(57)【要約】【課題】  低コストで、歪みが抑えられるとともに、全面でほぼピントが合った高解像の投影像を投影できることを特徴とした投影光学装置を提供する。【解決手段】  二次元からなる映像表示素子１３ｂに表示された映像を投影する投影光学系１３と、投影光学系１３に対して偏心し、投影光学系１３の投影した映像が投影される曲面からなるスクリーン１１と、を備えた投影光学装置において、投影光学系１３から投影された映像を反射しスクリーン１１へ投影する拡張回転自由曲面からなる反射面１２ａを含む補正光学系１２を有し、投影光学系１３の絞りＳ中心を通りスクリーン１１中心へ向かう中心主光線Ｃが反射面１２ａで反射する反射中心ＲＯでの垂線に対して直交する平面Ｐと、反射面１２ａの回転対称軸１２ａ1が交差することを特徴とする。【選択図】図４
2012008358.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元からなる映像表示素子に表示された映像を投影する投影光学系と、前記投影光学系に対して偏心し、前記投影光学系の投影した映像が投影される曲面からなるスクリーンと、を備えた投影光学装置において、
前記投影光学系から投影された映像を反射し前記スクリーンへ投影する拡張回転自由曲面からなる反射面を含む補正光学系を有し、
前記投影光学系の絞り中心を通り前記スクリーン中心へ向かう中心主光線が前記反射面で反射する反射中心での垂線に対して直交する平面と、前記反射面の回転対称軸が交差する
ことを特徴とする投影光学装置。
【請求項２】
前記反射面は、前記回転対称軸に直交する面内で、前記投影光学系側に向かうにしたがって曲率半径が小さくなり、前記投影光学系とは反対側に向かうにしたがって曲率半径が大きくなることを特徴とする請求項１に記載の投影光学装置。
【請求項３】
以下の条件式（１）を満足することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の投影光学装置。
０  ＜  ｚ／Ｒ１  ＜  ５                                    （１）
ただし、
Ｒ１は、前記回転対称軸に直交する面における前記反射面の曲率半径、
ｚは、スクリーンの中心から反射面に中心主光線が当たる位置までを前記中心主光線を含む面に直交すると共に前記スクリーン中心での垂線を含む面に投影した距離、
である。
【請求項４】
以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の投影光学装置。
５°  ＜  α  ＜  ７０°                                    （２）
ただし、αは、投影する光束の中心主光線と前記スクリーンの垂線のなす角度である。
【請求項５】
前記補正光学系は、光軸に対して回転非対称な光学素子をさらに有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の投影光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は投影光学系を含んで構成される光学系に関するものであり、特に、曲面状の投影面（スクリーン）に像歪み無く高解像な映像を投影することが可能な投影光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
投影光学系を用いて円筒スクリーンに実像を投影する投影光学系について、特許文献１には、３６０°全方位（全周）の画角を有する画像を投影する光学系において、小型でフレアー光が少なく解像力のよい光学系を提供することが開示されている。また、投影光学系を用いて曲面のスクリーンに実像を投影する投影光学系について、特許文献２〜４には、像歪みを電子的に補正したり、像歪みが発生しないように球の中心に魚眼レンズを配置する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３３４０１９号公報
【特許文献２】特開平１０−３０７２０２号公報
【特許文献３】特開２００２−３６０９３０号公報
【特許文献４】特開２００５−７０４１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の光学系によれば、全周囲に映像を投影することで、観察者は全周にパノラマ状に広がる映像を観察させることで、観察者を映像に没入させることが可能となる。しかしながら、このような３６０°にわたる映像を投影するには、光学系を中心として、その周囲にある程度の空間を設けることが必要である。
【０００５】
したがって、特許文献１に記載の光学系では、例えば、飛行機の機内のような限られた空間で没入感のある映像を楽しむことは困難である。ここで、観察者が椅子やソファなどに着座した状況では３６０°にまで映像を投影するまでもなく、１８０°近くの投影像であっても没入感を得ることが可能であることが分かっている。これは、着座によって観察者の視点範囲が限られたものとなるためである。
【０００６】
このような曲面状の投影面（曲面スクリーン）に広画角の映像を投影する光学系において、歪みを抑えるために、特許文献２〜４に記載された電子的な補正や魚眼レンズを使用すると、観察位置が制限されたり、解像度の低下や高コストとなってしまう。
【０００７】
