JP5030732B2 - 投射光学系及び画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明の少なくとも一つの態様は、投射光学系及び画像投射装置の少なくとも一つに関する。

小型のライトバルブに２次元的に画像表示した文字や絵などの静止画、あるいは動画などを、投射光学系によって拡大投影して画像表示するプロジェクタタイプの画像表示装置が知られている。また、近年、透過型、反射型ドットマトリクス液晶、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）等を用いた表示装置（以下ライトバルブと称する）を用い、このライトバルブに表示される画像をスクリーンに拡大投射して大画面として見せる拡大投射方式が着目されている。さらに、ライトバルブとしては透過型液晶パネル、ＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）のほか、コントラスト特性に優れたＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）が近年注目されている。

実際に、画面の大きさに制約を受けず、迫力のある大画面を得ることが可能なので、オフィスや、学校、家庭においても、より広く画像拡大投射装置（プロジェクター）が利用されている。

プロジェクタ型の画像表示装置としては、ライトバルブ上の画像を装置から離して設けた反射型スクリーンなどの投射面に拡大投射して反射光を観察するフロントプロジェクション型と、装置内に透過型のスクリーンを投射面として設け、スクリーンの背面側からライトバルブ上の画像を拡大投写し、スクリーン表面側から画像を観察するリアプロジェクション型とがある。

光学系の例として、特許文献１（特開２００４−２５８６２０号公報）があげられる。レンズ系で一旦中間像をつくり、それを凹面ミラーにて拡大投影する構成の投射光学系で、至近距離での投射を実現している。しかし、投射画像サイズを変化させる機構がなく固定されたサイズでしか投影できないため、投射サイズが固定であるという制約下では使用条件が制約を受ける可能性がある。

よって、投射画像サイズを変化させる光学系が提案されており、フロントプロジェクション型用の投射光学系の例としては、４枚のミラーによるテレセントリック系を構成要件としている特許文献２（特開２００３−１７７３２０号公報）があげられる。この特許文献２に記載の投射光学系は、４枚のミラー素子を対向配置して構成し、ミラーの移動によって至近距離で変倍投射が可能な投射光学系となっている。

しかし、一般にミラーはレンズよりも位置ずれによる性能劣化の感度が高いため、変倍投射時にミラーを移動させる際、ミラーの位置の誤差による画像性能の劣化が大きいことが予想される。すなわち、変倍させる際にミラーを移動させる必要があるが、ミラー位置の誤差による画像性能の劣化が大きいことが予想され、ミラーの配置精度を厳しくする必要があると考えられる。

また、ミラー間を光線が反射を繰り返す光路をとっており、拡大側の最終ミラーでは光線の高さが高くなっている。このため、係る装置の高さを低くすることは難しく、使用時の装置サイズが大きい。また、第４ミラーのサイズも大きい。加えて、ミラーが装置筐体の外にあるため、塵やほこり、あるいは衝撃などの外部要因によってミラーが劣化しやすいと考えられる。

また、特許文献３（特開２００４−２９５１０７号公報）には、物体側に移動可能な複数のレンズ系から成る第１光学系と、像側に反射曲面を有するミラー系とを備えた第２光学系を配置した変倍投射光学系が記載されている。特許文献３に開示される光学系例では、ミラー部は固定しレンズ部を移動することにより変倍を達成している。また、レンズ系で構成された光学系と、複数の曲面ミラーで構成された光学系でなっており、レンズ系がミラー部内に中間像を形成している。その中間像の位置はミラー系において最もレンズ系に近い第１面よりもミラー系内の拡大側にある。

この系では、レンズ部の移動により中間像の像サイズを変化させ、その変化した中間像を第二光学系で再び結像することにより投射画像サイズを変化させて変倍を達成しているが、投射距離を変えずに画角を変化させて変倍しているため、パワーを持つ光学成分（レンズ部）の（合成）焦点距離を投射画像サイズの変化倍率分変化させなければならず、その光学成分が複雑になり、それを担っているレンズ部の移動量も大きなものになってしまっている。

また、その焦点距離の変化による収差の変動分をミラー部で吸収するために実施例では複数の回転非対称な非球面ミラーが必要で、コスト増であることは言うまでもなく、その公差感度の高さにより製造組付けが困難であったり、投射距離自体も長く、至近投射光学系のように、小さなスペースでの使用に適さないものになってしまっている。

さらに、特許文献３に記載の変倍光学系において、第１光学系は透過屈折光学系で構成され、第２光学系が複数のミラーで構成されたものが例示されているものの、１枚で構成した例はない。複数のミラーで反射を繰り返す、第２光学系において、複数のミラーを順次反射しながら光線の高さが次第に高くなっていくので、ミラー系の高さをレンズ系の高さに揃えてコンパクトに構成することは難しい。その結果、装置の高さを低く構成することが難しくなる。

また、第１の光学系は移動可能な複数のレンズ系で構成されているが、レンズ系を折り返してコンパクトにしようとすると、折り返しの前後のレンズを移動させるため、カムの機構が複雑になると考えられる。開示されている図において、変倍時には、第１光学系の全てのレンズ群が移動しており、レンズ系を折り返す機構構成は難しいと考えられる。また、第２光学系のミラー系の部分も全長が長くなっているので、コンパクトに装置を構成することが難しいと考えられる。

さらに、特許文献３に記載の変倍光学系は、略同一の投射距離において投射画角を変化させることによって投射倍率を変化させる作用を有するものであるが、投射距離を変えたときに投射倍率を変える作用については開示されていない。また、同変倍光学系においては、投射画角が小さいので、投射画角を一定に保ったまま投射距離を変えることによって投射倍率を変えようとする場合には、投射距離を大幅に変えなければならない。投射距離が大幅に変わることになるのでピント調整量も大きくなってしまう。

図２３は、特許文献３に開示される光学系の形態を模式的に示す図である。

第一光学系、第二光学系共に実像を結ぶため、そのパワーは正である。また、第二光学系はミラー系で構成されているが、模式図的にレンズで示しても本説明にはなんら問題はない。ある物体と像の関係において、像の大きさを変化させるとするために、第二光学系は固定のため中間像の大きさを変化させている（特許文献３の図２参照）。そしてその中間像サイズ変化のために第一光学系は、主点の移動はおろかそのパワーまでも変化させなければならない。実際に近軸論的にはその像変化倍率分、焦点距離を変倍させなければならない。つまり像サイズの変倍率（最大の像サイズを最小の像サイズで割った値）をα'とし、第一光学系の最大の焦点距離をｆａ'、最小の焦点距離をｆｂ'とすると、下記の式（２）が成り立つこととなる。

α' ＝ ｆａ'／ｆｂ' ・・・・・（２）
特開２００４−２５８６２０号公報 特開２００３−１７７３２０号公報 特開２００４−２９５１０７号公報

本発明の第一の目的は、投射光学系を提供することである。

本発明の第二の目的は、画像投射装置を提供することである。

本発明の第一の態様は、物体と共役な第一の像を形成する第一の光学系、及び、該第一の像と共役な第二の像を被投射面に向かって投射する第二の光学系を含み、且つ、該第一の光学系及び該第二の光学系の少なくとも一方は、該物体に対して移動可能な少なくとも一つの光学素子を含む、投射光学系において、該物体に対して該光学素子の少なくとも一つを移動させることによって、前記第二の光学系と前記第二の像との間の距離の最大長が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられると共に、前記物体に対して前記光学素子の少なくとも一つを移動させることによって、前記第一の像と前記第二の光学系との間の距離が、変化させられると共に、前記第一の像が前記第二の光学系との間の距離が減少するとき、前記第二の光学系と前記第二の像との間の距離の最大長が増加すると共に該第二の像の大きさが増加することを特徴とする、投射光学系である。

本発明の第二の態様は、画像を被投射面に投射する画像投射装置において、本発明の第一の態様である投射光学系を含むことを特徴とする、画像投射装置である。

本発明の第一の態様によれば、投射光学系を提供することが可能になる。

本発明の第二の態様によれば、画像投射装置を提供することが可能になる。

（投射光学系及び画像投射装置）
本発明の実施形態は、投射光学系及び画像投射装置に関する。

本発明の実施形態の第一の目的は、物体と共役な第一の像を形成する第一の光学系、及び、該第一の像と共役な第二の像を被投射面に向かって投射する第二の光学系を含み、像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる、投射光学系を提供することである。

本発明の実施形態の第二の目的は、物体と共役な第一の像を形成する第一の光学系、及び、該第一の像と共役な第二の像を被投射面に向かって投射する第二の光学系を含み、像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる、投射光学系を含む、画像投射装置を提供することである。

本発明の実施形態の第一の態様は、物体と共役な第一の像を形成する第一の光学系、及び、該第一の像と共役な第二の像を被投射面に向かって投射する第二の光学系を含み、且つ、該第一の光学系及び該第二の光学系の少なくとも一方は、該物体に対して移動可能な少なくとも一つの光学素子を含む、投射光学系において、該物体に対して該光学素子の少なくとも一つを移動させることによって、当該投射光学系の像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられることを特徴とする投射光学系である。

本発明の実施形態の第二の態様は、画像を被投射面に投射する画像投射装置において、本発明の実施形態の第一の態様である投射光学系を含むことを特徴とする画像投射装置である。

本発明の実施形態の第一の態様によれば、物体と共役な第一の像を形成する第一の光学系、及び、該第一の像と共役な第二の像を被投射面に向かって投射する第二の光学系を含み、像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる、投射光学系を提供することができる。

本発明の実施形態の第二の態様によれば、物体と共役な第一の像を形成する第一の光学系、及び、該第一の像と共役な第二の像を被投射面に向かって投射する第二の光学系を含み、像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる、投射光学系を含む、画像投射装置を提供することができる。

次に、本発明の実施の形態（実施形態）を図面と共に説明する。

本発明の第一の実施形態は、物体と共役な第一の像を形成する第一の光学系、及び、該第一の像と共役な第二の像を被投射面に向かって投射する第二の光学系を含み、且つ、該第一の光学系及び該第二の光学系の少なくとも一方は、該物体に対して移動可能な少なくとも一つの光学素子を含む、投射光学系であって、該物体に対して該光学素子の少なくとも一つを移動させることによって、当該投射光学系の像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる。

ここで、被投射面は、当該投射光学系の構成要素であってもよく、当該投射光学系の構成要素でなくてもよい。例えば、被投射面が、当該投射光学系の構成要素である場合には、適当な周知の機構を用いて、被投射面を含む構成要素を、物体に対して移動させることによって、被投射面の位置を、該第二の像の位置に一致させてもよい。また、例えば、被投射面が、当該投射光学系の構成要素でない場合には、適当な周知の機構を用いて、当該投射光学系の筐体などに対して、当該投射光学系の全体を移動させることによって、該第二の像の位置を、被投射面の位置に一致させてもよい。また、例えば、被投射面が、当該投射光学系の構成要素でない場合には、ユーザによる人為的な手段によって、被投射面に対して、当該投射光学系の全体を移動させることによって、該第二の像の位置を、被投射面の位置に一致させてもよい。なお、第二の像は、被投射面に向かって投射されるものであればよく、必ずしも被投射面上に形成される必要はない。

また、第一の像及び第二の像の各々は、無収差の像であってもよく、収差を含む像であってもよい。さらに、物体に対して移動可能な少なくとも一つの光学素子を、物体に対して移動させる手段としては、周知の任意の手段を用いることができる。

