JP2007334052A - 投写型映像表示装置とそのための投写光学ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 広角角化を可能とし、投写面（スクリーン）までの位置が変更しても歪みを最小限に抑え、かつ、その製造も容易な投写型映像表示装置を提供する。
【解決手段】 映像表示素子１に表示された映像を拡大して投写面に投写する投写型映像表示装置、複数の投写用レンズを含んで構成されるレンズ光学系２、３と、レンズ光学系からの出射光を反射してスクリーン５上に傾斜して投写する反射系を構成する反射ミラー５とを備えており、レンズ光学系を構成する後方レンズ群３は回転非対称の自由曲面の形状を有する複数のレンズ３１、３２を備えており、かつ、反射ミラー５は、その一部が反射方向に凸形状の回転非対称の凸面反射ミラーから構成された投写光学ユニットを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、映像表示素子の画像を拡大してスクリーンなどの透写面上に投写して画像表示を行う投写型映像表示装置、特に、フロント透写型の映像表示装置に適した投写型映像表示装置、更には、そのための投写光学ユニットに関する。

映像表示素子の画像を、複数のレンズから構成される投写光学ユニットを介してスクリーン（透写面）上に拡大して投写するカラー映像表示装置においては、スクリーン上で充分な大きさの拡大映像を、歪みなく得ることが要求される。これを実現するため、例えば下記の特許文献１〜２に記載されているように、投影画面を投影系の光軸に対して垂直方向にシフトすると共に、やはり投影系の光軸に対して所定の角度傾けて配置された付加光学系とを用いて、映像をスクリーンに対して斜め方向に拡大投影する投影装置又は光学系が既に知られている。なお、ここで言う付加光学系（アフォーカルコンバータ）とは、投影像の大きさを変換する作用を有する光学系であり、スクリーンに対する斜め方向からの透写に伴う投影像の歪を補正・低減して長方形の投影像を得るためのものである。

また、上記のレンズ（透過系光学素子）に代えて複数の反射鏡（反射系光学素子）を用い、映像表示素子の画像をスクリーン（透写面）上に拡大して投写する反射型結像光学系は、例えば下記の特許文献３によって、既に、知られている。

特開平５−１３４２１３号公報 特開２０００−１６２５４４号公報 特開２００４−１５７５６０号公報

即ち、映像をスクリーンに対して斜め方向から投写すると、投写映像には、所謂、台形歪みが生じる。これを解消するために、上記特許文献１に記載の投写光学ユニットでは、スクリーン側に配置された付加光学系（アフォーカルコンバータ）を偏心させて台形歪み抑える構成としている。しかしながら、かかる偏心付加光学系を構成するレンズは、倍率が低いため広角化が困難であり、そのため、必要な倍率の投影像を得るためには、透写装置からスクリーンまでの距離が大きくなってしまい、また、投影画面と投影系との間の距離も大きくなってしまい、そのため、装置全体が大きく（特に、光学ユニットの光軸方向の長さ）なってしまうという問題点がある。加えて、上述した偏心付加光学系を構成するレンズとしては、口径の大きな付加光学系が必要となるが、それに伴って、透写光学ユニットのコスト上昇の原因となってしまうことにもなる。

また、上記特許文献２に記載の投写光学ユニットにおいても、上記特許文献１と同様、倍率が低いために広角化が困難であり、かつ、使用するレンズを個別に偏心させる必要があるため、その製造が難しく、加えて、やはり口径の大きな付加光学系が必要となり、透写光学ユニットのコスト上昇の原因となってしまう。

一方、上記特許文献３に記載の反射型結像光学系においては、従来の透過型の結像光学系（レンズ系）に代えて反射光学系（反射鏡）を利用することにより、結像光学系の大型化を抑え且つ広画角化を図るものである。しかしながら、反射鏡での光の偏心（偏向）量が大きなことから、特に、装置内において、その傾斜角度も含めて複数の反射鏡を正確な位置に配置することが難しく、また、振動によっても容易に反射鏡の傾斜角度等が変化してしまうことから、やはり、その製造が極めて難しいという問題点があった。

そこで、本発明では、上記従来技術における問題点に鑑み、装置の外形が大きくすることなく広角化を可能とすると共に、その製造も比較的容易な投写型映像表示装置と、そのための投写光学ユニットとを提供することをその目的とする。即ち、口径の大きな付加光学系を必要とすることなく、かつ、台形歪みが生じず、投写形表示装置自体を、よりコンパクトな外形寸法とするのに好適な技術を提供することを目的とする。

本発明によれば、上記の目的を達成するため、まず、映像表示素子と、当該映像表示素子に表示された映像を拡大して投写面に投写する投写光学ユニットとを備えた投写型映像表示装置であって、前記投写光学ユニットは、前記映像表示素子に隣接して配置され、かつ、複数の投写用レンズを含んで構成されるレンズ群と；前記レンズ群からの出射光を反射して前記投写面上に傾斜して投写する反射ミラーとを備えており、前記レンズ群は、前記映像表示素子と前記反射ミラーの間に配置され、回転非対称の自由曲面の形状を有する複数のレンズを備えており、かつ、前記レンズ群からの出射光を反射する前記反射ミラーは、その一部が反射方向に凸形状の回転非対称の凸面反射ミラーである投写型映像表示装置が提供される。

また、本発明では、前記の投写型映像表示装置において、前記投写光学ユニットを構成する前記後方レンズ群を構成する回転非対称の自由曲面の形状を有する複数のレンズの一部は、前記投写面の下端部に入射する光線が通過する部分の曲率と、前記投写面の上端部に入射する光線が通過する部分の曲率が異なるように形成することが好ましく、又は、前記投写光学ユニットを構成する前記後方レンズ群は、前記非対称レンズの他に、少なくとも一つの回転対称の球面レンズと、少なくとも一つの回転対称の非球面レンズを含むことが好ましい。或いは、前記投写光学ユニットを構成する前記凸面反射ミラーは、前記投写面の下端部に入射する光線を反射する部分の曲率が、前記スクリーンの上端に入射する光線を反射する部分の曲率よりも大きく形成されていることが好ましい。

更に、本発明では、前記の投写型映像表示装置において、前記投写光学ユニットを構成する前記凸面反射ミラーは、前記スクリーンの下端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に対し凸の形状を為し、前記スクリーンの上端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に凹の形状を為すことが好ましく、又は、前記投写光学ユニットでは、画面中央光線と当該画面中央光線が入射する位置における前記投写面の法線とを含む平面内において、前記反射ミラーの反射面から前記投写面の上端に入射する光線の経路の距離をＬ１、前記反射ミラーの反射面から前記投写面の下端に入射する光線の経路の距離をＬ２、前記投写面での画面の上端から下端までの距離をＤｖ、前記画面中央光線と前記投写面の法線との成す角度をθｓとしたとき、次の式を満足するように形成されていることが好ましい。
｜Ｌ１−Ｌ２｜＜１．２＊ｓｉｎθｓ＊Ｄｖ
また、本発明では、前記の投写型映像表示装置において、前記投写光学ユニットを構成する前記レンズ群のほぼ光軸上に配置された前記映像表示素子の表示面中央の法線を、前記レンズ群の光学系の光軸に対して傾けることが好ましい。

また、本発明では、前記の投写型映像表示装置において、前記投写光学ユニットを構成する前記レンズ群は、回転対称な面形状を有する正のパワーを有する複数の屈折レンズを含む前方レンズ群と、前記回転非対称の自由曲面の形状を有する複数のレンズを含む後方レンズ群とを備えていることが好ましく、更には、前記投写光学ユニットの画面中央光線が前記投写面に向かう経路上における、前記レンズ群の最終面から前記反射ミラー反射面に至るまでの光路長が、前記レンズ群の前記前方レンズ群の焦点距離の５倍又はそれ以上であることが好ましい。或いは、前記後方レンズ群は、更に、回転対称な面形状を有する負のパワーを有する屈折レンズを含んでおり、かつ、前記後方レンズ群は、前記前方レンズ群に対して、光軸方向に移動可能になっていることが好ましい。

更に、本発明では、前記の投写型映像表示装置において、更に、前記後方レンズ群を光軸方向に移動する手段を備えることが好ましく、又は、前記後方レンズ群移動手段は、当該装置の外部から操作可能となっていることが好ましい。或いは、前記投写光学ユニットは、更に、前記回転非対称の凸面反射ミラーからの反射光を反射する平面ミラーを備えていることが好ましく、又は、前記の投写型映像表示装置において、更に、当該装置の筐体底面には、当該装置からの出射光の進行角度を調整するための位置決め機構を備えていることが好ましい。

また、本発明によれば、やはり上述の目的を達成するため、映像表示素子に隣接して配置され、かつ、複数の投写用レンズを含んで構成されるレンズ群と、前記レンズ群からの出射光を反射して前記投写面上に傾斜して投写する反射ミラーとを備えた投写光学ユニットであって、前記反射ミラーの中心から前記投写面までの距離（Ｌｐ）に対する当該投写面の対角寸法（Ｌｏ）との間の比（Ｌｏ／Ｌｐ）が、少なくとも２以上である投写光学ユニットが提供される。

