JP2009204846A - 投射光学系・画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プロジェクタ本体（スクリーンを除くレンズ系と反射面）のコンパクト化及び設置安定性を得ることができるとともに、フロントプロとリアプロの両方に利用でき、コストメリットを十分に享受できる投射光学系を提供する。
【解決手段】投射光学系１は、一方の共役面を含むプロジェクタ本体２と、他方の共役面としてのスクリーン１０５を有している。プロジェクタ本体２には、画像形成素子１０１、第１光学系１０２、第２光学系を構成する反射面１０３、１０４が設けられている。反射面１０３は正のパワーを持った反射面であり、スクリーン１０５上に投影された画像の中心からの法線１０７は、第１光学系、第２光学系、及び第１光学系と第２光学系の間のいずれの空間にも交差せず、前記画像の上下方向と、法線１０７の延びる方向とによって規定される平面をＹＺ平面としたときに、第１光学系から光束が射出してから前記他方の共役面に入射するまでに、光束がＹＺ平面上で１回のみ交差する。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像形成素子からの光を被投射面に投射する投射光学系、該投射光学系を有する画像表示装置に関する。

特許文献１には、レンズ系と１面の凹面ミラーからなる投射光学系を備えた投射型表示装置が開示されている。凹面ミラーはレンズ系の光軸の下方に大きく出っ張る状態に配置されている。
特許文献２には、レンズ系とミラー系の間の光路に最終ミラーからの投射光を交差させ、被投射画面（スクリーン）をレンズ系の光軸に略平行に配置して、スクリーンを含めた装置全体の薄型化を図った背面投射型（リアプロジェクション型；以下、単に「リアプロ」と略す）の画像投影装置が開示されている。

特開２００６−２３５５１６号公報 特開２００７−２２５７７６号公報 特開２００４−３０９７６５号公報 特開２００７−０７９５２４号公報

特許文献１に開示された投射光学系では、凹面ミラーがレンズ系の光軸よりも下方に大きく出っ張るため、フロントプロジェクション型（以下、単に「フロントプロ」と略す）に適用した場合、投射装置（スクリーンを除くプロジェクタ本体）を構成したときに、凹面ミラーの下端を基準に筐体の底面が規定されるために投射装置の底上げがなされ、装置高さが大きくなるとともに、光軸が装置筐体上方に位置することによって装置重心が高くなり、プロジェクタ本体の設置面（セット面）に対する不安定さを避けられない。
特許文献３、４に開示された投影装置においても同様なことが言える。

特許文献２に開示された投影装置は、投射光学系ユニットＰＵとスクリーンとを含めた装置全体のスクリーン厚み方向の幅を小さくする目的の下、薄型化を実現している。
しかしながら、投射光学系ユニットＰＵはリアプロとして最適化されているために、投射光学系ユニットＰＵをそのままフロントプロに適用することはできない。
フロントプロに適用する場合、折り返しミラー等で観察する側から投射画像を観察できるように投射光学系内を折り返す構成が考えられるが、スクリーン以外の投射光学系を筐体内に収容したプロジェクタ本体ではコンパクト化が阻害されるとともに、コスト上昇を避けられない。

本発明は、フロントプロに適用した場合のプロジェクタ本体のコンパクト化及び設置安定性を得ることができるとともに、プロジェクタ本体をその最適化仕様を変えずにフロントプロとリアプロの両方に利用でき、その共用モジュール化によるコストメリットを十分に享受できる投射光学系、該投射光学系を有する画像表示装置の提供を、その主な目的とする。

本発明は、上述のように、型式別に装置全体の小型化を図るよりも、スクリーンを除く部分（プロジェクタ本体）のコンパクト化を図るとともに、それを両型式に共用するようにした方がコストメリットは大きいという視点の下、創案されたものである。なお、本発明に係る「投射光学系」は、スクリーンを含んだものを指し、コンパクト化、設置安定性等の対象はスクリーンを除く部分（レンズ系と反射面）である。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明では、一方の共役面から射出した複数の光束を、他方の共役面に入射させて該他方の共役面上に前記一方の共役面で形成された画像を投影可能な投射光学系において、レンズを有する第１光学系と、屈折力を有する反射面を少なくとも２面有した第２光学系と、を有し、前記他方の共役面上に投影された画像の中心からの前記他方の共役面の法線が、第１光学系、第２光学系、及び第１光学系と第２光学系の間のいずれの空間にも交差しない光学系であって、前記他方の共役面上に投影された画像の上下方向と、前記法線の延びる方向とによって規定される平面をＹＺ平面としたときに、
第１光学系から光束が射出してから前記他方の共役面に入射するまでに、光束がＹＺ平面上で１回のみ交差することを特徴とする。

