JP2005010383A

JP2005010383A - 投影光学系の組み立て方法

Info

Publication number: JP2005010383A
Application number: JP2003173498A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Inamoto; 雅之稲本
Original assignee: Fuji Photo Optical Co Ltd
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【課題】投影光学系を順序よく組み立てて、設計上の性能が十分に引き出せるようにする。
【解決手段】投影光学系は、主鏡筒１５に保持された前群レンズと、副鏡筒１６，１７に保持された２つの後群レンズと、前群レンズと後群レンズの間に配置される合成プリズム４とから構成される。合成プリズム４をフレーム台に形成したフランジ面１９ｅを基準にして取付けた後、主鏡筒１５に形成したフランジ部１５ａとフランジ面１９ｅとを密着させて主鏡筒１５の固定位置を決定する。副鏡筒１７を嵌入穴１９ｃに仮付けした後、前群レンズと後群レンズを通してチャート像を投影させながら光軸を合わせる調整を行い、副鏡筒１７の固定位置を決定する。同様にして副鏡筒１６が嵌入穴１９ｂに固定される。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズの間に光束合成素子が設けられた投影光学系の組み立て方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
三板式プロジェクタに使用される光学系は、光源から出射される高輝度光を均一強度の白色照明光に変換する照明光学系と、白色照明光をＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の三原色に分解して各色ごとに設けられた三枚の画像表示素子に各色の光を入射させ、各画像表示素子から出射された三色の光を合成する三色分離・合成光学系と、色合成された光をスクリーンに向けて拡大投射する投影レンズとから構成されている。
【０００３】
三色分離・合成光学系は、ダイクロイックミラー，ダイクロイックプリズム，偏光ビームスプリッタ等を適宜組み合わせて構成され、透過型液晶プロジェクタでは、三色合成用にクロスダイクロイックプリズムが用いられる。反射型液晶プロジェクタでは、クロスダイクロイックプリズムを用いる代わりに、例えば特許文献１に記載されているように、三色分離・合成光学系を部品点数の少ない比較的簡単な構成にすることができる。
【０００４】
投影レンズや三色分離・合成光学系は、個々の部品の形状に高い精度が要求され、各部品の組み付けも高精度に行われる必要がある。このため、投影レンズや三色分離・合成光学系はユニット化され、各々の製造過程を独立させて品質管理を簡略化することが従来より行われている。そして、最終過程においてユニット単位で組み付けを行い、最終調整を行った後に出荷可能な状態となる。
【０００５】
近年では、精細かつ鮮明な投影能力を有するプロジェクタに対する要求が高まっており、高画素化と照明効率の向上を図ることのできる画像表示素子として、反射型の液晶表示素子が注目されている。反射型液晶表示素子は、その表示面が投影レンズの光軸と垂直になるように配置すると、照明光と投影光とを分けるための偏光ビームスプリッタと三色合成用プリズムとが使用されるため、投影レンズに長大なバックフォーカスが必要となり、投影レンズの設計に困難が生じる。このような難点を避けるため、ダイクロイックプリズム又は偏光ビームスプリッタを投影レンズの内部に配置する光学系が本出願人より提案されている（特願２００２−１８０１７７号）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−２９３３１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、色合成プリズムを挟んで投影レンズを分割配置する上述の光学系は、従来どおりに投影系全体を１つのユニットにして製造管理を一元化する場合、各光学素子が組み付けられるベース部品に必要とされる成形精度が極端に高くなり、製造効率が低下する問題が生じる。このため、上記光学系を前群・後群・プリズムの３ユニットに分割する方が製造効率の点から有利となるが、レンズ同士の光軸調整に加えてダイクロイック面の位置調整を行う必要があり、闇雲に調整作業を行ってしまうと調整精度の低下や調整作業の複雑化を招き、設計上の性能を満足させることができなくなる。
