JP2007219383A - 投影光学系および画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投影光学系および画像投影装置において、いわゆるオフセット投影を行う場合に、簡素な構成によって収差を低減し、高画質の画像を投影することができるようにする。
【解決手段】被投影画像を画像表示領域３ａに表示する反射型表示素子３と、スクリーン６から反射型表示素子３までの間の光路に沿って順次配置された第１光学系４Ａ、第２光学系４Ｂとを有し、画像表示領域３ａを第１光学系４Ａの光軸４ａに対して偏心した位置に拡大投影する投影光学系４であって、光軸４ａを基準軸としたときに、画像表示領域３ａが少なくとも平行偏心して配置されるとともに、第２光学系４Ｂが偏心して配置された構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、投影光学系および画像投影装置に関する。例えば、画像を光軸からずらした位置にオフセット投影する投影光学系および画像投影装置に関する。

従来、例えば、プロジェクタなど、表示素子に表示された画像をスクリーンに拡大投影する画像投影装置では、机上で使用する場合や天井に設置する場合など、装置設置位置から斜め上方または下方に位置し、例えば壁面などに沿う垂直面に配置されたスクリーンに画像を投影して使用されるものが多い。この場合、投影光学系の光軸をスクリーンに向かう斜め方向に設定するので、スクリーン面が光軸に対して斜交することになる。この場合、投影画像に歪みが生じ、画質が劣化してしまうという問題があった。
そのため、投影光学系の光軸を水平に近い配置として、投影光学系の有効画像領域の上側領域に画像がずらして投影する、いわゆるオフセット投影を行うようにしたものが知られている。
例えば、特許文献１には、従来技術として、表示素子であるＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を、その表示領域の周縁部が投影光学系の光軸に略一致する位置まで平行偏心して配置し、投影光学系の投影領域の片側半分、例えば上半部に、ずらして投影する表示光学系（画像投影装置）が記載されている。
また、有効画像領域内で画像をずらして投影するものではないが、これに関連する技術として、投影光学系の光軸に対して偏心配置された表示素子が表示する画像を、良好に位置補正して、投影光学系の光軸と画像表示領域の中心とが一致するように投影する技術が知られている。
例えば、特許文献２には、反射型表示素子と投影光学系との間に大きく偏心した偏心光学素子を配置し、投影光学系の光軸に対して平行偏心および傾き偏心して配置された反射型表示素子の表示面の画像表示領域の中心が、投影光学系の光軸と一致するように投影する投影表示装置が記載されている。
特開平１１−２４９０６９号公報（図９） 特開２０００−３９５８５号公報（図１、２、５、６、９、１０）

しかしながら、上記のような従来の投影光学系および画像投影装置には以下のような問題があった。
特許文献１に記載の従来技術では、斜め上方に投影する場合でも、スクリーンと投影光学系の像面とを平行に設定することができるので、像面がスクリーンに対して回転することによる画像の歪みは生じないものの、有効画像領域の上半部など、一部分に表示素子の画像表示領域全体を投影しなければならない。すなわち、投影画角のうち、収差のよくない高画角部を含む狭い範囲の画角しか利用できないものである。そのため、例えば、投影光学系の有効領域をより拡大したり、光学素子の数を増したりして収差低減を図る必要があった。その結果、投影光学系が大型化し、複雑かつ高価なものになってしまうという問題がある。
一方、特許文献２に記載された技術を用いて、表示素子と投影光学系との間に偏心光学素子を配置して、偏心配置された表示素子の画像の投影領域を移動することも考えられるが、特許文献２に記載の技術は、画像投影領域の中心が投影光学系の光軸中心に一致するような位置に偏心光学素子を偏心配置することにより、良好な収差を達成するものである。したがって、表示素子を平行偏心して、オフセット投影を行う意味がなくなってしまう。すなわち、オフセット投影の投影光学系には適用できないという問題がある。
どうしてもこの技術を適用するとすれば、オフセット方向の表示領域の辺を２倍にして考え、収差が改善された全体領域の半分のみを用いる必要があり、その場合、同程度には収差が改善されないことは明らかである。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、いわゆるオフセット投影を行う場合に、簡素な構成によって収差を低減し、高画質の画像を投影することができる投影光学系および画像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に、本発明の投影光学系は、被投影画像を画像表示領域に表示する表示素子と、投影面から前記表示素子までの間の光路に沿って順次配置された第１光学系と第２光学系とを有し、前記画像表示領域を前記第１の光学系の光軸に対して偏心した位置に拡大投影する投影光学系であって、前記第１光学系の光軸を基準軸としたときに、前記表示素子の画像表示領域が少なくとも平行偏心して配置されるとともに、前記第２光学系が偏心して配置された構成とする。
この発明によれば、表示素子側の第２光学系を、投影面側の第１光学系の光軸を基準軸として偏心して配置するので、基準軸に対して少なくとも平行偏心して配置された画像表示領域から偏心した状態で進む拡散光束の光線方向を、第２光学系の偏心量に応じて補正することができる。
すなわち、表示素子の画像表示領域を基準軸に対して平行偏心して配置して、いわゆるオフセット投影する場合には、光線が投影光学系の高像高部分を透過するので収差が大きくなる傾向があり、また、画像表示領域と基準軸とが一致していないため投影画像内では、非対称な収差が発生する。
一方、第２光学系を平行偏心すると、その平行偏心方向に歪曲収差で代表される軸シフト成分を有する収差が発生する。よって、画像表示領域の基準軸に対する平行偏心方向と同方向に第２光学系を平行偏心して歪曲収差等をキャンセルし、歪曲収差等の大きさと対称性とを改善することができる。また、第２光学系を基準軸および画像表示領域の平行偏心方向にそれぞれ直行する軸回りに傾き偏心すると、歪曲収差で代表される軸シフト成分を有する収差が発生するので、第２光学系を傾き偏心することによっても、歪曲収差等をキャンセルし、歪曲収差等の大きさと対称性とを改善することができる。
その結果、第１光学系の高像高部分に歪曲収差などの収差を残した状態であっても、画像が投影される範囲において容易に収差を補正することができる。

