(57)【要約】【課題】偏心プリズムを用いて表示素子の表示領域より領域で収差補正された投影光学系を用いることにより、装置全体を傾けることなく、任意の方向に任意の距離だけ投影像をシフトさせても像歪みの発生がない投影型表示装置。【解決手段】表示素子１５と投影光学系７を備えており、投影光学系７は、入射面の第１面１１、内部反射面の第２面１２、第３面１３、射出面の第４面１４からなり、第１面から第２面に向かう光線と、第３面から第４面に向かう光線が内部で交差し、第２面又は第３面の少なくとも一方は回転非対称な曲面形状であって、光束にパワーを与える曲面形状に構成された偏心プリズム１０を備えており、表示素子１５と投影光学系７とは、表示素子１５の表示面６内に沿う方向で相対的に移動可能に構成されている。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像を表示する表示素子と、前記表示素子に表示された映像を拡大投影する投影光学系とを備え、前記投影光学系は、４つの光学面によって形成される空間が屈折率が１より大きい媒質で満たされたプリズムを有し、該プリズムは、入射面を構成する第１面、該第１面より入射した光線を内部反射する第２面、該第２面で反射された光線を内部反射する第３面、該第３面で反射された光線を外部に射出する第４面からなり、前記第１面から前記第２面に向かう光線と、前記第３面から前記第４面に向かう光線が内部で交差するように前記４つの面が構成され、前記第２面又は前記第３面の少なくとも一方は回転非対称な曲面形状であって、光束にパワーを与える曲面形状であり、
前記表示素子と前記投影光学系とは、前記表示素子の表示面内に沿う方向で相対的に移動可能に構成されていることを特徴とする投影型表示装置。
【請求項２】
前記表示素子と前記投影光学系の移動は、平行移動であることを特徴とする請求項１記載の投影型表示装置。
【請求項３】
前記表示素子と前記投影光学系とは、前記表示素子の表示面に垂直な軸の周りで相対的に回転可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載の投影型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影型表示装置に関し、特に、例えば液晶表示素子に表示された映像を投影光学系でスクリーン又は壁に拡大投影する液晶プロジェクター等の投影型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶パネルを光源からの照明光束により照明し、液晶パネルの透過光又は反射光に基づく映像を、投影レンズ系によりスクリーン又は壁に拡大投影する液晶プロジェクターが提案され、実用化されている。
【０００３】
一方、自由曲面プリズムで光学系を構成する方法も提案されている。特許文献１の場合は、投影光学系及び結像光学系に自由曲面プリズムを用いている。この自由曲面l プリズムは、入射面、２つの反射面及び射出面の４面からなり、入射面から第１反射面に向かう光線と、第２反射面から射出面に向かう光線がプリズム内で交差する構成となっている。
【０００４】
特許文献２の場合は、このような自由曲面プリズム２つと共軸光学系とを用いて変倍光学系を構成することが提案されている。
【０００５】
さらに、特許文献３においては、自由曲面プリズムを１つ用いて斜め方向に配置したスクリーンに歪みなく投影できる投影型表示装置が提案されている。この自由曲面プリズムは、光軸がプリズム内においてＺ字状のジクザク光路をとる入射面、２つの反射面及び射出面とからなる。
【０００６】
また、従来の液晶プロジェクターは、図１７に断面図を示す。従来の液晶プロジェクターは、液晶パネル１の中心を通る垂線に対して回転対称な投影レンズ系２を、投影光学系として用いている。そして、投影レンス系を、その垂線に対して垂直方向にδだけシフトして配置することにより、液晶パネル１の映像の拡大像を斜め上方のスクリーン（壁）３へ投影を行っている。
【０００７】
また、図１８に示すように、投影装置（液晶プロジェクター）４全体を載置面５に対して傾けて、スクリーン３の位置に投影像を合わせる方法もある。ただし、その場合は、投影像に台形の歪みが発生するので、電子的に台形歪を補正するように、液晶パネル１に表示する映像にその台形の歪みを補償するような歪みを予め与える電子補正機能が組み込まれているのが一般的である。
【０００８】
同様に、スクリーン３に対して横から投影する場合には、左右で大きさが異なる台形の歪みが発生するので、左右方向にも電子補正する機能を搭載した液晶プロジェクターもある。
【０００９】
【特許文献１】
特開平９−３２９７４７号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開平１０−２０１９６号公報
【００１１】
【特許文献３】
特開２０００−８９２２７号公報
【００１２】
【特許文献４】
米国特許第６，１２４，９８９号明細書
【００１３】
【特許文献５】
特開２０００−６６１０５号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
図１７の例のように、投影レンズ系２を光軸に対して垂直な方向にシフトさせて斜め上方に投影しても、投影像には台形歪みが発生しないことはよく知られている。ただし、従来の回転対称な投影レンズ系２をシフトして用いるためには、投影レンズ系２のイメージサークル（逆光線追跡での像面であって、液晶パネル１が配置される面）を大きくとり、かつ、諸収差を良好に補正することが必要になる。これは、投影レンズ系２のレンズ枚数の増加やレンズ有効径の大型化につながり、光学系の大型化を招く。
【００１５】
