JP2012141574A - Polarization convertible relay optical system and image projection device provided therewith - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、表示素子にて表示された画像を被投影面に投影する画像投影装置に用いる偏光変換リレー光学系及びそれを備えた画像投影装置に関するものである。 The present invention relates to a polarization conversion relay optical system used in an image projection apparatus that projects an image displayed on a display element onto a projection surface, and an image projection apparatus including the polarization conversion relay optical system.
表示素子に表示された画像をスクリーン等の被投影面に投影するプロジェクタにおいては、スイッチングスピードの速さから、デジタルマイクロミラーデバイス(以下、DMDと称する)を表示素子として用いたものが実用化されている。最近、立体画像(以下、3D画像と称する)として鑑賞可能な映画が製作され、その映画を鑑賞するための映画館もできはじめており、また、3D画像に対応した家庭用のプロジェクションテレビも発売されてきている。DMDを用いたプロジェクタは、右目用画像と左目用画像とを時分割で表示し、偏光メガネやシャッターメガネを鑑賞者が装着することで3D画像を鑑賞することできることから、3Dプロジェクタとして重用されている。 In a projector that projects an image displayed on a display element onto a projection surface such as a screen, a projector using a digital micromirror device (hereinafter referred to as DMD) as a display element has been put into practical use because of its high switching speed. ing. Recently, a movie that can be viewed as a stereoscopic image (hereinafter referred to as a 3D image) has been produced, and a movie theater for viewing the movie has begun to be created. Also, a projection television for home use that supports 3D images has been released. It is coming. A projector using DMD displays a right-eye image and a left-eye image in a time-sharing manner, and a viewer can view a 3D image by wearing polarized glasses or shutter glasses. Therefore, the projector is used as a 3D projector. Yes.
上記いずれのメガネも、円偏光または直線偏光を透過させて鑑賞者の左右の目に導くものであるため、DMDを用いたプロジェクタでランダム偏光のままで画像を投影すると、上記メガネで半分以上の光量をロスすることになる。このため、偏光方向の揃った光を用いて投影画像を得ることが望まれる。この点、例えば特許文献1のプロジェクタでは、投影光学系におけるリレー光学系の瞳位置の近傍に偏光変換光学系を配置し、この偏光変換光学系により、表示素子からの光を2つの直線偏光に分離した後に一方の光を他方と同じ偏光方向の光に変換し、表示素子の画像を投影するようにしている。 Since any of the above glasses transmits circularly polarized light or linearly polarized light and guides it to the left and right eyes of the viewer, when an image is projected with random polarization by a projector using a DMD, more than half of the glasses are used. The amount of light will be lost. For this reason, it is desired to obtain a projection image using light having a uniform polarization direction. In this respect, for example, in the projector disclosed in Patent Document 1, a polarization conversion optical system is disposed in the vicinity of the pupil position of the relay optical system in the projection optical system, and the light from the display element is converted into two linearly polarized light by the polarization conversion optical system. After the separation, one light is converted into light having the same polarization direction as the other, and an image of the display element is projected.
しかしながら、上述した先行技術では、偏光変換光学系により2つの直線偏光に分離され異なる光路を通過するために、偏光変換光学系を通過する前の光線と偏光変換光学系を通過した後の光線とは、互いに平行偏心した光線が生じる。通常、コマ収差等の瞳径の2乗に比例する収差は、各レンズ群の収差を打ち消すように光学系の全系に作用することによって、瞳位置を挟んだ前群レンズ系と後群レンズ系においても、前群レンズ系と後群レンズ系が互いにコマ収差を打ち消し、リレー光学系としてコマ収差を抑えることができる。しかし、瞳位置近傍に偏光変換光学系を配置したリレー光学系においては、偏光変換光学系に起因して前群レンズ系と後群レンズ系に偏心が起こることになり、このように各レンズ系が偏心している場合には、前群レンズ系と後群レンズ系が互いにコマ収差を打ち消すことがなく、コマ収差が顕著に現れ、結像性能を劣化させるという問題があった。 However, in the above-described prior art, the light beam before passing through the polarization conversion optical system and the light beam after passing through the polarization conversion optical system are separated into two linearly polarized lights by the polarization conversion optical system and pass through different optical paths. Produces rays decentered parallel to each other. Usually, an aberration proportional to the square of the pupil diameter, such as coma aberration, acts on the entire optical system so as to cancel the aberration of each lens group, so that the front group lens system and the rear group lens sandwiching the pupil position Also in the system, the front group lens system and the rear group lens system cancel each other's coma aberration, and the coma aberration can be suppressed as a relay optical system. However, in the relay optical system in which the polarization conversion optical system is arranged in the vicinity of the pupil position, the front group lens system and the rear group lens system are decentered due to the polarization conversion optical system. Is decentered, the front group lens system and the rear group lens system do not cancel each other's coma aberration, so that coma appears remarkably and image formation performance deteriorates.
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、偏光変換光学系の偏光分離にともなう結像性能の劣化を抑えることができる偏光変換リレー光学系及びそれを備えた画像投影装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and a polarization conversion relay optical system capable of suppressing deterioration in imaging performance due to polarization separation of the polarization conversion optical system and an image including the same An object is to provide a projection device.
本発明の偏光変換リレー光学系は、各画素を構成するミラーを回動させることで画像を表示するデジタルマイクロミラーデバイスからなる表示素子と、光源の光から複数の光源像を形成するインテグレータ光学系を有し前記光源からの光を前記表示素子に導く照明光学系と、前記表示素子の画像を被投影面に投影する投影レンズ系と、を備えた画像投影装置における、前記投影レンズ系と前記表示素子との間に配置され、前記表示素子の表示画像の中間像を偏光方向が一方向に揃った状態で形成する偏光変換リレー光学系であって、前記偏光変換リレー光学系は、瞳面に対して中間像側に配置される前群レンズ系と、該瞳面に対して表示素子側に配置される後群レンズ系と、該瞳面に配置される偏光変換光学系とを備え、前記偏光変換光学系は、前記複数の光源像からの光を偏光方向の異なる2つの直線偏光に分離する偏光分離素子と、前記2つの直線偏光を一つの偏光方向に揃えて出射する位相板とを有し、有効像領域内に集光するすべての光線束において、前記前群レンズ系は下記の条件式(1)を満たし、前記後群レンズ系は、下記の条件式(2)を満たすことを特徴としている。
Δf<40×k×p ・・・(1)
Δr<40×p ・・・(2)
但し、
Δf:前記前群レンズ系の像面における、該瞳面の上端を通過する光線の座標と該瞳面の下端を通過する光線の座標との中間点から、該瞳面の中心を通過する光線の座標までの距離として定義されるコマ収差量の絶対値
Δr:前記後群レンズ系の像面における、該瞳面の上端を通過する光線の座標と該瞳面の下端を通過する光線の座標との中間点から、該瞳面の中心を通過する光線の座標までの距離として定義されるコマ収差量の絶対値
k:前記偏光変換リレー光学系の倍率
p:前記表示素子の画素ピッチ
The polarization conversion relay optical system of the present invention includes a display element composed of a digital micromirror device that displays an image by rotating a mirror that constitutes each pixel, and an integrator optical system that forms a plurality of light source images from light from the light source And an illumination optical system that guides light from the light source to the display element, and a projection lens system that projects an image of the display element onto a projection surface. A polarization conversion relay optical system that is disposed between the display element and forms an intermediate image of a display image of the display element in a state in which the polarization direction is aligned in one direction, the polarization conversion relay optical system comprising: A front group lens system disposed on the intermediate image side, a rear group lens system disposed on the display element side with respect to the pupil plane, and a polarization conversion optical system disposed on the pupil plane, The polarization conversion optical system An effective image having a polarization separating element that separates light from the plurality of light source images into two linearly polarized light having different polarization directions and a phase plate that emits the two linearly polarized light in a single polarization direction. In all the light bundles condensed in the region, the front group lens system satisfies the following conditional expression (1), and the rear group lens system satisfies the following conditional expression (2).
