JP2015138039A - 投射光学系および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 投射光学系の小型化・投射距離の短縮化並びに温度変動による投射画像の歪みの低減化、プラスチックレンズの内部複屈折が起こすピントずれの低減化を図ること。【解決手段】 投射光学系１００は、画像表示素子１側から順に、複数のレンズ群（Ｇ１〜Ｇ５）を有する第１光学系２と、第１光学系２の後に配置される折り返しミラー３および曲面ミラー４を含む第２光学系７からなる。第１光学系２は、複数のレンズ群を保持する鏡胴と、プラスチック製の回転非対称な自由曲面レンズ（第１３レンズＬ１３）を備えている。自由曲面レンズと他のレンズで共有される光軸の交点を起点として、レンズ外周方向に伸ばした線分方向に離れるにつれて、自由曲面レンズの肉厚が薄くなる特徴を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、画像表示素子に表示される画像をスクリーン等の被投射面に拡大投射するための投射光学系およびその投射光学系を具備する画像投射装置に関するものである。

プロジェクタ等と称される画像投射装置の主要部は、光源としてのランプからの光で、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）または液晶表示パネル等のライトバルブ（light valve〜光弁）と称される画像表示素子の表示画面を照明し、画像表示素子の表示画像の拡大像を投射光学系によって被投射面を形成するスクリーンに投影するような構成となっている。
ここで画像表示素子として用いられるＤＭＤは、多数の微小ミラーを有し、これら各微小ミラーの角度を個別に＋１２°〜−１２°の範囲で電子的に制御することができるデバイスである。例えば、今、１つの微小ミラーの角度が、−１２°のときに照明光の微小ミラーによる反射光が投射光学系内に入射し、そして＋１２°のときに照明光の反射光が投射光学系に入射しないように、照明光がＤＭＤに入射する角度を設定しておけば、ＤＭＤの各微小ミラーの傾斜角度を制御することによって、ＤＭＤの表示画面上にディジタル画像を形成し、当該画像を投射光学系を介してスクリーン上に投影することができる。
ところで、昨今、この種の画像投射装置においては、被投射面を形成するスクリーンの設置位置が、従来よりも極端に近い超至近プロジェクタなどと称されるプロジェクタが普及しつつある。このような超至近プロジェクタの目的は、主としてスクリーンの近くに位置する説明員や発表者等のプレゼンターの目に、投射光が入射してしまうのを避けるようにすることや、プレゼンターによる説明等を受ける側の聴講者の近傍にプロジェクタが配置される状況を避けて、聴講者がプロジェクタの排気・騒音等の悪影響を受けないようにすることにある。

上述するような画像投射装置として広く知られた液晶プロジェクタは、近来、液晶パネルの高解像化、光源ランプの高効率化に伴う明るさの改善、低価格化などが進んでいる。
また、ＤＭＤを利用した小型軽量な画像投射装置が普及し、オフィスや学校のみならず家庭においても広くこれら画像投射装置が利用されるようになってきている。
近年、本体の小型軽量化、投射距離の短縮化が求められている。本体の小型軽量化と投射距離の短縮化について、自由曲面を用いた反射型結像光学系を用いた投射光学系、画像投射装置として、例えば、特許文献１（特開２０１１−２５３０２３号公報）および特許文献２（特開２０１１−２４２６０６号公報）に記載されたものがある。
このうち、特許文献１のものは、自由曲面レンズを用いた投射光学系の発明であるが、自由曲面レンズとしては、斜め投射の補正をするために使用している。
一方、特許文献２のものは、自由曲面ミラーを使った投射光学系の発明である。小型短投射のためには、自由曲面ミラーを使った光学系は有効であるが、歪曲補正および像面湾曲補正を自由曲面ミラーのみで頼っており、自由曲面ミラーの大型化を招いている。自由曲面ミラーが大型になると、その分温度変動による伸縮も大きくなるため、温度変動による歪曲やピントずれの影響が大きくなるが、その点については何ら考慮されていない。
回転非対称な自由曲面レンズを使用することで、歪曲を補正したり、投射距離を縮める投射光学系とした例はあるが、どの文献にも、温度変動による歪曲の変動や、プラスチック製レンズの内部複屈折を低減させるような工夫や、求められるレンズ形状に関する記載はされていない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、投射光学系の小型化および投射距離の短縮化並びに自由曲面レンズを使用した光学系において、温度変動による投射画像の歪みを低減することと、プラスチック製レンズの内部複屈折が起こすスクリーン上ピントずれの影響を低減することを目的としている。

本発明に係る投射光学系は、上述した目的を達成するために、
１対の共役面のうち、縮小側の共役面である画像表示素子面上の画像を拡大側の共役面であるスクリーン上に拡大して投写する投写光学系において、
前記画像表示素子側から順に、複数のレンズ群を有する第１光学系と、
前記第１光学系の後に配置される曲面ミラーを含む第２光学系からなり、
前記第１光学系は、複数のレンズ群を保持するレンズ鏡胴と、プラスチック製の回転非対称な自由曲面レンズを備え、
前記自由曲面レンズ面と他のレンズで共有される光軸の交点を起点として、レンズ外周方向に伸ばした線分方向に離れるにつれて、前記自由曲面レンズの肉厚が薄くなることを特徴としている。

