(57)【要約】【課題】液晶に代表される画像形成素子をもつプロジェクター等の表示装置に用いる結像光学系を反射光学素子のみで構成し、広画角化および小型化を実現する。【解決手段】画像形成素子が結像面に配置される結像光学系であって、画像形成素子が配置される結像面に凹面状反射面を向けた回転対称非球面形状を有する第１の反射鏡と、第１の反射鏡からの光束に凸面状反射面を向けた回転対称非球面形状を有する第２の反射鏡と、第２の反射鏡からの光束に凹面状反射面又は凸面状反射面を向けた回転対称非球面形状を有する第３の反射鏡と、第３の反射鏡からの光束に凸面状反射面を向けた回転対称非球面形状を有する第４の反射鏡とから成るテレセントリックな結像光学系とした。【選択図】図１
2005331979.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像形成素子が配置されるべき結像面に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第２の反射鏡と、前記第２の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第３の反射鏡と、前記第３の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第４の反射鏡とから成り、かつ、テレセントリックな光学系であることを特徴とする反射型結合光学系。
【請求項２】
画像形成素子が配置されるべき結像面に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第２の反射鏡と、前記第２の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第３の反射鏡と、前記第３の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第４の反射鏡とから成り、かつ、テレセントリックな光学系であることを特徴とする反射型結合光学系。
【請求項３】
反射型結像光学系を構成する反射鏡の反射面形状が、反射鏡の光軸をｚ軸、ｚ軸に垂直な平面をｘ−ｙ平面、ｚ軸とｘ−ｙ平面との交点を原点Ｏ、原点Ｏで交わりｘ−ｙ平面上の互いに直交する軸をｘ軸、ｙ軸として座標軸を設定したとき、下記の（１）式〜（３）式で表される回転対称非球面形状であることを特徴とする請求項１または２記載の反射型結像光学系。
2005331979.tif 000005
ここで、αi（ｉ＝１、２・・・、８）は補正係数、ｋは円錐係数、ｒは曲率半径である。
【請求項４】
光源および結像光学系を有するテレセントリック照明光学系と、前記テレセントリック照明光学系の結像面に配置された反射型画像形成素子と、前記反射型画像形成素子配置位置を結像面とし、前記反射型画像形成素子で反射した光束をスクリーンに反射・投写するテレセントリックな反射型結像光学系とを少なくとも有し、前記反射型結像光学系が、前記反射型画像形成素子に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第２の反射鏡と、前記第２の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第３の反射鏡と、前記第３の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第４の反射鏡とから構成されていることを特徴とするプロジェクター。
【請求項５】
光源および結像光学系を有するテレセントリック照明光学系と、前記テレセントリック照明光学系の結像面に配置された反射型画像形成素子と、前記反射型画像形成素子配置位置を結像面とし、前記反射型画像形成素子で反射した光束をスクリーンに反射・投写するテレセントリックな反射型結像光学系とを少なくとも有し、前記反射型結像光学系が、前記反射型画像形成素子に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第２の反射鏡と、前記第２の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第３の反射鏡と、前記第３の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第４の反射鏡とから構成されていることを特徴とするプロジェクター。
【請求項６】
