(57)【要約】【課題】コンパクトな表示装置を像面近傍に配置し斜めに投影することで自由に持ち運びが可能で、且つ投射型でありながら観察者の空間を侵すことのない投射光学系およびそれを有する投射型表示装置を提案することを目的とする。【解決手段】パネル又は、光変調素子から所定像面に２次元画像を斜め方向に拡大投影する投射型表示装置であって、該投射型表示装置を表示面又は、スクリーンを配置する面上及びその近傍に設置し、且つ所定像面に光線が入射する側の所定像面全領域の法線方向において該装置の部材が存在しないように構成している。【選択図】        図１
2004309767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的パワーを有する複数の光学面を備え、光変調素子からの光を被投射面に投影する投射光学系を有する投射型表示装置であって、
前記投射光学系の絞りの中心と前記被投射面に投射される２次元画像の中心とを通る光線を基準軸光線とするとき（前記光変調素子の中心と前記投射光学系の絞りの中心とを通る光線を基準軸光線とするときｏｒ前記光変調素子の中心を通り前記被投射面に投射される画像の中心に至る光束の中心を通る光線を基準軸光線とするとき）、前記基準軸光線と前記被投射面の法線とを含む平面と前記被投射面に投射される画像とが交わる線分の長さをＳｙ、前記基準軸光線と前記被投射面の法線とを含む平面において、前記基準軸光線と前記被投射面の法線の成す角をθ、前記複数の光学面のうち前記被投射面に最も近い光学面から前記被投射面までの前記基準軸光線の光路長をｈとするとき、
Ｓｙ／（ｈ・ｃｏｓθ）＞２
を満たしていることを特徴とする投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光走査装置及びそれを用いた投射型の表示装置、特に発光ダイオードやレーザの光を走査し２次元画像を表示する投射型の表示装置、及び液晶やデジタルマイクロミラーデバイスに代表される画像形成装置に好適な投射型の表示装置に関し、画像を斜めに投影し、尚且つ大画面の投射画像を得るのに好適な投射型の表示装置である。
【０００２】
【従来の技術】
プロジェクションに用いられる投射光学系において、スクリーンと装置との距離を短くするためにスクリーンに対し斜め投射が可能な投射光学系の発明がなされている。しかし、スクリーンに対して斜めに投射することで、いわゆる台形歪みが生じるので、この台形歪みを補正する発明がされている。特開平９−３０４７３３は共軸回転対称ｆ−θレンズの応用であり、絞りを中心に群を回転偏心させることにより像の台形歪みがない状態で、像面を回転している。又、特開平１０−２８２４５１は偏心非球面を用いて固定の投射角度で台形歪みを補正している。特開平０５−１００３１２号公報に開示されている投射光学系の実施例では、投射光学系として大画角の広角レンズを用いて、ライトバルブＬＶ、及びスクリーンを投射光学系の光軸に対してシフトして配置し、画角の端の部分を使用して投射することにより斜め投射の光学系を構成している。又、特開平０５−０８０４１８号公報に開示されている投射光学系の実施例では、第１、２の投射光学系を光軸に対して傾けることにより、スクリーンに対し斜めに投射している。
【０００３】
一方、非共軸光学系において特開平０９−５６５０にその設計法や焦点距離等の近軸量の計算方法が、特開平０８−２９２３７１、特開平０８−２９２３７２、特開平０９−２２２５６１にその設計例が示されるように、基準軸という概念を導入し構成面を非対称非球面にすることで、十分収差が補正された光学系が構築可能であることが、明らかになってきた。こうした非共軸光学系はＯｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系（像中心と瞳中心を通る光線に沿った基準軸を考えた時、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ曲面）を含む光学系として定義される光学系で、この時、基準軸は折れ曲がった形状となる）と呼ばれる。このＯｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を使った光学系の構築がしやすい。又、光学系内で中間像を形成することにより広画角でありながらコンパクトな光学系を構成している。
【０００４】
