JP2010181672A - 投射光学系及び投射型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投射倍率を変更可能な投射光学系であって、幅広い投射倍率の変更に対応できるような投射光学系を提供すること。
【解決手段】投射型画像表示装置１００は、投射光学系１において、拡大投射（基準投射）から縮小投射へ投射倍率を変化させる際に、光束の位置の調整機能をもたせることができる補正レンズ５１を追加することにより、屈折光学部４０から出射された投射光が反射光学部２０に入射する際の光束の位置を調整することができる。そのため、近接投射であってもその結像性能を犠牲にすることなく幅広い投射倍率に対応が可能となり、投射倍率の変更範囲を広くすることができる。すなわち、縮小投射に対応する補正レンズ５１を挿入することによって、基準投射時だけでなく、縮小投射時にも収差の少ない良好な画像をスクリーン１０上に投射することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶パネル等によって形成された画像をスクリーンに投射するための投射光学系及びこの投射光学系を備える投射型画像表示装置に関する。

従来、スクリーンの直前に投射光学系を配置して大画面が得られる、いわゆる近接投射光学系として、複数のレンズからなる屈折光学系と少なくとも１枚の曲面反射ミラーとを用いた投射光学系（例えば、特許文献１及び２参照）が提案されている。

一般的に、明るい室内で高いコントラストが必要な場合、絶対的な明るさが必要となるので、投射距離を短くして投射倍率を下げて画面の明るさを上げる。一方、大画面が必要となる場合、投射距離を長くして大きなスクリーンに投射する。このように１台の投射型画像表示装置で投射距離を変化させて投射倍率を変更するといった使用方法を前提とすると、通常のレンズだけからなる投射光学系の場合、半画角３０度程度であれば、一部のレンズを移動させることによる合焦操作をするだけで容易に幅広く投射倍率を変更することができる。

また、屈折光学系のレンズのみで構成される超広角系のレンズにおいても、投射範囲を広げると収差の発生が大きくなるため、レンズ内の２つ以上のレンズ群を同時に動かすことにより収差を補正するいわゆるフローティング機構などが採用されている（例えば、特許文献３及び４参照）。

特開２００６−２３５５１６号公報 特開２００５−２９２８１３号公報 特開平６−１６０７０６号公報 特開平６−３０８３８６号公報

しかしながら、複数のレンズに加え曲面反射ミラーを用いるような本願発明が対象とする近接投射光学系では、投射距離を変化させることによって投射倍率を変更する場合、像面湾曲や歪曲収差の発生が大きくなる。特に、歪曲収差に関しては、出射瞳位置が画角によって変動してしまういわゆる瞳の収差が大きいために、投射倍率を変更したときの歪曲収差の変動が大きいという欠点がある。
また、変倍範囲を広くとろうとする場合、大きく発生した歪曲収差については、前述のフローティング機構を用いてもレンズの移動だけでは補正が困難であり、投射倍率の変更範囲すなわち使用範囲が限定されるという問題点がある。従って、このような近接投射光学系を狭い室内でフロントプロジェクターとして使用するような製品も出てきているものの、上述のような理由から、投射倍率の変更範囲が限定されてしまうという欠点がある。また、曲面反射ミラーを用いた投射光学系の場合、曲面反射ミラーの配置や移動が制限されるなど、投射倍率の変更が本来的に容易でない。

そこで、本願発明では、投射倍率を変更可能な投射光学系であって、幅広い投射倍率の変更に対応できるような投射光学系を提供することを目的とする。

また、本願発明では、上記投射光学系を備える投射型画像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る投射光学系は、縮小側から順に、複数のレンズ群から構成される屈折光学部と、少なくとも一面の曲面反射面を有する反射光学部とを備えて構成される投射光学系であって、投射倍率を変化させる際に、補正レンズ群が光路上に挿入される。

一般的な画角を有する屈折光学系のレンズの場合、スクリーン側から見ると投射レンズから出射された光束は、略一点の出射瞳位置から出てくるようにみえる。一点から出射された光束は、スクリーン上で長方形に結像するが、その断面、すなわち途中の倍率においても、長方形の形が維持されているため、倍率を変更しても像の歪は生じない。
しかしながら、複数のレンズに加え曲面反射ミラーを用いるような近接光学系では、前述のように出射瞳位置が画角によってずれてしまう。そのため、異なる画角の光束は、異なった位置からスクリーン上に向かうことになり、投射倍率を変化させると、歪曲収差が大きく変動してしまう。変倍したときの異なる画角の出射瞳位置を基準となる倍率と同じになるように修正することにより、歪曲収差の変動を小さくすることが可能となるが、屈折光学系の一部のレンズを移動させることだけでは困難である。そこで、上記投射光学系では、投射倍率を変化させる際に、曲面反射ミラー面にあたる光束の位置を変化させることができる補正レンズ群を追加することにより、屈折光学部から出射された投射光が反射光学部に入射する際の光束の位置を調整することができる。そのため、近接投射であってもその結像性能を犠牲にすることなく幅広い投射倍率に対応が可能となり、投射倍率の変更範囲を広くすることができる。すなわち、必要とする投射倍率調整用の補正レンズ群を挿入することによって、限られた投射倍率の範囲だけでなく、さらに広い投射倍率の範囲に対応可能な投射光学系とすることができる。

