JP2019133061A - 投射光学系および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】屈折・反射型の新規な投射光学系の実現を課題とする。【解決手段】画像表示素子の画像表示面に表示された画像を被投射面上に投射画像として拡大投射する投射光学系であり、前記画像表示面の側から前記被投射面の側に向かって、順次、屈折光学系と屈折反射光学素子とを配してなり、前記屈折光学系は複数枚のレンズにより構成され、前記屈折反射光学素子は、反射面と、該反射面の入射側に前記反射面に密接して屈折媒質を有する単一の光学素子として構成され、前記屈折媒質に入射面と射出面が形成され、前記反射面は屈折力を有する曲面で、前記入射面と前記射出面の少なくとも一方が屈折力を有し、前記屈折光学系から射出した結像光束を、前記屈折媒質の入射面から前記屈折反射光学素子に入射させて前記反射面により反射し、前記屈折媒質の射出面から射出させて前記被投射面に前記拡大画像として結像させる。【選択図】 図２

Description

この発明は、投射光学系および画像表示装置に関する。
画像表示装置はプロジェクタとして実施できる。従って、画像表示装置を以下において「プロジェクタ」とも言う。

画像表示素子の画像表示面に画像を表示し、表示された画像を投射光学系により被投射面（以下「スクリーン」とも言う。）上に投射画像として拡大投射する画像表示装置は、従来から種々知られているが、近時、投射光学系を、屈折光学系（レンズ系）と曲面ミラーとの組み合わせにより構成するものが知られている（特許文献１、２）。
以下、このような「屈折光学系と曲面ミラーを組み合わせた投射光学系」を、便宜上、「屈折・反射型の投射光学系」と呼ぶことにする。
屈折・反射型の投射光学系では一般に、画像表示面から屈折光学系を介した結像光束を曲面ミラーによりスクリーン側に折り返すように反射させつつ曲面ミラーの屈折力を作用させ、スクリーン上に投射画像を結像させる。
このため、画像表示装置における画像表示素子と屈折光学系の側をスクリーン側に向けることができ、画像表示装置をスクリーンに近接させることが可能となり、投射距離が短い所謂「超至近プロジェクタ」が可能になるので、近来、種々のタイプの屈折・反射型の投射光学系が広く実用化されつつある。

この発明は、屈折・反射型の新規な投射光学系の実現を課題とする。

この発明の投射光学系は、画像表示素子の画像表示面に表示された画像を被投射面上に投射画像として拡大投射する投射光学系であって、前記画像表示面の側から前記被投射面の側に向かって、順次、屈折光学系と屈折反射光学素子とを配してなり、前記屈折光学系は複数枚のレンズにより構成され、前記屈折反射光学素子は、反射面を有する反射面部材と、前記反射面に密接して屈折媒質部を有する単一の光学素子として構成され、前記屈折媒質部に入射面と射出面が形成され、前記反射面は屈折力を有する曲面であり、前記屈折光学系から射出した結像光束を、前記屈折媒質部の入射面から前記屈折反射光学素子に入射させて前記反射面により反射し、前記屈折媒質部の射出面から射出させて前記被投射面に前記拡大画像として結像させる。

この発明によれば新規な投射光学系を実現できる。

この発明の投射光学系を概念的に説明する図である。 投射光学系の実施の１形態を示す断面図である。 投射光学系の実施に用いられた非球面の非球面データを示す図表である。 投射光学系の実施例の球面収差、非点収差、歪曲収差の図である。 投射光学系の実施例のコマ収差の図である。 図２に示す投射光学系の変形例を説明するための図である。 画像表示装置の実施の１形態を説明するための図である。