なお、投射光学系の像距離とは、投射光学系の全体における第二の像側の主点から近軸光学的な第二の像の位置までの近軸光学的な距離を意味する。

本発明の第一の実施形態によれば、物体と共役な第一の像を形成する第一の光学系、及び、該第一の像と共役な第二の像を被投射面に向かって投射する第二の光学系を含み、像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる、投射光学系を提供することができる。

本発明の第一の実施形態である投射光学系において、好ましくは、前記物体に対して前記光学素子の少なくとも一つを移動させることによって、前記第一の像と前記第二の光学系との間の距離が、変化させられる。

ここで、前記第一の像と前記第二の光学系との間の距離とは、近軸光学的な前記第一の像の位置と前記第二光学系における任意の一点までの距離を意味する。

この場合には、前記第一の像と前記第二の光学系との間の距離を変化させることによって、比較的容易に、前記投射光学系の像距離を変化させると共に前記第二の像の大きさを変化させることができる、投射光学系を提供することができる。

例えば、前記第一の光学系が、前記光学素子の少なくとも一つを含み、且つ、前記第二の光学系が、前記物体に対して移動可能な光学素子を含まない場合、前記物体に対して前記第一の光学系に含まれる前記光学素子の少なくとも一つを移動させることによって、前記物体に対して前記第一の像を移動させると、前記第一の像と前記第二の光学系との間の距離を、変化させることができる。その結果、前記投射光学系の像距離を変化させると共に前記第二の像の大きさを変化させることができる。

また、例えば、前記第二の光学系が、前記光学素子の少なくとも一つを含み、且つ、前記第一の光学系が、前記物体に対して移動可能な光学素子を含まない場合、前記物体に対して前記第二の光学系に含まれる前記光学素子の少なくとも一つを移動させることによって、前記物体に対して前記第一の像を固定すると共に前記第一の像に対して前記第二の光学系を移動させると、前記第一の像と前記第二の光学系との間の距離を、変化させることができる。その結果、前記投射光学系の像距離を変化させると共に前記第二の像の大きさを変化させることができる。

本発明の第一の実施形態である投射光学系において、好ましくは、前記第一の光学系は、前記光学素子の少なくとも一つを含み、前記物体に対して前記第一の光学系に含まれる前記光学素子の少なくとも一つを移動させることによって、前記物体に対して前記第一の像を移動させる。

近軸光学的な前記物体の大きさに対する近軸光学的な前記第一の像の大きさの比、すなわち、前記第一の光学系の倍率を、ｍ１（＞０）で表し、近軸光学的な前記第一の像の大きさに対する近軸光学的な前記第二の像の大きさの比、すなわち、前記第二の光学系の倍率ｍ２（＞０）を表すと、近軸光学的な前記物体の大きさに対する近軸光学的な前記第二の像の大きさの比、すなわち、近軸光学的な投射光学系の倍率は、ｍ１×ｍ２である。ここで、前記第一の光学系の倍率の変化Δｍ１に対する前記近軸光学的な投射光学系の倍率の変化は、ｍ２となり、前記第二の光学系の倍率の変化Δｍ２に対する前記近軸光学的な投射光学系の倍率の変化は、ｍ１となる。

よって、例えば、ｍ２＞ｍ１を満たす投射光学系においては、前記第一の光学系の倍率の変化に対する前記近軸光学的な投射光学系の倍率の変化（第一の光学系の倍率感度）が、前記第二の光学系の倍率の変化に対する前記近軸光学的な投射光学系の倍率の変化（第二の光学系の倍率感度）よりも大きくなる。

従って、前記第一の光学系が、前記光学素子の少なくとも一つを含み、前記物体に対して前記第一の光学系に含まれる前記光学素子の少なくとも一つを移動させることによって、前記第二の像の大きさを変化させる投射光学系は、前記第二の光学系が、前記光学素子の少なくとも一つを含み、前記物体に対して前記第二の光学系に含まれる前記光学素子の少なくとも一つを移動させることによって、前記第二の像の大きさを変化させる投射光学系よりも高い倍率感度を有し、前記光学素子の少なくとも一つのより少ない移動量で、前記第二の像の大きさを変化させることができる。

よって、投射光学系が、ｍ２＞ｍ１を満たす場合に、より容易に、当該投射光学系の像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる投射光学系を提供することができる。

本発明の第一の実施形態である投射光学系において、好ましくは、前記第二の光学系は、前記物体に対して固定される。

この場合には、前記第二の光学系を、前記物体に対して固定しておく一方で、前記物体に対して前記第一の光学系に含まれる前記光学素子の少なくとも一つのみを移動させることによって、比較的容易に、当該投射光学系の像距離を変化させると共に該第二の像の大きさを変化させることができる。その結果、当該投射光学系の像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる投射光学系を、比較的容易に提供することができる。

例えば、その投射光学系は、物体を拡大あるいは縮小して像面に投影し、かつ物体に対する像の大きさが可変である投射光学系であって、前記可変時に移動可能なレンズユニットを備える正の光学的パワーを持った第一光学系と、前記可変時に固定の反射曲面を備える正の光学的パワーを持った第二光学系と、第一光学系と第二光学系の間に物体面から射出された光束が略収束化された中間像を有し、前記可変時に、前記第一光学系の移動によって前記中間像を移動し、それに伴い像距離を変化させることにより、像の大きさを可変できる投射光学系である。

この場合には、その投射光学系は、短い投射距離から高い倍率で拡大投射が可能で、かつ、その投射サイズを可変できる光学系である。その可変は、光学系中に作る中間像を移動することによって投射距離を変化させることで実現するため、中間像移動のための光学成分移動だけでよく、シンプルな構成で像サイズの可変を実現できる。また、光学成分移動による収差の変動も少ないため、中間像を像面に拡大投射するミラー光学系も少ない枚数で実現でき、その組み付け易さも格段に向上する。

すなわち、投射距離が短くても高い投射画像サイズの変倍率で拡大投射することが可能で、かつシンプルな光学系のため装置コストが低く、組み付け易さを達成した、新規な投射光学系を提供することができる。

また、例えば、その投射光学系は、少なくとも、平面的な物体面、および、物体面側に配置され、屈折力を有し、光軸方向への移動機構を伴う、光軸方向への移動が可能な、複数の光学素子、を含む第１の光学系、および、像面側に配置され、移動しない反射面から成る第２の光学系を具備し、前記第１の光学系は、前記第２の光学系において最も第１の光学系に近い光学面よりも第１の光学系側に中間像を形成し、前記第２の光学系は、前記中間像を拡大投射すると共に前記第一の光学系が有する光学素子の移動によって中間像の位置を移動させ、これにともない投射距離と像の大きさを変化させる投射光学系である。

この投射光学系は、短い投射距離から高い倍率で拡大投射が可能である、という特徴に加え、投射倍率が変わったときに、ミラーを固定したままでフォーカス調整を行うことができる。すなわち、第１光学系における屈折力を有する光学素子の移動により、該投射光学系の焦点距離を調整して、フォーカシング調整を行うことができる。これにより、ミラーの移動機構は不要になる。ミラーの移動によってフォーカシングさせる方法では、ミラーの移動に要する精度が高くなるため、ミラーの移動機構に要するコストが高くなるが、本発明の実施形態によって当該コストを下げることができる。第１光学系において屈折力を有する光学素子を光軸方向に移動させることは容易であり、低いコストで移動機構を実現できる。

また、投射画角が大きいので、投射距離を少し変えるだけで投射倍率を大きく変えることができ、ピント調整量も少なくて済む。

さらに、物体面より順に、屈折力を有する光学素子を有する第１の光学系、中間像、反射面を配置した（ミラー系とレンズ系の間に中間像がある）構成条件によって、中間像を反射面によって、短い投射距離で拡大投射させることができる。

このように、中間像を拡大投射する光学系にしているため、ミラーを小さくできる。また、ミラーサイズを小型化しても高い倍率で歪の少ない画像がえられ、ミラーの製造コストを下げることができる。

また、この投射光学系によって、短い投射距離で高い倍率で拡大投射できる。当該投射光学系を用いた画像投射装置は、投射画面の近傍に装置を設置できる。会議スペースなどにおいて、ユーザの近傍に装置を設置しなくてすむ。すなわち、ユーザと装置の距離を離して使用できる。装置が発生する騒音や排気による影響をユーザに与えることなく、装置を使用できる。

そして、当該装置において、投射画像は、投射画面の法線と所定の角度を以って斜めに投射される。このようにすると、ユーザが投射画面の近傍に寄っても、投射光は遮られにくい。影ができない。すなわち使いやすい。利便性が向上する。

すなわち、画像表示装置の高さを低く小型化する上で有利であり、かつ、投射倍率が変わった時に画像を劣化させないようにするための装置コストが低く、投射距離が短くても高い倍率で拡大投射することが可能な、新規な投射光学系を提供することができる。

さらに、この投射光学系において、好ましくは、投射倍率が異なる任意の２つの状態においては、前記投射光学系における最も像面に近い素子から像面までの投射距離が異なるとともに、前記第１光学系における一部の素子間隔が異なる（その他の素子間隔は同一である）。

この場合には、第２光学系を構成する光学素子を移動する機構は不要になる。第２光学系には反射ミラーが含まれている。ミラーの移動機構には高い精度が必要であるため、ミラーの移動機構に要するコストは高い。このような投射光学系によれば、コストの高い移動機構が不要である。投射倍率がかわったときにも安定した画質がえられる。装置のコストを下げることができる。装置による画質のバラツキも少なくなる。

本発明の第一の実施形態である投射光学系において、好ましくは、前記物体に対して前記第一の光学系に含まれる前記光学素子の少なくとも一つを移動させることによって、前記第一の光学系の焦点距離が、第一の焦点距離から第二の焦点距離まで変化させられると共に前記第二の像の大きさが、第一の大きさから第二の大きさまで変化させられるとき、該第一の焦点距離に対する該第二焦点距離の比は、該第一の大きさに対する該第二の大きさの比と異なる。

この場合には、前記第二の像の大きさを、第一の大きさから第二の大きさまで変化させるとき、該第一の大きさに対する該第二の大きさの比と異なる該第一の焦点距離に対する該第二焦点距離の比で、前記第一の光学系の焦点距離を、第一の焦点距離から第二の焦点距離まで変化させることによって、比較的容易に、当該投射光学系の像距離を変化させると共に該第二の像の大きさを変化させることができる。その結果、当該投射光学系の像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる投射光学系を、比較的容易に提供することができる。

本発明の第一の実施形態である投射光学系において、好ましくは、前記第二の焦点距離が、前記第一の焦点距離よりも長く、且つ、前記第二の大きさが、前記第一の大きさよりも大きい場合において、前記第一の大きさに対する前記第二の大きさの比が、前記第一の焦点距離に対する前記第二の焦点距離の比よりも大きい。

この場合には、前記第二の像の大きさを、第一の大きさから第二の大きさまで変化させるとき、該第一の大きさに対する該第二の大きさの比よりも小さい該第一の焦点距離に対する該第二の焦点距離の比で、前記第一の光学系の焦点距離を、第一の焦点距離から第二の焦点距離まで変化させることによって、比較的容易に、当該投射光学系の像距離を変化させると共に該第二の像の大きさを変化させることができる。その結果、当該投射光学系の像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる投射光学系を、比較的容易に提供することができる。

例えば、上記の投射光学系は、下記条件式（１）を満足する投射光学系である。

α ＞ ｆａ／ｆｂ ・・・・・（１）
但し、αは、最大の像サイズを最小の像サイズで割った値であり、ｆａは、前記第一光学系の最大焦点距離であり、ｆｂは、前記第一光学系の最小焦点距離である。