光源および結像光学系を有するテレセントリック照明光学系と、前記テレセントリック照明光学系の結像面に配置された透過型画像形成素子と、前記透過型画像形成素子配置位置を結像面とし、前記透過型画像形成素子を透過した光束をスクリーンに反射・投写するテレセントリックな反射型結像光学系とを少なくとも有し、前記反射型結像光学系が、前記透過型画像形成素子に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第２の反射鏡と、前記第２の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第３の反射鏡と、前記第３の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第４の反射鏡とから構成されていることを特徴とするプロジェクター。
【請求項７】
光源および結像光学系を有するテレセントリック照明光学系と、前記テレセントリック照明光学系の結像面に配置された透過型画像形成素子と、前記透過型画像形成素子配置位置を結像面とし、前記透過型画像形成素子を透過した光束をスクリーンに反射・投写するテレセントリックな反射型結像光学系とを少なくとも有し、前記反射型結像光学系が、前記透過型画像形成素子に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第２の反射鏡と、前記第２の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第３の反射鏡と、前記第３の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第４の反射鏡とから構成されていることを特徴とするプロジェクター。
【請求項８】
反射型結像光学系を構成する反射鏡の反射面形状が、反射鏡の光軸をｚ軸、ｚ軸に垂直な平面をｘ−ｙ平面、ｚ軸とｘ−ｙ平面との交点を原点Ｏ、原点Ｏで交わりｘ−ｙ平面上の互いに直交する軸をｘ軸、ｙ軸として座標軸を設定したとき、下記の（１）式〜（３）式で表される回転対称非球面形状である請求項４〜７の何れかに記載のプロジェクター。
2005331979.tif 000006
ここで、αi（ｉ＝１、２・・・、８）は補正係数、ｋは円錐係数、ｒは曲率半径である。
【請求項９】
照明光学系が光路変換素子を有することを特徴とする請求項４〜８の何れかに記載のプロジェクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶やＤＭＤ（テキサス・インスツルメンツ社の商標）に代表される画像形成素子を有するプロジェクターおよびその結像光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、プロジェクター市場ではＣＲＴプロジェクターに替わり、液晶プロジェクターやＤＭＤ（Ｄｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）プロジェクターで拡大投影する装置が現れ始めている。プロジェクターのうち、スクリーン背面から投射するリアプロジェクターでは、その構造上、薄型・軽量の要求が高まりつつある。また、フロント型のプロジェクターにおいても一般家庭用への展開として、部屋が小さくても拡大投写できるようにする必要性が出てきており、近距離で拡大投写しても大画面が得られる広画角のプロジェクターの必要性が高まっている。
【０００３】
プロジェクターの近距離拡大投写及び広画角化への対応として、反射型結像光学系を用いたプロジェクターが、例えば、特許文献１や特許文献２などに開示されている。上記特許文献に開示されたプロジェクターに用いられた反射型結像光学系をはじめとして一般に反射型結像光学系は、（１）色収差がない、（２）光路の折り畳みが可能で薄型・小型化ができる、（３）内面反射が少なく高いコントラストが得られる、（４）簡単な構成で高い解像度が得られる等の多くの利点を持つため、様々な形態の反射型結像光学系が提案されている。
【０００４】
数ある反射型結像光学系のうち、本発明者が過去に提案した反射型結像光学系の一例を図１０に示す。図１０は照明光学系１と反射型画像形成素子（または撮像素子）２と反射型結像光学系とから成るプロジェクターの概略図であって、反射型画像形成素子２は反射型結像光学系の結像面に配置されている。図１０における反射型結像光学素子は、反射型画像形成素子側より順に、結像面（反射型画像形成素子２）に凹面を向けた自由曲面形状を有する第１の反射鏡３ａと、第１の反射鏡からの光束に凸面を向けた自由曲面形状を有する第２の反射鏡３ｂと、第２の反射鏡からの光束に凸面を向けた自由曲面形状を有する第３の反射鏡３ｃと、第３の反射鏡からの光束に凹面を向けた回転対称非球面形状を有する第４の反射鏡３ｄの４つの反射鏡から構成されている。
