JP2014170127A - 投射光学系と画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 投射空間の小型化及び投射距離の短縮化を図り、かつ、複数の画像サイズに対応可能な小型の投射光学系を提供する。
【解決手段】 屈折光学系と、第１ミラーと、第２ミラーと、を有してなり、画像表示素子に表示される画像の長手方向をＸ方向、画像表示素子に表示される画像の短手方向をＹ方向、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な方向をＺ方向、としたとき、屈折光学系は、複数のレンズ群で構成され、全体で正の屈折力を有し、フォーカス時に複数のレンズ群の一部または全部がＺ方向に移動し、第１ミラーは、Ｘ方向とＺ方向とを含むＸＺ断面が凹面であって、フォーカス時に固定の自由曲面ミラーであり、第２ミラーは、フォーカス時に固定の凹面ミラーである、投射光学系による。
【選択図】図３

Description

本発明は、画像を拡大してスクリーンに表示する画像表示装置に適用可能な投射光学系に関するものである。

画像をスクリーン上に拡大して投射する画像表示装置において、従来に比べて、スクリーンの近くに設置しても用いることができる画像表示装置が知られている。このような画像表示装置は至近距離プロジェクタと呼ばれる。至近距離プロジェクタを用いることによって、投射光が、スクリーン近くに立つプレゼンター（説明員や発表者など）の目に入る眩しさを、避けることができる。また、至近距離プロジェクタは、プレゼンターの説明を聞く聴講者の近くにプロジェクタを設置せずに済むので、聴講者は、画像表示装置の排気や騒音にも煩わされなくなる。

至近距離プロジェクタが備える投射光学系は、従来の投射光学系（共軸・回転対称）の画角を広げることで、スクリーンへの至近距離投射を実現するものや、曲面ミラーを用いて至近距離でも画像を拡大できるようにするもの等が知られている。画角を広げた投射光学系を用いるには、スクリーンに近い側のレンズの外径を大型にする必要があるから、プロジェクタ全体を大きくしなければならない。一方、投射光学系に曲面ミラーを使用するものは、レンズの外形を大型にする必要はないので、プロジェクタの小型化に有利である。

曲面ミラーを用いる投射光学系として、例えば特許文献１に記載されている投射光学系が知られている。特許文献１の投射光学系は、屈折光学系と、２枚のミラー光学系により構成されるものであって、各ミラーには凹面の自由曲面ミラーを用いている。この特許文献１の投射光学系を用いるプロジェクタでは、画像表示素子の画像表示面の垂線とスクリーン面の垂線とを傾けることで収差補正を行なう。屈折光学系には自由曲面レンズ、あるいはＹＺ断面とＸＺ断面で曲率の異なるアナモフィックレンズを用いている。また、フォーカス時には、この凹面ミラーを動かしてピント合わせを行なうように構成されている。このような構成を採用することで、フォーカス時に画像の位置が動かないようにしている。

しかしながら、特許文献１の投射光学系は、投射空間の小型化（投射距離の短縮化）には不向きである。ミラーを動かすフォーカスでは、投射空間が小さく、スクリーン上方に向かう光線がスクリーンに入射する角度と、スクリーン下方に向かう光線がスクリーンに入射する角度が大きく異なる場合には、画像品質を保ちながらフォーカス合わせを完了することは困難だからである。そのため、特許文献１の投射光学系は、画像表示素子の画像表示面の垂線に対して、スクリーン面の垂線を傾けて、フォーカスによる像面湾曲補正量を小さくする形態を用いている。

しかし、特許文献１の投射光学系のように、例えば、スクリーンを傾ければならない投射光学系は、投射空間の大型化を招き、投射空間の小型化及び投射距離の短縮化を図ることはできない。

本発明は、投射空間の小型化を図り、かつ、複数の画像サイズに対応可能な小型の投射光学系を提供することを目的とする。

本発明は、画像表示素子に表示される画像を被投射面に拡大して投射する投射光学系であって、前記投射光学系は、屈折光学系と、第１ミラーと、第２ミラーと、を有しており、前記画像表示素子に表示される画像の長手方向をＸ方向、前記画像表示素子に表示される画像の短手方向をＹ方向、前記画像表示素子に表示される画像の垂直方向をＺ方向、としたとき、前記屈折光学系は、複数のレンズ群で構成され、全体で正の屈折力を有し、フォーカス時に前記レンズ群の一部または全部が前記Ｚ方向に移動し、前記第１ミラーは、少なくとも前記Ｘ方向と前記Ｚ方向とを含むＸＺ断面が凹面であって、フォーカス時に固定の自由曲面ミラーであり、前記第２ミラーは、フォーカス時に固定の凹面ミラーである、ことを最も主な特徴とする。

