JP2014170186A

JP2014170186A - 投射光学系およびプロジェクタ

Info

Publication number: JP2014170186A
Application number: JP2013043119A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Arai; 伸幸新井
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2014-09-18

Abstract

【課題】プロジェクタからスクリーンまでの距離を小さくできるメリットを生かしつつプロジェクタ自体のさらなる小型化を実現できる投射光学系を提供する。
【解決手段】画像表示素子上の画像をスクリーン上に拡大して投射する投射光学系であって、画像表示素子１側から順に、第１光学系２、第２光学系３、４を有し、第１光学系１は、複数のレンズを有し、画像表示素子上の画像を中間像として結像させる光学系であり、第２光学系は、自由曲面ミラー４を有し、前記中間像の像をスクリーン上に結像する光学系であり、第１光学系２が、光線が通る有効領域内において光軸から離れるほど正の屈折力が連続的に強くなる非球面レンズを１枚以上有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は投射光学系およびプロジェクタに関する。

液晶パネルやＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）等の画像表示素子に表示される画像を投射光学系で拡大投射するプロジェクタが広く普及しつつある。

近来、画像表示素子上の画像をレンズ系により中間像として結像させ、この中間像を凹面ミラーで拡大投射するプロジェクタが種々提案されている（特許文献１〜５）。

これらの特許文献に開示されたプロジェクタでは、レンズ系から凹面ミラーまでの距離や、凹面ミラーのサイズが大きく、これがプロジェクタの小型化を困難にしている。

この種のプロジェクタでは、プロジェクタからスクリーンまでの距離を小さくできるメリットがあり、このメリットを生かしつつプロジェクタ自体の小型化がさらに望まれる。

この発明は、プロジェクタからスクリーンまでの距離を小さくできるメリットを生かしつつプロジェクタ自体のさらなる小型化を実現できる投射光学系の提供を課題とする。

この発明の投射光学系は、画像表示素子上の画像をスクリーン上に拡大して投射する投射光学系であって、画像表示素子側から順に、第１光学系、第２光学系を有し、前記第１光学系は、複数のレンズを有し、前記画像表示素子上の画像を中間像として結像させる光学系であって、開口絞りを有し、前記第２光学系は、自由曲面ミラーを有し、前記中間像の像をスクリーン上に結像する光学系であり、前記第１光学系が、光線が通る有効領域内において光軸から離れるほど正の屈折力が連続的に強くなる非球面レンズを１枚以上、前記開口絞りよりも前記第２光学系側に有することを特徴とする。

この発明の投射光学系によれば、自由曲面ミラーの小型化が可能となり、投射光学系の小型化が可能となり、延いてはプロジェクタの小型化の実現が可能となる。

投射光学系の実施の１形態を説明するための図である。図１の投射光学系を用いるプロジェクタの光学配置を示す図である。図１の投射光学系の第１光学系を説明するための図である。図１の投射光学系の第１光学系を説明するための図である。非球面レンズの屈折力の変化を示す図である。画像表示素子上に表示される画像の画角番号を表す図である。画角番号における「スクリーン上のビームスポット径比」を、投射画像サイズ：８０インチ、６０インチ、４８インチについて示す図である。６０インチサイズの投射画像を投射したときの「スクリーン上の歪曲」を示す図である。投射光学系の実施の別形態を説明するための図である。非球面レンズの屈折力の変化を示す図である。画角番号における「スクリーン上のビームスポット径比」を、投射画像サイズ：８０インチ、６０インチ、４８インチについて示す図である。６０インチサイズの投射画像を投射したときの「スクリーン上の歪曲」を示す図である。投射光学系の実施の他の形態を説明するための図である。非球面レンズの屈折力の変化を示す図である。非球面レンズの屈折力の変化を示す図である。画角番号における「スクリーン上のビームスポット径比」を、投射画像サイズ：８０インチ、６０インチ、４８インチについて示す図である６０インチサイズの投射画像を投射したときの「スクリーン上の歪曲」を示す図である。実施例１〜３に関連して距離：Ｌ１〜Ｌ３を説明するための図である。実施例４に関連して距離：Ｌ１〜Ｌ３を説明するための図である。プロジェクタの照明系の１例を説明するための図である。プロジェクタの照明系の他の例を説明するための図である。

以下、実施の形態を説明する。

図１は、投射光学系の実施の１形態を説明するための図である。

投射光学系１００は、第１光学系２と、折り返しミラー３と、自由曲面ミラー４とを有し、光軸上に、画像表示素子側から上記順序に配置される。

画像表示素子１は、外部から与えられる画像信号に応じて画像を表示する。
画像表示素子１は、図示されない照明光学系から照明光を照射される。照明光は、表示された画像により２次元的に強度変調されて第１光学系２に入射する。