また、従来は、投影レンズ系２のシフト量δは液晶プロジェクター設計時に予め設定されている。そのため、液晶プロジェクターの設置場所等の変化に応じて、シフト量δを変化させることはできなかった。すなわち、より斜め上方への投影角度を任意に設定することはできなかった。
【００１６】
また、図１８の例では、このような台形歪み補正方法では、高価な電子補正機能を内臓することが必要である。さらに、投影画像の位置をスクリーンの位置に合わせるためには液晶プロジェクター全体の傾きを調整する必要があった。
【００１７】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、装置全体を傾けることなく、任意の方向に任意の距離だけ投影像をシフトさせても像歪みの発生がない投影型表示装置を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達する本発明の投影型表示装置は、映像を表示する表示素子と、前記表示素子に表示された映像を拡大投影する投影光学系とを備え、前記投影光学系は、４つの光学面によって形成される空間が屈折率が１より大きい媒質で満たされたプリズムを有し、該プリズムは、入射面を構成する第１面、該第１面より入射した光線を内部反射する第２面、該第２面で反射された光線を内部反射する第３面、該第３面で反射された光線を外部に射出する第４面からなり、前記第１面から前記第２面に向かう光線と、前記第３面から前記第４面に向かう光線が内部で交差するように前記４つの面が構成され、前記第２面又は前記第３面の少なくとも一方は回転非対称な曲面形状であって、光束にパワーを与える曲面形状であり、
前記表示素子と前記投影光学系とは、前記表示素子の表示面内に沿う方向で相対的に移動可能に構成されていることを特徴とするものである。
【００１９】
また、前記表示素子と前記投影光学系の移動が平行移動であることを特徴とするものである。なお、この移動は、直線移動である。
【００２０】
また、前記表示素子と前記投影光学系とは、前記表示素子の表示面に垂直な軸の周りで相対的に回転可能に構成されていることを特徴とするものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の投影型表示装置の作用と上記のように構成をする理由を説明する。説明に先立って、本発明で使用する自由曲面について述べる。
【００２２】
本発明で使用する自由曲面とは、例えば特許文献４（特許文献５）の（ａ）式により定義される自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
この自由曲面は、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。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、本発明は、回転非対称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することが特徴であり、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。なお、本発明においては、プリズムを構成する面に上記のような対称面を１面のみ有する回転非対称面を用いることで、偏心により発生する回転非対称な収差を補正すると同時に製作性も向上させることができる。
【００２５】
図１に、本発明に基づく投影型表示装置の光学系を示す。本発明の投影型表示装置５０は、映像を表示する表示素子１５と、その表示素子１５に表示された映像を拡大投影する投影光学系７とを備えている。投影光学系７は、少なくともプリズム１０を備えており、その投影光学系７の所定の位置に表示面が位置するように、表示素子１５の配置されている。そして、この表示面に表示された画像は、投影光学系７によってスクリーン面８に拡大投影される。
【００２６】
投影光学系７を構成するプリズム１０は、４つの光学面を持ち、その４つの光学面によって形成される空間が屈折率が１より大きい媒質で満たされている。その４つの光学面は、入射面を構成する第１面１１、第１面１１より入射した光線を内部反射する第２面１２、第２面１２で反射された光線を内部反射する第３面１３、第３面１３で反射された光線を外部に射出する第４面１４からなっている。そして、第１面１１から第２面１２に向かう光線と、第３面１３から第４面１４に向かう光線が内部で交差するように、この４つの光学面はそれぞれ配置されている。そして、第２面１２又は第３面１３の少なくとも一方は自由曲面等の回転非対称な曲面形状であって、光束にパワーを与える曲面形状に構成されている。
【００２７】
そして、本発明の投影型表示装置においては、表示素子１５と投影光学系７とを、表示素子１５の表示面内に沿う方向で相対的に移動可能に構成している。ここで、図１において、物体面６の図面内での範囲（長さ）をｄi 、表示素子１５の表示面のその方向の長さをｄ0 としたとき、ｄi ＞ｄ0 の関係を満足するように構成している。そのため、例えば、物体面６の範囲内で表示素子１５と投影光学系７を、相対的に上下あるいは左右に直線移動させることができる。また、物体面６の範囲内で表示素子１５と投影光学系７を、相対的に円弧状に回転させることができる。このようにすると、スクリーン面８に投影される表示素子１５の投影像１６も、表示素子１５の移動に伴って移動することになる。
【００２８】
