(57)【要約】【課題】  自由曲面ミラーから成る投射光学系において、変倍を可能とした投射光学系を提供する。【解決手段】  複数の自由曲面ミラーから成り、画像表示素子からの光をスクリーン面に投射する投射光学系であって、前記画像表示素子側から順に、正の第１群、負の第２群、正の第３群のミラー群を有し、変倍に際して、第２群と第３群を駆動することを特徴とする投射光学系。【選択図】  図１
2005189768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の曲面反射ミラーを有し、少なくとも１つの画像表示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、変倍機能を有することを特徴とする投射光学系。
【請求項２】
前記投射光学系が反射面のみからなることを特徴とする請求項１記載の投射光学系。
【請求項３】
前記画像表示素子を複数有しており、
該複数の画像表示素子からの光束を合成する色合成光学系を有しており、
前記色合成光学系から出射する光束を前記被投射面に投射することを特徴とする請求項１又は２記載の投射光学系。
【請求項４】
変倍に際して、前記被投射面に投射される投射画像の中心の位置が実質的に動かないことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の投射光学系。
【請求項５】
前記投射画像の中心の位置が、前記被投射面に投射された前記投射画像を囲むことが可能な最小の円の直径の１％未満であることを特徴とする請求項４記載の投射光学系。
【請求項６】
前記投射画像の中心の位置が、前記被投射面に投射された前記投射画像を囲むことが可能な最小の円の直径の０．５％未満であることを特徴とする請求項４又は５記載の投射光学系。
【請求項７】
変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、該２つの光学ユニットそれぞれが少なくとも２つの反射ミラー面を有することを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の投射光学系。
【請求項８】
変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、該２つの光学ユニットそれぞれが少なくとも２つの反射ミラー面から成ることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の投射光学系。
【請求項９】
前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを通る光束の主光線の光路を基準軸光線とするとき、前記基準軸光線を上方に偏向する固定偏向群を有しており、変倍に際して２つの光学ユニットが、該固定偏向群を出射した基準軸光線の方向に沿って移動することを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の投射光学系。
【請求項１０】
変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、この２つの光学ユニットが移動する方向は、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを結ぶ直線に対して傾いていることを特徴とする請求項１乃至９いずれかに記載の投射光学系。
【請求項１１】
変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、該２つの光学ユニットのうち前記被投射面に近い光学ユニットを移動することによって、フォーカス調整が可能であることを特徴とする請求項１乃至１０いずれかに記載の投射光学系。
【請求項１２】
変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを通る光束の主光線の光路を基準軸光線とするとき、該２つの光学ユニットのうち少なくとも一方に入射する基準軸光線と前記２つの光学ユニットのうち前記被投射面に近い光学ユニットから出射する基準軸光線との各々の方向余弦は、互いに略平行、且つ同符号であることを特徴とする請求項１乃至１１いずれかに記載の投射光学系。
【請求項１３】
変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを通る光束の主光線の光路を基準軸光線とするとき、該２つの光学ユニットのうち少なくとも一方に入射する基準軸光線と前記２つの光学ユニットのうち前記被投射面に近い光学ユニットから出射する基準軸光線との各々の方向余弦は、互いに略平行、且つ逆符号であることを特徴とする請求項１乃至１１いずれかに記載の投射光学系。
【請求項１４】
変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、該２つの光学ユニットのいずれかを構成する反射面が３面のとき、該３面のパワーは正負正であることを特徴とする請求項１乃至１３いずれかに記載の投射光学系。
【請求項１５】
変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、該２つの光学ユニットのいずれかを構成する反射面が２面のとき、該２面のパワーは共に正であることを特徴とする請求項１乃至１４いずれかに記載の投射光学系。
【請求項１６】
変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、該２つの光学ユニットのうち前記画像表示素子に近い光学ユニットは、隣接する面同士で相互にパワーが逆であり、且つ最終面のパワーが続く群の最初の面のパワーと逆であることを特徴とする請求項１乃至１５いずれかに記載の投射光学系。
