JP5114828B2 - 投写光学ユニット - Google Patents

Description

本発明は、拡大画像をスクリーンに投写して画像表示を行う投写型映像表示装置、及びこれらに用いられる投写光学ユニットに関する。

映像表示素子の画像を投写光学ユニットによってスクリーン上に拡大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得つつ装置の奥行きを短縮することが要求される。これを実現するために、例えば下記特許文献１〜３に記載されているように、スクリーンに対して斜め方向から拡大投写する構成の投写光学ユニットが知られている。

特開平５−１３４２１３号公報 特開２０００−１６２５４４号公報 特開２００２−３５７７６８号公報

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した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。特許文献１に開示されたアフォーカルコンバータは、倍率が低いため広角化が困難であり、装置の薄型化を達成できない。

上記特許文献２に記載の投写光学ユニットにおいても、背面投写型カラー映像表示装置として十分に薄型化できるほどの広角化は困難である。また、使用するレンズを個別に偏心させる必要があるため製造が難しいという問題点もある。

さらに上記特許文献３に記載の投写光学ユニットは、正のパワーを有する第１屈折レンズ系と、負のパワーを有する第２屈折レンズ系と光路折り返しミラーとを有し、負のパワーを有する第２屈折レンズ系の内、少なくとも２枚は回転対称性が異なる偏心系としている。このため、製造時に各レンズの位置精度確保が難しく製造が困難になるという問題点がある。

投写光学ユニットにおいてその奥行きをより短縮するためには、スクリーンに対して斜め方向から拡大投写する所謂斜め投写において、斜め投写の角度をより大きくすることが必要となる。しかしながら、斜め投写の角度をより大きくすると台形歪が一層大きくなり、台形歪を補正するための偏心量をより大きくする必要があることから製造が一層困難となり、またこれに関連してレンズ径もより大きくなるため、上記従来光学系では、奥行きをより小さくすることは困難である。

また、背面投写形表示装置においては、単に奥行きだけでなく、よりコンパクトな外形状となるようスクリーン下部分の高さもより小さくすることも求められている。

本発明は、このような課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、背面投写形表示装置をコンパクト化するのに好適な技術を提供することにある。

本発明は、スクリーンの主平面の法線に対し所定の角度で映像を拡大投写する、いわゆる斜め投写を行う場合において、上記映像の拡大に用いられる投写レンズに、回転非対称の形状を持つ少なくとも１つの非対称レンズ（例えば自由曲面を持つレンズ。以下、これを自由曲面レンズと称する）を用いたことを特徴とするものである。この自由曲面レンズは、その光の射出方向に凹を向けており、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いものとしてもよい。

また本発明は、前記自由曲面レンズを含む投写レンズと、この投写レンズから出射された光を反射するものであって、その反射面が反射方向に凸を向けた形状を有する回転非対称の凸面反射ミラー（例えば自由曲面を持つミラー。以下、これを自由曲面ミラーと称する）とを組み合わせて用いたことを更なる特徴とするものである。この自由曲面ミラーは、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を、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たものであってもよい。また、自由曲面ミラーは、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ものであってもよい。

本発明によれば、光学的奥行きが小さいと同時にスクリーン下部の高さも小さくコンパクトな装置が実現可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明による投写光学ユニットを用いた背面投写型投写装置の基本的な光学構成を示す断面図である。図１は、光学系の構成をＸＹＺ直交座標系におけるＹＺ断面で示している。ここで、ＸＹＺ直交座標系の原点は、画像表示素子１の表示画面の中央とし、Ｚ軸はスクリーン６の法線と平行で、Ｙ軸はスクリーンの画面の短辺と平行、すなわち画面垂直方向であり、Ｘ軸はスクリーンの画面の長辺と平行、すなわち画面水平方向とする。

図１に示すように、画像表示素子１から射出した光は、複数のレンズで構成される第１の光学系に入射される。第１の光学系は、前群２と後群３を含む。画像表示素子１からの光は、まず回転対称な面形状を有する複数の屈折レンズを含む前群２を通過する。その後、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２枚のレンズを含む後群３を通過する。そして、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を少なくとも一つを含む第２の光学系で反射された後、平面の反射面を有する背面ミラー５で反射されてスクリーン６に入射する。

