(57)【要約】      （修正有）【課題】薄型化が可能であり、かつ、壁に埋め込まずに投射することを可能とする投射光学系、及び画像投射装置を提供する。【解決手段】本投射光学系１０は、第１の共役面上にある画像形成素子８０からの光束を、第２の共役面９０に斜めから入射させ、その拡大画像を前記第２の共役面上に形成可能な投射光学系であって、画像形成素子から順に、屈折系の第１光学系１１と、正の反射面を含む第２光学系１４と、画像形成素子と反射面との間の光路を折り返す第１反射ミラー１２及び第２反射ミラー１３と、を有し、第１反射ミラー及び第２反射ミラーは、画像形成素子から第１光学系への方向を＋Ｚ方向とすると、第２反射ミラーから反射面へ向かう光路が−Ｚ方向成分を含み、かつ、画像形成素子の第２の共役面上への投影像と、反射面の第２の共役面上への射影と、画像形成素子の第２の共役面上への射影が、第２の共役面上でこの順に配列される。【選択図】図１
2012027113.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の共役面上にある画像形成素子から射出した複数の光束を、第２の共役面に斜めから入射させて、前記画像形成素子によって形成された画像の拡大画像を前記第２の共役面上に形成可能な投射光学系であって、
前記画像形成素子から前記第２の共役面までの光路上にこの順番で配置された、屈折系からなる第１光学系と、正のパワーを有する反射面を含む第２光学系と、
前記画像形成素子から前記反射面までの光路上にこの順番で配置された、前記画像形成素子と前記反射面との間の光路を折り返す第１反射ミラー及び第２反射ミラーと、を有し、
前記第１反射ミラー及び前記第２反射ミラーは、前記画像形成素子から前記第１光学系へ向かう方向を＋Ｚ方向としたときに、前記第２反射ミラーから前記反射面へ向かう光路の方向が−Ｚ方向成分を含むように、かつ、前記画像形成素子の前記第２の共役面上への投影像と、前記反射面の前記第２の共役面上への射影と、前記画像形成素子の前記第２の共役面上への射影が前記第２の共役面上でこの順に配列されるように配置されていることを特徴とする投射光学系。
【請求項２】
前記第１反射ミラー及び前記第２反射ミラーの内の少なくとも１枚は、前記画像形成素子と前記第１光学系のもっとも負のパワーの大きいレンズとの間の光路中に配置されてい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】
前記画像形成素子は、マイクロミラーデバイスにより構成され、かつ、前記画像形成素子から射出する光は非テレセントリックであ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】
前記第１光学系の絞りに最も近い位置に配置されているパワーを持った光学面は、非球面形状であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の投射光学系。
【請求項５】
前記第１光学系の最も前記反射面に近い位置に配置されているパワーを持った光学面は、非球面形状であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項記載の投射光学系。
【請求項６】
前記反射面は、自由曲面形状であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項記載の投射光学系。
【請求項７】
変調信号に応じて画像を形成する画像形成素子に、光源からの照明光を照射し、前記画像形成素子に形成された前記画像を、請求項１乃至６の何れか一項記載の投射光学系により被投射面に拡大投射する画像投射装置。
【請求項８】
前記第２光学系及び前記第２反射ミラーの少なくとも一方は、その全部又は一部が使用時に前記画像投射装置の筺体からはみ出しており、
前記第２光学系及び前記第２反射ミラーの少なくとも一方は、その全部が不使用時に前記画像投射装置の筺体内に収納されるように移動可能に構成されていることを特徴とする請求項７記載の画像投射装置。
【請求項９】
前記第２光学系及び前記第２反射ミラーの少なくとも一方は、所定の軸に対して回動可能に構成されていることを特徴とする請求項８記載の画像投射装置。
【請求項１０】
前記第２光学系及び前記第２反射ミラーの少なくとも一方は、筐体の厚み方向に摺動可能に構成されていることを特徴とする請求項９記載の画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投射光学系、及び前記投射光学系を有する画像投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像投射装置として広く知られた液晶プロジェクタは、近来、液晶パネルの高解像化、光源ランプの高効率化に伴う明るさの改善、低価格化等が進んでいる。又、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔＡｌ  Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）等を利用した小型軽量な画像投射装置が普及し、オフィスや学校のみならず家庭においても広く画像投射装置が利用されつつある。特に、フロントタイプのプロジェクタは携帯性が向上し、数人規模の小会議にも使われている。以下、画像投射装置の一例について説明する。
【０００３】