本発明では、投影光学系７にプリズムを用いているため、投影光学系を従来に比べて小型化することができる。その理由について説明する。図１７に示す従来例だと、例えば表示素子が光軸上から下方向に向かって移動した場合、表示素子から発した光はレンズ面の一部の領域（例えば、レンズの中心軸下半分）を通過することになる。しかしながら、レンズが回転対称形状であるため、レンズとしては下半分に加えて、本来必要のない上半分の領域を含む形状になる。これに対して、本発明の場合、プリズム１０の各光学面の面積は、図１におけるｄi の範囲から射出される光束を透過あるいは反射できるだけあればよい。よって、従来の回転対称レンズを用いた光学系に比べて、より小型化を実現できる。更に、プリズム１０は、第１面１１から第２面１２に向かう光線と第３面１３から第４面１４に向かう光線とが内部で交差する形態であるので、光学系をより小型化にすることができる。また、単に光路を折り返す構造のプリズム形状に比較して光路長を長くとることが可能であるため、光路長の長さの割にプリズムを小型化することができる。
【００２９】
本発明では、プリズム１０を用いることにより投影光学系を小型化できるが、各光学面が偏心配置されるので偏心収差が発生する。そこで、投影光学系７に上記のような内部反射面１２、１３を２面有するプリズム１０を用いている。これにより、像歪みが十分に補正された物体面６（以下、「像歪みが十分に補正された物体面６」を単に「物体面６」という。）を広く確保することができる。その結果、この物体面６に表示された表示素子１５の画像を、スクリーン面８の広い範囲にわたって歪みなく拡大投影することができる。しかも、プリズム１０は、第１面１１から第２面１２に向かう光線と第３面１３から第４面１４に向かう光線とが内部で交差する形態であるので、収差補正の自由度が高くなり、諸収差の発生を小さく抑えることができる。さらに、２つの内部反射面１２、１３の配置の対称性が高いので、この２つの反射面で発生する収差が２つの反射面相互で補正しあうことになる。その結果、収差発生が少ない投影光学系を実現できる。
【００３０】
上記のように、本発明の投影型表示装置は、投影光学系７にプリズム１０を備えているので投影光学系７を小型にすることができる。しかも、プリズム１０として偏心プリズムを用いているので、物体面６の範囲を十分広くすることができる。
【００３１】
ところで、物体面６の範囲はできるだけ広い方が望ましい。そのためには、図１に示すように、投影光学系７は、上記のプリズム１０に加えて、その投影側に絞りＳを挟んでプリズム２０を備えている方が望ましい。プリズムをもう１つ設け、このプリズムとして偏心プリズムを用いることにより偏心収差を補正できる反射面が多くなる。その結果、絞りＳの両側で発生する偏心収差を、お互いに補正することができ、より広い物体面６を得ることが可能になる。
【００３２】
このプリズム２０としては、少なくとも３つの光学面を持ち、その少なくとも３つの光学面によって形成される空間が屈折率が１より大きい媒質で満たされたプリズムを用いることができる。そして、その少なくとも３つの光学面は、入射面と、少なくとも１面の内部反射面と、射出面で構成する。また、その少なくとも１面の内部反射面は回転非対称な曲面形状であって、光束にパワーを与える曲面形状に構成されているのがよい。このようなプリズムは、公知の何れの形態の偏心プリズムでも使用可能である。ただし、望ましくは、図１に示すように、プリズム１０と同様の構成を有することが望ましい。すなわち、プリズム２０は、入射面を構成する第１面２１、第１面２１より入射した光線を内部反射する第２面２２、第２面２２で反射された光線を内部反射する第３面２３、第３面２３で反射された光線を外部に射出する第４面２４を有するようにする。そして、第１面２１から第２面２２に向かう光線と、第３面２３から第４面２４に向かう光線が内部で交差するように各面を配置する。更に、第２面２２又は第３面２３の少なくとも一方は回転非対称な曲面形状であって、光束にパワーを与える曲面形状であるのがよい。
【００３３】
この場合に、プリズム１０とプリズム２０とは、一体で対称面を１面のみ有する形状に構成されるのが好ましい。そして、プリズム１０内とプリズム２０内で、表示素子１５からの光線がその対称面内において相互に反対回りに回転するように反射面が配置されているものの組み合わせの方が良い。これは、同じ回転方向に反射するように反射面が配置されているものの組み合わせの場合より、偏心収差を補正する上でより望ましいからである。
【００３４】
次に、本実施の形態の投影表示装置を、図２と図３に示す。図２は本実施の形態の投影表示装置に用いられる投影光学系を示している。また、図３は投影表示装置の概略図である。図２に示した投影光学系７は、図１に示した投影光学系７と同じである。よって、 説明は省略する。
【００３５】
本実施の形態では、表示素子１５（図３では分かりやすくするため円形で描いてある。）を固定して、投影光学系７の各光学素子１０、Ｓ（開口絞り）、２０（別の偏心プリズム）を一体に、図の面内で直線移動させている。この時の移動方向は上下方向であって、それぞれ１０、Ｓ、２０の位置と１０’、Ｓ’、２０’の位置の間で直線状に平行移動させている。この結果、投影像１６もスクリーン面８上で１６と１６’の位置の間で平行移動する。なお、図３もその様子を斜視図で示したものであるが、その動きの説明については省略する。また、２１の場合は、倒立像を投影する配置になっているので、投影光学系７に対して表示素子１５投影像１６の相対的移動方向は反対になる。ただし、正立像を投影する配置の場合は、相対的移動方向は同じ方向になる。
【００３６】
ところで、図２の場合は、表示素子１５と投影光学系７との相対的な移動は、投影光学系７内で光軸が折り曲げられる面内で行っていたが、光軸が折り曲げられる面に垂直な方向に表示素子１５又は投影光学系７を移動させることもできる。その場合には、投影像１６もそれに伴って光軸が折り曲げられる面に垂直な方向に移動することになる。
【００３７】
