JP3840031B2 - 投射光学系及びそれを用いた投射型表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投射光学系及びそれを用いた投射型表示装置に関し、例えば液晶表示素子（液晶パネル）やデジタルマイクロミラーデバイス等の画像表示パネルによって光変調された光束をスクリーン又は壁に導光し、画像情報を形成する液晶プロジェクター（プロジェクション）等の光学機器に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、液晶パネル等の画像表示パネルを光源からの光束により照明し、画像表示パネルで光変調された透過光又は反射光を用いて投影レンズにより、スクリーン又は壁に拡大投射して画像形成する受動型のプロジェクターが種々と提案されている。
【０００３】
プロジェクションに用いられる投射光学系において、スクリーンと装置との距離を短くするためにスクリーンに対し斜め投射が可能な投射光学系が種々と提案されている。図１５は特開平０５−１００３１２号公報に開示されている投射光学系の実施例の概略図である。図中、Lは照明系、LVは透過又は反射型ドットマトリックス液晶等を用いたライトバルブである。ライトバルブLVに基づく画像を投射光学系PLによってスクリーンＳ上に拡大投影し、スクリーンＳに映し出す。この発明では投射光学系PLとして大画角の広角レンズを用いて、ライトバルブLV、及びスクリーンＳを投射光学系PLの光軸Laに対してシフトして配置し、画角の端の部分を使用して投射することにより斜め投射の光学系を構成している。
【０００４】
また、図１６は特開平０５−０８０４１８号公報に開示されている投射光学系の実施例の概略図である。図中、Lは照明系、LVは透過又は反射型ドットマトリックス液晶等を用いたライトバルブである。ライトバルブLVに基づく画像を第１の投射光学系PL1によって中間像を形成し、第２の投射光学系PL2によりスクリーンＳに拡大投影している。この発明では、第１、２の投射光学系の光軸を適切に傾けることにより、スクリーンＳに対し斜めに投射している。
【０００５】
また、再公表特許WO９７／０１７８７号には、複数の反射面を用いて斜め方向から画像を投射する投射光学系が開示されている。
【０００６】
一方、最近、非共軸光学系を利用し、光学系全体の小型化を図った結像系が種々と提案されている。非共軸光学系では、基準軸という概念を導入し構成面を非対称非球面にすることで、十分収差が補正された光学系が構築可能であることが、例えば特開平９−５６５０号公報にその設計法が、特開平８−２９２３７１号公報、特開平８−２９２３７２号公報にその設計例が示されている。
【０００７】
こうした非共軸光学系はオフアキシャル光学系（像中心と瞳中心を通る光線に沿った基準軸を考えたとき、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（オフアキシャル曲面）を含む光学系として定義される光学系で、このとき、基準軸は折れ曲がった形状となる）と呼ばれる。このオフアキシャル光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を使った光学系の構築がしやすい。また、光路の引き回しが比較的自由に行なえる、構成面を一体成形する手法で一体型の光学系を作りやすいという特徴をも持っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特開平０５−１００３１２号公報では、光軸に対してライトバルブとスクリーンをシフトさせた投射光学系を用いており、この場合は、図１１に示すように、使用する投射光学系の画角の大きさはθ２である。しかしながら、使用される投射光学系としてはかなり大きい画角（θ１）を有した高画角のレンズ系を必要とする。また、通常のレンズ系では光軸Laから画角が大きくなるにしたがって光量が落ちてくる。そのため、高画角のレンズ系を使用すればするほどスクリーンＳの特に上下方向で明るさに差が出てしまう。また、光軸LaがスクリーンＳの中心に向かうように構成した場合（図１２）、通常のレンズ系ではスクリーンＳ上に像が結像されず光軸Laに垂直な平面Ｓ’上に結像される。この様に構成した場合、良く知られているように投影像が台形に歪み、スクリーンＳの上下方向でピントがずれてしまう。この像面の傾きを補正する場合、スクリーンＳの上部を通る光線の光路Ｌ１とスクリーンＳの下部を通る光線の光路Ｌ２の差を打ち消さなければならない。この差を補正する場合、結像面付近で補正できれば光路Ｌ１と光路Ｌ２の光路差は縮小されるので補正量は少なくて済む。一方、投影像が拡大されたスクリーン側の光学面で補正をする場合、光路Ｌ１と光路Ｌ２の光路差がそのまま影響する。
【０００９】
また、特開平０５−０８０４１８号公報に開示されている装置では、レンズ系をチルトしているだけなので像面を十分に傾けることが難しい。また、チルト量が多すぎると光学性能を確保することが難しくなる。
【００１０】
再公表特許特許WO９７／０１７８７号に開示されている反射型ディスプレー装置における投射光学系は、１枚の凹面鏡と１枚又は２枚の凸面鏡を用いて共軸系を構成し、該凹面鏡と凸面鏡の一部の反射面を用いて画像を斜め方向から投射している。共軸系である為、収差補正が難しく、反射光学系を明るくすること（Ｆナンバーを小さくすること）が難しい。
【００１１】
又、投射光学系は反射部材間に絞りを配置した構成を用いている。そして絞りを通過した光束が凸面鏡に入射し、該凸面鏡からの発散光束が次の凸面鏡に入射している。この為、２番目の凸面鏡の有効径が増大する傾向があった。又、このとき２つの凸面鏡は絞りの虚像を形成している。
【００１２】
本発明は、投射光学系及びそれを用いた投射型表示装置の提供を目的とする。
【００１３】
又、更に、明るい投射光学系及びそれを用いた投射型表示装置の提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の投射光学系は、画像表示パネルからの光束を基準軸に対して傾斜したスクリーン面上に導光して、該スクリーン面に画像情報を形成する為の投射光学系において、
該投射光学系は、曲率を有する反射面として６面の回転非対称反射面のみを有し、前記画像表示パネルからの光束を該６面の回転非対称反射面で反射して前記スクリーン面上に導光しており、
該画像表示パネル側から数えて５番目の回転非対称反射面と６番目の回転非対称反射面の間に該画像表示パネルに基づく画像を結像するように構成されており、
前記６面の回転非対称反射面間、又は、前記６面の回転非対称反射面と前記画像表示パネルの間に絞りを有し、
該絞りは、該絞り位置より前記スクリーン側に配置した回転非対称反射面により負の倍率で、前記画像表示パネル側から数えて６番目の回転非対称反射面と前記スクリーンの間に結像することを特徴としている。
【００１５】
請求項２の発明の投射型表示装置は、請求項１に記載の投射光学系を用いて前記画像表示パネルに基づく光束を前記スクリーン面上に導光し、該スクリーン面に前記画像情報を形成することを特徴としている。
【００１６】
請求項３の発明は請求項２の発明において、前記投射光学系からの前記画像表示パネルに基づく光束を１つ又は複数の平面ミラーを介して透過型のスクリーンに導光し、該透過型スクリーンの前記スクリーン面に前記画像情報を形成することを特徴としている。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本実施形態の説明に入る前に、実施形態の構成諸元の表し方及び実施形態全体の共通事項について説明する。
【００３５】
図１７は本発明の光学系の構成データを定義する座標系の説明図である。本発明の実施形態では物体側から像面に進む１つの光線（図１７中の一点鎖線で示すもので基準軸光線と呼ぶ）に沿ってｉ番目の面を第ｉ面とする。