さらに、前絞りの光学系でありながら、光路の引き回しが比較的自由に行えるためにコンパクトな光学系が構成できる。これ等を生かして、特開２００１−２５５４６２および特開２０００−８９２２７は曲率を有する回転非対称反射面を用いて固定の投射角度で台形歪みを補正している。
【０００５】
又、特開平０６−２９５１５９に示されているようにレーザ光線を回転多面鏡により２次元的にスキャンし、画像を表示する発明がなされている。この場合、レーザ光線の強度変調のタイミングを適切な値にすることにより光学系でとり切れなかったディストーションを補正することは可能である。
【０００６】
又、再公表特許ＷＯ９７／０１７８７号には、複数の反射面を用いて斜め投射光学系を構成している。又、特開２００１−２１５４１２、特開２００１−２１５６１２では、画面中心光線（後述の基準軸光線）と画面法線の成す角度、及び１次像面から２次像面までの画面中心光線の光路長と２次像面から最初のパワーを有する光学面までの画面中心光線の光路長の比により斜め投射を限定をしている。
【０００７】
又、特開２００１−２２１９４９、特開２００１−２２２０６３では、スクリーン面に対する画面中心光線の入射角度、及び投影光学系の最終面からスクリーン面までの画面中心光線の光路長とスクリーン面の法線と画面中心光線とが成す平面に対して平行方向のスクリーン面の大きさの比により斜め投射を限定をしている。
【０００８】
又、光走査手段に関しては、特開平７−１７５０５、特開平７−２１８８５７、及び特開２０００−３５５４９において公知である。図１０は、特開平７−１７５０５におけるブレーナー型ガルバノミラーの構成図である。シリコン基板２に、平板状の可動版５と該可動版５を揺動可能に軸支するトーションバー６とを一体成型する。前記可動板５の上面周縁部に通電により磁界を発生する平面コイル７と、該平面コイル７で囲まれる上面中央部に全反射ミラー８を設ける。さらに、シリコン基板２の上下面にガラス基板３、４を設け、これらガラス基板３、４の所定位置に、平面コイルに磁界を作用させる永久磁石１０Ａ、１０Ｂ及び１１Ａ、１１Ｂを固定する構成となっている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平０９−３０４７３３号公報
【特許文献２】
特開平１０−２８２４５１号公報
【特許文献３】
特開２００１−２５５４６２号公報
【特許文献４】
特開２０００−０８９２２７号公報
【特許文献５】
特開平０５−１００３１２号公報
【特許文献６】
特開平０５−０８０４１８号公報
【特許文献７】
国際公開ＷＯ９７／０１７８７号公報
【特許文献８】
特開２００１−２２１９４９号公報
【特許文献９】
特開２００１−２２２０６３号公報
【特許文献１０】
特開平０６−２９５１５９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前記の特開平９−３０４７３３は共軸回転対称ｆ−θ光学系を組み合わせた投射光学系であるが、画角が狭いので通常のプロジェクタ等には適用が困難である。又、通常のレンズでは光軸から画角が大きくなるに従って光量が落ちてくるため、広画角のレンズ系を使用すればするほど像面上の明るさに差が出てしまう。
そのため、特開平９−３０４７３３では広画角かつ明るい像面が必要とされるプロジェクタには不向きである。
【００１１】
又、特開平１０−２８２４５１は偏心非球面により台形歪みを補正しているが、画面のシフト量が小さく、液晶パネルに対してテレセントリックでない点からもプロジェクタには不向きである。
【００１２】
又、特開２００１−２５５４６２および特開２０００−８９２２７は曲率を有する回転非対称反射面を用いて広画角の台形歪み補正を実現しているが、画面のシフト量が小さい。特開平０５−１００３１２号公報に開示されているように、光軸に対してライトバルブとスクリーンをシフトさせた投射光学系の場合は、使用されるレンズ系はかなり大きい画角をカバーする広画角のレンズ系が必要になる。又、光軸がスクリーンの中心に向かうように構成した場合、通常のレンズ系ではスクリーンＳ上に像が結像されず光軸に垂直な平面上に結像される。この様に構成した場合、良く知られているように像が台形に歪みスクリーンの上下でピントがずれてしまう。この像面の傾きを補正する場合、スクリーンの上部を通る光線の光路とスクリーンの下部を通る光線の光路の差を打ち消さなければならない。この差を補正する場合、結像面付近で補正できれば光路差は縮小されるので補正量は少なくて済む。一方、像が拡大されたスクリーン側の光学面で補正をする場合、光路差がそのまま影響する。