Δf <40 × k × p (1)
Δr <40 × p (2)
However,
Δf: a ray passing through the center of the pupil plane from an intermediate point between the coordinates of the ray passing through the upper end of the pupil plane and the coordinate of the ray passing through the lower end of the pupil plane in the image plane of the front group lens system The absolute value Δr of the coma aberration amount defined as the distance to the coordinates of: The coordinates of the light ray passing through the upper end of the pupil plane and the coordinates of the light ray passing through the lower end of the pupil plane in the image plane of the rear lens group system The absolute value of the coma aberration amount defined as the distance from the intermediate point to the coordinates of the light ray passing through the center of the pupil plane k: the magnification of the polarization conversion relay optical system p: the pixel pitch of the display element
本発明の偏光変換リレー光学系において、前記前群レンズ系は下記の条件式(1A)を満たし、前記後群レンズ系は下記の条件式(2A)を満たすことが望ましい。
Δf<20×k×p ・・・(1A)
Δr<20×p ・・・(2A)
In the polarization conversion relay optical system of the present invention, it is preferable that the front group lens system satisfies the following conditional expression (1A), and the rear group lens system satisfies the following conditional expression (2A).
Δf <20 × k × p (1A)
Δr <20 × p (2A)
本発明の偏光変換リレー光学系において、前記前群レンズ系は下記の条件式(1B)を満たし、前記後群レンズ系は下記の条件式(2B)を満たすことが望ましい。
Δf<k×p ・・・(1B)
Δr<p ・・・(2B)
In the polarization conversion relay optical system of the present invention, it is preferable that the front group lens system satisfies the following conditional expression (1B), and the rear group lens system satisfies the following conditional expression (2B).
Δf <k × p (1B)
Δr <p (2B)
本発明の偏光変換リレー光学系において、前記前群レンズ系と後群レンズ系は瞳面に対して対称に配置されることが望ましい。 In the polarization conversion relay optical system of the present invention, it is desirable that the front group lens system and the rear group lens system are arranged symmetrically with respect to the pupil plane.
本発明の偏光変換リレー光学系において、前記後群レンズ系は、前記表示素子の、前記後群レンズ系の光軸に対応する位置から出射した光線を瞳側で平行光にすることが望ましい。 In the polarization conversion relay optical system according to the aspect of the invention, it is preferable that the rear group lens system converts a light beam emitted from a position of the display element corresponding to the optical axis of the rear group lens system into parallel light on the pupil side.
前記偏光変換リレー光学系を備えた画像投影装置であることを特徴としている。 The image projection apparatus includes the polarization conversion relay optical system.
本発明の画像投影装置において、前記光源はレーザ光であることが望ましい。 In the image projection apparatus of the present invention, it is preferable that the light source is a laser beam.
本発明の画像投影装置において、前記偏光変換光学系から出射した光線を2種類に偏光した光線に交互に切り替える偏光切り替え素子をさらに備えることが望ましい。 In the image projection apparatus according to the aspect of the invention, it is preferable that the image projection apparatus further includes a polarization switching element that alternately switches the light emitted from the polarization conversion optical system into two types of polarized light.
本発明によれば、前群レンズ系が条件式(1)を満たすことにより、前群レンズ系の最大のコマ収差量を表示素子の画素ピッチの40倍以下に抑えることができる。また、後群レンズ系が条件式(2)を満たすことにより、後群レンズ系の最大のコマ収差量を表示素子の画素ピッチの40倍以下に抑えることができる。このように、前群レンズ系及び後群レンズ系の夫々で最大のコマ収差量を表示素子の画素ピッチの40倍以下に抑えると、偏光変換光学系に起因して前群レンズ系と後群レンズ系に偏心があっても、偏光変換リレー光学系のコマ収差量を表示素子の略1画素以下に抑えることができ、良好な結像性能が得られる。 According to the present invention, when the front group lens system satisfies the conditional expression (1), the maximum coma aberration amount of the front group lens system can be suppressed to 40 times or less of the pixel pitch of the display element. Further, when the rear group lens system satisfies the conditional expression (2), the maximum coma aberration amount of the rear group lens system can be suppressed to 40 times or less of the pixel pitch of the display element. As described above, when the maximum coma aberration amount in each of the front group lens system and the rear group lens system is suppressed to 40 times or less of the pixel pitch of the display element, the front group lens system and the rear group are caused by the polarization conversion optical system. Even if the lens system is decentered, the coma aberration amount of the polarization conversion relay optical system can be suppressed to approximately one pixel or less of the display element, and good imaging performance can be obtained.
以下に本発明の実施形態について図面を参照して説明するが、本発明は、この実施形態に限定されない。また発明の用途やここで示す用語等はこれに限定されるものではない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings, but the present invention is not limited to these embodiments. Further, the use of the invention and the terms shown here are not limited thereto.
(第1実施形態)
図1は、本実施形態に係る画像投影装置の概略の構成を示す断面図である。この画像投影装置100は、光源1と、照明光学系2と、TIRプリズム3と、DMD4と、投影光学系5とを有している。なお、ロッドインテグレータ22の長辺方向は、TIRプリズム3の後述する入射面に対して、実際は45度傾いたねじれの関係にあるが、図1では、説明の理解をしやすくするため、上記入射面と偏光分離方向とを同一面内で示している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an image projection apparatus according to the present embodiment. The
上記の構成において、光源1から出射された光は、照明光学系2を介してTIRプリズム3に入射し、そこで全反射された後、DMD4に入射する。DMD4に入射した光は、そこで変調された後、画像光として出射され、TIRプリズム3を透過し、投影光学系5を介して被投影面であるスクリーン(図略)に導かれる。この投影光学系5により、DMD4に表示された画像がスクリーン上に拡大投影される。なお、被投影面は壁であってもよい。
In the above configuration, the light emitted from the light source 1 enters the
3D画像を投影する場合には、右目用の画像と左目用の画像とをDMD4にて順次時分割した画像光を投影光学系5の後述する偏光変換光学系55にてランダム偏光を直線偏光に変換してスクリーンに投影する。この場合、鑑賞者は、時分割表示のタイミングに同期して左右交互に直線偏光を透過させるシャッターメガネを介して投影画像を鑑賞すれば、3D画像を鑑賞することができる。以下、各構成の詳細について説明する。
In the case of projecting a 3D image, image light obtained by sequentially time-dividing a right-eye image and a left-eye image by the
