JP6368988B2 - 投射光学系および画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、スクリーンに拡大画像を投射して表示する画像表示装置に適用可能な投射光学系に関するものである。

画像形成部で形成された画像を、被投射面であるスクリーンへと投射する画像表示装置（プロジェクタ）が知られている。このようなプロジェクタは、投射光学系を備えている。投射光学系は、画像形成部において形成された画像を、スクリーンに拡大投射するものである。プロジェクタの画像形成部には、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）や液晶パネルなどが用いられる。このようなプロジェクタの中には、スクリーンまでの投射距離をより短くすることができるプロジェクタも知られている。近年は、超短距離投射ができるプロジェクタであっても、さらに、スクリーン上の画像表示サイズを大きくすることができる（大画面表示が可能な）超短投射距離フロント投射型プロジェクタへの需要が高まっている。また、このようなプロジェクタに対し、更なる小型化への需要も高まっている。

このようなプロジェクタにおいて、屈折光学系と曲面ミラーとを備え、超短投射に対応できる投射光学系を備えるプロジェクタが知られている（例えば、特許文献１から特許文献４を参照）。

しかし、特許文献１から特許文献４のプロジェクタが備える投射光学系では、昨今の小型化の要求に対しては不十分である。

そこで本発明は、投射距離が非常に短く、かつ、小型の投射光学系を提供することを目的とする。

本発明は、
画像形成部に形成された画像を被投射面に投射する投射光学系であって、
縮小側から拡大側に順に、屈折光学系と、第１の反射面と、第２の反射面と、から構成され、
前記屈折光学系を構成する複数のレンズの光軸のうち、最も多くのレンズにより共有される光軸を、前記投射光学系の光軸とし、
前記屈折光学系の最も拡大側に配置されるレンズの拡大側の面と前記光軸との交点と前記第１の反射面と前記光軸との交点との距離が最小となる配置における当該交点間の距離をＬ、
前記屈折光学系の焦点距離をｆ、
前記光軸と平行方向をＺ軸方向、
前記第１の反射面と前記第２の反射面の配列方向をＹ軸方向、
前記Ｙ軸方向における前記光軸と前記画像形成部の端部との距離の最大値をＹｍａｘとしたとき、
前記Ｙ軸方向と前記Ｚ軸方向の双方に平行な面であるＹＺ平面において、
前記画像形成部からの光線と前記屈折光学系の最も拡大側に配置されるレンズの拡大側の面との交点の前記光軸からの距離の最大値Ｄ１と、
前記Ｄ１における前記屈折光学系の最も拡大側に配置されるレンズの拡大側の面のサグ量であって、Ｚ軸の縮小側から拡大側に向かう方向を正方向とするサグ量ｄｓ１と、
前記光線と前記第１の反射面との交点のうち前記光軸との距離が一番大きな点Ｈと、
前記光線と前記第２の反射面との交点のうち前記光軸との距離が一番小さい点Ｆと、
前記Ｈと前記Ｆを結ぶ線が前記光軸となす角度θ１と、
前記Ｙ軸方向最大画角の上光線の屈折光学系からの出射光線が前記光軸となす角度θ２は、以下の条件式１、条件式２および条件式３を満たすことを最も主要な特徴とする。
条件式１：０＜Ｙｍａｘ／ｆ−１／ｔａｎθ１
条件式２：−０．１＜（Ｌ−Ｄ１−ｄｓ１）／（Ｌ＋Ｄ１−ｄｓ１）−１／ｔａｎθ１
条件式３：０＜Ｙｍａｘ／ｆ−ｔａｎθ２

本発明によれば、投射距離が非常に短く、かつ、小型の投射光学系を提供することができる。

本発明に係る画像表示装置の実施形態を示す光学配置図である。 上記画像表示装置が備える画像形成部を光軸方向から見た平面図である。 上記画像表示装置が備える投射光学系の例を示す光学配置図である。 上記画像表示装置が備える投射光学系の例を示す光学配置図である。 上記投射光学系における、フォーカシング時の各レンズ群の移動軌跡を示す光学配置図である。 上記投射光学系の実施例１に係る遠距離投射時のスクリーン上の画像の例である。 図６に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左端における曲がり、（ｃ）画像下端における曲がり、を示す図である。 上記実施例１に係る投射光学系による基準距離投射時のスクリーン上の画像の例である。 図８に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左端における曲がり、（ｃ）画像下端における曲がり、を示す図である。 上記実施例１に係る投射光学系による近距離投射時のスクリーン上の画像の例である。 図１０に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左端における曲がり、（ｃ）画像下端における曲がり、を示す図である。 上記実施例１に係る投射光学系における遠距離投射時のスポットダイアグラムである。 上記実施例１に係る投射光学系における基準距離投射時のスポットダイアグラムである。 上記実施例１に係る投射光学系における近距離投射時のスポットダイアグラムである。 本発明に係る画像表示装置の別の実施形態を示す光学配置図である。 上記投射光学系における、フォーカシング時の各レンズ群の移動軌跡を示す光学配置図である。 上記投射光学系の実施例２に係る遠距離投射時のスクリーン上の画像の例である。 図１７に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左端における曲がり、（ｃ）画像下端における曲がり、を示す図である。 上記実施例２に係る投射光学系による基準距離投射時のスクリーン上の画像の例である。 図１９に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左端における曲がり、（ｃ）画像下端における曲がり、を示す図である。 上記実施例２に係る投射光学系による近距離投射時のスクリーン上の画像の例である。 図２１に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左端における曲がり、（ｃ）画像下端における曲がり、を示す図である。 上記実施例２に係る投射光学系における遠距離投射時のスポットダイアグラムである。 上記実施例２に係る投射光学系における基準距離投射時のスポットダイアグラムである。 上記実施例２に係る投射光学系における近距離投射時のスポットダイアグラムである。 本発明に係る画像表示装置のさらに別の実施形態を示す光学配置図である。 上記投射光学系における、フォーカシング時の各レンズ群の移動軌跡を示す光学配置図である。 上記投射光学系の実施例３に係る遠距離投射時のスクリーン上の画像の例である。 図２８に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左端における曲がり、（ｃ）画像下端における曲がり、を示す図である。 上記実施例３に係る投射光学系による基準距離投射時のスクリーン上の画像の例である。 図３０に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左端における曲がり、（ｃ）画像下端における曲がり、を示す図である。 上記実施例３に係る投射光学系による近距離投射時のスクリーン上の画像の例である。 図３２に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左端における曲がり、（ｃ）画像下端における曲がり、を示す図である。 上記実施例３に係る投射光学系における遠距離投射時のスポットダイアグラムである。 上記実施例３に係る投射光学系における基準距離投射時のスポットダイアグラムである。 上記実施例３に係る投射光学系における近距離投射時のスポットダイアグラムである。 本発明に係る画像表示装置のさらに別の実施形態を示す光学配置図である。 上記投射光学系における、フォーカシング時の各レンズ群の移動軌跡を示す光学配置図である。 上記投射光学系の実施例４に係る遠距離投射時のスクリーン上の画像の例である。 図３９に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左端における曲がり、（ｃ）画像下端辺における曲がり、を示す図である。 上記実施例４に係る投射光学系による基準距離投射時のスクリーン上の画像の例である。 図４１に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左端における曲がり、（ｃ）画像下端辺における曲がり、を示す図である。 上記実施例４に係る投射光学系による近距離投射時のスクリーン上の画像の例である。 図４３に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左端における曲がり、（ｃ）画像下端辺における曲がり、を示す図である。 上記実施例４に係る投射光学系における遠距離投射時のスポットダイアグラムである。 上記実施例４に係る投射光学系における基準距離投射時のスポットダイアグラムである。 上記実施例４に係る投射光学系における近距離投射時のスポットダイアグラムである。 本発明に係る画像形成部の各画角に対応するフィールドポジションを示す図である。

以下、本発明に係る投射光学系、および、画像表示装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ここで、本発明に係る投射光学系は、画像形成部に形成された画像を被投射面に投射する投射光学系である。また、本発明に係る画像表示装置は、本発明に係る投射光学系を備える画像表示装置である。

