JP2015087487A

JP2015087487A - 投射装置

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Publication number: JP2015087487A
Application number: JP2013224761A
Authority: JP
Inventors: 洋平 ▲高▼野; Yohei Takano; 辰野　響; Hibiki Tatsuno; 響辰野
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2033-10-29
Also published as: JP6221633B2

Abstract

【課題】投射距離が非常に短く、小型で、性能変化が少ない投射装置を実現する。
【解決手段】投射装置は、画像表示素子からスクリーンに到る結像光路上に、画像表示素子側から、屈折光学系１０、１１と、反射光学系１２と、光学素子１３と、を有し、屈折光学系は自由曲面レンズ１１を有し、反射光学系１２は１以上のミラーを有し、光学素子１３は、結像光路上でスクリーンに最も近いミラー１２とスクリーンＳＣとの間に配置され、屈折光学系内に設けられた開口絞りＳの中心を通り、スクリーンＳＣ上の拡大画像の中心に向かう光線を含む面を基準面とするとき、該基準面内において、光学素子１３からの反射光が自由曲面レンズ１１又はその保持部材１４を照射しないように、スクリーンＳＣの法線に直交する軸線Ａに対する素子面法線の傾き角が設定されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は投射装置に関する。

投射装置は、デジタルマイクロミラーデバイス（以下ＤＭＤ）等のライトバルブにより生成された画像を投射表示するプロジェクタとして実施できる。

近年、ＤＭＤや液晶パネル等のライトバルブで生成した画像をスクリーン上に投影するプロジェクタが広く普及しつつある。

近来、投射距離を短く、大画面を表示できる超短投射距離のフロント投射型プロジェクタ（「超短投射プロジェクタ」と言う。）の需要が高まってきている。

また、超短投射距離化とともに、より小型化の要請も高まってきている。
屈折光学系と凹面ミラーを用いた超短投射プロジェクタが、特許文献１〜３等に提案されている。

これら特許文献１〜３に記載された超短投射プロジェクタでは、ライトバルブに生成した画像を、屈折光学系により「凹面ミラーの手前の位置」に中間像として結像させる。

そして凹面ミラーにより、この中間像を拡大して、スクリーン上に拡大投影する。

中間像を、凹面ミラーの手前側に結像させるようにすると、凹面ミラーのサイズの小型化が可能で、投射装置の小型化の要請に沿うことができる。

しかし、特許文献１、２に記載されたプロジェクタは、全長、即ち、屈折光学系の光軸方向におけるサイズがやや長く、光軸方向のサイズの短縮に関して改善の余地がある。

特許文献３に記載されたプロジェクタは、屈折光学系に「自由曲面レンズ」を含めることにより、屈折光学系の小型化を図り、光軸方向のサイズの短縮を実現している。

自由曲面レンズは、レンズ面形状の自由度が高く、これを用いることにより、屈折光学系を構成するレンズ枚数を少なくでき、屈折光学系光軸方向の長さを短縮できる。

自由曲面レンズは、レンズ面形状の自由度が高いので、光線ベクトルの方向を高精度に制御可能であり、収差補正、特に歪曲収差、像面湾曲の補正に非常に有利である。

しかしながら、自由曲面レンズには、光線ベクトルの方向を高精度に制御するために、極めて正確な形状が要求される。

そして、自由曲面レンズのレンズ面形状が正規の形状から変化すると、光線ベクトルの方向を正しく制御できなくなり、結像性能の「深刻な劣化」を招来してしまう。

発明者らは、自由曲面レンズのレンズ面形状変化の一因として、プロジェクタ内部での熱の影響に着目し、研究を重ねた。

そして、プロジェクタ内部における「不要光（スクリーン上の拡大画像の結像に寄与しない光）」の処理が重要であるとの新たな知見を得た。

即ち、プロジェクタ内部の不要光が、自由曲面レンズのレンズ面や、レンズ受け部を照射すると、被照射部に蓄熱を生じ、その熱が、自由曲面レンズを熱変形させる。

この熱変形により自由曲面の形状が変化し、自由曲面レンズの性能を劣化させる。

従来、投射装置に用いられる自由曲面レンズの不要光の影響による熱変形に対する対策を開示したものは知られていない。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、投射距離が短く、小型で、性能変化が少ない投射装置の実現を課題とする。

この発明の投射装置は、画像表示素子に表示される画像を、スクリーン上に拡大画像として拡大投影する投射装置であって、画像表示素子からスクリーンに到る結像光路上に、前記画像表示素子側から、屈折光学系と、反射光学系と、光学素子と、を有し、前記屈折光学系は自由曲面レンズを有し、前記反射光学系は、１以上のミラーを有し、前記光学素子は、前記結像光路上で前記ミラーと前記スクリーンとの間に配置され、前記屈折光学系内に設けられた開口絞りの中心を通り、前記スクリーン上の拡大画像の中心に向かう光線を含む面を基準面とするとき、該基準面内において、前記光学素子からの反射光が前記自由曲面レンズ又はその保持部材を照射しないように、前記スクリーンの法線に直交する軸線Ａに対する前記光学素子の素子面法線の傾き角が設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、光学素子による反射光が不要光として自由曲面レンズに熱的に影響するのを防止または有効に軽減させることができる。

従って、投射距離が短く、且つ、小型で、性能変化が少ない投射装置を実現できる。

投射装置の実施の１形態を説明するための図である。画像形成部の屈折光学系に対するシフトを説明するための図である。光学素子により反射された不要光が、自由曲面レンズを照射する状態を説明するための図である。自由曲面レンズが不要光により照射されないように、光学素子を傾けた状態を説明するための図である。屈折光学系と凹面ミラーとの間の空間を説明するための図である。実施例の屈折光学系を説明するための図である。投射装置の実施の別形態を説明するための図である。図７の光学配置において、防塵ガラス１３の法線を軸線Ａに対して傾けない場合を示している。自由曲面レンズが不要光により照射されないように、光学素子を傾けた状態を説明するための図である。屈折光学系と凹面ミラーとの間の空間を説明するための図である。自由曲面レンズの凹面ミラー側の自由曲面形状のＸ軸方向およびＹ軸方向のパワー分布を示す図である。

以下、投射装置の実施の形態を説明する。
図１は、投射装置の実施の１形態を説明するための図である。
図１において、符号ＬＶは「画像表示素子の画像形成部」、符号１０、１１は「屈折光学系」、符号１２は「凹面ミラー」、符号１３は「光学素子」、符号ＳＣは「スクリーン」を示す。

