JP4396769B2 - 投射型画像表示装置 - Google Patents

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を組み込んだ投射型画像表示装置に関する。

スクリーン近傍に投射装置を配置してその画像をスクリーンに投射するための投射光学系として、縮小側に配置された複数のレンズを含む屈折光学系と、拡大側に配置されて光路を折り返す凹面反射ミラーとを有し、スクリーン上に拡大近接投射するもの（例えば特許文献１、２）がある。
特開２００４−２５８６２０号公報 特開２００６−２３５５１６号公報

しかしながら、上記のような投射光学系は、超広画角であるがゆえに焦点距離が極端に短くなり、特に光軸近傍での光束径が細くなっているが、逆に画面周辺部に向かう光束は、周辺光量を確保する為に、非常に太い光束となっている。そして、凹面反射ミラーを保護するため平行平面のカバー板を凹面反射ミラーの近傍に配置した場合、広角の投射であることに起因して、カバー板の周辺部に入射する光線の角度が非常に浅いものとなり、結像性能の劣化やカバー板の表面での反射が無視できなくなる。また、この種の凹面鏡を利用した投射光学系では、凹面鏡の焦点近傍又は射出瞳位置近傍で光路が集まる為、安全性面などから、集光部からやや離れたところにカバー板を配置するのが好ましいが、集光位置から平行平面カバーを離すに従って、カバー板のサイズも大きくなりがちで、カバー板の強度、支持方法等の観点で問題が生じる。

そこで、本発明は、広角化の要求に対応できる投射型画像表示装置であって、結像性能の劣化や表面での反射を抑えることができる小型のカバー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、本発明に係る第１の投射型画像表示装置は、（ａ）縮小側から順に、複数のレンズを有する第１屈折光学部と、少なくとも１面の凹面形状の反射面を有する反射光学部と、第２屈折光学部とを有する投射光学系と、（ｂ）投射光学系の縮小側である光路前段に設けられる像形成光学部とを備え、（ａ１）第２屈折光学部は、上記反射面で反射され最大画角に向かう主光線と反射光学部の光軸とが交わる点（この交点は、投射光が比較的収束する位置であり、以下便宜的に射出瞳位置と呼ぶ）より光路後段に配置される略一様な厚みの射出レンズを有し、（ａ２）射出レンズの拡大側の光学面は、拡大側に凸面形状を有する。なお、光路後段とは、投射光の進行方向を基準として相対的に下流の光射出側に（すなわち拡大側に）あることを意味する。よって、投射光学系の光路後段に例えば表面投射型のスクリーンが配置されている場合、上記射出レンズは、上記射出瞳位置とスクリーンとの間に配置されることになる。

上記投射型画像表示装置では、第２屈折光学部において、射出レンズの厚みが略一様であり、当該射出レンズの拡大側の光学面が拡大側に凸面形状であるので、広画角で投射する場合であっても、第２屈折光学部を、投射光学系を一様に覆う保護カバーとして機能させることができる。この際、射出レンズの厚みが略一様で拡大側に凸形状で射出瞳位置に対して凹形状となるので、保護カバーとしてのサイズを比較的小さなものにすることができるだけでなく、周辺部での反射を抑えつつ結像に対する影響を少なくすることができる。

本発明に係る第２の投射型画像表示装置は、（ａ）縮小側から順に、複数のレンズを有する第１屈折光学部と、少なくとも１面の凹面形状の反射面を有する反射光学部と、第２屈折光学部とを有する投射光学系と、（ｂ）投射光学系の縮小側である光路前段に設けられる像形成光学部とを備え、（ａ１）第２屈折光学部は、反射光学部と、上記反射面で反射され最大画角に向かう主光線と反射光学部の光軸とが交わる射出瞳位置との間に配置される略一様な厚みの射出レンズを有し、（ａ２）射出レンズの拡大側の光学面は、拡大側に凹面形状を有する。

上記投射型画像表示装置では、第２屈折光学部において、射出レンズの厚みが略一様であり、当該射出レンズの拡大側の光学面が拡大側に凹面形状であるので、広画角で投射する場合であっても、第２屈折光学部を、投射光学系を一様に覆う保護カバーとして機能させることができる。この際、射出レンズの厚みが略一様で拡大側に凹形状で射出瞳位置に対しても凹形状となるので、保護カバーとしてのサイズを比較的小さなものにすることができるだけでなく、周辺部での反射を抑えつつ結像に対する影響を少なくすることができる。

本発明の具体的な態様では、上記投射型画像表示装置において、第２屈折光学部が、拡大側に凸面を向けた又は拡大側に凹面を向けたメニスカスレンズである１枚の射出レンズによって構成される。この場合、第２屈折光学部を簡素な構成とできる。

