JP4933083B2 - 投写型映像表示装置とその投写光学ユニット - Google Patents

Description

本発明は、映像表示素子の表示画面での映像をスクリーンに拡大表示する投写型映像表示装置とその投写光学ユニットに係り、特に、該表示画面に映出された映像をスクリーンに斜め方向から投写する投写型映像表示装置とその投写光学ユニットに関する。

反射型あるいは透過型の液晶パネルや微小ミラーを用いた映像表示素子の表示画面の映像をスクリーン上に拡大表示する投写型映像表示装置においては、このスクリーン上で充分な大きさの拡大映像を得ることができるようにすることは勿論のこと、装置の奥行寸法を短縮して小型化を図ることも要求される。かかる要求を実現するために、スクリーンで斜め方向から映像光が入射されるようにして、即ち、斜め投写により、映像の拡大投写するための投写光学ユニットが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、かかる斜め投写に曲面ミラーを用い、かかる光学系で光学的な調整についても知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−２６４６２７号公報 特開２００２−３５０７７４号公報

ところで、上記特許文献１に記載の技術では、スクリーンへの斜め投写に伴う投写映像の台形歪みを投写光学系とスクリーンとの間に負のパワーの自由曲面ミラーを配置することによって補正し、また、スクリーンの上下方向の投写距離の差から生じる収差を映像表示素子を共軸投写光学系に対して平行移動させたり、傾けたりして補正するものであるが、このような収差補正では、スクリーン上の投写映像が縦方向にずれる可能性があり、これを補正するための機構が、さらに、必要になる。

また、上記特許文献２には、自由曲面ミラーの移動による調整方法が開示されているが、上記の収差補正については考慮されていない。

さらに、上記いずれの特許文献に記載の発明においては、周囲環境の変化に伴う自由曲面ミラーの変形に起因する歪量の増大に対する対応も、何等なされてはいない。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、スクリーンへの斜め投写に伴う投写映像の台形歪みや収差を、コンパクトな構成で効果的に補正することができ、環境の変化による影響を低減できるようにした投写型映像表示装置とその投写光学ユニットを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の第１の手段は、映像表示素子の表示画面に映出される映像をスクリーンに拡大投写する投写型映像表示装置において、表示画面の映出映像を拡大するための複数のレンズを含む第１の光学系と、第１の光学系からの映像の映像光を反射してスクリーンに、スクリーンの法線に対して所定の角度で、入射させるための第２の光学系と、を備え、第２の光学系は、反射面の少なくとも一部が反射方向に凸状をなす少なくとも１つの回転非対称な自由曲面ミラーを含み、自由曲面ミラーは、上下方向の端部のうち、第１の光学系からの映像光の入射角が大きい側の端部を基準端として、第１の光学系からの映像光の入射角が小さい側の端部を可動端として光学系支持ユニットに取り付けられていることを特徴とする。

また、本発明の第２の手段は、映像表示素子の表示画面に映出される映像をスクリーンに拡大投写する投写型映像表示装置において、表示画面の映出映像を拡大するための複数のレンズを含む第１の光学系と、第１の光学系からの映像の映像光を反射してスクリーンに、スクリーンの法線に対して所定の角度で、入射させるための第２の光学系と、を備え、第１の光学系は、光出射方向に凹状で、かつ光軸に対して回転非対称な面形状の非対称レンズを少なくとも１つ含み、第２の光学系は、反射面の少なくとも一部が反射方向に凸状をなす回転非対称な自由曲面ミラーを少なくとも１つ含み、第１の光学系の非対称レンズは、上下方向の端部のうち、第２の光学系への映像光の出射角が大きい側の端部を基準端とし、第２の光学系への映像光の出射角が小さい側の端部を可動端として、鏡筒に取り付けられていることを特徴とする。

更に、本発明の第３の手段は、映像表示素子の表示画面に映出される映像をスクリーンに拡大投写する投写型映像表示装置において、表示画面の映出映像を拡大するための複数のレンズを含む第１の光学系と、第１の光学系からの映像の映像光を反射してスクリーンに、スクリーンの法線に対して所定の角度で、入射させるための第２の光学系と、を備え、第１の光学系は、表示画面の略中心を通る軸に対称な形状の面を持つ共軸光学系を含む前群と、両側の面が光軸に対して回転非対称な曲面形状をなす自由曲面レンズを含む後群と、を備え、表示画面に映出された映像をスクリーン上に拡大投写する投写レンズを含み、第２の光学系は、自由曲面形状を有する自由曲面ミラーを少なくとも１枚含み、投写レンズからの拡大映像をスクリーンに斜め方向から投写し、自由曲面レンズは、上下方向の端部のうち、第２の光学系への映像光の出射角が大きい側の端部が基準端として鏡筒に取り付けられ、第２の光学系への映像光の出射角が小さい側の端部が可動端として、ばね若しくは弾性体若しくはそれに類するものでもって、鏡筒に取り付けられていることを特徴とする。

加えて、本発明の第４の手段は、映像表示素子の表示画面に映出された映像をスクリーンに拡大投写するための投写型映像表示装置の投写光学ユニットにおいて、表示画面の映出映像を拡大するための複数のレンズを含む第１の光学系と、第１の光学系からの映像の映像光を反射してスクリーンに、スクリーンの法線に対して所定の角度で、入射させるための第２の光学系と、がベースに取り付けられてなり、第１の光学系は、表示画面の略中心を通る軸に対称な形状のレンズ面を持つ共軸光学系を含む前群と、両側の面が光軸に対して回転非対称な曲面形状をなす自由曲面レンズを含む後群と、を備え、表示画面に映出される映像をスクリーン上に拡大投写する投写レンズを含み、第２の光学系は、少なくとも１枚の自由曲面形状を有する自由曲面ミラーを備え、投写レンズからの拡大映像をスクリーンに斜め方向から投写し、自由曲面レンズは、上下方向の端部のうち、第２の光学系への映像光の出射角が大きい側の端部を基準端として鏡筒に取り付けられ、第２の光学系への映像光の出射角が小さい側の端部を可動端として、ばね若しくは弾性体若しくはそれに類するものでもって、鏡筒に取り付けられていることを特徴とする。

本発明によれば、スクリーンでの映像の斜め投写によって生じる台形歪や収差を低減して良好な映像を得つつ、構成をコンパクト化することが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明による映像表示装置の一実施形態を一部内部展開して示す斜視図であって、１は映像発生源、２は投写レンズ、３はスクリーン、４は平面反射ミラー、５は自由曲面ミラー、６は筐体、７は光学系ベースである。

同図において、映像発生源１は、その小型の表示画面に映像を映出表示するものであって、反射型あるいは透過型の液晶パネルや微小なミラーを複数備えた表示素子などの光変調素子を用いるものであるが、投写型ブラウン管を用いるものであってもよい。映像発生源１の表示画面に映出表示される映像はスクリーン３に拡大表示されるのであるが、この表示画面からスクリーン３までの映像光の光路中には、映像発生源１の表示画面に映出表示される映像を拡大してスクリーン３に投写するための第１の光学系としての投写レンズ２と第２の光学系としての自由曲面ミラー５と平面反射ミラー４とが設けられており、映像発生源１の表示画面に映出表示される映像の光（映像光）は、投写レンズ２を経て自由曲面ミラー５で反射され、さらに、平面反射ミラー４で反射されてスクリーン３に投写される。これらの構成要素は筐体７内に設けられているが、特に、映像発生源１や投写レンズ２，自由曲面ミラー５は光学系ベース７に一体に固定されてユニット化されている。第１の光学系には、映像光の光路を折り曲げて映像光を自由曲面ミラー５に向けるための後述の折り曲げミラーが設けられており、かかる折り曲げミラーにより、映像表示装置の奥行を低減可能としている。

なお、以下では、スクリーン３に沿う水平方向（即ち、スクリーン３の長手（長辺）方向）をＸ軸とし、スクリーン３に沿うＸ軸に垂直な方向（即ち、スクリーン３の高さ（短辺）方向）をＹ軸とし、スクリーン３の法線方向（即ち、ＸＹ軸を含む面に垂直な方向）をＺ軸とする基準ＸＹＺ直交座標系を想定する。

