JP6811412B2 - 投写光学系、画像投写装置および画像投写システム - Google Patents

Description

本開示は、画像表示素子が生成した画像を投写するための投写光学系に関する。

特許文献１は、反射面を含む投写光学系を用いた投写装置を開示する。この投写光学系は、ライトバルブに形成された画像を投影面に拡大投影するための投写光学系であって、レンズ光学系と、第１反射面と、第２反射面と、からなる。レンズ光学系は、複数のレンズからなり、投影面とライトバルブとの間に、画像の中間像を形成するために正のパワーを有する。第１反射面は、中間像を結像した後の発散する光束を反射し、投影面上に結像させるために正のパワーを有する。第２反射面は、レンズ光学系からの射出光を第１反射面に入射させる。これにより、色収差および歪みが低減された大画面を投写することができる。

しかしながら、特許文献１に記載された投写装置では、第１反射面から第２反射面までの距離が大きい。そのため、投写装置の大型化（高背化）を招いている。

特開２０１３−１７４８８６号公報

本開示は、小型でありながら画像歪みを低減することができる投写光学系を提供する。

本開示に係る投写光学系は、被投写面に画像表示素子の画像を拡大して投写するための投写光学系であって、透過光学系と、反射光学系とを備える。透過光学系は、複数のレンズと、開口絞りとを含む。反射光学系は、透過光学系からの出射光を反射する第１反射面と、第１反射面からの出射光を反射する第２反射面とを有する。被投写面は、画像表示素子の表示面と平行でない。基準光線の主光線は、被投写面の最も投写光学系側に投写される光線のうち開口絞りの中心を通る光線である。基準光線の主光線が第１反射面に入射する位置における第１反射面の局所パワーは、基準光線の主光線が第２反射面に入射する位置における第２反射面の局所パワーよりも強い。投写光学系は、以下の条件式（１）及び（２）を満足する。

１．０ ＜ θｓｃｎ／θｍ２ ＜ ５０．０ ・・・（１）
３．０ ＜ Ｄ１／Ｄ２ ＜ １５．０ ・・・（２）
ここで、θｓｃｎは、基準光線の主光線が被投写面に入射する位置における被投写面の法線と、基準光線の主光線とのなす角度である。θｍ２は、基準光線の主光線が第２反射面に入射する位置における第２反射面の法線と、基準光線の主光線とのなす角度である。Ｄ１は、画像表示素子の表示面から第１反射面までの基準光線の主光線の光路長である。Ｄ２は、第１反射面から第２反射面までの基準光線の主光線の光路長である。

本開示の投写光学系によれば、画像投写装置を小型化できるとともに、画像歪みを低減することができる。

図１は、本開示の画像投写システムを説明する構成図である。 図２は、本開示の画像投写装置を説明する構成図である。 図３は、本開示の投写光学系の透過光学系を説明する構成図である。 図４は、本開示の画像投写装置の光路の一部を説明する図である。 図５は、数値実施例１における画像投写システムの構成図である。 図６は、数値実施例２における画像投写システムの構成図である。 図７は、数値実施例３における画像投写システムの構成図である。 図８は、数値実施例４における画像投写システムの構成図である。 図９は、数値実施例５における画像投写システムの構成図である。 図１０は、数値実施例６における画像投写システムの構成図である。

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態）
以下、本開示の画像投写システム１および画像投写装置１０を図１から図１０を用いて説明する。

図１は、本実施の形態の画像投写システム１を説明する構成図である。画像投写システム１は、画像投写装置１０と、スクリーンＳＣ（被投写面の一例）とを備える。画像投写装置１０は、投写光学系１００と、画像表示素子１３０と、透過素子１４０とから構成される。投写光学系１００は、透過光学系１１０と、反射光学系１２０とを備える。画像投写装置１０は、例えば天井等のスクリーンＳＣに画像を投写する。また、画像投写装置１０は、例えば内装壁を有する建物や乗り物などの内部に設置される。本実施の形態に係る画像投写装置１０は、曲率を有するスクリーンＳＣに画像を投写する。また、画像投写装置１０は、画像表示素子１３０で形成された画像を正対しない方向（斜めの方向）にあるスクリーンＳＣに投写する。

ここで、スクリーンＳＣが正対しない方向にあるとは、基準光線Ｒが到達するスクリーンＳＣ上の点における法線の方向と、投写光学系１００の最終面から出射する基準光線Ｒの主光線の光路の方向とが一致しない場合を言う。すなわち、スクリーンＳＣは、スクリーンＳＣが画像表示素子１３０の表示面と平行でないように、配置されている。

ここで、基準光線Ｒについて説明する。基準光線Ｒとは、画像表示素子１３０から出射する光線がスクリーンＳＣに投写される領域において、最も投写光学系１００に近い場所に投写される光線である。また、画像表示素子１３０の画像表示領域として短辺下方向を使用しない場合、基準光線Ｒとは、画像表示素子１３０の有効領域にて形成された画像がスクリーンＳＣ上で最も投写光学系１００に近い場所に投写される光線である。