本発明の別の態様では、メニスカスレンズが、一対の球面の光学面を有し、反射光学部と同一の光軸を有する。この場合、製造が容易なメニスカスレンズを用いて第２屈折光学部を構成することができる。

本発明のさらに別の態様では、メニスカスレンズが、レンズ面の曲率中心が上述の射出瞳位置近傍に配置された同心球形状のドーム型である。反射光学部で反射された投射光は、射出瞳位置及びその近傍を通過する傾向が強いので、メニスカスレンズの曲率中心を射出瞳位置近傍に配置することにより、レンズへの入射角を略垂直にすることができ、また同心球形状とすることで入射部分のレンズとしての効果を小さくすることが可能となり、メニスカスレンズによる結像作用への影響を低減しつつメニスカスレンズすなわち第２屈折光学部を小さくすることができる。

本発明のさらに別の態様では、メニスカスレンズが、反射光学部の光軸に対して偏芯した光軸を有する。この種の曲面ミラーを用いた反射光学系では、光軸上の光は曲面ミラーで反射された後、再び第１光学系に戻るので、したがってスクリーン上では光軸近傍は使うことができない。すなわち光軸外の結像性能のみ保証すればよいので、偏芯などを用いることにより効果的に光軸外の結像に関して一種の補正効果を持たせることができる。

本発明のさらに別の態様では、メニスカスレンズの一対の光学面のうち少なくとも１面が、非球面で構成される。この場合、メニスカスレンズにより、スクリーン上の結像状態に対して補正効果を生じさせることができる。

本発明のさらに別の態様では、メニスカスレンズが、樹脂材料で形成される。この場合、メニスカスレンズの加工が簡易になり、メニスカスレンズを大きく湾曲させることができ、非球面の形成も容易となる。

本発明のさらに別の態様では、第１屈折光学部の少なくとも拡大側の一部と反射光学部の光軸とに共通する光軸は、投射用のスクリーンに対して垂直に延びる。この場合、反射光学部として結像に寄与するのは、基本的に光軸を挟んでスクリーンの反対側に位置する光学面となるが、このような光学面すなわち反射光学部を、そのスクリーン側に配置される第２屈折光学部によって保護することができる。

本発明のさらに別の態様では、第１屈折光学部の反射面の曲率半径をＲａとし、第２屈折光学部の射出レンズの凸面側の曲率半径をＲ１とし、その凹面側の曲率半径をＲ２とし、射出瞳位置と、主光線が射出レンズの凹面側と交わる位置との距離をＳとした場合に、以下の条件（１）〜（３）
０．２ ＜ ｜Ｒ１／Ｒａ｜ ＜ ２．０ … （１）
０．７ ＜ Ｒ２／Ｒ１ ＜ １．１ … （２）
０．３ ＜ Ｓ／Ｒ２ ＜ １．５ … （３）
のうち少なくとも１つの条件を満足する。なお、射出レンズの拡大側の光学面が拡大側に凸面形状を有する場合、射出レンズの入射面は曲率半径Ｒ２の凹面となり、射出面は曲率半径Ｒ１の凸面となる。一方、射出レンズの拡大側の光学面が拡大側に凹面形状を有する場合、射出レンズの入射面は曲率半径Ｒ１の凸面となり、射出面は曲率半径Ｒ２の凹面となる。

上記条件式（１）は、射出レンズの曲率半径の条件を規定するものである。条件式（１）の上限を超えて、射出レンズの形状が平面に近づくと、反射面から広角度で発散した光束を包括するために射出レンズの有効面積が大きくなるとともに、画面周辺部で射出レンズに入射する光線の入射角がきつくなり反射率が増加し好ましくない。条件式（１）の下限を超えて、射出レンズの曲率半径が小さくなりすぎると、射出レンズにおける収差発生が大きくなり、性能劣化の原因となる。

上記条件式（２）は、射出レンズのパワーに関する条件を規定するものである。射出レンズは、条件（２）の範囲内で、入射面と射出面とを近い曲率半径とし、弱いパワーとすることが望ましい。具体的には、条件式（２）の上限を超えて、射出レンズが正のパワーを持つようになると、画角を狭めるような効果が現れ、反射面の負担が大きくなるため好ましくない。逆に、条件式（２）の下限を超えて、射出レンズの負のパワーが強くなり過ぎると、広角化という点では好ましいが、第１屈折光学部で良好に補正された歪曲収差や像面湾曲を悪化させてしまう原因となる。また、射出レンズの正又は負のパワーが強くなり過ぎると、設置の位置精度によって性能が劣化するなどの原因となり好ましくない。

