JP2022136517A - Projection optical system and image projection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、投射光学系及び画像投射装置に関する。 The present invention relates to a projection optical system and an image projection apparatus.
カメラやプロジェクタに代表される、反射型の投射光学系を使用した画像投射装置などの光学装置において、更なる小型化を求めて、ミラーの小型化が課題となっている。
このような問題を解決する手段として、例えば屈折力を備えるレンズと、曲面ミラーとの性質を併せ備えた屈折反射素子が知られている。
しかしながら、このような屈折反射素子は、一般に、曲面ミラーの反射面は非球面であり、レンズ側である入射面及び出射面側は同一球面で構成されるため、両面で異なる製造工程となってしまい、コストの上昇を招いてしまうという課題が生じている。
こうした問題を解決するために、反射面を有する反射面部材と、反射面部材に密接して配置される屈折媒質部とが境界面で接合された単一の光学素子を用いることが考えられている(例えば特許文献1等参照)。
しかしながら、特に投射光学系においては、倍率をそのままに投射光学系全体での焦点距離を変更する、所謂フォーカシング調整と呼ばれる調整を行えるようにすることが好ましい。このようなフォーカシング調整において、屈折力を備えた屈折反射光学素子をも加味した光学系を設計することが難しいという問題が生じていた。
2. Description of the Related Art In an optical apparatus such as an image projection apparatus using a reflection type projection optical system, which is represented by a camera or a projector, miniaturization of a mirror has become an issue in pursuit of further miniaturization.
As means for solving such a problem, for example, a dioptric-reflecting element having both properties of a lens having refractive power and a curved mirror is known.
However, in such refractive and reflective elements, the reflecting surface of the curved mirror is generally aspherical, and the entrance surface and the exit surface on the lens side are formed of the same spherical surface. However, there is a problem that the cost is increased.
In order to solve these problems, it has been considered to use a single optical element in which a reflecting surface member having a reflecting surface and a refracting medium portion arranged in close contact with the reflecting surface member are joined at the boundary surface. (See, for example,
However, particularly in the projection optical system, it is preferable to perform so-called focusing adjustment, in which the focal length of the entire projection optical system is changed without changing the magnification. In such focusing adjustment, there has been a problem that it is difficult to design an optical system that takes into consideration refractive and reflective optical elements having refractive power.
本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、容易にフォーカシングが可能な屈折反射素子を用いる投射光学系の提供を目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a projection optical system using refractive and reflective elements that enable easy focusing.
上述した課題を解決するため、本発明にかかる投射光学系は、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1枚または複数枚のレンズにより構成されたレンズ群を複数有し、前記レンズ群のうち少なくとも1つを光軸方向へ移動するレンズ駆動手段を備え、前記屈折反射光学素子は、反射面を有する反射面部材と、前記反射面部材に密接して配置される屈折媒質部とを有し、前記反射面部材と前記屈折媒質部とが境界面で接合された単一の光学素子として構成され、前記屈折媒質部に前記屈折光学系から射出した結像光束の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、前記屈折光学系と前記屈折反射光学素子とにおいて、前記画像表示面に表示された画像の中間像が1以上結像され、前記屈折反射光学素子の前記入射面と前記反射面との間において、前記画像表示面に表示された画像の中間像を1以上結像することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a projection optical system according to the present invention is a projection optical system that enlarges and projects an image displayed on an image display surface of an image display element onto a projection surface as a projection image, wherein the image is A lens group comprising a refracting optical system and a refracting/reflecting optical element arranged in order from the display surface side toward the projected surface side, wherein the refracting optical system is composed of one or a plurality of lenses. and lens driving means for moving at least one of the lens groups in the optical axis direction. a refractive medium portion disposed thereon, wherein the reflecting surface member and the refractive medium portion are configured as a single optical element joined at a boundary surface; An incident surface and an exit surface for an image light beam are formed, the reflecting surface is a curved surface having a refractive power, and an intermediate image of an image displayed on the image display surface is formed by the refractive optical system and the refractive reflection optical element. One or more images are formed, and one or more intermediate images of the image displayed on the image display surface are formed between the entrance surface and the reflection surface of the refractive and reflective optical element.
本発明によれば、容易にフォーカシングが可能な屈折反射素子を用いる投射光学系を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a projection optical system using refractive and reflective elements that enables easy focusing.
