(57)【要約】      （修正有）【課題】投写距離の短縮化（広角化）と投写光学系の小形化を実現した投写型映像表示装置を提供すること。【解決手段】投写光学系１は、映像表示素子８に対して光の進行方向に配置され、複数のレンズを含むレンズ群１０と、レンズ群１０に対して光の進行方向に配置される第１のレンズ１１と、第１のレンズに対して光の進行方向に配置される第２のレンズ１２と、第２のレンズ１２から出射される光を反射してスクリーン上に傾斜して投写するミラー１３と、を備え、レンズ群１０のうち第１のレンズ１１に最も近いレンズ１００は、当該第１のレンズ１１の方向に凸面を向けたメニスカスレンズであり、第１のレンズ１１は、第２のレンズ１２の方向に凸面を向けたメニスカスレンズであり、第２のレンズ１２は、ミラー１３の方向に凸面を向けたメニスカスレンズである。【選択図】図１
2011253024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像表示素子に対して光の進行方向に配置され、複数のレンズを含むレンズ群と、
前記レンズ群に対して光の進行方向に配置される第１のレンズと、
前記第１のレンズに対して光の進行方向に配置される第２のレンズと、
前記第２のレンズから出射される光を反射してスクリーン上に傾斜して投写するミラーと、を備え、
前記レンズ群のうち前記第１のレンズに最も近いレンズは、当該第１のレンズの方向に凸面を向けたメニスカスレンズであり、
前記第１のレンズは、前記第２のレンズの方向に凸面を向けたメニスカスレンズであり、
前記第２のレンズは、前記ミラーの方向に凸面を向けたメニスカスレンズである、投写型映像表示装置。
【請求項２】
前記第１及び第２のレンズは自由曲面レンズであり、
前記ミラーは自由曲面ミラーである、請求項１記載の投写型映像表示装置。
【請求項３】
前記レンズ群のうち前記第１のレンズに最も近いレンズの屈折力は負であり、
前記第１のレンズの屈折力は正であり、
前記第２のレンズの屈折力は負である、請求項１又は２に記載の投写型映像表示装置。
【請求項４】
前記ミラーが反射した光束のうち前記第２のレンズに最も近い位置を通過する光束と、前記第２のレンズの出射側面とが、略平行な関係にある、請求項１乃至３何れか一に記載の投写型映像表示装置。
【請求項５】
前記第１のレンズと前記第２のレンズの間の空間にできる空気レンズの形状が、前記ミラーの方向に凸面を向けたメニスカスレンズ形状である、請求項１乃至３何れか一に記載の投写型映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投写型映像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術において、自由曲面レンズ２枚と自由曲面ミラー１枚を用いた投写光学系１（図９）が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
図１０は、図９の投写光学系１で物面（映像表示素子面）から像面までの光線を一緒に示した光線図である。図１１（Ａ）は自由曲面ミラー１３での反射前後での光束に着目したＹＺ断面での光線図、（Ｂ）は自由曲面ミラー１３までの光路のＸＺ断面での光線図である。図１２は、光線追跡の条件となる物点（像点）配置の説明図である。図１２では、計１０点の物点を設け、各物点からの光線を表示している。  
【特許文献１】特開２００９−１０９８６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術（図１０）によれば、自由曲面レンズ１１、１２と自由曲面ミラー１３を用いた投写光学系により、短い投写距離で大きな投写像が得られている（物面（映像表示素子面）から自由曲面ミラー１３の光軸までの距離３２７．６ｍｍ、自由曲面ミラー１３の光軸から像面までの距離５６７ｍｍ、８０インチの像）。しかし、更なる投写距離の短縮化と投写光学系の小形化が求められている。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、更なる投写距離の短縮化（広角化）と投写光学系の小形化を実現した投写型映像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。
【０００７】
