(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示素子に表示される画像をスクリーンに拡大投影する投射光学システムであって、
前記投射光学システムは、
絞りおよび複数のレンズを含む複数の光学素子からなり、前記画像表示素子に表示される画像を拡大結像させるための屈折光学系と、
前記屈折光学系と前記スクリーンとの間に配置される少なくとも１つの反射光学素子を有する反射光学系と
を具備してなり、
前記画像表示素子と前記反射光学系の間に中間像を１つ形成し、
前記屈折光学系における軸対称の前記複数のレンズが共有する軸を光軸Ａとして、前記画像表示素子の画像形成部と前記光軸Ａとは交差し、且つ前記画像形成部の中心と前記光軸Ａとは交差しない配置であり、
該光軸Ａを含み且つ前記画像表示素子の中心から射出され前記絞りの中心を通る光線を含む面内の軸であって、前記光軸Ａに直交する軸をＹ軸としたとき、前記屈折光学系のうちの一部の光学素子Ｂが前記Ｙ軸に平行な方向に偏心しており、
前記光軸Ａが前記画像表示素子と直交している
ことを特徴とする投射光学システム。
【請求項２】
前記反射光学系は凹面ミラーを有し、画像が投影される前記スクリーンは、
前記凹面ミラーと前記光軸Ａとの交点から前記スクリーンまでの距離／スクリーン横幅をＴＲとして、
条件式：
〔１〕  ＴＲ  ＜  ０．３０
を満足することを特徴とする請求項１に記載の投射光学システム。
【請求項３】
画像表示素子に表示される画像をスクリーンに拡大投影する投射光学システムであって、
前記投射光学システムは、
絞りおよび複数のレンズを含む複数の光学素子からなり、前記画像表示素子に表示される画像を拡大結像させるための屈折光学系と、
前記屈折光学系と前記スクリーンとの間に配置される少なくとも１つの反射光学素子を有する反射光学系と
を具備してなり、
前記画像表示素子と前記反射光学系の間に中間像を１つ形成し、
前記屈折光学系における軸対称の前記複数のレンズが共有する軸を光軸Ａとして、前記画像表示素子の画像形成部と前記光軸Ａとは交差し、且つ前記画像形成部の中心と前記光軸Ａとは交差しない配置であり、
該光軸Ａを含み且つ前記画像表示素子の中心から射出され前記絞りの中心を通る光線を含む面内の軸であって、前記光軸Ａに直交する軸をＹ軸としたとき、前記屈折光学系のうちの一部の光学素子Ｂが前記Ｙ軸に平行な方向に偏心しており、
前記反射光学系は凹面ミラーを有し、画像が投影される前記スクリーンは、
前記凹面ミラーと前記光軸Ａとの交点から前記スクリーンまでの距離／スクリーン横幅をＴＲとして、
条件式：
〔１〕 ＴＲ ＜ ０．３０
を満足する
ことを特徴とする投射光学システム。
【請求項４】
前記光学素子Ｂの光軸を前記光軸Ａに一致させた状態で、投影画像が最大となる合焦状態での前記中間像の近軸最大像高をＤｉｄとし、前記屈折光学系による近軸像面と前記絞りの中心を通る光線との交点の前記光軸Ａからの距離の最大値をＤとして、
条件式：
〔２〕  ０．６  ＜  Ｄ／Ｄｉｄ  ＜  ０．８
を満足することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の投射光学システム。
【請求項５】
画像表示素子に表示される画像をスクリーンに拡大投影する投射光学システムであって、
前記投射光学システムは、
絞りおよび複数のレンズを含む複数の光学素子からなり、前記画像表示素子に表示される画像を拡大結像させるための屈折光学系と、
前記屈折光学系と前記スクリーンとの間に配置される少なくとも１つの反射光学素子を有する反射光学系と
を具備してなり、
前記画像表示素子と前記反射光学系の間に中間像を１つ形成し、
前記屈折光学系における軸対称の前記複数のレンズが共有する軸を光軸Ａとして、前記画像表示素子の画像形成部と前記光軸Ａとは交差し、且つ前記画像形成部の中心と前記光軸Ａとは交差しない配置であり、
該光軸Ａを含み且つ前記画像表示素子の中心から射出され前記絞りの中心を通る光線を含む面内の軸であって、前記光軸Ａに直交する軸をＹ軸としたとき、前記屈折光学系のうちの一部の光学素子Ｂが前記Ｙ軸に平行な方向に偏心しており、
前記光学素子Ｂの光軸を前記光軸Ａに一致させた状態で、投影画像が最大となる合焦状態での前記中間像の近軸最大像高をＤｉｄとし、前記屈折光学系による近軸像面と前記絞りの中心を通る光線との交点の前記光軸Ａからの距離の最大値をＤとして、
条件式：
〔２〕 ０．６ ＜ Ｄ／Ｄｉｄ ＜ ０．８
を満足する
ことを特徴とする投射光学システム。
【請求項６】
前記光学素子Ｂは、負のパワーを有することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の投射光学システム。
【請求項７】
前記光学素子Ｂは、前記絞りよりも前記反射光学素子側に配置されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の投射光学システム。
【請求項８】
前記光学素子Ｂは、球面レンズであることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の投射光学システム。
【請求項９】
前記反射光学素子は、自由曲面を有する凹面ミラーであることを特徴とする請求項１または請求項５に記載の投射光学システム。
【請求項１０】
前記投射光学システムは、ノンテレセントリック光学系を形成していることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の投射光学システム。
【請求項１１】
前記反射光学系と前記スクリーンとの間に、曲率を有するガラス部材を配設してなることを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の投射光学システム。
【請求項１２】
前記画像表示素子の対角サイズをＧｏとし、最小の画面サイズをＧｉとして、
条件式：
〔３〕  Ｇｉ／Ｇｏ  ＞  ７３
を満足することを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の投射光学システム。
【請求項１３】
請求項１〜請求項１１のいずれか１項の投射光学システムを用いて、前記画像表示素子に表示される画像を前記スクリーンに拡大投影し、画像を投射表示することを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像をスクリーンに拡大投射して表示する、いわゆるプロジェクタ等の画像表示装置に係り、特に、画像表示素子に表示される画像をスクリーンに拡大投射するための投射光学システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、プロジェクタ等と称される投射型の画像表示装置が、広く用いられている。一般に、この種の投射型の画像表示装置においては、ＤＭＤ(Digital Micromirror Device)または液晶表示パネル等のライトバルブ（light valve〜光弁）と称される画像表示素子の表示画像の拡大像を投射光学システムによってスクリーンに投影して画像表示を行う。
ここで画像表示素子として用いられるＤＭＤは、多数の微小ミラーを有し、これら各微小ミラーの角度を個別に所定の範囲で電子的に制御することができるデバイスである。例えば、今、１つの微小ミラーの角度が、−１２°のときに照明光の微小ミラーによる反射光が投射光学系内に入射し、そして＋１２°のときに照明光の反射光が投射光学系に入射しないように、照明光がＤＭＤに入射する角度を設定しておけば、ＤＭＤの各微小ミラーの傾斜角度を制御することによって、ＤＭＤの表示画面上にディジタル画像を形成することができる。
ところで、最近、この種の投射型の画像表示装置において、従来よりも投射距離を短くして、至近距離に設置したスクリーンに、大画面を表示できるようにした超短投射距離のフロント投射型プロジェクタの需要が高まってきている。
【０００３】
この超短投射距離のフロント投射型プロジェクタのように、超短投射距離の投射型の画像表示装置に用いる投射光学システムとしては、曲面ミラーを利用して画像の歪曲を補正しつつ投射光路を偏向して画像表示素子とスクリーンとの間の距離を短縮するものがある。この曲面ミラーを利用する方式は，小型であっても超至近距離からの投射を達成することができる可能性を有している。
