JP3631182B2 - 画像投射装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光を走査して形成する２次元画像を斜めに投射する画像投射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
前方投射型のプロジェクタに用いられる投射光学系において、スクリーンと装置との距離を短くするためにスクリーンに対して斜めからの投射が可能な投射光学系が提案されている。
【０００３】
図１３には、特開平５−１００３１２号公報にて提案されているプロジェクタを示している。図中、Ｌは照明光源であり、ＬＶは透過型又は反射型ドットマトリックス液晶等を用いたライトバルブである。投射光学系は、ライトバルブＬＶに写る像を拡大投影してスクリーンＳに映し出す。このプロジェクタでは、投射光学系として大画角の広角レンズを用い、ライトバルブＬＶおよびスクリーンＳを投射光学系の光軸に対してシフトさせて配置し、画角の端の部分を使用して投射することにより斜め投射の光学系を構成している。
【０００４】
また、図１４には、特開平５−０８０４１８号公報にて提案されているプロジェクタを示している。図中、Ｌは照明光源であり、ＬＶは透過型又は反射型ドットマトリックス液晶等を用いたライトバルブである。第１の投射光学系は、ライトバルブＬＶに写る像の中間像を形成し、第２の投射光学系はこの中間像をスクリーンＳに拡大投影する。このプロジェクタでは、第１および第２の投射光学系を光軸に対して傾けることにより、スクリーンＳに対する斜め投射を行う。
【０００５】
また、再公表特許ＷＯ９７／０１７８７号には、複数の反射面を用いて斜め投射光学系を構成している。
【０００６】
一方、非共軸光学系において、特開平９−５６５０号公報にその設計法や焦点距離等の近軸量の計算方法が提案されている。また、特開平８−２９２３７１号、特開平８−２９２３７２号および特開平９−２２２５６１号公報にその設計例が示されている。これらの設計例により、基準軸という概念を導入し、構成面を非対称非球面にすることで、十分収差が補正された光学系が構築可能であることが、明らかになってきた。
【０００７】
こうした非共軸光学系は、オフアキシャル光学系と称される。すなわち、像中心と瞳中心を通る光線に沿った基準軸を考えた時、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（オフアキシャル曲面）を含む光学系として定義される光学系であり、基準軸は折れ曲がった形状となる。
【０００８】
このオフアキシャル光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を使った光学系の構築がしやすい。また、光学系内で中間像を形成することにより、高画角でありながらコンパクトな光学系を構成することができる。
【０００９】
さらに、前絞りの光学系でありながら、光路の引き回しが比較的自由に行なえるために、コンパクトな光学系を構成できる。
【００１０】
また、特開平６−２９５１５９号公報には、レーザー光線を回転多面鏡により２次元的にスキャンし、画像を表示する装置が提案されている。この場合、レーザー光線の強度変調のタイミングを適切な値にすることにより、すなわち電気的な補正によりディストーションを補正することは可能である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
特開平５−１００３１２号公報にて提案されているように、光軸に対してライトバルブとスクリーンをシフトさせた投射光学系の場合は、図１５に示すように、使用する画角の大きさはθ２であるが、使用されるレンズ系はかなり大きい画角（θ１）をカバーする高画角の大型レンズ系が必要になる。
【００１２】
また、図１６に示すように、光軸ＡがスクリーンＳの中心に向かうように構成した場合、通常のレンズ系ではスクリーンＳ上に像が結像されず光軸に垂直な平面Ｓ’上に結像される。この場合、像が台形状に歪み、スクリーンＳの上下でピントがずれてしまう。
【００１３】
この像面の傾きを補正する場合、スクリーンＳの上部を通る光線の光路Ｌ１とスクリーンＳの下部を通る光線の光路Ｌ２との差を打ち消さなければならない。そしてこの差を補正する場合、結像面付近で補正できればＬ１とＬ２の光路差は縮小されるので補正量は少なくて済む。一方、像が拡大されたスクリーン側の光学面で補正をする場合、Ｌ１、Ｌ２の光路差がそのまま影響する。
【００１４】
また、特開平５−８０４１８号公報にて提案されている投射光学系の場合、レンズ系をチルトしているだけなので、像面を十分に傾けることが難しい。また、レンズ系のチルト量が多すぎると、光学性能を確保することが難しくなる。
