JP2014130365A - Image projection apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の一つの態様は、画像投射装置に関する。 One aspect of the present invention relates to an image projection apparatus.
近年、透過型、反射型ドットマトリクス液晶、DMD(Digital Micro−mirror Device)等を用いた表示装置(以下ライトバルブと称する)を用い、このライトバルブに表示される画像をスクリーンに拡大投射して大画面として見せる拡大投射方式が着目されている。このような拡大投射方式によれば、画面の大きさに制約を受けず、迫力のある大画面を得ることが可能なので、オフィスや、学校、家庭においても、より広く画像拡大投射装置(プロジェクター)が利用されている。画像表示装置としては、ライトバルブ上の画像を装置から離して設けた反射型スクリーンなどの投射面に拡大投射して反射光を観察するフロントプロジェクション型と、装置内に透過型のスクリーンを投射面として設け、スクリーンの背面側からライトバルブ上の画像を拡大投写し、スクリーン表面側から画像を観察するリアプロジェクション型とがある。 In recent years, a display device (hereinafter referred to as a light valve) using a transmission type, reflection type dot matrix liquid crystal, DMD (Digital Micro-mirror Device) or the like is used to enlarge and project an image displayed on the light valve onto a screen. Attention has been focused on an enlarged projection method that shows a large screen. According to such a magnified projection method, it is possible to obtain a powerful large screen without being restricted by the size of the screen. Therefore, the image magnified projection device (projector) can be used more widely in offices, schools, and homes. Is being used. The image display device includes a front projection type that observes reflected light by enlarging and projecting the image on the light valve onto a projection screen such as a reflective screen provided away from the device, and a transmissive screen in the device. There is a rear projection type in which an image on the light valve is enlarged and projected from the back side of the screen, and the image is observed from the screen surface side.
しかし、実際にプロジェクターを利用する場面を想定すると、プロジェクターの設置場所が問題になる。たとえば、オフィスにて前方に画像を投影するフロント型プロジェクターを例に挙げると、少人数で比較的小さな会議室で利用する場合、投影画面サイズ、投射距離、PCとの接続、議論しやすい机のレイアウトなどから、プロジェクターの設置場所の制約が少なからず発生し、使い勝手が悪い問題点が発生していた。また、特にプロジェクターにプレゼンテーション資料を投影し説明をする場合に、説明者はプロジェクターとスクリーンの間に立たざるを得ない場合もでてくるが、そのときに説明者の影がスクリーンに映り込んでしまって聴講者には投影画面が一部分見えなくなる問題が生じてしまう。 However, assuming a situation where the projector is actually used, the installation location of the projector becomes a problem. For example, in the case of a front type projector that projects an image forward in an office, when using it in a relatively small meeting room with a small number of people, the projection screen size, projection distance, connection with a PC, a desk that is easy to discuss Due to the layout and other factors, there were not a few restrictions on the installation location of the projector, and there were problems with poor usability. In addition, especially when projecting presentation materials on a projector and explaining it, the presenter may be forced to stand between the projector and the screen, but the shadow of the presenter is reflected on the screen at that time. As a result, there is a problem that a part of the projection screen cannot be seen by the listener.
最近は、ますます、大画面で、投射距離を縮める工夫が種々なされているが、たとえば、対角50〜60インチの画面サイズを得るためには、従来の技術ではフロント型で最低1m程度の投射距離が必要であり、この距離では、説明者の陰がスクリーン上に写り込み問題になる場合が多々生じていた。 Recently, various devices have been devised to reduce the projection distance on a large screen. For example, in order to obtain a screen size of 50 to 60 inches diagonally, the conventional technology requires at least about 1 m with the front type. A projection distance is necessary, and at this distance, the shadow of the presenter often appears on the screen and becomes a problem.
また、プロジェクターをキャビネット内に納め、キャビネットの前面に設けたスクリーンに背面投射して、キャビネットの前面から拡大画像を見ることができるようにしたリア型の表示装置、リアプロジェクターが提供されるに至っているが、奥行き方向の省スペース化を実現するため薄型が求められている中、筐体のなかにおいて平面ミラー等で何度か折り曲げても、装置自体の小型化に限界があるため、光学系の投射距離を縮めることがますます求められている。 In addition, rear-type display devices and rear projectors have been provided in which a projector is housed in a cabinet and rear-projected onto a screen provided in front of the cabinet so that an enlarged image can be viewed from the front of the cabinet. However, there is a limit to the miniaturization of the device itself even if it is bent several times with a plane mirror etc. in the housing, in order to achieve space saving in the depth direction. There is an increasing demand to reduce the projection distance.
上記問題を解決するため、光学系の投射距離を縮めた発明がたとえば、特開2004−258620号公報(特許文献1)に記載されている。 In order to solve the above problem, an invention in which the projection distance of the optical system is shortened is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-258620 (Patent Document 1).
特開2004−258620号公報に記載された発明では、正のパワーを有する第一光学系により中間像を作り、その中間像を正のパワーを持つ自由曲面反射面にて拡大投射するような光学系になっている。自由曲面ミラーの形状はどの実施例も、「回転非対称な反射面は、二次元座標の関数として表現される曲面であり、且つ、光で照射される曲面の領域において、二次元座標における少なくとも一つの方向の座標に関する関数の偏微分係数が、正又は負の値である」の条件を満たしており、変曲点のない滑らかな形状になっているが、実施例1〜5をみると、屈折光学系からなる第一光学系はシフト偏心、チルト偏心したレンズを含んだ偏心光学系であるため、製造時のレンズ組み付け時に光軸基準の芯だしができないので組み付けが非常に困難であり、製造上難しいものとなっている。また実施例6では、偏芯はしていない軸対称レンズ系に自由曲面レンズを足した第一光学系になっているが、自由曲面レンズの製造自体が難しいため、コストアップが課題となっており、また光学系への組み付けも困難である。 In the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-258620, an optical image in which an intermediate image is formed by a first optical system having a positive power, and the intermediate image is enlarged and projected on a free curved surface reflecting surface having a positive power. It is a system. In any embodiment, the shape of the free-form surface mirror is “a rotationally asymmetric reflecting surface is a curved surface expressed as a function of two-dimensional coordinates, and in the region of the curved surface irradiated with light, at least one of the two-dimensional coordinates is The partial differential coefficient of the function with respect to the coordinates in one direction is a positive or negative value ”and has a smooth shape with no inflection point. Since the first optical system consisting of a refractive optical system is a decentered optical system including a lens that is shifted decentered and tilted decentered, it is very difficult to assemble because the optical axis reference centering cannot be performed when assembling the lens during manufacturing. It is difficult to manufacture. Further, in Example 6, the first optical system is obtained by adding a free-form surface lens to an axially symmetric lens system that is not decentered. In addition, it is difficult to assemble the optical system.
また別の例では、特開2006−292901号公報(特許文献2)に記載された発明がある。 In another example, there is an invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-292901 (Patent Document 2).
特開2006−292901号公報に記載された発明では、レンズ系と第二光学系に自由曲面ミラーを用いて投射距離を縮めた光学系を達成しているが、自由曲面ミラーのXZ断面形状において変曲点がみられる(y=0における∂2f(x,0)/∂x2=0となる点がある)。そのため、面のパワーに正負逆転してしまう位置があり、それを補うために自由曲面ミラーに入射する光束を制御する第一光学系のレンズ系内に、製造難易度の高い光学素子である多数の自由曲面レンズを配置する必要があった。そのため、芯だしを含めた製造難易度の高い、自由曲面レンズにより、コストの高い光学系となっており、組み付けも困難であった。 In the invention described in Japanese Patent Laid-Open No. 2006-292901, an optical system in which the projection distance is shortened by using a free-form surface mirror for the lens system and the second optical system is achieved. An inflection point is observed (there is a point where ∂ 2 f (x, 0) / ∂x 2 = 0 at y = 0). Therefore, there are positions where the power of the surface reverses positive and negative, and in order to compensate for this, there are many optical elements that are highly difficult to manufacture in the lens system of the first optical system that controls the light beam incident on the free-form surface mirror. It was necessary to arrange a free-form lens. For this reason, a free-form surface lens that includes a core and has a high degree of manufacturing difficulty makes the optical system expensive and difficult to assemble.
一方、本発明の発明者は、短い投射距離で物体面上の画像を拡大投射することが可能で、かつシンプルな光学系のため装置コストが低く、組み付け易さを達成した、新規な投射光学系および、この投射光学系を用いた画像表示装置を着想するに至った。 On the other hand, the inventor of the present invention is capable of enlarging and projecting an image on an object surface at a short projection distance, and has a simple optical system, so that the apparatus cost is low, and the new projection optics achieves ease of assembly. And an image display device using this projection optical system have been conceived.
本発明の一つの目的は、画像投射装置を提供することである。 One object of the present invention is to provide an image projection apparatus.
本発明の第一の態様は、光源、画像形成素子、並びに回転対称な光学系及び回転非対称な光学系からなると共に前記光源からの光を用いて前記画像形成素子に形成された画像を被投射面に投射する投射光学系を備える画像投射装置において、前記回転非対称な光学系は、回転非対称な反射面を備えた少なくとも一つの光学素子からなると共に、前記回転非対称な反射面は、二次元座標の関数として表現される曲面であり、且つ、前記光で照射される前記曲面の領域において、前記二次元座標における少なくとも一つの方向の座標に関する前記関数の偏微分係数が、正又は負の値であると共に、前記曲面は、前記領域において、一方向において前記回転対称な光学系の光軸に近いほど、前記一方向に垂直な方向に形成された谷形状が大きく、前記回転対称な光学系を構成するパワーを有する光学素子は、複数のレンズからなると共に、前記回転対称な光学系の回転対称軸は、前記画像形成素子に形成された前記画像と交差しないことを特徴とする、画像投射装置である。 A first aspect of the present invention includes a light source, an image forming element, a rotationally symmetric optical system and a rotationally asymmetric optical system, and projects an image formed on the image forming element using light from the light source. In the image projection apparatus including a projection optical system that projects onto a surface, the rotationally asymmetric optical system includes at least one optical element having a rotationally asymmetric reflective surface, and the rotationally asymmetric reflective surface includes two-dimensional coordinates. And the partial differential coefficient of the function with respect to the coordinates in at least one direction in the two-dimensional coordinates is a positive or negative value in the curved surface region irradiated with the light. In addition, the curved surface has a valley shape formed in a direction perpendicular to the one direction, the closer to the optical axis of the rotationally symmetric optical system in one direction in the region, An optical element having power constituting a rotationally symmetric optical system is composed of a plurality of lenses, and a rotationally symmetric axis of the rotationally symmetric optical system does not intersect the image formed on the image forming element. It is an image projection apparatus.
本発明の一つの態様によれば、画像投射装置を提供することが可能になる。 According to one aspect of the present invention, an image projection apparatus can be provided.
(投射光学系及び画像投射装置) (Projection optical system and image projection apparatus)
本発明の実施形態は、投射光学系及び画像投射装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a projection optical system and an image projection apparatus.
本発明の実施形態の第一の目的は、より容易に製造することが可能な投射光学系を提供することである。 A first object of an embodiment of the present invention is to provide a projection optical system that can be more easily manufactured.