【特許文献１】国際公開第９７／０１７８７号パンフレット
【特許文献２】特開平１０−１１１４５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１０の反射型結像光学系をプロジェクターや拡大投写型ディスプレー装置に用いた場合、反射型結像光学系を構成する反射鏡の反射面形状を自由曲面形状としているため、その製造上の精度、及び拡大投写型ディスプレー装置への組込精度が厳しい状況であった。
【０００６】
本発明は、上記欠点を解消して小型で画角が広く安価、且つ、照度が均一性な反射型結像光学系およびプロジェクターを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の反射型結像光学系は、画像形成素子が配置されるべき結像面に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第１の反射鏡と、第１の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第２の反射鏡と、第２の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面又は回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第３の反射鏡と、第３の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第４の反射鏡とから成り、かつ、テレセントリックな光学系であることを特徴としている。
【０００８】
上記反射鏡の反射面形状は、具体的には、反射鏡の光軸をｚ軸、ｚ軸に垂直な平面をｘ−ｙ平面、ｚ軸とｘ−ｙ平面との交点を原点Ｏ、原点Ｏで交わりｘ−ｙ平面上の互いに直交する軸をｘ軸、ｙ軸として座標軸を設定したとき、下記の（１）式〜（３）式で表される回転対称非球面形状になっている。
【０００９】
2005331979.tif 000003
ここで、αi（ｉ＝１、２・・・、８）は補正係数、ｋは円錐係数、ｒは曲率半径である。
【００１０】
本発明のプロジェクターは、光源および結像光学系を有するテレセントリック照明光学系と、前記テレセントリック照明光学系の結像面に配置された反射型画像形成素子と、前記反射型画像形成素子配置位置を結像面とし、前記反射型画像形成素子で反射した光束をスクリーンに反射・投写するテレセントリックな反射型結像光学系とを少なくとも有し、前記反射型結像光学系が、前記反射型画像形成素子に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第２の反射鏡と、前記第２の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面又は回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第３の反射鏡と、前記第３の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第４の反射鏡とから構成されていることを特徴としている。
【００１１】
本発明の第２のプロジェクターは、光源および結像光学系を有するテレセントリック照明光学系と、前記テレセントリック照明光学系の結像面に配置された透過型画像形成素子と、前記透過型画像形成素子配置位置を結像面とし、前記透過型画像形成素子を透過した光束をスクリーンに反射・投写するテレセントリックな反射型結像光学系とを少なくとも有し、前記反射型結像光学系が、前記透過型画像形成素子に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第１の反射鏡と、前記第１の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第２の反射鏡と、前記第２の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面又は回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第３の反射鏡と、前記第３の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第４の反射鏡とから構成されていることを特徴としている。
