JP2001264634A

JP2001264634A - リアプロジェクション光学系

Info

Publication number: JP2001264634A
Application number: JP2000081761A
Authority: JP
Inventors: Kenji Konno; 賢治金野; Satoshi Osawa; 聡大澤; Atsushi Ishihara; 淳石原
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2001-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】良好な光学性能を有しながらスクリーン面の
画面上下方向にコンパクトで薄型のリアプロジェクショ
ン光学系を提供する。【解決手段】パネル表示面(I1)の画像をスクリーン面
(I2)上に投影するリアプロジェクション光学系であっ
て、結像光学系(PT)は複数のレンズから成り、第１ミラ
ー(M1)は平面ミラー、第２ミラー(M2)は曲面ミラー、第
３ミラー(M3)はスクリーン面(I2)に対してほぼ平行に対
向する平面ミラーである。パネル表示面(I1)の画面中心
から絞りの中心を通りスクリーン面(I2)の画面中心に到
達する光線を画面中心光線とするとき、スクリーン面(I
2)に入射する画面中心光線とスクリーン面(I2)の法線と
が成す平面に対して、第１ミラー(M1)に入射する画面中
心光線が平行でない光学配置をとる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はリアプロジェクショ
ン光学系に関するものであり、更に詳しくは、曲面ミラ
ーを有するリアプロジェクション光学系に関するもので
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、図２７(A)に示
すように、投影光学系(PS)からの射出光の光路をスクリ
ーン面(I2)の後方に位置する平面ミラー(MR)で折り返す
構成になっている(PS'は光路を折り返さない場合の投影
光学系の光学配置を示している。)。用いられる投影光
学系(PS)は共軸系であるため、スクリーン面(I2)の画面
中心に入射する主光線はスクリーン面(I2)に対してほぼ
垂直でなければならない。このため、リアプロジェクシ
ョン光学系の厚み(DL)を減らそうとすれば、より広角の
投影光学系(PS)が必要になる。しかし、投影光学系(PS)
を広角化しても、斜めに配置された平面ミラー(MR)によ
ってリアプロジェクション光学系の薄型化は制限されて
しまう。

【０００３】図２７(B)に示すように、平面ミラー(MR)
をスクリーン面(I2)に近づければ、リアプロジェクショ
ン光学系をある程度まで薄くすることは可能である。し
かし、画角が一定以上に広くなると、折り返しの光路の
中に投影光学系(PS)が入ってしまうため、広角化にも限
度がある。また、平面ミラー(MR)をスクリーン面(I2)に
近づけると、平面ミラー(MR)が大きくなるため、平面ミ
ラー(MR)の重量増大やコストアップを招くことにもな
る。

【０００４】図２７(C)に示すように、画像をスクリー
ン面(I2)上に斜め投影する投影光学系(PS)を用いれば、
スクリーン面(I2)に対してほぼ平行に平面ミラー(MR)を
配置することができる。これによりリアプロジェクショ
ン光学系の薄型化が可能になるが、それと同時に主光線
の斜め投影角度を非常に大きくしなければならなくな
る。透過型の共軸系から成る投影光学系(PS)の一部を使
用して斜め投影を行う場合、斜め投影角度を大きくする
には非常に広角な投影光学系(PS)が必要になる。良好な
光学性能を保持しつつ投影光学系(PS)を広角化しようと
すれば、レンズ枚数が多く必要になりレンズ径も非常に
大きくなるので、光学系全体が大型化してしまう。

【０００５】上述したような問題点を解決して薄型化を
図るために、特徴のある様々なリアプロジェクション光
学系が提案されている。例えば、ＷＯ９７／０１７８７
に記載のリアプロジェクション光学系は、反射型の投影
光学系で画像をスクリーン面上に斜め投影する方式を採
用している。また、特許第２９３２６０９号公報や特開
平５−１６５０９５号公報に記載のリアプロジェクショ
ン光学系は、投影光学系からスクリーン面までの光路を
３枚又は４枚の平面ミラーで３次元的に折り曲げる方式
を採用している。

【０００６】

【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、ＷＯ９７／０１７８７に記載されている光学構成
では、光路が何度も折り返された結果、スクリーン面の
下側で投影光学系が大きなスペースを占めている。この
ため、スクリーン面の下側(いわゆるアゴ下)のサイズ(U
L，図２７参照。)が非常に長くなっている。したがっ
て、このリアプロジェクション光学系は、薄型ではあっ
てもコンパクトとは言えない。

【０００７】また、特許第２９３２６０９号公報や特開
平５−１６５０９５号公報に記載されている光学構成で
は、スクリーン面の上方と下方の両方にミラー等の光学
部材が配置されている。このため、リアプロジェクショ
ン光学系はスクリーン面の画面上下方向に長くなってい
る。したがって、このリアプロジェクション光学系も、
薄型ではあってもコンパクトとは言えない。また、大き
な平面ミラーを複数枚必要とするので、リアプロジェク
ション光学系の重量増大やコストアップを招くことにも
なる。

【０００８】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、良好な光学性能を有しながらスクリーン
面の画面上下方向にコンパクトで薄型のリアプロジェク
ション光学系を提供することを目的とする。

【０００９】

【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の発明のリアプロジェクション光学系は、パネ
ル表示面の画像をスクリーン面上に投影するリアプロジ
ェクション光学系であって、前記パネル表示面から前記
スクリーン面への光路順に、少なくとも１つの透過型光
学素子を含む結像光学系と、平面ミラーと、曲面ミラー
と、スクリーン面に対してほぼ平行に対向する対向ミラ
ーと、を備え、前記パネル表示面の画面中心から絞りの
中心を通り前記スクリーン面の画面中心に到達する光線
を画面中心光線とするとき、スクリーン面に入射する画
面中心光線とスクリーン面の法線とが成す平面に対し
て、前記平面ミラーに入射する画面中心光線が平行でな
いことを特徴とする。

