JP2015001579A - 投射光学系、画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 自由曲面のレンズを採用しつつ、製造誤差による性能劣化を低減する。
【解決手段】 画像を被投射面に投射して拡大表示させる画像投射装置の投射光学系であって、回転非対称な自由曲面レンズ１０と、曲面ミラー４と、を有してなり、自由曲面レンズ１０と曲面ミラー４とが共通の保持部材２０で保持されている。複数のレンズ群のうち自由曲面レンズ１０以外のレンズは、全ての光軸が一致するようにレンズ鏡胴３０に保持される。保持部材２０は、レンズ鏡胴３０を保持する。
【選択図】図１０

Description

本発明は、画像を被投射面に投射して拡大表示させる投射光学系と、その投射光学系を備える画像投射装置とに関するものである。

液晶プロジェクタなどの画像投射装置は、液晶パネルの高解像度化、光源ランプの高効率化に伴う明るさの改善、低価格化などが進んでいる。

また、画像投射装置について、ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）を利用した小型軽量なものが普及している。小型軽量な画像投射装置は、オフィスや学校のみならず、家庭においても広く利用されるようになっている。

近年、画像投射装置には、本体の小型軽量化や、投射距離の短縮化が求められている。画像投射装置の本体の小型軽量化と投射距離の短縮化について、例えば、反射型結像光学系を用いた投射光学系を有するものが開発されている。

ここで、投射光学系を有する画像投射装置について、凹面の自由曲面ミラーに投射光学系を組み合わせた構成を有する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されている技術では、光学系で画像表示素子の中間像を結び、その中間像を自由曲面ミラーで拡大投影する。

また、投射光学系を有する画像投射装置について、投射光学系で中間像を作り、回転対称凹面非球面ミラーを使って中間像を拡大投射する技術が開示されている（例えば、特許文献２，３参照）。

特許文献２に開示されている技術では、最も非球面ミラーに近いレンズと、非球面ミラーに自由曲面を用い、各収差を維持しつつ小型化している。

また、特許文献３に開示されている技術では、投射光学系を構成するレンズの１枚に自由曲面レンズを用いて歪曲補正を行っている。

この技術のように、投射光学系で中間像を生成して曲面ミラーにより拡大投射する画像投射装置では、いずれも投射光学系から曲面ミラーまでの距離が大きい、あるいは、投射光学系の高さ方向の寸法に比べて曲面ミラーの寸法が大きい。

ここで、画像投射装置から被投射面までの距離が極端に近い超至近タイプの画像投射装置の投射光学系では、歪曲収差の補正のために、各画角に対応する主光線（被投射面上の各所定の位置に対応する主光線）が所望の角度で反射されるようにしている。つまり、超至近タイプの画像投射装置の投射光学系では、曲面ミラーの面形状が主光線に対応した面形状に設定されている。

このような曲面ミラーの面形状を実現するためには、各主光線が曲面ミラー上においてできるだけ分離していることが望ましい。このため、画像投射装置から被投射面までの距離が極端に近い超至近タイプの画像投射装置の投射光学系では、投射光学系から曲面ミラーまでの距離が長く、曲面ミラーの寸法が大きく設定されている。

画像投射装置の投射光学系では、スクリーンと曲面ミラーまでの距離が短くなるにつれて、すなわち超至近になるにつれて、各主光線間の光線角度（ミラーでの反射角度）の差が大きくなる。このような画像投射装置の投射光学系では、投射光学系から曲面ミラーまでの距離がさらに長くなり、曲面ミラーの寸法がさらに大きくなる。

また、特許文献１，３の技術では、投射光学系内に自由曲面レンズを用いることで、自由曲面ミラーによる歪曲補正機能を補っているが、いずれの技術においても曲面ミラーは大型のままである。

さらに、投射光学系のレンズや曲面ミラーに自由曲面形状を用いる場合には、取り付けの際に位置に対する精度が高く要求されるものの、いずれの文献においてもこの課題は考慮されていない。

本発明は、自由曲面のレンズを採用しつつ、製造誤差による性能劣化を低減することができる画像投射装置の投射光学系を提供することを目的とする。

本発明は、画像を被投射面に投射して拡大表示させる画像投射装置の投射光学系であって、回転非対称な自由曲面レンズと、曲面ミラーと、を有してなり、自由曲面レンズと曲面ミラーとが共通の保持部材で保持されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、自由曲面のレンズを採用しつつ、製造誤差による性能劣化を低減することができる。

