JP2018060231A - 投射光学系およびプロジェクタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで広角の投射光学系を提供する。【解決手段】投射光学系１０は、縮小側の第１の像面５から拡大側の第２の像面６へ投射する光学系である。この投射光学系１０は、複数のレンズを含み、縮小側から入射した光により当該第１の光学系１１の内部に結像される第１の中間像５１を当該第１の光学系１１よりも拡大側に第２の中間像５２として結像する第１の光学系１１と、第２の中間像５２よりも拡大側に位置する正の屈折力の第１の反射面Ｍ１を含む第２の光学系１２と、第１の光学系１１と第１の反射面Ｍ１との間に配置されたガラスブロック３０であって、第１の光学系１１から第２の中間像５２に至る光線が通過するガラスブロック３０とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクタ装置の投射光学系に関するものである。

特許文献１には、投射画面の大画面化を図りつつ、投射装置外の投影空間を縮小するために、反射面を含む結像光学系を採用しつつ、色収差も補正可能な投射光学系およびこのような投射光学系を用いる画像投射装置を実現することが記載されている。そのため、特許文献１には、ライトバルブの投影側にライトバルブの側から第１、第２の光学系を上記順序に配し、第１の光学系は１以上の屈折光学系を含み、正のパワーを有し、第２の光学系はパワーを有する反射面を１以上含み、正のパワーを有し、ライトバルブにより形成された画像を第１及び第２の光学系の光路上に中間像として結像させ、中間像をさらに拡大してスクリーン上に投射することが記載されている。

特開２００４−２５８６２０号公報

プレゼンテーション用や学校教育用などの様々な用途において、さらにコンパクトで広角化の要求に対応できる投射光学系が要望されている。

本発明の一態様は、縮小側の第１の像面から拡大側の第２の像面へ投射する投射光学系である。この投射光学系は、複数のレンズを含み、縮小側から入射した光により当該第１の光学系の内部に結像される第１の中間像を当該第１の光学系よりも拡大側に第２の中間像として結像する第１の光学系と、第２の中間像よりも拡大側に位置する正の屈折力の第１の反射面を含む第２の光学系と、第１の光学系と第１の反射面との間に配置されたガラスブロックであって、第１の光学系から第２の中間像に至る光線が通過するガラスブロックとを有する。

ガラスブロックを光路に挿入して光路を制御しようとした場合、凸面鏡を用いたシステムでは凸面鏡に対する入射光および出射光がガラスブロックを通過するため入射光と出射光とが干渉する。このため、ガラスブロックを挿入することが困難である。凹面鏡を用いたシステムでは、レンズ系から拡大側の凹面鏡に至る光束が拡散し、特に、広角で像を投影しようとするシステムではレンズ系から凹面鏡に至る光線幅が大きくなり、その間の全光線に対してほぼ等しく作用するようにガラスブロックを挿入することは難しい。これに対し、本願の発明者は、内部に中間像を形成する第１の光学系を採用することにより、第１の光学系と第１の反射面との間に形成される第２の中間像と縮小側の第１の像面との間に第１の中間像を置くことができ、第１の光学系から第１の反射面に至る光線の広がりを抑制できることを見出した。したがって、本発明の投射光学系においては、第１の光学系から第１の反射面に至る全光線に作用を及ぼし、さらに、第１の反射面から出力される光と干渉しないようにガラスブロックを挿入できる。

高画角の画像を第２の像面に投影しようとすると、第１の反射面の大きさ（径）が大きくなり、径の増加を押えようとすると第１の光学系のパワーが大きくなり諸収差の補正が難しくなる。内部に中間像を形成する第１の光学系を組み合わせることにより、第１の光学系から第１の反射面に至る光束の広がりを抑制できる。このため、コンパクトな第１の反射面を用いて高画角の画像を投影できる。さらに、第１の光学系から第１の反射面に至る光路に屈折率が高い媒体であるガラスブロックを配置することにより光線高を低くでき、第１の光学系、特に、縮小側の光学系のパワーを強めることなく、第１の反射面が大きくなるのを抑制でき、さらにコンパクトな投射光学系を提供できる。

第１の光学系は内部に複数の中間像を形成する構成であってもよい。典型的には、第１の光学系は、縮小側に配置され、第１の中間像を形成する第１の屈折光学系と、拡大側に配置され、第１の中間像を第１の反射面の縮小側に形成する第２の屈折光学系とを含む。正の屈折力の第１の反射面は典型的には凹面鏡であって、第２の中間像を第２の像面へ拡大投影する。第１の反射面は回転対称であってもよく、回転非対称であってもよい。

この投射光学系においては、縮小側の第１の像面の像高に対して、第１の反射面をコンパクトにできる。投射光学系は、第１の像面の像高Ｉｈと、第１の反射面の直径ＭＲとが以下の式を満たしてもよい。
２．０ ＜ ＭＲ／Ｉｈ ＜ ４．５・・・（１）

この投射光学系においては、第１の反射面はほぼ半円の部分で反射された光が投影される。したがって、第１の像面の像高Ｉｈと、第１の反射面の半径Ｍｒとが以下の式を満たしてもよい。
１．０ ＜ Ｍｒ／Ｉｈ ＜ ２．２５・・・（２）

