JP2004295042A

JP2004295042A - Image projector

Info

Publication number: JP2004295042A
Application number: JP2003090958A
Authority: JP
Inventors: Tomiyoshi Kuwa; 富栄桑; Atsushi Ishihara; 淳石原
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP4123025B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image projector advantageous to mass production and cost reduction while holding high optical performance and provided with a thin and large screen and compact optical components. <P>SOLUTION: The image projector is provided with a light valve (LV) for forming an image by modulating the intensity of light and an oblique projection optical system for enlarging and projecting the image formed by the light valve (LV) to a screen from an oblique direction. In the oblique projection optical system, mirrors (M1, M2...) are respectively provided with reflecting optical surfaces (S3, S6, ...) having optical power and a refractive lens (GL) is provided with refractive lens surfaces (S4, S5). The reflecting optical surfaces (S3, S6, ...) comprise eccentric rotationally symmetrical optical surfaces and the refractive lens surface (S4) comprises rotationally asymmetrical free curved planes having one symmetrical plane of plane symmetry, respectively. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は画像投影装置に関するものであり、更に詳しくは、反射光学面と屈折光学面をリアプロジェクションに好適な光学構成で斜め投影光学系に有する画像投影装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的なリアプロジェクターに用いられているリアプロジェクション光学系は、投影光学系からの射出光の光路をスクリーン後方の１枚の反射ミラーで折り返すことにより薄型化を達成している。しかし、用いられている投影光学系が共軸系であるため、スクリーン面の画面中心に入射する光線はスクリーン面に対してほぼ垂直でなければならない。これがリアプロジェクション光学系を一定の厚みよりも薄くすることを困難にしている。
【０００３】
そこで、更なる薄型化を図るための様々な光学構成が提案されている。例えば特許文献１〜５には、投影光学系の光路を２枚の平面反射ミラーで折り返すリアプロジェクション光学系が記載されている。また一般に、偏心した光学系において自由曲面を活用することは偏心収差を抑える上で非常に効果的であり、特許文献６記載のリアプロジェクション光学系では、４枚の自由曲面反射ミラーを用いることにより全体の薄型化を達成している。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２９３２６０９号公報
【特許文献２】
特開平３−８７７３１号公報
【特許文献３】
特開平２−１５３３３８号公報
【特許文献４】
特開平２−１４６５３５号公報
【特許文献５】
特開平２−１３０５４３号公報
【特許文献６】
特開２００１−２２１９４９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来のリアプロジェクション光学系では、十分な薄型化が困難であったり薄型化に伴って新たな問題が生じたりする。例えば、特許文献１記載のリアプロジェクション光学系では、表示画像を一度結像させてその像を再びスクリーン面上に投影するという再結像投影光学系の方式を採用しているため、投影光学系の大型化は避けられない。しかも、スクリーン面の画面中心に対する光線入射角が大きい、いわゆる斜め投影光学系を必要とするが、その具体的な光学構成に関する記載はない。また、特許文献２〜５に記載のリアプロジェクション光学系でも、薄型化のために斜め投影光学系が必要になるが、具体的にどのような光学構成を有する投影光学系を用いればよいのかは不明である。
【０００６】
斜め投影光学系を実現するためには、通常、共軸光学系の一部を使用する方式が採用される。しかし、リアプロジェクション光学系の薄型化を達成するには、主光線の投影角度を非常に大きくする必要がある。したがって、非常に広角な共軸光学系の一部を用いることになるが、広角な光学系では一般的にレンズ枚数が多く必要になり、そのレンズ径も非常に大きくなるので、光学系全体が大型化することになる。
【０００７】
次に考えられるディスプレイとしては、曲面反射ミラーを用いた斜め投影光学系を実際に用いて薄型化したリアプロジェクション光学系を搭載したものが挙げられる。しかし、投影光学系を射出した光がスクリーン後方の平面反射ミラーで直接反射されるため、投影光学系の最終面を成す曲面反射ミラーが非常に大きくなる。このように大きな曲面反射ミラーは、量産性やコスト面で不利である。また、投影光学系に用いられている曲面反射ミラーが３枚だけであると誤差感度が高く、したがってその製造は困難である。
【０００８】
特許文献６記載のリアプロジェクション光学系には、曲面反射面として自由曲面を多く用いているが、自由曲面の金型製作，成形，評価，調整等は、非球面や球面に比べて一般に困難である。このため、光学的に感度の高い光学面として自由曲面を用いることは、量産性の低下を招くおそれがある。また、自由曲面反射面を多用しつつも、光路中でパネル表示面に最も近い反射光学面の曲率半径が比較的大きくなっているため、光学系全体における反射光学面の小型化や広画角化が充分でない。反射光学面の大型化は成形を困難にし、材料費の増加によるコストアップにもつながる。また、リアプロジェクション装置の場合には画角が狭いと薄型化や小型化が難しくなる。温度変化への対策についても、パネル表示面側から１枚目と２枚目の曲面反射ミラーの基板材料をガラスとしているにすぎない。
【０００９】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、良好な光学性能を保持しつつ量産性やコスト面で有利であり、しかも薄型で光学部品もコンパクトな大画面の画像投影装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の画像投影装置は、光の強度を変調することにより画像を形成するライトバルブと、そのライトバルブにより形成された画像をスクリーンに対して斜め方向から拡大投影する斜め投影光学系と、を備えた画像投影装置であって、前記斜め投影光学系が、光学的パワーを持つ反射光学面を少なくとも１面有するとともに、屈折レンズ面を少なくとも１面有し、前記反射光学面のうちの少なくとも１面が偏心した回転対称光学面から成り、前記屈折レンズ面のうちの少なくとも１面が面対称の対称面を多くとも１面しか持たない回転非対称な自由曲面から成ることを特徴とする。
【００１１】
第２の発明の画像投影装置は、上記第１の発明の構成において、光学的パワーを持つ光学面のうち最もライトバルブ側に位置する光学面が、正パワーを持つ反射光学面であることを特徴とする。
【００１２】
第３の発明の画像投影装置は、上記第２の発明の構成において、前記正パワーを持つ反射光学面がミラーで構成されており、温度変化により装置全体又はその一部が膨張又は収縮した際に、以下の条件式（１）を満たすことを特徴とする。
｜２ΔＬ／ΔＲ｜＜１０ …（１）
ただし、ライトバルブの画面中心，入射瞳中心及びスクリーンの画面中心を通過する光線を「中心主光線」とし、その中心主光線が前記正パワーを持つ反射光学面と交わる点を「第１反射中心点」とするとき、
Ｌ：第１反射中心点からライトバルブの画面中心までの距離、
ΔＬ：温度変化による距離Ｌの変化量、
Ｒ：第１反射中心点近傍における正パワーを持つ反射光学面の曲率半径、
ΔＲ：温度変化による曲率半径Ｒの変化量、
である。
【００１３】
第４の発明の画像投影装置は、上記第１，第２又は第３の発明の構成において、前記光学的パワーを持つ反射光学面を少なくとも３面有し、そのうちライトバルブ側から数えて１番目と２番目の反射光学面の少なくとも１面が、前記偏心した回転対称光学面から成ることを特徴とする。
【００１４】
第５の発明の画像投影装置は、上記第１，第２，第３又は第４の発明の構成において、前記自由曲面から成る屈折レンズ面が以下の条件式（３）を満たすことを特徴とする。
１０＜｜１／（ρ・Ｌｍ）｜ …（３）
ただし、
ρ：屈折レンズ面を構成する自由曲面の曲率｛ここで、ライトバルブの画面中心，入射瞳中心及びスクリーンの画面中心を通過する光線を「中心主光線」とするとき、中心主光線が自由曲面と交わる点Ｐ近傍で、点Ｐから任意の点Ｐ’における自由曲面の面法線ベクトルを含む平面による自由曲面の断面上で曲率ρは定義される（１／ρ＝∞の場合を含む。）。｝、
Ｌｍ：ライトバルブの画面最大寸法、
である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施した画像投影装置を、図面を参照しつつ説明する。図１〜図１２に、背面投写型画像投影装置（リアプロジェクター）の第１〜第４の実施の形態の投影光学構成（斜め投影光学系の光学配置，投影光路等）をそれぞれ示す。図１，図４，図７，図１０は、第１〜第４の実施の形態における投影光路全体の光学構成を直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）におけるＸＹ断面で示しており、図２，図５，図８，図１１は、第１〜第４の実施の形態における投影光路全体の光学構成を直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）におけるＸＺ断面で示している。また、図３，図６，図９，図１２は、図１，図４，図７，図１０の主要部を拡大してそれぞれ示している。図１〜図１２において、ＬＶはライトバルブ、ＧＰはガラス板、ＧＬは屈折レンズ、Ｍ１〜Ｍ５は投影用の第１〜第５ミラー、ＳＣはスクリーンであり、Ｓ０はライトバルブ（ＬＶ）の画像形成面（つまりパネル表示面）、Ｓ１〜Ｓ９は第１〜第９面、Ｓ１０はスクリーン（ＳＣ）の画像投影面である。なお、直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点（Ｏ）はライトバルブ（ＬＶ）の画像形成面（Ｓ０）の中心にあり、画像形成面（Ｓ０）及び画像投影面（Ｓ１０）はＹＺ平面に対して平行になっている。
【００１６】
図１〜図１２に示す斜め投影光学系を照明光学系と組み合わせたときの画像投影装置の光学構成全体を図１３に概略的に示し、その主要部を図１４に示す。図１３及び図１４において、ＬＵは光源ユニット、Ｌ１は光源、Ｌ２はリフレクタ、ＲＩはロッドインテグレータ、ＣＷはカラーホイール、ｍ１〜ｍ３は照明用の第１〜第３ミラー、ＬＡは照明系絞りであり、屈折レンズ（ＧＬ）は図示省略してある。なお、各実施の形態の光学構成の上下配置は、図１〜図１４に示されているものに限らず、上下反対でもよい。つまり、実際の配置（装置配置，光学系配置等）の都合に合わせて、図１〜図１４における上側を下側としてもなんら問題はない。
【００１７】
リフレクタ（Ｌ２）と、ロッドインテグレータ（ＲＩ）と、カラーホイール（ＣＷ）と、第１〜第３ミラー（ｍ１〜ｍ３）とから成る照明光学系は、光源（Ｌ１）からの光をライトバルブ（ＬＶ）に導き、ライトバルブ（ＬＶ）は、画像形成面（Ｓ０）で光の強度を変調することにより画像を形成する。第１〜第５ミラー（Ｍ１〜Ｍ５）及び屈折レンズ（ＧＬ）から成る斜め投影光学系は、ライトバルブ（ＬＶ）により形成された画像をスクリーン（ＳＣ）に対して斜め方向から拡大投影する。以下に、各部の構成を更に詳しく説明する。
【００１８】
図１４に示すように、光源ユニット（ＬＵ）は光源（Ｌ１）とリフレクタ（Ｌ２）とから成っている。リフレクタ（Ｌ２）は、光源（Ｌ１）からの光を集光して２次光源を形成する楕円面鏡（集光光学系）であり、光源ユニット（ＬＵ）から射出した光がロッドインテグレータ（ＲＩ）の入射端面近傍で結像するように構成されている。なお、リフレクタ（Ｌ２）として回転放物面鏡や球面鏡等を用いてもよいが、その場合、光源（Ｌ１）からの光を集光するために、集光レンズ等と組み合わせて集光光学系を構成する必要がある。
【００１９】
光源ユニット（ＬＵ）から射出した光は、ロッドインテグレータ（ＲＩ）に入射する。ロッドインテグレータ（ＲＩ）は、４枚の平面ミラーを貼り合わせて成る中空ロッド方式の光強度均一化手段であり、上述したように２次光源近傍に入射端面を有している。入射端面から入射してきた光は、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の側面（すなわち内壁面）で何度も繰り返し反射されることによりミキシングされ、光の空間的なエネルギー分布が均一化されて射出端面から射出する。ロッドインテグレータ（ＲＩ）の入射端面と射出端面の形状は、ライトバルブ（ＬＶ）と相似の四角形になっている。また、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の入射端面は照明系絞り（ＬＡ）に対して共役になっており、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面はライトバルブ（ＬＶ）の画像形成面（Ｓ０）に対して共役になっている。上記ミキシング効果により射出端面での輝度分布は均一化されるため、ライトバルブ（ＬＶ）は効率良く均一に照明されることになる。なお、ロッドインテグレータ（ＲＩ）は中空ロッドに限らず、四角柱形状のガラス体から成るガラスロッドでもよい。また、ライトバルブ（ＬＶ）の画像形成面（Ｓ０）形状と適合するならば、その側面についても４面に限らない。したがって、用いるロッドインテグレータ（ＲＩ）としては、複数枚の反射ミラーを組み合わせて成る中空筒体、多角柱形状のガラス体等が挙げられる。