【００１０】第２の発明のリアプロジェクション光学系
は、パネル表示面の画像をスクリーン面上に投影するリ
アプロジェクション光学系であって、少なくとも１つの
透過型光学素子から成る透過型の結像光学系と、曲面ミ
ラーと、前記結像光学系と前記曲面ミラーとの間で光路
を折り曲げる平面ミラーと、を備え、前記パネル表示面
の画面中心から絞りの中心を通り前記スクリーン面の画
面中心に到達する光線を画面中心光線とするとき、スク
リーン面に入射する画面中心光線とスクリーン面の法線
とが成す平面に対して、前記平面ミラーに入射する画面
中心光線が平行でないことを特徴とする。

【００１１】第３の発明のリアプロジェクション光学系
は、上記第１又は第２の発明の構成において、前記結像
光学系が正のパワーを有し、前記曲面ミラーが負のパワ
ーを有することを特徴とする。

【００１２】第４の発明のリアプロジェクション光学系
は、上記第３の発明の構成において、さらに以下の条件
式(1)を満足することを特徴とする。 0.2＜d1／H＜1.0 …(1) ただし、 d1：結像光学系の最終面から曲面ミラーまでの画面中心
光線の光路長、 H：スクリーン面に入射する画面中心光線とスクリーン
面の法線とが成す平面に対して平行方向のスクリーン面
の大きさ、である。

【００１３】第５の発明のリアプロジェクション光学系
は、上記第１〜第４のいずれか一つの発明の構成におい
て、前記結像光学系及び前記曲面ミラーを含むとともに
光学的なパワーを有する全ての部材から成る光学系を投
影光学系とするとき、さらに以下の条件式(2)〜(4)を満
足することを特徴とする。 20＜θ＜65 …(2) 0.5＜dL／Fx＜2.5 …(3) 0.5＜dL／Fy＜2.5 …(4) ただし、 θ：スクリーン面に対する画面中心光線の入射角度
(°)、 dL：パネル表示面の画面対角線の長さ、 Fx：投影光学系のx方向の焦点距離、 Fy：投影光学系のy方向の焦点距離、 Fx＝Δ／sinθx Fy＝Δ／sinθy であり、ここで、投影光学系の第１面に入射する画面中
心光線の進む方向をz軸の方向とし、投影光学系の第１
面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平
面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸
及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左
手系の直交座標系(x,y,z)において、投影光学系に画面
中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平
行シフトした光線を入射させ、その光線が投影光学系の
最終面から射出されるときに画面中心光線と成す角度を
θx，θyとする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施したリアプロ
ジェクション光学系を、図面を参照しつつ説明する。図
１，図６，図１１，図１６及び図２１に、第１〜第５の
実施の形態におけるパネル表示面(I1)からスクリーン面
(I2)までの投影光路全体を示す。各実施の形態では、第
１ミラー(M1)での光路の折り曲げによって各光学要素の
配置が３次元的になっているため、すべての光学要素及
び光路を的確に表現するのは困難である。そこで、図
２，図７，図１２，図１７及び図２２に、第１ミラー(M
1)がない場合の各実施の形態におけるパネル表示面(I1)
からスクリーン面(I2)までの投影光路全体を断面的に示
す。また、図３，図８，図１３，図１８及び図２３に、
第１〜第５の実施の形態を構成している結像光学系(PT)
及びプリズム(PR)を拡大して示す。なお、各実施の形態
のリアプロジェクション光学系の上下配置は、各光路図
に示されているものに限らず、上下反対でもよい。つま
り、実際の配置の都合に合わせて各光路図における上側
を下側としてもなんら問題はない。

【００１５】本発明に係る各実施の形態は、背面投写型
画像投影装置(リアプロジェクター)用のリアプロジェク
ション光学系であり、表示パネルの画像表示面を縮小側
のパネル表示面(I1)として、そのパネル表示面(I1)の２
次元画像をスクリーン面(I2)上に拡大投影する構成にな
っている。表示パネルとしては、例えば、反射型液晶パ
ネル，透過型液晶パネル，ＤＭＤ(Digital Micromirror
Device)等の表示素子が用いられる。そしてパネル表示
面(I1)は、ランプ(不図示)から発せられたのち照明光学
系(不図示)を通過した照明光によって照明される。

【００１６】投影画像をカラー化する場合には、３枚の
表示パネルを用いてクロスダイクロイックプリズム等の
色合成プリズムで色合成する３板式の構成を採用すれば
よい。例えば、照明光学系で照明光をＲＧＢの３つに分
割し、３枚の表示パネルに入射させた後、パネル表示面
(I1)近傍のクロスダイクロイックプリズムで色合成する
構成にすればよい。そのとき、クロスダイクロイックプ
リズムを色分解と色合成とに兼用してもよい。また、時
分割に画像を表示する単板式の構成や表示パネル上にマ
イクロレンズアレイを用いた単板式の構成を採用するこ
とによっても、投影画像のカラー化は可能である。表示
パネルが反射型の場合には、光束分離プリズム{例えば
偏光ビームスプリッター(ＰＢＳ)，ＴＩＲ(Total Inter
nal Reflection)プリズム等}を用いて入射光線と反射光
線とを分離する構成にしてもよい。また、リアプロジェ
クション光学系をパネル表示面(I1)側にテレセントリッ
クな光学系とするために、コンデンサーレンズをパネル
表示面(I1)近傍に配置してもよい。