本発明に係る投射光学系の実施の形態を示す光学配置図である。 本発明に係る画像投射装置の実施の形態を示す光学配置図である。 上記投射光学系の第１光学系を示す光学配置図である。 上記画像投射装置の光学配置図である。 上記投射光学系の距離Ｄ１とＤ２の関係を示す図である。 上記投射光学系の距離Ｄ３の関係を示す図である。 画像表示素子上に表示される画像表示領域の画角番号を示す模式図である 上記投射光学系の投射画像サイズが８０インチ、６０インチ、４８インチの場合についてスクリーン上のビームスポット径比を示す図である。 上記投射光学系において、６０インチサイズの投射画像を投射したときのスクリーン上の歪曲を示す図である。 上記投射光学系の実施の形態のハウジングを示す構成図である 上記投射光学系の別の実施の形態のハウジングを示す構成図である。 上記投射光学系の別の実施の形態のハウジングを示す構成図である。 自由曲面レンズを示す斜視図である。 自由曲面レンズのレンズ面における座標位置を示す斜視図である。 本発明に係る画像投射装置の実施の形態を示す図である。 本発明に係る画像投射装置の別の実施の形態を示す図である。

以下、本発明に係る投射光学系と、画像投射装置との実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

●投射光学系●
まず、本発明に係る投射光学系の実施の形態について説明する。

図１は、本発明に係る投射光学系の実施の形態を示す光学配置図である。

投射光学系１００は、第１光学系２と、折返ミラー３と、第１光学系２に凹面を向けた例えば回転非対称形状の自由曲面ミラー４とを有してなる。ここで、投射光学系１００は、画像表示素子１側（図１において紙面左側）から上記順序に、第１光学系２の光軸Ａ上に配置される。

ここで、以下の説明において、画像表示素子１が配置される面をＹ軸方向とこれに直交するＸ軸を含む面とし、この面に直交する方向をＺ軸方向（図１の紙面を貫く方向）とする。

画像表示素子１は、不図示の外部機器から与えられる画像信号に応じて画像を表示する。また、画像表示素子１には、不図示の照明光学系から照明光が照射される。照明光は、画像表示素子１に表示された画像により２次元的に強度が変調されて、第１光学系２に入射する。画像表示素子１は長辺方向がＸ軸方向、短辺方向がＹ軸方向に対応する。

第１光学系２から射出した結像光束は、折返ミラー３に入射して、光路を折り返され、自由曲面ミラー４に入射する。

ここで、折返ミラー３と自由曲面ミラー４とは、本発明に係る第２光学系を構成している。

折返ミラー３は、自由曲面レンズ１０と自由曲面ミラー４との光路中に配置される平面ミラーであり、結像光束の光路を所定の向きに折り返す機能を有する。

なお、折返ミラー３は、平面ミラーに限定されず、例えば曲面で構成され、光学的な機能を有していても良い。

第１光学系２から射出した結像光束は、画像表示素子１に表示された画像の像、つまり中間像を、第１光学系２により結像させる。図１において、中間像は、折返ミラー３と自由曲面ミラー４との光路中に結像されている。

第１光学系２により結像された中間像は、自由曲面ミラー４により拡大されて、不図示のスクリーン上に拡大像として投射される。

図２は、本発明に係る画像投射装置の実施の形態を示す光学配置図である。画像投射装置１０００は、投射光学系１００と、防塵ガラス５とを有してなる。同図には、画像投射装置１０００の投射光学系１００による結像光束がスクリーン（被投射面）６上に結像して、拡大画像がスクリーン６に拡大表示されている状態を示す。

防塵ガラス５は、自由曲面ミラー４とスクリーン６との光路中に配置されている。ここで、防塵ガラス５は、不図示のケーシングとともに画像投射装置１０００の内部を閉鎖し、画像投射装置１０００の内部を密閉して防塵する。

ここで、第１光学系２の光軸Ａをスクリーン６側に延長し、折返ミラー３と、自由曲面ミラー４により順次折り返された第１光学系２からの結像光束の光軸を投射光学系１００の光軸とする。

また、投射光学系１００の光軸を含む平面（図２の紙面に平行な面）内において、Ｚ軸から半時計回りの任意の角をαとする。

図３は、第１光学系２を示す光学配置図である。同図に示すように、第１光学系２は１３枚のレンズにより５群に構成されている。同図において、（ａ）が４８インチのレンズ位置、（ｂ）が８０インチのレンズ位置を示す。

投射光学系１００は、ズーム系であり、第３〜第５群が矢印で示す位置に変位して、投射画像の対角線サイズが（ａ）の４８インチから（ｂ）の８０インチまで投射サイズに合わせてフォーカス調整される。

画像表示素子１の画像が表示される面Ｓ０は、投射光学系１００に対する物体面である。

ここで、第１光学系２の各面（レンズ面及び開口絞りの面）を、図３の左方から右方に向かって順に面Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓ２５とする。上記各面のうち、面Ｓ１０は、開口絞りの面である。