また、本発明の画像投影装置は、本発明の投影光学系を用いて、前記画像表示領域の画像を拡大投影する構成とする。
この発明によれば、本発明の投影光学系を用いるので、本発明の投影光学系と同様の作用効果を備える。

本発明の投影光学系および画像投影装置によれば、表示素子側に配置された第２光学系を偏心することで、画像表示領域をオフセット投影する部分の収差を低減することができるので、簡素な構成によって収差を低減し、高画質の画像を投影することができるという効果を奏する。

以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る投影光学系および画像投影装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る画像投影装置の概略構成を示す模式的な正面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る画像投影装置に用いる投影光学系の構成を示す光軸を含む断面の概略構成図である。
なお、各図とも模式図のため、寸法や形状は誇張して描かれている場合があり、必ずしも正確な位置関係を表すものではない（以下、同様）。

本実施形態のプロジェクタ１の概略構成は、図１に示すように、照明ユニット２、反射型表示素子３、および投影光学系４が筐体１ａ内に配置されたものである。また、特に図示しないが、装置を駆動する電源供給部と装置の制御を行う装置制御部とを備えており、いずれも照明ユニット２、反射型表示素子３に接続されている。
以下では、説明の簡単のため、プロジェクタ１の筐体１ａを水平面に配置したとき、投影光５が、配置面の斜め上方に投影されて、配置面に対して垂直に設置されたスクリーン６（投影面）上に画像が投影される場合の例で説明するが、このような配置位置、投影方向に限定されるものではない。例えば、設置面が傾斜面であったり、投影方向が斜め下方であったりしてもよいことは言うまでもない。

照明ユニット２は、反射型表示素子３の画像表示領域に向けて照明光を照射する光源である。本実施形態では、フルカラー画像を表示するため、少なくとも光の三原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）と、白色光に対応する波長光を時分割して順次照射することができるものである。例えば、それぞれ独立駆動可能なＲ、Ｇ、Ｂの波長光源をそれぞれ備え、それらを同一光路上に合成するものを採用することができる。また、例えば、白色光源を備え、その光路上にＲ、Ｇ、Ｂの可動フィルタを設けたものなどでもよい。
照明ユニット２からの照明光は、反射型表示素子３による反射光が、投影光学系４に対して入射されれば、どのような角度で入射してもよいが、本実施形態では、投影面の下方側から斜め上方向に照射され、後述する第２光学系４Ｂを透過して、反射型表示素子３に入射するようになっている。ただし、装置レイアウトの都合により、適宜ミラーやプリズムを設けて、光路を折り畳んで配置してもよい。

反射型表示素子３は、照明ユニット２から照射タイミングに応じて照射される波長の照明光を、画像信号に応じて空間変調し、色分解された画像を、カバーガラス３ｃ（図２参照）によって覆われた画像表示領域３ａに表示するものである。
画像表示領域３ａは、特に図示しないが、例えば、画像信号の画素単位に応じた多数の空間変調要素が表示平面上に格子状に配列されてなる。本実施形態では、例えば、長辺×短辺が、Ｗ×Ｈである矩形状に設けられている。中心法線３ｂは、画像表示領域３ａの中心における表示平面の法線を示す。
反射型表示素子３の画像表示領域３ａは、投影光学系４の像面上において、中心法線３ｂが、後述する第１光学系４Ａの光軸４ａに対して投影面の方向と逆側に距離ａだけ平行偏心した位置に配置されている。

