JP2016099439A - Projection optical system and image display device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a projection optical system that has sufficiently reduced a projection distance, achieves high luminance, and provides high performance with a reduced size.SOLUTION: A projection optical system includes a dioptric system RR that comprises a plurality of optical elements including an aperture diaphragm AD and a plurality of lenses, and a reflection optical system RL that includes a folded plane mirror M1 and a free-form surface concave mirror M2 sequentially arranged between the dioptric system RR and a screen SC. The projection optical system forms one intermediate image between an image display element and the reflection optical system RL, and includes an optical axis A that is shared by the plurality of axially-symmetric lenses in the dioptric system RR; when an axis in a surface including a light beam emitted from the center of the image display element and passing through the center of the aperture diaphragm AD, the axis being orthogonal to the optical axis A is Y-axis, a part of the optical elements B in the dioptric system RR is eccentric in a direction parallel to the Y-axis; an image forming part Lv of the image display element intersects with the optical axis A.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、画像をスクリーンに拡大投射して表示する、いわゆるプロジェクタ等の画像表示装置に係り、特に、画像表示素子に表示される画像をスクリーンに拡大投射するための投射光学システムに関するものである。   The present invention relates to an image display device such as a so-called projector that displays an enlarged image on a screen, and more particularly to a projection optical system for enlarging and projecting an image displayed on an image display element on a screen. .

近年、プロジェクタ等と称される投射型の画像表示装置が、広く用いられている。一般に、この種の投射型の画像表示装置においては、DMD(Digital Micromirror Device)または液晶表示パネル等のライトバルブ(light valve〜光弁)と称される画像表示素子の表示画像の拡大像を投射光学システムによってスクリーンに投影して画像表示を行う。
ここで画像表示素子として用いられるDMDは、多数の微小ミラーを有し、これら各微小ミラーの角度を個別に所定の範囲で電子的に制御することができるデバイスである。例えば、今、1つの微小ミラーの角度が、−12°のときに照明光の微小ミラーによる反射光が投射光学系内に入射し、そして+12°のときに照明光の反射光が投射光学系に入射しないように、照明光がDMDに入射する角度を設定しておけば、DMDの各微小ミラーの傾斜角度を制御することによって、DMDの表示画面上にディジタル画像を形成することができる。
ところで、最近、この種の投射型の画像表示装置において、従来よりも投射距離を短くして、至近距離に設置したスクリーンに、大画面を表示できるようにした超短投射距離のフロント投射型プロジェクタの需要が高まってきている。
In recent years, a projection-type image display device called a projector or the like has been widely used. In general, this type of projection type image display device projects an enlarged image of a display image of an image display element called a light valve (light valve) such as a DMD (Digital Micromirror Device) or a liquid crystal display panel. An image is displayed on the screen by an optical system.
The DMD used as an image display element is a device that has a large number of micromirrors and can electronically control the angles of these micromirrors individually within a predetermined range. For example, when the angle of one micromirror is −12 °, the reflected light of the illumination light from the micromirror is incident on the projection optical system, and when the angle is + 12 °, the reflected light of the illumination light is projected into the projection optical system. If the angle at which the illumination light enters the DMD is set so that it does not enter the DMD, a digital image can be formed on the display screen of the DMD by controlling the tilt angle of each micromirror of the DMD.
Recently, in this type of projection type image display device, a front projection type projector with an ultra-short projection distance that can display a large screen on a screen set at a close distance by shortening the projection distance compared to the conventional one. The demand for is increasing.

この超短投射距離のフロント投射型プロジェクタのように、超短投射距離の投射型の画像表示装置に用いる投射光学システムとしては、曲面ミラーを利用して画像の歪曲を補正しつつ投射光路を偏向して画像表示素子とスクリーンとの間の距離を短縮するものがある。この曲面ミラーを利用する方式は,小型であっても超至近距離からの投射を達成することができる可能性を有している。
このように、曲面ミラーを用いて小型で超短投射距離を実現する投射型の画像表示装置の技術は、例えば、特許文献1(特開2007−79524号公報)、特許文献2(特開2011−242606号公報)、特許文献3(特開2012−108267号公報)および特許文献4(特開2009−216883号公報)等に開示されている。
すなわち、これら特許文献1、特許文献2、特許文献3および特許文献4においては、いずれも屈折光学系と曲面ミラーを組み合わせる投射型の画像表示装置の構成が示されており、これらによれば超短投射距離を実現することが可能となる。
A projection optical system used for a projection image display device with an ultra-short projection distance, such as a front projection projector with an ultra-short projection distance, deflects a projection optical path while correcting distortion of an image using a curved mirror. In some cases, the distance between the image display element and the screen is shortened. This method using a curved mirror has the potential to achieve projection from a very close distance even if it is small.
As described above, for example, Patent Document 1 (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2007-79524) and Patent Document 2 (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2011) disclose a projection-type image display device that uses a curved mirror to achieve a small and ultra-short projection distance. No. 242606), Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2012-108267), Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-216883), and the like.
That is, these Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Document 3, and Patent Document 4 all show the configuration of a projection-type image display device that combines a refractive optical system and a curved mirror. A short projection distance can be realized.

ところで、この種の投射型の画像表示装置、つまり超短投射プロジェクタにおいても、近年、小型化および低コスト化が求められている。一般的に反射光学系を用いたプロジェクタにおいては、光線と筐体との干渉を避けるために、画像表示素子を光軸から偏心させた構成を採らざるを得ない。このように画像表示素子を光軸から偏心させると、その分だけプロジェクタの厚み方向の寸法を増加させてしまう。また、屈折光学系のみを用いたプロジェクタと、屈折光学系および反射光学系の両者を用いたプロジェクタとで、画像表示素子を照明する照明系を共用化させることができない。そのため、これらのプロジェクタについては、それぞれ個別に開発を行わなければならず、コストを増加させる一因となっている。   Incidentally, in this type of projection-type image display apparatus, that is, an ultra-short projection projector, in recent years, miniaturization and cost reduction have been demanded. In general, a projector using a reflective optical system must adopt a configuration in which the image display element is decentered from the optical axis in order to avoid interference between the light beam and the housing. When the image display element is decentered from the optical axis in this way, the dimension in the thickness direction of the projector is increased by that amount. Further, it is impossible to share an illumination system for illuminating the image display element between a projector using only a refractive optical system and a projector using both a refractive optical system and a reflective optical system. For this reason, these projectors must be individually developed, which contributes to an increase in cost.

しかしながら、特許文献1および特許文献2の記載においては、薄型化や照明系共通化については特に言及しておらず、上述したような市場の要求に対しては充分に対応していない。
また、特許文献3には、屈折光学系の中で中間像を形成させることにより、画像表示素子の偏心量を抑えるような構成を採るものも開示されているが、このように屈折光学系において単に中間像を形成しようとすると、光軸方向のサイズが大きくなってしまうため、小型化の要求に対して適切に応えることはできない。
そして、特許文献4には、自由曲面を複数面用いる方法や多数のレンズを偏心させる方法が開示されているが、これらを単純に適用したのでは、製造誤差感度の増大を招いてしまうおそれがあるため、望ましいとはいえない。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、投射距離を充分に短くして、しかも高輝度化することを可能とし、小型で且つ高性能な投射光学システムを提供することを目的としている。
However, in the descriptions of Patent Literature 1 and Patent Literature 2, there is no particular mention of thinning and common use of an illumination system, and it does not sufficiently respond to the market demand as described above.
Patent Document 3 discloses a configuration in which an intermediate image is formed in the refractive optical system to reduce the amount of eccentricity of the image display element. If an intermediate image is simply formed, the size in the direction of the optical axis increases, so that it is not possible to appropriately meet the demand for miniaturization.
Patent Document 4 discloses a method of using a plurality of free-form surfaces and a method of decentering a large number of lenses. However, simply applying these methods may increase manufacturing error sensitivity. Because it is, it is not desirable.
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and it is an object of the present invention to provide a compact and high-performance projection optical system that can sufficiently shorten the projection distance and increase the brightness. Yes.

本発明に係る投射光学システムは、上述した目的を達成するために、
画像表示素子に表示される画像をスクリーンに拡大投影する投射光学システムであって、
前記投射光学システムは、
絞りおよび複数のレンズを含む複数の光学素子からなり、前記画像表示素子に表示される画像を拡大結像させるための屈折光学系と、
前記屈折光学系と前記スクリーンとの間に配置される少なくとも1つの反射光学素子を有する反射光学系と
を具備してなり、
前記画像表示素子と前記反射光学系の間に中間像を1つ形成し、
前記屈折光学系における軸対称の複数のレンズが共有する軸を光軸Aとし、該光軸Aを含み且つ前記画像表示素子の中心から射出され前記絞りの中心を通る光線を含む面内の軸であって、前記光軸Aに直交する軸をY軸としたとき、前記屈折光学系のうちの一部の光学素子Bが前記Y軸に平行な方向に偏心しており、
前記画像表示素子の画像形成部と前記光軸Aとが交差している
ことを特徴としている。
In order to achieve the above-described object, the projection optical system according to the present invention provides
A projection optical system for enlarging and projecting an image displayed on an image display element on a screen,
The projection optical system includes:
A plurality of optical elements including a diaphragm and a plurality of lenses, and a refractive optical system for enlarging an image displayed on the image display element;
A reflective optical system having at least one reflective optical element disposed between the refractive optical system and the screen;
Forming an intermediate image between the image display element and the reflective optical system;
An axis shared by a plurality of axially symmetric lenses in the refractive optical system is defined as an optical axis A, and an in-plane axis including the optical axis A and including a light beam emitted from the center of the image display element and passing through the center of the stop. And when an axis orthogonal to the optical axis A is a Y axis, a part of the optical elements B of the refractive optical system is decentered in a direction parallel to the Y axis,
The image forming portion of the image display element and the optical axis A intersect each other.

本発明によれば、
画像表示素子に表示される画像をスクリーンに拡大投影する投射光学システムにおいて、
前記投射光学システムは、
絞りおよび複数のレンズを含む複数の光学素子からなり、前記画像表示素子に表示される画像を拡大結像させるための屈折光学系と、
前記屈折光学系と前記スクリーンとの間に配置される少なくとも1つの反射光学素子を有する反射光学系と
を具備してなり、
前記画像表示素子と前記反射光学系の間に中間像を1つ形成し、
前記屈折光学系における軸対称の複数のレンズが共有する軸を光軸Aとし、該光軸Aを含み且つ前記画像表示素子の中心から射出され前記絞りの中心を通る光線を含む面内の軸であって、前記光軸Aに直交する軸をY軸としたとき、前記屈折光学系のうちの一部の光学素子Bが前記Y軸に平行な方向に偏心しており、
前記画像表示素子の画像形成部と前記光軸Aとが交差している
ことにより、
投射距離を充分に短くして、しかも高輝度化することを可能とし、小型で且つ高性能な投射光学システムとすることができる。
According to the present invention,
In a projection optical system that enlarges and projects an image displayed on an image display element on a screen,
The projection optical system includes:
A plurality of optical elements including a diaphragm and a plurality of lenses, and a refractive optical system for enlarging an image displayed on the image display element;
A reflective optical system having at least one reflective optical element disposed between the refractive optical system and the screen;
Forming an intermediate image between the image display element and the reflective optical system;
An axis shared by a plurality of axially symmetric lenses in the refractive optical system is defined as an optical axis A, and an in-plane axis including the optical axis A and including a light beam emitted from the center of the image display element and passing through the center of the stop. And when an axis orthogonal to the optical axis A is a Y axis, a part of the optical elements B of the refractive optical system is decentered in a direction parallel to the Y axis,
By crossing the image forming portion of the image display element and the optical axis A,
The projection distance can be sufficiently shortened and the brightness can be increased, and a compact and high-performance projection optical system can be obtained.