この投射光学系において、第１の像面の発光面積に対して第１の反射面において使用される面積を小さくなる。したがって、第１の像面の発光面積Ｖｓと、第１の反射面における有効面積Ｍｓとが以下の式を満たしてもよい。
１．０ ＜ Ｍｓ／Ｖｓ ＜ ６．０・・・（３）

この投射光学系において、第２の中間像を小さくすることができる。したがって、第１の像面の発光面積Ｖｓと、第２の中間像の面積Ｉ２ｓとが以下の式を満たしてもよい。
１．０ ＜ Ｉ２ｓ／Ｖｓ ＜ ３．０・・・（４）

この投射光学系において、第１の像面の発光面積Ｖｓと、第１の中間像の面積Ｉ１ｓとが以下の式を満たすことが望ましい。性能とサイズとのバランスのよい投射光学系を提供できる。
０．５ ＜ Ｉ１ｓ／Ｖｓ ＜ ２．０・・・（５）

ガラスブロックは第１の光学系と第２の中間像の間に配置されていてもよい。第２の中間像をガラスブロックの外に形成することにより第２の中間像にガラスブロックの物理的影響、例えば、傷やゴミの影響が表れることを防止でき、最終的に第２の像面へ投影される画像の品質が低下することを抑制できる。

ガラスブロックは、第１の光学系の側の入射面と、第１の反射面の側の出射面と、出射面と入射面との間の側面とを含み、側面は、第１の光学系と第１の反射面との間の光軸に対して少なくとも一部が傾いていてもよい。たとえば、側面は、第１の反射面から第２の像面に至る投射光の下限光線とほぼ平行に傾いている面を含んでいてもよい。下限光線とガラスブロックとの干渉を抑制できる。ガラスブロックの側面は、第１の光学系から第１の反射面に至る光線を反射する内部反射面を含んでいてもよい。

ガラスブロックの前記第１の光学系と第１の反射面との間の光軸に沿った長さＧＢＬと、第１の光学系と第１の反射面との光軸に沿った長さＬＭＬとは以下の式を満たすことが望ましい。
０．１ ＜ ＧＢＬ／ＬＭＬ ＜ ０．９・・・（６）

ガラスブロックの第１の光学系と第１の反射面との間の光軸に沿った長さＧＢＬと、第１の光学系と第１の反射面との光軸に沿った長さＬＭＬと、ガラスブロックの屈折率ＧＢｎとはが以下の式を満たすことが望ましい。
０．０５ ＜ ＧＢＬ／ＧＢｎ／ＬＭＬ ＜ ０．７・・・（７）

ガラスブロックのアッベ数ＧＢｖが以下の式を満たすことが望ましい。
３０ ＜ ＧＢｖ ＜ １００・・・（８）

第１の光学系は、第１の中間像の広角側の直近の非球面レンズを隔てた広角側に屈折力が正のレンズ群Ｇ２ｒを含み、レンズ群Ｇ２ｒの焦点距離Ｇ２ｒＦが以下の式を満たすことが望ましい。
０ ＜ Ｇ２ｒＦ ＜ １０００・・・（９）

第１の光学系と第１の反射面との間の最周辺像高の上限光線の光路長ＯＰ１ｄと、下限光線の光路長ＯＰ２ｄとが以下の式を満たすことがさらに好ましい。
１ ＜ ＯＰ１ｄ／ＯＰ２ｄ ＜ １．１５・・・（１０）

本発明の異なる態様の１つは、上記の投射光学系と、第１の像面に画像を形成する光変調器とを有するプロジェクタである。プロジェクタは、第１の像面を照明する照明光学系を含んでいてもよい。

図１（ａ）〜（ｄ）は、ガラスブロックを含むタイプの投射光学系のレイアウトと、ガラスブロックを含まないタイプの投射光学系のレイアウトとを示す図。 図２（ａ）は各タイプの諸数値を示し、図２（ｂ）は各タイプの条件を示し、図２（ｃ）および（ｄ）は像高およびミラーサイズを示す図。 ガラスブロックを含む投射光学系の一例。 レンズデータを示す図。 非球面データを示す図。 収差を示す図。 ガラスブロックを拡大して示す図。 異なる投射光学系の例を示す図。 プロジェクタのボディとの干渉を例示する図。 異なる投射光学系を示す図。

図１（ａ）〜（ｄ）に、プロジェクタのいくつかの例を示している。プロジェクタ１は、縮小側の光変調器（ライトバルブ）５の像面（第１の像面）５ａから拡大側のスクリーンまたは壁面（第２の像面）６へ投射する投射光学系１０または９０を含む。ライトバルブ５は、ＬＣＤ、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）あるいは有機ＥＬなどの画像を形成できるものであればよく、単板式であっても、各色の画像をそれぞれ形成する方式であってもよい。ライトバルブ５は発光タイプであってもよく、照明タイプであってもよい。照明タイプの場合は、プロジェクタ１はさらに照明光学系（不図示）を含む。スクリーン６は、壁面やホワイトボードなどであってもよく、プロジェクタ１はフロントプロジェクタであっても、スクリーンを含むリアプロジェクタであってもよい。