●画像表示装置の実施形態１
まず、本発明に係る画像表示装置の実施形態について説明する。図１は、本発明に係る画像表示装置の実施形態を示す光学配置図である。画像表示装置であるプロジェクタ１は、画像形成部１０と、平行平板４０と、本発明に係る投射光学系１００と、画像形成部１０を照明する照明光の光源を含む照明光学系２０と、その他の画像形成に必要な部材などを、ハウジング３０に収納してなる。

画像形成部１０は、例えば、ＤＭＤ、透過型液晶パネル、反射型液晶パネル等である。本実施形態では、例えばＤＭＤにおける「投射すべき画像を形成する部分」を、画像形成部１０としている。

平行平板４０は、画像形成部１０の近傍に配置され、画像形成部１０を保護するためのカバーガラス（シールガラス）である

投射光学系１００は、屈折光学系１０１と、第１の反射面である平面ミラー１０２と、第２の反射面である曲面ミラー１０３と、を有してなる。平面ミラー１０２は、図１に示すとおり、ＹＺ平面上で４５度回転した状態で配置される。なお、曲面ミラー１０３は、凹面ミラーであってもよいし、反射面が自由曲面形状である自由曲面ミラーでもよい。なお、投射光学系１００の詳細は、後述する。

照明光学系２０は、画像形成部１０を効率よく均一に照明するために、例えばロッドインテグレータやフライアイインテグレータなどを備えている。また、照明光学系２０は、光源を備えている。光源には、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ、ＬＥＤなどの白色光源や、単色発光ＬＥＤ、単色発光ＬＤなどの単色光源が用いられる。

以下の説明において、画像形成部１０は、ＤＭＤのような「発光する機能を持たない画像形成部」とする。ただし、本発明に係る投射光学系に適用可能な画像形成部は、これに限ることはなく、「生成させた画像を発光させる機能を有する自己発光方式」のものを用いてもよい。

ＤＭＤである画像形成部１０は、照明光学系２０からの照明光によって照明され、この照明光を反射する。この反射光により画像情報が形成される。つまり、ＤＭＤで生成される画像情報は、２次元的に強度変調された光束である。この光束は、物体光としての投射光束になる。

画像形成部１０からの投射光束は、投射光学系１００を通って結束光束になる。これによって、画像形成部１０上に形成された画像は、スクリーン（不図示）に拡大投影される。

なお、スクリーン（不図示）は、画像形成部１０に対して垂直に配置される。すなわち、画像形成部１０の画像形成面の法線と被投射面であるスクリーンの法線は、直交する関係にある。

屈折光学系１０１を通過した光線により、画像形成部１０にて形成された画像情報と共役な中間像が形成される。この中間像は、平面ミラー１０２よりも画像形成部１０側において空間像として形成される。なお、中間像は平面像として結像する必要はなく、曲面像として形成されてもよい。

この中間像を、投射光学系１００において最も拡大側に配置される曲面ミラー１０３により拡大して投射することで、スクリーン上に画像が表示される。中間像は像面湾曲や歪曲を有しているが、曲面ミラー１０３の反射面を自由曲面形状にすることで、これらを補正することができる。これによって、屈折光学系１０１への収差補正の負担が減るので、投射光学系１００の設計への自由度が増し、小型化に有利である。

屈折光学系１０１は、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、正レンズ群である第１レンズ群１１と、平面ミラー１０２と、曲面ミラー１０３と、を画像形成部１０に対して固定とする。また、正レンズ群である第２レンズ群１２と、負レンズ群である第３レンズ群１３は、一度拡大側に移動し、その後、画像形成部１０側に移動する。また、正のレンズ群である第４レンズ群１４は、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、拡大側に移動する。すなわち、投射光学系１００は、フローティングフォーカスをすることにより、像面湾曲や歪曲収差を高度に制御することができる。

また、屈折光学系１０１は、フォーカシングに際し移動するレンズ群の中に、非球面レンズを配置する。これによって、補正の効果をより高めることができる。

図１に示したプロジェクタ１は、以下に説明する実施例１に係る画像表示装置である。図１は、投射光学系１００が備える前玉が最も繰り出す４８インチの場合の光路図でもある。図１から明らかなように、各レンズと光線との間隔が十分とられていて、光線とレンズやレンズ鏡胴（不図示）との干渉は避けられる状態になっている。

次に、本発明に係る投射光学系が備える画像形成部について説明する。図２は、本実施形態に係る画像形成部１０を画像形成面側から見た平面図である。なお、画像形成部１０において画像情報が形成される面を画像形成面という。図２において、画像形成部１０は、後述する光軸ＬＸに対してＹ軸方向にシフトしている。図２に示すように、画像形成部１０の中心Ｃを通過するＹ軸方向の軸線と光軸ＬＸとの交点をＢ０とする。また、画像形成部１０の中心Ｃを通過するＹ軸方向の軸線と、画像形成部１０の端部との交点をＬ０とする。交点Ｂ０と交点Ｌ０との距離の最大値を符号「Ｙｍａｘ」で示す。この距離ＹｍａｘをＹ軸方向最大画角とする。

次に本実施形態に係る投射光学系１００について、より詳細に説明する。図３および図４は、投射光学系１００の光学配置図である。図３および図４に示すように、投射光学系１００は、画像形成部１０と、屈折光学系１０１と、第１の反射面である平面ミラー１０２と、第２の反射面である曲面ミラー１０３と、を有してなる。

次に、本発明に係る各光学素子の関係を示すための符号について、図３および図４を用いて説明する。図３および図４は、画像形成部１０からの光線がスクリーンに投射されるまでの光路を示す光路図である。

次に、図３および図４に示すように、屈折光学系１０１を構成する複数のレンズのうち、最も多くのレンズにより共有される軸を光軸ＬＸとする。また、光軸ＬＸと平行な方向をＺ軸方向とし、平面ミラー１０２と曲面ミラー１０３の配列方向をＹ軸方向とする。言い換えると、画像形成部１０の中心Ｃ（図１参照）と屈折光学系１０１が備える絞り（不図示）の中心と、スクリーン（不図示）の中心を通る光線を含む面上であって、光軸ＬＸと垂直の方向をＹ軸方向とする。また、Ｙ軸方向とＺ軸方向に垂直な方向をＸ軸方向とする。

図３および図４は、投射光学系１００のＹＺ平面における断面図でもある。図３および図４は、画像形成部１０からの光線のうち、ＹＺ平面に平行な光線のみを示している。また、図３および図４において、ＹＺ平面上における、＋Ｚ軸方向から＋Ｙ軸方向への回転を＋α回転とする。

図３に示すように、屈折光学系１０１が備えるレンズのうち最も拡大側に配置されるレンズのレンズ面のうち、拡大側のレンズ面を「Ｓ１」とする。フォーカシングにおいて、レンズ面Ｓ１と光軸ＬＸの交点と、平面ミラー１０２と光軸ＬＸとの交点との距離の最小値を「Ｌ」とする。Ｌが最小値であるとき、平面ミラー１０２とＹＺ断面に平行な光線との交点のうち、光軸ＬＸからの距離が最大となる平面ミラー１０２上の点を「Ｈ」とする。また、曲面ミラー１０３とＹＺ断面に平行な光線との交点のうち、光軸ＬＸからの距離が最小となる曲面ミラー１０３上の点を「Ｆ」とする。また、点Ｈと点Ｆを結ぶ線分が光軸ＬＸとなす角度をθ１とする。

また、ＹＺ断面に平行な光線と面Ｓ１との交点のうち、光軸ＬＸとの距離が最大である面Ｓ１上の点と光軸ＬＸとの距離を「Ｄ１」とする。また、距離Ｄ１における面Ｓ１のサグ量を「ｄｓ１」とする。なお、サグ量ｄｓ１は、縮小側から拡大側に向かって正方向とする。

図４に示す光線のうち、黒の太実線で示した光線は、Ｙ軸方向最大画角の上光線である。この上光線と面Ｓ１との交点と、光軸ＬＸとの距離をＤ２とする。また、Ｄ２における面Ｓ１のサグ量をサグ量ｄｓ２とする。また、上光線の屈折光学系１０１からの出射光線が、光軸ＬＸとなす角をθ２とする。