【００３６】
図１７において第１面R1は屈折面、第2 面R2は第1 面R1に対してチルトされた反射面、第3 面R3、第4 面R4は各々の前面に対してシフト、チルトされた反射面、第5 面R5は第4 面R4に対してシフト、チルトされた屈折面である。第1 面R1から第5 面R5までの各々の面はガラス、プラスチック等の媒質で構成される一つの光学素子上に構成されており、図１７中では第１の光学素子B1としている。
【００３７】
従って、図１７の構成では不図示の物体面から第1 面R1までの媒質は空気、第1 面R1から第5 面R5まではある共通の媒質、第5 面R5から不図示の第6 面R6までの媒質は空気で構成している。
【００３８】
本発明の光学系はOff-Axial 光学系であるため光学系を構成する各面は共通の光軸を持っていない。そこで、本発明の実施形態においては先ず第１面の中心を原点とする絶対座標系を設定する。
【００３９】
そして、本発明の実施形態においては、第１面の中心点を原点とすると共に、原点と最終結像面の中心とを通る光線（基準軸光線）の経路を光学系の基準軸と定義している。さらに、本実施形態中の基準軸は方向（向き）を持っている。その方向は基準軸光線が結像に際して進行する方向である。
【００４０】
本発明の実施形態においては、光学系の基準となる基準軸を上記の様に設定したが、光学系の基準となる軸の決め方は光学設計上、収差の取り纏め上、若しくは光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の良い軸を採用すれば良い。しかし、一般的には像面の中心と、絞り又は入射瞳又は射出瞳又は光学系の第１面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を光学系の基準となる基準軸に設定する。
【００４１】
つまり、本発明の実施形態においては、基準軸は第１面の中心点を通り、最終結像面の中心へ至る光線（基準軸光線）が各屈折面及び反射面によって屈折・反射する経路を基準軸に設定している。各面の順番は基準軸光線が屈折・反射を受ける順番に設定している。
【００４２】
従って基準軸は設定された各面の順番に沿って屈折若しくは反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的に像面の中心に到達する。
【００４３】
本発明の各実施形態の光学系を構成するチルト面は基本的にすべてが同一面内でチルトしている。そこで、絶対座標系の各軸を以下のように定める。
【００４４】
Z 軸：原点と物体面中心を通る直線。物体面から第１面R1に向かう方向を正とする
Y 軸：原点を通りチルト面内（図１７の紙面内）でZ 軸に対して反時計回りに90゜をなす直線
X 軸：原点を通りZ、Y 各軸に垂直な直線（図１７の紙面に垂直な直線）
又、光学系を構成する第ｉ面の面形状を表すには、絶対座標系にてその面の形状を表記するより、基準軸と第ｉ面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定して、ローカル座標系でその面の面形状を表した方が形状を認識する上で理解し易い為、第ｉ面の面形状をローカル座標系で表わす。
【００４５】
また、第ｉ面のYZ面内でのチルト角は絶対座標系のZ 軸に対して反時計回り方向を正とした角度θi （単位°）で表す。よって、本発明の実施形態では各面のローカル座標の原点は図１７中のYZ平面上にある。またXZおよびXY面内での面の偏心はない。さらに、第ｉ面のローカル座標(x,y,z) のy,z 軸は絶対座標系(X,Y,Z) に対してYZ面内で角度θi 傾いており、具体的には以下のように設定する。
【００４６】
z 軸：ローカル座標の原点を通り、絶対座標系のZ 方向に対しYZ面内において反時計方向に角度θi をなす直線
y 軸：ローカル座標の原点を通り、z 方向に対しYZ面内において反時計方向に90゜をなす直線
x 軸：ローカル座標の原点を通り、YZ面に対し垂直な直線
また、Diは第ｉ面と第(i+1) 面のローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量、Ndi 、νdiは第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の媒質の屈折率とアッベ数である。
【００４７】
ここで、球面は以下の式で表される形状である：
【００４８】
【数１】
【００４９】
また、本発明の光学系は少なくとも回転非対称な非球面を一面以上有し、その形状は以下の式により表す：
上記曲面式はx に関して偶数次の項のみであるため、上記曲面式により規定される曲面はyz面を対称面とする面対称な形状である。さらに以下の条件が満たされる場合はxz面に対して対称な形状を表す。
【００５０】
C03 ＝C21 ＝t ＝0
さらに
C02 ＝C20 C04＝C40 ＝ C22/2 C06 ＝C60 ＝C24/3 =C42/3
が満たされる場合は回転対称な形状を表す。以上の条件を満たさない場合は非回転対称な形状である。
【００５１】
次に本発明の各実施形態について説明する。
【００５２】
図１は本発明の投射光学系を用いた投射型表示装置の実施形態１の要部概略図である。
【００５３】
図１においてLVは反射型ドットマトリックス液晶やデジタルマイクロミラーデバイス等を用いたライトバルブ（画像表示パネル）である。ＬはライトバルブLVに光を照明する照明系である。照明系Ｌはランプ、コンデンサーレンズ、波長を選択するフィルター等から成り立っている。１はライトバルブLVで光変調された光をスクリーンＳに導光し、スクリーンＳ面上に画像を形成するためのオフアキシャル系を利用した投射光学系である。図２は図１の投射光学系１とライトバルブLV、そして照明系Lの拡大図である。
【００５４】
図２の投射光学系は曲率を有する回転非対称反射面を複数有し、画像表示パネルからの光束が複数の回転非対称反射面で反射を繰り返してスクリーンに投射され、その面上に実像を結ぶ反射光学系より成っている場合を示しているが、投射光学系は図２に示す反射光学系の他にレンズ系や他の反射光学系を有するように構成しても良い。
【００５５】
図１,図２において、反射光学系１はライトバルブLVからの光線の通過順に、絞りSS、凹面鏡R1・凸面鏡R2・凹面鏡R3・凸反射面R4・凸面鏡R5・凹面鏡R6の６つの反射面で構成されている。すべての反射面はYZ平面のみに対して対称な面である。ここで、凸面鏡R5と凹面鏡R6の間でライトバルブLVに基づく画像は中間結像しており、絞りSSは凹面鏡R6付近の位置SSaで結像している。即ち凹面鏡R6付近で瞳の結像をしている。この位置SSaはスクリーンＳ側の瞳となる。ここで絞りSSはスクリーンＳ側の光学系により一度実像として結像し、このときの結像倍率は負の倍率となっている。この様に、本実施形態では絞りSSの像が絞り位置よりスクリーンＳ側の光学系（反射面R1〜R5）により負の倍率の結像をする構成を取ることにより、各面の光線有効径を小さく抑え、反射面等の各光学素子及び光学系全体のコンパクト化を達成している。
【００５６】
本実施形態では、ライトバルブLVの大きさは１０.８×１９.２mm、スクリーンＳの大きさは縦横比９：１６の６０インチ（７４７×１３２８ｍｍ）である。また、スクリーンＳの法線Ｓaは基準軸Ａに対し42度傾いている。以下、本実施例に用いられる反射光学系の構成データを示す。構成データでは絞りＳ面から像面（スクリーン面）に至る各面に順に番号を付している。
次に本実施形態の光学系における光学作用を説明する。照明系Ｌの光源LPから発生した光は、不図示のコンデンサーレンズ、カラーフィルター等を通りライトバルブLVを照明し、ライトバルブLVで光変調された光が反射光学系１で集光されスクリーンに導光され、ライトバルブLVに基づく画像が映し出される。
