(57)【要約】【課題】広画角で、大きな投射角の仕様範囲内において任意の像位置に歪みのない像を得られる、投射角が可変である投射光学系を実現する。【解決手段】複数の光学素子を有し、かつ被投影面とは異なる所定面上に前記画像を結像する性能を有する第１光学ブロックを有し、複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子を、実質的に第１光学ブロックの射出瞳位置の中心を回転中心にして回転させることによって、投影光学系により投射される前記画像形成素子の像を移動させる及び／又は傾けることを可能とする。【選択図】  図１
2004279988.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光学素子を有し、画像形成素子からの光を被投影面に投影する投影光学系であって、
前記被投影面とは異なる所定面上に前記画像を結像する性能を有する第１光学ブロックを有しており、
前記複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子を、実質的に前記第１光学ブロックの射出瞳位置の中心を回転中心にして回転させることによって、前記投影光学系により投射される前記画像形成素子の像を移動させる及び／又は傾けることが可能であることを特徴とする投影光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投射光学系に関し、特に液晶や、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素子を用いた投射光学系及びその投射光学系を有する光学機器、特に投射型画像表示装置に関する。
【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、観察者の視界を妨げることなく画像投射を行うためにスクリーンに対して斜めに投射が可能な投射（投射）光学系の提案がなされている。また、スクリーンに対して斜めに画像を投射することで、投射画像に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提案もなされている。下記特許文献１にて提案されている投射光学系は、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、像面を回転させるものである。また、下記特許文献２にて提案の投射光学系では、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。
【０００３】
一方、非共軸光学系において、下記特許文献３にその設計法や焦点距離等の近軸量の計算方法が、特許文献４、特許文献５および特許文献６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。
【０００４】
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、基準軸は折れ曲がった形状となる）と呼ばれる。
【０００５】
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。また、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。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。
【０００６】
これらの特徴を生かして、下記特許文献７および特許文献８には、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た投射光学系が提案されている。
【０００７】
【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】
特開平０９−００５６５０号公報
【特許文献４】
特開平０８−２９２３７１号公報
【特許文献５】
特開平０８−２９２３７２号公報
【特許文献６】
特開平０９−２２２５６１号公報
【特許文献７】
特開２００１−２５５４６２号公報
【特許文献８】
特開２０００−０８９２２７号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１にて提案の投射光学系は、共軸回転対称ｆ−θ光学系を組み合わせたものであるが、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。また、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。このため、特許文献１にて提案の投射光学系は、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。
【０００９】
また、特許文献２にて提案の投射光学系は、偏心非球面により台形歪みを補正するものであるが、ある固定の投射角度でのみ台形歪み補正が可能な投射光学系であるので、投射装置の設置位置の自由度が損なわれている。さらに、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。
【００１０】
また、特許文献３および４にて提案の投射光学系は、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、ある固定の投射角度でのみ台形歪み補正が可能な投射光学系であるので、これも投射装置の設置位置の自由度が損なわれている。
【００１１】
本発明は、仕様範囲内の任意の像位置において歪みのない像を得る投射角が可変な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。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の投射光学系は、本発明の投射光学系は、少なくとも１つの反射面を含む複数の光学素子を有し、物体面からの光を被投影面に投影する投影光学系であって、第１光学ブロックを有し、前記複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子を、実質的に前記第１光学ブロックの射出瞳位置で前記第１光学ブロックの光軸上の点を中心にして回転させることによって、前記投影光学系による前記物体面の像を移動させる及び／又は傾けることが可能としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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５２は各実施形態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。各実施形態では物体側から像面に進む１つの光線（図５２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。
【００１４】
図５２において第１面Ｒ１は屈折面、第２面Ｒ２は第１面Ｒ１に対してチルトした反射面、第３面Ｒ３、第４面Ｒ４は各々の前面に対してシフト、チルトした反射面、第５面Ｒ５は第４面Ｒ４に対してシフト、チルトした屈折面である。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５２中では第１の光学素子Ｂとしている。
【００１５】
従って、図５２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。
【００１６】
各実施形態の光学系は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、各実施形態においてはまず第１面の中心を原点とする絶対座標系を設定する。
【００１７】
そして、各実施形態においては、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、各実施形態中の基準軸は方向（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。