【００１７】各実施の形態のリアプロジェクション光学
系は、パネル表示面(I1)からスクリーン面(I2)への光路
順に、前記クロスダイクロイックプリズムや光束分離プ
リズム等に相当するプリズム(PR)と、複数枚のレンズを
含み正のパワーを有する透過型の結像光学系(PT)と、第
１〜第３ミラー(M1〜M3)と、で構成されている。第１，
第３ミラー(M1,M3)は平面ミラーであり、第２ミラー(M
2)は負のパワーを有する曲面ミラーである。第１，第４
の実施の形態に用いられている第２ミラー(M2)の反射面
は自由曲面(XYP)であり、第２の実施の形態に用いられ
ている第２ミラー(M2)の反射面はアナモルフィック非球
面(AAS)であり、第３，第５の実施の形態に用いられて
いる第２ミラー(M2)の反射面は軸対称非球面(ASP)であ
る。

【００１８】なお、上記自由曲面(XYP)とは、大きく偏
心した非球面を含むとともに回転対称軸を有効領域の中
心近傍に持たないような面であり、球面ではなくて非球
面的なうねり(自由度)を有する面である。自由曲面形状
の非球面的なうねりを利用して反射面の曲率を３次元的
に制御すれば、反射面の場所毎に設定した面の傾きによ
って、斜め投影による非軸対称な収差(歪曲等)を容易に
補正することができる。

【００１９】前記照明によりパネル表示面(I1)から射出
した投影光は、プリズム(PR)と結像光学系(PT)を透過し
た後、第１ミラー(M1)の平面反射面で反射され、第２ミ
ラー(M2)の曲面反射面で反射される。そして、第３ミラ
ー(M3)の平面反射面で反射された後、スクリーン面(I2)
に到達して投影画像を構成する。各実施の形態において
光学的なパワーを有する部材は結像光学系(PT)と第２ミ
ラー(M2)であり、全体で正のパワーを有している。した
がって、結像光学系(PT)と第２ミラー(M2)がパネル表示
面(I1)の画像をスクリーン面(I2)上に投影する投影光学
系として機能することになる。

【００２０】第１，第３ミラー(M1,M3)は共に平面ミラ
ーであるが、互いに異なった方向に光路を折り曲げる向
きに配置されている。つまり、第３ミラー(M3)がスクリ
ーン面(I2)に対してほぼ平行に対向するように配置され
ているのに対し、第１ミラー(M1)はパネル表示面(I1)側
の光路をスクリーン面(M2)の横方向(長辺方向)に折り曲
げるように配置されている。図２，図７，図１２，図１
７及び図２２から分かるように、第１ミラー(M1)がない
場合には光路がスクリーン面(I2)の後方に突出してしま
い、リアプロジェクション光学系は厚くなる。リアプロ
ジェクション光学系を薄くするには光路を折り返せばよ
いが、折り返された光路がスクリーン面(I2)の下方に配
置されるとアゴ下が長くなってしまう。そこで各実施の
形態では、上述したように第１ミラー(M1)で光路を３次
元的に折り曲げている。光路を３次元的に折り曲げれ
ば、アゴ下を長くしなくてもリアプロジェクション光学
系を薄くすることが可能である。以下にこの特徴を詳し
く説明する。

【００２１】各実施の形態のように画像をスクリーン面
(I2)上に斜め投影する、いわゆる斜め投影光学系として
は、以下の４つのタイプ〜が考えられる。共軸光学系の一部を使用する透過型光学系。非軸対称な透過型光学系。反射型光学系。反射型と透過型とを組み合わせた非軸対称な光学系。

【００２２】のタイプでは、リアプロジェクション光
学系の薄型化を達成しようとすると、非常に大きな斜め
投影角度が必要になる。各実施の形態のように斜め投影
角度を大きくしようとすれば、もともとの共軸光学系に
非常に広い画角が要求される。広角レンズで良好な性能
を達成しようとすると、一般的にレンズ枚数が多くなっ
てしまうためコスト高となる。のタイプでは、光学性
能が良好で斜め投影角度の大きなものは現在知られてい
ない。また非軸対称な光学系には、偏芯したレンズや自
由曲面レンズ等が用いられるため、レンズを製造・保持
する方法が困難であったり、レンズやレンズ保持部材が
複雑化してしまうためコスト高になったりする。

【００２３】のタイプでは、反射型光学素子が用いら
れるため、光学系全長を実質的に大きくすることが可能
であり、色収差の発生もない。したがって、光学性能的
には有利である。しかし、光線を分離するために光路を
何度も折り返さなければならないので、光路の折り返し
に伴ってリアプロジェクション光学系が特定方向に大き
くなってしまう。例えば前述したＷＯ９７／０１７８７
記載の光学構成では、リアプロジェクション光学系の薄
型化は達成されているが、アゴ下のサイズが非常に長く
なっている。このようにアゴ下が長くなってしまうの
は、折り返した光路をスクリーン面の下側に向けて配置
しているからである。

【００２４】のタイプでは、各光学要素をうまく配置
すれば、反射型光学素子と透過型光学素子を用いるメリ
ットを活かすことができる。つまり、反射型光学素子を
用いることにより実質的な光学系全長を非常に大きくす
ることが可能となるため、良好な光学性能が達成しやす
くなる。さらに、複数枚の反射型光学素子の代わりに透
過型光学素子を用いることにより、光路の折り返しに伴
ってリアプロジェクション光学系が特定方向に大きくな
ってしまうという問題点を解消して、スペース効率を向
上させることができる。のタイプにおいて、３次元的
な光路の折り曲げにより各光学要素の配置を３次元的に
すれば、アゴ下を長くすることなくリアプロジェクショ
ン光学系を薄くすることが可能である。そのためには、
パネル表示面(I1)からスクリーン面(I2)への光路順に、
少なくとも１つの透過型光学素子を含む光学系と、光路
を３次元的に折り曲げる平面ミラーと、曲面ミラーと、
を備えることが望ましく、さらにスクリーン面(I2)に対
してほぼ平行に対向する対向ミラーを備えることが望ま
しい。