上記条件式（３）は、射出レンズの位置と形状に関する条件規定するものである。すなわち、反射面から非常に広い範囲の角度で発散される光線に対して、射出レンズの凹面側の曲率半径と反射面の集光位置とを適切に設定することにより、性能劣化を最小限に抑えるとともに、各光線の射出レンズへの入射角度の範囲を狭くすることが可能となり、部分的な光量低下を防ぐことが可能となる。具体的には、条件式（３）の上限を超えて、反射面の集光位置から射出レンズまでの距離に比較して射出レンズの凹面側の曲率半径が小さくなりすぎると、収差の発生が大きくなり好ましくない。逆に、条件式（３）の下限を超えて、反射面の集光位置から射出レンズまでの距離に比較して射出レンズの凹面側の曲率半径が大きくなりすぎると、画面周辺部での射出レンズへの入射角度がきつくなり反射率が大きくなる。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る投射型画像表示装置を構成する光学系の要部を示す側面図である。図２は、投射型画像表示装置の外観を説明する斜視図である。

本実施形態における投射型画像表示装置１００は、スクリーン１０と、投射光学系５０と、像形成光学部６０とを備える。ここで、スクリーン１０は、投射光学系５０の拡大側である光路後段に設けられており、像形成光学部６０は、投射光学系５０の縮小側である光路前段に設けられている。なお、図１において、像形成光学部６０については、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、残りの部分の詳細は省略している。また、投射光学系５０及び像形成光学部６０ついては、図２において、密閉型の容器であるケース１００ａに収納された状態として図示を省略している。

スクリーン１０は、反射型投影板であり、表側のスクリーン投射面１０ａに入射した投射光を拡散反射することにより画像を表示する。スクリーン１０は、例えば白色プラスチック板で形成される。また、スクリーン１０は、基板表面にビーズやパールを含む塗料を塗布したもの、基板表面にマイクロレンズやマイクロミラーを埋め込んだものとすることができる。

投射光学系５０は、物面ＯＳ上の画像をスクリーン１０のスクリーン投射面１０ａ上に拡大投射するためのものであり、縮小側から順に、第１屈折光学部２０と、反射光学部３０と、第２屈折光学部４０とにより構成される。ここで、第１屈折光学部２０は、複数のレンズで構成され、反射光学部３０は、少なくとも１面の凹面形状の反射面を有し、第２屈折光学部４０は、１枚の射出レンズ（具体的には１枚のドーム状のメニスカスレンズ）で構成されている。

図３は、投射型画像表示装置１００のうち投射光学系５０の構成を説明する図である。第１屈折光学部２０は、図１のスクリーン１０の下方においてスクリーン投射面１０ａに対して垂直に延びる光軸ＯＡに沿って配置された複数の屈折レンズで構成される。

以下、第１屈折光学部２０の具体的なレンズ構成について説明する。

図３等に示す第１屈折光学部２０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、第５レンズＬ５と、第６レンズＬ６と、第７レンズＬ７と、第８レンズＬ８と、第９レンズＬ９と、絞り４５とを備える。

レンズＬ１〜Ｌ９は、縮小側である物面ＯＳ側より拡大側である反射光学部３０に向かって第１レンズＬ１から第９レンズＬ９まで順に配設されている。ここで、絞り４５は、第４レンズＬ４と第５レンズＬ５との間に設けられている。

第１レンズＬ１及び第８レンズは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、凸凹の３枚接合レンズであり、第４レンズＬ４は、凹凸の２枚接合レンズである。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及び第９レンズＬ９は、メニスカスレンズである。なお、各レンズＬ１〜Ｌ９の配置は、反射光学部３０等の形状や配置との関係で図１に示すスクリーン１０に最適な投射ができるように調整されている。

第１屈折光学部２０は、縮小側すなわち物面ＯＳ側で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、第１屈折光学部２０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射出し、図面右側に進み、第１屈折光学部２０を通過した後、光軸ＯＡよりも下側に設けられている反射光学部３０で反射されて、光軸ＯＡよりも上側に設けられている第２屈折光学部４０に入射する（図１参照）。

反射光学部３０は、１枚の曲面ミラー３１で構成される。この曲面ミラー３１は、光軸ＯＡを軸とする回転対称面で構成される凹面反射ミラーである。曲面ミラー３１は、光軸ＯＡの下側すなわち光軸ＯＡを挟んでスクリーン１０の反対側に非球面の反射光学面３１ａ（図３の実線部分）を有し、第１屈折光学部２０から前方に射出された投射光をスクリーン投射面１０ａへ反射させる。ここで、図３の一点鎖線部分すなわち光軸ＯＡの上側は曲面ミラー３１の仮想的延長面である非実体曲面３１ｆを示す。

