(57)【要約】      （修正有）【課題】小型化に有利な正屈折力を持つプリズム光学系を用いた投影装置において、プリズム光学系で発生する不要光の影響を低減しやすい投影装置を提供する。【解決手段】表示素子１と、その表示画像を拡大投影する正の屈折力のプリズム光学系３と、その投影側に配置された絞り４とを有し、プリズム光学系３は、画像表示面２側に凹の反射面を向けた内面反射面１２と、画像表示面２からの光束を透過しかつ内面反射面１２からの反射光束を反射する兼用光学面１１と、プリズム光学系３に入射した光束が射出する射出面１３とを備え、画像表示面２から射出する光束は、兼用光学面１１からプリズム光学系３内部に入射し、内面反射面１２で反射し、兼用光学面１１で反射し、射出面１３から射出し、絞り４を通過して投影画像５に至り、プリズム光学系３の兼用光学面１１から画像表示面２までの中心光線に沿った空気換算長ｆＢに関する条件式を満足する。【選択図】図１
2011007990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を表示するための画像表示面を持つ表示素子と、
前記画像表示面に表示された前記画像を拡大投影する正の屈折力のプリズム光学系と、
前記プリズム光学系よりも投影側に配置され、投影される光束の太さを制限する絞りとを有し、
前記プリズム光学系は、前記画像表示面側に凹の反射面を向けた内面反射面と、前記画像表示面からの正規光束を透過しかつ前記内面反射面からの正規反射光束を反射する兼用光学面と、前記プリズム光学系に入射した正規光束が射出する射出面とを備え、
前記画像表示面から射出する正規光束は、前記兼用光学面を透過して前記プリズム光学系内部に入射し、前記内面反射面にて反射し、前記兼用光学面にて反射し、前記射出面から射出し、前記絞りを通過して投影画像に至る経路をたどり、
さらに、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする投影装置。
０．３＜ｆＢ／ｆｖ＜１．５                                    ・・・（１）
ただし、ｆＢは、前記プリズム光学系の前記兼用光学面から前記画像表示面までの中心光線に沿った空気換算長であり、前記中心光線は前記画像表示面の中心から射出し前記絞りの中心を通過する正規光線と定義し、ｆｖは、
ｆｖ＝ｈＨ／（ｔａｎωＨ）
で表される値であり、前記内部反射面における反射前後の中心光線を含む面に垂直な方向を水平方向としたとき、ωＨは、前記水平方向における投影側の中心光線に対する最大投影角、ｈＨは、前記水平方向における前記画像表示面の中心からの最も遠い表示位置までの距離である。
【請求項２】
前記画像表示面を保護するため、前記画像表示面と前記プリズム光学系との間に配置された透明な光学部材を有し、前記中心光線に沿った前記光学部材の厚みが以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項１記載の投影装置。
０．１７≦ｔ１／ｆＢ≦０．７                                  ・・・（２）
ただし、ｔ１は、前記光学部材の前記中心光線に沿う方向での厚みである。
【請求項３】
前記光学部材が以下の条件式（３）を満足する材料であることを特徴とする請求項２記載の投影装置。
１．４≦Ｎｃｂ≦２．１                                        ・・・（３）
ただし、Ｎｃｂは、前記光学部材のｄ線での屈折率である。
【請求項４】
前記絞りと前記プリズム光学系の前記射出面と前記画像表示面の位置関係が以下の条件式（４）を満足することを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の投影装置。
ＳＩ／Ｉｚ＜０．６                                            ・・・（４）
ただし、ＳＩは、前記絞りと前記射出面との間の前記中心光線に沿った距離、Ｉｚは、前記絞りの中心から前記画像表示面を含む平面までの距離である。
【請求項５】
前記兼用光学面の中、光線が透過する有効領域の外側、かつ、光線が反射する有効領域の少なくとも一部に反射コートを施したことを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の投影装置。
【請求項６】
前記反射コートの施される範囲が以下の条件式（５）を満足することを特徴とする請求項５記載の投影装置。
０．０５＜ＢＨ／ＺＨ＜０．５                                  ・・・（５）
ただし、ＺＨは、前記内部反射面における反射前後の中心光線を含む面内における前記兼用光学面の反射有効領域の両端を結ぶ線分の長さ、ＢＨは、前記内部反射面における反射前後の中心光線を含む面内における前記兼用光学面の反射有効領域の中の反射コート部の
両端を結ぶ線分の長さである。
【請求項７】
前記表示素子が、反射型の表示素子であり、前記表示素子の画像表示面を照明するための照明系を有し、前記照明系は、照明部と、前記照明部から発せられる光束を反射して前記画像表示面を照明する反射面を有することを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の投影装置。
【請求項８】
前記照明系は、前記表示素子と前記プリズム光学系の間に配置された２つの楔型プリズムを含み、前記照明部から発せられる光束は、前記楔型プリズム内で複数回反射後前記画像表示面に達し、前記画像表示面から射出した正規光束は、前記２つの楔型プリズムを透過して前記プリズム光学系内に導かれることを特徴とする請求項７記載の投影装置。
【請求項９】
前記表示素子が、反射型の表示素子であり、前記表示素子の画像表示面を照明するための照明系を有し、前記照明系は、照明部と、前記照明部から発せられる光束を反射して前記画像表示面を照明する反射面を有し、前記照明系の前記反射面は、前記兼用光学面に施された前記反射コートであることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の投影装置。
【請求項１０】
前記画像表示面を保護するため、前記画像表示面と前記プリズム光学系との間に配置された透明な光学部材と、前記光学部材の前記プリズム光学系側に接合され、前記中心光線に対して斜めに傾いた屈折面を持つ第２の光学部材を有することを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載の投影装置。
【請求項１１】
前記斜めに傾いた屈折面が以下の条件式（６）を満足することを特徴とする請求項１０記載の投影装置。
5 °＜θs ＜１５°                                            ・・・（６）
ただし、θs は、前記斜めに傾いた屈折面の射出直後の中心光線と前記絞りの中心とを含む平面断面にて、前記射出直後の中心光線と、前記屈折面の前記中心光線の通過する位置における前記プリズム光学系側への垂線とのなす角度であり、前記垂線が絞りから離れる方向に傾く場合を正符号とする。
【請求項１２】
前記光学部材と前記第２の光学部材とのｄ線での屈折率の差の絶対値が０．５以下であることを特徴とする請求項１０又は１１記載の投影装置。
【請求項１３】
以下の条件式（７）を満足することを特徴とする請求項１から１２の何れか１項記載の投影装置。
１．０ｍｍ＜ｈＨ＜２．５ｍｍ                                  ・・・（７）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影装置に関し、特に、正屈折力のプリズム光学系を用いた投影装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、正規光束を内面反射させる凹面形状の内面反射面とその内面反射面に対向した位置に配置され反射作用と屈折作用を兼用する兼用光学面を持つプリズム光学系を用いて小型化を行った投影装置が知られている。
【０００３】
特に、特許文献１には、画像表示面の中心から発せられる光束の周辺を遮光して投影される光束の太さを決める絞り部材をプリズム光学系の射出面よりも投影側に配置した投影装置が開示されている。それにより、画像表示面側のテレセントリック性を良好にし、かつ、外光のプリズム光学系への入射の抑制や不要光の遮蔽を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−４３３６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の装置においては、プリズム光学系と画像表示面との距離が短い。そのため、特許文献１に開示されるようなプリズム光学系において、兼用光学面で本来屈折されるべき正規光束やその周辺の光束の一部が反射され不要光となり、再び画像表示面で反射してプリズム光学系内に入射し投影されると、投影画像の画質の低下や投影画像の周辺のフレアとなる。
