(57)【要約】【課題】  反射型表示素子の近傍にフィールドレンズを配置しても、大きな色収差、像面湾曲が発生せず、投射光学系の結像性能の劣化を抑えて、簡単な構成の投射光学系を備える投射型表示装置を提供する。【解決手段】  ロッドインテグレータ３から出射した光束は、リレーレンズ５−１、５−２、５−３及び２枚以上のレンズで構成されるフィールドレンズ７−１、７−２によって画像表示素子８の表面を照明すると同時にロッド３の射出面が画像表示素子８の表面に結像するように設計されている。画像表示素子８により反射され射出した光は、再びフィールドレンズ７−１、７−２に入射し、投射レンズ９などでスクリーンなどへ投射される。投射レンズは、画像表示素子８に近い側にある全体として正のパワーを持つレンズ群９−１と、スクリーンに近い側にある全体として負のパワーを持つレンズ群９−２から構成されている。【選択図】  図１
2006039032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光束で反射型表示素子を照明する照明光学系と、前記反射型表示素子から反射した光束をスクリーン面に投射する投射光学系からなる投射型表示装置において、
前記照明光学系の中に前記反射型表示素子の近傍にあり、且つ少なくとも２枚のレンズから構成されたフィールドレンズを備え、
前記投射光学系の中にも前記フィールドレンズを備えることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項２】
前記フィールドレンズはそれぞれ正のパワーと負のパワーを持つ２枚のレンズから構成され、正のパワーを持つレンズの屈折率をｎ１、負のパワーを持つレンズの屈折率をｎ２としたとき以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
１．３＜ｎ２＜ｎ１＜２．５
【請求項３】
前記フィールドレンズはそれぞれ正のパワーと負のパワーを持つ２枚のレンズから構成され、正のパワーを持つレンズの分散をν１、負のパワーを持つレンズの分散をν２としたとき以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の投射型表示装置。
２０＜ν２＜ν１＜９５
【請求項４】
前記フィールドレンズはトータルで正のパワーを持つことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の投射型表示装置。
【請求項５】
前記フィールドレンズのレンズ面のうち、少なくとも１つの面が非球面形状であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の投射型表示装置。
【請求項６】
前記フィールドレンズのレンズ面のうち、反射型表示素子側の面が、非球面形状であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の投射型表示装置。
【請求項７】
前記フィールドレンズは前記正のパワーを持つレンズと前記負のパワーを持つレンズを貼り合せたレンズであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の投射型表示装置。
【請求項８】
前記投写光学系は、前記フィールドレンズと、正のパワーを有する第１の反射光学素子、負のパワーを有する第２の反射光学素子から構成されることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の投射型表示装置。
【請求項９】
前記第１及び第２の反射光学素子の反射面形状は自由曲面形状であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の投射型表示装置。
【請求項１０】
前記反射型表示素子面での光束の主光線は略平行であることを特徴とする請求項１から９記載のいずれかに記載の投射型表示装置。
【請求項１１】
前記反射型表示素子面の法線と主光線のなす角度をθとすると５度≦θ≦１５度であることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源からの光束で反射型表示素子を照明する照明光学系と、前記反射型表示素子から反射した光束をスクリーン面に投射する投射光学系を有する投射型表示装置に関し、特に、フィールドレンズを使用したプロジェクターに有効な技術である。