尚、光源1からDMD4の矩形の画像表示領域の中心に向かう光線束の中心光線が光路中の任意の面に入射するときに、その面に入射する中心光線と、入射点における面の法線とを含む平面を入射面とする。そして、偏光方向が入射面に平行な直線偏光をP偏光とし、偏光方向が入射面に垂直な直線偏光をS偏光とする。また、光が光学部材を透過するときの光入射側の面を上記の入射面と区別するために光入射面とし、光出射側の面を光出射面とする。
Incidentally, when the central ray of the light bundle directed from the light source 1 toward the center of the rectangular image display area of the
光源1は、DMD4を照明するための光を出射するものであり、発光部11と、リフレクタ12とで構成されている。発光部11は、例えば白色光を発光する放電ランプで構成されている。リフレクタ12は、発光部11から出射される光を反射させて照明光学系2に導く反射板である。リフレクタ12は、回転楕円面の反射面を有しており、リフレクタ12の一方の焦点位置に発光部11が配置されている。したがって、発光部11からの光は、リフレクタ12にて反射されて他方の焦点位置に集光し、照明光学系2の後述するカラーホイール21を介してロッドインテグレータ22に入射する。
The light source 1 emits light for illuminating the
照明光学系2は、光源1からの光をDMD4に導く光学系であり、カラーホイール21と、ロッドインテグレータ22と、照明リレー系23とを有している。
The illumination
カラーホイール21は、R(赤)、G(緑)、B(青)の各色光を順次透過させるカラーフィルターで構成されている。カラーホイール21を回転させることにより、照明する色光を時間的に順次切り替えてDMD4を照明できるので、各色に対応した画像情報をDMD4に表示することにより、投影画像をカラー化することができる。
The
ロッドインテグレータ22は、光源1からの光の光量分布を均一化して出射するものである。ロッドインテグレータ22の断面形状は、DMD4の矩形の画像表示領域と略相似となっている。これにより、ロッドインテグレータ22は、DMD4の矩形の画像表示領域と略相似な照明光束を形成するインテグレータ光学系を構成している。
The
照明リレー系23の瞳面上には、ロッドインテグレータ22内での反射回数に応じた位置に複数の光源像が形成される。また、照明リレー系23の瞳面と後述する偏光変換リレー光学系52の瞳面Pとは、略共役となっている。さらに、ロッドインテグレータ22の光出射面とDMD4の画像表示領域とは、照明リレー系23によって略共役となっている。
On the pupil plane of the
照明リレー系23は、ロッドインテグレータ22の光出射面の像をリレーしてDMD4に投影することにより、DMD4を均一に照明する光学系である。この照明リレー系23は、第1レンズ23aと、第2レンズ23bと、光路を90度折り曲げるミラー23cと、第3レンズ23dとで構成されている。照明リレー系23によってロッドインテグレータ22からの光を集光することにより、上記光の利用効率を向上させることができる。
The
照明光学系2の上記構成によれば、光源1からカラーホイール21を介してロッドインテグレータ22に時分割で入射する各色光は、そこでの内面反射を繰り返してミキシングされ、均一な光量分布となって光出射面から出射される。このロッドインテグレータ22での反射回数に応じて、照明リレー系23内(照明リレー系の瞳面)に複数の光源像が形成されるが、これらを重畳させることにより、光量分布の均質な照明光を実現することができる。ロッドインテグレータ22から出射される光は、照明リレー系23、及びTIRプリズム3を介して、DMD4に導かれる。このとき、ロッドインテグレータ22の断面は、DMD4の画像表示領域と略相似であるので、DMD4には光が均一にかつ効率よく導かれる。このような光量分布の均一な光でDMD4を照明することにより、投影画像の光量ムラ(輝度ムラ)を無くすことができる。
According to the above-described configuration of the illumination
TIRプリズム3は、DMD4への照明光を全反射させ、DMD4からの画像光(投影光)を透過させる全反射プリズム(臨界角プリズム)である。TIRプリズム3によって照明光の光路を折り曲げることにより、画像投影装置100をコンパクトに構成することができる。
The
TIRプリズム3は、エアギャップ層を介して2つのプリズム31、32を貼り合わせて構成されている。プリズム31は、第1光入射面31a、臨界面31b及び第1光出射面31cを有しており、プリズム32は、第2光入射面32a及び第2光出射面32bを有している。プリズム31の臨界面31bとプリズム32の第2光入射面32aとは、エアギャップ層を介して対向して配置されている。
The
照明光学系2からの照明光は、TIRプリズム3のプリズム31の内部に第1光入射面31aから入射する。プリズム31の臨界面31bは、照明光が全反射するように配置されており、照明光は臨界面31bで反射されて、プリズム31の第1光出射面31cから出射され、DMD4を照明する。
The illumination light from the illumination
また、DMD4からの反射光のうち、オン光が、再びTIRプリズム3を経て、投影光学系5に入射し、スクリーンに導かれる。より詳しくは、DMD4の画像表示状態の各画素(ミラー)で反射された光束(投影光)は、プリズム31の第1光出射面31cから再びプリズム31内部に入射し、臨界面31bに到達する。このとき、上記の投影光は、全反射条件を満たさない角度で臨界面31bに入射するため、臨界面31bを透過し、エアギャップ層を経て、第2光入射面32aからプリズム32内部に入射し、第2光出射面32b及び投影光学系5を介してスクリーンに導かれる。
Of the reflected light from the
DMD4は、各画素に対応する複数の微小ミラーをマトリクス状に有するデジタルマイクロミラーデバイス(米国テキサスインスツルメント社製)であり、入射光を変調して画像を表示する表示素子である。ここで、図2は、DMD4の平面図である。DMD4は、矩形の画像表示領域4aを有し、各画素を構成するミラー4bの回動軸4cが画像表示領域4aの長辺4a1及び短辺4a2と45度の角度をなしている。
The
DMD4の各ミラー4bは、照明光軸の方に12度傾いた状態で照明光を反射させることにより、DMD4の画像表示領域4aに垂直な方向に投影光としてのオン光を射出する。一方、各ミラー4bが逆方向に12度傾いた状態で照明光を反射させることにより、48度の射出角を持ってオフ光を射出する。オン光は、TIRプリズム3及び投影光学系5を順に介してスクリーンに導かれるが、オフ光は、ミラー4bから大きな射出角で射出されるため、投影光学系5には入射せず、スクリーンには到達しない。このように、各ミラー4bの傾きをON/OFFの2値で制御することにより、DMD4に画像を表示して、その表示画像をスクリーンに投影することができる。
Each
また、DMD4では、回動軸4cの軸回りに±12度回動することによってON/OFFを表現するため、臨界面31bの入射面とDMD4のミラー4bの入射面とが互いに平行となるように、TIRプリズム3及びDMD4を配置している。この位置関係により、TIRプリズム3にて投影光と照明光とを効率よく分離しながら、DMD4の各ミラー4bで反射される光のうちでオン光のみを、臨界面31bを透過させてスクリーンに導くことができる。
In addition, since the
図1に戻り、投影光学系5は、DMD4の画像をスクリーン上に投影する光学系であり、投影レンズ系51及び偏光変換リレー光学系52を有している。
Returning to FIG. 1, the projection
偏光変換リレー光学系52は、DMD4の画像の中間像Mを投影レンズ系51の近傍に形成する光学系である。偏光変換リレー光学系52によって形成された中間像Mは、投影レンズ系51によってスクリーン上に投影される。偏光変換リレー光学系52は、前群レンズ系53と、後群レンズ系54と、偏光変換光学系55とを有している。
The polarization conversion relay
偏光変換光学系55は、照明リレー系23の瞳面上に形成された複数の光源像からの光(ランダム偏光)を、偏光方向が一方向に揃った直線偏光に変換して出射する光学系である。ここで、図3は、偏光変換光学系55の断面図である。偏光変換光学系55は、PBSプリズムアレイ56と、位相板57とで構成されている。
The polarization conversion
PBSプリズムアレイ56は、偏光変換リレー光学系52の瞳面P(図1参照)上に配置されており、照明リレー系瞳面の光源像からの光を偏光方向の異なる2つの直線偏光(P偏光、S偏光)に分離する偏光分離素子である。PBSプリズムアレイ56は、複数のPBS膜56aと複数のプリズム56bとが交互に配置されるように構成されている。各PBS膜56aは、入射光のうちでP偏光を透過させる一方、S偏光を反射させる帯状の光学薄膜であり、互いに平行にかつ等間隔で配置されている。各プリズム56bは、例えばガラスで構成されており、2つのPBS膜56aで挟まれるプリズム56bの断面形状は平行四辺形となっている。
The
位相板57は、PBSプリズムアレイ56にて偏光分離された2つの直線偏光の一方の光路中に配置される位相板であり、例えば1/2波長板で構成され、PBSプリズムアレイ56の中間像M側(図3の左側)にひとつおきのPBS膜56aと向かい合うように、ひとつおきのプリズム56bに貼り合わされている。この位相板57は、PBS膜56aを透過した一方の直線偏光(例えばP偏光)を他方と同じ偏光方向の直線偏光(例えばS偏光)に変換する。
The
偏光変換光学系55の上記構成により、照明リレー系23の瞳面上に形成された複数の光源像の光束は、PBSプリズムアレイ56上で結像するとともに、PBS膜56aによってP偏光とS偏光とに分離される。このうち、P偏光はPBS膜56aを透過して位相板57に入射し、これを透過することによってS偏光に変換される。
With the above-described configuration of the polarization conversion
一方、PBS膜56aにて偏光分離されたS偏光は、PBS膜56aにて反射された後、隣のPBS膜56aによって再度反射され、位相板57が貼り合わされていない領域を通り出射する。
On the other hand, the S-polarized light that has been polarized and separated by the
偏光変換光学系55の上記構成によれば、立体視可能な画像を投影するときは、偏光変換光学系55にて、ランダム偏光を偏光方向が一方向に揃った直線偏光に変換しているので、所定の偏光方向の直線偏光のみを取り出して(他の偏光方向の直線偏光を遮断して)、画像を投影する構成に比べて、光量損失の少ない、視覚的に明るい投影画像を得ることができる。
According to the configuration of the polarization conversion
図4は、偏光変換リレー光学系52を示す断面図である。偏光変換リレー光学系52は、瞳面P上に配置される偏光変換光学系55と、瞳面Pに対して中間像M側に配置される前群レンズ系53と、瞳面Pに対してDMD4側に配置される後群レンズ系54とを有する。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the polarization conversion relay
後群レンズ系54は、DMD4から出射した光線を瞳P側で略平行光とする光学系であり、瞳面P側からDMD4側に向かって順にレンズL1〜L8で構成される。
The rear
レンズL1は両凹レンズからなり、レンズL2は、レンズL1に貼り合わされる正メニスカスレンズからなり、レンズL3は正メニスカスレンズからなり、レンズL4は負メニスカスレンズからなり、レンズL5は両凸レンズからなり、レンズL6は両凹レンズからなり、レンズL7は両凸レンズからなり、レンズL8は正メニスカスレンズからなる。 The lens L1 is a biconcave lens, the lens L2 is a positive meniscus lens bonded to the lens L1, the lens L3 is a positive meniscus lens, the lens L4 is a negative meniscus lens, and the lens L5 is a biconvex lens. The lens L6 is a biconcave lens, the lens L7 is a biconvex lens, and the lens L8 is a positive meniscus lens.
