JP2012256075A - Projection optical system - Google Patents
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Images
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Abstract
Description
この発明は、投射光学系および画像投射装置に関する。 The present invention relates to a projection optical system and an image projection apparatus.
画像投射装置として広く知られた液晶プロジェクタは、近来、液晶パネルの高解像化、光源ランプの高効率化に伴う明るさの改善、低価格化などが進んでいる。
また、DMD(Digital Micro-mirror Device)を利用した小型軽量な画像投射装置が普及し、オフィスや学校のみならず家庭においても広くこれら画像投射装置が利用されるようになってきている。特に、フロントタイプのプロジェクタは携帯性が向上し、数人規模の小会議にも使われるようになってきている。
Liquid crystal projectors that are widely known as image projection apparatuses have recently been improved in the resolution of liquid crystal panels, the improvement in brightness accompanying the increase in efficiency of light source lamps, and the reduction in price.
In addition, compact and lightweight image projection devices using DMD (Digital Micro-mirror Device) have become widespread, and these image projection devices are widely used not only in offices and schools but also at home. In particular, front-type projectors have improved portability and have been used for small meetings of several people.
画像投射装置であるプロジェクタには、大画面の画像を投射できること(投射画面の大画面化)と共に「プロジェクタ外に必要とされる投影空間」をできるだけ小さくできることが要請されている。 A projector that is an image projection apparatus is required to be able to project an image on a large screen (enlarge the projection screen) and to make the “projection space required outside the projector” as small as possible.
投射画面の大画面化を図りつつ、プロジェクタ外の投影空間を縮小するには、投射される画像を結像する結像光束の光路を、できるだけ「画像投射装置内部に繰り込む」のが良く、このような工夫を行った画像投射装置として、特許文献1〜5記載のものが知られている。
In order to reduce the projection space outside the projector while enlarging the projection screen, the optical path of the imaging light beam that forms the projected image should be “retracted inside the image projection device” as much as possible. As an image projection apparatus having such a device, those described in
特許文献1記載の画像投射装置は、結像光学系の大型化を抑えて、広画角化を図るため、第1〜第4の反射鏡を備え、第1反射鏡を凹面形状、第2〜第4反射鏡を凸面として、これら反射鏡により結像光学系を構成している。また、第1〜第4反射鏡のうち少なくとも1面を自由曲面形状として投射性能の確保を図っている。
The image projection apparatus described in
特許文献2記載の画像投射装置は、スクリーンまでの投射距離を短くした面投射型ディスプレイであり、凹面鏡と「発散作用を有する凸面鏡」との対と、投射レンズとにより結像光学系を構成している。
The image projection apparatus described in
特許文献3記載の画像投射装置は「ビデオプロジエクタ」であって、結像光学系における第1番目の鏡面を凸面形状とし、装置の薄型化を図っている。
The image projection apparatus described in
特許文献1、3に記載された画像投射方式では、ライトバルブの画像をスクリーン上に拡大投射するのに、反射鏡のみで結像を行っており、色収差が原理的に発生しないというメリットがある。しかし、単板式でなく、3板式のように赤・緑・青の画像を3つのライトバルブに別個に表示し、各画像をスクリーン上で合成するような場合には、クロスプリズムやフィリップスプリズム等の色合成手段を介在させる必要があり、色合成の際に色収差が発生するが、反射面のみによる結像光学系では色収差補正ができない。
The image projection methods described in
特許文献4記載の画像投射装置では、画像表示パネルからの光束を、正のパワーを持つ結像レンズ系と、負のパワーの曲面ミラーを含む反射光学系とによる拡大投射光学系により順次スクリーンに導光して結像させている。
In the image projection apparatus described in
スクリーンの高さと結像レンズ系は高さをずらして設定され、ミラーで折り返されてスクリーンに導光される。このため、スクリーン上の投射拡大画像の中心部(画像表示パネルの中心部に対応する)の上側と下側とで、結像光束の光路長が異なり、その結果として所謂「台形歪み」が発生する。 The height of the screen and the imaging lens system are set so as to be shifted from each other, folded back by a mirror, and guided to the screen. For this reason, the optical path length of the imaging light flux is different between the upper side and the lower side of the center portion of the enlarged projection image on the screen (corresponding to the center portion of the image display panel). As a result, so-called “trapezoidal distortion” occurs. To do.
台形歪みは「キーストン補正」により補正することができるが、キーストン補正は、スクリーン上の拡大画像の像質劣化をもたらし易い。 The trapezoidal distortion can be corrected by “keystone correction”, but the keystone correction tends to cause image quality deterioration of the enlarged image on the screen.
台形歪みを少なくする構成として、結像レンズ系とスクリーンの間に「凸面ミラーを、結像レンズの光軸に対して偏芯させて設け」る構成が知られている。凸面ミラーを偏芯配置させる場合、結像レンズ系の「スクリーン側焦点位置よりも結像レンズ側」に凸面ミラーを配置し、凸面ミラーの有する負の屈折力によって、投射レンズの焦点位置を伸ばす。 As a configuration for reducing the trapezoidal distortion, a configuration is known in which “a convex mirror is provided eccentrically with respect to the optical axis of the imaging lens” between the imaging lens system and the screen. When the convex mirror is arranged eccentrically, a convex mirror is arranged on the imaging lens system "on the imaging lens side than the focal position on the screen side", and the focal position of the projection lens is extended by the negative refractive power of the convex mirror. .
このような構成で、薄型且つ大画面の拡大投射装置を実現するのに、凸面ミラーの負のパワーを大きくして画角を広げる方法があるが、凸面ミラーの形状精度や組付公差が厳しくなり、またディストーションも大きくなる。 In order to realize a thin and large screen enlargement projection device with such a configuration, there is a method of increasing the negative power of the convex mirror to widen the angle of view, but the shape accuracy and assembly tolerance of the convex mirror are severe. And distortion increases.
結像レンズと凸面ミラーの間の距離を大きくすることにより、凸面ミラーの屈折力を弱くでき、ディストーションを軽減できるが、結像レンズと凸面ミラーの距離が大きくなることに伴い、凸面ミラーが大型化してミラーのコストが高くなり、拡大投射装置も大型化しやすい。 Increasing the distance between the imaging lens and the convex mirror can weaken the refractive power of the convex mirror and reduce distortion. However, as the distance between the imaging lens and the convex mirror increases, the convex mirror becomes larger. As a result, the cost of the mirror increases, and the enlargement projection device tends to increase in size.
特許文献5では、反射ミラーのみで拡大投射光学系が構成されている。このように、レンズ光学系を用いずに所望の光学性能を得ようとすると、各反射面の面精度や位置精度を極めて高く設定する必要があり、拡大投射光学系の組み付け精度が厳しくなる。 In Patent Document 5, an enlargement projection optical system is configured only by a reflection mirror. As described above, when obtaining desired optical performance without using the lens optical system, it is necessary to set the surface accuracy and position accuracy of each reflecting surface to be extremely high, and the assembling accuracy of the magnifying projection optical system becomes severe.
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、投射画面の大画面化を図りつつ、投射装置外の投影空間を縮小するために、反射面を含む結像光学系を採用しつつ、色収差も補正可能で、大画面を投射可能な投射光学系、このような投射光学系等を用いる薄型の画像投射装置の実現を課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and employs an imaging optical system including a reflecting surface in order to reduce the projection space outside the projection apparatus while increasing the size of the projection screen. On the other hand, it is an object to realize a projection optical system capable of correcting chromatic aberration and projecting a large screen, and a thin image projection apparatus using such a projection optical system.
この発明の投射光学系は「画像形成するライトバルブに、光源からの照明光を照射し、ライトバルブに形成された画像を、投射光学系により拡大投射する画像投射装置において、ライトバルブに形成された画像を平面の投影面に拡大投影する投射光学系」であって、以下の特徴と有する。 The projection optical system according to the present invention is formed in a light valve in an image projection apparatus that irradiates an illumination light from a light source to a light valve that forms an image, and enlarges and projects an image formed on the light valve by the projection optical system. A projection optical system for enlarging and projecting the obtained image on a flat projection surface, and has the following characteristics.
即ち、投射光学系は、第1光学系と第1および第2反射面を有する。
「第1光学系」は、1以上のレンズからなり、投影面とライトバルブとの間に「画像の中間像」を形成するものであり、正のパワーを有する。
「第1反射面」は1枚であり、中間像と第1光学系との間に設けられる。
「第2反射面」は、中間像を結像した後の発散する光束を反射し、投影面状に結像させるものであり、正のパワーを有する。
即ち、ライトバルブからの光束は、第1光学系と、第1、第2反射面により投影面に導光されて拡大画像を投影するが、先ず、第1光学系により中間像として結像される。中間像を結像した光束は、第1反射面で反射され、発散しつつ第2反射面に入射し、第2反射面により投影面に向けて反射される。
請求項1記載の投射光学系は「第1反射面、第1光学系、第2反射面が、この順序で、投影面から近い位置」に配置されていることを特徴とする。即ち、第1反射面が投影面から最も近く、第2反射面が投影面から最も遠い。
That is, the projection optical system has a first optical system and first and second reflecting surfaces.
The “first optical system” includes one or more lenses, and forms an “intermediate image” between the projection surface and the light valve, and has a positive power.
The “first reflecting surface” is a single sheet and is provided between the intermediate image and the first optical system.
The “second reflecting surface” reflects a diverging light beam after forming the intermediate image and forms an image on the projection surface, and has a positive power.
That is, the light beam from the light valve is guided to the projection surface by the first optical system and the first and second reflecting surfaces to project an enlarged image, but first, it is formed as an intermediate image by the first optical system. The The light beam that forms the intermediate image is reflected by the first reflecting surface, enters the second reflecting surface while diverging, and is reflected toward the projection surface by the second reflecting surface.
The projection optical system according to
請求項2記載の投射光学系は「ライトバルブから発する光線は、投影面から遠い箇所からの光線ほど、投影面への入射角が大きい」ことを特徴とする。
即ち、第2反射面により反射された光束の投影面への入射角は「ライトバルブの、投影面から最も遠い位置から放射される光線ほど大きくなる」ように構成されている。
若干補足すると、中間像の形状は「最終像の台形歪みが小さくなるような形状」であることができ、「最終像の台形歪みに対して逆に歪んだ形状の中間像を形成」するように構成することができる。
中間像は「投影面への入射角が最も大きい辺が最も短い」形状であることができる。
The projection optical system according to
That is, the incident angle of the light beam reflected by the second reflecting surface to the projection surface is configured so that “the light beam emitted from the position farthest from the projection surface of the light valve becomes larger”.
As a supplement, the shape of the intermediate image can be “a shape that reduces the trapezoidal distortion of the final image”, and “forms an intermediate image that is distorted opposite to the trapezoidal distortion of the final image”. Can be configured.
The intermediate image can have a shape of “the side with the largest incident angle on the projection surface is the shortest”.
中間像は、ライトバルブの中心から射出する光束の主光線に対して傾斜し、且つ像面が湾曲していることができる。
第2反射面は自由曲面で構成することができる。
The intermediate image can be inclined with respect to the principal ray of the light beam emitted from the center of the light valve, and the image plane can be curved.
The second reflecting surface can be configured as a free-form surface.
上記の如く、第1光学系は1以上のレンズで構成される。 As described above, the first optical system includes one or more lenses.
第1光学系を構成するレンズのレンズ面は自由曲面として「非球面形状の屈折面」を有することができる。 The lens surface of the lens constituting the first optical system can have a “aspherical refractive surface” as a free-form surface.
「画像形成するライトバルブに、光源からの照明光を照射し、ライトバルブに形成された画像を、投射光学系により拡大投射する画像投射装置」において、ライトバルブに形成された画像を拡大投影する投射光学系として請求項1または2記載のものを用いることができる。
即ち請求項3の画像投射装置は「ライトバルブからの光束を投射光学系によってスクリーンに導光し、スクリーン上に、ライトバルブに形成された画像を拡大した最終像を結像させる画像投射装置であって、投射光学系として、請求項1または2記載の投射光学系を搭載した」構成のものである。
In the "image projection apparatus that irradiates the light bulb for image formation with illumination light from the light source and enlarges and projects the image formed on the light valve by the projection optical system", the image formed on the light valve is enlarged and projected. The projection optical system described in
That is, the image projection apparatus according to
投射光学系は「ライトバルブからの光束をスクリーンに導光し、スクリーンの法線に対し傾斜した方向から投射して、スクリーン上に、ライトバルブに形成された画像の拡大像を結像」させる拡大投射光学系であることができる。 The projection optical system “guides the light flux from the light valve to the screen and projects it from a direction inclined with respect to the normal line of the screen to form an enlarged image of the image formed on the light valve on the screen”. It can be a magnifying projection optical system.
「ライトバルブ(LV)」は、透過型や反射型の各種液晶パネル等、あるいは、デジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)等であることもできる。 The “light valve (LV)” may be a transmissive or reflective liquid crystal panel, a digital micromirror device (DMD), or the like.
以下、参考技術として、反射光学系と透過光学系をもつ拡大投射光学系を説明する。
「反射光学系」は、パワーを持つ複数の反射面により構成され、回転非対称反射面を1面以上含む。「回転非対称反射面」は、反射面の形状が、回転対称軸を持たない反射面である。
「透過光学系」は、屈折力をもつ透過面により構成され、非球面を1面以上含む。
Hereinafter, an enlarged projection optical system having a reflection optical system and a transmission optical system will be described as a reference technique.
The “reflection optical system” is composed of a plurality of reflecting surfaces having power, and includes one or more rotationally asymmetric reflecting surfaces. The “rotationally asymmetric reflection surface” is a reflection surface in which the shape of the reflection surface does not have a rotational symmetry axis.
The “transmission optical system” is constituted by a transmission surface having refractive power and includes one or more aspheric surfaces.
上記拡大投射光学系において「透過光学系における画像表示パネル側から第1面と、反射光学系におけるスクリーン側から第1面との間に絞りを設け、そのスクリーン側に配置した光学素子により、上記絞りの像が、負の縮小倍率で結像するように構成する」ことが好ましい。 In the magnifying projection optical system, “a diaphragm is provided between the first surface from the image display panel side in the transmission optical system and the first surface from the screen side in the reflection optical system, and the optical element disposed on the screen side is It is preferable that the diaphragm image is formed at a negative reduction magnification.
拡大投射光学系は「複数の透過面からなる透過光学系」と「複数の反射面から成る反射光学系」と「絞り」とを有し、反射光学系における反射面のうち「絞りを通過した光束が最初に入射するパワーを持つ反射面」のパワーが負であることもできる。 The magnifying projection optical system has “a transmission optical system composed of a plurality of transmission surfaces”, “a reflection optical system composed of a plurality of reflection surfaces”, and “aperture”. The power of the “reflecting surface having the power at which the light beam first enters” can be negative.
この拡大投射光学系において、「絞りを通過した光束が最初に入射する負のパワーを持つ反射面」に続く反射面は正のパワーを持つことが好ましい。 In this magnifying projection optical system, it is preferable that the reflecting surface following the “reflecting surface having a negative power on which the light beam having passed through the aperture first enters” has a positive power.
上記拡大投射光学系における反射光学系は「パワーを持つ複数の反射面により構成され、回転非対称反射面を1面以上含」み、透過光学系は「屈折力をもつ透過面により構成され、非球面を1面以上含」むことが好ましい。 The reflection optical system in the above-mentioned enlargement projection optical system includes “a plurality of reflection surfaces having power and includes one or more rotationally asymmetric reflection surfaces”, and the transmission optical system includes “a transmission surface having refractive power. It is preferable to include one or more spherical surfaces.
別の拡大投射光学系は以下の如き特徴を有する。
即ち、画像表示パネル側からスクリーンに至る光束が生成する画像表示パネルの、負の倍率の中間像(拡大投射光学系による結像光束の光路上において生成される「画像パネルの中間像」)と、スクリーン側から画像表示パネルに至る光束が生成するスクリーンの負の倍率の中間像(拡大投射光学系に、仮想的にスクリーン側から光を入射させたときに、上記光路上に生成するスクリーンの中間像。因みにこのときのスクリーンの像は縮小像で画像表示パネル上に結像する)の位置・形状が略一致している。
Another magnification projection optical system has the following characteristics.
That is, an intermediate image with a negative magnification (an “image panel intermediate image” generated on the optical path of the imaged light beam by the magnifying projection optical system) of the image display panel that generates a light beam from the image display panel side to the screen. An intermediate image of the negative magnification of the screen that generates the light flux from the screen side to the image display panel (when the light is virtually incident on the enlarged projection optical system from the screen side, The position and shape of the intermediate image (the image on the screen at this time is a reduced image formed on the image display panel) are substantially the same.