本発明によれば、投射空間の小型化を図り、かつ、複数の画像サイズに対応可能な小型の投射光学系を得ることができる。

本発明に係る投射光学系を適用可能な画像表示装置の光学配置図である。 本発明に係る投射光学系の実施例に係る光路図である。 上記実施例に係る投射光学系の拡大光路図である。 上記実施例に係る第１ミラーの形状を説明するグラフである。 本発明に係る画像表示装置が備える反射型画像表示素子の例を示す正面図である。 本発明に係る投射光学系の別の実施例に係る光路図である。 上記別の実施例に係る投射光学系の拡大光路図である。 上記別の実施例に係る第１ミラーの形状を説明するグラフである。 本発明に係る投射光学系のさらに別の実施例に係る拡大光路図である。 上記さらに別の実施例に係る第１ミラーの形状を説明するグラフである。 上記投射光学系が備える第１ミラーの形状を示す斜視図である。 上記投射光学系が備える第１ミラーの形状を示す断面図である。

以下、本発明に係る投射光学系と画像表示装置の実施形態について説明する。本発明に係る投射光学系は、屈折光学系と、２枚のミラーからなるミラー光学系と、を有してなる。本発明に係る投射光学系は、ミラー光学系を構成する２枚のミラーのうち、凹面ミラーが有する収差補正機能を、他のミラーと屈折光学系に割り振る構成を有している。この構成によって、凹面ミラーの大型化をすることなく、至近距離投射を可能にしている。また、本発明に係る投射光学系は、屈折光学系がフローティングフォーカス機能を有し、ミラー光学系は固定されていて、複数の投射画像サイズに対応可能である。

まず、本発明に係る投射光学系を適用可能な画像表示装置の例について、図を用いて説明する。図１は、画像表示装置であるプロジェクタ１００の光学配置面図である。プロジェクタ１００は、画像表示素子として、反射型画像表示素子を用いている。

なお、本発明に係る投射光学系に適用可能な画像表示素子は、反射型画像表示素子に限ることはなく、例えば液晶パネルでもよい。

図１においてプロジェクタ１００は、光源であるランプ１から出射された光が、照明光学系を介して反射型画像表示素子であるＤＭＤ７を照明するように構成されている。ＤＭＤ７は、この照明光を微小ミラーによって反射し、この反射光が、投射光学系８により、被投射面であるスクリーン２０へと拡大投射されて、画像が表示される。この投射光学系８が、本発明に係る投射光学系に相当する。

図１において投射光学系８は、複数のレンズから構成されるレンズ群からなる屈折光学系８０と、屈折光学系８０を通過してきた光線をスクリーン２０に向けて反射させる複数のミラー（不図示）からなるミラー光学系と、を有してなる。なお、図１では、屈折光学系８０のレンズ群を保持するレンズ鏡胴は図示を省略している。

プロジェクタ１００が備える照明光学系は、ランプ１から曲面ミラー６によって構成される。ランプ１から出射された光は、リフレクタ２によってインテグレータロッド３の入射口に集光される。インテグレータロッド３は、４つのミラーを組み合わせてトンネル状に構成したライトパイプである。インテグレータロッド３に入射した光は、インテグレータロッド３内のミラー面で反射を繰り返し、インテグレータロッド３の出射口において光量が一様でムラのない光になる。

インテグレータロッド３を通過した光は、ＤＭＤ照明用レンズ４を通過して、折り返しミラー５において図１の斜め右下方向に反射されて、曲面ミラー６に向かう。曲面ミラー６で反射された光が、ＤＭＤ７を照明する。以上のように、インテグレータロッド３の出射口を「光量が一様でムラのない面光源」として捉えた面光源から発した光により、ＤＭＤ７の有効画像領域が照明される。

ＤＭＤ７の有効画像領域を照明した光は、ＤＭＤ７の表面に配置されている微小ミラーによって反射されて、屈折光学系８０に入射する。屈折光学系８０から出射された光はミラー光学系（不図示）を介してスクリーン２０に向けて投射される。以上のように、拡大画像がスクリーン２０に表示される。

ＤＭＤ７は、照明光学系による光量ムラのない光で照明されて、一様な照度分布となるので、その拡大画像である投射画像も一様な照度分布となる。

ＤＭＤ７は多数の微小ミラーからなるデバイスであって、各微小ミラーの角度は、例えば＋１２°から−１２°の範囲で変化する。例えば、微小ミラーの角度が−１２°のとき、当該微小ミラーで反射された光は投射光学系８に入射するように調整されている。一方、微小ミラーの角度が＋１２°のとき、当該微小ミラーで反射された光は、投射光学系８に入射しないように調整されている。ＤＭＤ７の各微小ミラーは、スクリーン２０に投射されて表示される画像の画素に対応している。したがって、ＤＭＤ７の微小ミラーの傾斜角度を上記のように個別に制御することで、スクリーン２０に表示する拡大画像を形成することができる。