【００１５】
さらに、再公表特許ＷＯ９７／０１７８７号にて開示されている光学系では、１つの反射面の大きさが大きくなり、精度良く製造することが難しい。
【００１６】
特開平６−２９５１５９号公報等に示されているように、点光源又は一次元の画像表示素子を回転多面鏡若しくはガルバノミラー等で走査し表示する方法において、電気的な補正だけではディストーションを補正しきれない場合があり、この場合には光学的な補正が必要となる。
【００１７】
本発明は、光学系としての小型化を図りつつ、かつ拡大率が高く、歪みの少ない斜め投射型の画像投射装置を提供することを目的としている。
【００１８】
また、本発明は、光学系としての小型化を図りつつ、歪みの少ない斜め投射又は入射型の光学系を備えた画像投射装置を提供することを目的としている。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本願第１の発明では、画像投射装置を、画像を表示するための変調光を発する光変調手段と、この光変調手段からの光を２次元画像を得るために走査する光走査手段と、この光走査手段により走査される光を反射させて被投射面に投射する、複数の曲面反射面を有した投射光学系とを備えた構成とし、光変調手段からの光を、この投射光学系の光路内で少なくとも１回、中間結像させると共に、この投射光学系の瞳の中心と投射画像の中心とを結ぶ基準軸が被投射面の法線に対して傾け、基準軸の被投射面の法線に対する傾き角をθとし、基準軸と被投射面の法線とを含む面を表すアジムスをαとし、この投射光学系の基準軸まわりに展開したアジムスξ°における倍率をβ（ξ）とするとき、
｜１−β（α）／（β（α＋９０°）ｃｏｓθ）｜＜０．３
なる条件を満足するようにしている。
【００２０】
これにより、基準軸まわりに展開される焦点距離や倍率等を適切な値に設定することによって、斜め投射型でありながら、小型で、ディストーション（主に台形歪み）を抑えた投射光学系を得ることが可能となる。
【００２２】
さらに、上記第１の発明において、曲面反射面を回転非対称面としたオフアキシャル光学系を用いることにより、光学的な軸に対して非対称な特性を持たせることが容易になる。このため、例えば、光走査手段による非走査方向に関しては通常のカメラレンズと同様のｆ・ｔａｎθ特性を持たせ、走査方向においては光走査手段に合わせてｆθレンズやアークサインレンズ等の特性を持たせることが可能であり、ディストーションの補正に有利である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に入る前に、実施形態の構成諸元の表し方および実施形態全体の共通事項について説明する。図１９は、実施形態の光学系の構成データを定義する座標系の説明図である。
【００２７】
図１９において、第１面Ｒ１は屈折面、第２面Ｒ２は第１面Ｒ１に対してチルトした反射面、第３面Ｒ３および第４面Ｒ４は各々の前面に対してシフト、チルトした反射面、第５面Ｒ５は第４面Ｒ４に対してシフト、チルトした屈折面である。
【００２８】
第１面Ｒ１から第５面Ｒ５までの各々の面は、ガラス、プラスチック等の媒質で構成される１つの光学素子上に構成されており、図１９中では第１の光学素子Ｂ１としている。
【００２９】
すなわち、図１９において、不図示の物体面から第１面Ｒ１までの媒質は空気、第１面Ｒ１から第５面Ｒ５までは共通の媒質、第５面Ｒ５から不図示の第６面Ｒ６までの媒質は空気で構成されている。
【００３０】
本実施形態の光学系は Ｏｆｆ−Ａｘｉａｌ光学系であるため、光学系を構成する各面は共通の光軸を持っていない。そこで、本実施形態においては、まず第１面の中心を原点とする絶対座標系を設定する。
【００３１】
そして、第１面の中心点である原点と最終結像面の中心とを通る光線（基準軸光線）の経路を光学系の基準軸と定義し、図１９に一点鎖線で示す。さらに、本実施形態中の基準軸は方向（向き）を持っている。その方向は基準軸光線が結像に際して進行する方向である。
【００３２】
なお、本実施形態においては、光学系の基準となる基準軸を上記のように設定したが、光学系の基準となる軸の決め方は光学設計上、収差の取り纏め上、若しくは光学系を構成する各面形状を表現する上で都合の良い軸を採用すればよい。一般的には像面の中心と、絞り又は入射瞳又は射出瞳又は光学系の第１面の中心若しくは最終面の中心のいずれかを通る光線の経路を光学系の基準となる基準軸に設定する。
【００３３】