【００１８】
各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。
【００１９】
つまり、各実施形態においては、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。
【００２０】
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。また、各実施形態において物体面側、画像表示パネル面側、及び所定像面側、像面側、スクリーン側等とは、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。
【００２１】
各実施形態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。
【００２２】
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
また、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ため、第ｉ面の面形状を以下のローカル座標系で表す。こ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。
【００２３】
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。
【００２４】
次にローカル座標系を設定する。
【００２５】
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
従って、各実施形態（数値実施例）において、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各実施形態においては存在しない。図５３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。
【００２６】
また、各実施形態（数値実施例）において、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。
【００２７】
ここで、球面は以下の式で表される形状である：
【００２８】
【数１】
2004279988.tif 000003
【００２９】
また、各実施形態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：
2004279988.tif 000004
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。
【００３０】
2004279988.tif 000005
さらに、
2004279988.tif 000006
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。
【００３１】
次に、本発明の請求項に示す通り、像面を移動させる若しくは傾けるための光学系の投射角について定義する。図５４はスクリーンと像面との位置関係を表している。Ｐは各実施形態の投射光学系及び投射型画像表示装置であり、Ｓは実際に画像表示が行われる像面であり、Ｅは像面Ｓが良好な結像性能を保ったまま移動可能な領域であり、これを投射有効領域と呼ぶ。また、投射有効領域Ｅ内での像面Ｓの位置を、本光学系の射出瞳ＳＳａの中心から像面Ｓの中心に到達する基準軸のｘ及びｙ成分とスクリーン面の法線との成す角度で表し、投射角θｘ，θｙとする。
【００３２】
各実施形態の投射型画像表示装置において、良好な光学性能を保ったまま投射角可変を実現するための基本的な原理を、図５０を用いて説明する。
【００３３】
図５０において、詳細は図示しないが、ＬＬ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：画像形成素子）およびライトバルブに光を照明する照明系を含む画素う表示パネル系である。Ｃは結像性能を有する光学ブロックであり、Ｇのガルバノミラー（回転ミラー）により反射された後、光学ブロックＣの絞りＳＳにある射出瞳ＥＸＰを曲率中心とする球面Ｂ１上に結像する。但し、当然ながら、光学ブロックＣは球面Ｂ１上に結像する能力を有していればよいので、共軸回転対称の光学ブロックであっても曲率を持つ反射面を構成要素として含む光学ブロックであっても構わない。また、光学ブロックＣの絞りが射出瞳ＥＸＰと必ずしも一致している必要はなく、この場合、ガルバノミラーＧは射出瞳ＥＸＰの位置に配置される。
【００３４】
また、光学ブロックＣ（第１光学ブロック）が像を結ぶ面は必ずしも球面でなくても良く、焦点深度が許す範囲内で球面から誤差が発生していても構わない。ただ、好ましくは、ライトバルブＬＬに対して凹の曲面上に結像するような性能を有していることが好ましい。
【００３５】
このとき、ガルバノミラーＧを紙面上で回転させると、球面Ｂ１上の像は光学性能を保ったままＡ１及びＣ１に移動する、すなわちＥ’上を連続的に移動することになる。
【００３６】
次に、図５０に示すように、曲率を持つ反射面を構成要素として含む光学ブロックＲをガルバノミラーＧの先に配置することで光学ブロックＣの像を光学ブロックＲに導光する。このとき、光学ブロックＲは球面上の像Ｅ’をスクリーンＥに良好な光学性能で結像するよう設計されている。
【００３７】
さらに、曲率を持つ反射面を構成要素として含む光学ブロックＲを用いることで、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系の特性により、スクリーンＥに対して斜めに投射することが可能である。
【００３８】
従って、画像表示パネル系ＬＬの像は光学ブロックＣ、ガルバノミラーＧ、光学ブロックＲを介した後、スクリーンＥ上のＢ２に表示されることになる。ここで前記したようにガルバノミラーＧを回転させることでＥ’上のＡ１、Ｂ１、Ｃ１の像は、それぞれ、スクリーンＥ上のＡ２、Ｂ２、Ｃ２に結像する。このため、本実施形態の投射光学系は、光学ブロックＲが良好な光学性能を保証する範囲Ｅ内で任意の投射角で画像表示することが可能である。但し、パネル側の光学ブロックＣの射出瞳ＥＸＰを中心に回転する部材はガルバノミラーＧに限るものではなく、光学ブロックＣ及び画像表示パネル系ＬＬを一体として回転させてもよいし、また像側の光学ブロックＲを回転させてもよい。これらは各部材の相対的な回転であるので前記した光学ブロックを含むどの部材を回転させても光学的に等価である。
【００３９】
さらに、Ｅ’上の像Ｂ１は必ずしも球面上に結像していなくてもよい。すなわち、Ｅ’が球面を形成している必要はない。言い換えると、前記した原理から分かるように、投射角を可変にするためにはパネル側の光学ブロックＣの像Ｂ１がＥ’上を良好な光学性能を保ったまま連続的に移動することが必要であり、それを理想的に実現するものはＥ’を球面とすることである。しかしながら、実際には、焦点深度やディストーション等の光学性能の許容量には幅があるので、この許容量に収まる場合には、このＥ’はどのような面形状でもよく、必ずしも球面である必要はない。
【００４０】
さらに、パネル側の光学ブロックＣの結像に関して説明すると、本実施形態の投射光学系ＰがスクリーンＥ上で２次元的に像面Ｓを可変とする際には、各アジムス方向で全画角の収差の発生がそれぞれ一様であれば充分に補正されている必要はない。これは、全画角の収差の発生が一様であれば、像面側の曲率を持つ反射面を構成要素として含む光学ブロックＲによって補正が可能であるからである。また、スクリーンＥ上で１次元的に唯一方向にのみ像面Ｓを可変とする際には、可変方向でのみ全画角の収差の発生が一様であれば、非可変方向の結像性能が良好である必要はない。これも、像面側の曲率を持つ反射面を構成要素として含む光学ブロックＲによって補正が可能だからである。
【００４１】