ここで上記画像表示素子１は、自発光型でもよく、また液晶パネルのような透過型でもよい。透過型の場合に必要な、液晶パネルを照射するランプ等については、本実施形態の特徴に直接的に関係しないため、その図示を省略している。また、画像表示素子１は、所謂３板式のように複数の画を合成する方式でもよい。その場合、映像合成用のプリズム等が必要となるが、これも同様にその図示も省略している。

本実施形態では、図１に示すように、上記画像表示素子１は、その表示画面の中央が上記第１の光学系の光軸上に配置されている。従って、上記画像表示素子１の表示画面の中央から出て上記第１光学系の入射瞳の中央を通ってスクリーン６上の画面中央に向かう光線１１は、ほぼ上記第１の光学系の光軸に沿って進む（以下、これを画面中央光線という）。この画面中央光線は、上記第２の光学系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、背面ミラー５上の点Ｐ５で反射されて、スクリーン６上画面中央の点Ｐ８にスクリーンの法線８に対して、スクリーン６の下方から斜めに入射している。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、前記第１の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、実質的に第１の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ことになる。このような方法でスクリーンに斜め入射させると、投写した長方形の形状が台形になる所謂台形歪の他にも光軸に対して回転対称でない種々の収差が生じ、これを前記第１の光学系の後群と前記第２の光学系の反射面とで補正するものである。

このような斜め投写を実現する手段として、前記第１光学系の後群のような自由曲面形状を有するレンズに替えて、自由曲面形状を有する反射面を配置して収差を補正させることも可能である。図２は、このような自由曲面レンズに代えて反射面を用いた場合の例と、反射面を用いず、自由曲面レンズを用いた場合の例とを示している。図２ではまず、本実施形態の構成をもとに全体の構成を実線で表示している。すなわち、画像表示素子２１から光線が出て、第１の光学系の前群２２を通り、自由曲面形状を有する透過型レンズで構成される第１の光学系の後群２３を通過し、自由曲面形状を有する反射面で構成される第２の光学系２４で反射されて、背面ミラー２５を経由してスクリーン２６に入射する。ここで、前記第１光学系の後群のレンズ２３に代えて回転対称でない自由曲面形状を有する第２の反射面２７を用いた場合の構成を図２の破線で示す。図２の破線で示すように、第２の反射面２７を用いた場合、反射面に入射する光線と反射する光線が重なる領域２８には、レンズなどの光学要素を配置できず、全体光線がかさ張るものとなる。特に、スクリーンから下の方向に長く伸びてしまい、スクリーンの下部高さを小さくしたコンパクトな光学系を実現することが困難となる。

これに対して、前記反射面２７に代えて、回転非対称の自由曲面形状を有する自由曲面レンズ２３を用いた場合には、このレンズ２３と第１の光学系の前群２２との間隔を詰めて配置できて全体的にコンパクトとなり、スクリーンの下部の高さを小さく出来るという効果がある。このように、自由曲面形状を有する透過型のレンズと自由曲面形状を有する反射面とを組み合わせることにより、奥行きとスクリーン下部の高さを小さくしたコンパクトな光学系を実現できる。
この自由曲面レンズは、その光の射出方向に凹を向けており、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いものとしてもよい。

ここで、自由曲面レンズ２３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。

このとき、自由曲面レンズ２３を用いた場合に、前記画像表示素子２１の位置がスクリーンの法線の方向に対して遠くなり奥行きが大きくなるように見受けられる。この奥行きは、折り曲げミラーを用いることにより低減できる。すなわち、自由曲面ミラー２４と前記第１の光学系の後群２３との間、若しくは、前記第１の光学系の前群２２と後群２３の間、若しくは、前群２２の途中において、折り曲げミラーを配置する。そして、第１光学系の光軸を図２に示す断面に対してほぼ垂直な方向に折り曲げる。これにより、奥行きの増大を防止できる。