本発明によれば、自由曲面レンズの外周辺の肉厚を薄くすることで、温度変動によるスクリーンの歪曲を低減すると共に、ピントが合う深度が狭い画像周辺部に対応して、自由曲面レンズの位置の肉厚を薄くすることで複屈折を低減し、画像劣化を低減し得る投射光学系を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る投射光学系の配置構成と光路を示す断面図である。 図１に示した投射光学系を用いた第２の実施の形態に係る画像投射装置の構成と光路を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態であって且つ実施例１に係る投射光学系の投射サイズ毎の合焦レンズ系である第３レンズ群〜第５レンズ群の移動位置を示す断面図であり、このうち、（ａ）は、投射サイズが４８インチ（ｉｎｃｈ）の場合であり、（ｂ）は、投射サイズが８０インチ（ｉｎｃｈ）の場合を示す。 図２と同じ構成であるが、特に、第２光学系の面番号を付してなる画像投射装置の構成と光路を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る投射光学系のうち、第１光学系のレンズ光軸を原点として、画像表示素子上に仮想表示される画像表示領域の画角番号を表す説明図である。 図５に示した画角番号における「スクリーン上のビームスポット径比」を、投射画像サイズが、８０インチ、６０インチ、４８インチについてそれぞれ示したグラフである。 投射画像サイズが６０インチである場合の投射画像を投射したときのスクリーン上の歪曲形状を表す図である。 本発明に係る投射光学系が、ハウジングによって支持され且つ防塵ガラスと共にカバーされる第３の実施の形態に係る画像投射装置の構成を示す断面図である。 本発明の投射光学系における第２光学系の１つである自由曲面レンズの外形形状について説明するための斜視図である。 図５に示す画角における投射画像のＭＴＦ−Ｄｅｆｏｃｕｓ曲線を表すグラフであり、横軸をＤｅｆｏｃｕｓ（ｍｍ）、縦軸をＭＴＦ（％）としたときの特性を表している。 本発明の第４の実施の形態に係る画像投射装置の全体構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係るカラー画像を投射することができる画像投射装置の全体構成を模式的に示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態に係る画像投射装置における投射光学系のサイズと投射距離を説明するための断面図である。 本発明の第６の実施の形態に係る画像投射装置における投射光学系のサイズと投射距離を説明するための断面図である。

以下、本発明の実施の形態に基づき、図面を参照して本発明に係る投射光学系およびその投射光学系を備えた画像投射装置を詳細に説明する。
具体的な実施例について説明する前に本発明の概念的あるいは原理的な実施の形態を説明する。
自由曲面レンズは、回転非対称な面形状を表現できるため、自由曲面レンズを用いることは歪曲の補正に効果が高い。また、球面レンズや回転対称非球面レンズにおいてはレンズを複数枚必要とする歪曲補正が、１枚で可能となるので、、レンズ枚数の削減、すなわち投射光学系の小型化に効果が高い。しかしながら、プラスチックレンズであるために、ガラスに比べ、線膨張係数が１桁程度大きく、温度変動による形状の変化が大きいという難点がある。回転非対称なプラスチック製自由曲面レンズが１枚であると、温度変動による歪曲変動が無視できない。画像としては、周辺部、特に画像左右の辺と上辺がスクリーンに対する角度も大きくなるため、わずかな光線の移動が画面の歪みに繋がってしまう。特に投射光学系を小型にすると、投射中の温度上昇が大きくなるため、この課題が顕著になる。さらに、視覚的に外周辺の歪みが最も気になるため、外周辺のレンズの形状変化を抑えることが重要である。

また、自由曲面レンズを用いることで、歪曲の低減など光学特性向上に繋げることができるが、一方で自由曲面レンズは、プラスチック製レンズとならざるを得ないため、プラスチックを使うとレンズ内部の複屈折が無視できなくなるという新たな課題が生じる。レンズ内部の複屈折が発生すると、局所的な像面湾曲に繋がってしまい、それが解像度の劣化になってしまう。特に投射距離が短い場合、ピントがあう深度が狭い（浅い）ため、わずかな像面湾曲であっても、解像度が大きく劣化してしまうことがある。
そのため、本発明では、投射光学系の上記課題に鑑みて、
１対の共役面のうち、縮小側の共役面である画像表示素子面上の画像を拡大側の共役面であるスクリーン上に拡大して投写する投写光学系において、
前記画像表示素子側から順に、複数のレンズ群を有する第１光学系と、
前記第１光学系の後に配置される曲面ミラーを含む第２光学系からなり、
前記第１光学系は、複数のレンズ群を保持するレンズ鏡胴と、プラスチック製の回転非対称な自由曲面レンズを備え、
前記自由曲面レンズ面と他のレンズで共有される光軸の交点を起点として、レンズ外周方向に伸ばした線分方向に離れるにつれて、前記自由曲面レンズの肉厚が薄くなることを特徴としている（請求項１に対応する）。

このように、レンズ外周方向に伸ばした線分方向に離れるにつれて、自由曲面レンズの肉厚を薄くすることで、温度変動によるスクリーンの歪みを低減することができる。
そして、複屈折は、肉厚を薄くすることで影響を低減できることから、合焦深度が狭い（浅い）画像周辺部に対応して、自由曲面レンズの位置の肉厚を薄くすることで、複屈折を低減し、解像度を保つことができる。
さらに、前記画像表示素子の長辺方向をＸ軸、短辺方向をＹ軸とし、
前記自由曲面レンズは、Ｘ軸について対称形状、Ｙ方向について非対称の自由曲面形状であり、
前記Ｘ軸と前記Ｙ軸の交点を自由曲面レンズ面頂点とすると、前記レンズ面頂点は他のレンズ群が共有する光軸を通り、
前記自由曲面レンズの光学的有効範囲について、Ｘ方向は±Ｘ１，Ｙ方向について＋Ｙ１〜−Ｙ２（Ｙ１＜Ｙ２）であり、
前記自由曲面レンズの肉厚は、レンズの面形状の基準となる点（面形状原点Ｘ＝０．Ｙ＝０）が最も厚く、
ＸＹ方向周辺部（Ｘ＝±Ｘ１，Ｙ＝−Ｙ２）が最も薄くなる形状である事が望ましい（請求項２に対応する）。
Ｙ方向周辺部（Ｘ＝０，Ｙ＝−Ｙ２）よりもＸ方向周辺部（Ｘ＝±Ｘ１，Ｙ＝０）の方が厚いことが望ましい（請求項３に対応する）。

画像周辺部、特に、スクリーン上での左右辺と上辺については、スクリーン上でのピントがあう範囲（深度）が狭くなる。各画像位置において、スクリーンに対する光線入射角が大きいほど深度が狭くなり、投射距離が短い場合特に顕著となる。プラスチック製レンズの複屈折による深度現象および像面湾曲によるピントずれが発生すると投射画像周辺部での解像度の劣化が顕著になってしまう。ピントが合う深度が狭い画像周辺部に対応して、自由曲面レンズの位置の肉厚を薄くすることで複屈折を低減し、解像度を保つことができる。
特に、スクリーンに対する光線入射角が大きい画像位置に対応して、プラスチック製自由曲面レンズの肉厚を薄くすることで、より複屈折の画像への影響を低減することができる。
前記自由曲面レンズは、前記第１光学系内において、前記画像表示素子より最も離れた位置に配置されることが望ましい（請求項４に対応する）。
投射光学系において、最も高温になるのが画像表示素子であり、画像表示素子から離れるにつれて温度変動が少ない。プラスチックレンズは、ガラスレンズに比べて線膨張係数が大きいため、自由曲面レンズを画像表示素子から最も離れた位置に配置することで、プラスチック製レンズの温度変動を抑えることができ、延いては、スクリーン上による歪曲を抑えることができる。