第２屈折光学部４０は、例えばプラスチック製の１枚のメニスカスレンズ４１で構成される。このメニスカスレンズ４１は、例えば光軸ＯＡを軸とする一対の球面で構成される同心球形状のレンズであり、射出瞳位置ＥＰより光路後段に配置される。なお、射出瞳位置ＥＰは、反射光学部３０で反射され最大画角に向かう主光線が反射光学部３０等の光軸ＯＡと交わる位置を意味する。光路後段とは、投射光の進行方向を基準として相対的に下流の光射出側に（すなわち拡大側に）あることを意味する。よって、投射光学系３０の光路後段に例えば表面投射型のスクリーン１０が配置されている場合、メニスカスレンズ４１は、射出瞳位置ＥＰとスクリーン１０との間に配置されることになる。メニスカスレンズ４１は、全体に亘って略同一の厚みを有する。メニスカスレンズ４１は、光軸ＯＡの上側に屈折光学面４１ａ，４１ｂ（図３の実線部分）を有し、曲面ミラー３１で折り返された投射光をスクリーン投射面１０ａに向かって斜め上方向に通過させる。ここで、図３の二点鎖線部分すなわち光軸ＯＡの下側はメニスカスレンズ４１の仮想的延長部分である非実体部分４１ｆを示す。メニスカスレンズ４１は、曲面ミラー３１の反射光学面３１ａに対向して配置されている。これにより、メニスカスレンズ４１は、反射光学面３１ａ延いては投射光学系５０の保護カバーとして機能させることができる。さらに、メニスカスレンズ４１は、光路後段側すなわち拡大側に凸のドーム型の外形を有する。これにより、メニスカスレンズ４１は、平坦なカバー板に比較してサイズを比較的簡単に小型化することができ、保護カバーとしての強度を確保し易く、その支持も簡単かつ確実なものとなる。さらに、メニスカスレンズ４１は、射出瞳位置ＥＰを中心とする球面に略沿って配置され略一様な厚みを有するので、浅い角度で入射する光束が少なく、入射光に対する屈折量も少なくできるので、スクリーン１０上における結像に対する影響を少なくすることができる。なお、以上の説明では、メニスカスレンズ４１を構成する両屈折光学面４１ａ，４１ｂを球面としているが、両屈折光学面４１ａ，４１ｂを厚さの変動が極端に大きくならない程度の範囲であれば、収差を補正するための非球面とすることもできる。

図４は、第１実施形態の投射光学系５０の要部を説明する拡大図である。ここで、第１屈折光学部２０を構成する反射面としての曲面ミラー３１の曲率半径をＲａとし、第２屈折光学部４０を構成する射出レンズとしてのメニスカスレンズ４１の入射光学面４１ａの曲率半径をＲ２とし、その射出光学面４１ｂの曲率半径をＲ１とし、曲面ミラー３１で反射され最大画角に向かう主光線が反射光学部３０等の光軸ＯＡと交わる位置（すなわち射出瞳位置ＥＰ）と、主光線がメニスカスレンズ４１における凹面側としての入射光学面４１ａと交わる位置との距離をＳとする。この場合、投射光学系５０は、以下の各条件
０．２ ＜ ｜Ｒ１／Ｒａ｜ ＜ ２．０ … （１）
０．７ ＜ Ｒ２／Ｒ１ ＜ １．１ … （２）
０．３ ＜ Ｓ／Ｒ２ ＜ １．５ … （３）
を満足する。

本投射光学系５０においては、条件式（１）の上限を超えないように設定して、メニスカスレンズ４１の形状が平面に近づくことを回避しているので、反射光学面３１ａから広角度で発散した光束を包括するためにメニスカスレンズ４１の有効面積が大きくなりすぎることを防止でできるとともに、画面周辺部でメニスカスレンズ４１に入射する光線の入射角がきつくなり反射率が増加することを防止できる。一方で、本投射光学系５０においては、条件式（１）の下限を超えないように設定して、メニスカスレンズ４１の曲率半径が小さくなりすぎることを回避しているので、メニスカスレンズ４１における収差発生が大きくなって性能劣化の原因となることを防止できる。

また、本投射光学系５０においては、条件式（２）の上限を超えてメニスカスレンズ４１が正のパワーを持たないように設定しているので、画角を狭めるような効果が現れて反射光学面３１ａの負担が増大することを防止できる。一方で、本投射光学系５０においては、条件式（２）の下限を超えてメニスカスレンズ４１の負のパワーが強くなり過ぎないように設定しているので、第１屈折光学部２０で良好に補正された歪曲収差や像面湾曲を悪化させてしまうことを防止できる。さらにメニスカスレンズ４１の正又は負のパワーが強くなり過ぎることを回避しているので、設置の位置精度によって性能が劣化するなどの原因となることを防止できる。

