JP2008134350A - 映像投写装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広角化と共に、歪みのない良好な大画面の表示が可能であり、小型化に適した映像投写装置（プロジェクタ）の構造を提供する。
【解決手段】略箱型の筐体１００の内部に、光源ユニット２００と、光変調ユニット３００と、光変調ユニットからの映像光を拡大して投写する投写光学ユニット４００とを備えた映像投写装置（プロジェクタ）において、投写光学ユニットは、映像表示素子から光の投写に向かって、順に、光軸に対して対称に配置された複数のレンズ素子からなるレンズ群と、当該光軸に対して非軸対称な形状を有するレンズ素子とを有しており、更に、筐体の外部には、光軸に対して非軸対称な自由曲面形状の反射ミラーを備えており、当該反射ミラーを移動することにより所定の位置に設置可能となっている。
【選択図】図１

Description

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投写面上に投写して画像表示を行う映像投写装置に関し、特に、斜め方向からの投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ことが可能な映像投写装置に関する。

光源からの光を、例えば、液晶映像表示素子上に表示した画像を通過させた後、当該光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映像投写装置（所謂、プロジェクタ）は、既に、各種のものが知られ、かつ、実用化されている。かかる装置は、その使用形態から、持ち運び可能であることが強く要求されることから、特に、その小型化が求められると共に、スクリーン上に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。

ところで、従来、例えば、以下の特許文献１によれば、映像をフロント投写とリア投写とで切換えて投写することを可能とすることを目的として、リア投写用のミラーをプロジェクタ本体と一体に構成し、当該リア投写時においても大画面で投写することができ、かつ、小型で投写映像の品質を向上するプロジェクタが既に知られている。

また、例えば下記の特許文献２〜３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投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。

加えて、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（投写面）上に拡大して投写する反射型結像光学系も、例えば下記の特許文献４によって、既に、知られている。

特開２００６−２５９２５２号公報 特開平５−１３４２１３号公報 特開２０００−１６２５４４号公報 特開２００４−１５７５６０号公報

即ち、上記特許文献１に記載の映像投写装置（プロジェクタ）により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２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、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、投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、そのため、装置全体が大きく（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、投写光学ユニットのコスト上昇の原因となってしまうことにもなる。

また、上記特許文献３に記載の投写光学ユニットにおいても、上記特許文献２と同様、広角化が困難であり、かつ、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、投写光学ユニットのコスト上昇の原因となってしまう。

一方、上記特許文献４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ある。しかしながら、反射鏡での光の偏心（偏向）量が大きなことから、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が難しく、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、やはり、その製造が極めて難しいという問題点があった。

そこで、本発明では、装置の外形が大きくすることなく広角化を可能とすると共に、小型化が比較的容易であり、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、投写映像に台形歪みが生じず、コンパクトな外形寸法とするのに好適な映像投写装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、上記の目的を達成するため、まず、映像表示素子の映像を拡大して投写する映像投写装置であって、略箱型の筐体と、前記筐体の内部に配置され、内部に光源を備えた光源部と、前記筐体の内部に配置され、前記光源部からの光を前記映像表示素子により変調して映像光を形成する光変調部と、前記筐体の内部に配置され、前記光変調部からの映像光を拡大して投写する投写光学部とを備えてなる映像投写装置において、前記投写光学部は、前記映像表示素子から光の投写に向かって、順に、光軸に対して対称に配置された複数のレンズ素子からなるレンズ群と、当該光軸に対して非軸対称な形状を有するレンズ素子とを有しており、更に、前記筐体の一部に取り付けられ、当該筐体の外部において、前記投写光学部の光軸に沿った所定の位置に設置可能であり、もって、当該投写光学部から射出される映像光を反射する反射ミラーを備えており、かつ、当該反射ミラーは、前記投写光学部の光軸に対して非軸対称な自由曲面形状を有している映像投写装置が提供されている。