本発明の実施形態の第二の目的は、より容易に製造することが可能な投射光学系を含む画像投射装置を提供することである。 A second object of the embodiment of the present invention is to provide an image projection apparatus including a projection optical system that can be more easily manufactured.
本発明の実施形態の第一の態様は、回転対称な光学系及び回転非対称な光学系からなると共に物体からの光を被投射面に投射する投射光学系において、前記回転非対称な光学系は、回転非対称な反射面を備えた少なくとも一つの光学素子からなると共に、前記回転非対称な反射面は、二次元座標の関数として表現される曲面であり、且つ、前記光で照射される該曲面の領域において、該二次元座標における少なくとも一つの方向の座標に関する該関数の偏微分係数が、正又は負の値であることを特徴とする投射光学系である。 A first aspect of an embodiment of the present invention is a projection optical system that includes a rotationally symmetric optical system and a rotationally asymmetric optical system and projects light from an object onto a projection surface. It is composed of at least one optical element having a rotationally asymmetric reflective surface, and the rotationally asymmetric reflective surface is a curved surface expressed as a function of two-dimensional coordinates, and the region of the curved surface irradiated with the light In the projection optical system, the partial differential coefficient of the function with respect to the coordinate in at least one direction in the two-dimensional coordinate is a positive or negative value.
本発明の実施形態の第二の態様は、画像を非投射面に投射する画像投射装置において、本発明の実施形態の第一の態様である投射光学系を含むことを特徴とする画像投射装置である。 According to a second aspect of the embodiment of the present invention, in the image projection apparatus that projects an image onto a non-projection surface, the image projection apparatus includes the projection optical system according to the first aspect of the embodiment of the present invention. It is.
本発明の実施形態の第一の態様によれば、より容易に製造することが可能な投射光学系を提供することが可能になる。 According to the first aspect of the embodiment of the present invention, it is possible to provide a projection optical system that can be more easily manufactured.
本発明の実施形態の第二の態様によれば、より容易に製造することが可能な投射光学系を含む画像投射装置を提供することが可能になる。 According to the 2nd aspect of embodiment of this invention, it becomes possible to provide the image projection apparatus containing the projection optical system which can be manufactured more easily.
次に、本発明の実施の形態(実施形態)を図面と共に説明する。 Next, an embodiment (embodiment) of the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明の第一の実施形態は、回転対称な光学系及び回転非対称な光学系からなると共に物体からの光を被投射面に投射する投射光学系であって、前記回転非対称な光学系は、回転非対称な反射面を備えた少なくとも一つの光学素子からなる、投射光学系である。 A first embodiment of the present invention is a projection optical system that includes a rotationally symmetric optical system and a rotationally asymmetric optical system and projects light from an object onto a projection surface, and the rotationally asymmetric optical system includes: A projection optical system comprising at least one optical element having a rotationally asymmetric reflecting surface.
本発明の第一の実施形態によれば、より容易に製造することが可能な投射光学系を提供することが可能になる。 According to the first embodiment of the present invention, it is possible to provide a projection optical system that can be manufactured more easily.
本発明の第一の実施形態に係る投射光学系において、好ましくは、前記回転非対称な反射面は、二次元座標の関数として表現される曲面であり、且つ、前記光で照射される該曲面の領域において、該二次元座標における少なくとも一つの方向の座標に関する該関数の偏微分係数が、正又は負の値である。 In the projection optical system according to the first embodiment of the present invention, it is preferable that the rotationally asymmetric reflecting surface is a curved surface expressed as a function of two-dimensional coordinates, and the curved surface irradiated with the light. In the region, the partial differential coefficient of the function with respect to the coordinate in at least one direction in the two-dimensional coordinate is a positive or negative value.
本発明の第一の実施形態に係る投射光学系において、好ましくは、前記二次元座標における少なくとも一つの方向の座標は、前記二次元座標における第一の方向の座標及び前記二次元座標における該第一の方向と直交する第二の方向の座標からなる。 In the projection optical system according to the first embodiment of the present invention, preferably, the coordinates in at least one direction in the two-dimensional coordinates are the coordinates in the first direction in the two-dimensional coordinates and the coordinates in the two-dimensional coordinates. Consists of coordinates in a second direction orthogonal to one direction.
例えば、本発明の第一の実施形態に係る投射光学系は、物体を拡大あるいは縮小して像面に投影する投射光学系であって、軸対称な光学系からなる第一光学系と、少なくとも1枚の自由曲面形状の反射面を含む第二光学系からなる光学系であり、上記自由曲面形状を、基準XY平面からのサグ量をZとしてZ=f(x,y)と表したときに、その反射面の有効径内の面をXZ平面またはYZ平面に平行な任意の断面で切ったときにできる曲線の2次微分式∂2f(x,y0)/∂x2または∂2f(x0,y)/∂y2が以下の式を満たすことを特徴とする投射光学系であってもよい。 For example, the projection optical system according to the first embodiment of the present invention is a projection optical system that projects an object on an image plane by enlarging or reducing an object, and includes at least a first optical system composed of an axially symmetric optical system, An optical system comprising a second optical system including one free-form curved reflecting surface, wherein the free-form curved form is expressed as Z = f (x, y), where Z is the sag amount from the reference XY plane. Further, a second-order differential expression ∂ 2 f (x, y 0 ) / ∂x 2 or ∂ of a curve formed when a surface within the effective diameter of the reflecting surface is cut by an arbitrary cross section parallel to the XZ plane or the YZ plane The projection optical system may be characterized in that 2 f (x 0 , y) / ∂y 2 satisfies the following expression.
有効径内の任意の座標x及びyについて、
∂2f(x,y0)/∂x2≠0 または ∂2f(x0,y)/∂y2≠0
(ただし、x0及びy0は、有効径内の座標を示す定数である。)・・・(1)
この例の場合には、自由曲面反射ミラーに変曲点がないため、面内にパワーの正負が逆転する個所がないため、自由曲面反射ミラーに入射する光束はあらかじめ正負逆転のパワーを受けるように複雑に第一光学系によって制御される必要が無く、像面で良好な解像性能を達成しながら第一光学系を組み付けが簡単で製造しやすい軸対称光学系で構成することが可能になる。
For any coordinate x and y within the effective diameter,
∂ 2 f (x, y 0 ) / ∂x 2 ≠ 0 or ∂ 2 f (x 0 , y) / ∂y 2 ≠ 0
(However, x 0 and y 0 are constants indicating coordinates within the effective diameter.) (1)
In this example, since there is no inflection point in the free-form curved reflecting mirror, there is no place where the positive / negative power is reversed in the plane. The first optical system can be configured with an axisymmetric optical system that is easy to assemble and easy to manufacture while achieving good resolution performance on the image plane. Become.
すなわち、このような投射光学系は、製造時の組み付け易さを達成した軸対称光学系からなる第一光学系と、軸に対し非対称であることでX、Y方向のパワーを独立にコントロールすることができ、かつその自由曲面形状には変曲点が無く、したがって面のパワーが正負逆転することがないため像面において良好な解像性能を達成できる自由曲面ミラーを含んだ第二光学系によって構成されていることによって、短い投射距離で物体面上の画像を拡大投射することが可能で、かつシンプルな光学系のため装置コストが低く、組み付け易さを達成した光学系を提供することが可能になる。 That is, such a projection optical system controls the power in the X and Y directions independently by being asymmetric with respect to the first optical system, which is an axially symmetric optical system that achieves ease of assembly during manufacture. A second optical system including a free-form surface mirror that can achieve good resolution on the image surface because the free-form surface shape has no inflection point, and therefore the surface power does not reverse positive or negative It is possible to enlarge and project an image on the object surface with a short projection distance, and to provide an optical system that achieves easy assembly with a low device cost due to a simple optical system. Is possible.
また、上記の投射光学系は、上記第二光学系のパワーを持つ反射面は、上記自由曲面形状の反射面のみである投射光学系であってもよい。 The projection optical system may be a projection optical system in which a reflection surface having the power of the second optical system is only the reflection surface having the free-form surface.
この例の場合には、偏心精度等の位置ズレに対して厳しいミラー光学系の組み付けが容易になることがある。 In the case of this example, it may be easy to assemble a mirror optical system that is severe with respect to positional deviation such as decentering accuracy.
本発明の第一の実施形態に係る投射光学系において、好ましくは、前記回転対称な光学系と前記回転非対称な光学系との間に前記物体と共役な像が形成される。 In the projection optical system according to the first embodiment of the present invention, preferably, an image conjugate with the object is formed between the rotationally symmetric optical system and the rotationally asymmetric optical system.
例えば、上記の投射光学系は、第一光学系と第二光学系の間に物体から射出した光束が略収束化された中間像を有する投射光学系であってもよい。 For example, the projection optical system described above may be a projection optical system having an intermediate image in which a light beam emitted from an object is substantially converged between a first optical system and a second optical system.
この例の場合には、中間像を一旦結ぶことでその前後で全体の光学系倍率を分割できるため独立に設計を進めることができ、設計が容易になることがある。 In the case of this example, once the intermediate image is formed, the entire optical system magnification can be divided before and after the intermediate image, so that the design can proceed independently and the design can be facilitated.
本発明の第一の実施形態に係る投射光学系において、好ましくは、前記回転対称な光学系の回転対称軸は、前記物体と交差しない。 In the projection optical system according to the first embodiment of the present invention, preferably, the rotational symmetry axis of the rotationally symmetric optical system does not intersect the object.
例えば、上記の投射光学系において、投射する物体は第一光学系の光軸にかからない投射光学系であってもよい。 For example, in the above projection optical system, the object to be projected may be a projection optical system that does not run on the optical axis of the first optical system.
この例の場合には、第一光学系を射出した光束が自由曲面反射ミラーに入射する際、光軸に対しシフトした位置で自由曲面反射ミラーに入射しやすく、自由曲面反射ミラーにて反射された光束が第一光学系に当たること無しに像面に結像しやすい(第一光学系によって自由曲面ミラーからスクリーンまでの光線がけられることが少ない。)ものであることがある。 In this example, when the light beam emitted from the first optical system enters the free-form surface reflecting mirror, it easily enters the free-form surface reflecting mirror at a position shifted with respect to the optical axis and is reflected by the free-form surface reflecting mirror. In some cases, the incident light beam easily forms an image on the image plane without hitting the first optical system (the first optical system rarely emits light from the free-form surface mirror to the screen).
本発明の第一の実施形態に係る投射光学系において、好ましくは、前記回転対称な光学系を構成するパワーを有する光学素子は、少なくとも一つのレンズからなる。 In the projection optical system according to the first embodiment of the present invention, it is preferable that the optical element having power constituting the rotationally symmetric optical system includes at least one lens.
例えば、上記の投射光学系において、上記第一光学系を構成するパワーを持った要素はレンズのみである投射光学系であってもよい。 For example, in the above-described projection optical system, the projection optical system in which the element having the power constituting the first optical system is only a lens may be used.
この例の場合には、屈折系に対し偏心感度が高くなるミラー系を第一光学系内に採用していないため、組み付け調整がしやすいものであることがある。 In the case of this example, a mirror system having higher decentration sensitivity with respect to the refractive system is not employed in the first optical system, so that assembly adjustment may be easy.