また、前記した原理は紙面上のみの説明であったが、これは３次元空間においても同様である。但し、パネル側の光学ブロックＣの射出瞳を中心に回転する部材がガルバノミラーのみであり、スクリーンＥ上で像を２次元的に移動させる際には、水平方向の回転を担うものと垂直方向の回転を担うものの計２枚のガルバノミラーＧ１、Ｇ２を用いると容易に実施することができる。
【００４２】
これは、図５０において、ガルバノミラーＧを紙面に対して垂直な方向に回転させると、画像表示パネル系ＬＬ中の画像表示パネルとガルバノミラーＧがねじれの位置関係になるために、スクリーンＥ上において基準軸光線は所望の位置に結像されるものの、像面ＳがスクリーンＥ上で回転してしまうためである。しかしながら、複数のガルバノミラーＧ１、Ｇ２をパネル側の光学ブロックＣの射出瞳ＥＸＰに配置することは物理的に不可能であるため、ガルバノミラーＧ１、Ｇ２は厳密に射出瞳ＥＸＰに配置しなくても、Ｅ’上の像が前記したように光学性能の許容量の範囲内であれば、射出瞳ＥＸＰの近傍で互いに干渉しない程度にずらして配置することができる。本発明の各実施形態においても、複数のガルバノミラーを用いる際には、２枚のガルバノミラーを比較して回転角の大きい方を射出瞳ＥＸＰに配置し、もう一方を干渉しない程度ずれた位置に配置した。
【００４３】
また、この様にスクリーンＥ上で像を２次元的に移動させるためには、当然ながら、パネル側の光学ブロックＣの射出瞳ＥＸＰに配置された１枚のガルバノミラーでも実施可能である。これは、前記したスクリーンＥ上での像Ｓの回転を防ぐためにパネルを像Ｓの回転が相殺される様に回転する等の解決手段が考えられるからである。
【００４４】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１である投射光学系の鳥瞰図である。また、図２は図１においてガルバノミラーＧにより折り曲げられた基準軸を展開した図である。図１において詳細は図示しないが、ＬＬは液晶を用いたライトバルブ（画像表示パネル：画像形成素子）及び３板式のライトバルブに対応して光合成を行うダイクロイック光学素子及びライトバルブに光を照明する照明系を含む画像表示パネル系である。照明系はランプ、コンデンサーレンズ、波長を選択するフィルター等から成り立っている。
【００４５】
なお、ライトバルブは駆動回路ＤＣに接続されており、この駆動回路ＤＣには、コンピュータ、ＤＶＤ、ビデオ、テレビ等の画像情報供給装置ＩＳＡから画像情報が供給される。駆動回路ＤＣは供給された画像情報に応じてライトバルブを駆動し、ライトバルブに原画を形成させる。これにより、画像形成システムが構成される（他の実施形態でも同様である）。
【００４６】
回転対称共軸レンズＣ、ガルバノミラーＧ及びＯｆｆ−Ａｘｉａｌ反射面を含む反射光学系Ｒは、ライトバルブで光変調された光を図２のスクリーンＥ（投射有効領域）に導光し、スクリーンＥ面上に画像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。また、スクリーンＥの大きさは１３００×３０２０ｍｍ、像面Ｓの大きさは縦横比３：４の６０インチ（９１４．４×１２１９．２ｍｍ）であり、スクリーンＥの法線と基準軸の成す角度で表される補正投射角度範囲は、θｘ：−３０．９６°〜３０．９６°、θｙ：１６．９６°〜２９．３３°である。図３は、図１及び図２の投射光学ブロックＣ、Ｇ、Ｒと画像表示パネル系ＬＬの拡大図である。
【００４７】
図３（ａ）において、ＬＶは液晶を用いたライトバルブ（画像表示パネル）であり、ＬはライトバルブＬＶに光を照明する照明系である。ＬＶの大きさは１０．６６８×１４．２２４ｍｍである。Ｄは、３板式のライトバルブに対応したダイクロイック光学素子であるが、図３では省略して単板のみの光路図を示す。ＣはＣ１〜Ｃ１４の共軸回転対称球面からなる屈折光学ブロックであり、Ｇ１は絞りＳＳの位置に設置されたガルバノミラーである。Ｇ２は絞りＳＳの近傍にガルバノミラーＧ１と干渉しない間隔を設けて設置したガルバノミラーであり、Ｒ１〜Ｒ４はＯｆｆ−Ａｘｉａｌ反射面からなる反射型光学系である。
【００４８】
図３（ｂ）は、図１、図２及び図３（ａ）の光学ブロックＣが前記のスクリーンＥ’上に像Ｂ１を結像している様子を示している。射出瞳ＥＸＰ（絞りＳＳ）からスクリーンＥ’までの距離は１０００ｍｍであり、像Ｂ１は射出瞳ＥＸＰを曲率中心とする球面上に結像している。以下の実施形態２〜５においても、パネル側の光学ブロックの結像の様子は、各実施形態により必要とされる結像条件が多少異なるが、原理的には同様である。
【００４９】
図４は本実施形態の投射光学系Ｐの特徴である、スクリーンＥ上での像面Ｓの位置を移動若しくは傾けることが可能であることを表している。Ｓ１〜Ｓ４はガルバノミラーＧ１及びＧ２を回転させることでスクリーンＥ上を連続的に移動する像面Ｓの代表的な位置を表している。
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。
【００５０】
2004279988.tif 000007
2004279988.tif 000008
2004279988.tif 000009
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【００５１】
次に、本実施形態における光学作用を説明する。Ｌの光源から発生した光は、ライトバルブＬＶを照明し、ライトバルブＬＶに形成された像が反射光学系Ｒを含む投射光学系で拡大投射されスクリーンＥに映し出される。
【００５２】
本実施形態の投射光学系は、スクリーンＥ上で像面を移動若しくは傾けることが可能であることを特徴としているが、図４で示した像面位置Ｓ１〜Ｓ４での横収差を評価するための各像面上の評価位置を図４２に示す。
【００５３】
本実施形態の投射光学系における各像面位置Ｓ１〜Ｓ４でのディストーションの様子を図５に、各像面位置Ｓ１〜Ｓ４における（１）〜（５）（図では丸囲み数字で示す。以下、同様）の評価位置（図５５参照）での横収差図を図６〜９に示す。図５から分かるように、本実施形態では、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。
【００５４】
図６〜９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Ｅ上での収差量を意味している。これらの図より、各像面位置Ｓ１〜Ｓ４でそれぞれ良好に結像していることが分かる。
【００５５】
本実施形態では、前述したように、パネル側の光学ブロックＣが球面状に光を結像させる結像性能を有している。光学ブロックＣのディストーションの様子を図１０に、（１）〜（５）の評価位置での横収差図を図１１に示す。図１０から分かるように、大きなディストーションはない。また、図１１から分かるように、良好に結像している。なお、パネル側の光学ブロックＣの焦点距離は８２．７４３２ｍｍである。
【００５６】
（実施形態２）
図１２は、本発明の実施形態２である投射光学系のガルバノミラーＧにより折り曲げられた基準軸を展開した図である。図１２において、詳細は図示しないが、ＬＬは液晶を用いたライトバルブ（画像表示パネル）、３板式のライトバルブに対応して光合成を行うダイクロイック光学素子及びライトバルブに光を照明する照明系からなる画像表示パネル系である。照明系はランプ、コンデンサーレンズ、波長を選択するフィルター等から成り立っている。また、Ｒａは絞りＳＳよりもパネル側の光学系であり、Ｒｂは絞りＳＳよりもスクリーン側の光学系であり、図１３に拡大図を示す。
【００５７】
Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ反射面Ｒａ、Ｒｂ及びガルバノミラーＧはライトバルブＬＶで光変調された光を図１２のスクリーンＥ（投射有効領域）に導光し、スクリーンＥ面上に画像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。
【００５８】
スクリーンＥの大きさは１３００×３０２０ｍｍ、像面Ｓの大きさは縦横比３：４の６０インチ（９１４．４×１２１９．２ｍｍ）であり、スクリーンＥの法線と基準軸の成す角度で表される補正投射角度範囲は、θｘ：−３０．９６°〜３０．９６°、θｙ：１６．９６°〜２９．３３°である。