このように、曲面ミラーを用いて小型で超短投射距離を実現する投射型の画像表示装置の技術は、例えば、特許文献１（特開２００７−７９５２４号公報）、特許文献２（特開２０１１−２４２６０６号公報）、特許文献３（特開２０１２−１０８２６７号公報）および特許文献４（特開２００９−２１６８８３号公報）等に開示されている。
すなわち、これら特許文献１、特許文献２、特許文献３および特許文献４においては、いずれも屈折光学系と曲面ミラーを組み合わせる投射型の画像表示装置の構成が示されており、これらによれば超短投射距離を実現することが可能となる。
【０００４】
ところで、この種の投射型の画像表示装置、つまり超短投射プロジェクタにおいても、近年、小型化および低コスト化が求められている。一般的に反射光学系を用いたプロジェクタにおいては、光線と筐体との干渉を避けるために、画像表示素子を光軸から偏心させた構成を採らざるを得ない。このように画像表示素子を光軸から偏心させると、その分だけプロジェクタの厚み方向の寸法を増加させてしまう。また、屈折光学系のみを用いたプロジェクタと、屈折光学系および反射光学系の両者を用いたプロジェクタとで、画像表示素子を照明する照明系を共用化させることができない。そのため、これらのプロジェクタについては、それぞれ個別に開発を行わなければならず、コストを増加させる一因となっている。
【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、特許文献１および特許文献２の記載においては、薄型化や照明系共通化については特に言及しておらず、上述したような市場の要求に対しては充分に対応していない。
また、特許文献３には、屈折光学系の中で中間像を形成させることにより、画像表示素子の偏心量を抑えるような構成を採るものも開示されているが、このように屈折光学系において単に中間像を形成しようとすると、光軸方向のサイズが大きくなってしまうため、小型化の要求に対して適切に応えることはできない。
そして、特許文献４には、自由曲面を複数面用いる方法や多数のレンズを偏心させる方法が開示されているが、これらを単純に適用したのでは、製造誤差感度の増大を招いてしまうおそれがあるため、望ましいとはいえない。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、投射距離を充分に短くして、しかも高輝度化することを可能とし、小型で且つ高性能な投射光学システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る投射光学システムは、上述した目的を達成するために、
画像表示素子に表示される画像をスクリーンに拡大投影する投射光学システムであって、
前記投射光学システムは、
絞りおよび複数のレンズを含む複数の光学素子からなり、前記画像表示素子に表示される画像を拡大結像させるための屈折光学系と、
前記屈折光学系と前記スクリーンとの間に配置される少なくとも１つの反射光学素子を有する反射光学系と
を具備してなり、
前記画像表示素子と前記反射光学系の間に中間像を１つ形成し、
前記屈折光学系における軸対称の複数のレンズが共有する軸を光軸Ａとして、前記画像表示素子の画像形成部と前記光軸Ａとは交差し、且つ前記画像形成部の中心と前記光軸Ａとは交差しない配置であり、
該光軸Ａを含み且つ前記画像表示素子の中心から射出され前記絞りの中心を通る光線を含む面内の軸であって、前記光軸Ａに直交する軸をＹ軸としたとき、前記屈折光学系のうちの一部の光学素子Ｂが前記Ｙ軸に平行な方向に偏心しており、
前記光軸Ａが前記画像表示素子と直交している
ことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、
画像表示素子に表示される画像をスクリーンに拡大投影する投射光学システムにおいて、
前記投射光学システムは、
絞りおよび複数のレンズを含む複数の光学素子からなり、前記画像表示素子に表示される画像を拡大結像させるための屈折光学系と、
前記屈折光学系と前記スクリーンとの間に配置される少なくとも１つの反射光学素子を有する反射光学系と
を具備してなり、
前記画像表示素子と前記反射光学系の間に中間像を１つ形成し、
前記屈折光学系における軸対称の複数のレンズが共有する軸を光軸Ａとして、前記画像表示素子の画像形成部と前記光軸Ａとは交差し、且つ前記画像形成部の中心と前記光軸Ａとは交差しない配置であり、
該光軸Ａを含み且つ前記画像表示素子の中心から射出され前記絞りの中心を通る光線を含む面内の軸であって、前記光軸Ａに直交する軸をＹ軸としたとき、前記屈折光学系のうちの一部の光学素子Ｂが前記Ｙ軸に平行な方向に偏心しており、
前記光軸Ａが前記画像表示素子と直交している
ことにより、
投射距離を充分に短くして、しかも高輝度化することを可能とし、小型で且つ高性能な投射光学システムとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１の実施の形態である実施例１に係る画像表示装置における投射光学システムの全体の概略的な主要構成を、光軸を含み且つ画像表示素子の表示画面の長辺が垂直に交わる断面に沿って示す断面図である。
【図２】図１の投射光学システムの主として屈折光学系であるレンズ系の部分およびそのフォーカシング動作をより詳細に示す断面図である。
【図３】図１の投射光学システムにおける画像表示素子の画像形成部の形態およびその光軸に対する位置関係を模式的に示す模式図である。
【図４】図１の投射光学システムにおける近軸像面、中間像および光軸等の関係を説明するための模式図である。
【図５】図１の投射光学システムの遠距離（１００インチ）における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。
【図６】図１の投射光学システムの中間距離（８０インチ）における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。
【図７】図１の投射光学システムの近距離（６０インチ）における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。
【図８】図１の投射光学システムの遠距離（１００インチ）におけるスクリーンでの波長５５０ｎｍのスポット位置を示す模式図である。
【図９】図１の投射光学システムの中間距離（８０インチ）におけるスクリーンでの波長５５０ｎｍのスポット位置を示す模式図である。
【図１０】図１の投射光学システムの近距離（６０インチ）におけるスクリーンでの波長５５０ｎｍのスポット位置を示す模式図である。
【図１１】図１の投射光学システムの遠距離（１００インチ）におけるスクリーンでの波長６２５ｎｍ（赤）、５５０ｎｍ（緑）および４２５ｎｍ（青）の結像特性を示すスポットダイアグラムである。
【図１２】図１の投射光学システムの中間距離（８０インチ）におけるスクリーンでの波長６２５ｎｍ（赤）、５５０ｎｍ（緑）および４２５ｎｍ（青）の結像特性を示すスポットダイアグラムである。
【図１３】図１の投射光学システムの近距離（６０インチ）におけるスクリーンでの波長６２５ｎｍ（赤）、５５０ｎｍ（緑）および４２５ｎｍ（青）の結像特性を示すスポットダイアグラムである。
【図１４】図１1〜図１３のスポットダイアグラムにおけるＦ１〜Ｆ１３に対応する画角を示す図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態である実施例２に係る画像表示装置における投射光学システムの全体の概略的な主要構成を、光軸を含み且つ画像表示素子の表示画面の長辺が垂直に交わる断面に沿って示す断面図である。
【図１６】図１５の投射光学システムの主として屈折光学系であるレンズ系の部分およびそのフォーカシング動作をより詳細に示す断面図である。
【図１７】図１５の投射光学システムの遠距離（１００インチ）における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。
【図１８】図１５の投射光学システムの中間距離（８０インチ）における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。