本実施形態においては、投射光学系の瞳の中心から第１面の中心点を通り、最終結像面（投射画像）の中心へ至る光線（基準軸光線）が各屈折面および反射面によって屈折・反射する経路を基準軸に設定する。各面の順番は基準軸光線が屈折・反射を受ける順番に設定している。
【００３４】
従って、基準軸光線は、設定された各面の順番に沿って屈折若しくは反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、最終的に像面の中心に到達する。
【００３５】
本実施形態の光学系を構成するチルト面は、基本的にすべてが同一面内でチルトしている。そこで、絶対座標系の各軸を以下のように定める。
【００３６】
Ｚ軸：原点と物体面中心を通る直線であり、物体面から第１面Ｒ１に向かう方向を正とする。
【００３７】
Ｙ軸：原点を通りチルト面内（図１９の紙面内）でＺ軸に対して反時計回りに９０゜をなす直線。
【００３８】
Ｘ軸：原点を通りＺ，Ｙの各軸に直交する直線（図１９の紙面に垂直な直線）。
【００３９】
また、光学系を構成する第ｉ面の面形状を表すには、絶対座標系にてその面の形状を表記するより、基準軸と第ｉ面が交差する点を原点とするローカル座標系を設定して、ローカル座標系でその面の面形状を表した方が形状を認識する上で理解し易い。このため、第ｉ面の面形状をローカル座標系で表わす。
【００４０】
さらに、第ｉ面のＹＺ面内でのチルト角は絶対座標系のＺ軸に対して反時計回り方向を正とした角度θｉ（単位°）で表す。よって、本実施形態では、各面のローカル座標の原点は図１９中のＹＺ平面上にある。また、ＸＺおよびＸＹ面内での面の偏心はない。
【００４１】
また、第ｉ面のローカル座標（ｘ，ｙ，ｚ）のｙ，ｚ軸は絶対座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対してＹＺ面内で角度θｉ傾いており、具体的には以下のように設定する。
【００４２】
ｚ軸：ローカル座標の原点を通り、絶対座標系のＺ 方向に対しＹＺ面内において反時計方向に角度θｉをなす直線。
【００４３】
ｙ軸：ローカル座標の原点を通り、ｚ方向に対しＹＺ面内において反時計方向に９０゜をなす直線。
【００４４】
ｘ軸：ローカル座標の原点を通り、ＹＺ面に対し垂直な直線。
【００４５】
また、Ｄｉは第ｉ面と第（ｉ＋１） 面のローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量、Ｎｄｉ，νｄｉはそれぞれ第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の媒質の屈折率とアッベ数である。
【００４６】
ここで、球面は以下の式で表される形状である。
【００４７】
【数１】

【００４８】
また、本実施形態の光学系は、少なくとも回転非対称な非球面を１面以上有し、その形状は以下の式により表す。
【００４９】

上記曲面式はｘに関して偶数次の項のみであるため、上記曲面式により規定される曲面はｙｚ面を対称面とする面対称な形状である。さらに以下の条件が満たされる場合はｘｚ面に対して対称な形状を表す。
【００５０】
Ｃ０３ ＝Ｃ２１ ＝ｔ ＝０
さらに、
Ｃ０２ ＝Ｃ２０ Ｃ０４＝Ｃ４０ ＝ Ｃ２２／２ Ｃ０６ ＝Ｃ６０ ＝Ｃ２４／３ ＝Ｃ４２／３
が満たされる場合は回転対称な形状を表す。以上の条件を満たさない場合は非回転対称な形状である。
【００５１】
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態である画像投射装置を示している。図１において、Ｔは１次元の光変調ユニットであり、具体的には、発光ダイオードや半導体レーザー等の発光強度を変調できる自発光デバイスを用いることができる。なお、このような自発光デバイス以外に、ドットマトリックス液晶パネルやデジタルミラーデバイス等を用いたライトバルブと、これらに照明光を入射させる照明系とを含むユニットを用いてもよい。
【００５２】
１は光変調ユニットＴの像をスクリーン（被投射面）Ｓに拡大投影するための投射光学系であり、より詳しい構成を図２に示している。
【００５３】
投射光学系１において、ＳＴＯＰは絞りであり、ＭＭはガルバノミラーや回転多面鏡などの光走査ユニットである。
【００５４】
光変調ユニットＴのＹ軸方向の長さは８ｍｍであり、スクリーンＳの大きさは、縦横比が３：４で対角は３００ｍｍである。
【００５５】
また、スクリーンＳの法線に対して投射光学系１の基準軸は４５度傾いている。以下、本実施形態に用いられている投射光学系１の構成データを示す。

スクリーンＳの中心を原点にとり、スクリーンＳ上でｙ方向における像高が、−１００％、−５０ ％、０ ％、５０％、１００ ％のとき光走査手段の振れ角は、スクリーン中心に結像するときの角度を０度とすると、２．４３７ 、１．２８６ 、０ 、−１．３５，−２．７５３となる。角度の正負は反射面のチルト角に順ずる。