【００５９】
図１３において、ＬＶは液晶を用いたライトバルブ（画像表示パネル）であり、ＬはライトバルブＬＶに光を照明する照明系である。ライトバルブＬＶの大きさは１０．６６８×１４．２２４ｍｍである。照明系はランプ、コンデンサーレンズ、波長を選択するフィルター等から成り立っている。
【００６０】
Ｒａ１〜Ｒａ３はＯｆｆ−Ａｘｉａｌ反射面からなる反射型光学系であり、Ｇ１は絞りＳＳの位置に設置されたガルバノミラーであり、Ｇ２は絞りＳＳの近傍にＧ１と干渉しない間隔を設けて設置したガルバノミラーであり、Ｒｂ１〜Ｒｂ４はＯｆｆ−Ａｘｉａｌ反射面からなる反射型光学系である。ライトバルブＬＶと第１反射面Ｒ１の間には、不図示の３板式のライトバルブに対応したダイクロイック光学素子が挿入されるが、図１３では省略して単板のみの光路図を示す。
図１４は本実施形態の投射光学系Ｐの特徴である、スクリーンＥ上での像面Ｓの位置を移動若しくは傾けることが可能であることを表している。Ｓ１〜Ｓ４はガルバノミラーＧ１及びＧ２を回転させることでスクリーンＥ上を連続的に移動する像面Ｓの代表的な位置を表している。
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。
【００６１】
2004279988.tif 000011
2004279988.tif 000012
2004279988.tif 000013
【００６２】
次に、本実施形態における光学作用を説明する。Ｌの光源から発生した光は、ライトバルブＬＶを照明し、ＬＶでの像が反射光学系Ｒを含む投射光学系で拡大投射されスクリーンに映し出される。
【００６３】
本発明の投射光学系はスクリーン上で像面を移動若しくは傾けることが可能であることを特徴としているが、図１４で示した像面位置Ｓ１〜Ｓ４での横収差を評価するための各像面上の評価位置を図４２に示す。
【００６４】
本実施形態の投射光学系における各像面位置Ｓ１〜Ｓ４でのディストーションの様子を図１５に、各像面位置Ｓ１〜Ｓ４における（１）〜（５）の評価位置での横収差図を図１６〜１９に示す。図１５から分かるように、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１６〜１９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。これらの図より、各像面位置Ｓ１〜Ｓ４でそれぞれ良好に結像していることが分かる。
【００６５】
また、本実施形態２では、前述したとおり、パネル側の光学ブロックＲａは、各アジムス方向で全画角の収差の発生がそれぞれ一様であり、像面側の光学ブロックＲｂによって補正を行っている。光学ブロックＲａのディストーションの様子を図２０に、図５６に示す（１）〜（１０）の評価位置での横収差図を図２１及び図２２に示す。図２０から分かるように、大きなディストーションはなく、図２１および図２２から分かるように、水平方向及び垂直方向の収差は互いに一致はしていないものの、各方向においては基準軸上と軸外で一様な収差を発生している。従って、前述した通り、像面側の光学ブロックＲによってスクリーンＥ上で良好な像を得るように補正が可能となっている。
【００６６】
なお、パネル側の光学ブロックＣの焦点距離は３６２．３０７ｍｍである。
【００６７】
（実施形態３）
図２３は本発明の実施形態３である投射光学系の構成を示している。図２３において、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ反射面ＲはライトバルブＬＶで光変調された光をスクリーンＥ（投射有効領域）に導光し、スクリーンＥ面上に画像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。
図２４は図２３の投射光学系の拡大図である。図２３において、ＬＶは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たライトバルブ（画像表示パネル）であり、ＬはライトバルブＬＶに光を照明する照明系である。ＬＶの大きさは１２．１９２×１６．２５６ｍｍである。照明系はランプ、コンデンサーレンズ、波長を選択するフィルター等から成り立っている。Ｒ１〜Ｒ８はＯｆｆ−Ａｘｉａｌ反射面からなる反射型光学系である。
【００６８】
また、スクリーンＥの大きさは９１４．４×３０２０ｍｍ、像面Ｓの大きさは縦横比３：４の６０インチ（９１４．４×１２１９．２ｍｍ）であり、スクリーンＥの法線と基準軸の成す角度で表される補正投射角度範囲は、θｘ：−３０．９６°〜３０．９６°、θｙ：２３．４３°である。
図２５は本実施形態の投射光学系Ｐの特徴である、スクリーンＥ上での像面Ｓの位置を移動若しくは傾けることが可能であることを表している。像面ＳはＲ５〜Ｒ８を回転させることで連続的に移動することができる。
以下、本実施形態に用いられる反射光学系の構成データを示す。
【００６９】
2004279988.tif 000014
2004279988.tif 000015
2004279988.tif 000016
【００７０】
次に、本実施形態における光学作用を説明する。Ｌの光源から発生した光は、ライトバルブＬＶを照明し、ＬＶでの像が反射光学系Ｒを含む投射光学系で拡大投射されスクリーンＥに映し出される。
【００７１】
本実施形態の投射光学系は、スクリーンＥ上で像面を移動若しくは傾けることが可能であることを特徴としている。図２５で示した像面位置Ｓ１、Ｓ２での横収差を評価するための各像面上の評価位置を図５５に示す。
【００７２】
本実施形態の投射光学系における各像面位置Ｓ１、Ｓ２でのディストーションの様子を図２６に、各像面位置Ｓ１〜Ｓ４における（１）〜（５）の評価位置での横収差図を図２７および図２８に示す。図２６から分かるように、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２７および図２８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。これらの図より、各像面位置Ｓ１〜Ｓ４でそれぞれ良好に結像していることが分かる。
【００７３】
また、本実施形態３では、スクリーンＥ上で像面Ｓが水平方向のみ移動可能であるので、前述したとおり、パネル側の光学ブロックＲ１〜Ｒ４は、水平方向の収差の纏りが良好であり、像面側の光学ブロックＲ５〜Ｒ８によって補正を行っている。
【００７４】
光学ブロックＲ１〜Ｒ４のディストーションの様子を図２９に、図５５に示す（１）〜（５）の評価位置での横収差図を図３０に示す。図２９から分かるように、大きなディストーションはなく、図３０から分かるように、垂直方向の収差は補正されていないものの、水平方向の収差においては良好に補正されている。従って、前述した通り、像面側の光学ブロックＲ５〜Ｒ８によってスクリーンＥ上で良好な像を得るように補正が可能となっている。
【００７５】
なお、パネル側の光学ブロックＣの焦点距離は９７．００４４ｍｍである。
【００７６】
（実施形態４）
図３１は本発明の実施形態４である投射光学系の構成を示している。図３１において、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ反射面ＲはライトバルブＬＶで光変調された光をスクリーンＥ（投射有効領域）に導光し、スクリーンＥ面上に画像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。
図３２は図３１の投射光学系の拡大図である。図３２において、ＬＶは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たライトバルブ（画像表示パネル）であり、ＬはライトバルブＬＶに光を照明する照明系である。ＬＶの大きさは１０．６６８×１４．２２４ｍｍである。照明系はランプ、コンデンサーレンズ、波長を選択するフィルター等から成り立っている。Ｒ１〜Ｒ８はＯｆｆ−Ａｘｉａｌ反射面からなる反射型光学系である。