この拡大投射光学系は「複数の反射面から成る反射光学系」と「複数の透過面からなる透過光学系」とを有することができ、この場合において、拡大投射光学系は「絞り」を有し、反射光学系における反射面のうち「絞りを通過した光束が最初に入射するパワーを持つ反射面」のパワーを負とすることができる)。この場合「絞りを通過した光束が最初に入射する負のパワーを持つ反射面に続く反射面」が正のパワーを持つことが好ましい。 This magnifying projection optical system can have a “reflecting optical system consisting of a plurality of reflecting surfaces” and a “transmitting optical system consisting of a plurality of transmitting surfaces”. In this case, the magnifying projection optical system has an “aperture”. The power of the “reflecting surface having the power at which the light beam that has passed through the aperture first enters” among the reflecting surfaces in the reflecting optical system can be negative). In this case, it is preferable that the “reflecting surface following the reflecting surface having a negative power on which the light beam having passed through the diaphragm first enters” has a positive power.
上記拡大投射光学系においては、反射光学系を「パワーを持つ複数の反射面により構成され、回転非対称反射面を1面以上含む構成」とし、透過光学系を「屈折力をもつ透過面により構成され、非球面を1面以上含む構成」とすることができる。 In the above-mentioned magnified projection optical system, the reflection optical system is “consisting of a plurality of reflective surfaces having power and including one or more rotationally asymmetric reflection surfaces”, and the transmission optical system is composed of “transmission surfaces having refractive power” And a configuration including one or more aspherical surfaces ”.
上記拡大投射光学系において、反射光学系に含まれる「回転非対称反射面」は、投射光路上において最もスクリーン側に配置されることが好ましい。 In the magnifying projection optical system, it is preferable that the “rotationally asymmetric reflection surface” included in the reflection optical system is disposed on the most screen side in the projection optical path.
また、上記拡大投射光学系において、透過光学系は「屈折力を有する回転非対称な透過面」を含むことが好ましい。 In the magnifying projection optical system, the transmission optical system preferably includes a “rotationally asymmetric transmission surface having refractive power”.
上記拡大投射光学系において、透過光学系の光軸は、画像表示パネル位置に対し、導光光路(画像表示パネルからスクリーンに至る光路における、画像表示パネルの中心から、スクリーン上の拡大像の中心に至る主光線の光路)を含む面内で偏芯して設定されることができる。 In the magnifying projection optical system, the optical axis of the transmissive optical system is the light guide optical path (from the center of the image display panel in the optical path from the image display panel to the screen) to the center of the enlarged image on the screen with respect to the image display panel position. Can be set eccentrically in the plane including the optical path of the principal ray leading to
また、上記拡大投射光学系における反射光学系は「ユニット」として構成することができる。 Further, the reflection optical system in the above-mentioned enlarged projection optical system can be configured as a “unit”.
上記拡大投射光学系を用い「画像表示パネルに画像を表示し、画像表示パネルを光源からの光で照明し、照明された画像表示パネルからの光束を拡大投射光学系によりスクリーンに導光し、スクリーンの法線に対し傾斜した方向から投射して、スクリーン上に、画像表示パネルに表示された画像の拡大像を投射する拡大投射装置」を構成できる。 Using the above-mentioned enlarged projection optical system, “displaying an image on the image display panel, illuminating the image display panel with light from the light source, and guiding the luminous flux from the illuminated image display panel to the screen with the enlarged projection optical system, It is possible to configure an “enlarged projection device” that projects from a direction inclined with respect to the normal line of the screen and projects an enlarged image of the image displayed on the image display panel on the screen.
若干補足すると、上に説明した「透過光学系」に含まれる「透過面」は、レンズ面のみならず、フレネルレンズ面でもよい。
また、反射光学系に含まれる反射面における光の反射が「内部全反射条件を満たす」構成でも良い。このように反射面を「内部全反射面」とする場合、「透過光学系からの光束を取り込む面」は透過面である。この場合、この透過面への光束入射を面に直交させると、入射の際に収差が発生しないので好ましい。
To supplement a little, the “transmission surface” included in the “transmission optical system” described above may be not only a lens surface but also a Fresnel lens surface.
In addition, a configuration in which the reflection of light on the reflection surface included in the reflection optical system satisfies the “total internal reflection condition” may be employed. As described above, when the reflection surface is the “total internal reflection surface”, the “surface that takes in the light beam from the transmission optical system” is the transmission surface. In this case, it is preferable to make the light beam incident on the transmission surface perpendicular to the surface because no aberration occurs during the incidence.
拡大投射装置に用いられる「画像表示パネルであるライトバルブ」は1枚に限らない。3枚の画像表示パネルを用い、R(赤)、G(緑)、B(青)の各色成分画像を、色ごとに「異なる画像表示パネル」に表示し、これら画像表示パネルからの光を合成して、拡大投射光学系によりスクリーンへ導光し、スクリーン上にカラー画像を表示するように構成することができることは言うまでも無い。 The “light valve as an image display panel” used in the magnifying projection device is not limited to one. Using three image display panels, each R (red), G (green), and B (blue) color component image is displayed on a “different image display panel” for each color, and light from these image display panels is displayed. Needless to say, the image can be synthesized and guided to the screen by the enlarged projection optical system, and a color image can be displayed on the screen.
上記拡大投射光学系では、結像光束をスクリーン法線に対して傾いた方向から投射して、スクリーン上に結像させるので「スクリーン法線の方向から投射する場合に、結像光束がスクリーン法線に対して傾いた場合に生じる表示画像の歪み」を有効に軽減させることができる。 In the above-mentioned enlargement projection optical system, the imaged light beam is projected from the direction inclined with respect to the screen normal and imaged on the screen. It is possible to effectively reduce the “distortion of the display image that occurs when tilted with respect to the line”.
また、透過光学系の屈折力をもつ透過面はレンズ系による実現が容易で、セル化も容易であり、組付け精度を出し易くコストダウン効果が得られる。また、反射光学系に含まれる回転非対称反射面により、非対称な収差成分を補正できる。 In addition, the transmission surface having the refractive power of the transmission optical system can be easily realized by a lens system, can be easily made into a cell, and can be easily assembled, resulting in a cost reduction effect. Further, an asymmetrical aberration component can be corrected by the rotationally asymmetric reflecting surface included in the reflecting optical system.
拡大投射光学系を屈折面のみで構成すると、屈折面の配列が1方向に伸びていくので、光学系の3次元的構造を小型化できないが、透過面と反射面の組み合わせによって光路を折り返す構成をとることができ、光学系を小型化できる。 If the magnifying projection optical system is configured with only the refracting surface, the arrangement of the refracting surfaces extends in one direction, so the three-dimensional structure of the optical system cannot be reduced in size, but the optical path is folded by the combination of the transmitting surface and the reflecting surface The optical system can be miniaturized.
例えば、透過光学系の光路をスクリーンと平行に設定し、透過光学系の像側でスクリーンに向けて光路を折り曲げれば、同じ光路長の光学系でも薄型の構成を実現できる。 For example, if the optical path of the transmission optical system is set parallel to the screen and the optical path is bent toward the screen on the image side of the transmission optical system, a thin configuration can be realized even with an optical system having the same optical path length.
また、透過光学系における画像表示パネル側の第1面と、反射光学系におけるスクリーン側の第1面との間に絞りを配置し、パネル側からの光束によって、絞りの像を全光学系中で1回結像させると、絞り像の結像位置はスクリーン側の射出瞳となる。絞りの像は実像であり、負の縮小倍率になっている。絞りの像を縮小倍率で結像させるようにすることで、絞り像以後の反射面の光線有効径を小さく抑え、反射面を小型化できる。 Further, a stop is disposed between the first surface on the image display panel side in the transmission optical system and the first surface on the screen side in the reflection optical system, and an image of the stop is transmitted in the entire optical system by a light beam from the panel side. When the image is formed once, the imaging position of the aperture image becomes the exit pupil on the screen side. The aperture image is a real image and has a negative reduction magnification. By forming the image of the aperture at a reduced magnification, the effective diameter of the light beam on the reflective surface after the aperture image can be kept small, and the size of the reflective surface can be reduced.
絞りは透過光学系中もしくは「透過光学系と反射光学系の間」に配置することができる。絞りを通過した光が最初に入射する「パワーをもつ反射面」は反射光学系中にある。反射光学系と透過光学系を一体化することは難しく、透過光学系と反射光学系は別々に組み付けられる。このとき、透過光学系と反射光学系の各々に組み付け誤差が付随するので、両光学系の「相対的な位置ずれ」を完全にゼロすることは難しく、相対的な位置ずれの発生を前提とすると、公差感度の観点から、上記「パワーをもつ反射面」は負のパワーの反射面であるのが良い。 The stop can be arranged in the transmission optical system or “between the transmission optical system and the reflection optical system”. The “reflecting surface having power” on which the light passing through the stop first enters is in the reflecting optical system. It is difficult to integrate the reflection optical system and the transmission optical system, and the transmission optical system and the reflection optical system are assembled separately. At this time, since an assembly error is attached to each of the transmission optical system and the reflection optical system, it is difficult to completely eliminate the “relative displacement” of both optical systems, and it is assumed that relative displacement occurs. Then, from the viewpoint of tolerance sensitivity, the “power reflecting surface” is preferably a negative power reflecting surface.
透過光学系から射出する光束が発散光束であるケースは稀であり、通常は集光されている。このとき、反射光学系において最初に反射するパワーを持つ面のパワーを正とすると、光束の集光が強められる方向に作用する。一方、上記面のパワーを負とすれば光束の集光が緩められる方向に作用する。両者を比較した場合「透過光学系と反射光学系の相対的位置ずれによる光束状態の変化」は、前者において大きく、組みつけ公差が厳しくなる。上記反射面のパワーを負とすることにより組付け公差を緩くできる。 The case where the light beam emitted from the transmission optical system is a divergent light beam is rare, and is usually condensed. At this time, if the power of the surface having the first reflected power in the reflective optical system is positive, it acts in the direction in which the light beam is more focused. On the other hand, if the power of the surface is negative, it acts in a direction in which the light beam is condensed. When both are compared, the “change in the state of the light beam due to the relative positional deviation between the transmission optical system and the reflection optical system” is large in the former, and the assembly tolerance becomes severe. By making the power of the reflecting surface negative, the assembly tolerance can be relaxed.
上記負のパワーを持つ反射面に続いて正のパワーを持つ反射面を配すると、画角の異なる光束の分離を抑制でき、これらの光束を受ける反射面を小型化することができる。 If a reflecting surface having a positive power is arranged subsequent to the reflecting surface having a negative power, separation of light beams having different angles of view can be suppressed, and the reflecting surface that receives these light beams can be miniaturized.
「絞り、スクリーンの中間像の形状・位置を略一致させる」ことにより、画像表示パネルから中間像までの歪曲収差と、中間像からスクリーンまでの歪曲収差の和を0に近づけることができ、スクリーン上に歪みの少ない像を形成できる。 By making the shape and position of the intermediate image of the diaphragm and the screen substantially coincide, the sum of the distortion aberration from the image display panel to the intermediate image and the distortion aberration from the intermediate image to the screen can be brought close to zero. An image with less distortion can be formed thereon.
結像光路上の最終面を回転非対称反射面とすると、各光束の照射位置に対応して取り得る面形状の自由度が高くなる。この最終面に至る各像高位置の光束の残存収差を入射位置毎に適した形状を与えることで補正が容易になる。 If the final surface on the imaging optical path is a rotationally asymmetric reflecting surface, the degree of freedom of the surface shape that can be taken corresponding to the irradiation position of each light beam is increased. The residual aberration of the light flux at each image height position reaching the final surface is easily corrected by giving a shape suitable for each incident position.
透過光学系に回転非対称な透過面を用いると、回転対称な透過面では発生させることのできない収差を発生させることができ、このように発生させた収差を他の収差のキャンセルに利用できる。 When a rotationally asymmetric transmission surface is used in the transmission optical system, aberrations that cannot be generated by the rotationally symmetric transmission surface can be generated, and the aberrations thus generated can be used for canceling other aberrations.
透過光学系の光軸を、画像表示パネル位置に対し、導光光路を含む面内で偏芯して設定すると、反射光学系における偏芯反射面で発生する収差と逆の収差を透過光学系で発生させ、両者をキャンセルさせることができる。 When the optical axis of the transmission optical system is decentered in the plane including the light guide optical path with respect to the position of the image display panel, an aberration opposite to the aberration generated on the eccentric reflection surface in the reflection optical system is transmitted. And can be canceled.
投射光学系は、第1及び第2の光学系を有する。
「第1の光学系」は、屈折光学系を少なくとも1つ含み、正のパワーを有する。
The projection optical system has first and second optical systems.
The “first optical system” includes at least one refractive optical system and has a positive power.
「第2の光学系」は、パワーを有する反射面を少なくとも1つ含み、全体で正のパワー
を有する。
The “second optical system” includes at least one reflecting surface having power, and has a positive power as a whole.
これら第1及び第2の光学系は、物体面に近い側から第1、第2の光学系の順に配置される、物体像が一旦中間像として形成された後に正規像として結像されるように構成される。 These first and second optical systems are arranged in the order of the first and second optical systems from the side close to the object plane, so that the object image is once formed as an intermediate image and then formed as a normal image. Configured.
第1の光学系において「物体側にもっとも近い屈折力を持った光学要素」の光軸に対して他の光学要素が、1カ所以上において、平行偏芯および/またはチルト偏芯していることができる。即ち、平行偏芯あるいはチルト偏芯は「光学要素単位」で行われる。 In the first optical system, the other optical element is decentered in parallel and / or tilted at one or more positions with respect to the optical axis of the “optical element having the refractive power closest to the object side”. Can do. That is, parallel eccentricity or tilt eccentricity is performed in “optical element units”.
「第1の光学系」は、屈折光学系を少なくとも1つ含み、正のパワーを有する。 The “first optical system” includes at least one refractive optical system and has a positive power.
「第2の光学系」は、パワーを有する反射面を少なくとも1つ含み、全体で正のパワーを有する。 The “second optical system” includes at least one reflecting surface having power, and has a positive power as a whole.
これら第1及び第2の光学系は、物体面に近い側から第1、第2の光学系の順に配置される、物体像が一旦中間像として形成された後に正規像として結像されるように構成される。 These first and second optical systems are arranged in the order of the first and second optical systems from the side close to the object plane, so that the object image is once formed as an intermediate image and then formed as a normal image. Configured.
第1の光学系において「物体側にもっとも近い屈折力を持った光学要素」の光軸に対して第1の光学系の各要素は「チルト偏芯」していなくてもよい。 In the first optical system, each element of the first optical system may not be “tilt decentered” with respect to the optical axis of “the optical element having the refractive power closest to the object side”.
この場合、「第1の光学系を2以上の群で構成し、2以上の群のうちの少なくとも1つの群を平行偏芯させた構成」とすることができる。 In this case, a configuration in which the first optical system is composed of two or more groups and at least one of the two or more groups is decentered in parallel can be adopted.
第2の光学系に含まれる反射面の1以上は「自由曲面」とすることが好ましく、第2の光学系に含まれる反射面のうち「正規像の結像位置側に最も近い反射面のみ」を自由曲面とすることができる。 One or more of the reflecting surfaces included in the second optical system are preferably “free-form surfaces”. Among the reflecting surfaces included in the second optical system, “only the reflecting surface closest to the imaging position side of the normal image” is used. Can be a free-form surface.
「第2の光学系に入射した光束が初めて反射される正のパワーを有する反射面」を、回転対称な面とすることが好ましく、この場合、回転対称な反射面を「球面反射面」とすることができる。 The “reflecting surface having a positive power on which the light beam incident on the second optical system is reflected for the first time” is preferably a rotationally symmetric surface. In this case, the rotationally symmetric reflecting surface is referred to as a “spherical reflecting surface”. can do.
投射光学系において「第1の光学系を屈折光学系のみで構成」することができ、この場合、第1の光学系における屈折光学系には「非球面形状が含まれていない」ようにすることができる。 In the projection optical system, the “first optical system can be configured only by a refractive optical system”, and in this case, the refractive optical system in the first optical system should be “not including an aspherical shape”. be able to.
画像表示パネルからの光束を投射光学系によってスクリーンに導光し、スクリーン上に画像表示パネルに表示された画像の正規像を結像させる画像投射装置であって、投射光学系として上記投射光学系を搭載した画像投射装置を構成できる。 An image projection apparatus for guiding a light beam from an image display panel to a screen by a projection optical system, and forming a normal image of an image displayed on the image display panel on the screen, the projection optical system as the projection optical system Can be configured.