レンズ樹脂を流し込む入口部としての前記自由曲面レンズのゲート位置は、中央上部に配置されることが望ましい（請求項５に対応する）。
複屈折を低減させるためには、上記のように構成して、肉厚の厚いところから薄いところにかけて樹脂が流れるようにしたほうがよい。さらに対称性を高めるために、真ん中にゲート位置を置くことが望ましい。
これによって、自由曲面レンズの仕上がり形状の精度を向上させることができる。
また、前記自由曲面レンズにおける最も肉厚が薄い点と最も肉厚が厚い点の比は、０．３３以上であることが望ましい（請求項６に対応する）。
前述のように、温度変動による歪曲の低減や、複屈折による解像度低下の防止のためには、周辺部は薄い方が良いが、一方で最も薄い部分と最も厚い部分の差が大きすぎても、型からレンズへの形状の転写性が落ちてしまう。そのため、最も肉厚が薄い点と最も肉厚が厚い点の比が１：４以上になるように自由曲面レンズ形状を設定することで、転写性を良好に維持して形状精度を確保しつつ、温度変動による歪曲の低減や、複屈折による解像度低下の防止を行うことができる。

また、前記画像表示素子から前記第１光学系の前記画像表示素子から最も離れたレンズ面の頂点までの光軸上の距離をＬａとし、前記レンズ面の頂点から曲面ミラーまでの光軸上の距離をＬｂとし、最短投射距離をＬｃとして、
下記条件式（１）：
（Ｌａ＋Ｌｂ）＞Ｌｃ （１）
を満足することが望ましい（請求項７に対応する）。
この条件式（１）を満たすことで、投射光学系全体、延いては、画像投射装置のコンパクト化が実現される。
即ち、投射距離が極めて短い投射光学系（特に、光軸方向全長よりも投射距離が短い光学系）の場合、上記自由曲面レンズの効果は、特に大きくなる。その理由として、小型の場合、投射光学系の温度変動が大きい点と、短投射の場合、外周辺のスクリーンに対する入射角度が特に大きくなるため、周辺部の深度が小さくなり、わずかな複屈折によるピント位置のズレであっても、解像度に大きな影響がでてしまうためである。
上記条件式を満たすような、小型短投射な光学系の場合、特に効果が大きくなるのである。

上述の投射光学系において、前記第１光学系および前記第２光学系を一体的に保持するハウジングと、防塵ガラスを備え、前記投射光学系は、前記ハウジングと前記防塵ガラスによって密閉される構造であることことが望ましい（請求項８に対応する）。
このように、投射光学系が、ハウジングと防塵ガラスによって内部の第１光学系および第２光学系が安定に保持され、且つ保護されるので、防塵の効果の他に、ファンの取付位置等を最適設計することで、気流の制御を行うことができ、温度変動による光学性能の劣化の感度が高い、例えば、自由曲面レンズの温度上昇を防ぐことができる。
また、上述したような投射光学系に照明光学系を備えた画像投射装置を構成することが望ましい（請求項９に対応する）。
上述した投射光学系を画像投射装置に適用する場合は、画像形成素子への照明光源として、高効率な照明効率が得られる照明光学系を搭載することが望ましい。
このような構成とすれば、投射距離の短縮化を図りつつ、温度変動による歪曲を低減可能で且つ複屈折による画像劣化を低減可能とする小型画像投射装置を提供することができる。

〔第１の実施の形態〕
次に、上述した本発明の実施の形態に係る投射光学系の構成を詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る投射光学系の構成を説明するためのものであり、光軸を含み且つ画像表示素子の表示画面の長辺が垂直に交わる断面に沿って示す断面図である。
図２は、図１に示した投射光学系を用いた第２の実施の形態に係る画像投射装置の構成と光路を示す断面図である。
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る投射光学系の投射サイズ毎の合焦レンズ系である第３レンズ群〜第５レンズ群の移動位置を示す断面図であり、このうち、（ａ）は、投射サイズが４８インチ（ｉｎｃｈ）の場合であり、（ｂ）は、８０インチ（ｉｎｃｈ）の場合を示す。
図４は、図２と同じ構成であるが、特に、第２光学系の面番号を付してなる画像投射装置の構成と光路を示す断面図である。
以下、全ての実施の形態および実施例に共通して、画像表示素子１としてのライトバルブには、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）を用いている。画像表示素子１であるライトバルブとしては、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）パネルやＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）ディスプレイパネルを用いることもできる。本発明は、画像表示素子１に用いるライトバルブの種類には特に限定されるものではない。

また、説明の煩雑さを避けるために、ランプからの射出光をライトバルブまで導く照明光学系の図示および説明を省略したが、実際にはライトバルブは、ランプからの射出光によって照明されるものとする。
画像表示素子１としてのライトバルブは、外部から与えられる画像信号に応じて画像を表示する。
図１〜図４において、投射光学系１００は、画像表示素子１としてのＤＭＤを用いたライトバルブの表示画面上に形成される画像を拡大投射して被投射面を形成するスクリーン６上に結像させる。投射光学系１００は、第１光学系２、第２光学系７を順次配置して構成する。また、画像投射装置は、ＤＭＤ等の画像表示素子１に表示された画像を、第１光学系２、第２光学系７からなる投射光学系１００に防塵ガラス５および図示省略の照明光学系によってスクリーン６の被投射面上に拡大投影する。
第１光学系２は、図３に示すように、第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３、第４レンズ群Ｇ４、第５レンズ群Ｇ５および開口絞りＡＤを具備する。第２光学系７は、折り返しミラー３、自由曲面の凹面ミラー、即ち自由曲面ミラー４からなり、防塵ガラス５は、板状の透過型光学素子からなっている。

