投射光学系及び画像投射装置
【課題】プラスチックレンズの成型加工の際に発生する屈折率分布を考慮した投射光学系、及び前記投射光学系を備えた画像投射装置を提供する。
【解決手段】画像形成素子１７に形成された画像を被投射面９０に拡大投射する投射光学系１８であって、前記画像形成素子から前記被投射面までの光路上に、光軸を共有する共軸光学系１９と、1枚の非回転対称な曲面ミラー２０を有し前記共軸光学系と光軸を共有しない非共軸光学系とが、この順番で配置され、前記共軸光学系は、正屈折力を有する非球面プラスチックレンズである第１レンズ１９ｃと、負屈折力を有する非球面プラスチックレンズである第２レンズ１９ｄと、を有し、前記第１及び第２レンズは、何れもレンズの中心から周辺に向けて屈折率分布を有し、前記第１及び第２レンズの一方は、前記共軸光学系のうち前記曲面ミラーに最も近接して配置されている。
【解決手段】画像形成素子１７に形成された画像を被投射面９０に拡大投射する投射光学系１８であって、前記画像形成素子から前記被投射面までの光路上に、光軸を共有する共軸光学系１９と、1枚の非回転対称な曲面ミラー２０を有し前記共軸光学系と光軸を共有しない非共軸光学系とが、この順番で配置され、前記共軸光学系は、正屈折力を有する非球面プラスチックレンズである第１レンズ１９ｃと、負屈折力を有する非球面プラスチックレンズである第２レンズ１９ｄと、を有し、前記第１及び第２レンズは、何れもレンズの中心から周辺に向けて屈折率分布を有し、前記第１及び第２レンズの一方は、前記共軸光学系のうち前記曲面ミラーに最も近接して配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投射光学系、及び前記投射光学系を有する画像投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像投射装置として広く知られた液晶プロジェクタは、近来、液晶パネルの高解像化、光源ランプの高効率化に伴う明るさの改善、低価格化等が進んでいる。又、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔＡｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）等を利用した小型軽量な画像投射装置が普及し、オフィスや学校のみならず家庭においても広く画像投射装置が利用されつつある。特に、フロントタイプのプロジェクタは携帯性が向上し、数人規模の小会議にも使われている。このような画像投射装置に搭載する投射光学系において、曲面ミラーを備えたものが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、例えば、曲面ミラーとして自由曲面ミラーを採用し、自由曲面ミラー近傍にプラスチックレンズを配置した投射光学系を考える。このような投射光学系では、製造工程で誤差が生じると像面湾曲が発生し、ピントの補正を行うとスクリーン等の被投射面に投射される画像に補正できない歪みが発生するという問題がある。製造工程で生じる誤差の中で、特に像面湾曲発生の要因となるのが、自由曲面ミラー近傍に配置するプラスチックレンズの成型加工の際に発生する屈折率分布である。
【０００４】
しかしながら、特許文献１〜３を含めた従来の投射光学系では、実際の製造工程で生じる誤差については考慮されておらず、特にプラスチックレンズの成型加工の際に発生する屈折率分布については全く考慮されていなかった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、プラスチックレンズの成型加工の際に発生する屈折率分布を考慮した投射光学系、及び前記投射光学系を備えた画像投射装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本投射光学系は、画像形成素子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であって、前記画像形成素子から前記被投射面までの光路上に、光軸を共有する共軸光学系と、1枚の非回転対称な曲面ミラーを有し前記共軸光学系と光軸を共有しない非共軸光学系とが、この順番で配置され、前記共軸光学系は、正屈折力を有する非球面プラスチックレンズである第１レンズと、負屈折力を有する非球面プラスチックレンズである第２レンズと、を有し、前記第１及び第２レンズは、何れもレンズの中心から周辺に向けて屈折率分布を有し、前記第１及び第２レンズの一方は、前記共軸光学系のうち前記曲面ミラーに最も近接して配置されていることを要件とする。
【０００７】
本画像投射装置は、変調信号に応じて画像を形成する前記画像形成素子に、光源からの照明光を照射し、前記画像形成素子に形成された前記画像を、本発明に係る投射光学系により前記被投射面に拡大投射することを要件とする。
【発明の効果】
【０００８】
開示の技術によれば、プラスチックレンズの成型加工の際に発生する屈折率分布を考慮した投射光学系、及び前記投射光学系を備えた画像投射装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式図である。
【図２】第１の実施の形態に係る投射光学系を簡略化して例示する光路図である。
【図３】曲面ミラーについて説明するための図（その１）である。
【図４】曲面ミラーについて説明するための図（その２）である。
【図５】曲面ミラーについて説明するための図（その３）である。
【図６】第１の実施の形態に係る投射光学系を例示する光路図である。
【図７】第１の実施の形態に係るフォーカス調整について説明するための図である。
【図８】フォーカス調整時に発生する画面の歪みについて説明するための図（その１）である。
【図９】フォーカス調整時に発生する画面の歪みについて説明するための図（その２）である。
【図１０】非球面プラスチックレンズの屈折率分布を例示する図である。
【図１１】第２の実施の形態に係る投射光学系を例示する光路図である。
【図１２】第３の実施の形態に係る投射光学系を例示する光路図である。
【図１３】第４の実施の形態に係る投射光学系を例示する光路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。なお、各実施の形態において、スクリーンの長軸方向（横方向）をＸ、短軸方向（縦方向）をＹ、法線方向をＺとする。
【００１１】
〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式図である。図１に示す画像投射装置１０は、大略的には、光源１１から出射された光で画像表示素子１７を照明し、画像表示素子１７の拡大像を投射光学系１８でスクリーン９０に投射する装置である。光源１１としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、ＬＥＤ等を用いることができる。画像表示素子１７としては、例えば、ＤＭＤ、液晶パネル等を用いることができる。
【００１２】
画像投射装置１０について、より具体的に説明する。光源１１から出射された光をリフレクタ１２でインテグレータロッド１３の入口に集光する。インテグレータロッド１３は、例えば、４つのミラーを組み合わせてトンネル状にしたライトパイプである。インテグレータロッド１３の入口に集光された光は、インテグレータロッド１３内のミラー面で反射を繰り返し、インテグレータロッド１３の出口では光量むらが一様な状態となる。インテグレータロッド１３の出口を、光量むらが一様な照明光を出射する面光源として捉え、この面光源の光源像を、例えば、照明用レンズ１４、第１ミラー１５、及び第２ミラー１６を介して画像表示素子１７上に形成する。画像表示素子１７は一様な照度分布で照らされるので、その拡大像であるスクリーン９０に投射された画像も一様な照度分布となる。
【００１３】
画像表示素子１７がＤＭＤである場合には、多数の微小ミラーを備えており、微小ミラーの角度を、例えば、＋１２°〜−１２°まで変えることができる。例えば、微小ミラーの角度が−１２°のときには照明光の微小ミラーでの反射光が投射光学系１８に入り、微小ミラーの角度が＋１２°のときには照明光の反射光が投射光学系１８に入らないように、照明光のＤＭＤに向かう角度を設定すれば，ＤＭＤの各微小ミラーの傾斜角度を制御することで、スクリーン９０上にデジタル画像を形成することができる。
【００１４】
なお、画像形成素子１７を、赤、緑、青等の複数個用いて、それぞれカラーフィルターを透過した照明光を当てて、色合成手段により合成された光を投射光学系１８に入射させることにより、スクリーン９０上にカラー画像を投射することができる。
【００１５】
図２は、第１の実施の形態に係る投射光学系を簡略化して例示する光路図である。図２を参照するに、投射光学系１８は、光軸を共有するレンズ又はレンズ群から構成された共軸光学系１９と、共軸光学系１９と光軸を共有しない非共軸光学系である曲面ミラー２０とを有する。
【００１６】
投射光学系１８において、画像形成素子１７から被投射面であるスクリーン９０までの光路上に、共軸光学系１９と曲面ミラー２０とは、この順番で配置されている。曲面ミラー２０は、1枚の非回転対称な曲面ミラーである。非共軸光学系は、曲面ミラー２０以外の光学素子を含んでも構わない。なお、Ａは、共軸光学系１９の光軸を示している。
【００１７】
投射光学系１８は、共軸光学系１９と非共軸光学系である曲面ミラー２０との間に、画像形成素子１７の中間像（実像）を一度結像し、その中間像を曲面ミラー２０により大きく跳ね上げてスクリーン９０に投射する中間像方式である。共軸光学系１９の具体的な構成については、後述する。なお、以降、曲面ミラー２０として自由曲面ミラーを用いる場合を例に説明する。