そして、本発明では、映像表示素子と、当該映像表示素子に表示された映像を拡大して投写面に投写する投写光学ユニットとを備えた投写型映像表示装置であって、前記投写光学ユニットとして前記に記載した投写光学ユニットを用いた投写型映像表示装置が提供される。

以上の本発明によれば、口径の大きな付加光学系を必要とすることなく、広角角化を可能とすると共に、投写面（スクリーン）までの位置が変更しても歪みや収差を最小限に抑えることが可能であり、性能が良好で、かつ、便利で使い勝手にも優れた投写型映像表示装置装置を実現することを可能とするという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、添付の図１は、本発明の一実施の形態になる投写型映像表示装置の全体構成を示す斜視図である。即ち、この図において、投写型映像表示装置１００を構成する略箱型の筐体１１０の内部には、例えば、外部のパーソナルコンピュータから入力される画像又は映像を表示する画像表示素子１と、高輝度の白色光を発生するランプなどの光源８とを備えており、更に、その構造については以下に詳細に説明するが、当該光源８から照射されて画像表示素子１で変調された光を拡大して照射するための投写光学ユニットが搭載されている。そして、この投写型映像表示装置を室内で使用する場合、当該投写光学ユニットから出射した光は、図に矢印で示すように、その筐体１１０の一方向（図では、長手方向）に対向して位置する部屋の壁面やシート状のスクリーン等、所謂、スクリーン５上に投写されることとなる。

次に、添付の図２の断面図を参照しながら、上記投写型映像表示装置を構成する投写光学ユニットの基本的な光学構成について説明する。なお、この図２の断面は、上記図１の右下方向（図の白抜きの矢印を参照）から見た断面を示しており、この図２に示したＸＹＺ直交座標系（図中に矢印で示す）におけるＹＺ断面に相当する。

この図２にも示すように、本発明になる投写光学ユニットは、光源８からの光を入射して所望の映像を射出する画像表示素子１とプリズム１０、前方レンズ群２と後方レンズ群３とを含む２つのレンズ群から構成される透過（レンズ）光学系、そして、回転対称でない（即ち、非回転対称）の自由曲面形状の反射面を有する反射鏡（以下、自由曲面ミラーと言う）４を含む反射光学系とによって構成される。

ここでは、上記画像表示素子１として、例えば、液晶パネルに代表される透過型のものを採用した例を示しているが、本発明では、これに限らず、例えば、ＣＲＴのような自発光型のものでもよい。また、上記画像表示素子１として、例えば上述した液晶パネルなどの透過型のものを採用する場合には、液晶パネルを照射する光源８となるランプが必要となる。また、当該液晶パネルとして、所謂、３板式のように、Ｒ、Ｇ、Ｂの複数の画像を合成する方式でもよく、その場合には、映像合成用のプリズム等が必要となる。しかしながら、これら液晶パネルの詳細やこれを照射する光源８となるランプ等については、後に説明することとし、ここでは直接的に関係しないため、その図示は省略している。一方、ＣＲＴのような自発光型のものでは、上記光源８を必要としないことは明らかであろう。

以上のような構成になる本発明の投写光学ユニットでは、上記画像表示素子１からプリズム１０を介して射出した光は、まず、レンズ光学系を構成する前方レンズ群２に入射される。なお、後にもその詳細を説明するが、この前方レンズ群２は、回転対称な面形状を有する、正のパワー及び負のパワーを有する複数の屈折レンズを含んで構成されている。その後、この前方レンズ群２から射出した光は、少なくとも一方の面が回転対称でない（回転非対称の）自由曲面の形状を有する複数（本例では２枚）のレンズを含めた複数のレンズから構成される後方レンズ群３を通過する。そして、この後方レンズ群３から射出した光は、更に、回転対称でない自由曲面形状の反射面を有する反射鏡（以下、自由曲面ミラーと言う）４を含む反射光学系で拡大反射された後、所定のスクリーン５（例えば、部屋の壁面やシート状のスクリーン等）上に投写されることとなる。

なお、本実施の形態では、上記図２からも明らかなように、従来技術（特に、上述の特許文献１や２）のように投影画面（表示素子）を投影系の光軸に対して垂直方向にシフトし、更には、投影系の光軸に対して所定の角度傾けて付加光学系を配置する光学系とは異なり、上記画像表示素子１は、その表示画面の中央がレンズ光学系のほぼ光軸上に位置するように配置されている（即ち、共軸光学系を形成している）。従って、上記画像表示素子１の表示画面の中央から出てレンズ光学系の入射瞳の中央を通ってスクリーン５上の画面中央に向かう光線１１は、ほぼ、レンズ光学系（上記前方レンズ群２と後方レンズ群３を含む）の光軸に沿って進む（以下、これを「画面中央光線」という）。その後、この画面中央光線１１は、上記反射光学系（自由曲面ミラーを含む）の自由曲面形状を有する反射面４上の点Ｐ２で反射された後、スクリーン５上の画面中央の点Ｐ５に、スクリーンの法線７に対して下方から斜めに入射する。この角度を以下、「斜め入射角度」と称し、θｓで表わすこととする。このことは、即ち、前記レンズ光学系の光軸に沿って通過した光線がスクリーンに対して斜めに入射していることで、実質的にレンズ光学系の光軸がスクリーンに対して斜めに設けられている（斜め入射系となる）ことを意味することとなる。

なお、上述したように、スクリーンに対して光線を斜めに入射すると、上記画像表示素子１から投写された長方形の形状が台形になる、所謂、台形歪を含め、その他にも、光軸に対して回転対称でないことによる種々の収差が生じることとなるが、しかしながら、本発明では、これらを前記レンズ光学系を構成する後方レンズ群３と、そして、前記反射光学系の反射面とで補正するものである。

特に、上記画像表示素子１から投写された光線を、前記反射光学系を構成する反射鏡４の反射面で拡大反射してスクリーン５上に斜めに入射することによれば、レンズにより得られる光の偏心量（偏向角）に比較し、より大きな偏心量（偏向角）が得られ、また、収差も生じ難くいことから、装置の大型化を抑え、且つ、広画角化を図ることが可能となる。即ち、上記前方レンズ群２と後方レンズ群３を含むレンズ光学系を、上述した従来技術（特に、上述の特許文献１や２）の付加光学系（アフォーカルコンバータ）を偏心させて台形歪み抑える構成に比較して、より口径の小さな光学系として構成することが可能となる。

また、上記反射光学系を構成する反射鏡４の反射面に入射する光を、上述したように、前記レンズ光学系により所定の大きさまで拡大して投射することから、従来の反射鏡だけで拡大投射系を構成する構造（例えば、上述した特許文献３）に比較しても、その製造が容易となる。即ち、レンズ光学系を反射光学系とは個別に製造し、その後、装置筐体内において、これら両者の位置を固定調整する構成とすることにより、特に、量産に適したものとなる。また、上記のように、台形歪等を補正するための後方レンズ群３を、前記前方レンズ群２の前方に配置する構成によれば、この後方レンズ群３と前方レンズ群２との間の間隔を小さくして配置することが可能となることから、当該投写光学ユニットを搭載する装置を全体的にコンパクトとすることができ、特に、スクリーンの下部での高さを小さく出来るという好適な効果が得られる。

このように、自由曲面形状を有する透過型のレンズ光学系と、自由曲面形状を有する反射光学系とを組み合わせることによれば、特に、フロント透写型の映像表示装置に適した場合、フロント透写型で強く要求される広画角化を、確実かつ比較的容易に、かつ、装置全体を小さくしたコンパクトな投写型映像表示装置として実現することが可能となる。

次に、添付の図３及び図４には、上記投写型映像表示装置を構成する投写光学ユニットのレンズ光学系及び反射光学系を含む光学素子の詳細が示されている。即ち、図３は上記投写光学ユニットの斜視図であり、図４はその垂直方向断面（図４（ａ））及びその水平方向断面（図４（ｂ））をそれぞれ示している。

これらの図にも示されるように、レンズ光学系では、映像表示素子１からプリズム１０を介して出射される映像は、まず、回転対称形状を有する複数のレンズを含む前方レンズ群２に入射される。上述したように、前方レンズ群２は、回転対称の球面レンズと非球面レンズとを含んでいる。又は、添付の図５や図６に示すように、前方レンズ群２と後方レンズ群３の途中に折り曲げミラー３５を配置して光線を直角に折り曲げる構成としてもよい。

また、後方レンズ群３は、少なくとも２つの自由曲面レンズにより構成されている。これらの図にも示すように、反射鏡４の反射面Ｓ２２に最も近い自由曲面レンズ３１は、その光の射出方向に凹部を向けており、かつ、前記スクリーンの下端に入射する光線が通過する部分の曲率が、前記スクリーンの上端に入射する光線が通過する部分の曲率よりも大きく設定されている。即ち、自由曲面レンズとは、その光の射出方向に凹部を向けて湾曲されており、かつ、スクリーンの下端に入射する光線が通過する部分の曲率が、前記スクリーンの上端に入射する光線が通過する部分の曲率よりも大きい形状を有するものとする。