前群レンズ系53は、瞳面Pから入射した平行光を中間像M面の光軸AX(偏光変換リレー光学系52の光軸)上に結像させる光学系であり、瞳面P側から中間像M側に向かって順にレンズL1〜L8で構成される。
The
前群レンズ系53のレンズL1〜L8は、後群レンズ系54のレンズL1〜L8と夫々同じ構成のレンズであり、後群レンズ系54のレンズL1〜L8と同じレンズ間隔になるように配置されている。つまり、前群レンズ系53と後群レンズ系54とは瞳面Pに対して対称に配置されている。
The lenses L1 to L8 of the front
前群レンズ系53と後群レンズ系54との上記構成によれば、前群レンズ系53と後群レンズ系54との各レンズを同じ硝材にすることができ、偏光変換リレー光学系52をコストダウンすることができ、また、等倍のリレー光学系を簡単に構成することができるために、投影光学系5を投影レンズ系51のみで構成する場合と同様な取り扱いで画像形成装置として用いることができる。
According to the above configuration of the front
また、前群レンズ系53と後群レンズ系54との上記構成によれば、偏光変換リレー光学系52が瞳P近傍で平行光となる光学系であるために、前群レンズ系53と後群レンズ系54との間で光路長の差や光軸のずれが発生しても、レンズ性能の劣化を極めて小さくした光学系を得ることができる。
Further, according to the above configuration of the front
偏光変換リレー光学系52は、偏光変換光学系55によって偏光変換するために、偏光方向の異なる2つの直線偏光(P偏光、S偏光)が瞳面P上で分離されている。この偏光分離するときに、一方の偏光(例えばS偏光)は、PBSプリズムアレイ56のPBS膜56a(図3参照)で2回反射するために、他方の偏光(例えばP偏光)に対して光路がシフトしていることになる。すなわち、偏光変換光学系55を通過する前の光線と偏光変換光学系55を通過した後の光線とは、互いに平行偏心した光線が生じる。
Since the polarization conversion relay
通常、前群レンズ系53と後群レンズ系54の夫々単独の光学系に大きなコマ収差があっても、前群レンズ系53と後群レンズ系54とが互いにコマ収差を打ち消すために、前群レンズ系53と後群レンズ系54とを含むリレー光学系としては、コマ収差を抑えることができる。しかし、瞳位置近傍に偏光変換光学系55を配置した偏光変換リレー光学系52においては、偏光変換光学系55に起因して前群レンズ系53と後群レンズ系54とに平行偏心が起こることになり、各レンズ系が偏心している場合には、前記のように前群レンズ系53と後群レンズ系54が互いにコマ収差を打ち消すことがなく、コマ収差が顕著に現れる。このコマ収差について図5、図6を用いて詳しく説明する。
Normally, even if there is a large coma aberration in the single optical system of the front
図5は、偏光変換リレー光学系52と、前群レンズ系53及び後群レンズ系54の夫々のコマ収差を示す図である。図6は、偏光変換リレー光学系52の前群レンズ系53と後群レンズ系54の断面図である。尚、図5の横軸は、瞳面上において光軸を通過する主光線を基準(原点0)とした入射光線の位置を示し、その縦軸は各入射光線の位置におけるコマ収差量を示す。また、図5の「前群レンズ系コマ収差」は、図6に示す前群レンズ系53の瞳面Pから平行光が入射した場合の像面におけるコマ収差を示し、また、図5の「後群レンズ系コマ収差」は、図6の後群レンズ系54の瞳面Pから平行光が入射した場合の像面におけるコマ収差を示す。さらに、図5の「全光学系コマ収差」は、前群レンズ系53と後群レンズ系54とからなるレンズ系(全光学系)のコマ収差を示し、図5の「偏心系」は、平行偏心しているレンズ系のコマ収差を示す。
FIG. 5 is a diagram showing coma aberration of the polarization conversion relay
図5に示すように、「前群レンズ系コマ収差」と「後群レンズ系コマ収差」とは、原点0を含む横軸に対して互いに反対方向に略対称にコマ収差が出現しているために、「全光学系コマ収差」では前群レンズ系コマ収差と後群レンズ系コマ収差とが互いに打ち消しあい、全光学系コマ収差が抑えられている。
As shown in FIG. 5, the “front group lens system coma aberration” and the “rear group lens system coma aberration” have coma appear substantially symmetrically in opposite directions with respect to the horizontal axis including the
前群レンズ系53と後群レンズ系54とからなるレンズ系(全光学系)において、例えば、後群レンズ系54が前群レンズ系53に対して平行偏心した場合、図5の「後群レンズ系コマ収差(偏心系)」に示すように、図5の「後群レンズ系コマ収差」(偏芯がない場合)に対して、コマ収差が原点0を基準として時計回り方向に回転するように偏る。このために、全光学系において前群レンズ系53と後群レンズ系54とが互いにコマ収差を打ち消すことができず、図5の「全光学系コマ収差(偏心系)」に示すように、コマ収差が大きく残存し、レンズ性能を劣化させる。
In the lens system (all optical systems) including the front
そこで、本実施形態では、前群レンズ系53及び後群レンズ系54の夫々の単独コマ収差量を小さく抑えている。それにより、瞳位置に偏光変換光学系55を配置することに起因して前群レンズ系53と後群レンズ系54とに平行偏心が起こっても、レンズ性能の劣化を抑えるようにしている。ここで、図7は像面I上の任意の一点での集光状態を模式的に示す図であり、つまり、前群レンズ系53及び後群レンズ系54の各単独コマ収差量を示す図である。単独コマ収差量は、像面I上の一点に集光する光線束において、各レンズ系の瞳面P(図6参照)の上端を通過する光線Aの像面I上の座標Ahと該瞳面Pの下端を通過する光線Bの像面I上の座標Bhとの中間点Dhから、該瞳面Pの中心(光軸上)を通過する光線C(主光線)の像面I上の座標Chまでの距離として定義される。ここに像面Iは、前群レンズ系53あるいは後群レンズ系54において、各レンズ系の瞳側から入射した光軸に平行な光線束が集光する点を含む光軸に垂直な面である。また、本実施形態では、前群レンズ系53及び後群レンズ系54の像面側の主光線はいずれも略平行となるテレセントリック光学系である。
Therefore, in the present embodiment, the amount of single coma aberration in each of the front
前群レンズ系53及び後群レンズ系54おける一方のレンズ系の偏心量を一方のレンズ系の瞳径の1/10として、また、DMD4の画素ピッチを8μmに設定すると、一方のレンズ系の有効像領域内の単独コマ収差量と全光学系の有効像領域内のコマ収差量とは図8に示す相関が得られる。ここで、有効像領域とは、前記像面I上の領域であって、後群レンズ系54においてはDMD4の画像表示領域に相当する領域であり、前群レンズ系53においてはDMD4の画像表示領域に偏光変換リレー光学系の倍率が乗じられた面積を持つDMD4の画像表示領域に相似の領域である。
When the decentering amount of one lens system in the front
図8は、上記の偏心量における単独コマ収差量と全光学系のコマ収差量とを示すグラフであり、横軸に単独コマ収差量を示し、縦軸に全光学系のコマ収差量を示す。図8の破線は単独コマ収差量と全光学系のコマ収差量との相関を示す。このグラフから明らかなように、単独コマ収差量が300μm以下であると、全光学系のコマ収差量は略8μmに収まり、DMD4の1画素程度に抑えることができる。このことから、全光学系のコマ収差量をDMD4の1画素程度に抑えるには、単独コマ収差量を画素ピッチの略37倍以下のコマ収差量に収めればよいことになる。 FIG. 8 is a graph showing the amount of single coma and the amount of coma in the entire optical system at the above-mentioned decentering amount. The horizontal axis shows the amount of single coma and the vertical axis shows the amount of coma in the entire optical system. . The broken line in FIG. 8 shows the correlation between the amount of single coma and the amount of coma in the entire optical system. As is apparent from this graph, when the single coma aberration amount is 300 μm or less, the coma aberration amount of the entire optical system is approximately 8 μm, and can be suppressed to about one pixel of DMD4. For this reason, in order to suppress the coma aberration amount of the entire optical system to about one pixel of DMD4, the single coma aberration amount should be contained within a coma aberration amount of approximately 37 times or less of the pixel pitch.
