JP4487164B2 - 投影装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、投影装置、特に、レーザー光源とＧＬＶ（Grating Light Valve）デバイスを用いた投影装置において、歪曲収差を悪化させずに投影距離を短縮するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
投影装置、所謂プロジェクター装置において、投影画像を作成する機構として、レーザー光源とＧＬＶ（Grating Light Valve）デバイスを用いたＧＬＶプロジェクターと称されるものがある。
【０００３】
ＧＬＶは、電圧の印加によって発生するクーロン引力を用いた変調可能なリボン構造を有する回折格子型空間変調器である。即ち、図１７に原理的に示すように、ＧＬＶ１は、例えば、表示画面の１画素（ピクセル）を構成する部分が３本の可動リボン１ａ、１ａ、１ａと３本の固定リボン１ｂ、１ｂ、１ｂから成る６本のリボン（反射部）から成り、ＧＬＶ１に電圧を印加すると、可動リボン１ａ、１ａ、１ａが静電気力によって下降し、上記６本のリボンが単なる反射鏡から反射型回折格子に変化して、照射されたレーザー光を反射して回折光として出射するものである。
【０００４】
ＧＬＶ１は、上記したように、６本のリボンから成る１画素成分を、例えば、縦方向に１０８０画素分、シリコンチップ上に一列に配列したものである。
【０００５】
ＧＬＶプロジェクターは、上記ＧＬＶをＲＧＢ各色に対応して３個使用し、各ＧＬＶに縦１列分の画素情報に相当する電気信号を同時に印加して、ＧＬＶによって回折されたレーザー光を合成すると共に、投影レンズ系によってスクリーン上に投影するものである。また、上記投影レンズ系の後には、スクリーン上を走査することによって縦１列分の画素情報に相当する光束からスクリーン上に所定の大きさの画像を構成するスキャンミラーが設けられている。例えば、画面の縦横比が９：１６の場合では、スキャンミラーは、スクリーン上を１９２０画素分水平方向に走査し、全体で約２００万画素分の画像情報を１分間に６０フレームの速度でスクリーン上に投影する。
【０００６】
図１８に構成を概略的に示すように、上記のような構成を有するＧＬＶプロジェクター２は、ＧＬＶ１を発した光が、レンズ３を通過した後、シュリーレンフィルター４で±の１次光のみが透過され、レンズ３の焦点に実像５を構成する。尚、０次光は、シュリーレンフィルター４で遮断される。そして、実像５は、投影レンズ６を経て、スキャンミラー７によって反射されて、スクリーン８上を走査し、画像を表示するようにしたものである。
【０００７】
以上に説明したような構成を有するＧＬＶプロジェクター２は、基本的には長い焦点距離を有するフロントプロジェクターであって、ＧＬＶプロジェクター２をスクリーンの背面側から投影する、焦点距離が短いリアプロジェクターに適用すると、歪曲収差が実用限界以上に大きくなってしまう等の欠点があった。
【０００８】
以下に、その理由を、図１９及び図２０を用いて具体的に説明する。即ち、図１９に示すように、１０８０画素を有するＧＬＶのサイズ（高さ＝２ｈ）は、具体的には、２ｈ＝２７mmである。これを９：１６の縦横比を有する対角５０インチのスクリーンに投影するものとすると、スクリーンの高さは約６２３mmであるから、投影レンズ系の横倍率Ｍは２３倍となる。
【０００９】
ＧＬＶプロジェクターで用いられている投影レンズは、従来、焦点距離ｆが１００mm程度のテレセントリックレンズである。ＧＬＶから等倍リレーされた光束は、上記投影レンズの前側（光源側）の焦点付近に結像し、この像を発した主光線は光軸と平行に投影レンズに入射し、該主光線は投影レンズの後側（スクリーン側）の焦点で交差した後にスクリーンに向かうから、この後側の焦点からスクリーンまでの距離は焦点距離ｆと投影レンズ系の横倍率Ｍとの積によって求めることができ、即ち、Ｍｆ＝２３００mmとなる。
【００１０】
また、主光線のうち、最大傾斜角θを有するものの正接は、tanθ＝ｈ／ｆ＝０．１３５となる。ここで、図２０に示すように、θ＝７．７°であるので、スキャンミラーによって主光線を水平方向に９：１６の縦横比を有する画面の端部まで振ると、そのスキャン角ψは１３．５°となる。この時、スキャンミラーの回転中心からスクリーンまでの距離Ｍｆは、２３００mmであるから、Ｍｆ／cosψ＝２３６５mmに伸び、Ｍｆとの差６５mmにtanθ＝０．１３５を乗じた８．７８mmだけ像高が大きくなることになる。
【００１１】
画面の端部において像高が高くなってしまうということが、スキャンによって生じる歪曲収差Δｙであって、像高３１１．５mmに対して約２．８％の歪曲が発生することになるが、３％以下の歪曲収差は、ディスプレーとしての用途では許容されるものである。
【００１２】
しかしながら、上記と同サイズのスクリーンに短い投影距離で投影しようとすると、必然的に図１９における角度θが大きくなり（即ち、tanθが大きくなる）、同時に、tanψ１６／９tanθの関係によってスキャン角も増大するから、図２１に示すように歪曲収差（％）Δｙ／ｙ＝（１／cosψ-1）tanθが急激に増大することは明らかである。
【００１３】
従って、スキャンミラーを最終光学エレメントとする投影レンズ系は、歪曲収差が増大してしまうためリアプロジェクター等の短い投影距離Ｍｆを有する装置に適用することが不可能であり、比較的長い投影距離を有するフロントプロジェクターにしか適用することができないものであった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑み、ＧＬＶプロジェクターの投影レンズ系において、歪曲収差等の光学性能を悪化させずに投影距離を短縮することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、レーザー光源と位相を変調させる回折格子状素子が一次元に配列されて成る空間変調器とを有する色合成機構によって構成された縦又は横一列分の画像成分を含む光束をスキャンミラーによる走査によってスクリーン上に画像として投影する投影装置であって、物体側から像面側へと順に、前群及び後群によって構成される投影レンズ系を、上記前群と後群との間に空気間隔を空けて配置すると共に、上記スキャンミラーを前群及び後群との間の空気間隔に配置し、前群は、色合成機構１１の側から順に、全体として正の屈折力を有する第１のレンズ及び第２のレンズからなる接合レンズと、正の屈折力を有する第３のレンズと、全体として正の屈折力を有する第４のレンズ及び第５のレンズからなる接合レンズと、正の屈折力を有する凸レンズである第６のレンズとによって構成され、後群は、前群に近い側から順に、負の屈折力を有する第７のレンズと、正の屈折力を有する第８のレンズと、負の屈折力を有する第９のレンズと、負の屈折力を有する非球面ミラーとによって構成されたものである。