また、本実施形態では、次の条件を満たすように構成されている。即ち、上記の図２に示す断面内において、上記画像表示素子１の画面下端から射出されて前方レンズ群２の入射瞳の中央を通り、スクリーン５の画面上端の点Ｐ６に入射する光線を光線１２とする。この光線１２が自由曲面ミラー４を通過する点Ｐ３からスクリーン上の点Ｐ６にまで至る光路長をＬ１とする。また、上記画像表示素子１の画面上端から射出されて前方レンズ群２の入射瞳の中央を通り、スクリーン５の画面下端の点Ｐ４に入射する光線を光線１３とする。この光線１３が自由曲面ミラー４を通過する点Ｐ１からスクリーン上の点Ｐ４にまで至る光路長をＬ２とする。そして、上述した投写光学ユニットでは、上記Ｌ１、Ｌ２が次の式を満足するように構成されている。

但し、ここで、Ｄｖは図２の断面内でのスクリーン上の画面の大きさであり、言い換えると、スクリーン上の画面上端の点Ｐ６から画面下端の点Ｐ４までの距離である。また、θｓは上記斜め入射角度である。

一方、前記画像表示素子１は、その表示画面の中央を前記レンズ光学系の光軸上に位置するように配置されているが、或いは、添付の図７にも示すように、当該表示画面の法線は前記レンズ光学系の光軸に対して僅かに傾けて配置することが望ましいであろう。

なお、上記の図２を見ると、前述したように、点Ｐ３から点Ｐ６に到る光路長は、点Ｐ１から点Ｐ４に到る光路長よりも長くなっている。これは、レンズ光学系から見て、スクリーン上の像点Ｐ６が像点Ｐ４よりも遠くにあることを意味している。そこで、スクリーン上の像点Ｐ６に対応する物点（表示画面上の点）がよりレンズ光学系に近い点に、また、像点Ｐ４に対応する物点がよりレンズ光学系から遠い点にあれば、像面の傾きを補正できる。そのためには、上記図７にも示すように、前記画像表示素子１の表示画面中央の法線ベクトルを、スクリーン５の法線と画面中央光線を含む平面内において、レンズ光学系の光軸に対して僅かに傾けるようにすることが好ましい。そして、その傾斜の方向は、スクリーン５が位置する方向と反対方向とすることが好ましい。

なお、光軸に対して傾いた像平面を得るのに物平面を傾ける方法は知られているが、実用的な大きさの画角では、物平面の傾きによる像面は、光軸に対して非対称な変形を生じ、回転対称な投写レンズでは補正が困難であった。本実施形態では、上記の後方レンズ群３において、回転非対称の自由曲面レンズ３１を、更には、やはり自由曲面レンズ３２を用いているため、非対称な像面の変形に対応することができる。このため、物平面を傾けること、すなわち映像表示素子の表示面を傾けることで、低次の像面の歪を大きく低減できることから、自由曲面による収差補正を補助する上で効果的である。

次に、上記した各光学要素の作用については、前記レンズ光学系ではその前方レンズ群２（レンズ２１〜２５）が、前記画像表示素子１の表示画面をスクリーン５上に投写するための主レンズを構成しており、回転対称な光学系における基本的な収差を補正する。また、前記レンズ光学系の後方レンズ群３（レンズ３１〜３４）は回転対称でない（回転非対称）自由曲面形状を有するレンズで構成されている。更に、前記反射光学系４は、回転対称でない自由曲面形状を有する反射面で構成されるため、主として、斜め入射によって生じる収差の補正を行う。このように、前記反射光学系をなすミラー４が主として台形歪を補正し、他方、レンズ光学系の後方レンズ系群３が主として像面の歪みなどの非対称な収差の補正を行う構成となっている。

以上のように、本発明の実施形態では、前記反射光学系は回転対称でない自由曲面形状を有する１枚の反射面（ミラー）４で構成され、前記レンズ光学系の後方レンズ群３は、両面共に回転非対称な自由曲面形状を有する２枚の透過型レンズを（反射ミラー４側のレンズ３１及び３２）含んで構成されている。なお、ここで、自由曲面ミラー４は、その反射方向に凸部を向けるように湾曲されている。そして、自由曲面ミラー４のスクリーンの下端に入射する光線を反射する部分の曲率は、前記スクリーンの上端に入射する光線を反射する部分の曲率よりも大きく設定されている。また、スクリーンの下端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に対し凸形状を為し、他方、前記スクリーンの上端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に凹形状を為すようにしてもよい。

反射光学系の反射面（ミラー）４における座標原点と、前方レンズ群２のうち最も反射面（ミラー）４に近いレンズ面との間の光軸方向での距離は、前方レンズ群２の焦点距離の５倍、又は、それ以上に設定することが望ましい。これによれば、反射光学系の自由曲面形状を有する反射面により、台形歪収差をより効果的に補正し、もって、良好な性能を得ることができる。

以下、本発明の具体的な数値実施例について説明する。

まず、添付の図８及び図９、更には、以下の表１〜表４を用いて、上記に説明した本実施例になる投写光学ユニットの詳細を、特に、そのレンズ光学系及び反射光学系を含む光学素子の具体的な数値を示しながら説明する。なお、これらの図は、第１の数値例に基づく本発明に係る光学系の光線図を示している。即ち、図８は、前述した図２のＸＹＺ直交座標系におけるＹＺ断面、即ち、光学系をＺ軸方向に展開して示している。また、図９はＸＺ断面での構成を示している。なお、図９では、その詳細構造を添付の図５及び図６に示すように、レンズ光学系を構成するレンズ光学系の前方レンズ群２と後方レンズ群３との途中に折り曲げミラー３５を設置し、もって、光路をＸ軸方向に一度折り曲げている例を示している。

本例において、図４の下側に表示した映像表示素子１から射出した光は、複数のレンズを含むレンズ光学系のうち、まず回転対称形状の面のみを有するレンズのみで構成される前方レンズ群２を通過する。そして、回転非対称の自由曲面レンズを含む後方レンズ群３を通り、反射光学系である自由曲面ミラー４の反射面で反射される。その反射光は、その後スクリーン５に入射される。

ここで、レンズ光学系の前方レンズ群２は、全て、回転対称な形状の屈折面を持つ複数のレンズにより構成されており、これらレンズの屈折面のうち４つは回転対称な非球面であり、他は球面である。なお、ここに用いられた回転対称な非球面は、各面毎のローカルな円筒座標系を用いて、次の式で表される。

ここで、「ｒ」は光軸からの距離であり、「Ｚ」はサグ量を表している。また、「ｃ」は頂点での曲率、「ｋ」は円錐定数、「Ａ」から「Ｊ」は上記「ｒ」のべき乗の項の係数である。

一方、前記レンズ光学系の後方レンズ群３を構成する自由曲面は、各面の面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）を用い、Ｘ、Ｙの多項式を含む次の式で表わされる。

ここで、「Ｚ」はＸ、Ｙ軸に垂直な方向で自由曲面の形状のサグ量を表わしており、「ｃ」は頂点での曲率、「ｒ」はＸ、Ｙ軸の平面内での原点からの距離、「ｋ」は円錐定数、「Ｃ（ｍ、ｎ）」は多項式の係数である。

次に、以下の表１は、本実施例に係る光学系の数値データを示している。この表１において、Ｓ０〜Ｓ２３は、上記図３示された符号Ｓ０〜Ｓ２３にそれぞれ対応している。ここで、符号Ｓ０は映像表示素子１１の表示面、すなわち物面を示しており、Ｓ２３は自由曲面ミラー５の反射面を示している。また、符号Ｓ２４は、これらの図では示されていないが、上記図１のスクリーン５の入射面、すなわち、像面を示している。

また、上記表１において、「Ｒｄ」は各面の曲率半径であり、上記図３において面の左側に曲率の中心がある場合は正の値で、逆の場合は負の値で表わしている。また、上記表１において、「ＴＨ」は面間距離であり、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。そのレンズ面に対して、次のレンズ面が図の中で左側にある時には面間距離は正の値、右側にある場合は負の値で表している。

更に、上記表１において、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ１７、Ｓ１８は回転対称な非球面であり、この表１では面の番号の横に「＊」を付けて分かり易く表示しており、これら４つ面の非球面の係数を以下の表２に示している。

また、上記表１においてＳ１９からＳ２２は前記レンズ光学系の後方レンズ群を構成する自由曲面形状を有する屈折面であり、Ｓ２３は反射光学系の自由曲面Ｓ２３形状を有する反射面であって、面の番号の横に＃を付けて表示した。これら５つの自由曲面の形状を表す係数の値を以下の表３に示す。

また、本発明では、上記の図７に示すように、画像表示素子１の表示画面である物面を、前記レンズ光学系の光軸に対して−１．１６３度傾けている。なお、傾斜の方向は、この図７の断面内で物面の法線が時計回りに回転する方向を正の値で表わすことにする。従って、本実施例では物面を図７の断面内で、前記レンズ光学系の光軸に垂直な位置から反時計回り方向に１．１６３度傾けていることになる。

また、上記の図３又は図７中の符号Ｓ２３で示す自由曲面ミラー４は、そのローカル座標の原点を前記レンズ光学系の光軸上に置き、ローカル座標の原点での法線、すなわち、Ｚ軸を、前記レンズ光学系の光軸と平行な位置から約＋２９度だけ傾斜して配置している。なお、この傾きの方向は、前記物面と同様に、上記図３又は図７の断面内で反時計回りに回転する方向を正とし、従って、反時計回りに傾けていることになる。これによって、画像表示素子１の画面中央から出て、ほぼ、前記レンズ光学系の光軸に沿って進んできた画面中央光線は、Ｓ２３で反射後、前記レンズ光学系の光軸に対して前記傾き角度の２倍の５８度だけ傾いた方向に進む（図の矢印を参照）。