また、本発明によれば、前記に記載した映像投写装置において、前記反射ミラーは、前記筐体に対して移動可能に機械的に結合されて構成されていることが好ましく、更に、電源部を前記筐体の内部に備えると共に、当該箱型の筐体の平面寸法を、３０ｃｍ×３０ｃｍ以内にすることが好ましい。又は、前記光源部の光軸と前記光変調部との光軸が所定の角度だけ傾斜していることが好ましい。

以上の本発明によれば、容易に広角化を可能とすると共に、口径の大きな付加光学系を必要とすることなく小型化が可能であり、かつ、投写映像に台形歪みが生することなく、好適な映像を拡大して投写する映像投写装置を提供すること可能にするという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。添付の図１は、本発明の一実施の形態になる映像投写装置（所謂、プロジェクタ）の構成を示す斜視図であり、この図においては、当該投写装置本体の一部に切り欠きを設けた略箱型の筐体１００（外形：３０ｃｍ×３０ｃｍ）内に収納された構成要素が示されている。

まず、この筐体１００内には、水銀ランプやハロゲンランプ等、高輝度の白色光を発生するランプや集光ミラーなどを含む光源ユニット２００と、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を含み、上記光源ユニット２００から照射された光を当該画像表示素子で変調する光変調ユニット３００と、当該光変調ユニット３００から出射した光を拡大して照射するための投写光学ユニット４００と、そして、例えば、商用電源からの電力を入力して上記の各ユニットに対して必要な電圧／電流を供給するための電源ユニット５００を備え、更には、筐体１００の一部（図示の例では、左上側面の一部）には、後にも詳細に説明する自由曲面ミラー６００が、光の出射口を覆う板状の部材６１０により、回動可能に取り付けられている。なお、図中の参照番号６１１、６１２は、自由曲面ミラー６００をその両端で補強すると共に、板状の部材６１０の先端に、所定の角度で傾斜して固定するための、所謂、補強部材を示している。

即ち、添付の図２にも示すように、上記の自由曲面ミラー６００の下端に固定された板状の部材６１０は、上記映像投写装置の筐体１００の一部（図示の例では、筐体の左側面下端部）に形成された軸受部１１１によって機械的に連結されており、そして、図に破線で示すように、当該軸受部１１１を中心として、回動可能に取り付けられている。なお、この図において、上記投写光学ユニット４００から射出して自由曲面ミラー６００の表面で反射される光が、矢印で示されている。

次に、添付の図３には、上記に概略構成を示した映像投写装置において、特に、その光学的な要素である光源ユニット２００、光変調ユニット３００、投写光学ユニット４００と、そして、上記自由曲面ミラー６００を中心に説明する。

図示しないが、その内部に高輝度の白色光を発生するランプや集光ミラーなどを含む光源ユニット２００からの光の一部は、例えば、光変調ユニット３００を構成するハーフミラー３１１とミラー３１２を介して、液晶画像表示素子である、例えば、透過型の赤色用（Ｒ）液晶パネル３１３Ｒへ、他の一部は、ハーフミラー３１１と第２のハーフミラー３１４を介して、透過型の緑色用（Ｇ）液晶パネル３１３Ｇへ、そして、残りの一部は、ハーフミラー３１１と第２のハーフミラー３１４、更に、ミラー３１５、３１６を介して、透過型の青色用（Ｂ）液晶パネル３１３Ｂへ導かれ、それぞれ、表示する画像又は映像に従って変調される。その後、これらの変調された光は、光合成プリズム３２０によって、投写されるカラー映像光として合成される。その後、上記の光合成プリズム３２０によって合成されたカラー映像光は、以下に詳細に説明するように、前方レンズ群４１０と後方レンズ群４２０とを含む投写光学ユニット４００、更には、上記の自由曲面ミラー６００を介して、図の矢印で示すように、図示しないスクリーン等の上に投写されることとなる。

次に、添付の図４を参照しながら、上記映像投写装置の投写光学ユニットの基本的な光学構成について説明する。なお、この図に示したＸＹＺ直交座標系は、上記光合成プリズム３２０によって合成されたカラー映像光が投射される平面をＸＹ平面として設定されており、上記投写光学ユニットの光軸は、ＹＺ断面に相当する。