【００１６】
従って、スクリーンの端部における歪曲収差を悪化させずに焦点距離を短縮することが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明投影装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１８】
本発明投射装置は、回折格子型空間変調器であるGrating Light Valve（ＧＬＶ）を用いたプロジェクター投影レンズ系において、リアプロジェクターにも適した短い投影距離を有するようにすると共に、レーザー光を光源とするＧＬＶに必要とされる赤から青までの光の波長範囲で色収差と歪曲収差とを良好に補正した投影レンズ系を実現するものである。
【００１９】
最初に、投影装置１０の全体構成を説明する。
【００２０】
投影装置１０は、色合成機構１１及び投影レンズ系１２を有するものである。これら光学エンジンは、図１及び図２に示すように、光源（物体）側から投影面（像面：スクリーン）１３側へと順に、色合成機構１１と、全体として正の屈折力を有する前群ＧＦと全体として負の屈折力を有する後群ＧＲ等から成る投影レンズ系１２を配置すると共に、該投影レンズ系１２の前群ＧＦ及び後群ＧＲとの間の空気間隔に、色合成機構１１によって構成された縦又は横一列分の画像成分を含む光束を反射させてスクリーン１３上を走査することによって、スクリーン１３上に画像を表示させるスキャンミラー１４を配置して成るものである。尚、以下、色合成機構１１によって構成される光束が、縦１列分の光束の場合についてのみ説明する。
【００２１】
上記色合成機構１１は、図１に示すように、回折格子型空間変調器であるＧＬＶ１５及びレーザー光源１６がＲＧＢ各色に対応させてそれぞれ３つずつ設けられている。そして、各レーザー光源１６からの平行レーザー光はそれぞれ、ＧＬＶ１５によって回折反射された後、１つの光束として合成され、縦１列分の画素情報を含む光束が外部に出射される。尚、上記各ＧＬＶ１５は、位相を変調させる回折格子状素子が一次元に配列されて成る空間変調器である。
【００２２】
色合成機構１１から出射された光束は、それぞれ凹面、凸面、平面の反斜面を有する３つの反斜面の組み合わせによって構成される反射ミラー１８によって光軸が折り曲げられると共に、シュリーレンフィルター１７によって±の１次光のみが透過されて、投影レンズ系１２に入射される。
【００２３】
投影レンズ系１２に入射した光束は、前群ＧＦを経て、その後の後群ＧＲとの間に配置されたスキャンミラー１４に達する。スキャンミラー１４よって反射され、スクリーン（投影面）１３の横幅に対応した角度で光路を変更された光束は、更に、後群ＧＲを経て、縦１列分の画素情報をスクリーン１３上で１９２０画素分水平方向に走査し、全体で約２００万画素分の画像情報を、１分簡に６０フレームの速度でスクリーン（像面）１３上に再生する。
【００２４】
次に、上記投影レンズ系１２について具体的に説明する。
【００２５】
図４及び図５に投影装置１０の構成エレメントを概略的に示す全体図、３次元概念図を示す。
【００２６】
投影レンズ系１２は前述のように、全体として正の屈折力を有する前群ＧＦと全体として負の屈折力を有する後群ＧＲを有し、正の屈折力を有するレンズ群と負の屈折力を有するレンズ群とを間に空気間隔を隔てて配置した、一般的に、レトロフォーカスレンズと称される光学配置の９群１１枚構成のものである。
【００２７】
図５の３次元概念図に示すように、色合成機構１１の構造的特徴によって前群ＧＦは、一つの直径上の部分しか使用しないため、比較的簡素化し易いが、スキャンミラー１４の後の後群ＧＲは、面上に使用されるため、比較的的複雑化する傾向となる。
【００２８】
色合成機構１１にＧＬＶ１５を使用した投影装置１０において、投影レンズ系１２が満たすべき仕様は以下の通りである。即ち、ＧＬＶ１５の高さ（実像のサイズ）の１／２は１３．５mmであることから、ｆ＝３０mmのときの半画角が、tan-1（ｈ／ｆ）＝２４°である。一方、レーザー光源特有の干渉雑音スペックル消しの観点から、ＧＬＶ１５側（物体側）から見た投影レンズ系のＦＮＯは２．５以上必要である。従って、物体側から見たＦＮＯが２．５以上で半画角が２４°の仕様を満たすレンズタイプは、レトロフォーカス構成かダブルガウス構成の何れかという経験則があるので、投影レンズ系１２にはレトロフォーカス構成が採用されている。
【００２９】
次に、投影レンズ系１２の第１の数値実施例１２Ａについて詳述する。
【００３０】
尚、以下の説明及び各表において、「ｒｉ」は物体側から数えてｉ番目の面及びその曲率半径、「ｄｉ」は物体側から数えてｉ番目とｉ＋１番目の面との光軸上における面間隔、「ｎｉ」は第ｉレンズの屈折率、「νｉ」は第ｉレンズのアッベ数をそれぞれ示すものとする。また、「ｒＩＭＧ」はスクリーン（像面）１８の曲率半径、「ｄＯＢＪ」は物体と面ｒ１との間の面間隔、「ｄＩＭＧ」は面ｒ２２と像面との間の面間隔である。
【００３１】
図６に示すように、前群ＧＦは、色合成機構１１の側（物体側）から順に、全体として正の屈折力を有する第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との接合レンズから成る第１小群Ｇ１、負の屈折力を有するメニスカスレンズの第３レンズＬ３の第２小群Ｇ２、全体として正の屈折力を有する第４レンズＬ４と第５レンズＬ５との接合レンズから成る第３小群Ｇ３、正の屈折力を有する凸レンズである第６レンズＬ６の第４小群Ｇ４とによって構成される。
【００３２】
また、後群ＧＲは、負の屈折力を有する第７レンズＬ７の第５小群Ｇ５、正の屈折力を有する第８レンズＬ８の第６小群Ｇ６、負の屈折力を有する第９レンズＬ９の第７小群Ｇ７、負の屈折力を有する第１０レンズＬ１０の第８小群Ｇ８、正の屈折力を有する第１１レンズＬ１１の第９小群Ｇ９によって構成される。
【００３３】
投影レンズ系１２は、物体距離１５mm、物体側開口数０．２、物体高さ（ｈ／２）は１３．５mm、倍率（Ｍ）は２３倍、投影距離５７０mm、像高３１１mmである。
【００３４】
以下の表１に上記投影レンズ系１２を構成するレンズの各種数値を示す。
【００３５】
【表１】
【００３６】