投射光学系１０および９０は、複数のレンズを含む第１の光学系１１と、正の屈折力の第１の反射面Ｍ１を含む第２の光学系１２とを含む。第２の光学系１２の反射面（第１の反射面）Ｍ１は、第１の光学系１１から出力された光を反射して投影光１９としてスクリーン６に投射する。第１の光学系１１は、縮小側から入射した光により第１の光学系１１の内部に結像される第１の中間像５１を第１の光学系１１よりも拡大側に第２の中間像５２として結像する屈折光学系（レンズシステム）である。第１の光学系１１は、縮小側（入力側）に配置された第１のレンズ群（第１の屈折光学系）Ｇ１と、第１の中間像５１を挟んで拡大側（出力側）に配置された第２のレンズ群（第２の屈折光学系）Ｇ２とを含む。第２のレンズ群Ｇ２は、第１の中間像５１を第１の反射面（ミラー）Ｍ１の縮小側に第２の中間像５２として結像する。ミラーＭ１は、第２の中間像５２をスクリーン６に拡大投影する。

図１（ａ）および（ｂ）に示したプロジェクタ１の投射光学系１０は、さらに、第１の光学系１１と、第１の反射面（ミラー）Ｍ１との間に配置されたガラスブロック（ＧＢ、プリズム）３０とを含む。第１の光学系１１から第２の中間像５２に至る光線はガラスブロック３０を通過する。

図１（ａ）〜（ｄ）に示す光学系１０および９０は、複数の中間像を形成する光学系である。すなわち、これらの光学系１０および９０は、内部に中間像５１を形成し、かつミラーＭ１の前に第２の投影用の中間像５２を形成する第１の光学系（典型的には屈折光学系）１１と、ミラーＭ１との組み合わせを含む。これらの光学系１０および９０の最大のメリットは、非球面ミラーＭ１を、文献１に示すような中間像を１つしか形成しない光学システムに対して大幅に小型化できることである。

さらに、図１（ａ）および（ｂ）に示す投射光学系１０においては、第２のレンズ群Ｇ２とミラーＭ１との間にガラスブロック３０を挿入している。まず、内部に中間像５１を形成する第１の光学系１１を採用することにより、第１の光学系１１とミラーＭ１との間に形成される中間像（第２の中間像）５２に対して、ライトバルブ５の像よりも近い位置で、第２の中間像５２の上流に中間像５１を形成できる。したがって、内部に中間像５１を含む第１の光学系１１から、ミラーＭ１の上流の第２の中間像５２を介してミラーＭ１に至る光線の広がりを抑制できる。このため、第２のレンズ群Ｇ２とミラーＭ１の間に第１の光学系１１からミラーＭ１に至る全光線が通過するようにガラスブロック３０を挿入できる。これにより、図１（ｃ）および（ｄ）に示すガラスブロックのない光学系９０に対して、ミラーＭ１の寸法を、さらに小型化できる。

図２（ａ）に、図１（ａ）〜（ｄ）の各タイプの光学系における（以降は、タイプａ、タイプｂ、タイプｃおよびタイプｄと呼ぶことがある）諸数値を示している。図２（ｃ）に示すように、像高Ｉｈは、ライトバルブ５における像高であり、イメージサークル５ｃの半径に対応する。第１の像面となるライトバルブ５は、屈折光学系１１のレンズ光軸９からオフセット５ｆだけシフトした位置にセットされ、ライトバルブ５の、レンズ光軸９から最も遠い端を外接円する円盤がイメージサークル５ｃとして設定される。発光面積Ｖｓは、ライトバルブ５の発光面積であり、各タイプの光学系のライトバルブ５のサイズ（水平寸法、垂直寸法、オフセット値（ｍｍ））は、タイプａは（１９．３５、１２．１０、８．００）、タイプｂは（１９．１５、１４．３６、１０．１４）、タイプｃは（１４．５２、８．１６、５．６０）、タイプｄは（１４．０１、１０．５１、８．４８）である。

第１の中間像面積Ｉ１ｓおよび第２の中間像面積Ｉ２ｓは、ライトバルブ５の発光面積Ｖｓを第１の中間像５１および第２の中間像５２として結像したときの、各光軸に対して垂直な面で見た（投影した）面積（ｍｍ２）である。ミラー半径Ｍｒおよび直径ＭＲは、図２（ｄ）に示すように、ミラーＭ１を、その光軸３９に垂直な面に投影したときの円の半径および直径であり、図１に示した各タイプの光学系では、ミラーＭ１は実際には、図２（ｄ）に示すように光軸３９よりも下側しか用いられていない。また、実際にセットされるミラーＭ１は、上記の寸法よりも大きくてもよく、図２（ａ）に記載した数値は、実際には、光軸３９から最も遠い照射面積（ライトバルブ５からの光により照射される面積）の外接円（有効円）の半径および直径である。ミラー面積（有効面積）Ｍｓは、ミラーＭ１が、ライトバルブ５の発光面積Ｖｓからの光（光束）により照射される面積を光軸３９に垂直な面に投影したときの面積である。

ミラーを用いた投射光学系においては、一般に、イメージサークルが大きくなるほどミラーサイズ（ミラーの有効径）ＭＲも大きくなる傾向がある。図１（ｃ）および（ｄ）に示したガラスブロックのない光学系（タイプｃおよびタイプｄ）では像高ＩｒとミラーサイズＭＲは相関がある。一方、図１（ａ）および（ｂ）に示したガラスブロックＧＢのある光学系（タイプａおよびタイプｂ）では、ミラーサイズＭＲはタイプｄと変わらず、像高Ｉｒはタイプｄより大きく、さらにミラーサイズＭＲを変えずに像高を大きくできることが分かる。

