以下、本発明に係る投影光学系の実施の� ��態等を、図面を参照しつつ説明する。本発� ��に係る投影光学系は、表示素子面からの光� ��受けてその表示画像を斜め方向からスクリ� ��ン面上に拡大投影し、スクリーンへの投影� ��離を変えることで異なる投影倍率の画像を� ��示する投影光学系であって、表示素子面か� ��スクリーン面までの間にパワーを有する反� ��面を1面以上有し、パワーを有する少なくと も1つの光学素子の移動によりフォーカス調� �を行うものである。前述したように、投影� �学系の広角化によるスクリーン面への光線� �射角度の増大に伴って、スクリーン面の画� �上辺の端(以下、画面上端と呼ぶ場合もある) に入射する光線の光路長と、スクリーン面の 画面下辺の端(以下、画面下端と呼ぶ場合も� �る)に入射する光線の光路長と、の差は大き� ��なる。その結果、投影距離変化時に台形歪� ��著しく発生してしまい、フォーカス調整時� ��台形歪の補正を同時に行う必要が生じるこ� ��になる。本発明に係る投影光学系は、投影� ��離変化時に発生する台形歪を良好に補正す� ��ことを可能とするものであり、その構成を� ��19~図23を用いて具体的に説明する。

 表示素子面の画面形状を長方形とすると� ��図19に示すように、長方形の投影像(画面)IM� ��スクリーン面SL上に形成される。図19(A)は、 スクリーン面SLに向かう光路を斜視図で示し� ��おり、破線はスクリーン面SLの画面上端に� �射する光線の光路を示しており、一点鎖線� �スクリーン面SLの画面下端に入射する光線の 光路を示している。スクリーン面SLの画面法� ��方向をz方向とし、スクリーン面SLの画面長� ��方向をx方向とし、スクリーン面SLの画面短� ��方向をy方向とすると、反射面SRから投影像I Mまでの光路のyz断面での構成は図19(B)に示す� ��うになり、反射面SRから投影像IMまでの光路 のxz断面での構成は図19(C)に示すようになる� �ただし、反射面SRは投影光学系において最も 像側に位置する、パワーを持った反射面であ る。また、投影像IMにおいて、SLxは画面長辺� ��相当し、SLyは画面短辺に相当する。

 図19において、Puはスクリーン面SLの画面� ��端に入射する光線の射出瞳であり、Pdはス� �リーン面SLの画面下端に入射する光線の射出 瞳である。つまり、射出瞳位置は像高によっ て異なっている。表示素子面の画面中心から スクリーン面SLの画面中心に到達する光線の� ��ち、絞りの中心を通るもの(一般的な光学系 での主光線に相当するもの)を「瞳中心光線� �とすると、射出瞳Pu,Pdの中心は、スクリーン 面SLに入射する瞳中心光線を含み、かつ、ス� ��リーン面SL(言い換えれば投影像IM)に対して� ��直な平面(すなわちyz平面)上に位置する。し たがって、射出瞳Puの位置は、絞り中心を通� ��スクリーン面SLの画面上端に入射する光線� �yz平面と交わる位置であり、射出瞳Pdの位置� ��、絞り中心を通りスクリーン面SLの画面下� �に入射する光線がyz平面と交わる位置である 。

 また、射出瞳Puの位置からスクリーン面SL までの距離と、射出瞳Pdの位置からスクリー� ��面SLまでの距離と、の差が、射出瞳Puの位置 から射出瞳Pdの位置までの距離δである。つ� �り、図19(C)に示すように、スクリーン面SLと� ��出瞳Pu,Pdとの距離については、射出瞳Pu,Pdか らスクリーン面SLまでの距離のz方向成分のみ を考えるものとする。図20に、yz平面上にあ� �瞳中心光線CXを示す。投影距離Pは、瞳中心� �線CXと反射面SRとの交点から、スクリーン面S Lに垂直に下ろした直線の長さである。した� �って、投影距離Pについてもz方向成分のみを 考えるものとする。なお、投影倍率に関して は、表示素子面の画面長辺方向(x方向)の投影 倍率βxと、表示素子面の画面短辺方向(y方向) の投影倍率βyと、の平均値で表されるものと する。

 投影光学系において投影空間のコンパク� ��化を進めると、スクリーン面SLの画面上辺� �入射する光線の光路長と、スクリーン面SLの 画面下辺に入射する光線の光路長と、の差が 大きくなる。このため、光学性能を維持しつ つ、スクリーン面の画面全域にわたって射出 瞳Pu,Pdの位置を略一致させることが困難にな� ��。つまり、図19(C)に示す射出瞳間隔δを小さ くすることが困難になる。スクリーン面SL上� ��良好な画像を得るためには、射出瞳Puの中� �を通過しスクリーン面SLの画面上辺の端に入 射する光線と、射出瞳Pdの中心を通過しスク� ��ーン面SLの画面下辺の端に入射する光線と� �でスクリーン面SLへの入射角度のxz平面成分� ��変化させる必要がある。

 しかしながら、瞳中心を通過した光線の� ��クリーン面SLへの入射角度のxz平面上での成 分がスクリーン面SL上での像高によって異な� ��と、ある特定の投影距離において良好な像� ��得られている場合であっても、投影距離Pが 変化すると台形歪が発生する。例えば、図21( A)に示す投影構成の場合、投影距離P2で得ら� �る投影像IM2に台形歪は生じないが(破線と一� ��鎖線との交点位置がスクリーン面SL上にあ� �。)、投影距離P1で得られる投影像IM1には台� �歪が生じる(スクリーン面SL上で一点鎖線の� �面幅よりも破線の画面幅の方が大きくなっ� �いる。)。つまり、投影距離P2では図21(B)に示 すように台形歪の無い投影像IM2が得られるの に対し、投影距離P1では図21(C)に示すように� �側に広がった台形歪のある投影像IM1が得ら� �ることになる。そして、投影距離Pが大きく� ��るほど台形歪の度合いは大きくなる。