【００５７】
図４はスクリーンＳ上でのデフォーカス特性、周辺光量を評価する評価位置を示してる。本実施形態の投射光学系１のディストーションの様子を図３に、スクリーンＳ上の像位置▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼の位置でのデフォーカス特性を図５に示す。本実施形態の投射光学系１は図３を見れば分かるとおり、大きなディストーションはなく、非対称なディストーションも少ない。図５のデフォーカス特性を表す個々のグラフは基準軸上においてスクリーンから−25cm〜25cmの範囲における周波数１本／mmのMTFを示して、実線がスクリーン上のローカル座標でのｙ方向のコントラスト値で、破線がスクリーン上のローカル座標でのｘ方向のコントラスト値を表している。この図から各像位置において、スクリーン上でMTFがピークをもつ、つまり、スクリーン上にピントが合っていることがわかる。また、各像位置でコントラスト値はほぼ50%を確保している。
【００５８】
また、図４に示してあるスクリーンにおける対角線上の位置▲５▼、▲７▼、▲４▼、▲８▼、▲９▼の像位置における光量比は以下のようになる（位置▲４▼の光量を100とする）。
【００５９】
▲５▼＝94.8、▲７▼＝95.3、▲４▼＝100、▲８▼＝94.2、▲９▼＝91.8
この様に光量分布にほとんど差は見られない。
【００６０】
本実施形態で用いられている反射光学系において、基準軸の周りに展開したアジムス０度と90度における焦点距離ｆ１（０）、ｆ１（９０）とライトバルブLV側の主点位置Ｈ１（０）、Ｈ１（９０）を計算すと以下のような値になる。ただし、アジムス0度は図４において像位置▲２▼、▲４▼、▲６▼を含むアジムスであり、アジムス９０度は図４において像位置▲３▼、▲４▼を含むアジムスである。また、主点位置は凹面鏡R1を基準とし、光の進む方向を正としている。
【００６１】
f1(0)＝−17.83、f1(90)＝−13.7，H1(0)＝−132.72、H1(90)＝−128.764
故に、前述の（１），（２）式による値は、
｜(H(90)−H(0))／H(0)｜＝0.03＜0.2・・・(１)
｜1−cos(42°)・ｆ(0)／ｆ(90)｜＝0.03＜0.2 ・・・(２)
となる（ここで42度はスクリーンＳの法線Ｓaと基準軸Ａのなす角である。）。
【００６２】
本実施形態においては基準軸Ａに対し、ライトバルブLVをシフト、若しくはチルトさせているわけではないので、反射光学系１をライトバルブLVから見たときにアジムス依存性が少ない、つまり主点位置にアジムス依存性が少ない方が望ましい。本実施形態では、(１)式の値から解るように主点位置のアジムス依存性が少ないといえる。もし、(１)式の値が大きい場合、非対称性の収差が多く発生することになり収差補正上好ましくなく、0.2以上になると収差補正が難しくなる。図１３は図１２の状態におけるスクリーン部を表している。図１３において、Ａは基準軸、Ｓは傾いたスクリーン、Ｓ’は基準軸Ａに垂直な平面であり、スクリーンＳと面Ｓ’は角度θだけ傾いている。本来は面Ｓ’上に反射光学系１で拡大投影されたライトバルブLVの像面が結像される。特開平09-5650号公報に開示されているように、基準軸Ａの周りに展開し、評価面を基準軸に垂直な平面Ｓ’で評価した場合、近軸量はアジムスξとアジムスξ＋180°で同じ値を示す。故に、特開平09-5650号公報で表される近軸量が像面の傾きを起こすわけではない。つまり、像面湾曲と同種の収差が、詳しく述べると、スクリーンＳと面Ｓ’の交線から離れるにしたがってピント位置がずれる収差が発生しているために像面が傾くと解釈できる。こう解釈した場合、評価面である面Ｓ’におけるｙ方向の倍率βｙ’はスクリーンＳにおける倍率βｙが射影されたと考えることができるので、スクリーンＳ上で縦横比が保たれるためには、以下の関係を満たしている必要がある。
【００６３】
βｙ＝βｙ’／cosθ＝βｘ（図１４参照）
ゆえに
【００６４】
【数２】
【００６５】
ここで、SS'(0)、SS'(90)はアジムス０°と90°における反射光学系のスクリーンＳ側の主点位置からスクリーンＳまでの距離である。上式において、本実施形態ではSS'(0)＝1034、SS'(90)＝991であるので、SS'(0)≒SS'(90)、SS'(0)≫f(0)、SS'(90)≫f(90)として近似した。つまり、(２)式が小さいことが縦横比が保たれる条件である。(２)式の値が0.2より大きくなるとディストーションが大きくなり収差補正が難しくなる。また、スクリーン側の瞳SSaに絞りを置いた場合、スクリーンの上部を通る光路長とスクリーン下部を通る光路長が異なるためにこの位置に絞りを設けるとスクリーンの上下で明るさに差がでるので好ましくない。
【００６６】
本実施形態では前述の（１），（２）式のうち少なくとも一方を満足させるようにしている。
【００６７】
本実施形態では絞りを表示パネル（ライトバルブ）LVと反射光学系１との間に設けたが本実施形態はこれに限らない。本実施形態では回転非対称反射面を表面反射面として用いているが、特開平8-292372号公報、特開平9-222561号公報、特開平9-258105号公報等で開示されているように透明体の表面に回転非対称反射面を形成した光学ブロックを使用しても良い。さらに、複数の回転非対称表面反射面を一体にモールド成形しても良い。本実施形態では、回転非対称反射面を６面用いているが、反射面は６面に限らずいくつあっても良い。ただし、収差補正上、少なくとも３枚以上あることが望ましい。また、回転非対称反射面はある平面に対して対称な形状であるが、これに限らない。
【００６８】
図６は本発明の投射型表示装置の実施形態２の要部概略図である。図６においてＬＬはライトバルブLV1に光を照明する照明系である。２はライトバルブLV1で光変調された光をスクリーンＳに投射するためのオフアキシャル系を利用した反射光学系である。図７は図６の反射光学系２と照明系ＬＬの詳細図である。図６，図７において、LV1は透過型ドットマトリックス液晶等から成るライトバルブ、Ｍ（Ｍ１〜Ｍ５）は平面ミラー、または、ダイクロイックミラーであり、Ｌ２は光源、Ｐはダイクロイックプリズムである。SSは絞りである。
【００６９】
図６,図７において、反射光学系２はダイクロイックプリズムＰからの光線の通過順に、凹面鏡R1・凸面鏡R2、絞りSS、凹面鏡R3・凸反射面R4・凸面鏡R5・凹面鏡R6の６つの反射面で構成されている。すべての反射面はYZ平面のみに対して対称な面である。ここで、凸面鏡R5と凹面鏡R6の間でライトバルブLV1に基づく画像は中間結像しており、絞りSSは凹面鏡R6付近で結像している。即ち凹面鏡R6付近で瞳の結像をしている。この様に、絞りSSの像が絞り位置よりスクリーン側の光学系（R3〜R6）により負の倍率の結像をする構成を取ることにより、各面の光線有効径を小さく抑え、各光学素子及び光学系全体のコンパクト化を達成している。
【００７０】
また、凹面鏡R1・凹面鏡R3・凸面鏡R5、凸面鏡R2・凸反射面R4は、それぞれモールド成形等により一体的に構成されている。
【００７１】
本実施形態においてライトバルブLV１の大きさは１２.８２×２２.８mm、スクリーンＳの大きさは縦横比９：１６の６０インチ（７４７×１３２８ｍｍ）である。また、スクリーンＳの法線Ｓａは基準軸Ａに対し42度傾いている。以下、本実施形態に用いられる反射光学系の構成データを示す。