このように、本実施の形態においては、表示素子１５と投影光学系７とは、表示素子１５の表示面内に沿う方向（物体面６内の方向）で相対的に移動可能に構成されている。そのため、装置５０全体を傾けることなく、任意の方向に任意の距離だけ投影像１６をシフトさせることができ、 しかも投影像１６には像歪みの発生がない。
【００３８】
なお、表示素子１５と投影光学系７とは何れを移動させてもよいが、投影光学系７を移動させるようにするのがより好ましい。これは、表示素子１５には、図示しない照明系が備わっているからである。
【００３９】
以上の説明では、表示素子１５は物体面６の範囲内で相対的に直線状に平行移動させていた。すなわち、装置５０全体を傾けることなく、その平行移動の方向に任意の距離だけ投影像１６をシフトさせていた。ただし、これ以外にも移動の形態はある。例えば、表示素子１５の表示面（物体面６）に垂直な軸の周りで、投影光学系７を相対的に回転させても、投影像１６を移動させることができる。その場合の模式的な斜視図を図４に示す。
【００４０】
図４においては、投影型表示装置５０の中に配置された表示素子１５の表示面が、分かりやすくするため円形で描いてある。そして、この表示面に垂直な軸の周りで、投影光学系７を回転させている。図４では、相互に９０°をなす配置（２つの偏心プリズムが１０、２０の位置と１０’、２０’の位置）の様子が示されている。このように、表示素子１５に対して相対的に回転可能に構成することで、投影像１６の位置を変えることができる。この場合には、投影像１６もスクリーン面上で１６と１６’の位置の間で回転移動する。ただし、投影光学系７中の反射面の数が偶数の場合は、投影像１６の正立方向はこの回転移動によって変化しない。一方、奇数の場合は、投影像１６の正立方向は投影光学系７の回転角の２倍だけ回転してしまう。よって、投影光学系７としては、反射面の数が偶数のものを用いるのが望ましい。
【００４１】
なお、投影光学系７は図３の平行移動と図４の回転移動を併用するようにしてもよい。このようにすると、任意の方向に任意の距離だけ投影像１６をシフトさせるようにすることも可能である。
【００４２】
ところで、物体面６の面積をＳi 、表示素子１５の表示面の面積をＳ0 とするとき、
Ｓi ／Ｓ0 ＞１．２                                    ・・・（１）
を満足するように設定されていることが望ましい。なお、この表示面の面積とは前述の物体面６の面積のことである。この面積は、投影光学系７に対して表示素子１５が相対的に移動可能な面積、すなわち、投影したときに像歪みが十分に補正されている範囲の面積のことである。物体面６の面積Ｓi が表示素子１５の表示面の面積Ｓ0 の１．２倍以上であると、投影像１６を移動させる距離あるいは範囲を十分に確保することができる。
【００４３】
さらに望ましくは、
Ｓi ／Ｓ0 ＞１．５                                ・・・（１−１）
を満足するように設定されていることが好ましい。
【００４４】
ところで、投影光学系７は表示素子１５側でテレセントリック、すなわち、入射瞳が無限遠に位置するように構成されていることが望ましい。
【００４５】
投影光学系７が表示素子１５側でテレセントリックに構成されていると、表示素子１５として液晶パネルを用いることができる。液晶パネルは、表示面に対して垂直の表示光の強度が最も大きく出る表示素子であるが、このような表示素子を用いても明るい投影表示が可能となる。しかもそれだけでなく、投影光学系７に対して表示素子１５をフォーカシングのために移動させても、投影像１６の大きさは変化しないので望ましい。
【００４６】
また、表示素子１５に対して、投影光学系７を軸上主光線方向に相対的に移動させるように構成するのが望ましい。このようにすると、投影倍率の変更又はフォーカシングを行うことができる。
【００４７】
さらに、物体面６に対する主光線の直角からの傾角の最大値をθとするとき、
θ＜１０°                                            ・・・（２）
を満足するように構成されていることが望ましい。
【００４８】
条件（２）は、物体面６での主光線傾角の面内でのバラツキの許容範囲を示す。全ての主光線が物体面６に対して直角である場合には、投影光学系７に対して表示素子１５をフォーカシングのために移動させても、スクリーン面８上の投影像１６の像歪みは面内で変化しない。しかしながら、主光線傾角に面内でバラツキがあると、フォーカシングによって投影像１６の像歪みが面内で変化してしまい、見にくい投影像となってしまう。最大の主光線傾角θが１０°以下であれば、フォーカシングに伴う面内での歪みムラはほとんど目立たない。
【００４９】
さらに望ましくは、
θ＜５°                                          ・・・（２−１）
を満足するように構成されていることが望ましい。
【００５０】
また、投影光学系７のＦナンバーをＦNOとするとき、
ＦNO＜５                                              ・・・（３）
を満足するように構成されていることが望ましい。
【００５１】
この条件は、投影光学系７の明るさに関するもので、ＦNOが５より小さいと、通常の投影型表示装置の照明装置からの照明光を損失なしに投影に利用でき、明るい投影像を表示することができる。
【００５２】
さらに望ましくは、
ＦNO＜３                                          ・・・（３−１）
を満足するように構成されていることが望ましい。
【００５３】