例えば、特許文献１には、レンズ群から構成された第１光学系により画像形成素子の中間像をつくり、その後凹面ミラーからなる第２光学系により光線を大きく跳ね上げてスクリーン上に前記中間像の像を形成する投射距離の短い投射光学系、及びそれを用いた画像投射装置が開示されている。
【０００４】
又、特許文献２には、凹面ミラーとスクリーンの間にミラーを配置し、そのミラーを射出する光線を、レンズ群と凹面ミラーの間を通してスクリーンへ導くことによって、レンズ光軸に対するスクリーンと凹面ミラーの上下位置関係を同じにする画像投射装置が開示されている。
【０００５】
又、特許文献３には、投射光学系のレンズ部とミラー部の光路の間に、平面ミラーを設けて光路を約９０度曲げ、レンズ部を立てて配置することでスクリーン面に投射光学系がめり込むことを回避する画像投射装置が開示されている。
【０００６】
又、特許文献４には、凹面ミラーを用いた投射光学系において屈折系内で反射ミラーを配置し光路を９０°曲げる構成であり、光学系を投射側から見てスクリーン面よりも奥側、つまり壁面に投射した場合に壁に埋め込むことを特徴とする画像投射装置が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された画像投射装置では、画像形成素子、第１光学系、及び第２光学系を画像投射装置の筐体内に配置し、外部のスクリーンにそのまま投射しようとすると、スクリーン面に対し筐体が突き出る形になり、画像投射装置を壁に埋め込まなければならないという問題があった。画像投射装置を壁に埋め込んで配置しなければ、投射距離が最適距離にならず投影してもピンボケ状態となり、使用できなくなる。
【０００８】
又、特許文献１に開示された画像投射装置のように、レンズ群で中間像を作り、その中間像を凹面ミラーを用いて再度スクリーンで結像させて画像形成素子の像を作る投射光学系では、画像形成素子をレンズ光軸に対してシフトさせ軸はずしを行うことにより凹面ミラーで光線を跳ね上げることができ、その結果投射距離が短くなる。そのため、レンズ光軸に対し、凹面ミラーとスクリーンの位置関係は上下反対となり、例えば光軸に対して上方に投射しようとすると、光軸よりも下部に凹面ミラーが配置されてしまう。すると、筐体の厚みが下部に厚くなり、筐体全体が厚くなるという問題があった。
【０００９】
又、特許文献２に開示された画像投射装置では、画像投射装置を机の上に配置し、机より上部の壁に投射するような良く用いる画像投射装置の使用の仕方を想定したときに、レンズ光軸に対して投射面（つまりスクリーン）は上部に位置する。そのため、凹面ミラーは特許文献１とは違い光軸よりも上部に配置される。このことにより、不使用時には凹面ミラーを折りたたみ、使用時には本来の位置に配置するなどして、不使用時にコンパクトな筐体とすることが出来、筐体全体が厚くなるという問題は解消できる。しかし、投射距離の条件等によっては画像投射装置を壁に埋め込んで配置しなければならないという問題は解決できない。又、投射距離が比較的長く出来る場合は、レンズと凹面ミラーの間にスクリーンへ向かう光線を通すことができるが、投射距離を短くする、つまり、光線の跳ね上げ量を大きくする場合は、凹面ミラーのサイズが光軸から離れる方向に大きくなり、かつ、凹面ミラーのパワーが大きくなるため凹面ミラーの光軸から最も離れた箇所がレンズ側に倒れてくる。そのため、反射ミラーからスクリーンへ向かう光線が、再度凹面ミラーに当たってしまい、スクリーンに到達できない。つまり、反射ミラーから射出した光線をレンズと凹面ミラーの間をうまく通すことが出来ず、凹面ミラーに光線が遮られるという問題があった。
【００１０】
又、特許文献３に開示された画像投射装置では、画像投射装置を壁に埋め込んで配置しなくても良いが、机の上に画像投射装置を置いて壁に投射するような使い方をする際、レンズ部が立っている構成のため重心が高くなってしまい、机上で画像投射装置が倒れやすいという問題があった。又、その際、画像形成素子の表示面が上方向に向くため、装置内に侵入したほこり等が堆積しやすいという問題があった。
【００１１】
又、特許文献４に開示された画像投射装置は、画像投射装置を壁に埋め込んで配置することを容認しており、壁に埋め込まないように配置する方法を示唆するものではない。
【００１２】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、従来の画像投射装置の有する上記問題点を解決すると共に、薄型化が可能であり、かつ、壁に埋め込まずに投射することを可能とする投射光学系、及び前記投射光学系を備えた画像投射装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本投射光学系は、第１の共役面上にある画像形成素子から射出した複数の光束を、第２の共役面に斜めから入射させて、前記画像形成素子によって形成された画像の拡大画像を前記第２の共役面上に形成可能な投射光学系であって、前記画像形成素子から前記第２の共役面までの光路上にこの順番で配置された、屈折系からなる第１光学系と、正のパワーを有する反射面を含む第２光学系と、前記画像形成素子から前記反射面までの光路上にこの順番で配置された、前記画像形成素子と前記反射面との間の光路を折り返す第１反射ミラー及び第２反射ミラーと、を有し、前記第１反射ミラー及び前記第２反射ミラーは、前記画像形成素子から前記第１光学系へ向かう方向を＋Ｚ方向としたときに、前記第２反射ミラーから前記反射面へ向かう光路の方向が−Ｚ方向成分を含むように、かつ、前記画像形成素子の前記第２の共役面上への投影像と、前記反射面の前記第２の共役面上への射影と、前記画像形成素子の前記第２の共役面上への射影が前記第２の共役面上でこの順に配列されるように配置されていることを要件とする。