図３において、第１光学系２の左方は物体側（縮小側）である。また、第１光学系２の右方は像側（拡大側）である。

また、第１光学系２を構成する１３枚のレンズのそれぞれを、物体側から像側に向かって順に、レンズＬ１、レンズＬ２、・・、レンズＬ１３とする。

ここで、レンズＬ１〜レンズＬ８は、第１群のレンズ群である。また、レンズＬ９は、第２群のレンズ群である。また、レンズＬ１０は、第３群のレンズ群である。また、レンズＬ１１とレンズＬ１２は第４群のレンズ群である。さらに、レンズＬ１３は、第５群のレンズ群である。ここで、レンズＬ１３は、図１に示した自由曲面レンズ１０である（以下の説明においても同様）。

開口絞りは、レンズＬ５とレンズＬ６との間に配置されている。

したがって、第１光学系２は、５群のレンズ群からなり、１３枚のレンズから構成されている。

第１群において、レンズＬ３とレンズＬ４とは接合されている。また、第１群において、レンズＬ７とレンズＬ８とも接合されている。

第１光学系２の物体側開口数は、０．１９５である。

面Ｓ０である画像表示素子１に表示される画像のサイズは、縦方向（Ｙ方向）：横方向（Ｘ方向）の比が１０：１６であり、対拡長が０．６５インチ（１６５ｍｍ）である。

なお、面Ｓ０の右側には、画像表示素子１の保護ガラスが配置されている。

第１光学系２の光軸は、面Ｓ０（画像の面）の中心に対し、−Ｙ方向（図３の下方）に１．５４１ｍｍシフトしている。

レンズＬ１とレンズＬ１２は、非球面レンズであり、いずれも物体側及び像側のレンズ面が共に非球面である。また、レンズＬ１とレンズＬ１２は、いずれも回転対称非球面レンズである。

図４は、画像投射装置１０００の光学配置図である。同図に示すように、画像投射装置１０００では、折返ミラー３のミラー面をＳ２６とし、自由曲面ミラー４のミラー面（反射面）をＳ２７とする。

また、画像投射装置１０００では、防塵ガラス５の縮小側の面をＳ２８、拡大側の面をＳ２９、スクリーン６をＳ３０とする。

●投射光学系の実施例
以上説明した投射光学系１００の具体的な例を、投射光学系１００の実施例として、以下に示す。

以下に示すデータにおいて、長さの次元を持つ量の単位は、特に断らない限りｍｍである。

実施例のデータを表１に示す。

表１において、面番号とあるのは上述のＳ０〜Ｓ３０である。また、屈折率及び分散は、いずれもｄ線を基準とする。

実施例の投射光学系はズーム系で、図３に示すように、第３〜第５群が矢印で示す位置に変位して、投射画像の対角線サイズが４８インチから８０インチまで投射サイズに合わせてフォーカス調整される。

フォーカス調整の際に群間隔が変化する面間隔は、表１に可変と記載する。

そして、投射画像の対角線サイズが８０インチ、６０インチ、４８インチに対する面間隔を、表２に示す。

折返ミラー３と自由曲面ミラー４と防塵ガラス５のレイアウトのデータを表３に示す。

表３は、Ｓ１の面頂点を基準(Ｙ，Ｚ)＝(０，０)としたときの、折返ミラー３と自由曲面ミラー４と防塵ガラス５の各面（Ｓ２７、Ｓ２８、Ｓ２９、Ｓ３０）の面頂点のＹ軸座標とＺ軸座標を示す。

非球面形状は、光軸からの高さをｈ、近軸曲率半径をＲ、コーニック係数をｋ、非球面係数をＡｉ、非球面量をＺ（ｈ）、自由曲面量をＺ(ｘ,ｙ)、自由曲面係数をＣｊとして、次式（１）と（２）で表される。

Ｚ(ｈ)＝(1/Ｒ)ｈ２／[１＋√{１−(１＋ｋ)(ｈ/Ｒ)２}＋ΣＡｉｈｉ ・・・（１）
＋ΣＣｊｘｍｙｎ ・・・（２）

なお、座標：ｘ、ｙの方向は、それぞれＸ軸、Ｙ軸座標に平行であり、正の向きもＸ軸、Ｙ軸座標と同じである。

Ｓ１，Ｓ２，Ｓ２２，Ｓ２３の非球面係数を表４に示す。

Ｓ２４，Ｓ２５，Ｓ２７の自由曲面係数を表５に示す。

表５に示す自由曲面係数において、例えばＣ１４：ｘ＾４＊ｙ＾２は、自由曲面係数：Ｃ１４が、ｘ４ｙ２の係数であることを表す。

次に、投射光学系１００のサイズと、投射距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３とを説明する。