第１光学系２から射出した結像光束は折り返しミラー３に入射し、光路を折り返され、自由曲面ミラー４に入射する。

この実施の形態においては、折り返しミラー３と自由曲面ミラー４が「第２光学系」を構成している。

折り返しミラー３は平面ミラーで、結像光束の光路を所定の向きに折り返す機能を有するが、これに限らず、折り返しミラー３が曲面で光学的な機能を有していても良い。

第１光学系２から射出した結像光束は、「画像表示素子１に表示された画像」の像を第１光学系２により結像される。この像が「中間像」である。

中間像は、図１において、折り返しミラー３と自由曲面ミラー４との間の空間に結像されている。図１において符号ＡＸは「第１光学系２の光軸」を示す。

第１光学系２により結像された中間像は、自由曲面ミラー４により拡大され、図示されないスクリーン上に拡大像として結像投射される。

図２に、図１に示した投射光学系を用いるプロジェクタの光学配置を示す。

図２は、投射光学系１００による結像光束が、スクリーン６上に拡大画像を結像している状態を示している。

図２に示すように、自由曲面ミラー４とスクリーン６との間に防塵ガラス５が配置されている。

防塵ガラス５は、プロジェクタの図示されないケーシングとともに、プロジェクタ内部を閉ざし、内部を防塵する。

図２に示す如く、画像表示素子１に形成される画像に平行に、図の上下方向にＹ方向をとり、これに直交するように、図の左右方向にＺ方向をとる。

Ｚ方向は、第１光学系の光軸方向である。図示の如く、図の上方が「Ｙの＋側」、図の左方が「Ｚの＋側」である。

「第１光学系の光軸ＡＸをスクリーン側に延長し、折り返しミラー３、自由曲面ミラー４により順次折り返された光軸」を「投射光学系の光軸」と称する。

この「投射光学系の光軸」を含む平面（図２の図面に平行な面）内において、任意の角：αを「図の如くＺ軸から半時計回りに図った角」とする。

図３に、第１光学系２を示す。

図３に示すように、第１光学系は１４枚のレンズにより５群に構成されている。

図において「Ｓ０」は、画像表示素子の「画像が表示される面」を表す。面Ｓ０は投射光学系に対する「物体面」である。

第１光学系の各面（レンズ面および開口絞りの面）を、図の如く、図の左方から右方へ向かって面Ｓ１、Ｓ２、・・・Ｓ２６とする。面Ｓ１１は「開口絞りの面」である。

図３において、第１光学系の左方は「物体側（もしくは縮小側）」であり右方は「像側（もしくは拡大側）」である。

第１光学系を構成する１４枚のレンズの個々を、物体側から順次、レンズ１、レンズ２、・・、レンズ１３、レンズ１４と呼ぶ。

レンズ１〜レンズ９は「第１群」、レンズ１０は「第２群」、レンズ１１は「第３群」であり、レンズ１２、１３は「第４群」、レンズ１４は「第５群」である。

開口絞りは、レンズ６とレンズ７の間に配置されている。

従って、この実施の形態の第１光学系は「５群１４枚構成」である。

第１群において、レンズ３とレンズ４は接合され、レンズ５とレンズ６も接合され、レンズ８とレンズ９も接合されている。

第１光学系の物体側開口数は０．１９５である。

面Ｓ０である「画像表示素子１に表示される画像」のサイズは、縦方向（Ｙ方向）：横方向（Ｘ方向）の比が１０：１６で、対拡長：０．６５インチ（１６５ｍｍ）である。

面Ｓ０の直ぐ右側に描かれているのは「画像表示素子の保護ガラス」である。

面Ｓ０（画像の面）の中心に対し、第１光学系の光軸は−Ｙ方向（図の下方）に１．１８８ｍｍシフトしている。

レンズ１、レンズ１３、レンズ１４は非球面レンズであり、何れも「物体側及び像側のレンズ面が共に非球面」である。
これらの非球面レンズは何れも回転対称非球面レンズである。

レンズ１３は「光線が通る有効領域内において光軸から離れるほど正の屈折力が連続的に強くなる非球面レンズ」である。

図の如く、レンズ１３は、開口絞りよりも第２光学系側に配置されている。

図４は、図２と同じ図であるが、この図に示す如く、折り返しミラー３のミラー面を面Ｓ２７とし、自由曲面ミラー４のミラー面（反射面）を面Ｓ２８とする。

また、防塵ガラスの縮小側面を面Ｓ２９、拡大側面を面Ｓ３０とする。

「実施例１」
上に実施の形態を説明した投射光学系の具体的な例を、投射光学系の実施例１として、以下に示す。
以下に示すデータにおいて、長さの次元を持つ量の単位は特に断らない限り「ｍｍ」である。

実施例１のデータを表１に示す。

表１において、面番号とあるのは前述の面Ｓ０〜面Ｓ３０である。また、屈折率および分散は何れも「ｄ線を基準」とする。

表１における面Ｓ０の曲率半径の値「１．００Ｅ＋１８」は、「１．００×１０^１８」を意味し、これは、表１における面Ｓ２８等の曲率半径「ｉｎｆ（∞）」と同じである。

実施例１の投射光学系は、図３のように、投射画像の対角線サイズが４８インチから８０インチに対応するように、第３〜第５群が矢印の如く変位してフォーカス調整される。

表１において「面間隔」の欄中に「可変」と記載された面間隔は、このフォーカス調整に伴う群間隔の変化により変化する面間隔である。

表１中に「可変」と記載された面間隔の、投射画像の対角線サイズ：８０、６０、４８インチに対する値を表２に示す。

表２の「Ｓ３０」に対応する距離が「光学系からスクリーンまでの投射距離」を示し、本実施例の最短投射距離は２４１．６ｍｍである。

折り返しミラー３および自由曲面ミラー４、および防塵ガラス５のレイアウトのデータを表３に示す。

表３は、面Ｓ１の面頂点を基準(Ｙ，Ｚ)＝(０，０)としたときの、各面（面Ｓ２６、面２７、面２８、面２９の面頂点のＹ座標およびＺ座標を示す。
座標の向きは、図３、４の上下方向の上側を＋Ｙ方向、右側を＋Ｚ方向とする。角：αについては前述の通り、Ｚ軸の＋方向から反時計回りの角（度）である。