若干補足すると、上記投射光学系を用いる画像投射装置において、投射される物体像を表示する物体としては、液晶パネル等のライトバルブやDMD、スライドフィルム等のように、外部光源からの光で照明される方式の画像表示手段を用いることができることは勿論、発光ダイオードを2次元的に配列したものやプラズマディスプレイ、EL発光素子アレイ等、自己発光型の画像表示手段を用いることも考えられる。 To supplement a little, in the image projection apparatus using the projection optical system described above, the object to be projected is illuminated with light from an external light source such as a light valve such as a liquid crystal panel, DMD, slide film, etc. Of course, it is possible to use self-luminous image display means such as a two-dimensional array of light emitting diodes, a plasma display, and an EL light emitting element array.
また「屈折光学系」は、レンズ以外に、「回折作用を示す光透過型の素子」であること
もできる。
In addition to the lens, the “refractive optical system” can also be a “light transmission element exhibiting a diffractive action”.
以下、別の面から説明する。
投射光学系は「被投影物体面からの光束を、透過型屈折光学系と、1または2枚の反射ミラーからなる反射型屈折光学系を介して投影面上に導光し投影する投射光学系」であることができる。
Hereinafter, another aspect will be described.
The projection optical system refers to “a projection optical system that guides and projects a light beam from a projection object surface onto a projection surface via a transmission refractive optical system and a reflective refractive optical system including one or two reflecting mirrors. Can be.
「透過型屈折光学系」は複数の透過型屈折素子を有する。 The “transmissive refractive optical system” has a plurality of transmissive refractive elements.
「透過型屈折素子」は、「光透過性媒質の境界面において光の屈折作用を示す光学素子全般」を意味し、代表的な素子はレンズであるが、それ以外に「回折作用を示す光透過型の素子」であることもできる。 “Transmissive refraction element” means “all optical elements that exhibit a refractive action of light at the boundary surface of a light-transmitting medium”, and a typical element is a lens. It can also be a “transmission element”.
「反射型屈折光学系」をなす反射ミラーは、反射境界面における光の反射屈折作用を示す光学素子全般を意味し、「回折作用を示す光反射型光学素子」であることもできる。 The reflection mirror that forms the “reflection-type refractive optical system” means all optical elements that exhibit the catadioptric action of light at the reflection boundary surface, and can also be a “light-reflective optical element that exhibits a diffraction action”.
被投影物体面から上記透過型屈折光学系の第1面までが略テレセントリックである。 The distance from the projection object surface to the first surface of the transmissive refractive optical system is substantially telecentric.
「被投影物体面」は、投影されるべき画像が物体として表示される面であるが、この面の実体をなすものは、前述した液晶パネル等のライトバルブやDMD、スライドフィルム等のように、外部光源からの光で照明される方式の画像表示手段を用いることができ、さらには、発光ダイオードを2次元的に配列したものやプラズマディスプレイ、EL発光素子アレイ等、自己発光型の画像表示手段を用いることができる。 The “projected object plane” is a plane on which an image to be projected is displayed as an object, and what constitutes the substance of this plane is a light valve such as a liquid crystal panel, a DMD, a slide film, etc. It is possible to use an image display means that is illuminated with light from an external light source, and furthermore, a self-luminous image display such as a two-dimensional array of light emitting diodes, a plasma display, an EL light emitting element array, etc. Means can be used.
透過型屈折光学系よりも反射型屈折光学系側に、被投影物体面の中間像面が位置し、中間像面における中間像が、反射ミラーを介して投影面上に正規像として再結像される。 The intermediate image plane of the object surface to be projected is located closer to the reflective refractive optical system than the transmissive refractive optical system, and the intermediate image on the intermediate image plane is re-imaged as a normal image on the projection plane via the reflecting mirror. Is done.
少なくとも1枚の反射ミラー(反射型屈折光学系が1枚の反射ミラーにより構成されるときは当該反射ミラー、反射型屈折光学系が2枚の反射ミラーで構成される場合には1枚以上の反射ミラー)は、上下方向と左右方向とでパワーが異なるアナモフィックな多項式自由曲面である。
反射型屈折光学系から投影面に至る光線は投影面の法線に対して傾斜して導光される。
At least one reflection mirror (if the reflection type refractive optical system is constituted by one reflection mirror, the reflection mirror; if the reflection type refractive optical system is constituted by two reflection mirrors, one or more reflection mirrors; The reflection mirror is an anamorphic polynomial free-form surface having different powers in the vertical direction and the horizontal direction.
Light rays from the reflective refractive optical system to the projection surface are guided with an inclination with respect to the normal line of the projection surface.
透過型屈折光学系は被投影物体面の法線に対して偏芯し、透過型屈折光学系の有する複数の透過型屈折素子は互いに偏芯することなく構成されている。 The transmission refractive optical system is decentered with respect to the normal line of the projection object surface, and the plurality of transmission refractive elements included in the transmission refractive optical system are configured without being decentered from each other.
投射光学系は「被投影物体面からの光束を、透過型屈折光学系と、1または2枚の反射ミラーから成る反射型屈折光学系を介して投影面上に導光し投影する投射光学系」であって、透過型屈折光学系は複数の透過型屈折素子を有し、被投影物体面から透過型屈折光学系の第1面までが略テレセントリックであり、透過型屈折光学系よりも反射型屈折光学系側に、被投影物体面の中間像面が位置し、中間像面における中間像が、反射ミラーを介して投影面上に正規像として再結像され、少なくとも1枚の反射ミラーが、上下方向と左右方向とでパワーが異なるアナモフィックな多項式自由曲面で、反射型屈折光学系から投影面に至る光線が、投影面の法線に対して傾斜して導光される構成であることができる。 The projection optical system refers to “a projection optical system that guides and projects a light beam from a projection object surface onto a projection surface via a transmissive refractive optical system and a reflective refractive optical system including one or two reflecting mirrors. The transmission-type refractive optical system has a plurality of transmission-type refractive elements, and is substantially telecentric from the projection object surface to the first surface of the transmission-type refractive optical system, and is more reflective than the transmission-type refractive optical system. An intermediate image plane of the object surface to be projected is positioned on the side of the mold refracting optical system, and the intermediate image on the intermediate image plane is re-imaged as a normal image on the projection plane via the reflection mirror, and at least one reflection mirror However, it is an anamorphic polynomial free-form surface with different power in the vertical direction and the horizontal direction, and the light beam from the reflective refractive optical system to the projection surface is guided with an inclination with respect to the normal line of the projection surface. be able to.
「透過型屈折光学系が被投影物体面の法線に対して偏芯し、透過型屈折光学系の有する複数の透過型屈折素子は群単位レベルでは互いに偏芯することなく構成されている」ことができる。 “The transmission-type refractive optical system is decentered with respect to the normal of the object surface to be projected, and the plurality of transmission-type refractive elements included in the transmission-type refractive optical system are configured without being decentered from each other at the group unit level.” be able to.
これら投射光学系は「反射型屈折光学系が、透過型屈折光学系の側から第1、第2の順に配置される2枚の反射ミラーを有し、被投影物体面の中間像面が第1及び第2の反射ミラーの間に位置し、第1の反射ミラーは負のパワーの軸対称な反射面、第2の反射ミラーは上下方向と左右方向とでパワーが異なるアナモフィックな多項式自由曲面であることができる。 These projection optical systems have “a reflective refractive optical system has two reflecting mirrors arranged in the first and second order from the transmission refractive optical system side, and the intermediate image plane of the projection object surface is the first. The first reflecting mirror is located between the first and second reflecting mirrors, the first reflecting mirror is an axisymmetric reflecting surface with negative power, and the second reflecting mirror is an anamorphic polynomial free-form surface with different powers in the vertical and horizontal directions. Can be.
また「被投影物体面の中間像の、アスペクト比を補正する手段」として、透過型屈折光学系内に、上下方向と左右方向とでパワーが異なるアナモフィックな多項式自由曲面を有することができる。 Further, as “a means for correcting the aspect ratio of the intermediate image of the projection target surface”, an anamorphic polynomial free-form surface having different powers in the vertical direction and the horizontal direction can be provided in the transmissive refractive optical system.
「中間像のアスペクト比」を反射型屈折光学系の反射ミラーの形状により行うことは不可能ではない。しかし、反射型屈折光学系の反射ミラーは主にディストーション補正を中心に形状を決定することが望ましい。従って、透過型屈折光学系においてアスペクト比を予め調整できていることが望ましく、透過型屈折光学系でアスペクト比を補正する手段として上記多項式自由曲面を用いることが有効である。 It is not impossible to perform the “aspect ratio of the intermediate image” by the shape of the reflection mirror of the reflective refractive optical system. However, it is desirable to determine the shape of the reflection mirror of the reflective refractive optical system mainly with distortion correction as the center. Therefore, it is desirable that the aspect ratio can be adjusted in advance in the transmissive refractive optical system, and it is effective to use the polynomial free-form surface as means for correcting the aspect ratio in the transmissive refractive optical system.
透過型屈折光学系への多項式自由曲面の採用は1面に限られないが、後述する例では、透過型屈折光学系に多項式自由曲面を1面だけ使用して充分な補正効果が得られた。透過型屈折光学系に採用される多項式自由曲面は、被投影物体面に近い位置に採用しても良いが、補正効果を高めるには投影面側に近い位置に採用することが好ましい。因みに後述の例では透過型屈折光学系の最終面に多項式自由曲面を採用している。 Although the adoption of a polynomial free-form surface in a transmissive refractive optical system is not limited to one surface, in the example described later, a sufficient correction effect was obtained by using only one polynomial free-form surface in the transmissive refractive optical system. . The polynomial free-form surface employed in the transmissive refractive optical system may be employed at a position close to the projection object surface, but is preferably employed at a position close to the projection surface side in order to enhance the correction effect. Incidentally, in the example described later, a polynomial free-form surface is adopted as the final surface of the transmissive refractive optical system.
上記投射光学系は「透過型屈折光学系における被投影物体面側のNAが、中間像面側のNAよりも大きい」ことが好ましい。 The projection optical system preferably has “the NA on the projection object surface side in the transmissive refractive optical system is larger than the NA on the intermediate image surface side”.
透過型屈折光学系を構成する場合、被投影物体面側のNA(「NA1」と言う。)は照明系の配向分布特性によって決まるが、中間像面側のNA(「NA2」と言う。)は透過型屈折光学系の構成配置によって変えることができる。投射倍率を高くするためには反射型屈折光学系のパワーを強くすることが有効であるが、このようにすると反射型屈折光学系の像側焦点距離が短くなるので、光束の集光点が反射型屈折光学系の反射ミラー側に寄り、そのため小さいサイズの正規像しか結像できない、つまり拡大倍率が小さくなる。この課題をクリアするため、反射型屈折光学系に入射する光束のNA2に着目したところ、NA2をNA1より小さくすることが「投射光学系倍率を高く」する上で特段の効果があることがわかった。 When a transmissive refractive optical system is configured, the NA on the projection object plane side (referred to as “NA1”) is determined by the orientation distribution characteristics of the illumination system, but the NA on the intermediate image plane side (referred to as “NA2”). Can be changed depending on the arrangement of the transmissive refractive optical system. In order to increase the projection magnification, it is effective to increase the power of the reflective refracting optical system. However, if this is done, the focal length of the image side of the reflective refracting optical system is shortened. It is closer to the reflecting mirror side of the reflective refractive optical system, so that only a small-sized regular image can be formed, that is, the enlargement magnification is reduced. In order to clear this problem, attention was paid to the NA2 of the light beam incident on the reflective refractive optical system, and it was found that making NA2 smaller than NA1 had a special effect in increasing the projection optical system magnification. It was.
上記投射光学系において、中間像面は「被投影物体面の中心から射出する光束の主光線に対して傾斜し、かつ像面が湾曲」していることができる。このようにすると、中間像面に対する自由度が増え、光学系全体の設計が容易になる。 In the projection optical system, the intermediate image plane can be “inclined with respect to the principal ray of the light beam emitted from the center of the projection object surface and the image plane is curved”. In this way, the degree of freedom with respect to the intermediate image plane is increased, and the design of the entire optical system is facilitated.
「透過型屈折光学系の最終面において、被投影物体面の中心から射出した主光線と、被投影物体面の周辺から射出した主光線とが略平行である」ことが好ましい。 “In the final surface of the transmissive refractive optical system, the principal ray emitted from the center of the projection object surface and the principal ray emitted from the periphery of the projection object surface are preferably substantially parallel”.
「中間像の倍率:M1は1〜5」程度が好ましい。投影倍率は40以上であることができる。この場合、投影面に対する投射角度:θが、5°より大きいことが好ましい。 “Magnification of intermediate image: M1 is about 1 to 5” is preferable. The projection magnification can be 40 or more. In this case, it is preferable that the projection angle θ relative to the projection plane is larger than 5 °.
対角線で0.9インチサイズの被投影物体面の像を60インチ画面に拡大投射する拡大投射光学系を「薄さ:500mm以下」で実現するには上記NA2が0.005〜0.01程度になっているとよいことがわかった。NA2を小さくしすぎると透過型屈折系の全長が伸びてしまうので、装置の全体サイズを小型化することを考慮するとNA2は0.005から0.01程度が望ましい。 In order to realize an enlargement projection optical system for enlarging and projecting an image of an object surface of 0.9 inch diagonally on a 60 inch screen with “thinness: 500 mm or less”, the NA2 is about 0.005 to 0.01. It turned out that it would be good to be. If NA2 is made too small, the entire length of the transmissive refracting system is extended. Therefore, considering that the overall size of the apparatus is reduced, NA2 is preferably about 0.005 to 0.01.
またNA2を0.01以上にしたときには透過型屈折系はコンパクトになるが、NAが大きくなることにより、投射画面のディストーション補正、あるいは、倍率性能の確保が難しくなってくる傾向がある。勿論、画面サイズが60インチよりも小さい場合にはNA2の上限値は0.01以上でもよい。 When NA2 is 0.01 or more, the transmission type refraction system becomes compact. However, as NA increases, it tends to be difficult to correct distortion of the projection screen or to ensure magnification performance. Of course, when the screen size is smaller than 60 inches, the upper limit of NA2 may be 0.01 or more.
「被投影物体面であるライトバルブに形成される画像を投射光学系により投影面上に拡大投影する画像投射装置」の投射光学系として、上記の任意のものを用いたものは、フロントプロジェクタ型として構成することもできるし、結像光路を折り返す折り返しミラーを有するリアプロジェクタ型として構成することもできる。 As a projection optical system of an “image projection apparatus for enlarging and projecting an image formed on a light valve, which is a projection object surface, onto the projection surface by a projection optical system”, a projector using any of the above is a front projector type. Or a rear projector type having a folding mirror that folds the imaging optical path.
なお、上の説明における「上下方向と左右方向とでパワーが異なるアナモフィックな多項式自由曲面」は、上下方向(投射される画像を基準として上下方向と左右方向とを考える。)をY方向、左右方向をX方向、曲面のデプスをZ、「X2、Y2、X2Y、Y3、X2Y2等」を係数として、
Z=X2・x2+Y2・y2+X2Y・x2y+Y3・y3+X4・x4+X2Y2・x2y2+Y4・y4+
X4Y・x4y+X2Y3・x2y3+Y5・y5+X6・x6+X4Y2・x4y2+X2Y4・x2y4+Y6・y6+・・
・・(1)
で表される形状である。
In the above description, the “anamorphic polynomial free-form surface having different power in the vertical direction and the horizontal direction” refers to the vertical direction (considering the vertical direction and the horizontal direction based on the projected image) as the Y direction and the horizontal direction. The direction is the X direction, the depth of the curved surface is Z, and "X2, Y2, X2Y, Y3, X2Y2, etc."
Z = X2 · x 2 + Y2 ·
X4Y · x 4 y + X2Y3 · x 2 y 3 + Y5 · y 5 + X6 · x 6 + X4Y2 · x 4 y 2 + X2Y4 · x 2 y 4 + Y6 · y 6 + · ·
(1)
It is a shape represented by.
以上の如く、この発明によれば、新規な投射光学系および画像投射装置を実現できる。 As described above, according to the present invention, a novel projection optical system and image projection apparatus can be realized.
この発明の投射光学系は、第1光学系、第1、第2反射面により構成され、ライトバルブにより形成された画像を、結像光路上で、第1光学系と第1反射面との間の空間に中間像として結像させ、この中間像をさらに拡大して投射するので、大きな投射倍率を実現でき、第1光学系が1以上のレンズで構成されるので、色合成プリズムを用いた場合においても色分散特性を利用して色収差補正が可能であり、結像光束の光路を第1、第2反射面で折り返すのでコンパクトに構成できる。 The projection optical system according to the present invention includes a first optical system, first and second reflecting surfaces, and an image formed by the light valve is formed between the first optical system and the first reflecting surface on the imaging optical path. Since the intermediate image is formed as an intermediate image in the space between them, and the intermediate image is further enlarged and projected, a large projection magnification can be realized, and the first optical system is composed of one or more lenses. Even in such a case, the chromatic aberration can be corrected by utilizing the chromatic dispersion characteristic, and the optical path of the imaging light beam is folded back by the first and second reflecting surfaces, so that a compact configuration can be achieved.