また、符号Ｈは「ハウジング」を示している。

画像形成部ＬＶを有する画像表示素子は、具体的には例えば「ＤＭＤ」、「透過型液晶パネル」、「反射型液晶パネル」等のライトバルブである。

画像形成部ＬＶは「投射されるべき画像を生成する部分」である。以下では、説明の具体性のため、画像表示素子は「ＤＶＤ」であるとする。

画像形成部ＬＶの表面は、カバーガラスである平行平板Ｆにより保護されている。

画像形成部ＬＶに「個々のマイクロミラーの傾きにより形成された画像」は、照明装置ＬＳにより照明される。

照明光は、画像形成部ＬＶに形成された画像をなすマイクロミラーにより反射されて画像光となり、屈折光学系に入射する。

屈折光学系は、自由曲面レンズ１１と、それ以外の部分１０とにより構成されている。

符号１０で示す部分を、以下「共軸レンズ部分」と称する。

共軸レンズ部分１０は、光軸を共有する複数の軸対称レンズ（光軸の回りに回転対称なレンズ）の配置により構成され、内部に開口絞りＳを有する。

自由曲面レンズ１１は、共軸レンズ部分１０の像側に配置されている。

画像形成部ＬＶは、共軸レンズ部分１０の光軸に対して、図１において上方（スクリーンＳＣの側）へシフトされ、結像光束は上記光軸に対して「下向き」に傾いている。

このため、自由曲面レンズ１１の、図で上方の部分は「結像光束が通過しない部分」として切除されている。

画像形成部ＬＶで反射された「画像光」は、屈折光学系の共軸レンズ部分１０と、自由曲面レンズ１１とを通過する。

そして、屈折光学系１０、１１の結像作用により、自由曲面レンズ１１と凹面ミラー１２との間で、画像形成部ＬＶに生成された画像の「中間像」として結像する。

中間像結像後の画像光は、凹面ミラー１２によりスクリーンＳＣへ向けて反射され、光学素子１３を透過してハウジング外へ射出し、スクリーンＳＣ上に拡大画像を投影する。

投影される拡大画像は、共軸レンズ部分１０と自由曲面レンズ１１および凹面ミラー１２の結像作用により結像する。

ここで、画像形成面ＬＶ、屈折光学系１０、１１、凹面ミラー１２、スクリーンＳＣの位置関係の基準を示す「軸線と軸」を説明する。

結像光束の中で「屈折光学系内に設けられた開口絞りＳの中心を通り、スクリーンＳＣの中心に向かう光線」を考える。

この光線（仮に「中心結像光線」と呼ぶ。）は、同一の面内に存在する。中心結像光線を含む平面を「基準面」と呼ぶ。

中心結像光線は、物体側に延長すれば、画像形成面ＬＶの生成される画像の中心に至ることは明らかであろう。

図１における光学配置は「基準面における配置」を示している。即ち、図１の図の面は基準面である。
基準面内において、スクリーンＳＣの法線方向に平行な方向を、図１に軸Ｚとして示している。また、基準面内で、軸Ｚに直交する方向に平行な方向を軸Ｙで示している。

基準面内において、スクリーンＳＣの法線に直交する軸線を「軸線Ａ」と称する。図１において、軸線Ａは「軸Ａ」と表示されている。軸線Ａは軸Ｙと平行である。

また、上記軸Ｙ、軸Ｚに直交する方向の軸を軸Ｘとする。

前述の如く、屈折光学系の共軸レンズ部分１０を構成する軸対称なレンズは光軸を共有しているが、基準面内において上記光軸に平行な軸線を「軸線Ｂ」と称する。

軸線Ｂは、Ｚ軸に平行である。

これら、軸線Ａ、軸線Ｂ、軸Ｘ、軸Ｙ、軸Ｚの正の方向は以下の通りである。

軸線Ａ及び軸Ｙについては図の如く「図の上方へ向かう方向」を正とする。また、軸Ｚ、軸線Ｂについては「図の右方へ向かう方向を正」とする。

軸Ｘについては、図１の図面に直交し「図面の裏側へ向かう方向」を正とする。

なお、上記軸Ｘ、軸Ｙ、軸Ｚについては、以下においてＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とも称する。

軸Ｘ、軸Ｙ、軸Ｚの方向をそれぞれ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、または単に、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向と称する。

また、図１に示す状態において、軸線Ａの負の方向から、Ｚ軸の正の方向への回転の角をθとし、図の如く反時計回りの方向を角：θの正方向とする。

同様に、軸線Ｂの正の方向から、軸線Ａの正の方向への回転の角をαとし、図の如く反時計回りの方向を角：αの正の方向とする。

上記の如く、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸を定めると、これらを座標軸として、自由曲面レンズの自由曲面形状や、凹面ミラーの凹面形状等を定めることができる。

また、角：αによって、凹面ミラーの態位（傾き）を特定でき、角：θによって、光学素子１３の態位（素子面の法線の傾き角）を特定できる。

前述の如く、画像形成部ＬＢは、屈折光学系の共軸レンズ部分１０をなす複数のレンズが共有する光軸に対して、Ｙ方向の正の向きにシフトしている。

この状態を図２に示す。

図２において、軸線Ｂは、図１における共軸レンズ部分１０の光軸に合致し、図面に直交して手前側（軸線Ｂの正の向き）に向かっている。

この軸線ＢをＸ、Ｙ方向の原点とすると、画像形成部ＬＶは、図の如く、Ｙ方向の正の向きにシフトしている。

図１に実施の形態を示す投射装置は、画像表示素子に表示される画像を、スクリーンＳＣ上に拡大画像として拡大投影する投射装置である。

この投射装置は、画像表示素子からスクリーンＳＣに到る結像光路上に、画像表示素子側から、屈折光学系１０、１１と、反射光学系１２と、光学素子１３と、を有する。

屈折光学系は自由曲面レンズ１１を有する。

反射光学系は、凹面ミラー１２を有する。

光学素子１３は、結像光路上でスクリーンＳＣに最も近い凹面ミラー１２とスクリーンＳＣとの間に配置される。

そして、図１に示す如く、基準面内において、スクリーンＳＣの法線に直交する軸線Ａに対して、光学素子１３の素子面法線が傾いている。

「素子面法線」は、光学素子１３の表面に立てた法線である。

「基準面」は、屈折光学系内に設けられた開口絞りＳの中心を通り、スクリーンＳＣ上の拡大画像の中心に向かう光線を含む面である。

画像形成部ＬＶからの投射光束は、屈折光学系１０、１１、凹面ミラーを通って結像光束とされる。

即ち、画像形成部ＬＶ上に生成された画像が、屈折光学系１０、１１と凹面ミラー１２によりスクリーンＳＣに拡大投影され「拡大画像」となる。

自由曲面レンズには自由曲面が形成され、後述する具体的な実施例では、凹面ミラーの反射面形状としても、自由曲面が使用されている。

この明細書中において「自由曲面」は、上記の如くＸ、Ｙ軸に基づいて曲面の位置を指定するとき、Ｙ方向の任意の位置で「Ｘ方向の曲率」が一定でなく、Ｘ方向の任意の位置で「Ｙ方向の曲率」が一定でないアナモフィックな面形状を言う。

具体的には、後述する一般式で各種の係数を特定することにより形状を特定できる。

前述の如く、屈折光学系１０、１１を通過した光束は、画像形成部ＬＶに生成された画像に共役な中間像を凹面ミラー１２よりも画像形成部ＬＶ側に空間像として形成する。
この「中間像」は平面像として結像する必要はなく、この実施の形態においても「曲面像」として結像している。