【背景技術】
【０００２】
フィールドレンズを用いた従来の投射型表示装置について以下に説明する。
透過型あるいは反射型の表示素子を備えた投射型の表示装置（以下、プロジェクターという）には、赤、青、緑に対してそれぞれ表示素子を有する３板式プロジェクターと、１枚のみの表示素子を使用する単板式プロジェクターのタイプがある。
【０００３】
これらのタイプのうち、コンパクトなタイプは単板式プロジェクターであるが、この単板式プロジェクターの中で現在一般的な物の一つがテキサスインスツルメンツ社の開発した反射型表示素子であるＤｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏ  Ｍｉｒｒｏｒ  ＤｅｖｉｃｅＴＭ（以下、ＤＭＤという）を使用したＤｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  ＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴＭ（以下、ＤＬＰ方式という）と呼ばれるものである。
【０００４】
ＤＭＤは、図４８に示すように、ヒンジで回転可能に軸支された角１３．７μｍあるいは角１６．２μｍのマイクロミラー８０、８１を縦横に必要な解像度数分並び備え、この微小なマイクロミラー８０、８１を水平位置から±１２°（または±１０°）の２値の間の角度で揺動させる。このマイクロミラーが＋１２度の場合には入射光束は図４８のマイクロミラー８０の角度に規制されているため投射レンズに取り込まれ、スクリーン上に投影され白表示となる。しかしながら−１２度の場合には入射光束は図４８のマイクロミラー８１の角度に規制されているため、投射レンズ外に反射され光吸収板１０に吸収される。このときスクリーン上には光は投影されないため黒表示となる。
【０００５】
したがってマイクロミラー８０、８１を高速動作させ、投射レンズに光を入射させる回数を変えることにより、投射レンズに入る光の積分量に応じてスクリーン上を見る人の目の中で明るさが時間積分されるため、画素があたかもある明るさで光っているように見え、階調のある画像を形成することができる。
【０００６】
単板式でＤＬＰ方式のプロジェクターの光学系において、特に小型化を目的とした光学系の構成として、フィールドレンズを用いたものがある。
【０００７】
これは図４９に示すように、楕円リフレクター２の一方の焦点部に白色光を発する超高圧水源ランプ等からなるランプを配置した光源部１と、楕円リフレクター２のもう一方の焦点部に集光されたランプの２次光源像を取り込んで内面反射を繰り返すことにより、射出面における面内の輝度ムラを低減させる効果を持つロッドインテグレータ３と、このロッドインテグレータ３の入射面近傍に配置され、円板の中心から所定の角度で赤、青、緑の光を透過するダイクロイックコートを３分割して蒸着した円板形のガラス板をモータで回転させることにより、光源部からの白色光を光の３原色である赤、青、緑に時分割するカラーホイール４と、ロッドインテグレータ３の出射側端面を画像表示素子８の表面に結像する少なくとも１枚以上のリレーレンズ５−１、５−２、５−３と、光束の方向を変更するミラー部６と、リレーレンズからの発散光を画面表示素子であるＤＭＤ部８に集め、光束の主光線を平行にし（以下テレセントリックという）ＤＭＤ部８で反射後再度透過することによって再び光束を絞る役割をするフィールドレンズ７と、微細なマイクロミラーの角度を２値の間で高速揺動することにより階調を表現して画像を形成するＤＭＤ部８と、このＤＭＤ部８に表示される画像をスクリーン面に拡大する投射レンズ９とから構成されたタイプが知られている。
【０００８】
上記光学系ではフィールドレンズ７によりフィールドレンズ７前後の光束径を小さくすることができ、これにより照明光学系、投射光学系の小型化が可能になっている。
ここでＤＭＤ部８は、前記カラーホイール４により時分割された赤、青、緑の光に対応した画像を表示する。この画像表示は、高速で行われるので、人間の目の残像現象が脳で合成され、１つの画像として知覚されることとなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来のＤＬＰシステムの光学系ではフィールドレンズ１枚のみの構成であり、そのフィールドレンズによって大きな色収差、像面湾曲が発生するため、その後のレンズ系で補正する必要があった。そのためその後のレンズ系には複雑な投射光学系が必要になった。
