JP2019164176A - 投射光学系ユニット、投射光学系、及び投射光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投射距離が非常に短く、小型で高効率な投射光学系ユニット、投射光学系、及び投射光学装置を提供する。【解決手段】一実施の形態の投射光学系ユニットは、複数のマイクロミラーを有し、該複数のマイクロミラーが二次元に配列された画像表示面の法線に対する前記マイクロミラー各々の反射面の角度を変更することで画像を形成する反射型の画像表示素子と、複数のレンズと開口絞りとを有し、前記画像を被投射面に拡大投射する投射光学系と、を有し、前記反射面の最大傾角をθ１、前記投射光学系の入射瞳距離をＥＰ、前記複数のレンズのうち最多数のレンズが共有する軸を光軸とし、前記画像表示面の中心から前記開口絞りの中心を通り前記被投射面へ向かう光線がある平面Ｃ上において、前記光軸から前記被投射面の画像と対応する画像表示面上の点までの最大距離をＹｍとしたとき、θ１≧１５（ｄｅｇ） ３＜ＥＰ／Ｙｍ＜７を満たす、ことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、投射光学系ユニット、投射光学系、及び投射光学装置に関する。

近年、ＤＭＤ(Digital Mirror Device)または液晶パネルで生成した画像をスクリーン上に投影する画像表示装置が広く用いられている。特に最近では、短い投射距離で、大画面を表示できる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。

そこで、小型で超短投射距離を実現する手段として、曲面ミラーを用いたものが提案されている。曲面ミラーを用いたものは、屈折光学系と組み合わせたものなどがあり、超短投射距離を実現することができる（例えば特許文献１参照）。

しかし、従来、投射光学系において超短投射距離を実現することが可能になっても、超短投射距離プロジェクタの小型化および高輝度化（高効率化）が十分に進まないという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、投射距離が非常に短く、小型で高効率な投射光学系、投射光学系ユニット、及び投射光学装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、一実施の形態の投射光学系ユニットは、複数のマイクロミラーを有し、該複数のマイクロミラーが二次元に配列された面を画像表示面とし、該画像表示面の法線に対する前記マイクロミラー各々の反射面の角度を変更することで画像を形成する反射型の画像表示素子と、複数のレンズと開口絞りとを有し、前記画像表示素子によって形成される画像を被投射面に拡大投射する投射光学系と、を有し、前記画像表示面の法線に対する前記マイクロミラーの反射面の最大傾角をθ１、前記投射光学系の入射瞳距離をＥＰ、前記投射光学系の複数のレンズのうち最多数のレンズが共有する軸を前記投射光学系の光軸とし、前記画像表示面の中心から前記投射光学系の開口絞りの中心を通り前記被投射面へ向かう光線がある平面Ｃ上において、前記光軸から前記被投射面の画像と対応する画像表示面上の点までの最大距離をＹｍとしたとき、θ１≧１５（ｄｅｇ）
３＜ＥＰ／Ｙｍ＜７を満たす、ことを特徴とする。

本発明によれば、投射距離が非常に短い場合でも小型化、高効率化が可能になるという効果を奏する。

図１は、第１の実施の形態にかかる投射光学系ユニットの一例を示す説明図である。 図２は、画像表示素子の概要図である。 図３は、画像形成部と光軸の配置関係を説明するための図である。 図４は、平行平板への光線の最大入射角と、ＥＰ／Ｙｍとの関係の一例を示すデータである。 図５は、第２の実施の形態にかかる投射光学装置の一例を示す図である。 図６は、ＸＹ平面における画像形成部に対する照明光の入射方向の一例を示す図である。 図７は、ＸＹ平面における画像形成部に対する照明光の入射方向のその他の一例を示す図である。 図８は、ＹＺ平面における照明光の入射方向について説明する図である。 図９は、画像形成部に最も近いレンズ面の頂点と画像形成部との光軸上の距離の一例を示す図である。 図１０は、スクリーンの横幅の一例を示す図である。 図１１は、防塵ガラスのＸ軸方向の長さと、パワーを有する反射面のＸ軸方向の長さの一例を示す図である。 図１２は、屈折光学系のレンズの構成と、フォーカスに応じたレンズ配置の構成の一例を示す図である。 図１３は、第２の実施の形態の変形例１にかかる投射光学装置の一例を示す図である。 図１４は、変形例１の屈折光学系のレンズの構成と、フォーカスに応じたレンズ配置の構成の一例を示す図である。 図１５は、第２の実施の形態の変形例２にかかる投射光学装置の一例を示す図である。 図１６は、変形例２の屈折光学系のレンズの構成と、フォーカスに応じたレンズ配置の構成の一例を示す図である。

以下に添付図面を参照して、投射光学系ユニット、投射光学系、及び投射光学装置の実施の形態を詳細に説明する。

（概要説明）
小型化と高効率（高輝度）な光学系を実現するためには、投射光学系のＦナンバーを小さくすること、ノンテレセントリック光学系とすることが効果的である。画像表示素子として、ＤＭＤ(Digital Mirror Device)を用いることで、投射光学系をノンテレセントリック光学系とすることができる。しかし、超短投射プロジェクタにおいて、小型化と共に高効率化を実現する場合は、次のような問題が生じる。