図２は背面反射型映像表示装置としての図１に示す実施形態の基本的な光学系の基準ＸＹＺ直交座標系でのＹＺ平面でみた構成を示す断面図であって、１０は映像光の光軸、１１は映像発生源１（図１）を構成する映像表示素子の表示画面（物面ともいう）、１２は投写レンズ２の前群、１３は同じく後群、１４は前述の折り曲げミラー、１５はスクリーン３の法線、１６は自由曲面ミラー５の法線、１７は平面反射ミラー４の法線、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は光線、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は夫々自由曲面ミラー５の光線の反射エリアの中心，下端，上端、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３は夫々平面反射ミラー４の光線の反射エリアの中心，下端，上端、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は夫々スクリーン３の光線の照射エリアの中心，下端，上端であり、図１に対応する部分には同一符号をつけている。なお、図２は光軸１０を含むＹＺ平面に沿う断面を示すものである。

同図において、図１における映像発生源１としての映像表示素子の表示画面１１から出射される映像光は、光軸１０に沿って投写レンズ２に入射される。この光軸１０は表示画面１１の中心を通り、投写レンズ２の光軸と一致したものである。投写レンズ２は、回転対称な面形状のレンズ面を有する複数の屈折レンズから構成される前群１２と、少なくとも回転非対称な適宜の曲面（以下、自由曲面という）形状のレンズ面を有するレンズ（以下、自由曲面レンズという）を含む後群１３とからなり、この前群１２には、平面状の反射面を有する折り曲げミラー１４が含まれている。投写レンズ２に入射された映像光は、まず、前群１２を通過し、次いで、後群１３を通過する。これにより、投写レンズ２は、映像表示素子の表示画面１１の映像を拡大するように、映像光に作用するとともに、後述するように、スクリーン３での投写映像の収差を補正する。また、この映像光は、投写レンズ２の前群１２を通過中、折り曲げミラー１４により、図１で説明したように、自由曲面上の反射面を有する自由曲面ミラー５の方にその光路１０が折り曲げられる。

投写レンズ２から出射される映像光は、自由曲面ミラー５での中心をＰ１とし、上端をＰ３とし、下端をＰ２とする反射エリアに照射されて反射される。自由曲面ミラー５で反射された映像光は、平面反射ミラー４での中心をＱ１とし、上端をＱ３とし、下端をＱ２とする反射エリアで反射され、スクリーン３での中心をＲ１とし、上端をＲ３とし、下端をＲ２とする投写エリアに照射される。この場合、映像光の光軸１０上の光線（以下、画面中央光線という）Ｌ１は自由曲面ミラー５の反射エリアの中心Ｐ１や平面反射ミラー４の反射エリアの中心Ｑ１で反射され、スクリーン３の投写エリアの中心Ｒ１に照射される。また、表示画面１１での映像の表示エリアの上端から出射される映像光線の下端の光線（以下、画面下端光線という）Ｌ２は自由曲面ミラー５の下端Ｐ２や平面反射ミラー４の下端Ｑ２で反射されて、スクリーン３の下端Ｒ２に照射され、同じく映像光線の上端の光線（以下、画面上端光線という）Ｌ３は自由曲面ミラー５の上端Ｐ３や平面反射ミラー４の上端Ｑ３で反射され、スクリーン３の上端Ｒ３に照射される。

なお、映像表示素子が光変調素子である場合には、この光変調素子を照射するランプなどの照明系が必要であるが、ここでは、かかる照明系の図示を省略している。また、映像表示素子としては、所謂３板式のように複数の画像を合成して映像を形成する方式のものであってもよい。この場合に必要になる合成用プリズムなどの合成光学系についても、その図示は省略している。

投写レンズ２の長さは長く、この長さのまま投写レンズ２を使用すると、映像表示素子がスクリーン３からその法線方向に離れたものとなり、筐体６（図１）の奥行きが大きくなって、映像表示装置の薄型化が損なわれる。この実施形態では、投写レンズ２の前群１２内に、上記のように、折り曲げミラー１４を設けて映像光の光軸１０をほぼ垂直に自由曲面ミラー５の方向に折り曲げるようにすることにより、この折り曲げミラー１４までの光学レンズ２の前群１２と映像表示素子との配列をスクリーン３の面に平行にして、投写レンズ２から出射される映像光が、上記のように、自由曲面ミラー５に照射できるようにしている。これにより、映像表示素子をスクリーン３に近づけることができ、映像表示装置の薄型化が図れることになる。

なお、ここでは、折り曲げミラー１４を投写レンズ２の前群１２内に配置したが、これに限らず、自由曲面ミラー５と投写レンズ２との間や投写レンズ２の前群１２と後群１３との間などの他の位置に配置することができることはいうまでもない。

映像表示素子の表示画面１１は、その中心を光軸１０が通るように配置され、この光軸１０は少なくともスクリーン３よりも下側を通っている。このため、この光軸１０上の表示画面１１の中心からの光線、即ち、画面中央光線Ｌ１は、この光軸１０上にある投写レンズ２の光軸を通って自由曲面ミラー５の中心Ｐ１にその法線１６に対して下向きの角度（入射角）θｍで入射されて上向きの角度θｍで反射され、さらに、平面反射ミラー４の中心Ｑ１でその法線１７に対して下向きの角度（入射角）θｐで入射されて上向きの角度θｐで反射され、スクリーン３の中心Ｒ１に照射される。このため、スクリーン３の中心Ｒ１では、この中心Ｒ１からのスクリーン３の法線１５に対して下向きの角度（入射角）θｓで画面中央光線Ｌ１が照射される。即ち、画面中央光線Ｌ１が下側から上向きに斜めにスクリーン３の中心Ｒ１に照射（入射）されることになる。以下では、この角度θｓを斜め入射角度という。

スクリーン３の下端Ｒ２側ほどこの斜め入射角θｓが小さくなり、スクリーン３への映像光の入射光線が水平光線に近づく。要するに、投写レンズ２をその光軸に沿って通過した映像光の光線がスクリーン３に対して斜めに投写され、実質的に投写レンズ２の光軸がスクリーン３に対して斜めに設けられていることになる。このような方法でスクリーン３に映像を投写させると、例えば、スクリーン３に投写された長方形の画像が台形状に表示される所謂台形歪が生ずる。図示するように、スクリーン３に下側から上向きに映像を投写する場合には、下辺が短辺となる台形状の画像として投写されることなる。また、このように映像が投写されると、光軸に垂直な面の表示画面（物面）１１の各位置に対するスクリーン３への光学的な距離が異なることになり、このため、物面１１の各点からの映像がスクリーン３に一様にピント良く結像できないといったような投写画像に光軸に対して回転対称でない種々の収差が生じる。

この実施形態では、これら歪みや収差を投写レンズ２の後群１３と第２の光学系での自由曲面ミラー５とで補正するものである。以下、この点について説明する。

自由曲面ミラー５の上端Ｐ３から平面反射ミラー４の上端Ｑ３を経由してスクリーン３の上端Ｒ３に到る画面上端光線Ｌ３の光路長は、自由曲面ミラー５の下端Ｐ１から平面反射ミラー４の下端Ｑ２を経由してスクリーン３の下端Ｒ２に到る画面下端光線Ｌ２の光路長よりも長くなっている。これは、投写レンズ２から見ると、スクリーン３上の上端Ｒ３での像点がスクリーン３の下端Ｒ３での像点よりも遠くにあることを意味している。このように、スクリーン３の投写エリアのＹ軸方向の各位置での光路長の違いにより、投写画像に上記の台形歪みや収差が生ずるのである。

ところで、スクリーン３の上端Ｒ３の像点に対応する物点（即ち、表示画面１１上の点）が投写レンズ２により近い位置に、また、スクリーン３の下端Ｒ２の像点に対応する物点が投写レンズ２からより遠い位置に夫々あるようにすると、かかる光路長の違いを補正することができる。これを実現するために、映像表示素子の表示画面１１の中央での法線ベクトルを、投写レンズ２に光軸（即ち、光軸１０）に対して傾けるようにする。具体的には、この法線ベクトルを、ＹＺ平面内において、スクリーン３の中心Ｒ１に向くように傾ければよい。光軸に対して傾いた像平面を得るのに物平面を傾ける方法は知られている。

しかしながら、このように、表示画面１１を光軸１０に垂直な平面に対して傾けると、像面（スクリーン３）の低次の台形歪みを効果的に低減できるものの、実用的な大きさの画角では、その大きさが故に、スクリーン３上の像面には、台形歪みが残留して光軸に対して非対称な変形歪みが生じ、また、各種の収差が発生する。回転対称な曲面形状のレンズ面からなる投写レンズでは、これを補正することが困難である。