本発明の具体的な態様又は側面によれば、上記投射光学系において、縮小投射の場合に、補正レンズ群が光路上に挿入されて投射倍率が基準状態から変化し、基準投射の場合に、補正レンズ群が光路上から退避されて投射倍率が基準状態に戻される。ここで、縮小投射とは、絶対的な意味ではなく、基準投射に比較して投射倍率が相対的に低いことを意味する。この場合、例えば投射距離の減少を伴うことになる補正レンズ群の追加によって投射倍率を減少させ、例えば投射距離の増加を伴うことになる補正レンズ群の除去によって投射倍率を増加させる。この際、投射倍率の減少に応じて発生する収差を補正することができる。

本発明の別の態様では、補正レンズ群は、１枚の単レンズにより構成される。この場合、補正レンズ群の挿入のための機構や補正レンズ群を構成するレンズ等の配置設計を簡易にすることができる。

本発明のさらに別の態様では、補正レンズ群を光路上に進退自在に保持する進退機構をさらに備える。この場合、必要なタイミングで簡易に補正レンズ群を光路上に挿入したり光路上から退避させたりすることができる。

本発明のさらに別の態様では、補正レンズ群は、屈折光学部と反射光学部との間の光路上に挿入される。この場合、屈折光学部と反射光学部との間に補正レンズ群を挿入することにより、屈折光学部内のレンズ構成や配置を独立して保つことができる。そのため、屈折光学部内に補正レンズ群を挿入する場合に比較して、補正レンズ群を投射光学系内に挿入しても屈折光学部の機能を保ちつつ、簡易に投射領域を調整することができる。

本発明のさらに別の態様では、屈折光学部と反射光学部との間の光路上に補正レンズ群を挿入する際に、屈折光学部の少なくとも１つのレンズ群を移動させることにより焦点補正を行なう。この場合、屈折光学部の適切な一部のレンズ群を選択して移動させることにより、焦点補正が可能になるだけでなく補正レンズ群を挿入した際に残存した像面湾曲も同時に補正することができる。

本発明のさらに別の態様では、屈折光学部を構成する複数のレンズ群を移動させる移動機構をさらに備え、移動機構は、屈折光学部の少なくとも１つのレンズ群を補正レンズ群の進退に連動して移動させる。この場合、補正レンズ群の進退に連動させて屈折光学部を構成するレンズ群を移動させることにより、補正レンズ群を挿入した際に残存した像面湾曲を自動的に補正することができる。また、複数のレンズ群を移動させることにより、屈折光学部のレンズ群内おける収差補正範囲が広がるため、補正レンズ群の非挿入時、挿入時のそれぞれにおける変倍範囲を広げることも可能となる。

本発明のさらに別の態様では、屈折光学部と反射光学部との間に挿入される補正レンズ群は、投射倍率を縮小する場合、正のパワーを有するレンズである。この場合、補正レンズの追加によって屈折光学部から出射される光束の広がりを抑えて投射倍率の縮小を無理なく達成できるだけでなく、反射光学部にあたる光束の位置を修正することにより、変倍の際に生じる出射瞳位置を変化させることで、投射倍率の縮小に伴って生ずる収差を抑えることができる。

本発明のさらに別の態様では、補正レンズ群は、樹脂で成形されたレンズである。この場合、焦点等の補正の自由度を高め、収差を低減することができる。

本発明のさらに別の態様では、反射光学部の曲面反射面は、正のパワーを有する非球面凹面形状を有する。

本発明のさらに別の態様では、反射光学部の曲面反射面は、負のパワーを有する非球面凸面形状を有する。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る投射型表示装置は、上述の投射光学系と、屈折光学部の光路前段に設けられた像形成光学部とを備える。

上記投射型画像表示装置では、上述の投射光学系を備えるため、近接投射であってもその結像性能を犠牲にすることなく幅広い投射倍率に対応が可能となり、投射倍率の変更範囲を広くすることができる。

（Ａ）、（Ｂ）は、第１実施形態に係る投射型画像表示装置の要部の構成を説明する図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、図１の投射型画像表示装置によって投射される光線の状態を表す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、図１（Ａ）の投射型画像表示装置の基準投射時における収差を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、図１（Ｂ）の投射型画像表示装置の縮小投射時における収差を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、補正レンズを挿入するが屈折光学部による補正がない場合の縮小投射時における収差を示す図である。 補正レンズを用いない場合の縮小投射時における収差を示す図である。 第１実施形態に係る投射型画像表示装置の構成を説明する概念図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、第２実施形態に係る投射型画像表示装置の要部の構成を説明する図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、図８の光線の状態を表す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、図８（Ａ）の投射型画像表示装置の基準投射時における収差を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、図８（Ｂ）の投射型画像表示装置の縮小投射時における収差を示す図である。

