投射型表示装置
【課題】
映像表示素子の画像を拡大してテーブルなどの略水平な面上に投射して画像表示を行うことが可能な投射型表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
光源の光軸と、光軸に対して対称に配置された複数のレンズ素子を有するレンズ群の光軸が略垂直となるように、光源からの光を反射する反射ミラーを配置する。
映像表示素子の画像を拡大してテーブルなどの略水平な面上に投射して画像表示を行うことが可能な投射型表示装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
光源の光軸と、光軸に対して対称に配置された複数のレンズ素子を有するレンズ群の光軸が略垂直となるように、光源からの光を反射する反射ミラーを配置する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、映像表示素子の画像を、略垂直な面に拡大投射して画像表示を可能とし、また、机上などの略水平な面上に対しても拡大投射して画像表示を可能とした投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開平５−１３４２１３号公報に記載されているように、投射画像を投射光学系の光軸に対して垂直方向にシフトすると共に、投射光学系の光軸に対して所定の角度傾けて配置された付加光学系とを用いて、映像をスクリーンに対して斜め方向に拡大投射する投射型表示装置が知られている。なお、ここで言う付加光学系（アフォーカルコンバータ）とは、投射画像の大きさを変換する作用を有する光学系であり、スクリーンに対する斜め方向からの投射に伴う投射画像の歪を補正・低減して長方形の投射画像を得るためのものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１３４２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の投射型表示装置の使用形態のほとんどは、図１３に示すように、壁面１９などの略垂直な面にスクリーン等（図示せず）を設置し、壁面１９から離れた位置の台２０などの上に投射型表示装置１０１を配置し、該スクリーンに投射画像５を投射していた。以下、図１３のような投射型表示装置１０１の設置状態を略水平置きという。
【０００５】
上記のような使用状態に加えて、近年は、テーブルなどの略水平な面に投射したいという要望が増えている。
【０００６】
図１２は、従来の投射型表示装置１０１を用いて、テーブル１４等の略水平な面に映像を投射した状態を示す図である。図１２（ａ）に示すように、従来の投射型表示装置１０１を固定部材１６により、天井１５に投射方向が下になるように固定し、テーブル１４に投射画像５を表示している。すなわち、投射型表示装置１０１は、天井１５に固定しなければならない。しかし、図１２（ａ）のように、テーブルなどの略水平な面に投射する用途ばかりではない。当然、図１３のように、壁面などの略垂直な面に投射する用途もある。従って、使用状況に応じて投射型表示装置１０１を天井１５への取り付け・取り外しという作業が発生し、使い勝手が良くない。
【０００７】
また、図１２（ｂ）のように投射型表示装置１０１をテーブル１４上に配置し、上向きに投射し、その投射光路の途中に折り返しミラー１７を配置（固定部材１８によりテーブル１４に固定）し、投射光路を折り曲げてテーブル１４上に投射する方法がある。この方法の場合、投射型表示装置１０１は固定する必要は無く、また、テーブル１４上にあるため、この状態から、投射型表示装置１０１の投射方向を変えて配置させるだけで、簡単に図１３のように壁面などの略垂直な面に投射することができる。以下、図１２（ａ）、（ｂ）のような投射型表示装置の設置状態を略垂直置きという。
【０００８】
しかし、特開平５−１３４２１３号公報に記載の投射光学ユニットは、投射面側に配置された付加光学系（アフォーカルコンバータ）を偏心させており、広角化が困難である。そのため、必要な倍率の投射映像を得るためには、投射装置から投射面までの距離（以降、投射距離という）が長くなってしまう。すなわち、特開平５−１３４２１３号公報に記載の投射光学ユニットで図１２（ｂ）のように投射させた場合、必要な倍率の投射映像を得るためには、折り返しミラー１７を上方に配置しなければならない。また、折り返しミラー１７は、テーブル１４などの略水平面上に投射する場合にのみ必要なものであり、使用状況に応じて、設置・撤去することになり、使い勝手が良くない。仮に広角化が実現できたとしても、折り返しミラー１７が大きく投射画像５側（図中左方向）にせり出す形となるため、投射型表示装置１０１の投射画像５と反対側にいる人からは、この折り返しミラー１７が邪魔になって投射画像５を見ることができないという問題も発生する。
【０００９】
本発明は、上記した課題に鑑みて成されたもので、映像表示素子の画像を拡大してテーブルなどの略水平な面上に投射して画像表示を行うことが可能な投射型表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一面は、光源の光軸と、光軸に対して対称に配置された複数のレンズ素子を有するレンズ群の光軸が略垂直となるように、光源からの光を反射する反射ミラーを配置する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、広角で投射面（スクリーン）までの距離を最小限にして、歪みや収差を抑えて映像を投射することが可能となり、性能が良好で、かつ、便利で使い勝手にも優れた投射型表示装置を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１の投射型表示装置の全体図である。
【図２】実施例１の投射型表示装置の投射光学ユニットの断面図である。
【図３】実施例１の投射型表示装置を略垂直な面に投射した状態の全体を示す図である。
【図４】図２の投射光学ユニットにおけるレンズ配置の一例を示す斜視図である。
【図５】投射光学ユニットのレンズ面を説明するための断面図である。
【図６】投射光学ユニットの光軸を説明するための断面図である。
【図７】実施例１の図１とは異なる投射型表示装置の全体図である。
【図８】図７の投射型表示装置における投射光学ユニットのレンズ配置の一例を示す斜視図である。
【図９】図７の投射型表示装置を略垂直な面に投射した状態の全体図である。
【図１０】実施例１の投射型表示装置における光路を示すＹＺ断面図である。
【図１１】実施例１の投射型表示装置における光路を示すＸＺ断面図である。
【図１２】従来の投射型表示装置において略水平面に投射した状態を示す図である。
【図１３】従来の投射型表示装置において略垂直面に投射した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施例について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
図１は、実施例１の投射型表示装置を示す斜視図である。この図において、投射型表示装置１００は略箱型の筐体を持ち、その内部には、例えば、外部から入力される画像又は映像を表示する映像表示素子１と、高輝度の白色光を発生するランプなどの光源８とを備えており、光源８から出射した光は、反射ミラー９（第１の反射部）で約９０度方向を変え、映像表示素子１に照射される。そして、映像表示素子１で変調された光学像を拡大して照射するための投射光学ユニットが搭載されている。投射光学ユニットはプリズム（図示せず）と前方レンズ群（第１のレンズ群）２と後方レンズ群（第２のレンズ群）３とを含む２つのレンズ群とで形成された透過（レンズ）光学系、そして、回転対称でない（即ち、非回転対称）の自由曲面形状の反射面を有する反射鏡（以下、自由曲面ミラーと言う）４を含む反射光学系とで形成される。自由曲面ミラー４（第２の反射部）で反射した光は、テーブル１４上に結像され、投射画像５として表示される。すなわち、投射型表示装置１００の載置面（テーブル１４の上面）と同一面に投射画像５が表示されることになる。