距離Ｄ１は、画像表示素子１から第１光学系２の画像表示素子１から最も離れたレンズ面の頂点までの光軸上の距離である。

また、距離Ｄ２は、第１光学系２の、画像表示素子１から最も離れたレンズ面の頂点から自由曲面ミラー４までの光軸上の距離である。

また、距離Ｄ３は、投射光学系１００の最短投射距離である。

図５は、投射光学系１００の距離Ｄ１とＤ２の関係を示す図である。また、図６は、投射光学系１００の距離Ｄ３の関係を示す図である。なお、図５において、Ｄ２は光軸上の距離であるため、折返ミラー３を省略した光学系を示している。

図５に示すように、距離Ｄ１は、距離Ｄ２よりも大きい。また、図６に示すように、最短投射距離Ｄ３は、距離Ｄ１と距離Ｄ２の和よりも小さい。

つまり、距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の関係は、
Ｄ１＋Ｄ２＞Ｄ３
である。

ここで、最短投射距離Ｄ３は、実施例では４８インチサイズの投射画像を投射するときの投射距離である。

実施例における上記距離Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３と、Ｄ１＋Ｄ２の値を表６に示す。

表６に示すように、実施例において画像表示素子１から第１光学系２の最も像側面までの距離Ｄ１よりも、第１光学系２から自由曲面ミラー４までの距離Ｄ２が小さい。

以上のように構成することにより、実施例の投射光学系１００では、光学系全体と画像投射装置１０００の小型化を実現することができる。

また、表６に示すように、実施例において画像表示素子１から自由曲面ミラー４までの距離Ｄ１＋Ｄ２よりも、最短投射距離ｌ３の方が小さい。

ここで、最短投射距離Ｄ３を短くするには、投射画角が広角の光学系が必要である。一方で、一般には、投射画角が広角になるほど、投射光学系の寸法が大きくなりやすい。

距離Ｄ１とＤ２とＤ３の間の関係が、以上説明した条件を満足することにより、実施例の投射光学系１００と画像投射装置１０００では、構成の小型化と投射距離の短縮化を実現することができる。

次に、実施例の投射光学系１００について、光学性能を説明する。

図７は、画像表示素子１上に表示される画像表示領域の画角番号を示す模式図である。同図において、画像表示領域の画角番号は、第１光学系２のレンズ光軸を原点としている。

画角番号に対応する画像表示領域の座標を示したものを、表７に示す。なお、Ｘ軸方向はＹ軸に関して対称であるので、表７ではＸ≧０のみを評価対象としている。

図８は、投射光学系１００の投射画像サイズが８０インチ、６０インチ、４８インチの場合についてスクリーン上のビームスポット径比を示す図である。同図において、横軸は図７に示した画角番号、縦軸はビームスポット径比である。

ここで、スクリーン上の１画素とは、解像度がＷＸＧＡ（１２８０×８００）での１画素である。ビームスポット径比とは、スクリーン上の１画素に対するＲＭＳスポット径である。また、ＲＭＳスポット径とは、次の式（３）により算出されるσ２である。

σ２＝Σ{Ｗλ∫∫[(ｘ(λ；ｘｐ，ｙｐ)−[ｘ])２
＋(ｙ(λ；ｘｐ，ｙｐ)−[ｙ])２]ｄｘｐｄｙｐ}／ΣＷλ ・・・（３）

式（３）において、ｘ（λ；ｘｐ，ｙｐ）は、瞳点（ｘｐ，ｙｐ）を通り、波長λで追跡される像平面のｘ座標である。［ｘ］は、ｘの平均値である。

式（３）において、ｙ（λ；ｘｐ，ｙｐ）は、瞳点（ｘｐ，ｙｐ）を通り、波長λで追跡される像平面のｙ座標である。［ｙ］はｙの平均値である。

式（３）において、Ｗλは、波長λに対して付けられた重みである。和Σは、波長λの赤・緑・青の３波長それぞれについて算出する。

実施例において、投射画像サイズが８０インチ、６０インチ、４８インチに対し、スクリーン上のビームスポット径は、それぞれ１．５８ｍｍ、１．１８ｍｍ、０．９５ｍｍである。

ここで、ビームスポット径比が概ね１．０以下になると、各収差が良好に補正されているといえる。

図８に示すように、実施例では、４８〜８０インチの投射画像サイズにおいて、ビームスポット径比が０．４〜１．０である。つまり、実施例では、各収差が良好に補正されているといえる。

図９は、投射光学系１００において、６０インチサイズの投射画像を投射したときのスクリーン上の歪曲を示す図である。同図において、理想的なスクリーンサイズを破線で示し、スクリーン上での歪曲を実線で示す。

