(57)【要約】【課題】凹面ミラー上で不要な回折光が発生してもスクリーンに投影される画像にゴーストを生じさせない。【解決手段】表示素子側から順に、正のパワーを持つ第１光学系と、正のパワーを持つ反射面を有する第２光学系と、所定の開口部が形成されたスリット部とを有し、該第１光学系および第２光学系は、該第１光学系と該第２光学系との間に表示素子から射出された光の共役点が位置するように構成、配置され、該スリット部は、所定の開口部が第２光学系の反射面により反射されてスクリーンに投影される投影光束のうち正規光のみを通過させるように構成、配置された投影光学系を提供する。【選択図】図１
2009205032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示素子から射出される光の像をスクリーンに投影する投影光学系において、
前記表示素子側から順に、
正のパワーを持つ第１光学系と、
正のパワーを持つ反射面を有する第２光学系と、
所定の開口部が形成されたスリット部と、
を有し、
前記第１光学系および前記第２光学系は、該第１光学系と該第２光学系との間に前記表示素子から射出された光の共役点が位置するように構成、配置され、
前記スリット部は、前記所定の開口部が前記第２光学系の反射面により反射されて前記スクリーンに投影される投影光束のうち正規光のみを通過させるように構成、配置されていることを特徴とする投影光学系。
【請求項２】
前記スリット部は、前記投影光束の各正規光が、前記所定の開口部の開口中心から前記第２光学系を臨んだときに該第２光学系の反射面において該投影光束が反射された際に生じる該投影光束のゴースト光が進行する第１方向と直交する第２方向に分布が広がった状態で該所定の開口部を通過するように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の投影光学系。
【請求項３】
前記第２光学系の光軸に沿った方向における前記所定の開口部の開口幅をＤＳＺと定義し、
前記第２光学系の光軸から前記所定の開口部の開口中心までの距離をＨＳと定義し、
前記表示素子の有効領域の中心から射出された主光線が該第２光学系の反射面に入射する位置と、前記第２光学系の光軸との距離をＨＯと定義した場合に、
次の条件式
｜ＤＳＺ／（ＨＳ＋ＨＯ）｜＜０．２
を満たすことを特徴とする、請求項１または請求項２の何れかに記載の投影光学系。
【請求項４】
前記スリット部は前記第２光学系の光軸より前記スクリーン側に配置されており、
前記第２光学系の光軸から前記所定の開口部の開口中心までの距離をＨＳと定義し、
前記表示素子の有効領域の中心から射出された主光線が該第２光学系の反射面に入射する位置と、前記第２光学系の光軸との距離をＨＯと定義した場合に、
さらに次の条件式
０．１＜｜ＨＳ／ＨＯ｜＜０．５
を満たすことを特徴とする、請求項１から請求項３の何れかに記載の投影光学系。
【請求項５】
前記所定の開口部の全開口領域を含む面上における、前記正規光と該正規光に対応する前記ゴースト光の入射位置が前記第１方向と略一致する方向に並ぶように前記スリット部を配置したことを特徴とする、請求項２に記載の投影光学系。
【請求項６】
前記スリット部は板状に形成され、前記第２光学系の光軸に対して傾けて配置されていることを特徴とする、請求項５に記載の投影光学系。
【請求項７】
請求項２、請求項５または請求項６の何れかに記載の投影光学系において、
前記第１方向は前記第２光学系の光軸に略沿った方向であることを特徴とする投影光学系。
【請求項８】
前記第２光学系は、１枚の反射ミラーで構成されることを特徴とする、請求項１から請求項７の何れかに記載の投影光学系。
【請求項９】
前記第２光学系の反射ミラーのミラー面は、該第２光学系の光軸を回転中心とした実質的な回転対称性を有する非球面であることを特徴とする、請求項８に記載の投影光学系。
【請求項１０】
前記第２光学系の光軸は、前記投影光学系の光路を展開した状態において、前記第１光学系の光軸と略一致することを特徴とする、請求項１から請求項９の何れかに記載の投影光学系。
【請求項１１】
前記第１光学系は、前記表示素子側でテレセントリックであることを特徴とする、請求項１から請求項１０の何れかに記載の投影光学系。
【請求項１２】
前記スリット部とは別体の絞りが前記投影光学系の射出瞳近傍に配置されていることを特徴とする、請求項１から請求項１１の何れかに記載の投影光学系。
【請求項１３】
光源と、
前記光源からの入射光の強度を変調し、該変調された光を射出する表示素子と、
前記表示素子から射出された光が入射される請求項１から請求項１２の何れかに記載の投影光学系と、
前記投影光学系からの光束が入射されることにより、前記表示素子から射出された光の拡大像が投影されるスクリーンと、