【００１５】
図２は、実施例１の投射型表示装置の投射光学ユニットを示す図である。なお、図２は、図１のＸ方向から見た断面（ＹＺ断面）を示している。上記したように、投射光学ユニットは、光源８からの光を入射して所望の映像を出射する映像表示素子１、プリズム１０、前方レンズ群２と後方レンズ群３とを含む２つのレンズ群とで形成される透過（レンズ）光学系と、自由曲面ミラー４を含む反射光学系を有する。
【００１６】
映像表示素子１として、例えば、液晶パネルに代表される透過型のものを採用した例を示しているが、反射型の映像表示素子を用いてもよい。また、映像表示素子１として、３板式のように、Ｒ、Ｇ、Ｂの複数の画像を合成する方式でもよく、その場合には、映像合成用のプリズム等が必要となる。
【００１７】
以上、説明した投射光学ユニットでは、映像表示素子１からプリズム１０を介して出射した光は、まず、レンズ光学系である前方レンズ群２に入射される。なお、後にもその詳細を説明するが、この前方レンズ群２は、回転対称な面形状を有する正のパワー及び負のパワーを有する複数の屈折レンズを含んでいる。その後、この前方レンズ群２から出射した光は、少なくとも一方の面が回転対称でない（回転非対称の）自由曲面の形状を有する複数（実施例１では２枚）のレンズを含めた複数のレンズで形成される後方レンズ群３を通過する。そして、この後方レンズ群３から出射した光は、更に、自由曲面ミラー４を含む反射光学系で拡大反射された後、所定の投射画像５として、テーブル１４（図示せず）上に投射される。
【００１８】
なお、実施例１では、図２からも明らかなように、上述した背景技術のように投影画面（表示素子）を投影系の光軸に対して垂直方向にシフトし、更には、投影系の光軸に対して所定の角度傾けて付加光学系を配置する光学系とは異なり、映像表示素子１は、その表示画面の中央がレンズ光学系の略光軸上に位置するように配置されている（即ち、共軸光学系を形成している）。従って、映像表示素子１の表示画面の中央から出てレンズ光学系の入射瞳の中央を通って投射画像５上の画面中央に向かう光線１１は、ほぼ、レンズ光学系（前方レンズ群２と後方レンズ群３を含む）の光軸に沿って進む（以下、これを「画面中央光線」という）。その後、この画面中央光線１１は、自由曲面ミラー４の反射面上の点Ｐ２で反射した後、投射画像５上の画面中央の点Ｐ５に、投射面の法線７に対して−Ｙ方向（左方向）から斜めに入射する。この角度を以下、「斜め入射角度」と称し、θｓで表わすこととする。このことは、即ち、レンズ光学系の光軸に沿って通過した光線が投射面に対して斜めに入射していることで、実質的にレンズ光学系の光軸が投射面に対して斜めに設けられている（斜め入射系となる）ことを意味することとなる。
【００１９】
なお、上述したように、投射面に対して光線を斜めに入射すると、映像表示素子１から投射された長方形の形状が台形になる、所謂、台形歪を含め、その他にも、光軸に対して回転対称でないことによる種々の収差が生じることとなる。しかし、実施例１では、これらをレンズ光学系の後方レンズ群３により補正するものである。そして、反射光学系である自由曲面ミラーにおいては、広角化による倍率色収差が発生しないというメリットがある。
【００２０】
特に、映像表示素子１から出射された光線を、自由曲面ミラー４の反射面で反射して、投射画像５上に斜めに入射することによれば、レンズにより得られる光の偏心量（偏向角）に比較し、より大きな偏心量（偏向角）が得られ、また、収差も生じ難くいことから、装置の大型化を抑え、且つ、広画角化を図ることが可能となる。即ち、前方レンズ群２と後方レンズ群３を含むレンズ光学系を、上述した背景技術の付加光学系（アフォーカルコンバータ）を偏心させて台形歪み抑えるものと比較して、より口径の小さな光学系とすることが可能となる。
【００２１】
また、反射光学系を形成する反射鏡４の反射面に入射する光を、上述したように、レンズ光学系により所定の大きさまで拡大して投射するため、その製造が容易となる。即ち、レンズ光学系を反射光学系とは個別に製造し、その後、装置筐体内において、これら両者の位置を固定調整することにより、特に、量産に適したものとなる。
【００２２】
また、上記のように、台形歪等を補正するための後方レンズ群３を、前方レンズ群２の前方に配置すれば、この後方レンズ群３と前方レンズ群２との間の間隔を小さくして配置することが可能となるため、投射光学ユニットを搭載する装置を全体的にコンパクト化することができる。
【００２３】
このように、自由曲面形状を有する透過型のレンズ光学系と、自由曲面形状を有する反射光学系とを組み合わせることによれば、強く要求される広画角化を、確実かつ比較的容易に実現し、かつ、装置全体を小さくしたコンパクトな投射型表示装置として実現することが可能となる。
【００２４】
図３は、実施例１の投射型表示装置１００を略水平置きとし、壁面１９等の略垂直な面に投射画像５を表示させた状態である。このように、投射型表示装置１００の設置方法を変更するだけで、テーブル等の略水平な面と壁面等の略垂直な面の両方に投射画像を表示させることが可能となる。
【００２５】
図１のように、略水平な面に投射する場合、図中左方向（＋Ｙ方向）から視聴する場合が多い。従って、投射画面５の下は、人物１５０の映像で示すように、＋Ｙ方向となる。一方、図３のように略垂直な面に投射する場合は、投射画面５の下は、人物１５０の映像で示すように、図中下方向（−Ｙ方向）である。このように、投射面により投射される画像の上下方向が異なるため、そのままでは、一方の状態で上下逆さまの映像となってしまう。この場合、映像表示素子１上において、上下左右を反転させて表示させる必要がある。これらの映像（光学像）の反転は、反転部（図示せず）により使用者が使用状況に応じて切り替えてもよいが、装置内に重力センサなどを配置し、装置の設置状態を検出する検出部（図示せず）により検出し、自動的に切り替えても良い。上記においては、上下と左右の両方を反転させたが、上下のみの反転でもよい。
【００２６】
このとき、光源８と映像表示素子１の間に反射ミラー９を配置することにより、光源８の光軸８ｃと後方レンズ３の光軸３ｃが略垂直になるようにしている。光源８としては、一般的には、高圧水銀ランプ、ハロゲンランプ、キセノンランプ、ＬＥＤ、レーザ光源等のランプを用いることが多い。例えば、高圧水銀ランプを用いた場合、光源８の光軸の方向が重力に対して水平方向又は垂直方向の何れか一方となるように使用することにより、ランプが長寿命となるように設計されている。すなわち、長寿命となるように設計された向きとは異なる向きで使用した場合、寿命が短くなるという問題がある。実施例１の投射型表示装置１０１においては、光源８の光軸８ｃと後方レンズ群３の光軸３ｃが略垂直になるようにすることにより、略垂直置き（図１）、略水平置き（図３）のどちらの状態で設置しても、光源８の光軸８ｃは略水平となるようし、長寿命化を図っている。
【００２７】
図４、図５は、投射型表示装置の投射光学ユニットのレンズ光学系及び反射光学系を含む光学素子を示す図である。ここで、図４の座標軸のＸは、図１、図２のＸと同一であり、前方レンズ群２と後方レンズ群３の光軸をＺ’軸とし、Ｘ、Ｚ’に垂直な軸をＹ’軸とする。後述するが、Ｚ’軸は図１、図２のＺ軸とは異なる。図５は、図４のＹ’Ｚ’断面（図５（ａ））及びそのＸＺ’断面（図５（ｂ））をそれぞれ示している。
【００２８】