この偏心量ａの、画像表示領域３ａの短辺の半分に対する比を、軸オフセットΔｈで表すことにする。すなわち、
Δｈ＝ａ／（Ｈ／２） ・・・（１）
軸オフセットは、オフセット投影の条件に応じて適宜設定することができるが、本実施形態では、次式の範囲とする。
０＜Δｈ≦２．０ ・・・（２）
また、好ましくは、次式の範囲とする。
１．０≦Δｈ≦１．５ ・・・（３）

反射型表示素子３としては、例えば、微小ミラーアレイであるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）や反射型液晶パネル（ＬＣＯＳ、Liquid Crystal On Silicon）などの素子を採用することができる。

投影光学系４は、反射型表示素子３の画像表示領域３ａに表示された画像を拡大し、スクリーン６上に投影するための光学系であり、画像表示領域３ａとスクリーン６とを互いに共役とするものである。
投影光学系４の構成は、反射型表示素子３とスクリーン６との間の光路上に、第２光学系４Ｂ、第１光学系４Ａがこの順に配置されてなる。

第１光学系４Ａは、画角θ_０を有する拡大投影光学系である。本実施形態では、図２に示すように、投影面側から第１レンズ１１、第２レンズ１２、第３レンズ１３、第４レンズ１４、第５レンズ１５、第６レンズ１６、および第７レンズ１７が、光軸４ａ上に配列されてなる。光軸４ａは、プロジェクタ１の配置面と水平に設けられている。
これら各レンズは、拡大投影光学系としての性能を満足する適宜の形状、パワーに設定することができるが、例えば、一例として、以下のような形状を採用することができる。

第１レンズ１１、第２レンズ１２は、いずれも投影面側が凸面の凹メニスカスレンズである。
第３レンズ１３は、両凸レンズである。
第４レンズ１４は、投影面側から両凸レンズのレンズ１４Ａ、両凹レンズのレンズ１４Ｂがこの順に配列して互いに貼り合わされた貼り合わせレンズからなる。
第５レンズ１５は、両凹レンズである。
第６レンズ１６は、表示面側が凸面の凸メニスカスレンズである。
第７レンズ１７は、両凸レンズである。
そして、これらのパワーにより、投影面側から表示面に向けて、負、負、正、正、負、正、正のパワーを有する構成が実現されている。

第２光学系４Ｂは、第１光学系４Ａと反射型表示素子３との間の光束の光路および集光状態を調整するための正のパワーを有する光学系であり、光軸４ａに対して偏心して配置されている。本実施形態では反射型表示素子３の偏心方向と同方向に距離ｂだけ平行偏心して配置されている。符号４ｂは、第２光学系４Ｂの光軸を示す。
この平行偏心量ｂの大きさ、方向は、投影光学系４の構成などにより異なるため、光線追跡を行って、例えば、画像表示領域３ａが拡大投影される投影位置での歪曲収差量や、対称性のバランスなどが許容範囲となるように適宜設定する。
一般に、平行偏心量ｂは、反射型表示素子３の平行偏心量ａに比べて小さな値でも、十分な効果を得ることができ、そのため、第２光学系４Ｂを偏心させてもスクリーン６上の画像投影領域はあまり変化することがなく、オフセット投影の状態が維持される。

第２光学系４Ｂの構成は、本実施形態では、表示面側が略平面に近い両凸レンズである視野レンズ１８のみからなる。
そして、視野レンズ１８は、パワーを有しないカバーガラス３ｃを挟んで、画像表示領域３ａと対向して配置されている。このため、パワーを有する光学素子としては、反射型表示素子３に最も近い位置に位置する。
また、本実施形態の第２光学系４Ｂは、照明ユニット２と反射型表示素子３との間の光路上にわたって設けられており、照明ユニット２からの照明光を画像表示領域３ａ上に集光する構成になっている。

次に、プロジェクタ１の動作について、投影光学系４の光学作用を中心に説明する。
所定のタイミングに応じて所定の波長光として照明ユニット２から出射される照明光は、図２に示すように、第２光学系４Ｂを透過して集光される。そして、カバーガラス３ｃを透過し、画像表示領域３ａの中心法線３ｂに対して、斜め下方向から入射する。
画像表示領域３ａ上の各空間変調要素は、所定の波長、タイミングに応じた画像信号に応じて、例えば、照明光を投影光学系４に入射する方向に反射するオン状態と、照明光を投影光学系４に入射しない方向に導くオフ状態とに駆動される。
そのため、画像表示領域３ａ上には、オン状態の空間変調要素で反射された光により、画像が表示される。これら反射光は、カバーガラス３ｃを透過して、第２光学系４Ｂに入射し、第２光学系４Ｂの屈折作用を受けて、集光されつつ、第１光学系４Ａ側に出射される。

