JP2015096887A - 投射光学系および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで、自由曲面レンズや自由曲面ミラーを用いることなく、画面全体に亘り良好な結像性能が得られる投射光学系の実現を課題とする。【解決手段】画像表示素子に表示された画像をスクリーン上に、拡大画像として拡大投射する投射光学系であって、縮小側から拡大側へ向かって順次、屈折光学系２と反射光学系３とを配してなり、屈折光学系２は開口絞りＳＴを有し、屈折光学系２の開口絞りＳＴの縮小側および拡大側の少なくとも一方に、入射側面の曲率半径と射出側面の曲率半径が略等しいメニスカス形状のレンズを少なくとも１枚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画像表示装置に関する。
画像表示装置はプロジェクタとして実施できる。

近年、プロジェクタが広く普及している。中でも、投射空間を小さくしつつも大画面を表示できる「超広角なフロント投射型プロジェクタ」が注目されている。

超広角な投射光学系として、屈折光学系と反射光学系とを組み合わせたものが知られている（特許文献１〜３等）。

これら特許文献１〜３に開示された投射光学系は何れも、光学性能は良好である。
特許文献２および３に開示された投射光学系は何れも、自由曲面を用いて良好な光学性能を実現している。

しかし、自由曲面を持つ光学素子は、一般にコストが高くなり易く、また、組み付けに極めて高い精度が要求される。

特許文献１記載の投射光学系は、入射側と射出側のレンズ面の曲率半径が略等しいメニスカスレンズを用い、自由曲面を用いることなく良好な光学機能を達成している。

しかしながら、上記メニスカスレンズによる収差補正機能は小さく、また、該メニスカスレンズは反射光学系の拡大側に用いられるため、投射光学系の小型化が困難である。

この発明は、コンパクトで、自由曲面レンズや自由曲面ミラーを用いることなく、画面全体に亘り良好な結像性能が得られる投射光学系の実現を課題とする。

この発明の投射光学系は、画像表示素子に表示された画像をスクリーン上に、拡大画像として拡大投射する投射光学系であって、縮小側から拡大側へ向かって順次、屈折光学系と反射光学系とを配してなり、前記屈折光学系は開口絞りを有し、前記屈折光学系の前記開口絞りの縮小側および拡大側の少なくとも一方に、入射側面の曲率半径と射出側面の曲率半径が略等しいメニスカス形状のレンズを少なくとも１枚有することを特徴とする。

この発明の投射光学系は「入射側の曲率半径と出射側の曲率半径が略等しいメニスカス形状のレンズ」を屈折光学系内に配置する。

このようにすることにより、超広角でありながら、自由曲面という特殊な光学面を用いずに、小径化されたレンズにより諸収差の良好な補正が可能となり、画面全体に亘り良好な結像性能を得ることが可能である。

投射光学系を説明するための図である。 画像投射装置（プロジェクタ）の構成を説明するための図である。 実施例１の投射光学系の構成を示す図である。 実施例１のデータである。 実施例１の可変間隔の値である。 実施例１の非球面データである。 画素表示面に設定された画素（画角）を示す図である。 実施例１の投射光学系により結像された画素像のスポット径の計算結果である。 実施例２の投射光学系の構成を示す図である。 実施例２のデータである。 実施例２の可変間隔の値である。 実施例２の非球面データである。 実施例２の投射光学系により結像された画素像のスポット径の計算結果である。 実施例３の投射光学系の構成を示す図である。 実施例３のデータである。 実施例３の可変間隔の値である。 実施例３の非球面データである。 実施例３の投射光学系により結像された画素像のスポット径の計算結果である。 実施例４の投射光学系の構成を示す図である。 実施例４のデータである。 実施例４の可変間隔の値である。 実施例４の非球面データである。 実施例４の投射光学系により結像された画素像のスポット径の計算結果である。 実施例１〜実施例４の条件（１）〜（４）のパラメータの値である。

以下、実施の形態を説明する。
図１に示す投射光学系１００は、屈折光学系２と反射光学系３を有している。

屈折光学系２は、複数枚のレンズで構成され、開口絞りＳＴを有している。

屈折光学系２の縮小側（図で左方）には画像表示素子１が配置されている。
画像表示素子１としては、例えば、周知のＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）を用いることができる。