次に、本発明の投影型表示装置に用いる投影光学系の実施例１、２について説明する。これら投影光学系の構成パラメータは後記する。これら実施例の構成パラメータは、図５や図９に示すように、スクリーン面８から投影光学系７を経て物体面６に至る逆光線追跡の結果に基づくものである。なお、投影光光軸９を、スクリーン面８の中心から投影光学系７の絞りＳ中心を通り、物体面６の中心に至る光線で定義する。
【００５４】
そして、逆光線追跡において、スクリーン面８の中心を偏心光学系の偏心光学面の原点とする。また、紙面内をＹ−Ｚ平面、スクリーン面を含み紙面に垂直な面ををＸ−Ｙ面とする。また、Ｘ−Ｙ面に直交しその原点から投影光学系７側の方向をＺ軸正方向とし、図５、図９の面をＹ−Ｚ平面とし、原点を通りＹ−Ｚ平面に直交し、図５、図９の紙面の表から裏へ向かう方向を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軸正方向とする。
【００５５】
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、後記の引用文献の（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。
【００５６】
また、各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、面の曲率半径、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。
【００５７】
また、本発明で用いられる自由曲面の面の形状は、例えば特許文献４（特許文献５）の（ａ）式により定義される自由曲面であり、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００５８】
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。
【００５９】
実施例１の投影光学系７のＹ−Ｚ面内における光路図を図５に、その要部の光路図を図６に、Ｙ軸正方向から見た要部の光路図を図７にそれぞれ示す。この実施例において、投影光学系７は、物体面６側から、第１偏心プリズム１０と第２偏心プリズム２０からなり、その間に開口絞りＳが配置されている。投影光学系７全体は正のパワーを有し、物体面６側にテレセントリックな構成になっている。
【００６０】
偏心プリズム１０、２０は何れもＹ−Ｚ面に対して対称な構成になっており、かつ、４つの光学面１１〜１４、２１〜２４を有する。その４つの光学面は、入射面を構成する第１面１１、２１、第１面１１、２１より入射した光線を内部反射する第２面１２、２２、第２面１２、２２で反射された光線を内部反射する第３面１３、２３、第３面１３、２３で反射された光線を外部に射出する第４面１４、２４からなる。そして、何れも第１面１１、２１から第２面１２、２２に向かう光線と、第３面１３、２３から第４面１４、２４に向かう光線が内部で交差するように、各面が構成されている。また、この実施例の光学面１１〜１４、２１〜２４は何れも光束にパワーを与える自由曲面から構成されている。
【００６１】
そして、対称面のＹ−Ｚ面内において、光線は第１偏心プリズム１０内では右回りに回転するように進み、第２偏心プリズム２０内では逆の左回りに回転するように進む。なお、物体面６と第１偏心プリズム１０の間には平行平板１９が配置されているが、これは省いてもよい。この平行平面板１９は、例えばＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）３枚の液晶表示素子（液晶パネル）からの映像表示光を合成するダイクロイックプリズム等と等価な光学素子である。
【００６２】
この実施例においては、物体面６に位置する表示素子からの投影光は、平行平板１９を経て第１偏心プリズム１０の第１面１１からプリズム内に入射する。そして、順に第２面１２、第３面１３で内部反射され、その後第４面１４からプリズム外に射出する。続いて、この光は開口絞りＳを通り、今度は第２偏心プリズム２０の第１面２１から再びそのプリズム内に入射し、順に第２面２２、第３面２３で内部反射さる。その後第４面２４からプリズム外に出て、遠方のスクリーン面８に物体面６の表示素子に表示された映像の倒立拡大像を結像する。
【００６３】
この実施例において、物体面６とスクリーン面８は平行であり、スクリーン面８（逆光線追跡上は物体面）上で、縦×横の像高は６７５ｍｍ×６００ｍｍであり、物体面６（逆光線追跡上は像面）上で、図８に示すように、縦×横の物体高は１１．４３ｍｍ×１０．１６ｍｍの大きさになる。また、実際の表示素子１５の大きさは、０．５インチ液晶パネルでは、縦×横の物体高は７．６２ｍｍ×１０．１６ｍｍであり、縦方向に１．５倍の余裕がある。したがって、液晶パネル１５に対して投影光学系７全体を上方に３．８１ｍｍの範囲で平行移動させることにより、スクリーン面８上では同様に投影画面の１．５倍の高さの範囲で像歪なく投影像を平行移動させることが可能となる。
【００６４】
実施例２の投影光学系７のＹ−Ｚ面内における光路図を図９に、その要部の光路図を図１０にそれぞれ示す。この実施例においても、投影光学系７は、物体面６側から、第１偏心プリズム１０と第２偏心プリズム２０からなり、その間に開口絞りＳが配置されている。投影光学系７全体は正のパワーを有し、物体面６側にテレセントリックな構成になっている。ただし、この実施例においては、第２偏心プリズム２０の形態は第１偏心プリズム１０とは異なる。
【００６５】