このとき、視野レンズ１８を光軸４ａに対して距離ｂだけ平行偏心しているので、視野レンズ１８が光軸４ａと同軸の場合に比べて、光の屈折方向が偏心方向、偏向量に応じて変化する。したがって、視野レンズ１８のパワー、焦点距離に応じて、第１光学系４Ａへの入射位置、入射角が変更される。
このとき、視野レンズ１８は、拡大投影を行う投影光学系４において、反射型表示素子３の反射光が最初に通過するパワーを有する光学素子であるため、相対的に光束径の小さな光として透過する。そのため、視野レンズ１８の屈折作用は、球面収差などの結像性能よりも、歪曲収差や像面湾曲などの投影面における結像位置の幾何学的なずれ量に係る収差に影響するものとなっている。例えば、平行偏心は、主として歪曲収差に影響し、傾き偏心は、主として像面湾曲に影響する。
そして、平行偏心量ｂを適宜設定することにより、後段の光学素子に比べて小さな偏心量でも、歪曲収差を低減したり、対称性を改善したりすることができる。
このような偏心を行うことで、画像投影領域と異なる投影面に向かう光路での収差はかえって悪化することが考えられるが、オフセット投影では、そのような領域に画像を投影しないため何ら問題とならない。このように、本実施形態は、投影光学系４の全画角内の収差分布を変更して、画像投影領域部分の収差の向上を図るものである。

第２光学系４Ｂから出射された光は、第１光学系４Ａに入射し、光路に沿って第７レンズ１７、第６レンズ１６、第５レンズ１５、第４レンズ１４、第３レンズ１３、第２レンズ１２、第１レンズ１１を透過し、それぞれにより屈折作用を受けて、図１に示すように、投影光学系４の倍率に対応して、光軸４ａに対して斜め上方に延びる投影中心軸５ａを中心として、画角θ_１の範囲を進み、スクリーン６上で結像される。

このようにして、画像表示領域３ａに表示された画像が、スクリーン６上に拡大投影される。その際、スクリーン６上の投影位置は、投影光学系４の倍率と画像表示領域３ａの中心法線３ｂの平行偏心量ａにより略決まり、投影位置における歪曲収差が、第２光学系４Ｂの平行偏心量ｂにより改善される。その結果、プロジェクタ１によって高画質の画像をオフセット投影することができる。

次に、本実施形態の変形例について説明する。いずれも、上記と同様の構成を備え、光学素子の偏心を変えたものである。
第１変形例では、第２光学系４Ｂを平行偏心する代わりに、基準軸および反射型表示素子３の平行偏心方向にそれぞれ直交する軸回りの傾き偏心を加えるものである。この場合、回転方向により反射型表示素子３の平行偏心による歪曲収差を改善することが可能である。

第２変形例では、上記の第１の実施形態において、第２光学系４Ｂに加えて第１光学系４Ａ内の光学素子の一部を平行偏心する。この場合、歪曲収差などに対して影響が異なる他の光学素子の平行偏心を組み合わせるので、きめ細かい収差補正を行うことができる。また、第１光学系４Ａの光学素子の一部と第２光学系４Ｂとの間で、それぞれ最適な偏心量を与えることで、他の収差に対する影響を低減することができる。
なお、この場合、投影光学系４の基準軸となる第１光学系４Ａの光軸４ａとは、偏心した光学素子を除く第１光学系４Ａの光軸を意味する。

第３変形例では、上記第１の実施形態、第１、第２変形例において、基準軸および反射型表示素子３の平行偏心方向にそれぞれ直交する軸回りの傾き偏心を加えるものである。
この場合、傾き偏心は上述のように、主として像面湾曲に影響するので、像面位置にずれによる画像ボケなどを改善し、高画質のオフセット投影を行うことが可能となる。
傾き偏心させることができるのは、反射型表示素子３、第２光学系４Ｂ、および第１光学系４Ａの一部の光学素子である。
傾き偏心の方向、偏心量は、投影光学系４の構成に応じて、他の収差への影響を考慮して適宜設定することができる。例えば、平行偏心によって歪曲収差が改善されるものの、像面湾曲が悪化する場合があるが、この場合、像面湾曲の悪化をキャンセルする方向に傾き偏心を加えることで、歪曲収差と像面湾曲とのそれぞれが良好となるようにすることが可能となる。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る投影光学系および画像投影装置について説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態に係る画像投影装置の概略構成を示す模式的な正面図である。図４は、本発明の第２の実施形態に係る画像投影装置に用いる投影光学系の構成を示す光軸を含む断面の概略構成図である。