従って、前群レンズ系53の単独コマ収差量の絶対値をΔf(単位nm)、後群レンズ系54の単独コマ収差量の絶対値をΔr(単位nm)で表し、また、DMD4の画素ピッチの画素ピッチをp(単位nm)、偏光変換リレー光学系52の倍率をkで表す場合に、有効像領域内に集光するすべての光線束において、
Δf<40×k×p ・・・(1)
Δr<40×p ・・・(2)
の条件式(1)、(2)を満たすことによって、偏光変換光学系55に起因して前群レンズ系53と後群レンズ系54に互いに偏心があっても、偏光変換リレー光学系52のコマ収差量がDMD4の略画素ピッチ以下に抑えることができ、良好な結像性能が得られる。
Accordingly, the absolute value of the single coma aberration amount of the front
Δf <40 × k × p (1)
Δr <40 × p (2)
By satisfying the conditional expressions (1) and (2), even if the
また、図8に示すように、単独コマ収差量が200μm以下であると、全光学系のコマ収差量は略4μmに収まり、DMD4の画素の半画素程度に抑えることができる。このことから、全光学系のコマ収差量をDMD4の画素の半画素程度に抑えるには、単独コマ収差量を画素ピッチの略25倍以下のコマ収差量に収めればよいことになる。 Further, as shown in FIG. 8, when the amount of single coma is 200 μm or less, the amount of coma in the entire optical system is approximately 4 μm, and can be suppressed to about half of the DMD4 pixels. For this reason, in order to suppress the coma aberration amount of the entire optical system to about a half pixel of the DMD4 pixel, the single coma aberration amount should be contained within a coma aberration amount of approximately 25 times or less of the pixel pitch.
従って、下記の条件式(1A)、(2A)を満たすことによって、偏光変換光学系55に起因して前群レンズ系53と後群レンズ系54に互いに偏心があっても、偏光変換リレー光学系52のコマ収差量がDMD4の画素の略半画素以下に抑えることができ、一層良好な結像性能が得られる。
Δf<20×k×p ・・・(1A)
Δr<20×p ・・・(2A)
Therefore, by satisfying the following conditional expressions (1A) and (2A), even if the front
Δf <20 × k × p (1A)
Δr <20 × p (2A)
さらに、以下の条件式(1B)、(2B)を満たすと、単独コマ収差量をDMD4の画素程度(8μm程度)に収めることになり、偏光変換光学系55に起因したレンズ性能の劣化がさらに一層抑えられ、偏心のない光学系の程度に良好な結像性能が得られる。
Δf<k×p ・・・(1B)
Δr<p ・・・(2B)
Further, when the following conditional expressions (1B) and (2B) are satisfied, the single coma aberration amount is reduced to about the pixel of DMD4 (about 8 μm), and the lens performance further deteriorates due to the polarization conversion
Δf <k × p (1B)
Δr <p (2B)
尚、図9に示すように偏光変換光学系55を配置しても、本実施形態に適用することができる。図9は、偏光変換光学系の一変形例を示す断面図である。この偏光変換光学系55は、図3に示す偏光変換光学系55と同じ構成であるが、前群レンズ系53及び偏光変換光学系55の光軸AX1に対して、後群レンズ系54の光軸AX2を平行偏心させている。
In addition, even if the polarization conversion
後群レンズ系54は、偏光変換光学系55によってP偏光とS偏光とに分離されるピッチに対して1/2だけの平行偏心している。このように後群レンズ系54の平行偏心量を設定すると、光軸AX1に対して、分離されるP偏光とS偏光とのズレ量が等しくなる。P偏光とS偏光とのズレ量が等しくなることによって、図3に示す偏光変換光学系55の構成に比較して、光軸AX1に対するP偏光とS偏光とのズレ量を半分にすることができる。このように、前群レンズ系53と後群レンズ系54とを平行偏心させることで、偏光変換光学系55に起因するレンズ性能の劣化を抑えることができる。
The rear
また、偏光変換光学系55は図10に示すように構成にしてもよい。図10は、偏光変換光学系の別の変形例を示す断面図である。偏光変換光学系55は、PBSプリズムアレイ56と、位相板57とで構成されている。
Further, the polarization conversion
PBSプリズムアレイ56は、偏光変換リレー光学系52の瞳面P(図1参照)上に配置されており、複数の光源像からの光を偏光方向の異なる2つの直線偏光(P偏光、S偏光)に分離する偏光分離素子である。PBSプリズムアレイ56は、PBS膜56cと反射膜56hを形成したプリズム56dと、PBS膜56fと反射膜56iを形成したプリズム56gと、プリズム56dのPBS膜56c及びプリズム56gのPBS膜56fと貼り合わされた分岐プリズム56eと、プリズム56dの反射膜56h及びプリズム56gの反射膜56iと貼り合わされた反射プリズム56jで構成されている。分岐プリズム56e及び反射プリズム56jの各断面形状は直角二等辺三角形をなし、PBS膜56cと反射膜56hで挟まれるプリズム56d及びPBS膜56fと反射膜56iで挟まれるプリズム56gの各断面形状は平行四辺形となっている。PBS膜56c、56fは、入射光のうちでP偏光を透過させる一方、S偏光を反射させる。なお、反射膜56h、56iは、PBS膜で構成されていてもよい。
The
位相板57は、PBSプリズムアレイ56にて偏光分離された2つの直線偏光の一方の光路中に配置される位相板であり、例えば1/2波長板で構成され、分岐プリズム56eの前記一面と向かい合って貼り合わされている。この位相板57は、PBS膜56c、56fを透過した一方の直線偏光(例えばP偏光)を他方と同じ偏光方向の直線偏光(例えばS偏光)に変換する。
The
偏光変換光学系55の上記構成により、PBS膜56c、56fによってP偏光とS偏光とに分離される。このうち、P偏光はPBS膜56cを透過して分岐プリズム56eを介して位相板57に入射し、これを透過することによってS偏光に変換される。また、P偏光はPBS膜56fを透過して分岐プリズム56eを介して位相板57に入射し、これを透過することによって上記S偏光とは異なる位置でS偏光に変換される。
With the above-described configuration of the polarization conversion
一方、PBS膜56cにて偏光分離されたS偏光は、PBS膜56cにて反射された後、隣の反射膜56hによって再度反射され、分岐プリズム56eの横(図10の上側)を通り出射する。また、PBS膜56fにて偏光分離されたS偏光は、PBS膜56fにて反射された後、隣の反射膜56iによって再度反射され、分岐プリズム56eの横(図10の下側)を通り出射する。
On the other hand, the S-polarized light that has been polarized and separated by the
偏光変換光学系55の上記構成によれば、複数の光源像の光路を分岐プリズム56eによって2つの光路に分けるために、前群レンズ系53と後群レンズ系54とを平行偏心させることなく、P偏光とS偏光とのズレ量を、図3に示す偏光変換光学系55の構成に対して半分にすることができる。これによって、偏光変換光学系55に起因するレンズ性能の劣化を抑えることができる。
According to the configuration of the polarization conversion
さらに、偏光変換光学系55は図11に示すように構成にしてもよい。図11は、偏光変換光学系のさらに別の変形例を示す断面図である。偏光変換光学系55は、PBS膜58aを形成された三角プリズム58と、PBS膜58aに対面して貼り合わされる平行平板59と、瞳位置近傍に配置される位相板57とで構成されている。PBS膜58aは、入射光のうちでP偏光を透過させる一方、S偏光を反射させる光学薄膜で形成される。位相板57は、PBS膜58aにて偏光分離された2つの直線偏光の一方の光路中に配置される位相板であり、例えば1/2波長板で構成され、平行平板59の厚みに対応して1つおきに、三角プリズム58の90度折り曲げた光出射面に貼り合わされている。
Furthermore, the polarization conversion
偏光変換光学系55の上記構成により、複数の光源像の光束は、後群レンズ系54を介して三角プリズム58に入射し、PBS膜58aによってP偏光とS偏光とに分離される。S偏光は、PBS膜58aにて反射された後、三角プリズム58の光出射面を通過し、隣り合う位相板57、57の間を通り出射する。
With the above-described configuration of the polarization conversion
一方、PBS膜58aにて偏光分離されたP偏光は、PBS膜58aを透過して平行平板59の反射面にて反射され、再びにPBS膜58aを透過する。PBS膜58aを透過P偏光は、位相板57に入射し、これを透過することによってS偏光に変換される。
On the other hand, the P-polarized light separated by the
偏光変換光学系55の上記構成によれば、プリズムをアレイ状に設ける必要がなく、PBS膜58aを三角プリズム58の一面のみに形成すればよく、これによって、プリズムアレイに発生するおそれがあるPBS膜58aの相互の位置ずれ、角度ずれが抑えられ、偏光変換光学系55によって精度良く偏光変換することができる。
According to the above configuration of the polarization conversion
(第2実施形態)