を備えたことを特徴とする投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、表示素子から射出される光の像をスクリーンに投影する投影光学系および該投影光学系を備える投影装置に関連し、詳しくは、そのような投影装置に好適な投影光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、表示素子の画像を歪みなく近距離に設置されたスクリーンに投影する投影装置が知られている。このような投影装置は、例えば、スクリーン背後から表示素子の画像を投影し、該画像をスクリーン正面から観察することができるいわゆるリアプロジェクタとしての利用に適している。このような投影装置の例が特許文献１に開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載の投影装置は、表示素子の画像をレンズ系と凹面ミラーとの組合せからなる投影光学系によってスクリーンに投影している。当該投影装置では、レンズ系から射出される光束の画角を凹面ミラーによって拡大することにより、色収差を発生させることなく広い画角を確保することが達成されている。このため近距離に設置されたスクリーンに十分に拡大された画像が投影される。
【０００４】
特許文献１に記載の投影光学系が有する凹面ミラーは、回転対称性を有する形状に設計されているため、例えば旋盤を用いた切削加工や、旋盤で製作された金型を用いた成型加工による製作が適している。このように旋盤を用いて凹面ミラーを製作すると、バイトの送りピッチに応じた周期的な切削痕が凹面ミラーの加工面（反射面）に形成される。このような切削痕は凹凸形状であるためレンズ系から凹面ミラーに入射される光束に対して回折格子として作用し、該光束を複数の回折光に分離する。これにより、スクリーン上にゴーストが発生する。
【０００５】
また、切削痕により回折される光の回折角は波長毎に異なるため、色毎にずれた位置に投影される。したがって、上記ゴーストは色ずれを伴ったものとなる。このようなゴーストは画質を低下させるため、スクリーン上から除去することが望まれる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２５８６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、凹面ミラー上で不要な回折光が発生してもスクリーンに投影される画像にゴーストを生じさせない投影光学系、および該投影光学系を備える投影装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決する本発明の一形態に係る投影光学系は、表示素子から射出される光の像をスクリーンに投影する光学系であり、表示素子側から順に、正のパワーを持つ第１光学系と、正のパワーを持つ反射面を有する第２光学系と、所定の開口部が形成されたスリット部とを有する。該第１光学系および第２光学系は、該第１光学系と該第２光学系との間に表示素子から射出された光の共役点が位置するように構成、配置され、スリット部は、所定の開口部が第２光学系の反射面により反射されてスクリーンに投影される投影光束のうち正規光のみを通過させるように構成、配置されている。
【０００９】
このように構成された投影光学系によれば、光路中に発生したゴースト光がスリット部によって遮蔽されるため、スクリーン上に発生し得るゴーストが良好に除去されてスクリーンに投影される画像の画質が向上する。
【００１０】
このような投影光学系に備えられたスリット部は、投影光束の各正規光が、所定の開口部の開口中心から第２光学系を臨んだときに該第２光学系の反射面において該投影光束が反射された際に生じる該投影光束のゴースト光が進行する第１方向と直交する第２方向に分布が広がった状態で該所定の開口部を通過するように配置されることが好ましい。
【００１１】
本発明に係る投影光学系は、第２光学系の光軸に沿った方向における所定の開口部の開口幅をＤＳＺと定義し、第２光学系の光軸から所定の開口部の開口中心までの距離をＨＳと定義し、表示素子の有効領域の中心から射出された主光線が該第２光学系の反射面に入射する位置と、第２光学系の光軸との距離をＨＯと定義した場合に、次の条件式
｜ＤＳＺ／（ＨＳ＋ＨＯ）｜＜０．２
を満たすように構成されるのが好ましい。
【００１２】
スリット部は例えば第２光学系の光軸よりスクリーン側に配置されており、さらに次の条件式
０．１＜｜ＨＳ／ＨＯ｜＜０．５
を満たすことが好ましい。
【００１３】
また、このような投影光学系においては、所定の開口部の全開口領域を含む面上における、正規光と該正規光に対応するゴースト光の入射位置が第１方向と略一致する方向に並ぶようにスリット部を配置することが好ましい。この場合、スリット部は例えば板状に形成され、第２光学系の光軸に対して傾けて配置されている。また、ここでいう第１方向は、例えば第２光学系の光軸に略沿った方向である。
