(57)【要約】【課題】  広角角化を可能とし、投写面（スクリーン）までの位置が変更しても歪みを最小限に抑え、かつ、その製造も容易な投写光学ユニットを提供する。【解決手段】  映像表示素子１に表示された映像を拡大して投写面に投写する投写光学ユニットは、複数の投写用レンズを含んで構成されるレンズ光学系２、３と、レンズ光学系からの出射光を反射してスクリーン５上に傾斜して投写する反射系を構成する反射ミラー５とを備えており、レンズ光学系を構成する後方レンズ群３は回転非対称の自由曲面の形状を有する複数のレンズ３１、３２を備えており、かつ、反射ミラー５は、その一部が反射方向に凸形状の回転非対称の凸面反射ミラーから構成されている。【選択図】  図１
2007322811.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像表示素子に表示された映像を拡大して投写面に投写する投写用光学系であって、
前記映像表示素子に隣接して配置され、かつ、複数の投写用レンズを含んで構成されるレンズ群と；
前記レンズ群からの出射光を反射して前記投写面上に傾斜して投写する反射ミラーとを備えており、
前記レンズ群は、前記映像表示素子から投写面に向かってその後方に配置され、
回転非対称の自由曲面の形状を有する複数のレンズを備えており、かつ、前記レンズ群からの出射光を反射する前記反射ミラーは、その一部が反射方向に凸形状の回転非対称の凸面反射ミラーであることを特徴とする投写光学ユニット。
【請求項２】
前記請求項１に記載の投写光学ユニットにおいて、前記レンズ群は、回転対称な面形状を有する正のパワーを有する複数の屈折レンズを含む前方レンズ群と、前記回転非対称の自由曲面の形状を有する複数のレンズを含む後方レンズ群とを備えていることを特徴とする投写光学ユニット。
【請求項３】
前記請求項２に記載の投写光学ユニットにおいて、前記後方レンズ群は、更に、回転対称な面形状を有する負のパワーを有する屈折レンズを含んでおり、かつ、前記後方レンズ群は、前記前方レンズ群に対して、光軸方向に移動可能になっていることを特徴とする投写光学ユニット。
【請求項４】
前記請求項１に記載の投写光学ユニットにおいて、前記後方レンズ群を構成する回転非対称の自由曲面の形状を有する複数のレンズの一部は、前記投写面の下端部に入射する光線が通過する部分の曲率を、前記投写面の上端部に入射する光線が通過する部分の曲率よりも大きく形成されていることを特徴とする投写光学ユニット。
【請求項５】
前記請求項１に記載の投写光学ユニットにおいて、前記後方レンズ群は、前記非対称レンズの他に、少なくとも一つの回転対称の球面レンズと、少なくとも一つの回転対称の非球面レンズを含むことを特徴とする投写光学ユニット。
【請求項６】
前記請求項１に記載の投写光学ユニットにおいて、前記凸面反射ミラーは、前記投写面の下端部に入射する光線を反射する部分の曲率が、前記スクリーンの上端に入射する光線を反射する部分の曲率よりも大きく形成されていることを特徴とする投写光学ユニット。
【請求項７】
前記請求項１に記載の投写光学ユニットにおいて、前記凸面反射ミラーは、前記スクリーンの下端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に対し凸の形状を為し、前記スクリーンの上端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に凹の形状を為すこと特徴とする投写光学ユニット。
【請求項８】
前記請求項１に記載の投写光学ユニットにおいて、画面中央光線と当該画面中央光線が入射する位置における前記投写面の法線とを含む平面内において、前記反射ミラーの反射面から前記投写面の上端に入射する光線の経路の距離をＬ１、前記反射ミラーの反射面から前記投写面の下端に入射する光線の経路の距離をＬ２、前記投写面での画面の上端から下端までの距離をＤｖ、前記画面中央光線と前記投写面の法線との成す角度をθｓとしたとき、次の式を満足するように形成されていることを特徴とする投写光学ユニット。
｜Ｌ１−Ｌ２｜＜１．２＊ｓｉｎθｓ＊Ｄｖ
【請求項９】
請求項１に記載の投写光学ユニットにおいて、前記レンズ群のほぼ光軸上に配置された前記映像表示素子の表示面中央の法線を、前記レンズ群の光学系の光軸に対して傾けることを特徴とする投写光学ユニット。
【請求項１０】
請求項９に記載の投写光学ユニットにおいて、前記映像表示素子の法線を、前記レンズ群の光学系の光軸に対する傾斜角を−１．１６３度としたことを特徴とする投写光学ユニット。
【請求項１１】
請求項２に記載の投写光学ユニットにおいて、画面中央光線が前記投写面に向かう経路上における、前記レンズ群の最終面から前記反射ミラー反射面に至るまでの光路長が、前記レンズ群の前記前方レンズ群の焦点距離の５倍又はそれ以上であることを特徴とする投写光学ユニット。
【請求項１２】
筐体内に映像表示素子と共に、前記請求項１〜１１の何れか一項に記載された投写光学ユニットを備えたことを特徴とする投写型映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、映像表示素子の画像を拡大してスクリーンなどの透写面上に投写して画像表示を行うための投写光学ユニット、特に、フロント透写型の映像表示装置に適した投写光学ユニットに関し、更には、かかる投写光学ユニットを用いた投写型映像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
映像表示素子の画像を、複数のレンズから構成される投写光学ユニットを介してスクリーン（透写面）上に拡大して投写するカラー映像表示装置においては、スクリーン上で充分な大きさの拡大映像を、歪みなく得ることが要求される。これを実現するため、例えば下記の特許文献１〜２に記載されているように、投影画面を投影系の光軸に対して垂直方向にシフトすると共に、やはり投影系の光軸に対して所定の角度傾けて配置された付加光学系とを用いて、映像をスクリーンに対して斜め方向に拡大投影する投影装置又は光学系が既に知られている。なお、ここで言う付加光学系（アフォーカルコンバータ）とは、投影像の大きさを変換する作用を有する光学系であり、スクリーンに対する斜め方向からの透写に伴う投影像の歪を補正・低減して長方形の投影像を得るためのものである。
【０００３】
また、上記のレンズ（透過系光学素子）に代えて複数の反射鏡（反射系光学素子）を用い、映像表示素子の画像をスクリーン（透写面）上に拡大して投写する反射型結像光学系は、例えば下記の特許文献３により、既に、知られている。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１３４２１３号公報
【特許文献２】特開２０００−１６２５４４号公報
【特許文献３】特開２００４−１５７５６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
即ち、映像をスクリーンに対して斜め方向から投写すると、投写映像には、所謂、台形歪みが生じる。これを解消するために、上記特許文献１に記載の投写光学ユニットでは、スクリーン側に配置された付加光学系（アフォーカルコンバータ）を偏心させて台形歪み抑える構成としている。しかしながら、かかる偏心付加光学系を構成するレンズは、倍率が低いため広角化が困難であり、そのため、必要な倍率の投影像を得るためには、透写装置からスクリーンまでの距離が大きくなってしまい、また、投影画面と投影系との間の距離も大きくなってしまい、装置が大きく（特に、光学ユニットの光軸方向の長さ）なってしまうという問題点がある。加えて、上述した偏心付加光学系を構成するレンズとしては、口径の大きな付加光学系が必要となるが、それに伴って、透写光学ユニットのコスト上昇の原因となってしまう。
【０００６】
また、上記特許文献２に記載の投写光学ユニットにおいても、上記特許文献１と同様に、倍率が低いため広角化が困難であり、使用するレンズを個別に偏心させる必要があるため、その製造が難しく、加えて、やはり口径の大きな付加光学系が必要となり、透写光学ユニットのコスト上昇の原因となってしまう。
【０００７】