従って、この発明の投射光学系を用いる画像投射装置は、コンパクトに構成でき、結像光束の光路を装置空間内おいて長くとれるため、装置外の投影空間を縮小しながら大サイズの画像を投射表示できる。 Therefore, the image projection apparatus using the projection optical system of the present invention can be configured compactly, and the optical path of the imaging light beam can be made long in the apparatus space, so that a large-size image can be projected while reducing the projection space outside the apparatus. Can be displayed.
そして、この拡大投射光学系を用いる拡大投射装置は薄型に実現でき、設置の床面積を有効に小さくでき、狭い部分に配置することができる。 And the expansion projection apparatus using this expansion projection optical system can be realized thinly, the installation floor area can be effectively reduced, and it can be arranged in a narrow part.
また、第1光学系により中間像を形成して、第1、第2反射面で拡大投影することにより、光学系の合成の拡大倍率をあげることもでき、屈折光学系を構成するレンズ要素を平行偏芯もしくはチルト偏芯させることにより、投射画像に歪みが生じないように「中間像に逆歪みを効果的に発生させる」こともでき、所望の拡大倍率で至近距離投射を実現することもできる。 In addition, by forming an intermediate image with the first optical system and enlarging and projecting it with the first and second reflecting surfaces, it is possible to increase the magnification of the combined optical system. By making parallel eccentricity or tilt eccentricity, it is possible to "effectively generate reverse distortion in the intermediate image" so that distortion does not occur in the projected image, and it is also possible to realize close range projection at a desired magnification it can.
図1は、画像投射装置の1形態における要部を略示している。 FIG. 1 schematically shows a main part in one embodiment of the image projection apparatus.
符号15で示す「ライトバルブ」は、この実施の形態において液晶パネルであり、以下、単にパネル15と称する。符号10で示す光源は、ランプとリフレクタによる発光部11と、この発光部11からの光束を照明光束とする照明光学系12とにより構成されている。光源10からの照明光束は、パネル15に照射される。
A “light valve” indicated by
ライトバルブであるパネル15は「変調信号に応じて画像形成」され、形成された画像は、光源10からの照明光束を2次元的に強度変調して透過させる。パネル15を透過した光束は、第1の光学系17と第2の光学系19により構成される「投射光学系」によりスクリーン21上に投射結像され、「パネル15に画像形成された画像」の拡大像を表示する。
The
図2は、図1における投射光学系の部分を説明するための図である。 FIG. 2 is a diagram for explaining a portion of the projection optical system in FIG.
ライトバルブであるパネル15の投影側に、パネル15の側から第1、第2の順に配設される第1及び第2の光学系17、19を有し、第1の光学系17は屈折光学系(レンズ)で正のパワーを有し、第2の光学系19はパワーを有する反射面を有し、正のパワーを有する。
On the projection side of the
パネル15により形成された画像は、第1及び第2の光学系17、19の光路上に中間像Iintとして結像され、スクリーン21上には、この中間像Iintを「さらに拡大した画像」が投射結像される。
The image formed by the
第1の光学系17は、図2において1枚のレンズとして示しているが、具体的には「屈折光学系を含む種々の形態」、例えば、複数レンズによる構成や、レンズとミラーの組合せ、反射面と屈折面を一体化した構成等が適宜可能である。
Although the first
第1の光学系17は、全体的に正のパワーを有しており、図2に示されたように、第1の光学系17により形成される中間像Iintは「パネル15に形成された画像の倒立像」である。中間像Iintの倍率は、パネル15上の画像の1〜数倍程度であることが好ましい。中間像Iintが縮小像であると、第1および第2の光学系全体として「大きな拡大率の表示画像」を得るためには、第2の光学系に大きな拡大倍率が必要となり、収差の補正等と大倍率のバランスを実現することが困難になる。
The first
逆に、中間像Iintの拡大倍率が大きくなりすぎると、第2の光学系のサイズが大きくなり、投射光学系、延いては画像投射装置を大型化してしまう。 On the other hand, if the magnification of the intermediate image Iint is too large, the size of the second optical system is increased, and the projection optical system, and hence the image projection apparatus, is increased in size.
図2には、+側の最大像高(図1における位置:a)と−側の最大像高(図1における位置:b)の2点に対応するパネル15上の位置:A、Bから上記位置:a、bへ向う光束の光路を模式的に示している。
In FIG. 2, from positions A and B on the
中間像Iintは必ずしも「平面状に結像」する必要は無く、第1の光学系17と第2の光学系19との合成光学系でスクリーン21上に投射される画像が「満足のいく画像」となるよう、合成光学系全体として性能を確保していればよい。従って、第1の光学系17による結像性能には特に制約はない。中間像を「ライトバルブの中心から射出する光束の主光線に対して傾斜させ、且つ像面を湾曲させる」ことも可能である。
The intermediate image Iint does not necessarily have to be “planarly formed”, and the image projected on the
図1、図2に示す形態においては、第1の光学系17により形成された中間像Iintを結像させた光束を、第2の光学系19で反射して光路を折り返し、中間像Iintを形成する光束の進行方向と逆の向きに投射画像を投影するようになっている。
In the form shown in FIGS. 1 and 2, the light beam formed by forming the intermediate image Iint formed by the first
図1、図2の形態では、第2の光学系19を1面の凹面鏡で構成した例であるが、第2の光学系の形態はこれに限らず、反射面を2以上含むことができるし、反射面とともに屈折光学系を含むこともできる。
1 and 2 are examples in which the second
図1、図2の構成において、第2の光学系中に「さらに1面の反射面を付け加える」ことにより、最終的に投射される光束の向きを「図1の向きと逆」にすることもできる。また、図1、図2の構成において、中間像Iintの形成される位置と、反射面19との間に、第2の光学系の一部として屈折光学系(レンズ系)を配し、反射面19に「より効率的に光量を取り込む」ようにすることができる。
In the configuration of FIGS. 1 and 2, the direction of the finally projected light beam is made “reverse to the direction of FIG. 1” by “adding one more reflective surface” to the second optical system. You can also. 1 and FIG. 2, a refractive optical system (lens system) is arranged as a part of the second optical system between the position where the intermediate image Iint is formed and the reflecting
図2に示したように、パネル15における位置:Aを起点とする光束は、中間像Iintにおける位置:A’に重心を持つように集まり、集光後の光線は、集束角と同じ発散角で広がり、正のパワーを有する第2の光学系19により反射されて、図1におけるスクリーン21上の位置:aに結像する。
As shown in FIG. 2, the light beam starting from the position A on the
同様に、パネル15における位置:Bを起点とする光束は、中間像Iintにおける位置:B’に重心を持つように集まり、集光後の光線は、集束角と同じ発散角で広がり、第2の光学系19により反射されて、図1におけるスクリーン21上の位置:bに結像する。
Similarly, the light beam starting from the position B on the
中間像Iintを形成させることにより、パネル15における位置:A、Bからの光束の結像に寄与する反射面19の有効領域を「局所的に狭める」ことが可能となる。即ち、図2に示すように、位置:Aからの光束に対する結像性能には、第2の光学系19の「反射領域A’’」の形状が影響し、位置:Bからの光束に対する結像性能は「反射領域B’’」の形状が影響する。
By forming the intermediate image Iint, it is possible to “locally narrow” the effective area of the reflecting
従って、図1、図2に示す構成により、反射領域A’’、B’’の面形状を最適化することが可能である。さらには、第2の光学系19における凹面の形状を「局所的に変化」させることにより、スクリーン21上の各部への集光特性が制御可能となる。
特に、上記凹面を自由曲面形状とすることでその効果を最大限に生かせる。
Therefore, it is possible to optimize the surface shapes of the reflection regions A ″ and B ″ by the configuration shown in FIGS. Furthermore, the condensing characteristic to each part on the
In particular, the effect can be maximized by making the concave surface a free-form surface.
従来から知られた光線追跡法などのシュミュレーション手法により、最適な諸元設定を行えばよい。反射面により最適化を行えるので、色収差の発生、増加を抑えて、そのほかの集光特性を向上させる設計が可能となる。 What is necessary is just to perform optimal specification setting by simulation methods, such as the ray tracing method known conventionally. Since the optimization can be performed by the reflecting surface, it is possible to design to improve the other light collecting characteristics while suppressing the occurrence and increase of chromatic aberration.
第1の光学系17は、屈折光学系を含むので、「反射面だけでは補正不能な色収差」を屈折光学系により補正することが可能である。
Since the first
また、スクリーン21上に投射される投射像に影響する諸収差で、第2の光学系の反射面のみでは補正できない部分は、第2の光学系に積極的に屈折光学系を取り入れて補正するようにしてもよい。
Further, various aberrations that affect the projected image projected on the
図1に示す如き構成において、第2の光学系19の結像倍率を高めるには、中間像Iintの形成される位置を、第2の光学系19の反射面に近づければよい。これを、図3、図4を参照して説明する。
In the configuration shown in FIG. 1, in order to increase the imaging magnification of the second
図3において、符号15はパネル、符号17Aは第1の光学系(レンズ)、符号19Aは第2の光学系(凹面鏡)を示し、符号21はスクリーンを示す。
In FIG. 3,
光学系の緒元の表記に従い、パネル側から数えて、第i番目の面の曲率半径をRi(i=1〜3 i=1は第1の光学系17Aの入射側面、i=3は第2の光学系19Aの反射面)、第i番目の面と第i+1番目の面との間の面間隔をTi(i=0〜3 i=0はパネル15と第1の光学系17Aの入射側面との間、i=3は第2の光学系19Aとスクリーン21との間)とする。
In accordance with the notation of the optical system, the radius of curvature of the i-th surface counted from the panel side is Ri (i = 1 to 3 where i = 1 is the incident side surface of the first
図3の光学系の緒元は以下の通りである。
i Ri(mm) Ti(mm) 材質
0 85
1 65 25 BK7
2 −55 225
3 −135 −400 。
The specifications of the optical system in FIG. 3 are as follows.
i Ri (mm) Ti (mm)
1 65 25 BK7
2-55 225
3-135-400.
パネル15における物体高は、±7.5mmである。
The object height in the
像高位置0(スクリーン21上のP点)で、投射画像が最適に結像するよう設定すると、物体であるパネル15における位置:A、Bを起点として、スクリーン21上の位置:a、bに到達する各主光線の間隔は約208mmとなる。
If the projection image is set to be optimally formed at the image height position 0 (point P on the screen 21), the position on the screen 21: a, b starting from the position: A, B on the
ここで、図4に示すように、第1の光学系17Bと第2の光学系19Bを用い、第1の光学系17Bのパワーを緩め、中間像Iintの位置を第1の光学系17Bから遠ざけるようにし、同時に「像高0における集光性が保たれるように位置関係を保った」まま、第2の光学系19Bにおける正のパワーを調整すると、これら光学系の緒元は以下の如くになる。
i Ri’(mm) Ti’(mm) 材質
0 85
1 65 25 BK7
2 −60 225
3 −98 −400 。
Here, as shown in FIG. 4, the first optical system 17B and the second
i Ri ′ (mm) Ti ′ (mm)
1 65 25 BK7
2-60 225
3-98-400.
パネル15における物体高は、±7.5mmである。
The object height in the
図4は、説明上、図3と光学配置を異なるように描いているが、上記緒元から明らかなように、光学系の配置は、図3の配置と同じであり、図3の光学系と異なっているのは第1の光学系17Bの射出側面の曲率と、第2の光学系19Bの反射面の曲率のみである。
4 illustrates the optical arrangement different from that of FIG. 3 for the sake of explanation. As is apparent from the above description, the arrangement of the optical system is the same as that of FIG. The only difference is the curvature of the exit side surface of the first optical system 17B and the curvature of the reflection surface of the second
このとき、パネル15における位置:A、Bを起点として、スクリーン21上の位置:
a’、b’に到達する各主光線の間隔は約362mmとなり、図3に示す場合(208mm)よりも拡大率が向上している。即ち、第1の光学系における正のパワーが弱まり、中間像Iintが第2の光学系19Bの「正のパワーを持つ反射面」に近づいた結果、拡大率が増大しているのである。上記のように、光学配置を変えることなく、屈折面・反射面の曲率半径を変化させるのみで、拡大率を向上させることができる。
なお、図3、図4の実施の形態とも、第1の光学系は、1以上のレンズからなる屈折光学系で構成され、正のパワーを有し、第2の光学系は、パワーを有する1枚の反射面19で構成され、正のパワーを有し、ライトバルブ15により形成された画像を、第1の光学系により、第1の光学系と反射面との間の空間中に中間像Iintを結像させ、中間像Iintとして結像した後の発散する光束を反射面19で反射し、反射面19の正のパワーにより、中間像をさらに拡大した画像を最終像として、投影面であるスクリーン21に投射し、第2光学系19により反射された光束の投影面21への入射角が、最終像上のライトバルブ15から最も遠い位置(図3、図4において像最上部)の方が最も近い位置より、大きくなるように構成されている。
At this time, the position on the
The interval between the principal rays reaching a ′ and b ′ is about 362 mm, and the enlargement ratio is improved as compared with the case shown in FIG. 3 (208 mm). That is, the positive power in the first optical system is weakened and the intermediate image Iint approaches the “reflecting surface having positive power” of the second
In both of the embodiments of FIGS. 3 and 4, the first optical system is composed of a refractive optical system composed of one or more lenses and has a positive power, and the second optical system has a power. An image formed by one
上に説明したところを具体化するには、第1及び第2の光学系の光路上において「中間像の結像位置を第2の光学系における正のパワーを持つ反射面に近づけるための、負のパワーをもつ光学素子」を、中間像のライトバルブ側に設ければよい。 In order to embody the above description, on the optical paths of the first and second optical systems, “to bring the image formation position of the intermediate image closer to the reflecting surface having positive power in the second optical system, An “optical element having negative power” may be provided on the light valve side of the intermediate image.
中間像の位置を第2の光学系における正のパワーを持つ反射面に近づけるために、中間像のライトバルブ側に設ける負のパワーを持つ光学素子としては、凹レンズやフレネル凹レンズ、凸面状の反射鏡、あるいはこれらの複合系等を考えることができる。 In order to bring the position of the intermediate image closer to the reflecting surface having a positive power in the second optical system, an optical element having a negative power provided on the light valve side of the intermediate image may be a concave lens, a Fresnel concave lens, a convex reflection A mirror or a composite system of these can be considered.
実際には、各像高位置での集光特性を確保し、像面の歪みを補正する必要があるが、屈折面や反射面の面数を増やして設計の自由度を上げるなどし、従来から知られた光線追跡法などによるシミュレーションで最適化設計を行えばよい。 Actually, it is necessary to secure the condensing characteristics at each image height position and correct the distortion of the image plane, but by increasing the number of refracting and reflecting surfaces to increase the degree of freedom of design, etc. Optimization design may be performed by simulation using a ray tracing method known from the above.
図5は、別形態を略示している。煩雑をさけるため、混同の虞がないと思われるものについては、図1におけると同一の符号を付した。
この形態では、第2の光学系190は、正のパワーを有する反射面192と負のパワーを有する反射面191とを有する。
FIG. 5 schematically shows another form. In order to avoid complications, the same reference numerals as those in FIG.
In this embodiment, the second
パネル15からの光束は第1の光学系17の作用により結像光束となるが、中間像Iintが結像される以前に、負のパワーを持つ反射面191に入射し、反射面192に向って反射される。そして、中間像Iintは反射面191と反射面192との中間部に形成される。中間像Iintは、反射面192の正のパワーによりさらに拡大され、スクリーン21上にパネル15上の画像が投射される。
The light beam from the
即ち、第2の光学系190における反射面191は、請求項2記載の発明における「中間像Iintが形成される位置を、第2の光学系190の正のパワーを持つ反射面192に近づける作用をもつ負のパワーを持つ光学系」の1例である。
In other words, the reflecting
反射面191としては、凸反射面、フレネル凸反射鏡、正のパワーを持つホログラム反
射鏡等、発散パワーを有する反射光学素子を適宜に利用できる。
As the reflecting
中間像の位置をライトバルブから離すために、投射光学系は多少大きくならざるを得ないが、上記「負のパワーをもつ光学系」を、反射鏡で構成することにより、光路を折り返すレイアウトを採用でき、光学系全体のサイズは小さくすることができる。 In order to move the position of the intermediate image away from the light valve, the projection optical system must be somewhat larger, but by constructing the above "optical system with negative power" with a reflecting mirror, a layout that turns the optical path back. It can be adopted, and the size of the entire optical system can be reduced.
