JP2008145703A - 投射光学系及び画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の曲面反射面を用いて斜め投射を行う小型の投射光学系を提供する。
【解決手段】反射光学系Ｒは、基準軸光線Ｌ０を像面ＳＣに対して斜めに入射させる。反射光学系Ｒの第１反射面Ｓ１から投射像の中心に到達する基準軸光線の光路を含む第１の断面において、最終反射面Ｓ４よりも１つ前の反射面Ｓ３から導光反射面ＭＵに至る第１の主光線Ｌ１の光路と基準軸光線の光路とが第１の交点Ａで交差する。最終反射面よりも１つ前の反射面から導光反射面に至る第２の主光線Ｌ２の光路と基準軸光線の光路とが第２の交点Ｂで交差する。第１の断面に直交して投射像の中心を通る中心線上での第３，４の端に到達する第３，４の主光線と基準軸光線の光路とが第３，４の交点で交差する。第１及び第２の交点間の中点Ｐ１と第３及び第４の交点間の中点Ｐ２間の距離ＬＰと反射面Ｓ３，Ｓ４間の距離ＬＤは、０．５≦ＬＰ／ＬＤの関係を有する。
【選択図】図７

Description

本発明は、フロントプロジェクタやリアプロジェクタ等、画像を被投射面に対して斜めに投射する画像投射装置に用いられる投射光学系に関する。

上記のような画像投射装置は、液晶パネルやマイクロミラーデバイス等の画像形成素子で生成された画像光を、投射光学系を介してスクリーン等の被投射面に斜めから投射することで画像を表示する。

このような斜め投射用の投射光学系として、特許文献１にて開示されているように、基準軸光線の光路が回転非対称な反射面で折れ曲げられるオフアキシャル光学系（非共軸光学系）として構成されたものがある。

オフアキシャル光学系は、一般に複数の反射面を使用するため、結像性能の改善と光学系の小型化を図るには、反射面の配置や光線の光路の設定が重要になる。例えば、特許文献２には、複数の反射面を有する投射光学系において、この投射光学系に入射する光線と射出する光線とを同じ２つの反射面の間を通過させることで、該２つの反射面間の間隙以外の反射面間の間隔を狭くしている。さらに、複数の反射面により囲まれた空間内で光路を複数回交差させている。これらにより、投射光学系の小型化を達成している。

ところで、特にリアプロジェクタにおいては、装置の薄型化とともに、スクリーンよりも下側の部分（以下、装置下部という）の小型化が求められている。特許文献３にて開示されたリアプロジェクタでは、スクリーン背面側の下部スペースに投射光学系を配置し、投射光学系から射出した光束を、スクリーン背面側の上部スペースに配置した平面ミラーからなる導光ミラーを介してスクリーン背面に傾めに投射する。

このような構成により、導光ミラーからスクリーン背面の下端部に向けて大きな入射角度で光束を入射させることができる。つまり、スクリーン背面側の下部に、導光ミラーからスクリーン背面に入射する光束が通らないスペースを作り、このスペースに投射光学系を配置できる。これにより、装置の薄型化と装置下部の高さの削減とを実現している。

さらに、図２１には、特許文献２に開示された複数の反射面Ｓ１〜Ｓ４により構成された投射光学系と特許文献３に開示された平面ミラー（導光ミラー）ＭＵとを組み合わせたリアプロジェクタの例を示している。このような構成によれば、特許文献３にて開示の構成に比べて、より装置の薄型化と装置下部の高さの削減とを図ることが可能である。

図２１は、不図示の画像形成素子からの光束を、図の紙面に垂直な光軸を有する屈折光学系ＣＬと光路を９０°折り曲げるミラーＭとを介して投射光学系に導き、該投射光学系から射出した光束を導光ミラーＭＵを介してスクリーンＳＣに投射する例を示す。投射光学系からの射出光束（Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２）は、ミラーＭと投射光学系における最終反射面Ｓ４の前段の反射面Ｓ３との間を通って導光ミラーＭＵに向かう。Ｌ０は、投射光学系の入射瞳の中心からスクリーンＳに投射される画像の中心に到達する光線の光路を、Ｌ１，Ｌ２はそれぞれ、最終反射面Ｓ４から画像の上下端に到達する光線の光路を示す。
特開２００１−２５５４６２号公報（段落００５２〜００５５、図１，２等） 特開２００４−３０９７６５号公報（段落００１５、図１等） 特開２００５−８４５７６号公報（段落００１０、図１等）

しかしながら、図２１に示したリアプロジェクタでは、投射光学系からの射出光束は、最終反射面Ｓ４と反射面Ｓ３との間に位置する該投射光学系の射出瞳ＥＰから広がりながら導光ミラーＭＵに向かって進む。このため、該射出光束のミラーＭと反射面Ｓ３との間での径ＥＤが大きくなり、必然的にミラーＭと反射面Ｓ３との間の距離も大きくなる。このことが投射光学系の小型化を妨げ、さらなる装置の薄型化と装置下部の高さの削減を困難にしている。

また、投射光学系として、収差の少ない高精細な画像を投射できることが必要である。このため、収差が発生し易い斜め投射において、収差補正を良好に行えることも必要である。

本発明は、複数の曲面反射面を用いて斜め投射を行う従来よりもさらに小型で高精細な画像を投射できるようにした投射光学系及びこれを用いた画像投射装置を提供することを目的の１つとしている。