【００１０】
本発明の目的は、反射型表示素子の近傍にフィールドレンズを配置しても、大きな色収差、像面湾曲が発生せず、投射光学系の結像性能の劣化を抑えて、簡単な構成の投射光学系を備える投射型表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、光源からの光束で反射型表示素子を照明する照明光学系と、前記反射型表示素子から反射した光束をスクリーン面に投射する投射光学系からなる投射型表示装置において、前記照明光学系の中に前記反射型表示素子の近傍にあり、且つ少なくとも２枚のレンズから構成されたフィールドレンズを備え、前記投射光学系の中にも前記フィールドレンズを備えることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記投射型表示装置において、前記フィールドレンズはそれぞれ正のパワーと負のパワーを持つ２枚のレンズから構成され、正のパワーを持つレンズの屈折率をｎ１、負のパワーを持つレンズの屈折率をｎ２としたとき以下の条件式を満たすことを特徴とする。
１．３＜ｎ２＜ｎ１＜２．５
【００１３】
また本発明は、前記投射型表示装置において、前記フィールドレンズはそれぞれ正のパワーと負のパワーを持つ２枚のレンズから構成され、正のパワーを持つレンズの分散をν１、負のパワーを持つレンズの分散をν２としたとき以下の条件式を満たすことを特徴とする。
２０＜ν２＜ν１＜９５
【００１４】
また本発明は、前記投射型表示装置において、前記フィールドレンズはトータルで正のパワーを持つことを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、前記投射型表示装置において、前記フィールドレンズのレンズ面のうち、少なくとも１つの面が非球面形状であることを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、前記投射型表示装置において、前記フィールドレンズのレンズ面のうち、反射型表示素子側の面が、非球面形状であることを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、前記投射型表示装置において、前記フィールドレンズは前記正のパワーを持つレンズと前記負のパワーを持つレンズを貼り合せたレンズであることを特徴とする。
【００１８】
また本発明は、前記投射型表示装置において、前記投写光学系は、前記フィールドレンズと、正のパワーを有する第１の反射光学素子、負のパワーを有する第２の反射光学素子から構成されることを特徴とする。
【００１９】
また本発明は、前記投射型表示装置において、前記第１及び第２の反射光学素子の反射面形状は自由曲面形状であることを特徴とする。
【００２０】
また本発明は、前記投射型表示装置において、前記反射型表示素子面での光束の主光線は略平行であることを特徴とする。
【００２１】
また本発明は、前記投射型表示装置において、前記反射型表示素子面の法線と主光線のなす角度をθとすると５度≦θ≦１５度であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、照明光学系の中の反射型表示素子の近傍にあり、且つ少なくとも２枚のレンズから構成されたフィールドレンズと、投射光学系の中にあるフィールドレンズとを備えるので、像面湾曲と倍率色収差を低減でき、コンパクトな投射光学系を構成することが可能になる。
【００２３】
また、本発明によれば、フィールドレンズはそれぞれ正のパワーと負のパワーを持つ２枚のレンズから構成され、レンズの屈折率や分散を所定の条件を満たすようにしたり、レンズ面を非球面形状にすることで、像面湾曲や色収差を低減させることができる。
【００２４】
また、本発明によれば、上記ダブレットフィールドレンズと、ミラーなどの反射光学素子と組み合わせることによって、少ない構成部品でコンパクトな投射光学系を作ることが可能となる。また、ミラーによる反射光学系で起こる像面湾曲およびフィールドレンズで発生する倍率色収差を補正するようなダブレットフィールドレンズと曲面ミラーを配置することにより、コンパクトで収差の少ない投射光学系を構成することが可能になる。