本発明の実施形態の1つとして、画像投射装置の構成の一例を図1に示す。
画像投射装置100は、結像光束となる光束L0を射出する光源101と、画像表示面に投射すべき画像を表示して、透過する光束に画像情報を付与する画像表示素子102と、を有している。
画像投射装置100はまた、画像を被投射面たる投射面104に投影するための投射光学系を備えるレンズユニット200と、投射面104に投影するべき画像を表示するために画像表示素子102を制御する制御部と、を有している。
FIG. 1 shows an example of the configuration of an image projection apparatus as one embodiment of the present invention.
The
The
光源101は、光線を出射する発光源たるハロゲンランプを用いて、白色光を略並行に出射する。ここで光源としてはメタルハライドランプや高圧水銀ランプ、LEDを用いても良い。
光源101は白色光源であるが、レーザー光源のような単色光源を複数用い、R、G、B等の1つまたは複数の基本色に対応する波長へ、変換された光を組み合わせた光源、または変換された光とそのレーザー光源の単色光とを組み合わせた光源であっても良い。
The
画像表示素子102は、入射した光束を透過して空間的な変調を付与して出射することで画像情報を与える画像表示手段であり、本実施形態においてはDMD(デジタルマイクロミラーデバイス)のような反射型の空間光変調素子である。なお、画像表示素子102は、液晶パネルであっても良いし、自発光性の発光素子アレイのようなものを用いるとしても良い。また、画像表示素子102は、コンピュータなどの外部機器から入力された画像を表示するものであっても良いし、画像投射装置内部に配置された制御部によって構成された画像データを表示するものであっても良い。
The
レンズユニット200の構成について説明する。
レンズユニット200への入射光の光軸すなわちレンズ光軸をZ軸、Z軸に垂直な方向のうち、図2における紙面上下方向に平行な軸をY軸と定め、Z軸およびY軸にそれぞれ垂直な軸をX軸と定める。なお、X軸、Y軸、Z軸それぞれの方向について、図2に示す矢印の方向をそれぞれ正方向と定める。
A configuration of the
The optical axis of incident light to the
レンズユニット200は、図2に示すように、Z軸上に配置されて屈折光学系10を構成する複数のレンズLN1~LN17と、レンズLN17よりもZ方向下流側にあって結像光束を投射面104へ向かって投射するための屈折反射光学素子たる接合レンズ20と、を有している。
すなわち本実施形態において、レンズユニット200は「画像表示面の側から投射面104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」なる投射光学系を構成している。
As shown in FIG. 2, the
That is, in this embodiment, the
屈折光学系10は、複数枚のレンズLN1~LN17で構成された屈折光学系である。また、これらレンズのうち2枚以上が互いに接合された接合レンズであっても良い。また、本実施形態においては、レンズを17枚用いた構成について述べるが、屈折光学系10を構成するレンズの枚数を限定するものではなく、種々の光学設計条件に合わせて適切な枚数を用いればよい。
The refractive
接合レンズ20は、屈折光学系10からの結像光束L1が入射される入射面20Aと、凹面ミラーとして機能する反射面20Bと、反射面20Bで反射された結像光束L1が投射光束L2として出射される出射面20Cと、を有している。
接合レンズ20は、反射面部材21と、屈折媒質部22とが境界面23において互いに密接して儲けられており、反射面部材21と屈折媒質部22とが一体に形成されて「単一の光学素子」として構成されている。
The cemented
The cemented
屈折光学系10から出射された結像光束L1は、接合レンズ20の入射面20Aから入射し、屈折媒質部22から反射面部材21を経て反射面20Bによって反射されると、出射面20Cから被投射面たる投射面104へ向けて射出される。
ここで接合レンズ20の入射面20A、反射面20B、出射面20Cのうち、少なくとも反射面20Bは「屈折力を持つ曲面」であり、入射面20A,出射面20Cのうち、少なくとも一方は屈折力を持つことができる。なお、ここで屈折力を持つ場合には正、負何れの屈折力を持っていても良い。またかかる屈折力を持つ面の形状は。凸球面や凹球面等の球面形状の他、非球面形状やシリンダ面のようなアナモルフィック形状、自由曲面であっても良い。
画像表示素子102の画像表示面と、投射面104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。また、かかる投射光学系は、接合レンズ20の内部において、言い換えると入射面20Aに入射してから出射面20Cで出射するまでの光路のうち少なくとも1以上の位置において、画像表示面に表示された画像の「中間像」を結像する。
また、このとき接合レンズ20の内部において中間像を1以上結像しているために、屈折光学系10の中でも一旦結像する場合がある。従って、中間像は投射光学系全体の中で1以上結像している。
The imaging light flux L1 emitted from the refractive
Of the
The image display surface of the
In addition, since one or more intermediate images are formed inside the cemented
反射面部材21は、内面側に凹面で非球面形状の反射面20Bを有し、屈折媒質部22の+Z方向側に配置されている。なお本実施形態においては屈折媒質部22との境界面23はXY平面と平行な面としているが、かかる構成に限定されるものではない。
屈折媒質部22は、ガラスやプラスチック等の光学材料によって構成され、-Z方向側の図2における下部分に入射面20Aが、同上部分に出射面20Cが同一球面上に形成されている。
かかる反射面部材21と、屈折媒質部22とを境界面23で接合することによって、接合レンズ20は、-Z方向側の面が球面で、+Z方向側の面が非球面となるような屈折反射光学素子として機能する。なお、かかる「境界面」は反射面部材21と、屈折媒質部22との「接合面」と言い換えることも可能である。
The reflecting
The refracting
By joining the
一般に、光学素子においては、レンズ研磨や金型による成型等が用いられている。
しかしながら、このように屈折とともに反射を行うような場合には、レンズ厚が増大するために困難である。
本実施例のように、反射面部材21と屈折媒質部22とを一体に形成することにより、より作りやすく安価な屈折反射光学素子を製造することができる。
In general, optical elements are produced by lens polishing, molding using a mold, or the like.