請求項２記載の発明では、請求項１に記載の投射光学系において、第２光学系の第１光学系に対応する反射面は正のパワーを持った反射面であることを特徴とする。
請求項３記載の発明では、請求項１又は２に記載の投射光学系において、前記ＹＺ平面上における第１光学系の最も第２光学系寄りのレンズの光軸の延長線から、第２光学系の第１光学系に対応する反射面の有効径の高さをＨ_１、前記ＹＺ平面上における前記光軸の延長線から、第２光学系の前記他方の共役面に対応する反射面の有効径の高さをＨ_２、としたときに、｜Ｈ_１｜＞｜Ｈ_２｜を満たすことを特徴とする。

請求項４記載の発明では、請求項３に記載の投射光学系において、第２光学系の前記他方の共役面に対応する反射面は、第１光学系の前記画像の上下方向における略下端ラインと前記光軸との間に配置されることを特徴とする。
請求項５記載の発明では、請求項１〜４のいずれか１つに記載の投射光学系において、第１光学系と第２光学系の間に、前記複数の光束が略収束化された前記一方の共役面の中間像を有することを特徴とする。
請求項６記載の発明では、請求項５に記載の投射光学系において、第２光学系の前記他方の共役面に対応する反射面は、前記他方の共役面へ向かう光束の射出瞳位置の近傍に配置されていることを特徴とする。

請求項７記載の発明では、請求項１〜６のいずれか１つに記載の投射光学系において、第１光学系は共軸光学系であることを特徴とする。
請求項８記載の発明では、請求項１〜７のいずれか１つに記載の投射光学系において、第２光学系の第１光学系に対応する反射面は、アナモフィックな自由曲面形状であることを特徴とする。
請求項９記載の発明では、請求項１〜８のいずれか１つに記載の投射光学系において、第２光学系の共役面Ｂ側の反射面は、アナモフィックな自由曲面形状であることを特徴とする。

請求項１０記載の発明では、請求項１〜９のいずれか１つに記載の投射光学系において、第２光学系の反射面のうち少なくとも１つは、移動可能に設けられていることを特徴とする。
請求項１１記載の発明では、請求項１０に記載の投射光学系において、前記移動可能な反射面は、第１光学系に対応した反射面であることを特徴とする。
請求項１２記載の発明では、請求項１１記載の投射光学系において、第１光学系に対応した反射面が前記画像の上下方向に回動可能に又はスライド可能に設けられ、第１光学系と第２光学系を収容する筐体が第１光学系の前記上下方向の高さに対応した直方体状に形成され、第１光学系に対応した反射面は、前記筐体から突出する使用位置と、前記筐体内に収容される退避位置とに選択的に設定されることを特徴とする。

請求項１３記載の発明では、請求項１〜９のいずれか１つに記載の投射光学系において、第２光学系の前記他方の共役面に対応する反射面からの光束を折り返しミラーで折り返し、前記法線が延びる方向における第２光学系側に前記他方の共役面を設けたことを特徴とする。
請求項１４記載の発明では、請求項１３に記載の投射光学系において、第１光学系の光路を折り曲げミラーで折り曲げ、前記法線が延びる方向の幅を短くしたことを特徴とする。
請求項１５記載の発明では、少なくとも１枚以上の画像形成素子と、前記画像形成素子により変調された光画像信号を拡大もしくは縮小する投射光学系を有する画像表示装置において、前記投射光学系が請求項１〜１４のいずれか１つに記載の投射光学系であることを特徴とする。

本発明によれば、フロントプロにおけるスクリーンを除くレンズ系と反射面を含むプロジェクタ本体のコンパクト化、設置安定性、可搬性、取扱い性を向上させることができるとともに、プロジェクタ本体の両型式への共用による製造コストのメリットを享受できる。
レンズ系と反射面の間隔を有効利用できるため、全体の占有体積が小さくなり、コンパクトにできる。
第１光学系と第２光学系の間に中間像を作ることによって、中間像では各画角の光束が分離しているため、その直後の第２光学系、特に第２光学系の第１光学系側の正のパワーを持った反射面で、広角な光学系で発生しやすいディストーションや像面湾曲を補正しやすくなる。
射出瞳近傍は全光線が狭い位置で集まっているため、そこに反射面を配置すると、その反射面面積を小さくでき、システムのコンパクト化、コストダウンを図ることができる。

複数のレンズを含む第１光学系が偏心のない共軸光学系であることにより、レンズ組み付け時に組み付けやすいだけでなく、レンズ単体も共軸であるために製造しやすい。
第２光学系の反射面がアナモフィックな自由曲面であることにより、設計自由度が上がり解像性能を上げることができる。特に、Ｘ方向とＹ方向の曲面のパワーを変えることができるため、サジタル方向とメリジオナル方向で結像位置が変化してしまう非点収差の補正に効果的である。
第２光学系の反射面を移動可能としたことにより、例えば非投射時に出っ張った反射面を光軸方向や第１光学系の方向に畳んだり動かすことができるため、装置を移動する際や収納する際、装置がコンパクトになる。