【図１９】図１５の投射光学システムの近距離（６０インチ）における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。
【図２０】図１５の投射光学システムの遠距離（１００インチ）におけるスクリーンでの波長５５０ｎｍのスポット位置を示す模式図である。
【図２１】図１５の投射光学システムの中間距離（８０インチ）におけるスクリーンでの波長５５０ｎｍのスポット位置を示す模式図である。
【図２２】図１５の投射光学システムの近距離（６０インチ）におけるスクリーンでの波長５５０ｎｍのスポット位置を示す模式図である。
【図２３】図１５の投射光学システムの遠距離（１００インチ）におけるスクリーンでの波長６２５ｎｍ（赤）、５５０ｎｍ（緑）および４２５ｎｍ（青）の結像特性を示すスポットダイアグラムである。
【図２４】図１５の投射光学システムの中間距離（８０インチ）におけるスクリーンでの波長６２５ｎｍ（赤）、５５０ｎｍ（緑）および４２５ｎｍ（青）の結像特性を示すスポットダイアグラムである。
【図２５】図１５の投射光学システムの近距離（６０インチ）におけるスクリーンでの波長６２５ｎｍ（赤）、５５０ｎｍ（緑）および４２５ｎｍ（青）の結像特性を示すスポットダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態に基づき、図面を参照して本発明に係る投射光学システムを詳細に説明する。具体的な実施例について説明する前に、まず、本発明の原理について説明する。
本発明に係る投射光学システムは、画像表示素子に表示される画像をスクリーンに拡大投影するための投射光学システムであり、一般にプロジェクタなどと称される投射型の画像表示装置を構成する。本発明の投射光学システムは、
絞りおよび複数のレンズを含む複数の光学素子からなり、前記画像表示素子に表示される画像を拡大結像させるための屈折光学系と、
前記屈折光学系と前記スクリーンとの間に配置される少なくとも１つの反射光学素子を有する反射光学系と
を具備してなり、
前記画像表示素子と前記反射光学系の間に中間像を１つ形成し、
前記屈折光学系における軸対称の複数のレンズが共有する軸を光軸Ａとして、前記画像表示素子の画像形成部と前記光軸Ａとは交差し、且つ前記画像形成部の中心と前記光軸Ａとは交差しない配置であり、
該光軸Ａを含み且つ前記画像表示素子の中心から射出され前記絞りの中心を通る光線を含む面内の軸であって、前記光軸Ａに直交する軸をＹ軸としたとき、前記屈折光学系のうちの一部の光学素子Ｂが前記Ｙ軸に平行な方向に偏心しており、
そして前記光軸Ａが前記画像表示素子と直交していることが望ましい（請求項１に対応する）。ここで、偏心とは、光学素子Ｂが、前記光軸Ａと光軸を共有してないことを示している。
このように光軸Ａと画像表示素子が直交することにより、偏心収差の発生を抑えることが可能となる。
【００１０】
屈折光学系のうちの一部の光学素子Ｂを偏心させることにより、画像表示素子を光軸Ａと交差させた場合であっても反射光学系のミラーから反射された光線と、屈折光学系または折り返しミラー等との干渉を避けることができる。また、画像表示素子を光軸Ａと交差させることにより、プロジェクタ等の投射型の画像表示装置の筐体のＹ軸方向の厚みを薄くすることが可能となる。ここで、光学素子Ｂは、屈折光学系内のレンズ単体、接合レンズおよび一体となって移動するレンズ群のいずれかである。
一般に屈折光学系を用いた前方投射型のプロジェクタは、画像表示素子と光軸を交差させて設計することが多いが、ミラー等による反射光学系を用いた構成においては、先に述べた通り、光線とレンズ等との干渉が避けられないため、画像表示素子と光軸を交差させないように配置する。そのため、照明系を共通化することが困難であった。これに対して、本発明では一部の光学素子Ｂを偏心させることにより、画像表示素子と光軸が交差していても、光線とレンズ等との干渉を避けることができるため、屈折光学系を用いた前方投射型のプロジェクタと照明系を共通化することができ、コストを削減することが可能となる。
さらにまた、前記反射光学系は凹面ミラーを有し、画像が投影される前記スクリーンは、前記凹面ミラーと前記光軸Ａとの交点から前記スクリーンまでの距離／スクリーン横幅をＴＲとして、次の条件式〔１〕を満たすことが望ましい。
条件式：
〔１〕  ＴＲ  ＜  ０．３０
このように条件式〔１〕を満たすことで、小型で投射スペースの小さい投射光学システムとすることが可能となる。
また、前記光学素子Ｂの光軸を前記光軸Ａに一致させた状態で、投影画像が最大となる合焦状態での前記中間像の近軸最大像高をＤｉｄとし、前記屈折光学系による近軸像面と前記絞りの中心を通る光線との交点の前記光軸Ａからの距離の最大値をＤとして、
条件式：
〔２〕  ０．６  ＜  Ｄ／Ｄｉｄ  ＜  ０．８
を満足することが望ましい。
【００１１】
さらに、前記光学素子Ｂが負のパワーを有することが望ましい。このように負のパワーの光学素子を偏心させることにより、光学性能に影響を与える偏心収差を小さく抑えることができるため、レンズや、ミラーのサイズを小さく抑えることが可能となる。
さらには、前記光学素子Ｂは、絞りよりも前記反射光学素子側に配置されることが望ましい。このように、光学素子Ｂを絞りよりも反射光学素子側に配置することにより、偏心収差の発生を小さく抑えることができ、レンズやミラーのサイズを小さくすることが可能となる。
さらに望ましくは、前記光学素子Ｂは、球面レンズであってもよい。このように球面レンズを偏心させることで、高度な偏心収差の発生を抑えることができる。
また望ましくは、前記反射光学素子が自由曲面を有する凹面ミラーであってもよい。このようにすれば、光学素子Ｂを偏心させることで発生する、台形歪み等の偏心収差を効率良く抑えることが可能となり、プロジェクタ等の投射型の画像表示装置を小型化することができる。特に超短投射距離のプロジェクタにおいては、レンズの偏心により大きな台形歪みが発生してしまい、回転対称な光学素子では、補正しきれないことが少なくないが、自由曲面ミラーを用いることにより効果的に補正することが可能となる。
【００１３】
すなわち、条件式〔２〕を満足することで、屈折光学系からの出射光線の角度を抑えることが可能となるため、投射光学系のＹ軸方向の厚みを抑えることができる。Ｄ／Ｄｉｄの値が条件式〔２〕の下限を下回ると、歪の補正をするために、自由曲面ミラーの負担が大きくなるため、製造誤差感度が大きくなってしまう。また、Ｄ／Ｄｉｄの値が条件式〔２〕の上限を上回ると、厚みが増してしまうため小型化できないだけでなく、縦型のプロジェクタにおいては折り返された光線と、レンズとの干渉が起こってしまう。前記光学素子Ｂの偏心、画像表示素子と光軸Ａを交差させること、そして条件式〔２〕を同時に満たすことにより、偏心収差の発生を抑えつつ、投射光学システムのＹ軸方向の厚みを薄くすることが可能となる。
さらに、投射光学システムを構成する光学系がノンテレセントリック光学系であることが望ましい。このように、ノンテレセントリック光学系を用いることで、投射光学システムを小型化することができる。
さらには、前記反射光学系と前記スクリーンとの間に、曲率を有するガラス部材を有していることが望ましい。すなわち、画像表示素子のＹ軸方向の偏心量や、光学素子ＢのＹ軸方向の偏心量を小さくすると、光学性能的には優位になるが、スクリーン上での画像位置が下がり、例えば防塵ガラスとなる前記ガラス部材への入射角度が大きくなってしまい、位置画面周辺の画像の照度が下がってしまう。
【００１４】
前記ガラス部材に曲率をつけることで入射角度を低減することができるため、偏心量を小さくすることが可能となり、投射光学システムの薄型化および光学性能の向上に寄与する効果がある。
さらにまた、画像表示素子の対角サイズをＧｏ、最小の画面サイズをＧｉとして、次の条件式〔３〕を満たすことが望ましい。
条件式：
〔３〕  Ｇｉ／Ｇｏ  ＞  ７３
Ｇｉ／Ｇｏの値が、条件式〔３〕における下限値を下回ると、スクリーン下端に入射する上光線と、レンズとの干渉が大きくなってしまうため、好ましくない。条件式〔３〕を満たすことによって、スクリーンに入射する光線の実質的な開口数ＮＡを暗くすることができるため、干渉を避けることが可能となる。