「中間像の結像位置を第2の光学系における正のパワーを持つ反射面に近づけるための、負のパワーをもつ光学素子」用いることにより「第2の光学系における正のパワーを持つ反射面」への入射光束の「発散の程度」を狭める調整が可能となり、上記正のパワーを持つ反射面の「有効反射エリア」を小さくすることが可能となる。 By using “an optical element having a negative power to bring the imaging position of the intermediate image closer to a reflecting surface having a positive power in the second optical system”, “reflection having a positive power in the second optical system” Adjustment to narrow the “degree of divergence” of the incident light beam on the “surface” is possible, and the “effective reflection area” of the reflecting surface having the positive power can be reduced.
上記正のパワーを持つ反射面の有効反射エリアの調整や、同反射面の形状の局所的な形状付与、即ち「自由曲面形状の設定」により、集光特性や歪みなどをよりきめ細かく制御できる。
上記の如き構成の採用により、従来の投射光学系より広角化が可能となる。
By adjusting the effective reflection area of the reflecting surface having the positive power and providing the shape of the reflecting surface locally, that is, “setting of a free-form surface”, the light condensing characteristics and distortion can be controlled more finely.
By adopting the configuration as described above, a wider angle can be obtained than in the conventional projection optical system.
上の実施の形態で説明した各種の反射面のうち、少なくとも1面を自由曲面で構成することにより、設計の自由度が増し、諸収差の補正がし易くなる。 By configuring at least one of the various reflecting surfaces described in the above embodiment with a free-form surface, the degree of freedom in design increases and it becomes easy to correct various aberrations.
ここに謂う「自由曲面」は、アナモフィック面や、X−Yポリノミナル面等、「非回転対称な面形状」を含む面である。 The so-called “free-form surface” is a surface including “non-rotationally symmetric surface shape” such as an anamorphic surface or an XY polynomial surface.
投射光学系に含まれる全ての面(屈折面、反射面)を自由曲面で構成すれば、設計上は、極めて良好な結像特性を実現できるが、実際には各面の相対位置誤差や偏芯誤差等の要求精度が厳しくなるので、自由曲面の数は多いほど良いというわけではなく、最適な自由曲面の数を設定するのがよい。 If all surfaces (refractive surfaces, reflective surfaces) included in the projection optical system are configured by free-form surfaces, extremely good imaging characteristics can be realized in terms of design. Since the required accuracy such as the core error becomes severe, the larger the number of free-form surfaces, the better. It is better to set the optimal number of free-form surfaces.
上に説明したように、中間像Iintを形成した光束は、その後、発散光束となり、第2の光学系における正のパワーを持つ反射面(凹面鏡)に入射する。従って、中間像Iintの各位置からの発散性の光束は、上記凹面鏡における局所的な反射領域で反射されてスクリーン上に結像する。換言すると、スクリーン上の各位置に結像する光束は、上記凹面鏡において「像高ごとに局所的な反射領域」に対応する。 As described above, the light beam forming the intermediate image Iint becomes a divergent light beam, and enters a reflecting surface (concave mirror) having a positive power in the second optical system. Accordingly, the divergent light beam from each position of the intermediate image Iint is reflected by the local reflection region of the concave mirror and forms an image on the screen. In other words, the light beam that forms an image at each position on the screen corresponds to a “local reflection region for each image height” in the concave mirror.
このことから、上記凹面鏡(中間像を形成した光束が、中間像形成後最初に反射される反射面)の面形状を自由曲面とし「それぞれの像高に対する反射領域」ごとに、反射面の曲面形状を調整することにより、最も効果的に諸収差補正が可能となり性能向上を図ることができる。 For this reason, the surface of the concave mirror (the reflecting surface on which the light beam that formed the intermediate image is reflected first after the intermediate image is formed) is a free-form surface, and the curved surface of the reflecting surface for each “reflection region for each image height”. By adjusting the shape, various aberrations can be corrected most effectively and the performance can be improved.
面加工や組み付け性を考慮すると、自由曲面の数はできるだけ少ないのがよく、中間像を形成した直後の正のパワーを有する反射面(凹面鏡)に優先的に適用するのが最も効果的である。反射領域の調整に加え、「集光パワーを持つ凹面の局所的な形状を調整できる自由曲面」の形状設定によって、集光特性や像の歪みなどの特性をより向上させる設計が可能となる。 Considering surface processing and assembly, the number of free-form surfaces should be as small as possible, and it is most effective to preferentially apply to a reflecting surface (concave mirror) having a positive power immediately after forming an intermediate image. . In addition to the adjustment of the reflection region, the shape setting of “a free curved surface that can adjust the local shape of the concave surface having the light condensing power” enables the design to further improve the characteristics such as the light condensing characteristic and the image distortion.
中間像の倍率は「等倍〜数倍程度」であれば良く、中間像の形成に拘わる第1の光学系の結像倍率は大きい必要がない、従って、第1の光学系は、従来からある屈折光学系のみによる構成で最適化が可能である。第1の光学系を屈折光学系のみで構成すると、第1の光学系の光学設計が容易になり、面加工や組み付け性に関しても許容公差を緩くすることが可能となる。 The magnification of the intermediate image only needs to be “approximately 1 to several times”, and the imaging magnification of the first optical system related to the formation of the intermediate image does not need to be large. Therefore, the first optical system has been conventionally used. Optimization is possible with a configuration using only a certain refractive optical system. If the first optical system is composed only of a refractive optical system, the optical design of the first optical system is facilitated, and the tolerances can be relaxed with respect to surface processing and assembly.
また、屈折面数等を増やして設計の自由度を増し、それにより、公差を分配して性能向上させることも可能である。 It is also possible to increase the number of refracting surfaces and the like to increase the degree of design freedom, thereby distributing tolerances and improving performance.
第1の光学系を「屈折光学系のみ」で構成できるが、さらなる性能向上を望む場合は「第1の光学系構成上の自由度をさらに向上させる」ことが必要となる。 Although the first optical system can be configured by “refractive optical system only”, it is necessary to “further improve the degree of freedom in the configuration of the first optical system” when further performance improvement is desired.
このような更なる性能向上を図る場合には、第1の光学系を「回転対称軸を有する反射面と屈折光学系とで構成」するのが良い。「回転対称軸を持つ反射面」は比較的作り易く、加工性と組み付け性を損なうことなく設計の自由度を向上するのに極めて有効である。この回転対称軸をもつ反射面を、非球面形状とすることによりさらに自由度が向上する。また、この反射面にシフト偏芯やチルト偏芯の自由度を与えることにより、より自由度を向上させた設計が可能となる。 In order to further improve the performance as described above, it is preferable that the first optical system is “consisting of a reflecting surface having a rotational symmetry axis and a refractive optical system”. A “reflecting surface having a rotationally symmetric axis” is relatively easy to make and is extremely effective in improving the degree of freedom in design without impairing workability and assembly. The degree of freedom is further improved by making the reflecting surface having the rotational symmetry axis an aspherical surface. In addition, by providing the reflecting surface with a degree of freedom of shift eccentricity and tilt eccentricity, a design with improved degree of freedom becomes possible.
また、屈折光学系においても非球面形状を用いることができる。このような構成を採用
することにより設計の自由度が向上し、より高性能な投射光学系を実現できる。
An aspherical shape can also be used in the refractive optical system. By adopting such a configuration, the degree of freedom in design is improved, and a higher performance projection optical system can be realized.
反射面の加工には、従来から知られた研磨加工や、金型による成形加工、精密な形状転写加工等、様々な加工法を採用できる。また、屈折透過面と反射面とが一体となった構成とし、内部全反射構造としてもよい。 Various processing methods such as a conventionally known polishing process, a molding process using a mold, and a precise shape transfer process can be employed for processing the reflecting surface. Further, the refractive transmission surface and the reflection surface may be integrated to form an internal total reflection structure.
図1を参照して、画像投射装置の実施の1形態を説明する。
光源10における発光部11のランプとしては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メ
タルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどを用いることができる。
With reference to FIG. 1, one embodiment of an image projection apparatus will be described.
As the lamp of the light emitting unit 11 in the
高効率な照明効率を得られるように、ランプ近傍にランプと一体化して設けられたリフレクタを用いる。図1に図示されていないが、リフレクタにより反射されて「指向性を持った光束」を、光強度を均一化してパネル15上に照射できるように「インテグレータ光学系と呼ばれる公知の照度均一化手段」を用い、パネル面上に均一な照明分布の照明を行うようにすることもできる。
In order to obtain high illumination efficiency, a reflector provided integrally with the lamp is used in the vicinity of the lamp. Although not shown in FIG. 1, “a well-known illuminance uniformizing unit called an integrator optical system” is used so that a “directed light beam” reflected by a reflector can be irradiated onto the
図1に、ライトバルブとして例示した透過型の液晶パネル15に換えて「反射型の液晶ライトバルブ」を用いる場合は、偏光ビームスプリッタ等を用いて、照明光路と投射光路を分離することにより「効率のよい照明」が可能である。
In the case of using a “reflective liquid crystal light valve” instead of the transmissive
また、ライトバルブとして「デジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)」を用いる場合には「斜め入射光学系や全反射プリズムを使った光路分離光学系」を用いる。このようにライトバルブの種類に応じて適切な光学系を採用できる。 Further, when a “digital micromirror device (DMD)” is used as a light valve, an “optical path separation optical system using an oblique incident optical system or a total reflection prism” is used. Thus, an appropriate optical system can be employed according to the type of light valve.
フロントタイプのプロジェクタでは、投射画像を上方にシフトさせ、観察者からみて投射画像がプロジェクタの陰にならないようにするのが良い。即ち、投射光学系の光軸(第1の光学系17の光軸)に対して垂直な面内で、ライトバルブ15をシフト(図では下側)し、投射光学系の下方から光束を入射させるようにしている。
In a front type projector, it is preferable to shift the projection image upward so that the projection image is not shaded by the projector. That is, the
ライトバルブ15の上記シフト量が大きいほど、第1の光学系17に要求される仕様として、特に有効画角を広くとる必要がある。ライトバルブ15の上記シフト量は必要に応じて適宜の大きさに設定し、第1の光学系17により一旦中間像Iintを形成し、正のパワーを有する第2の光学系19により、ライトバルブ15で形成した画像をスクリーン21上に拡大投射する。
As the shift amount of the
リアプロタイプでは、投射光路に平面ミラーを配置して、光路を折り曲げ空間占有率を
より小さくすることができることは当然である。
In the rear pro type, it is natural that a plane mirror can be arranged in the projection optical path, and the optical path can be bent to further reduce the space occupation ratio.
なお、上には簡単のため、パネル15を1枚のみ示したが、赤・緑・青用の3枚のパネ
ルを用い、各パネルにより変調された光束を、公知のダイクロイックプリズム等の色合成
手段により色合成した後に、第1の光学系17等へ入射させることにより、スクリーン2
1上にカラー画像を投射することができることは言うまでも無い。
For the sake of simplicity, only one
Needless to say, a color image can be projected onto the
以下に、別形態を説明する。 Another embodiment will be described below.
図6に示す形態において、符号1で示す画像表示パネル(以下、単にパネル1という)から符号2で示す「スクリーン」に向かう光束群の基準光線はスクリーン2の法線と所定の傾きをもってスクリーン2に入射する。「基準光線」は、パネル1の中心からスクリーン2に導光される光束の主光線とする。
In the form shown in FIG. 6, the reference beam of the light beam group traveling from the image display panel indicated by reference numeral 1 (hereinafter simply referred to as panel 1) toward the “screen” indicated by
パネル1は反射型の液晶パネルで、直線偏光した照明光が、偏光ビームスプリッタ10Aを介して照射され、パネル1により変調された光束が偏光ビームスプリッタ10Aを介して結像光束となる。
The
光の伝搬においてパネル1側を「上流」、スクリーン2側を「下流」と呼ぶと、パネル1の下流側に「屈折力をもつ透過面から成り、非球面を1面以上含」む透過光学系3が配置され、その下流側に、複数の反射面4、5、6、7、8を有する「反射光学系」が配置される。
In the light propagation, when the
パネル1からの結像光束は、透過光学系3内を伝搬し、反射光学系を構成する反射面4〜8を介してスクリーン2へ導光される。反射光学系を構成する反射面4〜8のうち、反射面8は「回転非対称反射面」となっている。
The imaging light beam from the
透過光学系3には光束集光作用を与えることが好ましいが、この実施の形態では、透過光学系3における「倍率拡大の作用負担」を緩め、特に「下流側のレンズの口径が大型化しない」ようにしている。従って、拡大投射光学系としての倍率拡大の作用は、その全て、もしくは相当部分を反射光学系が負っている。
Although it is preferable to give the light beam condensing function to the transmission
回転非対称反射面8によって「非対称収差(図において、上記基準軸の上下方向における非対称性に起因する収差)」を補正するとともに、透過光学系3の光軸をパネル1に対して偏芯して設定(この実施の形態では、光軸が、パネル1の中心よりも、図の上方へ偏芯している)することにより、非対称収差の補正効果を高くしている。即ち、透過光学系3と反射光学系の双方に「非対称収差の補正を分担」させている。
The rotationally asymmetric reflecting surface 8 corrects “asymmetrical aberration (in the figure, aberration due to asymmetry in the vertical direction of the reference axis)” and decenters the optical axis of the transmission
透過光学系3はセル化を容易にするため「全体を共軸」に組付けている。
この実施の形態のように、拡大投射光学系を、透過光学系と反射光学系で構成すると、全ての光学面を反射面で構成するよりも、光学系を組み付け易くなり、反射面による「光路折り返し効果」も活かすことができ、全系を小型化できる。
The transmission
As in this embodiment, when the magnifying projection optical system is configured with a transmission optical system and a reflection optical system, it becomes easier to assemble the optical system than when all the optical surfaces are configured with reflection surfaces. The “folding effect” can also be utilized, and the entire system can be reduced in size.
透過光学系3の下流側で反射面4の上流側には符号9で示す「絞り」が設けられ、絞り9より下流側の反射面により、絞り9の像I9が「負の縮小倍率」で結像光路上に結像するようになっている。即ち、絞り9の「縮小倍率の像I9」は反射光学系の反射面4、5、6、7の作用により、反射面7と回転非対称反射面8との間に倒立像として結像する。
A “diaphragm” indicated by reference numeral 9 is provided on the downstream side of the transmission
このように、絞り9の像I9が縮小倍率で結像するようなパワー配置を取ると、絞り9の像I9より下流側にある反射面(説明中の実施の形態では反射面8)に入射する光束が大きく広がらないため、この反射面を小型にできる。 In this way, when the power is arranged such that the image I9 of the stop 9 is formed at a reduction magnification, the light enters the reflecting surface (the reflecting surface 8 in the embodiment being described) on the downstream side of the image I9 of the stop 9. The reflecting surface can be reduced in size because the luminous flux does not spread greatly.