本発明の第1の実施の形態である実施例1に係る画像表示装置における投射光学システムの全体の概略的な主要構成を、光軸を含み且つ画像表示素子の表示画面の長辺が垂直に交わる断面に沿って示す断面図である。1 schematically shows the main configuration of the entire projection optical system in an image display apparatus according to Example 1, which is the first embodiment of the present invention, including the optical axis and the long side of the display screen of the image display element is vertical. It is sectional drawing shown along the cross section which crosses. 図1の投射光学システムの主として屈折光学系であるレンズ系の部分およびそのフォーカシング動作をより詳細に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing in more detail a portion of a lens system that is mainly a refractive optical system of the projection optical system of FIG. 1 and its focusing operation. 図1の投射光学システムにおける画像表示素子の画像形成部の形態およびその光軸に対する位置関係を模式的に示す模式図である。It is a schematic diagram which shows typically the form of the image formation part of the image display element in the projection optical system of FIG. 1, and the positional relationship with respect to the optical axis. 図1の投射光学システムにおける近軸像面、中間像および光軸等の関係を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the relationship of a paraxial image surface, an intermediate image, an optical axis, etc. in the projection optical system of FIG. 図1の投射光学システムの遠距離(100インチ)における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the relationship between the paraxial image surface in the long distance (100 inches) of the projection optical system of FIG. 1, and the intersection of a chief ray. 図1の投射光学システムの中間距離(80インチ)における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the relationship between the paraxial image surface in the intermediate distance (80 inches) of the projection optical system of FIG. 1, and the intersection of a chief ray. 図1の投射光学システムの近距離(60インチ)における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the relationship between the paraxial image surface in the short distance (60 inches) of the projection optical system of FIG. 1, and the intersection of a chief ray. 図1の投射光学システムの遠距離(100インチ)におけるスクリーンでの波長550nmのスポット位置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the spot position of wavelength 550nm on the screen in the long distance (100 inches) of the projection optical system of FIG. 図1の投射光学システムの中間距離(80インチ)におけるスクリーンでの波長550nmのスポット位置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the spot position of wavelength 550nm on the screen in the intermediate distance (80 inches) of the projection optical system of FIG. 図1の投射光学システムの近距離(60インチ)におけるスクリーンでの波長550nmのスポット位置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the spot position of wavelength 550nm on the screen in the short distance (60 inches) of the projection optical system of FIG. 図1の投射光学システムの遠距離(100インチ)におけるスクリーンでの波長625nm(赤)、550nm(緑)および425nm(青)の結像特性を示すスポットダイアグラムである。2 is a spot diagram showing imaging characteristics of wavelengths 625 nm (red), 550 nm (green) and 425 nm (blue) on a screen at a long distance (100 inches) of the projection optical system of FIG. 1. 図1の投射光学システムの中間距離(80インチ)におけるスクリーンでの波長625nm(赤)、550nm(緑)および425nm(青)の結像特性を示すスポットダイアグラムである。2 is a spot diagram showing imaging characteristics of wavelengths 625 nm (red), 550 nm (green) and 425 nm (blue) on a screen at an intermediate distance (80 inches) of the projection optical system of FIG. 1. 図1の投射光学システムの近距離(60インチ)におけるスクリーンでの波長625nm(赤)、550nm(緑)および425nm(青)の結像特性を示すスポットダイアグラムである。2 is a spot diagram showing imaging characteristics of wavelengths 625 nm (red), 550 nm (green) and 425 nm (blue) on a screen at a short distance (60 inches) of the projection optical system of FIG. 1. 図11〜図13のスポットダイアグラムにおけるF1〜F13に対応する画角を示す図である。It is a figure which shows the angle of view corresponding to F1-F13 in the spot diagrams of FIGS. 本発明の第2の実施の形態である実施例2に係る画像表示装置における投射光学システムの全体の概略的な主要構成を、光軸を含み且つ画像表示素子の表示画面の長辺が垂直に交わる断面に沿って示す断面図である。The schematic main configuration of the entire projection optical system in the image display apparatus according to Example 2 which is the second embodiment of the present invention includes the optical axis and the long side of the display screen of the image display element is vertical. It is sectional drawing shown along the cross section which crosses. 図15の投射光学システムの主として屈折光学系であるレンズ系の部分およびそのフォーカシング動作をより詳細に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the part of the lens system which is mainly a refractive optical system of the projection optical system of FIG. 15, and its focusing operation | movement in detail. 図15の投射光学システムの遠距離(100インチ)における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the relationship between the paraxial image surface in the long distance (100 inches) of the projection optical system of FIG. 15, and the intersection of a chief ray. 図15の投射光学システムの中間距離(80インチ)における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the relationship between the paraxial image surface in the intermediate distance (80 inches) of the projection optical system of FIG. 15, and the intersection of a chief ray. 図15の投射光学システムの近距離(60インチ)における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the relationship between the paraxial image surface in the short distance (60 inches) of the projection optical system of FIG. 15, and the intersection of a chief ray. 図15の投射光学システムの遠距離(100インチ)におけるスクリーンでの波長550nmのスポット位置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the spot position of wavelength 550nm on the screen in the long distance (100 inches) of the projection optical system of FIG. 図15の投射光学システムの中間距離(80インチ)におけるスクリーンでの波長550nmのスポット位置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the spot position of wavelength 550nm on the screen in the intermediate distance (80 inches) of the projection optical system of FIG. 図15の投射光学システムの近距離(60インチ)におけるスクリーンでの波長550nmのスポット位置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the spot position of wavelength 550nm on the screen in the short distance (60 inches) of the projection optical system of FIG. 図15の投射光学システムの遠距離(100インチ)におけるスクリーンでの波長625nm(赤)、550nm(緑)および425nm(青)の結像特性を示すスポットダイアグラムである。FIG. 16 is a spot diagram showing imaging characteristics of a wavelength of 625 nm (red), 550 nm (green), and 425 nm (blue) on a screen at a long distance (100 inches) of the projection optical system of FIG. 15. 図15の投射光学システムの中間距離(80インチ)におけるスクリーンでの波長625nm(赤)、550nm(緑)および425nm(青)の結像特性を示すスポットダイアグラムである。16 is a spot diagram showing imaging characteristics of wavelengths 625 nm (red), 550 nm (green), and 425 nm (blue) on a screen at an intermediate distance (80 inches) of the projection optical system of FIG. 15. 図15の投射光学システムの近距離(60インチ)におけるスクリーンでの波長625nm(赤)、550nm(緑)および425nm(青)の結像特性を示すスポットダイアグラムである。16 is a spot diagram showing imaging characteristics of wavelengths 625 nm (red), 550 nm (green), and 425 nm (blue) on a screen at a short distance (60 inches) of the projection optical system of FIG. 15.

以下、本発明の実施の形態に基づき、図面を参照して本発明に係る投射光学システムを詳細に説明する。具体的な実施例について説明する前に、まず、本発明の原理について説明する。
本発明に係る投射光学システムは、画像表示素子に表示される画像をスクリーンに拡大投影するための投射光学システムであり、一般にプロジェクタなどと称される投射型の画像表示装置を構成する。本発明の投射光学システムは、
絞りおよび複数のレンズを含む複数の光学素子からなり、前記画像表示素子に表示される画像を拡大結像させるための屈折光学系と、
前記屈折光学系と前記スクリーンとの間に配置される少なくとも1つの反射光学素子を有する反射光学系と
を具備してなり、
前記画像表示素子と前記反射光学系の間に中間像を1つ形成し、
前記屈折光学系における軸対称の複数のレンズが共有する軸を光軸Aとし、該光軸Aを含み且つ前記画像表示素子の中心から射出され前記絞りの中心を通る光線を含む面内の軸であって、前記光軸Aに直交する軸をY軸としたとき、前記屈折光学系のうちの一部の光学素子Bが前記Y軸に平行な方向に偏心しており、
そして前記画像表示素子の画像形成部と前記光軸Aとが交差していることが望ましい(請求項1に対応する)。ここで、偏心とは、光学素子Bが、前記光軸Aと光軸を共有してないことを示している。
Hereinafter, based on an embodiment of the present invention, a projection optical system according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Before describing specific embodiments, first, the principle of the present invention will be described.
A projection optical system according to the present invention is a projection optical system for enlarging and projecting an image displayed on an image display element on a screen, and constitutes a projection-type image display device generally called a projector. The projection optical system of the present invention is
A plurality of optical elements including a diaphragm and a plurality of lenses, and a refractive optical system for enlarging an image displayed on the image display element;
A reflective optical system having at least one reflective optical element disposed between the refractive optical system and the screen;
Forming an intermediate image between the image display element and the reflective optical system;
An axis shared by a plurality of axially symmetric lenses in the refractive optical system is defined as an optical axis A, and an in-plane axis including the optical axis A and including a light beam emitted from the center of the image display element and passing through the center of the stop. And when an axis orthogonal to the optical axis A is a Y axis, a part of the optical elements B of the refractive optical system is decentered in a direction parallel to the Y axis,
It is desirable that the image forming portion of the image display element and the optical axis A intersect (corresponding to claim 1). Here, the decentering means that the optical element B does not share the optical axis A with the optical axis.

屈折光学系のうちの一部の光学素子Bを偏心させることにより、画像表示素子を光軸Aと交差させた場合であっても反射光学系のミラーから反射された光線と、屈折光学系または折り返しミラー等との干渉を避けることができる。また、画像表示素子を光軸Aと交差させることにより、プロジェクタ等の投射型の画像表示装置の筐体のY軸方向の厚みを薄くすることが可能となる。ここで、光学素子Bは、屈折光学系内のレンズ単体、接合レンズおよび一体となって移動するレンズ群のいずれかである。
一般に屈折光学系を用いた前方投射型のプロジェクタは、画像表示素子と光軸を交差させて設計することが多いが、ミラー等による反射光学系を用いた構成においては、先に述べた通り、光線とレンズ等との干渉が避けられないため、画像表示素子と光軸を交差させないように配置する。そのため、照明系を共通化することが困難であった。これに対して、本発明では一部の光学素子Bを偏心させることにより、画像表示素子と光軸が交差していても、光線とレンズ等との干渉を避けることができるため、屈折光学系を用いた前方投射型のプロジェクタと照明系を共通化することができ、コストを削減することが可能となる。
By decentering some of the optical elements B of the refractive optical system, even if the image display element intersects the optical axis A, the light beam reflected from the mirror of the reflective optical system and the refractive optical system or Interference with the folding mirror or the like can be avoided. Further, by crossing the image display element with the optical axis A, it is possible to reduce the thickness in the Y-axis direction of the housing of a projection-type image display device such as a projector. Here, the optical element B is any of a single lens, a cemented lens, and a lens group that moves together in the refractive optical system.
In general, a front projection type projector using a refractive optical system is often designed by crossing an optical axis with an image display element. However, in a configuration using a reflective optical system such as a mirror, as described above, Since interference between the light beam and the lens is unavoidable, the image display element and the optical axis are arranged so as not to cross each other. For this reason, it has been difficult to share the illumination system. On the other hand, in the present invention, by decentering some of the optical elements B, interference between the light beam and the lens can be avoided even if the image display element and the optical axis cross each other. This makes it possible to share the illumination system with the front projection type projector using the projector.

さらに、前記光学素子Bが負のパワーを有することが望ましい(請求項2に対応する)。このように負のパワーの光学素子を偏心させることにより、光学性能に影響を与える偏心収差を小さく抑えることができるため、レンズや、ミラーのサイズを小さく抑えることが可能となる。
さらには、前記光学素子Bは、絞りよりも前記反射光学素子側に配置されることが望ましい(請求項3に対応する)。このように、光学素子Bを絞りよりも反射光学素子側に配置することにより、偏心収差の発生を小さく抑えることができ、レンズやミラーのサイズを小さくすることが可能となる。
さらに望ましくは、前記光学素子Bは、球面レンズであってもよい(請求項4に対応する)。このように球面レンズを偏心させることで、高度な偏心収差の発生を抑えることができる。
また望ましくは、前記反射光学素子が自由曲面を有する凹面ミラーであってもよい(請求項5に対応する)。このようにすれば、光学素子Bを偏心させることで発生する、台形歪み等の偏心収差を効率良く抑えることが可能となり、プロジェクタ等の投射型の画像表示装置を小型化することができる。特に超短投射距離のプロジェクタにおいては、レンズの偏心により大きな台形歪みが発生してしまい、回転対称な光学素子では、補正しきれないことが少なくないが、自由曲面ミラーを用いることにより効果的に補正することが可能となる。
Furthermore, it is desirable that the optical element B has a negative power (corresponding to claim 2). By decentering the negative power optical element in this way, it is possible to suppress decentration aberrations that affect the optical performance, and thus it is possible to reduce the size of the lens and mirror.
Furthermore, it is desirable that the optical element B is disposed closer to the reflective optical element than the stop (corresponding to claim 3). Thus, by arranging the optical element B closer to the reflective optical element than the stop, it is possible to suppress the occurrence of decentration aberrations and to reduce the size of the lens and mirror.
More preferably, the optical element B may be a spherical lens (corresponding to claim 4). By decentering the spherical lens in this way, it is possible to suppress the occurrence of advanced decentration aberrations.
Desirably, the reflective optical element may be a concave mirror having a free-form surface (corresponding to claim 5). In this way, it is possible to efficiently suppress decentration aberrations such as trapezoidal distortion that are generated by decentering the optical element B, and it is possible to reduce the size of a projection-type image display device such as a projector. Especially in projectors with ultra short projection distances, large trapezoidal distortion occurs due to lens decentration, and rotationally symmetric optical elements often cannot be corrected, but it is effective by using a free-form surface mirror. It becomes possible to correct.