更に、本実施例における、各面のローカル座標系の傾き又は偏心の様子を以下の表４に示す。この表４において、面番号の右側に傾き角度、偏心の値を示しており、「ＡＤＥ」は図４の断面と平行な面内での傾きの大きさであり、その表示規則は上に示した通りである。また、「ＹＤＥ」は偏心の大きさであり、偏心は上記図４の断面と平行な面内でかつ光軸に垂直な方向で設定され、上記図４の断面において下側への偏心を正とする。なお、以降に説明する実施例においても、光学要素の傾きや偏心は、表示した断面に平行な断面内での方向で設定される。

なお、上記の表１、表３を見ると、本実施例では、曲率「ｃ」とコーニック係数「ｋ」が零（０）となっていることがわかる。即ち、斜め入射による台形歪は、斜め入射の方向に極端に大きく発生し、これと垂直な方向での歪量は小さい。従って、斜め入射の方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる機能が必要であり、回転対称で全方向に機能する上記曲率「ｃ」やコーニック係数「ｋ」を利用しないことにより、非対称な収差を良好に補正することが可能となる。

また、上記表４において、面Ｓ２３の「ＡＤＥ」は、上記図２に示すθｍと同じであり、スクリーン５の面上での「ＡＤＥ」は、上記図２に示すように、θｓである。これらの両者の値から、前記条件を満足しており、従って、スクリーンの下部の高さをより小さくして、コンパクトな光学系を実現している。

また、上記の式１に示す光路長の差｜Ｌ１−Ｌ２｜の値は、スクリーンの画面の高さの０．４２倍であり、θｓが３０度であることから、上記数１の条件を満足している。上記表１〜表４の数値は、物面（例えば、比率１６：９の液晶パネル）上の範囲（１２．１６×６．８４ｍｍ）の映像を像面（６０”＋over-scan：１４５２．８×８１７．２ｍｍ）上に拡大して投写する場合の一例である。そのときの図形歪を、添付の図１０に示す。この図１０の縦方向は、上記図８の上下方向であり、上記図２におけるＹ軸の方向である。また、この図１０の横方向はスクリーン上でＹ軸の垂直な方向であり（上記図９の縦方向）、図の長方形における中央部が画面の中央である。なお、この図１０は、画面の縦方向を４分割、横方向を８分割して表示した場合における、各直線の曲がりの状態を表示し、もって、図形歪の様子を示している。

更に、スポットダイアグラムを添付の図１１に示す。この図１１では、映像表示素子５の表示画面上、即ち、Ｘ、Ｙ座標の値で、（８，４．５）、（０，４．５）、（４．８，２．７）、（８，０）、（０，０）、（４．８、−２．７）、（８、−４．５）、（０、−４．５）の８点から射出した光束のスポットダイアグラムを上から順に（図では、丸で囲んだ（１）〜（８）の順に）示す。なお、単位はｍｍである。各スポットダイアグラムの横方向はスクリーン上でのＸ方向、縦方向はスクリーン上でのＹ方向である。両者ともに、良好な性能を維持している。

加えて、上記によって得られた投射画像（例えば、図１のスクリーン５）の対角寸法を「Ｌｏ」とし、自由曲面ミラー５の中心から投射画像までの距離を「Ｌｐ」とした場合（上記図１を参照）、Ｌｏ＝１５２４ｍｍ、Ｌｐ＝７００×ｃｏｓ４５°≒４９５ｍｍであることから、これらの間の比率が２以上（Ｌｏ／Ｌｐ＞２）となり、比較的近い距離（Ｌｐ）でも、物面を十分大きな画面に拡大して投射することが出来ること、即ち、投射拡大率に優れていることが分る。

次に、図１２及び図１３と表５〜表８を用いて第２の実施例について説明する。ここで、レンズ光学系の前方レンズ群２は、全て、回転対称な形状の屈折面で構成されており、これらレンスの屈折面のうち４つは回転対称な非球面であり、他は球面である。ここに用いられた軸対称な非球面は、各面ごとのローカルな円筒座標系を用いて、前記に示した式、［数２］で表される。

また、前記レンズ光学系の後方レンズ群３を構成するレンズの自由曲面は、各面の面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）を用い、Ｘ、Ｙの多項式を含む、前記に示した式、［数３］で表される。

以下の表５は、本数値実施例のレンズデータを示しており、面番号は物面をＳ０、順にＳ１からＳ２３まである。この表５において、「Ｒｄ」は各面の曲率半径であり、また、「ＴＨ」は面間距離であり、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。

この表５において面Ｓ５、Ｓ６、Ｓ１７、Ｓ１８は回転対称な非球面であり、表１では面の番号の横に「＊」を付けて分かり易く表示しており、これら４つ面の非球面の係数を以下の表６に示している。

また、上記表５において、面Ｓ１９からＳ２２は前記レンズ光学系の後群を構成する自由曲面形状を有する屈折面であり、Ｓ２３は前記反射光学系の自由曲面形状を有する反射面であって、面の番号の横に「＃」を付けて表示した。これら５つの自由曲面の形状を表す係数の値を以下の表７に示す。

更に、以下の表８には、この第２の実施例における各面の傾きと偏心の大きさとを示している。この表８における「ＡＤＥ」、「ＹＤＥ」の値の表示の規則は前述した通りである。また、本実施例における各面の傾きは、先の実施例１とほぼ同じ量である。

なお、上記表８において、Ｓ２３のＡＤＥ（＝θｍ）と、スクリーン面５のＡＤＥ（＝θｓ）から、前記条件を満足してスクリーンの下部の高さが小さいコンパクトな光学系を実現している。

また、式１に示す光路長の差｜Ｌ１−Ｌ２｜の値は、スクリーンの画面の高さの０．４３倍であり、θｓが３０度であることから、上記［数１］の条件を満足していることがわかる。

一方、この第２の実施例では、上記表８に示すように、Ｓ１５を−０．１９３ｍｍだけ偏心させ、Ｓ１７面を逆に０．１９３ｍｍだけ偏心させている。ある面を偏心させた場合、以後の面ではその偏心量だけ光軸が移動する。従って、このＳ１５とＳ１７の偏心は、Ｓ１５とＳ１６で構成される１枚のレンズを光軸から−０．１９３ｍｍ偏心させることを意味している。なお、この偏心量は微量であり、レンズのサイズを大きくするような悪影響は生じないが、この偏心によって、非対称な色収差の微調整を実現している。

また、上記の表５及び表７を見ると、この実施例では、曲率「ｃ」とコーニック係数「ｋ」が零（０）となっていることがわかる。斜め入射による台形歪は、斜め入射の方向に極端に大きく発生し、これと垂直な方向に歪量は小さい。従って、斜め入射の方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる機能が必要であり、回転対称で全方向に機能する上記曲率「ｃ」やコーニック係数「ｋ」を利用しないことにより、図形歪を良好に補正することが可能となる。

以上に述べた数値による第２の実施例の有効範囲は、物面（比率１６：９）上の範囲を像面（７０”＋over-scan：１６９４．９×９５３．４ｍｍ）上に拡大して投写しており、その図形歪を図１２に示す。この図１２の縦方向は図１の上下方向であり、Ｙ軸の方向である。図１２の横方向はスクリーン上でＹ軸の垂直な方向であり、図の長方形の中央が画面の中央である。図は画面の縦方向を４分割、横方向を８分割した直線の曲がりの状態を表示して図形歪の様子を示している。

また、第２の実施例のスポットダイアグラムを図１３に示す。この図１３では、映像表示素子６１の表示画面上、Ｘ，Ｙ座標の値で、（８，４．５）、（０，４．５）、（４．８，２．７）、（８，０）、（０，０）、（４．８、−２．７）、（８、−４．５）、（０、−４．５）の８点から射出した光束のスポットダイアグラムを上から順に（図では、丸で囲んだ（１）〜（８）の順に）示す。単位はｍｍである。各スポットダイアグラムの横方向はスクリーン上でのＸ方向、縦方向はスクリーン上でのＹ方向である。即ち、両者ともに、良好な性能を維持していることが分る。

また、この例でも、得られる投射画像の対角寸法を「Ｌｏ」と、自由曲面ミラー５の中心から投射画像までの距離を「Ｌｐ」として、Ｌｏ＝１５２４ｍｍ、Ｌｐ＝７００×ｃｏｓ４５°≒４９５ｍｍであることから、これらの間の比率が２以上（Ｌｏ／Ｌｐ＞２）となり、比較的近い距離（Ｌｐ）でも、物面を十分大きな画面に拡大して投射することが出来ることが、即ち、投射拡大率に優れていることが分る。

次に、図１４及び図１５と表９〜表１２を用いて、本発明になる第３の実施例について説明する。ここでも、レンズ光学系の前方レンズ２群は、全て、回転対称な形状の屈折面で構成されており、これら屈折面の内の４つは回転対称な非球面であり、他は球面である。ここに用いられた軸対称な非球面も、各面ごとのローカルな円筒座標系を用いて、前記に示した式［数２］で表される。