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。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第１光学系２の入射瞳の中央を通り、スクリーン６の画面上端の点Ｐ９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から背面ミラー上の点Ｐ６を経由してスクリーン上の点Ｐ９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第１光学系２の入射瞳の中央を通り、スクリーン６の画面下端の点Ｐ７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から背面ミラー上の点Ｐ４を経由してスクリーン上の点Ｐ７にまで至る光路長をＬ２とする。本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。
（数１）
｜Ｌ１−Ｌ２｜＜１．２＊sinθｓ＊Ｄｖ
ただし、Ｄｖは図１の断面内でのスクリーン上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Ｐ９から画面下端の点Ｐ７までの距離である。また、θｓは上記斜め入射角度である。

ここで、上記条件の理由について説明する。共軸光学系の投写レンズをスクリーンに対して傾け、斜め入射させた場合の概念図を図３に示す。図３で、投写光学系４１の光軸上に置かれた画像表示素子４０の画面中央から光軸に沿って射出した光線４２がスクリーン４７に到達する場合について考える。このとき、スクリーン近傍での光線４２に垂直な方向での画面の大きさは、光線４２に垂直な線と、上側の光線４３の交点と下側の光線４４の交点との距離であり、これは本来の画面の大きさであるＤｖになっている。しかし、斜め入射のため、画面上側の光線４３はスクリーン上では点Ｐ１２に達してしまい、スクリ−ン上での画面がＤｖよりも大きくなり図形の歪となる。またこのとき、画面上側の光線４３下側の光線４４とで、投写レンズからスクリーンまでの光路長に差が生じてしまう。その光路長の差の大きさは、近似的に、画面中央の光線４２に垂直な線と画面上側の光線４３との交点Ｐ１１と、光線４３とスクリーン４７との交点Ｐ１２との距離に相当する。

ここで、投写レンズ４１のすぐ外側に自由曲面を用いた光学要素を配置して、前記図形歪を補正したと考えると、スクリーン上では、例えば画面上側が点Ｐ１２から点Ｐ１４に移動し下側の点も同様に移動して、画面の大きさは本来の大きさであるＤｖになる。このとき、画面上側の光線４５と画面下側の光線４６とにおける光路長の差は、近似的に点Ｐ１３と点Ｐ１４との距離に相当し、図形歪補正前よりも小さくなる。すなわち、上記光路長の差が点Ｐ１３と点Ｐ１４との距離に相当する程度に小さくなることにより、図形の歪が補正できたことを確認できる。点Ｐ１３と点Ｐ１４との距離の大きさ（以下、これをＬｘとする）は、近似的に次の式のようになる。
（数２）
Ｌｘ＝Ｄｖ＊（sinθｓ）/（cosθ‘）
ここで、θ‘は自由曲面ミラーから射出後の図２断面内での半画角であるが、これを約３０度とすると、上式は近似的に次式のようになる。
（数３）
Ｌｘ＝１．２＊（sinθ）＊Ｄｖ
上記近似では自由曲面ミラーが充分遠いという条件を含むが、自由曲面ミラーがスクリーンに近い場合は上記光路長の差はより小さくなると考えられる。従って、上記光路長の差は上式の値よりも小さくなることが条件となり、式１で表現される。

以上の説明は自由曲面ミラーとスクリーンとの間隔に関連して行った。しかしながら、収差を補正する自由曲面が屈折面のみの場合であっても、経路上スクリーンに最も近い自由曲面とスクリーンとの間の光路長について、上記条件が成り立つことは言うまでもない。

これによって、画像表示素子１の表示画面を第１光学系の光軸上近傍に配置したままで、第１の光学系においてレンズ径の増大等を招くことなく、かつ斜め入射による台形歪の補正を実現できる。さらに、セットの光学奥行きを小さくすると共に製造が容易な投写光学ユニットを実現できる。