【００２０】
ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面の近傍には、カラー表示のために射出光色を時分割で変化させるカラーホイール（ＣＷ）が配置されている。カラーホイール（ＣＷ）は、ライトバルブ（ＬＶ）をカラーシーケンシャル方式で照明するためのカラーフィルタから成っており、照明光透過位置のフィルタ部分が回転移動することにより射出光の色を変化させる。なお、カラーホイール（ＣＷ）の位置は、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面の近傍に限らない。その位置は他の光学要素の配置等に応じて設定すればよく、例えばロッドインテグレータ（ＲＩ）の入射端面の近傍にカラーホイール（ＣＷ）を配置してもよい。またさらに、ＵＶ（ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｒａｙ）−ＩＲ（ｉｎｆｒａｒｅｄｒａｙ）カットフィルターを配置することにより、照明光から紫外線と赤外線をカットするように構成してもよい。
【００２１】
カラーホイール（ＣＷ）を射出した光は、照明用の第１〜第３ミラー（ｍ１〜ｍ３）から成る反射光学系に入射する。そして、反射光学系がロッドインテグレータ（ＲＩ）の射出端面の像をライトバルブ（ＬＶ）の画像形成面（Ｓ０）上に形成する。その結像を行うためのパワーは、第１，第３ミラー（ｍ１，ｍ３）が負担している。つまり、第１，第３ミラー（ｍ１，ｍ３）の各反射光学面が凹面反射面になっており、第２ミラー（ｍ２）の反射光学面が平面反射面になっている。第１ミラー（ｍ１）の凹面反射面によって、ロッドインテグレータ（ＲＩ）の入射端面近傍の２次光源が再結像して、照明系絞り（ＬＡ）位置近傍に３次光源が形成される。３次光源からの光は、第３ミラー（ｍ３）の凹面反射面によってライトバルブ（ＬＶ）に導かれる。
【００２２】
画像形成面（Ｓ０）の近傍に位置するガラス板（ＧＰ）はライトバルブ（ＬＶ）のカバーガラスであり、各実施の形態ではライトバルブ（ＬＶ）としてデジタル・マイクロミラー・デバイス（ｄｉｇｉｔａｌｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒｄｅｖｉｃｅ）を想定している。ただし、ライトバルブはこれに限らず、各実施の形態の斜め投影光学系に適した他の非発光・反射型（又は透過型）の表示素子（例えば液晶表示素子）を用いても構わない。ライトバルブとしてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合、それに入射した光は、ＯＮ／ＯＦＦ状態（例えば±１２°の傾き状態）の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に強度変調される。その際、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光のみが、投影用の第１〜第５ミラー（Ｍ１〜Ｍ５）及び屈折レンズ（ＧＬ）から成る斜め投影光学系に入射し、第３ミラー（ｍ３）の凹面反射面のパワーによって斜め投影光学系の入射瞳に効率良く導かれる。そして、斜め投影光学系によりスクリーン（ＳＣ）に投射される。
【００２３】
各実施の形態の斜め投影光学系には絞りが用いられておらず、入射瞳に仮想面を設けることで代用している。したがって、ライトバルブ（ＬＶ）からの射出光束の幅は、斜め投影光学系を通過する前に予め入射瞳で規制されていることになる。実際の使用時には、屈折レンズ（ＧＬ）の保持枠やその近辺に遮光部材を設けることにより絞りを構成するのが望ましい。また、各実施の形態の光学構成では、図１４中の照明系絞り（ＬＡ）で代用することも可能である。
【００２４】
各実施の形態の斜め投影光学系は、縮小側から順に、第１ミラー（Ｍ１），屈折レンズ（ＧＬ），第２ミラー（Ｍ２），第３ミラー（Ｍ３），第４ミラー（Ｍ４）及び第５ミラー（Ｍ５）で構成されており、縮小側の１次像面から拡大側の２次像面への斜め方向の拡大投影を行う構成になっている。この実施の形態では、光強度を変調することにより２次元画像を形成するライトバルブ（ＬＶ）の画像形成面（Ｓ０）が１次像面に相当し、スクリーン（ＳＣ）の画像投影面（Ｓ１０）が２次像面に相当する。なお、各実施の形態の斜め投影光学系は、背面投写型画像投影装置に適した光学構成を有しているが、２次像面から１次像面への斜め方向の縮小投影を行う斜め投影光学系として、画像読み取り装置に用いることも可能である。その場合、１次像面は画像読み取り用の受光素子（例えばＣＣＤ：ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）の受光面に相当し、２次像面は読み取り画像面（つまり原稿面）に相当する。
【００２５】
前述したように各実施の形態の斜め投影光学系は、反射型の光学素子として第１〜第５ミラー（Ｍ１〜Ｍ５）を有している。第１〜第４ミラー（Ｍ１〜Ｍ４）の反射光学面（Ｓ３，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８）は曲面から成っており、第５ミラー（Ｍ５）の反射光学面（Ｓ９）は画像投影面（Ｓ１０）に対して平行な平面から成っている。したがって、第１〜第４ミラー（Ｍ１〜Ｍ４）の反射光学面（Ｓ３，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８）では、その光学的パワーにより投影光が収束又は発散することになるが、第５ミラー（Ｍ５）の反射光学面（Ｓ９）では光路の折り返しのみ行われる。また、第１〜第４ミラー（Ｍ１〜Ｍ４）のパワー配置は正・負・正・負になっている。そして、これらの光学的パワーを持つ反射光学面（Ｓ３，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８）のうち、第１〜第３の実施の形態の第３面（Ｓ３）及び第６面（Ｓ６）、並びに第４の実施の形態の第６面（Ｓ６）は、偏心した回転対称光学面から成っており、他の反射光学面は回転非対称な自由曲面から成っている。なお、ライトバルブ（ＬＶ）の画面中心，入射瞳中心及びスクリーン（ＳＣ）の画面中心を通過する光線を「中心主光線」とするとき、光学的パワーを持つ光学面の対称軸とその光学面に対して入射及び射出する際の中心主光線のベクトルとが平行でない状態を「偏心」という。
【００２６】
第１，第２ミラー（Ｍ１，Ｍ２）で構成されている反射光学面（Ｓ３，Ｓ６）を更に具体的に説明する。第１の実施の形態（図３等）では、第３面（Ｓ３）が正パワーの球面から成っており、第６面（Ｓ６）が負パワーの回転対称な非球面から成っている。第２の実施の形態（図６等）では、第３面（Ｓ３）が正パワーの回転対称な非球面から成っており、第６面（Ｓ６）が負パワーの球面から成っている。第３の実施の形態（図９等）では、第３面（Ｓ３）が正パワーの回転対称な非球面から成っており、第６面（Ｓ６）が負パワーの回転対称な非球面から成っている。第４の実施の形態（図１２等）では、第３面（Ｓ３）が正パワーの回転非対称な自由曲面から成っており、第６面（Ｓ６）が負パワーの回転対称な非球面から成っている。
【００２７】
また、各実施の形態の斜め投影光学系は、屈折型の光学素子として１枚の屈折レンズ（ＧＬ）を有している。屈折レンズ（ＧＬ）は自由曲面レンズであり、その入射側面である第４面（Ｓ４）が自由曲面から成っており、射出側面である第５面（Ｓ５）が平面から成っている。つまり、屈折レンズ（ＧＬ）が第４面（Ｓ４）に有する屈折レンズ面は、面対称の対称面を１面（後述するローカル座標系のｘｙ平面に相当する。）持つ回転非対称な自由曲面から成っている。このような自由曲面を有する屈折レンズ（ＧＬ）は、ガラスモールド成形，プレス成形，射出成形等の成形方法により作製可能である。また、屈折レンズ（ＧＬ）の材料としては、成形性を重視する場合、プラスチックのように比較的流動性の高い材料が好ましく、実際の使用時の温度変化を考慮した場合、ガラスのように温度変化に対する屈折率変化や膨張係数がプラスチックよりも低い材料の方が、温度変化に対する性能劣化を低減することができるので好ましい。
【００２８】
一般に、画像投影装置の薄型化・小型化を図るために、光学的パワーを有する反射光学面を用いて斜め投影光学系を広画角化しようとすると、像面性の劣化（例えば像面湾曲の増大）や偏心収差（球面収差等）の増大を招いてしまう。自由曲面から成る反射光学面を用いれば、その複雑な面形状により偏心収差等を効果的に抑えることはできるが、光学的に感度の高い光学面ほど、必要とされる面精度は高くなってしまう。このため、反射光学面の製造等が困難になり、量産性低下，コストアップ等を招くことになる。つまり、反射光学面の面形状は、球面，非球面，自由曲面の順に対称性が低下して自由度が高くなるため、収差補正能力が高くなるとともに、製造（金型製作，成形等），評価，調整等が困難になるのである。
【００２９】
そこで、各実施の形態の斜め投影光学系では、光学的パワーを持つ反射光学面を少なくとも１面有するとともに、屈折レンズ面を少なくとも１面有し、反射光学面のうちの少なくとも１面が偏心した回転対称光学面から成り、屈折レンズ面のうちの少なくとも１面が面対称の対称面を多くとも１面しか持たない回転非対称な自由曲面から成る構成としている。面対称の対称面を多くとも１面しか持たない回転非対称な自由曲面から成る屈折レンズ面を少なくとも１面有することにより、像面性や偏心収差を良好に補正することが可能となり、反射光学面のうちの少なくとも１面が偏心した回転対称光学面から成ることにより、その反射光学面の自由度を低下させて、製造，評価，調整等を単純化し低コスト化を達成することが可能となる。
【００３０】
各実施の形態のような偏心光学構成を採用すると、第１，第２ミラー（Ｍ１，Ｍ２）で構成されている反射光学面（Ｓ３，Ｓ６）、そのなかでも第３面（Ｓ３）の面形状の誤差感度が高くなるような自由度の高い自由曲面が必要になってしまう。しかし、前述の屈折レンズ（ＧＬ）を用いると、回転非対称な自由曲面から成る屈折レンズ面（Ｓ４）に収差補正の機能が分担されるため、第１，第２ミラー（Ｍ１，Ｍ２）の反射光学面（Ｓ３，Ｓ６）として回転対称光学面（つまり回転対称な非球面や球面）を用いても、収差補正能力の低下を抑えながら必要となる面精度を低下させることができる。しかも、屈折レンズ面（Ｓ４）のパワーが弱くても、第３面（Ｓ３）や第６面（Ｓ６）の自由度を下げて面精度を効果的に低下させることが可能である。したがって、良好な光学性能を保持しつつコンパクトで量産性やコスト面で有利な光学部品を用いることが可能となり、画像投影装置の薄型・コンパクト化，低コスト化，大画面化を達成することが可能となる。また各実施の形態のように、屈折レンズ面（Ｓ４）を構成している回転非対称な自由曲面が面対称の対称面を１面（ｘｙ平面）有することは、面対称性を有しない場合に比べて製造や評価等における難易度が低いというメリットもある。
【００３１】
ところで、図１４において、照明用の第３ミラー（ｍ３），ライトバルブ（ＬＶ），ガラス板（ＧＰ）及び投影用の第１ミラー（Ｍ１）は、スクリーン（ＳＣ）の画像投影面（Ｓ１０）に対して光学的に共役又は略共役な位置に光学面（Ｓ０〜Ｓ３等）を有している。このため、これらの光学素子の近傍にゴミ，塵等が存在すると、画像投影装置の像性能やコントラスト等に影響を及ぼすことになる。図１３及び図１４に示すような装置構成では、リアプロジェクション装置全体の筐体でしかゴミや塵が遮断されず、それらの侵入を充分に防ぐことはできない。したがって、ゴミ等が像性能等に影響を及ぼしやすい部分、つまり照明用の第３ミラー（ｍ３），ライトバルブ（ＬＶ），ガラス板（ＧＰ）及び投影用の第１ミラー（Ｍ１）を密封する防塵用筐体を設けることが望ましい。
【００３２】
上記のように防塵用筐体を設けようとすれば、照明用の第３ミラー（ｍ３）への照明光を入射させる入射用窓と、投影用の第１ミラー（Ｍ１）からの投影光を射出する射出用窓と、を防塵用筐体に設ける必要が生じる。入射用窓は、防塵用筐体の照明系絞り（ＬＡ）の位置に透明体から成るカバーを配置することにより構成することができる。つまり、照明系絞り（ＬＡ）を構成する部材と入射用窓とを兼用することができる。一方、射出用窓に関しては、第３面（Ｓ３）と第６面（Ｓ６）との間に透明体から成る光学素子を配置することにより、射出用窓との兼用が可能となる。その光学素子として好適なのが屈折レンズ（ＧＬ）である。
【００３３】
各実施の形態に用いられている屈折レンズ（ＧＬ）は、射出側面である第５面（Ｓ５）が平面から成っているため、その第５面（Ｓ５）を防塵用筐体の外側に向けるように配置すれば、自由曲面から成る屈折レンズ面（Ｓ４）を保護する観点等からも好ましい。したがって、照明系絞り（ＬＡ）の構成部材と屈折レンズ（ＧＬ）を備えた防塵用筐体を用いれば、照明用の第３ミラー（ｍ３）から投影用の第１ミラー（Ｍ１）までを密封して、ライトバルブ（ＬＶ）近傍へのゴミや塵等の侵入を防ぐことができる。しかも、照明系絞り（ＬＡ）の構成部材や屈折レンズ（ＧＬ）は、入射用窓，射出用窓とそれぞれ兼用されるため、光学部材を新たに追加する必要もない。なお、屈折レンズ（ＧＬ）の自由曲面ではない方の屈折レンズ面（Ｓ５）が平面から成ること、つまり、一方の光学面が自由曲面から成るとともに他方の光学面が平面から成る屈折レンズ（ＧＬ）を用いることは、位置精度の向上，レンズ成形の単純化等の観点等からも好ましい。
【００３４】
また各実施の形態のように、光学的パワーを持つ光学面のうち最もライトバルブ（ＬＶ）側に位置する光学面が、正パワーを持つ反射光学面（Ｓ３）であることが好ましい。それが負パワーの反射光学面であれば、光束が広がってしまい、それ以降の光学面が大型化することになる。光学面の大型化は、それを構成している光学素子のコストアップを招くとともに、斜め投影光学系全体が大型化する要因となる。各実施の形態では、光学的パワーを持つ光学面のうち最もライトバルブ（ＬＶ）側に位置する光学面が正パワーの第３面（Ｓ３）であるため、それを構成している第１ミラー（Ｍ１）とそれ以降の光学素子の小型化・低コスト化が達成され、斜め投影光学系全体の小型化・低コスト化にも寄与することができる。
【００３５】
リアプロジェクターのような画像投影装置に搭載される光学系は、温度変化に対して安定した良好な性能を有することが望まれるが、第１ミラー（Ｍ１）のように面形状の誤差感度が高くなりやすい光学素子に関しては、温度変化により装置全体又はその一部が膨張又は収縮したときの影響も考慮する必要がある。そこで、光学的パワーを持つ光学面のうち最もライトバルブ（ＬＶ）側に位置する光学面が、正パワーを持つ反射光学面である場合には、その正パワーを持つ反射光学面がミラーで構成されており、温度変化により装置全体又はその一部が膨張又は収縮した際に、以下の条件式（１）を満たすことが望ましい。
