JP2011242580A

JP2011242580A - 投影光学装置

Info

Publication number: JP2011242580A
Application number: JP2010114112A
Authority: JP
Inventors: Takayoshi Togino; 孝吉研野
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2011-12-01
Also published as: CN102253593A; US20110285973A1

Abstract

【課題】歪みが抑えられるとともに、全面でピントが合った高解像の投影像を投影できることを特徴とした投影光学装置を提供する。
【解決手段】二次元からなる映像表示素子１３ｂに表示された映像を投影する投影光学系１３と、投影光学系１３に対して偏心し、投影光学系１３の投影した映像が投影される円筒スクリーン１１と、を備えた投影光学装置において、円筒スクリーン１１の回転中心軸１１ａの方向（Ｙ軸方向）と、投影光学系１３から円筒スクリーン１１へ向かう光束の中心主光線Ｃを含む第１面１０１に対して直交する方向（Ｘ軸方向）とでパワーが異なる光学素子１２ａを有する補正光学系１２を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は投影光学系を含んで構成される光学系に関するものであり、特に、円筒状の投影面（スクリーン）に像歪み無く高解像な映像を投影することが可能な投影光学装置に関するものである。

投影光学系を用いて円筒スクリーンに実像を投影する投影光学系について、特許文献１には、３６０°全方位（全周）の画角を有する画像を投影する光学系において、小型でフレアー光が少なく解像力のよい光学系を提供することが開示されている。

特開２００７−３３４０１９号公報

特許文献１に記載の光学系によれば、全周囲に映像を投影することで、観察者は全周にパノラマ状に広がる映像を観察させることで、観察者を映像に没入させることが可能となる。しかしながら、このような３６０°にわたる映像を投影するには、光学系を中心として、その周囲にある程度の空間を設けることが必要である。

したがって、特許文献１に記載の光学系では、例えば、飛行機の機内のような限られた空間で没入感のある映像を楽しむことは困難である。ここで、観察者が椅子やソファなどに着座した状況では３６０°にまで映像を投影するまでもなく、１８０°近くの投影像であっても没入感を得ることが可能であることが分かっている。これは、着座によって観察者の視点範囲が限られたものとなるためである。

本発明は、このような円筒状の投影面（円筒スクリーン）に広画角の映像を投影する光学系において、歪みが抑えられるとともに、全面でピントが合った高解像の投影像を投影できることを特徴とした投影光学装置を提供することを目的としている。

本発明に係る投影光学装置は、二次元からなる映像表示素子に表示された映像を投影する投影光学系と、前記投影光学系に対して偏心し、前記投影光学系の投影した映像が投影される円筒スクリーンと、を備えた投影光学装置において、前記円筒スクリーンの回転中心軸の方向（Ｙ軸方向）と、前記投影光学系から前記円筒スクリーンへ向かう光束の中心主光線を含む第１面に対して直交する方向（Ｘ軸方向）とでパワーが異なる光学素子を有する補正光学系を備えたことを特徴とする。

また、Ｙ軸方向とＸ軸方向でパワーの異なる前記光学素子は、円筒ミラーであることを特徴とする。

また、前記補正光学系は、Ｙ軸方向とＸ軸方向でパワーの異なる第１の光学素子と、第１の光学素子で発生する非点収差を補正する光軸に対して回転非対称な第２の光学素子を有することを特徴とする。

また、前記円筒スクリーンの弧の角度は３０°以上であることを特徴とする。

また、前記円筒スクリーン上の投影中心へ投影する中心主光線の角度は、１０°以上であることを特徴とする。

また、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする。
Ｒｒ＜５００（１）
ただし、Ｒｒは、シリンドリカルミラーの水平方向の曲率半径である。

また、以下の条件式（２）を満足することを特徴とする。
２＜Ｒｓ／Ｒｒ（２）
ただし、
Ｒｓは、スクリーンの曲率半径、
Ｒｒは、シリンドリカルミラーの水平方向の曲率半径
である。

以上、本発明によれば、簡単な構成で平面の映像表示素子の映像を、円筒状の投影面（円筒スクリーン）に像歪みが無く高解像に投影することが可能な投影光学装置を提供することが可能となる。

本発明にかかる実施形態の座標系及び第１面を説明した図である。本発明にかかる実施形態の座標系及び第２面を説明した図である。実施例１の光学系、及び、その周辺構成についてＹＺ平面における断面を示した図である。実施例１の光学系、及び、その周辺構成についてＺＸ平面における平面図である。実施例１の光学系全体の横収差図を示す図である。実施例１の光学系全体の横収差図を示す図である。実施例１の光学系全体の像歪みを示す図である。実施例２の光学系、及び、その周辺構成についてＹＺ平面における断面を示した図である。実施例２の光学系、及び、その周辺構成についてＺＸ平面における平面図である。実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。実施例２の光学系全体の横収差図を示す図である。実施例２の光学系全体の像歪みを示す図である。実施例３の光学系、及び、その周辺構成についてＹＺ平面における断面を示した図である。実施例３の光学系、及び、その周辺構成についてＺＸ平面における平面図である。実施例３の光学系全体の横収差図を示す図である。実施例３の光学系全体の横収差図を示す図である。実施例３の光学系全体の像歪みを示す図である。実施例４の光学系、及び、その周辺構成についてＹＺ平面における断面を示した図である。実施例４の光学系、及び、その周辺構成についてＺＸ平面における平面図である。実施例４の光学系全体の横収差図を示す図である。実施例４の光学系全体の横収差図を示す図である。実施例４の光学系全体の像歪みを示す図である。他の実施例の補正光学系、及び、その周辺構成についてＹＺ平面における断面を示した図である。他の実施例の補正光学系、及び、その周辺構成についてＺＸ平面における平面図である。本発明の実施形態に係る光学系、及び、その周辺構成について、ＹＺ平面における断面、並びに、観察者による観察の様子を示した図である。