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、以下での説明の便宜上、第1実施形態と同一の構成には同一の番号を付記し、その説明を省略する。
(Second Embodiment)
The following will describe another embodiment of the present invention with reference to the drawings. For convenience of explanation below, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図12は、本実施形態の画像投影装置の概略構成を示す断面図である。本実施形態の画像投影装置100は、光源1にレーザユニット61を用いた点、TIRプリズム3とDMD4との間の光路中にカラープリズム63を配置した点、投影光学系5のスクリーン側に偏光切り替え素子68を配置した点、DMD4を赤、緑、青の各色光に対応して設けた点以外は、第1実施形態と同様の構成である。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the image projection apparatus of the present embodiment. The
レーザユニット61は、赤色(R)、緑色(G)、青色(B)のレーザ光源を有し、RGBの各色光から白色の光束を合成するものである。放電ランプ等の光源に比べると光源サイズが小さく、レーザユニット61から小さいサイズの光源像が形成される光束が出射され、偏光変換光学系55によって効率良く偏光変換することができる。
The
レーザユニット61の光源光束はロッドインテグレータ22に入射する。ロッドインテグレータ22の光出射面には拡散板ホイール62が設けられる。拡散板ホイール62は高速で回転することによって、ロッドインテグレータ22から出射した光束のスペックルをさらに低減させるが、ロッドインテグレータ22から出射した光束はランダム偏光状態になる。
The light source beam of the
上記の構成において、光源1から出射された光は、照明光学系2を介してTIRプリズム3に入射し、そこで全反射された後、カラープリズム63を介してDMD4に入射する。DMD4に入射した光は、そこで変調された後、画像光として出射され、カラープリズム63を介してTIRプリズム3を透過し、さらに、投影光学系5(偏光変換リレー光学系52、投影レンズ系51)及び偏光切り替え素子68を介してスクリーンに導かれる。
In the above configuration, the light emitted from the light source 1 enters the
図13にカラープリズム63の断面図を示す。カラープリズム63は、TIRプリズム3(図12参照)とDMD4との間の光路中に配置される色分離合成手段である。本実施形態では、DMD4は、異なる3つの色光(赤、緑、青の各色光)に対応して設けられるDMD4R、4G、4Bからなっており、カラープリズム63は、TIRプリズム3からの光を上記3つの色光に分離して各DMD4R、4G、4Bに導くとともに、各DMD4R、4G、4Bからの反射光を同一光路に合成する。
FIG. 13 shows a cross-sectional view of the
カラープリズム63は、三角柱状の第1カラープリズム64及び第2カラープリズム65、略四角柱状の第3カラープリズム66、三角柱状の第4カラープリズム67が組み合わされている。第1カラープリズム64の、第2カラープリズム65と対向する面がダイクロイック面として機能し、この面に赤色光を反射するとともに青色光及び緑色光を透過するダイクロイック膜64Rが形成されている。なお、第1カラープリズム64と第2カラープリズム65との間にはエアギャップ層が設けられている。また、第2カラープリズム65の、第3カラープリズム66と対向する面がダイクロイック面として機能し、この面に青色光を反射するとともに緑色光を透過するダイクロイック膜65Bが設けられている。第2カラープリズム65と第3カラープリズム66との間、第1カラープリズム64と第4カラープリズム67との間にもそれぞれエアギャップ層が設けられている。
The
第4カラープリズム67の光入出射面より入射した照明光は、ダイクロイック膜64Rで赤色光が反射し、青色光及び緑色光は透過する。ダイクロイック膜64Rで反射した赤色光は、第1カラープリズム64の側面で全反射して、第1カラープリズム64の光入出射面より出射してDMD4Rを照明する。一方、ダイクロイック膜64Rを透過した青色光と緑色光のうち、青色光は第2カラープリズム65のダイクロイック膜65Bで反射し、緑色光は透過する。ダイクロイック膜65Bで反射した青色光は、第2カラープリズム65の側面で全反射され、第2カラープリズム65の光入出射面より出射してDMD4Bを照明する。ダイクロイック膜65Bを透過した緑色光は、第3カラープリズム66の光入出射面より出射してDMD4Gを照明する。
The illumination light incident from the light incident / exit surface of the
各DMD4R、4G、4Bに入射した光は、そこで変調された後、画像光として出射される。DMD4Rで反射した赤色の画像光は、第1カラープリズム64の光入出射面に入射して、第1カラープリズム64の側面で全反射した後、さらにダイクロイック膜64Rで反射する。また、DMD4Bで反射された青色の画像光は、第2カラープリズム65の光入出射面に入射して、第2カラープリズム65の側面で全反射した後、ダイクロイック膜65Bでさらに反射する。さらに、第1カラープリズム64のダイクロイック膜64Rを透過する。一方、DMD4Gで反射した緑色の画像光は、第3カラープリズム66の光入出射面に入射して、ダイクロイック膜65B及びダイクロイック膜64Rを透過する。そして、これら赤色、青色及び緑色の各画像光は、同一光軸に合成され、第4カラープリズム67の光入出射面から出射して、TIRプリズム3(図12参照)に入射する。
The light incident on each
図12に戻り、偏光切り替え素子68は、投影光学系5のスクリーン側に配置される。尚、偏光切り替え素子68は偏光変換光学系55よりもスクリーン側であるなら、投影レンズ系51と偏光変換リレー光学系52の間に配置してもよく、また、偏光変換リレー光学系52内に配置してもよい。偏光切り替え素子68としては、例えばReal D社のZ-Screenと呼ばれる偏光切り替え素子を用いることができる。この偏光切り替え素子68は、入射する直線偏光の光束を、右円偏光と左円偏光とで時分割で交互にかつ高速に切り替えて出射するものである。したがって、立体視可能な画像を投影するときは、DMD4に左目用の画像と右目用の画像とを交互に表示し、それに同期して偏光切り替え素子68にて右円偏光と左円偏光とを交互に切り替えて出射すればよい。この場合、鑑賞者は、偏光メガネ(例えば右目部分に右円偏光のみを透過する偏光板を有し、左目部分に左円偏光のみを透過する偏光板を有するもの)を装着することにより、右目用の投影画像を右目で、左目用の投影画像を左目で時分割されて鑑賞して、ひとつの画像投影装置100によって投影画像を立体的に鑑賞することが可能となる。
Returning to FIG. 12, the
上記、第1及び第2実施形態によれば、画像投影装置100に偏光変換リレー光学系52を用いることで、偏光状態が乱れていない単一の直線偏光で画像を投影することができる。従って、投影する画像の光量が低下するのを回避することができ、偏光スクリーンに投影しても、投影する画像の明るさ、コントラストが低下することなく、良好な3D画像を鑑賞することができる。また、3D画像の鑑賞には、2つの画像をひとつの投影光学系で投影することが可能であるために、2つの投影光学系で夫々画像を投影し、スクリーン上に2つの画像の重ね合わせる調整作業が必要でなく、また、平面画像の鑑賞と同様に投影距離等の投影条件を容易に設定することができる。
According to the first and second embodiments described above, by using the polarization conversion relay
尚、上記第1及び第2実施形態では、インテグレータ光学系にロッドインテグレータ22を用いる構成を示したが、本発明はこれに限らず、インテグレータ光学系として複数のレンズからなるレンズアレイを設け、レンズアレイによって光源からの光束を複数の光束に分割して複数の光源像を形成するようにしてもよい。
In the first and second embodiments, the configuration using the
また、図9〜図11に示す偏光変換光学系55の配置、構成を第2実施形態の画像形成装置100に適用するようにしてもよい。
Further, the arrangement and configuration of the polarization conversion
本発明の偏光変換リレー光学系52における一方の光学系(前群レンズ系53、後群レンズ系54)の構成を、実施例のレンズ構成データ及び収差図を用いて、さらに具体的に説明する。尚、本発明はこれら実施例に何ら限定されるものではない。実施例1〜3は夫々図6の光学系に対応させて、各レンズの面番号sを記載している。
The configuration of one of the optical systems (the front
実施例のレンズ構成について、面データは、左側の欄から順に、面番号s、曲率半径r(単位mm)、軸上での面間隔t(単位mm)、波長546.00nmにおける屈折率nd及びアッベ数vd、有効径d(単位mm)を示す。尚、面番号s1、s2は偏光変換光学系55を示し、s18は像面を示す。
For the lens configuration of the example, the surface data includes the surface number s, the radius of curvature r (unit: mm), the surface interval t (unit: mm) on the axis, the refractive index nd at a wavelength of 546.00 nm, in order from the left column. Abbe number vd and effective diameter d (unit: mm) are shown. Surface numbers s1 and s2 indicate the polarization conversion
各種データに示す記号は下記の通りである。
F:瞳径(単位mm)
Y'max:最大像高(単位mm)
Symbols shown in various data are as follows.