【００１２】
プロジェクターの反射型結像光学系を構成する反射鏡の反射面形状は、上記の（１）式〜（３）式で表される回転対称非球面形状である。
【００１３】
上記のプロジェクターにおいて、照明光学系に反射鏡やプリズム等で代表される光路変換素子を備えるとプロジェクターの奥行きを小さくできる利点がある。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の反射型結像光学系は、反射鏡４枚という簡単な構成で、回転対称非球面形状の反射鏡のみを使用したので広い画角が実現できた。また、各反射鏡の間隔も小さくでき、小型化も達成できた。さらに、４枚の反射鏡を加工しやすい回転対称非球面形状としたことで、樹脂化に対応でき、安価な反射型結像光学系となる。
【００１５】
光学系にテレセントリック系を採用しているので、照度ムラ低減、照明効率向上が達成でき、均一な照度で照明できるコンパクトかつ安価なディスプレー装置を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の反射型結像光学系を図１〜図４に示す。ここで、図１は斜視図、図２は側面図、図３は正面図（図２を右側から見た図）、図４は上面図で、反射型結像光学系に反射型画像形成素子と照明光学系を組み合わせてプロジェクターを構成した図である。
【００１７】
図１〜図４を参照すると、反射型結像光学系は、回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第１の反射鏡３ａと、第１の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第２の反射鏡３ｂと、第２の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凹面状反射面を有する第３の反射鏡３ｃと、第３の反射鏡からの光束に反射面を向けた回転対称非球面形状の凸面状反射面を有する第４の反射鏡３ｄの４つの反射鏡から構成され、反射鏡３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄで順次反射された光束の光路がジグザグになるように反射鏡が配置されて、第４の反射鏡３ｄで反射された光束が投写スクリーン（図示省略）に拡大投写される構成である。この反射型結像光学系の結像面には液晶表示素子やＤＭＤで構成された反射型画像形成素子２が配置され、テレセントリック光学系を形成している。
【００１８】
反射鏡３ａ〜３ｄの反射面形状（回転対称非球面形状）は、座標軸を図５に示すように、光軸をｚ軸、ｚ軸に垂直な平面をｘ−ｙ平面（図中４つの頂点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが張る平面）、ｚ軸とｘ−ｙ平面との交点を原点Ｏ、原点Ｏで交わりｘ−ｙ平面上の互いに直交する軸をｘ軸、ｙ軸に設定すると、下記の（１）式〜（３）式を満足する形状になっている。
【００１９】
2005331979.tif 000004
ここで、αi（ｉ＝１、２・・・、８）は補正係数、ｋは円錐係数、ｒは曲率半径である。
【００２０】
上記の式を満足する反射面形状を持つ反射鏡はｚ軸が中心を通る曲面α（点ａ、ｂ、ｃ、ｄが張る曲面）（図５参照）を反射面とした反射鏡でも、或いは、ｚ軸が中心を通らない、所謂オフセット型の曲面β（点ａ’、ｂ’、ｃ’、ｄ’ が張る曲面）を反射面とした反射鏡でもよい。本実施の形態ではオフセット型を採用している。
【００２１】
各反射鏡間の空間的位置関係は、反射面形状を定める各反射鏡の座標系の原点が同一平面上にあるように配置するが、反射面形状とは異なり、単純な関係式で表現するのが難しいので、反射面形状を定める上記の（１）式〜（３）式と画像形成素子への主光線の入射角θ、画像形成素子から出射する光束の開き角ψや光学系の空間的大きさの制限、反射型結像光学系と組み合わせる画像形成素子（液晶表示素子やＤＭＤ等）の種類とサイズ、画面投写位置等の設計仕様を基に、公知の光線追跡シミュレーションにより反射面形状と共に反射鏡３ａ〜３ｄの配置位置を決定する。この時、反射型結像光学系の光軸（図７のＡ−Ａ軸、即ちＺ軸）とスクリーン（図７参照）到達光線の角度、所謂、半画角が４０度以上９０度未満で、且つ、画像形成素子２からの主光線角度が５度以上にする。主光線角度が５度以下の場合、光線と照明光学系が干渉して光線のケラレが発生するので、主光線角度を５度以下とするのは望ましくない。主光線角度の上限は特にないが、反射型結像光学系を組み込むプロジェクターの大きさによって上限は決まる。反射鏡間の上下方向の間隔が広がりすぎずにコンパクトにおさめ、小型化を図るためには、主光線角度の上限を２０度前後にとどめるのがよい。