以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。まず、図１乃至図３に基づいて第１の実施形態を説明する。
本実施形態に係るフロントプロの投射光学系１は、一方の共役面を含むプロジェクタ本体２と、他方の共役面をなすスクリーン１０５を有している。
プロジェクタ本体２は筐体１１０を有し、筐体１１０には、画像形成素子１０１、複数のレンズを有する第１光学系１０２、第２光学系１１２が収容されている。
第２光学系１１２は、正のパワーを持ち第１光学系１０２に対応する反射面１０３と、パワーを有してスクリーン１０５に対応する反射面１０４とからなる。反射面１０３と反射面１０４はいずれもアナモフィックな自由曲面形状を有している。
「第１光学系に対応する反射面」とは、第１光学系から射出した光線が先に入射する反射面のことであり、「スクリーン（共役面）に対応する反射面」とは、第１光学系に対応する反射面から反射した光線が入射し、共役面方向に反射させる反射面のことである。

一方の共役面（以下「共役面Ａ」ともいう）としての筐体１１０内に配置された画像形成素子１０１から射出した光束が、他方の共役面（以下「共役面Ｂ」ともいう）としてのスクリーン１０５で解像性能や歪などの所望の投射性能を満足するように光学系全体で最適化設計されている。つまり、第１光学系１０２と第２光学系１１２が一体となって最適化設計されている。
もちろん、第１光学系１０２はレンズだけでなくパワーを持つ反射面を含んだ光学系でも良く、パワーを持たない反射面で光路を折り返しても良い。また、図１では第１光学系１０２は３つのレンズで模式的に記載しているが、３つのレンズで構成される光学系に限定されるものではない。
第２光学系１１２の共役面Ｂに対応する反射面１０４は図１では正のパワーを持った凹面反射面で記載されているが、光学系全体で最適化設計を行い所望の投射性能を満たす時には凹面でも凸面でもありうるため、凹面反射面に限定されるものではない。

共役面Ａ上に配置された画像形成素子１０１から射出した光束は、第１光学系１０２を通過し、第１光学系１０２から射出し、第２光学系１１２の第１光学系に対応する凹面の反射面１０３に入射する。
反射面１０３から正のパワーを受けて射出した光束は、ＹＺ平面上で第１光学系１０２の光軸１０６に対し、第２光学系１１２の第１光学系に対応する反射面１０３と反対側の空間に配置された共役面Ｂに対応する反射面１０４に入射する。
反射面１０３が正のパワーを持っているため、入射光に対し射出光は収束化される。このため、共役面Ｂに対応する反射面１０４のサイズが大きくならずコンパクトなものにできる。
共役面Ｂに対応する反射面１０４を射出した光束は、スクリーン１０５に到達するまでに、ＹＺ平面上でそれまでに至った光路と１回のみ交差し、スクリーン１０５上で結像する。

ここで、「ＹＺ平面」とは、共役面Ｂ上に投影された画像の上下方向と、共役面Ｂ上に投影された画像の中心からの法線１０７の延びる方向とによって規定される平面であり、図１の紙面の平面である。
換言すれば、スクリーン１０５上の投影画像の中心と、第１光学系１０２の最も口径が大きいレンズの光軸１０６で定義される平面である。
「光束がＹＺ平面上で交差する」とは、投射光学系全光束をＹＺ平面に投影したときに交差する、という意味である。
上記のように共役面Ｂに対応する第２光学系の反射面１０４を射出した光束が、ＹＺ平面上でそれまでに至った光路と１回のみ交差することにより、投射光学系の内部の空間を結像に必須な所望の空間（投射性能を満足するために必要な空間）として有効利用することができるため、物体から結像面までの結像システムが占有する空間を有効利用できる。
このことにより、結像システム、投射システム、投射装置としてコンパクトにすることができる。

因みに、複数回交差する場合、特許文献３のように３面以上の反射面が必要となる。この場合、コストが高く、製造上の位置精度が厳しいミラーが３枚以上必要となるため、交差する回数は１回のみがよい。
交差回数が多いとフレア光が共役面Ｂに到達する確率が高くなって画質劣化が懸念されるため、この観点からも１回のみの交差方式は有利である。
また、共役面Ｂ上のスクリーン１０５の中心を通る共役面Ｂの法線１０７がスクリーン以外の投射光学系と交差しないように、光学系全体が配置されている。このことにより、例えば図１の右側から人などがスクリーンに投射された投影画像を観察する際にスクリーン以外の投射光学系が邪魔になりにくい。そのことにより、例えばスクリーン以外の投射光学系をひとつの筐体に収容したプロジェクタ本体２にて、図１の右側から観察する場合、プロジェクタ本体２体が邪魔することなく、観察することができる。すなわち、本光学系はフロントプロの投影装置に採用するのに適している。
特に、本実施形態、後に示す第２の実施形態、および第３の実施形態は、スクリーン１０５を通る共役面Ｂの下端からの法線も、スクリーン以外の投射光学系と交差しないように、光学系全体が配置されている。
このことにより、スクリーンに投射された投射画像を観察する際に投射光学系が邪魔になりにくいという効果がより顕著に発揮される。