本発明の一側面としての投射光学系は、それぞれの反射面で反射された光束の光路が他の反射面で反射された光束の光路と交差するように物体からの光束を順次反射する第１反射面から最終反射面までの曲率を持った複数の反射面を有する反射光学系と、該反射光学系からの光束を反射して像面に導く導光反射面とを有する。該投射光学系の入射瞳の中心を通り反射光学系及び導光反射面を介して像面上の投射像の中心に到達する光線を基準軸光線とするとき、該基準軸光線は前記像面に対して斜めに入射する。

ここで、第１反射面から投射像の中心までの基準軸光線の光路を含む第１の断面において、投射像の第１の端に到達する主光線を第１の主光線とし、投射像の第２の端に第１の主光線よりも像面の法線に対して大きな角度で到達する主光線を第２の主光線とする。このとき、複数の反射面のうち最終反射面よりも１つ前の反射面から導光反射面に至る第１の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第１の交点で交差し、複数の反射面のうち最終反射面よりも１つ前の反射面から導光反射面に至る第２の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第２の交点で交差する。

さらに、投射像における第１の断面に直交して投射像の中心を通る中心線上での第３の端に到達する主光線を第３の主光線とし、第４の端に到達する主光線を第４の主光線とする。このとき、反射光学系の複数の反射面のうち光束を順に反射する２つの反射面間において、第３の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第３の交点で交差し、第４の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第４の交点で交差する。

そして、第１及び第２の交点間の基準軸光線の光路に沿った中点を第１の中点とし、第３及び第４の交点間の基準軸光線の光路に沿った中点を第２の中点とする。このとき、第１の断面における基準軸光線の光路上において、第１の中点は最終反射面と導光反射面との間に位置する。さらに、投射光学系は、以下の条件を満足することを特徴とする。

０．５≦ＬＰ／ＬＤ …（１）
ただし、ＬＰは第１及び第２の中点間の基準軸光線の光路に沿った距離であり、ＬＤは第最終反射面と該最終反射面より１つ前の反射面との間の基準軸光線の光路に沿った距離である。

また、本発明の他の側面としての投射光学系は、それぞれの反射面で反射された光束の光路が他の反射面で反射された光束の光路と交差するように物体からの光束を順次反射する第１反射面から最終反射面までの曲率を持った複数の反射面を有する反射光学系を備え、最終反射面で反射された光束を他の反射面を介さずに被投射面に導く。該投射光学系の入射瞳の中心を通り反射光学系を介して被投射面上の投射像の中心に到達する光線を基準軸光線とするとき、該基準軸光線は被投射面に対して斜めに入射する。

ここで、第１反射面から投射像の中心までの基準軸光線の光路を含む第１の断面において、投射像の第１の端に到達する主光線を第１の主光線とし、投射像の第２の端に第１の主光線よりも像面の法線に対して大きな角度で到達する主光線を第２の主光線とする。このとき、複数の反射面のうち最終反射面よりも１つ前の反射面から被投射面に至る第１の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第１の交点で交差する。また、複数の反射面のうち最終反射面よりも１つ前の反射面から被投射面に至る第２の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第２の交点で交差する。

そして、投射像における第１の断面に直交して投射像の中心を通る中心線上での第３の端に到達する主光線を第３の主光線とし、第４の端に到達する主光線を第４の主光線とするとき、複数の反射面のうち光束を順に反射する２つの反射面間において、第３の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第３の交点で交差し、第４の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第４の交点で交差する。

該投射光学系は、第１及び第２の交点間の前記基準軸光線の光路に沿った中点を第１の中点とし、前記第３及び第４の交点間の前記基準軸光線の光路に沿った中点を第２の中点とするとき、第１の断面における基準軸光線の光路上において、第１の中点は最終反射面と被投射面との間に位置し、かつ以下の条件を満足することを特徴とする。

０．５≦ＬＰ／ＬＤ
ただし、ＬＰは第１及び第２の中点間の基準軸光線の光路に沿った距離であり、ＬＤは最終反射面と該最終反射面より１つ前の反射面との間の基準軸光線の光路に沿った距離である。

なお、上記投射光学系を介して画像を投射する画像投射装置や、該画像投射装置とこの画像投射装置に画像信号を供給する画像供給装置とを有する画像表示システムは、本発明の他の側面を構成する。

本発明によれば、アジムス依存性が高い斜め投射光学系において、アジムス方向ごとに主光線の光路と基準軸光線の光路との交点間の中点（射出瞳に相当する）を、光学系のサイズ減少や収差補正上、最適に分離配置できる。これにより、小型化で高精細な画像を投射可能な投射光学系を実現することができる。

そして、この投射光学系を用いることで、従来に比べてさらに薄型で、かつ装置下部の高さもさらに低い画像投射装置を実現することができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

まず、具体的な実施例の説明に先立って、複数の曲率を有する反射面（以下、曲面反射面という）を用いたオフアキシャル投射光学系及びこれを搭載した画像投射装置の小型化や収差補正に関する本発明の有効性について説明する。

本発明では、反射光学系を構成する複数の曲面反射面のうち第１反射面から最終反射面及び導光ミラー（導光反射面）を介してスクリーン上（被投射面上、像面上）の投射画像の中心に到達する基準軸光線を含む断面を第１の断面とする。なお、反射光学系と導光ミラーとの位置関係は、装置の上下及び装置の左右のいずれでもよい。さらに言えば、反射光学系を装置下部に、導光反射面を装置上部に配置してもよいし、その逆の配置でもよい。また、スクリーン（被投射面、像面）は、原画を形成する原画形成素子（液晶変調素子や、ミラーデバイス等）と実質的に共役な関係である。