上記表１において、「ＳＴＯ」と付記した面ｒ１１は絞り面であって、「Ｄ」と付記したダミー面ｒ１２にはスキャンミラー１４が配設され、水平方向に最大３３．５光束が振られるようになっている。また、「ＡＳＰ」を付記した面ｒ１３及びｒ２２は軸対象一般非球面によって構成されている。
【００３７】
投影レンズ系１２に少なくとも１面の非球面を含むようにすると、像面湾曲及び色収差を効果的に補正することが可能になる。
【００３８】
尚、非球面形状は、「ｚ」を非球面の光軸方向の座標、「ｃ」を曲率、「ｙ」を光軸からの距離、「Ｋ」を円錐定数とすると、
ｚ＝ｃｙ2／［１＋｛１−（１＋Ｋ）ｃ2ｙ2｝1/2］＋Ａｙ4＋Ｂｙ6＋Ｃｙ8＋Ｃｙ10
によって表されるものとする。ここで、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤはそれぞれ、４次、６次、８次及び１０次の非球面係数である。
【００３９】
以下の、表２に上記面ｒ１３及びｒ２２の４次、６次、８次及び１０次の非球面係数を示す。
【００４０】
【表２】
【００４１】
尚、上記表２中の「E」は、１０を底とする指数表現を意味するものとする（後述する表５においても同様）。
【００４２】
また、上記第１小群Ｇ１乃至第９小群Ｇ９の各焦点距離ｆ１乃至ｆ９及び前群ＧＦ及び後群ＧＲの焦点距離ｆａ、ｆｂは、以下の表３に示すとおりである。
【００４３】
【表３】
【００４４】
上記表３に示すように、前群ＧＦのパワー（屈折力）は、後群のパワーの１．０８倍（絶対値）となる。また、前群ＧＦ及び後群ＧＲのペッツバール和は、絶対値が略等しいため、レンズ全系のペッツバール和を等しく保つことができるので、像面湾曲を低減することが可能である。
【００４５】
図７及び図８に投影レンズ系１２の第１の数値実施例１２Ａの球面収差、非点収差、歪曲収差及び横収差を示す。各収差図において、実線は波長642.0nm、破線は波長532.0nm及び一点鎖線は波長460.0nmにおける値をそれぞれ示し、また、非点収差図においては、細線はサジタル像面、太線はメリディオナル像面における上記各波長の値をそれぞれ示し、横収差図において、左側のグラフはメリディオナル像面、左側のグラフはサジタル像面における上記各波長の値をそれぞれ示すものである（後述する図１０、図１１、図１４及び図１５においても同様）。尚、上記各収差図における値は、何れも、光軸を含む断面内での性能である（スキャンミラー１４のスキャン角が０°に相当）。
【００４６】
図７の歪曲収差図に示すように、歪曲収差は約１％である。また、各波長間のズレ量は０．０８％以下である。これは、画素０．５ピクセル分に相当する。
【００４７】
ところで、前述したように、具体的には、上記投影レンズ系１２の焦点距離ｆは３０mmである。ＧＬＶ１５の実像のサイズは２７mmであり、これを、対角５０インチの縦横比９：１６のスクリーン１３上に投影するとき、投影倍率Ｍは２３倍となる。この投影倍率Ｍと上記焦点距離ｆとの関係から、概略の投影距離Ｍｆは６９０mmとなるので、図３に示すように、投影装置１０を、この投影距離Ｍｆ内に光路折り返しのための平面鏡１９を配置したリアプロジェクタ２０に適用すると、リアプロジェクタとしての奥行きは、投影距離Ｍｆの約半分の３５０mm程度になると予想される。
【００４８】
実際には、投影装置１０における実際の投影距離Ｍｆは、光軸上で第１レンズＬ１の面ｒ１から計って約５７０mmであった。従って、この投影距離Ｍｆ内に１個の光路の折り返しのための平面鏡１９を配置することにより、奥行きが約３６０mm程度のリアプロジェクタ２０が実現可能であることが確認された。
【００４９】
また、図７の各収差図にも示すように、前群ＧＦ及び後群ＧＲの色収差は、符号が反対で、且つ、その絶対値も個々に小さくなるように補正されており、レーザー光を光源として使用した投影装置１０に必要とされる青から赤までの波長範囲で、良好に色収差が補正されていることが明らかである。
【００５０】
ところで、上記投影レンズ系１２Ａは、前述のように全系の焦点距離ｆは３０mmであり、前群ＧＦの焦点距離ｆａ＝５１．２２mm、後群ＧＲの焦点距離ｆｂ＝−５５．４３mmであるから、これら前群ＧＦ及び後群ＧＲを薄肉レンズとして扱ったとき、前群ＧＦ及び後群ＧＲとの間のレンズ間隔ｄは、
１／ｆ＝１／ｆａ＋１／ｆｂ―ｄ／ｆａ／ｆｂ
の関係から、ｄ＝９０．４３mmと算出される。また、倍率Ｍが２３倍の時の物体から像面までの距離をＴとすると、
０＝ｄ2―ｄＴ＋Ｔ（ｆａ＋ｆｂ）＋（Ｍ−１）2ｆａｆｂ／Ｍ
であるから、上記Ｔは８３７．７mmとなる。更に、物体距離Ｓは、
Ｓ＝｛（Ｍ−１）ｄ＋Ｔ｝／｛（Ｍ−１）―Ｍｄ／ｆａ｝＝−８０．２mm
となる。上記結果から、像面距離Ｓ′は、
Ｓ′＝Ｔ＋Ｓ−ｄ＝６６７mm
と計算される。
【００５１】
従って、ＮＡ＝０．２として瞳径を計算すると、半径で１０．２mmとなる。スキャンミラー１４はこれを受容しなくてはならないが、その慣性能率が大きくなると発熱量が増大するという傾向がある。
【００５２】
以下に示す投影レンズ系１２の第２の数値実施例１２Ｂは、上記したように、瞳径が大きくなるとスキャンミラー１４の発熱量が増大するということに鑑み、瞳径を小さくするために全系の焦点距離ｆを２０mmにしたものである。
【００５３】
図９に示すように、第２の数値実施例の投影レンズ系１２Ｂにおいて、前群ＧＦは、色合成機構１１の側（物体側）から順に、全体として正の屈折力を有する第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との接合レンズから成る第１小群Ｇ１、負の屈折力を有する第３レンズＬ３の第２小群Ｇ２、全体として正の屈折力を有する第４レンズＬ４と第５レンズＬ５との接合レンズから成る第３小群Ｇ３、正の屈折力を有する第６レンズＬ６の第４小群Ｇ４とによって構成される。
【００５４】
また、後群ＧＲは、負の屈折力を有する第７レンズＬ７の第５小群Ｇ５、正の屈折力を有する第８レンズＬ８の第６小群Ｇ６、負の屈折力を有する第９レンズＬ９の第７小群Ｇ７、負の屈折力を有する第１０レンズＬ１０の第８小群Ｇ８、負の屈折力を有する第１１レンズＬ１１の第９小群Ｇ９によって構成される。
【００５５】
第２の数値実施例における投影レンズ系１２Ｂは、物体距離１０mm、物体側開口数０．２、物体高さ（ｈ／２）は１３．５mm、倍率（Ｍ）は２３倍、投影距離５７０mm、像高３１１mmである。
【００５６】
以下の表４に上記投影レンズ系１２を構成するレンズの各種数値を示す。
【００５７】
【表４】
【００５８】