以下、実施の形態を説明する。
図１は、この発明の投射光学系を概念的に説明する図である。
投射光学系は、画像表示素子の画像表示面に表示された画像をスクリーン等の被投射面上に投射画像として拡大投射する機能を持った光学系である。
図１において、符号１０は画像表示素子、符号１２は屈折光学系、符号１４は屈折反射光学素子を示している。
画像表示素子１０としては従来から知られている種々のもの、例えば、液晶パネルやＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）、ＬＤのような微小な発光素子を２次元的にアレイ配列してなる発光素子アレイ等を適宜に用いることができる。これら画像表示素子において、投射光学系による拡大投射の対象となる画像が表示される面が「画像表示面」である。
画像表示素子１０が「発光素子アレイのような発光機能」を持たない場合（液晶パネルやＤＭＤ等）は、画像表示面に表示される画像を照明手段により照明する。
投射光学系は、屈折光学系１２と屈折反射光学素子１４により構成され、これらは、画像表示面（図１において、画像表示素子１０における右側の面）の側から、図示を省略された被投射面の側に向かって、光路に沿って、屈折光学系１２、屈折反射光学素子１４を配されている。
屈折光学系１２は複数枚のレンズにより構成される。屈折光学系１２を構成する複数枚のレンズのうち２枚以上が、互いに接合されていてもよい。
屈折反射光学素子１４は、反射面部材１４０と屈折媒質部１４１とにより構成される。反射面部材１４０は反射面１４Ｂを有し、屈折媒質部１４１は、反射面１４Ｂに密接して設けられており、これら反射面部材１４０と屈折媒質部１４１とは一体として「単一の光学素子」として構成されている。

屈折媒質部１４１は、ガラスやプラスチック等の光学材料により構成され、入射面１４Ａと射出面１４Ｃとが形成されている。
図１に示す如く、画像表示素子１０の画像表示面からの光Ｌ０は、投射光学系の屈折光学系１２に入射し、屈折光学系１２を構成する複数枚のレンズを透過して、各レンズの屈折作用を受け、結像光束Ｌ１となって屈折光学系１２から射出する。
屈折光学系１２から射出した結像光束Ｌ１は、屈折反射光学素子１４の屈折媒質部１４１の入射面１４Ａから屈折媒質部１４１に入射し、反射面１４Ｂで反射され、射出面１４Ｃから射出して投射光束Ｌ２となり、被投射面上に投射画像として拡大投射される。
屈折反射光学素子１４は、上記の如く、入射面１４Ａ、射出面１４Ｃと反射面１４Ｂとを有する。反射面１４Ｂは反射面部材１４０の表面として形成される。反射面部材１４０は、例えば、屈折媒質部１４１に直接、蒸着形成された「反射膜」であることができるが、これに限らず、アルミニウムや銀等の「高い表面反射率を有する金属」の表面を反射面形状に形成された金属部材であることもできる。
あるいは、反射面形状を形成されたガラス部材や樹脂部材の上記反射面形状に反射膜を形成した構成とすることもできる。
図１において、屈折反射光学素子１４は、入射面１４Ａ、反射面１４Ｂ、射出面１４Ｃともに「平面形状」として描いてあるが、図示の便宜のためであり、実際には、入射面１４Ａ、反射面１４Ｂ、射出面１４Ｃのうち、反射面１４Ｂは「屈折力を有する曲面」であり、結像光束Ｌ１に対して屈折力を作用させる。
即ち、図１に示す投射光学系は、画像表示素子１０の画像表示面に表示された画像を、図示を省略された被投射面上に投射画像として拡大投射する投射光学系であって、画像表示面の側から被投射面の側に向かって、順次、屈折光学系１２と屈折反射光学素子１４とを配してなり、屈折光学系１２は複数枚のレンズにより構成され、屈折反射光学素子１４は、反射面１４Ｂを有する反射面部材１４０と、前記反射面に密接して屈折媒質部１４１を有する単一の光学素子として構成され、屈折媒質部１４１に入射面１４Ａと射出面１４Ｃが形成され、反射面１４Ｂは屈折力を有する曲面であり、屈折光学系１２から射出した結像光束Ｌ１を、屈折媒質部１４１の入射面１４Ａから屈折反射光学素子１４に入射させて反射面１４Ｂにより反射し、屈折媒質部１４１の射出面１４Ｃから射出させて被投射面に拡大画像として結像させる投射光学系である。