【００１４】
第２光学系は、例えば１枚の反射ミラーで構成される。このような第２光学系の反射ミラーのミラー面は、例えばその光軸を回転中心とした実質的な回転対称性を有する非球面である。そして、第２光学系の光軸は、好ましくは、投影光学系の光路を展開した状態において、第１光学系の光軸と略一致する。
【００１５】
第１光学系は、例えば表示素子側でテレセントリックである。
【００１６】
また、本発明に係る投影光学系には、例えばスリット部とは別体の絞りが投影光学系の射出瞳近傍に配置されている。
【００１７】
また上記の課題を解決する本発明の一形態に係る投影装置は、光源と、該光源からの入射光を変調し、該変調された光を射出する表示素子と、該表示素子から射出された光が入射される上述した何れかに記載の投影光学系と、該投影光学系からの光束が入射されることにより、表示素子から射出された光の拡大像が投影されるスクリーンとを備えたことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の投影光学系および投影装置によれば、光路中に発生したゴースト光がスリット部によって遮蔽されるため、スクリーン上に発生し得るゴーストが良好に除去されてスクリーンに投影される画像の画質が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る投影光学系および投影装置の具体的実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態の投影装置の概略構成を示す図である。図１に示されるように、本実施形態の投影装置は、スクリーンＳ、および図示省略されたハウジング内部に支持された光源（不図示）、表示素子Ｅ、および投影光学系１０を有する。なお本明細書では、投影装置および該装置内部に設置された各構成要素を説明するにあたり、便宜上、投影装置の幅方向（図１では紙面に直交する方向）をＸ方向、投影装置の高さ方向（図１では紙面に平行な縦方向）をＹ方向、投影装置の奥行き方向（図１では紙面に平行な横方向）をＺ方向と定義する。図１は、投影装置の正面に設けられたスクリーンＳの中心を通るＹ−Ｚ平面での投影装置の断面図となっている。
【００２０】
表示素子Ｅは、例えば周知のＤＭＤ（Digital Mirror Device）や透過型液晶パネルで構成され、光源から照射された光束に画像エンジン（不図示）が生成する画像信号に応じた変調をかける。表示素子Ｅの有効領域（スクリーンＳに投影される領域）の画素で変調されて該表示素子Ｅから射出された発散光束は、投影光学系１０に入射される。なお表示素子Ｅの有効領域は、図１中、以下に説明する第１光学系Ｌ１の光軸ＡＸ１より上側に位置する。
【００２１】
投影光学系１０は、第１光学系Ｌ１および第２光学系Ｌ２を有する。第１光学系Ｌ１は複数枚のレンズからなるレンズ群Ｌ１ａと１枚の非球面ミラーＬ１ｂで構成されており、その光軸ＡＸ１がＺ方向に平行になるように配置されている。レンズ群Ｌ１ａは前群と後群に分割されており、該前群と後群との間には絞りＡＳが配置されている。
【００２２】
なお、図１では図面を明瞭化するため、光源から照射されてスクリーンＳに到達する光束のうち、表示素子Ｅの有効領域の中心から射出されてスクリーンＳの中心に入射される主光線ＰＲのみを示す。（第２光学系Ｌ２からスクリーンＳに至る光路に限り、後述する別の光線もさらに示す。）
【００２３】
第１光学系Ｌ１は全体として正のパワーを持ち、表示素子Ｅから射出された発散光束を収束光束として第２光学系Ｌ２に導く。レンズ群Ｌ１ａは、表示素子Ｅ側においてテレセントリックとなるように構成されている。すなわち、絞りＡＳより表示素子Ｅ側にある前群の後側焦点近傍に絞りＡＳが配置されることにより、表示素子Ｅの有効領域から射出された各主光線が、光軸ＡＸ１と略平行のままレンズ群Ｌ１ａに入射されるように構成されている。非球面ミラーＬ１ｂは、反射面に入射された光束を折り返して第２光学系Ｌ２に導く。
【００２４】
非球面ミラーＬ１ｂで反射された光束は、第２光学系Ｌ２に到達する前に一旦中間像を形成し、その後比較的に狭い画角で第２光学系Ｌ２に入射される。なお、非球面ミラーＬ１ｂと第２光学系Ｌ２との間に各光束の中間像が形成されることは、物点である表示素子Ｅの射出面上の各点の共役点が非球面ミラーＬ１ｂと第２光学系Ｌ２との間に位置することと同義である。
【００２５】
第２光学系Ｌ２は、金属の基材を光軸ＡＸ２を回転中心として旋盤で切削加工することで製作された１枚の非球面ミラーで構成されている。このように第２光学系Ｌ２の反射面は旋盤を用いて非球面加工されているため、光軸ＡＸ２を中心に実質的に回転対称性を有する非球面形状となっている。なお、第２光学系Ｌ２は、旋盤加工後に、使用しない点線で囲われた部分Ｌ２’が除去されているため、反射面の回転対称性は完全なものではない。そのため、本明細書においては「実質的に回転対称性を有する」という表現を用いる。なお第２光学系Ｌ２は、投影光学系１０の小型化のため使用しない部分Ｌ２’が除去された形状となっているが、部分Ｌ２’を除去せず完全な回転対称性を有する形状としてもよい。
