(57)【要約】【課題】  スクリーンに画像を斜めに拡大投写しても台形歪を抑えることが出来る投写映像表示装置及びそれに用いる投写光学ユニットを提供する。【解決手段】  映像表示素子１上の画像を投写レンズ２により拡大し、スクリーン６に対して斜めに投写して拡大画像を表示する投写型映像表示装置では、投写レンズ２と背面ミラー５との間に、拡大画像の斜め投写により生じる台形歪を補正するための自由曲面を備えた自由曲面ミラー３、４を配置し、かつ、その表面形状を、拡大画像の上端の光線が自由曲面で屈曲してスクリーン上に到る距離をＬ１、拡大画像の下端の光線が自由曲面で屈折してスクリーン上に到るまでの距離をＬ２、スクリーンでの画面の上端から下端までの距離をＤｖとするとき、少なくとも、次の式を満足するように形成されている。          ｜Ｌ１−Ｌ２｜＞０．４・Ｄｖ【選択図】  図１
2006154720.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投写型映像表示装置において、
映像表示素子と、スクリーンと、前記映像表示素子上の表示画像を拡大して投写するための複数のレンズを含む第１の光学系と、前記第１の光学系からの拡大画像を、前記スクリーンの法線に対し所定の角度を以って投写するための第２の光学系と、を備え、
前記第２の光学系は、前記第１の光学系からの拡大画像を反射して前記スクリーンへ導くための曲面を有する光学素子を含み、
前記光学素子で反射されて前記スクリーンに入射される光の光路長を光学的距離としたとき、該光学素子の、第１の光学的距離を以って光を反射する部分が、その反射方向に凹を向くように湾曲されており、前記第１の光学的距離よりも短い第２の光学的距離を以って光を反射する分が、その反射方向に凸を向くように湾曲されていることを特徴とする投写型映像表示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の投写映像表示装置であって、前記光学素子は、その反射面が自由曲面形状とされた曲面反射ミラーであり、前記第２の光学系は、前記スクリーンの下方から前記スクリーンの法線に対し所定の角度を以って投写するものである場合、
前記曲面反射ミラーは、前記映像表示素子の中心よりも上方の画像の光を反射する部分が、その反射方向に凹を向くように湾曲されており、かつ前記映像表示素子の中心よりも下方の画像の光を反射する部分が、その反射方向に凸を向くように湾曲されていることを特徴とする投写映像表示装置。
【請求項３】
請求項１に記載の投写映像表示装置であって、前記光学素子からの拡大画像を反射して、前記スクリーンの背面側に投写するための平板状の背面ミラーを更に含むことを特徴とする投写映像表示装置。
【請求項４】
請求項３に記載の投写映像表示装置であって、前記光学素子が、前記背面ミラーの下方に配置されていることを特徴とする投写映像表示装置。
【請求項５】
請求項４に記載の投写映像表示装置であって、前記光学素子は、その反射面が自由曲面形状とされた少なくとも２枚のミラーを含むことを特徴とする投写映像表示装置。
【請求項６】
投写型映像表示装置において、
映像表示素子と、スクリーンと、前記映像表示素子上に表示された画像を拡大して投写するための複数のレンズを含み、かつ光軸が前記映像表示素子の略中心を通り、該光軸について対称な形状の面で構成された共軸光学系である第１の光学系と、前記第１の光学系からの拡大画像を、前記スクリーンに対して斜めに投写するための第２の光学系と、を備え、
前記第２の光学系は、前記拡大画像の斜め投写により生じる台形歪及び／または収差を補正するための自由曲面を備えた光学素子を含むことを特徴とする投写映像表示装置。
【請求項７】
請求項６に記載の投写映像表示装置であって、前記光学素子の自由曲面は、少なくとも１つの鏡面を含むことを特徴とする投写映像表示装置。
【請求項８】
請求項６に記載の投写映像表示装置において、該光学素子は自由曲面形状を為す曲面反射ミラーを含み、該曲面反射ミラーの、前記映像表示素子の中心よりも上方の画像の光を反射する部分が、その反射方向に凹を向くように湾曲されて正のパワーを有しており、かつ前記映像表示素子の中心よりも下方の画像の光を反射する部分が、その反射方向に凸を向くように湾曲されて負のパワーを有することを特徴とする投写映像表示装置。
【請求項９】
投写映像表示装置に用いられる投写光学ユニットであって、
前記映像表示素子上に表示された画像を拡大して投写するための複数のレンズを含み、かつ光軸が前記映像表示素子の中心軸とほぼ等しくされた第１の光学系と、
前記第１の光学系からの拡大画像を、前記スクリーンの法線に対し所定の角度を以って該スクリーンに投写するための第２の光学系と、を備え、
前記第２の光学系は、前記第１の光学系からの拡大画像を反射して前記スクリーンへ導くための自由居面形状を為す反射面をもつ光学素子を含み、
前記光学素子の、前記映像表示素子の中心よりも上方の映像を反射する部分が、その反射方向に凹を向くように湾曲されており、かつ前記映像表示素子の中心よりも下方の映像を反射する部分が、その反射方向に凸を向くように湾曲されていることを特徴とする投写光学ユニット。
【請求項１０】
請求項９に記載の投写光学ユニットであって、前記光学素子は、自由曲面形状を為す曲面反射ミラーであることを特徴とする投写光学ユニット。
【請求項１１】
前記請求項１０に記載の投写光学ユニットであって、前記光学素子は、２枚の前記曲面反射ミラーで構成されることを特徴とする投写光学ユニット。
【請求項１２】
請求項９に記載の投写光学ユニットであって、前記スクリーンの法線と平行な該スクリーンの垂直方向の面内において、前記拡大画像の上端の光線が前記反射面で反射して前記スクリーン上に到るまでの距離をＬ１、前記拡大画像の下端の光線が前記反射面で反射して前記スクリーン上に到るまでの距離をＬ２、前記スクリーンでの画面の上端から下端までの距離をＤｖ、前記スクリーン画面の中央に入射する光線と当該スクリーンの法線との成す角度をθとするとき、次の式を満足するように構成されていることを特徴とする投写光学ユニット。
｜Ｌ１−Ｌ２｜＜１．２・sinθ・Ｄｖ
【請求項１３】
請求項９に記載の投写光学ユニットであって、前記スクリーンの法線と平行な該スクリーンの垂直方向の面内において、前記拡大画像の上端の光線が前記反射面で反射して前記スクリーン上に到るまでの距離をＬ１、前記拡大画像の下端の光線が前記反射面で反射して前記スクリーン上に到るまでの距離をＬ２、前記スクリーンでの画面の上端から下端までの距離をＤｖとするとき、これらが次の式を満足するように形成されていることを特徴とする投写光学ユニット。
｜Ｌ１−Ｌ２｜＞０．４・Ｄｖ
【請求項１４】
請求項９に記載の投写光学ユニットであって、前記光学素子の、前記映像表示素子の中心よりも上方の映像を反射する部分が正のパワーを持ち、前記映像表示素子の中心よりも下方の映像を反射する部分が負のパワーを持つことを特徴とする投写光学ユニット。
【請求項１５】
投写型映像表示装置に用いられる投写光学ユニットおいて、
前記映像表示素子上に表示された画像を拡大して投写するための複数のレンズを含み、かつ光軸が前記映像表示素子の略中心を通り、該光軸について対称な形状の面で構成された共軸光学系である第１の光学系と、
前記第１の光学系からの拡大画像を、前記スクリーンに対して斜めに投写するための第２の光学系と、を備え、