一方、上記特許文献３に記載の反射型結像光学系においては、従来の透過型の結像光学系（レンズ系）に代えて反射光学系（反射鏡）を利用することにより、結像光学系の大型化を抑え且つ広画角化を図るものではある。しかしながら、反射鏡での光の偏心（偏向）量は大きなことから、特に、装置内において、その傾斜角度も含めて複数の反射鏡を正確な位置に配置することは難しく、また、振動によっても容易に反射鏡の傾斜角度等が変化してしまうことから、その製造が極めて難しいという問題点があった。
【０００８】
そこで、本発明では、上記従来技術における問題点に鑑み、装置が大きくすることなく広角角化を可能とすると共に、その製造も比較的容易な投写光学ユニット及びそれを用いた投写型映像表示装置を提供することを目的とする。即ち、口径の大きな付加光学系を必要とすることなく、かつ、台形歪みが生じず、投写形表示装置自体を、単に奥行きだけでなく、よりコンパクトな外形寸法とするのに好適な技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明では、上記の目的を達成するため、まず、映像表示素子に表示された映像を拡大して投写面に投写する投写用光学系であって、前記映像表示素子に隣接して配置され、かつ、複数の投写用レンズを含んで構成されるレンズ群と；前記レンズ群からの出射光を反射して前記投写面上に傾斜して投写する反射ミラーとを備えており、前記レンズ群は、前記映像表示素子から投写面に向かってその後方に配置され、回転非対称の自由曲面の形状を有する複数のレンズを備えており、かつ、前記レンズ群からの出射光を反射する前記反射ミラーは、その一部が反射方向に凸形状の回転非対称の凸面反射ミラーである投写光学ユニットが提供される。
【００１０】
また、本発明によれば、前記に記載の投写光学ユニットにおいて、前記レンズ群は、回転対称な面形状を有する正のパワーを有する複数の屈折レンズを含む前方レンズ群と、前記回転非対称の自由曲面の形状を有する複数のレンズを含む後方レンズ群とを備えていることが、更には、前記後方レンズ群は、更に、回転対称な面形状を有する負のパワーを有する屈折レンズを含んでおり、かつ、前記後方レンズ群は、前記前方レンズ群に対して、光軸方向に移動可能になっていることが好ましい。
【００１１】
更に、本発明によれば、前記に記載の投写光学ユニットにおいて、前記後方レンズ群を構成する回転非対称の自由曲面の形状を有する複数のレンズの一部は、前記投写面の下端部に入射する光線が通過する部分の曲率を、前記投写面の上端部に入射する光線が通過する部分の曲率よりも大きく形成されていることが好ましく、あるいは、前記後方レンズ群は、前記非対称レンズの他に、少なくとも一つの回転対称の球面レンズと、少なくとも一つの回転対称の非球面レンズを含むことが好ましい。
【００１２】
また、本発明によれば、前記に記載の投写光学ユニットにおいて、前記凸面反射ミラーは、前記投写面の下端部に入射する光線を反射する部分の曲率が、前記スクリーンの上端に入射する光線を反射する部分の曲率よりも大きく形成されていることが好ましく、又は、前記凸面反射ミラーは、前記スクリーンの下端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に対し凸の形状を為し、前記スクリーンの上端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に凹の形状を為すことが好ましい。
【００１３】
加えて、本発明によれば、前記に記載の投写光学ユニットにおいて、画面中央光線と当該画面中央光線が入射する位置における前記投写面の法線とを含む平面内において、前記反射ミラーの反射面から前記投写面の上端に入射する光線の経路の距離をＬ１、前記反射ミラーの反射面から前記投写面の下端に入射する光線の経路の距離をＬ２、前記投写面での画面の上端から下端までの距離をＤｖ、前記画面中央光線と前記投写面の法線との成す角度をθｓとしたとき、次の式を満足するように形成されていることが好ましい。
｜Ｌ１−Ｌ２｜＜１．２＊ｓｉｎθｓ＊Ｄｖ
更に、本発明によれば、前記に記載の投写光学ユニットにおいて、前記レンズ群のほぼ光軸上に配置された前記映像表示素子の表示面中央の法線を、前記レンズ群の光学系の光軸に対して傾けることが好ましく、特に、その傾斜角度を−１．１６３度にすることが好ましい。又は、前記記載の透写用光学系において、画面中央光線が前記投写面に向かう経路上における、前記レンズ群の最終面から前記反射ミラー反射面に至るまでの光路長が、前記レンズ群の前記前方レンズ群の焦点距離の５倍又はそれ以上であることが好ましい。
【００１４】
そして、本発明によれば、やはり上記の目的を達成するため、筐体内に映像表示素子と共に、前記に記載された投写光学ユニットを備えた投写型映像表示装置が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
以上の本発明によれば、口径の大きな付加光学系を必要とすることなく、広角角化を可能とすると共に、投写面（スクリーン）までの位置が変更しても歪みを最小限に抑え、かつ、その製造も比較的容易な投写光学ユニットを提供すると共に、それを利用して、性能の良好で、かる、よりコンパクトな外形寸法の投写型映像表示装置装置を実現することを可能とするという優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。
まず、図１は本発明による投写光学ユニットの基本的な光学構成を示す断面図であり、光学系の構成をＸＹＺ直交座標系（図中に矢印で示す）におけるＹＺ断面で示している。
【００１７】
この図１に示すように、本発明になる投写光学ユニットは、光源８からの光を入射して所望の映像を射出する画像表示素子１とプリズム１０、前方レンズ群２と後方レンズ群３とを含む２つのレンズ群から構成される透過（レンズ）光学系と、そして、回転対称でない（即ち、非回転対称）の自由曲面形状の反射面を有する反射鏡（以下、自由曲面ミラーと言う）４を含む反射光学系とによって構成される。
【００１８】
ここでは、上記画像表示素子１として、例えば、液晶パネルに代表される透過型のものを採用した例を示しているが、本発明では、これに限らず、例えば、ＣＲＴのような自発光型のものでもよい。また、上記画像表示素子１として、例えば上述した液晶パネルなどの透過型のものを採用する場合には、液晶パネルを照射する光源８となるランプが必要となる。また、当該液晶パネルとして、所謂、３板式のように、Ｒ、Ｇ、Ｂの複数の画像を合成する方式でもよく、その場合には、映像合成用のプリズム等が必要となる。しかしながら、これら液晶パネルの詳細やこれを照射する光源８となるランプ等については、後に説明することとし、ここでは直接的に関係しないため、その図示は省略している。一方、ＣＲＴのような自発光型のものでは、上記光源８は必要としないことは明らかであろう。
【００１９】
以上のような構成になる本発明の投写光学ユニットでは、上記画像表示素子１からプリズム１０を介して射出した光は、まず、レンズ光学系を構成する前方レンズ群２に入射される。なお、後にもその詳細を説明するが、この前方レンズ群２は、回転対称な面形状を有する、正のパワー及び負のパワーを有する複数の屈折レンズを含んで構成されている。その後、この前方レンズ群２から射出した光は、少なくとも一方の面が回転対称でない（回転非対称の）自由曲面の形状を有する複数（本例では２枚）のレンズを含めた複数のレンズから構成される後方レンズ群３を通過する。そして、この後方レンズ群３から射出した光は、更に、回転対称でない自由曲面形状の反射面を有する反射鏡（以下、自由曲面ミラーと言う）４を含む反射光学系で拡大反射された後、所定のスクリーン５（例えば、部屋の壁面やシート状のスクリーン等）上に投写されることとなる。
【００２０】
なお、本実施形態では、図１からも明らかなように、従来技術（特に、特許文献１や２）のように投影画面（表示素子）を投影系の光軸に対して垂直方向にシフトし、更には、投影系の光軸に対して所定の角度傾けて付加光学系を配置する光学系とは異なり、上記画像表示素子１は、その表示画面の中央がレンズ光学系のほぼ光軸上に位置するように配置されている（即ち、共軸光学系を形成している）。従って、上記画像表示素子１の表示画面の中央から出てレンズ光学系の入射瞳の中央を通ってスクリーン５上の画面中央に向かう光線１１は、ほぼ、レンズ光学系（上記前方レンズ群２と後方レンズ群３を含む）の光軸に沿って進む（以下、これを画面中央光線という）。その後、この画面中央光線１１は、上記反射光学系（自由曲面ミラーを含む）の自由曲面形状を有する反射面４上の点Ｐ２で反射された後、スクリーン５上の画面中央の点Ｐ５に、スクリーンの法線７に対して下方から斜めに入射する。この角度を以下、「斜め入射角度」と称し、θｓで表わすこととする。このことはすなわち、前記レンズ光学系の光軸に沿って通過した光線がスクリーンに対して斜めに入射していることで、実質的にレンズ光学系の光軸がスクリーンに対して斜めに設けられている（斜め入射系となる）ことになる。