【００１３】
又、特開平０５−０８０４１８号公報に開示されている発明では、レンズ系をチルトしているだけなので像面を十分に傾けることが難しい。又、チルト量が多すぎると光学性能を確保することが難しくなる。そして、再公表特許ＷＯ９７／０１７８７号に開示されている光学系では一つの反射面の大きさが大きくなり精度良く製造することが難しい。
【００１４】
又、特開２００１−２１５４１２、特開２００１−２１５６１２では、画面中心光線（基準軸）と画面法線の成す角度、及び１次像面から２次像面までの画面中心光線の光路長と２次像面から最初のパワーを有する光学面までの画面中心光線の光路長の比により斜め投射を限定をしているが、中間結像を有していないため、画面の大きさに対して光路長が長過ぎて、装置全体が大型化してしまう。
【００１５】
又、特開２００１−２２１９４９、特開２００１−２２２０６３では、スクリーン面に対する画面中心光線の入射角度、及び投影光学系の最終面からスクリーン面までの画面中心光線の光路長とスクリーン面の法線と画面中心光線とが成す平面に対して平行方向のスクリーン面の大きさの比により斜め投射を限定をしているが、これも同様に画面の大きさに対して光路長が長いため平面ミラーで折り返して最終反射面からスクリーン面までの光路長を短くしている。しかしながら、折り返し平面ミラーを除いた本質的なパワーを有する光学面からスクリーン面までの光路長は長いため折り返し平面ミラーを含めた光学系は肥大化してしまい、背面投射型のボックス内に収納する場合は良いものの本発明の目的を達成するのは困難である。
【００１６】
特開平０６−２９５１５９等に示されているように点光源、又は一次元の画像表示素子を回転多面鏡、もしくはガルバノミラー等で走査し表示する方法において、電気的な補正が不可能な場合には、投射光学系がｆθレンズやアークサインレンズの特性を持たなければならない。一次元の画像表示素子を用いた場合には、走査方向では、ｆθレンズやアークサインレンズ等の特性を持ち、それと垂直な非走査方向では通常のカメラレンズの特性を持つ必要がある。つまり、光学的な軸に対して非対称な特性を持つ必要がある。
【００１７】
これ等の投射光学系および表示装置では前記の様々な手段で像面をシフト及び傾けているが、その絶対量が小さいため表示装置は所定像面から離れていて観察者の空間を侵していた。又、背面投射型の表示装置では同様の課題に対して、一つの解決手段を試みているが大きな折り返しミラーを用い装置の薄型化を狙っているものの、スクリーン一体のため装置全体が肥大化している。
【００１８】
本発明は、以上の点を鑑み、コンパクトな表示装置を像面近傍に配置し斜めに投影することで自由に持ち運びが可能で、且つ投射型でありながら観察者の空間を侵すことのない投射光学系およびそれを有する投射型表示装置を提案することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の投射型表示装置は、光学的パワーを有する複数の光学面を備え、光変調素子からの光を被投射面に投影する投射光学系を有する投射型表示装置であって、前記投射光学系の絞りの中心と前記被投射面に投射される２次元画像の中心とを通る光線を基準軸光線とするとき（前記光変調素子の中心と前記投射光学系の絞りの中心とを通る光線を基準軸光線とするときｏｒ前記光変調素子の中心を通り前記被投射面に投射される画像の中心に至る光束の中心を通る光線を基準軸光線とするとき）、前記基準軸光線と前記被投射面の法線とを含む平面と前記被投射面に投射される画像とが交わる線分の長さをＳｙ、前記基準軸光線と前記被投射面の法線とを含む平面において、前記基準軸光線と前記被投射面の法線の成す角をθ、前記複数の光学面のうち前記被投射面に最も近い光学面から前記被投射面までの前記基準軸光線の光路長をｈとするとき、
Ｓｙ／（ｈ・ｃｏｓθ）＞２    ―（条件式１）
を満たしていることを特徴としている。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施例の説明に入る前に、実施例の構成諸元の表し方及び実施例全体の共通事項について説明する。図８は本発明の光学系の構成データを定義する座標系の説明図である。本発明の実施例では物体側から像面に進む１つの光線（図８中の一点鎖線で示すもので基準軸光線と呼ぶ）に沿ってｉ番目の面を第ｉ面とする。
