JP2015001579A - Projection optical system, and image projection device - Google Patents

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Nobuyuki Arai
伸幸 新井
辰野 響
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce performance degradation due to a manufacturing error while adopting a lens having a free-form surface.SOLUTION: There is provided a projection optical system of an image projection device that projects an image on a projection target surface to be enlarged and displayed, and includes a rotationally asymmetric free-form surface lens 10 and a curved surface mirror 4, where the free-form surface lens 10 and curved surface mirror 4 are held by a single holding member 20. Of a plurality of lens groups, lenses other than the free-form surface lens 10 are held in a lens barrel 30 so that all optical axes coincide with each other. The holding member 20 holds the lens barrel 30.

Description

本発明は、画像を被投射面に投射して拡大表示させる投射光学系と、その投射光学系を備える画像投射装置とに関するものである。   The present invention relates to a projection optical system that projects and enlarges an image on a projection surface, and an image projection apparatus that includes the projection optical system.

液晶プロジェクタなどの画像投射装置は、液晶パネルの高解像度化、光源ランプの高効率化に伴う明るさの改善、低価格化などが進んでいる。   In image projection apparatuses such as liquid crystal projectors, the resolution of liquid crystal panels is improved, the brightness is improved and the price is lowered in accordance with the efficiency of light source lamps.

また、画像投射装置について、DMD(Digital Micro-mirror Device)を利用した小型軽量なものが普及している。小型軽量な画像投射装置は、オフィスや学校のみならず、家庭においても広く利用されるようになっている。   In addition, small and lightweight image projection apparatuses using DMD (Digital Micro-mirror Device) are widely used. Small and light image projection apparatuses are widely used not only in offices and schools, but also at home.

近年、画像投射装置には、本体の小型軽量化や、投射距離の短縮化が求められている。画像投射装置の本体の小型軽量化と投射距離の短縮化について、例えば、反射型結像光学系を用いた投射光学系を有するものが開発されている。   In recent years, image projection apparatuses have been required to reduce the size and weight of the main body and shorten the projection distance. For example, a projector having a projection optical system using a reflective imaging optical system has been developed to reduce the size and weight of the main body of the image projection apparatus and shorten the projection distance.

ここで、投射光学系を有する画像投射装置について、凹面の自由曲面ミラーに投射光学系を組み合わせた構成を有する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に開示されている技術では、光学系で画像表示素子の中間像を結び、その中間像を自由曲面ミラーで拡大投影する。   Here, a technique having a configuration in which a projection optical system is combined with a concave free-form curved mirror is disclosed for an image projection apparatus having a projection optical system (see, for example, Patent Document 1). In the technique disclosed in Patent Document 1, an intermediate image of an image display element is connected by an optical system, and the intermediate image is enlarged and projected by a free-form curved mirror.

また、投射光学系を有する画像投射装置について、投射光学系で中間像を作り、回転対称凹面非球面ミラーを使って中間像を拡大投射する技術が開示されている(例えば、特許文献2,3参照)。   Further, for an image projection apparatus having a projection optical system, a technique is disclosed in which an intermediate image is created by the projection optical system and the intermediate image is enlarged and projected using a rotationally symmetric concave aspherical mirror (for example, Patent Documents 2 and 3). reference).

特許文献2に開示されている技術では、最も非球面ミラーに近いレンズと、非球面ミラーに自由曲面を用い、各収差を維持しつつ小型化している。   In the technique disclosed in Patent Document 2, a lens closest to the aspherical mirror and a free-form surface are used for the aspherical mirror, and each lens is miniaturized while maintaining each aberration.

また、特許文献3に開示されている技術では、投射光学系を構成するレンズの1枚に自由曲面レンズを用いて歪曲補正を行っている。   In the technique disclosed in Patent Document 3, distortion correction is performed using a free-form surface lens as one of the lenses constituting the projection optical system.

この技術のように、投射光学系で中間像を生成して曲面ミラーにより拡大投射する画像投射装置では、いずれも投射光学系から曲面ミラーまでの距離が大きい、あるいは、投射光学系の高さ方向の寸法に比べて曲面ミラーの寸法が大きい。   As in this technique, in an image projection apparatus that generates an intermediate image with a projection optical system and enlarges and projects it with a curved mirror, the distance from the projection optical system to the curved mirror is large, or the height direction of the projection optical system The size of the curved mirror is larger than the size of.

ここで、画像投射装置から被投射面までの距離が極端に近い超至近タイプの画像投射装置の投射光学系では、歪曲収差の補正のために、各画角に対応する主光線(被投射面上の各所定の位置に対応する主光線)が所望の角度で反射されるようにしている。つまり、超至近タイプの画像投射装置の投射光学系では、曲面ミラーの面形状が主光線に対応した面形状に設定されている。   Here, in the projection optical system of an ultra-close-type image projection apparatus in which the distance from the image projection apparatus to the projection surface is extremely close, principal rays (projection surfaces) corresponding to each angle of view are used to correct distortion. The principal ray corresponding to each predetermined position above is reflected at a desired angle. That is, in the projection optical system of the very close-up type image projection apparatus, the surface shape of the curved mirror is set to a surface shape corresponding to the principal ray.

このような曲面ミラーの面形状を実現するためには、各主光線が曲面ミラー上においてできるだけ分離していることが望ましい。このため、画像投射装置から被投射面までの距離が極端に近い超至近タイプの画像投射装置の投射光学系では、投射光学系から曲面ミラーまでの距離が長く、曲面ミラーの寸法が大きく設定されている。   In order to realize such a surface shape of the curved mirror, it is desirable that each principal ray is separated as much as possible on the curved mirror. For this reason, in the projection optical system of an extremely close-up type image projection apparatus in which the distance from the image projection apparatus to the projection surface is extremely close, the distance from the projection optical system to the curved mirror is long, and the dimension of the curved mirror is set large. ing.

画像投射装置の投射光学系では、スクリーンと曲面ミラーまでの距離が短くなるにつれて、すなわち超至近になるにつれて、各主光線間の光線角度(ミラーでの反射角度)の差が大きくなる。このような画像投射装置の投射光学系では、投射光学系から曲面ミラーまでの距離がさらに長くなり、曲面ミラーの寸法がさらに大きくなる。   In the projection optical system of the image projection apparatus, as the distance between the screen and the curved mirror becomes shorter, that is, as it becomes extremely close, the difference in the light ray angle (reflection angle at the mirror) between the principal rays increases. In the projection optical system of such an image projection apparatus, the distance from the projection optical system to the curved mirror is further increased, and the size of the curved mirror is further increased.

また、特許文献1,3の技術では、投射光学系内に自由曲面レンズを用いることで、自由曲面ミラーによる歪曲補正機能を補っているが、いずれの技術においても曲面ミラーは大型のままである。   Further, in the techniques of Patent Documents 1 and 3, the use of a free-form surface lens in the projection optical system supplements the distortion correction function by the free-form surface mirror, but the curved mirror remains large in either technique. .

さらに、投射光学系のレンズや曲面ミラーに自由曲面形状を用いる場合には、取り付けの際に位置に対する精度が高く要求されるものの、いずれの文献においてもこの課題は考慮されていない。   Furthermore, when a free-form surface is used for the lens or curved mirror of the projection optical system, high accuracy with respect to the position is required at the time of attachment, but this problem is not considered in any document.

本発明は、自由曲面のレンズを採用しつつ、製造誤差による性能劣化を低減することができる画像投射装置の投射光学系を提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide a projection optical system of an image projection apparatus that can reduce performance deterioration due to manufacturing errors while employing a free-form surface lens.

本発明は、画像を被投射面に投射して拡大表示させる画像投射装置の投射光学系であって、回転非対称な自由曲面レンズと、曲面ミラーと、を有してなり、自由曲面レンズと曲面ミラーとが共通の保持部材で保持されている、ことを特徴とする。   The present invention is a projection optical system of an image projection apparatus that projects an image on a projection surface and displays the enlarged image, and includes a rotationally asymmetric free-form surface lens and a curved mirror, and the free-form surface lens and the curved surface The mirror is held by a common holding member.

本発明によれば、自由曲面のレンズを採用しつつ、製造誤差による性能劣化を低減することができる。   According to the present invention, it is possible to reduce performance degradation due to manufacturing errors while employing a free-form surface lens.