【請求項１７】
前記複数の曲面反射ミラーのうち少なくとも１つは非回転対称な曲面形状を有していることを特徴とする請求項１乃至１６いずれかに記載の投射光学系。
【請求項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束を被投射面に投射する、請求項１乃至１６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画像投射装置。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの画像表示素子が複数の画像表示素子であり、
該複数の画像表示素子から出射した光束を合成する色合成光学系を有し、
前記投射光学系が、該色合成光学系から出射した光束を前記被投射面に投射することを特徴とする請求項１８記載の画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
当該装置は会議などのプレゼンテーション、または一般家庭における映画などの鑑賞に於いて、大画面スクリーン上に画像を投射するプロジェクター装置などのフォーカシング機構に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
反射系を用いた投射光学系としては、図８に示す再公表特許特許ＷＯ９７／０１７８７号公報に開示されているものがある。この例に示されるように画像表示素子に表示された画像は自由曲面反射鏡の組み合わせにより構成された結像光学系によりスクリーン上に投影され、該スクリーンの裏側から鑑賞するいわゆるリアプロジェクションである。このような装置の場合は物像間距離が固定されているため装置の製造時に、これを一旦調整してしまえばあとは使用する度に調整する必要はない。経時変化（温度による膨張など）又は運搬の際の振動衝撃などを原因として、一旦調整された像焦点がずれたりしない限りフォーカス調整はユーザの側で実行する必要はない。一方これに対してフロント投射の形式の液晶プロジェクタは使用する度に異なる条件にて設置されるため、その都度フォーカスなどを調整する必要がある。スクリーンまでの距離は設置の度に異なるのが常である。そのためスクリーンまでのフォーカスを調整すると画面サイズが投射距離に応じて変化するという問題がある。このため従来より屈折系の投射レンズにおいては１．２倍〜１．３倍程度の低ズーム倍率のズーム機構が搭載されているのが通例である。このズーム機構を利用して投射距離のばらつきに依存して投射画像サイズがばらつくのを調整してある程度画像サイズの変化を吸収して使用できるようになっていた。ところが自由曲面反射鏡を組み合わせて構成した投射光学系は、拡大結像光学系であるため、各構成ミラーの偏心に非常に敏感でありズーム系を構成するのは非常に困難であった。
【０００３】
自由曲面反射鏡を用いたズーム光学系の試みとしては、図９に示す、特許公開公報、特開平１０−２０１９６号公報に開示されている撮像装置に於いて共軸屈折光学系と自由曲面反射鏡による結像系を組み合わせ縮小光学系であって撮像光学系として用いる光学系である。この例に於いては、自由曲面反射鏡による結像系と共軸屈折光学系とをそれぞれ動かすことによりズーム機能を実現しようとするものである。この例の場合屈折光学素子を含んでいるため、その系で発生する色収差の発生が避けられず、精度の高い色消しを行うことはできなかった。
【０００４】
また、図１０に示す、特開平９−２５８１０６号公報に開示されている撮像装置のように、反射光学系のみを組み合わせて構成した例があるが、この例の場合、移動群＋固定群＋移動群の構成であり、必ず固定群を間に挟まなければならない。後述するように、投射光学系は画像表示及び照明光学系から射出される光軸を上方に投射する光軸に偏向する群が必要となり、その偏向後の光束をこのように移動群＋固定群＋移動群のように３群で変倍するように構成すると、全部で４群構成となり光学系全体が非常に大型化する。また同公開公報に於ける実施例のように各群が４面から５面の面構成では更なる大型化が避けられない。
【０００５】
更に、上記特開平１０−２０１９６号公報、特開平９−２５８１０６号公報の双方の開示された実施例に共通であるのは、自由曲面反射鏡の組み合わせによる結像系の各群を、透明な屈折部材の表面に自由曲面反射面を形成し、該透明部材の内部を光束が通過する構成であるため、該自由曲面反射鏡が全て裏面反射鏡による構成にしたことである。このため該透明部材への入射面と射出面が存在し、これらの面では屈折が起こり色収差が発生する。ある物体距離と像距離で決まる結像条件に於いては入射面と射出面で発生する色収差を相殺する構成をとることができる。しかしながら、ズーミングの動作によりこれらの各群の部分結像倍率が変化するので、これら入射面、射出面に於ける色収差の発生を常に完全に相殺できる条件を決定するのは困難であった。
【特許文献１】ＷＯ９７／０１７８７号公報
【特許文献２】特開平１０−２０１９６号公報
【特許文献３】特開平０９−２５８１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に自由曲面反射鏡を組み合わせ結像系を構成する場合、各ミラー間の相対的な位置関係は非常に重要である。反射結像系の場合、屈折結像系に比較して面の変形変位の影響は２倍になって効くので、一旦結像系を組んだら各反射鏡は動かないように非常に強力に固定されているか、若しくは、特開平１０−２０１９６号公報、特開平９−２５８１０６号公報に開示されているように、その内部を光束が裏面反射しながら伝搬するような透明部材のバルク形状の部材表面に裏面反射鏡として作り込み事実上その相対位置が動かないようにしてしまう。