そして、該第１の断面において、投射画像の第１の端（上端又は下端）に到達する主光線を第１の主光線とし、投射画像の第２の端（下端又は上端）に第１の主光線よりもスクリーンの法線に対して大きな角度で到達する主光線を第２の主光線とする。

複数の反射面のうち最終反射面よりも１つ前の反射面から導光反射面に至る光路において、第１の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第１の交点で、第２の主光線の光路と基準軸光線の光路とが第２の交点で交差している。より詳細に書くと、複数の反射面のうち最終反射面よりも１つ前の反射面から導光反射面に至る第１の主光線の光路と、前述の１つ前の反射面から導光反射面に至る基準軸光線の光路とが第１の交点で交差している。そして、複数の反射面のうち最終反射面よりも１つ前の反射面から導光反射面に至る第２の主光線の光路と、前述の１つ前の反射面から導光反射面に至る基準軸光線の光路とが第２の交点で交差している。ここで、第２の交点は、最終反射面と導光反射面との間であるとなおよい。

ただし、本発明では、導光反射面を有さず、反射光学系の最終反射面で反射された光束が、他の反射面を介さずに被投射面（スクリーン等）に投射されるような構成であっても構わない。その場合は、上述の「導光反射面」を「被投射面」と読み替えればよく、本発明の効果を奏することができる。

第１反射面とは、反射光学系を構成する複数の曲面反射面のうち、最初に光束を反射する反射面である。また、最終反射面とは、該複数の曲面反射面のうち最後に光束を反射する反射面である。

また、本発明では、スクリーン上の投射画像における第１の断面に直交して投射画像の中心を通る中心線上での第３の端（右端又は左端）に到達する主光線を第３の主光線とする。さらに、投射画像における該中心線上の第４の端（左端又は右端）に到達する主光線を第４の主光線とする。このとき、反射光学系の複数の反射面のうち光束を順に反射する２つの反射面間において、第３の主光線の光路と基準軸光線の光路とを第３の交点で交差させ、第４の主光線の光路と基準軸光線の光路とを第４の交点で交差させる。

そして、第１及び第２の交点間の基準軸光線の光路に沿った中点を第１の中点とし、第３及び第４の交点間の基準軸光線の光路に沿った中点を第２の中点とする。このとき、第１の断面における基準軸光線の光路上において、第１の中点を最終反射面と導光反射面との間に配置する。さらに、条件式（１）を満足するように第１及び第２の中点間の基準軸光線の光路に沿った距離ＬＰと、最終反射面及びそれより１つ前の反射面の基準軸光線の光路に沿った距離ＬＤとを設定する。

また、第１の中点は、第２の中点よりも基準軸光線の光路方向において像面側に設定するのが望ましい。

像面側とは、物体像を拡大投射する投射光学系においては、拡大側共役面ということができる。一方、この場合、物体側とは、縮小側共役面ということができる。

なお、第１の交点が反射光学系内に、第２の交点が反射光学系外に位置するようにしてもよい。反射光学系内とは、反射光学系に入射した第１の主光線と基準軸光線が反射光学系から射出する前という意味である。また、反射光学系外とは、反射光学系に入射した第２の主光線と基準軸光線とが反射光学系から射出した後という意味である。第１の交点は、最終反射面よりも像面側であってもよいし、物体側であってもよい。

また、第１の主光線は、第１の断面において、像面に到達する主光線束のうち像面の法線に対して最も小さい角度で到達する主光線と言い換えることもできる。また、第２の主光線は、上記主光線束のうち像面の法線に対して最も大きい角度で到達する主光線と言い換えることができる。

本発明では、前述した第１及び第２の中点Ｐ１，Ｐ２を、反射光学系の射出瞳位置に相当する位置として定義している。そして、本発明は、投射光学系の互いに直交する２つの断面方向において射出瞳位置が分離されていることを特徴とする。

回転対称面により構成される共軸光学系と異なり、オフアキシャル光学系では、その非対称性によって、アジムス方向に応じた瞳位置で各画角の主光線が１点で交わらない。このため、本実施例では、瞳位置に相当する位置としてＰ１及びＰ２を定義している。

瞳位置では、光束全体が細くなっているため、複数の光学面又は光学素子を物理的な干渉なく配置する上で断面ごとに好適な位置に該瞳を配置することが可能である。

例えば、一方の断面では光学系の小型化及び薄型化のために、光束が通過する２つの反射面間の近傍に瞳を配置し、反射面の配置間隔を狭める。これに対し、他方の断面では、画角を狭めるために瞳を像面からより離した位置に配置する。このように、瞳の位置を断面ごとに独立に設定することができる。

具体的な例として、図１及び図２を用いて複数の曲面反射面により構成されるオフアキシャル光学系について説明する。図１には、光源と画像形成素子と照明光学系を含む原画像形成光学系ＬＶからの光線が曲面反射面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４で順次反射されて反射面Ｓ１，Ｓ３間のスペースを通過してスクリーンＳＣに斜め投射されている例を示す。また、図２は、図１に直交する断面において反射面Ｓ１，Ｓ３間のスペースを通過する光線をスクリーン法線方向から見た様子を示している。

図２において、ＳＶ，ＳＨはそれぞれ、反射面Ｓ１，Ｓ３間のスペースの縦横の幅であり、Ｌは該スペースを通過する光線束の領域を示している。幅ＳＶは、隣り合う２つの反射面Ｓ１，Ｓ３間のスペース幅として決定されるが、ＳＨは反射面Ｓ１，Ｓ３による直接の制約は受けない。したがって、反射面Ｓ１，Ｓ３間のスペースを通過する光線束の領域Ｌは、幅ＳＶ方向において縮小する必要がある。