次に本実施形態における光学作用を説明する。照明系LLの光源Ｌ２から発生した光は複数枚の反射鏡Ｍを通り、Ｒ（赤色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）の三原色に分割される。そして、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色光はそれぞれに対応するライトバルブLV1を通り、ダイクロイックプリズムＰにより合成され、反射光学系２でスクリーンＳ上に導光される。ライトバルブLV1に基づく画像（カラー画像）が反射光学系でスクリーンに映し出される。本実施形態の投射光学系２のディストーションの様子を図８に、図４におけるスクリーンＳ上の像位置▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼の位置でのデフォーカス特性を図９に示す。本実施形態の投射光学系２は図８を見れば分かるとおり、大きなディストーションはなく、非対称なディストーションも少ない。図９のデフォーカス特性を表す個々のグラフは基準軸上においてスクリーンから−25cm〜25cmの範囲における周波数１本／mmのMTFを示して、実線がスクリーン上のローカル座標でのｙ方向のコントラスト値で、破線がスクリーン上のローカル座標でのｘ方向のコントラスト値を表している。この図から各像位置において、スクリーン上でMTFがピークをもつ、つまり、スクリーン上にピントが合っていることがわかる。また、各像位置でコントラスト値はほぼ50%を確保している。
【００７２】
また、図４に示してあるスクリーンにおける対角線上の▲５▼、▲７▼、▲４▼、▲８▼、▲９▼の像位置における光量比は以下のようになる（▲４▼の光量を100とする）。
【００７３】
▲５▼＝96.5、▲７▼＝101.2、▲４▼＝100、▲８▼＝102.9、▲９▼＝105.5
この様に光量分布にほとんど差は見られない。
【００７４】
本実施形態で用いられている反射光学系において、基準軸の周りに展開したアジムス０度と90度における焦点距離ｆ１（０）、ｆ１（９０）とライトバルブLV1側の主点位置Ｈ１（０）、Ｈ１（９０）を計算すと以下のような値になる。ただし、アジムス0度は図４において像位置▲２▼、▲４▼、▲６▼を含むアジムスであり、アジムス９０度は図４において像位置▲３▼、▲４▼を含むアジムスである。また、主点位置は凹面鏡R1を基準とし、光の進む方向を正としている。
【００７５】
f1(0)＝−19.81、f1(90)＝−15.25，H1(0)＝−140.15、H1(90)＝−135.79
故に
｜(H(90)−H(0))／H(0)｜＝0.03＜0.2・・・(１)
｜1−cos(42°)ｆ(0)／ｆ(90)｜＝0.03＜0.2・・・(２)
となる（ここで42度はスクリーンＳの法線Ｓａと基準軸Ａのなす角である。）。
【００７６】
本実施形態においては基準軸Ａに対し、ライトバルブLV1をシフト、若しくはチルトさせているわけではないので、反射光学系２をライトバルブLV1から見たときにアジムス依存性が無い、つまり主点位置にアジムス依存性が無い方が望ましい。本実施形態では、(１)式の値から解るように主点位置のアジムス依存性が少ないといえる。もし、(１)式の値が大きい場合、非対称性の収差が多く発生することになり収差補正上好ましくなく、0.2以上になると収差補正が難しくなる。また、(２)式が小さいので、スクリーン上での縦横比が保たれている。(２)式の値が0.2より大きくなるとディストーションが大きくなり収差補正が難しくなる。また、スクリーンＳ側の瞳に絞りを置いた場合、スクリーンの上部を通る光路長とスクリーン下部を通る光路長が異なるためにこの位置に絞りを設けるとスクリーンの上下で明るさに差が出で来る。
【００７７】
本実施形態では絞りSSを回転非対称反射面Ｒ2と回転非対称反射面Ｒ３の間に設けたが本実施形態はこれに限らない。本実施形態では回転非対称反射面を表面反射面として用いているが、特開平8-292372号公報、特開平9-222561号公報、特開平9-258105号公報等で開示されているように透明体の表面に回転非対称反射面を形成した光学ブロックを使用しても良い。
【００７８】
さらに、本実施形態では、凹面鏡R1・凹面鏡R3・凸面鏡R5、凸面鏡R2・凸反射面R4は、それぞれモールド成形等により一体的に構成されているがこれに限定はされない。本実施形態では、回転非対称反射面を６面用いているが、反射面は６面に限らず、いくつであっても良い。ただし、収差補正上、少なくとも３枚以上あることが望ましい。また、回転非対称反射面はある平面に対して対称な形状であるが、これに限らない。
【００７９】
図１０は本発明の投射型表示装置の実施形態３の要部概略図である。本実施形態は図６の実施形態２に比べて、投射光学系を、前面に透過型スクリーンＳを設けたケースＫ内に備え背面投射型表示装置に適用した点が異なっている。反射光学系２からの光束を平面ミラーＭＭ１と平面ミラーＭＭ２で折り返され透過型のスクリーンＳに投射している。この様にスクリーンＳ上に斜めに投射する投射光学系を用いることにより装置の奥行きを小さくしている。この場合、基準軸とスクリーンの角度が大きければ大きいほど装置の奥行きを縮めることができる。
【００８０】
本実施例では平面ミラーＭＭ１とＭＭ２の２つのミラーで光路を折り曲げているが本実施形態はこれに限定されず、２以上の複数のミラーを用いても良い。
【００８１】
以上のように本発明の各実施形態によれば、斜め投射をする投射型表示装置において、曲率を有する回転非対称反射面を3面以上有し、画像表示パネルからの光束が前記複数の回転非対称反射面で反射を繰り返してスクリーンに投影され実像を結ぶ反射光学系を用い、かつ反射光学系として回転非対称反射面と反射面の間、又は、反射光学系と表示パネルの間に絞りを設け、絞りの像が絞り位置よりスクリーン側の光学系により負の倍率の結像をするように構成することにより、装置の小型化を図りつつ、周辺光量比を確保し、かつ拡大率の高い斜め投射の投射型表示装置を得ることができる。さらに、本実施形態によればスクリーン面上に拡大投影される像面が基準軸に対して斜めに結像されるように構成し、基準軸周りに展開される焦点距離、主点位置等を適切な値に設定することにより、斜め投射でありながらスクリーンでの光量をほぼ均一にし、ディストーション、主に台形歪みを抑え良好なる投射画像を得ることができる。
【００８２】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように各要素を設定することにより、装置の小型化を図りつつ、周辺光量比を多く確保し、かつ拡大率の高い斜め投射の方式を用いた投射光学系及びそれを用いた投射型表示装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の投射光学系を用いた投射型表示装置の構成図
【図２】図１の投射光学系の反射光学系１と照明系Ｌ、ライトバルブLVの構成図
【図３】本発明の実施形態１の投射光学系のディストーションを示す説明図
【図４】本発明に係るスクリーン上における評価位置を示す説明図
【図５】本発明の実施形態１の投射光学系のデフォーカス特性を示す説明図
【図６】本発明の実施形態２の投射光学系を用いた投射型表示装置の構成図
【図７】本発明の実施形態２の投射光学系の反射光学系２と照明系の構成図
【図８】本発明の実施形態２の投射光学系のディストーションを示す説明図
【図９】本発明の実施形態２の投射光学系のデフォーカス特性を示す説明図
【図１０】本発明の実施形態３の投射型表示装置を示す説明図
【図１１】従来のシフト光学系の概念図
【図１２】従来の斜め投射した光学系の概念図
【図１３】斜め投射した場合の倍率の関係を示す説明図
【図１４】斜め投射した場合の倍率の関係を示す説明図
【図１５】従来の斜め投射光学系を示す説明図
【図１６】従来の斜め投射光学系を示す説明図
【図１７】本発明における反射光学系の座標系の説明図
【符号の説明】
１、２・・・反射光学系
Ｌ、Ｌ２・・・照明光学系
ＬＶ、ＬＶ１・・・ライトバルブ