投射光学系１００の第１光学系２および第２光学系７の数値実施例は、後記する表１に示す通りである。このうち、第１光学系を構成する、第１レンズ群Ｇ１は、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、第５レンズＬ５、第６レンズＬ６、第７レンズＬ７、第８レンズＬ８および開口絞りＡＤを具備している。画像表示素子１側から、被投射面に向かって順次、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３、第４レンズＬ４、第５レンズＬ５、開口絞りＡＤ、第６レンズＬ６、第７レンズＬ７そして第８レンズＬ８の順に配置されている。
第１レンズＬ１は、凸面を画像表示素子１側に向けた正メニスカスレンズからなる正レンズであり、スクリーン６側（以下、「被投射面側」という）と画像表示素子１側の両側に非球面を形成している。即ち、この第１レンズＬ１は、回転対称非球面レンズである。第２レンズＬ２は、凸面を画像表示素子１側に向けた正メニスカスレンズからなる正レンズである。
第３レンズＬ３は、画像表示素子１側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる正レンズである。そして第４レンズＬ４は、被投射面側に凹面を向けた負メニスカスレンズからなる負レンズである。これら第３レンズＬ３と第４レンズＬ４の２枚のレンズは、互いに密接して貼り合わせられて一体に接合され、２枚接合からなる接合レンズを形成している。

第５レンズＬ５は、画像表示素子１側よりも曲率が大きな凸面を被投射面側に向けた両凸レンズからなる正レンズである。この第５レンズＬ５の被投射面側に開口絞りＡＤが設けられている。第６レンズＬ６は、画像表示素子１側よりも曲率が大きな凹面を被投射面側に向けた両凹レンズからなる負レンズである。
第７レンズＬ７は、凹面を画像表示素子１側に向けて被投射面側に凸に形成した正メニスカスレンズからなる正レンズである。そして第８レンズＬ８は、画像表示素子１側に凹面を向けた負メニスカスレンズからなる負レンズである。これら第７レンズＬ７と第８レンズＬ８の２枚のレンズは、互いに密接して貼り合わせられて一体に接合され、２枚接合からなる接合レンズを形成している。
第２レンズ群Ｇ２は、第９レンズＬ９で構成しており、この第９レンズＬ９は、被投射面側よりも曲率が大きな凸面を画像表示素子１側に向けた両凸レンズからなる正レンズである。第３レンズ群Ｇ３は、第１０レンズＬ１０で構成しており、この第１０レンズＬ１０は、画像表示素子１側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる正レンズである。
第４レンズ群Ｇ４は、第１１レンズＬ１１および第１２レンズＬ１２を具備しており、画像表示素子１側から、順次、第１１レンズＬ１１、そして第１２レンズＬ１２を配置している。

第１１レンズＬ１１は、画像表示素子１よりも曲率が大きな凹面を被投射面側に向けた両凹レンズからなる負レンズである。第１２レンズＬ１２は、被投射面側に凹面を向けた負メニスカスレンズからなる負レンズであり、その被投射面側と画像表示素子１側の両側に非球面を形成しており、回転対称非球面レンズである。
第５レンズ群Ｇ５は、第１３レンズＬ１３で構成しており、この第１３レンズＬ１３は、自由曲面レンズ１３であり、具体的には後述する。
このように、第１光学系２は、５群１３枚で構成されている。
このように構成された第１光学系２において、画像表示素子１は、図示されない照明光学系から照明光を照射される。照明光は、表示された画像により２次元的に強度変調されて第１光学系２に入射する。
第１光学系２から射出した結像光束は、折り返しミラー３に入射し、光路を折り返され、自由曲面ミラー４に入射する。
この第１の実施の形態においては、上述したように、折り返しミラー３と自由曲面ミラー４が「第２光学系」を構成している。
折り返しミラー３は、平面ミラーで、結像光束の光路を所定の向きに折り返す機能を有するが、これに限らず、折り返しミラー３が曲面で光学的な機能を有していても良い。

第１光学系２から射出した結像光束は、「画像表示素子１に表示された画像」の像を第１光学系２により結像される。この像が「中間像」である。
中間像は、図１において、折り返しミラー３と曲面ミラー４との間の空間に結像されている。図１において符号ＡＸは「第１光学系２の光軸」を示す。
第１光学系２により結像された中間像は、自由曲面ミラー４により拡大され、図２、図４に示されるスクリーン６上に拡大像として結像投射される。
図２は、図１に示した投射光学系を用いるプロジェクタの光学配置を示す。
投射光学系１００による結像光束が、スクリーン６上に拡大画像を結像している状態を示している。
図２に示すように、自由曲面ミラー４とスクリーン６との間に防塵ガラス５が配置されている。防塵ガラス５は、プロジェクタの例えば、後述する図８に示すようなハウジングとともに、プロジェクタ内部を閉ざし、内部を密閉防塵する。
図２に示す如く、画像表示素子１に形成される画像に平行に、図の上下方向にＹ方向をとり、これに直交するように、図の左右方向にＺ方向をとる。
Ｚ方向は、第１光学系の光軸方向である。図示の如く、図の上方が「Ｙの＋側」、図の左方が「Ｚの＋側」である。

「第１光学系の光軸ＡＸをスクリーン側に延長し、折り返しミラー３、曲面ミラー４により順次折り返された光軸」を「投射光学系の光軸」と称する。
この「投射光学系の光軸」を含む平面（図２の図面に平行な面）内において、任意の角：αを「図の如くＺ軸から半時計回りに図った角」とする。
図３に示すように、第１光学系は、すでに詳しく説明したところであるが、１３枚のレンズにより５群に構成されている。
図３において「Ｓ０」は、画像表示素子１の「画像が表示される面」を表す。面Ｓ０は、投射光学系に対する「物体面」である。
第１光学系の各面（レンズ面および開口絞りの面）を、図の如く、図の左方から右方へ向かって面Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓ２５とする。面Ｓ１０は「開口絞りの面」である。
図３において、第１光学系の左方は「物体側または画像表示素子側（もしくは縮小側）」であり右方は「像側または被投射面（もしくは拡大側）」である。
図４は、図２と同様の図であるが、折り返しミラー３のミラー面を面Ｓ２６とし、自由曲面ミラー４のミラー面（反射面）を面Ｓ２７とする。
また、防塵ガラス５の縮小側面を面Ｓ２８、拡大側面を面Ｓ２９、スクリーン６をＳ３０とする。