このように結像した中間像を、最も拡大側に配置した凹面ミラー１２により拡大投影し、スクリーンＳＣ上に「拡大画像」として投影する。

「中間像」は像面湾曲、歪曲を有するが、凹面ミラー１２に自由曲面を用いることにより、これらを良好に補正出来る。

このような「凹面ミラー１２の補正機能」により、屈折光学系における収差補正負担が減ることにより、光学設計の自由度が増大し、投射装置の小型化等に有利となる。

結像光路上で、スクリーンＳＣに最も近い凹面ミラー１２とスクリーンＳＣとの間に配置される光学素子１３は「透明平行平板ガラス」である。

この実施の形態において、透明平行平板ガラスである光学素子１３は「防塵ガラス」としての機能を付与され、投射装置内部、即ち、ハウジングＨの内部を防塵する。

従って、以下、光学素子１３を「防塵ガラス１３」とも言う。

説明中の実施の形態のように、凹面ミラー１２を用い、中間像を凹面ミラー１２の直前に形成する場合、凹面ミラー１２上での結像光束が細くなる。

このため、凹面ミラー１２の反射面に「ゴミ」が付着していると、その存在が拡大画像の結像に大きな悪影響を及ぼす。

このため、投射装置のハウジングＨの内部は「ゴミの無い状態」であることが求められ、ハウジング外部からのゴミの侵入を防ぐための防塵ガラス１３が必要となる。

また、凹面ミラー１２により反射された結像光束が、凹面ミラー１２のスクリーン側で集束し、この領域が高温となるので、安全面への配慮からも防塵ガラスは必要である。

防塵ガラス１３の設置が適切でないと、防塵ガラス１３に反射された「強度の大きい反射光」が自由曲面レンズ１１やその保持部材（図１の受け部材１４等）を照射する。

この照射により、自由曲面レンズ１１の熱変形による自由曲面の「形状変化や偏心」が起こり、自由曲面レンズの機能劣化を招来する。

防塵ガラス１３の設置は、防塵ガラスの法線が軸Ａと平行になるようにするのが、投射装置の小型化やデザインの面から自然である。

しかし、このような設置では、前述の「熱の影響」の問題が発生する。

この点を、図３と図４を参照して説明する。

図３、図４において、画像形成部ＬＶ、屈折光学系１０、１１、凹面ミラー１２の光学的な配置は、図１に示した配置と同一である。

図３の例では、防塵ガラス１３の素子面法線（防塵ガラス１３は透明平行平板ガラスであり、その法線は、互いに逆向きで平行である）は、軸線Ａと平行である。

この場合には、凹面ミラー１２によりスクリーンＳＣ側へ反射される光のうち、防塵ガラス１３により反射された光は、スクリーンＳＣ上の拡大画像の結像に寄与しない。

このような光学素子１３により反射され、スクリーンＳＣ上の拡大画像の結像に寄与しない光を「不要光」と呼ぶ。

図３の例では、画像形成部ＬＶのＹ方向下端部からの光が「不要光」となる。

の不要光は、屈折光学系の光軸に近い光線であるため光強度が強い。そして「不要光」は、凹面ミラー１２の反射面により高い反射率で反射される。

凹面ミラー１２に反射された不要光は、防塵ガラス１３に入射するが、投射距離が短いタイプの投射装置では、防塵ガラス１３への入射角が非常に大きくなる。

このため、反射率も極めて高くなり、強い強度を有するようになる。

このような強度の大きい不要光は、図３に符号２０で示す領域で自由曲面レンズ１１やその受け部材１４を照射する。

このような不要光で照射された自由曲面レンズ１１やその受け部材１４が、蓄熱により昇温し、自由曲面を変形させ、自由曲面レンズ１１の機能を劣化させる。

図４は、図１の場合で、防塵ガラス１３の素子面法線を、軸線Ａに対して傾けている。

このように防塵ガラス１３の素子面法線を、軸線Ａの負の方向から傾け、その傾き角：θ（＞０）を「不要光は、符号２０Ａで示す領域を通る」ように設定する。

このように傾き角：θを設定すれば、自由曲面レンズ１１やその受け部材１４が「不要光により照射される」ことが回避され、不要光による熱の影響が解消される。

勿論、図４のように「不要光が自由曲面レンズ１１や受け部材１４を照射しない」場合であっても「不要光自体の強度が小さい」ことが好ましい。

不要光の強度そのものを小さくするには、防塵ガラス１３の表面に「反射防止処理」を施すのがよい。

反射防止処理は、マルチコートによる反射防止膜として実施することができる。

また、防塵ガラス表面に細かい「ナノサイズの凹凸構造」を形成し、反射率の角度特性を最適に設定して反射防止処理とすることもできる。

説明中の実施の形態では、図１に示すように、防塵ガラス１３の「保持部材１４近傍のスクリーンＳＣ側でかつハウジング内部」に遮光部材１５を配している。

遮光部材１５は、拡大画像の結像光束を遮らないように配設されることは勿論である。

防塵ガラス１３の傾け方は、種々可能であるが、図３に示す傾け方が好適である。

即ち、図３に示す実施の形態では、防塵ガラス１３は、基準面内において、スクリーンＳＣに遠い側から近い側にかけて、軸線Ａの負の方向に向かって傾いている。

上には、防塵ガラス１３により反射された不要光が、自由曲面レンズ１１やその受け部材１４を「直接に照射しない」ようにする場合を説明した。

自由曲面レンズ１１やその受け部材１４を照射して、これらの温度上昇をもたらす光は、防塵ガラス１３による「直接的な反射光」に限らない。

図５に「符号Ｃで示す領域」は、「屈折光学系と凹面ミラーとの間の空間」であるが、この領域Ｃは、図示されない種々の部材により囲繞されている。

上記種々の部材には「自由曲面レンズ１１や凹面ミラー１２や防塵ガラス１３」、即ち、結像光束の光路上にある光学系部分は含まれない。

なお、図の繁雑を避けるために、図５の防塵ガラス１３は「傾き角」を与えない状態で描いてある。

「屈折光学系と凹面ミラーとの間の空間を囲繞する部材」としては、以下の如きものを例示できる。

例えば、自由曲面レンズ１１の受け部材１４、自由曲面ミラー１２の保持部材、防塵ガラス１３の保持部材、ハウジングＨ、図示されない空気ダクトや鏡胴等である。

防塵ガラス１３により反射された光が、これらの部材により「さらに反射」され、自由曲面レンズやその受け部材を照射することが考えられる。

これらは、防塵ガラス１３により反射された不要光が、上記部材により２次的に反射されて、自由曲面レンズやその受け部材を、２次的に照射するものである。

そこで、このような不要光を以下においては「２次不要光」と称する。また、２次不要光との対比で、防塵ガラス１３による反射光である不要光を「１次不要光」とも言う。

２次不要光の影響を有効に小さくするには、上記各種の部材の表面が「凹形状および凸形状の少なくとも一方」を有するようにするのが良い。

凹形状と凸形状の双方を有する場合以外に、凹形状のみ、凸形状のみでもよい。
具体的な形状としては、ドット状の物でもよいし、ライン状のもの、円形状、多角形形状、文字形状や、記号形状等でもよい。

これらの表面構造は、乱反射させる構造、例えば「粗し面」や「サブミクロンレベルの構造」で、上記部材からの反射光強度の低減を図り得るものが好適である。

このような構成により、１次不要光が、前記各種の部材により反射される際、２次不要光が有効に拡散され、自由曲面レンズやその保持部材への影響が有効に軽減される。

また、上記各種の部材の表面に「光を乱反射させる構造」を持たせたり、面の法線が基準面内で軸線Ｂに直交するＹ軸やＸ軸に対して傾けたりすることも有効である。

さらには、上記各種の部材の表面が、屈折光学系が共有する軸線Ｂの方向に向かって広がるようなテーパ形状を有するようにすることも有効である。
テーパ形状とともに凹凸の表面形状を有しても良い。

