(57)【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対して斜めに投写する投写光学ユニットであって、
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、
前記映像表示素子の表示画面の中央から出て前記レンズ群の入射瞳の中央を通過して前記投写面上の画面中央に入射する光線を画面中央光線とすると、当該画面中央光線が前記投写面の法線に対して斜めに入射するよう構成され、
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、回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズを含む前方レンズ群と、負のパワーを有し回転対称な面形状を有する屈折レンズと回転非対称な自由曲面の形状を有する複数のレンズとを含む後方レンズ群とを備えており、
前記後方レンズ群は、前記負のパワーを有するレンズが光軸方向に移動可能で、前記自由曲面の形状を有するレンズの内１枚が光軸方向及び、光軸とスクリーンの法線を含む面内で光軸と垂直な方向に移動可能である
ことを特徴とする投写光学ユニット。
【請求項２】
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で回転非対称の形状を有する反射ミラーであり、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３】
請求項１に記載の投写光学ユニットにおいて、
前記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で、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４】
請求項１に記載の投写光学ユニットにおいて、
前記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で、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５】
請求項１に記載の投写光学ユニットにおいて、
前記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で、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、次式
｜Ｌ１−Ｌ２｜＜１．２＊ｓｉｎθｓ＊Ｄｖ
を満足するように形成され、
前記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で、前記映像表示素子と前記レンズ群との間に色合成プリズムを有し、当該映像表示素子と当該色合成プリズムとで構成される光学系の光軸を、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６】
映像表示素子と、当該映像表示素子に表示された映像を拡大して投写面に対して斜めに投写する投写光学ユニットと、前記映像表示素子及び前記投写光学ユニットを収容する筐体とを含む投写型映像表示装置であって、前記投写光学ユニットは、
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、
前記映像表示素子の表示画面の中央から出て前記レンズ群の入射瞳の中央を通過して前記投写面上の画面中央に入射する光線を画面中央光線とすると、当該画面中央光線が前記投写面の法線に対して斜めに入射するよう構成され、
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、回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズを含む前方レンズ群と、負のパワーを有し回転対称な面形状を有する屈折レンズと回転非対称な自由曲面の形状を有する複数のレンズとを含む後方レンズ群とを備えており、
前記後方レンズ群は、前記負のパワーを有するレンズが光軸方向に移動可能で、前記自由曲面の形状を有するレンズの内１枚が光軸方向及び、光軸とスクリーンの法線を含む面内で光軸と垂直な方向に移動可能である
ことを特徴とする投写型映像表示装置。
【請求項７】
請求項６に記載の投写型映像表示装置において、
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で回転非対称の形状を有する反射ミラーであり、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型映像表示装置。
【請求項８】
請求項６に記載の投写型映像表示装置において、
前記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で、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型映像表示装置。
｜Ｌ１−Ｌ２｜＜１．２＊ｓｉｎθｓ＊Ｄｖ
【請求項９】
請求項６に記載の投写型映像表示装置において、
前記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で、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型映像表示装置。
【請求項１０】
請求項６に記載の投写型映像表示装置において、
前記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で、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、次式
｜Ｌ１−Ｌ２｜＜１．２＊ｓｉｎθｓ＊Ｄｖ
を満足するように形成され、
前記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で、前記映像表示素子と前記レンズ群との間に色合成プリズムを有し、当該映像表示素子と当該色合成プリズムとで構成される光学系の光軸を、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型映像表示装置。
【請求項１１】