なお、上記にて説明をした符号のうち、プロジェクタ１を構成する光学素子の位置関係を示す符号の意味合いは、以下の各実施例においても同様である。

次に、投射光学系１００の具体的数値例について説明する。まず、各実施例で用いる記号の意味を説明する。各記号の意味は、以下の通りである。
ｆ：投射光学系１００の全系の焦点距離
ＮＡ：開口効率
ω：半画角(ｄｅｇ)
Ｒ：曲率半径(非球面にあっては近軸曲率半径)
Ｄ：面間隔
Ｎｄ：屈折率
νｄ：アッベ数
Ｋ：非球面の円錐定数
Ａｉ：ｉ次の非球面定数
Ｃｊ：自由曲面係数
Ｃ：近軸曲率半径の逆数(近軸曲率)
Ｈ：光軸からの高さ
Ｋ：円錐定数

なお、非球面形状は、近軸曲率Ｃと、光軸からの高さＨと、円錐定数Ｋと、各次数の非球面定数Ａｉと、を用いて、Ｘを光軸方向における非球面量として、以下の式１にて表される。
（式１）

上記の式１に、近軸曲率Ｃと円錐定数Ｋ、および非球面定数Ａｉを与えることで、非球面の形状が特定される。

また、自由曲面形状は、近軸曲率Ｃと、光軸からの高さＨと、円錐定数Ｋと、自由曲面係数Ｃｊを用いて、Ｘを光軸方向における自由曲面量として、以下の式２にて表される。
（式２）

ただし、ｊは以下の式３で表されるものである。
（式３）

上記の式２に、近軸曲率Ｃと円錐定数Ｋ、および自由曲面係数Ｃｊを与えることで、自由曲面形状が特定される。

図５は、本実施例に係る屈折光学系１０１の光学配置図である。図５に示すように、屈折光学系１０１は、第１レンズ群１１と、第２レンズ群１２と、第３レンズ群１３と、第４レンズ群１４と、を有してなる。

図５は、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、屈折光学系１０１を構成する各レンズ群が移動する軌跡を実線で表している。なお、スクリーンに投射される画像サイズが８０インチの場合を遠距離側とし、画像サイズが４８インチとなる場合を近距離側とする。

第１レンズ群１１は、画像形成部１０側から順に、画像形成部１０側により強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズと、画像形成部１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、拡大側により強い凸面を向けた両凸レンズと拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズの接合レンズと、開口絞り（不図示）と、拡大側により強い凸面を向けた両凸レンズと、拡大側がより強い凹面となる両凹レンズと、拡大側に凸面を向けた正メニスカスレンズと拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズの接合レンズと、拡大側により強い凸面を向けた両凸レンズと、を有してなる。

第２レンズ群１２は、画像形成部１０側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる。

第３レンズ群１３は、画像形成部１０側により強い凹面を向けた両凹レンズＢと、画像形成部１０側により強い凹面を向けていて、軸上では負のパワーを有し、周辺は正のパワーとなるような形状を有する両面非球面両凹レンズＡと、を有してなる。

第４レンズ群１４は、画像形成部１０側に凸面を向け、軸上では負のパワー、周辺では正のパワーとなるような形状を有する両面非球面負メニスカスレンズと、拡大側により強い凸面を向け、軸上では正のパワー、周辺では負のパワーをなるような形状を有する両面非球面両凸レンズと、を有してなる。

表１は、実施例１に係る投射光学系１００が備える光学素子の例を示すデータである。表中の光線距離とは、各面におけるＹ軸方向最大画角の下光線と光軸ＬＸとの距離を示している。

表２は、本実施例に係る投射光学系１００における、フォーカシング時におけるレンズ間隔の具体例である。

表３は、本実施例に係る投射光学系１００における、非球面係数の各数値の具体例である。なお、非球面は上記式１で表される。

表４は、本実施例に係る投射光学系１００における、自由曲面係数の各数値の具体例である。なお、非球面は上記式１により表される。

表５は、本実施例に係る投射光学系１００における、画像形成部１０として用いるＤＭＤの具体例である。

表６は、投影画像が最大となる合焦状態において、屈折光学系１０１が備えるレンズのうち最も平面ミラー１０２側に位置するレンズの頂点からの、平面ミラー１０２と曲面ミラー１０３の位置座標と、α回転の角度の具体例である。なお、回転は、面法線と光軸ＬＸとのなす角度を示している。

次に、本実施例に係る投射光学系１００における、各投射距離における画像劣化の抑制について、図６から図１１を用いて説明する。図６から図１１は、実施例１に係る投射光学系１００において、波長５５０ｎｍの主光線位置を示す画像の図と、各ズームポジションと各投射距離においてスクリーン上に、主光線位置を示す画像を表示したときの、各画角における画像の歪みを例示する図である。

図６は、遠距離投射時の投射光学系１００において、スクリーン上に表示した波長５５０ｎｍのスポット位置を示す画像の例である。図７は、図６に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左辺における曲がり、（ｃ）画像下辺における曲がり、を示す図である。

図８は、基準距離投射時の投射光学系１００において、スクリーン上に表示した波長５５０ｎｍのスポット位置を示す画像の例である。図９は、図８に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左辺における曲がり、（ｃ）画像下辺における曲がり、を示す図である。

図１０は、近距離投射時の投射光学系１００において、スクリーン上に表示した波長５５０ｎｍのスポット位置を示す画像の例である。図１１は、図１０に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左辺における曲がり、（ｃ）画像下辺における曲がり、を示す図である。

以上、図６から図１１に示すように、本実施例に係る投射光学系１００によれば、各ズーム、各投射距離において、歪みが少ない画像を投射することができる。

次に、本実施例に係る投射光学系１００における、スポットダイアグラムを用いて、各画角におけるズーミングに際し、画像の変化が抑制されていることを、図１２から図１４を用いて説明する。図１２から図１４に示すスポットダイヤフラムの各スポットは、図４８に示すＦ１からＦ１３に示すフィールドポジションに対応している。なお、各スポットダイアグラムは、スクリーン面での結像特性（ｍｍ）を波長６２５ｎｍ（赤）、５５０ｎｍ（緑）、４２５ｎｍ（青）について示している。

図１２は、遠距離投射時のスポットダイアグラムである。図１３は、基準距離投射時のスポットダイアグラムである。図１４は、近距離投射時のスポットダイアグラムである。

図１２から図１４に示すように、本実施例に係る投射光学系１００によれば、各ズーム、各投射距離における画質の変動は抑制されている。

●画像表示装置の実施形態２
次に、本発明に係る画像表示装置の別の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、すでに説明をした内容と同じものには、同じ符号を用いることとし、詳細な説明を省略する。

図１５は、本実施形態に係るプロジェクタ１ａの光学配置図である。図１５において、プロジェクタ１ａは、画像形成部１０と、平行平板４０と、本発明に係る投射光学系１００ａと、画像形成部１０を照明する照明光の光源を含む照明光学系２０と、その他の画像形成に必要な部材などを、ハウジング３０に収納してなる。

投射光学系１００ａは、屈折光学系１０１ａと、第１の反射面である平面ミラー１０２ａと、第２の反射面である曲面ミラー１０３ａと、を有してなる。平面ミラー１０２ａは、図１５に示すとおり、ＹＺ平面上で４５度回転した状態で配置される。なお、曲面ミラー１０３ａは、凹面ミラーであってもよいし、反射面が自由曲面形状である自由曲面ミラーでもよい。

画像形成部１０からの投射光束は、投射光学系１００ａを通って結束光束になる。これによって、画像形成部１０上に形成された画像は、スクリーン（不図示）に拡大投影される。

なお、スクリーン（不図示）は、画像形成部１０に対して垂直に配置される。すなわち、画像形成部１０の画像形成面の法線と被投射面であるスクリーンの法線は、直交する関係にある。

屈折光学系１０１ａを通過した光線により、画像形成部１０にて形成された画像情報と共役な中間像が形成される。この中間像は、平面ミラー１０２ａよりも画像形成部１０側において、空間像として形成される。中間像は平面像として結像する必要はなく、曲面像として形成されてもよい。

この中間像を、投射光学系１００ａにおいて最も拡大側に配置される曲面ミラー１０３ａにより拡大して投射することで、スクリーン上に画像が表示される。中間像は像面湾曲や歪曲を有しているが、曲面ミラー１０３ａの反射面を自由曲面形状にすることで、これらを補正することができる。これによって、屈折光学系１０１ａへの収差補正の負担が減るので、投射光学系１００ａの設計への自由度が増し、小型化に有利である。