ＬＬ・・・ライトバルブ、照明系
Ｒ１〜Ｒ６・・・回転非対称反射面
Ｓ・・・スクリーン
SS・・・絞り
Ｓ’・・・基準軸に垂直な平面
Ｍ・・・ミラー、及びダイクロイックミラー
Ｍ１、Ｍ２・・・折り返しミラー
Ｐ・・・ダイクロイックプリズム
Ａ・・・基準軸
Ｋ・・・収納ケース
βx、βy、βy'・・・倍率
Ri，Rm,n面
Bi 第i の光学素子
Di 基準軸に沿った面間隔
Ndi 屈折率
νdi アッベ数
【発明の属する技術分野】
本発明は、投射光学系及びそれを用いた投射型表示装置に関し、例えば液晶表示素子（液晶パネル）やデジタルマイクロミラーデバイス等の画像表示パネルによって光変調された光束をスクリーン又は壁に導光し、画像情報を形成する液晶プロジェクター（プロジェクション）等の光学機器に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、液晶パネル等の画像表示パネルを光源からの光束により照明し、画像表示パネルで光変調された透過光又は反射光を用いて投影レンズにより、スクリーン又は壁に拡大投射して画像形成する受動型のプロジェクターが種々と提案されている。
【０００３】
プロジェクションに用いられる投射光学系において、スクリーンと装置との距離を短くするためにスクリーンに対し斜め投射が可能な投射光学系が種々と提案されている。図１５は特開平０５−１００３１２号公報に開示されている投射光学系の実施例の概略図である。図中、Lは照明系、LVは透過又は反射型ドットマトリックス液晶等を用いたライトバルブである。ライトバルブLVに基づく画像を投射光学系PLによってスクリーンＳ上に拡大投影し、スクリーンＳに映し出す。この発明では投射光学系PLとして大画角の広角レンズを用いて、ライトバルブLV、及びスクリーンＳを投射光学系PLの光軸Laに対してシフトして配置し、画角の端の部分を使用して投射することにより斜め投射の光学系を構成している。
【０００４】
また、図１６は特開平０５−０８０４１８号公報に開示されている投射光学系の実施例の概略図である。図中、Lは照明系、LVは透過又は反射型ドットマトリックス液晶等を用いたライトバルブである。ライトバルブLVに基づく画像を第１の投射光学系PL1によって中間像を形成し、第２の投射光学系PL2によりスクリーンＳに拡大投影している。この発明では、第１、２の投射光学系の光軸を適切に傾けることにより、スクリーンＳに対し斜めに投射している。
【０００５】
また、再公表特許WO９７／０１７８７号には、複数の反射面を用いて斜め方向から画像を投射する投射光学系が開示されている。
【０００６】
一方、最近、非共軸光学系を利用し、光学系全体の小型化を図った結像系が種々と提案されている。非共軸光学系では、基準軸という概念を導入し構成面を非対称非球面にすることで、十分収差が補正された光学系が構築可能であることが、例えば特開平９−５６５０号公報にその設計法が、特開平８−２９２３７１号公報、特開平８−２９２３７２号公報にその設計例が示されている。
【０００７】
こうした非共軸光学系はオフアキシャル光学系（像中心と瞳中心を通る光線に沿った基準軸を考えたとき、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（オフアキシャル曲面）を含む光学系として定義される光学系で、このとき、基準軸は折れ曲がった形状となる）と呼ばれる。このオフアキシャル光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を使った光学系の構築がしやすい。また、光路の引き回しが比較的自由に行なえる、構成面を一体成形する手法で一体型の光学系を作りやすいという特徴をも持っている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特開平０５−１００３１２号公報では、光軸に対してライトバルブとスクリーンをシフトさせた投射光学系を用いており、この場合は、図１１に示すように、使用する投射光学系の画角の大きさはθ２である。しかしながら、使用される投射光学系としてはかなり大きい画角（θ１）を有した高画角のレンズ系を必要とする。また、通常のレンズ系では光軸Laから画角が大きくなるにしたがって光量が落ちてくる。そのため、高画角のレンズ系を使用すればするほどスクリーンＳの特に上下方向で明るさに差が出てしまう。また、光軸LaがスクリーンＳの中心に向かうように構成した場合（図１２）、通常のレンズ系ではスクリーンＳ上に像が結像されず光軸Laに垂直な平面Ｓ’上に結像される。この様に構成した場合、良く知られているように投影像が台形に歪み、スクリーンＳの上下方向でピントがずれてしまう。この像面の傾きを補正する場合、スクリーンＳの上部を通る光線の光路Ｌ１とスクリーンＳの下部を通る光線の光路Ｌ２の差を打ち消さなければならない。この差を補正する場合、結像面付近で補正できれば光路Ｌ１と光路Ｌ２の光路差は縮小されるので補正量は少なくて済む。一方、投影像が拡大されたスクリーン側の光学面で補正をする場合、光路Ｌ１と光路Ｌ２の光路差がそのまま影響する。
【０００９】
また、特開平０５−０８０４１８号公報に開示されている装置では、レンズ系をチルトしているだけなので像面を十分に傾けることが難しい。また、チルト量が多すぎると光学性能を確保することが難しくなる。
【００１０】
再公表特許特許WO９７／０１７８７号に開示されている反射型ディスプレー装置における投射光学系は、１枚の凹面鏡と１枚又は２枚の凸面鏡を用いて共軸系を構成し、該凹面鏡と凸面鏡の一部の反射面を用いて画像を斜め方向から投射している。共軸系である為、収差補正が難しく、反射光学系を明るくすること（Ｆナンバーを小さくすること）が難しい。
【００１１】
又、投射光学系は反射部材間に絞りを配置した構成を用いている。そして絞りを通過した光束が凸面鏡に入射し、該凸面鏡からの発散光束が次の凸面鏡に入射している。この為、２番目の凸面鏡の有効径が増大する傾向があった。又、このとき２つの凸面鏡は絞りの虚像を形成している。
【００１２】
本発明は、投射光学系及びそれを用いた投射型表示装置の提供を目的とする。
【００１３】
又、更に、明るい投射光学系及びそれを用いた投射型表示装置の提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の投射光学系は、画像表示パネルからの光束を基準軸に対して傾斜したスクリーン面上に導光して、該スクリーン面に画像情報を形成する為の投射光学系において、
該投射光学系は、曲率を有する反射面として６面の回転非対称反射面のみを有し、前記画像表示パネルからの光束を該６面の回転非対称反射面で反射して前記スクリーン面上に導光しており、
該画像表示パネル側から数えて５番目の回転非対称反射面と６番目の回転非対称反射面の間に該画像表示パネルに基づく画像を結像するように構成されており、
前記６面の回転非対称反射面間、又は、前記６面の回転非対称反射面と前記画像表示パネルの間に絞りを有し、
該絞りは、該絞り位置より前記スクリーン側に配置した回転非対称反射面により負の倍率で、前記画像表示パネル側から数えて６番目の回転非対称反射面と前記スクリーンの間に結像することを特徴としている。
【００１５】
請求項２の発明の投射型表示装置は、請求項１に記載の投射光学系を用いて前記画像表示パネルに基づく光束を前記スクリーン面上に導光し、該スクリーン面に前記画像情報を形成することを特徴としている。
【００１６】
請求項３の発明は請求項２の発明において、前記投射光学系からの前記画像表示パネルに基づく光束を１つ又は複数の平面ミラーを介して透過型のスクリーンに導光し、該透過型スクリーンの前記スクリーン面に前記画像情報を形成することを特徴としている。
【００３４】
【発明の実施の形態】
本実施形態の説明に入る前に、実施形態の構成諸元の表し方及び実施形態全体の共通事項について説明する。