【００２６】
また、第２光学系Ｌ２は、実質的な回転対称性を有する形状に設計されているため、三次元加工装置等の特殊な装置を用いることなく旋盤を用いて製作することができる。このため加工コストが安価に抑えられるメリットがある。
【００２７】
第２光学系Ｌ２の光軸ＡＸ２は、投影光学系１０全体の光軸と略一致し、第１光学系Ｌ１の光軸ＡＸ１にも略一致している。このため第１光学系Ｌ１の光軸ＡＸ１と第２光学系Ｌ２の光軸ＡＸ２との軸ずれをコリメータやレーザー光の反射像等を利用して容易に確認し補正することができる。この結果、製造容易性が向上し、リードタイム短縮、歩留まりの向上、組み立てコストの削減等が達成される。
【００２８】
第２光学系Ｌ２を構成する１枚の非球面ミラーは、光軸ＡＸ２を回転中心とした実質的な回転対称性のある凹面形状を有し、強い正のパワーを持つ。また、第２光学系Ｌ２に入射される光束は、上述したように第２光学系Ｌ２の手前で一旦中間像を結んでいる。このため、第２光学系Ｌ２は、非球面ミラーＬ１ｂから比較的狭い画角で入射される光束に広い画角を与えて、該光束をスクリーンＳへ導く。
【００２９】
第２光学系Ｌ２により画角が広げられた光束は、光路中に配置された絞りＡＳ’、スリット部ＳＬの開口部ＤＳＬを順に通過してスクリーンＳに導かれる。投影光学系１０では１枚の非球面ミラーからなる第２光学系Ｌ２により画角を広げる構成が採用されているため、色収差を発生させることなく広い画角を確保することができる。なお絞りＡＳ’、スリット部ＳＬの開口部ＤＳＬは、第２光学系Ｌ２からスクリーンＳに向かう画角が最大の光束（すなわち最終的にスクリーンＳの最上部に入射される光束）から画角が最小の光束（すなわち最終的にスクリーンＳの最下部に入射される光束）に至る全ての投影光束を通過させる位置に設けられている。また開口部ＤＳＬは矩形の開口部であり、光軸ＡＸ２を含むＸ−Ｚ平面上に投影されたときに長辺（以下、長辺側の開口部の長さを「開口長さ」と記す。）が略Ｘ方向沿いに、短辺（以下、短辺側の開口部の長さを「開口幅」と記す。）が略Ｚ方向沿いになるように配置されている。
【００３０】
このようにしてスクリーンＳに導かれた光束はスクリーンＳに斜めに入射される。ここで、スクリーンＳに投影された投影像を、投影光学系１０の対面側、すなわち図１の上側より観察する、いわゆるリアプロジェクタとして構成する場合、スクリーンＳは、図示しないフレネルレンズとレンチキュラーレンズを有する。このためスクリーンＳに斜めに入射された光束は、フレネルレンズの作用によりスクリーンＳの面に垂直な方向に偏向され、次にレンチキュラーレンズの作用によって左右に拡散されて射出される。
【００３１】
ところで、第２光学系Ｌ２は旋盤を用いて非球面加工されたものであるため、切削加工時に、切削痕が第２光学系Ｌ２の加工面（反射面）全域に亘って副次的に形成される。切削痕は、加工面上に周期的に形成された凹凸形状であるため、非球面ミラーＬ１ｂから第２光学系Ｌ２の反射面に入射される光束に対して回折格子として作用し、回折光を生じさせる。このとき生じる回折光の回折角θＤは、ｎを回折次数、λを光束の波長、Ｐを切削痕の周期ピッチ、θ０を第２光学系Ｌ２の反射面に入射される光束の入射角とすると、以下の式で表される。
ｓｉｎθＤ＝ｎλ／Ｐ−ｓｉｎθ０
【００３２】
図１に示される投影光学系１０の構成によれば、第２光学系Ｌ２の反射面に入射される主光線ＰＲの入射角は２９．５度である。このとき切削痕が第２光学系Ｌ２の反射面に１０μｍのピッチで形成されているとすると、波長４８６ｎｍの主光線ＰＲが第２光学系Ｌ２の反射面に入射されたときに生じる＋１次回折光ＤＲ＋１、−１次回折光ＤＲ−１の回折角はそれぞれ３２．８度、２６．３度となる。第２光学系Ｌ２の反射面で反射された主光線ＰＲ、すなわち正規光（０次回折光）の反射角は２９．５度であるため、該反射角を基準として反時計回りの角度を正とし、時計回りの角度を負とした場合、第２光学系Ｌ２からスクリーンＳに向かう主光線ＰＲに対して＋３．３度の方向に＋１次回折光ＤＲ＋１が、また−３．２度の方向に−１次回折光ＤＲ−１が生じることになる。このような回折光が生じた結果、スクリーンＳには正規光による画像とともに±１次回折光（さらにはより高次の回折光）による画像が投影され、スクリーンＳ上にゴーストが発生する。以下、説明の便宜上、±１次回折光等のゴーストを発生させる０次回折光以外の全ての回折光を、単に「回折光」または「ゴースト光」と称する。
【００３３】