【００５６】
ここで、光走査ユニットの振れ角は正負非対称になっている。本実施形態の場合、スクリーンＳに対して光学系の基準軸が傾いているために必然的に光学系の特性がスクリーンＳの上下で非対称になる。この非対称の光学特性を、振れ角を正側と負側とで非対称とすることにより、補正をしている。
【００５７】
図１，２において、投射光学系１は、光変調ユニットＴからの光線の通過順に、絞りＳＴＯＰと、光走査ユニットＭＭと、凹面鏡Ｒ１，凹面鏡Ｒ２，凸反射面Ｒ３および凹面鏡Ｒ４の４つの反射面とから構成されている。すべての反射面は、ＹＺ平面のみに対して対称な、すなわち対称面が１つの回転非対称面である。
【００５８】
また、光束は凸面鏡Ｒ３および凹面鏡Ｒ４との間で中間結像しており、凹面鏡Ｒ４付近で瞳の結像をしている。このように、絞りの像が絞り位置よりスクリーン側の光学系によって実像を形成する構成をとることにより、各面の光線有効径を小さく抑え、各光学素子および撮影光学系全体のコンパクト化を達成している。
【００５９】
次に、本実施形態における光学作用を説明する。光変調ユニットＴで変調された赤、緑、青の３色の光は、不図示の色合成光学系にて同一光軸上に合成された後、絞りＳＴＯＰで光量を制限される。
【００６０】
ここで、色合成光学系としては、ダイクロイックプリズムや光学楔等を用いることができる。
【００６１】
次に、光走査ユニットＭＭで反射した光束は、４つの反射面Ｒ１〜Ｒ４で次々に反射しながら拡大され、１次元像がスクリーンＳに映し出される。そして、光走査ユニットＭＭが駆動回路ＤＲによって振れ駆動され、反射した光がスキャンされることにより、スクリーンＳ上に２次元画像が表示される。
【００６２】
図３には、スクリーンＳ上でのスポットの大きさを示している。具体的には、スクリーンＳの中心を原点とし、ｘの正の方向で像高を０ ％、３３％、６７％、１００ ％に４分割し、さらにｙ方向で像高を‐１００ ％、‐５０％、０ ％、５０％、１００ ％の５分割した位置、つまりスクリーン上で２０ポイントの位置でのスポットを表している。なお、スクリーンＹＺ平面に対して対称な構成であるのでも、図３においてはｘのマイナス方向は省略している。
【００６３】
また、本実施形態の投射光学系１におけるディストーションの様子を図４に示している。この図４から分かるように、ｘ方向の像高±６７％近辺で若干のディストーションが見られるが、全体として大きなディストーションはなく、非対称なディストーションも少ない。
【００６４】
本実施形態で用いられている投射光学系１において、光変調ユニットＴの中心からの光束がスクリーンＳの中心で像を結ぶとき、アジムス０度と９０度における焦点距離ｆ１（０） ，ｆ１（９０）、絞り面からの前側主点Ｈ１（０） 、Ｈ１（９０）および基準軸のまわりに展開したアジムス０度（ 走査方向） と９０度（ 非走査方向） における倍率β１（０），β１（９０） はそれぞれ、
ｆ１（０） ＝−１３．９２７６ ，ｆ１（９０）＝−１１．５６４６
Ｈ１（０） ＝−３７．２５８１ ，Ｈ１（９０）＝−３５．２０９８
β１（０）＝ｆ１（０）／（ｆ１（０）−２４−Ｈ１（０））＝２０．８
β１（９０） ＝ｆ１（９０）／（ｆ１（９０）−２４−Ｈ１（９０）） ＝３２．６
となる。
【００６５】
したがって、
｜１ −β１（０）／（ β１（９０） ×ｃｏｓ（４５°））｜＝０．０９８ ＜０．３ ・・・（ １）
となる（ここで４５度はスクリーンＳの法線と基準軸とのなす角である）。
【００６６】
図１７は図１６におけるスクリーンＳの部分を表している。図１７において、Ａは基準軸、Ｓは傾いたスクリーン、Ｓ’はＡに垂直な平面であり、ＳとＳ’は角度θだけ傾いている。本来、Ｓ’上に投射光学系で拡大投影された像が結像される。
【００６７】
特開平９−５６５０号公報にて提案されているように、基準軸Ａのまわりに展開し、評価面を基準軸に垂直な平面Ｓ’として評価した場合、近軸量はアジムスξとアジムスξ＋１８０ ° で同じ値を示す。このため、特開平９−５６５０号公報に示される近軸量が像面の傾きを起こすわけではない。つまり、像面湾曲と同種の収差、すなわち、ＳとＳ’の交線から離れるにしたがってピント位置がずれる収差が発生しているために像面が傾くと解釈できる。
【００６８】
このように解釈した場合、評価面であるＳ’におけるｙ’方向の倍率βｙ’はＳにおける倍率βｙが射影されたと考えることができるので、スクリーンＳ上で縦横比が保たれるためには、以下の関係を満たしている必要がある。
【００６９】
βｙ＝βｙ’／ｃｏｓ θ＝βｘ （図１８参照）