前記第２の光学系は、前記拡大画像の斜め投写により生じる台形歪及び／または収差を補正するための自由曲面を備えた光学素子を含むことを特徴とする投写光学ユニット。
【請求項１６】
請求項１５に記載の投写光学ユニットであって、前記光学素子は、少なくとも１つの鏡面を含むことを特徴とする投写光学ユニット。
【請求項１７】
請求項１５に記載の投写映像表示装置において、該光学素子は自由曲面形状を為す曲面反射ミラーを含み、該曲面反射ミラーの、前記映像表示素子の中心よりも上方の映像を反射する部分が、その反射方向に凹を向くように湾曲されて正のパワーを有しており、かつ前記映像表示素子の中心よりも下方の映像を反射する部分が、その反射方向に凸を向くように湾曲されて負のパワーを有することを特徴とする投写光学ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、カラーの拡大画像をスクリーン上に投写して画像表示を行う投写映像表示装置に関する。特に、本発明は、拡大画像をスクリーンに対して斜めに投写して拡大画像をスクリーン上に得る投写映像表示装置と、これに用いられる投写光学ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
投写型ブラウン管や液晶表示装置（液晶パネル）等の映像表示素子上のカラー画像を、投写光学ユニットによってスクリーン上に拡大して投写する、所謂、投写型のカラー映像表示装置においては、スクリーン上で充分な大きさの拡大映像を得るとともに、装置の奥行寸法を短縮することが要求される。かかる要求を実現するため、従来では、例えば下記の特許文献１〜３にも記載されているように、スクリーンに対して斜め方向から（スクリーン法線に対し所定の角度を以って）画像を拡大・投写する技術が知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１３４２１３号公報
【特許文献２】特開２０００−１６２５４４号公報
【特許文献３】特開２００２−３５７７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、映像表示素子上の映像をスクリーンに対して斜め方向から投写すると、スクリーン上に投写された映像に、所謂、台形歪みが生じる。これを解消するため、上記特許文献１に記載された投写光学ユニットでは、スクリーン側に配置したアフォーカルコンバータを偏心させて当該台形歪み抑える構成としている。しかしながら、この特許文献１に開示されたアフォーカルコンバータはその倍率が低いため、投写映像の広角化が困難であり、そのため、装置の薄型化を達成できないという問題点があった。
【０００５】
また、上記特許文献２に記載された投写光学ユニットによっても、その構造から、やはり投写映像の広角化は困難である。よって特許文献２に記載のものを背面投写型カラー映像表示装置に適用して、装置の十分な薄型化を達成することは難しいという問題点があった。更に、この特許文献２に記載された投写光学ユニットでは、使用するレンズを個別に偏心させる必要があるため、その製造が難しいという問題点もあった。
【０００６】
さらに、上記特許文献３に記載の投写光学ユニットは、正のパワーを有する第１屈折レンズ系と、負のパワーを有する第２屈折レンズ系と、光路折り返しミラーとを有している。かかる構成において、上記負のパワーを有する第２屈折レンズ系を構成するレンズの内、少なくとも２枚のレンズは、その回転対称軸が互いに異なる偏心系としている。そのため、製造時において、各レンズの位置精度を十分に確保することが難しく、そのため、やはり製造が困難になるという問題点があった。
【０００７】
上述したように、映像表示装置を構成する投写光学ユニットにおいて、その奥行をより短縮するためには、スクリーンに対して斜め方向から拡大投写する、所謂、斜め投写が必須となり得る。そして、更なる奥行の短縮化のためには、この斜め投写の角度をより大きくすることが必要となる。
【０００８】
しかしながら、この斜め投写の角度をより大きくした場合、上述した台形歪も一層大きくなってしまう。このため、この台形歪を補正するための偏心量を、より一層大きくする必要がある。このことから、かかる要求を満足する光学ユニットを製造することは、一層困難となる。また、これに関連して、必要なレンズ径もより大きくする必要がある。即ち、上記の従来技術になる光学系では、投写光学ユニット、更には、映像表示装置の奥行をより小さくすることは困難であった。
【０００９】
本発明は、上述した従来技術における課題に鑑みて為されたものである。そしてその目的は、画像をスクリーンに対して斜めに投写するものにおいて、スクリーン上の画像の歪を低減して優れた表示特性を発揮することの可能な技術を提供することにある。
【００１０】
また、本発明は、特に背面投写型標示装置において、スクリーン上の画像の歪を低減しつつ装置の奥行寸法を小さくすることが可能な技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、映像表示素子上に表示された画像を拡大して投写するための複数のレンズを含み、かつ光軸が前記映像表示素子の中心軸とほぼ等しくされた第１の光学系と、前記第１の光学系からの拡大画像を、前記スクリーンの法線に対し所定の角度を以って該スクリーンに投写するための第２の光学系とを備え、この第２の光学系は、前記第１の光学系からの拡大画像を反射して前記スクリーンへ導くための曲面を有する光学素子を含んでいる。そして本発明は、上記光学素子で反射されて前記スクリーンに入射される光の光路長を光学的距離としたとき、該光学素子の、第１の光学的距離を以って光を反射する部分が、その反射方向に凹を向くように湾曲されており、前記第１の光学的距離よりも短い第２の光学的距離を以って光を反射する分が、その反射方向に凸を向くように湾曲されていることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記光学素子は、その反射面が自由曲面形状とされた曲面反射ミラーであり、前記第２の光学系は、前記スクリーンの下方から前記スクリーンの法線に対し所定の角度を以って投写するものである場合、前記曲面反射ミラーは、前記映像表示素子の中心よりも上方の画像の光を反射する部分が、その反射方向に凹を向くように湾曲されて正のパワーを有しており、かつ前記映像表示素子の中心よりも下方の画像の光を反射する部分が、その反射方向に凸を向くように湾曲されていることが好ましい。また、上記光学素子は、自由曲面形状を為す鏡面であることが好ましい。また、前記光学素子からの画像を反射して、前記スクリーンの背面側から投写するための平板状の背面ミラーを更に備えることが好ましい。更に、本発明では、前記光学素子は、前記背面ミラーの下方に配置されていることが好ましく、更には、前記光学素子を、少なくとも２枚の自由曲面ミラーで構成することが好ましい。
【００１３】
また、本発明は、映像表示素子上に表示された画像を拡大して投写するための複数のレンズを含み、かつ光軸が前記映像表示素子の略中心を通り、該光軸について対称な形状の面で構成された共軸光学系である第１の光学系と、前記第１の光学系からの拡大画像を、前記スクリーンに対して斜めに投写するための第２の光学系とを備えている。そして本発明は、前記第２の光学系が、前記拡大画像の斜め投写により生じる台形歪及び／または収差を補正するための自由曲面を備えた光学素子を含むことを更なる特徴とするものである。