第一に、ＤＭＤは、各画素のＯＮ、ＯＦＦの切り替えにより各画素の微小ミラー（マイクロミラー）がそれぞれ傾斜し、ＯＮ状態の微小ミラーの光を投射光学系に導くように動作させる。しかし、高効率化も実現するために投射光学系のＦナンバーを小さくしただけでは、微小ミラーの傾斜角が小さい場合にＯＦＦ状態の微小ミラーの光までも投射光学系に導かれることになり、投影画像のコントラストが大幅に低下するという問題が生じる。

第二に、ＤＭＤ側の瞳の入射瞳距離を短くすることで、投射光学系の更なる小型化が可能になるが、高効率化の上で、第一の問題点が解消されるように微小ミラーの傾斜角を大きくしただけでは、ＤＭＤのカバーガラスへの照明光の入射角度が大きくなって、透過率の大幅な低下により効率が低下してしまう。

発明者は、光学系の小型化と高効率化（高輝度化）の実現において、微小ミラーの傾斜角と入射瞳距離との関係に着目し、様々な検証を行った上で、従来技術として開示されていない適切な設定を発見した。以下には、その適切な設定を含む光学系の構成について説明する。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態にかかる投射光学系ユニットの具体的な構成について説明する。
図１は、第１の実施の形態にかかる投射光学系ユニットの一例を示す説明図である。図１（ａ）には、一例の投射光学系ユニット１の構成として画像表示素子１０と投射光学系２５とを示している。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す画像表示素子１０と、投射光学系２５の屈折光学系２１の一部に含まれる複数のレンズ１１の拡大図である。画像表示素子１０は、例えば「ＤＭＤ」、「透過型液晶パネル」、「反射型液晶パネル」等のライトバルブであり、「投射すべき画像を形成する部分」として画像形成部ＬＶを有する。画像表示素子１０は、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に形成された画像情報が照明光学系からの照明光により照明される。照明光学系の具体的な構成については後述する。

以下では、画像表示素子１０としてＤＭＤを想定し、「自ら発光する機能を持たないもの」について説明する。なお、本実施の形態にかかる投射光学系ユニットを、この態様に限定するものではない。「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」のものを利用してもよいし、ＤＭＤ以外のライトバルブを利用してもよい。また、投射光学系ユニットの組み合わせは、画像表示素子１０と投射光学系２５とを組み合わせたものであれば、後に説明する照明装置や、ミラーや、防塵ガラスなどを組み合わせてもよい。

図１に示すように、画像表示素子１０の画像形成部ＬＶ（図１（ｂ）参照）側の近傍に平行平板ＣＧが配置されている。平行平板ＣＧは、光を透過する平板で画像形成部ＬＶのカバーガラス（シールガラス）を想定している。投射光学系２５（図１（ａ）参照）は、画像形成部ＬＶで形成された画像をスクリーン上に拡大して投影し、画像形成部ＬＶ（縮小側）からスクリーン（拡大側）へ向かって順に、複数のレンズ１１を含む屈折光学系２１と、パワーを持つ反射面を含む反射光学系２４とを有する。図１に示す複数のレンズ１１は、開口絞りＳを有する。平行平板ＣＧを透過した画像形成部ＬＶからの光（上光線１０１、主光線１０２を含む）は、図１の一例を示す光路で複数のレンズ１１を通過し、屈折光学系２１を抜け、反射ミラー２２や曲面ミラー２３などを含む反射光学系２４を介してスクリーンに投影される。この実施形態に係る投射光学系ユニットでは、図１に示す位置に入射瞳Ｔがある。

ここで、開口絞りＳは少なくとも２つのレンズに挟まれて配置されていることが望ましい。そのように配置することにより、瞳距離を確保しつつ、バックフォーカスを小さくすることができ、小型化に寄与する。また、開口絞りＳよりも画像表示素子１０側にレンズを配置することで、上光線１０１をコントロールすることができ、コマ収差等の収差補正を効率よく行うことができる。

本実施の形態において使用する記号の意味は以下の通りである。
ＮＡ：開口数
Ｒ：曲率半径(非球面にあっては近軸曲率半径)
Ｄ：面間隔
Ｎｄ：屈折率
νｄ：アッベ数
Ｋ：非球面の円錐定数
Ａｉ：ｉ次の非球面定数
Ｃｊ：自由曲面係数

ここで、非球面形状と、自由面形状のそれぞれの関係式について示す。非球面形状は、近軸曲率半径の逆数(近軸曲率)：Ｃ、光軸からの高さ：Ｈ、円錐定数：Ｋ、上記各次数の非球面係数を用い、Ｘを光軸方向における非球面量として、周知の式

で表されるものであり、近軸曲率半径と円錐定数、非球面係数を与えて形状を特定する。

また、自由曲面形状は近軸曲率半径の逆数(近軸曲率)：Ｃ、光軸からの高さ：Ｈ、円錐定数：Ｋ、上記自由曲面係数を用い、Ｘを光軸方向における自由曲面量として、周知の式

ただし

で表されるものであり、近軸曲率半径と円錐定数、自由曲面係数を与えて形状を特定する。

図１には、Ｚ軸と、Ｙ軸と、Ｘ軸とを設定している。Ｚ軸は、画像形成部ＬＶの法線方向であり、複数のレンズ１１を含む屈折光学系の多数の光学素子（最多数の軸対称レンズ）が共有する軸（これを光軸と呼んでいる）と平行な軸を指す。Ｘ軸とＹ軸とＺ軸とは互いに直交し、図１に示す回転方向を＋α方向とする。

