JP4223936B2 - 投射光学系、拡大投射光学系、拡大投射装置及び画像投射装置 - Google Patents
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Description
光源ランプの高効率化に伴う明るさの改善、低価格化などが進んでいる。
また、DMD(Digital Micro-mirror Device)を利用した小型軽量な画像投射装置が
普及し、オフィスや学校のみならず家庭においても広くこれら画像投射装置が利用される
ようになってきている。特に、フロントタイプのプロジェクタは携帯性が向上し、数人規
模の小会議にも使われるようになってきている。
画面化)と共に「プロジェクタ外に必要とされる投影空間」をできるだけ小さくできるこ
とが要請されている。
る画像を結像する結像光束の光路を、できるだけ「画像投射装置内部に繰り込む」のが良
く、このような工夫を行った画像投射装置として、特許文献1〜5記載のものが知られて
いる。
、第1〜第4の反射鏡を備え、第1反射鏡を凹面形状、第2〜第4反射鏡を凸面として、
これら反射鏡により結像光学系を構成している。また、第1〜第4反射鏡のうち少なくと
も1面を自由曲面形状として投射性能の確保を図っている。
スプレイであり、凹面鏡と「発散作用を有する凸面鏡」との対と、投射レンズとにより結
像光学系を構成している。
る第1番目の鏡面を凸面形状とし、装置の薄型化を図っている。
拡大投射するのに、反射鏡のみで結像を行っており、色収差が原理的に発生しないという
メリットがある。しかし、単板式でなく、3板式のように赤・緑・青の画像を3つのライ
トバルブに別個に表示し、各画像をスクリーン上で合成するような場合には、クロスプリ
ズムやフィリップスプリズム等の色合成手段を介在させる必要があり、色合成の際に色収
差が発生するが、反射面のみによる結像光学系では色収差補正ができない。
結像レンズ系と、負のパワーの曲面ミラーを含む反射光学系とによる拡大投射光学系によ
り順次スクリーンに導光して結像させている。
クリーンに導光される。このため、スクリーン上の投射拡大画像の中心部(画像表示パネ
ルの中心部に対応する)の上側と下側とで、結像光束の光路長が異なり、その結果として
所謂「台形歪み」が発生する。
クリーン上の拡大画像の像質劣化をもたらし易い。
結像レンズの光軸に対して偏芯させて設け」る構成が知られている。凸面ミラーを偏芯配
置させる場合、結像レンズ系の「スクリーン側焦点位置よりも結像レンズ側」に凸面ミラ
ーを配置し、凸面ミラーの有する負の屈折力によって、投射レンズの焦点位置を伸ばす。
パワーを大きくして画角を広げる方法があるが、凸面ミラーの形状精度や組付公差が厳し
くなり、またディストーションも大きくなる。
くでき、ディストーションを軽減できるが、結像レンズと凸面ミラーの距離が大きくなる
ことに伴い、凸面ミラーが大型化してミラーのコストが高くなり、拡大投射装置も大型化
しやすい。
ンズ光学系を用いずに所望の光学性能を得ようとすると、各反射面の面精度や位置精度を
極めて高く設定する必要があり、拡大投射光学系の組みつけ精度が厳しくなる。
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、拡大投射光学系、拡大投射装置および、このような投射
光学系等を用いる画像投射装置の実現を課題とする。
この発明はまた、画像投射装置を薄型化するとともに、歪みなく大画面を投射できるよ
うにすることを課題とする。
S1の投射光学系は「変調信号に応じて画像形成するライトバルブに、光源からの照明光を照射し、ライトバルブに形成された画像を、投射光学系により拡大投射する画像投射装置において、ライトバルブに形成された画像を拡大投影する投射光学系」であって、以下の特徴を有する。
2の順に配設される第1及び第2の光学系を有する。
「第1の光学系」は、1以上の屈折光学系を含み、正のパワーを有する。
「第2の光学系」は、パワーを有する反射面を1以上含み、正のパワーを有する。
ライトバルブにより形成された画像は、第1および第2の光学系の作用により、第1及
び第2の光学系の光路上に一旦「中間像」として結像され、この中間像がさらに拡大され
てスクリーン等の表示面上に投射される。
この場合、第2の光学系は少なくとも「正のパワーを有する反射面と負のパワーを有する
反射面とを有する」ことができる(S3)。
請求項1〜4の任意の1に記載の投射光学系において、「中間像形成後の光束を最初に
反射する正のパワーを持つ反射面」を自由曲面で形成することが好ましい(S5)。
即ち、拡大投射光学系は反射光学系と透過光学系とを有する。
「反射光学系」は、パワーを持つ複数の反射面により構成され、回転非対称反射面を1
面以上含む。「回転非対称反射面」は、反射面の形状が、回転対称軸を持たない反射面で
ある。
「透過光学系」は、屈折力をもつ透過面により構成され、非球面を1面以上含む。
即ち、「複数の透過面からなる透過光学系」と「複数の反射面から成る反射光学系」と
「絞り」とを有し、反射光学系における反射面のうち「絞りを通過した光束が最初に入射
するパワーを持つ反射面」のパワーが負である。
即ち、画像表示パネル側からスクリーンに至る光束が生成する画像表示パネルの、負の
倍率の中間像(拡大投射光学系による結像光束の光路上において生成される画像パネルの