上記の構成を有するプロジェクタ１００に、以下の実施例に係る投射光学系８を用いることで、投射空間の小型化及び投射距離の短縮化が図られ、かつ、複数の画像サイズにも対応できる投射光学系を備える小型の画像表示装置を得ることができる。

次に、本発明に係る投射光学系の詳細な実施例について説明する。図２は、実施例１に係る投射光学系８からスクリーン２０までの光路図である。図３は、実施例１に係る投射光学系８の拡大光路図である。図２及び図３において投射光学系８は、４群のレンズ群（第１レンズ群８１、第２レンズ群８２、第３レンズ群８３、第４レンズ群８４）からなる屈折光学系８０と、折り返しミラーである第１ミラー８５と、凹面ミラーである第２ミラー８６と、を有してなる。

図２及び図３において、反射型画像表示素子であるＤＭＤ７の画像表示面は、図面右方向に向いている。以下の説明では、画像表示素子であるＤＭＤ７の画像表示面の長手方向をＸ方向、ＤＭＤ７の画像表示面の表示される画像の短手方向をＹ方向、ＤＭＤ７に表示される画像の垂直方向（Ｘ方向とＹ方向に直交する方向）をＺ方向とする。また、必要に応じて各図にＸＹＺ方向を示す、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を、図２及び図３に示すように、表記する。

図２及び図３は、投射光学系８をＹＺ断面で表した断面図でもある。

屈折光学系８０は、ＤＭＤ７側から中間像側（ミラー光学系側）に向かって順に、第１レンズ群８１、第２レンズ群８２、第３レンズ群８３、第４レンズ群８４を有してなる。

屈折光学系８０を構成する第１レンズ群８１は、正屈折力を有し、フォーカス時は固定である。第２レンズ群８２は、正屈折力を有し、フォーカス時は可動する。第３レンズ群８３は、負屈折力を有し、フォーカス時は可動する。第４レンズ群８４は、非球面レンズからなる。各レンズ群のフォーカス時の移動量は異なる。

本実施例に係る第１ミラー８５は、凹面の自由曲面ミラーである。その詳細は後述する。第２ミラー８６は、凹面の自由曲面ミラーである。

図２に示すように、ＤＭＤ７の画像表示面に垂線と、スクリーン２０面の垂線は直交している。投射光学系８による投射距離Ｐｄは、第２ミラー８６の端部からスクリーン２０までの距離である。また、投射光学系８の投射空間は、この投射距離ＰｄにＸ方向の広がりを合わせた体積で示される。

次に、実施例１に係る投射光学系８の具体的な数値例を以下に示す。表１は、実施例１に係る屈折光学系８０の形状及び構成を示すデータである。

表１における、面番号２３、２４、２５、２６、２７、２８は非球面である。これらの非球面係数を表２に示す。また、表２に示す非球面係数を用いて非球面形状を再現する式を式１に示す。
（式１）

また、実施例１に係る投射光学系８によってスクリーン２０に投射される画像のサイズが、８０ｉｎｃｈの場合と、４８ｉｎｃｈの場合における、各面番号のレンズ群間隔（群間隔）の変化を表３に示す。

また、第１ミラー８５に最も近いレンズ面（面番号２８）の頂点を基準にした場合における、投射画像のサイズの違いによる第１ミラー８５、第２ミラー８６、及びスクリーン２０の位置の変化を表４に示す。表４は、投射画像のサイズが、８０ｉｎｃｈの場合と４８ｉｎｃｈの場合を示している。

第１ミラー８５と第２ミラー８６はフォーカス時には不動（固定）であるが、面番号２８はフォーカス時に移動する。すなわち、フォーカス時には、面番号２８と各ミラーとの相対的な位置関係は変化する。

第１ミラー８５（面番号２９）と第２ミラー８６（面番号３０）の形状は、表５に示す係数を以下の式２に代入することで再現される。なお、表５の「＊」は乗算を表し、「＊＊」はべき乗演算を表す。
（式２）

以上説明した投射光学系８によれば、スクリーン２０を屈折光学系８０の光軸ＯＡに対して傾けたり、あるいはプロジェクタ１００本体を傾けたり、プロジェクタ１００内部で投射光学系８を傾ける必要はなく、投射空間の最小化と簡便な設置が可能となる。

複数画像サイズにおけるフォーカスを可能にするため、実施例１に係る投射光学系８は、第１ミラー８５と第２ミラー８６がフォーカス時には「固定」であって、画面サイズごとに屈折光学系８０の像面湾曲を変化させるフォーカス構造を内部に備える。

例えば画面サイズを４８インチよりも大きくするには、スクリーン２０を図２の下方向（Ｙ座標のマイナス方向）に移動させて投射距離を長くすればよい。このとき、屈折光学系８０内のフォーカス構造により、第２レンズ群８２から第４レンズ群８４を、それぞれ表３及び表４に従って移動させればよい。