上記表４において、「ＳＴＯ」と付記した面ｒ１１は絞り面であって、「Ｄ」と付記したダミー面ｒ１２にはスキャンミラー１４が配設され、水平方向に最大３３．５光束が振られるようになっている。また、「ＡＳＰ」を付記した面ｒ１３及びｒ２２は軸対象一般非球面によって構成されている。
【００５９】
以下の、表５に上記面ｒ１３及びｒ２２の４次、６次、８次及び１０次の非球面係数を示す。
【００６０】
【表５】
【００６１】
また、第２の数値実施例における投影レンズ系１２Ｂを構成する上記第１小群Ｇ１乃至第９小群Ｇ９の各焦点距離ｆ１乃至ｆ９及び前群ＧＦ及び後群ＧＲの焦点距離ｆａ、ｆｂは、以下の表６に示すとおりである。
【００６２】
【表６】
【００６３】
上記表６に示すように、前群ＧＦのパワーは、後群のパワーの約１．１倍（絶対値）となる。従って、前記投影レンズ系１２の第１の数値実施例１２Ａの場合と同様に、前群ＧＦ及び後群ＧＲのペッツバール和は、絶対値が略等しいため、レンズ全系のペッツバール和を等しく保つことができるので、像面湾曲を低減することが可能である。
【００６４】
図１０及び図１１に投影レンズ系１２の第２の数値実施例１２Ｂの球面収差、非点収差、歪曲収差及び横収差を示す。尚、上記各収差図における値は、何れも、光軸を含む断面内での性能である（スキャンミラー１４のスキャン角が０°に相当）。
【００６５】
図１０の歪曲収差図に示すように、歪曲収差は約２．５％である。また、各波長間のズレ量は０．０８％以下である。これは、画素０．５ピクセル分に相当する。
【００６６】
この第２の実施例における投影レンズ系１２においても、投影装置１０における実際の投影距離Ｍｆは、光軸上で第１レンズＬ１の面ｒ１から計って約５７０mmであった。従って、この投影距離Ｍｆ内に１個の反射ミラー１８を用いた投影装置１０では、奥行きが約３６０mm程度のリアプロジェクタが実現可能となる。
【００６７】
また、図１０の各収差図にも示すように、前群ＧＦ及び後群ＧＲの色収差は、符号が反対で、且つ、その絶対値も個々に小さくなるように補正されており、レーザー光を光源として使用した投影装置１０に必要とされる青から赤までの波長範囲で、良好に色収差が補正されていることが明らかである。
【００６８】
ところで、上記投影レンズ系１２は、前述のように全系の焦点距離ｆは２０mmであり、前群ＧＦの焦点距離ｆａ＝３３．１２mm、後群ＧＲの焦点距離ｆｂ＝−３６．５３mmであるから、これら前群ＧＦ及び後群ＧＲを薄肉レンズとして扱ったとき、前群ＧＦ及び後群ＧＲとの間のレンズ間隔ｄは、
１／ｆ＝１／ｆａ＋１／ｆｂ―ｄ／ｆａ／ｆｂ
の関係から、ｄ＝５７．０８mmと算出される。また、倍率Ｍが２３倍の時の物体から像面までの距離をＴとすると、
０＝ｄ2―ｄＴ＋Ｔ（ｆａ＋ｆｂ）＋（Ｍ−１）2ｆａｆｂ／Ｍ
であるから、上記Ｔは５５４．７mmとなる。更に、物体距離Ｓは、
Ｓ＝｛（Ｍ−１）ｄ＋Ｔ｝／｛（Ｍ−１）―Ｍｄ／ｆａ｝＝−５２．１２mm
となる。上記結果から、像面距離Ｓ′は、
Ｓ′＝Ｔ＋Ｓ−ｄ＝４４５．５
と計算される。
【００６９】
従って、ＮＡ＝０．２として瞳径を計算すると、半径で６．６mmとなる。前記第１の数値実施例１２Ａにおける瞳径は１０．２ｍｍであったから、その６０％に縮小されていることが確認された。これは、大まかには、全系の焦点距離の比に相当する。
【００７０】
ところで、上記数値実施例２における投影レンズ係１２Ｂは、最終レンズ（第１１レンズ）Ｌ１１は肉厚の厚い非球面レンズであり、且つ、その前の第１０レンズＬ１０と密着し、接合色消しレンズの形状を為すものである。上記接合レンズＬ１０とＬ１１とを非球面ミラーに置き換えることが考えられる。
【００７１】
以下の投影レンズ系１２の第３の数値実施例１２Ｃは、図１２に示すように、投影レンズ系の最終面を非球面ミラーとしたものである。この第３の数値実施例１２Ｃにおいて、上記非球面ミラーは、光軸に垂直に配置されているが、光軸に対して傾斜させて、光軸を折り曲げる折り返しミラーとしての機能を兼ね備えさすことも可能である。
【００７２】
図１３に示すように、第３の数値実施例の投影レンズ系１２Ｃにおいて、前群ＧＦは、色合成機構１１の側（物体側）から順に、全体として正の屈折力を有する第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との接合レンズから成る第１小群Ｇ１、正の屈折力を有する第３レンズＬ３の第２小群Ｇ２、全体として正の屈折力を有する第４レンズＬ４と第５レンズＬ５との接合レンズから成る第３小群Ｇ３、正の屈折力を有する凸レンズの第６レンズＬ６の第４小群Ｇ４とによって構成される。
【００７３】
また、後群ＧＲは、負の屈折力を有する第７レンズＬ７の第５小群Ｇ５、正の屈折力を有する第８レンズＬ８の第６小群Ｇ６、負の屈折力を有する第９レンズＬ９の第７小群Ｇ７、負の屈折力を有する非球面ミラーＲＥＦＬの第８小群Ｇ８によって構成される。
【００７４】
第２の数値実施例における投影レンズ系１２Ｃは、物体距離１０mm、物体側開口数０．２、物体高さ（ｈ／２）は１３．５mm、倍率（Ｍ）は２３倍、投影距離４６０mm、像高３１１mmである。
【００７５】
以下の表７に上記投影レンズ系１２Ｃを構成するレンズの各種数値を示す。
【００７６】
【表７】
【００７７】
上記表７において、「ＳＴＯ」と付記した面ｒ１１は絞り面であって、「Ｄ」と付記したダミー面ｒ１２にはスキャンミラー１４が配設され、水平方向に最大３３．５光束が振られるようになっている。また、「ＡＳＰ」を付記した面ｒ１３及びｒ１９は軸対象一般非球面によって構成されている。
【００７８】
以下の、表８に上記面ｒ１３及びｒ１９の４次、６次、８次及び１０次の非球面係数を示す。
【００７９】
【表８】
【００８０】
また、第３の数値実施例における投影レンズ系１２Ｃを構成する上記第１小群Ｇ１乃至第８小群Ｇ８の各焦点距離ｆ１乃至ｆ８及び前群ＧＦ及び後群ＧＲの焦点距離ｆａ、ｆｂは、以下の表９に示すとおりである。
【００８１】
【表９】
【００８２】
上記表９に示すように、前群ＧＦのパワーは、後群のパワーの約２５．８倍（絶対値）となり、パワーが前群ＧＦに集中することとなる。
【００８３】
図１４及び図１５に投影レンズ系１２の第３の数値実施例１２Ｃの球面収差、非点収差、歪曲収差及び横収差を示す。尚、上記各収差図における値は、何れも、光軸を含む断面内での性能である（スキャンミラー１４のスキャン角が０°に相当）。
【００８４】
図１０の歪曲収差図に示すように、歪曲収差は−２％である。また、各波長間のズレ量は０．０８％以下である。これは、画素０．５ピクセル分に相当する。
【００８５】