一方、前記画像表示素子１は、その表示画面の中央を前記第１の光学系の光軸上に配置されているが、当該表示画面の法線は前記第１の光学系の光軸に対して傾けて配置するのが望ましい。図１を見ると、前にも述べように、点Ｐ３から点Ｐ６を経由して点Ｐ９に到る光路長は、点Ｐ１から点Ｐ４を経由して点Ｐ７に到る光路長よりも長くなっている。これは、第１の光学系から見て、スクリーン上の像点Ｐ９が像点Ｐ７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Ｐ９に対応する物点（表示画面上の点）がより第１の光学系に近い点に、また、像点Ｐ７に対応する物点がより第１の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６の法線と画面中央光線を含む平面内において、第１光学系の光軸に対し傾けるようにする。そして、その傾斜の方向を、スクリーン６が位置する方向とすればよい。

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、回転非対称の自由曲面レンズを用いているため、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。

また、画面中央光線１１に沿って、前記第２光学系の反射面上の点Ｐ２で反射され、平面反射ミラー５上の点Ｐ５を経由してスクリーンの画面中央の点Ｐ８までの光路長は、次のようにすることが好ましい。すなわち、この光路長は、図１の断面におけるスクリーン６の画面の上端から下端までの距離の０．８倍から１．２倍の範囲内にあることが、スクリーンへの斜め入射における台形歪を良好に補正する上で望ましい。

このような条件のもとで、本実施形態は、前述した方法に加えてスクリーン下部の高さを一層小さく低減できる以下の条件を見出した。すなわち、スクリーン６上の画面中央の点Ｐ８と前記第２光学系の反射面上の点Ｐ２との距離は、図１から、おおよそ、スクリーン上の画面の上端から下端までの距離の１／２の１．３倍程度である。前記点Ｐ２から点Ｐ５を経由して点Ｐ８までの光路長は、前記条件の範囲内にあるとすれば、当該点Ｐ２と点Ｐ８の距離のおおよそ１．５倍になる。この場合、点Ｐ２から点Ｐ５に入射する光線と、点Ｐ５で反射されて点Ｐ８に向かう光線の成す角度は、おおよそ９０度になる。点Ｐ５において、点Ｐ２から入射する光線と点Ｐ８に向かう光線の成す角度がおおよそ９０度とすると、前記第１の光学系の光軸９がスクリーンの法線８に対して時計回り方向に傾く場合にスクリーン法線８と成す角度αは次の式ようになる。
（数４）
α＝θｓ＋２＊θｍ−９０
前記第１の光学系の光軸９がスクリーンの法線の対して下側に大きく傾いている場合には、第１の光学系の下端が自由曲面ミラー４の下端よりも下方に来るため、スクリーンの下部が高くなる。第１の光学系の光軸がスクリーンの法線とほぼ平行に近づくと、第１の光学系の下端は、第２光学系の反射面の下端よりも上になり、スクリーンの下部の高さをより小さく、極小とすることが出来る。このように、前記第１の光学系の下端を自由曲面ミラーの下端よりも上にするためには、前記αの値を約５度よりも小さくすれば良いことから、次の式のように設定すれば良い。
（数５）
（θｓ＋２＊θｍ）＜９５
次に、各光学要素の作用については、前記第１の光学系はその前群２が、前記画像表示素子１の表示画面をスクリーン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。前記第１の光学系の後群３は回転対称でない自由曲面形状を有するレンズで構成され、前記第２の光学系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。すなわち、前記第２の光学系が主として台形歪を補正し、第１の光学系の後群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。

本発明の実施形態では、前記第２の光学系は回転対称でない自由曲面形状を有する１枚の反射面で構成され、前記第１の光学系の後群は両面共に回転対称でない自由曲面形状を有する２枚の透過型レンズで構成している。ここで、自由曲面ミラーは、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、自由曲面ミラー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を、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、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。

第２光学系の反射面における座標原点と、前群のうち最も第２光学系の反射面に近いレンズ面との光軸方向の距離が、前群の焦点距離の５倍以上に設定することが望ましい。これによって、第２の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、良好な性能を得ることができる。