〔第１実施形態〕
以下、図１、図２、及び図７等を参照して、本発明の第１実施形態に係る投射型画像表示装置について説明する。なお、図１（Ａ）及び図２（Ａ）は、投射型画像表示装置の基準投射時の状態を示し、図１（Ｂ）及び図２（Ｂ）は、投射型画像表示装置の縮小投射時の状態を示す。

本実施形態における投射型画像表示装置１００は、投射光学系１と、像形成光学部６０とを備える。図１に示すように、投射光学系１は、投射距離の増減によって投射倍率を変更するタイプの拡大投射光学系であり、像形成光学部６０は、投射光学系１によって拡大投射すべき画像を形成する。なお、像形成光学部６０については、図１及び図２において、その一部であるクロスダイクロイックプリズム６７のみ示し、残りの部分は省略している。

〔１．投射光学系の説明〕
投射光学系１は、物面ＯＳ上の画像をスクリーン１０上に拡大像として投射するため、屈折光学部４０と、反射光学部２０と、補正レンズ群５０と、移動機構７１と、進退機構７２とを備える。この投射光学系１は、図１（Ａ）等に示す基準状態に対応する基準投射時において通常の拡大投射（例えばスクリーンサイズ８０インチ）を行い、図１（Ｂ）等に示す縮小投射時において通常の拡大投射よりも拡大率が相対的に小さい縮小投射（例えばスクリーンサイズ４０インチ）を行う。

投射光学系１のうち屈折光学部４０は、像形成光学部６０の出射側に配置されており、屈折レンズ群である第１、第２、及び第３レンズ群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３で構成される。第１、第２、及び第３レンズ群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３は、像形成光学部６０のある物体側（縮小側）からスクリーン１０のある投射側（拡大側）に向けて順に設けられている。

反射光学部２０は、スクリーン１０の投射側下方の空間に配置された単一の曲面ミラー２１のみで構成されている。曲面ミラー２１は、光軸ＯＡを軸とする回転対称面であって、正のパワーを有する凹の非球面である反射光学面２０ａを有する。曲面ミラー２１は、スクリーン１０の裏面側からすなわち物体側からスクリーン１０の前方に出射された投射光をスクリーン１０の投射面１０ａへ反射させる。

補正レンズ群５０は、図１（Ｂ）に示すように、正のパワーを有する１枚の補正レンズ５１で構成される。この補正レンズ５１は、縮小投射時において、屈折光学部４０と反射光学部２０との間の光路ＯＰ上に挿入される。補正レンズ群５０は、投射距離を減少させて拡大投射（基準投射）から縮小投射に投射倍率を変化させる際に、曲面ミラー２１に入射する位置を調整する機能を有する。

以下、投射光学系１の具体的なレンズ構成等について説明する。投射光学系１は、基準投射時及び縮小投射時において、それぞれ構成レンズ群及びレンズ配置が異なる。

基準投射時において、投射光学系１は、補正レンズ群５０を除いた状態すなわち屈折光学部４０と、反射光学部２０とで構成される。屈折光学部４０は、第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ２と、第３レンズ群Ｇ３と、絞り４５とを備える。以上のうち、第１レンズ群Ｇ１は、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、第４レンズＬ４とで構成される。第２レンズ群Ｇ２は、第５レンズＬ５と、第６レンズＬ６と、第７レンズＬ７とで構成される。第３レンズ群Ｇ３は、第８レンズＬ８と、第９レンズＬ９とで構成される。なお、拡大側の基準投射時において、後述する補正レンズ群５０は光路ＯＰ外に退避されている。

第１レンズ群Ｇ１のレンズＬ１〜Ｌ４は、縮小側である物面ＯＳ側（スクリーン１０下方の物体側）よりも拡大側であるスクリーン１０の下方かつ前方の投射側（図１における右側）に向かって第１レンズＬ１から第４レンズＬ４まで順に配設されている。第２レンズ群Ｇ２のレンズＬ５〜Ｌ７も縮小側から拡大側に向かって順に配置され、第３レンズ群Ｇ３のレンズＬ８，Ｌ９も縮小側から拡大側に向かって順に配置されている。ここで、各レンズＬ１〜Ｌ９の光軸すなわち屈折光学部４０の光軸ＯＡは、スクリーン１０の投射面１０ａに対して垂直に配置されている。絞り４５は、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間に設けられている。

屈折光学部４０の構成レンズのうち、第１レンズＬ１は入射側が凹面で出射側が凸面の非球面レンズである。また、第２レンズＬ２は、両凸レンズであり、第３レンズＬ３は、３枚の正負正レンズを組み合わせた入射側が凸面で出射側が凹面の接合レンズである。また、第４レンズＬ４は、２枚の正負レンズを組み合わせた入射側が凹面で出射側が凸面の接合レンズである。また、第５レンズＬ５及び第７レンズＬ７は、両凸レンズである。また、第６レンズＬ６は、入射側が凹面で出射側が凸面のレンズである。また、第８レンズＬ８は入射側が凸面で出射側が凹面の非球面レンズである。また、第９レンズＬ９は、メニスカスレンズである。なお、基準投射時における各レンズＬ１〜Ｌ９の配置は、図１（Ａ）及び図２（Ａ）に示すように、反射光学部２０の形状、配置との関係でスクリーン１０に最適な拡大投射ができるように調整されている。図１に示すように、第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ２とは移動機構７１に連結されており、それぞれ個々の移動量で光軸ＯＡに沿って光軸ＯＡに平行な方向に移動可能となっている。