However, it is difficult to perform reflection as well as refraction because the lens thickness increases.
By integrally forming the reflecting
しかしながら、単に2つの光学素子を一体に接合するのみでは、境界面23上に付着する異物などにより、光学性能の低下をもたらす虞がある。
そこで、本実施例においては、図2中に主要な光路図を示すように、中間像Im1が、接合レンズ20内部に、具体的には接合レンズ20の入射面20Aと反射面20Bとの間に少なくとも1つ形成される。
However, if the two optical elements are simply joined together, there is a risk that foreign matter adhering to the
Therefore, in this embodiment, as shown in the main optical path diagram in FIG. at least one is formed in
このように、中間像Im1が接合レンズ20内部に配置されることにより、境界面23に入ってしまう異物等の欠陥の影響を抑制することができる。
By arranging the intermediate image Im1 inside the cemented
本実施形態では、投射光学系10は、複数の移動可能なレンズ群によって構成される。
具体的には、レンズLN1で構成される第1可動レンズ群11と、LN11の第2可動レンズ群12と、レンズLN12~LN15の第3可動レンズ群13と、を有している。
これらのレンズ群は、光軸方向である±Z方向へと移動させるためのレンズ駆動手段である、第1カム11a、第2カム12a、第3カム13aを用いてそれぞれが一体的に駆動される。
In this embodiment, the projection
Specifically, it has a first
These lens groups are integrally driven using a first cam 11a, a second cam 12a, and a third cam 13a, which are lens driving means for moving in the ±Z direction, which is the direction of the optical axis. be.
なお、本実施形態において第1カム11a、第2カム12a、第3カム13aは何れも既知のレンズ駆動手段であってよく、またそのカム形状等についてもレンズの大きさや重量に合わせて適宜設計して良いため、説明を省略する。 In this embodiment, the first cam 11a, the second cam 12a, and the third cam 13a may all be known lens driving means, and the shape of the cam and the like may be appropriately designed according to the size and weight of the lens. description is omitted.
投射光学系10については、投射面104は設計上ある程度の範囲で自由に設置することができることが望ましく、かつこうした投射面104に対して焦点の合った状態で画像表示面の画像を投射することが求められている。
一般には、こうした投射光学系10において、投射面104の位置が定まった後に、所謂フォーカス調整(フォーカシング)を行うことができるような構成を有していることが望ましい。
本実施形態では、第1カム11a、第2カム12a、第3カム13aを、第1可動レンズ群11と、第2可動レンズ群12と、第3可動レンズ群13と、をそれぞれ光軸方向である±Z方向へと移動させるためのレンズ駆動手段として機能させることで、フォーカス調整を可能とする。
As for the projection
In general, it is desirable that the projection
In this embodiment, the first cam 11a, the second cam 12a, and the third cam 13a, the first
フォーカス調整においては、画像表示面と投射面104との位置は変わらず、投射光学系10の全系の焦点距離を変化させることで画像表示面に表示される像が投射面104上において結像するように調整する。
すなわち、フォーカス調整時は、原理的には、画像表示面から出射される主光線のうち、出射面20Cからスクリーンへと出射される出射光線の角度変動が無いようにすることが求められる。
In focus adjustment, the image displayed on the image display surface is formed on the
That is, in principle, when adjusting the focus, it is required to prevent angular fluctuations in the emitted light rays emitted from the emission surface 20C to the screen among the principal rays emitted from the image display surface.