したがって、ガラスブロック３０の効果により、ミラーサイズＭＲを維持しながら、像高を大きくでき、よりコンパクトでより大きな画像を投影できるプロジェクタ１を提供できる。ガラスブロック３０の効果は、例えば、ミラーサイズ（ミラーＭ１の有効径（直径）、ｍｍ）ＭＲと像高Ｉｒとの比率ＭＩＲ１で示すことができ、以下の式（１）を満足する範囲に設定できる。
ＭＩＲ１＝ミラーサイズ（直径）ＭＲ／像高Ｉｈ
２．０ ＜ ＭＩＲ１ ＜ ４．５・・・（１）
多中間像を形成する光学系９０においては、ＭＩＲ１が５．５以下、好ましくは５．１以下と小さい。ガラスブロック３０を含む光学系１０においては、さらにＭＩＲ１を小さくできる。ガラスブロック３０を含む光学系１０においては、ＭＩＲ１は、さらに、４．４以下であること好ましく、４．２以下であることがさらに好ましく、４．１以下であることがさらに好ましい。屈折光学系（第１の光学系）１１の収差を良好に補正することを考慮すると下限は２．０程度である。

ガラスブロック３０の効果は、例えば、ミラーＭ１の有効半径（ｍｍ）Ｍｒと像高Ｉｒとの比率ＭＩＲ２で示すことも可能であり、以下の式（２）を満足する範囲に設定できる。
ＭＩＲ２＝ミラーサイズ（半径）Ｍｒ／像高Ｉｈ
１．０ ＜ ＭＩＲ２ ＜ ２．２５・・・（２）
ＭＩＲ２は、上記と同様に、２．２以下であること好ましく、２．１以下であることがさらに好ましく、２．０５以下であることがさらに好ましい。屈折光学系１１の収差を良好に補正することを考慮すると下限は１．０程度である。

ガラスブロック３０の効果は、第１の像面、すなわちライトバルブ５の発光面積Ｖｓと、第１の反射面であるミラーＭ１における有効面積Ｍｓで表すことが可能であり、以下の式を満たす範囲に設定できる。
ＭＶＲ＝ミラー面積Ｍｓ／発光面積Ｖｓ
１．０ ＜ ＭＶＲ ＜ ６．０・・・（３）
ＭＶＲは、５．８以下であること好ましく、５．６以下であることがさらに好ましく、５．５以下であることがいっそう好ましい。屈折光学系１１の収差を良好に補正することを考慮すると下限は１．０程度である。

ガラスブロック３０の効果は、さらに、第１の像面、すなわちライトバルブ５の発光面積Ｖｓと、第２の中間像５２の面積Ｉ２ｓで表すことが可能であり、以下の式を満たす範囲に設定できる。
ＩＶＲ２＝中間像の面積Ｉ２ｓ／発光面積Ｖｓ
１．０ ＜ ＩＶＲ２ ＜ ３．０・・・（４）
ＩＶＲ２は、２．８以下であること好ましく、２．６以下であることがさらに好ましい、２．５以下であることがさらに好ましい。屈折光学系１１の収差を良好に補正することを考慮すると下限は１．０程度である。

この光学系１においては、拡大投射光学系であることを考えると、像サイズとしては，ライトバルブ５の像、屈折光学系１１の内部の中間像（レンズ内中間像）、屈折光学系１１とミラーＭ１との間の空中の中間像（空中像）の順に段階的に大きくなることが好ましい。すなわち、発光面積Ｖｓと、第１の中間像５１の面積Ｉｓ１と、第２の中間像５２の面積Ｉ２ｓとは以下の条件を満足することが好ましい。
Ｖｓ ＜ Ｉ１ｓ ＜ Ｉ２ｓ・・・（４．５）

一方，レンズ内中間像が大きくなると、相対的にミラーＭ１のサイズが大きくなる。レンズ内中間像が大きい状態でミラーＭ１を小型化しようとすると、屈折光学系１１のパワーを強める必要があり、収差補正上不利となる。レンズ内中間像の倍率が等倍を大きく下回ると、拡大投射として考えたときに収差補正上不利となる。レンズ内中間像の倍率が等倍を大きく上回ると、ミラーＭ１の大型化を招き、ミラーＭ１を無理に小型化する場合には、屈折光学系１１のパワーを強める必要があり，収差補正上不利となる。これらの関係から、ライトバルブ５の像（発光面積Ｖｓ）と、中間像（第１の中間像５１の面積Ｉ１ｓ）の比率を以下の条件の範囲に収めることが望ましい。
ＩＶＲ１＝中間像の面積Ｉ１ｓ／発光面積Ｖｓ
０．５ ＜ ＩＶＲ１ ＜ ２．０・・・（５）
この条件は、ガラスブロックＧＢの有無にかかわらず、タイプａ〜ｄを含み、屈折光学系１１の内部に中間像を形成する全ての光学系に対して有効である。上限は、１．８以下であることが望ましく、１．６以下であることがさらに好ましい。下限は、０．６以上であることが好ましく、０．７以上であることがさらに好ましい。

図３に、ガラスブロック３０を含む投射光学系１０のさらに具体的な一例を示している。図４に、投射光学系１０の各エレメントのデータを示している。図５は各エレメントのうちの非球面データを示している。この投射光学系１０は、上述したタイプｂの具体的な例の１つである。したがって、図２（ａ）および（ｂ）に記載したタイプｂの諸数値および条件を満足する。