【００２１】
なお、上述したように、スクリーンに対して光線を斜めに入射すると、上記画像表示素子１から投写された長方形の形状が台形になる、所謂、台形歪を含め、その他にも、光軸に対して回転対称でないことによる種々の収差が生じることとなるが、本発明では、これを前記レンズ光学系を構成する後方レンズ群３と、そして、前記反射光学系の反射面とで補正するものである。
【００２２】
特に、上記画像表示素子１から投写された光線を、前記反射光学系を構成する反射鏡４の反射面で反射してスクリーン５上に、斜めに入射することによれば、レンズ光学系を構成するレンズにより得られ光の偏心量（偏向角）に比較し、より大きな偏心量（偏向角）が得られ、また、収差も生じ難くいことから、装置の大型化を抑え、且つ、広画角化を図ることが可能となる。即ち、上記前方レンズ群２と後方レンズ群３を含むレンズ光学系を、上述した従来技術の（特に、特許文献１や２）付加光学系（アフォーカルコンバータ）を偏心させて台形歪み抑える構成に比較し、より口径の小さな光学系として構成することが可能となる。
【００２３】
また、上記反射光学系を構成する反射鏡４の反射面に入射する光を、上述したように、前記レンズ光学系により所定の大きさまで拡大して投射することから、従来の反射鏡だけで拡大投射系を構成する構造（特許文献３）に比較して、その製造が容易となる。即ち、レンズ光学系を反射光学系とは個別に製造し、その後、装置筐体内において、これら両者の位置を固定調整することにより、特に、量産に適した構成となる。また、上記のように、台形歪等を補正するための後方レンズ群３を、前記前方レンズ群２の前方に配置する構成によれば、この後方レンズ群３と前方レンズ群２との間の間隔を小さくして配置することが可能となることから、当該投写光学ユニットを搭載する装置を全体的にコンパクトとすることができ、特に、スクリーンの下部での高さを小さく出来るという好適な効果が得られる。
【００２４】
このように、自由曲面形状を有する透過型のレンズ光学系と、自由曲面形状を有する反射光学系とを組み合わせることによれば、特に、フロント透写型の映像表示装置に適した場合、フロント透写型において強く要求される広画角化を、確実かつ比較的容易に、かつ、装置全体を小さくしたコンパクトな光学系として実現することが可能となる。
【００２５】
次に、添付の図２及び図３には、反射光学系を含む上記投写光学ユニットにおける光学素子のレンズ面が示されている。即ち、図２は上記投写光学ユニットの斜視図であり、図３はその垂直方向断面（図３（ａ））、及びその水平方向断面（図３（ｂ））をそれぞれ示している。
【００２６】
これらの図にも示されるように、レンズ光学系では、映像表示素子１からプリズム１０を介して出射される映像は、まず、回転対称形状を有する複数のレンズを含む前方レンズ群２に入射される。上述したように、前方レンズ群２は、回転対称の球面レンズと非球面レンズとを含んでいる。又は、後に図５や図６に示すように、途中に折り曲げミラーを配置して光線を直角に折り曲げてもよい。
【００２７】
また、後方レンズ群３は、少なくとも２つの自由曲面レンズで構成されている。これらの図にも示すように、反射鏡４の反射面Ｓ２２に最も近い自由曲面レンズ３１は、その光の射出方向に凹を向けており、かつ、前記スクリーンの下端に入射する光線が通過する部分の曲率が、前記スクリーンの上端に入射する光線が通過する部分の曲率よりも大きく設定されている。即ち、自由曲面レンズとは、その光の射出方向に凹を向けて湾曲されており、かつ、スクリーンの下端に入射する光線が通過する部分の曲率が、前記スクリーンの上端に入射する光線が通過する部分の曲率よりも大きい形状を有するものとする。
【００２８】
また、本実施形態では、次の条件を満たすように構成されている。即ち、上記の図１に示す断面内において、上記画像表示素子１の画面下端から射出されて前方レンズ群２の入射瞳の中央を通り、スクリーン５の画面上端の点Ｐ６に入射する光線を光線１２とする。この光線１２が自由曲面ミラー４を通過する点Ｐ３からスクリーン上の点Ｐ６にまで至る光路長をＬ１とする。また、上記画像表示素子１の画面上端から射出されて前方レンズ群２の入射瞳の中央を通り、スクリーン５の画面下端の点Ｐ４に入射する光線を光線１３とする。この光線１３が自由曲面ミラー４を通過する点Ｐ１からスクリーン上の点Ｐ４にまで至る光路長をＬ２とする。そして、上述した投写光学ユニットでは、上記Ｌ１、Ｌ２が次の式を満足するように構成されている。
【００２９】
【数１】
2007322811.tif 000003
【００３０】
ただし、ここで、Ｄｖは図１の断面内でのスクリーン上の画面の大きさであり、言い換えるとスクリーン上の画面上端の点Ｐ６から画面下端の点Ｐ４までの距離である。また、θｓは上記斜め入射角度である。
【００３１】
一方、前記画像表示素子１は、その表示画面の中央を前記レンズ光学系の光軸上に位置するように配置されているが、或いは、添付の図７にも示すように、当該表示画面の法線は前記レンズ光学系の光軸に対して僅かに傾けて配置することが望ましい。
【００３２】
なお、図１を見ると、前にも述べたように、点Ｐ３から点Ｐ６に到る光路長は、点Ｐ１から点Ｐ４に到る光路長よりも長くなっている。これは、レンズ光学系から見て、スクリーン上の像点Ｐ６が像点Ｐ４よりも遠くにあることを意味している。そこで、スクリーン上の像点Ｐ６に対応する物点（表示画面上の点）がよりレンズ光学系に近い点に、また、像点Ｐ４に対応する物点がよりレンズ光学系から遠い点にあれば、像面の傾きを補正できる。そのためには、上記図７にも示すように、前記画像表示素子１の表示画面中央の法線ベクトルを、スクリーン５の法線と画面中央光線を含む平面内において、レンズ光学系の光軸に対して僅かに傾けるようにすることが好ましい。そして、その傾斜の方向は、スクリーン５が位置する方向と反対方向とすることが好ましい。
【００３３】
なお、光軸に対して傾いた像平面を得るのに物平面を傾ける方法は知られているが、実用的な大きさの画角では物平面の傾きによる像面は、光軸に対して非対称な変形を生じ、回転対称な投写レンズでは補正が困難であった。本実施形態では、上記後方レンズ群３において、回転非対称の自由曲面レンズ３１、更には、やはり自由曲面レンズ３２を用いているため、非対称な像面の変形に対応できる。このため、物平面を傾けること、すなわち映像表示素子の表示面を傾けることで、低次の像面の歪を大きく低減でき、自由曲面による収差補正を補助する上で効果的である。
【００３４】
次に、上記した各光学要素の作用については、前記レンズ光学系ではその前方レンズ群２（レンズ２１〜２５）が、前記画像表示素子１の表示画面をスクリーン５上に投写するための主レンズであり、回転対称な光学系における基本的な収差を補正する。また、前記レンズ光学系の後方レンズ群３（レンズ３１〜３４）は回転対称でない（回転非対称）自由曲面形状を有するレンズで構成される。更に、前記反射光学系４は、回転対称でない自由曲面形状を有する反射面で構成されるため、主として、斜め入射によって生じる収差の補正を行う。すなわち、前記第反射光学系をなすミラー４が主として台形歪を補正し、レンズ光学系の後方レンズ系群３が主として像面の歪みなどの非対称な収差の補正を行う構成となっている。
【００３５】
以上のように、本発明の実施形態では、前記反射光学系は回転対称でない自由曲面形状を有する１枚の反射面（ミラー）４で構成され、前記レンズ光学系の後方レンズ群３は、両面共に回転非対称な自由曲面形状を有する２枚の透過型レンズを（反射ミラー４側のレンズ３１及び３２）含んで構成されている。ここで、自由曲面ミラー４は、その反射方向に凸を向けるように湾曲されている。そして、自由曲面ミラー４のスクリーンの下端に入射する光線を反射する部分の曲率は、前記スクリーンの上端に入射する光線を反射する部分の曲率よりも大きくしている。また、スクリーンの下端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に対し凸の形状を為し、他方、前記スクリーンの上端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に凹の形状を為すようにしてもよい。