本発明に係る投射光学系の実施の形態を示す光学配置図である。It is an optical arrangement | positioning figure which shows embodiment of the projection optical system which concerns on this invention. 本発明に係る画像投射装置の実施の形態を示す光学配置図である。1 is an optical arrangement diagram showing an embodiment of an image projection apparatus according to the present invention. 上記投射光学系の第1光学系を示す光学配置図である。It is an optical arrangement | positioning figure which shows the 1st optical system of the said projection optical system. 上記画像投射装置の光学配置図である。FIG. 2 is an optical layout diagram of the image projection apparatus. 上記投射光学系の距離D1とD2の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between distance D1 and D2 of the said projection optical system. 上記投射光学系の距離D3の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the distance D3 of the said projection optical system. 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示す模式図であるIt is a schematic diagram which shows the view angle number of the image display area displayed on an image display element. 上記投射光学系の投射画像サイズが80インチ、60インチ、48インチの場合についてスクリーン上のビームスポット径比を示す図である。It is a figure which shows the beam spot diameter ratio on a screen about the case where the projection image size of the said projection optical system is 80 inches, 60 inches, and 48 inches. 上記投射光学系において、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。In the said projection optical system, it is a figure which shows the distortion on a screen when a 60-inch size projection image is projected. 上記投射光学系の実施の形態のハウジングを示す構成図であるIt is a block diagram which shows the housing of embodiment of the said projection optical system. 上記投射光学系の別の実施の形態のハウジングを示す構成図である。It is a block diagram which shows the housing of another embodiment of the said projection optical system. 上記投射光学系の別の実施の形態のハウジングを示す構成図である。It is a block diagram which shows the housing of another embodiment of the said projection optical system. 自由曲面レンズを示す斜視図である。It is a perspective view which shows a free-form surface lens. 自由曲面レンズのレンズ面における座標位置を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the coordinate position in the lens surface of a free-form surface lens. 本発明に係る画像投射装置の実施の形態を示す図である。It is a figure which shows embodiment of the image projection apparatus which concerns on this invention. 本発明に係る画像投射装置の別の実施の形態を示す図である。It is a figure which shows another embodiment of the image projection apparatus which concerns on this invention.

以下、本発明に係る投射光学系と、画像投射装置との実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Embodiments of a projection optical system and an image projection apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

●投射光学系●
まず、本発明に係る投射光学系の実施の形態について説明する。
● Projection optics ●
First, an embodiment of a projection optical system according to the present invention will be described.

図1は、本発明に係る投射光学系の実施の形態を示す光学配置図である。   FIG. 1 is an optical layout diagram showing an embodiment of a projection optical system according to the present invention.

投射光学系100は、第1光学系2と、折返ミラー3と、第1光学系2に凹面を向けた例えば回転非対称形状の自由曲面ミラー4とを有してなる。ここで、投射光学系100は、画像表示素子1側(図1において紙面左側)から上記順序に、第1光学系2の光軸A上に配置される。   The projection optical system 100 includes a first optical system 2, a folding mirror 3, and a free curved mirror 4 having, for example, a rotationally asymmetric shape with a concave surface facing the first optical system 2. Here, the projection optical system 100 is arranged on the optical axis A of the first optical system 2 in the above order from the image display element 1 side (left side in FIG. 1).

ここで、以下の説明において、画像表示素子1が配置される面をY軸方向とこれに直交するX軸を含む面とし、この面に直交する方向をZ軸方向(図1の紙面を貫く方向)とする。   Here, in the following description, the surface on which the image display element 1 is arranged is defined as a surface including the Y-axis direction and the X-axis orthogonal thereto, and the direction orthogonal to this surface is the Z-axis direction (through the paper surface of FIG. 1). Direction).

画像表示素子1は、不図示の外部機器から与えられる画像信号に応じて画像を表示する。また、画像表示素子1には、不図示の照明光学系から照明光が照射される。照明光は、画像表示素子1に表示された画像により2次元的に強度が変調されて、第1光学系2に入射する。画像表示素子1は長辺方向がX軸方向、短辺方向がY軸方向に対応する。   The image display element 1 displays an image according to an image signal given from an external device (not shown). The image display element 1 is irradiated with illumination light from an illumination optical system (not shown). The intensity of the illumination light is two-dimensionally modulated by the image displayed on the image display element 1 and enters the first optical system 2. In the image display element 1, the long side direction corresponds to the X-axis direction, and the short side direction corresponds to the Y-axis direction.

第1光学系2から射出した結像光束は、折返ミラー3に入射して、光路を折り返され、自由曲面ミラー4に入射する。   The imaging light beam emitted from the first optical system 2 is incident on the folding mirror 3, the optical path is folded, and is incident on the free-form surface mirror 4.

ここで、折返ミラー3と自由曲面ミラー4とは、本発明に係る第2光学系を構成している。   Here, the folding mirror 3 and the free-form surface mirror 4 constitute a second optical system according to the present invention.

折返ミラー3は、自由曲面レンズ10と自由曲面ミラー4との光路中に配置される平面ミラーであり、結像光束の光路を所定の向きに折り返す機能を有する。   The folding mirror 3 is a plane mirror disposed in the optical path between the free-form surface lens 10 and the free-form surface mirror 4, and has a function of folding the optical path of the imaging light beam in a predetermined direction.

なお、折返ミラー3は、平面ミラーに限定されず、例えば曲面で構成され、光学的な機能を有していても良い。   Note that the folding mirror 3 is not limited to a plane mirror, and may be formed of a curved surface, for example, and may have an optical function.

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、つまり中間像を、第1光学系2により結像させる。図1において、中間像は、折返ミラー3と自由曲面ミラー4との光路中に結像されている。   The imaging light beam emitted from the first optical system 2 forms an image of the image displayed on the image display element 1, that is, an intermediate image by the first optical system 2. In FIG. 1, the intermediate image is formed in the optical path between the folding mirror 3 and the free-form surface mirror 4.

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により拡大されて、不図示のスクリーン上に拡大像として投射される。   The intermediate image formed by the first optical system 2 is enlarged by the free-form surface mirror 4 and projected as an enlarged image on a screen (not shown).

図2は、本発明に係る画像投射装置の実施の形態を示す光学配置図である。画像投射装置1000は、投射光学系100と、防塵ガラス5とを有してなる。同図には、画像投射装置1000の投射光学系100による結像光束がスクリーン(被投射面)6上に結像して、拡大画像がスクリーン6に拡大表示されている状態を示す。   FIG. 2 is an optical layout diagram showing an embodiment of an image projection apparatus according to the present invention. The image projection apparatus 1000 includes the projection optical system 100 and the dustproof glass 5. This figure shows a state in which an imaging light beam by the projection optical system 100 of the image projection apparatus 1000 forms an image on the screen (projected surface) 6 and an enlarged image is displayed on the screen 6 in an enlarged manner.

防塵ガラス5は、自由曲面ミラー4とスクリーン6との光路中に配置されている。ここで、防塵ガラス5は、不図示のケーシングとともに画像投射装置1000の内部を閉鎖し、画像投射装置1000の内部を密閉して防塵する。   The dustproof glass 5 is disposed in the optical path between the free-form curved mirror 4 and the screen 6. Here, the dustproof glass 5 closes the inside of the image projection apparatus 1000 together with a casing (not shown), and seals the inside of the image projection apparatus 1000 to prevent dust.

ここで、第1光学系2の光軸Aをスクリーン6側に延長し、折返ミラー3と、自由曲面ミラー4により順次折り返された第1光学系2からの結像光束の光軸を投射光学系100の光軸とする。   Here, the optical axis A of the first optical system 2 is extended to the screen 6 side, and the optical axis of the imaging light beam from the first optical system 2 sequentially folded by the folding mirror 3 and the free-form surface mirror 4 is projected optically. Let it be the optical axis of the system 100.

また、投射光学系100の光軸を含む平面(図2の紙面に平行な面)内において、Z軸から半時計回りの任意の角をαとする。   Further, an arbitrary angle counterclockwise from the Z axis in the plane including the optical axis of the projection optical system 100 (a plane parallel to the paper surface of FIG. 2) is α.

図3は、第1光学系2を示す光学配置図である。同図に示すように、第1光学系2は13枚のレンズにより5群に構成されている。同図において、(a)が48インチのレンズ位置、(b)が80インチのレンズ位置を示す。   FIG. 3 is an optical layout diagram showing the first optical system 2. As shown in the figure, the first optical system 2 is composed of 13 lenses in 5 groups. In the figure, (a) shows the lens position of 48 inches, and (b) shows the lens position of 80 inches.

投射光学系100は、ズーム系であり、第3〜第5群が矢印で示す位置に変位して、投射画像の対角線サイズが(a)の48インチから(b)の80インチまで投射サイズに合わせてフォーカス調整される。   The projection optical system 100 is a zoom system, and the third to fifth groups are displaced to positions indicated by arrows, so that the diagonal size of the projected image is changed from 48 inches in (a) to 80 inches in (b). The focus is adjusted accordingly.