図４において、Ｒｄｙは縮小側から順に並んだ各エレメント（レンズの場合は各レンズ面）の曲率半径（ｍｍ）、各エレメントの曲面タイプ（ＳＰＨは球面、ＡＳＰは非球面）、Ｔｈｉは縮小側から順に並んだ各エレメントの面の間の距離（ｍｍ）、Ｈ＊２は各エレメントの有効径（ｍｍ）、さらに、各エレメントがガラスの場合は、ガラス種と、屈折率（ｄ線）、アッベ数（ｄ線）を示している。

非球面は、Ｘを光軸方向の座標、Ｙを光軸と垂直方向の座標、光の進行方向を正、Ｒを近軸曲率半径とすると、図５に示した係数Ｒ、Ｋ、Ａ３、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、およびＡ１２を用いて次式で表わされる。なお、「ｅｎ」は、「１０のｎ乗」を意味する。
Ｘ＝（１／Ｒ）Ｙ²／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（１／Ｒ）²Ｙ²｝^1/2］
＋Ａ３Ｙ³＋Ａ４Ｙ⁴＋Ａ６Ｙ⁶＋Ａ８Ｙ⁸＋Ａ１０Ｙ¹⁰＋Ａ１２Ｙ¹²

図６に各像高における横収差図を示している。本図に示すように、コマ収差は良好に補正されており、鮮明な像をスクリーン６に投影することができる。なお、コマ収差は、波長６２０ｎｍ（長破線）と、波長５４６ｎｍ（実線）と、波長４５０ｎｍ（短破線）とを示し、タンジェンシャル光線（Ｔ）およびサジタル光線（Ｓ）の収差をそれぞれ示している。

投射光学系１０は、縮小側から、入射側のガラスブロック１５と、第１のレンズ群Ｇ１および第２のレンズ群Ｇ２を含む第１の光学系（屈折光学系、レンズシステム）１１と、出力側のガラスブロック３０と、ミラーＭ１を含む第２の光学系（反射光学系、ミラーシステム）１２とを有する。第１のレンズ群Ｇ１は、縮小側の第１の像面５ａから入射された光により、拡大側に第１の中間像５１を形成する。第１のレンズ群Ｇ１は、１７枚のレンズＬ１１〜Ｌ１７を含み、レンズＬ１１とレンズＬ１２との間に絞りＳが配置されている。第２のレンズ群Ｇ２は、縮小側の第１の中間像５１を、拡大側に第２の中間像５２として結像する。第２のレンズ群Ｇ２は、６枚のレンズＬ２１〜Ｌ２６を含み、第１の中間像５１に面した非球面で正のパワーの凸メニスカスレンズＬ２１からなる前群Ｇ２ｆと、他の５枚のレンズＬ２２〜Ｌ２６からなる後群Ｇ２ｒとを含む。各レンズＬ１１〜Ｌ１７およびＬ２１〜Ｌ２６のタイプは図４のレンズデータに示す通りである。

出力側のガラスブロック３０なしでミラーＭ１を小型化する場合、第１のレンズ群Ｇ１のパワーを強める必要がある。第１のレンズ群Ｇ１のパワーを強めることは、コマ収差の増大に繋がり、周辺の解像性能を損なう可能性がある。第１の光学系１１の出力側にガラスブロック３０を挿入することにより、ガラスブロック３０を通過し、ミラーＭ１に向かう光線高を低くできる。これにより、第１のレンズ群Ｇ１のパワーを強めることなく、ミラーＭ１を小さくできる。ガラスブロック３０の厚み（光軸３９に沿った長さ）を適宜選択することにより、第１のレンズ群Ｇ１のパワーをむしろ弱めにして高解像化を促すことも可能となる。このため、図６に示すように諸収差が良好に修正された画像をスクリーン６に投影できる。

この効果は、第１の光学系１１とミラーＭ１との距離に占めるガラスブロック３０の割合が多いほど効果は大きくなる。したがって、第１の光学系１１とミラー（第１の反射面）Ｍ１との間の光軸３９に沿ったガラスブロック３０の長さＧＢＬと、第１の光学系１１とミラーＭ１との光軸３９に沿った長さＬＭＬとの比率が以下の式（６）の範囲であることが望ましい。図３に示した投射光学系１０においては、０．５９（７５／１２７．４５）である。
０．１ ＜ ＧＢＬ／ＬＭＬ ＜ ０．９・・・（６）
式（６）の下限は、０．４０であることが好ましく、０．５０であることがさらに好ましい。

ガラスブロック３０の屈折率ＧＢｎは、ガラスブロック３０による上記の効果を補う。したがって、屈折率ＧＢｎは高いほうが望ましい。しかしながら、高屈折率のガラスはアッべ数が低くなり、青色光の透過率が悪くなる。このため、ガラスブロック３０の屈折率ＧＢｎを含めて、以下の式（７）の範囲であることが好ましい。図３に示した投射光学系１０における式（７）（光路換算サイズ）は０．３４（７５／１．７４３１９８）である。
０．０５ ＜ ＧＢＬ／ＧＢｎ／ＬＭＬ ＜ ０．７・・・（７）
式（７）の下限は０．１５であることが好ましく、０．２５であることがさらに好ましい。上限は０．６であることが好ましく、０．５であることがさらに好ましい。この値が大きくなり過ぎると、ガラスブロック３０の厚みが大きくなり過ぎて、光線（ミラーＭ１により反射された光線）と干渉する可能性が高くなる。また、屈折率ＧＢｎが低くなるとミラーＭ１を小型化する効果が小さくなる。

