(57)【要約】【課題】投射距離が短く、コンパクトで、斜め投射が可能な投射光学系および投射型画像表示装置が望まれている。【解決手段】原画を表示する画像表示素子Ｐからの光束を、原画の中心から最終結像画像の中心に至る光束の主光線である中心主光線Ａに対して傾斜した被投射面Ｓに投射する投射光学系Ｋにおいて、曲率を有する複数の反射面Ｒ１〜Ｒ６を設け、かつ以下の条件式を満たすようにする。０＜（Ｓ０×｜β｜）／Ｓ１＜８但し、Ｓ０は被投射面に最も近い瞳面から上記複数の反射面のうち被投射面に最も近い最終反射面までの、中心主光線がたどる経路の長さであり、Ｓ１は上記瞳面から被投射面までの中心主光線がたどる経路の長さであり、βは斜め投射方向の拡大倍率である。【選択図】　　図１
2004061960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原画を形成する画像表示素子からの光束を、前記原画の中心から最終結像画像の中心に至る光束の主光線である中心主光線に対して傾斜した被投射面に投射する投射光学系であって、
曲率を有する複数の反射面を有し、以下の条件式を満たすことを特徴とする投射光学系。
０＜（Ｓ０×｜β｜）／Ｓ１＜８
但し、Ｓ０は、前記被投射面に最も近い瞳面から前記複数の反射面のうち前記被投射面に最も近い最終反射面までの、前記中心主光線がたどる経路の長さであり、Ｓ１は前記瞳面から前記被投射面までの前記中心主光線がたどる経路の長さであり、βは斜め投射方向の拡大倍率である。
【請求項２】
以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の投射光学系。
０＜（Ｓ０×｜β｜）／Ｓ１＜５
【請求項３】
前記複数の反射面が、回転非対称面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の投射光学系。
【請求項４】
前記画像表示素子の中間像を形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の投射光学系。
【請求項５】
少なくとも１つの屈折光学素子を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の投射光学系。
【請求項６】
原画を形成する画像表示素子からの光束を、前記原画の中心から最終結像画像の中心に至る中心主光線に対して傾斜した被投射面に投射する投射光学系であって、
曲率を有する複数の反射面と、
前記複数の反射面のうち、前記被投射面に最も近い最終反射面よりも前記画像表示素子側の光路上に配置された絞りとを有し、
前記絞りと前記最終反射面との間に、前記絞りの像を形成することを特徴とする投射光学系。
【請求項７】
前記複数の反射面が、回転非対称面であることを特徴とする請求項６に記載の投射光学系。
【請求項８】
少なくとも１つの屈折光学素子を含むことを特徴とする請求項６又は７に記載の投射光学系。
【請求項９】
前記複数の反射面のうち、前記瞳結像位置から前記被投射面に向かう光束がたどる反射面のうち少なくとも一面が負の光学パワーを有することを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の投射光学系。
【請求項１０】
前記複数の反射面のうち、前記絞りの像が形成される位置から前記画像表示素子側に向かって１番目の反射面は正の光学パワーを有し、前記絞りの像が形成される位置から前記被投射面側に向かって１番目の反射面は負の光学パワーを有することを特徴とする請求項６から９のいずれか１項に記載の投射光学系。
【請求項１１】
前記画像表示素子の法線と前記被投射面の法線とが実質的に９０度をなすことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の投射光学系。
【請求項１２】
光源からの光で前記画像表示素子を照明する照明光学系と、請求項１から１１のいずれか１項に記載の投射光学系とを有することを特徴とする投射型画像表示装置。