【００３５】
図１７は本発明の光学系の構成データを定義する座標系の説明図である。本発明の実施形態では物体側から像面に進む１つの光線（図１７中の一点鎖線で示すもので基準軸光線と呼ぶ）に沿ってｉ番目の面を第ｉ面とする。
【００３６】
図１７において第１面R1は屈折面、第2 面R2は第1 面R1に対してチルトされた反射面、第3 面R3、第4 面R4は各々の前面に対してシフト、チルトされた反射面、第5 面R5は第4 面R4に対してシフト、チルトされた屈折面である。第1 面R1から第5 面R5までの各々の面はガラス、プラスチック等の媒質で構成される一つの光学素子上に構成されており、図１７中では第１の光学素子B1としている。
【００３７】
従って、図１７の構成では不図示の物体面から第1 面R1までの媒質は空気、第1 面R1から第5 面R5まではある共通の媒質、第5 面R5から不図示の第6 面R6までの媒質は空気で構成している。
【００３８】
本発明の光学系はOff-Axial 光学系であるため光学系を構成する各面は共通の光軸を持っていない。そこで、本発明の実施形態においては先ず第１面の中心を原点とする絶対座標系を設定する。
【００３９】
そして、本発明の実施形態においては、第１面の中心点を原点とすると共に、原点と最終結像面の中心とを通る光線（基準軸光線）の経路を光学系の基準軸と定義している。さらに、本実施形態中の基準軸は方向（向き）を持っている。その方向は基準軸光線が結像に際して進行する方向である。
【００４０】
本発明の実施形態においては、光学系の基準となる基準軸を上記の様に設定したが、光学系の基準となる軸の決め方は光学設計上、収差の取り纏め上、若しくは光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の良い軸を採用すれば良い。しかし、一般的には像面の中心と、絞り又は入射瞳又は射出瞳又は光学系の第１面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を光学系の基準となる基準軸に設定する。
【００４１】
つまり、本発明の実施形態においては、基準軸は第１面の中心点を通り、最終結像面の中心へ至る光線（基準軸光線）が各屈折面及び反射面によって屈折・反射する経路を基準軸に設定している。各面の順番は基準軸光線が屈折・反射を受ける順番に設定している。
【００４２】
従って基準軸は設定された各面の順番に沿って屈折若しくは反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的に像面の中心に到達する。
【００４３】
本発明の各実施形態の光学系を構成するチルト面は基本的にすべてが同一面内でチルトしている。そこで、絶対座標系の各軸を以下のように定める。
【００４４】
Z 軸：原点と物体面中心を通る直線。物体面から第１面R1に向かう方向を正とする
Y 軸：原点を通りチルト面内（図１７の紙面内）でZ 軸に対して反時計回りに90゜をなす直線
X 軸：原点を通りZ、Y 各軸に垂直な直線（図１７の紙面に垂直な直線）
又、光学系を構成する第ｉ面の面形状を表すには、絶対座標系にてその面の形状を表記するより、基準軸と第ｉ面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定して、ローカル座標系でその面の面形状を表した方が形状を認識する上で理解し易い為、第ｉ面の面形状をローカル座標系で表わす。
【００４５】
また、第ｉ面のYZ面内でのチルト角は絶対座標系のZ 軸に対して反時計回り方向を正とした角度θi （単位°）で表す。よって、本発明の実施形態では各面のローカル座標の原点は図１７中のYZ平面上にある。またXZおよびXY面内での面の偏心はない。さらに、第ｉ面のローカル座標(x,y,z) のy,z 軸は絶対座標系(X,Y,Z) に対してYZ面内で角度θi 傾いており、具体的には以下のように設定する。
【００４６】
z 軸：ローカル座標の原点を通り、絶対座標系のZ 方向に対しYZ面内において反時計方向に角度θi をなす直線
y 軸：ローカル座標の原点を通り、z 方向に対しYZ面内において反時計方向に90゜をなす直線
x 軸：ローカル座標の原点を通り、YZ面に対し垂直な直線
また、Diは第ｉ面と第(i+1) 面のローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量、Ndi 、νdiは第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の媒質の屈折率とアッベ数である。
【００４７】
ここで、球面は以下の式で表される形状である：
【００４８】
【数１】
また、本発明の光学系は少なくとも回転非対称な非球面を一面以上有し、その形状は以下の式により表す：
【００５０】
C03 ＝C21 ＝t ＝0
さらに
C02 ＝C20 C04＝C40 ＝ C22/2 C06 ＝C60 ＝C24/3 =C42/3
が満たされる場合は回転対称な形状を表す。以上の条件を満たさない場合は非回転対称な形状である。
【００５１】
次に本発明の各実施形態について説明する。
【００５２】
図１は本発明の投射光学系を用いた投射型表示装置の実施形態１の要部概略図である。
【００５３】
図１においてLVは反射型ドットマトリックス液晶やデジタルマイクロミラーデバイス等を用いたライトバルブ（画像表示パネル）である。ＬはライトバルブLVに光を照明する照明系である。照明系Ｌはランプ、コンデンサーレンズ、波長を選択するフィルター等から成り立っている。１はライトバルブLVで光変調された光をスクリーンＳに導光し、スクリーンＳ面上に画像を形成するためのオフアキシャル系を利用した投射光学系である。図２は図１の投射光学系１とライトバルブLV、そして照明系Lの拡大図である。
【００５４】
図２の投射光学系は曲率を有する回転非対称反射面を複数有し、画像表示パネルからの光束が複数の回転非対称反射面で反射を繰り返してスクリーンに投射され、その面上に実像を結ぶ反射光学系より成っている場合を示しているが、投射光学系は図２に示す反射光学系の他にレンズ系や他の反射光学系を有するように構成しても良い。
【００５５】
図１,図２において、反射光学系１はライトバルブLVからの光線の通過順に、絞りSS、凹面鏡R1・凸面鏡R2・凹面鏡R3・凸反射面R4・凸面鏡R5・凹面鏡R6の６つの反射面で構成されている。すべての反射面はYZ平面のみに対して対称な面である。ここで、凸面鏡R5と凹面鏡R6の間でライトバルブLVに基づく画像は中間結像しており、絞りSSは凹面鏡R6付近の位置SSaで結像している。即ち凹面鏡R6付近で瞳の結像をしている。この位置SSaはスクリーンＳ側の瞳となる。ここで絞りSSはスクリーンＳ側の光学系により一度実像として結像し、このときの結像倍率は負の倍率となっている。この様に、本実施形態では絞りSSの像が絞り位置よりスクリーンＳ側の光学系（反射面R1〜R5）により負の倍率の結像をする構成を取ることにより、各面の光線有効径を小さく抑え、反射面等の各光学素子及び光学系全体のコンパクト化を達成している。
【００５６】
本実施形態では、ライトバルブLVの大きさは１０.８×１９.２mm、スクリーンＳの大きさは縦横比９：１６の６０インチ（７４７×１３２８ｍｍ）である。また、スクリーンＳの法線Ｓaは基準軸Ａに対し42度傾いている。以下、本実施例に用いられる反射光学系の構成データを示す。構成データでは絞りＳ面から像面（スクリーン面）に至る各面に順に番号を付している。
【００５７】