【００２５】上記少なくとも１つの透過型光学素子を含
む光学系は各実施の形態における結像光学系(PT)に相当
し、光路を３次元的に折り曲げる平面ミラーは各実施の
形態における第１ミラー(M1)に相当する。また、上記曲
面ミラーは各実施の形態における第２ミラー(M2)に相当
し、上記対向ミラーは各実施の形態における第３ミラー
(M3)に相当する。結像光学系(PT)に相当する光学系は、
各実施の形態のようにレンズ等の透過型光学素子のみか
ら成っていてもよく、透過型光学素子以外にミラー等の
反射型光学素子を含んでいてもよい。透過型光学素子の
みから成る場合には、そこでの光路の折り返しがないこ
とによるスペース効率の向上を、上記曲面ミラー(M2)と
の間での上記平面ミラー(M1)による光路の折り曲げによ
って、反射型光学素子を用いることによるメリットとう
まく融合させることが可能になる。

【００２６】第１ミラー(M1)に相当する前記平面ミラー
で光路を３次元的に折り曲げるには、パネル表示面(I1)
の画面中心から絞り(ST)の中心を通りスクリーン面(I2)
の画面中心に到達する光線を「画面中心光線」とすると
き、スクリーン面(I2)に入射する画面中心光線とスクリ
ーン面(I2)の法線とが成す平面に対して、前記平面ミラ
ー(M1)に入射する画面中心光線が平行でなければよい。
各実施の形態のように、スクリーン面(I2)に入射する画
面中心光線とスクリーン面(I2)の法線とが成す平面に対
して、第１ミラー(M1)に入射する画面中心光線が平行で
なければ、その３次元的な光路の折り曲げにより各光学
要素の配置が３次元的になる。これにより、リアプロジ
ェクション光学系の薄型化とともに、スクリーン面(I2)
の画面上下方向のコンパクト化を達成することができ
る。しかも、投影光学系としての結像光学系(PT)と第２
ミラー(M2)との組み合わせによって良好な光学性能を実
現することができる。

【００２７】通常のリアプロジェクションＴＶのような
投影装置では、スクリーン面(I2)のサイズは上下方向
(縦方向)よりも左右方向(横方向)の方が大きい。このよ
うな横長のスクリーン面(I2)に対する光学構成におい
て、折り返しによる光路配置を上下方向(短辺方向)のみ
に沿って行えば、左右方向(長辺方向)のスペースを有効
に活用していないことになる。したがって各実施の形態
のように、パネル表示面(I1)側の光路をスクリーン面(M
2)の横方向(長辺方向)に折り曲げる構成にすれば、スペ
ースの有効活用によりリアプロジェクション光学系のコ
ンパクト化を達成することができる。しかし、タイプ
のように反射型光学素子のみから成る反射型光学系(例
えばＷＯ９７／０１７８７)では、仮に平面ミラーで光
路を横方向に折り曲げたとしても、アゴ下の突出を抑え
ることはできない。反射型と透過型とを組み合わせたタ
イプの光学系に、上記光路の折り曲げを適用して初め
てそのメリット(光学性能上の有利性とコンパクト性)を
活かすことができるのである。

【００２８】また各実施の形態では、第１ミラー(M1)に
入射する画面中心光線と第１ミラー(M1)で反射する画面
中心光線とが90°を成しているが、第１ミラー(M1)によ
る光路の折り曲げはこれに限らない。リアプロジェクシ
ョン光学系の厚みや他の光学要素との位置関係等に応じ
て好ましい光路配置となるようにすればよい。実際の光
路配置を考えた場合、以下の条件式(0)を満足するよう
にα=90±20°の角度範囲で光路を折り曲げることが望
ましく、また、スクリーン面(I2)に入射する画面中心光
線とスクリーン面(I2)の法線とが成す平面に対して、平
面ミラー(M1)に入射する画面中心光線が成す角度もこれ
と同様である。 70＜α＜110 …(0) ただし、 α：第１ミラー(M1：平面ミラー)に入射する画面中心光
線と第１ミラー(M1)で反射する画面中心光線とが成す角
度(°)、である。

【００２９】第１〜第３の実施の形態を構成している結
像光学系(PT)は、いわゆる共軸系であって、結像光学系
(PT)を構成している光学要素はすべて共通の軸を有して
いる。結像光学系(PT)を共軸系にすれば、レンズ保持部
材(玉枠等)の構成が容易になる。また、フォーカシング
やズーミングにおける玉枠の動きが直線的になるので、
フォーカシングやズーミングに関連する構成も容易にな
る。なかでも第３の実施の形態は、第２ミラー(M2：曲
面ミラー)も含めて投影光学系全体が共軸系になってい
る。このような構成にすると、収差等の扱いが通常の光
学系の設計と同様に行えるので設計し易くなる。一方、
第４，第５の実施の形態のように、結像光学系(PT)をい
くつかのレンズブロックに分割して、それぞれが偏芯し
た構成にすれば、玉枠の構成は複雑になるが、光学性能
を向上させることができる。

【００３０】各実施の形態において、リアプロジェクシ
ョン光学系のフォーカシングは、結像光学系(PT)中の１
つのレンズ群をその軸方向に沿って移動させることによ
り行われる。また、リアプロジェクション光学系のズー
ミングは、結像光学系(PT)中の少なくとも２つのレンズ
群をその軸方向に沿って移動させることにより行われ
る。ズーミングの際には縦方向(短辺方向)に像がずれる
ので、表示パネル又は投影光学系全体をその分だけ移動
させて補正する構成にするのが好ましい。