また、上記何れの場合についても、上記部材の表面を、塗装等の処理により「光を吸収する材質で覆う」ことが有効である。

あるいはまた、上記各種の部材そのものを「光を吸収する材料」で形成してもよい。

さらに、自由曲面レンズ１１の受け部材１４に「熱伝導性の高い素材、例えば金属やフィラー等を充填させて熱伝導性を高めたプラスチック材料」を用いることもできる。
熱伝導性の高い素材を用いることで、不要光や２次不要光が自由曲面レンズやその保持部を照射しても、熱を逃がして蓄熱を少なくでき、熱の影響を低減できる。

また、自由曲面レンズ１１の受け部材１４を、屈折光学系の共軸レンズ部分を保持する鏡筒部材と別体とし、共軸レンズ部分からの熱の伝達を遮る構造も有効である。

さらに、自由曲面レンズ１１のリブの部分を遮光部材で覆うことにより、１次不要光や２次不要光が自由曲面レンズに当たるのを有効に防ぐことができる。

ハウジングＨには、図１に示す各部のほかに、画像形成に必要な部分、即ち、図示されない画像処理部や電源部、冷却用ファンなどが収納されて投射装置を構成している。

以下に、投射装置の実施の別形態を、図７以下を参照して説明する。

図７は、投射装置の実施の別形態を説明するための図である。

繁雑を避けるため、混同の恐れが無いと思われるものについては、図１におけると同一の符号を付し、これらについての説明は、図１に関する説明を援用する。

図７に示す実施の形態では、自由曲面レンズ１１と凹面ミラー１２との間に、折り返しミラー１６が設置されている。他の部分は、図１の実施の形態と同じである。

画像形成部ＬＶに生成された画像からの画像光は、屈折光学系の共軸レンズ部分１０と自由曲面レンズ１１を通過し、折り返しミラー１６に入射する。

折り返しミラー１６により反射された光束は、中間像を結像した後、凹面ミラー１２に入射し、反射されると「光学素子」である防塵ガラス１３を透過する。

そして、スクリーンＳＣ上に拡大画像を投影結像する。

図１の実施の形態では、屈折光学系の共軸レンズ部分１０の光軸が、スクリーンＳＣに対して直交しているが、図７の実施の形態では、スクリーンＳＣに平行である。

先に説明した、軸線Ａ、軸線Ｂ、軸Ｘ、軸Ｙ、軸Ｚの定義と、これらの「正の向き」は、図７に示す如くである。

角：α、角：θの定義も、図１の実施の形態の場合と同じである。

図７に示す実施の形態では、軸線Ａ、軸線Ｂ（図７には、軸Ａ、Ｂと表示）は、互いに平行であり、正の方向も同じである。

また、軸Ｚは、軸線Ａ、軸線Ｂと平行で「正の方向」も同じである。

基準面は図７の図面に合致し、軸Ｙは基準面内において軸線Ｂに直交するから、図７の如く、スクリーンＳＣに直交し、その正の向きは「図の左方」である。

Ｘ軸は、図面に直交し、図面の裏側へ向かう方向が「正の方向」である。

図７に示す実施の形態においても、画像形成部ＬＶは、共軸レンズ部分１０の光軸に対して、Ｙ方向へシフトしている。
シフトの様子は、図１の実施の形態と同様、図２に示す如くである。

図８は、図７の光学配置において、防塵ガラス１３の素子面法線を「軸線Ａと平行」にした場合を示している。

この場合、防塵ガラス１３のよる反射光（不要光）が、折り返しミラー１６により反射されて、符号２１で示す領域で、自由曲面レンズ１１や受け部材１４を照射する。

このように、図７に示す実施の形態においては、主として問題となる不要光は「防塵ガラス１３で反射され、さらに、折り返しミラー１６で反射された光」である。

図９は、防塵ガラス１３の法線が、軸線Ａに対して傾いている場合を示している。

図９の如く、防塵ガラス１３の素子面法線を軸線Ａに対して、傾き角：θだけ傾けると、防塵ガラス１３による反射光は、折り返しミラー１６により反射されなくなる。

このため、防塵ガラス１３により反射された不要光の大部分は、符号２１Ａで示す領域を通り、自由曲面レンズ１１やその受け部材１４を照射することがない。

従って、不要光による「自由曲面レンズ」への熱の影響を有効に軽減できる。

図７に示す実施の形態においても、防塵ガラス１３は、基準面内において、スクリーンＳＣに遠い側から近い側にかけて、軸線Ａの負の方向に向かって傾いている。

図７に実施の形態を示す投射装置は、画像表示素子に表示される画像を、スクリーン上に拡大投影する投射装置である。
画像表示素子からスクリーンＳＣに到る結像光路上に、画像表示素子側から、屈折光学系１０、１１と、反射光学系１２、１６と、光学素子１３と、を有する。

屈折光学系は自由曲面レンズ１１を有し、反射光学系は、１以上のミラー１２、１６を有し、且つ、ミラーの少なくとも１つは凹面ミラー１２である。

光学素子１３の素子法線面は、基準面内において、スクリーンＳＣの法線に直交する軸線Ａに対して傾いている。

「基準面」は、屈折光学系内に設けられた開口絞りＳの中心を通り、スクリーンＳＣ上の拡大画像の中心に向かう光線を含む面であり、図７では図面そのものが基準面である。

光学素子として、凹面ミラー１２とスクリーンＳＣとの間に配置された防塵ガラス１３は透明平行平板ガラスで、素子面法線が、基準面内において軸線Ａに対して傾いている。

図７に示す実施の形体でも、自由曲面レンズ１１やその受け部材１４を照射して、これらの温度上昇を齎す不要光は、防塵ガラス１３による１次不要光に限らない。

図１０に「符号Ｃ１で示す領域」は、「屈折光学系と凹面ミラーと折り返しミラーと防塵ガラスにより囲まれた空間」である。

図１０においても、この領域Ｃ１を「屈折光学系と凹面ミラーとの間の空間」と呼ぶ。

領域Ｃ１は、図示されない種々の部材により囲繞されている。

上記種々の部材には結像光束の光路上に位置する光学系である「自由曲面レンズ１１や凹面ミラー１２、折り返しミラー１６や防塵ガラス１３」は含まれない。

「屈折光学系と凹面ミラーとの間の空間を囲繞する部材」としては、以下の如きものを例示することができる。

例えば、自由曲面レンズ１１の受け部材（保持部材）、自由曲面ミラー１２の保持部材、折り返しミラー１６の保持部材、防塵ガラス１３の保持部材、ハウジングＨ等である。

また、図示されない空気ダクトや鏡胴等も含まれる。

防塵ガラス１３や折り返しミラー１６により反射された１次不要光が、上記部材により反射され、２次不要光として自由曲面レンズや受け部材を照射することが考えられる。

２次不要光の影響を小さくするには、上記各種の部材の表面が「凹形状および凸形状の少なくとも一方」を有するようにするのが良い。

このような構成により、２次不要光が有効に拡散され、自由曲面レンズやその保持部への影響が有効に軽減される。

また、上記表面に「光を乱反射させる構造」を持たせたり、面の法線が基準面内でＹ軸や、Ｘ軸に対して傾けたりすることも有効である。

さらには、上記部材の表面が、屈折光学系が共有する軸線Ｂの方向に向かって広がるようなテーパ形状を有するようにすることも有効である。
テーパ形状とともに凹凸の表面形状を有しても良い。