本実施形態のプロジェクタ１０は、図３に示すように、上記第１の実施形態のプロジェクタ１において、反射型表示素子３に代えて、透過型表示素子７を備え、照明ユニット２の照射方向を透過型表示素子７の表示面裏面側に変えた点が異なる。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。

透過型表示素子７は、照明ユニット２によって、表示面裏面側から照射タイミングに応じて照射される波長の照明光を、画像信号に応じて空間変調し、色分解された画像を、画像表示領域７ａに表示するものである。透過型表示素子７としては、例えば、液晶表示デバイス（ＬＣＤ）などを採用することができる。
本実施形態では、説明の便宜上、透過型表示素子７を単板の構成としているが、照明光Ｒ、Ｇ、Ｂに応じた３板構成のＬＣＤなどの透過型空間変調素子を設け、それぞれの透過型空間変調素子を透過した光を色合成する構成とするのが通常の形態である。その場合は、投影光学系４と透過型表示素子７との間に色合成光学要素を要するが、本説明では省略している。なお、このような構成では、色合成光学要素により、３つの透過型空間変調素子の表示面がそれぞれ光学的に等価な位置に配置された画像表示領域をなしている。
画像表示領域７ａは、特に図示しないが、例えば、画像信号の画素単位に応じた多数の空間変調要素が表示平面上に格子状に配列されてなる。本実施形態では、例えば、長辺×短辺が、Ｗ×Ｈである矩形状に設けられている。中心法線７ｂは、画像表示領域７ａの中心における表示平面の法線を示す。
透過型表示素子７の画像表示領域７ａは、投影光学系４に対して、第１の実施形態の反射型表示素子３と同様の位置関係に配置されている。すなわち、投影光学系４の像面上において、中心法線７ｂが、第１光学系４Ａの光軸４ａに対して投影面の方向と逆側に距離ａだけ平行偏心した位置に配置されている。
また、軸オフセットΔｈも上記第１の実施形態と同様に定義される。

このように、本実施形態のプロジェクタ１０は、表示素子として、反射型表示素子３に代えて透過型表示素子７を用いた例となっている。
そのため、照明光を透過型表示素子７の裏面側から照射できるので、照明ユニット２を投影光学系４に干渉しないように配置することが容易となり、装置レイアウトの自由度を向上することができる。
また、投影光学系としては、照明ユニット２からの照明光が第２光学系４Ｂを透過することなく、表示素子に導かれる点が異なるのみなので、表示素子からスクリーン６までの光路および光学作用に関する作用効果は第１の実施形態の場合と同様となる。

したがって、画像表示領域７ａに表示された画像は、投影光学系４によって、スクリーン６上に拡大投影される。その際、スクリーン６上の投影位置は、画像表示領域７ａの中心法線７ｂの平行偏心量ａにより略決まり、投影位置における歪曲収差が、第２光学系４Ｂの平行偏心量ｂにより改善される。したがって、プロジェクタ１０によって高画質の画像をオフセット投影することができる。
また、第１の実施形態の各変形例は、本実施形態に対しても同様に適用することができる。

なお、上記の第１の実施形態の説明では、照明ユニット２からの照明光を、第２光学系４Ｂに透過させて画像表示領域３ａに導く構成の場合の例で説明したが、反射型表示素子３を用いる場合の構成はこれに限定されない。例えば、照明ユニット２内で、照明光の収束度合を適宜設定しておき、第２光学系４Ｂを透過させないで、画像表示領域３ａを照明してもよい。

また、上記の説明では、第２光学系４Ｂが、単レンズで構成される場合の例で説明したが、第２光学系４Ｂはレンズ群から構成されていてもよい。

また、上記の説明では、表示素子が、１つの空間変調素子または複数の空間変調素子と色合成光学要素とからなり、これら空間変調素子の画像表示面が画像表示領域である場合の例で説明したが、表示素子の画像表示領域は、例えば空間変調素子の画像表示面の画像を他の表示面にリレーするなどして形成してもよい。

また、上記の説明では、画像投影装置として、装置の外部に設けられた投影面に画像を投影する、いわゆるフロントプロジェクション方式のプロジェクタの例で説明したが、装置の外周部に設けられた透過型スクリーンに装置内部側から画像を投影する、いわゆるリアプロジェクション方式のプロジェクタに用いてもよい。