前記レンズ光学系の後方レンズ群３を構成する自由曲面は、各面の面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）を用い、Ｘ、Ｙの多項式を含む、前記に示した［数３］で表わされる。

以下の表９は、第３の実施例におけるレンズデータを示しており、面番号は物面をＳ０、順にＳ１からＳ２３まである。この表９において「Ｒｄ」は各面の曲率半径である。また、「ＴＨ」は面間距離を示しており、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。

この表９においても、面Ｓ５、Ｓ６、Ｓ１７、Ｓ１８は回転対称な非球面であり、面の番号の横に「＊」を付けて分かり易く表示しており、また、これら４つ面の非球面の係数を以下の表１０に示している。

また、上記の表９において、面Ｓ１９からＳ２２は前記レンズ光学系の後方レンズ群を構成する自由曲面形状を有する屈折面であり、Ｓ２３は前記反射光学系の自由曲面形状を有する反射面であって、面の番号の横に「＃」を付けて表示した。なお、これら５つの自由曲面の形状を表す係数の値を以下の表１１に示す。

更に、以下の表１２には、第３の実施例における各面の傾きと偏心の大きさを示している。なお、この表１２における「ＡＤＥ」、「ＹＤＥ」の値の表示の規則は前述した通りである。

なお、この表１２からは、前述した条件は満足していないことが分る。しかしながら、この第３の実施例では、その分奥行きが小さく、奥行きを優先した構成となっている。

また、上記表１２に示すように、先の実施例２と同様に、面Ｓ１５とＳ１６で構成される１枚のレンズを、光軸から−０．３０４ｍｍ偏心させている。この偏心量は微量であり、レンズのサイズを大きくするような悪影響は生じないが、この偏心によって、非対称な色収差の微調整を実現している。

さらに、上記［数１］に示す光路長の差｜Ｌ１−Ｌ２｜の値は、スクリーンの画面高さの０．６２倍であり、θｓが４５度であることから、上述の条件を満足している。

また、上記の表９及び表１１からは、この第３の実施例では、曲率「ｃ」とコーニック係数「ｋ」が零（０）となっていることがわかる。斜め入射による台形歪は、斜め入射の方向に極端に大きく発生し、これと垂直な方向に歪量は小さい。従って、斜め入射の方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる機能が必要であり、回転対称で全方向に機能する上記曲率「ｃ」やコーニック係数「ｋ」を利用しないことにより、図形歪を良好に補正することが可能である。

また、上記第３の実施例の有効範囲は、物面（比率１６：９）上の範囲を像面（５０”＋over-scan：１２１０．７×６８１．０）上に拡大して投写しており、その際の図形歪を図１４に示す。この図１４の縦方向は上記図２の上下方向であり、即ち、Ｙ軸の方向である。図１４の横方向はスクリーン上でＹ軸に垂直な方向（横方向）であり、図の長方形の中央が画面の中央である。図１４は画面の縦方向を４分割、横方向を８分割した直線の曲がりの状態を表示して図形歪の様子を示している。

本数値実施例のスポットダイアグラムを図１５に示す。この図１５では、映像表示素子６１の表示画面上、Ｘ，Ｙ座標の値で、（８，４．５）、（０，４．５）、（４．８，２．７）、（８，０）、（０，０）、（４．８、−２．７）、（８、−４．５）、（０、−４．５）の８点から射出した光束のスポットダイアグラムを上から順に（図では、丸で囲んだ（１）〜（８）の順に）示す。なお、単位はｍｍである。各スポットダイアグラムの横方向はスクリーン上でのＸ方向、縦方向はスクリーン上でのＹ方向である。即ち、両者ともに、良好な性能を維持していることが分る。

また、この例でも、得られる投射画像の対角寸法を「Ｌｏ」と、自由曲面ミラー５の中心から投射画像までの距離を「Ｌｐ」として、Ｌｏ＝１５２４ｍｍ、Ｌｐ＝７００×ｃｏｓ４５°≒４９５ｍｍであることから、これらの間の比率が２以上（Ｌｏ／Ｌｐ＞２）となり、比較的近い距離（Ｌｐ）でも、物面を十分大きな画面に拡大して投射することが出来ること、即ち、投射拡大率に優れていることが分る。

図１６及び図１７と表１３〜表１６を用いて、本発明による第４の実施例について説明する。

ここでも、画像表示素子１から射出した光は、回転対称な面形状を有する透過型レンズで構成されるレンズ光学系の前方レンズ群２、自由曲面形状を有する透過型レンズで構成されるレンズ光学系の後方レンズ群３の順で通過後、反射光学系の自由曲面形状を有する反射面４で反射され、スクリーン５に入射する。

即ち、ここでも、レンズ光学系の前方レンズ群２は、全て、回転対称な形状の屈折面で構成されており、各屈折面の内の４つは回転対称な非球面であり、他は球面である。また、ここに用いられた軸対称な非球面は、各面ごとのローカルな円筒座標系を用いて、前述した式［数１］で表される。

前記レンズ光学系の後方レンズ群３を構成する自由曲面は、やはり、各面の面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）を用い、Ｘ、Ｙの多項式を含む前述した［数２］で表わされる。

以下の表１３は、第４の実施例のレンズデータを示しており、面番号は物面をＳ０、順にＳ１からＳ２４までありＳ２５は像面である。表１３において「Ｒｄ」は各面の曲率半径であり、上記図３又は図７の中で面の左側に曲率の中心がある場合は正の値で、逆の場合は負の値で表わしている。

この表１３において、「ＴＨ」は面間距離であり、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。また、そのレンズ面に対して、次のレンズ面が左側にある時には、面間距離は正の値で、右側にある場合は負の値で表している。

この表１３においてＳ５、Ｓ６、Ｓ１７、Ｓ１８は回転対称な非球面であり、表１３では面の番号の横に「＊」を付けて分かり易く表示しており、これら４つ面の非球面の係数を、以下の表１４に示している。

また、この表１３において、Ｓ１９からＳ２２は前記レンズ光学系の後方レンズ群３を構成する自由曲面形状を有する屈折面であり、Ｓ２３は前記反射光学系の自由曲面形状を有する反射面であって、面の番号の横に「＃」を付けて表示した。これら５つの自由曲面の形状を表す係数の値を、以下の表１５に示す。

更に、以下の表１６には、本実施例における各面の傾きと偏心の大きさを示している。この表１６における「ＡＤＥ」、「ＹＤＥ」の値の表示の規則は、前述した通りであり、本実施例における各面の傾きも、先の実施例１とほぼ同じ量である。

即ち、この表１６を見ると、前述した条件は満足していないことが分る。しかしながら、その分奥行きが小さく、奥行きを優先した実施例となっている。

一方、この第４の実施例では、上記の表１６に示すように、Ｓ１５面を−０．２３ｍｍ偏心させ、Ｓ１７面を逆に０．２３ｍｍ偏心させている。ある面を偏心させた場合、以後の面ではその偏心量だけ光軸が移動する。従って、このＳ１５とＳ１７の偏心は、Ｓ１５とＳ１６で構成される１枚のレンズを光軸から−０．１９３ｍｍ偏心させることを意味している。この偏心量は微量であり、レンズのサイズを大きくするような悪影響は生じないが、この偏心によって、非対称な色収差の微調整を実現している。

さらに、光路長の差｜Ｌ１−Ｌ２｜の値は、スクリーン画面の高さの０．６４倍であり、θｓが４５度であることから、上記［数１］の条件を満足している。

また表１３及び表１５を見ると、この第４の実施例では、曲率「ｃ」とコーニック係数「ｋ」が零（０）となっていることがわかる。斜め入射による台形歪は、斜め入射の方向に極端に大きく発生し、これと垂直な方向に歪量は小さい。従って、斜め入射の方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる機能が必要であり、回転対称で全方向に機能する上記曲率「ｃ」やコーニック係数「ｋ」を利用しないことにより、図形歪を良好に補正することができる。

なお、本実施例の有効範囲は、物面（比率：１６：９）上の範囲を像面（６０”＋over-scan：１４５２．８×８１７．２ｍｍ）上に拡大して投写しており、その図形歪を図１６に示す。この図１６の縦方向は上記図２の上下方向、即ち、Ｙ軸の方向である。また、この図１４の横方向はスクリーン上でＹ軸の垂直な方向（横方向）であり、図の長方形の中央が画面の中央である。そして、この図１４は、画面の縦方向を４分割、横方向を８分割した直線の曲がりの状態を表示すことによって、図形歪の様子を示している。

さらに、この第４の実施例のスポットダイアグラムを図１７に示す。この図１７では、映像表示素子６１の表示画面上、Ｘ，Ｙ座標の値で、（８，４．５）、（０，４．５）、（４．８，２．７）、（８，０）、（０，０）、（４．８、−２．７）、（８、−４．５）、（０、−４．５）の８点から射出した光束のスポットダイアグラムを上から順に（図では、丸で囲んだ（１）〜（８）の順に）示す。単位はｍｍである。各スポットダイアグラムの横方向はスクリーン上でのＸ方向、縦方向はスクリーン上でのＹ方向である。即ち、両者ともに、良好な性能を維持している。