なお、本開示にかかる画像投写装置１０において、透過光学系１１０の開口絞りＡの中心と、開口絞りＡの画像表示素子１３０側に配置されたレンズ素子の回転対称軸と、開口絞りＡの反射光学系１２０側に配置されたレンズ素子の回転対称軸とを結ぶ線を光軸ＡＺとする。しかしながら、光軸ＡＺは、最も多くのレンズ中心を共有する軸としてもよい。また、光軸ＡＺは、画像表示素子１３０に対し、出射光の光路を含む面内で偏心した位置に設定されてもよい。ここで、出射光の光路とは、画像表示素子１３０からスクリーンＳＣに至る光路における、画像表示素子１３０の中心からスクリーンＳＣ上の拡大像の中心に至る主光線の光路を意味する。

また、画像投写装置１０が透過光学系１１０内にプリズムやミラーなどの反射面を有する場合には、光軸ＡＺは、当該反射面で反射して曲げられた後の光学系の光軸の延長線として設定されてもよい。

図２は、本開示の画像投写装置１０を説明する構成図である。図２に示すように、投写光学系１００は、全体として正のパワーを有する透過光学系１１０と、全体として正のパワーを有する反射光学系１２０とを備える。

図２および図３を用いて、本実施の形態に係る透過光学系１１０の構成を説明する。透過光学系１１０は、画像表示素子１３０からスクリーンＳＣまでの順に、正のパワーを有する第１レンズ群Ｇ１と、正のパワーを有する第２レンズ群Ｇ２と、正のパワーを有する第３レンズ群Ｇ３と、正のパワーを有する第４レンズ群Ｇ４と、プリズムＰＢから構成されている。プリズムＰＢは、画像表示素子１３０と第１レンズ群Ｇ１との間に配置されている。

第１レンズ群Ｇ１は、回転対称な軸を有する１枚の両凸レンズである第１レンズ素子Ｌ１から構成されている。第１レンズ素子Ｌ１は、非球面形状を有する。

第２レンズ群Ｇ２は、第２レンズ素子Ｌ２と、第３レンズ素子Ｌ３と、第４レンズ素子Ｌ４と、第５レンズ素子Ｌ５とを備える。第２レンズ素子Ｌ２、第３レンズ素子Ｌ３、第４レンズ素子Ｌ４および第５レンズ素子Ｌ５は、画像表示素子１３０側から反射光学系１２０側への順に、配置されている。

第２レンズ素子Ｌ２は、回転対称な軸を有し、負のメニスカス形状を有する。第２レンズ素子Ｌ２の凸面は、画像表示素子１３０を向いている。第３レンズ素子Ｌ３は、回転対称な軸を有し、両凸形状を有する。第４レンズ素子Ｌ４は、回転対称な軸を有し、両凹形状を有する。第５レンズ素子Ｌ５は、回転対称な軸を有し、両凸形状を有する。第２レンズ素子Ｌ２と第３レンズ素子Ｌ３と第４レンズ素子Ｌ４とは、互いに接合されている。第２レンズ素子Ｌ２と第３レンズ素子Ｌ３と第４レンズ素子Ｌ４では、レンズ間隔誤差による光学性能劣化（特に像面湾曲とコマ収差）が顕著である。そのため、第２レンズ素子Ｌ２と第３レンズ素子Ｌ３と第４レンズ素子Ｌ４とが互いに接合されることで間隔誤差を抑制することが可能となる。

ここで、第３レンズ素子Ｌ３は、低分散ガラスからなるレンズであってもよい。また、第３レンズ素子Ｌ３は、レンズ素子Ｌ１〜Ｌ１７のうちで最も強い正のパワーを有していてもよい。また、第３レンズ素子Ｌ３の両側は、負のパワーを有するレンズ（第２レンズ素子Ｌ２および第４レンズ素子Ｌ４）と接合されていなくてもよい。すなわち、第３レンズ素子Ｌ３は、第２レンズ素子Ｌ２のみと接合されていてもよいし、第４レンズ素子Ｌ４のみと接合されていてもよい。

第３レンズ群Ｇ３は、開口絞りＡを備え、全体として正のパワーを有する。また、第３レンズ群Ｇ３は、第６レンズ素子Ｌ６と、第７レンズ素子Ｌ７と、第８レンズ素子Ｌ８と、第９レンズ素子Ｌ９と、第１０レンズ素子Ｌ１０とを備える。第６レンズ素子Ｌ６、第７レンズ素子Ｌ７、第８レンズ素子Ｌ８、第９レンズ素子Ｌ９および第１０レンズ素子Ｌ１０は、開口絞りＡから反射光学系１２０側への順に、配置されている。

第６レンズ素子Ｌ６は、回転対称な軸を有し、正のメニスカス形状を有する。第６レンズ素子Ｌ６の凸面は、反射光学系１２０を向いている。第７レンズ素子Ｌ７は、回転対称な軸を有し、負のメニスカス形状を有する。第７レンズ素子Ｌ７の凸面は、スクリーンＳＣを向いている。第８レンズ素子Ｌ８は、回転対称な軸を有し、正のメニスカス形状を有する。第８レンズ素子Ｌ８の凸面は、画像表示素子１３０を向いている。第９レンズ素子Ｌ９は、回転対称な軸を有し、両凸形状を有する。第１０レンズ素子Ｌ１０は、回転対称な軸を有し、負のメニスカス形状を有する。第１０レンズ素子Ｌ１０の凸面は、反射光学系１２０を向いている。