したがって、
【００７０】
【数２】

【００７１】

ここで、上記（２）式におけるｓｓ’（０） ，ｓｓ’（９０） はアジムス０°と９０°における投射光学系のスクリーン側主点位置からスクリーンまでの距離である。つまり、（１）式の値が小さいことが、２次元の投射画像のスクリーンＳ上での縦横比が保たれる条件である。（１）式の値が０．３より大きくなるとディストーションが大きくなり、収差補正が難しくなる。
【００７２】
本実施形態では、回転非対称反射面を表面反射面として用いているが、特開平８−２９２３７２号、特開平９−２２２５６１号および特開平９−２５８１０５号公報等のように、透明体の表面に回転非対称反射面を形成した光学ブロックを使用してもよい。さらに、複数の回転非対称な表面反射面を一体にモールド成形してもよい。
【００７３】
また、本実施形態では、回転非対称反射面を４面用いているが、反射面は４面に限らない。ただし、収差補正上、少なくとも３面以上あることが望ましい。また、回転非対称反射面はある平面に対して対称な形状であるが、これに限られるものではない。
【００７４】
（第２実施形態）
図５には、本発明の第２実施形態である画像投射装置の構成を示している。図５において、Ｔは１次元の光変調ユニットであり、具体的には、発光ダイオードや半導体レーザー等の発光強度を変調できる自発光デバイスを用いることができる。なお、このような自発光デバイス以外に、ドットマトリックス液晶パネルやデジタルミラーデバイス等を用いたライトバルブと、これらに照明光を入射させる照明系とを含むユニットを用いてもよい。
【００７５】
２は光変調ユニットＴの像をスクリーン（被投射面）Ｓに拡大投影するための投射光学系であり、より詳しい構成を図６に示している。
【００７６】
投射光学系２において、ＬＧは屈折レンズ群である。ＭＭはガルバノミラーや回転多面鏡などの光走査ユニットであり、絞りも兼ねている。
【００７７】
光変調ユニットＴのＹ軸方向の長さは２．７ｍｍであり、スクリーンＳの大きさは、縦横比が４：３で対角は５０ｍｍである。
【００７８】
また、スクリーンＳの法線に対して投射光学系２の基準軸は６０度傾いている。以下、本実施形態に用いられている投射光学系２の構成データを示す。

スクリーンＳの中心を原点にとり、スクリーンＳ上でｙ方向における像高が、−１００％、−６７ ％、−３３ ％、０ ％、３３％、６７％、１００ ％のときの光走査ユニットＭＭの振れ角は、スクリーン中心に結像するときの角度を０度とすると、７ 、４．６７、２．３３、０ 、−２．３３ 、−４．６７ 、−７となる。角度の正負は反射面のチルト角に順ずる。
【００７９】
ここで、光走査ユニットＭＭの振れ角はスクリーンＳ上でのｙ方向について比例関係になっている。つまり、ｙ方向においてｆθレンズ特性を持っている。
【００８０】
しかし、ｘ方向については一次元の像を結像させているので通常のカメラレンズの特性であるｆ・ｔａｎθ特性を持っている。
【００８１】
つまり、本実施形態の投射光学系２はｙ方向とｘ方向とで異なる特性を持つ必要がある。通常の共軸回転対称光学系ではこのようなことは不可能であり、オフアキシャル光学系を用いれば容易に達成できる。
【００８２】
図５，６において、投射光学系２は光変調ユニットＴからの光線の通過順に、回転対称の屈折レンズ群ＬＧと、絞りを兼ねている光走査ユニットＭＭと、凹面鏡Ｒ１，凹面鏡Ｒ２，凹面鏡Ｒ３および凹面鏡Ｒ４の４つの反射面とから構成されている。すべての反射面はＹＺ平面のみに対して対称な面、すなわち回転非対称面である。ここで、光束は凹面鏡Ｒ１および凹面鏡Ｒ２の間で中間結像しており、凹面鏡Ｒ３付近で瞳の結像をしている。
【００８３】
次に、本実施形態における光学作用を説明する。光変調ユニットＴで変調された赤、緑、青の３色の光は、不図示の色合成光学系において同一光軸上に合成される。色合成光学系としては、ダイクロイックプリズムや光学楔等を用いることができる。
【００８４】
次に、色合成された光は、回転対称の屈折レンズ群ＬＧを通り、光走査ユニットＭＭで反射した後、４つの反射面Ｒ１〜Ｒ４を次々と反射しながら拡大され、１次元像がスクリーンＳに映し出される。そして、駆動回路ＤＲによって振れ駆動される光走査ユニットＭＭによりスキャンされることによって２次元画像がスクリーンＳに表示される。
【００８５】
図７には、スクリーンＳ上でのスポットの大きさを示している。具体的には、スクリーンＳの中心を原点とし、ｘの正の方向で像高を０ ％、３３％、６７％、１００ ％に４分割し、さらにｙ方向で像高を‐１００ ％、‐５０％、０ ％、５０％、１００ ％の５分割した位置、つまりスクリーン上で２０ポイントの位置でのスポットを表している。なお、スクリーンＹＺ平面に対して対称な構成であるのでも、図７においてはｘのマイナス方向は省略している。