屈折光学系１０１ａは、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、正の屈折力を有するレンズ群である第１レンズ群１１ａと、平面ミラー１０２ａと、曲面ミラー１０３ａと、を画像形成部１０に対して固定とする。また、正の屈折力を有するレンズ群である第２レンズ群１２ａと、負の屈折力を有するレンズ群である第３レンズ群１３ａは、画像形成部１０側に移動する。また、正の屈折力を有するレンズ群である第４レンズ群１４ａは、拡大側に移動する。すなわち、投射光学系１００ａは、フローティングフォーカスをすることにより、像面湾曲や歪曲収差を高度に制御することができる。

また、屈折光学系１０１ａは、フォーカシングに際し移動するレンズ群の中に、非球面レンズを配置するので、補正の効果をより高めることができる。

図１５に示したプロジェクタ１ａは、以下に説明する実施例２に係る画像表示装置である。図１５は、投射光学系１００ａが備える前玉が最も繰り出す４８インチの場合の光路図でもある。図１５から明らかなように、各レンズと光線との間隔が十分とられていて、光線とレンズやレンズ鏡胴（不図示）との干渉は避けられる状態になっている。

図１６は、本実施例に係る投射光学系１００ａが備える屈折光学系１０１ａの光学配置図である。図１６に示すように、屈折光学系１０１ａは、画像形成部１０側から順に、第１レンズ群１１ａと、第２レンズ群１２ａと、第３レンズ群１３ａと、第４レンズ群１４ａと、と有してなる。

図１６は、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、屈折光学系１０１ａを構成する各レンズ群が移動する軌跡を実線で表している。なお、スクリーンに投射される画像サイズが８０インチの場合を遠距離側とし、画像サイズが４８インチとなる場合を近距離側とする。

第１レンズ群１１ａは、画像形成部１０側から順に、画像形成部１０側により強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズと、画像形成部１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、拡大側により強い凸面を向けた両凸レンズと拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズの接合レンズと、開口絞り（不図示）と、拡大側により強い凸面を向けた両凸レンズと、拡大側がより強い凹面となる両凹レンズと、拡大側に凸面を向けた正メニスカスレンズとスクリーン側に凸面を向けた負メニスカスレンズの接合レンズと、拡大側により強い凸面を向けた両凸レンズと、からなる。

第２レンズ群１２ａは、画像形成部１０側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる。

第３レンズ群１３ａは、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズＢａと、画像形成部１０側により強い凹面を向け、光軸ＬＸ軸上は負のパワー、周辺は正のパワーとなるような形状を有する両面非球面両凹レンズＡａと、からなる。

第４レンズ群１４ａは、画像形成部１０側により強い凹面を向け、光軸ＬＸ軸上は負のパワー、周辺は正のパワーとなるような形状を有する両面非球面両凹レンズと、拡大側により強い凸面を向け、光軸ＬＸ軸上は正のパワー、周辺は負のパワーとなるような形状を有する両面非球面両凸レンズと、からなる。

表７は、実施例２に係る投射光学系１００ａが備える光学素子の例を示すデータである。表中の光線距離とは、各面におけるＹ軸方向最大画角の下光線と光軸ＬＸとの距離を示している。

表８は、本実施例に係る投射光学系１００ａにおける、フォーカシング時におけるレンズ間隔の具体例である。

表９は、本実施例に係る投射光学系１００ａにおける、非球面係数の各数値の具体例である。なお、非球面は上記式１で表される。

表１０は、本実施例に係る投射光学系１００ａにおける、自由曲面係数の各数値の具体例である。なお、非球面は上記式１により表される。

表１１は、本実施例に係る投射光学系１００ａにおける、画像形成部１０として用いるＤＭＤの具体例である。

表１２は、投影画像が最大となる合焦状態において、屈折光学系１０１ａが備えるレンズのうち最も平面ミラー１０２ａ側に位置するレンズの頂点からの、平面ミラー１０２ａと曲面ミラー１０３ａの位置座標と、α回転の角度の具体例である。なお、回転は、面法線と光軸ＬＸとのなす角度を示している。

次に、本実施例に係る投射光学系１００ａにおける、各投射距離における画像劣化の抑制について、図１７から図２２を用いて説明する。図１７から図２２は、実施例２に係る投射光学系１００ａにおいて、波長５５０ｎｍの主光線位置を示す画像の図と、各ズームポジションと各投射距離においてスクリーン上に、主光線位置を示す画像を表示したときの、各画角における画像の歪みを例示する図である。

図１７は、遠距離投射時の投射光学系１００ａにおいて、スクリーン上に表示した波長５５０ｎｍのスポット位置を示す画像の例である。図１８は、図１７に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左辺における曲がり、（ｃ）画像下辺における曲がり、を示す図である。

図１９は、基準距離投射時の投射光学系１００ａにおいて、スクリーン上に表示した波長５５０ｎｍのスポット位置を示す画像の例である。図２０は、図１９に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左辺における曲がり、（ｃ）画像下辺における曲がり、を示す図である。

図２１は、近距離投射時の投射光学系１００ａにおいて、スクリーン上に表示した波長５５０ｎｍのスポット位置を示す画像の例である。図２２は、図２１に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左辺における曲がり、（ｃ）画像下辺における曲がり、を示す図である。

以上、図１７から図２２に示すように、実施例２に係る投射光学系１００ａによれば、各ズーム、各投射距離において、歪みが少ない画像を投射することができる。

次に、本実施例に係る投射光学系１００ａにおける、スポットダイアグラムを用いて、各画角におけるズーミングに際し、画像の変化が抑制されていることを説明する。図２３から図２５に示すスポットダイヤフラムにおける各スポットは、図４８に示すＦ１からＦ１３に示すフィールドポジションに対応している。なお、各スポットダイアグラムは、スクリーン面での結像特性（ｍｍ）を波長６２５ｎｍ（赤）、５５０ｎｍ（緑）、４２５ｎｍ（青）について示している。

図２３は、遠距離投射時のスポットダイアグラムである。図２４は、基準距離投射時のスポットダイアグラムである。図２５は、近距離投射時のスポットダイアグラムである。

図２３から図２５に示すように、本実施例に係る投射光学系１００ａによれば、各ズーム、各投射距離における画質の変動は抑制されている。

●画像表示装置の実施形態３
次に、本発明に係る画像表示装置のさらに別の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、すでに説明をした内容と同じものには、同じ符号を用いることとし、詳細な説明を省略する。

図２６は、本実施形態に係るプロジェクタ１ｂの光学配置図である。図２６において、プロジェクタ１ｂは、画像形成部１０と、平行平板４０と、本発明に係る投射光学系１００ｂと、画像形成部１０を照明する照明光の光源を含む照明光学系２０と、その他の画像形成に必要な部材などを、ハウジング３０に収納してなる。

投射光学系１００ｂは、屈折光学系１０１ｂと、第１の反射面である平面ミラー１０２ｂと、第２の反射面である曲面ミラー１０３ｂと、を有してなる。平面ミラー１０２ｂは、図２６に示すとおり、ＹＺ平面上で４５度回転した状態で配置される。曲面ミラー１０３ｂは、凹面ミラーであってもよいし、反射面が自由曲面形状である自由曲面ミラーでもよい。

画像形成部１０からの投射光束は、投射光学系１００ｂを通って結束光束になる。これによって、画像形成部１０上に形成された画像は、スクリーン（不図示）に拡大投影される。

なお、スクリーン（不図示）は、画像形成部１０に対して垂直に配置される。すなわち、画像形成部１０の画像形成面の法線と被投射面であるスクリーンの法線は、直交する関係にある。

屈折光学系１０１ｂを通過した光線により、画像形成部１０にて形成された画像情報と共役な中間像が形成される。この中間像は、平面ミラー１０２ｂよりも画像形成部１０側において、空間像として形成される。なお、中間像は平面像として結像する必要はなく、曲面像として形成されてもよい。