また、条件式（１）は、
１／α ＜ ｆｂ／ｆａ ・・・・・（１）'
とも表される。

また、条件式（１）又は（１）'から、ｆａにおける像サイズが、最大の像サイズであり、ｆｂにおける像サイズが、最小の像サイズであることを考慮すると、ｆａとｆｂとの比が、ｆａにおける最大の像サイズとｆｂにおける最小の像サイズとの比（α又は１／α）に等しくはないことがわかる。

この場合には、その投射光学系は、短い投射距離から高い倍率で拡大投射が可能で、かつ、その投射サイズを可変できる光学系である。その可変は、光学系中に作る中間像を移動することによって投射距離を変化させることで実現するため、中間像移動のための光学成分移動だけでよく、シンプルな構成で像サイズの可変を実現できる。また、光学成分移動による収差の変動も少ないため、中間像を像面に拡大投射するミラー光学系も少ない枚数で実現でき、その組み付け易さも格段に向上する。

本発明の第一の実施形態である投射光学系において、好ましくは、前記光学素子の少なくとも一つを含む、前記第一の光学系及び前記第二の光学系の少なくとも一方は、共軸光学系である。

この場合には、該光学素子の少なくとも一つが、共軸光学系に含まれるため、前記物体に対して、前記光学素子の少なくとも一つを、その共軸光学系の光軸に沿って、比較的容易に移動させることができるので、当該投射光学系の像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる投射光学系を、比較的容易に提供することができる。

本発明の第一の実施形態である投射光学系において、好ましくは、前記第一の光学系又は該第二の光学系の一方は、前記少なくとも一つの光学素子を含むと共に、前記第一の光学系又は該第二の光学系の他方を構成する光学素子よりも多くの光学素子を含む。

この場合には、前記少なくとも一つの光学素子が、より多くの光学素子を含む（第一の又は第二の）光学系に含まれるため、前記光学素子の少なくとも一つを移動させる際に、前記第二の像の性能の劣化を低減することができる。その結果、当該投射光学系の像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる、より高い光学性能を備えた投射光学系を提供することができる。

本発明の第一の実施形態である投射光学系において、好ましくは、該第二の像の大きさが変化させられる一方で、前記被投射面に向かって投射される主光線の半画角が、実質的に一定である。

ここで、前記被投射面に向かって投射される主光線とは、被投射面に向かって投射される光束の中心における光線を意味する。また、前記被投射面に向かって投射される主光線の半画角とは、９０°−（主光線が被投射面に入射する点における、被投射面の法線ベクトルと主光線の方向ベクトルとの間のなす角（９０°未満））を意味する。さらに、前記被投射面に向かって投射される主光線の半画角が、実質的に一定であるとは、該投射光学系の像距離を変化させると共に該第二の像の大きさを変化させる際に、前記被投射面に向かって投射される主光線の半画角の変動が、±２°以内であることを意味する。

この場合には、前記被投射面に向かって投射される主光線の半画角が、実質的に一定である一方で、当該投射光学系の像距離を変化させると共に該第二の像の大きさを変化させることができる投射光学系を提供することができる。

例えば、その投射光学系は、前記可変時に、像面に入射する主光線の最大入射角が実質的に変化しない投射光学系である。

この場合には、像面へ入射する主光線の最大入射角が実質的に変わらず、投射距離に対しリニアに像サイズが変わることで、像サイズの可変時の、その可変具合をイメージしやすく使いやすい。

本発明の第一の実施形態である投射光学系において、好ましくは、前記被投射面に向かって投射される主光線の半画角の最大値は、６０°以上である。

この場合には、該投射光学系の像距離を変化させると共に該第二の像の大きさを変化させる際に、被投射面に向かって投射される主光線の半画角の最大値が、６０°以上である（超広角）の投射光学系を提供することができる。

本発明の第一の実施形態である投射光学系において、好ましくは、前記第二の光学系は、正のパワーを有する反射面を備えた少なくとも一つの光学素子を含む。

この場合には、該投射光学系の像距離を変化させると共に該第二の像の大きさを変化させる際に、前記被投射面に向かって投射される主光線の半画角の最大値が、大きい投射光学系を、比較的容易に提供することができる。

例えば、上記の投射光学系における前記第２の光学系は、パワーを有する１枚以上のミラーを有する。また、その投射光学系において、第２光学系における１枚以上のミラーは、正のパワーを有する。

この場合には、中間像を拡大投射できる。中間像を形成する場合、物体から中間像に至る光束は収束し、中間像から像面に至る光束は発散するが、パワーを有する１枚以上のミラーによって、前記の発散光束を再び集光させて拡大像が得られる。また、適切なパワーを与えることによって、所定の像面上に反射光束を導いて像を結ぶことができる。また、像の歪を少なくすることができる。

上述したように、中間像から第２光学系に至る光束は発散しているが、正のパワーを有する反射面によって、これを再度集光させることができる。反射面数が２以上である場合には、反射面の合成パワーが正であればよく、パワーが負の反射面があってもよい。このとき、１枚以上の反射面のパワーは正である。パワーが正の反射面とはすなわち凹面鏡である。

パワーが正の反射面によって反射した光線は、像面の手前で交差したのち、像面に至る光路をとる。交差する位置において、光束の幅は狭くなっている。この位置に開口を設けると、フレア成分を遮光することができる。これによって像のコントラストを改善する効果が得られる。交差しない光学系においてはこの効果は得られない。開口アパーチャの位置形状は設計によって最適化できる。

本発明の第一の実施形態である投射光学系において、好ましくは、前記正のパワーを有する反射面を備えた少なくとも一つの光学素子における前記正のパワーを有する反射面の少なくとも一つは、回転対称非球面である。

ここで、回転対称非球面とは、前記正のパワーを有する反射面が、回転軸を有し、且つ、その反射面の形状が、その回転軸まわりに完全に又は実質的に軸対称であることを意味する。なお、実質的に軸対称であることは、設計において軸対称であり、且つ、加工誤差による非対称性が存在してもよいことを意味する。

この場合には、前記第二の像における収差を、回転対称非球面を用いて、比較的容易に低減することができる。その結果、当該投射光学系の像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる、より高い光学性能を備えた投射光学系を、比較的容易に提供することができる。

例えば、回転対称非球面は周知のとおり、Ｚを光軸方向のデプス、ｃを近軸曲率半径、ｒを光軸からの光軸直交方向の距離、ｋを円錐係数、Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・等を高次の非球面係数とすると、
Ｚ＝ｃ・ｒ^２／［１＋√｛１−（１＋ｋ）ｃ^２ｒ^２｝］＋Ａｒ^４＋Ｂｒ^６＋Ｃｒ^８・・・ （ａ）
という非球面式（ａ）となり、ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ・・・の値を与えて形状を特定する。

あるいは、例えば、回転対称非球面の形状は、非球面係数として偶数次項と奇数次項を含む非球面形状となっている。偶数次項と奇数次項とを含む非球面形状は、ｃを近軸曲率、Ｋを円錐定数、非球面係数をＣｉ（ｉ＝１，２，３，・・）として、次式（ｂ）で表される。

Ｚ（ｒ）＝（ｃｒ^２）／［１＋√｛１−（１＋Ｋ）ｃ^２ｒ^２｝］
＋Ｃ１・ｒ＋Ｃ２・ｒ^２＋Ｃ３・ｒ^３＋Ｃ４・ｒ^４＋・・・ （ｂ）
ここに、ｒは「光軸からの距離」、Ｚは「光軸方向のデプス」である。

例えば、上記の投射光学系において、前記第二光学系の反射曲面は、少なくとも１面は軸対称非球面形状を有する面である。あるいは、上記の投射光学系において、前記ミラーの形状は軸対称非球面である。

この場合には、反射ミラーが軸対称非球面形状であれば、その設計自由度が上がり光線の収束性がよく、解像性能が向上するし、少ない枚数で同じ機能を踏襲できる。また、非球面ミラーを用いることで解像度と歪の補正が容易になる。

本発明の第一の実施形態である投射光学系において、好ましくは、前記正のパワーを有する反射面を備えた少なくとも一つの光学素子における前記正のパワーを有する反射面の少なくとも一つは、自由曲面である。

ここで、自由曲面とは、回転対称非球面を除く全ての非球面を意味する。

この場合には、前記第二の像における収差を、自由曲面を用いて、より良好に低減することができる。その結果、当該投射光学系の像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる、より高い光学性能を備えた投射光学系を提供することができる。

例えば、アナモフィックな多項式自由曲面は、投射画像を基準として、短軸方向をＹ方向、長軸方向をＸ方向、曲面のデプスをＺ方向、「Ｘ２、Ｙ２、Ｘ２Ｙ、Ｙ３、Ｘ２Ｙ２など」を係数として
Ｚ＝Ｘ２・ｘ^２＋Ｙ２・ｙ^２＋Ｘ２Ｙ・ｘ^２ｙ＋Ｙ３・ｙ^３＋Ｘ４・ｘ^４＋Ｘ２Ｙ２・ｘ^２ｙ^２＋Ｙ４・ｙ^４＋Ｘ４Ｙ・ｘ^４ｙ＋Ｘ２Ｙ３・ｘ^２ｙ^３＋Ｙ５・ｙ^５＋Ｘ６・ｘ^６＋Ｘ４Ｙ２・ｘ^４ｙ^２＋Ｘ２Ｙ４・ｘ^２ｙ^４＋Ｙ６・ｙ^６＋・・・ （ｃ）
で表される形状である。

例えば、上記の投射光学系において、前記第二光学系の反射曲面は、少なくとも１面は自由曲面形状を有する面である。あるいは、上記の投射光学系において、前記１枚以上のミラーの形状は自由曲面である。

反射ミラーが軸対称非球面形状や自由曲面形状であれば、その設計自由度が上がり光線の収束性がよく、解像性能が向上するし、少ない枚数で同じ機能を踏襲できる。

また、自由曲面を用いることで解像度と歪の補正が容易になることに加え、ミラーを光軸に近づけた構成配置が実現する。これによって、装置の厚さをうすくできる。また、ミラーのサイズも小型化できる。これによって、ミラーのコストが下がる。装置のコストも下がる。装置の小型化と低コスト化を同時に実現できる。

本発明の第一の実施形態である投射光学系において、好ましくは、前記第二の光学系に含まれる、前記正のパワーを有する反射面を備えた少なくとも一つの光学素子の数は、一つである。

この場合には、前記第二の光学系の構成を、より単純にすることができるので、当該投射光学系の像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる、より単純な構成を備えた投射光学系を提供することができる。

例えば、上記の投射光学系において、前記第二光学系の反射曲面は、１枚である。

この場合には、ミラー枚数を１枚にすることで、第二光学系全体のコストを下げられることはもちろんのこと、公差感度の高いミラー系の組みつけが一度で済むため生産性も上がる。また本光学系を筐体に入れたときにそのサイズも小さくなりコンパクト化につながる。

本発明の第一の実施形態である投射光学系は、好ましくは、前記物体から前記第二の像までの光路中に、該光路を折り曲げる少なくとも一つの折り曲げミラーを含む。

この場合には、前記物体から前記第二の像までの光路を折り曲げることによって、当該投射光学系の像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる、より小型の投射光学系を提供することができる。