この実施形態は、表示画面１１の物平面を光軸１０に対して斜めにすることによってスクリーン３での像面の低次歪みを大きく低減するとともに、回転非対称な自由曲面形状のレンズ面を持つレンズや回転非対称な自由曲面の反射面を持つ反射ミラーを用いていることにより、像面の光軸に非対称な変形歪みや収差に対応できるようにするものである。

次に、物面１１を光軸１０に対して傾けても残留する像面での台形歪みやそれ以外の変形歪み及び収差を補正するための各光学要素の作用について説明する。

図２において、第１の光学系である投写レンズ２の前群１２が、映像表示素子の表示画面（物面）１１の映像をスクリーン３に投写するための主レンズであり、回転対称な光学系における基本的な収差を補正する。投写レンズ２の後群１３は、回転非対称な自由曲面形状のレンズ面を持つレンズ、即ち、自由曲面レンズを含んでいる。かかる自由曲面レンズは、その光出射方向に（即ち、自由曲面ミラー５側に）凹状をなすように湾曲した形状をなしている。

第２の光学系は、反射面が回転非対称の自由曲面形状をなす反射ミラー、即ち、自由曲面ミラー５を含んでいる。この自由曲面ミラー５は、その反射面の少なくとも一部が光の入・反射方向に向かって凸状をなすように湾曲された回転非対称の凸面ミラーである。具体的には、自由曲面ミラー５の反射面でのスクリーン３の下端Ｒ２側に向かう画面下端光線Ｌ２を反射する部分側の曲率を、同じくスクリーン３の上端Ｒ３側に向かう画面上端光線Ｌ２を反射する部分側の曲率よりも大きくしている。つまり、中心Ｐ１から下端Ｐ２までの反射エリアの方が、中心Ｐ１から上端Ｐ３までの反射エリアよりも、曲率を大きくしているのである。また、自由曲面ミラー５の反射面は、そのスクリーン３の下端Ｒ２側に向かう画面下端光線Ｌ２を反射する部分側が光線の反射方向に凸の形状をなし、同じくスクリーン３の上端Ｒ３側に向かう画面上端光線Ｌ３を反射する部分側が光線の反射方向に凹の形状をなすように、形成されていてもよい。

自由曲面ミラー５のかかる反射面形状によると、その中心Ｐ１よりも上端Ｐ３側のエリアで反射される映像光は収束するように平面反射ミラー４の方に進み、中心Ｐ１よりも下端Ｐ２側のエリアで反射される映像光は発散するように平面反射ミラー４の方に進む。これにより、物面１１を光軸１０に対して傾斜させることによるスクリーン３上での像面の上記変形歪みを補正することができる。

また、投写レンズ２の後群１３では、これに用いられる自由曲面レンズにより、局所的に映像光の収束，発散が生じ、これにより、物面１１を光軸１０に対して傾斜させることによるスクリーン３上での像面の上記の収差を補正することができる。

このように、この実施形態では、第１の光学系が自由曲面レンズを少なくとも１つ含み、第２の光学系が自由曲面ミラーを少なくとも１つ含み、これにより、物面１１を光軸１０に対して傾斜させたことによるスクリーン３の物面の回転非対称な変形歪と収差との両方を補正可能としている。

第２の光学系の自由曲面ミラー５の反射面の座標原点（ここでは、画面中央光線Ｌ１が反射する位置の座標とする）と、投写レンズ２の前群１２のうち最も第２の光学系側にあるレンズ面との間の光軸１０に沿う距離が、投写レンズ２の前群１２の焦点距離の５倍以上に設定することが望ましく、これによると、第２の光学系の反射面により、スクリーン３上の像面の上記の変形歪や収差がより効果的に補正され、良好な性能を得ることができる。

ところで、この実施形態では、スクリーン３に直接映像を投写する平面反射ミラー４とは別に自由曲面ミラー５を用いることにより、スクリーン３での投写映像の上記変形歪みや収差を補正するものであるが、これは次の理由によるものである。

即ち、自由曲面ミラーというものは、その寸法が大きくなるほど製造が非常に困難になることから、所定の大きさ以下にすることが重要である。例えば、スクリーンに映像光を直接投写する反射ミラーの大きさはスクリーンの画面の大きさの約７０％以上にもなるため、５０型以上のような大画面のリアプロジェクタでは、５００ｍｍを越えるサイズとなり、この反射ミラーの反射面を回転非対称な自由曲面形状にすると、製造が非常に困難となる。従って、リアプロジェクタでは、このスクリーンに投写する反射ミラーの反射面を回転非対称な自由曲面にすることは適当でない。

そこで、この実施形態では、図２に示すように、スクリーン３に映像光を投写する反射ミラーを平面反射ミラー４とし、この平面反射ミラー４と投写レンズ２との間にいま１つの反射ミラーを設け、この反射ミラーの反射面を回転非対称な自由曲面とするものである。この回転非対称な自由曲面形状の反射面を持つ反射ミラーが自由曲面ミラー５である。投写レンズ２からの映像光は、自由曲面ミラー５と平面反射ミラー４との順で反射されてスクリーン３に投写される構成となるが、この自由曲面ミラー５は、平面反射ミラー４よりも投写レンズ２側に配置したものであるから、寸法を小さくすることができ、その反射面を回転非対称な自由曲面にすることが容易となる。

以上の構成により、この実施形態では、屈折面を有する投写レンズ２において、レンズの偏心やレンズ径の増大を招くことなく、また、レンズ枚数を増加させることなく、スクリーン３での斜め入射による投写映像の変形歪や収差の補正を可能としているのである。さらに、奥行を小さく、かつ製造が容易な投写光学ユニットを実現でき、奥行とスクリーン下部の高さを低減させたコンパクトなセットが提供でき、小型の自由曲面ミラーで製造が容易な光学系を提供できる。

以上の構成は、反射ミラー１０によって光路の折り曲げをＸＺ平面上で行なわれるようにして、映像源である映像表示素子の表示画面１１からこの折り曲げまでの光路をスクリーン３の長辺に平行としたが、映像源である映像表示素子の表示画面１１からこの折り曲げまでの光路をスクリーン３の短辺に平行とし、この光路をＸＹ平面上で自由曲面ミラー５の方に折り曲げるようにする場合についても、同様である。

図３及び図４は以上の構成のこの実施形態での光学系の光線図であって、図３は映像表示素子の表示画面１１の各点から出射された映像光の経路をＸＹＸＺ直交座標系でのＹＺ平面でみた図、図４は同じくＸＺ平面でみた図であり、図２に対応する部分には同一符号をつけている。なお、図３，図４においては、折り曲げミラー１４が投写レンズ２の前群１２内に設けられているものとしているが、前群１２と後群１３との間や後群１３と自由曲面ミラー５との間など、他の位置に配置するようにしてもよいことは前述の通りである。

図３および図４において、映像表示素子の表示画面１１から出射した映像光は、複数のレンズを含む投写レンズ２のうち、まず、回転対称な面形状のレンズ面からなるレンズのみで構成される前群１２を通過する。次に、回転非対称な自由曲面形状のレンズ面を有するレンズ、即ち、自由曲面レンズを含む後群１３を通り、第２の光学系である自由曲面ミラー５の反射面で反射される。その反射光は、平面反射ミラー４で反射された後、スクリーン３に投写される。

次に、この実施形態での光学系の具体的な数値例について説明する。

図５は図２における光学系での投写レンズ２及び自由曲面ミラー５の部分の構成の一具体例を示す図であって、同図（ａ）はＹＺ平面で見た構成を、同図（ｂ）はＸＺ平面で見た構成を夫々示しており、１２ａ〜１２ｉ，１３ａ，１３ｂはレンズであり、図２に対応する部分には同一符号をつけている。

同図において、
Ｓ０は映像表示素子の表示画面１１での映像の表示面（物面）
Ｓ１〜Ｓ１２，Ｓ１４〜Ｓ２３はレンズ面
Ｓ１３は折り曲げミラー１４の反射面
Ｓ２４は自由曲面ミラー５の反射面
である。

