JP2015125293A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】３レンズ群構成の屈折光学系と凹面鏡を組み合わせた新規な投射光学系を用い、コンパクト・高性能で短い投射距離が可能な画像表示装置を提供する。【解決手段】投射光学系１００が、屈折光学系Ｌと凹面鏡Ｍと、を有し、屈折光学系は、拡大側から順次、負の第１レンズ群ＬI、第２レンズ群ＬII、正の第３レンズ群ＬIIIを配してなり、全体として正の屈折力を有し、フォーカシングに際して第１及び第２レンズ群が光軸方向に変位し、第３レンズ群が固定され、凹面鏡Ｍは、回転対称で、回転対称軸を前記屈折光学系の光軸に合致させて配置され、基準投射時における全系の焦点距離をｆ、第１、第２レンズ群の焦点距離をｆ１、ｆ２、第３レンズ群のｅ線に対する焦点距離：ｆ３が、条件：−５６．０＜ｆ１／ｆ＜−２５．０、−４８０．０＜ｆ２／ｆ＜−２１０．０、７．０＜ｆ３／ｆ＜１１．５を満足する。【選択図】図２

Description

この発明は、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種々知られている。

このような投射光学系で、自由曲面を用いて良好な光学性能を実現することが知られているが、自由曲面を持つ光学素子の使用は投射光学系のコスト高を招来し易い。

また、投射光学系を用いるプロジェクタの小型化に対する要望も強い。
自由曲面を用いず、「凹面鏡と３レンズ群構成のレンズ系を組み合わせた投射光学系」が提案されている（特許文献１、２）。

この発明は、凹面鏡と３レンズ群構成の屈折光学系とを組み合わせた新規な投射光学系を用い、コンパクト・高性能で短い投射距離が可能な画像表示装置の実現を課題とする。

この発明の画像表示装置は、画像表示素子の画像表示面に表示された画像をスクリーンに、拡大画像として拡大投射する画像表示装置であって、画像表示素子の画像表示面に表示された画像を、スクリーンに拡大画像として投射する投射光学系は、縮小側に配置される屈折光学系と、該屈折光学系の拡大側に配置される凹面鏡と、を有し、前記屈折光学系は、拡大側から縮小側へ向かって順次、負の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群を配してなり、全体として正の屈折力を有し、フォーカシングに際して、第１及び第２レンズ群が光軸方向に変位し、第３レンズ群が固定され、前記凹面鏡は、反射面の形状が回転対称で、回転対称軸を前記屈折光学系の光軸に合致させて配置され、基準投射時における全系のｅ線に対する焦点距離：ｆ（＞０）、第１レンズ群のｅ線に対する焦点距離：ｆ１（＜０）、第２レンズ群のｅ線に対する焦点距離：ｆ２（＜０）、第３レンズ群のｅ線に対する焦点距離：ｆ３（＞０）が、条件：
（１） −５６．０ ＜ ｆ１／ｆ ＜ −２５．０
（２）−４８０．０ ＜ ｆ２／ｆ ＜ −２１０．０
（３） ７．０ ＜ ｆ３／ｆ ＜ １１．５
を満足するものであることを特徴とする。

この発明によれば、コンパクト且つ高性能で、投射距離が短い、新規な画像表示装置の実現が可能である。

画像表示装置の実施の１形態を説明する図である。 図１の画像表示装置に用いられる投射光学系の構成を説明する図である。 実施例１の投射光学系を説明するための図である。 画像表示素子の画像表示面のデータを示す図である。 実施例１の投射光学系のデータを示す図である。 実施例１の投射光学系のフォーカシングのデータを示す図である。 実施例１の投射光学系の非球面データを示す図である。 実施例１の投射光学系を用いる画像表示装置の防塵ガラスの態位を示す図である。 ＲＭＳスポット径を採取する１連の画素を説明するための図である。 図９に示す各画素に対する実施例１の投射光学系によるＲＭＳスポット径を示す図である。 実施例２の投射光学系を説明するための図である。 画像表示素子の画像表示面のデータを示す図である。 実施例２の投射光学系のデータを示す図である。 実施例２の投射光学系のフォーカシングのデータを示す図である。 実施例２の投射光学系の非球面データを示す図である。 実施例２の投射光学系を用いる画像表示装置の防塵ガラスの態位を示す図である。 ＲＭＳスポット径を採取する１連の画素を説明するための図である。 図１７に示す各画素に対する実施例２の投射光学系によるＲＭＳスポット径を示す図である。 実施例３の投射光学系を説明するための図である。 画像表示素子の画像表示面のデータを示す図である。 実施例３の投射光学系のデータを示す図である。 実施例３の投射光学系のフォーカシングのデータを示す図である。 実施例３の投射光学系の非球面データを示す図である。 実施例３の投射光学系を用いる画像表示装置の防塵ガラスの態位を示す図である。 ＲＭＳスポット径を採取する１連の画素を説明するための図である。 図２５に示す各画素に対する実施例３の投射光学系によるＲＭＳスポット径を示す図である。 実施例４の投射光学系を説明するための図である。 画像表示素子の画像表示面のデータを示す図である。 実施例４の投射光学系のデータを示す図である。 実施例４の投射光学系のフォーカシングのデータを示す図である。 実施例４の投射光学系の非球面データを示す図である。 実施例４の投射光学系を用いる画像表示装置の防塵ガラスの態位を示す図である。 ＲＭＳスポット径を採取する１連の画素を説明するための図である。 図３３に示す各画素に対する実施例４の投射光学系によるＲＭＳスポット径を示す図である。 実施例１〜４の投射光学系の条件のパラメータの値を示す図である。

図１は、この発明の投射光学系を搭載した画像表示装置の１形態を説明図的に示す図である。
図１において、符号２００は「画像表示装置」、符号１は「画像表示素子」、符号１００は「投射光学系」を示す。