請求項６に記載の投写型映像表示装置において、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で回転非対称の形状を有する反射ミラーであり、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、
更に、前記反射ミラーからの反射光を反射する平面ミラーを備えている
ことを特徴とする投写型映像表示装置。
【請求項１２】
映像が投写される投写面と、
映像表示素子と、当該映像表示素子に表示された映像を拡大して前記投写面に対して斜めに投写する投写光学ユニットと、前記映像表示素子及び前記投写光学ユニットを収容する筐体とを含む投写型映像表示装置とを備える投写型映像表示システムであって、前記投写光学ユニットは、
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、
前記映像表示素子の表示画面の中央から出て前記レンズ群の入射瞳の中央を通過して前記投写面上の画面中央に入射する光線を画面中央光線とすると、当該画面中央光線が前記投写面の法線に対して斜めに入射するよう構成され、
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、回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズを含む前方レンズ群と、負のパワーを有し回転対称な面形状を有する屈折レンズと回転非対称な自由曲面の形状を有する複数のレンズとを含む後方レンズ群とを備えており、
前記後方レンズ群は、前記負のパワーを有するレンズが光軸方向に移動可能で、前記自由曲面の形状を有するレンズの内１枚が光軸方向及び、光軸とスクリーンの法線を含む面内で光軸と垂直な方向に移動可能である
ことを特徴とする投写型映像表示システム。
【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及び投写型映像表示システムに関する。
【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（投写面）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。またこれと同時に、装置の取り扱い易さを求めて、投写距離を短縮することが要求される。これを実現するために、スクリーンに対して斜め方向から拡大・投写する(以下、これを「斜め投写」と称する)光学系があり、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、上記従来技術における問題点に鑑み、本発明は、装置を大きくすることなく広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、単に投写距離だけでなく、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斜め投写する投写用光学系に用いる投写光学ユニットであって、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、前記映像表示素子の表示画面の中央から出て前記レンズ群の入射瞳の中央を通過して前記投写面上の画面中央に入射する光線を画面中央光線とすると、当該画面中央光線が前記投写面の法線に対して斜めに入射するよう構成され、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、且つ、回転対称な面形状を有し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、回転非対称な自由曲面の形状を有する複数のレンズと回転対称で負のパワーを有する屈折レンズとを含む後方レンズ群とを備えており、この後方レンズ群は、前記負のパワーを有するレンズが光軸方向に移動可能であり、前記自由曲面の形状を有するレンズの内１枚が光軸方向及び、光軸とスクリーンの法線を含む面内で光軸と垂直な方向に移動可能とした投写光学ユニットが提供される。
【００１０】
また、前記移動可能なレンズ群のうち、回転非対称な自由曲面形状を有するレンズでは、光軸方向の移動量と、光軸とスクリーンの法線を含む面内で光軸と垂直な方向への移動量が所定の関係を保持して移動し、さらに上記回転対称で負のパワーを有するレンズ群の位置は、上記回転非対称な自由曲面形状を有するレンズとは独立に保持されながら上記量とは所定の関係を維持して移動できることが好ましい。
【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、少なくとも一つの負のパワーを有する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、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って、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、下記条件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い。又は、色合成のプリズムを用いる場合、前記映像表示素子の表示面中央の法線とプリズムの光軸とを一致させて、前記映像表示素子とプリズムとからなる光学系の光軸を、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。
【００１５】
そして、さらに、本発明によれば、上記の目的を達成するため、映像が投写される投写面と、前記に記載された投写型映像表示装置を備えた投写型映像表示システムが提供される。
【発明の効果】
【００１６】
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、斜め投写で広角化を可能とすると共に、投写面（スクリーン）までの距離が変更しても歪みとスポットの劣化を最小限に抑え、更には、装置傾けによる画面位置調整に対してもフォーカスのずれも最小限に低減し、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、よりコンパクトな外形寸法の投写型映像表示装置、更に、投写面までの距離を短くした投写型映像表示システム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】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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）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。