図２、図３に基づいて、第２光学系１１２の反射面１０３、１０４の配置位置関係を詳細に説明する。
ＹＺ平面において、第１光学系１０２の最も口径の大きいレンズ１０２ａの光軸１０６を基準に、第１光学系１０２に対応する反射面１０３の有効径の光軸１０６からの最大高さをＨ_１、共役面Ｂに対応する反射面１０４の有効径の光軸１０６からの最大高さをＨ_２とし、Ｈ_１の絶対値｜Ｈ_１｜よりもＨ_２の絶対値｜Ｈ_２｜を小さくすることによって、第２光学系１１２の共役面Ｂに対応する反射面１０４がより光軸１０６に近い位置に配置され、光軸１０６に対しスクリーン１０５と反対の空間（図２における光軸１０６より下側）での光学系の空間占有箇所が小さくなる。
このことにより、図３（ａ）に示すように、スクリーン１０５を除く投射光学系（レンズ系と反射面）を装置（プロジェクタ本体２）としたときに、その厚みは、｜Ｈ_１｜＜｜Ｈ_２｜としたとき（図３（ｂ））の厚み、特許文献１の実施例で示されている光学系（図３（ｃ））での厚みと比べて、上部に出っ張りはあるもののコンパクトになる。

すなわち、図３（ｂ）に示されているような｜Ｈ_１｜＜｜Ｈ_２｜のときの装置の厚みＴ_２、図３（ｃ）に示されているような特許文献１の実施例の装置の厚みＴ_３に対し、本実施形態に係る投射光学系では、装置上部がＴ_１’として一部出っ張るものの、装置の厚みはＴ_１と薄くコンパクトにできる。
また、図３（ｂ）、（ｃ）に示す構成では、光軸の位置が筐体底面から上方に位置するため、重心が高くなり、設置時に不安定となる懸念がある。
これに対して、本実施形態に係るプロジェクタ本体２は、光軸の位置が筐体の底面側に位置して低重心となり、設置安定性を確保することができる。
筐体１１０の底面は、第１光学系１０２の、スクリーン１０５上の画像の上下方向における略下端ラインを基準にして無駄なスペースが生じないように設定されており、第２光学系１１２の反射面１０４は、筐体１１０の底面近傍に配置されている。

図４及び図５に基づいて第２の実施形態を説明する。なお、上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、特に必要がない限り既にした構成上及び機能上の説明は省略して要部のみ説明する（以下の他の実施形態において同じ）。
図４は本実施形態に係る画像表示装置４００の全体図、図５は図４においてスクリーン４０５を除いた部分の拡大図である。
透過型液晶パネルや反射型液晶パネル、ＤＭＤに代表される画像形成素子４０１を射出した光束はレンズのみで形成された共軸光学系の第１光学系４０２に入射する。
ここでは、第１光学系４０２はレンズのみで構成されているが、反射面や回折面などを用いて光路を折りたたむ等の手段があってもよく、所望の結像性能を満たすのであれば特に問題とならない。また、第１光学系４０２は共軸光学系としているが、上記実施形態と同様、所望の結像性能を満たすのであれば非共軸光学系でも特に問題とならない。
第１光学系４０２を射出した光束は第１光学系４０２のみによって共役面Ａ上の画像形成素子４０１の中間像４０７を形成する。中間像４０７は画像形成素子４０１に対し若干拡大されている。

この中間像４０７を第２光学系４１０の２枚の反射面、第１光学系に対応する正のパワーを持った反射面４０３と、共役面Ｂ、すなわちスクリーン４０５に対応する反射面４０４で拡大投射している。
中間像４０７は最終的にスクリーン４０５で所望の結像性能が得られていればいいので、中間像自身の解像性能は特に問題とならない。中間像４０７にて略収束化された光束は再び発散し、第２光学系の正のパワーを持った反射面４０３に入射する。そこで正のパワーを受けた光束は、全体の有効光束幅が小さくなりながら、共軸光学系である第１光学系の光軸４０６を通過し、第２光学系の反射面４０４に入射する。反射面４０４でパワーを受けた光束は投射光学系の内部のこれまでに至った光束と１回交差（交差部４０９）し、共役面Ｂ上のスクリーン４０５に投射されている。