【０００６】
さらには、画像表示面を反射型の表示素子の画像表示面とした場合、画像表示面に対する照明光束の入射角が大きくなりすぎてしまい、画像表示面を効率良く照明する照明光の光路が確保できない。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化に有利な正屈折力を持つプリズム光学系を用いた投影装置において、プリズム光学系で発生する不要光の影響を低減しやすい投影装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する本発明の投影装置は、画像を表示するための画像表示面を持つ表示素子と、
前記画像表示面に表示された前記画像を拡大投影する正の屈折力のプリズム光学系と、
前記プリズム光学系よりも投影側に配置され、投影される光束の太さを制限する絞りとを有し、
前記プリズム光学系は、前記画像表示面側に凹の反射面を向けた内面反射面と、前記画像表示面からの正規光束を透過しかつ前記内面反射面からの正規反射光束を反射する兼用光学面と、前記プリズム光学系に入射した正規光束が射出する射出面とを備え、
前記画像表示面から射出する正規光束は、前記兼用光学面を透過して前記プリズム光学系内部に入射し、前記内面反射面にて反射し、前記兼用光学面にて反射し、前記射出面から射出し、前記絞りを通過して投影画像に至る経路をたどり、
さらに、以下の条件式（１）を満足することを特徴とするものである。
【０００９】
０．３＜ｆＢ／ｆｖ＜１．５                                    ・・・（１）
ただし、ｆＢは、前記プリズム光学系の前記兼用光学面から前記画像表示面までの中心光線に沿った空気換算長であり、前記中心光線は前記画像表示面の中心から射出し前記絞りの中心を通過する正規光線と定義し、ｆｖは、
ｆｖ＝ｈＨ／（ｔａｎωＨ）
で表される値であり、前記内部反射面における反射前後の中心光線を含む面に垂直な方向を水平方向としたとき、ωＨは、前記水平方向における投影側の中心光線に対する最大投影角、ｈＨは、前記水平方向における前記画像表示面の中心からの最も遠い表示位置までの距離である。
【００１０】
この投影装置の作用を説明する。
【００１１】
上述のプリズム光学系と絞りを用いることで、画像表示面側へのテレセントリック性を良好とし、画像表示面に垂直な方向での光学系の厚みも小さく、外光のプリズム光学系への入射も低減しやすい投影光学系となる。
【００１２】
一方、プリズム光学系の兼用光学面と画像表示面との距離が短かすぎると、兼用光学面と画像表示面での反射により不要光が発生し、投影側に不要光が投影されやすくなる。また、プリズムの構成上、不要光が射出面で内面反射すると迷光が発生する。
【００１３】
そこで、本発明は、投影される不要光の低減、若しくは、不要光が投影される確率を低減し、かつ、画像表示面を含めた光学系全体の小型化を維持するため上述の条件（１）を満足することを特徴としている。
【００１４】
条件式（１）の下限の０．３を下回らないように、画像表示面とプリズム光学系との距離を確保することにより、種々の不要光、迷光の影響を軽減しやすくなる。
【００１５】
例えば、兼用光学面と画像表示面が近すぎると、画像表示面から射出した正規光束が兼用光学面にて反射して不要光となり、再び画像表示面で反射後、兼用光学面からプリズム光学系内に入射してしまう。しかし、条件式（１）を満足するように画像表示面とプリズム光学系との距離を適度に離すことで、兼用光学面における反射にて発生した不要光を画像表示面から逸れた位置に導く、若しくは、画像表示素子面において反射した不要光をプリズム光学系の内部に入射しない位置に導くことに有利となる。特に兼用光学面の一部分に反射コートを施している場合には、プリズム内に不要光が入射してしまうと、射出面で全反射した後、反射コート部で反射し、その後もプリズム内部を反射して迷光となりやすいが、画像表示面をプリズム光学系から離すことでプリズム内に戻る不要光を低減でき、投影画像の画質の向上に有利となる。
【００１６】
条件式（１）の上限の１．５を上回らないようにすることで、画像表示面とプリズム光学系の合成系の厚みを小さく保つことができる。この上限を上回ると、プリズム光学系の仮想的な焦点距離となるｆｖに対してバックフォーカスとなるｆＢの割合が大きくなるため、装置全体が大きくなってしまう。加えて、主点位置を大きく投影側に出さなければならず、光学系の構成上、設計が困難となってくる。
【００１７】
この場合に、前記画像表示面を保護するため、前記画像表示面と前記プリズム光学系との間に配置された透明な光学部材を有し、前記中心光線に沿った前記光学部材の厚みが以下の条件式（２）を満足することが望ましい。
【００１８】
０．１７≦ｔ１／ｆＢ≦０．７                                  ・・・（２）
ただし、ｔ１は、前記光学部材の前記中心光線に沿う方向での厚みである。
【００１９】
この構成の作用を説明する。画像表示面を保護する光学部材を配置することで、画像表示面の物理的保護や、画像表示面付近に埃が付くことによる投影画像への映り込みが抑制できる。
【００２０】
このとき、保護部材としての光学部材の厚みが上述の条件式（２）を満足することが好ましい。その下限の０．１７を下回らないようにすることで、光学部材の厚さを確保でき、画像表示面の保護、上述の埃の映り込みの低減に有利となる。若しくは、バックフォーカスの増大を低減でき、光学系の設計に有利となると共に、装置全体の小型化につながる。上限の０．７を上回らないようにして光学部材とプリズム光学系との距離を確保することで、光学部材での反射による不要光のプリズム光学系内への入射を低減でき、迷光の低減に有利となる。
【００２１】
また、前記光学部材が以下の条件式（３）を満足する材料であることが望ましい。
【００２２】
１．４≦Ｎｃｂ≦２．１                                        ・・・（３）
ただし、Ｎｃｂは、前記光学部材のｄ線での屈折率である。
【００２３】
この構成の作用を説明する。条件式（３）の下限の１．４を下回らないようにすることで、光学材料として強度、分光特性等良好な特性を得やすくなる。その上限の２．１を上回ると、光学部材の材料が特殊な金属を含有するガラス材料やセラミックスといった高価な材料となるが、条件式（３）を満足することで、低コストながら保護部材としての機能を果たすことができる。
【００２４】
まが、前記絞りと前記プリズム光学系の前記射出面と前記画像表示面の位置関係が以下の条件式（４）を満足することが望ましい。
【００２５】
ＳＩ／Ｉｚ＜０．６                                            ・・・（４）
ただし、ＳＩは、前記絞りと前記射出面との間の前記中心光線に沿った距離、Ｉｚは、前記絞りの中心から前記画像表示面を含む平面までの距離である。
【００２６】
この構成の作用を説明する。この条件式（４）は、絞りを適切な位置に配置するための条件式である。その上限の０．６を上回らないようにすることで、絞りからプリズム光学系までの距離を短く、加えて、絞りから画像表示面までの距離を長くすることで、プリズム光学系を画像表示面から遠ざけつつ十分な投影画角の確保に有利となる。
【００２７】
また、前記兼用光学面の中、光線が透過する有効領域の外側、かつ、光線が反射する有効領域の少なくとも一部に反射コートを施すことが望ましい。
【００２８】
この構成の作用を説明する。兼用光学面の絞りに近い側に反射コートを施すことが投影画像の広角化のために有利に作用する。投影画像の上側（ただし、画像表示面の配置位置をプリズムの下側とした場合）に絞りから正規光束を射出させるためには、兼用光学面の正規光束の内面反射において、その正規光束の入射角が臨界角以下の入射角になる場合がある。特に、広投影画角の仕様の場合には、設計時の前提条件となる。その場合には、臨界角以下で兼用光学面に入射する部分には金属等の反射膜をコーティングすることにより、画像表示面から射出した正規光束をプリズム光学系内に導き、内部反射面にて反射後兼用光学面にて効率良く反射させて絞りを介して投影画像を形成できる。
【００２９】
逆に、部分反射コートがない場合には、臨界角以下で入射した光束は、兼用光学面で一
部透過し、投影画像まで光が届かないため、投影画像の明るさにムラが生じたり、上側部分に画像が表示されない状態となる。
【００３０】
また、前記反射コートの施される範囲が以下の条件式（５）を満足することが望ましい。
【００３１】
０．０５＜ＢＨ／ＺＨ＜０．５                                  ・・・（５）
ただし、ＺＨは、前記内部反射面における反射前後の中心光線を含む面内における前記兼用光学面の反射有効領域の両端を結ぶ線分の長さ、ＢＨは、前記内部反射面における反射前後の中心光線を含む面内における前記兼用光学面の反射有効領域の中の反射コート部の両端を結ぶ線分の長さである。
【００３２】