【０００７】
各光線の鏡面上での通過点が、反射鏡面自体が動くことにより設計時に想定された状態と異なり、光線の通り方が変わってずれが発生する。言い換えると、設計時に或る光線がＮ番目の鏡面上の所定の点を通過、即ち反射偏向され次のＮ＋１番目の鏡面の所定の位置の点に衝突しそこで再び反射偏向される。この反射偏向を繰り返して物体上のある点から発する各光線が像面まで至り、物体上の点に対応する像面上の或る一点に収束するというのがアプラナティックな正しい結像関係であるが、Ｎ番目の面に於いて光線の通過点が所定の位置からずれると、曲面を持つミラーの場合、局所的なミラーの傾き角度が異なるため、一般に偏向角度が変化する。その結果、Ｎ番目のミラーを経た光線は、次のＮ＋１番目のミラーの上で本来その光線が通過する筈であった位置と異なる位置に到達し、その結果また到達した位置での局所的なミラーの角度が元来想定されていた状態と異なるため、そこで反射偏向された光線は更に本来の方向とは異なる方向に進行する。このずれは面を経る度にどんどん大きくなって行き、ひいては光学系を通った光線全体の結像性能にまで影響を及ぼしてしまうことになる。
【０００８】
ズーム光学系を構成しようとする場合、最低限２つの群を動かす必要がある。一つの群を動かすことにより倍率を変えつつ、もうひとつの群を動かすことにより物体及びスクリーンの間の物像間距離を一定に保つ、いわゆるバリエータとコンペンセータの役割をそれぞれ果たすようにする必要があるからである。本発明の偏心反射光学系のように光学素子の相対的なシフトが結像性能を大きく損なってしまう危険性を有する光学系の場合、次のように構成を採る必要がある。
【０００９】
まず本光学系に於いては物体である画像表示パネルの中心を発した一本の光軸を基準軸光線と定義する。該基準軸光線は各面の基準となる頂点（以この点を基準軸光線のヒットポイントとする）を反射通過しながら像面の中心に至る。
【００１０】
以上の点を踏まえて本発明が解決しようとする課題を以下にまとめる。
【００１１】
第一にズーミングによって光学素子の相対位置関係が変化したとき、スクリーンに投射される像の中心の位置が変化しないことが好ましい。これは、ズーミング操作に応じて投射画面がスクリーン上で上下に動くことがあるとスクリーンからはみ出したりして好ましくない。
【００１２】
また、第二に本光学系に於いては一部の自由曲面反射鏡の偏心、移動によりヒットポイントに対して該基準軸光線の通過位置がずれると、そこでの基準軸光線の反射角度や空間上の偏向点の位置が変化してしまう。その結果、先に述べたように其れ以降の反射面上に於いても、基準軸光線が通るはずのヒットポイントを通過しないということが生ずる。従って、本来各面に於いて所定のヒットポイントを通過伝搬しながら像面まで至る各光線の結像関係が大きく変化してしまい本来の結像性能を大きく損なうことが懸念される。そこで、ズームによる群移動が生じても、基準軸光線の各面のヒットポイントは動かず、その周囲の光線群が基準軸光線を中心に、光束径を拡大縮小する方向に移動するのが好ましい。
【００１３】
第三として、これらを投射光学系として必要最小限の群構成で実現することが望ましい。
【００１４】
第四として、自由曲面反射鏡を組み合わせて構成した結像光学系は中空構成とするのが望ましい。
【００１５】
本発明の目的は上記の課題を解決可能な投射光学系を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明の投射光学系は、複数の曲面反射ミラーを有し、少なくとも１つの画像表示素子からの光を被投射面に投写する投射光学系であって、変倍機能を有することを特徴としている。ここで、前記投射光学系が反射面のみからなることが好ましい。
【００１７】
また、前記画像表示素子を複数有しており、該複数の画像表示素子からの光束を合成する色合成光学系を有しており、前記色合成光学系から出射する光束を前記被投射面に投射することが好ましい。
【００１８】
また、変倍に際して、前記被投射面に投射される投射画像の中心の位置が実質的に動かないことが好ましい。
【００１９】
また、前記投射画像の中心の位置が、前記被投射面に投射された前記投射画像を囲むことが可能な最小の円の直径の１％未満であることが好ましい。
【００２０】
前記投射画像の中心の位置が、前記被投射面に投射された前記投射画像を囲むことが可能な最小の円の直径の０．５％未満であることが好ましい。
【００２１】
変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、該２つの光学ユニットそれぞれが少なくとも２つの反射ミラー面を有することが好ましい。
【００２２】
また、変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、該２つの光学ユニットそれぞれが少なくとも２つの反射ミラー面から成ることが好ましい。
【００２３】
また、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを通る光束の主光線の光路を基準軸光線とするとき、前記基準軸光線を上方に偏向する固定偏向群を有しており、変倍に際して２つの光学ユニットが、該固定偏向群を出射した基準軸光線の方向に沿って移動することが好ましい。
【００２４】
変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、この２つの光学ユニットが移動する方向は、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを結ぶ直線に対して傾いていることが好ましい。