【００７７】
また、スクリーンＥの大きさは９１４．４×２４３８．４ｍｍ、像面Ｓの大きさは縦横比３：４の６０インチ（９１４．４×１２１９．２ｍｍ）であり、スクリーンＥの法線と基準軸の成す角度で表される補正投射角度範囲は、θｘ：−２２．１２°〜２２．１２°、θｙ：２３．４３°である。
図３３は本実施形態の投射光学系Ｐの特徴である、スクリーンＥ上での像面Ｓの位置を移動若しくは傾けることが可能であることを表している。像面ＳはＲ５〜Ｒ８を回転させることで連続的に移動することができる。
以下、本実施形態にて用いられる反射光学系の構成データを示す。
【００７８】
2004279988.tif 000017
2004279988.tif 000018
2004279988.tif 000019
【００７９】
次に、本実施形態における光学作用を説明する。Ｌの光源から発生した光は、ライトバルブＬＶを照明し、ＬＶでの像が反射光学系Ｒを含む投射光学系で拡大投射されスクリーンＥに映し出される。
【００８０】
本実施形態の投射光学系は、スクリーンＥ上で像面を移動若しくは傾けることが可能であることを特徴としている。図３３で示した像面位置Ｓ１、Ｓ２での横収差を評価するための各像面上の評価位置を図５５に示す。
【００８１】
本実施形態の投射光学系における各像面位置Ｓ１、Ｓ２でのディストーションの様子を図３４に、各像面位置Ｓ１、Ｓ２における（１）〜（５）の評価位置での横収差図を図３５および図３６に示す。図３４から分かるように、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３５および図３６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。これらの図より、各像面位置Ｓ１〜Ｓ４でそれぞれ良好に結像していることが分かる。
【００８２】
また、本実施形態４では、スクリーンＥ上で像面Ｓが水平方向のみ移動可能であるので、前述したように、パネル側の光学ブロックＲ１〜Ｒ４は、水平方向の収差の纏りが良好であり、像面側の光学ブロックＲ５〜Ｒ８によって補正を行っている。光学ブロックＲ１〜Ｒ４のディストーションの様子を図３７に、図５５に示す（１）〜（５）の評価位置での横収差図を図３８に示す。図３７から分かるように、大きなディストーションはなく、図３８から分かるように、垂直方向の収差は補正されていないものの、水平方向の収差においては良好に補正されている。従って、前述した通り、像面側の光学ブロックＲ５〜Ｒ８によってスクリーンＥ上で良好な像を得るように補正が可能となっている。
【００８３】
なお、パネル側の光学ブロックＣの焦点距離は２４．５２５６ｍｍである。
【００８４】
（実施形態５）
図３９は本発明の実施形態５である投射光学系の鳥瞰図である。また、図４０は図３９においてガルバノミラーＧにより折り曲げられた基準軸を展開した図である。図３９において、詳細は図示しないが、ＬＬは液晶を用いたライトバルブ（画像表示パネル）、３板式のライトバルブに対応して光合成を行うダイクロイック光学素子及びライトバルブに光を照明する照明系からなる画像表示パネル系である。
【００８５】
照明系はランプ、コンデンサーレンズ、波長を選択するフィルター等から成り立っている。回転対称共軸レンズＣ、ガルバノミラーＧ及びＯｆｆ−Ａｘｉａｌ反射面を含む反射光学系Ｒは、ライトバルブで光変調された光を図４０に示すスクリーンＥ（投射有効領域）に導光し、スクリーンＥ面上に画像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。スクリーンＥの大きさは１３００×３０２０ｍｍ、像面Ｓの大きさは縦横比３：４の６０インチ（９１４．４×１２１９．２ｍｍ）であり、スクリーンＥの法線と基準軸の成す角度で表される補正投射角度範囲は、θｘ：−３０．９６°〜３０．９６°、θｙ：１６．９６°〜２９．３３°である。
【００８６】
図４１は、図３９及び図４０の投射光学ブロックＣ、Ｇ、Ｒと、画像表示パネル系ＬＬの拡大図である。
図４１において、ＬＶは液晶を用いたライトバルブ（画像表示パネル）であり、ＬはライトバルブＬＶに光を照明する照明系である。ＬＶの大きさは１０．６６８×１４．２２４ｍｍである。Ｄは３板式のライトバルブに対応したダイクロイック光学素子であるが、図４１では省略して単板のみの光路図を示す。
ＣはＣ１〜Ｃ１４の共軸回転対称球面からなる屈折光学ブロックであり、Ｇ１は絞りＳＳの位置に設置されたガルバノミラーであり、Ｇ２は絞りＳＳの近傍にＧ１と干渉しない間隔を設けて設置したガルバノミラーであり、Ｒ１〜Ｒ４はＯｆｆ−Ａｘｉａｌ反射面からなる反射型光学系である。
図４２は本実施形態の投射光学系Ｐの特徴である、スクリーンＥ上での像面Ｓの位置を移動若しくは傾けることが可能であることを表している。Ｓ１〜Ｓ４はガルバノミラーＧ１及びＧ２を回転させることでスクリーンＥ上を連続的に移動する像面Ｓの代表的な位置を表している。
以下、本実施形態にて用いられる反射光学系の構成データを示す。
【００８７】
2004279988.tif 000020
2004279988.tif 000021
2004279988.tif 000022
次に、本実施形態における光学作用を説明する。Ｌの光源から発生した光は、ライトバルブＬＶを照明し、ＬＶでの像が反射光学系Ｒを含む投射光学系で拡大投射されスクリーンＥに映し出される。
【００８８】
本実施形態の投射光学系は、スクリーンＥ上で像面を移動若しくは傾けることが可能であることを特徴としている。像面位置Ｓ１〜Ｓ４での横収差を評価するための各像面上の評価位置を図５５に示す。
【００８９】
本実施形態の投射光学系における各像面位置Ｓ１〜Ｓ４でのディストーションの様子を図４３に、各像面位置Ｓ１〜Ｓ４における（１）〜（５）の評価位置での横収差図を図４４〜４７に示す。図４３から分かるように、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４４〜４７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。これらの図より、各像面位置Ｓ１〜Ｓ４でそれぞれ良好に結像していることが分かる。
【００９０】
また、本実施形態では、前述したように、パネル側の光学ブロックＣが球面状に光を結像させる結像性能を有している。光学ブロックＣのディストーションの様子を図４８に、（１）〜（５）の評価位置での横収差図を図４９に示す。図４８から分かるように、大きなディストーションはなく、図４９から分かるように、良好に結像している。
【００９１】
なお、パネル側の光学ブロックＣの焦点距離は１６２．９７８ｍｍ（３５ｍｍ判換算で３９６．６０ｍｍ）である。
以上説明したように、上記各実施形態によれば、Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ反射面を利用することにより、スクリーンに対して斜めに投射することが可能となるので、投射型表示装置の設置自由度を大きく向上させることができる。また、投射光学系内の１つの部材をパネル側の光学ブロックの前記射出瞳位置を中心に回転させることにより、従来よりも遥かに広画角で、大きな投射角の仕様範囲内において任意の像位置に歪みのない像を得ることができる、投射角が可変である投射光学系および投射型画像表示装置を実現することができる。
【００９２】
以上説明した実施形態１〜５においては、図５０に示したように、ガルバノミラーを用いて画像の投射角を変えているが、本発明はこの限りではなく、反射面の角度が可変である反射部材であればどのような光学素子でも構わない。さらには、反射部材に限らず、偏向方向が可変である透過面を有する光学素子、或いは複数の光学素子の組合わせで偏向方向を可変にする光学ユニットを用いてもよい。
【００９３】
例えば、光学ブロックＣ（第１光学ブロック）を光学ブロックＣの光軸と垂直な方向に駆動することにより、スクリーン上に投影される画像の位置を変えるようにしても構わない。