この構成の作用を説明する。この条件式（５）は、兼用光学面に施される反射コートの好ましいコート領域を規定したものである。下限の０．０５を下回らないようにして反射コートを施すことで、投影画角の確保と投影画像の明るさムラの低減に有利となる。上限の０．５を上回らないようにして反射コート領域を適度に抑えることで、透過のための有効光路が確保でき好ましい。若しくは、画像表示面に対する兼用光学面の大型化を抑えられ、プリズムの小型化、ひいては投影装置全体の小型化に有利となる。
【００３３】
また、前記表示素子が、反射型の表示素子であり、前記表示素子の画像表示面を照明するための照明系を有し、前記照明系は、照明部と、前記照明部から発せられる光束を反射して前記画像表示面を照明する反射面を有することが望ましい。
【００３４】
この構成の作用を説明する。画像表示面を持つ表示素子を反射型の液晶表示素子やＤＭＤ（Digital Micromirror Device：ＴＩ社の登録商標）ライトバルブとすることで、透過型の液晶表示素子を用いる場合と比較して、エネルギー損失を少なくして投影でき、投影画像の明るさを確保しつつ省エネルギー化に有利となる。
【００３５】
本発明においては、プリズム光学系と画像表示面との距離を確保しているので、照明のための光路の確保に有利となる。このとき、照明系に反射面を持たせることで、画像表示面を照明する光線の入射角を小さくでき、光量の確保等に有利となる。
【００３６】
また、前記照明系は、前記表示素子と前記プリズム光学系の間に配置された２つの楔型プリズムを含み、前記照明部から発せられる光束は、前記楔型プリズム内で複数回反射後前記画像表示面に達し、前記画像表示面から射出した正規光束は、前記２つの楔型プリズムを透過して前記プリズム光学系内に導かれることが好ましい。
【００３７】
この構成の作用を説明する。本発明は画像表示面とプリズム光学系との距離を確保できる。上述の楔形プリズムをこの間隔中に配置することで、省スペースながら画像表示面の照明光の入射角を小さくでき、投影画像の明るさの確保に有利となる。
【００３８】
また、前記表示素子が、反射型の表示素子であり、前記表示素子の画像表示面を照明するための照明系を有し、前記照明系は、照明部と、前記照明部から発せられる光束を反射して前記画像表示面を照明する反射面を有し、前記照明系の前記反射面は、前記兼用光学面に施された前記反射コートであるようにしてもよい。
【００３９】
この構成の作用を説明する。画像表示面を持つ表示素子が反射型の液晶表示素子やＤＭＤ（Digital Micromirror Device：ＴＩ社の登録商標）ライトバルブである場合、画像表示面へ入射する照明光の入射角の自由度が高い方が好ましい。例えば、兼用光学面に施された反射コートにて一度照明光を反射させて画像表示面を照明することで、表示面に対し
て小さい入射角で照明できる。また、ＤＭＤの場合、画素のＯＮ−ＯＦＦに対応してチルトする微細ミラーアレイのＯＦＦ時は、微細ミラーで反射した光線がプリズム光学系内に導かれないようにしたい。本発明においては、画像表示面と兼用光学面との距離を確保しているので、照明のための光路の確保と、画像表示面を照明する光線の入射角の自由度を確保でき、投影画質の向上が図れる。
【００４０】
また、前記画像表示面を保護するため、前記画像表示面と前記プリズム光学系との間に配置された透明な光学部材と、前記光学部材の前記プリズム光学系側に接合され、前記中心光線に対して斜めに傾いた屈折面を持つ第２の光学部材を有するようにすることができる。
【００４１】
この構成の作用を説明する。画像表示面を保護する光学部材（以下、第１の光学部材と称す。）におけるプリズム光学系側の面での反射が迷光の原因となることがある。そのためこの第１の光学部材のプリズム光学系側に第２の光学部材を接合して配置することで、前述の第１の光学部材での反射光量を低減できる。
【００４２】
一方、第２の光学部材のプリズム光学系側の屈折面では不要な反射光が発生しやすくはなるが、この屈折面を中心光線に対して傾けているので、この面で発生する不要光の光路を調節した光学設計が可能となり、投影画像の画質の向上に有利となる。
【００４３】
まが、前記斜めに傾いた屈折面が以下の条件式（６）を満足することが望ましい。
【００４４】
5 °＜θs ＜１５°                                            ・・・（６）
ただし、θs は、前記斜めに傾いた屈折面の射出直後の中心光線と前記絞りの中心とを含む平面断面にて、前記射出直後の中心光線と、前記屈折面の前記中心光線の通過する位置における前記プリズム光学系側への垂線とのなす角度であり、前記垂線が絞りから離れる方向に傾く場合を正符号とする。
【００４５】
この構成の作用を説明する。条件式（６）の下限の５°を下回らないようにすることで、傾いた屈折面での反射による不要光の影響の低減を行いやすくなる。その上限の１５°を上回らないようにすることで、屈折面を斜めに配置するためのスペースを小さくでき、プリズムから像面までの距離の増大を抑え、光学系の設計が行いやすくなる。
【００４６】
また、前記光学部材と前記第２の光学部材とのｄ線での屈折率の差の絶対値が０．５以下であることが望ましい。
【００４７】
この構成の作用を説明する。第１の光学部材と第２の光学部材との屈折率差を小さくすることで第１の光学部材と第２の光学部材の間の境界面での反射をより低減しやすくなる。
【００４８】
また、以下の条件式（７）を満足することが望ましい。
【００４９】
１．０ｍｍ＜ｈＨ＜２．５ｍｍ                                  ・・・（７）
この構成の作用を説明する。条件式（７）の下限の１．０ｍｍを下回らないようにすることで、画像表示素子や絞り、プリズム光学系の位置調整を行いやすくなる。加えて、画像表示面とプリズム光学系との間に光学部材を配置する場合、その光学部材の厚みの確保による強度の確保に有利となる。また、その上限の２．５ｍｍを上回らないようにすることで、プリズム光学系のサイズを小さくできる。そのため、プリズム光学系のサイズに対する画像表示面とプリズム光学系との距離を十分に確保しても光学系全体の小型化につながる。
【００５０】
上述の各構成は複数を同時に満足することがより好ましい。また、各条件式に関して、以下のようにすることが上述の効果をより確実にでき好ましい。
【００５１】
条件式（１）について、下限値を０．４５、更には０．６とすることがより好ましい。上限値を１．３、更には１．１５とすることがより好ましい。
【００５２】
条件式（２）について、下限値を０．２、更には０．３、更には０．４とすることがより好ましい。上限値を０．６、更には０．５とすることがより好ましい。
【００５３】
条件式（３）について、下限値を１．５とすることがより好ましい。
【００５４】
条件式（４）について、上限値を０．２、更には０．１とすることがより好ましい。
【００５５】
条件式（５）について、下限値を０．１、更には０．１５とすることがより好ましい。上限値を０．４６、更には０．４３とすることがより好ましい。
【００５６】
条件式（６）について、下限値を８°とすることがより好ましい。上限値を１２°とすることがより好ましい。
【００５７】
条件式（７）について、下限値を１．５ｍｍ、更には１．７ｍｍとすることがより好ましい。上限値を２．２ｍｍ、更には２．０ｍｍとすることがより好ましい。
【発明の効果】
【００５８】
本発明によれば、小型化に有利な正屈折力を持つプリズム光学系を用いた投影装置において、プリズム光学系で発生する不要光の影響を低減しやすい投影装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明に係る投影装置の基本的構成を示す概略断面図である。
【図２】図１の本発明に係る投影装置の光学系部分の概略斜視図である。
【図３】本発明の実施例１の投影装置の光学系の中心光線を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図４】本発明の実施例２の投影装置の光学系の中心光線を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図５】本発明の実施例３の投影装置の光学系の中心光線を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図６】本発明の実施例４の投影装置の光学系の中心光線を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図７】本発明の実施例５の投影装置の光学系の中心光線を含むＹ−Ｚ断面図である。
【図８】本発明の１変形例として反射型表示素子を配備した場合の投影装置の光路図である。
【図９】別の変形例の図８と同様の図である。
【図１０】実施例１の投影装置あるいはそれを撮像装置にして場合にカバーガラスに楔状の第２の光学部材を貼り付けた例を示す図である。
【図１１】フレア・ゴーストの発生例を示す図である。