 投影距離Pが短い投影光学系においては、 フォーカスの際にスクリーン面SLの位置にピ� ��トを合わせるだけでなく、投影距離Pに応じ た上記台形歪を補正する必要がある。そして 、投影距離Pの変化による台形歪を補正する� �は、スクリーン面SLの画面上辺と画面下辺の 端に対する光線入射角度のxz成分を、フォー� ��ス時に変化させる必要がある。台形歪の補� ��には、電気的に補正する方法と光学的に補� ��する方法があるが、電気的に補正を行うと� ��スクリーン面上の画像に画質劣化が生じや� ��くなる。本発明に係る投影光学系では、以� ��に説明するように光学的に台形歪を補正す� ��方法を採用している。

 スクリーン面の画面法線方向をz方向とし 、スクリーン面の画面長辺方向をx方向とし� �スクリーン面に対する入射角度のxz平面上で の成分を入射角度θ(°)とする。そして、図19( C)に示すように、絞りの中心を通ってスクリ� ��ン面SLの画面上辺と画面下辺のそれぞれの� �に入射する光線のうち、入射角度θが大きい 方の光線の入射角度θをθfとし、入射角度θ� �小さい方の光線の入射角度θをθnとする。ス クリーンSLの画面左右端に入射する光線の入� ��角度θf,θnは、投影距離Pに大きく依存する� �で、入射角度θf,θnのうち、少なくとも一方� ��入射角度をフォーカス時に変化させれば、� ��画面化と投影距離の縮小とを両立させなが� ��、投影距離変化時に発生する台形歪を良好� ��補正することが可能である。

 例えば、図21(A)に示すように、投影距離� �P2からP1に長くなった場合を考える。フォー� ��ス操作を行う際に、図22(A)に示すようにス� �リーン面SLに対する入射角度θの大きい方の� ��射角度θを小さくするか、あるいは、図22(B) に示すようにスクリーン面SLに対する入射角� ��θの小さい方の入射角度θを大きくする。こ のように入射角度θを変化させると台形歪が� ��少する(スクリーン面SL上での一点鎖線と破� ��との画面幅の差が減少する。)ので、投影像 IM1の台形歪を補正することができる。投影距 離Pが短くなった場合には、上記とは逆に、� �ォーカス操作を行う際に、スクリーン面SLに 対する入射角度θの大きい方の入射角度θを� �きくするか、あるいは、スクリーン面SLに対 する入射角度θの小さい方の入射角度θを小� �くすればよく、これにより投影像の台形歪� �補正することが可能である。投影距離Pが長� ��ほど投影倍率βの絶対値が大きくなること� �ら、投影倍率βの絶対値が大きくなるにつれ て、入射角度θが大きい方の光線の入射角度� �を小さくするか、あるいは入射角度θが小さ い方の光線の入射角度θを大きくすることが� ��ましく、逆に、投影倍率βの絶対値が小さ� �なるにつれて、入射角度θが大きい方の光線 の入射角度θを大きくするか、あるいは入射� ��度θが小さい方の光線の入射角度θを小さく することが望ましい、といえる。

 上記観点から、パワーを有する光学面と� ��て反射面を少なくとも1面有し、パワーを有 する少なくとも1つの光学素子の移動により� �ォーカス調整を行う投影光学系にあっては� �入射角度θf,θnのうちの少なくとも一方の入� ��角度をフォーカス時に変化させれば、大画� ��化と投影距離の縮小とを両立させながら、� ��影距離変化時に発生する台形歪を良好に補� ��することが可能である。このように台形歪� ��光学的に補正する構成において、更なる性� ��向上,小型化等を達成する上で望ましい条件 、その他の有効な構成を以下に説明する。

 台形歪をスクリーン面SLに対する入射角度� �化により補正するという観点から、投影光� �系は以下の条件式(1)を満たすことが望まし� �。
0.01<{(tanθf1-tanθf2)-(tanθn1-tanθn2)}・(β2/β1)< ;0.20 …(1)
 ただし、表示素子面の画面形状が長方形で� ��り、スクリーン面の画面法線方向をz方向と し、スクリーン面の画面長辺方向をx方向と� �、スクリーン面に対する入射角度のxz平面上 での成分を入射角度θ(°)とし、絞りの中心を 通ってスクリーン面の画面上辺と画面下辺の それぞれの端に入射する光線のうち、入射角 度θが大きい方の光線の入射角度θをθfとし� �入射角度θが小さい方の光線の入射角度θを� �nすると、
θf1:フォーカス調整時において投影倍率の絶� ��値が最も大きいときの入射角度θf、
θf2:フォーカス調整時において投影倍率の絶� ��値が最も小さいときの入射角度θf、
θn1:フォーカス調整時において投影倍率の絶� ��値が最も大きいときの入射角度θn、
θn2:フォーカス調整時において投影倍率の絶� ��値が最も小さいときの入射角度θn、
β1:フォーカス調整時における投影倍率の最� �値(ただし、投影倍率が負の場合、その絶対� ��が最大となるときの投影倍率の値)、
β2:フォーカス調整時における投影倍率の最� �値(ただし、投影倍率が負の場合、その絶対� ��が最小となるときの投影倍率の値)、
である。

 条件式(1)は、瞳中心を通過した後、スク� ��ーン面の画面上辺端と画面下辺端に入射す� ��光線の入射角度θf,θnのフォーカス調整時に おける変化量に関して、台形歪を補正する上 で好ましい条件範囲を規定している。条件式 (1)の下限を下回ると、フォーカス調整時に投 影倍率の変化に伴って投影距離が変化した際 、瞳中心を通過した後にスクリーン面の画面 上辺端と画面下辺端に入射する光線の、フォ ーカス調整時における入射角度θf,θnの変化� �が不十分となる。このため、光学性能を維� �しようとすると、スクリーン面上での各高� �における射出瞳の位置を一致させる必要が� �じ、コンパクト化を十分に図ることができ� �くなる。条件式(1)の上限を上回ると、投影� �離が変化した際に、瞳中心を通過した後に� �クリーン面の画面上辺端と画面下辺端に入� �する光線の、フォーカス調整時における入� �角度θf,θnの変化量が過剰となる。このため� ��投影距離の変化に伴う台形歪が過剰に補正� ��れてしまい、入射角度変化による台形歪を� ��の補正手段で補正しなければならなくなる� ��

 パワーを持つ反射面を有する投影光学系� ��おいて、最小画面サイズ(投影倍率の絶対値 が最も小さい場合)と最大画面サイズ(投影倍� ��の絶対値が最も大きい場合)は、投影光学系 の光学性能により制限される。つまり、投影 光学系は有限距離に焦点を合わせるものであ るから、光学性能(像面湾曲等)を満足するこ� ��のできるフォーカス範囲は限られる。上記� �1,β2は、この観点から定められたものである 。

 以下の条件式(1a)を満たすことが更に望まし い。
0.02<{(tanθf1-tanθf2)-(tanθn1-tanθn2)}・(β2/β1)< ;0.15 …(1a)

 この条件式(1a)は、上記条件式(1)が規定し ている条件範囲のなかでも更に好ましい条件 範囲を規定しており、条件式(1a)を満たすこ� �により、良好な光学性能を維持するととも� �、補正量に過不足のない更に良好な台形歪� �補正が可能となる。したがって、フォーカ� �操作時により一層良好な投影像を得ること� �可能となる。なお、投影光学系を自動設計� �る際に条件式(1)や(1a)を制限条件とすること� ��より、実際に条件式(1)や(1a)を満たすような 投影光学系を実現することができる。

 プロジェクタとしての投影光学系を考え� ��場合、一般的に使用する投影画面サイズは6 0インチから100インチ程度である。したがっ� �、この画面サイズに対応するようなβ1,β2の� ��率(β1/β2)の範囲で、上記条件式(1)又は(1a)を 満たせばよい。そういった点から、少なくと も1.3≦β1/β2≦1.8の範囲で上記条件式(1)又は(1 a)を満たすことが望ましい。なお、β1/β2が所 定の値で条件式(1)を満足していれば、β1/β2� �それよりも小さい状態では、必ず条件式(1)� �満足する。

 以下の条件式(2)を満たすことが望ましい。
38<θf<80 …(2)

 条件式(2)は、投影空間を十分に小さくす� ��上で好ましい条件範囲を規定している。条� ��式(2)の下限を下回ると、投影空間のコンパ� ��ト化が十分でなくなる。例えば、一定の投� ��倍率(スクリーン面の画面サイズが同じ場合 )で投影距離を変化させたときに、大きな投� �空間を確保する必要が生じる。条件式(2)の� �限を上回ると、スクリーン面への入射角度� �大きくなり、スクリーンに入射した光線の� �ち視聴者方向に進むものの割合が少なくな� �。

 以下の条件式(2a)を満たすことが更に望まし い。
45<θf<70 …(2a)

 この条件式(2a)は、上記条件式(2)が規定し ている条件範囲のなかでも更に好ましい条件 範囲を規定している。条件式(2a)の下限を上� �ることにより、投影空間をよりコンパクト� �することが可能となる。条件式(2a)の上限を� ��回ることにより、スクリーン面に入射した� ��、視聴者方向に進行する光線の量を適正に� ��保することができる。

 スクリーンに入射角度θfで入射する光線� ��射出瞳からスクリーンまでの距離が、スク� ��ーンに入射角度θnで入射する光線の射出瞳� ��らスクリーンまでの距離よりも短いことが� ��ましい。斜め投影光学系において、スクリ� ��ン上端に入射する光線(入射角度θfで入射す る光線)の光路長は、スクリーン下端に入射� �る光線(入射角度θnで入射する光線)の光路長 よりも長くなるため、像面湾曲が大きく発生 する。スクリーン上端に入射する光線の射出 瞳位置を、下端に入射する光線の射出瞳位置 よりもスクリーンに近づけ、スクリーンの上 下での、射出瞳位置からスクリーンまでの光 路長の差を小さくすることにより、像面湾曲 の補正が容易となる。

 以下の条件式(3)を満たすことが望ましい。
1<{(δ1+δ2)/(2・P1)}・|β1|<30 …(3)
 ただし、表示素子面の画面中心からスクリ� ��ン面の画面中心に到達する光線のうち絞り� ��中心を通るものを瞳中心光線とし、パワー� ��有する反射面のうち最もスクリーン面側に� ��置する反射面と瞳中心光線との交点から、� ��クリーン面に垂直に下ろした垂線の長さを� ��影距離とすると、
P1:フォーカス調整時に投影倍率の絶対値が最 大となるときの投影距離、
δ1:フォーカス調整時に、投影倍率の絶対値� �最大となるときの、スクリーン面の画面上� �に入射する光線の射出瞳からスクリーン面� �での距離と、スクリーン面の画面下端に入� �する光線の射出瞳からスクリーン面までの� �離と、の差の絶対値、
δ2:フォーカス調整時に、投影倍率の絶対値� �最小となるときの、スクリーン面の画面上� �に入射する光線の射出瞳からスクリーン面� �での距離と、スクリーン面の画面下端に入� �する光線の射出瞳からスクリーン面までの� �離と、の差の絶対値、
である。

 条件式(3)は、反射面を有し投影空間が極� ��てコンパクトな投影光学系において、投影� ��離変化時の台形歪を良好に補正する上で好� ��しい条件範囲を規定している。条件式(3)の� ��限を下回ると、スクリーン面の画面上端に� ��射する光線の射出瞳位置と、スクリーン面� ��画面下端に入射する光線の射出瞳位置と、� ��差が小さくなり、結果として、像面湾曲を� ��正することが困難になる。条件式(3)の上限� ��上回ると、スクリーン面の画面上端に入射� ��る光線の射出瞳位置と、スクリーン面の画� ��下端に入射する光線の射出瞳位置と、の差� ��大きくなり、結果として、フォーカス時の� ��形歪の補正が困難になる。