図２は画像表示素子１０の概要図である。画像表示素子１０の画像形成部ＬＶには、多数の微小ミラーが設けられている。各微小ミラーは、画像表示素子１０の平面（画像表示面）に二次元的に規則的に配列されており、各微小ミラーの傾きによりＯＮとＯＦＦの状態を作り出す。つまり、画像表示素子１０は、各微小ミラーの動作により画像を形成する反射型の画像表示素子である。

図２には、多数の微小ミラーのうちの一つの微小ミラー１００を拡大して示している。図２において、画像形成部ＬＶの画像表示面の法線方向の軸（法線軸）を軸Ａ、微小ミラー１００の反射面の法線方向の軸を軸Ｂとした場合に、軸Ａに対する軸Ｂの最大傾斜角度（最大傾角）を微小ミラー１００の最大傾角θ１と定義する。つまり、最大傾角θ１は、ＯＮ状態の微小ミラーの軸Ａに対する軸Ｂの最大傾角である。

発明者は、最大傾角θ１について、実験から、次の条件式を満たすことが望ましいことを発見した。

θ１≧１５［ｄｅｇ］・・・（１）

条件式（１）は各微小ミラーの最大傾角θ１の最適な範囲を示している。最大傾角θ１が条件式（１）の範囲を外れて小さいと、投射光学系のＦナンバーを小さくすることができず、光源からの光を効率よく利用することができない。このため、最大傾角θ１の最適な範囲は条件式（１）で与えられる。

続いて、以下に示す関係式ＥＰ／Ｙｍの条件について説明する。画像形成部ＬＶは、複数のレンズ１１を有する屈折光学系において各光学素子が共有する光軸に対してＹ軸方向にシフトしている。

図３は、画像形成部と光軸の配置関係を説明するための図である。図３は、画像形成部ＬＶの中心（従って画像表示面の中心）ＬＶ０から開口絞りＳの中心を通って被投射面へ向かう光線があるＸＹ平面（平面Ｃと定義する）であり、光軸から被投射面の画像と対応する画像表示面上の点までの最大距離をＹｍとする。

また、図１に示したように、投射光学系２５の画像形成部ＬＶ側の瞳が入射瞳Ｔであり、画像形成部ＬＶから入射瞳Ｔまでの光軸上の距離をＥＰとする。

図４は、平行平板ＣＧへの光線の最大入射角と、ＥＰ／Ｙｍとの関係の一例を示すデータである。画像形成部ＬＶに対する照明の均一性や各微小ミラー１００のシフト量等の条件により、データの値が変わる。このため、図４には、それらの関係の一例を示している。平行平板ＣＧに一般的な反射防止膜を用いた場合、平行平板ＣＧへの光の入射角が６５ｄｅｇ（度）を超えた辺りから光の透過率が急激に落ちる。このため、ＥＰ／Ｙｍを入射角が６５ｄｅｇ以下になる値に設定する必要があり、発見者は、図４に示すデータなどに基づき、次の条件式を満たすことが望ましいことを発見した。

３＜ＥＰ／Ｙｍ＜７・・・（２）

条件式（２）は入射瞳距離の適切な範囲を示している。条件式（２）の下限値を下回ると、各微小ミラー１００から平行平板ＣＧへの照明光の入射角が大きくなり、平行平板ＣＧの表面での反射率が上昇し、効率が低下してしまう。また、上限値を上回ると、平行平板ＣＧへの入射角が小さくなるので効率は上がるが、投射光学系が大きくなってしまう。

このように、条件式（１）および条件式（２）を同時に満たすことにより、初めて小型且つ高効率な投射光学装置を実現することができ、投射距離が非常に短い場合でも小型化および高効率化が可能になる。

なお、ＥＰ／Ｙの範囲は、以下の条件式を満たすことがより望ましい。

４＜ＥＰ／Ｙ＜７・・・（２’）

（第２の実施の形態）
続いて、第２の実施の形態にかかる投射光学装置について説明する。当該投射光学装置は、第１の実施の形態にかかる投射光学系ユニットを備えている。このため、第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同様の部分の説明を適宜省略し、主に、第１の実施の形態とは異なる部分について説明する。

図５は、第２の実施の形態にかかる投射光学装置の一例を示す図である。図５には、当該投射光学装置の内部構成を示している。

図５に示す投射光学装置２は、筐体２０内に、照明光学系ＬＳ、画像表示素子１０、平行平板ＣＧ、投射光学系２５、防塵ガラス２６などを有する。投射光学系２５は、屈折光学系２１と、平面ミラー（反射面）２２および凹面ミラー２３を有する反射光学系２４と、を有する。屈折光学系２１には１００インチの場合のレンズ配置を示しており、そのときの光路を示している。