【００２５】
また、本発明によれば、反射型表示素子面での光束の主光線は略平行であるので、画像表示素子面内にあたる光の角度がほぼ均一であるため、画像面内のコントラストムラを排除できる。また、照明光学系から反射型表示素子に入射する光の角度を５度から１５度程度つけることによって、結像性能劣化を低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００２７】
図１は、本発明に係る投射型表示装置の光学系の要部を示した概略図である。
通常超高圧水銀ランプや、メタルハライドランプなどが用いられている光源１は、楕円リフレクター２の一方の焦点に配置されており、そこから発した光は楕円リフレクター２のもう一方の焦点に集光し、そこに２次光源が生成される。
この２次光源を取り込むようにロッドインテグレータ３の入射面が配置される。ロッドインテグレータ３に入射した光束は、ロッドインテグレータ３の射出面では輝度ムラが改善されている。
【００２８】
ロッドインテグレータ３から出射した光束は、リレーレンズ５−１、５−２、５−３及び２枚以上のレンズで構成されるフィールドレンズ７−１、７−２によって画像表示素子８の表面を照明すると同時にロッド３の射出面が画像表示素子８の表面に結像するように設計されている。
ここで画像表示素子８の表面を照明する光束の主光線は略平行であるのがよい。
主光線が略平行であれば、画像表示素子面内にあたる光の角度がほぼ均一であるため、画像面内のコントラストムラを排除できるからである。
画像表示素子８には反射型表示素子を用いることができ、例えばＤＭＤ素子、ＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｉｓｔａｌ  ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）などが利用できる。
図１ではＤＭＤ素子について説明をしている。
【００２９】
画像表示素子８により反射され射出した光は、再びフィールドレンズ７−１、７−２に入射し、投射レンズ９などでスクリーンなどへ投射されるのが通常である（図に記載無し）。
ここでフィールドレンズ７−１、７−２を透過した光は、フィールドレンズの焦点位置近傍で集光されるため、照明光学系と投射光学系の両方のサイズを小さくすることができるという利点がある。これにより、コンパクトで輝度ムラの少ない照明光学系が提供される。
【００３０】
またプロジェクターには通常レトロフォーカスタイプと呼ばれる投射レンズが用いられている。これは図２に示すように画像表示素子８に近い側にある全体として正のパワーを持つレンズ群９−１と、スクリーンに近い側にある全体として負のパワーを持つレンズ群９−２から構成されている。これは図から分かるように、画像表示側の主点位置Ｈが画像表示側に近くなるので、バックフォーカスｓ´（投射レンズの最も画像表示素子に近い側のレンズ９−１から画像表示素子８の表面までの距離）を長くするのに有利なレンズタイプであり、バックフォーカス内に光学部品が入ることが多いプロジェクターに適した投射光学系である。
【００３１】
ここでフィールドレンズにより発生する収差が、結像性能に与える影響について以下に示す。フィールドレンズは結像面近傍に置かれるが、上記記載のように光学系のコンパクト化を目的としている場合は、フィールドレンズはトータルとして正のパワーを持つことになる。
【００３２】
図３に理想レンズで作成したレトロフォーカスレンズ９−１，９−２にフィールドレンズ７を１枚入れたときの光学系の構成図を、またそのときの倍率色収差を図４、像面湾曲を図５に示す。また光学データを図６に示す。
理想レンズ９−１，９−２では像面湾曲・倍率色収差は発生しないが、フィールドレンズ７が入ることにより倍率色収差・像面湾曲が増大していることがわかる。
【００３３】
以下、像面湾曲及び倍率色収差についての説明をする。
光軸を含む光束を用いる光学系において、正のパワーを持つレンズが画像表示素子面の近傍に置かれることによって、像面は図７に示すように画角が大きい部分がレンズ側に倒れる方向の曲面となる。逆に負のパワーを持つレンズが配置されると逆に像面は画角が大きい部分がレンズとは反対側に倒れる方向の曲面となる。この性質を像面湾曲と呼ぶ。