即ち、投写レンズ２の前群１２は、表示画面１１側から順に、表示画面１１側のレンズ面Ｓ１とその反対側のレンズ面Ｓ２とを有するレンズ１２ａ（この実施形態では、レンズ１２ａは合成プリズムである）と、以下同様に、レンズ面Ｓ３，Ｓ４を有するレンズ１２ｂと、レンズ面Ｓ５，Ｓ６を有するレンズ１２ｃと、レンズ面Ｓ７，Ｓ８を有するレンズ１２ｄと、レンズ面Ｓ９，Ｓ１０を有するレンズ１２ｅと、レンズ面Ｓ１１，Ｓ１２を有するレンズ１２ｆと、レンズ面Ｓ１４，Ｓ１５を有するレンズ１２ｇと、レンズ面Ｓ１６，Ｓ１７を有するレンズ１２ｈと、レンズ面Ｓ１８，Ｓ１９を有するレンズ１２ｉとが配列されて構成されており、レンズ１２ｇ，１２ｈ間に反射面Ｓ１３を有する折り曲げミラー１４が設けられている。また、投写レンズの後群１３は、前群１２側から順に、同じくレンズ面Ｓ２０，Ｓ２１を有するレンズ１３ａと、レンズ面Ｓ２２，Ｓ２３を有するレンズ１３ｂとが配列されて構成されている。さらに、投写レンズ２の出射面（レンズ１３ｂのレンズ面Ｓ２３）に反射面Ｓ２４が対向するように、自由曲面ミラー５が配置されている。さらに、図２から明らかなように、この自由曲面ミラー５の反射面Ｓ２４に反射面Ｓ２５が対向するように、平面反射ミラー４が配置され、この平面反射ミラー４の反射面Ｓ２５に投写面Ｓ２６が対向するように、スクリーン３が配置されている。

ここで、表示画面（物面）１１での横１６ｍｍ×縦９ｍｍの映像をスクリーン３に横１４５２．８ｍｍ×横８１７．２ｍｍの映像に拡大投写する場合での各光学要素に関する数値の一具体例について説明する。

まず、図５に示す各光学要素に関する数値例を次の表１によって示す。

表１は、各光学部品の面（Surface）を図５に示す符号Ｓ０〜Ｓ２６で示し、夫々の面（任意の面をいうときには、以下では、面Ｓという）毎の光軸が通る頂点（中心）での半径Ｒｄ（ｍｍ），面間距離ＴＨ（ｍｍ），レンズの屈折率ｎｄ及びアッベ数νｄを夫々示すものである。

図５及び表１において、回転対称な非球面には、「＊」印を付している。ここでは、投写レンズ２の前群１２におけるレンズ１２ｃのレンズ面Ｓ５，Ｓ６とレンズ１２ｉのレンズ面Ｓ１８，１９との４個のレンズ面が回転対称な非球面をなしている。前群１２のこれら以外のレンズ面Ｓは回転対称な球面である。また、回転非対称な自由曲面形状の面Ｓには、「＃」印を付している。ここでは、投写レンズ２の後群１３におけるレンズ１３ａのレンズ面Ｓ２０，２１やレンズ１３ｂのレンズ面Ｓ２２，２３、自由曲面ミラー５の反射面Ｓ２４が回転非対称な自由曲面形状をなしている。なお、面Ｓ２５は図２における平面反射ミラー４の反射面であり、面Ｓ２６は図２におけるスクリーン３の投写面である。

上記表１での面Ｓの半径Ｒｄは、レンズ１２ａ〜１２ｉのレンズ面の光軸が通る頂点（中心）での半径である。ここで、表示画面１１の面Ｓ０、レンズ１２ａのレンズ面Ｓ１，Ｓ２及び折り曲げミラー１４の反射面Ｓ１３は、曲率Ｒｄが「Infinity（無限大）」であって、平面状をなしている。また、各レンズ面Ｓの半径Ｒｄは、表示面１１側に凸状や凹状をなす場合、正の値であり、その反対側に凸状や凹状をなす場合、負の値である。例えば、レンズ１２ｂのレンズ面Ｓ３は物面Ｓ０側に凸状をなし、レンズ１２ｅのレンズ面Ｓ１０は物面Ｓ０側に凹状をなしているので、これらレンズ面Ｓ３，Ｓ１０の曲率半径Ｒｄは正の値である。また、例えば、レンズ１２ｂのレンズ面Ｓ４は物面Ｓ０とは反対側に凸状をなし、レンズ１２ｅのレンズ面Ｓ９は物面Ｓ０とは反対側に凹状をなしているので、これらレンズ面Ｓ４，Ｓ９の曲率半径Ｒｄは負の値である。

なお、「※」，「＃」印が付されておらず、かつ半径Ｒｄが「Infinity（無限大）」でないレンズ面Ｓ３，Ｓ４，Ｓ７〜Ｓ１２，Ｓ１４〜Ｓ１７は、回転対称な球面形状をなすものである。

上記表１での面間距離ＴＨは、光軸に沿う光線の進む方向にみて、次に配列される光学部品の表面の光軸１０上の頂点（中心）までの距離である。例えば、表示画面１１の面Ｓ０に対して示される「１０．００」という面間距離ＴＨは、この面Ｓ０から次のレンズ１２ａのレンズ面Ｓ１までの光軸１０上での距離が１０．００ｍｍであることを表わしている。ここで、当該面Ｓから見て光線の進む方向の次に配置される他の面ＳがＹＺ平面上映像像光の発生源、即ち、物面１１側あるときには、この当該面Ｓの面間距離ＴＨは負値とし、逆に物面１１と反対側にあるときには、この当該面Ｓの面間距離ＴＨは正値とする。上記表１における自由曲面ミラー５の反射面Ｓ２４に対する面間距離ＴＨが「−４００．００」と負値であるのは、この反射面Ｓ２４の中心Ｐ１と光線の進む方向次に配置される平面反射ミラー４の反射面Ｓ２５の画面中心光線Ｌ１が照射されて反射される中心Ｑ１との間の映像光の光軸に沿う距離が４００ｍｍであることを表わすものであるが、自由曲面ミラー５の反射面Ｓ２４の中心Ｐ１に対して平面反射ミラー４の反射面Ｓ２５の中心Ｑ１が物面１１側にあるので、負の値となっている。他の面Ｓ１〜Ｓ２３，Ｓ２５は、次の面Ｓが物面１１とはＹＺ平面上反対側にあるので、その面間距離ＴＨが正値となっている。

上記表１での屈折率ｎｄは投写レンズ２の各レンズ１２ａ〜１２ｉ，１３ａ，１３ｂの屈折率を示し、アッベ数νｄはこれらレンズのアッベ数を示している。例えば、レンズ面Ｓ１，Ｓ２のレンズ１２ａの屈折率ｎｄは１．５１８２７であり、アッベ数νｄは４８．０である。なお、屈折率ｎｄの欄での「ＲＥＦＬ」は反射することを示しており、従って、屈折率ｎｄを「ＲＥＦＬ」とした面Ｓ２４，Ｓ２５は反射面であることを示している。因みに面Ｓ２４は自由曲面ミラー５の反射面であり、面Ｓ２５は平面反射ミラー４の反射面である。

表１で「＊」印を付して示すレンズ１２ｃのレンズ面Ｓ５，Ｓ６とレンズ１２ｉのレンズ面Ｓ１８，１９との回転対称な非球面形状は、これら夫々毎の光軸が通る頂点（中心）を原点とするローカルな円筒座標系を用いて、次の数１で表わされる。

ここで、ｒ：レンズ面の光軸が通る頂点を含むこの光軸に垂直な平面上でのこ
の光軸からの距離（光線高さ）
Ｚ：上記平面上のこの光軸から距離ｒの点とこの点からこの光軸に平
行な方向でのレンズ面上の点までの距離（サグ量）
ｃ：レンズ面の上記頂点での曲率
ｋ：円錐定数
Ａ〜Ｉ：ｒのべき乗の項の係数。

この数１で表わされる面形状は、光軸から距離ｒの同一円周上の位置に対するサグ量Ｚは一定であり、光軸を中心として回転対称となっている。また、曲率ｃは上記表１での半径Ｒｄの逆数である。

表２は、投写レンズ２の前群１２における回転対象な非球面形状をなすレンズ１２ｃのレンズ面Ｓ５，Ｓ６及びレンズ１２ｉのレンズ面Ｓ１８，ＡＳ１９に対する上記数１での円錐定数ｋや係数Ａ〜Ｉの具体的な値を示すものである。

ここで、表２では示していないが、数１での曲率ｃは、表１における半径Ｒｄの逆数で表わされる。また、数値例での「……Ｅ−Ｎ」は「……×１０^-N」を表わしている。例えば、レンズ面Ｓ５の係数Ａは「−２．７８８１Ｅ−０６」であるが、これは「−２．７８８１×１０^-06＝−０．０００００２７８８１」を表わしている。

表１で「＃」印を付して示す投写レンズ２の後群１３のレンズ１３ａのレンズ面Ｓ２０，Ｓ２１、レンズ１３ｂのレンズ面Ｓ２２，Ｓ２３及び自由曲面ミラー５の反射面Ｓ２４の回転非対称な自由曲面形状は、これら夫々毎の光軸が通る頂点（中心）を原点とするローカルな円筒座標系を用いて、次の数２で表わされる。