中間像を一旦得る光学系の特異な効果として、第２光学系からスクリーンへ至る光路でいわゆる「射出瞳」に相当する光束が一旦集まる箇所４０８があり、この近傍に第２光学系の共役面Ｂに対応する反射面４０４を配置することで、そのサイズを小さくすることができる。
中間像を一旦得る光学系においては、中間像を形成しない従来の光学系と比較すると格段に光束を交差させやすい。
補足すると、本発明は、画像形成素子などの物体をシフトさせ（第１光学系の光軸からずらし）、斜め方向に投射する場合で、第２光学系の大きさが、第１光学系の有効径より大きい投射光学系の場合に特に有効である。
このような投射光学系であると、本発明の第２光学系の共役面Ｂに対応する反射面がない場合は、第２光学系がシフトしている側（側面Ｃとする：図示せず）に対して反対側（側面Ｄとする：図示せず）側に投射光束が進み投射画像を形成するが、本発明の第２光学系の共役面Ｂに対応する反射面により光路を折り曲げられ、さらに、その光束がそれまでに至った光路を１回のみ交差して上記側面Ｃ側に投射することにより、第２光学系がシフトしている側の空間を有効利用できることになる。
したがって、より小型の投射光学系、投射光学装置を実現できる。

図６に基づいて第３の実施形態（中間像を形成しない例）を説明する。
本実施形態に係る画像表示装置のプロジェクタ本体２の第２光学系１１２における共役面Ｂに対応する反射面１０４'は、負のパワーを持った凸面反射面である。
勿論、光学系全体で最適化設計を行い所望の投射性能を満たす時には凹面でも凸面でもありうるため、凸面反射面に限定されるものではない。
図１に示した構成は中間像を第１光学系と第２光学系の間に形成する構成で、中間像をスクリーン上で再び結像させるには第２光学系で大きな正のパワーが必要なため、共役面Ｂに対応する反射面１０４も正のパワーを持つ反射面、つまり凹面になりやすいが、本実施形態では中間像を持たない構成で、スクリーン上で大きく拡大投影するために共役面Ｂに対応する反射面１０４'は光線を発散させる負のパワー、つまり凸面になりやすい。

図７に第４の実施形態を示す。
本実施形態に係る投射光学系におけるプロジェクタ本体３は、図１等で示した筐体１１０に比べて外面に凹凸を有しない直方体状の筐体６１０を有しており、筐体６１０内に画像形成素子１０１、第１光学系１０２、第２光学系１１２が外部に出っ張ることなく収容されている。
筐体６１０は第１光学系１０２のスクリーン１０５上の画像の上下方向の高さに対応した直方体状に形成されている。すなわち、筐体６１０の上下方向の高さは、第１光学系１０２を無駄なスペースが存在しない状態で収容する必要最小限の高さに設定されており、コンパクト化を実現している。
第２光学系１１２の第１光学系１０２に対応する反射面１０３は、下端側を軸支されてスクリーン１０５に形成される画像の上下方向に回動可能に設けられている。
筐体６１０の反射面１０３に対応する上面は開口されており（その他の上面は透光性部材で閉塞）、使用する際には、実線で示す退避位置（収納位置）から二点鎖線で示す使用位置に引き上げて設定され、図示しないストッパにより位置決めされる。
不使用時（非投射時）には実線で示す位置に収納され、上記開口部を塞ぐ側板を兼ねる。
因みに、図３（ｃ）に示す従来構成においてこのようなプロジェクタ本体のコンパクト化を試みようとした場合、反射面１０３は筐体６１０の底面側に突出することになるので適用できない。

反射面１０３の駆動は、手動、自動のいずれでもよい。モータやソレノイド等のアクチュエータを駆動源として自動化すれば、特にプロジェクタ本体２を天井面等に設置する使用レイアウトにおいて、リモコン操作により反射面１０３を容易に駆動でき、使用性に優れる。
図示しないが、さらに、筐体６１０を分割構成とし、第２光学系１１２側をガイドレール構成等を介して第１光学系１０２側に対して摺動自在とし、不使用時には押し込んで光軸方向の装置幅を短くする構成としてもよい。このようにすればかさばらず、可搬性、取扱い性を一層向上させることができる。
反射面１０３とは別に上記開口部を開閉する蓋を光軸方向にスライド自在に設け、不使用時に筐体１１０内にゴミ等が侵入しないようにしてもよい。