【請求項１３】
前記投射光学系から前記被投射面に向かう光路に平面反射面が設けられていることを特徴とする請求項１２に記載の投射型画像表示装置。
【請求項１４】
請求項１２又は１３に記載の投射型画像表示装置と、
前記画像表示素子に原画を表示させるための画像情報を前記投射型画像表示装置に供給する画像情報供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロジェクタ等の投射型画像表示装置に用いられる投射光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、液晶表示パネル等の画像表示素子を光源からの光束により照明し、画像表示素子で画像変調された透過光又は反射光を用いて投射光学系により、スクリーン等の被投射面に拡大投射する、受動型のプロジェクタが種々提案されている。
【０００３】
このようなプロジェクタに用いられる投射光学系には、投射画像の大型化を達成しつつも装置を薄型化するために、スクリーンに対して斜め方向からの投射（以下、斜め投射という）が可能なものがある。
【０００４】
例えば、特開平５−１００３１２号公報では、投射光学系として大画角の広角レンズを用い、投射光学系の光軸に対して、画像表示素子およびスクリーンをシフトして配置し、画角の端の部分を使用することによって斜め投射を行うものが提案されている。
【０００５】
また、特開平５−８０４１８号公報には、ライトバルブに基づく画像光を第１の投射光学系によって中間結像させ、第２の投射光学系によってスクリーンに拡大投射し、各投射光学系の光軸を適当に傾けることで、斜め投射を行うものが提案されている。
【０００６】
特に最近は、非共軸光学系（オフアキシャル光学系）を利用して斜め投射を実現した投射光学系が提案されている。
【０００７】
ここで、プロジェクタにおける非共軸光学系とは、画像表示素子に表示される原画の中心から瞳（絞り）の中心を通り、スクリーン上に投射された画像（最終結像画像）の中心に到達する光線を中心主光線としたとき、構成面における中心主光線との交点における法線が中心主光線の光路上にない曲面を含む光学系であり、その基準軸は折れ曲がった形状となる。
【０００８】
このオフアキシャル光学系は、光路の折り畳み、引き回しが比較的自由に行えるので、小型の光学系を形成しやすい。また、構成面は一般的に非対称非球面であることから、斜め投射においても十分な収差補正を行うことが可能である。
【０００９】
その有用性は、特開２００１−２５５４６２号公報、特開２００１−２１５４１２号公報および特開２０００−０２７３０７号公報等において説明されている。
【００１０】
本願図９には、上記特開２００１−２５５４６２号公報にて提案されている投射光学系を示している。図中のＰは画像表示パネル、Ｋは画像表示パネルＰで変調された光をスクリーンＳに導光し、スクリーンＳ上に画像を形成するためのオフアキシャル系を利用した複数の反射面から構成される投射光学系である。
【００１１】
また、図１０には、特開２００１−２１５４１２号公報にて提案されている投射光学系を示す図である。図中のＰは画像表示パネル、Ｓはスクリーンを示す。投射光学系は偏心を含む屈折レンズ群と、複数の反射面から構成されるオフアキシャル光学系とより構成されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
プロジェクタにおいて、より大型の投射画像を得るためには、投射距離を長くすること、若しくは焦点距離を短くして高画角化を図る方法が考えられる。特開平２００１−２５５４６２号公報にて提案の投射光学系は、瞳結像を有しているので、焦点距離が短くなっている。
【００１３】
しかしながら、瞳結像のなす位置は、画像表示パネルからスクリーンに至る光束が最後に通る曲率を持つ反射面とスクリーンとの間であるため、瞳結像位置からスクリーンまでの距離を十分に確保する必要がある。このため、投射距離が長くなっている。
