１、２、５、６、２２〜２４、２９〜３２、４４は、直後の面のシフトやチルトといった偏心状態を定義するために設けられた仮想上の面（偏心定義面）である。また、面番号３は、第二投影光学系２のレンズ面でありながら偏心定義面でもある。面番号２５〜２７は、偏向光学系３を構成する３つの三角プリズムの面でありながら、偏心定義面でもある。面番号４５は、表示体４でありながら偏心定義面でもある。なお、偏心の後の座標系は、該偏心定義面での状態を基準として定まる相対的座標である。ただし、面番号２４〜２７では、チルトしたことによる座標の変動は考慮せず、面番号２１での状態を基準とした座標系に従う。

面番号３、４、３３、３４、４２、４３は、表１に示す非球面係数によって規定される回転対称非球面である。なお表１における非球面係数において、表記Ｅは、１０を基数、Ｅの右の数字を指数とする累乗を表している。以下に示す各表においても同様である。なお、実施例１および以下に示す各実施例２、３では、非球面とされるいずれの面も円錐係数Ｋおよび明記されていない次数における非球面係数は０である。

つまり、実施例１の補正用レンズ２１は、第一面２１ａ、第二面２１ｂともに回転対称非球面である。さらに補正用レンズ２１は近軸でのパワーが負である。そのため、補正用レンズ２１は、シフト量−１２ｍｍ、すなわち第二基準直線Ｌ２に向かってシフトしている。

また補正用レンズ２１の第二面において、光束Ｕの最も光軸ＡＸ２よりの光線の入射高さを表すｙ座標は９．５８５、光束Ｄの最も光軸ＡＸ２から離れた光線の入射高さを表すｙ座標は８．５２３である。つまり、実施例１の補正用レンズ２１は、光束Ｕと光束Ｃが完全に離間した状態で入射している。

実施例１では、補正用レンズ２１を上記のように配置、構成することにより、傾きｓ１は−４．１１９、傾きｓ２は−４．３３１である。従って、ｓ１−ｓ２は０．２１２となり、実施例１は条件（１）を満たす。また、ｃ１は０．０１８、ｃ２は０．００７、ｃ３は０．００５、ｃ４は０．０２５である。従って、ｃ１−ｃ３（＝Ｃｃ）は０．０１３、ｃ２−ｃ４は−０．０１８となり、実施例１は条件（２）も満たす。

実施例１において、曲率差Ｃｕは０．０２９、曲率差Ｃｄは−０．０２である。従って、実施例１は条件（３）も満たす。また、チルト角αは表１より−２６．５°である。よって、各数値Ｃｕ、Ｃｃ、Ｃｄ、αを条件（４）に代入すると実施例１が該条件（４）を満たしていることも分かる。

実施例２の投影装置１００のスクリーンＳと投影光学システム１０は、図５に示される。表２は、実施例２の投影装置１００の具体的数値例を示す。

面番号０はスクリーンＳを示す。面番号１〜２３は第二投影光学系２を示す。面番号２４〜３０は偏向光学系３を示す。面番号３１〜４６は第一投影光学系１を示す。面番号４７は表示体４を示す。実施例２において、第二投影光学系２のスクリーンＳ側の瞳位置は、面番号２３からスクリーンＳ側に１２４．０ｍｍの位置にある。従って、実施例１の補正用レンズ２１は、面番号１０よりもスクリーンＳ側にあるレンズが対象となる。ここで、実施例２では、最もスクリーンＳ側には極弱いのパワーを持つ平行平板に近い形状の光学部材２４が配設されている。つまり、実施例２の補正用レンズ２１は、面番号５、６により特定される、スクリーンＳ側から二番目のレンズである。このように、補正用レンズ２１は、必ずしも最もスクリーン側に位置する必要はなく、第二投影光学系２のスクリーンＳ側の瞳位置よりもスクリーンＳ側に位置するレンズであればよい。

面番号１、４、７、８、２４〜２６、３１〜３４、４６は、偏心定義面である。また、面番号５、２７〜２９、４７は、投影光学システム１０内に実在する面でありながら、偏心定義面でもある。なお、偏心の後の座標系は、実施例１と同様に、該偏心定義面での状態を基準として定まる相対的座標である。ただし、面番号２６〜２９では、チルトしたことによる座標の変動は考慮せず、面番号２１での状態を基準とした座標系に従う。