【００２０】
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が、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、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。
【００２１】
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（非回転対称な）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。
【００２２】
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を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、ほぼ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表示面に垂直に射出しスクリーン５上の画面中央に向かう光線１１（以下、これを画面中央光線という）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）の光軸近傍を進む。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。
【００２３】
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、これらの収差を、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。
【００２４】
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で反射してスクリーン５上に、斜めに投写することによれば、透過型レンズ光学系から射出する画角に比較し、より大きな画角が得られ、また、倍率色収差が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。
【００２５】
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、後方レンズ群３に負のパワーを有するレンズを含むことにより、広角化を一部負担し所定の大きさまで広角化して投射することにより、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、複数の反射面で構成する方式に比べ、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。
【００２６】
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。
【００２７】
図２は、本発明による投写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２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。図２（ａ）はその垂直方向断面を示し、図２（ｂ）はその水平方向断面を示している。図２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８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。
【００２８】
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。図２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３４は、水平方向の断面において、その光の射出方向に凹面を向けており、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。
【００２９】
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。
【００３０】
【数１】
0005041923.tif 000002
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２（ａ）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に至る光路長は、点Ｐ１から点Ｐ４至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（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、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、上記図２（ａ）に示すように、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が傾斜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、非回転対称の自由曲面レンズ３３、更には、やはり自由曲面レンズ３４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、上述した各光学要素の作用については、上記レンズ光学系ではその前方レンズ群２が、上記画像表示素子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、上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（非回転対称）自由曲面形状を有するレンズで構成される。更に、上記反射光学系をなすミラー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構成となっている。すなわち、上記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３３、３４）含んで構成されている。ここで、自由曲面ミラー４、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、前記画面中央光線と前記投写面の法線とを含む断面内において、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】