【００２２】
光線追跡シミュレーションにより各反射鏡間の空間的位置関係を求める手順は、図６に示すように、先ず、画角、画面サイズ、光学系の空間的大きさ、画像形成素子の種類と大きさ、画面投写位置等の設計仕様を定める（ステップＳ１）。次いで、設計仕様に基づいて、光学系の種類（テレセントリック系か否かを決める。本発明ではテレセントリック系を選択）、反射鏡数（本発明では４枚）、光軸シフト量等、設計構想を決める（ステップＳ２）。ステップＳ１、ステップＳ２の情報を基に、絞り位置、反射鏡の空間的配置の概略（各反射鏡が相互に干渉して反射光線の一部が遮蔽されることがないように配置）、反射鏡の形状決定方程式（本発明は上記（１）式〜（３）式を用いる）、光線追跡に必要な光学系要素の初期値等の初期データを作成する（ステップＳ３）。初期データを基に光線追跡シミュレーションを行い、各反射鏡の大きさ、空間的位置、傾き角度等を決定する。なお、光線追跡シミュレーションに当たっては、公知の方法を用いた。本発明者は市販の光学系設計ソフトウェアを用いて光線追跡シミュレーションを行った。光線追跡シミュレーションにおいては、先ず、光線追跡により（１）式〜（３）式におけるｘ、ｙの取り得る範囲、αi、ｒ、ｋをはじめとし、各反射鏡の大きさ、空間的位置、傾き角度等を決めるパラメータの値を算出する（ステップＳ４）。このステップＳ４の結果を基にＭＴＦ、公差、湾曲、収差、反射鏡の有効光束マージン等の性能評価を行い（ステップＳ５）、評価結果が設計仕様を満足するまでパラメータの算出・性能評価を繰り返し、反射鏡の形状と空間位置を決定する。
【００２３】
上記の手順に基づいて４枚の各反射面形状を最適化することにより、テレセントリック光学系における広画角化及び小型化に好適な反射鏡形状を得る。得られた結果の一例を図７（ａ）、（ｂ）に示す。
【００２４】
図７（ａ）は反射鏡の配置を示す図、（ｂ）は反射鏡及びその配置を示す各パラメータの具体的な数値を示す図である。
【００２５】
図７において、画像形成素子２と４枚の反射鏡３ａ〜３ｄとから成る光学系の座標系（座標軸を大文字で表す）は画像形成素子２の光軸Ａ−ＡをＺ軸、Ｚ軸に交わり紙面に垂直な軸をＸ軸、Ｚ軸と垂直に交わり紙面に平行な軸（紙面上の軸）をＹ軸とし、図の右方向をＺ軸の正の方向、左方向をＺ軸の負の方向、図の上方をＹ軸の正の方向、図の下方、Ｚ軸より下をＹ軸の負の方向、紙面表面から裏面に向かう方向をＸ軸の正の方向に設定し、紙面がＹ−Ｚ平面になっている。座標原点は何処に設定してもよいが、便宜上Ｚ軸と画像形成素子の交点を座標原点としている。
【００２６】
図７（ｂ）の「Ｎｏ」は反射鏡３ａ〜３ｄ及び画像形成素子２を識別するための番号を示しており、「０」は画像形成素子２を、「１」は第１の反射鏡３ａを、「２」は第２の反射鏡３ｂを、「３」は第３の反射鏡３ｃを、「４」は第４の反射鏡３ｄを表している。「ｄｊ」は反射鏡間の距離を表しており、画像形成素子の欄、即ち、Ｎｏ．０の欄のｄｊは図７（ａ）に示したｄ０を表し、画像形成素子２から第１の反射鏡３ａまでの距離を示している。同様にして、Ｎｏ．１の欄、即ち、第１の反射鏡の欄のｄｊは図７（ａ）に示したｄ１を表し、第１の反射鏡３ａから第２の反射鏡３ｂまでの距離を示している。以下、同様である。Ｎｏ．４の欄（第４の反射鏡の欄）のｄｊ、即ち、ｄ４は第４の反射鏡３ｄからスクリーン５までの距離を示している。
【００２７】