ここで、ｒ：レンズ面の光軸が通る頂点を含むこの光軸に垂直な平面上でのこ
の光軸からの距離（光線高さ）
Ｚ：上記平面上のこの光軸から距離ｒの点とこの点からこの光軸に平
行な方向でのレンズ面上の点までの距離（サグ量）
ｃ：レンズ面の上記頂点での曲率
ｋ：円錐定数
C(m,n)：上記ローカル円筒座標系でのｘｙ平面状の座標位置（ｘ，ｙ）で
のｘ^m・ｙⁿの係数。

数２で表わされる面形状は、光軸を中心とする距離ｒの同一円周上の位置が夫々その座標値ｘ，ｙが異なるから、Σ・Σ(C(m,n)・x^m・yⁿ)も異なり、その位置に応じてサグ量Ｚも異なる。従って、光軸に対して回転非対称な任意の曲面をなすものである。このような回転非対称な曲面を、この実施形態では、自由曲面と称しているのである。ここでも、曲率ｃは上記表１での半径Ｒｄの逆数である。

表３は、回転非対称な自由曲面をなす投写レンズ２の後群１３でのレンズ１３ａのレンズ面Ｓ２０，Ｓ２１、レンズ１３ｂのレンズ面Ｓ２２，Ｓ２３及び自由曲面ミラー５の反射面Ｓ２４に対する上記数２での円数定数ｋや係数C(m,n)の具体的な値を示すものである。

表３において、これら光学要素の面Ｓでは、表１に示すように、それらの半径Ｒｄが全て「Infinity（無限大）」であるから、表３に示すように、曲率ｃは０である。また、ここでは、円錐定数ｋを０としている。さらに、係数Ｃ（２，０），Ｃ（０，２），……は、ｒ＝一定の同一円周上の各点（ｘ，ｙ）に対応した係数を示すものである。ここでは、３４点での係数を示している。

この表３の数値例は、後群３の少なくとも自由曲面レンズ１３ｂにおいて、スクリーン３の下端Ｒ２（図２）に向かう画面下端光線Ｌ２（図２）を出射する部分側で出射角が小さく、曲率が大きくなるように、スクリーン３の上端Ｒ３（図２）に向かう画面下端光線Ｌ３（図２）を出射する部分側で出射角が大きく、曲率が小さくなるようにしているものである。

また、この表３は、自由曲面ミラー５の反射面Ｓ２４において、スクリーン３の下端Ｒ２（図２）に向かう画面下端光線Ｌ２（図２）を入射する部分側で入射角が小さく、曲率が大きくなるように、スクリーン３の上端Ｒ３（図２）に向かう画面下端光線Ｌ３（図２）を入射する部分側で入射角が大きく、曲率が小さくなるようにしているものである。

一方、図２及び図５において、上記のように、スクリーン３での各点とこれらに対応する物面１１での各点との間の光学的な光路長の違いによるスクリーン３での台形歪みを補正するために、映像表示素子の表示画面（物面）１１は、上記のように、投写レンズ２の光軸に垂直な面に対し傾斜している。具体的には、図５（ａ）において、物面１１の中心の法線が、投写レンズ２の光軸に対し、この光軸１０を含むＹＺ平面内での反時計廻り方向の傾き角を正、同じく時計廻り方向の傾き角を負とすると、この法線がＹＺ平面内で投写レンズ２の光軸１０から−１．１６３゜、即ち、時計廻り方向に１．１６３゜傾くように、物面１１が上向きに傾けられている。

また、自由曲面ミラー５の反射面Ｓ２４の画面中央光線Ｌ１が反射する点（自由曲面ミラー５の反射面Ｓ２４の中心）を座標原点とし、上記Ｘ，Ｙ，Ｚ座標軸夫々に平行なＸ，Ｙ，Ｚ座標軸のローカル座標系において、このローカル座標系の原点（この反射面Ｓ２４の中心）での法線が投写レンズ２からこの原点への光軸に対して、図２に示すように、ローカル座標系のＹＺ平面内でθｍ＝＋２９゜傾くように、自由曲面ミラー５の反射面Ｓ２４がこの光軸１０に対して傾けられている。ここで、反時計廻り方向の傾きを正とするものであり、従って、自由曲面ミラー５の反射面Ｓ２４の原点での法線は、光軸１０に対して上向き（反時計廻り方向）に２９゜傾いていることになる。

そこで、光軸１０に対して上記のように傾けられた物面１１から投写レンズ２の光軸に沿って出射された映像光は、投写レンズ２を通って自由画面ミラー５の反射面Ｓ２４に照射される。この反射面Ｓ２４では、その中心（上記のローカル座標系での座標原点）でそこでの法線に対して時計廻り方向２９゜の角度で画面中央光線Ｌ１が投写レンズ２側から入射され、この法線に対して反時計廻り方向２９゜の角度で反射されるように（即ち、この画面中央光線Ｌ１がその入射光路に対して２９゜×２＝５８゜だけ反時計廻り方向に（上向きに）反射されるように）、映像光が反射される。従って、自由曲面ミラー５の反射面Ｓ２４で反射される映像光の光軸は、この反射面Ｓ２４に照射される映像光の光軸（即ち、投写レンズ２の光軸１０）に対して、ＹＺ平面内でこの光軸に対する自由曲面ミラー５の反射面Ｓ２４の中心での法線との傾斜角（＝２９゜）の２倍の角度反時計廻り方向に傾いたものとなる。かかる光軸が自由曲面ミラー５で反射された映像光の新たな光軸となる。この光軸上を通る光線が画面中央光線Ｌ１である。

上記表１における反射面Ｓ２４に対する面間距離ＴＨの「−４００．００」は、上記のように、この反射面Ｓ２４の中心と平面反射ミラー４の反射面Ｓ２５の画面中心光線Ｌ１が照射されて反射される中心Ｑ１との間の映像光の光軸に沿う距離が４００ｍｍであることを表わすものであるが、自由曲面ミラー５の反射面Ｓ２４に対して平面反射ミラー４の反射面Ｓ２５が物面１１側にあるので、負の値となっている。他の面Ｓ１〜Ｓ２４，Ｓ２５は、映像光の進む方向にみて、１つ前の面に対して物面１１とは反対側にあるので、面間距離ＴＨは正値となっている。

ここで、図２における自由曲面ミラー５の反射面Ｓ２４，平面反射ミラー４の反射面Ｓ２５及びスクリーン３の光投写面Ｓ２６について、夫々のローカル直交座標系のｘｚ平面上での傾き角ＡＤＥ（度）及び偏心の大きさＹＤＥ（ｍｍ）を表４に示す。なお、これらローカル直交座標系は、夫々の面Ｓの中心Ｐ１，Ｑ１，Ｒ１を原点とするが、これらのｘ，ｙ，ｚ軸は基準ＸＹＺ直交座標系のＸ，Ｙ，Ｚ軸に平行である。

表４において、傾き角ＡＤＥは、ローカル直交座標系において、面Ｓの画面中心光線Ｌ１の入射点での法線に対する画面中心光線Ｌ１の入射角で表わされ、法線に対する入射角が時計廻り方向に傾いているときには、正の値とし、逆に反時計廻り方向に傾いているときには、負の値とする。

また、偏心の大きさＹＤＥは、面Ｓでの画面中心光線Ｌ１の入射点の中心からの上下方向（ｙ軸方向）のずれの大きさを表わすものであって、中心から下側への偏心を正の値とし、上側への偏心を負の値としている。ここでは、夫々の面Ｓの偏心の大きさＹＤＥを０（偏心なし）としている。

この実施形態では、全ての光学要素の傾きや偏心は、ｙｚ面内での方向で設定される。

上記表３に示すように、上記数２で表わされる回転非対称な自由曲面での曲率ｃと円錐定数ｋとを０にしている。スクリーン３での斜め入射による台形歪は、斜め入射方向に極端に大きく発生し、これと垂直な方向の歪量は小さい。従って、斜め入射方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる補正機能が必要であり、回転対称で全方向に機能する上記曲率ｃやコーニック係数ｋを利用しないことにより、非対称な収差を良好に補正することができる。

上記表１〜４の数値は、上記のように、物面１１上の横１６ｍｍ×縦９ｍｍの範囲の映像をスクリーン３上に横１４５２．８ｍｍ×縦８１７．２ｍｍの大きさに投写する場合の一具体例である。