 以下の条件式(4)を満たすことが望ましい。
160<(x1/P1)・|β1|<500 …(4)
 ただし、表示素子面の画面中心からスクリ� ��ン面の画面中心に到達する光線のうち絞り� ��中心を通るものを瞳中心光線とし、パワー� ��有する反射面のうち最もスクリーン面側に� ��置する反射面と瞳中心光線との交点から、� ��クリーン面に垂直に下ろした垂線の長さを� ��影距離とすると、
P1:フォーカス調整時に投影倍率の絶対値が最 大となるときの投影距離、
x1:フォーカス調整時に投影倍率の絶対値が最 大となるときの、スクリーン面上でのx方向� �画面幅の半値、
である。

 条件式(4)は、投影空間をコンパクトにす� ��上で好ましい条件範囲を規定している。条� ��式(4)の下限を下回ると、コンパクト化を十� ��に達成することができなくなる。条件式(4)� ��上限を上回ると、スクリーン面に入射する� ��線の入射角度が非常に大きくなるため、ス� ��リーン面に入射した光線のうち視聴者の方� ��に進行するものの割合が小さくなる。

 投影距離変化による台形歪の補正には、� ��クリーン面の画面上辺と画面下辺に入射す� ��光線の射出瞳位置の変化を利用することが� ��きる。つまり、スクリーン面の画面上端に� ��射する光線の射出瞳とスクリーン面の画面� ��端に入射する光線の射出瞳のうち、少なく� ��も一方の射出瞳をフォーカス時に移動させ� ��ば、大画面化と投影距離の縮小とを両立さ� ��ながら、投影距離変化時に発生する台形歪� ��良好に補正することが可能である。そして� ��入射角度の変化と、射出瞳の位置関係の変� ��と、を併用することにより、台形歪の補正� ��光学性能の維持との両立が容易になる。

 例えば、図21(A)に示すように、投影距離� �P2からP1に長くなった場合を考える。フォー� ��ス操作を行う際に、図23(A)に示すようにス� �リーン面SLに近い側の射出瞳Puの位置をスク� ��ーン面SLに近づけるか、あるいは、図23(B)に 示すようにスクリーン面SLから遠い側の射出� ��Pdの位置をスクリーン面SLから遠ざける。こ のように射出瞳位置を変化させると台形歪が 減少する(スクリーン面SL上での一点鎖線と破 線との画面幅の差が減少する。)ので、投影� �IM1の台形歪を補正することができる。投影� �離Pが短くなった場合には、上記とは逆に、� ��ォーカス操作を行う際に、スクリーン面SL� �近い側の射出瞳Puの位置をスクリーン面SLか� ��遠ざけるか、あるいは、スクリーン面SLか� �遠い側の射出瞳Pdの位置をスクリーン面SLに� ��づければよく、これにより投影像の台形歪� ��補正することが可能である。したがって、� ��影距離Pが長くなるにつれて射出瞳間隔は大 きくなることが望ましく、逆に、投影距離P� �短くなるにつれて射出瞳間隔は小さくなる� �とが望ましい、といえる。また、投影距離P� ��長いほど投影倍率βの絶対値が大きくなる� �とから、投影倍率βの絶対値が大きくなるに つれて射出瞳間隔は大きくなることが望まし く、逆に、投影倍率βの絶対値が小さくなる� ��つれて射出瞳間隔は小さくなることが望ま� ��い、といえる。

 上記観点から、パワーを有する光学面と� ��て反射面を少なくとも1面有し、パワーを有 する少なくとも1つの光学素子の移動により� �ォーカス調整を行う投影光学系にあっては� �スクリーン面の画面上端に入射する光線の� �出瞳とスクリーン面の画面下端に入射する� �線の射出瞳のうち、少なくとも一方の射出� �をフォーカス時に移動させれば、大画面化� �投影距離の縮小とを両立させながら、投影� �離変化時に発生する台形歪を良好に補正す� �ことが可能である。

 台形歪を射出瞳の移動により補正するとい� ��上記観点から、投影光学系は以下の条件式( 5)を満たすことが望ましい。
-0.02<{(δ1-δ2)β2}/{(δ1+δ2)β1}<0.2 …(5)
 ただし、
δ1:フォーカス調整時に、投影倍率の絶対値� �最大となるときの、スクリーン面の画面上� �に入射する光線の射出瞳からスクリーン面� �での距離と、スクリーン面の画面下端に入� �する光線の射出瞳からスクリーン面までの� �離と、の差の絶対値、
δ2:フォーカス調整時に、投影倍率の絶対値� �最小となるときの、スクリーン面の画面上� �に入射する光線の射出瞳からスクリーン面� �での距離と、スクリーン面の画面下端に入� �する光線の射出瞳からスクリーン面までの� �離と、の差の絶対値、
である。

 条件式(5)は、投影倍率変化時における射� ��瞳間隔の変化量に関し、台形歪を補正する� ��で好ましい条件範囲を規定している。条件� ��(5)の下限を下回ると、投影距離が大きくな� ��た場合にフォーカス調整を行うと、スクリ� ��ン面の画面上端と画面下端に入射する光線� ��射出瞳間隔が小さくなり、台形歪が悪化し� ��しまう。このため、入射角度の変化量を大� ��くする必要が生じて、光学的な負担が大き� ��なる。条件式(5)の上限を上回ると、投影距� ��が大きくなった場合にフォーカス調整を行� ��と、スクリーン面の画面上端と画面下端に� ��射する光線の射出瞳間隔が大きくなる。そ� ��結果、投影光学系にかかる負担が大きくな� ��ため、良好な光学性能を維持することが困� ��になる。

 以下の条件式(5a)を満たすことが更に望まし い。
0.0001<{(δ1-δ2)β2}/{(δ1+δ2)β1}<0.2 …(5a)

 この条件式(5a)は、上記条件式(5)が規定し ている条件範囲のなかでも更に好ましい条件 範囲を規定しており、条件式(5a)を満たすこ� �により、良好な光学性能を維持するととも� �、補正量に過不足のない更に良好な台形歪� �補正が可能となる。したがって、フォーカ� �操作時により一層良好な投影像を得ること� �可能となる。