また、符号１０１は「照明装置」、符号１０２は「制御部」を示し、符号１０３は「防塵ガラス」を示す。

図１に示すように、画像表示装置２００は、投射光学系１００を備える。

画像表示装置２００はケーシング内部に、投射光学系１００とともに、画像表示素子１の画像表示面を照明するための照明装置１０１、制御部１０２を備える。
制御部１０２は、画像表示素子１を制御して、拡大投射されるべき画像を画像表示面に表示する。

制御部１０２はまた、照明装置１０１を制御して、画像表示素子１の画像表示面の照明を行う。

防塵ガラス１０３は平行平板ガラスで構成され、画像表示装置２００のケーシング内部を防塵し、投射光学系１００による投射光束を射出させる。

画像表示素子１としては、公知の適宜のもの、例えば、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）や「透過型や反射型の液晶パネル」を用いることができる。

これらは、画像表示面が「発光機能」を持たないので、画像表示面は照明光により照明される必要があり、図１の実施の形態では照明装置１による照明が行われる。

画像表示素子として、２次元のＬＥＤアレイのような発光機能を持つものを用いる場合には、照明装置による照明は勿論不要である。

なお、図１に例示された画像表示素子１はＤＭＤであり、図には、画像表示面を保護する「カバーガラスの部分」のみが図示されている。
このカバーガラスの裏面側が「画像表示面」である。
図２は、図１に示した投射光学系１００を説明するための図である。
投射光学系１００は、画像表示素子１の「画像表示面に表示された画像」を、図示されないスクリーンに、拡大画像として拡大投射する投射光学系である。

投射光学系１００は、屈折光学系Ｌと、凹面鏡Ｍを有する。
画像表示素子１は、屈折光学系Ｌの縮小側（図の左方）に配置され、凹面鏡Ｍは、屈折光学系Ｌの拡大側（図の右方）に配置される。

即ち、投射光学系１００は、縮小側に配置される屈折光学系Ｌと、拡大側に配置される凹面鏡Ｍとを有する。

屈折光学系Ｌは、拡大側から縮小側へ向かって順次、第１レンズ群ＬI、第２レンズＬII、第３レンズ群ＬIIIを配してなる。なお、符号ＳＴは「開口絞り」を示す。

第１レンズ群ＬIと第２レンズ群ＬIIは共に「負の屈折力」を有し、第３レンズ群ＬIIIは「正の屈折力」を有する。

即ち、屈折光学系Ｌの屈折力配分は、拡大側から縮小側へ向かって「負・負・正」であり、屈折光学系Ｌは「全体として正の屈折力」を有する。

なお、以下において「屈折力」を「パワー」とも言う。

投射光学系１００は、「基準の投射距離」に対して近距離および遠距離の投射に合わせてフォーカシングが可能である。

フォーカシングに際しては、第３レンズ群ＬIIIが固定であり、第１レンズ群ＬIおよび第２レンズ群ＬIIが光軸方向へ変位する。

凹面鏡Ｍは、反射面の形状が回転対称で、回転対称軸を「屈折光学系Ｌの光軸（図中に「光軸」と記載されている。）」に合致させて配置されている。
凹面鏡Ｍも、フォーカシングに際して固定である。

従って、投射光学系は、最も縮小側の第３レンズ群ＬIIIと、最も拡大側の凹面鏡Ｍが固定されるので、近距離や遠距離へのフォーカシングに際して光学系全長は不変である。

投射光学系は、以下の条件（１）〜（３）を満足する。
（１） −５６．０ ＜ ｆ１／ｆ ＜ −２５．０
（２）−４８０．０ ＜ ｆ２／ｆ ＜ −２１０．０
（３） ７．０ ＜ ｆ３／ｆ ＜ １１．５ 。

これらの条件において、「ｆ」は、基準投射時における全系の焦点距離、「ｆ１」は、第１レンズ群ＬIの焦点距離、「ｆ２」は、第２レンズ群ＬIIの焦点距離、「ｆ３」は、第３レンズ群ＬIIIの焦点距離である。

これらの焦点距離：ｆ、ｆ１、ｆ２、ｆ３は何れも「ｅ線」に対する焦点距離である。

上記「基準投射時」は、「基準の投射距離」で投射が行なわれる状態を意味する。

全系の焦点距離：ｆは、勿論「屈折光学系Ｌと凹面鏡Ｍとを含めた投射光学系全体」の焦点距離である。

以下の説明のため、ここで、投射光学系の態位を特定する方向：Ｘ、Ｙ、Ｚを以下のように定める。

Ｚ方向は、屈折光学系Ｌの「光軸に平行な方向」である。Ｘ方向およびＹ方向は、Ｚ方向に直交し、且つ互いに直交する方向である。

凹面鏡Ｍの回転対称軸は、屈折光学系Ｌの光軸に合致しているので、以下では、光軸を「投射光学系の光軸」の意味でも、「凹面鏡の光軸」の意味でも用いる。

図２では、図示の如く、Ｙ方向は図の上下方向、Ｘ方向は図面に直交する方向である。

投射光学系１００により、スクリーン上に拡大投射される画像は、画像表示素子１の画像表示面に表示される。
この画像表示面は、屈折光学系に対し「光軸に直交する方向」へシフトされている。

Ｙ方向は、図１に示すように、画像表示素子１の「画像表示面がシフトされた方向」であり、画像表示面はＹ方向の「正の向き（図の上方）」にシフトしている。

画像表示面は、ＸＹ面に平行である。
画像表示面は、投射光学系の光軸に対して、Ｙ方向の正の向きに「完全にシフト」しており、投射光学系の光軸は「画像表示面外」を通る。