あるいはまた、上記部材そのものを「光を吸収する材料」で形成してもよい。

さらに、自由曲面レンズ１１の受け部材１４に「熱伝導性の高い素材、例えば金属やフィラー等を充填させて熱伝導性を高めたプラスチック材料」を用いることもできる。
熱伝導性の高い素材を用いることで、不要光や２次不要光が自由曲面レンズもしくは自由曲面レンズの保持部にあたっても、熱を逃がすことができ、熱の影響を低減できる。

また、自由曲面レンズ１１の受け部材１４を、屈折光学系の光軸レンズ部分を保持する鏡筒と別体とし、共軸レンズ部分からの熱の伝達を遮る構造も有効である。

自由曲面レンズ１１のリブの部分を遮光部材で覆うことにより、不要光や２次不要光が自由曲面レンズに当たるのを有効に防ぐことができる。

ハウジングＨには、図７に示す各部のほかに、画像形成に必要な部分、即ち、図示されない画像処理部や電源部、冷却用ファンなどが収納されて投射装置を構成している。

この発明の投射装置では、自由曲面レンズの「凹面ミラー側の面」は、以下の如き形状であるのがよい。

即ち、上記面は、回転非対称で、Ｙ軸方向、Ｘ軸方向に凸形状で、Ｙ方向のパワー差を、Ｘ方向のパワー差よりも絶対値において小さくする。

「Ｙ方向パワー差」は、Ｙ軸方向において軸線Ｂに近い側でのパワーと有効径端でのパワーとの差をいう。

「Ｘ方向パワー差」は、Ｘ軸方向において軸線Ｂに近い側でのパワーと有効径端でのパワーとの差をいう。

自由曲面レンズの凹面ミラー側の面を、Ｙ軸方向、Ｘ軸方向に凸形状とすることにより、凹面ミラー側の自由曲面の光軸から離れた周辺部が「画像形成部の側」に位置する。

このため、上記周辺部で「不要光を有効に避ける」ことができる。

また、このように「凹面ミラー側の面が、Ｙ軸方向、Ｘ軸方向に凸形状であると、共軸レンズ部分側からの結像光線が軸線Ｂ側（光軸側）へ曲げられる。

このため、凹面ミラーへ向かう光束の光束断面形状を小さくでき、凹面ミラーの反射面を有効に小さくでき、延いては投射装置の小型化に有効である。

超短投射プロジェクタにおいては、Ｙ方向の焦点深度が狭いため、自由曲面レンズのＹ軸方向の偏心や形状変化による性能劣化量が大きくなり易い。

上記の形状とすることにより、特にＹ方向の偏心や形状変化が起こっても、性能劣化を抑えることができる。

光学素子（防塵ガラス１３）の表面はナノ構造を有していることが好ましい。

光学素子表面の反射率の角度特性を抑える構造とすることで、自由曲面ミラーや受け部に当たる反射光の強度を下げることができ、性能劣化を防ぐことが可能となる。

光学素子近傍のスクリーンに近い側の装置内側に遮光部材（図１の遮光部材１５）を有することが好ましい。
「遮光部材」を設置することにより、光学素子からの反射光を遮ることができ、性能劣化を防ぐことが可能となる。

自由曲面レンズの保持部材と、他の群の鏡胴は別体であることが好ましい。
別体とすることで他の群からの熱伝導を抑えることができ、形状変化や偏心が起こりにくくなり、性能劣化をより有効に抑えられる。

「軸Ａと光学素子の法線とのなす角：θ」は、以下の条件（１）、（２）のいずれかを満たすことが好ましい。

５度＜θ＜２０度（１）
３０度＜θ （２）
条件（１）または（２）を満たすことにより、投射装置を小型化しつつ、自由曲面レンズやその受け部に反射光が当たらないようにすることが容易になる。

上に説明した実施の形態では、光学素子は、透明平行平板ガラスである防塵ガラス１３である。しかし、これに限らず、光学素子は片面または両面が曲面であってもよい。

しかし、防塵ガラス１３のように、パワーを持たない光学素子にすれば、偏心による収差発生を抑えることができる。

スクリーンＳＣ上には、画像形成部ＬＶに生成された画像の拡大画像が投影される。この投影される拡大画像の「縦横幅のうちで大きい方」を拡大画像幅と称する。

上の実施の形態では、図２に示すように、生成される画像は、Ｘ方向に長い「横長の画像」であるから、拡大画像のＸ方向（横方向）の幅が「拡大画像幅」である。

一方、スクリーンに最も近い凹面ミラーの有効範囲の端からスクリーンまでの距離を投射距離と称する。

拡大画像幅で投射距離を除した商：投射距離／拡大画像幅を「ＴＲ」とすると、このＴＲは、以下の条件（３）を満足するのがよい。

ＴＲ＜０．３５（３）
条件（３）を満足する投射装置は、極めて短い投射距離で大サイズの拡大画像を投影できる。

自由曲面レンズの周辺部を遮光部材で覆うようにすると、自由曲面のリブの部分に不要光が照射されるのを有効に防ぐことができる。

この発明の投射光学系は上記のごとき構成により、投射距離が非常に短く、小型で性能変化が少ない投射装置の提供が可能となる。

以下、屈折光学系および反射光学系の、具体的な実施例の数値データを２例挙げる。実施例１および２はそれぞれ、図１及び図７に示した実施の形態に関するものである。
これら実施例には、非球面と自由曲面とが採用されている。以下において、非球面および自由曲面の形状特定は、以下の式による。

「非球面形状」
「非球面形状」は、周知の次式（Ａ）により表現する。
Ｘ＝Ｃ・Ｈ^２／[１＋√{１−(１＋Ｋ)Ｃ^２・Ｈ^２}]＋ΣＡｉ・Ｈ^ｉ（Ａ）
式（Ａ）において、「Ｘ」は基軸方向の非球面量、「Ｃ」は近軸曲率（近軸曲率半径の逆数）、「Ｈ」は光軸からの高さ、「Ｋ」は円錐定数、「Ａｉ」はｉ次の非球面係数である。

式（Ａ）右辺の、和は、「ｉ」をパラメータとして順次変化させて取る。

非球面形状は、近軸曲率半径と円錐定数、非球面係数を与えて形状を特定する。

「自由曲面形状」
「自由曲面形状」は、周知の次式（Ｂ）により表現する。
Ｘ＝Ｃ・Ｈ^２／［１＋√{１−(１＋Ｋ)Ｃ^２・Ｈ^２}］＋ΣＣｊ・ｘ^ｍ・ｙ^ｎ（Ｂ）
式（Ｂ）左辺の「Ｘ」は基軸方向における自由曲面量である。