【００３４】
投射光学系全体を考えたとき、全光学系では正のパワーを持つため像面は像高が高い部分がレンズ側に倒れる方向の曲面となるため、フィールドレンズとしては負の形状にしたほうが全光学系の像面湾曲を減らすためには有効である。しかしながら本発明のフィールドレンズは正のパワーを持つため、全体の像面湾曲を増やす方向に作用してしまう。そのためフィールドレンズによって発生した像面湾曲も、それ以降のレンズ系で取り除く必要が生じてしまう。
【００３５】
ここで実際のレンズ系の像面湾曲を減らすためには、使用されているレンズ系の屈折面をｋ個、ｉ面のレンズ系の曲率半径をｒｉ、屈折率をｎｉとしたとき、以下の式のＰを小さくするようにレンズの曲率半径と屈折率を決定するのが良いということが知られている。
【００３６】
【数１】
2006039032.tif 000003
【００３７】
上式を屈折面におけるペッツバールの法則といい、Ｐの値をペッツバール和という。上式より正のパワーを持つレンズ（凸レンズ）は正の値を、負のパワーを持つレンズ（凹レンズ）は負の値のペッツバール和が発生させることがわかる。また上式は構成単レンズを薄肉レンズとした場合、以下の式になる。
【００３８】
【数２】
2006039032.tif 000004
【００３９】
これより、全体として正のパワーを持つフィールドレンズによって発生する像面湾曲を低減させるためには、フィールドレンズを複数枚にし、正のパワーを持つレンズには高屈折率硝材負のパワーを持つレンズには低屈折率硝材を用いることにより像面湾曲を低減させることができることがわかる。
【００４０】
すなわち正のパワーを持つレンズの屈折率をｎ１、負のパワーを持つレンズの屈折率をｎ２とすると、ｎ１＞ｎ２であることが必要である。またガラスやプラスチックなどの屈折率の分布を考慮すると、
２．５＞ｎ１＞ｎ２＞１．３
の範囲で設計したほうが良い。
またガラスは波長に応じて屈折率が異なり、短波長側のほうが高屈折率であるという性質（分散）を持つため、正のパワーを持つ凸レンズが入ると、短波長側が近くに長波長側は遠くに結像することとなる。
【００４１】
図８に示すように画角が大きくなるとこの現象が倍率に影響するため、短波長側よりも長波長側のほうが、結像倍率が大きくなる。これによって画像周辺部で色ずれが起こる現象を倍率色収差という。
【００４２】
ここでレンズにより発生する色収差を低減するためには、正のパワーを持ち分散の小さいレンズと負のパワーを持ち分散の大きいレンズ２枚のフィールドレンズを組み合わせればよいことが知られている。
【００４３】
具体的には、正レンズの焦点距離をｆ１、アッベ数（分散の度合いを表す）をν１、負レンズの焦点距離をｆ２、分散度合いを表すアッベ数をν２としたとき、以下の関係が成り立つように硝材と焦点距離を決定すればよい。
【００４４】
【数３】
2006039032.tif 000005
【００４５】
また合成焦点距離をｆとしたとき以下の関係が成り立つことが知られている。
【００４６】
【数４】
2006039032.tif 000006
【００４７】
ここで上記２式より、以下の式が導出される。
【００４８】
【数５】
2006039032.tif 000007
【００４９】
フィールドレンズ部の合成焦点距離ｆは正であるとすると、ｆ１＞０、ｆ２＜０とすれば、ν１＞ν２となる。また実用的なガラスのアッベ数の分布より、９５＞ν１＞ν２＞２０の範囲内で決定したほうが良い。
【００５０】
上記したｆ１＞０、ｆ２＜０、ν１＞ν２、ν１＞ν２とした条件のフィールドレンズを用いたときと、フィールドレンズ無しのときと、１枚のフィールドレンズを用いたときの実際の投影レンズの構成図を図９〜図１１に、倍率色収差の比較を図１２に、像面湾曲の比較を図１３に示す。
【００５１】
またフィールドレンズ無し、１枚、２枚のときの光学データを図１４〜図１６に示す。尚、２枚のレンズによって構成された組レンズのことをダブレットレンズといい、以下ダブレットレンズと記載する。
また図９ではダブレットレンズ７−１，７−２は接合されているが、必ずしも接合する必要は無い。但し接合をしない場合は界面反射によるゴーストが発生しやすくなる、２枚のレンズの光軸合わせをする必要があるなどの問題点がある。
【００５２】
図１２、図１３を見ると、１枚のフィールドレンズ７によって悪化していた色収差および像面湾曲はフィールドレンズ無での性能と同等或いはそれ以上に低減できていることがわかる。