画像表示素子１において「拡大画像として投射されるべき画像」は、長方形形状の「画像形成領域」に表示される。

画像形成領域は短辺と長辺を有し、図における上下方向は「短辺方向」に平行な方向であり、以下、この方向を「Ｙ方向」とする。

また、屈折光学系２の光軸方向を、図示の如く「Ｚ方向」とする。

図１に示す「Ｘ方向」は、図面に直交する方向であり、画像形成領域の「長辺」に平行な方向である。即ち「画像形成領域」は、Ｚ方向から見ると横長の長方形形状である。

図示の如く、画像表示素子１の画像形成領域は、Ｙ方向においてシフトしており、Ｙ方向においてその最下部は、屈折光学系２の光軸よりも上方に位置する。

このため、投射光学系による結像は「斜光線」に対して行われる。

屈折光学系２には「入射側レンズ面の曲率半径と出射側レンズ面の曲率半径がほぼ等しいメニスカス形状のレンズ」が含まれる。

図１の投射光学系１００においては「破線で囲んだレンズ」が、かかるメニスカス形状のレンズであり、開口絞りＳＴの縮小側に１枚、拡大側に２枚が用いられている。

即ち、図１に示す投射光学１００は、画像表示素子１に表示された画像を、図示されないスクリーン上に、拡大画像として拡大投射する投射光学系である。

そして、縮小側から拡大側へ向かって順次、屈折光学系２と反射光学系３とを配してなり、屈折光学系２は開口絞りＳＴを有する。

屈折光学系２の開口絞りＳＴの縮小側及び拡大側の少なくとも一方に、入射側面の曲率半径と射出側面の曲率半径が略等しいメニスカス形状のレンズを少なくとも１枚有する。

以下「入射側面の曲率半径と射出側面の曲率半径が略等しいメニスカス形状のレンズ」を「メニスカス形状レンズ」と呼ぶ。

通常のメニスカス形状のレンズについては単に「メニスカスレンズ」と呼び「メニスカス形状レンズ」と区別する。

この発明の投射光学系は、上記構成に加えて、以下の条件（１）〜（４）の１以上を満足することが好ましい。

（１） １．００ ＜ Ｒ１／Ｒ２ ＜ １．０６
（２） ０．９４ ＜ Ｒ１’／Ｒ２’ ＜ １．０８
（３） １．０２ ＜ φ１／φs ＜ １．１１
（４） １．１５ ＜ φ１’／φs ＜ １．２８ 。

条件（１）〜（４）のパラメータの記号は、以下のとおりである。

「Ｒ１」は、開口絞りの縮小側に配置されるメニスカス形状レンズの、縮小側レンズ面の曲率半径である。

「Ｒ２」は、開口絞りの縮小側に配置されるメニスカス形状レンズの、拡大側レンズ面の曲率半径である。

従って、条件（１）のパラメータ：Ｒ１／Ｒ２は、開口絞りの縮小側に配されるメニスカス形状レンズの入射側面と射出側面の「曲率半径比」である。

「Ｒ１’」は、開口絞りの拡大側に配置されるメニスカス形状レンズの、縮小側レンズ面の曲率半径である。

「Ｒ２’」は、開口絞りの拡大側に配置されるメニスカス形状レンズの、拡大側レンズ面の曲率半径である。

従って、条件（２）のパラメータ：Ｒ１’／Ｒ２’は、開口絞りの拡大側に配されるメニスカス形状レンズの入射側面と射出側面の「曲率半径比」である。

条件（３）と（４）とは、画像形成領域の形状が「長辺と短辺を有する長方形形状」であることを前提とする条件である。

ここで、「屈折光学系」の開口絞りよりも縮小側にある全レンズを考え、この全レンズを「縮小側レンズ系」と呼ぶ。

同様に、「屈折光学系」の開口絞りよりも拡大側にある全レンズを考え、この全レンズを「拡大側レンズ系」と呼ぶ。

すると、屈折光学系は、縮小側レンズ系と拡大側レンズ系と、これらの間に配置される開口絞りとにより構成されることになる。

「φs」は、屈折光学系を縮小側から拡大側へ通過する光束が、開口絞りを通過する光束太さであり、これは開口絞りの開口径に等しい。

「φ１」は、縮小側レンズ系の「最も縮小側の面から、最も開口絞り側の面へ通過する光束」が、画像形成領域の短辺方向と平行な方向（Ｙ方向）において最も太くなるときの光束太さである。

「φ１’」は、拡大側レンズ系の「最も開口絞り側の面から、最も拡大側の面へ通過する光束」が、画像形成領域の短辺方向（Ｙ方向）と平行な方向において最も太くなるときの光束太さである。