これらの図にも示されるように、レンズ光学系では、映像表示素子１からプリズム１０を介して出射される映像は、まず、回転対称形状を有する複数のレンズを含む前方レンズ群２に入射される。上述したように、前方レンズ群２は、回転対称の球面レンズと非球面レンズとを含んでいる。
【００２９】
また、後方レンズ群３は、少なくとも２つの自由曲面レンズにより形成されている。これらの図にも示すように、反射鏡４の反射面Ｓ２３に最も近い自由曲面レンズ３１は、その光の出射方向に凹部を向けており、かつ、投射面の−Ｙ´側端（図４において下側）に入射する光線が通過する部分の曲率が、投射面の＋Ｙ´側端（図４において上側）に入射する光線が通過する部分の曲率よりも大きく設定されている。即ち、自由曲面レンズとは、その光の出射方向に凹部を向けて湾曲されており、かつ、投射面の−Ｙ´側端に入射する光線が通過する部分の曲率が、投射面の＋Ｙ´側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。
【００３０】
また、実施例１では、次の条件を満たすように形成されている。即ち、図２に示す断面内において、映像表示素子１の画面左端から出射されて前方レンズ群２の入射瞳の中央を通り、投射画像５の画面右端の点Ｐ６に入射する光線を光線１２とする。この光線１２が自由曲面ミラー４を通過する点Ｐ３から投射面上の点Ｐ６に至るまでの光路長をＬ１とする。また、映像表示素子１の画面右端から出射されて前方レンズ群２の入射瞳の中央を通り、投射面の画面左端の点Ｐ４に入射する光線を光線１３とする。この光線１３が自由曲面ミラー４を通過する点Ｐ１から投射面上の点Ｐ４にまで至る光路長をＬ２とする。そして、上述した投射光学ユニットでは、Ｌ１、Ｌ２が次の式を満足するように形成されている。
【００３１】
【数１】
【００３２】
但し、Ｄｖは、図２の断面内での投射面上の画面の大きさであり、言い換えると、投射面上の画面右端の点Ｐ６から画面左端の点Ｐ４までの距離である。また、θｓは斜め入射角度である。
【００３３】
一方、映像表示素子１は、その表示画面の中央を前記レンズ光学系の光軸上に位置するように配置されているが、或いは、図６にも示すように、表示画面の法線はレンズ光学系の光軸に対して僅かに傾けて配置することが望ましい。
【００３４】
なお、図２を見ると、前述したように、点Ｐ３から点Ｐ６に到る光路長は、点Ｐ１から点Ｐ４に到る光路長よりも長い。これは、レンズ光学系から見て、投射面上の像点Ｐ６が像点Ｐ４よりも遠くにあることを意味している。そこで、投射面上の像点Ｐ６に対応する物点（表示画面左の点）がよりレンズ光学系に近い点に、また、像点Ｐ４に対応する物点がよりレンズ光学系から遠い点にあれば、像面の傾きを補正できる。そのためには、図６にも示すように、映像表示素子１の表示画面中央の法線ベクトルを、投射画像５の法線と画面中央光線を含む平面内において、レンズ光学系の光軸に対して僅かに傾けるようにすることが好ましい。そして、その傾斜の方向は、投射画像５が位置する方向と反対方向とすることが好ましい。
【００３５】
なお、光軸に対して傾いた像平面を得るのに物平面を傾ける方法は知られているが、実用的な大きさの画角では、物平面の傾きによる像面は、光軸に対して非対称な変形を生じ、回転対称な投射レンズでは補正が困難であった。実施例１では、後方レンズ群３において、回転非対称の自由曲面レンズ３１を、更には、自由曲面レンズ３２を用いているため、非対称な像面の変形に対応することができる。このため、物平面を傾けること、すなわち映像表示素子の表示面を傾けることで、低次の像面の歪を大きく低減できることから、自由曲面による収差補正を補助する上で効果的である。
【００３６】
次に、各光学要素の作用については、レンズ光学系ではその前方レンズ群２（レンズ２１〜２５）が、映像表示素子１の表示画面を投射画像５上に投射するための主レンズを形成しており、回転対称な光学系における基本的な収差を補正する。また、レンズ光学系の後方レンズ群３（レンズ３１〜３４）は回転対称でない（回転非対称）自由曲面形状を有するレンズで形成されている。更に、反射光学系４は、回転対称でない自由曲面形状を有する反射面であるため、主として、斜め入射によって生じる収差の補正を行う。このように、反射光学系をなすミラー４が主として台形歪を補正し、他方、レンズ光学系の後方レンズ群３が主として像面の歪みなどの非対称な収差の補正を行う。
【００３７】
以上のように、実施例１では、反射光学系は回転対称でない自由曲面形状を有する１枚の反射面（ミラー）４で形成され、レンズ光学系の後方レンズ群３は、両面共に回転非対称な自由曲面形状を有する２枚の透過型レンズを（反射ミラー４側のレンズ３１及び３２）含んでいる。なお、ここで、自由曲面ミラー４は、その反射方向に凸部を向けるように湾曲されている。そして、自由曲面ミラー４の投射面の装置側端に入射する光線を反射する部分の曲率は、投射面の反装置側端に入射する光線を反射する部分の曲率よりも大きく設定されている。また、投射面の装置側端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に対し凸形状を為し、他方、投射面の反装置側端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に凹形状を為すようにしてもよい。
【００３８】
反射光学系の反射面（ミラー）４における座標原点と、前方レンズ群２のうち最も反射面（ミラー）４に近いレンズ面との間の光軸方向での距離は、前方レンズ群２の焦点距離の５倍、又は、それ以上に設定することが望ましい。これによれば、反射光学系の自由曲面形状を有する反射面により、台形歪収差をより効果的に補正し、もって、良好な性能を得ることができる。
【００３９】
図７、図８、図９は前方レンズ群２と後方レンズ群３の間に折り返しミラー３５を配置した場合の投射型表示装置の説明図である。
【００４０】
図に示すように、折り返しミラー３５（第１の反射部）により、前方レンズ群２の光軸と後方レンズ群３の光軸は略９０°となっている。この場合、映像表示素子１と光源８との間に反射ミラーを配置しなくても、光源８の光軸８ｃと後方ミラー群３の光軸３ｃは略垂直となる。作用、効果等は上記と変わらないため、ここでは、説明を省略する。
【００４１】
次に、実施例１の具体的な数値例について説明する。
【００４２】
まず、図１０及び図１１、更には、以下の表１〜表４を用いて、上記に説明した実施例１である投射光学ユニットの詳細を、特に、そのレンズ光学系及び反射光学系を含む光学素子の具体的な数値を示しながら説明する。なお、これらの図は、第１の数値例に基づく実施例１の光学系の光線図を示している。即ち、図１０は、図１のＸＹＺ直交座標系におけるＹＺ断面、図１１はＸＺ断面を示している。なお、図１１では、その詳細構造を図７及び図８に示すように、レンズ光学系を形成するレンズ光学系の前方レンズ群２と後方レンズ群３との途中に折り曲げミラー３５を設置し、光路をＸ軸方向に一度折り曲げている例を示している。
【００４３】
図１０の左側に表示した映像表示素子１から出射した光は、複数のレンズを含むレンズ光学系のうち、まず回転対称形状の面のみを有するレンズのみで形成された前方レンズ群２を通過する。そして、回転非対称の自由曲面レンズを含む後方レンズ群３を通り、反射光学系である自由曲面ミラー４の反射面で反射される。その反射された光は、その後投射画像５に入射される。
【００４４】
ここで、レンズ光学系の前方レンズ群２は、全て、回転対称な形状の屈折面を持つ複数のレンズで形成されており、これらレンズの屈折面のうち４つは回転対称な非球面であり、他は球面である。なお、ここに用いられた回転対称な非球面は、各面毎のローカルな円筒座標系を用いて、次の式で表される。
【００４５】
【数２】