以下、実施例に基づいて本発明の投影光学装置について説明する。

まず、本発明にかかる実施形態の座標系について説明する。図１は本発明にかかる実施形態の座標系及び第１面を説明した図、図２は本発明にかかる実施形態の座標系及び第２面を説明した図である。

本実施形態の光学系を用いた投影光学装置は、図１及び図２に示すように、投影光学系１３、補正光学系１２及び円筒スクリーン１１を含んで構成されている。投影光学系１３から投影された映像は、円筒ミラー等の補正光学系１２にて反射され、円筒スクリーン１１に投影される。

本実施形態の光学系の座標系は、投影光学系１３から射出した中心主光線Ｃが補正光学系１２を経て円筒スクリーン１１と交差する点を投影中心ＳＯとし、投影中心ＳＯから円筒スクリーン１１の回転中心軸１１ａへの垂線Ａ１を引いた場合に、回転中心軸１１ａと垂線Ａ１の交点を原点Ｏとする。

また、図１に示すように、円筒スクリーン１１の回転中心軸１１ａと中心主光線Ｃを含む面を第１面１０１とする。また、図２に示すように、円筒スクリーン１１の回転中心軸１１ａに直交し、投影中心ＳＯを含む面を第２面１０２とする。さらに、第１面１０１をＹＺ面、第２面１０２をＺＸ面としてＸＹＺ座標を定義する。

次に、実施例１に基づいて、本実施形態の投影光学装置について説明する。図３は、実施例１の光学系、及び、その周辺構成についてＹＺ平面における断面を示した図、図４は、実施例１の光学系、及び、その周辺構成についてＺＸ平面における平面図である。

本実施形態の投影光学装置は、二次元からなる映像表示素子１３ｂに表示された映像を、理想レンズ１３ａを通して投影するプロジェクター等の投影光学系１３と、投影光学系１３に対して偏心し、投影光学系１３の投影した映像が投影される円筒スクリーン１１と、を備えた投影光学装置において、円筒スクリーン１１の回転中心軸１１ａの方向（Ｙ軸方向）と、投影光学系１３から円筒スクリーン１１へ向かう光束の中心主光線Ｃを含む第１面１０１に対して直交する方向（Ｘ軸方向）とで屈折力、すなわちパワーが異なる光学素子１２ａ，１２ｂを有する補正光学系１２を備えたことを特徴とする。

投影光学系１３と円筒スクリーン１１とは偏心しているため斜め方向に映像が投影されるので、円筒スクリーン１１の回転中心軸１１ａの方向をＹ軸方向、投影光学系１３から円筒スクリーン１１へ向かう光束の中心主光線Ｃを含む第１面１０１に対して直交する方向をＸ軸方向とした場合、投影光学系１３が投影する映像のＸ軸方向に対して平行な線分は、円筒を斜めに切るような状態で投影面としての円筒スクリーン１１に当ることになる。このように映像表示素子１３ｂ上で水平方向の直線の映像は、円筒スクリーン１１上では弓なりに曲がって投影される。

また、円筒スクリーン１１の回転中心軸１１ａの方向（Ｙ軸方向）と、投影光学系１３から円筒スクリーン１１へ向かう光束の中心主光線Ｃを含む第１面１０１に対して直交する方向（Ｘ軸方向）とで屈折力、すなわちパワーが異なる光学素子１２ａを少なくとも１つ用い、偏心配置させると、弓なりな像歪が発生する。本実施形態の投影光学装置は、この像歪によって円筒スクリーン１１に斜め投影した場合に発生する弓なりな像歪を補正することに成功したものである。

また、Ｙ軸方向とＸ軸方向でパワーの異なる光学素子は、円筒ミラー１２ａであることが好ましい。

光学素子を反射面で構成することにより、色収差の発生がなくなり、他の収差の発生も大幅に小さくすることが可能となる。

また、補正光学１２系は、Ｙ軸方向とＸ軸方向でパワーの異なる第１の光学素子１２ａと、第１の光学素子１２ａで発生する非点収差を補正する光軸に対して回転非対称な第２の光学素子１２ｂを有することが好ましい。

Ｙ軸方向とＸ軸方向でパワーの異なる第１の光学素子１２ａで発生する非点収差を補正する光軸に対して回転非対称な第２の光学素子１２ｂにより非点収差を補正することによって、高解像な投影像を観察することが可能となる。光軸に対して回転非対称な光学素子はシリンドリカルレンズでも良いし、自由曲面レンズでも、自由曲面ミラー、軸対称自由曲面でも可能である。さらに好ましくは、自由曲面の高次項を使って補正することによりさらに高解像な映像を投影することが可能となる。