ここで、画像表示素子１０の画像形成部ＬＶに対する照明光の入射方向について、図６〜図８を用いて説明する。第１の実施形態で説明したように、屈折光学系２１の各光学素子は、それぞれ光軸を共有しており、画像形成部ＬＶの位置は、その光軸から見てＹ軸方向にシフトしている（図３参照）。画像形成部ＬＶに対する照明光の方向として、次の場合が考えられる。

図６は、ＸＹ平面における画像形成部ＬＶに対する照明光の入射方向の一例を示す図である。図６には、画像形成部ＬＶの長辺ＬＶ１に対して垂直方向から照明光を入射させる、所謂ボトム照明の構成を示している。

図７は、ＸＹ平面における画像形成部ＬＶに対する照明光の入射方向のその他の一例を示す図である。図７に示すように、画像形成部ＬＶの長辺ＬＶ１に対して平行方向から入射させる所謂サイド照明の構成としてもよい。

図８は、ＹＺ平面における照明光の入射方向について説明する図である。照明光学系ＬＳの、パワーを有する光学素子において、画像形成部ＬＶ側に最も近い面の頂点を面頂点Ｑとする。このとき、面頂点Ｑと画像形成部ＬＶの中心ＬＶ０とを結ぶ直線と、画像形成部ＬＶの法線方向の軸Ａとのなす角を、θ２とする。

発明者は、θ２について、実験から、次の条件式を満たすことが更に望ましいことを発見した。

θ２＞３０［ｄｅｇ］・・・（３）

画像形成部ＬＶを照明する照明光が画像形成部ＬＶの長辺ＬＶ１に対して垂直方向または平行方向から入射する場合、角度θ２が条件式（３）を満たすことにより、各微小ミラーのＯＮ状態の光を効率よく入射瞳Ｔに入射させることができる。例えば、画像形成部ＬＶの長辺ＬＶ１に対して垂直方向から照明光を入射させることにより光学系全体のサイズを小さくすることができる。また、画像形成部ＬＶの長辺ＬＶ１に対して平行方向から照明光を入射させることにより光学系全体を薄型化することができる。

また、画像形成部ＬＶに最も近いレンズ面の頂点と画像形成部ＬＶとの光軸上の距離をＢＦ（図９参照）とし、画像形成部ＬＶに最も近いレンズの外径をＵとした場合に、発明者は、実験から、次の条件式を満たすことが更に望ましいことを発見した。

０．３５＜Ｕ／ＢＦ＜０．８５・・・（４）

Ｕ／ＢＦの値が、条件式（４）の下限を下回ると、鏡胴によってけられる光の量が増加し、効率の低下やスクリーンＳＣ上での照度の均一性が損なわれるだけでなく、鏡胴が熱せられるため、温度特性が悪化する。Ｕ／ＢＦの値が、条件式（４）の上限を上回ると、光の取り込み量は増えるが、照明光と鏡胴との干渉が避けられなくなり、効率の低下、スクリーンＳＣ上での照度の均一性が損なわれる。このため、Ｕ／ＢＦの値は、条件式（４）を満たすことが望ましい。また、次の条件式を満たすことがより望ましい。

０．５＜Ｕ／ＢＦ＜０．８・・・（４’）

また、発明者は、実験から、次の条件式を満たすことが更に望ましいことを発見した。
ＮＡ＞０．１７・・・（５）

光源から射出された光が、照明光学系ＬＳを経由して、画像形成部ＬＶで反射され、平行平板ＣＧを通過し、屈折光学系２１において入射瞳Ｔに入射する。入射瞳Ｔは、レンズによって画像形成部ＬＶから遠ざけることが望ましい。入射瞳Ｔと画像形成部ＬＶとの距離を離すことにより、平行平板ＣＧへの光の入射角を小さくし、効率低下を抑えることができる。また、レンズ径を小さくすることも可能となる。

ＮＡの値は、以下の条件を満たすことがより望ましい。

ＮＡ＞０．１８・・・（５’）

この条件式のように投射光学系の開口数を大きくすることにより、光源からの光を効率よくスクリーンＳＣへ導くことができる。

また、本実施の形態では、画像形成部ＬＶ側から、屈折光学系２１、少なくとも１枚のパワーを有するミラーを有するため、大きな画面サイズを超短距離で投影することが可能となる。

また、図５に示すように最も拡大側の光学面と光軸との交点ＶからスクリーンＳＣまでの距離を投射距離と定義し、スクリーンＳＣの横幅を図１０に示す横幅Ｗと定義した場合に、発明者は、実験から、ＴＲ（＝投射距離／横幅Ｗ）が次の条件式を満たすことがより望ましいことを発見した。

ＴＲ＜０．５・・・（６）

ＴＲの値が条件式（６）を満たすことにより、超短距離からの投影が可能となる。なお、ＴＲの値は、以下の条件式を満たすことがより望ましい。

ＴＲ＜０．３５・・・（６’）

また、パワーを有するミラーが凹面ミラーであることが更に望ましい。凹面ミラーとすることで、超短距離からの投射が可能となる。

また、凹面ミラーが自由曲面形状を有することが更に望ましい。凹面ミラーが自由曲面形状を有することにより、設計の自由度が増し、小型化することが可能となる。

更に好ましくは、上記のパワーを有するミラーとスクリーンＳＧとの間に防塵ガラス２６を配置し、防塵ガラス２６のコートへの入射角に対する反射特性が領域によって異なることが望ましい。これにより、画面下部へ到達する光の透過率が向上する。