 投影光学系は、パワーを有する屈折光学� ��子を少なくとも1つ有することが望ましい。 パワーを有する屈折光学素子を用いることに より、色合成プリズムで発生する色収差等、 反射面のみでは補正できない収差を補正する ことが可能となる。

 投影光学系において、少なくとも2つの光 学素子の回転対称軸が一致していることが望 ましい。共軸の光学構成を備えることにより 、投影光学系の組み立てが容易になる。例え ば、回転対称軸の一致した2個以上の屈折光� �素子を投影光学系に備えることにより、組� �立て・製造が容易になりコストダウンの達� �が可能となる。

 投影光学系は、フォーカス調整において� ��なくとも1つの反射面を移動させることが望 ましい。フォーカス調整時に少なくとも反射 面が移動する構成(つまり、反射光学素子の� �移動する構成、反射光学素子と屈折光学素� �が移動する構成)にすれば、屈折光学素子の� ��が移動する場合と比較して、光学素子のフ� ��ーカス移動量を少なくすることができる。� ��た、フォーカス調整時に少なくとも反射面� ��移動する構成にすれば、フォーカス調整時� ��スクリーン面の画面端部で発生する像面の� ��みを補正することが可能となる。

 投影光学系は、フォーカス調整において� ��なくとも1つの屈折光学素子を移動させるこ とが望ましい。屈折光学素子は、ミラー等の 反射光学素子に比べて小型化が可能であるた め、屈折光学素子を用いることによりフォー カス機構を簡単にすることが可能となる。し たがって、簡単かつ小型のフォーカス移動機 構により、良好な収差補正が可能となる。

 上記観点から、フォーカス調整時には1つ の反射光学素子と1つの屈折光学素子との合� �2つの光学素子を移動させることが望ましい� ��また、投影空間を縮小するためには、フォ� ��カス時に2つ以上の光学素子を移動させるこ とが望ましい。投影空間がコンパクトな投影 光学系においては、前述したようにスクリー ン面に入射する光線の光路長がスクリーン面 の画面上部と画面下部とで大きく異なるため 、フォーカス調整時には、画面中心のピント を合わせるだけでなく、スクリーン面に対す る像面の傾きを補正する必要もある。フォー カス調整時に2つ以上の光学素子を移動させ� �構成にすれば、ピント合わせと像面の傾き� �正を2つ以上の光学素子で分担することがで� ��るため、フォーカスの前後において良好な� ��能を得ることが可能となる。

 表示素子面からスクリーン面までの間に1 面又は2面の反射面を有することが望ましい� �反射面で光路を折り曲げることにより、投� �光学系をコンパクトにすることができる。� �射面の枚数を多くすれば、投影光学系をよ� �一層コンパクトにすることが可能である。� �たがって、投影光学系は反射面を2面以上有� ��ることが望ましい。反射面を2面以上有する ことにより、投影光学系をスクリーン面に対 して略平行な方向に折り曲げることができる 。これにより、スクリーンの奥行き方向に投 影光学系のサイズを小さくすることが可能と なり、投影光学系の投影空間を縮小すること が可能となる。投影光学系中に反射面を追加 して光路を折り曲げ、スクリーンの高さ方向 に投影光学系のサイズを縮小することも可能 である。

 すべての反射面がパワーを有することが� ��ましい。反射面にパワーを持たせることに� ��って反射面での収差補正が可能となり、投� ��光学系全体の収差を補正することが可能と� ��る。したがって、すべての反射面にパワー� ��持たせることにより、より高い光学性能を� ��ることが可能となる。

 投影光学系中の最もスクリーン面に近い� ��置に反射面を設置することが望ましい。ス� ��リーン面に近い位置に反射面を設置して光� ��を折り曲げることにより、画像の投影に必� ��な空間をコンパクトにすることができる。� ��た、反射面に入射する各画角の光束が分離� ��ているので、そこに自由曲面形状を有する� ��射面を配置することにより、高い収差補正� ��果を得ることができる。

 パワーを有する反射面は自由曲面形状を� ��することが望ましい。自由曲面形状には、� ��計の自由度が高いため光線の偏向方向を設� ��する自由度が高い、というメリットがある� ��また、自由曲面形状を用いることにより、� ��面の倒れや非点収差等の収差を良好に補正� ��ることができる。さらに、反射面に用いる� ��由曲面は1面の対称面を有することが望まし い。対称面を有する自由曲面には、製造や評 価における難易度が低いというメリットがあ る。また、自由曲面を含むミラーや屈折レン ズはプラスチック材料から成ることが望まし い。自由曲面を含む光学素子(ミラー,レンズ� ��)の構成材料としてプラスチックを使用する ことにより、光学素子のコストダウンを達成 することが可能となる。

 屈折面として、x軸方向とy軸方向とでパ� �ーの異なる面(つまりアナモフィック非球面) を用いることが望ましい。x軸方向とy軸方向� ��でパワーの異なる屈折面を用いることによ� ��、x軸方向とy軸方向とで非対称な収差を補� �することができる。x軸方向とy軸方向とでパ ワーの異なる屈折面は、スクリーン面に近い 面として用いることが好ましい。ただし、最 もスクリーン面に近い面では各画角の光束が 分離しているため、高い収差補正の効果を得 るために、自由曲面形状を有する反射面を配 置することが望ましい。

 投影光学系内でいったん中間像を形成し� ��後、その中間像を反射面でスクリーン面上� ��結像させることが望ましい。中間像よりも� ��クリーン面側に位置する光学素子で発生す� ��歪曲を相殺するように、中間像に収差を与� ��ることによって、広角な投影光学系であり� ��がらスクリーン面上で良好な光学性能を得� ��ことが可能となる。また、中間像を形成す� ��ことにより、反射面の大きさを小さくする� ��とができるので、反射面の製造が容易にな� ��。