中間像)と、スクリーン側から画像表示パネルに至る光束が生成するスクリーンの負の倍
率の中間像(拡大投射光学系に、仮想的にスクリーン側から光を入射させたときに、上記
光路上に生成するスクリーンの中間像。因みにこのときのスクリーンの像は縮小像で画像
表示パネル上に結像する)の位置・形状が略一致している。
射面」が正のパワーを持つことが好ましい(S18)。
また、反射光学系に含まれる反射面における光の反射が「内部全反射条件を満たす」構
成でも良い。このように反射面を「内部全反射面」とする場合、「透過光学系からの光束を取り込む面」は透過面である。この場合、この透過面への光束入射を面に直交させると、入射の際に収差が発生しないので好ましい。
ルを用い、R(赤)、G(緑)、B(青)の各色成分画像を、色ごとに「異なる画像表示
パネル」に表示し、これら画像表示パネルからの光を合成して、拡大投射光学系によりス
クリーンへ導光し、スクリーン上にカラー画像を表示するように構成することができるこ
とは言うまでも無い。
射して、スクリーン上に結像させるので「スクリーン法線の方向から投射する場合に、結
像光束がスクリーン法線に対して傾いた場合に生じる表示画像の歪み」を有効に軽減させ
ることができる。
であり、組付け精度を出し易くコストダウン効果が得られる。また、反射光学系に含まれ
る回転非対称反射面により、非対称な収差成分を補正できる。
光学系の3次元的構造を小型化できないが、透過面と反射面の組み合わせによって光路を
折り返す構成をとることができ、光学系を小型化できる。
ンに向けて光路を折り曲げれば、同じ光路長の光学系でも薄型の構成を実現できる。
。絞りを通過した光が最初に入射する「パワーをもつ反射面」は反射光学系中にある。反
射光学系と透過光学系を一体化することは難しく、透過光学系と反射光学系は別々に組み
付けられる。このとき、透過光学系と反射光学系の各々に組み付け誤差が付随するので、両光学系の「相対的な位置ずれ」を完全にゼロすることは難しく、相対的な位置ずれの発
生を前提とすると、公差感度の観点から、上記「パワーをもつ反射面」は負のパワーの反
射面であるのが良い。
る。このとき、反射光学系において最初に反射するパワーを持つ面のパワーを正とすると
、光束の集光が強められる方向に作用する。一方、上記面のパワーを負とすれば光束の集
光が緩められる方向に作用する。両者を比較した場合「透過光学系と反射光学系の相対的
位置ずれによる光束状態の変化」は、前者において大きく、組みつけ公差が厳しくなる。
上記反射面のパワーを負とすることにより組付け公差を緩くできる。
る光束の分離を抑制でき、これらの光束を受ける反射面を小型化することができる。
「第1の光学系」は、屈折光学系を少なくとも1つ含み、正のパワーを有する。
を有する。
れる、物体像が一旦中間像として形成された後に正規像として結像されるように構成され
る。
即ち、第1の光学系において「物体側にもっとも近い屈折力を持った光学要素」の光軸
に対して他の光学要素が、1カ所以上において、平行偏芯および/またはチルト偏芯して
いる。即ち、平行偏芯あるいはチルト偏芯は「光学要素単位」で行われる。
「第1の光学系」は、屈折光学系を少なくとも1つ含み、正のパワーを有する。
を有する。
れる、物体像が一旦中間像として形成された後に正規像として結像されるように構成され
る。
即ち、第1の光学系において「物体側にもっとも近い屈折力を持った光学要素」の光軸
に対して第1の光学系の各要素は「チルト偏芯」していない。
もできる。
請求項1記載の投射光学系は「被投影物体面からの光束を、透過型屈折光学系と、1枚の反射ミラーからなる反射型屈折光学系を介して投影面上に導光し投影する投射光学系」であって以下のごとき特徴を有する。
全般」を意味し、代表的な素子はレンズであるが、それ以外に「回折作用を示す光透過型
の素子」であることもできる。
す光学素子全般を意味し、「回折作用を示す光反射型光学素子」であることもできる。
の実体をなすものは、前述した液晶パネル等のライトバルブやDMD、スライドフィルム
等のように、外部光源からの光で照明される方式の画像表示手段を用いることができ、さ
らには、発光ダイオードを2次元的に配列したものやプラズマディスプレイ、EL発光素
子アレイ等、自己発光型の画像表示手段を用いることができる。
透過型屈折光学系と上記1枚のみの反射ミラーとの間に中間像を結像させ、「該中間像を結像した後の発散する光束」を、上記1枚のみの反射ミラーで反射し、その反射光の光束が上記1枚のみの反射ミラーのパワーで投影面に集束する。
反射型屈折光学系から投影面に至る光線は投影面の法線に対して傾斜して導光される。
数の透過型屈折素子は互いに偏芯することなく構成されている。
反射型屈折光学系の上記1枚のみの反射ミラーは、上下方向と左右方向とでパワーが異なるアナモフィックな多項式自由曲面であり、透過型屈折光学系と上記1枚のみの反射ミラーとの間に中間像を結像させ、該中間像を結像した後の発散する光束を上記1枚のみの反射ミラーで反射し、その反射光の光束が上記1枚のみの反射ミラーのパワーで投影面に集束する。
反射型屈折光学系から上記投影面に至る光線は、投影面の法線に対して傾斜して導光される。
透過型屈折光学系は被投影物体面の法線に対して偏芯し、透過型屈折光学系の有する複数の透過型屈折素子は群単位レベルでは互いに偏芯することなく構成されている。