当該投写型映像表示装置は、映像表示素子に対して光の進行方向に配置され、複数のレンズを含むレンズ群と、レンズ群に対して光の進行方向に配置される第１のレンズと、第１のレンズに対して光の進行方向に配置される第２のレンズと、第２のレンズから出射される光を反射してスクリーン上に傾斜して投写するミラーと、を備え、レンズ群のうち第１のレンズに最も近いレンズは、当該第１のレンズの方向に凸面を向けたメニスカスレンズであり、第１のレンズは、第２のレンズの方向に凸面を向けたメニスカスレンズであり、第２のレンズは、ミラーの方向に凸面を向けたメニスカスレンズである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、更なる投写距離の短縮化（広角化）と投写光学系の小形化を実現した投写型映像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例の投写光学系の構成図。
【図２】実施例の投写光学系の光線図。
【図３】実施例の自由曲面ミラーによる反射光路を表す要部の光線図。
【図４】実施例の曲率半径や面間距離等のレンズデータの図。
【図５】実施例の自由曲面式と自由曲面係数の図。
【図６】実施例の非球面係数及び奇数次多項式非球面の係数の図。
【図７】実施例のスポット図。
【図８】実施例の歪曲性能図。
【図９】従来例の投写光学系の構成図。
【図１０】従来例の投写光学系の光線図。
【図１１】従来例での自由曲面ミラーによる反射光路を表す要部の光線図。
【図１２】光線追跡の条件となる物点（像点）配置の説明図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図１から図８の図面を用いて、実施例について説明する。
【００１１】
図１は、投写光学系１の構成図である。投写光学系１では、光の進行方向に、映像表示素子８、換算フィルタ９、屈折作用を有し複数のレンズを含む同軸系のレンズ群１０、正の屈折力を有する第１の自由曲面レンズ１１、負の屈折力を有する第２の自由曲面レンズ１２、自由曲面ミラー１３、の順に配置されている。尚、自由曲面とは、例えば、回転非対称な曲面を示す。
【００１２】
ここで、自由曲面レンズの屈折力は、レンズ群１０の光軸に近い主光線が該当の自由曲面レンズを通過する通過距離よりも、光軸から遠い側の主光線の通過距離が小さい場合を正の屈折力、逆に、レンズ群１０の光軸に近い側の主光線が該当の自由曲面レンズを通過する通過距離よりも、光軸から遠い側の主光線の通過距離が大きい場合を負の屈折力と定義する。尚、レンズ光軸と同じ光線の場合、通過距離はレンズの中心厚に等しくなる。
【００１３】
レンズ群１０のうち、最も第１の自由曲面レンズ１１の近くに配置されているレンズ１００と、第１の自由曲面レンズ１１と、第２の自由曲面レンズ１２は、光の進行方向側に凸面を向けたメニスカスレンズ形状となっている。
第１の自由曲面レンズ１１は、ＹＺ断面及びＸＺ断面においても、光軸側より光軸から離れた外側でレンズ厚が薄い正の屈折力となっている。
【００１４】
第２の自由曲面レンズ１２は、ＹＺ断面及びＸＺ断面においても、光軸側より光軸から離れた外側でレンズ厚が厚い負の屈折力となっている。
【００１５】
図２は、投写光学系１の光線図である。
【００１６】
投写光学系１では、自由曲面ミラー１３の光軸から像面までの距離５００ｍｍ、且つ、物面（映像表示素子面）から自由曲面ミラー１３の光軸までの距離２００．６ｍｍで８０インチの像を実現している。即ち、本実施例は、従来技術の投写光学系を示す図１０と比較して、投写距離の短縮化と投写光学系１の小形化を実現している。
【００１７】
尚、本実施例では、自由曲面ミラー１３の光軸とは、図４における第２７面からレンズ群１０の光軸上を74.186mm進んだ場所で、Ｙ軸上を39.38mm上がった場所を示すが、レンズデータの取り方次第で位置が変わることはいうまでもない。
【００１８】
図３は、自由曲面ミラー１３による反射光路を表す要部の光線図である。レンズ１００と、自由曲面ミラー１３で反射した光線の間の略三角形状の空間に、第１の自由曲面レンズ１１と、第２の自由曲面レンズ１２が配置されている。
【００１９】
ところで、この投写光学系１は自由曲面ミラー１３で光路を折り返しているので、自由曲面ミラー１３で反射した光束が、投写光学系１自身、例えば、自由曲面レンズ１２に照射すると、像に影が生じて問題となる。しかし、上方へ伸びた第２の自由曲面レンズ１２のコバ部を避けるために、自由曲面ミラー１３で反射した光束は、第２の自由曲面レンズ１２のかなり上方を通過しているため、当該問題を回避している。尚、自由曲面ミラー１３で反射した光束が、第２の自由曲面レンズ１２に一番近い箇所を通過する物点は、図１２の物点７である。
【００２０】
ここで、図３では、自由曲面ミラー１３が反射した光束のうち第２の自由曲面レンズ１２に最も近い位置を通過する光束と、第２の自由曲面レンズ１２の出射側面とが略平行な関係になっている。
【００２１】
又、第１の自由曲面レンズ１１と第２の自由曲面レンズ１２の間の空間にできる空気レンズの形状は、自由曲面ミラーの方向に凸面を向けたメニスカスレンズ形状となる。