但し、本発明ではフィールドレンズは投射光学系の１部として用いられると同時に、照明光学系の１部としても用いられるため、照明光学系で用いられるときの影響も考慮する必要がある。
【００５３】
照明光学系の性能としては、面内の照明ムラと光の有効利用効率が重要となる。
上記項目については、ＤＭＤ８の表面での結像スポットダイアグラムの面内のムラとＤＭＤ８の表面を照明する照明光の像の歪によって引き起こされるため、照明光学系としては、これらの性能を確保することが重要となる。
【００５４】
前述したとおり照明光学系はロッドインテグレータ３の出射面を、ＤＭＤ８の表面に結像しているが、このときＤＭＤ８の表面への照明光は斜めから入ることになる。このため結像面に対する距離が対角方向で変わるため、対角方向で、近い部分の対角が小さく遠い部分の対角が大きくなるような像の歪が発生することになる。
【００５５】
上記条件で設計した１枚のフィールドレンズとダブレットフィールドレンズを照明光学系に使用したときの光学系の構成図を図１７、図１８に、照明光学系のＤＭＤ面での像の歪を図１９（ａ），（ｂ）に、面内のスポットダイアグラムを図２０（ａ），（ｂ）に示す。またこのときの光学データを図２１、図２２に示す。
これを比較すると、ＤＭＤ８の表面の結像スポットサイズと対角方向の歪はほぼ同等であり、照明光学系については性能改善はできていないことがわかる。
【００５６】
次に、図２３、図２４に示すように、それぞれ１枚のフィールドレンズ７とダブレットフィールドレンズ７−１，７−２を用いた投影光学系において、フィールドレンズのＤＭＤ素子側の面を非球面化したときの投射光学系の像面湾曲を図２５、図２６に、倍率色収差を図２７、図２８に示す。このときの光学データを図２９、図３０に示す。
【００５７】
これによると１枚のフィールドレンズ７では入射面を非球面化しても大きな効果は得られないことが分かる。しかしながらダブレットのフィールドレンズ７−１、７−２を非球面化したものでは、非球面化していないダブレットフィールドレンズに対して像面湾曲と倍率色収差が大きく低減できていることが分かる。このときダブレットフィールドレンズの非球面形状は、双曲面形状になっている。
【００５８】
また１面を非球面化したダブレットフィールドレンズを照明光学系に使用したときの、照明光学系構成図を図３１に、像の歪を図３２に、面内のスポットダイアグラムを図３３に示す。このときの光学データを図３４に示す。
これより斜め光を入れたときの像の歪の補正に第１面の非球面が非常に大きな寄与をしていることが分かる。
【００５９】
１枚のフィールドレンズ、ダブレットフィールドレンズ、１面を非球面化したダブレットフィールドレンズの３種類につき、照明光学シミュレーションを行ったときのＤＭＤ面の照明ムラのデータを図３５から図３７に、光利用効率のデータを図３８に示す。
【００６０】
これより１面を非球面化したダブレットフィールドレンズの像の歪補正、スポットダイアグラムの改善が光利用効率、照明ムラを大きく改善していることが分かる。更にフィールドレンズの枚数を増やすことによって性能を上げることは可能であるが、サイズとコストが増大してしまうという不利な点もある。
【００６１】
上記ダブレットフィールドレンズは単体で収差補正がされているため、ミラーなどの反射光学素子と組み合わせることによって少ない構成部品でコンパクトな投射光学系を作ることが可能となる。ミラーなどの反射光学素子での反射では、屈折光学素子であるレンズとは異なり分散がなく、また前述したように屈折率の差を用いて像面湾曲の補正をするといったことができないからである。
【００６２】
ここで反射光学素子でのペッツバール和について以下に記載する。
図３９においてＣを中心とする単一球面である反射面Ｒの曲率半径をｒ、物体面をＯ、Ｒに対するＯの軸上共役点Ｉ、ＣからＯまでの距離をｌ、ＣからＩまでの距離をｌ´とした場合、図から分かるように以下の条件が成立している。
ｌ＝ｓ−ｒ  、ｌ´＝ｓ´−ｒ
また反射面に対する結像関係は以下の式で示される。
【００６３】
【数６】
2006039032.tif 000008
【００６４】
上２式より、以下の式が成り立つ。
【００６５】
【数７】
2006039032.tif 000009
【００６６】