【発明の効果】
【００１４】
開示の技術によれば、従来の画像投射装置の有する上記問題点を解決すると共に、薄型化が可能であり、かつ、壁に埋め込まずに投射することを可能とする投射光学系、及び前記投射光学系を備えた画像投射装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施の形態に係る投射光学系を例示する光路図である。
【図２】図１の一部を拡大して例示する光路図である。
【図３】２枚の反射ミラーの配置について説明する図である。
【図４】比較例に係る投射光学系を例示する光路図である。
【図５】図４の一部を拡大して例示する光路図である。
【図６】第２の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式図である。
【図７】第３の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式図である。
【図８】第３の実施の形態の変形例に係る画像投射装置を例示する模式図である。
【図９】画像形成素子（共役面Ａ）上の物点の位置を例示する図である。
【図１０】図９の格子点（１）〜（９）に対応するスクリーン（共役面Ｂ）上での像点位置を例示する図である。
【図１１】スクリーン（共役面Ｂ）上でのスポットダイアグラムを例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１７】
〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る投射光学系を例示する光路図である。図２は、図１の一部を拡大して例示する光路図である。図１及び図２における座標系は、スクリーンの長軸方向をＸ、短軸方向をＹ、スクリーンの法線方向をＺとしている（紙面奥側が＋Ｘ方向、紙面手前側が−Ｘ方向。紙面上側が＋Ｙ方向、紙面下側が−Ｙ方向、紙面右側が＋Ｚ方向、紙面左側が−Ｚ方向）。図１及び図２を参照するに、投射光学系１０は、第１光学系１１と、第１反射ミラー１２と、第２反射ミラー１３と、第２光学系１４とを有する。
【００１８】
なお、８０は画像形成素子（以降、画像形成素子８０とする）を、９０はスクリーン（以降、スクリーン９０とする）を示している。画像形成素子８０は第１の共役面（以降、共役面Ａとする）上に位置しており、スクリーン９０は第２の共役面（以降、共役面Ｂとする）上に位置している。ここで、共役面とは、互いに何れか一方の面上の一点から射出された光が他方の面で収束するように配置された面である。
【００１９】
投射光学系１０は、共役面Ａ上にある画像形成素子８０から射出した複数の光束を、共役面Ｂに斜めから入射させて、画像形成素子８０によって形成された画像の拡大画像を共役面Ｂ上にあるスクリーン９０に投射可能な投射光学系である。投射光学系１０において、第１光学系１１は、屈折光学系を少なくとも一つの含んだ共軸系の光学系である。なお、本実施の形態において、第１光学系１１は１１枚のレンズから構成されているが、これに限定されることはない。
【００２０】
第２光学系１４は、正のパワーを有する反射面を少なくとも一つ含んだ光学系である。第２光学系１４の正のパワーを有する反射面がアナモフィックな多項式自由曲面形状であれば、それぞれの像高に対する反射領域ごとに、反射面の曲面形状を調整することができ、収差補正性能を向上できる。なお、『アナモフィックな多項式自由曲面』とは、投射画像を基準として上下方向をＹ方向、左右方向をＸ方向、曲面のデプスをＺ方向、『Ｘ２、Ｙ２、Ｘ２Ｙ、Ｙ３、Ｘ２Ｙ２等』を係数として、下記式１で表される形状である。
【００２１】
Ｚ＝Ｘ２・ｘ２＋Ｙ２・ｙ２＋Ｘ２Ｙ・ｘ２ｙ＋Ｙ３・ｙ３＋Ｘ４・ｘ４＋Ｘ２Ｙ２・ｘ２ｙ２＋Ｙ４・ｙ４＋Ｘ４Ｙ・ｘ４ｙ＋Ｘ２Ｙ３・ｘ２ｙ３＋Ｙ５・ｙ５＋Ｘ６・ｘ６＋Ｘ４Ｙ２・ｘ４ｙ２＋Ｘ２Ｙ４・ｘ２ｙ４＋Ｙ６・ｙ６＋・・              （式１）
図１及び図２の例では、第２光学系１４を、正のパワーを有する反射面である凹面ミラーのみから構成している。すなわち、本実施の形態では、第２光学系１４は凹面ミラーそのものである。しかし、第２光学系１４は凹面ミラーに限定されることはなく、例えば、フレネル反射鏡やホログラム反射鏡等の集光パワーを有する反射光学素子等でも良い。
【００２２】
第１反射ミラー１２及び第２反射ミラー１３は、画像形成素子８０と第２光学系１４の間に配置されている。より詳しくは、第１反射ミラー１２及び第２反射ミラー１３は、何れも投射されたスクリーン９０上の画像の長軸方向（Ｘ方向）に平行な方向を軸に回転して配置され、画像形成素子８０から＋Ｚ方向に射出される光が、第２反射ミラー１３で−Ｚ方向に反射されて第２光学系１４に向かうように、かつ、画像形成素子８０のスクリーン９０（共役面Ｂ上）への投影像と、第２光学系１４の共役面Ｂ上への射影、及び画像形成素子８０の共役面Ｂ上への射影が、共役面Ｂ上において＋Ｙ方向からこの順に配列される様に配置されている。
【００２３】
言い換えれば、第１反射ミラー１２及び第２反射ミラー１３は、何れも投射されたスクリーン９０上の画像の長軸方向（Ｘ方向）に平行な方向を軸に回転して配置され、画像形成素子８０から＋Ｚ方向に射出される光が、第２反射ミラー１３で−Ｚ方向に反射されて第２光学系１４に向かうように、かつ、スクリーン９０、投射光学系１０、及び画像形成素子８０を共役面Ｂの法線方向（Ｚ方向）から平面視した場合に、共役面Ｂ上において＋Ｙ方向から、スクリーン９０、投射光学系１０の第２光学系１４、画像形成素子８０の順に配列される様に配置されている。