【００２２】
図１におけるレンズ面の詳細として、図４に曲率半径と面間距離と硝材名等を、図５に自由曲面式の定義式と係数を、図６に非球面と奇数次多項式非球面の定義式と係数を示す。
【００２３】
尚、面番号の０番が物面（映像表示素子面）、３５面が像面であり、その途中の面が、レンズ面やミラー面等である。
【００２４】
曲率半径はその曲率中心が右側にある場合を正で定義する。面間距離は、各レンズ面の光軸上の距離であり、各レンズ面が偏心・倒れをする前の状態で定義されている。
【００２５】
各面の偏心・倒れは、偏心が先に作用し、次に倒れが作用する。倒れに関しては、３つの座標軸に対して作用する順番が定まっているが、このレンズデータでは、Ｘ軸（光軸に直交する水平方向の座標軸）周りのみの回転であり、Ｘ軸の正方向から見て時計回りを正で定義する。尚、デセンタ＆リターンで定義した偏心・倒れは、そのレンズ面にのみ作用する。
【００２６】
又、第１の自由曲面レンズ１１、第２の自由曲面レンズ１２、及び、自由曲面ミラー１３の形状は、ＸとＹの多項式（ＸＹ多項式面）で表される。
【００２７】
そして、非球面形状は、光軸からの距離ｈの４次から２０次までの偶数次の係数のみを使用した回転対称な形状であり、奇数次数多項式非球面は、光軸からの距離ｈの奇数と偶数の次数を用いた回転対称な形状で表される。
【００２８】
本実施例の投写光学系は、Ｆ１．８で、焦点距離が４．１ｍｍと短い超広角な投写光学系である。尚、焦点距離は、物（映像表示素子）と像の倍率と投写距離を結像の式に代入することで求まる。
【００２９】
各画角の主光線がそれぞれの自由曲面レンズを通過する主光線の自由曲面レンズ中における通過距離を、表１に表す。第１の自由曲面レンズが正の屈折力、第２の自由曲面レンズが負の屈折力であることが分かる。
【００３０】
【表１】
2011253024.tif 000003
【００３１】
一方、比較のため、図９の従来の投写光学系でのそれぞれの自由曲面レンズを通過する主光線のレンズ中における通過距離を、表２に示す。従来の投写光学系では、第１の自由曲面レンズが負の屈折力、第２の自由曲面レンズが負の屈折力であることが分かる。
【００３２】
【表２】
2011253024.tif 000004
【００３３】
以上のように、本実施例の投写光学系は、従来の投写光学系より、短い投写距離でありながら、投写光学系の大きさが、従来の投写光学系よりも小さい。
【００３４】
最後に、図７は、０．６３インチパネルが８０インチになる距離（図２）での、赤色・緑色・青色での各物点（図１２）のスポット図である。図８は、０．６３インチパネルが、６０インチ像、８０インチ像、１００インチ像、そして、１３０インチ像となる投写距離での歪曲性能図である。この歪曲性能図では、歪み量を１０倍にして強調し、表示している。このように、上記投写光学系は良好な光学性能を得ていることが分かる。
【００３５】
尚、本実施例では、第１の自由曲面レンズ１１、第２の自由曲面レンズ１２、自由曲面ミラーを用いて説明したが、自由曲面に限定されることはなく、例えば、自由曲面ではない非球面レンズもしくはミラーであってもよい。但し、投写光学系をスクリーンに対して斜めに配置すると、回転非対称なエラー量（台形歪や、合焦位置が場所で異なる等）が発生する。当該エラー量を補正するには、自由曲面、特に、回転非対称な光学要素（レンズ、ミラー等）を用いた方が有効である。
【符号の説明】
【００３６】
１…投写光学系、８…映像表示素子、９…換算フィルタ、１０…同軸系のレンズ群、１００…レンズ群１０のうち、最も第１の自由曲面レンズ１１の近くに配置されているレンズ、１１…第１の自由曲面レンズ、１２…第２の自由曲面レンズ、１３…自由曲面ミラー。
【図１】
2011253024.tif 000005
【図２】
2011253024.tif 000006
【図３】
2011253024.tif 000007
【図４】
2011253024.tif 000008
【図５】
2011253024.tif 000009
【図６】
2011253024.tif 000010
【図７】
2011253024.tif 000011
【図８】
2011253024.tif 000012
【図９】
2011253024.tif 000013
【図１０】
2011253024.tif 000014
【図１１】
2011253024.tif 000015
【図１２】
2011253024.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成22年9月8日(2010.9.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像表示素子に対して光の進行方向に配置され、複数のレンズを含むレンズ群と、