また、円筒スクリーン１１の弧の角度は３０°以上であることが好ましい。３０°以上になると、弓なりの像歪の発生が大きくなり、視覚的に違和感が発生するので、補正光学系１２による補正がより効果的である。

また、円筒スクリーン１１の投影中心ＳＯに対して中心主光線が投影する角度は１０°以上であることが好ましい。１０°以上になると弓なりに発生する像歪の発生が大きくなり、違和感を与えるので、補正光学系１２による補正がより効果的である。

また、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
Ｒｒ＜５００（１）
ただし、Ｒｒは、シリンドリカルミラーの水平方向の曲率半径である。

条件式（１）の上限を上回ると、水平方向（Ｘ軸方向）の画面の拡大率が大きくできず、水平画角を広く取れなくなってしまう。

また、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
２＜Ｒｓ／Ｒｒ（２）
ただし、
Ｒｓは、スクリーンの曲率半径、
Ｒｒは、シリンドリカルミラーの水平方向の曲率半径
である。

条件式（２）の下限を下回ると、水平方向（Ｘ軸方向）への投影像の拡大率が小さくなり、広画角に投影できなくなる。

以下に、投影光学装置１の光学系の実施例を説明する。これら光学系の構成パラメータは後記する。これら実施例等の構成パラメータは、円筒スクリーン１１面から映像表示素子１３ｂに向かう逆光線追跡で追跡している。

座標系は、図１及び図２に示したように、投影光学系１３から射出した中心主光線Ｃが補正光学系１２を経て円筒スクリーン１１と交差する点を投影中心ＳＯとし、投影中心ＳＯから円筒スクリーン１１の回転中心軸１１ａへの垂線Ａ１を引いた場合に、回転中心軸１１ａと垂線Ａ１の交点を偏心光学系の原点Ｏとする。また、原点Ｏから回転中心軸１１ａを投影光学系１３へ向かう方向をＹ軸正方向とし、投影中心ＳＯの反対側へ向かう方向をＺ軸正方向とする。そして、Ｙ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＸ軸正方向とする。

偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系の原点の中心からの偏心量（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向をそれぞれＸ，Ｙ，Ｚ）と、光学系の原点に定義される座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角（それぞれα，β，γ（°））とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。

また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には面間隔が与えられており、その他、面の曲率半径、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。なお、データの記載されていない係数項は０である。屈折率、アッベ数については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを記載している。また、特に表記のない長さの単位はｍｍである。

また、本発明にかかる実施形態で用いられる自由曲面の面の形状は、以下の式（ａ）で定義されるものである。なお、その定義式のＺ軸が自由曲面の軸とする。

Ｚ＝（ｒ²／Ｒ）／［１＋√｛１−（１＋ｋ）（ｒ／Ｒ）²｝］
∞
＋Σ Ｃ_jＸ^mＹⁿ ・・・（ａ）
^j=1
ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。

球面項中、
Ｒ：頂点の曲率半径
ｋ：コーニック定数（円錐定数）
ｒ＝√（Ｘ²＋Ｙ²）
である。

自由曲面項は、
₆₆
Σ Ｃ_jＸ^mＹⁿ
^j=1
＝Ｃ₁
＋Ｃ₂Ｘ＋Ｃ₃Ｙ
＋Ｃ₄Ｘ²＋Ｃ₅ＸＹ＋Ｃ₆Ｙ²
＋Ｃ₇Ｘ³＋Ｃ₈Ｘ²Ｙ＋Ｃ₉ＸＹ²＋Ｃ₁₀Ｙ³
＋Ｃ₁₁Ｘ⁴＋Ｃ₁₂Ｘ³Ｙ＋Ｃ₁₃Ｘ²Ｙ²＋Ｃ₁₄ＸＹ³＋Ｃ₁₅Ｙ⁴
＋Ｃ₁₆Ｘ⁵＋Ｃ₁₇Ｘ⁴Ｙ＋Ｃ₁₈Ｘ³Ｙ²＋Ｃ₁₉Ｘ²Ｙ³＋Ｃ₂₀ＸＹ⁴
＋Ｃ₂₁Ｙ⁵
＋Ｃ₂₂Ｘ⁶＋Ｃ₂₃Ｘ⁵Ｙ＋Ｃ₂₄Ｘ⁴Ｙ²＋Ｃ₂₅Ｘ³Ｙ³＋Ｃ₂₆Ｘ²Ｙ⁴
＋Ｃ₂₇ＸＹ⁵＋Ｃ₂₈Ｙ⁶
＋Ｃ₂₉Ｘ⁷＋Ｃ₃₀Ｘ⁶Ｙ＋Ｃ₃₁Ｘ⁵Ｙ²＋Ｃ₃₂Ｘ⁴Ｙ³＋Ｃ₃₃Ｘ³Ｙ⁴
＋Ｃ₃₄Ｘ²Ｙ⁵＋Ｃ₃₅ＸＹ⁶＋Ｃ₃₆Ｙ⁷
・・・・・・
ただし、Ｃ_j（ｊは１以上の整数）は係数である。