【００２４】
この様子を図３に示している。図３において、１４Ｘは第２光学系１４の共役面Ｂ上への射影（以降、射影１４Ｘとする）を、８０Ｘは画像形成素子８０の共役面Ｂ上への射影（以降、射影８０Ｘとする）を、一点鎖線は共役面Ｂを示している。図３に示すように、スクリーン９０（＝画像形成素子８０のスクリーン９０への投影像）、射影１４Ｘ、及び射影８０Ｘが共役面Ｂ上においてこの順に配列されている。第１反射ミラー１２及び第２反射ミラー１３は、スクリーン９０（＝画像形成素子８０のスクリーン９０への投影像）、射影１４Ｘ、及び射影８０Ｘが図３のように配列される様に配置されている。
【００２５】
なお、光の進む方向に関して、＋Ｚ方向とは、図１及び図２に示す矢印＋Ｚの方向の成分を含む方向を意味し、矢印＋Ｚの方向（Ｚ軸と平行な方向）のみを意味するものではない。例えば、＋Ｚ方向に射出される光とは、矢印＋Ｚの方向（Ｚ軸と平行な方向）に射出される光のみを意味するものではなく、矢印＋Ｚの方向の成分を含む様々な方向に射出される光を意味する。
【００２６】
同様に、−Ｚ方向とは、図１及び図２に示す矢印＋Ｚの方向と反対方向の成分を含む方向を意味し、矢印＋Ｚの方向と反対方向（Ｚ軸と平行な方向）のみを意味するものではない。例えば、−Ｚ方向に反射される光とは、矢印＋Ｚの方向と反対方向（Ｚ軸と平行な方向）に反射される光のみを意味するものではなく、矢印＋Ｚの方向と反対方向の成分を含む様々な方向に反射される光を意味する。
【００２７】
このように、例えば液晶パネル等のライトバルブである画像形成素子８０から射出された光は、第１光学系１１に入射し、第１光学系１１内に配置されたＸ軸を回転中心に−４５°回転（光軸に垂直な面に対して時計回りに４５度回転）した第１反射ミラー１２によって光路を９０°回転させられ、第１光学系１１を射出する。その後、第１光学系１１と第２光学系１４との間に配置され、Ｘ軸を回転中心に−４５°回転（光軸に垂直な面に対して時計回りに４５度回転）した第２反射ミラー１３によって再び光路を９０°回転させられる。
【００２８】
これにより、画像形成素子８０から＋Ｚ方向に射出される光は、反対方向（−Ｚ方向）に向かい第２光学系１４に入射する。そして、第２光学系１４で反射されて＋Ｚ方向に向かいスクリーン９０に入射する。又、第１光学系１１から第２光学系１４に向かう際、画像形成素子８０の中間像を作り、その中間像の更に拡大した画像を第２光学系１４によってスクリーン９０上に投射結像する構成となっている。但し、第１反射ミラー１２及び第２反射ミラー１３は、画像形成素子８０から＋Ｚ方向に射出される光を光路変換し、反対方向（−Ｚ方向）に向かわせて第２光学系１４に入射するように配置すれば良い。従って、第１反射ミラー１２及び第２反射ミラー１３の回転角度は必ずしも−４５°（光軸に垂直な面に対して時計回りに４５度）でなくても構わない。
【００２９】
なお、第１反射ミラー１２は、第１光学系１１内ではなく、第１光学系１１と第２光学系１４との間に配置しても良い。但し、以下の理由で、第１反射ミラー１２は、第１光学系１１内に配置する方が好適である。
【００３０】
つまり、投射光学系１０では、特に第２光学系１４と第１光学系１１内の第２光学系１４側のレンズで、投射光学系１０を構成する光学系全体で発生する歪曲収差をコントロールしている。そのため、なるべく各画角の光線は分離していることが望ましく、第１光学系１１では特に第２光学系１４に近い側に最も負のパワーの大きいレンズを配置している。図１及び図２の例では、第２光学系１４側から数えて３番目のレンズ（後述する表１のＬ３）が、最も負のパワーの大きいレンズであり、このレンズにより光線が大きく広がっていることがわかる。つまり、この最も負のパワーの大きいレンズ（後述する表１のＬ３）から第２光学系１４までは各画角の光線はよく分離されており、広がっている。
【００３１】
光線が大きく広がっている位置に反射ミラーを配置すると、反射ミラーの面積を広くしなければならず、装置全体も大きくなってしまう。又、反射ミラーへの入射角幅が大きくなるため、反射膜の入射角特性を広く取らなければならなくなり、全体の反射率が低下し光学系全体の出力が落ちてしまう。
【００３２】
つまり、第１反射ミラー１２を第１光学系１１内に配置する方が好適である第１の理由は、第２反射ミラー１３のみでなく、第１反射ミラー１２も光線が大きく広がっている第１光学系１１と第２光学系１４との間に配置すると、第１反射ミラー１２及び第２反射ミラー１３の何れも面積を広くしなければならず、装置全体が大きくなってしまい好ましくないからである。又、第２の理由は、第２反射ミラー１３のみでなく、第１反射ミラー１２も光線が大きく広がっている第１光学系１１と第２光学系１４との間に配置すると、第１反射ミラー１２及び第２反射ミラー１３への入射角幅が大きくなるため、反射膜の入射角特性を広く取らなければならなくなり、全体の反射率が低下し光学系全体の出力が落ちてしまい好ましくないからである。
【００３３】
そこで、本実施の形態では、２枚の反射ミラー（第１反射ミラー１２及び第２反射ミラー１３）の内の少なくとも１枚（第１反射ミラー１２）は、第１光学系１１の光線が大きく広がる位置より前、つまり、画像形成素子８０から第１光学系１１の最も負のパワーの大きいレンズ（後述する表１のＬ３）までの間に配置している。これにより、第１反射ミラー１２の反射ミラー面積の増大を抑えることができ、又、入射角幅が小さいため、反射膜も作りやすくなる。