【００４６】
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。
【００４７】
一方、レンズ光学系の後方レンズ群３である自由曲面は、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される。
【００４８】
【数３】
【００４９】
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。
【００５０】
次に、表１は、実施例１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５に示された符号Ｓ０〜Ｓ２３にそれぞれ対応している。ここで、符号Ｓ０は映像表示素子１の表示面、すなわち物面を示しており、Ｓ２３は自由曲面ミラー５の反射面を示している。また、符号Ｓ２４は、これらの図では示されていないが、図２の投射画像５の入射面、すなわち、像面を示している。
【００５１】
【表１】
【００５２】
また、表１において、「Ｒｄ」は各面の曲率半径であり、図５において面の左側に曲率の中心がある場合は正の値で、逆の場合は負の値で表わしている。また、表１において、「ＴＨ」は面間距離であり、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。そのレンズ面に対して、次のレンズ面が図の中で左側にある時には面間距離は正の値、右側にある場合は負の値で表している。
【００５３】
更に、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以下の表２に示している。
【００５４】
【表２】
【００５５】
また、表１においてＳ１９からＳ２２は、レンズ光学系の後方レンズ群を形成する自由曲面形状を有する屈折面であり、Ｓ２３は反射光学系の自由曲面Ｓ２３形状を有する反射面であって、面の番号の横に＃を付けて表示した。これら５つの自由曲面の形状を表す係数の値を以下の表３に示す。
【００５６】
【表３】
【００５７】
また、本数値例おいて、図６に示すように、映像表示素子１の表示画面である物面をレンズ光学系の光軸に対して−１．１６３度傾けている。なお、傾斜の方向は、図６の断面内で物面の法線が時計回りに回転する方向を正の値で表わすことにする。従って、本数値例では、物面を図６の断面内で、レンズ光学系の光軸に垂直な位置から反時計回り方向に１．１６３度傾けていることになる。
【００５８】
また、図５又は図６中の符号Ｓ２３で示す自由曲面ミラー４は、そのローカル座標の原点をレンズ光学系の光軸上に置き、ローカル座標の原点での法線、すなわち、Ｚ軸を、レンズ光学系の光軸と平行な位置から約＋２９度だけ傾斜して配置している。なお、この傾きの方向は、物面と同様に、図５又は図６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、映像表示素子１の画面中央から出て、ほぼ、前記レンズ光学系の光軸に沿って進んできた画面中央光線は、Ｓ２３で反射した後、前記レンズ光学系の光軸に対して前記傾き角度の２倍の５８度だけ傾いた方向に進む（図の矢印を参照）。
【００５９】
更に、本数値例における、各面のローカル座標系の傾き又は偏心の様子を表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５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５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５の断面において下側への偏心を正とする。なお、以降に説明する実施例においても、光学要素の傾きや偏心は、表示した断面に平行な断面内での方向で設定される。
【００６０】
【表４】
【００６１】
なお、表１、表３を見ると、本数値例では、曲率「ｃ」とコーニック係数「ｋ」が零（０）となっていることがわかる。即ち、斜め入射による台形歪は、斜め入射の方向に極端に大きく発生し、これと垂直な方向での歪量は小さい。従って、斜め入射の方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる機能が必要であり、回転対称で全方向に機能する曲率「ｃ」やコーニック係数「ｋ」を利用しないことにより、非対称な収差を良好に補正することが可能となる。
【００６２】
また、表４において、面Ｓ２３の「ＡＤＥ」は、図２に示すθｍと同じであり、投射画像５の面上での「ＡＤＥ」は、図２に示すように、θｓである。
【符号の説明】
【００６３】
１ 映像表示素子、２ 前方レンズ群、３ 後方レンズ群、４ 自由曲面ミラー、５ 投射画像、８ 光源、１００、１０１ 投射型表示装置、１５０ 人物。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、映像表示素子の画像を、略垂直な面に拡大投射して画像表示を可能とし、また、机上などの略水平な面上に対しても拡大投射して画像表示を可能とした投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開平５−１３４２１３号公報に記載されているように、投射画像を投射光学系の光軸に対して垂直方向にシフトすると共に、投射光学系の光軸に対して所定の角度傾けて配置された付加光学系とを用いて、映像をスクリーンに対して斜め方向に拡大投射する投射型表示装置が知られている。なお、ここで言う付加光学系（アフォーカルコンバータ）とは、投射画像の大きさを変換する作用を有する光学系であり、スクリーンに対する斜め方向からの投射に伴う投射画像の歪を補正・低減して長方形の投射画像を得るためのものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−１３４２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の投射型表示装置の使用形態のほとんどは、図１３に示すように、壁面１９などの略垂直な面にスクリーン等（図示せず）を設置し、壁面１９から離れた位置の台２０などの上に投射型表示装置１０１を配置し、該スクリーンに投射画像５を投射していた。以下、図１３のような投射型表示装置１０１の設置状態を略水平置きという。
【０００５】
上記のような使用状態に加えて、近年は、テーブルなどの略水平な面に投射したいという要望が増えている。
【０００６】
図１２は、従来の投射型表示装置１０１を用いて、テーブル１４等の略水平な面に映像を投射した状態を示す図である。図１２（ａ）に示すように、従来の投射型表示装置１０１を固定部材１６により、天井１５に投射方向が下になるように固定し、テーブル１４に投射画像５を表示している。すなわち、投射型表示装置１０１は、天井１５に固定しなければならない。しかし、図１２（ａ）のように、テーブルなどの略水平な面に投射する用途ばかりではない。当然、図１３のように、壁面などの略垂直な面に投射する用途もある。従って、使用状況に応じて投射型表示装置１０１を天井１５への取り付け・取り外しという作業が発生し、使い勝手が良くない。
【０００７】
また、図１２（ｂ）のように投射型表示装置１０１をテーブル１４上に配置し、上向きに投射し、その投射光路の途中に折り返しミラー１７を配置（固定部材１８によりテーブル１４に固定）し、投射光路を折り曲げてテーブル１４上に投射する方法がある。この方法の場合、投射型表示装置１０１は固定する必要は無く、また、テーブル１４上にあるため、この状態から、投射型表示装置１０１の投射方向を変えて配置させるだけで、簡単に図１３のように壁面などの略垂直な面に投射することができる。以下、図１２（ａ）、（ｂ）のような投射型表示装置の設置状態を略垂直置きという。