図３に示すように、屈折光学系８０を構成する各レンズは回転対称な形状であって、各レンズのうち最も多くのレンズが共有する光軸を「光軸ＯＡ」とする。すなわち、屈折光学系８０の光軸を「光軸ＯＡ」とする。ここで、ＤＭＤ７上の有効画像領域内における光軸ＯＡに最も近い点をａ点とし、光軸ＯＡから最も遠い点をｃ点とし、ａ点とｃ点との中間の点をｂ点とする。

また、図３に示すように、ＤＭＤ７上のａ点からの光線が、屈折光学系８０を通過して第１ミラー８５で反射する点をＡ点とし、ｂ点からの光線が第１ミラー８５で反射する点をＢ点とし、ｃ点からの光線が第１ミラー８５で反射する点をＣ点とする。

また、図２に示すように、第１ミラー８５のＡ点で反射されて、その後、第２ミラー８６で反射されスクリーン２０に投射される点をＡ’点とする。第１ミラー８５のＢ点で反射されて、その後、第２ミラー８６で反射されてスクリーン２０に投射される点をＢ’点とする。第１ミラー８５のＣ点で反射されて、その後、第２ミラー８６で反射されてスクリーン２０に投射される点をＣ’点とする。

そうすると、図２に示すように、スクリーン２０上のＡ’点とＣ’点では、スクリーン２０に入る光線角度が大きく異なる。例えば、Ａ’点では３８°であり、Ｃ’点では７３°である。

このため、スクリーン２０を動かした時のフォーカス合わせ量は、Ａ’点とＣ’点では大きく異なる。そこで、実施例１に係る投射光学系８は、屈折光学系８０内部に像面湾曲を変化させるようなフォーカスを備えている。投射光学系８は、フォーカス時に、第２レンズ群８２と、第３レンズ群８３と、第４レンズ群８４と、を移動させることで、屈折光学系８０内部で像面湾曲を変化させるように構成されている。

次に、投射光学系８の小型化について、特に第２ミラー８６を中心に説明する。投射光学系８のように、超至近距離投射を可能にする投射光学系は、画角が非常に広くなる。通常は、この広角化の役割の多くを第２ミラー８６に負わせることになる。しかし、屈折光学系８０をできるだけ広角にすることで、第２ミラー８６の役割を軽減させることができる。

実施例１に係る投射光学系８は、上記の構成において、投射光学系８全体の画角θｐｊと、屈折光学系８０の画角θｌｅｎの比率（θｌｅｎ／θｐｊ）が０．４５になる。このように、本実施例に係る投射光学系８は、屈折光学系８０の広角化を達成している。

実施例１に係る投射光学系８は、第１ミラー８５を凹面の自由曲面として、収差補正の機能の一部を第１ミラー８５にも負わせるように構成しているので、第２ミラー８６を小型にすることができる。すなわち、投射距離の短縮化を図ることができるので、投射空間の小型化を図ることができる。

図５はＤＭＤ７の正面図である。すなわち、図５は、ＤＭＤ７の画像表示面に向かって見た図である。図５に示すように、既に説明した「ａ点」は、ＤＭＤ７の長手方向の長さ寸法の中点に位置し、図３に示した光軸ＯＡに最も近い点である。また、同様に「ｃ点」は、光軸ＯＡから最も離れたＤＭＤ７の画像表示面上の点であって、ａ点からＹ方向に垂直に離れた点である。図５に示すように、例えば、ａ点とｃ点はＹ方向において８．６４ｍｍ離れている。

ＤＭＤ７の画像表示面の端部に位置する画素であって、ａ点とＹ方向の位置が同じでＸ方向の位置が異なる画素を画素（イ）とし、ｂ点とＹ方向の位置が同じでＸ方向の位置が異なる画素を画素（ロ）とする。

図２に示すように、第２ミラー８６からＡ’点までの距離は、第２ミラー８６からＣ’点までの距離より短い。このため、画素（イ）からの光がスクリーン２０に入射する角度と、画素（ロ）からの光がスクリーン２０に入射する角度とを、Ｘ方向においてのみ比較すると、画素（イ）からの光の方が画素（ロ）からの光よりも、相当に鋭角でスクリーン２０に入射する。

つまり、第２ミラー８６では、屈折光学系８０から入射する光線の反射角を制御するが、このとき、画素（イ）からの光の方が画素（ロ）からの光よりも、そのＸ方向における角度を大きく変化させている。このような角度の変化を偏角と呼ぶが、偏角を大きくするほど、発生する収差も大きくなる。

このような画素（イ）と画素（ロ）、およびその中間画素からの光線の反射角度を制御する第２ミラー８６の役割の一部を、第１ミラー８５に負わせることで、第２ミラー８６を小型にすることができる。