【００３４】
このように、本実施の形態では、第１反射ミラー１２のサイズを小さく出来る。又、第１反射ミラー１２の反射面の入射角幅を狭く出来るので反射膜特性がよく、系全体の出力を上げることができる。
【００３５】
又、第１反射ミラー１２及び第２反射ミラー１３を、何れも画像形成素子８０から第１光学系１１の最も負のパワーの大きいレンズまでの間に配置しても良い。但し、以下の理由で、第１反射ミラー１２のみを第１光学系１１内に配置する方が好適である。つまり、第１反射ミラー１２及び第２反射ミラー１３を、何れも画像形成素子８０から第１光学系１１の最も負のパワーの大きいレンズまでの間に配置すると、第１光学系１１の長さが長くなってしまい、又、最も負のパワーの大きいレンズ以降の光学系全体が大きくなり、装置全体のサイズが大きくなる点で望ましくないからである。本実施の形態のように、第１反射ミラー１２のみを第１光学系１１内に配置することにより、このような問題を回避できる。
【００３６】
投射光学系１０の投射距離（第２光学系１４のスクリーン９０から遠い方の端部１４Ａからスクリーン９０までのＺ軸と平行な距離）は、例えば２４０．０ｍｍとすることができる。又、投射光学系１０を直線状に配置した場合の全長（画像形成素子８０から第２光学系１４の端部１４Ａまでの距離）は、例えば２５１．８ｍｍとすることができる。このように、投射光学系１０は、投射距離が直線状に配置した場合の全長よりも短い光学系である。
【００３７】
ここで、比較例を用いて第１の実施の形態に係る投射光学系１０の奏する効果について補足説明をする。図４は、比較例に係る投射光学系を例示する光路図である。図５は、図４の一部を拡大して例示する光路図である。図４及び図５における座標系は、図１及び図２に示す座標系と同じである。図４及び図５を参照するに、比較例に係る投射光学系１０Ａは、第１反射ミラー１２及び第２反射ミラー１３が配置されてなく、光路の折り曲げが第２光学系１４（凹面ミラー）だけで行われる点を除いて、第１の実施の形態に係る投射光学系１０と同様の構成である。
【００３８】
図４及び図５に示すように、投射光学系１０Ａでは第１反射ミラー１２及び第２反射ミラー１３に相当する２枚の反射ミラーがなく光路の折り返しがないため、画像形成素子８０から射出した光の方向（＋Ｚ方向）に対し、第２光学系１４から射出しスクリーン９０の被投射面に向かう方向が−Ｚ方向となる。つまり、投射光学系１０のように、第２光学系１４からスクリーン９０へ向かう光の方向は＋Ｚ方向にはならない。
【００３９】
投射光学系１０Ａが投射光学系１０のような投射距離が直線状に配置した場合の全長よりも短い光学系である場合、スクリーン９０の位置よりも−Ｚ方向側に画像形成素子８０が配置されてしまう。これは、例えば壁をスクリーンに見立てて投射しようとした場合、投射光学系１０Ａの構成要素が壁にめり込んでしまうことを意味し、非常に使い勝手が悪くなる。つまり、一般に、投射サイズが同じ場合、投射距離を短くしたとしても、直線状に配置した場合の全長は短くならないため、画像投射装置の一部（投射光学系の構成要素）を壁にめり込むようにしなければならなくなる。
【００４０】
一方、投射光学系１０の場合は、第２反射ミラー１３で反射し第２光学系１４に向かう光の方向は画像形成素子８０から射出される光の方向（＋Ｚ方向）とは反対の方向（−Ｚ方向）となり、第２光学系１４を射出した光の方向は画像形成素子８０から射出される光の方向（＋Ｚ方向）と同一方向（＋Ｚ方向）となる。そのため、投射光学系１０Ａように光学系が壁にめり込んでしまうことはない。つまり、投射距離が短くとも光学系全長がコンパクトに折りたためているため、光学系が壁にめり込む問題が解決できる。
【００４１】
又、投射光学系１０は、微小ミラーが２次元に並んだマイクロミラーデバイスタイプ（ＤＭＤ）の画像形成素子に用いると好適である。なぜなら、マイクロミラーデバイスタイプ（ＤＭＤ）の画像形成素子は、照明光に対しＯＮ／ＯＦＦの２方向に反射することで画像を形成するが、その際の照明光は画像形成素子に対し斜め方向から入射しなければならない。これは、一般的なプロジェクタの投射光学系と同じ照明方向となるため、互換性に優れているからである。これに関して、以下に詳説する。
【００４２】
つまり、第２光学系１４（凹面ミラー）を用いないレンズのみで構成された従来の投射光学系を有するプロジェクタは、最も一般的なプロジェクタの使用方法である、机上にプロジェクタを配置し、机から離れた壁に投影するという用途に最適設計されている。又、マイクロミラーデバイスタイプ（ＤＭＤ）の画像形成素子を使った投射光学系の場合は、机上よりも上方向（＋Ｙ方向）に投影するために、画像形成素子に照射する照明光は、画像形成素子の斜め下に配置されているのが最も一般的である。
【００４３】
これに対して、ストレートタイプの投射光学系１０Ａの場合、第１光学系１１の光軸に対し上方向（＋Ｙ方向）に画像形成素子８０をシフトしており、画像形成素子８０を照明する照明光の方向は更に上方向からとなり、上記の第２光学系１４（凹面ミラー）を用いないレンズのみで構成された従来の投射光学系とは逆方向となる（図５参照）。
【００４４】
一方、第２光学系１４を用いた投射光学系１０の場合、第２光学系１４を用いて斜め上（＋Ｙ方向）に光線を跳ね上げる必要上、第１光学系１１の光軸に対し下方向（−Ｙ方向）に画像形成素子８０をシフトしている。つまり、投射光学系１０のように光路を折り返すと、画像形成素子８０のパネルシフトは第１光学系１１の光軸に対して下方向（−Ｙ方向）となり、画像形成素子８０を照明する照明光の方向も下方向（−Ｙ方向）からとなる（図２参照）。