【００１８】
ここで、曲面ミラー２０について、更に詳しく説明する。スクリーン９０に対して至近距離で画像を投射するには、通常、画面の見易さのために、プロジェクタ等の画像投射装置よりも上方に画像を作る必要があるので、例えば、図３に示すように、画像表示素子１７の中心を、共軸光学系１９の光軸Ａ上には置かずに偏心して配置する。そして、共軸光学系１９の性能保障範囲を広く取る（すなわち広角レンズにする）ことにより、画像品位を保つ。但し、共軸光学系１９の広角レンズ化には限界があるので、このような共軸光学系１９を使って、よりスクリーン９０近くから画像を投射するには、ミラーを使って光路をかせぐ必要がある。リアプロジェクションテレビではミラーを使って光路をかせぐ方式を取っているが、通常の会議室で使用されるような持ち運びできる画像投射装置にミラーを付属するのは困難であるし、仮に付属したとしても大型のミラーが必要で、場所もコストもかかる。従って、図３に示すような方式は好ましくない。
【００１９】
図３とは異なる例として、曲面ミラーを使って斜め投射を行なう方式がある。斜め投射とは、例えば、図４に示すように、画像表示素子１７や共軸光学系１９をスクリーン９０に対して斜めに配置することにより近距離で投射することである。この方式を取ると、近距離投射は可能であるが、画面が台形状に歪むというデメリットがある。従って、図４に示すような方式も好ましくない。
【００２０】
そこで、本実施の形態では、図３や図４の方式の問題点に鑑みて、図２に示すように光学系を配置し、曲面ミラー２０として自由曲面ミラーを用いることにより、画面の台形状の歪みを効果的に補正している。ここで、自由曲面ミラーとは、例えば、図５に示すように、Ｙ軸に従ってＸ方向の曲率が変化するミラーである。より詳しくは、被投射面であるスクリーン９０の横方向をＸ方向、縦方向をＹ方向としたときに、曲面ミラー２０のＸ方向の曲率は、共軸光学系１９の光軸Ａに近い側の曲面ミラー２０の端部から、共軸光学系１９の光軸Ａから遠い側の曲面ミラー２０の端部に向かってＹ方向の座標毎に大きくなる。
【００２１】
さて、投射光学系１８の機能は、画像形成素子１７の実像をスクリーン９０上に結ぶことである。スクリーン９０上に表示させたい画像のサイズや、画像投射装置１０からスクリーン９０までの距離は、使う人によってまちまちである。スクリーン９０上に画像形成素子１７の実像を形成するには、当然ながらピント（焦点）を合わせなくてはならない。通常のプロジェクタの投射光学系（すなわち共軸の回転対称の光学系）では、投射光学系全体を動かしてピントを合わせる全体繰り出し方式や、レンズの中の１枚（あるいは複数のレンズがセットになった１つのレンズ群）を動かすフォーカス調整方式が採用されている。
【００２２】
本実施の形態に係る投射光学系１８の場合には、画像表示素子１７に最も近いレンズ又はレンズ群は固定して、他の２以上のレンズ又はレンズ群を光軸方向に動かしてピントを合わせるフォーカス調整方式を採用することが最も好ましい。つまり、画像表示素子１７に最も近いレンズ又はレンズ群と画像形成素子１７との間隔は変化しないことが好ましい。理由は、スクリーン９０に対して至近距離から画像の投射を行なったときに発生する画像の歪みを、主には非共軸光学系である凹面ミラー２０で補正しているため、全体繰り出しや１のレンズ又はレンズ群によるフォーカス調整では、歪み補正が不足するからである。
【００２３】
又、画像表示素子１７に最も近いレンズ又はレンズ群を固定した方が、画面サイズごとに明るさが変化しないからである。言い換えれば、画像表示素子１７の反射光を確実にスクリーン９０に届けたい（光利用効率を高めたい）からである。画像表示素子１７寄りのレンズ又はレンズ群が固定されずに光軸方向に動くと、レンズ又はレンズ群の外径枠で蹴られてしまい、反射光は確実にはスクリーン９０に届かない。但し、画像表示素子１７に最も近いレンズ又はレンズ群のレンズ外径が画像表示素子１７の反射光束の径に比べて十分に大きければ問題はない。しかし、レンズ又はレンズ群の径を大きくすることは、省資源の観点や製品の小型化の観点からは好ましくない。
【００２４】
又、製品として想定する投射光学系１８とスクリーン９０間の距離がほとんど一定（例えば、５００ｍｍ±５ｍｍ程度など、使うシーンを限定する）である場合には、全体繰り出し方式や１のレンズ又はレンズ群によるフォーカス調整方式を採用しても問題無い。
【００２５】
そこで、本実施の形態では、投射光学系１８の共軸光学系１９を図６に示すような構成とした。図６は、第１の実施の形態に係る投射光学系を例示する光路図であり、図６では図２の共軸光学系１９をより具体的に示している。図６に示す共軸光学系１９は、画像形成素子１７側から順番に、レンズ１９ａと、レンズ１９ｂと、レンズ１９ｃと、レンズ１９ｄとを有する。共軸光学系１９において、レンズ１９ａは、正屈折力を有するレンズである。レンズ１９ｂは、負屈折力を有するレンズである。レンズ１９ｃは、正屈折力を有するレンズである。レンズ１９ｄは、負屈折力を有するレンズである。但し、レンズ１９ａ〜１９ｄは、それぞれ、複数のレンズから構成されるレンズ群の中の１枚であってもよい。
【００２６】
レンズ１９ａは固定されており、レンズ１９ｂ、１９ｃ、及び１９ｄはＺ方向（光軸Ａの方向）に独立して往復動可能に構成されている。すなわち、共軸光学系１９では、共軸光学系１９内の複数のレンズ（レンズ１９ｂ、１９ｃ、及び１９ｄ）が、Ｚ方向（光軸Ａの方向）にそれぞれ異なる量移動してフォーカス調整を行うフローティングフォーカス方式を採用している。なお、本実施の形態において、曲面ミラー２０は固定されており、フォーカス調整時に移動しない。曲面ミラー２０のような大型で歪曲補正に最も重要な機能を果たす部品を動かすと、共軸光学系１９との位置誤差が大きくなり、歪曲の劣化を招くからである。
【００２７】
図６の状態から、スクリーン９０を曲面ミラー２０側に近づけて画面サイズを小さくし、かつ、フォーカス調整を行なう際には、図７に示すように、レンズ１９ｂ、１９ｃ、及び１９ｄを、固定されているレンズ１９ａから遠ざかるようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かす（但し、動く距離は、それぞれ異なっても良い）。又、スクリーン９０を曲面ミラー２０から遠ざけて画面サイズを大きくし、かつ、フォーカス調整を行なう際には、図７とは反対に、レンズ１９ｂ、１９ｃ、及び１９ｄを、固定されているレンズ１９ａに近づけるようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かす（但し、動く距離は、それぞれ異なっても良い）。
【００２８】
このように、複数のレンズを、それぞれ異なる量移動してフォーカス調整を行うことにより、自由曲面ミラーである曲面ミラー２０を有する光学系特有の異形の歪曲を補正することができる。なお、複数のレンズを動かし、自由曲面ミラーである曲面ミラー２０を固定してフォーカス調整を実施する場合は、必ず３以上のレンズの間隔が変わることになる。
【００２９】
図６において、レンズ１９ｃ及び１９ｄは、それぞれが非球面プラスチックレンズである。曲面ミラー２０として自由曲面ミラーを用い、曲面ミラー２０の近傍に非球面プラスチックレンズであるレンズ１９ｃ及び１９ｄを配置することで、自由曲面光学系独特の画面の歪みを抑えることができる。これについて、以下に説明する。
【００３０】
図６において、非球面レンズを画像表示素子１７近辺に配置しても、どの画角の光束にも同じような非球面効果しか与えないが、非球面レンズは曲面ミラー２０近傍に配置するほど、画角ごとの光が分割されて、画角ごとに異なる非球面効果を与えることができる。これが、自由曲面ミラーである曲面ミラー２０の近傍に非球面レンズを配置する理由である。
【００３１】
このように、非球面レンズの歪曲補正効果は、図６に示すように非球面レンズを自由曲面ミラーである曲面ミラー２０の近傍に置くほど効果が大きいが、その分、非球面レンズの外径が大きくなる。従って、ガラス加工はコスト的にも重量的にも望ましくなく、本願のように、非球面レンズとしては、低コスト及び軽量で金型成型が可能な非球面プラスチックレンズを用いることが好ましい。
【００３２】
このように、自由曲面ミラーである曲面ミラー２０の近傍に非球面レンズを配置することはメリットがあるが、デメリットもある。すなわち、製造上の誤差で、像面湾曲すなわちスクリーン９０の画面位置ごとにピント位置が変わった時に、深度が浅い位置（スクリーン画面上の位置）に、ピント（焦点）を合わせた時に発生する画面の歪み（歪曲）である。
【００３３】
これについて図８及び図９を用いて説明する。なお、図８及び図９は、それぞれ図２及び図３と同一の構成である。例えば、図８の場合、スクリーン９０上の位置Ｂよりも、位置Ｃの方が深度が浅い。ここで、深度とは、スクリーン９０に垂直な方向（Ｚ方向）でピントが合う範囲である。例えば位置ＢではＬの範囲でピントが合うが、位置ＣではＭの範囲でしかピントが合わないので、スクリーン９０に垂直な方向（Ｚ方向）では、スクリーン９０に対する入射角度がきつい位置Ｃの方が深度は浅くなる。
【００３４】
ここで、位置Ｃでは本来Ｍの範囲でピントが合うところを、何らかの製造誤差でＮの範囲でピントが合うようになった場合を考える。この場合は、スクリーン９０の画面全体でピントを合わせるためには、Ｌの範囲は比較的深度が深いので、一例として、図８で点線で示すようなＮの範囲内の所定位置にスクリーン９０を移動する等の方法でピントを合わせることができる。他の例としては、Ｌの範囲とＮの範囲全体をスクリーン９０方向に動かす方法でピントを合わせることもできる。