画像表示素子1の画像が表示される面S0は、投射光学系100に対する物体面である。   A surface S0 on which an image of the image display element 1 is displayed is an object surface with respect to the projection optical system 100.

ここで、第1光学系2の各面(レンズ面及び開口絞りの面)を、図3の左方から右方に向かって順に面S1、S2、・・・S25とする。上記各面のうち、面S10は、開口絞りの面である。   Here, each surface (lens surface and aperture stop surface) of the first optical system 2 is defined as surfaces S1, S2,... S25 in order from the left to the right in FIG. Of the above surfaces, the surface S10 is a surface of an aperture stop.

図3において、第1光学系2の左方は物体側(縮小側)である。また、第1光学系2の右方は像側(拡大側)である。   In FIG. 3, the left side of the first optical system 2 is the object side (reduction side). The right side of the first optical system 2 is the image side (enlargement side).

また、第1光学系2を構成する13枚のレンズのそれぞれを、物体側から像側に向かって順に、レンズL1、レンズL2、・・、レンズL13とする。   Each of the 13 lenses constituting the first optical system 2 is referred to as a lens L1, a lens L2,..., A lens L13 in order from the object side to the image side.

ここで、レンズL1〜レンズL8は、第1群のレンズ群である。また、レンズL9は、第2群のレンズ群である。また、レンズL10は、第3群のレンズ群である。また、レンズL11とレンズL12は第4群のレンズ群である。さらに、レンズL13は、第5群のレンズ群である。ここで、レンズL13は、図1に示した自由曲面レンズ10である(以下の説明においても同様)。   Here, the lens L1 to the lens L8 are a first lens group. The lens L9 is a second lens group. The lens L10 is a third lens group. The lens L11 and the lens L12 are a fourth lens group. Further, the lens L13 is a fifth lens group. Here, the lens L13 is the free-form surface lens 10 shown in FIG. 1 (the same applies in the following description).

開口絞りは、レンズL5とレンズL6との間に配置されている。   The aperture stop is disposed between the lens L5 and the lens L6.

したがって、第1光学系2は、5群のレンズ群からなり、13枚のレンズから構成されている。   Therefore, the first optical system 2 is composed of five lens groups and is composed of thirteen lenses.

第1群において、レンズL3とレンズL4とは接合されている。また、第1群において、レンズL7とレンズL8とも接合されている。   In the first group, the lens L3 and the lens L4 are cemented. In the first group, the lens L7 and the lens L8 are also cemented.

第1光学系2の物体側開口数は、0.195である。   The object-side numerical aperture of the first optical system 2 is 0.195.

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であり、対拡長が0.65インチ(165mm)である。   The size of the image displayed on the image display element 1 that is the surface S0 is a ratio of 10:16 in the vertical direction (Y direction): horizontal direction (X direction), and the expansion length is 0.65 inches (165 mm). It is.

なお、面S0の右側には、画像表示素子1の保護ガラスが配置されている。   A protective glass for the image display element 1 is disposed on the right side of the surface S0.

第1光学系2の光軸は、面S0(画像の面)の中心に対し、−Y方向(図3の下方)に1.541mmシフトしている。   The optical axis of the first optical system 2 is shifted by 1.541 mm in the −Y direction (downward in FIG. 3) with respect to the center of the surface S0 (image surface).

レンズL1とレンズL12は、非球面レンズであり、いずれも物体側及び像側のレンズ面が共に非球面である。また、レンズL1とレンズL12は、いずれも回転対称非球面レンズである。   The lens L1 and the lens L12 are aspheric lenses, and both the object-side and image-side lens surfaces are aspheric. The lens L1 and the lens L12 are both rotationally symmetric aspheric lenses.

図4は、画像投射装置1000の光学配置図である。同図に示すように、画像投射装置1000では、折返ミラー3のミラー面をS26とし、自由曲面ミラー4のミラー面(反射面)をS27とする。   FIG. 4 is an optical layout diagram of the image projection apparatus 1000. As shown in the figure, in the image projection apparatus 1000, the mirror surface of the folding mirror 3 is S26, and the mirror surface (reflective surface) of the free-form curved mirror 4 is S27.

また、画像投射装置1000では、防塵ガラス5の縮小側の面をS28、拡大側の面をS29、スクリーン6をS30とする。   Further, in the image projection apparatus 1000, the reduction-side surface of the dust-proof glass 5 is S28, the enlargement-side surface is S29, and the screen 6 is S30.

●投射光学系の実施例
以上説明した投射光学系100の具体的な例を、投射光学系100の実施例として、以下に示す。
Example of Projection Optical System A specific example of the projection optical system 100 described above is shown below as an example of the projection optical system 100.

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。   In the data shown below, the unit of the quantity having a length dimension is mm unless otherwise specified.

実施例のデータを表1に示す。   The data of the examples are shown in Table 1.

表1において、面番号とあるのは上述のS0〜S30である。また、屈折率及び分散は、いずれもd線を基準とする。   In Table 1, the surface numbers are S0 to S30 described above. The refractive index and dispersion are both based on the d line.

実施例の投射光学系はズーム系で、図3に示すように、第3〜第5群が矢印で示す位置に変位して、投射画像の対角線サイズが48インチから80インチまで投射サイズに合わせてフォーカス調整される。   The projection optical system of the embodiment is a zoom system, and as shown in FIG. 3, the third to fifth groups are displaced to the positions indicated by arrows, and the diagonal size of the projected image is adjusted to the projection size from 48 inches to 80 inches. To adjust the focus.

フォーカス調整の際に群間隔が変化する面間隔は、表1に可変と記載する。   The surface interval at which the group interval changes during focus adjustment is described as variable in Table 1.

そして、投射画像の対角線サイズが80インチ、60インチ、48インチに対する面間隔を、表2に示す。   Table 2 shows the surface spacing for the diagonal size of the projected image of 80 inches, 60 inches, and 48 inches.

折返ミラー3と自由曲面ミラー4と防塵ガラス5のレイアウトのデータを表3に示す。   Table 3 shows layout data of the folding mirror 3, the free-form mirror 4, and the dustproof glass 5.

表3は、S1の面頂点を基準(Y,Z)=(0,0)としたときの、折返ミラー3と自由曲面ミラー4と防塵ガラス5の各面(S27、S28、S29、S30)の面頂点のY軸座標とZ軸座標を示す。   Table 3 shows each surface (S27, S28, S29, S30) of the folding mirror 3, the free-form mirror 4, and the dust-proof glass 5 when the surface vertex of S1 is defined as a reference (Y, Z) = (0, 0). The Y-axis coordinate and the Z-axis coordinate of the surface vertex are shown.

非球面形状は、光軸からの高さをh、近軸曲率半径をR、コーニック係数をk、非球面係数をAi、非球面量をZ(h)、自由曲面量をZ(x,y)、自由曲面係数をCjとして、次式(1)と(2)で表される。   The aspherical shape has a height from the optical axis of h, a paraxial radius of curvature of R, a conic coefficient of k, an aspherical coefficient of Ai, an aspherical quantity of Z (h), and a free-form surface quantity of Z (x, y). ), Where the free-form surface coefficient is Cj, and is expressed by the following equations (1) and (2).

Z(h)=(1/R)h2/[1+√{1−(1+k)(h/R)2}+ΣAihi ・・・(1)
+ΣCjxmyn ・・・(2)
Z (h) = (1 / R) h2 / [1 + √ {1- (1 + k) (h / R) 2} + ΣAihi (1)
+ ΣCjxmyn (2)

なお、座標:x、yの方向は、それぞれX軸、Y軸座標に平行であり、正の向きもX軸、Y軸座標と同じである。   Note that the directions of coordinates: x and y are parallel to the X-axis and Y-axis coordinates, respectively, and the positive direction is the same as the X-axis and Y-axis coordinates.

S1,S2,S22,S23の非球面係数を表4に示す。   Table 4 shows the aspheric coefficients of S1, S2, S22, and S23.


S24,S25,S27の自由曲面係数を表5に示す。   Table 5 shows the free-form surface coefficients of S24, S25, and S27.

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:C14が、x4y2の係数であることを表す。   In the free-form surface coefficient shown in Table 5, for example, C14: x ^ 4 * y ^ 2 represents that the free-form surface coefficient: C14 is a coefficient of x4y2.

次に、投射光学系100のサイズと、投射距離D1、D2、D3とを説明する。   Next, the size of the projection optical system 100 and the projection distances D1, D2, and D3 will be described.

距離D1は、画像表示素子1から第1光学系2の画像表示素子1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。   The distance D1 is a distance on the optical axis from the image display element 1 to the vertex of the lens surface farthest from the image display element 1 of the first optical system 2.