例えば、上記の投射光学系において、物体面から像面の間に折り返しミラーを配置し、光路を折り曲げる。あるいは、上記の投射光学系において、前記第１の光学系は、光路を折り曲げて構成される。

この場合には、折り返しミラーを配置し光路を折り曲げることによって、本光学系の占有面積を小さく出来、筐体サイズがコンパクトになる。あるいは、第１光学系をコンパクトに筐体に治めることができる。装置筐体を小型に構成できる。これらによって、装置の可搬性、設置の容易性を高めることができる。

本発明の第一の実施形態である投射光学系において、好ましくは、前記物体に対して移動可能な少なくとも一つの光学素子は、前記少なくとも一つの折り曲げミラーよりも前記物体側又は前記第二の像側に配置される。

この場合には、該投射光学系の像距離を変化させると共に該第二の像の大きさを変化させるように、前記物体に対して移動可能な少なくとも一つの光学素子を、前記物体に対して、より容易に（より単純な機構で）移動させることができる。その結果、当該投射光学系の像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる、より単純な構成を備えた投射光学系を提供することができる。

例えば、上記の投射光学系において、前記第１の光学系における折り曲げ位置に対し、物体側もしくは像側のいずれか一方の側にある光学素子のみが移動する。

一般には、折り曲げ構成で前後の光学素子が連動して移動する機構は複雑でコストアップとなる傾向がある。しかしながら、この投射光学系によれば、このようなカム機構の複雑化を回避することができ、カムのコストも下がり、装置コストが下がる。また、光学系を折り曲げて配置するので装置をコンパクト化することもできる。

本発明の第一の実施形態である投射光学系において、好ましくは、前記少なくとも一つの折り曲げミラーは、前記物体と前記第一の像との間に配置される。

この場合には、前記第一の像の位置が、前記少なくとも一つの折り曲げミラーの位置と重なることを防止することができるため、前記第一の像に対する前記少なくとも一つの折り曲げミラーの影響、すなわち、前記第二の像に対する前記少なくとも一つの折り曲げミラーの影響を低減することができる。その結果、当該投射光学系の像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる、より良好な光学性能を備えた投射光学系を提供することができる。

例えば、上記の投射光学系において、前記折り返しミラーは、前記第一光学系内に配置されている。

この場合には、スクリーン垂直方向に第一光学系の光軸が伸びているが、その第一光学系の光路を折り曲げることで上記のようにコンパクトに出来る。また、第一光学系と第二光学系の間ではなく、第一光学系内、つまりレンズユニット内で折り曲げることにより、第一光学系と第二光学系の間にある中間像と折り返しミラーが重なるのを避けることが出来る。なお、中間像では物体上の１点から射出した光束が再び略収束化され光束径が小さくなるので、折り返しミラー上に微小なゴミ等が付着した場合、光束径に対するゴミの大きさの割合が大きくなり、その後の像面の画像への影響が大きくなってしまう傾向がある。よって、中間像と折り返しミラーが重なるのを避けることが好ましい。

本発明の第一の実施形態である投射光学系において、好ましくは、前記第一の光学系は、前記物体に対して固定された、前記第一の像に最も近い光学素子を含む。

この場合には、前記第一の光学系が、該物体に対して移動可能な少なくとも一つの光学素子を含む場合にも、前記物体に対して移動可能な少なくとも一つの光学素子が、物体と物体に対して固定された前記第一の像に最も近い光学素子との間に配置されるので、該物体に対して該光学素子の少なくとも一つを、より容易に移動させることができる。その結果、当該投射光学系の像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる、より単純な構成を備えた投射光学系を提供することができる。

例えば、上記の投射光学系において、前記第一光学系の最も像面側のレンズユニットは、前記可変時に固定である。

この場合には、第一光学系の最も像面側のユニットは、物体上の各点から射出した光束が最も離れている個所なのでレンズの径は大きくなり重量も重くなるが、そのレンズユニットを固定にすることでその鏡筒の可変機構を小さく出来、かつ稼動しやすい機構となる。また、前記折り返しミラーが、前記第一光学系内に配置される構成の効果と合わせた効果として、このレンズユニットの物体側の直前に固定された折り返しミラーを配置することで、物体−折り返しミラー間のレンズユニットだけを可変させればよいので、その鏡筒設計も単純になり、シンプルになる。これに対して、このユニットも可変することになると、折り返しミラーによって光軸を折り返されたミラー前後のレンズユニットを同時にリニアに可変させなければならなく、その鏡筒可変機構設計が非常に複雑になる。

本発明の第一の実施形態である投射光学系において、好ましくは、前記第一の像は、前記物体側に向かって湾曲した像面湾曲を有する。

この場合には、正のパワーを有する反射面を備えた少なくとも一つの光学素子を用いることによって、前記物体側に向かって湾曲した前記第一の像の像面湾曲を、より容易に低減することができる。その結果、当該投射光学系の像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる、より高い光学性能を備えた投射光学系を、比較的容易に提供することができる。

例えば、上記の投射光学系において、前記中間像は、アンダーな像面湾曲特性を有する。ここで、アンダーな像面とは、光軸に垂直な面に対し、光軸から離れた座標ほど物体面側に近づく方向をいい、オーバーな物体面とは、光軸に垂直な面に対し、光軸から離れた座標ほど像面から離れていく方向を言う。

このように、中間像面にアンダーな像面湾曲特性を与えると、正のパワーを有するミラーと併せて、像の倒れを補正しやすくなる。アンダーな像面湾曲特性とは、中間像面と第１光学系の距離が、光軸からの距離が長いほど短くなる状態を指す。中間像面を、第２光学系の物体面と考えるとき、物体面はオーバーな方向に倒れている。すなわち、光軸からの距離が長い位置ほど中間像面からミラーまでの距離は長くなっている。このような状態にすると、正のパワーを有するミラーによって得られる中間像面の２次像の像面倒れを補正しやすくなる。なお、中間像面の２次像は、当該投射光学系における像面と一致するものである。

また、正のパワーを有する光学素子によって物体の像を得るとき、物体に倒れがない状態では、像面はアンダーに倒れる傾向がある。ここで、物体面をオーバー側に倒していくと、アンダー側に倒れていた像面の倒れ量を減少させることができる。一般にこれらの倒れ方は直線的ではなく曲線的である。ところで、物体面を曲線状に湾曲させることは、一般には難しい。物体面は多くの実施例において平面状である。たとえばプロジェクタ光学系において物体面はライトバルブ素子であり、ライトバルブ素子上の画像は平面的に形成されている。ライトバルブ素子として、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）、透過型液晶ライトバルブなどがある。これらはいずれも平面的な形状である。よって、これを湾曲形状にするには多大なコストを要する。ところが本発明の実施形態によれば、前記の物体面が中間像面であるので、事情が異なってくる。すなわち、第１の光学系の設計によって、中間像面をアンダーに湾曲した形状にすることは可能であり、実施に要するコストの追加は少ない。そして、中間像面をアンダーに湾曲させることで、投射光学系の像面の倒れを補正しやすくなるという効果が得られる。

本発明の第一の実施形態である投射光学系において、好ましくは、前記第一の光学系は、共軸光学系であり、前記物体は、前記第一の光学系の光軸に対して偏心させられる。

この場合には、前記物体は、前記第一の光学系の光軸に対して偏心させることによって、前記第一の光学系及び前記第二の光学系が、より適切に配置された、当該投射光学系の像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる、投射光学系を提供することができる。

例えば、上記の投射光学系は、物体面の中心は前記第１の光学系の光軸とずらして配置され、かつ、前記ミラーに入射する光線の高さが第１の光学系の光軸よりも低い、投射光学系である。

この投射光学系は、物体面の中心を第１の光学系の光軸とずらして配置している。ここで光軸方向をＺ、光軸と直交する方向の一方をＸ軸、他方をＹ軸とする直交座標系を定義する。物体面を＋Ｙ方向にずらすと、中間像は光学の結像原理に基づきーＹ方向に形成される。中間像よりも拡大側に第２光学系のミラーを配置するとき、Ｙがマイナスの領域にミラーを配置して光を反射させることができる。Ｙがプラスの方向を装置の高さ方向に取ると、装置の上側に飛び出さないようにミラーを配置することができる。これによって、ミラーを装置筐体の中におさめることもできる。ユーザがミラーに接触してしまうことはなくなる。またミラーは筐体に覆われているので埃はつきにくい。埃が熱によって焦げ付くとミラーの反射率が低下し、あるいは散乱源となって投射画像の画質を劣化させる。反射率の低下は明るさを落とす。散乱はコントラストを下げる。このようなことはなくなる。また、ミラーへの接触による破損、歪みの発生などのダメージも回避できる。

本発明の第二の実施形態は、画像を被投射面に投射する画像投射装置であって、本発明の第一の実施形態である投射光学系を含む。

本発明の第二の実施形態によれば、物体と共役な第一の像を形成する第一の光学系、及び、該第一の像と共役な第二の像を被投射面に向かって投射する第二の光学系を含み、像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられる、投射光学系を含む、画像投射装置を提供することができる。

上記の画像投射装置は、例えば、少なくとも１枚以上の画像形成素子と、前記画像形成素子を照明する照明光学系と、前記画像形成素子により変調された光画像信号を拡大もしくは縮小する投射光学系を有する画像表示装置であって、前記投射光学系が、上記のいずれかの投射光学系である、画像表示装置である。

この場合には、投射距離が短くても高い投射画像サイズの変倍率で拡大投射することが可能で、かつシンプルな光学系のため装置コストが低く、組み付け易さを達成した、新規な投射光学系を用いた画像表示装置を実現できる。

また、上記の画像投射装置は、例えば、少なくとも、１枚以上のライトバルブ素子と、前記ライトバルブを照明する照明光学系と、前記ライトバルブにより変調された光画像信号を拡大投射する投射光学系を有する画像表示装置であって、前記投射光学系が、上記のいずれかの投射光学系である、画像表示装置である。

このような画像投射装置によれば、筐体の高さ・厚さが大きくならず、ミラーを筐体の中におさめる構成が可能である。これによって、物体面の中心は前記第１の光学系の光軸とずらして配置され、かつ、前記ミラーに入射する光線の高さが第１の光学系の光軸よりも低い、投射光学系の効果が得られる。また、第１の光学系の設計によって、中間像の像形状は低いコストで制御することができる。これによって、倒れのない、ピントのよく合った像面を得ることができる。また物体面をシフトさせているので、像面の法線に対して所定の角度を以って斜めに投射することができるので、短い投射距離で拡大投射することができる。また、投射倍率が変わっても、ミラーを移動させることなくピントを合わせることができる。高い精度が要求され、コストアップの要因となるミラーの移動機構は不要である。また、ミラーは小さく構成することができるので、ミラーのコストも低い。ミラーを小さく構成できるので、非球面形状のほか自由曲面形状にしても、コストを抑えたうえで自由曲面による高い像収差補正効果が得られ、像性能を高くすることができる。第１光学系にはレンズに代表される屈折力を有する素子を配しているが、これらは光軸方向に移動させるだけでピント調整できるので、特殊な移動機構は不要である。また第１光学系を折り返した構成にして筐体をコンパクトに構成することもできる。折り曲げる方向はおおむねＸＹ面内での折り曲げが好ましいが、必要に応じてＸＺ面内方向に折り曲げ角の成分があっても発明の主旨は失われない。また、折り曲げたときに光学素子の移動機構が複雑にならない構成も実現できている。