さらにまた、前記凹面ミラーと前記光軸Aとの交点から前記スクリーンまでの距離/スクリーン横幅をTRとして、次の条件式〔1〕を満たすことが望ましい(請求項6に対応する)。
条件式:
〔1〕 TR < 0.30
このように条件式〔1〕を満たすことで、小型で投射スペースの小さい投射光学システムとすることが可能となる。
さらに、前記光軸Aが画像表示素子と直交していることが望ましい(請求項7に対応する)。このように光軸Aと画像表示素子が直交することにより、偏心収差の発生を抑えることが可能となる。
また、前記光学素子Bの光軸を前記光軸Aに一致させた状態で、投影画像が最大となる合焦状態での前記中間像の近軸最大像高をDidとし、前記屈折光学系による近軸像面と前記絞りの中心を通る光線との交点の前記光軸Aからの距離の最大値をDとして、
条件式:
〔2〕 0.6 < D/Did < 0.8
を満足することが望ましい(請求項8に対応する)。
Furthermore, it is desirable that the following conditional expression [1] is satisfied, where TR is the distance from the intersection of the concave mirror and the optical axis A to the screen / screen horizontal width (corresponding to claim 6).
Conditional expression:
[1] TR <0.30
By satisfying conditional expression [1] in this way, it is possible to provide a small projection optical system with a small projection space.
Furthermore, it is desirable that the optical axis A is orthogonal to the image display element (corresponding to claim 7). As described above, since the optical axis A and the image display element are orthogonal to each other, the occurrence of decentration aberration can be suppressed.
Further, in the state where the optical axis of the optical element B is coincident with the optical axis A, the paraxial maximum image height of the intermediate image in the in-focus state where the projection image becomes maximum is Did, and the refractive optical system The maximum value of the distance from the optical axis A of the intersection of the paraxial image plane and the light beam passing through the center of the stop is defined as D,
Conditional expression:
[2] 0.6 <D / Did <0.8
Is preferably satisfied (corresponding to claim 8).

すなわち、条件式〔2〕を満足することで、屈折光学系からの出射光線の角度を抑えることが可能となるため、投射光学系のY軸方向の厚みを抑えることができる。D/Didの値が条件式〔2〕の下限を下回ると、歪の補正をするために、自由曲面ミラーの負担が大きくなるため、製造誤差感度が大きくなってしまう。また、D/Didの値が条件式〔2〕の上限を上回ると、厚みが増してしまうため小型化できないだけでなく、縦型のプロジェクタにおいては折り返された光線と、レンズとの干渉が起こってしまう。前記光学素子Bの偏心、画像表示素子と光軸Aを交差させること、そして条件式〔2〕を同時に満たすことにより、偏心収差の発生を抑えつつ、投射光学システムのY軸方向の厚みを薄くすることが可能となる。
さらに、投射光学システムを構成する光学系がノンテレセントリック光学系であることが望ましい(請求項9に対応する)。このように、ノンテレセントリック光学系を用いることで、投射光学システムを小型化することができる。
さらには、前記反射光学系と前記スクリーンとの間に、曲率を有するガラス部材を有していることが望ましい(請求項10に対応する)。すなわち、画像表示素子のY軸方向の偏心量や、光学素子BのY軸方向の偏心量を小さくすると、光学性能的には優位になるが、スクリーン上での画像位置が下がり、例えば防塵ガラスとなる前記ガラス部材への入射角度が大きくなってしまい、位置画面周辺の画像の照度が下がってしまう。
That is, by satisfying conditional expression [2], it is possible to suppress the angle of the outgoing light beam from the refractive optical system, so that the thickness of the projection optical system in the Y-axis direction can be suppressed. If the value of D / Did falls below the lower limit of conditional expression [2], the strain on the free-form surface mirror becomes large to correct distortion, resulting in an increase in manufacturing error sensitivity. Further, if the value of D / Did exceeds the upper limit of conditional expression [2], the thickness increases, so that not only cannot be miniaturized, but in a vertical projector, the folded light beam interferes with the lens. End up. By decentering the optical element B, crossing the image display element and the optical axis A, and simultaneously satisfying conditional expression [2], the thickness of the projection optical system in the Y-axis direction is reduced while suppressing the occurrence of decentration aberrations. It becomes possible to do.
Furthermore, it is desirable that the optical system constituting the projection optical system is a non-telecentric optical system (corresponding to claim 9). Thus, the projection optical system can be reduced in size by using the non-telecentric optical system.
Furthermore, it is desirable to have a glass member having a curvature between the reflective optical system and the screen (corresponding to claim 10). That is, if the amount of eccentricity of the image display element in the Y-axis direction and the amount of eccentricity of the optical element B in the Y-axis direction are reduced, the optical performance is superior, but the image position on the screen is lowered. The incident angle to the glass member becomes large, and the illuminance of the image around the position screen decreases.

前記ガラス部材に曲率をつけることで入射角度を低減することができるため、偏心量を小さくすることが可能となり、投射光学システムの薄型化および光学性能の向上に寄与する効果がある。
さらにまた、画像表示素子の対角サイズをGo、最小の画面サイズをGiとして、次の条件式〔3〕を満たすことが望ましい(請求項11に対応する)。
条件式:
〔3〕 Gi/Go > 73
Gi/Goの値が、条件式〔3〕における下限値を下回ると、スクリーン下端に入射する上光線と、レンズとの干渉が大きくなってしまうため、好ましくない。条件式〔3〕を満たすことによって、スクリーンに入射する光線の実質的な開口数NAを暗くすることができるため、干渉を避けることが可能となる。
さらに望ましくは、次の条件式〔3′〕を満たすようにするとよい。
条件式:
〔3′〕 Gi/Go > 90
さらに、本発明に係る画像表示装置は、上述した投射光学システムを用いて、画像表示素子に表示される画像をスクリーンに拡大投影して、画像を投射表示する(請求項12に対応する)。
Since the incident angle can be reduced by providing a curvature to the glass member, it is possible to reduce the amount of eccentricity, and there is an effect that contributes to the thinning of the projection optical system and the improvement of the optical performance.
Furthermore, it is desirable to satisfy the following conditional expression [3], assuming that the diagonal size of the image display element is Go and the minimum screen size is Gi (corresponding to claim 11).
Conditional expression:
[3] Gi / Go> 73
If the value of Gi / Go is less than the lower limit value in conditional expression [3], the interference between the upper light beam incident on the lower end of the screen and the lens becomes unfavorable. By satisfying conditional expression [3], the substantial numerical aperture NA of the light incident on the screen can be darkened, and interference can be avoided.
More preferably, the following conditional expression [3 ′] is satisfied.
Conditional expression:
[3 '] Gi / Go> 90
Furthermore, the image display apparatus according to the present invention projects and displays an image by enlarging and projecting an image displayed on the image display element on a screen using the above-described projection optical system (corresponding to claim 12).

次に、本発明に係る投射光学システムのさらに具体的な実施の形態および実施例について説明する。なお、ここでは、本発明の実施の形態および具体的な実施例として、本発明の投射光学システムに係る第1の実施の形態としての具体的な実施例1および第2の実施の形態としての具体的な実施例2について説明する。   Next, more specific embodiments and examples of the projection optical system according to the present invention will be described. In addition, here, as an embodiment and a specific example of the present invention, as a specific example 1 and a second embodiment as the first embodiment according to the projection optical system of the present invention. A specific example 2 will be described.

〔第1の実施の形態〕
まず、上述した本発明の第1の実施の形態としての具体的な実施例1を詳細に説明する。
[First Embodiment]
First, a specific example 1 as the first embodiment of the present invention will be described in detail.

実施例1は、本発明の第1の実施の形態に係る投射光学システムの具体的な構成の実施例である。
図1は、本発明の第1の実施の形態である実施例1に係る投射光学システムおよびそれを用いた画像表示装置の構成を説明するためのものである。図1には、実施例1に係る投射光学システムを用いた画像表示装置の全体の概略的な主要構成を、光軸を含み且つ画像表示素子の表示画面の長辺が垂直に交わる断面に沿って示す断面図として示している。
まず、以下における全ての実施の形態および実施例に共通して用いる主要な構成要素について説明する。
画像表示素子としてのライトバルブ(light valve〜光弁)として、具体的には、例えばDMD(Digital Micromirror Device)を用いている。画像表示素子であるライトバルブとして、DMDの他には、例えば、透過型液晶パネルおよび反射型液晶パネル等を用いることもでき、本発明は、画像表示素子に用いるライトバルブの種類には特に限定されるものではない。
Example 1 is an example of a specific configuration of the projection optical system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of a projection optical system according to Example 1 which is a first embodiment of the present invention and an image display apparatus using the projection optical system. FIG. 1 shows a schematic main configuration of the entire image display apparatus using the projection optical system according to the first embodiment along a cross section that includes the optical axis and the long sides of the display screen of the image display element intersect perpendicularly. It is shown as a cross-sectional view.
First, main components used in common in all the embodiments and examples below will be described.
Specifically, for example, a DMD (Digital Micromirror Device) is used as a light valve as an image display element. In addition to DMD, for example, a transmissive liquid crystal panel and a reflective liquid crystal panel can be used as the light valve that is an image display element. The present invention is particularly limited to the types of light valves used in the image display element. Is not to be done.

ここで画像表示素子として用いられるDMDは、多数の微小ミラーを有し、これら各微小ミラーの角度を個別に所定の角度の範囲で電子的に制御することができるデバイスである。例えば、今、1つの微小ミラーの角度が、−12°のときに照明光の微小ミラーによる反射光が投射光学システムに入射し、そして+12°のときに照明光の反射光が投射光学システムに入射しないように、照明光がDMDに入射する角度を設定しておけば、DMDの各微小ミラーの傾斜角度を制御することによって、DMDの表示画面上にディジタル画像を形成することができる。
なお、図1に画像表示素子としてのライトバルブの画像形成部LVとして示しているのは、ライトバルブにおいて投射すべき画像を形成する表示画面部分である。
画像形成部LVがDMD等のように自ら発光する機能を持たない場合には、画像形成部LVに形成される画像情報は、照明光学系LSからの照明光により照明される。照明光学系LSとしては、画像形成部LVを効率よく照明する機能を有するものが望ましく、また、照明をより均一にするため、例えばロッドインテグレータやフライアイインテグレータを用いることができる。
The DMD used as an image display element is a device that has a large number of micromirrors and can electronically control the angles of these micromirrors individually within a predetermined angle range. For example, when the angle of one micromirror is −12 °, the reflected light of the illumination light from the micromirror is incident on the projection optical system, and when the angle is + 12 °, the reflected light of the illumination light enters the projection optical system. If the angle at which the illumination light enters the DMD is set so as not to enter, a digital image can be formed on the display screen of the DMD by controlling the tilt angle of each micromirror of the DMD.
Note that FIG. 1 shows a display screen portion that forms an image to be projected on the light valve, as an image forming unit LV of the light valve as an image display element.
When the image forming unit LV does not have a function of emitting light as in DMD or the like, the image information formed in the image forming unit LV is illuminated with illumination light from the illumination optical system LS. The illumination optical system LS preferably has a function of efficiently illuminating the image forming unit LV. For example, a rod integrator or a fly eye integrator can be used to make the illumination more uniform.

また、照明光学系LSにおける照明光源としては、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプおよび(白色)LED(発光ダイオード)などの白色光源を用いることができ、また単色発光LEDおよびLD(レーザダイオード)などの単色光源も用いることができる。照明光学系LSの具体的な構成については、本発明では特に限定しておらず、説明が煩雑になるのを避けるために、ここでは詳細な説明を省略する。本発明の実施例1においては、画像形成部LVとしてDMDを想定している。また、本発明の実施例1では、上述したように、自ら発光する機能を持たない画像形成部を前提としているが、生成させた画像を発光させる機能を有する自己発光方式のものを利用することもでき、そのような場合には照明光学系LSは不要となる場合もある。
画像形成部LVの近傍に配設される平行平板は、画像形成部LVのカバーガラス(シールガラス)FGを想定している。
画像形成部LVの画像表示面に形成される画像は、平行平板FGを介して屈折光学系RRに入射し、屈折光学系RRおよび反射光学系RLを介してスクリーンSCに拡大結像される。屈折光学系RRは、絞りADを含むレンズ系として構成される。
In addition, as an illumination light source in the illumination optical system LS, a white light source such as an ultrahigh pressure mercury lamp, a xenon lamp, a halogen lamp, and a (white) LED (light emitting diode) can be used, and a monochromatic light emitting LED and an LD (laser diode). A monochromatic light source such as) can also be used. The specific configuration of the illumination optical system LS is not particularly limited in the present invention, and detailed description thereof is omitted here in order to avoid complicated description. In Embodiment 1 of the present invention, a DMD is assumed as the image forming unit LV. Further, in the first embodiment of the present invention, as described above, it is assumed that the image forming unit does not have a function of emitting light by itself, but a self-light-emitting type having a function of emitting a generated image is used. In such a case, the illumination optical system LS may be unnecessary.
The parallel flat plate disposed in the vicinity of the image forming unit LV is assumed to be a cover glass (seal glass) FG of the image forming unit LV.
An image formed on the image display surface of the image forming unit LV is incident on the refractive optical system RR via the parallel plate FG, and is enlarged and formed on the screen SC via the refractive optical system RR and the reflective optical system RL. The refractive optical system RR is configured as a lens system including a stop AD.