この中間像を、投射光学系１００ｂにおいて最も拡大側に配置される曲面ミラー１０３ｂにより拡大して投射することで、スクリーン上に画像が表示される。中間像は像面湾曲や歪曲を有しているが、曲面ミラー１０３ｂの反射面を自由曲面形状にすることで、これらを補正することができる。これによって、屈折光学系１０１ｂへの収差補正の負担が減るので、投射光学系１００ｂの設計への自由度が増し、小型化に有利である。

屈折光学系１０１ｂは、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、正の屈折力を有するレンズ群である第１レンズ群１１ｂと、平面ミラー１０２ｂと、曲面ミラー１０３ｂと、を画像形成部１０に対して固定とする。また、正の屈折力を有するレンズ群である第２レンズ群１２ｂと、負の屈折力を有するレンズ群である第３レンズ群１３ｂは、画像形成部１０側に移動する。また、正の屈折力を有するレンズ群である第４レンズ群１４ｂは、拡大側に移動する。すなわち、投射光学系１００は、フローティングフォーカスをすることにより、像面湾曲や歪曲収差を高度に制御することができる。

また、屈折光学系１０１ｂは、フォーカシングに際し移動するレンズ群の中に、非球面レンズを配置するので、補正の効果をより高めることができる。

図２６に示したプロジェクタ１ｂは、以下に説明する実施例３に係る画像表示装置である。図２６は、投射光学系１００ｂが備える前玉が最も繰り出す４８インチの場合の光路図でもある。図２６から明らかなように、各レンズと光線との間隔が十分とられていて、光線とレンズやレンズ鏡胴（不図示）との干渉は避けられる状態になっている。

図２７は、本実施例に係る投射光学系１００ｂが備える屈折光学系１０１ｂの光学配置図である。図２７に示すように、屈折光学系１０１ｂは、画像形成部１０側から順に、第１レンズ群１１ｂと、第２レンズ群１２ｂと、第３レンズ群１３ｂと、第４レンズ群１４ｂと、を有してなる。

図２７は、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、屈折光学系１０１ｂを構成する各レンズ群が移動する軌跡を実線で表している。なお、スクリーンに投射される画像サイズが８０インチの場合を遠距離側とし、画像サイズが４８インチとなる場合を近距離側とする。

第１レンズ群１１ｂは、画像形成部１０側から順に、画像形成部１０側により強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズと、画像形成部１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズと、画像形成部１０側に凸面を向けた負のメニスカスレンズと画像形成部１０側により強い凸面を向けた両凸レンズとの接合レンズと、開口絞り（不図示）と、拡大側により強い凸面を向けた両非球面凸レンズと、拡大側がより強い凹面となる両凹レンズと、拡大側に凸面を向けた正メニスカスレンズと拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズの接合レンズと、拡大側により強い凸面を向けた両凸レンズと、からなる。

第２レンズ群１２ｂは、画像形成部１０側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる。

第３レンズ群１３ｂは、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズＢｂと、画像形成部１０側により強い凹面を向け、光軸ＬＸ軸上は負のパワー、周辺は正のパワーとなるような形状を有する両面非球面両凹レンズＡｂからなる。

第４レンズ群１４ｂは、拡大側に凸面を向け、光軸ＬＸ軸上は負のパワー、周辺は正のパワーとなるような形状を有する両面非球面負メニスカスレンズと、拡大側に凸面を向け、光軸ＬＸ軸上は正のパワー、周辺は負のパワーとなるような形状を有する両面非球面正メニスカスレンズと、からなる。

表１３は、実施例３に係る投射光学系１００ｂが備える光学素子の例を示すデータである。表中の光線距離とは、各面におけるＹ軸方向最大画角の下光線と光軸ＬＸとの距離を示している。

表１４は、本実施例に係る投射光学系１００ｂにおける、フォーカシング時におけるレンズ間隔の具体例である。

表１５は、本実施例に係る投射光学系１００ｂにおける、非球面係数の各数値の具体例である。なお、非球面は上記式１で表す。

表１６は、本実施例に係る投射光学系１００ｂにおける、自由曲面係数の各数値の具体例である。なお、非球面は上記式１により表される。

表１７は、本実施例に係る投射光学系１００ｂにおける、画像形成部１０として用いるＤＭＤの具体例である。

表１８は、投影画像が最大となる合焦状態において、屈折光学系１０１ｂが備えるレンズのうち最も平面ミラー１０２ｂ側に位置するレンズの頂点からの、平面ミラー１０２ｂと曲面ミラー１０３ｂの位置座標と、α回転の角度の具体例である。なお、回転は、面法線と光軸ＬＸとのなす角度を示している。

次に、本実施例に係る投射光学系１００ｂにおける、各ズームポジション、各投射距離における画像劣化の抑制について、図２８から図３３を用いて説明する。図２８から図３６は、実施例３に係る投射光学系１００ｂにおいて、波長５５０ｎｍの主光線位置を示す画像の図と、各ズームポジションと各投射距離においてスクリーン上に、主光線位置を示す画像を表示したときの、各画角における画像の歪みを例示する図である。

図２８は、遠距離投射時の投射光学系１００ｂにおいて、スクリーン上に表示した波長５５０ｎｍのスポット位置を示す画像の例である。図２９は、図２８に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左辺における曲がり、（ｃ）画像下辺における曲がり、を示す図である。

図３０は、基準距離投射時の投射光学系１００ｂにおいて、スクリーン上に表示した波長５５０ｎｍのスポット位置を示す画像の例である。図３１は、図３０に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左辺における曲がり、（ｃ）画像下辺における曲がり、を示す図である。

図３２は、近距離投射時の投射光学系１００ｂにおいて、スクリーン上に表示した波長５５０ｎｍのスポット位置を示す画像の例である。図３３は、図３１に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左辺における曲がり、（ｃ）画像下辺における曲がり、を示す図である。

以上、図２８から図３３に示すように、実施例３に係る投射光学系１００ｂによれば、各ズーム、各投射距離において、歪みが少ない画像を投射することができる。

次に、本実施例に係る投射光学系１００ｂにおける、スポットダイアグラムを用いて、各画角におけるズーミングに際し、画像の変化が抑制されていることを説明する。図３４から図３６に示すスポットダイヤフラムにおける各スポットは、図４８に示すＦ１からＦ１３に示すフィールドポジションに対応している。なお、各スポットダイアグラムは、スクリーン面での結像特性（ｍｍ）を波長６２５ｎｍ（赤）、５５０ｎｍ（緑）、４２５ｎｍ（青）について示している。

図３４は、遠距離投射時のスポットダイアグラムである。図３５は、基準距離投射時のスポットダイアグラムである。図３６は、近距離投射時のスポットダイアグラムである。

図３４から図３６に示すように、本実施例に係る投射光学系１００ｂによれば、各ズーム、各投射距離における画質の変動は抑制されている。

●画像表示装置の実施形態４
次に、本発明に係る画像表示装置のさらに別の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、すでに説明をした内容と同じものには、同じ符号を用いることとし、詳細な説明を省略する。

図３７は、本実施形態に係るプロジェクタ１ｃの光学配置図である。図３７において、プロジェクタ１ｃは、画像形成部１０と、平行平板４０と、本発明に係る投射光学系１００ｃと、画像形成部１０を照明する照明光の光源を含む照明光学系２０と、その他の画像形成に必要な部材などを、ハウジング３０に収納してなる。

投射光学系１００ｃは、屈折光学系１０１ｃと、第１の反射面である平面ミラー１０２ｃと、第２の反射面である曲面ミラー１０３ｃと、を有してなる。平面ミラー１０２ｃは、図３７に示すとおり、ＹＺ平面上で４５度回転した状態で配置される。曲面ミラー１０３ｃは、凹面ミラーであってもよいし、反射面が自由曲面形状である自由曲面ミラーでもよい。

画像形成部１０からの投射光束は、投射光学系１００ｃを通って結束光束になる。これによって、画像形成部１０上に形成された画像は、スクリーン（不図示）に拡大投影される。

なお、スクリーン（不図示）は、画像形成部１０に対して垂直に配置される。すなわち、画像形成部１０の画像形成面の法線と被投射面であるスクリーンの法線は、直交する関係にある。