さらに望ましくは、次の条件式〔３′〕を満たすようにするとよい。
条件式：
〔３′〕  Ｇｉ／Ｇｏ  ＞  ９０
さらに、本発明に係る画像表示装置は、上述した投射光学システムを用いて、画像表示素子に表示される画像をスクリーンに拡大投影して、画像を投射表示する。
【００１５】
次に、本発明に係る投射光学システムのさらに具体的な実施の形態および実施例について説明する。なお、ここでは、本発明の実施の形態および具体的な実施例として、本発明の投射光学システムに係る第１の実施の形態としての具体的な実施例１および第２の実施の形態としての具体的な実施例２について説明する。
【００１６】
〔第１の実施の形態〕
まず、上述した本発明の第１の実施の形態としての具体的な実施例１を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
実施例１は、本発明の第１の実施の形態に係る投射光学システムの具体的な構成の実施例である。
図１は、本発明の第１の実施の形態である実施例１に係る投射光学システムおよびそれを用いた画像表示装置の構成を説明するためのものである。図１には、実施例１に係る投射光学システムを用いた画像表示装置の全体の概略的な主要構成を、光軸を含み且つ画像表示素子の表示画面の長辺が垂直に交わる断面に沿って示す断面図として示している。
まず、以下における全ての実施の形態および実施例に共通して用いる主要な構成要素について説明する。
画像表示素子としてのライトバルブ（light valve〜光弁）として、具体的には、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いている。画像表示素子であるライトバルブとして、ＤＭＤの他には、例えば、透過型液晶パネルおよび反射型液晶パネル等を用いることもでき、本発明は、画像表示素子に用いるライトバルブの種類には特に限定されるものではない。
【００１８】
ここで画像表示素子として用いられるＤＭＤは、多数の微小ミラーを有し、これら各微小ミラーの角度を個別に所定の角度の範囲で電子的に制御することができるデバイスである。例えば、今、１つの微小ミラーの角度が、−１２°のときに照明光の微小ミラーによる反射光が投射光学システムに入射し、そして＋１２°のときに照明光の反射光が投射光学システムに入射しないように、照明光がＤＭＤに入射する角度を設定しておけば、ＤＭＤの各微小ミラーの傾斜角度を制御することによって、ＤＭＤの表示画面上にディジタル画像を形成することができる。
なお、図１に画像表示素子としてのライトバルブの画像形成部ＬＶとして示しているのは、ライトバルブにおいて投射すべき画像を形成する表示画面部分である。
画像形成部ＬＶがＤＭＤ等のように自ら発光する機能を持たない場合には、画像形成部ＬＶに形成される画像情報は、照明光学系ＬＳからの照明光により照明される。照明光学系ＬＳとしては、画像形成部ＬＶを効率よく照明する機能を有するものが望ましく、また、照明をより均一にするため、例えばロッドインテグレータやフライアイインテグレータを用いることができる。
【００１９】
また、照明光学系ＬＳにおける照明光源としては、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプおよび（白色）ＬＥＤ（発光ダイオード）などの白色光源を用いることができ、また単色発光ＬＥＤおよびＬＤ（レーザダイオード）などの単色光源も用いることができる。照明光学系ＬＳの具体的な構成については、本発明では特に限定しておらず、説明が煩雑になるのを避けるために、ここでは詳細な説明を省略する。本発明の実施例１においては、画像形成部ＬＶとしてＤＭＤを想定している。また、本発明の実施例１では、上述したように、自ら発光する機能を持たない画像形成部を前提としているが、生成させた画像を発光させる機能を有する自己発光方式のものを利用することもでき、そのような場合には照明光学系ＬＳは不要となる場合もある。
画像形成部ＬＶの近傍に配設される平行平板は、画像形成部ＬＶのカバーガラス（シールガラス）ＦＧを想定している。
画像形成部ＬＶの画像表示面に形成される画像は、平行平板ＦＧを介して屈折光学系ＲＲに入射し、屈折光学系ＲＲおよび反射光学系ＲＬを介してスクリーンＳＣに拡大結像される。屈折光学系ＲＲは、絞りＡＤを含むレンズ系として構成される。
【００２０】
スクリーンＳＣ以外の主要な部分は、投射型画像表示装置の筐体となる外装部ＨＢに収容され、投射型画像表示装置を構成している。
実施例（実施例１および実施例２に共通）における記号の意味は、次の通りである。
ｆ：全系の焦点距離
ＮＡ：開口数
ω：半画角（ｄｅｇ）
Ｒ：曲率半径（非球面の場合は近軸曲率半径）
Ｄ：面間隔
Ｎｄ：屈折率
νｄ：アッベ数
Ｋ：非球面の円錐定数
Ａｉ：ｉ次の非球面係数
Ｃｊ：自由曲面係数
非球面形状は、近軸曲率半径Ｒの逆数（近軸曲率）Ｃ、光軸からの高さＨ、円錐定数Ｋおよび各次数の非球面係数Ａｉを用い、光軸方向における非球面量をＸとして、周知の式〔４〕：
【００２１】
【数１】
0006481886.tif 000002
【００２２】
であらわされ、近軸曲率半径Ｒ、円錐定数Ｋおよび非球面係数Ａｉを与えて非球面形状を特定する。
また、自由曲面形状は、近軸曲率半径Ｒの逆数（近軸曲率）Ｃ、光軸からの高さＨ、円錐定数Ｋおよび自由曲面係数Ｃｊを用い、光軸方向における自由曲面量をＸとして、周知の式〔５〕
【００２３】
【数２】
0006481886.tif 000003
【００２４】
ただし
【００２５】
【数３】
0006481886.tif 000004
であらわされ、近軸曲率半径Ｒ、円錐定数Ｋ、自由曲面係数Ｃｊを与えて形状を特定する。
【００２６】
図１に示すように、画像形成部ＬＶの法線方向であって、屈折光学系ＲＲにおける軸対称レンズが共有する軸である光軸Ａ（図１には明確には図示されてはいない）と平行な軸をＺ軸、画像表示素子の表示画面、すなわち画像形成部ＬＶの画面の中心から射出され、絞りＡＤの中心を通る光線を含む面内の軸のうち、光軸Ａに垂直な軸をＹ軸、光軸Ａ（と平行なＺ軸）とＹ軸とに垂直な軸をＸ軸とし、図１において、Ｚ軸から反時計回りの回転方向を＋α方向とする。また、図に示す矢印の方向がそれぞれ正の方向を示す。
図１および図２は、本発明の第１の実施の形態である実施例１に係る投射光学システムを用いた画像表示装置の構成を説明するためのものである。このうち、図１は、実施例１に係る投射光学システムの全体の概略的な主要構成を、光軸を含み且つ画像表示素子の表示画面の長辺が垂直に交わる断面に沿って示す断面図である。そして図２は、図１の投射光学系の主として屈折光学系のレンズ系およびそのフォーカシング動作をより詳細に示す断面図である。
図１および図２において、画像表示素子の画像形成部ＬＶの表示画面の画像は、カバーガラスＦＧから屈折光学系ＲＲおよび反射光学系ＲＬを順次介して防塵ガラスＢＧを経てスクリーンＳＣに投射される。画像表示素子（画像形成部ＬＶ）、カバーガラスＦＧ、屈折光学系ＲＲおよび反射光学系ＲＬは、外装部ＨＢに収容され、投射型画像表示装置を構成している。カバーガラスＦＧは、外装部ＨＢからの投影光線の射出部に設けられている。
【００２７】
屈折光学系ＲＲは、絞りＡＤを含むレンズ系として構成され、図２に示すように、画像形成部ＬＶ側から、順次、第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３そして第４レンズ群Ｇ４を配置している。絞りＡＤは、第１レンズ群Ｇ１内に配置している。
反射光学系ＲＬは、屈折光学系ＲＲから射出される光線をほぼ直角に偏向する折り返し平面ミラーＭ１および折り返し平面ミラーＭ１からの光線を偏向し、防塵ガラスＢＧを介してスクリーンＳＣに投射する凹面ミラーＭ２を有している。
すなわち、図１は、本発明の第１の実施の形態に係る画像表示装置の投射光学システムの構成を示し、図２は、その主として屈折光学系ＲＲのレンズ系の構成およびフォーカシングの際のレンズ群の軌跡を示している。図２においては、フォーカシングによるレンズ群の移動の軌跡を実線で示している。また、図１に示す通り、光軸Ａ方向をＺ軸、画像形成部ＬＶの画面中心と絞りＡＤの中心、そしてスクリーンの中心を通る光線を含む面上で、光軸Ａと垂直の方向をＹ軸とする。画像表示素子（画像形成部ＬＶ）から折り返し平面ミラーＭ１へ向かう方向を＋Ｚ方向、折り返し平面ミラーＭ１から凹面ミラーＭ２に向かう方向を＋Ｙ方向とする。また、画像表示素子（画像形成部ＬＶ）の画面中心、絞りＡＤの中心およびスクリーンＳＣの中心を通る光線を含む面上で、＋Ｚ方向から＋Ｙ方向への回転を＋α回転とする。