面番号５、６、３５、３６、４４、４５は、表２に示す４次と６次の係数によって規定される回転対称非球面である。つまり、実施例２の補正用レンズ２１は、表１に示すように、第一面２１ａ、第二面２１ｂともに回転対称非球面である。そして補正用レンズ２１は近軸でのパワーが負である。そのため、補正用レンズ２１は、シフト量−１２ｍｍ、すなわち第二基準直線Ｌ２に向かってシフトしている。

補正用レンズ２１の第二面において、光束Ｕの最も光軸ＡＸ２よりの光線の入射高さを表すｙ座標は２６．１６２、光束Ｄの最も光軸ＡＸ２から離れた光線の入射高さを表すｙ座標は２４．３００である。つまり、実施例２の補正用レンズ２１は、光束Ｕと光束Ｃが完全に離間した状態で入射している。

実施例２では、補正用レンズ２１を上記のように配置、構成することにより、傾きｓ１は−４．２４３、傾きｓ２は−４．４６１である。従って、ｓ１−ｓ２は０．２１８となり、実施例２は条件（１）を満たす。また、ｃ１は０．０１８、ｃ２は０．００８、ｃ３は０．００６、ｃ４は０．０２７である。従って、ｃ１−ｃ３（＝Ｃｃ）は０．０１２、ｃ２−ｃ４は−０．０１９となり、実施例２は条件（２）も満たす。

実施例２において、曲率差Ｃｕは０．０３０、曲率差Ｃｄは−０．０２０である。従って、実施例２は条件（３）も満たす。また、チルト角αは表１より−２６．５°である。よって、各数値Ｃｕ、Ｃｃ、Ｃｄ、αを条件（４）に代入すると実施例２が該条件（４）を満たしていることも分かる。

図７は、実施例１および実施例２の投影装置１００により実際に投影された画像の歪み具合を示す図である。図７中、実線が実際にスクリーンＳに投影された画像を、破線が歪みのない理想的な画像を示す。図７実線に示す投影画像は、歪みが良好に低減され、理想的な画像に極めて近い画像であることがわかる。このように、実施例１、２では、補正用レンズ２１を用いることにより、大きな入射角を確保しつつもアスペクト比を良好に維持している。

実施例３の投影装置１００のスクリーンＳと投影光学システム１０は、図６に示される。表３は、実施例３の投影装置１００の具体的数値例を示す。

面番号０はスクリーンＳを示す。面番号１〜２１は第二投影光学系２を示す。面番号２２〜２８は偏向光学系３を示す。面番号２９〜４４は第一投影光学系１を示す。面番号４５は表示体４を示す。実施例３において、第二投影光学系２のスクリーンＳ側の瞳位置は、面番号２７からスクリーンＳ側に１１５．４ｍｍの位置にある。従って、実施例３の補正用レンズ２１は、面番号８よりもスクリーンＳ側にあるレンズが対象となる。つまり、面番号３、４により特定される、最もスクリーンＳ側に位置するレンズが補正用レンズ２１である。

面番号１、２２〜２４、２９〜３２、４４は、偏心定義面である。また面番号２５〜２７、４５は、投影光学システム１０内に実在する面でありながら、偏心定義面でもある。なお、偏心の後の座標系は、上記各実施例１、２と同様に、該偏心定義面での状態を基準として定まる相対的座標である。ただし、面番号２４〜２７では、チルトしたことによる座標の変動は考慮せず、面番号２１での状態を基準とした座標系に従う。

面番号３３、３４、４２、４３は、表３に示す４次と６次の係数によって規定される回転対称非球面である。また、実施例３の補正用レンズ２１（面番号３、４）は、上記式（５）により規定される自由曲面である。表４は、自由曲面を規定する各係数を示す。表４において、補正用レンズ２１に、該レンズを偏心させたのと同様の作用を付与するためにｙの奇数次も使用している。表４に示すように、実施例３の補正用レンズ２１は、第一面２１ａに関する係数Ｂ_４０は、第二面２１ｂに関する係数Ｂ_４０よりも大きく設定されていることがわかる。