条件（１）は、縮小側レンズ系に含まれるメニスカス形状レンズのパワーを規制する。

即ち、縮小側レンズ系に含まれ、条件（１）を満足するメニスカス形状レンズのパワーは「弱い正」となる。

縮小側レンズ系に含まれるメニスカス形状レンズは、条件（１）を満足することにより「球面収差の良好な補正」を可能とする。

条件（１）の範囲外では、縮小側レンズ系に含まれるメニスカス形状レンズのパワーが球面主査の補正のためには「過剰に大きくまたは小さく」なる。

このため、縮小側レンズ系に含まれるメニスカス形状レンズの球面収差補正機能を有効に発揮させることが難しい。

条件（２）は、拡大側レンズ系に含まれるメニスカス形状レンズのパワーを規制する。

拡大側レンズ系に含まれるメニスカス形状レンズが条件（２）を満足するとき、該メニスカス形状レンズのパワーは「弱い正または弱い負」となる。

拡大側レンズ系に含まれるメニスカス形状レンズは、条件（２）を満足することにより「像面湾曲の良好な補正」を可能とする。

条件（２）の範囲外では、拡大側レンズ系に含まれるメニスカス形状レンズのパワーが像面湾曲の補正のために「過剰に大きくまたは小さく」なる。

このため、拡大側レンズ系に含まれるメニスカス形状レンズの像面湾曲補正機能を有効に発揮させることが難しい。

条件（１）と（２）とが満足されると、投射光学系の球面収差と像面湾曲の良好な補正が容易となる。

条件（３）は、縮小側レンズ系の「球面収差補正機能」を良好にできる条件であり、球面収差は、上限を超えると補正過剰となり易く、下限を超えると補正不足となり易い。

条件（４）は、拡大側レンズ系の「像面湾曲補正機能」を良好にできる条件であり、像面湾曲は、上限を超えると補正過剰となり易く、下限を超えると補正不足となり易い。

従って、条件（１）〜（４）を満足する投射光学系は、球面収差と像面湾曲を良好に補正可能である。

このように、条件（１）〜（４）を満足する投射用ズームレンズは、開口絞りよりも縮小側が球面収差補正機能を持ち、拡大側が像面湾曲補正機能を持つ。

屈折光学系２は、縮小側から拡大側へ向かって順次、正・正・負・負の屈折力を持つ４つのレンズ群で構成し、全体として正の屈折力を有することができる。

そして、フォーカス時に拡大側の３つのレンズ群が、屈折光学系の光軸方向に移動することができる。このような４レンズ群構成により、諸収差の良好な補正が可能となる。

図２は、画像表示装置（プロジェクタ）の構成を説明するための図である。繁雑を避けるため、図１と符号を共通化している。

図２に示すプロジェクタ２００は装置内部に、投射光学系１００とともに、画像表示素子１を照明する照明部１０１や、各種回路部１０２を備える。

また、結像光束が射出する位置には防塵ガラス１０３が配備されている。

各種回路部１０２により、画像表示素子１の画像形成領域に表示された画像は、照明光学系１０１により照明される。

上記画像による反射光は、屈折光学系２と反射光学系３により、防塵ガラス１０３を介してスクリーンＳ上に拡大投射される。

投射光学系１００としては、この発明の投射光学系、具体的には後述の実施例１ないし４の何れかのものを好適に用いることができる。

以下、投射光学系の具体的な実施例を４例挙げる。

各実施例における記号の意味は下記の通りである。

ｒ：曲率半径
ｄ：面間隔
ｎｄ：ｄ線の屈折率
νｄ：ｄ線のアッベ数 。

非球面の形状は、周知の次式で特定する。

Ｘ＝(１／Ｒ)×Ｙ^２／[１＋√{１−(１＋Ｋ)(Ｙ／Ｒ)^２}]
＋Ａ４×Ｙ^４+Ａ６×Ｙ^６+Ａ８×Ｙ^８+Ａ１０×Ｙ¹⁰+Ａ１２×Ｙ¹²+Ａ１４×Ｙ¹⁴
ここで、Ｘ、Ｙ、Ｒ、Ｋ、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、Ａ１２、Ａ１４は、以下の量を表す。

Ｙ：光軸からの高さ
Ｘ：光軸から高さＹにおける非球面の「非球面頂点における接平面」からの距離
Ｒ：非球面の近軸曲率半径
Ｋ：円錐定数
Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、Ａ１２、Ａ１４：非球面係数 。

