(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パネル表示面の画像をスクリーン面上に投影する斜め投影光学系であって、
光学的なパワーを有する部材として、前記パネル表示面から前記スクリーン面への光路順に、少なくとも１つの透過型光学素子を含むとともに正のパワーを有する結像光学系と、負のパワーを有する曲面ミラーと、を含み、かつ、全体で正のパワーを有し、
前記パネル表示面の画面中心から絞りの中心を通り前記スクリーン面の画面中心に到達する光線を画面中心光線とするとき、画面中心光線は前記スクリーン面に斜めに入射し、以下の条件式(2)，(3)，(4a)及び(5a)を満足することを特徴とする斜め投影光学系；
0.5＜dL／Fx＜2.5  …(2)
0.5＜dL／Fy＜2.5  …(3)
1.5≦fpx／Fx＜5.5  …(4a)
1.5≦fpy／Fy＜5.5  …(5a)
ただし、
dL：パネル表示面の画面対角線の長さ、
Fx：投影光学系のx方向の焦点距離、
Fy：投影光学系のy方向の焦点距離、
Fx＝Δ／sinθx
Fy＝Δ／sinθy
fpx：結像光学系のx方向の焦点距離、
fpy：結像光学系のy方向の焦点距離、
fpx＝Δ／sinθpx
fpy＝Δ／sinθpy
であり、ここで、投影光学系の第１面に入射する画面中心光線の進む方向をz軸の方向とし、投影光学系の第１面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左手系の直交座標系(x,y,z)において、投影光学系に画面中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平行シフトした光線を入射させ、その光線が投影光学系の最終面から射出されるときに画面中心光線と成す角度をθx，θyとし、
結像光学系の第１面に入射する画面中心光線の進む方向をz軸の方向とし、結像光学系の第１面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左手系の直交座標系(x,y,z)において、結像光学系に画面中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平行シフトした光線を入射させ、その光線が結像光学系の最終面から射出されるときに画面中心光線と成す角度をθpx，θpyとする。
【請求項２】
パネル表示面の画像をスクリーン面上に投影する斜め投影光学系であって、
光学的なパワーを有する部材として、前記パネル表示面から前記スクリーン面への光路順に、少なくとも１つの透過型光学素子を含むとともに正のパワーを有する結像光学系と、負のパワーを有する曲面ミラーと、を含み、かつ、全体で正のパワーを有し、
前記パネル表示面の画面中心から絞りの中心を通り前記スクリーン面の画面中心に到達する光線を画面中心光線とするとき、画面中心光線は前記スクリーン面に斜めに入射し、以下の条件式(2)，(3)，(6a)及び(7a)を満足することを特徴とする斜め投影光学系；
0.5＜dL／Fx＜2.5  …(2)
0.5＜dL／Fy＜2.5  …(3)
-1.5＜fpx／fnx≦-0.115  …(6a)
-1.5＜fpy／fny≦-0.051  …(7a)
ただし、
dL：パネル表示面の画面対角線の長さ、
Fx：投影光学系のx方向の焦点距離、
Fy：投影光学系のy方向の焦点距離、
Fx＝Δ／sinθx
Fy＝Δ／sinθy
fpx：結像光学系のx方向の焦点距離、
fpy：結像光学系のy方向の焦点距離、
fnx：曲面ミラーのx方向の焦点距離、
fny：曲面ミラーのy方向の焦点距離、
fpx＝Δ／sinθpx
fpy＝Δ／sinθpy
fnx＝Δ／sinθnx
fny＝Δ／sinθny
であり、ここで、投影光学系の第１面に入射する画面中心光線の進む方向をz軸の方向とし、投影光学系の第１面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左手系の直交座標系(x,y,z)において、投影光学系に画面中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平行シフトした光線を入射させ、その光線が投影光学系の最終面から射出されるときに画面中心光線と成す角度をθx，θyとし、
結像光学系の第１面に入射する画面中心光線の進む方向をz軸の方向とし、結像光学系の第１面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左手系の直交座標系(x,y,z)において、結像光学系に画面中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平行シフトした光線を入射させ、その光線が結像光学系の最終面から射出されるときに画面中心光線と成す角度をθpx，θpyとし、また、曲面ミラーの反射面に入射する画面中心光線の進む方向をz軸の方向とし、曲面ミラーの反射面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左手系の直交座標系(x,y,z)において、曲面ミラーに画面中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平行シフトした光線を入射させ、その光線が曲面ミラーの反射面から射出されるときに画面中心光線と成す角度をθnx，θnyとする。
【請求項３】
さらに以下の条件式(6a)及び(7a)を満足することを特徴とする請求項１記載の斜め投影光学系；
-1.5＜fpx／fnx≦-0.115  …(6a)
-1.5＜fpy／fny≦-0.051  …(7a)
ただし、
fpx：結像光学系のx方向の焦点距離、
fpy：結像光学系のy方向の焦点距離、
fnx：曲面ミラーのx方向の焦点距離、
fny：曲面ミラーのy方向の焦点距離、
fpx＝Δ／sinθpx
fpy＝Δ／sinθpy
fnx＝Δ／sinθnx
fny＝Δ／sinθny
であり、ここで、結像光学系の第１面に入射する画面中心光線の進む方向をz軸の方向とし、結像光学系の第１面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左手系の直交座標系(x,y,z)において、結像光学系に画面中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平行シフトした光線を入射させ、その光線が結像光学系の最終面から射出されるときに画面中心光線と成す角度をθpx，θpyとし、また、曲面ミラーの反射面に入射する画面中心光線の進む方向をz軸の方向とし、曲面ミラーの反射面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左手系の直交座標系(x,y,z)において、曲面ミラーに画面中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平行シフトした光線を入射させ、その光線が曲面ミラーの反射面から射出されるときに画面中心光線と成す角度をθnx，θnyとする。
【請求項４】
さらに以下の条件式(8)を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の斜め投影光学系；
1.0＜(d2×cosθ)／d1＜3.0  …(8)
ただし、
d1：結像光学系の最終面から曲面ミラーまでの画面中心光線の光路長、
d2：曲面ミラーからスクリーン面までの画面中心光線の光路長、
θ：スクリーン面に対する画面中心光線の入射角度(°)、