そして、上記によって得られた投射画像の対角寸法を「Ｌｏ」とし、自由曲面ミラー５の中心から投射画像までの距離を「Ｌｐ」とした場合（上記図１を参照）、Ｌｏ＝２０３２ｍｍ、Ｌｐ＝９９６×ｃｏｓ４５°≒７０４ｍｍであることから、これらの間の比率が２以上（Ｌｏ／Ｌｐ＞２）となり、比較的近い距離（Ｌｐ）でも、物面を十分大きな画面に拡大して投射することが出来ること、即ち、投射拡大率に優れていることが分る。

次に、添付の図１８には、以上に詳述した投写光学ユニットを投写型映像表示装置に適用し、例えば、部屋の壁面やシート状のスクリーン等の上に画像を拡大投射した状態が示されており、更に、添付の図１９には、投写光学ユニットからスクリーンまでの投写距離を変えた場合の問題を示している。即ち、図１９からも明らかなように、自由曲面を用い、スクリーンに対して光軸を傾けて斜め投写する方式では、投写距離を設計した距離から大きく変化させると、図形歪が大きくなり、スポットサイズも大きくなって解像性能が劣化する。

例えば、上記の図１９に示すように、スクリーン５の位置を、設計位置６５（設計された画面サイズ、例えば、８０インチ相当）から、投射画面を小さくする方向の位置６６（例えば、画面サイズ６０インチ相当）に置いた場合のスポット形状と歪の状態を添付の図２０に、他方、画面を大きくする方向の位置６７に（例えば、画面サイズ１００インチ相当）置いた場合のスポット形状とその歪の状態を図２１に示す。これら図２０及び図２１からも明らかなように、歪の大きさは画面縦幅の約２％以上にまで大きくなり、スポット形状は設計位置の場合の３倍以上に大きくなり解像性能が劣化する。

なお、スポットの増大は、例えばパネルの位置を前後に移動させてピント合わせを行っても、画面全体スポット形状を良好にすることはできない。その理由は、光学系が回転対称でないため、パネルや回転対称のレンズの移動では、画面の一部のフォーカスを合わせると、他の部分のフォーカスが大きくずれることになるためである。また、自由曲面レンズである後方レンズ群のレンズ３１や３２のみを移動しただけでは、やはり、このスポット形状の補正はできない。これは、スクリーン位置の移動に伴う歪の補正には、回転対称レンズのパワーが必要になるためである。

そこで、上記の実施例を基に、スクリーン位置の移動に対応して、レンズを移動させ、もって、スポット形状の歪や解像性能の改善に効果があるレンズを調査した結果、特に、前記後方レンズ群を構成する負のパワーを有するレンズ３３、３４（上記の図２又は図６を参照）と共に、自由曲面を有する透過レンズ３１と３２とを、その光軸方向に移動させることが有効であることを見出した。なお、前記自由曲面を有するミラー４の移動も効果的である。しかしながら、傾いて設置され、かつ、比較的サイズが大きい自由曲面のミラー４を移動させることは、装置の構造上からも、困難な点が多いため、特に、上記後方レンズ群３を構成するレンズ３１〜３４を移動することが最も有効である。

添付の図２２には、上記後方レンズ群３を構成するレンズ、即ち、自由曲面を有する透過レンズ３１と、やはり自由曲面を有する透過レンズ３２と、そして、負のパワーを有する回転対称な２枚の透過レンズ３３、３４）を移動させた状態を示している。なお、図２２（ａ）は、上記図１６において、投射画面を小さくする方向の位置６６（画面サイズ６０インチ相当）に置いた場合、図２２（ｂ）は、投射画面を設計位置６５（画面サイズ８０インチ相当）に位置する場合、そして、図２２（ｃ）は、投射画面を投射画面を大きくする方向の位置６７に移動した場合をそれぞれ示している。即ち、この実施例では、スクリーン位置の移動に対して、上記後方レンズ群３を構成する負のパワーを有するレンズとその近傍の回転対象なレンズを合せて一体としたレンズ群と、そして、自由曲面を有する２枚の透過レンズを１つのレンズ群とし、このレンズ群をその光軸方向に移動させてスクリーン位置に対して調整することにより、スクリーンを位置６６から６７までの間で、良好な性能を得られるようにしている。

なお、上述したように、上記後方レンズ群３を構成するレンズ３１〜３４を移動するための構造としては、例えば、添付の図２３（ａ）にも示すように、投写型映像表示装置１００の内部に、それぞれ、上記前方レンズ群２（回転対称のレンズ２１〜２５）と後方レンズ群３（レンズ３１〜３４）を個別の搭載台２１０、２２０に組み込み、一方の搭載台２１０を装置の筐体１１０の底部１１１上に固定すると共に、他方の搭載台２２０は、例えば、レール上に滑動可能に取り付ける。また、この他方の搭載台２２０からは、例えば、ロッド状の部材２２１を上方に延長しており、上記筐体１１０の上面に形成したスリット部１１２から外部に突出させる。そして、この他方の搭載台（例えば、搭載台２２０）には、予め溝２２１、２２２、２２３を形成しておくと共に、当該搭載台２２０を上記搭載台２１０に対して（この例では、図に矢印で示すように、レンズ群の光軸方向に対して直角方向に）移動可能に装置内に設置する。

なお、上記後方レンズ群３を構成するレンズ３１〜３４は、上記の図２３（ｂ）にも示すように、レンズ３３と３４とを纏めて一体とし、即ち、レンズ３１、レンズ３２、そして、レンズ３３及び３４からなる３群に分けられており、そして、そのそれぞれの位置を、スクリーンに投射して得られる画面のサイズ（６０インチ、８０インチ、１００インチ）に対応して移動する。即ち、上記の溝２２１、２２２、２２３は、これら３群のレンズに対応して、即ち、各レンズ群に対して所望の傾斜角度で形成されている。かかる構成によれば、上記移動可能な搭載台２２０から筐体外部に突出したロッド部材２２１を、予め筐体１１０の表面上に「６０」インチ、「８０」インチ、「１００」インチなどの印を付けておいた位置に移動することにより、上記３群のレンズ、即ち、レンズ３１、レンズ３２、そして、レンズ３３及び３４が、それぞれ、溝２２１、２２２、２２３に沿って移動することにより、所望に位置に配置されることとなる。即ち、かかる構成によれば、投写型映像表示装置の外部から、上記ロッド状部材２２１の先端を図の矢印方向に移動することにより、投射画面の大きさを、スポット形状の歪や解像性能の劣化を伴うことなく、変更することが可能となる。

または、上述した構造に代えて、図示はしないが、やはり上記のような溝をその外周に形成した円筒を利用することによっても、上記と同様の機能を達成することも出来る。なお、その場合、特に、後方レンズ群３において自由曲面を有する２枚の透過レンズ３１、３２は、光軸方向の相対位置の変更にもかかわらず、回転を伴う必要がない。このことから、例えば、上記筒状部材を互いに独立に回転可能に、即ち、先端側と後端側に分離し、その先端側を回転しないような構造とすることが好ましい。更には、例えば、電動モータなどを含む駆動手段を用いて、後方レンズ群３（レンズ３１〜３４）をそれぞれ移動する構造を採用することも可能であろう。即ち、これによれば、映像を投射するスクリーンの位置（即ち、装置からスクリーンまでの距離）の変更に対応して、スポット形状の歪や解像性能の改善する効果が得られる。

続いて、上記に示した実施例のレンズデータを、以下の表１７〜２１及び図２４〜２６を参照しながら、以下に示す。

なお、ここでも、自由曲面の式は、上記の［数１］と同様である。また、以下の表１７〜２０の数値は、物面（比率１６：９）上の範囲の映像を像面（６０”＋over-scan：１８４１．９×１０３６．１ｍｍ）上に拡大投写する場合の一例を示したものである。また、この場合の投写光学ユニットにおける光学素子のレンズ面が、図２４に示されている。なお、この実施例が上記の実施例と異なるのは、上記図４においてＳ９とＳ１０で示されるレンズ面が、この図２１では、これらが一体になっており、そのため、Ｓ０〜Ｓ２２の面で構成されている。

まず、表１７において「Ｒｄ」は各面の曲率半径であり、図中で面の左側に曲率の中心がある場合には正の値で、逆の場合は負の値で表わされている。また、この表１７において「ＴＨ」は面間距離であり、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。あるレンズ面に対して、次のレンズ面が左側に位置するときには面間距離は正の値で、右側に位置する場合は負の値で表されている。更に、この表１７においてＳ５、Ｓ６、Ｓ１６、Ｓ１７（上記図４を参照）は回転対称な非球面であり、表１７では面の番号の横に「＊」を付けて示している。なお、これら４つ面の非球面の係数を以下の表１８に示している。

また、上記の表１７においてＳ１８からＳ２１は自由曲面レンズの各屈折面であり、Ｓ２２は自由曲面ミラーの反射面であって、面の番号の横に「＃」を付けて示している。これら５つの自由曲面の形状を表す係数の値を表１８に示す。

次に、以下の表１９においては、係数の名称と値を左右に並べて枠の組で表示しており、右側が係数の値であり、左側が名称で括弧内のカンマで区切った２組の数値は式２に示した「ｍ」と「ｎ」の値を示している。