すなわち、偏心プリズム１０、２０は何れもＹ−Ｚ面に対して対称な構成になっている。第１偏心プリズム１０は、実施例１と同様に、４つの光学面１１〜１４を持ち、その４つの光学面は、入射面を構成する第１面１１、第１面１１より入射した光線を内部反射する第２面１２、第２面１２で反射された光線を内部反射する第３面１３、第３面１３で反射された光線を外部に射出する第４面１４からなる。そして、第１面１１から第２面１２に向かう光線と、第３面１３から第４面１４に向かう光線が内部で交差するように各面が構成されている。第２偏心プリズム２０は、３つの光学面２１〜２３を有する。その３つの光学面は、入射面を構成する第１面２１、第１面２１より入射した光線を内部反射する第２面２２、第２面２２で反射された光線を外部に射出する第３面２３からなる。そして、この実施例の光学面１１〜１４、２１〜２３は何れも光束にパワーを与える自由曲面から構成されている。また、物体面６と第１偏心プリズム１０の間には、実施例１と同様の平行平板１９が配置されているが、これは省いてもよい。
【００６６】
この実施例においては、物体面６に位置する表示素子からの投影光は、平行平板１９を経て第１偏心プリズム１０の第１面１１からプリズム内に入射する。そして、順に第２面１２、第３面１３で内部反射され、その後第４面１４からプリズム外に射出する。続いて、この光は開口絞りＳを通り、今度は第２偏心プリズム２０の第１面２１から再びそのプリズム内に入射し、第２面２２で内部反射される。その後、第３面２３からプリズム外に出て、遠方のスクリーン面８に物体面６の表示素子に表示された映像の正立拡大像を結像する。
【００６７】
この実施例において、物体面６とスクリーン面８は平行である。また、スクリーン面８（逆光線追跡上は物体面）上で、縦×横の像高は６７５ｍｍ×６００ｍｍであり、物体面６（逆光線追跡上は像面）上で、図８に示すように、縦×横の物体高は１１．４３ｍｍ×１０．１６ｍｍの大きさになる。また、実際の表示素子１５の大きさは、０．５インチ液晶パネルでは、縦×横の物体高は７．６２ｍｍ×１０．１６ｍｍになり、縦方向に１．５倍の余裕がある。したがって、液晶パネル１５に対して投影光学系７全体を上方に３．８１ｍｍの範囲で平行移動させることにより、スクリーン面８上では同様に投影画面の１．５倍の高さの範囲で像歪なく投影像を平行移動させることが可能となる。
【００６８】
以下に上記各実施例の数値データを示すが、以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面、“ＲＥ”は反射面をそれぞれ示す。なお、逆光線追跡であるので、物体面はスクリーン面８、像面は物体面６である。また、Ｆx 、Ｆy はそれぞれＸ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面内の焦点距離、φは入射瞳（順光線追跡では射出瞳）の径、ＦNOx 、ＦNOy はそれぞれＸ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面内のＦナンバーである。
【００６９】
2004198688.tif 000003
2004198688.tif 000004
2004198688.tif 000005
2004198688.tif 000006
2004198688.tif 000007
2004198688.tif 000008
2004198688.tif 000009
【００７０】
次に、上記実施例１の横収差図を図１１に示す。この横収差図において、括弧内に示された数字は（水平（Ｘ方向）画角、垂直（Ｙ方向）画角）を表し、その画角における横収差を示す。また、上記実施例１、２の像歪みを表す収差図をそれぞれ図１２、図１３に示す。
【００７１】
次に、本発明の投影型表示装置５０内で投影光学系７を移動可能にする構成の具体例について説明する。
【００７２】
図１４は、投影光学系７を表示素子１５に対して平行移動させる機構の１例を説明するための斜視図である。図１４では、偏心プリズム１０及び２０が並んでいる方向に、これらの偏心プリズムを移動させる。図１４（ａ）に示すように、投影光学系７を構成する偏心プリズム１０と２０は、保持枠３１に固定されて一体に保持されている。偏心プリズムの保持枠３１への固定は、非光学面（側面）が利用される。そして、その保持枠３１には、投影光学系７の移動方向に沿った直線案内孔３２が設けられており、また、その直線案内孔３２と平行にネジ孔３４が設けられている。この直線案内孔３２中には案内棒３３が嵌め込まれている。また、その案内棒３３の両端は、図１４（ｂ）に上端部の図に示すように、投影型表示装置５０本体の機枠板５１に固着されている。そして、保持枠３１のネジ孔３４には、機枠板５１の貫通孔５２に回転のみが可能に取り付けられたネジ棒３５の先端がネジ込まれており、ネジ棒３５の機枠板５１の外側の反対端にはつまみ３６が取り付けられている。
【００７３】
このような構成であるので、つまみ３６をつかんでネジ棒３５を回すと、ネジ孔３４を介して案内棒３３に案内されて保持枠３１が上下に移動する。そして、保持枠３１の移動に伴い、その保持枠３１に保持されている投影光学系７（偏心プリズム１０と２０からなる）が、表示素子１５に対して上下につまみ３６の回転量に応じた距離だけ移動する。その結果、スクリーン面８上で投影像１６も対応する距離だけ移動する。
【００７４】
図１５は、図４の場合のように、表示素子１５の表示面に垂直な軸の周りで投影光学系７を回転させる機構の１例を説明するための斜視図である。図１５（ａ）に示すように、投影光学系７を構成する偏心プリズム１０と２０を、保持枠３１中に矢印方向に挿入して一体に固定する。なお、偏心プリズムの保持枠３１の固定は、それらの両側の非光学作用面で一体に固定するようになっている。一方、表示素子１５は投影型表示装置５０本体に固定された枠３７中に支持されており、この枠３７には表示素子１５の表示面に垂直な軸の周りで回転可能な別の枠３８が取り付けられている。その別の枠３８の外周には半径方向に伸びる操作棒３９が取り付けられており、その操作棒３９先端にはつまみ４０が取り付けられている。そして、偏心プリズム１０と２０を一体に固定支持している保持枠３１と表示素子１５に対して回転可能な別の枠３８とは矢印方向に接続固定されている。