【００９４】
また、スクリーンに投影される画像の位置を２方向に（２次元的に）移動させる場合、１方向に関してはガルバノミラー等の回転ミラーを回転させることによって画像を移動し、もう１方向に関しては光学ブロックＣを移動させることによって画像を移動させるようにしてもよい。このような画像の位置の２方向への移動それぞれは、ガルバノミラー等の回転ミラーを用いる方法と、光学ブロックＣを移動する方法と、光学ブロックＲ（第２光学ブロック）を回転移動する方法と、光学ブロックＣを液晶パネルごと回転移動させる方法とを任意に組み合わせても構わない。
【００９５】
ここで、ガルバノミラー等の回転ミラーを２枚用いて、スクリーン上の画像を２方向に移動させる場合、移動量が多い第１方向に画像を移動させる機能を有する第１回転ミラー、すなわち回転角度の大きい第１回転ミラーを光学ブロックＣの射出瞳位置もしくはその近傍に配置する。そして、第１方向とは異なり、第１方向に比べるとスクリーン上での画像の移動量が少ない方向に画像を移動させる機能を有する第２回転ミラー、すなわち第１回転ミラーに比べて回転角度が小さい第２回転ミラーを、光学ブロックＣの射出瞳からの距離が第１回転ミラーより離れた位置に配置する。これにより、回転角度の大きい回転ミラーを、より光学性能の劣化を防ぐことが容易な位置に配置することができるため、全体の光学性能の劣化を防止することができる。
【００９６】
但し、前述の第１回転ミラーと第２回転ミラーの配置はこれに限らず、光学ブロックＣの射出瞳を挟んで第１回転ミラーと第２回転ミラーとが配置されるようにしてもよい。
【００９７】
また、ガルバノミラー等の回転ミラー１枚でスクリーン上の画像を２方向に移動させる場合、画像が回転するという問題点があるが、それは液晶パネル上で電気的に画像を回転させてもよい。また、液晶パネルそのものを回転させても構わない。
【００９８】
また、スクリーン上の投影画像を２次元的に動かす（投射角を２次元的に変化させる）ための方法として、上述のように２つのガルバノミラーを用いて直交する２方向への投射角を変化させる方法ある。しかしながら、図５１に示すように、偏光ビームスプリッターとガルバノミラー等の偏向方向が可変である反射部材を備えるような光学ユニットを用いると、反射部材の傾きを直交する２方向に変化させること（反射部材の傾きを直交する２方向の回転軸のまわりで、その回転の組み合わせにより変化可能な方向に変化させること）によって投射画像の向き（スクリーン面内での向き）を変えることなく２次元的に移動させることができる。
【００９９】
なお、図５１では、ミラーを実線で示す状態に対して破線で示す方向に傾けた場合のみを示しているが、勿論、実線の状態に対して破線の状態とは反対側にミラーを傾けることも可能である。
【０１００】
さらに、図５１では図の紙面内の方向にのみミラーを傾けているが、紙面の奥行き方向にミラーを傾けることも可能である。
【０１０１】
このように、投射画像の２次元的な移動が、反射面の傾きが可変な反射部材を１つ有することによって可能になるため、装置全体の小型化、簡略化を達成することができる。
【０１０２】
ここで、図５１において、画像表示素子として液晶パネルを用いた場合を考える。液晶パネルを１つのみ用いる場合（所謂、単板式の場合）、図５１に示した色選択性位相差板（色選択性位相差板とは、赤色光、緑色光、青色光のうちの特定の色光に対して９０度位相差を与えることが可能な位相差板、例えば緑色光だけ他の色光に対して９０度位相をずらすことができる）は特に必要が無く、偏向ビームスプリッター（ＰＢＳ）に入射した光がＰＢＳを透過するような偏向方向を有する光、すなわちＰ偏光であればよい。勿論、ＰＢＳに対するガルバノミラーの位置を変えれば、ＰＢＳに入射する光をＳ偏光とすることも可能である。
【０１０３】
また、本実施形態においては、回転可能なガルバノミラーを用いているが、本発明はこれに限られない。例えば、反射部材とこの反射部材を回転方向に様々な角度に駆動し、かつ固定が可能な駆動機構とを備えれば、ガルバノミラーに限らない。
【０１０４】
また、連続的に角度が可変である必要は無く、物体側の光学ブロック（第１ブロック）の光軸に対する角度が不連続な複数種類に設定可能な反射部材を用いて、スクリーン上の複数箇所に画像を投射するようにしてもよい。また、ガルバノミラーのように反射部材でなくても、屈折光学素子（又は回折光学素子）を組み合わせて、複数の方向に偏向可能な光学ユニットを形成し、ガルバノミラーの代わりに用いてもよい。
【０１０５】
次に、赤、緑、青用の３つの液晶パネルを使う場合（３板式の場合）を想定する。この３つの液晶パネルから出射したそれぞれの色の光を波長によって選択的に透過、反射するような光学素子（例えば、ダイクロイックミラーやダイクロイックプリズム）によって（色）合成する場合、予め３つの液晶パネルから出射する光の偏光方向が揃うように設定しておけば、単板式と同じように色選択性位相差板は必要無い。
【０１０６】
但し、ＰＢＳ等を用いて色合成を行う場合は、色合成直後では必然的に３色の色光の偏光方向が一致しない。その場合、３色の色光が合成された後、図５１に示したＰＢＳに入射する前に、３色の色光の偏光方向を揃える必要がある。したがって、図５１に示した例においては、画像表示パネル系ＬＬに包含されている色合成系とＰＢＳとの間に色選択性位相差板を配置し、この色選択性位相差板によって、特定の色光の偏光方向を９０度回転させて、３色の色光の偏光方向を揃えている。
【０１０７】
ここで、ＰＢＳの代わりにハーフミラーを配置すれば、色選択性位相差板もλ／４板も必要なくなる。
【０１０８】
また、上記実施形態１〜５においては、さらに以下のような特徴がある。例えば、上記各実施形態では、曲率を有する反射面を複数有する光学ブロックＲが中間像を形成している。この光学ブロックＲは、ガルバノミラー等の偏向方向が可変である反射面（もしくは回転方向に角度が可変である反射面）のスクリーン側（被投射面側）に配置されている。上記各実施形態中の投射光学系は、拡大投射系であるため、スクリーンに近づくにつれて画像光の光束が徐々に大きくなりがちであるが、光学ブロックＲによって中間像を形成することによって、光学系（特に光学ブロックＲ）を小型化することができるという効果がある。
【０１０９】
また、この中間結像は、光学ブロックＲが有する反射面のうちのスクリーン側から１枚目と２枚目との間に配置されている。このことによって、スクリーンに近づくに連れて徐々に拡がりがちな光束径を絞ることができ、スクリーンに最も近い反射面を小さくすることができるという効果がある。
【０１１０】
尚、上記各実施形態においては、光学ブロックＲが有する反射面は４面であり、光源側（パネル側）から数えて３面目の反射面と４面目の反射面との間に中間像が形成されている。また、それに伴って、光学ブロックＲのうち最もスクリーンに近い反射面（光学ブロックＲが有する複数の反射面のうち光路上において最もスクリーンに近い反射面）を凹面反射面（正のパワーを有する反射面）としている。しかしながら、反射面の製造などの諸要因によって、中間結像を形成させない場合でも光学ブロックＲとしての本質的な役割は変わらない。
【０１１１】
また、上記実施形態１〜５においては、画像表示素子（液晶パネル等）を透過し（色合成され）た光が光学ブロックＣに入射し、光学ブロックＣを介した光がガルバノミラー等の偏向方向が可変である光学系に入射し、この光学系を介した光が光学ブロックＲに入射し、光学ブロックＲを介した光が被投射面であるスクリーンに投射されている。
【０１１２】
ここで、光学ブロックＣ（すなわち、画像表示素子と偏向方向が可変である光学系との間、又は色合成光学系と偏向方向が可変である光学系との間に配置された光学ブロック、光学系）の射出瞳が、光学ブロックＣが有する光学素子のうち最もスクリーン側の光学素子よりもスクリーン側に形成されている。さらに、この射出瞳位置近傍にガルバノミラー等の偏光方向（偏向方向）が可変である光学系を配置し、この光学系を用いて光の偏光方向（偏向方向）を変えることにより、投射画像の画質の劣化がほとんど無く投射画像の投射位置を変化させることができる。