また、各投射サイズでの歪曲量を表８に示す。

図８と表８とに示すように、実施例の投射光学系１００は、投射画像の歪曲を低減することができている。

●投射光学系のハウジング構成（１）
次に、本発明に係る投射光学系のハウジングの構成について説明する。

光路における自由曲面レンズ１０から見て下流に、パワーを有する曲面ミラーが配置されていると、自由曲面レンズ１０は取り付け誤差による光学特性の劣化が大きい。本実施形態の場合には、曲面ミラーに自由曲面ミラー４を用いているが、本発明における曲面ミラーは自由曲面ミラー４に限らず、回転対称の球面もしくは非球面の凹面ミラー、凸面ミラー等でもよい。

図１０は、本発明に係る投射光学系の実施の形態のハウジングを示す構成図である。同図に示すように、投射光学系１００のハウジング２０は、少なくとも自由曲面レンズ１０と、曲面ミラーの一例である自由曲面ミラー４とを保持する、共通の保持部材である。

ハウジング２０は、自由曲面レンズ１０の保持部分と自由曲面ミラー４の保持部分とが、一体的に形成された１つの部材である。

自由曲面レンズ１０の保持部分と自由曲面ミラー４の保持部分とが、別部材の場合、自由曲面レンズ１０と自由曲面ミラー４の位置を実際に精度良く配置させるのは難しく、誤差が出てしまった場合には、光学特性の劣化が生じてしまう。

ハウジング２０は、画像表示素子１と自由曲面レンズ以外のレンズを保持するレンズ鏡胴３０と折返ミラー３も保持する。

レンズ鏡胴３０は、レンズ鏡胴３０内のレンズを光軸調整などが可能なように適切な位置に保持し、投射光学系１００の所望の性能を満たすことができる。レンズ鏡胴３０は、第１光学系２の光軸を一致させている。

調整されたレンズ鏡胴３０と自由曲面レンズ１０と折返ミラー３と自由曲面ミラー４とが、精度よく作られたハウジング２０によって一体的に保持されることによって、投射光学系１００では、各種光学素子の位置のバラツキを低減させることができる。

ここで、ハウジング２０は、上述のように自由曲面レンズ１０の保持部と自由曲面ミラー４の保持部とを一体的に成型することができる方法、つまり、樹脂成型、あるいはアルミダイカストやマグネシウムダイカストなどの金属成型で形成される。

ハウジング２０は、レンズ鏡胴３０と自由曲面レンズ１０とを別体で保持することにより、回転対称のレンズ系を保持するレンズ鏡胴３０のみで光軸調整を行うことができる。つまり、投射光学系１００では、光軸調整を簡素化することができる。

また、投射光学系１００では、レンズ鏡胴３０を回転対称な外形形状に形成することにより、ハウジング２０に対して光軸方向にレンズ鏡胴３０の回転調整を行うことができる。つまり、レンズ鏡胴３０を回転対称な外形形状に形成することにより、投射光学系１００では、ハウジング２０に対するレンズ鏡胴３０の光軸調整を行うことができる。

また、投射光学系１００では、光学系内の塵の混入を防ぐために、防塵ガラス５も一体的にハウジング２０に取り付けられている。

●投射光学系のハウジング構成（２）
次に、本発明に係る投射光学系の別の実施の形態のハウジングの構成について説明する。以下の説明では、先に説明した投射光学系１００との相違点のみを説明する。

図１１は、本発明に係る投射光学系の別の実施の形態のハウジングを示す構成図である。同図に示すように、本実施の形態に係る投射光学系２００では、投射光学系１００と異なり、防塵ガラス５を有しない、つまり、自由曲面ミラー４の投射方向が開放する構成としている。

●投射光学系のハウジング構成（３）
次に、本発明に係る投射光学系のさらに別の実施の形態のハウジングの構成について説明する。以下の説明では、先に説明した投射光学系１００との相違点のみを説明する。

図１２は、本発明に係る投射光学系のさらに別の実施の形態のハウジングを示す構成図である。同図に示すように、本実施の形態に係る投射光学系３００は、折返ミラー３を有しない点が先に説明した投射光学系１００と異なり、これに伴いハウジング２１の形状が異なっている。

折返ミラー３は、光学的に光路を折り返す役目のみであるため、折返ミラー３を有しない場合においても投射光学系３００の光学特性は投射光学系１００とは変わらない。

折返ミラー３がない構成とすることで、投射光学系３００では、光学系の高さ方向（Ｙ軸方向）の寸法を小さくすることができる。

ハウジング２１は、自由曲面レンズ１０の保持部分と自由曲面ミラー４の保持部分を一体的に形成している１つの部材である点は、先に説明したハウジング２０と同様である。

●自由曲面レンズの構成
次に、以上説明した投射光学系１００，２００，３００で用いる自由曲面レンズについて説明する。

図１３は、自由曲面レンズ１０を示す斜視図である。同図に示すように、自由曲面レンズ１０は、自由曲面レンズ面１０ａと、自由曲面レンズ面１０ａの外側にリブ１０ｂとを備える。