図３は、本発明による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、投写距離を変化させた場合の構造、及び、図形歪の状態を示す図である。図４は、本発明による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、投写距離を変化させた場合のスポットの状態を示す図である。図３には、スクリーンに対して光軸を傾けて斜め投写する方式の光学系で、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３に示すように、スクリーン位置を設計した位置から大幅に移動させて投写距離を大きく変化させる場合、斜め投写をしない回転対称な光学系では、パネルとレンズの距離を大きく変化させる場合、斜め投写をしない回転対称な光学系では、パネルとレンズの距離を変える等の調節によりピントが合わせられ、図形歪もあまり変化しないが、スクリーンに対して光軸を傾けて斜め投写する方式の光学系では、歪が大きくなり、また、図４にも示すようにスポットサイズも大きくなり、画質が大きく劣化する。
【００３７】
図３には、スクリーン５の位置を、設計位置５１（設計画面サイズ、例えば、８０インチ相当）から、投写画面を小さくする方向の位置５２（例えば、画面サイズ６０インチ相当）に置いた場合と、画面を大きくする方向の位置５３に（例えば、画面サイズ１００インチ相当）置いた場合での、図形歪の状態を示している。図３の（Ａ）はスクリーン位置５２における図形歪、図３（Ｂ）はスクリーン位置５１における図形歪、図３（Ｃ）はスクリーン位置５３における図形歪を示している。
【００３８】
図４では、図３と同じ３つの異なるスクリーン位置での画面上の８つの点におけるスポットの形状を示している。これら８つの点は、画面の中央を原点として、画面横幅で規格化した水平方向座標Ｘ、画面縦横で規格化した垂直方向座標Ｙ、で言うと、（０．５，０．５）、（０，０．５）、（０．３，０．３）、（０．５，０）、（０，０）、（０．３，−０．３）、（０．５，−０．５）、（０，−０．５）の８点であり、図４の上から順に表示している。ここで、Ｙ座標は画面の垂直方向で図４の上側を正としている。また、図４の（Ａ）はスクリーン位置５２、図４の（Ｂ）はスクリーン位置５１、図４の（Ｃ）はスクリーン位置５３におけるスポット形状を示している。これ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５倍以上に大きくなり解像性能が劣化する。
【００３９】
スポットサイズの増大は、例えばパネルの位置を前後に移動させてピンと合わせを行っても、画面全体でのスポット形状を良好にすることはできない。その理由は、図４にも示すようにスポットサイズの増大量は画面の場所によって異なっており、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３３、３４のみの移動でも、やはり、このスポット形状の補正は困難である。これは、スクリーン位置の大幅な移動に伴うピント位置の移動には、回転対称レンズのパワーが必要になるためである。
【００４０】
そこで、幾つかのレンズを投写距離の変化に対応して移動させると共に、他の移動しないレンズも含めて、種々の投写距離での性能がバランス良くなるように形状を最適にすることによって、投写距離の変化に対して性能劣化を生じない投写光学系が得られることを見出した。
【００４１】
移動させるレンズの選択では、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、上記後方レンズ群を構成する負のパワーを有するレンズ３１と非球面レンズ３２を一体化して光軸方向に移動させると共に、自由曲面を有する透過レンズ３３を光軸方向及び光軸とスクリーンの法線とで成す平面内で光軸と垂直な方向に移動させることが有効であることを見出した。投写距離が変化したときのそれぞれの移動量は、互いに異なっており、各移動量は互いに所定の関係を有して移動する。なお、前記自由曲面を有するミラー４を移動させることも効果的である。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。
【００４２】
また、上記後方レンズ群を構成する負のパワーを有するレンズ３１と非球面レンズ３２を一体化して光軸方向に移動させると共に、自由曲面を有する透過レンズ３３、３４をそれぞれ独立に光軸方向に移動する方法も効果的であるが、移動するレンズが３枚になって調整が困難になるため、上記負のパワーを有するレンズ３１の光軸方向移動と、自由曲面を有する透過レンズ３３の光軸方向と光軸に垂直な方向への移動が最も有効である。
【００４３】
また、移動する自由曲面レンズは、レンズ３３に替えてレンズ３４でも同等の効果を得ることができる。
【００４４】
図５は、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５では、上記後方レンズ群３を構成するレンズで、自由曲面を有する透過レンズ３３と、負のパワーを有するレンズ３１と非球面レンズ３２を一体化したレンズ群を、投写するスクリーンの位置、すなわち画面サイズに合せて、所定の位置に移動させる様子を示している。なお、図５（ａ）は、上記図４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５２（例えば、画面サイズ６０インチ相当）に置いた場合、図５（ｂ）は、スクリーンを設計位置５１（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５（ｃ）は、スクリーンの投射画面を大きくする方向の位置５３（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。図５では、レンズの移動の様子を明瞭にするために、レンズの移動量を強調して表示している。
【００４５】