【００２８】
画像情報により画像形成部ＬＶのＤＭＤで２次元的に強度変調された光束が物体光としての投射光束となる。画像形成部ＬＶからの投射光束は、光学素子Ｂを含む屈折光学系ＲＲ（第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３、第４レンズ群Ｇ４）、折り返し平面ミラーＭ１および凹面ミラーＭ２を通って結像光束とされる。つまり、ＤＭＤ（画像形成部ＬＶ）上に形成された画像が投射光学システムによりスクリーンＳＣに拡大投影され、投射画像となる。ここで、画像形成部ＬＶにおいて画像が形成される面を画像形成面とする。
図３は、投射光学システムにおける画像表示素子の画像形成部ＬＶの表示画面の形態およびその光軸に対する位置関係を模式的に示す模式図であり、図４は、投射光学システムにおける近軸像面、中間像および光軸等の関係を説明するための模式図である。
屈折光学系ＲＲを構成する各光学素子は、それぞれ光軸を共有しており、画像形成部ＬＶは、図３に示す通り、光軸Ａに対してＹ方向にシフトしており、光軸Ａと交差している。画像形成部ＬＶの画像形成面と、光軸Ａとの交点をＣ０としたときに、光学素子Ｂの光軸を光軸Ａに一致させた場合の屈折光学系ＲＲによる交点Ｃ０の共役点をＣＣとする。共役点ＣＣを含み、光軸Ａに対して垂直な面を近軸像面とする。図４に示すように、この近軸像面と絞りの中心を通る光線（以後、主光線と称する）との交点のうち、光軸Ａと近軸像面の交点ＣＣからの距離が最大となる距離をＤ、また、光軸Ａと画像形成部ＬＶの端部との距離が最大となる点（図３のＬ０）に屈折光学系ＲＲによる近軸倍率をかけたものを近軸最大像高Ｄｉｄとする。
【００２９】
この実施例においては、屈折光学系ＲＲと、一枚の凹面ミラーＭ２を用いて実質的な光学系を構成しているが、ミラーを増設したり、折り返しミラーにパワーを持たせたりしてもよい。しかしながら、構成が複雑になり、大型化してしまうだけでなく、大幅なコストアップにもつながってしまうため、あまり好ましくはない。
屈折光学系ＲＲを通った光は、画像形成部ＬＶに形成された画像情報に共役な中間像を反射光学系ＲＬのミラーＭ１よりも画像形成部ＬＶ側に空間像として形成する。中間像は、平面像として結像する必要はなく、この実施例１においても、他の実施例においても曲面像として形成している。中間像を、最も拡大投射側に配置した自由曲面凹面ミラーＭ２により拡大投影し、スクリーンＳＣに投射する。中間像は、像面湾曲および歪曲を持っているが、凹面ミラーＭ２に自由曲面を用いることにより、これを補正することができる。そのため、屈折光学系ＲＲのレンズ系への収差補正の負担が減ることにより、設計の自由度が増し、小型化等に有利となる。また、ここで自由曲面とは、任意のＹ方向の位置にてＸ方向の位置に応じたＸ方向の曲率が一定ではなく、任意のＸ方向の位置にてＹ方向の位置に応じたＹ方向の曲率が一定でないアナモフィック面のことを意味している。
【００３０】
自由曲面凹面ミラーＭ２とスクリーンＳＣとの間に防塵ガラスＢＧを設置している。実施例１においては防塵ガラスＢＧとして平行平板ガラスを用いているが、曲率がついていてもよく、またレンズ等のパワーを持った光学素子としてもよい。また、光軸Ａに対して垂直ではなく傾けて配置しているが、この角度は任意でよく、光軸Ａに対して垂直としてもよい。
図５は、投射光学システムの遠距離（画面サイズが１００インチ）における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図、図６は、投射光学システムの中間距離（画面サイズが８０インチ）における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図、そして図７は、投射光学システムの近距離（画面サイズが６０インチ）における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。すなわち、図５、図６および図７には、遠距離（画面サイズ１００インチ）、中間距離（画面サイズ８０インチ）および近距離（画面サイズ６０インチ）における近軸像面と主光線との交点をプロットしたものを示している。黒い点が各画角における主光線と近軸像面との交点の座標を示しており、破線が近軸像を示している。これらの図より、各画面サイズにおいても、樽型の歪曲をしていることがわかる。つまり、これは中間像が圧縮されていることにほかならない。よって、中間像の小型化により、自由曲面ミラーを小型化できるため、コストダウンや装置の小型化を図ることができる。
【００３１】
遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、本実施例においては、正レンズ群である第１レンズ群Ｇ１、折り返し平面ミラーＭ１、そして自由曲面ミラーＭ２は、画像形成面に対し固定されており、正レンズ群である第２レンズ群Ｇ２と負レンズ群である第３レンズ群Ｇ３は画像形成部ＬＶ側に移動し、正のレンズ群である第４レンズ群Ｇ４は、拡大投射側である反射光学系ＲＬ側に移動する。つまり、フローティングフォーカスをすることにより、像面湾曲や歪曲収差を高度に制御することを可能としている。また、本実施例では、この移動するレンズ群内に非球面レンズを用いることにより、補正の効果をより高めている。
上述した光学系全体と、画像形成に必要な部分、すなわち、図示されていない画像処理部や電源部、そして冷却用のファンなどが、投射光学システムを構成する光学系とともにハウジングを構成する外装部ＨＢに収納されて投射型の画像表示装置を構成している。
上述した投射光学システムの具体的な構成をさらに詳細に説明する。
【００３２】
画像形成部側ＬＶから拡大投射側に向かって、順次、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、負の屈折力を有し１枚の非球面レンズを含む第３レンズ群Ｇ３と、正の屈折力を有し１枚の非球面レンズを含む第４レンズ群Ｇ４と、折り返し平面ミラーＭ１と、そして最も拡大投射側の自由曲面凹面ミラーＭ２とを配置する。投射距離の変動に対するフォーカシングは、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、正の第２レンズ群Ｇ２と負の第３レンズ群Ｇ３は画像形成部側に移動し、正の第４レンズ群Ｇ４は、拡大投射側に移動する。
第１レンズ群Ｇ１は、画像形成部ＬＶ側から、順次、画像形成部ＬＶ側により強い凸面を向けて両面に非球面を形成した両凸レンズからなる第１レンズＥ１と、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第２レンズＥ２と、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる第３レンズＥ３と画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第４レンズＥ４とを互いに密着させて接合してなる２枚接合レンズと、開口絞りＡＤと、拡大投射側により強い凹面を向けた両凹レンズからなる第５レンズＥ５と、拡大投射側により強い凸面を向けた両凸レンズからなる第６レンズＥ６と、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けて両面に非球面を形成した負メニスカスレンズからなる第７レンズＥ７と、拡大投射側により強い凸面を向けた両凸レンズからなる第８レンズＥ８と画像形成部ＬＶ側により強い凹面を向けた両凹レンズからなる第９レンズＥ９を互いに密着させて接合してなり、光軸Ａから＋Ｙ方向に２．０４ｍｍシフトさせて偏心配置した光学素子Ｂとしての２枚接合レンズと、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第１０レンズＬ１０と、を配置して構成している。すなわち、第８レンズＥ８と第９レンズＥ９からなる２枚接合レンズが、偏心配置された光学素子Ｂである。