【図１２】図１０の場合の楔状の第２の光学部材の空気接触面で反射した光の光路図である。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
以下、本発明の投影装置を図面に基づいて説明する。図１に本発明に係る投影装置の基本的構成を示す概略断面図、図２にその光学系部分の概略斜視図を示す。
【００６１】
本発明の投影装置１００は、図１に示すように、画像を表示するための画像表示面２を持つ表示素子１を備えており、その画像表示面２に表示された画像を拡大投影する正の屈折力のプリズム光学系３と、プリズム光学系３よりも投影側に配置され、投影される光束の太さを制限する絞り４とを有している。
【００６２】
プリズム光学系３は、画像表示面２側に凹の反射面を向けた内面反射面１２と、画像表示面２からの正規光束を透過しかつ内面反射面１２からの正規反射光束を反射する兼用光学面１１と、プリズム光学系３に入射した正規光束が射出する射出面１３とを備えており、画像表示面２から射出する正規光束は、兼用光学面１１を透過してプリズム光学系３内部に入射し、内面反射面１２にて反射し、兼用光学面１１にて反射し、射出面１３から射出し、絞り４を通過して投影画像５に至る経路をたどる。
【００６３】
なお、通常、内面反射面１２には反射コート１４が施されており、また、兼用光学面１１の光線が透過する有効領域の外側で、かつ、光線が反射する有効領域の少なくとも一部に反射コート１５が施されている。
【００６４】
図中、画像表示面２の中心を符号２１で、絞り４の中心を符号４１で示してあり、画像表示面２の中心２１から射出してプリズム光学系３を通り、絞り４の中心４１を通過する正規光線を中心光線１０とする。
【００６５】
また、本発明の投影装置における条件式（１）中のｆＢ、そのｆｖを定義するためのｈＨ、ωＨ、条件式（４）中のＳＩ、Ｉｚを図１、図２中に示してある。
【００６６】
表示素子１には画像信号源６が接続されており、その接続線を介して画像信号６１が表示素子１に送られ、画像表示面２に表示された画像は、プリズム光学系３と絞り４を順に介して遠方のスクリーン等に投影画像５として投影され、その透過側あるいは反射側から観察される。なお、図１の構成では、絞り４の前面（投影側）に平行平板からなるカバー部材７が配置されている。
【００６７】
限定的ではないが、後記の実施例のように、本発明のプリズム光学系３は、通常、中心光線１０が同一平面（図１における紙面）上に位置し、プリズム光学系３はその平面に対して面対称の形状となっている。
【００６８】
以下に、表示素子１の画像表示面２を保護する光学部材としてカバーガラス２２を用いた具体的な数値実施例１〜５を図３〜図７に示す。なお、各数値実施例の数値データは後に示す。各数値データは逆光線追跡にて示してあり、想定した投影画像５は物体面、画像表示面２は像面と記載している。
【００６９】
何れの実施例も投影画像距離は無限遠で設計してあるが、焦点深度内での近距離表示も可能である。また、画像表示面２を中心光線１０に沿う方向に移動させてフォーカシングを行えるようにしてもよい。
【００７０】
まず、以下の数値実施例の説明で用いる座標系及び偏心面、自由曲面について説明する。
【００７１】
各実施例において、図３に示すように、中心光線１０を、物体（投影画像）５中心を出
て、絞り４の開口部の中心４１を通り、像面（画像表示面）２中心に到る光線で定義する。
【００７２】
そして、絞り４の中心４１を原点として、中心光線１０の進む方向（逆光線追跡で）をＺ軸正方向とし、このＺ軸と像面中心を含む平面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、紙面の手前から裏面側に向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。なお、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は図１、図２にも表示してある。
【００７３】
数値実施例１〜５では、このＹ−Ｚ平面内で各面の偏心を行っており、また、各回転非対称自由曲面の唯一の対称面をＹ−Ｚ面としている。
【００７４】
偏心面については、光学系の原点の中心からその面の面頂位置の偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、その面の中心軸（自由曲面については、後記（ａ）式のＺ軸）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００７５】
また、各数値実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には、面間隔が与えられており、その他、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。
【００７６】
また、本発明で用いる自由曲面とは、以下の式（ａ）で定義されるものである。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００７７】
Ｚ＝（ｒ2 ／Ｒ）／［１＋√｛１−（１＋ｋ）（ｒ／Ｒ）2 ｝］
66
＋Σ  Ｃj Ｘm Ｙn 
j=1 
・・・（ａ）
ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。
【００７８】
球面項中、
Ｒ：頂点の曲率半径
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）
である。
【００７９】
自由曲面項は、
66
Σ  Ｃj Ｘm Ｙn 
j=1 
＝Ｃ1 
＋Ｃ2 Ｘ＋Ｃ3 Ｙ
＋Ｃ4 Ｘ2 ＋Ｃ5 ＸＹ＋Ｃ6 Ｙ2 
＋Ｃ7 Ｘ3 ＋Ｃ8 Ｘ2 Ｙ＋Ｃ9 ＸＹ2 ＋Ｃ10Ｙ3 
＋Ｃ11Ｘ4 ＋Ｃ12Ｘ3 Ｙ＋Ｃ13Ｘ2 Ｙ2 ＋Ｃ14ＸＹ3 ＋Ｃ15Ｙ4 
＋Ｃ16Ｘ5 ＋Ｃ17Ｘ4 Ｙ＋Ｃ18Ｘ3 Ｙ2 ＋Ｃ19Ｘ2 Ｙ3 ＋Ｃ20ＸＹ4 
＋Ｃ21Ｙ5 
＋Ｃ22Ｘ6 ＋Ｃ23Ｘ5 Ｙ＋Ｃ24Ｘ4 Ｙ2 ＋Ｃ25Ｘ3 Ｙ3 ＋Ｃ26Ｘ2 Ｙ4 
＋Ｃ27ＸＹ5 ＋Ｃ28Ｙ6 
＋Ｃ29Ｘ7 ＋Ｃ30Ｘ6 Ｙ＋Ｃ31Ｘ5 Ｙ2 ＋Ｃ32Ｘ4 Ｙ3 ＋Ｃ33Ｘ3 Ｙ4 
＋Ｃ34Ｘ2 Ｙ5 ＋Ｃ35ＸＹ6 ＋Ｃ36Ｙ7 
・・・・・・
ただし、Ｃj （ｊは１以上の整数）は係数である。
【００８０】
上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ2 、Ｃ5 、Ｃ7 、Ｃ9 、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ16、Ｃ18、Ｃ20、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ29、Ｃ31、Ｃ33、Ｃ35・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００８１】
また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、Ｃ3 、Ｃ5 、Ｃ8 、Ｃ10、Ｃ12、Ｃ14、Ｃ17、Ｃ19、Ｃ21、Ｃ23、Ｃ25、Ｃ27、Ｃ30、Ｃ32、Ｃ34、Ｃ36・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００８２】
また上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性をも向上させることが可能となる。
【００８３】
また、上記定義式（ａ）は、前述のように１つの例として示したものであり、本実施例は、対称面を１面のみ有する面対称自由曲面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるということが特徴であり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまでもない。
【００８４】
なお、データの記載されていない自由曲面に関する項は０である。屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記してある。長さの単位はｍｍである。
【００８５】
また、焦点距離は、局所的な像高変化量と画角変化量によりＸ方向（紙面に垂直な方向）とＹ方向（紙面の方向）の値を記載してある。
【００８６】
図３〜図７は、それぞれ実施例１〜５の投影装置の光学系の中心光線１０を含むＹ−Ｚ断面図であり、これらの光学系においては、画像表示面（像面）２からの表示光はカバーガラス２２を透過してプリズム光学系３の兼用光学面１１を透過してプリズム光学系３内部に入射し、内面反射面１２にて反射し、兼用光学面１１にて再度反射し、その反射光は射出面１３からプリズム光学系３外部に射出し、絞り４を通過して図示しない無限遠に投影画像５（図１、図２。物体面）を投影結像する。
【００８７】
何れの実施例においても、プリズム光学系３の兼用光学面１１、内面反射面１２、射出面１３はＹ−Ｚ面を唯一の対称面とする自由曲面からなり、パワーを持ち偏心により発生する収差を補正する回転非対称な面形状を有するように構成されている。偏心により発生する収差を補正するために、特に反射面にこのような面形状をとることは有効である。
