(57)【要約】【課題】スクリーンに対して斜め投影する投影光学系において、水平方向のデフォーカス特性が垂直方向のデフォーカス特性に対して余裕が残っており、光量を無駄にしてしまっていた。【解決手段】そこで、本発明の投影光学系は、曲率を有する回転非対称反射面を少なくとも３面以上有し、画像表示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、前記画像表示素子中心と前記被投影面に形成された像の中心とを通る光束の中心線が前記被投影面に対して傾いており、前記画像表示素子と前記少なくとも３面の回転非対称反射面との間に、回転非対称な形状の入射瞳を形成することを特徴としている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲率を有する回転非対称反射面を少なくとも３面以上有し、画像表示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、
前記画像表示素子中心と前記被投影面に形成された像の中心とを通る光束の中心線が前記被投影面に対して傾いており、
前記画像表示素子と前記少なくとも３面の回転非対称反射面との間に、回転非対称な形状の入射瞳を形成す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、画像表示素子（例えば透過型液晶パネル、反射型液晶パネル、ＤＭＤ、高分子分散液晶等の受動型画像形成装置）により形成した画像をスクリーン等の被投影面に投影する投影光学系や、そのような投影光学系を備えた画像投影装置（フロントプロジェクター、リアプロジェクター）に関し、特に回転非対称な反射面（所謂自由曲面）を有する投影光学系、画像投影装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロジェクションに用いられる投影光学系において、スクリーンと投影光学系の距離を短くするためにスクリーンに対して斜め投影が可能な投影光学系の発明がなされている。それらは特開平０５−１００３１２に示される大画角の広角レンズを用いたシフト投影光学系や特開平０５−０８０４１８などに示されるの投影光学系は第１の光学系の光軸を傾ける事により傾斜した中間像を形成し再度第２の光学系を傾斜させスクリーン上に斜め投射している。これらの方法による斜め投影光学系の問題を改善出来る発明として特開２００１−２５５４６２がなされている。特に特開２００１−２５５４６２には従来の回転曲面レンズを用いた投影光学系の欠点を改善した投影光学系に回転非対称反射面を用いた斜め投影光学系が提案されおり、光学像性能を維持したまま斜め投写による歪曲をほとんど残さず、また周辺照度比の優れた光学系を提案している。
【０００３】
このような従来例にある回転非対称反射面を用いた斜め投影光学系の中に、回転非対称反射面と画像表示パネルの間に入射瞳を形成する光学系が開示されており、ほぼ同じ位置に回転対称な形状をした絞りが設けられている。また、他の従来例では、複数の回転非対称反射面の間に回転対称な形状をした絞りを設けた光学系も開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０５−１００３１２号公報
【特許文献２】
特開平０５−０８０４１８号公報
【特許文献３】
特開２００１−２５５４６２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術のように回転対称な絞りを設けた場合、投影光学系の投影方向がスクリーンに対して斜めであるために水平方向のデフォーカス特性が垂直方向のデフォーカス特性に対して余裕が残っているにもかかわらず、入射光束が入射瞳位置に配置された回転対称な形状の絞りによって制限を受けてしまう。従来の投影光学系は、このような制限を受けてしまい、投影光学系の透過率、つまり投影光学系により投影される画像の明るさが落ちてしまうという問題点が発生していた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記のような問題点を解決するために本発明の投影光学系は、曲率を有する回転非対称反射面を少なくとも３面以上有し、画像表示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、前記画像表示素子中心と前記被投影面に形成された像の中心とを通る光束の中心線が前記被投影面に対して傾いており、前記画像表示素子と前記少なくとも３面の回転非対称反射面との間に、回転非対称な形状の入射瞳を形成することを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の投影光学系は回転非対称な非球面（曲率を有する回転非対称な反射面）を有しており、その形状は以下の式により表すことができる。