スクリーンSC以外の主要な部分は、投射型画像表示装置の筐体となる外装部HBに収容され、投射型画像表示装置を構成している。
実施例(実施例1および実施例2に共通)における記号の意味は、次の通りである。
f:全系の焦点距離
NA:開口数
ω:半画角(deg)
R:曲率半径(非球面の場合は近軸曲率半径)
D:面間隔
Nd:屈折率
νd:アッベ数
K:非球面の円錐定数
Ai:i次の非球面係数
Cj:自由曲面係数
非球面形状は、近軸曲率半径Rの逆数(近軸曲率)C、光軸からの高さH、円錐定数Kおよび各次数の非球面係数Aiを用い、光軸方向における非球面量をXとして、周知の式〔4〕:
Main parts other than the screen SC are accommodated in an exterior part HB which is a casing of the projection type image display device, and constitutes a projection type image display device.
The meanings of symbols in Examples (common to Examples 1 and 2) are as follows.
f: Focal length of entire system NA: Numerical aperture ω: Half angle of view (deg)
R: radius of curvature (paraxial radius of curvature for aspheric surfaces)
D: Surface spacing Nd: Refractive index νd: Abbe number K: Aspherical conical constant Ai: i-th order aspherical coefficient Cj: Free-form surface coefficient The aspherical shape is the reciprocal of the paraxial radius of curvature R (paraxial curvature) C Using the height H from the optical axis, the conic constant K, and the aspherical coefficient Ai of each order, where the aspherical amount in the optical axis direction is X, the well-known equation [4]:

であらわされ、近軸曲率半径R、円錐定数Kおよび非球面係数Aiを与えて非球面形状を特定する。
また、自由曲面形状は、近軸曲率半径Rの逆数(近軸曲率)C、光軸からの高さH、円錐定数Kおよび自由曲面係数Cjを用い、光軸方向における自由曲面量をXとして、周知の式〔5〕
The aspherical shape is specified by giving the paraxial radius of curvature R, the conic constant K, and the aspherical coefficient Ai.
The free-form surface shape uses an inverse number of the paraxial radius of curvature R (paraxial curvature) C, a height H from the optical axis, a conic constant K, and a free-form surface coefficient Cj, and the amount of free-form surface in the optical axis direction is X. The well-known formula [5]

ただし   However,

であらわされ、近軸曲率半径R、円錐定数K、自由曲面係数Cjを与えて形状を特定する。 The shape is specified by giving a paraxial radius of curvature R, a conical constant K, and a free-form surface coefficient Cj.

図1に示すように、画像形成部LVの法線方向であって、屈折光学系RRにおける軸対称レンズが共有する軸である光軸A(図1には明確には図示されてはいない)と平行な軸をZ軸、画像表示素子の表示画面、すなわち画像形成部LVの画面の中心から射出され、絞りADの中心を通る光線を含む面内の軸のうち、光軸Aに垂直な軸をY軸、光軸A(と平行なZ軸)とY軸とに垂直な軸をX軸とし、図1において、Z軸から反時計回りの回転方向を+α方向とする。また、図に示す矢印の方向がそれぞれ正の方向を示す。
図1および図2は、本発明の第1の実施の形態である実施例1に係る投射光学システムを用いた画像表示装置の構成を説明するためのものである。このうち、図1は、実施例1に係る投射光学システムの全体の概略的な主要構成を、光軸を含み且つ画像表示素子の表示画面の長辺が垂直に交わる断面に沿って示す断面図である。そして図2は、図1の投射光学系の主として屈折光学系のレンズ系およびそのフォーカシング動作をより詳細に示す断面図である。
図1および図2において、画像表示素子の画像形成部LVの表示画面の画像は、カバーガラスFGから屈折光学系RRおよび反射光学系RLを順次介して防塵ガラスBGを経てスクリーンSCに投射される。画像表示素子(画像形成部LV)、カバーガラスFG、屈折光学系RRおよび反射光学系RLは、外装部HBに収容され、投射型画像表示装置を構成している。カバーガラスFGは、外装部HBからの投影光線の射出部に設けられている。
As shown in FIG. 1, the optical axis A is a normal direction of the image forming unit LV and is an axis shared by the axisymmetric lens in the refractive optical system RR (not clearly shown in FIG. 1). Of the display screen of the image display element, that is, the center of the screen of the image forming unit LV, and is perpendicular to the optical axis A among the in-plane axes including light rays passing through the center of the stop AD. The axis is the Y axis, the axis perpendicular to the optical axis A (Z axis parallel to the optical axis) and the Y axis is the X axis, and in FIG. 1, the counterclockwise rotation direction from the Z axis is the + α direction. Moreover, the direction of the arrow shown in the figure indicates the positive direction.
FIG. 1 and FIG. 2 are diagrams for explaining the configuration of an image display apparatus using the projection optical system according to Example 1 which is the first embodiment of the present invention. Among these, FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic main configuration of the entire projection optical system according to the first embodiment along a cross section that includes the optical axis and in which the long sides of the display screen of the image display element intersect perpendicularly. It is. FIG. 2 is a sectional view showing in more detail the lens system of the refractive optical system and its focusing operation in the projection optical system of FIG.
1 and 2, the image on the display screen of the image forming unit LV of the image display element is projected onto the screen SC from the cover glass FG through the refractive optical system RR and the reflective optical system RL through the dust-proof glass BG. . The image display element (image forming part LV), the cover glass FG, the refractive optical system RR, and the reflective optical system RL are accommodated in the exterior part HB and constitute a projection type image display apparatus. The cover glass FG is provided in the emission part of the projection light from the exterior part HB.

屈折光学系RRは、絞りADを含むレンズ系として構成され、図2に示すように、画像形成部LV側から、順次、第1レンズ群G1、第2レンズ群G2、第3レンズ群G3そして第4レンズ群G4を配置している。絞りADは、第1レンズ群G1内に配置している。
反射光学系RLは、屈折光学系RRから射出される光線をほぼ直角に偏向する折り返し平面ミラーM1および折り返し平面ミラーM1からの光線を偏向し、防塵ガラスBGを介してスクリーンSCに投射する凹面ミラーM2を有している。
すなわち、図1は、本発明の第1の実施の形態に係る画像表示装置の投射光学システムの構成を示し、図2は、その主として屈折光学系RRのレンズ系の構成およびフォーカシングの際のレンズ群の軌跡を示している。図2においては、フォーカシングによるレンズ群の移動の軌跡を実線で示している。また、図1に示す通り、光軸A方向をZ軸、画像形成部LVの画面中心と絞りADの中心、そしてスクリーンの中心を通る光線を含む面上で、光軸Aと垂直の方向をY軸とする。画像表示素子(画像形成部LV)から折り返し平面ミラーM1へ向かう方向を+Z方向、折り返し平面ミラーM1から凹面ミラーM2に向かう方向を+Y方向とする。また、画像表示素子(画像形成部LV)の画面中心、絞りADの中心およびスクリーンSCの中心を通る光線を含む面上で、+Z方向から+Y方向への回転を+α回転とする。
The refractive optical system RR is configured as a lens system including a stop AD, and as shown in FIG. 2, from the image forming unit LV side, the first lens group G1, the second lens group G2, the third lens group G3, and A fourth lens group G4 is disposed. The aperture stop AD is disposed in the first lens group G1.
The reflective optical system RL deflects the light beam emitted from the refractive optical system RR substantially at right angles, and the concave mirror that deflects the light beam from the folded flat mirror M1 and projects it onto the screen SC through the dust-proof glass BG. Has M2.
1 shows the configuration of the projection optical system of the image display apparatus according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 mainly shows the configuration of the lens system of the refractive optical system RR and the lens at the time of focusing. The trajectory of the group is shown. In FIG. 2, the locus of movement of the lens unit by focusing is shown by a solid line. Further, as shown in FIG. 1, the direction of the optical axis A is the Z axis, the center of the screen of the image forming unit LV and the center of the stop AD, and the direction perpendicular to the optical axis A on the plane including the light beam passing through the center of the screen. The Y axis is assumed. The direction from the image display element (image forming unit LV) toward the folding plane mirror M1 is defined as + Z direction, and the direction from the folding plane mirror M1 toward the concave mirror M2 is defined as + Y direction. Further, the rotation from the + Z direction to the + Y direction is defined as + α rotation on the plane including the light beam passing through the center of the image display element (image forming unit LV), the center of the stop AD, and the center of the screen SC.

画像情報により画像形成部LVのDMDで2次元的に強度変調された光束が物体光としての投射光束となる。画像形成部LVからの投射光束は、光学素子Bを含む屈折光学系RR(第1レンズ群G1、第2レンズ群G2、第3レンズ群G3、第4レンズ群G4)、折り返し平面ミラーM1および凹面ミラーM2を通って結像光束とされる。つまり、DMD(画像形成部LV)上に形成された画像が投射光学システムによりスクリーンSCに拡大投影され、投射画像となる。ここで、画像形成部LVにおいて画像が形成される面を画像形成面とする。
図3は、投射光学システムにおける画像表示素子の画像形成部LVの表示画面の形態およびその光軸に対する位置関係を模式的に示す模式図であり、図4は、投射光学システムにおける近軸像面、中間像および光軸等の関係を説明するための模式図である。
屈折光学系RRを構成する各光学素子は、それぞれ光軸を共有しており、画像形成部LVは、図3に示す通り、光軸Aに対してY方向にシフトしており、光軸Aと交差している。画像形成部LVの画像形成面と、光軸Aとの交点をC0としたときに、光学素子Bの光軸を光軸Aに一致させた場合の屈折光学系RRによる交点C0の共役点をCCとする。共役点CCを含み、光軸Aに対して垂直な面を近軸像面とする。図4に示すように、この近軸像面と絞りの中心を通る光線(以後、主光線と称する)との交点のうち、光軸Aと近軸像面の交点CCからの距離が最大となる距離をD、また、光軸Aと画像形成部LVの端部との距離が最大となる点(図3のL0)に屈折光学系RRによる近軸倍率をかけたものを近軸最大像高Didとする。
A light beam that is two-dimensionally intensity-modulated by the DMD of the image forming unit LV according to image information becomes a projection light beam as object light. The projection light beam from the image forming unit LV is a refractive optical system RR including the optical element B (first lens group G1, second lens group G2, third lens group G3, fourth lens group G4), a folded plane mirror M1, and An imaged light beam passes through the concave mirror M2. That is, the image formed on the DMD (image forming unit LV) is enlarged and projected on the screen SC by the projection optical system, and becomes a projected image. Here, a surface on which an image is formed in the image forming unit LV is defined as an image forming surface.
FIG. 3 is a schematic diagram schematically showing the form of the display screen of the image forming unit LV of the image display element in the projection optical system and the positional relationship with respect to the optical axis, and FIG. 4 is a paraxial image plane in the projection optical system. It is a schematic diagram for demonstrating relations, such as an intermediate image and an optical axis.
Each optical element constituting the refractive optical system RR shares an optical axis, and the image forming unit LV is shifted in the Y direction with respect to the optical axis A as shown in FIG. Intersects. When the intersection of the image forming surface of the image forming unit LV and the optical axis A is C0, the conjugate point of the intersection C0 by the refractive optical system RR when the optical axis of the optical element B is coincident with the optical axis A CC. A plane including the conjugate point CC and perpendicular to the optical axis A is defined as a paraxial image plane. As shown in FIG. 4, among the intersections of the paraxial image plane and a ray passing through the center of the stop (hereinafter referred to as the principal ray), the distance from the intersection CC of the optical axis A and the paraxial image plane is the maximum. Is obtained by multiplying the point where the distance between the optical axis A and the end of the image forming unit LV is maximum (L0 in FIG. 3) by the paraxial magnification by the refractive optical system RR. High Did.

この実施例においては、屈折光学系RRと、一枚の凹面ミラーM2を用いて実質的な光学系を構成しているが、ミラーを増設したり、折り返しミラーにパワーを持たせたりしてもよい。しかしながら、構成が複雑になり、大型化してしまうだけでなく、大幅なコストアップにもつながってしまうため、あまり好ましくはない。
屈折光学系RRを通った光は、画像形成部LVに形成された画像情報に共役な中間像を反射光学系RLのミラーM1よりも画像形成部LV側に空間像として形成する。中間像は、平面像として結像する必要はなく、この実施例1においても、他の実施例においても曲面像として形成している。中間像を、最も拡大投射側に配置した自由曲面凹面ミラーM2により拡大投影し、スクリーンSCに投射する。中間像は、像面湾曲および歪曲を持っているが、凹面ミラーM2に自由曲面を用いることにより、これを補正することができる。そのため、屈折光学系RRのレンズ系への収差補正の負担が減ることにより、設計の自由度が増し、小型化等に有利となる。また、ここで自由曲面とは、任意のY方向の位置にてX方向の位置に応じたX方向の曲率が一定ではなく、任意のX方向の位置にてY方向の位置に応じたY方向の曲率が一定でないアナモフィック面のことを意味している。
In this embodiment, the refractive optical system RR and a single concave mirror M2 are used to form a substantial optical system. However, even if a mirror is added or the folding mirror is given power. Good. However, this is not preferable because the configuration becomes complicated and not only increases in size but also leads to a significant increase in cost.
The light passing through the refractive optical system RR forms an intermediate image conjugate with the image information formed in the image forming unit LV as an aerial image on the image forming unit LV side from the mirror M1 of the reflective optical system RL. The intermediate image does not need to be formed as a planar image, and is formed as a curved surface image in both the first embodiment and the other embodiments. The intermediate image is enlarged and projected by the free-form curved concave mirror M2 arranged on the most magnified projection side, and projected onto the screen SC. The intermediate image has field curvature and distortion, but this can be corrected by using a free-form surface for the concave mirror M2. For this reason, the burden of aberration correction on the lens system of the refractive optical system RR is reduced, which increases the degree of design freedom and is advantageous for downsizing and the like. In addition, the free-form surface here means that the curvature in the X direction according to the position in the X direction is not constant at any position in the Y direction, and the Y direction according to the position in the Y direction at any position in the X direction. This means an anamorphic surface with a constant curvature.