一方、自由曲面ミラーは、その寸法が大きくなるほど製造が非常に困難になることから、所定の大きさ以下にすることが重要である。例えば図１に示す背面ミラー５の大きさはスクリーン画面の約７０％以上にもなるため、５０型以上のような大画面のリアプロジェクタでは５００ｍｍを越えるサイズとなり、これを自由曲面形状にすると製造が非常に困難となる。従って、リアプロジェクタでこの背面ミラーを自由曲面にすることは適当でない。そこで、本実施形態では、図１に示されるように、自由曲面ミラー５の寸法を平面反射ミラー３の寸法よりも小さくし、その自由反射ミラー５を平面反射ミラー３の下方に配置している。そして、投写レンズ２からの映像光を自由曲面ミラー５、平面反射ミラーの順で反射させて、スクリーン３に投写している。
以上の説明は、図１に示す実施形態に基づいて行った。しかしながら、ミラーによる光路の折り曲げの方向が、図１とは逆に画面長辺を含む平面内にある場合でも、上記説明した本実施形態と同様な考えを適用できる。

これによって、屈折面を有する投写レンズ２において、レンズの偏心やレンズ径の増大を招くことなく、またレンズ枚数を増加させることなく、斜め入射による台形歪の補正を実現できる。更に、奥行を小さく、かつ製造が容易な投写光学ユニットを実現できる。更にまた、本実施形態によれば、奥行とスクリーン下部の高さを低減させたコンパクトなセットが提供でき、小さな自由曲面ミラーで製造が容易な光学系を提供できる。

以下、本発明の具体的な数値実施例について説明する。

図４から図７と表１から表４を用いて、具体的数値を用いた本実施例の一具体例について説明する。図４と図５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。前述したＸＹＺ直交座標系において、図４はＹＺ断面、図５はＸＺ断面での構造を示している。図１では、投写レンズ２の前群１２の途中に折り曲げミラーを設置して光路をＸ軸方向に一度折り曲げている例を示している。図４では、この折り曲げミラーを省略しており、光学系をＺ軸方向に展開して示している。図５は、折り曲げミラーを含め光路を折り曲げた状態の光学系を示している。折り曲げミラーは、設置の位置や角度に若干の任意性があり、また各光学要素の機能に影響を及ぼさない。従って、以下の説明では、折り曲げミラーを省略して説明することにする。

本例において、図４の下側に表示した映像表示素子５１から射出した光は、複数のレンズを含む投写レンズ２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群５２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群５３を通り、第２の光学系である自由曲面ミラー５４の反射面で反射される。その反射光は、平面反射ミラー５５で反射された後、スクリーン５６に入射される。

ここで、投写レンズ２の前群５２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、各屈折面のうち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。

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。
前記第１の光学系の後群５３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。

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〜Ｓ２３は、図１０に示された符号Ｓ０〜Ｓ２３にそれぞれ対応している。ここで、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Ｓ２４は、図１０では示されていないが、スクリーン３の入射面、すなわち像面を示している。なお、図１０において、上図は本実施例に係る第１及び第２の光学系の垂直方向断面図、下の図は、その光学系の水平方向断面図を表している。

表１においてＲｄは各面の曲率半径であり、図４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。

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４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。

表１において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表２に示している。また表１においてＳ１９からＳ２２は前記第１の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は第２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表３に示す。

本例では、画像表示素子５１の表示画面である物面を、前記第１の光学系の光軸に対して−１．１６３度傾けている。傾けの方向は、図４の断面内で物面の法線が反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４の断面内で、前記第１の光学系の光軸に垂直な位置から時計回り方向に１．１６３度傾けていることになる。

Ｓ２３の自由曲面ミラー５４は、そのローカル座標の原点を前記第１の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、前記第１の光学系の光軸と平行な位置から２９度傾けて配置している。傾けの方向は前記物面と同様に図４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５１の画面中央から出てほぼ前記第１の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、前記第１の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。そこで、Ｓ２３の座標原点を通り、第１の光学系の光軸対してＳ２３面の傾き角度の２倍傾いた方向を、反射後の新たな光軸とし、以後の面はこの光軸上に配置されるものとする。表１のＳ２３に表示した面間隔の値−４００は、次のＳ２４が、Ｓ２３の右側にあり前記反射後の光軸に沿って４００ｍｍの距離の点にローカル座標の原点を配置されていることを示している。以下の面も同じ規則により配置されている。