上述の如く、絞り9の像I9は、反射光学系の光路内(反射面7と回転非対称反射面8との間)で結像しており、この結像位置は「スクリーン側の瞳」、即ち拡大投射光学系の「射出瞳」となる。
As described above, the image I9 of the stop 9 is imaged in the optical path of the reflecting optical system (between the reflecting
結像光束は、反射光学系内の光路上においてパネル1の中間像を結像する。この中間像は、絞り9の像I9と同様「負の倍率の実像」で等立像である。図に示す実施の形態では、パネル1の中間像は反射面7の反射面近傍に結像される。即ち、パネル1の中間像は、透過光学系3と反射面4〜6とにより形成される。
The imaging light beam forms an intermediate image of the
スクリーン2に結像するのは「パネル1の中間像の、反射面7と回転非対称反射面8による拡大像」であり、このときの結像倍率も負である。このように、パネル1からの光束は中間像が倒立像として結像され、さらにこの倒立像が倒立された正立像としてスクリーン2上に結像する。その際、中間像において発生する台形歪みが、スクリーン上に結像されるときの台形歪みと相殺しあい、台形歪みの少ない表示画像を得ることができる。
The image formed on the
透過光学系3を1つのユニットとしてセル化すると、拡大投射光学系における位置調整としては、セル化された透過光学系3と反射光学系との相対的な位置調整が残される。このとき、反射光学系における最も上流側の反射面4のパワーが正であると、透過光学系3から射出した光束が集光光束である場合、この光束は反射面4の正のパワーによりさらに集光される作用を受ける。
When the transmission
この形態では「反射面4のパワー」を負としている。反射面4のパワーを正にすると、透過光学系3と反射光学系の相対位置が「ズレ」たときに発生する収差が大きくなる。換言すると、透過光学系3と「反射光学系」のズレ量が同一である場合、ズレ量に対する収差の変化量が大きい。
In this embodiment, “power of the reflecting
上記形態のように、反射面4のパワーを負にすると、上記「ずれ量に対する収差の変化量」が小さい。従って、透過光学系3と反射光学系との相対的な位置関係の精度が緩やかになり、光学系組付けが容易となる。
When the power of the reflecting
上記反射面4のパワーを負にした上で、その下流に配置する反射面5のパワーは正となっている。反射光学系における上流側において、負のパワーの反射面が続くと入射光束の発散性が過大になり、反射光学系内に「絞りの像」を結像させることができなくなる。
After making the power of the
反射面5のパワーを正とすることは、反射面5により反射される結像光束を収束傾向とし、絞り9の像I9を反射光学系の光路内に結像する上で重要である。即ち、絞り9と絞りの像I9の間に設ける光学系(反射面4〜7)の合成パワーは正である。
Making the power of the reflecting surface 5 positive is important for making the imaging light beam reflected by the reflecting surface 5 converge and tend to form the image I9 of the stop 9 in the optical path of the reflecting optical system. That is, the combined power of the optical system (reflecting
反射面4とともに反射面5も負のパワーとし、その下流側の反射面6のパワーを正にしても良いが、反射面6のパワーを強くする必要性が生じたり、面間距離が長くなったりして収差発生量が増え、光学系が大きくなり、構成面数も増えるので、メリットはあまりない。
The reflecting surface 5 as well as the reflecting
パネル1とスクリーン2が共に平面で「斜め投射」を行う拡大投射光学系において、この発明では「パネル1側からスクリーン2へ向う光束が生成するパネル1の、負の倍率の中間像」と、「スクリーン2側からパネル1へ向う光束が生成するスクリーン2の、負の倍率の中間像」の位置・形状が略一致するように、中間像面の上流側および下流側の光学系を構成している。
In the magnifying projection optical system in which both the
「スクリーン2側からパネル1に向う光束」は、拡大投射光学系設計の際に、スクリーンを物体面、パネルを像面として光線追跡を行う際において使用される仮想的な光束を言う。
The “light beam from the
反射光学系部において、回転非対称反射面8は、この実施の形態におけるように、結像光束の光路上、最下流のスクリーン2に最も近い位置に配置することが好ましい。反射面4〜8における「異なる画角に対応する各々の光束」の入射位置は、上流においては重なっている領域が広く、下流に行くほど「重なる領域」が少なくなるようにする。
In the reflection optical system portion, the rotationally asymmetric reflection surface 8 is preferably disposed at a position closest to the
回転非対称反射面は、入射位置に対して取り得る面形状の自由度が高いので、回転非対称反射面8を最下流側とし、この面位置において「異なる画角に対応する各々の光束の互いに重なる領域」が少なくなるようにすると、回転非対称反射面8よりも上流側の光学系による「各画角の光束が有する残存収差の補正に適する面形状」を回転非対称反射面8に与えることができ、高い収差補正効果を実現できる。 Since the rotationally asymmetric reflecting surface has a high degree of freedom of the surface shape that can be taken with respect to the incident position, the rotationally asymmetric reflecting surface 8 is located on the most downstream side, and at this surface position, “the respective light beams corresponding to different angles of view overlap each other. If the “region” is reduced, it is possible to give the rotationally asymmetric reflecting surface 8 a “surface shape suitable for correcting the residual aberration of the light flux at each angle of view” by the optical system upstream of the rotationally asymmetric reflecting surface 8. A high aberration correction effect can be realized.
上記とは逆に、反射光学系の上流側に回転非対称反射面を設けると、その反射面の同位置に「異なる画角の光束が重なって入射している状態」となるから、異なる画角の光束の各々が有する収差を同時に補正する「反射面の形状解」を得ることが困難になる。 Contrary to the above, if a rotationally asymmetric reflecting surface is provided on the upstream side of the reflecting optical system, the light beams with different angles of view are incident on the same position of the reflecting surface. It is difficult to obtain a “reflecting surface shape solution” that simultaneously corrects aberrations of each of the light beams.
この実施の形態においては、透過光学系3にも「非対称収差成分の補正」を分担させることができる。このような場合、補正効果を高くするには、透過光学系3に「回転非対称な透過面」を与える。回転非対称面は「回転対称非球面では補正困難な収差成分を補正」するのに有効である。
In this embodiment, the transmission
反射光学系は複数の反射面4〜8で構成されているが、これらをユニットとして一体に構成することによって、反射面同士の相対位置精度を出し易くなり、拡大投射光学系の組付けが容易になる。反射面の一体化は例えばモールド成形法によって実現できるが、これに限らず、他の適宜の方法で実現して良い。
The reflective optical system is composed of a plurality of
若干付言すると、絞り9を配置する位置は、図1の位置に限らず、例えば、透過光学系3における面間に設けても良い。この場合には、絞りの像の結像に、透過光学系の一部も参与することになる。
In other words, the position where the diaphragm 9 is disposed is not limited to the position shown in FIG. 1, and may be provided between the surfaces of the transmission
画像表示パネルは1枚に限らず、3枚の画像表示パネルを用い、R(赤)、G(緑)、B(青)の各色成分画像を色ごとに異なる画像表示パネルに表示し、これら画像表示パネルからの光を合成して、拡大投射光学系によりスクリーンへ導光し、スクリーン上にカラー画像を表示するように構成することもできる。 The number of image display panels is not limited to one, and three image display panels are used, and R (red), G (green), and B (blue) color component images are displayed on different image display panels for each color. The light from the image display panel can be combined, guided to the screen by the enlarged projection optical system, and a color image can be displayed on the screen.
このような場合には、図1において、パネル1と透過光学系3との間の偏光ビームスプリッタとダイクロイクプリズムを組合せたもの(カラー画像投射装置において広く知られている)を用いることができる。
スクリーンは平面である。
In such a case, in FIG. 1, a combination of a polarizing beam splitter between the
The screen is flat.
上に説明したように、図1の拡大投射光学系は、画像表示パネル1からの光束をスクリーン2に導光し、スクリーン2の法線に対し傾斜した方向から投射して、スクリーン2上に画像表示パネル1に表示された画像の拡大像を結像させる拡大投射光学系であって、反射光学系4〜8と透過光学系3とを有し、反射光学系はパワーをもつ複数の反射面4〜8により構成され、回転非対称反射面8を含み、透過光学系3は屈折力をもつ透過面により構成され、非球面を1面以上含む。
As described above, the enlarged projection optical system shown in FIG. 1 guides the light beam from the
透過光学系3における画像表示パネル側から第1面と、反射光学系におけるスクリーン側から第1面との間に絞り9が設けられ、そのスクリーン側に配置した光学素子4〜7により、絞り9の像I9が負の縮小倍率で結像するように構成されている。
A diaphragm 9 is provided between the first surface from the image display panel side in the transmission
図6の拡大投射装置はまた、複数の透過面からなる透過光学系3と、複数の反射面4〜8から成る反射光学系と、絞り9とを有し、反射光学系における反射面のうち、絞り9を通過した光束が最初に入射するパワーを持つ反射面4のパワーが負であり、絞り9を通過した光束が最初に入射する負のパワーを持つ反射面4に続く反射面5が正のパワーを持ち、反射光学系は、パワーを持つ複数の反射面4〜8により構成され、回転非対称反射面8を含み、透過光学系3は屈折力をもつ透過面により構成され、非球面を1面以上含む。
6 also includes a transmission
図6の拡大投射光学系はまた、画像表示パネル1側からスクリーン2に至る光束が生成する画像表示パネルの負の倍率の中間像と、スクリーン2側から画像表示パネル1に至る光束が生成するスクリーン2の負の倍率の中間像の位置・形状が略一致し、複数の反射面から成る反射光学系4〜8と、複数の透過面からなる透過光学系3とを有し、絞り9を有し、反射光学系における反射面のうち、絞りを通過した光束が最初に入射するパワーを持つ反射面4のパワーが負であり、絞り9を通過した光束が最初に入射する負のパワーを持つ反射面4に続く反射面5が正のパワーを持ち、反射光学系はパワーを持つ複数の反射面により構成され、回転非対称反射面8を含み、透過光学系3は屈折力をもつ透過面により構成され、非球面を1面以上含む。
6 also generates an intermediate image of a negative magnification of the image display panel that generates a light beam from the
さらに、回転非対称反射面8は、投射光路上において「最もスクリーン2側」に配置され、透過光学系3が、屈折力を有する回転非対称な透過面を含み、画像表示パネル1の位置に対し、透過光学系3の光軸が、導光光路を含む面内で偏芯して設定されている。また、反射光学系はユニットとして一体に構成することができる。
Further, the rotationally asymmetric reflective surface 8 is disposed “most on the
従って、図6に実施の形態を示した拡大投射光学系に対して、公知の各種の光源を付加することにより、画像表示パネル1に画像を表示し、画像表示パネル1を光源からの光で照明し、照明された画像表示パネル1からの光束を拡大投射光学系によりスクリーン2に導光し、スクリーン2の法線に対し傾斜した方向から投射して、スクリーン2上に画像表示パネル1に表示された画像の拡大像を投射する拡大投射装置である。
Therefore, by adding various known light sources to the enlarged projection optical system whose embodiment is shown in FIG. 6, an image is displayed on the
以下、実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments will be described.
図7は、画像投射装置の実施の1形態を示している。投射光学系の部分を拡大して図8に示す。 FIG. 7 shows an embodiment of the image projection apparatus. A portion of the projection optical system is enlarged and shown in FIG.
図8において、符号71で示す部分は物体側に配された第1光学系、符号72で示す部分は像側に配された第1、第2反射面を示す。第1光学系71はレンズ711〜716で構成されレンズ713の直後に絞りSを有する。レンズ713は「接合レンズ」である。
符号721、722は、第1、第2反射面を示している。第1反射面721、第2反射面722を合わせた部分を以下「第2光学系」と称する。
In FIG. 8, a portion denoted by
第1光学系71の物体側は、図6に即して説明したような「反射型の液晶パネルに、直線偏光した照明光を、偏光ビームスプリッタを介して照射し、液晶パネルにより変調された反射光束が偏光ビームスプリッタを介して結像光束となる型のもの」が想定され、符号PBが「偏光ビームスプリッタ」を示している。
The object side of the first
物体側からの光束は第1光学系71、第2光学系72を介して、図示されない平面の投影面(図7に示すスクリーン)上に拡大画像を投射するが、物体の中間像は反射面721と722の間の位置に結像し、反射面722により投影面上に最終像として結像する。
The light beam from the object side projects a magnified image on a projection surface (screen shown in FIG. 7) (not shown) via the first
「投射されるべき画像を表示する物体」としてはまた、図1に即して示した「ライトバルブ15を、ランプとリフレクタによる発光部11からの光束を照明光学系12により照明する構成のもの」を用いることができる。発光部の具体例としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどが好適である。照明光学系には「リフレクタにより反射されて指向性を持った光束の強度をライトバルブに対して均一化するインテグレータ光学系」を搭載することもできる。
As the “object for displaying the image to be projected”, the “
上記物体としてはまた、DMDパネルに対し「斜め入射光学系」や全反射プリズムで、光路分離を行う方式のものを用いることもできる。勿論、LEDアレイやELアレイ、プラズマディスプレイ等の自己発光型の物体を用いることもできる。 As the object, it is also possible to use an “obliquely incident optical system” or a total reflection prism that separates optical paths with respect to the DMD panel. Of course, self-luminous objects such as LED arrays, EL arrays, and plasma displays can also be used.
即ち、図7、図8に示す実施の形態における投射光学系は、1以上のレンズにより構成され、正のパワーを有する第1光学系71と、1枚の第1反射面721と、正のパワーを持つ1枚の第2反射面722を有し、投影面であるスクリーンに近い側から、第1反射面721、第1光学系71、第2反射面722の順に配置されている。
物体像は、一旦中間像として形成された後に最終像として結像されるように構成されている。
また、第1光学系において物体側にもっとも近い屈折力を持った光学要素711の光軸に対して他の光学要素712〜716、721、722が平行偏芯および/またはチルト偏芯している。
That is, the projection optical system in the embodiment shown in FIGS. 7 and 8 is composed of one or more lenses, and has a first
The object image is configured to be formed as an intermediate image and then formed as a final image.
Further, in the first optical system, the other
具体的な実施例は後述する。 Specific examples will be described later.
図12に、画像投射装置の実施の他の形態を示す。図13にその投射光学系の部分を拡大して示す。
図13において、符号100で示す部分は、図6に即して説明した「反射型の液晶パネルに、直線偏光した照明光を、偏光ビームスプリッタを介して照射し、液晶パネル1により変調された反射光束が偏光ビームスプリッタを介して結像光束となる型」の物体側部分であり、反射型の液晶パネルの画像表示面が「被投影物体面」である。図中、符号PBが偏光ビームスプリッタを示す。物体側の構成はこれに限らず、図1に即して説明した「ライトバルブ15を、ランプとリフレクタによる発光部11からの光束を照明光学系12により照明する構成のもの、あるいはこれにインテグレ−タ光学系を付加したもの」を用いることもできるし、DMDパネルに対し斜め入射光学系や全反射プリズムで光路分離を行う方式のものを用いることもでき、LEDアレイやELアレイ、プラズマディスプレイ等の自己発光型の物体を用いることもできる。
FIG. 12 shows another embodiment of the image projection apparatus. FIG. 13 shows an enlarged portion of the projection optical system.
In FIG. 13, the part denoted by
符号120で示す部分は第1光学系を示し、符号130で示す部分は、第1反射面131、第2反射面132による第2光学系である。
A portion denoted by
第1光学系120はレンズ121〜127により構成されている。レンズ123とレンズ126とは接合レンズであり、全体は9枚のレンズで構成されている。第2光学系130は、1枚の第1反射面131、第2反射面132からなる。
The first
即ち、図12、図13に示す投射光学系では、被投影物体面からの光束は、第1光学系120と、2枚の反射面131、132から成る第2光学系130を介して図示されない投影面上に導光されて投影される。
That is, in the projection optical system shown in FIGS. 12 and 13, the light beam from the object surface to be projected is not shown through the first
第1光学系120は複数の透過型屈折素子121〜127を有し、図示の如く、投影物体面から透過型屈折光学系の第1面(レンズ121の物体側面)までは、図に示されたように「略テレセントリック」であり、第2光学系130における第1、第2反射面131、132の間に、被投影物体面の中間像面が位置し、中間像面における中間像が、第2の反射ミラー132を介して投影面上に正規像として再結像される。
The first
後述する例に示すように、第1反射面131は負のパワーの軸対称な反射面であり、第2反射面132は「上下方向と左右方向とでパワーが異なるアナモフィックな多項式自由曲面」であり、第2の反射ミラー132から図示されない投影面に至る光線は投影面の法線に対して傾斜して導光される。
As shown in an example to be described later, the first reflecting
そして、第1光学系120は、被投影物体面の法線に対して偏芯するが、第1光学系の有する複数のレンズ121〜127は互いに偏芯することなく構成されている。
The first
レンズ123とレンズ126とは接合レンズであり、これら接合レンズ123、126はそれぞれレンズの「群単位」を構成するが、これら接合レンズは「群単位レベルでは互いに偏芯することなく構成」されている。
The
また、第1、第2反射面132、133の間に結像される中間像の像面は図13から分かるように「被投影物体面の中心から射出する光束の主光線に対して傾斜湾曲して」おり、透過屈折光学系の最終面(レンズ127の射出側面)において「被投影物体面の中心から射出した主光線と、被投影物体面の周辺から射出した主光線とが略平行」である。
Further, as can be seen from FIG. 13, the image plane of the intermediate image formed between the first and second reflecting
図12の画像投射装置は「フロントプロジェクタ型」であるが、勿論、結像光路内に光を折り曲げる反射鏡を付加することにより「リアプロジェクタ型」とすることも考えられる。 Although the image projection apparatus of FIG. 12 is a “front projector type”, it is of course possible to adopt a “rear projector type” by adding a reflecting mirror that bends light in the imaging optical path.
以下、具体的な実施例を挙げる。
光学系の諸元において、面番号は物体面(投射されるべき画像が表示される面)を第0面として、以下順次に第1面、第2面・・と数える。全実施例を通じ、第1面および第2面は「偏光ビームスプリッタ」の液晶パネル側および投射光学系側の面である。
Specific examples will be given below.
In the specifications of the optical system, the surface numbers are sequentially counted as the first surface, the second surface,..., With the object surface (the surface on which the image to be projected is displayed) being the 0th surface. Throughout all the embodiments, the first surface and the second surface are surfaces of the “polarization beam splitter” on the liquid crystal panel side and the projection optical system side.