【０００８】
しかし、特開平５−１３４２１３号公報に記載の投射光学ユニットは、投射面側に配置された付加光学系（アフォーカルコンバータ）を偏心させており、広角化が困難である。そのため、必要な倍率の投射映像を得るためには、投射装置から投射面までの距離（以降、投射距離という）が長くなってしまう。すなわち、特開平５−１３４２１３号公報に記載の投射光学ユニットで図１２（ｂ）のように投射させた場合、必要な倍率の投射映像を得るためには、折り返しミラー１７を上方に配置しなければならない。また、折り返しミラー１７は、テーブル１４などの略水平面上に投射する場合にのみ必要なものであり、使用状況に応じて、設置・撤去することになり、使い勝手が良くない。仮に広角化が実現できたとしても、折り返しミラー１７が大きく投射画像５側（図中左方向）にせり出す形となるため、投射型表示装置１０１の投射画像５と反対側にいる人からは、この折り返しミラー１７が邪魔になって投射画像５を見ることができないという問題も発生する。
【０００９】
本発明は、上記した課題に鑑みて成されたもので、映像表示素子の画像を拡大してテーブルなどの略水平な面上に投射して画像表示を行うことが可能な投射型表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一面は、光源の光軸と、光軸に対して対称に配置された複数のレンズ素子を有するレンズ群の光軸が略垂直となるように、光源からの光を反射する反射ミラーを配置する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、広角で投射面（スクリーン）までの距離を最小限にして、歪みや収差を抑えて映像を投射することが可能となり、性能が良好で、かつ、便利で使い勝手にも優れた投射型表示装置を実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１の投射型表示装置の全体図である。
【図２】実施例１の投射型表示装置の投射光学ユニットの断面図である。
【図３】実施例１の投射型表示装置を略垂直な面に投射した状態の全体を示す図である。
【図４】図２の投射光学ユニットにおけるレンズ配置の一例を示す斜視図である。
【図５】投射光学ユニットのレンズ面を説明するための断面図である。
【図６】投射光学ユニットの光軸を説明するための断面図である。
【図７】実施例１の図１とは異なる投射型表示装置の全体図である。
【図８】図７の投射型表示装置における投射光学ユニットのレンズ配置の一例を示す斜視図である。
【図９】図７の投射型表示装置を略垂直な面に投射した状態の全体図である。
【図１０】実施例１の投射型表示装置における光路を示すＹＺ断面図である。
【図１１】実施例１の投射型表示装置における光路を示すＸＺ断面図である。
【図１２】従来の投射型表示装置において略水平面に投射した状態を示す図である。
【図１３】従来の投射型表示装置において略垂直面に投射した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施例について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
図１は、実施例１の投射型表示装置を示す斜視図である。この図において、投射型表示装置１００は略箱型の筐体を持ち、その内部には、例えば、外部から入力される画像又は映像を表示する映像表示素子１と、高輝度の白色光を発生するランプなどの光源８とを備えており、光源８から出射した光は、反射ミラー９（第１の反射部）で約９０度方向を変え、映像表示素子１に照射される。そして、映像表示素子１で変調された光学像を拡大して照射するための投射光学ユニットが搭載されている。投射光学ユニットはプリズム（図示せず）と前方レンズ群（第１のレンズ群）２と後方レンズ群（第２のレンズ群）３とを含む２つのレンズ群とで形成された透過（レンズ）光学系、そして、回転対称でない（即ち、非回転対称）の自由曲面形状の反射面を有する反射鏡（以下、自由曲面ミラーと言う）４を含む反射光学系とで形成される。自由曲面ミラー４（第２の反射部）で反射した光は、テーブル１４上に結像され、投射画像５として表示される。すなわち、投射型表示装置１００の載置面（テーブル１４の上面）と同一面に投射画像５が表示されることになる。
【００１５】
図２は、実施例１の投射型表示装置の投射光学ユニットを示す図である。なお、図２は、図１のＸ方向から見た断面（ＹＺ断面）を示している。上記したように、投射光学ユニットは、光源８からの光を入射して所望の映像を出射する映像表示素子１、プリズム１０、前方レンズ群２と後方レンズ群３とを含む２つのレンズ群とで形成される透過（レンズ）光学系と、自由曲面ミラー４を含む反射光学系を有する。
【００１６】
映像表示素子１として、例えば、液晶パネルに代表される透過型のものを採用した例を示しているが、反射型の映像表示素子を用いてもよい。また、映像表示素子１として、３板式のように、Ｒ、Ｇ、Ｂの複数の画像を合成する方式でもよく、その場合には、映像合成用のプリズム等が必要となる。
【００１７】
以上、説明した投射光学ユニットでは、映像表示素子１からプリズム１０を介して出射した光は、まず、レンズ光学系である前方レンズ群２に入射される。なお、後にもその詳細を説明するが、この前方レンズ群２は、回転対称な面形状を有する正のパワー及び負のパワーを有する複数の屈折レンズを含んでいる。その後、この前方レンズ群２から出射した光は、少なくとも一方の面が回転対称でない（回転非対称の）自由曲面の形状を有する複数（実施例１では２枚）のレンズを含めた複数のレンズで形成される後方レンズ群３を通過する。そして、この後方レンズ群３から出射した光は、更に、自由曲面ミラー４を含む反射光学系で拡大反射された後、所定の投射画像５として、テーブル１４（図示せず）上に投射される。
【００１８】
なお、実施例１では、図２からも明らかなように、上述した背景技術のように投影画面（表示素子）を投影系の光軸に対して垂直方向にシフトし、更には、投影系の光軸に対して所定の角度傾けて付加光学系を配置する光学系とは異なり、映像表示素子１は、その表示画面の中央がレンズ光学系の略光軸上に位置するように配置されている（即ち、共軸光学系を形成している）。従って、映像表示素子１の表示画面の中央から出てレンズ光学系の入射瞳の中央を通って投射画像５上の画面中央に向かう光線１１は、ほぼ、レンズ光学系（前方レンズ群２と後方レンズ群３を含む）の光軸に沿って進む（以下、これを「画面中央光線」という）。その後、この画面中央光線１１は、自由曲面ミラー４の反射面上の点Ｐ２で反射した後、投射画像５上の画面中央の点Ｐ５に、投射面の法線７に対して−Ｙ方向（左方向）から斜めに入射する。この角度を以下、「斜め入射角度」と称し、θｓで表わすこととする。このことは、即ち、レンズ光学系の光軸に沿って通過した光線が投射面に対して斜めに入射していることで、実質的にレンズ光学系の光軸が投射面に対して斜めに設けられている（斜め入射系となる）ことを意味することとなる。
【００１９】
なお、上述したように、投射面に対して光線を斜めに入射すると、映像表示素子１から投射された長方形の形状が台形になる、所謂、台形歪を含め、その他にも、光軸に対して回転対称でないことによる種々の収差が生じることとなる。しかし、実施例１では、これらをレンズ光学系の後方レンズ群３により補正するものである。そして、反射光学系である自由曲面ミラーにおいては、広角化による倍率色収差が発生しないというメリットがある。
【００２０】