屈折光学部４０は、物面ＯＳ側がほぼテレセントリックになるように構成されている。また、屈折光学部４０の前端である第１レンズＬ１と、液晶パネルが配置される物面ＯＳとの間には、３色の像を合成するためのクロスダイクロイックプリズム６７が配置されている。なお、他の２色の液晶パネルを配置すべき物面については、図示を省略しているが、図示の物面ＯＳと等価すなわち共役な配置となっている。図１等において、物面ＯＳ上の各物点からは、物面ＯＳに垂直で光軸ＯＡに平行な主光線を中心として一定の広がりを有する光束が出射し、屈折光学部４０を通過して反射光学部２０等で反射されてスクリーン１０の投射面１０ａ上に投影される。

一方、縮小投射時において、投射光学系１は、補正レンズ群５０を追加した状態すなわち屈折光学部４０と、反射光学部２０と、補正レンズ群５０とで構成される。上述の基準投射時と同様に、屈折光学部４０は、第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ２と、第３レンズ群Ｇ３と、絞り４５とを備える。これらレンズ群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３の構成に変更はない。ただし、縮小投射時における各レンズＬ１〜Ｌ９の配置は、図１（Ｂ）及び図２（Ｂ）に示すように、反射光学部２０の形状、配置との関係でスクリーン１０に最適な投射ができるように調整されている。具体的には、移動機構７１によって第１及び第２レンズ群Ｇ１，Ｇ２が光軸ＯＡ上で相対的に移動する。この際、スクリーン１０が固定されるとするならば、投射型画像表示装置１００の構成要素全体は、スクリーン１０の下方において投射側の方向（Ｂ方向）から物体側の方向（Ａ方向）へ移動することになる。

補正レンズ群５０を構成する補正レンズ５１は、樹脂で成形されたメニスカスレンズである。補正レンズ５１は、進退機構７２に連結されており、この進退機構７２を投射状態に応じて適宜動作させることにより補正レンズ５１を光軸ＯＡに対して垂直な方向に移動させることができ、光路ＯＰ上に進退させることができる。すなわち、基準投射時において光路ＯＰから退避していた補正レンズ５１が、縮小投射時において光路ＯＰ上に挿入される。なお、進退機構７２を動作させることによって補正レンズ５１が挿入されるが、進退機構７２と移動機構７１とが連動するようになっており、移動機構７１によって屈折光学部４０の構成要素が焦点調整のため移動する。

〔２．投射光学系の具体例〕
表１及び表２に、投射光学系１の具体例のレンズデータ等を示す。この表１の上欄において、「面番号」は、物面ＯＳ側から順に各レンズの面に付した番号である。また、「ｒ」は、曲率半径を示し、「Ｄ」は、次の面との間のレンズ厚み或いは空気空間を表している。さらに、「Ｎｄ」は、レンズ材料のｄ線における屈折率を示し、「νｄ」は、レンズ材料のｄ線におけるアッベ数を示す。なお、表１中のＤ２，Ｄ１３，Ｄ２０，Ｄ２７は、基準投射時と縮小投射時とで変更可能となっており、その値は、表２に示している。

本具体例において、レンズＬ１〜Ｌ９は、基本的に球面で形成されているが、第１レンズＬ１の出射面（表１の４面）と、第８レンズＬ８の入出射面（表１の２１面及び２２面）とについては非球面となっている。また、曲面ミラー２１の反射面（表１の２７面）が非球面となっている。これらの非球面形状の光軸ＯＡ方向の面頂点からの変位量ｘは、ｃを近軸曲率半径の逆数、ｈを光軸ＯＡからの高さ、ｋを円錐係数、Ａ０４〜Ａ１２を高次非球面係数とするとき、次式

で表される。本具体例の場合、上記非球面式における各係数「ｋ」、「Ａ０４」〜「Ａ１２」の値については、表１の下欄に示した通りである。

表２に示すように、縮小投射時において、曲面ミラー２１と光軸ＯＡとの交点Ｐからスクリーン１０までの距離すなわち投射距離は、基準投射時よりも短くなる。すなわち、縮小投射時において、基準投射時よりも近接投射となる。

ここで、基準投射時には、スクリーンサイズとして８０インチを想定している。一方、縮小投射時には、スクリーンサイズとして４０インチを想定している。投射距離は、基準投射時で３８０ｍｍ、縮小投射時で２３０ｍｍとなっている。つまり、投射距離を１５０ｍｍ程度変更するだけで、２倍のサイズのスクリーンに対応することができる。