リブ１０ｂは、不図示の自由曲面レンズ固定部に接着固定されている。自由曲面レンズ固定部は、投射光学系１００，２００，３００に固定される際にハウジング２０，２１によって保持されている。

自由曲面レンズ１０は、Ｘ軸方向の両端の２箇所により、ハウジング２０，２１に位置決めされている。ここで、自由曲面レンズ１０は、Ｘ軸方向について対称形状で、Ｙ軸方向について非対称の自由曲面形状である。つまり、自由曲面レンズ１０は、Ｚ軸に対して回転非対称形状である。このため、自由曲面レンズ１０は、γ成分（図１３のＺ軸方向を回転軸とした回転方向の成分）の取り付け誤差による光学特性の劣化（ＭＴＦ（Modulation Transfer Function）、歪曲）が大きい。

つまり、投射光学系１００，２００，３００では、ハウジング２０，２１に対して自由曲面レンズ１０を正確に位置決めして取り付けることができる。

自由曲面レンズ固定部は、例えばカム構成など、自由曲面レンズ１０とハウジング２０，２１との位置関係を調整可能な機構を有するレンズホルダである。

このような構成にすることで、自由曲面レンズ固定部は、自由曲面レンズ１０を単体で移動させることによるフォーカス調整を実現することができる。

なお、自由曲面レンズ１０を移動させない構成を採用する場合には、ハウジング２０，２１を自由曲面レンズ固定部として機能させてもよい。つまり、この場合には、自由曲面レンズ１０が直接ハウジング２０，２１に固定される。

図１４は、自由曲面レンズ１０のレンズ面における座標位置を示す斜視図である。

ここでの自由曲面は、任意のＹ軸方向の位置にてＸ軸方向の位置に応じたＸ軸方向の曲率が一定ではなく、任意のＸ軸方向の位置にてＹ軸方向の位置に応じたＹ軸方向の曲率が一定ではないアナモフィック面のことを言う。

図１４に示すように、自由曲面レンズ１０では、Ｙ＝０の位置にて、レンズ面位置（Ｘ，Ｙ）＝（０，０）とレンズ面位置（Ｘ，Ｙ）＝（−Ｘ１，０）とのＸ軸方向の曲率は異なる。

また、Ｘ＝０の位置にて、レンズ面位置（Ｘ，Ｙ）＝（０，０）とレンズ面位置（Ｘ，Ｙ）＝（０，−Ｙ２）とのＹ軸方向の曲率は異なる。

また、レンズ面位置（Ｘ，Ｙ）＝（０，０）においてＸ軸方向とＹ軸方向の曲率が異なり、レンズ面位置（Ｘ，Ｙ）＝（０，−Ｙ２）においてもＸ軸方向とＹ軸方向の曲率が異なる。

なお、以上の自由曲面の定義は、自由曲面レンズ１０のレンズ面に限定されず、自由曲面ミラー４等の光学部材にも適用される。

図１４の座標位置におけるＸ軸方向とＹ軸方向との焦点距離を表９に示す。

図１４において、自由曲面レンズ１０のレンズ有効範囲は、Ｘ軸方向が±１６．０ｍｍ、Ｙ軸方向が０〜−２０．７ｍｍである。また、図１４において、レンズ有効範囲の４隅と、レンズ面基準点（Ｘ,Ｙ）＝（０，０）と、下辺中心（Ｘ,Ｙ）=（０,−２０．７）の６点について座標位置を示した。

表９は、レンズ面基準点に対しレンズ最周辺の位置４、６はＹ軸方向の焦点距離が短い（正の屈折力が強い）ことを示す。

ここで、図１を参照すると、レンズ周辺部の光線は、レンズ光軸から広がる方向に傾いて自由曲面レンズ１０に入射する。

また、図１には図示されていないが、レンズ周辺部の光線は、特にＸ軸方向のレンズ周辺部の傾きが最も大きくなる。

つまり、自由曲面レンズ１０は、中央部の正の屈折力よりも最周辺のＹ軸方向の正の屈折力を強くすることにより、自由曲面レンズ１０を通過後の光線の角度が光軸から広がる方向に曲がるのを防ぐことができる。このため、自由曲面レンズ１０によれば、投射光学系１００，２００，３００の自由曲面ミラー４の有効範囲を小さく抑えることができる。

しかしながら、レンズ周辺部の屈折力を強くすると、光路における自由曲面レンズ１０から見て下流に、パワーを有する自由曲面ミラー４が配置されている場合、必然的に自由曲面レンズ１０の取り付け位置誤差に対する感度が高くなる（レンズ位置合わせの精度が厳格になる。とりわけ、自由曲面ミラー４と自由曲面レンズ１０の位置関係の精度は厳格になる。）ため、歪曲やＭＴＦの劣化につながってしまう。特に、自由曲面レンズ１０の取り付け位置誤差に対する感度は、光軸まわりの回転方向への感度が高いことがわかった。