【００１４】
上記光学素子は自由曲面形状を為す曲面反射ミラーを含む。そして、該曲面反射ミラーの、前記映像表示素子の中心よりも上方の画像の光を反射する部分が、その反射方向に凹を向くように湾曲されて正のパワーを有しており、かつ前記映像表示素子の中心よりも下方の画像の光を反射する部分が、その反射方向に凸を向くように湾曲されて負のパワーを有するものでもよい。
【００１５】
また本発明は、スクリーンの法線と平行なスクリーンの垂直方向の面内において、前記拡大画像の上端の光線が前記光学素子の反射面で反射して前記スクリーン上に到るまでの距離をＬ１、前記拡大画像の下端の光線が前記反射面で反射して前記スクリーン上に到るまでの距離をＬ２、前記スクリーンでの画面の上端から下端までの距離をＤｖ、前記スクリーン画面の中央に入射する光線と当該スクリーンの法線との成す角度をθとするとき、次の式を満足するように構成されてもよい。
【００１６】
｜Ｌ１−Ｌ２｜＜１．２＊sinθ＊Ｄｖ
また上記Ｌ１とＬ２の差の絶対値｜Ｌ１−Ｌ２｜が、当該自由曲面の形状を平面にした場合に比べて小さくなるように形成されていることが好ましい。またスクリーンの法線と平行なスクリーンの垂直方向の面内において、拡大画像の上端の光線が自由曲面の反射面で反射してスクリーン上に到るまでの距離をＬ１、拡大画像の下端の光線が自由曲面の反射面で反射してスクリーン上に到るまでの距離をＬ２、前記スクリーンでの画面の上端から下端までの距離をＤｖとするとき、これらが次の式を満足するように形成されてもよい。
【００１７】
｜Ｌ１−Ｌ２｜＞０．４＊Ｄｖ
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、画像の斜め投写により生じる台形歪を低減しつつ装置の光学的奥行を小さくすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。まず、添付の図１は、本発明の一実施形態に係る投写映像表示装置、特に、背面投写型の映像表示装置において用いられる投写光学ユニットの基本的構成を示す断面図である。
【００２０】
この図１に示す投写光学ユニットの基本的構成において、図の下側に配置された画像表示素子１から射出した光は、回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズを含む第１の光学系２（具体的には、投写レンズ）を通る。その後、第１の自由曲面形状の反射面を有する反射鏡３(以下、「自由曲面ミラー」と言う)の表面で反射され、更に、第２の自由曲面ミラー４で反射される。その反射光は、第３の光学系である平面反射面を有する背面ミラー５で反射され、スクリーン６の背面に入射される。尚、本実施形態では、上記第１の自由曲面ミラー３及び第２の自由曲面ミラー４に構成される光学系を第２の光学系と呼ぶこととする。
【００２１】
ここで、上記画像表示素子１は、例えば、投写型ブラウン管等の自発光型のものでもよく、或いは、液晶パネルのような透過型のものでもよい。なお、この図では、上記画像表示素子１を、液晶パネルによる透過型のもので構成した場合に必要となる、例えばランプ等の照射手段については、その図示を省略している。また、この画像表示素子１として、例えば液晶パネルを採用した場合、３枚の液晶パネルを用いて複数の色の画像を合成する方式としてもよい、しかしながら、この図では、かかる場合に必要となる合成用プリズム等についても、その図示を省略している。なお、図からも明らかなように、上記画像表示素子１は、その表示画面の中央が、上記第１の光学系（投写レンズ）２の光軸上に配置されている。このように、画像表示素子１の表示画面の中央を上記第１の光学系の光軸上に配置することによって、レンズの大きさを大きくすることなく斜め投写による奥行の小さい光学系を実現できる。
【００２２】
そして、図１に示すように、上記画像表示素子１の画面の中央から出射し、上記第１の光学系（投写レンズ）２の入射瞳の中央を通り、その後、スクリーン６の画面の中央に入射する光線１１は、スクリーンに対して斜めに入射する。ここで、当該光線１１がスクリーンに入射する点Ｐ０において、スクリーン面の法線とこの光線１１とが成す角度をθとし、これを以後、「斜め入射角度」と称する。なお、この図１に示した断面は、上記スクリーン６の画面中央に入射する光線１１と、当該スクリーンの法線とで形成される平面における、上記投写光学ユニットの断面を表示したものである。すなわち、この断面は、スクリーン６の法線と平行な垂直方向の断面である。
【００２３】
一方、上記断面内において、上記画像表示素子１の画面下端から出射した光線１２は、当該画面の下端と上記第１の光学系（投写レンズ）２の入射瞳の中央を結ぶ直線に沿ってみ、これに対応するスクリーン上の位置、即ち、スクリーン６上の画面の上端にある点Ｐ１に入射する。この光線１２が第２の自由曲面ミラー４を通過（反射）する点Ｐ３から、上記背面ミラー５上の点Ｐ２を経由してスクリーン上の点Ｐ１に至る光路長をＬ１とする。また、上記画像表示素子１の画面上端から出射され、当該画面の上端と上記第１の光学系（投写レンズ）２の入射瞳の中央を結ぶ直線に沿って進み、そして、これに対応するスクリーン上の位置である、スクリーン６の画面の下端にある点Ｐ４に入射する。この光線１３が第２の自由曲面ミラー４を通過（反射）する点Ｐ６から、背面ミラー５上の点Ｐ５を経由してスクリーン上の点Ｐ６にまで至る光路長をＬ２とする。
【００２４】
そして、本実施形態に係る投写光学ユニットにおいては、上記光路長Ｌ１、Ｌ２（光路長の差）が、次の式１を満足するように構成されている。
【００２５】
｜Ｌ１−Ｌ２｜＜１．２・sinθ・Ｄｖ
ただし、Ｄｖは図１の断面内でのスクリーン上の画面の大きさである。言い換えると、スクリーン６上における画面上端の点Ｐ１から、その画面下端の点Ｐ４までの距離である。また、θは上記斜め入射角度である。さらにまた、本実施形態に係るる投写光学ユニットにおいては、上記光路長Ｌ１とＬ２の差の絶対値｜Ｌ１−Ｌ２｜が、第２の自由曲面ミラー４の形状を平面にした場合よりも小さくなるように構成されている。
【００２６】
続いて、上記光路長の差｜Ｌ１−Ｌ２｜が、上記の式を満たすようにする理由について、以下に詳細に説明する。
【００２７】
なお、上記第１の光学系を構成する投写レンズ２からの光を、スクリーン６に対して斜めに入射させるため、上記背面ミラー５によって折り返す（反射する）こと、更には、このことにより背面投写型の映像表示装置の奥行寸法を小さく出来ることは、よく知られたことである。
【００２８】
ここで、共軸光学系の投写レンズ２１（図１の符号２に対応）をスクリーン２７（図１の符号６に対応）に対して傾けて、光線２２、２３、２４を斜めに入射させた場合の概念図を図２に示す。この図２において、投写光学系２１の光軸上に置かれた画像表示素子２０（図１の符号１に対応）の画面中央から光軸に沿って射出した光線２２が上記スクリーン２７に到達する時、当該スクリーン近傍における光線２２に垂直な方向での画面の大きさは次のように表される。すなわち、この画面の大きさは、上記光線２２に垂直な線とその上方の光線２３との交点Ｐ１１と、上記光線２２に垂直な線とその下側の光線２４との交点との間の距離である。そして、その大きさは、本来（即ち、スクリーンに対して垂直方向に入射した場合）、スクリーン２７上に投写される画像表示素子２０の画面の大きさ（縦方向の長さ）であるＤｖになっている。