【００３１】各実施の形態では、スクリーン面(I2)の画
面中心を縦に通る面に関してリアプロジェクション光学
系全体が光学的な面対称になっており、その対称面が図
２，図７，図１２，図１７及び図２２に示す光学断面に
相当する。第１ミラー(M1)での３次元的な光路の折り曲
げにより、リアプロジェクション光学系は構造的に非対
称になる。しかし、第１ミラー(M1)は光学的なパワーの
ない平面ミラーであるため、リアプロジェクション光学
系の光学的な対称性が崩れることにはならない。このよ
うに光学的に面対称な光学構成にすると、光学部品の作
り込みが行い易い上に、画面の左右で照度ムラや歪曲の
差が発生するのを抑えることができる。

【００３２】透過型光学素子のみで非常に広角の光学系
を実現することは難しいが、各実施の形態のように第２
ミラー(M2)が負のパワーを有し、結像光学系(PT)が正の
パワーを有する構成にすれば、非常に広角のリアプロジ
ェクション光学系を実現することができる。このパワー
配置は、一般的な広角レンズに採用されているレトロフ
ォーカスタイプである。このレトロフォーカスタイプの
パワー構成において、さらに以下の条件式(1)を満足す
ることが望ましい。

【００３３】0.2＜d1／H＜1.0 …(1) ただし、 d1：結像光学系(PT)の最終面から第２ミラー(M2：曲面
ミラー)までの画面中心光線の光路長、 H：スクリーン面(I2)に入射する画面中心光線とスクリ
ーン面(I2)の法線とが成す平面に対して平行方向のスク
リーン面(I2)の大きさ(各実施の形態では短辺長さに相
当する。)、である。

【００３４】条件式(1)は、レトロフォーカスタイプを
構成する負・正のブロック間隔を規定している。条件式
(1)の下限を超えると、負と正のパワーが近くなるの
で、お互いのパワーを強くしないと広角なレンズを実現
することができない。パワーを強くすると大きな収差が
発生するので、良好な光学性能を得ることが困難にな
る。条件式(1)の上限を超えると、光学性能は良好であ
ってもコンパクト性は失われてしまう。また、条件式
(1)の下限を0.4、上限を0.8にして、それらの条件を満
たすようにするのが好ましく、それによって更にコンパ
クトで良好な光学性能を有するプロジェクション光学系
を実現することができる。

【００３５】また、各実施の形態において光学的なパワ
ーを有する部材は全て結像光学系(PT)及び第２ミラー(M
2)に含まれているが、このような光学的なパワーを有す
る全ての部材から成る光学系を投影光学系とするとき、
以下の条件式(2)〜(4)を満足することが望ましい。 20＜θ＜65 …(2) 0.5＜dL／Fx＜2.5 …(3) 0.5＜dL／Fy＜2.5 …(4) ただし、 θ：スクリーン面(I2)に対する画面中心光線の入射角度
(°)、 dL：パネル表示面(I1)の画面対角線の長さ、 Fx：投影光学系のx方向の焦点距離、 Fy：投影光学系のy方向の焦点距離、 Fx＝Δ／sinθx Fy＝Δ／sinθy であり、ここで、投影光学系の第１面に入射する画面中
心光線の進む方向をz軸の方向とし、投影光学系の第１
面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平
面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸
及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左
手系の直交座標系(x,y,z)において、投影光学系に画面
中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平
行シフトした光線を入射させ、その光線が投影光学系の
最終面から射出されるときに画面中心光線と成す角度を
θx，θyとする。

【００３６】条件式(2)は、いわゆる斜め投影角度を規
定している。条件式(2)の上限を超えると、斜め投影角
度が大きくなりすぎるために、非常に広角のレンズが必
要となり、良好な光学性能を達成するのが困難になる。
また、スクリーン面(I2)に対する入射角度が大きくなり
すぎるため、スクリーン面(I2)の表面反射による光のロ
スが大きくなる。逆に、条件式(2)の下限を超えると、
斜め投影の度合いが小さくなる。つまり共軸系の投影に
近づくことから、斜め投影による薄型化が困難になる。
更に良好な光学性能を有し薄型でコンパクトなリアプロ
ジェクション光学系を実現するためには、条件式(2)の
下限を30、上限を50にして、それらの条件を満たすよう
にするのが好ましい。

【００３７】条件式(3),(4)は、投影光学系の焦点距離
とパネル表示面(I1)の画面対角線の長さとの比を規定し
ており、これらの比が投影画角を表している。つまり、
比の値が大きいと画角が広く、小さいと画角が狭いこと
になる。条件式(3),(4)を満たすことにより、リアプロ
ジェクション光学系の薄型化に必要な斜め投影を広い画
角で実現することができる。条件式(3),(4)の上限を超
えると、非常に広角なレンズを達成することと同等にな
るので収差補正が困難になり、良好な光学性能を得るの
が困難になる。条件式(3),(4)の下限を超えると、画角
が狭くなりすぎるので斜め投影角度を大きくとることが
できず、リアプロジェクション光学系の薄型化が困難に
なる。更に良好な光学性能を有し薄型でコンパクトなリ
アプロジェクション光学系を実現するためには、条件式
(3),(4)の下限を0.70、上限を1.70にして、それらの条
件を満たすようにするのが好ましい。

【００３８】アゴ下のサイズに関しては、以下の条件式
(5)を満足することが望ましい。 0.2＜UL／H＜0.6 …(5) ただし、 UL：アゴ下の長さ、である。

【００３９】各実施の形態のように斜め投影光学系を用
いた場合には、そのリアプロジェクション光学系に適し
たスクリーンを用いることが望ましい。通常、リアプロ
ジェクションＴＶ等には、入射側からフレネルレンズ，
レンチキュラー，ブラックマトリックスの順に配置され
たスクリーンが用いられる。斜め投影の場合にはスクリ
ーン面(I2)の画面中心に角度のついた光線が入射するの
で、図２６に示すように投影光の入射側に平面部(FA)を
有する偏心したフレネルレンズ(FL)を用いるか{図中、
フレネルレンズ(FL)以外は省略。}、あるいは全反射プ
リズムアレイと通常のフレネルレンズとを組み合わせた
構成のスクリーンを用いるのが望ましい。図２６に示す
配置とは逆に、投影光の入射側にフレネル部(FB)が位置
すると、ケラレが発生することになる。