「実施例１」
実施例１の構成図を図３に示す。

図３に示すように、屈折光学系２は４つのレンズ群から構成されている。

即ち、画像表示素子１の側から第１レンズ群２Ａ−Ｉ、第２レンズ群２Ｂ−Ｉ、第３レンズ群２Ｃ−Ｉ、第４レンズ群２Ｄ−Ｉにより構成されている。

第１レンズ群２Ａ−Ｉは、縮小側から拡大側へ向かって、第１レンズ〜第７レンズを配してなり、正のパワーを持ち、開口絞りＳＴを有する。

第２レンズ群２Ｂ−Ｉは、縮小側から拡大側へ向かって、第８レンズ〜第１０レンズを配してなり、正のパワーを持つ。

第３レンズ群２Ｃ−Ｉは、縮小側から拡大側へ向かって、第１１レンズと第１２レンズを配してなり、負のパワーを持つ。

第４レンズ群２Ｄ−Ｉは、第１３レンズにより構成され、負のパワーを持つ。
第１レンズ群２Ａ―Ｉは固定群であり、第２レンズ群２Ｂ−Ｉと第３レンズ群２Ｃ−Ｉと第４レンズ群２Ｄ−Ｉはフォーカス群である。
フォーカシング時には、フォーカス群を構成する各レンズ群は、何れも、近距離側から遠距離側にかけて、画像表示素子１から遠ざかる方向（Ｚ方向の正の向き）に移動する。

反射光学系は１枚の非球面の凹面ミラー３−Ｉにより構成されている。

実施例１においては、入射側の曲率半径と出射側の曲率半径が略等しいメニスカス形状レンズは、開口絞りＳＴの縮小側に１枚、拡大側に２枚用いられている。

何れも、破線で囲んだレンズがメニスカス形状レンズである。

開口絞りＳＴの縮小側のメニスカス形状レンズは、第１レンズ群２Ａ−Ｉの第１レンズである。

拡大側のメニスカス形状レンズは、第２レンズ群２Ｂ−Ｉの第９レンズと、第３レンズ群２Ｃ−Ｉの第１２レンズである。

第１レンズ群２Ａ−Ｉの第１レンズは「縮小側に凸面を向けた正のパワーを持つメニスカス形状レンズ」である。

第２レンズ群２Ｂ−Ｉの第９レンズは「縮小側に凸面を向けた正のパワーを持つメニスカス形状レンズ」である。

第３レンズ群２Ｃ−Ｉの第１２レンズは「縮小側に凹面を向けた正のパワーを持つメニスカス形状レンズ」である。

これらのメニスカス形状レンズを用いることにより、諸収差を良好に補正可能とし、画面全体に亘り良好な結像性能が得られている。

画像表示素子１における画像形成領域のサイズと「画素サイズ」、画素表示領域の位置に関するデータ（「画像形成領域データ」と言う。）は、以下の通りである。

「画像形成領域データ」
画素サイズ：１０．８μｍ×１０．９μｍ
横方向（Ｘ方向）の長さ：１３．８２４ｍｍ
縦方向（Ｙ方向）の長さ：８．６４ｍｍ
画像形成領域の下端縁部と屈折光学系の光軸との距離：１．３０ｍｍ 。

「画像形成領域の下端縁部」は、図３で「Ｙ方向における画像形成領域の下端部」である。

上に示した画像形成領域データでは「画像形成領域が横長で、対角線長が０．６５インチ」である。

非球面の凹面ミラー３−Ｉの面頂点の位置は、図３に示すＺＹ断面において、画像形成領域を含む平面と光軸との交点を（Ｚ＝０，Ｙ＝０）として、（Ｚ＝３００．０，Ｙ＝０）の位置である。

実施例１の投射光学系のデータを図４に示す。
面番号１と２は、画像表示素子の画像形成領域に設けられたカバーガラスの両面であり、面番号３１が非球面の凹面ミラー３−Ｉの反射面である。