上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本発明ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ₂、Ｃ₅、Ｃ₇、Ｃ₉、Ｃ₁₂、Ｃ₁₄、Ｃ₁₆、Ｃ₁₈、Ｃ₂₀、Ｃ₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ₂₇、Ｃ₂₉、Ｃ₃₁、Ｃ₃₃、Ｃ₃₅・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。

また、Ｙの奇数次項を全て０にすることによって、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、Ｃ₃、Ｃ₅、Ｃ₈、Ｃ₁₀、Ｃ₁₂、Ｃ₁₄、Ｃ₁₇、Ｃ₁₉、Ｃ₂₁、Ｃ₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ₂₇、Ｃ₃₀、Ｃ₃₂、Ｃ₃₄、Ｃ₃₆・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。

また、上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はＹ軸方向に、Ｘ−Ｚ面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はＸ軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性をも向上させることが可能となる。

また、上記定義式（ａ）は、前述のように１つの例として示したものであり、本発明の自由曲面は、対称面を１面のみ有する回転非対称な面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるということが特徴であり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまでもない。

実施例１について説明する。図３は、実施例１の光学系、及び、その周辺構成についてＹＺ平面における断面を示した図、図４は、実施例１の光学系、及び、その周辺構成についてＺＸ平面における平面図である。また、図５及び図６は光学系全体の横収差図であり、図７は像歪みを示す図である。

実施例１の投影光学装置は、二次元からなる映像表示素子１３ｂに表示された映像を理想レンズ１３ａを通して投影するプロジェクター等の投影光学系１３と、投影光学系１３に対して偏心し、投影光学系１３の投影した映像が投影される円筒スクリーン１１と、を備えた投影光学装置において、円筒スクリーン１１の回転中心軸１１ａの方向（Ｙ軸方向）と、投影光学系１３から円筒スクリーン１１へ向かう光束の中心主光線Ｃを含む第１面１０１に対して直交する方向（Ｘ軸方向）とで屈折力、すなわちパワーが異なる第１の光学素子としての円筒ミラー１２ａを有する補正光学系１２を備えている。

また、実施例１の補正光学系１２は、円筒ミラー１２ａで発生する非点収差を補正する光軸Ａ２に対して回転非対称な第２の光学素子としてのシリンドリカルレンズ１２ｂを有する。

円筒スクリーン１１は、回転中心軸１１ａを中心とし、ＺＸ平面内で曲率を有する反射面である。また、円筒ミラー１２ａは、円筒スクリーン１１とは径の長さが異なる、ＺＸ平面内で曲率を有する反射面である。

円筒スクリーン１１の投影中心ＳＯと座標原点Ｏを結ぶ線Ａ１は、投影光学系１３における理想レンズ１３ａの中心軸Ａ２及び映像表示素子１３ｂの中心軸Ａ３に対してＹ軸方向に偏心させた配置となっている。また、中心主光線Ｃが円筒ミラー１２ａで反射する点を反射中心ＲＯとすると、反射中心ＲＯのＹ軸方向の位置は、線Ａ１と中心軸Ａ２及び中心軸Ａ３との間に配置されている。その結果、投影光学系１３から円筒ミラー１２ａに斜めに投影される投影像は、円筒ミラー１２ａで反射し円筒スクリーン１１に投影されて投影像となり観察者に観察される。

また、図３及び図４には、破線で囲まれた部分の拡大図が合わせて図示されている。投影光学系１３は、ＬＣＤなど映像を表示する映像表示素子１３ｂ、理想レンズ１３ａを含んで構成されている。シリンドリカルレンズ１２ｂのシリンドリカル面ｒ４には、絞りが設けられている。

図３に示すように、実施例１の投影光学系１３の理想レンズ１３ａの中心軸Ａ２は、映像表示素子１３ｂの中心軸Ａ３に対して偏心して配置されている。そのため、映像表示素子１３ｂから照射された映像は、理想レンズ１３ａの周囲を用いて投影されることとなり、ちょうどシフトレンズを用いたと同様、偏心配置された円筒ミラー１２ａに対して斜めに投影される。

このように、映像表示素子１３ｂをシフト偏心させて、斜め投影を行った場合にはディストーションの発生が無く好ましい。なお、投影光学系１３を傾けてティルト配置させた場合には台形の像歪が発生するが、このような像歪は電子的に補正することが可能である。

実施例では、Ｘ軸方向に投影画角を拡大する手段として、円筒ミラー１２ａ（円筒反射面）を用いることとしている。しかしながら、円筒ミラー１２ａを用いたことで非点収差が発生し、円筒スクリーン１１上に形成する映像を劣化させてしまう。そこで、シリンドリカルレンズ１２ｂからなる第２の光学素子を用いて、この非点収差を補正している。

逆光線追跡において、物体面としての円筒スクリーン１１（ｒ１）から射出した光束は、補正光学系１２の円筒ミラー１２ａ（ｒ３）で反射され、絞りを設けたシリンドリカルレンズ１２ｂのシリンドリカル面（ｒ４）に入射する。その後、シリンドリカルレンズ１２ｂを透過して反対側の面（ｒ５）から射出した光束は、投影光学系１３の理想レンズ１３ａ（ｒ６）に入射する。そして、理想レンズ１３ａ（ｒ６）を射出した光束は、映像表示素子１３ｂ（ｒ７）の光軸から外れた半径方向の所定位置に達する。なお、座標原点Ｏをｒ２としている。