【０００８】
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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ている曲面はｙｚ面を対称面とする面対称な形状である。
【０００９】
また、以下の条件が満たされる場合にはｘｚ面に対して対称な形状を表す。
【００１０】
Ｃ０３  ＝Ｃ２１  ＝０
これに加えて、さらに以下の条件式を満たす場合は、回転対称な形状を表す。
【００１１】
Ｃ０２  ＝Ｃ２０    Ｃ０４  ＝Ｃ４０  ＝Ｃ２２／２    Ｃ０６  ＝Ｃ６０  ＝Ｃ２４／３  ＝Ｃ４２／３
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。
【００１２】
（第１の実施例）
本発明の第１の実施例を説明する。第１の実施例における投影光学系の全体図を図１示す。本発明の投影光学系は図１からわかるように画像表示パネルＬＶは反射デジタルマイクロミラーデバイスや反射液晶を用いたライトバルブであり、ＬはＬＶを照明する照明光学系である。また、１はＬＶからの画像光を投射スクリーンＳに拡大投影するための反射投影光学系である。
【００１３】
図１のように画像表示パネルＬＶとスクリーンＳは平行ではなくスクリーンＳに投射される画像表示パネルの実像も平行にはならず角度を持って配置されている。第１の実施例における投影光学系の拡大図を図２に示す。反射面Ｒ１からＲ６までは６枚の回転非対称反射面からなる反射型斜め投影光学系を構成している。
【００１４】
前記６面の反射面は、ライトバルブの像をスクリーン上に結像するが、ライトバルブとスクリーンとの間にライトバルブの中間像を形成する。この中間像は２回以上形成するように構成しても構わない。
【００１５】
ここで、ライトバルブ（画像表示素子）の中心とスクリーン（被投影面）に形成された投影像の中心とを通り、基準波長（ここでは、可視領域の波長の中心である緑色光内の特定波長）の光束の中心を通る線を中心線と称する。そのとき、この中心線はスクリーンに対して傾いており、特に画像光を斜め上方に投影するように構成されている。また、この中心光線を含む平面は、スクリーンに対して実質的に垂直である。ただ、必ずしも垂直である必要は無く、０〜３０度の範囲でずれていても構わない。
【００１６】
これらの反射面Ｒ１からＲ６まではそれぞれ個別に金属面を切削加工した表面ミラーから構成されている。ミラーの材質は本実施例に示した金属以外にもガラス材料、樹脂材料などが適している。表面の加工は本実施例のように金属では切削加工、プレス加工、またガラス材料ではモールド加工や切削加工でもよい、樹脂材料ではモールド加工が一般的であるが詳細にはインジェクション加工やコンプレション加工がありこれらを組み合わせたものでもよい。さらにインジェクションモールドの表面にレプリカ転写した反射面を形成することもできる。
【００１７】
ここで、反射面Ｒ１からＲ６までの面のうち複数の面を一体的に形成した光学ブロックを採用しても構わない。例えばＲ１面とＲ３面とを一体的にモールド成形で作成すれば、投影光学系の作成を容易に行うことができる。勿論、Ｒ１面からＲ６面までのすべての面を一体的に形成しても構わない。その際、Ｒ１面からＲ６面までの光路上の媒質は空気であっても構わないし、空気とは異なる屈折率を有する透明体を用いても構わない。この透明体とは、例えばガラス、プラスチック、樹脂、空気とは屈折率の異なる気体、液体等を用いることができる。また、この光学ブロック内の光路を空気とは屈折率を有する媒質で満たす場合、この光学ブロックへの入口及び出口の面は透過面である必要がある。この入口及び出口に配置される透過面は、中心線に垂直に配置した平面でも構わないし、曲率を有する屈折面としても構わないし、勿論曲率を有する回転非対称な屈折面としても構わない。
【００１８】
図２の照明系Ｌは簡略化して表記されている。光源からの光束を均一化するインテグレータや、光束を集光するフィールドレンズや、無偏光光を直線偏光光に変換する偏光変換素子などは図示されていない。
【００１９】