ｄ１７、ｄ２３、ｄ２７、ｄ２９、ｄ３１はフォーカシングにより変化する面間隔（可変間隔）であり、これらを「近距離側」、「基準」、「遠距離側」について図５に示す。

「非球面データ」
非球面のデータを図６に示す。

図６の表記において、例えば「1.26071Ｅ−06」は「1.26071×10⁻⁶」を意味する。以下においても同様である。

図７のように、画像形成領域に２５個の位置（以下「画角」と言う。）を設定し、これら２５個の位置にある画素を発光させた。

そして、これら２５画素の投射光学系による拡大画像をスクリーンに投射した。

このように投射された「各画素の拡大画像の径」のＲＭＳ（ルートミーンスクエア）を「スポット径」と呼ぶ。

図８は、実施例１の投射光学系により結像された画素像のスポット径（図中に「ＲＭＳスポット径」と表示されている。）を計算した結果である。

図８の上段左図は、近距離（６０インチ）におけるスポット径を画角番号１〜２５について示している。

図８の上段右図は、基準（９０インチ）におけるスポット径を画角番号１〜２５について示している。

図８の下段の図は、遠距離（１２０インチ）におけるスポット径を画角番号１〜２５について示している。

スクリーン上での１画素は６０インチで約１．０ｍｍ、９０インチで約１．５ｍｍ、１２０インチで約２．０ｍｍである。

各画角におけるスポット径が「スクリーン上の１画素以内の大きさ」であれば、良好な結像性能が得られていると判断できる。

図８に示すように、近距離、基準、遠距離の各々において、スクリーン上のスポット径が非常に小さく、良好な結像性能が得られている。

「実施例２」
実施例２の投射光学系の構成を図９に示す。

屈折光学系２は、縮小側から拡大側へ向かって、第１レンズ系２Ａ−ＩＩ、第２レンズ系２Ｂ−ＩＩ、第３レンズ系２Ｃ−ＩＩ、第４レンズ系２Ｄ−ＩＩを配してなる。
第１レンズ系２Ａ−ＩＩは、縮小側から拡大側へ向かって第１レンズ〜第７レンズを配してなり、正のパワーを持ち、開口絞りＳＴを有する。

第２レンズ群２Ｂ−ＩＩは、縮小側から拡大側へ向かって第８レンズ〜第１０レンズを配してなり、正のパワーを持つ。

第３レンズ群２Ｃ−ＩＩは、縮小側から拡大側へ向かって第１１レンズと第１２レンズを配してなり、負のパワーを持つ。

第４レンズ群２Ｄ−ＩＩは、第１３レンズによる１枚構成であり、負のパワーを持つ。

第１レンズ群２Ａ―ＩＩは固定群であり、第２レンズ群２Ｂ−ＩＩ、第３レンズ群２Ｃ−ＩＩ、第４レンズ群２Ｄ−ＩＩはフォーカス群である。
フォーカス群を構成する各レンズ群は何れも「近距離側から遠距離側にかけて、画像表示素子１から遠ざかる方向」へ移動する。
開口絞りＳＴの縮小側のメニスカス形状レンズは、第１レンズ群２Ａ−ＩＩの第１レンズ、拡大側のメニスカス形状レンズは、第２レンズ群２Ｂ−ＩＩの第９レンズである。

第１レンズ群２Ａ−ＩＩの第１レンズは「縮小側に凸面を向けた正のパワーを持つメニスカス形状レンズ」である。

第２レンズ群２Ｂ−ＩＩの第９レンズは「縮小側に凸面を向けた負のパワーを持つメニスカス形状レンズ」である。

これらのメニスカス形状レンズを用いることにより、諸収差を良好に補正可能とし、画面全体に亘り良好な結像性能が得られている。

非球面の凹面ミラー３−ＩＩの面頂点の位置は、図９に示すように、ＺＹ面において、画像表示素子１の画像形成領域を含む平面と光軸との交点を（Ｚ＝０，Ｙ＝０）としたとき、（Ｚ＝３００．０，Ｙ＝０）の位置である。

実施例２の投射光学系のデータを図１０に示す。

面番号１と２は、画像表示素子の画像形成領域に設けられたカバーガラスの両面であり、面番号３１が非球面の凹面ミラーの反射面である。

ｄ１７、ｄ２３、ｄ２７、ｄ２９、ｄ３１はフォーカシングにより変化する面間隔であり、これらを「近距離側」、「基準」、「遠距離側」について図１１に示す。

「非球面データ」
非球面のデータを図１２に示す。

「画像形成領域データ」は、実施例１におけると同一である。

このとき、図７に示す実施例１と全く同様に、画像形成領域に２５画角を設定し、スクリーン上における拡大画素像のスポット径を算出したものを図８に倣って図１３に示す。

図１３に示すように、スクリーン上の各画サイズに対し、各画角におけるスポット径が非常に小さく、良好な結像性能が得られている。

「実施例３」
実施例３の投射光学系の構成を図１４に示す。

屈折光学系２は、縮小側から拡大側へ向かい、第１レンズ系２Ａ−ＩＩＩ、第２レンズ系２Ｂ−ＩＩＩ、第３レンズ系２Ｃ−ＩＩＩ、第４レンズ系２Ｄ−ＩＩＩを配してなる。 第１レンズ系２Ａ−ＩＩＩは、縮小側から拡大側へ向かって第１レンズ〜第７レンズを配してなり、正のパワーを持ち、開口絞りＳＴを有する。