本投射光学系５０においては、条件式（３）の上限を超えないように設定して、反射光学面３１ａの集光位置からメニスカスレンズ４１までの距離と比較してメニスカスレンズ４１の屈折光学面４１ａの曲率半径が小さくなりすぎることを回避しているので、収差の発生が大きくなることを防止できる。一方で、本投射光学系５０においては、条件式（３）の下限を超えないように設定して、反射光学面３１ａの集光位置からメニスカスレンズ４１までの距離に比較してメニスカスレンズ４１の屈折光学面４１ａの曲率半径が大きくなりすぎることを回避しているので、画面周辺部でのメニスカスレンズ４１への入射角度がきつくなり反射率が大きくなることを防止できる。

表１は、第１屈折光学部２０、反射光学部３０、及び第２屈折光学部４０からなる上記投射光学系５０の具体的な実施例のレンズデータを示す。

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、「Ｎｖ」は、レンズ材料のｄ線におけるアッベ数を示す。

本実施形態において、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の入出射面（表１の３面及び４面）と、第８レンズＬ８の入出射面（表１の２１面及び２２面）とが非球面となっている。また、曲面ミラー３１の反射光学面３１ａ（表１の２５面）が非球面となっている。これらの非球面形状の光軸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。本実施形態の場合、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は、表１の実施例を上記条件式（１）〜（３）に適用した結果を示す。下記表２からも明らかなように、表１の実施例は、上記条件式（１）〜（３）をすべて満足している。

図５は、像形成光学部６０の概念図である。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射出する光源装置６１と、光源装置６１から射出された照明光を赤・緑・青の３色に分離する分離照明系６３と、分離照明系６３から射出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。クロスダイクロイックプリズム６７から射出された像光は、投射光学系５０の第１屈折光学部２０等を経て投射される。

ここで、光源装置６１は、光源光を射出する光源ユニット６１ａと、この光源ユニット６１ａから射出された光源光を均一で所定の偏光方向の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、ほぼそのまま射出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，ＬＲ，ＬＧ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射出する。クロスダイクロイックプリズム６７で合成された像光は、投射レンズである投射光学系５０により適当な拡大率で不図示のスクリーン１０上にカラー画像として投射される。

図２に戻って、上述の投射型画像表示装置１００の設置例について説明する。投射型画像表示装置１００の光学系は、ケース１００ａに収納されて、ラック１１１の上にスクリーン１０とともに固定されている。ラック１１１の上のスクリーン１０の下方側に投影部１００ｂを配置し、スクリーン１０の下部の背面側に本体部１００ｃを配置し、スクリーン１０下方から近接して投射光ＲＬをスクリーン投射面１０ａに投射する。ここで、投影部１００ｂ中には、図３等に示す投射光学系５０が収納されており、本体部１００ｃ中には、主に像形成光学部６０が収納されている。

図６は、ケース１００ａ中における投射光学系５０等の配置の具体例を説明する断面図である。投射光学系５０のうち、第１屈折光学部２０は、主に投影部１００ｂに収納されてスクリーン１０の下部に配置される。この場合、第１屈折光学部２０は、収納スペースを考慮して、ミラーＭＲによって光路を折り曲げられており、スクリーン１０のスクリーン投射面１０ａに平行な鉛直方向に延びる縮小側の部分と、スクリーン投射面１０ａに垂直な水平方向に延びる拡大側の部分とを有する。反射光学部３０は、投影部１００ｂに収納されており、第１屈折光学部２０の先端側すなわち拡大側に配置及び固定される。第２屈折光学部４０は、投影部１００ｂの天板部分１００ｔにはめ込まれて固定されており、反射光学部３０の上方すなわち反射光学部３０の拡大側に配置及び固定される。なお、第１屈折光学部２０は、プラスチック製であり、一様な厚みのドーム形状に加工しやすいだけでなく、十分な強度を有する。

以上の説明から明らかなように、本実施形態の投射型画像表示装置１００によれば、第２屈折光学部４０において、メニスカスレンズ４１の拡大側の屈折光学面４０ｂが拡大側に凸面形状を有するので、広画角で投射する場合であっても、第２屈折光学部４０を投射光学系５０の保護カバーとして機能させることができる。この際、メニスカスレンズ４１の厚みが略一様で拡大側に凸形状となるので、保護カバーとしてのサイズを小さなものにすることができ、結像に対する影響を少なくすることができる。また、メニスカスレンズ４１は、レンズ面の曲率中心を射出瞳位置ＥＰ近傍に配置した同心球形状のドーム型になっているので、反射光学部３０の曲面ミラー３１で反射された投射光が射出瞳位置ＥＰ及びその近傍を通過する傾向が強いことに関連して、メニスカスレンズ４１による画像劣化の影響を低減することができる。また、メニスカスレンズ４１に入射する光線の入射角度は画面のどの方向に向かう光線であっても面に対して垂直に近くなっている為、特に周辺部での反射を効果的に抑えることができるので、投射画像の周辺部での光量アップを図ることができる。