【００３３】
第２レンズ群Ｇ２は、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第１１レンズＥ１１で構成している。また、第３レンズ群Ｇ３は、画像形成部ＬＶ側から、順次、拡大投射側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる第１２レンズＥ１２と、拡大投射側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる第１３レンズＥ１３と、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けて両面に非球面を形成した負メニスカスレンズからなる第１４レンズＥ１４を配置して構成している。第４レンズ群Ｇ４は、拡大投射側に凸面を向けて両面に非球面を形成した正メニスカスレンズからなる第１５レンズＥ１５を配置して構成している。
上述した各レンズ群Ｇ１〜Ｇ４により屈折光学系ＲＲが構成されており、その拡大投射側に折り返し用の平面ミラーＭ１、自由曲面凹面ミラーＭ２が設置されている。
この実施例１における各光学要素の光学特性は、下記の表１の通りである。なお、この場合の開口数ＮＡは、０．２００である。
【００３４】
【表１】
0006481886.tif 000005
【００３５】
表１において、面番号に「＊（アスタリスク）」を付して示した面番号のレンズ面が非球面である。また、表１において、面番号に「＃（ナンバーサイン、ハッシュマークなどとも称される）」を付して示した凹面ミラーＭ２の反射面である第３３面は、自由曲面を示しており、この自由曲面の形状は、先に述べた式〔５〕で定義される。
なお、表１には、各レンズの材料も示しており、光学ガラスの硝材の場合には、硝材の番号および製造元を示している。硝材の製造元の略号は、ＯＨＡＲＡが株式会社オハラを示し、ＨＯＹＡがＨＯＹＡ株式会社を示している。
また、表１における第２１面と第２２面、第２３面と第２４面、第２９面と第３０面、第３１面と第３２面および第３３面とスクリーンＳＣにおけるそれぞれの可変間隔ＤＡ、ＤＢ、ＤＣ、ＤＤおよびＤＥは、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３、第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４、第４レンズ群Ｇ４と折り返し平面ミラーＭ１および凹面ミラーＭ２とスクリーンＳＣの間の群間隔をそれぞれ示し、これら群間隔を変化させることによって拡大率を変更することができ、画面サイズを６０インチとする場合と、８０インチとする場合と、１００インチとする場合とで表２のような値に変化させる。投射距離、すなわち画面サイズを変更してフォーカシングを行った際の表１における可変間隔ＤＡ、ＤＢ、ＤＣ、ＤＤおよびＤＥの変化は、表２の通りである。
【００３６】
【表２】
0006481886.tif 000006
【００３７】
また、表１において「＊」が付された第４面、第５面、第１５面、第１６面、第２８面、第２９面、第３０面および第３１面の各光学面が非球面であり、式〔４〕における各非球面のパラメータは、表３の通りである。なお、非球面係数において、「Ｅｎ」は、「１０のべき乗」、すなわち「×１０ｎ」をあらわし、例えば「Ｅ−０５」は、「×１０−５」をあらわしている。これらは、他の実施例についても同様である。
【００３８】
【表３】
0006481886.tif 000007
【００３９】
なお、第３３面の凹面ミラーＭ２（図１参照）の自由曲面は、先に述べた式〔５〕に表４にしたがってＣｊ等の係数・定数を与えることにより定義される。
【００４０】
【表４】
0006481886.tif 000008
【００４１】
投射距離を変化して、画面サイズを６０インチとする場合と、８０インチとする場合と、１００インチとする場合とにおける投射距離と、条件式〔１〕におけるＴＲ＝（凹面ミラーと光軸Ａとの交点からスクリーンまでの距離）／（スクリーン横幅）の値は、表５のようになる。従って、実施例１に係る投射光学システムは、「ＴＲ」の値が、条件式〔１〕を満足している。
【００４２】
【表５】
0006481886.tif 000009
【００４３】
また、この実施例１における画像形成部ＬＶに用いているＤＭＤのサイズは、
ドットサイズ：  ７．５６μｍ
横方向長さ：  １４．５１５２ｍｍ
縦方向長さ：  ８．１６４８ｍｍ
である。そして、画像形成部ＬＶの光軸Ａに対するシフト量は、次の通りである。
光軸〜素子中心：  ３．９８２４ｍｍ
さらに、条件式〔２〕のＤ／Ｄｉｄおよび条件式〔３〕のＧｉ／Ｇｏは、それぞれ
Ｄ／Ｄｉｄ：０．６８
Ｇｉ／Ｇｏ：９１．５
である。従って、実施例１に係る投射光学システムは、条件式〔２〕および条件式〔３〕を満足している。
最も反射面側に位置する第１５レンズＥ１５の投影画像が最大となる合焦状態での頂点からの折り返し平面ミラーＭ１および自由曲面凹面ミラーＭ２の位置座標を表６に示す。なお回転角αに関しては面法線と光軸とのなす角度を示している。
【００４４】
【表６】
0006481886.tif 000010
【００４５】
図８、図９および図１０に、実施例１における各ズーム投射距離におけるスクリーンＳＣでの各画角の波長５５０ｎｍのスポット位置を示す。図８〜図１０より、各ズーム投射距離においても、歪みが少ない投影画像を投射することができることがわかる。
図１１、図１２および図１３に、各ズーム投射距離におけるスポットダイアグラムを示す。各スポットダイアグラムは、スクリーンＳＣ面での結像特性を波長６２５ｎｍ（赤）、５５０ｎｍ（緑）、４２５ｎｍ（青）について示している。また図１１〜図１３におけるＦ１〜Ｆ１３は、図１４に示す画角に対応している。
【００４６】
〔第２の実施の形態〕
次に、上述した本発明の第２の実施の形態としての具体的な実施例２を詳細に説明する。
【実施例２】
【００４７】
実施例２は、本発明の第２の実施の形態に係る投射光学システムの具体的な構成の実施例である。
図１５および図１６は、本発明の第２の実施の形態である実施例２に係る投射光学システムを用いた画像表示装置の構成を説明するためのものである。このうち、図１５は、実施例２に係る投射光学システムを用いた画像表示装置の全体の主要構成を、光軸を含み且つ画像表示素子の表示画面の長辺が垂直に交わる断面に沿って示す断面図である。そして図１６は、図１５の投射光学系の主として屈折光学系のレンズ系およびそのフォーカシング動作をより詳細に示す断面図である。
図１５および図１６において、画像表示素子の画像形成部ＬＶの表示画面の画像は、カバーガラスＦＧから屈折光学系ＲＲおよび反射光学系ＲＬを順次介して防塵ガラスＢＧを経てスクリーンＳＣに投射される。画像表示素子（画像形成部ＬＶ）、カバーガラスＦＧ、屈折光学系ＲＲおよび反射光学系ＲＬは、外装部ＨＢａに収容され、投射型画像表示装置を構成している。カバーガラスＦＧは、外装部ＨＢａからの投影光線の射出部に設けられている。
【００４８】
図１５および図１６に示す実施例２の構成は、実施例１における折り返し平面ミラーＭ１がなく、反射が自由曲面凹面ミラーＣＭによる１回のみである点を除けば、基本的に実施例１と同様の構成であるので、この実施例２では、実施例１の外装部ＨＢ、反射光学系ＲＬおよび凹面ミラーＭ２に代えて、外装部ＨＢａ、反射光学系ＲＬａおよび自由曲面凹面ミラーＣＭを設けている。
屈折光学系ＲＲは、絞りＡＤを含むレンズ系として構成され、画像形成部ＬＶ側から、順次、第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３、そして第４レンズ群Ｇ４を配置している。絞りＡＤは、第１レンズ群Ｇ１内に配置している。
反射光学系ＲＬａは、屈折光学系ＲＲから射出される光線を偏向し、防塵ガラスＢＧを介してスクリーンＳＣに投射する自由曲面凹面ミラーＣＭを有している。
すなわち、図１５は、本発明の第２の実施の形態における実施例２に係る画像表示装置の投射光学システムの構成を示し、図１６はその主として屈折光学系ＲＲのレンズ系の構成およびフォーカシングの際のレンズ群の軌跡を示している。図１６においては、フォーカシングによるレンズ群の移動の軌跡を実線で示している。