このように、出射面20Cから投射面104へと出射される出射光線の角度変動を抑えることは、言い換えると第1可動レンズ群11、第2可動レンズ群12、第3レンズ群13の各移動の前後で主光線の高さが変化しないようにすることと等しい。このような構成とすることによれば、投射面104において投射される画像について、投射面104の位置は不変なのだから画像表示素子102との大きさの比が変わらなくなるはずである。すなわち、フォーカス調整時における倍率変動を低く抑えることができる。
In this way, suppressing the angular fluctuations of the emitted light rays emitted from the emission surface 20C to the
さて、このようなレンズユニット200において、具体的な光学系データとともに数値実施例を示す。
Numerical examples of such a
数値実施例における屈折光学系10は、図2に既に示したように、物体側から像側に向かって、17枚のレンズLN1~LN17を順次配列して構成されている。レンズLN3~LN6の4枚は接合され、レンズLN8とレンズLN9との間に開口絞りSが配置されている。
接合レンズ20は「両凸レンズ形状」で、入射面20Aと射出面20Cとが同一のレンズ面であり、反射面20B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。
As already shown in FIG. 2, the refractive
The cemented
また数値実施例においては、「斜光束」が結像光束L1として用いられている。即ち、図2に示すように、画像表示素子102に表示される画像は、投射光学系のレンズ光軸に対して+Y方向側にずれている。結像光束L1としての斜光束は、屈折光学系10と接合レンズ20の入射面20Aの正の屈折力とによって、屈折媒質部22の内部に中間像Im1を倒立像として結像する。
中間像Im1を物体として、反射面20Bと出射面20Cとの正の屈折力によって、投射画像が投射面104へ向かって拡大投射される。なお、以降の実施例について、投射面104の図示は省略する。
なお、開口絞りよりも像側に位置するレンズは、反射面20Bによって反射される結像光束L1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(例えば、Dカットレンズのような形状)としても良い。
In the numerical examples, the "oblique beam" is used as the imaging beam L1. That is, as shown in FIG. 2, the image displayed on the
Using the intermediate image Im1 as an object, the projection image is enlarged and projected toward the
The lens positioned closer to the image side than the aperture stop has a shape (for example, a D-cut lens) in which an unused lens portion is cut so as not to "blind" the imaging light flux L1 reflected by the reflecting
第1の実施例の投射光学系は、画素数:1920×1080で、ピッチ:7.56μmの画像表示面をもつ画像表示素子102の画像表示面に表示された画像を、106.7インチの対角長を有する投射面104上に拡大投射する態様を想定している。
面番号S0を拡大投射するスクリーンたる投射面104、面番号Siを画像表示素子102の画像表示面としたとき、投射光学系10によって、S0面とSi面とは互いに光学的に共役である。
The projection optical system of the first embodiment projects an image displayed on the image display surface of the
When the
すなわち、例えばS0面の面間隔D=-554.813であったとき、画像投射装置100は、-554.813mm先の位置にある投射面104に対して「ピントが合った」状態すなわちフォーカシングされた状態であるといい、その時の投射面104のサイズと画像表示素子102のサイズとの比を「倍率」と表示する。
That is, for example, when the surface distance D of the S0 surface is -554.813, the
また、実際の投射面104の位置と、かかるS0面の位置とが異なってしまった状態が「ピントがずれた」状態である。ピントがずれた状態を、レンズ駆動手段を用いて第1可動レンズ群11と、第2可動レンズ群12と、第3可動レンズ群13と、をそれぞれ±Z方向へと所定の量移動させることで、画像投射装置100から投射面104までの距離を投射光学系10のレンズ系におけるS0面までの距離と一致するように変化させる調整が「フォーカス調整」(フォーカシング)である。
このように、実際に運用することを考えると、本実施形態の画像投射装置100は「倍率がフォーカス調整の前後で変動しない」効果を奏することとなるが、投射光学系10として考えた時には、かかる移動によって焦点距離が変わっていることと等しいから、後述するPos1、Pos2、Pos3のそれぞれの位置を取った時の画像表示素子102に対する投射面104の倍率は変動する。
Further, the state in which the actual position of the
In this way, considering the actual operation, the
表1に示した※面については、数式1で示される非球面を用いており、各非球面係数を表2に示している。
As for the surface * shown in Table 1, the aspherical surface represented by
表1に示す数値実施例において、投射距離は面番号S0に表示された「-554.813mm」で投射倍率は「162.7倍」である。 In the numerical example shown in Table 1, the projection distance is "-554.813 mm" and the projection magnification is "162.7 times" indicated on the surface number S0.