【００２９】
しかしながら、画像表示素子２０の画面からの光線は斜めに入射されているため、当該画面から出射した上方の光線２３は、実際には、上記スクリーン２７上の点Ｐ１２にまで達してしまう。そのため、スクリ−ン上での画面はＤｖよりも大きくなってしまい、これが図形の歪の原因となる。同時に、当該画面から出射した上方の光線２３と、下方の光線２４との間においても、同様に、投写レンズ２１からスクリーン２７までの光路長において差が生じてしまう。なお、この光路長の差の大きさは、近似的に、画面中央からの光線２２に垂直な線と画面上方からの光線２３との交点Ｐ１１と、当該光線２３とスクリーン２７との交点Ｐ１２との間の距離に相当する。
【００３０】
そこで、上記図１においてその構成が説明された本実施形態に係る投写光学ユニットでは、投射レンズ２１（図１の符号２に対応）のすぐ外側に、上述したように、自由曲面ミラー（図１では、第１の自由曲面ミラー３と、第２の自由曲面ミラー４）を配置している。そこで、この自由曲面ミラーによって上述した図形歪を補正したとものと考えた場合、スクリーン２７上では、例えば、画面上方からの光線２３が到達する位置は、上述した点Ｐ１２から、図２にＰ１４で示す点に移動する。また、画面下方からの光線２４は、図に符号２６で示すように移動することとなる。すなわち、このことにより、スクリーン２７上に投写される上記画像表示素子２０の画面の大きさ（縦方向の長さ）は、本来の大きさであるＤｖになる。
【００３１】
ここで、回転対称な光学系である投写レンズからの光を自由曲面ミラーで反射させてスクリーンに対して斜めに入射させた場合の様子を概念的に図１１に示す。図１１では、投写光学系２１の光軸上に画像表示素子２０が置かれ、該画像表示素子２０の画面中央から投写光学系２０の光軸に沿って射出した光線２２（以下、これを中央光線という）がミラー２８で反射されてスクリーン２７に角度θで斜め入射している。ミラー２８が平面の場合、投写光学系２１で投写される映像がそのままスクリーン２７に斜め投写されることになる。このとき、スクリーン画面で図１１の上側の端に向かう光線２３（破線で示す）がスクリーンに入射する点と、下側の端に向かう光線２４（破線で示す）がスクリーンに入射する点とは、上記中央光線２２が入射する点Ｐ２３に対して非対称になる。このため、スクリーン上の画像に台形歪を生じる。このとき、上記スクリーン画面の上端に向かう光線２３に沿ったミラー２８からスクリーン２７までの光路長と、上記スクリーン画面の下端に向かう光線２４に沿ったミラー２８からスクリーン２７までの光路長との間に大きな差が生じている。
【００３２】
ここで、ミラー２８の形状を自由曲面にして歪を補正すると、スクリーン画面で図１１の上側の端に向かう光線は図１１の光線２５のように下側に移動し、さらに下側の端に向かう光線は図１１の光線２６のようになる。よって、上記光線２５がスクリーンに入射する点と光線２６がスクリーンに入射する点が上記中央光線２２が入射する点Ｐ２３に対して対称になる。従って、光線２５がスクリーンに入射する点と光線２６がスクリーンに入射する点との距離が、正しい画面の大きさＤｖとほぼ等しくなって、歪が補正されたことを確認できる。このとき、上記光線２５に沿ったミラー２８からスクリーン２７までの光路長と、上記光線２６に沿ったミラー２８からスクリーン２７までの光路長との差は、上記光線２３と光線２４の場合に比べて小さくなっている。
【００３３】
すなわち、本実施形態では、ミラー２８の形状を自由曲面形状にすることにより、上記スクリーン画面の上側の端に向かう光線に沿ったミラー２８からスクリーン２７までの光路長と、スクリーン画面の下側の端に向かう光線に沿ったミラー２８からスクリーン２７までの光路長との差を小さくしている。結果として、斜め投写による歪が好適に補正されるようになる。
【００３４】
上記のように歪を良好に補正するための、ミラー２８の自由曲面形状の一例について図１１を参照しつつ説明する。ミラー２８において、スクリーンの画面中央に対してミラー２８からスクリーンまでの光路長が中央光線２２よりも長い光（つまり図１１でスクリーン上の点Ｐ２３より上側の部分に向かう光線（例えば光線２５））を反射する部分を、その反射方向に凹を向くように湾曲させる。すなわち、ミラー２８の、中央光線２２を反射する点Ｐ２２よりも上側の部分では、正のパワーを持たせるように凹面の反射面とする。一方、スクリーンの画面中央に対してミラー２８からスクリーンまでの光路長が中央光線２２よりも短い光（つまり図１１でスクリーン上の点Ｐ２３より下側の部分に向かう光線（例えば光線２６））を反射する部分を、その反射方向に凸を向くように湾曲させる。すなわち、ミラー２８の、中央光線２２を反射する点Ｐ２２よりも下側の部分では、負のパワーを持たせるように凸面の反射面とする。
【００３５】
要するに、本実施形態に係る自由曲面ミラー２８は、第１の光学的距離を持つ光線２５を反射する部分が、その反射方向に凹を向くように湾曲されており、この第１の光学的距離よりも短い第２の光学的距離を持つ光線２６を反射する部分が、その反射方向に凸を向くように湾曲されている。本実施形態ではスクリーンの下方から画像を斜め投写しているので、本実施形態に係る自由曲面ミラー２８は、映像表示素子の中心よりも上方の画像の光を反射する部分、つまりミラー２８の上部は、その反射方向に凹を向くように湾曲されて正のパワーを持つ。一方、映像表示素子の中心よりも下方の画像の光を反射する部分、つまりミラー２８の下部は、その反射方向に凸を向くように湾曲されて負のパワーを持つ。
【００３６】
図２に戻ると、歪が補正された時には、画面からの上方の光線２５と、画面からの下方の光線２６との間における光路長の差は、近似的に、上記した点Ｐ１３と点Ｐ１４との間の距離に相当する大きさとなる。即ち、スクリーン２７上に投写される上記画像表示素子２０の画面の大きさ（縦方向の長さ）は、図形歪の補正前と比較して小さくなる。より詳細には、上記光路長の差（画像表示素子２０の画面から出射した上方の光線２３と下方の光線２４との間に生じる、投写レンズ２１からスクリーン２７までの光路長における差）が、点Ｐ１３と点Ｐ１４との距離に相当する程度になるように、自由曲面ミラーの表面を調整する。これにより、当該自由曲面ミラーによって、上記図形の歪を補正することが可能となる。
【００３７】
また、上記点Ｐ１３と点Ｐ１４との間の距離（以下、これをＬｘとする）は、近似的に、次の式２によって求めることが出来る。
【００３８】
Ｌｘ＝Ｄｖ・（sinθ）/（cosθ’）
ここで、θ’は、上記図２の断面において、自由曲面ミラーから射出後の上記画像表示素子２０の半画角であるが、例えば、広く一般に市場において入手可能なカラー映像表示装置の投写光学ユニットの構造などを考慮し、これを、例えば約３０度とすると、上式２は次式３のようになる。
【００３９】
Ｌｘ＝１．２・（sinθ）・Ｄｖ