このように画像表示面が光軸に直交する方向へシフトしているので、投射光学系による結像は「斜光線」に対して行われる。

なお、図２に示すように、画像表示面は、画像表示素子１のＹ方向の上部にある領域である。上記の如くして、画像表示素子１と投射光学系Ｌの相対的な位置関係が定まる。

画像表示素子１の画像表示面は「長方形形状」で、長辺と短辺を有する。Ｙ方向は「短辺に平行」であり、Ｘ方向は「長辺に平行」である。

画像表示素子１の画像表示面に表示された長方形形状の画像は、投射光学系１００により、図示されないスクリーン上に拡大画像として拡大投射される。

スクリーンはＸＹ面に平行であり、このスクリーン上に「Ｘ方向を長手方向とする長方形形状の拡大画像」が投射されることになる。

上記の条件（１）〜（３）につき、説明する。
条件（１）〜（３）は、何れも、投射光学系のコンパクト性、高性能、短い投射距離を実現する条件である。

条件（１）は、投射光学系の全系の正のパワーと第１レンズ群の負のパワーが、適正にバランスする範囲を与えるものである。

条件（１）の下限を超えると、光の発散作用が弱まるので投射光学系を小型化することができるが、収差の補正不足により良好な光学性能の実現が困難になる。
条件（１）の上限を超えると、光の発散作用が強まるので投射光学系が大型化する。

条件（２）は、投射光学系の全系のパワーと第２レンズ群のパワーが、適正にバランスする範囲を与えるものである。

条件（２）の下限を超えると、光の発散作用が弱まるので投射光学系を小型化することができるが、収差の補正不足により良好な光学性能の実現が困難になる。
条件（２）の上限を超えると、光の発散作用が強まるので投射光学系は大型化する。

条件（３）は、投射光学系の全系のパワーと第３レンズ群のパワーが、適正にバランスする範囲を与えるものである。

条件（３）のパラメータは小さくなるほど、投射光学系全系に対する第３レンズ群の正のパワーが相対的に強くなる。

従って、条件（３）のパラメータが小さいほど、第３レンズ群による「結像光束の収束作用」が大きくなり、第２レンズ群、第３レンズ群の大径化を抑制でき、投射光学系の小型化に有利になる。

しかし、条件（３）の下限を超えると、上記収束作用が過大になり、投射光学系の収差が過剰補正となりやすく、良好な光学性能の実現が困難になる。

条件（３）の上限を超えるときは、第３レンズ群による「結像光束の収束作用」が小さくなり、投射光学系を有効に小型化することが困難になる。

条件（１）〜（３）を満足することにより、投射光学系の収差を良好に補正しつつ、投射光学系の小型化を図ることができる。

また、条件（１）〜（３）を満足することにより、投射光学系の焦点距離を短くでき、広画角による大面積の拡大画像の投射と、短い投射距離の実現が可能となる。

従って、条件（１）〜（３）を満足する投射光学系１００を用いることにより、コンパクト・高性能で、投射距離の短い画像表示装置を実現できる。

画像表示装置に用いられる投射光学系はまた、上記条件（１）〜（３）とともに、以下の条件（４）、（５）の少なくとも一方を満足するようにするのがよい。

（４） ５５．０ ＜ ＯＡＬ／ｆ ＜ ８９．０
（５） ０．００１ ＜ Ｄ／ＯＡＬ（Ｌ） ＜ ０．０３０ 。

条件（４）、（５）にいて、「ｆ」、「ＯＡＬ」、「Ｄ」、「ＯＡＬ（Ｌ）」の意味するところは以下の通りである。

「ｆ」は、前述の如く、基準投射時における全系の焦点距離である。

「ＯＡＬ」は、画像表示素子の画像表示面から凹面鏡の反射面までの、光軸上の距離である。

屈折光学系を構成する第１〜第３レンズ群は、フォーカシングに際して第３レンズ群が固定で、第１レンズ群と第２レンズ群は光軸方向に変位し、第２レンズ群と第３レンズ群との「光軸上の間隔」が変化する。

「Ｄ」は、このようにフォーカシングにより変化する「第２レンズ群と第３レンズ群の光軸上の間隔」が最小になったときの間隔（最小間隔）である。
図１に示す例で言えば、この最小間隔：Ｄは「最も近距離にフォーカシングしたとき」の間隔である。

「ＯＡＬ（Ｌ）」は、第２レンズ群と第３レンズ群の間隔が最小間隔：Ｄとなるときの、画像表示面から「最も凹面鏡側のレンズ面」までの光軸上の距離である。

「最も凹面鏡側のレンズ面」は、第１レンズ群の最も凹面鏡側のレンズ面である。

条件（４）は、投射光学系のコンパクト性と、投射光学系を用いる画像表示装置の組み立ての容易性に関する条件である。

条件（４）のパラメータは小さいほど「投射光学系の光軸方向のサイズ」は小さくなるので、投射光学系の小型化には有利である。

しかし、条件（４）の下限を超えると、屈折光学系と凹面鏡との間隔が短くなり、画像表示装置を構成する際に、レンズの保持部材やその他の機構部品を入れるスペースの確保が困難となり易い。

条件（４）の上限を超えると、投射光学系が大型化し易く、延いては画像表示装置も大型化し易い。

条件（５）は、投射光学系の光学性能と小型化を確保し易くするための条件である。

条件（５）のパラメータは、小さいほど投射光学系の小型化に有利であるが、下限を超えて小さくなると、各種収差が補正不足となりやすい。

条件（５）の上限を超えると、投射光学系の小型化が困難になり易い。

この発明の投射光学系は、上記条件（１）〜（３）を満足する範囲で、縦収差・横収差ともに良好な補正が可能であり、さらに、条件（４）、（５）の１以上が満足されることにより、更なる高性能化・小型化を図ることができる。

従って、条件（１）〜（３）とともに、条件（４）、（５）の１以上を満足する投射光学系を用いることにより、画像表示装置の更なる高性能化・小型化を図ることができる。

ここで、この発明の画像表示装置に用いる投射光学系の評価パラメータとしての「ＲＭＳスポット径」につき説明する。

「ＲＭＳスポット径」は、以下のように定義される。
画像表示素子における画像表示面の「任意の１つの画素」を光源とし、この光源に対する「投射光学系による像面上のスポットダイアグラム」を作成する。