上記の如く、屈折反射光学素子１４の入射面１４Ａ、反射面１４Ｂ、射出面１４Ｃのうち、反射面１４Ｂは「屈折力を持つ曲面」であるが、入射面１４Ａ、射出面１４Ｃのうちの少なくとも一方は屈折力を持つことができる。これら入射面１４Ａ、射出面１４Ｃのうちで、屈折力を持つものは凸面（正の屈折力）、もしくは凹面（負の屈折力）となる。

屈折力を持つ面の曲面形状は、凸球面や凹球面等の球面形状や、非球面形状、シリンダ面のようなアナモルフィックな形状、自由曲面であることができる。
入射面１４Ａと射出面１４Ｃとは、一方が正で、他方が負の屈折力をもつ形状でもよいが、共に正の屈折力を持つ形状（凸面）であることができる。また、入射面１４Ａと、反射面１４Ｂと射出面１４Ｃとが共に正の屈折力を持つ形状であることもでき、この場合、反射面１４Ｂは反射面形状としては凹面となる。

画像表示素子１０の画像表示面と、被投射面に拡大投射された投射画像とは、投射光学系により共役な関係にある。この共役関係は単純な共役関係であることもできるが、屈折光学系１２に入射した光束が、屈折光学系１２から屈折反射光学素子１４の射出面１４Ｃまでの間に、画像表示面に表示された画像の「中間像」を１以上結像するようにすることもできる。中間像は、屈折光学系１２内に結像することも、屈折光学系１２と屈折反射光学素子１４との間に結像することもでき、屈折反射光学素子１４の屈折媒質部１４１内に結像するようにすることもできる。
中間像が屈折光学系１２と屈折反射光学素子１４との間に結像する場合は、この中間像を物体として、投射画像が、屈折反射光学素子１４の入射面１４Ａ、反射面１４Ｂ、射出面１４Ｃの屈折力の作用で被投射面上に結像する。従って、この場合、入射面１４Ａ、射出面１４Ｃ及び反射面１４Ｂの「合成の屈折力は正」でなければならない。

中間像が屈折反射光学素子１４の屈折媒質部１４１内に結像する場合としては、中間像が屈折光学系１２と入射面１４Ａの光学作用で結像する場合（第１の場合）と、中間像が、屈折光学系１２と入射面１４Ａと反射面１４Ｂとの作用で結像する場合（第２の場合）のほか、第１の場合において、屈折光学系１２と入射面１４Ａの光学作用で結像した中間像を物体として、反射面１４Ｂによる他の中間像が屈折媒質部１４１内に結像する場合（第３の場合）が可能である。
第１の場合には、投射画像は、反射面１４Ｂと射出面１４Ｃによる合成の正の屈折力により結像することになり、射出面１４Ｃには正負いずれの屈折力も許容される。第２および第３の場合には、投射画像は、射出面１４Ｃによる屈折力により結像することになり、射出面１４Ｃには正の屈折力が要求される。

上記の如く、屈折反射光学素子１４の屈折媒質部１４１には、入射面１４Ａと射出面１４Ｃとが形成されているが、これら入射面１４Ａと射出面１４Ｃとは、互いに異なる光学面である必要はなく、入射面１４Ａと射出面１４Ｃとが同一面であることもできる。
即ち、入射面と射出面が同一面となる構成の屈折反射光学素子が可能である。
反射面１４Ｂは、結像光束を反射して、結像光束の向きを被投射面の側に偏向させる機能を有するので、この機能を実現するべく、同一面である入射面・射出面の中心法線に対して、反射面の中心法線が傾くようにすることができる。
しかしこのようにしないでも、入・射出面と反射面とが回転対称軸を光軸としてもつようにすることもできる。このような場合には、結像光束として「斜光束」を用いることにより、反射面へ入射する結像光束に対して、反射面により反射された結像光束が角度を持ち、反射面により反射された結像光束が被投射面へ向かうようにすることができる。