実施例１の円筒スクリーン１１は、原点Ｏを中心位置に持つ半径１ｍの円筒面内側である。また、理想レンズ１３の焦点距離は５０ｍｍ、射出瞳径は１５ｍｍである。

図７は、実施例１の像歪みを示す図である。外側の略四辺形は最大像高の像面での歪みを表し、内側の略四辺形は最大像高×０．７の像面での歪みを表す。略四辺形の上辺と下辺が水平に近くなり、弓なりになる像歪みが補正されていることがわかる。

実施例２について説明する。図８は、実施例２の光学系、及び、その周辺構成についてＹＺ平面における断面を示した図、図９は、実施例２の光学系、及び、その周辺構成についてＺＸ平面における平面図である。また、図１０及び図１１は光学系全体の横収差図であり、図１２は像歪みを示す図である。

実施例２の投影光学装置は、二次元からなる映像表示素子１３ｂに表示された映像を理想レンズ１３ａを通して投影するプロジェクター等の投影光学系１３と、投影光学系１３に対して偏心し、投影光学系１３の投影した映像が投影される円筒スクリーン１１と、を備えた投影光学装置において、円筒スクリーン１１の回転中心軸１１ａの方向（Ｙ軸方向）と、投影光学系１３から円筒スクリーン１１へ向かう光束の中心主光線Ｃを含む第１面１０１に対して直交する方向（Ｘ軸方向）とで屈折力、すなわちパワーが異なる第１の光学素子としての円筒ミラー１２ａを有する補正光学系１２を備えている。

また、実施例２の補正光学系１２は、円筒ミラー１２ａで発生する非点収差を補正する光軸Ａ２に対して回転非対称な第２の光学素子としてのシリンドリカルレンズ１２ｂを有する。

また、図８及び図９には、破線で囲まれた部分の拡大図が合わせて図示されている。投影光学系１３は、ＬＣＤなど映像を表示する映像表示素子１３ｂ、理想レンズ１３ａを含んで構成されている。また、シリンドリカルレンズ１２ｂのシリンドリカル面ｒ４には、絞りが設けられている。

図８に示すように、実施例２の投影光学系１３の理想レンズ１３ａの中心軸Ａ２は、映像表示素子１３ｂの中心軸Ａ３に対して偏心して配置されている。そのため、映像表示素子１３ｂから照射された映像は、理想レンズ１３ａの周囲を用いて投影されることとなり、ちょうどシフトレンズを用いたと同様、偏心配置された円筒ミラー１２ａに対して斜めに投影される。

実施例２では、Ｘ軸方向に投影画角を拡大する手段として、円筒ミラー１２ａ（円筒反射面）を用いることとしている。しかしながら、円筒ミラー１２ａを用いたことで非点収差が発生し、円筒スクリーン１１上に形成する映像を劣化させてしまう。そこで、シリンドリカルレンズ１２ｂからなる第２の光学素子を用いて、この非点収差を補正している。

実施例２の円筒スクリーン１１は、原点Ｏを中心位置に持つ半径２ｍの円筒面内側である。また、理想レンズ１３の焦点距離は５０ｍｍ、射出瞳径は１５ｍｍである。

図１２は、実施例２の像歪みを示す図である。外側の略四辺形は最大像高の像面での歪みを表し、内側の略四辺形は最大像高×０．７の像面での歪みを表す。略四辺形の上辺と下辺が水平に近くなり、弓なりになる像歪みが補正されていることがわかる。

実施例３について説明する。図１３は、実施例３の光学系、及び、その周辺構成についてＹＺ平面における断面を示した図、図１４は、実施例３の光学系、及び、その周辺構成についてＺＸ平面における平面図である。また、図１５及び図１６は光学系全体の横収差図であり、図１７は像歪みを示す図である。

実施例３の投影光学装置は、二次元からなる映像表示素子１３ｂに表示された映像を理想レンズ１３ａを通して投影するプロジェクター等の投影光学系１３と、投影光学系１３に対して偏心し、投影光学系１３の投影した映像が投影される円筒スクリーン１１と、を備えた投影光学装置において、円筒スクリーン１１の回転中心軸１１ａの方向（Ｙ軸方向）と、投影光学系１３から円筒スクリーン１１へ向かう光束の中心主光線Ｃを含む第１面１０１に対して直交する方向（Ｘ軸方向）とで屈折力、すなわちパワーが異なる第１の光学素子としての第１の自由曲面ミラー１２ａを有する補正光学系１２を備えている。

また、実施例３の補正光学系１２は、第１の自由曲面ミラー１２ａで発生する非点収差を補正する光軸Ａ２に対して回転非対称な第２の光学素子としての第２の自由曲面ミラー１２ｂを有する。