【００８８】
以下に上記数値実施例１〜５の数値データを示す。これら表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＲＳ”は反射面を示す。また、“ｆｘ”、“ｆｙ”はそれぞれＸ方向、Ｙ方向の焦点距離、“ｆno(x) ”、“ｆno(y) ”はそれぞれＸ方向、Ｙ方向のＦナンバー、“２ω”は水平画角、“ＤＦＳ（Ｈ×Ｖ）”は画像表示面サイズ（水平方向×垂直方向）、“φ”は絞り開口直径である。
【００８９】
なお、下記データ中、“E-000n（n は整数）”は“×10-n”を意味する。
【００９０】
実施例１
面番号    曲率半径                面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞                      ∞    
1        ∞（絞り面）                  
2      ＦＦＳ[1]                       偏心(1)   1.8061    40.9
3      ＦＦＳ[2] （ＲＳ）              偏心(2)   1.8061    40.9
4      ＦＦＳ[3] （ＲＳ）              偏心(3)   1.8061    40.9
5      ＦＦＳ[2]                       偏心(2) 
6        ∞                      0.30  偏心(4)   1.5163    64.1
7        ∞                      0.03  
像  面      ∞                      
ＦＦＳ[1] 
Ｃ4    6.2814e-002    Ｃ6    4.6030e-002    
ＦＦＳ[2] 
Ｃ4    1.4854e-002    Ｃ6   -1.6938e-003    Ｃ8    3.9423e-003
Ｃ10   1.7926e-003    Ｃ11  -4.7183e-004    Ｃ13  -2.1844e-003
Ｃ15   1.9874e-005    
ＦＦＳ[3] 
Ｃ4    5.8854e-002    Ｃ6    4.0878e-002    Ｃ8    6.1341e-003
Ｃ10   4.2201e-003    Ｃ11  -4.4895e-004    Ｃ13  -2.7971e-003
Ｃ15   1.5664e-004    
偏心(1) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ    0.30  
α   17.33  β    0.00  γ    0.00  
偏心(2) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ    1.26  
α  -41.86  β    0.00  γ    0.00  
偏心(3) 
Ｘ    0.00  Ｙ    2.10  Ｚ    1.27  
α  -70.85  β    0.00  γ    0.00  
偏心(4) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ    2.91  
α  -60.00  β    0.00  γ    0.00  
ｆｘ＝2.05
ｆｙ＝2.10
ｆno(x) ＝2.89
ｆno(y) ＝2.78
２ω＝80°
ＤＦＳ（Ｈ×Ｖ）＝1.715723×1.363205
φ＝0.75                                                                  。
【００９１】
実施例２
面番号    曲率半径                面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞                      ∞        
1        ∞（絞り面）                      
2      ＦＦＳ[1]                       偏心(1)   1.6326    23.3
3      ＦＦＳ[2] （ＲＳ）              偏心(2)   1.6326    23.3
4      ＦＦＳ[3] （ＲＳ）              偏心(3)   1.6326    23.3
5      ＦＦＳ[2]                       偏心(2) 
6        ∞                      0.50  偏心(4)   1.5163    64.1
7        ∞                      0.29          
像  面      ∞                      
ＦＦＳ[1] 
Ｃ4    9.9816e-002    Ｃ6    4.9087e-002    Ｃ8   -8.0402e-003
Ｃ10   2.4616e-003    Ｃ11  -1.6332e-003    
ＦＦＳ[2] 
Ｃ4    1.0578e-002    Ｃ6   -4.6282e-003    Ｃ8   -5.0398e-004
Ｃ10   2.6875e-003    Ｃ11   1.6150e-003    Ｃ13  -1.7441e-003
Ｃ15  -8.9921e-005    Ｃ17   3.8019e-004    Ｃ19   4.5208e-004
Ｃ21  -5.8659e-005    Ｃ22   8.1285e-004    
ＦＦＳ[3] 
Ｃ4    6.0336e-002    Ｃ6    5.0456e-002    Ｃ8    4.8339e-003
Ｃ10   4.8339e-003    Ｃ11  -2.0620e-003    Ｃ13  -4.1111e-003
Ｃ15  -3.7525e-004    Ｃ17   1.2871e-003    Ｃ19   1.7969e-003
Ｃ21  -1.0708e-005    Ｃ22   4.0945e-004    
偏心(1) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ    0.20  
α   19.82  β    0.00  γ    0.00  
偏心(2) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ    1.13  
α  -40.95  β    0.00  γ    0.00  
偏心(3) 
Ｘ    0.00  Ｙ    1.86  Ｚ    1.11  
α  -70.26  β    0.00  γ    0.00  
偏心(4) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.32  Ｚ    2.33  
α  -60.00  β    0.00  γ    0.00  
ｆｘ＝1.98
ｆｙ＝2.11
ｆno(x) ＝2.64
ｆno(y) ＝2.82
２ω＝80°
ＤＦＳ（Ｈ×Ｖ）＝1.772204×1.245096
φ＝0.75                                                                  。
【００９２】
実施例３
面番号    曲率半径                面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞                      ∞        
1        ∞（絞り面）                      
2      ＦＦＳ[1]                       偏心(1)   1.6069    27.0
3      ＦＦＳ[2] （ＲＳ）              偏心(2)   1.6069    27.0
4      ＦＦＳ[3] （ＲＳ）              偏心(3)   1.6069    27.0
5      ＦＦＳ[2]                       偏心(2) 
6        ∞                      0.30  偏心(4)   1.5163    64.1
7        ∞                      0.03          
像  面      ∞                      
ＦＦＳ[1] 
Ｃ4    8.3690e-002    Ｃ6    5.4522e-002    Ｃ8   -1.2074e-002
Ｃ10   5.0143e-003    Ｃ11   1.7662e-005    