である。
【請求項５】
前記パネル表示面側に斜めテレセントリックであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の斜め投影光学系。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の斜め投影光学系を備えることを特徴とするリアプロジェクション光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は斜め投影光学系及びリアプロジェクション光学系に関するものであり、例えば、曲面ミラーを有する斜め投影光学系及びリアプロジェクション光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なリアプロジェクターに用いられているリアプロジェクション光学系は、図２７(A)に示すように、投影光学系(PS)からの射出光の光路をスクリーン面(I2)の後方に位置する平面ミラー(MR)で折り返す構成になっている(PS'は光路を折り返さない場合の投影光学系の光学配置を示している。)。用いられる投影光学系(PS)は共軸系であるため、スクリーン面(I2)の画面中心に入射する主光線はスクリーン面(I2)に対してほぼ垂直でなければならない。このため、リアプロジェクション光学系の厚み(DL)を減らそうとすれば、より広角の投影光学系(PS)が必要になる。しかし、投影光学系(PS)を広角化しても、斜めに配置された平面ミラー(MR)によってリアプロジェクション光学系の薄型化は制限されてしまう。
【０００３】
図２７(B)に示すように、平面ミラー(MR)をスクリーン面(I2)に近づければ、リアプロジェクション光学系をある程度まで薄くすることは可能である。しかし、画角が一定以上に広くなると、折り返しの光路の中に投影光学系(PS)が入ってしまうため、広角化にも限度がある。また、平面ミラー(MR)をスクリーン面(I2)に近づけると、平面ミラー(MR)が大きくなるため、平面ミラー(MR)の重量増大やコストアップを招くことにもなる。
【０００４】
図２７(C)に示すように、画像をスクリーン面(I2)上に斜め投影する投影光学系(PS)を用いれば、スクリーン面(I2)に対してほぼ平行に平面ミラー(MR)を配置することができる。これによりリアプロジェクション光学系の薄型化が可能になるが、それと同時に主光線の斜め投影角度を非常に大きくしなければならなくなる。透過型の共軸系から成る投影光学系(PS)の一部を使用して斜め投影を行う場合、斜め投影角度を大きくするには非常に広角な投影光学系(PS)が必要になる。良好な光学性能を保持しつつ投影光学系(PS)を広角化しようとすれば、レンズ枚数が多く必要になりレンズ径も非常に大きくなるので、光学系全体が大型化してしまう。
【０００５】
上述したような問題点を解決して薄型化を図るために、特徴のある様々なリアプロジェクション光学系が提案されている。例えば、ＷＯ９７／０１７８７に記載のリアプロジェクション光学系は、反射型の投影光学系で画像をスクリーン面上に斜め投影する方式を採用している。また、特許第２９３２６０９号公報や特開平５−１６５０９５号公報に記載のリアプロジェクション光学系は、投影光学系からスクリーン面までの光路を３枚又は４枚の平面ミラーで３次元的に折り曲げる方式を採用している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来のリアプロジェクション光学系では、十分な薄型化が困難であったり薄型化に伴って新たな問題が生じたりする。例えば、ＷＯ９７／０１７８７に記載されている光学構成では、光路が何度も折り返された結果、スクリーン面の下側で投影光学系が大きなスペースを占めている。このため、スクリーン面の下側(いわゆるアゴ下)のサイズ(UL，図２７参照。)が非常に長くなっている。したがって、このリアプロジェクション光学系は、薄型ではあってもコンパクトとは言えない。
【０００７】
また、特許第２９３２６０９号公報や特開平５−１６５０９５号公報に記載されている光学構成では、スクリーン面の上方と下方の両方にミラー等の光学部材が配置されている。このため、リアプロジェクション光学系はスクリーン面の画面上下方向に長くなっている。したがって、このリアプロジェクション光学系も、薄型ではあってもコンパクトとは言えない。また、大きな平面ミラーを複数枚必要とするので、リアプロジェクション光学系の重量増大やコストアップを招くことにもなる。
【０００８】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、良好な光学性能を有しながらコンパクトで薄型の斜め投影光学系及びリアプロジェクション光学系を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の斜め投影光学系は、パネル表示面の画像をスクリーン面上に投影する斜め投影光学系であって、光学的なパワーを有する部材として、前記パネル表示面から前記スクリーン面への光路順に、少なくとも１つの透過型光学素子を含むとともに正のパワーを有する結像光学系と、負のパワーを有する曲面ミラーと、を含み、かつ、全体で正のパワーを有し、前記パネル表示面の画面中心から絞りの中心を通り前記スクリーン面の画面中心に到達する光線を画面中心光線とするとき、画面中心光線は前記スクリーン面に斜めに入射し、以下の条件式(2)，(3)，(4a)及び(5a)を満足することを特徴とする。
0.5＜dL／Fx＜2.5  …(2)
0.5＜dL／Fy＜2.5  …(3)
1.5≦fpx／Fx＜5.5  …(4a)
1.5≦fpy／Fy＜5.5  …(5a)
ただし、
dL：パネル表示面の画面対角線の長さ、
Fx：投影光学系のx方向の焦点距離、
Fy：投影光学系のy方向の焦点距離、
Fx＝Δ／sinθx
Fy＝Δ／sinθy
fpx：結像光学系のx方向の焦点距離、
fpy：結像光学系のy方向の焦点距離、
fpx＝Δ／sinθpx
fpy＝Δ／sinθpy
であり、ここで、投影光学系の第１面に入射する画面中心光線の進む方向をz軸の方向とし、投影光学系の第１面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左手系の直交座標系(x,y,z)において、投影光学系に画面中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平行シフトした光線を入射させ、その光線が投影光学系の最終面から射出されるときに画面中心光線と成す角度をθx，θyとし、
結像光学系の第１面に入射する画面中心光線の進む方向をz軸の方向とし、結像光学系の第１面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左手系の直交座標系(x,y,z)において、結像光学系に画面中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平行シフトした光線を入射させ、その光線が結像光学系の最終面から射出されるときに画面中心光線と成す角度をθpx，θpyとする。
【００１０】
第２の発明の斜め投影光学系は、パネル表示面の画像をスクリーン面上に投影する斜め投影光学系であって、光学的なパワーを有する部材として、前記パネル表示面から前記スクリーン面への光路順に、少なくとも１つの透過型光学素子を含むとともに正のパワーを有する結像光学系と、負のパワーを有する曲面ミラーと、を含み、かつ、全体で正のパワーを有し、前記パネル表示面の画面中心から絞りの中心を通り前記スクリーン面の画面中心に到達する光線を画面中心光線とするとき、画面中心光線は前記スクリーン面に斜めに入射し、以下の条件式(2)，(3)，(6a)及び(7a)を満足することを特徴とする。