式（Ｂ）右辺の第１項は、式（Ａ）の第１項と同一であり、Ｃ、Ｈ、Ｋは、式（Ａ）のものと同じである。

式（Ｂ）右辺第２項の「Ｃｊ」は、自由曲面係数である。自由曲面係数：Ｃｊにおけるパラメータ：ｊは、以下の式で定義される。

ｊ＝１＋｛(ｍ＋ｎ)^２＋ｍ＋３ｎ｝/２
ｘ、ｙは、Ｚ方向に平行な基軸の位置を原点として、Ｘ軸方向に「ｘ座標」、Ｙ軸方向に「ｙ座標」を設定したときの位置座標（ｘ，ｙ）である。

右辺第２項の和は、「ｊ」をパラメータとして順次変化させて取る。

自由曲面形状は、近軸曲率半径と円錐定数、自由曲面係数を与えて形状を特定する。

近軸曲率半径は、式（Ａ）、（Ｂ）における基軸の近傍の曲率半径である。

実施例１は、図１に示した実施の形態に対応するものである。

図６に、実施例１の屈折光学系の断面図（基準面上の断面図）を示す。

屈折光学系は、３レンズ群構成であり、第１レンズ群Ｉ、第２レンズ群ＩＩ、第３レンズ群ＩＩＩにより構成されている。第３レンズ群ＩＩＩが「自由曲面レンズ」である。

第１レンズ群Ｉと第２レンズ群ＩＩとは、共軸レンズ部分１０を構成する。

図６の上図は、投射された画像のサイズ：８０インチ（遠距離側）のときのレンズ群配置を示し、下図は、サイズ：４８インチ（近距離側）のときのレンズ群配置を示す。

即ち、屈折光学系は、画像形成部ＬＶ側から拡大側（図の右方）へ順に、正の屈折力の第１レンズ群Ｉ、負の屈折力の第２レンズ群ＩＩ、第３レンズ群ＩＩＩを配列している。

第１レンズ群Ｉ内には、開口絞りＳが配置されている。

図示されない凹面ミラーは、図６において、第３レンズ群ＩＩＩをなす自由曲面レンズの右方（拡大側）に配置されている。

投射距離の変化に対するフォーカシングは、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、第２レンズ群ＩＩと第３レンズ群ＩＩＩが拡大側へ移動して行われる。

投射距離：４８インチの近距離側へのフォーカシングでは、第３レンズ群ＩＩＩの繰出し量が最も大きい。

第１レンズ群Ｉは、画像形成部ＬＶ側から拡大側へ向かって順に配列された、第１〜第１０レンズの１０枚のレンズにより構成されている。

第１レンズは、画像形成部ＬＶ側に「より強い凸面」を向けた両面非球面両凸レンズである。

第２レンズは、拡大側に「より強い凸面」を向けた両凸レンズ、第３レンズは、画像形成部側により強い凹面を向けた両凹レンズである。

第２レンズと第３レンズは接合されて接合レンズをなす。

第４レンズは、画像形成部ＬＶ側に「より強い凸面」を向けた両凸レンズ、第５レンズは、拡大側に凸面を向け、両面が非球面の正メニスカスレンズである。

この第５レンズの拡大側に開口絞りＳが配されている。

第６レンズは、画像形成部側に「より強い凹面」を向けた両凹レンズ、第７レンズは、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた正メニスカスレンズである。

第６レンズと第７レンズは接合されて接合レンズをなす。

第８レンズは、拡大側に「より強い凸面」を向けた両凸レンズであり、第９レンズは、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。

第１０レンズは、拡大側に「より強い凸面」を向けた両凸レンズである。

第２レンズ群ＩＩは、画像形成部ＬＶ側から拡大側へ向かって順に、第１１レンズ〜第１３レンズの３枚のレンズで構成されている。

第１１レンズは、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた両面非球面正メニスカスレンズ、第１２レンズは、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。

第１３レンズは、画像形成部ＬＶ側に「より強い凹面」を向けた両面非球面両凹レンズである。
第３レンズ群ＩＩＩをなす第１４レンズは、自由曲面レンズ１１である。

また、凹面ミラーの反射面形状も自由曲面形状である。

実施例における記号の意味は以下の通りである。また、長さの次元を持つ量の単位は、特に断らない限り「ｍｍ」である。

ｆ：全系の焦点距離
NA：開口効率
ω：半画角(deg)
Ｒ：曲率半径(非球面にあっては近軸曲率半径)
Ｄ：面間隔
Ｎｄ：ｄ線に対する屈折率
Ｖｄ：ｄ線に対するアッベ数
Ｋ：非球面の円錐定数
Ai：i次の非球面定数
Cｊ：自由曲面係数
「実施例１」
実施例１のデータを、表１に示す。

表１の最も左の列は画像形成部ＬＶ側から数えた「面番号」であり、画像形成部ＬＶの画像を表示する面が面番号：１である。

また、面番号１２と１３との間に開口絞りが配置されている。

表１に示す面番号で「＊印」が付された面は「非球面」、「＊＊印」が付された面は「自由曲面」である。また、実施例の開口数は０．２００である。

「可変量」
フォーカシングに伴う拡大画像のサイズ（画面サイズ）の変化と、可変間隔（可変Ａ〜可変Ｄ）を、表２に示す。

「非球面データ」
非球面のデータを表３に示す。

非球面形状の基軸は、共軸レンズ部分の光軸である。

また、上の表記において、例えば「-2.1895E-05」は「-2.1895×10^-5」を表す。以下においても同様である。

「自由曲面データ」
自由曲面係数のデータを表４に示す。

表４において、２８面と２９面が、自由曲面レンズの画像形成部側および拡大側の自由曲面であり、３０面が、凹面ミラーの反射面である。

自由曲面レンズの自由曲面である２８面、２９面の基軸は、共軸レンズ部分の光軸であり、前記非球面形状の基軸と同一である。

「凹面ミラーの位置」
凹面ミラーの配置態位に関するデータを以下にあげる。
基準として、凹面ミラーに最も近い自由曲面レンズの自由曲面の位置を用いる。

即ち、投影画像を最大（８０インチ）とした合焦状態での、この自由曲面の頂点を基準とする。

この基準からＺ方向（光軸方向）における凹面ミラー反射面位置までの距離と、前記光軸から基軸までのＹ軸方向の距離と、傾き角：αを与えて形状・位置を特定する。

傾き角：α（単位「度」）は、屈折光学系の光軸と凹面ミラーの反射面の交点位置における反射面の、基準面内における傾きで、その正負は、前述の規則に従う。

これらの値を表５に与える。

防塵ガラスは、硝材：Ｓ−ＢＳＬ７（ｎｄ＝１．５１６８、Ｖｄ＝６４．２）による厚さ：３ｍｍの平行平板であり、ＹＺ面での大きさは３５ｍｍである。

表５における防塵ガラスの位置に関する値は、防塵ガラスのスクリーン側の面の中心部のＹ、Ｚ方向の座標である。
即ち、Ｙ軸に関しては上記中心部の「光軸からＹ方向の距離」であり、Ｚ方向（光軸方向）に関しては上記「基準と成る自由曲面の頂点」からの中心部の距離である。