ＦＦＳ[2] 
Ｃ4    2.0908e-002    Ｃ6   -3.5378e-003    Ｃ8    2.0944e-003
Ｃ10   2.4003e-003    Ｃ11  -4.6218e-004    Ｃ13  -2.1065e-003
Ｃ15  -6.4080e-006    Ｃ17  -2.7515e-004    Ｃ19   1.8488e-004
Ｃ21  -1.2152e-005    Ｃ22   1.9811e-004    
ＦＦＳ[3] 
Ｃ4    7.4135e-002    Ｃ6    4.9845e-002    Ｃ8    6.0291e-003
Ｃ10   3.9710e-003    Ｃ11  -7.2828e-004    Ｃ13  -4.3766e-003
Ｃ15  -5.5447e-004    Ｃ17   7.6342e-004    Ｃ19   1.0249e-003
Ｃ21   4.3915e-004    Ｃ22   1.8235e-005    
偏心(1) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ    0.21  
α   20.94  β    0.00  γ    0.00  
偏心(2) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ    1.26  
α  -41.51  β    0.00  γ    0.00  
偏心(3) 
Ｘ    0.00  Ｙ    1.84  Ｚ    1.19  
α  -70.40  β    0.00  γ    0.00  
偏心(4) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ    2.71  
α  -60.00  β    0.00  γ    0.00  
ｆｘ＝1.79
ｆｙ＝1.85
ｆno(x) ＝2.2 
ｆno(y) ＝2.1 
２ω＝90°
ＤＦＳ（Ｈ×Ｖ）＝1.790363×1.43295 
φ＝0.85                                                                  。
【００９３】
実施例４
面番号    曲率半径                面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞                      ∞        
1        ∞（絞り面）                          
2      ＦＦＳ[1]                       偏心(1)   1.6326    23.3
3      ＦＦＳ[2] （ＲＳ）              偏心(2)   1.6326    23.3
4      ＦＦＳ[3] （ＲＳ）              偏心(3)   1.6326    23.3
5      ＦＦＳ[2]                       偏心(2) 
6        ∞                      0.80  偏心(4)   1.5163    64.1
7        ∞                      0.22    
像  面      ∞                      
ＦＦＳ[1] 
Ｃ4    1.5052e-001    Ｃ6    3.8428e-002    Ｃ8   -1.6215e-002
Ｃ10  -2.6626e-003    Ｃ11   6.6401e-003    
ＦＦＳ[2] 
Ｃ4    1.5498e-002    Ｃ6   -1.0122e-002    Ｃ8   -2.2971e-002
Ｃ10  -2.0275e-003    Ｃ11   1.9906e-002    Ｃ13  -2.3448e-003
Ｃ15   1.4552e-003    Ｃ17   3.6254e-002    Ｃ19  -3.3240e-003
Ｃ21  -2.8435e-004    Ｃ22  -2.3333e-002    
ＦＦＳ[3] 
Ｃ4    5.7474e-002    Ｃ6    5.5708e-002    Ｃ8   -1.0332e-002
Ｃ10  -8.0299e-004    Ｃ11   4.8921e-003    Ｃ13  -1.7613e-002
Ｃ15  -2.6271e-003    Ｃ17   2.3444e-002    Ｃ19   4.2046e-003
Ｃ21   7.1932e-004    Ｃ22  -9.0711e-003    
偏心(1) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.08  Ｚ    0.12  
α   11.15  β    0.00  γ    0.00  
偏心(2) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.02  Ｚ    0.88  
α  -49.23  β    0.00  γ    0.00  
偏心(3) 
Ｘ    0.00  Ｙ    1.31  Ｚ    0.77  
α  -73.82  β    0.00  γ    0.00  
偏心(4) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ    1.50  
α  -52.93  β    0.00  γ    0.00  
ｆｘ＝1.62
ｆｙ＝1.74
ｆno(x) ＝3.2 
ｆno(y) ＝3.5 
２ω＝95°
ＤＦＳ（Ｈ×Ｖ）＝1.899951×1.322169
φ＝0.5                                                                   。
【００９４】
実施例５
面番号    曲率半径                面間隔  偏心      屈折率  アッベ数
物体面      ∞                      ∞        
1        ∞（絞り面）                      
2      ＦＦＳ[1]                       偏心(1)   1.8061    40.9
3      ＦＦＳ[2] （ＲＳ）              偏心(2)   1.8061    40.9
4      ＦＦＳ[3] （ＲＳ）              偏心(3)   1.8061    40.9
5      ＦＦＳ[2]                       偏心(2) 
6        ∞                      0.30  偏心(4)   1.5163    64.1
7        ∞                      0.03          
像  面      ∞                      
ＦＦＳ[1] 
Ｃ4    2.6359e-002    Ｃ6   -2.4546e-002    
ＦＦＳ[2] 
Ｃ4    1.7682e-002    Ｃ6   -3.8128e-003    Ｃ8    4.7998e-004
Ｃ10  -6.3670e-004    Ｃ11   3.1837e-006    Ｃ13  -3.8462e-005
Ｃ15   1.3347e-004    
ＦＦＳ[3] 
Ｃ4    6.1786e-002    Ｃ6    4.4946e-002    Ｃ8    7.4963e-004
Ｃ10  -1.6986e-003    Ｃ11   3.4179e-004    Ｃ13   3.0835e-004
Ｃ15   2.1444e-004    
偏心(1) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ    0.31  
α    8.10  β    0.00  γ    0.00  
偏心(2) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ    1.79  
α  -44.87  β    0.00  γ    0.00  
偏心(3) 
Ｘ    0.00  Ｙ    2.70  Ｚ    2.04  
α  -72.98  β    0.00  γ    0.00  
偏心(4) 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ    3.85  
α  -12.00  β    0.00  γ    0.00  
ｆｘ＝2.3 
ｆｙ＝2.1 
ｆno(x) ＝2.3 
ｆno(y) ＝2.2 
２ω＝75°
ＤＦＳ（Ｈ×Ｖ）＝1.659144×1.318075