本発明は、このような曲面状の投影面（曲面スクリーン）に広画角の映像を投影する光学系において、低コストで、歪みが抑えられるとともに、全面でほぼピントが合った高解像の投影像を投影できることを特徴とした投影光学装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る投影光学装置は、二次元からなる映像表示素子に表示された映像を投影する投影光学系と、前記投影光学系に対して偏心し、前記投影光学系の投影した映像が投影される曲面からなるスクリーンと、を備えた投影光学装置において、前記投影光学系から投影された映像を反射し前記スクリーンへ投影する拡張回転自由曲面からなる反射面を含む補正光学系を有し、前記投影光学系の絞り中心を通り前記スクリーン中心へ向かう中心主光線が前記反射面で反射する反射中心での垂線に対して直交する平面と、前記反射面の回転対称軸が交差することを特徴とする。
【０００９】
また、前記反射面は、前記回転対称軸に直交する面内で、前記投影光学系側に向かうにしたがって曲率半径が小さくなり、前記投影光学系とは反対側に向かうにしたがって曲率半径が大きくなることを特徴とする。
【００１０】
また、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。
０  ＜  ｚ／Ｒ１  ＜  ５                                    （１）
ただし、
Ｒ１は、前記回転対称軸に直交する面における前記反射面の曲率半径、
ｚは、スクリーンの中心から反射面に中心主光線が当たる位置までを前記中心主光線を含む面に直交すると共に前記スクリーン中心での垂線を含む面に投影した距離、
である。
【００１１】
また、以下の条件式（２）を満足することを特徴とする。
５°  ＜  α  ＜  ７０°                                    （２）
ただし、αは、投影する光束の中心主光線と前記スクリーンの垂線のなす角度である。
【００１２】
また、前記補正光学系は、前記反射面で発生する非点収差を補正する回転非対称な光学素子を前記投影光学系近傍に有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
以上、本発明によれば、簡単な構成で平面の映像表示素子の映像を、低コストで、曲面状の投影面（曲面スクリーン）に像歪みがほぼ無く高解像に投影することが可能な投影光学装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明にかかる実施形態の座標系及び第１面を説明した図である。
【図２】本発明にかかる実施形態の座標系及び第２面を説明した図である。
【図３】拡張回転自由曲面の原理を示す図である。
【図４】実施例１の光学系、及び、その周辺構成についてＹＺ平面における断面を示した図である。
【図５】実施例１の光学系、及び、その周辺構成についてＸＺ平面における平面図である。
【図６】実施例１の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図７】実施例１の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図８】実施例１の光学系全体の像歪みを示す図である。
【図９】実施例２の光学系、及び、その周辺構成についてＹＺ平面における断面を示した図である。
【図１０】実施例２の光学系、及び、その周辺構成についてＸＺ平面における平面図である。
【図１１】実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図１２】実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図１３】実施例２の光学系全体の像歪みを示す図である。
【図１４】実施例３の光学系、及び、その周辺構成についてＹＺ平面における断面を示した図である。
【図１５】実施例３の光学系、及び、その周辺構成についてＸＺ平面における平面図である。
【図１６】実施例３の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図１７】実施例３の光学系全体の横収差図を示す図である。
【図１８】実施例３の光学系全体の像歪みを示す図である。
【図１９】本発明の実施形態に係る光学系、及び、その周辺構成について、ＹＺ平面における断面、並びに、観察者による観察の様子を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、実施例に基づいて本発明の投影光学装置について説明する。
【００１６】
まず、本発明にかかる実施形態の座標系について説明する。図１は本発明にかかる実施形態の座標系及び第１面を説明した図、図２は本発明にかかる実施形態の座標系及び第２面を説明した図である。ただし、スクリーンが円筒面の場合を示している。
【００１７】
本実施形態の光学系を用いた投影光学装置は、図１及び図２に示すように、投影光学系１３、補正光学系１２及びスクリーン１１を含んで構成されている。投影光学系１３から投影された映像は、曲面ミラー等の補正光学系１２にて反射され、スクリーン１１に投影される。
【００１８】
本実施形態の光学系は、投影光学系１３の絞りＳの中心を通って射出した中心主光線Ｃが補正光学系１２を経てスクリーン１１と交差する点を投影中心ＳＯとする。そして、投影中心ＳＯでの垂線Ａ１上のスクリーン１１の回転中心を原点Ｏとする。例えば、スクリーン１１が円筒面等の場合、回転中心軸１１ａと垂線Ａ１の交点を原点Ｏとする。また、スクリーン１１が球面の場合は、スクリーン１１の中心を原点Ｏとする。
【００１９】