また、本実施形態の投影装置はカラー画像を投影するように構成されている。第２光学系Ｌ２の反射面にて生じる回折光の回折角は波長によって異なった値をとる。このため＋１次回折光ＤＲ＋１や−１次回折光ＤＲ−１をはじめとするゴースト光は、スクリーンＳ上で色ずれを伴ったゴーストとして現れて、投影画像の画質を著しく低下させる。本実施形態の投影光学系１０は、このようなゴーストがスクリーンＳから良好に除去されるよう、以下に説明されるように構成されている。
【００３４】
図２に、図１中スリット部ＳＬ付近の構成を拡大して示す。図１および２に示されるように、板状に形成されたスリット部ＳＬは、開口部ＤＳＬの開口中心が第２光学系Ｌ２の光軸ＡＸ２からＹ方向にスクリーンＳ側に距離ＨＳ離れたところに位置するように配置されている。またスリット部ＳＬは、第２光学系Ｌ２の光軸ＡＸ２に対して僅かな傾きθＳを与えられて配置されている。傾きθＳは、図２中二点鎖線で示された、開口部ＤＳＬの全開口領域を含む面ＳＰと光軸ＡＸ２とがなす角度である。
【００３５】
本実施形態の投影光学系１０は、第２光学系Ｌ２の反射面に対する主光線ＰＲ（スクリーンＳの中央に入射される主光線）の入射位置と第２光学系Ｌ２の光軸ＡＸ２との距離ＨＯが１２２．７ｍｍ、スリット部ＳＬの開口部ＤＳＬの開口中心と光軸ＡＸ２との距離ＨＳが６０．０ｍｍとなるように構成されている。このときＳＰ面上における＋１次回折光ＤＲ＋１の入射位置は、第２光学系Ｌ２の反射面にピッチが１０μｍの切削痕が形成されているとき、開口部ＤＳＬの開口中心から略Ｚ方向に第２光学系Ｌ２側に１０．５ｍｍずれた位置となる。また−１次回折光ＤＲ−１の該入射位置は、開口部ＤＳＬの開口中心から略Ｚ方向に第１光学系Ｌ１側に１０．５ｍｍずれた位置となる。
【００３６】
スリット部ＳＬの開口部ＤＳＬは、光軸ＡＸ２に沿った方向における開口部ＤＳＬの開口幅ＤＳＺ（別の表現によれば、光軸ＡＸ２を含むＸ−Ｚ平面上への開口部ＤＳＬの投影が表す開口幅ＤＳＺ）が２０．０ｍｍ（つまり、実際の開口幅が（２０／ｃｏｓθＳ）ｍｍ）となるように設計されている。このためスリット部ＳＬは、図２に示されるように主光線ＰＲを通過させつつも、ゴースト光となり得る＋１次回折光ＤＲ＋１および−１次回折光ＤＲ−１を遮蔽している。このためスクリーンＳ上にこれらの回折光によるゴーストが発生することがなくなり、投影画像の画質が向上する。
【００３７】
また、上記説明では４８６ｎｍの波長について記述しているが、一般に、ビデオプロジェクターで使用される光源（白色光源またはＲＧＢの３原色の光源）には、４８６ｎｍ以上の波長が多く含まれる。このため、第２光学系Ｌ２の反射面で回折される光束の多くは＋１次回折光ＤＲ＋１や−１次回折光ＤＲ−１よりも大きな回折角で回折される。このような回折光は、ＳＰ面上における入射位置が＋１次回折光ＤＲ＋１や−１次回折光ＤＲ−１よりも開口部ＤＳＬの開口中心から略Ｚ方向にさらに離れた位置となるため、スリット部ＳＬによって遮蔽される。また、より高次の回折光も＋１次回折光ＤＲ＋１等よりも大きな回折角で回折されるため、同様にスリット部ＳＬによって遮蔽される。このようにゴーストを発生させる原因となる各波長の光束の±ｎ次回折光（ｎは自然数）がスリット部ＳＬによって効果的に遮蔽されるため、スクリーンＳ上のゴーストが良好に除去されて画質が大幅に向上する。
【００３８】
ここで、本実施形態の投影光学系１０は、次の条件式（１）を満たすように構成されている。
｜ＤＳＺ／（ＨＳ＋ＨＯ）｜＜０．２・・・（１）
【００３９】
条件式（１）を満たすことにより、第２光学系Ｌ２の反射面で反射された正規光（０次回折光）を通過させてスクリーンＳ上に投影させつつも、該反射面で反射されたゴースト光（±ｎ次回折光）をスリット部ＳＬによって効果的に遮蔽することができる。例えば、スリット部ＳＬの開口部ＤＳＬを大きくしすぎたりスリット部ＳＬを第２光学系Ｌ２に近付けすぎる設計を行って、条件式（１）の上限値以上になると、ゴースト光を完全に遮蔽することができなくなり、スクリーンＳ上でゴーストが発生して画質が低下する。
【００４０】
ここで、本実施形態の投影光学系１０では、凹面ミラー（第２光学系Ｌ２）が強い正のパワーを持つため、主光線が射出瞳上で一点に収束せず、いわゆる瞳の球面収差が生じる。このため、スリット部ＳＬを光路に沿って光軸ＡＸ２からスクリーンＳに近付く方向に連続的に移動させると、面ＳＰ上に投影される各正規光（別の表現によれば、各正規光が開口部ＤＳＬを通過した時の面ＳＰ上での光束断面）の分布が、略Ｚ方向に沿った線状の分布から、当該方向と略直交する方向に沿った線状の分布に次第に変化する。
【００４１】