スポットダイアグラムの作成に用いた光線数をＮとすると、これは通常２００〜３００本である。
スポットダイアグラムの中心は、前記「光源として用いた１画素」からの光が結像する「１画素に対するスポット像」の中心である。

スポットダイアグラムを構成する個々のスポットの上記中心からの距離をΔI（I＝１〜Ｎ）とする。

これら、Ｎ個のスポットの距離：ΔIの「２乗平均平方根（ルートミーンスクエア）」の２倍をもって「ＲＳＭスポット径」とする。

即ち、ＲＭＳスポット径を「ＲＭＳＤ」とすると、以下のように表される。

ＲＭＳＤ＝２√［（Σ{(ΔI)^２｝/Ｎ］ (和はIにつき、１からＮまで取る。)
ＲＭＳスポット径：ＲＭＳＤが増大する原因は、距離：ΔIの平均値の増大である。

従って、ＲＭＳスポット径の増大は、スクリーン上に拡大投射された拡大画像の「解像度あるいは精細性の低下」を意味する。

また、投射される画像がカラー画像である場合には、混色が生じ易くなる。

ＲＭＳスポット径：ＲＭＳＤは、画像表示面上の全ての画素について同一であることが理想であるが、実際には、画素に応じて異なる。

従って、画像表示面における複数（ｎ個）の定点を「基準の画素」として適宜に設定し、これらの基準の画素の各々についてＲＭＳスポット径を求める。

これらｎ個のＲＭＳＤのうちで最大のものを「ＲＭＳｍａｘ」とする。

そして、このＲＭＳｍａｘと、投射された拡大画像のサイズ：Ｓとにより、パラメータ：ＲＳＭｍａｘ／Ｓを作る。

ここで、ＲＳＭｍａｘは「ｍｍ単位」で表し、拡大画像のサイズ：Ｓは、拡大画像の対角線の長さを「インチ単位」で表したものである。

従って、パラメータ：ＲＳＭｍａｘ／Ｓは「単位を持たない数値」である。

パラメータ：ＲＳＭｍａｘ／Ｓは、条件：
（６） ＲＭＳｍａｘ／Ｓ＜０．０２０
を満足するのがよい。

条件（６）の上限を超えると、ＲＭＳスポット径が過大となり、投射光学系の高性能化が困難となる。

屈折光学系の第１レンズ群の「最も拡大側」に配置されたレンズは、少なくとも１面が「光軸直交方向へ３以上の変曲点を持つ非球面」であることが好ましい。

このような非球面を採用することにより「より良好な収差補正」が可能となる。

また、第１レンズ群の最も縮小側のレンズと、第２レンズ群の最も拡大側のレンズは、共に負の屈折力を持つことが好ましい。

このようにすると、これらのレンズを通過する光線の高さを高くでき、より良好な収差補正が可能である。

また、第２レンズ群の最も縮小側のレンズと、第３レンズ群の最も拡大側のレンズは、共に正の屈折力を持つことが好ましい。

このようにすると、これらレンズの集光作用を高めることができ、投射光学系の小型化が容易となる。

近距離への投射から遠距離への投射にフォーカシングするとき、第１、第２レンズ群は共に、画像表示素子から遠ざかる方向に移動するのが好ましい。

このようにすると「投射距離の変化に伴う性能劣化」を、より有効に軽減できる。

また、近距離への投射から遠距離への投射にフォーカシングするときの、第１レンズ群、第２レンズ群の変位量は、第２レンズ群の変位量が「より大きい」ことが好ましい。

このようにすることも、投射距離の変化に拘わらず、光学性能を維持するのに有効である。

以下、画像表示装置に用いられる投射光学系の具体的な実施例を４例、実施例１〜４として挙げる。
実施例１〜４とも、投射すべき画像を画像表示面に表示する画像表示素子としては、同一仕様の「ＤＭＤ」を想定している。

実施例の投射光学系に関する記号の意味は下記の通りである。

ｆ：基準投射時における、全系のｅ線に対する合成焦点距離
ｒ：曲率半径
ｄ：面間隔
ｎｄ：ｄ線に対する屈折率
νｄ：ｄ線のアッベ数 。

また、非球面は周知の次式で表す。
Ｘ＝（１／Ｒ）×Ｙ^２/［１＋√{１−(１＋Ｋ)(Ｙ／Ｒ)^２}］
＋Ａ４・Ｙ^４＋Ａ６・Ｙ^６＋Ａ８・Ｙ^８＋Ａ１０・Ｙ^１０＋Ａ１２・Ｙ^１２
＋Ａ１４・Ｙ^１４＋Ａ１６・Ｙ^１６ 。

上記式において、Ｘ、Ｙ、Ｒ、Ｋ、Ａ４〜Ａ１６の意味は以下の通りである。

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
Ｙ：光軸からの高さ
Ｒ：非球面の近軸曲率半径
Ｋ：円錐定数
Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、Ａ１２、Ａ１４、Ａ１６：非球面係数 。

「実施例１」
実施例１の投射光学系の構成図を図３に示す。

実施例１の投射光学系は屈折光学系Ｌ−Ａと凹面反射面Ｍ−Ａを有する。
屈折光学系Ｌ−Ａは、拡大側から縮小側へ、第１レンズ群ＬI−Ａ、第２レンズ群ＬII−Ａ、第３レンズ群ＬIII−Ａを配し、第３レンズ群ＬIII−Ａ内に、開口絞りＳＴを配してなり、全体として「正の屈折力」を有する。