自由曲面凹面ミラーM2とスクリーンSCとの間に防塵ガラスBGを設置している。実施例1においては防塵ガラスBGとして平行平板ガラスを用いているが、曲率がついていてもよく、またレンズ等のパワーを持った光学素子としてもよい。また、光軸Aに対して垂直ではなく傾けて配置しているが、この角度は任意でよく、光軸Aに対して垂直としてもよい。
図5は、投射光学システムの遠距離(画面サイズが100インチ)における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図、図6は、投射光学システムの中間距離(画面サイズが80インチ)における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図、そして図7は、投射光学システムの近距離(画面サイズが60インチ)における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。すなわち、図5、図6および図7には、遠距離(画面サイズ100インチ)、中間距離(画面サイズ80インチ)および近距離(画面サイズ60インチ)における近軸像面と主光線との交点をプロットしたものを示している。黒い点が各画角における主光線と近軸像面との交点の座標を示しており、破線が近軸像を示している。これらの図より、各画面サイズにおいても、樽型の歪曲をしていることがわかる。つまり、これは中間像が圧縮されていることにほかならない。よって、中間像の小型化により、自由曲面ミラーを小型化できるため、コストダウンや装置の小型化を図ることができる。
A dust-proof glass BG is installed between the free-form curved concave mirror M2 and the screen SC. In Example 1, parallel flat glass is used as the dust-proof glass BG, but it may have a curvature or may be an optical element having power such as a lens. In addition, although it is arranged to be inclined with respect to the optical axis A, the angle may be arbitrary and may be perpendicular to the optical axis A.
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the relationship between the paraxial image plane and the intersection of the principal ray at a long distance (screen size is 100 inches) of the projection optical system, and FIG. 6 is an intermediate distance of the projection optical system. FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the relationship between the paraxial image plane (at a screen size of 80 inches) and the intersection with the principal ray, and FIG. 7 is a diagram showing a near distance at a short distance (screen size is 60 inches) of the projection optical system. It is a schematic diagram for demonstrating the relationship between an axial image surface and the intersection of a chief ray. That is, FIG. 5, FIG. 6 and FIG. 7 show the intersection of the paraxial image plane and the principal ray at a long distance (screen size 100 inches), an intermediate distance (screen size 80 inches) and a short distance (screen size 60 inches). Is plotted. The black dots indicate the coordinates of the intersection of the principal ray and the paraxial image plane at each angle of view, and the broken lines indicate the paraxial image. From these figures, it can be seen that the barrel is distorted even in each screen size. That is, this is nothing but the intermediate image is compressed. Therefore, since the free-form curved mirror can be reduced in size by reducing the size of the intermediate image, the cost can be reduced and the apparatus can be reduced in size.

遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、本実施例においては、正レンズ群である第1レンズ群G1、折り返し平面ミラーM1、そして自由曲面ミラーM2は、画像形成面に対し固定されており、正レンズ群である第2レンズ群G2と負レンズ群である第3レンズ群G3は画像形成部LV側に移動し、正のレンズ群である第4レンズ群G4は、拡大投射側である反射光学系RL側に移動する。つまり、フローティングフォーカスをすることにより、像面湾曲や歪曲収差を高度に制御することを可能としている。また、本実施例では、この移動するレンズ群内に非球面レンズを用いることにより、補正の効果をより高めている。
上述した光学系全体と、画像形成に必要な部分、すなわち、図示されていない画像処理部や電源部、そして冷却用のファンなどが、投射光学システムを構成する光学系とともにハウジングを構成する外装部HBに収納されて投射型の画像表示装置を構成している。
上述した投射光学システムの具体的な構成をさらに詳細に説明する。
When focusing from the long distance side to the short distance side, in this embodiment, the first lens group G1, which is a positive lens group, the folding plane mirror M1, and the free-form surface mirror M2 are fixed with respect to the image forming surface. The second lens group G2, which is a positive lens group, and the third lens group G3, which is a negative lens group, move toward the image forming unit LV, and the fourth lens group G4, which is a positive lens group, is on the magnification projection side. Move to the reflective optical system RL side. In other words, the field curvature and distortion can be controlled to a high degree by performing the floating focus. In this embodiment, the correction effect is further enhanced by using an aspherical lens in the moving lens group.
The entire optical system described above, and parts necessary for image formation, that is, an image processing unit and a power supply unit (not shown), a cooling fan, and the like constitute an exterior unit that forms a housing together with the optical system that constitutes the projection optical system. A projection type image display device is housed in the HB.
A specific configuration of the above-described projection optical system will be described in more detail.

画像形成部側LVから拡大投射側に向かって、順次、正の屈折力を有する第1レンズ群G1と、正の屈折力を有する第2レンズ群G2と、負の屈折力を有し1枚の非球面レンズを含む第3レンズ群G3と、正の屈折力を有し1枚の非球面レンズを含む第4レンズ群G4と、折り返し平面ミラーM1と、そして最も拡大投射側の自由曲面凹面ミラーM2とを配置する。投射距離の変動に対するフォーカシングは、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、正の第2レンズ群G2と負の第3レンズ群G3は画像形成部側に移動し、正の第4レンズ群G4は、拡大投射側に移動する。
第1レンズ群G1は、画像形成部LV側から、順次、画像形成部LV側により強い凸面を向けて両面に非球面を形成した両凸レンズからなる第1レンズE1と、画像形成部LV側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第2レンズE2と、画像形成部LV側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる第3レンズE3と画像形成部LV側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第4レンズE4とを互いに密着させて接合してなる2枚接合レンズと、開口絞りADと、拡大投射側により強い凹面を向けた両凹レンズからなる第5レンズE5と、拡大投射側により強い凸面を向けた両凸レンズからなる第6レンズE6と、画像形成部LV側に凸面を向けて両面に非球面を形成した負メニスカスレンズからなる第7レンズE7と、拡大投射側により強い凸面を向けた両凸レンズからなる第8レンズE8と画像形成部LV側により強い凹面を向けた両凹レンズからなる第9レンズE9を互いに密着させて接合してなり、光軸Aから+Y方向に2.04mmシフトさせて偏心配置した光学素子Bとしての2枚接合レンズと、画像形成部LV側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第10レンズL10と、を配置して構成している。すなわち、第8レンズE8と第9レンズE9からなる2枚接合レンズが、偏心配置された光学素子Bである。
A first lens group G1 having a positive refractive power, a second lens group G2 having a positive refractive power, and one sheet having a negative refractive power in order from the image forming unit LV toward the magnification projection side A third lens group G3 including the aspherical lens, a fourth lens group G4 including a single aspherical lens having a positive refractive power, a folding plane mirror M1, and a free curved concave surface closest to the enlargement projection side A mirror M2 is arranged. Focusing with respect to variation in the projection distance is such that, when focusing from the long distance side to the short distance side, the positive second lens group G2 and the negative third lens group G3 move to the image forming unit side, and the positive fourth lens group. G4 moves to the enlarged projection side.
The first lens group G1 includes, in order from the image forming unit LV side, a first lens E1 composed of a biconvex lens in which an aspheric surface is formed on both surfaces with a strong convex surface facing the image forming unit LV side, and an image forming unit LV side. Consists of a second lens E2 composed of a positive meniscus lens having a convex surface, a third lens E3 composed of a negative meniscus lens having a convex surface facing the image forming portion LV, and a positive meniscus lens having a convex surface facing the image forming portion LV. A double-junction lens formed by bonding the fourth lens E4 in close contact with each other, an aperture stop AD, a fifth lens E5 composed of a biconcave lens having a stronger concave surface on the enlargement projection side, and a stronger convex surface on the enlargement projection side A sixth lens E6 composed of a biconvex lens facing the lens, a seventh lens E7 composed of a negative meniscus lens having a convex surface facing the image forming portion LV and aspheric surfaces on both surfaces, and magnified projection The eighth lens E8 composed of a biconvex lens having a stronger convex surface and the ninth lens E9 composed of a biconcave lens having a stronger concave surface directed toward the image forming unit LV are brought into close contact with each other and joined from the optical axis A in the + Y direction. And a tenth lens L10 composed of a positive meniscus lens having a convex surface facing the image forming unit LV, and a decentered optical element B that is shifted by 2.04 mm. . In other words, the two-element cemented lens including the eighth lens E8 and the ninth lens E9 is the optical element B arranged eccentrically.

第2レンズ群G2は、画像形成部LV側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第11レンズE11で構成している。また、第3レンズ群G3は、画像形成部LV側から、順次、拡大投射側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる第12レンズE12と、拡大投射側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる第13レンズE13と、画像形成部LV側に凸面を向けて両面に非球面を形成した負メニスカスレンズからなる第14レンズE14を配置して構成している。第4レンズ群G4は、拡大投射側に凸面を向けて両面に非球面を形成した正メニスカスレンズからなる第15レンズE15を配置して構成している。
上述した各レンズ群G1〜G4により屈折光学系RRが構成されており、その拡大投射側に折り返し用の平面ミラーM1、自由曲面凹面ミラーM2が設置されている。
この実施例1における各光学要素の光学特性は、下記の表1の通りである。なお、この場合の開口数NAは、0.200である。
The second lens group G2 includes an eleventh lens E11 made of a positive meniscus lens having a convex surface directed toward the image forming unit LV. The third lens group G3 includes, sequentially from the image forming unit LV side, a twelfth lens E12 composed of a negative meniscus lens having a convex surface facing the magnified projection side, and a negative meniscus lens having a convex surface facing the magnified projection side. A thirteenth lens E13 and a fourteenth lens E14 composed of a negative meniscus lens having a convex surface facing the image forming portion LV and aspheric surfaces on both surfaces are arranged. The fourth lens group G4 includes a fifteenth lens E15 made of a positive meniscus lens having a convex surface facing the enlargement projection side and aspheric surfaces formed on both surfaces.
The lens groups G1 to G4 described above constitute a refractive optical system RR, and a folding plane mirror M1 and a free-form curved concave mirror M2 are installed on the enlarged projection side.
The optical characteristics of the optical elements in Example 1 are as shown in Table 1 below. In this case, the numerical aperture NA is 0.200.

表1において、面番号に「*(アスタリスク)」を付して示した面番号のレンズ面が非球面である。また、表1において、面番号に「#(ナンバーサイン、ハッシュマークなどとも称される)」を付して示した凹面ミラーM2の反射面である第33面は、自由曲面を示しており、この自由曲面の形状は、先に述べた式〔5〕で定義される。
なお、表1には、各レンズの材料も示しており、光学ガラスの硝材の場合には、硝材の番号および製造元を示している。硝材の製造元の略号は、OHARAが株式会社オハラを示し、HOYAがHOYA株式会社を示している。
また、表1における第21面と第22面、第23面と第24面、第29面と第30面、第31面と第32面および第33面とスクリーンSCにおけるそれぞれの可変間隔DA、DB、DC、DDおよびDEは、第1レンズ群G1と第2レンズ群G2、第2レンズ群G2と第3レンズ群G3、第3レンズ群G3と第4レンズ群G4、第4レンズ群G4と折り返し平面ミラーM1および凹面ミラーM2とスクリーンSCの間の群間隔をそれぞれ示し、これら群間隔を変化させることによって拡大率を変更することができ、画面サイズを60インチとする場合と、80インチとする場合と、100インチとする場合とで表2のような値に変化させる。投射距離、すなわち画面サイズを変更してフォーカシングを行った際の表1における可変間隔DA、DB、DC、DDおよびDEの変化は、表2の通りである。
In Table 1, the lens surface with the surface number indicated by adding “* (asterisk)” to the surface number is an aspherical surface. In Table 1, the 33rd surface, which is the reflecting surface of the concave mirror M2 indicated by attaching “# (also referred to as a number sign, hash mark, etc.)” to the surface number, indicates a free-form surface. The shape of this free-form surface is defined by the equation [5] described above.
Table 1 also shows the material of each lens. In the case of a glass material of optical glass, the number and manufacturer of the glass material are shown. The abbreviations of the glass material manufacturers are OHARA for OHARA Corporation and HOYA for HOYA Corporation.
Further, in Table 1, the variable distance DA between the 21st surface and the 22nd surface, the 23rd surface and the 24th surface, the 29th surface and the 30th surface, the 31st surface and the 32nd surface, and the 33rd surface and the screen SC, DB, DC, DD and DE are the first lens group G1 and the second lens group G2, the second lens group G2 and the third lens group G3, the third lens group G3, the fourth lens group G4, and the fourth lens group G4. The group spacings between the plane mirror M1 and the concave mirror M2 and the screen SC and the screen SC are shown, and the magnification can be changed by changing these group spacings. And a value as shown in Table 2 are changed depending on whether it is 100 inches or 100 inches. Table 2 shows changes in the variable intervals DA, DB, DC, DD, and DE in Table 1 when the projection distance, that is, focusing is performed by changing the screen size.