本発明の第一の実施形態に係る投射光学系において、好ましくは、前記回転対称な光学系は、回転対称非球面を備えた少なくとも一つの光学素子を含む。 In the projection optical system according to the first embodiment of the present invention, preferably, the rotationally symmetric optical system includes at least one optical element having a rotationally symmetric aspherical surface.
例えば、上記の投射光学系において、上記第一光学系内に軸対称非球面形状を持つ面を有している投射光学系であってもよい。 For example, in the above-described projection optical system, the projection optical system may have a surface having an axisymmetric aspheric shape in the first optical system.
この例の場合には、軸対象非球面形状のレンズを採用することによって、その設計自由度が上がり光線の収束性がよく、解像性能が向上するし、少ない枚数で同じ機能を踏襲できることがある。 In the case of this example, by adopting an axisymmetric lens, the degree of freedom in design is improved, the light beam convergence is good, the resolution performance is improved, and the same function can be followed with a small number of sheets. is there.
本発明の第一の実施形態に係る投射光学系において、好ましくは、前記回転対称な光学系における前記回転非対称な光学系に最も近いパワーを有する光学素子は、前記回転対称非球面を備えた少なくとも一つの光学素子の一つである。 In the projection optical system according to the first embodiment of the present invention, preferably, the optical element having power closest to the rotationally asymmetric optical system in the rotationally symmetric optical system includes at least the rotationally symmetric aspherical surface. One of the optical elements.
例えば、上記の投射光学系において、上記第一光学系内の軸対称非球面形状を持つ面は、少なくとも1面は第一光学系の最も像面側に位置している面に配置されている投射光学系であってもよい。 For example, in the projection optical system described above, at least one of the surfaces having an axisymmetric aspheric shape in the first optical system is disposed on a surface located closest to the image plane of the first optical system. It may be a projection optical system.
この例の場合には、最も像面側に位置しているレンズに入射する光束は第一光学系の中でも最も各光束が分離してレンズに入射するため、各光束を独立に制御することができ、特にディストーションや像面湾曲をコントロールしやすく像面での結像性能が向上することがある。 In the case of this example, the light beam incident on the lens located closest to the image plane side is separated into the most part of the first optical system and enters the lens, so that each light beam can be controlled independently. In particular, it is easy to control distortion and curvature of field, and the imaging performance on the image plane may be improved.
本発明の第一の実施形態に係る投射光学系において、好ましくは、前記回転対称な光学系は、前記回転対称な光学系の回転対称軸を折り返す折り返しミラーを含む。 In the projection optical system according to the first embodiment of the present invention, preferably, the rotationally symmetric optical system includes a folding mirror that folds the rotationally symmetric axis of the rotationally symmetric optical system.
例えば、上記の投射光学系において、上記第一光学系内に、光路折り返しのための反射ミラーを配置した投射光学系であってもよい。 For example, in the projection optical system described above, a projection optical system in which a reflection mirror for turning back the optical path is disposed in the first optical system.
この例の場合には、第一光学系内に折り返しミラーを配置し光路を折り曲げることによって、物体からその折り返しミラーまでの光路をスペースが空いている空間に折り返すことができるため、上記投射光学系の占有面積を小さくでき、筐体サイズがコンパクトになることがある。 In the case of this example, by arranging the folding mirror in the first optical system and folding the optical path, the optical path from the object to the folding mirror can be folded back into a space where the space is vacant. Can occupy a small area, and the housing size can be compact.
本発明の第一の実施形態に係る投射光学系において、好ましくは、前記回転非対称な光学系は、前記光を収束させる光学系である。 In the projection optical system according to the first embodiment of the present invention, preferably, the rotationally asymmetric optical system is an optical system that converges the light.
例えば、上記の投射光学系において、第二光学系は、正のパワーを持つ投射光学系であってもよい。 For example, in the projection optical system described above, the second optical system may be a projection optical system having a positive power.
この例の場合には、中間像から第2光学系に至る光束は発散しているが、正のパワーを有する反射面によって、これを再度集光させることができることがある。反射面数が2以上である場合には、反射面の合成パワーが正であればよく、パワーが負の反射面があってもよい。このとき、1枚以上の反射面のパワーは正である。パワーが正の反射面とはすなわち凹面鏡である。 In this example, the light flux from the intermediate image to the second optical system diverges, but it may be able to be condensed again by a reflecting surface having positive power. When the number of reflecting surfaces is 2 or more, the combined power of the reflecting surfaces may be positive, and there may be a reflecting surface with a negative power. At this time, the power of one or more reflecting surfaces is positive. The reflecting surface having a positive power is a concave mirror.
本発明の第一の実施形態に係る投射光学系は、好ましくは、前記物体の側において略テレセントリックな光学系である。 The projection optical system according to the first embodiment of the present invention is preferably a substantially telecentric optical system on the object side.
例えば、上記の投射光学系において、物体側が略テレセントリックな光学系である投射光学系であってもよい。 For example, in the above-described projection optical system, a projection optical system in which the object side is a substantially telecentric optical system may be used.
この例の場合には、均一に照明された画像形成素子から射出する光束の主光線を同じ角度で第一光学系に取り込めるため、像面上の拡大像の明るさをほぼ均一化できることがある。また画像形成素子と第一光学系の間に入射角特性を持った膜が配置されている場合、画像形成素子から射出する主光線の角度変化による膜への入射角の広がりが無く、各光束の取り込み角分のみを考慮すればよいので、膜の性能を達成する入射角範囲を狭くすることができ、作りやすくコストダウンになることがある。 In the case of this example, since the principal ray of the light beam emitted from the uniformly illuminated image forming element can be taken into the first optical system at the same angle, the brightness of the magnified image on the image plane can be made almost uniform. . In addition, when a film having an incident angle characteristic is disposed between the image forming element and the first optical system, there is no spread of the incident angle on the film due to a change in the angle of the principal ray emitted from the image forming element, and each light flux Therefore, the incident angle range for achieving the film performance can be narrowed, and the cost can be easily reduced.
本発明の第一の実施形態に係る投射光学系は、好ましくは、第一の画像と共役な第二の画像を形成する第一の光学系、及び、該第二の画像からの光を反射する反射光学素子を含むと共に該第二の画像と共役な第三の画像を被投射面に投射する第二の光学系を含む、投射光学系であって、前記第一の光学系は、前記第二の光学系のペッツバール和の符号と反対の符号を備えたペッツバール和を有する、投射光学系である。 The projection optical system according to the first embodiment of the present invention preferably reflects the light from the first optical system that forms a second image conjugate with the first image, and the second image. A projection optical system including a reflective optical element that includes a second optical system that projects a third image conjugate with the second image onto a projection surface, wherein the first optical system includes: A projection optical system having a Petzval sum with a sign opposite to the sign of the Petzval sum of the second optical system.
この場合には、像面湾曲が低減された投射光学系を提供することが可能になる。これにより、像面であるスクリーン面での像面湾曲を小さくでき、解像性能を向上させることができることがある。 In this case, it is possible to provide a projection optical system with reduced field curvature. Thereby, the curvature of field on the screen surface, which is the image plane, can be reduced, and the resolution performance can be improved.
本発明の第一の実施形態に係る投射光学系は、好ましくは、前記第一の光学系のペッツバール和は、負である。 In the projection optical system according to the first embodiment of the present invention, preferably, the Petzval sum of the first optical system is negative.
この場合には、第一の光学系のペッツバール和を負にすることで、第二の光学系の正の屈折力を持った反射ミラーで発生する像面湾曲を低減することができるため、解像性能が向上することがある。 In this case, by making the Petzval sum of the first optical system negative, it is possible to reduce the field curvature generated by the reflecting mirror having the positive refractive power of the second optical system. Image performance may be improved.
本発明の第一の実施形態に係る投射光学系は、好ましくは、前記第一の光学系のペッツバール和は、−0.0115よりも小さい。 In the projection optical system according to the first embodiment of the present invention, the Petzval sum of the first optical system is preferably smaller than −0.0115.
この場合には、中間像にあらかじめ正の屈折力を持った反射ミラーでの拡大の際に発生する像面湾曲を大きく補正する形で発生させることができるため、その拡大倍率を大きくすることができ、物体である中間像を小さくすることができることがある。しいてはその正の屈折力を持った反射ミラーをも小さくすることができることがある。また、解像性能も向上できることがある。 In this case, the intermediate image can be generated in a form that greatly corrects the field curvature that occurs when the intermediate image is magnified by a reflecting mirror having a positive refractive power in advance, so that the magnification can be increased. In some cases, an intermediate image that is an object can be reduced. In some cases, the reflecting mirror having the positive refractive power can be made small. In addition, resolution performance may be improved.
本発明の第一の実施形態に係る投射光学系は、好ましくは、前記正の屈折力を備えたミラーのミラー面は、該ミラー面と該光軸との交点から該ミラー面の周辺に向かって減少する曲率を備えた面である。 In the projection optical system according to the first embodiment of the present invention, preferably, the mirror surface of the mirror having the positive refractive power is directed from the intersection of the mirror surface and the optical axis toward the periphery of the mirror surface. It is a surface with a decreasing curvature.
この場合には、スクリーン上の拡大像の歪曲収差をより良好に補正することができ、解像性能を向上させることができることがある。 In this case, the distortion of the magnified image on the screen can be corrected more favorably, and the resolution performance can be improved.
本発明の第一の実施形態に係る投射光学系は、好ましくは、前記第二の画像は、前記光軸に対して傾斜した且つ湾曲した画像である。 In the projection optical system according to the first embodiment of the present invention, it is preferable that the second image is an image that is inclined and curved with respect to the optical axis.
この場合には、スクリーン上の拡大像の像面湾曲を、物体側(中間像)で逆補正することができ、解像性能を向上させることができることがある。 In this case, the field curvature of the enlarged image on the screen can be reversely corrected on the object side (intermediate image), and the resolution performance can be improved.
本発明第一の実施形態に係る投射光学系は、好ましくは、第一の画像と共役な第二の画像を形成する第一の光学系、及び、該第二の画像からの光を反射する反射光学素子を含むと共に該第二の画像と共役な第三の画像を被投射面に投射する第二の光学系を含む、投射光学系であって、該第一の光学系は、絞り、並びに、該絞りと該第二の画像との間に設けられる、正の屈折力を備えた少なくとも一つの光学素子及び負の屈折力を備えた少なくとも一つの光学素子を含み、該正の屈折力を備えた少なくとも一つの光学素子における最も強い正の屈折力を備えた光学素子は、該絞りと該負の屈折力を備えた少なくとも一つの光学素子における最も強い負の屈折力を備えた光学素子との間に設けられる、投射光学系である。 The projection optical system according to the first embodiment of the present invention preferably reflects a first optical system that forms a second image conjugate with the first image, and light from the second image. A projection optical system including a reflective optical element and a second optical system that projects a third image conjugate with the second image onto a projection surface, the first optical system including a diaphragm, And at least one optical element having a positive refractive power and at least one optical element having a negative refractive power provided between the stop and the second image, the positive refractive power An optical element having the strongest positive refractive power in at least one optical element comprising: an optical element having the strongest negative refractive power in the diaphragm and at least one optical element having the negative refractive power Is a projection optical system provided between the two.