次に、第１の実施の形態および第２の実施の形態を説明した投射光学系の具体的な数値実施例を、実施例１として、以下に示す。
以下に示すデータにおいて、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。
第１光学系２の物体側開口数は、０．１９５である。
面Ｓ０である「画像表示素子１に表示される画像」のサイズは、縦方向（Ｙ方向）：横方向（Ｘ方向）の比が１０：１６で、対角長は、０．６５インチ（１６５ｍｍ）である。
面Ｓ０の直ぐ右側に描かれているのは、「画像表示素子の保護ガラスＧ」である。
面Ｓ０（画像の面）の中心に対し、第１光学系２の光軸は、−Ｙ方向（図の下方）に１．５４１ｍｍシフトしている。
実施例１に用いられる記号の意味は、次の通りである。
Ｓ０〜Ｓ３０ 面番号
Ｒ：曲率半径
Ｄ：面間隔
ｎｄ：ｄ線の屈折率
νｄ：アッベ数
ＤＡ〜ＤＤ 可変間隔
この実施例１における各光学要素の光学特性は、次表１の通りである。

表１において、面番号に「＊（アスタリスク）」を付して示した面番号のレンズ面が非球面である。
ここで用いられる非球面形状は、近軸曲率半径Ｒの逆数（近軸曲率）をＣ、光軸からの高さをｈ、そして円錐定数をＫとし、各次数の非球面係数をＡｉ、
を用い、右辺の和（Σ）は、「ｉについて１から１０」まで取る。
Ｚ（ｈ）を光軸方向における非球面量として、次の式（２）で定義され、近軸曲率半径および円錐定数、並びに非球面係数を与えて形状を特定する。

すなわち、表１においては、「＊」が付された第１面、第２面、第２２面、第２３面の各光学面が非球面であり、式（２）における各非球面のパラメータは、次表２の通りである。なお、非球面係数において、「Ｅｎ」は、「１０のべき乗」、すなわち「×１０ｎ」をあらわし、例えば「Ｅ−０５」は、「×１０−５」をあらわしている。

表１におけるＤＡ、ＤＢ、ＤＣ、ＤＤは、それぞれ可変間隔である。
このうち、可変間隔ＤＡは、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との間隔、即ち、面Ｓ１７と面Ｓ１８との可変間隔である。可変間隔ＤＢは、第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４との間隔、即ち、面Ｓ１９と面Ｓ２０との可変間隔である。可変間隔ＤＣは、第４レンズ群Ｇ４と第５レンズ群Ｇ５との間隔、即ち、面Ｓ２３と面Ｓ２４の可変間隔である。
可変間隔ＤＤは、防塵ガラス５の拡大側面Ｓ２９とスクリーン６の被投射面Ｓ３０との間の可変間隔である。
このように、投射光学系１００は、ズーム系で、図３において、第３レンズ群Ｇ３〜第５レンズ群Ｇ３を矢印のように変化させ、換言すれば上述するように可変間隔ＤＡ〜ＤＤを変位させることによって、拡大率を変更することで、投射画像の対角線サイズが、４８インチから８０インチまで、投射サイズに合わせて、フォーカス調整される。
フォーカス調整の際に、レンズ群間隔が変化する面間隔ＤＡ、ＤＢ、ＤＣ、ＤＤは、表１に「可変ＤＡ」、「可変ＤＢ」、「可変ＤＣ」、「可変ＤＤ」と記載され、これら面間隔ＤＡ〜ＤＤを、投射画像対角線サイズ８０、６０、４８インチに対し、下表３に示すように変化する。

次に、第２光学系７としての折り返しミラー３および自由曲面ミラー４および防塵ガラス５のレイアウトのデータを表４に示す。
表４は、画像表示素子１の面Ｓ１の面頂点を基準(Ｙ，Ｚ)＝(０，０)としたときの、自由曲面レンズとしての第１３レンズＬ１３の面Ｓ２５と折り返しミラー３の面Ｓ２６と自由曲面ミラー４の面Ｓ２７と防塵ガラス５の画像表示素子１側の面Ｓ２８のＹ座標およびＺ座標を示す。
座標の向きは、図３および図４の上下方向の上側を＋Ｙ方向、右側を＋Ｚ方向とする。角αについては前述の通り、Ｚ軸の＋方向から反時計回りの角（度）である。

第１３レンズＬ１３の面形状は、自由曲面形状であり、面Ｓ２４、面Ｓ２５の面頂点位置（Ｘ＝Ｙ＝０）を原点とするｘ、ｙ方向の座標を用いて次式（３）で表す。
同様に、自由曲面ミラー４のミラー面形状である自由曲面形状は、面Ｓ２８の面頂点位置（表４のＹ、Ｚ座標値）を原点とするｘ、ｙ方向の座標を用いて次式（３）で表す。

式（３）において、左辺の「Ｚ(ｘ,ｙ)」が、光軸ＡＸ方向をＺ軸とした自由曲面量であり、「Ｒ」は近軸曲率半径、「ｋ」はコーニック係数、「Ｃ_ｊ」は自由曲面係数である。この式（３）において、
ｈ＝ｘ^２＋ｙ^２の関係を有する。
なお、座標：ｘ、ｙの方向は、それぞれＸ、Ｙ座標に平行であり、「正の向き」もＸ、Ｙ座標と同じである。ｈは、光軸からの高さである。
面Ｓ２４，面Ｓ２５および面Ｓ２７の自由曲面形状のデータ（自由曲面係数）を、表５に示す。
表５に示す自由曲面係数において、例えば「Ｃ１４：ｘ＾４＊ｙ＾２」は、自由曲面係数：Ｃ１４が、ｘ４ｙ２の係数であることを表す。

図９に自由曲面レンズとしての第１３レンズＬ１３の外形形状を示す。自由曲面レンズ（第１３レンズＬ１３）は、自由曲面レンズ面と、その外側にリブ（図示せず）を備える。リブには図示しない位置決め部を設け、接着やバネ止めなどによってレンズ鏡胴もしくはハウジングに固定される。自由曲面レンズのＸ方向の中心部、Ｙ方向上部に成形時にレンズ樹脂を注入するレンズゲート位置１３ａを備える。この位置にゲート位置１３ａを備えることで、樹脂の流動性をよくし、型に対するレンズ形状の転写精度を向上させることができる。
ここで、自由曲面レンズである第３レンズＬ１３の面の位置毎のＺ軸方向の肉厚を、下表６に示す。