「投射距離とＴＲの関係」
投射距離／拡大画像幅であるＴＲと投射距離の関係を、表６に示す。

実施例１の投射装置において、画像表示素子としてはＤＭＤが想定されている。

ＤＭＤの画像形成部のサイズは、以下の通りである。

横方向（Ｘ方向）長さ：１４．５１５２ｍｍ
縦方向（Ｙ方向）長さ：９．０７２ｍｍ
画像形成部は、屈折光学系の光軸に対し、Ｙ方向にシフトしているが、光軸と画像形成部の中心との距離は、５．９２９ｍｍである。

即ち、画像形成部の最も光軸側の端部と、光軸との距離は、１．３９ｍｍである。

また、画像形成部におけるドットサイズ（画素サイズ）は７．５６μｍである。

「実施例２」
実施例は、図７に示した実施の形態に対応するものである。

実施例２のデータを表１に倣って表７に示す。実施例２においても開口数は０．２００である。

実施例２において用いられている折り返しミラー（面番号３０）は、曲率半径が無限大の平面鏡であり、結像光束を折り返すのみで、結像機能を担っていない。

実施例２において用いられている屈折光学系および凹面ミラーは、実施例１において用いられているものと同一のものである。

従って、表７に示すデータにおいて、面番号１から面番号２９までの「屈折光学系の部分」は、表１に示すデータと同一であり、面番号３１が凹面ミラーの反射面である。

従って、屈折光学系の部分につき、図６を参照して説明した実施例１の内容は、そのまま実施例２の屈折光学系についてもそのまま成り立つ。

「可変量」
フォーカシングに伴う拡大画像のサイズ（画面サイズ）の変化と、可変間隔（可変Ａ〜可変Ｄ）を、表２に倣って表８に示す。

折り返しミラー（面番号３０）が存在するため、可変Ｄは、実施例１の表２におけるものと符号が逆になっている。「折り返しミラー」は、平面鏡であり、パワーを持たない。

「非球面データ」
非球面のデータを表９に示す。

「自由曲面データ」
自由曲面係数のデータを表１０に示す。

前述の如く、実施例２の屈折光学系、凹面ミラーは、実施例１のものと同一であるので、表９は表３と、表１０は表４と同一である。

「折り返しミラーと凹面ミラーの位置」
実施例２における折り返しミラーと凹面ミラーの配置の位置と態位を、表５に倣って、表１１に示す。

防塵ガラスは、硝材：Ｓ−ＢＳＬ７（ｎｄ＝１．５１６８、Ｖｄ＝６４．２）による厚さ：３ｍｍの平行平板であり、ＹＺ面での大きさは３０ｍｍである。

表１１における防塵ガラスの位置に関する値は、防塵ガラスのスクリーン側の面の中心部のＹ、Ｚ方向の座標である。
即ち、Ｙ軸に関しては上記中心部の「光軸からＹ方向の距離」であり、Ｚ方向（光軸方向）に関しては上記「基準と成る自由曲面の頂点」からの中心部の距離である。

「投射距離とＴＲの関係」
投射距離／拡大画像幅であるＴＲと投射距離の関係を、表６にならって表１２に示す。

実施例２の投射装置においても、画像表示素子としては実施例１に関して上に説明したのと同一のＤＭＤが想定されている。

屈折光学系の光軸に対するＹ方向のシフト量（１．３９ｍｍ）も同じである。

光学素子である防塵ガラス１３の傾きの角：θは、実施例１ではθ＝１０度に、実施例２ではθ＝１５度に設定され、何れの場合も条件（１）を満足している。

実施例２のように、折り返しミラー（面番号３０）を用いる場合は、角：θの範囲が、
１５度＜θ＜３０度
では、防塵ガラスによる１次不要光が自由曲面レンズを照射してしまう。

従って、この場合の角：θは、条件（２）を満足するように設定する必要がある。

上述の如く、実施例１、２における自由曲面レンズは同一のものである。従って、その形状等は、実施例１、２について同列に論ずることができる。

図１１に「自由曲面レンズの凹面ミラー側の面（面番号２９）」のＸ軸方向、Ｙ軸方向のパワーの分布を示す。

Ｘ軸方向のパワーをＰｘ、Ｙ軸方向のパワーをＰｙとする。これらのパワーＰｘ、Ｐｙは、以下のように定義される。

自由曲面形状を、ｆ(ｘ，ｙ)で表し、そのｘ、ｙによる１回編微分、２回変微分を、以下の如く、ｆ’ｘ、ｆ’’ｘ、ｆ’ｙ、ｆ’’ｙとすると、これらは、以下の如く与えられる。

ｆ’ｘ＝∂ｆ(ｘ，ｙ)/∂ｘ、ｆ’’ｘ＝∂^２ｆ(ｘ，ｙ)/∂ｘ^２＝∂ｆ’ｘ/∂ｘ
ｆ’ｙ＝∂ｆ(ｘ，ｙ)/∂ｙ、ｆ’’ｙ＝∂^２ｆ(ｘ，ｙ)/∂ｙ^２＝∂ｆ’ｙ/∂ｙ。

上記のパワー：Ｐｘ、Ｐｙは、これらを用いて以下のように定義される。

Ｐｘ＝ｆ’’ｘ/{１＋(ｆ’ｘ)^２}^３/２
Ｐｘ＝ｆ’’ｙ/{１＋(ｆ’ｙ)^２}^３/２。

図１１の左図は、Ｘ軸方向（Ｘ方向）のパワー：Ｐｘの分布を、複数の領域に分けて示し、右図は、Ｙ軸方向（Ｙ方向）のパワー：Ｐｙの分布を、複数の領域に分けて示す。

図１１から、パワー：Ｐｘの「軸線Ｂ（基軸）に近い側でのパワーと有効径端でのパワーとのパワー差」の絶対値は、パワー：Ｐｘの「軸線Ｂ（基軸）に近い側でのパワーと有効径端でのパワーとのパワー差」の絶対値よりも大きい。

また、面番号２９の自給曲面データを与える表４、表９から明らかなように、自由曲面レンズの凹面ミラー側の面は回転非対称形状で、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に凸形状をなす。

上に説明した実施の形態から明らかなように、この発明の投射装置は、防塵ガラスの適切な配設により、自由曲面レンズの面形状の変形や偏心を抑えることができる。

従って、小型で、安定的に高性能を維持できる投射装置を実現できる。

以下、若干補足する。

上に説明した図１、図７の実施の形態において、画像表示素子としてはＤＭＤを想定したが、勿論、画像表示素子がＤＭＤに限定される訳ではない。

画像表示素子としては、ＤＭＤのほかに、透過型液晶パネルや反射型液晶パネル等の公知の適宜のライトバルブを使用できる。

実施例において画像表示素子として想定したＤＭＤのように「自ら発光する機能」を持たない画像表示素子の場合には、図１、図７に示すように照明装置ＬＳを用いる。

即ち、画像形成部ＬＶに形成された画像情報が、照明装置ＬＳからの照明光により照明される。

照明装置ＬＳは、画像形成部ＬＶを効率よく照明する機能を有するものが好ましい。

画像形成部ＬＶの照明をより均一にするため、例えばロッドインテグレータやフライアイインテグレータを用いることが出来る。

また照明光源としては、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ、ＬＥＤなどの白色光源や、単色発光ＬＥＤ、ＬＤなどの単色光源も用いることが出来る。