【０００８】
本発明は、上記問題点を考慮してなされたもので、調整工程ごとの基準の取り方を工夫することで、設計性能を容易に確保できる投影光学系の組み立て方法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、本発明は、互いに直交する少なくとも２つの入射光路の交わる位置に設けられ、各光路から入射する光束を合成する光束合成素子と、光束合成素子から出射された合成光束をスクリーンに向けて拡大投射する前群レンズと、前記入射光路上にそれぞれ設けられた複数の後群レンズとによって構成された投影光学系を組み立てる方法において、前記光束合成素子を保持するフレーム台を設けるとともに、このフレーム台に前群レンズを保持した主鏡筒と各後群レンズを保持した複数の副鏡筒とが取り付けられる取付け部をそれぞれ形成し、前群レンズ用の取付け部を基準にして前記光束合成素子をフレーム台に固定した後、前群レンズ用の取付け部又は光束合成素子を基準にして前記主鏡筒をフレーム台に固定し、その後に前記副鏡筒をフレーム台に仮付けし、前群レンズと後群レンズとの間の光軸を合わせる調整を行って副鏡筒の固定位置を決定し、固定位置が決定した副鏡筒を前記フレーム台に固定することを特徴とし、調整開始時にプリズムの位置決めを行った上でレンズの位置決めを行うものである。
【００１０】
請求項２に記載の組み立て方法は、前記主鏡筒及び副鏡筒には、前記取付け部の壁面と密着して取付けられるフランジ部を形成し、直方体形状に組み合わされた複数の直角プリズムによって構成される光束合成素子に対し、前記壁面とこれに対面するプリズム面との平行を維持した状態で各鏡筒をフレーム台上で位置決めすることを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１において、プロジェクタ光学系２は、前群レンズ３、合成プリズム４、後群レンズ５ａ，５ｂからなる投影光学系６と、ダイクロイックミラー７、偏光ビームスプリッタ８，９からなる分離合成光学系１０とを備えている。
【００１２】
前群レンズ３は、計１０枚程度の単レンズから構成されている。合成プリズム４は、２つの直角プリズムを各斜面で重ね合わせて直方体形状に構成され、一方のプリズムの斜面には青色光を反射する青色ダイクロイック面が設けられている。後群レンズ５ａ，５ｂは、合成プリズム４の隣接する２つの側面に対面して配置され、互いの光軸がプリズム内のダイクロイック面上で直交している。
【００１３】
ダイクロイックミラー７にはイエローダイクロイック面が形成されており、光源より出射された白色照明光を青色照明光とイエロー照明光とに色分離する。青色照明光は、ダイクロイックミラー７を透過した後、偏光板（図示なし）によって所定方向の偏光成分のみが取り出されて、偏光ビームスプリッタ８に入射する。偏光ビームスプリッタは青色照明光を反射して、反射型液晶表示素子５０Ｂに入射される。
【００１４】
イエロー照明光は、ダイクロイックミラー７を反射して入射方向に対して９０度曲げられ、偏光板（図示なし）を介して所定方向の偏光成分のみが取り出された後、特定波長に選択性を有する偏光変換素子（図示なし）により、赤色光成分の偏光方向のみが９０度回転されて偏光ビームスプリッタ９に入射する。偏光ビームスプリッタ９は、入射したイエロー照明光を偏光方向の違いによって色分離するもので、緑色光成分は反射され、赤色光成分が透過される。分離された赤色照明光は液晶表示素子５０Ｒに入射し、緑色照明光は液晶表示素子５０Ｇに入射する。
【００１５】
液晶表示素子５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒは、多数の液晶画素がマトリクス状に配列されて構成され、各色照明光を画素ごとに変調し、照明光に画像情報を付与する。３枚の液晶表示素子により、各色照明光が画像情報を有する投影光に変調され、これらが合成されてフルカラーの投影画像がスクリーン上に映し出される。各液晶表示素子は、長方形をした表示画面を有し、互いの表示画面の長辺が平行となる縦長姿勢で配置されている。
【００１６】
液晶表示素子５０Ｂから出射された青色投影光は、偏光ビームスプリッタ８を透過し、合成プリズム４に入射する。また、液晶表示素子５０Ｇから出射された緑色投影光は偏光ビームスプリッタ９の偏光反射面を透過し、液晶表示素子５０Ｒから出射された赤色投影光は偏光ビームスプリッタ９の偏光反射面で反射される。これにより赤色投影光と緑色投影光とが偏光ビームスプリッタ９の内部で合成され、赤緑二色の合成されたイエロー投影光が合成プリズム４に入射する。