【００２５】
変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、該２つの光学ユニットのうち前記被投射面に近い光学ユニットを移動することによって、フォーカス調整が可能であることが好ましい。
【００２６】
変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを通る光束の主光線の光路を基準軸光線とするとき、該２つの光学ユニットのうち少なくとも一方に入射する基準軸光線と前記２つの光学ユニットのうち前記被投射面に近い光学ユニットから出射する基準軸光線との各々の方向余弦は、互いに略平行、且つ同符号であることが好ましい。
【００２７】
変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを通る光束の主光線の光路を基準軸光線とするとき、該２つの光学ユニットのうち少なくとも一方に入射する基準軸光線と前記２つの光学ユニットのうち前記被投射面に近い光学ユニットから出射する基準軸光線との各々の方向余弦は、互いに略平行、且つ逆符号であることが好ましい。
【００２８】
また、変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、該２つの光学ユニットのいずれかを構成する反射面が３面のとき、該３面のパワーは正負正であることが好ましい。
【００２９】
また、変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、該２つの光学ユニットのいずれかを構成する反射面が２面のとき、該２面のパワーは共に正であることが好ましい。
【００３０】
また、変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、該２つの光学ユニットのうち前記画像表示素子に近い光学ユニットは、隣接する面同士で相互にパワーが逆であり、且つ最終面のパワーが続く群の最初の面のパワーと逆であることが好ましい。
【００３１】
前記複数の曲面反射ミラーのうち少なくとも１つは非回転対称な曲面形状を有していることを特徴とする請求項１乃至１６いずれかに記載の投射光学系。
【００３２】
また、本発明の別の側面の画像投射装置は、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束を被投射面に投射する、上述の投射光学系とを有することを特徴としている。ここで、前記少なくとも１つの画像表示素子が複数の画像表示素子であり、該複数の画像表示素子から出射した光束を合成する色合成光学系を有し、前記投射光学系が、該色合成光学系から出射した光束を前記被投射面に投射することが望ましい。
【発明の効果】
【００３３】
本発明により、投射装置の自由曲面ミラーを複数組み合わせて構成した画像投射結像光学系で、ズーム群、フォーカス調整群を部分的に移動することで変倍調整及びフォーカス調整を実行可能な系を実現出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本実施形態の説明に入る前に、実施形態の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。
【００３５】
本発明の実施形態では物体側から像面に進む光線の到達する順序に従って第ｍ番目の面を第ｍ面とする。各反射面はガラス、プラスチック等で成形された表面形状に反射膜などを付着させた表面反射ミラーであり、各ミラー間の空間を満たす媒質は空気である。従って、本実施例は全て所謂中空型である。一方で、ガラスやプラスチックのバルクの表面に該自由曲面を複数形成して反射膜を付け、裏面ミラーとして、該媒質内部を光束が伝搬する構成でも構わない。
【００３６】
実施形態を説明するために、まず基準軸光線、グローバル座標系、ローカル座標系の三つの項目について定義し説明する。
【００３７】
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。繰返しになるが、本発明の実施形態においては、先ず物体である画像表示素子から射出され該結像光学系を辿りながら像面へ至る一本の光線であって、光学系の絞り中心を通過する光線を基準と考え、該光線を基準軸光線と定義する。該基準軸光線は方向（向き）を持っている。その方向は基準の光線が結像に際して進行する方向である。基準軸光線は設定された各面の順番に沿って反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、絞りの中心を通り、最終的に像面の中心に到達する。ここで、画像表示素子は１つであっても良いし、複数（好ましくは赤、青、緑用の３つ）あっても構わない。但し、画像表示素子を複数有する場合は、複数の画像表示素子からの複数の光束を合成する色合成光学系（図１、図３等に記載されているプリズム）を備え、この色合成光学系から出射した光束を投射光学系によりスクリーン等の被投射面に投射する。
【００３８】
次に、画像表示素子である物体面の中心の点を原点とするグローバル座標系（グローバル座標は大文字ＸＹＺで表現する）を考え、グローバル座標系の各軸を以下のように定め、図１を用いて説明する。尚、座標系は右手系とする。
（１）Ｚ軸：図１に示すようにグローバル原点を通り、物体面から第１ミラーに向かう方向を正とする。
（２）Ｙ軸：図１に示すようにグローバル原点を通りＺ軸に対して９０゜をなす直線。図１に於いて図上方をＹ軸の正符号方向とする。本発明において、上記基準軸光線はＹＺ面内に存在するものとする。従って、本発明の各実施形態の反射結像光学系を構成する曲面ミラーはすべてがＹＺ面内でチルトしている。本発明の各実施形態の各図に於いて紙面はＹＺ面内と一致する。また、上記座標系は本発明の各実施形態の各図に於いて共通であり、Ｙ軸の正方向は図面上側である。