更に、この実施例における、各面のローカル座標系の傾き又は偏心の様子を以下の表２０に示す。なお、この表２０において、「ＡＤＥ」は図の断面と平行な面内での傾きの大きさで、傾きの方向は図の断面内で反時計回りに回転する方向を正とし、単位は度である。また、「ＹＤＥ」は偏心の大きさであり、偏心は図の断面内でかつ光軸に垂直な方向で設定され、図の断面において下側への偏心を正とし、単位はｍｍである。

この表２０に示した傾き又は偏心では、表示された面番号を含むそれ以降の面は、全て、表示された面の傾いた光軸の上に配置される。但し、Ｓ２２面の傾きは２２面のみの光軸の傾きを示しており、その後の２３面は２２面の傾き量の２倍傾いた光軸の上に配置される。

表２１は、スクリーン位置の移動に対応して移動するレンズ群について、それらの面間距離の変化を示している。

なお、この表９のＳｃ６５、Ｓｃ６７、Ｓｃ６６に対応する欄の値が、スクリーン位置６５、６７、６６でのレンズ間隔を表示している。

また、添付の図２５は、上記スクリーンが、それぞれ、上記図１９において６６、６５、６７の位置にある場合の歪の様子を示しており、また、添付の図２６は、その場合のスポット形状の様子をそれぞれ示している。

即ち、図２５（ａ）〜（ｃ）では、物面（比率１６：９）上の範囲を、それぞれ、６０インチの像面、８０インチの像面、１００インチの像面上に拡大して投写した場合の図形歪を示す。この図２４の縦方向は上記図１の上下方向、即ち、Ｙ軸の方向である。また、この図２２の横方向はスクリーン上でＹ軸の垂直な方向であり、図の長方形の中央が画面の中央である。そして、この図２４は、画面の縦方向を４分割、横方向を８分割した直線の曲がりの状態を表示すことによって、図形歪の様子を示している。

一方、図２６では、スクリーンをそれぞれの位置６６、６５、６７（上記図１９を参照）に配置した場合に得られたスポットダイアグラムを示す。なお、この図では、映像表示素子１の表示画面上、Ｘ，Ｙ座標の値で、（８，４．５）、（０，４．５）、（４．８，２．７）、（８，０）、（０，０）、（４．８、−２．７）、（８、−４．５）、（０、−４．５）の８点から射出した光束のスポットダイアグラムを上から順に（図では、丸で囲んだ（１）〜（８）の順に）示しており、また、その横方向には、それぞれの位置６６、６５、６７でのスクリーン位置（Ｓｃ６６、Ｓｃ６５、Ｓｃ６７）を示している。なお、単位はｍｍであるり、各スポットダイアグラムの横方向はスクリーン上でのＸ方向、縦方向はスクリーン上でのＹ方向である。即ち、これらの図からも明らかなように、その何れの場合においても、両者ともに良好な性能を維持していることが分る。

そして、上記によって得られた投射画像の対角寸法を「Ｌｏ」とし、自由曲面ミラー５の中心から投射画像までの距離を「Ｌｐ」とした場合（上記図１を参照）、Ｌｏ＝２０３２ｍｍ、Ｌｐ＝９９６×ｃｏｓ４５°≒７０４ｍｍであることから、これらの間の比率が２以上（Ｌｏ／Ｌｐ＞２）となり、比較的近い距離（Ｌｐ）でも、物面を十分大きな画面に拡大して投射することが出来ること、即ち、投射拡大率に優れていることが分る。

次に、添付の図２７には、本発明の他の実施形態になる投写型映像表示装置が示されている。即ち、図からも明らかなように、この他の実施形態になる投写型映像表示装置１００’では、上記図１又は図５に示した投写型映像表示装置の投写光学ユニットの構成に加え、その自由曲面の反射鏡４とスクリーン５との間の光路に、更に、平面の反射鏡２１を配置して投写光学ユニットを構成している。なお、この図の例では、この平面の反射鏡２１は、上記自由曲面の反射鏡４に対応して装置筐体１１０の上面に形成された開口部を覆うための蓋をも兼ね、その上方で開閉自在に設けられている。

かかる投写光学ユニットの構成では、添付の図２８にも示すように、画像表示素子１からプリズム１０を介して射出した光は、まず、レンズ光学系を構成する前方レンズ群２に入射される。その後、この前方レンズ群２から射出した光は、やはり少なくとも一方の面が回転対称でない（回転非対称の）自由曲面の形状を有する複数（本例では２枚）のレンズを含めた複数のレンズから構成される後方レンズ群３を通過する。そして、この後方レンズ群３から射出した光は、回転対称でない自由曲面形状の反射面を有する反射鏡（以下、自由曲面ミラーと言う）４を含む反射光学系で拡大反射された後、更に、上記平面の反射鏡２１により反射されて所定のスクリーン５（例えば、部屋の壁面やシート状のスクリーン等）上に投写されることとなる。即ち、この図からも明らかなように、上述した実施例（例えば、図２や図４）とは反対の方向に投写する。このことからも、この他の実施形態になる投写型映像表示装置１００’の投写光学ユニットの構成では、自由曲面ミラー４からスクリーン５までの光路を上記平面反射鏡２１により折り返すことから、スクリーン５までの距離をより小さくすることが可能となり、広角化を可能とするのに好適である。

また、この投写光学ユニットの構成では、図２８において破線で示すように、上記平面反射鏡２７は、その傾斜角度を微小な角度で調整可能となるように構成されている。即ち、これによれば、やはり図中に破線及び矢印で示すように、この平面反射鏡２７の傾斜角度を変えることにより、スクリーン５上での投写画像の位置を上下に変更することが可能となり、特に、投写型映像表示装置においては、好適な機能を提供することが可能となる。なお、この平面反射鏡２７は、当該投写型映像表示装置の使用状況に応じてユーザがその傾斜角度を調整することが出来、或いは、ここでは図示しないが、例えば、電動モータなどを含む駆動機構によって筐体１１０上面の開口部を覆おう位置から移動し（立ち上がり）、そして、ユーザによって設定された角度に傾斜して配置されるように構成することも可能であろう。

なお、以上に述べた本発明の実施例になる投写型映像表示装置では、画像表示素子１からの映像（画像）は、上記の投写光学ユニットから出射して自由曲面ミラー４で反射され、又は、更に平面反射鏡２７により反射されてスクリーン５上に投写される。そのため、当該装置１００、１００’の位置を、映像（画像）を投写するスクリーン５に対して正確に位置決めする必要がある。即ち、上記図５に示した画面中央の光線が上記スクリーン５の面に対して垂直になるよう、その配置を調整することが、特に、その全体において歪みや収差を最小限に抑え、良好な投写画面を得るために重要である。

そこで、本発明の実施例になる投写型映像表示装置では、装置の位置決め機構をその一部に備えており、その具体的な例を、以下に説明する。

添付の図２９は、上記位置決め機構を備えた投写型映像表示装置１００が示されており、特に、図２９（ａ）は、位置決め機構を備えた投写型映像表示装置１００の上面からの斜視図を、図２９（ｂ）は、当該装置の底面からの斜視図を、そして、図２９（ｃ）は、上記図２９（ｂ）におけるｃ−ｃ拡大断面をそれぞれ示している。

即ち、図２９（ｂ）にも示すように、投写型映像表示装置１００の筐体１１０の底面には、光の投射方向（図の右方向）の縁部に隣接して、その中央部には、例えば、ゴム等の弾性体を略円錐形状に形成してなる中心ストッパ１１３が取り付けられ、他方、上記縁部とは反対側の縁部に隣接して、その両端付近には、例えば、回動ボールからなる一対の移動部材１１４、１１４が設けられている。

なお、上記一対の移動部材１１４、１１４の各々は、図２９（ｃ）にも示すように、筐体１１０の底面に形成した受孔１１５内にボール１１６を回転可能に保持しており、更に、当該筐体１１０の内部には、その矢印方向の移動によって上記ボール１１６の回転を停止する拘束部材（又は、押圧部材）１１７を備えている。即ち、図の拘束部材（又は、押圧部材）１１７をユーザが矢印方向に押下することにより（但し、図２９（ｃ）は、上下を逆転して示す）、ボール１１６を受孔１１５の内壁面に押し付けてその回動を停止する。

上述した位置決め機構の使用方法の一例を図２９（ａ）に示す。まず、拘束部材（又は、押圧部材）１１７を上方に移動した状態（即ち、ボール１１６を回転可能にする）で、投写型映像表示装置１００を、その筐体１１０の底面を下にして、例えば、机等の上に平行に配置する。そして、図に矢印で示すように、映像（画像）をスクリーン５上に投写しながら、その側面を押す等により、当該装置１００（１００’）を上記ストッパ１１３を中心として回転移動する。そして、投写型映像表示装置１００がスクリーン５に対して所望の角度位置になった時点で、装置筐体１１０の両側面に設けられた一対の移動部材１１４、１１４を押し下げる。即ち、上述の位置決め機構を備えた投写型映像表示装置１００によれば、以上に述べた操作により、簡単に、スクリーン５に対して正確に位置決めすることが可能となり、更には、上記した平面反射鏡２１や後方レンズ群３の移動機構を適宜設定することによれば、スクリーン５上に、その全体において歪みや収差を最小限に抑えた良好な投写画面を得ることが可能になる。