第１レンズ群ＬI−Ａは３枚のレンズで構成されて「負の屈折力」を有する。
第２レンズ群ＬII―Ａは３枚のレンズで構成されて「負の屈折力」を有する。

第３レンズ群ＬIII−Ａは１０枚のレンズで構成されて「正の屈折力」を有する。

第１レンズ群ＬI―Ａと第２レンズ群ＬII―Ａとは、フォーカシングに際して移動するが、第３レンズ群ＬIII―Ａはフォーカス時にも固定である。
近距離投射から遠距離投射にフォーカシングする際、第１レンズ群ＬI―Ａと第２レンズ群ＬII―Ａは共に、画像表示素子１から遠ざかる方向（図の右方）へ移動する。

この移動量は、第２レンズ群ＬII―Ａのほうが第１レンズ群ＬI―Ａよりも大きい。

凹面鏡Ｍ−Ａは「光軸に関して回転対称な形状」の反射面を持つ。

反射面Ｍ−Ａの頂点の位置は、図３のＺＹ断面で、画像表示面を含む平面と光軸の交点を(Ｚ，Ｙ)＝(０，０)として、(Ｚ，Ｙ)＝(２６８．９８，０)の位置に固定される。

図４に、画像表示素子（図４には「ライトバルブ」と表示されている。）の画像表示面のデータを示す。データは以下の通りである。

画素サイズ：７．５６μｍ×７．５６μｍ
画像表示面の長辺方向（Ｘ方向）の長さ：１４．５１５２ｍｍ
画像表示面の短辺方向（Ｙ方向）の長さ：９．０７２ｍｍ
画像表示面のＹ方向下部の長辺と投射光学系の光軸とのＹ方向の距離：１．７０ｍｍ。

実施例１の投射光学系のデータを図５に示す。図５の最も左の欄は、物体面（画像表示面）側から、像面（スクリーン）側へ向かって、数えた面番号を表す。

面間隔：ｄ１９、ｄ２５、ｄ３１、ｄ３５は、フォーカシングに伴い変化する面間隔であり、第１レンズ群ＬI−Ａ、第２レンズ群ＬII−Ａが移動することにより変化する。

また、ｄ３５は、投射距離の変化により変化する。

これらの面間隔の投射距離による変化のデータを図６に示す。

図６に示すように「近距離側」は、投射された拡大画像のサイズが６０インチのときであり、「基準」は拡大画像のサイズが９０インチのときである。

また「遠距離側」は、投射画像のサイズが１２０インチのときである。

前述の「基準投射時」は、拡大画像のサイズが９０インチのときの投射状態である。

なお、投射画像のサイズは「対角線長」である。

実施例１の投射光学系の「非球面」のデータを図７に示す。

図８に示す「偏心量」は、防塵ガラス１０３の両面（図５における面番号３４、３５）の中心の「光軸からの距離（ｍｍ）」と、Ｙ方向からの傾き角：α（度）を示す。

偏心量をこのように定めることにより、防塵ガラスにより反射された「拡大画像の投射に寄与しない光」が屈折光学系等を照射して加熱することを防止できる。

図９は、ＲＭＳスポット径の採取を説明するための図である。

図９において、太い実線で囲った部分は「画像表示面の全領域（画像が表示される面積領域）」である。
縦軸に「ライトバルブ短辺方向（ｍｍ）」とあるのは、矩形形状の画像表示面の短辺方向の位置を「横軸として示す下方の長辺」を基準としてｍｍ単位で示している。

画像表示面の図における「左半分」に、２５個の画素Ｆ１〜Ｆ２５を、図の如く「格子状」に設定し、これら２５個の画素に対するＲＳＭスポット径を演算で求めた。

この演算結果を図１０に示す。
図１０は、投射された拡大画像の大きさ（対角線長 図中に「画面サイズ」と表示）が、６０インチと９０インチと１２０インチの場合について示している。

各図において、横軸は、前記画素Ｆ１〜Ｆ２５を表し、縦軸は各画素Ｆ１〜Ｆ２５に対するＲＳＭスポット径を「ｍｍ単位」で示している。

また、横軸に平行な「太い直線」は、拡大画像における「１画素のスポット径の理想の径」を示している。

画像表示面における１画素のサイズは、前述の如く７．５６μｍである。
従って、スクリーン上での１画素のスポット径は、拡大画像の大きさ：６０、９０、１２０インチに応じ、それぞれ、略０．６８ｍｍ、１．２０ｍｍ、１．３６ｍｍである。

画素Ｆ１〜Ｆ２５に対するＲＭＳスポット径が、上記拡大画像の１画素の「理想上のスポット径」の大きさ以内の大きさなら、良好な結像性能が得られていると評価できる。

画素Ｆ１〜Ｆ２５に対するＲＭＳスポット径は、略、拡大画像上における「１画素のスポット径」の大きさ以内の大きさで、良好な結像性能が得られている。

図１０に示すように、拡大画像の各サイズにおいて、画素Ｆ１〜Ｆ２５に対するＲＭＳスポット径は非常に小さく、良好な結像性能が得られている。

また、各「画面サイズ」におけるＲＭＳｍａｘの値を示している。
画面サイズ：６０インチではＲＭＳｍａｘ＝０．８３ｍｍである。

従って、ＲＭＳｍａｘ／Ｓ＝０．８３／６０＝０．０１３（＜０．０２）である。

画面サイズ：９０インチではＲＭＳｍａｘ＝１．０５ｍｍである。

従って、ＲＭＳｍａｘ／Ｓ＝１．０５／９０＝０．０１２（＜０．０２）である。

画面サイズ：１２０インチではＲＭＳｍａｘ＝１．４２ｍｍである。

従って、ＲＭＳｍａｘ／Ｓ＝１．４２／１２０＝０．０１２（＜０．０２）である。

従って、画素Ｆ１〜Ｆ２５に対して条件（６）が満足されている。

画素Ｆ１〜Ｆ２５は、画像表示面に均一に分布しているので、全ての画素について、条件（６）が満足されているものと推認できる。

「実施例２」
実施例２の投射光学系の構成図を図１１に示す。

実施例２の投射光学系は屈折光学系Ｌ−Ｂと凹面反射面Ｍ−Ｂを有する。
屈折光学系Ｌ−Ｂは、拡大側から縮小側へ、第１レンズ群ＬI−Ｂ、第２レンズ群ＬII−Ｂ、第３レンズ群ＬIII−Ｂを配し、第３レンズ群ＬIII−Ｂ内に、開口絞りＳＴを配してなり、全体として「正の屈折力」を有する。