以下に示す光学系データにおいて、「面番号」は拡大側から縮小側に向かって数えた数字で表し、被投射面をスクリーンの面として「S0」、画像表示面を「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。
In the optical system data shown below, the "surface number" is expressed by numbers counted from the enlargement side to the reduction side, with "S0" as the surface of the screen to be projected and "Si" as the image display surface.
"R" represents the radius of curvature of each surface including the surface of the aperture stop S and the color synthesizing prism P (the paraxial radius of curvature in the case of an aspherical surface).
"D" represents the interplanar spacing on the optical axis.
"Nd" and "Vd" represent the refractive index and Abbe number for the d-line of the material of each lens.
"Effective diameter" represents the optical effective diameter of each surface. The unit of quantity having a dimension of length is "mm" unless otherwise specified.
Radius of curvature: Surfaces marked with (*) in the column of R are "aspherical surfaces".
Aspherical surface: aspherical amount: Z, height from optical axis: r, conic constant: k, second to 20th even-order aspherical coefficients: A, B, ..., G, H, J is represented by the well-known following equation.
実施例の光学系データを表1に示す。なお、表1において△で示される部分については、表3においてそれぞれの位置における数値を後述するように可変であって、それぞれPos1、Pos2、Pos3に示す実施形態において第1可動レンズ群11、第2可動レンズ群12、第3可動レンズ群13、の移動した場合を示している。
Table 1 shows the optical system data of the example. In Table 1, the portions indicated by .DELTA. A case where the second
「非球面のデータ」
非球面データを表2に示す。
非球面のデータにおいて例えば「2.507680E-11」とあるのは「2.507680×10-11」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。
"Aspheric Data"
Aspheric data are shown in Table 2.
For example, "2.507680E-11" in aspheric data means "2.507680×10 -11 ".
As shown in "Table 1", the entrance surface (S28) and the exit surface (S30) of the catadioptric optical element are the same surface and are "convex spherical", and the reflection surface (S29) is " It is a rotationally symmetrical aspherical surface.
実施例の収差図を図3及び図4に示す。
図3は、球面収差、非点収差、歪曲収差の縦収差図である。図4は、コマ収差を表す横収差図である。
Aberration diagrams of the example are shown in FIGS. 3 and 4. FIG.
FIG. 3 is a longitudinal aberration diagram of spherical aberration, astigmatism, and distortion. FIG. 4 is a lateral aberration diagram showing coma.
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3、図4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。 In the diagrams of astigmatism, the "bold line" relates to the "meridional ray" and the "thin line" relates to the "sagittal ray". As is clear from FIGS. 3 and 4, aberrations are well corrected, and the projection optical system of the example has high performance.
また、図5は、図2に示したPos2から第1可動レンズ群11、第2可動レンズ群12、第3可動レンズ群13をそれぞれ動かしたPos1における光線図について示す図である。
かかるレンズ群の位置Pos1は、画像表示素子102に表示された画像を、305.9インチの対角長を有する投射面104に拡大投射する態様を想定している。
このとき、表3に示すように、Pos1におけるS0の間隔-1632.778mmが実質の投射距離を表し、画像表示面の画像が倍率466.6で投射面104へと投射される。
このときの収差図を図6及び図7に示す。
図6は、球面収差、非点収差、歪曲収差の縦収差図である。図7は、コマ収差を表す横収差図である。
FIG. 5 is a ray diagram at Pos1 where the first
The position Pos1 of the lens group assumes an aspect in which an image displayed on the
At this time, as shown in Table 3, the distance S0 at Pos1 of −1632.778 mm represents the actual projection distance, and the image on the image display surface is projected onto the
Aberration diagrams at this time are shown in FIGS.
FIG. 6 is a longitudinal aberration diagram of spherical aberration, astigmatism, and distortion. FIG. 7 is a lateral aberration diagram showing coma.
また、図8は、図2に示したPos2から第1可動レンズ群11、第2可動レンズ群12、第3可動レンズ群13をそれぞれ動かしたPos3における光線図について示す図である。
かかるレンズ群の位置Pos3は、画像表示素子102に表示された画像を、60.7インチの対角長を有する投射面104に拡大投射する態様を想定している。
このとき、表3に示したように、Pos3におけるS0の間隔-306.169mmが実質の投射距離を表し、画像表示面の画像が倍率92.6で投射面104へと投射される。
このときの収差図を図9及び図10に示す。
図9は、球面収差、非点収差、歪曲収差の縦収差図である。図10は、コマ収差を表す横収差図である。
FIG. 8 is a ray diagram at Pos3 where the first
The position Pos3 of the lens group assumes an aspect in which an image displayed on the
At this time, as shown in Table 3, the distance S0 at Pos3 of −306.169 mm represents the actual projection distance, and the image on the image display surface is projected onto the
Aberration diagrams at this time are shown in FIGS. 9 and 10. FIG.