画像表示素子としては「生成させた画像を発光させる機能を有する自己発光方式」のものを用いることも出来る。

図１、図７においては、防塵ガラス１３と接するように遮光部材１５が設置されているが、遮光部材１５の設置位置は、これに限らない。

また、遮光部材１５の形状も、便宜上四角形で示しているが、これに限るものではなく、フィルムを用いてもよく、また遮光部材を保持部材の一部として形成してもよい。

図１に示した実施の形態（具体的には実施例１）では、反射光学系を１枚の凹面ミラーにより構成している。

図７に示した実施の形態（具体的には実施例２）では、１枚の凹面ミラーと１枚の折り返しミラーで反射光学系を構成している。

反射光学系の構成は、これらの例に限定されない。少なくとも１面の凹面ミラーを含む２以上のミラーにより反射光学系を構成することができる。

図７にしました実施の形態では、折り返しミラー１６は平面ミラーであるが、反射面を凸面または凹面として「パワー」を持たせても良い。

その場合のパワーは「アナモフィックなパワー」でもよい。

凹面ミラーも２面以上用いることもできる。

光学素子としての防塵ガラスには、反射防止処理を施して、不要光の強度を低減するのがよい。

反射防止処理としては、マルチコートによる反射防止膜や、ガラス表面に細かいナノサイズの凹凸構造を形成し、反射率の角度特性を最適に設定することもできる。

なお、この発明は、上述した各実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更できることは言うまでもない。

ＬＶ画像表示素子の画像形成部
ＬＳ照明装置
１０屈折光学系の共軸レンズ部分
１１自由曲面レンズ
１２反射光学系の凹面ミラー
１３光学素子としての防塵ガラス
１４自由曲面レンズの受け部材
１５遮光部材
ＳＣスクリーン
Ｈハウジング

特開２００７−０７９５２４特開２０１１−２４２６０６特開２０１１−１５００２９

Claims

画像表示素子に表示される画像を、スクリーン上に拡大画像として拡大投影する投射装置であって、
画像表示素子からスクリーンに到る結像光路上に、前記画像表示素子側から、屈折光学系と、反射光学系と、光学素子と、を有し、
前記屈折光学系は自由曲面レンズを有し、
前記反射光学系は、１以上のミラーを有し、
前記光学素子は、前記結像光路上で前記ミラーと前記スクリーンとの間に配置され、
前記屈折光学系内に設けられた開口絞りの中心を通り、前記スクリーン上の拡大画像の中心に向かう光線を含む面を基準面とするとき、該基準面内において、前記光学素子からの反射光が前記自由曲面レンズ又はその保持部材を照射しないように、前記スクリーンの法線に直交する軸線Ａに対する前記光学素子の素子面法線の傾き角が設定されていることを特徴とする投射装置。
請求項１記載の投射装置において、
反射光学系が有する１以上のミラーの少なくとも１つは凹面ミラーであり、
光学素子は、結像光路上でスクリーンに最も近い凹面ミラーと前記スクリーンとの間に配置され、
基準面内において、画像表示素子の中心からスクリーンの中心へ向かう方向を、軸線Ａの正方向として、光学素子が、前記スクリーンに遠い側から近い側にかけて、軸線Ａの負の方向に向かって傾いていることを特徴とする投射装置。
請求項１または２記載の投射装置において、
基準面内において、画像表示素子の中心からスクリーンの中心へ向かう方向を、軸線Ａの正方向として、光学素子が、前記スクリーンに遠い側から近い側にかけて、軸線Ａの負の方向に向かって傾いていることを特徴とする投射装置。
請求項１乃至３の何れか１項に記載の投射装置において、
基準面内において、屈折光学系が共有する軸線Ｂに直交する軸をＹ軸、これら軸線ＢとＹ軸とに直交する軸をＸ軸とするとき、
自由曲面レンズは、凹面ミラー側の面が回転非対称形状で、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に凸形状をなし、
Ｙ方向において軸線Ｂに近い側でのパワーと有効径端でのパワーとのパワー差をＹ方向パワー差、Ｘ方向において軸線Ｂに近い側でのパワーと有効径端でのパワーとのパワー差をＸ方向パワー差とするとき、
Ｙ方向のパワー差が、Ｘ方向のパワー差よりも絶対値において小さいことを特徴とする投射装置。
請求項１乃至４の何れか１項に記載の投射装置において、
光学素子の表面がナノ構造を有していることを特徴とする投射装置。
請求項１乃至５の何れか１項に記載の投射装置において、
光学素子が設けられたハウジング内部の、前記光学素子近傍で、スクリーンに近い側に、光学素子により反射された光を自由曲面レンズに対して遮光する遮光部材を有することを特徴とする投射装置。
請求項１乃至６の何れか１項に記載の投射装置において、
屈折光学系と凹面ミラーとの間の空間を囲繞する部材の表面が、凹形状および凸形状の少なくとも一方を有していることを特徴とする投射装置。
請求項１乃至７の何れか１項に記載の投射装置において、
屈折光学系と凹面ミラーとの間の空間を囲繞する部材の表面が、光を乱反射させる構造を持つことを特徴とする投射装置。
請求項１乃至６の何れか１項または請求項８に記載の投射装置において、
屈折光学系と凹面ミラーとの間の空間を囲繞する部材の法線が、基準面内で、屈折光学系が共有する軸線Ｂに直交するＹ軸に対して傾いていることを特徴とする投射装置。
請求項１乃至６の何れか１項または請求項８または９に記載の投射装置において、
屈折光学系と凹面ミラーとの間の空間を囲繞する部材が、前記屈折光学系が共有する軸線Ｂの方向に向かって広がるようなテーパ形状を有することを特徴とする投射装置。
請求項１乃至１０の任意の１に記載の投射装置において、
屈折光学系と凹面ミラーとの間の空間を囲繞する部材の表面が、光を吸収する材質で覆われていることを特徴とする投射装置。
請求項１乃至１１の任意の１に記載の投射装置において、
屈折光学系に含まれる自由曲面レンズを保持する部材が、熱伝導性の高い材質により形成されていることを特徴とする投射装置。
請求項１乃至１２の任意の１に記載の投射装置において、
屈折光学系に含まれる自由曲面レンズの保持部材と、他の群の鏡胴が別体であることを特徴とする投射装置。
請求項１乃至１３の任意の１に記載の投射装置において、
光学素子の法線と軸線Ａとのなす角：θが、以下の条件：
５度＜θ＜２０度（１）
３０度＜θ （２）
のいずれかを満足することを特徴とする投射装置。
請求項１乃至１４の任意の１に記載の投射装置において、
結像光路上でスクリーンに最も近い凹面ミラーと前記スクリーンとの間に配置される光学素子は、パワーを持たないことを特徴とする投射装置。
請求項１乃至１５の任意の１に記載の投射装置において、
スクリーンに最も近い凹面ミラーの有効範囲の端から、スクリーンまでの距離を投射距離、スクリーン上に投影される拡大画像の幅の大きい方を拡大画像幅として、
投射距離／拡大画像幅をＴＲとするとき、前記ＴＲが、条件：
ＴＲ＜０．３５（３）
を満足することを特徴とする投射装置。
請求項１乃至１６の任意の１に記載の投射装置において、
屈折光学系に含まれる自由曲面レンズの周辺部が遮光部材で覆われていることを特徴とする投射装置。