屈折光学系１０１ｃを通過した光線により、画像形成部１０にて形成された画像情報と共役な中間像が形成される。この中間像は、平面ミラー１０２ｃよりも画像形成部１０側において、空間像として形成される。なお、中間像は平面像として結像する必要はなく、曲面像として形成されてもよい。

この中間像を、投射光学系１００ｃにおいて最も拡大側に配置される曲面ミラー１０３ｃにより拡大して投射することで、スクリーン上に画像が表示される。中間像は像面湾曲や歪曲を有しているが、曲面ミラー１０３ｃの反射面を自由曲面形状にすることで、これらを補正することができる。これによって、屈折光学系１０１ｃへの収差補正の負担が減るので、投射光学系１００ｃの設計への自由度が増し、小型化に有利である。

屈折光学系１０１ｃは、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、正の屈折力を有するレンズ群である第１レンズ群１１ｃと、平面ミラー１０２ｃと、曲面ミラー１０３ｃと、を画像形成部１０に対して固定とする。また、正の屈折力を有するレンズ群である第２レンズ群１２ｃと、負の屈折力を有するレンズ群である第３レンズ群１３ｃは、画像形成部１０側に移動する。また、正の屈折力を有するレンズ群である第４レンズ群１４ｃは、拡大側に移動する。すなわち、投射光学系１００ｃは、フローティングフォーカスをすることにより、像面湾曲や歪曲収差を高度に制御することができる。

また、屈折光学系１０１ｃは、フォーカシングに際し移動するレンズ群の中に、非球面レンズを配置するので、補正の効果をより高めることができる。

図３７に示したプロジェクタ１ｃは、以下に説明する実施例４に係る画像表示装置である。図３７は、投射光学系１００ｃが備える前玉が最も繰り出す４８インチの場合の光路図でもある。図３７から明らかなように、各レンズと光線との間隔が十分とられていて、光線とレンズやレンズ鏡胴（不図示）との干渉は避けられる状態になっている。

図３８は、本実施形態に係る投射光学系１００ｃが備える屈折光学系１０１ｃの光学配置図である。図３８に示すように、屈折光学系１０１ｃは、画像形成部１０側から順に、第１レンズ群１１ｃと、第２レンズ群１２ｃと、第３レンズ群１３ｃと、第４レンズ群１４ｃと、を有してなる。

図３８は、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、屈折光学系１０１ｃを構成する各レンズ群が移動する軌跡を実線で表している。なお、スクリーンに投射される画像サイズが８０インチの場合を遠距離側とし、画像サイズが４８インチとなる場合を近距離側とする。

第１レンズ群１１ｃは、画像形成部１０側から順に、画像形成部１０側により強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズと、画像形成部１０側により強い凸面を向けた負メニスカスレンズと、画像形成部１０側に凸面を向けた負のメニスカスレンズと拡大側により強い凸面を向けた両凸レンズとの接合レンズと、開口絞り（不図示）と、拡大側により強い凸面を向けた両非球面凸レンズと、拡大側がより強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズと、拡大側がより強い凹面となる両凹レンズと、拡大側に凸面を向けた正メニスカスレンズと拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズの接合レンズと、拡大側により強い凸面を向けた両凸レンズと、からなる。

第２レンズ群１２ｃは、画像形成部１０側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる。

第３レンズ群１３ｃは、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズＢｃと、画像形成部１０側により強い凹面を向け、光軸ＬＸ軸上は負のパワー、周辺は正のパワーとなるような形状を有する両面非球面両凹レンズＡｃからなる。

第４レンズ群１４ｃは、拡大側に凸面を向け、光軸ＬＸ軸上は負のパワー、周辺は正のパワーとなるような形状を有する両面非球面負メニスカスレンズと、拡大側に凸面を向け、光軸ＬＸ軸上は正のパワー、周辺は負のパワーとなるような形状を有する両面非球面正メニスカスレンズからなる。

表１９は、実施例４に係る投射光学系１００ｃが備える光学素子の例を示すデータである。表中の光線距離とは、各面におけるＹ軸方向最大画角の下光線と光軸ＬＸとの距離を示している。

表２０は、本実施例に係る投射光学系１００ｃにおける、フォーカシング時におけるレンズ間隔の具体例である。

表２１は、本実施例に係る投射光学系１００ｃにおける、非球面係数の各数値の具体例である。なお、非球面は上記式１で表す。

表２２は、本実施例に係る投射光学系１００ｃにおける、自由曲面係数の各数値の具体例である。なお、非球面は上記式１により表される。

表２３は、本実施例に係る投射光学系１００ｃにおける、画像形成部１０として用いるＤＭＤの具体例である。

表２４は、投影画像が最大となる合焦状態において、屈折光学系１０１ｃが備えるレンズのうち最も平面ミラー１０２ｃ側に位置するレンズの頂点からの、平面ミラー１０１ｃ曲面ミラー１０３ｃの位置座標と、α回転の角度の具体例である。なお、回転は、面法線と光軸ＬＸとのなす角度を示している。

次に、本実施例に係る投射光学系１００ｃにおける、各ズームポジション、各投射距離における画像劣化の抑制について、図３９から図４４を用いて説明する。図３９から図４４は、実施例４に係る投射光学系１００ｃにおいて、波長５５０ｎｍの主光線位置を示す画像の図と、各ズームポジションと各投射距離においてスクリーン上に、主光線位置を示す画像を表示したときの、各画角における画像の歪みを例示する図である。

図３９は、遠距離投射時の投射光学系１００ｃにおいて、スクリーン上に表示した波長５５０ｎｍのスポット位置を示す画像の例である。図４０は、図３９に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左辺における曲がり、（ｃ）画像下辺における曲がり、を示す図である。

図４１は、基準距離投射時の投射光学系１００ｃにおいて、スクリーン上に表示した波長５５０ｎｍのスポット位置を示す画像の例である。図４２は、図４１に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左辺における曲がり、（ｃ）画像下辺における曲がり、を示す図である。

図４３は、近距離投射時の投射光学系１００ｃにおいて、スクリーン上に表示した波長５５０ｎｍのスポット位置を示す画像の例である。図４４は、図４３に例示した画像における、（ａ）画像上辺における曲がり、（ｂ）画像左辺における曲がり、（ｃ）画像下辺における曲がり、を示す図である。

以上、図３９から図４４に示すように、実施例４に係る投射光学系１００ｃによれば、各ズーム、各投射距離において、歪みが少ない画像を投射することができる。

次に、本実施例に係る投射光学系１００ｃにおける、スポットダイアグラムを用いて、各画角におけるズーミングに際し、画像の変化が抑制されていることを説明する。図４５から図４７に示すスポットダイヤフラムにおける各スポットは、図４８に示すＦ１からＦ１３に示すフィールドポジションに対応している。なお、各スポットダイアグラムは、スクリーン面での結像特性（ｍｍ）を波長６２５ｎｍ（赤）、５５０ｎｍ（緑）、４２５ｎｍ（青）について示している。

図４５は、遠距離投射時のスポットダイアグラムである。図４６は、基準距離投射時のスポットダイアグラムである。図４７は、近距離投射時のスポットダイアグラムである。

図４５から図４６に示すように、本実施例に係る投射光学系１００ｃによれば、各ズーム、各投射距離における画質の変動は抑制されている。

ここで、これまで説明した本発明に係る投射光学系と画像表示装置の主たる特徴について、以下に示す。

●特徴１
本発明に係る投射光学系は、縮小側から拡大側に順に、屈折光学系と、第１の反射面と、第２の反射面と、を有し、前記屈折光学系を構成する複数のレンズの光軸のうち、最も多くのレンズにより共有される光軸を、前記投射光学系の光軸とし、前記屈折光学系の最も拡大側に配置されるレンズの拡大側の面と前記光軸との交点と前記第１の反射面と前記光軸との交点との距離が最小となる配置における当該交点間の距離Ｌ、前記屈折光学系の焦点距離ｆ、前記光軸と平行方向をＺ軸方向、前記第１の反射面と前記第２の反射面の配列方向をＹ軸方向、前記Ｙ軸方向における前記光軸と前記画像形成部の端部との距離の最大値Ｙｍａｘ、としたとき、前記Ｙ軸方向と前記Ｚ軸方向の双方に平行な面であるＹＺ平面において、前記画像形成部からの光線と前記屈折光学系の最も拡大側に配置されるレンズの拡大側の面との交点の前記光軸からの距離の最大値Ｄ１と、前記Ｄ１における前記屈折光学系の最も拡大側に配置されるレンズの拡大側の面のサグ量であって、Ｚ軸の縮小側から拡大側に向かう方向を正方向とするサグ量ｄｓ１と、前記光線と前記第１の反射面との交点のうち前記光軸との距離が一番大きな点Ｈと、前記光線と前記第２の反射面との交点のうち前記光軸との距離が一番小さい点Ｆと、前記Ｈと前記Ｆを結ぶ線が前記光軸となす角度θ１、は条件式（１）：（０＜Ｙｍａｘ／ｆ−１／ｔａｎθ１）および条件式（２）（−０．１＜（Ｌ−Ｄ１−ｄｓ１）／（Ｌ＋Ｄ１−ｄｓ１）−１／ｔａｎθ１）を満たすことを特徴とする。