可能ではない。しかし、反射型屈折光学系の反射ミラーは主にディストーション補正を中
心に形状を決定することが望ましい。従って、透過型屈折光学系においてアスペクト比を
予め調整できていることが望ましく、透過型屈折光学系でアスペクト比を補正する手段と
して上記多項式自由曲面を用いることが有効である。
投射光学系を「薄さ:500mm以下」で実現するには上記NA2が0.005〜0.0
1程度になっているとよいことがわかった。NA2を小さくしすぎると透過型屈折系の全
長が伸びてしまうので、装置の全体サイズを小型化することを考慮するとNA2は0.0
05から0.01程度が望ましい。
大きくなることにより、投射画面のディストーション補正、あるいは、倍率性能の確保が
難しくなってくる傾向がある。勿論、画面サイズが60インチよりも小さい場合にはNA
2の上限値は0.01以上でもよい。
項式自由曲面」は、上下方向(投射される画像を基準として上下方向と左右方向とを考え
る。)をY方向、左右方向をX方向、曲面のデプスをZ、「X2、Y2、X2Y、Y3、
X2Y2等」を係数として、
Z=X2・x2+Y2・y2+X2Y・x2y+Y3・y3+X4・x4+X2Y2・x2y2+Y4・y4+
X4Y・x4y+X2Y3・x 2 y 3 +Y5・y5+X6・x6+X4Y2・x4y2+X2Y4・x2y4+Y6・y6+・・(1)
で表される形状である。
よび画像投射装置を実現できる。
図1は、S9の画像投射装置の実施の1形態における要部を略示している。
、単にパネル15と称する。符号10で示す光源は、ランプとリフレクタによる発光部1
1と、この発光部11からの光束を照明光束とする照明光学系12とにより構成されてい
る。光源10からの照明光束は、パネル15に照射される。
は、光源10からの照明光束を2次元的に強度変調して透過させる。パネル15を透過し
た光束は、第1の光学系17と第2の光学系19により構成される「投射光学系」により
スクリーン21上に投射結像され、「パネル15に画像形成された画像」の拡大像を表示
する。
される第1及び第2の光学系17、19を有し、第1の光学系17は屈折光学系(レンズ
)で正のパワーを有し、第2の光学系19はパワーを有する反射面を有し、正のパワーを
有する。
像Iintとして結像され、スクリーン21上には、この中間像Iintを「さらに拡大した画
像」が投射結像される。
折光学系を含む種々の形態」、例えば、複数レンズによる構成や、レンズとミラーの組合
せ、反射面と屈折面を一体化した構成等が適宜可能である。
の光学系17により形成される中間像Iintは「パネル15に形成された画像の倒立像」
である。中間像Iintの倍率は、パネル15上の画像の1〜数倍程度であることが好まし
い。中間像Iintが縮小像であると、第1および第2の光学系全体として「大きな拡大率
の表示画像」を得るためには、第2の光学系に大きな拡大倍率が必要となり、収差の補正
等と大倍率のバランスを実現することが困難になる。
なり、投射光学系、延いては画像投射装置を大型化してしまう。
位置:b)の2点に対応するパネル15上の位置:A、Bから上記位置:a、bへ向う光
束の光路を模式的に示している。
光学系19との合成光学系でスクリーン21上に投射される画像が「満足のいく画像」と
なるよう、合成光学系全体として性能を確保していればよい。従って、第1の光学系17
による結像性能には特に制約はない。
intを結像させた光束を、第2の光学系19で反射して光路を折り返し、中間像Iintを形
成する光束の進行方向と逆の向きに投射画像を投影するようになっている。
、第2の光学系の形態はこれに限らず、反射面を2以上含むことができるし、反射面とと
もに屈折光学系を含むこともできる。
とにより、最終的に投射される光束の向きを「図1の向きと逆」にすることもできる。ま
た、図1、図2の構成において、中間像Iintの形成される位置と、反射面19との間に
、第2の光学系の一部として屈折光学系(レンズ系)を配し、反射面19に「より効率的に
光量を取り込む」ようにすることができる。
における位置:A'に重心を持つように集まり、集光後の光線は、集束角と同じ発散角で
広がり、正のパワーを有する第2の光学系19により反射されて、図1におけるスクリー
ン21上の位置:aに結像する。
特に、上記凹面を自由曲面形状とすることでその効果を最大限に生かせる。
行えばよい。反射面により最適化を行えるので、色収差の発生、増加を抑えて、そのほか
の集光特性を向上させる設計が可能となる。
屈折光学系により補正することが可能である。
面のみでは補正できない部分は、第2の光学系に積極的に屈折光学系を取り入れて補正す
るようにしてもよい。
tの形成される位置を、第2の光学系19の反射面に近づければよい。これを、図3、図
4を参照して説明する。
第2の光学系(凹面鏡)を示し、符号21はスクリーンを示す。
=1〜3 i=1は第1の光学系17Aの入射側面、i=3は第2の光学系19Aの反射
面)、第i番目の面と第i+1番目の面との間の面間隔をTi(i=0〜3 i=0はパ
ネル15と第1の光学系17Aの入射側面との間、i=3は第2の光学系19Aとスクリ
ーン21との間)とする。
i Ri(mm) Ti(mm) 材質
0 85
1 65 25 BK7
2 −55 225
3 −135 −400 。