（３）Ｘ軸：原点を通りＺ、Ｙ各軸に垂直な直線。即ち、各図の紙面に垂直な方向の直線である。右手系なので正は紙面奥側となる。
【００３９】
光学系を構成する第ｍ面の面形状を表現するには、グローバル座標系にてその面の形状を表記するより、基準軸光線上を面間隔だけ移動した点をローカル原点とするローカル座標系（ローカル座標は小文字ｘｙｚで表現する）を設定して、各面毎に対応した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ｍ面の面形状をローカル座標系（右手系）で表わす。また、面のチルトも各面に対応するローカル座標系をグローバル座標系に対してチルトさせることにより表現することとする。第ｍ面に対応するローカル座標系のＹＺ面内でのチルト角はグローバル座標系のＺ軸に対して反時計回り方向を正とした角度θｍ（単位［°］）で表す。よって、当然のことながら本発明の実施形態では各面のローカル座標の原点は全てＹＺ平面上にある。またＸＺおよびＸＹ面内での面の偏心はない。さらに、第ｍ面のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）のｙ，ｚ軸はグローバル座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対してＹＺ面内で角度θｍ傾いており、具体的には以下のように設定する。
（１）ｚ軸：ローカル座標の原点を通り、グローバル座標系のＺ方向に対しＹＺ面内において反時計方向に角度θｍをなす直線。
（２）ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、ｚ方向に対しＹＺ面内において反時計方向に９０゜をなす直線。
（３）ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ＹＺ面に対し垂直な直線。
（４）Ｌｍは第ｍ面と第ｍ＋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。（単位［ｍｍ］）
但し、最終面に関しては面のローカル原点から像面の中心までの距離を示す。
本発明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、その形状はローカル座標系上に以下の（１）式により表す：
但し、Ｃ０２、Ｃ２０、Ｃ０３、Ｃ２１、Ｃ０４、Ｃ２２、Ｃ４０、Ｃ０５、Ｃ２３、Ｃ４１、Ｃ０６、Ｃ２４、Ｃ４２、Ｃ６０  は、非球面係数である。
ｚ（ｘ、ｙ）＝Ｃ０２ｙ２＋Ｃ２０ｘ２＋Ｃ０３ｙ３＋Ｃ２１ｘ２ｙ＋Ｃ０４ｙ４＋Ｃ２２ｘ２ｙ２＋Ｃ４０ｘ４＋Ｃ０５ｙ５＋Ｃ２３ｘ２ｙ３＋Ｃ４１ｘ４ｙ＋Ｃ０６ｙ６＋Ｃ２４ｘ２ｙ４＋Ｃ４２ｘ４ｙ２＋Ｃ６０ｘ６‥‥（１）
【００４０】
上記曲面（１）式は平面をベースとする回転非対称面を表し、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。
Ｃ０３＝Ｃ２１＝Ｃ０５＝Ｃ２３＝Ｃ４１＝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非回転対称な形状である。
【００４１】
次に本発明の各実施形態について説明する。
【００４２】
まず、投射結像光学系のズーミング動作によって基準軸光線の各面上のヒットポイントが動かないように光学系を配置構成することである。本発明による自由曲面反射面は各面毎にその表現式に於いて一次の項を持たないため、基準軸光線のヒットポイント近傍の微小な領域に於ける傾きは、その面の非球面係数が変化して面形状が変化した場合に於いても、（常にその微小領域に於いて）一定である。従って、本光学系を設計する基本的な骨格が構成され、ズーミング動作による各群間の相対的な位置変化が生じてもこの基準軸が動かなければ投映画像もこの基準軸光線を中心にして、拡大縮小するので投射画像の中心の位置は移動しない。
【００４３】
周知の通り、投射光学系の場合、画像表示素子及びそれを照明する照明系を構成する部分と、それらに連結し画像表示素子の画像をスクリーンに拡大投影する結像光学系の二つの部分からなるが、多くの場合、画像表示素子及び照明系の光路は装置の置かれる卓上なり台などの表面に平行な光路となっていることが多い。それに対して、当該装置から投射されるスクリーンは一般にその設置位置よりも高い場所に置かれるため、該結像光学系の光路は鉛直上方に仰角をもった斜めの光軸を有することになる。そのため、本発明に於いては画像表示素子及び照明装置からの光軸を該上方投射仰角を有する光軸へ偏向する自由曲面ミラーを１面又は２面必要とし、それらのミラーにより光路を上方へ偏向された光束をバリエータ、コンペンセータの機能を有するミラー群をその後ろに配置することでズーム投射結像系を構成する。該バリエータ、コンペンセータの群は入射してきた基準軸光線をそのまま平行に同符号方向に又は平行に逆符号方向に射出する構成を有している。これらの組み合わせによる該バリエータ、コンペンセータ群が移動することにより第一にズーミングによって光学素子の相対位置関係が変化したとき、スクリーンに投射される像の中心の位置が変化しない。また、フォーカシングによりスクリーンに投射される像の中心の位置が変化しないことが好ましいが、そのため前記コンペンセータ群をフォーカシングにも使用する。この結果、フォーカシングにより像が移動することもない。
【００４４】
上記バリエータ、コンペンセータ群はそれぞれ、ミラー２面又は３面でひとつの群を構成し、繰り返しになるが各群はそれぞれ基準軸光線の入射軸と射出軸を一致させ、且つ投射光軸にもそれを一致させているので、各群の移動により各面内の基準軸光線のヒットポイントは移動しない。