ここでのレンズ肉厚の定義は、Ｘ軸Ｙ軸にそれぞれ直行するＺ軸方向に対する、各レンズ位置での面間隔である。レンズ有効範囲は、Ｘ方向が±１６．０ｍｍ，Ｙ方向が０〜−２０．７ｍｍであり、レンズ有効範囲４隅と、レンズ面基準点（Ｘ，Ｙ）＝（０，０）と、下辺中心（Ｘ，Ｙ）＝（０，−２０．７）の６点について示した。表６より、レンズ面基準点（ｉｉ）（対応画角《１》）が５．９７ｍｍと最も厚く、上周辺（ｉ）（ｉｉｉ）（対応画角《２１》）が４．７４ｍｍ、下中央（ｖ）（対応画角《５》）が３．７８ｍｍ，下周辺（ｉｖ）（ｖｉ）（対応画角《２５》）が最も薄く２．０３ｍｍとなっている。自由曲面レンズ（第３レンズＬ１３）において、最も肉厚が厚い部分と最も薄い部分の比は、２．０３／５．９７＝０．３４である。この比が、０．３３以下になる形状の場合、レンズに対する型の転写性が悪くなるため、０．３３よりも大きくすることが望ましい。
ここで、対応画角とは、後述する図５に示されるように、第１光学系２の光軸を原点として、画像表示素子１上に表示される画像表示領域の画角番号《１》〜《２５》を表している。
また、自由曲面レンズの周辺部における各画角の肉厚の大小関係は、各レンズ位置を通った光線がスクリーン６に入射する角度の逆数と大小関係が、下表７に示すように、同じになる。

すなわち、スクリーンに入射する角度が大きい画角（例えば、対応画角《２５》）は、自由曲面レンズの肉厚が薄く（例えば、２．０３ｍｍ）なっている。このような形状のレンズとすることで、温度変動およびレンズ内部の複屈折変動に強い光学系とすることができる。ここでのスクリーン入射角は、投射面法線と、各画角の光線とのなす角である。短投射であるほど、スクリーン法線と光線のなす角が大きくなる。
図８は、本発明に係る投射光学系がハウジングによって支持され且つカバーされる第３の実施の形態に係る画像投射装置の構成を示す断面図である。
ハウジング２０は、第１光学系２のうち、画像表示素子１、自由曲面レンズとしての第１３レンズＬ１３以外のレンズを保持するレンズ鏡胴３０、折り返しミラー３、自由曲面ミラー４を一体的に保持している。レンズ鏡胴３０は、光軸調整などによりレンズ鏡胴３０内のレンズを適切な位置に保持し、所望の性能がでるように調整されている。調整されたレンズ鏡胴３０と、自由曲面レンズ（Ｌ１３）、折り返しミラー３、自由曲面ミラー４を精度よく作られたハウジング２０によって一体的に保持されることによって、各種光学素子の位置のばらつきを低減させることができる。ハウジング２０は、樹脂成形品であってもよいし、アルミダイカスト製もしくはマグネシウムダイカスト製であってもよい。

光学系内の塵の混入を防ぐために、防塵ガラス５も空密的に一体的にハウジング２０に取り付けられている。このような構成とすることで、光学系が開放されている構成と比較して、防塵の効果の他に、ファンの取り付け位置等を最適設計することで気流の制御を行うことができ、温度変動による光学性能劣化の感度が高い素子（本実施例の構成の場合、特に自由曲面レンズ）の温度上昇を防ぐことができる（請求項８に対応する）。
図１３は、本発明の第２の実施の形態に係る画像投射装置において、（ａ）は、投射光学系のサイズを説明するため、（ｂ）は、投射距離を説明するための断面図である。
次に、図１３を用いて、投射光学系のサイズと投射距離に関する距離Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃについて説明する。
距離Ｌａは、画像表示素子１から「第１光学系２の、画像表示素子１から最も離れたレンズ面Ｓ２５の頂点」までの光軸上の距離である。距離Ｌｂは、第１光学系２の、画像表示素子１から最も離れたレンズ面Ｓ２５の頂点から曲面ミラー４までの光軸上の距離である。距離Ｌｃは、最短投射距離である。
また、図１４は、第６の実施の形態に係る画像投射装置における（ａ）投射光学系のサイズＬａとＬｂ、（ｂ）投射距離Ｌｃを説明するための断面図である。

これらの距離Ｌａ〜Ｌｃを、実施例１との関連で示すと、図１４に示す如くになる。Ｌｂは光軸上の距離であるが、この例の場合、折り返しミラーを省略した光学系を示している。図１４（ｂ）に示すように、最短投射距離Ｌｃは、距離：ＬａとＬｂの和よりも小さい。 即ち、下記条件式（１）：
Ｌａ＋Ｌｂ＞Ｌｃ （１）
を満足する。
最短投射距離：Ｌｃは、実施例１では「４８インチサイズの投射画像を投射するときの投射距離」である。
実施例１における上記距離：Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃと、Ｌａ＋Ｌｂの値を下表８に示す。

画像表示素子１から第１光学系の最も像側面までの光軸上の距離Ｌａよりも、第１光学系２から曲面ミラー４までの距離Ｌｂの方が大きい。
このようにすることにより、第１光学系を小さくすることができ、投射光学系１００全体、画像投射装置としてのプロジェクタのコンパクト化が実現されている。
また、画像表示素子１から曲面ミラー４までの距離Ｌａ＋Ｌｂよりも、最短投射距離：Ｌｃの方が小さい。
投射距離を短くするには、「投射画角が広角の光学系」が必要であるが、一般には、投射画角が広角になるほど、投射光学系は大きくなり易い。
距離Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃの間の関係が、上記の大小関係の条件を満足することにより、投射光学系・プロジェクタのコンパクト化と投射距離の短縮化が実現されている。
次に、実施例１の投射光学系１００の光学性能を説明する。
図５は、第１光学系２のレンズ光軸ＡＸを原点として、画像表示素子１上に表示される画像表示領域の画角番号１〜２５を表している。
この画角番号に対応する画像表示領域の座標を示したものが、下表９である。Ｘ方向は、Ｙ軸に関して対称であるので、Ｘ≧０のみを評価対象としている。