物体であるパネル15における位置:A、Bを起点として、スクリーン21上の位置:a
、bに到達する各主光線の間隔は約208mmとなる。
光学系17Bのパワーを緩め、中間像Iintの位置を第1の光学系17Bから遠ざけるよ
うにし、同時に「像高0における集光性が保たれるように位置関係を保った」まま、第2
の光学系19Bにおける正のパワーを調整すると、これら光学系の緒元は以下の如くにな
る。
i Ri’(mm) Ti’(mm) 材質
0 85
1 65 25 BK7
2 −60 225
3 −98 −400 。
ように、光学系の配置は、図3の配置と同じであり、図3の光学系と異なっているのは第
1の光学系17Bの射出側面の曲率と、第2の光学系19Bの反射面の曲率のみである。
a’、b’に到達する各主光線の間隔は約362mmとなり、図3に示す場合(208m
m)よりも拡大率が向上している。即ち、第1の光学系における正のパワーが弱まり、中
間像Iintが第2の光学系19Bの「正のパワーを持つ反射面」に近づいた結果、拡大率
が増大しているのである。上記のように、光学配置を変えることなく、屈折面・反射面の
曲率半径を変化させるのみで、拡大率を向上させることができる。
像の結像位置を第2の光学系における正のパワーを持つ反射面に近づけるための、負のパ
ワーをもつ光学素子」を、中間像のライトバルブ側に設ければよい(S2)。
像のライトバルブ側に設ける負のパワーを持つ光学素子としては、凹レンズやフレネル凹
レンズ、凸面状の反射鏡、あるいはこれらの複合系等を考えることができる。
折面や反射面の面数を増やして設計の自由度を上げるなどし、従来から知られた光線追跡
法などによるシミュレーションで最適化設計を行えばよい。
この実施の形態では、第2の光学系190は、正のパワーを有する反射面192と負のパワーを有する反射面191とを有する。
tが結像される以前に、負のパワーを持つ反射面191に入射し、反射面192に向って
反射される。そして、中間像Iintは反射面191と反射面192との中間部に形成され
る。中間像Iintは、反射面192の正のパワーによりさらに拡大され、スクリーン21
上にパネル15上の画像が投射される。
間像Iintが形成される位置を、第2の光学系190の正のパワーを持つ反射面192に
近づける作用をもつ負のパワーを持つ光学系」の1例である。
射鏡等、発散パワーを有する反射光学素子を適宜に利用できる。
いが、上記「負のパワーをもつ光学系」を、反射鏡で構成することにより、光路を折り返
すレイアウトを採用でき、光学系全体のサイズは小さくすることができる。
状付与、即ち「自由曲面形状の設定」により、集光特性や歪みなどをよりきめ細かく制御
できる。
上記の如き構成の採用により、従来の投射光学系より広角化が可能となる。
ことにより、設計の自由度が増し、諸収差の補正がし易くなる(S4)。
対称な面形状」を含む面である。
極めて良好な結像特性を実現できるが、実際には各面の相対位置誤差や偏芯誤差等の要求
精度が厳しくなるので、自由曲面の数は多いほど良いというわけではなく、最適な自由曲
面の数を設定するのがよい。
の光学系における正のパワーを持つ反射面(凹面鏡)に入射する。従って、中間像Iintの
各位置からの発散性の光束は、上記凹面鏡における局所的な反射領域で反射されてスクリ
ーン上に結像する。換言すると、スクリーン上の各位置に結像する光束は、上記凹面鏡に
おいて「像高ごとに局所的な反射領域」に対応する。
反射面)の面形状を自由曲面とし「それぞれの像高に対する反射領域」ごとに、反射面の
曲面形状を調整することにより、最も効果的に諸収差補正が可能となり性能向上を図るこ
とができる(S5)。
を形成した直後の正のパワーを有する反射面(凹面鏡)に優先的に適用するのが最も効果
的である。反射領域の調整に加え、「集光パワーを持つ凹面の局所的な形状を調整できる
自由曲面」の形状設定によって、集光特性や像の歪みなどの特性をより向上させる設計が
可能となる。
上させることも可能である。
面と屈折光学系とで構成」するのが良い(S7)。「回転対称軸を持つ反射面」は比較的作り易く、加工性と組み付け性を損なうことなく設計の自由度を向上するのに極めて有効である。この回転対称軸をもつ反射面を、非球面形状とすることによりさらに自由度が向上する。また、この反射面にシフト偏芯やチルト偏芯の自由度を与えることにより、より自由度を向上させた設計が可能となる。
することにより設計の自由度が向上し、より高性能な投射光学系を実現できる。
写加工等、様々な加工法を採用できる。また、屈折透過面と反射面とが一体となった構成
とし、内部全反射構造としてもよい。
光源10における発光部11のランプとしては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メ
タルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどを用いることができる。
レクタを用いる。図1に図示されていないが、リフレクタにより反射されて「指向性を持
った光束」を、光強度を均一化してパネル15上に照射できるように「インテグレータ光
学系と呼ばれる公知の照度均一化手段」を用い、パネル面上に均一な照明分布の照明を行
うようにすることもできる。
ライトバルブ」を用いる場合は、偏光ビームスプリッタ等を用いて、照明光路と投射光路