図６は図２〜図５に示す構成のこの実施形態で各光学要素の数値を表１〜４に示す数値としたときのスクリーン３上での投写映像の図形歪を示す図であって、縦方向をスクリーン３の上下方向（Ｙ軸の短辺に沿う方向）とし、横方向を同じくスクリーン３の左右方向（Ｘ軸の長辺に沿う方向）としている。

アスペクト比１６：９の長方形の画面に、これを縦方向４分割する５本の直線と横方向８分割する９本の直線を表わす映像を表示画面１１から映出してスクリーン３に拡大表示し、表示される直線の曲がりの状態から映像の図形歪みを観察した。図６はそのときのスクリーン３上での投写映像を示すものであって、縦横中心の直線の交点が画面の中心である。この投写映像によると、図形歪みはほとんど観られず、台形歪みなどの変形歪みのない良好な性能が得られていることが分かった。

図７は同じくこの実施形態でのスクリーン３の各点でのスポットダイアグラムを示す図である。

この場合におけるスクリーン３の投写画面のＸ，Ｙ座標位置を図６で表わし、横方向の直線の間隔をＸ座標値で２とし、縦方向の直線の間隔もＹ座標値で２とする。縦横中心の直線の交点が画面の中心であって、この位置をＸＹ座標系で原点（０，０）とする。従って、Ｘ軸方向の直線の交点のＸ座標値は−８，−６，−４，−２，０，２，４，６，８となり、Ｙ軸方向の直線の交点のＹ座標値は−４，−２，０，２，４となる。

上記表示画面１１にも、これに該当するＸＹ座標系を想定し、この表示画面１１のＸＹ座標系での（８，４．５）、（０，４．５）、（４．８，２．７）、（８，０）、（０，０）、（４．８、−２．７）、（８、−４．５）、（０、−４．５）の８点から夫々出射した光束により、スクリーン３上の夫々に該当する点にスポットが映出されるが、そのスポットダイアグラムをこの点の順に上から並べて示したものが図７である。単位はｍｍである。

このスポットダイヤグラムによると、各点とも良好なスポットが得られており、像面の歪みなどの非対称な収差が良好に補正されていることが分かる。

以上のように、この実施形態では、表示画面１１の映像をスクリーン３に投写するための光学系として、第１光学系としての投写レンズ２の後群１３に回転非対称な自由曲面のレンズ面を備えた自由曲面レンズを用い、第２の光学系に回転非対称な自由曲面の反射面を有する自由曲面ミラー５を用い、これら投写レンズ２の後群１３と自由曲面ミラー５との役割を別々にして、第２の光学系が、主として、スクリーン３での台形歪を補正し、第１の光学系である投写レンズ２の後群１３が、主として、スクリーン３での像面の歪みなどの非対称な収差の補正を行なうものである。

図８はこの実施形態で投写光学ユニットを構成する投写レンズ２のレンズ群を示す斜視図であり、前出図面に対応する部分には同一符号をつけている。

同図において、投写レンズ２の前群１２は、映像表示素子の表示画面１１の映像を前述のスクリーン３に投写するための主レンズであり、回転対称な面形状のレンズ面を有する複数の屈折レンズから構成され、主として、回転対称な光学系における基本的な収差を補正する。投写レンズ２の後群１３は、回転非対称の自由曲面レンズを含んでおり、主として、スクリーン３での斜め入射によって生じる収差の補正を行なう。

後群１３は、ここでは、一例として、２枚の自由曲面レンズ１３ａ，１３ｂの組み合わせで構成されているが、３枚以上の自由曲面レンズから構成されるものであってもよい。但し、いずれにしても、後群１３での自由曲面レンズの少なくとも１枚は、全体としてその光出射方向に対して凹状となるように湾曲されている。そして、かかる自由曲面レンズにおいて、スクリーン３の下端Ｒ２（図２）に向かう画面下端光線Ｌ２（図２）が小さな出射角で出射する部分の曲率（ここでは、自由曲面レンズの下側）を、スクリーン３の上端Ｒ３（図２）に向かう画面上端光線Ｌ３（図２）が大きな出射角で出射する部分（ここでは、自由曲面レンズの上側）の曲率よりも大きくしている。また、ここでは、折り曲げミラー１４は、前群１２の途中に設けられているものとしている。

ところで、従来では、結像光学系のレンズ群を所定位置に固定するため、同心円状の鏡筒を用いていた。これは、結像光学系のレンズ群が回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズから構成されていることから、当然のことである。レンズ群の内、材質がプラスチックのものは、温湿度で膨張・収縮を繰り返す。特に、この種のレンズに多用されるアクリル樹脂（ＰＭＭＡ）は、吸湿による伸びが大きいため、一般的に、鏡筒にレンズ玉の膨張・収縮を吸収するような手段が設けられている。プラスチック製の鏡筒では、鏡筒自体が変形するように構成され、また、金属製の鏡筒では、弾性変形するスペーサがレンズの周囲に設けられ、プラスチックレンズの膨張・収縮に拘らず、レンズ玉を光軸を中心に保持する働きをする。

図８に示すように、この実施形態では、投写レンズ２の後群１３は回転非対称な自由曲面レンズ１３ａ，１３ｂを含んでおり、このため、同心円状の鏡筒を用いることができない。また、主として、斜め入射によって生じる収差の補正を行なうことから、回転対称な光学系における基本的な収差を補正する投写レンズ２の前群１２のように、レンズ玉を光軸中心に保持すればよいというものでもない。

図９は投写レンズ２を温度変化させたときの焦点性能（以下、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function：振幅伝達関数）で表わす）の劣化量を示す図であって、横軸にＹ軸方向の偏心量を取っている。

同図において、実線が３０℃の温度上昇のときの、破線が１５℃の温度上昇のときの、一点鎖線が−１５℃の温度降下のときの夫々平均ＭＴＦ劣化量を表わしている。ここでは、投写レンズ２の後群１３の一番外側の自由曲面レンズ１３ｂ（図８）について示すものであるが、その内側の自由曲面レンズ１３ａ（図８）若しくは第２の光学系である自由曲面ミラー５（図２）でも、同じ傾向がある。

回転対称な光学系における基本的な収差を補正する投写レンズでは、偏心量が０のとき、ＭＴＦ劣化量が最小になるが、斜め入射によって生じる収差の補正を行なう回転非対称の自由曲面レンズでは、図９に示すように、偏心量が０以外のところでＭＴＦの劣化量が最小になる。例えば、３０℃では、偏心量が−０．０４ｍｍで最小であり、１５℃では、偏心量が−０．０２ｍｍで最小であり、−１５℃では、偏心量が０．０２ｍｍで最小である。

投写レンズ２の後群１３の自由曲面レンズ１３ｂは、３０℃の温度上昇で高さ（Ｙ軸方向）が０．０８８ｍｍ膨張する。計算では、レンズ中心を膨張の基準としているので、その１／２の０．０８８ｍｍが膨張の大きさとなる。従って、３０℃で０．０４ｍｍ偏心させるということは、レンズの上側端面を基準面として膨張・収縮させればよいということになる。

図１０は図８における投写レンズ２の後群１３の一番外側の自由曲面レンズ１３ｂを示す図であって、同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は斜視図である。また、図１０（ａ）〜（ｃ）において、１８はレンズの光出射面、１９はレンズのコバ、２０はレンズの水平基準面である。

図１０（ｂ）から明らかなように、レンズのコバ１９は、自由曲面レンズ１３ｂの中央を中心軸とする円柱の一部になっている。以下、その理由について説明する。

プラスチックレンズは、一般的に金型を使ってプラスチック素材を成形して作られる。レンズを成形する金型は、成形レンズが所定の面精度になるまで、追加工で補正されるが、この補正量は成形レンズの面精度と設計値の差から求められる。即ち、成形レンズの面精度を精度良く測定する必要が生じる。

この実施形態での投写レンズ２の後群１３のレンズは自由曲面で構成されており、測定基準となる面を設けなければ、精度良く面形状を測定することができない。そこで、測定の基準面として、図１０に示すような従来のレンズと同様の円柱の側面形状を部分的に採用した形状（以下、円柱片形状という）のコバ１９と水平基準面２０とを設けている。この円柱片形状のコバ１９は、自由曲面レンズ１３ｂの全周に設ける必要はなく、図示するように、中心を含めば一部分でよいが、レンズの光軸（光出射面１８の中心軸）に垂直で、かつレンズ中心がコバ１９を含む円柱の中心と一致するように設ける。この円柱片形状のコバ１９によってレンズの中心と光軸に垂直な面が規制され、さらに、水平基準面２０によって水平面が規定されるので、レンズの測定並びに鏡筒への取り付け姿勢の設定が可能になる。