図２に示した本発明の実施例において、ライトバルブＬＶと第１の反射面Ｒ１との間で、投影光学系の絞りＳＳの直前に形成された入射瞳の形状を図３に示す。従来例の円形の絞り形状に対して水平方向に長軸を有する楕円開口をなしている。従来の絞りＳＳに対して長軸方向に瞳開口を増加出来た。そのため入射瞳の増加により投射光量が向上している。
【００２０】
また、従来例のように回転対称な絞りによって斜め投射されていることによる水平方向と垂直方向のＮＡ（開口数）の違いも改善され光学性能の方向依存性が少なく画面内での光学特性の均一性がよく、高いコントラストも実現できている。さらに斜め投射による歪曲や投射面内の照度比の均一化など光学性能は十分なままであった。
【００２１】
（第２の実施例）
本発明の第２の実施例を示す。第２の実施例の投影光学系全体図は図４に示した。また投影光学系の部分拡大図を図５に示す。第２の実施例では第１の実施例と異なり回転非対称反射面としてのＲ１面、Ｒ３面及びＲ５面の位置が近く連続して接続しやすい構成なのでＲ１面、Ｒ３面及びＲ５面による反射面を一体の部品としてモールド成型した。対向するＲ２面、Ｒ４面も同様に反射面を一体部品としてモールド成型した。さらにＲ６面は反射面の配置の関係で個別に成型加工してから組み合わせた。
【００２２】
成型材料は形状転写性の良いポリカーボネートを用いた。ここで使用した成型材料は一例でありこの材料に限定されるわけではない。ここでも表面反射面を用いてモールド成型面にＡｇの蒸着によって反射面を作製した。
【００２３】
本実施例で表面反射鏡での例を示しているが反射面として裏面反射鏡を使用した設計もできる。図５に示したように第２の実施例においては複数の反射面内に絞りＳＳが配置されているが投影光学系全体の水平方向と垂直方向のＮＡ（開口数）を同様にするため入射瞳ＩＳをＲ２面の下方に形成した。水平方向に長軸を持つ楕円開口を用いた。このとき、絞りＳＳは入射瞳を通った光束をけらないように構成する。
【００２４】
第２の実施例における投影光学系の光学性能も第１の実施例と同様に良好に得られた。本実施例の入射瞳の開口形状により従来例より多くの光束を投影光学系に導入できるようになったため高輝度な表示画面を提供できる投影光学系となっている。
【００２５】
（第３の実施例）
本発明の第３の実施例について図６を用いて説明する。図６にはリアプロジェクション表示装置を示している。光源を含む照明系Ｌ１、反射投影光学系２、かによって第１、第２の実施例と同様にスクリーンＳに画像表示パネルの画像を斜め投射する。さらに反射投影系２とスクリーンＳの間に平面ミラーＭ１及びＭ２によって出射光束を折り曲げて筐体Ｋに収めてある。斜め投射と平面鏡による折り曲げによって奥行きが薄い筐体Ｋに収める事ができ薄型のリア投射型表示装置が実現できる。
【００２６】
本発明の第３の実施例ではスクリーンＳが透過型のものを使用しているため反射投影光学系によりスクリーンＳ後方から投射した画像が表示される。
【００２７】
本実施例でこのような構成にすることで暗所ではなくても視認性が良くするためにスクリーン光束量を向上させ明るい表示が実現できた。
【００２８】
以上、第１〜第３実施例において、投影光学系、画像投影装置の具体的な構成について述べて来たが、本発明の実施例はこれに限らない。
上記の実施例では、曲率をする回転非対称反射面は６面の例だけであるが、少なくとも３面有するように構成すれば構わない。
【００２９】
また、上記の実施例では、ライトバルブが１つしか開示されていないが、その限りではなく、ライトバルブを赤、緑、青用として３つ有するような構成としても構わない。
【００３０】
本発明の実施態様は以下のように記載することができる。
【００３１】
（実施態様１）
曲率を有する回転非対称反射面を少なくとも３面以上有し、画像表示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、
前記画像表示素子中心と前記被投影面に形成された像の中心とを通る光束の中心線が前記被投影面に対して傾いており、
前記画像表示素子と前記少なくとも３面の回転非対称反射面との間に、回転非対称な形状の入射瞳を形成することを特徴とする投影光学系。
【００３２】
（実施態様２）
前記入射瞳が略楕円形状をしていることを特徴とする実施態様１記載の投影光学系。
【００３３】
（実施態様３）
前記入射瞳が前記中心線に垂直な面上で水平方向の径が垂直方向の径より大きいことを特徴とする実施態様１又は２記載の投影光学系。
【００３４】
（実施態様４）