【００３６】
｜２ΔＬ／ΔＲ｜＜１０ …（１）
ただし、ライトバルブ（ＬＶ）の画面中心，入射瞳中心及びスクリーン（ＳＣ）の画面中心を通過する光線を「中心主光線」とし、その中心主光線が前記正パワーを持つ反射光学面と交わる点を「第１反射中心点」とするとき、
Ｌ：第１反射中心点からライトバルブ（ＬＶ）の画面中心までの距離、
ΔＬ：温度変化による距離Ｌの変化量、
Ｒ：第１反射中心点近傍における正パワーを持つ反射光学面の曲率半径、
ΔＲ：温度変化による曲率半径Ｒの変化量、
である。
【００３７】
条件式（１）は、温度変化が生じたときの距離Ｌの変化量ΔＬを、最もライトバルブ（ＬＶ）側に位置する正パワーの反射光学面（Ｓ３）の焦点距離変動量（ΔＲ／２）で割った値により、温度変化の影響を抑える上で好ましい条件範囲を規定している。斜め投影光学系全体の温度変化による焦点位置変動量は、変化量ΔＲとΔＬのみでは決まらないが、変化量ΔＲとΔＬは特に影響の大きいパラメータといえる。条件式（１）の条件範囲を外れると、斜め投影光学系全体で見たときに温度変化による焦点位置変動量が大きくなり過ぎて、高性能化が望めなくなる。
【００３８】
以下の条件式（１ａ）を満たすことが更に望ましい。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、上記観点等からより一層好ましい条件範囲を規定しており、条件式（１ａ）を満たすことにより更に高性能化が望める。
｜２ΔＬ／ΔＲ｜＜５ …（１ａ）
【００３９】
また、以下の条件式（２）を満たすことが望ましい。
−１．５＜Ｒ／Ｌ＜−０．５ …（２）
ただし、ライトバルブ（ＬＶ）の画面中心，入射瞳中心及びスクリーン（ＳＣ）の画面中心を通過する光線を「中心主光線」とし、その中心主光線が前記正パワーを持つ反射光学面と交わる点を「第１反射中心点」とするとき、
Ｌ：第１反射中心点からライトバルブ（ＬＶ）の画面中心までの距離、
Ｒ：第１反射中心点近傍における正パワーを持つ反射光学面の曲率半径、
であり、Ｌは常に正の値をとり、Ｒは集光作用のある凹面の場合を負とする。
【００４０】
条件式（３）の上限を越えると、ライトバルブ（ＬＶ）から最もライトバルブ（ＬＶ）側に位置する正パワーの反射光学面（Ｓ３）までの光路と、その反射光学面（Ｓ３）以降の光学面と、の干渉を避けるために、中心主光線を反射光学面（Ｓ３）で折り曲げる角度が大きくなる。このため、非対称性の収差が大きくなり、高性能化が困難になる。条件式（３）の下限を越えると、反射光学面（Ｓ３）による集光力が低下し、斜め投影光学系全体での光路長や光学素子サイズが大きくなり、小型化に不向きとなる。
【００４１】
また各実施の形態のように、光学的パワーを持つ反射光学面を少なくとも３面有し、そのうちライトバルブ（ＬＶ）側から数えて１番目と２番目の反射光学面（Ｓ３，Ｓ６）の少なくとも１面が、偏心した回転対称光学面から成ることが好ましく、ライトバルブ（ＬＶ）側から数えて１番目と２番目の反射光学面（Ｓ３，Ｓ６）が共に偏心した回転対称光学面から成ることが更に好ましい。光学的パワーを持つ反射光学面を３面以上用いて斜め投影光学系を広画角化する場合、そのうちのライトバルブ（ＬＶ）側から数えて少なくとも１面目か２面目の反射光学面（Ｓ３，Ｓ６）のパワーが強くなり、誤差感度も高くなる。偏心した回転対称光学面の採用によってそれらの反射光学面（Ｓ３，Ｓ６）の自由度を下げることは、誤差感度の低減につながる。したがって、光学的像面性を維持しつつ、面形状の誤差に対する感度が高い面形状の自由度を下げることにより、低コスト化を達成することができる。
【００４２】
自由曲面を有する屈折レンズ（ＧＬ）の配置に関しては、各実施の形態のように、正パワーの反射光学面（Ｓ３）よりもスクリーン（ＳＣ）側の光路中に屈折レンズ（ＧＬ）が位置することが好ましく、第１ミラー（Ｍ１）と第２ミラー（Ｍ２）との間の光路中に屈折レンズ（ＧＬ）が位置することが更に好ましい。このような屈折レンズ（ＧＬ）の配置を採用すると、反射型の光変調素子（デジタル・マイクロミラー・デバイス等）を用いた場合に、光路との干渉を防ぎやすいというメリットがあり、前述したように屈折レンズ（ＧＬ）の保持枠を絞りに兼用して光束を規制することも可能となる。また、正パワーを有する第３面（Ｓ３）での反射により光束が絞られるため、反射光学面（Ｓ３）よりもスクリーン（ＳＣ）側の光路中に位置する屈折レンズ（ＧＬ）のサイズも小さくて済む。なお、反射光学面（Ｓ３）よりライトバルブ（ＬＶ）側の光路中に屈折レンズ（ＧＬ）を配置することは、照明光路や投影光路との干渉が避けられないため困難であり、屈折レンズ（ＧＬ）を斜めに配置しようとすれば収差（非点収差等）の発生を招いてしまう。
【００４３】
自由曲面から成る屈折レンズ面（Ｓ４）は、以下の条件式（３）を満たすことが望ましく、以下の条件式（３ａ）を満たすことが更に望ましい。
１０＜｜１／（ρ・Ｌｍ）｜ …（３）
５０＜｜１／（ρ・Ｌｍ）｜ …（３ａ）
ただし、
ρ：屈折レンズ面（Ｓ４）を構成する自由曲面の曲率｛ここで、ライトバルブ（ＬＶ）の画面中心，入射瞳中心及びスクリーン（ＳＣ）の画面中心を通過する光線を「中心主光線」とするとき、中心主光線が自由曲面と交わる点Ｐ近傍で、点Ｐから任意の点Ｐ’における自由曲面の面法線ベクトルを含む平面による自由曲面の断面上で曲率ρは定義される（１／ρ＝∞の場合を含む。）。｝、
Ｌｍ：ライトバルブ（ＬＶ）の画面最大寸法、
である。
【００４４】
条件式（３）を満たさないことは、自由曲面を有する屈折レンズ（ＧＬ）の光学的パワーが強いことを意味する。したがって、条件式（３）の範囲を外れると、温度変化によって像面性が悪化し、偏心誤差感度が高くなる。このため高性能化が困難になる。よって｜１／（ρ・Ｌｍ）｜は大きいほど好ましく、条件式（３ａ）を満たすことは高性能化を達成する上で更に好ましい。そして、｜１／（ρ・Ｌｍ）｜の理論的な上限である∞の場合が最も好ましい。
【００４５】
第１〜第４ミラー（Ｍ１〜Ｍ４）の反射光学面（Ｓ３，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８）のように、パワーを有する反射光学面は、光学的な感度が高くなる。したがって、そのような反射光学面を射出成形やプレス成形にて成形した際に生じる面形状の許容誤差量は小さくなり、製造難易度も高い。仮に成形時に発生した面形状の誤差を反射光学面の成形に用いた金型形状を再度補正して面形状誤差量を低減しようとした場合、金型補正に要求される精度も高くなる。また、上記反射光学面が大口径であれば更に困難となる。そこで、成形された反射光学面の面形状誤差を測定又は予測し、それにより発生しうる収差を打ち消すように自由曲面を有する屈折レンズ（ＧＬ）を設計すれば、光学的な感度が比較的低い屈折光学面で収差補正を行うことができ、全体の光学性能を向上することが容易となるため好ましい。
【００４６】
また、上記パワーを有する反射光学面が回転対称な形状であれば、製造難易度が下がるため好ましい。この場合、反射光学面を射出成形やプレス成形にて成形する際に用いる金型は回転対称な面形状になるが、反射光学面の成形時に発生する面形状誤差は必ずしも回転対称ではなく、回転非対称な面形状誤差も発生する。回転非対称な面形状誤差を補正するためには、回転非対称な動作を伴う金型加工方法を用いる必要があり、回転対称な場合の回転動作による金型加工方法と異なるため、２つの加工方法を用いる必要があり厄介である。また、回転非対称な動作を伴う加工方法は、回転対称な動作による加工方法より制御の難易度が高く精度を高めるのが難しい。そこで、回転対称な反射光学面の成形時に発生する回転非対称な面形状誤差により発生しうる収差の補正は、成形後の面形状を測定又は予測した結果を用いて収差を打ち消すように自由曲面を有する屈折レンズ（ＧＬ）を設計すれば、光学的な感度が比較的低い屈折光学面で収差補正を行うことができ、全体の光学性能を向上することが容易となる。それとともに、回転対称な反射光学面の成形に用いる金型加工動作を回転対称なものに絞ることができるので好ましい。また、回転対称な面形状誤差に関しては、回転対称な反射光学面の成形時に用いる金型を回転対称な動作による加工方法にて補正することで達成できるが、光学的な感度を考慮して自由曲面を有する屈折レンズ（ＧＬ）の設計により補正してもよい。
【００４７】
また各実施の形態では、パワーを有する反射光学面が４面ずつ存在するが、２面以上の複数の反射光学面の面形状誤差を測定又は予測し、それにより発生しうる収差を打ち消すように自由曲面を有する屈折レンズ（ＧＬ）を設計すれば、２面以上の反射光学面の成形誤差を補償する働きをさせることができるので、効率良く高性能化を達成することができる。
【００４８】
なお、上述した各実施の形態には以下の構成を有する発明（ｉ）〜（ｖｉｉ）が含まれている。そしてこれらの構成によると、良好な光学性能を保持しつつ量産性やコスト面で有利であり、しかも薄型で光学部品もコンパクトな広画角の斜め投影光学系を実現することができる。そして、それを背面投写型画像投影装置に適用することにより、当該装置の薄型・コンパクト化，大画面化，高性能化及び低コスト化に寄与することができる。
【００４９】
（ｉ）縮小側の１次像面から拡大側の２次像面への斜め方向の拡大投影を行う斜め投影光学系であって、光学的パワーを持つ反射光学面を少なくとも１面有するとともに、屈折レンズ面を少なくとも１面有し、前記反射光学面のうちの少なくとも１面が偏心した回転対称光学面から成り、前記屈折レンズ面のうちの少なくとも１面が面対称の対称面を多くとも１面しか持たない回転非対称な自由曲面から成ることを特徴とする斜め投影光学系。
（ｉｉ）光学的パワーを持つ光学面のうち最も１次像面側に位置する光学面が、正パワーを持つ反射光学面であることを特徴とする上記（ｉ）記載の斜め投影光学系。
（ｉｉｉ）前記正パワーを持つ反射光学面がミラーで構成されており、温度変化により装置全体又はその一部が膨張又は収縮した際に、前記条件式（１），（１ａ），（２）のうちの少なくとも１つを満たすことを特徴とする上記（ｉｉ）記載の斜め投影光学系。
【００５０】
（ｉｖ）前記光学的パワーを持つ反射光学面を少なくとも３面有し、そのうち１次像面側から数えて１番目と２番目の反射光学面の少なくとも１面が、前記偏心した回転対称光学面から成ることを特徴とする上記（ｉ），（ｉｉ）又は（ｉｉｉ）記載の斜め投影光学系。
（ｖ）前記自由曲面から成る屈折レンズ面が前記条件式（３）又は（３ａ）を満たすことを特徴とする上記（ｉ），（ｉｉ），（ｉｉｉ）又は（ｉｖ）記載の斜め投影光学系。
（ｖｉ）前記正パワーを持つ反射光学面よりも２次像面側の光路中に前記屈折レンズ面が位置することを特徴とする上記（ｉｉ），（ｉｉｉ），（ｉｖ）又は（ｖ）記載の斜め投影光学系。
（ｖｉｉ）前記自由曲面から成る屈折レンズ面を有するレンズの他方の屈折レンズ面が平面から成ることを特徴とする上記（ｉ），（ｉｉ），（ｉｉｉ），（ｉｖ），（ｖ）又は（ｖｉ）記載の斜め投影光学系。
【００５１】
【実施例】
以下、本発明を実施した画像投影装置の斜め投影光学系等を、コンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１〜４は、前述した第１〜第４の実施の形態にそれぞれ対応する斜め投影光学系等の数値実施例であり、各実施の形態を表す光学構成図（図１〜図１２）は、対応する実施例の光学配置，投影光路等をそれぞれ示している。
【００５２】
各実施例のコンストラクションデータでは、ライトバルブ（ＬＶ）の画像形成面（Ｓ０；拡大投影における物面に相当する。）からスクリーン（ＳＣ）の画像投影面（Ｓ１０；拡大投影における像面に相当する。）までを含めた系において、縮小側から数えてｉ番目の面がＳｉ（ｉ＝０，１，２，３，．．．）である。各光学要素の配置は、その光学面Ｓｉの面頂点をローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の原点（ｏ）として、グローバルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）におけるローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の原点（ｏ）とｘ軸，ｙ軸，ｚ軸の座標軸ベクトル（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）の座標データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で表される（単位：ｍｍ）。なお、グローバルな直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、画像形成面（Ｓ０）のローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）と一致した絶対座標系になっている。
【００５３】
実施例１〜４の入射瞳の位置と有効半径を以下に示す。
ｏ：（１０００００，−２００００，０）
ｖｘ：（１，０，０）
ｖｙ：（０，１，０）
ｖｚ：（０，０，１）
有効半径＝１４４９１．５（ｍｍ）
【００５４】
各光学要素の面形状は、その光学面Ｓｉの曲率（Ｃ０，ｍｍ^−１）等で表される。回転対称な非球面の面形状は、その面頂点を原点（ｏ）とするローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いた以下の式（ＡＳ）で定義される。また、自由曲面（回転非対称な拡張非球面）の面形状は、その面頂点を原点（ｏ）とするローカルな直交座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を用いた以下の式（ＦＳ）で定義される。回転対称非球面データ，自由曲面データ等を他のデータとあわせて示し（ただし数値がゼロの場合は適宜省略する。）、各光学面Ｓｉの入射側に位置する媒質のｄ線に対する屈折率（Ｎ）、射出側に位置する媒質のｄ線に対する屈折率（Ｎ’）、及び光学材料のアッベ数（νｄ）をあわせて示す。
【００５５】
ｘ＝（Ｃ０・ｈ^２）／｛１＋√（１−ε・Ｃ０^２・ｈ^２）｝＋Σ｛Ａ（ｉ）・ｈ^ｉ｝ …（ＡＳ）
ｘ＝（Ｃ０・ｈ^２）／｛１＋√（１−ε・Ｃ０^２・ｈ^２）｝＋Σ｛Ｂ（ｊ，ｋ）・ｙ^ｊ・ｚ^ｋ｝ …（ＦＳ）
ただし、式中、
ｘ：高さｈの位置でのｘ軸方向の基準面からの変位量（面頂点基準）、
ｈ：ｘ軸に対して垂直な方向の高さ（ｈ^２＝ｙ^２＋ｚ^２）、
Ｃ０：面頂点での曲率（正負はｘ軸に対するものであり、正の場合その曲率中心がベクトルｖｘ上の正方向に存在する。）、
ε：２次曲面パラメータ、
Ａ（ｉ）：ｉ次の非球面係数、
Ｂ（ｊ，ｋ）：ｙのｊ次、ｚのｋ次の自由曲面係数、
である。
【００５６】