上記投影レンズ系１２の第１乃至第３の数値実施例１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃにおいて、前記スキャンミラー１４で、水平方向に半画角で１７．５°及び３３．５°だけ光束を振った場合における投影レンズ系１２の光学性能は、図７、図８、図１０、図１１、図１４及び図１５に示す各収差図に示した光軸を含む断面内での性能（スキャン角０°）と遜色ないものである。
【００８６】
図１６は、本発明投影装置１０において、スクリーン（像面）１３上における主光線の位置（波長：緑）を示すものである。即ち、図１６は縦横比９：１６のスクリーン１３の上半分を示しているが、その対角位置でｙ方向には３％程度の歪曲収差が、ｘ方向には５％程度の歪曲収差が認められる。この時のスキャンミラー１３のスキャン角は、３３．５°であるから、tan３３．５°＝０．６６となる。従って、もし、これが従来の技術の欄で示したフロントプロジェクターの場合では、図２１に示すように、ｙ方向の歪曲収差は３０％以上になってしまうこととなる。
【００８７】
本発明投影装置１０は、レーザー光源１６と位相を変調させる回折格子状素子が一次元に配列されて成る空間変調器（ＧＬＶ）１５とを有する色合成機構１１によって構成された縦又は横一列分の画像成分を含む光束をスキャンミラー１４による走査によってスクリーン１３上に画像として投影するものであり、物体側から像面側へと順に、全体として正の屈折力を有する前群ＧＦと、全体として負の屈折力を有する後群ＧＲとが間に空気間隔を空けて配置されると共に、スキャンミラー１４が前群ＧＦ及び後群ＧＲとの間の空気間隔に配置され、また、後群ＧＲとスクリーン１３との間の空気間隔内に光路を折り曲げる反射ミラー１８が少なくとも一個配置されたものである。従って、スクリーンの端部における歪曲収差を悪化させずに焦点距離を短縮できるため、レーザー光源を使用したＧＬＶプロジェクターを、リアプロジェクターに適用することが可能になる。
【００８８】
尚、前記実施の形態において示した各部の具体的な形状及び構造は、何れも本発明を実施するに当たっての具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。
【００８９】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明は、レーザー光源と位相を変調させる回折格子状素子が一次元に配列されて成る空間変調器とを有する色合成機構によって構成された縦又は横一列分の画像成分を含む光束をスキャンミラーによる走査によってスクリーン上に画像として投影する投影装置であって、物体側から像面側へと順に、前群及び後群によって構成される投影レンズ系を、上記前群と後群との間に空気間隔を空けて配置すると共に、上記スキャンミラーを前群及び後群との間の空気間隔に配置し、前群は、色合成機構１１の側から順に、全体として正の屈折力を有する第１のレンズ及び第２のレンズからなる接合レンズと、正の屈折力を有する第３のレンズと、全体として正の屈折力を有する第４のレンズ及び第５のレンズからなる接合レンズと、正の屈折力を有する凸レンズである第６のレンズとによって構成され、後群は、前群に近い側から順に、負の屈折力を有する第７のレンズと、正の屈折力を有する第８のレンズと、負の屈折力を有する第９のレンズと、負の屈折力を有する非球面ミラーとによって構成されているので、後群によって短焦点化したときに増大する歪曲収差を補正して、投影装置を投影距離の短いリアプロジェクターに適用することができるようになり、後群によって短焦点化したときに増大する歪曲収差を補正して、投影装置を投影距離の短いリアプロジェクターに適用することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図２及び図１６と共に本発明投影装置の実施の形態を示すものであり、本図は投影装置を概略的に示す水平断面図である。
【図２】投影装置の縦断面図である
【図３】本発明投影装置をリアプロジェクターに適用した一例を概略的に示す縦断面図である。
【図４】投影レンズ系を概略的に示す断面図である。
【図５】全体の３次元概念図である。
【図６】図７及び図８と共に投影レンズ系の数値実施例１を示すものであり、本図はレンズ構成を示す拡大断面図である。
【図７】球面収差、非点収差及び歪曲収差を示す図である。
【図８】横収差を示す図である。
【図９】図１０及び図１１と共に投影レンズ系の数値実施例２を示すものであり、本図はレンズ構成を示す拡大断面図である。
【図１０】球面収差、非点収差及び歪曲収差を示す図である。
【図１１】横収差を示す図である。
【図１２】図１３乃至図１５と共に投影レンズ系の数値実施例２を示すものであり、本図は全体の拡大断面図である。
【図１３】レンズ構成を示す拡大断面図である。
【図１４】球面収差、非点収差及び歪曲収差を示す図である。
【図１５】横収差を示す図である。
【図１６】像面における主光線の位置を示す図である
【図１７】ＧＬＶの作動原理を概略的に示す図である。
【図１８】図１９乃至図２１と共に従来のＧＬＶを用いた投影装置を示すものであり、本図は基本構成を概略的に示す図である。
【図１９】スクリーンへの画像の投影の原理を示す概略的に図である。
【図２０】スクリーンの両端部において、歪曲収差が発生する様子を概略的に示す図である。
【図２１】主光線の傾斜角と歪曲収差の発生程度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…投影装置、１１…色合成機構、１２…投影レンズ系、１５…空間変調器、１６…レーザー光源、ＧＦ…前群、ＧＲ…後群、ＲＥＦＬ…非球面によって構成された反射面
【発明が属する技術分野】
本発明は、投影装置、特に、レーザー光源とＧＬＶ（Grating Light Valve）デバイスを用いた投影装置において、歪曲収差を悪化させずに投影距離を短縮するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
投影装置、所謂プロジェクター装置において、投影画像を作成する機構として、レーザー光源とＧＬＶ（Grating Light Valve）デバイスを用いたＧＬＶプロジェクターと称されるものがある。
【０００３】
ＧＬＶは、電圧の印加によって発生するクーロン引力を用いた変調可能なリボン構造を有する回折格子型空間変調器である。即ち、図１７に原理的に示すように、ＧＬＶ１は、例えば、表示画面の１画素（ピクセル）を構成する部分が３本の可動リボン１ａ、１ａ、１ａと３本の固定リボン１ｂ、１ｂ、１ｂから成る６本のリボン（反射部）から成り、ＧＬＶ１に電圧を印加すると、可動リボン１ａ、１ａ、１ａが静電気力によって下降し、上記６本のリボンが単なる反射鏡から反射型回折格子に変化して、照射されたレーザー光を反射して回折光として出射するものである。