【００３５】
このように、深度が浅い方に合わせて、本来あるべき画面位置からずれた位置でピントを合わせると、仮にピントは合ったとしても、画面に自由曲面独特の歪みを生じる。なお、図９のように、自由曲面ミラーである曲面ミラー２０を有さない光学系の場合には、同じように本来のＭの範囲の所定位置ではなく、Ｎの範囲の所定位置でピントを合わせたとしても、大きく画面の歪みが変わることはない。
【００３６】
前述のように、自由曲面ミラーや自由曲面ミラー近傍に配置するプラスチックレンズを備えた投射光学系には、製造工程で誤差が生じると像面湾曲が発生し、ピントの補正を行うとスクリーン等の被投射面に投射される画像に補正できない歪みが発生するという問題がある。そして、製造工程で生じる誤差の中で、特に像面湾曲発生の要因となるのが、自由曲面ミラー近傍に配置するプラスチックレンズの成型加工の際に発生する屈折率分布である。これについて、より詳細に説明する。
【００３７】
図１０に、それぞれが非球面プラスチックレンズである凸レンズ５０及び凹レンズ６０の屈折率分布の例を示した。近年ではレーザプリンターやプロジェクタに使われる大型の非球面レンズは、低コストで軽く、非球面形状を容易に得られることから、もっぱらプラスチック成形で製造されている。光学素子のプラスチック成形工程では、熱溶融したプラスチック材料を金型で成形し、金型内で冷却させるが、金型の中心部に比して周辺部の冷却が速く、冷却の速い部分の密度が冷却の遅い部分の密度に対して相対的に高くなる。そのため、プラスチック内部の密度分布が不均一になりあるいは変性を生じ、形成されたレンズの内部で屈折率が不均一となり、屈折率分布が発生する。
【００３８】
プラスチックレンズ内部の屈折率は、通常、レンズ中心部よりもレンズ周辺部が高くなる。これは、前述のように、レンズ成形時に周辺部が中心部よりも早く冷却され、中心部よりも周辺部が相対的に高密度になるからである。よって、図１０に示すような屈折率分布となる。このような分布を持った凹レンズ６０を、例えば図６の最も曲面ミラー２０に近い位置に配置した場合、屈折率が高い位置を通過する光束（画面上方に向かう光）にかかる屈折力が不足し、ピントがスクリーン９０の左側（図８のＮとは逆の方向）に行ってしまうため、像面湾曲を発生する。このように、自由曲面ミラーである曲面ミラー２０の近傍に非球面レンズを配置すると、ピント（焦点）を合わせた時に像面湾曲を発生する。
【００３９】
しかしながら、本実施の形態では、自由曲面ミラーである曲面ミラー２０の近傍に１つの非球面レンズを配置するのではなく、非球面プラスチックレンズであるレンズ１９ｃ及び１９ｄを配置しているため、非球面プラスチックレンズの屈折率分布に起因する像面湾曲を低減できる。
【００４０】
すなわち、レンズ１９ｃ及び１９ｄは、それぞれ図１０に示す凸レンズ５０及び凹レンズ６０と同様の屈折率分布を有している。レンズ１９ｃ及び１９ｄが、例えば図１０に示すように、レンズ中心から周辺に向かって屈折率が高くなるような、同様な屈折率分布を持った場合に、レンズ１９ｃの屈折率がレンズの端で高くなると、図８に示すようにスクリーン位置Ｃでのピント位置が画面手前に動く。
【００４１】
しかし、図１０のようにレンズ１９ｄの屈折率がレンズ１９ｃと同様にレンズの端で高くなると、スクリーン位置Ｃでのピント位置は逆の方向に動く。つまり、レンズ１９ｃ及び１９ｄで、像面湾曲を低減できる。このような効果から、自由曲面ミラーである曲面ミラー２０を有する光学系で歪曲補正の作用が大きい非球面プラスチックレンズは、正屈折力のレンズと負屈折力のレンズのセットで配置することが好ましい。
【００４２】
但し、レンズ１９ｃ及び１９ｄにおいて、レンズ中心の屈折率をＮｉ、レンズ周辺の屈折率をＮｏとしたときに、レンズ中心から周辺に向けての屈折率変化ΔN＝Ｎｏ−Ｎｉの符号が、レンズ１９ｃ及び１９ｄそれぞれで同じであれば、必ずしも図１０に示すように、レンズ中心から周辺に向かって屈折率が高くなるような特性でなくてもよい。屈折率変化ΔN＝Ｎｏ−Ｎｉの符号が、レンズ１９ｃ及び１９ｄそれぞれで同じであれば、屈折率分布の影響をキャンセルできるからである。
【００４３】
なお、レンズ１９ｃのレンズ中心から周辺に向けての屈折率変化をΔＮ1、レンズ１９ｃの中心を通る光線と最周辺を通る光線との距離をＷ１、レンズ１９ｄのレンズ中心から周辺に向けての屈折率変化をΔＮ２、レンズ１９ｄの中心を通る光線と最周辺を通る光線との距離をＷ２、としたときに、（ΔＮ1／Ｗ１）と（ΔＮ２／Ｗ２）は略等しいことが好ましい。又、レンズ１９ｃの焦点距離とレンズ１９ｄの焦点距離とは略等しいことが好ましい。屈折率分布の影響を効果的にキャンセルできるからである。
【００４４】
又、画像形成素子１７で反射される光束は、前述のように曲面ミラー２０に近づくにつれて、画角（スクリーン位置）ごとの光束に分離される。プロジェクタ等である画像投射装置１０で使用する光量は多いので、光束が分離されていない画像形成素子１７寄りのレンズは、外気に比べて高温になりがちである。これに比べて曲面ミラー２０寄りのレンズは温度が上がりにくく、熱膨張や屈折率の変化を起こしにくい。熱に対して、膨張や屈折率の変化に敏感な非球面プラスチックレンズは、この意味でも曲面ミラー２０寄りに配置されていることが好ましい。特に、レンズ１９ｃ及び１９ｄの一方は、共軸光学系１９のうち曲面ミラー２０に最も近接して配置されていることが好ましい。又、レンズ１９ｃ及び１９ｄを隣接して配置することにより、両者は同程度の温度となるため、熱の影響を低減できる。
【００４５】
このように、第１の実施の形態では、正屈折力を有するレンズ１９ｃ及び負屈折力を有するレンズ１９ｄを含む共軸光学系１９と、共軸光学系１９とは光軸を共有しない非共軸光学系である曲面ミラー２０とを含む投射光学系１８を構成する。そして、レンズ１９ｃ及び１９ｄを、何れもレンズ中心から周辺に向けて同様の屈折率分布（例えば、レンズ中心から周辺に向けて屈折率が大きくなる屈折率分布）を有する非球面プラスチックレンズで構成し、レンズ１９ｃ及び１９ｄの何れか一方を、共軸光学系１９のうち曲面ミラー２０に最も近接して配置する。その結果、正屈折力を有するレンズ１９ｃ及び負屈折力を有するレンズ１９ｄがそれぞれの屈折率分布の影響をキャンセルするため、像面湾曲を低減できる。又、非球面プラスチックレンズで構成されたレンズ１９ｃ及び１９ｄを曲面ミラー２０寄りに配置することにより、画像投射装置１０内部の温度上昇による影響を低減できる。
【００４６】
〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、投射光学系１８の共軸光学系２９を図１１に示すような構成とした。すなわち、共軸光学系２９は、共軸光学系１９のレンズ１９ｃ及び１９ｄがレンズ２９ｃ及び２９ｄに置換された光学系である。共軸光学系２９において、レンズ２９ｃは、レンズ１９ｃの一部分（上側の略半分）が除去された正屈折力を有するレンズであり、非球面プラスチックレンズから構成されている。又、レンズ２９ｄは、レンズ１９ｄの一部分（上側の略半分）が除去された負屈折力を有するレンズであり、非球面プラスチックレンズから構成されている。但し、レンズ１９ａ、１９ｂ、２９ｃ、及び２９ｄは、それぞれ、複数のレンズから構成されるレンズ群の中の１枚であってもよい。
【００４７】
レンズ１９ａは固定されており、レンズ１９ｂ、２９ｃ、及び２９ｄはＺ方向（光軸Ａの方向）に独立して往復動可能に構成されている。すなわち、共軸光学系２９では、共軸光学系２９内の複数のレンズ（レンズ１９ｂ、２９ｃ、及び２９ｄ）が、Ｚ方向（光軸Ａの方向）にそれぞれ異なる量移動してフォーカス調整を行うフローティングフォーカス方式を採用している。
【００４８】
図６に示す共軸光学系１９において、曲面ミラー２０寄りに配置されたレンズは回転対象に加工しても、レンズ径の半分程度しか光は通過しない。曲面ミラー２０寄りに配置されたレンズは、画像形成素子１７寄りに配置されたレンズに比べてレンズ外径が大きくなるので、画像投射装置１０の大型化を招く。そこで、図１１に示す共軸光学系２９のように、曲面ミラー２０寄りに配置されたレンズ２９ｃ及び２９ｄは回転対象の形状（レンズ１９ｃ及び１９ｄの形状）から光が通過しない一部分（上側の略半分）を除去した形状とすることが好ましい。これにより、画像投射装置１０の小型化に寄与できる。
【００４９】
レンズ２９ｃ及び２９ｄは、それぞれが非球面プラスチックレンズであるから、金型成型が可能である。そのため、図１１に示すように、回転対象の形状から光が通過しない一部分（上側の略半分）を除去した形状とすることは容易である。レンズ２９ｃ及び２９ｄは、レンズ１９ｃ及び１９ｄと比べて、使用するプラスチック材料が少なくて済むため、省資源や低コスト化に寄与できる。
【００５０】
このように、第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を奏するが、更に以下の効果を奏する。すなわち、曲面ミラー２０寄りに配置されたレンズ２９ｃ及び２９ｄの形状を、回転対象の形状から光が通過しない一部分（上側の略半分）を除去した形状とすることにより、画像投射装置１０の小型化や省資源、低コスト化に寄与できる。
【００５１】
〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、投射光学系１８の共軸光学系３９を図１２に示すような構成とした。すなわち、共軸光学系３９は、共軸光学系１９のレンズ１９ｃ及び１９ｄがレンズ３９ｃ及び３９ｄに置換された光学系である。共軸光学系３９において、レンズ３９ｃは、負屈折力を有するレンズであり、非球面プラスチックレンズから構成されている。又、レンズ３９ｄは、正屈折力を有するレンズであり、非球面プラスチックレンズから構成されている。但し、レンズ１９ａ、１９ｂ、３９ｃ、及び３９ｄは、それぞれ、複数のレンズから構成されるレンズ群の中の１枚であってもよい。
【００５２】
レンズ１９ａは固定されており、レンズ１９ｂ、３９ｃ、及び３９ｄはＺ方向（光軸Ａの方向）に独立して往復動可能に構成されている。すなわち、共軸光学系３９では、共軸光学系３９内の複数のレンズ（レンズ１９ｂ、３９ｃ、及び３９ｄ）が、Ｚ方向（光軸Ａの方向）にそれぞれ異なる量移動してフォーカス調整を行うフローティングフォーカス方式を採用している。
【００５３】
非球面プラスチックレンズから構成された凸レンズと凹レンズは、何れを曲面ミラー２０寄りに配置しても構わない。図６に示す共軸光学系１９では、凹レンズ（レンズ１９ｄ）を曲面ミラー２０寄りに配置したが、図１２に示す共軸光学系３９では、凸レンズ（レンズ３９ｄ）を曲面ミラー２０寄りに配置している。つまり、凸レンズと凹レンズは、光束が分離された位置にそれぞれが配置されていれば、何れを曲面ミラー２０寄りに配置しても同様の効果を奏する。なお、凸レンズと凹レンズとの間にガラスレンズを配置してもよい。凸レンズと凹レンズとの間にガラスレンズを配置しても、凸レンズと凹レンズとが隣接して配置される場合と同様に、像面湾曲を打消す効果を奏する。
【００５４】
このように、第３の実施の形態では、凸レンズ（レンズ３９ｄ）を曲面ミラー２０寄りに配置しても、凹レンズ（レンズ１９ｄ）を曲面ミラー２０寄りに配置した第１の実施の形態と同様の効果を奏する。
【００５５】
〈第４の実施の形態〉
第４の実施の形態では、投射光学系１８の共軸光学系４９を図１３に示すような構成とした。すなわち、共軸光学系４９は、共軸光学系１９のレンズ１９ｃ及び１９ｄがレンズ群４９ｃに置換された光学系である。共軸光学系４９において、レンズ群４９ｃは、レンズ４９ｃ１とレンズ４９ｃ２とを接合して一体化したレンズ群である。但し、レンズ１９ａ及び１９ｂは、それぞれ、複数のレンズから構成されるレンズ群の中の１枚であってもよい。又、レンズ群４９ｃは、レンズ４９ｃ１及びレンズ４９ｃ２以外のレンズを含んでもよい。
【００５６】
レンズ１９ａは固定されており、レンズ１９ｂ及びレンズ群４９ｃはＺ方向（光軸Ａの方向）に独立して往復動可能に構成されている。すなわち、共軸光学系４９では、共軸光学系４９内の複数のレンズ及びレンズ群（レンズ１９ｂ及びレンズ群４９ｃ）が、Ｚ方向（光軸Ａの方向）にそれぞれ異なる量移動してフォーカス調整を行うフローティングフォーカス方式を採用している。
【００５７】
レンズ４９ｃ１は、負屈折力を有するレンズであり、画像形成素子１７側の面を非球面にし、曲面ミラー２０側の面を球面にしたプラスチックレンズから構成されている。又、レンズ４９ｃ２は、正屈折力を有するレンズであり、画像形成素子１７側の面を球面にし、曲面ミラー２０側の面を非球面にしたプラスチックレンズから構成されている。レンズ４９ｃ１の球面とレンズ４９ｃ２の球面とが接合されている。これにより、レンズ４９ｃ１とレンズ４９ｃ２は、画像投射装置１０の強い光束による温度変化の影響を同じように受けるので、温度変化の影響を効率よくキャンセルできる。レンズ４９ｃ１とレンズ４９ｃ２との屈折力の絶対値を近い値に設定すると、温度変化の影響をキャンセルする効果が高くなるため、特に好ましい。
【００５８】
このように、第４の実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を奏するが、更に以下の効果を奏する。すなわち、共軸光学系４９に、画像形成素子１７側の面を非球面にし、曲面ミラー２０側の面を球面にしたプラスチックレンズから構成された負屈折力を有するレンズ４９ｃ１と、画像形成素子１７側の面を球面にし、曲面ミラー２０側の面を非球面にしたプラスチックレンズから構成された正屈折力を有するレンズ４９ｃ２のそれぞれの球面同士を接合したレンズ群４９ｃを配置する。その結果、レンズ群４９ｃが受ける画像投射装置１０の強い光束による温度変化の影響をキャンセルできる。
【００５９】
但し、図１３において、レンズ４９ｃ１を画像形成素子１７側の面を非球面にし、曲面ミラー２０側の面を球面にしたプラスチックレンズから構成された正屈折力を有するレンズとし、レンズ４９ｃ２を画像形成素子１７側の面を球面にし、曲面ミラー２０側の面を非球面にしたプラスチックレンズから構成された負屈折力を有するレンズとし、それぞれの球面同士を接合したレンズ群４９ｃを配置してもよい。
【００６０】
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 画像投射装置
１１ 光源
１２ リフレクタ
１３ インテグレータロッド
１４ 照明用レンズ
１５ 第１ミラー
１６ 第２ミラー
１７ 画像表示素子
１８ 投射光学系
１９、２９、３９、４９ 共軸光学系
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、２９ｃ、２９ｄ、３９ｃ、３９ｄ、４９ｃ、４９ｃ１、４９ｃ２ レンズ
２０ 曲面ミラー
４９ｃ レンズ群
５０ 凸レンズ
６０ 凹レンズ
９０ スクリーン
Ａ 光軸
Ｂ、Ｃ 位置
Ｌ、Ｍ、Ｎ 範囲
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６２】
【特許文献１】特開２００６−２３５５１６号公報
【特許文献２】特許第４２１０３１４号
【特許文献３】特開２００９−１５７２２３号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投射光学系、及び前記投射光学系を有する画像投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像投射装置として広く知られた液晶プロジェクタは、近来、液晶パネルの高解像化、光源ランプの高効率化に伴う明るさの改善、低価格化等が進んでいる。又、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔＡｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）等を利用した小型軽量な画像投射装置が普及し、オフィスや学校のみならず家庭においても広く画像投射装置が利用されつつある。特に、フロントタイプのプロジェクタは携帯性が向上し、数人規模の小会議にも使われている。このような画像投射装置に搭載する投射光学系において、曲面ミラーを備えたものが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、例えば、曲面ミラーとして自由曲面ミラーを採用し、自由曲面ミラー近傍にプラスチックレンズを配置した投射光学系を考える。このような投射光学系では、製造工程で誤差が生じると像面湾曲が発生し、ピントの補正を行うとスクリーン等の被投射面に投射される画像に補正できない歪みが発生するという問題がある。製造工程で生じる誤差の中で、特に像面湾曲発生の要因となるのが、自由曲面ミラー近傍に配置するプラスチックレンズの成型加工の際に発生する屈折率分布である。
【０００４】
しかしながら、特許文献１〜３を含めた従来の投射光学系では、実際の製造工程で生じる誤差については考慮されておらず、特にプラスチックレンズの成型加工の際に発生する屈折率分布については全く考慮されていなかった。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、プラスチックレンズの成型加工の際に発生する屈折率分布を考慮した投射光学系、及び前記投射光学系を備えた画像投射装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本投射光学系は、画像形成素子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であって、前記画像形成素子から前記被投射面までの光路上に、光軸を共有する共軸光学系と、1枚の非回転対称な曲面ミラーを有し前記共軸光学系と光軸を共有しない非共軸光学系とが、この順番で配置され、前記共軸光学系は、正屈折力を有する非球面プラスチックレンズである第１レンズと、負屈折力を有する非球面プラスチックレンズである第２レンズと、を有し、前記第１及び第２レンズは、何れもレンズの中心から周辺に向けて屈折率分布を有し、前記第１及び第２レンズの一方は、前記共軸光学系のうち前記曲面ミラーに最も近接して配置されていることを要件とする。
【０００７】
本画像投射装置は、変調信号に応じて画像を形成する前記画像形成素子に、光源からの照明光を照射し、前記画像形成素子に形成された前記画像を、本発明に係る投射光学系により前記被投射面に拡大投射することを要件とする。
【発明の効果】
【０００８】
開示の技術によれば、プラスチックレンズの成型加工の際に発生する屈折率分布を考慮した投射光学系、及び前記投射光学系を備えた画像投射装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式図である。
【図２】第１の実施の形態に係る投射光学系を簡略化して例示する光路図である。
【図３】曲面ミラーについて説明するための図（その１）である。
【図４】曲面ミラーについて説明するための図（その２）である。
【図５】曲面ミラーについて説明するための図（その３）である。