【００１４】
一方、特開２００１−２１５４１２号公報において、画像表示パネルからスクリーンまでの中心主光線がたどる長さに対する、スクリーンから数えて最初の光学パワーを有する光学面からスクリーンまでの中心主光線がたどる長さの比率をある範囲に定めることで、投射距離が長くなりすぎず、しかも、スクリーンに近い光学素子の径が大きくなりすぎない投射光学系を提案している。
【００１５】
しかしながら、上記特開２００１−２１５４１２号公報記載されている条件の範囲では、より短い焦点距離で大型スクリーンに拡大する（高画角に対応する）投射光学系の場合、光学系の径を十分に小さく抑えることは難しい
ここで、光学系の径は、瞳面からスクリーンの間で大きくなり易い。これは、画像表示パネルから瞳面の間は、焦点距離に相当し、レンズを数多く配置することができず、必然的に瞳面からスクリーンの間にレンズが配されるためである。また、特に、瞳から最も離れて位置する光学系において径の拡大化が顕著となる。よって、光学系の径の巨大化を防ぐには、瞳面から最も離れた反射面までの距離を規定する必要がある。
【００１６】
本発明は、投射距離が短く、コンパクトに構成され、斜め投射が可能な投射光学系および投射型画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明では、原画を形成する画像表示素子からの光束を、原画の中心から最終結像画像の中心に至る光束の主光線である中心主光線に対して傾斜した被投射面に投射する投射光学系において、曲率を有する複数の反射面を有し、かつ以下の条件式を満たすようにしている。
【００１８】
０＜（Ｓ０×｜β｜）／Ｓ１＜８　　　　…（１）
但し、Ｓ０は、被投射面に最も近い瞳面から上記複数の反射面のうち被投射面に最も近い最終反射面までの、中心主光線がたどる経路（光路）の長さであり、Ｓ１は上記瞳面から被投射面までの中心主光線がたどる経路の長さであり、βは斜め投射方向の拡大倍率（ここでは、被投影面の法線と被投影面に入射する中心主光線とを含む平面内における拡大倍率）である。
【００１９】
また、本発明では、原画を表示する画像表示素子からの光束を、原画の中心から投射画像の中心に至る中心主光線に対して傾斜した被投射面に投射する投射光学系において、曲率を有する複数の反射面と、上記複数の反射面のうちの最終反射面よりも画像表示素子側の光路上に配置された絞りとを設ける。そして、絞りと上記最終反射面（最も被投影面に近い反射面）との間に絞りの像を形成する（瞳結像位置が存在する、或いは絞りと共役な面が存在する）ように構成する。
【００２０】
以上の発明によれば、投射距離が短く、コンパクトに構成され、斜め投射が可能な投射光学系および投射型画像表示装置を実現可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に入る前に、各実施形態における構成諸元の表し方及び実施形態全体の共通事項について説明する。図１１は、本発明の光学系の構成データを定義するための座標系の説明図である。本発明の実施形態では、物体側から像面に進む１つの光線（図１１中に一点鎖線で示すもので中心主光線又は基準軸光線と呼ぶ）に沿ってｉ番目の面を第ｉ面とする。
【００２２】
また、図１１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１１中では第１の光学素子Ｂ１としている。従って、図１１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される。
【００２３】
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、本発明の実施形態においては、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、第１面の中心点である原点と最終結像面（最終結像画像）の中心とを通る光線（中心主光線又は基準軸光線）のたどる経路を光学系の基準軸と定義する。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。