その手段として、図１に示す断面において、反射面Ｓ１，Ｓ３間のスペースに射出瞳ＥＰＶを形成することが考えられる。このとき、図２に示す断面での射出瞳ＥＰＨの位置は、幅ＳＨの制約が無いため、必ずしも反射面Ｓ１，Ｓ３間のスペースに配置する必要はない。

ここで、投射光学系には、例えば１６：９といった横長の投射画像をスクリーンＳＣに表示する必要がある。このとき、図２のスクリーン法線方向から見たときの左右の画角幅は、図１の断面上での上下の画角幅に比べて大きい。したがって、射出瞳ＥＰＨの位置は射出瞳ＥＰＶの位置よりも基準軸光線の光路方向における物体側に設定する。これにより、投射画像の左右方向での投射光学系からの光線の射出角を狭めて、スクリーンＳＣへの入射角を小さくすることができるとともに、諸収差の補正を行い易くすることができる。

このように、複数の反射面により構成されるオフアキシャル光学系では、反射面の位置と断面ごとの光学的パワー配置を適切に設定することで、高精細な画像投射が可能で、かつ小型の投射光学系を実現することができる。言い換えれば、本発明は、投射光学系の小型化を達成するためのパワー配置について、オフアキシャル光学系のアジムス依存性の適切な設定を、瞳位置の分離距離と反射面間距離との関係を一定の条件に規定することで達成している。

また、ＬＰ／ＬＤの値が上記条件式（１）の下限を下回ると、基準軸光線の光路に沿った反射面間隔に対して射出瞳の分離幅が小さくなるため、断面ごとの瞳位置の独立性が弱まり、反射光学系の小型化と像面への入射角を小さくする効果が両立できなくなる。

条件式（１）は、０．５＜ＬＰ／ＬＤとしてもよい。より好ましくは、１≦（又は＜）ＬＰ／ＬＤとしてもよい。さらに好ましくは、１．５≦（又は＜）ＬＰ／ＬＤとしてもよい。

次に、後述する実施例での構成諸元の表し方及び実施例全体の共通事項について説明する。図９は、実施例における光学系の構成データを定義する座標系の説明図である。

本発明の実施例では、縮小側の物体から拡大側の像面に進む１つの光線（図９中に一点鎖線で示し、基準軸光線という）に沿ってｉ番目の面を第ｉ面とする。また、実施例において、画像（投射像）を投影する面を像面（最終結像面又はスクリーンともいう）と表現する。また、実施例では、縮小側を物体面として拡大側の像面に投影する形態で説明するが、逆の光路で物体像を縮小投射してもよい。

図９において、第１面Ｒ１は屈折面、第２面Ｒ２は第１面Ｒ１に対してチルトした反射面である。第３面Ｒ３及び第４面Ｒ４はそれぞれの直前の面に対してシフト及びチルトした反射面である。また、第５面Ｒ５は、第４面Ｒ４に対してシフト及びチルトした屈折面である。

第１面Ｒ１から第５面Ｒ５までのそれぞれの面は、ガラスやプラスチック等の媒質で構成される１つの光学素子上に形成されている。該光学素子を、図９中では、光学素子Ｑとする。図９では、不図示の物体面から第１面Ｒ１までの媒質は空気、第１面Ｒ１から第５面Ｒ５まではある共通の媒質、第５面Ｒ５から不図示の第６面Ｒ６までの媒質は空気である。

実施例の光学系はオフアキシャル（Off-Axial）光学系である。このため、光学系を構成する各面は、共通の光軸を持っていない。そこで、実施例においては、まず第１面の中心を原点とする絶対座標系を設定する。そして、第１面の中心点を原点とすると共に、原点と最終結像面の中心とを通る光線（基準軸光線）の経路を光学系の基準軸と定義する。さらに、実施例中の基準軸は方向（向き）を持っており、その方向は、基準軸光線が結像に際して進行する方向である。

実施例においては光学系の基準となる基準軸を上記のように設定したが、光学系の基準となる軸の決め方は、光学設計上、収差の取り纏め上、若しくは光学系を構成する各面の形状を表現する上で都合の良い軸を採用することもできる。但し、一般的には像面の中心と、絞り、入射瞳、射出瞳、光学系の第１面の中心又は最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を基準軸に設定するとよい。

実施例においては、基準軸は第１面の中心点を通り、最終結像面の中心へ到達する基準軸光線が、各屈折面及び各反射面によって屈折及び反射する経路を基準軸に設定する。各面の順番は、基準軸光線が屈折と反射を受ける順番に設定する。

基準軸は、設定された各面の順番に沿って、屈折又は反射の法則に従ってその方向を変化させつつ最終的に像面の中心に到達する。なお、実施例において、物体側、パネル側、像側、像面側、スクリーン側等とは、基準軸の方向（基準軸光線の光路の方向）に対してどちら側であるかを意味している。

実施例における光学系の絶対座標系の各軸は以下のように定義される。

Ｚ軸：原点と物体面中心を通る直線であり、物体面から第１面Ｒ１に向かう方向を正とする。

Ｙ軸：原点を通り、右手座標系の定義に従ってＺ軸に対して反時計回りに９０゜をなす直線とする。

Ｘ軸：原点を通り、Ｚ及びＹ軸に対して直交する直線とする。

光学系を構成する第ｉ面の面形状及びチルト角を表すために、絶対座標系にてその面の形状及びチルト角を表記する方法もある。しかし、これよりも、基準軸と第ｉ面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定し、該ローカル座標系でその面の面形状を表すとともに、基準軸とローカル座標系のなす角度でチルト角を表した方が形状を認識し易い。このため、実施例では、第ｉ面の面形状及びチルト角を、以下のように定義されるローカル座標系で表す。