【０１１３】
また、上記実施形態１〜５で用いているライトバルブ（画像表示素子）ＬＶは、照明光学系の光軸に対して垂直な平面内において、複数の画素を有している。従って、前述の投射光学系は、同時に複数の画素に照明光を照射し、複数の画素からの光を同時にスクリーン上に導いている。このライトバルブＬＶは、透過型又は反射型の液晶パネル（ＴＦＴや高分子分散液晶）であっても、ＤＭＤ等のミラーデバイスであっても構わない。ＤＭＤ等のミラーデバイスを用いるような場合は、照明光学系の光軸及び投射光学系の光軸に対して垂直な平面から傾いて配置することもある。
【０１１４】
また、実施形態中に絞りＳＳを有している旨の記載があるが、テレセントリックな光学系であるため、絞りが必要無い場合も考えられる。従って、光学ブロックＣの射出瞳位置に絞りが必ずしもある必要は無く、実施形態における「絞り」という言葉は光学ブロックＣの射出瞳という言葉と置換可能である。
【０１１５】
また、光学ブロックＲ（第２光学ブロック）は、必ずしも反射面を含む光学系である必要はなく、屈折レンズのみを有する屈折光学系であっても構わない。また、光学ブロックＲが有する曲率のある反射面のうち最もスクリーン側の反射面、すなわち実施例中ではＲ４よりスクリーン側に少なくとも１つの屈折レンズを配置するように構成してもよい。
【０１１６】
さらに、以上説明した実施形態は、以下の発明を実施したものである。
【０１１７】
（発明１）  複数の光学素子を有し、画像形成素子からの光を被投射面に投射する投射光学系であって、
前記被投射面とは異なる所定面上に前記画像を結像する性能を有する第１光学ブロックを有しており、
前記複数の光学素子のうち少なくとも１つの光学素子を、実質的に前記第１光学ブロックの射出瞳位置の中心（前記第１光学ブロックの射出瞳位置で前記第１光学ブロックの光軸上の点）を回転中心にして回転させることによって、前記投射光学系により投射される前記画像形成素子の像を移動させる及び／又は傾けることが可能であることを特徴とする投射光学系。
【０１１８】
（発明２）  前記第１光学ブロックよりも前記被投射面側に、少なくとも１つの曲率を有する反射面を備え、前記第１光学ブロックを介した光を前記被投射面に導く第２光学ブロックを有していることを特徴とする発明１に記載の投射光学系。
【０１１９】
（発明３）  前記第２光学ブロックは、曲率を有する回転非対称な反射面を備えることを特徴とする発明２に記載の投射光学系。
【０１２０】
（発明４）  前記第２光学ブロックは、前記被投射面とは異なる位置に前記画像形成素子面の中間像を形成することを特徴とする発明２又は３に記載の投射光学系。
【０１２１】
（発明５）  前記中間像が、前記第２光学ブロックが有する少なくとも１つの反射面のうち、最も前記被投射面側の反射面よりも、前記画像形成素子側に形成されることを特徴とする発明４に記載の投射光学系。
【０１２２】
（発明６）  前記第２光学ブロックが複数の曲率を有する反射面を備えており、前記複数の反射面のうち最も前記被投射面側の反射面と、前記被投射面側から数えて２番目の反射面との間に、前記中間像が形成されることを特徴とする発明４又は５に記載の投射光学系。
【０１２３】
（発明７）  前記第２光学ブロックが曲率を有する反射面を４面有することを特徴とする発明２から６のいずれかに記載の投射光学系。
【０１２４】
（発明８）  前記第２光学ブロックが有する少なくとも１つの反射面のうち、最も前記被投射面側の反射面が凹面であることを特徴とする発明２から７のいずれかに記載の投射光学系。
【０１２５】
（発明９）  前記第２光学ブロックが、少なくとも１つの曲率を有する回転非対称な反射面を備えることを特徴とする発明２から８のいずれかに記載の投射光学系。
【０１２６】
（発明１０）  前記第２光学ブロックが有する少なくとも１つの反射面がすべて、曲率を有する回転非対称な反射面であることを特徴とする発明２から９のいずれかに記載の投射光学系。
【０１２７】
（発明１１）  前記第２光学ブロックが、実質的に前記第１光学ブロックの射出瞳位置で前記第１光学ブロックの光軸上の点を中心にして回転することを特徴とする発明２から１０のいずれかに記載の投射光学系。
【０１２８】
（発明１２）  前記第１光学ブロックが、前記第１光学ブロックの射出瞳位置で前記第１光学ブロックの光軸上の点を曲率中心とする球面上に前記物画像形成素子面を結像する性能を有することを特徴とする発明１から１１のいずれかに記載の投射光学系。
【０１２９】
（発明１３）  前記第１光学ブロックの射出瞳は、前記第１光学ブロックが有する光学素子のうち最も前記被投射面側の光学素子よりも、前記被投射面側に形成されることを特徴とする発明１から１２のいずれかに記載の投射光学系。
【０１３０】
（発明１４）  前記第１光学ブロックが、実質的に前記第１光学ブロックの射出瞳位置で前記第１光学ブロックの光軸上の点を中心にして回転することを特徴とする発明１から１３のいずれかに記載の投射光学系。
【０１３１】
（発明１５）  前記第１光学ブロックと前記第２光学ブロックとの間に、実質的に前記第１光学ブロックの射出瞳位置で前記第１光学ブロックの光軸上の点を中心にして回転可能な回転光学素子を含む第３光学ブロックを有することを特徴とする発明１から１４のいずれかに記載の投射光学系。
【０１３２】
（発明１６）  前記第１光学ブロックと前記第２光学ブロックとの間に、実質的に前記第１光学ブロックの射出瞳位置で前記第１光学ブロックの光軸上の点を中心にした回転方向に複数の角度に設定可能な回転光学素子を含む第３光学ブロックを有することを特徴とする発明１から１４のいずれかに記載の投射光学系。
【０１３３】
（発明１７）  前記回転光学素子が反射部材であることを特徴とする発明１５又は１６に記載の投射光学系。
【０１３４】
（発明１８）  前記第３光学ブロックが前記回転光学素子を２つ有しており、前記２つの回転光学素子が互いに異なる方向に回転可能に構成されていることを特徴とする発明１５から１７のいずれかに記載の投射光学系。
【０１３５】
（発明１９）  前記第３光学ブロックが偏向分離面を有することを特徴とする発明１５から１８のいずれかに記載の投射光学系。
【０１３６】
（発明２０）  前記第３光学ブロックがλ／４板を有することを特徴とする発明１５から１９のいずれかに記載の投射光学系。
【０１３７】
（発明２１）  前記回転光学素子がガルバノミラーであることを特徴とする発明１５から２０のいずれかに記載の投射光学系。
【０１３８】
（発明２２）  前記被投射面に対して、前記画像形成素子の像を斜めに投射することを特徴とする発明１から２１のいずれかに記載の投射光学系。
【０１３９】
（発明２３）  前記画像形成素子の中心を介して前記被投射面に形成される画像の中心に達する光束の中心線が、前記被投射面に対して傾いていることを特徴とする発明１から２２のいずれかに記載の投射光学系。
【０１４０】
（発明２４）  前記第１光学ブロックが共軸回転対称レンズを有することを特徴とする発明１から２３のいずれかに記載の投射光学系。
【０１４１】
（発明２５）  前記第１光学ブロックが共軸回転対称レンズからなることを特徴とする発明１から２４のいずれかに記載の投射光学系。
【０１４２】
（発明２６）  前記第１光学ブロックが曲率をもつ反射面を構成要素として含むことを特徴とする発明１から２５のいずれかに記載の投射光学系。
【０１４３】
（発明２７）  前記被投射面が実質的に平面であることを特徴とする発明１から２６のいずれかに記載の投射光学系。
【０１４４】
（発明２８）  前記画像形成素子が、反射型液晶パネルであることを特徴とする発明１から２７のいずれかに記載の投射光学系。
【０１４５】
（発明２９）  前記画像形成素子が、透過型液晶パネルであることを特徴とする発明１から２７のいずれかに記載の投射光学系。
【０１４６】
（発明３０）  前記画像形成素子が、ミラーデバイスであることを特徴とする発明１から２７のいずれかに記載の投射光学系。