物体面が平面であるとき、右辺が像面湾曲を表すことが分かる。光学系のすべての反射面の像面湾曲の合計がペッツバール和となるため、反射光学系のペッツバール和Ｐは以下の式で示される。
【００６７】
【数８】
2006039032.tif 000010
【００６８】
光軸を含む光束を用いた光学系において、像面湾曲を小さくするためには、ｐを０に近づける必要がある。また上式は凸ミラーと凹ミラーの組み合わせによりペッツバール和を低減できることを示している。しかしながら同時に反射面の枚数が少ないと、ペッツバール和を低減するのが困難となる。枚数を３枚、４枚と増やしていくと反射面間に距離が必要であるためミラーサイズの大型化を招き投射光学系が大型化してしまう。
このためミラーによる反射光学系で起こる像面湾曲およびフィールドレンズで発生する倍率色収差を補正するようなダブレットフィールドレンズと曲面ミラーを配置することにより、コンパクトで収差の少ない投射光学系を構成することが可能になる。
【００６９】
図４０に、１面を非球面としたダブレットフィールドレンズと曲面ミラー２枚を用いた反射型投射光学系の１例を、図４１に曲面ミラー２枚のみを用いた光学系の構成図を示す。また光学データを図４２、図４３、図４４に示す。
【００７０】
図４２〜図４４よりペッツバール和を計算すると曲面ミラー２枚のみの反射型投射光学系でのペッツバール和は０．０１２、ダブレットフィールドレンズと曲面ミラー２枚を用いた反射型投射光学系では０．００６となっており大きくペッツバール和を改善できていることが分かる。
【００７１】
このときの像面湾曲の比較を図４５に、倍率色収差の比較を図４６に示す。
これによると曲面ミラー２枚のみの投射光学系に対して、非球面ダブレットフィールドレンズと曲面ミラー２枚を用いた投射光学系では、サジタル像面とタンジェンシャル像面を近づけることが可能になっており、像面湾曲も補正されている。また、色収差の補正も非球面ダブレットフィールドレンズにより改善されている。この構成により単純でコンパクトな光学系を構成できることが分かる。
【００７２】
また反射型光学系ではミラーの角度をあおると、結像性能の劣化が大きいためなるべくミラーのあおり角を小さくしたい。そのため上記光学系では照明光学系から反射型表示素子に入射する光の角度を５度から１５度程度つけることによって、結像性能劣化を低減させている。
【００７３】
尚、ここで２枚の曲面ミラーはＺＥＲＮＩＫＥの多項式と呼ばれる自由曲面形状であり、その形状は以下の式で与えられている。
【００７４】
【数９】
2006039032.tif 000011
【００７５】
また、ｚｉ（ρ，ψ）は図４７の通り与えられる。
尚、図３９、図４０から分かるように、画像の対象性を保つために、ｉ＞３以上の奇数項の係数Ａｉは０としている。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明に係る投射型表示装置の光学系の要部を示した概略図である。
【図２】レトロフォーカスレンズの原理図である。
【図３】理想レンズとフィールドレンズ１枚の光学系構成図である。
【図４】１枚のフィールドレンズで発生する画像表示面での倍率色収差量を示す図である。
【図５】１枚のフィールドレンズで発生する画像表示面での像面湾曲量を示す図である。
【図６】理想レンズとフィールドレンズ１枚で構成された投射光学系光学データである。
【図７】正のパワーを持つレンズでの像面湾曲の発生を示す原理図である。
【図８】正のパワーを持つレンズでの色収差の発生を示す原理図である。
【図９】ダブレットフィールドレンズと屈折光学系での投射光学系構成図である。
【図１０】屈折光学系のみでの投射光学系構成図である。
【図１１】１枚フィールドレンズと屈折光学系での投射光学系構成図である。
【図１２】投射型屈折光学系とフィールドレンズの組み合わせでの画像表示面での倍率色収差比較図である。
【図１３】投射型屈折光学系とフィールドレンズの組み合わせでの画像表示面での像面湾曲量比較図である。
【図１４】ダブレットフィールドレンズと屈折光学系で構成された投射光学系光学データである。
【図１５】屈折光学系のみで構成された投射光学系光学データである。
【図１６】１枚フィールドレンズと屈折光学系で構成された投射光学系光学データである。
【図１７】１枚フィールドレンズを用いた照明光学系構成図である。