【００４５】
また、これらのミラーは全て表面反射ミラーを組み合わせて中空型構造にて構成されているため、色収差の発生はない。
【実施例１】
【００４６】
図１〜２に示すのは、自由曲面反射結像光学系のミラー部分の図及び投射スクリーン（投射像）までの光路全体の図である。図１は本発明の投射光学系を用いた投射型表示装置の第１実施形態の要部概略図である。ここでは光源からの光を用いて画像表示素子を照明する照明光学系に関しては不図示であるが、勿論備えている方が好ましい。
【００４７】
本実施例は画像表示素子により光強度変調された光を投射スクリーンに投射し、投射スクリーン面上に画像を形成するためのＯｆｆ−Ａｘｉａｌ系を利用した投射光学系である。図２は図１の投射光学系の全体図である。
【００４８】
図１において物体面は画像表示素子の面と一致している。該画像表示素子は不図示の照明系により裏側から照明される。不図示の照明系はランプ、コンデンサーレンズ、波長を選択するフィルターなどから成り立っている。また本実施形態ではＲＧＢの３枚の画像表示素子を使用し色合成プリズムを用いてＲＧＢ３色の画像を合成して投射する構成であるが、２枚の画像表示素子は不図示である。ひとつの画像表示素子と色合成プリズムが図示されている。これは全ての実施例について共通であるが、
（１）反射曲面総数は６面
（２）物体面から色合成プリズムまでの距離：１１．０
（３）色合成プリズム厚さ：２８．０
（４）Ｎｄ：１．８７２６９０、νｄ：３２．３３
（５）プリズム射出端面から第１ミラーのローカル座標原点までの距離：３０．０
（単位［ｍｍ］）である。
【００４９】
図１、図２において、反射結像光学系は画像表示素子からの光線の通過順に、第１ミラー（凹面）・絞り・第２ミラー（凸面）・第３ミラー（凹面）・第４ミラー（凸面）・第５ミラー（凹面）・第６面ラー（凹面）の６つ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。ここで、第４ミラーと第５ミラーの間で画像表示素子による画像は中間結像しており、絞りは第６ミラー後の位置で結像している。
【００５０】
本提案に於ける全ての実施形態では、画像表示素子は対角０．７インチ（１０．７×１４．２ｍｍ）、投射スクリーンの大きさは縦横比３：４の対角７０インチ（１０６７×１４２２ｍｍ）である。また、投射スクリーンの法線は、投射スクリーンに入射する直前の基準軸光線に対し４０度傾いている。画像表示素子は所謂ＸＧＡ（１０２４×７６８画素）であり、画素のピッチはスクリーン側で１．４ｍｍであり、このときの空間遮断周波数は１／２．８＝０．３６本／ｍｍである。
【００５１】
実際の装置の使用状態を考慮した設置形態のひとつの例である、投射スクリーンの面が鉛直方向に平行であるように、且つ基準軸光線全てを含む平面を該投射スクリーンに垂直な鉛直面内になるように装置を設置した場合、装置の最終反射面からスクリーンまで水平方向に測った場合の投射距離は、Ｌ６×Ｃｏｓ４０°＝２８３７ｍｍ×Ｃｏｓ４０°＝２１７３ｍｍである。
【００５２】
下記の表１に第１実施例の設計値を示す。構成データではパネル面から像面（投射スクリーン面）に至る各面に順に番号を付している。物体側のＦ値は２．８である。
【００５３】
【表１】
2005189768.tif 000003
【００５４】
【表２】
2005189768.tif 000004
【００５５】
第１実施例においては、画像表示素子側（縮小共役側、縮小側）から順に、第１、２ミラーが第１光学ユニット（ミラー群、光学群）で、第３、４ミラーが第２光学ユニット、第５、６ミラーが第３光学ユニットであり、正負正の３つの光学ユニットを有する投射光学系である。ここで、第２光学ユニット、すなわち第３面と第４面で構成されるのがバリエータ、第３光学ユニット、すなわち第５面と第６面で構成されるのがコンペンセータでありこれらが変倍群である。また、第５面と第６面の２つので構成される群がフォーカス群でもある。ここで、第５面のチルト角θ５と第６面のチルト角θ６はそれぞれ５°と５°であり等しい。グローバル座標系のＺ軸に対して、バリエータ、コンペンセータ群に入射する基準軸光線が成す角度は、４０°であり、バリエータ、コンペンセータ群を射出する基準軸光線がグローバルＺ軸に対して成す角度は、同じく４０°である。該フォーカス群はこの光軸に平行な、グローバルＺ軸に対して４０°の角度を成す方向軸に平行移動することで変倍及びフォーカス調整機能を有する。
【実施例２】
【００５６】
次に図３〜４に示すのは、本発明に於ける第２の実施形態の自由曲面反射結像光学系のミラー部分の図及び投射スクリーン（投射像）までの光路全体の図である。
【００５７】
本実施例は画像表示素子により光強度変調された光を投射スクリーンに投射し、投射スクリーン面上に画像を形成するためのＯｆｆ−Ａｘｉａｌ系を利用した投射光学系である。図４は図３の投射光学系の全体図である。ここでは光源からの光を用いて画像表示素子を照明する照明光学系に関しては不図示であるが、勿論備えている方が好ましい。
【００５８】
図３は本発明の投射光学系を用いた投射型表示装置の第２実施形態の要部概略図である。本第２の実施形態では、ワイド、ミドル、テレの３つの状態のミラーの位置を重ねて図に示している。この表示の場合、３状態が重なっているため図が煩雑になる反面、３状態を一度に把握し易い面もあるので、第２実施形態は光学系の拡大図及び全体図である図３、４共にこのワイド、ミドル、テレの３状態を重ねて表示した図で説明するものとする。
【００５９】