【００２１】
図８において第１面Ｒ１は屈折面、第２面Ｒ２は第１面Ｒ１に対してチルトされた反射面、第３面Ｒ３、第４面Ｒ４は各々の前面に対してシフト、チルトされた反射面、第５面Ｒ５は第４面Ｒ４に対してシフト、チルトされた屈折面である。第１面Ｒ１から第５面Ｒ５までの各々の面はガラス、プラスチック等の媒質で構成される一つの光学素子上に構成されており、図８中では第１の光学素子Ｂとしている。従って、図８の構成では不図示の物体面から第１面Ｒ１までの媒質は空気、第１面Ｒ１から第５面Ｒ５まではある共通の媒質、第５面Ｒ５から不図示の第６面Ｒ６までの媒質は空気で構成している。
【００２２】
本発明の光学系はＯｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系であるため光学系を構成する各面は共通の光軸を持っていない。そこで、本発明の実施例においては先ず第１面の中心を原点とする絶対座標系を設定する。そして、本発明の実施例においては、第１面の中心点を原点とすると共に、原点と最終結像面の中心とを通る光線（基準軸光線）の経路を光学系の基準軸と定義している。さらに、本実施例中の基準軸は方向（向き）を持っている。その方向は基準軸光線が結像に際して進行する方向である。
【００２３】
本発明の実施例においては、光学系の基準となる基準軸を上記の様に設定したが、光学系の基準となる軸の決め方は光学設計上、収差の取り纏め上、若しくは光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の良い軸を採用すれば良い。しかし、一般的には像面の中心と、絞り又は入射瞳又は射出瞳又は光学系の第１面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を光学系の基準となる基準軸に設定する。
【００２４】
つまり、本発明の実施例においては、基準軸は第１面の中心点を通り、最終結像面の中心へ至る光線（基準軸光線）が各屈折面及び反射面によって屈折・反射する経路を基準軸に設定している。各面の順番は基準軸光線が屈折・反射を受ける順番に設定している。
【００２５】
従って基準軸は設定された各面の順番に沿って屈折若しくは反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的に像面の中心に到達する。又、本発明において物体面側、パネル面側、及び所定像面側、像面側、所定像面側等とは、基準軸の方向に対してどちら側であるかを意味している。
【００２６】
本発明の各実施例における光学系の絶対座標系の各軸を以下のように定める。Ｚ軸：原点と物体面中心を通る直線。物体面から第１面Ｒ１に向かう方向を正とする
Ｙ軸：原点を通り右手座標系の定義に従ってＺ  軸に対して反時計回りに９０゜をなす直線
Ｘ軸：原点を通りＺ、Ｙ各軸に垂直な直線
【００２７】
又、光学系を構成する第ｉ面の面形状及びチルト角を表すには、絶対座標系にてその面の形状及びチルト角を表記するより、基準軸と第ｉ面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定して、ローカル座標系でその面の面形状を表し、基準軸とローカル座標系の成す角でチルト角を表した方が形状を認識する上で理解し易い為、第ｉ面の面形状を以下のローカル座標系で表す。そのためにまず基準軸上の任意の点に対して以下の基準軸上座標系を設定する。
ｚｂ軸：基準軸上の任意の点を通り、基準軸の方向を正とする。基準軸の偏向点においては入射方向を正とする
ｙｂ軸：基準軸上の任意の点を通り、右手座標系の定義に従ってｚｂ軸に対して反時計回りに９０゜をなす直線であり、絶対座標系の原点で絶対座標系のＹ軸と一致し、以降、ｚｂ軸に対する回転はないものとする
ｘｂ軸：基準軸上の任意の点を通り、ｚｂ、ｙｂ各軸に垂直な直線
【００２８】
次にローカル座標系を設定する。
ｚ軸：ローカル座標の原点を通る面法線
ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、右手座標系の定義に従ってｚ方向に対し反時計方向に９０゜をなす直線
ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ｙｂｚｂ面に対し垂直な直線
【００２９】