本実施例における、各面のローカル座標系の傾け又は偏心の様子を表４に示す。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４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、偏心は図４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、図４の断面において下側への偏心を正とする。

本実施例では、後に説明する第２の実施例以降でも、全て、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。

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。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、非対称な収差を良好に補正することができる。

また、表４において、Ｓ２３のＡＤＥは図１に示すθｍであり、Ｓ２５のＡＤＥは図１に示すθｓである。この両者の値から、式３の値は８８になり、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、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、式１の条件を満足している。上記表１〜４の数値は、物面上１６×９の範囲の映像を像面上１４５２．８×８１７．２の大きさに投写する場合の一例である。そのときの図形歪を図６に示す。図６の縦方向は図５の上下方向であり、Ｙ軸の方向である。図６の横方向はスクリーン上でＹ軸の垂直な方向であり、図の長方形の中央が画面の中央である。図は画面の縦方向を４分割、横方向を８分割した直線の曲がりの状態を表示して図形歪の様子を示している。

本実施例のスポットダイアグラムを図７に示す。図７では、映像表示素子５１の表示画面上、Ｘ，Ｙ座標の値で、（８，４．５）、（０，４．５）、（４．８，２．７）、（８，０）、（０，０）、（４．８、−２．７）、（８、−４．５）、（０、−４．５）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す。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。両者ともに、良好な性能を維持している。

次に第２実施例について説明する。

図８から図１０と表５から表８を用いて本発明に係る投射光学ユニットの第２具体例を説明する。

図８は、本発明の数値実施例２の光線図を示している。図８の下側に表示した画像表示素子６１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第１の光学系の前群６２、自由曲面形状を有する透過型レンズで構成される第１の光学系の後群６３の順で通過後、第２の光学系の自由曲面形状を有する反射面６４で反射され、平面である背面ミラー６５で反射されて、スクリーン６６に入射する。

ここで、第１の光学系の前群６２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、前に示した１式で表される。

前記第１の光学系の後群６３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の多項式を含む前に示した２式で表わされる。

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Ｓ２４までありＳ２５は像面である。
表５においてＲｄは各面の曲率半径であり、図８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。
表５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８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。
表５において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表６に示している。

表５においてＳ１９からＳ２２は前記第１の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は前記第２の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表７に示す。

表８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。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。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。

表８において、Ｓ２３のＡＤＥ（＝θｍ）と、Ｓ２５のＡＤＥ（＝θｓ）から、式３の値を計算すると、８７．０１９になり、前記条件を満足してスクリーンの下部の高さの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、式１の条件を満足している。

一方本実施例では、表８に示すように、Ｓ１５を−０．１９３ｍｍ偏心させ、Ｓ１７面を逆に０．１９３ｍｍ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。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。

また表４、表６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。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。

本数値実施例の有効範囲は、物面上１６×９の範囲を像面上１６９４．９×９５３．４の大きさに投写しており、その図形歪を図９に示す。図９の縦方向は図９の上下方向であり、Ｙ軸の方向である。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、図の長方形の中央が画面の中央である。図は画面の縦方向を４分割、横方向を８分割した直線の曲がりの状態を表示して図形歪の様子を示している。

本数値実施例のスポットダイアグラムを図１０に示す。図１０では、映像表示素子６１の表示画面上、Ｘ，Ｙ座標の値で、（８，４．５）、（０，４．５）、（４．８，２．７）、（８，０）、（０，０）、（４．８、−２．７）、（８、−４．５）、（０、−４．５）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す。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。
両者ともに、良好な性能を維持している。

図１１から図１３と表９から表１２を用いて本発明による第２の数値実施例について説明する。

図１１は、本発明の数値実施例２の光線図を示している。図１１の下側に表示した画像表示素子７１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第１の光学系の前群７２、自由曲面形状を有する透過型レンズで構成される第１の光学系の後群７３の順で通過後、第２の光学系の自由曲面形状を有する反射面７４で反射され、平面である背面ミラー７５で反射されて、スクリーン７６に入射する。
ここで、第１の光学系の前群７２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、前に示した１式で表される。