を分離することにより「効率のよい照明」が可能である。
る場合には「斜め入射光学系や全反射プリズムを使った光路分離光学系」を用いる。この
ようにライトバルブの種類に応じて適切な光学系を採用できる。
射画像がプロジェクタの陰にならないようにするのが良い。即ち、投射光学系の光軸(第
1の光学系17の光軸)に対して垂直な面内で、ライトバルブ15をシフト(図では下側
)し、投射光学系の下方から光束を入射させるようにしている。
して、特に有効画角を広くとる必要がある。ライトバルブ15の上記シフト量は必要に応
じて適宜の大きさに設定し、第1の光学系17により一旦中間像Iintを形成し、正のパ
ワーを有する第2の光学系19により、ライトバルブ15で形成した画像をスクリーン2
1上に拡大投射する。
より小さくすることができることは当然である。
ルを用い、各パネルにより変調された光束を、公知のダイクロイックプリズム等の色合成
手段により色合成した後に、第1の光学系17等へ入射させることにより、スクリーン2
1上にカラー画像を投射することができることは言うまでも無い。
いう)から符号2で示す「スクリーン」に向かう光束群の基準光線はスクリーン2の法線
と所定の傾きをもってスクリーン2に入射する。「基準光線」は、パネル1の中心からス
クリーン2に導光される光束の主光線とする。
1の下流側に「屈折力をもつ透過面から成り、非球面を1面以上含」む透過光学系3が配
置され、その下流側に、複数の反射面4、5、6、7、8を有する「反射光学系」が配置
される。
〜8を介してスクリーン2へ導光される。反射光学系を構成する反射面4〜8のうち、反
射面8は「回転非対称反射面」となっている。
光学系3における「倍率拡大の作用負担」を緩め、特に「下流側のレンズの口径が大型化
しない」ようにしている。従って、拡大投射光学系としての倍率拡大の作用は、その全て
、もしくは相当部分を反射光学系が負っている。
る非対称性に起因する収差)」を補正するとともに、透過光学系3の光軸をパネル1に対
して偏芯して設定(この実施の形態では、光軸が、パネル1の中心よりも、図の上方へ偏
芯している)することにより、非対称収差の補正効果を高くしている。即ち、透過光学系
3と反射光学系の双方に「非対称収差の補正を分担」させている。
この実施の形態のように、拡大投射光学系を、透過光学系と反射光学系で構成すると、
全ての光学面を反射面で構成するよりも、光学系を組み付け易くなり、反射面による「光
路折り返し効果」も活かすことができ、全系を小型化できる。
9より下流側の反射面により、絞り9の像I9が「負の縮小倍率」で結像光路上に結像す
るようになっている。即ち、絞り9の「縮小倍率の像I9」は反射光学系の反射面4、5
、6、7の作用により、反射面7と回転非対称反射面8との間に倒立像として結像する。
の像I9より下流側にある反射面(説明中の実施の形態では反射面8)に入射する光束が
大きく広がらないため、この反射面を小型にできる。
との間)で結像しており、この結像位置は「スクリーン側の瞳」、即ち拡大投射光学系の
「射出瞳」となる。
は、絞り9の像I9と同様「負の倍率の実像」で等立像である。図に示す実施の形態では
、パネル1の中間像は反射面7の反射面近傍に結像される。即ち、パネル1の中間像は、
透過光学系3と反射面4〜6とにより形成される。
よる拡大像」であり、このときの結像倍率も負である。このように、パネル1からの光束
は中間像が倒立像として結像され、さらにこの倒立像が倒立された正立像としてスクリー
ン2上に結像する。その際、中間像において発生する台形歪みが、スクリーン上に結像さ
れるときの台形歪みと相殺しあい、台形歪みの少ない表示画像を得ることができる。
としては、セル化された透過光学系3と反射光学系との相対的な位置調整が残される。こ
のとき、反射光学系における最も上流側の反射面4のパワーが正であると、透過光学系3
から射出した光束が集光光束である場合、この光束は反射面4の正のパワーによりさらに
集光される作用を受ける。
ると、透過光学系3と反射光学系の相対位置が「ズレ」たときに発生する収差が大きくな
る。換言すると、透過光学系3と「反射光学系」のズレ量が同一である場合、ズレ量に対
する収差の変化量が大きい。
量」が小さい。従って、透過光学系3と反射光学系との相対的な位置関係の精度が緩やか
になり、光学系組付けが容易となる。
っている。反射光学系における上流側において、負のパワーの反射面が続くと入射光束の
発散性が過大になり、反射光学系内に「絞りの像」を結像させることができなくなる。
し、絞り9の像I9を反射光学系の光路内に結像する上で重要である。即ち、絞り9と絞
りの像I9の間に設ける光学系(反射面4〜7)の合成パワーは正である。
ても良いが、反射面6のパワーを強くする必要性が生じたり、面間距離が長くなったりし
て収差発生量が増え、光学系が大きくなり、構成面数も増えるので、メリットはあまりな
い。
の発明では「パネル1側からスクリーン2へ向う光束が生成するパネル1の、負の倍率の
中間像」と、「スクリーン2側からパネル1へ向う光束が生成するスクリーン2の、負の
倍率の中間像」の位置・形状が略一致するように、中間像面の上流側および下流側の光学
系を構成している。
ンを物体面、パネルを像面として光線追跡を行う際において使用される仮想的な光束を言
う。
光束の光路上、最下流のスクリーン2に最も近い位置に配置することが好ましい。反射面