【００２４】
本発明の実施形態においては、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よい。しかし、一般的には像面の中心と、絞り、入射瞳、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。
【００２５】
つまり、本発明の実施形態においては、第１面の中心点を通り、最終結像面の中心へ至る中心主光線（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。各面の順番は中心主光線が屈折、反射を受ける順番に設定している。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。
【００２６】
本発明の実施形態の光学系を構成するチルト面は、基本的にすべてが同一面内でチルトしている。そこで、絶対座標系の各軸を以下のように定める。
【００２７】
Ｚ軸：最も物体側（ここでは、縮小共役側、言い換えると共役長が短い共役面に近い側）の光学面である第１面Ｒ１の、前述の中心主光線が通る点における、第１面に対する法線方向とする。ここで、物体面から第１面Ｒ１に向かう方向を正とする。
【００２８】
Ｙ軸：原点を通りチルト面内（図１１の紙面内）でＺ軸に対して反時計回り方向に９０゜をなす方向を正とする。
【００２９】
Ｘ軸：原点を通りＺ、Ｙ各軸に垂直な方向（図１１の紙面に垂直な直線）。紙面手前側（Ｚ軸の正の方向から見て、原点を中心にＹ軸を反時計回りに９０°回転させた方向）を正とする。
【００３０】
また、光学系を構成する第ｉ面の面形状を表すには、絶対座標系にてその面の形状を表記するより、基準軸（中心主光線）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た方が形状を認識する上で理解し易いため、第ｉ面の面形状をローカル座標系で表すことにする。ローカル座標ｘ　軸、ｙ　軸、ｚ　軸は以下のように定義する。
【００３１】
ｚ軸：ローカル座標の原点を通り、このローカル座標の原点における第ｉ　面の法線方向であり、前述の絶対座標系のＺ方向に対してなす角度が９０°未満である方向を正とする。
【００３２】
ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、ｚ方向に対し絶対座標のＹＺ面内において反時計回り方向に９０゜回転させた方向を正とする。
【００３３】
ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ＹＺ面に対し垂直な方向（ｚ　軸の正の方向から見て、原点を中心にｙ　軸を反時計回りに９０°回転させた方向を正とする）。
【００３４】
また、第ｉ面のｚ　軸の、ＹＺ面内でのチルト角は、絶対座標系のＺ軸に対して反時計回り方向を正とした角度θｉ（単位°）で表す。ここでの角度θｉ　は、第ｉ　面のｚ軸の絶対座標系のＺ軸に対する、ＹＺ平面内での反時計回り方向への傾き角のことである。つまり、第ｉ面のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）のｙ，ｚ軸は絶対座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対してＹＺ面内で角度θｉ傾いていると言うことができる。以下の実施形態１、２、３では、各面のローカル座標の原点は絶対座標系のＹＺ平面上にある。また、以下の実施形態１，２，３においては、ＸＺおよびＸＹ面内での面の偏心はない。
【００３５】