そのために、まず基準軸上の任意の点に対して、以下の基準軸上座標系を設定する。

ｚｂ軸：基準軸上の任意の点を通る直線であり、基準軸の方向を正とする。基準軸の偏向点においては入射方向を正とする。

ｙｂ軸：基準軸上の任意の点を通り、右手座標系の定義に従ってｚｂ軸に対して反時計回りに９０゜をなす直線とする。該直線は、絶対座標系の原点で絶対座標系のＹ軸と一致する。なお、ｚｂ軸に対する回転はないものとする
ｘｂ軸：基準軸上の任意の点を通り、ｚｂ及びｙｂ軸に直交する直線とする。

次にローカル座標系を、以下のように設定する。

ｚ軸：ローカル座標の原点を通る面法線とする。

ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、右手座標系の定義に従ってｚ方向に対し反時計方向に９０゜をなす直線とする。

ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ｙｂ−ｚｂ面に対して直交する直線とする。

したがって、第ｉ面のｙｂ−ｚｂ面内でのチルト角は、ローカル座標系のｚ軸が基準軸上座標系のｚｂ軸に対してなす鋭角であり、反時計回り方向を正とした角度θｘｂ，ｉ （単位°）とする。また、第ｉ面のｘｂ−ｚｂ面内でのチルト角は、ローカル座標系のｚ軸が基準軸上座標系のｚｂ軸に対してなす鋭角であり、反時計回り方向を正とした角度θｙｂ，ｉ（単位°）とする。さらに、第ｉ面のｘｂ−ｙｂ面内でのチルト角は、ローカル座標系のｚ軸が絶対座標系のｙｂ軸に対してなす鋭角であり、反時計回り方向を正とした角度θｚｂ，ｉ（単位°）で表す。

ただし、通常、θｚｂ，ｉは面の回転に相当するもので、本発明の実施例においては存在しない。図１０は、これらの絶対座標系、基準軸上座標系及びローカル座標系の相互関係を表している。

また、実施例において、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面とのローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量である。Ｎｄｉ，νｄｉはそれぞれ、第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の媒質の屈折率とアッベ数である。また、「Ｅ−Ｊ」は、「×１０^−Ｊ」を表す。

また、第ｉ面が球面である場合、該球面の形状は以下の式で表される。

実施例の光学系は、少なくとも回転非対称な非球面を１面以上有し、その形状は以下の式により表す。

z ＝C04x² + C06y²
+ C08x²y + C10y³
+ C11x⁴ + C13x²y²+ C15y⁴
+ C17x⁴y + C19x²y³+ C21y⁵
+ C22x⁶ + C24x⁴y²+ C26x²y⁴ + C28y⁶
+ C30x⁶y + C32x⁴y³+ C34x²y⁵ + C36y⁷
+ C37x⁸ + C39x⁶y²+ C41x⁴y⁴ + C43x²y⁶ + C45y⁸
上記曲面式は、ｘに関して偶数次の項のみ含むため、上記曲面式により規定される曲面は、ｙｚ面を対称面とする面対称な形状である。

なお、実施例の説明中、同じ符号は同一の機能を有する構成要素を示し、重複する説明は行わない。

また、実施例において、第１及び第２の導光ミラーＭ，ＭＵはいずれも平面ミラーとするが、本発明においてこれらの導光反射面は曲率を有していてもよい。

さらに、実施例においては、物体である画像形成素子からの光束を反射光学系Ｒの第１反射面Ｓ１に導く導光光学系が設けられている。そして、反射光学系Ｒの物体側の瞳は、基準軸光線の光路方向において、第１反射面Ｓ１よりも物体側に設定されている。

（実施例）
図３には、本発明の実施例１であるリアプロジェクションタイプの画像投射装置に用いられる投射光学系における基準軸光線を含む第１の断面での光束を示している。図４は、該反射光学系Ｒの拡大図である。また、図５は、反射光学系Ｒ及びその前段の原画像形成光学系ＬＶ及び導光光学系（ＣＬ，ＳＴ，Ｍ）の鳥瞰図である。

図５において、原画像形成光学系ＬＶは、不図示の画像形成素子と該画像形成素子を照明するための光源及び照明光学系を備えている。

本実施例の画像投射装置には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ビデオデッキ、テレビチューナ等の画像供給装置１００が接続されている。画像供給装置１００からの画像信号は、画像形成素子に接続された駆動回路１０１に入力される。駆動回路１０１は、入力された画像信号に応じて画像形成素子を駆動する。該画像投射装置と画像供給装置１００とにより画像表示システムが構成される。

光源としては高圧水銀ランプやＬＥＤ（発光ダイオード）を用いる。また、半導体レーザや固体レーザを用いてもよい。

照明光学系は、光源からの白色光を、不図示の偏光変換素子、フライアイレンズ及びコンデンサレンズ等を含むインテグレート部とダイクロイックプリズムや色フィルタや偏光ビームスプリッタ等により構成される色分離合成部を経て画像形成素子を照明する。

画像形成素子としては、透過型や反射型の液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等を用いることができる。本実施例では、詳細は図示しないが、アスペクト比が１６：９、画素数がフルＨＤ（１９２０×１０８０）で、対角サイズが０．７インチ（１７．７８ｍｍ）の反射型液晶パネルをＲＧＢの波長ごとに計３つ用いている。