第２レンズ群２Ｂ−ＩＩＩは、縮小側から拡大側へ向かって第８レンズ〜第１０レンズを配してなり、正のパワーを持つ。

第３レンズ群２Ｃ−ＩＩＩは、縮小側から拡大側へ向かって第１１レンズと第１２レンズを配してなり、負のパワーを持つ。

第４レンズ群２Ｄ−ＩＩＩは、第１３レンズによる１枚構成で、負のパワーを持つ。

第１レンズ群２Ａ―ＩＩＩは固定群で、第２レンズ群２Ｂ−ＩＩＩ、第３レンズ群２Ｃ−ＩＩＩ、第４レンズ群２Ｄ−ＩＩＩはフォーカス群である。
フォーカス群を構成する各レンズ群は何れも「近距離側から遠距離側にかけて、画像表示素子１から遠ざかる方向」へ移動する。
開口絞りＳＴの縮小側のメニスカス形状レンズは、第１レンズ群２Ａ−ＩＩＩの第１レンズであり、拡大側のメニスカス形状レンズは、第２レンズ群２Ｂ−ＩＩＩの第９レンズである。

第１レンズ群２Ａ−ＩＩＩの第１レンズは「縮小側に凸面を向けた正のパワーを持つメニスカス形状レンズ」である。

第２レンズ群２Ｂ−ＩＩの第９レンズは「縮小側に凸面を向けた正のパワーを持つメニスカス形状レンズ」である。

これらのメニスカス形状レンズを用いることにより、諸収差を良好に補正可能とし、画面全体に亘り良好な結像性能が得られている。

非球面の凹面ミラー３−ＩＩＩの面頂点の位置は、図１４に示すように、画像形成領域を含む平面と光軸との交点を（Ｚ＝０，Ｙ＝０）としたとき、（Ｚ＝３００．０，Ｙ＝０）の位置である。

実施例３の投射光学系のデータを図１５に示す。

面番号１と２は、画像表示素子の画像形成領域に設けられたカバーガラスの両面であり、面番号３１が非球面の凹面ミラーの反射面である。

ｄ１７、ｄ２３、ｄ２７、ｄ２９、ｄ３１はフォーカシングにより変化する面間隔であり、これらを「近距離側」、「基準」、「遠距離側」について図１６に示す。

「非球面データ」
非球面のデータを図１７に示す。

「画像形成領域データ」は、実施例１におけると同一である。

このとき、実施例１と全く同様に、画像形成領域に２５画角を設定し、スクリーン上における拡大画素像のスポット径を算出したものを図８に倣って、図１８に示す。

図１８に示すように、スクリーン上の各画サイズに対し、各画角におけるスポット径が非常に小さく、良好な結像性能が得られている。

「実施例４」
実施例４の投射光学系の構成を図１９に示す。

屈折光学系２は、縮小側から拡大側へ向かい、第１レンズ系２Ａ−ＩＶ、第２レンズ系２Ｂ−ＩＶ、第３レンズ系２Ｃ−ＩＶ、第４レンズ系２Ｄ−ＩＶを配してなる。
第１レンズ系２Ａ−ＩＶは、縮小側から拡大側へ向かって第１レンズ〜第７レンズを配してなり、正のパワーを持ち、開口絞りＳＴを有する。

第２レンズ群２Ｂ−ＩＶは、縮小側から拡大側へ向かって第８レンズ〜第１０レンズを配してなり、正のパワーを持つ。

第３レンズ群２Ｃ−ＩＶは、縮小側から拡大側へ向かって第１１レンズと第１２レンズを配してなり、負のパワーを持つ。

第４レンズ群２Ｄ−ＩＶは、第１３レンズによる１枚構成で、負のパワーを持つ。

第１レンズ群２Ａ―ＩＶは固定群であり、第２レンズ群２Ｂ−ＩＶ、第３レンズ群２Ｃ−ＩＶ、第４レンズ群２Ｄ−ＩＶはフォーカス群である。
フォーカス群を構成する各レンズ群は何れも「近距離側から遠距離側にかけて、画像表示素子１から遠ざかる方向」へ移動する。
開口絞りＳＴの縮小側のメニスカス形状レンズは、第１レンズ群２Ａ−ＩＶの第１レンズで、拡大側のメニスカス形状レンズは、第２レンズ群２Ｂ−ＩＶの第９レンズである。

第１レンズ群２Ａ−ＩＶの第１レンズは「縮小側に凸面を向けた正のパワーを持つメニスカス形状レンズ」である。

第２レンズ群２Ｂ−ＩＶの第９レンズは「縮小側に凹面を向けた正のパワーを持つメニスカス形状レンズ」である。

これらのメニスカス形状レンズを用いることにより、諸収差を良好に補正可能とし、画面全体に亘り良好な結像性能が得られている。

非球面の凹面ミラー３−ＩＶの面頂点の位置は、図１９に示すように、画像形成領域を含む平面と光軸との交点を（Ｚ＝０，Ｙ＝０）としたとき、（Ｚ＝３００．０，Ｙ＝０）の位置である。