【００３６】
反射光学系の反射面（ミラー）４における座標原点と、前方レンズ群２のうち最も反射面（ミラー）４に近いレンズ面との光軸方向の距離は、前方レンズ群２の焦点距離の５倍又はそれ以上に設定することが望ましい。これによれば、反射光学系の自由曲面形状を有する反射面により、台形歪収差をより効果的に補正し、良好な性能を得ることができる。
【００３７】
以下、本発明の具体的な数値実施例について説明する。
【実施例１】
【００３８】
まず、添付の図４及び図５、更には、以下の表１〜表４を用いて、上記に説明した本実施例になる投写光学ユニットの詳細を、そのレンズ光学系及び反射光学系を含む光学素子の具体的なお数値を示して説明する。なお、添付の図４及び図５は、第１の数値例に基づく本発明に係る光学系の光線図を示している。即ち、前述した図１のＸＹＺ直交座標系において、図４はＹＺ断面、即ち、光学系をＺ軸方向に展開して示している。また、図５はＸＺ断面での構造を示している。なお、図５では、その詳細構造を添付の図６に示すように、レンズ光学系を構成するレンズ光学系の前方レンズ群２と後方レンズ群３の途中に折り曲げミラー３５を設置して光路をＸ軸方向に一度折り曲げている例を示している。
【００３９】
本例において、図４の下側に表示した映像表示素子１から射出した光は、複数のレンズを含むレンズ光学系のうち、まず回転対称形状の面のみを有するレンズのみで構成される前方レンズ群２を通過する。そして、回転非対称の自由曲面レンズを含む後方レンズ群３を通り、反射光学系である自由曲面ミラー４の反射面で反射される。その反射光は、その後スクリーン５に入射される。
【００４０】
ここで、レンズ光学系の前方レンズ群２は、全て回転対称な形状の屈折面を持つ複数のレンズで構成されており、これらレンズの屈折面のうち４つは回転対称な非球面であり、他は球面である。ここに用いられた回転対称な非球面は、各面ごとのローカルな円筒座標系を用いて、次の式で表される。
【００４１】
【数２】
2007322811.tif 000004
【００４２】
ここで、ｒは光軸からの距離であり、Ｚはサグ量を表している。また、ｃは頂点での曲率、ｋは円錐定数、ＡからＪはｒのべき乗の項の係数である。
【００４３】
一方、前記レンズ光学系の後方レンズ群３を構成する自由曲面は、各面の面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）を用い、Ｘ、Ｙの多項式を含む次の式で表わされる。
【００４４】
【数３】
2007322811.tif 000005
【００４５】
ここで、ＺはＸ、Ｙ軸に垂直な方向で自由曲面の形状のサグ量を表わしており、ｃは頂点での曲率、ｒはＸ、Ｙ軸の平面内での原点からの距離、ｋは円錐定数、Ｃ（ｍ、ｎ）は多項式の係数である。
【００４６】
以下の表１は、本実施例に係る光学系の数値データを示している。表１において、Ｓ０〜Ｓ２３は、上記図３示された符号Ｓ０〜Ｓ２３にそれぞれ対応している。ここで、符号Ｓ０は映像表示素子１１の表示面、すなわち物面を示しており、Ｓ２３は自由曲面ミラー５の反射面を示している。また、符号Ｓ２４は、これらの図では示されていないが、上記図１のスクリーン５の入射面、すなわち像面を示している。
【００４７】
【表１】
2007322811.tif 000006
【００４８】
また、上記表１において、Ｒｄは各面の曲率半径であり、上記図３において面の左側に曲率の中心がある場合は正の値で、逆の場合は負の値で表わしている。また、上記表１において、ＴＨは面間距離であり、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。そのレンズ面に対して、次のレンズ面が図の中で左側にある時には面間距離は正の値、右側にある場合は負の値で表している。
【００４９】
更に、上記表１において、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ１７、Ｓ１８は回転対称な非球面であり、この表１では面の番号の横に＊を付けて分かり易く表示しており、これら４つ面の非球面の係数を以下の表２に示している。
【００５０】
【表２】
2007322811.tif 000007
【００５１】
また、上記表１においてＳ１９からＳ２２は前記レンズ光学系の後方レンズ群を構成する自由曲面形状を有する屈折面であり、Ｓ２３は反射光学系の自由曲面Ｓ２３形状を有する反射面であって、面の番号の横に＃を付けて表示した。これら５つの自由曲面の形状を表す係数の値を以下の表３に示す。
【００５２】
【表３】
2007322811.tif 000008
【００５３】
また、本発明では、添付の図７に示すように、画像表示素子１の表示画面である物面を、前記レンズ光学系の光軸に対して−１．１６３度傾けている。なお、傾斜の方向は、この図７の断面内で物面の法線が時計回りに回転する方向を正の値で表わすことにする。従って、本実施例では物面を図７の断面内で、前記レンズ光学系の光軸に垂直な位置から反時計回り方向に１．１６３度傾けていることになる。
【００５４】
また、上記図３又は図７中の符号Ｓ２３で示す自由曲面ミラー４は、そのローカル座標の原点を前記レンズ光学系の光軸上に置き、ローカル座標の原点での法線、すなわち、Ｚ軸を、前記レンズ光学系の光軸と平行な位置から約＋２９度だけ傾斜して配置している。なお、この傾きの方向は、前記物面と同様に、上記図３又は図７の断面内で反時計回りに回転する方向を正とし、従って、反時計回りに傾けていることになる。これによって、画像表示素子１の画面中央から出てほぼ前記レンズ光学系の光軸に沿って進んできた画面中央光線は、Ｓ２３で反射後、前記レンズ光学系の光軸に対して前記傾き角度の２倍の５８度だけ傾いた方向に進む（図の矢印を参照）。
【００５５】
更に、本実施例における、各面のローカル座標系の傾き又は偏心の様子を以下の表４に示す。この表４において、面番号の右側に傾き角度、偏心の値を示しており、ＡＤＥは図４の断面と平行な面内での傾きの大きさであり、その表示規則は上に示した通りである。また、ＹＤＥは偏心の大きさであり、偏心は上記図４の断面と平行な面内でかつ光軸に垂直な方向で設定され、上記図４の断面において下側への偏心を正とする。なお、以降に説明する実施例においても、光学要素の傾きや偏心は、表示した断面に平行な断面内での方向で設定される。
【００５６】
【表４】
2007322811.tif 000009
【００５７】
なお、上記の表１、表３を見ると、本実施例では、曲率ｃとコーニック係数ｋが０となっていることがわかる。即ち、斜め入射による台形歪は、斜め入射の方向に極端に大きく発生し、これと垂直な方向での歪量は小さい。従って、斜め入射の方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる機能が必要であり、回転対称で全方向に機能する上記曲率ｃやコーニック係数ｋを利用しないことにより、非対称な収差を良好に補正することが可能となる。
【００５８】
また、上記表４において、面Ｓ２３のＡＤＥは、上記図１に示すθｍと同じであり、スクリーン５の面上でのＡＤＥは、上記図１に示すように、θｓである。これらの両者の値から、前記条件を満足しており、従って、スクリーンの下部の高さをより小さくして、コンパクトな光学系を実現している。
【００５９】
また、上記の式１に示す光路長の差｜Ｌ１−Ｌ２｜の値は、スクリーンの画面の高さの０．４２倍であり、θｓが３０度であることから、上記数１の条件を満足している。上記表１〜表４の数値は、物面（比率１６：９の液晶パネル）上の範囲（１２．１６×０．８４ｍｍ）の映像を像面（６０”＋over-scan：１４５２．８×８１７．２ｍｍ）上に拡大して投写する場合の一例である。そのときの図形歪を図８に示す。この図８の縦方向は、上記図４の上下方向であり、上記図１のＹ軸の方向である。また、この図８の横方向はスクリーン上でＹ軸の垂直な方向であり、図の長方形における中央部が画面の中央である。なお、この図８は、画面の縦方向を４分割、横方向を８分割して表示した場合における、各直線の曲がりの状態を表示し、もって、図形歪の様子を示している。