図３（Ａ）〜３（Ｃ）は、基準投射時における収差図である。図３（Ａ）は、非点収差を示し、図３（Ｂ）は、歪曲収差を示し、図３（Ｃ）は、スクリーン１０上での歪曲を示す。図３（Ａ）に示すように、基準投射時の非点収差は、非点隔差も小さく十分良好に補正されている。一方、図３（Ｂ）に示すように、基準投射時の歪曲収差は、光軸ＯＡ近辺での変化量が大きい。しかし、本実施形態のような投射光学系１において、光軸ＯＡ近傍は使用されないので、光軸ＯＡから一定以上離れた像光範囲で収差の変化量が少なければよい。そのため、図３（Ｃ）のスクリーン１０上での２次元歪曲図に示されるとおり、歪曲収差も使用範囲内で十分良好に補正されていることが分かる。

図４（Ａ）〜４（Ｃ）は、縮小投射時における収差図である。縮小投射の際、屈折光学部４０と反射光学部２０との間に歪曲収差の補正のための補正レンズ５１を挿入するに伴い、屈折光学部４０において、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２とを、ともに縮小側に移動させる。つまり、補正レンズ５１の挿入によるクロスダイクロイックプリズム６７と第１レンズ群Ｇ１との間隔や第１レンズ群Ｇ１と絞り４５との間隔が短くなるとともに、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との間隔が長くなる。これにより、焦点移動及び補正レンズ５１の挿入により生じる像面湾曲の補正を行う。その結果、図４（Ａ）〜４（Ｃ）に示すように、非点収差、歪曲収差ともに、基準投影時と同等に十分良好に補正されている。なお、基準投射時及び縮小投射時において、第３レンズ群Ｇ３は固定されている。

図５及び図６に比較例を示す。図５（Ａ）〜５（Ｃ）は、屈折光学部４０の構成要素を移動させずに屈折光学部４０と反射光学部２０との間に補正レンズ５１を挿入した場合の縮小投射時における収差図である。この縮小投射時（投射距離２３０ｍｍ）における歪曲収差は、基準投射時と略同等レベルまで補正されている。ただし、非点収差に関しては、補正レンズの挿入場所が屈折光学部４０と反射光学部２０との間であり、光束が細くなっている位置に挿入されるため、補正レンズによる補正効果は期待できない。したがって縮小投射になったことによるメリディオナル像面がオーバーになったまま残存しており、結果として画面周辺での非点収差は補正不足となっている。逆に、歪曲収差すなわち画像の歪を補正する効果が大きいが、非点収差に影響を与えないということにより、解像力などの性能面への影響が少ないので、挿入位置や、偏芯などの機械的な精度という点では比較的大まかなものとなっている。

また、図６は、屈折光学部４０の構成要素を移動させないだけでなく、屈折光学部４０と反射光学部２０との間に補正レンズを挿入しない場合の縮小投射時における収差図である。この縮小投射時（投射距離２３０ｍｍ）の場合、スクリーン上での画像に大きな樽状の歪曲収差が発生してしまう。つまり、縮小投射時において補正レンズ５１がない場合、曲面ミラー２１に入射する投射光の位置が略同じとなるため、前述の画角による出射瞳位置のずれによって曲面ミラー２１をスクリーン１０に近づけると大きな歪曲収差が生じると考えられる。

〔３．投射型画像表示装置の説明〕
図７は、投射型画像表示装置１００の概念図である。投射型画像表示装置のうち像形成光学部６０は、システム光軸ＳＡに沿って、均一化した光源光を出射する光源装置６１と、光源装置６１から出射された照明光を赤・緑・青の３色に分離する分離照明系６３と、分離照明系６３から出射された各色の照明光によって照明される光変調部６５と、光変調部６５を経た各色の変調光を合成するクロスダイクロイックプリズム６７とを備える。像形成光学部６０は、図２に示すスクリーン１０の下方において物体側すなわち裏面側に配置されている。クロスダイクロイックプリズム６７から出射された像光は、屈折光学部４０に投射される。

ここで、光源装置６１は、光源光を出射する光源ユニット６１ａと、この光源ユニット６１ａから出射された光源光を均一で所定の偏光方向に揃えられた照明光に変換する均一化光学系６１ｃとを備える。光源ユニット６１ａは、光源ランプ６１ｍやリフレクター６１ｎを有する。また、均一化光学系６１ｃは、光源光を部分光束に分割するための第１レンズアレイ６１ｄと、分割後の部分光束の広がりを調節する第２レンズアレイ６１ｅと、各部分光束の偏光方向を揃える偏光変換装置６１ｇと、各部分光束を対象とする照明領域に重畳して入射させる重畳レンズ６１ｉとを備えている。