F: Pupil diameter (unit: mm)
Y'max: Maximum image height (unit: mm)
(実施例1)
単位 mm
[面データ]
s r t nd vd d
1 inf 2.00 1.51680 64.20 20.84
2 inf 6.73 20.85
3 -71.429 11.24 1.51680 64.20 20.88
4 46.676 7.02 1.80611 40.73 23.18
5 92.076 9.36 23.18
6 -126.287 14.13 1.83400 37.35 24.10
7 -54.652 6.15 26.18
8 -40.663 12.15 1.67270 32.17 25.99
9 -73.756 2.22 30.29
10 122.193 15.35 1.49700 81.61 32.79
11 -86.155 5.03 32.93
12 -100.159 4.94 1.78590 43.93 31.85
13 106.254 10.02 32.76
14 175.342 18.96 1.49700 81.61 36.45
15 -72.215 14.52 37.33
16 106.690 22.42 1.49700 81.61 37.01
17 3585.545 145.00 35.00
18 inf 8.59 18.50
Example 1
Unit mm
[Surface data]
srt nd vd d
1 inf 2.00 1.51680 64.20 20.84
2 inf 6.73 20.85
3 -71.429 11.24 1.51680 64.20 20.88
4 46.676 7.02 1.80611 40.73 23.18
5 92.076 9.36 23.18
6 -126.287 14.13 1.83400 37.35 24.10
7 -54.652 6.15 26.18
8 -40.663 12.15 1.67270 32.17 25.99
9 -73.756 2.22 30.29
10 122.193 15.35 1.49700 81.61 32.79
11 -86.155 5.03 32.93
12 -100.159 4.94 1.78590 43.93 31.85
13 106.254 10.02 32.76
14 175.342 18.96 1.49700 81.61 36.45
15 -72.215 14.52 37.33
16 106.690 22.42 1.49700 81.61 37.01
17 3585.545 145.00 35.00
18 inf 8.59 18.50
[各種データ]
F:20.84
Y'max:18.50
[Various data]
F: 20.84
Y'max: 18.50
(実施例2)
単位 mm
[面データ]
s r t nd vd d
1 inf 2.00 1.51680 64.20 21.19
2 inf 13.06 21.19
3 -72.934 4.20 1.51680 64.20 21.26
4 46.386 7.12 1.80611 40.73 22.78
5 90.848 10.62 22.79
6 -122.750 14.72 1.83400 37.35 24.04
7 -53.921 6.20 26.30
8 -40.627 12.03 1.67270 32.17 26.12
9 -73.676 2.49 30.49
10 119.966 15.88 1.49700 81.61 33.13
11 -84.324 5.06 33.25
12 -96.301 4.27 1.78590 43.93 32.09
13 106.243 10.01 33.00
14 175.375 18.92 1.49700 81.61 36.77
15 -71.832 6.65 37.62
16 107.636 27.96 1.49700 81.61 37.58
17 3644.289 145.00 35.00
18 inf 3.74 17.96
(Example 2)
Unit mm
[Surface data]
srt nd vd d
1 inf 2.00 1.51680 64.20 21.19
2 inf 13.06 21.19
3 -72.934 4.20 1.51680 64.20 21.26
4 46.386 7.12 1.80611 40.73 22.78
5 90.848 10.62 22.79
6 -122.750 14.72 1.83400 37.35 24.04
7 -53.921 6.20 26.30
8 -40.627 12.03 1.67270 32.17 26.12
9 -73.676 2.49 30.49
10 119.966 15.88 1.49700 81.61 33.13
11 -84.324 5.06 33.25
12 -96.301 4.27 1.78590 43.93 32.09
13 106.243 10.01 33.00
14 175.375 18.92 1.49700 81.61 36.77
15 -71.832 6.65 37.62
16 107.636 27.96 1.49700 81.61 37.58
17 3644.289 145.00 35.00
18 inf 3.74 17.96
[各種データ]
F:21.19
Y'max:17.96
[Various data]
F: 21.19
Y'max: 17.96
(実施例3)
単位 mm
[面データ]
s r t nd vd d
1 inf 2.00 1.51680 64.20 21.36
2 inf 11.03 21.37
3 -74.746 5.03 1.51680 64.20 21.42
4 46.005 7.12 1.80611 40.73 23.02
5 89.269 9.53 23.01
6 -117.534 14.29 1.83400 37.35 23.95
7 -52.926 5.85 26.15
8 -40.676 12.16 1.67270 32.17 25.97
9 -73.704 2.10 30.29
10 117.059 15.58 1.49700 81.61 32.86
11 -85.659 4.87 32.97
12 -96.140 4.40 1.78590 43.93 31.91
13 105.818 10.01 32.86
14 174.322 18.91 1.49700 81.61 36.69
15 -72.532 4.23 37.56
16 105.704 27.28 1.49700 81.61 37.53
17 3147.328 145.00 35.00
18 inf 5.01 18.08
(Example 3)
Unit mm
[Surface data]
srt nd vd d
1 inf 2.00 1.51680 64.20 21.36
2 inf 11.03 21.37
3 -74.746 5.03 1.51680 64.20 21.42
4 46.005 7.12 1.80611 40.73 23.02
5 89.269 9.53 23.01
6 -117.534 14.29 1.83400 37.35 23.95
7 -52.926 5.85 26.15
8 -40.676 12.16 1.67270 32.17 25.97
9 -73.704 2.10 30.29
10 117.059 15.58 1.49700 81.61 32.86
11 -85.659 4.87 32.97
12 -96.140 4.40 1.78590 43.93 31.91
13 105.818 10.01 32.86
14 174.322 18.91 1.49700 81.61 36.69
15 -72.532 4.23 37.56
16 105.704 27.28 1.49700 81.61 37.53
17 3147.328 145.00 35.00
18 inf 5.01 18.08
[各種データ]
F:21.36
Y'max:18.08
[Various data]
F: 21.36
Y'max: 18.08
図14〜図22は、波長546.00nmにおける各像高のコマ収差(横収差)を示す。各図の(a)は最大像高に至る光線束のコマ収差、各図の(b)は最大像高の0.87倍の位置に至る光線束のコマ収差、各図の(c)は最大像高の0.71倍の位置に至る光線束のコマ収差、各図の(d)は軸上に至る光線束のコマ収差を示す。横軸に瞳面上における入射光線の位置を示し、縦軸は各入射光線の位置におけるコマ収差量を示す。 14 to 22 show coma aberration (lateral aberration) at each image height at a wavelength of 546.00 nm. (A) of each figure is coma aberration of the light beam reaching the maximum image height, (b) of each figure is coma aberration of the light beam reaching 0.87 times the maximum image height, and (c) of each figure is The coma aberration of the light beam reaching a position 0.71 times the maximum image height, and (d) in each figure shows the coma aberration of the light beam reaching the axis. The horizontal axis indicates the position of the incident light beam on the pupil plane, and the vertical axis indicates the coma aberration amount at the position of each incident light beam.