非球面形状は、光軸からの高さ：ｈ、近軸曲率半径：Ｒ、コーニック係数：ｋ、非球面係数：Ａｉ、非球面量：Ｚ（ｈ）として周知の次式（１）で表される。
Ｚ(ｈ)＝(1/Ｒ)ｈ^２／[１＋√{１−(１＋ｋ)(ｈ/Ｒ)^２}＋ΣＡ_ｉｈ^ｉ（１）
右辺の和（Σ）は「ｉについて１から１８」まで取る。

実施例１において、レンズ１、レンズ１３、レンズ１４は、両面が回転対称非球面であり、そのデータを表４に示す。

自由曲面ミラー４のミラー面形状である自由曲面形状は、面２８の面頂点位置（表３のＹ、Ｚ座標値）を原点とするｘ、ｙ方向の座標を用いて次式（２）で表す。

Ｚ(ｘ,ｙ)＝(1/Ｒ)(ｘ²＋ｙ²)/[１＋√{１−(１＋ｋ)・(ｘ^２＋ｙ^２)・(1/Ｒ)^２}]
＋ΣＣ_ｊｘ^ｍｙ^ｎ（２）
式（２）において、左辺の「Ｚ(ｘ,ｙ)」が自由曲面量であり、「Ｒ」は近軸曲率半径、「ｋ」はコーニック係数、「Ｃ_ｊ」は自由曲面係数である。

なお、座標：ｘ、ｙの方向は、それぞれＸ、Ｙ座標に平行であり、「正の向き」もＸ、Ｙ座標と同じである。

面２８の自由曲面形状のデータ（自由曲面係数）を表５に示す。

表５に示す自由曲面係数において、例えば「Ｃ１４：ｘ＾４＊ｙ＾２」は、自由曲面係数：Ｃ_１４が、ｘ^４ｙ^２の係数であることを表す。

第１光学系２の開口絞りよりも像側に配されたレンズ１３は「光線が通る有効領域内において光軸から離れるほど正の屈折力が連続的に強くなる非球面レンズ」である。

このレンズ１３は、光線が通り有効領域である有効径が、半径：１９．１ｍｍの回転対称非球面レンズであり、光軸からの距離によって屈折力を異ならせている。

このように「光軸からの距離によって屈折力を異ならせる」ことにより、像面湾曲の良好な補正が可能になる。

レンズ１３は、開口絞りよりも像側に配置され、各画角の光線が広がった状態で像面湾曲を補正することができる。

「レンズの屈折力」は周知の如く、レンズの焦点距離の逆数である。

また「レンズ面の屈折力」は、レンズ面の曲率半径の逆数である。

非球面レンズでは、レンズ面形状が単一の球面ではないので、光軸に平行に入射する光線に対する焦点距離は、光軸からの距離に応じて変化する。

従って、屈折力も、光軸からの距離の関数として変化することになる。

レンズ１３の屈折力は「光線が通る有効領域内において光軸から離れるほど正の屈折力が連続的に強く」なる。

このような「正の屈折力が光軸からの距離とともに連続的に強くなる」変化の仕方は、種々のものがある。

即ち「光軸上で負の屈折力を持ち、光線が通る有効領域の周辺部で正の屈折力をもつ」ように変化する変化の仕方がある。

また「光軸上から光線が通る有効領域の周辺部まで、正の屈折力をもつ」ように変化する変化の仕方がある。

図５は、レンズ１３（図５においては「非球面レンズＬ１３」と表記されている。）の屈折力が、光軸からの距離に応じてどのように変化するかを示している。

図の縦軸は「屈折力」であり、横軸は光軸を０とするレンズ高さ（光軸からの距離）である。

「実線」は入射面である面Ｓ２３の屈折力を表し、「破線」は射出面である面Ｓ２４の屈折力を表し、「点線」はレンズ全系としての屈折力の変化を示している。

レンズ１３の屈折力が「正の屈折力が光軸からの距離とともに連続的に強くなる」というのは、この「レンズ全系の屈折力の変化」を言う。

レンズ１３の屈折力の変化は「光軸上で負であり、光軸を離れるに従い次第に正の向きに大きくなり、光線が通る有効領域の周辺部では正」となっている。

このようにレンズ１３の屈折力を「光軸上で負」とすることにより、光軸に近い画角の光線に対して「中間像から自由曲面ミラー４までの距離」を短くすることができる。

これは、光軸近傍の屈折力が負となることで、光軸近傍の光線による中間像の結像位置が像側に位置し、自由曲面ミラー４に近づくことによる。

しかし「レンズ周辺部においても負の屈折力を持つ形状」にすると、この部分のレンズ作用で、この部分（レンズ周辺部）を通る光線が光軸から離れる方向に曲がってしまう。

このため、自由曲面ミラーの大型化、延いては光学系全体の大型化を招来し易い。

この点を考慮して実施例１では、レンズ１３の屈折力を上記の如く「光軸上で負、光軸を離れるに従い次第に大きくなり、光線が通る有効領域の周辺部では正」としている。

非球面レンズであるレンズ１３は、図３に示されているように、凹面の球面レンズ１２と共に第４群をなし「フローティングフォーカスによりフォーカス調整」される。

このような構成により、像面湾曲補正と、倍率の補正を同時に行うことができる。

フォーカス調整のために、軸上から軸外に向けて正の屈折力が強くなるレンズ１３をフローティングフォーカスにより移動させる。

こうすると、レンズ１３を通る光線の位置が投射画像サイズにより異なることになる。

従って、画像サイズ間で「光軸上と光軸から離れた位置で、各画角の光路長に合わせた屈折力」を設定できるため、像面湾曲の補正に有利となる。

ここで、投射光学系のサイズと投射距離に関する距離：Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を説明する。