図８に第５の実施形態を示す。
本実施形態に係る投射光学系におけるプロジェクタ本体４は、直方体状の筐体７１０を有しており、筐体７１０内に画像形成素子１０１、第１光学系１０２、第２光学系１１２が外部に出っ張ることなく収容されている。
第２光学系１１２の第１光学系１０２に対応する反射面１０３は、スクリーン１０５に形成される画像の上下方向にスライド自在に設けられている。
筐体７１０の反射面１０３に対応する上面は上記反射面１０３のスライドを許容する寸法に開口されており（その他の上面は透光性部材で閉塞）、使用する際には、実線で示す退避位置（収納位置）から二点鎖線で示す使用位置に引き上げて設定され、図示しないストッパにより位置決めされる。
筐体７１０のその他の付加構成については、第４の実施形態と同様に実施できる。
上記実施形態では、反射面１０３の回動とスライドを別々に説明したが、もちろん同時に行うような機構を設けてもよい。

図９に第６の実施形態を示す。
上記各実施形態ではフロントプロへの適用例を示したが、本発明はプロジェクタ本体の最適化を変えずにリアプロ（背面投射型）にもそのまま利用することができる。
図１に示した構成をそのままリアプロとして実施できるが、ここでは、さらに装置全体のコンパクト化を図った構成を例示する。
画像形成素子１０１から射出した光束は、複数のレンズを有する第１光学系内で、装置全体の厚み（Ｚ方向）を薄くするために第１光学系内に配置された光路折り曲げミラー１２０によって光路を曲げられ、第２光学系に入射する。
ここで光路折り曲げミラー１２０の配置箇所は第１光学系内であるが、第１光学系と第２光学系の間でも良く、また画像形成素子１０１と第１光学系の間でも良く、限定されるものではない。また折り曲げ回数も１回でなくともよい。同図では光路を紙面垂直方向（Ｘ方向）からＺ方向に約９０度折り曲げているが、９０度でなくともよい。もちろん折り曲げなくとも良い。

第２光学系に入射し、２枚の曲面ミラー（反射面１０３、１０４）で反射された光束は、第２光学系を射出し、ＹＺ平面上でそれまでに至った光路と１回のみ交差する。そして交差した投射光は筐体８１０の背面（図の左方向）に配置された平面鏡からなる投射光折り返しミラー１２１によって反射し、筐体前面（図の右方向）に配置されたスクリーン１０５上で像を結ぶ。
投射光を折り返すことにより、装置全体の厚み（Ｚ方向）を薄くすることができる。

図１０に第７の実施形態（画像表示装置）を示す。
上述した投射光学系を用いて画像表示装置を構成することができる。図１０にその構成例を模式的に示す。
符号１０は光源としてのランプ光源を示している。ランプ光源としては、キセノンランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどを用いることができる。あるいは、ＬＥＤ、ＬＤ、レーザーなどの固体光源を用いてもよい。
光源光はＵＶ成分、ＩＲ成分を含んでいるが、これらはカットフィルタ１１でカットすることによって、光学素子の劣化を抑制することができる。
偏光変換素子１２は、前記光線の偏光特性を直線偏光に変換することで、光利用効率を高めることができる。
１対のフライアイレンズアレイ１３、１４によって照明光量分布を均一化することができる。コンデンサレンズ１５によって、ライトバルブを照明する角度、照明領域を調整することができる。

フライアイレンズ１４を射出した光束はダイクロイックミラー１６に至る。ダイクロイックミラー１６は青色波長成分を選択反射して青の照明光路を他色の照明光路と分離する。
ダイクロイックミラー１７は緑色波長成分を選択反射して緑と赤の照明光路を分離する。ダイクロイックミラー１６の反射光は、偏光分離素子１８を反射して、画像形成素子２１を照明する。ダイクロイックミラー１７の反射光は、偏光分離素子１９を反射して、画像形成素子２２を照明する。
ダイクロイックミラー１７の透過光は、偏光分離素子２０を反射して、画像形成素子２３を照明する。ここで示す画像形成素子２１、２２、２３は反射型画像形成素子である。
画像形成素子２１への照明光は画像形成素子２１によって変調され、青色波長成分の画像信号が与えられる。

画像形成素子２２への照明光は画像形成素子２２によって変調され、緑色波長成分の画像信号が与えられる。画像形成素子２３への照明光は画像形成素子２３によって変調され、赤色波長成分の画像信号が与えられる。
画像形成素子２１によって変調された反射光は、偏光分離素子１８を透過して、クロスプリズム２４によって他色の反射光と合成される。画像形成素子２２によって変調された反射光は、偏光分離素子１９を透過して、クロスプリズム２４によって他色の反射光と合成される。
画像形成素子２３によって変調された反射光は、偏光分離素子２０を透過して、クロスプリズム２４によって他色の反射光と合成される。クロスプリズム２４によって合成された反射光は、投射光学系本体部２５に入射し、投射光学系本体部２５によってスクリーン２６に到達し、スクリーン２６上に画像形成素子の像を結ぶ。
投射光学系本体部２５とスクリーン２６からなる投射光学系２７として、上述した各実施形態における投射光学系を用いることができる。