また、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１）面のローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量である。Ｎｄｉ，νｄｉはそれぞれ第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の媒質の屈折率とアッベ数である。
【００３６】
ここで、球面は以下の式で表される形状である：
【００３７】
【数１】
2004061960.tif 000003
【００３８】
また、本発明の光学系は少なくとも回転非対称な非球面を１面以上有し、その形状は以下の式により表す：
ｚ　＝Ｃ０２ｙ２＋Ｃ２０ｘ２＋Ｃ０３ｙ３＋Ｃ２１ｘ２ｙ＋Ｃ０４ｙ４＋Ｃ２２ｘ２ｙ２＋Ｃ４０ｘ４
＋Ｃ０５ｙ５＋Ｃ２３ｘ２ｙ３＋Ｃ４１ｘ４ｙ＋Ｃ０６ｙ６＋Ｃ２４ｘ２ｙ４＋Ｃ４２ｘ４ｙ２＋Ｃ６０ｘ６
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。
【００３９】
Ｃ０３　＝Ｃ２１　＝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回転非対称な形状である。
【００４０】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態である投射光学系を用いたプロジェクタ（投射型画像表示装置）の光学全系の要部概略図である。また、図２には、投射光学系を拡大して示している。
【００４１】
これらの図において、Ｐは画像表示素子であり、反射型ドットマトリックス液晶やデジタルマイクロミラーデバイス等を用いることができる。
【００４２】
画像表示素子Ｐには、図２に示すように、駆動回路１０が接続されている。駆動回路１０には、パーソナルコンピュータ、ビデオ、テレビ、ＤＶＤプレーヤー等の画像情報供給装置２０から画像情報が入力され、駆動回路１０は入力された画像情報に対応する原画を画像表示素子Ｐに表示させるようこれを駆動する。これについては以下の実施形態でも同様である。
【００４３】
これらの図において、Ｌは画像表示素子Ｐに光を照射する照明系である。照明系Ｌはランプ、コンデンサーレンズ、波長を選択するフィルター等から構成されている。
【００４４】
Ｋ１は投射光学系であり、画像表示素子Ｐによって画像変調された光をスクリーンＳに導光し、スクリーンＳ上に画像を形成する。この投射光学系Ｋ１はオフアキシャル系を利用した光学系である。
【００４５】
ここで、投射光学系Ｋ１について詳しく説明する。投射光学系Ｋ１は曲率を有する複数の回転非対称形状の反射面により構成されている。図１および図２において、投射光学系Ｋ１は、画像表示素子Ｐからの光線の通過順に、凹面鏡Ｒ１と、凸面鏡Ｒ２（絞りＳＳ０を有する）と、凹面鏡Ｒ３と、凸面鏡Ｒ４と、凹面鏡Ｒ５と、凸面鏡Ｒ６の６枚の反射面で構成されている。すべての反射面はＹＺ平面のみに対して対称な面である。
【００４６】
ここで、絞りＳＳ０の像は、凹面鏡Ｒ５と凸面鏡Ｒ６との間の位置ＳＳ１で結像している。すなわち、絞りＳＳ０と画像表示素子ＰからスクリーンＳに到達する光線が最後に通る、曲率を持つ光学面である凸面鏡Ｒ６との間の位置（以下、瞳結像位置という）ＳＳ１で瞳面を形成している。
【００４７】
また、瞳結像位置ＳＳ１から画像表示素子Ｐに向かって１番目の反射面である凹面鏡Ｒ５は正の光学パワーを有し、瞳結像位置ＳＳ１からスクリーンＳ側に向かって１番目の反射面である凸面鏡Ｒ６は負の光学パワーを有する。これにより、画像表示素子Ｐから瞳結像位置ＳＳ１までの距離が短縮され、かつ瞳結像位置ＳＳ１からスクリーンＳまでの距離が短縮されることから、投影距離をさらに短くすることが出来る。
【００４８】
さらに、本投射光学系において、投射距離をより短く、かつスクリーンＳに近い光学面の径が大きくならないためには、以下の条件（１）を満たすことが望ましい。
【００４９】
０＜（Ｓ０×｜β｜）／Ｓ１＜８　　　　…（１）