【図１８】ダブレットフィールドレンズを用いた照明光学系構成図である。
【図１９】フィールドレンズを用いた照明光学系での照明光の歪を示す図である。
【図２０】フィールドレンズを用いた照明光学系でのスポットダイアグラムである。
【図２１】１枚フィールドレンズを用いた照明光学系光学データである。
【図２２】ダブレットフィールドレンズを用いた照明光学系光学データである。
【図２３】１面を非球面化した１枚フィールドレンズと屈折光学系での投射光学系構成図である。
【図２４】１面を非球面化したダブレットフィールドレンズと屈折光学系での投射光学系構成図である。
【図２５】投射型屈折光学系と１面を非球面化した１枚フィールドレンズの組み合わせでの画像表示面での像面湾曲量を示す図である。
【図２６】投射型屈折光学系と１面を非球面化したダブレットフィールドレンズの組み合わせでの画像表示面での像面湾曲量を示す図である。
【図２７】投射型屈折光学系と１面を非球面化した１枚フィールドレンズの組み合わせでの画像表示面での像面湾曲量を示す図である。
【図２８】投射型屈折光学系と１面を非球面化したダブレットフィールドレンズの組み合わせでの画像表示面での像面湾曲量を示す図である。
【図２９】１面を非球面化した１枚フィールドレンズと屈折光学系で構成された投射光学系光学データである。
【図３０】１面を非球面化したダブレットフィールドレンズと屈折光学系で構成された投射光学系光学データである。
【図３１】１面を非球面化したダブレットフィールドレンズを用いた照明光学系構成図である。
【図３２】１面を非球面化したダブレットフィールドレンズを用いた照明光学系での照明光の歪を示す図である。
【図３３】１面を非球面化したダブレットフィールドレンズを用いた照明光学系でのスポットダイアグラムである。
【図３４】１面を非球面化したダブレットフィールドレンズを用いた照明光学系光学データである。
【図３５】１枚フィールドレンズを用いた照明光学系でのＤＭＤ面の照明ムラを示す図である。
【図３６】ダブレットフィールドレンズを用いた照明光学系でのＤＭＤ面の照明ムラを示す図である。
【図３７】１面を非球面化したダブレットフィールドレンズを用いた照明光学系でのＤＭＤ面の照明ムラを示す図である。
【図３８】照明光学系とフィールドレンズの組み合わせでの光利用効率比較したデータである。
【図３９】反射光学系でのペッツバール和の算出のための基本構成図である。
【図４０】１面を非球面化したダブレットフィールドレンズと２枚の曲面ミラーでの投射光学系構成図である。
【図４１】２枚の曲面ミラーのみでの投射光学系構成図である。
【図４２】１面を非球面化したダブレットフィールドレンズと２枚の曲面ミラーで構成された投射光学系光学データである。
【図４３】図４２に続く１面を非球面化したダブレットフィールドレンズと２枚の曲面ミラーで構成された投射光学系光学データである。
【図４４】２枚の曲面ミラーのみで構成された投射光学系光学データである。
【図４５】１面を非球面化したダブレットフィールドレンズ有無の投射型光学系でのスクリーン面での像面湾曲量の比較図である。
【図４６】１面を非球面化したダブレットフィールドレンズと２枚の曲面ミラーでのスクリーン面での倍率色収差図である。
【図４７】ｚｉ（ρ，ψ）の関数を示す図である。
【図４８】ＤＭＤの原理図である。
【図４９】従来例の基本構成図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  光源
２  楕円リフレクター
３  ロッドインテグレータ
４  カラーホイール
５−１  リレーレンズ１
５−２  リレーレンズ２
５−３  リレーレンズ３
６  ミラー
７  フィールドレンズ
７−１  フィールドレンズ１
７−２  フィールドレンズ２
８  画像表示素子
８１  ＤＭＤ素子上で＋１２度に傾斜しているマイクロミラー
８２  ＤＭＤ素子上で−１２度に傾斜しているマイクロミラー
９  投射レンズ
９−１  正のパワーを持つレンズ群
９−２  負のパワーを持つレンズ群
１０  曲面ミラー
１０−１  曲面ミラー１
１０−２  曲面ミラー２
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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