そのため、本発明者らは、以上説明した投射光学系１００，２００，３００のように、レンズ鏡胴３０と、自由曲面レンズ１０と、自由曲面ミラー４とを共通のハウジング２０，２１で一体的に保持することを見出した。つまり、投射光学系１００、２００，３００では、ハウジング２０，２１固有の精度で各部品を位置決めするため、自由曲面レンズ１０のように取り付け位置誤差に対する感度が高いレンズ形状であっても、画質の劣化を少なくすることができる。

また、本発明に係る投射光学系では、自由曲面ミラー４をハウジング２０，２１に直接取り付けるものに限らず、不図示の自由曲面ミラーホルダを介して自由曲面ミラー４をハウジング２０，２１に取り付けてもよい。ここで、自由曲面ミラーホルダには、ネジなどの取り付けの傾きを調整する部材を設けることができる。

このように構成することで、本発明に係る投射光学系では、部品の寸法ばらつきなどによる取り付け誤差を自由曲面ミラー４の位置により調整することができるため、高画質化を図ることができる。

●画像投射装置（１）●
次に、本発明に係る画像投射装置について説明する。

図１５は、本発明に係る画像投射装置の実施の形態を示す図である。同図に示すように、画像投射装置１１００は、照明光源１１０１と、リフレクタ１１０２と、リレーレンズ１１０３と、偏光変換素子１１０４と、照度均一化手段１１０５と、カラーホイール１１０６と、偏光分離手段１１０８とを有する。投射光学系１１０９は、先に説明した投射光学系１００，２００，３００である。また、画像表示素子１１０７は、画像表示素子１と対応する。

照明光源１１０１は、画像表示素子１に照明光を照射する。ここで、照明光源１１０１には、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などを用いることができる。

リフレクタ１１０２と、リレーレンズ１１０３と、偏光変換素子１１０４と、照度均一化手段１１０５とは、照明光学系を構成する。照明光学系は、照明光源１１０１により高効率な照明効率を得られるようにする。ここで、照明光学系は、光源の種類に応じて適切な光学系を採用することができる。

リフレクタ１１０２は、照明光源１１０１の近傍に配置されて、照明光源１１０１の光を反射する。

偏光変換素子１１０４は、照明光源１１０１の光の偏光を変換する。

照度均一化手段１１０５は、インテグレータ光学系である。照度均一化手段１１０５は、リフレクタ１１０２により反射されて指向性を持った光を、均一に照明分布を得られるようにして、画像表示素子１１０７の面上に照射する。

カラーホイール１１０６は、照明光をカラー化する。

なお、画像投射装置１１００では、カラーホイール１１０６と同期して画像表示素子１１０７の画像をコントロールすることにより、スクリーン上に拡大表示させたカラー画像を投射できるようにしてもよい。

偏光分離手段１１０８は、例えば偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarization
beam splitter）と組み合わせた照明光路と投射光路である。偏光分離手段１１０８により、画像表示素子１１０７として反射型タイプの液晶式の画像表示素子を用いる場合に、効率よい照明を得ることができる。

また、偏光分離手段１１０８として、ＤＭＤ（Digital
Mirror Device）パネルを搭載する場合には、全反射プリズムを使った光路分離などが採用することができる。

●実施の形態の効果
以上説明した画像投射装置１１００によれば、自由曲面レンズと自由曲面ミラーとが、精度よく作られたハウジングによって一体的に保持される投射光学系を用いるため、自由曲面のレンズを採用しつつ、製造誤差による性能劣化を低減することができる。

●画像投射装置（２）●
次に、本発明に係る画像投射装置の別の実施の形態について説明する。以下の説明では、先に説明した画像投射装置１１００との相違点のみを説明する。

図１６は、本発明に係る画像投射装置の実施の形態の別の実施の形態を示す図である。同図に示すように、画像投射装置１２００は、画像表示素子１２０７が、赤、緑、青等の複数枚（図１６においては３枚）用いる点が、先に説明した画像投射装置１１００と相違する。

画像投射装置１２００では、照明光を色分離手段１２０６により分離し、各色の照明光を色合成手段１２０９により合成する。画像投射装置１２００では、合成した光を投射光学系１２１０に入射させることにより、スクリーン１２１１上にカラー画像を投射することができる。

ここで、画像表示素子１２０７から投射光学系１２１０の第１光学系の第一面までの距離は、偏光分離手段１２０８と色合成手段１２０９とを有することにより、長い距離を取る必要がある。