【００５７】

【００５８】

【００５９】

【００６０】

【００６１】

【００６２】

【００６３】

【００６４】

【００６５】

【００６６】

【００６７】

【００６８】

【００６９】

【００７０】

【００７１】

【００７２】

【００７３】

【００７４】

【００７５】

【００７６】

【００７７】

【００７８】

【００７９】

【００８０】

【００８１】

【００８２】

【００８３】

【００８４】

【００８５】

【００８６】

【００８７】

【００８８】

【００８９】

【００９０】

【００９１】

【００９２】

【００９３】

【００９４】

【００９５】

【００９６】

【００９７】

【００９８】

【００９９】

【０１００】
実施例１〜４の温度変化に関するデータとして、線膨張係数と屈折率変化係数を以下に示す。
〈線膨張係数（／℃）〉
ガラス板（ＧＰ） … ７．８×１０^−６
第１ミラー（Ｍ１） … ９．４×１０^−６
屈折レンズ（ＧＬ） … ６．００×１０^−５
第２ミラー（Ｍ２） … ９．４×１０^−６
第３ミラー（Ｍ３） … ６．００×１０^−５
第４ミラー（Ｍ４） … ６．００×１０^−５
第１ミラー（Ｍ１）からライトバルブ（ＬＶ）までの連結部材（アルミニウム） … ２．５×１０^−５
〈屈折率変化係数（／℃）〉
ガラス板（ＧＰ） … ２．６×１０^−６
屈折レンズ（ＧＬ） … −１．０９×１０^−４
【０１０１】
表１に、ｙ方向とｚ方向のＦナンバー（ＦＮＯｙ，ＦＮＯｚ）を各実施例について示し、第１〜第４ミラー（Ｍ１〜Ｍ４）の反射光学面（Ｓ３，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８）の面形状及び光学的パワーを各実施例について示す。ＦＮＯｙ，ＦＮＯｚは、ライトバルブ（ＬＶ）の画像形成面（Ｓ０）から斜め投影光学系への入射瞳に関し、入射瞳径と入射瞳位置から求められる有効Ｆナンバーで表している。反射光学面のパワー「＋」は、反射光学面が凹面形状で光学的に正のパワーを有することを表しており、反射光学面のパワー「−」は、反射光学面が凸面形状で光学的に負のパワーを有することを表している。表２に、第１〜第４ミラー（Ｍ１〜Ｍ４）の反射光学面（Ｓ３，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８）の有効径（すなわち最大有効半径）を示す。
【０１０２】
【表１】

【０１０３】
【表２】

【０１０４】
表３に、光線厚みＤ（ｍｍ），スクリーンサイズＤｓ（ｍｍ），ｙ方向とｚ方向の投影倍率βｙ，βｚ，スクリーン入射角（°）等を示す。光線厚みＤは、投影光線が通る範囲をスクリーン（ＳＣ）の画像投影面（Ｓ１０）の面法線方向の厚さで示している。スクリーンサイズＤｓはスクリーン（ＳＣ）の画像投影面（Ｓ１０）の対角線長を示している。スクリーン入射角は、スクリーン（ＳＣ）の画像投影面（Ｓ１０）に入射する中心主光線のベクトルと、スクリーン（ＳＣ）の画像投影面（Ｓ１０）の面法線ベクトルと、が成す角度である。
【０１０５】
【表３】

【０１０６】
表４に、各実施例の条件式対応値及び関連データを示す。Ｌ，Ｒ，ρは２０℃のときの値を示しており、変化量ΔＬ，ΔＲは２０℃のときのＬ，Ｒの値と５０℃のときのＬ，Ｒの値と差である。また、ＲはＸＹ平面上の値であり、ライトバルブ（ＬＶ）の画面最大寸法：Ｌｍ＝２０．３２｛＝２×√（４．９８１^２＋８．８５５^２）｝であり、実施例２の｜１／ρ｜＝６２３２（ｘｙ断面），２１９３（ｘｚ断面）である。
【０１０７】
【表４】

【０１０８】
図１５〜図２２に、各実施例の光学性能をスポットダイアグラムで示す。ただし、図１５，図１７，図１９及び図２１は２０℃でのスポットダイアグラムを示しており、図１６，図１８，図２０及び図２２は５０℃でのスポットダイアグラムを示している。各スポットダイアグラムは、スクリーン（ＳＣ）の画像投影面（Ｓ１０）での結像特性（ｍｍ，±１スケール）を３波長（４５０ｎｍ，５４６ｎｍ，６０５ｎｍ），２５個の評価ポイント（Ａ）〜（Ｙ）について示している。以下に、各評価ポイント（Ａ）〜（Ｙ）のスポット重心の投影位置を、スクリーン（ＳＣ）の画像投影面（Ｓ１０）のローカル座標（ｘ，ｙ；ｍｍ）で示す。なお、いずれの実施例もＸＹ平面に関して対称になっているので、各スポットダイアグラムでは、ＸＹ平面を中心とした画面片側についてのみスポットの評価ポイントを挙げている。
【０１０９】