FIG. 9 is a longitudinal aberration diagram of spherical aberration, astigmatism, and distortion. FIG. 10 is a lateral aberration diagram showing coma.
このように、Pos2を基準的な位置として、Pos1、Pos3のそれぞれの位置へと各レンズ群を移動可能であることで、投射距離を-306.169~-1632.778mmへと変化可能であって、フォーカス調整が可能でありかつ60.7インチ~305.9インチの拡大投射が可能となる。 In this way, with Pos2 as a reference position, each lens group can be moved to each position of Pos1 and Pos3, so that the projection distance can be changed from -306.169 to -1632.778 mm This enables focus adjustment and magnified projection from 60.7 inches to 305.9 inches.
ところで、かかるフォーカス調整のためにレンズ駆動手段を用いてPos1~Pos3まで各レンズ群の位置を変化させたとき、画像表示素子102における最大物体高12.5mmの主光線の接合レンズ20の出射面20Cから投射面104へと向かう光線角度が変化してしまうと、投射面104における画像の位置が変動してしまう。このような場合、フォーカス調整を行うたびにスクリーンや画像投射装置100の位置関係を調整する必要が出てきてしまう。
そこで、本実施形態においては、レンズ駆動手段が第1可動レンズ群11、第2可動レンズ群12、第3可動レンズ群13のそれぞれを移動させる際に、投射光学系10の主光線の高さの変化が所定の範囲内で抑えられるように、各レンズの性能が定められている。
言い換えると、本実施形態においては、かかる出射光線の角度が、フォーカス調整の移動前後で、所定の範囲内で抑えられるように、各レンズの性能が定められている。
By the way, when the position of each lens group is changed from Pos1 to Pos3 using the lens driving means for such focus adjustment, the emission surface of the cemented
Therefore, in this embodiment, when the lens driving means moves the first
In other words, in the present embodiment, the performance of each lens is determined so that the angle of the outgoing light beam is suppressed within a predetermined range before and after the movement for focus adjustment.
具体的には、本実施形態における画像表示素子102側の最大物体高12.5mmの主光線の接合レンズ20の出射面20Cから投射面104へと向かう光線角度が、Pos1:74.2259度、Pos2:74.2532度、Pos3:74.2652度である。すなわち、スクリーンへ投射される光線角度の角度変動量が、-0.0273~0.012度の範囲内に抑えられており、倍率変動は-0.18~0.08%以内に抑えられている。
このように、フォーカス調整を行う際のレンズ群の移動前後での倍率変動を、0.5%以内に抑えることで、スムーズにフォーカス調整を行うことが可能である。
Specifically, the ray angle from the emission surface 20C of the cemented
In this way, by suppressing the change in magnification before and after movement of the lens group during focus adjustment to within 0.5%, focus adjustment can be performed smoothly.
また、図2の実施例では、屈折反射光学素子として用いた接合レンズ20は、屈折媒質部22と反射面部材21との間の境界面23は平面のものについて説明したが、かかる構成に限定されるものではなく、例えば図11に示すように境界面23は曲面であっても良い。
なお、このように境界面23を曲面とした場合にも、中間像Im1の形成される位置が、境界面23に重複しない位置にあるとともに、結像光束L1のうち、主たる光線の集中する位置が、何れも接合レンズ20のうち屈折媒質部22の内部に配置されるように構成されていることが望ましい。
かかる構成により、中間像Im1が境界面23を跨がないので、より容易で安価な屈折反射素子を製造することができる。
このように、接合レンズ20の境界面23と、中間像Im1の形成される位置とが重複しないように配置することにより、境界面23における汚れや異物等の影響を更に低減することができる。
In addition, in the embodiment of FIG. 2, the cemented
Even when the
With such a configuration, the intermediate image Im1 does not straddle the
In this way, by arranging the
またかかる構成により、境界面23の屈折力をも考慮して調整することができ、また境界面23の形状により、屈折媒質部22の形状や、反射面部材21の形状を考慮することで、接合レンズ20の更なる小型化や、より容易で安価に製造することができる。
In addition, with such a configuration, it is possible to adjust the refractive power of the
本発明の第2の実施例として、図12にレンズユニット300を示す。なおレンズユニット300のうち、既に説明した第1の実施例と同様の構成については同一の符号を付して説明を適宜省略する。
レンズユニット300においては、図2に示した投射光学系10のうち、Pos2のレンズ配置を基準として、移動可能なレンズ群の数を減らした実施形態である。
A
The
本実施形態において、動作するレンズ群は、表4に示すように、第1の数値実施例における第1可動レンズ群11、第2レンズ群12を除く、第3レンズ群13のみが動作し、面番号S9、S17のそれぞれの位置が変化する。
In this embodiment, as shown in Table 4, only the
表4に示したPos2については、第1の数値実施例におけるPos2と同様の光学性能であり、重複してしまうため説明を省略する。 Pos2 shown in Table 4 has the same optical performance as Pos2 in the first numerical example, and the description is omitted to avoid duplication.