また、図１に示すように、中心主光線Ｃを含む面を第１面１０１とする。また、図２に示すように、第１面１０１に対して直交すると共に中心主光線Ｃがスクリーン１１と交差する投影中心ＳＯでの垂線Ａ１を含む面を第２面１０２とする。さらに、第１面１０１をＹＺ面、第２面１０２をＸＺ面としてＸＹＺ座標を定義する。
【００２０】
また、拡張回転自由曲面ＥＲＦＳは、以下の定義で与えられる回転対称面である。
【００２１】
図３に示すように、まず、ＹＺ座標面上で原点Ｏを通る下記の曲線（ａ）が定められる。
【００２２】
Ｚ＝（Ｙ2 ／ＲＹ）／［１＋｛１−（Ｃ1 ＋１）Ｙ2 ／ＲＹ2 ｝1 /2］
＋Ｃ2 Ｙ＋Ｃ3 Ｙ2 ＋Ｃ4 Ｙ3 ＋Ｃ5 Ｙ4 ＋Ｃ6 Ｙ5 ＋Ｃ7 Ｙ6 
＋・・・・＋Ｃ21Ｙ20＋・・・・＋Ｃn+1 Ｙn ＋・・・・
・・・（ａ）
【００２３】
次いで、Ｙ軸をＺ正方向に距離Ｒ（負のときはＺ負方向）だけ平行移動し、Ｘ軸正方向を向いて左回りを正として角度θ（°）回転した軸を定義する。この軸が拡張回転自由曲面の軸（回転対称軸１２ａ1）となる。
【００２４】
曲線（ａ）をこの回転対称軸１２ａ1の周りで回転させてできる回転対称面を拡張回転自由曲面とする。
【００２５】
その結果、拡張回転自由曲面はＹＺ面内で自由曲面（自由曲線）になり、回転対称軸に直交する面内で半径｜Ｒ｜の円になる。
【００２６】
ここで、ＲＹはＹＺ断面での球面項の曲率半径、Ｃ1 は円錐定数、Ｃ2 、Ｃ3 、Ｃ4 、Ｃ5 …はそれぞれ１次、２次、３次、４次…の非球面係数である。
【００２７】
なお、回転対称軸１２ａ1を中心軸に持つ円錐面は拡張回転自由曲面の１つとして与えられ、ＲＹ＝∞，Ｃ1 ，Ｃ2 ，Ｃ3 ，Ｃ4 ，Ｃ5 ，…＝０とし、θ＝（回転対称軸の傾き角）、Ｒ＝（回転対称軸に直交する面内での底面の半径）として与えられる。また、図３中のαは後述するＸ軸周りの偏心を示している。
【００２８】
次に、実施例１に基づいて、本実施形態の投影光学装置について説明する。図４は、実施例１の光学系、及び、その周辺構成についてＹＺ平面における断面を示した図、図５は、実施例１の光学系、及び、その周辺構成についてＸＺ平面における平面図である。
【００２９】
本実施形態の投影光学装置は、二次元からなる映像表示素子１３ｂに表示された映像を投影する投影光学系１３と、投影光学系１３に対して偏心し、投影光学系１３の投影した映像が投影される曲面からなるスクリーン１１と、を備えた投影光学装置において、投影光学系１３から投影された映像を反射しスクリーン１１へ投影する拡張回転自由曲面からなる反射面１２ａを含む補正光学系１２を有し、投影光学系１３の絞りＳの中心を通りスクリーン１１中心へ向かう中心主光線Ｃが反射面１２ａで反射する反射中心ＲＯでの垂線に対して直交する平面Ｐと、反射面１２ａの回転対称軸１２ａ1が交差することが好ましい。
【００３０】
例えば、図１及び図２に示すように、スクリーン１１が観察者に対して上下方向となる回転中心軸１１ａを持つ円筒状のスクリーン１１及び円筒状又は球面状の反射面１２の場合について説明する。
【００３１】
一般的に、円筒状の反射面１２に斜め上方向から映像を投影した場合に、円筒の凸面で反射され、投影画角がひろがるが、映像の水平方向に当たる線分は円筒を斜めに切るような状態で反射されるために、像の水平方向の線分は円筒反射面１２では上方に凸形状を有するように弓なりに曲がって投影され、上方に凸形状を有する円弧状の反射光になる。
【００３２】
一方、円筒スクリーン１１に斜めに上方向から投影される水平方向の線分は、先に水平線の両端からスクリーン１１に当る状態のため、下方に凸形状を有するように弓なりに曲がって投影される。
【００３３】
本発明はこの２つの状態を適切にすることによって、水平線の歪を無くすことに成功したものである。
【００３４】
また、反射面１２ａの回転軸を鉛直方向から傾けることによって反射面１２ａの上と下の第２面方向の曲率が大きく異なりこれにより台形歪も補正することが可能となる。
【００３５】
なお、図１及び図２では、スクリーン１１及び反射面１２ａが円筒の場合を説明したが、スクリーン１１と反射面１２ａは球面でもトーリック面でもアナモルフィック面でも自由曲面でも回転対称自由曲面でも、本発明の趣旨である弓なりに発生する像歪の補正を行うことが可能なことは言うまでもない。
【００３６】
また、反射面１２ａは、回転対称軸１２ａ1に直交する面内で、投影光学系１３側に向かうにしたがって曲率半径が小さくなり、投影光学系１３とは反対側に向かうにしたがって曲率半径が大きくなることが好ましい。
【００３７】
この形状により、上から投影する事による上辺が短くなり、底辺が長くなる台形の像歪を補正することが可能となる。つまりプロジェクター側に行くほど曲率半径が小さくなり、反射像は横方向に広げられるからである。
【００３８】
また、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
０  ＜  ｚ／Ｒ１  ＜  ５                                    （１）
ただし、
Ｒ１は、回転対称軸１２ａ1に直交する面における反射面の曲率半径、
ｚは、スクリーン１１の中心から反射面に中心主光線Ｃが当たる位置までを中心主光線Ｃを含む面に直交すると共にスクリーン１１中心での垂線を含む面に投影した距離、
である。
【００３９】
条件式（１）は、弓なりに発生する像歪に関するものであり、条件式（１）の下限を下回ると、反射面１２ａで発生する上方に凸形状の像歪の発生が少なく、スクリーン１１で発生する下方に凸形状の像歪を補正しきれない。また、条件式（１）の上限を上回ると、スクリーン１１側に凸面を向けた反射面１２ａで発生する上方に凸形状の像歪が過剰に発生しすぎてしまう。