【０１１０】

【０１１１】

【０１１２】

【０１１３】

【０１１４】

【０１１５】

【０１１６】

【０１１７】
２０℃のスポットダイアグラムは、コンストラクションデータそのものの設計値であり、５０℃のときには第０面（Ｓ０）以外が全て膨張したと仮定している。ライトバルブ（ＬＶ）の画像形成面（Ｓ０）である第０面（Ｓ０）を膨張させないのは、２０℃と５０℃で純粋に光学性能を比較するためである。各光学素子の膨張では、先に挙げた線膨張係数を用いて自由膨張させており、第０面（Ｓ０）の中心からの各光学素子の移動量に関して、各々の中心点と第０面（Ｓ０）との間の距離を線膨張係数を用いて自由膨張させている。屈折光学素子であるガラス板（ＧＰ）と屈折レンズ（ＧＬ）に関しては、先に挙げた屈折率変化係数に基づいて屈折率も変化させている。また、図２３に、各スポットの理想的投影位置に対応するライトバルブ（ＬＶ）の画像形成面（Ｓ０）上の座標（ｙ，ｚ；ｍｍ）を示す。スクリーン（ＳＣ）の画像投影面（Ｓ１０）上での理想的投影位置の値は、図２３中の数値に投影倍率βｙ，βｚをかけた値となり、その理想値からのズレは、光学で一般的に言われる歪曲に相当する。
【０１１８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、面対称の対称面を多くとも１面しか持たない回転非対称な自由曲面から成る屈折レンズ面を少なくとも１面有しているので、像面性や偏心収差を良好に補正することができる。しかも、反射光学面のうちの少なくとも１面が偏心した回転対称光学面から成っているので、その反射光学面の自由度を低下させて、製造，評価，調整等を単純化し低コスト化を達成することができる。したがって、良好な光学性能を保持しつつ量産性やコスト面で有利であり、しかも薄型で光学部品もコンパクトな大画面の画像投影装置を実現することができる。
【０１１９】
さらに、光学的パワーを持つ光学面のうち最もライトバルブ側に位置する光学面を正パワーの反射光学面とすることにより、光学素子の小型化・低コスト化を達成して、斜め投影光学系全体を小型化・低コスト化することができる。条件式（１）や条件式（３）を満たすことにより、温度変化の影響や偏心誤差感度等を効果的に抑えて光学性能を向上させることができる。また、光学的パワーを持つ反射光学面のうちライトバルブ側から数えて１番目と２番目の反射光学面の少なくとも１面を、偏心した回転対称光学面で構成すれば、光学的像面性を維持しつつ、誤差感度の高い面形状の自由度を下げて低コスト化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態（実施例１）の投影光学構成及び投影光路を示すＸＹ断面図。
【図２】第１の実施の形態（実施例１）の投影光学構成及び投影光路を示すＸＺ断面図。
【図３】図１の要部拡大図。
【図４】第２の実施の形態（実施例２）の投影光学構成及び投影光路を示すＸＹ断面図。
【図５】第２の実施の形態（実施例２）の投影光学構成及び投影光路を示すＸＺ断面図。
【図６】図４の要部拡大図。
【図７】第３の実施の形態（実施例３）の投影光学構成及び投影光路を示すＸＹ断面図。
【図８】第３の実施の形態（実施例３）の投影光学構成及び投影光路を示すＸＺ断面図。
【図９】図７の要部拡大図。
【図１０】第４の実施の形態（実施例４）の投影光学構成及び投影光路を示すＸＹ断面図。
【図１１】第４の実施の形態（実施例４）の投影光学構成及び投影光路を示すＸＺ断面図。
【図１２】図１０の要部拡大図。
【図１３】本発明に係る画像投影装置の光学構成全体を示す斜視図。
【図１４】図１３の要部拡大図。
【図１５】実施例１（２０℃）のスポットダイアグラム。
【図１６】実施例１（５０℃）のスポットダイアグラム。
【図１７】実施例２（２０℃）のスポットダイアグラム。
【図１８】実施例２（５０℃）のスポットダイアグラム。
【図１９】実施例３（２０℃）のスポットダイアグラム。
【図２０】実施例３（５０℃）のスポットダイアグラム。
【図２１】実施例４（２０℃）のスポットダイアグラム。
【図２２】実施例４（５０℃）のスポットダイアグラム。
【図２３】各スポットの理想的投影位置に対応するライトバルブ上の座標を示す図。
【符号の説明】
Ｍ１〜Ｍ５ …第１〜第５ミラー（斜め投影光学系の一部）
ＧＬ …屈折レンズ（斜め投影光学系の一部）
Ｓ４ …第４面（回転非対称な自由曲面から成る屈折レンズ面）
ＬＶ …ライトバルブ
ＳＣ …スクリーン[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an image projection device, and more particularly, to an image projection device having a reflection optical surface and a refraction optical surface in an oblique projection optical system with an optical configuration suitable for rear projection.
[0002]
[Prior art]
A rear projection optical system used in a general rear projector achieves a reduction in thickness by folding an optical path of light emitted from the projection optical system by a single reflecting mirror behind the screen. However, since the projection optical system used is a coaxial system, the light beam incident on the center of the screen on the screen must be substantially perpendicular to the screen. This makes it difficult to make the rear projection optical system thinner than a certain thickness.
[0003]
Therefore, various optical configurations for further thinning have been proposed. For example, Patent Literatures 1 to 5 disclose rear projection optical systems in which an optical path of a projection optical system is folded by two plane reflecting mirrors. In general, utilizing a free-form surface in an eccentric optical system is very effective in suppressing eccentric aberration. In the rear projection optical system described in Patent Document 6, by using four free-form surface reflection mirrors, The overall thickness has been reduced.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2932609
[Patent Document 2]
JP-A-3-87731
[Patent Document 3]
JP-A-2-153338
[Patent Document 4]
JP-A-2-146535
[Patent Document 5]
JP-A-2-130543
[Patent Document 6]
JP 2001-221949 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional rear projection optical system, it is difficult to reduce the thickness sufficiently, or a new problem occurs with the reduction in thickness. For example, the rear projection optical system described in Patent Document 1 employs a re-imaging projection optical system in which a display image is formed once and the image is projected again on a screen surface. It is inevitable that the size will increase. In addition, a so-called oblique projection optical system, which has a large light incident angle with respect to the center of the screen on the screen surface, is required, but there is no description on the specific optical configuration. Also, in the rear projection optical systems described in Patent Documents 2 to 5, an oblique projection optical system is required for thinning. However, what kind of optical configuration should be used specifically for the projection optical system? Unknown.
[0006]
In order to realize an oblique projection optical system, a system using a part of a coaxial optical system is usually adopted. However, in order to reduce the thickness of the rear projection optical system, it is necessary to make the projection angle of the principal ray extremely large. Therefore, a part of a very wide-angle coaxial optical system is used. However, a wide-angle optical system generally requires a large number of lenses and a very large lens diameter. It will be larger.
[0007]
As a next conceivable display, there is a display mounted with a thin rear projection optical system that actually uses an oblique projection optical system using a curved reflecting mirror. However, since the light that has exited the projection optical system is directly reflected by the plane reflection mirror behind the screen, the curved surface reflection mirror that forms the final surface of the projection optical system becomes very large. Such a large curved reflecting mirror is disadvantageous in terms of mass productivity and cost. In addition, if only three curved reflecting mirrors are used in the projection optical system, the error sensitivity is high, and it is difficult to manufacture the mirror.
[0008]
In the rear projection optical system described in Patent Document 6, many free-form surfaces are used as curved surface reflection surfaces. However, it is generally more difficult to manufacture, mold, evaluate, and adjust a free-form surface mold than an aspherical surface or a spherical surface. is there. For this reason, using a free-form surface as an optical surface having high optical sensitivity may cause a decrease in mass productivity. In addition, since the reflective optical surface closest to the panel display surface in the optical path has a relatively large radius of curvature even though the free-form reflective surface is frequently used, the reflective optical surface in the entire optical system can be reduced in size and a wide angle of view. Is not enough. Increasing the size of the reflecting optical surface makes molding difficult and leads to an increase in cost due to an increase in material costs. In the case of a rear projection device, if the angle of view is narrow, it is difficult to make the device thinner and smaller. Regarding measures against temperature change, the substrate materials of the first and second curved reflecting mirrors from the panel display surface side are merely glass.
[0009]
The present invention has been made in view of such a situation, and its object is to improve the productivity and cost while maintaining good optical performance, and to realize a large-sized thin and thin optical component. An object of the present invention is to provide an image projection device.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an image projection device according to a first aspect of the present invention provides a light valve that forms an image by modulating the intensity of light, and an image formed by the light valve that is oblique to a screen. An oblique projection optical system for enlarging and projecting, wherein the oblique projection optical system has at least one reflective optical surface having optical power and at least one refractive lens surface. A rotationally asymmetric free-form surface in which at least one of the reflective optical surfaces comprises a decentered rotationally symmetric optical surface and at least one of the refractive lens surfaces has at most one plane-symmetrical symmetrical surface. Characterized by comprising:
[0011]
According to a second aspect of the present invention, in the configuration of the first aspect, the optical surface located closest to the light valve among the optical surfaces having optical power is a reflective optical surface having positive power. Features.
[0012]
A third aspect of the present invention is the image projection device according to the second aspect of the present invention, wherein the reflection optical surface having the positive power is constituted by a mirror, and when the entire device or a part thereof expands or contracts due to a temperature change. In addition, the following conditional expression (1) is satisfied.
| 2ΔL / ΔR | <10 (1)
However, a ray passing through the center of the screen of the light valve, the center of the entrance pupil, and the center of the screen of the screen is referred to as a “center principal ray”, and a point at which the center principal ray intersects the reflective optical surface having the positive power is referred to as a “first reflection center”. Points "
L: distance from the first reflection center point to the screen center of the light valve,
ΔL: amount of change in distance L due to temperature change,
R: radius of curvature of the reflecting optical surface having positive power near the first reflection center point;
ΔR: amount of change in radius of curvature R due to temperature change,
It is.
[0013]
An image projection apparatus according to a fourth aspect is the image projection apparatus according to the first, second, or third aspect, wherein the image projection apparatus has at least three reflecting optical surfaces having the optical power, and And at least one of the second reflecting optical surface is constituted by the decentered rotationally symmetric optical surface.
[0014]
According to a fifth aspect of the present invention, in the image projection device according to the first, second, third, or fourth aspect, the refracting lens surface including the free-form surface satisfies the following conditional expression (3). I do.
10 <| 1 / (ρ · Lm) | (3)
However,
ρ: the curvature of the free-form surface constituting the refracting lens surface 光線 Here, when the light passing through the center of the screen of the light valve, the center of the entrance pupil and the center of the screen of the screen is referred to as the “center chief ray”, the central chief ray is the free-form surface In the vicinity of the point P intersecting with, the curvature ρ is defined on the cross section of the free-form surface by a plane including the surface normal vector of the free-form surface from the point P to an arbitrary point P ′ (including the case where 1 / ρ = ∞). ). ｝,
Lm: Maximum screen size of light valve,
It is.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an image projection device embodying the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 12 show the projection optical configuration (optical arrangement of an oblique projection optical system, a projection optical path, and the like) according to first to fourth embodiments of a rear projection type image projection apparatus (rear projector). 1, 4, 7, and 10 show the optical configuration of the entire projection optical path in the first to fourth embodiments in an XY cross section in a rectangular coordinate system (X, Y, Z). 5, FIG. 5, FIG. 8, and FIG. 11 show the optical configuration of the entire projection optical path in the first to fourth embodiments in an XZ section in a rectangular coordinate system (X, Y, Z). FIGS. 3, 6, 9, and 12 are enlarged views of main parts of FIGS. 1, 4, 7, and 10, respectively. 1 to 12, LV is a light valve, GP is a glass plate, GL is a refractive lens, M1 to M5 are first to fifth mirrors for projection, SC is a screen, and S0 is a light valve (LV). An image forming surface (that is, a panel display surface), S1 to S9 are first to ninth surfaces, and S10 is an image projection surface of a screen (SC). The origin (O) of the rectangular coordinate system (X, Y, Z) is at the center of the image forming surface (S0) of the light valve (LV), and the image forming surface (S0) and the image projection surface (S10) are YZ. It is parallel to the plane.
[0016]
FIG. 13 schematically shows the entire optical configuration of an image projection apparatus when the oblique projection optical system shown in FIGS. 1 to 12 is combined with an illumination optical system, and FIG. 14 shows the main part thereof. 13 and 14, LU is a light source unit, L1 is a light source, L2 is a reflector, RI is a rod integrator, CW is a color wheel, m1 to m3 are first to third mirrors for illumination, and LA is an illumination system stop. In addition, the refractive lens (GL) is not shown. Note that the vertical arrangement of the optical configuration of each embodiment is not limited to that shown in FIGS. That is, there is no problem even if the upper side in FIGS. 1 to 14 is set to the lower side in accordance with the actual arrangement (apparatus arrangement, optical system arrangement, etc.).
[0017]
An illumination optical system including a reflector (L2), a rod integrator (RI), a color wheel (CW), and first to third mirrors (m1 to m3) transmits light from a light source (L1) to a light valve (L1). LV), the light valve (LV) forms an image by modulating the intensity of light on the image forming surface (S0). An oblique projection optical system including first to fifth mirrors (M1 to M5) and a refraction lens (GL) projects an image formed by the light valve (LV) on a screen (SC) in an enlarged manner from an oblique direction. Hereinafter, the configuration of each unit will be described in more detail.
[0018]
As shown in FIG. 14, the light source unit (LU) includes a light source (L1) and a reflector (L2). The reflector (L2) is an ellipsoidal mirror (condensing optical system) that collects light from the light source (L1) to form a secondary light source, and the light emitted from the light source unit (LU) is a rod integrator (RI). ) Is formed near the entrance end face. Note that a rotating parabolic mirror, a spherical mirror, or the like may be used as the reflector (L2). In this case, in order to collect light from the light source (L1), a condensing optical system is combined with a condensing lens or the like. Need to be configured.
[0019]
Light emitted from the light source unit (LU) enters a rod integrator (RI). The rod integrator (RI) is a hollow rod type light intensity equalizing unit formed by bonding four plane mirrors, and has an incident end face near the secondary light source as described above. Light incident from the incident end face is mixed by being repeatedly reflected on the side surface (that is, the inner wall surface) of the rod integrator (RI), and the spatial energy distribution of the light is made uniform and emitted from the exit end face. I do. The shape of the incident end face and the exit end face of the rod integrator (RI) is a quadrilateral similar to the light valve (LV). Further, the entrance end face of the rod integrator (RI) is conjugate with the illumination system stop (LA), and the exit end face of the rod integrator (RI) is located with respect to the image forming surface (S0) of the light valve (LV). It is conjugate. Since the luminance distribution on the emission end face is made uniform by the mixing effect, the light valve (LV) is efficiently and uniformly illuminated. Note that the rod integrator (RI) is not limited to a hollow rod, and may be a glass rod made of a quadrangular prism-shaped glass body. Further, as long as it conforms to the shape of the image forming surface (S0) of the light valve (LV), the side surface is not limited to four. Therefore, examples of the rod integrator (RI) to be used include a hollow cylindrical body formed by combining a plurality of reflection mirrors, a polygonal glass body, and the like.
[0020]
A color wheel (CW) for changing the color of the emitted light in a time-division manner for color display is arranged near the exit end face of the rod integrator (RI). The color wheel (CW) is made up of a color filter for illuminating the light valve (LV) in a color sequential manner, and changes the color of the emitted light by rotating the filter portion at the illumination light transmission position. Note that the position of the color wheel (CW) is not limited to the vicinity of the exit end face of the rod integrator (RI). The position may be set in accordance with the arrangement of other optical elements and the like. For example, a color wheel (CW) may be arranged near the incident end face of the rod integrator (RI). Further, a UV (ultraviolet ray) -IR (infrared ray) cut filter may be arranged to cut off ultraviolet rays and infrared rays from illumination light.
[0021]