また、距離D2は、第1光学系2の、画像表示素子1から最も離れたレンズ面の頂点から自由曲面ミラー4までの光軸上の距離である。   The distance D2 is a distance on the optical axis from the vertex of the lens surface farthest from the image display element 1 to the free-form surface mirror 4 in the first optical system 2.

また、距離D3は、投射光学系100の最短投射距離である。   The distance D3 is the shortest projection distance of the projection optical system 100.

図5は、投射光学系100の距離D1とD2の関係を示す図である。また、図6は、投射光学系100の距離D3の関係を示す図である。なお、図5において、D2は光軸上の距離であるため、折返ミラー3を省略した光学系を示している。   FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the distances D1 and D2 of the projection optical system 100. As shown in FIG. FIG. 6 is a diagram showing the relationship of the distance D3 of the projection optical system 100. In FIG. 5, since D2 is a distance on the optical axis, an optical system in which the folding mirror 3 is omitted is shown.

図5に示すように、距離D1は、距離D2よりも大きい。また、図6に示すように、最短投射距離D3は、距離D1と距離D2の和よりも小さい。   As shown in FIG. 5, the distance D1 is larger than the distance D2. Further, as shown in FIG. 6, the shortest projection distance D3 is smaller than the sum of the distance D1 and the distance D2.

つまり、距離D1,D2,D3の関係は、
D1+D2>D3
である。
That is, the relationship between the distances D1, D2, and D3 is
D1 + D2> D3
It is.

ここで、最短投射距離D3は、実施例では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。   Here, the shortest projection distance D3 is a projection distance when a 48-inch projection image is projected in the embodiment.

実施例における上記距離D1,D2,D3と、D1+D2の値を表6に示す。   Table 6 shows values of the distances D1, D2, D3 and D1 + D2 in the examples.

表6に示すように、実施例において画像表示素子1から第1光学系2の最も像側面までの距離D1よりも、第1光学系2から自由曲面ミラー4までの距離D2が小さい。   As shown in Table 6, the distance D2 from the first optical system 2 to the free-form curved mirror 4 is smaller than the distance D1 from the image display element 1 to the most image side surface of the first optical system 2 in the embodiment.

以上のように構成することにより、実施例の投射光学系100では、光学系全体と画像投射装置1000の小型化を実現することができる。   With the configuration as described above, the projection optical system 100 according to the embodiment can realize downsizing of the entire optical system and the image projection apparatus 1000.

また、表6に示すように、実施例において画像表示素子1から自由曲面ミラー4までの距離D1+D2よりも、最短投射距離l3の方が小さい。   Further, as shown in Table 6, the shortest projection distance l3 is smaller than the distance D1 + D2 from the image display element 1 to the free-form curved mirror 4 in the embodiment.

ここで、最短投射距離D3を短くするには、投射画角が広角の光学系が必要である。一方で、一般には、投射画角が広角になるほど、投射光学系の寸法が大きくなりやすい。   Here, in order to shorten the shortest projection distance D3, an optical system having a wide projection angle of view is necessary. On the other hand, in general, as the projection angle of view becomes wider, the size of the projection optical system tends to increase.

距離D1とD2とD3の間の関係が、以上説明した条件を満足することにより、実施例の投射光学系100と画像投射装置1000では、構成の小型化と投射距離の短縮化を実現することができる。   When the relationship between the distances D1, D2, and D3 satisfies the above-described conditions, the projection optical system 100 and the image projection apparatus 1000 according to the embodiment can reduce the configuration and the projection distance. Can do.

次に、実施例の投射光学系100について、光学性能を説明する。   Next, the optical performance of the projection optical system 100 of the embodiment will be described.

図7は、画像表示素子1上に表示される画像表示領域の画角番号を示す模式図である。同図において、画像表示領域の画角番号は、第1光学系2のレンズ光軸を原点としている。   FIG. 7 is a schematic diagram showing the angle of view number of the image display area displayed on the image display element 1. In the figure, the field angle number of the image display area has the lens optical axis of the first optical system 2 as the origin.

画角番号に対応する画像表示領域の座標を示したものを、表7に示す。なお、X軸方向はY軸に関して対称であるので、表7ではX≧0のみを評価対象としている。   Table 7 shows the coordinates of the image display area corresponding to the angle of view number. Since the X-axis direction is symmetric with respect to the Y-axis, only X ≧ 0 is evaluated in Table 7.

図8は、投射光学系100の投射画像サイズが80インチ、60インチ、48インチの場合についてスクリーン上のビームスポット径比を示す図である。同図において、横軸は図7に示した画角番号、縦軸はビームスポット径比である。   FIG. 8 is a diagram showing the beam spot diameter ratio on the screen when the projection image size of the projection optical system 100 is 80 inches, 60 inches, and 48 inches. In the figure, the horizontal axis represents the field angle number shown in FIG. 7, and the vertical axis represents the beam spot diameter ratio.

ここで、スクリーン上の1画素とは、解像度がWXGA(1280×800)での1画素である。ビームスポット径比とは、スクリーン上の1画素に対するRMSスポット径である。また、RMSスポット径とは、次の式(3)により算出されるσ2である。   Here, one pixel on the screen is one pixel with a resolution of WXGA (1280 × 800). The beam spot diameter ratio is an RMS spot diameter for one pixel on the screen. The RMS spot diameter is σ2 calculated by the following equation (3).

σ2=Σ{Wλ∫∫[(x(λ;xp,yp)−[x])2
+(y(λ;xp,yp)−[y])2]dxpdyp}/ΣWλ ・・・(3)
σ2 = Σ {Wλ∫∫ [(x (λ; xp, yp) − [x]) 2
+ (Y (λ; xp, yp) − [y]) 2] dxpdyp} / ΣWλ (3)

式(3)において、x(λ;xp,yp)は、瞳点(xp,yp)を通り、波長λで追跡される像平面のx座標である。[x]は、xの平均値である。   In equation (3), x (λ; xp, yp) is the x coordinate of the image plane that passes through the pupil point (xp, yp) and is tracked at wavelength λ. [X] is an average value of x.

式(3)において、y(λ;xp,yp)は、瞳点(xp,yp)を通り、波長λで追跡される像平面のy座標である。[y]はyの平均値である。   In equation (3), y (λ; xp, yp) is the y coordinate of the image plane that passes through the pupil point (xp, yp) and is tracked at the wavelength λ. [Y] is an average value of y.

式(3)において、Wλは、波長λに対して付けられた重みである。和Σは、波長λの赤・緑・青の3波長それぞれについて算出する。   In Expression (3), Wλ is a weight attached to the wavelength λ. The sum Σ is calculated for each of the three wavelengths of red, green, and blue of wavelength λ.

実施例において、投射画像サイズが80インチ、60インチ、48インチに対し、スクリーン上のビームスポット径は、それぞれ1.58mm、1.18mm、0.95mmである。   In the embodiment, for the projected image sizes of 80 inches, 60 inches, and 48 inches, the beam spot diameters on the screen are 1.58 mm, 1.18 mm, and 0.95 mm, respectively.

ここで、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いえる。   Here, when the beam spot diameter ratio is approximately 1.0 or less, it can be said that each aberration is corrected well.

図8に示すように、実施例では、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が0.4〜1.0である。つまり、実施例では、各収差が良好に補正されているといえる。   As shown in FIG. 8, in the embodiment, the beam spot diameter ratio is 0.4 to 1.0 at a projection image size of 48 to 80 inches. That is, in the example, it can be said that each aberration is corrected satisfactorily.

図9は、投射光学系100において、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。同図において、理想的なスクリーンサイズを破線で示し、スクリーン上での歪曲を実線で示す。   FIG. 9 is a diagram showing distortion on the screen when a projection image of a 60 inch size is projected in the projection optical system 100. In the figure, an ideal screen size is indicated by a broken line, and distortion on the screen is indicated by a solid line.

また、各投射サイズでの歪曲量を表8に示す。   Table 8 shows the amount of distortion at each projection size.

図8と表8とに示すように、実施例の投射光学系100は、投射画像の歪曲を低減することができている。   As shown in FIG. 8 and Table 8, the projection optical system 100 of the example can reduce the distortion of the projected image.

●投射光学系のハウジング構成(1)
次に、本発明に係る投射光学系のハウジングの構成について説明する。
● Housing configuration of projection optical system (1)
Next, the structure of the projection optical system housing according to the present invention will be described.