【００４０】
また、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
５°  ＜  α  ＜  ７０°                                    （２）
ただし、αは、投影する光束の中心主光線とスクリーンの垂線のなす角度である。
【００４１】
条件式（２）は、投影光学系１３の斜め投影の角度に関するものであり、条件式（２）の下限を下回ると、投影光学系１３と反射面１２ａが邪魔になり、スクリーン１１の正面から観察者が観察することが出来なくなってしまう。また、条件式（２）の上限を上回ると、偏心収差の発生が大きくなり、投影光学系１３の設計に負担がかかったり、広い投影面積が取れなくなったりする。
【００４２】
また、以下の条件式（２’）を満足するとさらに好ましい。
１０°  ＜  α  ＜  ６０°                                    （２’）
【００４３】
また、補正光学系１２は、光軸に対して回転非対称な光学素子１２ｂをさらに有することが好ましい。
【００４４】
回転非対称な光学素子１２ｂにより、反射面１２で発生する非点収差を補正することが可能となる。
【００４５】
なお、回転非対称な光学素子１２ｂとしてシリンドリカルレンズを配置することが好ましい。また、アナモルフィック面や自由曲面、回転対称自由曲面等で構成された第２の反射面で補正することも可能である。さらに、反射面１２ａが球面の場合や非点収差の発生が少ない場合は回転非対称な光学素子１２ｂは不要なことは言うまでもない。
【００４６】
また、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。
Ｌ２／Ｌ１  ＜  ０．５                                      （３）
ただし、
Ｌ１は、反射面から回転非対称な光学素子までの中心主光線の光路長、
Ｌ２は、投影光学系の絞りから回転非対称な光学素子までの中心主光線の光路長、
である。
【００４７】
条件式（３）の上限を上回ると、回転非対称な光学素子１２ｂが反射面１２ａに近づき過ぎてしまい、非点収差を良好に補正することが難しくなる。
【００４８】
また、以下の条件式（４）を満足することが好ましい。
ＲＳ  ＜  ２ｍ                                              （４）
ただし、
ＲＳは、円柱又は球面スクリーンの第２面での曲率半径、
である。
【００４９】
条件式（４）の上限を上回ると、スクリーンが大きくなり、一般家庭での使用が困難となる。
【００５０】
また、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。
αＳ    ＞  ６０°                                          （５）
ただし、
αＳは、第２面でのスクリーンの弧の角度、
である。
【００５１】
条件式（５）を満足すると、高い臨場感が得られる。
【００５２】
以下に、投影光学装置１の光学系の実施例を説明する。これら光学系の構成パラメータは後記する。これら実施例等の構成パラメータは、スクリーン１１から映像表示素子１３ｂに向かう逆光線追跡で追跡している。
【００５３】
座標系は、図１及び図２に示したように、投影光学系１３から射出した中心主光線Ｃが補正光学系１２を経てスクリーン１１と交差する点を投影中心ＳＯとし、投影中心ＳＯからスクリーン１１の回転中心軸１１ａへの垂線Ａ１を引いた場合に、回転中心軸１１ａと垂線Ａ１の交点を偏心光学系の原点Ｏとする。また、原点Ｏから回転中心軸１１ａを投影光学系１３へ向かう方向をＹ軸正方向とし、投影中心ＳＯの反対側へ向かう方向をＺ軸正方向とする。そして、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。
【００５４】
また、図１に示すように、スクリーン１１の回転中心軸１１ａと中心主光線Ｃを含む面を第１面１０１とする。また、図２に示すように、スクリーン１１の回転中心軸１１ａに直交し、投影中心ＳＯを含む面を第２面１０２とする。
【００５５】
偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系の原点の中心からの偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、光学系の原点に定義される座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する（αについては図３参照）。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００５６】
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には面間隔が与えられており、その他、面の曲率半径、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。なお、データの記載されていない係数項は０である。屈折率、アッベ数については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを記載している。また、特に表記のない長さの単位はｍｍである。
【００５７】