0.5＜dL／Fx＜2.5  …(2)
0.5＜dL／Fy＜2.5  …(3)
-1.5＜fpx／fnx≦-0.115  …(6a)
-1.5＜fpy／fny≦-0.051  …(7a)
ただし、
dL：パネル表示面の画面対角線の長さ、
Fx：投影光学系のx方向の焦点距離、
Fy：投影光学系のy方向の焦点距離、
Fx＝Δ／sinθx
Fy＝Δ／sinθy
fpx：結像光学系のx方向の焦点距離、
fpy：結像光学系のy方向の焦点距離、
fnx：曲面ミラーのx方向の焦点距離、
fny：曲面ミラーのy方向の焦点距離、
fpx＝Δ／sinθpx
fpy＝Δ／sinθpy
fnx＝Δ／sinθnx
fny＝Δ／sinθny
であり、ここで、投影光学系の第１面に入射する画面中心光線の進む方向をz軸の方向とし、投影光学系の第１面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左手系の直交座標系(x,y,z)において、投影光学系に画面中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平行シフトした光線を入射させ、その光線が投影光学系の最終面から射出されるときに画面中心光線と成す角度をθx，θyとし、
結像光学系の第１面に入射する画面中心光線の進む方向をz軸の方向とし、結像光学系の第１面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左手系の直交座標系(x,y,z)において、結像光学系に画面中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平行シフトした光線を入射させ、その光線が結像光学系の最終面から射出されるときに画面中心光線と成す角度をθpx，θpyとし、また、曲面ミラーの反射面に入射する画面中心光線の進む方向をz軸の方向とし、曲面ミラーの反射面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左手系の直交座標系(x,y,z)において、曲面ミラーに画面中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平行シフトした光線を入射させ、その光線が曲面ミラーの反射面から射出されるときに画面中心光線と成す角度をθnx，θnyとする。
【００１１】
第３の発明の斜め投影光学系は、上記第１の発明の構成において、さらに以下の条件式(6a)及び(7a)を満足することを特徴とする。
-1.5＜fpx／fnx≦-0.115  …(6a)
-1.5＜fpy／fny≦-0.051  …(7a)
ただし、
fpx：結像光学系のx方向の焦点距離、
fpy：結像光学系のy方向の焦点距離、
fnx：曲面ミラーのx方向の焦点距離、
fny：曲面ミラーのy方向の焦点距離、
fpx＝Δ／sinθpx
fpy＝Δ／sinθpy
fnx＝Δ／sinθnx
fny＝Δ／sinθny
であり、ここで、結像光学系の第１面に入射する画面中心光線の進む方向をz軸の方向とし、結像光学系の第１面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左手系の直交座標系(x,y,z)において、結像光学系に画面中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平行シフトした光線を入射させ、その光線が結像光学系の最終面から射出されるときに画面中心光線と成す角度をθpx，θpyとし、また、曲面ミラーの反射面に入射する画面中心光線の進む方向をz軸の方向とし、曲面ミラーの反射面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左手系の直交座標系(x,y,z)において、曲面ミラーに画面中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平行シフトした光線を入射させ、その光線が曲面ミラーの反射面から射出されるときに画面中心光線と成す角度をθnx，θnyとする。
【００１２】
第４の発明の斜め投影光学系は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明の構成において、さらに以下の条件式(8)を満足することを特徴とする。
1.0＜(d2×cosθ)／d1＜3.0  …(8)
ただし、
d1：結像光学系の最終面から曲面ミラーまでの画面中心光線の光路長、
d2：曲面ミラーからスクリーン面までの画面中心光線の光路長、
θ：スクリーン面に対する画面中心光線の入射角度(°)、
である。
第５の発明の斜め投影光学系は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明の構成において、前記パネル表示面側に斜めテレセントリックであることを特徴とする。
第６の発明のリアプロジェクション光学系は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明に係る斜め投影光学系を備えることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施したリアプロジェクション光学系を、図面を参照しつつ説明する。図１，図６，図１１，図１６及び図２１に、第１〜第５の実施の形態におけるパネル表示面(I1)からスクリーン面(I2)までの投影光路全体を示す。各実施の形態では、第１ミラー(M1)での光路の折り曲げによって各光学要素の配置が３次元的になっているため、すべての光学要素及び光路を的確に表現するのは困難である。そこで、図２，図７，図１２，図１７及び図２２に、第１ミラー(M1)がない場合の各実施の形態におけるパネル表示面(I1)からスクリーン面(I2)までの投影光路全体を断面的に示す。また、図３，図８，図１３，図１８及び図２３に、第１〜第５の実施の形態を構成している結像光学系(PT)及びプリズム(PR)を拡大して示す。なお、各実施の形態のリアプロジェクション光学系の上下配置は、各光路図に示されているものに限らず、上下反対でもよい。つまり、実際の配置の都合に合わせて各光路図における上側を下側としてもなんら問題はない。
【００１４】
本発明に係る各実施の形態は、背面投写型画像投影装置(リアプロジェクター)用のリアプロジェクション光学系であり、表示パネルの画像表示面を縮小側のパネル表示面(I1)として、そのパネル表示面(I1)の２次元画像をスクリーン面(I2)上に拡大投影する構成になっている。表示パネルとしては、例えば、反射型液晶パネル，透過型液晶パネル，ＤＭＤ(Digital Micromirror Device)等の表示素子が用いられる。そしてパネル表示面(I1)は、ランプ(不図示)から発せられたのち照明光学系(不図示)を通過した照明光によって照明される。
【００１５】