上記の構成例によって、３板式の拡大画像表示装置を構成することができる。本発明による投射光学系を用いることによって、すでに説明した効果が得られる。
なお、透過型のライトバルブ素子を用いた画像表示装置においても、本発明に記載の投射光学系はなんらの問題なく適用することができる。
あるいは、１枚のライトバルブ素子でフィールドシーケンシャルに画像を表示させる画像表示装置においても、本発明に記載の投射光学系を適用することができる。

［数値実施例］
実際の投射光学系の設計例である数値実施例（図５の構成に対応）を以下に示す。
表１に投射光学系の面番号、曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数の数値実施例を示す。
表１において非球面を※１に○印で示す。第２４、２５、３１、３２面は回転対称非球面であり、第３４、３５面はアナモフィックな多項式自由曲面である。
表１において反射面を※２に○印で示す。すなわち第３４、３５面はミラーである。
物体から第８面までの間には、クロスプリズムや偏光ビームスプリッタが設けられる場合と等価な光路長が与えられている。

回転対称非球面は周知のとおり、Ｚを光軸方向のデプス、ｃを近軸曲率半径、ｒを光軸からの光軸直交方向の距離、ｋを円錐係数、Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・等を高次の非球面係数とすると、
Ｚ＝ｃ・ｒ^２／［１＋√｛１−（１＋ｋ）ｃ^２ｒ^２｝］＋Ａｒ^４＋Ｂｒ^６＋Ｃｒ^８・・・
という非球面式となり、ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ・・・の値を与えて形状を特定する。
アナモフィックな多項式自由曲面は、投射画像を基準として、短軸方向をＹ方向、長軸方向をＸ方向、曲面のデプスをＺ方向、「Ｘ２、Ｙ２、Ｘ２Ｙ、Ｙ３、Ｘ２Ｙ２など」を係数として、
Ｚ＝Ｘ２・ｘ^２＋Ｙ２・ｙ^２＋Ｘ２Ｙ・ｘ^２ｙ＋Ｙ３・ｙ^３＋Ｘ４・ｘ^４＋Ｘ２Ｙ２・ｘ^２ｙ^２＋Ｙ４・ｙ^４＋Ｘ４Ｙ・ｘ^４ｙ＋Ｘ２Ｙ３・ｘ^２ｙ^３＋Ｙ５・ｙ^５＋Ｘ６・ｘ^６＋Ｘ４Ｙ２・ｘ^４ｙ^２＋Ｘ２Ｙ４・ｘ^２ｙ^４＋Ｙ６・ｙ^６＋・・
で表される形状である。

表２〜５に非球面係数を示す。表６には、回転対称非球面式における係数の次数と係数記号の関係をまとめた。

表７、８に、それぞれ第３４、３５面の自由曲面係数を示す。表９、１０に、それぞれ第３４、３５面の偏心量を示す。

本実施例における光学系の物体側の開口数（ＮＡ）は０．２１である。
本実施例において、画像形成素子の位置は、その中心と第１光学系の光軸がＹ方向に−６．３７ｍｍずれて配置されている。
本実施例における画像形成素子のサイズは対角０．６１インチであり、スクリーンサイズは対角１００インチであるため、その投射倍率は約１６４倍である。
本実施例におけるスクリーン面上でのスポットダイアグラムを図１１に示す。
図１１と共役面Ａから射出する光束の画像形成素子上の位置の対応図を、図１２に示す。図１２においては、ＸＹ面上にある画像形成素子上の物点のうち、Ｘ≦０のエリアについて、Ｘ方向に３等分割、Ｙ方向に３等分割して得られる９個の格子点を示している。
これらの格子点を（１）〜（９）（図面上では番号を丸で囲んでいる）で示し、投射光学系によりスクリーンへ到達した光束の収束具合をスポットダイアグラムとして図１１に示している。

図１３に、ＴＶディストーション特性を示す。図１３の各画角の像点は、図１１同様、図１２の格子点の番号に対応している。
ＴＶディストーションは１％以下であり、歪はよく補正されている。
また、スクリーン面と第２光学系の第１光学系側の反射面の最大長は７６９ｍｍである。スクリーン面までの距離は短く、本実施例は、至近距離から高い倍率で拡大投射することができるという性能を実現するものである。

本発明の第１の実施形態に係る投射光学系の概要構成図である。 レンズ系と反射面の配置関係を示す図である。 本発明の投射光学系のコンパクト化を説明するための比較図である。 第２の実施形態に係る投射光学系の概要構成図である。 中間像周辺の拡大図である。 中間像を形成しない第３の実施形態に係る投射光学系の概要構成図である。 第４の実施形態に係る投射光学系の要部構成図である。 第５の実施形態に係る投射光学系の要部構成図である。 第６の実施形態に係るリアプロ投射光学系の概要構成図である。 第７の実施形態に係る画像表示装置の概要構成図である。 実施例におけるスクリーン面上でのスポットダイアグラムを示す図である。 射出光束の画像形成素子上の位置関係を示す対応図である。 ＴＶディストーション特性を示す図である。