従って、第ｉ面のｙｂｚｂ面内でのチルト角はローカル座標系のｚ軸が基準軸上座標系のｚｂ軸に対して鋭角に反時計回り方向を正とした角度θｘｂ，ｉ（単位°）、第ｉ面のｘｂｚｂ面内でのチルト角は基準軸上座標系のｚｂ軸に対して反時計回り方向を正とした角度θｙｂ，ｉ（単位°）、第ｉ面のｘｂｙｂ面内でのチルト角は絶対座標系のｙｂ軸に対して反時計回り方向を正とした角度θｚｂ，ｉ（単位°）で表す。ただし、通常、θｚｂ，ｉは面の回転に相当するもので本発明の実施例においては存在しない。図２はこれらの絶対座標系、基準軸上座標系、ローカル座標系の相互関係を表している。
【００３０】
又、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面とのローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量、Ｎｄｉ、νｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の媒質の屈折率とアッベ数である。
【００３１】
ここで、球面は以下の式で表される形状である：
【００３２】
【数１】
2004309767.tif 000003
【００３３】
又、本発明の光学系は少なくとも回転非対称な非球面を一面以上有し、その形状は以下の式により表す：
2004309767.tif 000004
【００３４】
上記曲面式はｘに関して偶数次の項のみであるため、上記曲面式により規定される曲面はｙｚ面を対称面とする面対称な形状である。さらに以下の条件が満たされる場合はｘｚ面に対して対称な形状を表す。
【００３５】
Ｃ０３  ＝Ｃ２１  ＝Ｃ０５  ＝  Ｃ２３  ＝  Ｃ４１  ＝  ｔ  ＝０
さらに
Ｃ０２  ＝Ｃ２０    Ｃ０４＝Ｃ４０  ＝  Ｃ２２／２    Ｃ０６＝Ｃ６０  ＝Ｃ２４／３  ＝Ｃ４２／３
が満たされる場合は回転対称な形状を表す。以上の条件を満たさない場合は非回転対称な形状である。
【００３６】
（実施例１）
図３は、光走査手段Ｍを用いた場合の本発明の構成を示している。光走査に関しては、光走査手段Ｍの基準面法線方向を電気的に変化させ、２次元的に走査可能とすることが好ましいが、困難な場合には光走査手段Ｍを第１の方向に走査し、ガルバノミラーを用いて第２の方向に走査することでも２次元走査をすることができる。
【００３７】
次に、本実施例の投射光学系について示す。図３は本発明の実施例１における投射光学系である。又、図４は図３の投射光学系ＳＰの拡大図である。図４において詳細は図示しないが、ＬＣは発光ダイオードやレーザの光等の変調光発信機（光変調素子）、及びコリメータレンズであり、平行光を発している。ＭはＬＣからの平行光を２次元的に走査する微小ミラー（入射光に対する角度を変更可能な微小ミラー）であり、投射光学系の入射瞳（絞り）位置ＳＳ（ＩＮＰ）に配置されている。Ｒ１、及びＲ６は、本実施例の投射光学系である、硝子で満たされた光学素子の光線の出入りする屈折面であり、Ｒ２〜５はＯｆｆ−Ａｘｉａｌ反射面である。
【００３８】
Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ反射面を含む反射光学系ＳＰは、変調光発信機、及びコリメータレンズＬＣで変調され微小ミラーＭで走査された光を所定像面Ｓに導光し、所定像面上に投射画像を形成するためのＯｆｆ−Ａｘｉａｌ系を利用した投射光学系である。
【００３９】
又、所定像面Ｓの大きさは縦横比３：４の２０インチ（３０４．８×４０６．４ｍｍ）であり、微小ミラー（光走査手段Ｍ）による第１の方向の光線の振れ角は±１４．８３°、第２の方向の光線の振れ角は±１１．１４°である。
【００４０】
以下、本実施例に用いられる反射光学系の構成データを示す。
2004309767.tif 000005
2004309767.tif 000006
【００４１】
次に本実施例における光学作用を説明する。
本実施例の投射光学系における所定像面での横収差を評価するための評価位置を図５に示す。ディストーションの様子を図６に、▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼の評価位置での横収差図を図７に示す。図６を見れば分かるとおり、大きなディストーションはなく、非対称なディストーションも少ない。図７の横収差図の軸の定義は、横軸を瞳面上でのｘ或いはｙ軸とし、縦軸はスクリーン上での収差量を意味している。この図６、図７より、本実施例の投射型表示装置（の投射光学系）は、良好な結像性能を有していることが分かる。