図４はスクリーンＳ上でのデフォーカス特性、周辺光量を評価する評価位置を示してる。本実施形態の投射光学系１のディストーションの様子を図３に、スクリーンＳ上の像位置▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼の位置でのデフォーカス特性を図５に示す。本実施形態の投射光学系１は図３を見れば分かるとおり、大きなディストーションはなく、非対称なディストーションも少ない。図５のデフォーカス特性を表す個々のグラフは基準軸上においてスクリーンから−25cm〜25cmの範囲における周波数１本／mmのMTFを示して、実線がスクリーン上のローカル座標でのｙ方向のコントラスト値で、破線がスクリーン上のローカル座標でのｘ方向のコントラスト値を表している。この図から各像位置において、スクリーン上でMTFがピークをもつ、つまり、スクリーン上にピントが合っていることがわかる。また、各像位置でコントラスト値はほぼ50%を確保している。
【００５８】
また、図４に示してあるスクリーンにおける対角線上の位置▲５▼、▲７▼、▲４▼、▲８▼、▲９▼の像位置における光量比は以下のようになる（位置▲４▼の光量を100とする）。
【００５９】
▲５▼＝94.8、▲７▼＝95.3、▲４▼＝100、▲８▼＝94.2、▲９▼＝91.8
この様に光量分布にほとんど差は見られない。
【００６０】
本実施形態で用いられている反射光学系において、基準軸の周りに展開したアジムス０度と90度における焦点距離ｆ１（０）、ｆ１（９０）とライトバルブLV側の主点位置Ｈ１（０）、Ｈ１（９０）を計算すと以下のような値になる。ただし、アジムス0度は図４において像位置▲２▼、▲４▼、▲６▼を含むアジムスであり、アジムス９０度は図４において像位置▲３▼、▲４▼を含むアジムスである。また、主点位置は凹面鏡R1を基準とし、光の進む方向を正としている。
【００６１】
f1(0)＝−17.83、f1(90)＝−13.7，H1(0)＝−132.72、H1(90)＝−128.764
故に、前述の（１），（２）式による値は、
｜(H(90)−H(0))／H(0)｜＝0.03＜0.2・・・(１)
｜1−cos(42°)・ｆ(0)／ｆ(90)｜＝0.03＜0.2 ・・・(２)
となる（ここで42度はスクリーンＳの法線Ｓaと基準軸Ａのなす角である。）。
【００６２】
本実施形態においては基準軸Ａに対し、ライトバルブLVをシフト、若しくはチルトさせているわけではないので、反射光学系１をライトバルブLVから見たときにアジムス依存性が少ない、つまり主点位置にアジムス依存性が少ない方が望ましい。本実施形態では、(１)式の値から解るように主点位置のアジムス依存性が少ないといえる。もし、(１)式の値が大きい場合、非対称性の収差が多く発生することになり収差補正上好ましくなく、0.2以上になると収差補正が難しくなる。図１３は図１２の状態におけるスクリーン部を表している。図１３において、Ａは基準軸、Ｓは傾いたスクリーン、Ｓ’は基準軸Ａに垂直な平面であり、スクリーンＳと面Ｓ’は角度θだけ傾いている。本来は面Ｓ’上に反射光学系１で拡大投影されたライトバルブLVの像面が結像される。特開平09-5650号公報に開示されているように、基準軸Ａの周りに展開し、評価面を基準軸に垂直な平面Ｓ’で評価した場合、近軸量はアジムスξとアジムスξ＋180°で同じ値を示す。故に、特開平09-5650号公報で表される近軸量が像面の傾きを起こすわけではない。つまり、像面湾曲と同種の収差が、詳しく述べると、スクリーンＳと面Ｓ’の交線から離れるにしたがってピント位置がずれる収差が発生しているために像面が傾くと解釈できる。こう解釈した場合、評価面である面Ｓ’におけるｙ方向の倍率βｙ’はスクリーンＳにおける倍率βｙが射影されたと考えることができるので、スクリーンＳ上で縦横比が保たれるためには、以下の関係を満たしている必要がある。
【００６３】
βｙ＝βｙ’／cosθ＝βｘ（図１４参照）
ゆえに
【００６４】
【数２】
ここで、SS'(0)、SS'(90)はアジムス０°と90°における反射光学系のスクリーンＳ側の主点位置からスクリーンＳまでの距離である。上式において、本実施形態ではSS'(0)＝1034、SS'(90)＝991であるので、SS'(0)≒SS'(90)、SS'(0)≫f(0)、SS'(90)≫f(90)として近似した。つまり、(２)式が小さいことが縦横比が保たれる条件である。(２)式の値が0.2より大きくなるとディストーションが大きくなり収差補正が難しくなる。また、スクリーン側の瞳SSaに絞りを置いた場合、スクリーンの上部を通る光路長とスクリーン下部を通る光路長が異なるためにこの位置に絞りを設けるとスクリーンの上下で明るさに差がでるので好ましくない。
【００６６】
本実施形態では前述の（１），（２）式のうち少なくとも一方を満足させるようにしている。
【００６７】
本実施形態では絞りを表示パネル（ライトバルブ）LVと反射光学系１との間に設けたが本実施形態はこれに限らない。本実施形態では回転非対称反射面を表面反射面として用いているが、特開平8-292372号公報、特開平9-222561号公報、特開平9-258105号公報等で開示されているように透明体の表面に回転非対称反射面を形成した光学ブロックを使用しても良い。さらに、複数の回転非対称表面反射面を一体にモールド成形しても良い。本実施形態では、回転非対称反射面を６面用いているが、反射面は６面に限らずいくつあっても良い。ただし、収差補正上、少なくとも３枚以上あることが望ましい。また、回転非対称反射面はある平面に対して対称な形状であるが、これに限らない。
【００６８】
図６は本発明の投射型表示装置の実施形態２の要部概略図である。図６においてＬＬはライトバルブLV1に光を照明する照明系である。２はライトバルブLV1で光変調された光をスクリーンＳに投射するためのオフアキシャル系を利用した反射光学系である。図７は図６の反射光学系２と照明系ＬＬの詳細図である。図６，図７において、LV1は透過型ドットマトリックス液晶等から成るライトバルブ、Ｍ（Ｍ１〜Ｍ５）は平面ミラー、または、ダイクロイックミラーであり、Ｌ２は光源、Ｐはダイクロイックプリズムである。SSは絞りである。
【００６９】
図６,図７において、反射光学系２はダイクロイックプリズムＰからの光線の通過順に、凹面鏡R1・凸面鏡R2、絞りSS、凹面鏡R3・凸反射面R4・凸面鏡R5・凹面鏡R6の６つの反射面で構成されている。すべての反射面はYZ平面のみに対して対称な面である。ここで、凸面鏡R5と凹面鏡R6の間でライトバルブLV1に基づく画像は中間結像しており、絞りSSは凹面鏡R6付近で結像している。即ち凹面鏡R6付近で瞳の結像をしている。この様に、絞りSSの像が絞り位置よりスクリーン側の光学系（R3〜R6）により負の倍率の結像をする構成を取ることにより、各面の光線有効径を小さく抑え、各光学素子及び光学系全体のコンパクト化を達成している。
【００７０】
また、凹面鏡R1・凹面鏡R3・凸面鏡R5、凸面鏡R2・凸反射面R4は、それぞれモールド成形等により一体的に構成されている。
【００７１】
本実施形態においてライトバルブLV１の大きさは１２.８２×２２.８mm、スクリーンＳの大きさは縦横比９：１６の６０インチ（７４７×１３２８ｍｍ）である。また、スクリーンＳの法線Ｓａは基準軸Ａに対し42度傾いている。以下、本実施形態に用いられる反射光学系の構成データを示す。
【００７２】
また、図４に示してあるスクリーンにおける対角線上の▲５▼、▲７▼、▲４▼、▲８▼、▲９▼の像位置における光量比は以下のようになる（▲４▼の光量を100とする）。
【００７３】
▲５▼＝96.5、▲７▼＝101.2、▲４▼＝100、▲８▼＝102.9、▲９▼＝105.5
この様に光量分布にほとんど差は見られない。
【００７４】