The light emitted from the color wheel (CW) enters a reflection optical system including first to third mirrors (m1 to m3) for illumination. Then, the reflection optical system forms an image of the exit end face of the rod integrator (RI) on the image forming surface (S0) of the light valve (LV). The power for performing the imaging is borne by the first and third mirrors (m1, m3). That is, each reflecting optical surface of the first and third mirrors (m1, m3) is a concave reflecting surface, and the reflecting optical surface of the second mirror (m2) is a planar reflecting surface. The secondary light source near the incident end face of the rod integrator (RI) is re-imaged by the concave reflecting surface of the first mirror (m1), and a tertiary light source is formed near the position of the illumination system stop (LA). Light from the tertiary light source is guided to the light valve (LV) by the concave reflecting surface of the third mirror (m3).
[0022]
The glass plate (GP) located near the image forming surface (S0) is a cover glass of the light valve (LV), and in each embodiment, the light valve (LV) is a digital micromirror device. Is assumed. However, the light valve is not limited to this, and another non-light emitting / reflective (or transmissive) display element (for example, a liquid crystal display element) suitable for the oblique projection optical system of each embodiment may be used. When a digital micromirror device is used as a light valve, the light incident thereon is spatially modulated by being reflected by each micromirror in an ON / OFF state (for example, a tilt state of ± 12 °). . At this time, only the light reflected by the micromirror in the ON state enters the oblique projection optical system including the first to fifth mirrors (M1 to M5) for projection and the refraction lens (GL), and the third mirror (m3 The power of the concave reflecting surface is efficiently guided to the entrance pupil of the oblique projection optical system. Then, the light is projected on the screen (SC) by the oblique projection optical system.
[0023]
A stop is not used in the oblique projection optical system of each of the embodiments, and a virtual surface is provided in the entrance pupil instead. Therefore, the width of the light beam emitted from the light valve (LV) is regulated by the entrance pupil before passing through the oblique projection optical system. At the time of actual use, it is desirable to form a stop by providing a light-blocking member at or near the holding frame of the refractive lens (GL). In the optical configuration of each embodiment, the illumination system stop (LA) in FIG. 14 can be used instead.
[0024]
The oblique projection optical system of each embodiment includes, in order from the reduction side, a first mirror (M1), a refractive lens (GL), a second mirror (M2), a third mirror (M3), a fourth mirror (M4), The fifth mirror (M5) is configured to perform diagonally enlarged projection from the primary image plane on the reduction side to the secondary image plane on the enlargement side. In this embodiment, the image forming surface (S0) of the light valve (LV) that forms a two-dimensional image by modulating the light intensity corresponds to the primary image surface, and the image projection surface (S10) of the screen (SC). ) Corresponds to the secondary image plane. The oblique projection optical system according to each of the embodiments has an optical configuration suitable for a rear projection type image projection apparatus, but performs oblique reduction projection in an oblique direction from a secondary image plane to a primary image plane. It is also possible to use the projection optical system in an image reading device. In this case, the primary image surface corresponds to a light receiving surface of a light receiving element for image reading (for example, a CCD: Charge Coupled Device), and the secondary image surface corresponds to a read image surface (that is, a document surface).
[0025]
As described above, the oblique projection optical system according to each of the embodiments has the first to fifth mirrors (M1 to M5) as reflective optical elements. The reflection optical surfaces (S3, S6, S7, S8) of the first to fourth mirrors (M1 to M4) are curved surfaces, and the reflection optical surface (S9) of the fifth mirror (M5) is an image projection surface (S10). ). Therefore, on the reflecting optical surfaces (S3, S6, S7, S8) of the first to fourth mirrors (M1 to M4), the projection light converges or diverges due to the optical power, but the fifth mirror (M5). On the reflecting optical surface (S9), only the folding of the optical path is performed. The power arrangement of the first to fourth mirrors (M1 to M4) is positive, negative, positive, and negative. Then, among the reflective optical surfaces (S3, S6, S7, S8) having these optical powers, the third surface (S3) and the sixth surface (S6) of the first to third embodiments, and the The sixth surface (S6) of the fourth embodiment is formed of a decentered rotationally symmetric optical surface, and the other reflecting optical surface is formed of a rotationally asymmetric free-form surface. When the light passing through the center of the screen of the light valve (LV), the center of the entrance pupil, and the center of the screen of the screen (SC) is referred to as a “center principal ray”, the symmetry axis of the optical surface having optical power and the optical surface thereof The state in which the vector of the central principal ray at the time of incidence and exit from the lens is not parallel is called "eccentricity".
[0026]
The reflecting optical surfaces (S3, S6) constituted by the first and second mirrors (M1, M2) will be described more specifically. In the first embodiment (FIG. 3 and the like), the third surface (S3) is composed of a positive power spherical surface, and the sixth surface (S6) is composed of a negative power rotationally symmetric aspheric surface. In the second embodiment (FIG. 6, etc.), the third surface (S3) is composed of a positive power rotationally symmetric aspherical surface, and the sixth surface (S6) is composed of a negative power spherical surface. In the third embodiment (FIG. 9 and the like), the third surface (S3) is composed of a positive power rotationally symmetric aspheric surface, and the sixth surface (S6) is composed of a negative power rotationally symmetric aspheric surface. ing. In the fourth embodiment (FIG. 12 and the like), the third surface (S3) is composed of a rotationally asymmetric free-form surface having a positive power, and the sixth surface (S6) is composed of a rotationally symmetric aspheric surface having a negative power. ing.
[0027]
Further, the oblique projection optical system of each of the embodiments has one refractive lens (GL) as a refractive optical element. The refracting lens (GL) is a free-form surface lens, and the fourth surface (S4), which is the incident side surface, is composed of a free-form surface, and the fifth surface (S5), which is the exit side surface, is planar. That is, the refractive lens surface of the refractive lens (GL) on the fourth surface (S4) is a rotationally asymmetric free-form surface having one plane symmetrical plane (corresponding to an xy plane of a local coordinate system described later). Made up of The refractive lens (GL) having such a free-form surface can be manufactured by a molding method such as glass molding, press molding, injection molding, or the like. In addition, as a material of the refractive lens (GL), a material having relatively high fluidity such as plastic is preferable when moldability is emphasized, and a temperature such as glass is considered in consideration of a temperature change during actual use. A material having a lower refractive index change or an expansion coefficient with respect to the change than a plastic is preferable because performance deterioration due to a temperature change can be reduced.
[0028]
In general, in order to reduce the thickness and size of an image projection apparatus, if an attempt is made to widen the angle of view of an oblique projection optical system using a reflective optical surface having optical power, image field quality deteriorates (for example, field curvature). Increase) and eccentric aberration (such as spherical aberration). If a reflective optical surface consisting of a free-form surface is used, decentering aberrations and the like can be effectively suppressed by its complicated surface shape, but the optically sensitive optical surface requires higher surface accuracy. I will. For this reason, it becomes difficult to manufacture the reflective optical surface and the like, which leads to a decrease in mass productivity and an increase in cost. In other words, the surface shape of the reflecting optical surface is reduced in symmetry in the order of a spherical surface, an aspherical surface, and a free-form surface, so that the degree of freedom is increased. As a result, the aberration correction capability is increased, and the manufacturing (die making, molding, etc.) Evaluation and adjustment become difficult.
[0029]
Therefore, the oblique projection optical system of each embodiment has at least one reflecting optical surface having optical power and at least one refracting lens surface, and at least one of the reflecting optical surfaces is decentered. It is composed of a rotationally symmetric optical surface, and at least one of the refractive lens surfaces is composed of a rotationally asymmetric free-form surface having at most one plane symmetrical symmetrical surface. By having at least one refracting lens surface composed of a rotationally asymmetric free-form surface having at most one plane-symmetric symmetric surface, it is possible to satisfactorily correct image plane properties and decentration aberrations, and to provide a reflective optical surface. Since at least one of the surfaces is composed of an eccentric rotationally symmetric optical surface, the degree of freedom of the reflecting optical surface is reduced, so that manufacturing, evaluation, adjustment, and the like can be simplified and cost reduction can be achieved. .
[0030]
When the decentered optical configuration as in each embodiment is adopted, the reflecting optical surface (S3, S6) constituted by the first and second mirrors (M1, M2), and among them, the surface of the third surface (S3) A free-form surface with a high degree of freedom that increases the error sensitivity of the shape is required. However, when the above-described refracting lens (GL) is used, the function of correcting aberration is shared between the refracting lens surface (S4), which is a rotationally asymmetric free-form surface, and therefore the reflection of the first and second mirrors (M1, M2). Even if a rotationally symmetric optical surface (that is, a rotationally symmetric aspherical surface or a spherical surface) is used as the optical surface (S3, S6), the required surface accuracy can be reduced while suppressing a decrease in aberration correction capability. Moreover, even if the power of the refraction lens surface (S4) is weak, the degree of freedom of the third surface (S3) and the sixth surface (S6) can be reduced to effectively reduce the surface accuracy. Therefore, it is possible to use optical components that are compact and advantageous in terms of mass productivity and cost while maintaining good optical performance, and achieve a thin, compact, low-cost, and large-screen image projection apparatus. It becomes possible. Further, as in each embodiment, the fact that the rotationally asymmetric free-form surface forming the refractive lens surface (S4) has one plane symmetric plane (xy plane) means that the plane does not have plane symmetry. There is also an advantage that the difficulty in manufacturing, evaluation, and the like is low.
[0031]
Meanwhile, in FIG. 14, the third mirror for illumination (m3), the light valve (LV), the glass plate (GP), and the first mirror for projection (M1) are the image projection surface (S10) of the screen (SC). Have optical surfaces (S0 to S3, etc.) at optically conjugate or substantially conjugate positions. For this reason, if dust, dust, or the like exists near these optical elements, the image performance, contrast, and the like of the image projection device are affected. In the device configuration shown in FIGS. 13 and 14, dust and dust are blocked only by the housing of the entire rear projection device, and the intrusion thereof cannot be sufficiently prevented. Therefore, the portion where dust or the like easily affects image performance or the like, that is, the third mirror (m3) for illumination, the light valve (LV), the glass plate (GP), and the first mirror (M1) for projection is sealed. It is desirable to provide a dustproof housing.
[0032]
If the dustproof housing is to be provided as described above, an incident window through which illumination light enters the third illumination mirror (m3), and projection light from the first projection mirror (M1). It becomes necessary to provide an emission window for emitting light and a dustproof housing. The entrance window can be configured by disposing a cover made of a transparent body at the position of the illumination system aperture (LA) of the dustproof housing. That is, the member constituting the illumination system stop (LA) can be used also as the incident window. On the other hand, with respect to the exit window, by disposing an optical element made of a transparent body between the third surface (S3) and the sixth surface (S6), the exit window can also be used as the exit window. A refractive lens (GL) is suitable as the optical element.
[0033]
In the refractive lens (GL) used in each embodiment, since the fifth surface (S5), which is the emission side surface, is formed of a flat surface, the fifth surface (S5) faces the outside of the dustproof housing. This arrangement is preferable from the viewpoint of protecting the refractive lens surface (S4) formed of a free-form surface. Therefore, if a dust-proof housing provided with the components of the illumination system diaphragm (LA) and the refractive lens (GL) is used, the space from the third mirror (m3) for illumination to the first mirror (M1) for projection is sealed. As a result, it is possible to prevent dust and dirt from entering the vicinity of the light valve (LV). In addition, since the components of the illumination system stop (LA) and the refractive lens (GL) are also used as the entrance window and the exit window, it is not necessary to newly add an optical member. The refracting lens surface (S5), which is not the free-form surface of the refracting lens (GL), is a flat surface, that is, the refracting lens (GL) in which one optical surface is a free-form surface and the other optical surface is a flat surface. The use of ()) is also preferable from the viewpoint of improving the positional accuracy, simplifying the lens molding, and the like.
[0034]
Further, as in each embodiment, it is preferable that the optical surface located closest to the light valve (LV) among the optical surfaces having optical power is the reflective optical surface (S3) having positive power. If it is a reflective optical surface having a negative power, the light beam spreads, and the optical surface thereafter increases in size. Increasing the size of the optical surface causes an increase in the cost of the optical element constituting the optical surface, and also causes an increase in the size of the entire oblique projection optical system. In each embodiment, since the optical surface located closest to the light valve (LV) among the optical surfaces having optical power is the third surface (S3) having positive power, the first mirror constituting the third surface (S3) The miniaturization and cost reduction of (M1) and subsequent optical elements are achieved, which can contribute to the miniaturization and cost reduction of the entire oblique projection optical system.
[0035]
It is desired that an optical system mounted on an image projection device such as a rear projector has stable and good performance with respect to temperature change, but has a high surface shape error sensitivity like the first mirror (M1). With respect to an optical element that is likely to become flexible, it is necessary to consider the effect of expansion or contraction of the entire device or a part thereof due to temperature change. Therefore, when the optical surface located closest to the light valve (LV) among the optical surfaces having optical power is a reflective optical surface having positive power, the reflective optical surface having positive power is constituted by a mirror. It is desirable that the following conditional expression (1) be satisfied when the entire device or a part thereof expands or contracts due to a temperature change.
[0036]
| 2ΔL / ΔR | <10 (1)
However, a ray passing through the center of the screen of the light valve (LV), the center of the entrance pupil, and the center of the screen of the screen (SC) is referred to as a "center principal ray", and the point at which the central principal ray intersects the reflective optical surface having the positive power. Is the “first reflection center point”,
L: distance from the first reflection center point to the screen center of the light valve (LV),
ΔL: amount of change in distance L due to temperature change,