【００４０】図２６に示す方式では、フレネルのピッチ
ごとに光線が途切れたように見えてしまうので、その影
響を小さくするために、スクリーン面(I2)上に表示され
る画素の大きさよりもフレネルのピッチを十分に細かく
することが望ましい。具体的には、[フレネルのピッチ]
／[スクリーンの画素]＜0.5の条件を満たすことが望ま
しく、[フレネルのピッチ]／[スクリーンの画素]＜0.3
の条件を満たすことが更に望ましい。例えば、50インチ
(対角)程度のスクリーン面(I2)にＸＧＡ(extended grap
hics array)相当の画面を表示させる場合には、画素の
大きさが約1mmになるので、フレネルのピッチが約0.2mm
のスクリーンを用いれば上記問題を解消することができ
る。

【００４１】各実施の形態において第２ミラー(M2)とし
て用いられている曲面ミラーの基板材料としては、プラ
スチック{ＰＭＭＡ(polymethyl methacrylate)，ＰＣ(p
olycarbonate)，ポリオレフィン系樹脂等}が好ましく、
そのプラスチック基板にアルミニウムや銀を蒸着するこ
とにより増反射コートを施したものを用いることが好ま
しい。通常の反射ミラーはフロートガラス上に反射コー
トが施されたものであるが、フロートガラスは面精度が
悪いため、光学的なパワーを有する曲面ミラーには適し
ていない。したがって、曲面ミラーの基板材料として
は、ガラスモールドやプラスチックモールドといった、
高精度のものを用いることが望ましい。なかでもプラス
チックモールドは、材料のコスト等からみてもガラスモ
ールドと比較して低コストであるため好適である。

【００４２】各実施の形態のように複数の反射ミラーで
光路を折り曲げる光学構成では、光路の折り曲げ方向に
光線が重ならないようにする必要がある。しかし、折り
曲げの余裕を多くとるのは光学性能上好ましくない。折
り曲げによる非軸度合いが大きくなるからである。折り
曲げる方向の光の幅を小さくすれば、良好な光学性能を
達成することが可能である。折り曲げる方向の光の幅を
小さくするには、絞り(ST)形状を楕円形にするのが望ま
しい。つまり、折り曲げる方向の絞り径を小さくし、そ
れと直交する方向の絞り径を大きくすればよい。このよ
うな楕円絞りを用いれば、絞り(ST)全体の面積(つまり
明るさ)を変えずに、良好な光学性能を有する(つまり折
り曲げによる非軸度合いが小さい)リアプロジェクショ
ン光学系を達成することができる。

【００４３】液晶パネルのように入射角度によって特性
に違いがある表示パネルを用いる場合には、前述の投影
光学系をパネル表示面(I1)側にテレセントリックにする
ことが望ましい。しかし、光学性能を向上させるにはテ
レセントリックな状態からずらした方が良い。そこで、
非テレセントリック光学系においてパネル表示面(I1)の
前にコンデンサーレンズを配置することで、パネル表示
面(I1)に対してはテレセントリックになるようにしても
よい。また、反射型の表示パネルを用いるとともにＰＢ
Ｓ無しに光束分離を行う場合、入射光線と反射光線とを
角度分離するために、折り返し方向のＦナンバーで決ま
る角度以上に入射光線をパネル表示面(I1)に対して傾け
る必要がある。そのときには、いわゆる斜めテレセント
リック{パネル表示面(I1)の全領域に対してほぼ同じ入
射角度で斜めに入射する}の構成にするのが好ましい。
斜めテレセントリックにすれば、上述した液晶の角度特
性に違いは生じない。また、斜めテレセントリックを達
成するために、パネル表示面(I1)の前に(必要に応じて
偏心させた)コンデンサーレンズを配置してもよい。

【００４４】

【実施例】以下、本発明を実施したリアプロジェクショ
ン光学系の構成を、コンストラクションデータ，スポッ
トダイアグラム等を挙げて、更に具体的に説明する。こ
こで例として挙げる実施例１〜５は、前述した第１〜第
５の実施の形態にそれぞれ対応しており、各実施の形態
を表す図(図１〜図３，図６〜図８，図１１〜図１３，
図１６〜図１８，図２１〜図２３)は、対応する各実施
例の光学構成等をそれぞれ示している。

【００４５】表１，表４，表７，表９及び表１２は、各
実施例におけるパネル表示面(I1)からスクリーン面(I2)
までのコンストラクションデータを縮小側から順に示す
と共に、パネル表示面(I1)の大きさ(mm)，スクリーン面
(I2)の大きさ(mm)及びＦナンバー(FNO)を、画面横(長
辺)方向と画面縦(短辺)方向とにそれぞれ対応させて示
している。各コンストラクションデータにおいて、si(i
=0,1,2,3,...)はパネル表示面(I1)から数えてi番目の面
であり、CRはその面(si)の曲率半径(mm)である。また、
Ｎd,νdは面(si)と面(si+1)との間に位置する媒質のｄ
線に対する屈折率,アッベ数をそれぞれ示している(AI
R：空気)。