以上述べたように、本発明によれば、上述した従来技術のように使用するレンズを偏心させる必要がないことから、口径の大きな付加光学系を必要とすることなく、しかも広角角化を可能とすると共に、スクリーンまでの位置が変更しても歪みを最小限に抑えることが可能であり、かつ、その製造も比較的容易な投写型映像表示装置が提供される。そして、かかる投写型映像表示装置によれば、その全体において歪みや収差を最小限に抑えた良好な投写画面を得ることが出来、使い勝手にも優れた投写型映像表示装置装置を実現することが可能となる。

本発明の一実施の形態になる投写型映像表示装置装置の全体構成を示す斜視図である。 上記投写型映像表示装置装置の投写光学ユニットの基本構成を示す断面図である。 上記光学ユニットのレンズ配置の一例を示す斜視図である。 上記光学ユニットのレンズ面を説明するための垂直方向及び水平方向の断面図である。 本発明の他の実施形態になる投写型映像表示装置装置の全体構成を示す斜視図である。 上記他の実施形態になる投写型映像表示装置装置における光学ユニットのレンズ配置の一例を示す斜視図である。 上記光学ユニットのレンズ面を説明するための垂直方向の断面図である。 上記本発明の投写型映像表示装置装置における光路を示すＹＺ断面図である。 上記本発明の投写型映像表示装置装置における光路を示すＸＺ断面図である。 本発明の実施例１になる光学ユニットの歪性能を示す図である。 本発明の実施例１になる光学ユニットのスポット性能を示す図である。 本発明の実施例２になる光学ユニットの歪性能を示す図である。 本発明の実施例２になる光学ユニットのスポット性能を示す図である。 本発明の実施例３になる光学ユニットの歪性能を示す図である。 本発明の実施例３になる光学ユニットのスポット性能を示す図である。 本発明の実施例４になる光学ユニットの歪性能を示す図である。 本発明の実施例４になる光学ユニットのスポット性能を示す図である。 上記の投写光学ユニットを投写型映像表示装置に適用してスクリーン上に画像を拡大投射した状態を示す図である。 上記の投写光学ユニットを適用した投写型映像表示装置において、投写距離変化させた場合の状態を示す図である。 上記の投写光学ユニットを適用した投写型映像表示装置において、投写距離変化させた場合の歪性能とスポット性能を示す図である。 上記の投写光学ユニットを適用した投写型映像表示装置において、投写距離変化させた場合の歪性能とスポット性能を示す図である。 上記の投写光学ユニットにおいて後方レンズ群を移動させた状態を示す図である。 上記投写型映像表示装置において、投写光学ユニットにおける後方レンズ群を移動させるための構造の一例を示す、一部断面を含む斜視図である。 上記の投写光学ユニットにおけるレンズ面を説明するための水平方向の断面図である。 上記の投写光学ユニットにおいて後方レンズ群を移動させた場合における歪性能を示す図である。 上記の投写光学ユニットにおいて後方レンズ群を移動させた場合におけるスポット性能を示す図である。 本発明の更に他の実施形態になる投写型映像表示装置装置の全体構成を示す斜視図である。 上記更に他の実施形態になる投写型映像表示装置装置における投写光学ユニットの基本構成を示す断面図である。 本発明の投写型映像表示装置装置の一部に取り付けられた位置決め機構の構造と使用方法を説明するための図である。

符号の説明

１…映像発生源、２…前方レンズ群、３…後方レンズの後、４…自由曲面ミラー、５…スクリーン、６…自由曲面ミラーの原点座標の法線、７…スクリーンの法線、１００、１００’…投写型映像表示装置装置、１１０…筐体、２７…平面反射鏡、１１３…ストッパ、１１４…移動部材

Claims (16)

1. 映像表示素子と、当該映像表示素子に表示された映像を拡大して投写面に投写する投写光学ユニットとを備えた投写型映像表示装置であって、前記投写光学ユニットは、
   前記映像表示素子に隣接して配置され、かつ、複数の投写用レンズを含んで構成されるレンズ群と；
   前記レンズ群からの出射光を反射して前記投写面上に傾斜して投写する反射ミラーとを備えており、
   前記レンズ群は、前記映像表示素子と前記反射ミラーの間に配置され、回転非対称の自由曲面の形状を有する複数のレンズを備えており、かつ、前記レンズ群からの出射光を反射する前記反射ミラーは、その一部が反射方向に凸形状の回転非対称の凸面反射ミラーであることを特徴とする投写型映像表示装置。
2. 前記請求項１に記載の投写型映像表示装置において、前記投写光学ユニットを構成する前記後方レンズ群を構成する回転非対称の自由曲面の形状を有する複数のレンズの一部は、前記投写面の下端部に入射する光線が通過する部分の曲率と、前記投写面の上端部に入射する光線が通過する部分の曲率が異なるように形成されていることを特徴とする投写型映像表示装置。
3. 前記請求項１に記載の投写型映像表示装置において、前記投写光学ユニットを構成する前記後方レンズ群は、前記非対称レンズの他に、少なくとも一つの回転対称の球面レンズと、少なくとも一つの回転対称の非球面レンズを含むことを特徴とする投写型映像表示装置。
4. 前記請求項１に記載の投写型映像表示装置において、前記投写光学ユニットを構成する前記凸面反射ミラーは、前記投写面の下端部に入射する光線を反射する部分の曲率が、前記スクリーンの上端に入射する光線を反射する部分の曲率よりも大きく形成されていることを特徴とする投写型映像表示装置。
5. 前記請求項１に記載の投写型映像表示装置において、前記投写光学ユニットを構成する前記凸面反射ミラーは、前記スクリーンの下端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に対し凸の形状を為し、前記スクリーンの上端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に凹の形状を為すこと特徴とする投写光学ユニット。
6. 前記請求項１に記載の投写型映像表示装置において、前記投写光学ユニットでは、画面中央光線と当該画面中央光線が入射する位置における前記投写面の法線とを含む平面内において、前記反射ミラーの反射面から前記投写面の上端に入射する光線の経路の距離をＬ１、前記反射ミラーの反射面から前記投写面の下端に入射する光線の経路の距離をＬ２、前記投写面での画面の上端から下端までの距離をＤｖ、前記画面中央光線と前記投写面の法線との成す角度をθｓとしたとき、次の式を満足するように形成されていることを特徴とする投写型映像表示装置。
   ｜Ｌ１−Ｌ２｜＜１．２＊ｓｉｎθｓ＊Ｄｖ
7. 請求項１に記載の投写型映像表示装置において、前記投写光学ユニットを構成する前記レンズ群のほぼ光軸上に配置された前記映像表示素子の表示面中央の法線を、前記レンズ群の光学系の光軸に対して傾けることを特徴とする投写型映像表示装置。
8. 前記請求項１に記載の投写型映像表示装置において、前記投写光学ユニットを構成する前記レンズ群は、回転対称な面形状を有する正のパワーを有する複数の屈折レンズを含む前方レンズ群と、前記回転非対称の自由曲面の形状を有する複数のレンズを含む後方レンズ群とを備えていることを特徴とする投写型映像表示装置。
9. 請求項８に記載の投写型映像表示装置において、前記投写光学ユニットの画面中央光線が前記投写面に向かう経路上における、前記レンズ群の最終面から前記反射ミラー反射面に至るまでの光路長が、前記レンズ群の前記前方レンズ群の焦点距離の５倍又はそれ以上であることを特徴とする投写型映像表示装置。
10. 前記請求項８に記載の投写型映像表示装置において、前記後方レンズ群は、更に、回転対称な面形状を有する負のパワーを有する屈折レンズを含んでおり、かつ、前記後方レンズ群は、前記前方レンズ群に対して、光軸方向に移動可能になっていることを特徴とする投写型映像表示装置。
11. 前記請求項８に記載の投写型映像表示装置において、更に、前記後方レンズ群を光軸方向に移動する手段を備えたことを特徴とする投写型映像表示装置。
12. 前記請求項１１に記載の投写型映像表示装置において、前記後方レンズ群移動手段は、当該装置の外部から操作可能となっていることを特徴とする投写型映像表示装置。
13. 請求項８に記載の投写型映像表示装置において、前記投写光学ユニットは、更に、前記回転非対称の凸面反射ミラーからの反射光を反射する平面ミラーを備えていることを特徴とする投写型映像表示装置。
14. 請求項１に記載の投写型映像表示装置において、更に、当該装置の筐体底面には、当該装置からの出射光の進行角度を調整するための位置決め機構を備えていることを特徴とする投写型映像表示装置。
15. 映像表示素子に隣接して配置され、かつ、複数の投写用レンズを含んで構成されるレンズ群と、前記レンズ群からの出射光を反射して前記投写面上に傾斜して投写する反射ミラーとを備えた投写光学ユニットであって、
    前記反射ミラーの中心から前記投写面までの距離（Ｌｐ）に対する当該投写面の対角寸法（Ｌｏ）との間の比（Ｌｏ／Ｌｐ）が、少なくとも２以上であることを特徴とする投写光学ユニット。
16. 映像表示素子と、当該映像表示素子に表示された映像を拡大して投写面に投写する投写光学ユニットとを備えた投写型映像表示装置であって、前記投写光学ユニットとして前記請求項１５に記載した投写光学ユニットを用いたことを特徴とする投写型映像表示装置。
    

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