前記第１の光学系の後群７３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の多項式を含む前に示した式２で表わされる。

表９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Ｓ２４までありＳ２５は像面である。表９においてＲｄは各面の曲率半径であり、図８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。

表９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８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。
表９において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表１０に示している。

表９においてＳ１９からＳ２２は前記第１の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は前記第２の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表１１に示す。

表１２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。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。

表１２を見ると、前述の式３の条件は満足していない。しかし、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。

また、表１２に示すように、先の実施例２と同様に、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。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、式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、式１の条件を満足している。

また表１２、表１４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。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。

本数値実施例の有効範囲は、物面上１６×９の範囲を像面上１２１０．７×６８１．０の大きさに投写しており、その図形歪を図１２に示す。図１２の縦方向は図１２の上下方向であり、Ｙ軸の方向である。図１２の横方向はスクリーン上でＹ軸の垂直な方向であり、図の長方形の中央が画面の中央である。図は画面の縦方向を４分割、横方向を８分割した直線の曲がりの状態を表示して図形歪の様子を示している。

本数値実施例のスポットダイアグラムを図１３に示す。図１３では、映像表示素子６１の表示画面上、Ｘ，Ｙ座標の値で、（８，４．５）、（０，４．５）、（４．８，２．７）、（８，０）、（０，０）、（４．８、−２．７）、（８、−４．５）、（０、−４．５）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す。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。
両者ともに、良好な性能を維持している。

図１４から図１６と表１３から表１６を用いて本発明による第２の数値実施例について説明する。

図１４は、本発明の数値実施例４の光線図を示している。図１４の下側に表示した画像表示素子８１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第１の光学系の前群８２、自由曲面形状を有する透過型レンズで構成される第１の光学系の後群８３の順で通過後、第２の光学系の自由曲面形状を有する反射面８４で反射され、平面である背面ミラー８５で反射されて、スクリーン８６に入射する。

ここで、第１の光学系の前群８２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、前に示した１式で表される。

前記第１の光学系の後群８３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の多項式を含む前に示した式２で表わされる。

表１３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、図１４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。

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。そのレンズ面に対して、次のレンズ面が図１４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。

表１３において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表１４に示している。
表１３においてＳ１９からＳ２２は前記第１の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は前記第２の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表１５に示す。

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。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。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。
表１６を見ると、前述の式３の条件は満足していない。しかし、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。

一方本実施例では、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。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、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０．６４倍であり、θｓが４５度であることから、式１の条件を満足している。

また表１３、表１５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。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。

本数値実施例の有効範囲は、物面上１６×９の範囲を像面上１４５２．８×８１７．２の大きさに投写しており、その図形歪を図１５に示す。図１５の縦方向は図１５の上下方向であり、Ｙ軸の方向である。図１５の横方向はスクリーン上でＹ軸の垂直な方向であり、図の長方形の中央が画面の中央である。図１５は画面の縦方向を４分割、横方向を８分割した直線の曲がりの状態を表示して図形歪の様子を示している。

本数値実施例のスポットダイアグラムを図１６に示す。図１６では、映像表示素子６１の表示画面上、Ｘ，Ｙ座標の値で、（８，４．５）、（０，４．５）、（４．８，２．７）、（８，０）、（０，０）、（４．８、−２．７）、（８、−４．５）、（０、−４．５）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す。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。
両者ともに、良好な性能を維持している。

また、図１８に、本発明に係る第１光学系のレンズの配置構成の一例を示す。図１８に示されるように、第１光学系は、映像表示素子１１からの映像が、回転対称形状を有する複数のレンズを含む前群１２に入射される。上述したように、前群１２は、回転対称の球面レンズと非球面レンズを含む。この前群１２の途中には、折り曲げミラー１４が配置され、この折り曲げミラー１４に入射される光線を直角に折り曲げる。すなわち、折り曲げミラー１４に入射される光線を通過するレンズ群の光軸と、折り曲げミラー１４から出射される光線を通過するレンズ群の光軸とは、互いに直交している。後群１３は、２つの自由曲面レンズで構成されている。このうち少なくとも１枚は、図１８から明らかなように、その光の射出方向に凹を向けており、かつスクリーンの下端に入射する光線が通過する部分（ここでは、非球面レンズの下側部分）の曲率が、スクリーンの上端に入射する光線が通過する部分（ここでは、非球面レンズの上側部分）の曲率よりも大きいものとしてもよい。