【００４６】各面siのデータは、左手系の直交座標系
(X,Y,Z)に基づいて示されており、パネル表示面(I1；長
辺方向：X軸方向，短辺方向：Y軸方向)の中心位置を原
点(0,0,0)とする面頂点座標(mm)で、面siの位置(X座標,
Y座標,Z座標)を表しており、面頂点を中心とするX,Y,Z
の各方向の軸回りの回転角(°)で、パネル表示面(I1)を
基準とする面siの傾き(X回転,Y回転,Z回転)を表してい
る(回転の順序はX回転,Y回転,Z回転である。)。ただ
し、X回転ではY軸からZ軸への回転方向(X軸の正側に向
かって反時計回り)を正とし、Y回転ではZ軸からX軸への
回転方向(Y軸の正側に向かって反時計回り)を正とし、Z
回転ではY軸からX軸への回転方向(Z軸の正側に向かって
時計回り)を正とする。

【００４７】また曲率半径CRの欄において、ASPが記載
されている面siは軸対称非球面、AASが記載されている
面siはアナモルフィック非球面、XYPが記載されている
面siは自由曲面である。これらの面siの面頂点を原点と
するローカルな直交座標系(x,y,z)を考えた場合、軸対
称非球面の面形状は以下の式(ASP)で定義され、アナモ
ルフィック非球面の面形状は以下の式(AAS)で定義さ
れ、自由曲面の面形状は以下の式(XYP)で定義される。
この直交座標系(x,y,z)におけるx,y,z方向は直交座標系
(X,Y,Z)におけるX,Y,Z方向とそれぞれ一致している。し
たがって、以下の各式で規定される面形状は、各回転に
よって傾く前の面siの状態を表していることになる。表
２，表３；表５，表６；表８；表１０，表１１；表１３
に、各実施例における軸対称非球面データ，アナモルフ
ィック非球面データ及び自由曲面データを示す。また、
表１４に各実施例の条件式対応値及び関連データを示
す。

【００４８】 z＝(C・h²)／[1+√{1-C²・h²}]＋(A4・h⁴+A6・h⁶+A8・h⁸+A10・h¹⁰+A12・h¹²) …(A SP) z＝(Cx・x²+Cy・y²)／[1+√{1-(1+Kx)Cx²・x²-(1+Ky)Cy²・y²}]＋[Ar{(1-Ap)x²+ (1+Ap)y²}²+Br{(1-Bp)x²+(1+Bp)y²}³+Cr{(1-Cp)x²+(1+Cp)y²}⁴+Dr{(1-Dp)x²+(1+ Dp)y²}⁵] …(AAS)

【数１】

【００４９】ただし、 z：高さhの位置でのz軸方向の基準面からの変位量(sa
g)、 h：z軸に対して垂直な方向の高さ(h²=x²+y²)、 C：近軸曲率(曲率半径CRの逆数)、 Cx：x方向の近軸曲率(x方向の曲率半径CRxの逆数)、 Cy：y方向の近軸曲率(y方向の曲率半径CRyの逆数)、 A4,A6,A8,A10,A12：4次,6次,8次,10次,12次の非球面係
数、 K：コーニック定数、 Kx：x方向のコーニック定数、 Ky：y方向のコーニック定数、 C(m,n)：自由曲面係数、 Ar,Br,Cr,Dr：円錐からの4次,6次,8次,10次の変形係数
の回転対称成分、 Ap,Bp,Cp,Dp：円錐からの4次,6次,8次,10次の変形係数
の非回転対称成分、である。

【００５０】各実施例の光学性能をスポットダイアグラ
ム(図４，図９，図１４，図１９，図２４)と歪曲図(図
５，図１０，図１５，図２０，図２５)でそれぞれ示
す。スポットダイアグラムはスクリーン面(I2)での結像
特性(mm)をｄ線，ｇ線及びｃ線の３波長について示して
おり、歪曲図はパネル表示面(I1)での長方形状網目に対
応するスクリーン面(I2)での光線位置(mm)を示してい
る。歪曲図中、D1(実線)が実施例の歪曲格子であり、D0
(点線)がアナモ比を考慮した理想像点の格子(歪曲無し)
である。

【００５１】パネル表示面(I1)の画面長辺方向にx軸を
とり、パネル表示面(I1)の画面短辺方向にy軸をとった
場合、各物高(FIELD POSITION，mm)はパネル表示面(I1)
の画面中心を原点とするローカルな座標(x,y)で表され
る。また、スクリーン面(I2)の画面長辺方向にx'軸をと
り、スクリーン面(I2)の画面短辺方向にy'軸をとった場
合、各像高(mm)はスクリーン面(I2)の画面中心を原点と
するローカルな座標(x',y')で表される。したがって、
各歪曲図はx'-y'平面に対して垂直方向から見たスクリ
ーン面(I2)上での実際の像の歪曲状態(ただしx'の負側
のみ)を示していることになる。なお、スポットや歪曲
が画面の片側についてのみ表示されているのは、各実施
例が光学的に左右対称だからである。

【００５２】

【表１】

【００５３】

【表２】

【００５４】

【表３】

【００５５】

【表４】

【００５６】

【表５】

【００５７】

【表６】

【００５８】

【表７】

【００５９】

【表８】

【００６０】

【表９】

【００６１】

【表１０】

【００６２】

【表１１】

【００６３】

【表１２】

【００６４】

【表１３】

【００６５】

【表１４】

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、良
好な光学性能を有しながらスクリーン面の画面上下方向
にコンパクトで薄型のリアプロジェクション光学系を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態(実施例１)のリアプロジェク
ション光学系を示す斜視図。