この場合には、より小型の投射光学系を提供することが可能になる。特に最終レンズ径のサイズを小さくすることが可能になるため製造誤差が小さく解像性能をよくすることができ、コストダウンとなることがある。 In this case, a smaller projection optical system can be provided. In particular, since the size of the final lens diameter can be reduced, the manufacturing error is small, the resolution performance can be improved, and the cost may be reduced.
本発明第一の実施形態に係る投射光学系は、好ましくは、前記非球面を有する光学素子は、前記正の屈折力を備えた少なくとも一つの光学素子における最も強い正の屈折力を備えた光学素子と前記第二の画像との間に設けられる。 In the projection optical system according to the first embodiment of the present invention, preferably, the optical element having the aspherical surface is an optical element having the strongest positive refractive power in the at least one optical element having the positive refractive power. Provided between the element and the second image.
これにより、各画角の光束を独立に補正することが可能になるため、拡大像の解像性能がさらに良くなることがある。 This makes it possible to independently correct the light flux at each angle of view, which may further improve the resolution of the magnified image.
本発明の第二の実施形態は、画像を非投射面に投射する画像投射装置であって、本発明の第一の実施形態に係る投射光学系を含む、画像投射装置である。 The second embodiment of the present invention is an image projection apparatus that projects an image onto a non-projection surface, and is an image projection apparatus that includes the projection optical system according to the first embodiment of the present invention.
本発明の第二の実施形態によれば、より容易に製造することが可能な投射光学系を含む画像投射装置を提供することが可能になる。 According to the second embodiment of the present invention, it is possible to provide an image projection apparatus including a projection optical system that can be more easily manufactured.
例えば、上記の投射光学系を搭載して、物体面上に配置した、画像情報を表示する画像形成素子の画像を、像面上に拡大投影する画像投射装置であってもよい。 For example, an image projection apparatus that mounts the above-described projection optical system and projects an enlarged image of an image forming element that displays image information arranged on the object plane on the image plane may be used.
この例の場合には、上記メリットを持つシンプルな光学系のため装置コストが低く、組み付け易さを達成した、新規な投射光学系を用いた画像表示装置を実現できることがある。 In the case of this example, an image display apparatus using a new projection optical system that achieves ease of assembly may be realized because the apparatus cost is low because of the simple optical system having the above-mentioned advantages.
また、例えば、上記の投射光学系を搭載した画像投射装置によれば、さらに像面湾曲が低減された投射光学系を含む画像投射装置又はより小型の投射光学系を含む画像投射装置を提供することができることもある。加えて、拡大倍率が高く解像性能が高くてもレンズサイズやミラーサイズが大きくならない投射光学系を採用した投影装置を実現することができることもあり、所望の拡大倍率が得られ、かつ至近距離投射が可能でコストを抑えた投影装置を実現できることがある。また、リアプロジェクションへ本発明の実施形態の投射光学系を採用することによって従来よりもコストを下げ、かつ薄型化も可能な装置を実現できることもある。 Further, for example, according to the image projection apparatus equipped with the above-described projection optical system, an image projection apparatus including a projection optical system with further reduced curvature of field or an image projection apparatus including a smaller projection optical system is provided. Sometimes it is possible. In addition, a projection device that employs a projection optical system that does not increase the lens size or mirror size even when the magnification ratio is high and the resolution performance is high may be realized. In some cases, it is possible to realize a projection apparatus capable of projecting at a reduced cost. Further, by employing the projection optical system according to the embodiment of the present invention for the rear projection, it may be possible to realize an apparatus capable of reducing the cost and reducing the thickness.
(実施例1)
図1に本発明の実施形態に係る実施例1の投射光学系の構成を示す。
Example 1
FIG. 1 shows the configuration of the projection optical system of Example 1 according to the embodiment of the present invention.
なお、本発明の実施形態に係る実施例を説明する図における座標系は、像面上のスクリーンの長軸方向をX、短軸方向をY、スクリーンの法線方向をZとする。 In the coordinate system in the drawings for explaining examples according to the embodiment of the present invention, the major axis direction of the screen on the image plane is X, the minor axis direction is Y, and the normal direction of the screen is Z.
物体面上の画像形成素子11で形成された画像を像面上のスクリーン12に投射するための投射光学系10であって、軸対称な光学系からなる第一光学系13と、自由曲面形状の反射面を含む第二光学系14で構成され、画像形成素子11から第一光学系13、第二光学系14を配置し、全体で拡大投射させている。本実施例では第一光学系13は光束を透過するレンズ系のような屈折光学系のみで構成され、第二光学系14は正のパワーを持った自由曲面反射面が1面で構成されており、第一光学系13と第二光学系14の間に、物体面からの光束を第一光学系13により略収束化し画像形成素子11で形成された画像の中間像15を形成している。第二光学系14のパワーを持つ面が自由曲面反射面1面のみであることで、偏心精度等の位置ズレに対して厳しいミラー光学系の組み付けが容易になる。また、中間像15を一旦結ぶことでその前後で全体の光学系倍率を分割できるため独立に設計を進めることができ、設計が容易になる。また、第二光学系14のパワーが正であるため、中間像15から射出する発散した光を像面に収束させることができる。また、本発明の実施形態はそのレンズ枚数によらないし、第一光学系はレンズのみを用いた系だが、たとえば第一光学系13のレンズとレンズの間に光学系のコンパクト化を図るための、光線を折り曲げる折り返しミラーを配置しても良いし、第一光学系13と第二光学系14の間に同様の折り返しミラーを配置しても良い。なお、折返しミラーは画像形成素子11にて作られた画像をスクリーン12に投射することに関しては特に寄与しない。また、中間像15の有無も本発明の実施形態によらず、中間像15の無い光学系に本発明の実施形態を適用しても良い。 A projection optical system 10 for projecting an image formed by an image forming element 11 on an object plane onto a screen 12 on an image plane, a first optical system 13 composed of an axially symmetric optical system, and a free-form surface shape The first optical system 13 and the second optical system 14 are arranged from the image forming element 11 and are enlarged and projected as a whole. In this embodiment, the first optical system 13 is composed only of a refractive optical system such as a lens system that transmits a light beam, and the second optical system 14 is composed of a single free-form curved reflecting surface having positive power. Thus, between the first optical system 13 and the second optical system 14, the light beam from the object surface is substantially converged by the first optical system 13 to form an intermediate image 15 of the image formed by the image forming element 11. . Since the surface having the power of the second optical system 14 is only one free-form reflecting surface, it is easy to assemble a mirror optical system that is severe with respect to positional deviation such as decentering accuracy. In addition, once the intermediate image 15 is formed, the overall optical system magnification can be divided before and after the intermediate image 15, so that the design can be independently performed and the design is facilitated. Further, since the power of the second optical system 14 is positive, the diverged light emitted from the intermediate image 15 can be converged on the image plane. In addition, the embodiment of the present invention does not depend on the number of lenses, and the first optical system is a system using only lenses. For example, the first optical system 13 is designed to make the optical system compact between the lenses. A folding mirror that folds the light beam may be disposed, or a similar folding mirror may be disposed between the first optical system 13 and the second optical system 14. The folding mirror does not particularly contribute to projecting an image formed by the image forming element 11 onto the screen 12. The presence or absence of the intermediate image 15 is not limited to the embodiment of the present invention, and the embodiment of the present invention may be applied to an optical system without the intermediate image 15.
画像形成素子11から射出された光束はレンズのみで構成された軸対称系の第一光学系13により中間像15を結ぶ。その後第二光学系14の自由曲面反射ミラーにより、大きなパワーを受けスクリーン12上に拡大投射される。このとき、一般に自由曲面はX方向、Y方向のパワーを独立に制御できるためスクリーン上に歪み無くかつ良好な解像性能を達成することができる。しかし自由曲面反射ミラーの有効径内で、パワーの正負が逆転するような形状だと、その反射ミラーに入射する光束もあらかじめ反射ミラーのパワーの正負逆転を見越した光束になっていないとスクリーン12上で良好な解像性能にならない。つまり、物体面上の画像形成素子11から射出した各光束を、第一光学系13で、のちのち正負逆転するパワーを面内に持った光学系にあわせて、屈折させなければならず、非常に複雑な第一光学系13、たとえばレンズを偏心させた偏心光学系であったり、面形状自体が軸対称ではない自由曲面レンズを用いた光学系、になってしまう。偏心光学系は光学系の組み付けに難があり、また自由曲面レンズは自由曲面形状の型の作製やその組み付けにやはり難がある。そのため本投射光学系10は、基準XY平面からのサグ量をZとしてZ=f(x,y)と表したときに、その反射面の有効径内の面をXZ平面またはYZ平面に平行な任意の断面で切ったときにできる曲線の2次微分式∂2f(x,y0)/∂x2または∂2f(x0,y)/∂y2が、有効径内の任意の座標x及びyについて、0にならない(ただし、x0及びy0は、有効径内の座標を示す定数である。)ように制御し、有効径内の自由曲面形状がパワーの正負逆転のない、つまり変曲点の無い自由曲面反射ミラーを採用している。このことにより、第一光学系13は従来どおりの調芯方法で光学系組み付けが行える軸対称光学系を採用できるわけであり、コストを抑え、組み付けやすく、かつスクリーン12上に歪み無くかつ良好な解像性能を持った投射画像を投影できる投射光学系10が実現できる。 The light beam emitted from the image forming element 11 forms an intermediate image 15 by an axially symmetric first optical system 13 composed only of lenses. Thereafter, the free curved surface reflecting mirror of the second optical system 14 receives a large amount of power and is enlarged and projected onto the screen 12. At this time, since the free-form surface can generally control the power in the X direction and the Y direction independently, it can achieve good resolution performance without distortion on the screen. However, if the shape is such that the positive and negative powers are reversed within the effective diameter of the free-form reflecting mirror, the light beam incident on the reflecting mirror must be a light beam that does not anticipate the positive and negative reversal of the power of the reflecting mirror in advance. The resolution performance is not good. That is, each light beam emitted from the image forming element 11 on the object plane must be refracted by the first optical system 13 in accordance with an optical system having in-plane power that will later reverse in polarity. The first optical system 13 is complicated, for example, an eccentric optical system in which the lens is decentered, or an optical system using a free-form surface lens whose surface shape itself is not axially symmetric. The decentered optical system has difficulty in assembling the optical system, and the free-form surface lens still has difficulty in producing a free-form surface mold and its assembly. Therefore, when the sag amount from the reference XY plane is expressed as Z = f (x, y), the projection optical system 10 has a surface within the effective diameter of the reflecting surface parallel to the XZ plane or the YZ plane. secondary differential equation of the curve that can be obtained by cutting at any cross-section ∂ 2 f (x, y 0 ) / ∂x 2 or ∂ 2 f (x 0, y ) / ∂y 2 is, any of the effective diameter The coordinates x and y are controlled so as not to be 0 (however, x 0 and y 0 are constants indicating the coordinates within the effective diameter), and the free-form surface shape within the effective diameter has no positive / negative reversal of power. That is, a free-form surface reflecting mirror with no inflection point is adopted. As a result, the first optical system 13 can adopt an axially symmetric optical system that can be assembled by a conventional alignment method, which can reduce costs, is easy to assemble, and is free from distortion on the screen 12. The projection optical system 10 capable of projecting a projection image having resolution performance can be realized.