表4のPos4で示した位置は、画像表示素子102に表示された画像を、115.9インチの対角長を有する投射面104に拡大投射する態様を想定している。
表4にも示した通り、S0の間隔-604.813mmが、実質の投射距離を示し、画像倍率176.8倍で投射面104へと投射される。
また、かかる位置関係における縦収差図を図13に示し、横収差図を図14に示す。
The position indicated by Pos4 in Table 4 assumes that the image displayed on the
As shown in Table 4, the S0 interval of −604.813 mm indicates the actual projection distance, and the image is projected onto the
FIG. 13 shows longitudinal aberration diagrams and FIG. 14 shows lateral aberration diagrams in such a positional relationship.
また、Pos2から第2可動レンズ群12、第3可動レンズ群13をそれぞれ動かしたPos5における各構成についても表4に記載する。
かかるレンズ群の位置Pos5は、画像表示素子102に表示された画像を、97.5インチの対角長を有する投射面104に拡大投射する態様を想定している。
このとき、表4に示したように、Pos5におけるS0の間隔-504.813mmが実質の投射距離を表し、画像表示面の画像が倍率148.7で投射面104へと投射される。
このときの収差図を図15及び図16に示す。
図15は、図13と同様に球面収差、非点収差、歪曲収差の縦収差図である。図16は、図14と同様にコマ収差を表す横収差図である。
Table 4 also shows each configuration at Pos5 in which the second
The position Pos5 of the lens group assumes an aspect in which an image displayed on the
At this time, as shown in Table 4, the distance S0 at Pos5 of −504.813 mm represents the actual projection distance, and the image on the image display surface is projected onto the
Aberration diagrams at this time are shown in FIGS. 15 and 16. FIG.
FIG. 15 is a longitudinal aberration diagram of spherical aberration, astigmatism, and distortion, similar to FIG. FIG. 16 is a lateral aberration diagram showing coma aberration, similar to FIG.
以上のように、Pos2を基準として、1つレンズ移動群である第3レンズ移動群13によってPos4、Pos5のそれぞれの位置へと各レンズ群を移動可能であることで、投射距離を-504.813~-604.813mmへと変化可能であって、フォーカス調整が可能でありかつ97.5インチ~115.9インチの拡大投射が可能となる。
As described above, with Pos2 as a reference, the third
また、本実施形態においても同様に、レンズ駆動手段が第3可動レンズ群13を移動させる際に、投射光学系10の主光線の高さの変化が所定の範囲内で抑えられるように、各レンズの性能が定められている。
言い換えると、本実施形態においては、かかる出射光線の角度が、フォーカス調整の移動前後で、所定の範囲内で抑えられるように、各レンズの性能が定められている。
Similarly, in this embodiment, when the lens driving means moves the third
In other words, in the present embodiment, the performance of each lens is determined so that the angle of the outgoing light beam is suppressed within a predetermined range before and after the movement for focus adjustment.
具体的に破本実施形態における画像表示素子102側の最大物体高12.5mmの主光線の接合レンズ20の出射面20Cから投射面104へと向かう光線角度は、Pos4:74.2414度、Pos2:74.2532度、Pos5:74.2677度である。すなわち、スクリーンへ投射される光線角度の角度変動量が、-0.0118~0.0145度の範囲内に抑えられており、倍率変動は-0.08~0.10%以内に抑えられている。
このように、フォーカス調整を行う際のレンズ群の移動前後でのレンズユニット300全体での倍率変動を、0.5%以内に抑えることで、スムーズにフォーカス調整を行うことが可能である。
Specifically, the ray angle of the principal ray of the maximum object height of 12.5 mm on the side of the
In this way, by suppressing the change in magnification of the
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。
Although the preferred embodiments of the invention have been described above, the invention is not limited to the specific embodiments described above, and the invention described in the scope of claims unless specifically limited in the above description. Various modifications and changes are possible within the scope of the spirit.