実施例１に係る第１ミラー８５について説明する。先ず、第１ミラー８５の形状について図１１及び図１２を用いて説明する。図１１に示すように第１ミラー８５は、屈折光学系８０の光軸ＯＡに最も近い点（ａ点）からの光線を反射する反射点から離れるに従って（図１１の左下方向に向かうに従って）、「凹面深さ」が浅くなる形状を有している。ここで「凹面深さ」とは、第１ミラー８５の反射面である凹面形状と平面との差分をいう。

言い換えると、第１ミラー８５は、ＹＺ断面の任意の反射点において、入射光線と反射光線のＸＺ断面における角度の差が、屈折光学系８０の光軸ＯＡから離れるに従って小さくなる形状を有している。

また、図１２は、第１ミラー８５の反射点ごとのＸＺ断面図であって（ａ）図３のＡ点におけるＸＺ断面、（ｂ）図３のＢ点におけるＸＺ断面、（ｃ）図３のＣ点におけるＸＺ断面、の例である。図１２に示すように、第１ミラー８５のＸＺ断面形状は、光軸ＯＡに最も近い反射点であるＡ点における凹面深さｄが、光軸ＯＡに最も遠い反射点であるＣ点に向かうに従って、浅くなっている。なお、図１１及び図１２は、形状の特徴を極端に表現しているものである。実施例１に係る第１ミラー８５の具体的な形状は、すでに説明をした表中の数値によって規定される。

図４は、実施例１に係る第１ミラー８５の形状を説明するためのグラフである。図４において、縦軸は、Ｘ方向における平面からの深さ（ｍｍ）、横軸は、第１ミラー８５のＸ方向の中心からの乖離度合いであって、図３において示した第１ミラー８５上のＡ点、Ｂ点、Ｃ点のそれぞれにおける、Ｘ方向平面からの深さ（凹面深さ）を表している。

図４は、図３における第１ミラー８５を、平面とした場合と表５において示した自由曲面とした場合における形状の差を、特にＸ方向について表したものである。

図４から明らかなように、第１ミラー８５は、Ａ点からＣ点に向かってＸ方向の凹面深さが徐々に浅くなっている。言い換えると、Ａ点できつかった曲率が、Ｂ点、Ｃ点に向かうに従って、徐々に緩くなっている。

つまり、第１ミラー８５は、図５に示した画素（イ）からの光線角度の変化を大きくし、画素（ロ）からの光線角度の変化はこれよりも緩くする形状を有している。

具体的には、画素（イ）からの光線の第１ミラー８５による反射角度の変化は、方向余弦で０．０５であるが、画素（ロ）からの光線の第１ミラー８５による反射角度の変化は、方向余弦で０．０３である。このように、第１ミラー８５は、自由曲面形状により第２ミラー８６の収差補正を補助する。

第１ミラー８５を自由曲面ミラーにすることで、投射光学系８全体の像面湾曲補正にも寄与する。その理由を説明する。図３に示すように、屈折光学系８０の光軸ＯＡに最も近い画素に相当するａ点の１次像（中間像Ａ１）は、第１ミラー８５と第２ミラー８６の光路間に形成される。また、屈折光学系８０の光軸ＯＡから最も遠い画素に相当するｃ点の１次像（中間像Ｃ１）は、屈折光学系８０と第１ミラー８５の光路間に形成される。

投射光学系８は、ＤＭＤ７の１次像を形成して、その１次像の実像である２次像をスクリーン２０に形成する。１次像の一部である中間像Ａ１が、屈折光学系８０と第１ミラー８５の集光作用により、第１ミラー８５と第２ミラー８６との途中光路に形成される。また、１次像の他の一部である中間像Ｃ１が、屈折光学系８０の集光作用によって、屈折光学系８０と第１ミラー８５との光路間に形成される。

以上のように、第１ミラー８５と第２ミラー８６の間の中間像形成位置は、屈折光学系８０の収束作用のみならず第１ミラー８５の収束作用の影響も受ける。

これによって、中間像の像面湾曲形状の自由度が向上し、結果として投射光学系８全体の像面湾曲の補正の効果が向上する。

また特に、図３のＡ点では、第１ミラー８５の形状が凹面であることが望ましい。その理由を説明する。第２ミラー８６は凹面ミラーである。よって、中間像Ａ１や、中間Ｃ１は凹面ミラーである第２ミラー８６の手前に形成される必要がある。

第１ミラー８５が仮に平面ミラーであるとすれば、第２ミラー８６と第１ミラー８５の距離は決まってしまう。しかし、実施例１に係る第１ミラー８５のように、Ａ点が凹面であれば、光束の収束作用を有するので、中間像Ａ１が第１ミラー８５側に寄せられる。これによって、第２ミラー８６から第１ミラー８５までの距離が縮まり、投射光学系８を小型にすることができる。