距離：Ｌ１は、画像表示素子から「第１光学系の、画像表示素子から最も離れたレンズ面の頂点」までの光軸上の距離である。

距離：Ｌ２は、第１光学系の、画像表示素子から最も離れたレンズ面の頂点から自由曲面ミラーまでの光軸上の距離である。

距離：Ｌ３は、最短投射距離である。

これ等の距離：Ｌ１〜Ｌ３を、実施例１〜３との関連で示すと、図１８に示す如くになる。図２０の上の図に示すように、距離：Ｌ１は、距離Ｌ２よりも大きい。

即ち「Ｌ１＞Ｌ２」である。

また、図２０の下の図に示すように、最短投射距離：Ｌ３は、距離：Ｌ１とＬ２の和よりも小さい。

即ち「Ｌ１＋Ｌ２＞Ｌ３」である。

最短投射距離：Ｌ３は、実施例１では「４８インチサイズの投射画像を投射するときの投射距離」である。

実施例１における上記距離：Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３と、Ｌ１＋Ｌ２の値を表６に示す。

画像表示素子から第１光学系の最も像側面までの長さ：Ｌ１よりも、第１光学系から自由曲面ミラーまでの距離：Ｌ２が小さい。

このようにすることにより、投射光学系全体、プロジェクタのコンパクト化が実現されている。

また、画像表示素子から自由曲面ミラーまでの距離：Ｌ１＋Ｌ２よりも、最短投射距離：Ｌ３の方が小さい。

投射距離を短くするには「投射画角が広角の光学系」が必要であるが、一般には、投射画角が広角になるほど、投射光学系は大きくなり易い。

距離：Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の間の関係が、上記の大小関係の条件を満足することにより、投射光学系・プロジェクタのコンパクト化と投射距離の短縮化が実現されている。

次に、実施例１の投射光学系の光学性能を説明する。

図６は、第１光学系のレンズ光軸を原点として、画像表示素子上に表示される画像表示領域の画角番号を表している。

この画角番号に対応する画像表示領域の座標を示したものが、表７である。なお、表７には、実施例１のものとともに、後述する実施例２、３に関するものも示されている。

Ｘ方向は、Ｙ軸に関して対称であるので、Ｘ≧０のみを評価対象としている。
図７は、図６に示した画角番号における「スクリーン上のビームスポット径比」を、投射画像サイズ：８０インチ、６０インチ、４８インチについて示した図である。

図７の横軸は画角番号、縦軸は「ビームスポット径比」である。
ビームスポット径比は、スクリーン上の「１画素に対するＲＭＳスポット径」である。

「ＲＭＳスポット径」は、次の式３により算出される「σ^２」である。

σ^２＝Σ{Ｗ_λ∫∫[(ｘ(λ；ｘ_ｐ，ｙ_ｐ)−[ｘ])^２
＋(ｙ(λ；ｘ_ｐ，ｙ_ｐ)−[ｙ])^２]ｄｘ_ｐｄｙ_ｐ}／ΣＷ_λ （３）
式（３）において、ｘ（λ；ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）は、瞳点（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）を通り、波長：λで追跡される像平面のｘ座標であり、［ｘ］は「ｘの平均値」である。

式（３）において、ｙ（λ；ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）は、瞳点（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）を通り、波長：λで追跡される像平面のｙ座標であり、［ｙ］は「ｙの平均値」である。

「Ｗ_λ」は「波長：λに対して付けられた重み」で、和（Σ）は波長：λ（赤・緑・青の３波長）についてとる。

「スクリーン上の１画素」は、解像度がＷＸＧＡ（１２８０Ｘ８００）での１画素である。

実施例１では、投射画像サイズ：８０、６０、４８インチに対し、１．５８、１．１８、０．９５ｍｍである。

ビームスポット径比が、概ね１．０以下になると「各収差が良好に補正されている」と考えられる。

図７に示すように、４８〜８０インチの投射画像サイズにおいて、ビームスポット径比は０．４〜１．１である。

これから、実施例１において、回転対称非球面レンズであるレンズ１３を用いたことにより、像面湾曲が補正され、概ね良好な解像度が得られていることが分かる。

図８は、６０インチサイズの投射画像を投射したときの「スクリーン上の歪曲」を示している。「破線」は、理想的なスクリーンサイズである。

「実線」は、スクリーン上での歪曲を示している。
図８に示すように、スクリーン上の歪曲（実線）は、スクリーン下部において、理想的なスクリーンサイズよりも伸びる傾向が見られる。

しかし、この歪曲は、実使用上問題になる量ではなく、実施例１における歪曲は良好に補正されていると言える。

表８は「各投射サイズでの歪曲量および理想的なスクリーンサイズ対角長との差」を示している。

図９に、投射光学系の第２の実施の形態の図を、図１に倣って示す。繁雑を避けるため、混同の恐れが無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する。