For example, a refractive reflective optical element is a "single optical element", but "single" is a morphology. Although the case where the refractive medium portion has a single structure has been described above, the structure of the refractive medium portion is not limited to this. may be When the refracting medium section is composed of a plurality of optical media in this way, the number of parameters for adjusting the performance of the projection optical system increases, so the design of the projection optical system becomes easier.
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。 The effects described in the embodiments of the present invention are merely enumerations of preferred effects resulting from the invention, and the effects of the invention are not limited to "those described in the embodiments".
10 屈折光学系
11 第1可動レンズ群
12 第2可動レンズ群
13 第3可動レンズ群
11A、12A、13A レンズ駆動手段
20 屈折反射光学素子(接合レンズ)
20A 屈折反射光学素子の入射面
20B 屈折反射光学素子の反射面
20C 屈折反射光学素子の射出面
21 反射面部材
22 屈折媒質部
23 境界面
100 画像投射装置
102 画像表示素子
104 投射面
200 レンズユニット
300 レンズユニット
LN1~LN17 屈折光学系を構成するレンズ
Im1 中間像
10 Refractive optics
REFERENCE SIGNS
20A Entrance surface of refractive reflective optical element
20B Reflective surface of refractive reflective optical element
20C exit surface of refractive reflective optical element
21 reflective surface member
22 refracting medium
23
Claims (6)
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1枚または複数枚のレンズにより構成されたレンズ群を複数有し、
前記レンズ群のうち少なくとも1つを光軸方向へ移動するレンズ駆動手段を備え、
前記屈折反射光学素子は、反射面を有する反射面部材と、前記反射面部材に密接して配置される屈折媒質部とを有し、前記反射面部材と前記屈折媒質部とが境界面で接合された単一の光学素子として構成され、前記屈折媒質部に前記屈折光学系から射出した結像光束の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、
前記屈折光学系と前記屈折反射光学素子とにおいて、前記画像表示面に表示された画像の中間像が1以上結像され、
前記屈折反射光学素子の前記入射面と前記反射面との間において、前記画像表示面に表示された画像の前記中間像を1以上結像する投射光学系。 A projection optical system that enlarges and projects an image displayed on an image display surface of an image display element onto a projection surface as a projection image,
A refracting optical system and a refracting/reflecting optical element are sequentially arranged from the image display surface side toward the projected surface side,
The refractive optical system has a plurality of lens groups each composed of one or more lenses,
A lens driving means for moving at least one of the lens groups in the optical axis direction,
The dioptric-reflection optical element has a reflective surface member having a reflective surface and a refracting medium portion disposed in close contact with the reflective surface member, and the reflective surface member and the refracting medium portion are joined at a boundary surface. an incident surface and an exit surface for an imaging light flux emitted from the refractive optical system are formed in the refractive medium portion, and the reflecting surface is a curved surface having refractive power,
one or more intermediate images of the image displayed on the image display surface are formed in the refractive optical system and the refractive and reflective optical element;
A projection optical system that forms one or more intermediate images of the image displayed on the image display surface between the entrance surface and the reflection surface of the refractive/reflection optical element.
前記境界面が平面であることを特徴とする投射光学系。 The projection optical system according to claim 1,
A projection optical system, wherein the boundary surface is a plane.
前記境界面が曲面であることを特徴とする投射光学系。 The projection optical system according to claim 1,
A projection optical system, wherein the boundary surface is a curved surface.
前記中間像が、前記境界面とは重複しない位置において結像されることを特徴とする投射光学系。 The projection optical system according to any one of claims 1 to 3,
A projection optical system, wherein the intermediate image is formed at a position that does not overlap with the boundary surface.
前記レンズ駆動手段が前記レンズ群を移動させる際に、当該投射光学系の主光線の高さの変化が所定の範囲内であることを特徴とする投射光学系。 The projection optical system according to any one of claims 1 to 4,
A projection optical system, wherein a change in height of a principal ray of the projection optical system is within a predetermined range when the lens driving means moves the lens group.
光源と、
画像表示面に画像を表示する画像表示素子と、
を有する画像投射装置。 a projection optical system according to any one of claims 1 to 5;
a light source;
an image display element for displaying an image on an image display surface;
An image projection device having
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