 最もスクリーン面に近い反射面は凹面で� ��ることが望ましい。最もスクリーン面に近� ��反射面として凹面反射面を用いることによ� ��、凹面反射面のパワーによって中間像を結� ��させることができる。したがって、中間像� ��収差を用いて、歪曲や像面の傾き等、投影� ��学系全体の収差を補正することが可能とな� ��。最もスクリーン面に近い反射面が凸面反� ��面である場合、いったん形成した中間像を� ��クリーン面上で結像させるために、凸面ミ� ��ーのほかに正パワーの光学素子が必要とな� ��。このため、中間像を形成する構成ではコ� ��パクト化が困難になる。したがって、最も� ��クリーン面に近い反射面が凸面反射面であ� ��、中間像を形成しない場合には、収差補正� ��ために自由曲面形状の屈折光学素子や反射� ��学素子を追加することが望ましい。

 次に、本発明に係る投影光学系の具体的� ��光学構成を、第1~第6の実施の形態を例に挙� ��て説明する。図1,図4,図7,図10,図13,図16に、� �1~第6の実施の形態における表示素子面SGから スクリーン面SLまでの投影光路全体の光学構� ��(光学配置,投影光路等)を、表示素子面SGの� �面長辺方向に沿って見たときの光学断面(短� ��側断面)でそれぞれ示す。表示素子面SGの画� ��法線方向をz方向とし、表示素子面SGの画面� ��辺方向をy方向とし、表示素子面SGの画面長� ��方向をx方向とする直交座標系(x,y,z)におい� �、図1,図4,図7,図10,図13,図16は、投影光学系PO� ��ら成る第1~第6の実施の形態の光学構成をyz� �面で示している。また、Li(i=1,2,3,...)が付さ� �たレンズは、表示素子面SG側(縮小側)から数� ��てi番目のレンズである。

 第1~第6の実施の形態の投影光学系POは、� �小側(表示素子面SG側)から拡大側(スクリーン 面SL側)にかけて順に、複数の第iレンズLi等で 構成された屈折光学系LGと、曲面ミラーMR又� �第1,第2曲面ミラーM1,M2と、から成っており、 パワーを有する少なくとも1つの光学素子の� �動によりフォーカス調整を行う構成になっ� �いる。また、投影光学系POはyz平面に関して� ��対称になっている。したがって、曲面ミラ� ��MR,第1,第2曲面ミラーM1,M2の反射面形状は面� �称であり、その対称面はyz平面である。各実 施の形態の光学構成を以下に詳しく説明する 。なお、以下に示す自由曲面のパワーは、近 接投影時の、画面中心主光線と反射面との交 点近傍でのパワーである。

 第1の実施の形態(図1)において、屈折光学 系LGは、縮小側(表示素子面SG側)から順に、絞 りSTと、第1レンズL1~第7レンズL7と、から成っ ている。第1レンズL1は、縮小側に凸の正メニ スカスレンズ(両面が回転対称な非球面)であ� ��。第2レンズL2は、両凸の正レンズと両凹の� ��レンズとから成る接合レンズである。第3レ ンズL3は、両凸の正レンズである。第4レンズ L4は、両凸の正レンズである。第5レンズL5は� ��両凸の正レンズである。第6レンズL6は、縮� ��側に凸の負メニスカスレンズ(両面が回転対 称な非球面)である。第7レンズL7は、両凹の� �レンズ(縮小側面が回転対称な非球面、拡大� ��面がアナモフィック非球面)である。屈折光 学系LGの拡大側(スクリーン面SL側)には、反射 面形状が自由曲面の第1,第2曲面ミラーM1,M2が� ��置されている。第1ミラーM1のx方向のパワー は正、y方向のパワーは負(略ノンパワー)であ り、第2ミラーM2は正のパワーを有している。 第2ミラーM2のx方向のパワーはy方向のパワー� ��りも大きくなっている。そして、表示素子� ��SGの像が投影光学系PO内に形成されている。 フォーカス調整時には、第4レンズL4と第2曲� �ミラーM2が移動し、フォーカス前後でのスク リーン面SLに対する入射角度変化により台形� ��が良好に補正される。

 第2の実施の形態(図4)において、屈折光学 系LGは、縮小側(表示素子面SG側)から順に、絞 りSTと、第1レンズL1~第7レンズL7と、から成っ ている。第1レンズL1は、縮小側に凸の正メニ スカスレンズ(両面が回転対称な非球面)であ� ��。第2レンズL2は、両凸の正レンズと両凹の� ��レンズとから成る接合レンズである。第3レ ンズL3は、両凸の正レンズである。第4レンズ L4は、両凸の正レンズである。第5レンズL5は� ��両凸の正レンズである。第6レンズL6は、縮� ��側に凸の負メニスカスレンズ(両面が回転対 称な非球面)である。第7レンズL7は、両凹の� �レンズ(縮小側面が回転対称な非球面、拡大� ��面がアナモフィック非球面)である。屈折光 学系LGの拡大側(スクリーン面SL側)には、反射 面形状が自由曲面の第1,第2曲面ミラーM1,M2が� ��置されている。第1ミラーM1のx方向のパワー は正、y方向のパワーは正(略ノンパワー)であ り、第2ミラーM2は正のパワーを有している。 第2ミラーM2のx方向のパワーはy方向のパワー� ��りも大きくなっている。そして、表示素子� ��SGの像が投影光学系PO内に形成されている。 フォーカス調整時には、第1曲面ミラーM1が移 動し、フォーカス前後でのスクリーン面SLに� ��する入射角度変化により台形歪が良好に補� ��される。

 第3の実施の形態(図7)において、屈折光学 系LGは、縮小側(表示素子面SG側)から順に、第 1レンズL1~第4レンズL4と、絞りSTと、第5レン� �L5~第8レンズL8と、から成っている。第1レン� ��L1は、両凸の正レンズ(両面が回転対称な非� ��面)である。第2レンズL2は、両凹の負レンズ である。第3レンズL3は、両凸の正レンズと縮 小側に凹の負メニスカスレンズとから成る接 合レンズである。第4レンズL4は、縮小側に凸 の正メニスカスレンズ(縮小側面が回転対称� �非球面)である。第5レンズL5は、縮小側に凹� ��正メニスカスレンズである。第6レンズL6は� ��両凸の正レンズである。第7レンズL7は、縮� ��側に凹の負メニスカスレンズ(両面が回転対 称な非球面)である。第8レンズL8は、縮小側� �凸の負メニスカスレンズ(両面が回転対称な� ��球面)である。屈折光学系LGの拡大側(スクリ ーン面SL側)には、反射面形状が自由曲面の曲 面ミラーMRが配置されている。曲面ミラーMR� �正のパワーを有し、x方向のパワーはy方向の パワーよりも大きくなっている。そして、表 示素子面SGの像が投影光学系PO内に形成され� �いる。フォーカス調整時には、曲面ミラーMR が移動し、フォーカス前後でのスクリーン面 SLに対する入射角度変化により台形歪が良好� ��補正される。