また、図１１に示すように、防塵ガラス２６のＸ軸方向の長さをＬｃｇとし、パワーを有する反射面のＸ軸方向の長さをＬｍとした場合に、発明者は、実験から、次の条件式を満たすことが更に望ましいことを発見した。

０．５＜Ｌｃｇ／Ｌｍ＜１．８・・・（７）

Ｌｃｇ／Ｌｍの値が条件式（７）の上限を上回ると、コートの特性を領域で変更しやすくなるが、光学系のサイズが大きくなってしまう。条件式（７）の下限を下回ると、光学系のサイズを小さくすることはできるが、コートの特性を領域で変更しづらくなる。このため、Ｌｃｇ／Ｌｍの値は、条件式（７）を満たすことが望ましい。

また、屈折光学系２１とパワーを有する反射面との間に、少なくとも一枚の反射面を有している。このように、光路を折り曲げることで、光路を重複させることと、光線と光学部材との干渉条件を緩和することができ、小型化することができる。

また、屈折光学系２１の最も画像形成部ＬＶ側のレンズ群が正の屈折力を有することが更に望ましい。

投射光学装置２には、屈折光学系２１と、一枚の平面ミラー２２、一枚の凹面ミラー２３とを系に含めているが、更にミラーを増やすことは可能である。なお、ミラーを増やした場合、構成が複雑になり、大型化やコストアップにつながるため、小型化やコストなどを考慮する場合には、ミラーの数を少なくすることが望ましい。

投射光学装置２では、画像表示素子１０の各微小ミラー１００が画像情報に基づきＯＮ状態やＯＦＦ状態になり、照明光学系ＬＳからの照明光を２次元的に強度変調し、各微小ミラー１００からの光が平行平板ＣＧを透過して物体光の投射光束となる。その投射光束は、屈折光学系２１、反射面２２、凹面ミラー２３、防塵ガラス２６を、この順に通って結像し、スクリーンＳＣに拡大投射された投影画像が映写される。

屈折光学系２１を通った投射光束は、例えば、次のような作用を受けながら、スクリーンＳＣに拡大投影される。画像形成部ＬＶに形成された画像に共役な中間像が凹面ミラー２３よりも画像形成部ＬＶ側の光路上に空間像として形成される。この構成では、中間像は曲面像として形成されるが、構成に応じて平面像として結像されるようにしてもよい。中間像は、最も拡大される側に配置した凹面ミラー２３により拡大投影され、投影画像としてスクリーンＳＣに映写される。

本実施の形態では、パワーを有する反射面（凹面ミラー２３）と屈折光学系２１との間に平面ミラー２２を配置し、光路を折り曲げた光学系を構成している。このような光学系では、平面ミラー２２から折り返された光と屈折光学系２１との干渉を避ける必要がある。開口絞りＳよりも画像形成部ＬＶ側にレンズを配置したため上光線１０１をカットすることが可能になり、平面ミラー２２で折り返された光と屈折光学系２１との干渉が避けられ、より小型化に寄与する。

本実施の形態では、一例として自由曲面の凹面ミラー２３を用いる。ここで、「自由曲面」とは、Ｙ軸の座標が同じ任意の点においてＸ軸方向の曲率が一定でなく、Ｘ軸の座標が同じ任意の点においてＹ軸方向の曲率が一定でないアナモフィック面のことを言う。中間像は像面湾曲、歪曲を含んでいるが、自由曲面の凹面ミラー２３を用いることにより、像面湾曲や歪曲を補正することができる。自由曲面の凹面ミラー２３を用いた場合、レンズ系への収差補正の負担が減るため、設計の自由度が増し、小型化等に有利となる。

また、本実施の形態では、一例として、自由曲面の凹面ミラー２３とスクリーンＳＣとの間に防塵ガラス２６を設けている。防塵ガラス２６の表面には、光が通過する領域に応じて透過特性を異ならせたコートが施されている。防塵ガラス２６は平板ガラスであるが、曲率がついていてもよいし、レンズ等パワーを持った光学素子であってもよい。また、防塵ガラス２６の角度は任意であってよい。例えば、屈折光学系２１の光軸に対して垂直に設けてもよいし、傾けて設けてもよい。

続いて、屈折光学系２１のレンズの構成例を示し、投射光学装置の各部の主なパラメータについて説明する。

図１２は、屈折光学系２１のレンズの構成と、フォーカスに応じたレンズ配置の構成の一例を示す図である。図１２には、遠距離側（１００インチ）のフォーカスを行った場合のレンズ配置（２００）と、近距離側（８０インチ）のフォーカスを行った場合のレンズ配置（２０１）とを並べて示している。なお、図１２には、レンズとの位置関係を示すために、屈折光学系２１のレンズの他に画像表示素子１０も示している。

図１２に示す屈折光学系２１は、画像表示素子１０の画像形成部ＬＶ側から画像が拡大する側に向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群（Ｉ）と、正の屈折力を有する第２レンズ群（ＩＩ）と、負の屈折力を有する第３レンズ群（ＩＩＩ）と、負の屈折力を有する第４レンズ群（ＩＶ）とを有する。