特に、映像表示素子１から出射された光線を、自由曲面ミラー４の反射面で反射して、投射画像５上に斜めに入射することによれば、レンズにより得られる光の偏心量（偏向角）に比較し、より大きな偏心量（偏向角）が得られ、また、収差も生じ難くいことから、装置の大型化を抑え、且つ、広画角化を図ることが可能となる。即ち、前方レンズ群２と後方レンズ群３を含むレンズ光学系を、上述した背景技術の付加光学系（アフォーカルコンバータ）を偏心させて台形歪み抑えるものと比較して、より口径の小さな光学系とすることが可能となる。
【００２１】
また、反射光学系を形成する反射鏡４の反射面に入射する光を、上述したように、レンズ光学系により所定の大きさまで拡大して投射するため、その製造が容易となる。即ち、レンズ光学系を反射光学系とは個別に製造し、その後、装置筐体内において、これら両者の位置を固定調整することにより、特に、量産に適したものとなる。
【００２２】
また、上記のように、台形歪等を補正するための後方レンズ群３を、前方レンズ群２の前方に配置すれば、この後方レンズ群３と前方レンズ群２との間の間隔を小さくして配置することが可能となるため、投射光学ユニットを搭載する装置を全体的にコンパクト化することができる。
【００２３】
このように、自由曲面形状を有する透過型のレンズ光学系と、自由曲面形状を有する反射光学系とを組み合わせることによれば、強く要求される広画角化を、確実かつ比較的容易に実現し、かつ、装置全体を小さくしたコンパクトな投射型表示装置として実現することが可能となる。
【００２４】
図３は、実施例１の投射型表示装置１００を略水平置きとし、壁面１９等の略垂直な面に投射画像５を表示させた状態である。このように、投射型表示装置１００の設置方法を変更するだけで、テーブル等の略水平な面と壁面等の略垂直な面の両方に投射画像を表示させることが可能となる。
【００２５】
図１のように、略水平な面に投射する場合、図中左方向（＋Ｙ方向）から視聴する場合が多い。従って、投射画面５の下は、人物１５０の映像で示すように、＋Ｙ方向となる。一方、図３のように略垂直な面に投射する場合は、投射画面５の下は、人物１５０の映像で示すように、図中下方向（−Ｙ方向）である。このように、投射面により投射される画像の上下方向が異なるため、そのままでは、一方の状態で上下逆さまの映像となってしまう。この場合、映像表示素子１上において、上下左右を反転させて表示させる必要がある。これらの映像（光学像）の反転は、反転部（図示せず）により使用者が使用状況に応じて切り替えてもよいが、装置内に重力センサなどを配置し、装置の設置状態を検出する検出部（図示せず）により検出し、自動的に切り替えても良い。上記においては、上下と左右の両方を反転させたが、上下のみの反転でもよい。
【００２６】
このとき、光源８と映像表示素子１の間に反射ミラー９を配置することにより、光源８の光軸８ｃと後方レンズ３の光軸３ｃが略垂直になるようにしている。光源８としては、一般的には、高圧水銀ランプ、ハロゲンランプ、キセノンランプ、ＬＥＤ、レーザ光源等のランプを用いることが多い。例えば、高圧水銀ランプを用いた場合、光源８の光軸の方向が重力に対して水平方向又は垂直方向の何れか一方となるように使用することにより、ランプが長寿命となるように設計されている。すなわち、長寿命となるように設計された向きとは異なる向きで使用した場合、寿命が短くなるという問題がある。実施例１の投射型表示装置１０１においては、光源８の光軸８ｃと後方レンズ群３の光軸３ｃが略垂直になるようにすることにより、略垂直置き（図１）、略水平置き（図３）のどちらの状態で設置しても、光源８の光軸８ｃは略水平となるようし、長寿命化を図っている。
【００２７】
図４、図５は、投射型表示装置の投射光学ユニットのレンズ光学系及び反射光学系を含む光学素子を示す図である。ここで、図４の座標軸のＸは、図１、図２のＸと同一であり、前方レンズ群２と後方レンズ群３の光軸をＺ’軸とし、Ｘ、Ｚ’に垂直な軸をＹ’軸とする。後述するが、Ｚ’軸は図１、図２のＺ軸とは異なる。図５は、図４のＹ’Ｚ’断面（図５（ａ））及びそのＸＺ’断面（図５（ｂ））をそれぞれ示している。
【００２８】
これらの図にも示されるように、レンズ光学系では、映像表示素子１からプリズム１０を介して出射される映像は、まず、回転対称形状を有する複数のレンズを含む前方レンズ群２に入射される。上述したように、前方レンズ群２は、回転対称の球面レンズと非球面レンズとを含んでいる。
【００２９】
また、後方レンズ群３は、少なくとも２つの自由曲面レンズにより形成されている。これらの図にも示すように、反射鏡４の反射面Ｓ２３に最も近い自由曲面レンズ３１は、その光の出射方向に凹部を向けており、かつ、投射面の−Ｙ´側端（図４において下側）に入射する光線が通過する部分の曲率が、投射面の＋Ｙ´側端（図４において上側）に入射する光線が通過する部分の曲率よりも大きく設定されている。即ち、自由曲面レンズとは、その光の出射方向に凹部を向けて湾曲されており、かつ、投射面の−Ｙ´側端に入射する光線が通過する部分の曲率が、投射面の＋Ｙ´側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。
【００３０】
また、実施例１では、次の条件を満たすように形成されている。即ち、図２に示す断面内において、映像表示素子１の画面左端から出射されて前方レンズ群２の入射瞳の中央を通り、投射画像５の画面右端の点Ｐ６に入射する光線を光線１２とする。この光線１２が自由曲面ミラー４を通過する点Ｐ３から投射面上の点Ｐ６に至るまでの光路長をＬ１とする。また、映像表示素子１の画面右端から出射されて前方レンズ群２の入射瞳の中央を通り、投射面の画面左端の点Ｐ４に入射する光線を光線１３とする。この光線１３が自由曲面ミラー４を通過する点Ｐ１から投射面上の点Ｐ４にまで至る光路長をＬ２とする。そして、上述した投射光学ユニットでは、Ｌ１、Ｌ２が次の式を満足するように形成されている。
【００３１】
【数１】
【００３２】
但し、Ｄｖは、図２の断面内での投射面上の画面の大きさであり、言い換えると、投射面上の画面右端の点Ｐ６から画面左端の点Ｐ４までの距離である。また、θｓは斜め入射角度である。
【００３３】
一方、映像表示素子１は、その表示画面の中央を前記レンズ光学系の光軸上に位置するように配置されているが、或いは、図６にも示すように、表示画面の法線はレンズ光学系の光軸に対して僅かに傾けて配置することが望ましい。
【００３４】
なお、図２を見ると、前述したように、点Ｐ３から点Ｐ６に到る光路長は、点Ｐ１から点Ｐ４に到る光路長よりも長い。これは、レンズ光学系から見て、投射面上の像点Ｐ６が像点Ｐ４よりも遠くにあることを意味している。そこで、投射面上の像点Ｐ６に対応する物点（表示画面左の点）がよりレンズ光学系に近い点に、また、像点Ｐ４に対応する物点がよりレンズ光学系から遠い点にあれば、像面の傾きを補正できる。そのためには、図６にも示すように、映像表示素子１の表示画面中央の法線ベクトルを、投射画像５の法線と画面中央光線を含む平面内において、レンズ光学系の光軸に対して僅かに傾けるようにすることが好ましい。そして、その傾斜の方向は、投射画像５が位置する方向と反対方向とすることが好ましい。
【００３５】
なお、光軸に対して傾いた像平面を得るのに物平面を傾ける方法は知られているが、実用的な大きさの画角では、物平面の傾きによる像面は、光軸に対して非対称な変形を生じ、回転対称な投射レンズでは補正が困難であった。実施例１では、後方レンズ群３において、回転非対称の自由曲面レンズ３１を、更には、自由曲面レンズ３２を用いているため、非対称な像面の変形に対応することができる。このため、物平面を傾けること、すなわち映像表示素子の表示面を傾けることで、低次の像面の歪を大きく低減できることから、自由曲面による収差補正を補助する上で効果的である。
【００３６】