このように、スクリーンまでの距離すなわち投写距離の変化に応じて、２つのレンズ群を移動させて調節することにより、スクリーンの位置５２から５３までの間で、スクリーンへのフォーカスと図形歪の両方を補正し、あたかも従来回転対称レンズのフォーカス調整のごとく、良好な性能を得られるようにしている。
【００４６】
図６は、本発明に係る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６に示すように、上記後方レンズ群３を構成するレンズ群３１〜３３を移動するための構造としては、例えば、３つの搭載台２００、３００、３１０上に、それぞれ、上記前方レンズ群２（回転対称のレンズ２１〜２７）と後方レンズ群３の内レンズ３１〜３３、及び、後方レンズ群３のレンズ３４とを、それぞれ組み込む。搭載台２００上には、上記前方レンズ群２（回転対称のレンズ２１〜２７）を予め定められた位置に固定し、当該搭載台２００を装置内に固定する。また、搭載台３１０上には、上記後方レンズ群３の中のレンズ３４を予め定められた位置に固定して。当該搭載台３１０を装置内に固定する。そして、搭載台３００には、予め曲線の溝３１１、３１２を形成しておくと共に、当該搭載台３００を上記搭載台２００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。
【００４７】
なお、上記後方レンズ群３を構成するレンズ３１〜３３は、図５にも示すように、レンズ３１、レンズ３２で構成するレンズ群と、自由曲面レンズ３３の位置が、スクリーンに投写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３１１、３１２は、これら２群のレンズの移動に対応して形成されており、そして、図６にも示すように、上記移動可能な搭載台３００を、その上に形成した基準を示すマーク３２１の位置に対応して（例えば、搭載台３００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２群のレンズ、レンズ３１、レンズ３２で構成するレンズ群と、レンズ３３とが、それぞれ、所望の位置に配置されるように形成されている。さらに、レンズ３３は、溝３１２に装着された支柱３０２が搭載台３００に移動によって光軸方向に移動するときに、装置内に固定された補助部材３０３に形成された溝３１３によって、同時に上下方向にも移動する。
【００４８】
このことによれば、一つ搭載台３００を移動するだけで、後方レンズ群３の各レンズ（レンズ３１〜３３）を前方レンズ群２に対して、指定の位置関係に従って、その相対位置を変えることが可能となり、あたかも従来回転対称レンズのフォーカス調整のごとく簡易な操作で、スクリーン位置５２から５３までの間の投写距離の変化に対して、図形歪、フォーカス共に良好な性能を得られるようにしている。
【００４９】
また、レンズを駆動するための構造としては、上記搭載台３００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。  
また、移動するレンズ群が２群のみであることから、搭載台３００を廃止して、レンズ３１と３２で構成するレンズ群の移動と、レンズ３３の移動とを交互に順次複数回繰り返すことにより、フォーカスと歪を調整することも可能である。  
さらには、後方レンズ群３の中で、移動する自由曲面レンズとして、レンズ３３に替えて、レンズ３４を利用しても同様の効果を得ることは言うまでもない。
【００５０】
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】
【００５１】
まず、添付の図７及び図８、更には、以下の表１〜表４を用いて、上述した本発明の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数値を示して説明する。図７は、本発明の実施例になる投写光学ユニットの構成と光路を示すＹＺ断面図である。図８は、本発明の実施例になる投写光学ユニットの構成と光路を示すＸＺ断面図である。即ち、上述した図１のＸＹＺ直交座標系において、図７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８はＸＺ断面での構造を示している。なお、図８では、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。
【００５２】
本例において、図７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。
【００５３】
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。
【００５４】
【数２】
0005041923.tif 000003
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。頂点での曲率ｃは、頂点での曲率半径Ｒｄの逆数である。
【００５５】
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。
【００５６】
【数３】
0005041923.tif 000004
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。
【００５７】
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〜Ｓ２２は、図２に示された符号Ｓ０〜Ｓ２２にそれぞれ対応している。ここで、符号Ｓ０は映像表示素子１の表示面、すなわち物面を示しており、Ｓ１とＳ２は色合成プリズムの両面であり、Ｓ２２は自由曲面ミラー４の反射面を示している。また、符号Ｓ２３は、スクリーン５の入射面、すなわち像面を示している。
【００５８】
【表１】
0005041923.tif 000005
また、上記表１において、Ｒｄは各面の曲率半径（すなわち上記式の曲率ｃの逆数）であり、図２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。
【００５９】
更に、上記表１において、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ１６、Ｓ１７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。
【００６０】