〔結像性能について〕
図６は、図５に示した画角番号における「スクリーン上のビームスポット径比」を、投射画像サイズ：８０インチ、６０インチ、４８インチについてそれぞれ示したグラフである。
図６の横軸は画角番号、縦軸は「ビームスポット径比」である。
ビームスポット径比は、スクリーン上の「１画素に対するＲＭＳスポット径」である。
「ＲＭＳスポット径」は、次の式４により算出される「σ２」である。
σ２＝Σ｛Ｗλ∫∫［（ｘ（λ；ｘｐ，ｙｐ）−［ｘ］）２
＋（ｙ（λ；ｘｐ，ｙｐ）−［ｙ］）２］ｄｘｐｄｙｐ｝／ΣＷλ （４）
式（４）において、ｘ（λ；ｘｐ，ｙｐ）は、瞳点（ｘｐ，ｙｐ）を通り、波長λで追跡される像平面のｘ座標であり、［ｘ］は「ｘの平均値」である。
式（４）において、ｙ（λ；ｘｐ，ｙｐ）は、瞳点（ｘｐ，ｙｐ）を通り、波長：λで追跡される像平面のｙ座標であり、［ｙ］は「ｙの平均値」である。
「Ｗλ」は「波長：λに対して付けられた重み」で、和（Σ）は波長：λ（赤・緑・青の３波長）についてとる。
「スクリーン上の１画素」は、画面解像度が、ＷＸＧＡ（１２８０Ｘ８００）での１画素である。

実施例１では、投射画像サイズが、８０、６０、４８インチに対し、それぞれ１．５８、１．１８、０．９５ｍｍである。
ビームスポット径比が、概ね１．０以下になると「各収差が良好に補正されている」と考えられる。
即ち、図６に示すように、４８〜８０インチの投射画像サイズにおいて、ビームスポット径比は、０．４〜１．０の範囲に収まり、各収差が良好に補正されている、ということがいえる。

〔歪曲について〕
図７は、６０インチサイズの投射画像を投射したときの「スクリーン上の歪曲形状」を表す図である。図７において、「破線」は、理想的なスクリーンサイズであり、「実線」は、スクリーン上での歪曲を示している。図７より本実施例１の光学系は、投射画像の歪曲を低減できていることがわかる。計算例は示さないが、本実施例１の形状の自由曲面レンズを用いることで、温度変動に対する曲りの変動も低減することができる。
下表１０は、各投射レンズでの部位毎の歪曲量を求めたものである。

即ち、投射サイズが、８０インチ、６０インチ、４８インチの各場合における上辺歪曲ＰＶと下辺歪曲ＰＶと左右歪曲ＰＶの歪曲量を求めたものである。
この表１０によれば、投射サイズが６０インチの場合の歪曲量が最も小さいという結果が得られた。
〔スクリーン上深度について〕
図１０は、図５に示す対応画角《１》〜《５》、《２１》および《２５》における投射画像のＭＴＦ−ｄｅｆｏｒｃｕｓ曲線を表すグラフである。
図１０は横軸にｄｅｆｏｃｕｓ、縦軸にＭＴＦを示したもので、それぞれの線は画角番号（画角番号は図５参照）を示している。ＭＴＦは、本実施例１の最短投射サイズである４８ｉｎｃｈ時の白色画像で、Ｙ方向のＭＴＦである。この図１０から、画角《１》に対応する位置は、ＭＴＦも高く深度も深い（曲線の幅が広い）ため、部品ばらつきや組立誤差によるピントずれが起こると、ＭＴＦの劣化が大きい。
本実施例１の光学系は、自由曲面レンズを用いることで、小型・短投射で、歪曲が少ない投射光学系を実現しているが、プラスチック製自由曲面レンズ内部の複屈折によるピントずれが起こると、特に深度の狭い周辺画角のＭＴＦが劣化しやすい。レンズの複屈折は、レンズ肉厚が厚い方が起こりやすい。

一方で肉厚を薄くしすぎると、弱い屈折力しか得られないため、そのバランスが難しい。本実施例１のように、ＭＴＦの深度が狭い画角に対応する自由曲面レンズの肉厚が薄くなるような形状とすることで、ＭＴＦ深度の狭い画角に対応するレンズ位置に複屈折が起こりにくく、スクリーン全体で高いＭＴＦを得ることができる。
図１４は、本発明の第６の実施の形態に係る画像投射装置の構成と光路を示す断面図である。
この第６の実施の形態は、上述した第１の実施の形態に対し、第２の光学系７から、折り返しミラー３をなくしたものである。折り返しミラー３は、平面ミラーであるため、本体レイアウトによっては図１４のような配置にすることも可能である。この第６の実施の形態の各種光学特性は、実施例１と同じである。レンズ系と曲面ミラーを近づける（Ｌｂを短くする）と、実施例１の折り返しミラー有のレイアウトでは、主に投射光学系１００のＹ（高さ）方向の削減に寄与したが、本実施の形態のレイアウトでＬｂを短くすることは、Ｚ（全長）方向の削減に寄与する。
図１１は、第４の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式的断面図である。図１１を参照するに、この第４の実施の形態に係る画像投射装置４０は、第１の実施の形態に係る投射光学系１００に加えて、照明光学系５０と、分離手段６０と、画像形成素子７０（本実施例１の画像表示素子１に対応する）とを有する。

照明光学系５０は、光源５１を含み、例えば光源５１近傍に配置されたリフレクター５２（光源５１と一体となっていても良い）やリレーレンズ５３および５４、リフレクター５２により反射されて指向性を持った光束の照度を均一化するインテグレータ光学系といわれる照度均一化手段５５等により構成され、画像形成素子７０の面上で均一な照明分布が得られるようにしている。光源５１としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、ＬＥＤ等が用いられる。
また、カラーホイール５６を用いて照明光をカラー化し、それと同期して画像形成素子７０の画像をコントロールすることにより、カラー画像を投射できるようにしてもよい。画像形成素子７０として反射型タイプの液晶画像形成素子を用いる場合は、ＰＢＳと組み合わせた照明光路と投射光路を分離する偏光分離手段６０を用いることで、より効率のよい照明が可能となる。また、画像形成素子７０としてＤＭＤパネルを用いる場合は、全反射プリズムを使った光路分離等が採用される。このように、画像形成素子７０の種類に応じて適切な光学系を採用すればよい。
画像投射装置４０において、画像形成素子７０は、変調信号に応じて画像形成される。光源５１からの照明光は、画像形成素子７０に照射され、画像形成素子７０に形成された画像は、投射光学系１００によりスクリーン８０に拡大投射される。