実施例１について説明する。図４は、実施例１の光学系、及び、その周辺構成についてＹＺ平面（第１面）における断面を示した図、図５は、実施例１の光学系、及び、その周辺構成についてＸＺ平面（第２面）における平面図である。また、図６及び図７は光学系全体の横収差図であり、図８は像歪みを示す図である。
【００５８】
実施例１の投影光学装置は、二次元からなる映像表示素子１３ｂに表示された映像を投影する投影光学系１３と、投影光学系１３に対して偏心し、投影光学系１３の投影した映像が投影される曲面からなるスクリーン１１と、を備えた投影光学装置において、投影光学系１３から投影された映像を反射しスクリーン１１へ投影する拡張回転自由曲面からなる反射面１２ａを含む補正光学系１２を有し、投影光学系１３の絞りＳ中心を通りスクリーン１１中心へ向かう中心主光線Ｃが反射面１２ａで反射する反射中心ＲＯでの垂線に対して直交する平面Ｐと、反射面１２ａの回転対称軸１２ａ1が交差することが好ましい。
【００５９】
また、反射面１２ａは、回転対称軸１２ａ1に直交する面内で、投影光学系１３側に向かうにしたがって曲率半径が小さくなり、投影光学系１３とは反対側に向かうにしたがって曲率半径が大きくなることが好ましい。
【００６０】
また、反射面１２ａは、中心主光線Ｃが当たる位置でのＹＺ平面におけるパワーとＸＺ平面に平行な面におけるパワーが異なり、補正光学系１２は、光軸に対して回転非対称な光学素子１２ｂをさらに有する。
【００６１】
スクリーン１１は、回転中心軸１１ａを中心とし、ＸＺ平面内で曲率を有する反射面である。また、ミラー１２ａは、スクリーン１１とは曲率半径の長さと回転対称軸が異なる、ＸＺ平面内で曲率を有する拡張回転自由曲面からなる反射面である。
【００６２】
スクリーン１１の投影中心ＳＯと座標原点Ｏを結ぶ線Ａ１は、投影光学系１３における理想レンズ１３ａ及び映像表示素子１３ｂの中心軸Ａ２に対してＹ軸方向に斜めに偏心させた配置となっている。また、中心主光線Ｃがミラー１２ａで反射する点を反射中心ＲＯとすると、反射中心ＲＯのＹ軸方向の位置は、投影光学系１３の絞りＳの中心とスクリーン１１の投影中心ＳＯとの間に配置されている。その結果、投影光学系１３からミラー１２ａに斜めに投影される投影像は、ミラー１２ａで反射しスクリーン１１に斜めに投影されて投影像となり観察者に観察される。
【００６３】
また、図３及び図４には、破線で囲まれた部分の拡大図が合わせて図示されている。投影光学系１３は、ＬＣＤなど映像を表示する映像表示素子１３ｂ、理想レンズ１３ａを含んで構成されている。シリンドリカルレンズ１２ｂの平面ｒ５には、絞りが設けられている。
【００６４】
実施例１では、Ｘ軸方向に投影画角を拡大する手段として、ミラー１２ａ（反射面）を用いることとしている。しかしながら、ミラー１２ａを用いたことで非点収差が発生し、スクリーン１１上に形成する映像を劣化させてしまう。そこで、シリンドリカルレンズ１２ｂからなる光学素子を用いて、この非点収差を補正している。
【００６５】
逆光線追跡において、物体面としてのスクリーン１１（ｒ１）から射出した光束は、補正光学系１２のミラー１２ａ（ｒ３）で反射され、シリンドリカルレンズ１２ｂのシリンドリカル面（ｒ４）に入射する。その後、シリンドリカルレンズ１２ｂを透過して反対側の絞りを設けた平面（ｒ５）から射出した光束は、投影光学系１３の理想レンズ１３ａ（ｒ６）に入射する。そして、理想レンズ１３ａ（ｒ６）を射出した光束は、映像表示素子１３ｂ（ｒ７）の所定位置に達する。なお、座標原点Ｏをｒ２としている。
【００６６】
実施例１のスクリーン１１は、原点Ｏを中心位置に持つ半径１．３ｍの円筒面内側である。また、理想レンズ１３の焦点距離は１７ｍｍ、射出瞳径は１０ｍｍである。
【００６７】
図７は、実施例１の像歪みを示す図である。外側の略四辺形は最大像高の像面での歪みを表し、内側の略四辺形は最大像高×０．７の像面での歪みを表す。略四辺形の上辺と下辺が水平に近くなり、弓なりになる像歪みが補正されていることがわかる。
【００６８】
実施例２について説明する。図９は、実施例２の光学系、及び、その周辺構成についてＹＺ平面（第１面）における断面を示した図、図１０は、実施例２の光学系、及び、その周辺構成についてＸＺ平面（第２面）における平面図である。また、図１１及び図１２は光学系全体の横収差図であり、図１３は像歪みを示す図である。
【００６９】
実施例２の投影光学装置は、二次元からなる映像表示素子１３ｂに表示された映像を投影する投影光学系１３と、投影光学系１３に対して偏心し、投影光学系１３の投影した映像が投影される曲面からなるスクリーン１１と、を備えた投影光学装置において、投影光学系１３から投影された映像を反射しスクリーン１１へ投影する拡張回転自由曲面からなる反射面１２ａを含む補正光学系１２を有し、投影光学系１３の絞りＳ中心を通りスクリーン１１中心へ向かう中心主光線Ｃが反射面１２ａで反射する反射中心ＲＯでの垂線に対して直交する平面Ｐと、反射面１２ａの回転対称軸１２ａ1が交差することが好ましい。
【００７０】
また、反射面１２ａは、回転対称軸１２ａ1に直交する面内で、投影光学系１３側に向かうにしたがって曲率半径が小さくなり、投影光学系１３とは反対側に向かうにしたがって曲率半径が大きくなることが好ましい。
【００７１】
また、反射面１２ａは、中心主光線Ｃが当たる位置でのＹＺ平面におけるパワーとＸＺ平面に平行な面におけるパワーが異なり、補正光学系１２は、光軸に対して回転非対称な光学素子１２ｂをさらに有する。
【００７２】