【表２】
0005041923.tif 000006
また、上記表１においてＳ１８からＳ２１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、Ｓ２２は反射光学系の自由曲面形状を有する反射面４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。また、表３に示す自由曲面の係数の値は、図２（ａ）において、右から左に向かう方向をＺ軸の正の方向、上側から下側に向かう方向をＹ軸の正の方向とした場合の値である。
【００６１】
【表３】
0005041923.tif 000007
また、本発明では、図２の垂直方向断面にも示すように、画像表示素子１の表示画面である物面は、上記色合成プリズムと一体にして、上記レンズ光学系の光軸に対して２．９８度傾けている。各レンズ面での傾き及び偏心の様子を表４に示す。表４において、ＡＤＥは図２の垂直方向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２（ａ）に示す垂直方向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。上記画像表示素子１の前記レンズ光学系に対する傾きは、表４でＳ３面でのＡＤＥとＹＤＥで表示している。
【００６２】
【表４】
0005041923.tif 000008
表４に示した傾き及び偏心で、Ｓ３面の傾き偏心はＳ３面を含むそれ以降の全ての面がＳ３面の傾いた光軸の上に配置される。すなわち、上記画像表示素子１であるＳ０面の中央から出る光軸に対して、Ｓ３面以降が図２（ａ）の垂直方向断面で下方向に１．４６５ｍｍ偏心し且つ反時計回りに２．９８度傾いている。これによって、相対的に上記画像表示素子１が前記レンズ光学系に対して傾くことになる。
【００６３】
その他の面の偏心、傾きについて見ると、表４に示すように、Ｓ１８面が図２（ａ）の垂直方向断面内で上方向に４．１７８ｍｍ偏心している。これは、Ｓ１８面以降のすべての面がその前の面であるＳ１７面に対して４．１７８ｍｍ偏心していることを示している。また、Ｓ２０面及びＳ２２面の偏心についても同様であり、Ｓ２０面及びＳ２２面の偏心量を合わせると−４．１７８ｍｍとＳ１８面の偏心量と同じ大きさで逆符号となる。これは、Ｓ２２の偏心量が上記Ｓ１７面に対して０ｍｍ、すなわち同じ位置にあることを示している。
【００６４】
さらに、表４に示すように、図２の符号Ｓ２２で示す自由曲面ミラー４は、その前の面の光軸に対して上記偏心と同時に、反時計回りに３３．０度傾いて設定されている。これによって、Ｓ２１での光軸に沿うように進んできた光線はＳ２２で反射後、その入射光線に対して６６度傾いた方向に進むことになる。そこで、Ｓ２２の後の面であるＳ２３面（像面）は、Ｓ２２面において６６度傾けた光軸の上に配置されるものとした。
【００６５】
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。
【００６６】
また、本数値実施例において、物面Ｓ０となる映像表示素子１の表示画面上の画面サイズを、１２．１６×６．８４ｍｍ（比率１６：９）とし、その映像を像面Ｓ２３に８０インチ（＋over-scanで１８４１．９×１０３６．１ｍｍ）に拡大して投写するのを設計中心とし、投写距離の変化で６０インチ（１３８１．４×７７７．０ｍｍ）から１００インチ（２０３２．４×１２９５．１ｍｍ）までのサイズに対応して投写できる。
【００６７】
表５には、この投写距離の変化に対応して移動するレンズに対し、その面間距離、及びＹ方向偏心量の変化を示している。表５には、投写距離の変化に対応して、Ｓ１３、Ｓ１７、Ｓ１９、Ｓ２２の面間距離、及びＳ１８とＳ２０の偏心量が変化し、その値は欄Ｓｃ１の下に上記設計中心（８０インチ）の場合、欄Ｓｃ２の下に１００インチ、欄Ｓｃ３の下に６０インチの場合の値を示している。
【００６８】
【表５】
0005041923.tif 000009
また、本数値実施例において、斜め投写の角度である、前記画面中央光線と前記投写面の法線との成す角度θｓ（図１に示す）は、４４．９度（１．２＊sinθｓ＝０．８４）であり、また、上記の式１に示す光路長の差｜Ｌ１−Ｌ２｜の値は、スクリーン上の画面高さの０．６３倍（上記６０インチの時から１００インチの時までの間での最大値）であることから、上記（数１）の条件を満足している。
【００６９】
本数値実施例の図形歪を図９に示す。図９は、本発明の実施例になる光学ユニットの図形歪性能を示す図である。この図９の縦方向は、図７の上下方向であり、図１のＹ軸の方向である。また、この図９の横方向はスクリーン上でＹ軸の垂直な方向であり、図９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９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。図９には、投写距離が設計中心（画面サイズで８０インチ）のときの図形歪を（Ｂ）に、投写距離が画面サイズ６０インチとなるときの図形歪を（Ａ）に、また、投写距離が画面サイズで１００インチとなるときの図形歪を（Ｃ）に示している。図に示すように、図形歪は良好に補正されている。
【００７０】
更に、スポットダイアグラムを添付の図１０に示す。図１０は、本発明の実施例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では、映像表示素子１の表示画面上、即ち、表示画面の中央を原点としてＸ、Ｙ座標の値で、（６．０８，３．４２）、（０，３．４２）、（３．６４８，２．０５２）、（６．０８，０）、（０，０）、（３．６４８、−２．０５２）、（６．０８、−３．４２）、（０、−３．４２）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示している。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。また、図１０において、投写距離が設計中心（画面サイズで８０インチ）のときのスポットを（Ｂ）に、投写距離が画面サイズ６０インチとなるときのスポットを（Ａ）に、また、投写距離が画面サイズで１００インチとなるときのスポットを（Ｃ）に示す。両者ともに、良好な性能を維持している。
【００７１】