但し、Ｓ０は６枚の反射面（Ｒ１〜Ｒ６）のうちの最終反射面である凸面鏡Ｒ６に対して画像表示素子Ｐにおいて最も近い瞳面（瞳結像位置ＳＳ１）から凸面鏡Ｒ６までの中心主光線がたどる経路の長さであり、Ｓ１は上記瞳面からスクリーンＳまでの中心主光線がたどる経路の長さであり、βは斜め投射方向の拡大倍率である。
【００５０】
上記条件式（１）は、瞳面から最も離れた反射面である凹面鏡Ｒ１までの距離を規定する式である。画像表示素子Ｐから瞳面（瞳結像位置ＳＳ１）の間は、この投射光学系Ｋ１の焦点距離に相当し、レンズを数多く配置することが困難なため、光学系の径は、瞳面（瞳結像位置ＳＳ１）からスクリーンＳの間で大きくなり易い。なかでも、瞳面から画像表示素子Ｐ側に最も離れて位置する光学面の径の拡大が顕著となる。特に、高画角を有する光学系においては、その影響は大きい。
【００５１】
よって、瞳面から画像表示素子Ｐ側において最も離れて位置する光学面の径が大きくならないためには、瞳面から最も離れた凹面鏡Ｒ１までの距離を規定する必要がある。
【００５２】
（Ｓ０×｜β｜）／Ｓ１の値が上記条件式（１）の上限を超えると、スクリーンＳに近い反射面の径が大きくなり、コストアップにつながる。また、条件式（１）の下限を下回る、すなわち、瞳面の位置が画像表示素子ＰからスクリーンＳに到達する光線が最後に通る曲率を持つ凸面鏡Ｒ６よりもスクリーンＳ寄りとなった場合、投射距離が長くなり、薄型化の効果が小さくなる。
【００５３】
本実施形態の場合、Ｓ０＝４６．１，Ｓ１＝１０４６，β＝４０であり、このため、
（Ｓ０×｜β｜）／Ｓ１＝１．７６
となる。
【００５４】
本実施形態では、画像表示素子Ｐの大きさは縦方向に１２．４ｍｍ、横方向に２２．１ｍｍ、スクリーンＳは縦方向に４９８ｍｍ　横方向に８８５ｍｍ　で、斜め投射方向の拡大倍率βは４０である。また、スクリーンＳの法線Ｓａは基準軸Ａに対して４０度傾いている。以下、本実施形態に用いられる投射光学系Ｋ１の構成データを示す。以下の構成データでは、画像表示素子ＰからスクリーンＳに至る順に各面に番号を付している。
2004061960.tif 000004
2004061960.tif 000005
次に、本実施形態の投射光学系Ｋ１における光学作用を説明する。照明系Ｌの光源から発せられた光は、不図示のコンデンサーレンズ、カラーフィルター等を通り、画像表示素子Ｐを照射する。画像表示素子Ｐで光変調された光は、投射光学系Ｋ１を構成する６枚の反射面（Ｒ１〜Ｒ６）で順次反射しながら進み、スクリーンＳに導光され、画像表示素子Ｐに表示された原画に対応する投射画像が拡大投影される。
【００５５】
ここで、本実施形態の投射光学系Ｋ１のポットダイアグラムを図３に、ディストーションを図４に記した。スポットダイアグラムは、スクリーンＳにおける結像性能を、波長６４３．８５ｍｍの光束について示している。本実施形態の投射光学系Ｋ１は、反射面のみから構成されているので色収差は生じないため、１波長の光についてのスポットダイアグラムのみを記載している。
【００５６】
一方、ディストーション図は、画像表示素子Ｐでの長方形の網目に対応するスクリーンＳ上での像高位置を記している。縦軸（ｙ）方向の　１００％像高に相当する位置は、画面中心から縦方向に４９８ｍｍ　、横軸（ｘ）方向の１００　％像高に相当する位置は、画面中心から横方向に８５５ｍｍ　の位置である。
【００５７】
（第２実施形態）
図５には、本発明の第２実施形態である投射光学系を用いたプロジェクタの光学全系の要部概略図である。また、図６には、投射光学系を拡大して示している。
【００５８】
これらの図において、Ｐは画像表示素子であり、反射型ドットマトリックス液晶やデジタルマイクロミラーデバイス等を用いることができる。
【００５９】
Ｌは画像表示素子Ｐに光を照射する照明系である。照明系Ｌはランプ、コンデンサーレンズ、波長を選択するフィルター等から構成されている。
【００６０】
Ｋは画像表示素子Ｐによって画像変調された光をスクリーンＳに導光し、スクリーンＳ上に画像を形成する投射光学系であり、画像表示素子Ｐ側から順に、複数の共軸屈折レンズにより構成される屈折光学系Ｋ２と、オフアキシャル系を利用した反射光学系Ｋ３とにより構成されている。