前記レンズ群に対して光の進行方向に配置され、自由曲面形状である第１のレンズと、
前記第１のレンズに対して光の進行方向に配置され、自由曲面形状である第２のレンズと、
前記第２のレンズから出射される光を反射してスクリーン上に傾斜して投写し、自由曲面形状であるミラーと、を備え、
前記レンズ群のうち前記第１のレンズに最も近いレンズは、当該第１のレンズの方向に凸面を向けたメニスカスレンズであり、
前記第１のレンズは、前記第２のレンズの方向に凸面を向けたメニスカスレンズであり、
前記第２のレンズは、前記ミラーの方向に凸面を向けたメニスカスレンズである、投写型映像表示装置。
【請求項２】
前記レンズ群のうち前記第１のレンズに最も近いレンズの屈折力は負であり、
前記第１のレンズの屈折力は正であり、
前記第２のレンズの屈折力は負である、請求項１記載の投写型映像表示装置。
【請求項３】
前記ミラーが反射した光束のうち前記第２のレンズに最も近い位置を通過する光束と、前記第２のレンズの出射側面とが、略平行な関係にある、請求項１又は２に記載の投写型映像表示装置。
【請求項４】
前記第１のレンズと前記第２のレンズの間の空間にできる空気レンズの形状が、前記ミラーの方向に凸面を向けたメニスカスレンズ形状である、請求項１乃至３何れか一に記載の投写型映像表示装置。
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月13日(2011.4.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
従来技術（図９及び１０）によれば、自由曲面レンズ２１、２２と自由曲面ミラー２３を用いた投写光学系により、短い投写距離で大きな投写像が得られている（物面（映像表示素子面）から自由曲面ミラー１３の主点までの距離３２７．６ｍｍ、自由曲面ミラー１３の主点から像面までの距離５６７ｍｍ、８０インチの像）。しかし、更なる投写距離の短縮化と投写光学系の小形化が求められている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
図１は、投写光学系１の構成図である。投写光学系１では、光の進行方向に、映像表示素子１５、換算フィルタ９、屈折作用を有し複数のレンズを含む同軸系のレンズ群１０、正の屈折力を有する第１の自由曲面レンズ１１、負の屈折力を有する第２の自由曲面レンズ１２、自由曲面ミラー１３、の順に配置されている。尚、自由曲面とは、例えば、回転非対称な曲面を示す。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
レンズ群１０のうち、最も第１の自由曲面レンズ１１の近くに配置されているレンズ１００と、第１の自由曲面レンズ１１と、第２の自由曲面レンズ１２は、光の進行方向側に凸面を向けたメニスカスレンズ形状となっている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
第１の自由曲面レンズ１１は、ＹＺ断面及びＸＺ断面においても、光軸に近い箇所より光軸から離れた箇所でレンズ厚が薄い正の屈折力となっている。第２の自由曲面レンズ１２は、ＹＺ断面及びＸＺ断面においても、光軸に近い箇所より光軸から離れた箇所でレンズ厚が厚い負の屈折力となっている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
【表１】
2011253024.tif 000017
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
【表２】
2011253024.tif 000018
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
尚、本実施例では、第１の自由曲面レンズ１１、第２の自由曲面レンズ１２、自由曲面ミラー１３を用いて説明したが、自由曲面に限定されることはなく、例えば、自由曲面でない非球面レンズもしくはミラーであってもよい。但し、投写光学系をスクリーンに対して斜めに配置すると、回転非対称なエラー量（台形歪や、合焦位置が場所で異なる等）が発生する。当該エラー量を補正するには、自由曲面、特に、回転非対称な光学要素（レンズ、ミラー等）を用いた方が有効である。
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2011253024.tif 000019
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
2011253024.tif 000020