このような正規光の分布の変化を図３（ａ）〜（ｃ）に示す。なお、図３（ａ）〜（ｃ）では、開口部ＤＳＬを破線で示す。また、開口部ＤＳＬの開口長さ、開口幅それぞれに符号Ｌ、Ｗを付す。図３（ａ）〜（ｃ）の例で変化させるパラメータは距離ＨＳのみであり、他のパラメータは既に説明したものと同一である。また、図３（ａ）〜（ｃ）では、説明の便宜上、図１のＸ、Ｙ、Ｚ軸座標を、光軸ＡＸ２に対するスリット部ＳＬの傾きに合わせてＸ軸周りに角度θＳだけ傾けたＸ’、Ｙ’、Ｚ’軸を示す。また、光軸ＡＸ２を含むＹ−Ｚ平面と面ＳＰとの交線ＡＸ’２を示す。第２光学系Ｌ２の反射面で反射された各光束は略交線ＡＸ’２方向に長軸を有する楕円形状に広がっている。したがって、図３（ａ）〜（ｃ）において図示省略された各正規光に対応するゴースト光は、面ＳＰ上において該正規光に対して略交線ＡＸ’２方向にずれた位置に強く現れる。なお、交線ＡＸ’２方向、Ｚ’方向、および開口幅Ｗ方向は同一方向であり、また、Ｘ’方向および開口長さＬは同一方向である。
【００４２】
図３（ａ）は、距離ＨＳが０ｍｍ、すなわち開口部ＤＳＬの開口中心が光軸ＡＸ２上に位置するようにスリット部ＳＬを配置したときの、面ＳＰ上に投影される各正規光の分布である。図３（ａ）によれば、各正規光は、略交線ＡＸ’２上に並び、かつ該交線ＡＸ’２方向に比較的に大きな分布を有している。各正規光が交線ＡＸ’２方向に比較的に大きな分布を有しているため、一部の正規光が開口部ＤＳＬの開口幅Ｗ内に収まらずスリット部ＳＬによるケラレが発生する。このため、スクリーンＳ上に投影される画像は一部が欠けた不完全な画像になる。一方、正規光のケラレを無くすために開口幅Ｗを広げると、一部のゴースト光（例えば低次の回折光）が開口部ＤＳＬを通過するといった別の弊害が発生し好ましくない。
【００４３】
図３（ｂ）は距離ＨＳが２５ｍｍ、すなわち開口部ＤＳＬの開口中心が光軸ＡＸ２から２５ｍｍ離れて位置するようにスリット部ＳＬを配置したときの、面ＳＰ上に投影される各正規光の分布である。図３（ｂ）によれば、各正規光の分布は、図３（ａ）に比べて開口部ＤＳＬの開口長さＬ方向に広がり、かつ開口幅Ｗ方向に狭まっている。しかし、一部の正規光は依然として開口部ＤＳＬの開口幅Ｗ内に収まっていない。このため、図３（ｂ）の例においても正規光のケラレが発生する。正規光のケラレを無くすために開口幅Ｗを広げると、やはり一部のゴースト光が開口部ＤＳＬを通過するといった弊害が発生し好ましくない。
【００４４】
図３（ｃ）は距離ＨＳが６０ｍｍ、すなわち図１の構成における、面ＳＰ上での各正規光の分布である。図３（ｃ）によれば、各正規光は図３（ｂ）に比べてより一層、開口部ＤＳＬの開口長さＬ方向に広がり、かつ開口幅Ｗ方向に狭まって分布し、その全てが開口部ＤＳＬの開口領域に収まっている。つまり、図３（ｃ）の例では、スリット部ＳＬによる正規光のケラレは発生しない。また、開口幅Ｗはこれらの正規光全てを通過させるのに最小限の幅に設計されている。このため、各正規光に対して開口幅Ｗ方向に分布するゴースト光がスリット部ＳＬによって効率良く遮蔽される。このようにスクリーンＳに向かうゴースト光が効率良く遮断された結果、スクリーンＳに、ゴーストが除去されて画質が大幅に向上した画像が投影される。
【００４５】
本実施形態の投影光学系１０は、さらに、次の条件式（２）を満たすように構成されている。
０．１＜｜ＨＳ／ＨＯ｜＜０．５・・・（２）
【００４６】
条件式（２）を満たすことにより、面ＳＰ上での正規光の分布を交線ＡＸ’２方向に適切に狭められるため、それに合わせて開口部ＤＳＬの開口幅Ｗも狭めて設計して、スリット部ＳＬによる正規光のケラレを発生させることなくゴースト光を効果的に遮蔽することができるようになる。
【００４７】
例えば、図３（ａ）の例のように、スリット部ＳＬを光軸ＡＸ２に近付けすぎて、条件式（２）の下限値以下になると、正規光の分布が交線ＡＸ’２方向に広がり、スリット部ＳＬによる正規光のケラレが発生する。また条件式（２）の上限値以上になると、スリット部ＳＬが光軸ＡＸ２から離れすぎて、面ＳＰ上での正規光の分布が開口長さＬ方向に相当広がってしまう。全ての正規光を通過させるために開口部ＤＳＬの開口長さを長く設計すると、投影光学系１０が大型化してしまい、好ましくない。
【００４８】
次に、図４（ａ）に、面ＳＰが光軸ＡＸ２と平行になるようにスリット部ＳＬを配置したときに該面ＳＰ上に投影される各正規光の分布を示す。また図４（ｂ）に、図１および２に示されるように、面ＳＰが光軸ＡＸ２を含むＸ−Ｚ平面に対してＸ軸周りに角度θＳ傾くようにスリット部ＳＬを配置したときに該面ＳＰ上に投影される各正規光の分布を示す。
【００４９】
上述したように、第２光学系Ｌ２の反射面で反射された各光束は光軸ＡＸ２を中心として放射状にスクリーンＳへ向かうため、図４（ａ）の例のように面ＳＰが光軸ＡＸ２と平行になるようにスリット部ＳＬが配置されていると、面ＳＰ上における正規光の楕円断面の長軸方向は、開口幅Ｗ方向から多少傾く。この傾きは、交線ＡＸ’２（面ＳＰ）と光軸ＡＸ２方向との成す角θｓによって変化する。また、この傾きは、光軸ＡＸ２から離れるにしたがって顕著に現れる。さらに、この傾きは回折方向と一致する。また、回折方向と開口幅Ｗの方向が一致しないため、面ＳＰ上における正規光と該正規光に対応するゴースト光の入射位置も同様に傾いた方向に並ぶ。例えば図４（ａ）の右端の光束の正規光と該正規光に対応するゴースト光の入射位置は矢印Ｂ方向に並ぶ。開口幅Ｗ方向と矢印Ｂ方向とがなす角度が大きいほど、開口幅Ｗ方向における正規光と該正規光に対応するゴースト光の面ＳＰ上での入射位置が近付く。このため、一部のゴースト光をスリット部ＳＬにより遮蔽できなくなる虞がある。