また、ガラスブロック３０のアッベ数ＧＢｖは青色の透過率とコストとを考慮すると以下の式（８）を満たすことが望ましい。図３に示した投射光学系では４９．３である。
３０ ＜ ＧＢｖ ＜ １００・・・（８）
式（８）の下限は４０であることが好ましく、５０であることがさらに好ましい。上限は、コストを考慮すると、７５であることが好ましく、６５であることがさらに好ましい。

また、第２のレンズ群Ｇ２の後群Ｇ２ｒの焦点距離Ｇ２ｒＦは以下の式（９）を満たすことが望ましい。後群Ｇ２ｒは全体として正のパワーを有し、その焦点距離は第２の中間像の位置に影響を与え、ひいてはミラーＭ１の大きさにも影響を与える。図３に示した投射光学系では１１１．０ｍｍである。
０ ＜ Ｇ２ｒＦ ＜ １０００（ｍｍ）・・・（９）
上限は、ミラーＭ１を小さくすることから５００であることが好ましく、２００であることがさらに好ましい。

第１の中間像５１よりミラーＭ１の側の光学系で、第１の中間像５１に最も近く、かつ、正のパワーの非球面レンズＬ２１を除く後群Ｇ２ｒは長焦点距離化してパワーをパワーが減じると、コマ収差補正に有意である。また、パワーを減じることによりガラスブロック３０を挿入する距離を確保できる。したがって、式（９）の下限は３１であることが好ましく、４０であることがさらに好ましく、５０であることがいっそう好ましい。

また、第１の中間像５１よりミラーＭ１の側の光学系で、第１の中間像５１に最も近く、かつ、正のパワーの非球面レンズＬ２１を除く部位（後群Ｇ２ｒ）の合成焦点距離ＧｗｒＦが正であることは、ガラスブロック３０を第１の光学系１１とミラーＭ１との間に挿入するために重要である。

図７にガラスブロック３０の中を通過する光線の概要を示している。最周辺画角の光束の特に下限光線ＯＰ２は、ミラーＭ１の最周辺を通過する。したがって、ミラーＭ１のサイズを決定づける最も重要なパラメータの１つとなる。ミラーＭ１は非球面ミラーであり、その形状は、得たい画角によりある程度決定される。周辺に近い像高に着目すると、光束の上限光線ＯＰ１と下限光線ＯＰ２におけるミラーＭ１の面上での反射角が大きく異なる。これにより、大きな非点収差とコマ収差が発生しやすい。この収差補正には、レンズ（第１の光学系）１１とミラーＭ１の間の光路差が大きな役割を果たす。ミラーＭ１で反射後の光線（投射光）１９に対して、下限光線ＯＰ２の光路長を長く取ることが望ましい。そのため、任意の光学仕様に対して、各々最適なミラーＭ１のサイズが存在し得る。したがって、最適ミラーサイズよりミラーＭ１を小さく設計しようとした場合、ミラー反射後の上限光線と下限光線の光路差を十分に取ることができなくなる。

ガラスブロック３０を挿入することにより、屈折率の効果により、上記の光路差を補正する効果が得られる。これにより、ミラーサイズを小さくしても性能を保つことができる。第１の光学系１１とミラー（第１の反射面）Ｍ１との間の最周辺像高の上限光線ＯＰ１の光路長ＯＰ１ｄと、下限光線ＯＰ２の光路長ＯＰ２ｄとが以下の式を満たすことが好ましい。図３に示した投射光学系１０においては、１．０４（１７８．２／１７１．５６）である。
１ ＜ ＯＰ１ｄ／ＯＰ２ｄ ＜ １．１５・・・（１０）
上限は１．１０が好ましく、１．０５であることがさらに好ましい。

式（６）より、ガラスブロック３０が長い方がミラーＭ１をコンパクトにする効果は得られやすい。一方、ガラスブロック３０をミラーＭ１に近づけると、ガラスブロック３０の出射面３２と第２の中間像５２とが重なる可能性がある。出射面（射出面）３２を第２の中間像５２が跨ぐと、出射面３２に付着したゴミや傷が映像上に移りこんでしまう可能性がある。また、プロジェクタ１として用いた場合、高照度の光でゴミが出射面３２に焼きつく可能性もある。したがって、このような不具合を未然に防ぐ方法の１つは、第２の中間像５２がガラスブロック３０の出射面３２を跨がない構造とすることである。

一方、第２の中間像５２では、最周辺像高に近い画角は結像状態がそれほど良好に制御されない。さらに、第２の中間像５２は、最周辺像高がガラスブロック３０に近づくように縮小側に傾く。このため、第２の中間像５２のガラスブロック３０に近い結像のスポットサイズは大きく、最周辺に近い像高のみであればガラスブロック３０の射出面３２を跨いでもスクリーン６に投影される画像の品質に対する影響は少なく、一方、ミラーＭ１を小さくする効果は得やすい。

したがって、ミラーサイズと画質との両立を図るためには、第２の中間像５２の像面について最大像高の５０％までの結像点が、射出面３２を跨がないことが好ましい。一方、画質を優先する場合には、最大像高の７５％までの結像点が射出面３２を跨がないことが好ましく、最大像高の９０％までの結像点が、射出面３２を跨がないことがさらに好ましい。