投影画像をカラー化する場合には、３枚の表示パネルを用いてクロスダイクロイックプリズム等の色合成プリズムで色合成する３板式の構成を採用すればよい。例えば、照明光学系で照明光をＲＧＢの３つに分割し、３枚の表示パネルに入射させた後、パネル表示面(I1)近傍のクロスダイクロイックプリズムで色合成する構成にすればよい。そのとき、クロスダイクロイックプリズムを色分解と色合成とに兼用してもよい。また、時分割に画像を表示する単板式の構成や表示パネル上にマイクロレンズアレイを用いた単板式の構成を採用することによっても、投影画像のカラー化は可能である。表示パネルが反射型の場合には、光束分離プリズム{例えば偏光ビームスプリッター(ＰＢＳ)，ＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズム等}を用いて入射光線と反射光線とを分離する構成にしてもよい。また、リアプロジェクション光学系をパネル表示面(I1)側にテレセントリックな光学系とするために、コンデンサーレンズをパネル表示面(I1)近傍に配置してもよい。
【００１６】
各実施の形態のリアプロジェクション光学系は、パネル表示面(I1)からスクリーン面(I2)への光路順に、前記クロスダイクロイックプリズムや光束分離プリズム等に相当するプリズム(PR)と、複数枚のレンズを含み正のパワーを有する透過型の結像光学系(PT)と、第１〜第３ミラー(M1〜M3)と、で構成されている。第１，第３ミラー(M1,M3)は平面ミラーであり、第２ミラー(M2)は負のパワーを有する曲面ミラーである。第１，第４の実施の形態に用いられている第２ミラー(M2)の反射面は自由曲面(XYP)であり、第２の実施の形態に用いられている第２ミラー(M2)の反射面はアナモルフィック非球面(AAS)であり、第３，第５の実施の形態に用いられている第２ミラー(M2)の反射面は軸対称非球面(ASP)である。
【００１７】
なお、上記自由曲面(XYP)とは、大きく偏心した非球面を含むとともに回転対称軸を有効領域の中心近傍に持たないような面であり、球面ではなくて非球面的なうねり(自由度)を有する面である。自由曲面形状の非球面的なうねりを利用して反射面の曲率を３次元的に制御すれば、反射面の場所毎に設定した面の傾きによって、斜め投影による非軸対称な収差(歪曲等)を容易に補正することができる。
【００１８】
前記照明によりパネル表示面(I1)から射出した投影光は、プリズム(PR)と結像光学系(PT)を透過した後、第１ミラー(M1)の平面反射面で反射され、第２ミラー(M2)の曲面反射面で反射される。そして、第３ミラー(M3)の平面反射面で反射された後、スクリーン面(I2)に到達して投影画像を構成する。各実施の形態において光学的なパワーを有する部材は結像光学系(PT)と第２ミラー(M2)であり、全体で正のパワーを有している。したがって、結像光学系(PT)と第２ミラー(M2)がパネル表示面(I1)の画像をスクリーン面(I2)上に投影する投影光学系として機能することになる。
【００１９】
第１，第３ミラー(M1,M3)は共に平面ミラーであるが、互いに異なった方向に光路を折り曲げる向きに配置されている。つまり、第３ミラー(M3)がスクリーン面(I2)に対してほぼ平行に対向するように配置されているのに対し、第１ミラー(M1)はパネル表示面(I1)側の光路をスクリーン面(M2)の横方向(長辺方向)に折り曲げるように配置されている。図２，図７，図１２，図１７及び図２２から分かるように、第１ミラー(M1)がない場合には光路がスクリーン面(I2)の後方に突出してしまい、リアプロジェクション光学系は厚くなる。リアプロジェクション光学系を薄くするには光路を折り返せばよいが、折り返された光路がスクリーン面(I2)の下方に配置されるとアゴ下が長くなってしまう。そこで各実施の形態では、上述したように第１ミラー(M1)で光路を３次元的に折り曲げている。光路を３次元的に折り曲げれば、アゴ下を長くしなくてもリアプロジェクション光学系を薄くすることが可能である。以下にこの特徴を詳しく説明する。
【００２０】
各実施の形態のように画像をスクリーン面(I2)上に斜め投影する、いわゆる斜め投影光学系としては、以下の４つのタイプ▲１▼〜▲４▼が考えられる。
▲１▼共軸光学系の一部を使用する透過型光学系。
▲２▼非軸対称な透過型光学系。
▲３▼反射型光学系。
▲４▼反射型と透過型とを組み合わせた非軸対称な光学系。
【００２１】
▲１▼のタイプでは、リアプロジェクション光学系の薄型化を達成しようとすると、非常に大きな斜め投影角度が必要になる。各実施の形態のように斜め投影角度を大きくしようとすれば、もともとの共軸光学系に非常に広い画角が要求される。広角レンズで良好な性能を達成しようとすると、一般的にレンズ枚数が多くなってしまうためコスト高となる。▲２▼のタイプでは、光学性能が良好で斜め投影角度の大きなものは現在知られていない。また非軸対称な光学系には、偏芯したレンズや自由曲面レンズ等が用いられるため、レンズを製造・保持する方法が困難であったり、レンズやレンズ保持部材が複雑化してしまうためコスト高になったりする。
【００２２】
▲３▼のタイプでは、反射型光学素子が用いられるため、光学系全長を実質的に大きくすることが可能であり、色収差の発生もない。したがって、光学性能的には有利である。しかし、光線を分離するために光路を何度も折り返さなければならないので、光路の折り返しに伴ってリアプロジェクション光学系が特定方向に大きくなってしまう。例えば前述したＷＯ９７／０１７８７記載の光学構成では、リアプロジェクション光学系の薄型化は達成されているが、アゴ下のサイズが非常に長くなっている。このようにアゴ下が長くなってしまうのは、折り返した光路をスクリーン面の下側に向けて配置しているからである。
【００２３】
▲４▼のタイプでは、各光学要素をうまく配置すれば、反射型光学素子と透過型光学素子を用いるメリットを活かすことができる。つまり、反射型光学素子を用いることにより実質的な光学系全長を非常に大きくすることが可能となるため、良好な光学性能が達成しやすくなる。さらに、複数枚の反射型光学素子の代わりに透過型光学素子を用いることにより、光路の折り返しに伴ってリアプロジェクション光学系が特定方向に大きくなってしまうという問題点を解消して、スペース効率を向上させることができる。▲４▼のタイプにおいて、３次元的な光路の折り曲げにより各光学要素の配置を３次元的にすれば、アゴ下を長くすることなくリアプロジェクション光学系を薄くすることが可能である。そのためには、パネル表示面(I1)からスクリーン面(I2)への光路順に、少なくとも１つの透過型光学素子を含む光学系と、光路を３次元的に折り曲げる平面ミラーと、曲面ミラーと、を備えることが望ましく、さらにスクリーン面(I2)に対してほぼ平行に対向する対向ミラーを備えることが望ましい。
【００２４】
上記少なくとも１つの透過型光学素子を含む光学系は各実施の形態における結像光学系(PT)に相当し、光路を３次元的に折り曲げる平面ミラーは各実施の形態における第１ミラー(M1)に相当する。また、上記曲面ミラーは各実施の形態における第２ミラー(M2)に相当し、上記対向ミラーは各実施の形態における第３ミラー(M3)に相当する。結像光学系(PT)に相当する光学系は、各実施の形態のようにレンズ等の透過型光学素子のみから成っていてもよく、透過型光学素子以外にミラー等の反射型光学素子を含んでいてもよい。透過型光学素子のみから成る場合には、そこでの光路の折り返しがないことによるスペース効率の向上を、上記曲面ミラー(M2)との間での上記平面ミラー(M1)による光路の折り曲げによって、反射型光学素子を用いることによるメリットとうまく融合させることが可能になる。
【００２５】