第１レンズ群ＬI−Ｂは３枚のレンズで構成されて「負の屈折力」を有する。
第２レンズ群ＬII―Ｂは３枚のレンズで構成されて「負の屈折力」を有する。
第３レンズ群ＬIII−Ｂは１０枚のレンズで構成されて「正の屈折力」を有する。

第１レンズ群ＬI―Ｂと第２レンズ群ＬII―Ｂは、フォーカシングに際して移動するが、第３レンズ群ＬIII―Ｂはフォーカス時にも固定である。

近距離投射から遠距離投射にフォーカシングする際、第１レンズ群ＬI―Ｂと第２レンズ群ＬII―Ｂは共に、画像表示素子１から遠ざかる方向（図の右方）へ移動する。

この移動量は、第２レンズ群ＬII―Ｂのほうが第１レンズ群ＬI―Ｂよりも大きい。

凹面鏡Ｍ−Ｂは「光軸に関して回転対称な形状」の反射面を持つ。

この反射面の頂点の位置は、図１０のＺＹ断面で、画像表示面を含む平面と光軸の交点を(Ｚ，Ｙ)＝(０，０)として、(Ｚ，Ｙ)＝(３００，０)の位置に固定される。

図１２には、画像表示面のデータを図４に倣って示す。画像表示面は実施例１で用いられているものと同一である。

実施例２の投射光学系のデータを、図５に倣って図１３に示す。

面間隔：ｄ１９、ｄ２５、ｄ３１、ｄ３５は、フォーカシングに伴い変化する面間隔であり、第１レンズ群ＬI−Ｂ、第２レンズ群ＬII−Ｂが移動することにより変化する。

また、ｄ３５は、投射距離の変化により変化する。

これらの面間隔の投射距離による変化のデータを、図６に倣って図１４に示す。

実施例２の「非球面」のデータを図１５に示す。

図１６に示す偏心量は、図８のものと同様、防塵ガラス１０３の位置と傾きを与える。

図１７は、画像表示面の図における「左半分」に、２５個の画素Ｆ１〜Ｆ２５を設定した状態を示す。

画素Ｆ１〜Ｆ２５に対するＲＳＭスポット径を、図１０に倣って図１８に示している。

画素Ｆ１〜Ｆ２５に対するＲＭＳスポット径は、画面サイズ：６０インチを除けば、略、拡大画像上における「１画素のスポット径」の大きさ以内の大きさである。

従って、画面サイズ：９０インチ、１２０インチでは良好な結像性能が得られている。

図１８に示すように、拡大画像の各サイズにおいて、画素Ｆ１〜Ｆ２５に対するＲＭＳスポット径は非常に小さく、良好な結像性能が得られている。

また、各「画面サイズ」におけるＲＭＳｍａｘの値は以下図示の通りである。
画面サイズ：６０インチではＲＭＳｍａｘ＝１．０５ｍｍである。

従って、ＲＭＳｍａｘ／Ｓ＝１．０５／６０＝０．０１８（＜０．０２）である。

画面サイズ：９０インチではＲＭＳｍａｘ＝１．０９ｍｍである。

従って、ＲＭＳｍａｘ／Ｓ＝１．０９／９０＝０．０１２（＜０．０２）である。

画面サイズ：１２０インチではＲＭＳｍａｘ＝１．６０ｍｍである。

従って、ＲＭＳｍａｘ／Ｓ＝１．６０／１２０＝０．０１３（＜０．０２）である。

従って、画素Ｆ１〜Ｆ２５に対して条件（６）が満足されている。

画素Ｆ１〜Ｆ２５は、画像表示面に均一に分布しているので、全ての画素について、条件（６）が満足されているものと推認できる。

図１８に示すように、実施例２の投射光学系は「結像性能は略良好」であるが、画面サイズ：６０インチではＲＭＳスポット径が大きくなっている。
実施例２は、基準投射時における全系の焦点距離：ｆ＝３．４６と「非常に広角」であり、これ以上の広角化は投射される拡大画像の劣化を招来すると考えられる。

「実施例３」
実施例３の投射光学系の構成図を図１９に示す。

実施例３の投射光学系は屈折光学系Ｌ−Ｃと凹面反射面Ｍ−Ｃを有する。
屈折光学系Ｌ−Ｃは、拡大側から縮小側へ、第１レンズ群ＬI−Ｃ、第２レンズ群ＬII−Ｃ、第３レンズ群ＬIII−Ｃを配し、第３レンズ群ＬIII−Ｃ内に、開口絞りＳＴを配してなり、全体として「正の屈折力」を有する。

第１レンズ群ＬI−Ｃは３枚のレンズで構成されて「負の屈折力」を有する。
第２レンズ群ＬII―Ｃは３枚のレンズで構成されて「負の屈折力」を有する。
第３レンズ群ＬIII−Ｃは１０枚のレンズで構成されて「正の屈折力」を有する。