【００４５】
つまり、投射光学系１０にマイクロミラーデバイスタイプ（ＤＭＤ）の画像形成素子８０を採用した場合、ストレートタイプの投射光学系１０Ａとは異なり、上記一般的なプロジェクタの投射光学系と同じ照明方向となる。そのため、例えばプロジェクタシステムに対し、投射光学系のみを、上記一般的なプロジェクタの投射光学系から投射光学系１０に付け替えすることができ、商品ラインナップの展開が容易になる。
【００４６】
又、照明光学系を画像形成素子８０下部に配置することになるので、より重心が下になり、机上に設置した際に安定する。
【００４７】
このように、第１の実施の形態によれば、薄型化が可能であり、かつ、壁に埋め込まずに投射することを可能とする投射光学系を実現できる。
【００４８】
又、従来の投射光学系が有していた凹面ミラーに光線が遮られるという問題や、重心が高くなり机上で倒れやすいという問題、その際、画像形成素子の表示面が上方向に向くため、装置内に侵入したほこり等が堆積しやすいという問題等を回避できる。
【００４９】
〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１の実施の形態に係る投射光学系を備えた画像投射装置を例示する。第２の実施の形態において、第１の実施の形態と同一部分の説明は省略する。
【００５０】
図６は、第２の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式図である。図６を参照するに、第２の実施の形態に係る画像投射装置５０は、第１の実施の形態に係る投射光学系１０と、照明光学系６０と、分離手段７０と、画像形成素子８０とを有する。又、画像投射装置５０は、図示しない照明用電源、画像形成素子８０の変調手段、画像処理ユニット等を有していても良い。
【００５１】
照明光学系６０は、光源６１を含み、例えば光源６１近傍に配置されたリフレクター６２（光源６１と一体となっていても良い）やリレーレンズ６３及び６４、リフレクター６２により反射されて指向性を持った光束の照度を均一化するインテグレータ光学系といわれる照度均一化手段６５等により構成され、画像形成素子８０の面上で均一な照明分布が得られるようにしている。光源６１としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、ＬＥＤ等が用いられる。
【００５２】
又、カラーホイール６６を用いて照明光をカラー化し、それと同期して画像形成素子８０の画像をコントロールすることにより、カラー画像を投射できるようにしてもよい。画像形成素子８０として反射型タイプの液晶画像形成素子を用いる場合は、照明光路と投射光路を分離する分離手段７０を用いることで、より効率のよい照明が可能となる。又、画像形成素子８０としてマイクロミラーデバイスタイプ（ＤＭＤ）を用いる場合は、全反射プリズムを使った光路分離等が採用される。このように、画像形成素子８０の種類に応じて適切な光学系を採用すればよい。
【００５３】
なお、画像形成素子８０を、赤、緑、青等の複数枚用いて、それぞれカラーフィルターを透過した照明光を当てて、色合成手段により合成された光を投射光学系１０に入射させることによりスクリーン９０上にカラー画像を投射することができる。
【００５４】
画像投射装置５０において、画像形成素子８０は変調信号に応じて画像形成される。光源６１からの照明光は画像形成素子８０に照射され、画像形成素子８０に形成された画像は、投射光学系１０によりスクリーン９０に拡大投射される。
【００５５】
〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、第１の実施の形態に係る投射光学系を備えた画像投射装置を例示する。第３の実施の形態において、第１の実施の形態と同一部分の説明は省略する。
【００５６】
図７は、第３の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式図である。図７に示す第３の実施の形態に係る画像投射装置５１は、第２の実施の形態に係る画像投射装置５０と概略同様の構成であり、第１の実施の形態に係る投射光学系１０と、画像形成素子８０と、図示しない照明光学系等とを有する。
【００５７】
画像投射装置５１は、例えば机上に配置し壁に投影する際（以降、使用時と称する場合がある）、第２反射ミラー１３及び第２光学系１４の全部又は一部が画像投射装置５１の略直方体状の筺体５２からはみ出す構造となっている（画像投射装置５１の他の構成部分は、全て筐体５２内に収納されている）。
【００５８】
但し、第２反射ミラー１３及び第２光学系１４は移動可能に構成されており、例えば、画像投射装置５１を持ち運ぶ場合のような、画像投射装置５１の不使用時（投射していない時）には、第２反射ミラー１３及び第２光学系１４の全部を筐体５２内に収納可能である。例えば、第２反射ミラー１３及び第２光学系１４は、それぞれＸ軸と略平行に設けられた軸Ａ及びＢを中心に回動可能に構成されている。つまり、第２反射ミラー１３及び第２光学系１４は、矢印方向に回動することにより、筐体５２内に収納可能である。
【００５９】