表1は本実施例1の数値実施例1である。 Table 1 shows a numerical example 1 of the first example.
一般に自由曲面形状は、ローカル座標系で基準XY平面からのサグ量をZとして、「X2、Y2、X2Y、Y3、X2Y2など」を各項の係数とすると、
Z=f(x,y)=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+・・・(2)
で表される。
In general, a free-form surface shape is defined by assuming that the sag amount from the reference XY plane is Z in the local coordinate system, and that “X2, Y2, X2Y, Y3, X2Y2, etc.” is a coefficient of each term.
Z = f (x, y) = X2 · x 2 + Y2 · y 2 + X2Y · x 2 y + Y3 · y 3 + X4 · x 4 + X2Y2 · x 2 y 2 + Y4 · y 4 + X4Y · x 4 y + X2Y3 · x 2 y 3 + Y5 · y 5 + X6 · x6 + X4Y2 · x 4 y 2 + X2Y4 · x 2 y 4 + Y6 · y 6 + ··· (2)
It is represented by
本実施例1でも、自由曲面を採用している反射面24面の係数は表2のようになっている。 Also in Example 1, the coefficients of the reflecting surface 24 that employs a free-form surface are as shown in Table 2.
図2は実施例1の投射光学系の24面のローカル座標系と基準XY平面と有効径内の自由曲面反射ミラーを示す。このローカル座標系は光軸に対しY方向にシフト偏心したあと、X軸中心に回転している(図1の座標系でX軸に対し反時計回りを正とする)。その量は表3に示している。
FIG. 2 shows a 24-plane local coordinate system, a reference XY plane, and a free-form surface reflecting mirror within an effective diameter of the projection optical system according to the first embodiment. This local coordinate system shifts eccentrically in the Y direction with respect to the optical axis and then rotates about the X axis (counterclockwise with respect to the X axis in the coordinate system of FIG. 1 is positive). The amount is shown in Table 3.
この面形状に対し、図3に示すようなYZ平面に平行でx0=0、10、20、30、40、50、60のときの有効径内の自由曲面反射ミラーの2次微分曲線∂2f(x0,y)/∂y2を示すのが図4である。なお、本実施例1の自由曲面はx=0でのYZ平面に対称な形状のため上記(2)式ではxの奇数次項の記載をしていないが、本発明の実施形態はその対称性によらず適用可能であり、YZ平面に対し非対称な自由曲面形状でも実施できる。同様に、図5に示すようなXZ平面に平行でy0=40、30、20、10、0、−10、−20、−30、−40、−50、−60、−70としたときの有効径内の自由曲面反射ミラーの二次微分曲線∂2f(x,y0)/∂x2を示すのが図6である。図4、図6をみると、自由曲面反射ミラーの有効径(x=−60〜60、y=−70〜40以内)内の任意のYZ平面に平行な面、または任意のXZ平面に平行な面でスライスした面形状(曲線)の2次微分曲線∂2f(x,y0)/∂x2及び∂2f(x0,y)が、有効径内の任意の座標x及びyについて、∂2f(x,y0)/∂x2<0、∂2f(x0,y)<0(ただし、x0及びy0は、有効径内の座標を示す定数である。)となっており、0になっていないことが分かる。つまり上述した(1)式を満たしており、24面の自由曲面反射ミラーは変曲点のない面形状であって、面内にパワーの正負が逆転する個所がない。よって、自由曲面反射ミラーに入射する光束はあらかじめ正負逆転のパワーを受けるように複雑に第一光学系13によって制御される必要が無く、第一光学系13を組み付けが簡単で製造しやすい軸対称光学系で構成することができる。
With respect to this surface shape, the second-order differential curve 自由 of the free-form surface reflecting mirror within the effective diameter when x 0 = 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60 is parallel to the YZ plane as shown in FIG. FIG. 4 shows 2 f (x 0 , y) / ∂y 2 . Since the free-form surface of Example 1 is symmetric with respect to the YZ plane at x = 0, the odd number order term of x is not described in the above equation (2), but the embodiment of the present invention has its symmetry. However, the present invention can be applied to a free curved surface shape that is asymmetric with respect to the YZ plane. Similarly, when y 0 = 40, 30, 20, 10, 0 , −10, −20, −30, −40, −50, −60, and −70 parallel to the XZ plane as shown in FIG. FIG. 6 shows the second-order differential curve ∂ 2 f (x, y 0 ) / ∂x 2 of the free-form surface reflecting mirror within the effective diameter of. 4 and 6, a plane parallel to an arbitrary YZ plane within an effective diameter (within x = −60 to 60, y = −70 to 40) of the free-form reflecting mirror, or parallel to an arbitrary XZ plane. The second-order differential curves ∂ 2 f (x, y 0 ) / ∂ x 2 and ∂ 2 f (x 0 , y) of the surface shape (curve) sliced by a smooth surface are arbitrary coordinates x and y within the effective diameter. ∂ 2 f (x, y 0 ) / ∂ x 2 <0, ∂ 2 f (x 0 , y) <0 (where x 0 and y 0 are constants indicating coordinates within the effective diameter). It can be seen that it is not 0. In other words, the above-described equation (1) is satisfied, and the 24-surface free-form surface reflecting mirror has a surface shape having no inflection point, and there is no place where the sign of power is reversed in the surface. Therefore, the light beam incident on the free-form surface reflecting mirror does not need to be controlled by the first optical system 13 in advance so as to receive the power of positive and negative inversion, and the first optical system 13 is easy to assemble and easy to manufacture. An optical system can be used.
また、物体面上の物体は図7、表4に示すように光軸にかからないようにシフトして配置されている。 Further, the objects on the object plane are arranged so as to be shifted from the optical axis as shown in FIG.
このことにより第一光学系13を射出した光束が自由曲面反射ミラーに入射する際、光軸に対しシフトした位置で自由曲面反射ミラーに入射しやすく、自由曲面反射ミラーにて反射された光束が第一光学系13に当たること無しに像面に結像しやすい。
As a result, when the light beam emitted from the first optical system 13 enters the free-form surface reflecting mirror, the light beam reflected by the free-form surface reflecting mirror is easily incident on the free-form surface reflecting mirror at a position shifted with respect to the optical axis. It is easy to form an image on the image plane without hitting the first optical system 13.
また、本数値実施例1の14、15、17、21、22面には軸対称の非球面を採用している。 In addition, axisymmetric aspherical surfaces are used for the surfaces 14, 15, 17, 21, and 22 of the first numerical embodiment.
回転対称非球面は周知のとおり、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を円錐係数、A、B、C、・・・等を高次の非球面係数とすると、
Z=c・r2/[1+√{1−(1+k)c2r2}]+Ar4+Br6+Cr8・・・(3)
という非球面式となり、k、A、B、C・・・の値を与えて形状を特定する。
As is well known, the rotationally symmetric aspherical surface has a depth Z in the optical axis direction, c a radius of paraxial curvature, r a distance in the direction perpendicular to the optical axis from the optical axis, k a conic coefficient, A, B, C,.・ If etc. are high-order aspherical coefficients,
Z = c · r 2 / [1 + √ {1- (1 + k) c 2 r 2 }] + Ar 4 + Br 6 + Cr 8 (3)
The shape is specified by giving values of k, A, B, C.
各面の非球面係数は表5に示す。 Table 5 shows the aspheric coefficient of each surface.
非球面を採用したレンズを用いることにより各光線を制御する面の設計自由度が高くなり像面での結像性能が向上する。また21、22面のように第一光学系13の最も像面側に位置しているレンズに軸対称非球面を採用することにより、最も像面側に位置しているレンズに入射する光束は第一光学系13の中でも最も各光束が分離してレンズに入射するため、各光束を独立に制御することができ、特にディストーションや像面湾曲をコントロールしやすく像面での結像性能が向上する。
By using an aspherical lens, the degree of freedom in designing the surface for controlling each light beam is increased, and the imaging performance on the image surface is improved. Further, by adopting an axisymmetric aspherical surface for the lens located closest to the image plane of the first optical system 13 such as the 21 and 22 planes, the light beam incident on the lens positioned closest to the image plane is Since each light beam is separated most of the first optical system 13 and enters the lens, each light beam can be controlled independently, and in particular, it is easy to control distortion and curvature of field, and image forming performance on the image surface is improved. To do.
本数値実施例1の投射倍率は約95倍で物体側の明るさはFナンバー=2.1あり、図8は本数値実施例1の投射光学系についての、図7に示した物点から射出した光束が像面上に集光するスポットダイアグラムであり、図9はその像面上での各スポットの位置を示す。ただし図9の像面上の各位置の座標系原点は画像形成素子の中心から射出された光束の像面上到達位置、つまり図9の"2"の点にとった。このように物体を大きくそして明るく拡大投射しながらも、良好な解像性能をもち、かつディストーションのない像を作ることができることが分かる。 The projection magnification of this numerical example 1 is about 95 times, the brightness on the object side is F number = 2.1, and FIG. 8 shows the projection optical system of this numerical example 1 from the object points shown in FIG. FIG. 9 is a spot diagram in which the emitted light beam is condensed on the image plane, and FIG. 9 shows the position of each spot on the image plane. However, the origin of the coordinate system at each position on the image plane in FIG. 9 is the arrival position on the image plane of the light beam emitted from the center of the image forming element, that is, the point “2” in FIG. Thus, it can be seen that an image having good resolution performance and no distortion can be produced while the object is enlarged and brightly projected.
次に、ペッツバール和の補償について説明する。 Next, compensation for Petzval sum will be described.
第一光学系を射出した光束は第二光学系に入射し、第二光学系の正のパワーを持った反射ミラーにより拡大投射される。第一光学系と第二光学系の間には、光束が略収束化され画像形成素子の中間像を形成する。 The light beam emitted from the first optical system enters the second optical system and is enlarged and projected by a reflection mirror having a positive power of the second optical system. Between the first optical system and the second optical system, the light beam is substantially converged to form an intermediate image of the image forming element.