【００１７】
合成プリズム４は、内部の青色ダイクロイック面により青色投影光を反射し、イエロー投影光は透過させる。これにより、青色投影光とイエロー投影光とが合成され、フルカラーの画像情報を有する投影光が前群レンズ３に入射する。前群レンズ３は、入射されたフルカラーの投影光を拡大投射して、スクリーン上で投影光を結像させる。
【００１８】
後群レンズ５ａ，５ｂは、青色光路とイエロー光路にそれぞれ配置されている。後群レンズ５ａ，５ｂはともにパワー構成が等しくなっている。
【００１９】
図２及び図３において、プロジェクタ光学系２は、各光学素子が機能ごとに一体化されたユニット部品として組み立てられる。主鏡筒１５は前群レンズ３を一体に保持しており、第１副鏡筒１６は後群レンズ５ａを保持し、第２副鏡筒１７は後群レンズ５ｂを保持している。フレーム台１８は、合成プリズム４が組み込まれる中央フレーム１８ａと、分離合成光学系１０が取り付けられる設置台１８ｂとが形成されている。中央フレーム１８ａは、上部が開口端とされた略立方体形状の枠体で、４つの側壁面のうちの３面に、各鏡筒が取り付けられる嵌入穴１９ａ〜１９ｃが設けられている。主鏡筒１５及び第１副鏡筒１６，第２副鏡筒１７は、それぞれの光軸に垂直な方向に突出形成されたフランジ部１５ａ，１６ａ，１７ａを備えている。フランジ部１５ａ〜１７ａは、嵌入穴１９ａ〜１９ｃに鏡筒の一部がそれぞれ入り込んだ状態で各側壁面と重ね合わされる。
【００２０】
中央フレーム１８ａは、各鏡筒のフランジ部１５ａ、１６ａ、１７ａがその側壁面上に取付けられた段階で、各レンズの光軸の水平度が保障される精度で形成されており、光軸のチルトずれが生じないようにされている。すなわち、中央フレーム１８ａに各鏡筒を取付けた後は、前群レンズ３に対して後群レンズ５ａ，５ｂの各光軸間のシフトずれを調整するだけでよい。また、レンズ全系で発生する倍率色収差が三色の画像合成に支障が生じる大きさになる場合、２つの副鏡筒のいずれか一方のフランジ部と中央フレーム１８ａとの間にスペーサーとなる平行平面板を挟み込むことにより、前群レンズ３と後群レンズ５ａ又は５ｂとの面間隔を調整して、倍率色収差を補正することもできる。
【００２１】
本実施例の場合、設計段階において青色光側で倍率色収差の補正を行うと調整が容易である。これは、一方の後群レンズが緑・赤色を受け持ち、他方の後群レンズが青色を受け持っているため、緑・赤に対して青を独立して調整できるためである。したがって、設計段階においては緑と赤の間の色消しを重視すればよく、製造段階において青色の残存倍率色収差を調整により補正，除去するという方法が採用できる。なお、設計段階のみで三色の倍率色収差を補正しようとすれば、特殊硝材の使用やレンズ枚数の増加によるコストアップを招くことになる。
【００２２】
次に、投影光学系６の組み立て手順について図４を用いて説明する。第１工程では、フレーム台１８に合成プリズム４を組み付ける。合成プリズム４は、フレーム台１８のフランジ面１９ｅと、フランジ面１９ｅに対面するプリズム側面との平行が保たれるように位置決め、固定される。このとき、中央フレーム１８ａの他の嵌入穴１９ｂ，１９ｃの中心が合成プリズム４のほぼ中心を捉えるように正確に固定される。
【００２３】
次に、第２工程では、フレーム台１８に主鏡筒１５を組み付ける。主鏡筒１５に形成されたフランジ部１５ａをフレーム台１８のフランジ面１９ｅに密着させて固定する。これにより前群レンズ３の光軸が合成プリズム４の側面に対して垂直になる。
【００２４】
合成プリズム４と主鏡筒１５がフレーム台１８に固定されると、第１副鏡筒１６，第２副鏡筒１７を組み付ける第３工程となる。第３工程では、調整後の光軸が前群レンズ３の光軸と一致する、調整作業の比較的簡単な第２副鏡筒１７から取付けを行う。主鏡筒１５を取付けた時と同様にして、第２副鏡筒１７を嵌入穴１９ｃに差し込み、フランジ部１７ａを中央フレーム１８ａの壁面に重ね合わせて仮付けを行う。次に第２副鏡筒１７を仮付けした状態で、後群レンズ５ｂの後端側に偏心検査用のチャートを設置し、前群レンズ３と後群レンズ５ｂを通してチャート像を投影させる。投影されたチャート像を参照し、投影像中に片ボケが生じていないことが確められた後、第２副鏡筒１７を中央フレーム１８ａの壁面上で操作しながら投影像の歪みが最も小さくなるように光軸を合わせて、第２副鏡筒１７の位置を決定して、固定する。
【００２５】