φ＝1.0                                                                   。
次に、上記各数値実施例の条件式の要素値と条件式対応値を以下に示す。
【００９５】
要素値    実施例１    実施例２    実施例３    実施例４    実施例５
ｆＢ      1.516876    1.321894    1.378057    1.912788    1.754435
ｆｖ      2.044719    2.11203     1.790363    1.740984    2.162239
ｈＨ      1.715723    1.772204    1.790363    1.899951    1.659144
ωＨ      40°        40°        45°        47.5°      37.5°  
ｔ１      0.3         0.5         0.3         0.8         0.3 
Ｎｃｂ    1.5163      1.5163      1.5163      1.5163      1.5163
ＳＩ      0.3         0.2         0.21        0.1         0.31
Ｉｚ      3.075639    2.704887    2.878092    2.624281    4.018708
ＢＨ      1.315405    0.526372    0.518328    0.556938    1.146781
ＺＨ      3.181039    2.820539    3.271479    2.646494    3.873145
θs       −          −          −          −          −      
条件式            実施例１    実施例２    実施例３    実施例４    実施例５
（１）ｆＢ／ｆｖ  0.741851    0.625888    0.769708    1.098682    0.811398
（２）ｔ１／ｆＢ  0.197775    0.378245    0.217698    0.418238    0.170995
（３）Ｎｃｂ      1.5163      1.5163      1.5163      1.5163      1.5163
（４）ＳＩ／Ｉｚ  0.097541    0.07394     0.072965    0.038106    0.077139
（５）ＢＨ／ＺＨ  0.413514    0.186621    0.158438    0.210444    0.296085
（６）θs         −          −          −          −          −      
（７）ｈＨ        1.715723    1.772204    1.790363    1.899951    1.659144
。
【００９６】
また、上記に示した各実施例は投影装置を想定したものであるが、表示素子の画像表示面を撮像素子の撮像面に置き換えることで、小型の撮像装置を提供することができる。撮像面やカバーがラス等の光学部材による反射、兼用光学面での反射、絞りに近接する屈折面での内面反射に起因する不要光や迷光を抑制でき、結像性能の向上に有利となる。
【００９７】
以下に、上述の実施例の変形例を説明する。以下の変形例において、上記の何れの数値実施例の光学系に応用してもよい。本発明に属する他の形態の実施例に応用してもよい。
【００９８】
表示素子としてＤＭＤや反射型の液晶表示素子等の反射型表示素子の画像表示面２を投影する場合には、表示素子の前面から照明光を照射するために、画像表示面とプリズム光学系の間に照明系を配備するための空間が必要となる。
【００９９】
図８に、反射型表示素子を配備した場合の光路図を示す。反射型表示素子の表示側にはカバーガラス（光学部材）２２があり、その射出側に前面から光を照明する照明系８を配置している。その照明系８は、照明部８１と照明のための光学部材を持つ。光学部材は楔型のプリズム８２、８３を貼り合わせた直方体の形状を持ち、照明用の光学部材の短辺側に配備した光源のライトボックス（照明部）８１から放射した光は、偏光板８４を介して楔型のプリズム８３に入射し、そのプリズム８３の底面で反射し、斜面で再び反射して、その底面から射出して表示素子の画像表示面２を照明する。
【０１００】
ここで、楔型のプリズム８３の底面での反射は殆どの部分で全反射するが、臨界角以下の部分がある場合には、プリズム８３から射出する領域を避けて部分的に反射コートするようにする。
【０１０１】
２つの楔型のプリズム８２、８３の接合面である斜面には、偏光ビームスプリッターのコーティング又はフィルム８５が貼り合わされており、偏光板８４を通過してｓ偏光になった光はその斜面では全て反射する。その後、反射型表示素子の画像表示面２で反射した光は、１／４波長板８６を２回通過することで、偏光状態がｐ偏光になり、表示素子から射出した光は、楔型のプリズム８２、８３の斜面では反射されず、透過することになり、表示素子からの光を効率良くプリズム光学系３に導くことが可能となる。
【０１０２】
表示素子としてＤＭＤや反射型の液晶表示素子等の反射型表示素子の画像表示面２を投影する場合の別の変形例を図９の光路図を用いて説明する。図９に示すように、プリズム光学系３の兼用光学面１１に部分的に反射コーティング８７を施し、プリズム光学系３と画像表示面２の間の空間を通して照明部８１からの照明光を反射コーティング８７に入射させてその反射コーティング８７で反射された照明光で表示素子の画像表示面２を照明するようにする。この配置であれば、照明のための光学部材を少なくでき、軽量化に有利となる。なお、反射コーティング８７は、兼用光学面１１の光線が透過する有効領域の外側に設ける反射コート１５と兼用してもよい。                                        
【０１０３】
表示素子としてＤＭＤを用いる場合にも同様の考え方で、プリズム光学系３とＤＭＤの間に図８、図９と同様の照明系を設けて所望の入射角で照明できるように照明系を配備す
ればよい。
【０１０４】
次に、フレア・ゴースト除去手段について説明する。フレア・ゴースト除去のために、プリズム光学系３と画像表示面２との間に中心光線１０に対して斜めに傾いた屈折面を設けるようにしてもよい。実施例１の投影装置（図３）において、カバーガラス（第１の光学部材）２２に楔状の第２の光学部材（楔型のプリズム）２３を貼り付けた例を図１０に示す。空気接触面となる第２の光学部材２３の屈折面の傾け角は９°（θｓ＝９°）である。カバーガラス２２と第２の光学部材２３のｄ線での屈折率の差は０としている。つまり、どちらも同じ光学材料としている。
【０１０５】
楔状の第２の光学部材２３の射出側の屈折面を中心光線１０に対して傾けることで、兼用光学面１１の反射により発生した不要光がこの第２光学部材２３の表面で反射される際の不要光の光路を調整しやすくなる。この楔形の第２の光学部材２３をカバーガラス（第１の光学部材）２２と貼り合わせることで、カバーガラス２２の屈折面での反射を低減でき、ゴースト・フレアの低減につながる。なお、カバーガラス２２や画像表示面２の位置は、楔形の第２の光学部材２３の挿入に合わせて位置や角度を調整している。
【０１０６】
また、図１０のような構成は、本発明におけるプリズム光学系を撮像装置として用いる場合のフレア・ゴーストの低減にも有効である。その例として、フレア・ゴーストの発生例を図１１を用いて説明する。絞り４に近い入射側面１３（投影系では射出面１３とした面）からプリズム光学系３内に入射した光束ａが、兼用光学面１１、内面反射面１２で反射後、兼用光学面１１から射出する。そして光束の一部が撮像面２（投影系では画像表示面２とした面）に入射する直前のカバーガラス（第１の光学部材）２２で反射され不要光ｂとなり、再び兼用光学面１１を透過してプリズム光学系３内に戻る。不要光ｂは、内面反射面１２で反射し、入射側面１３で全反射し、兼用光学面１１の反射コーティング８７部分で反射し、再び入射側面１３で全反射し、内面反射面１２で反射し、兼用光学面１１を透過して撮像面２に至りゴースト・フレアとなる。
【０１０７】
カバーガラス２２に反射低減コーティングを施すことでゴースト強度は低減できるが、根本的にはなくならない。そこで、プリズム光学系３と撮像素子の撮像面２の間に斜めに傾いた屈折面を持つ第２の光学部材を配置することで、このフレア・ゴーストの発生を抑制することができる。図１０は上記では投影装置の場合として説明したが、撮像装置の場合も同様である。図１０は、実施例１のカバーガラス２２の上に第２の光学部材（楔型のプリズム）２３を貼り付けた例であり、空気接触面となる第２の光学部材２３の屈折面の傾け角は９°（θｓ＝９°）である。カバーガラス２２と第２の光学部材２３のｄ線での屈折率の差は０としている。つまり、どちらも同じ光学材料としている。