すなわち、画像表示装置の高さを低く小型化する上で有利であり、かつ、投射倍率が変わった時に画像を劣化させないようにするための装置コストが低く、投射距離が短くても高い倍率で拡大投射することが可能な、新規な投射光学系を用いた画像表示装置を提供することができる。

次に、本発明の実施形態の具体的な例を、図面を参照して、説明することにする。

図１は、本発明の実施形態の具体的な例を模式的に示す図である。

図２３と同様に、第一光学系、第二光学系共にそのパワーは正であり、第二光学系はミラー系で構成されているが、模式図的にレンズで示しても本説明にはなんら問題はない。第二光学系は固定のため、図１のように中間像位置を移動させ像距離を変化させることにより像サイズを変化させている。ここで第二光学系は中間像を大きく拡大するため、その正のパワーが大きく、縦倍率の関係から微小な中間像位置変化でも、像距離は大きく変化しその像サイズも大きく変化する。つまり中間像の微小な位置変動で像サイズを大きく変化させることが出来る。そして、第一光学系は固定焦点ながら主点位置を移動させることで、その中間像位置を微小移動させている。実際には収差補正上、第一光学系の焦点距離は変化するが、上記の式（２）（α' ＝ ｆａ'／ｆｂ'）に示されているような像サイズ変化分の焦点距離変化は必要ない。つまり像サイズの変倍率（最大の像サイズを最小の像サイズで割った値）をαとし、第一光学系の最大の焦点距離をｆａ、最小の焦点距離をｆｂとすると、上記の式（１）（α ＞ ｆａ／ｆｂ）が成り立つわけである。第一光学系の焦点距離変化を小さく出来るため、その変倍構成を単純に出来、また光学系全体の収差変動も小さいため第二光学系が吸収する収差変動分も小さく出来、第二光学系をシンプルに出来る。また、中間像位置を微小変動させることにより、像面に入射する主光線の最大入射角は、上記収差変動分を吸収するために若干変化するが、近軸論上、実質上は変化しない構成になっている。

図２、３、及び４は、本発明の実施形態の第一の具体例を示す図である。

図２、３、及び４において、符号１は、投射光学系の結像において物体となる面を示す。実際には、例えば「ライトバルブの画像表示面」であり、この実施形態の具体例では「反射型のライトバルブの画像表示面」を想定している。なお、反射型に限らず透過型のライトバルブの画像表示面であっても良い。この実施形態の具体例は、反射型のライトバルブを３枚用いるカラー画像表示を想定しており、これら３枚のライトバルブは投射光学系に対して等価な位置に配置されるので、物体面１で３つの物体面を表している。

符号２は「光源からの光を各ライトバルブへ導くための偏光ビームスプリッタと、各ライトバルブでの反射光束を合成するためのクロスプリズムとを合わせた系」を、これに等価な光路長を持つ透明板として示すものである。

符号３は、「屈折力を有する複数の光学素子」を示している。この実施形態の具体例においては、１０枚のレンズ素子と絞りによって構成されているが、レンズ素子数は１０枚でなくてもよい。また、絞りの位置も、ここに示した位置でなくてもよい。

符号４は、「移動しない反射曲面」を示している。この実施の形態においては、第２の光学系は前記移動しない反射曲面４のみによって構成されている。

図２は、本発明の実施形態の第一の具体例を示す図であり、投射距離５５１ｍｍの像面に対角８０インチの像を投射した状態を示す。

図３は、本発明の実施形態の第一の具体例を示す図であり、投射距離４３８ｍｍにおいて対角６０インチの像を投射した状態を示す。

図４は、本発明の実施形態の第一の具体例を示す図であり、投射距離３３４ｍｍにおいて対角４０インチの像を投射した状態を示す。

図２、３、及び４において、ライトバルブ素子は対角０．６インチで、アスペクト比は３：４である。

図２、３、及び４において、物体面１から射出した５本の光束の光路が同時に示されている。これらは像面５に拡大して集光している。

図５、６、及び７は、それぞれ、図２、３、及び４における物体面１から第２の光学系４までを拡大して示している。

図５は、図２における光学系の拡大図を示す。

図６は、図３における光学系の拡大図を示す。

図７は、図４における光学系の拡大図を示す。

同図５、６、及び７において、符号６は、物体面１における物点の中間像面を示している。厳密には、前記の中間像面において各画角の光束は、１点に集光せず、収差をもっていてもよい。

図５、６及び７において、物体面１からは、実際には無数の光束が射出しているが、それらの全てを示していない。破線６は、これらの光束によって得られる中間像面を模式的に示している。図示するように、これらの実施形態の具体例において、中間像面はアンダーに湾曲している。本発明の実施形態の光学系において、中間像面がアンダーに湾曲していることを、典型的な例として示している。

図５、６及び７において、第１光学系は、第２光学系において最も第１の光学系に近い光学面よりも第１の光学系側に中間像を形成している。

そして、前記中間像は第２光学系のミラーによって拡大投射されている。

ここで、図５と図６と図７を比較すると、第１の光学系の素子のみを移動しており、第２光学系のミラーは移動していない。

また、第１の光学系におけるレンズＬ８、Ｌ９、Ｌ１０は移動していない。

第２光学系は１枚の凹面ミラー４で構成されており、該凹面ミラー４はパワーを有する。また、そのパワーは正である。本実施例において、該凹面ミラー４は自由曲面である。自由曲面の定義式は、上述のアナモフィックな多項式自由曲面の式（ｃ）によって、示される。

図２に示すように座標系をとることで、反射曲面４に式２を適用することができる。この場合において、反射曲面は、Ｘ＝０の位置を境に、Ｘが正の方向とＸが負の方向に、対称なる形状を有することが、本発明の実施形態における典型的な例である。

前記の反射曲面４は、本実施の形態における自由曲面をとりうるが、この他に、例えば上式（ｂ）又は（ｃ）によって表されるような軸対称非球面であってもよい。さらには、前記の軸対称非球面は、上式（ｃ）によって表されるような奇数次非球面を含むものであってもよい。

図８及び図９は、本発明の実施形態の第二の具体例を示す。

図８は、本発明の実施形態の第二の具体例を示す図であり、対角８０インチの画面に像を投射する構成を示す。図９は、本発明の実施形態の第二の具体例を示す図であり、対角６０インチの画面に像を投射する構成を示す。

第１の光学系において、レンズＬ７とレンズＬ８の間に、折り返しミラー７を設けた構成を図８に示す。図８の構成において対角８０インチの画面が投射される。図９の構成において、対角６０インチの画面を投射する。図８、９において、第一の光学系３'のレンズＬ８、Ｌ９、Ｌ１０は移動しないので、カムは折り返しミラーに対して縮小側にのみ設ければよい。また、同図８及び９において、第２光学系のミラー４も移動しない。また、折り返しミラーも移動しない。ここで本具体例では、第一の光学系３'のレンズを固定し折り返しミラーに対して縮小側にのみカムを設けているが、このほかに図２７のように折り返しミラーに対して縮小側のレンズを固定し、第２光学系側にカムを設け、第２光学系側のレンズを移動させてもよい。

図１０及び図１１は、本発明の実施形態の第三の具体例を示す。

図１０は、本発明の実施形態の第三の具体例を示す図である。図１１は、正のパワーを有する光学素子の像面湾曲を説明する図である。

図１０において、第１の光学系によって形成される中間像面を破線で示している。中間像面はアンダーに湾曲している。

中間像面にアンダーな像面湾曲特性を与えると、正のパワーを有するミラーと併せて、像の倒れを補正しやすくなる。アンダーな像面湾曲特性とは、中間像面と第１光学系の距離が、光軸からの距離が長いほど短くなる状態を指す。ここでの光軸とは図１０におけるＯ−Ｏ'である。

見方を変えて、中間像面６を、第２光学系の物体面と考えるとき、物体面はオーバーな方向に倒れている。すなわち、光軸Ｏ−Ｏ'からの距離が長い位置ほど中間像面６からミラー４までの距離は長くなっている。このような状態にすると、正のパワーを有するミラーによって得られる中間像面の２次像の像面倒れを補正しやすくなる。なお、中間像面の２次像は、当該投射光学系における像面と一致するものである。

正のパワーを有する光学素子によって物体の像を得るとき、物体に倒れがない状態では、像面はアンダーに倒れる傾向がある。図１１にその様子を模式的に示す。

ここで、物体面をオーバー側に倒していくと、アンダー側に倒れていた像面の倒れ量を減少させることができる。

一般にこれらの倒れ方は直線的ではなく曲線的である。ところで、物体面を曲線状に湾曲させることは、一般には難しい。物体面は多くの実施例において平面状である。たとえばプロジェクタ光学系において物体面はライトバルブ素子であり、ライトバルブ素子上の画像は平面的に形成されている。ライトバルブ素子として、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）、透過型液晶ライトバルブなどがある。これらはいずれも平面的な形状である。よって、これを湾曲形状にするには多大なコストを要する。

ところが本発明の実施形態によれば、前記の物体面が中間像面であるので、事情が異なってくる。すなわち、第１の光学系の設計によって、中間像面をアンダーに湾曲した形状にすることは可能であり、実施に要するコストの追加は少ない。そして、中間像面をアンダーに湾曲させることで、投射光学系の像面の倒れを補正しやすくなるという効果が得られる。

図１２及び図１３は、本発明の実施形態の第四の具体例を示す。図１２は、本発明の実施形態の第四の具体例を示す図であり、物体面が第１光学系の光軸に対してシフトした構成を示す。図１３は、本発明の実施形態の第四の具体例を示す図であり、筐枠で光学系を覆う構成を示す。

図１０において、直線Ｏ―Ｏ'は第１光学系の光軸を示す。物体面は光軸より＋Ｙ側にシフトして配置している。このとき、第１の光学系によって形成した中間像を破線ＭＭ'で示す。中間像は光軸よりも−Ｙ側に形成されている。また、同図は、第２光学系の凹面ミラーを光軸よりも−Ｙ側に配置できることを示している。図１２は、図１０に示した光学系の全体図であり、像面の位置を同時に示している。ミラーを反射した光線は光軸をまたいで反対側にある像面に至る構成となっている。光軸からミラーまでの最大距離をＨ１で示している。本光学系を筐体で覆う場合には、Ｈ１＋Ｈ２（Ｈ２はレンズＬ１９の外径）程度の厚さがあればよい。曲面ミラーで何度も反射を繰り返す構成にはなっていないことが従来例図の構成とは異なっている。これにより、反射の繰り返しによって光学系が厚くなるということがない。

図１０において、パネル面１は、第１の光学系の光軸と直交する方向にシフトして配置されている。この実施の形態におけるシフト量は６．８ｍｍである。パネルをシフトして配置することによって、図１０及び１２に示すように、第１光学系を射出したのちの光路は、光軸よりもーＹ方向に向かうので、第２光学系の反射曲面の高さが＋Ｙ方向に高くならないように配置できるという効果を得ている。また、後述するように、反射曲面の大きさもコンパクトに構成できるので、反射曲面が−Ｙ方向に低くなりすぎることも回避している。これらの効果によって、かかる光学系を筐体におさめようとしたときに、筐体の中に反射曲面を容易におさめることができるし、筐体のＹ方向高さも短くすることができる。

ミラー部を含めた光学系を筐枠で覆った構成を図１３に模式的に示す。図１３の構成において、ユーザがミラーに接触してしまうことはなくなる。またミラーは筐体８に覆われているので埃はつきにくい。これらの効果は、第一光学系に対しても同様である。