第2光学系の正のパワーにより像面上に拡大投影される画像形成素子の像の歪曲収差は一般に、入射する画角の3乗に比例して大きくなってしまう。同様に像面湾曲は、入射する画角の2乗に比例してしまう。つまり、画像形成素子上に等間隔に並んだ物点から射出する光線が投射光学系によって像面上に像を作るとき、できた像は等間隔ではなく、光軸から離れた像点ほどズレ量は大きくなる。本実施例の投射光学系では第二光学系の正のパワーを持った反射ミラーの曲面が球面であった場合、投射される像は画角が大きい光束、つまり光軸から離れれば離れるほど像点の間隔が広がり、かつ、物点側に湾曲してしまう。以上のような拡大投射系における歪曲収差、像面湾曲を補正するため、第二光学系の正のパワーを持つ反射ミラーは、光軸から離れれば離れるほど正のパワーがゆるくなるような曲面形状をしている。また第二光学系の正のパワーを持つ反射ミラーが上記の自由曲面形状であれば、設計自由度が高くなるので、上記歪曲収差を含めた収差補正性能がよくなる。なお本説明では凹面状の反射面を採用しているが、フレネル反射鏡であったり、ホログラム反射鏡であったり、集光パワーを有する反射光学素子であればこの限りでない。 In general, the distortion of the image of the image forming element that is enlarged and projected onto the image plane by the positive power of the second optical system increases in proportion to the cube of the incident angle of view. Similarly, the field curvature is proportional to the square of the incident angle of view. In other words, when light rays emitted from object points arranged at equal intervals on the image forming element form an image on the image plane by the projection optical system, the resulting image is not evenly spaced, and the image points farther from the optical axis are displaced. The amount gets bigger. In the projection optical system of the present embodiment, when the curved surface of the reflecting mirror having positive power of the second optical system is a spherical surface, the projected image is a light beam having a large angle of view, that is, the image is further away from the optical axis. The distance between the points increases and the object is curved toward the object point. In order to correct distortion and field curvature in the magnification projection system as described above, the reflecting mirror with the positive power of the second optical system has a curved surface shape so that the positive power becomes looser as the distance from the optical axis increases. I am doing. Further, if the reflecting mirror having the positive power of the second optical system has the above-mentioned free-form surface shape, the degree of freedom in design is high, so that the aberration correction performance including the distortion aberration is improved. In this description, a concave reflecting surface is used. However, this is not limited as long as it is a Fresnel reflecting mirror, a hologram reflecting mirror, or a reflecting optical element having a condensing power.
さらに光軸から離れるほど正のパワーがゆるくなるということは光軸から離れるほど焦点距離が伸びるわけで、第二光学系の正のパワーを持った反射ミラーにより形成される拡大像に共役な前記中間像は、光軸から離れるにつれて焦点距離が伸びるため、第二光学系の正のパワーを持った反射ミラーとの光路長が光軸から離れた光線ほど伸びる方向に傾斜湾曲する。 Furthermore, the fact that the positive power decreases with increasing distance from the optical axis means that the focal length increases with increasing distance from the optical axis, and is conjugate to the magnified image formed by the reflecting mirror having the positive power of the second optical system. Since the focal length of the intermediate image increases with distance from the optical axis, the optical path length with the reflecting mirror having the positive power of the second optical system is inclined and curved in a direction in which the light beam extends away from the optical axis.
ここで、ペッツバール和について説明する。ペッツバール和PTZは、図20のように、あるS面での像側の屈折率をns、物体側の屈折率をns−1、曲率半径をrsとし、光学系がk面までの屈折面で構成されているとすると Here, the Petzval sum will be described. As shown in FIG. 20, the Petzval sum PTZ is an refracting surface with an optical system up to the k-plane, where the refractive index on the image side on a certain S-plane is ns, the refractive index on the object side is ns-1, the radius of curvature is rs. If configured
一般に、ペッツバール和は像面湾曲と関係があり、平面の物体に対して平面の像を得る、つまり像面湾曲の小さい像面を得るためにはペッツバール和を0に近づけることが求められる。 In general, Petzval sum is related to curvature of field, and in order to obtain a planar image with respect to a planar object, that is, to obtain an image surface with small curvature of field, it is required to make Petzval sum close to zero.
ここで本実施例にこのことを当てはめると、上記説明のように、スクリーン上で像面湾曲が小さくなるように、第二光学系の正のパワーを持つ自由曲面反射ミラー(PTZは正の値となる)は光軸から離れるほど正のパワーがゆるくなるような曲面形状をし、中間像も光軸から離れた光線ほど第一光学系側に傾斜湾曲する。そのような傾斜湾曲する中間像を形成するためには、中間像の状態を作り出している第一光学系を、通常の平面物体を平面像に投射する光学系全体のPTZ値よりもマイナス側に大きなPTZ値にし、わざと像面を物体側に倒す必要がある。 When this is applied to the present embodiment, as described above, the free-form surface reflecting mirror (PTZ is a positive value) having the positive power of the second optical system so that the curvature of field is reduced on the screen. Becomes a curved surface shape such that the positive power becomes looser as it goes away from the optical axis, and the intermediate image also becomes inclined and curved toward the first optical system side as the light ray goes away from the optical axis. In order to form such an inclined and curved intermediate image, the first optical system that creates the intermediate image state is set to the minus side of the PTZ value of the entire optical system that projects a normal planar object onto the planar image. It is necessary to set a large PTZ value and intentionally tilt the image plane to the object side.
以上のように、第1光学系のペッツバール和は、第2光学系で発生するペッツバール和成分を低減するように構成されている。 As described above, the Petzval sum of the first optical system is configured to reduce the Petzval sum component generated in the second optical system.
また本実施例では、第一光学系のペッツバール和PTZを
PTZ < −0.0115 .......(5)
とすることにより、第二光学系の正の屈折力を持った反射ミラーの大きさ(面積)を小さくすることができる。
In this example, the Petzval sum PTZ of the first optical system is changed to PTZ <−0.0115. (5)
By doing so, the size (area) of the reflecting mirror having positive refractive power of the second optical system can be reduced.
これは、正の屈折力を持った反射ミラーは、その拡大倍率が大きくなるにつれて画角に起因する像面湾曲が大きくなるので、それを小さくするために、像の大きさを一定とすると、中間像(正の屈折力を持った反射ミラーにとっては物体)を大きくし正の屈折力を持った反射ミラーの持つ拡大倍率を小さくしなければならなかった。しかし、条件式(5)のように第一光学系のペッツバール和を大きなマイナスの値にすることにより、第一光学系が作る像、中間像の像面湾曲を大きく物体側に湾曲することができ、正の屈折力を持った反射ミラーで発生する像面湾曲を大きく打ち消すことができるため、正の屈折力を持った反射ミラーの拡大倍率を大きくすることができる。このことにより中間像を小さくすることができ、それに伴い正の屈折力を持った反射ミラー自体も小さくすることができる。 This is because a reflection mirror having a positive refractive power has a large curvature of field due to the angle of view as its magnification increases, so in order to reduce it, if the image size is constant, It was necessary to enlarge the intermediate image (an object for a reflecting mirror having a positive refractive power) and to reduce the magnification of the reflecting mirror having a positive refractive power. However, by setting the Petzval sum of the first optical system to a large negative value as in conditional expression (5), the field curvature of the image and intermediate image created by the first optical system can be greatly curved toward the object side. In addition, since the curvature of field generated by the reflecting mirror having positive refractive power can be largely canceled, the magnification of the reflecting mirror having positive refractive power can be increased. As a result, the intermediate image can be made smaller, and the reflecting mirror itself having a positive refractive power can be made smaller accordingly.
また、投射光学系は、物体と共役な中間像を形成する第一光学系、及び、該中間像からの光を反射する反射光学素子を含むと共に該中間像と共役な像を被投射面に投射する第二光学系を含むものであって、該第一光学系は、絞り、並びに、該絞りと該中間像との間に設けられる、正の屈折力を備えた少なくとも一つの光学素子及び負の屈折力を備えた少なくとも一つの光学素子を含み、該正の屈折力を備えた少なくとも一つの光学素子における最も強い正の屈折力を備えた光学素子は、該絞りと該負の屈折力を備えた少なくとも一つの光学素子における最も強い負の屈折力を備えた光学素子との間に設けられる。より詳しくは、第一光学系は、絞りの前後と、絞りよりも像面側にあるレンズ群の中で最もレンズ間隔の空いた箇所の前後で分けたときに、その3つに分けられたレンズ群がそれぞれ、物体面側から順に正・正・負のパワー配置になっている。画像形成素子から射出された光束は正のパワーを持った第1群により屈折されるが、第一光学系後の絞りから射出する光束の主光線の最大画角は第1群の正のパワーと、第一光学系の光軸に対する画像形成素子の平行偏心量で決まる。この最大画角が大きければ大きいほど光束の光軸に対する光線高が大きくなるためその後のレンズ径が大きくなってしまうが、絞り後に配置されている第2群が正のパワーを持っていることにより画角の広がりを抑えるので、第3群のレンズ径が拡大してしまうのを防いでいる。特に、第3群は画角を広げる負のパワーを持っているため最終レンズのレンズ径の大きさを抑えることができる。 The projection optical system includes a first optical system that forms an intermediate image conjugate with the object, and a reflective optical element that reflects light from the intermediate image, and an image conjugate with the intermediate image on the projection surface. A second optical system for projecting, wherein the first optical system includes a stop, and at least one optical element having a positive refractive power provided between the stop and the intermediate image; The optical element having the strongest positive refractive power in the at least one optical element having the positive refractive power includes at least one optical element having a negative refractive power. The optical element having the strongest negative refractive power in at least one optical element having More specifically, the first optical system was divided into three parts when divided before and after the stop, and before and after the most spaced part of the lens group on the image plane side of the stop. Each lens group has a positive, positive, and negative power arrangement in order from the object plane side. The light beam emitted from the image forming element is refracted by the first group having a positive power, but the maximum field angle of the principal ray of the light beam emitted from the stop after the first optical system is the positive power of the first group. And the amount of parallel decentering of the image forming element with respect to the optical axis of the first optical system. The larger the maximum field angle, the greater the height of the light beam with respect to the optical axis of the light beam, and the subsequent lens diameter increases. However, the second lens group arranged after the aperture has positive power. Since the spread of the angle of view is suppressed, the lens diameter of the third group is prevented from expanding. In particular, since the third lens group has a negative power for widening the angle of view, the size of the lens diameter of the final lens can be suppressed.
(実施例2)
また、図10に本発明の実施形態に係る実施例2の投射光学系の構成を示す。
(Example 2)
FIG. 10 shows the configuration of the projection optical system of Example 2 according to the embodiment of the present invention.
本実施例では、第二光学系14に正のパワーを持った自由曲面反射ミラーと負のパワーを持った軸対称非球面ミラーを採用しており、その合成パワー、つまり第二光学系14のパワーは正である。その他の光学系配置は実施例1と同じである。 In the present embodiment, a free-form surface reflecting mirror having a positive power and an axisymmetric aspherical mirror having a negative power are employed for the second optical system 14, and the combined power, that is, the second optical system 14 has Power is positive. Other optical system arrangements are the same as those in the first embodiment.
表6は本実施例2の数値実施例である。 Table 6 shows numerical examples of the second embodiment.
本実施例2の、自由曲面を採用している反射面24面の係数は表7のようになっている。
Table 7 shows the coefficients of the reflecting surface 24 that employs a free-form surface in Example 2.
ローカル座標系は光軸に対しY方向にシフト偏心したあと、X軸中心に回転している(図10の座標系でX軸に対し反時計回りを正とする)。その量は表8に示している。
The local coordinate system shifts in the Y direction with respect to the optical axis and then rotates about the X axis (counterclockwise with respect to the X axis in the coordinate system of FIG. 10 is positive). The amount is shown in Table 8.