符号の説明

１ 投射光学系
２ 一方の共役面としてのプロジェクタ本体
１０２ 第１光学系
１０３、１０４、１０４' 反射面
１０５ 他方の共役面としてのスクリーン
１０６ 光軸
１０７ 法線
１１２ 第２光学系
１２０ 折り曲げミラー
１２１折り返しミラー
４０７ 中間像

Claims (15)

1. 一方の共役面から射出した複数の光束を、他方の共役面に入射させて該他方の共役面上に前記一方の共役面で形成された画像を投影可能な投射光学系において、
   レンズを有する第１光学系と、
   屈折力を有する反射面を少なくとも２面有した第２光学系と、を有し、
   前記他方の共役面上に投影された画像の中心からの前記他方の共役面の法線が、第１光学系、第２光学系、及び第１光学系と第２光学系の間のいずれの空間にも交差しない光学系であって、
   前記他方の共役面上に投影された画像の上下方向と、前記法線の延びる方向とによって規定される平面をＹＺ平面としたときに、
   第１光学系から光束が射出してから前記他方の共役面に入射するまでに、光束がＹＺ平面上で１回のみ交差することを特徴とする投射光学系。
2. 請求項１に記載の投射光学系において、
   第２光学系の第１光学系に対応する反射面は正のパワーを持った反射面であることを特徴とする投射光学系。
3. 請求項１又は２に記載の投射光学系において、
   前記ＹＺ平面上における第１光学系の最も第２光学系寄りのレンズの光軸の延長線から、第２光学系の第１光学系に対応する反射面の有効径の高さをＨ_１、
   前記ＹＺ平面上における前記光軸の延長線から、第２光学系の前記他方の共役面に対応する反射面の有効径の高さをＨ_２、
   としたときに、
   ｜Ｈ_１｜＞｜Ｈ_２｜
   を満たすことを特徴とする投射光学系。
4. 請求項３に記載の投射光学系において、
   第２光学系の前記他方の共役面に対応する反射面は、第１光学系の前記画像の上下方向における略下端ラインと前記光軸との間に配置されることを特徴とする投射光学系。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の投射光学系において、
   第１光学系と第２光学系の間に、前記複数の光束が略収束化された前記一方の共役面の中間像を有することを特徴とする投射光学系。
6. 請求項５に記載の投射光学系において、
   第２光学系の前記他方の共役面に対応する反射面は、前記他方の共役面へ向かう光束の射出瞳位置の近傍に配置されていることを特徴とする投射光学系。
7. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の投射光学系において、
   第１光学系は共軸光学系であることを特徴とする投射光学系。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の投射光学系において、
   第２光学系の第１光学系に対応する反射面は、アナモフィックな自由曲面形状であることを特徴とする投射光学系。
9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の投射光学系において、
   第２光学系の共役面Ｂ側の反射面は、アナモフィックな自由曲面形状であることを特徴とする投射光学系。
10. 請求項１〜９のいずれか１つに記載の投射光学系において、
    第２光学系の反射面のうち少なくとも１つは、移動可能に設けられていることを特徴とする投射光学系。
11. 請求項１０に記載の投射光学系において、
    前記移動可能な反射面は、第１光学系に対応した反射面であることを特徴とする投射光学系。
12. 請求項１１記載の投射光学系において、
    第１光学系に対応した反射面が前記画像の上下方向に回動可能に又はスライド可能に設けられ、第１光学系と第２光学系を収容する筐体が第１光学系の前記上下方向の高さに対応した直方体状に形成され、第１光学系に対応した反射面は、前記筐体から突出する使用位置と、前記筐体内に収容される退避位置とに選択的に設定されることを特徴とする投射光学系。
13. 請求項１〜９のいずれか１つに記載の投射光学系において、
    第２光学系の前記他方の共役面に対応する反射面からの光束を折り返しミラーで折り返し、前記法線が延びる方向における第２光学系側に前記他方の共役面を設けたことを特徴とする投射光学系。
14. 請求項１３に記載の投射光学系において、
    第１光学系の光路を折り曲げミラーで折り曲げ、前記法線が延びる方向の幅を短くしたことを特徴とする投射光学系。
15. 少なくとも１枚以上の画像形成素子と、前記画像形成素子により変調された光画像信号を拡大もしくは縮小する投射光学系を有する画像表示装置において、
    前記投射光学系が請求項１〜１４のいずれか１つに記載の投射光学系であることを特徴とする画像表示装置。

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