埃が熱によって焦げ付くとミラーの反射率が低下し、あるいは散乱源となって、投射画像の画質を劣化させる。反射率の低下は明るさを落とす。散乱はコントラストを下げる。本実施例においては、このようなことはなくなる。また、ミラーへの接触による破損、歪みの発生などのダメージも回避できる。

なお、図１３において、装置筐体８の一部には開口９を設け、筐体８の外に光線を通している。

また、図１３の例では第１の光学系は光路の折り返しを行っていないが、図８、図９のように折り返して構成することは勿論可能である。折り返すことによって、装置のＺ方向の長さを短くすることができる。

図１４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施形態の第五の具体例を示す。

前記の投射光学系を用いて画像表示装置を構成することができる。図１４（ａ）及び（ｂ）に構成例を模式的に示す。

光源１０としてランプ光源を示している。ランプ光源としては、キセノンランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどを用いることができる。あるいは、ＬＥＤ、ＬＤ、レーザーなどの固体光源を用いてもよい。

光源光はＵＶ成分、ＩＲ成分を含んでいるが、これらはカットフィルタ１１、１２でカットすることによって、光学素子の劣化を抑制することができる。

偏光変換素子１３は、前記光線の偏光特性を直線偏光に変換することで、光利用効率を高めることができる。

１対のフライアイレンズアレイ１４、１５によって照明光量分布を均一化することができる。

コンデンサレンズ１６によって、ライトバルブを照明する角度、照明領域を調整することができる。

図１４（ａ）のフライアイレンズ１５を射出した光束は図１４（ｂ）のダイクロイックプリズム１７に至る。

ダイクロイックミラー１７は青色波長成分を選択反射して青の照明光路を多色の照明光路と分離する。ダイクロイックミラー１７の透過光（緑色波長成分及び赤色波長成分を含む光）は、ミラー２６によって反射され、ダイクロイックミラー１８に入射する。

ダイクロイックミラー１８は緑色波長成分を選択反射して緑と赤の照明光路を分離する。

ダイクロイックミラー１７の反射光は、偏光ビームスプリッタ１９を透過して、ライトバルブ素子２２を照明する。

ダイクロイックミラー１８の反射光は、偏光ビームスプリッタ２０を透過して、ライトバルブ素子２３を照明する。

ダイクロイックミラー１８の透過光は、偏光ビームスプリッタ２１を透過して、ライトバルブ素子２４を照明する。

ここで示すライトバルブ素子２２、２３、２４は反射型ライトバルブ素子である。

ライトバルブ素子２２への照明光はライトバルブ素子２２によって変調され、青色波長成分の画像信号が与えられる。

ライトバルブ素子２３への照明光はライトバルブ素子２３によって変調され、緑色波長成分の画像信号が与えられる。

ライトバルブ素子２４への照明光はライトバルブ素子２４によって変調され、赤色波長成分の画像信号が与えられる。

ライトバルブ素子２２によって変調された反射光は、偏光ビームスプリッタ１９を反射して、クロスプリズム２５によって他色の反射光と合成される。

ライトバルブ素子２３によって変調された反射光は、偏光ビームスプリッタ２０を反射して、クロスプリズムによって他色の反射光と合成される。

ライトバルブ素子２４によって変調された反射光は、偏光ビームスプリッタ２１を反射して、クロスプリズムによって他色の反射光と合成される。

ダイクロイックプリズム２５によって合成された反射光が、投射光学系の第１の光学系によって中間像を形成する。

前記の中間像は、第２の光学系によって拡大投射される。

２２、２３，２４が投射光学系における物体面１になるように、投射光学系を配置する。

上記の構成例によって、３板式の拡大画像表示装置を構成することができる。本発明の実施形態による投射光学系を用いることによって、すでに説明した効果が得られる。

なお、透過型のライトバルブ素子を用いた画像表示装置においても、本発明の実施形態に記載の投射光学系はなんらの問題なく適用することができる。

あるいは、１枚のライトバルブ素子でフィールドシーケンシャルに画像を表示させる画像表示装置においても、本発明の実施形態に記載の投射光学系を適用することができる。

次に、本発明による投射光学系の数値実施例１を、図１５〜２２を参照して、以下に示す。

表１に投射光学系の面番号、曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数の数値実施例を示す。

註１：非球面を○印で示す。（ただし２４面は自由曲面）
註２：反射面を○印で示す。

表１において非球面を註１に○印で示す。第１４、１５、１７、２１、２２面は回転対称非球面であり、第２４面はアナモフィックな多項式自由曲面である。

表１において反射面を註２に○印で示す。すなわち第２４面はミラーである。

表１において、投射倍率によって変化する面間隔の値を斜体で示す。

物体から第５面までの間には、クロスプリズムや偏光ビームスプリッタが設けられる場合と等価な光路長が与えられている。

表２〜６に非球面係数を示す。

表７には、上式（ａ）における係数の次数と係数記号の関係をまとめた。

表８に、第２４面の自由曲面係数を示す。第２４面の自由曲面係数は、上式（ｂ）における係数である。

表９に、第２４面の偏心量を示す。

本数値実施例１における光学系の物体側の開口数（ＮＡ）は０．２５である。

本数値実施例１において、物体面の中心と第１の光学系の光軸は＋Ｙ方向に６．４６ｍｍずらして配置している。

なお、本数値実施例１の表１における拡大倍率は１２７である。ここで拡大倍率とは、物体サイズと像サイズのおおよその比である。

また、本数値実施例１において、拡大倍率が異なる状態における、面間隔の値を、表１０に示す。

表１０において、たとえば面間隔ｄ１０は、面番号１０と面番号１１の間の面間隔を示す。

図１５は、数値実施例１において、倍率１２７における像面のスポットダイアグラムを示す図である。同様に、図１６は、数値実施例１において、倍率９５．２における像面のスポットダイアグラムを示す図である。さらに、図１７は、数値実施例１において、倍率６３．５における像面のスポットダイアグラムを示す図である。

図１８は、図１５、１６、及び１７に示されるスポットと像面上の位置の対応を示す図である。図１８においては、ＸＹ面上にある像面のうち、Ｘ≦０のエリアについて、Ｘ方向に３等分割、Ｙ方向に３等分割して得られる９個の格子点を示している。これらの格子点を

で示し、それらのスポットダイアグラムを図１５、１６、及び１７に示している。

なお、本数値実施例１においては、像面はＸＹ面上にあり、像面上のスポット特性は、Ｙ軸に対して±Ｘ方向には対称なるスポット特性を示すため、図１８では＋Ｘ側のスポット位置のみを示している。

図１５、１６、及び１７に示すように、いずれの投射倍率においてもスポットはよく集光している。本数値実施例１では、ＸＧＡクラスの解像度が得られている。

ＸＧＡの解像周波数において、白色のＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ（ＭＴＦ）として、画面全域で５０％以上の性能が得られる。

図１９は、投射倍率１２７におけるＴＶディストーション特性を示す図である。図２０は、投射倍率９５．２におけるＴＶディストーション特性を示す図である。図２１は、投射倍率６３．５におけるＴＶディストーション特性を示す図である。

ここで、ＴＶディストーションとは、ＴＶモニターに像を映し出したときの像の長辺方向の歪みを表す数値であり、Ｄｈ＝Δｈ／２ｈ×１００％によって定義される。なお、Ｄｈは、ＴＶディストーションを表し、ｈは、像の中心から像の短辺方向における像の端までの長さを表し、Δｈは、像の頂点を通って像の長辺方向に延びる直線と像の短辺方向における像の端を通って像の長辺方向に延びる直線との間隔を表す。

いずれにおいてもＴＶディストーションは１％以下であり、歪はよく補正されている。

また、投射倍率１２７、９５．２、６３．５の各々において、像面とミラーの最大長は５３５．４ｍｍ、４２４．９ｍｍ、３２１．６ｍｍである。像面までの距離は短く、本実施例は、至近距離から高い倍率で拡大投射することができるという性能を実現するものである。

また、本実施例１の投射光学系において、被投射面に向かって投射される主光線の半画角の最大値は、約７４°である。

なお、本数値実施例１の投射光学系においては、投射距離及び投射倍率を変化させるとき、中間像が移動している。

図２２は、本数値実施例１における中間像の移動を説明するための図である。図２２には、（第２４面を有する）凹面ミラーに最も近い（第２１面及び第２２面を有する）レンズ及び凹面ミラーを示す。図２２に示すように、このレンズの光軸と画面中心を結ぶ軸（Ｙ軸、スクリーンの短軸方向）上の最もスクリーン上部に到達する主光線の、中間像から凹面ミラーにあたるまでの光路長をａとする。

表１１に示すように、投射距離が長くなる８０インチでは、中間像−凹面ミラー間の光路長ａが短く、投射距離が短くなる４０インチでは、中間像−凹面ミラー間の光路長ａが長い。このように、本数値実施例１において、投射距離を、８０インチから４０インチまで変化させるとき、すなわち、投射倍率を変化させるとき、中間像が、移動することを確認できる。

次に、本発明の実施形態による投射光学系の数値実施例２を、図２４〜３３を参照して、以下に示す。

表１２に投射光学系の面番号、曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数の数値実施例を示す。

註１：非球面を○印で示す。（ただし３３面は自由曲面）
註２：反射面を○印で示す。

表１２において非球面を註１に○印で示す。第２２、２３、３０、３１面は回転対称非球面であり、第３３面はアナモフィックな多項式自由曲面である。

表１２において反射面を註２に○印で示す。すなわち第３３面はミラーである。

表１２において、投射倍率によって変化する面間隔の値を斜体で示す。

物体から第７面までの間には、クロスプリズムや偏光ビームスプリッタが設けられる場合と等価な光路長が与えられている。

表１３〜１６に非球面係数を示す。

表１７には、上式（ａ）における係数の次数と係数記号の関係をまとめた。

表１８に、第３３面の自由曲面係数を示す。第３３面の自由曲面係数は、上式（ｃ）における係数である。

表１９に、第３３面の偏心量を示す。

本数値実施例２における光学系の物体側の開口数（ＮＡ）は０．２２である。

本数値実施例２において、物体面の中心と第１の光学系の光軸は＋Ｙ方向に５．５７ｍｍずらして配置している。

なお、本数値実施例２の表１２における拡大倍率は１６４．７である。

また、本数値実施例２において、拡大倍率が異なる状態における、面間隔の値を、表２０に示す。

表２０において、たとえば面間隔ｄ２１は、面番号２１と面番号２２の間の面間隔を示す。

図２４は数値実施例２における、投射距離７５９ｍｍにおいて対角１００インチの像を投射した状態を示す。図２５は数値実施例２における、投射距離５４４ｍｍにおいて対角７０インチの像を投射した状態を示す。図２６は数値実施例２における、投射距離４００ｍｍにおいて対角５０インチの像を投射した状態を示す。

図２４、２５、及び２６において、ライトバルブ素子は対角０．６１インチで、アスペクト比は９：１６である。

図２７は、図２４、２５、および２６における物体面１から第２の光学系４までを示している。

図５、６、及び７と同様に中間像を結んでおり、中間像面はアンダーに湾曲している。

ここで図２７は、図８、９のように折り返しミラーによって第１の光学系の光路を折り曲げていないが、折り返しミラー７を配置し折り曲げるスペースは十分確保されており、模式的に光路をストレートに描いているが、折り返しミラー７により光路を折り曲げることは可能である。