【００８６】
また、本実施形態の投射光学系２のディストーションの様子を図８に示している。この図８から分かるように、ｙ方向の像高‐１００ ％，１００ ％ の近辺およびｘ方向の像高３３％〜−３３ ％かつｙ方向の像高５０％近辺等で若干のディストーションが見られるが、全体として大きなディストーションはなく、非対称なディストーションも少ない。
【００８７】
本実施形態で用いられる投射光学系２において、光変調ユニットＴの中心からの光束がスクリーンＳの中心で像を結ぶとき、アジムス０度と９０度における焦点距離ｆ２（０） ，ｆ２（９０）、絞り面からの前側主点Ｈ２（０） ，Ｈ２（９０）および基準軸のまわりに展開したアジムス０度（ 走査方向） と９０度（ 非走査方向） における倍率β２（０），β２（９０） ははそれぞれ、
ｆ２（０） ＝−６．３３２０５ ，ｆ２（９０）＝−３．７９９３３
Ｈ２（９０）＝−１１．４３０５ ，Ｈ２（９０）＝−９．４９３５５
β２（０）＝ ｆ２（０）／（ｆ２（０） −５．９８５ −Ｈ２（０））＝７．１４
β２（９０）＝ ｆ２（９０）／（ｆ２（９０）−５．９８５ −Ｈ２（９０）） ＝１３．０７
となる。
【００８８】
したがって、
｜１ −β２（０）／（ β２（９０） ×ｃｏｓ（６０°））｜＝０．０９３ ＜０．３ ・・・（ １）
となる（ここで６０度はスクリーンＳの法線と基準軸のなす角である）。
【００８９】
このように、（１）式の値が０．３よりも小さいので、２次元の投射画像のスクリーンＳ上で縦横比が保たれている。
【００９０】
本実施形態では、回転非対称反射面を表面反射面として用いているが、特開平８−２９２３７２号、特開平９−２２２５６１号および特開平９−２５８１０５号公報等のように、透明体の表面に回転非対称反射面を形成した光学ブロックを使用してもよい。さらに、複数の回転非対称な表面反射面を一体にモールド成形してもよい。
【００９１】
また、本実施形態では、回転非対称反射面を４面用いているが、反射面は４面に限らない。ただし、収差補正上、少なくとも３面以上あることが望ましい。また、回転非対称反射面はある平面に対して対称な形状であるが、これに限られるものではない。
【００９２】
また、本実施形態の投射光学系２は光走査ユニットＭＭの走査方向においてｆθレンズ特性を持っているが、これ以外の特性を持っていてもよい。光走査ユニットが定角速度で触れるのであれば、投射光学系の走査方向においてｆθレンズ特性を持たせればよいが、光走査ユニットが正弦波振動して走査する場合は、投射光学系の走査方向においてアークサインレンズの特性を持たせる必要がある。さらに、光走査ユニットの正弦波振動における角度変化の小さい山と谷の部分を除いた部分を光走査に使ってもよい。
【００９３】
（第３実施形態）
図９には、本発明の第３実施形態である画像投射装置の構成を示している。図９において、Ｔは点状光源を有する光変調ユニットであり、具体的には発光ダイオードや半導体レーザー等の発光強度を変調できる自発光デバイスを用いることができる。なお、このような自発光デバイス以外に、ドットマトリックス液晶パネルやデジタルミラーデバイス等を用いたライトバルブと、これらに照明光を入射させる照明系とを含むユニットを用いてもよい。
【００９４】
３は光変調ユニットＴの像をスクリーン（被投射面）Ｓに拡大投影するための投射光学系であり、より詳しい構成を図１０に示している。
【００９５】
投射光学系２において、ＬＧは屈折レンズ群である。ＭＭはガルバノミラーや回転多面鏡などの光走査ユニットであり、絞りも兼ねている。また、光走査ユニットＭＭの走査方向は互いに直交する２方向である。Ｍは平面ミラーである。
【００９６】
スクリーンＳの大きさは縦横比が４：３で、対角は５０ｍｍである。また、スクリーンＳの法線に対して投射光学系３の基準軸は６０度傾いている。以下、本実施形態に用いられる投射光学系の構成データを示す。

スクリーンＳの中心を原点にとり、スクリーンＳ上でｙ方向における像高が、−１００％、−５０ ％、０ ％、５０％、１００ ％のとき、光走査ユニットＭＭのｙ方向における振れ角は、スクリーン中心に結像するときの角度を０ 度とすると、５．３３、２．６６、０ 、−２．６３ 、−５．０８ となる。同様に、スクリーンＳ上でｘ方向における像高が０ ％、３３％、６７％、１００ ％のとき、光走査ユニットＭＭのｘ方向における振れ角は、スクリーン中心に結像するときの角度を０ 度とすると、０ 、−２．０５ 、−４．１２ 、−６．２１ となる。角度の正負は反射面のチルト角に順ずる。
【００９７】