【００７５】
このような構成であるので、図１５（ｂ）に示すように、つまみ４０をつかんで操作棒３９を表示素子１５の表示面に垂直な軸の周りで回すと、保持枠３１が表示素子１５の表示面に垂直な軸の周りで回転移動する。この回転に合わせて、その中の偏心プリズム１０と２０とが一体に回転する。その結果、スクリーン面８上の投影像１６も、保持枠３１の回転角に対応する角度だけ回転移動するようになる。
【００７６】
図１６は、投影光学系７を表示素子１５に対して平行移動させる機構の別の例を説明するための斜視図であり、図１４と略同様の機構を採用している。図１６は、偏心プリズム１０と２０が並んで位置方向と垂直な方向に、これらの偏心プリズムを移動させる機構を示している。図１６（ａ）に示すように、投影光学系７を構成する偏心プリズム１０と２０は、保持枠３１に固定されている。この保持枠３１への保持には、プリズムの両側の非光学作用面が利用される。そして、その保持枠３１には、投影光学系７の移動方向に沿った直線案内孔３２が設けられており、また、その直線案内孔３２と平行にネジ孔３４が設けられている。この直線案内孔３２中には案内棒３３が嵌め込まれている。また、その案内棒３３の両端は、図１６（ｂ）に上端部の図に示すように、投影型表示装置５０本体の機枠板５１に固着されている。そして、保持枠３１のネジ孔３４には、機枠板５１の貫通孔５２に回転のみが可能に取り付けられたネジ棒３５の先端がネジ込まれており、ネジ棒３５の機枠板５１の外側の反対端にはつまみ３６が取り付けられている。
【００７７】
このような構成であるので、つまみ３６をつかんでネジ棒３５を回すと、ネジ孔３４を介して案内棒３３に案内されて保持枠３１が上下に移動する。そして、その移動に合わせて、その保持枠３１中の投影光学系７（偏心プリズム１０と２０からなる）が、表示素子１５に対して上下に摘まみ３６の回転量に応じた距離だけ移動する。この結果、スクリーン面８上で投影像１６も対応する距離だけ移動するようになる。
【００７８】
以上の本発明の投影型表示装置は、例えば次のように構成することができる。
【００７９】
〔１〕  映像を表示する表示素子と、前記表示素子に表示された映像を拡大投影する投影光学系とを備えており、前記投影光学系は、４つの光学面を持ち、その４つの光学面によって形成される空間が屈折率が１より大きい媒質で満たされており、その４つの光学面は、入射面を構成する第１面、第１面より入射した光線を内部反射する第２面、第２面で反射された光線を内部反射する第３面、第３面で反射された光線を外部に射出する第４面からなり、第１面から第２面に向かう光線と、第３面から第４面に向かう光線が内部で交差する形態のプリズムであって、前記第２面又は前記第３面の少なくとも一方は回転非対称な曲面形状であって、光束にパワーを与える曲面形状に構成された偏心プリズムを備えており、
前記表示素子と前記投影光学系とは、前記表示素子の表示面内に沿う方向で相対的に移動可能に構成されていることを特徴とする投影型表示装置。
【００８０】
〔２〕  前記投影光学系は、前記偏心プリズムと、その投影側に絞りを挟んで別の偏心プリズムとを備え、前記別の偏心プリズムは、少なくとも３つの光学面を持ち、その少なくとも３つの光学面によって形成される空間が屈折率が１より大きい媒質で満たされており、その少なくとも３つの光学面は、入射面と、少なくとも１面の内部反射面と、射出面とからなり、その少なくとも１面の内部反射面は回転非対称な曲面形状であって、光束にパワーを与える曲面形状に構成されていることを特徴とする上記１記載の投影型表示装置。
【００８１】
〔３〕  前記別の偏心プリズムは、４つの光学面を持ち、その４つの光学面によって形成される空間が屈折率が１より大きい媒質で満たされており、その４つの光学面は、入射面を構成する第１面、第１面より入射した光線を内部反射する第２面、第２面で反射された光線を内部反射する第３面、第３面で反射された光線を外部に射出する第４面からなり、第１面から第２面に向かう光線と、第３面から第４面に向かう光線が内部で交差する形態のプリズムであって、前記第２面又は前記第３面の少なくとも一方は回転非対称な曲面形状であって、光束にパワーを与える曲面形状に構成された偏心プリズムであることを特徴とする上記２記載の投影型表示装置。
【００８２】
〔４〕  前記偏心プリズムと前記別の偏心プリズムとは、一体で対称面を１つのみ有する面対称な形状に構成され、その対称面内において、前記表示素子からの光線は前記偏心プリズム内と前記別の偏心プリズム内では相互に反対回りに回転するように反射面が配置されていることを特徴とする上記３記載の投影型表示装置。
【００８３】
〔５〕  前記表示素子と前記投影光学系とは、前記表示素子の表示面内に沿う方向で相対的に平行移動可能に構成されていることを特徴とする上記１から４の何れか１項記載の投影型表示装置。
【００８４】
〔６〕  前記表示素子と前記投影光学系とは、前記表示素子の表示面に垂直な軸の周りで相対的に回転可能に構成されていることを特徴とする上記１から４の何れか１項記載の投影型表示装置。
【００８５】
〔７〕  前記表示素子と前記投影光学系とは、前記表示素子の表示面内に沿う方向で相対的に平行移動可能で、かつ、前記表示素子の表示面に垂直な軸の周りで相対的に回転可能に構成されていることを特徴とする上記１から４の何れか１項記載の投影型表示装置。
【００８６】
〔８〕  前記投影光学系に対して前記表示素子が相対的に移動可能な面積をＳi 、前記表示素子表示面の面積をＳ0 とするとき、