この図４にも示すように、投写光学ユニットは、光源８（図１又は３の光源ユニット２００に対応）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（図３の三枚の液晶パネル３１３Ｒ、３１３Ｇ、３１３Ｂが対応。但し、ここでは、１枚だけを示す）、プリズム１０（図３の光合成プリズム３２０に対応）、前方レンズ群２（図３の４０１に対応）と後方レンズ群（図３の４０２に対応）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、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（図３の６００に対応）を含む反射光学系とによって構成される。

以上のような構成になる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、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。

なお、本実施の形態では、上記図４からも明らかなように、従来技術（特に、上述の特許文献２や３）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（即ち、液晶パネル）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、即ち、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）ことを意味することとなる。

なお、通常、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、しかしながら、本発明では、これら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。

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の反射面で拡大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、レンズにより得られる光の偏心量（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（特に、上述の特許文献１や２）の付加光学系（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て、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。

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（例えば、上述した特許文献４）に比較しても、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構成とすることにより、特に、量産に適したものとなる。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（即ち、プロジェクタ）を全体的にコンパクトとすることが出来るという好適な効果が得られる。

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、映像投写装置であるプロジェクタに適用した場合、当該装置に対して強く要求される広画角化を、確実かつ比較的容易に実現し、かつ、装置全体を小さくして、コンパクトな装置として実現することが可能となる。

次に、添付の図５及び図６には、上記投写型映像表示装置を構成する投写光学ユニットのレンズ光学系及び反射光学系を含む光学素子の詳細が示されている。即ち、図５は上記投写光学ユニットの斜視図であり、図６はその垂直方向断面（図６（ａ））及びその水平方向断面（図６（ｂ））をそれぞれ示している。

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。なお、これらの図における符号３５は、上述した前方レンズ群２と後方レンズ群３と間に配置された折り曲げミラー３５を示している。

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により構成されている。これらの図にも示すように、反射鏡４の反射面Ｓ２３に最も近い自由曲面レンズ３１は、その光の射出方向に凹部を向けており、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部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。

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４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。

但し、ここで、Ｄｖは図４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。

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であろう。

なお、上記の図４を見ると、前述したように、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。

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、上記の後方レンズ群３において、回転非対称の自由曲面レンズ３１を、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することができる。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ることから、自由曲面による収差補正を補助する上で効果的である。

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を構成しており、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ている。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。このように、前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、他方、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。

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。なお、ここで、自由曲面ミラー４は、その反射方向に凸部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設定されている。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形状を為すようにしてもよい。

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間の光軸方向での距離は、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、もって、良好な性能を得ることができる。

以下、本発明の具体的な数値実施例について説明する。

まず、添付の図８及び図９、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、特に、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数値を示しながら説明する。なお、これらの図は、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、図８は、前述した図４のＸＹＺ直交座標系における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９はＸＺ断面での構成を示しており、この図では、詳細構造を上記図５及び図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との途中に折り曲げミラー３５を設置し、もって、光路をＸ軸方向に一度折り曲げている。

本例において、図８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。

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により構成されており、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。なお、ここに用いられた回転対称な非球面は、各面毎のローカルな円筒座標系を用いて、次の式で表される。

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」は上記「ｒ」のべき乗の項の係数である。

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。

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。

次に、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。この表１において、Ｓ０〜Ｓ２３は、上記図６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４のスクリーン５の入射面、すなわち、像面を示している。

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６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。

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。

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。

また、本発明では、上記の図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。

また、上記の図６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６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）。

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１３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１３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６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。

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」が零（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。

また、上記表４において、面Ｓ２３の「ＡＤＥ」は、上記図１１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４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。

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、物面上に拡大して投写する場合の一例である。即ち、比較的近い距離（Ｌｐ）でも、物面を十分大きな画面に拡大して投射することが出来ること、即ち、投射拡大率に優れていることが分る。

次に、表５〜表８を用いて第２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。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。

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。

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。

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。

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。また、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。