【０１０８】
この場合には、正規光は図１０における像高の上下方向（紙面内の方向）において、元の像位置から若干変化するので、その像位置になるように撮像素子の撮像面２、カバーガラス２２の位置、角度を一体で変化させることで、鮮明な画像を得ることができる。
【０１０９】
また、設計段階において、この楔型プリズムの第２の光学部材２３を予め光学要素として配備して設計することによって、楔型プリズムのの上下における光路長の差を調整することも可能である。
【０１１０】
図１２は、図１０の場合の楔状の第２の光学部材２３の空気接触面２３ａで反射した光の経路を紙面内にて画角を中心と±２０°の範囲で光線追跡した光路図である。図１２から明らかなように、第２の光学部材２３の空気接触面２３ａで反射した光は、プリズム光学系３に戻るが、内面反射面１２で反射した後、兼用光学面１１で全反射して入射側面１３側に反射する光束と、兼用光学面１１で屈折透過してプリズム光学系３から射出する光
がある。前者は、入射側面１３の入射領域以外の部分を粗面、吸収面にすることで、大部分の光は消滅する。有効面に入射した光は殆ど射出するため、撮像装置としては問題にならない。後者は、兼用光学面１１の絞り４側に入射した光であり、図のように、光学兼用面１１で屈折して射出するため、撮像素子の撮像面２には入射しない。
【０１１１】
本発明の投影装置の発明を、光路を逆にして撮像装置に応用した場合には、例えば以下のように構成することができる。
【０１１２】
構成Ａ
画像を撮像するための撮像面を持つ撮像素子と、
前記撮像面に前記画像を結像する正の屈折力のプリズム光学系と、
前記プリズム光学系よりも物体側に配置され、前記プリズム光学系に入射する光束の太さを制限する絞りとを有し、
前記プリズム光学系は、前記撮像面側に凹の反射面を向けた内面反射面と、前記プリズム光学系に正規光束が入射する入射面と、前記入射面からの正規光束を反射しかつ前記内面反射面からの正規反射光束を透過する兼用光学面とを備え、
前記絞りから入射する正規光束は、前記入射面を透過して前記プリズム光学系内部に入射し、前記兼用光学面にて反射し、前記内面反射面にて反射し、前記兼用光学面から射出して撮像面に至る経路をたどり、
さらに、以下の条件式（Ａ）を満足することを特徴とする撮像装置。
【０１１３】
０．３＜ｆＢ／ｆｖ＜１．５                                    ・・・（Ａ）
ただし、ｆＢは、前記プリズム光学系の前記兼用光学面から前記撮像面までの中心光線に沿った空気換算長であり、前記中心光線は前記絞りの中心を通過し前記撮像面の中心に至る正規光線と定義し、ｆｖは、
ｆｖ＝ｈＨ／（ｔａｎωＨ）
で表される値であり、前記内部反射面における反射前後の中心光線を含む面に垂直な方向を水平方向としたとき、ωＨは、前記水平方向における物体側の中心光線に対する最大撮影画角、ｈＨは、前記水平方向における前記撮像面の中心からの最も遠い撮像位置までの距離である。
【０１１４】
構成Ｂ
前記撮像面を保護するため、前記撮像面と前記プリズム光学系との間に配置された透明な光学部材を有し、前記中心光線に沿った前記光学部材の厚みが以下の条件式（Ｂ）を満足することを特徴とする構成Ａ記載の投影装置。
【０１１５】
０．１７≦ｔ１／ｆＢ≦０．７                                  ・・・（Ｂ）
ただし、ｔ１は、前記光学部材の前記中心光線に沿う方向での厚みである。
【０１１６】
構成Ｃ
前記光学部材が以下の条件式（Ｃ）を満足する材料であることを特徴とする構成Ｂ記載の撮像装置。
【０１１７】
１．４≦Ｎｃｂ≦２．１                                        ・・・（Ｃ）
ただし、Ｎｃｂは、前記光学部材のｄ線での屈折率である。
【０１１８】
構成Ｄ
前記絞りと前記プリズム光学系の前記入射面と前記撮像面の位置関係が以下の条件式（Ｄ）を満足することを特徴とする構成ＡからＣの何れか１項記載の撮像装置。
【０１１９】
ＳＩ／Ｉｚ＜０．６                                            ・・・（Ｄ）
ただし、ＳＩは、前記絞りと前記入射面との間の前記中心光線に沿った距離、Ｉｚは、前記絞りの中心から前記撮像面を含む平面までの距離である。
【０１２０】
構成Ｅ
前記兼用光学面の中、光線が透過する有効領域の外側、かつ、光線が反射する有効領域の少なくとも一部に反射コートを施したことを特徴とする構成ＡからＤの何れか１項記載の撮像装置。
【０１２１】
構成Ｆ
前記反射コートの施される範囲が以下の条件式（Ｅ）を満足することを特徴とする構成Ｅ記載の撮像装置。
【０１２２】
０．０５＜ＢＨ／ＺＨ＜０．５                                  ・・・（Ｅ）
ただし、ＺＨは、前記内部反射面における反射前後の中心光線を含む面内における前記兼用光学面の反射有効領域の両端を結ぶ線分の長さ、ＢＨは、前記内部反射面における反射前後の中心光線を含む面内における前記兼用光学面の反射有効領域の中の反射コート部の両端を結ぶ線分の長さである。
【０１２３】
構成Ｇ
前記撮像面を保護するため、前記撮像面と前記プリズム光学系との間に配置された透明な光学部材と、前記光学部材の前記プリズム光学系側に接合され、前記中心光線に対して斜めに傾いた屈折面を持つ第２の光学部材を有することを特徴とする構成ＡからＦの何れか１項記載の撮像装置。
【０１２４】
構成Ｈ
前記斜めに傾いた屈折面が以下の条件式（Ｆ）を満足することを特徴とする構成Ｇ記載の撮像装置。
【０１２５】
5 °＜θs ＜１５°                                            ・・・（Ｆ）
ただし、θs は、前記斜めに傾いた屈折面の入射直前の中心光線と前記絞りの中心とを含む平面断面にて、前記入射直前の中心光線と、前記屈折面の前記中心光線の通過する位置における前記プリズム光学系側への垂線とのなす角度であり、前記垂線が絞りから離れる方向に傾く場合を正符号とする。
【０１２６】
構成Ｉ
前記光学部材と前記第２の光学部材とのｄ線での屈折率の差の絶対値が０．５以下であることを特徴とする構成Ｇ又はＨ記載の撮像装置。
【０１２７】
構成Ｊ
以下の条件式（Ｇ）を満足することを特徴とする構成ＡからＩの何れか１項記載の撮像装置。
【０１２８】
１．０ｍｍ＜ｈＨ＜２．５ｍｍ                                  ・・・（Ｇ）
上述の各構成は複数を同時に満足することがより好ましい。また、各条件式に関して、以下のようにすることが上述の効果をより確実にでき好ましい。
【０１２９】
条件式（Ａ）について、下限値を０．４５、更には０．６とすることがより好ましい。上限値を１．３、更には１．１５とすることがより好ましい。
【０１３０】
条件式（Ｂ）について、下限値を０．２、更には０．３、更には０．４とすることがより好ましい。上限値を０．６、更には０．５とすることがより好ましい。
【０１３１】
条件式（Ｃ）について、下限値を１．５とすることがより好ましい。
【０１３２】
条件式（Ｄ）について、上限値を０．２、更には０．１とすることがより好ましい。
【０１３３】
条件式（Ｅ）について、下限値を０．１、更には０．１５とすることがより好ましい。上限値を０．４６、更には０．４３とすることがより好ましい。
【０１３４】
条件式（Ｆ）について、下限値を８°とすることがより好ましい。上限値を１２°とすることがより好ましい。
【０１３５】
条件式（Ｇ）について、下限値を１．５ｍｍ、更には１．７ｍｍとすることがより好ましい。上限値を２．２ｍｍ、更には２．０ｍｍとすることがより好ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１３６】
本発明によれば、小型化に有利な正屈折力を持つプリズム光学系を用いた投影装置において、プリズム光学系で発生する不要光の影響を低減しやすい投影装置を提供することができる。
【符号の説明】
【０１３７】
１００…投影装置
１…表示素子
２…画像表示面（撮像面）
３…プリズム光学系
４…絞り
５…投影画像
６…画像信号源
７…カバー部材
８…照明系
１０…中心光線
１１…兼用光学面
１２…内面反射面
１３…射出面（入射側面）
１４…反射コート
１５…反射コート
２１…画像表示面の中心
２２…カバーガラス（第１の光学部材）
２３…楔状の第２の光学部材（楔型のプリズム）
２３ａ…第２の光学部材の空気接触面
４１…絞りの中心
６１…画像信号
８１…照明部（ライトボックス）
８２、８３…楔型のプリズム
８４…偏光板
８５…偏光ビームスプリッターのコーティング又はフィルム
８６…１／４波長板
８７…反射コーティング
ａ…入射側面からプリズム光学系３内に入射した光束
ｂ…不要光
【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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