図３において物体面は画像表示素子の面と一致している。該画像表示素子は不図示の照明系により裏側から照明される。不図示の照明系はランプ、コンデンサーレンズ、波長を選択するフィルターなどから成り立っている。また本実施形態ではＲＧＢの３枚の画像表示素子を使用し色合成プリズムを用いてＲＧＢ３色の画像を合成して投射する構成であるが、２枚の画像表示素子は不図示である。ひとつの画像表示素子と色合成プリズムが図示されている。これは全ての実施例について共通であるが、
（１）反射曲面総数は６面
（２）物体面から色合成プリズムまでの距離：１１．０
（３）色合成プリズム厚さ：２８
（４）Ｎｄ：１．８７２６９０、νｄ：３２．３３
（５）プリズム射出端面から第１ミラーのローカル座標原点までの距離：３０．０
（単位［ｍｍ］）である。
【００６０】
図３、図４において、反射結像光学系は画像表示素子からの光線の通過順に、第１ミラー（凹面）・第２ミラー（凸面）・絞り・第３ミラー（凹面）・第４ミラー（凸面）・第５ミラー（凹面）・第６面ラー（凸面）・第７面ラー（凹面）の７つ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。ここで、第４ミラーと第５ミラーの間で画像表示素子による画像は中間結像しており、絞りは第６ミラー後の位置で結像している。
【００６１】
本提案に於ける全ての実施形態では、画像表示素子は対角０．７インチ（１０．７×１４．２ｍｍ）、投射スクリーンの大きさは縦横比３：４の対角７０インチ（１０６７×１４２２ｍｍ）である。また、投射スクリーンの法線は、投射スクリーンに入射する直前の基準軸光線に対し４０度傾いている。画像表示素子は所謂ＸＧＡ（１０２４×７６８画素）であり、画素のピッチはスクリーン側で１．４ｍｍであり、このときの空間遮断周波数は１／２．８＝０．３６本／ｍｍである。
【００６２】
実際の装置の使用状態を考慮した設置形態のひとつの例である、投射スクリーンの面が鉛直方向に平行であるように、且つ基準軸光線全てを含む平面を該投射スクリーンに垂直な鉛直面内になるように装置を設置した場合、装置の最終反射面からスクリーンまで水平方向に測った場合の投射距離は、Ｌ７×Ｃｏｓ４０°＝２３００ｍｍ×Ｃｏｓ４０°＝１７６０ｍｍである。この水平投射距離が設計時の基準となっている。
【００６３】
下記に第２実施例の設計値を示す。構成データではパネル面から像面（投射スクリーン面）に至る各面に順に番号を付している。
物体側のＦ値は３．３。
【００６４】
【表３】
2005189768.tif 000005
【００６５】
【表４】
2005189768.tif 000006
【００６６】
第２実施例においては、画像表示素子側（縮小共役側、縮小側）から順に、第１、２ミラーが第１光学ユニット（ミラー群、光学群）で、第３、４ミラーが第２光学ユニット、第５、６ミラーが第３光学ユニットであり、正負正の３つの光学ユニットを有する投射光学系である。ここで、第２光学ユニット、すなわち第３面と第４面で構成されるのがバリエータ、第３光学ユニット、すなわち第５面と第６面で構成されるのがコンペンセータ。
【００６７】
この第２実施例において、第３面と第４面で構成されるのがバリエータ、第５面と第６面と７面の３つの面で構成されるのがコンペンセータである。また、第５面と第６面と第７面の３つの面で構成される群がコンペンセータ／フォーカス群でもある。グローバル座標系のＺ軸に対して、フォーカス群に入射する基準軸光線が成す角度は、４０°であり、コンペンセータ／フォーカス群を射出する基準軸光線がグローバルＺ軸に対して成す角度は、同じく４０°である。該コンペンセータ／フォーカス群はこの光軸に平行な、グローバルＺ軸に対して４０°の角度を成す方向軸に平行移動することでフォーカス調整機能を有する。第５〜７図は第２実施例の基準となる前述の投射距離１７６０ｍｍに於ける像面上各点のＭＴＦのワイド端、ミドル、テレ端のｄｅｆｏｃｕｓ特性及びＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎである。同図に於いて横軸はｄｅｆｏｃｕｓ量であり、０の点が基準の像面の位置（基準投射位置）である。ｄｅｆｏｃｕｓ量は、前述の基準投射距離を測った水平方向に沿って測ったものである。この時の空間周波数は画像表示素子の画素ピッチから決まる投射スクリーン側に於ける周波数０．３６本／ｍｍである。
【００６８】
本実施例は以下のように記載することができる。
【００６９】
本発明の投射光学系は、複数の曲面反射ミラーを有し、少なくとも１つの画像表示素子からの光を被投射面に投写する投射光学系であって、変倍機能を有することを特徴としている。ここで、前記投射光学系が反射面のみからなることが好ましい。また、前記画像表示素子を複数有しており、該複数の画像表示素子からの光束を合成する色合成光学系を有しており、前記色合成光学系から出射する光束を前記被投射面に投射することが好ましい。また、変倍に際して、前記被投射面に投射される投射画像の中心の位置が実質的に動かないことが好ましい。また、前記投射画像の中心の位置が、前記被投射面に投射された前記投射画像を囲むことが可能な最小の円の直径の１％未満であることが好ましい。前記投射画像の中心の位置が、前記被投射面に投射された前記投射画像を囲むことが可能な最小の円の直径の０．５％未満であることが好ましい。変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、該２つの光学ユニットそれぞれが少なくとも２つの反射ミラー面を有することが好ましい。また、変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、該２つの光学ユニットそれぞれが少なくとも２つの反射ミラー面から成ることが好ましい。また、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを通る光束の主光線の光路を基準軸光線とするとき、前記基準軸光線を上方に偏向する固定偏向群を有しており、変倍に際して２つの光学ユニットが、該固定偏向群を出射した基準軸光線の方向に沿って移動することが好ましい。