光路における自由曲面レンズ10から見て下流に、パワーを有する曲面ミラーが配置されていると、自由曲面レンズ10は取り付け誤差による光学特性の劣化が大きい。本実施形態の場合には、曲面ミラーに自由曲面ミラー4を用いているが、本発明における曲面ミラーは自由曲面ミラー4に限らず、回転対称の球面もしくは非球面の凹面ミラー、凸面ミラー等でもよい。   When a curved mirror having power is arranged downstream from the free curved lens 10 in the optical path, the free curved lens 10 is greatly deteriorated in optical characteristics due to mounting errors. In the present embodiment, the free-form surface mirror 4 is used as the curved surface mirror. However, the curved surface mirror in the present invention is not limited to the free-form surface mirror 4, and may be a rotationally symmetric spherical or aspherical concave mirror, convex surface mirror, or the like. Good.

図10は、本発明に係る投射光学系の実施の形態のハウジングを示す構成図である。同図に示すように、投射光学系100のハウジング20は、少なくとも自由曲面レンズ10と、曲面ミラーの一例である自由曲面ミラー4とを保持する、共通の保持部材である。   FIG. 10 is a block diagram showing the housing of the embodiment of the projection optical system according to the present invention. As shown in the figure, the housing 20 of the projection optical system 100 is a common holding member that holds at least the free-form surface lens 10 and the free-form surface mirror 4 that is an example of a curved mirror.

ハウジング20は、自由曲面レンズ10の保持部分と自由曲面ミラー4の保持部分とが、一体的に形成された1つの部材である。   The housing 20 is one member in which the holding portion of the free-form surface lens 10 and the holding portion of the free-form surface mirror 4 are integrally formed.

自由曲面レンズ10の保持部分と自由曲面ミラー4の保持部分とが、別部材の場合、自由曲面レンズ10と自由曲面ミラー4の位置を実際に精度良く配置させるのは難しく、誤差が出てしまった場合には、光学特性の劣化が生じてしまう。   In the case where the holding portion of the free-form surface lens 10 and the holding portion of the free-form surface mirror 4 are separate members, it is difficult to actually position the free-form surface lens 10 and the free-form surface mirror 4 with high accuracy, resulting in an error. In this case, the optical characteristics are deteriorated.

ハウジング20は、画像表示素子1と自由曲面レンズ以外のレンズを保持するレンズ鏡胴30と折返ミラー3も保持する。   The housing 20 also holds a lens barrel 30 that holds lenses other than the image display element 1 and the free-form surface lens, and the folding mirror 3.

レンズ鏡胴30は、レンズ鏡胴30内のレンズを光軸調整などが可能なように適切な位置に保持し、投射光学系100の所望の性能を満たすことができる。レンズ鏡胴30は、第1光学系2の光軸を一致させている。   The lens barrel 30 can satisfy the desired performance of the projection optical system 100 by holding the lens in the lens barrel 30 at an appropriate position so that the optical axis can be adjusted. The lens barrel 30 matches the optical axis of the first optical system 2.

調整されたレンズ鏡胴30と自由曲面レンズ10と折返ミラー3と自由曲面ミラー4とが、精度よく作られたハウジング20によって一体的に保持されることによって、投射光学系100では、各種光学素子の位置のバラツキを低減させることができる。   The adjusted lens barrel 30, free-form surface lens 10, folding mirror 3, and free-form surface mirror 4 are integrally held by a housing 20 made with high precision. The variation in position can be reduced.

ここで、ハウジング20は、上述のように自由曲面レンズ10の保持部と自由曲面ミラー4の保持部とを一体的に成型することができる方法、つまり、樹脂成型、あるいはアルミダイカストやマグネシウムダイカストなどの金属成型で形成される。   Here, the housing 20 is a method capable of integrally molding the holding portion of the free-form surface lens 10 and the holding portion of the free-form surface mirror 4 as described above, that is, resin molding, aluminum die casting, magnesium die casting, or the like. It is formed by metal molding.

ハウジング20は、レンズ鏡胴30と自由曲面レンズ10とを別体で保持することにより、回転対称のレンズ系を保持するレンズ鏡胴30のみで光軸調整を行うことができる。つまり、投射光学系100では、光軸調整を簡素化することができる。   The housing 20 holds the lens barrel 30 and the free-form surface lens 10 separately, so that the optical axis can be adjusted only by the lens barrel 30 that holds a rotationally symmetric lens system. That is, in the projection optical system 100, the optical axis adjustment can be simplified.

また、投射光学系100では、レンズ鏡胴30を回転対称な外形形状に形成することにより、ハウジング20に対して光軸方向にレンズ鏡胴30の回転調整を行うことができる。つまり、レンズ鏡胴30を回転対称な外形形状に形成することにより、投射光学系100では、ハウジング20に対するレンズ鏡胴30の光軸調整を行うことができる。   In the projection optical system 100, the lens barrel 30 can be rotationally adjusted in the optical axis direction with respect to the housing 20 by forming the lens barrel 30 in a rotationally symmetric outer shape. That is, by forming the lens barrel 30 in a rotationally symmetric outer shape, the optical axis of the lens barrel 30 can be adjusted with respect to the housing 20 in the projection optical system 100.

また、投射光学系100では、光学系内の塵の混入を防ぐために、防塵ガラス5も一体的にハウジング20に取り付けられている。   In the projection optical system 100, the dust-proof glass 5 is also integrally attached to the housing 20 in order to prevent dust from entering the optical system.

●投射光学系のハウジング構成(2)
次に、本発明に係る投射光学系の別の実施の形態のハウジングの構成について説明する。以下の説明では、先に説明した投射光学系100との相違点のみを説明する。
● Housing configuration of projection optical system (2)
Next, the structure of the housing of another embodiment of the projection optical system according to the present invention will be described. In the following description, only differences from the projection optical system 100 described above will be described.

図11は、本発明に係る投射光学系の別の実施の形態のハウジングを示す構成図である。同図に示すように、本実施の形態に係る投射光学系200では、投射光学系100と異なり、防塵ガラス5を有しない、つまり、自由曲面ミラー4の投射方向が開放する構成としている。   FIG. 11 is a configuration diagram showing a housing of another embodiment of the projection optical system according to the present invention. As shown in the figure, in the projection optical system 200 according to the present embodiment, unlike the projection optical system 100, the dust-proof glass 5 is not provided, that is, the projection direction of the free-form curved mirror 4 is open.

●投射光学系のハウジング構成(3)
次に、本発明に係る投射光学系のさらに別の実施の形態のハウジングの構成について説明する。以下の説明では、先に説明した投射光学系100との相違点のみを説明する。
● Housing configuration of projection optical system (3)
Next, the structure of the housing of still another embodiment of the projection optical system according to the present invention will be described. In the following description, only differences from the projection optical system 100 described above will be described.

図12は、本発明に係る投射光学系のさらに別の実施の形態のハウジングを示す構成図である。同図に示すように、本実施の形態に係る投射光学系300は、折返ミラー3を有しない点が先に説明した投射光学系100と異なり、これに伴いハウジング21の形状が異なっている。   FIG. 12 is a configuration diagram showing a housing of still another embodiment of the projection optical system according to the present invention. As shown in the figure, the projection optical system 300 according to the present embodiment is different from the projection optical system 100 described above in that the folding mirror 3 is not provided, and accordingly, the shape of the housing 21 is different.

折返ミラー3は、光学的に光路を折り返す役目のみであるため、折返ミラー3を有しない場合においても投射光学系300の光学特性は投射光学系100とは変わらない。   Since the folding mirror 3 has only the role of optically folding the optical path, the optical characteristics of the projection optical system 300 are not different from those of the projection optical system 100 even when the folding mirror 3 is not provided.

折返ミラー3がない構成とすることで、投射光学系300では、光学系の高さ方向(Y軸方向)の寸法を小さくすることができる。   By adopting a configuration without the folding mirror 3, the projection optical system 300 can reduce the dimension of the optical system in the height direction (Y-axis direction).

ハウジング21は、自由曲面レンズ10の保持部分と自由曲面ミラー4の保持部分を一体的に形成している1つの部材である点は、先に説明したハウジング20と同様である。   The housing 21 is the same as the housing 20 described above in that it is one member that integrally forms the holding portion of the free-form curved lens 10 and the holding portion of the free-form curved mirror 4.

●自由曲面レンズの構成
次に、以上説明した投射光学系100,200,300で用いる自由曲面レンズについて説明する。
Next, the free-form surface lens used in the projection optical systems 100, 200, and 300 described above will be described.

図13は、自由曲面レンズ10を示す斜視図である。同図に示すように、自由曲面レンズ10は、自由曲面レンズ面10aと、自由曲面レンズ面10aの外側にリブ10bとを備える。   FIG. 13 is a perspective view showing the free-form surface lens 10. As shown in the figure, the free-form surface lens 10 includes a free-form surface lens surface 10a and a rib 10b outside the free-form surface lens surface 10a.