ミラーを用いた投射光学系では、全長方向の大きさを小さくするために、屈折光学系と反射面との間に折り返しミラーを挿入する方法が用いられる。ただし、条件が適切でないと、光線とレンズもしくは鏡胴部材との干渉が生じてしまう。この干渉（光線と部材との干渉）を避ける方法として、折り返しミラーと屈折光学系との距離を離すか、屈折光学系の最も拡大側のレンズ径を小さくする方法があるが、前者は全長方向の小型化という目的に反する。また、後者は、レンズによる収差補正、特に像面湾曲や歪曲収差補正の役割が小さくなるため、第２の反射面の負担が大きくなり、ミラーサイズの増大につながる。結果として、投射光学系を搭載する装置のサイズを大きくせざるを得なくなる。このように、闇雲に全長方向を縮めようとすると、性能劣化を起こしやすく、また性能を確保しようとするとサイズが大きくなってしまうという課題があった。

この課題に対し、条件式（１）と条件式（２）を満たす投射光学系によれば、小型でかつ光線の干渉が起こらず、かつ高性能な投射光学系を提供できる。上記の条件式（１）（２）はそれぞれ、第１の反射面からの折り返し光線の出射角の適切な範囲を示した式である。

条件式（１）の下限を下回ると、第１の反射面からの出射光とレンズの干渉が起こりやすくなり、屈折光学系からの出射角も大きくなる。そうすると、折り返しミラーのサイズが大型になり、中間像が大きくなるので、第２の反射面を大型にする必要が生じる。結果として、当該投射光学系を搭載する画像表示装置を大きくする必要が生じる。

また、スクリーンの適切な位置に画面を投影するために、第２の反射面の曲率半径を小さくする必要が生じる。これによって、像面湾曲と歪曲収差の補正のバランス取りが難しくなり、第２の反射面の製造誤差感度の増加もしくは性能の劣化を招くことになる。

また、条件式（２）の下限を下回ると、レンズと光線との干渉が発生することになる。

したがって、条件式（１）と条件式（２）を同時に満たすことにより、屈折光学系と第１の反射面の距離を短くしても、光線の干渉が起こらず、かつ屈折光学系の最も拡大側のレンズ径を大きくすることができる。これによって、レンズの負担、特に像面湾曲の補正の役割を大きくし、第２の反射面の負担を軽減することができる。
また、製造誤差感度の低減、性能の向上につながるばかりでなく、第２の反射面の小型化、装置の小型化に特に有効である。

●特徴２
本発明に係る投射光学系は、特徴１に加えてさらに、前記Ｙ軸方向最大画角の上光線の屈折光学系からの出射光線が、前記光軸となす角度をθ２、前記Ｙ軸方向最大画角の上光線の屈折光学系からの出射光線と前記屈折光学系の最も拡大側の面との交点の前記光軸からの距離をそれぞれＤ２、前記Ｄ２の高さにおける前記屈折光学系の最も拡大側に配置されるレンズの拡大側の面のサグ量であって、Ｚ軸の縮小側から拡大側に向かう方向を正方向とするサグ量ｄｓ２、としたとき、条件式（３）：０＜Ｙｍａｘ／ｆ−ｔａｎθ２、条件式（４）：−０．０５＜（Ｌ−Ｄ２−ｄｓ２）／（Ｌ＋Ｄ１−ｄｓ２）−ｔａｎθ２、を満たすことを特徴とする。

条件式（３）と条件式（４）はそれぞれ、Ｙ軸方向最大画角の上光線の出射角の適切な範囲を示した式である。

条件式（３）の下限を下回ると、上光線の出射角が大きくなるため、折り返しミラーサイズの大型化につながり、中間像が大きくなる。中間像が大きくなると、第２の反射面の大型化につながり、投射光学系が大型になる。また、第１の反射面からの出射光線と光軸との角度が小さくなるためレンズの干渉が起こりやすくなる。また、スクリーンの適切な位置に画面を投影するために、第２の反射面の曲率半径を小さくしなければならなくなる。これによって、像面湾曲と歪曲収差の補正のバランス取りが難しくなり、第２の反射面の製造誤差感度の増加もしくは性能の劣化を招くことになる。

条件式（４）の下限を下回ると、レンズと光線との干渉が発生してしまう。

したがって、条件式（３）（４）を同時に満たすことにより、屈折光学系と第１の反射面の距離を短くしても、光線の干渉が起こらず、かつ、屈折光学系の最も拡大側のレンズ径を大きくすることができる。これによって、レンズの負担、特に像面湾曲の補正の役割を大きくし、第２の反射面の負担を軽減することができる。さらに、製造誤差感度の低減や、性能が向上し、第２の反射面の小型化、装置の小型化に特に有効である。

●特徴３
本発明に係る投射光学系は、特徴１および特徴２に加えてさらに、前記屈折光学系の最も拡大側に配置されるレンズの拡大側の面は凸面であり、非球面である、ことを特徴とする。

この特徴によれば、最も拡大側のレンズを凸面とすることにより、主光線を曲げる効果が大きくなるため中間像を小さくでき、第１の反射面と、第２の反射面を小型化することができる。さらに、レンズと光線との干渉を避けやすくすることができる。また、非球面とすることで、主光線を曲げる効果と、像面湾曲を補正する効果を高めることができる。

●特徴４
本発明に係る投射光学系は、特徴１乃至特徴３に加えてさらに、光軸上が負、周辺が正のパワーとなるような非球面レンズＡを有する、ことを特徴とする。

周辺を凸のパワーとすることで、軸外光の主光線の屈折光学系からの出射角を小さくすることができ、装置の小型化、高性能化を実現できる。なお、当該非球面レンズは、前記凸形状の非球面レンズとは別の非球面レンズであることが望ましい。非球面を複数用いることにより、歪曲収差と像面湾曲を高度に制御することが可能となり、凹面ミラーの効果とも相まって、高性能な投射光学系とすることができる。

●特徴５
本発明に係る投射光学系は、特徴１乃至特徴４に加えてさらに、前記非球面レンズは、Ｙ軸方向最大画角の下光線の面との交点と前記光軸との距離が最大となる球面レンズと、前記第１の反射面との間にある、ことを特徴とする。

この特徴によれば、光線が十分に分離した部分に前記のような非球面レンズを用いることにより、歪曲、像面湾曲を高度に制御できる。

●特徴６
本発明に係る投射光学系は、特徴１乃至特徴５に加えてさらに、前記第１の反射面は平面ミラーであって、ＹＺ平面上で４５度回転している、ことを特徴とする。

ここで４５度とは平面ミラーの法線がＺ軸からＹ軸方向に４５度（α方向に−４５度）回転することを表している。この特徴によれば、性能変化を起こさずに光学系を９０度折り曲げることができるので小型化に有利となる。

●特徴７
本発明に係る投射光学系は、特徴１乃至特徴６に加えてさらに、前記第２の反射面は凹面ミラーである、ことを特徴とする。

この特徴によれば、前記屈折光学系による中間像を凹面ミラーで拡大投影することにより、投射光学系の小型化が図れる。

●特徴８
本発明に係る投射光学系は、特徴１乃至特徴７に加えてさらに、前記Ｌが最小となる合焦状態において、前記屈折光学系の近軸倍率をβとしたとき、条件式（５）：５＜β＜８を満足する、ことを特徴とする。