【００７０】
変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、この２つの光学ユニットが移動する方向は、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを結ぶ直線に対して傾いていることが好ましい。
【００７１】
変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、該２つの光学ユニットのうち前記被投射面に近い光学ユニットを移動することによって、フォーカス調整が可能であることが好ましい。
【００７２】
変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを通る光束の主光線の光路を基準軸光線とするとき、該２つの光学ユニットのうち少なくとも一方に入射する基準軸光線と前記２つの光学ユニットのうち前記被投射面に近い光学ユニットから出射する基準軸光線との各々の方向余弦は、互いに略平行、且つ同符号であることが好ましい。
【００７３】
変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを通る光束の主光線の光路を基準軸光線とするとき、該２つの光学ユニットのうち少なくとも一方に入射する基準軸光線と前記２つの光学ユニットのうち前記被投射面に近い光学ユニットから出射する基準軸光線との各々の方向余弦は、互いに略平行、且つ逆符号であることが好ましい。
【００７４】
また、変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、該２つの光学ユニットのいずれかを構成する反射面が３面のとき、該３面のパワーは正負正であることが好ましい。
【００７５】
また、変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、該２つの光学ユニットのいずれかを構成する反射面が２面のとき、該２面のパワーは共に正であることが好ましい。
【００７６】
また、変倍に際して２つの光学ユニットが移動し、該２つの光学ユニットのうち前記画像表示素子に近い光学ユニットは、隣接する面同士で相互にパワーが逆であり、且つ最終面のパワーが続く群の最初の面のパワーと逆であることが好ましい。
【００７７】
前記複数の曲面反射ミラーのうち少なくとも１つは非回転対称な曲面形状を有していることが望ましい。
【００７８】
上記曲面反射ミラーの少なくともひとつは表面反射ミラーであることが望ましい。また、上記表面曲面反射ミラーの少なくともひとつは樹脂又はガラスで成形したものの表面に高反射のコーティングを施したものであることが望ましい。上記表面曲面反射ミラーの少なくともひとつは金属の薄板をプレス成形して所定の形状を転写したものの表面に高反射のコーティングを施したものであることが望ましい。上記表面曲面反射ミラーの少なくともひとつは金属を研削研磨した表面に高反射のコーティングを施したものであることが望ましい。
【００７９】
また、本発明の別の側面の画像投射装置は、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束を被投射面に投射する上述の投射光学系とを有することを特徴としている。ここで、前記少なくとも１つの画像表示素子が複数の画像表示素子であり、該複数の画像表示素子から出射した光束を合成する色合成光学系を有し、前記投射光学系が、該色合成光学系から出射した光束を前記被投射面に投射することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の第１実施例の投射光学系要部概略図
【図２】本発明の第１実施例の投射結像光学系の概観図
【図３】本発明の第２実施例の投射光学系要部概略図
【図４】本発明の第２実施例の投射結像光学系の概観図
【図５】本発明の第２実施例のＴｅｌｅ端に於けるＭＴＦ−ｄｅｆｏｃｕｓ特性及びＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ特性
【図６】本発明の第２実施例のＭｉｄｄｌｅ端に於けるＭＴＦ−ｄｅｆｏｃｕｓ特性及びＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ特性
【図７】本発明の第２実施例のＷｉｄｅ端に於けるＭＴＦ−ｄｅｆｏｃｕｓ特性及びＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ特性
【図８】国際公開番号ＷＯ９７／０１７８７号公報に開示の従来例
【図９】屈折系を含む構成によるズーム投射結像系の従来例
【図１０】移動群＋固定群＋移動群の構成に限定された反射ミラーズーム投射結像系の従来例
【図１】
2005189768.tif 000007
【図２】
2005189768.tif 000008
【図３】
2005189768.tif 000009
【図４】
2005189768.tif 000010
【図５】
2005189768.tif 000011
【図６】
2005189768.tif 000012
【図７】
2005189768.tif 000013
【図８】
2005189768.tif 000014
【図９】
2005189768.tif 000015
【図１０】
2005189768.tif 000016