図９，１０において、投射光学系３は光変調ユニットＴからの光線の通過順に、回転対称の屈折レンズ群ＬＧと、絞りを兼ねている光走査ユニットＭＭと、凹面鏡Ｒ１，凹面鏡Ｒ２および凹面鏡Ｒ３の３つの反射面と、折り返しミラーＭとから構成されている。すべての反射面はＹＺ平面のみに対して対称な面、すなわち回転非対称面である。ここで、光束は凹面鏡Ｒ１と凹面鏡Ｒ２との間で中間結像しており、凹面鏡Ｒ３付近で瞳の結像をしている。
【００９８】
次に、本実施形態における光学作用を説明する。光変調ユニットＴで変調された赤、緑、青の３色の光は、不図示の色合成光学系により同一光軸上に合成される。色合成光学系としては、ダイクロイックプリズムや光学楔等を用いることができる。
【００９９】
次に、色合成された光は回転対称の屈折レンズ群ＬＧを通り、光走査ユニッＭＭで反射し、３つの反射面Ｒ１〜Ｒ３で次々と反射していき、点像がスクリーンＳに映し出される。そして、駆動回路ＤＲによって光走査ユニットＭＭが２方向にスキャンされることにより、スクリーンＳに２次元画像が表示される。
【０１００】
図１１には、スクリーンＳ上でのスポットの大きさを示している。具体的には、スクリーンＳの中心を原点とし、ｘの正の方向で像高を０ ％、３３％、６７％、１００ ％に４分割し、さらにｙ方向で像高を‐１００ ％、‐５０％、０ ％、５０％、１００ ％の５分割した位置、つまりスクリーン上で２０ポイントの位置でのスポットを表している。なお、スクリーンＹＺ平面に対して対称な構成であるのでも、図１１においてはｘのマイナス方向は省略している。
【０１０１】
また、本実施形態の投射光学系２のディストーションの様子を図１２に示している。この図から分かるように、ｘ方向の像高‐１００ ％，１００ ％の近辺かつｙ方向の像高０〜１００ ％近辺等で若干のディストーションが見られるが、全体として大きなディストーションはなく、非対称なディストーションも少ない。
【０１０２】
本実施形態で用いられる投射光学系３において、光変調ユニットＴの中心からの光束がスクリーンＳの中心で像を結ぶとき、アジムス０度と９０度における焦点距離ｆ３（０） ，ｆ３（９０）、絞り面からの前側主点Ｈ３（０） ，Ｈ３（９０）および基準軸のまわりに展開したアジムス０度（ 走査方向） と９０度（ 非走査方向） における倍率β３（０），β３（９０） ははそれぞれ、
ｆ３（０） ＝−５．２５４６８ ，ｆ３（９０）＝−３．５４６４９
Ｈ３（０） ＝−１１．７１５３ 、Ｈ３（９０）＝−１０．３１３
β３（０）＝ ｆ３（０）／（ｆ３（０） −６．９９６ −Ｈ３（０））＝９．８１
β３（９０） ＝ｆ３（９０）／（ｆ３（９０）−６．９９６ −Ｈ３（９０）） ＝１５．４５
となる。
【０１０３】
したがって、
｜１ −β３（０）／（ β３（９０） ×ｃｏｓ（６０°））｜＝０．２７＜０．３ ・・・（ １）
となる（ここで６０度はスクリーンＳの法線と基準軸とのなす角である）。
【０１０４】
このように、（１）式の値が０．３よりも小さいので、２次元の投射画像のスクリーンＳ上での縦横比が保たれている。
【０１０５】
なお、（ １）式の値が上記他の実施形態に比べてある程度大きいのは、光走査ユニットＭＭの２方向の振れ角が非対称になっていて、ディストーション等の収差を補正しているためである。
【０１０６】
本実施形態では、回転非対称反射面を表面反射面として用いているが、特開平８−２９２３７２号、特開平９−２２２５６１号および特開平９−２５８１０５号公報等のように、透明体の表面に回転非対称反射面を形成した光学ブロックを使用してもよい。さらに、複数の回転非対称な表面反射面を一体にモールド成形してもよい。
【０１０７】
また、本実施形態では、回転非対称反射面を３面用いているが、反射面は３面に限らない。ただし、収差補正上、少なくとも３面以上あることが望ましい。また、回転非対称反射面はある平面に対して対称な形状であるが、これに限られるものではない。
【０１０８】
さらに、以上説明した各実施形態では、近い方の共役面に光変調ユニットＴを配置し、その像を遠い方の共役面であるスクリーンＳに拡大投影する投射光学系について説明したが、本発明を、遠い方の共役面に配置した２次元被写体を近い方の共役面に配置したＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子（光電変換素子）で撮像する書画カメラ等の撮像光学系として用いてもよい。
【０１１０】
【発明の効果】
以上説明したように、本願第１の発明によれば、基準軸まわりに展開される焦点距離や倍率等を適切な値に設定することによって、斜め投射型でありながら、小型で、ディストーション（主に台形歪み）を抑えた投射光学系を得ることができる。