R: radius of curvature of the reflecting optical surface having positive power near the first reflection center point;
ΔR: amount of change in radius of curvature R due to temperature change,
It is.
[0037]
Conditional expression (1) stipulates that the change amount ΔL of the distance L when a temperature change occurs is determined by the focal length change amount (ΔR / 2) of the positive power reflecting optical surface (S3) located closest to the light valve (LV). ) Defines a preferable condition range for suppressing the influence of temperature change. The amount of change in the focal position due to a temperature change in the entire oblique projection optical system is not determined only by the amounts of change ΔR and ΔL, but the amounts of change ΔR and ΔL can be said to be parameters that have a particularly large effect. If the value falls outside the conditional range of the conditional expression (1), the amount of change in the focal position due to a temperature change becomes too large when viewed as a whole of the oblique projection optical system, so that high performance cannot be expected.
[0038]
It is more desirable to satisfy the following conditional expressions (1a). Conditional expression (1a) defines a more preferable condition range from the viewpoints and the like among the condition ranges defined by the above conditional expression (1), and further satisfies conditional expression (1a). Performance can be expected.
| 2ΔL / ΔR | <5 (1a)
[0039]
It is desirable that the following conditional expression (2) is satisfied.
−1.5 <R / L <−0.5 (2)
However, a ray passing through the center of the screen of the light valve (LV), the center of the entrance pupil, and the center of the screen of the screen (SC) is referred to as a "center principal ray", and the point at which the central principal ray intersects the reflective optical surface having the positive power. Is the “first reflection center point”,
L: distance from the first reflection center point to the screen center of the light valve (LV),
R: radius of curvature of the reflecting optical surface having positive power near the first reflection center point;
Where L is always a positive value, and R is negative for a concave surface having a light-condensing action.
[0040]
If the upper limit of conditional expression (3) is exceeded, the optical path from the light valve (LV) to the reflective optical surface (S3) of the positive power located closest to the light valve (LV) and the optical path after the reflective optical surface (S3) will be described. In order to avoid interference with the optical surface, the angle at which the central chief ray is bent by the reflective optical surface (S3) increases. For this reason, the asymmetry aberration increases, and it becomes difficult to improve the performance. If the lower limit of conditional expression (3) is exceeded, the light-gathering power of the reflecting optical surface (S3) will decrease, and the optical path length and optical element size of the entire oblique projection optical system will increase, making it unsuitable for miniaturization.
[0041]
Further, as in each embodiment, at least three reflective optical surfaces having optical power are provided, and at least one of the first and second reflective optical surfaces (S3, S6) counted from the light valve (LV) side. Preferably, one surface is formed of a decentered rotationally symmetric optical surface, and the first and second reflecting optical surfaces (S3, S6) counted from the light valve (LV) side are both formed of decentered rotationally symmetric optical surfaces. Is more preferred. When the angle of view of the oblique projection optical system is increased by using three or more reflecting optical surfaces having optical power, at least the first or second reflecting optical surface (S3, counting from the light valve (LV) side). The power of S6) is increased, and the error sensitivity is also increased. Decreasing the degree of freedom of the reflecting optical surfaces (S3, S6) by adopting an eccentric rotationally symmetric optical surface leads to a reduction in error sensitivity. Therefore, the cost can be reduced by reducing the degree of freedom of the surface shape having high sensitivity to the error of the surface shape while maintaining the optical image surface property.
[0042]
Regarding the arrangement of the refractive lens (GL) having a free-form surface, as in each embodiment, the refractive lens (GL) is located in the optical path on the screen (SC) side of the positive optical reflecting optical surface (S3). It is preferable that the refractive lens (GL) be located in the optical path between the first mirror (M1) and the second mirror (M2). Adopting such an arrangement of the refraction lens (GL) has an advantage that it is easy to prevent interference with the optical path when a reflection type light modulation element (digital micromirror device or the like) is used. It is also possible to regulate the luminous flux by using the holding frame of the refraction lens (GL) as a stop. Further, since the light beam is narrowed by the reflection on the third surface (S3) having positive power, the size of the refractive lens (GL) located in the optical path on the screen (SC) side is smaller than that of the reflection optical surface (S3). Do it. It is difficult to arrange the refractive lens (GL) in the optical path on the light valve (LV) side from the reflective optical surface (S3) because interference with the illumination optical path and the projection optical path is inevitable. If GL) is disposed obliquely, aberrations (such as astigmatism) will occur.
[0043]
The refractive lens surface (S4) formed of a free-form surface preferably satisfies the following conditional expression (3), and more preferably satisfies the following conditional expression (3a).
10 <| 1 / (ρ · Lm) | (3)
50 <| 1 / (ρ · Lm) | (3a)
However,
ρ: the curvature of the free-form surface constituting the refracting lens surface (S4) で Here, a ray passing through the center of the screen of the light valve (LV), the center of the entrance pupil and the center of the screen of the screen (SC) is referred to as “center principal ray” Then, near the point P where the central principal ray intersects the free-form surface, the curvature ρ is defined on the cross section of the free-form surface by a plane including the surface normal vector of the free-form surface at an arbitrary point P ′ from the point P (1 / Ρ = ∞ is included.) ｝,
Lm: the maximum screen size of the light valve (LV),
It is.
[0044]
Not satisfying conditional expression (3) means that the refractive lens (GL) having a free-form surface has high optical power. Therefore, if the value falls outside the range of the conditional expression (3), the image surface property deteriorates due to the temperature change, and the eccentricity error sensitivity increases. This makes it difficult to achieve high performance. Therefore, | 1 / (ρ · Lm) | is preferably as large as possible, and satisfying conditional expression (3a) is more preferable in achieving high performance. The case of ∞, which is the theoretical upper limit of | 1 / (ρ · Lm) |, is most preferable.
[0045]
A reflective optical surface having power, such as the reflective optical surfaces (S3, S6, S7, S8) of the first to fourth mirrors (M1 to M4), has high optical sensitivity. Therefore, the tolerance of the surface shape generated when such a reflective optical surface is formed by injection molding or press molding is reduced, and the manufacturing difficulty is high. If the error of the surface shape generated at the time of molding is corrected again to reduce the surface shape error amount by correcting the mold shape used for forming the reflective optical surface, the accuracy required for the mold correction also increases. Further, if the reflective optical surface has a large diameter, it becomes more difficult. Therefore, if the surface shape error of the formed reflective optical surface is measured or predicted and a refraction lens (GL) having a free-form surface is designed so as to cancel the aberration that may be caused thereby, the optical sensitivity is relatively low. This is preferable because aberration correction can be performed on the refractive optical surface, and the overall optical performance can be easily improved.
[0046]
In addition, it is preferable that the reflective optical surface having the above-mentioned power has a rotationally symmetric shape, because the manufacturing difficulty is reduced. In this case, the mold used when molding the reflective optical surface by injection molding or press molding has a rotationally symmetric surface shape, but the surface shape error that occurs when molding the reflective optical surface is not necessarily rotationally symmetric, and Asymmetric surface shape errors also occur. In order to correct a rotationally asymmetric surface shape error, it is necessary to use a mold processing method involving a rotationally asymmetric operation. It must be used and is cumbersome. Further, a processing method involving a rotationally asymmetric operation is more difficult to control than a processing method using a rotationally symmetric operation, and it is difficult to increase accuracy. Therefore, correction of aberrations that can occur due to rotationally asymmetrical surface shape errors that occur when molding a rotationally symmetric reflective optical surface is performed by correcting the free-form surface so as to cancel the aberration using the result of measuring or predicting the surface shape after molding. By designing a refraction lens (GL) having the same, aberration correction can be performed on a refraction optical surface having a relatively low optical sensitivity, and it becomes easy to improve the overall optical performance. At the same time, the mold processing operation used for molding the rotationally symmetric reflection optical surface can be narrowed down to the rotationally symmetrical one. In addition, the rotationally symmetric surface shape error can be achieved by correcting the mold used for forming the rotationally symmetric reflective optical surface by a processing method based on the rotationally symmetric operation. The correction may be made by designing a refractive lens (GL) having a curved surface.
[0047]
In each of the embodiments, there are four reflective optical surfaces each having power. However, a surface shape error of a plurality of reflective optical surfaces of two or more is measured or predicted, and the aberration that may be caused by the error is canceled out. If a refractive lens (GL) having a free-form surface is designed, a function of compensating for a molding error of two or more reflective optical surfaces can be achieved, so that high performance can be efficiently achieved.
[0048]
The embodiments described above include inventions (i) to (vii) having the following configurations. According to these configurations, an oblique projection optical system which is advantageous in terms of mass productivity and cost while maintaining good optical performance, and which is thin and has compact optical components can be realized with a wide angle of view. And, by applying it to a rear projection type image projection device, it is possible to contribute to a reduction in thickness, size, screen size, performance, and cost of the device.
[0049]
(I) an oblique projection optical system that performs oblique enlargement projection from a reduction-side primary image plane to an enlargement-side secondary image plane, and has at least one reflection optical surface having optical power; It has at least one refractive lens surface, and at least one of the reflective optical surfaces comprises a decentered rotationally symmetric optical surface, and at least one of the refractive lens surfaces has at least one plane-symmetric symmetric surface. An oblique projection optical system comprising a rotationally asymmetric free-form surface having only a surface.
(Ii) The oblique projection optical system according to (i), wherein the optical surface located closest to the primary image surface among the optical surfaces having optical power is a reflective optical surface having positive power.
(Iii) The reflecting optical surface having the positive power is constituted by a mirror, and when the entire device or a part thereof expands or contracts due to a temperature change, the conditional expressions (1), (1a), and (2) The oblique projection optical system according to the above (ii), wherein at least one of the above is satisfied.
[0050]
(Iv) at least three reflecting optical surfaces having the optical power, wherein at least one of the first and second reflecting optical surfaces counted from the primary image surface side is the decentered rotationally symmetric optical surface. The oblique projection optical system according to the above (i), (ii) or (iii), comprising:
(V) The oblique projection optics according to (i), (ii), (iii) or (iv), wherein the refracting lens surface composed of the free-form surface satisfies the conditional expression (3) or (3a). system.
(Vi) The refracting lens surface is located in an optical path on the secondary image surface side of the reflecting optical surface having the positive power, wherein (ii), (iii), (iv) or (v) is used. The oblique projection optical system as described.
(Vii) The above (i), (ii), (iii), (iv), (v) or (v), wherein the other refracting lens surface of the lens having the refracting lens surface formed of the free-form surface is formed of a flat surface. The oblique projection optical system according to (vi).
[0051]
【Example】
Hereinafter, the oblique projection optical system and the like of the image projection apparatus embodying the present invention will be described more specifically with reference to construction data and the like. Examples 1 to 4 given here are numerical examples of an oblique projection optical system and the like corresponding to the above-described first to fourth embodiments, respectively, and are optical configuration diagrams (FIGS. FIG. 12) shows the optical arrangement, the projection optical path, and the like of the corresponding embodiment, respectively.
[0052]
In the construction data of each embodiment, the image forming surface of the light valve (LV) (S0; corresponding to the object surface in the enlarged projection) to the image projection surface of the screen (SC) (S10; corresponding to the image surface in the enlarged projection). ), The i-th surface counted from the reduction side is Si (i = 0, 1, 2, 3,...). The arrangement of each optical element is performed by using the surface vertex of the optical surface Si as the origin (o) of the local orthogonal coordinate system (x, y, z), and using the local orthogonal coordinates in the global orthogonal coordinate system (X, Y, Z). It is represented by the origin (o) of the coordinate system (x, y, z) and coordinate data (X, Y, Z) of the coordinate axis vector (vx, vy, vz) of the x-axis, y-axis, and z-axis (unit: mm). The global rectangular coordinate system (X, Y, Z) is an absolute coordinate system that matches the local rectangular coordinate system (x, y, z) of the image forming surface (S0).
[0053]
The positions of the entrance pupils and the effective radii of Examples 1 to 4 are shown below.
o: (100,000, 20,000, 0)
vx: (1, 0, 0)
vy: (0, 1, 0)
vz: (0, 0, 1)
Effective radius = 14491.5 (mm)
[0054]
The surface shape of each optical element is determined by the curvature (C0, mm) of the optical surface Si.^-1) Etc. The surface shape of the rotationally symmetric aspheric surface is defined by the following equation (AS) using a local rectangular coordinate system (x, y, z) with the surface vertex as the origin (o). The surface shape of a free-form surface (a rotationally asymmetric extended aspheric surface) is defined by the following formula (FS) using a local orthogonal coordinate system (x, y, z) with the vertex of the surface as the origin (o). Is done. Rotationally symmetric aspherical data, free-form surface data, and the like are shown together with other data (however, if the numerical value is zero, it is omitted as appropriate.), And the refractive index (d-line) of the medium located on the entrance side of each optical surface Si ( N), the refractive index (N ′) of the medium positioned on the exit side with respect to d-line, and the Abbe number (νd) of the optical material are also shown.
[0055]
x = (C0 · h²) / {1 +} (1-ε · C0²・ H²)｝ + Σ ｛A (i) · hⁱ…… (AS)
x = (C0 · h²) / {1 +} (1-ε · C0²・ H²)｝ + Σ ｛B (j, k) · y^j・ Z^k｝… (FS)
Where,
x: displacement amount from the reference plane in the x-axis direction at the position of height h (based on the surface vertex);
h: height in the direction perpendicular to the x-axis (h²= Y²+ Z²),
C0: curvature at the surface vertex (positive / negative is with respect to the x-axis, and if positive, the center of curvature exists in the positive direction on the vector vx);
ε: quadratic surface parameter,
A (i): i-th order aspherical coefficient,
B (j, k): j-th free surface coefficient of y, k-th free surface coefficient of z,
It is.
[0056]