なお、上記の近似では、自由曲面ミラーがスクリーンから充分遠い位置に配置されているという条件をも含んでいる。しかしながら、この自由曲面ミラーがスクリーンに近い場合には、上記光路長の差はより小さな値となる。従って、上記光路長の差は、上式の値よりも小さくなることが条件となることが分かる。これによれば、複数の屈折レンズを含む第１の光学系において、レンズの偏心やレンズ径の増大をすることなく、投写光の斜め入射による台形歪の補正を実現できる。即ち、本実施形態によれば、その光学系の奥行を小さくし、かつ、その製造も容易な投写光学ユニットを実現できる。
【００４０】
ここで、さらに、より製造の容易な投写光学ユニットを実現するために、上記自由曲面ミラーの大きさを充分小さくするための条件について、以下に詳細に説明する。
【００４１】
添付の図３は、上記図１に示したように、自由曲面ミラー（第１の自由曲面ミラー３と第２の自由曲面ミラー４）を用いて台形歪を補正した光学系において、その斜め入射角度θが変化した場合、それに伴って変化する奥行の値を示したものである。この奥行の値は、実現可能な装置における最小の値とする。即ち、この図におけるグラフの横軸は、斜め入射角度θである。他方、その縦軸は、奥行の長さを示しており、ここでは、この奥行の長さは、上記図１に示した断面内でのスクリーン上における画面の大きさＤｖにより規格化され、相対値で示されている。なお、ここに示す奥行とは、近軸計算により、背面ミラー５によって折り曲げられた光線同士が互いに干渉しない条件の下で、背面ミラー５の位置を調整した結果における光線経路から算出されたたものである。当然のことながら、その中には、鏡筒やミラー厚などは含まれていない。以下、これを「光学奥行」と言うことにする。
【００４２】
すなわち、この図３に示すように、「斜め入射角度」θが大きい程、投写光学ユニットを構成する光学系の奥行（光学奥行）を小さくできることが分かる。更に、この光学系の奥行は、上記図１において、スクリーン６上の画面の上方に向かう光線１２と下方に向かう光線１３との広がり角によっても異なる。そして、この広がり角は、先に述べたように、自由曲面形状の反射面を用いた本発明になる光学系では、画面上端に向かう光線と画面下端に向かう光線の光路長の差｜Ｌ１−Ｌ２｜と同等である。そこで、この図３では、光路長の差のパラメータをＤＬとして、上記光路長の差｜Ｌ１−Ｌ２｜が異なる場合における、上記奥行の変化を示している。即ち、光路長の差（即ち、ＤＬの値）を大きくする程、その光学系の奥行を小さくできることを示している。なお、このＤＬは、厳密には、上記光路長の差｜Ｌ１−Ｌ２｜を画面の大きさＤｖによって割った値である（ＤＬ＝｜Ｌ１−Ｌ２｜／Ｄｖ）。
【００４３】
ここで、装置の奥行を大幅に小さくした光学系として、例えば、スクリーン画面の大きさの０．５倍以下にまで光学奥行を小さくするためには、上記の図３から、「斜め入射の角度」θを３５度以上（但し、光路長の差が（ＤＬ＝０．４）の場合）にすれば良いことが分かる。
【００４４】
一方、上記の自由曲面ミラーは、その寸法が大きくなる程、その製造が困難になる。このことから、当該自由曲面ミラーは、所定の大きさ以下にすることが重要である。例えば、上記図１に示した構造では、背面ミラー５の大きさはスクリーン画面の約７０％以上にもなる。これを５０型以上のような大画面のリアプロジェクタに適用した場合には、この背面ミラー５の大きさは５００ｍｍを越えるサイズとなってしまう。そのため、この背面ミラー５の表面を上述した条件を満たすような自由曲面形状に加工することは困難である。すなわち、そのような大きさを持つ自由曲面ミラーの製造は、実際的には困難である。換言すれば、上記図１に示した構造のリアプロジェクタにおいては、背面ミラー５を自由曲面にすることは適当でない。
【００４５】
そこで、本実施形態では、上述した図１にも示すように、上記自由曲面ミラーを、当該背面ミラーでその光路を折り曲げる前の光路上に配置している。より具体的には、上記スクリーン６の下部近傍に、住居工面ミラーを配置することが提案されている。更には、この自由曲面ミラーを、第１の自由曲面ミラー３と第２の自由曲面ミラー４により構成し、上記スクリーン６の下部近傍に配置することが提案されている。しかしながら、このような自由曲面ミラーの配置構成によっても、条件によっては、当該自由曲面ミラーの大きさが、その製造の観点からは大きくなり過ぎる場合がある。
【００４６】
例えば、上記図１に示した配置構造において、大きい方の自由曲面ミラーである第２の自由曲面ミラー４の大きさについて、「斜め入射角度」θに対する変化を求めた結果を図４に示す。なお、この図４において、その横軸は「斜め入射角度」θであり、その縦軸は当該自由曲面ミラーにとって必要な大きさを示している。ここで、上記自由曲面ミラーの大きさとは、上記図１のような断面内における大きさ（点Ｐ３から点Ｐ６までの距離）であり、かつ、当該断面内でのスクリーン上の画面の大きさＤｖによって規格化して表示されている。
【００４７】
この図４に示すように、自由曲面ミラーの大きさは、「斜め入射の角度」θが大きくなる程、大きくなることが分かる。また、上記光路長の差｜Ｌ１−Ｌ２｜が異なる場合には、その光路長の差が大きい程、自由曲面ミラーの大きさを小さく出来ることが分かる。
【００４８】
ところで、上記図１に示す構成になる、例えば、５０型のような大画面のリアプロジェクタの場合、上記自由曲面ミラー４の大きさ（すなわちその短辺である上記図１の断面内での寸法）を、スクリーン上での画面サイズの約０．３倍以下にすることが、自由曲面ミラーの製造を容易にする上から望ましい。
【００４９】
そこで、かかる条件を考慮しながら上記図４を見ると、この光路長の差が０．４の場合には、斜め入射の角度θを３５度以下にする必要がある。他方、この光路長の差が０．５の場合には、当該斜め入射の角度θを５０度近くまで大きく出来ることが分かる。
【００５０】
ここで、上記図３のグラフに加え、更に図４のグラフを並べると、前述した「光学奥行」を小さくするためには、この斜め入射の角度θを大きくすればよい。他方、自由曲面ミラーの大きさを小さくするためには、この斜め入射の角度θを小さくする必要がある。即ち、両者は斜め入射の角度θに対して相反する傾向となっていることが分かる。従って、条件によっては、奥行と自由曲面ミラーの大きさの両方を、同時に、所望の大きさ以下に小さくすることが出来ない場合が存在することが分かる。
【００５１】
そこで、上記のパラメータである光路長の差｜Ｌ１−Ｌ２｜（厳密には、ＤＬ＝｜Ｌ１−Ｌ２｜／Ｄｖ）に着目すると、光路長の差が大きくなる程、光学奥行も、また自由曲面ミラーの大きさも、共に、小さい方向に変化していることが分かる。従って、両者の条件を満足するためには、光路長の差を大きくすることが望ましい。
【００５２】
即ち、上記図３及び図４に示すグラフから、（１）光学奥行を目標値以下とすること、そして、（２）自由曲面ミラーの大きさも製造の容易な寸法以下にすることの条件を同時に満足する斜め入射の角度θの範囲が存在するためには、上記光路長の差（厳密には、ＤＬ＝｜Ｌ１−Ｌ２｜／Ｄｖ）を０．４以上とすれば良いことがわかる。
【００５３】
なお、以上では、上記図１に示す実施の形態に示すように、自由曲面ミラーによる光路の折り曲げ方向を画面の短辺方向（縦方向）を含む平面内で行う構造を基に説明した。しかしながら、上記図１とは逆に、画面の長辺方向（水平方向）を含む平面内で行う構造である場合においても、上記と同様に構成できることは明らかである。すなわち、このような構造であっても、奥行を小さくしながら、上記自由曲面ミラーの大きさを小さくし、もって、製造が容易な光学系を得ることが可能であることは、言うまでもない。すなわち、上記により、背面投写型映像表示装置の奥行を小さくすると同時に、自由曲面ミラーの大きさを小さくし、もって、その製造が容易な光学ユニットを実現可能とされる。