補正用レンズ２１の第二面において、光束Ｕの最も光軸ＡＸ２よりの光線の入射高さを表すｙ座標は９．５８５、光束Ｄの最も光軸ＡＸ２から離れた光線の入射高さを表すｙ座標は８．５２２である。つまり、実施例３の補正用レンズ２１は、光束Ｕと光束Ｃが完全に離間した状態で入射している。

実施例３では、補正用レンズ２１を上記のように配置、構成することにより、傾きｓ１は−３．２６３、傾きｓ２は−５．８００である。従って、ｓ１−ｓ２は２．５３７となり、実施例３は条件（１）を満たす。また、ｃ１は０．００２、ｃ２は０．０２０、ｃ３は０．００７、ｃ４は０．０２８である。従って、ｃ１−ｃ３（＝Ｃｃ）は−０．００５、ｃ２−ｃ４は−０．００８となり、実施例３は条件（２）も満たす。

実施例３において、曲率差Ｃｕは−０．００１、曲率差Ｃｄは−０．０１２である。従って、実施例３は条件（３）も満たす。また、チルト角αは表１より−２６．５°である。よって、各数値Ｃｕ、Ｃｃ、Ｃｄ、αを条件（４）に代入すると実施例３が該条件（４）を満たしていることも分かる。

図８は、実施例３の投影装置１００により実際に投影された画像の歪み具合を示す図である。図８中、実線が実際にスクリーンＳに投影された画像を、破線が歪みのない理想的な画像を示す。図８実線に示す投影画像は、歪みが良好に低減され、理想的な画像に極めて近い画像であることがわかる。このように、実施例３も上記の他の実施例と同様に、補正用レンズ２１を用いることにより、大きな入射角を確保しつつもアスペクト比を良好に維持している。

以上が本発明の実施形態である。本発明にかかるプロジェクタ用光学系は、上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の各実施例では、両面が非球面あるいは自由曲面である補正用レンズ２１を使用している。本発明に係る投影装置は、いずれか一方の面が非球面あるいは自由曲面であっても上記各実施例と同様の効果を奏することができる。

また、上記実施形態において、第二投影光学系２を構成するレンズのうち、最も中間像側にある１または複数枚のレンズを光軸に対して補正レンズとは反対方向にシフトさせることで、補正レンズを偏心または偏心相当の非対称形状にさせたことにより生じるコマ収差を抑制する効果が得られる。

本発明の実施形態の投影装置の概略構成を表す図である。 実施形態の投影装置における光路を展開しつつ投影光学システムを拡大して示す図である。 スクリーンと投影光学システムを構成する各部材の配置関係を説明するための図である。 実施形態の補正用レンズ近傍での光路を示す図である。 実施例２の投影装置における光路を展開しつつ投影光学システムを拡大して示す図である。 実施例３の投影装置における光路を展開しつつ投影光学システムを拡大して示す図である。 実施例１、２の投影装置により実際に投影された画像の歪み具合を示す図である。 実施例３の投影装置により実際に投影された画像の歪み具合を示す図である。

符号の説明

１ 第一投影光学系
２ 第二投影光学系
３ 偏向光学系
４ 表示体
１０ 投影光学システム
２１ 補正用レンズ
１００ 投影装置
Ｓ スクリーン

Claims (9)