図１１は図１０に示した自由曲面レンズ１３ｂを鏡筒に取り付け固定した状態を光軸に沿う方向に見た正面図であって、２１は鏡筒、２２は水平基準面受け、２３は保持用バネ、２４はレンズ押えであり、図１０に対応する部分には同一符号をつけて重複する説明を省略する。

同図において、自由曲面レンズ１３ｂは、鏡筒２１内に取り付け固定されている。この鏡筒２１の断面は、自由曲面レンズ１３ｂのコバ１９の形状をなすのではなく、このコバ１９の上半分だけと接するような形状をなしている。従来の鏡筒では、円柱形状のコバ全周を支えることにより、光軸中心を出しているが、この実施形態では、コバ１９の上半分だけ接するようにしている。しかし、これだけでは、自由曲面レンズ１３ｂを位置決めして支えることはできない。

そこで、この実施形態では、自由曲面レンズ１３ｂにレンズの水平基準面２０を設け、鏡筒２１のこの水平基準面２０に対向する面に水平基準面受け２２と自由曲面レンズ１３ｂの水平基準面２０とは反対側の端部（この場合、下端部）の中心を支える保持用バネ２３を設け、水平基準面２０からの端部（この場合、上端部）を基準端とし、これとは反対側の上記端部を可動端として、これらによる３点で鏡筒２１内での自由曲面レンズ１３ｂの位置決めと保持を行なっている。光軸（即ち、光出射面１８に垂直な軸）に垂直な方向の固定は、従来と同様、レンズ押え２４を鏡筒２１に設けることによって行なっている。

以上のように、自由曲面レンズ１３ｂを鏡筒２１に固定する方法を採用することにより、自由曲面レンズ１３ｂが温湿度で膨張・収縮したとき、水平基準面２０を基準に伸び縮みすることになり、これに伴って可動端が上下に変位することにより、上記の焦点性能の劣化量を最小にすることができる。

なお、自由曲面レンズ１３ｂの下端部側を、水平基準面２０を設けて、基準端とし、上端部側を、保持用バネ２３を設けて、可動端としてもよく、これによっても、同様の効果が得られる。

ところで、以上の説明は投写レンズ２の後群１３の一番外側（出射側）の自由曲面レンズ１３ｂに関するものであるが、その内側の自由曲面レンズ１３ａや第２の光学系である自由曲面ミラー５でも同様である。以下、図１で説明したこの実施形態の投写光学ユニットの一具体例を示す図１２でもって、この自由曲面ミラー５について説明する。なお、図１２において、２５は調整機構、２６は支持具、２７は回転中心用のピン、２８は回転用ガイド溝、２９は固定用蝶ナット、３０は透過型液晶パネル、３１はクロスダイクロイック・プリズムであり、前出図面に対応する部分には同一符号をつけて重複する説明を省略する。

同図において、映像発生源１は、一例として、３板式の透過型の液晶パネルを使用した場合を示しているが、反射式の液晶パネルを使用したものでもよい。また、微小なミラーを複数枚備えた表示素子を使用したものでもよい。ここでは、映像発生源１として、赤，緑，青色に対応する３つの透過型液晶パネル３０を用いるものとしている。

これら透過型液晶パネル３０からの赤，緑，青色の映像は、クロスダイクロイック・プリズム３１で合成され、カラー映像として出射される。投写レンズ２には、先に説明したように、折り曲げミラー１４が前群１２の途中に設けられている。第２の光学系の自由曲面ミラー５は、映像発生源１と投写レンズ２とともに、光学系支持体である光学系ベース７に固定されて一体化されている。光学系ベース７に固定される光学要素のうち、投写レンズ２は堅固に固定されて一体化されている。一方、映像発生源１は、調整機構２５により、少なくとも上下方向（ＸＹ平面内でのＸ軸に平行な軸を回転中心とする）の傾きや前後方向（Ｚ軸方向）、即ち、映像発生源１の出射側と投写レンズ２の前群１２との距離を調整できるように、光学系ベース７に固定される。

また、自由曲面ミラー５は、光学系ベース７に設けられた支持具２６により、自由曲面ミラー５の上端を中心軸として回転可能なように固定される。回転中心軸用のピン２７は、自由曲面ミラー５の上部をその両端部から回転可能に挟持し、これを軸として自由曲面ミラー５が回転可能に支持される。自由曲面ミラー５の下端は、回転用ガイド溝２８を介して固定用蝶ナット２９と結合される。そして、この固定用蝶ナット２９を操作して回転用ガイド溝２８に沿ってスライドさせることにより、自由曲面ミラー５の下端が移動し、ピン２７を中心軸として自由曲面ミラー５を回転させることが可能となる。これにより、自由曲面ミラー５の傾き角が調整される。かかる調整により、スクリーン３での斜め投写による投写映像の台形歪みを高精度に補正することが可能となる。

固定用蝶ナット２９は摩擦で固定されるため、自由曲面ミラー５と回転用ガイド溝２８の間に弾性体（図示せず）を挟んでおくことにより、自由曲面ミラー５が温湿度の変化で膨張・収縮する寸法変化程度は吸収する。従って、この方法で自由曲面ミラー５を支持具２６に取り付けることにより、自由曲面ミラー５の上端が固定端（基準端）になり、下端が自由端（可動端）になる。自由曲面ミラー５が温湿度で膨張・収縮したときには、回転中心軸用のピン２７を基準に伸び縮みすることになり、これにより、上記のように、焦点性能の劣化量を最小にすることができる。

以上、この実施形態では、スクリーン３の下方から上方に向けて映像を斜めに投写するものとして、自由曲面レンズ１３ｂ及び自由曲面ミラー５の温湿度で膨張・収縮したときの焦点性能の劣化量を最小にする方法を説明したが、本発明では、スクリーン３の上方から下方に向けて画像を斜め投写する場合であってもよく、この場合には、自由曲面レンズ１３ｂ及び自由曲面ミラー５の基準面が、上記の場合とは逆に、下側になる。即ち、自由曲面を持つ光学要素を固定するときの基準端は、上下方向の端部のうち、スクリーン３に対して大きな入射角を持つ光線が通る側の端部とする。その理由は、光線の入射角が大きいと、屈折面（反射面）の少しの変位でも光線が基準位置から大きくずれてしまうためである。従って、自由曲面を持つ光学要素では、光線の入射角が大きい部分をできるだけ変位させないように、基準端にして変位を小さくする必要がある。

なお、以上説明した実施形態では、自由曲面レンズ及び自由曲面ミラーを両方備えた光学系を持つものとしてで説明したが、本発明は、自由曲面レンズ及び自由曲面ミラーのどちらか一方を備えた光学系であってもよく、上記実施形態と同様の効果が得られるものである。また、自由曲面ミラーに関しては、完全に自由曲面でなくともよく、球面や非球面の一部を切り出したミラーであってもよい。

また、以上説明した実施形態によれば、セットの奥行サイズを低減しつつ、かつ組立調整が容易な背面投写型カラー映像表示装置を実現できる。また、光学系としても、平面反射ミラー４（図２）を取り除き、映像表示素子の表示画面１１から自由曲面ミラー５までを１つの装置に収納すれば、前面投写型の映像表示装置とすることができる。この場合には、かかる装置からスクリーンまでの距離が非常に短いコンパクトな前面投写型の映像表示装置を実現できる。

本発明による映像表示装置の一実施形態を一部内部展開して示す斜視図である。 背面反射型映像表示装置としての図１に示す実施形態の基本的な光学系の基準ＸＹＺ直交座標系でのＹＺ面でみた構成を示す断面図である。 図１に示す実施形態での映像表示素子の表示画面の各点から出射された映像光の経路をＸＹＺ直交座標系でのＹＺ面でみた光線図である。 図１に示す実施形態での映像表示素子の表示画面の各点から出射された映像光の経路をＸＹＺ直交座標系でのＸＺ面でみた光線図である。 図２における光学系での投写レンズ及び自由曲面ミラーの部分の構成の一具体例を示す図である。 図１に示す実施形態で各光学要素の数値を表１〜４に示す数値としたときのスクリーン上での投写映像の図形歪を示す図である。 図１に示す実施形態でのスクリーンの各点でのスポットダイアグラムを示す図である。 図１に示す実施形態で投写光学ユニットを構成する投写レンズのレンズ群を示す斜視図である。 図１に示す実施形態での投写レンズを温度変化させたときの焦点性能の劣化量を示す図である。 図８における投写レンズの後群の一番外側の自由曲面レンズの１具体例を示す図である。 図１０に示した自由曲面レンズを鏡筒に固定した状態を示す正面図である。 図１における投写光学ユニットの一具体例を示す図である。