図１１は、本発明の一実施の形態になる投写型映像表示装置の全体構成を示す斜視図である。即ち、この図において、投写型映像表示装置１００を構成する略箱型の筐体１１０の内部には、例えば、外部のパーソナルコンピュータから入力される画像又は映像を表示する画像表示素子１と、高輝度の白色光を発生するランプなどの光源８とを備えており、当該光源８から照射されて画像表示素子１で変調された光を拡大して照射するための投写光学ユニットが搭載されている。そして、この投写型映像表示装置を室内で使用する場合、当該投写光学ユニットから出射した光は、図に矢印で示すように、その筐体１１０の一方向（図では、長手方向）に対向して位置する部屋の壁面やシート状のスクリーン等、所謂、スクリーン５上に投写されることとなる。
【００７２】
次に、添付の図１２には、本発明の他の実施形態になる投写型映像表示装置が示されている。即ち、図からも明らかなように、この他の実施形態になる投写型映像表示装置１００'では、上記図１１に示した投写型映像表示装置の投写光学ユニットの構成に加え、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を配置して光線を直角に折り曲げる構成にし、更に、自由曲面の反射鏡４とスクリーン５との間の光路に、平面の反射鏡２７を配置して投写光学ユニットを構成している。なお、この図の例では、この平面の反射鏡２７は、上記自由曲面の反射鏡４に対応して装置筐体１１０の上面に形成された開口部を覆うための蓋をも兼ね、その上方で開閉自在に設けられている。
【００７３】
かかる投写光学ユニットの構成では、添付の図１３にも示すように、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。その後、この前方レンズ群２から射出した光は、やはり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、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、更に、上記平面の反射鏡２７により反射されて所定のスクリーン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。即ち、この図からも明らかなように、上述した図１１に示す実施の形態とは反対の方向に投写する。このことからも、この他の実施形態になる投写型映像表示装置１００'の投写光学ユニットの構成では、自由曲面ミラー４からスクリーン５までの光路を上記平面反射鏡２７により折り返すことから、スクリーン５までの距離をより小さくすることが可能となり、広角化を可能とするのに好適である。
【００７４】
また、この投写光学ユニットの構成では、図１３において破線で示すように、上記平面反射鏡２７は、その傾斜角度を微小な角度で調整可能となるように構成されている。即ち、これによれば、やはり図中に破線及び矢印で示すように、この平面反射鏡２７の傾斜角度を変えることにより、スクリーン５上での投写画像の位置を上下に変更することが可能となり、特に、投写型映像表示装置においては、好適な機能を提供することが可能となる。なお、この平面反射鏡２７は、当該投写型映像表示装置の使用状況に応じてユーザがその傾斜角度を調整することが出来、或いは、ここでは図示しないが、例えば、電動モータなどを含む駆動機構によって筐体１１０上面の開口部を覆おう位置から移動し（立ち上がり）、そして、ユーザによって設定された角度に傾斜して配置されるように構成することも可能であろう。
【００７５】
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を実現することが可能となる。そして、更に、広角化して投写面までの距離を短くした投写型映像表示システムを実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【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】上記投写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３】上記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、投写距離を変化させた場合の構造、及び、図形歪の状態を示す図である。
【図４】上記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、投写距離を変化させた場合のスポットの状態を示す図である。
【図５】上記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６】上記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７】本発明の実施例になる投写光学ユニットの構成と光路を示すＹＺ断面図である。
【図８】本発明の実施例になる投写光学ユニットの構成と光路を示すＸＺ断面図である。
【図９】本発明の実施例になる投写光学ユニットの図形歪性能を示す図である。
【図１０】本発明の実施例になる投写光学ユニットのスポット性能を示す図である。
【図１１】本発明の一実施の形態になる投写型映像表示装置の全体構成を示す斜視図である。
【図１２】本発明の他の実施形態になる投写型映像表示装置の全体構成を示す斜視図である。
【図１３】上記の他の実施形態になる投写型映像表示装置装置における投写光学ユニットの基本構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７７】
１…映像発生素子、２…前方レンズ群、３…後方レンズ群、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、８…光源、１０…プリズム、２７…平面反射鏡、３５…折り曲げミラー、１００、１００' …投写型映像表示装置、１１０…筐体、２００、３００、３１０…搭載台、３０１、３０２…支柱、３０３…補助部材、３１１、３１２、３１３…溝、３２１…マーク。
【図１】
0005041923.tif 000010
【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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