分離照明系６３は、第１及び第２ダイクロイックミラー６３ａ，６３ｂと、光路折曲用のミラー６３ｍ，６３ｎ，６３ｏとを備え、システム光軸ＳＡを３つの光路ＯＰ１〜ＯＰ３に分岐することによって、照明光を青色光ＬＢ、緑色光ＬＧ、及び赤色光ＬＲの３つの光束に分離する。なお、リレーレンズＬＬ１，ＬＬ２は、入射側の第１のリレーレンズＬＬ１の直前に形成された像を、ほぼそのまま出射側のフィールドレンズ６３ｈに伝達することにより、光の拡散等による光の利用効率の低下を防止している。

光変調部６５は、３色の照明光ＬＢ，ＬＧ，ＬＲがそれぞれ入射する３つの液晶ライトバルブ６５ａ，６５ｂ，６５ｃを備え、フィールドレンズ６３ｆ，６３ｇ，６３ｈを経て各液晶ライトバルブ６５ａ，６５ｂ，６５ｃに入射した各色光ＬＢ，ＬＧ，ＬＲを、駆動信号に応じて画素単位で強度変調する。なお、各液晶ライトバルブ６５ａ，６５ｂ，６５ｃは、液晶パネルを一対の偏光板で挟んだ構造を有する画像形成素子である。また、各液晶ライトバルブ６５ａ，６５ｂ，６５ｃを構成する液晶パネルは、図１等に示す物面ＯＳに対応するものとなっている。

クロスダイクロイックプリズム６７は、交差するダイクロイック膜６７ａ，６７ｂを備えており、各液晶ライトバルブ６５ａ，６５ｂ，６５ｃからの変調光を合成した像光を出射する。

投射光学系１は、図１に示す構成を有しており、クロスダイクロイックプリズム６７で合成された像光を、カラー画像として適当な拡大率でかつ比較的少ない歪みでスクリーン１０の投射面１０ａ（図２参照）上に投射する。基準投射に切り替える場合、進退機構７２により補正レンズ群５０を光路ＯＰ上から退避させ、移動機構７１により屈折光学部４０の構成要素を基準位置に戻す。縮小投射に切り替える場合、移動機構７１により補正レンズ群５０を光路ＯＰ上に挿入し、移動機構７１により屈折光学部４０の構成要素をフォーカシングのため移動させる。この際、移動は第１及び第２レンズ群Ｇ１，Ｇ２が原則であるが、像形成光学部６０を移動させることもできる。例えば、像形成光学部６０全体を移動しスクリーン１０を固定することもできる。

以上説明した投射型画像表示装置１００は、投射光学系１において、拡大投射（基準投射）から縮小投射へ投射倍率を変化させる際に、光束の位置の調整機能をもたせることができる補正レンズ５１を追加することにより、屈折光学部４０から出射された投射光が反射光学部２０に入射する際の光束の位置を調整することができる。そのため、近接投射であってもその結像性能を犠牲にすることなく幅広い投射倍率に対応が可能となり、投射倍率の変更範囲を広くすることができる。すなわち、縮小投射に対応する補正レンズ５１を挿入することによって、基準投射時だけでなく、縮小投射時にも収差の少ない良好な画像をスクリーン１０上に投射することができる。

〔第２実施形態〕
図８及び図９は、本発明の第２実施形態に係る投射型画像表示装置の要部を示す側面図である。ここで、図８（Ａ）及び図９（Ａ）は、投射型画像表示装置の基準投射時の状態を示し、図８（Ｂ）及び図９（Ｂ）は、投射型画像表示装置の縮小投射時の状態を示す。本実施形態の投射型画像表示装置１００は、図１等に示す第１実施形態の投射型画像表示装置１００を変形したものであり、特に説明しない部分については第１実施形態の投射型画像表示装置１００と同一の構造を有する。

本実施形態における投射型画像表示装置１００は、投射光学系１と、像形成光学部６０とを備える。

〔１．投射光学系の説明〕
投射光学系１は、屈折光学部１４０と、反射光学部１２０と、補正レンズ群５０と、移動機構７１と、進退機構７２とを備える。

投射光学系１のうち屈折光学部１４０は、第１、第２、及び第３レンズ群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３で構成される。

反射光学部１２０は、スクリーン１０の投射側下方に配置された単一の曲面ミラー１２１のみで構成されている。曲面ミラー１２１は、レンズ機能付きのミラーであり、肉薄のメニスカス状のレンズ１２０ｂの背面に凸面の反射光学面１２０ａを支持する。曲面ミラー１２１は、スクリーン１０下方の物体側からスクリーン１０の前方に向けて出射された投射光を斜め上方向のスクリーン１０の投射面１０ａへ反射させる。

補正レンズ群５０は、図８（Ｂ）に示すように、補正レンズ群５０は、正のパワーを有する１枚の補正レンズ５１で構成される。この補正レンズ５１は、縮小投射時において、屈折光学部１４０と反射光学部１２０との間の光路ＯＰ上に挿入される。