図７における各パラメータ、即ち、反射鏡３ａ〜３ｄの曲率半径ｒ、画像形成素子２と第１の反射鏡３ａとの距離ｄ０、反射鏡間の距離ｄ１〜ｄ３、第４の反射鏡３ｄからスクリーン５までの距離ｄ４、及びＺ軸（画像形成素子の光軸Ａ−Ａ）から反射鏡３ａ〜３ｄの座標原点（反射鏡面形状を定義する座標原点、即ち反射鏡面形状を計算する際の座標の原点）までの距離Ｘ、Ｙの単位は「ｍｍ」である。反射鏡３ａ〜３ｄの回転角ａの単位は「度」で、反射鏡の反射面形状を定義する座標系（座標軸は小文字で表す）の座標軸ｘ、ｙ、ｚが光学系の座標軸Ｘ、Ｙ、Ｚに平行な状態（ｙ軸がＺ軸（光軸Ａ−Ａ）に垂直な状態）を基準にしてｘ軸を回転軸として図中右回り（時計回り）回転を「＋」、左回り（反時計回り）回転を「−」とした。上記以外の各パラメータ（円錐係数ｋ、補正係数α１〜α７）は無名数である。距離ｄｊ（ｊ＝０〜４、即ち、図中のｄ０、ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４）は、各反射面形状を定義する座標の原点間を光軸Ａ−Ａ（Ｚ軸）に平行に測った距離、即ち、各反射面形状を定義する各座標の原点のＺ座標間の間隔、Ｘは各反射面形状を定義する座標の原点を光軸Ａ−Ａ（Ｚ軸）からＸ軸方向に光軸Ａ−Ａ（Ｚ軸）に垂直に測った距離、Ｙは各反射鏡面形状を定義する座標の原点を光軸Ａ−Ａ（Ｚ軸）からＹ軸方向に光軸Ａ−Ａ（Ｚ軸）に垂直に測った距離である。図７の例では、反射鏡はオフセット型としたのでその反射鏡の座標原点は反射鏡の中心からずれた位置にあり、距離ｄｊ（ｊ＝０〜４）は、各反射鏡面形状を定義する各座標の原点の相対的なＺ座標が分かればよい（Ｘ座標とＹ座標は不要）ので、図では各反射鏡面形状を定義する各座標の座標原点のＺ座標の位置は示しているが、Ｘ座標、Ｙ座標の位置は明示していない。反射鏡３ｄは左回転させたものであるが、オフセット型の反射鏡面形状の関係で見かけ上右回転したように描かれている。反射鏡の大きさは任意で、上記の反射鏡位置関係において光線が遮られないように大きさを設定すればよい。
【００２８】
照明光学系１は、アークランプ１ａとアークランプ１ａの発光部位が第１焦点に配置された楕円ミラー１ｊから成る光源と、入射側開口が楕円ミラー１ｊの第２の焦点位置に配置されたロッドレンズ１ｃと、光源とロッドレンズ１ｃの間に配置されたカラーフィルター１ｂと、ロッドレンズ１ｃの出射側に中心が一直線１０上にあるように配置されたレンズ１ｄ、レンズ１ｆ、レンズ１ｇ、レンズ１ｈおよび光束を反射して結像面に導く平面反射鏡（所謂、光路変換素子）１ｉとから構成され、反射型結像光学系に対して照明光学系１の結像面を反射型結像光学系の結像面に一致させて配置されている。照明光学系１の結像面には反射型画像形成素子２が設置され、テレセントリックな照明光学系を形成する。反射型画像形成素子２は、反射型液晶ライトバルブやＤＭＤで構成され、照明光学系１と反射型結像光学系の共通の結像面位置に配置されている。本実施の形態ではＤＭＤを用いている。
【００２９】
アークランプ１ａより発せられた光束は楕円ミラー１ｊでロッドレンズ１ｃの入射側開口に集光されてロッドレンズ１ｃに入射した後、レンズ１ｄ、１ｆ、１ｇ、１ｈでロッドレンズ１ｃの出射端の照度分布を保って拡大された光束となり、平面反射鏡１ｉで反射し、その進行方向が偏向されて照明光学系の結像面（反射型結像光学系の結像面でもある）に配置された反射型画像形成素子２に入射する。照明光学系により反射型画像形成素子２に導かれた光束は反射型画像形成素子２で画像に応じた光強度分布に空間変調されて反射し、反射型結像光学系に入射する。反射型結像光学系に入射した光束は、第１の反射鏡３ａ、第２の反射鏡３ｂ、第３の反射鏡３ｃ、第４の反射鏡３ｄで順次反射・拡大され、第４の反射鏡で反射された光束は投写スクリーン（図示省略）上に拡大投影される。このときの投写画像の投影画角は１４０°以上の広画角であった。
【００３０】
照明光学系はテレセントリック光学系構成であり、反射型結像光学系もテレセントリックな光学系である。そしてテレセントリックな光束は反射型画像形成素子２の法線に対し図８に示すように所定の角度θを持つ。光束の主光線に対する光束の開き角Ψ（通常、ＮＡ及びＦＮＯに相当する）を持った光束が反射型画像形成素子２に入射し、反射するときに反射型画像形成素子２の法線に対して主光線が角度θを持つことで照明部の光学部品との干渉をなくし、ケラレ等発生させることなく光学系を構成することが出来る。また照明光学系１をテレセントリック系にすることにより投射画面内での輝度ムラを無くし、照明効率も向上する。しかも画像形成素子が透過型でも反射型でも同一の反射型結像光学系でプロジェクター等のディスプレー装置を構成できる。
【００３１】