第１ミラー(M1)に相当する前記平面ミラーで光路を３次元的に折り曲げるには、パネル表示面(I1)の画面中心から絞り(ST)の中心を通りスクリーン面(I2)の画面中心に到達する光線を「画面中心光線」とするとき、スクリーン面(I2)に入射する画面中心光線とスクリーン面(I2)の法線とが成す平面に対して、前記平面ミラー(M1)に入射する画面中心光線が平行でなければよい。各実施の形態のように、スクリーン面(I2)に入射する画面中心光線とスクリーン面(I2)の法線とが成す平面に対して、第１ミラー(M1)に入射する画面中心光線が平行でなければ、その３次元的な光路の折り曲げにより各光学要素の配置が３次元的になる。これにより、リアプロジェクション光学系の薄型化とともに、スクリーン面(I2)の画面上下方向のコンパクト化を達成することができる。しかも、投影光学系としての結像光学系(PT)と第２ミラー(M2)との組み合わせによって良好な光学性能を実現することができる。
【００２６】
通常のリアプロジェクションＴＶのような投影装置では、スクリーン面(I2)のサイズは上下方向(縦方向)よりも左右方向(横方向)の方が大きい。このような横長のスクリーン面(I2)に対する光学構成において、折り返しによる光路配置を上下方向(短辺方向)のみに沿って行えば、左右方向(長辺方向)のスペースを有効に活用していないことになる。したがって各実施の形態のように、パネル表示面(I1)側の光路をスクリーン面(M2)の横方向(長辺方向)に折り曲げる構成にすれば、スペースの有効活用によりリアプロジェクション光学系のコンパクト化を達成することができる。しかし、タイプ▲３▼のように反射型光学素子のみから成る反射型光学系(例えばＷＯ９７／０１７８７)では、仮に平面ミラーで光路を横方向に折り曲げたとしても、アゴ下の突出を抑えることはできない。反射型と透過型とを組み合わせたタイプ▲４▼の光学系に、上記光路の折り曲げを適用して初めてそのメリット(光学性能上の有利性とコンパクト性)を活かすことができるのである。
【００２７】
また各実施の形態では、第１ミラー(M1)に入射する画面中心光線と第１ミラー(M1)で反射する画面中心光線とが90°を成しているが、第１ミラー(M1)による光路の折り曲げはこれに限らない。リアプロジェクション光学系の厚みや他の光学要素との位置関係等に応じて好ましい光路配置となるようにすればよい。実際の光路配置を考えた場合、以下の条件式(0)を満足するようにα=90±20°の角度範囲で光路を折り曲げることが望ましく、また、スクリーン面(I2)に入射する画面中心光線とスクリーン面(I2)の法線とが成す平面に対して、平面ミラー(M1)に入射する画面中心光線が成す角度もこれと同様である。
70＜α＜110 …(0)
ただし、
α：第１ミラー(M1：平面ミラー)に入射する画面中心光線と第１ミラー(M1)で反射する画面中心光線とが成す角度(°)、
である。
【００２８】
第１〜第３の実施の形態を構成している結像光学系(PT)は、いわゆる共軸系であって、結像光学系(PT)を構成している光学要素はすべて共通の軸を有している。結像光学系(PT)を共軸系にすれば、レンズ保持部材(玉枠等)の構成が容易になる。また、フォーカシングやズーミングにおける玉枠の動きが直線的になるので、フォーカシングやズーミングに関連する構成も容易になる。なかでも第３の実施の形態は、第２ミラー(M2：曲面ミラー)も含めて投影光学系全体が共軸系になっている。このような構成にすると、収差等の扱いが通常の光学系の設計と同様に行えるので設計し易くなる。一方、第４，第５の実施の形態のように、結像光学系(PT)をいくつかのレンズブロックに分割して、それぞれが偏芯した構成にすれば、玉枠の構成は複雑になるが、光学性能を向上させることができる。
【００２９】
各実施の形態において、リアプロジェクション光学系のフォーカシングは、結像光学系(PT)中の１つのレンズ群をその軸方向に沿って移動させることにより行われる。また、リアプロジェクション光学系のズーミングは、結像光学系(PT)中の少なくとも２つのレンズ群をその軸方向に沿って移動させることにより行われる。ズーミングの際には縦方向(短辺方向)に像がずれるので、表示パネル又は投影光学系全体をその分だけ移動させて補正する構成にするのが好ましい。
【００３０】
各実施の形態では、スクリーン面(I2)の画面中心を縦に通る面に関してリアプロジェクション光学系全体が光学的な面対称になっており、その対称面が図２，図７，図１２，図１７及び図２２に示す光学断面に相当する。第１ミラー(M1)での３次元的な光路の折り曲げにより、リアプロジェクション光学系は構造的に非対称になる。しかし、第１ミラー(M1)は光学的なパワーのない平面ミラーであるため、リアプロジェクション光学系の光学的な対称性が崩れることにはならない。このように光学的に面対称な光学構成にすると、光学部品の作り込みが行い易い上に、画面の左右で照度ムラや歪曲の差が発生するのを抑えることができる。
【００３１】
透過型光学素子のみで非常に広角の光学系を実現することは難しいが、各実施の形態のように第２ミラー(M2)が負のパワーを有し、結像光学系(PT)が正のパワーを有する構成にすれば、非常に広角のリアプロジェクション光学系を実現することができる。このパワー配置は、一般的な広角レンズに採用されているレトロフォーカスタイプである。このレトロフォーカスタイプのパワー構成において、さらに以下の条件式(1)〜(3)を満足することが望ましい。
【００３２】
20＜θ＜65  …(1)
0.5＜dL／Fx＜2.5 …(2)
0.5＜dL／Fy＜2.5 …(3)
ただし、
θ：スクリーン面(I2)に対する画面中心光線の入射角度(°)、
dL：パネル表示面(I1)の画面対角線の長さ、
Fx：投影光学系のx方向の焦点距離、
Fy：投影光学系のy方向の焦点距離、
Fx＝Δ／sinθx
Fy＝Δ／sinθy
であり、ここで、投影光学系の第１面に入射する画面中心光線の進む方向をz軸の方向とし、投影光学系の第１面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左手系の直交座標系(x,y,z)において、投影光学系に画面中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平行シフトした光線を入射させ、その光線が投影光学系の最終面から射出されるときに画面中心光線と成す角度をθx，θyとする。
【００３３】
条件式(1)は、いわゆる斜め投影角度を規定している。条件式(1)の上限を超えると、斜め投影角度が大きくなりすぎるために、非常に広角のレンズが必要となり、良好な光学性能を達成するのが困難になる。また、スクリーン面(I2)に対する入射角度が大きくなりすぎるため、スクリーン面(I2)の表面反射による光のロスが大きくなる。逆に、条件式(1)の下限を超えると、斜め投影の度合いが小さくなる。つまり共軸系の投影に近づくことから、斜め投影による薄型化が困難になる。更に良好な光学性能を有し薄型でコンパクトなリアプロジェクション光学系を実現するためには、条件式(1)の下限を30、上限を50にして、それらの条件を満たすようにするのが好ましい。
【００３４】
条件式(2),(3)は、投影光学系の焦点距離とパネル表示面(I1)の画面対角線の長さとの比を規定しており、これらの比が投影画角を表している。つまり、比の値が大きいと画角が広く、小さいと画角が狭いことになる。条件式(2),(3)を満たすことにより、リアプロジェクション光学系の薄型化に必要な斜め投影を広い画角で実現することができる。条件式(2),(3)の上限を超えると、非常に広角なレンズを達成することと同等になるので収差補正が困難になり、良好な光学性能を得るのが困難になる。条件式(2),(3)の下限を超えると、画角が狭くなりすぎるので斜め投影角度を大きくとることができず、リアプロジェクション光学系の薄型化が困難になる。更に良好な光学性能を有し薄型でコンパクトなリアプロジェクション光学系を実現するためには、条件式(2),(3)の下限を0.70、上限を1.70にして、それらの条件を満たすようにするのが好ましい。