【００６０】
更に、スポットダイアグラムを添付の図９に示す。この図９では、映像表示素子５の表示画面上、即ち、Ｘ、Ｙ座標の値で、（８，４．５）、（０，４．５）、（４．８，２．７）、（８，０）、（０，０）、（４．８、−２．７）、（８、−４．５）、（０、−４．５）の８点から射出した光束のスポットダイアグラムを上から順（（１）〜（８））に示す。なお、単位はｍｍである。各スポットダイアグラムの横方向はスクリーン上でのＸ方向、縦方向はスクリーン上でのＹ方向である。両者ともに、良好な性能を維持している。
【実施例２】
【００６１】
次に、図１０及び図１１と表５から表８を用いて第２の実施例について説明する。ここで、レンズ光学系の前方レンズ群２は、全て回転対称な形状の屈折面で構成されており、これらレンスの屈折面のうち４つは回転対称な非球面であり、他は球面である。ここに用いられた軸対称な非球面は、各面ごとのローカルな円筒座標系を用いて、前記に示した式、数２で表される。
【００６２】
また、前記レンズ光学系の後方レンズ群３を構成するレンズの自由曲面は、各面の面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）を用い、Ｘ、Ｙの多項式を含む、前記に示した式、数３で表される。
【００６３】
以下の表５は、本数値実施例のレンズデータを示しており、面番号は物面をＳ０、順にＳ１からＳ２３まである。この表５において、Ｒｄは各面の曲率半径であり、また、ＴＨは面間距離であり、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。
【００６４】
【表５】
2007322811.tif 000010
【００６５】
この表５において面Ｓ５、Ｓ６、Ｓ１７、Ｓ１８は回転対称な非球面であり、表１では面の番号の横に＊を付けて分かり易く表示しており、これら４つ面の非球面の係数を以下の表６に示している。
【００６６】
【表６】
2007322811.tif 000011
【００６７】
また、上記表５において、面Ｓ１９からＳ２２は前記レンズ光学系の後群を構成する自由曲面形状を有する屈折面であり、Ｓ２３は前記反射光学系の自由曲面形状を有する反射面であって、面の番号の横に＃を付けて表示した。これら５つの自由曲面の形状を表す係数の値を以下の表７に示す。
【００６８】
【表７】
2007322811.tif 000012
【００６９】
更に、以下の表８には、この第２の実施例における各面の傾きと偏心の大きさとを示している。この表８におけるＡＤＥ、ＹＤＥの値の表示の規則は前述した通りである。本実施例における各面の傾きは、先の実施例１とほぼ同じ量である。
【００７０】
【表８】
2007322811.tif 000013
【００７１】
なお、上記表８において、Ｓ２３のＡＤＥ（＝θｍ）と、スクリーン面５のＡＤＥ（＝θｓ）から、前記条件を満足してスクリーンの下部の高さの小さいコンパクトな光学系を実現している。
【００７２】
また、式１に示す光路長の差｜Ｌ１−Ｌ２｜の値は、スクリーンの画面の高さの０．４３倍であり、θｓが３０度であることから、上記［数１］の条件を満足している。
【００７３】
一方、この第２の実施例では、上記表８に示すように、Ｓ１５を−０．１９３ｍｍ偏心させ、Ｓ１７面を逆に０．１９３ｍｍ偏心させている。ある面を偏心させた場合、以後の面ではその偏心量だけ光軸が移動する。従って、このＳ１５とＳ１７の偏心は、Ｓ１５とＳ１６で構成される１枚のレンズを光軸から−０．１９３ｍｍ偏心させることを意味している。この偏心量は微量であり、レンズのサイズを大きくするような悪影響は生じない。この偏心によって、非対称な色収差の微調整を実現している。
【００７４】
また、上記の表４及び表６を見ると、この実施例では、曲率ｃとコーニック係数ｋが０となっていることがわかる。斜め入射による台形歪は、斜め入射の方向に極端に大きく発生し、これと垂直な方向に歪量は小さい。従って、斜め入射の方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる機能が必要であり、回転対称で全方向に機能する上記曲率ｃやコーニック係数ｋを利用しないことにより、図形歪を良好に補正することが可能となる。
【００７５】
以上に述べた数値による第２の実施例の有効範囲は、物面（１６×９ｍｍ）上の範囲を像面（１６９４．９×９５３．４ｍｍ）上に拡大して投写しており、その図形歪を図１０に示す。この図１０の縦方向は図１の上下方向であり、Ｙ軸の方向である。図１０の横方向はスクリーン上でＹ軸の垂直な方向であり、図の長方形の中央が画面の中央である。図は画面の縦方向を４分割、横方向を８分割した直線の曲がりの状態を表示して図形歪の様子を示している。
【００７６】
また、第２の実施例のスポットダイアグラムを図１１に示す。この図１１では、映像表示素子６１の表示画面上、Ｘ，Ｙ座標の値で、（８，４．５）、（０，４．５）、（４．８，２．７）、（８，０）、（０，０）、（４．８、−２．７）、（８、−４．５）、（０、−４．５）の８点から射出した光束のスポットダイアグラムを上から順（（１）〜（８））に示す。単位はｍｍである。各スポットダイアグラムの横方向はスクリーン上でのＸ方向、縦方向はスクリーン上でのＹ方向である。即ち、両者ともに、良好な性能を維持していることが分る。
【実施例３】
【００７７】
図１２及び図１３と表９〜表１２を用いて、本発明になる第３の実施例について説明する。ここでも、レンズ光学系の前方レンズ２群は、全て回転対称な形状の屈折面で構成されており、これら屈折面の内の４つは回転対称な非球面であり、他は球面である。ここに用いられた軸対称な非球面も、各面ごとのローカルな円筒座標系を用いて、前記に示した式［数２］で表される。
【００７８】
前記レンズ光学系の後方レンズ群３を構成する自由曲面は、各面の面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）を用い、Ｘ、Ｙの多項式を含む、前記に示した数３で表わされる。
【００７９】
以下の表９は、第３の実施例におけるレンズデータを示しており、面番号は物面をＳ０、順にＳ１からＳ２３まである。この表９においてＲｄは各面の曲率半径である。また、ＴＨは面間距離を示しており、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。
【００８０】
【表９】
2007322811.tif 000014
【００８１】
この表９においても、面Ｓ５、Ｓ６、Ｓ１７、Ｓ１８は回転対称な非球面であり、面の番号の横に＊を付けて分かり易く表示しており、また、これら４つ面の非球面の係数を以下の表１０に示している。
【００８２】
【表１０】
2007322811.tif 000015
【００８３】
また、上記の表９において、面Ｓ１９からＳ２２は前記レンズ光学系の後方レンズ群を構成する自由曲面形状を有する屈折面であり、Ｓ２３は前記反射光学系の自由曲面形状を有する反射面であって、面の番号の横に＃を付けて表示した。なお、これら５つの自由曲面の形状を表す係数の値を以下の表１１に示す。
【００８４】
【表１１】
2007322811.tif 000016
【００８５】
更に、以下の表１２には、第３の実施例における各面の傾きと偏心の大きさを示している。なお、この表１２におけるＡＤＥ、ＹＤＥの値の表示の規則は前述した通りである。
【００８６】
【表１２】
2007322811.tif 000017
【００８７】
なお、この表１２からは、前述した条件は満足していないことが分る。しかしながら、この第３の実施例では、その分奥行きが小さく、奥行きを優先した構成となっている。
【００８８】
また、上記表１２に示すように、先の実施例２と同様に、面Ｓ１５とＳ１６で構成される１枚のレンズを、光軸から−０．３０４ｍｍ偏心させている。この偏心量は微量であり、レンズのサイズを大きくするような悪影響は生じない。この偏心によって、非対称な色収差の微調整を実現している。
【００８９】
さらに、上記数１に示す光路長の差｜Ｌ１−Ｌ２｜の値は、スクリーンの画面高さの０．６２倍であり、θｓが４５度であることから、上述の条件を満足している。