また、上記の説明では、表示素子の軸オフセット方向を短辺方向として説明したが、軸オフセット方向は短辺方向に限定されない。例えば、長辺方向もしくは任意方向に軸オフセットしてオフセット投影を行う場合でも、その軸オフセット方向に応じて光学素子のオフセット方向を変えることで、同様の効果が得られる。

また、上記の説明では、表示素子、第２光学系、第１光学系の一部の光学素子の偏心は、一定であるとして説明したが、偏心可変機構を設けて、必要に応じて手動または自動で調整できるようにしてもよい。

また、上記の各実施形態、各変形例に記載された構成要素は、技術的に可能であれば、本発明の技術的思想の範囲内で適宜組み合わせて実施することができる。

ここで、上記各実施形態の用語と特許請求の範囲の用語との対応関係について名称が異なる場合について説明する。
プロジェクタ１、１０は、それぞれ画像投影装置の一実施形態である。反射型表示素子３、透過型表示素子７は、それぞれ表示素子の一実施形態である。光軸４ａは、基準軸に対応する。

次に、上記に説明した第１の実施形態およびその変形例の投影光学系の第１〜第４実施例、および従来技術に係る投影光学系の比較例について説明する。ただし、第２の実施形態においても、投影面と表示面との間の構成は同じなので、下記の各実施例は、第２の実施形態の実施例にもなっている。
図５は、本発明の第１の実施形態およびその変形例に係る投影光学系の各実施例の概略構成およびその光路を示す光軸を含む断面の概略光路図である。各実施例では、一部の光学素子が偏心されているが、それぞれの偏心量はわずかなので、各実施例とも共通の図面を用いて説明する。
以下では、光軸４ａに直交する方向のうち、スクリーン６の平行偏心方向（図１、２、５の図示上方向）を正方向としてＹ軸を設定し、それに直交する方向、紙面手前方向を正方向としてＸ軸を設定する。すなわち、画像表示領域３ａは、Ｘ軸方向に幅Ｗ、Ｙ軸方向に幅Ｈの矩形状となっており、第１の実施形態の平行偏心ｂは、Ｙ軸負方向への偏心となっている。

第１実施例は、第２光学系４ＢをＹ軸負方向に０．３ｍｍだけ平行偏心した実施例である。本実施例は上記第１の実施形態の一例になっている。
第２実施例は、第１実施例において、さらに画像表示領域（像面）をカバーガラス３ｃとともに紙面時計回り方向に６分だけ傾き偏心した実施例である。本実施例は上記第１の実施形態の第３変形例の一例になっている。
第３実施例は、第２光学系４Ｂを紙面時計回り方向に１．５度（１度３０分）だけ傾き偏心した実施例である。本実施例は上記第１の実施形態の第１変形例の一例になっている。
第４実施例は、第３実施例において、さらに第１光学系４Ａの第１レンズ１１を紙面時計回り方向に３３分だけ傾き偏心した実施例である。本実施例は上記第１の実施形態の第３変形例の他の例になっている。
比較例は、従来例に対する収差低減の割合を算出するために計算したもので、第１実施例で、第２光学系４Ｂの平行偏心を０ｍｍ、すなわち、光軸４ａに対して同軸に配置した例である。
いずれも、反射型表示素子３は、アスペクト比４：３の０．５５インチＤＭＤを用いるものとする。すなわち、画像表示領域３ａの大きさは、Ｗ＝１１．２ｍｍ、Ｈ＝８．４ｍｍである。そして、軸オフセットΔｈは、％表示として、Δｈ＝１３０％としている。

これら実施例の焦点距離は、１６．４ｍｍ、Ｆ値は、２．３である。
物体距離が無限遠のレンズデータを以下に示す。図５に表記されたｒ_ｉ、ｄ_ｉ（ｉは整数）は、下記のｒ_ｉ、ｄ_ｉに対応する。長さの単位は、（ｍｍ）である。また屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記している。