また、表1において「*」が付された第4面、第5面、第15面、第16面、第28面、第29面、第30面および第31面の各光学面が非球面であり、式〔4〕における各非球面のパラメータは、表3の通りである。なお、非球面係数において、「En」は、「10のべき乗」、すなわち「×10n」をあらわし、例えば「E−05」は、「×10−5」をあらわしている。これらは、他の実施例についても同様である。   In Table 1, the optical surfaces of the fourth surface, the fifth surface, the fifteenth surface, the sixteenth surface, the twenty-eighth surface, the twenty-ninth surface, the thirty-third surface, and the thirty-first surface marked with “*” are aspherical surfaces. Table 3 shows the parameters of each aspheric surface in the equation [4]. In the aspheric coefficient, “En” represents “power of 10”, that is, “× 10n”, and for example, “E-05” represents “× 10-5”. The same applies to the other embodiments.

なお、第33面の凹面ミラーM2(図1参照)の自由曲面は、先に述べた式〔5〕に表4にしたがってCj等の係数・定数を与えることにより定義される。   The free-form surface of the 33rd concave mirror M2 (see FIG. 1) is defined by giving a coefficient / constant such as Cj according to Table 4 to the equation [5] described above.

投射距離を変化して、画面サイズを60インチとする場合と、80インチとする場合と、100インチとする場合とにおける投射距離と、条件式〔1〕におけるTR=(凹面ミラーと光軸Aとの交点からスクリーンまでの距離)/(スクリーン横幅)の値は、表5のようになる。従って、実施例1に係る投射光学システムは、「TR」の値が、条件式〔1〕を満足している。   When the projection distance is changed and the screen size is 60 inches, 80 inches, and 100 inches, TR = (concave mirror and optical axis A in conditional expression [1]) Table 5 shows the value of (distance from the intersection with the screen) / (screen width). Therefore, in the projection optical system according to Example 1, the value of “TR” satisfies the conditional expression [1].

また、この実施例1における画像形成部LVに用いているDMDのサイズは、
ドットサイズ: 7.56μm
横方向長さ: 14.5152mm
縦方向長さ: 8.1648mm
である。そして、画像形成部LVの光軸Aに対するシフト量は、次の通りである。
光軸〜素子中心: 3.9824mm
さらに、条件式〔2〕のD/Didおよび条件式〔3〕のGi/Goは、それぞれ
D/Did:0.68
Gi/Go:91.5
である。従って、実施例1に係る投射光学システムは、条件式〔2〕および条件式〔3〕を満足している。
最も反射面側に位置する第15レンズE15の投影画像が最大となる合焦状態での頂点からの折り返し平面ミラーM1および自由曲面凹面ミラーM2の位置座標を表6に示す。なお回転角αに関しては面法線と光軸とのなす角度を示している。
The size of the DMD used for the image forming unit LV in the first embodiment is as follows.
Dot size: 7.56 μm
Horizontal length: 14.5152mm
Longitudinal length: 8.1648mm
It is. The shift amount of the image forming unit LV with respect to the optical axis A is as follows.
Optical axis to element center: 3.9824 mm
Furthermore, D / Did of conditional expression [2] and Gi / Go of conditional expression [3] are respectively D / Did: 0.68
Gi / Go: 91.5
It is. Therefore, the projection optical system according to Example 1 satisfies the conditional expressions [2] and [3].
Table 6 shows the position coordinates of the folding plane mirror M1 and the free-form curved concave mirror M2 from the apex in the in-focus state where the projection image of the fifteenth lens E15 located closest to the reflecting surface is the maximum. Note that the rotation angle α indicates the angle formed by the surface normal and the optical axis.

図8、図9および図10に、実施例1における各ズーム投射距離におけるスクリーンSCでの各画角の波長550nmのスポット位置を示す。図8〜図10より、各ズーム投射距離においても、歪みが少ない投影画像を投射することができることがわかる。
図11、図12および図13に、各ズーム投射距離におけるスポットダイアグラムを示す。各スポットダイアグラムは、スクリーンSC面での結像特性を波長625nm(赤)、550nm(緑)、425nm(青)について示している。また図11〜図13におけるF1〜F13は、図14に示す画角に対応している。
8, 9, and 10 show spot positions with a wavelength of 550 nm on the screen SC at each zoom projection distance in the first embodiment. 8 to 10, it can be seen that a projection image with little distortion can be projected even at each zoom projection distance.
FIG. 11, FIG. 12 and FIG. 13 show spot diagrams at each zoom projection distance. Each spot diagram shows imaging characteristics on the screen SC surface for wavelengths of 625 nm (red), 550 nm (green), and 425 nm (blue). Further, F1 to F13 in FIGS. 11 to 13 correspond to the angles of view shown in FIG.

〔第2の実施の形態〕
次に、上述した本発明の第2の実施の形態としての具体的な実施例2を詳細に説明する。
[Second Embodiment]
Next, a specific example 2 as the above-described second embodiment of the present invention will be described in detail.

実施例2は、本発明の第2の実施の形態に係る投射光学システムの具体的な構成の実施例である。
図15および図16は、本発明の第2の実施の形態である実施例2に係る投射光学システムを用いた画像表示装置の構成を説明するためのものである。このうち、図15は、実施例2に係る投射光学システムを用いた画像表示装置の全体の主要構成を、光軸を含み且つ画像表示素子の表示画面の長辺が垂直に交わる断面に沿って示す断面図である。そして図16は、図15の投射光学系の主として屈折光学系のレンズ系およびそのフォーカシング動作をより詳細に示す断面図である。
図15および図16において、画像表示素子の画像形成部LVの表示画面の画像は、カバーガラスFGから屈折光学系RRおよび反射光学系RLを順次介して防塵ガラスBGを経てスクリーンSCに投射される。画像表示素子(画像形成部LV)、カバーガラスFG、屈折光学系RRおよび反射光学系RLは、外装部HBaに収容され、投射型画像表示装置を構成している。カバーガラスFGは、外装部HBaからの投影光線の射出部に設けられている。
Example 2 is an example of a specific configuration of the projection optical system according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 15 and FIG. 16 are for explaining the configuration of an image display apparatus using the projection optical system according to Example 2 which is the second embodiment of the present invention. Among these, FIG. 15 shows the main configuration of the entire image display apparatus using the projection optical system according to the second embodiment, along a cross section that includes the optical axis and the long sides of the display screen of the image display element intersect perpendicularly. It is sectional drawing shown. FIG. 16 is a sectional view showing in more detail the lens system of the refractive optical system of the projection optical system of FIG. 15 and its focusing operation.
15 and 16, the image on the display screen of the image forming unit LV of the image display element is projected from the cover glass FG to the screen SC through the refractive optical system RR and the reflective optical system RL through the dust-proof glass BG. . The image display element (image forming unit LV), the cover glass FG, the refractive optical system RR, and the reflective optical system RL are accommodated in the exterior part HBa and constitute a projection type image display apparatus. The cover glass FG is provided in the emission part of the projection light from the exterior part HBa.

図15および図16に示す実施例2の構成は、実施例1における折り返し平面ミラーM1がなく、反射が自由曲面凹面ミラーCMによる1回のみである点を除けば、基本的に実施例1と同様の構成であるので、この実施例2では、実施例1の外装部HB、反射光学系RLおよび凹面ミラーM2に代えて、外装部HBa、反射光学系RLaおよび自由曲面凹面ミラーCMを設けている。
屈折光学系RRは、絞りADを含むレンズ系として構成され、画像形成部LV側から、順次、第1レンズ群G1、第2レンズ群G2、第3レンズ群G3、そして第4レンズ群G4を配置している。絞りADは、第1レンズ群G1内に配置している。
反射光学系RLaは、屈折光学系RRから射出される光線を偏向し、防塵ガラスBGを介してスクリーンSCに投射する自由曲面凹面ミラーCMを有している。
すなわち、図15は、本発明の第2の実施の形態における実施例2に係る画像表示装置の投射光学システムの構成を示し、図16はその主として屈折光学系RRのレンズ系の構成およびフォーカシングの際のレンズ群の軌跡を示している。図16においては、フォーカシングによるレンズ群の移動の軌跡を実線で示している。
The configuration of the second embodiment shown in FIGS. 15 and 16 is basically the same as that of the first embodiment except that the folding plane mirror M1 in the first embodiment is not provided and the reflection is performed only once by the free-form curved concave mirror CM. Since the configuration is the same, in the second embodiment, instead of the exterior portion HB, the reflective optical system RL, and the concave mirror M2 of the first embodiment, an exterior portion HBa, a reflective optical system RLa, and a free-form curved concave mirror CM are provided. Yes.
The refractive optical system RR is configured as a lens system including a stop AD, and sequentially includes a first lens group G1, a second lens group G2, a third lens group G3, and a fourth lens group G4 from the image forming unit LV side. It is arranged. The aperture stop AD is disposed in the first lens group G1.
The reflective optical system RLa has a free-form concave mirror CM that deflects the light beam emitted from the refractive optical system RR and projects it onto the screen SC through the dust-proof glass BG.
15 shows the configuration of the projection optical system of the image display apparatus according to Example 2 in the second embodiment of the present invention, and FIG. 16 mainly shows the configuration of the lens system and focusing of the refractive optical system RR. The locus of the lens group is shown. In FIG. 16, the locus of movement of the lens group by focusing is indicated by a solid line.

また、図15に示す通り、光軸A方向をZ軸、画像形成部LVの画面中心と絞りADの中心、そしてスクリーンの中心を通る光線を含む面上で、光軸Aと垂直の方向をY軸とする。画像表示素子(画像形成部LV)から自由曲面凹面ミラーCMへ向かう方向を+Z方向、自由曲面凹面ミラーCMで反射されて光軸Aから離れる方向に向かう方向を+Y方向とする。また、画像表示素子(画像形成部LV)の画面中心、絞りADの中心およびスクリーンSCの中心を通る光線を含む面上で、+Z方向から+Y方向への回転を+α回転とする。
画像情報により画像形成部LVのDMDで2次元的に強度変調された光束が物体光としての投射光束となる。画像形成部LVからの投射光束は、光学素子Bを含む屈折光学系RR(第1レンズ群G1、第2レンズ群G2、第3レンズ群G3、第4レンズ群G4)および自由曲面凹面ミラーCMを通って結像光束とされる。つまり、DMD(画像形成部LV)上に形成された画像が投射光学システムによりスクリーンSCに拡大投影され、投射画像となる。ここで、画像形成部LVにおいて画像が形成される面を画像形成面とする。
Further, as shown in FIG. 15, the direction of the optical axis A is the Z axis, the center of the screen of the image forming unit LV and the center of the stop AD, and the direction perpendicular to the optical axis A on the plane including the light beam passing through the center of the screen. The Y axis is assumed. The direction from the image display element (image forming unit LV) toward the free curved concave mirror CM is defined as + Z direction, and the direction reflected from the free curved concave mirror CM and away from the optical axis A is defined as + Y direction. Further, the rotation from the + Z direction to the + Y direction is defined as + α rotation on the plane including the light beam passing through the center of the image display element (image forming unit LV), the center of the stop AD, and the center of the screen SC.
A light beam that is two-dimensionally intensity-modulated by the DMD of the image forming unit LV according to image information becomes a projection light beam as object light. The projection light beam from the image forming unit LV is a refractive optical system RR (first lens group G1, second lens group G2, third lens group G3, fourth lens group G4) including the optical element B and a free-form curved concave mirror CM. And is formed into an imaging light flux. That is, the image formed on the DMD (image forming unit LV) is enlarged and projected on the screen SC by the projection optical system, and becomes a projected image. Here, a surface on which an image is formed in the image forming unit LV is defined as an image forming surface.

屈折光学系RRを構成する各光学素子は、それぞれ光軸を共有しており、画像形成部LVは、図3に示す通り、光軸Aに対してY方向にシフトしており、光軸Aと交差している。画像形成部LVの画像形成面と、光軸Aとの交点をC0としたときに、この交点C0の前記光学素子Bの光軸を光軸Aに一致させた場合の屈折光学系RRによる交点C0の共役点をCCとする。共役点CCを含み、光軸Aに対して垂直な面を近軸像面とする。図4に示すように、この近軸像面と絞りADの中心を通る線(以降、主光線という)との交点のうち、前記光軸Aと近軸像面の交点Cからの距離をD、また、光軸Aと画像形成部との距離が最大となる点(図3のL0)に屈折光学系RRによる近軸倍率をかけたものを近軸最大像高Didとする。
この実施例2においては、屈折光学系RRと、一枚の凹面ミラーCMを用いて実質的な光学系を構成しているが、ミラーを増設したり、折り返しミラーにパワーを持たせたりしてもよい。しかしながら、構成が複雑になり、大型化してしまうだけでなく、大幅なコストアップにもつながってしまうため、あまり好ましくはない。
Each optical element constituting the refractive optical system RR shares an optical axis, and the image forming unit LV is shifted in the Y direction with respect to the optical axis A as shown in FIG. Intersects. When the intersection of the image forming surface of the image forming unit LV and the optical axis A is C0, the intersection by the refractive optical system RR when the optical axis of the optical element B at the intersection C0 coincides with the optical axis A Let CC be the conjugate point of CC. A plane including the conjugate point CC and perpendicular to the optical axis A is defined as a paraxial image plane. As shown in FIG. 4, among the intersections of this paraxial image plane and a line passing through the center of the stop AD (hereinafter referred to as the principal ray), the distance from the intersection C of the optical axis A and the paraxial image plane is D Further, a point obtained by multiplying the point (L0 in FIG. 3) where the distance between the optical axis A and the image forming unit is the maximum by the paraxial magnification by the refractive optical system RR is defined as the paraxial maximum image height Did.
In the second embodiment, a substantial optical system is configured by using the refractive optical system RR and one concave mirror CM. However, by adding a mirror or giving power to the folding mirror. Also good. However, this is not preferable because the configuration becomes complicated and not only increases in size but also leads to a significant increase in cost.