【００９０】
また、上記の表９及び表１１からは、この第３の実施例では、曲率ｃとコーニック係数ｋが０となっていることがわかる。斜め入射による台形歪は、斜め入射の方向に極端に大きく発生し、これと垂直な方向に歪量は小さい。従って、斜め入射の方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる機能が必要であり、回転対称で全方向に機能する上記曲率ｃやコーニック係数ｋを利用しないことにより、図形歪を良好に補正することが可能である。
【００９１】
また、上記第３の実施例の有効範囲は、物面（比率１６：９ｍｍ）上の範囲を像面（５０”＋over-scan：１２１０．７×６８１．０ｍｍ）上に拡大して投写しており、その際の図形歪を図１２に示す。この図１２の縦方向は上記図１の上下方向であり、即ち、Ｙ軸の方向である。図１１の横方向はスクリーン上でＹ軸の垂直な方向であり、図の長方形の中央が画面の中央である。図は画面の縦方向を４分割、横方向を８分割した直線の曲がりの状態を表示して図形歪の様子を示している。
【００９２】
本数値実施例のスポットダイアグラムを図１３に示す。この図１３では、映像表示素子６１の表示画面上、Ｘ，Ｙ座標の値で、（８，４．５）、（０，４．５）、（４．８，２．７）、（８，０）、（０，０）、（４．８、−２．７）、（８、−４．５）、（０、−４．５）の８点から射出した光束のスポットダイアグラムを上から順に（（１）〜（８））示す。なお、単位はｍｍである。各スポットダイアグラムの横方向はスクリーン上でのＸ方向、縦方向はスクリーン上でのＹ方向である。即ち、両者ともに、良好な性能を維持していることが分る。
【実施例４】
【００９３】
図１４及び図１５と表１３〜表１６を用いて、本発明による第４の実施例について説明する。
【００９４】
ここでも、画像表示素子１から射出した光は、回転対称な面形状を有する透過型レンズで構成されるレンズ光学系の前方レンズ群２、自由曲面形状を有する透過型レンズで構成されるレンズ光学系の後方レンズ群３の順で通過後、反射光学系の自由曲面形状を有する反射面４で反射され、スクリーン５に入射する。
【００９５】
即ち、ここでも、レンズ光学系の前方レンズ群２は、全て回転対称な形状の屈折面で構成されており、各屈折面の内の４つは回転対称な非球面であり、他は球面である。また、ここに用いられた軸対称な非球面は、各面ごとのローカルな円筒座標系を用いて、前述した式［数１］で表される。
【００９６】
前記レンズ光学系の後方レンズ群３を構成する自由曲面は、やはり、各面の面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ、ｙ、ｚ）を用い、Ｘ、Ｙの多項式を含む前述した数２で表わされる。
【００９７】
以下の表１３は、第４の実施例のレンズデータを示しており、面番号は物面をＳ０、順にＳ１からＳ２４までありＳ２５は像面である。表１３においてＲｄは各面の曲率半径であり、上記図３の中で面の左側に曲率の中心がある場合は正の値で、逆の場合は負の値で表わしている。
【００９８】
【表１３】
2007322811.tif 000018
【００９９】
この表１３において、ＴＨは面間距離であり、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。また、そのレンズ面に対して、次のレンズ面が左側（図３を参照）にある時には、面間距離は正の値で、右側にある場合は負の値で表している。
【０１００】
この表１３においてＳ５、Ｓ６、Ｓ１７、Ｓ１８は回転対称な非球面であり、表１３では面の番号の横に＊を付けて分かり易く表示しており、これら４つ面の非球面の係数を、以下の表１４に示している。
【０１０１】
【表１４】
2007322811.tif 000019
【０１０２】
また、この表１３において、Ｓ１９からＳ２２は前記レンズ光学系の後方レンズ群３を構成する自由曲面形状を有する屈折面であり、Ｓ２３は前記反射光学系の自由曲面形状を有する反射面であって、面の番号の横に＃を付けて表示した。これら５つの自由曲面の形状を表す係数の値を、以下の表１５に示す。
【０１０３】
【表１５】
2007322811.tif 000020
【０１０４】
更に、以下の表１６には、本実施例における各面の傾きと偏心の大きさを示している。この表１６におけるＡＤＥ、ＹＤＥの値の表示の規則は、前述した通りであり、本実施例における各面の傾きも、先の実施例１とほぼ同じ量である。
【０１０５】
【表１６】
2007322811.tif 000021
【０１０６】
即ち、この表１６を見ると、前述した条件は満足していないことが分る。しかしながら、その分奥行きが小さく、奥行きを優先した実施例となっている。
【０１０７】
一方、この第４の実施例では、上記の表１６に示すように、Ｓ１５面を−０．２３ｍｍ偏心させ、Ｓ１７面を逆に０．２３ｍｍ偏心させている。ある面を偏心させた場合、以後の面ではその偏心量だけ光軸が移動する。従って、このＳ１５とＳ１７の偏心は、Ｓ１５とＳ１６で構成される１枚のレンズを光軸から−０．１９３ｍｍ偏心させることを意味している。この偏心量は微量であり、レンズのサイズを大きくするような悪影響は生じない。この偏心によって、非対称な色収差の微調整を実現している。
【０１０８】
さらに、光路長の差｜Ｌ１−Ｌ２｜の値は、スクリーン画面の高さの０．６４倍であり、θｓが４５度であることから、上記［数１］の条件を満足している。
【０１０９】
また表１３及び表１５を見ると、この第４の実施例では、曲率ｃとコーニック係数ｋが０となっていることがわかる。斜め入射による台形歪は、斜め入射の方向に極端に大きく発生し、これと垂直な方向に歪量は小さい。従って、斜め入射の方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる機能が必要であり、回転対称で全方向に機能する上記曲率ｃやコーニック係数ｋを利用しないことにより、図形歪を良好に補正することができる。
【０１１０】
なお、本実施例の有効範囲は、物面（比率：１６：９）上の範囲を像面（６０”＋over-scan：１４５２．８×８１７．２ｍｍ）上に拡大して投写しており、その図形歪を図１４に示す。この図１５の縦方向は上記図１の上下方向、即ち、Ｙ軸の方向である。また、この図１４の横方向はスクリーン上でＹ軸の垂直な方向であり、図の長方形の中央が画面の中央である。そして、この図１４は、画面の縦方向を４分割、横方向を８分割した直線の曲がりの状態を表示すことによって、図形歪の様子を示している。
【０１１１】
さらに、この第４の実施例のスポットダイアグラムを図１５に示す。この図１５では、映像表示素子６１の表示画面上、Ｘ，Ｙ座標の値で、（８，４．５）、（０，４．５）、（４．８，２．７）、（８，０）、（０，０）、（４．８、−２．７）、（８、−４．５）、（０、−４．５）の８点から射出した光束のスポットダイアグラムを上から順に（（１）〜（８））示す。単位はｍｍである。各スポットダイアグラムの横方向はスクリーン上でのＸ方向、縦方向はスクリーン上でのＹ方向である。即ち、両者ともに、良好な性能を維持している。
【０１１２】
次に、添付の図１６には、以上に詳述した投写光学ユニットを投写型映像表示装置に適用し、例えば、部屋の壁面やシート状のスクリーン等の上に画像を拡大投射した状態が示されており、更に、添付の図１７には、投写光学ユニットからスクリーンまでの投写距離を変えた場合の問題を示している。即ち、図１７からも明らかなように、自由曲面を用い、スクリーンに対して光軸を傾けて斜め投写する方式では、投写距離を設計した距離から大きく変化させると、図形歪が大きくなり、スポットサイズも大きくなって解像性能が劣化する。
【０１１３】
例えば、図１７に示すように、スクリーン５の位置を、設計位置６５（設計された画面サイズ、例えば、８０インチ相当）から、投射画面を小さくする方向の位置６６（例えば、画面サイズ６０インチ相当）に置いた場合のスポット形状と歪の状態を添付の図１８に、他方、画面を大きくする方向の位置６７に（例えば、画面サイズ１００インチ相当）置いた場合のスポット形状とその歪の状態を図１９に示す。これら図１８及び図１９からも明らかなように、歪の大きさは画面縦幅の約２％以上にまで大きくなり、スポット形状は設計位置の場合の３倍以上に大きくなり解像性能が劣化する。