投射距離の変動に対するフォーカシングとして、例えば遠距離側から近距離側へフォーカスする場合、正の第２レンズ群（ＩＩ）、負の第３レンズ群（ＩＩＩ）と負の第４レンズ群（ＩＶ）が画像形成部ＬＶ側に移動する。また、第１レンズ群（Ｉ）は画像形成部ＬＶに対して固定されている。

正の第１レンズ群（Ｉ）は画像形成部ＬＶ側から順に、画像形成部ＬＶ側により強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズ２１１と、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた負メニスカスレンズ２１２と、開口絞りＳと、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた負メニスカスレンズ２１３と画像形成部ＬＶ側により強い凸面を向けた両凸レンズ２１４の接合レンズと、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた負メニスカスレンズ２１５と、拡大側により強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズ２１６と、画像形成部ＬＶ側により強い凹面を向けた両凹レンズ２１７と、拡大側に凸面を向けた正メニスカスレンズ２１８と拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズ２１９の接合レンズと、画像形成部ＬＶ側により強い凹面を向けた両凹レンズ２２０と、拡大側により強い凸面を向けた両凸レンズ２２１からなる。

正の第２レンズ群（ＩＩ）は画像形成部ＬＶ側により強い凸面を向けた両凸レンズ２３１の１枚からなる。

負の第３レンズ群（ＩＩＩ）は拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズ２４１と、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた樹脂性の両面非球面負メニスカスレンズ２４２からなる。

負の第４レンズ群（ＩＶ）は拡大側に凸面を向けた樹脂性の両面非球面負メニスカスレンズ２５１からなる。

第１レンズ群（Ｉ）、第２レンズ群（ＩＩ）、第３レンズ群（ＩＩＩ）、および第４レンズ群（ＩＶ）により屈折光学系２１が構成されている。なお、投射光学装置２（図５参照）の自由曲面の凹面ミラー２３の曲率は０である。

以下にデータ表を示す。表は、画像形成部ＬＶ側から面番号の順にデータを示しており、表中の面番号に＊が付いているものは非球面、＊＊がついているものは自由曲面を示している。

最も反射面２２側に位置するレンズ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の凹面ミラー２３の位置座標を以下に示す。なお回転に関しては面法線と光軸とのなす角度を示している。

（第２の実施の形態の変形例１）
第２の実施の形態についての変形例を示す。なお、以下では、第２の実施の形態とは異なる部分を主に説明し、共通する部分については、適宜図示および説明を省略する。

図１３は、第２の実施の形態の変形例１にかかる投射光学装置の一例を示す図である。図１３には、当該投射光学装置の内部構成を示している。屈折光学系２１には、１００インチの場合のレンズ配置と光路とを示している。第２の実施の形態にかかる投射光学装置に対し、変形例１では、屈折光学系２１のレンズの構成が異なる。

図１４は、変形例１の屈折光学系２１のレンズの構成と、フォーカスに応じたレンズ配置の構成の一例を示す図である。図１４には、遠距離側（１００インチ）のフォーカスを行った場合のレンズ配置２００と、近距離側（８０インチ）のフォーカスを行った場合のレンズ配置２０１とを並べて示している。

図１４に示す正の第１レンズ群（Ｉ）、正の第２レンズ群（ＩＩ）、負の第３レンズ群（ＩＩＩ）、および負の第４レンズ群（ＩＶ）についてのレンズ構成について説明する。

正の第１レンズ群（Ｉ）は画像形成部ＬＶ側から順に、画像形成部ＬＶ側により強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズ３１１と、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた負メニスカスレンズ３１２と、開口絞りＳと、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた負メニスカスレンズ３１３と画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた平凸レンズ３１４の接合レンズと、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた負メニスカスレンズ３１５と、拡大側により強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズ３１６と、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた負メニスカスレンズ３１７と、拡大側に凸面を向けた正メニスカスレンズ３１８と拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズ３１９の接合レンズと、画像形成部ＬＶ側により強い凹面を向けた両凹レンズ３２０と、拡大側により強い凸面を向けた両凸レンズ３２１からなる。

正の第２レンズ群（ＩＩ）は画像形成部ＬＶ側により強い凸面を向けた両凸レンズ３３１の１枚からなる。

負の第３レンズ群（ＩＩＩ）は拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズ３４１と、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた樹脂性の両面非球面負メニスカスレンズ３４２からなる。

負の第４レンズ群（ＩＶ）は拡大側に凸面を向けた樹脂性の両面非球面負メニスカスレンズ３５１からなる。

なお、投射光学装置２（図１３参照）の自由曲面の凹面ミラー２３の曲率は０である。
以下にデータ表を示す。表は、画像形成部ＬＶ側から面番号の順にデータを示しており、表中の面番号に＊が付いているものは非球面、＊＊がついているものは自由曲面を示している。

最も反射面側に位置するレンズ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の凹面ミラー２３の位置座標を以下に示す。なお回転に関しては面法線と光軸とのなす角度を示している。

（第２の実施の形態の変形例２）
第２の実施の形態について、その他の変形例の一つについて示す。
図１５は、第２の実施の形態の変形例２にかかる投射光学装置の一例を示す図である。図１６は、変形例２の屈折光学系２１のレンズの構成と、フォーカスに応じたレンズ配置の構成の一例を示す図である。変形例２は、変形例１にかかる投射光学装置に対して屈折光学系２１のレンズ径が異なる。