以下、投射光学系１の具体的なレンズ構成等について説明する。投射光学系１は、基準投射時及び縮小投射時において、それぞれ構成レンズ群及びレンズ配置が異なる。

基準投射時において、投射光学系１は、補正レンズ群５０を除いた状態すなわち屈折光学部１４０と、反射光学部１２０とで構成される。屈折光学部１４０は、第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ２と、第３レンズ群Ｇ３と、絞り４５とを備える。以上のうち、第１レンズ群Ｇ１は、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３と、第４レンズＬ４とで構成される。第２レンズ群Ｇ２は、第５レンズＬ５で構成される。第３レンズ群Ｇ３は、第６レンズＬ６と、第７レンズＬ７とで構成される。なお、基準投射時において、後述する補正レンズ群５０は光路ＯＰ外に退避されている。

第１レンズ群Ｇ１のレンズＬ１〜Ｌ４は、縮小側である物面ＯＳ側（スクリーン１０の下方の物体側）よりも拡大側であるスクリーン１０の下方かつ前方の投射側（図８における右側）に向かって第１レンズＬ１から第４レンズＬ４まで順に配設されている。また、第３レンズ群Ｇ３のレンズＬ６，Ｌ７も縮小側から拡大側に向かって順に配置されている。ここで、各レンズＬ１〜Ｌ７の光軸すなわち屈折光学部４０の光軸ＯＡは、スクリーン１０の投射面１０ａに対して垂直に配置されている。絞り４５は、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２との間に設けられている。

屈折光学部１４０の構成レンズのうち、第１レンズＬ１は入射側が凸面で出射側が凹面の非球面レンズである。また、第２レンズＬ２は、３枚の正負正レンズを組み合わせた両凸の接合レンズである。また、第３レンズＬ３は、両凸レンズであり、第４レンズＬ４は、入射側が凸面で出射側が凹面のレンズである。また、第５レンズＬ５は、２枚の負正レンズを組み合わせた両凸の接合レンズである。また、第６レンズＬ６は、２枚の負正レンズを組み合わせた両凹の接合レンズである。また、第７レンズＬ７は、入射側が凹面で出射側が凸面の非球面レンズである。なお、基準投射時における各レンズＬ１〜Ｌ７の配置は、図８（Ａ）及び図９（Ａ）に示すように、反射光学部１２０の形状、配置との関係でスクリーン１０に最適な拡大投射ができるように調整されている。図８に示すように、第１レンズ群Ｇ１と、第３レンズ群Ｇ３とは移動機構７１に連結されており、それぞれ個々の移動量で光軸ＯＡに沿って光軸ＯＡに平行な方向に移動可能となっている。

曲面ミラー１２１の反射光学面１２０ａは、光軸ＯＡを軸とする回転対称面であって、負のパワーを有する凸の非球面となっている。また、反射光学面１２０ａを支持するレンズ１２０ｂは、屈折光学部１４０側が凸面で反射光学面１２０ａ側が凹面の非球面レンズである。曲面ミラー１２１は、第２レンズ群Ｇ２と同様に移動可能となっておらず、第２レンズ群Ｇ２や物面ＯＳに対して固定されている。

一方、縮小投射時において、投射光学系１は、補正レンズ群５０を追加した状態すなわち屈折光学部１４０と、反射光学部１２０と、補正レンズ群５０とで構成される。上述の基準投射時と同様に、屈折光学部１４０は、第１レンズ群Ｇ１と、第２レンズ群Ｇ２と、第３レンズ群Ｇ３と、絞り４５とを備える。これらレンズ群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３の構成に変更はない。ただし、縮小投射時における各レンズＬ１〜Ｌ７の配置は、図８（Ｂ）及び図９（Ｂ）に示すように、反射光学部１２０の形状、配置との関係でスクリーン１０に最適な投射ができるように調整されている。この際、投射型画像表示装置１００の構成要素全体は、スクリーン１０の投射側の方向（Ｂ方向）から非投射側の方向（Ａ方向）へ移動している。

〔２．投射光学系の具体例〕
表３及び表４に、投射光学系１の具体例のレンズデータ等を示す。なお、表３中のＤ２，Ｄ１２，Ｄ１６，Ｄ２１，Ｄ２６は、基準投射時と縮小投射時とで変更可能となっており、その値は、表４に示している。

本具体例において、レンズＬ１〜Ｌ７は、基本的に球面で形成されているが、第１レンズＬ１の入出射面（表３の３面及び４面）と、第７レンズＬ７の入出射面（表３の２０面及び２１面）とが非球面となっている。また、補正レンズ５１の出射面（表３の２３面）と、曲面ミラー１２１の反射面（表１の２５面）が非球面となっている。

表４に示すように、縮小投射時において、曲面ミラー１２１と光軸ＯＡとの交点Ｐからスクリーン１０までの距離すなわち投射距離は、基準投射時よりも短くなる。すなわち、縮小投射時において、基準投射時よりも近接投射となる。

ここで、基準投射時には、スクリーンサイズとして８０インチを想定している。一方、縮小投射時には、スクリーンサイズとして４０インチを想定している。投射距離は、基準投射時で３１０ｍｍ、縮小投射時で１４０ｍｍとなっている。つまり、投射距離を１７０ｍｍ程度変更するだけで、２倍のサイズのスクリーンに対応することができる。