【００５０】
そこで、図４（ｂ）の例、つまり図１および２の構成のように、面ＳＰが光軸ＡＸ２に対して角度θＳ傾くようにスリット部ＳＬを配置する。本実施形態では角度θＳはおよそ５度である。このようにスリット部ＳＬを光軸ＡＸ２に対して５度傾けて配置した場合、回折方向と開口幅Ｗ方向とが略一致するため、開口幅Ｗ方向における正規光と該正規光に対応するゴースト光の入射位置が最大限に引き離される。このため、スリット部ＳＬにより各正規光を通過させつつも、ゴースト光を効率良く遮蔽できるようになる。
【００５１】
ところで、本実施形態の投影光学系１０には、スリット部ＳＬとは独立して絞りＡＳ’が備えられている。スリット部ＳＬは第２光学系Ｌ２の反射面で生じる回折光を遮蔽するために備えられるが、絞りＡＳ’は回折光以外の不要光を遮蔽するために備えられている。例えば第２光学系Ｌ２以降の光路中に回折光以外の不要光が光軸ＡＸ２に垂直な方向に生じた場合、スリット部ＳＬでは遮蔽しきれない可能性もある。このような場合、光軸ＡＸ２方向と垂直な方向に光束が密に分布する位置に絞りＡＳ’を設置することにより、上記不要光を効果的に遮蔽することができる。
【実施例１】
【００５２】
次に、これまで説明した投影光学系１０の具体的な実施例１を説明する。図５は、実施例１の表示素子Ｅと投影光学系１０の各光学素子の配置を光路を展開して示す図である。表１は実施例１の各光学素子の具体的数値構成を表す。
【００５３】
また、以下の説明においては、「ｆ」は投影光学系１０の焦点距離（単位：ｍｍ）、「ＮＡ」は投影光学系１０の開口数、「Ｈｕ」は表示素子Ｅの射出面上の最大物体高（単位：ｍｍ）、「Ｂｕ」はスクリーンＳの最上部に入射される最大画角の主光線と光軸とがなす最大射出角度（単位：ｄｅｇ）をそれぞれ示す。ここで、物体高は、表示素子Ｅの射出面上の各物点の光軸ＡＸ１からの高さ（距離）である。また、最大物体高は、表示素子Ｅの射出面の有効領域内の物点の物体高のうち最大のものを示す。これらの実施例１における各値は次の通りである。
ｆ  ：  −３．２７
ＮＡ：  ０．１７８
Ｈｕ：  １３．５９
Ｂｕ：  ７７．４０
【００５４】
【表１】
2009205032.tif 000003
【００５５】
表１中、「Ｎｏ．」は面番号、「ｒ」はレンズ（又はミラー）各面の曲率半径（単位：ｍｍ）、「ｄ」はレンズ厚またはレンズ間の空気間隔（単位：ｍｍ）、「ｎｄ」はｄ線（波長５８８ｎｍ）での屈折率、「νｄ」はｄ線でのアッベ数、「ＯＢＪ」は物体である表示素子Ｅの射出面、「ＳＴＯＰ」は絞りＡＳ、「ＩＭ」は像が形成されるスクリーンＳのスクリーン面である。なお、非球面素子におけるｒは、光軸上での曲率半径を示す。
【００５６】
表１において、面番号１〜１３までが絞りＡＳより表示素子Ｅ側に配置されたレンズ群Ｌ１ａの前群、面番号１４〜１８までが絞りＡＳより非球面ミラーＬ１ｂ側に配置されたレンズ群Ｌ１ａの後群、面番号１９が実質的な回転対称性を有する非球面の反射面として構成される非球面ミラーＬ１ｂ、面番号２０が正のパワーをもつ実質的な回転対称性を有する非球面の反射面として構成される第２光学系Ｌ２である。
【００５７】
すなわち実施例１では、面番号１９および２０の面が実質的な回転対称非球面として構成される。非球面の形状は光軸からの高さがｈとなる非球面上の座標点の該非球面の光軸上での接平面からの距離（サグ量）をＸ（ｈ）、非球面の光軸上での曲率（１／ｒ）をＣ、円錐係数をκ、４次、６次・・・の非球面係数をＡ２ｉ（但し、ｉは１以上の整数）として、以下の式で表される。
【００５８】
【数１】
2009205032.tif 000004
【００５９】
表２に、表１における面番号１９、２０の各非球面形状を規定する円錐定数と非球面係数を示す。なお各表における表記αＥ±β（αは有理数、βは整数）は、１０を基底とする指数表記であり、α×１０βと同義である。
【００６０】
【表２】
2009205032.tif 000005
【００６１】
以上に示される実施例１の各数値に基づいてＤＳＺ、ＨＳ、ＨＯの各値を計算すると、それぞれ、２０．０、６０．０、１２２．７が得られる。これらの数値を各条件式（１）および（２）に代入すると、以下の通りに全ての条件式が満たされることが分かる。
｜ＤＳＺ／（ＨＳ＋ＨＯ）｜＝０．１０９
｜ＨＳ／ＨＯ｜＝０．４８９
【００６２】