リブ10bは、不図示の自由曲面レンズ固定部に接着固定されている。自由曲面レンズ固定部は、投射光学系100,200,300に固定される際にハウジング20,21によって保持されている。   The rib 10b is bonded and fixed to a free curved lens fixing portion (not shown). The free-form surface lens fixing portion is held by the housings 20 and 21 when being fixed to the projection optical systems 100, 200, and 300.

自由曲面レンズ10は、X軸方向の両端の2箇所により、ハウジング20,21に位置決めされている。ここで、自由曲面レンズ10は、X軸方向について対称形状で、Y軸方向について非対称の自由曲面形状である。つまり、自由曲面レンズ10は、Z軸に対して回転非対称形状である。このため、自由曲面レンズ10は、γ成分(図13のZ軸方向を回転軸とした回転方向の成分)の取り付け誤差による光学特性の劣化(MTF(Modulation Transfer Function)、歪曲)が大きい。   The free-form surface lens 10 is positioned on the housings 20 and 21 at two positions on both ends in the X-axis direction. Here, the free-form surface lens 10 has a symmetric shape in the X-axis direction and an asymmetric free-form shape in the Y-axis direction. That is, the free-form surface lens 10 has a rotationally asymmetric shape with respect to the Z axis. For this reason, the free-form surface lens 10 has a large deterioration in optical characteristics (MTF (Modulation Transfer Function), distortion) due to an attachment error of the γ component (component in the rotation direction with the Z-axis direction in FIG. 13 as the rotation axis).

つまり、投射光学系100,200,300では、ハウジング20,21に対して自由曲面レンズ10を正確に位置決めして取り付けることができる。   That is, in the projection optical systems 100, 200, and 300, the free-form surface lens 10 can be accurately positioned and attached to the housings 20 and 21.

自由曲面レンズ固定部は、例えばカム構成など、自由曲面レンズ10とハウジング20,21との位置関係を調整可能な機構を有するレンズホルダである。   The free-form surface lens fixing portion is a lens holder having a mechanism capable of adjusting the positional relationship between the free-form surface lens 10 and the housings 20 and 21, such as a cam configuration.

このような構成にすることで、自由曲面レンズ固定部は、自由曲面レンズ10を単体で移動させることによるフォーカス調整を実現することができる。   With this configuration, the free-form surface lens fixing unit can realize focus adjustment by moving the free-form surface lens 10 alone.

なお、自由曲面レンズ10を移動させない構成を採用する場合には、ハウジング20,21を自由曲面レンズ固定部として機能させてもよい。つまり、この場合には、自由曲面レンズ10が直接ハウジング20,21に固定される。   In addition, when the structure which does not move the free-form curved lens 10 is employ | adopted, you may function the housings 20 and 21 as a free-form curved lens fixing | fixed part. That is, in this case, the free-form surface lens 10 is directly fixed to the housings 20 and 21.

図14は、自由曲面レンズ10のレンズ面における座標位置を示す斜視図である。   FIG. 14 is a perspective view showing the coordinate position on the lens surface of the free-form surface lens 10.

ここでの自由曲面は、任意のY軸方向の位置にてX軸方向の位置に応じたX軸方向の曲率が一定ではなく、任意のX軸方向の位置にてY軸方向の位置に応じたY軸方向の曲率が一定ではないアナモフィック面のことを言う。   In this free-form surface, the curvature in the X-axis direction according to the position in the X-axis direction is not constant at any position in the Y-axis direction, and according to the position in the Y-axis direction at any position in the X-axis direction. It also refers to an anamorphic surface where the curvature in the Y-axis direction is not constant.

図14に示すように、自由曲面レンズ10では、Y=0の位置にて、レンズ面位置(X,Y)=(0,0)とレンズ面位置(X,Y)=(−X1,0)とのX軸方向の曲率は異なる。   As shown in FIG. 14, in the free-form surface lens 10, at the position of Y = 0, the lens surface position (X, Y) = (0, 0) and the lens surface position (X, Y) = (− X1,0). ) And the X-axis direction curvature are different.

また、X=0の位置にて、レンズ面位置(X,Y)=(0,0)とレンズ面位置(X,Y)=(0,−Y2)とのY軸方向の曲率は異なる。   Further, the curvature in the Y-axis direction differs between the lens surface position (X, Y) = (0, 0) and the lens surface position (X, Y) = (0, −Y2) at the position of X = 0.

また、レンズ面位置(X,Y)=(0,0)においてX軸方向とY軸方向の曲率が異なり、レンズ面位置(X,Y)=(0,−Y2)においてもX軸方向とY軸方向の曲率が異なる。   Further, the curvatures in the X-axis direction and the Y-axis direction are different at the lens surface position (X, Y) = (0, 0), and the lens surface position (X, Y) = (0, −Y2) is also different from the X-axis direction. The curvature in the Y-axis direction is different.

なお、以上の自由曲面の定義は、自由曲面レンズ10のレンズ面に限定されず、自由曲面ミラー4等の光学部材にも適用される。   The definition of the free-form surface described above is not limited to the lens surface of the free-form surface lens 10 but can be applied to an optical member such as the free-form surface mirror 4.

図14の座標位置におけるX軸方向とY軸方向との焦点距離を表9に示す。   Table 9 shows the focal lengths in the X-axis direction and the Y-axis direction at the coordinate positions in FIG.

図14において、自由曲面レンズ10のレンズ有効範囲は、X軸方向が±16.0mm、Y軸方向が0〜−20.7mmである。また、図14において、レンズ有効範囲の4隅と、レンズ面基準点(X,Y)=(0,0)と、下辺中心(X,Y)=(0,−20.7)の6点について座標位置を示した。   In FIG. 14, the effective range of the free-form surface lens 10 is ± 16.0 mm in the X-axis direction and 0 to −20.7 mm in the Y-axis direction. Further, in FIG. 14, four points of the lens effective range, six points of the lens surface reference point (X, Y) = (0, 0) and the lower side center (X, Y) = (0, −20.7). The coordinate position is shown.

表9は、レンズ面基準点に対しレンズ最周辺の位置4、6はY軸方向の焦点距離が短い(正の屈折力が強い)ことを示す。   Table 9 shows that positions 4 and 6 at the lens outermost periphery with respect to the lens surface reference point have a short focal length in the Y-axis direction (strong positive refractive power).

ここで、図1を参照すると、レンズ周辺部の光線は、レンズ光軸から広がる方向に傾いて自由曲面レンズ10に入射する。   Here, referring to FIG. 1, the light beam in the periphery of the lens is incident on the free-form surface lens 10 while being inclined in a direction spreading from the lens optical axis.

また、図1には図示されていないが、レンズ周辺部の光線は、特にX軸方向のレンズ周辺部の傾きが最も大きくなる。   Although not shown in FIG. 1, the light beam at the lens peripheral portion has the largest inclination in the lens peripheral portion, particularly in the X-axis direction.

つまり、自由曲面レンズ10は、中央部の正の屈折力よりも最周辺のY軸方向の正の屈折力を強くすることにより、自由曲面レンズ10を通過後の光線の角度が光軸から広がる方向に曲がるのを防ぐことができる。このため、自由曲面レンズ10によれば、投射光学系100,200,300の自由曲面ミラー4の有効範囲を小さく抑えることができる。   That is, the free-form surface lens 10 increases the positive refractive power in the outermost Y-axis direction rather than the positive refractive power at the center, so that the angle of the light beam after passing through the free-form surface lens 10 spreads from the optical axis. It is possible to prevent bending in the direction. For this reason, according to the free-form surface lens 10, the effective range of the free-form surface mirror 4 of the projection optical systems 100, 200, and 300 can be suppressed small.

しかしながら、レンズ周辺部の屈折力を強くすると、光路における自由曲面レンズ10から見て下流に、パワーを有する自由曲面ミラー4が配置されている場合、必然的に自由曲面レンズ10の取り付け位置誤差に対する感度が高くなる(レンズ位置合わせの精度が厳格になる。とりわけ、自由曲面ミラー4と自由曲面レンズ10の位置関係の精度は厳格になる。)ため、歪曲やMTFの劣化につながってしまう。特に、自由曲面レンズ10の取り付け位置誤差に対する感度は、光軸まわりの回転方向への感度が高いことがわかった。   However, when the refractive power at the lens periphery is increased, if the free-form curved mirror 4 having power is arranged downstream from the free-form curved lens 10 in the optical path, it is inevitably against the mounting position error of the free-form curved lens 10. Sensitivity increases (the accuracy of lens alignment becomes strict. In particular, the accuracy of the positional relationship between the free-form surface mirror 4 and the free-form surface lens 10 becomes strict), which leads to distortion and deterioration of the MTF. In particular, it was found that the sensitivity to the mounting position error of the free-form surface lens 10 is high in the rotation direction around the optical axis.