符号１は「画像表示素子」、符号２Ａは投射光学系、符号３は折り返しミラー、符号４は自由曲面ミラーを示している。

図１の形態におけると同様、画像表示素子１の画像が表示される面を面Ｓ０と呼び、第１光学系を成すレンズと開口絞りの面は、物体側から順に面Ｓ１〜面Ｓ２４と呼ぶ。

第１光学系を構成するレンズは、物体側から順にレンズ１〜レンズ１３と呼ぶ。

第１光学系は５群１３枚構成であり、レンズ１〜レンズ８が第１群、レンズ９が第２群、レンズ１０が第３群、レンズ１１とレンズ１２が第４群、レンズ１３が第５群をなす。

第２光学系は、平面鏡である折り返しミラー３と自由曲面ミラー４で構成されている。

第１群において、レンズ３とレンズ４は接合され、レンズ７とレンズ８も接合されている。第１光学系の物体側開口数は０．１９５である。

面Ｓ０である「画像表示素子１に表示される画像」のサイズは、縦方向（Ｙ方向）：横方向（Ｘ方向）の比が１０：１６で、対角長０．６５インチ（１６５ｍｍ）である。

Ｓ０面の直ぐ右側に描かれているのは「画像を保護する保護ガラス」である。

Ｓ０面（画像の面）の中心に対し、第１光学系２Ａの光軸は−Ｙ方向（図の下方）に１．５４１ｍｍシフトしている。

レンズ１２は「回転対称非球面レンズ」であり、レンズ１３は「自由表面レンズ」である。非球面、自由曲面は、前述の式（１）、（２）で表される。

「実施例２」
図９に示した実施の形態の投射光学系の具体的な例を、投射光学系の実施例２として、以下に示す。
以下に示すデータにおいても、長さの次元を持つ量の単位は特に断らない限り「ｍｍ」である。

実施例２の諸データを表９〜表１２に示す。
実施例２のデータを表９に示す。

ズーミングの際に群間隔が変化する面間隔は、表９に「可変」と記載され、この面間隔を、投射画像の対角線サイズ：８０、６０、４８インチに対し表１０に示す。

折り返しミラー３および自由曲面ミラー４、および防塵ガラス５のレイアウトのデータを、表３に倣って表１１に示す。

第１光学系におけるレンズ１とレンズ１２とは回転非球面レンズであり、それぞれ物体側面・像側面ともに非球面である。

これ等の非球面（面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ２３、Ｓ２４）の非球面のデータを、表４に倣って表１２に示す。

レンズ１２は「光線が通る有効領域内において光軸から離れるほど正の屈折力が連続的に強くなる非球面レンズ」である。

即ち、レンズ１２は、有効領域が半径：１７ｍｍの回転対称非球面レンズであり、光軸上では負の屈折力を持ち、光軸から離れるにつれて正の屈折力が連続的に増加している。

レンズ１２の各面の屈折力変化と、レンズ全系としての屈折力の変化を、図５にならって図１０に示す。

図の如く、レンズ１２の屈折力（点線）は、光軸上で正であり、光軸を離れるに従い正の屈折力が連続的に強くなる。

開口絞りよりスクリーン側に、このような屈折力変化を持つレンズ１２を用いることで、光学系の高さおよび自由曲面ミラーを小型化できる。

レンズ１３は「自由曲面レンズ」である。
自由曲面レンズは、Ｘ、Ｙ方向で独立に形状を設定できるので、回転対称形状のみでは補正しきれない歪曲収差分の補正を自由曲面レンズに分担させることができる。
このようにすることにより、光束の分離をさらに少なくでき、光学系のスペース縮小と、歪曲補正を両立できる。

このように、回転対称非球面（レンズ１２）と自由曲面（レンズ１３、自由曲面ミラー４）を共用することにより、これ等の機能を分離することができる。

即ち、回転対称非球面レンズにより像面湾曲性能を補正し、自由曲面レンズおよび自由曲面ミラーで歪曲補正を行うことができる。

このようにして、投射距離を短縮させつつ、小型で歪曲と像面湾曲が少ない投射光学系を得ることが可能と成る。

自由曲面レンズ（レンズ１３）と自由曲面ミラー４の自由曲面（面Ｓ２５、Ｓ２６、面Ｓ２８）の形状を特定する自由曲面係数を、表１３に示す。

実施例２において、自由曲面レンズであるレンズ１３は、第１光学系中で、最も自由曲面ミラー４に近い側に配置され、さらにフォーカス調整により移動する。

前述のように自由曲面レンズは「回転対称形状では補正しきれない歪曲」を補正する機能をもつ。

歪曲の補正は「光束間が最も広がる位置」で行なうのが好ましい。
このため、実施例２におけるレンズ１３は、各画角の光束が分離された位置である「最も自由曲面ミラーに近い位置」に配置され、歪曲補正効果を最大限に発揮する。
また、投射画像のサイズによっても「補正する歪曲形状」が異なるため、レンズ１３は、フォーカス調整の際に単体で動く構成となっている。

フォーカス調整されると、投射画像のサイズに併せて異なるレンズ位置に光線を通すことができ、投射画像のサイズに応じて自由曲面レンズの形状を最適化できる。

先に、図２０を参照して説明した距離：Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の実施例２に関するデータを表１４に示す。