〔第２実施形態〕
図７は、第２実施形態に係る投射型画像表示装置を構成する光学系の要部を示す側面図であり、図８は、投射型画像表示装置のうち投射光学系の構成を説明する図である。また、図９は、投射光学系の要部を説明する拡大図である。

本実施形態の投射型画像表示装置２００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２００は、スクリーン１０と、投射光学系２５０と、像形成光学部６０とを備え、投射光学系２５０は、縮小側から順に、第１屈折光学部２２０と、反射光学部２３０と、第２屈折光学部２４０とにより構成される。

第１屈折光学部２２０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、第５レンズＬ５と、第６レンズＬ６と、第７レンズＬ７と、第８レンズＬ８と、第９レンズＬ９と、絞り４５とを備える。反射光学部２３０は、少なくとも１枚の曲面ミラー３１を有する。第２屈折光学部２４０は、１枚のメニスカスレンズ２４１で構成される。このメニスカスレンズ２４１は、光軸ＯＡの上側にのみ球面の屈折光学面２４１ａ，２４１ｂを有するわずかに負のレンズであり、メニスカスレンズ２４１の光軸ＯＡ３は、第１屈折光学部２２０及び反射光学部２３０の光軸ＯＡに対して曲面ミラー３１の焦点位置Ｆ２近傍を中心として時計回りにα°回転した傾斜状態に保持されるとともに、傾斜後の光軸ＯＡ２に対してさらに下側に距離Ｙだけ偏芯させたものとなっている。メニスカスレンズ２４１は、曲面ミラー３１の反射光学面３１ａに対向して配置され、光路後段側すなわち拡大側に凸のドーム型の外形を有する。これにより、メニスカスレンズ２４１は、投射光学系２５０のための比較的小型の保護カバーとして、結像に対する影響度が比較的小さいものとなっている。また、メニスカスレンズ２４１は、小型の保護カバーとして強度を確保し易く支持も簡単かつ確実なものとなる。この種の投射光学系では、光軸中心は曲面ミラーで反射した光線が第１光学系に戻ってしまうので、第１光学系と干渉しない範囲での軸外性能を保証し、光軸近傍の性能は保証する必要はない。このような場合、メニスカスレンズ２４１に偏芯を与えることにより、効率よく軸外性能を補正することが可能となる。この時メニスカスレンズ２４１にわずかなパワーを持たせることにより、補正効果をあげることが可能となる。さらに、屈折光学面２４１ａ，２４１ｂを非球面とすることにより同様の補正効果を上げることも可能である。

以下の表３は、第１屈折光学部２２０、反射光学部２３０、及び第２屈折光学部２４０からなる上記投射光学系２５０のレンズデータを示す。

また、以下の表４は、メニスカスレンズ２４１の傾斜及び偏芯をまとめて一覧にしたものである。

本実施形態において、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の入射面（表３の３面）と、第８レンズＬ８の入出射面（表３の２１面及び２２面）とが非球面となっている。また、曲面ミラー３１の反射光学面３１ａ（表３の２５面）が非球面となっている。

表５は、表３の実施例を第１実施形態で説明した条件式（１）〜（３）に適用した結果を示す。下記表５からも明らかなように、表３の実施例は、上記条件式（１）〜（３）をすべて満足している。

本実施形態において、像形成光学部６０から投射された投射光は、投射光学系２５０において、第１屈折光学部２２０を経て、反射光学部２３０で折り返され、第２屈折光学部２４０からスクリーン１０に向けて射出される。投射光学系２５０から射出された投射光は、スクリーン投射面１０ａ上に所望の倍率で投射される。

〔第３実施形態〕
図１０は、第３実施形態に係る投射型画像表示装置を構成する光学系の要部を示す側面図であり、図１１は、投射型画像表示装置のうち投射光学系の構成を説明する図である。また、図１２は、投射光学系の要部を説明する拡大図である。

本実施形態の投射型画像表示装置３００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３００は、スクリーン１０と、投射光学系３５０と、像形成光学部６０とを備え、投射光学系３５０は、縮小側から順に、第１屈折光学部３２０と、反射光学部３３０と、第２屈折光学部３４０とにより構成される。