【０００４】
ＧＬＶ１は、上記したように、６本のリボンから成る１画素成分を、例えば、縦方向に１０８０画素分、シリコンチップ上に一列に配列したものである。
【０００５】
ＧＬＶプロジェクターは、上記ＧＬＶをＲＧＢ各色に対応して３個使用し、各ＧＬＶに縦１列分の画素情報に相当する電気信号を同時に印加して、ＧＬＶによって回折されたレーザー光を合成すると共に、投影レンズ系によってスクリーン上に投影するものである。また、上記投影レンズ系の後には、スクリーン上を走査することによって縦１列分の画素情報に相当する光束からスクリーン上に所定の大きさの画像を構成するスキャンミラーが設けられている。例えば、画面の縦横比が９：１６の場合では、スキャンミラーは、スクリーン上を１９２０画素分水平方向に走査し、全体で約２００万画素分の画像情報を１分間に６０フレームの速度でスクリーン上に投影する。
【０００６】
図１８に構成を概略的に示すように、上記のような構成を有するＧＬＶプロジェクター２は、ＧＬＶ１を発した光が、レンズ３を通過した後、シュリーレンフィルター４で±の１次光のみが透過され、レンズ３の焦点に実像５を構成する。尚、０次光は、シュリーレンフィルター４で遮断される。そして、実像５は、投影レンズ６を経て、スキャンミラー７によって反射されて、スクリーン８上を走査し、画像を表示するようにしたものである。
【０００７】
以上に説明したような構成を有するＧＬＶプロジェクター２は、基本的には長い焦点距離を有するフロントプロジェクターであって、ＧＬＶプロジェクター２をスクリーンの背面側から投影する、焦点距離が短いリアプロジェクターに適用すると、歪曲収差が実用限界以上に大きくなってしまう等の欠点があった。
【０００８】
以下に、その理由を、図１９及び図２０を用いて具体的に説明する。即ち、図１９に示すように、１０８０画素を有するＧＬＶのサイズ（高さ＝２ｈ）は、具体的には、２ｈ＝２７mmである。これを９：１６の縦横比を有する対角５０インチのスクリーンに投影するものとすると、スクリーンの高さは約６２３mmであるから、投影レンズ系の横倍率Ｍは２３倍となる。
【０００９】
ＧＬＶプロジェクターで用いられている投影レンズは、従来、焦点距離ｆが１００mm程度のテレセントリックレンズである。ＧＬＶから等倍リレーされた光束は、上記投影レンズの前側（光源側）の焦点付近に結像し、この像を発した主光線は光軸と平行に投影レンズに入射し、該主光線は投影レンズの後側（スクリーン側）の焦点で交差した後にスクリーンに向かうから、この後側の焦点からスクリーンまでの距離は焦点距離ｆと投影レンズ系の横倍率Ｍとの積によって求めることができ、即ち、Ｍｆ＝２３００mmとなる。
【００１０】
また、主光線のうち、最大傾斜角θを有するものの正接は、tanθ＝ｈ／ｆ＝０．１３５となる。ここで、図２０に示すように、θ＝７．７°であるので、スキャンミラーによって主光線を水平方向に９：１６の縦横比を有する画面の端部まで振ると、そのスキャン角ψは１３．５°となる。この時、スキャンミラーの回転中心からスクリーンまでの距離Ｍｆは、２３００mmであるから、Ｍｆ／cosψ＝２３６５mmに伸び、Ｍｆとの差６５mmにtanθ＝０．１３５を乗じた８．７８mmだけ像高が大きくなることになる。
【００１１】
画面の端部において像高が高くなってしまうということが、スキャンによって生じる歪曲収差Δｙであって、像高３１１．５mmに対して約２．８％の歪曲が発生することになるが、３％以下の歪曲収差は、ディスプレーとしての用途では許容されるものである。
【００１２】
しかしながら、上記と同サイズのスクリーンに短い投影距離で投影しようとすると、必然的に図１９における角度θが大きくなり（即ち、tanθが大きくなる）、同時に、tanψ１６／９tanθの関係によってスキャン角も増大するから、図２１に示すように歪曲収差（％）Δｙ／ｙ＝（１／cosψ-1）tanθが急激に増大することは明らかである。
【００１３】
従って、スキャンミラーを最終光学エレメントとする投影レンズ系は、歪曲収差が増大してしまうためリアプロジェクター等の短い投影距離Ｍｆを有する装置に適用することが不可能であり、比較的長い投影距離を有するフロントプロジェクターにしか適用することができないものであった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に鑑み、ＧＬＶプロジェクターの投影レンズ系において、歪曲収差等の光学性能を悪化させずに投影距離を短縮することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、レーザー光源と位相を変調させる回折格子状素子が一次元に配列されて成る空間変調器とを有する色合成機構によって構成された縦又は横一列分の画像成分を含む光束をスキャンミラーによる走査によってスクリーン上に画像として投影する投影装置であって、物体側から像面側へと順に、前群及び後群によって構成される投影レンズ系を、上記前群と後群との間に空気間隔を空けて配置すると共に、上記スキャンミラーを前群及び後群との間の空気間隔に配置し、前群は、色合成機構１１の側から順に、全体として正の屈折力を有する第１のレンズ及び第２のレンズからなる接合レンズと、正の屈折力を有する第３のレンズと、全体として正の屈折力を有する第４のレンズ及び第５のレンズからなる接合レンズと、正の屈折力を有する凸レンズである第６のレンズとによって構成され、後群は、前群に近い側から順に、負の屈折力を有する第７のレンズと、正の屈折力を有する第８のレンズと、負の屈折力を有する第９のレンズと、負の屈折力を有する非球面ミラーとによって構成されたものである。
【００１６】
従って、スクリーンの端部における歪曲収差を悪化させずに焦点距離を短縮することが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明投影装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１８】
本発明投射装置は、回折格子型空間変調器であるGrating Light Valve（ＧＬＶ）を用いたプロジェクター投影レンズ系において、リアプロジェクターにも適した短い投影距離を有するようにすると共に、レーザー光を光源とするＧＬＶに必要とされる赤から青までの光の波長範囲で色収差と歪曲収差とを良好に補正した投影レンズ系を実現するものである。