円筒スクリーン１１は、回転中心軸１１ａを中心とし、ＺＸ平面内で曲率を有する反射面である。また、第１の自由曲面ミラー１２ａは、回転非対称な反射面である。

円筒スクリーン１１の投影中心ＳＯと座標原点Ｏを結ぶ線Ａ１は、投影光学系１３における理想レンズ１３ａ及び映像表示素子１３ｂの中心軸Ａ２に対してＹ軸方向に偏心させた配置となっている。また、中心主光線Ｃが第１の自由曲面ミラー１２ａで反射する点を第１の反射中心ＲＯ１とすると、第１の反射中心ＲＯ１のＹ軸方向の位置は、線Ａ１と中心軸Ａ２との間に配置されている。また、中心主光線Ｃが第２の自由曲面ミラー１２ｂで反射する点を第２の反射中心ＲＯ２とすると、第２の反射中心ＲＯ２のＹ軸方向の位置は、第１の反射中心ＲＯ１と中心軸Ａ２との間に配置されている。その結果、投影光学系１３から第２の自由曲面ミラー１２ｂに斜めに投影される投影像は、第２の自由曲面ミラー１２ａで反射し、第１の自由曲面ミラー１２ａで反射し、円筒スクリーン１１に投影されて投影像となり観察者に観察される。

また、図１３及び図１４には、破線で囲まれた部分の拡大図が合わせて図示されている。投影光学系１３は、ＬＣＤなど映像を表示する映像表示素子１３ｂ、理想レンズ１３ａを含んで構成されている。また、第２の自由曲面ミラー１２ｂと理想レンズ１３ａとの間には、絞りＳが設けられている。

図１３に示すように、実施例３の投影光学系１３の理想レンズ１３ａの中心軸Ａ２は、映像表示素子１３ｂの中心軸Ａ３に対して偏心して配置されている。そのため、映像表示素子１３ｂから照射された映像は、理想レンズ１３ａの周囲を用いて投影されることとなり、ちょうどシフトレンズを用いたと同様、偏心配置された第２の自由曲面ミラー１２ｂに対して斜めに投影される。また、第２の自由曲面ミラー１２ｂで反射された映像は、第１の自由曲面ミラー１２ａに対して斜めに投影される。

実施例３では、Ｘ軸方向に投影画角を拡大する手段として、第１の自由曲面ミラー１２ａ（反射面）を用いることとしている。しかしながら、第１の自由曲面ミラー１２ａを用いたことで非点収差が発生し、円筒スクリーン１１上に形成する映像を劣化させてしまう。そこで、第２の自由曲面ミラー１２ｂからなる第２の光学素子を用いて、この非点収差を補正している。

逆光線追跡において、物体面としての円筒スクリーン１１（ｒ１）から射出した光束は、補正光学系１２の第１の自由曲面ミラー１２ａ（ｒ３）で反射され、第２の自由曲面ミラー１２ｂ（ｒ４）で反射され、絞りＳ（ｒ５）を通過して、投影光学系１３の理想レンズ１３ａ（ｒ６）に入射する。そして、理想レンズ１３ａ（ｒ６）を射出した光束は、映像表示素子１３ｂ（ｒ７）の光軸から外れた半径方向の所定位置に達する。なお、座標原点Ｏをｒ２としている。

実施例３の円筒スクリーン１１は、原点Ｏを中心位置に持つ半径１ｍの円筒面内側である。また、理想レンズ１３の焦点距離は５０ｍｍ、射出瞳径は１５ｍｍである。

図１７は、実施例３の像歪みを示す図である。外側の略四辺形は最大像高の像面での歪みを表し、内側の略四辺形は最大像高×０．７の像面での歪みを表す。略四辺形の上辺と下辺が水平に近くなり、弓なりになる像歪みが補正されていることがわかる。

実施例４について説明する。図１８は、実施例４の光学系、及び、その周辺構成についてＹＺ平面における断面を示した図、図１９は、実施例４の光学系、及び、その周辺構成についてＺＸ平面における平面図である。また、図２０及び図２１は光学系全体の横収差図であり、図２２は像歪みを示す図である。

実施例４の投影光学装置は、二次元からなる映像表示素子１３ｂに表示された映像を理想レンズ１３ａを通して投影するプロジェクター等の投影光学系１３と、投影光学系１３に対して偏心し、投影光学系１３の投影した映像が投影される円筒スクリーン１１と、を備えた投影光学装置において、円筒スクリーン１１の回転中心軸１１ａの方向（Ｙ軸方向）と、投影光学系１３から円筒スクリーン１１へ向かう光束の中心主光線Ｃを含む第１面１０１に対して直交する方向（Ｘ軸方向）とで屈折力、すなわちパワーが異なる第１の光学素子としての円筒ミラー１２ａを有する補正光学系１２を備えている。

また、実施例４の補正光学系１２は、円筒ミラー１２ａで発生する非点収差を補正する光軸Ａ２に対して回転非対称な第２の光学素子としてのシリンドリカルレンズ１２ｂを有する。

また、図１８及び図１９には、破線で囲まれた部分の拡大図が合わせて図示されている。投影光学系１３は、ＬＣＤなど映像を表示する映像表示素子１３ｂ、理想レンズ１３ａを含んで構成されている。また、シリンドリカルレンズ１２ｂのシリンドリカル面ｒ４には、絞りが設けられている。

図１８に示すように、実施例２の投影光学系１３の理想レンズ１３ａの中心軸Ａ２は、映像表示素子１３ｂの中心軸Ａ３に対して偏心して配置されている。そのため、映像表示素子１３ｂから照射された映像は、理想レンズ１３ａの周囲を用いて投影されることとなり、ちょうどシフトレンズを用いたと同様、偏心配置された円筒ミラー１２に対して斜めに投影される。