次に、本発明に係る投射光学系の別の実施例について説明する。図６は、実施例２に係る投射光学系８の光路図である。図７は、実施例２に係る投射光学系８の拡大光路図である。実施例２に係る投射光学系８は、実施例１と同様に、４群のレンズ群からなる屈折光学系８０と、折り返しミラーである第１ミラー８５と、凹面ミラーである第２ミラー８６と、を有してなる。

なお、反射型画像表示素子であるＤＭＤ７は、実施例１と同様であるから、詳細な説明を省略する。また、ＤＭＤ７を基準として規定するＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向も同様であるから、詳細な説明を省略する。

屈折光学系８０を構成する第１レンズ群８１は、正屈折力を有し、フォーカス時は固定である。第２レンズ群８２は、正屈折力を有し、フォーカス時は可動する。第３レンズ群８３は、負屈折力を有し、フォーカス時は可動する。第４レンズ群８４は、非球面レンズからなる、

実施例２に係る第１ミラー８５は、凹面の自由曲面ミラーであって、詳細は後述する。第２ミラー８６は、凹面の自由曲面ミラーである。

次に、実施例２に係る投射光学系８の具体的な数値例を以下に示す。表６は、実施例２に係る投射光学系８が有する屈折光学系８０の形状及び構成を示すデータである。

表６における、面番号２３、２４、２５、２６、２７、２８は非球面である。これらの非球面係数を表７に示す。また、表７に示す非球面係数を用いて非球面形状を再現する式は、実施例１において示した式１と同様である。

また、実施例２に係る投射光学系８によってスクリーン２０に投射される画像のサイズが、８０ｉｎｃｈの場合と、４８ｉｎｃｈの場合における、各面番号におけるレンズ群間隔（群間隔）の変化を表８に示す。

また、投射画像のサイズが８０ｉｎｃｈの場合と４８ｉｎｃｈの場合において、屈折光学系８０のうち、最も第１ミラー８５に近いレンズ面（面番号２８）の頂点を基準にした場合の第１ミラー８５、第２ミラー８６、及びスクリーン２０の位置の変化を表９に示す。

第１ミラー８５（面番号２９）と第２ミラー８６（面番号３０）の形状は、表１０に示す係数を実施例１において示した式２に代入することで再現される。なお、表１０の「＊」は乗算を表し、「＊＊」はべき乗演算を表す。

実施例２に係る投射光学系８が備える第１ミラー８５の形状は、Ｘ方向にのみ自由曲面形状である。実施例１の第１ミラー８５は、ＹＺ断面の形状において、Ｙ方向の形状をＡ点では凹面、Ｂ点近辺で凸面、Ｃ点近辺で凹面という複雑な形状である。すなわち、実施例１の第１ミラー８５は、ＹＺ断面の形状が凹形状部分と凸形状部分からなる形状を有している。これによって、第２ミラー８６の収差補正の補助を行なう役割を第１ミラー８５のＸ方向の自由曲面形状に負わせていた。実施例２に係る第１ミラー８５は、Ｘ方向にのみ自由曲面にしているので、Ｙ方向において光束を収束する機能は無い。したがって、実施例１に比べて第１ミラー８５から第２ミラー８６までの距離の小型化を図る効果は発揮されない。

しかし、図７から明らかなように、第１ミラー８５は、屈折光学系８０からの光線を略９０°曲げる機能を有し、ＹＺ断面において、屈折光学系８０の光軸ＯＡに対して略４５°傾いた偏心面である。このため、ＹＺ断面において単純な曲率を持たせると、偏心収差が発生し、画像品質を劣化させる要因となる。そこで、第１ミラー８５による第２ミラー８６の収差補正の補助を、ＸＺ方向においてのみ行うようにする。これによって、第２ミラー８６の小型化に最も簡易的に寄与する

また、第１ミラー８５の形状を、Ｘ方向にのみ自由曲面にすることで、第１ミラー８５の加工の容易さと、組付けのロバスト性が向上する。

実施例２に係る第１ミラー８５の形状について、さらに詳細に説明する。図８は、実施例２に係る第１ミラー８５の形状を説明するためのグラフである。図８において、縦軸は、Ｘ方向における平面からの深さ（ｍｍ）、横軸は、Ｘ方向の中心からの乖離度合いであって、図７において示した第１ミラー８５上のＡ点、Ｂ点、Ｃ点のそれぞれにおける、Ｘ方向の凹面深さを表している。

図８から明らかなように、図７に示した屈折光学系８０の光軸ＯＡに近い位置、すなわちＡ点での凹面深さが深く、光線の偏角を大きくする効果がある。また、Ａ点に比較してＢ点及びＣ点に向けて徐々に凹面深さが緩くなっていて、光線角度を変える作用が小さくなっていく。

このような、反射点の違いによる光線角度が変わる作用は、第２ミラー８６の形状においても同様である。すなわち、実施例２においても、第１ミラー８５は第２ミラー８６の作用を補助している。