実施例1は、先に、図7、図8に示した画像投射装置・投射光学系の具体的な実施例である。即ち、1以上のレンズにより構成され、正のパワーを有する第1光学系71と、第1反射面721、正のパワーを持つ第2反射面722を有する第2の光学系72とを有し、物体面(ライトバルブ)に近い側から第1、第2光学系の順に配置され、物体像が一旦中間像として第1・第2反射面の間の光路上に形成された後に、中間像として結像した後の発散する光束を、正のパワーを持つ第2反射面722で反射することにより、中間像をさらに拡大し、最終像(正規像)として投影面(スクリーン)に投射する構成となっている。
第1の光学系において物体側にもっとも近い屈折力を持った光学要素711の光軸に対して他の光学要素712〜716、721、722が平行偏芯および/またはチルト偏芯している。
中間像の拡大率は3倍程度である。
The first embodiment is a specific embodiment of the image projection apparatus / projection optical system shown in FIGS. In other words, the optical system includes a first
In the first optical system, the other
The magnification of the intermediate image is about 3 times.
実施例1の諸元を表1に示す。 The specifications of Example 1 are shown in Table 1.
表1において、シフトとあるのはシフト偏芯量、チルトとあるのはチルト偏芯量を示す。曲率半径、面間隔およびシフト偏芯量の単位は「mm」、チルト偏芯量の単位は「度」である。以下の各実施例においても同様である。 In Table 1, “shift” indicates the amount of shift eccentricity, and “tilt” indicates the amount of tilt eccentricity. The unit of the radius of curvature, the surface interval, and the shift eccentricity is “mm”, and the unit of the tilt eccentricity is “degree”. The same applies to the following embodiments.
第18面である第2の反射ミラーの反射面は前述の式(1)で示される「上下方向と左右方向とでパワーが異なるアナモフィックな多項式自由曲面」であるが、この多項式自由曲面における係数を表2に挙げる。 The reflecting surface of the second reflecting mirror, which is the 18th surface, is an “anamorphic polynomial free-form surface having different powers in the vertical direction and the left-right direction” represented by the above-described equation (1). Are listed in Table 2.
上記の表記において例えば「1.14641E-11」は「1.14641×10-11」を意味する。以下においても同様である。 In the above notation, for example, “1.14641E-11” means “1.14641 × 10 −11 ”. The same applies to the following.
上記の如く、第1の光学系は7枚のレンズにより構成され、第2の光学系は2面の反射面で構成されているが、反射面721は球面で、反射面722は多項式自由曲面である。
As described above, the first optical system is composed of seven lenses, and the second optical system is composed of two reflecting surfaces, but the reflecting
正規像の像面(スクリーン)は、図7の左右方向に平行な平面であるが、像高の低い位置(物体に近い側)と高い位置(物体から遠い側)ではスクリーンへ入射する角度の差が大きため「下すぼみの歪んだ投射画像」になりがちであるが、中間像の歪みを逆に設定し、最終像面での歪みを補正した。即ち、中間像の形状において、投影面であるスクリーンへの入射角が最も大きい辺が最も短い。従って、中間像の形状によって最終像の平面方向の形状が補正されている。 The image plane (screen) of the normal image is a plane parallel to the left-right direction in FIG. Although the difference is large, it tends to be a “projection image with a distorted bottom dent”, but the distortion of the intermediate image is set in reverse to correct the distortion on the final image plane. That is, in the shape of the intermediate image, the side with the largest incident angle to the screen as the projection surface is the shortest. Therefore, the shape of the final image in the plane direction is corrected by the shape of the intermediate image.
最終的な像面での「像の歪みの状態」を図11に示す。図11は、対角:略0.9インチの液晶パネルの表示される画像をスクリーン上に60インチ程度に拡大して投射した時のディストーションの様子を示している。図の如く、グリッドの像を略等間隔に形成でき、台形歪みが良好に補正されていることが分かる。投射サイズは1200mm×900mmサイズ、拡大率は65倍以上で、歪みは0.5%以下で非常に良好である。 FIG. 11 shows an “image distortion state” on the final image plane. FIG. 11 shows a state of distortion when an image displayed on a liquid crystal panel having a diagonal of about 0.9 inches is projected on the screen by being enlarged to about 60 inches. As shown in the figure, it can be seen that the grid images can be formed at substantially equal intervals, and the trapezoidal distortion is well corrected. The projection size is 1200 mm × 900 mm, the enlargement ratio is 65 times or more, and the distortion is 0.5% or less, which is very good.
実施例2は、図9に示す画像投射装置・投射光学系の具体的な実施例である。図9は、画像投射装置の投射光学系部分を拡大して示している。 Example 2 is a specific example of the image projection apparatus / projection optical system shown in FIG. FIG. 9 is an enlarged view of the projection optical system portion of the image projection apparatus.
第1光学系81は6枚のレンズ811〜816により構成され、第2の光学系82は2枚の反射面821、822により構成されている。図示されない絞りが、レンズ813とレンズ814の間に配置されている。
The first
実施例1と同様、中間像は反射面821、822の中間に、第1光学系81により反転像として形成される。第2光学系82に入射した光束を反射する第1反射面821は正のパワーを持ち、回転対称な非球面形状であり、正のパワーを持つ第2反射面822は多項式自由曲面とした。回転対称な非球面形状の採用により、自由度のより高い設計が可能となった例である。なお、以下に示す具体的データから明らかなように、第1反射面の正のパワーは微弱である。
As in the first embodiment, the intermediate image is formed as an inverted image by the first
実施例2の諸元を表3に示す。 The specifications of Example 2 are shown in Table 3.
第16面に用いられている回転対象の非球面は、Zを光軸方向のデプス、cを近軸曲率半径、rを光軸からの光軸直交方向の距離、kを円錐定数、A、B、C、・・等を高次の非球面係数とする周知の非球面式:
Z=c・r2/[1+√{1-(1+k)c2r2}]+Ar4+Br6+Cr8
において、k、A、B、Cを与えて形状を特定する。以下の他の実施例においても同様である。
The aspherical surface to be rotated used in the sixteenth surface is such that Z is the depth in the optical axis direction, c is the paraxial radius of curvature, r is the distance in the optical axis orthogonal direction from the optical axis, k is the conic constant, A, A well-known aspherical expression in which B, C,...
Z = c · r 2 / [1 + √ {1- (1 + k) c 2 r 2 }] + Ar 4 + Br 6 + Cr 8
The shape is specified by giving k, A, B, and C. The same applies to the following other embodiments.
第16面の非球面の係数を表4に与える。 Table 16 gives the coefficients of the aspheric surface of the sixteenth surface.
第17面の多項式自由曲面の係数の値を表5に与える。 Table 5 gives the values of the coefficients of the polynomial free-form surface of the 17th surface.
実施例3は、図10に示す画像投射装置・投射光学系の具体的な実施例である。
第1光学系91は5枚のレンズ911〜915により構成され、第2光学系92は第1、第2反射面921、922により構成されている。レンズ913は接合レンズである。
図示されない絞りが、レンズ913とレンズ914の間に配置されている。
Example 3 is a specific example of the image projection apparatus / projection optical system shown in FIG.
The first
A diaphragm (not shown) is disposed between the
実施例1、2と同様、中間像は反射面921、922の中間に形成される。第1の光学系により中間像が反転像として形成される。また、第2の光学系に入射した光側を最初に反射する正のパワーを有する反射面921は球面形状、反射面922は多項式自由曲面である。
As in the first and second embodiments, the intermediate image is formed between the reflecting
実施例3の諸元を表6に示す。 The specifications of Example 3 are shown in Table 6.
表6から明らかなように、レンズ911の第1面(表6において第3面)は2.2度チルトしているが、このレンズ911の光軸に対し、レンズ912〜915はチルト偏芯せず、レンズ911〜915はレンズ911の光軸に対して平行偏芯しているのみである。
屈折光学系は1組の接合レンズ913を含み、これは1群として作用する。
As is clear from Table 6, the first surface of lens 911 (the third surface in Table 6) is tilted by 2.2 degrees, but
The refractive optical system includes a set of cemented
第16面の多項式自由曲面の係数の値を表7に示す。 Table 17 shows the coefficient values of the polynomial free-form surface of the sixteenth surface.
実施例4は、上にあげた実施例3と同様の光学系構成(図10)で諸元を異ならせたものである。 In the fourth embodiment, the optical system configuration (FIG. 10) is the same as that of the third embodiment described above, but the specifications are different.
実施例4の諸元を表8に示す。 The specifications of Example 4 are shown in Table 8.
第16面の多項式自由曲面の係数の値を表9に示す。 Table 9 shows the coefficient values of the polynomial free-form surface of the sixteenth surface.
実施例5も、上にあげた実施例3と同様の光学系構成(図10)で諸元を異ならせたものである。 The fifth embodiment also has different specifications with the same optical system configuration (FIG. 10) as the third embodiment described above.
実施例5の諸元を表10に示す。 Table 10 shows the data of Example 5.
第16面の多項式自由曲面の係数の値を表11に示す。 Table 11 shows the coefficient values of the polynomial free-form surface of the sixteenth surface.
上述したように、上記実施例1〜5は、複数のレンズにより構成されて正のパワーを有する第1光学系と、第1反射面と、正のパワーを持つ第2反射面を有し、これらは、投影面に近い側から、第1反射面、第1光学系、第2反射面の順には位置される。
物体像は一旦中間像として形成された後に最終像として結像される。
実施例1〜5の第1光学系は、物体側にもっとも近い屈折力を持った光学要素の光軸に対して、他の光学要素が、1カ所以上において、平行偏芯および/またはチルト偏芯しており、実施例3〜5では、第1光学系91において物体側にもっとも近い、屈折力を持った光学要素911の光軸に対して第1の光学系91の各要素がチルト偏芯していない。
As described above, the first to fifth embodiments include the first optical system including a plurality of lenses and having positive power, the first reflecting surface, and the second reflecting surface having positive power. These are positioned in the order of the first reflecting surface, the first optical system, and the second reflecting surface from the side close to the projection surface.
The object image is once formed as an intermediate image and then formed as a final image.
In the first optical systems of Examples 1 to 5, the optical axis of the optical element having the refractive power closest to the object side is parallel decentered and / or tilted at one or more other optical elements. In the third to fifth embodiments, each element of the first
また、実施例3〜4では、第1光学系91が2以上の群で構成され、2以上の群のうちの接合レンズとして1つの群をなすレンズ913が平行偏芯している。
In Examples 3 to 4, the first
実施例1〜5とも、第2光学系に含まれる反射面の1以上が自由曲面であり、第2光学系に含まれる反射面のうち、最終像の結像位置から最も遠い第2反射面のみが自由曲面であり、実施例1〜5では、第2光学系に入射した光束が初めに反射される正のパワーを有する反射面が回転対称な面であり、実施例1、3、〜5においては上記回転対称な反射面が球面反射面である。 In each of Examples 1 to 5, one or more of the reflecting surfaces included in the second optical system are free-form surfaces, and the second reflecting surface farthest from the final image forming position among the reflecting surfaces included in the second optical system. Is a free-form surface, and in Examples 1 to 5, the reflecting surface having a positive power on which the light beam incident on the second optical system is first reflected is a rotationally symmetric surface. In 5, the rotationally symmetric reflecting surface is a spherical reflecting surface.
また、実施例1〜5とも第1の光学系が複数のレンズで構成され、第1光学系におけるレンズは、非球面形状を含まない。 In each of Examples 1 to 5, the first optical system includes a plurality of lenses, and the lenses in the first optical system do not include an aspherical shape.
従って、上記実施例の投射光学系に物体を組み合わせた画像投射装置は、画像投射装置の具体的な実施例を構成する。 Therefore, the image projection apparatus in which an object is combined with the projection optical system of the above embodiment constitutes a specific embodiment of the image projection apparatus.
以下に挙げる実施例6は、先に、図12、図13に即して実施の形態を説明した投射光学系・画像投射装置の具体的実施例である。 Example 6 given below is a specific example of the projection optical system / image projection apparatus whose embodiment has been described with reference to FIGS.
実施例6の諸元を表12に示す。 Table 12 shows the data of Example 6.
第7面と第15面の非球面の係数を表13に与える。 Table 13 gives the aspheric coefficients of the seventh and fifteenth surfaces.
第19面と第21面の多項式自由曲面の係数の値を表14に与える。 Table 14 gives the values of the coefficients of the polynomial free-form surfaces of the 19th and 21st surfaces.
実施例6の投射光学系によるスクリーン上におけるMTF性能は周波数:0.5c/mmにおいて60%以上、ディストーションは2%以下である。
参考具体例において正規像を投射するスクリーンのサイズは60インチであり、投射光学系の「スクリーンに直交する方向の最大幅」は472mmである。
The MTF performance on the screen by the projection optical system of Example 6 is 60% or more at a frequency of 0.5 c / mm, and the distortion is 2% or less.
In the reference specific example, the size of the screen for projecting the normal image is 60 inches, and the “maximum width in the direction perpendicular to the screen” of the projection optical system is 472 mm.
図14に示す如く、スクリーンに、X方向(左右方向)とY方向(上下方向)とにおいて、±1.0Y、±0.5Y、0.0Y、±1.0X、±0.5X、0.0Xの碁盤状の線を設定し、評価周波数:0.5c/mmに対するMTF値を調べたところ、表15の如くになった。 As shown in FIG. 14, the screen has ± 1.0Y, ± 0.5Y, 0.0Y, ± 1.0X, ± 0.5X, 0 in the X direction (left and right direction) and Y direction (up and down direction). When a 0.0X grid-like line was set and the MTF value for the evaluation frequency: 0.5 c / mm was examined, it was as shown in Table 15.
図15に、X=0.0Xにおける周波数:0〜0.5c/mmの範囲における±1.0Y、0.0Yにおけるサジタル方向(s)およびメリディオナル方向(m)のMTF特性を示す。図16に、X=0.5Xにおける周波数:0〜0.5c/mmの範囲における±1.0Y、0.0Yにおけるサジタル方向(s)およびメリディオナル方向(m)のMTF特性を示す。図17に、X=1.0Xにおける周波数:0〜0.5c/mmの範囲における±1.0Y、0.0Yにおけるサジタル方向(s)およびメリディオナル方向(m)のMTF特性を示す。これらの図から明らかなように、実施例6は良好なMTF特性を有している。 FIG. 15 shows the MTF characteristics in the sagittal direction (s) and the meridional direction (m) at ± 1.0Y and 0.0Y in the frequency range of 0 to 0.5 c / mm at X = 0.0X. FIG. 16 shows the MTF characteristics in the sagittal direction (s) and the meridional direction (m) at ± 1.0Y and 0.0Y in the frequency range of 0 to 0.5 c / mm at X = 0.5X. FIG. 17 shows the MTF characteristics in the sagittal direction (s) and the meridional direction (m) at ± 1.0Y and 0.0Y in the frequency range of 0 to 0.5 c / mm at X = 1.0X. As is clear from these figures, Example 6 has good MTF characteristics.
実施例6の投射光学系は、反射型光学系は透過型屈折光学系の側から第1、第2の順に配置される2枚の反射面を有し、被投影物体面の中間像面が第1及び第2反射面の間に位置し、第1反射面は負のパワーの軸対称な反射面(第22面)、第2反射面は上下方向と左右方向とでパワーが異なるアナモフィックな多項式自由曲面(第23面)であり、被投影物体面の中間像の、アスペクト比を補正する手段として、透過型屈折光学系内に、上下方向と左右方向とでパワーが異なるアナモフィックな多項式自由曲面(第19面)を有する。 In the projection optical system of Example 6, the reflective optical system has two reflective surfaces arranged in the first and second order from the transmissive refractive optical system side, and the intermediate image plane of the projection object surface is Located between the first and second reflecting surfaces, the first reflecting surface is an axisymmetric reflecting surface with negative power (the 22nd surface), and the second reflecting surface is an anamorphic power having different powers in the vertical and horizontal directions. This is a polynomial free-form surface (23rd surface), and as a means for correcting the aspect ratio of the intermediate image of the object surface to be projected, an anamorphic polynomial freedom whose power is different in the vertical and horizontal directions in the transmission refractive optical system It has a curved surface (19th surface).
また、透過型屈折光学系における被投影物体面側のNA(=0.143)が、中間像面側のNA(=0.01)よりも大きく、中間像の倍率:M1(=1.5)は1〜5の範囲にあり、投影倍率(=75倍)は40以上であり、投影面に対する投射角度:θ(=11度)は5°より大きい。
また、実施例1〜6の投射光学系とも「ライトバルブから発する光線は、投影面から遠い箇所からの光線ほど投影面への入射角が大きい」用に構成されている。
Further, the NA (= 0.143) on the object side to be projected in the transmissive refractive optical system is larger than the NA (= 0.01) on the intermediate image plane side, and the magnification of the intermediate image: M1 (= 1.5). ) Is in the range of 1 to 5, the projection magnification (= 75 times) is 40 or more, and the projection angle with respect to the projection plane: θ (= 11 degrees) is larger than 5 °.