[0057]

[0058]

[0059]

[0060]

[0061]

[0062]

[0063]

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[0065]

[0066]

[0067]

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[0070]

[0071]

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[0091]

[0092]

[0093]

[0094]

[0095]

[0096]

[0097]

[0098]

[0099]

[0100]
The linear expansion coefficient and the refractive index change coefficient are shown below as data on the temperature change in Examples 1 to 4.
<Linear expansion coefficient (/ ° C)>
Glass plate (GP) 7.8 x 10^-6
First mirror (M1) 9.4 × 10^-6
Refractive lens (GL) 6.00 × 10^-5
Second mirror (M2) 9.4 × 10^-6
Third mirror (M3) 6.00 × 10^-5
Fourth mirror (M4) ... 6.00 x 10^-5
Connection member (aluminum) from first mirror (M1) to light valve (LV) 2.5 × 10^-5
<Refractive index change coefficient (/ ° C)>
Glass plate (GP) 2.6 x 10^-6
Refractive lens (GL) ... -1.09 x 10^-4
[0101]
Table 1 shows the f-numbers (FNOy, FNOz) in the y direction and the z direction for each embodiment, and the surfaces of the reflecting optical surfaces (S3, S6, S7, S8) of the first to fourth mirrors (M1 to M4). The shape and optical power are shown for each example. FNOy and FNOz represent the entrance pupil from the image forming surface (S0) of the light valve (LV) to the oblique projection optical system, and are represented by the effective F number obtained from the entrance pupil diameter and the entrance pupil position. The power “+” of the reflective optical surface indicates that the reflective optical surface has a concave shape and optically positive power, and the power “−” of the reflective optical surface indicates that the reflective optical surface has a convex shape. Has negative power. Table 2 shows the effective diameter (that is, the maximum effective radius) of the reflection optical surfaces (S3, S6, S7, S8) of the first to fourth mirrors (M1 to M4).
[0102]
[Table 1]

[0103]
[Table 2]

[0104]
Table 3 shows the light beam thickness D (mm), the screen size Ds (mm), the projection magnifications βy and βz in the y and z directions, the screen incident angle (°), and the like. The light beam thickness D indicates the range through which the projected light beam passes by the thickness in the surface normal direction of the image projection surface (S10) of the screen (SC). The screen size Ds indicates the diagonal length of the image projection plane (S10) of the screen (SC). The screen incident angle is an angle formed by a vector of the central principal ray incident on the image projection surface (S10) of the screen (SC) and a surface normal vector of the image projection surface (S10) of the screen (SC).
[0105]
[Table 3]

[0106]
Table 4 shows conditional expression corresponding values and related data of each embodiment. L, R, and ρ indicate values at 20 ° C., and the change amounts ΔL, ΔR are differences between the values of L and R at 20 ° C. and the values of L and R at 50 ° C. R is a value on the XY plane, and the maximum screen size of the light valve (LV): Lm = 20.32 ｛= 2 × √ (4.981²+8.855²)｝, And | 1 / ρ | = 6322 (xy cross section) and 2193 (xz cross section) in the second embodiment.
[0107]
[Table 4]

[0108]
15 to 22 show the optical performances of the respective examples by spot diagrams. However, FIGS. 15, 17, 19 and 21 show spot diagrams at 20 ° C., and FIGS. 16, 18, 20 and 22 show spot diagrams at 50 ° C. Each spot diagram shows the imaging characteristics (mm, ± 1 scale) on the image projection surface (S10) of the screen (SC) at three wavelengths (450 nm, 546 nm, 605 nm) and 25 evaluation points (A) to (Y). ). Hereinafter, the projection position of the spot centroid at each of the evaluation points (A) to (Y) is shown by local coordinates (x, y; mm) on the image projection plane (S10) of the screen (SC). Since each embodiment is symmetrical with respect to the XY plane, each spot diagram shows spot evaluation points only on one side of the screen centering on the XY plane.
[0109]

[0110]

[0111]

[0112]

[0113]

[0114]

[0115]

[0116]

[0117]
The spot diagram at 20 ° C. is a design value of the construction data itself, and it is assumed that when the temperature is 50 ° C., all parts except the zeroth surface (S0) have expanded. The reason why the 0th surface (S0), which is the image forming surface (S0) of the light valve (LV), is not expanded is to compare purely optical performance at 20 ° C. and 50 ° C. In the expansion of each optical element, free expansion is performed using the above-described linear expansion coefficient. With respect to the movement amount of each optical element from the center of the 0th plane (S0), each center point and the 0th plane ( S0) is freely expanded using the linear expansion coefficient. The refractive index of the glass plate (GP) and the refractive lens (GL), which are refractive optical elements, is also changed based on the refractive index change coefficient described above. FIG. 23 shows coordinates (y, z; mm) on the image forming surface (S0) of the light valve (LV) corresponding to the ideal projection position of each spot. The value of the ideal projection position on the image projection plane (S10) of the screen (SC) is a value obtained by multiplying the numerical values in FIG. 23 by the projection magnifications βy and βz. It is equivalent to distortion that is commonly referred to.
[0118]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since at least one refracting lens surface composed of a rotationally asymmetric free-form surface having at most one plane-symmetric symmetric surface is provided, image surface properties and eccentric aberrations are provided. Can be satisfactorily corrected. In addition, since at least one of the reflecting optical surfaces is composed of an eccentric rotationally symmetric optical surface, the degree of freedom of the reflecting optical surface is reduced, thereby simplifying manufacturing, evaluation, adjustment, and the like, and achieving cost reduction. can do. Therefore, it is possible to realize a large-screen image projection apparatus which is advantageous in mass productivity and cost while maintaining good optical performance, and is thin and has compact optical components.
[0119]
Furthermore, by making the optical surface closest to the light valve side among the optical surfaces having optical power a reflective optical surface with positive power, the size and cost of the optical element can be reduced, and the oblique projection optical system can be realized. The whole can be reduced in size and cost. By satisfying the conditional expressions (1) and (3), the optical performance can be improved by effectively suppressing the influence of the temperature change and the eccentric error sensitivity. Further, if at least one of the first and second reflecting optical surfaces counted from the light valve side among the reflecting optical surfaces having optical power is constituted by an eccentric rotationally symmetric optical surface, the optical image surface property is improved. While maintaining this, the degree of freedom of the surface shape with high error sensitivity can be reduced to achieve cost reduction.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an XY cross-sectional view illustrating a projection optical configuration and a projection optical path according to a first embodiment (Example 1).
FIG. 2 is an XZ sectional view showing a projection optical configuration and a projection optical path according to the first embodiment (Example 1).
FIG. 3 is an enlarged view of a main part of FIG. 1;
FIG. 4 is an XY cross-sectional view showing a projection optical configuration and a projection optical path according to a second embodiment (Example 2).
FIG. 5 is an XZ sectional view showing a projection optical configuration and a projection optical path according to a second embodiment (Example 2).
FIG. 6 is an enlarged view of a main part of FIG. 4;
FIG. 7 is an XY cross-sectional view showing a projection optical configuration and a projection optical path according to a third embodiment (Example 3).
FIG. 8 is an XZ sectional view showing a projection optical configuration and a projection optical path according to a third embodiment (Example 3).
FIG. 9 is an enlarged view of a main part of FIG. 7;
FIG. 10 is an XY sectional view showing a projection optical configuration and a projection optical path according to a fourth embodiment (Example 4).
FIG. 11 is an XZ sectional view showing a projection optical configuration and a projection optical path according to a fourth embodiment (Example 4).
FIG. 12 is an enlarged view of a main part of FIG. 10;
FIG. 13 is a perspective view showing the entire optical configuration of the image projection apparatus according to the present invention.
FIG. 14 is an enlarged view of a main part of FIG. 13;
FIG. 15 is a spot diagram of Example 1 (20 ° C.).
FIG. 16 is a spot diagram of Example 1 (50 ° C.).
FIG. 17 is a spot diagram of Example 2 (20 ° C.).
FIG. 18 is a spot diagram of Example 2 (50 ° C.).
FIG. 19 is a spot diagram of Example 3 (20 ° C.).
FIG. 20 is a spot diagram of Example 3 (50 ° C.).
FIG. 21 is a spot diagram of Example 4 (20 ° C.).
FIG. 22 is a spot diagram of Example 4 (50 ° C.).
FIG. 23 is a view showing coordinates on a light valve corresponding to an ideal projection position of each spot.
[Explanation of symbols]
M1 to M5... First to fifth mirrors (part of the oblique projection optical system)
GL: refractive lens (part of the oblique projection optical system)
S4... Fourth surface (refracting lens surface composed of a rotationally asymmetric free-form surface)
LV… Light valve
SC ... screen

Claims

An image projection apparatus comprising: a light valve that forms an image by modulating light intensity; and an oblique projection optical system that enlarges and projects an image formed by the light valve onto a screen in an oblique direction. ,
The oblique projection optical system has at least one reflective optical surface having optical power and at least one refractive lens surface, and at least one of the reflective optical surfaces is decentered from a rotationally symmetric optical surface. An image projection apparatus, wherein at least one of the refractive lens surfaces is a rotationally asymmetric free-form surface having at most one plane-symmetric symmetric surface.

2. The image projection apparatus according to claim 1, wherein an optical surface located closest to the light valve among optical surfaces having optical power is a reflection optical surface having positive power.

The reflective optical surface having the positive power is constituted by a mirror, and when the entire device or a part thereof expands or contracts due to a temperature change, the following conditional expression (1) is satisfied. An image projection device as described above;
| 2ΔL / ΔR | <10 (1)
However, a ray passing through the center of the screen of the light valve, the center of the entrance pupil, and the center of the screen of the screen is referred to as a “center principal ray”, and a point at which the center principal ray intersects the reflective optical surface having the positive power is referred to as a “first reflection center”. Points "
L: distance from the first reflection center point to the screen center of the light valve,
ΔL: amount of change in distance L due to temperature change,
R: radius of curvature of the reflecting optical surface having positive power near the first reflection center point;
ΔR: amount of change in radius of curvature R due to temperature change,
It is.

At least three reflecting optical surfaces having the optical power are provided, and at least one of the first and second reflecting optical surfaces counted from the light valve side is constituted by the decentered rotationally symmetric optical surface. The image projection device according to claim 1, 2, or 3.

5. The image projection apparatus according to claim 1, wherein the refracting lens surface composed of the free-form surface satisfies the following conditional expression (3):
10 <| 1 / (ρ · Lm) | (3)
However,
ρ: the curvature of the free-form surface constituting the refracting lens surface 光線 Here, when the light passing through the center of the screen of the light valve, the center of the entrance pupil and the center of the screen of the screen is referred to as the “center chief ray”, the central chief ray is the free-form surface In the vicinity of the point P intersecting with, the curvature ρ is defined on the cross section of the free-form surface by a plane including the surface normal vector of the free-form surface from the point P to an arbitrary point P ′ (including the case where 1 / ρ = ∞). ). ｝,
Lm: Maximum screen size of light valve,
It is.