【００６１】
反射光学系Ｋ３は、曲率を有する複数の回転非対称形状の反射面により構成されている。
【００６２】
具体的には、反射光学系Ｋ３は、画像表示素子Ｐからの光線の通過順に、凸面鏡Ｒ１４と、凹面鏡Ｒ１５と、凹面鏡Ｒの３枚の反射面から構成されている。反射光学系Ｋ３において、すべての反射面はＹＺ平面のみに対して対称な面であり、凸面鏡Ｒ１４はｙ軸方向に２５ｍｍシフトしている。
【００６３】
ここで、絞りＳＳ０の像は、凸面鏡Ｒ１５と凸面鏡Ｒ１６との間の位置ＳＳ１で結像している。すなわち、絞りＳＳ０と、画像表示素子ＰからスクリーンＳに到達する光線が最後に通る、曲率を持つ光学面である凸面鏡Ｒ１６との間の位置（以下、瞳結像位置という）ＳＳ１で瞳面を形成している。
【００６４】
このように、投射光学系Ｋを回転非対称形状の反射面のみで構成するのではなく、共軸屈折光学系Ｋ２を加えることにより、ＢＫ屈折光学系Ｋ２に光学パワーを分担させることができるので、製造コストの高い回転非対称形状の反射面の枚数をより少なく抑えられる。また、回転非対称形状の反射面１枚あたりの光学パワーが小さくなるので、製造時の誤差に対する許容量を大きくすることができる。
【００６５】
また、瞳結像位置ＳＳ１から画像表示素子Ｐに向かって１番目の反射面である凹面鏡Ｒ１５は正の光学パワーを有し、瞳結像位置ＳＳ１からスクリーンＳ側に向かって１番目の反射面である凸面鏡Ｒ１６は負の光学パワーを有する。これにより、画像表示素子Ｐから瞳結像位置ＳＳ１までの距離が短縮され、かつ瞳結像位置ＳＳ１からスクリーンＳまでの距離が短縮されることから、投影距離をさらに短くすることが出来る。
【００６６】
また、投射光学系Ｋにおいて、投射距離をより短く、かつスクリーンＳに近い光学面の径が大きくならないために、上記条件式（１）を満たすことが望ましい。
【００６７】
本実施形態の場合、Ｓ０＝４３．０、Ｓ１＝８３１　、β＝６９．１であり、このため、
（Ｓ０×｜β｜）／Ｓ１＝３．５８
となる。
【００６８】
本実施形態では、画像表示素子Ｐの大きさは縦方向に１４ｍｍ、横方向に１９ｍｍ、スクリーンＳは縦方向に９６６ｍｍ　、横方向に１３１４ｍｍで、斜め投射方向の拡大倍率βは６９．１５　である。
【００６９】
また、スクリーンＳの法線Ｓａは基準軸Ａに対し５０．９度傾いている。以下、本実施形態に用いられる投射光学系Ｋの構成データを示す。以下の構成データでは、画像表示素子ＰからスクリーンＳに至る順に各面に番号を付している。
2004061960.tif 000006
2004061960.tif 000007
2004061960.tif 000008
次に、本実施形態の投射光学系Ｋ１における光学作用を説明する。照明系Ｌの光源から発せられた光は、不図示のコンデンサーレンズ、カラーフィルター等を通り、画像表示素子Ｐを照射する。画像表示素子Ｐで光変調された光は、まず投射光学系Ｋを構成する屈折光学系Ｋ２を透過し、続いて３枚の反射面（Ｒ１４〜Ｒ１６）で順次反射しながら進み、スクリーンＳに導光され、画像表示素子Ｐにに表示された原画に対応する投射画像が拡大投影される。
【００７０】
ここで、本実施形態の投射光学系Ｋのポットダイアグラムを図７に、ディストーションを図８に記した。スポットダイアグラムは、スクリーンＳにおける結像性能を、波長６４３．８５ｍｍ，５４６．０７ｍｍ，４３５．８３ｍｍの光束について示している。
【００７１】
一方、ディストーション図は、画像表示素子Ｐでの長方形の網目に対応するスクリーンＳ上での像高位置を記している。縦軸（ｙ）方向の　１００％像高に相当する位置は、画面中心から縦方向に９６６ｍｍ　、横軸（ｘ）方向の１００　％像高に相当する位置は、画面中心から横方向に１３１４ｍｍの位置である。
【００７２】
下記の表１には、上記第１および第２実施形態（表中には実施例と記す）におけるＳ０，Ｓ１，βおよび（Ｓ０×｜β｜）／Ｓ１の値をまとめて示している。
【００７３】