図２および図３に示すように、画像表示素子１３０、開口絞りＡ、第７レンズ素子Ｌ７（負メニスカスレンズ）、第９レンズ素子Ｌ９（両凸レンズ）は、透過光学系１１０の光軸ＡＺに沿って、この順に配置されている。

第４レンズ群Ｇ４は、透過光学系１１０のレンズ群の内、最もスクリーンＳＣ側に配置されている。第４レンズ群Ｇ４は、第１１レンズ素子Ｌ１１と、第１２レンズ素子Ｌ１２と、第１３レンズ素子Ｌ１３と、第１４レンズ素子Ｌ１４と、第１５レンズ素子Ｌ１５と、第１６レンズ素子Ｌ１６と、第１７レンズ素子Ｌ１７とを備える。第１１レンズ素子Ｌ１１、第１２レンズ素子Ｌ１２、第１３レンズ素子Ｌ１３、第１４レンズ素子Ｌ１４、第１５レンズ素子Ｌ１５、第１６レンズ素子Ｌ１６および第１７レンズ素子Ｌ１７は、画像表示素子１３０からスクリーンＳＣまでの順に、配置されている。

第１１レンズ素子Ｌ１１は、回転対称な軸を有し、正のパワーを有する。第１１レンズ素子Ｌ１１の凸面は、画像表示素子１３０を向いている。第１２レンズ素子Ｌ１２は、回転対称な軸を有し、負のパワーを有する。第１２レンズ素子Ｌ１２の凹面は、反射光学系１２０を向いている。第１３レンズ素子Ｌ１３は、回転対称な軸を有し、両凹形状を有する。第１４レンズ素子Ｌ１４は、回転対称な軸を有し、両凹形状を有する。第１５レンズ素子Ｌ１５は、回転対称な軸を有し、負のパワーを有する。第１５レンズ素子Ｌ１５の凹面は、反射光学系１２０を向いている。第１６レンズ素子Ｌ１６は、回転対称な軸を有し、正のパワーを有する。第１６レンズ素子の凸面は、反射光学系１２０を向いている。第１７レンズ素子Ｌ１７は、回転対称な軸を有し、正のメニスカス形状を有する。第１７レンズ素子Ｌ１７の凸面は、反射光学系１２０を向いている。

図１および図３に示すように、第１７レンズ素子Ｌ１７（正メニスカスレンズ）は、レンズ素子Ｌ１〜Ｌ１７のうちで最もスクリーンＳＣ側に配置されている。

第１１レンズ素子Ｌ１１と第１２レンズ素子Ｌ１２は、互いに接合されている。第１３レンズ素子Ｌ１３と、第１７レンズ素子Ｌ１７は、それぞれ、非球面形状を有するレンズ素子となる。

第４レンズ群Ｇ４を構成するレンズ素子の一部は両凹形状を有している。この両凹形状のレンズの少なくとも一方の面が非球面形状を有することが望ましい。具体的には、この非球面形状は、レンズの中心から径方向に離れるに従って、曲率が小さくなる形状である。すなわち、この非球面形状は、レンズの中心側に比べてレンズの外側のパワーが小さい形状である。

なお、投写光学系１００において、第２レンズ群Ｇ２と第４レンズ群Ｇ４は、フォーカシングの際に光軸ＡＺに沿って移動する。第４レンズ群Ｇ４は、非球面形状を少なくとも１面含み、フォーカス時に発生する像の歪みや解像度の劣化を抑制している。これにより、投写距離が変わっても良好な光学性能を満たせる。

また、投写光学系１００は、フォーカス群を備えている。このフォーカス群は、開口絞りＡよりも反射光学系１２０側に位置する少なくとも一部のレンズ素子からなり、フォーカシングの際に光軸ＡＺに沿って移動する。これにより、フォーカシングの際に発生する像の歪みや解像度の劣化を抑制でき、投写距離が変わっても良好な光学性能を満たすことができる。

本実施の形態に係る画像投写装置１０において、透過光学系１１０を構成する複数のレンズ素子の一部をカットすることも可能である。具体的には、各レンズ素子における光線が通過しない領域をカットすることが可能である。これにより透過光学系１１０の低背化に効果が期待できる。特に、縮小側に配置されたレンズ素子や、拡大側に配置されたレンズ素子など、開口絞りＡから離れたレンズ素子の一部をカットすることで、より一層の低背化効果が期待できる。なお、カットを行ったレンズ素子は回転対象な軸を有しない。

透過光学系１１０とスクリーンＳＣとの間に中間像が結像される。こうすることで、反射光学系１２０の一部に凹面ミラーを採用することが可能となり、投写領域の拡大と反射光学系１２０の小型化に有利な構成となる。また、透過光学系１１０で形成される中間結像は、光軸ＡＺに最も近い光線による結像点が透過光学系１１０から最も離れた位置に形成される特徴を有している。中間結像は、反射光学系１２０の反射面を跨がない位置に結像することが望ましい。