実施例２に係る投射光学系８において、屈折光学系８０の画角θｌｅｎ（図７を参照）は１５．８°である。また、投射光学系８全体の画角θｐｊ（図６を参照）は５３°である。よって、これらの比率であるθｌｅｎ／θｐｊは０．３０である。

すなわち、実施例２に係る投射光学系８において、投射光学系８全体の画角θｐｊに対して屈折光学系８０は、最低限の広角化をなしている。

つまり、投射光学系８は、屈折光学系８０の光軸ＯＡを含むＹＺ断面において、屈折光学系８０の画角θｌｅｎと、投射光学系８全体の画角θｐｊが、以下の条件式を満足すればよい。
（条件式）
θｌｅｎ／θｐｊ＞０．３０

これよりも屈折光学系８０の画角θｌｅｎが狭くなるか、投射光学系８全体の画角θｐｊが広くなると、第１ミラー８５と第２ミラー８６における収差補正に関する役割が大きくなるから、ミラーサイズの大型化に繋がる。

次に、本発明に係る投射光学系のさらに別の実施例について説明する。図９は、実施例３に係る投射光学系８の拡大光路図である。図９において、投射光学系８は、実施例１及び実施例２と同様に、屈折光学系８０と、折り返しミラーである第１ミラー８５と、凹面ミラーである第２ミラー８６と、を有してなる。

なお、反射型画像表示素子であるＤＭＤ７は、実施例１及び実施例２と同様であるから、詳細な説明を省略する。また、ＤＭＤ７を基準として規定するＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向も同様である。

本実施例に係る第１ミラー８５は、凹面の自由曲面ミラーである。その詳細は後述する。第２ミラー８６は、凹面の自由曲面ミラーである。

次に、実施例３に係る投射光学系８の具体的な数値例を以下に示す。表１１は、実施例２に係る投射光学系８の屈折光学系８０の形状及び構成を示すデータである。

表１１における、面番号２３、２４、２５、２６、２７、２８は非球面である。これらの非球面係数を表１２に示す。また、表１２に示す非球面係数を用いて非球面形状を再現する式は、実施例１において示した式１と同様である。

また、実施例３に係る投射光学系８によってスクリーン２０に投射される画像のサイズが、８０ｉｎｃｈの場合と、４８ｉｎｃｈの場合における、各面番号におけるレンズ群間隔（群間隔）の変化を表１３に示す。

また、投射画像のサイズが８０ｉｎｃｈの場合と４８ｉｎｃｈの場合において、屈折光学系８０のうち、最も第１ミラー８５に近いレンズ面（面番号２８）の頂点を基準にして、第１ミラー８５、第２ミラー８６、及びスクリーン２０の位置の変化を表１４に示す。

第１ミラー８５（面番号２９）と第２ミラー８６（面番号３０）の形状は、表１５に示す係数を実施例１において示した式２に代入することで再現される。なお、表１５の「＊」は乗算を表し、「＊＊」はべき乗演算を表す。

実施例３に係る投射光学系８は、実施例２に係る投射光学系８と比較して、広角化に関して屈折光学系８０の役割を増したものである。実施例３に係る屈折光学系８０は、画角θｌｅｎが１６．２°であって、投射光学系８全体の画角θｐｊが４５．５°である。すなわち、θｌｅｎ／θｐｊが０．３６であって、実施例２の０．３０よりも値が大きくなっている。すなわち、広角化を実現している。このように、実施例３は、屈折光学系８０の画角θｌｅｎと、投射光学系８全体の画角θｐｊとの比を大きくして、屈折光学系８０とミラー光学系（第１ミラー８５及び第２ミラー８６）とのバランスを改善し、投射距離Ｐｄを実施例２よりも短くしている。

次に、実施例３に係る第１ミラー８５について説明する。図１０は、実施例３に係る第１ミラー８５の形状を説明するためのグラフである。図１０において、縦軸は、Ｘ方向における平面からの深さ（ｍｍ）、横軸は、Ｘ方向の中心からの乖離度合いであって、図９において示した第１ミラー８５上のＡ点、Ｂ点、Ｃ点のそれぞれにおける、Ｘ方向の平面からの深さ（凹面深さ）を表している。

図１０から明らかなように、図９に示した屈折光学系８０の光軸ＯＡに最も近いＡ点の凹面深さは深く、光線の偏角を大きくする効果がある。また、Ａ点に比較してＢ点及びＣ点に向けて徐々に凹面深さが緩くなっていて、光線角度を変える作用が小さくなっていく。なお、実施例３に係る第１ミラー８５のＹ方向の形状は平面である。

以上の形状を有するに第１ミラー８５によれば、反射点の違いによる光線角度が変わる作用は、第２ミラー８６の形状においても同様である。つまり、第１ミラー８５と第２ミラー８６との凹面深さはＸＺ断面において略比例するから、第１ミラー８５によって第２ミラー８６の収差補正機能を補助することができる。