【図６】第１の実施の形態に係る投射光学系を例示する光路図である。
【図７】第１の実施の形態に係るフォーカス調整について説明するための図である。
【図８】フォーカス調整時に発生する画面の歪みについて説明するための図（その１）である。
【図９】フォーカス調整時に発生する画面の歪みについて説明するための図（その２）である。
【図１０】非球面プラスチックレンズの屈折率分布を例示する図である。
【図１１】第２の実施の形態に係る投射光学系を例示する光路図である。
【図１２】第３の実施の形態に係る投射光学系を例示する光路図である。
【図１３】第４の実施の形態に係る投射光学系を例示する光路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。なお、各実施の形態において、スクリーンの長軸方向（横方向）をＸ、短軸方向（縦方向）をＹ、法線方向をＺとする。
【００１１】
〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式図である。図１に示す画像投射装置１０は、大略的には、光源１１から出射された光で画像表示素子１７を照明し、画像表示素子１７の拡大像を投射光学系１８でスクリーン９０に投射する装置である。光源１１としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、ＬＥＤ等を用いることができる。画像表示素子１７としては、例えば、ＤＭＤ、液晶パネル等を用いることができる。
【００１２】
画像投射装置１０について、より具体的に説明する。光源１１から出射された光をリフレクタ１２でインテグレータロッド１３の入口に集光する。インテグレータロッド１３は、例えば、４つのミラーを組み合わせてトンネル状にしたライトパイプである。インテグレータロッド１３の入口に集光された光は、インテグレータロッド１３内のミラー面で反射を繰り返し、インテグレータロッド１３の出口では光量むらが一様な状態となる。インテグレータロッド１３の出口を、光量むらが一様な照明光を出射する面光源として捉え、この面光源の光源像を、例えば、照明用レンズ１４、第１ミラー１５、及び第２ミラー１６を介して画像表示素子１７上に形成する。画像表示素子１７は一様な照度分布で照らされるので、その拡大像であるスクリーン９０に投射された画像も一様な照度分布となる。
【００１３】
画像表示素子１７がＤＭＤである場合には、多数の微小ミラーを備えており、微小ミラーの角度を、例えば、＋１２°〜−１２°まで変えることができる。例えば、微小ミラーの角度が−１２°のときには照明光の微小ミラーでの反射光が投射光学系１８に入り、微小ミラーの角度が＋１２°のときには照明光の反射光が投射光学系１８に入らないように、照明光のＤＭＤに向かう角度を設定すれば，ＤＭＤの各微小ミラーの傾斜角度を制御することで、スクリーン９０上にデジタル画像を形成することができる。
【００１４】
なお、画像形成素子１７を、赤、緑、青等の複数個用いて、それぞれカラーフィルターを透過した照明光を当てて、色合成手段により合成された光を投射光学系１８に入射させることにより、スクリーン９０上にカラー画像を投射することができる。
【００１５】
図２は、第１の実施の形態に係る投射光学系を簡略化して例示する光路図である。図２を参照するに、投射光学系１８は、光軸を共有するレンズ又はレンズ群から構成された共軸光学系１９と、共軸光学系１９と光軸を共有しない非共軸光学系である曲面ミラー２０とを有する。
【００１６】
投射光学系１８において、画像形成素子１７から被投射面であるスクリーン９０までの光路上に、共軸光学系１９と曲面ミラー２０とは、この順番で配置されている。曲面ミラー２０は、1枚の非回転対称な曲面ミラーである。非共軸光学系は、曲面ミラー２０以外の光学素子を含んでも構わない。なお、Ａは、共軸光学系１９の光軸を示している。
【００１７】
投射光学系１８は、共軸光学系１９と非共軸光学系である曲面ミラー２０との間に、画像形成素子１７の中間像（実像）を一度結像し、その中間像を曲面ミラー２０により大きく跳ね上げてスクリーン９０に投射する中間像方式である。共軸光学系１９の具体的な構成については、後述する。なお、以降、曲面ミラー２０として自由曲面ミラーを用いる場合を例に説明する。
【００１８】
ここで、曲面ミラー２０について、更に詳しく説明する。スクリーン９０に対して至近距離で画像を投射するには、通常、画面の見易さのために、プロジェクタ等の画像投射装置よりも上方に画像を作る必要があるので、例えば、図３に示すように、画像表示素子１７の中心を、共軸光学系１９の光軸Ａ上には置かずに偏心して配置する。そして、共軸光学系１９の性能保障範囲を広く取る（すなわち広角レンズにする）ことにより、画像品位を保つ。但し、共軸光学系１９の広角レンズ化には限界があるので、このような共軸光学系１９を使って、よりスクリーン９０近くから画像を投射するには、ミラーを使って光路をかせぐ必要がある。リアプロジェクションテレビではミラーを使って光路をかせぐ方式を取っているが、通常の会議室で使用されるような持ち運びできる画像投射装置にミラーを付属するのは困難であるし、仮に付属したとしても大型のミラーが必要で、場所もコストもかかる。従って、図３に示すような方式は好ましくない。
【００１９】
図３とは異なる例として、曲面ミラーを使って斜め投射を行なう方式がある。斜め投射とは、例えば、図４に示すように、画像表示素子１７や共軸光学系１９をスクリーン９０に対して斜めに配置することにより近距離で投射することである。この方式を取ると、近距離投射は可能であるが、画面が台形状に歪むというデメリットがある。従って、図４に示すような方式も好ましくない。
【００２０】
そこで、本実施の形態では、図３や図４の方式の問題点に鑑みて、図２に示すように光学系を配置し、曲面ミラー２０として自由曲面ミラーを用いることにより、画面の台形状の歪みを効果的に補正している。ここで、自由曲面ミラーとは、例えば、図５に示すように、Ｙ軸に従ってＸ方向の曲率が変化するミラーである。より詳しくは、被投射面であるスクリーン９０の横方向をＸ方向、縦方向をＹ方向としたときに、曲面ミラー２０のＸ方向の曲率は、共軸光学系１９の光軸Ａに近い側の曲面ミラー２０の端部から、共軸光学系１９の光軸Ａから遠い側の曲面ミラー２０の端部に向かってＹ方向の座標毎に大きくなる。
【００２１】
さて、投射光学系１８の機能は、画像形成素子１７の実像をスクリーン９０上に結ぶことである。スクリーン９０上に表示させたい画像のサイズや、画像投射装置１０からスクリーン９０までの距離は、使う人によってまちまちである。スクリーン９０上に画像形成素子１７の実像を形成するには、当然ながらピント（焦点）を合わせなくてはならない。通常のプロジェクタの投射光学系（すなわち共軸の回転対称の光学系）では、投射光学系全体を動かしてピントを合わせる全体繰り出し方式や、レンズの中の１枚（あるいは複数のレンズがセットになった１つのレンズ群）を動かすフォーカス調整方式が採用されている。
【００２２】
本実施の形態に係る投射光学系１８の場合には、画像表示素子１７に最も近いレンズ又はレンズ群は固定して、他の２以上のレンズ又はレンズ群を光軸方向に動かしてピントを合わせるフォーカス調整方式を採用することが最も好ましい。つまり、画像表示素子１７に最も近いレンズ又はレンズ群と画像形成素子１７との間隔は変化しないことが好ましい。理由は、スクリーン９０に対して至近距離から画像の投射を行なったときに発生する画像の歪みを、主には非共軸光学系である凹面ミラー２０で補正しているため、全体繰り出しや１のレンズ又はレンズ群によるフォーカス調整では、歪み補正が不足するからである。
【００２３】
又、画像表示素子１７に最も近いレンズ又はレンズ群を固定した方が、画面サイズごとに明るさが変化しないからである。言い換えれば、画像表示素子１７の反射光を確実にスクリーン９０に届けたい（光利用効率を高めたい）からである。画像表示素子１７寄りのレンズ又はレンズ群が固定されずに光軸方向に動くと、レンズ又はレンズ群の外径枠で蹴られてしまい、反射光は確実にはスクリーン９０に届かない。但し、画像表示素子１７に最も近いレンズ又はレンズ群のレンズ外径が画像表示素子１７の反射光束の径に比べて十分に大きければ問題はない。しかし、レンズ又はレンズ群の径を大きくすることは、省資源の観点や製品の小型化の観点からは好ましくない。
【００２４】
又、製品として想定する投射光学系１８とスクリーン９０間の距離がほとんど一定（例えば、５００ｍｍ±５ｍｍ程度など、使うシーンを限定する）である場合には、全体繰り出し方式や１のレンズ又はレンズ群によるフォーカス調整方式を採用しても問題無い。
【００２５】
そこで、本実施の形態では、投射光学系１８の共軸光学系１９を図６に示すような構成とした。図６は、第１の実施の形態に係る投射光学系を例示する光路図であり、図６では図２の共軸光学系１９をより具体的に示している。図６に示す共軸光学系１９は、画像形成素子１７側から順番に、レンズ１９ａと、レンズ１９ｂと、レンズ１９ｃと、レンズ１９ｄとを有する。共軸光学系１９において、レンズ１９ａは、正屈折力を有するレンズである。レンズ１９ｂは、負屈折力を有するレンズである。レンズ１９ｃは、正屈折力を有するレンズである。レンズ１９ｄは、負屈折力を有するレンズである。但し、レンズ１９ａ〜１９ｄは、それぞれ、複数のレンズから構成されるレンズ群の中の１枚であってもよい。
【００２６】