反射光学系１２０は、透過光学系１１０が出射する光束を反射し、反射した光束をスクリーンＳＣに投写する。反射光学系１２０は、第１ミラー１２１（第１反射面の一例）と第２ミラー１２２（第２反射面の一例）との２枚のミラーから構成される。第１ミラー１２１の反射面は、凹面の自由曲面形状を有している。第１ミラー１２１は、全体として正のパワーを有する。また、第２ミラー１２２は、平面ミラーで構成される。なお、反射光学系１２０は、１枚以上のミラーから構成されればよく、２枚のミラーから構成されることに限定されるものではない。第２ミラー１２２は、透過光学系１１０よりもスクリーンＳＣの近くに配置されている。

また、反射光学系１２０は、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２の代わりに、１つのプリズム素子で実現されてもよい。この場合、入射光線は、プリズム素子の内部で全反射して出射する。この全反射面は、第１ミラー１２１および第２ミラー１２２と同様の形状を有していればよい。

画像表示素子１３０は、画像信号を基にスクリーンＳＣに投写する画像を形成する。画像表示素子１３０としては、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）や、透過型や反射型の液晶パネル等の空間変調素子を用いることができる。本開示における画像表示素子１３０は、図２のＸ軸方向（紙面垂直方向）が長辺、Ｙ軸方向が短辺の矩形である。

透過素子１４０は、反射光学系１２０とスクリーンＳＣとの間に配置される。反射光学系１２０が反射した光束は、透過素子１４０を透過してスクリーンＳＣに投写される。また、透過素子１４０の形状は、画像表示素子１３０の長辺方向に対応した方向と短辺方向に対応した方向とで異なる曲率を有するトロイダル形状である。透過素子１４０の凸面は、スクリーンＳＣ側を向いている。すなわち、透過素子１４０の入射面における画像表示素子１３０の長辺方向に対応するＸ軸方向（図２の紙面垂直方向）の曲率は、短辺方向に対応するＹ軸方向の曲率よりも大きい。

また、反射光学系１２０において、画像表示素子１３０側の第１ミラー１２１は、自由曲面形状を有することが望ましい。第１ミラー１２１が正パワーを有し自由曲面形状を有することで、像歪み補正をしつつ、第２ミラー１２２に入射する光線高を抑制できる。そのため、小型化に有利である。

最もスクリーンＳＣ側に配置される第１７レンズＬ１７から自由曲面の反射面を有する第１ミラー１２１までの距離は、第１ミラー１２１から第２ミラー１２２までの距離よりも長い。これにより、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２の間隔を短縮でき、投写光学系１００のＹ軸方向の低背化ができる。

以下、実施の形態に係る投写光学系が満足することが好ましい条件を説明する。なお、実施の形態に係る投写光学系に対して、複数の条件が規定されるが、これら複数の条件すべてを満足する投写光学系の構成が最も望ましい。しかしながら、個別の条件を満足することにより、それぞれ対応する効果を奏する投写光学系を得ることも可能である。

本実施の形態に係る投写光学系１００は、スクリーンＳＣに画像表示素子１３０の画像を拡大して投写するための投写光学系であって、透過光学系１１０と、反射光学系１２０とを備える。透過光学系１１０は、複数のレンズ（レンズ素子Ｌ１〜Ｌ１７）と、開口絞りＡとを含む。反射光学系１２０は、透過光学系１１０からの出射光を反射する第１ミラー１２１と、第１ミラー１２１からの出射光を反射する第２ミラー１２２とを有する。基準光線Ｒの主光線は、スクリーンＳＣの最も投写光学系１００側に投写される光線のうち開口絞りＡの中心を通る光線である。基準光線Ｒの主光線が入射する第１ミラー１２１の位置における第１ミラー１２１の局所パワーは、基準光線Ｒの主光線が入射する第２ミラー１２２の位置における第２ミラー１２２の局所パワーよりも強い。以下、この構成を実施の形態の基本構成という。

投写光学系１００は、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。

１．０ ＜ θｓｃｎ／θｍ２ ＜ ５０．０ ・・・（１）
ここで、θｓｃｎは、基準光線Ｒの主光線がスクリーンＳＣに入射する位置におけるスクリーンＳＣの法線と、基準光線Ｒの主光線とのなす角度である。θｍ２は、基準光線Ｒの主光線が第２ミラー１２２に入射する位置における第２ミラー１２２の法線と、基準光線Ｒの主光線とのなす角度である。

なお、本開示において、角度θｓｃｎおよび角度θｍ２を絶対値で表現している。また、角度の単位は、「度」である。また、局所パワーとは、ミラー全体のパワーではなく、ミラーの局所的な領域におけるパワーを意味する。