屈折光学系RRを通った光は、画像形成部LVに形成された画像情報に共役な中間像を反射光学系RLaを構成する自由曲面凹面ミラーCMよりも画像形成部LV側に空間像として形成する。中間像は、平面像として結像する必要はなく、この実施例2においても、曲面像として形成している。中間像を、最も拡大投射側に配置した自由曲面凹面ミラーCMにより拡大投影し、スクリーンSCに投射する。中間像は、像面湾曲および歪曲を持っているが、凹面ミラーCMに自由曲面を用いることにより、これを補正することができる。そのため、屈折光学系RRのレンズ系への収差補正の負担が減ることにより、設計の自由度が増し、小型化等に有利となる。また、ここで自由曲面とは、任意のY方向の位置にてX方向の位置に応じたX方向の曲率が一定ではなく、任意のX方向の位置にてY方向の位置に応じたY方向の曲率が一定でないアナモフィック面のことを意味している。
自由曲面凹面ミラーCMとスクリーンSCとの間に防塵ガラスBGを設置している。実施例2においては、防塵ガラスBGとして平行平板ガラスを用いているが、曲率がついていてもよく、またレンズ等のパワーを持った光学素子としてもよい。また、光軸Aに対して垂直ではなく傾けて配置しているが、この角度は、任意でよく、光軸Aに対して垂直としてもよい。
The light passing through the refractive optical system RR forms an intermediate image conjugate with the image information formed in the image forming unit LV as an aerial image on the image forming unit LV side from the free curved concave mirror CM constituting the reflective optical system RLa. To do. The intermediate image does not need to be formed as a planar image, and is also formed as a curved image in the second embodiment. The intermediate image is magnified and projected by the free-form curved concave mirror CM arranged on the most magnified projection side, and projected onto the screen SC. The intermediate image has field curvature and distortion, but this can be corrected by using a free-form surface for the concave mirror CM. For this reason, the burden of aberration correction on the lens system of the refractive optical system RR is reduced, which increases the degree of design freedom and is advantageous for downsizing and the like. In addition, the free-form surface here means that the curvature in the X direction according to the position in the X direction is not constant at any Y position, and the Y direction according to the position in the Y direction at any X position. This means an anamorphic surface with a constant curvature.
A dustproof glass BG is installed between the free curved concave mirror CM and the screen SC. In Example 2, parallel flat glass is used as the dust-proof glass BG, but it may have a curvature, or may be an optical element having power such as a lens. In addition, although it is arranged to be inclined rather than perpendicular to the optical axis A, this angle may be arbitrary and may be perpendicular to the optical axis A.

図17は、投射光学システムの遠距離(画面サイズ100インチ)における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。図18は、投射光学システムの中間距離(画面サイズ80インチ)における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。そして図19は、投射光学システムの近距離(画面サイズ60インチ)における近軸像面と、主光線との交点との関係を説明するための模式図である。すなわち、図17、図18および図19に遠距離(画面サイズ100インチ)、中間距離(画面サイズ80インチ)および近距離(画面サイズ60インチ)における近軸像面と主光線との交点をプロットしたものを示している。黒い点が各画角における主光線と近軸像面との交点の座標を示しており、破線が近軸像を示している。これらの図より、各画面サイズにおいても、樽型の歪曲をしていることがわかる。つまりこれは、中間像が圧縮されていることにほかならない。よって、中間像の小型化により、自由曲面ミラーを小型化できるため、コストダウンや装置の小型化を図ることができる。
遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、本実施例においては、正レンズ群である第1レンズ群G1、そして自由曲面ミラーCMは、画像形成面に対し固定されており、正レンズ群である第2レンズ群G2と負レンズ群である第3レンズ群G3は画像形成部LV側に移動し、正のレンズ群である第4レンズ群G4は、拡大投射側である反射光学系RL側に移動する。
FIG. 17 is a schematic diagram for explaining the relationship between the paraxial image plane at the long distance (screen size 100 inches) of the projection optical system and the intersection of the principal rays. FIG. 18 is a schematic diagram for explaining the relationship between the paraxial image plane at the intermediate distance (screen size 80 inches) of the projection optical system and the intersection of the principal rays. FIG. 19 is a schematic diagram for explaining the relationship between the paraxial image plane at the short distance (screen size 60 inches) of the projection optical system and the intersection of the principal rays. That is, FIG. 17, FIG. 18 and FIG. 19 plot the intersections of the paraxial image plane and the principal ray at a long distance (screen size 100 inches), an intermediate distance (screen size 80 inches), and a short distance (screen size 60 inches). Shows what you did. The black dots indicate the coordinates of the intersection of the principal ray and the paraxial image plane at each angle of view, and the broken lines indicate the paraxial image. From these figures, it can be seen that the barrel is distorted even in each screen size. In other words, this is nothing but the intermediate image is compressed. Therefore, since the free-form curved mirror can be reduced in size by reducing the size of the intermediate image, the cost can be reduced and the apparatus can be reduced in size.
In focusing from the long distance side to the short distance side, in the present embodiment, the first lens group G1, which is a positive lens group, and the free-form surface mirror CM are fixed with respect to the image forming surface. A certain second lens group G2 and a third lens group G3 that is a negative lens group move to the image forming unit LV side, and a fourth lens group G4 that is a positive lens group is a reflection optical system RL side that is an enlargement projection side Move to.

つまり、フローティングフォーカスをすることにより、像面湾曲や歪曲収差を高度に制御することを可能としている。また、本実施例ではこの移動するレンズ群内に非球面レンズを用いることにより、補正の効果をより高めている。
上述した光学系全体と、画像形成に必要な部分、すなわち、図示されていない画像処理部や電源部、そして冷却用のファンなどが、投射光学システムを構成する光学系とともにハウジングを構成する外装部HBaに収納されて投射型の画像表示装置を構成している。
上述した投射光学システムの具体的な構成をさらに詳細に説明する。
画像形成部側LVから拡大投射側に向かって、順次、正の屈折力を有する第1レンズ群G1と、正の屈折力を有する第2レンズ群G2と、負の屈折力を有し1枚の非球面レンズを含む第3レンズ群G3と、正の屈折力を有し1枚の非球面レンズを含む第4レンズ群G4と、そして最も拡大投射側に自由曲面凹面ミラーCMとを配置し、投射距離の変動に対するフォーカシングは、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、正の第2レンズ群G2と負の第3レンズ群G3は画像形成部LV側に移動し、正の第4レンズ群G4は、拡大投射側に移動する。
In other words, the field curvature and distortion can be controlled to a high degree by performing the floating focus. In the present embodiment, the effect of correction is further enhanced by using an aspheric lens in the moving lens group.
The entire optical system described above, and parts necessary for image formation, that is, an image processing unit and a power supply unit (not shown), a cooling fan, and the like constitute an exterior unit that forms a housing together with the optical system that constitutes the projection optical system. It is housed in HBa to constitute a projection type image display device.
A specific configuration of the above-described projection optical system will be described in more detail.
A first lens group G1 having a positive refractive power, a second lens group G2 having a positive refractive power, and one sheet having a negative refractive power in order from the image forming unit LV toward the magnification projection side A third lens group G3 including an aspherical lens, a fourth lens group G4 including a single aspherical lens having positive refractive power, and a free-form curved concave mirror CM on the most magnified projection side. When focusing from the far side to the near side, the positive second lens group G2 and the negative third lens group G3 are moved to the image forming unit LV side, and focusing on the variation in the projection distance is performed. The lens group G4 moves to the enlarged projection side.

第1レンズ群G1は、画像形成部LV側から、順次、画像形成部LV側により強い凸面を向けて両面に非球面を形成した両凸レンズからなる第1レンズE1と、画像形成部LV側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第2レンズE2と、画像形成部LV側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる第3レンズE3と画像形成部LV側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第4レンズE4とを互いに密着させて接合してなる2枚接合レンズと、開口絞りADと、拡大投射側により強い凹面を向けた両凹レンズからなる第5レンズE5と、拡大投射側により強い凸面を向けた両凸レンズからなる第6レンズE6と、画像形成部LV側に凸面を向けて両面に非球面を形成した負メニスカスレンズからなる第7レンズE7と、拡大投射側により強い凸面を向けた両凸レンズからなる第8レンズE8と画像形成部LV側により強い凹面を向けた両凹レンズからなる第9レンズE9を互いに密着させて接合してなり、光軸Aから+Y方向に2.04mmシフトさせて偏心配置した光学素子Bとしての2枚接合レンズと、画像形成部LV側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第10レンズL10と、を配置して構成している。すなわち、第8レンズE8と第9レンズE9からなる2枚接合レンズが、偏心配置された光学素子Bである。   The first lens group G1 includes, in order from the image forming unit LV side, a first lens E1 composed of a biconvex lens in which an aspheric surface is formed on both surfaces with a strong convex surface facing the image forming unit LV side, and an image forming unit LV side. Consists of a second lens E2 composed of a positive meniscus lens having a convex surface, a third lens E3 composed of a negative meniscus lens having a convex surface facing the image forming portion LV, and a positive meniscus lens having a convex surface facing the image forming portion LV. A double-junction lens formed by bonding the fourth lens E4 in close contact with each other, an aperture stop AD, a fifth lens E5 composed of a biconcave lens having a stronger concave surface on the enlargement projection side, and a stronger convex surface on the enlargement projection side A sixth lens E6 composed of a biconvex lens facing the lens, a seventh lens E7 composed of a negative meniscus lens having a convex surface facing the image forming portion LV and aspheric surfaces on both surfaces, and magnified projection The eighth lens E8 composed of a biconvex lens having a stronger convex surface and the ninth lens E9 composed of a biconcave lens having a stronger concave surface directed toward the image forming unit LV are brought into close contact with each other and joined from the optical axis A in the + Y direction. And a tenth lens L10 composed of a positive meniscus lens having a convex surface facing the image forming unit LV, and a decentered optical element B that is shifted by 2.04 mm. . In other words, the two-element cemented lens including the eighth lens E8 and the ninth lens E9 is the optical element B arranged eccentrically.

第2レンズ群G2は、画像形成部LV側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる第11レンズE11で構成している。
また、第3レンズ群G3は、画像形成部LV側から、順次、拡大投射側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる第12レンズE12と、拡大投射側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる第13レンズE13と、画像形成部LV側に凸面を向けて両面に非球面を形成した負メニスカスレンズからなる第14レンズE14を配置して構成している。
第4レンズ群G4は、拡大投射側に凸面を向けて両面に非球面を形成した正メニスカスレンズからなる第15レンズE15を配置して構成している。
上述した各レンズ群G1〜G4により屈折光学系RRが構成されており、その拡大投射側に自由曲面凹面ミラーCMが設置されている。
この実施例2における各光学要素の光学特性は、表7の通りである。なお、この場合の開口数NAは、0.200である。
The second lens group G2 includes an eleventh lens E11 made of a positive meniscus lens having a convex surface directed toward the image forming unit LV.
The third lens group G3 includes, sequentially from the image forming unit LV side, a twelfth lens E12 composed of a negative meniscus lens having a convex surface facing the magnified projection side, and a negative meniscus lens having a convex surface facing the magnified projection side. A thirteenth lens E13 and a fourteenth lens E14 composed of a negative meniscus lens having a convex surface facing the image forming portion LV and aspheric surfaces on both surfaces are arranged.
The fourth lens group G4 includes a fifteenth lens E15 made of a positive meniscus lens having a convex surface facing the enlargement projection side and aspheric surfaces formed on both surfaces.
The lens groups G1 to G4 described above constitute a refractive optical system RR, and a free-form curved concave mirror CM is installed on the enlarged projection side.
Table 7 shows the optical characteristics of the optical elements in Example 2. In this case, the numerical aperture NA is 0.200.