第１屈折光学部３２０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、第５レンズＬ５と、第６レンズＬ６と、第７レンズＬ７と、第８レンズＬ８と、第９レンズＬ９と、絞り４５とを備える。第８レンズＬ８は、非球面レンズとなっている。反射光学部３３０は、少なくとも１枚の曲面ミラー３１を有する。第２屈折光学部３４０は、１枚のメニスカスレンズ３４１で構成される。このメニスカスレンズ３４１は、光軸ＯＡの主に下側に球面の屈折光学面３４１ａ，３４１ｂを有するわずかに負のレンズである。メニスカスレンズ３４１の光軸は、図８に示す第２実施形態の場合と同様に、第１屈折光学部３２０及び反射光学部３３０の光軸ＯＡに対して曲面ミラー３１の焦点位置Ｆ２近傍を中心として時計回りにα°回転した傾斜状態に保持されるとともに、傾斜後の光軸に対してさらに下側に距離Ｙだけ偏芯させたものとなっている。メニスカスレンズ３４１は、曲面ミラー３１の反射光学面３１ａに対向して配置され、光路後段側すなわち拡大側に凹の逆ドーム型（本明細書では、この逆ドーム型も、上に凸のドーム型を基本とする広義のドーム型に含まれるものとする。）の外形を有する。メニスカスレンズ３４１は、例えば光軸ＯＡを軸とする一対の球面で構成される同心球形状のレンズであり、反射光学部３０と射出瞳位置ＥＰとの間に配置される。ここで、射出瞳位置ＥＰは、曲面ミラー３１で反射され最大画角に向かう主光線が反射光学部３３０等の光軸ＯＡと交わる位置を意味する。これにより、メニスカスレンズ３４１は、投射光学系３５０のための比較的小型の保護カバーとして、結像に対する影響度が比較的小さいものとなっている。また、メニスカスレンズ３４１は、小型の保護カバーとして強度を確保し易く支持も簡単かつ確実なものとなる。さらに、この投射光学系３５０では、メニスカスレンズ３４１に偏芯を与えることにより、効率よく軸外性能を補正しており、メニスカスレンズ３４２にわずかなパワーを持たせることにより、補正効果をあげることが可能となる。なお、メニスカスレンズ３４２の屈折光学面３４１ａ，３４１ｂを非球面とすることにより同様の補正効果をあげることも可能である。

以下の表６は、第１屈折光学部３２０、反射光学部３３０、及び第２屈折光学部３４０からなる上記投射光学系３５０のレンズデータを示す。

また、以下の表７は、メニスカスレンズ３４１の傾斜及び偏芯をまとめて一覧にしたものである。

本実施形態において、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の入出射面（表６の３面及び４面）と、第８レンズＬ８の入出射面（表６の２２面及び２３面）とが非球面となっている。また、曲面ミラー３１の反射光学面３１ａ（表６の２６面）が非球面となっている。

表８は、表６の実施例を第１実施形態で説明した条件式（１）〜（３）に適用した結果を示す。下記表８からも明らかなように、表６の実施例は、上記条件式（１）〜（３）をすべて満足している。

本実施形態において、像形成光学部６０から投射された投射光は、投射光学系３５０において、第１屈折光学部３２０を経て、反射光学部３３０で折り返され、逆ドーム型の第２屈折光学部３４０からスクリーン１０に向けて射出される。投射光学系３５０から射出された投射光は、スクリーン投射面１０ａ上に所望の倍率で投射される。

なお、本願発明は、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。

上記実施形態において、像形成光学部６０及び投射光学系５０，２５０，３５０をスクリーン１０下方に配置しているが、スクリーン１０上方に配置してもよい。

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。

第１実施形態に係る投射型画像表示装置の要部を説明する概念図である。 図１の投射型画像表示装置の外観を説明する斜視図である。 投射型画像表示装置のうち投射光学系の構成を説明する図である。 図３の投射光学系の要部を説明する拡大図である。 像形成光学部を説明する概念図である。 ケース中における投射光学系等の配置を説明する断面図である。 第２実施形態に係る投射型画像表示装置の要部を説明する概念図である。 図７の投射型画像表示装置のうち投射光学系の構成を説明する図である。 図８の投射光学系の要部を説明する拡大図である。 第３実施形態に係る投射型画像表示装置の要部を説明する概念図である。 図１０の投射型画像表示装置のうち投射光学系の構成を説明する図である。 図１１の投射光学系の要部を説明する拡大図である。