【０１１４】
なお、スポットの増大は、例えばパネルの位置を前後に移動させてピント合わせを行っても、画面全体スポット形状を良好にすることはできない。その理由は、光学系が回転対称でないため、パネルや回転対称のレンズの移動では、画面の一部のフォーカスを合わせると、他の部分のフォーカスが大きくずれることになるためである。また、自由曲面レンズである後方レンズ群のレンズ３１や３２のみを移動しただけでは、やはり、このスポット形状の補正はできない。これは、スクリーン位置の移動に伴う歪の補正には、回転対称レンズのパワーが必要になるためである。
【０１１５】
そこで、上記の実施例を基に、スクリーン位置の移動に対応して、レンズを移動させ、もって、スポット形状の歪や解像性能の改善に効果があるレンズを調査した結果、特に、前記後方レンズ群を構成する負のパワーを有する一組の（この例では２枚）レンズ３３と３４（以下の図２０を参照）と共に、自由曲面を有する透過レンズ３１と、そして透過レンズ３２とを、それぞれ独立して、その光軸方向に所定の距離だけ移動させることが有効であることを見出した。なお、前記自由曲面を有するミラー４の移動も効果的である。しかしながら、傾いて設置され、かつ、比較的サイズが大きい自由曲面のミラー４を移動させることは、装置の構造上からも、困難な点が多いため、特に、上記後方レンズ群３を構成するレンズ３１〜３４を移動することが最も有効である。
【０１１６】
添付の図２０には、上記後方レンズ群３を構成するレンズ、即ち、自由曲面を有する透過レンズ３１と、他の自由曲面を有する透過レンズ３２と、そして、一組の負のパワーを有する回転対称なレンズ３３、３４を所定の位置に移動させた状態を示している。なお、図２０（ａ）は、上記図１７において、スクリーンを、投射画面を小さくする方向の位置６６（例えば、画面サイズ６０インチ相当）に置いた場合、図２０（ｂ）は、スクリーンを設計位置６５（例えば、画面サイズ８０インチ相当）に位置する場合、そして、図２０（ｃ）は、スクリーンを投射画面を大きくする方向の位置６７（例えば、画面サイズ１００インチ相当）に移動した場合をそれぞれ示している。即ち、この実施例では、スクリーン位置の移動に対して、上記後方レンズ群３を構成する負のパワーを有するレンズとその近傍の回転対称なレンズを合せて一体としたレンズ群と、そして、自由曲面を有する２枚の透過レンズを各々１つのレンズ群とし、これらのレンズ群をその光軸方向に移動させてスクリーン位置に対して調整することにより、スクリーンを位置６６から６７までの間で、良好な性能を得られるようにしている。
【０１１７】
なお、上述したように、上記後方レンズ群３を構成するレンズ３１〜３４を移動するための構造としては、例えば、添付の図２１にも示すように、２つの搭載台２１０、２２０上に、それぞれ、上記前方レンズ群２（回転対称のレンズ２１〜２５）と後方レンズ群３（レンズ３１〜３４）を組み込む。なお、一方の搭載台（例えば、搭載台２１０）上には、上記前方レンズ群２（回転対称のレンズ２１〜２５）を予め定められた位置に固定し、当該搭載台２１０を装置内に固定する。そして、他方の搭載台（例えば、搭載台２２０）には、予め溝２２１、２２２、２２３を形成しておくと共に、当該搭載台２２０を上記搭載台２１０に対して（この例では、図に矢印で示すように、レンズ群の光軸方向に対して直角方向）に移動可能に装置内に設置する。
【０１１８】
なお、上記後方レンズ群３を構成するレンズ３１〜３４は、上記の図２０にも示すように、レンズ３３と３４とを纏めて一体とし、即ち、レンズ３１、レンズ３２、そして、レンズ３３及び３４からなる３群に分け、それぞれの位置を、スクリーンに投射して得られる画面のサイズ（６０インチ、８０インチ、１００インチ）に対応して移動する。そこで、上記の溝２２１、２２２、２２３は、これら３群のレンズに対応して形成されており、そして、図にも示すように、上記移動可能な搭載台２２０を、その上に形成した基準を示すマーク２２４の位置に対応して（例えば、搭載台２２０が搭載された装置側の基台上に「６０」インチ、「８０」インチ「１００」インチなどの印を付けておく）、上記３群のレンズ、レンズ３１、レンズ３２、そして、レンズ３３及び３４が、それぞれ、所望に位置に配置されるように（即ち、各レンズ群に対して所望の傾斜角度で）形成されている。このことによれば、他方の搭載台２２０を移動するだけで、後方レンズ群３（レンズ３１〜３４）を前方レンズ群２に対して、光軸方向に対して自在に、その相対位置を変えることが可能となる。
【０１１９】
又は、上記の搭載台に代えて、例えば、やはり上記のような溝をその外周に形成した円筒を利用することによっても、上記と同様の機能を達成することも出来る。なお、その場合、特に、後方レンズ群３において自由曲面を有する２枚の透過レンズ３１、３２は、光軸方向の相対位置の変更にもかかわらず、回転を伴う必要がない。このことから、例えば、上記筒状部材を互いに独立に回転可能に、即ち、先端側と後端側に分離し、その先端側を回転しないような構造とすることが好ましい。
【０１２０】
続いて、上記に示した実施例のレンズデータを、以下の表１７〜２１及び図２２〜２４を参照しながら、以下に示す。なお、この場合の投写光学ユニットにおける光学素子のレンズ面が、図２２に示されている。なお、この実施例が上記の実施例と異なるのは、上記図３においてＳ９とＳ１０で示されるレンズ面が、この図２１では、これらが一体になっており、そのため、Ｓ０〜Ｓ２２の面で構成されている。
【０１２１】
ここでも、自由曲面の式は、上記の［数１］と同様である。
【０１２２】
なお、以下の表１７〜２０の数値は、物面（比率１６：９）上の範囲（１２．１６×６．８４ｍｍ）の映像を像面（８０”＋over-scan：１８４１．９×１０３６．１ｍｍ）上に拡大投写する場合の一例を示したものである。
【０１２３】
まず、表１７においてＲｄは各面の曲率半径であり、図中で面の左側に曲率の中心がある場合には正の値で、逆の場合は負の値で表わされている。また、この表１７においてＴＨは面間距離であり、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。あるレンズ面に対して、次のレンズ面が左側に位置するときには面間距離は正の値で、右側に位置する場合は負の値で表されている。更に、この表１７においてＳ５、Ｓ６、Ｓ１６、Ｓ１７（上記図３を参照）は回転対称な非球面であり、表１７では面の番号の横に＊を付けて示している。なお、これら４つ面の非球面の係数を以下の表１８に示している。
【０１２４】
【表１７】
2007322811.tif 000022
【０１２５】
【表１８】
2007322811.tif 000023
【０１２６】
また、上記の表１７においてＳ１８からＳ２１は自由曲面レンズの各屈折面であり、Ｓ２２は自由曲面ミラーの反射面であって、面の番号の横に＃を付けて示している。これら５つの自由曲面の形状を表す係数の値を表７に示す。
【０１２７】
次に、以下の表１９においては、係数の名称と値を左右に並べて枠の組で表示しており、右側が係数の値であり、左側が名称で括弧内のカンマで区切った２組の数値は式２に示したｍとｎの値を示している。
【０１２８】
【表１９】
2007322811.tif 000024
【０１２９】
更に、この実施例における、各面のローカル座標系の傾き又は偏心の様子を以下の表２０に示す。なお、この表２０において、ＡＤＥは図の断面と平行な面内での傾きの大きさで、傾きの方向は図の断面内で反時計回りに回転する方向を正とし、単位は度である。また、ＹＤＥは偏心の大きさであり、偏心は図の断面内でかつ光軸に垂直な方向で設定され、図の断面において下側への偏心を正とし、単位はｍｍである。
【０１３０】
【表２０】
2007322811.tif 000025
【０１３１】
この表２０に示した傾き又は偏心では、表示された面番号を含むそれ以降の面は、全て、表示された面の傾いた光軸の上に配置される。但し、Ｓ２２面の傾きは２２面のみの光軸の傾きを示しており、その後の２３面は２２面の傾き量の２倍傾いた光軸の上に配置される。
【０１３２】
表２１は、スクリーン位置の移動に対応して移動するレンズ群について、それらの面間距離の変化を示している。
【０１３３】
【表２１】
2007322811.tif 000026