面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 r₁ = 44.054 d₁ = 2.000 α₁ n₁ = 1.5163 ν₁ = 64.1
2 r₂ = 14.882 d₂ = 5.168 α₁
3 r₃ = 58.054 d₃ = 2.000 n₂ = 1.5163 ν₂ = 64.1
4 r₄ = 20.547 d₄ = 9.075
5 r₅ = 226.227 d₅ = 3.000 n₃ = 1.8052 ν₃ = 25.4
6 r₆ = -31.665 d₆ = 2.766
7 r₇ = 16.829 d₇ = 5.000 n₄ = 1.8061 ν₄ = 40.9
8 r₈ = -13.402 d₈ = 2.000 n₅ = 1.6990 ν₅ = 30.1
9 r₉ = 25.399 d₉ = 1.557
10 r₁₀= -18.655 d₁₀= 1.750 n₆ = 1.8052 ν₆ = 25.4
11 r₁₁= 21.401 d₁₁= 0.981
12 r₁₂=-135.750 d₁₂= 3.500 n₇ = 1.6031 ν₇ = 60.7
13 r₁₃= -16.139 d₁₃= 0.200
14 r₁₄= 91.202 d₁₄= 3.500 n₈ = 1.6031 ν₈ = 60.7
15 r₁₅= -22.576 d₁₅=15.000
16 r₁₆= 25.848 d₁₆= 6.500 ｙ₁ ，α₂ n₉ = 1.7200 ν₉ = 50.2
17 r₁₇=3092.900 d₁₇= 2.500 ｙ₁ ，α₂
18 r₁₈= ∞ d₁₈= 3.000 α₃ n₁₀= 1.4875 ν₁₀= 70.4
19 r₁₉= ∞ d₁₉= 0.500 α₃
像 面 ∞ α₃

ここで、ｙ₁は平行偏心量を、α₁ 、α₂、α₃は傾き偏心量を表し、各実施例に応じて、下表の値をとる。それぞれの方向は上記説明のとおりである（図５矢印参照）。
ｙ_１（ｍｍ） α₁（分） α₂（度） α₃（分）
第１実施例 ０．３ ０ ０ ０
第２実施例 ０．３ ０ ０ ６
第３実施例 ０ ０ １．５ ０
第４実施例 ０ ３３ １．５ ０
比較例 ０ ０ ０ ０

次に、各実施例、比較例の歪曲収差と像面湾曲との計算結果について説明する。
これらの計算は、逆光線追跡を行い、画像表示領域３ａ上の値として求めた。
図６は、比較例の歪曲収差を示すベクトル図である。歪曲収差を表すベクトル図の横軸はＸ軸方向の像高、縦軸はＹ軸方向の像高を表し、それぞれの単位は（ｍｍ）である。また、歪曲収差の計算位置は矢印の始点の格子点に設定され、矢印の方向で歪曲収差の方向を表し、図中のスケールに対する矢線の長さで歪曲収差の大きさを表している（以下も同じ）。図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、第１、第２実施例の歪曲収差を示すベクトル図である。図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、第３、第４実施例の歪曲収差を示すベクトル図である。図９は、各実施例、比較例の像面湾曲の計算位置を示す模式図である。

各実施例について、歪曲収差の最大値Ｄ_ｍａｘ（ｍｍ）と改善率（％）を次の表１に示す。
ここで、改善率は、比較例のＤ_ｍａｘから各実施例のＤ_ｍａｘを引いて比較例のＤ_ｍａｘで割った比率である。

各実施例について、像面湾曲の計算結果を次の表２に示す。

ここで、各像面湾曲量Ｃ_＋＋、Ｃ_＋−、Ｃ_−＋、Ｃ₋₋、Ｃ_００は、画像表示領域３ａの各頂点位置と中心位置とにおける値であり、図９に示すように、それぞれ、Ｘ軸正方向かつＹ軸正方向の頂点３ｄ、Ｘ軸正方向かつＹ軸負方向の頂点３ｅ、Ｘ軸負方向かつＹ軸正方向の頂点３ｆ、Ｘ軸負方向かつＹ軸負方向の頂点３ｇと、中心法線３ｂとの交点の中心位置とに対応するものであり、単位は（ｍｍ）である。
また、（ｍａｘ−ｍｉｎ）は、すなわち、画像表示領域３ａ内の像面湾曲の最大値と最小値との差を表す。
また、改善率は、像面湾曲の偏差（ｍａｘ−ｍｉｎ）について、比較例のものから各実施例のものを引いて比較例のもので割った比率である。

比較例の歪曲収差は、図６に示すように、Ｘ像高の中心のＹ像高正方向側で歪曲収差が最も小さくなり、Ｙ像高が負の側、Ｘ像高の絶対値が大きくなる側でそれぞれ大きくなるような分布を有する。このため、被投影画像の上下方向にわたって不均一な歪みが生じて画質が劣化しているものである。
比較例の像面湾曲は、表２に示すように、図９の頂点３ｅ、３ｇで大きな値を有する。このため、その近傍でのピントが甘くなっている。