入射面及びこれと同一面である射出面が凸球面で、反射面が光軸に対して回転対称な非球面である組み合わせは、良好な組み合わせの一つである。

図２に、投射光学系の「実施の１形態」を示す。繁雑を避けるべく、混同の恐れが無いと思われるものについては、図１におけると同一の符号を用いる。
図２において、符号１０Ａは画像表示素子の画像表示面を示している。
図２に示す投射光学系は、カラー画像の拡大投射を行うカラーのプロジェクタを想定されており、画像表示素子としては赤、緑、青の画像成分をそれぞれ表示する３枚の液晶パネルが想定され、画像表示面１０Ａは、これら３枚の液晶パネルの画像表示面を１面に纏めて示している。符号１０Ｂは、各液晶パネルのカバーガラスを１枚に纏めて示し、符号Ｐは「色合成プリズム」を示している。また、符号１０Ｃは、色合成プリズムＰの射出側に設けられたカバーガラスを示している。色合成プリズムＰは、３枚の液晶パネルに対して共通である。

投射光学系は、屈折光学系１２と屈折反射光学素子１４により構成され、屈折光学系１２が画像表示面１０Ａの側に、屈折反射光学素子１４が屈折光学系１２の像側に配置されている。
屈折光学系１２は物体側から像側へ向かって、１１枚のレンズＬＮ１〜ＬＮ１１を順次配列して構成されている。レンズＬＮ２〜ＬＮ４の３枚は接合され、レンズＬＮ４とレンズＬＮ５との間に開口絞りＳが配置されている。
開口絞りＳの像側には、７枚のレンズＬＮ５〜ＬＮ１１が配置されている。
屈折反射光学素子１４は「両凸レンズ形状」で、入射面１４Ａと射出面１４Ｃが「同一のレンズ面」であり、反射面１４Ｂはレンズ面に蒸着形成された反射膜を「反射面部材」として形成されている。

この実施の形態例では「斜光束」が結像光束として用いられている。即ち、図の如く、画像表示面１０Ａに表示される画像は、投射光学系の光軸ＯＸに対して「図で上方」へずれている。結像光束としての斜光束は屈折光学系１２と「屈折反射光学素子１４の入射面１４Ａの正の屈折力」とにより、屈折媒質部の内部に「画像表示面１０Ａに表示された画像の中間像Ｉｍ１」を倒立像として結像する。

投射画像は、中間像Ｉｍ１を物体として、反射面１４Ｂと射出面１４Ｃの正の屈折力により、図示を省略された被投射面上に拡大投射される。
開口絞りＳよりも像側に位置するレンズＬＮ５〜ＬＮ１１のうち、レンズＬＮ９〜ＬＮ１１は、反射面１４Ｂにより反射され屈折反射光学素子１４の射出面１４Ｃから射出する結像光束を「ケラない」ように「使用しないレンズ部分を切除された形状」となっている。

なお、中間像Ｉｍ１の結像位置は「光線の集中」により高温となることが考えられるが、説明中の実施の形態では中間像の結像位置は「屈折媒質部の内部」であるので、この部分に誤って手を差し込んで火傷を負う恐れがない。

「実施例」
図２に実施の１形態を示した投射光学系の具体的な実施例を以下に挙げる。
この実施例の投射光学系は、画素数：１９２０×１０８０で、ピッチ：５．４μｍの画像表示面をもつ画像表示素子の画像表示面に表示された画像を、９４．７インチの対角長を有するスクリーン上に拡大投射する態様を想定している。
結像における物体高は１０ｍｍ、焦点距離：４．２８ｍｍである。また、開口数ＮＡ：０．２７７８で、光学系全長：１９３．２８ｍｍであり、結像倍率は２０１．６倍である。投射距離は「−８５５ｍｍ」で投射倍率は「２０１．６倍」である。