スクリーン１１は、回転中心軸１１ａを中心とし、ＸＺ平面内で曲率を有する反射面である。また、ミラー１２ａは、スクリーン１１とは曲率半径の長さと回転対称軸が異なる、ＸＺ平面内で曲率を有する拡張回転自由曲面からなる反射面である。
【００７３】
スクリーン１１の投影中心ＳＯと座標原点Ｏを結ぶ線Ａ１は、投影光学系１３における理想レンズ１３ａ及び映像表示素子１３ｂの中心軸Ａ２に対してＹ軸方向に斜めに偏心させた配置となっている。また、中心主光線Ｃがミラー１２ａで反射する点を反射中心ＲＯとすると、反射中心ＲＯのＹ軸方向の位置は、投影光学系１３の絞りＳの中心とスクリーン１１の投影中心ＳＯとの間に配置されている。その結果、投影光学系１３からミラー１２ａに斜めに投影される投影像は、ミラー１２ａで反射しスクリーン１１に斜めに投影されて投影像となり観察者に観察される。
【００７４】
また、図９及び図１０には、破線で囲まれた部分の拡大図が合わせて図示されている。投影光学系１３は、ＬＣＤなど映像を表示する映像表示素子１３ｂ、理想レンズ１３ａを含んで構成されている。シリンドリカルレンズ１２ｂの平面ｒ５には、絞りが設けられている。
【００７５】
実施例２では、Ｘ軸方向に投影画角を拡大する手段として、ミラー１２ａ（反射面）を用いることとしている。しかしながら、ミラー１２ａを用いたことで非点収差が発生し、スクリーン１１上に形成する映像を劣化させてしまう。そこで、シリンドリカルレンズ１２ｂからなる光学素子を用いて、この非点収差を補正している。
【００７６】
逆光線追跡において、物体面としてのスクリーン１１（ｒ１）から射出した光束は、補正光学系１２のミラー１２ａ（ｒ３）で反射され、シリンドリカルレンズ１２ｂのシリンドリカル面（ｒ４）に入射する。その後、シリンドリカルレンズ１２ｂを透過して反対側の絞りＳを設けた平面（ｒ５）から射出した光束は、投影光学系１３の理想レンズ１３ａ（ｒ６）に入射する。そして、理想レンズ１３ａ（ｒ６）を射出した光束は、映像表示素子１３ｂ（ｒ７）の所定位置に達する。なお、座標原点Ｏをｒ２としている。
【００７７】
実施例２のスクリーン１１は、原点Ｏを中心位置に持つ半径１ｍの円筒面内側である。また、理想レンズ１３の焦点距離は１７ｍｍ、射出瞳径は１０ｍｍである。
【００７８】
図１３は、実施例２の像歪みを示す図である。外側の略四辺形は最大像高の像面での歪みを表し、内側の略四辺形は最大像高×０．７の像面での歪みを表す。略四辺形の上辺と下辺が水平に近くなり、弓なりになる像歪みが補正されていることがわかる。
【００７９】
実施例３について説明する。図１４は、実施例３の光学系、及び、その周辺構成についてＹＺ平面（第１面）における断面を示した図、図１５は、実施例３の光学系、及び、その周辺構成についてＸＺ平面（第２面）における平面図である。また、図１６及び図１７は光学系全体の横収差図であり、図１８は像歪みを示す図である。
【００８０】
実施例３の投影光学装置は、二次元からなる映像表示素子１３ｂに表示された映像を投影する投影光学系１３と、投影光学系１３に対して偏心し、投影光学系１３の投影した映像が投影される曲面からなるスクリーン１１と、を備えた投影光学装置において、投影光学系１３から投影された映像を反射しスクリーン１１へ投影する拡張回転自由曲面からなる反射面１２ａを含む補正光学系１２を有し、投影光学系１３の絞りＳ中心を通りスクリーン１１中心へ向かう中心主光線Ｃが反射面１２ａで反射する反射中心ＲＯでの垂線に対して直交する平面Ｐと、反射面１２ａの回転対称軸１２ａ1が交差することが好ましい。
【００８１】
また、反射面１２ａは、回転対称軸１２ａ1に直交する面内で、投影光学系１３側に向かうにしたがって曲率半径が小さくなり、投影光学系１３とは反対側に向かうにしたがって曲率半径が大きくなることが好ましい。
【００８２】
また、反射面１２ａは、中心主光線Ｃが当たる位置でのＹＺ平面におけるパワーとＸＺ平面に平行な面におけるパワーが異なり、補正光学系１２は、光軸に対して回転非対称な光学素子１２ｂをさらに有する。
【００８３】
スクリーン１１は、原点Ｏを中心とし、球面からなる反射面である。また、ミラー１２ａは、スクリーン１１とは径の長さが異なる、ＸＺ平面内で曲率を有する拡張回転自由曲面からなる反射面である。
【００８４】
スクリーン１１の投影中心ＳＯと座標原点Ｏを結ぶ線Ａ１は、投影光学系１３における理想レンズ１３ａ及び映像表示素子１３ｂの中心軸Ａ２に対してＹ軸方向に斜めに偏心させた配置となっている。また、中心主光線Ｃがミラー１２ａで反射する点を反射中心ＲＯとすると、反射中心ＲＯのＹ軸方向の位置は、投影光学系１３の絞りＳの中心とスクリーン１１の投影中心ＳＯとの間に配置されている。その結果、投影光学系１３からミラー１２ａに斜めに投影される投影像は、ミラー１２ａで反射しスクリーン１１に斜めに投影されて投影像となり観察者に観察される。
【００８５】
また、図１３及び図１４には、破線で囲まれた部分の拡大図が合わせて図示されている。投影光学系１３は、ＬＣＤなど映像を表示する映像表示素子１３ｂ、理想レンズ１３ａを含んで構成されている。また、理想レンズ１３ａのミラー１２ａ側には、絞りＳが設けられている。
【００８６】
また、図１３及び図１４には、破線で囲まれた部分の拡大図が合わせて図示されている。投影光学系１３は、ＬＣＤなど映像を表示する映像表示素子１３ｂ、理想レンズ１３ａを含んで構成されている。シリンドリカルレンズ１２ｂの平面ｒ５には、絞りＳが設けられている。
【００８７】