画像形成素子から射出した光束（図５には、基準軸光線Ｌ０のみを示す）は、屈折光学系ＣＬと回転非対称な形状を有する絞りＳＴとを経て、第１の導光ミラーＭで反射される。第１の導光ミラーＭによって光路を曲げられた（例えば、９０°曲げられた）光束は、反射光学系Ｒに後述する第２及び第３反射面Ｓ２，Ｓ３の間のスペースから入射する。

ここで、絞りＳＴの径は、反射光学系Ｒ内で基準軸光線が偏向される方向、すなわち図２３でいうＹ方向の寸法をＸ方向に対して短くして、反射光学系Ｒに導かれる前にＹ方向のＦナンバーをＸ方向よりも大きくしておくことが望ましい。これにより、反射光学系Ｒ内での光束が細くなるため、反射光学系Ｒを構成する反射面の配置自由度が増す。また、該反射面による光束の偏向角を小さくすることができるため、角度が付いた反射によって発生する非対称収差の制御自由度が向上する。この効果については、本発明者が、特開２００５−２４６９５号公報にて詳細に説明している。

反射光学系Ｒに入射した光束は、図４に示した４つの曲面反射面（第１〜第３反射面及び最終反射面）Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の順に反射される。これらの反射面Ｓ１〜Ｓ４は、透光性の光学素子上に一体形成されている。ただし、反射面Ｓ１〜Ｓ４を、４つのミラーを組み合わせることで構成してもよい。

図４において、ＩＭは、反射光学系Ｒ内における後述する第１の交点Ａよりも物体側に形成された中間像である。より詳しくは、本実施例では、第２反射面Ｓ２と第３反射面Ｓ３との間に中間像ＩＭが形成されている。

最終反射面Ｓ４で反射された光束は、導光光学系の第１の導光ミラーＭと第３反射面Ｓ３との間のスペースを通過して該反射光学系Ｒから射出し、スクリーンＳＣの背面側上部に配置された第２の導光ミラーＭＵに向かう。第２の導光ミラーＭＵで反射された光束は、スクリーンＳＣに斜めに入射して結像する。こうして、スクリーンＳＣ上に投射画像が形成される。

本実施例では、スクリーンＳＣ上での投射画像のアスペクト比を１６：９とし、対角サイズを６４インチ（１６２５．６ｍｍ）としている。スクリーンＳＣは、斜めに入射した光束をスクリーンＳＣの表側（観察者側）に特定の視野角で拡散する。スクリーンＳＣとしては、フレネルレンズ、レンチキュラーレンズ及び拡散材等を積層したものを用いるとよい。

図６には、図３と同一断面に示した光束のうち、投射画像（スクリーンＳＣ）の上端、上下方向中央及び下端にそれぞれ到達する主光線Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２の光路のみを示している。また、図７は、反射光学系Ｒの拡大図であり、上記主光線Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２の光路のみを示している。

Ｌ０は基準軸光線であり、本実施例では、スクリーンＳＣに、その法線（以下、スクリーン法線という）ｎに対して７２度の角度で入射する。Ｌ１は投射画像の上端（第１の端）に到達する第１の主光線であり、この図の断面においてスクリーンＳＣに入射する主光線束のうちスクリーン法線ｎに対して最小の角度で入射する。Ｌ２は投射画像の下端（第２の端）に到達する第２の主光線であり、この図の断面においてスクリーンＳＣに入射する光線束のうちスクリーン法線ｎに対して最大の角度で入射する。

また、Ａは基準軸光線Ｌ０の光路と第１の主光線Ｌ１の光路との交点（第１の交点）であり、反射光学系Ｒの内部（最終反射面Ｓ４に対してその像面側にて近い位置）に位置する。Ｂは基準軸光線Ｌ０の光路と第２の主光線Ｌ２の光路との交点（第２の交点）であり、最終反射面Ｓ４及び第１の交点Ａよりも像面側であって反射光学系Ｒの外部（反射光学系Ｒと第２の導光ミラーＭＵとの間）に位置する。Ｐ１は交点Ａ，Ｂ間の基準軸光線の光路に沿った中点（第１の中点）である。

なお、本実施例では、図６に示す断面において、以下のように主光線の光路が設定されている。すなわち、最終反射面Ｓ４から第２の導光ミラーＭＵに到達するまでの間において、第１の主光線Ｌ１の光路は、基準軸光線Ｌ０の光路に対して、第２の導光ミラーＭＵに近づくほどスクリーンＳＣに近づくように傾いている。また、第２の主光線Ｌ２の光路は、基準軸光線Ｌ０の光路に対して、第２の導光ミラーＭＵに近づくほどスクリーンＳＣから遠ざかるように傾いている。

図８には、反射光学系Ｒの断面であって、図６及び図７に示す第１の断面に直交し、第３及び第４反射面Ｓ３，Ｓ４の間の基準軸光線Ｌ０を含む断面Ｋ（図７中に一点鎖線で示す）での主光線Ｌ０，Ｌ３，Ｌ４を示す。

Ｌ３は、第３反射面Ｓ３から図６の断面に直交して投射画像の中心を通る中心線Ｇ（図６参照）上における投射画像のスクリーン表面側から見たときの右端（第３の端）に到達する第３の主光線である。Ｌ４は第３反射面Ｓ３から中心線Ｇ上における投射画像のスクリーン表面側から見たときの左端（第４の端）に到達する第４の主光線である。