【００１９】
最初に、投影装置１０の全体構成を説明する。
【００２０】
投影装置１０は、色合成機構１１及び投影レンズ系１２を有するものである。これら光学エンジンは、図１及び図２に示すように、光源（物体）側から投影面（像面：スクリーン）１３側へと順に、色合成機構１１と、全体として正の屈折力を有する前群ＧＦと全体として負の屈折力を有する後群ＧＲ等から成る投影レンズ系１２を配置すると共に、該投影レンズ系１２の前群ＧＦ及び後群ＧＲとの間の空気間隔に、色合成機構１１によって構成された縦又は横一列分の画像成分を含む光束を反射させてスクリーン１３上を走査することによって、スクリーン１３上に画像を表示させるスキャンミラー１４を配置して成るものである。尚、以下、色合成機構１１によって構成される光束が、縦１列分の光束の場合についてのみ説明する。
【００２１】
上記色合成機構１１は、図１に示すように、回折格子型空間変調器であるＧＬＶ１５及びレーザー光源１６がＲＧＢ各色に対応させてそれぞれ３つずつ設けられている。そして、各レーザー光源１６からの平行レーザー光はそれぞれ、ＧＬＶ１５によって回折反射された後、１つの光束として合成され、縦１列分の画素情報を含む光束が外部に出射される。尚、上記各ＧＬＶ１５は、位相を変調させる回折格子状素子が一次元に配列されて成る空間変調器である。
【００２２】
色合成機構１１から出射された光束は、それぞれ凹面、凸面、平面の反斜面を有する３つの反斜面の組み合わせによって構成される反射ミラー１８によって光軸が折り曲げられると共に、シュリーレンフィルター１７によって±の１次光のみが透過されて、投影レンズ系１２に入射される。
【００２３】
投影レンズ系１２に入射した光束は、前群ＧＦを経て、その後の後群ＧＲとの間に配置されたスキャンミラー１４に達する。スキャンミラー１４よって反射され、スクリーン（投影面）１３の横幅に対応した角度で光路を変更された光束は、更に、後群ＧＲを経て、縦１列分の画素情報をスクリーン１３上で１９２０画素分水平方向に走査し、全体で約２００万画素分の画像情報を、１分簡に６０フレームの速度でスクリーン（像面）１３上に再生する。
【００２４】
次に、上記投影レンズ系１２について具体的に説明する。
【００２５】
図４及び図５に投影装置１０の構成エレメントを概略的に示す全体図、３次元概念図を示す。
【００２６】
投影レンズ系１２は前述のように、全体として正の屈折力を有する前群ＧＦと全体として負の屈折力を有する後群ＧＲを有し、正の屈折力を有するレンズ群と負の屈折力を有するレンズ群とを間に空気間隔を隔てて配置した、一般的に、レトロフォーカスレンズと称される光学配置の９群１１枚構成のものである。
【００２７】
図５の３次元概念図に示すように、色合成機構１１の構造的特徴によって前群ＧＦは、一つの直径上の部分しか使用しないため、比較的簡素化し易いが、スキャンミラー１４の後の後群ＧＲは、面上に使用されるため、比較的的複雑化する傾向となる。
【００２８】
色合成機構１１にＧＬＶ１５を使用した投影装置１０において、投影レンズ系１２が満たすべき仕様は以下の通りである。即ち、ＧＬＶ１５の高さ（実像のサイズ）の１／２は１３．５mmであることから、ｆ＝３０mmのときの半画角が、tan-1（ｈ／ｆ）＝２４°である。一方、レーザー光源特有の干渉雑音スペックル消しの観点から、ＧＬＶ１５側（物体側）から見た投影レンズ系のＦＮＯは２．５以上必要である。従って、物体側から見たＦＮＯが２．５以上で半画角が２４°の仕様を満たすレンズタイプは、レトロフォーカス構成かダブルガウス構成の何れかという経験則があるので、投影レンズ系１２にはレトロフォーカス構成が採用されている。
【００２９】
次に、投影レンズ系１２の第１の数値実施例１２Ａについて詳述する。
【００３０】
尚、以下の説明及び各表において、「ｒｉ」は物体側から数えてｉ番目の面及びその曲率半径、「ｄｉ」は物体側から数えてｉ番目とｉ＋１番目の面との光軸上における面間隔、「ｎｉ」は第ｉレンズの屈折率、「νｉ」は第ｉレンズのアッベ数をそれぞれ示すものとする。また、「ｒＩＭＧ」はスクリーン（像面）１８の曲率半径、「ｄＯＢＪ」は物体と面ｒ１との間の面間隔、「ｄＩＭＧ」は面ｒ２２と像面との間の面間隔である。
【００３１】
図６に示すように、前群ＧＦは、色合成機構１１の側（物体側）から順に、全体として正の屈折力を有する第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との接合レンズから成る第１小群Ｇ１、負の屈折力を有するメニスカスレンズの第３レンズＬ３の第２小群Ｇ２、全体として正の屈折力を有する第４レンズＬ４と第５レンズＬ５との接合レンズから成る第３小群Ｇ３、正の屈折力を有する凸レンズである第６レンズＬ６の第４小群Ｇ４とによって構成される。
【００３２】
また、後群ＧＲは、負の屈折力を有する第７レンズＬ７の第５小群Ｇ５、正の屈折力を有する第８レンズＬ８の第６小群Ｇ６、負の屈折力を有する第９レンズＬ９の第７小群Ｇ７、負の屈折力を有する第１０レンズＬ１０の第８小群Ｇ８、正の屈折力を有する第１１レンズＬ１１の第９小群Ｇ９によって構成される。
【００３３】
投影レンズ系１２は、物体距離１５mm、物体側開口数０．２、物体高さ（ｈ／２）は１３．５mm、倍率（Ｍ）は２３倍、投影距離５７０mm、像高３１１mmである。
【００３４】
以下の表１に上記投影レンズ系１２を構成するレンズの各種数値を示す。
【００３５】
【表１】
上記表１において、「ＳＴＯ」と付記した面ｒ１１は絞り面であって、「Ｄ」と付記したダミー面ｒ１２にはスキャンミラー１４が配設され、水平方向に最大３３．５光束が振られるようになっている。また、「ＡＳＰ」を付記した面ｒ１３及びｒ２２は軸対象一般非球面によって構成されている。
【００３７】
投影レンズ系１２に少なくとも１面の非球面を含むようにすると、像面湾曲及び色収差を効果的に補正することが可能になる。
【００３８】
尚、非球面形状は、「ｚ」を非球面の光軸方向の座標、「ｃ」を曲率、「ｙ」を光軸からの距離、「Ｋ」を円錐定数とすると、
ｚ＝ｃｙ2／［１＋｛１−（１＋Ｋ）ｃ2ｙ2｝1/2］＋Ａｙ4＋Ｂｙ6＋Ｃｙ8＋Ｃｙ10
によって表されるものとする。ここで、Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤはそれぞれ、４次、６次、８次及び１０次の非球面係数である。
【００３９】
以下の、表２に上記面ｒ１３及びｒ２２の４次、６次、８次及び１０次の非球面係数を示す。
【００４０】
【表２】
尚、上記表２中の「E」は、１０を底とする指数表現を意味するものとする（後述する表５においても同様）。