【００４９】
また、図１５に示す通り、光軸Ａ方向をＺ軸、画像形成部ＬＶの画面中心と絞りＡＤの中心、そしてスクリーンの中心を通る光線を含む面上で、光軸Ａと垂直の方向をＹ軸とする。画像表示素子（画像形成部ＬＶ）から自由曲面凹面ミラーＣＭへ向かう方向を＋Ｚ方向、自由曲面凹面ミラーＣＭで反射されて光軸Ａから離れる方向に向かう方向を＋Ｙ方向とする。また、画像表示素子（画像形成部ＬＶ）の画面中心、絞りＡＤの中心およびスクリーンＳＣの中心を通る光線を含む面上で、＋Ｚ方向から＋Ｙ方向への回転を＋α回転とする。
画像情報により画像形成部ＬＶのＤＭＤで２次元的に強度変調された光束が物体光としての投射光束となる。画像形成部ＬＶからの投射光束は、光学素子Ｂを含む屈折光学系ＲＲ（第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３、第４レンズ群Ｇ４）および自由曲面凹面ミラーＣＭを通って結像光束とされる。つまり、ＤＭＤ（画像形成部ＬＶ）上に形成された画像が投射光学システムによりスクリーンＳＣに拡大投影され、投射画像となる。ここで、画像形成部ＬＶにおいて画像が形成される面を画像形成面とする。
【００５０】
屈折光学系ＲＲを構成する各光学素子は、それぞれ光軸を共有しており、画像形成部ＬＶは、図３に示す通り、光軸Ａに対してＹ方向にシフトしており、光軸Ａと交差している。画像形成部ＬＶの画像形成面と、光軸Ａとの交点をＣ０としたときに、この交点Ｃ０の前記光学素子Ｂの光軸を光軸Ａに一致させた場合の屈折光学系ＲＲによる交点Ｃ０の共役点をＣＣとする。共役点ＣＣを含み、光軸Ａに対して垂直な面を近軸像面とする。図４に示すように、この近軸像面と絞りＡＤの中心を通る線（以降、主光線という）との交点のうち、前記光軸Ａと近軸像面の交点Ｃからの距離をＤ、また、光軸Ａと画像形成部との距離が最大となる点（図３のＬ０）に屈折光学系ＲＲによる近軸倍率をかけたものを近軸最大像高Ｄｉｄとする。
この実施例２においては、屈折光学系ＲＲと、一枚の凹面ミラーＣＭを用いて実質的な光学系を構成しているが、ミラーを増設したり、折り返しミラーにパワーを持たせたりしてもよい。しかしながら、構成が複雑になり、大型化してしまうだけでなく、大幅なコストアップにもつながってしまうため、あまり好ましくはない。
【００５１】
屈折光学系ＲＲを通った光は、画像形成部ＬＶに形成された画像情報に共役な中間像を反射光学系ＲＬａを構成する自由曲面凹面ミラーＣＭよりも画像形成部ＬＶ側に空間像として形成する。中間像は、平面像として結像する必要はなく、この実施例２においても、曲面像として形成している。中間像を、最も拡大投射側に配置した自由曲面凹面ミラーＣＭにより拡大投影し、スクリーンＳＣに投射する。中間像は、像面湾曲および歪曲を持っているが、凹面ミラーＣＭに自由曲面を用いることにより、これを補正することができる。そのため、屈折光学系ＲＲのレンズ系への収差補正の負担が減ることにより、設計の自由度が増し、小型化等に有利となる。また、ここで自由曲面とは、任意のＹ方向の位置にてＸ方向の位置に応じたＸ方向の曲率が一定ではなく、任意のＸ方向の位置にてＹ方向の位置に応じたＹ方向の曲率が一定でないアナモフィック面のことを意味している。
自由曲面凹面ミラーＣＭとスクリーンＳＣとの間に防塵ガラスＢＧを設置している。実施例２においては、防塵ガラスＢＧとして平行平板ガラスを用いているが、曲率がついていてもよく、またレンズ等のパワーを持った光学素子としてもよい。また、光軸Ａに対して垂直ではなく傾けて配置しているが、この角度は、任意でよく、光軸Ａに対して垂直としてもよい。
【００５２】
図１７は、投射光学システムの遠距離（画面サイズ１００インチ）における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。図１８は、投射光学システムの中間距離（画面サイズ８０インチ）における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。そして図１９は、投射光学システムの近距離（画面サイズ６０インチ）における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。すなわち、図１７、図１８および図１９に遠距離（画面サイズ１００インチ）、中間距離（画面サイズ８０インチ）および近距離（画面サイズ６０インチ）における近軸像面と主光線との交点をプロットしたものを示している。黒い点が各画角における主光線と近軸像面との交点の座標を示しており、破線が近軸像を示している。これらの図より、各画面サイズにおいても、樽型の歪曲をしていることがわかる。つまりこれは、中間像が圧縮されていることにほかならない。よって、中間像の小型化により、自由曲面ミラーを小型化できるため、コストダウンや装置の小型化を図ることができる。
遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、本実施例においては、正レンズ群である第１レンズ群Ｇ１、そして自由曲面ミラーＣＭは、画像形成面に対し固定されており、正レンズ群である第２レンズ群Ｇ２と負レンズ群である第３レンズ群Ｇ３は画像形成部ＬＶ側に移動し、正のレンズ群である第４レンズ群Ｇ４は、拡大投射側である反射光学系ＲＬ側に移動する。
【００５３】
つまり、フローティングフォーカスをすることにより、像面湾曲や歪曲収差を高度に制御することを可能としている。また、本実施例ではこの移動するレンズ群内に非球面レンズを用いることにより、補正の効果をより高めている。
上述した光学系全体と、画像形成に必要な部分、すなわち、図示されていない画像処理部や電源部、そして冷却用のファンなどが、投射光学システムを構成する光学系とともにハウジングを構成する外装部ＨＢａに収納されて投射型の画像表示装置を構成している。
上述した投射光学システムの具体的な構成をさらに詳細に説明する。
画像形成部側ＬＶから拡大投射側に向かって、順次、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、負の屈折力を有し１枚の非球面レンズを含む第３レンズ群Ｇ３と、正の屈折力を有し１枚の非球面レンズを含む第４レンズ群Ｇ４と、そして最も拡大投射側に自由曲面凹面ミラーＣＭとを配置し、投射距離の変動に対するフォーカシングは、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、正の第２レンズ群Ｇ２と負の第３レンズ群Ｇ３は画像形成部ＬＶ側に移動し、正の第４レンズ群Ｇ４は、拡大投射側に移動する。
【００５４】
第１レンズ群Ｇ１は、画像形成部ＬＶ側から、順次、画像形成部ＬＶ側により強い凸面を向けて両面に非球面を形成した両凸レンズからなる第１レンズＥ１と、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第２レンズＥ２と、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる第３レンズＥ３と画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第４レンズＥ４とを互いに密着させて接合してなる２枚接合レンズと、開口絞りＡＤと、拡大投射側により強い凹面を向けた両凹レンズからなる第５レンズＥ５と、拡大投射側により強い凸面を向けた両凸レンズからなる第６レンズＥ６と、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けて両面に非球面を形成した負メニスカスレンズからなる第７レンズＥ７と、拡大投射側により強い凸面を向けた両凸レンズからなる第８レンズＥ８と画像形成部ＬＶ側により強い凹面を向けた両凹レンズからなる第９レンズＥ９を互いに密着させて接合してなり、光軸Ａから＋Ｙ方向に２．０４ｍｍシフトさせて偏心配置した光学素子Ｂとしての２枚接合レンズと、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第１０レンズＬ１０と、を配置して構成している。すなわち、第８レンズＥ８と第９レンズＥ９からなる２枚接合レンズが、偏心配置された光学素子Ｂである。
【００５５】