In addition, the projection optical systems of Examples 1 to 6 are configured for “the light beam emitted from the light valve has a larger incident angle on the projection surface as the light beam is farther from the projection surface”.
L1 第1レンズ
L2 第2レンズ
L3 第3レンズ
1 画像表示パネル
2 スクリーン
3 透過光学系
4〜8 反射光学系を構成する反射面
8 回転非対称反射面
9 絞り
I9 絞りの像
L1 1st lens L2 2nd lens L3
この発明は、投射光学系に関する。 The present invention relates to a projection optical system .
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、投射画面の大画面化を図りつつ、投射装置外の投影空間を縮小するために、反射面を含む結像光学系を採用しつつ、色収差も補正可能で、大画面を投射可能な投射光学系の実現を課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and employs an imaging optical system including a reflecting surface in order to reduce the projection space outside the projection apparatus while increasing the size of the projection screen. However, an object of the present invention is to realize a projection optical system capable of correcting chromatic aberration and projecting a large screen.
この発明の投射光学系は「ライトバルブに形成された画像を投影面に拡大投影する投射光学系」であって、以下の特徴と有する。 The projection optical system of the present invention is a “projection optical system for enlarging and projecting an image formed on a light valve onto a projection surface ”, and has the following characteristics.
即ち、請求項1の投射光学系は「ライトバルブの投影側に、前記ライトバルブの側から第1、第2の順に配設される第1及び第2の光学系を有し、前記第1の光学系は互いに偏芯していない複数のレンズからなる屈折光学系を含み、正のパワーを有し、前記第2の光学系は正のパワーを有する反射面を含み、正のパワーを有し、前記ライトバルブにより形成された画像を、前記第1及び第2の光学系の光路上の空間に中間像として結像させ、前記中間像として結像した後の発散する光束を前記反射面で反射することで前記中間像をさらに拡大し、最終像として前記投影面に投射し、前記ライトバルブに形成された画像の中心から生じた結像光束が、該結像光束を前記ライトバルブから前記最終像まで含む断面に平行な平面上から見て、前記第1の光学系内および前記正のパワーを有する反射面と前記最終像との間で、前記ライトバルブから前記第2の光学系の最終面までの間における前記複数のレンズで一致する光軸と交差し、前記最終像のおよそ中心に入射する」ことを特徴とする。That is, the projection optical system according to
請求項2記載の投射光学系は「ライトバルブの投影側に、前記ライトバルブの側から第1、第2の順に配設される第1及び第2の光学系を有し、前記第1の光学系は互いに偏芯していない複数のレンズからなる屈折光学系を含み、正のパワーを有し、前記第2の光学系は正のパワーを有する反射面を含み、正のパワーを有し、前記ライトバルブにより形成された画像を、前記第1及び第2の光学系の光路上の空間に中間像として結像させ、前記中間像として結像した後の発散する光束を前記反射面で反射することで前記中間像をさらに拡大し、最終像として前記投影面に投射し、前記ライトバルブに形成された画像の中心から生じた結像光束が、前記正のパワーを有する反射面に反射される前後の前記結像光束を含む断面に平行な平面上から見て、前記第1の光学系内および前記正のパワーを有する反射面と前記最終像との間で、前記ライトバルブから前記第2の光学系の最終面までの間における前記複数のレンズで一致する光軸と交差し、前記最終像のおよそ中心に入射する」ことを特徴とする。
中間像の形状は「最終像の台形歪みが小さくなるような形状」であることができ、「最終像の台形歪みに対して逆に歪んだ形状の中間像を形成」するように構成することができる。
中間像は「投影面への入射角が最も大きい辺が最も短い」形状であることができる。
The projection optical system according to
The shape of the intermediate image can be “a shape that reduces the trapezoidal distortion of the final image” and is configured to “form an intermediate image with a shape distorted in reverse to the trapezoidal distortion of the final image” Can do.
The intermediate image can have a shape of “the side with the largest incident angle on the projection surface is the shortest”.
中間像は、ライトバルブの中心から射出する光束の主光線に対して傾斜し、且つ像面が湾曲していることができる。 The intermediate image can be inclined with respect to the principal ray of the light beam emitted from the center of the light valve, and the image plane can be curved .
上記の如く、第1光学系は複数のレンズからなる屈折光学系を含み、正のパワーを有する。 As described above, the first optical system includes a refractive optical system including a plurality of lenses and has a positive power.
第1光学系に含まれる複数のレンズのレンズ面は自由曲面として「非球面形状の屈折面」を有することができる。 The lens surfaces of the plurality of lenses included in the first optical system can have “aspherical refractive surfaces” as free-form surfaces.
請求項3の画像投射装置は「ライトバルブに形成された画像を投影面に拡大投影する投射光学系であって、ライトバルブの投影側に、前記ライトバルブの側から第1、第2の順に配設される第1及び第2の光学系を有し、前記第1の光学系は互いに偏芯していない複数のレンズからなる屈折光学系を含み、正のパワーを有し、前記第2の光学系は、前記ライトバルブの投影側に、ライトバルブの側から、第1の反射面と、正のパワーを有する第2の反射面を順に含み、正のパワーを有し、前記ライトバルブにより形成された画像を、前記第1及び第2の光学系の光路上の空間に中間像として結像させ、前記中間像として結像した後の発散する光束を前記反射面で反射することで前記中間像をさらに拡大し、最終像として前記投影面に投射し、前記ライトバルブに形成された画像の中心から生じた結像光束が、前記第1の反射面に反射される前後の前記結像光束を含む断面に平行な平面上から見て、前記第1の光学系内で、前記複数のレンズで一致する光軸と交差し、前記第2の反射面に反射される前後の前記結像光束を含む断面に平行な平面上から見て、前記第2反射面と前記最終像との間で、前記ライトバルブから前記第2の光学系の最終面までの間における前記複数のレンズで一致する光軸と交差し、前記最終像のおよそ中心に入射する」ことを特徴とする。
「画像形成するライトバルブに、光源からの照明光を照射し、ライトバルブに形成された画像を、投射光学系により拡大投射する画像投射装置」において、ライトバルブに形成された画像を拡大投影する投射光学系として請求項1または2または3記載のものを用いることができる。
The image projection apparatus according to
In the "image projection apparatus that irradiates the light bulb for image formation with illumination light from the light source and enlarges and projects the image formed on the light valve by the projection optical system", the image formed on the light valve is enlarged and projected. The projection optical system according to
この発明の投射光学系は、ライトバルブの投影側に、前記ライトバルブの側から第1、第2の順に配設される第1及び第2の光学系を有し、前記第1の光学系は互いに偏芯していない複数のレンズからなる屈折光学系を含み、正のパワーを有し、前記第2の光学系は正のパワーを有する反射面を含み、正のパワーを有し、前記ライトバルブにより形成された画像を、前記第1及び第2の光学系の光路上の空間に中間像として結像させ、前記中間像として結像した後の発散する光束を前記反射面で反射することで前記中間像をさらに拡大し、最終像として前記投影面に投射するので、大きな投射倍率を実現でき、また、第1の光学系が複数のレンズで構成されるので、色合成プリズムを用いた場合においても色分散特性を利用して色収差補正が可能であり、結像光束の光路を第2の光学系に含まれる反射面で折り返すのでコンパクトに構成できる。 The projection optical system according to the present invention has first and second optical systems arranged in the first and second order from the light valve side on the projection side of the light valve, and the first optical system. Includes a refractive optical system composed of a plurality of lenses that are not decentered from each other, has a positive power, and the second optical system includes a reflecting surface having a positive power, has a positive power, and The image formed by the light valve is formed as an intermediate image in the space on the optical path of the first and second optical systems, and the diverging light beam after being formed as the intermediate image is reflected by the reflecting surface. further expand the intermediate image by, since projected on the projection plane as a final image, can a large projection magnification achieved, also, since the first optical system is composed of a plurality of lenses, a color synthesis prism Even when it is used, chromatic aberration correction can be performed using chromatic dispersion characteristics. An ability so folded by a reflecting surface included an optical path of the imaging light beam to the second optical system can be made compact.
また、第1光学系により中間像を形成して、第2の光学系の反射面で拡大投影することにより、光学系の合成の拡大倍率をあげることができる。 Further, by forming an intermediate image with the first optical system and projecting the enlarged image on the reflecting surface of the second optical system, it is possible to increase the magnification of the combined optical system .
図1を参照して、画像投射装置の1形態を説明する。
光源10における発光部11のランプとしては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メ
タルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどを用いることができる。
With reference to FIG. 1, one form of an image projection apparatus is demonstrated.
As the lamp of the light emitting unit 11 in the
従って、図6に示した拡大投射光学系に対して、公知の各種の光源を付加することにより、画像表示パネル1に画像を表示し、画像表示パネル1を光源からの光で照明し、照明された画像表示パネル1からの光束を拡大投射光学系によりスクリーン2に導光し、スクリーン2の法線に対し傾斜した方向から投射して、スクリーン2上に画像表示パネル1に表示された画像の拡大像を投射する拡大投射装置である。
Therefore, by adding various known light sources to the enlarged projection optical system shown in FIG. 6, an image is displayed on the
以下、参考例を含めて具体的な形態を説明する。 Hereinafter, specific embodiments including reference examples will be described.
図7は、画像投射装置の1形態(参考例)を示している。投射光学系の部分を拡大して図8に示す。 FIG. 7 shows one form (reference example) of the image projection apparatus . A portion of the projection optical system is enlarged and shown in FIG.
即ち、図7、図8に示す投射光学系は、1以上のレンズにより構成され、正のパワーを有する第1光学系71と、1枚の第1反射面721と、正のパワーを持つ1枚の第2反射面722を有し、投影面であるスクリーンに近い側から、第1反射面721、第1光学系71、第2反射面722の順に配置されている。
物体像は、一旦中間像として形成された後に最終像として結像されるように構成されている。
また、第1光学系において物体側にもっとも近い屈折力を持った光学要素711の光軸に対して他の光学要素712〜716、721、722が平行偏芯および/またはチルト偏芯している。
That is, the projection optical system shown in FIG. 7 and FIG. 8 is composed of one or more lenses, and has a first
The object image is configured to be formed as an intermediate image and then formed as a final image.
Further, in the first optical system, the other
具体的な数値データは後述する。 Specific numerical data will be described later.
図12に、画像投射装置の実施の1形態を示す。図13にその投射光学系の部分を拡大して示す。
図13において、符号100で示す部分は、図6に即して説明した「ライトバルブである反射型の液晶パネルに、直線偏光した照明光を、偏光ビームスプリッタを介して照射し、液晶パネル1により変調された反射光束が偏光ビームスプリッタを介して結像光束となる型」の物体側部分であり、反射型の液晶パネルの画像表示面が「被投影物体面」である。図中、符号PBが偏光ビームスプリッタを示す。物体側の構成はこれに限らず、図1に即して説明した「ライトバルブ15を、ランプとリフレクタによる発光部11からの光束を照明光学系12により照明する構成のもの、あるいはこれにインテグレ−タ光学系を付加したもの」を用いることもできるし、DMDパネルに対し斜め入射光学系や全反射プリズムで光路分離を行う方式のものを用いることもでき、LEDアレイやELアレイ、プラズマディスプレイ等の自己発光型の物体を用いることもできる。
FIG. 12 shows an embodiment of the image projection apparatus. FIG. 13 shows an enlarged portion of the projection optical system.
In FIG. 13, the portion denoted by
符号120で示す部分は第1の光学系を示し、符号130で示す部分は、第1反射面131、第2反射面132による第2の光学系である。
Portion indicated by
第1の光学系120は複数のレンズ121〜127により構成されている。レンズ123とレンズ126とは接合レンズであり、全体は9枚のレンズで構成されている。第2の光学系130は、第1反射面131、第2反射面132からなる。
The first
即ち、図12、図13に示す投射光学系では、被投影物体面からの光束は、第1の光学系120と、2枚の反射面131、132から成る第2の光学系130を介して図示されない投影面上に導光されて投影される。
That is, in the projection optical system shown in FIGS. 12 and 13, the light beam from the object surface to be projected passes through the first
第1の光学系120は複数の透過型屈折素子121〜127を有し、図示の如く、投影物体面から透過型屈折光学系の第1面(レンズ121の物体側面)までは、図に示されたように「略テレセントリック」であり、第2の光学系130における第1、第2反射面131、132の間に、被投影物体面の中間像面が位置し、中間像面における中間像が、第2の反射ミラー132を介して投影面上に正規像として再結像される。
The first
そして、第1の光学系120は、被投影物体面の法線に対して偏芯するが、第1の光学系の有する複数のレンズ121〜127は互いに偏芯することなく構成されている。
The first
以下、具体例を挙げる。
以下に挙げる具体例を、説明の順に実施例1〜6と呼ぶ。これら実施例1〜6のうちで、発明の実施例は実施例6であり、実施例1〜5は、図7〜図10に即して説明した形態にかかる具体例である。繁雑をさけるため、これ等も実施例と称する。
光学系の諸元において、面番号は物体面(投射されるべき画像が表示される面)を第0面として、以下順次に第1面、第2面・・と数える。全実施例を通じ、第1面および第2面は「偏光ビームスプリッタ」の液晶パネル側および投射光学系側の面である。
Below, Specific examples.
Specific examples given below are referred to as Examples 1 to 6 in the order of description. Among these Examples 1-6, the Example of invention is Example 6, and Examples 1-5 are the specific examples concerning the form demonstrated according to FIGS. 7-10. In order to avoid complications, these are also referred to as examples.
In the specifications of the optical system, the surface numbers are sequentially counted as the first surface, the second surface,..., With the object surface (the surface on which the image to be projected is displayed) being the 0th surface. Throughout all the embodiments, the first surface and the second surface are surfaces of the “polarization beam splitter” on the liquid crystal panel side and the projection optical system side.
従って、上記実施例の投射光学系に物体を組み合わせた画像投射装置は、画像投射装置の具体例を構成する。 Therefore, the image projection apparatus in which an object is combined with the projection optical system of the above embodiment constitutes a specific example of the image projection apparatus.
以下に挙げる実施例6は、先に、図12、図13に即して実施の形態を説明したこの発明の投射光学系・画像投射装置の具体的実施例である。 Example 6 given below is a specific example of the projection optical system / image projection apparatus according to the present invention whose embodiment has been described with reference to FIGS.
Claims (3)
1以上のレンズからなり、前記投影面と前記ライトバルブとの間に、前記画像の中間像を形成するための正のパワーを有する第1光学系と、
前記中間像と前記第1光学系との間に設けられた1枚の第1反射面と、
前記中間像を結像した後の発散する光束を反射し、前記投影面状に結像させるための正のパワーを有する1枚の第2反射面と、を有し、
前記第1反射面、前記第1光学系、第2反射面の順に、前記投影面から近い位置に配置されていることを特徴とする投射光学系。 A projection optical system that irradiates illumination light from a light source to a light valve that forms an image, and enlarges and projects the image formed on the light valve onto a flat projection surface,
A first optical system comprising one or more lenses and having a positive power for forming an intermediate image of the image between the projection surface and the light valve;
A first reflecting surface provided between the intermediate image and the first optical system;
A second reflecting surface having a positive power for reflecting a divergent light beam after forming the intermediate image and forming the image on the projection surface;
A projection optical system, wherein the first reflection surface, the first optical system, and the second reflection surface are arranged in this order in the vicinity of the projection surface.
1以上のレンズからなり、前記投影面と前記ライトバルブとの間に、前記画像の中間像を形成するための正のパワーを有する第1光学系と、
前記中間像と前記第1光学系との間に設けられた1枚の第1反射面と、
前記中間像を結像した後の発散する光束を反射し、前記投影面状に結像させるための正のパワーを有する1枚の第2反射面と、を有し、
前記ライトバルブから発する光線は、前記投影面から遠い箇所からの光線ほど前記投影面への入射角が大きいことを特徴とする投射光学系。 A projection optical system that irradiates illumination light from a light source to a light valve that forms an image, and enlarges and projects the image formed on the light valve onto a flat projection surface,
A first optical system comprising one or more lenses and having a positive power for forming an intermediate image of the image between the projection surface and the light valve;
A first reflecting surface provided between the intermediate image and the first optical system;
A second reflecting surface having a positive power for reflecting a divergent light beam after forming the intermediate image and forming the image on the projection surface;
The projection optical system characterized in that the light beam emitted from the light valve has a larger incident angle on the projection surface as the light beam is farther from the projection surface.
投射光学系として、請求項1または2記載の投射光学系を搭載したことを特徴とする画像投射装置。 An image projection device that guides a light beam from a light valve to a screen by a projection optical system and forms a final image obtained by enlarging an image formed on the light valve on the screen,
An image projection apparatus comprising the projection optical system according to claim 1 as a projection optical system.
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