 第4の実施の形態(図10)において、屈折光� �系LGは、縮小側(表示素子面SG側)から順に、� �りSTと、第1レンズL1~第5レンズL5と、から成� �ている。第1レンズL1は、縮小側に凸の負メ� �スカスレンズ(縮小側面が回転対称な非球面) と両凸の正レンズとから成る接合レンズであ る。第2レンズL2は、両凹の負レンズである。 第3レンズL3は、両凸の正レンズである。第4� �ンズL4は、両凸の正レンズである。第5レン� �L5は、縮小側に凹の負レンズ(縮小側面がア� �モフィック非球面、拡大側面が自由曲面)で� ��る。屈折光学系LGの拡大側(スクリーン面SL� �)には、反射面形状が自由曲面の曲面ミラーM Rが配置されている。曲面ミラーMRは正のパワ ーを有し、x方向のパワーはy方向のパワーよ� ��も大きくなっている。そして、表示素子面S Gの像が投影光学系PO内に形成されている。フ ォーカス調整時には、第4,第5レンズL4,L5と曲� ��ミラーMRが移動し、フォーカス前後でのス� �リーン面SLに対する入射角度変化により台形 歪が良好に補正される。

 第5の実施の形態(図13)において、屈折光� �系LGは、縮小側(表示素子面SG側)から順に、� �1,第2レンズL1,L2と、絞りSTと、第3レンズL3~第 9レンズL9と、から成っている。第1レンズL1は 、両凸の正レンズと両凹の負レンズとから成 る接合レンズである。第2レンズL2は、縮小側 に凸の正メニスカスレンズ(両面が回転対称� �非球面)である。第3レンズL3は、両凸の正レ� ��ズである。第4レンズL4は、両凹の負レンズ� ��ある。第5レンズL5は、縮小側に凹の正メニ� ��カスレンズ(両面が回転対称な非球面)であ� �。第6レンズL6は、縮小側に凹の負メニスカ� �レンズである。第7レンズL7は、縮小側に凹� �メニスカスレンズ(縮小側面が回転対称な非� ��面、拡大側面がアナモフィック非球面)であ る。第8レンズL8は、自由曲面レンズ(縮小側� �が自由曲面)である。第9レンズL9は、自由曲� ��レンズ(縮小側面が自由曲面)である。屈折� �学系LGの拡大側(スクリーン面SL側)には、反� �面形状が自由曲面の第1,第2曲面ミラーM1,M2が 配置されている。第1ミラーM1のx方向のパワ� �は負(略ノンパワー)、y方向のパワーは正で� �り、第2ミラーM2は負のパワーを有している� �第2ミラーM2のx方向の負のパワーはy方向の負 のパワーよりも大きくなっている。フォーカ ス調整時には、第8,第9レンズL8,L9が移動し、� ��ォーカス前後でのスクリーン面SLに対する� �射角度変化により台形歪が良好に補正され� �。

 第6の実施の形態(図16)において、屈折光� �系LGは、縮小側(表示素子面SG側)から順に、� �1レンズL1~第3レンズL3と、絞りSTと、第4レン� ��L4~第9レンズL9と、から成っており、屈折光� ��系LGの縮小側にはカバーガラスCGが配置され ている。第1レンズL1は、縮小側に凹の平凹レ ンズ(縮小側面が回転対称な非球面)である。� ��2レンズL2は、両凹の負レンズと両凸の正レ� ��ズとから成る接合レンズである。第3レンズ L3は、縮小側に凹の正メニスカスレンズであ� ��。第4レンズL4は、両凸の正レンズである。� ��5レンズL5は、両凹の負レンズ(縮小側面が回 転対称な非球面)である。第6レンズL6は、縮� �側に凸の負メニスカスレンズである。第7レ� ��ズL7は、縮小側に凹の正メニスカスレンズ(� ��小側面が自由曲面)である。第8レンズL8は、 自由曲面レンズ(拡大側面が自由曲面)である� ��第9レンズL9は、自由曲面レンズ(縮小側面が 自由曲面)である。屈折光学系LGの拡大側(ス� �リーン面SL側)には、反射面形状が自由曲面� �第1,第2曲面ミラーM1,M2が配置されている。第 1曲面ミラーM1のx方向のパワーは正、y方向の� ��ワーは負であり、第2曲面ミラーM2のx方向の パワーは負、y方向のパワーは正(略ノンパワ� ��)である。フォーカス調整時には、第8レン� �L8が移動し、フォーカス前後でのスクリーン 面SLに対する入射角度変化により台形歪が良� ��に補正される。

 第1~第6の実施の形態では、入射角度θf,θn のうちの少なくとも一方の入射角度をフォー カス時に変化させることによって、大画面化 と投影距離の縮小とを両立させながら、投影 距離変化時に発生する台形歪を良好に補正す ることを可能としている。また、第1,第4,第5� ��実施の形態のように、フォーカス時に2つ以 上の光学素子を移動させることは投影空間を 縮小する上で好ましく、例えば、第1,第4の実 施の形態のように、フォーカス調整時には1� �の曲面ミラーMRと1つの屈折レンズとの合計2� ��の光学素子を移動させれば、ピント合わせ� ��像面の傾き補正を2つの光学素子で分担する ことができるため、フォーカスの前後におい て良好な性能を得ることが可能となる。