符号の説明

１ 映像発生源
２ 投写レンズ
３ スクリーン
４ 平面反射ミラー
５ 自由曲面ミラー
６ 筐体
１０ 光軸
１１ 表示画面（物面）
１２ 投写レンズ２の前群
１２ａ〜１２ｉ レンズ
１３ 後群
１３ａ，１３ｂ レンズ
１４ 折り曲げミラー
１５〜１７ 法線
１８ 光出射面
１９ コバ
２０ 水平基準面
２１ 鏡筒
２２ 水平基準面受け
２３ 保持用バネ
２４ レンズ押え
２５ 調整機構
２６ 支持具
２７ 回転中心用のピン
２８ 回転用ガイド溝
２９ 固定用蝶ナット
３０ 透過型液晶パネル
３１ クロスダイクロイック・プリズム
２５ 調整機構
２６ 支持具
２７ 回転中心用のピン
２８ 回転用ガイド溝
２９ 固定用蝶ナット
３０ 透過型液晶パネル
３１ クロスダイクロイック・プリズム

Claims (13)

1. 映像表示素子の表示画面に映出される映像をスクリーンに拡大投写する投写型映像表示装置において、
   該表示画面の映出映像を拡大するための複数のレンズを含む第１の光学系と、
   該第１の光学系からの該映像の映像光を反射して該スクリーンに、該スクリーンの法線に対して所定の角度で、入射させるための第２の光学系と、
   を備え、
   該第２の光学系は、反射面の少なくとも一部が反射方向に凸状をなす少なくとも１つの回転非対称な自由曲面ミラーを含み、
   該自由曲面ミラーは、上下方向の端部のうち、該第１の光学系からの映像光の入射角が大きい側の端部を基準端として、該第１の光学系からの映像光の入射角が小さい側の端部を可動端として光学系支持ユニットに取り付けられていることを特徴とする投写型映像表示装置。
2. 映像表示素子の表示画面に映出される映像をスクリーンに拡大投写する投写型映像表示装置において、
   該表示画面の映出映像を拡大するための複数のレンズを含む第１の光学系と、
   該第１の光学系からの該映像の映像光を反射して該スクリーンに、該スクリーンの法線に対して所定の角度で、入射させるための第２の光学系と、
   を備え、
   該第１の光学系は、光出射方向に凹状で、かつ光軸に対して回転非対称な面形状の非対称レンズを少なくとも１つ含み、
   該第２の光学系は、反射面の少なくとも一部が反射方向に凸状をなす回転非対称な自由曲面ミラーを少なくとも１つ含み、
   該第１の光学系の非対称レンズは、上下方向の端部のうち、該第２の光学系への映像光の出射角が大きい側の端部を基準端とし、該第２の光学系への映像光の出射角が小さい側の端部を可動端として、鏡筒に取り付けられていることを特徴とする投写型映像表示装置。
3. 請求項２に記載の投写型映像表示装置において、
   前記自由曲面ミラーは、上下方向の端部のうち、前記第１の光学系からの映像光の入射角が大きい側の端部を基準端とし、前記第１の光学系からの映像光の入射角が小さい側の端部を可動端として、光学系支持ユニットに取り付けられていることを特徴とする投写型映像表示装置。
4. 請求項２または３に記載の投写型映像表示装置において、
   前記第１の光学系は、前記非対称レンズを含む複数のレンズからなる投写レンズを含み、
   該投写レンズは、光軸に対して対称な面形状のレンズを含む前群と、前記非対称レンズを含む後群とを含むことを特徴とする投写型映像表示装置。
5. 請求項２，３または４に記載の投写型映像表示装置において、
   前記非対称レンズは、上下側のうち、前記第２の光学系への映像光の出射角が大きい側の曲率が、前記第２の光学系への映像光の出射角が小さい側の曲率よりも小さいことを特徴とする投写型映像表示装置。
6. 請求項２，３または４のいずれか１つに記載の投写型映像表示装置において、
   前記第２の光学系は、前記自由曲面ミラーで反射された映像光を反射して前記スクリーンへ導くための平面ミラーを備えたことを特徴とする投写型映像表示装置。
7. 請求項６に記載の投写型映像表示装置において、
   前記自由曲面ミラーは、上下側のうち、前記第１の光学系からの映像光の入射角が大きい部分の曲率が、前記第１の光学系からの映像光の入射角が小さい部分の曲率よりも小さいことを特徴とする投写型映像表示装置。
8. 映像表示素子の表示画面に映出される映像をスクリーンに拡大投写する投写型映像表示装置において、
   該表示画面の映出映像を拡大するための複数のレンズを含む第１の光学系と、
   該第１の光学系からの該映像の映像光を反射して該スクリーンに、該スクリーンの法線に対して所定の角度で、入射させるための第２の光学系と、
   を備え、
   該第１の光学系は、該表示画面の略中心を通る軸に対称な形状の面を持つ共軸光学系を含む前群と、両側の面が光軸に対して回転非対称な曲面形状をなす自由曲面レンズを含む後群と、を備え、該表示画面に映出された映像を該スクリーン上に拡大投写する投写レンズを含み、
   該第２の光学系は、自由曲面形状を有する自由曲面ミラーを少なくとも１枚含み、該投写レンズからの拡大映像を該スクリーンに斜め方向から投写し、
   該自由曲面レンズは、上下方向の端部のうち、該第２の光学系への映像光の出射角が大きい側の端部が基準端として鏡筒に取り付けられ、該第２の光学系への映像光の出射角が小さい側の端部が可動端として、ばね若しくは弾性体若しくはそれに類するものでもって、該鏡筒に取り付けられていることを特徴とする投写型映像表示装置。
9. 請求項８に記載の投写型映像表示装置において、
   前記自由曲面ミラーは、前記上下方向の端部のうち、前記第１の光学系からの映像光の入射角が大きい側の端部が基準端として、前記第１の光学系からの映像光の入射角が小さい側の端部が可動端として、夫々光学系支持ユニットに取り付けられていることを特徴とする投写型映像表示装置。
10. 請求項８に記載の投写型映像表示装置において、
    前記自由曲面ミラーは、前記第１の光学系からの映像光の入射角が大きい側を中心軸として回転可能にするための機構をさらに備えることを特徴とする投写型映像表示装置。
11. 映像表示素子の表示画面に映出された映像をスクリーンに拡大投写するための投写型映像表示装置の投写光学ユニットにおいて、
    該表示画面の映出映像を拡大するための複数のレンズを含む第１の光学系と、
    該第１の光学系からの該映像の映像光を反射して該スクリーンに、該スクリーンの法線に対して所定の角度で、入射させるための第２の光学系と、
    がベースに取り付けられてなり、
    該第１の光学系は、該表示画面の略中心を通る軸に対称な形状のレンズ面を持つ共軸光学系を含む前群と、両側の面が光軸に対して回転非対称な曲面形状をなす自由曲面レンズを含む後群と、を備え、該表示画面に映出される映像を該スクリーン上に拡大投写する投写レンズを含み、
    第２の光学系は、少なくとも１枚の自由曲面形状を有する自由曲面ミラーを備え、該投写レンズからの拡大映像を該スクリーンに斜め方向から投写し、
    該自由曲面レンズは、上下方向の端部のうち、該第２の光学系への映像光の出射角が大きい側の端部を基準端として鏡筒に取り付けられ、該第２の光学系への映像光の出射角が小さい側の端部を可動端として、ばね若しくは弾性体若しくはそれに類するものでもって、該鏡筒に取り付けられていることを特徴とする投写光学ユニット。
12. 請求項１１に記載の投写光学ユニットにおいて、
    前記自由曲面ミラーは、前記上下方向の端部のうち、前記第１の光学系からの映像光の入射角が大きい側の端部を基準端とし、前記第１の光学系からの映像光の入射角が小さい側の端部を可動端として、前記ベースに取り付けられていることを特徴とする投写光学ユニット。
13. 請求項１１または１２に記載の投写光学ユニットにおいて、
    前記自由曲面ミラーは、前記上下方向の端部のうち、前記第１の光学系からの映像光の入射角が大きい側端部を中心軸として回転可能とする手段を備えたことを特徴とする投写光学ユニット。

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