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が小さいコンパクトな光学系を実現している。

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ことがわかる。

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だけ偏心させ、Ｓ１７面を逆に０．１９３ｍｍだけ偏心させている。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。なお、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が、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。

また、上記の表５及び表７を見ると、この実施例では、曲率「ｃ」とコーニック係数「ｋ」が零（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。

以上に述べた数値による第２の実施例の有効範囲は、物面上の範囲を像面上に拡大して投写している。すなわち、比較的近い距離（Ｌｐ）でも、物面を十分大きな画面に拡大して投射することが出来ることが、即ち、投射拡大率に優れていることが分る。

次に、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。また、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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が、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。

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。

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」が零（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。

また、上記第３の実施例の有効範囲は、物面上の範囲を像面上に拡大して投写している。この例でも、比較的近い距離（Ｌｐ）でも、物面を十分大きな画面に拡大して投射することが出来ることが、即ち、投射拡大率に優れていることが分る。

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。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。

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。また、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。

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１３又は図１６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。

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。

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。

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。

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。

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。

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が、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。

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。

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」が零（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。

なお、本実施例の有効範囲は、物面上の範囲を像面上に拡大して投写している。即ち、比較的近い距離（Ｌｐ）でも、物面を十分大きな画面に拡大して投射することが出来ること、即ち、投射拡大率に優れていることが分る。

以上に述べたように、本発明になる映像投写装置によれば、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装置が提供される。そして、本発明によれば、かかる映像投写装置からの映像（画像）をスクリーン上に投写することにより、当該スクリーン上に、その全体において歪みや収差を最小限に抑えた良好な投写画面を大画面で得ることが出来、もって、優れた実現することが可能となる。

ところで、以上に詳述した投写光学ユニットを適用した映像投写装置では、当該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点として、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。

例えば、上記の図１０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が劣化する。例えば、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。

なお、上述した非回転対称な投写光学ユニットにおいては、回転対称のレンズの移動では、このスポット形状の補正はできない。そこで、本発明の映像投写装置における投写光学ユニットでは、前記後方レンズ群を構成する負のパワーを有するレンズ３３、３４と共に、自由曲面を有する透過レンズ３１と３２とを、その光軸方向に移動させることにより補正を行なう。

添付の図１１に示すように、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３２と、そして、負のパワーを有する回転対称な２枚の透過レンズ３３、３４を移動させる。即ち、図１１（ａ）は、上記図１０において投射画面を小さくする方向の位置６６（画面サイズ６０インチ相当）に置いた場合、図１１（ｂ）は、投射画面を設計位置６５（画面サイズ８０インチ相当）に位置する場合、そして、図１１（ｃ）は、投射画面を投射画面を大きくする方向の位置６７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象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１つのレンズ群とし、こ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、良好な性能が得られる。

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１２（ａ）にも示すように、装置の筐体１００の内部に、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）を個別の搭載台２１０、２２０に組み込む。そして、一方の搭載台２１０を装置の筐体１００の底部１１１上に固定すると共に、他方の搭載台２２０は、例えば、レール上に滑動可能に取り付ける。また、この他方の搭載台２２０からは、例えば、ロッド状の部材２２１を上方に延長しており、上記筐体１００の上面に形成したスリット部１１２から外部に突出させる。そして、この他方の搭載台（例えば、搭載台２２０）には、予め溝２２１、２２２、２２３を形成しておく。即ち、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。

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１２（ｂ）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群に分けられており、そして、そのそれぞれの位置を、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。即ち、上記の溝２２１、２２２、２２３は、これら３群のレンズに対応して、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。かかる構成によれば、上記移動可能な搭載台２２０から筐体外部に突出したロッド部材２２１を、予め筐体１１０の表面上に「６０」インチ、「８０」インチ、「１００」インチなどの印を付けておいた位置に移動することにより、上記３群のレンズ、即ち、レンズ３１、レンズ３２、そして、レンズ３３及び３４が、それぞれ、溝２２１、２２２、２２３に沿って移動することにより、所望に位置に配置されることとなる。即ち、かかる構成によれば、投写型映像表示装置の外部から、上記ロッド状部材２２１の先端を図の矢印方向に移動することにより、投射画面の大きさを、スポット形状の歪や解像性能の劣化を伴うことなく、変更することが可能となる。