また、図７に示すように、ミラーＭ１からの反射光線、特に、投影画像の下限光線１９ａとの干渉回避のため、ガラスブロック３０の上面３３は下限光線１９ａと略平行になっていることが好ましい。典型的なガラスブロック３０は、縮小側の入射面３１と出射面３２とが光軸３９に対して垂直で平行であり、それらを接続する側面、特に投影側の側面３３が光軸３９に対して傾斜しているものである。この例では、側面３３の全体が傾斜しているが、側面３３の一部が傾斜しているものであってもよい。

投影側の下限光線１９ａを考慮し、また、第１の中間像５１と第２の中間像５２とが光軸３９を挟んで反対側にできることを考慮すると、入射面３１に対し出射面３２は光軸３９の投影側とは逆側にシフトさせることが好ましい。ガラスブロック３０は平行に歪んだ円筒状あるいは直方体状であってもよい。この投射光学系１０においては、第１の光学系１１からミラーＭ１に至る光束が収束することを考えると、ガラスブロック３０は、拡大側に細くなった角錐あるいは円錐状であってもよい。

図８に、異なるガラスブロック３０を含む投射光学系１０と、投射光学系１０を含むプロジェクタ１を示している。この投射光学系１０においてはガラスブロック３０の内部（側面）に２つの反射面３５および３６を持たせることで、投射方向を変換したり、光線１９、例えば下限光線１９ａとミラーＭ１のオフセット量を確保したりすることができる。

図９に、図３に示した投射光学系１０をハウジング（ボディ）２に収納した一例を示す。プロジェクタ１として使用する場合、ミラーＭ１に反射した後の下限光線１９ａは投射光学系１０自体と、プロジェクタ１のボディ２の両方との干渉を回避する必要がある。

ガラスブロックがない光学系の場合、下限光線１９ａを高くするためには、ライトバルブ５の軸外し量を増加する方法がある。この回避方法では、軸外し量を必要以上に増す必要があるため、スクリーン上におけるプロジェクタと投射画面の位置関係が離れてしまうという問題がある。また、イメージサークルも大きくなり、光学設計性能、およびミラーサイズの観点で不利になってしまうという問題がある。

図９（ａ）に示したように、ガラスブロック３０を挿入することにより、ミラーＭ１とボディ２との距離を確保することでこの問題は改善できる。しかしながら、図９（ａ）に示したようにボディ２との干渉があると、図９（ｂ）に示したようにボディ２との干渉を防止するために下限光線１９ａを高くしてスクリーン６に投影できる高さを制御する必要がある。

ガラスブロック３０がある場合、図８に示すように、ガラスブロック３０内に反射面３５および３６を設けることで、ライトバルブ５の軸外し量を増加させずに下限光線１９ａを高くでき、光線の干渉を回避できる。ガラスブロック３０をプリズムとしても用いる場合、対向する反射面３５および３６は、略平行であることが望ましい。また、反射面３５および３６が略平行な関係を保ったまま、４５度より傾斜角を大きくすると、反射面３５および３７に入射する光線の角度が全反射角を超える。反射面３５および３６に入射する光線のすべてが全反射となれば、反射面３５および３６に反射膜をコートしなくても良く、コストを低減できる。したがって、ガラスブロック３０の略平行関係にある反射面３５および３６の入射面３１に対する角度は４５度よりも大きいことが望ましい。

図１０に、さらに異なるガラスブロック３０を含む投射光学系１０と、投射光学系１０を含むプロジェクタ１を示している。このプロジェクタ１は縦置き方式が可能であり、例えば、スクリーン６は壁面にプロジェクタ１を立てかけて、プロジェクタ１の上方に広く大きな画像を投影できる。このガラスブロック３０は、内部に４５度の反射面３５を含み、入射面３１と出射面３２とは平行ではなく、さらに、出射面３２に隣接する投影側の面３３は下限光線１９ａに対してほぼ平行に光軸に対して傾いた面となっている。光線に対向する面３３は、干渉回避のため下限光線１９ａと略平行である方が好ましい。このようにガラスブロック（プリズム）３０に４５度の反射面３５を設けることで、ガラスブロック３０によるミラーＭ１を小型化できる効果と、投射方向を変更することができる効果とを得ることができる。

ガラスブロック（プリズム）３０の反射面が１つの場合には，４５度とする必要がある。反射面が２つの場合には，その２面を同じ角度にしておけば光学性能は補償される。たとえば、５０度の反射面を２つ用意して光路を調整することができる。また、この角度であれば、青色の光路で入射した光線が斜面で全反射臨界角を超えており、斜面にコーティングをしなくても高い反射率が得られる。

反射面３５は、金属系の反射膜を使用した形成してもよい。一方、光線が集中する場合は金属の光吸収による発熱による温度ドリフトが発生する可能性がある。４５度面３５には誘電体多層膜を用いてもよい。反射面３５を金属と誘電体多層膜との複合膜で形成してもよい。設計上の制約がなければ、反射面３５を全反射が確保できる面としてもよい。

すなわち、プリズム３０が反射面となる斜面を２面含む場合は、それら斜面の同士の角度が略平行であり、４５度よりも傾いており、さらに、ライトバルブ５から放射された全光束が、それら斜面において全反射となる角度であることが望ましい。プリズム３０が反射面となる斜面を１面含む場合は、斜面に適用する膜が誘電体多層膜付き金属反射膜であってもよく、斜面に適用する膜が誘電体多層反射膜であってもよい。