【図２】第１の実施の形態(実施例１)において第１ミラ
ーがない場合の光路等を示す光学構成図。

【図３】第１の実施の形態(実施例１)を構成している投
影光学系等を示す光学構成図。

【図４】実施例１のスポットダイアグラム。

【図５】実施例１の歪曲図。

【図６】第２の実施の形態(実施例２)のリアプロジェク
ション光学系を示す斜視図。

【図７】第２の実施の形態(実施例２)において第１ミラ
ーがない場合の光路等を示す光学構成図。

【図８】第２の実施の形態(実施例２)を構成している投
影光学系等を示す光学構成図。

【図９】実施例２のスポットダイアグラム。

【図１０】実施例２の歪曲図。

【図１１】第３の実施の形態(実施例３)のリアプロジェ
クション光学系を示す斜視図。

【図１２】第３の実施の形態(実施例３)において第１ミ
ラーがない場合の光路等を示す光学構成図。

【図１３】第３の実施の形態(実施例３)を構成している
投影光学系等を示す光学構成図。

【図１４】実施例３のスポットダイアグラム。

【図１５】実施例３の歪曲図。

【図１６】第４の実施の形態(実施例４)のリアプロジェ
クション光学系を示す斜視図。

【図１７】第４の実施の形態(実施例４)において第１ミ
ラーがない場合の光路等を示す光学構成図。

【図１８】第４の実施の形態(実施例４)を構成している
投影光学系等を示す光学構成図。

【図１９】実施例４のスポットダイアグラム。

【図２０】実施例４の歪曲図。

【図２１】第５の実施の形態(実施例５)のリアプロジェ
クション光学系を示す斜視図。

【図２２】第５の実施の形態(実施例５)において第１ミ
ラーがない場合の光路等を示す光学構成図。

【図２３】第５の実施の形態(実施例５)を構成している
投影光学系等を示す光学構成図。

【図２４】実施例５のスポットダイアグラム。

【図２５】実施例５の歪曲図。

【図２６】各実施の形態に適したスクリーンの要部構成
及び光路を示す図。

【図２７】従来例の概略構成を示す模式図。

【符号の説明】

I1 …パネル表示面 I2 …スクリーン面 PT …結像光学系(投影光学系の一部) ST …絞り M1 …第１ミラー(平面ミラー) M2 …第２ミラー(曲面ミラー，投影光学系の一部) M3 …第３ミラー(対向ミラー)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｈ０４Ｎ 5/74 Ａ (72)発明者石原淳大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内Ｆターム(参考） 2H087 KA06 KA07 LA03 MA05 NA02 PA06 PA08 PA09 PA17 PA18 PB07 PB09 QA02 QA07 QA12 QA17 QA22 QA25 QA26 QA32 QA34 QA41 QA42 QA45 QA46 RA05 RA12 RA32 RA41 TA01 TA03 TA06 5C058 AA06 BA35 EA01 EA12 EA13 5G435 AA04 BB12 BB15 BB16 GG02 GG03 GG08 GG46 9A001 BB02 BB04 DD13 GG04 HH23 KK16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パネル表示面の画像をスクリーン面上に
投影するリアプロジェクション光学系であって、前記パネル表示面から前記スクリーン面への光路順に、
少なくとも１つの透過型光学素子を含む結像光学系と、
平面ミラーと、曲面ミラーと、スクリーン面に対してほ
ぼ平行に対向する対向ミラーと、を備え、前記パネル表示面の画面中心から絞りの中心を通り前記
スクリーン面の画面中心に到達する光線を画面中心光線
とするとき、スクリーン面に入射する画面中心光線とス
クリーン面の法線とが成す平面に対して、前記平面ミラ
ーに入射する画面中心光線が平行でないことを特徴とす
るリアプロジェクション光学系。
【請求項２】パネル表示面の画像をスクリーン面上に
投影するリアプロジェクション光学系であって、少なくとも１つの透過型光学素子から成る透過型の結像
光学系と、曲面ミラーと、前記結像光学系と前記曲面ミ
ラーとの間で光路を折り曲げる平面ミラーと、を備え、前記パネル表示面の画面中心から絞りの中心を通り前記
スクリーン面の画面中心に到達する光線を画面中心光線
とするとき、スクリーン面に入射する画面中心光線とス
クリーン面の法線とが成す平面に対して、前記平面ミラ
ーに入射する画面中心光線が平行でないことを特徴とす
るリアプロジェクション光学系。
【請求項３】前記結像光学系が正のパワーを有し、前
記曲面ミラーが負のパワーを有することを特徴とする請
求項１又は請求項２記載のリアプロジェクション光学
系。
【請求項４】さらに以下の条件式(1)を満足すること
を特徴とする請求項３記載のリアプロジェクション光学
系； 0.2＜d1／H＜1.0 …(1) ただし、 d1：結像光学系の最終面から曲面ミラーまでの画面中心
光線の光路長、 H：スクリーン面に入射する画面中心光線とスクリーン
面の法線とが成す平面に対して平行方向のスクリーン面
の大きさ、である。
【請求項５】前記結像光学系及び前記曲面ミラーを含
むとともに光学的なパワーを有する全ての部材から成る
光学系を投影光学系とするとき、さらに以下の条件式
(2)〜(4)を満足することを特徴とする請求項１〜４のい
ずれか１項に記載のリアプロジェクション光学系； 20＜θ＜65 …(2) 0.5＜dL／Fx＜2.5 …(3) 0.5＜dL／Fy＜2.5 …(4) ただし、 θ：スクリーン面に対する画面中心光線の入射角度
(°)、 dL：パネル表示面の画面対角線の長さ、 Fx：投影光学系のx方向の焦点距離、 Fy：投影光学系のy方向の焦点距離、 Fx＝Δ／sinθx Fy＝Δ／sinθy であり、ここで、投影光学系の第１面に入射する画面中
心光線の進む方向をz軸の方向とし、投影光学系の第１
面に入射する画面中心光線と入射法線とで決定される平
面(すなわち入射面)に垂直な方向をx軸の方向とし、z軸
及びx軸に直交する方向をy軸の方向とするローカルな左
手系の直交座標系(x,y,z)において、投影光学系に画面
中心光線からx軸，y軸の方向にそれぞれ微小量Δだけ平
行シフトした光線を入射させ、その光線が投影光学系の
最終面から射出されるときに画面中心光線と成す角度を
θx，θyとする。