【００４２】
又、本実施例において請求項で示した投射距離、画面サイズ、画面入射角度の関係を示す。Ｓｙ＝３０４．８、ｈ＝３４７．７２、θ＝８０°であるため、上述の条件式１は、Ｓｙ／（ｈ・ｃｏｓθ）＝５．０５となり、条件式１の数値条件を満たす。
【００４３】
本実施例の光学系を本発明の投射型表示装置に搭載することにより、図１に示すように目的を達成することができる。図１ａでは壁又は机等の画像表示面Ｗに本発明の投射型表示装置ＳＰＢを直接設置している。このとき、画像の表示領域に配光を考慮してスクリーンを設置しても構わないが装置を表示面と同一の面に設置するという目的とは当然ながら異なるものではない。従って、装置を表示面と同一の面に設置するという意図は、極近傍に設置可能であるということであり、スペーサー等で設置面との間に空間をつくる事等は当然ながら異なるものではない。又、図１ｂは平面折り返しミラーを用いた例を示している。光学系ＳＰの後で光線を折り返すことにより光学系ＳＰをより表示面側に配置することが可能となり、さらに装置をコンパクトにすることができる。このとき、所定像面に光線が入射する側において、所定像面全領域（スクリーン上で画像が投射されている領域全体）の法線方向の空間にはこの投射型表示装置は存在しないので、折り返しミラーが観察者の視界を妨げる事はない。
【００４４】
（実施例２）
図１１は、液晶やデジタルマイクロミラーデバイスに代表される画像パネルを用いた場合の本発明の構成を示している。
【００４５】
次に、本実施例の投射光学系について示す。図１１は本発明の実施例２における投射光学系である。又、図１２は図１１の投射光学系ＳＰの拡大図である。図１２において詳細は図示しないが、ＬＣ１は液晶、反射型ドットマトリックス液晶、デジタルマイクロミラーデバイス等を用いたライトバルブ（画像表示パネル）に光を照明する照明系である。Ｒ１〜６はＯｆｆ−Ａｘｉａｌ反射面である。
【００４６】
Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ反射面を含む反射光学系ＳＰは、照明系ＬＣ１で照明されライトバルブＬＣＤをテレセントリックに発した光線を導光し、所定像面Ｓを形成するためのＯｆｆ−Ａｘｉａｌ系を利用した投射光学系である。
【００４７】
又、パネルサイズは縦横比３：４の０．３インチ（４．５７２×６．０９６ｍｍ）で、所定像面Ｓの大きさは縦横比３：４の２０インチ（３０４．８×４０６．４ｍｍ）である。
【００４８】
以下、本実施例に用いられる反射光学系の構成データを示す。
2004309767.tif 000007
2004309767.tif 000008
【００４９】
次に本実施例における光学作用を説明する。
本実施例の投射光学系における所定像面での横収差を評価するための評価位置を図５に示す。ディストーションの様子を図１３に、▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼の評価位置での横収差図を図１４に示す。図１３を見れば分かるとおり、大きなディストーションはなく、非対称なディストーションも少ない。図１４の横収差図の軸の定義は、横軸を瞳面上でのｘ或いはｙ軸とし、縦軸はスクリーン上での収差量を意味している。又、良好に結像していることが分かる。
【００５０】
又、本実施例において請求項で示した投射距離、画面サイズ、画面入射角度の関係を示す。Ｓｙ＝３０４．８、ｈ＝４００、θ＝８０°であるため、上述の条件式１は、Ｓｙ／（ｈ・ｃｏｓθ）＝４．３９となり、条件式１の数値条件を満たす。
【００５１】
本実施例の光学系を本発明の投射型表示装置に搭載することにより、図１に示したのと同様に目的を達成することができる。図１ａでは壁又は机等の画像表示面Ｗに本発明の投射型表示装置ＳＰＢを直接設置している。このとき、画像の表示領域に配光を考慮してスクリーンを設置しても構わないが装置を表示面と同一の面に設置するという目的とは当然ながら異なるものではない。従って、装置を表示面と同一の面に設置するという意図は、極近傍に設置可能であるということであり、スペーサー等で設置面との間に空間をつくる事等は当然ながら異なるものではない。
【００５２】
本実施態様は以下のように記載することができる。
【００５３】
（実施態様１）