【００５４】
更に、以下には、上記に説明した本発明になる背面投写型映像表示装置における光学ユニットの具体的な実施例について、その各部の数値を挙げながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００５５】
添付の図５〜図７及び図１２、更には、以下の表１に示す数値を用いながら、本発明の実施例１について説明する。なお、図５は、本実施例１における光線図を示している。即ち、図の下側に配置された画像表示素子３１から射出した光は、複数の屈折レンズで構成された第１の光学系３２を通過する。その後、第２の光学系を構成する第１の自由曲面ミラー３３、更には、第２の自由曲面ミラー３４で反射される。そして、平面鏡である背面ミラー３５の表面で反射され、スクリーン３６上に入射される。
【００５６】
ここで、上記第１の光学系は、全て、軸対称な形状の屈折面で構成された共軸光学系であり、かつ、それら屈折面の内の４つは軸対称な非球面で構成され、その他は球面で構成されている。また、ここに用いられた軸対称な非球面は、各面毎のローカルな円筒座標系を用いて、次の数１式で表される。
【００５７】
【数１】
2006154720.tif 000003
【００５８】
ここで、ｒは光軸からの距離であり、Ｚはサグ量を表している。また、ｃは頂点での曲率、ｋは円錐定数、Ａ〜Ｊはｒのべき乗の項の係数である。
【００５９】
次に、上記第２の光学系を構成する自由曲面は、各面の面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）を用い、Ｘ、Ｙの多項式を含む次の数式２で表わされる。
【００６０】
【数２】
2006154720.tif 000004
【００６１】
ここで、ＺはＸ軸及びＹ軸に垂直な方向における自由曲面の形状のサグ量を表わし、ｃは頂点での曲率、ｒはＸ、Ｙ軸の平面内での原点からの距離、ｋは円錐定数、Ｃ（ｍ、ｎ）は多項式の係数である。
【００６２】
更に、図１２に、本実施例１に係る投写レンズの一構成例が示され、また以下の表１には、本実施例１の光学ユニットを構成するレンズデータを含む数値が示されている。ここで、面番号（Surface）は、物体面、すなわち映像表示素子の表示面を「Ｓ０」とし、順次、符号Ｓ０〜Ｓ２８で示されている。そのうちＳ０〜Ｓ２４は、図１２のＳ０〜Ｓ２４で示される各光学要素の面に対応している。Ｓ１及びＳ２は、各々、例えば３つの映像表示素子の表示映像を合成するためのダイクロイックミラーを含む光合成部の入出射面である。Ｓ２５〜Ｓ２８は、図５のＳ０〜Ｓ２４で示される各光学要素の面（反射面、スクリーン面）に対応している。すなわち、Ｓ２５は第１の自由曲面ミラー３３の反射面、Ｓ２６は第１の自由曲面ミラー３４の反射面、Ｓ２７は平面反射ミラー３５の反射面、そしてＳ２８は像面、すなわちスクリーン面を示している。また、この表１において、Ｒｄは各面の曲率半径を示しており、上記図５では、当該面が左側に曲率中心を有する場合には正の値で、それとは逆の場合には負の値で表わされている。また、下記表１において、ＴＨは次の面との面間距離を示しており、具体的には、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。また表１においてｎｄは図１２に示された各レンズ素子の屈折率、νｄはそのレンズ素子のアッベ数を示している。
【００６３】
【表１】
2006154720.tif 000005
【００６４】
なお、上記図５及び図１２において、当該レンズ面に対して、次のレンズ面が左側に在る場合には、この面間距離は正の値で、他方、右側にある場合は負の値で表わされている。
【００６５】
なお、上記表１において、Ｓ７、Ｓ１５、Ｓ２３及びＳ２４の４つの面は、上述したように回転対称な非球面から構成されている。これら４つ面の非球面の係数は、以下の表２に示される。
【００６６】
【表２】
2006154720.tif 000006
【００６７】
また、上記の表１において、上述したようにＳ２５とＳ２６は、上記図５において第２の光学系である第１の自由曲面ミラー３３と第２の自由曲面ミラー３４における、自由曲面形状の反射面を示している。これら反射面の自由曲面の形状について、以下にその詳細を説明する。
【００６８】
まず、Ｓ２５（第１の自由曲面ミラー３３）の自由曲面は、そのローカル座標の原点を上記第１の光学系の光軸上にして、Ｓ２４から表に示す面間距離（ＴＨ）だけ離れた位置に配置される。従って、画像表示素子３１の画面中央から出て第１の光学系３２の光軸を通る光線（以下、「中央光線」と言う）は、上記Ｓ２５のローカル座標の原点に入射する。
【００６９】
一方、Ｓ２６のローカル座標のＹ軸とＺ軸は、上記図５の断面内に在り、そのＺ軸は上記中央光線に対して、略４０度傾けて配置されている。そして、上記Ｓ２６の自由曲面は、そのローカル座標の原点が、上記Ｓ２５面で反射された上記中央光線の経路上に在って、かつ、上記Ｓ２５面からは、表示された面間距離（ＴＨ）だけ離れた位置に配置されている。即ち、このＳ２６のローカル座標のＹ軸とＺ軸は、上記図５の断面内にあり、かつ、そのＺ軸は第２６面に入射する上記中央光線に対して、略４０度傾けて配置されている。
【００７０】
これら２つの自由曲面の形状を表す係数の値は、以下の表３に示される。
【００７１】
【表３】
2006154720.tif 000007
【００７２】
以上のように、本実施例１においては、２つの自由曲面ミラー（第１の自由曲面ミラー３３と第２の自由曲面ミラー３４）間の距離は、約１８０ｍｍとしているが、台形歪を良好に補正するには、これら２枚の自由曲面ミラーの間隔は１５０ｍｍ以上とすることが望ましい。これは、２つの自由曲面ミラーが近づき過ぎると、両者のパラメーである係数の機能に重複が生じてその歪補正の能力が制約されてしまい、台形歪を良好に補正することが出来なくなるためである。
【００７３】
また、上記第１の光学系３２の画角として、画像表示素子３１上の画面の上端から出て当該第１光学系の入射瞳の中央を通過した光線と光軸との成す角度が、１５度以下となるように設定することが望ましい。これによって、上記２枚の自由曲面ミラーの間隔を維持しつつ、かつ、自由曲面ミラーの大きさを小さく保つことが可能となる。
【００７４】
さらに、上記表１、表３からは、本実施例１では、曲率ｃとコーニック係数ｋとが０となっていることが分かる。これは、斜め入射に起因する台形歪は、斜め入射の方向において極端に大きく発生し、これと異なる垂直方向においては、その歪量は小さい。従って、斜め入射の方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる機能が必要であり、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（即ち、その値を０にする）ことによって、図形歪を良好に補正することが可能となる。
【００７５】
また、さらに上記実施例１の光学系において、上記Ｓ２５のミラーとＳ２６面のミラーとは、そのローカル座標系の座標軸がほぼ平行に配置されており、これによって、図形歪とスポット形状を良好に補正することが可能となっている。