実施例４の投射光学系のデータを図２０に示す。

面番号１と２は、画像表示素子の画像形成領域に設けられたカバーガラスの両面であり、面番号３１が非球面の凹面ミラーの反射面である。

ｄ１７、ｄ２３、ｄ２７、ｄ２９、ｄ３１はフォーカシングにより変化する面間隔であり、これらを「近距離側」、「基準」、「遠距離側」について図２１に示す。

「非球面データ」
非球面のデータを図２２に示す。

「画像形成領域データ」は、実施例１におけると同一である。

このとき、実施例１と全く同様に、画像形成領域に２５画角を設定し、スクリーン上における拡大画素像のスポット径を算出したものを図８に倣って、図２３に示す。

図２３に示すように、スクリーン上の各画サイズに対し、各画角におけるスポット径が非常に小さく、良好な結像性能が得られている。

図２４に、実施例１〜実施例４における条件（１）〜（４）のパラメータの値を示す。実施例１〜４の投射光学系とも、条件（１）〜（４）を満足している。

図２４において、「Ｌ１Ｒ１」は第１レンズ群の第１レンズの縮小側面の曲率半径、「Ｌ１Ｒ２」は、この第１レンズの拡大側面の曲率半径である。

また、「Ｌ９Ｒ１」は第２レンズ群の第９レンズの縮小側面の曲率半径、「Ｌ９Ｒ２」は、この第９レンズの拡大側面の曲率半径である。

「Ｌ１２Ｒ１」は第３レンズ群の第１２レンズの縮小側面の曲率半径、「Ｌ１２Ｒ２」は、この第１２レンズの拡大側面の曲率半径である。

実施例１〜実施例４として示した投射光学系は、画像表示素子１に表示された画像をスクリーン上に、拡大画像として拡大投射する投射光学系である。

この投射光学系は、縮小側から拡大側へ向かって順次、屈折光学系２と反射光学系３とを配してなり、屈折光学系２は開口絞りＳＴを有する。

屈折光学系２の開口絞りＳＴの縮小側および拡大側に、入射側面の曲率半径と射出側面の曲率半径が略等しいメニスカス形状のレンズを少なくとも１枚有する。

開口絞りＳＴの縮小側に、入射側面の曲率半径と射出側面の曲率半径が略等しいメニスカス形状のレンズが少なくとも１枚配置され、このレンズは条件（１）を満足する。

開口絞りＳＴの拡大側に、射側面の曲率半径と射出側面の曲率半径が略等しいメニスカス形状のレンズが少なくとも１枚配置され、このレンズは、条件（２）を満足する。

また、実施例１〜実施例４の投射光学系は、何れも、条件（３）、（４）を満足する。

実施例１〜実施例４の投射光学系は何れも、縮小側から拡大側へ向かって順次、正・正・負・負の屈折力を持つ４つのレンズ群から構成されて全体として正の屈折力を有する。

そして、フォーカス時には「拡大側の３つのレンズ群」が屈折光学系の光軸方向に移動する。

実施例１〜４において「画素形成領域データ」は同一とした。即ち、画素形成領域は横長で対角長：０．６５インチとしたが、これに限られないことは言うまでもない。

例えば、対角線長さで０．５５インチの横長形状の画像形成領域を持つ画像表示素子を用いてもよい。

また、実施例１〜実施例４において、画像表示素子１としてはＤＭＤを想定しているが、勿論これに限られること無く、透過型や反射型の液晶パネルを用いることもできる。

「画像形成領域データ」において、「画像形成領域の下端縁部と屈折光学系の光軸との距離」を１．３０ｍｍとしたが、勿論、これも設計に応じて適宜に設定できる。

実施例１〜実施例４において、開口絞りＳＴの縮小側のメニスカス形状レンズは、何れも第１レンズ群の第１レンズである。

第１レンズの形状は、実施例１のように「縮小側に凸面を向けた形状」でもよいし、実施例４のように「縮小側に凹面を向けた形状」でもよい。
また、第２レンズ群の第９レンズは、実施例１〜４において「メニスカス形状レンズ」であり、凹面を拡大側に向けているが、これに限らず「凹面を縮小側に向けた」ものとすることもできる。