条件式（５）は、前記中間像の大きさの適切な範囲を規定するための式である。条件式（５）の上限値を上回ると、凹面ミラーのパワーを小さくできるため、製造誤差感度は低減する。しかし、凹面ミラーサイズが大きくなってしまうため、小型化を図ることができない。

また、条件式（５）の下限値を下回ると、小型化には有利となる。しかし、所望のサイズの投影画像を得るために、凹面ミラーのパワーを大きくしなければならないため、製造誤差感度の上昇を招く。なお、より好ましくは条件式（５’）：６ ＜ β ＜ ７、を満たすことが望ましい。

●特徴９
本発明に係る投射光学系は、特徴１乃至特徴８に加えてさらに、前記第２の反射面は、自由曲面形状である、ことを特徴とする。

第２の反射面を自由曲面形状にすることで、像面湾曲、歪曲収差を高度に補正することができる。

●特徴１０
本発明に係る投射光学系は、特徴１乃至特徴９に加えてさらに、前記画像形成部は、前記光軸と交差しない、ことを特徴とする。

軸上光線を用いないことにより、非球面レンズ、自由曲面ミラーによる像面湾曲、歪曲収差の制御が高度に行える。

●特徴１１
本発明に係る投射光学系は、特徴１乃至特徴１０に加えてさらに、少なくとも前記屈折光学系の最も拡大側のレンズがフォーカシングに際し移動する、ことを特徴とする。

これにより、フォーカシングにより発生しうる像面湾曲、歪曲を高度に制御できる。より好ましくはフローティングフォーカスであることが望ましい。画面下端と画面上端でのスクリーンへの光線入射角の差が大きいため、投射距離によるフォーカシングにより像面湾曲の変動が大きくなる。そこでフローティングフォーカスを用いることにより、投射距離変動による像面湾曲の変動を補正することが可能となる。

●特徴１２
本発明に係る画像表示装置は、画像形成部に光源からの光を照射する照明光学系と、画像形成部に形成された画像を被投射面に拡大投射する投射光学系と、を有し、投射光学系が上記した特徴１乃至特徴１１のいずれかに係る投射光学系である、ことを特徴とする。

この特徴によれば、投射距離が非常に短く、かつ、小型の画像表示装置を得ることができる。

●各実施例の具体的数値
次に、実施例１乃至実施例４における、上記の条件式に関わる数値の例を表２５に示す。

各実施例における各条件式による値を表２６に示す。

上記表２５および表２６において明らかなように、上記実施例１から実施例４に係る投射光学系において、先に述べた条件式１〜条件式５に係るパラメータの値は、各条件式の範囲内に収まっている。

以上のような具体的な数値例によって特定される投射光学系によれば、折り返し光線の角度、レンズの有効径、折り返しミラーとレンズとの距離、非球面レンズのサグ量を適切に設定することにより、小型、かつ、高性能の画像投射装置を得ることができる。

なお、上述した各実施例の形態では、本発明の好適な実施具体例を示したが、本発明はその内容に限定されることはない。

特に、実施例１から実施例４で例示した各部の具体的形状および数値は、本発明を実施するに際して行う具体化のほんの一例にすぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。

このように、本発明は、本実施形態で説明した内容に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更することができる。

１ 画像表示装置
１１ 第１レンズ群
１２ 第２レンズ群
１３ 第３レンズ群
１４ 第４レンズ群
１００ 投射光学系
１０１ 屈折光学系
１０２ 平面ミラー
１０３ 曲面ミラー

特開２０１１−２５３０２４号公報 特開２００７−０７９５２４号公報 特開２００９−２５１４５７号公報 特開２０１１−２４２６０６号公報

Claims (12)

1. 画像形成部に形成された画像を被投射面に投射する投射光学系であって、
   縮小側から拡大側に順に、屈折光学系と、第１の反射面と、第２の反射面と、から構成され、
   前記屈折光学系を構成する複数のレンズの光軸のうち、最も多くのレンズにより共有される光軸を、前記投射光学系の光軸とし、
   前記屈折光学系の最も拡大側に配置されるレンズの拡大側の面と前記光軸との交点と前記第１の反射面と前記光軸との交点との距離が最小となる配置における当該交点間の距離をＬ、
   前記屈折光学系の焦点距離をｆ、
   前記光軸と平行方向をＺ軸方向、
   前記第１の反射面と前記第２の反射面の配列方向をＹ軸方向、
   前記Ｙ軸方向における前記光軸と前記画像形成部の端部との距離の最大値をＹｍａｘとしたとき、
   前記Ｙ軸方向と前記Ｚ軸方向の双方に平行な面であるＹＺ平面において、
   前記画像形成部からの光線と前記屈折光学系の最も拡大側に配置されるレンズの拡大側の面との交点の前記光軸からの距離の最大値Ｄ１と、
   前記Ｄ１における前記屈折光学系の最も拡大側に配置されるレンズの拡大側の面のサグ量であって、Ｚ軸の縮小側から拡大側に向かう方向を正方向とするサグ量ｄｓ１と、
   前記光線と前記第１の反射面との交点のうち前記光軸との距離が一番大きな点Ｈと、
   前記光線と前記第２の反射面との交点のうち前記光軸との距離が一番小さい点Ｆと、
   前記Ｈと前記Ｆを結ぶ線が前記光軸となす角度θ１と、
   前記Ｙ軸方向最大画角の上光線の屈折光学系からの出射光線が前記光軸となす角度θ２は、以下の条件式１、条件式２および条件式３を満たすことを特徴とする投射光学系。
   条件式１：０＜Ｙｍａｘ／ｆ−１／ｔａｎθ１
   条件式２：−０．１＜（Ｌ−Ｄ１−ｄｓ１）／（Ｌ＋Ｄ１−ｄｓ１）−１／ｔａｎθ１
   条件式３：０＜Ｙｍａｘ／ｆ−ｔａｎθ２
2. 前記Ｙ軸方向最大画角の上光線の屈折光学系からの出射光線と前記屈折光学系の最も拡大側の面との交点の前記光軸からの距離をＤ２、
   前記Ｄ２の高さにおける前記屈折光学系の最も拡大側に配置されるレンズの拡大側の面のサグ量であって、Ｚ軸の縮小側から拡大側に向かう方向を正方向とするサグ量をｄｓ２、
   としたとき、以下の条件式４を満たす請求項１記載の投射光学系。
   条件式４：−０．０５＜（Ｌ−Ｄ２−ｄｓ２）／（Ｌ＋Ｄ１−ｄｓ２）−ｔａｎθ２
3. 前記屈折光学系の最も拡大側に配置されるレンズの拡大側の面は凸面であり、非球面である請求項１または２記載の投射光学系。
4. 光軸上が負、周辺が正のパワーとなるような非球面レンズを有する請求項１乃至３のいずれかに記載の投射光学系。
5. 前記非球面レンズは、Ｙ軸方向最大画角の下光線の面との交点と前記光軸との距離が最大となる球面レンズと、前記第１の反射面との間にある請求項４記載の投射光学系。
6. 前記第１の反射面は平面ミラーであって、ＹＺ平面上で４５度回転している請求項１乃至５のいずれかに記載の投射光学系。
7. 前記第２の反射面は凹面ミラーである請求項１乃至６のいずれかに記載の投射光学系。
8. 前記Ｌが最小となる合焦状態において、前記屈折光学系の近軸倍率をβとしたとき、以下の条件式５を満足する請求項１乃至７のいずれかに記載の投射光学系。
   条件式５：５＜β＜８
9. 前記第２の反射面は、自由曲面形状である請求項１乃至８のいずれかに記載の投射光学系。
10. 前記画像形成部は、前記光軸と交差しない請求項１乃至９のいずれかに記載の投射光学系。
11. 少なくとも前記屈折光学系の最も拡大側のレンズがフォーカシングに際し移動する請求項１乃至１０のいずれかに記載の投射光学系。
12. 画像形成部に光源からの光を照射する照明光学系と、
    前記画像形成部に形成された画像を被投射面に拡大投射する投射光学系と、
    を有し、
    前記投射光学系は、請求項１乃至１１のいずれかに記載の投射光学系であることを特徴とする画像表示装置。
    

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