次に、各光学要素の作用については、レンズ光学系ではその前方レンズ群２（レンズ２１〜２５）が、映像表示素子１の表示画面を投射画像５上に投射するための主レンズを形成しており、回転対称な光学系における基本的な収差を補正する。また、レンズ光学系の後方レンズ群３（レンズ３１〜３４）は回転対称でない（回転非対称）自由曲面形状を有するレンズで形成されている。更に、反射光学系４は、回転対称でない自由曲面形状を有する反射面であるため、主として、斜め入射によって生じる収差の補正を行う。このように、反射光学系をなすミラー４が主として台形歪を補正し、他方、レンズ光学系の後方レンズ群３が主として像面の歪みなどの非対称な収差の補正を行う。
【００３７】
以上のように、実施例１では、反射光学系は回転対称でない自由曲面形状を有する１枚の反射面（ミラー）４で形成され、レンズ光学系の後方レンズ群３は、両面共に回転非対称な自由曲面形状を有する２枚の透過型レンズを（反射ミラー４側のレンズ３１及び３２）含んでいる。なお、ここで、自由曲面ミラー４は、その反射方向に凸部を向けるように湾曲されている。そして、自由曲面ミラー４の投射面の装置側端に入射する光線を反射する部分の曲率は、投射面の反装置側端に入射する光線を反射する部分の曲率よりも大きく設定されている。また、投射面の装置側端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に対し凸形状を為し、他方、投射面の反装置側端に入射する光線を反射する部分がその反射方向に凹形状を為すようにしてもよい。
【００３８】
反射光学系の反射面（ミラー）４における座標原点と、前方レンズ群２のうち最も反射面（ミラー）４に近いレンズ面との間の光軸方向での距離は、前方レンズ群２の焦点距離の５倍、又は、それ以上に設定することが望ましい。これによれば、反射光学系の自由曲面形状を有する反射面により、台形歪収差をより効果的に補正し、もって、良好な性能を得ることができる。
【００３９】
図７、図８、図９は前方レンズ群２と後方レンズ群３の間に折り返しミラー３５を配置した場合の投射型表示装置の説明図である。
【００４０】
図に示すように、折り返しミラー３５（第１の反射部）により、前方レンズ群２の光軸と後方レンズ群３の光軸は略９０°となっている。この場合、映像表示素子１と光源８との間に反射ミラーを配置しなくても、光源８の光軸８ｃと後方ミラー群３の光軸３ｃは略垂直となる。作用、効果等は上記と変わらないため、ここでは、説明を省略する。
【００４１】
次に、実施例１の具体的な数値例について説明する。
【００４２】
まず、図１０及び図１１、更には、以下の表１〜表４を用いて、上記に説明した実施例１である投射光学ユニットの詳細を、特に、そのレンズ光学系及び反射光学系を含む光学素子の具体的な数値を示しながら説明する。なお、これらの図は、第１の数値例に基づく実施例１の光学系の光線図を示している。即ち、図１０は、図１のＸＹＺ直交座標系におけるＹＺ断面、図１１はＸＺ断面を示している。なお、図１１では、その詳細構造を図７及び図８に示すように、レンズ光学系を形成するレンズ光学系の前方レンズ群２と後方レンズ群３との途中に折り曲げミラー３５を設置し、光路をＸ軸方向に一度折り曲げている例を示している。
【００４３】
図１０の左側に表示した映像表示素子１から出射した光は、複数のレンズを含むレンズ光学系のうち、まず回転対称形状の面のみを有するレンズのみで形成された前方レンズ群２を通過する。そして、回転非対称の自由曲面レンズを含む後方レンズ群３を通り、反射光学系である自由曲面ミラー４の反射面で反射される。その反射された光は、その後投射画像５に入射される。
【００４４】
ここで、レンズ光学系の前方レンズ群２は、全て、回転対称な形状の屈折面を持つ複数のレンズで形成されており、これらレンズの屈折面のうち４つは回転対称な非球面であり、他は球面である。なお、ここに用いられた回転対称な非球面は、各面毎のローカルな円筒座標系を用いて、次の式で表される。
【００４５】
【数２】
【００４６】
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。
【００４７】
一方、レンズ光学系の後方レンズ群３である自由曲面は、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される。
【００４８】
【数３】
【００４９】
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。
【００５０】
次に、表１は、実施例１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５に示された符号Ｓ０〜Ｓ２３にそれぞれ対応している。ここで、符号Ｓ０は映像表示素子１の表示面、すなわち物面を示しており、Ｓ２３は自由曲面ミラー５の反射面を示している。また、符号Ｓ２４は、これらの図では示されていないが、図２の投射画像５の入射面、すなわち、像面を示している。
【００５１】
【表１】
【００５２】
また、表１において、「Ｒｄ」は各面の曲率半径であり、図５において面の左側に曲率の中心がある場合は正の値で、逆の場合は負の値で表わしている。また、表１において、「ＴＨ」は面間距離であり、そのレンズ面の頂点から次のレンズ面の頂点までの距離を示す。そのレンズ面に対して、次のレンズ面が図の中で左側にある時には面間距離は正の値、右側にある場合は負の値で表している。
【００５３】
更に、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以下の表２に示している。
【００５４】
【表２】
【００５５】
また、表１においてＳ１９からＳ２２は、レンズ光学系の後方レンズ群を形成する自由曲面形状を有する屈折面であり、Ｓ２３は反射光学系の自由曲面Ｓ２３形状を有する反射面であって、面の番号の横に＃を付けて表示した。これら５つの自由曲面の形状を表す係数の値を以下の表３に示す。
【００５６】
【表３】
【００５７】
また、本数値例おいて、図６に示すように、映像表示素子１の表示画面である物面をレンズ光学系の光軸に対して−１．１６３度傾けている。なお、傾斜の方向は、図６の断面内で物面の法線が時計回りに回転する方向を正の値で表わすことにする。従って、本数値例では、物面を図６の断面内で、レンズ光学系の光軸に垂直な位置から反時計回り方向に１．１６３度傾けていることになる。
【００５８】
また、図５又は図６中の符号Ｓ２３で示す自由曲面ミラー４は、そのローカル座標の原点をレンズ光学系の光軸上に置き、ローカル座標の原点での法線、すなわち、Ｚ軸を、レンズ光学系の光軸と平行な位置から約＋２９度だけ傾斜して配置している。なお、この傾きの方向は、物面と同様に、図５又は図６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、映像表示素子１の画面中央から出て、ほぼ、前記レンズ光学系の光軸に沿って進んできた画面中央光線は、Ｓ２３で反射した後、前記レンズ光学系の光軸に対して前記傾き角度の２倍の５８度だけ傾いた方向に進む（図の矢印を参照）。
【００５９】
更に、本数値例における、各面のローカル座標系の傾き又は偏心の様子を表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５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５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５の断面において下側への偏心を正とする。なお、以降に説明する実施例においても、光学要素の傾きや偏心は、表示した断面に平行な断面内での方向で設定される。
【００６０】
【表４】
【００６１】