図１２は、本発明の第５の実施の形態に係るカラー画像を投射することができる画像投射装置の全体構成を模式的に示す断面図である。
図１２に示すように、画像形成素子（実施例１における画像表示素子１に対応する）として、赤の画像形成素子１０７Ｒ、緑の画像形成素子１０７Ｇ、青の画像形成素子１０７Ｂを備える。
照明光学系は、光源１０１を含み、例えば、光源１０１近傍に配置されたリフレクタ１０２やリレーレンズ１０３、リフレクター１０２により反射されて指向性を持った光束の照度を均一化するインテグレータ光学系といわれる照度均一化手段１０５等により画像形成素子１０７Ｒ、１０７Ｇ、１０７Ｂを光分離手段１０６、偏光分離手段１０８を介して照明する。
そして、各画像形成素子１０７Ｒ、１０７Ｇ、１０７Ｂより反射された光を色合成手段１０９により再度合成し、投射光学系１１０を介してスクリーン１１１にカラー画像として投射することができる。

その際、画像形成素子１０７Ｒ、１０７Ｇ、１０７Ｂから投射光学系１１０の第１光学系の第１面までの距離は、照明光路と投射光路の偏光分離手段１０８とカラー化するための色合成手段１０９により、長い距離をとらなければならないが、本発明の実施例１で収まる色合成手段を採用してもよいし、画像形成素子から第１光学系までの距離を色合成手段の大きさに合わせて延長または短縮した光学系を設計しても、本発明における小型化、色収差の低減といった効果は得ることができる。
以上、本発明の実施の形態および実施例を具体的に説明してきたが、本発明は、これらの実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することなく、変更又は変形することができる。

１ 画像表示素子
２ 第１光学系
３ 折り返しミラー
４ 自由曲面ミラー
５ 防塵ガラス
６ スクリーン
７ 第２光学系
２０ ハウジング
３０ レンズ鏡胴
４０ 画像投射装置
５０ 照明光学系
５１ 光源
５２ リフレクター
５３、５４ リレーレンズ
５５ 照明均一化手段
５６ カラーホイール
６０ 偏光分離手段
７０ 画像形成素子
８０ スクリーン
１００ 投射光学系
１０１ 光源
１０２ リフレクタ
１０３ リレーレンズ
１０４ 偏光変換素子
１０５ 照明均一化手段
１０６ 色分離手段
１０７Ｒ 赤色画像形成素子
１０７Ｇ 緑色画像形成素子
１０７Ｂ 青色画像形成素子
１０８ 偏光分離手段
１０９ 色合成手段
１１０ 投射光学系
１１１ スクリーン
Ｇ１〜Ｇ５ 第１レンズ群〜第５レンズ群
Ｌ１〜Ｌ１３ 第１レンズ〜第１３レンズ
Ｓ０ 画像表示面
Ｓ１〜Ｓ３０ 面
ＡＤ 開口絞り

特開２０１１−２５３０２３号公報 特開２０１１−２４２６０６号公報

Claims (9)

1. １対の共役面のうち、縮小側の共役面である画像表示素子面上の画像を拡大側の共役面であるスクリーン上に拡大して投写する投写光学系において、
   前記画像表示素子側から順に、複数のレンズ群を有する第１光学系と、
   前記第１光学系の後に配置される曲面ミラーを含む第２光学系からなり、
   前記第１光学系は、複数のレンズ群を保持するレンズ鏡胴と、プラスチック製の回転非対称な自由曲面レンズを備え
   前記自由曲面レンズ面と他のレンズで共有される光軸の交点を起点として、レンズ外周方向に伸ばした線分方向に離れるにつれて、前記自由曲面レンズの肉厚が薄くな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、
   前記画像表示素子の長辺方向をＸ軸、短辺方向をＹ軸とし、
   前記自由曲面レンズは、Ｘ軸について対称形状、Ｙ方向について非対称の自由曲面形状であり、
   前記Ｘ軸と前記Ｙ軸の交点を自由曲面レンズ面頂点とすると、前記レンズ面頂点は他のレンズ群が共有する光軸を通り、
   前記自由曲面レンズの光学的有効範囲について、Ｘ方向は±Ｘ１，Ｙ方向について＋Ｙ１〜−Ｙ２（Ｙ１＜Ｙ２）であり、
   前記自由曲面レンズの肉厚は、レンズの面形状の基準となる点（面形状原点Ｘ＝０．Ｙ＝０）が最も厚く、
   ＸＹ方向周辺部（Ｘ＝±Ｘ１，Ｙ＝−Ｙ２）が最も薄くなる形状であることを特徴とする投射光学系。
3. 請求項１または２に記載の投射光学系において、
   Ｙ方向周辺部（Ｘ＝０，Ｙ＝−Ｙ２）よりもＸ方向周辺部（Ｘ＝±Ｘ１，Ｙ＝０）の方が厚いことを特徴とする投射光学系。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の投射光学系において、前記自由曲面レンズは、前記第１光学系内において、前記画像表示素子より最も離れた位置に配置されることを特徴とする投射光学系。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の投射光学系において、前記自由曲面レンズのゲート位置は中央上部に配置されることを特徴とする投射光学系。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の投射光学系において、最も肉厚が薄い点と最も肉厚が厚い点の比が０．３３以上になることを特徴とする投射光学系。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の投射光学系において、前記第１光学系の前記画像表示素子から最も離れたレンズ面の頂点までの光軸上の距離をＬａとし、当該レンズ面の頂点から曲面ミラーまでの光軸上の距離をＬｂとして、最短投射距離：Ｌｃは、
   下記条件式（１）：
   （Ｌａ＋Ｌｂ）＞Ｌｃ （１）
   を満足することを特徴とする投射光学系。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の投射光学系において、前記第１光学系および前記第２光学系を一体的に保持するハウジングと、防塵ガラスを備え、前記投射光学系は、前記ハウジングと前記防塵ガラスによって密閉される構造であることを特徴とする投射光学系。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の投射光学系に照明光学系を備えたことを特徴とする画像投射装置。

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