Ｃは基準軸光線Ｌ０の光路と第３の主光線Ｌ３の光路との交点（第３の交点）であり、Ｄは基準軸光線Ｌ０の光路と第４の主光線Ｌ４との光路の交点（第４の交点）である。Ｐ２は交点Ｃ，Ｄ間の基準軸光線の光路に沿った中点（第２の中点）である。

本実施例では、反射面Ｓ１〜Ｓ４としてローカル座標系のｙ軸に対してのみ対称な回転非対称面を用いている。このため、スクリーン左右方向における対称な２端に到達する主光線Ｌ３，Ｌ４の光路と基準軸光線Ｌ０の光路との交点Ｃ，Ｄは、第２の中点Ｐ２にて一致する。図７には、図６と同じ断面における上記第２の中点Ｐ２の位置を点線丸印で示している。図７に示すように、第１の中点Ｐ１は、最終反射面Ｓ４及び第２の中点Ｐ２よりも、基準軸光線Ｌ０の光路方向における像面側に位置する。

そして、本実施例では、図７に示すように、第１の中点Ｐ１を、最終反射面Ｓ４と第２の導光ミラーＭＵとの間であって、第１の導光ミラーＭと反射面Ｓ３との間のスペースの近傍に配置している。これにより、該スペースを通過して反射光学系Ｒから射出する光束の第１の断面上での径を細くすることができる。したがって、第１の導光ミラーＭ及び屈折光学系ＣＬを、反射面Ｓ３の方向に近づけて配置することができ、反射光学系Ｒのスクリーン法線方向でのサイズを小さくすることができる。

また、第２の中点Ｐ２を、第１の中点Ｐ１よりも物体側に配置された反射面Ｓ３，Ｓ４の間に配置することで、投射画角の大きい第１の断面において、射出瞳位置をスクリーンＳＣから遠ざけることができる。これにより、スクリーンＳＣに対する入射角を小さくすることができ、収差補正を良好に行い易くすることができる。

ここで、図７に示すように、基準軸光線Ｌ０に沿った第１の中点Ｐ１から第２の中点Ｐ２の距離ＬＰは、２４８．２ｍｍである。また、反射光学系Ｒの最終反射面Ｓ４とそれよりも１つ前の反射面Ｓ３との間の面間隔（基準軸光線Ｌ０に沿った距離）ＬＤは１３０．０ｍｍである。このため、ＬＰ／ＬＤの値は１．９である。したがって、条件式（１）を満足している。

さらに、本実施例では、第１の中点（第１の断面での射出瞳）Ｐ１と、第２の中点（上記断面Ｋでの射出瞳）Ｐ２との間に、最終反射面Ｓ４を配置している。

表１〜３には、本実施例の数値例を示す。

また、図１３〜１６には、本実施例におけるスクリーンＳ上での横収差図を示す。各横収差図（１〜２０）とスクリーンＳ上での投射位置との関係は、図１２に示す通りである。なお、光学系の対称性より収差もスクリーンＳ上で左右対称に発生するため、スクリーンＳ上での右側半分についての横収差を図示する。さらに、図１７には、図１３〜１６に示した横収差量を数値で示している。

なお、上記実施例では、最終反射面Ｓ４と第２の導光ミラーＭＵとの間で第１の交点Ａが形成されている場合について説明したが、最終反射面より１つ前の反射面と最終反射面との間で第１の交点が形成されるようにしてもよい。

また、上記実施例では、４つの曲面反射面により構成される反射光学系について説明したが、本発明は、５つ以上の曲面反射面により構成される反射光学系を用いる場合にも適用することができる。

また、実施例では、４つ又は５つの曲面反射面により構成される反射光学系について説明したが、本発明は、３つ又は６つ以上の曲面反射面により構成される反射光学系を用いる場合にも適用することができる。

また、上記実施例では、リアプロジェクションタイプの画像投射装置について説明したが、本発明は、フロントプロジェクションタイプの画像投射装置にも適用することができる。

さらに、上記実施例では、原画像を形成する画像形成素子で変調された光をスクリーンに投射することで画像を表示する画像投射装置について説明した。しかし、本発明は、これに限らず、光源からスクリーンに投射される光線を走査デバイスにより２次元方向に走査してスクリーン上に画像を描画する画像投射装置にも適用することができる。

投射光学系への入射光線が、複数の反射面で順次反射されてスクリーンに斜め投射されている例を示す概略図。 図１の投射光学系において、反射面間のスペースを通過する光線をスクリーン法線方向から見た様子を示す概略図。 本発明の実施例である投射光学系の断面図。 実施例１の投射光学系の拡大断面図。 実施例１の投射光学系の鳥瞰図。 実施例１の投射光学系の断面図であって、主光線のみを示した図。 実施例１の投射光学系の拡大断面図であって、主光線のみを示した図。 実施例１の投射光学系の他の断面図であって、主光線のみを示した図。 実施例で用いる座標系の説明図。 実施例における絶対座標系、基準軸上座標系及びローカル座標系の関係を説明する図。 従来の投射光学系の示す概略図。 実施例１におけるスクリーン上での横収差の測定位置を示す図。 実施例１の横収差図。 実施例１の横収差図。 実施例１の横収差図。 実施例１の横収差図。 実施例１の横収差量を示す表。

符号の説明

Ｌ０ 基準軸光線
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ 主光線
ＳＣ スクリーン
ＬＶ 原画像形成光学系
ＣＬ 屈折光学系
Ｒ 反射光学系
Ｍ，ＭＵ 導光ミラー
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５ 曲面反射面
ＳＴ 絞り