数値実施例１では折り返しミラー７に対して縮小側、つまり物体面側のレンズを移動させていたが、本数値実施例２では折り返しミラー７に対して拡大側、つまり折り返しミラーと第２の光学系４の間のレンズを移動させている。このようにレンズを移動させるためのカム機構は折り返しミラー７に対して縮小側のレンズ群でもよいし、拡大側のレンズ群でもよい。

図２８は、数値実施例２において、倍率１６４.７における像面のスポットダイアグラムを示す図である。同様に、図２９は、数値実施例２において、倍率１１５.３における像面のスポットダイアグラムを示す図である。さらに、図３０は、数値実施例２において、倍率８２．４における像面のスポットダイアグラムを示す図である。

ここで図２８、２９、及び３０は、図１５、１６、及び１７と同様に、図１８に示されている９個の格子点のスポットダイアグラムを示している。

なお、本数値実施例２においても、像面はＸＹ面上にあり、像面上のスポット特性は、Ｙ軸に対して±Ｘ方向には対称なるスポット特性を示すため、図１８では＋Ｘ側のスポット位置のみを示している。

図２８、２９、及び３０に示すように、いずれの投射倍率においてもスポットはよく集光している。本数値実施例２では、フルハイビジョンクラスの解像度（１９２０×１０８０）が得られている。

図３１は、投射倍率１６４.７におけるＴＶディストーション特性を示す図である。図３２は、投射倍率１１５.３におけるＴＶディストーション特性を示す図である。図３３は、投射倍率８２．４におけるＴＶディストーション特性を示す図である。いずれにおいてもＴＶディストーションは１％以下であり、歪はよく補正されている。

また、投射倍率１６４.７、１１５.３、８２．４の各々において、像面とミラーの最大長は７５９ｍｍ、５４４ｍｍ、４００ｍｍである。像面までの距離は短く、本実施例は、至近距離から高い倍率で拡大投射することができるという性能を実現するものである。また、本実施例２の投射光学系において、被投射面に向かって投射される主光線の半画角の最大値は、約７１.９°である。

また、数値実施例１と同様に、このレンズの光軸と画面中心を結ぶ軸（Ｙ軸、スクリーンの短軸方向）上の最もスクリーン上部に到達する主光線の、中間像から凹面ミラーにあたるまでの光路長をａとしたとき表２１に示すように、投射距離が長くなる１００インチでは、中間像−凹面ミラー間の光路長ａが短く、投射距離が短くなる５０インチでは、中間像−凹面ミラー間の光路長ａが長い。

このように、本数値実施例２において、投射距離を、１００インチから５０インチまで変化させるとき、すなわち、投射倍率を変化させるとき、中間像が、移動することを確認できる。

次に、本発明の実施形態による投射光学系の数値実施例３を、図３４〜を参照して、以下に示す。

表２２に投射光学系の面番号、曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数の数値実施例を示す。

註１：非球面を○印で示す。

註２：反射面を○印で示す。

表２２において非球面を註１に○印で示す。第１８、１９、２２、２３、２８、２９、３０面は回転対称非球面である。

表２２において反射面を註２に○印で示す。すなわち第３０面はミラーである。数値実施例１、２に対し本数値実施例３では、第２の光学系のミラーは回転対称非球面である。
表２２において、投射倍率によって変化する面間隔の値を斜体で示す。

物体から第４面までの間には、クロスプリズムや偏光ビームスプリッタが設けられる場合と等価な光路長が与えられている。

表２３〜２９に非球面係数を示す。

表３０には、上式（ａ）における係数の次数と係数記号の関係をまとめた。

本数値実施例３における光学系の物体側の開口数（ＮＡ）は０．２０である。

本数値実施例３において、物体面の中心と第１の光学系の光軸は＋Ｙ方向に５．８０ｍｍずらして配置している。

なお、本数値実施例３の表２２における拡大倍率は１３１．８である。

また、本数値実施例３において、拡大倍率が異なる状態における、面間隔の値を、表３１に示す。

表３１において、たとえば面間隔ｄ１９は、面番号１９と面番号２０の間の面間隔を示す。

図３４は数値実施例３における、投射距離７３９ｍｍにおいて対角８０インチの像を投射した状態を示す。

図３５は数値実施例３における、投射距離５７１ｍｍにおいて対角６０インチの像を投射した状態を示す。

図３６は数値実施例３における、投射距離４００ｍｍにおいて対角４０インチの像を投射した状態を示す。

図３４、３５、及び３６において、ライトバルブ素子は対角０．６１インチで、アスペクト比は９：１６である。

図３７は、図３４、３５、及び３６における物体面１から第２の光学系４までを示している。

図５、６、及び７と同様に中間像を結んでおり、中間像面はアンダーに湾曲している。

ここで図３７は、図８、９のように折り返しミラーによって第１の光学系の光路を折り曲げていないが、折り返しミラー７を配置し折り曲げるスペースは十分確保されており、模式的に光路をストレートに描いているが、折り返しミラー７により光路を折り曲げることは可能である。

数値実施例２同様、折り返しミラー７に対して拡大側、つまり折り返しミラーと第２の光学系４の間のレンズを移動させている。

図３８は、数値実施例３において、倍率１３１.８における像面のスポットダイアグラムを示す図である。同様に、図３９は、数値実施例３において、倍率９８.８における像面のスポットダイアグラムを示す図である。さらに、図４０は、数値実施例３において、倍率６５．９における像面のスポットダイアグラムを示す図である。

ここで図３８、３９、及び４０は、図１５、１６、及び１７と同様に、図１８に示されている９個の格子点のスポットダイアグラムを示している。

なお、本数値実施例３においても、像面はＸＹ面上にあり、像面上のスポット特性は、Ｙ軸に対して±Ｘ方向には対称なるスポット特性を示すため、図１８では＋Ｘ側のスポット位置のみを示している。

図３８、３９、及び４０に示すように、いずれの投射倍率においてもスポットはよく集光している。本数値実施例３では、フルハイビジョンクラスの解像度（１９２０×１０８０）が得られている。

図４１は、投射倍率１３１.８におけるＴＶディストーション特性を示す図である。図４２は、投射倍率９８.８におけるＴＶディストーション特性を示す図である。図４３は、投射倍率６５．９におけるＴＶディストーション特性を示す図である。いずれにおいてもＴＶディストーションは１％以下であり、歪はよく補正されている。

また、投射倍率１３１.８、９８.８、６５．９の各々において、像面とミラーの最大長は７３９ｍｍ、５７１ｍｍ、４００ｍｍである。像面までの距離は短く、本実施例は、至近距離から高い倍率で拡大投射することができるという性能を実現するものである。

また、本実施例３の投射光学系において、被投射面に向かって投射される主光線の半画角の最大値は、約６７．７°である。

また、数値実施例１と同様に、このレンズの光軸と画面中心を結ぶ軸（Ｙ軸、スクリーンの短軸方向）上の最もスクリーン上部に到達する主光線の、中間像から凹面ミラーにあたるまでの光路長をａとしたとき表３２に示すように、投射距離が長くなる８０インチでは、中間像−凹面ミラー間の光路長ａが短く、投射距離が短くなる４０インチでは、中間像−凹面ミラー間の光路長ａが長い。

このように、本数値実施例３において、投射距離を、８０インチから４０インチまで変化させるとき、すなわち、投射倍率を変化させるとき、中間像が、移動することを確認できる。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を具体的に説明してきたが、本発明は、これらの実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、これら本発明の実施の形態及び実施例を、本発明の主旨及び範囲を逸脱することなく、変更又は変形することができる。

本発明の実施形態は、プロジェクターのような、投射光学系、拡大投射光学系、変倍投射光学系、及び、画像表示装置に適用することができる。例えば、本発明の実施形態は、投影装置などの画像投射装置の投射光学系に適用することができ、特に、フロントプロジェクタにおける至近距離投射を達成させる投射光学系に適用することができる。

本発明の少なくとも一つの態様を投射光学系及び画像投射装置の少なくとも一つに利用することができる可能性がある。

［付記］
付記（１）：
物体と共役な第一の像を形成する第一の光学系、及び、該第一の像と共役な第二の像を被投射面に向かって投射する第二の光学系を含み、且つ、
該第一の光学系及び該第二の光学系の少なくとも一方は、該物体に対して移動可能な少なくとも一つの光学素子を含む、投射光学系において、
該物体に対して該光学素子の少なくとも一つを移動させることによって、当該投射光学系の像距離が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられることを特徴とする投射光学系。

付記（２）：
前記物体に対して前記光学素子の少なくとも一つを移動させることによって、前記第一の像と前記第二の光学系との間の距離が、変化させられることを特徴とする付記（１）に記載の投射光学系。

付記（３）：
前記第一の光学系は、前記光学素子の少なくとも一つを含み、
前記物体に対して前記第一の光学系に含まれる前記光学素子の少なくとも一つを移動させることによって、前記物体に対して前記第一の像を移動させることを特徴とする付記（１）又は（２）に記載の投射光学系。

付記（４）：
前記第二の光学系は、前記物体に対して固定されることを特徴とする付記（３）に記載の投射光学系。

付記（５）：
前記物体に対して前記第一の光学系に含まれる前記光学素子の少なくとも一つを移動させることによって、前記第一の光学系の焦点距離が、第一の焦点距離から第二の焦点距離まで変化させられると共に前記第二の像の大きさが、第一の大きさから第二の大きさまで変化させられるとき、
該第一の焦点距離に対する該第二焦点距離の比は、該第一の大きさに対する該第二の大きさの比と異なることを特徴とする付記（４）に記載の投射光学系。

付記（６）：
前記第二の焦点距離が、前記第一の焦点距離よりも大きく、且つ、前記第二の大きさが、前記第一の大きさよりも大きい場合において、
前記第一の大きさに対する前記第二の大きさの比が、前記第一の焦点距離に対する前記第二の焦点距離の比よりも大きいことを特徴とする付記（５）に記載の投射光学系。

付記（７）：
前記光学素子の少なくとも一つを含む、前記第一の光学系及び前記第二の光学系の少なくとも一方は、共軸光学系であることを特徴とする付記（１）乃至（６）のいずれかに記載の投射光学系。

付記（８）：
前記第一の光学系又は該第二の光学系の一方は、前記少なくとも一つの光学素子を含むと共に、前記第一の光学系又は該第二の光学系の他方を構成する光学素子よりも多くの光学素子を含むことを特徴とする付記（１）乃至（７）のいずれかに記載の投射光学系。

付記（９）：
該第二の像の大きさが変化させられる一方で、前記被投射面に向かって投射される主光線の半画角が、実質的に一定であることを特徴とする付記（１）乃至（８）のいずれかに記載の投射光学系。

付記（１０）：
前記被投射面に向かって投射される主光線の半画角の最大値は、６０°以上であることを特徴とする付記（９）に記載の投射光学系。

付記（１１）：
前記第二の光学系は、正のパワーを有する反射面を備えた少なくとも一つの光学素子を含むことを特徴とする付記（１）乃至（１０）のいずれかに記載の投射光学系。

付記（１２）：
前記正のパワーを有する反射面を備えた少なくとも一つの光学素子における前記正のパワーを有する反射面の少なくとも一つは、回転対称非球面であることを特徴とする付記（１１）に記載の投射光学系。

付記（１３）：
前記正のパワーを有する反射面を備えた少なくとも一つの光学素子における前記正のパワーを有する反射面の少なくとも一つは、自由曲面であることを特徴とする付記（１１）に記載の投射光学系。