図１０（Ａ）〜１０（Ｃ）は、基準投射時における収差図である。図１０（Ａ）は、非点収差を示し、図１０（Ｂ）は、歪曲収差を示し、図１０（Ｃ）は、スクリーン１０上での歪曲を示す。図１０（Ａ）に示すように、基準投射時の非点収差は、非点隔差も小さく十分良好に補正されている。一方、図１０（Ｂ）に示すように、基準投射時の歪曲収差は、光軸ＯＡ近辺での変化量は大きい。しかし、本実施形態の投射光学系１において、光軸ＯＡ近傍は使用されない。そのため、図１０（Ｃ）のスクリーン１０上での２次元歪曲図に示されるとおり、歪曲収差も十分良好に補正されている。

図１１（Ａ）〜１１（Ｃ）は、縮小投射時における収差図である。縮小投射の際、屈折光学部１４０と反射光学部１２０との間に歪曲収差の補正のための補正レンズ５１を挿入するに伴い、屈折光学部１４０において、第１レンズ群Ｇ１を拡大側に移動させ、第３レンズ群Ｇ３を縮小側に移動させる。つまり、補正レンズ５１の挿入によるクロスダイクロイックプリズム６７と第１レンズ群Ｇ１との間隔が長くなるとともに、第１レンズ群Ｇ１と絞り４５との間隔や第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との間隔が短くなる。これにより、焦点移動及び補正レンズ５１の挿入により残存した像面湾曲の補正を行う。その結果、図１１（Ａ）〜１１（Ｃ）に示すように、非点収差、歪曲収差ともに、基準投影時と同等に十分良好に補正されている。

以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

すなわち、上記実施形態の投射型画像表示装置１００では、基準状態から投射倍率を縮小する場合について説明したが、投射倍率を拡大してもよい。この場合、補正レンズ５１を負のパワーのレンズとする。

また、上記実施形態において、像形成光学部６０において画像形成素子として液晶ライトバルブ６５ａ，６５ｂ，６５ｃを用いているが、画素がマイクロミラーによって構成されたデバイスのような光変調装置やフィルムやスライドのような画像形成手段を用いることも可能である。

上記実施形態の場合、投射型画像表示装置１００をスクリーン１０の下方に配置しているが、投射型画像表示装置１００を上下反転させてスクリーン１０の上方に配置することもできる。

投射光学系１内に、平面の光路折曲げ用のミラーを配置することにより、投射光学系１の収納空間の自由度を増すことができる。

１…投射光学系、 １０…スクリーン、 ２０，１２０…反射光学部、 ２１，１２１…曲面ミラー、 ５０…補正レンズ群、 ５１…補正レンズ、 ４０，１４０…屈折光学部、 ６０…像形成光学部、 ６７…クロスダイクロイックプリズム、 ７１…移動機構、 ７２…進退機構、 １００…投射型画像表示装置、 ＯＡ…光軸、 ＯＳ…物面

Claims (12)

1. 縮小側から順に、複数のレンズ群から構成される屈折光学部と、少なくとも一面の曲面反射面を有する反射光学部とを備えて構成される投射光学系であって、
   投射倍率を変化させる際に、補正レンズ群が光路上に挿入される、投射光学系。
2. 縮小投射の場合に、前記補正レンズ群が光路上に挿入されて投射倍率が基準状態から変化し、基準投射の場合に、前記補正レンズ群が光路上から退避されて投射倍率が基準状態に戻される、請求項１に記載の投射光学系。
3. 前記補正レンズ群は、１枚の単レンズにより構成される、請求項１及び請求項２のいずれか一項に記載の投射光学系。
4. 前記補正レンズ群を光路上に進退自在に保持する進退機構をさらに備える、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の投射光学系。
5. 前記補正レンズ群は、前記屈折光学部と前記反射光学部との間の光路上に挿入される、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の投射光学系。
6. 前記屈折光学部と前記反射光学部との間の光路上に前記補正レンズ群を挿入する際に、前記屈折光学部の少なくとも１つのレンズ群を移動させることにより焦点補正を行なう、請求項５に記載の投射光学系。
7. 前記屈折光学部を構成する複数のレンズ群を移動させる移動機構をさらに備え、前記移動機構は、前記屈折光学部の少なくとも１つのレンズ群を前記補正レンズ群の進退に連動して移動させる、請求項６に記載の投射光学系。
8. 前記屈折光学部と前記反射光学部との間に挿入される前記補正レンズ群は、投射倍率を縮小する場合、正のパワーを有するレンズである、請求項５及び請求項７のいずれか一項に記載の投射光学系。
9. 前記補正レンズ群は、樹脂で成形されたレンズである、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の投射光学系。
10. 前記反射光学部の曲面反射面は、正のパワーを有する非球面凹面形状を有する、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の投射光学系。
11. 前記反射光学部の曲面反射面は、負のパワーを有する非球面凸面形状を有する、請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の投射光学系。
12. 請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載の投射光学系と、前記屈折光学部の光路前段に設けられた像形成光学部とを備える投射型画像表示装置。

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