実施例４では、Ｘ軸方向に投影画角を拡大する手段として、円筒ミラー１２ａ（円筒反射面）を用いることとしている。しかしながら、円筒ミラー１２ａを用いたことで非点収差が発生し、円筒スクリーン１１上に形成する映像を劣化させてしまう。そこで、シリンドリカルレンズ１２ｂからなる第２の光学素子を用いて、この非点収差を補正している。

逆光線追跡において、物体面ｒ１としての円筒スクリーン１１から射出した光束は、補正光学系１２の円筒ミラー１２ａ（ｒ３）で反射され、絞りを設けたシリンドリカルレンズ１２ｂのシリンドリカル面（ｒ４）に入射する。その後、シリンドリカルレンズ１２ｂを透過して反対側の面（ｒ５）から射出した光束は、投影光学系１３の理想レンズ１３ａ（ｒ６）に入射する。そして、理想レンズ１３ａ（ｒ６）を射出した光束は、映像表示素子１３ｂ（ｒ７）の光軸から外れた半径方向の所定位置に達する。なお、座標原点Ｏをｒ２としている。

実施例４の円筒スクリーン１１は、原点Ｏを中心位置に持つ半径１５ｃｍの円筒面内側である。また、理想レンズ１３の焦点距離は１０ｍｍ、射出瞳径は４ｍｍである。

図２２は、実施例４の像歪みを示す図である。外側の略四辺形は最大像高の像面での歪みを表し、内側の略四辺形は最大像高×０．７の像面での歪みを表す。略四辺形の上辺と下辺が水平に近くなり、弓なりになる像歪みが補正されていることがわかる。

以下に、上記実施例１〜４の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“ＦＦＳ”は自由曲面を示す。

実施例１
面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
r1(物体面) シリンドリカル面[1] 1000.00
r2(座標原点) ∞ 0.00
r3 シリンドリカル面[2] 0.00 偏心(1)
r4(絞り) シリンドリカル面[3] 0.00 偏心(2) 1.5163 64.1
r5 ∞ 0.00 偏心(3)
r6 理想レンズ 0.00 偏心(4)
r7(像面) ∞ 0.00 偏心(5)

シリンドリカル面[1]
Ｘ方向曲率半径 1000.00
Ｙ方向曲率半径 ∞

シリンドリカル面[2]
Ｘ方向曲率半径 416.73
Ｙ方向曲率半径 ∞

シリンドリカル面[3]
Ｘ方向曲率半径 -687.14
Ｙ方向曲率半径 ∞

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 350.00 Ｚ -300.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 500.00 Ｚ -600.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 500.00 Ｚ -605.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 500.00 Ｚ -655.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 525.23 Ｚ -708.41
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

実施例２
面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
r1(物体面) シリンドリカル面[1] 2000.00
r2(座標原点) ∞ 0.00
r3 シリンドリカル面[2] 0.00 偏心(1)
r4(絞り) シリンドリカル面[3] 0.00 偏心(2) 1.5163 64.1
r5 ∞ 0.00 偏心(3)
r6 理想レンズ 0.00 偏心(4)
r7(像面) ∞ 0.00 偏心(5)

シリンドリカル面[1]
Ｘ方向曲率半径 2000.00
Ｙ方向曲率半径 ∞

シリンドリカル面[2]
Ｘ方向曲率半径 281.87
Ｙ方向曲率半径 ∞

シリンドリカル面[3]
Ｘ方向曲率半径 -362.10
Ｙ方向曲率半径 ∞

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 595.00 Ｚ -300.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 700.00 Ｚ -600.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 700.00 Ｚ -605.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 700.00 Ｚ -655.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 717.53 Ｚ -706.61
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

実施例３
面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
r1(物体面) シリンドリカル面[1] 2000.00
r2(座標原点) ∞ 0.00
r3 ＦＦＳ[1] 0.00 偏心(1)
r4 ＦＦＳ[2] 0.00 偏心(2)
r5(絞り) ∞ 0.00 偏心(3)
r6 理想レンズ 0.00 偏心(4)
r7(像面) ∞ 0.00 偏心(5)

シリンドリカル面[1]
Ｘ方向曲率半径 1000.00
Ｙ方向曲率半径 ∞

FFS[1]
Ｃ4 2.5976E-003 Ｃ6 2.8258E-005 Ｃ8 -1.0779E-007
Ｃ10 3.4901E-009 Ｃ11 4.6733E-008 Ｃ13 1.7474E-009

FFS[2]
Ｃ4 3.9474E-004 Ｃ6 8.9780E-005 Ｃ8 -3.5485E-007
Ｃ10 -1.2841E-007

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 400.00 Ｚ -100.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 577.78 Ｚ -500.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 600.00 Ｚ -450.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 600.00 Ｚ -400.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 622.31 Ｚ -348.73
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

実施例４
面番号曲率半径面間隔偏心屈折率アッベ数
r1(物体面) シリンドリカル面[1] 150.00
r2(座標原点) ∞ 0.00
r3 シリンドリカル面[2] 0.00 偏心(1)
r4(絞り) シリンドリカル面[3] 0.00 偏心(2) 1.5163 64.1
r5 ∞ 0.00 偏心(3)
r6 理想レンズ 0.00 偏心(4)
r7(像面) ∞ 0.00 偏心(5)