条件式（１）は、角度θｍ２（図４参照）と、角度θｓｃｎ（図４参照）の比を規定している。条件式（１）を満足することで、小型でありながら画像歪みを低減できる投写光学系とすることが可能である。条件式（１）の上限を超えると、第２ミラー１２２によって反射した光の内、第１ミラー１２１の最も近くを通過する基準光線Ｒが第１ミラー１２１の上端部に干渉してケラレが発生する。そのため、スクリーンＳＣ上で均一な照度分布確保が難しくなる。また、第１ミラー１２１により不必要な反射光が生じる。そのため、ゴーストの原因となり好ましくない。反対に、条件式（１）の下限を下回ると、スクリーンＳＣ面上にケラレを発生させることなく光線を導光させるためには、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２の間隔を広げる必要がある。その結果として、反射光学系１２０のサイズが大きくなるため、投写光学系１００の小型化を目指す場合には不利となる。

さらに、以下の条件式（１ａ）を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

１．４ ＜ θｓｃｎ／θｍ２ ＜ ４７．０ ・・・（１ａ）
さらに、以下の条件式（１ｂ）を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

１．８ ＜ θｓｃｎ／θｍ２ ＜ ４４．０ ・・・（１ｂ）
さらに、以下の条件式（１ｃ）を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

２．２ ＜ θｓｃｎ／θｍ２ ＜ ４１．０ ・・・（１ｃ）
さらに、以下の条件式（１ｄ）を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

２．６ ＜ θｓｃｎ／θｍ２ ＜ ３８．０ ・・・（１ｄ）
本実施の形態の基本構成を有する投写光学系１００は、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。

３．０ ＜ Ｄ１／Ｄ２ ＜ １５．０ ・・・（２）
ここで、Ｄ１は、画像表示素子１３０の表示面から第１ミラー１２１までの基準光線Ｒの主光線の光路長である。Ｄ２は、第１ミラー１２１から第２ミラー１２２までの基準光線Ｒの主光線の光路長である。

なお、本開示において、光路長Ｄ１および光路長Ｄ２を絶対値で表現している。

条件式（２）は、光路長Ｄ１と、光路長Ｄ２との比を規定している。条件式（２）を満足することで、小型、かつ、低背化を実現しつつ画像歪みを低減できる投写光学系とすることが可能である。条件式（２）の上限を超えると、反射光学系１２０に対して透過光学系１１０のサイズが大きくなり、投写光学系１００全体の小型化が困難となる。反対に、条件式（２）の下限を下回ると、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２の相対位置が離れ、第２ミラー１２２の有効径が大きくなる。そのため、投写光学系１００のＹ軸方向の低背化には不向きである。

さらに、以下の条件式（２ａ）を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

４．０ ＜ Ｄ１／Ｄ２ ＜ １４．０ ・・・（２ａ）
さらに、以下の条件式（２ｂ）を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

５．０ ＜ Ｄ１／Ｄ２ ＜ １３．０ ・・・（２ｂ）
さらに、以下の条件式（２ｃ）を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

５．７ ＜ Ｄ１／Ｄ２ ＜ １２．５ ・・・（２ｃ）
本実施の形態の基本構成を有する投写光学系１００は、以下の条件式（１ｅ）を満足することが好ましい。

θｍ２ ＜ θｓｃｎ ・・・（１ｅ）
条件式（１ｅ）は、角度θｍ２と、角度θｓｃｎとの関係を規定している。条件式（１ｅ）を満足することで、反射光学系１２０のサイズを小さく保ちながら画像歪みを低減できる投写光学系１００とすることが可能である。条件式（１ｅ）を満足しない場合、第１ミラー１２１で反射された光線が第２ミラー１２２において広がるため、反射光学系１２０の高さを抑えることが難しくなる。そのため、投写光学系１００全体の小型化が困難となる。

本実施の形態の基本構成を有する投写光学系１００は、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。

θｍ２ ＜ θｍ１ ・・・（３）
ここで、θｍ１は、基準光線Ｒの主光線が入射する第１ミラー１２１の位置における第１ミラー１２１の法線と、基準光線Ｒの主光線とのなす角度である。

なお、本開示において、角度θｍ１を絶対値で表現している。

条件式（３）は、角度θｍ１（図４参照）と、角度θｍ２との関係を規定している。条件式（３）を満足することで、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２の距離を透過光学系１１０に対して短くすることができる。そのため、反射光学系１２０のサイズを小さく保ちながら画像歪みを低減できる投写光学系１００を実現することが可能である。条件式（３）を満足しない場合、投写光学系１００の光学性能を良好に維持したまま、第１ミラー１２１と第２ミラー１２２の距離を短くすることが困難となる。

本実施の形態の基本構成を有する投写光学系１００は、以下の条件式（４）を満足することが好ましい。

０．５ ＜ θｓｃｎ／θｍ１ ＜ ５．０ ・・・（４）
条件式（４）は、角度θｍ１と、角度θｓｃｎとの比を規定している。条件式（４）を満足することで、小型、かつ、低背化でありながら、画像歪みを低減できる投写光学系とすることが可能である。条件式（４）の上限を超えると、歪曲収差を良好に維持することが困難となる。特に、スクリーンＳＣ奥側の歪曲収差が＋方向（糸巻き型）に発生する。反対に、条件式（４）の下限値を下回る場合も同様に、歪曲収差を良好に維持することが困難となる。特に、スクリーンＳＣ奥側の歪曲収差が−方向（樽型）に発生する。

さらに、以下の条件式（４ａ）を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

１．０ ＜ θｓｃｎ／θｍ１ ＜ ４．０ ・・・（４ａ）
さらに、以下の条件式（４ｂ）を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