Claims (10)

1. それぞれの反射面で反射された光束の光路が他の反射面で反射された光束の光路と交差するように物体からの光束を順次反射する第１反射面から最終反射面までの曲率を持った複数の反射面を有する反射光学系と、
   該反射光学系からの光束を反射して像面に導く導光反射面とを有し、
   該投射光学系の入射瞳の中心を通り前記反射光学系及び前記導光反射面を介して前記像面上の投射像の中心に到達する光線を基準軸光線とするとき、該基準軸光線は前記像面に対して斜めに入射し、
   前記第１反射面から前記投射像の中心までの前記基準軸光線の光路を含む第１の断面において、前記投射像の第１の端に到達する主光線を第１の主光線とし、前記投射像の第２の端に前記第１の主光線よりも前記像面の法線に対して大きな角度で到達する主光線を第２の主光線とするとき、
   前記複数の反射面のうち前記最終反射面よりも１つ前の反射面から前記導光反射面に至る前記第１の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第１の交点で交差し、
   前記複数の反射面のうち前記最終反射面よりも１つ前の反射面から前記導光反射面に至る前記第２の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第２の交点で交差し、
   前記投射像における前記第１の断面に直交して前記投射像の中心を通る中心線上での第３の端に到達する主光線を第３の主光線とし、第４の端に到達する主光線を第４の主光線とするとき、前記複数の反射面のうち前記光束を順に反射する２つの反射面間において、前記第３の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第３の交点で交差し、前記第４の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第４の交点で交差し、
   前記第１及び第２の交点間の前記基準軸光線の光路に沿った中点を第１の中点とし、前記第３及び第４の交点間の前記基準軸光線の光路に沿った中点を第２の中点とするとき、
   前記第１の断面における前記基準軸光線の光路上において、前記第１の中点は前記最終反射面と前記導光反射面との間に位置し、
   かつ以下の条件を満足することを特徴とする投射光学系。
   ０．５≦ＬＰ／ＬＤ
   ただし、ＬＰは前記第１及び第２の中点間の前記基準軸光線の光路に沿った距離であり、ＬＤは前記最終反射面と該最終反射面より１つ前の反射面との間の前記基準軸光線の光路に沿った距離である。
2. 前記第１の中点は、前記導光反射面に対してよりも前記最終反射面に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の投射光学系。
3. それぞれの反射面で反射された光束の光路が他の反射面で反射された光束の光路と交差するように物体からの光束を順次反射する第１反射面から最終反射面までの曲率を持った複数の反射面を有する反射光学系を備え、前記最終反射面で反射された光束を他の反射面を介さずに被投射面に導く投射光学系であって、
   該投射光学系の入射瞳の中心を通り前記反射光学系を介して前記被投射面上の投射像の中心に到達する光線を基準軸光線とするとき、該基準軸光線は前記被投射面に対して斜めに入射し、
   前記第１反射面から前記投射像の中心までの前記基準軸光線の光路を含む第１の断面において、前記投射像の第１の端に到達する主光線を第１の主光線とし、前記投射像の第２の端に前記第１の主光線よりも前記像面の法線に対して大きな角度で到達する主光線を第２の主光線とするとき、
   前記複数の反射面のうち前記最終反射面よりも１つ前の反射面から前記被投射面に至る前記第１の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第１の交点で交差し、
   前記複数の反射面のうち前記最終反射面よりも１つ前の反射面から前記被投射面に至る前記第２の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第２の交点で交差し、
   前記投射像における前記第１の断面に直交して前記投射像の中心を通る中心線上での第３の端に到達する主光線を第３の主光線とし、第４の端に到達する主光線を第４の主光線とするとき、前記複数の反射面のうち前記光束を順に反射する２つの反射面間において、前記第３の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第３の交点で交差し、前記第４の主光線の光路と前記基準軸光線の光路とが第４の交点で交差し、
   前記第１及び第２の交点間の前記基準軸光線の光路に沿った中点を第１の中点とし、前記第３及び第４の交点間の前記基準軸光線の光路に沿った中点を第２の中点とするとき、
   前記第１の断面における前記基準軸光線の光路上において、前記第１の中点は前記最終反射面と前記被投射面との間に位置し、
   かつ以下の条件を満足することを特徴とする投射光学系。
   ０．５≦ＬＰ／ＬＤ
   ただし、ＬＰは前記第１及び第２の中点間の前記基準軸光線の光路に沿った距離であり、ＬＤは前記最終反射面と該最終反射面より１つ前の反射面との間の前記基準軸光線の光路に沿った距離である。
4. 前記第１の中点は、前記第２の中点よりも前記基準軸光線の光路の方向において像面側に位置することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の投射光学系。
5. 前記複数の反射面は、４つ以上の反射面により構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の投射光学系。
6. 前記第２の中点は、前記複数の反射面のうち前記最終反射面と物体側から３番目の反射面との間に位置することを特徴とする請求項５に記載の投射光学系。
7. 前記反射光学系内において、前記基準軸光線の光路の方向における前記第１の交点よりも物体側に前記物体の中間像が形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の投射光学系。
8. 前記第１の交点は前記反射光学系内に位置し、前記第２の交点は前記反射光学系外に位置することを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の投射光学系。
9. 請求項１から８のいずれか１つに記載の投射光学系を介して画像を投射することを特徴とする画像投射装置。
10. 請求項９に記載の画像投射装置と、
    該画像投射装置に画像信号を供給する画像供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。