【００３５】
また結像光学系(PT)に関しては、以下の条件式(4)及び(5)を満足することが望ましい。
1.0＜fpx／Fx＜5.5 …(4)
1.0＜fpy／Fy＜5.5 …(5)
ただし、
fpx：結像光学系(PT)のx方向の焦点距離、
fpy：結像光学系(PT)のy方向の焦点距離、
fpx＝Δ／sinθpx
fpy＝Δ／sinθpy
であり、ここで、結像光学系(PT)の第１面に入射する画面中心光線の進む方向をz軸の方向とし、結像光学系(PT)の第１面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左手系の直交座標系(x,y,z)において、結像光学系(PT)に画面中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平行シフトした光線を入射させ、その光線が結像光学系(PT)の最終面から射出されるときに画面中心光線と成す角度をθpx，θpyとする。
【００３６】
条件式(4),(5)は、投影光学系と結像光学系(PT)との焦点距離比を規定している。この比は全体で広画角な投影光学系における結像光学系(PT)の画角の負担量を示しており、比の値が小さい場合には結像光学系(PT)の画角負担が大きく、逆に大きい場合には結像光学系(PT)の画角負担が小さいことを意味する。条件式(4),(5)の上限を超えると、結像光学系(PT)での画角負担が減る代わりに、第２ミラー(M2：曲面ミラー)の負のパワーを強くしなければならなくなる。その結果、第２ミラー(M2)での収差発生量が大きくなり、投影光学系全体で収差補正を行うことが困難になる。条件式(4),(5)の下限を超えると、結像光学系(PT)での画角負担が増えることになるが、結像光学系(PT)のみで非常に広画角な投影光学系を実現することは困難である。更に良好な光学性能を得るには、条件式(4),(5)の下限を1.5、上限を4.5にして、それらの条件を満たすようにするのが好ましい。例えば、以下の条件式(4a)及び(5a)を満足することが望ましい。
1.5≦fpx／Fx＜5.5  …(4a)
1.5≦fpy／Fy＜5.5  …(5a)
【００３７】
また結像光学系(PT)と第２ミラー(M2)に関しては、以下の条件式(6)及び(7)を満足することが望ましい。
-1.5＜fpx／fnx＜-0.03 …(6)
-1.5＜fpy／fny＜-0.03 …(7)
ただし、
fpx：結像光学系(PT)のx方向の焦点距離、
fpy：結像光学系(PT)のy方向の焦点距離、
fnx：第２ミラー(M2：曲面ミラー)のx方向の焦点距離、
fny：第２ミラー(M2：曲面ミラー)のy方向の焦点距離、
fpx＝Δ／sinθpx
fpy＝Δ／sinθpy
fnx＝Δ／sinθnx
fny＝Δ／sinθny
であり、ここで、結像光学系(PT)の第１面に入射する画面中心光線の進む方向をz軸の方向とし、結像光学系(PT)の第１面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左手系の直交座標系(x,y,z)において、結像光学系(PT)に画面中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平行シフトした光線を入射させ、その光線が結像光学系(PT)の最終面から射出されるときに画面中心光線と成す角度をθpx，θpyとし、また、曲面ミラー(M2)の反射面に入射する画面中心光線の進む方向をz軸の方向とし、曲面ミラー(M2)の反射面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左手系の直交座標系(x,y,z)において、曲面ミラー(M2)に画面中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平行シフトした光線を入射させ、その光線が曲面ミラー(M2)の反射面から射出されるときに画面中心光線と成す角度をθnx，θnyとする。
【００３８】
条件式(6),(7)は、結像光学系(PT)と曲面ミラー(M2)との焦点距離比を規定しており、条件式(6),(7)の上限を超えると曲面ミラー(M2)のパワーが強くなり、条件式(6),(7)の下限を超えると結像光学系(PT)のパワーが強くなる。条件式(6),(7)の上限を超えると曲面ミラー(M2)のパワーが強くなりすぎるが、曲面ミラー(M2)はただ１つの面なので、非常に強いパワーを有すると当然非常に大きな収差が発生することになる。これを結像光学系(PT)で補正することは困難である。逆に、条件式(6),(7)の下限を超えると、結像光学系(PT)のパワーが非常に強くなるため、レンズ枚数が少ないと収差の発生量が大きくなる。したがって、多くのレンズ枚数が必要になる。条件式(6),(7)を満たすように２つのブロックの焦点距離比(つまりパワー比)をうまく調整すれば、少ないレンズ枚数で良好な光学性能を得ることができる。また、条件式(6),(7)の下限を-1.0、上限を-0.1にして、それらの条件を満たすようにするのが好ましく、それによって更に少ないレンズ枚数で良好な光学性能を得ることができる。同様の観点から、以下の条件式(6a)及び(7a)を満足することが更に好ましい。
-1.5＜fpx／fnx≦-0.115  …(6a)
-1.5＜fpy／fny≦-0.051  …(7a)
【００３９】
また、以下の条件式(8)を満足することが望ましい。
1.0＜(d2×cosθ)／d1＜3.0 …(8)
ただし、
d1：結像光学系(PT)の最終面から第２ミラー(M2：曲面ミラー)までの画面中心光線の光路長、
d2：第２ミラー(M2：曲面ミラー)からスクリーン面(I2)までの画面中心光線の光路長、
である。
【００４０】
条件式(8)は、スクリーン面(I2)から第２ミラー(M2)までの距離と第２ミラー(M2)から結像光学系(PT)までの距離との比を規定している。スクリーン面(I2)から第２ミラー(M2)までの距離はプロジェクション光学系の厚み方向の長さの約２倍であり、第２ミラー(M2)から結像光学系(PT)までの距離はプロジェクション光学系の厚み方向の長さと略同じである。したがって、第２ミラー(M2)で光線が一度反射してスクリーン面(I2)に到達する構成と、透過型の結像光学系(PT)から第２ミラー(M2)までに十分な距離を有する構成と、でリアプロジェクション光学系の薄型化を有効に行うためには、その距離のおおよその比が1.5〜2倍程度であれば、薄型でアゴ下の小さなリアプロジェクション光学系を実現することができる。
【００４１】
光路を折り曲げるためのスペースをうまくとるには、第２ミラー(M2)から結像光学系(PT)までの距離をある程度確保する必要があるが、条件式(8)の上限を超えると、その距離と比べて第２ミラー(M2)からスクリーン面(I2)までの距離が大きくなってしまうため、リアプロジェクション光学系の薄型化が困難になる。逆に、条件式(8)の下限を超えると、第２ミラー(M2)から結像光学系(PT)までの距離が大きくなりすぎてしまうため、第２ミラー(M2)が過度に大型化することになる。更に薄型で第２ミラー(M2)も小さなリアプロジェクション光学系を実現するためには、条件式(8)の下限を1.3、上限を2.2にして、それらの条件を満たすようにするのが好ましい。
【００４２】
アゴ下のサイズに関しては、以下の条件式(9)を満足することが望ましい。
0.2＜UL／H＜0.6 …(9)
ただし、