光学的パワーを有する複数の光学面を備え、光変調素子からの光を被投射面に投影する投射光学系を有する投射型表示装置であって、
前記投射光学系の絞りの中心と前記被投射面に投射される２次元画像の中心とを通る光線を基準軸光線とするとき、前記基準軸光線と前記被投射面の法線とを含む平面と前記被投射面に投射される画像とが交わる線分の長さをＳｙ、前記基準軸光線と前記被投射面の法線とを含む平面において、前記基準軸光線と前記被投射面の法線の成す角をθ、前記複数の光学面のうち前記被投射面に最も近い光学面から前記被投射面までの前記基準軸光線の光路長をｈとするとき、
Ｓｙ／（ｈ・ｃｏｓθ）＞２
を満たしていることを特徴とする投射型表示装置。
【００５４】
（実施態様２）
光学的パワーを有する複数の光学面を備え、光変調素子からの光を被投射面に投影する投射光学系を有する投射型表示装置であって、
前記光変調素子の中心と前記投射光学系の絞りの中心とを通る光線を基準軸光線とするとき、前記基準軸光線と前記被投射面の法線とを含む平面と前記被投射面に投射される画像とが交わる線分の長さをＳｙ、前記基準軸光線と前記被投射面の法線とを含む平面において、前記基準軸光線と前記被投射面の法線の成す角をθ、前記複数の光学面のうち前記被投射面に最も近い光学面から前記被投射面までの前記基準軸光線の光路長をｈとするとき、
Ｓｙ／（ｈ・ｃｏｓθ）＞２
を満たしていることを特徴とする投射型表示装置。
【００５５】
（実施態様３）
光学的パワーを有する複数の光学面を備え、光変調素子からの光を被投射面に投影する投射光学系を有する投射型表示装置であって、
前記光変調素子の中心を通り前記被投射面に投射される画像の中心に至る光束の中心を通る光線を基準軸光線とするとき、前記基準軸光線と前記被投射面の法線とを含む平面と前記被投射面に投射される画像とが交わる線分の長さをＳｙ、前記基準軸光線と前記被投射面の法線とを含む平面において、前記基準軸光線と前記被投射面の法線の成す角をθ、前記複数の光学面のうち前記被投射面に最も近い光学面から前記被投射面までの前記基準軸光線の光路長をｈとするとき、
Ｓｙ／（ｈ・ｃｏｓθ）＞２
を満たしていることを特徴とする投射型表示装置。
【００５６】
（実施態様４）
前記投射型表示装置は前記被投射面と実質的に同一の平面に接触した状態で前記光変調素子からの光を前記被投射面に投射することを特徴とする実施態様１乃至３いずれかに記載の投射型表示装置。
【００５７】
（実施態様５）
Ｓｙ／（ｈ・ｃｏｓθ）＞３を満たすことを特徴とする実施態様１乃至４いずれかに記載の投射型表示装置。
【００５８】
（実施態様６）
前記投射型表示装置は、前記被投射面に投射される画像の法線方向の空間から外れた領域に配置されていることを特徴とする実施態様１乃至５いずれかに記載の投射型表示装置。
【００５９】
（実施態様７）
前記投射光学系が少なくとも２面以上の曲率をもつ反射面を有することを特徴とする実施態様１乃至６いずれかに記載の投射型表示装置。
【００６０】
（実施態様８）
前記投射光学系は、少なくとも１つの回転非対称な非球面を有していることを特徴とする実施態様１乃至７いずれかに記載の投射型表示装置。
【００６１】
（実施態様９）
前記投射光学系は、４つ以上の回転非対称な非球面を有していることを特徴とする実施態様１乃至８いずれかに記載の投射型表示装置。
【００６２】
（実施態様１０）
前記投射光学系は該投射光学系内で１次結像し、前記被投射面上で２次結像をすることを特徴とする実施態様１乃至９いずれかに記載の投射型表示装置。
【００６３】
（実施態様１１）
前記光変調素子側から順に、屈折光学素子、角度を変更可能なミラー、回転非対称な曲率を有する複数の反射面を有することを特徴とする実施態様１乃至１０いずれかに記載の投射型表示装置。
【００６４】
（実施態様１２）
光変調素子から光を被投射面に投射する投射光学系を有し、前記被投射面上に２次元画像を形成する投射型表示装置であって、該投射型表示装置を前記被投射面内で前記投射光学系により光を投射しない領域の法線方向の空間内（前記被投射面内で前記投射光学系により光を投射する領域の法線方向の空間外）であって、前記被投射面上又はその近傍に設置した状態で、前記光変調素子からの光を前記被投射面に投射することを特徴とする投射型表示装置。
【００６５】
図９は実施態様１の不等式の説明図である。図９ｂは投射型表示装置ＳＰＢ、所定像面Ｓ、前記のＳｙを示す正面図である。又、この側面図を図９ａに示す。