図14〜図16は実施例1のコマ収差を示す。図14は、一方の光学系(前群レンズ系53、後群レンズ系54、図6参照)のコマ収差を示し、図15、図16は、夫々倍率1倍の全光学系(図4参照)のコマ収差を示す。図15は、前群レンズ系53と後群レンズ系54とを互いに2mm平行偏心させた場合のコマ収差を示し、図16は、平行偏心がない場合のコマ収差を示す。この実施例1は、一方の光学系(前群レンズ系53、後群レンズ系54)のコマ収差量がDMD4の画素程度(8μm程度)になるように設計したものであり、平行偏心が在る全光学系のコマ収差量は平行偏心がない全光学系のコマ収差(図16参照)と同じ程度に抑えられている。
14 to 16 show the coma aberration of Example 1. FIG. FIG. 14 shows coma aberration of one optical system (front
図17〜図19は実施例2のコマ収差を示す。図17は、一方の光学系(前群レンズ系53、後群レンズ系54、図6参照)のコマ収差を示し、図18、図19は、夫々倍率1倍の全光学系(図4参照)のコマ収差を示す。図18は、前群レンズ系53と後群レンズ系54とを互いに2mm平行偏心させた場合のコマ収差を示し、図19は、平行偏心がない場合のコマ収差を示す。この実施例2は、一方の光学系(前群レンズ系53、後群レンズ系54)のコマ収差量が200μm以下になるように設計したものであり、平行偏心した全光学系のコマ収差量はDMD4の画素の半画素(4μm)程度に抑えられている。
17 to 19 show the coma aberration of the second embodiment. FIG. 17 shows coma aberration of one optical system (front
図20〜図22は実施例3のコマ収差を示す。図20は、一方の光学系(前群レンズ系53、後群レンズ系54、図6参照)のコマ収差を示し、図21、図22は、夫々倍率1倍の全光学系(図4参照)のコマ収差を示す。図21は、前群レンズ系53と後群レンズ系54とを互いに2mm平行偏心させた場合のコマ収差を示し、図22は、平行偏心がない場合のコマ収差を示す。この実施例3は、一方の光学系(前群レンズ系53、後群レンズ系54)のコマ収差量が300μm以下になるように設計したものであり、平行偏心した全光学系のコマ収差量はDMD4の1画素(8μm)程度に抑えられている。
20 to 22 show the coma aberration of Example 3. FIG. 20 shows coma aberration of one optical system (front
本発明は、表示素子にて表示された画像を被投影面に投影する画像投影装置に用いる偏光変換リレー光学系及びそれを備えた画像投影装置に利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a polarization conversion relay optical system used in an image projection apparatus that projects an image displayed on a display element onto a projection surface and an image projection apparatus including the polarization conversion relay optical system.
1 光源
2 照明光学系
4 DMD(表示素子)
4B DMD(表示素子)
4G DMD(表示素子)
4R DMD(表示素子)
5 投影光学系
22 ロッドインテグレータ(インテグレータ光学系)
23 照明リレー系
51 投影レンズ系
52 偏光変換リレー光学系
53 前群レンズ系
54 後群レンズ系
55 偏光変換光学系
56 PBSプリズムアレイ(偏光分離素子)
56c PBS膜
56d プリズム
56e 分岐プリズム
56f PBS膜
56g プリズム
56h 反射膜
56i 反射膜
56j 反射プリズム
57 位相板
58 三角プリズム
58a PBS膜
59 平行平板
61 レーザユニット
63 カラープリズム
68 偏光切り替え素子
100 画像投影装置
M 中間像
P 瞳面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
4B DMD (display element)
4G DMD (display element)
4R DMD (display element)
5 Projection
23
59
Claims (8)
光源の光から複数の光源像を形成するインテグレータ光学系を有し前記光源からの光を前記表示素子に導く照明光学系と、
前記表示素子の画像を被投影面に投影する投影レンズ系と、を備えた画像投影装置における、前記投影レンズ系と前記表示素子との間に配置され、前記表示素子の表示画像の中間像を偏光方向が一方向に揃った状態で形成する偏光変換リレー光学系であって、
前記偏光変換リレー光学系は、瞳面に対して中間像側に配置される前群レンズ系と、該瞳面に対して表示素子側に配置される後群レンズ系と、該瞳面に配置される偏光変換光学系とを備え、
前記偏光変換光学系は、前記複数の光源像からの光を偏光方向の異なる2つの直線偏光に分離する偏光分離素子と、前記2つの直線偏光を一つの偏光方向に揃えて出射する位相板とを有し、
有効像領域内に集光するすべての光線束において、前記前群レンズ系は下記の条件式(1)を満たし、前記後群レンズ系は下記の条件式(2)を満たすことを特徴とする偏光変換リレー光学系。
Δf<40×k×p ・・・(1)
Δr<40×p ・・・(2)
但し、
Δf:前記前群レンズ系の像面における、該瞳面の上端を通過する光線の座標と該瞳面の下端を通過する光線の座標との中間点から、該瞳面の中心を通過する光線の座標までの距離として定義されるコマ収差量の絶対値
Δr:前記後群レンズ系の像面における、該瞳面の上端を通過する光線の座標と該瞳面の下端を通過する光線の座標との中間点から、該瞳面の中心を通過する光線の座標までの距離として定義されるコマ収差量の絶対値
k:前記偏光変換リレー光学系の倍率
p:前記表示素子の画素ピッチ A display element composed of a digital micromirror device that displays an image by rotating a mirror constituting each pixel;
An illumination optical system that has an integrator optical system that forms a plurality of light source images from the light of the light source and guides the light from the light source to the display element;
An image projection apparatus comprising: a projection lens system that projects an image of the display element onto a projection surface; and an intermediate image of a display image of the display element that is disposed between the projection lens system and the display element. A polarization conversion relay optical system formed with the polarization direction aligned in one direction,
The polarization conversion relay optical system includes a front group lens system disposed on the intermediate image side with respect to the pupil plane, a rear group lens system disposed on the display element side with respect to the pupil plane, and the pupil plane. A polarization conversion optical system,
The polarization conversion optical system includes: a polarization separation element that separates light from the plurality of light source images into two linearly polarized light having different polarization directions; and a phase plate that emits the two linearly polarized light in a single polarization direction. Have
In all light bundles condensed in an effective image area, the front group lens system satisfies the following conditional expression (1), and the rear group lens system satisfies the following conditional expression (2): Polarization conversion relay optical system.
Δf <40 × k × p (1)
Δr <40 × p (2)
However,
Δf: a ray passing through the center of the pupil plane from an intermediate point between the coordinates of the ray passing through the upper end of the pupil plane and the coordinate of the ray passing through the lower end of the pupil plane in the image plane of the front group lens system The absolute value Δr of the coma aberration amount defined as the distance to the coordinates of: The coordinates of the light ray passing through the upper end of the pupil plane and the coordinates of the light ray passing through the lower end of the pupil plane in the image plane of the rear lens group The absolute value of the coma aberration amount defined as the distance from the intermediate point to the coordinates of the light ray passing through the center of the pupil plane k: the magnification of the polarization conversion relay optical system p: the pixel pitch of the display element
Δf<20×k×p ・・・(1A)
Δr<20×p ・・・(2A) The polarization conversion relay optical system according to claim 1, wherein the front group lens system satisfies the following conditional expression (1A), and the rear group lens system satisfies the following conditional expression (2A).
Δf <20 × k × p (1A)
Δr <20 × p (2A)
Δf<k×p ・・・(1B)
Δr<p ・・・(2B) The polarization conversion relay optical system according to claim 2, wherein the front group lens system satisfies the following conditional expression (1B), and the rear group lens system satisfies the following conditional expression (2B).
Δf <k × p (1B)
Δr <p (2B)
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-
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- 2011-09-08 JP JP2011195704A patent/JP2012141574A/en not_active Withdrawn
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