4〜8における「異なる画角に対応する各々の光束」の入射位置は、上流においては重な
っている領域が広く、下流に行くほど「重なる領域」が少なくなるようにする。
称反射面8を最下流側とし、この面位置において「異なる画角に対応する各々の光束の互
いに重なる領域」が少なくなるようにすると、回転非対称反射面8よりも上流側の光学系
による「各画角の光束が有する残存収差の補正に適する面形状」を回転非対称反射面8に
与えることができ、高い収差補正効果を実現できる。
置に「異なる画角の光束が重なって入射している状態」となるから、異なる画角の光束の
各々が有する収差を同時に補正する「反射面の形状解」を得ることが困難になる。
ことができる。このような場合、補正効果を高くするには、透過光学系3に「回転非対称
な透過面」を与える。回転非対称面は「回転対称非球面では補正困難な収差成分を補正」
するのに有効である。
構成することによって、反射面同士の相対位置精度を出し易くなり、拡大投射光学系の組
付けが容易になる。反射面の一体化は例えばモールド成形法によって実現できるが、これ
に限らず、他の適宜の方法で実現して良い。
B(青)の各色成分画像を色ごとに異なる画像表示パネルに表示し、これら画像表示パネ
ルからの光を合成して、拡大投射光学系によりスクリーンへ導光し、スクリーン上にカラ
ー画像を表示するように構成することもできる。
リッタとダイクロイクプリズムを組合せたもの(カラー画像投射装置において広く知られ
ている)を用いることができる。
また、スクリーンは必ずしも平面でなくてもよい。
側から第1面との間に絞り9が設けられ、そのスクリーン側に配置した光学素子4〜7に
より、絞り9の像I9が負の縮小倍率で結像するように構成されている(S11)。
8から成る反射光学系と、絞り9とを有し、反射光学系における反射面のうち、絞り9を
通過した光束が最初に入射するパワーを持つ反射面4のパワーが負であり(S12)、絞り9を通過した光束が最初に入射する負のパワーを持つ反射面4に続く反射面5が正のパワーを持ち(S13)、反射光学系は、パワーを持つ複数の反射面4〜8により構成され、回転非対称反射面8を含み、透過光学系3は屈折力をもつ透過面により構成され、非球面を1面以上含む(S14)。
する画像表示パネルの負の倍率の中間像と、スクリーン2側から画像表示パネル1に至る
光束が生成するスクリーン2の負の倍率の中間像の位置・形状が略一致し(S15)、複数の反射面から成る反射光学系4〜8と、複数の透過面からなる透過光学系3とを有し(S16)、絞り9を有し、反射光学系における反射面のうち、絞りを通過した光束が最初に入射するパワーを持つ反射面4のパワーが負であり(S17)、絞り9を通過した光束が最初に入射する負のパワーを持つ反射面4に続く反射面5が正のパワーを持ち(S18)、反射光学系はパワーを持つ複数の反射面により構成され、回転非対称反射面8を含み、透過光学系3は屈折力をもつ透過面により構成され、非球面を1面以上含む(S19)。
れ(S20)、透過光学系3が、屈折力を有する回転非対称な透過面を含み(S21)、画像表示パネル1の位置に対し、透過光学系3の光軸が、導光光路を含む面内で偏芯して設定されている(S22)。また、反射光学系はユニットとして一体に構成することができる(S23)。
部分は像側に配された第2の光学系を示す。第1の光学系71はレンズ711〜716で
構成されレンズ713の直後に絞りSを有する。レンズ713は「接合レンズ」である。
符号721、722は第2の光学系を構成する2面の反射面を示している。
直線偏光した照明光を、偏光ビームスプリッタを介して照射し、液晶パネルにより変調さ
れた反射光束が偏光ビームスプリッタを介して結像光束となる型のもの」が想定され、符
号PBが「偏光ビームスプリッタ」を示している。
(図7に示すスクリーン)上に画像を投射するが、物体の中間像は反射面721と722
の間の位置に結像し、反射面722により投影面上に正規像として結像する。
ルブ15を、ランプとリフレクタによる発光部11からの光束を照明光学系12により照
明する構成のもの」を用いることができる。発光部の具体例としては、ハロゲンランプ、
キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどが好適である。照明光学
系には「リフレクタにより反射されて指向性を持った光束の強度をライトバルブに対して
均一化するインテグレータ光学系」を搭載することもできる。
光路分離を行う方式のものを用いることもできる。勿論、LEDアレイやELアレイ、プ
ラズマディスプレイ等の自己発光型の物体を用いることもできる。
等)を少なくとも1つ含み、正のパワーを有する第1の光学系71と、パワーを有する反
射面(721等)を少なくとも1つ含み、全体で正のパワーを有する第2の光学系72と
を有し、物体面に近い側から第1、第2の光学系の順に配置され、物体像が一旦中間像と
して形成された後に正規像として結像されるように構成され、第1の光学系において物体
側にもっとも近い屈折力を持った光学要素711の光軸に対して他の光学要素712〜7
16、721、722が平行偏芯および/またはチルト偏芯している(S25)。
図13にその投射光学系の部分を拡大して示す。
図13において、符号100で示す部分は、図6に即して説明した「反射型の液晶パネ