第２レンズ群Ｇ２は、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第１１レンズＥ１１で構成している。
また、第３レンズ群Ｇ３は、画像形成部ＬＶ側から、順次、拡大投射側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる第１２レンズＥ１２と、拡大投射側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる第１３レンズＥ１３と、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けて両面に非球面を形成した負メニスカスレンズからなる第１４レンズＥ１４を配置して構成している。
第４レンズ群Ｇ４は、拡大投射側に凸面を向けて両面に非球面を形成した正メニスカスレンズからなる第１５レンズＥ１５を配置して構成している。
上述した各レンズ群Ｇ１〜Ｇ４により屈折光学系ＲＲが構成されており、その拡大投射側に自由曲面凹面ミラーＣＭが設置されている。
この実施例２における各光学要素の光学特性は、表７の通りである。なお、この場合の開口数ＮＡは、０．２００である。
【００５６】
【表７】
0006481886.tif 000011
【００５７】
表７において、面番号に「＊」を付して示した面番号のレンズ面が非球面である。また、表１において、面番号に「＃（ナンバーサイン、ハッシュマークなどとも称される）」を付して示した凹面ミラーＣＭの反射面である第３２面は自由曲面を示しており、この自由曲面の形状は、先に述べた式〔５〕で定義される。
なお、表７には、各レンズの材料も示しており、光学ガラスの硝材の場合には、硝材の番号および製造元を示している。硝材の製造元の略号は、ＯＨＡＲＡが株式会社オハラを示し、ＨＯＹＡがＨＯＹＡ株式会社を示している。
また、表７における第２１面と第２２面、第２３面と第２４面、第２９面と第３０面および第３１面と第３２面における可変間隔（ＤＡ、ＤＢ、ＤＣ、ＤＤおよびＤＥ）は、それぞれ第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３、第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４、第４レンズ群Ｇ４と自由曲面凹面ミラーＣＭおよび自由曲面凹面ミラーＣＭとスクリーンＳＣの間の群間隔をそれぞれ示し、これら群間隔を変化させることによって拡大率を変更することができ、画面サイズを６０インチとする場合と、８０インチとする場合と、１００インチとする場合とで表８のような値に変化させる。投射距離、すなわち画面サイズを変更してフォーカシングを行った際の表７における可変間隔ＤＡ、ＤＢ、ＤＣ、ＤＤおよびＤＥの面間隔の変化は、表８の通りである。
【００５８】
【表８】
0006481886.tif 000012
【００５９】
また、表７において「＊」が付された第４面、第５面、第１５面、第１６面、第２８面、第２９面、第３０面および第３１面の各光学面が非球面であり、式〔４〕における各非球面のパラメータは、表９の通りである。
【００６０】
【表９】
0006481886.tif 000013
【００６１】
なお、第３３面の凹面ミラーＣＭの自由曲面は、先に述べた式〔５〕に表１０にしたがってＣｊ等の係数・定数を与えることにより定義される。
【００６２】
【表１０】
0006481886.tif 000014
【００６３】
投射距離を変化して、画面サイズを６０インチとする場合と、８０インチとする場合と、１００インチとする場合とにおける投射距離と、条件式〔１〕におけるＴＲ＝（凹面ミラーと光軸Ａとの交点からスクリーンまでの距離）／（スクリーン横幅）の値は、表１１のようになる。
【００６４】
【表１１】
0006481886.tif 000015
【００６５】
即ち、この実施例２の場合、上記条件式〔１〕に対応する値は、表１１の「ＴＲ」の通り、条件式〔１〕を満足している。
また、この実施例２における画像形成部ＬＶに用いているＤＭＤのサイズは、
ドットサイズ：  ７．５６μｍ
横方向長さ：  １４．５１５２ｍｍ
縦方向長さ：  ８．１６４８ｍｍ
である。そして、画像形成部ＬＶの光軸Ａに対するシフト量は、次の通りである。
光軸〜素子中心：３．９８２４ｍｍ
さらに、条件式〔２〕のＤ／Ｄｉｄおよび条件式〔３〕のＧｉ／Ｇｏは、それぞれ
Ｄ／Ｄｉｄ：０．６８
Ｇｉ／Ｇｏ：９１．５
であり、条件式〔２〕および条件式〔３〕をそれぞれ満足している。
最も反射面側に位置する第１５レンズＥ１５の投影画像が最大となる合焦状態での頂点からの自由曲面凹面ミラーＣＭの位置座標を表１２に示す。なお回転角αに関しては面法線と光軸とのなす角度を示している。
【００６６】
【表１２】
0006481886.tif 000016
【００６７】
図２０、図２１および図２２に、実施例２における各ズーム投射距離におけるスクリーンＳＣでの各画角の波長５５０ｎｍのスポット位置を示す。図２０〜図２２より、各ズーム投射距離においても、歪みが少ない投影画像を投射することができることがわかる。
図２３、図２４および図２５に、各ズーム投射距離におけるスポットダイアグラムを示す。各スポットダイアグラムは、スクリーンＳＣ面での結像特性を波長６２５ｎｍ（赤）、５５０ｎｍ（緑）、４２５ｎｍ（青）について示している。また図２３〜図２５におけるＦ１〜Ｆ１３は、実施例１の場合と同様に図１４に示す画角に対応している。
【符号の説明】
【００６８】
ＬＶ  画像形成部（ライトバルブ）
ＦＧ  カバーガラス
ＢＧ  防塵ガラス
ＨＢ，ＨＢａ  外装部
ＳＣ  スクリーン
ＲＲ  屈折光学系
Ｇ１  第１レンズ群
Ｇ２  第２レンズ群
Ｇ３  第３レンズ群
Ｇ４  第４レンズ群
ＡＤ  開口絞り
ＲＬ，ＲＬａ  反射光学系
Ｍ１  折り返し平面ミラー
Ｍ２，ＣＭ  自由曲面凹面ミラー
Ｅ１  第１レンズ
Ｅ２  第２レンズ
Ｅ３  第３レンズ
Ｅ４  第４レンズ
Ｅ５  第５レンズ
Ｅ６  第６レンズ
Ｅ７  第７レンズ
Ｅ８  第８レンズ
Ｅ９  第９レンズ
Ｅ１０  第１０レンズ
Ｅ１１  第１１レンズ
Ｅ１２  第１２レンズ
Ｅ１３  第１３レンズ
Ｅ１４  第１４レンズ
Ｅ１５  第１５レンズ
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６９】
【特許文献１】特開２００７−７９５２４号公報
【特許文献２】特開２０１１−２４２６０６号公報
【特許文献３】特開２０１２−１０８２６７号公報
【特許文献４】特開２００９−２１６８８３号公報
【図１】
0006481886.tif 000017
【図２】
0006481886.tif 000018
【図３】
0006481886.tif 000019
【図４】
0006481886.tif 000020
【図５】
0006481886.tif 000021
【図６】
0006481886.tif 000022
【図７】
0006481886.tif 000023
【図８】
0006481886.tif 000024
【図９】
0006481886.tif 000025
【図１０】
0006481886.tif 000026
【図１１】
0006481886.tif 000027
【図１２】
0006481886.tif 000028
【図１３】
0006481886.tif 000029
【図１４】
0006481886.tif 000030
【図１５】
0006481886.tif 000031
【図１６】
0006481886.tif 000032
【図１７】
0006481886.tif 000033
【図１８】
0006481886.tif 000034
【図１９】
0006481886.tif 000035
【図２０】
0006481886.tif 000036
【図２１】
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【図２２】
0006481886.tif 000038
【図２３】
0006481886.tif 000039
【図２４】
0006481886.tif 000040
【図２５】
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