または、上述した構造に代えて、図示はしないが、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。更には、例えば、電動モータなどを含む駆動手段を用いて、後方レンズ群３（レンズ３１〜３４）をそれぞれ移動する構造を採用することも可能であろう。即ち、これによれば、映像を投射するスクリーンの位置（即ち、装置からスクリーンまでの距離）の変更に対応して、スポット形状の歪や解像性能の改善する効果が得られる。

更に、上述の実施の形態では、上記図２にも示すように、上記の自由曲面ミラー６００は、板状の部材６１０と共に、上記映像投写装置の筐体１００の一部に形成された軸受部１１１を中心に回動可能に取り付けられているものとして説明したが、しかしながら、これに限定されることなく、例えば、上記板状の部材６１０、又は、ここでは図示しないが、これに代えて一対の棒状の部材を、上記筐体１００の下部において摺動（スライド）可能に取り付け、もって、当該自由曲面ミラー６００を引き出して、もって、所定の位置に設置可能にする構造を採用してもよい。

本発明の一実施の形態になる映像投写装置（プロジェクタ）の全体構成を示す斜視図である。 上記本発明になる映像投写装置の側面図である。 上記本発明の映像投写装置における、特に、光変調ユニットと投写光学ユニットを含む光学系の構成を示す一部展開斜視図である。 上記本発明の映像投写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。 上記本発明の映像投写装置における投写光学ユニットのレンズ配置の一例を示す斜視図である。 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。 上記投写光学ユニットのレンズ面の変形例を説明するための垂直方向の断面図である。 上記投写光学ユニットによる光路を示すＹＺ断面図である。 上記投写光学ユニットによる光路を示すＸＺ断面図である。 上記投写光学ユニットにおいて投写距離変化させた場合の性能を示す図である 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。 上記投写型映像表示装置において、投写光学ユニットにおける後方レンズ群を移動させるための構造の一例を示す、一部断面を含む斜視図である。

符号の説明

１００…映像投写装置（プロジェクタ）の筐体、２００…光源ユニット、３００…光変調ユニット、４００…投写光学ユニット、５００…電源ユニット、６００…自由曲面ミラー。

Claims (4)

1. 映像表示素子の映像を拡大して投写する映像投写装置であって、
   略箱型の筐体と、
   前記筐体の内部に配置され、内部に光源を備えた光源部と、
   前記筐体の内部に配置され、前記光源部からの光を前記映像表示素子により変調して映像光を形成する光変調部と、
   前記筐体の内部に配置され、前記光変調部からの映像光を拡大して投写する投写光学部とを備えてなる映像投写装置において、
   前記投写光学部は、前記映像表示素子から光の投写に向かって、順に、光軸に対して対称に配置された複数のレンズ素子からなるレンズ群と、当該光軸に対して非軸対称な形状を有するレンズ素子とを有しており、更に、
   前記筐体の一部に取り付けられ、当該筐体の外部において、前記投写光学部の光軸に沿った所定の位置に設置可能であり、もって、当該投写光学部から射出される映像光を反射する反射ミラーを備えており、かつ、当該反射ミラーは、前記投写光学部の光軸に対して非軸対称な自由曲面形状を有していることを特徴とする映像投写装置。
2. 前記請求項１に記載した映像投写装置において、前記反射ミラーは、前記筐体に対して移動可能に機械的に結合されて構成されていることを特徴とする映像投写装置。
3. 前記請求項１に記載した映像投写装置において、更に、電源部を前記筐体の内部に備えると共に、当該箱型の筐体の平面寸法を、３０ｃｍ×３０ｃｍ以内にしたことを特徴とする映像投写装置。
4. 前記請求項１に記載した映像投写装置において、前記光源部の光軸と前記光変調部との光軸が所定の角度だけ傾斜していることを特徴とする映像投写装置。

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