レンズ１９ａは固定されており、レンズ１９ｂ、１９ｃ、及び１９ｄはＺ方向（光軸Ａの方向）に独立して往復動可能に構成されている。すなわち、共軸光学系１９では、共軸光学系１９内の複数のレンズ（レンズ１９ｂ、１９ｃ、及び１９ｄ）が、Ｚ方向（光軸Ａの方向）にそれぞれ異なる量移動してフォーカス調整を行うフローティングフォーカス方式を採用している。なお、本実施の形態において、曲面ミラー２０は固定されており、フォーカス調整時に移動しない。曲面ミラー２０のような大型で歪曲補正に最も重要な機能を果たす部品を動かすと、共軸光学系１９との位置誤差が大きくなり、歪曲の劣化を招くからである。
【００２７】
図６の状態から、スクリーン９０を曲面ミラー２０側に近づけて画面サイズを小さくし、かつ、フォーカス調整を行なう際には、図７に示すように、レンズ１９ｂ、１９ｃ、及び１９ｄを、固定されているレンズ１９ａから遠ざかるようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かす（但し、動く距離は、それぞれ異なっても良い）。又、スクリーン９０を曲面ミラー２０から遠ざけて画面サイズを大きくし、かつ、フォーカス調整を行なう際には、図７とは反対に、レンズ１９ｂ、１９ｃ、及び１９ｄを、固定されているレンズ１９ａに近づけるようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かす（但し、動く距離は、それぞれ異なっても良い）。
【００２８】
このように、複数のレンズを、それぞれ異なる量移動してフォーカス調整を行うことにより、自由曲面ミラーである曲面ミラー２０を有する光学系特有の異形の歪曲を補正することができる。なお、複数のレンズを動かし、自由曲面ミラーである曲面ミラー２０を固定してフォーカス調整を実施する場合は、必ず３以上のレンズの間隔が変わることになる。
【００２９】
図６において、レンズ１９ｃ及び１９ｄは、それぞれが非球面プラスチックレンズである。曲面ミラー２０として自由曲面ミラーを用い、曲面ミラー２０の近傍に非球面プラスチックレンズであるレンズ１９ｃ及び１９ｄを配置することで、自由曲面光学系独特の画面の歪みを抑えることができる。これについて、以下に説明する。
【００３０】
図６において、非球面レンズを画像表示素子１７近辺に配置しても、どの画角の光束にも同じような非球面効果しか与えないが、非球面レンズは曲面ミラー２０近傍に配置するほど、画角ごとの光が分割されて、画角ごとに異なる非球面効果を与えることができる。これが、自由曲面ミラーである曲面ミラー２０の近傍に非球面レンズを配置する理由である。
【００３１】
このように、非球面レンズの歪曲補正効果は、図６に示すように非球面レンズを自由曲面ミラーである曲面ミラー２０の近傍に置くほど効果が大きいが、その分、非球面レンズの外径が大きくなる。従って、ガラス加工はコスト的にも重量的にも望ましくなく、本願のように、非球面レンズとしては、低コスト及び軽量で金型成型が可能な非球面プラスチックレンズを用いることが好ましい。
【００３２】
このように、自由曲面ミラーである曲面ミラー２０の近傍に非球面レンズを配置することはメリットがあるが、デメリットもある。すなわち、製造上の誤差で、像面湾曲すなわちスクリーン９０の画面位置ごとにピント位置が変わった時に、深度が浅い位置（スクリーン画面上の位置）に、ピント（焦点）を合わせた時に発生する画面の歪み（歪曲）である。
【００３３】
これについて図８及び図９を用いて説明する。なお、図８及び図９は、それぞれ図２及び図３と同一の構成である。例えば、図８の場合、スクリーン９０上の位置Ｂよりも、位置Ｃの方が深度が浅い。ここで、深度とは、スクリーン９０に垂直な方向（Ｚ方向）でピントが合う範囲である。例えば位置ＢではＬの範囲でピントが合うが、位置ＣではＭの範囲でしかピントが合わないので、スクリーン９０に垂直な方向（Ｚ方向）では、スクリーン９０に対する入射角度がきつい位置Ｃの方が深度は浅くなる。
【００３４】
ここで、位置Ｃでは本来Ｍの範囲でピントが合うところを、何らかの製造誤差でＮの範囲でピントが合うようになった場合を考える。この場合は、スクリーン９０の画面全体でピントを合わせるためには、Ｌの範囲は比較的深度が深いので、一例として、図８で点線で示すようなＮの範囲内の所定位置にスクリーン９０を移動する等の方法でピントを合わせることができる。他の例としては、Ｌの範囲とＮの範囲全体をスクリーン９０方向に動かす方法でピントを合わせることもできる。
【００３５】
このように、深度が浅い方に合わせて、本来あるべき画面位置からずれた位置でピントを合わせると、仮にピントは合ったとしても、画面に自由曲面独特の歪みを生じる。なお、図９のように、自由曲面ミラーである曲面ミラー２０を有さない光学系の場合には、同じように本来のＭの範囲の所定位置ではなく、Ｎの範囲の所定位置でピントを合わせたとしても、大きく画面の歪みが変わることはない。
【００３６】
前述のように、自由曲面ミラーや自由曲面ミラー近傍に配置するプラスチックレンズを備えた投射光学系には、製造工程で誤差が生じると像面湾曲が発生し、ピントの補正を行うとスクリーン等の被投射面に投射される画像に補正できない歪みが発生するという問題がある。そして、製造工程で生じる誤差の中で、特に像面湾曲発生の要因となるのが、自由曲面ミラー近傍に配置するプラスチックレンズの成型加工の際に発生する屈折率分布である。これについて、より詳細に説明する。
【００３７】
図１０に、それぞれが非球面プラスチックレンズである凸レンズ５０及び凹レンズ６０の屈折率分布の例を示した。近年ではレーザプリンターやプロジェクタに使われる大型の非球面レンズは、低コストで軽く、非球面形状を容易に得られることから、もっぱらプラスチック成形で製造されている。光学素子のプラスチック成形工程では、熱溶融したプラスチック材料を金型で成形し、金型内で冷却させるが、金型の中心部に比して周辺部の冷却が速く、冷却の速い部分の密度が冷却の遅い部分の密度に対して相対的に高くなる。そのため、プラスチック内部の密度分布が不均一になりあるいは変性を生じ、形成されたレンズの内部で屈折率が不均一となり、屈折率分布が発生する。
【００３８】
プラスチックレンズ内部の屈折率は、通常、レンズ中心部よりもレンズ周辺部が高くなる。これは、前述のように、レンズ成形時に周辺部が中心部よりも早く冷却され、中心部よりも周辺部が相対的に高密度になるからである。よって、図１０に示すような屈折率分布となる。このような分布を持った凹レンズ６０を、例えば図６の最も曲面ミラー２０に近い位置に配置した場合、屈折率が高い位置を通過する光束（画面上方に向かう光）にかかる屈折力が不足し、ピントがスクリーン９０の左側（図８のＮとは逆の方向）に行ってしまうため、像面湾曲を発生する。このように、自由曲面ミラーである曲面ミラー２０の近傍に非球面レンズを配置すると、ピント（焦点）を合わせた時に像面湾曲を発生する。
【００３９】
しかしながら、本実施の形態では、自由曲面ミラーである曲面ミラー２０の近傍に１つの非球面レンズを配置するのではなく、非球面プラスチックレンズであるレンズ１９ｃ及び１９ｄを配置しているため、非球面プラスチックレンズの屈折率分布に起因する像面湾曲を低減できる。
【００４０】
すなわち、レンズ１９ｃ及び１９ｄは、それぞれ図１０に示す凸レンズ５０及び凹レンズ６０と同様の屈折率分布を有している。レンズ１９ｃ及び１９ｄが、例えば図１０に示すように、レンズ中心から周辺に向かって屈折率が高くなるような、同様な屈折率分布を持った場合に、レンズ１９ｃの屈折率がレンズの端で高くなると、図８に示すようにスクリーン位置Ｃでのピント位置が画面手前に動く。
【００４１】
しかし、図１０のようにレンズ１９ｄの屈折率がレンズ１９ｃと同様にレンズの端で高くなると、スクリーン位置Ｃでのピント位置は逆の方向に動く。つまり、レンズ１９ｃ及び１９ｄで、像面湾曲を低減できる。このような効果から、自由曲面ミラーである曲面ミラー２０を有する光学系で歪曲補正の作用が大きい非球面プラスチックレンズは、正屈折力のレンズと負屈折力のレンズのセットで配置することが好ましい。
【００４２】
但し、レンズ１９ｃ及び１９ｄにおいて、レンズ中心の屈折率をＮｉ、レンズ周辺の屈折率をＮｏとしたときに、レンズ中心から周辺に向けての屈折率変化ΔN＝Ｎｏ−Ｎｉの符号が、レンズ１９ｃ及び１９ｄそれぞれで同じであれば、必ずしも図１０に示すように、レンズ中心から周辺に向かって屈折率が高くなるような特性でなくてもよい。屈折率変化ΔN＝Ｎｏ−Ｎｉの符号が、レンズ１９ｃ及び１９ｄそれぞれで同じであれば、屈折率分布の影響をキャンセルできるからである。
【００４３】
なお、レンズ１９ｃのレンズ中心から周辺に向けての屈折率変化をΔＮ1、レンズ１９ｃの中心を通る光線と最周辺を通る光線との距離をＷ１、レンズ１９ｄのレンズ中心から周辺に向けての屈折率変化をΔＮ２、レンズ１９ｄの中心を通る光線と最周辺を通る光線との距離をＷ２、としたときに、（ΔＮ1／Ｗ１）と（ΔＮ２／Ｗ２）は略等しいことが好ましい。又、レンズ１９ｃの焦点距離とレンズ１９ｄの焦点距離とは略等しいことが好ましい。屈折率分布の影響を効果的にキャンセルできるからである。
【００４４】
又、画像形成素子１７で反射される光束は、前述のように曲面ミラー２０に近づくにつれて、画角（スクリーン位置）ごとの光束に分離される。プロジェクタ等である画像投射装置１０で使用する光量は多いので、光束が分離されていない画像形成素子１７寄りのレンズは、外気に比べて高温になりがちである。これに比べて曲面ミラー２０寄りのレンズは温度が上がりにくく、熱膨張や屈折率の変化を起こしにくい。熱に対して、膨張や屈折率の変化に敏感な非球面プラスチックレンズは、この意味でも曲面ミラー２０寄りに配置されていることが好ましい。特に、レンズ１９ｃ及び１９ｄの一方は、共軸光学系１９のうち曲面ミラー２０に最も近接して配置されていることが好ましい。又、レンズ１９ｃ及び１９ｄを隣接して配置することにより、両者は同程度の温度となるため、熱の影響を低減できる。