なお、表１、表３を見ると、本数値例では、曲率「ｃ」とコーニック係数「ｋ」が零（０）となっていることがわかる。即ち、斜め入射による台形歪は、斜め入射の方向に極端に大きく発生し、これと垂直な方向での歪量は小さい。従って、斜め入射の方向とこれに垂直な方向とでは、大幅に異なる機能が必要であり、回転対称で全方向に機能する曲率「ｃ」やコーニック係数「ｋ」を利用しないことにより、非対称な収差を良好に補正することが可能となる。
【００６２】
また、表４において、面Ｓ２３の「ＡＤＥ」は、図２に示すθｍと同じであり、投射画像５の面上での「ＡＤＥ」は、図２に示すように、θｓである。
【符号の説明】
【００６３】
１ 映像表示素子、２ 前方レンズ群、３ 後方レンズ群、４ 自由曲面ミラー、５ 投射画像、８ 光源、１００、１０１ 投射型表示装置、１５０ 人物。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する光源と、
前記光源からの光を前記光源の光軸に対して略垂直に反射する第１の反射部と、
前記第１の反射部からの光を光学像に変調する映像表示素子と、
前記映像表示素子からの光が通過し、複数個のレンズ素子で形成されたレンズ群と、
前記レンズ群からの光を反射し、前記光源の光軸に対して非軸対称な形状であり、前記光源の光軸に対して所定角度傾けて配置された第２の反射部を備えたことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項２】
光を出射する光源と、
前記光源からの光を反射する第１の反射部と、
前記第１の反射部からの光を光学像に変調する映像表示素子と、
前記映像表示素子からの光が通過し、複数個のレンズ素子で形成されたレンズ群と、
前記レンズ群からの光を反射し、前記光源の光軸に対して非軸対称な形状であり、前記光源の光軸に対して所定角度傾けて配置された第２の反射部を備え、
前記光源の光軸と前記レンズ群の光軸は、略垂直であることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の投射型表示装置であって、
前記光学像を反転させる反転部を備えたことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れか１項に記載の投射型表示装置であって、
前記レンズ群は、前方レンズ群と後方レンズ群で形成されたことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れか１項に記載の投射型表示装置であって、
前記レンズ群は、前記映像表示素子の光軸に対して、所定角度傾けて配置されたことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項６】
光を出射する光源と、
前記光源からの光を光学像に変調する映像表示素子と、
複数個のレンズ素子で形成された前方レンズ群及び後方レンズ群を有するレンズ群と、
前記前方レンズ群と前記後方レンズ群の間に配置され、前記前方レンズ群からの光を略垂直に反射し、前記後方レンズ群に入射させる第１の反射部と、
前記光源の光軸に対して非軸対称な形状であり、前記光源の光軸に対して所定角度の傾斜して配置された第２の反射部を備えたことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項７】
請求項６に記載の投射型表示装置であって、
前記光学像を反転させる反転部を備えたことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の投射型表示装置であって、
前記レンズ群は、前記映像表示素子の光軸に対して、所定角度傾けて配置されたことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項１】
光を出射する光源と、
前記光源からの光を前記光源の光軸に対して略垂直に反射する第１の反射部と、
前記第１の反射部からの光を光学像に変調する映像表示素子と、
前記映像表示素子からの光が通過し、複数個のレンズ素子で形成されたレンズ群と、
前記レンズ群からの光を反射し、前記光源の光軸に対して非軸対称な形状であり、前記光源の光軸に対して所定角度傾けて配置された第２の反射部を備えたことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項２】
光を出射する光源と、
前記光源からの光を反射する第１の反射部と、
前記第１の反射部からの光を光学像に変調する映像表示素子と、
前記映像表示素子からの光が通過し、複数個のレンズ素子で形成されたレンズ群と、
前記レンズ群からの光を反射し、前記光源の光軸に対して非軸対称な形状であり、前記光源の光軸に対して所定角度傾けて配置された第２の反射部を備え、
前記光源の光軸と前記レンズ群の光軸は、略垂直であることを特徴とする投射型表示装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の投射型表示装置であって、
前記光学像を反転させる反転部を備えたことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れか１項に記載の投射型表示装置であって、
前記レンズ群は、前方レンズ群と後方レンズ群で形成されたことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れか１項に記載の投射型表示装置であって、
前記レンズ群は、前記映像表示素子の光軸に対して、所定角度傾けて配置されたことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項６】
光を出射する光源と、
前記光源からの光を光学像に変調する映像表示素子と、
複数個のレンズ素子で形成された前方レンズ群及び後方レンズ群を有するレンズ群と、
前記前方レンズ群と前記後方レンズ群の間に配置され、前記前方レンズ群からの光を略垂直に反射し、前記後方レンズ群に入射させる第１の反射部と、
前記光源の光軸に対して非軸対称な形状であり、前記光源の光軸に対して所定角度の傾斜して配置された第２の反射部を備えたことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項７】
請求項６に記載の投射型表示装置であって、
前記光学像を反転させる反転部を備えたことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の投射型表示装置であって、
前記レンズ群は、前記映像表示素子の光軸に対して、所定角度傾けて配置されたことを特徴とする投射型表示装置。
【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２０１３−８０４４（Ｐ２０１３−８０４４Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１８３７４９（Ｐ２０１２−１８３７４９）
【出願日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【分割の表示】特願２０１２−１１６２５（Ｐ２０１２−１１６２５）の分割
【原出願日】平成１９年２月２７日（２００７．２．２７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月２３日（２０１２．８．２３）
【分割の表示】特願２０１２−１１６２５（Ｐ２０１２−１１６２５）の分割
【原出願日】平成１９年２月２７日（２００７．２．２７）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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