そのため、本発明者らは、以上説明した投射光学系100,200,300のように、レンズ鏡胴30と、自由曲面レンズ10と、自由曲面ミラー4とを共通のハウジング20,21で一体的に保持することを見出した。つまり、投射光学系100、200,300では、ハウジング20,21固有の精度で各部品を位置決めするため、自由曲面レンズ10のように取り付け位置誤差に対する感度が高いレンズ形状であっても、画質の劣化を少なくすることができる。   Therefore, the present inventors integrate the lens barrel 30, the free-form surface lens 10, and the free-form surface mirror 4 with a common housing 20, 21, as in the projection optical systems 100, 200, 300 described above. Found to hold on. That is, in the projection optical systems 100, 200, and 300, each component is positioned with the accuracy inherent in the housings 20 and 21, so that even if the lens shape is high in sensitivity to the mounting position error like the free-form surface lens 10, the image quality is high. Degradation can be reduced.

また、本発明に係る投射光学系では、自由曲面ミラー4をハウジング20,21に直接取り付けるものに限らず、不図示の自由曲面ミラーホルダを介して自由曲面ミラー4をハウジング20,21に取り付けてもよい。ここで、自由曲面ミラーホルダには、ネジなどの取り付けの傾きを調整する部材を設けることができる。   Further, in the projection optical system according to the present invention, the free curved mirror 4 is not limited to being directly attached to the housings 20 and 21, but the free curved mirror 4 is attached to the housings 20 and 21 via a free curved mirror holder (not shown). Also good. Here, the free-form surface mirror holder can be provided with a member for adjusting the inclination of attachment such as a screw.

このように構成することで、本発明に係る投射光学系では、部品の寸法ばらつきなどによる取り付け誤差を自由曲面ミラー4の位置により調整することができるため、高画質化を図ることができる。   With this configuration, in the projection optical system according to the present invention, it is possible to adjust the mounting error due to the dimensional variation of parts and the like according to the position of the free-form curved mirror 4, so that high image quality can be achieved.

●画像投射装置(1)●
次に、本発明に係る画像投射装置について説明する。
● Image projection device (1) ●
Next, the image projection apparatus according to the present invention will be described.

図15は、本発明に係る画像投射装置の実施の形態を示す図である。同図に示すように、画像投射装置1100は、照明光源1101と、リフレクタ1102と、リレーレンズ1103と、偏光変換素子1104と、照度均一化手段1105と、カラーホイール1106と、偏光分離手段1108とを有する。投射光学系1109は、先に説明した投射光学系100,200,300である。また、画像表示素子1107は、画像表示素子1と対応する。   FIG. 15 is a diagram showing an embodiment of an image projection apparatus according to the present invention. As shown in the figure, an image projection apparatus 1100 includes an illumination light source 1101, a reflector 1102, a relay lens 1103, a polarization conversion element 1104, an illuminance uniformizing unit 1105, a color wheel 1106, and a polarization separating unit 1108. Have The projection optical system 1109 is the projection optical system 100, 200, 300 described above. The image display element 1107 corresponds to the image display element 1.

照明光源1101は、画像表示素子1に照明光を照射する。ここで、照明光源1101には、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(Light Emitting Diode)などを用いることができる。   The illumination light source 1101 irradiates the image display element 1 with illumination light. Here, as the illumination light source 1101, a halogen lamp, a xenon lamp, a metal halide lamp, an ultra-high pressure mercury lamp, an LED (Light Emitting Diode), or the like can be used.

リフレクタ1102と、リレーレンズ1103と、偏光変換素子1104と、照度均一化手段1105とは、照明光学系を構成する。照明光学系は、照明光源1101により高効率な照明効率を得られるようにする。ここで、照明光学系は、光源の種類に応じて適切な光学系を採用することができる。   The reflector 1102, the relay lens 1103, the polarization conversion element 1104, and the illuminance uniformizing means 1105 constitute an illumination optical system. The illumination optical system enables the illumination light source 1101 to obtain highly efficient illumination efficiency. Here, an appropriate optical system can be adopted as the illumination optical system according to the type of the light source.

リフレクタ1102は、照明光源1101の近傍に配置されて、照明光源1101の光を反射する。   The reflector 1102 is disposed in the vicinity of the illumination light source 1101 and reflects the light from the illumination light source 1101.

偏光変換素子1104は、照明光源1101の光の偏光を変換する。   The polarization conversion element 1104 converts the polarization of the light from the illumination light source 1101.

照度均一化手段1105は、インテグレータ光学系である。照度均一化手段1105は、リフレクタ1102により反射されて指向性を持った光を、均一に照明分布を得られるようにして、画像表示素子1107の面上に照射する。   The illuminance uniformizing means 1105 is an integrator optical system. The illuminance uniformizing means 1105 irradiates the surface of the image display element 1107 with light having directivity reflected by the reflector 1102 so as to obtain a uniform illumination distribution.

カラーホイール1106は、照明光をカラー化する。   The color wheel 1106 colors the illumination light.

なお、画像投射装置1100では、カラーホイール1106と同期して画像表示素子1107の画像をコントロールすることにより、スクリーン上に拡大表示させたカラー画像を投射できるようにしてもよい。   Note that the image projection apparatus 1100 may project a color image enlarged on the screen by controlling the image of the image display element 1107 in synchronization with the color wheel 1106.

偏光分離手段1108は、例えば偏光ビームスプリッタ(PBS:Polarization
beam splitter)と組み合わせた照明光路と投射光路である。偏光分離手段1108により、画像表示素子1107として反射型タイプの液晶式の画像表示素子を用いる場合に、効率よい照明を得ることができる。
For example, the polarization separation means 1108 is a polarization beam splitter (PBS: Polarization).
illumination beam path and projection beam path combined with beam splitter). The polarized light separating means 1108 can provide efficient illumination when a reflective liquid crystal image display element is used as the image display element 1107.

また、偏光分離手段1108として、DMD(Digital
Mirror Device)パネルを搭載する場合には、全反射プリズムを使った光路分離などが採用することができる。
Further, as the polarization separation means 1108, DMD (Digital
In the case of mounting a (Mirror Device) panel, optical path separation using a total reflection prism can be employed.

●実施の形態の効果
以上説明した画像投射装置1100によれば、自由曲面レンズと自由曲面ミラーとが、精度よく作られたハウジングによって一体的に保持される投射光学系を用いるため、自由曲面のレンズを採用しつつ、製造誤差による性能劣化を低減することができる。
Advantages of Embodiment According to the image projection apparatus 1100 described above, since the free-form surface lens and the free-form surface mirror use a projection optical system that is integrally held by a housing made with high accuracy, While adopting a lens, it is possible to reduce performance degradation due to manufacturing errors.

●画像投射装置(2)●
次に、本発明に係る画像投射装置の別の実施の形態について説明する。以下の説明では、先に説明した画像投射装置1100との相違点のみを説明する。
● Image projection device (2) ●
Next, another embodiment of the image projection apparatus according to the present invention will be described. In the following description, only differences from the image projection apparatus 1100 described above will be described.

図16は、本発明に係る画像投射装置の実施の形態の別の実施の形態を示す図である。同図に示すように、画像投射装置1200は、画像表示素子1207が、赤、緑、青等の複数枚(図16においては3枚)用いる点が、先に説明した画像投射装置1100と相違する。   FIG. 16 is a diagram showing another embodiment of the embodiment of the image projection apparatus according to the present invention. As shown in the figure, the image projection apparatus 1200 is different from the image projection apparatus 1100 described above in that the image display element 1207 uses a plurality (three in FIG. 16) of red, green, and blue. To do.

画像投射装置1200では、照明光を色分離手段1206により分離し、各色の照明光を色合成手段1209により合成する。画像投射装置1200では、合成した光を投射光学系1210に入射させることにより、スクリーン1211上にカラー画像を投射することができる。   In the image projection apparatus 1200, the illumination light is separated by the color separation unit 1206, and the illumination light of each color is synthesized by the color synthesis unit 1209. The image projection apparatus 1200 can project a color image on the screen 1211 by causing the combined light to enter the projection optical system 1210.

ここで、画像表示素子1207から投射光学系1210の第1光学系の第一面までの距離は、偏光分離手段1208と色合成手段1209とを有することにより、長い距離を取る必要がある。   Here, the distance from the image display element 1207 to the first surface of the first optical system of the projection optical system 1210 needs to be a long distance by including the polarization separation unit 1208 and the color synthesis unit 1209.