換言すると、関係式の左辺分母は光学系の投射距離ｈ、あおり角θで投射したときの光学系から像面と同一の平面までの距離を表している。さらに、像面の幅Ｓｙとの比をとることは、光学系が像面と同一の平面近傍に位置し、且つ広画角であることを条件としている。この不等式を満たすことにより広画角で且つ装置を所定像面と同一な面に設置することが可能となる。
【００６６】
上記の実施態様４において、画像の表示領域に配光を考慮してスクリーンを設置しても構わないが装置を表示面と同一の面に設置するという目的とは当然ながら異なるものではない。従って、装置を表示面と同一の面に設置するという意図は、極近傍に設置可能であるということであり、スペーサー等で設置面との間に空間をつくる事等も当然ながら異なるものではない。この投射型表示装置を用いることにより、観察者は状況に応じて壁面や机上に設置して、その傍らに画像表示が可能となる。実施態様７の投射型表示装置は、前記投射光学系が少なくとも２面以上の非対称な曲率をもつ反射面を有することを特徴としている。基準軸という概念を導入し構成面を非対称非球面にすることで、十分収差が補正された光学系が構築可能であることができる。こうした非共軸光学系はＯｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系（像中心と瞳中心を通る光線に沿った基準軸を考えた時、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ曲面）を含む光学系として定義される光学系で、この時、基準軸は折れ曲がった形状となる）と呼ばれる。このＯｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を使った光学系の構築がしやすい。後の実施例で示すが、本発明の投射型表示装置はこのＯｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系の特徴と非対称な曲率をもつ反射面の特性を有効に利用したもので、従来の共軸回転対称光学系で請求項２に示した関係式を満たすことは非常に困難である。
【００６７】
実施態様１０の投射型表示装置は、前記投射光学系が光学系内で１次結像し、所定像面上で２次結像をすることを特徴としている。光学系内で中間像を形成することにより広画角でありながらコンパクトな光学系を構成することができる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、広画角でありながら大きな仰角を付けることが可能な光学系を用いることにより、投影を行うための光路の空間を表示面の近傍にすることができるので、従来の投射型表示装置のように観察空間を侵すことなく画像表示が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の投射光学系を用いた投射型表示装置の配置例図
【図２】本発明における絶対座標系、基準軸上座標系、ローカル座標系の説明図
【図３】本発明の実施例１の投射光学系、及び所定像面の構成図
【図４】本発明の実施例１の投射光学系の構成図
【図５】本発明の実施例の結像性能の評価位置を示す説明図
【図６】本発明の実施例１の投射光学系のディストーションを示す説明図
【図７】本発明の実施例１の投射光学系の横収差を示す説明図
【図８】本発明における座標系の説明図
【図９】本発明の解決手段を示す説明図
【図１０】微小ミラーの公知例を示す説明図
【図１１】本発明の実施例２の投射光学系、及び所定像面の構成図
【図１２】本発明の実施例２の投射光学系の構成図
【図１３】本発明の実施例２の投射光学系のディストーションを示す説明図
【図１４】本発明の実施例２の投射光学系の横収差を示す説明図
【符号の説明】
ＳＰＢ  投射光学系及び投射型表示装置
ＬＣ  変調光発信装置、及びコリメータレンズ
ＬＣ１  照明装置
Ｌ  変調光発信装置
Ｃ  コリメータレンズ
ＬＣＤ  ライトバルブ
Ｍ  微小ミラー
Ｒｉ  ｉ番目のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ反射自由曲面
Ｓ  画像表示面
ＳＳ  絞り
ＩＮＰ  投射光学系の入射瞳
（ｉ＝１、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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