この面形状に対し、図11に示すようなYZ平面に平行でx0=0、10、20、30、40、50のときの有効径内の自由曲面反射ミラーの2次微分曲線∂2f(x0,y)/∂y2を示すのが図12である。なお、本実施例2の自由曲面もx=0でのYZ平面に対称な形状のため上記(2)式ではxの奇数次項の記載をしていないが、本発明の実施形態はその対称性によらず適用可能であり、YZ平面に対し非対称な自由曲面形状でも実施できる。同様に、図13に示すようなXZ平面に平行でy0=60、50、40、30、20、10、0、−10としたときの有効径内の自由曲面反射ミラーの二次微分曲線∂2f(x,y0)/∂x2を示すのが図14である。図12、図14をみると、自由曲面反射ミラーの有効径(x=−50〜50、y=−10〜60以内)内の任意のYZ平面に平行な面、または任意のXZ平面に平行な面でスライスした面形状(曲線)の2次微分曲線∂2f(x,y0)/∂x2及び∂2f(x0,y)が、有効径内の任意の座標x及びyについて、∂2f(x,y0)/∂x2<0、∂2f(x0,y)<0(ただし、x0及びy0は、有効径内の座標を示す定数である。)となっており、0になっていないことが分かる。つまり上述した(1)式を満たしており、24面の自由曲面反射ミラーは変曲点のない面形状であって、面内にパワーの正負が逆転する個所がない。よって、自由曲面反射ミラーに入射する光束はあらかじめ正負逆転のパワーを受けるように複雑に第一光学系13によって制御される必要が無く、第一光学系13を組み付けが簡単で製造しやすい軸対称光学系で構成することができる。
With respect to this surface shape, the second-order differential curve ∂ 2 f of the free-form curved reflecting mirror within the effective diameter when x 0 = 0, 10, 20, 30, 40, 50 parallel to the YZ plane as shown in FIG. FIG. 12 shows (x 0 , y) / ∂y 2 . In addition, since the free-form surface of Example 2 is also symmetric with respect to the YZ plane at x = 0, the odd number order term of x is not described in the above equation (2), but the embodiment of the present invention has its symmetry. However, the present invention can be applied to a free curved surface shape that is asymmetric with respect to the YZ plane. Similarly, the second derivative curve of the free-form curved reflecting mirror within the effective diameter when y 0 = 60, 50, 40, 30, 20, 10, 0 , and −10 is parallel to the XZ plane as shown in FIG. FIG. 14 shows ∂ 2 f (x, y 0 ) / ∂ x 2 . 12 and 14, a plane parallel to an arbitrary YZ plane within an effective diameter (within x = −50 to 50, y = −10 to 60) of the free-form surface reflecting mirror, or parallel to an arbitrary XZ plane. The second-order differential curves ∂ 2 f (x, y 0 ) / ∂ x 2 and ∂ 2 f (x 0 , y) of the surface shape (curve) sliced by a smooth surface are arbitrary coordinates x and y within the effective diameter. ∂ 2 f (x, y 0 ) / ∂ x 2 <0, ∂ 2 f (x 0 , y) <0 (where x 0 and y 0 are constants indicating coordinates within the effective diameter). It can be seen that it is not 0. In other words, the above-described equation (1) is satisfied, and the 24-surface free-form surface reflecting mirror has a surface shape having no inflection point, and there is no place where the sign of power is reversed in the surface. Therefore, the light beam incident on the free-form surface reflecting mirror does not need to be controlled by the first optical system 13 in advance so as to receive the power of positive and negative inversion, and the first optical system 13 is easy to assemble and easy to manufacture. An optical system can be used.
また、物体面上の物体は図15、表9に示すように配置されている。 Also, the objects on the object plane are arranged as shown in FIG.
また、本数値実施例2の14、15、17、21、22、25面には軸対称の非球面を採用している。
In addition, axisymmetric aspheric surfaces are used for the 14, 15, 17, 21, 22, and 25 surfaces in the second numerical embodiment.
また、25面は軸対称非球面でも、それに奇数次項を加えた奇数次非球面を採用している。 Further, even though the 25th surface is an axisymmetric aspherical surface, an odd-order aspherical surface in which an odd-order term is added thereto is adopted.
回転対称奇数次非球面は周知のとおり、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を円錐係数、C3、C4、C5、C6・・・等を高次の非球面係数とすると、
Z=c・r2/[1+√{1−(1+k)c2r2}]+C33+C4r4+C5r5+C6r6+C7r7・・・(4)
という非球面式となり、k、C3、C4、C5、C6・・・の値を与えて形状を特定する。
As is well known, the rotationally symmetric odd-numbered aspherical surface is such that Z is the depth in the optical axis direction, c is the paraxial radius of curvature, r is the distance from the optical axis in the direction perpendicular to the optical axis, k is the cone coefficient, C3, C4, C5, If C6... Is a higher order aspheric coefficient,
Z = c · r 2 / [1 + √ {1− (1 + k) c 2 r 2 }] + C3 3 + C4r 4 + C5r 5 + C6r 6 + C7r 7 (4)
The shape is specified by giving values of k, C3, C4, C5, C6.
各面の非球面係数は表10に示す。 Table 10 shows the aspheric coefficient of each surface.
非球面を採用したレンズを用いることにより各光線を制御する面の設計自由度が高くなり像面での結像性能が向上する。また21、22面のように第一光学系13の最も像面側に位置しているレンズに軸対称非球面を採用することにより、最も像面側に位置しているレンズに入射する光束は第一光学系13の中でも最も各光束が分離してレンズに入射するため、各光束を独立に制御することができ、特にディストーションや像面湾曲をコントロールしやすく像面での結像性能が向上する。
By using an aspherical lens, the degree of freedom in designing the surface for controlling each light beam is increased, and the imaging performance on the image surface is improved. Further, by adopting an axisymmetric aspherical surface for the lens located closest to the image plane of the first optical system 13 such as the 21 and 22 planes, the light beam incident on the lens positioned closest to the image plane is Since each light beam is separated most of the first optical system 13 and enters the lens, each light beam can be controlled independently, and in particular, it is easy to control distortion and curvature of field, and image forming performance on the image surface is improved. To do.
本数値実施例2の投射倍率は約105倍で物体側の明るさはFナンバー=2.4であり、図16は本数値実施例2の投射光学系についての、図15に示した物点から射出した光束が像面上に集光するスポットダイアグラムであり、図17はその像面上での各スポットの位置を示す。ただし図17の座標系原点は画像形成素子の中心から射出された光束の像面上到達位置、つまり図17の"2"の点にとった。このように物体を大きくそして明るく拡大投射しながらも、良好な解像性能をもち、かつディストーションのない像を作ることができることが分かる。 The projection magnification of the present numerical example 2 is about 105 times and the brightness on the object side is F number = 2.4. FIG. 16 shows the object points shown in FIG. 15 for the projection optical system of the present numerical example 2. FIG. 17 shows the positions of the spots on the image plane. However, the origin of the coordinate system in FIG. 17 is the arrival position on the image plane of the light beam emitted from the center of the image forming element, that is, the point “2” in FIG. Thus, it can be seen that an image having good resolution performance and no distortion can be produced while the object is enlarged and brightly projected.
本発明の実施形態に係る実施例の投射光学系を投射装置に採用して画像投射装置とすることもできる。 The projection optical system of the Example which concerns on embodiment of this invention is employ | adopted for a projection apparatus, and can also be set as an image projection apparatus.
図18に示すような本発明の実施形態に係る実施例の投射光学系を含む一つの画像投射装置20の例においては、この投射光学系10を投射装置に適用する場合は、画像形成素子11への照明光源21が用いられる。照明光源21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、LEDなどが用いられる。高効率な照明効率を得られるように通常は照明光学系を搭載する。照明光学系の具体例としては、光源近傍に配置されたリフレクター22(光源21と一体となっている)や、このリフレクター22により反射されて指向性を持った光束を、第一のリレーレンズ23及び偏光変換素子24を介して、インテグレータ光学系といわれる照度均一化手段25及び第二のリレーレンズ23で画像形成素子11面上へと均一に照明分布を得られるようにした光学系を搭載してもよいし、カラーホイール26を用いて照明光をカラー化してそれと同期して画像形成素子11の画像をコントロールすることによりカラー画像を投射できるようにしてもよい。反射型タイプの液晶画像形成素子を用いる場合は、PBSと組み合わせた照明光路と投射光路の偏光分離手段27を用いるなどでより効率よい照明が可能となる。また、DMDパネルを搭載する場合は、全反射プリズムを使った光路分離などが採用される。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すればよい。 In the example of one image projection apparatus 20 including the projection optical system of the example according to the embodiment of the present invention as shown in FIG. 18, when the projection optical system 10 is applied to the projection apparatus, the image forming element 11 is used. An illumination light source 21 is used. As the illumination light source 21, a halogen lamp, a xenon lamp, a metal halide lamp, an ultrahigh pressure mercury lamp, an LED, or the like is used. Usually, an illumination optical system is mounted so that high illumination efficiency can be obtained. As a specific example of the illumination optical system, a reflector 22 (integrated with the light source 21) disposed in the vicinity of the light source or a light beam having directivity reflected by the reflector 22 is used as the first relay lens 23. And an optical system in which an illumination distribution can be obtained uniformly on the surface of the image forming element 11 by the illuminance uniformizing means 25 and the second relay lens 23 called an integrator optical system via the polarization conversion element 24. Alternatively, the color light may be projected by using the color wheel 26 to color the illumination light and controlling the image of the image forming element 11 in synchronization therewith. When a reflection type liquid crystal image forming element is used, more efficient illumination is possible by using the polarization separation means 27 of the illumination light path combined with PBS and the projection light path. When a DMD panel is mounted, optical path separation using a total reflection prism is employed. Thus, an appropriate optical system may be employed according to the type of light valve.
なお、図19に示すような本発明の実施形態に係る実施例の投射光学系を含む別の画像投射装置20の例においては、照明光を色分離手段28により分離された各色の照明光を、赤、緑、青等の複数枚の画像形成素子11に当てて、照明光束を各素子により変調し、ダイクロイックプリズムのようなダイクロイック膜等を用いた色合成手段29により合成された光を投射光学系10に入射させることによりスクリーン12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ない。 In the example of another image projection apparatus 20 including the projection optical system of the example according to the embodiment of the present invention as shown in FIG. 19, the illumination light of each color separated by the color separation means 28 is used. The light beam is applied to a plurality of image forming elements 11 such as red, green, and blue, the illumination light beam is modulated by each element, and the light synthesized by the color synthesizing means 29 using a dichroic film such as a dichroic prism is projected. Needless to say, a color image can be projected onto the screen 12 by being incident on the optical system 10.
また、画像形成素子11から投射光学系10の第一光学系13の第1面までの光束が略テレセントリックであれば、スクリーン12での画像形成素子11の拡大像の明るさを均一化できると共に、前述のような複数枚の素子を用いたカラー画像投射の場合に用いる色合成手段29のダイクロイック膜の角度特性も画像形成素子11からの射出光の発散角のみ考慮すればいいので狭く、膜自体が作りやすくなる。さらに偏光分離手段27を用いる画像投射装置20の場合、その偏光分離膜も角度特性が狭くできるためよい(図19参照)。もちろんテレセントリックではない光学系でも本発明の実施形態は適用可能である。 If the light flux from the image forming element 11 to the first surface of the first optical system 13 of the projection optical system 10 is substantially telecentric, the brightness of the magnified image of the image forming element 11 on the screen 12 can be made uniform. The angle characteristic of the dichroic film of the color synthesizing means 29 used in the case of color image projection using a plurality of elements as described above is narrow because only the divergence angle of the emitted light from the image forming element 11 has to be considered. It becomes easy to make itself. Further, in the case of the image projection apparatus 20 using the polarization separation means 27, the angle characteristic of the polarization separation film can also be narrowed (see FIG. 19). Of course, the embodiment of the present invention can be applied to an optical system that is not telecentric.