【０１１１】
特に、上記第１の発明において、曲面反射面を回転非対称面としたオフアキシャル光学系を用いれば、光学的な軸に対して非対称な特性を持たせることが容易になるので、例えば、光走査手段による非走査方向に関しては通常のカメラレンズと同様のｆ・ｔａｎθ特性を持たせ、走査方向においては光走査手段に合わせてｆθレンズやアークサインレンズ等の特性を持たせることができ、ディストーションを効果的に補正することができる。
【０１１３】
そして、特に、上記第１の発明において、( １ ) 式を満足するようにすれば、投射画像や撮像画像等の縦横比を適正に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である画像投射装置の構成を示す図である。
【図２】上記第１実施形態の画像投射装置に用いられている投射光学系の拡大図である。
【図３】上記第１実施形態の画像投射装置により投射されたスポットのスクリーン上での大きさを示す図である。
【図４】上記第１実施形態の投射光学系のディストーションを示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態である画像投射装置の構成を示す図である。
【図６】上記第２実施形態の画像投射装置に用いられている投射光学系の拡大図である。
【図７】上記第２実施形態の画像投射装置により投射されたスポットのスクリーン上での大きさを示す図である。
【図８】上記第２実施形態の投射光学系のディストーションを示す図である。
【図９】本発明の第３実施形態である画像投射装置の構成を示す図である。
【図１０】上記第３実施形態の画像投射装置に用いられている投射光学系の拡大図である。
【図１１】上記第３実施形態の画像投射装置により投射されたスポットのスクリーン上での大きさを示す図である。
【図１２】上記第３実施形態の投射光学系のディストーションを示す図である。
【図１３】従来のシフト光学系の概念図である。
【図１４】斜め投射する光学系の概念図である。
【図１５】従来の斜め投射光学系を示す図である。
【図１６】従来の斜め投射光学系を示す図である。
【図１７】図１６の投射光学系により投射される画像とスクリーンの概念図である。
【図１８】斜め投射する場合の倍率の関係を示す図である。
【図１９】上記実施形態における投射光学系の座標系の説明図である。
【符号の説明】
１，２，３ 投射光学系
Ｌ 照明光源
ＬＶ ライトバルブ
ＬＧ 屈折レンズ群
Ｒ１〜Ｒ４ 反射面
Ｓ スクリーン
ＳＴＯＰ 絞り
Ｓ’ 基準軸に直交する平面
ＭＭ 光走査ユニット
Ｍ 折り返しミラー
Ａ 基準軸
Ｔ 光変調ユニット
βｘ，βｙ，βｙ’ 倍率
Ｒｉ，Ｒｍ，Ｒｎ 光学面
Ｂｉ ｉ番目の光学素子
Ｄｉ 基準軸に沿った面間隔
Ｎｄｉ 屈折率
νｄｉ アッベ数

Claims (5)

1. 画像を表示するための変調光を発する光変調手段と、この光変調手段からの光を２次元画像を得るために走査する光走査手段と、この光走査手段により走査される光を反射させて被投射面に投射する、複数の曲面反射面を有した投射光学系とを備えた画像投射装置であって、前記光変調手段からの光を、この投射光学系の光路内で少なくとも１回、中間結像させると共に、この投射光学系の瞳の中心と投射画像の中心とを結ぶ基準軸が前記被投射面の法線に対して傾いており、前記基準軸の前記被投射面の法線に対する傾き角をθとし、前記基準軸と前記被投射面の法線とを含む面を表すアジムスをαとし、この投射光学系の前記基準軸まわりに展開したアジムスξ°における倍率をβ（ξ）とするとき、
   ｜１−β（α）／（β（α＋９０°）ｃｏｓθ）｜＜０．３
   なる条件を満足することを特徴とする画像投射装置。
2. 前記曲面反射面が回転非対称面であることを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
3. 前記光変調手段は、発光強度を変調可能な発光素子であることを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
4. 前記光変調手段は、照明光を発する照明系と、この照明系からの照明光を変調する変調素子とを有して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
5. 前記基準軸が前記被投射面の法線に対して所定方向に傾いており、前記光走査手段は、前記所定方向に関して振れ角が非対称となるように前記光変調手段からの光を走査することを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。

Images