【表１】
2004061960.tif 000009
【００７４】
ここで、条件式（１）の上限値を小さくして、以下の条件式（１）’を満たすようにしてもよい。
【００７５】
０＜（Ｓ０×｜β｜）／Ｓ１＜５　　　　…（１）’
この条件式（１）’を満足することにより、投射距離をさらに短く、かつスクリーンＳに近い光学面の径をより小さくすることができる。
【００７６】
なお、本発明の投射光学系を構成する反射面の枚数は上記各実施形態のものに限られない。また、第２実施形態のように投射光学系に屈折光学素子を含ませる場合でも、その屈折光学素子の枚数は第２実施形態のものに限られない。
【００７７】
ここで、第１実施形態及び第２実施形態では、前述の複数の（屈折力を有する）反射内部を通る中心主光線が含まれる平面が、スクリーン（被投影面）と垂直になるように構成していたがこの限りではない。具体的には、中心主光線が含まれる平面がスクリーンと実質的に平行になるように構成しても構わない。或いは、画像表示素子（透過型液晶パネル、反射型液晶パネル、ＤＭＤ等の公知の画像表示デバイス）の画像表示面に対する法線と、スクリーンの法線とが垂直になるように構成しても構わない。
【００７８】
このような場合、複数の反射面のうち最終反射面（スクリーンに最も近い屈折力を有する面）とスクリーンとの間に、中心主光線の光路をスクリーン方向に向けるために、屈折力の無い平面ミラー等の反射部材を用いることにより、本発明の特徴を生かしたまま光路を折り曲げることができ、さらなる装置全体の小型化、薄型化を図ることができる。好ましくは、平面ミラーは２枚乃至３枚用いるのがよい。
【００７９】
また、本発明は投射光学系及び投射型画像表示装置に限定された発明ではなく、公知の各種コンピューター、カメラ（ビデオカメラ、デジタルカメラ等）、ビデオデッキ、携帯電話、電波受信装置（有線、無線不問）等の画像情報供給装置により、液晶パネル等の画像表示素子に原画を形成させるための画像情報を供給するように構成した画像表示システムにも適用可能である。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、斜め投射を行う投射型画像表示装置において、装置のコンパクト化を図りつつ、拡大率が高く、投射距離が短い高性能な投射型表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態であるプロジェクタの光学全系の構成図。
【図２】図１に示す光学系のうち投射光学系の構成図。
【図３】図１に示す投射光学系のスポットダイアグラム。
【図４】図１に示す投射光学系のディストーション図。
【図５】本発明の第２実施形態であるプロジェクタの光学全系の構成図。
【図６】図５に示す光学系のうち投射光学系の構成図。
【図７】図５に示す投射光学系のスポットダイアグラム。
【図８】図５に示す投射光学系のディストーション図。
【図９】従来の斜め投射光学系の構成図。１
【図１０】従来の斜め投射光学系の構成図。
【図１１】本発明の実施形態で用いる座標系の説明図。
【符号の説明】
Ｐ　　画像表示素子
Ｌ　　照明系
Ｓ　　スクリーン
Ｒ１〜Ｒ６，Ｒ１４〜Ｒ１６　　反射面
Ｋ１，Ｋ　　投射光学系
Ｋ２　　屈折光学系
Ｋ３　　反射光学系
ＳＳ０　　絞り
ＳＳ１　　瞳結像位置
【図１】
2004061960.tif 000010
【図２】
2004061960.tif 000011
【図３】
2004061960.tif 000012
【図４】
2004061960.tif 000013
【図５】
2004061960.tif 000014
【図６】
2004061960.tif 000015
【図７】
2004061960.tif 000016
【図８】
2004061960.tif 000017
【図９】
2004061960.tif 000018
【図１０】
2004061960.tif 000019
【図１１】
2004061960.tif 000020