1. 矩形状の画像を表示する表示体と、
   前記表示体から照射された光により台形歪みを持つ中間像を形成する第一投影光学系と、
   前記中間像からの光をスクリーン上に斜めに入射させて、台形歪みが補正された像を拡大投影する第二投影光学系と、
   前記第一投影光学系と前記第二投影光学系の各瞳を結合し、前記第一投影光学系から射出された光を偏向して第二投影光学系に導く偏向光学系と、を有し、
   少なくとも前記第二投影光学系は、前記表示体により表示される画像における短辺方向の一端から射出される第一の光束および他端から射出される第二の光束が互いに完全に離間した状態にある面を持つ少なくとも一つのレンズを有し、
   前記少なくとも一つのレンズのうち所定のレンズは、前記スクリーン側から順に第一面と第二面を有し、前記表示体により表示される画像の中央から射出される第三の光束の主光線が前記第一面を透過する位置での前記スクリーンの鉛直方向に対応する縦方向の接線の傾きをｓ１、前記第三の光束の主光線が前記第二面を透過する位置での前記縦方向の接線の傾きをｓ２とすると、以下の条件（１）、
   ｓ１−ｓ２＞０・・・（１）
   を満たし、かつ前記第一面における前記第三の光束の主光線が透過する位置での縦方向および横方向の曲率をそれぞれｃ１、ｃ２、前記第二面における前記第三の光束の主光線が透過する位置での縦方向および横方向の曲率をそれぞれｃ３、ｃ４とすると、以下の条件（２）、
   （ｃ１−ｃ３）＞（ｃ２−ｃ４）・・・（２）
   を満たすことを特徴とする投影装置。
2. 前記所定のレンズは、前記第一面における前記第一の光束の主光線が透過する位置での縦方向の曲率から前記第二面における前記第一の光束の主光線が透過する位置での縦方向の曲率を引いた差をＣｕ、前記第一面における前記第二の光束の主光線が透過する位置での縦方向の曲率から前記第二面における前記第二の光束の主光線が透過する位置での縦方向の曲率を引いた差をＣｄ、前記第一面における前記第三の光束の主光線が透過する位置での縦方向の曲率から前記第二面における前記第三の光束の主光線が透過する位置での縦方向の曲率を引いた差をＣｃ、とすると、以下の条件（３）、
   Ｃｄ＜Ｃｃ＜Ｃｕ・・・（３）
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
3. 前記第一投影光学系の光軸に直交する面に対する前記表示体のチルト量（単位：ｄｅｇ）をαとすると、以下の条件（４）、
   

   

   を満たすことを特徴とする請求項２に記載の投影装置。
4. 前記所定のレンズの両面は、該面の光軸上での接平面を、前記光軸から縦方向に延びるｙ軸と前記光軸および該ｙ軸に直交するｚ軸とにより規定され各軸と光軸との交点を原点とする座標系で表し、座標（ｙ，ｚ）でのサグ量をＸ（ｙ，ｚ）、曲率半径をｒ、円錐係数をＫ、ｙ^ｍｚ^ｎの非球面係数をＢ_ｍｎとすると、以下の式（５）、
   

   

   により定義される形状を持ち、
   前記所定のレンズの少なくとも一方の面は、Ｂ_ｍｎ（ただしm≠n）が０ではなく、前記光軸に対して非回転対称な多項式面であり、
   前記第一面に関する係数Ｂ_４０が前記第二面に関する係数Ｂ_４０よりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の投影装置。
5. 前記所定のレンズの両面は、回転対称軸からの高さがｙとなる非球面上の座標点の該非球面の回転対称軸上での接平面からの距離（サグ量）をＸ（ｙ）、非球面の回転対称軸上での曲率（１／ｒ）をＣ、円錐係数をＫ、非球面係数をＡ_４、Ａ_６、…とすると、以下の式（６）、
   

   

   により定義される形状を持ち、
   前記所定のレンズの少なくとも一方の面は、４次、６次の非球面係数が０ではない回転対称非球面であり、
   少なくとも前記所定のレンズは、シフトしていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の投影装置。
6. 前記所定のレンズは、
   前記第一面の非球面成分による曲率から前記第二面の非球面成分による曲率を引いた差が、前記回転対称軸からの高さが大きくなるにつれ正に大きくなることを特徴とする請求項５に記載の投影装置。
7. 前記所定のレンズは、前記第二投影光学系の前記スクリーン側の瞳位置よりも前記スクリーン側に位置していることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の投影装置。
8. 前記所定のレンズは、
   近軸でのパワーが正であれば前記第二投影光学系の光軸を基準として前記中間像の像面と前記第二投影光学系の主平面と前記スクリーンとの各延長面が交わる交線から離れる方向にシフトしており、
   近軸でのパワーが負であれば前記第二投影光学系の光軸を基準として前記交線に近づく方向にシフトしていることを特徴とする請求項５または請求項６を引用する請求項７に記載の投影装置。
9. 前記短辺方向は、前記スクリーン上に表示される画像の鉛直方向に対応し、前記短辺方向の一端および他端は、それぞれ前記表示体に表示される画像の上端および下端であることを特徴とする請求項１から請求項８に記載の投影装置。
   

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