【０１４７】
（発明３１）  前記画像形成素子を複数有しており、
前記複数の画像形成素子それぞれからの光を合成する色合成光学系を、前記第１光学ブロックよりも前記画像形成素子側に有することを特徴とする発明１から３０のいずれかに記載の投射光学系。
【０１４８】
（発明３２）  前記第１光学ブロックと前記第２光学ブロックとの間に、前記第１光学ブロックの光軸上を通る光線を偏向することが可能な光偏向素子を備えることを特徴とする発明１から３１のいずれかに記載の投射光学系。
【０１４９】
（発明３３）  発明１から３２のいずれかに記載の投射光学系を有し、該投射光学系により前記画像形成素子を介した光を前記被投射面に投射することを特徴とする投射型画像表示装置。
【０１５０】
（発明３４）  光源からの光により前記画像形成素子を照明する照明光学系と、前記画像形成素子を介した光を前記被投射面に投射する、発明１から３２のいずれか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。
【０１５１】
（発明３５）  発明３３又は３４に記載の投射型画像表示装置と、該投射型画像表示装置に対して、前記画像形成素子に原画を形成させるための画像情報を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。
【０１５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、少なくとも１つの光学素子を、実質的に第１光学ブロックの射出瞳位置で第１光学ブロックの光軸上の点を中心にして回転させることによって物体面の像を移動させたり傾けたりすることができるので、従来よりも広画角で、大きな投射角の仕様範囲内において任意の像位置に歪みのない像を得られる、投射角が可変である投射光学系およびこれを有する投射型画像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】本発明の実施形態１の投射光学系を用いた投射型表示装置の構成図。
【図２】上記実施形態１の投射光学系を用いた投射型表示装置の構成図。
【図３】（ａ）は上記実施形態１の投射光学系の画像表示パネル系、ダイクロイック光学素子、共軸回転対称系、ガルバノミラーおよび反射光学系Ｒを示す図、（ｂ）は上記実施形態１の投射光学系の画像表示パネル系、ダイクロイック光学素子、共軸回転対称系、スクリーン上の像を示す図。
【図４】上記実施形態１の投射光学系を用いた投射型画像表示装置において投射角が可変であることを示す説明図。
【図５】上記実施形態１の投射光学系のディストーションを示す説明図。
【図６】上記実施形態１の投射光学系の横収差を示す説明図。
【図７】上記実施形態１の投射光学系の横収差を示す説明図。
【図８】上記実施形態１の投射光学系の横収差を示す説明図。
【図９】上記実施形態１の投射光学系の横収差を示す説明図。
【図１０】上記実施形態１の共軸回転対称系のディストーションを示す説明図。
【図１１】上記実施形態１の共軸回転対称系の横収差を示す説明図。
【図１２】本発明の実施形態２である投射光学系を用いた投射型画像表示装置の構成図。
【図１３】上記実施形態２の投射光学系の画像表示パネル系、反射光学系、ガルバノミラーおよび反射光学系の構成図。
【図１４】上記実施形態２の投射光学系を用いた投射型画像表示装置において投射角が可変であることを示す説明図。
【図１５】上記実施形態２の投射光学系のディストーションを示す説明図。
【図１６】上記実施形態２の投射光学系の横収差を示す説明図。
【図１７】上記実施形態２の投射光学系の横収差を示す説明図。
【図１８】上記実施形態２の投射光学系の横収差を示す説明図。
【図１９】上記実施形態２の投射光学系の横収差を示す説明図。
【図２０】上記実施形態２の反射光学系のディストーションを示す説明図。
【図２１】上記実施形態２の反射光学系の横収差を示す説明図。
【図２２】上記実施形態２の反射光学系の横収差を示す説明図。
【図２３】本発明の実施形態３である投射光学系を用いた投射型画像表示装置の構成図。
【図２４】上記実施形態３の投射光学系のライトバルブおよび反射光学系の構成図。
【図２５】上記実施形態３の投射光学系を用いた投射型画像表示装置において投射角が可変であることを示す説明図。
【図２６】上記実施形態３の投射光学系のディストーションを示す説明図。
【図２７】上記実施形態３の投射光学系の横収差を示す説明図。
【図２８】上記実施形態３の投射光学系の横収差を示す説明図。
【図２９】上記実施形態３の反射光学系のディストーションを示す説明図。
【図３０】上記実施形態３の反射光学系の横収差を示す説明図。
【図３１】本発明の実施形態４である投射光学系を用いた投射型画像表示装置の構成図。
【図３２】上記実施形態４の投射光学系のライトバルブおよび反射光学系の構成図。
【図３３】上記実施形態４の投射光学系を用いた投射型表示装置において投射角が可変であることを示す説明図。
【図３４】上記実施形態４の投射光学系のディストーションを示す説明図。
【図３５】上記実施形態４の投射光学系の横収差を示す説明図。
【図３６】上記実施形態４の投射光学系の横収差を示す説明図。
【図３７】上記実施形態４の反射光学系のディストーションを示す説明図。
【図３８】上記実施形態４の反射光学系の横収差を示す説明図。
【図３９】本発明の実施形態５である投射光学系を用いた投射型画像表示装置の構成図。
【図４０】上記実施形態５の投射光学系を用いた投射型画像表示装置の構成図。
【図４１】上記実施形態５の投射光学系の画像表示パネル系、ダイクロイック光学素子、共軸回転対称系、ガルバノミラーおよび反射光学系の構成図。
【図４２】上記実施形態５の投射光学系を用いた投射型画像表示装置において投射角が可変であることを示す説明図。
【図４３】上記実施形態５の投射光学系のディストーションを示す説明図。
【図４４】上記実施形態５の投射光学系の横収差を示す説明図。
【図４５】上記実施形態５の投射光学系の横収差を示す説明図。
【図４６】上記実施形態５の投射光学系の横収差を示す説明図。
【図４７】上記実施形態５の投射光学系の横収差を示す説明図。
【図４８】上記実施形態５の共軸回転対称系のディストーションを示す説明図。
【図４９】上記実施形態５の共軸回転対称系の横収差を示す説明図。
【図５０】本発明における投射角可変の原理を示す説明図。
【図５１】上記各実施形態の変形例を説明する説明図。
【図５２】上記各実施形態における座標系の説明図。
【図５３】上記各実施形態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５４】上記各実施形態における投射角の説明図。
【図５５】上記各実施形態での結像性能の評価位置を示す説明図。
【図５６】上記各実施形態での結像性能の評価位置を示す説明図。
【符号の説明】
Ｐ  投射光学系（投射型画像表示装置）
Ｂ  光学素子
ＬＬ  画像表示パネル系
Ｌ  照明系
ＬＶ  ライトバルブ（画像表示パネル）
Ｃ  共軸回転対称光学ブロック
Ｄ  ダイクロイック光学素子
Ｇ  ガルバノミラーブロック
Ｇｉ  ｉ番目のガルバノミラー
Ｒ  曲率をもつ反射面を構成要素とする光学ブロック
Ｒｉ  ｉ番目のＯｆｆ−Ａｘｉａｌ反射自由曲面
Ｒａ  パネル側の反射型光学ブロック
Ｒｂ  スクリーン側の反射型光学ブロック
Ｒａｉ  Ｒａを構成するＯｆｆ−Ａｘｉａｌ反射自由曲面
Ｒｂｉ    Ｒｂを構成するＯｆｆ−Ａｘｉａｌ反射自由曲面
Ｅ  投射有効領域（拡張スクリーン）
Ｅ’  パネル側の光学ブロックの拡張スクリーン
Ｓ  画像表示面
Ｓｉ  画像表示位置
Ａ１、Ｂ１、Ｃ１  パネル側の光学ブロックの結像面
Ａ２、Ｂ２、Ｃ２  投射光学系の結像面
ＳＳ  絞り
ＳＳａ  投射光学系の射出瞳
ＥＸＰ  パネル側の光学ブロックの射出瞳
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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