図１６において、正の第１レンズ群（Ｉ）は画像形成部ＬＶ側から順に、画像形成部ＬＶ側により強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズ４１１と、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた負メニスカスレンズ４１２と、開口絞りＳと、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた負メニスカスレンズ４１３と画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた平凸レンズ４１４の接合レンズと、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた負メニスカスレンズ４１５と、拡大側により強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズ４１６と、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた負メニスカスレンズ４１７と、拡大側に凸面を向けた正メニスカスレンズ４１８と拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズ４１９の接合レンズと、画像形成部ＬＶ側により強い凹面を向けた両凹レンズ４２０と、拡大側により強い凸面を向けた両凸レンズ４２１からなる。

正の第２レンズ群（ＩＩ）は画像形成部ＬＶ側により強い凸面を向けた両凸レンズ４３１の１枚からなる。

負の第３レンズ群（ＩＩＩ）は拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズ４４１と、画像形成部ＬＶ側に凸面を向けた樹脂性の両面非球面負メニスカスレンズ４４２からなる。

負の第４レンズ群（ＩＶ）は拡大側に凸面を向けた樹脂性の両面非球面負メニスカスレンズ４５１からなる。

各図は、屈折光学系２１のＮＡを０．２３８とし、これに合わせて各レンズの外径を変形したものである。その他は、第２の実施の形態の変形例１と同様である。これ以上の説明は、第２の実施の形態の変形例１の説明の繰り返しになるため、ここでの説明を省略する。

以下に、第２の実施の形態、変形例１、変形例２におけるパラメータの値の一例と、各条件式に当てはめた場合の対応表を示す。

表１６の対応表に示す、第２の実施の形態、変形例１、および変形例２の各条件式（１）〜条件式（７）の値は、それぞれ、上述した条件式（１）〜条件式（７）の範囲に含まれている。従って、表１５の各パラメータの設定において、小型化および高効率化が可能となる。表１６と表１５は、投射光学ユニットや投射光学系に設定する値も含まれており、投射光学ユニットや投射光学系を表１５の設定にすることにより、小型化および高効率化が可能となる。

以上のように、各実施の形態や各変形例で示した投射光学系ユニット、投射光学系、投射光学装置において、適切な瞳距離、微小ミラーの傾き角が条件式を満たすことで、小型化と高効率化とが可能となる。

なお、各実施の形態や、各変形例は、投射光学系ユニット、投射光学系、投射光学装置についての、好適な形態の具体例を示したものにすぎず、投射光学系ユニット、投射光学系、投射光学装置の構成をそれらに限定するものではない。

特に、例示した各部の形状および数値は、具体化のほんの一例にすぎず、各実施の形態や各変形例で説明した要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更することができる。

１ 投射光学系ユニット
１０ 画像表示素子
２４ 反射光学系
２５ 投射光学系
ＣＧ 平行平板
ＬＶ 画像形成部
Ｓ 開口絞り
Ｔ 入射瞳

特開２０１２−２０３１３９号公報

Claims (18)