符号の説明

１０…スクリーン、 １０ａ…スクリーン投射面、 ２０…第１屈折光学部、 ３０…反射光学部、 ３１…曲面ミラー、 ４０…第２屈折光学部、 ４１…メニスカスレンズ、 ５０…投射光学系、 ６０…像形成光学部、 ６１…光源装置、 ６３…分離照明系、 ６３ａ，６３ｂ…ダイクロイックミラー、 ６５…光変調部、 ６５ａ，６５ｂ，６５ｃ…液晶ライトバルブ、 ６７…クロスダイクロイックプリズム、 １００…投射型画像表示装置、 １００ａ…ケース、 １００ｂ…投影部、 １００ｃ…本体部、 １００ｔ…天板部分、ＥＰ…射出瞳位置、 Ｆ２…焦点位置、 ＬＢ，ＬＧ，ＬＲ…色光、 ＯＡ…光軸、 ＯＳ…物面、 ＲＬ…投射光、 ＳＡ…システム光軸

Claims (10)

1. 縮小側から順に、複数のレンズを有し中間像を形成する第１屈折光学部と、少なくとも１面の凹面形状の反射面を有する反射光学部と、第２屈折光学部とを有する投射光学系と、
   前記投射光学系の縮小側である光路前段に設けられる像形成光学部と、
   を備え、
   前記第２屈折光学部は、前記反射面で反射され最大画角に向かう主光線と前記反射光学部の光軸とが交わる位置より光路後段に配置される略一様な厚みの射出レンズを有し、
   前記射出レンズの拡大側の光学面は、拡大側に凸面形状を有し、
   前記第２屈折光学部は、メニスカスレンズである１枚の前記射出レンズによって構成され、
   前記第２屈折光学部の前記射出レンズの凸面側の曲率半径をＲ１とし、前記射出レンズの凹面側の曲率半径をＲ２とした場合に、以下の条件
   ０．７ ＜ Ｒ２／Ｒ１ ＜ １．１ … （２）
   を満足する
   投射型画像表示装置。
2. 縮小側から順に、複数のレンズを有し中間像を形成する第１屈折光学部と、少なくとも１面の凹面形状の反射面を有する反射光学部と、第２屈折光学部とを有する投射光学系と、
   前記投射光学系の縮小側である光路前段に設けられる像形成光学部と、
   を備え、
   前記第２屈折光学部は、前記反射光学部と、前記反射面で反射され最大画角に向かう主光線と前記反射光学部の光軸とが交わる位置との間に配置される射出レンズを有し、
   前記射出レンズの拡大側の光学面は、拡大側に凹面形状を有し、
   前記第２屈折光学部は、メニスカスレンズである１枚の前記射出レンズによって構成され、
   前記第２屈折光学部の前記射出レンズの凸面側の曲率半径をＲ１とし、前記射出レンズの凹面側の曲率半径をＲ２とした場合に、以下の条件
   ０．７ ＜ Ｒ２／Ｒ１ ＜ １．１ … （２）
   を満足する
   投射型画像表示装置。
3. 前記メニスカスレンズは、一対の球面の光学面を有し、前記反射光学部と同一の光軸を有する、請求項１及び請求項２のいずれか一項に記載の投射型画像表示装置。
4. 前記メニスカスレンズは、前記反射面で反射され最大画角に向かう主光線と前記反射光学部の光軸とが交わる位置近傍にレンズ面の曲率中心が配置された同心球形状のドーム型である、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型画像表示装置。
5. 前記メニスカスレンズは、前記反射光学部の光軸に対して偏芯した光軸を有する、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型画像表示装置。
6. 前記メニスカスレンズの一対の光学面のうち少なくとも１面は、非球面で構成される、
   請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の投射型画像表示装置。
7. 前記メニスカスレンズは、樹脂材料で形成される、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の投射型画像表示装置。
8. 前記第１屈折光学部の少なくとも拡大側の一部と前記反射光学部とに共通する光軸は、投射用のスクリーンに対して垂直に延びる、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の投射型画像表示装置。
9. 前記反射光学部の前記反射面の曲率半径をＲａとし、前記第２屈折光学部の前記射出レンズの凸面側の曲率半径をＲ１とした場合に、以下の条件
   ０．２ ＜ ｜Ｒ１／Ｒａ｜ ＜ ２．０ … （１）
   を満足する請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の投射型画像表示装置。
10. 前記第２屈折光学部の前記射出レンズの凹面側の曲率半径をＲ２とし、前記反射面で反射され最大画角に向かう主光線と前記反射光学部の光軸とが交わる位置と、前記主光線が前記射出レンズの凹面側と交わる位置との距離をＳとした場合に、以下の条件
    ０．３ ＜ Ｓ／Ｒ２ ＜ １．５ … （３）
    を満足する請求項３から請求項８までのいずれか一項に記載の投射型画像表示装置。

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