UL：アゴ下の長さ、
H：スクリーン面(I2)に入射する画面中心光線とスクリーン面(I2)の法線とが成す平面に対して平行方向のスクリーン面(I2)の大きさ(各実施の形態では短辺長さに相当する。)、
である。
【００４３】
各実施の形態のように斜め投影光学系を用いた場合には、そのリアプロジェクション光学系に適したスクリーンを用いることが望ましい。通常、リアプロジェクションＴＶ等には、入射側からフレネルレンズ，レンチキュラー，ブラックマトリックスの順に配置されたスクリーンが用いられる。斜め投影の場合にはスクリーン面(I2)の画面中心に角度のついた光線が入射するので、図２６に示すように投影光の入射側に平面部(FA)を有する偏心したフレネルレンズ(FL)を用いるか{図中、フレネルレンズ(FL)以外は省略。}、あるいは全反射プリズムアレイと通常のフレネルレンズとを組み合わせた構成のスクリーンを用いるのが望ましい。図２６に示す配置とは逆に、投影光の入射側にフレネル部(FB)が位置すると、ケラレが発生することになる。
【００４４】
図２６に示す方式では、フレネルのピッチごとに光線が途切れたように見えてしまうので、その影響を小さくするために、スクリーン面(I2)上に表示される画素の大きさよりもフレネルのピッチを十分に細かくすることが望ましい。具体的には、[フレネルのピッチ]／[スクリーンの画素]＜0.5の条件を満たすことが望ましく、[フレネルのピッチ]／[スクリーンの画素]＜0.3の条件を満たすことが更に望ましい。例えば、50インチ(対角)程度のスクリーン面(I2)にＸＧＡ(extended graphics array)相当の画面を表示させる場合には、画素の大きさが約1mmになるので、フレネルのピッチが約0.2mmのスクリーンを用いれば上記問題を解消することができる。
【００４５】
各実施の形態において第２ミラー(M2)として用いられている曲面ミラーの基板材料としては、プラスチック{ＰＭＭＡ(polymethyl methacrylate)，ＰＣ(polycarbonate)，ポリオレフィン系樹脂等}が好ましく、そのプラスチック基板にアルミニウムや銀を蒸着することにより増反射コートを施したものを用いることが好ましい。通常の反射ミラーはフロートガラス上に反射コートが施されたものであるが、フロートガラスは面精度が悪いため、光学的なパワーを有する曲面ミラーには適していない。したがって、曲面ミラーの基板材料としては、ガラスモールドやプラスチックモールドといった、高精度のものを用いることが望ましい。なかでもプラスチックモールドは、材料のコスト等からみてもガラスモールドと比較して低コストであるため好適である。
【００４６】
各実施の形態のように複数の反射ミラーで光路を折り曲げる光学構成では、光路の折り曲げ方向に光線が重ならないようにする必要がある。しかし、折り曲げの余裕を多くとるのは光学性能上好ましくない。折り曲げによる非軸度合いが大きくなるからである。折り曲げる方向の光の幅を小さくすれば、良好な光学性能を達成することが可能である。折り曲げる方向の光の幅を小さくするには、絞り(ST)形状を楕円形にするのが望ましい。つまり、折り曲げる方向の絞り径を小さくし、それと直交する方向の絞り径を大きくすればよい。このような楕円絞りを用いれば、絞り(ST)全体の面積(つまり明るさ)を変えずに、良好な光学性能を有する(つまり折り曲げによる非軸度合いが小さい)リアプロジェクション光学系を達成することができる。
【００４７】
液晶パネルのように入射角度によって特性に違いがある表示パネルを用いる場合には、前述の投影光学系をパネル表示面(I1)側にテレセントリックにすることが望ましい。しかし、光学性能を向上させるにはテレセントリックな状態からずらした方が良い。そこで、非テレセントリック光学系においてパネル表示面(I1)の前にコンデンサーレンズを配置することで、パネル表示面(I1)に対してはテレセントリックになるようにしてもよい。また、反射型の表示パネルを用いるとともにＰＢＳ無しに光束分離を行う場合、入射光線と反射光線とを角度分離するために、折り返し方向のＦナンバーで決まる角度以上に入射光線をパネル表示面(I1)に対して傾ける必要がある。そのときには、いわゆる斜めテレセントリック{パネル表示面(I1)の全領域に対してほぼ同じ入射角度で斜めに入射する}の構成にするのが好ましい。斜めテレセントリックにすれば、上述した液晶の角度特性に違いは生じない。また、斜めテレセントリックを達成するために、パネル表示面(I1)の前に(必要に応じて偏心させた)コンデンサーレンズを配置してもよい。
【００４８】
【実施例】
以下、本発明を実施したリアプロジェクション光学系の構成を、コンストラクションデータ，スポットダイアグラム等を挙げて、更に具体的に説明する。ここで例として挙げる実施例１〜５は、前述した第１〜第５の実施の形態にそれぞれ対応しており、各実施の形態を表す図(図１〜図３，図６〜図８，図１１〜図１３，図１６〜図１８，図２１〜図２３)は、対応する各実施例の光学構成等をそれぞれ示している。
【００４９】
表１，表４，表７，表９及び表１２は、各実施例におけるパネル表示面(I1)からスクリーン面(I2)までのコンストラクションデータを縮小側から順に示すと共に、パネル表示面(I1)の大きさ(mm)，スクリーン面(I2)の大きさ(mm)及びＦナンバー(FNO)を、画面横(長辺)方向と画面縦(短辺)方向とにそれぞれ対応させて示している。各コンストラクションデータにおいて、si(i=0,1,2,3,...)はパネル表示面(I1)から数えてi番目の面であり、CRはその面(si)の曲率半径(mm)である。また、Ｎd,νdは面(si)と面(si+1)との間に位置する媒質のｄ線に対する屈折率,アッベ数をそれぞれ示している(AIR：空気)。
【００５０】
各面siのデータは、左手系の直交座標系(X,Y,Z)に基づいて示されており、パネル表示面(I1；長辺方向：X軸方向，短辺方向：Y軸方向)の中心位置を原点(0,0,0)とする面頂点座標(mm)で、面siの位置(X座標,Y座標,Z座標)を表しており、面頂点を中心とするX,Y,Zの各方向の軸回りの回転角(°)で、パネル表示面(I1)を基準とする面siの傾き(X回転,Y回転,Z回転)を表している(回転の順序はX回転,Y回転,Z回転である。)。ただし、X回転ではY軸からZ軸への回転方向(X軸の正側に向かって反時計回り)を正とし、Y回転ではZ軸からX軸への回転方向(Y軸の正側に向かって反時計回り)を正とし、Z回転ではY軸からX軸への回転方向(Z軸の正側に向かって時計回り)を正とする。
【００５１】
また曲率半径CRの欄において、ASPが記載されている面siは軸対称非球面、AASが記載されている面siはアナモルフィック非球面、XYPが記載されている面siは自由曲面である。これらの面siの面頂点を原点とするローカルな直交座標系(x,y,z)を考えた場合、軸対称非球面の面形状は以下の式(ASP)で定義され、アナモルフィック非球面の面形状は以下の式(AAS)で定義され、自由曲面の面形状は以下の式(XYP)で定義される。この直交座標系(x,y,z)におけるx,y,z方向は直交座標系(X,Y,Z)におけるX,Y,Z方向とそれぞれ一致している。したがって、以下の各式で規定される面形状は、各回転によって傾く前の面siの状態を表していることになる。表２，表３；表５，表６；表８；表１０，表１１；表１３に、各実施例における軸対称非球面データ，アナモルフィック非球面データ及び自由曲面データを示す。また、表１４に各実施例の条件式対応値及び関連データを示す。
【００５２】