例えば、筐体５２上面（＋Ｙ方向）はガラス等の透光性部材により閉塞されており、筐体５２上面の第２反射ミラー１３及び第２光学系１４に対応する部分は開口されている。使用時には、第２反射ミラー１３及び第２光学系１４を破線で示す位置（収納位置）から実線で示す使用位置に回動し、ストッパ（図示せず）により位置決めする。不使用時には、第２反射ミラー１３及び第２光学系１４を破線で示す位置（収納位置）に収納する。
【００６０】
第２反射ミラー１３及び第２光学系１４の回動は手動で行っても良いが、モータやソレノイド等のアクチュエータを駆動源として自動化すれば、リモコン操作にも対応でき、好適である。
【００６１】
このように、第２反射ミラー１３及び第２光学系１４を移動可能に構成し、画像投射装置５１の不使用時には、第２反射ミラー１３及び第２光学系１４を筐体５２内に収納することにより、筐体５２の薄型化が可能となり、画像投射装置５１の持ち運びの際等に好適である。筐体５２の高さ（Ｙ方向）を、第１光学系１１を無駄なスペースが存在しない状態で収容する必要最小限の高さに設定することにより、特に、薄型化を実現できる。
【００６２】
なお、第２反射ミラー１３及び第２光学系１４の何れか一方のみが、使用時に筺体５２からはみ出す場合には、はみ出す方の部品のみを移動可能に構成すれば良いことは言うまでもない。
【００６３】
〈第３の実施の形態の変形例〉
第３の実施の形態の変形例では、第２反射ミラー１３及び第２光学系１４の移動可能な構成の他の例を示す。第３の実施の形態の変形例において、第３の実施の形態と同一部分の説明は省略する。
【００６４】
図８は、第３の実施の形態の変形例に係る画像投射装置を例示する模式図である。図８に示す第３の実施の形態の変形例に係る画像投射装置５３は、第２の実施の形態に係る画像投射装置５０と概略同様の構成であり、第１の実施の形態に係る投射光学系１０と、画像形成素子８０と、図示しない照明光学系等とを有する。
【００６５】
画像投射装置５３は、画像投射装置５１（図７参照）と同様に、使用時に第２反射ミラー１３及び第２光学系１４の全部又は一部が画像投射装置５３の筺体５４からはみ出す構造となっている（画像投射装置５３の他の構成部分は、全て筐体５４内に収納されている）。
【００６６】
第２光学系１４は移動可能に構成されており、画像投射装置５１と同様に、例えばＸ軸と略平行に設けられた軸Ｂを中心に回動可能に構成されている。つまり、第２反射ミラー１３は、矢印方向に回動することにより、筐体５４内に収納可能である。又、第２反射ミラー１３は移動可能に構成されており、例えば、例えばＸ軸と略平行に設けられた軸Ａを中心に回動可能に構成されており、更に、下方（−Ｙ方向）に摺動可能に構成されている。つまり、第２反射ミラー１３は、下方（−Ｙ方向）に摺動しながら矢印方向に回動することにより、筐体５４内に収納可能である。
【００６７】
このように、第２反射ミラー１３を下方（−Ｙ方向）に摺動しながら回動させて筐体５４内に収納する構造とすることにより、筐体５４を筐体５２よりも更に薄くすることが可能となる。
【００６８】
なお、第２反射ミラー１３及び第２光学系１４の何れか一方のみが、使用時に筺体５４からはみ出す場合には、はみ出す方の部品のみを移動可能に構成すれば良いことは言うまでもない。
【００６９】
続いて、実施例を示す。
【００７０】
［実施例］
本実施例では、投射光学系１０の数値データを例示する。始めに、表１に本実施例の諸元を示す。
【００７１】
【表１】
2012027113.tif 000003
表１において、面番号は、物体側より順にレンズの各面に付した番号である。すなわち、画像形成素子８０のカバーガラスの一方の面（第１光学系１１から遠い方の面）が１面、他方の面が２面、第１光学系１１の各面が画像形成素子８０に近い方から３面〜１６面、第１反射ミラー１２が１７面、第１光学系１１の各面が第１反射ミラー１２に近い方から１８面〜２６面、第２反射ミラー１３が２７面、第２光学系１４が２８面である。名称において、ＣＧはカバーガラス、ＡＰは絞り、Ｌ１〜Ｌ１１はレンズ、Ｍ１は凹面ミラーを示している。曲率半径は、面番号を付された面の曲率半径である。面間隔は、面番号を付された面とその次の面との軸上面間隔である。屈折率は、付された面番号とその次の面番号とで表された面からなる各レンズの屈折率である。分散はアッベ数として表し、屈折率と共にｄ線での値である。
【００７２】
本光学系は、画像形成素子８０に対角０．５５インチで長軸：短軸＝４：３の反射型の素子を用いることを想定している。又、画像形成素子８０の中心は、第１光学系１１のレンズ光軸に対して５．５ｍｍ下方（−Ｙ方向）にシフトしている（第４面のシフト分ふくめて）。又、投射サイズは対角５０インチとなっており、投射倍率は約９０．９倍となっている。又、本実施例では、２枚の反射ミラー（第１反射ミラー１２及び第２反射ミラー１３）は平面ミラーで構成されているが、平面でなくても光路を折り返す機能を有するものであればよい。但し、平面のほうが加工しやすく、かつ光路に配置する精度もゆるくできるため好適である。
【００７３】
本光学系は、画像形成素子８０を射出する各光束の主光線が平行でない、つまり非テレセントリックな光学系である。又、第１光学系１１の最初の光学要素は絞り（ＡＰ）であり、その次の光学部品（面番号４、５面）は、非球面レンズとなっている。ここで４、５、２２、２３、２４、２５面に用いられている非球面とは回転対称非球面であり、回転対称非球面は周知のとおり、Ｚを光軸方向のデプス、ｃを近軸曲率半径、ｒを光軸からの光軸直交方向の距離、ｋを円錐係数、Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・等を高次の非球面係数とすると、『Ｚ＝ｃ・ｒ２／［１＋√｛１−（１＋ｋ）ｃ２ｒ２｝］＋Ａｒ４＋Ｂｒ６＋Ｃｒ８・・・』という非球面式となり、ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ・・・の値を与えて形状を特定する。