【００４５】
このように、第１の実施の形態では、正屈折力を有するレンズ１９ｃ及び負屈折力を有するレンズ１９ｄを含む共軸光学系１９と、共軸光学系１９とは光軸を共有しない非共軸光学系である曲面ミラー２０とを含む投射光学系１８を構成する。そして、レンズ１９ｃ及び１９ｄを、何れもレンズ中心から周辺に向けて同様の屈折率分布（例えば、レンズ中心から周辺に向けて屈折率が大きくなる屈折率分布）を有する非球面プラスチックレンズで構成し、レンズ１９ｃ及び１９ｄの何れか一方を、共軸光学系１９のうち曲面ミラー２０に最も近接して配置する。その結果、正屈折力を有するレンズ１９ｃ及び負屈折力を有するレンズ１９ｄがそれぞれの屈折率分布の影響をキャンセルするため、像面湾曲を低減できる。又、非球面プラスチックレンズで構成されたレンズ１９ｃ及び１９ｄを曲面ミラー２０寄りに配置することにより、画像投射装置１０内部の温度上昇による影響を低減できる。
【００４６】
〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、投射光学系１８の共軸光学系２９を図１１に示すような構成とした。すなわち、共軸光学系２９は、共軸光学系１９のレンズ１９ｃ及び１９ｄがレンズ２９ｃ及び２９ｄに置換された光学系である。共軸光学系２９において、レンズ２９ｃは、レンズ１９ｃの一部分（上側の略半分）が除去された正屈折力を有するレンズであり、非球面プラスチックレンズから構成されている。又、レンズ２９ｄは、レンズ１９ｄの一部分（上側の略半分）が除去された負屈折力を有するレンズであり、非球面プラスチックレンズから構成されている。但し、レンズ１９ａ、１９ｂ、２９ｃ、及び２９ｄは、それぞれ、複数のレンズから構成されるレンズ群の中の１枚であってもよい。
【００４７】
レンズ１９ａは固定されており、レンズ１９ｂ、２９ｃ、及び２９ｄはＺ方向（光軸Ａの方向）に独立して往復動可能に構成されている。すなわち、共軸光学系２９では、共軸光学系２９内の複数のレンズ（レンズ１９ｂ、２９ｃ、及び２９ｄ）が、Ｚ方向（光軸Ａの方向）にそれぞれ異なる量移動してフォーカス調整を行うフローティングフォーカス方式を採用している。
【００４８】
図６に示す共軸光学系１９において、曲面ミラー２０寄りに配置されたレンズは回転対象に加工しても、レンズ径の半分程度しか光は通過しない。曲面ミラー２０寄りに配置されたレンズは、画像形成素子１７寄りに配置されたレンズに比べてレンズ外径が大きくなるので、画像投射装置１０の大型化を招く。そこで、図１１に示す共軸光学系２９のように、曲面ミラー２０寄りに配置されたレンズ２９ｃ及び２９ｄは回転対象の形状（レンズ１９ｃ及び１９ｄの形状）から光が通過しない一部分（上側の略半分）を除去した形状とすることが好ましい。これにより、画像投射装置１０の小型化に寄与できる。
【００４９】
レンズ２９ｃ及び２９ｄは、それぞれが非球面プラスチックレンズであるから、金型成型が可能である。そのため、図１１に示すように、回転対象の形状から光が通過しない一部分（上側の略半分）を除去した形状とすることは容易である。レンズ２９ｃ及び２９ｄは、レンズ１９ｃ及び１９ｄと比べて、使用するプラスチック材料が少なくて済むため、省資源や低コスト化に寄与できる。
【００５０】
このように、第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を奏するが、更に以下の効果を奏する。すなわち、曲面ミラー２０寄りに配置されたレンズ２９ｃ及び２９ｄの形状を、回転対象の形状から光が通過しない一部分（上側の略半分）を除去した形状とすることにより、画像投射装置１０の小型化や省資源、低コスト化に寄与できる。
【００５１】
〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、投射光学系１８の共軸光学系３９を図１２に示すような構成とした。すなわち、共軸光学系３９は、共軸光学系１９のレンズ１９ｃ及び１９ｄがレンズ３９ｃ及び３９ｄに置換された光学系である。共軸光学系３９において、レンズ３９ｃは、負屈折力を有するレンズであり、非球面プラスチックレンズから構成されている。又、レンズ３９ｄは、正屈折力を有するレンズであり、非球面プラスチックレンズから構成されている。但し、レンズ１９ａ、１９ｂ、３９ｃ、及び３９ｄは、それぞれ、複数のレンズから構成されるレンズ群の中の１枚であってもよい。
【００５２】
レンズ１９ａは固定されており、レンズ１９ｂ、３９ｃ、及び３９ｄはＺ方向（光軸Ａの方向）に独立して往復動可能に構成されている。すなわち、共軸光学系３９では、共軸光学系３９内の複数のレンズ（レンズ１９ｂ、３９ｃ、及び３９ｄ）が、Ｚ方向（光軸Ａの方向）にそれぞれ異なる量移動してフォーカス調整を行うフローティングフォーカス方式を採用している。
【００５３】
非球面プラスチックレンズから構成された凸レンズと凹レンズは、何れを曲面ミラー２０寄りに配置しても構わない。図６に示す共軸光学系１９では、凹レンズ（レンズ１９ｄ）を曲面ミラー２０寄りに配置したが、図１２に示す共軸光学系３９では、凸レンズ（レンズ３９ｄ）を曲面ミラー２０寄りに配置している。つまり、凸レンズと凹レンズは、光束が分離された位置にそれぞれが配置されていれば、何れを曲面ミラー２０寄りに配置しても同様の効果を奏する。なお、凸レンズと凹レンズとの間にガラスレンズを配置してもよい。凸レンズと凹レンズとの間にガラスレンズを配置しても、凸レンズと凹レンズとが隣接して配置される場合と同様に、像面湾曲を打消す効果を奏する。
【００５４】
このように、第３の実施の形態では、凸レンズ（レンズ３９ｄ）を曲面ミラー２０寄りに配置しても、凹レンズ（レンズ１９ｄ）を曲面ミラー２０寄りに配置した第１の実施の形態と同様の効果を奏する。
【００５５】
〈第４の実施の形態〉
第４の実施の形態では、投射光学系１８の共軸光学系４９を図１３に示すような構成とした。すなわち、共軸光学系４９は、共軸光学系１９のレンズ１９ｃ及び１９ｄがレンズ群４９ｃに置換された光学系である。共軸光学系４９において、レンズ群４９ｃは、レンズ４９ｃ１とレンズ４９ｃ２とを接合して一体化したレンズ群である。但し、レンズ１９ａ及び１９ｂは、それぞれ、複数のレンズから構成されるレンズ群の中の１枚であってもよい。又、レンズ群４９ｃは、レンズ４９ｃ１及びレンズ４９ｃ２以外のレンズを含んでもよい。
【００５６】
レンズ１９ａは固定されており、レンズ１９ｂ及びレンズ群４９ｃはＺ方向（光軸Ａの方向）に独立して往復動可能に構成されている。すなわち、共軸光学系４９では、共軸光学系４９内の複数のレンズ及びレンズ群（レンズ１９ｂ及びレンズ群４９ｃ）が、Ｚ方向（光軸Ａの方向）にそれぞれ異なる量移動してフォーカス調整を行うフローティングフォーカス方式を採用している。
【００５７】
レンズ４９ｃ１は、負屈折力を有するレンズであり、画像形成素子１７側の面を非球面にし、曲面ミラー２０側の面を球面にしたプラスチックレンズから構成されている。又、レンズ４９ｃ２は、正屈折力を有するレンズであり、画像形成素子１７側の面を球面にし、曲面ミラー２０側の面を非球面にしたプラスチックレンズから構成されている。レンズ４９ｃ１の球面とレンズ４９ｃ２の球面とが接合されている。これにより、レンズ４９ｃ１とレンズ４９ｃ２は、画像投射装置１０の強い光束による温度変化の影響を同じように受けるので、温度変化の影響を効率よくキャンセルできる。レンズ４９ｃ１とレンズ４９ｃ２との屈折力の絶対値を近い値に設定すると、温度変化の影響をキャンセルする効果が高くなるため、特に好ましい。
【００５８】
このように、第４の実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を奏するが、更に以下の効果を奏する。すなわち、共軸光学系４９に、画像形成素子１７側の面を非球面にし、曲面ミラー２０側の面を球面にしたプラスチックレンズから構成された負屈折力を有するレンズ４９ｃ１と、画像形成素子１７側の面を球面にし、曲面ミラー２０側の面を非球面にしたプラスチックレンズから構成された正屈折力を有するレンズ４９ｃ２のそれぞれの球面同士を接合したレンズ群４９ｃを配置する。その結果、レンズ群４９ｃが受ける画像投射装置１０の強い光束による温度変化の影響をキャンセルできる。
【００５９】
但し、図１３において、レンズ４９ｃ１を画像形成素子１７側の面を非球面にし、曲面ミラー２０側の面を球面にしたプラスチックレンズから構成された正屈折力を有するレンズとし、レンズ４９ｃ２を画像形成素子１７側の面を球面にし、曲面ミラー２０側の面を非球面にしたプラスチックレンズから構成された負屈折力を有するレンズとし、それぞれの球面同士を接合したレンズ群４９ｃを配置してもよい。
【００６０】
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１０ 画像投射装置
１１ 光源
１２ リフレクタ
１３ インテグレータロッド
１４ 照明用レンズ
１５ 第１ミラー
１６ 第２ミラー
１７ 画像表示素子
１８ 投射光学系
１９、２９、３９、４９ 共軸光学系
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、２９ｃ、２９ｄ、３９ｃ、３９ｄ、４９ｃ、４９ｃ１、４９ｃ２ レンズ
２０ 曲面ミラー
４９ｃ レンズ群
５０ 凸レンズ
６０ 凹レンズ
９０ スクリーン
Ａ 光軸
Ｂ、Ｃ 位置
Ｌ、Ｍ、Ｎ 範囲
【先行技術文献】
【特許文献】
【００６２】