第２副鏡筒１７を中央フレーム１８ａに固定した後、前群レンズ３と光軸が直交する第１副鏡筒１６の組み付けを行う。第２副鏡筒１７と同様にして、フランジ部１６ａを中央フレーム１８ａの壁面上に密着させ、鏡筒の一部が嵌入穴１９ｂの内部に入り込むようにした状態で、第１副鏡筒１６をフレーム台１８に仮付けする。第１副鏡筒１６が仮付けされた状態で、後群レンズ５ａの後端側に偏心検査用のチャートを設置し、前群レンズ３を通してチャート像を投影させる。投影されたチャート像を参照しながら光軸を合わせて、第１副鏡筒１６の位置を合わせて、固定する。
【００２６】
第１副鏡筒１６が固定されると、投影光学系６の組み立てが終了する。そして、次に分離合成光学系１０、液晶表示素子５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒが組み付けが行われる。各液晶表示素子が組み付けられる際は、液晶画面に形成される画像を投影させ、表示素子の組み付け位置の調整が画素レベルで行われる。なお、必要に応じてこの段階で青色画像の倍率調整を行ってもよい。
【００２７】
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、例えば、光束合成素子として、クロスダイクロイックプリズムが使用される光学系にも本発明を適用することができる。また、三板式プロジェクタであれば、反射型表示素子のみならず、透過型表示素子を用いるものにも等しく適用できる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、レンズ間に設けられる光束合成素子を正確に位置決めした後、この光束合成素子を基準とし、これに対して前群レンズ及び後群レンズとを順次取付けるようにしたから、各光学系を互いに正確な位置関係で組み立てることができるようになる。すなわち、単体の前群レンズと複数の後群レンズの光軸が全て交わるダイクロイック面を調整の基準とし、単体であることから調整しやすい前群レンズを取り付け、次に前群レンズを基準として、前群レンズに対する位置と互いの相対位置とが重要になる複数の後群レンズを順次位置調整しながら取り付けていくことにより、確実に光学系を組み立てることができる。最初の後群レンズは、既に前群レンズと光束合成素子が正確に組み立てられているため、これを基準とすることで投影像等を用いた光学的な判断により正確に取り付けられていることがわかる。また、２つめ以降の後群レンズに関しては、前群レンズと光束合成素子と最初の後群レンズとが既に正確に組み立てられていることから、これらを基準とすることで、前群レンズに対しても、最初のレンズに対しても正確に取り付けられていることが光学的な判断により容易にわかる。よって、色ズレや歪み、片ボケなどを生じず、投影レンズの設計上の性能を十分に引き出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】プロジェクタ用光学系の斜視図である。
【図２】投影光学系の斜視図である。
【図３】投影光学系の平面図である。
【図４】投影光学系の組み立ての流れを示す説明図である。
【符号の説明】
２プロジェクタ光学系
３前群レンズ
４合成プリズム
５ａ後群レンズ
５ｂ後群レンズ
６投影光学系
１０分離合成光学系
１５主鏡筒
１５ａ，１６ａ，１７ａフランジ部
１６第１副鏡筒
１７第２副鏡筒
１８フレーム台
５０Ｂ，５０Ｇ，５０Ｒ液晶表示素子

Claims

互いに直交する少なくとも２つの入射光路の交わる位置に設けられ、各光路から入射する光束を合成する光束合成素子と、光束合成素子から出射された合成光束をスクリーンに向けて拡大投射する前群レンズと、前記入射光路上にそれぞれ設けられた複数の後群レンズとによって投影光学系が構成されており、
前記光束合成素子を保持するフレーム台を設けるとともに、このフレーム台に前群レンズを保持した主鏡筒と各後群レンズを保持した複数の副鏡筒とが取り付けられる取付け部をそれぞれ形成し、
前群レンズ用の取付け部を基準にして前記光束合成素子をフレーム台に固定した後、前群レンズ用の取付け部又は光束合成素子を基準にして前記主鏡筒をフレーム台に固定し、
その後に前記副鏡筒をフレーム台に仮付けし、前群レンズと後群レンズとの間の光軸を合わせる調整を行って副鏡筒の固定位置を決定し、固定位置が決定した副鏡筒を前記フレーム台に固定することを特徴とする投影光学系の組み立て方法。
前記主鏡筒及び副鏡筒にはその外周面上にフランジ部が設けられるとともに、前記取付け部には前記フランジ部に密着される壁面とこの壁面上に形成された嵌入穴とが設けられており、前記光束合成素子を直方体形状に組み合わされた複数の直角プリズムによって構成し、各取付け部に対向するプリズム面が前記壁面との平行が保たれた状態で各鏡筒をフレーム台上で位置決めすることを特徴とする請求項１記載の投影光学系の組み立て方法。