１．５ ＜ θｓｃｎ／θｍ１ ＜ ３．０ ・・・（４ｂ）
さらに、以下の条件式（４ｃ）を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

１．８ ＜ θｓｃｎ／θｍ１ ＜ ２．７ ・・・（４ｃ）
本実施の形態の基本構成を有する投写光学系１００は、以下の条件式（５）を満足することが好ましい。

０ ＜ θｓｃｎ＋θｍ２ ＜ １５０ ・・・（５）
条件式（５）は、角度θｍ２と、角度θｓｃｎの合計を規定している。条件式（５）を満足することで、小型、かつ、低背化でありながら、画像歪みを低減できる投写光学系１００とすることが可能である。条件式（５）の上限を超えると、第２ミラー１２２に入射する光線が広がり、投写光学系１００の小型化が困難になる。反対に、条件式（５）の下限を下回ると、第２ミラー１２２で反射される光線の内、第１ミラー１２１の最も近くを通過する基準光線Ｒが第１ミラー１２１の端部に干渉してケラレが発生する。そのため、スクリーンＳＣ上で均一な照度を確保することが困難となる。また、第１ミラー１２１でケラレが発生すると、光線は不要光となりゴースト等の発生原因となる。

さらに、以下の条件式（５ａ）を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

８ ＜ θｓｃｎ＋θｍ２ ＜ １４０ ・・・（５ａ）
さらに、以下の条件式（５ｂ）を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

１６ ＜ θｓｃｎ＋θｍ２ ＜ １２０ ・・・（５ｂ）
さらに、以下の条件式（５ｃ）を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

２４ ＜ θｓｃｎ＋θｍ２ ＜ １００ ・・・（５ｃ）
さらに、以下の条件式（５ｄ）を満足することで、上記した効果をより奏功することができる。

３２ ＜ θｓｃｎ＋θｍ２ ＜ ６０ ・・・（５ｄ）
表１〜表６に、数値実施例１から６に係る投写光学系１００について求めた各条件式の対応値を示す。

（条件式の対応値）

以下、上記実施の形態に係る投写光学系を具体的に実施した数値実施例を説明する。なお、各数値実施例において、表中の長さの単位はすべて「ｍｍ」であり、画角の単位はすべて「°」である。また、各数値実施例において、ｒは曲率半径、ｄは面間隔、ｎｄはｄ線に対する屈折率、ｖｄはｄ線に対するアッベ数である。また、各数値実施例において、＊印を付した面は非球面または自由曲面であり、非球面形状は次式で定義している。

ここで、
ｚ：ｚ軸に平行な面のサグ量
ｒ：半径方向の距離（＝√（ｘ^２＋ｙ^２））
ｃ：面頂点における曲率
ｋ：コーニック係数
である。

なお、非球面係数は、円錐常数Ｋ以外は０でない係数のみ記す。また、レンズ群データにおいて、レンズ構成長は、第１面から終面までの間隔であり、前側主点位置は、第１面からの距離であり、後側主点位置は、第１面からの距離である。

また、自由曲面形状は、その面頂点を原点とするローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いた次式で定義している。

ここで、
ｚ：ｚ軸に平行な面のサグ量
ｒ：半径方向の距離（＝√（ｘ^２＋ｙ^２））
ｃ：面頂点における曲率
ｋ：コーニック係数
Ｃｊ：単項式ｘ^ｍｙ^ｎの係数
である。

なお、以下の各データにおいて、便宜的に、多項式における自由曲面係数であるｘのｉ次の項、ｙのｊ次の項を、ｘｉｙｊというように記載する。例えば、「Ｘ２Ｙ」とは、多項式におけるｘの２次、ｙの１次の項の自由曲面係数であることを示す。

また、各数値実施例において、画像表示素子１３０の短辺の最も下側を０％領域とし、短辺真ん中を５０％領域とし、短辺の最も上側を１００％領域とする。

（数値実施例１）
以下の表７から表１１に、数値実施例１の透過光学系１１０の具体的なデータを示す。なお、数値実施例１におけるスローレシオは、０．１４７である。また、投写倍率は１７８．７５である。また、使用する画像表示素子１３０のサイズは、長辺方向が９．８５６ｍｍ、短辺方向が６．１６２ｍｍである。図５は、数値実施例１における画像投写装置１０とスクリーンＳＣの構成図である。紙面に対し垂直なＸ方向から見たときに、スクリーンＳＣは、透過光学系の光軸ＡＺに対して平行となるように配置されている。

数値実施例１の各光学素子の面データを以下の表７に示す。

以下、非球面データを表８に示す。

以下、自由曲面データを表９に示す。

以下、各レンズの焦点距離を表１０に示す。

以下、各レンズ群の焦点距離を表１１に示す。

（数値実施例２）
以下の表１２から表１６に、数値実施例２の透過光学系１１０の具体的なデータを示す。なお、数値実施例２におけるスローレシオは、０．１６５である。また、投写倍率は１７８．２２である。また、使用する画像表示素子１３０のサイズは、長辺方向が９．８５６ｍｍ、短辺方向が６．１６２ｍｍである。図６は、数値実施例２における投写光学系１００とスクリーンＳＣの構成図である。紙面に対し垂直なＸ方向から見たときに、スクリーンＳＣは、透過光学系の光軸ＡＺに対して１０度傾けて配置されている。