以下に示す光学系データにおいて、「面番号」は縮小側（画像表示面１０Ａの側）から拡大側に向かって数えた数字で表し、画像表示面１０Ａを物面として「Ｓ０」、被投射面であるスクリーンの面を「Ｓｉ」としている。
「Ｒ」は、開口絞りＳの面や色合成プリズムＰを含む各面の曲率半径（非球面にあっては近軸曲率半径）を表わす。
「Ｄ」は、光軸上の面間隔を表す。
「Ｎｄ」および「Ｖｄ」は、各レンズの材質のｄ線での屈折率とアッペ数を表す。
「有効径」は、各面の光学有効径を表す。長さの次元を持つ量の単位は、特に断らない限り「ｍｍ」である。
曲率半径：Ｒの欄で（※）の記号を付した面は「非球面」である。
非球面は、非球面量：Ｚ、光軸からの高さ：ｒ、円錐定数：ｋ、２次〜２０次の偶数次の非球面係数：Ａ、Ｂ、・・・、Ｇ、Ｈ、Ｊを用いて、周知の次式により表す。

Z=(1/R)r²/[1+√{1-(1+k)(1/R)²r²}]
+A・r⁴⁺ B・r⁶＋・・・＋G・r¹⁶+＋H・r¹⁸＋J・r²⁰
実施例の光学系データを表１に示す。

「非球面のデータ」
非球面データを図２に「図表」として示す。
非球面のデータにおいて例えば「-1.392830E-17」とあるのは「-1.392830×10^-17」を意味する。
「表１」に示されたように、反射屈折光学素子の入射面（Ｓ２８）、射出面（Ｓ３０）は同一面で「凸球面」であり、反射面（Ｓ２９）は「光軸に対して回転対称な非球面」である。
実施例の収差図を図４及び図５に示す。
図４は、球面収差、非点収差、歪曲収差の図である。図５は、コマ収差の図である。

非点収差の図において「太線」は「メリディオナル光線」、「細線」は「サジタル光線」に関するものである。図４、図５から明らかなように収差は良好に補正されており、実施例の投射光学系は高性能である。
図６に、図２に示した実施の形態の変形例を説明図として示す。繁雑を避けるため、混同の恐れが無いと思われるものについては、図２におけると同一の符号を付した。
図６の形態例は、図２に示す形態例に対して「放熱部１４Ｄを有する点」で異なっている。屈折反射光学素子１４の反射面部材は、蒸着形成された「反射膜」であり、その屈折媒質部側が反射面であるが、反射させるべき結像光束の照射により反射面部材が昇温することが考えられる。
反射面部材の昇温は、屈折媒質部の温度上昇と熱膨張を齎し、屈折反射光学素子１４の光学特性を変化させる可能性がある。これを防ぐには、図６のように放熱部１４Ｄを設けて、反射面部材の放熱を行い、反射面部材における蓄熱を軽減するのが良い。
「放熱部」は、反射面部材に形成された放熱フィンのような「放熱構造」でもよいし、反射面部材よりも熱伝導性の高い材質によるヒートシンクを反射面部材に接合したり、熱伝導シートを貼着したり、金属等の熱伝導体をコートしたり塗装したりして構成することができる。

図７に、画像表示装置の実施の１形態を示す。
画像表示装置であるプロジェクタＰＲは、ケーシング内に図２に示した如き投射光学系（図示を省略されている。）と制御部ＣＴを有する。制御部ＣＴは「照明系や画像表示素子（いずれも図示を省略されている。）」を制御する。表示される画像は、コンピュータ等の外部装置から画像信号として制御部ＣＴへ入力され、制御部ＣＴは画像信号に従って画像表示素子を制御し、投射すべき画像を画像表示面に表示する。表示された画像は、制御部ＣＴに制御される照明系により照射され、投射光学系により、被走査面であるスクリーンＳＣ上に拡大された投射画像として投射される。