第１レンズ群ＬI―Ｃと第２レンズ群ＬII―Ｃは、フォーカシングに際して移動するが、第３レンズ群ＬIII―Ｃはフォーカス時にも固定である。

近距離投射から遠距離投射にフォーカシングする際、第１レンズ群ＬI―Ｃと第２レンズ群ＬII―Ｃは共に、画像表示素子１から遠ざかる方向（図の右方）へ移動する。

この移動量は、第２レンズ群ＬII―Ｃのほうが第１レンズ群ＬI―Ｃよりも大きい。

凹面鏡Ｍ−Ｃは「光軸に関して回転対称な形状」の反射面を持つ。

この反射面の頂点の位置は、図１９のＺＹ断面で、画像表示面を含む平面と光軸の交点を(Ｚ，Ｙ)＝(０，０)として、(Ｚ，Ｙ)＝(２４２，０)の位置に固定される。

図２０には、画像表示面のデータを図４に倣って示す。画像表示面は実施例１で用いられているものと同一である。

実施例３のデータを、図５に倣って図２１に示す。

面間隔：ｄ１９、ｄ２５、ｄ３１、ｄ３５は、フォーカシングに伴い変化する面間隔であり、第１レンズ群ＬI−Ｃ、第２レンズ群ＬII−Ｃが移動することにより変化する。

また、ｄ３５は、投射距離の変化により変化する。

これらの面間隔の投射距離による変化のデータを、図６に倣って図２２に示す。

実施例３の「非球面」のデータを図２３に示す。

図２４に示す偏心量は、図７のものと同様、防塵ガラス１０３の位置と傾きを与える。

図２５は、画像表示面の図における「左半分」に、２５個の画素Ｆ１〜Ｆ２５を設定した状態を示す。

画素Ｆ１〜Ｆ２５に対するＲＳＭスポット径を、図１０に倣って図２６に示す。

画素Ｆ１〜Ｆ２５に対するＲＭＳスポット径は、略、拡大画像上における「１画素のスポット径」の大きさ以内の大きさで、良好な結像性能が得られている。

図２３に示すように、拡大画像の各サイズにおいて、画素Ｆ１〜Ｆ２５に対するＲＭＳスポット径は非常に小さく、良好な結像性能が得られている。

また、各「画面サイズ」におけるＲＭＳｍａｘの値は以下図示の通りである。
画面サイズ：６０インチではＲＭＳｍａｘ＝０．８１ｍｍである。

従って、ＲＭＳｍａｘ／Ｓ＝０．８１／６０＝０．０１４（＜０．０２）である。

画面サイズ：９０インチではＲＭＳｍａｘ＝１．１０ｍｍである。

従って、ＲＭＳｍａｘ／Ｓ＝１．１０／９０＝０．０１３（＜０．０２）である。

画面サイズ：１２０インチではＲＭＳｍａｘ＝１．４６ｍｍである。

従って、ＲＭＳｍａｘ／Ｓ＝１．４６／１２０＝０．０１２（＜０．０２）である。

従って、画素Ｆ１〜Ｆ２５に対して条件（６）が満足されている。

画素Ｆ１〜Ｆ２５は、画像表示面に均一に分布しているので、全ての画素について、条件（６）が満足されているものと推認できる。

「実施例４」
実施例４の投射光学系の構成図を図２７に示す。

実施例４の投射光学系は屈折光学系Ｌ−Ｄと凹面反射面Ｍ−Ｄを有する。
屈折光学系Ｌ−Ｄは、拡大側から縮小側へ、第１レンズ群ＬI−Ｄ、第２レンズ群ＬII−Ｄ、第３レンズ群ＬIII−Ｄを配し、第３レンズ群ＬIII−Ｄ内に、開口絞りＳＴを配してなり、全体として「正の屈折力」を有する。

第１レンズ群ＬI−Ｄは３枚のレンズで構成されて「負の屈折力」を有する。
第２レンズ群ＬII―Ｄは３枚のレンズで構成されて「負の屈折力」を有する。
第３レンズ群ＬIII−Ｄは１０枚のレンズで構成されて「正の屈折力」を有する。

第１レンズ群ＬI―Ｄと第２レンズ群ＬII―Ｄは、フォーカシングに際して移動するが、第３レンズ群ＬIII―Ｄはフォーカス時にも固定である。

近距離投射から遠距離投射にフォーカシングする際、第１レンズ群ＬI―Ｄと第２レンズ群ＬII―Ｄは共に、画像表示素子１から遠ざかる方向（図の右方）へ移動する。

この移動量は、第２レンズ群ＬII―Ｄのほうが第１レンズ群ＬI―Ｄよりも大きい。

凹面鏡Ｍ−Ｄは「光軸に関して回転対称な形状」の反射面を持つ。

この反射面の頂点の位置は、図２７のＺＹ断面で、画像表示面を含む平面と光軸の交点を(Ｚ，Ｙ)＝(０，０)として、(Ｚ，Ｙ)＝(２９０．５５，０)の位置に固定される。

図２８には、画像表示面のデータを図４に倣って示す。画像表示面は実施例１で用いられているものと同一である。

実施例４の投射光学系のデータを、図５に倣って図２９に示す。

面間隔：ｄ１９、ｄ２５、ｄ３１、ｄ３５は、フォーカシングに伴い変化する面間隔であり、第１レンズ群ＬI−Ｄ、第２レンズ群ＬII−Ｄが移動することにより変化する。

また、ｄ３５は、投射距離の変化により変化する。

これらの面間隔の投射距離による変化のデータを、図６に倣って図３０に示す。

実施例４の「非球面」のデータを図３１に示す。

図３２に示す偏心量は、図８のものと同様、防塵ガラス１０３の位置と傾きを与える。

図３３は、画像表示面の図における「左半分」に、２５個の画素Ｆ１〜Ｆ２５を設定した状態を示す。

画素Ｆ１〜Ｆ２５に対するＲＳＭスポット径を、図１０に倣って図３４に示す。

画素Ｆ１〜Ｆ２５に対するＲＭＳスポット径は、略、拡大画像上における「１画素のスポット径」の大きさ以内の大きさで、良好な結像性能が得られている。

図３４に示すように、拡大画像の各サイズにおいて、画素Ｆ１〜Ｆ２５に対するＲＭＳ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。