Ｓi ／Ｓ0 ＞１．２                                    ・・・（１）
を満足するように設定されていることを特徴とする上記１から７の何れか１項記載の投影型表示装置。
【００８７】
〔９〕  前記投影光学系は前記表示素子側でテレセントリックに構成されていることを特徴とする上記１から８の何れか１項記載の投影型表示装置。
【００８８】
〔１０〕  前記表示素子に対して前記投影光学系を軸上主光線方向に相対的に移動させて投影倍率の変更又はフォーカシングを行うように構成されていることを特徴とする上記１から９の何れか１項記載の投影型表示装置。
【００８９】
〔１１〕  前記投影光学系に対して前記表示素子が相対的に移動可能な範囲内における物体面に対する主光線の直角からの傾角の最大値をθとするとき、
θ＜１０°                                            ・・・（２）
を満足するように構成されていることを特徴とする上記１から１０の何れか１項記載の投影型表示装置。
【００９０】
〔１２〕  前記投影光学系のＦナンバーをＦNOとするとき、
ＦNO＜５                                              ・・・（３）
を満足するように構成されていることを特徴とする上記１から１１の何れか１項記載の投影型表示装置。
【００９１】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の投影型表示装置は、投影光学系に偏心プリズムを備えており、表示素子とその投影光学系とは、表示素子の表示面内に沿う方向で相対的に移動可能に構成されているので、装置全体を傾けることなく、任意の方向に任意の距離だけ投影像をシフトさせても像歪みの発生がない投影型表示装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく投影型表示装置の光学系を示す図である。
【図２】本発明の投影型表示装置において投影光学系内で光軸が折り曲げられる面内で表示素子と投影光学系とを相対的に移動させ、スクリーン面に投影される投影像を移動させる様子を示す図である。
【図３】図２の平行移動の模式的な斜視図である。
【図４】投影光学系を相対的に回転移動させて投影像を移動させる場合の模式的な斜視図である。
【図５】本発明の投影型表示装置に用いる実施例１の投影光学系のＹ−Ｚ面内における光路図である。
【図６】図５の要部の光路図である。
【図７】実施例１のＹ軸正方向から見た要部の光路図である。
【図８】実施例１、２の物体面と表示素子の大きさの関係を示す図である。
【図９】本発明の投影型表示装置に用いる実施例２の投影光学系のＹ−Ｚ面内における光路図である。
【図１０】図９の要部の光路図である。
【図１１】実施例１の横収差図である。
【図１２】実施例１の像歪みを表す収差図である。
【図１３】実施例２の像歪みを表す収差図である。
【図１４】投影光学系内で光軸が折り曲げられる面に沿って投影光学系を表示素子に対して平行移動させる機構の１例を説明するための主要部の斜視図（ａ）と案内棒とネジ棒の機枠板との関係を示す斜視図（ｂ）である。
【図１５】表示素子の表示面に垂直な軸の周りで投影光学系を回転させる機構の１例を説明するための構成の組み立て方を示す斜視図（ａ）と操作のし方を示す斜視図（ｂ）である。
【図１６】投影光学系内で光軸が折り曲げられる面に垂直な方向に投影光学系を表示素子に対して平行移動させる機構の１例を説明するための図１４と同様の図である。
【図１７】従来の液晶プロジェクターにおいて液晶パネルの映像の拡大像を斜め上方のスクリーンへ投影する構成を説明するための図である。
【図１８】従来の液晶プロジェクター全体を傾けてスクリーンの位置に投影像を合わせる方法を説明するための図である。
【符号の説明】
Ｓ…開口絞り
１…液晶パネル
２…投影レンズ系
３…スクリーン（壁）
４…投影装置（液晶プロジェクター）
５…載置面
６…物体面
７…投影光学系
８…スクリーン面
９…投影光光軸
１０…偏心プリズム（第１偏心プリズム）
１１…第１面
１２…第２面
１３…第３面
１４…第４面
１５…表示素子
１６…投影像
１９…平行平板
２０…別の偏心プリズム（第２偏心プリズム）
２１…第１面
２２…第２面
２３…第３面
２４…第４面
３１…保持枠
３２…直線案内孔
３３…案内棒
３４…ネジ孔
３５…ネジ棒
３６…摘まみ
３７…枠
３８…別の枠
３９…操作棒
４０…摘まみ
５０…投影型表示装置
５１…機枠板
５２…貫通孔
【図１】
2004198688.tif 000010
【図２】
2004198688.tif 000011
【図３】
2004198688.tif 000012
【図４】
2004198688.tif 000013
【図５】
2004198688.tif 000014
【図６】
2004198688.tif 000015
【図７】
2004198688.tif 000016
【図８】
2004198688.tif 000017
【図９】
2004198688.tif 000018
【図１０】
2004198688.tif 000019
【図１１】
2004198688.tif 000020
【図１２】
2004198688.tif 000021
【図１３】
2004198688.tif 000022
【図１４】
2004198688.tif 000023
【図１５】
2004198688.tif 000024
【図１６】
2004198688.tif 000025
【図１７】
2004198688.tif 000026
【図１８】
2004198688.tif 000027