この場合に、画像投射装置１２００では、画像表示素子１２０７から第一光学系までの距離を色合成手段１２０９の大きさに合わせて、投射光学系１２１０の寸法を延長または短縮してもよい。

●実施の形態の効果
以上説明した画像投射装置１２００によれば、自由曲面レンズと自由曲面ミラーとが、精度よく作られたハウジングによって一体的に保持される投射光学系を用いるため、自由曲面のレンズを採用しつつ、製造誤差による性能劣化を低減することができる。

１ ：画像表示素子
２ ：第１光学系
３ ：折り返しミラー
４ ：自由曲面ミラー
５ ：防塵ガラス
６ ：スクリーン
１０ ：自由曲面レンズ
２０ ：ハウジング
２１ ：ハウジング
１００ ：投射光学系
２００ ：投射光学系
３００ ：投射光学系
１０００ ：画像投射装置
１１００ ：画像投射装置
１１０１ ：照明光源
１１０２ ：リフレクタ
１１０３ ：リレーレンズ
１１０４ ：偏光変換素子
１１０５ ：照度均一化手段
１１０６ ：カラーホイール
１１０７ ：画像表示素子
１１０８ ：偏光分離手段
１２００ ：画像投射装置
１２０６ ：色分離手段
１２０７ ：画像表示素子
１２０８ ：偏光分離手段
１２０９ ：色合成手段

特許第４２２３９３６号明細書 特開２００９−２５１４５７号公報 特開２０１１−３３７３８号公報

Claims (11)

1. 画像を被投射面に投射して拡大表示させる画像投射装置の投射光学系であって、
   回転非対称な自由曲面レンズと、
   曲面ミラーと、
   を有してなり、
   前記自由曲面レンズと前記曲面ミラーとが共通の保持部材で保持されている、
   ことを特徴とする投射光学系。
2. 前記曲面ミラーは、自由曲面ミラーである、
   請求項１記載の投射光学系。
3. 前記画像を形成する画像表示素子を備え、
   前記画像表示素子の長辺方向をＸ軸、短辺方向をＹ軸とすると、
   前記自由曲面レンズは、Ｘ軸方向について対称形状で、Ｙ軸方向について非対称の自由曲面形状であり、
   Ｘ軸方向またはＹ軸方向において、前記自由曲面レンズの中央部での正の屈折力よりも前記自由曲面レンズの周辺部での正の屈折力の方が大きい、
   請求項１または２記載の投射光学系。
4. 前記自由曲面レンズは、Ｙ軸方向について、前記自由曲面レンズの中央部での正の屈折力よりも前記自由曲面レンズの周辺部での正の屈折力の方が大きい、
   請求項３記載の投射光学系。
5. 前記自由曲面レンズは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において、前記自由曲面レンズの中央部での正の屈折力よりも前記自由曲面レンズの周辺部での正の屈折力の方が大きい、
   請求項３記載の投射光学系。
6. 複数のレンズ群と、
   前記画像表示素子上の画像を中間像として結像させる第１光学系と、
   前記中間像を前記被投射面上に結像させる第２光学系と、
   を有し、
   前記第１光学系は、前記複数のレンズ群を保持するレンズ鏡胴と前記自由曲面レンズとを備え、
   前記第２光学系は、前記曲面ミラーであり、
   前記曲面ミラーは、前記第１光学系に対して凹面を向けた回転非対称形状である、
   請求項３乃至５のいずれかに記載の投射光学系。
7. 前記複数のレンズ群のうち前記自由曲面レンズ以外のレンズは、全ての光軸が一致するように前記レンズ鏡胴に保持され、
   前記自由曲面レンズは、前記自由曲面ミラーに最も光学的に近い位置に保持され、
   前記保持部材は、前記レンズ鏡胴と、前記自由曲面レンズと、前記自由曲面ミラーとを一体的に保持する、
   請求項５または６記載の投射光学系。
8. 前記自由曲面レンズは、前記複数のレンズ群に対して単体で移動する、
   請求項５乃至７のいずれかに記載の投射光学系。
9. 前記自由曲面レンズと前記自由曲面ミラーとの光路中に配置される光路を折り返す折返ミラーを有し、
   前記折返ミラーは、前記保持部材に保持される、
   請求項５乃至８のいずれかに記載の投射光学系。
10. 前記保持部材は、防塵ガラスを備え、
    前記画像表示素子と前記鏡胴と前記自由曲面レンズと前記折返ミラーと前記自由曲面レンズと前記防塵ガラスにより、前記ハウジングが密閉される、
    請求項９記載の投射光学系。
11. 画像を被投射面に投射して拡大表示させる投射光学系を有してなる画像投射装置であって、
    前記投射光学系は、請求項１乃至１０のいずれかに記載の投射光学系である、
    ことを特徴とする画像投射装置。