また、各「画面サイズ」におけるＲＭＳｍａｘの値は以下図示の通りである。
画面サイズ：６０インチではＲＭＳｍａｘ＝０．８２ｍｍである。

従って、ＲＭＳｍａｘ／Ｓ＝０．８２／６０＝０．０１４（＜０．０２）である。

画面サイズ：９０インチではＲＭＳｍａｘ＝１．００ｍｍである。

従って、ＲＭＳｍａｘ／Ｓ＝１．００／９０＝０．０１１（＜０．０２）である。

画面サイズ：１２０インチではＲＭＳｍａｘ＝１．４２ｍｍである。

従って、ＲＭＳｍａｘ／Ｓ＝１．４２／１２０＝０．０１２（＜０．０２）である。

従って、画素Ｆ１〜Ｆ２５に対して条件（６）が満足されている。

画素Ｆ１〜Ｆ２５は、画像表示面に均一に分布しているので、全ての画素について、条件（６）が満足されているものと推認できる。

図３５は、上記実施例１〜４の投射光学系における前述の条件（１）〜（６）のパラメータの値と、これに関連した量の値を示す。

なお、図３５においては、条件を「条件式」と記している。

上述の如く、この発明の画像表示装置に用いる投射光学系は、具体的な実施例１〜４に例示したように、ＲＭＳスポット径は極めて小さく、高性能に実現できる。

実施例１〜４の投射光学系において、屈折光学系の第１レンズ群の「最も拡大側」に配置されたレンズは、両面ともに「光軸直交方向へ３以上の変曲点を持つ非球面」である。

また、画像表示面のサイズは対角長：０．５５インチでもよい。
画像表示面の下辺と投射光学系の光軸との距離は、上の例では１．７ｍｍとしているが、この距離も任意に変更して設定することができる。

実施例１〜４の投射光学系を用いて、小型で高性能、且つ短い投射距離の画像表示装置を実現することができる。

２００ 画像表示装置
１ 画像表示素子
１００ 投射光学系
１０１ 照明装置
１０２ 制御部
１０３ 防塵ガラス
Ｌ 屈折光学系
Ｍ 凹面鏡
ＬI 第１レンズ群
ＬII 第２レンズ群
ＬIII 第３レンズ群

特開２００９−２５１４５７号公報 特許第４６６８１５９号公報

Claims (8)

1. 画像表示素子の画像表示面に表示された画像をスクリーンに、拡大画像として拡大投射する画像表示装置であって、
   画像表示素子の画像表示面に表示された画像を、スクリーンに拡大画像として投射する投射光学系は、縮小側に配置される屈折光学系と、該屈折光学系の拡大側に配置される凹面鏡と、を有し、
   前記屈折光学系は、拡大側から縮小側へ向かって順次、負の屈折力の第１レンズ群、負の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群を配してなり、全体として正の屈折力を有し、フォーカシングに際して、第１及び第２レンズ群が光軸方向に変位し、第３レンズ群が固定され、
   前記凹面鏡は、反射面の形状が回転対称で、回転対称軸を前記屈折光学系の光軸に合致させて配置され、
   基準投射時における全系のｅ線に対する焦点距離：ｆ（＞０）、第１レンズ群のｅ線に対する焦点距離：ｆ１（＜０）、第２レンズ群のｅ線に対する焦点距離：ｆ２（＜０）、第３レンズ群のｅ線に対する焦点距離：ｆ３（＞０）が、条件：
   （１） −５６．０ ＜ ｆ１／ｆ ＜ −２５．０
   （２）−４８０．０ ＜ ｆ２／ｆ ＜ −２１０．０
   （３） ７．０ ＜ ｆ３／ｆ ＜ １１．５
   を満足するものであることを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１記載の画像表示装置において、
   投射光学系が、画像表示素子の画像表示面から凹面鏡の反射面までの光軸上の距離：ＯＡＬ、基準投射時における投射光学系の全系のｅ線に対する焦点距離：ｆ（＞０）が、条件：
   （４） ５５．０ ＜ ＯＡＬ／ｆ ＜ ８９．０
   を満足するものであることを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項１または２記載の画像表示装置において、
   投射光学系が、フォーカシングにより変化する第２レンズ群と第３レンズ群の光軸上の間隔の最小間隔：Ｄ、第２レンズ群と第３レンズ群の間隔がＤとなるときの、画像表示面の画像表示面から最も凹面鏡側のレンズ面までの光軸上の距離：ＯＡＬ（Ｌ）が、条件：
   （５） ０．００１ ＜ Ｄ／ＯＡＬ（Ｌ） ＜ ０．０３０
   を満足するものであることを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の画像表示装置において、
   投射光学系は、第１レンズ群の最も拡大側のレンズの少なくとも１面が、光軸直交方向に３以上の変曲点を有する形状であるものであることを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の画像表示装置において、
   投射光学系は、第１レンズ群、第２レンズ群は何れも２以上のレンズで構成され、
   第１レンズ群の最も縮小側のレンズと、第２レンズ群の最も拡大側のレンズが、ともに負の屈折力を持つものであることを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の画像表示装置において、
   投射光学系は、第２レンズ群、第３レンズ群は何れも２以上のレンズで構成され、
   第２レンズ群の最も縮小側のレンズと、第３レンズ群の最も拡大側のレンズが、共に正の屈折力を持つものであることを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の画像表示装置において、
   投射光学系は、近距離から遠距離へのフォーカシングの際に、第１レンズ群と第２レンズ群が、ライトバルブから遠ざかる方向に移動するものであることを特徴とする画像表示装置。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の画像表示装置において、
   投射光学系は、近距離から遠距離へのフォーカシングの際に、第２レンズ群の移動量が、第１レンズ群の移動量よりも大きいものであることを特徴とする画像表示装置。

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