【００７６】
その数値を上記に具体的に示した本実施例１になる光学ユニットにより得られた図形歪の状況を、添付の図６に示す。なお、この図６の縦方向（ｙ軸）は、上記図５の上下方向に一致しており、他方、その横方向（ｘ軸）は、スクリーン上での上記ｙ軸に垂直な方向、即ち、上記図５の奥行方向を示している。また、この図に示された長方形の中央は、投写画面の中央を示している。そして、この図では、投写画面を縦方向に４分割、横方向に８分割した直線の曲がり状態を表示することによって、上記自由曲面ミラー（Ｓ２５のミラー３３とＳ２６のミラー３４）による図形歪の補正の状況を示している。
【００７７】
更に、上記本実施例１におけるスポットダイアグラムを、添付の図７に示す。この図７では、上側から(１)から(８)の数字で示されたスポットダイアグラムの形状を示している。つまり、映像表示素子３１の物面上の８点、具体的には、そのｘｙ座標の相対値で、（１，１）、（０，１）、（０．６，０．６）、（１，０）、（０，０）、（０．６、−０．６）、（１、−１）、（０、−１）の８点から射出した光束のスポットダイアグラムが、図の上から順に示される。なお、各スポットダイアグラムの横方向は、スクリーン上でのｘ方向を、縦方向はスクリーン上でのｙ方向を示している。
【００７８】
以上から、上記の本実施例１に係る光学ユニットが良好な性能を示していることが分かる。
【実施例２】
【００７９】
次に、光学ユニットの第２の実施例について、添付の図８〜図１０及び図１２、そして、以下に示す表４〜表６を用いて、以下に詳細に説明する。
【００８０】
まず、図８は、本実施例２における光線図を示している。即ち、図の下側に配置された画像表示素子４１から射出した光は、複数の屈折レンズを含む第１の光学系４２を通過する。その後、第２の光学系における第１の自由曲面ミラー４３、更には、第２の自由曲面ミラー４４で反射される。そして、平面鏡である背面ミラー４５で反射されて、スクリーン４６に入射される。
【００８１】
ここで、上記第１の光学系は、全て、軸対称な形状の屈折面で構成された共軸光学系であり、かつ、それら屈折面の内の４つは軸対称な非球面で構成され、その他は球面で構成されている。また、ここに用いられた軸対称な非球面は、各面毎のローカルな円筒座標系を用いて、既に上記に示した数式１で表される。
【００８２】
次に、上記第２の光学系を構成する自由曲面は、各面の面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）を用い、Ｘ、Ｙの多項式を含む、既に上記に示した数式２で表わされる。
【００８３】
更に、以下の表４には、本実施例２の光学ユニットを構成するレンズデータを含む数値が示されている。ここでも表４のＳ０〜Ｓ２４は、図１２のＳ０〜Ｓ２４に示された各光学要素の面に対応している。面番号（Surface）は、物面、すなわち映像表示素子の表示面を「０」とし、順次、Ｓ１からＳ２７までが示されており、Ｓ２８は像面、すなわちスクリーン面である。また、上記実施例１と同様に、Ｓ２５は第１の自由曲面ミラー４３の反射面、Ｓ２６は第１の自由曲面ミラー４４の反射面、Ｓ２７は平面反射ミラー４５の反射面を示している。また、この表４においても、Ｒｄは各面の曲率半径を示しており、上記図８では、当該面が左側に曲率中心を有する場合には正の値で、それとは逆の場合には負の値で表わされている。また、表４において、ＴＨは面間距離を示しており、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。なお、この図８においても、当該レンズ面に対して、次のレンズ面が左側にある時には、この面間距離は正の値で、他方、右側にある場合は負の値で表している。また表１と同様に、ｎｄは図１２に示された各レンズ素子の屈折率、νｄはそのレンズ素子のアッベ数を示している。
【００８４】
【表４】
2006154720.tif 000008
【００８５】
また、この表４においても、Ｓ７、Ｓ１５、Ｓ２３及びＳ２４は回転対称な非球面であり、これら４つ面の非球面の係数が、以下の表５に示されている。
【００８６】
【表５】
2006154720.tif 000009
【００８７】
また、上記の表５においても、Ｓ２５とＳ２６とにより上記第２の光学系を構成しており、それぞれ自由曲面形状の反射面となっている。
【００８８】
まず、Ｓ２５（第１の自由曲面ミラー４３）の自由曲面は、そのローカル座標の原点を上記第１の光学系の光軸上にして、Ｓ２４から、表に示す面間距離（ＴＨ）だけ離れた位置に配置される。従って、画像表示素子４１の画面中央から出て第１の光学系４２の光軸上を通過した光線は、Ｓ２５のローカル座標の原点に入射する。また、Ｓ２５のローカル座標のＹ軸とＺ軸は、上記図８の断面内に在り、Ｚ軸は上記中央光線に対して４０度傾けて配置されている。
【００８９】
次に、Ｓ２６面（第２の自由曲面ミラー４４）の自由曲面は、上記Ｓ２５で反射された上記中央光線の経路上で、Ｓ２５から表に示す面間距離（ＴＨ）だけ離れた位置に、そのローカル座標の原点が配置される。このＳ２６のローカル座標のＹ軸とＺ軸も、上記図８の断面内にあり、また、そのＺ軸は第２８に入射する上記中央光線に対して４０度傾けて配置されている。
【００９０】
これら２つの自由曲面の形状を表すための係数の値は、以下の表６に示される。
【００９１】
【表６】
2006154720.tif 000010
【００９２】
以上のように、本実施例２においては、２つの自由曲面ミラー（第１の自由曲面ミラー４３と第２の自由曲面ミラー４４）間の距離は約１８０ｍｍとしているが、台形歪を良好に補正するには、これら２枚の自由曲面ミラーの間隔は１５０ｍｍ以上とすることが望ましい。これは、２つの自由曲面ミラーが近づき過ぎると、両者のパラメーである係数の機能に重複が生じてその歪補正能力が制約されてしまい、台形歪を良好に補正することが出来なくなることによる。
【００９３】
また、第１の光学系４２の画角としては、画像表示素子４１の画面上端から出て当該第１光学系の入射瞳の中央を通過した光線と光軸との成す角度が、１５度以下となるように設定することが望ましい。これによって、上記２枚の自由曲面ミラーの間隔を維持しつつ、かつ自由曲面ミラーの大きさを小さく保つことが可能となる。
【００９４】
さらに、上記表４、表６からは、本実施例２では、曲率ｃとコーニック係数ｋが０となっていることが分かる。これは、斜め入射による台形歪は、斜め入射の方向に極端に大きく発生し、これと異なる垂直方向においては、その歪量は小さい。従って、斜め入射の方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる機能が必要であり、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（即ち、その値を０にする）ことにより、図形歪を良好に補正することが出来る。
【００９５】
また、さらに上記実施例２の光学ユニットにおいては、上記Ｓ２５面の自由曲面ミラーとＳ２６面の自由曲面ミラーとは、そのローカル座標系の座標軸がほぼ平行に配置されており、これによって、歪とスポット形状を良好に補正している。
【００９６】