ルに、直線偏光した照明光を、偏光ビームスプリッタを介して照射し、液晶パネル1によ
り変調された反射光束が偏光ビームスプリッタを介して結像光束となる型」の物体側部分
であり、反射型の液晶パネルの画像表示面が「被投影物体面」である。図中、符号PBが
偏光ビームスプリッタを示す。物体側の構成はこれに限らず、図1に即して説明した「ラ
イトバルブ15を、ランプとリフレクタによる発光部11からの光束を照明光学系12に
より照明する構成のもの、あるいはこれにインテグレ−タ光学系を付加したもの」を用い
ることもできるし、DMDパネルに対し斜め入射光学系や全反射プリズムで光路分離を行
う方式のものを用いることもでき、LEDアレイやELアレイ、プラズマディスプレイ等
の自己発光型の物体を用いることもできる。
型屈折光学系」である。
とレンズ126とは接合レンズであり、全体は9枚のレンズで構成されている。反射型屈
折光学系130は第1の反射ミラー131(反射面のみを示す。)、第2の反射ミラー1
32(反射面のみを示す。)からなる。
光学系120と、この透過型屈折光学系の側から第1及び第2の順に配置される2枚の反
射ミラー131、132から成る反射型屈折光学系130を介して図示されない投影面上
に導光されて投影される。
投影物体面から透過型屈折光学系の第1面(レンズ121の物体側面)までは、図に示さ
れたように「略テレセントリック」であり、反射型屈折光学系130における2枚の反射
ミラー131、132の間に、被投影物体面の中間像面が位置し、中間像面における中間
像が、第2の反射ミラー132を介して投影面上に正規像として再結像される。
屈折光学系の有する複数の透過型屈折素子121〜127は互いに偏芯することなく構成
されている。
はそれぞれレンズの「群単位」を構成するが、これら接合レンズは「群単位レベルでは互
いに偏芯することなく構成」されている(請求項2)。
光学系の諸元において、面番号は物体面(投射されるべき画像が表示される面)を第0
面として、以下順次に第1面、第2面・・と数える。全実施例を通じ、第1面および第2
面は「偏光ビームスプリッタ」の液晶パネル側および投射光学系側の面である。
「参考具体例1」
中間像の拡大率は3倍程度である。
。曲率半径、面間隔およびシフト偏芯量の単位は「mm」、チルト偏芯量の単位は「度」
である。以下の各実施例においても同様である。
右方向とでパワーが異なるアナモフィックな多項式自由曲面」であるが、この多項式自由
曲面における係数を表2に挙げる。
おいても同様である。
面で構成されているが、反射面721は球面で、反射面722は多項式自由曲面である。
置(物体に近い側)と高い位置(物体から遠い側)ではスクリーンへ入射する角度の差が
大きため「下すぼみの歪んだ投射画像」になりがちであるが、中間像の歪みを逆に設定し
、最終像面での歪みを補正した。
チの液晶パネルの表示される画像をスクリーン上に60インチ程度に拡大して投射した時
のディストーションの様子を示している。図の如く、グリッドの像を略等間隔に形成でき
、台形歪みが良好に補正されていることが分かる。投射サイズは1200mm×900m
mサイズ、拡大率は65倍以上で、歪みは0.5%以下で非常に良好である。
「参考具体例2」
2枚の反射面821、822により構成されている。図示されない絞りが、レンズ813
とレンズ814の間に配置されている。
半径、rを光軸からの光軸直交方向の距離、kを円錐定数、A、B、C、・・等を高次の
非球面係数とする周知の非球面式:
Z=c・r2/[1+√{1-(1+k)c2r2}]+Ar4+Br6+Cr8
において、k、A、B、Cを与えて形状を特定する。以下の他の実施例においても同様で
ある。
第1の光学系91は5枚のレンズ911〜915により構成され、第2の光学系92は
2枚の反射面921、922により構成されている。レンズ913は接合レンズである。
図示されない絞りが、レンズ913とレンズ914の間に配置されている。
ルトしているが、このレンズ911の光軸に対し、レンズ912〜915はチルト偏芯せ
ず、レンズ911〜915はレンズ911の光軸に対して平行偏芯しているのみである。
屈折光学系は1組の接合レンズ913を含み、これは1群として作用する。
を持った光学要素911の光軸に対して第1の光学系91の各要素がチルト偏芯していな
い(S26)。
のみが自由曲面であり(S29)、参考具体例1〜5では、第2の光学系に入射した光束
が初めて反射される正のパワーを有する反射面が回転対称な面であり(S30)、参考具体例1、3、〜5においては上記回転対称な反射面が球面反射面である(S31)。
1の光学系における屈折光学系には、非球面形状が含まれていない(S33)。
学系・画像投射装置の具体的実施例である。
mにおいて60%以上、ディストーションは2%以下である。
実施例6において正規像を投射するスクリーンのサイズは60インチであり、投射光学
系の「スクリーンに直交する方向の最大幅」は472mmである。
て、±1.0Y、±0.5Y、0.0Y、±1.0X、±0.5X、0.0Xの碁盤状の線を設
定し、評価周波数:0.5c/mmに対するMTF値を調べたところ、表15の如くにな
った。
、0.0Yにおけるサジタル方向(s)およびメリディオナル方向(m)のMTF特性を
示す。図16に、X=0.5Xにおける周波数:0〜0.5c/mmの範囲における±1.