実施例３では、Ｘ軸方向に投影画角を拡大する手段として、ミラー１２ａ（反射面）を用いることとしている。しかしながら、ミラー１２ａを用いたことで非点収差が発生し、スクリーン１１上に形成する映像を劣化させてしまう。そこで、シリンドリカルレンズ１２ｂからなる光学素子を用いて、この非点収差を補正している。
【００８８】
逆光線追跡において、物体面としてのスクリーン１１（ｒ１）から射出した光束は、補正光学系１２のミラー１２ａ（ｒ３）で反射され、シリンドリカルレンズ１２ｂのシリンドリカル面（ｒ４）に入射する。その後、シリンドリカルレンズ１２ｂを透過して反対側の絞りＳを設けた平面（ｒ５）から射出した光束は、投影光学系１３の理想レンズ１３ａ（ｒ６）に入射する。そして、理想レンズ１３ａ（ｒ６）を射出した光束は、映像表示素子１３ｂ（ｒ７）の所定位置に達する。なお、座標原点Ｏをｒ２としている。
【００８９】
実施例３のスクリーン１１は、原点Ｏを中心位置に持つ半径１ｍの球面内側である。また、理想レンズ１３の焦点距離は２３ｍｍ、射出瞳径は１５ｍｍである。
【００９０】
図１８は、実施例３の像歪みを示す図である。外側の略四辺形は最大像高の像面での歪みを表し、内側の略四辺形は最大像高×０．７の像面での歪みを表す。弓なりになる像歪みが補正されていることがわかる。
【００９１】
以下に、上記実施例１〜３の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ＥＲＦＳ”は拡張回転自由曲面を示す。
【００９２】
実施例１
面番号          曲率半径                面間隔    偏心       屈折率  アッベ数
r1(物体面)    シリンドリカル面[1]      1300.00
r2(座標原点)      ∞                      0.00
r3            ＥＲＦＳ面[1]               0.00    偏心(1) 
r4            シリンドリカル面[2]         0.00    偏心(2)    1.5163    64.1 
r5(絞り)          ∞                      0.00    偏心(3) 
r6            理想レンズ                  0.00    偏心(4) 
r7(像面)          ∞                      0.00    偏心(5) 
シリンドリカル面[1]
Ｘ方向曲率半径   1300.00
Ｙ方向曲率半径   ∞
ＥＲＦＳ[1] 
ＲＹ   ∞
θ     14.26
Ｒ    304.2524
シリンドリカル面[2]
Ｘ方向曲率半径   -333.16
Ｙ方向曲率半径   ∞
偏心[1] 
Ｘ    0.00  Ｙ   325.52  Ｚ  -221.43 
α   -3.11  β    0.00   γ    0.00
偏心[2] 
Ｘ    0.00  Ｙ   500.00  Ｚ  -630.01 
α  -23.01  β    0.00   γ    0.00
偏心[3] 
Ｘ    0.00  Ｙ   501.95  Ｚ  -634.62 
α  -23.01  β    0.00   γ    0.00
偏心[4] 
Ｘ    0.00  Ｙ   508.60  Ｚ  -650.26 
α  -23.01  β    0.00   γ    0.00
偏心[5] 
Ｘ    0.00  Ｙ   515.24  Ｚ  -665.91 
α  -23.01  β    0.00   γ    0.00
【００９３】
実施例２
面番号          曲率半径                面間隔    偏心       屈折率  アッベ数
r1(物体面)    シリンドリカル面[1]      1000.00
r2(座標原点)      ∞                      0.00
r3            ＥＲＦＳ面[1]               0.00    偏心(1) 
r4            シリンドリカル面[2]         0.00    偏心(2)    1.5163    64.1 
r5(絞り)          ∞                      0.00    偏心(3) 
r6            理想レンズ                  0.00    偏心(4) 
r7(像面)          ∞                      0.00    偏心(5) 
シリンドリカル面[1]
Ｘ方向曲率半径   1000.00
Ｙ方向曲率半径   ∞
ＥＲＦＳ[1] 
ＲＹ   ∞
θ     19.19
Ｒ    409.16
シリンドリカル面[2]
Ｘ方向曲率半径   -366.91
Ｙ方向曲率半径   ∞
偏心[1] 
Ｘ    0.00  Ｙ   262.51  Ｚ  -46.77
α   -7.88  β    0.00   γ    0.00
偏心[2] 
Ｘ    0.00  Ｙ   500.00  Ｚ  -439.60 
α  -31.16  β    0.00   γ    0.00
偏心[3] 
Ｘ    0.00  Ｙ   502.59  Ｚ  -443.87 
α  -31.16  β    0.00   γ    0.00
偏心[4] 
Ｘ    0.00  Ｙ   511.38  Ｚ  -458.42 
α  -31.16  β    0.00   γ    0.00
偏心[5] 