投射光学系としては請求項１〜９の何れか１項に記載のもの、具体的には実施例のものを用いることができる。
以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、屈折反射光学素子は「単一の光学素子」であるが、「単一」は形態上のものである。上には、屈折媒質部が単一構造の場合を説明したが、屈折媒質部の構造としてはこれに限らず、例えば、接合レンズ形態のように、２以上の異なる光学媒質の複合的な構造であってもよい。屈折媒質部をこのように複数の光学媒質で構成すると、投射光学系の性能を調整するパラメータが増えるので、投射光学系の設計が容易になる。

この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

１０Ａ 画像表示面
１２ 屈折光学系
１４ 屈折反射光学素子
１４０ 反射面部材
１４Ａ 屈折反射光学素子１４の入射面
１４Ｂ 屈折反射光学素子１４の反射面
１４Ｃ 屈折反射光学素子１４の射出面
１４１ 屈折媒質部
１４Ｄ 放熱部
ＬＮ１〜ＬＮ１１ 屈折光学系を構成するレンズ
Ｓ 開口絞り
ＯＸ 光軸
Ｉｍ１ 中間像
Ｐ 色合成プリズム

特許第５２７４０３０号公報 特許第５６３２７８２号公報

Claims (11)

1. 画像表示素子の画像表示面に表示された画像を被投射面上に投射画像として拡大投射する投射光学系であって、
   前記画像表示面の側から前記被投射面の側に向かって、順次、屈折光学系と屈折反射光学素子とを配してなり、
   前記屈折光学系は複数枚のレンズにより構成され、
   前記屈折反射光学素子は、反射面を有する反射面部材と、前記反射面に密接して屈折媒質部を有する単一の光学素子として構成され、前記屈折媒質部に入射面と射出面が形成され、前記反射面は屈折力を有する曲面であり、
   前記屈折光学系から射出した結像光束を、前記屈折媒質部の入射面から前記屈折反射光学素子に入射させて前記反射面により反射し、前記屈折媒質部の射出面から射出させて前記被投射面に前記拡大画像として結像させる投射光学系。
2. 請求項１に記載の投射光学系であって、
   前記屈折媒質部の前記入射面と前記射出面の少なくとも一方が屈折力を有する投射光学系。
3. 請求項２に記載の投射光学系であって、
   前記入射面と前記射出面とが共に屈折力を有する投射光学系。
4. 請求項３に記載の投射光学系であって、
   前記入射面と前記射出面と、前記反射面が共に正の屈折力を有する投射光学系。
5. 請求項１ないし４の何れか１項に記載の投射光学系であって、
   前記屈折光学系から前記屈折反射光学素子の射出面との間に、前記画像表示面に表示された画像の中間像を１以上結像する投射光学系。
6. 請求項５記載の投射光学系であって、
   前記中間像の１つもしくは２つが、前記屈折反射光学素子の屈折媒質部内に結像する投射光学系。
7. 請求項１ないし６の何れか１項に記載の投射光学系であって、
   前記屈折反射光学素子の前記入射面と前記射出面とが同一面である投射光学系。
8. 請求項７記載の投射光学系であって、
   前記入射面及びこれと同一面である前記射出面が凸球面であり、前記反射面が光軸に対して回転対称な非球面である投射光学系。
9. 請求項１ないし８の何れか１項に記載の投射光学系であって、
   前記屈折反射光学素子の前記反射面部材が、前記反射面と逆の側の面に放熱部を有する投射光学系。
10. 画像表示素子と、
    該画像表示素子の画像表示面に表示された画像を被投射面上に投射画像として拡大投射する投射光学系とを有する画像表示装置であって、
    前記投射光学系として請求項１〜９の何れか１項に記載のものを用いる画像表示装置。
11. 請求項１０記載の画像表示装置であって、
    前記画像表示面が、前記光軸に対して光軸直交方向へずれており、斜光束を結像光束とする画像表示装置。

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