【０１３４】
なお、この表９のＳｃ６５、Ｓｃ６７、Ｓｃ６６に対応する欄の値が、スクリーン位置６５、６７、６６でのレンズ間隔を表示している。
【０１３５】
また、添付の図２３は、上記スクリーンが、それぞれ、上記図１６において６６、６５、６７の位置にある場合の歪の様子を示しており、また、添付の図２４は、その場合のスポット形状の様子を示している。
【０１３６】
即ち、図２３（ａ）〜（ｃ）では、物面（比率１６：９の液晶パネル）上の範囲（１２．１６×６．６４ｍｍ）を、それぞれ、６０インチの像面、８０インチの像面、１００インチの像面上に拡大して投写した場合の図形歪を示す。この図２２の縦方向は上記図１の上下方向、即ち、Ｙ軸の方向である。また、この図２２の横方向はスクリーン上でＹ軸の垂直な方向であり、図の長方形の中央が画面の中央である。そして、この図２２は、画面の縦方向を４分割、横方向を８分割した直線の曲がりの状態を表示すことによって、図形歪の様子を示している。
【０１３７】
一方、図２４では、スクリーンをそれぞれの位置６６、６５、６７（上記図１６を参照）に配置した場合に得られたスポットダイアグラムを示す。なお、この図では、映像表示素子１の表示画面上、Ｘ，Ｙ座標の値で、（８，４．５）、（０，４．５）、（４．８，２．７）、（８，０）、（０，０）、（４．８、−２．７）、（８、−４．５）、（０、−４．５）の８点から射出した光束のスポットダイアグラムを上から順（（１）〜（８））に示しており、また、その横方向には、それぞれの位置６６、６５、６７でのスクリーン位置（Ｓｃ６６、Ｓｃ６５、Ｓｃ６７）を示している。なお、単位はｍｍであるり、各スポットダイアグラムの横方向はスクリーン上でのＸ方向、縦方向はスクリーン上でのＹ方向である。即ち、これらの図からも明らかなように、その何れの場合においても、両者ともに良好な性能を維持していることが分る。
【０１３８】
以上述べたように、本発明によれば、上述した従来技術のように使用するレンズを偏心させる必要がないことから、口径の大きな付加光学系を必要とすることなく、しかも広角角化を可能とすると共に、スクリーンまでの位置が変更しても歪みを最小限に抑えることが可能であり、かつ、その製造も比較的容易な投写光学ユニットが提供される。そして、かかる投写光学ユニットを利用することによれば、性能が良好で、かつ、よりコンパクトな外形寸法の投写型映像表示装置装置を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【図１】本発明に係る投写光学ユニットの基本構成を示す断面図である。
【図２】上記光学ユニットのレンズ配置の一例を示す斜視図である。
【図３】上記光学ユニットのレンズ面を説明するための垂直方向及び水平方向の断面図である。
【図４】上記本発明に係る実施例１の構成と光路を示すＹＺ断面図である。
【図５】上記本発明に係る実施例１の構成と光路を示すＸＺ断面図である。
【図６】上記実施例１における光学ユニットのレンズ配置を示す斜視図である。
【図７】上記実施例１における光学ユニットのレンズ配置を示す垂直方向断面図である。
【図８】上記本発明の実施例１になる光学ユニットの歪性能を示す図である。
【図９】上記本発明の実施例１になる光学ユニットのスポット性能を示す図である。
【図１０】本発明の実施例２になる光学ユニットの歪性能を示す図である。
【図１１】上記本発明の実施例２になる光学ユニットのスポット性能を示す図である。
【図１２】本発明の実施例３になる光学ユニットの歪性能を示す図である。
【図１３】上記本発明の実施例３になる光学ユニットのスポット性能を示す図である。
【図１４】本発明の実施例４になる光学ユニットの歪性能を示す図である。
【図１５】上記本発明の実施例４になる光学ユニットのスポット性能を示す図である。
【図１６】上記の投写光学ユニットを投写型映像表示装置に適用してスクリーン上に画像を拡大投射した状態を示す図である。
【図１７】上記の投写光学ユニットを適用した投写型映像表示装置において、投写距離変化させた場合の状態を示す図である。
【図１８】上記の投写光学ユニットを適用した投写型映像表示装置において、投写距離変化させた場合の歪性能とスポット性能を示す図である。
【図１９】上記の投写光学ユニットを適用した投写型映像表示装置において、投写距離変化させた場合の歪性能とスポット性能を示す図である。
【図２０】上記の投写光学ユニットにおいて後方レンズ群を移動させた状態を示す図である。
【図２１】上記の投写光学ユニットにおいて後方レンズ群を移動させるための具体的な構造の一例を示す図である。
【図２２】上記の投写光学ユニットにおけるレンズ面を説明するための水平方向の断面図である。
【図２３】上記の投写光学ユニットにおいて後方レンズ群を移動させた場合における歪性能を示す図である。
【図２４】上記の投写光学ユニットにおいて後方レンズ群を移動させた場合におけるスポット性能を示す図である。
【符号の説明】
【０１４０】
１…映像発生源、２…前方レンズ群、３…後方レンズの後、４…自由曲面ミラー、５…スクリーン、６…自由曲面ミラーの原点座標の法線、７…スクリーンの法線
【図１】
2007322811.tif 000027
【図２】
2007322811.tif 000028
【図３】
2007322811.tif 000029
【図４】
2007322811.tif 000030
【図５】
2007322811.tif 000031
【図６】
2007322811.tif 000032
【図７】
2007322811.tif 000033
【図８】
2007322811.tif 000034
【図９】
2007322811.tif 000035
【図１０】
2007322811.tif 000036
【図１１】
2007322811.tif 000037
【図１２】
2007322811.tif 000038
【図１３】
2007322811.tif 000039
【図１４】
2007322811.tif 000040
【図１５】
2007322811.tif 000041
【図１６】
2007322811.tif 000042
【図１７】
2007322811.tif 000043
【図１８】
2007322811.tif 000044
【図１９】
2007322811.tif 000045
【図２０】
2007322811.tif 000046
【図２１】
2007322811.tif 000047
【図２２】
2007322811.tif 000048
【図２３】
2007322811.tif 000049
【図２４】
2007322811.tif 000050
【手続補正書】
【提出日】平成18年7月3日(2006.7.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2007322811.tif 000051
【図２】
2007322811.tif 000052
【図３】
2007322811.tif 000053
【図４】
2007322811.tif 000054
【図５】
2007322811.tif 000055
【図６】
2007322811.tif 000056
【図７】
2007322811.tif 000057
【図８】
2007322811.tif 000058
【図９】
2007322811.tif 000059
【図１０】
2007322811.tif 000060
【図１１】
2007322811.tif 000061
【図１２】
2007322811.tif 000062
【図１３】
2007322811.tif 000063
【図１４】
2007322811.tif 000064
【図１５】
2007322811.tif 000065
【図１６】
2007322811.tif 000066
【図１７】
2007322811.tif 000067
【図１８】
2007322811.tif 000068
【図１９】
2007322811.tif 000069
【図２０】
2007322811.tif 000070
【図２１】
2007322811.tif 000071
【図２２】
2007322811.tif 000072
【図２３】
2007322811.tif 000073
【図２４】
2007322811.tif 000074