図６（ａ）〜（ｉ）は、上記のように条件式（１）および（２）を満たす実施例１の投影光学系１０に関する横収差図と歪曲収差図である。各収差図は、表示素子Ｅの射出面を評価面として、スクリーンＳ側から投影光学系１０に光を入射させた場合に当該射出面で生じるｄ線（５８８ｎｍ）、Ｆ線（４８６ｎｍ）、およびＣ線（６５６ｎｍ）における横収差（図４（ａ）〜（ｈ））と、ｄ線（５８８nm）における歪曲収差（図４（ｉ））を表している。図４（ａ）〜（ｈ）の縦軸、横軸はそれぞれ、横収差量、入射瞳座標である。また図４（ｉ）の縦軸、横軸はそれぞれ、物体高、歪曲収差量である。図４（ａ）〜（ｈ）の各図において実線がｄ線、点線がＦ線、一点鎖線がｃ線の横収差を示す。
【００６３】
より詳しくは、図６（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、主光線の評価面における光線座標が４．２５ｍｍとなる光線（すなわち物体高４．２５ｍｍに対応する光線）のメリジオナル面、サジタル面における横収差図である。図６（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、該光線座標が８．０３ｍｍとなる光線のメリジオナル面、サジタル面における横収差図である。図６（ｅ）、（ｆ）はそれぞれ、該光線座標が１１．８８ｍｍとなる光線のメリジオナル面、サジタル面における横収差図である。図６（ｇ）、（ｈ）はそれぞれ、該光線座標が１３．５７ｍｍとなる光線のメリジオナル面、サジタル面における横収差図である。
【００６４】
図６（ａ）〜（ｈ）に示されるように、実施例１の投影光学系１０は非点収差をはじめとする像面湾曲、コマ収差、像面湾曲、軸上色収差、倍率色収差等の諸収差が良好に補正されている。また図６（ｉ）に示されるように、歪曲収差も良好に補正されている。つまり、実施例１によれば、第２光学系Ｌ２のパワーにより広い画角を確保したうえで、図６（ａ）〜（ｉ）に示されるように光学性能を高く維持しつつも、条件式（１）および（２）を満足することにより第２光学系Ｌ２の反射面で生じるゴースト光を効果的に遮蔽して、スクリーンＳ上に発生し得るゴーストを良好に除去することができる。
【００６５】
本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば第２光学系Ｌ２は３次元加工装置等を用いて加工されたものとしてもよい。このような装置を用いて第２光学系Ｌ２を加工した場合でも切削加工時におけるバイトの送りピッチに応じた周期的な切削痕が加工面（反射面）に形成される。したがって、このような第２光学系Ｌ２も反射面に入射された光束に対して回折格子として作用して回折光を生じさせるが、本実施形態と同様の構成を採用することにより、スクリーンＳに導かれる回折光を効果的に遮蔽してスクリーンＳ上に発生し得るゴーストを良好に除去することができる。
【００６６】
また、開口部ＤＳＬの形状は矩形である必要はなく、種々の形状が適用される。例えば複数の円弧を繋いで形成された形状としてもよく、この場合、開口部ＤＳＬの開口領域を各正規光を通過させる範囲で最小限に設計することができ、ゴースト光をより一層効果的に遮蔽できるようになる。
【００６７】
また、スリット部ＳＬは平面状に形成されたものである必要はなく、例えば曲面状に形成されたものであってもよい。このような形状の一例として、光軸ＡＸ２と略平行な方向に軸を有する円筒形状の曲面に沿った形状が考えられる。
【００６８】
本発明は、平成１９年度「リアプロジェクションＴＶの薄型超大画面化技術の開発」（ＮＥＤＯ受託研究）の成果である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施形態の投影装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態の投影装置が有するスリット部付近の構成を拡大して示す図である。
【図３】スリット部の面上に投影される正規光の分布を示す図である。
【図４】スリット部の傾きに応じた、該スリット部の面上に投影される正規光の分布を示す図である。
【図５】本発明の実施例１の表示素子と投影光学系の各光学素子の配置を示す図である。
【図６】本発明の実施例１の投影光学系に関する横収差と歪曲収差を示す図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０  投影光学系
Ｅ  表示素子
Ｌ１  第１光学系
Ｌ２  第２光学系
ＳＬ  スリット部
Ｓ  スクリーン
【図１】
2009205032.tif 000006
【図２】
2009205032.tif 000007
【図３】
2009205032.tif 000008
【図４】
2009205032.tif 000009
【図５】
2009205032.tif 000010
【図６】
2009205032.tif 000011