この場合に、画像投射装置1200では、画像表示素子1207から第一光学系までの距離を色合成手段1209の大きさに合わせて、投射光学系1210の寸法を延長または短縮してもよい。   In this case, in the image projection apparatus 1200, the dimension of the projection optical system 1210 may be extended or shortened by matching the distance from the image display element 1207 to the first optical system with the size of the color synthesizing unit 1209.

●実施の形態の効果
以上説明した画像投射装置1200によれば、自由曲面レンズと自由曲面ミラーとが、精度よく作られたハウジングによって一体的に保持される投射光学系を用いるため、自由曲面のレンズを採用しつつ、製造誤差による性能劣化を低減することができる。
Effects of the Embodiment According to the image projection apparatus 1200 described above, since the free-form surface lens and the free-form surface mirror use a projection optical system that is integrally held by a housing made with high accuracy, While adopting a lens, it is possible to reduce performance degradation due to manufacturing errors.

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
5 :防塵ガラス
6 :スクリーン
10 :自由曲面レンズ
20 :ハウジング
21 :ハウジング
100 :投射光学系
200 :投射光学系
300 :投射光学系
1000 :画像投射装置
1100 :画像投射装置
1101 :照明光源
1102 :リフレクタ
1103 :リレーレンズ
1104 :偏光変換素子
1105 :照度均一化手段
1106 :カラーホイール
1107 :画像表示素子
1108 :偏光分離手段
1200 :画像投射装置
1206 :色分離手段
1207 :画像表示素子
1208 :偏光分離手段
1209 :色合成手段
1: Image display element 2: First optical system 3: Folding mirror 4: Free-form curved mirror 5: Dust-proof glass 6: Screen 10: Free-form curved lens 20: Housing 21: Housing 100: Projection optical system 200: Projection optical system 300: Projection optical system 1000: Image projection apparatus 1100: Image projection apparatus 1101: Illumination light source 1102: Reflector 1103: Relay lens 1104: Polarization conversion element 1105: Illuminance uniformizing means 1106: Color wheel 1107: Image display element 1108: Polarization separation means 1200 : Image projection device 1206: Color separation means 1207: Image display element 1208: Polarization separation means 1209: Color composition means

特許第4223936号明細書Japanese Patent No. 4223936 特開2009−251457号公報JP 2009-251457 A 特開2011−33738号公報JP 2011-33738 A

Claims (11)

画像を被投射面に投射して拡大表示させる画像投射装置の投射光学系であって、
回転非対称な自由曲面レンズと、
曲面ミラーと、
を有してなり、
前記自由曲面レンズと前記曲面ミラーとが共通の保持部材で保持されている、
ことを特徴とする投射光学系。
A projection optical system of an image projection apparatus that projects an image onto a projection surface and displays the enlarged image,
A rotationally asymmetric free-form lens,
A curved mirror,
Having
The free curved lens and the curved mirror are held by a common holding member,
A projection optical system characterized by that.
前記曲面ミラーは、自由曲面ミラーである、
請求項1記載の投射光学系。
The curved mirror is a free curved mirror,
The projection optical system according to claim 1.
前記画像を形成する画像表示素子を備え、
前記画像表示素子の長辺方向をX軸、短辺方向をY軸とすると、
前記自由曲面レンズは、X軸方向について対称形状で、Y軸方向について非対称の自由曲面形状であり、
X軸方向またはY軸方向において、前記自由曲面レンズの中央部での正の屈折力よりも前記自由曲面レンズの周辺部での正の屈折力の方が大きい、
請求項1または2記載の投射光学系。
An image display element for forming the image;
When the long side direction of the image display element is the X axis and the short side direction is the Y axis,
The free-form surface lens has a symmetric shape in the X-axis direction and an asymmetric free-form surface shape in the Y-axis direction,
In the X-axis direction or the Y-axis direction, the positive refractive power at the peripheral portion of the free-form surface lens is larger than the positive refractive power at the center portion of the free-form surface lens.
The projection optical system according to claim 1 or 2.
前記自由曲面レンズは、Y軸方向について、前記自由曲面レンズの中央部での正の屈折力よりも前記自由曲面レンズの周辺部での正の屈折力の方が大きい、
請求項3記載の投射光学系。
In the Y-axis direction, the free-form surface lens has a positive refracting power at the periphery of the free-form surface lens that is greater than the positive refracting power at the center of the free-form surface lens.
The projection optical system according to claim 3.
前記自由曲面レンズは、X軸方向及びY軸方向において、前記自由曲面レンズの中央部での正の屈折力よりも前記自由曲面レンズの周辺部での正の屈折力の方が大きい、
請求項3記載の投射光学系。
In the free-form surface lens, in the X-axis direction and the Y-axis direction, the positive refractive power at the peripheral portion of the free-form surface lens is larger than the positive refractive power at the center portion of the free-form surface lens.
The projection optical system according to claim 3.
複数のレンズ群と、
前記画像表示素子上の画像を中間像として結像させる第1光学系と、
前記中間像を前記被投射面上に結像させる第2光学系と、
を有し、
前記第1光学系は、前記複数のレンズ群を保持するレンズ鏡胴と前記自由曲面レンズとを備え、
前記第2光学系は、前記曲面ミラーであり、
前記曲面ミラーは、前記第1光学系に対して凹面を向けた回転非対称形状である、
請求項3乃至5のいずれかに記載の投射光学系。
A plurality of lens groups;
A first optical system that forms an image on the image display element as an intermediate image;
A second optical system that forms the intermediate image on the projection surface;
Have
The first optical system includes a lens barrel that holds the plurality of lens groups and the free-form surface lens,
The second optical system is the curved mirror;
The curved mirror has a rotationally asymmetric shape with a concave surface facing the first optical system,
The projection optical system according to claim 3.
前記複数のレンズ群のうち前記自由曲面レンズ以外のレンズは、全ての光軸が一致するように前記レンズ鏡胴に保持され、
前記自由曲面レンズは、前記自由曲面ミラーに最も光学的に近い位置に保持され、
前記保持部材は、前記レンズ鏡胴と、前記自由曲面レンズと、前記自由曲面ミラーとを一体的に保持する、
請求項5または6記載の投射光学系。
Lenses other than the free-form surface lens among the plurality of lens groups are held by the lens barrel so that all optical axes coincide with each other,
The free-form surface lens is held at a position optically closest to the free-form surface mirror;
The holding member integrally holds the lens barrel, the free-form surface lens, and the free-form surface mirror;
The projection optical system according to claim 5 or 6.
前記自由曲面レンズは、前記複数のレンズ群に対して単体で移動する、
請求項5乃至7のいずれかに記載の投射光学系。
The free-form surface lens moves alone with respect to the plurality of lens groups;
The projection optical system according to claim 5.
前記自由曲面レンズと前記自由曲面ミラーとの光路中に配置される光路を折り返す折返ミラーを有し、
前記折返ミラーは、前記保持部材に保持される、
請求項5乃至8のいずれかに記載の投射光学系。
A folding mirror that folds an optical path disposed in an optical path between the free-form surface lens and the free-form surface mirror;
The folding mirror is held by the holding member;
The projection optical system according to claim 5.
前記保持部材は、防塵ガラスを備え、
前記画像表示素子と前記鏡胴と前記自由曲面レンズと前記折返ミラーと前記自由曲面レンズと前記防塵ガラスにより、前記ハウジングが密閉される、
請求項9記載の投射光学系。
The holding member includes dust-proof glass,
The housing is hermetically sealed by the image display element, the lens barrel, the free-form surface lens, the folding mirror, the free-form surface lens, and the dust-proof glass.
The projection optical system according to claim 9.
画像を被投射面に投射して拡大表示させる投射光学系を有してなる画像投射装置であって、
前記投射光学系は、請求項1乃至10のいずれかに記載の投射光学系である、
ことを特徴とする画像投射装置。
An image projection apparatus having a projection optical system for projecting and projecting an image onto a projection surface,
The projection optical system is the projection optical system according to any one of claims 1 to 10.
An image projection apparatus characterized by that.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5930085B1 (en) * 2015-01-27 2016-06-08 セイコーエプソン株式会社 Projection optical system
JP2017044896A (en) * 2015-08-27 2017-03-02 株式会社リコー Projection device and image display device
JP2019039991A (en) * 2017-08-23 2019-03-14 キヤノン株式会社 Optical system and imaging apparatus having the same
CN114089587A (en) * 2020-08-24 2022-02-25 理光工业解决方案有限公司 Lens unit and image projection apparatus

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