1. 投射光学系ユニットであって、
   複数のマイクロミラーを有し、該複数のマイクロミラーが二次元に配列された面を画像表示面とし、該画像表示面の法線に対する前記マイクロミラー各々の反射面の角度を変更することで画像を形成する反射型の画像表示素子と、
   複数のレンズと開口絞りとを有し、前記画像表示素子によって形成される画像を被投射面に拡大投射する投射光学系と、
   を有し、
   前記画像表示面の法線に対する前記マイクロミラーの反射面の最大傾角をθ１、
   前記投射光学系の入射瞳距離をＥＰ、
   前記投射光学系の複数のレンズのうち最多数のレンズが共有する軸を前記投射光学系の光軸とし、前記画像表示面の中心から前記投射光学系の開口絞りの中心を通り前記被投射面へ向かう光線がある平面Ｃ上において、前記光軸から前記被投射面の画像と対応する画像表示面上の点までの最大距離をＹｍとしたとき、
   θ１≧１５（ｄｅｇ）
   ３＜ＥＰ／Ｙｍ＜７
   を満たす、
   ことを特徴とする投射光学系ユニット。
2. 前記画像表示面を照明する照明光学系を有し、
   前記照明光学系は、最も前記画像表示面に近いパワーを有する光学素子の面頂点と前記画像表示面の中心とを結ぶ直線が前記法線に対してなす角度θ２が、θ２＞３０［ｄｅｇ］を満たす、
   ことを特徴とする請求項１に記載の投射光学系ユニット。
3. 前記照明光学系は、最も前記画像表示面に近いパワーを有する光学素子の面頂点と前記画像表示面の中心とを結ぶ直線の前記画像表示面への正射影が、前記画像表示面の長辺に対して平行または直交する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の投射光学系ユニット。
4. 前記投射光学系における前記画像表示面に最も近いレンズ面の頂点と前記画像表示面との光軸上の距離をＢＦとし、前記画像表示面に最も近いレンズの外径をＵとした場合に、
   ０．３５＜Ｕ／ＢＦ＜０．８５を満たす、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の内の何れか一項に記載の投射光学系ユニット。
5. 前記画像表示面から前記投射光学系までの光路上に平板を有し、
   前記画像表示面で反射された前記照明光学系からの照明光が前記平板を経由して入射する前記投射光学系において、前記照明光が入射する入射瞳は、前記投射光学系においてレンズによって前記画像表示面から遠ざけられている、
   ことを特徴とする請求項２乃至４の内の何れか一項に記載の投射光学系ユニット。
6. 前記投射光学系の開口数をＮＡとした場合に、
   ＮＡ＞０．１７を満たす、
   ことを特徴とする請求項１乃至５の内の何れか一項に記載の投射光学系ユニット。
7. 前記投射光学系は、前記画像表示面側から順に、
   前記複数のレンズおよび前記開口絞りを有する屈折光学系と、
   少なくとも１枚のパワーを有する反射面を有する反射光学系と、
   を有することを特徴とする請求項１乃至６の内の何れか一項に記載の投射光学系ユニット。
8. 最も拡大側の反射面と該反射面における前記光軸との交点から前記画像を拡大投影するスクリーンまでの距離／スクリーン横幅を、ＴＲとした場合に、
   ＴＲ＜０．５を満たす、
   ことを特徴とする請求項７に記載の投射光学系ユニット。
9. 前記パワーを有する反射面は凹面である、
   ことを特徴とする請求項６乃至８の内の何れか一項に記載の投射光学系ユニット。
10. 前記パワーを有する反射面は自由曲面形状を有する、
    ことを特徴とする請求項６乃至９の内の何れか一項に記載の投射光学系ユニット。
11. 前記投射光学系において、前記開口絞りが少なくとも２つのレンズに挟まれて配置されている、
    ことを特徴とする請求項１乃至１０の内の何れか一項に記載の投射光学系ユニット。
12. 前記パワーを有する反射面とスクリーンとの間に防塵ガラスを有し、
    前記防塵ガラスへの光の入射角に対する反射特性が前記防塵ガラスの領域によって異なる、
    ことを特徴とする請求項６乃至１１の内の何れか一項に記載の投射光学系ユニット。
13. 前記防塵ガラスの長さＬｃｇと、前記パワーを有する反射面の長さＬｍとが、
    ０．５＜Ｌｃｇ／Ｌｍ＜１．８を満たす、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の投射光学系ユニット。
14. 前記画像表示面が前記光軸と交差しない、
    ことを特徴とする請求項１乃至１３の内の何れか一項に記載の投射光学系ユニット。
15. 前記屈折光学系と前記パワーを有する反射面との間に、少なくとも一枚の反射面を有し、光路が折り曲げられる、
    ことを特徴とする請求項６乃至１４の内の何れか一項に記載の投射光学系ユニット。
16. 前記屈折光学系の最も前記画像表示面側にあるレンズ群が正の屈折力を有する、
    ことを特徴とする請求項１乃至１５の内の何れか一項に記載の投射光学系ユニット。
17. 複数のマイクロミラーが二次元に配列された面を画像表示面とし、該画像表示面の法線に対する前記マイクロミラー各々の反射面の角度を変更することで画像を形成する反射型の画像表示素子を有する投射光学装置において用いられる投射光学系であって、
    複数のレンズと開口絞りとを有し、前記画像表示素子によって形成される画像を被投射面に拡大投射する投射光学系において、
    前記画像表示面の法線に対する前記マイクロミラーの反射面の最大傾角をθ１、
    前記投射光学系の入射瞳距離をＥＰ、
    前記投射光学系の複数のレンズのうち最多数のレンズが共有する軸を前記投射光学系の光軸とし、前記画像表示面の中心から前記投射光学系の開口絞りの中心を通り前記被投射面へ向かう光線がある平面Ｃ上において、前記光軸から前記被投射面の画像と対応する画像表示面上の点までの最大距離をＹｍとしたとき、
    θ１≧１５（ｄｅｇ）
    ３＜ＥＰ／Ｙｍ＜７
    を満たす、
    ことを特徴とする投射光学系。
18. 画像をスクリーン上に拡大して投影する投射光学装置において、
    複数のマイクロミラーを有し、該複数のマイクロミラーが二次元に配列された面を画像表示面とし、該画像表示面の法線に対する前記マイクロミラー各々の反射面の角度を変更することで画像を形成する反射型の画像表示素子と、
    複数のレンズと開口絞りとを有し、前記画像表示素子によって形成される画像を被投射面に拡大投射する投射光学系と、
    を有し、
    前記画像表示面の法線に対する前記マイクロミラーの反射面の最大傾角をθ１、
    前記投射光学系の入射瞳距離をＥＰ、
    前記投射光学系の複数のレンズのうち最多数のレンズが共有する軸を前記投射光学系の光軸とし、前記画像表示面の中心から前記投射光学系の開口絞りの中心を通り前記被投射面へ向かう光線がある平面Ｃ上において、前記光軸から前記被投射面の画像と対応する画像表示面上の点までの最大距離をＹｍとしたとき、
    θ１≧１５（ｄｅｇ）
    ３＜ＥＰ／Ｙｍ＜７
    を満たす、
    ことを特徴とする投射光学装置。

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