【００７４】
表２、３、４、５、６、７に本実施例に使用されている非球面の非球面係数データを各面ごとに示す。又、表８に非球面係数の次数を示す。
【００７５】
【表２】
2012027113.tif 000004
【００７６】
【表３】
2012027113.tif 000005
【００７７】
【表４】
2012027113.tif 000006
【００７８】
【表５】
2012027113.tif 000007
【００７９】
【表６】
2012027113.tif 000008
【００８０】
【表７】
2012027113.tif 000009
【００８１】
【表８】
2012027113.tif 000010
本光学系のように、絞り（ＡＰ）に最も近い、パワーを持った光学素子に非球面を用いることにより、各画角の光束が同じようにその光学要素に入射・射出するため瞳の大きさに起因する収差、つまり球面収差やコマ収差を特に補正しやすくなり、スクリーン９０上での解像度が良くなる。又、第１光学系１１において最も各主光線が離れているレンズ、つまり最も第２光学系１４に近いレンズに非球面を用いることにより、各画角の光線が最も分離しているため、画角に起因する収差、つまり歪曲収差や像面湾曲、非点収差が補正しやすくなり、スクリーン上での解像度が良くなる。
【００８２】
又、２８面の第２光学系１４（凹面ミラー）は多項式自由曲面となっており、前述の式１で表される形状である。多項式自由曲面は、非球面形状よりも設計自由度が高く、歪曲収差を含めた収差補正性能が高くなり好適である。
【００８３】
表９に第２８面の自由曲面係数を示す。自由曲面係数は前述の式１に対応している。又、表１０、１１、１２、１３に、それぞれ第３面、第１７面、第２７面、第２８面のY方向シフト量、及びＹＺ面内回転量を示す。
【００８４】
【表９】
2012027113.tif 000011
【００８５】
【表１０】
2012027113.tif 000012
【００８６】
【表１１】
2012027113.tif 000013
【００８７】
【表１２】
2012027113.tif 000014
【００８８】
【表１３】
2012027113.tif 000015
図９は、画像形成素子（共役面Ａ）上の物点の位置を例示する図である。図９では、図１においてＸＹ面上にある画像形成素子８０上の物点のうち、Ｘ≦０の領域において、Ｘ方向に３等分割、Ｙ方向に３等分割して得られる９個の格子点（１）〜（９）を示している。図１０は、図９の格子点（１）〜（９）に対応するスクリーン（共役面Ｂ）上での像点位置を例示する図であり、画面の歪具合を示したものである。図９に示す画像形成素子（共役面Ａ）上の格子の形状は、図１０に示すスクリーン（共役面Ｂ）上でもほぼ維持されており、画面の歪が十分抑えられていることが確認できる。
【００８９】
図１１は、スクリーン（共役面Ｂ）上でのスポットダイアグラムを例示する図である。図１１における各スポットの番号（１）〜（９）は、それぞれ図９の格子点（１）〜（９）と対応している。図１１に示すように、スポットが十分小さく形成されており、解像度の高い画像がスクリーン９０上に作製されていることが確認できる。
【００９０】
以上、好ましい実施の形態、変形例、及び実施例について詳説したが、上述した実施の形態、変形例、及び実施例に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態、変形例、及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【符号の説明】
【００９１】
１０、１０Ａ  投射光学系
１１  第１光学系
１２  第１反射ミラー
１３  第２反射ミラー
１４  第２光学系
１４Ａ  第２光学系１４の端部
１４Ｘ  第２光学系１４の共役面Ｂ上への射影
５０、５１、５３  画像投射装置
５２、５４  筺体
６０  照明光学系
６１  光源
６２  リフレクター
６３、６４  リレーレンズ
６５  照度均一化手段
６６  カラーホイール
７０  分離手段
８０  画像形成素子
８０Ｘ  画像形成素子８０の共役面Ｂ上への射影
９０  スクリーン
Ａ、Ｂ  軸
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９２】
【特許文献１】特開２００６−２３５５１６号公報
【特許文献２】特開２００９−２０４８４６号公報
【特許文献３】特許４２２３９３６号
【特許文献４】特開２００９−１１６１４９号公報
【図１】
2012027113.tif 000016
【図２】
2012027113.tif 000017
【図３】
2012027113.tif 000018
【図４】
2012027113.tif 000019
【図５】
2012027113.tif 000020
【図６】
2012027113.tif 000021
【図７】
2012027113.tif 000022
【図８】
2012027113.tif 000023
【図９】
2012027113.tif 000024
【図１０】
2012027113.tif 000025
【図１１】
2012027113.tif 000026