【特許文献１】特開２００６−２３５５１６号公報
【特許文献２】特許第４２１０３１４号
【特許文献３】特開２００９−１５７２２３号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像形成素子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であって、
前記画像形成素子から前記被投射面までの光路上に、光軸を共有する共軸光学系と、1枚の非回転対称な曲面ミラーを有し前記共軸光学系と光軸を共有しない非共軸光学系とが、この順番で配置され、
前記共軸光学系は、正屈折力を有する非球面プラスチックである第１レンズと、負屈折力を有する非球面プラスチックレンズである第２レンズと、を有し、
前記第１及び第２レンズは、何れもレンズの中心から周辺に向けて屈折率分布を有し、
前記第１及び第２レンズの一方は、前記共軸光学系のうち前記曲面ミラーに最も近接して配置されていることを特徴とする投射光学系。
【請求項２】
前記第１及び第２レンズにおいて、
レンズ中心の屈折率をＮｉ、レンズ周辺の屈折率をＮｏとしたときに、レンズ中心から周辺に向けての屈折率変化ΔN＝Ｎｏ−Ｎｉの符号は、前記第１及び第２レンズそれぞれで同じであることを特徴とする請求項１記載の投射光学系。
【請求項３】
前記第１及び第２レンズは、前記被投射面への焦点を調整するために前記光軸方向に独立して往復動可能に構成されており、
前記第１及び第２レンズ並びに前記曲面ミラーを含む光学素子のうち、前記投射光学系内の３以上の光学素子の間隔を変えることにより前記被投射面への焦点を調整することを特徴とする請求項１又は２記載の投射光学系。
【請求項４】
前記曲面ミラーは自由曲面ミラーであり、前記被投射面の横方向をＸ方向、前記被投射面の縦方向をＹ方向としたときに、前記曲面ミラーの前記Ｘ方向の曲率は、前記共軸光学系の光軸に近い側の前記曲面ミラーの端部から、前記共軸光学系の光軸から遠い側の前記曲面ミラーの端部に向かって前記Ｙ方向の座標毎に大きくなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の投射光学系。
【請求項５】
前記第１レンズのレンズ中心から周辺に向けての屈折率変化をΔＮ1、前記第１レンズの中心を通る光線と最周辺を通る光線との距離をＷ１、前記第２レンズのレンズ中心から周辺に向けての屈折率変化をΔＮ２、前記第２レンズの中心を通る光線と最周辺を通る光線との距離をＷ２、としたときに、（ΔＮ1／Ｗ１）と（ΔＮ２／Ｗ２）は略等しいことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項記載の投射光学系。
【請求項６】
前記第１レンズの焦点距離と前記第２レンズの焦点距離とは略等しいことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項記載の投射光学系。
【請求項７】
前記第１及び第２レンズは、隣接して配置されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項記載の投射光学系。
【請求項８】
前記第１及び第２レンズの一方又は双方は、回転対象の形状から光が通過しない一部分を除去した形状を有することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項記載の投射光学系。
【請求項９】
前記第１及び第２レンズに代えて、前記画像形成素子側の面が非球面であり前記曲面ミラー側の面が球面である正又は負屈折力を有するレンズと、前記画像形成素子側の面が球面であり前記曲面ミラー側の面が非球面である負又は正屈折力を有するレンズの、それぞれの前記球面同士を接合したレンズ群を備えていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項記載の投射光学系。
【請求項１０】
変調信号に応じて画像を形成する前記画像形成素子に、光源からの照明光を照射し、前記画像形成素子に形成された前記画像を、請求項１乃至９の何れか一項記載の投射光学系により前記被投射面に拡大投射する画像投射装置。
【請求項１１】
前記投射光学系は、前記共軸光学系と前記非共軸光学系との間に、前記画像形成素子の実像を作る中間像方式であることを特徴とする請求項１０記載の画像表示装置。
【請求項１２】
前記画像形成素子に最も近接して配置されているレンズは、前記画像形成素子との間隔が変化しないことを特徴とする請求項１０又は１１記載の画像表示装置。
【請求項１】
画像形成素子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であって、
前記画像形成素子から前記被投射面までの光路上に、光軸を共有する共軸光学系と、1枚の非回転対称な曲面ミラーを有し前記共軸光学系と光軸を共有しない非共軸光学系とが、この順番で配置され、
前記共軸光学系は、正屈折力を有する非球面プラスチックである第１レンズと、負屈折力を有する非球面プラスチックレンズである第２レンズと、を有し、
前記第１及び第２レンズは、何れもレンズの中心から周辺に向けて屈折率分布を有し、
前記第１及び第２レンズの一方は、前記共軸光学系のうち前記曲面ミラーに最も近接して配置されていることを特徴とする投射光学系。
【請求項２】
前記第１及び第２レンズにおいて、
レンズ中心の屈折率をＮｉ、レンズ周辺の屈折率をＮｏとしたときに、レンズ中心から周辺に向けての屈折率変化ΔN＝Ｎｏ−Ｎｉの符号は、前記第１及び第２レンズそれぞれで同じであることを特徴とする請求項１記載の投射光学系。
【請求項３】
前記第１及び第２レンズは、前記被投射面への焦点を調整するために前記光軸方向に独立して往復動可能に構成されており、
前記第１及び第２レンズ並びに前記曲面ミラーを含む光学素子のうち、前記投射光学系内の３以上の光学素子の間隔を変えることにより前記被投射面への焦点を調整することを特徴とする請求項１又は２記載の投射光学系。
【請求項４】
前記曲面ミラーは自由曲面ミラーであり、前記被投射面の横方向をＸ方向、前記被投射面の縦方向をＹ方向としたときに、前記曲面ミラーの前記Ｘ方向の曲率は、前記共軸光学系の光軸に近い側の前記曲面ミラーの端部から、前記共軸光学系の光軸から遠い側の前記曲面ミラーの端部に向かって前記Ｙ方向の座標毎に大きくなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の投射光学系。
【請求項５】
前記第１レンズのレンズ中心から周辺に向けての屈折率変化をΔＮ1、前記第１レンズの中心を通る光線と最周辺を通る光線との距離をＷ１、前記第２レンズのレンズ中心から周辺に向けての屈折率変化をΔＮ２、前記第２レンズの中心を通る光線と最周辺を通る光線との距離をＷ２、としたときに、（ΔＮ1／Ｗ１）と（ΔＮ２／Ｗ２）は略等しいことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項記載の投射光学系。
【請求項６】
前記第１レンズの焦点距離と前記第２レンズの焦点距離とは略等しいことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項記載の投射光学系。
【請求項７】
前記第１及び第２レンズは、隣接して配置されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項記載の投射光学系。
【請求項８】
前記第１及び第２レンズの一方又は双方は、回転対象の形状から光が通過しない一部分を除去した形状を有することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項記載の投射光学系。
【請求項９】
前記第１及び第２レンズに代えて、前記画像形成素子側の面が非球面であり前記曲面ミラー側の面が球面である正又は負屈折力を有するレンズと、前記画像形成素子側の面が球面であり前記曲面ミラー側の面が非球面である負又は正屈折力を有するレンズの、それぞれの前記球面同士を接合したレンズ群を備えていることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項記載の投射光学系。
【請求項１０】
変調信号に応じて画像を形成する前記画像形成素子に、光源からの照明光を照射し、前記画像形成素子に形成された前記画像を、請求項１乃至９の何れか一項記載の投射光学系により前記被投射面に拡大投射する画像投射装置。
【請求項１１】
前記投射光学系は、前記共軸光学系と前記非共軸光学系との間に、前記画像形成素子の実像を作る中間像方式であることを特徴とする請求項１０記載の画像表示装置。
【請求項１２】
前記画像形成素子に最も近接して配置されているレンズは、前記画像形成素子との間隔が変化しないことを特徴とする請求項１０又は１１記載の画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１３７６２２（Ｐ２０１２−１３７６２２Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９００６８（Ｐ２０１０−２９００６８）
【出願日】平成２２年１２月２７日（２０１０．１２．２７）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２７日（２０１０．１２．２７）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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