数値実施例２の各光学素子の面データを以下の表１２に示す。

以下、非球面データを表１３に示す。

以下、自由曲面データを表１４に示す。

以下、各レンズの焦点距離を表１５に示す。

以下、各レンズ群の焦点距離を表１６に示す。

（数値実施例３）
以下の表１７から表２１に、数値実施例３の透過光学系１１０の具体的なデータを示す。なお、数値実施例３におけるスローレシオは、０．１７０である。また、投写倍率は１７８．７３倍である。また、使用する画像表示素子１３０のサイズは、長辺方向が９．８５６ｍｍ、短辺方向が６．１６２ｍｍである。図７は、数値実施例３における画像投写装置１０とスクリーンＳＣの構成図である。紙面に対し垂直なＸ方向から見たときに、スクリーンＳＣは、透過光学系の光軸ＡＺに対して１５度傾けて配置されている。

数値実施例３の各光学素子の面データを以下の表１７に示す。

以下、非球面データを表１８に示す。

以下、自由曲面データを表１９に示す。

以下、各レンズの焦点距離を表２０に示す。

以下、各レンズ群の焦点距離を表２１に示す。

（数値実施例４）
以下の表２２から表２６に、数値実施例４の透過光学系１１０の具体的なデータを示す。なお、数値実施例４におけるスローレシオは、０．１７５である。また、投写倍率は１７８．９３倍である。また、使用する画像表示素子１３０のサイズは、長辺方向が９．８５６ｍｍ、短辺方向が６．１６２ｍｍである。図８は、数値実施例４における画像投写装置１０とスクリーンＳＣの構成図である。紙面に対し垂直なＸ方向から見たときに、スクリーンＳＣは、透過光学系の光軸ＡＺに対して２５度傾けて配置されている。

数値実施例４の各光学素子の面データを以下の表２２に示す。

以下、非球面データを表２３に示す。

以下、自由曲面データを表２４に示す。

以下、各レンズの焦点距離を表２５に示す。

以下、各レンズ群の焦点距離を表２６に示す。

（数値実施例５）
以下の表２７から表３１に、数値実施例５の透過光学系１１０の具体的なデータを示す。なお、数値実施例５におけるスローレシオは、０．１７４である。また、投写倍率は１７７．７２倍である。また、使用する画像表示素子１３０のサイズは、長辺方向が９．８５６ｍｍ、短辺方向が６．１６２ｍｍである。図９は、数値実施例５における画像投写装置１０とスクリーンＳＣの構成図である。紙面に対し垂直なＸ方向から見たときに、スクリーンＳＣは、透過光学系の光軸ＡＺに対して３５度傾けて配置されている。

数値実施例５の各光学素子の面データを以下の表２７に示す。

以下、非球面データを表２８に示す。

以下、自由曲面データを表２９に示す。

以下、各レンズの焦点距離を表３０に示す。

以下、各レンズ群の焦点距離を表３１に示す。

（数値実施例６）
以下の表３２から表３６に、数値実施例６の透過光学系１１０の具体的なデータを示す。なお、数値実施例６におけるスローレシオは、０．１７５である。また、投写倍率は１７７．８９倍である。また、使用する画像表示素子１３０のサイズは、長辺方向が９．８５６ｍｍ、短辺方向が６．１６２ｍｍである。図１０は、数値実施例６における画像投写装置１０とスクリーンＳＣの構成図である。紙面に対し垂直なＸ方向から見たときに、スクリーンＳＣは、透過光学系の光軸ＡＺに対して４５度傾けて配置されている。

数値実施例６の各光学素子の面データを以下の表３２に示す。

以下、非球面データを表３３に示す。

以下、自由曲面データを表３４に示す。

以下、各レンズの焦点距離を表３５に示す。

以下、各レンズ群の焦点距離を表３６に示す。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、画像表示素子に表示された画像を投写するための投写光学系に適用可能である。具体的には、建物や乗り物等に設置されるプロジェクターやヘッドアップディスプレイなどに、本開示は適用可能である。

１ 画像投写システム
１０ 画像投写装置
１００ 投写光学系
１１０ 透過光学系
１２０ 反射光学系
１２１ 第１ミラー（第１反射面の一例）
１２２ 第２ミラー（第２反射面の一例）
１３０ 画像表示素子
１４０ 透過素子
Ａ 開口絞り
ＰＢ プリズム
Ｒ 基準光線
ＳＣ スクリーン（被投写面）

Claims (12)