第１実施例では、歪曲収差が、図７（ａ）に示すように、画像表示領域３ａの中心位置で最小となり、上下方向の収差発生量の対称性が良好となっている。また、表１に示すように、Ｄ_ｍａｘも比較例に比べて１３．７％改善されている。
したがって、本実施例では、歪曲収差の発生方向に第２光学系４Ｂを平行偏心することで、歪曲収差が格段に向上している。
一方、表２によれば、像面湾曲は全般的に比較例に比べて悪化している。

第２実施例では、歪曲収差が、図７（ｂ）に示すように、略第１実施例と同様な傾向を有し、また、表１に示すように、Ｄ_ｍａｘも比較例に比べて１２．２％改善されている。
したがって、反射型表示素子３の傾き偏心を加えても第１実施例と略同等に、歪曲収差が格段に向上している。
一方、表２によれば、像面湾曲は、第１実施例よりも比較例に近い値をとり、像面湾曲の偏差は比較例に比べて３．０％改善されている。
このように、平行偏心と傾き偏心とを組み合わせることで、歪曲収差、像面湾曲とも改善されている。

第３の実施例では、歪曲収差が、図８（ａ）に示すように、略第１実施例と同様な傾向を有し、また、表１に示すように、Ｄ_ｍａｘも比較例に比べて３．６％改善されている。このため、画像歪みの改善度合いはやや少ないものの、画像歪みの対称性が良好となるものである。
一方、表２によれば、像面湾曲は、比較例に比べて悪化する傾向にある。

第４の実施例では、歪曲収差が、表１に示すように、Ｄ_ｍａｘは、比較例に比べて略同等（−０．７％）の結果であり、図８（ｂ）に示すように、上下方向の対称性は、略第１実施例と同様に良好である。画像歪みの対称性が良好となるものである。
一方、表２によれば、像面湾曲は、第３実施例に比べて著しく改善され、比較例とも略同等（−０．６％）の結果である。

これらの結果より、第２光学系４Ｂは、平行偏心、傾き偏心のいずれでも歪曲収差を改善することができることが分かる。
また、反射型表示素子３、第１光学系４Ａの一部の光学素子を傾き偏心を加えることにより、像面湾曲を改善することができることが分かる。
したがって、これらの平行偏心、傾き偏心を必要に応じて適宜組み合わせることにより、歪曲収差および像面湾曲を改善することができ、画質向上を図ることができる。
その際、偏心方向を逆転すれば、収差の変化方向も逆転するので、必要に応じて光学素子の偏心方向を変えることで、全体の収差をより最適化できるものである。

本発明の第１の実施形態に係る画像投影装置の概略構成を示す模式的な正面図である。 本発明の第１の実施形態に係る画像投影装置に用いる投影光学系の構成を示す光軸を含む断面の概略構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る画像投影装置の概略構成を示す模式的な正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る画像投影装置に用いる投影光学系の構成を示す光軸を含む断面の概略構成図である。 本発明の第１の実施形態およびその変形例に係る投影光学系の各実施例の概略構成およびその光路を示す光軸を含む断面の概略光路図である。 比較例の歪曲収差を示すベクトル図である。 第１、第２実施例の歪曲収差を示すベクトル図である。 第３、第４実施例の歪曲収差を示すベクトル図である。 各実施例、比較例の像面湾曲の計算位置を示す模式図である。

符号の説明

１、１０ プロジェクタ（画像投影装置）
２ 照明ユニット
３ 反射型表示素子（表示素子）
３ａ、７ａ 画像表示領域
３ｂ、７ｂ 中心法線
４ 投影光学系
４Ａ 第１光学系
４Ｂ 第２光学系
４ａ 光軸（基準軸）
４ｂ 光軸
５ 投影光
６ スクリーン（投影面）
７ 透過型表示素子（表示素子）
１８ 視野レンズ

Claims (5)

1. 被投影画像を画像表示領域に表示する表示素子と、投影面から前記表示素子までの間の光路に沿って順次配置された第１光学系と第２光学系とを有し、前記画像表示領域を前記第１の光学系の光軸に対して偏心した位置に拡大投影する投影光学系であって、
   前記第１光学系の光軸を基準軸としたときに、
   前記表示素子の画像表示領域が少なくとも平行偏心して配置されるとともに、
   前記第２光学系が偏心して配置されたことを特徴とする投影光学系。
2. 前記第２光学系が、パワーを有する光学素子としては、前記表示素子に最も近い位置に位置することを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
3. 前記第１光学系が複数の光学素子からなり、
   該複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子が、前記基準軸に対して偏心して配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の投影光学系。
4. 前記表示素子の画像表示領域が、前記基準軸に対して傾き偏心して配置されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の投影光学系。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の投影光学系を用いて、前記画像表示領域の画像を拡大投影する画像投影装置。

Images