以上述べたように、本発明によれば、奥行きを非常に小さくしつつ、且つ、製造が容易な背面投写型カラー映像表示装置を実現できる。また、上記光学系で、背面ミラーを取り除き映像表示素子から自由曲面ミラーまでを１つの装置に収納すれば、前面投写型の表示装置となり、装置からスクリーンまでの距離が非常に短いコンパクトな前面投写装置を実現できる。

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。 透過型レンズの効果を示す概念図。 スクリーンへの斜め投写を示す概念図。 本発明に係る実施例１の構成と光路を示すＹＺ断面図。 本発明に係る実施例１の構成と光路を示すＸＺ断面図。 本発明に係る実施例１の歪性能。 本発明に係る実施例１のスポット性能。 本発明に係る実施例２の構成と光路を示す断面図。 本発明に係る実施例２の歪性能。 本発明に係る実施例２のスポット性能。 本発明に係る実施例３の構成と光路を示す断面図。 本発明に係る実施例３の歪性能。 本発明に係る実施例３のスポット性能。 本発明に係る実施例４の構成と光路を示す断面図。 本発明に係る実施例４の歪性能。 本発明に係る実施例４のスポット性能。 本発明に係る光学ユニットの断面図 本発明に係る光学ユニットのレンズの配置を示す図。

符号の説明

１…映像発生源、２…投写レンズの前群、３…投写レンズの後群、４…自由曲面ミラー、５…平面反射ミラー、６…スクリーン、７…自由曲面ミラーの原点座標の法線、８…スクリーンの法線。

Claims (5)

1. 映像表示素子に表示された光映像を拡大してスクリーンの主平面の法線に対し所定の角度で斜め投写する投写型映像表示装置の投写光学ユニットであって、
   前記映像表示素子からの映像光が入射され回転対称レンズから成る前群レンズと、
   前記前群レンズからの映像光が入射され回転非対称レンズを含む後群レンズと、
   前記後群レンズからの映像光を反射してスクリーンに投写する回転非対称な形状を有するミラーと、を備え、
   前記前群レンズと前記後群レンズは共軸光学系であり、
   前記後群レンズの回転非対称レンズと前記ミラーは、光軸を含む前記スクリーンの法線と平行なスクリーンの垂直方向の面内において、前記前群レンズからスクリーンまでの光路長に応じて、
   スクリーンの下端に入射する光が通過あるいは反射する部分の曲率とスクリーンの上端に入射する光が通過あるいは反射する部分の曲率が異なる面形状をもつことを特徴とする投写光学ユニット。
2. 請求項１に記載の投写光学ユニットにおいて、
   前記後群レンズの回転非対称レンズは、光の出射方向に凹を向けた形状の屈折面を有し、
   前記ミラーは、光の出射方向に凹を向けた形状の反射面を有することを特徴とする投写光学ユニット。
3. 請求項１に記載の投写光学ユニットにおいて、
   前記後群レンズの回転非対称レンズは、光の出射方向に凹を向けた形状の屈折面を有し、
   前記ミラーは、スクリーンの下端に入射する光を反射する部分が光の出射方向に凸を向けた形状の反射面を有し、スクリーンの上端に入射する光を反射する部分が光の出射方向に凹を向けた形状の反射面を有するを特徴とする投写光学ユニット。
4. 請求項１に記載の投写光学ユニットにおいて、
   前記前群レンズあるいは前記投写レンズの光軸は、映像表示素子の表示画面の中央に一致することを特徴とする投写光学ユニット。
5. 請求項４に記載の投写光学ユニットにおいて、
   前記前群レンズあるいは前記投写レンズの光軸は、映像表示素子の表示画面の法線方向に対して傾けて配置されることを特徴とする投写光学ユニット。

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