1. 被投写面に画像表示素子の画像を拡大して投写するための投写光学系であって、
   複数のレンズと、開口絞りとを含む透過光学系と、
   前記透過光学系からの出射光を反射する第１反射面と、前記第１反射面からの出射光を反射する第２反射面とを有する反射光学系と、を備え、
   前記被投写面は、前記画像表示素子の表示面と平行でなく、
   基準光線の主光線は、前記被投写面の最も前記投写光学系側に投写される光線のうち前記開口絞りの中心を通る光線であり、
   前記基準光線の主光線が前記第１反射面に入射する位置における前記第１反射面の局所パワーは、前記基準光線の主光線が前記第２反射面に入射する位置における前記第２反射面の局所パワーよりも強く、
   前記第２反射面は、前記透過光学系よりも前記被投写面の近くに配置されており、
   前記投写光学系は、以下の条件式（１）及び（２）を満足する、投写光学系。
   １．０ ＜ θｓｃｎ／θｍ２ ＜ ５０．０ ・・・（１）
   ３．０ ＜ Ｄ１／Ｄ２ ＜ １５．０ ・・・（２）
   ここで、
   θｓｃｎは、前記基準光線の主光線が前記被投写面に入射する位置における前記被投写面の法線と、前記基準光線の主光線とのなす角度であり、
   θｍ２は、前記基準光線の主光線が前記第２反射面に入射する位置における前記第２反射面の法線と、前記基準光線の主光線とのなす角度であり、
   Ｄ１は、前記画像表示素子の表示面から前記第１反射面までの前記基準光線の主光線の光路長であり、
   Ｄ２は、前記第１反射面から前記第２反射面までの前記基準光線の主光線の光路長である。
2. 前記投写光学系は、以下の条件式（３）を満足する、請求項１に記載の投写光学系。
   θｍ２ ＜ θｍ１ ・・・（３）
   ここで、
   θｍ１は、前記基準光線の主光線が前記第１反射面に入射する位置における前記第１反射面の法線と、前記基準光線の主光線とのなす角度である。
3. 前記投写光学系は、以下の条件式（４）を満足する、請求項１または２に記載の投写光学系。
   ０．５ ＜ θｓｃｎ／θｍ１ ＜ ５．０ ・・・（４）
4. 前記投写光学系は、以下の条件式（５）を満足する、請求項１から３のいずれかに記載の投写光学系。
   ０ ＜ θｓｃｎ＋θｍ２ ＜ １５０ ・・・（５）
5. 前記複数のレンズは、負メニスカスレンズと、両凸レンズと、を含み、
   前記画像表示素子、前記開口絞り、前記負メニスカスレンズおよび前記両凸レンズは、前記透過光学系の光軸に沿って、この順に配置され、
   前記負メニスカスレンズの凸面は、前記被投写面を向いている、
   請求項１から４のいずれかに記載の投写光学系。
6. 前記複数のレンズは、正メニスカスレンズを含み、
   前記正メニスカスレンズは、前記複数のレンズのうち最も前記被投写面側に配置されている、
   請求項１から５のいずれかに記載の投写光学系。
7. 前記第１反射面は、凹面ミラーである、
   請求項１から６のいずれかに記載の投写光学系。
8. 前記第２反射面は、平面ミラーである、
   請求項１から７のいずれかに記載の投写光学系。
9. 被投写面に画像表示素子の画像を拡大して投写するための投写光学系であって、
   複数のレンズと、開口絞りとを含む透過光学系と、
   前記透過光学系からの出射光を反射する第１反射面と、前記第１反射面からの出射光を反射する第２反射面とを有する反射光学系と、を備え、
   前記被投写面は、前記画像表示素子の表示面と平行でなく、
   基準光線の主光線は、前記被投写面の最も前記投写光学系側に投写される光線のうち前記開口絞りの中心を通る光線であり、
   前記基準光線の主光線が前記第１反射面に入射する位置における前記第１反射面の局所パワーは、前記基準光線の主光線が前記第２反射面に入射する位置における前記第２反射面の局所パワーよりも強く、
   前記複数のレンズは、正のパワーを有し、低分散ガラスからなるレンズを含み、
   前記低分散ガラスからなるレンズは、負のパワーを有するレンズと接合されており、
   前記低分散ガラスからなるレンズは、前記複数のレンズのうちで最も強い正のパワーを有し、
   前記低分散ガラスからなるレンズの両側は、負のパワーを有するレンズと接合されており、
   前記投写光学系は、以下の条件式（１）及び（２）を満足する、投写光学系。
   １．０ ＜ θｓｃｎ／θｍ２ ＜ ５０．０ ・・・（１）
   ３．０ ＜ Ｄ１／Ｄ２ ＜ １５．０ ・・・（２）
   ここで、
   θｓｃｎは、前記基準光線の主光線が前記被投写面に入射する位置における前記被投写面の法線と、前記基準光線の主光線とのなす角度であり、
   θｍ２は、前記基準光線の主光線が前記第２反射面に入射する位置における前記第２反射面の法線と、前記基準光線の主光線とのなす角度であり、
   Ｄ１は、前記画像表示素子の表示面から前記第１反射面までの前記基準光線の主光線の光路長であり、
   Ｄ２は、前記第１反射面から前記第２反射面までの前記基準光線の主光線の光路長である。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の投写光学系と、
    前記画像表示素子とを備える、画像投写装置。
11. 請求項１０に記載の画像投写装置と、
    前記被投写面とを備える、画像投写システム。
12. 前記被投写面は、曲率を有する、請求項１１に記載の画像投写システム。

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