前記中心光線を含む平面は、前記被投影面に垂直であ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影光学系。
【００３５】
（実施態様５）
前記画像表示素子と前記被投影面とが非平行である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影光学系。
【００３６】
（実施態様６）
前記画像表示素子の中間像を少なくとも一回形成す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影光学系。
【００３７】
（実施態様７）
前記少なくとも３面の回転非対称反射面のうち少なくとも一つが表面反射鏡となっていることを特徴とする実施態様１乃至６いずれか記載の投影光学系。
【００３８】
（実施態様８）
前記少なくとも３面の回転非対称反射面のうち少なくとも一つが裏面反射鏡となっ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影光学系。
【００３９】
（実施態様９）
２つの透過面と、曲率を有する少なくとも１つの回転非対称反射面を有する光学ブロックを備え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影光学系。
【００４０】
（実施態様１０）
前記２つの透過面は曲率を有する屈折面であることを特徴とする実施態様９記載の投影光学系。
【００４１】
（実施態様１１）
前記光学ブロックは、前記２つの屈折透過面の間の光路が所定の屈折率を有する透明体で形成されていることを特徴とする実施態様９又は１０記載の投影光学系。
【００４２】
（実施態様１２）
前記３面以上の回転非対称反射面の少なくとも２つの光学面が一体的に形成されていることを特徴とする実施態様１乃至１１いずれかに記載の投影光学系。
【００４３】
（実施態様１３）
前記一体的に形成された２つの光学面は、モールド成型により形成したことを特徴とする実施態様１２記載の投影光学系。
【００４４】
（実施態様１４）
前記投影光学系が有する光学素子がすべて反射部材であることを特徴とする実施態様１乃至１３いずれかに記載の投影光学系。
【００４５】
（実施態様１５）
曲率を有する回転非対称な反射面を６面有することを特徴とする実施態様１乃至１４いずれかに記載の投影光学系。
【００４６】
（実施態様１６）
前記中心線は、緑色波長の光束の中心を通ることを特徴とする実施態様１乃至１５いずれかに記載の投影光学系。
【００４７】
（実施態様１７）
前記画像表示素子を少なくとも１つ有し、該少なくとも１つの画像表示素子からの光を前記被投影面に投影する、実施態様１乃至１５いずれかに記載の投影光学系を有することを特徴とする画像投影装置。
【００４８】
（実施態様１８）
少なくとも１つの画像表示素子と、光源からの光で前記少なくとも１つの画像表示素子を照明する照明光学系と、前記少なくとも１つの画像表示素子からの光を前記被投影面の位置に透過型スクリーンに投影する、実施態様１乃至１５いずれかに記載の投影光学系とを有することを特徴とする画像投影装置。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によると画像表示を高輝度化するために入射瞳の径を投影光学系の性能劣化の少ない軸方向に拡大することで投影光学系における光束の利用効率を向上させ、明るい画像を投影することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例における投影光学系の全体図
【図２】本発明の第１実施例における投影光学系の部分拡大図
【図３】本発明の第１実施例に使用した入射瞳の開口形状
【図４】本発明の第２実施例における投影光学系の全体図
【図５】本発明の第２実施例における投影光学系の部分拡大図
【図６】本発明の第３の実施例における投射型表示装置の全体図
【符号の説明】
１、２  反射型投影光学系
Ｌ、ＬＬ、Ｌ１、Ｌ２  照明系
ＬＶ  ライトバルブ
Ｓ    スクリーン
ＳＳ  絞り
Ｒ１  〜  Ｒ６  回転非対称反射面
ＩＳ  入射瞳
Ｐ  画像表示パネル
ＤＭ  ダイクロイックミラー
Ｍ１，Ｍ２  平面ミラー
Ｋ  筐体
【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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