シリンドリカル面[1]
Ｘ方向曲率半径 150.00
Ｙ方向曲率半径 ∞

シリンドリカル面[2]
Ｘ方向曲率半径 22.39
Ｙ方向曲率半径 ∞

シリンドリカル面[3]
Ｘ方向曲率半径 -34.97
Ｙ方向曲率半径 ∞

偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 48.76 Ｚ -20.06
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ 60.00 Ｚ -50.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 60.00 Ｚ -52.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ 60.00 Ｚ -62.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 63.76 Ｚ -72.79
α 0.00 β 0.00 γ 0.00

次に、各実施例における円筒スクリーンへ入射する中心主光線の角度α、並びに条件式（１）及び（２）の値を示す。

実施例１実施例２実施例３実施例４
α 26.57 19.29 23.75 20.57
(1)Rr 416.73 281.87 192.49 22.39
(2)Rs/Rr 2.40 7.10 5.20 6.70

図２３及び図２４は、他の実施例を示す図である。

例えば、第１のシリンドリカルレンズ１２ａのパワーの無い方向をＹ軸方向、パワーを有する方向をＸ軸方向に配置し、Ｘ軸方向を傾け軸として偏心すると、投影像面が弓なりになるディストーションが発生する。この像歪を用いて円筒スクリーンに斜めに投影した場合に発生する弓なりな像歪を補正することも可能である。

傾ける方向は投影光軸に対して負のシリンドリカルレンズの場合は円筒スクリーンと同方向にすると好ましい。正のシルンドリカルレンズの場合は逆方向に傾けると好ましい。

また、第１のシリンドリカルレンズ１２ａで非点収差が発生するため、この非点収差を補正する光学素子が必要であり、同パワーで異符号の第２のシリンドリカルレンズ１２ｂでこの非点収差を補正することが可能である。

さらに好ましくは、正と負のシルンドリカルレンズを傾け軸としてのＸ軸方向から見てハの字になるように逆方向に偏心すると弓なりの像歪の発生が大きくなる。これにより急角度の斜め投影にも対応することが可能となる。

さらに好ましくは、ティルト量を可変にすることによって、任意の弓なりの像歪に調整することが可能である。

図２５は、本発明の実施形態に係る光学系、及び、その周辺構成について、ＹＺ平面における断面、並びに、観察者による観察の様子を示した図である。

構成、並びに、光線については図１３で示した実施例３と同様である。本実施形態の装置において、観察者は例えば、図示するように着座した状況で観察が行われる。観察上、着座状態で観察者の視線方向が、Ｚ軸に沿うようにすることが好ましい。そのため、プロジェクター等の投影光学系１３、補正光学系１２を可動式にし、着座の状態に応じて位置を変更可能とすることで、着座状況に応じて観察しやすい投影像を提供することが可能となる。また、リクライニング式の可動シートなどにおいては、リクライニングの角度に応じて、装置全体を傾ける構成としてもよい。

このように、本実施形態の光学系を用いた装置によれば、観察者が着座した状態などにおいて没入感のある投影像を提供することが可能となる。さらに、円筒スクリーン１１に、歪みが抑えられるとともに、全面でピントがあった高解像の投影像を投影することが可能となる。

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。

１１…円筒スクリーン、１２…補正光学系、１２ａ…第１の光学素子、１２ｂ…第２の光学素子、１３…投影光学系、１３ａ…理想レンズ、１３ｂ…映像表示素子、Ｏ…座標原点（スクリーンの回転中心）

Claims

二次元からなる映像表示素子に表示された映像を投影する投影光学系と、前記投影光学系に対して偏心し、前記投影光学系の投影した映像が投影される円筒スクリーンと、を備えた投影光学装置において、
前記円筒スクリーンの回転中心軸の方向（Ｙ軸方向）と、前記投影光学系から前記円筒スクリーンへ向かう光束の中心主光線を含む第１面に対して直交する方向（Ｘ軸方向）とでパワーが異なる光学素子を有する補正光学系を備えたことを特徴とする投影光学装置。
Ｙ軸方向とＸ軸方向でパワーの異なる前記光学素子は、円筒ミラーであることを特徴とする請求項１に記載の投影光学装置。
前記補正光学系は、Ｙ軸方向とＸ軸方向でパワーの異なる第１の光学素子と、第１の光学素子で発生する非点収差を補正する光軸に対して回転非対称な第２の光学素子を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の投影光学装置。
前記円筒スクリーンの弧の角度は３０°以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の投影光学装置。
前記円筒スクリーン上の投影中心へ投影する中心主光線の角度は、１０°以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の投影光学装置。
以下の条件式（１）を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の投影光学装置。
Ｒｒ＜５００（１）
ただし、Ｒｒは、シリンドリカルミラーの水平方向の曲率半径である。
以下の条件式（２）を満足することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載の投影光学装置。
２＜Ｒｓ／Ｒｒ（２）
ただし、
Ｒｓは、スクリーンの曲率半径、
Ｒｒは、シリンドリカルミラーの水平方向の曲率半径
である。