本実施形態で用いられている反射光学系において、基準軸の周りに展開したアジムス０度と90度における焦点距離ｆ１（０）、ｆ１（９０）とライトバルブLV1側の主点位置Ｈ１（０）、Ｈ１（９０）を計算すと以下のような値になる。ただし、アジムス0度は図４において像位置▲２▼、▲４▼、▲６▼を含むアジムスであり、アジムス９０度は図４において像位置▲３▼、▲４▼を含むアジムスである。また、主点位置は凹面鏡R1を基準とし、光の進む方向を正としている。
【００７５】
f1(0)＝−19.81、f1(90)＝−15.25，H1(0)＝−140.15、H1(90)＝−135.79
故に
｜(H(90)−H(0))／H(0)｜＝0.03＜0.2・・・(１)
｜1−cos(42°)ｆ(0)／ｆ(90)｜＝0.03＜0.2・・・(２)
となる（ここで42度はスクリーンＳの法線Ｓａと基準軸Ａのなす角である。）。
【００７６】
本実施形態においては基準軸Ａに対し、ライトバルブLV1をシフト、若しくはチルトさせているわけではないので、反射光学系２をライトバルブLV1から見たときにアジムス依存性が無い、つまり主点位置にアジムス依存性が無い方が望ましい。本実施形態では、(１)式の値から解るように主点位置のアジムス依存性が少ないといえる。もし、(１)式の値が大きい場合、非対称性の収差が多く発生することになり収差補正上好ましくなく、0.2以上になると収差補正が難しくなる。また、(２)式が小さいので、スクリーン上での縦横比が保たれている。(２)式の値が0.2より大きくなるとディストーションが大きくなり収差補正が難しくなる。また、スクリーンＳ側の瞳に絞りを置いた場合、スクリーンの上部を通る光路長とスクリーン下部を通る光路長が異なるためにこの位置に絞りを設けるとスクリーンの上下で明るさに差が出で来る。
【００７７】
本実施形態では絞りSSを回転非対称反射面Ｒ2と回転非対称反射面Ｒ３の間に設けたが本実施形態はこれに限らない。本実施形態では回転非対称反射面を表面反射面として用いているが、特開平8-292372号公報、特開平9-222561号公報、特開平9-258105号公報等で開示されているように透明体の表面に回転非対称反射面を形成した光学ブロックを使用しても良い。
【００７８】
さらに、本実施形態では、凹面鏡R1・凹面鏡R3・凸面鏡R5、凸面鏡R2・凸反射面R4は、それぞれモールド成形等により一体的に構成されているがこれに限定はされない。本実施形態では、回転非対称反射面を６面用いているが、反射面は６面に限らず、いくつであっても良い。ただし、収差補正上、少なくとも３枚以上あることが望ましい。また、回転非対称反射面はある平面に対して対称な形状であるが、これに限らない。
【００７９】
図１０は本発明の投射型表示装置の実施形態３の要部概略図である。本実施形態は図６の実施形態２に比べて、投射光学系を、前面に透過型スクリーンＳを設けたケースＫ内に備え背面投射型表示装置に適用した点が異なっている。反射光学系２からの光束を平面ミラーＭＭ１と平面ミラーＭＭ２で折り返され透過型のスクリーンＳに投射している。この様にスクリーンＳ上に斜めに投射する投射光学系を用いることにより装置の奥行きを小さくしている。この場合、基準軸とスクリーンの角度が大きければ大きいほど装置の奥行きを縮めることができる。
【００８０】
本実施例では平面ミラーＭＭ１とＭＭ２の２つのミラーで光路を折り曲げているが本実施形態はこれに限定されず、２以上の複数のミラーを用いても良い。
【００８１】
以上のように本発明の各実施形態によれば、斜め投射をする投射型表示装置において、曲率を有する回転非対称反射面を3面以上有し、画像表示パネルからの光束が前記複数の回転非対称反射面で反射を繰り返してスクリーンに投影され実像を結ぶ反射光学系を用い、かつ反射光学系として回転非対称反射面と反射面の間、又は、反射光学系と表示パネルの間に絞りを設け、絞りの像が絞り位置よりスクリーン側の光学系により負の倍率の結像をするように構成することにより、装置の小型化を図りつつ、周辺光量比を確保し、かつ拡大率の高い斜め投射の投射型表示装置を得ることができる。さらに、本実施形態によればスクリーン面上に拡大投影される像面が基準軸に対して斜めに結像されるように構成し、基準軸周りに展開される焦点距離、主点位置等を適切な値に設定することにより、斜め投射でありながらスクリーンでの光量をほぼ均一にし、ディストーション、主に台形歪みを抑え良好なる投射画像を得ることができる。
【００８２】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように各要素を設定することにより、装置の小型化を図りつつ、周辺光量比を多く確保し、かつ拡大率の高い斜め投射の方式を用いた投射光学系及びそれを用いた投射型表示装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の投射光学系を用いた投射型表示装置の構成図
【図２】図１の投射光学系の反射光学系１と照明系Ｌ、ライトバルブLVの構成図
【図３】本発明の実施形態１の投射光学系のディストーションを示す説明図
【図４】本発明に係るスクリーン上における評価位置を示す説明図
【図５】本発明の実施形態１の投射光学系のデフォーカス特性を示す説明図
【図６】本発明の実施形態２の投射光学系を用いた投射型表示装置の構成図
【図７】本発明の実施形態２の投射光学系の反射光学系２と照明系の構成図
【図８】本発明の実施形態２の投射光学系のディストーションを示す説明図
【図９】本発明の実施形態２の投射光学系のデフォーカス特性を示す説明図
【図１０】本発明の実施形態３の投射型表示装置を示す説明図
【図１１】従来のシフト光学系の概念図
【図１２】従来の斜め投射した光学系の概念図
【図１３】斜め投射した場合の倍率の関係を示す説明図
【図１４】斜め投射した場合の倍率の関係を示す説明図
【図１５】従来の斜め投射光学系を示す説明図
【図１６】従来の斜め投射光学系を示す説明図
【図１７】本発明における反射光学系の座標系の説明図
【符号の説明】
１、２・・・反射光学系
Ｌ、Ｌ２・・・照明光学系
ＬＶ、ＬＶ１・・・ライトバルブ
ＬＬ・・・ライトバルブ、照明系
Ｒ１〜Ｒ６・・・回転非対称反射面
Ｓ・・・スクリーン
SS・・・絞り
Ｓ’・・・基準軸に垂直な平面
Ｍ・・・ミラー、及びダイクロイックミラー
Ｍ１、Ｍ２・・・折り返しミラー
Ｐ・・・ダイクロイックプリズム
Ａ・・・基準軸
Ｋ・・・収納ケース
βx、βy、βy'・・・倍率
Ri，Rm,n面
Bi 第i の光学素子
Di 基準軸に沿った面間隔
Ndi 屈折率
νdi アッベ数
Claims (3)
- 画像表示パネルからの光束を基準軸に対して傾斜したスクリーン面上に導光して、該スクリーン面に画像情報を形成する為の投射光学系において、
該投射光学系は、曲率を有する反射面として６面の回転非対称反射面のみを有し、前記画像表示パネルからの光束を該６面の回転非対称反射面で反射して前記スクリーン面上に導光しており、
該画像表示パネル側から数えて５番目の回転非対称反射面と６番目の回転非対称反射面の間に該画像表示パネルに基づく画像を結像するように構成されており、
前記６面の回転非対称反射面間、又は、前記６面の回転非対称反射面と前記画像表示パネルの間に絞りを有し、
該絞りは、該絞り位置より前記スクリーン側に配置した回転非対称反射面により負の倍率で、前記画像表示パネル側から数えて６番目の回転非対称反射面と前記スクリーンの間に結像することを特徴とする投射光学系。 - 請求項１に記載の投射光学系を用いて前記画像表示パネルに基づく光束を前記スクリーン面上に導光し、該スクリーン面に前記画像情報を形成することを特徴とする投射型表示装置。
- 前記投射光学系からの前記画像表示パネルに基づく光束を１つ又は複数の平面ミラーを介して透過型のスクリーンに導光し、該透過型スクリーンの前記スクリーン面に前記画像情報を形成することを特徴とする請求項２に記載の投射型表示装置。
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