以上、本発明の実施形態及び本発明の実施形態に係る実施例を具体的に説明してきたが、本発明は、これらの実施形態及び実施例に限定されるものではなく、これら本発明の実施形態及び本発明の実施形態に係る実施例を、本発明の主旨及び範囲を逸脱することなく、変形又は変更することができる。 Although the embodiments of the present invention and the examples according to the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to these embodiments and examples. The embodiments according to the embodiments and the embodiments of the present invention can be modified or changed without departing from the spirit and scope of the present invention.
本発明の実施形態を、投影装置などの画像投射装置の投射光学系に利用することができる可能性がある。特に、本発明の実施形態を、フロントプロジェクタにおける至近距離投射を達成させる投射光学系に適用することができる可能性がある。また、本発明の実施形態を、フロントプロジェクタにおける投射光学系、リアプロジェクションにおける薄型化を達成させる投射光学系に利用することができる可能性があることもある。 The embodiment of the present invention may be applicable to the projection optical system of an image projection apparatus such as a projection apparatus. In particular, there is a possibility that the embodiment of the present invention can be applied to a projection optical system that achieves a close range projection in a front projector. Further, there is a possibility that the embodiment of the present invention may be used for a projection optical system in a front projector and a projection optical system that achieves a reduction in thickness in a rear projection.
[付記] [Appendix]
付記(1):
回転対称な光学系及び回転非対称な光学系からなると共に物体からの光を被投射面に投射する投射光学系において、
前記回転非対称な光学系は、回転非対称な反射面を備えた少なくとも一つの光学素子からなると共に、
前記回転非対称な反射面は、二次元座標の関数として表現される曲面であり、且つ、前記光で照射される該曲面の領域において、該二次元座標における少なくとも一つの方向の座標に関する該関数の偏微分係数が、正又は負の値である
ことを特徴とする投射光学系。
Appendix (1):
In a projection optical system that consists of a rotationally symmetric optical system and a rotationally asymmetric optical system and projects light from an object onto a projection surface,
The rotationally asymmetric optical system comprises at least one optical element having a rotationally asymmetric reflecting surface, and
The rotationally asymmetric reflecting surface is a curved surface expressed as a function of two-dimensional coordinates, and in the region of the curved surface irradiated with light, the function relating to the coordinates in at least one direction in the two-dimensional coordinates. A projection optical system, wherein the partial differential coefficient is a positive or negative value.
付記(2):
前記二次元座標における少なくとも一つの方向の座標は、前記二次元座標における第一の方向の座標及び前記二次元座標における該第一の方向と直交する第二の方向の座標からなることを特徴とする付記(1)に記載の投射光学系。
Appendix (2):
The coordinate of at least one direction in the two-dimensional coordinate is composed of a coordinate in a first direction in the two-dimensional coordinate and a coordinate in a second direction orthogonal to the first direction in the two-dimensional coordinate, The projection optical system according to appendix (1).
付記(3):
前記回転対称な光学系と前記回転非対称な光学系との間に前記物体と共役な像が形成されることを特徴とする、付記(1)又は(2)に記載の投射光学系。
Appendix (3):
The projection optical system according to (1) or (2), wherein an image conjugate with the object is formed between the rotationally symmetric optical system and the rotationally asymmetric optical system.
付記(4):
前記回転対称な光学系の回転対称軸は、前記物体と交差しないことを特徴とする付記(1)乃至(3)のいずれかに記載の投射光学系。
Appendix (4):
The projection optical system according to any one of appendices (1) to (3), wherein the rotationally symmetric axis of the rotationally symmetric optical system does not intersect the object.
付記(5):
前記回転対称な光学系を構成するパワーを有する光学素子は、少なくとも一つのレンズからなることを特徴とする付記(1)乃至(4)のいずれかに記載の投射光学系。
Appendix (5):
The projection optical system according to any one of appendices (1) to (4), wherein the optical element having power constituting the rotationally symmetric optical system includes at least one lens.
付記(6):
前記回転対称な光学系は、回転対称非球面を備えた少なくとも一つの光学素子を含むことを特徴とする付記(1)乃至(5)のいずれかに記載の投射光学系。
Appendix (6):
The projection optical system according to any one of appendices (1) to (5), wherein the rotationally symmetric optical system includes at least one optical element having a rotationally symmetric aspheric surface.
付記(7):
前記回転対称な光学系における前記回転非対称な光学系に最も近いパワーを有する光学素子は、前記回転対称非球面を備えた少なくとも一つの光学素子の一つであることを特徴とする付記(6)に記載の投射光学系。
Appendix (7):
The optical element having the power closest to the rotationally asymmetric optical system in the rotationally symmetric optical system is one of at least one optical element having the rotationally symmetric aspherical surface. The projection optical system described in 1.
付記(8):
前記回転対称な光学系は、前記回転対称な光学系の回転対称軸を折り返す折り返しミラーを含むことを特徴とする付記(1)乃至(7)のいずれかに記載の投射光学系。
Appendix (8):
The projection optical system according to any one of appendices (1) to (7), wherein the rotationally symmetric optical system includes a folding mirror that folds a rotationally symmetric axis of the rotationally symmetric optical system.
付記(9):
前記回転非対称な光学系は、前記光を収束させる光学系であることを特徴とする付記(1)乃至(8)のいずれかに記載の投射光学系。
Appendix (9):
The projection optical system according to any one of appendices (1) to (8), wherein the rotationally asymmetric optical system is an optical system that converges the light.
付記(10):
前記物体の側において略テレセントリックな光学系であることを特徴とする付記(1)乃至(9)のいずれかに記載の投射光学系。
Appendix (10):
The projection optical system according to any one of appendices (1) to (9), wherein the projection optical system is a substantially telecentric optical system on the object side.
付記(11):
画像を非投射面に投射する画像投射装置において、
付記(1)乃至(10)のいずれかに記載の投射光学系を含むことを特徴とする画像投射装置。
Appendix (11):
In an image projection apparatus that projects an image on a non-projection surface,
An image projection apparatus comprising the projection optical system according to any one of appendices (1) to (10).
本発明の一つの態様を画像投射装置に利用することができる可能性がある。 One aspect of the present invention may be applicable to an image projection apparatus.
10 投射光学系
11 画像形成素子
12 スクリーン
13 第一光学系
14 第二光学系
15 中間像
20 画像投射装置
21 照明光源
22 リフレクター
23 リレーレンズ
24 偏光変換素子
25 照度均一化手段
26 カラーホイール
27 偏光分離手段
28 色分離手段
29 色合成手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Projection optical system 11 Image forming element 12 Screen 13 1st optical system 14 2nd optical system 15 Intermediate image 20 Image projection apparatus 21 Illumination light source 22 Reflector 23 Relay lens 24 Polarization conversion element 25 Illuminance equalization means 26 Color wheel 27 Polarization separation Means 28 Color separation means 29 Color composition means
Claims (7)
前記回転非対称な光学系は、回転非対称な反射面を備えた少なくとも一つの光学素子からなると共に、
前記回転非対称な反射面は、二次元座標の関数として表現される曲面であり、且つ、前記光で照射される前記曲面の領域において、前記二次元座標における少なくとも一つの方向の座標に関する前記関数の偏微分係数が、正又は負の値であると共に、
前記曲面は、前記領域において、一方向において前記回転対称な光学系の光軸に近いほど、前記一方向に垂直な方向に形成された谷形状が大きく、
前記回転対称な光学系を構成するパワーを有する光学素子は、複数のレンズからなると共に、
前記回転対称な光学系の回転対称軸は、前記画像形成素子に形成された前記画像と交差しないことを特徴とする、画像投射装置。 A light source, an image forming element, and a projection optical system configured to project an image formed on the image forming element onto a projection surface using light from the light source, and comprising a rotationally symmetric optical system and a rotationally asymmetric optical system In the image projection device,
The rotationally asymmetric optical system comprises at least one optical element having a rotationally asymmetric reflecting surface, and
The rotationally asymmetric reflecting surface is a curved surface expressed as a function of a two-dimensional coordinate, and in the region of the curved surface irradiated with the light, the function related to the coordinate in at least one direction in the two-dimensional coordinate. The partial differential coefficient is positive or negative,
In the region, as the curved surface is closer to the optical axis of the rotationally symmetric optical system in one direction, a valley shape formed in a direction perpendicular to the one direction is larger.
The optical element having power constituting the rotationally symmetric optical system includes a plurality of lenses,
An image projection apparatus according to claim 1, wherein a rotationally symmetric axis of the rotationally symmetric optical system does not intersect the image formed on the image forming element.
前記二次元座標における少なくとも一つの方向の座標は、前記二次元座標における第一の方向の座標及び前記二次元座標における該第一の方向と直交する第二の方向の座標からなることを特徴とする、画像投射装置。 The image projection apparatus according to claim 1,
The coordinate of at least one direction in the two-dimensional coordinate is composed of a coordinate in a first direction in the two-dimensional coordinate and a coordinate in a second direction orthogonal to the first direction in the two-dimensional coordinate, An image projection apparatus.
前記回転対称な光学系と前記回転非対称な光学系との間に前記画像と共役な像が形成されることを特徴とする、画像投射装置。 In the image projection device according to claim 1 or 2,
An image projection apparatus, wherein an image conjugate with the image is formed between the rotationally symmetric optical system and the rotationally asymmetric optical system.
前記回転対称な光学系は、回転対称非球面を備えた少なくとも一つの光学素子を含むことを特徴とする、画像投射装置。 In the image projection apparatus in any one of Claim 1 to 3,
The image projection apparatus, wherein the rotationally symmetric optical system includes at least one optical element having a rotationally symmetric aspheric surface.
前記回転対称な光学系における前記回転非対称な光学系に最も近いパワーを有する光学素子は、前記回転対称非球面を備えた少なくとも一つの光学素子の一つであることを特徴とする、画像投射装置。 The image projection apparatus according to claim 4,
An image projection apparatus characterized in that the optical element having the closest power to the rotationally asymmetric optical system in the rotationally symmetric optical system is one of at least one optical element having the rotationally symmetric aspheric surface. .
前記回転対称な光学系は、前記回転対称な光学系の回転対称軸を折り返す折り返しミラーを含むことを特徴とする、画像投射装置。 In the image projection apparatus in any one of Claim 1-5,
The image projection apparatus according to claim 1, wherein the rotationally symmetric optical system includes a folding mirror that folds a rotationally symmetric axis of the rotationally symmetric optical system.
前記回転非対称な光学系は、前記光を収束させる光学系であることを特徴とする、画像投射装置。 In the image projection device according to any one of claims 1 to 6,
The image projection apparatus according to claim 1, wherein the rotationally asymmetric optical system is an optical system that converges the light.
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