ガラスブロック３０の入射面３１および出射面３２の両方または一方がパワーを持つ面であってもよい。また、ガラスブロック３０が複数の屈折率および／またはアッべ数のガラスの接合体で構成してもよい。ガラスブロック３０が複数の屈折率および／またはアッべ数のガラスの接合体でできており、接合面にパワーを持つものであってもよい。

１０ 投射光学系、 １１ 第１の光学系、 １２ 第２の光学系
３０ ガラスブロック

Claims (16)

1. 縮小側の第１の像面から拡大側の第２の像面へ投射する投射光学系であって、
   複数のレンズを含み、縮小側から入射した光により当該第１の光学系の内部に結像される第１の中間像を当該第１の光学系よりも拡大側に第２の中間像として結像する第１の光学系と、
   前記第２の中間像よりも拡大側に位置する正の屈折力の第１の反射面を含む第２の光学系と、
   前記第１の光学系と前記第１の反射面との間に配置されたガラスブロックであって、前記第１の光学系から前記第２の中間像に至る光線が通過するガラスブロックとを有する投射光学系。
2. 請求項１において、
   前記第１の像面の像高Ｉｈと、前記第１の反射面の直径ＭＲとが以下の式を満たす投射光学系。
   ２．０ ＜ ＭＲ／Ｉｈ ＜ ４．５
3. 請求項１において、
   前記第１の像面の像高Ｉｈと、前記第１の反射面の半径Ｍｒとが以下の式を満たす投射光学系。
   １．０ ＜ Ｍｒ／Ｉｈ ＜ ２．２５
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記第１の像面の発光面積Ｖｓと、前記第１の反射面における有効面積Ｍｓとが以下の式を満たす投射光学系。
   １．０ ＜ Ｍｓ／Ｖｓ ＜ ６．０
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記第１の像面の発光面積Ｖｓと、前記第２の中間像の面積Ｉ２ｓとが以下の式を満たす投射光学系。
   １．０ ＜ Ｉ２ｓ／Ｖｓ ＜ ３．０
6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
   前記第１の像面の発光面積Ｖｓと、前記第１の中間像の面積Ｉ１ｓとが以下の式を満たす投射光学系。
   ０．５ ＜ Ｉ１ｓ／Ｖｓ ＜ ２．０
7. 請求項１ないし６のいずれかにおいて、
   前記ガラスブロックは前記第１の光学系と前記第２の中間像の間に配置されている、投射光学系。
8. 請求項１ないし７のいずれかにおいて、
   前記ガラスブロックは、前記第１の光学系の側の入射面と、
   前記第１の反射面の側の出射面と、
   前記出射面と前記入射面との間の側面であって、前記第１の光学系と前記第１の反射面との間の光軸に対して少なくとも一部が傾いた側面とを含む、投射光学系。
9. 請求項８において、
   前記側面は、前記第１の反射面から前記第２の像面に至る投射光の下限光線とほぼ平行に傾いている面を含む、投射光学系。
10. 請求項８または９において、
    前記側面は、前記第１の光学系から前記第１の反射面に至る光線を反射する内部反射面を含む、投射光学系。
11. 請求項１ないし１０のいずれかにおいて、
    前記ガラスブロックの前記第１の光学系と前記第１の反射面との間の光軸に沿った長さＧＢＬと、前記第１の光学系と前記第１の反射面との前記光軸に沿った長さＬＭＬとが以下の式を満たす、投射光学系。
    ０．１ ＜ ＧＢＬ／ＬＭＬ ＜ ０．９
12. 請求項１ないし１１のいずれかにおいて、
    前記ガラスブロックの前記第１の光学系と前記第１の反射面との間の光軸に沿った長さＧＢＬと、前記第１の光学系と前記第１の反射面との前記光軸に沿った長さＬＭＬと、前記ガラスブロックの屈折率ＧＢｎとが以下の式を満たす、投射光学系。
    ０．０５ ＜ ＧＢＬ／ＧＢｎ／ＬＭＬ ＜ ０．７
13. 請求項１ないし１２のいずれかにおいて、
    前記ガラスブロックのアッベ数ＧＢｖが以下の式を満たす、投射光学系。
    ３０ ＜ ＧＢｖ ＜ １００
14. 請求項１ないし１３のいずれかにおいて、
    前記第１の光学系は、前記第１の中間像の広角側の直近の非球面レンズを隔てた広角側に屈折力が正のレンズ群Ｇ２ｒを含み、前記レンズ群Ｇ２ｒの焦点距離Ｇ２ｒＦが以下の式を満たす、投射光学系。
    ０ ＜ Ｇ２ｒＦ ＜ １０００
15. 請求項１ないし１４のいずれかにおいて、
    前記第１の光学系と前記第１の反射面との間の最周辺像高の上限光線の光路長ＯＰ１ｄと、下限光線の光路長ＯＰ２ｄとが以下の式を満たす、投射光学系。
    １ ＜ ＯＰ１ｄ／ＯＰ２ｄ ＜ １．１５
16. 請求項１ないし１５のいずれかに記載の投射光学系と、
    前記第１の像面に画像を形成する光変調器とを有する、プロジェクタ。

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