実施例１の場合と同様「Ｌ１＞Ｌ２且つ（Ｌ１＋Ｌ２）＞Ｌ３」の関係が成り立っており、小型で投射距離の短い投射光学系となっている。

図６を参照して説明した「画角番号」とこれに対応する画像表示領域の座標は、表７に示されている。

実施例２につき、画角番号における「スクリーン上のビームスポット径比」を、投射画像サイズ：８０インチ、６０インチ、４８インチにつき、図７に倣って図１１に示す。

図１１に示されているように、４８〜８０インチの投射画像サイズにおいて、ビームスポット径比は０．４〜１．０である。

回転非球面レンズ（レンズ１２）の使用により、像面湾曲が補正され、概ね良好な解像が得られていることが分かる。

図１２は、６０インチサイズの投射画像を投射したときの、スクリーン上での歪曲の様子を、図８にならって示している。

また、表１５には、４８〜８０インチの各投射画像サイズでの歪曲量を、表８に倣って示している。

実施例２では、第１光学系の最も像側に自由曲面レンズ（レンズ１３）を用いて、歪曲を低減させている。

実施例１に関する表７と比較して明らかなように、全体的な歪曲量が半分以下に抑えられている。

図１３に、投射光学系の第３の実施の形態の図を、図１に倣って示す。繁雑を避けるため、混同の恐れが無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する。

符号１は「画像表示素子」、符号２Ｂは投射光学系、符号３は折り返しミラー、符号４は自由曲面ミラーを示している。

面Ｓ０の直ぐ右側に描かれているのは「画像を保護する保護ガラス」である。

面Ｓ０（画像の面）の中心に対し、第１光学系２Ｂの光軸は−Ｙ方向（図の下方）に１．４２３ｍｍシフトしている。

レンズ１０とレンズ１２は「回転対称非球面レンズ」であり、レンズ１３は「自由表面レンズ」である。非球面、自由曲面は、前述の式（１）、（２）で表される。

「実施例３」
図１３に示した実施の形態の投射光学系の具体的な例を、投射光学系の実施例３として、以下に示す。
実施例３の諸データを表１６〜表２０に示す。

実施例３のデータを表１６に示す。

ズーミングの際に群間隔が変化する面間隔は、表１６に「可変」と記載され、この面間隔を、投射画像の対角線サイズ：８０、６０、４８インチに対し表１７に示す。

折り返しミラー３および自由曲面ミラー４、および防塵ガラス５のレイアウトのデータを、表３に倣って表１８に示す。

第１光学系におけるレンズ１とレンズ１０とレンズ１２とは回転非球面レンズであり、それぞれ物体側面・像側面ともに非球面である。

これ等の非球面（面Ｓ１、Ｓ２、Ｓ１９、Ｓ２０、Ｓ２３、Ｓ２４）の非球面のデータを、表４に倣って表１９に示す。

レンズ１３は、両面が自由曲面である自由曲面レンズである。

レンズ１３の両面（面Ｓ２５、Ｓ２６）と自由曲面ミラー４のミラー面（面Ｓ２８）の自由曲面に関する自由曲面係数を表２０に示す。

第１光学系における開口絞りよりも像側の２枚の回転非球面レンズ（レンズ１０、レンズ１２）は「光軸から離れるに従い正の屈折力が強くなる回転非球面レンズ」である。

図１４に「レンズ１０の屈折力の変化の様子」を、図１５に「レンズ１２の屈折力の変化の様子」を、それぞれ図５に倣って示す。

レンズ１０は有効領域が半径：１６．９ｍｍの回転対称非球面レンズであり、全域に亘って正の屈折力を持つが、光軸から離れるにつれて正の屈折力が連続的に増加している。

レンズ１２は、有効領域が半径：１８．３ｍｍの回転対称非球面レンズであり、光軸上では負の屈折力を持ち、光軸から離れるにつれて正の屈折力が連続的に増加している。

光軸上の屈折力を考えると、レンズ１０は「中間像の結像に必要な正の屈折力」を持つレンズで、レンズ１２は「フォーカス調整に必要な負の屈折力を持つレンズ」である。

これ等２枚のレンズ１０、レンズ１２として「光軸から離れるにつれて正の屈折力が連続的に増加する回転対称非球面レンズ」を使用して、像面湾曲を良好に補正している。

このように「光軸から離れるにつれて正の屈折力が連続的に増加する回転対称非球面レンズ」を複数枚組み合わせることにより、さらなる小型化が達成可能である。

即ち、光軸に近い画角と、光軸から離れた画角で、それぞれの光路長に合わせて屈折力を最適化できるため投射光学系の小型化と投射距離の短縮を実現できる。

また「光軸から離れるにつれて正の屈折力が連続的に増加する回転対称非球面レンズ」を１枚用いる場合は、光軸からのレンズ高さごとの曲率の変化が大きくなり易い。

このようなレンズを用いる場合、投射光学系を組み付ける際の、面間公差の誤差感度が大きくなり、組み付けが難しくなり易い。

「光軸から離れるにつれて正の屈折力が連続的に増加する回転対称非球面レンズ」を複数枚用いることにより、このような誤差感度の上昇を緩和できる。

自由曲面レンズであるレンズ１３は、自由曲面ミラー４に最も近い側に配置され、さらに「フォーカス調整により単独で移動」する。

前述のように、自由曲面レンズは「回転対称形状では補正しきれない歪曲を補正」する機能をもつことができる。

このため、各画角の光束が分離された「最も自由曲面ミラーに近い位置」に配置されている。
そして、投射画像のサイズによっても「補正する歪曲形状」が異なるため、フォーカス調整時に動く構成となっている。

図２０を参照して説明した距離：Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の実施例２に関するデータを表２１に示す。