また、メニスカス形状レンズは、実施例１〜４のもののように「１枚のレンズ」で構成されるものに限らない。

２枚以上のレンズを貼り合わせて、その入射側の曲率半径（最も縮小側の曲率半径）と射出側の曲率半径（最も拡大側の曲率半径）が略等しくなるような形状でもよい。

このような場合、張り合わせレンズの「貼り合わせ面」の曲率半径は任意である。

若干付言すると、屈折光学系のみで「超広角の投射光学系」を構成する場合、画像形成領域から屈折光学系のレンズ先端までの距離：ＯＡＬ(Ｌ)、全系の焦点距離：Ｆ(Ｌ)の比：ＯＡＬ(Ｌ)／Ｆ(Ｌ)は、どんなに広角でも２０〜３０程度である。

この発明の投射光学系では、画像形成領域から反射光学系のミラー端までの距離：ＯＡＬ(Ｌ＋Ｍ)は３００ｍｍ程度、全系の焦点距離：Ｆ(Ｌ＋Ｍ)は３．４ｍｍ程度である。

従って、これらの比：ＯＡＬ(Ｌ＋Ｍ)／Ｆ(Ｌ＋Ｍ)は９０程度となり、より高度な収差補正が求められる。

この発明のように、入射側の曲率半径と出射側の曲率半径が略等しいメニスカス形状レンズを、投射光学系内に配置し、配置位置を最適化することにより、諸収差を良好に補正することが可能となる。

１ 画像表示素子
２ 屈折光学系
３ 反射光学系
ＳＴ 開口絞り

特許第４３９６７６９号 特許第４２２３９３６号 特開２０１２−０１４１２６号

Claims (7)

1. 画像表示素子に表示された画像をスクリーン上に、拡大画像として拡大投射する投射光学系であって、
   縮小側から拡大側へ向かって順次、屈折光学系と反射光学系とを配してなり、
   前記屈折光学系は開口絞りを有し、
   前記屈折光学系の前記開口絞りの縮小側および拡大側の少なくとも一方に、入射側面の曲率半径と射出側面の曲率半径が略等しいメニスカス形状のレンズを少なくとも１枚有することを特徴とする投射光学系。
2. 請求項１記載の投射光学系において、
   開口絞りの縮小側に、入射側面の曲率半径と射出側面の曲率半径が略等しいメニスカス形状のレンズが少なくとも１枚配置され、
   該少なくとも１枚のメニスカス形状のレンズの、縮小側レンズ面の曲率半径：Ｒ１、拡大側レンズ面の曲率半径：Ｒ２が、条件：
   （１） １．００ ＜ Ｒ１／Ｒ２ ＜ １．０６
   を満足することを特徴とする投射光学系。
3. 請求項１または２記載の投射光学系において、
   開口絞りの拡大側に、射側面の曲率半径と射出側面の曲率半径が略等しいメニスカス形状のレンズが少なくとも１枚配置され、
   該少なくとも１枚のメニスカス形状のレンズの、縮小側レンズ面の曲率半径：Ｒ１’、拡大側レンズ面の曲率半径：Ｒ２’が、条件：
   （２） ０．９４ ＜ Ｒ１’／Ｒ２’ ＜ １．０８
   を満足することを特徴とする投射光学系。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の投射光学系において、
   画像表示素子の画像形成領域が長方形形状であり、
   屈折光学系の、開口絞りより縮小側にある全レンズの、最も縮小側の面から、最も開口絞り側の面へ通過する光束が、前記長方形形状の短辺方向と平行な方向において最も太くなるときの光束太さをφ１、前記開口絞りを通過する光束太さをφｓとするとき、
   これらφ１、φｓが、条件：
   （３） １．０２ ＜ φ１／φs ＜ １．１１
   を満足することを特徴とする投射光学系。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の投射光学系において、
   画像表示素子の画像形成領域が長方形形状であり、
   屈折光学系の、開口絞りより拡大側にある全レンズの、最も開口絞り側の面から、最も拡大側の面へ通過する光束が、前記長方形形状の短辺方向と平行な方向において最も太くなるときの光束太さをφ１’、前記開口絞りを通過する光束太さをφｓとするとき、
   これらφ１’、φｓが、条件：
   （４） １．１５ ＜ φ１’／φs ＜ １．２８
   を満足することを特徴とする投射光学系。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の投射光学系において、
   屈折光学系は、縮小側から拡大側へ向かって順次、正・正・負・負の屈折力を持つ４つのレンズ群から構成されて全体として正の屈折力を有し、
   フォーカス時に拡大側の３つのレンズ群が屈折光学系の光軸方向に移動することを特徴とする投射光学系。
7. 画像表示素子に表示された画像をスクリーン上に、拡大画像として拡大投射して表示する画像表示装置において、
   画像表示素子に表示された画像をスクリーン上に、拡大画像として拡大投射する投射光学系として、請求項１乃至６の何れか１項に記載の投射光学系を有することを特徴とする画像表示装置。

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