以上のように、本発明に係る投射光学系は、投射空間を小型化にし、及び、投射距離を短縮化し、かつ、複数の画像サイズに対応可能である。

７ ＤＭＤ
８ 投射光学系
２０ スクリーン
８０ 屈折光学系
８１ 第１レンズ群
８２ 第２レンズ群
８３ 第３レンズ群
８４ 第４レンズ群
８５ 第１ミラー
８６ 第２ミラー

特開２００８−２４２０２８号公報

Claims (14)

1. 画像表示素子に表示される画像を被投射面に拡大して投射する投射光学系であって、
   屈折光学系と、第１ミラーと、第２ミラーと、を有してなり、
   前記画像表示素子に表示される画像の長手方向をＸ方向、前記画像表示素子に表示される画像の短手方向をＹ方向、前記Ｘ方向と前記Ｙ方向とに垂直な方向をＺ方向、としたとき、
   前記屈折光学系は、
   複数のレンズ群で構成され、全体で正の屈折力を有し、
   フォーカス時に前記複数のレンズ群の一部が前記Ｚ方向に移動し、
   前記第１ミラーは、
   前記Ｘ方向と前記Ｚ方向とを含むＸＺ断面が凹面であって、
   フォーカス時に固定の自由曲面ミラーであり、
   前記第２ミラーは、
   フォーカス時に固定の凹面ミラーである、
   ことを特徴とする投射光学系。
2. 前記第１ミラーの形状は、
   前記Ｙ方向と前記Ｚ方向とを含むＹＺ断面における前記凹面の深さが、
   前記画像表示素子上の点のうち前記屈折光学系の光軸に最も近い点からの光線を反射する反射点から離れるに従って浅くなる、
   請求項１記載の投射光学系．
3. 前記第１ミラーは、
   前記Ｙ方向と前記Ｚ方向とを含むＹＺ断面の任意の反射点において、
   前記第１ミラーへの入射光線と前記第１ミラーからの反射光線の前記ＸＺ断面における角度の差は、前記屈折光学系の光軸から離れるに従って小さくなる、
   請求項１または２に記載の投射光学系．
4. 前記レンズ群を構成する各レンズは、回転対称な形状であって各々の光軸を共有し、
   フォーカス時に、前記複数のレンズ群のそれぞれは、前記Ｚ方向に異なる移動量で移動する、
   請求項１乃至３のいずれかに記載の投射光学系。
5. 前記画像表示素子の画像表示面の垂線と前記被投射面の垂線は直交する、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の投射光学系。
6. 前記画像表示素子の中間像である１次像を形成し、その中間像の実像である２次像を前記被投射面に形成する投射光学系であって、
   前記中間像の一部は、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの光路中に形成され、
   前記中間像の他の一部は、前記屈折光学系と前記第１ミラーとの光路中に形成される、
   請求項１乃至５のいずれかに記載の投射光学系。
7. 前記第１ミラーは、
   前記ＸＺ断面は自由曲面であり、
   前記ＹＺ断面では平面である、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の投射光学系。
8. 前記第１ミラーの前記ＹＺ断面の形状は、
   前記画像表示素子上の点のうち前記屈折光学系の光軸に最も近い点からの光束を反射する位置が凹面形状の自由曲面である、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の投射光学系。
9. 前記第１ミラーの前記ＹＺ断面の形状は、
   凹形状部分と凸形状部分からなる、
   請求項１乃至６、または、請求項８のいずれかに記載の投射光学系。
10. 前記第２ミラーは、
    凹面の自由曲面ミラーである、
    請求項１乃至９のいずれかに記載の投射光学系。
11. 前記第１ミラーと前記第２ミラーの凹面深さは、
    前記ＸＺ断面において略比例する、
    請求項１乃至１０のいずれかに記載の投射光学系。
12. 前記屈折光学系の光軸を含むＹＺ断面において、
    前記屈折光学系の画角θｌｅｎと、投射光学系全体の画角θｐｊは、以下の条件式を満足する、請求項１乃至１１のいずれかに記載の投射光学系。
    （条件式）
    θｌｅｎ／θｐｊ ＞ ０．３０
13. 前記屈折光学系は、前記画像表示素子側から中間像側に向かって順に、正屈折力の第１レンズ群、正屈折力の第２レンズ群、負屈折力の第３レンズ群を有し、
    フォーカス時に、前記第２レンズ群と前記第３レンズ群が前記Ｚ方向に移動する、
    請求項１乃至１２のいずれかに記載の投射光学系。
14. 光源から出射された光によって前記画像表示素子に表示された画像を前記被投射面に投射して表示する画像表示装置であって、
    投射光学系が、請求項１乃至１３のいずれか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。