表7において、面番号に「*」を付して示した面番号のレンズ面が非球面である。また、表1において、面番号に「#(ナンバーサイン、ハッシュマークなどとも称される)」を付して示した凹面ミラーCMの反射面である第32面は自由曲面を示しており、この自由曲面の形状は、先に述べた式〔5〕で定義される。
なお、表7には、各レンズの材料も示しており、光学ガラスの硝材の場合には、硝材の番号および製造元を示している。硝材の製造元の略号は、OHARAが株式会社オハラを示し、HOYAがHOYA株式会社を示している。
また、表7における第21面と第22面、第23面と第24面、第29面と第30面および第31面と第32面における可変間隔(DA、DB、DC、DDおよびDE)は、それぞれ第1レンズ群G1と第2レンズ群G2、第2レンズ群G2と第3レンズ群G3、第3レンズ群G3と第4レンズ群G4、第4レンズ群G4と自由曲面凹面ミラーCMおよび自由曲面凹面ミラーCMとスクリーンSCの間の群間隔をそれぞれ示し、これら群間隔を変化させることによって拡大率を変更することができ、画面サイズを60インチとする場合と、80インチとする場合と、100インチとする場合とで表8のような値に変化させる。投射距離、すなわち画面サイズを変更してフォーカシングを行った際の表7における可変間隔DA、DB、DC、DDおよびDEの面間隔の変化は、表8の通りである。
In Table 7, the lens surface with the surface number indicated by adding “*” to the surface number is an aspherical surface. In Table 1, the 32nd surface, which is the reflecting surface of the concave mirror CM indicated by adding “# (also referred to as a number sign, hash mark, etc.)” to the surface number, indicates a free-form surface. The shape of the free-form surface is defined by the equation [5] described above.
Table 7 also shows the material of each lens. In the case of a glass material of optical glass, the number and manufacturer of the glass material are shown. The abbreviations of the glass material manufacturers are OHARA for OHARA Corporation and HOYA for HOYA Corporation.
Moreover, the variable space | interval (DA, DB, DC, DD, and DE) in the 21st surface and the 22nd surface in Table 7, the 23rd surface and the 24th surface, the 29th surface and the 30th surface, and the 31st surface and the 32nd surface Are a first lens group G1 and a second lens group G2, a second lens group G2 and a third lens group G3, a third lens group G3 and a fourth lens group G4, a fourth lens group G4 and a free-form curved concave mirror CM, respectively. In addition, the group spacing between the free-form curved concave mirror CM and the screen SC is shown, and the enlargement ratio can be changed by changing the group spacing. When the screen size is set to 60 inches and 80 inches The value is changed as shown in Table 8 for the case of 100 inches. Table 8 shows changes in the plane distances of the variable distances DA, DB, DC, DD, and DE in Table 7 when the projection distance, that is, focusing is performed by changing the screen size.

また、表7において「*」が付された第4面、第5面、第15面、第16面、第28面、第29面、第30面および第31面の各光学面が非球面であり、式〔4〕における各非球面のパラメータは、表9の通りである。   In Table 7, the optical surfaces of the fourth surface, the fifth surface, the fifteenth surface, the sixteenth surface, the twenty-eighth surface, the twenty-ninth surface, the thirty-third surface, and the thirty-first surface marked with “*” are aspheric surfaces. Table 9 shows the parameters of each aspheric surface in Equation [4].

なお、第33面の凹面ミラーCMの自由曲面は、先に述べた式〔5〕に表10にしたがってCj等の係数・定数を与えることにより定義される。   The free-form surface of the 33rd concave mirror CM is defined by giving a coefficient / constant such as Cj according to Table 10 to the equation [5] described above.

投射距離を変化して、画面サイズを60インチとする場合と、80インチとする場合と、100インチとする場合とにおける投射距離と、条件式〔1〕におけるTR=(凹面ミラーと光軸Aとの交点からスクリーンまでの距離)/(スクリーン横幅)の値は、表11のようになる。   When the projection distance is changed and the screen size is 60 inches, 80 inches, and 100 inches, TR = (concave mirror and optical axis A in conditional expression [1]) Table 11 shows the values of (distance from the intersection with the screen) / (screen width).

即ち、この実施例2の場合、上記条件式〔1〕に対応する値は、表11の「TR」の通り、条件式〔1〕を満足している。
また、この実施例2における画像形成部LVに用いているDMDのサイズは、
ドットサイズ: 7.56μm
横方向長さ: 14.5152mm
縦方向長さ: 8.1648mm
である。そして、画像形成部LVの光軸Aに対するシフト量は、次の通りである。
光軸〜素子中心:3.9824mm
さらに、条件式〔2〕のD/Didおよび条件式〔3〕のGi/Goは、それぞれ
D/Did:0.68
Gi/Go:91.5
であり、条件式〔2〕および条件式〔3〕をそれぞれ満足している。
最も反射面側に位置する第15レンズE15の投影画像が最大となる合焦状態での頂点からの自由曲面凹面ミラーCMの位置座標を表12に示す。なお回転角αに関しては面法線と光軸とのなす角度を示している。
That is, in Example 2, the value corresponding to the conditional expression [1] satisfies the conditional expression [1] as shown in “TR” of Table 11.
The size of the DMD used for the image forming unit LV in the second embodiment is as follows:
Dot size: 7.56 μm
Horizontal length: 14.5152mm
Longitudinal length: 8.1648mm
It is. The shift amount of the image forming unit LV with respect to the optical axis A is as follows.
Optical axis to element center: 3.9824 mm
Furthermore, D / Did of conditional expression [2] and Gi / Go of conditional expression [3] are respectively D / Did: 0.68
Gi / Go: 91.5
Which satisfies conditional expression [2] and conditional expression [3].
Table 12 shows the position coordinates of the free-form curved concave mirror CM from the apex in the in-focus state where the projection image of the fifteenth lens E15 located closest to the reflecting surface is the maximum. Note that the rotation angle α indicates the angle formed by the surface normal and the optical axis.

図20、図21および図22に、実施例2における各ズーム投射距離におけるスクリーンSCでの各画角の波長550nmのスポット位置を示す。図20〜図22より、各ズーム投射距離においても、歪みが少ない投影画像を投射することができることがわかる。
図23、図24および図25に、各ズーム投射距離におけるスポットダイアグラムを示す。各スポットダイアグラムは、スクリーンSC面での結像特性を波長625nm(赤)、550nm(緑)、425nm(青)について示している。また図23〜図25におけるF1〜F13は、実施例1の場合と同様に図14に示す画角に対応している。
20, 21, and 22 show spot positions with a wavelength of 550 nm for each angle of view on the screen SC at each zoom projection distance in the second embodiment. 20 to 22, it can be seen that a projection image with little distortion can be projected even at each zoom projection distance.
23, 24, and 25 show spot diagrams at each zoom projection distance. Each spot diagram shows imaging characteristics on the screen SC surface for wavelengths of 625 nm (red), 550 nm (green), and 425 nm (blue). Further, F1 to F13 in FIGS. 23 to 25 correspond to the angle of view shown in FIG. 14 as in the case of the first embodiment.

LV 画像形成部(ライトバルブ)
FG カバーガラス
BG 防塵ガラス
HB,HBa 外装部
SC スクリーン
RR 屈折光学系
G1 第1レンズ群
G2 第2レンズ群
G3 第3レンズ群
G4 第4レンズ群
AD 開口絞り
RL,RLa 反射光学系
M1 折り返し平面ミラー
M2,CM 自由曲面凹面ミラー
E1 第1レンズ
E2 第2レンズ
E3 第3レンズ
E4 第4レンズ
E5 第5レンズ
E6 第6レンズ
E7 第7レンズ
E8 第8レンズ
E9 第9レンズ
E10 第10レンズ
E11 第11レンズ
E12 第12レンズ
E13 第13レンズ
E14 第14レンズ
E15 第15レンズ
LV image forming unit (light valve)
FG cover glass BG dustproof glass HB, HBa exterior SC screen RR refractive optical system G1 first lens group G2 second lens group G3 third lens group G4 fourth lens group AD aperture stop RL, RLa reflective optical system M1 folding plane mirror M2, CM Free curved concave mirror E1 1st lens E2 2nd lens E3 3rd lens E4 4th lens E5 5th lens E6 6th lens E7 7th lens E8 8th lens E9 9th lens E10 10th lens E11 11th Lens E12 12th lens E13 13th lens E14 14th lens E15 15th lens

特開2007−79524号公報JP 2007-79524 A 特開2011−242606号公報JP 2011-242606 A 特開2012−108267号公報JP 2012-108267 A 特開2009−216883号公報JP 2009-216883 A

Claims (12)

画像表示素子に表示される画像をスクリーンに拡大投影する投射光学システムであって、
前記投射光学システムは、
絞りおよび複数のレンズを含む複数の光学素子からなり、前記画像表示素子に表示される画像を拡大結像させるための屈折光学系と、
前記屈折光学系と前記スクリーンとの間に配置される少なくとも1つの反射光学素子を有する反射光学系と
を具備してなり、
前記画像表示素子と前記反射光学系の間に中間像を1つ形成し、
前記屈折光学系における軸対称の前記複数のレンズが共有する軸を光軸Aとし、該光軸Aを含み且つ前記画像表示素子の中心から射出され前記絞りの中心を通る光線を含む面内の軸であって、前記光軸Aに直交する軸をY軸としたとき、前記屈折光学系のうちの一部の光学素子Bが前記Y軸に平行な方向に偏心しており、
前記画像表示素子の画像形成部と前記光軸Aとが交差している
ことを特徴とする投射光学システム。
A projection optical system for enlarging and projecting an image displayed on an image display element on a screen,
The projection optical system includes:
A plurality of optical elements including a diaphragm and a plurality of lenses, and a refractive optical system for enlarging an image displayed on the image display element;
A reflective optical system having at least one reflective optical element disposed between the refractive optical system and the screen,
Forming an intermediate image between the image display element and the reflective optical system;
An axis shared by the plurality of axially symmetric lenses in the refractive optical system is defined as an optical axis A, and includes an optical axis A that includes the optical axis A and includes a light beam emitted from the center of the image display element and passing through the center of the stop. And when the axis perpendicular to the optical axis A is the Y axis, a part of the optical elements B of the refractive optical system is decentered in a direction parallel to the Y axis,
The projection optical system, wherein the image forming unit of the image display element and the optical axis A intersect each other.
前記光学素子Bは、負のパワーを有することを特徴とする請求項1に記載の投射光学システム。   The projection optical system according to claim 1, wherein the optical element B has negative power. 前記光学素子Bは、前記絞りよりも前記反射光学素子側に配置されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の投射光学システム。   The projection optical system according to claim 1, wherein the optical element B is disposed closer to the reflective optical element than the stop. 前記光学素子Bは、球面レンズであることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の投射光学システム。   The projection optical system according to claim 1, wherein the optical element B is a spherical lens. 前記反射光学素子は、自由曲面を有する凹面ミラーであることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の投射光学システム。   The projection optical system according to claim 1, wherein the reflective optical element is a concave mirror having a free-form surface. 画像が投影される前記スクリーンは、
前記凹面ミラーと前記光軸Aとの交点から前記スクリーンまでの距離/スクリーン横幅をTRとして、
条件式:
〔1〕 TR < 0.30
を満足することを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の投射光学システム。
The screen on which the image is projected is
The distance from the intersection of the concave mirror and the optical axis A to the screen / screen width is TR,
Conditional expression:
[1] TR <0.30
The projection optical system according to claim 1, wherein:
前記光軸Aが前記画像表示素子と直交していることを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の投射光学システム。   The projection optical system according to claim 1, wherein the optical axis A is orthogonal to the image display element. 前記光学素子Bの光軸を前記光軸Aに一致させた状態で、投影画像が最大となる合焦状態での前記中間像の近軸最大像高をDidとし、前記屈折光学系による近軸像面と前記絞りの中心を通る光線との交点の前記光軸Aからの距離の最大値をDとして、
条件式:
〔2〕 0.6 < D/Did < 0.8
を満足することを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の投射光学システム。
In a state where the optical axis of the optical element B coincides with the optical axis A, the paraxial maximum image height of the intermediate image in a focused state where the projection image is maximum is Did, and the paraxial by the refractive optical system The maximum value of the distance from the optical axis A of the intersection of the image plane and the light beam passing through the center of the stop is defined as D,
Conditional expression:
[2] 0.6 <D / Did <0.8
The projection optical system according to claim 1, wherein:
前記投射光学システムは、ノンテレセントリック光学系を形成していることを特徴とする請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の投射光学システム。   The projection optical system according to any one of claims 1 to 8, wherein the projection optical system forms a non-telecentric optical system. 前記反射光学系と前記スクリーンとの間に、曲率を有するガラス部材を配設してなることを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の投射光学システム。   The projection optical system according to any one of claims 1 to 9, wherein a glass member having a curvature is disposed between the reflection optical system and the screen. 前記画像表示素子の対角サイズをGoとし、最小の画面サイズをGiとして、
条件式:
〔3〕 Gi/Go > 73
を満足することを特徴とする請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載の投射光学システム。
The diagonal size of the image display element is Go, and the minimum screen size is Gi.
Conditional expression:
[3] Gi / Go> 73
The projection optical system according to claim 1, wherein:
請求項1〜請求項10のいずれか1項の投射光学システムを用いて、前記画像表示素子に表示される画像を前記スクリーンに拡大投影し、画像を投射表示することを特徴とする画像表示装置。   An image display device that uses the projection optical system according to any one of claims 1 to 10 to enlarge and project an image displayed on the image display element onto the screen and project and display the image. .
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