 第1~第6の実施の形態は、表示画像をスク� ��ーン面SL上に拡大投影する、画像投影装置� �の投影光学系POである。したがって、表示素 子面SGは光強度の変調等により2次元画像を形 成する画像形成面に相当し、スクリーン面SL� ��その投影像面に相当する。各実施の形態で� ��表示素子としてデジタル・マイクロミラー� ��デバイスを想定しているが、表示素子はこ� ��に限らず、各実施の形態の投影光学系POに� �した他の非発光・反射型(又は透過型)の表示 素子(例えば液晶表示素子)を用いても構わな� ��。表示素子としてデジタル・マイクロミラ� ��・デバイスを用いた場合、その表示素子面S Gを照明光学系で照明すると、表示素子面SGに 入射した光は、ON/OFF状態(例えば±12°の傾き� �態)の各マイクロミラーで反射されることに� ��り空間的に変調される。その際、ON状態の� �イクロミラーで反射した光のみが投影光学� �POに入射してスクリーン面SLに投射される。

 以上の説明から分かるように、上述した� ��実施の形態や後述する各実施例には以下の� ��影光学系及び画像投影装置の構成が含まれ� ��いる。その構成によると、大画面化と投影� ��離の縮小とを両立しつつ、投影距離変化時� ��発生する台形歪を良好に補正することが可� ��である。

 (T1) スクリーン面上に表示素子面の画像� ��拡大投影する投影光学系であって、表示素� ��面からスクリーン面までの間にパワーを有� ��る反射面を1面以上有し、パワーを有する少 なくとも1つの光学素子の移動によりフォー� �ス調整を行い、スクリーン面の画面上辺の� �に入射する光線の入射角度とスクリーン面� �画面下辺の端に入射する光線の入射角度の� �ち、少なくとも一方の入射角度をフォーカ� �時に変化させることを特徴とする投影光学� �。

 (T2) 投影距離が長くなるときのフォーカ� ��調整において、入射角度θが大きい方の光� �の入射角度θを小さくすることを特徴とする 上記(T1)記載の投影光学系。

 (T3) 投影距離が長くなるときのフォーカ� ��調整において、入射角度θが小さい方の光� �の入射角度θを大きくすることを特徴とする 上記(T1)又は(T2)記載の投影光学系。

 (T4) 前記条件式(1),(1a),(2),(2a),(3),(4),(5),(5a) のうちの少なくとも1つを満たすことを特徴� �する上記(T1)~(T3)のいずれか1項に記載の投影� ��学系。

 (T5) パワーを有する屈折光学素子を少な� ��とも1つ有することを特徴とする上記(T1)~(T4) のいずれか1項に記載の投影光学系。

 (T6) 少なくとも2つの光学素子の回転対称 軸が一致していることを特徴とする上記(T1)~( T5)のいずれか1項に記載の投影光学系。

 (T7) 前記フォーカス調整において少なく� ��も1つの反射面又は少なくとも1つの屈折光� �素子を移動させることを特徴とする上記(T1)~ (T6)のいずれか1項に記載の投影光学系。

 (T8) さらに、表示素子面からスクリーン� ��までの間に、光路を折り曲げる平面ミラー� ��有することを特徴とする上記(T1)~(T7)のいず� ��か1項に記載の投影光学系。

 (T9) 自由曲面から成る屈折面を少なくと� ��1面有することを特徴とする上記(T1)~(T8)のい ずれか1項に記載の投影光学系。

 (T10) 自由曲面から成る反射面を少なくと も1面有することを特徴とする上記(T1)~(T9)の� �ずれか1項に記載の投影光学系。

 (U1) 2次元画像を形成する表示素子と、そ の表示素子面の画像をスクリーン面上に拡大 投影する投影光学系と、を備えた画像投影装 置であって、前記投影光学系が、表示素子面 からスクリーン面までの間にパワーを有する 反射面を1面以上有し、パワーを有する少な� �とも1つの光学素子の移動によりフォーカス� ��整を行い、スクリーン面の画面上辺の端に� ��射する光線の入射角度とスクリーン面の画� ��下辺の端に入射する光線の入射角度のうち� ��少なくとも一方の入射角度をフォーカス時� ��変化させることを特徴とする画像投影装置� ��

 (U2) 投影距離が長くなるときのフォーカ� ��調整において、入射角度θが大きい方の光� �の入射角度θを小さくすることを特徴とする 上記(U1)記載の画像投影装置。

 (U3) 投影距離が長くなるときのフォーカ� ��調整において、入射角度θが小さい方の光� �の入射角度θを大きくすることを特徴とする 上記(U1)又は(U2)記載の画像投影装置。

 (U4) 前記条件式(1),(1a),(2),(2a),(3),(4),(5),(5a) のうちの少なくとも1つを満たすことを特徴� �する上記(U1)~(U3)のいずれか1項に記載の画像� ��影装置。

 (U5) パワーを有する屈折光学素子を少な� ��とも1つ有することを特徴とする上記(U1)~(U4) のいずれか1項に記載の画像投影装置。

 (U6) 少なくとも2つの光学素子の回転対称 軸が一致していることを特徴とする上記(U1)~( U5)のいずれか1項に記載の画像投影装置。

 (U7) 前記フォーカス調整において少なく� ��も1つの反射面又は少なくとも1つの屈折光� �素子を移動させることを特徴とする上記(U1)~ (U6)のいずれか1項に記載の画像投影装置。

 (U8) さらに、表示素子面からスクリーン� ��までの間に、光路を折り曲げる平面ミラー� ��有することを特徴とする上記(U1)~(U7)のいず� ��か1項に記載の画像投影装置。

 (U9) 自由曲面から成る屈折面を少なくと� ��1面有することを特徴とする上記(U1)~(U8)のい ずれか1項に記載の画像投影装置。

 (U10) 自由曲面から成る反射面を少なくと も1面有することを特徴とする上記(U1)~(U9)の� �ずれか1項に記載の画像投影装置。

 (U11) さらに前記表示素子面を照明する照 明光学系を有することを特徴とする上記(U1)~( U10)のいずれか1項に記載の画像投影装置。