反射型結像光学系では光束が主光線角度θを持つことにより、一般的には投影画面の下側が狭くなり、上側は広がるといった扇形の歪曲収差が必然的に発生する。しかも広画角化にともなってそれはより顕著となる。本発明は回転対称非球面形状を持つ反射鏡４枚の構成で歪曲収差を良好にし、各光学部品が比較的大きくなり、高価になるというテレセントリック光学系の欠点を、回転対称非球面形状の反射鏡を使用することで各反射鏡の加工上の精度を緩和し、比較的大型の反射鏡でもプラスチック化を可能にして反射鏡の樹脂化によりコスト低減を実現した。また、反射面が回転対称非球面形状であるため各反射鏡間隔を１５０ｍｍ以下と小さくでき、装置がコンパクトになった。
【００３２】
プロジェクターに適用した場合はその光源からの熱影響を考慮する必要がある。そのため、特に図１における反射鏡３ｂにおいては、反射型画像形成素子２の近くに配置されるので熱の影響を受け易いから画像歪を抑制する上でその材質の線膨張係数αを
α＜６×１０-5
に抑えることが望ましい。
【００３３】
本発明の反射型結像光学系を用いて背面投写型のディスプレー装置を構成した例を図９に示す。図９の背面投写型ディスプレー装置は、照明光学系１、透過型画像形成素子２ａ、反射型結像光学系３、平面反射鏡４ａ、４ｂ、透過型スクリーン５から構成されている。照明光学系１と透過型画像形成素子２ａおよび反射型結像光学系３の第１の反射鏡３ａは一直線上にあり、反射型結像光学系の結像面に透過型画像形成素子２ａが配置されている。照明光学系１はフライアイレンズ（図示省略）を使用した一般的なテレセントリックな液晶照明光学系である。照明光学系１の光源ランプより発せられた光束はテレセントリック性を保ち、透過型液晶ライトバルブに代表される透過型画像形成素子２ａに入射する。透過型画像形成素子２ａを透過した光束はその主光線に対する開き角を持ったまま本発明の反射型結像光学系３に入射する。反射型結像光学系３は図１に示した回転対称非球面形状を持つ４枚の反射鏡３ａ〜３ｄで構成されて、反射型結像光学系３から出射した光束は、照度が均一で広画角になっている。反射型結像光学系３を出射した光束は、反射型結像光学系３の出射側の反射鏡３ｄに対向して反射面を垂直に配置した平面反射鏡４ａと、平面反射鏡４ａの上方に反射面を下に向けて反射面を水平に配置（平面反射鏡４ａに垂直に配置）した平面反射鏡４ｂとで順次反射し、平面反射鏡４ａに平行に配置した透過型スクリーン５に拡大投射される。
【００３４】
図９に示すように、本発明の反射型結像光学系に対して透過型スクリーン５および平面反射鏡４ａ、４ｂを配置すると、透過型スクリーン５に空間的に少ないスペースで拡大投射できる。特に、平面反射鏡４ｂを画像形成素子２ａの法線に対して平行に配置・構成することにより、透過型スクリーン５を観察する観察者の視界より装置全体を見えなくすることができる。また、照明光学系１として図１に示すような平面反射鏡を有するものを用いると奥行きを小さくできる利点がある。
【００３５】
上記何れの実施の形態も第３の反射鏡３ｃに回転対称非球面形状の凹面鏡を用いた例であるが、第３反射鏡３ｃを回転対称非球面形状の凸面鏡としても回転対称非球面形状の凹面鏡の場合と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態の斜視図。
【図２】本発明の一実施形態の側面図。
【図３】本発明の一実施形態の正面図。
【図４】本発明の一実施形態の上面図。
【図５】反射鏡形状と座標軸との関係を示す図。
【図６】反射鏡形状と配置を決定する手順を示す流れ図。
【図７】各反射鏡の位置関係及び反射面形状の各パラメータを示す図。
【図８】図２の部分拡大図。
【図９】本発明の反射型結像光学系をリアプロジェクターに応用した概略図。
【図１０】従来の反射型結像光学系を示す概略図。
【符号の説明】
【００３７】
１    照明光学系
１ａ    アークランプ
１ｂ    カラーフィルター
１ｃ    ロッドレンズ
１ｄ    レンズ
１ｆ    レンズ
１ｇ    レンズ
１ｈ    レンズ
１ｉ    平面反射鏡
１ｊ    楕円ミラー
２    反射型画像形成素子
２ａ    透過型画像形成素子
３    反射型結像光学系
３ａ  第１の反射鏡（凹面鏡）
３ｂ  第２の反射鏡（凸面鏡）
３ｃ  第３の反射鏡（凹面鏡又は凸面鏡）
３ｄ  第４の反射鏡（凸面鏡）
４ａ    平面反射鏡
４ｂ    平面反射鏡
５    透過型スクリーン
【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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