0Y、0.0Yにおけるサジタル方向(s)およびメリディオナル方向(m)のMTF特
性を示す。図17に、X=1.0Xにおける周波数:0〜0.5c/mmの範囲における
±1.0Y、0.0Yにおけるサジタル方向(s)およびメリディオナル方向(m)のMT
F特性を示す。これらの図から明らかなように、実施例1は良好なMTF特性を有してい
る。
の順に配置される2枚の反射ミラーを有し、被投影物体面の中間像面が上記第1及び第2
の反射ミラーの間に位置し、第1の反射ミラーは負のパワーの軸対称な反射面(第22面
)、第2の反射ミラーは上下方向と左右方向とでパワーが異なるアナモフィックな多項式自由曲面(第23面)であり(請求項3)、被投影物体面の中間像の、アスペクト比を補正する手段として、透過型屈折光学系内に、上下方向と左右方向とでパワーが異なるア
ナモフィックな多項式自由曲面(第19面)を有する(請求項4)。
L2 第2レンズ
L3 第3レンズ
1 画像表示パネル
2 スクリーン
3 透過光学系
4〜8 反射光学系を構成する反射面
8 回転非対称反射面
9 絞り
I9 絞りの像
Claims (9)
- 被投影物体面からの光束を、透過型屈折光学系と、1枚の反射ミラーから成る反射型屈折光学系を介して投影面上に導光し投影する投射光学系であって、
透過型屈折光学系は複数の透過型屈折素子を有し、
被投影物体面から上記透過型屈折光学系の第1面までが略テレセントリックであり、
上記透過型屈折光学系よりも上記反射型屈折光学系側の結像光路上の空間に、上記被投影物体面の中間像面が位置し、上記中間像面における倒立した中間像が、1枚のみの上記反射ミラーを介して投影面上に正規像として再結像され、
上記反射型屈折光学系の上記1枚のみの反射ミラーは、上下方向と左右方向とでパワーが異なるアナモフィックな多項式自由曲面であり、
上記透過型屈折光学系と上記1枚のみの反射ミラーとの間に上記中間像を結像させ、該中間像を結像した後の発散する光束を上記1枚のみの反射ミラーで反射し、その反射光の光束が上記1枚のみの反射ミラーのパワーで上記投影面に集束し、さらに、上記反射型屈折光学系から上記投影面に至る光線が、上記投影面の法線に対して傾斜して導光され、
上記透過型屈折光学系は被投影物体面の法線に対して偏芯し、上記透過型屈折光学系の有する複数の透過型屈折素子は互いに偏芯することなく構成されていることを特徴とする投射光学系。 - 被投影物体面からの光束を、透過型屈折光学系と、1枚の反射ミラーから成る反射型屈折光学系を介して投影面上に導光し投影する投射光学系であって、
透過型屈折光学系は複数の透過型屈折素子を有し、
被投影物体面から上記透過型屈折光学系の第1面までが略テレセントリックであり、
上記透過型屈折光学系よりも上記反射型屈折光学系側の結像光路上の空間に、上記被投影物体面の中間像面が位置し、上記中間像面における倒立した中間像が、1枚のみの上記反射ミラーを介して投影面上に正規像として再結像され、
上記反射型屈折光学系の上記1枚のみの反射ミラーは、上下方向と左右方向とでパワーが異なるアナモフィックな多項式自由曲面であり、
上記透過型屈折光学系と上記1枚のみの反射ミラーとの間に上記中間像を結像させ、該中間像を結像した後の発散する光束を上記1枚のみの反射ミラーで反射し、その反射光の光束が上記1枚のみの反射ミラーのパワーで上記投影面に集束し、さらに、上記反射型屈折光学系から上記投影面に至る光線が、上記投影面の法線に対して傾斜して導光され、
上記透過型屈折光学系は被投影物体面の法線に対して偏芯し、上記透過型屈折光学系の有する複数の透過型屈折素子は群単位レベルでは互いに偏芯することなく構成されていることを特徴とする投射光学系。 - 請求項1または2記載の投射光学系において、
反射型屈折光学系は透過型屈折光学系の側から第1、第2の順に配置される2枚の反射ミラーを有し、
被投影物体面の中間像面が上記第1及び第2の反射ミラーの間に位置し、
上記第1の反射ミラーは負のパワーの軸対称な反射面、上記第2の反射ミラーは上下方向と左右方向とでパワーが異なるアナモフィックな多項式自由曲面であることを特徴とする投射光学系。 - 請求項1または2または3記載の投射光学系において、
被投影物体面の中間像の、アスペクト比を補正する手段として、
透過型屈折光学系内に、上下方向と左右方向とでパワーが異なるアナモフィックな多項
式自由曲面を有することを特徴とする投射光学系。 - 請求項1〜4の任意の1に記載の投射光学系において、
透過型屈折光学系における被投影物体面側のNAが、中間像面側のNAよりも大きいことを特徴とする投射光学系。 - 請求項1〜5の任意の1に記載の投射光学系において、
中間像面が、被投影物体面の中心から射出する光束の主光線に対して傾斜湾曲していることを特徴とする投射光学系。 - 被投影物体面に表示される画像を投射光学系により投影面上に拡大投影する画像投射装置であって、
投射光学系として、請求項1〜6の任意の1に記載のものを用いたことを特徴とする画像投射装置。 - 請求項7記載の画像投射装置において、
フロントプロジェクタ型であることを特徴とする画像投射装置。 - 請求項7記載の画像投射装置において、
結像光路を折り返す折り返しミラーを有し、リアプロジェクタ型であることを特徴とする画像投射装置。
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