付記（１４）：
前記第二の光学系に含まれる、前記正のパワーを有する反射面を備えた少なくとも一つの光学素子の数は、一つであることを特徴とする付記（１１）乃至（１３）のいずれかに記載の投射光学系。

付記（１５）：
前記物体から前記第二の像までの光路中に、該光路を折り曲げる少なくとも一つの折り曲げミラーを含むことを特徴とする付記（１）乃至（１４）のいずれかに記載の投射光学系。

付記（１６）：
前記物体に対して移動可能な少なくとも一つの光学素子は、前記少なくとも一つの折り曲げミラーよりも前記物体側又は前記第二の像側に配置されることを特徴とする付記（１５）に記載の投射光学系。

付記（１７）：
前記少なくとも一つの折り曲げミラーは、前記物体と前記第一の像との間に配置されることを特徴とする付記（１５）又は（１６）に記載の投射光学系。

付記（１８）：
前記第一の像は、前記物体側に向かって湾曲した像面湾曲を有することを特徴とする付記（１）乃至（１７）のいずれか一つに記載の投射光学系。

付記（１９）：
前記第一の光学系は、共軸光学系であり、
前記物体は、前記第一の光学系の光軸に対して偏心させられることを特徴とする付記（１）乃至（１８）のいずれかに記載の投射光学系。

付記（２０）：
画像を被投射面に投射する画像投射装置において、
付記（１）乃至（１９）のいずれかに記載の投射光学系を含むことを特徴とする画像投射装置。

図１は、本発明の実施形態の具体的な例を模式的に示す図である。 図２は、本発明の実施形態の第一の具体例を示す図であり、投射距離５５１ｍｍの像面に対角８０インチの像を投射した状態を示す。 図３は、本発明の実施形態の第一の具体例を示す図であり、投射距離４３８ｍｍにおいて対角６０インチの像を投射した状態を示す。 図４は、本発明の実施形態の第一の具体例を示す図であり、投射距離３３４ｍｍにおいて対角４０インチの像を投射した状態を示す。 図５は、図２における光学系の拡大図を示す。 図６は、図３における光学系の拡大図を示す。 図７は、図４における光学系の拡大図を示す。 図８は、本発明の実施形態の第二の具体例を示す図であり、対角８０インチの画面に像を投射する構成を示す。 図９は、本発明の実施形態の第二の具体例を示す図であり、対角６０インチの画面に像を投射する構成を示す。 図１０は、本発明の実施形態の第三の具体例を示す図である。 図１１は、正のパワーを有する光学素子の像面湾曲を説明する図である。 図１２は、本発明の実施形態の第四の具体例を示す図であり、物体面が第１光学系の光軸に対してシフトした構成を示す。 図１３は、本発明の実施形態の第四の具体例を示す図であり、筐枠で光学系を覆う構成を示す。 図１４（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施形態の第五の具体例を示す。 図１５は、数値実施例１において、倍率１２７における像面のスポットダイアグラムを示す図である。 図１６は、数値実施例１において、倍率９５．２における像面のスポットダイアグラムを示す図である。 図１７は、数値実施例１において、倍率６３．５における像面のスポットダイアグラムを示す図である。 図１８は、図１５、１６、及び１７に示されるスポットと像面上の位置の対応を示す図である。 図１９は、数値実施例１において、投射倍率１２７におけるＴＶディストーション特性を示す図である。 図２０は、数値実施例１において、投射倍率９５．２におけるＴＶディストーション特性を示す図である。 図２１は、数値実施例１において、投射倍率６３．５におけるＴＶディストーション特性を示す図である。 図２２は、本数値実施例１における中間像の移動を説明するための図である。 図２３は、特許文献３に開示される光学系の形態を模式的に示す図である。 図２４は、数値実施例２において、投射距離７５９ｍｍにおいて対角１００インチの像を投射した状態を示す。 図２５は、数値実施例２において、投射距離５４４ｍｍにおいて対角７０インチの像を投射した状態を示す。 図２６は、数値実施例２において、投射距離４００ｍｍにおいて対角５０インチの像を投射した状態を示す。 図２７は、図２４、２５、および２６における物体面１から第２の光学系４までを拡大して示している。 図２８は、数値実施例２において、倍率１６４.７における像面のスポットダイアグラムを示す図である。 図２９は、数値実施例２において、倍率１１５.３における像面のスポットダイアグラムを示す図である。 図３０は、数値実施例２において、倍率８２．４における像面のスポットダイアグラムを示す図である。 図３１は、数値実施例２において、投射倍率１６４.７におけるＴＶディストーション特性を示す図である。 図３２は、数値実施例２において、投射倍率１１５.３におけるＴＶディストーション特性を示す図である。 図３３は、数値実施例２において、投射倍率８２．４におけるＴＶディストーション特性を示す図である。 図３４は数値実施例３における、投射距離７３９ｍｍにおいて対角８０インチの像を投射した状態を示す。 図３５は数値実施例３における、投射距離５７１ｍｍにおいて対角６０インチの像を投射した状態を示す。 図３６は数値実施例３における、投射距離４００ｍｍにおいて対角４０インチの像を投射した状態を示す。 図３７は、図３４、３５、及び３６における物体面１から第２の光学系４までを拡大して示している。 図３８は、数値実施例３において、倍率１３１.８における像面のスポットダイアグラムを示す図である。 図３９は、数値実施例３において、倍率９８.８における像面のスポットダイアグラムを示す図である。 図４０は、数値実施例３において、倍率６５．９における像面のスポットダイアグラムを示す図である。 図４１は、数値実施例３において、投射倍率１３１.８におけるＴＶディストーション特性を示す図である。 図４２は、数値実施例３において、投射倍率９８.８におけるＴＶディストーション特性を示す図である。 図４３は、数値実施例３において、投射倍率６５．９におけるＴＶディストーション特性を示す図である。

１ 物体面
２ 偏光ビームスプリッタとクロスプリズムとを合わせた系
３ 屈折力を有する複数の光学素子
３' 第一の光学系
４ 反射曲面
５ 像面
６ 中間像面
７ 折り返しミラー
８ 筐体
９ 開口
１０ 光源
１１，１２ カットフィルタ
１３ 偏光変換素子
１４，１５ フライアイレンズアレイ
１６ コンデンサレンズ
１７，１８ ダイクロイックミラー
１９，２０，２１ 偏光ビームスプリッタ
２２，２３，２４ ライトバルブ素子
２５ クロスプリズム
２６ ミラー

Claims (18)

1. 物体と共役な第一の像を形成する第一の光学系、及び、該第一の像と共役な第二の像を被投射面に向かって投射する第二の光学系を含み、且つ、
   該第一の光学系及び該第二の光学系の少なくとも一方は、該物体に対して移動可能な少なくとも一つの光学素子を含む、投射光学系において、
   該物体に対して該光学素子の少なくとも一つを移動させることによって、前記第二の光学系と前記第二の像との間の距離の最大長が変化させられると共に該第二の像の大きさが変化させられると共に、
   前記物体に対して前記光学素子の少なくとも一つを移動させることによって、前記第一の像と前記第二の光学系との間の距離が、変化させられると共に、
   前記第一の像が前記第二の光学系との間の距離が減少するとき、前記第二の光学系と前記第二の像との間の距離の最大長が増加すると共に該第二の像の大きさが増加する
   ことを特徴とする、投射光学系。
2. 請求項１に記載の投射光学系において、
   前記第二の光学系は、前記物体に対して固定される
   ことを特徴とする、投射光学系。
3. 請求項２に記載の投射光学系において、
   前記物体に対して前記第一の光学系に含まれる前記光学素子の少なくとも一つを移動させることによって、前記第一の光学系の焦点距離が、第一の焦点距離から第二の焦点距離まで変化させられると共に前記第二の像の大きさが、第一の大きさから第二の大きさまで変化させられるとき、
   該第一の焦点距離に対する該第二焦点距離の比は、該第一の大きさに対する該第二の大きさの比と異なる
   ことを特徴とする、投射光学系。
4. 請求項３に記載の投射光学系において、
   前記第二の焦点距離が、前記第一の焦点距離よりも大きく、且つ、前記第二の大きさが、前記第一の大きさよりも大きい場合において、
   前記第一の大きさに対する前記第二の大きさの比が、前記第一の焦点距離に対する前記第二の焦点距離の比よりも大きい
   ことを特徴とする、投射光学系。
5. 請求項１から４までのいずれかに記載の投射光学系において、
   前記光学素子の少なくとも一つを含む、前記第一の光学系及び前記第二の光学系の少なくとも一方は、共軸光学系である
   ことを特徴とする、投射光学系。
6. 請求項１から５までのいずれかに記載の投射光学系において、
   前記第一の光学系又は該第二の光学系の一方は、前記少なくとも一つの光学素子を含むと共に、前記第一の光学系又は該第二の光学系の他方を構成する光学素子よりも多くの光学素子を含む
   ことを特徴とする、投射光学系。
7. 請求項１から６までのいずれかに記載の投射光学系において、
   該第二の像の大きさが変化させられる一方で、前記被投射面に向かって投射される主光線の半画角が、実質的に一定である
   ことを特徴とする、投射光学系。
8. 請求項７に記載の投射光学系において、
   前記被投射面に向かって投射される主光線の半画角の最大値は、６０°以上である
   ことを特徴とする、投射光学系。
9. 請求項１から８までのいずれかに記載の投射光学系において、
   前記第二の光学系は、正のパワーを有する反射面を備えた少なくとも一つの光学素子を含む
   ことを特徴とする、投射光学系。
10. 請求項９に記載の投射光学系において、
    前記正のパワーを有する反射面を備えた少なくとも一つの光学素子における前記正のパワーを有する反射面の少なくとも一つは、回転対称非球面である
    ことを特徴とする、投射光学系。
11. 請求項９に記載の投射光学系において、
    前記正のパワーを有する反射面を備えた少なくとも一つの光学素子における前記正のパワーを有する反射面の少なくとも一つは、自由曲面である
    ことを特徴とする、投射光学系。
12. 請求項９から１１までのいずれかに記載の投射光学系において、
    前記第二の光学系に含まれる、前記正のパワーを有する反射面を備えた少なくとも一つの光学素子の数は、一つである
    ことを特徴とする、投射光学系。
13. 請求項１から１２までのいずれかに記載の投射光学系において、
    前記物体から前記第二の像までの光路中に、該光路を折り曲げる少なくとも一つの折り曲げミラーを含む
    ことを特徴とする、投射光学系。
14. 請求項１３に記載の投射光学系において、
    前記物体に対して移動可能な少なくとも一つの光学素子は、前記少なくとも一つの折り曲げミラーよりも前記物体側又は前記第二の像側に配置される
    ことを特徴とする、投射光学系。
15. 請求項１３又は１４に記載の投射光学系において、
    前記少なくとも一つの折り曲げミラーは、前記物体と前記第一の像との間に配置される
    ことを特徴とする、投射光学系。
16. 請求項１から１５までのいずれかに記載の投射光学系において、
    前記第一の像は、前記物体側に向かって湾曲した像面湾曲を有する
    ことを特徴とする、投射光学系。
17. 請求項１から１６までのいずれかに記載の投射光学系において、
    前記第一の光学系は、共軸光学系であり、
    前記物体は、前記第一の光学系の光軸に対して偏心させられる
    ことを特徴とする、投射光学系。
18. 画像を被投射面に投射する画像投射装置において、
    請求項１から１７までのいずれかに記載の投射光学系を含む
    ことを特徴とする、画像投射装置。

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