実施例１、２の場合と同様「Ｌ１＞Ｌ２且つ（Ｌ１＋Ｌ２）＞Ｌ３」の関係が成り立っており、小型で投射距離の短い投射光学系となっている。

図６を参照して説明した「画角番号」とこれに対応する画像を表示する領域の座標は、表７に示されている。

実施例３につき、画角番号における「スクリーン上のビームスポット径比」を、投射画像サイズ：８０インチ、６０インチ、４８インチにつき、図７に倣って図１６に示す。

図１６に示されたように、投射画像のサイズ：４８〜８０インチの範囲において、ビームスポット径比は０．４〜０．８である。

これから、回転対称非球面レンズ（レンズ１０、レンズ１２）により像面湾曲が補正され、概ね良好な解像が得られていることが分かる。
また、実施例２と比較して、開口絞りよりも像側に回転対称非球面レンズを２枚（レンズ１０、レンズ１２）使用して、像面湾曲をさらに良好に補正できている。

図１７に、６０インチの投射画像を投射した時のスクリーン上での歪曲を示し、表２２には、各投射サイズでの歪曲量について示す。

実施例３では、実施例２と比較して、正の屈折力が光軸を離れるに従って増大する回転対称非球面レンズを２枚使用したことにより、像面湾曲我より良好に補正できている。

像面湾曲がレンズ１０、レンズ１２で補正できているため、自由曲面レンズ（レンズ１３）と自由曲面ミラー４の自由曲面形状を歪曲補正に特化した形状にできている。

これにより、実施例２の場合に比して歪曲量も半分程度に抑えられている。

「実施例４」
図１９に、実施例４の光学配置と結像状態を示す。

実施例４は実施例３の変形例で、実施例３の光学配置から折り返しミラー３を省き、第１光学系から射出する結像光束が自由曲面ミラー４に直接入射する構成とした。

折り返しミラー３は平面ミラーであるため、図１９のようなレイアウトも勿論可能である。各種データは実施例３のものと同じである。

前述の距離：Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、実施例４の光学配置では図１９に示す如くである。

実施例１〜３では、第１光学系を自由曲面ミラーに近づける（距離：Ｌ２を短くする）ことは、主に投射光学系のＹ方向の大きさの減少に寄与する。

これに対し、実施例４の光学配置で、距離：Ｌ２を短くすると、Ｚ方向の大きさの減少に寄与する。

上記の如く、実施例１〜４の何れにおいても、自由曲面ミラーの反射面（ミラー面）の形状は「凹面形状」である。

第１光学系は「光線が通る有効領域内において光軸から離れるほど正の屈折力が連続的に強くなる非球面レンズ」を１枚以上有する。

かかる非球面レンズは、開口絞りよりも第２光学系側に配置される。
「光軸から離れるほど正の屈折力が連続的に強くなる非球面レンズ」を透過する光束は、第１光学系内で光軸から離れた画角の光線が光軸に近づくように屈折される。

これにより画角間で光線が「バラける」のを有効に抑制し、自由曲面ミラーへの入射光束の入射範囲を小さくできる。

上に説明した実施の各形態において用いられる画像表示素子１は、液晶パネルやＤＭＤ等の公知の種々のライトバルブが使用可能である。

これらのライトバルブの種類に応じて、ライトバルブを照明する照明系も種々可能であり、従来から種々のものが提案され、知られている。

プロジェクタの照明系としては、これら種々のものを適宜用いることができる。

以下には、照明系の２例を簡単に説明する。

図２０は、ライトバルブ（画像表示素子）としてＤＭＤを用いる場合の照明系を説明するための図である。リフレクタを有する光源装置２１からは白色光が放射される。

放射された白色光は、リレーレンズ系２３により「照度均一化処理と偏光調整処理」を受ける。

光源装置２１の発光源としては、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。
リレーレンズ系２３は、光源装置２１から入射する光束をリレーするリレーレンズと共に、光の偏光方向を１方向に揃える偏光調整を行い、直線偏光状態の光を射出させる。

リレーレンズ系２３はまた、所謂インテグレータ光学系を融資、光束断面における光強度を均一化する。

このようにして、リレーレンズ系２３から、直線偏光状態で、照度が均一化された指向性のある光束が射出する。

この光束はカラーホイール２５を透過する。
カラーホイール２５は、等速回転して、透過光を例えば、赤・緑・青の３色に時分割する。時分割された各色の光は偏光ビームスプリッタ２７に入射する。