Ｘ    0.00  Ｙ   520.18  Ｚ  -472.97 
α  -31.16  β    0.00   γ    0.00
【００９４】
実施例３
面番号          曲率半径                面間隔    偏心       屈折率  アッベ数
r1(物体面)      1000.00                1000.00 
r2(座標原点)      ∞                      0.00
r3            ＥＲＦＳ面[1]               0.00    偏心(1) 
r4            シリンドリカル面[2]         0.00    偏心(2)    1.5163    64.1 
r5(絞り)          ∞                      0.00    偏心(3) 
r6            理想レンズ                  0.00    偏心(4) 
r7(像面)          ∞                      0.00    偏心(5) 
ＥＲＦＳ[1] 
ＲＹ 2242.13
θ     23.80
Ｒ    256.52
シリンドリカル面[1]
Ｘ方向曲率半径   -320.48
Ｙ方向曲率半径   ∞
偏心[1] 
Ｘ    0.00  Ｙ   289.57  Ｚ  -200.00 
α   -3.73  β    0.00   γ    0.00
偏心[2] 
Ｘ    0.00  Ｙ   500.00  Ｚ  -602.60 
α  -27.35  β    0.00   γ    0.00
偏心[3] 
Ｘ    0.00  Ｙ   502.30  Ｚ  -607.04 
α  -27.35  β    0.00   γ    0.00
偏心[4] 
Ｘ    0.00  Ｙ   510.11  Ｚ  -622.14 
α  -27.35  β    0.00   γ    0.00
偏心[5] 
Ｘ    0.00  Ｙ   517.92  Ｚ  -637.24 
α  -27.35  β    0.00   γ    0.00
【００９５】
次に、各実施例における円筒スクリーンへ入射する中心主光線の角度ａ、並びに条件式（１）〜（３）の値を示す。
【００９６】
実施例１      実施例２      実施例３
(1)z/R1        0.73          0.11          0.78 
(2)α         16.83°       15.40°       19.96°
(3)L2/L1       0.005         0.005         0.005
(4)ＲＳ     1300          1000          1000
(5)αＳ      158°         122°         175°
【００９７】
図１９は、本発明の実施形態に係る光学系、及び、その周辺構成について、ＹＺ平面における断面、並びに、観察者による観察の様子を示した図である。
【００９８】
構成、並びに、光線については図４で示した実施例１と同様である。本実施形態の装置において、観察者は例えば、図示するように着座した状況で観察が行われる。観察上、着座状態で観察者の視線方向が、Ｚ軸に沿うようにすることが好ましい。そのため、プロジェクター等の投影光学系１３、補正光学系１２を可動式にし、着座の状態に応じて位置を変更可能とすることで、着座状況に応じて観察しやすい投影像を提供することが可能となる。また、リクライニング式の可動シートなどにおいては、リクライニングの角度に応じて、装置全体を傾ける構成としてもよい。
【００９９】
このように、本実施形態の光学系を用いた装置によれば、観察者が着座した状態などにおいて没入感のある投影像を提供することが可能となる。さらに、スクリーン１１に、歪みが抑えられるとともに、全面でピントがあった高解像の投影像を投影することが可能となる。
【０１００】
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
【符号の説明】
【０１０１】
１１…スクリーン、１２…補正光学系、１２ａ…反射面、１２ｂ…光学素子、１３…投影光学系、１３ａ…理想レンズ、１３ｂ…映像表示素子、Ｏ…座標原点（スクリーンの回転中心）
【図１】
2012008358.tif 000003
【図２】
2012008358.tif 000004
【図３】
2012008358.tif 000005
【図４】
2012008358.tif 000006
【図５】
2012008358.tif 000007
【図６】
2012008358.tif 000008
【図７】
2012008358.tif 000009
【図８】
2012008358.tif 000010
【図９】
2012008358.tif 000011
【図１０】
2012008358.tif 000012
【図１１】
2012008358.tif 000013
【図１２】
2012008358.tif 000014
【図１３】
2012008358.tif 000015
【図１４】
2012008358.tif 000016
【図１５】
2012008358.tif 000017
【図１６】
2012008358.tif 000018
【図１７】
2012008358.tif 000019
【図１８】
2012008358.tif 000020
【図１９】
2012008358.tif 000021