z＝(C・h2)／[1+√{1-C2・h2}]＋(A4・h4+A6・h6+A8・h8+A10・h10+A12・h12) …(ASP)
z＝(Cx・x2+Cy・y2)／[1+√{1-(1+Kx)Cx2・x2-(1+Ky)Cy2・y2}]＋[Ar{(1-Ap)x2+(1+Ap)y2}2+Br{(1-Bp)x2+(1+Bp)y2}3+Cr{(1-Cp)x2+(1+Cp)y2}4+Dr{(1-Dp)x2+(1+Dp)y2}5] …(AAS)
【数１】
0004453154.tif 000002
【００５３】
ただし、
z：高さhの位置でのz軸方向の基準面からの変位量(sag)、
h：z軸に対して垂直な方向の高さ(h2=x2+y2)、
C：近軸曲率(曲率半径CRの逆数)、
Cx：x方向の近軸曲率(x方向の曲率半径CRxの逆数)、
Cy：y方向の近軸曲率(y方向の曲率半径CRyの逆数)、
A4,A6,A8,A10,A12：4次,6次,8次,10次,12次の非球面係数、
K：コーニック定数、
Kx：x方向のコーニック定数、
Ky：y方向のコーニック定数、
C(m,n)：自由曲面係数、
Ar,Br,Cr,Dr：円錐からの4次,6次,8次,10次の変形係数の回転対称成分、
Ap,Bp,Cp,Dp：円錐からの4次,6次,8次,10次の変形係数の非回転対称成分、
である。
【００５４】
各実施例の光学性能をスポットダイアグラム(図４，図９，図１４，図１９，図２４)と歪曲図(図５，図１０，図１５，図２０，図２５)でそれぞれ示す。スポットダイアグラムはスクリーン面(I2)での結像特性(mm)をｄ線，ｇ線及びｃ線の３波長について示しており、歪曲図はパネル表示面(I1)での長方形状網目に対応するスクリーン面(I2)での光線位置(mm)を示している。歪曲図中、D1(実線)が実施例の歪曲格子であり、D0(点線)がアナモ比を考慮した理想像点の格子(歪曲無し)である。
【００５５】
パネル表示面(I1)の画面長辺方向にx軸をとり、パネル表示面(I1)の画面短辺方向にy軸をとった場合、各物高(FIELD POSITION，mm)はパネル表示面(I1)の画面中心を原点とするローカルな座標(x,y)で表される。また、スクリーン面(I2)の画面長辺方向にx'軸をとり、スクリーン面(I2)の画面短辺方向にy'軸をとった場合、各像高(mm)はスクリーン面(I2)の画面中心を原点とするローカルな座標(x',y')で表される。したがって、各歪曲図はx'-y'平面に対して垂直方向から見たスクリーン面(I2)上での実際の像の歪曲状態(ただしx'の負側のみ)を示していることになる。なお、スポットや歪曲が画面の片側についてのみ表示されているのは、各実施例が光学的に左右対称だからである。
【００５６】
【表１】
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【００５７】
【表２】
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【００５８】
【表３】
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【００５９】
【表４】
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【００６０】
【表５】
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【００６１】
【表６】
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【００６２】
【表７】
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【００６３】
【表８】
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【００６４】
【表９】
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【００６５】
【表１０】
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【００６６】
【表１１】
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【００６７】
【表１２】
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【００６８】
【表１３】
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【００６９】
【表１４】
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【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、良好な光学性能を有しながらコンパクトで薄型のリアプロジェクション光学系を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態(実施例１)のリアプロジェクション光学系を示す斜視図。
【図２】第１の実施の形態(実施例１)において第１ミラーがない場合の光路等を示す光学構成図。
【図３】第１の実施の形態(実施例１)を構成している投影光学系等を示す光学構成図。
【図４】実施例１のスポットダイアグラム。
【図５】実施例１の歪曲図。
【図６】第２の実施の形態(実施例２)のリアプロジェクション光学系を示す斜視図。
【図７】第２の実施の形態(実施例２)において第１ミラーがない場合の光路等を示す光学構成図。
【図８】第２の実施の形態(実施例２)を構成している投影光学系等を示す光学構成図。
【図９】実施例２のスポットダイアグラム。
【図１０】実施例２の歪曲図。
【図１１】第３の実施の形態(実施例３)のリアプロジェクション光学系を示す斜視図。
【図１２】第３の実施の形態(実施例３)において第１ミラーがない場合の光路等を示す光学構成図。
【図１３】第３の実施の形態(実施例３)を構成している投影光学系等を示す光学構成図。
【図１４】実施例３のスポットダイアグラム。
【図１５】実施例３の歪曲図。
【図１６】第４の実施の形態(実施例４)のリアプロジェクション光学系を示す斜視図。
【図１７】第４の実施の形態(実施例４)において第１ミラーがない場合の光路等を示す光学構成図。
【図１８】第４の実施の形態(実施例４)を構成している投影光学系等を示す光学構成図。
【図１９】実施例４のスポットダイアグラム。
【図２０】実施例４の歪曲図。
【図２１】第５の実施の形態(実施例５)のリアプロジェクション光学系を示す斜視図。
【図２２】第５の実施の形態(実施例５)において第１ミラーがない場合の光路等を示す光学構成図。
【図２３】第５の実施の形態(実施例５)を構成している投影光学系等を示す光学構成図。
【図２４】実施例５のスポットダイアグラム。
【図２５】実施例５の歪曲図。
【図２６】各実施の形態に適したスクリーンの要部構成及び光路を示す図。
【図２７】従来例の概略構成を示す模式図。
【符号の説明】
I1  …パネル表示面
I2  …スクリーン面
PT  …結像光学系(投影光学系の一部)
ST  …絞り
M1  …第１ミラー(平面ミラー)
M2  …第２ミラー(曲面ミラー，投影光学系の一部)
M3  …第３ミラー(対向ミラー)
【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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