図２０の例では、カラーホイール２５側から入射する光束は、偏光ビームスプリッタ２７の偏光分離膜に対してＳ偏光となっており、ライトバルブ２９側へ反射される。

ライトバルブ２９は、ＤＭＤと１／４波長板とを組み合わせてなり、表示された画像により強度変調された反射光の偏光方向を入射光の偏光方向に対して９０度旋回させる。

このようにして、偏光方向を旋回された反射光は偏光ビームスプリッタ２７を透過して投射光学系３１に入射し、図示されないスクリーン上に拡大画像として投射される。

拡大画像の色は、カラー画像の赤・緑・青の各成分が順次に入れ替わり、観察者の目にはカラー画像として映ずる。

投射光学系としては上に実施の各形態を説明したものが適宜用いられる。

図２１は、ライトバルブ（画像表示素子）として、赤・緑・青の反射型の液晶パネルＬＰＲ、ＬＰＧ、ＫＰＢを用いる場合の照明系を説明するための図である。

光源装置２１から放射された指向性を持つ白色光束は、リレーレンズ系２３により導光されつつ、「照度均一化処理と偏光調整処理」を受けて射出する。

射出した光束は、ダイクロイックミラーＤＭ１、ＤＭ２、ミラーＭ３により反射されて色分解され、光路を屈曲される。

ダイクロイックミラーＤＭ１により選択的に反射された「青色光」は、ミラーＭ３で反射され、偏光ビームスプリッタ２７Ｂにより反射されて液晶パネルＬＰＢに入射する。

ダイクロイックミラーＤＭ１を透過し、ダイクロイックミラーＤＭ２で選択的に反射された「緑色光」は、偏光ビームスプリッタ２７Ｇに入射して反射される。

このように反射された光束は液晶パネルＬＰＧに入射する。

ダイクロイックミラーＤＭ１、ＤＭ２を透過した「赤色光」は、偏光ビームスプリッタ２７Ｒにより反射されて液晶パネルＬＰＲに入射する。

液晶パネルＬＰＲ、ＬＰＧ、ＬＰＢは、表示された画像の画素の部分で反射光の偏光方向を９０度旋回させる機能を持つ。

従って、液晶パネルＬＰＲ、ＬＰＧ、ＬＰＢにより強度変調された反射光は、偏光ビームスプリッタ２７Ｒ、２７Ｇ、２７Ｂを透過し、色合成プリズム２７０に入射する。

色合成プリズム２７０は、入射してくる画像光束を色合成し、カラー画像光束として投射光学系３１に入射し、図示されないスクリーン上にカラー拡大画像として投射される。

なお、図２１の照明系の場合、画像表示素子ＬＰＲ等から投射光学系３１の第１光学系の第１面までの距離が長くなる。

この場合、投射光学系として、上記距離に応じたバックフォーカスを持つものを設計することができる。

以上、実施の形態及び具体的な実施例を説明したが、この発明は、これら実施の形態、実施例に限定されるものではない。

これら実施の形態や実施例を、発明の主旨及び範囲を逸脱することなく、変更又は変形することができる。

１００投射光学系
１画像表示素子
２第１光学系
３折り返しミラー
４自由曲面ミラー
ＡＸ第１光学系の光軸

特許第４２２３９３６号公報特開２００９−２５１４５７号公報特開２０１１−０３３７３８号公報特開２００８−２５０２９６号公報特開２０１１−２４２６０６号公報

Claims

画像表示素子上の画像をスクリーン上に拡大して投射する投射光学系であって、
画像表示素子側から順に、第１光学系、第２光学系を有し、
前記第１光学系は、複数のレンズを有し、前記画像表示素子上の画像を中間像として結像させる光学系であり、
前記第２光学系は、自由曲面ミラーを有し、前記中間像の像をスクリーン上に結像する光学系であり、
前記第１光学系が、光線が通る有効領域内において光軸から離れるほど正の屈折力が連続的に強くなる非球面レンズを１枚以上有することを特徴とする投射光学系。
請求項１記載の投射光学系において、
第２光学系の自由曲面ミラーの反射面が凹面形状であることを特徴とする投射光学系。
請求項１または２記載の投射光学系において、
第１光学系の、開口絞りよりも第２光学系側に配置される１枚以上の非球面レンズが回転対称形状であることを特徴とする投射光学系。
請求項１〜３の任意の１に記載の投射光学系において、
第１光学系における、光線が通る有効領域内において光軸から離れるほど正の屈折力が連続的に強くなる非球面レンズとして、光軸上で負の屈折力を持ち、前記有効領域の周辺部で正の屈折力をもつものが含まれることを特徴とする投射光学系。
請求項１〜４の任意の１に記載の投射光学系において、
第１光学系における、光線が通る有効領域内において光軸から離れるほど正の屈折力が連続的に強くなる非球面レンズとして、光軸上から前記有効領域の周辺部まで、正の屈折力をもつものが含まれることを特徴とする投射光学系。
請求項１〜５の任意の１に記載の投射光学系において、
画像表示素子から第１光学系の前記画像表示素子から最も離れたレンズ面の頂点までの光軸上の距離：Ｌ１、前記レンズ面の頂点から自由曲面ミラーまでの光軸上の距離：Ｌ２、最短投射距離：Ｌ３が、条件：
Ｌ１＞Ｌ２且つ（Ｌ１＋Ｌ２）＞Ｌ３
を満足することを特徴とする投射光学系。
請求項１〜６の任意の１に記載の投射光学系において、
第１光学系における、光線が通る有効領域内において光軸から離れるほど正の屈折力が連続的に強くなる非球面レンズの１枚以上が、前記第１光学系に含まれる負の屈折力のレンズとともにフローティングフォーカスによりフォーカス調整されることを特徴とする投射光学系。
請求項１〜６の任意の１に記載の投射光学系において、
第１光学系における開口絞りよりも第２光学系側に、自由曲面レンズを１枚以上有することを特徴とする投射光学系。
請求項８記載の投射光学系において、
自由曲面レンズが、第１光学系の最も自由曲面ミラーに近い側に配置されることを特徴とする投射光学系。
請求項９記載の投射光学系において、
第１光学系の最も自由曲面ミラーに最も近い側に配置される自由曲面レンズが、単体で移動し、フォーカス調整に使用されることを特徴とする投射光学系。
画像表示素子上の画像をスクリーン上に拡大して投射するプロジェクタにおいて、
画像表示素子上の画像をスクリーン上に拡大して投射する投射光学系として、請求項１〜１０の任意の１に記載のものを用いることを特徴とするプロジェクタ。