上述した本実施例２の光学ユニットによる図形歪の状況を、添付の図９により示す。なお、この図９の縦方向（ｙ軸）は上記図８の上下方向と一致しており、その横方向（ｘ軸）は、スクリーン上での上記ｙ軸に垂直な方向、即ち、上記図８の奥行方向を示している。また、この図中に示す長方形の中央が、投写画面の中央である。そして、この図では、投写画面を縦方向に４分割、横方向に８分割した直線の曲がり状態を表示することによって、上記自由曲面ミラー（第２５面のミラー４３と第２６面のミラー４４）による図形歪の補正の状況を示している。
【００９７】
更に、上記実施例２の光学ユニットにより得られたスポットダイアグラムを図１０に示す。なお、この図１０でも、上側から(１)から(８)の数字で示されたスポットダイアグラムの形状が示されている。すなわち、映像表示素子４１の物面上、Ｘ，Ｙ座標の相対値で、（１，１）、（０，１）、（０．６，０．６）、（１，０）、（０，０）、（０．６、−０．６）、（１、−１）、（０、−１）の８点から射出した光束のスポットダイアグラムが、上から順に示されている。また、各スポットダイアグラムの横方向は、スクリーン４６上でのＸ方向、また、その縦方向はスクリーン上でのＹ方向である。
【００９８】
以上から、上記の本実施例２になる光学ユニットも良好な性能を示していることが分かる。
【００９９】
以上述べたように、本実施形態によれば、装置の奥行寸法を非常に小さくしつつ、且つ、その製造も容易な背面投写型カラー映像表示装置を実現できる。なお、上記の説明においては、背面投写型の映像表示装置についてのみ説明した。しかしながら、本実施形態明は、かかる背面投写型のものにのみ限定されるものではない。例えば、上記の光学系（ユニット）において、背面ミラーを取り除き、もって、映像表示素子から自由曲面ミラーまでを一つの装置内に収納する構造とすれば、前面投写型の映像表示装置を得ることができる。よって、装置からスクリーンまでの距離が非常に短くコンパクトで、かつ、斜め入射による台形歪の小さな前面投写型の映像表示装置を実現することが出来る。
【０１００】
ここで、上記において種々説明した投写型映像表示装置に用いる投写光学ユニットについて纏める。まず、本実施形態では、映像表示装置に表示された画像を拡大してスクリーンに対し斜め投写する投写光学ユニットの構成に特徴がある。本投写光学ユニットは、回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズを含む第１の光学系と、該第１の光学系から射出される光束がスクリーンに投写される経路内に配置された１枚又は複数の自由曲面形状を有する反射面を含む第２の光学系と、１枚の平面の反射面とを有する。該映像表示素子はその表示画面の中央が該第１の光学系の光軸上に配置されている。そして、本実施形態は、スクリーン法線と平行な垂直断面において、上記図１に示されるようなスクリーン上端に入射される光線１２の光路長をＬ１、スクリーン下端に入射される光線１３の光路長をＬ２としたとき、Ｌ１とＬ２との差の絶対値｜Ｌ１−Ｌ２｜が該第２光学系の反射鏡を平面とした場合よりも小さくなるように、当該反射鏡を自由曲面形状としたことを特徴としている。
【０１０１】
また、上記自由曲面の反射面の形状は、例えば次のようにされる。すなわち、反射鏡の、第１の光学的距離を持つ光線（例えば図１の光線１２）を反射する部分は、その反射方向に凹を向くように湾曲されて正のパワーを持たせる。また、反射鏡の、第１の光学的距離よりも短い第２の光学的距離を持つ光線（例えば図１の光線１３）を反射する部分は、その反射方向に凸を向くように湾曲されて負のパワーを持たせる。
【０１０２】
更に、本実施形態によれば、上記Ｌ１及びＬ２、スクリーンでの画面の上端から下端までの距離Ｄｖ、該スクリーン画面の中央に入射する光線と該スクリーンの法線との成す角度θが、次の式を満足する投写光学ユニットが提供される。
【０１０３】
｜Ｌ１−Ｌ２｜＜１．２＊sinθ＊Ｄｖ
また、前記の投写光学ユニットにおいて、上記光路長Ｌ１、上記光路長Ｌ２、上記スクリーンでの画面の上端から下端までの距離Ｄｖが、次の条件式を満足すること投写光学ユニットが提供されている。
【０１０４】
｜Ｌ１−Ｌ２｜＞０．４＊Ｄｖ
これによれば、上記自由曲面形状を有する反射面の有効サイズを充分に小さくでき、より製造の容易な投写装置を実現できる。
【０１０５】
さらに、本実施形態に係る投写光学ユニットでは、上記第２光学系は２枚の自由曲面ミラーで構成される。そして、これら自由曲面ミラーの反射面間の、映像表示素子の画面中央から第１光学系の入射瞳の中央を通過する光線に沿った距離は、１５０ｍｍ以上とする。これによって、斜め投写における台形歪を良好に補正することができる。
【０１０６】
さらに、本実施形態に係る投写光学ユニットは、上記垂直断面において、画像表示素子上の画面の上端から出て第１光学系の入射瞳の中央を通過した光線と光軸との成す角度が、１５度以下とされる。これにより、上記自由曲面反射面の大きさを小さくでき、製造の容易な投写装置を実現できる。さらに、本実施形態に係る投写光学ユニットは、該自由曲面形状を有する反射面の形状が、Ｘ、Ｙ座標に対する多項式のみで表わされ、回転対称な形状を発生する係数を用いない。また、本実施形態に係る投写光学ユニットは、本実施形態に係る投写光学ユニットでは、上記第２光学系は２枚の自由曲面ミラーで構成される。そして、これら２枚の面のローカル座標系の各座標軸が、互いにほぼ平行に配置されている。
【０１０７】
上記のような構成により、本実施形態は、斜め投射においてスクリーン上の画像の歪が低減された良好な画質を得つつ、装置の奥行を短縮化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の実施形態に係る投写型映像表示装置において、特に、その投写光学ユニットの基本構成を示す断面図である。
【図２】上記投写光学ユニットにおけるスクリーンへの斜め投写を説明するため、上記図１の一部を拡大して示す一部拡大図である。
【図３】上記投写光学ユニットにおける、斜め入射角度に対する光学奥行の変化を示す図である。
【図４】上記投写光学ユニットにおける、斜め入射角度に対する自由曲面ミラー大きさの変化を示す図である。
【図５】本発明の実施例１に係る投写光学ユニットの構成と光路を示す図である。
【図６】上記実施例１に係る投写光学ユニットにおける歪性能を示す図である。
【図７】上記実施例１に係る投写光学ユニットにおけるスポット性能を示す図である。
【図８】本発明の実施例２に係る投写光学ユニットの構成と光路を示す図である。
【図９】上記実施例２に係る投写光学ユニットにおける歪性能を示す図である。
【図１０】上記実施例２に係る投写光学ユニットにおけるスポット性能を示す図である。
【図１１】共軸光学系の投写レンズをスクリーンに対して傾けて斜め入射させた場合の様子を概念的に示す図である。
【図１２】本実施形態に係る投写レンズの一具体例。
【符号の説明】
【０１０９】
１、２０、３１、４１…画像表示素子
２、２１、３２、４２…第１の光学系
３、４、３３、３４、４３、４４…自由曲面ミラー
５、３５、４５…背面ミラー
６、２７、３６、４６…スクリーン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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