【００４２】
また、上記第１小群Ｇ１乃至第９小群Ｇ９の各焦点距離ｆ１乃至ｆ９及び前群ＧＦ及び後群ＧＲの焦点距離ｆａ、ｆｂは、以下の表３に示すとおりである。
【００４３】
【表３】
上記表３に示すように、前群ＧＦのパワー（屈折力）は、後群のパワーの１．０８倍（絶対値）となる。また、前群ＧＦ及び後群ＧＲのペッツバール和は、絶対値が略等しいため、レンズ全系のペッツバール和を等しく保つことができるので、像面湾曲を低減することが可能である。
【００４５】
図７及び図８に投影レンズ系１２の第１の数値実施例１２Ａの球面収差、非点収差、歪曲収差及び横収差を示す。各収差図において、実線は波長642.0nm、破線は波長532.0nm及び一点鎖線は波長460.0nmにおける値をそれぞれ示し、また、非点収差図においては、細線はサジタル像面、太線はメリディオナル像面における上記各波長の値をそれぞれ示し、横収差図において、左側のグラフはメリディオナル像面、左側のグラフはサジタル像面における上記各波長の値をそれぞれ示すものである（後述する図１０、図１１、図１４及び図１５においても同様）。尚、上記各収差図における値は、何れも、光軸を含む断面内での性能である（スキャンミラー１４のスキャン角が０°に相当）。
【００４６】
図７の歪曲収差図に示すように、歪曲収差は約１％である。また、各波長間のズレ量は０．０８％以下である。これは、画素０．５ピクセル分に相当する。
【００４７】
ところで、前述したように、具体的には、上記投影レンズ系１２の焦点距離ｆは３０mmである。ＧＬＶ１５の実像のサイズは２７mmであり、これを、対角５０インチの縦横比９：１６のスクリーン１３上に投影するとき、投影倍率Ｍは２３倍となる。この投影倍率Ｍと上記焦点距離ｆとの関係から、概略の投影距離Ｍｆは６９０mmとなるので、図３に示すように、投影装置１０を、この投影距離Ｍｆ内に光路折り返しのための平面鏡１９を配置したリアプロジェクタ２０に適用すると、リアプロジェクタとしての奥行きは、投影距離Ｍｆの約半分の３５０mm程度になると予想される。
【００４８】
実際には、投影装置１０における実際の投影距離Ｍｆは、光軸上で第１レンズＬ１の面ｒ１から計って約５７０mmであった。従って、この投影距離Ｍｆ内に１個の光路の折り返しのための平面鏡１９を配置することにより、奥行きが約３６０mm程度のリアプロジェクタ２０が実現可能であることが確認された。
【００４９】
また、図７の各収差図にも示すように、前群ＧＦ及び後群ＧＲの色収差は、符号が反対で、且つ、その絶対値も個々に小さくなるように補正されており、レーザー光を光源として使用した投影装置１０に必要とされる青から赤までの波長範囲で、良好に色収差が補正されていることが明らかである。
【００５０】
ところで、上記投影レンズ系１２Ａは、前述のように全系の焦点距離ｆは３０mmであり、前群ＧＦの焦点距離ｆａ＝５１．２２mm、後群ＧＲの焦点距離ｆｂ＝−５５．４３mmであるから、これら前群ＧＦ及び後群ＧＲを薄肉レンズとして扱ったとき、前群ＧＦ及び後群ＧＲとの間のレンズ間隔ｄは、
１／ｆ＝１／ｆａ＋１／ｆｂ―ｄ／ｆａ／ｆｂ
の関係から、ｄ＝９０．４３mmと算出される。また、倍率Ｍが２３倍の時の物体から像面までの距離をＴとすると、
０＝ｄ2―ｄＴ＋Ｔ（ｆａ＋ｆｂ）＋（Ｍ−１）2ｆａｆｂ／Ｍ
であるから、上記Ｔは８３７．７mmとなる。更に、物体距離Ｓは、
Ｓ＝｛（Ｍ−１）ｄ＋Ｔ｝／｛（Ｍ−１）―Ｍｄ／ｆａ｝＝−８０．２mm
となる。上記結果から、像面距離Ｓ′は、
Ｓ′＝Ｔ＋Ｓ−ｄ＝６６７mm
と計算される。
【００５１】
従って、ＮＡ＝０．２として瞳径を計算すると、半径で１０．２mmとなる。スキャンミラー１４はこれを受容しなくてはならないが、その慣性能率が大きくなると発熱量が増大するという傾向がある。
【００５２】
以下に示す投影レンズ系１２の第２の数値実施例１２Ｂは、上記したように、瞳径が大きくなるとスキャンミラー１４の発熱量が増大するということに鑑み、瞳径を小さくするために全系の焦点距離ｆを２０mmにしたものである。
【００５３】
図９に示すように、第２の数値実施例の投影レンズ系１２Ｂにおいて、前群ＧＦは、色合成機構１１の側（物体側）から順に、全体として正の屈折力を有する第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との接合レンズから成る第１小群Ｇ１、負の屈折力を有する第３レンズＬ３の第２小群Ｇ２、全体として正の屈折力を有する第４レンズＬ４と第５レンズＬ５との接合レンズから成る第３小群Ｇ３、正の屈折力を有する第６レンズＬ６の第４小群Ｇ４とによって構成される。
【００５４】
また、後群ＧＲは、負の屈折力を有する第７レンズＬ７の第５小群Ｇ５、正の屈折力を有する第８レンズＬ８の第６小群Ｇ６、負の屈折力を有する第９レンズＬ９の第７小群Ｇ７、負の屈折力を有する第１０レンズＬ１０の第８小群Ｇ８、負の屈折力を有する第１１レンズＬ１１の第９小群Ｇ９によって構成される。
【００５５】
第２の数値実施例における投影レンズ系１２Ｂは、物体距離１０mm、物体側開口数０．２、物体高さ（ｈ／２）は１３．５mm、倍率（Ｍ）は２３倍、投影距離５７０mm、像高３１１mmである。
【００５６】
以下の表４に上記投影レンズ系１２を構成するレンズの各種数値を示す。
【００５７】
【表４】
上記表４において、「ＳＴＯ」と付記した面ｒ１１は絞り面であって、「Ｄ」と付記したダミー面ｒ１２にはスキャンミラー１４が配設され、水平方向に最大３３．５光束が振られるようになっている。また、「ＡＳＰ」を付記した面ｒ１３及びｒ２２は軸対象一般非球面によって構成されている。
【００５９】
以下の、表５に上記面ｒ１３及びｒ２２の４次、６次、８次及び１０次の非球面係数を示す。
【００６０】
【表５】
また、第２の数値実施例における投影レンズ系１２Ｂを構成する上記第１小群Ｇ１乃至第９小群Ｇ９の各焦点距離ｆ１乃至ｆ９及び前群ＧＦ及び後群ＧＲの焦点距離ｆａ、ｆｂは、以下の表６に示すとおりである。
【００６２】
【表６】
上記表６に示すように、前群ＧＦのパワーは、後群のパワーの約１．１倍（絶対値）となる。従って、前記投影レンズ系１２の第１の数値実施例１２Ａの場合と同様に、前群ＧＦ及び後群ＧＲのペッツバール和は、絶対値が略等しいため、レンズ全系のペッツバール和を等しく保つことができるので、像面湾曲を低減することが可能である。
【００６４】
図１０及び図１１に投影レンズ系１２の第２の数値実施例１２Ｂの球面収差、非点収差、歪曲収差及び横収差を示す。尚、上記各収差図における値は、何れも、光軸を含む断面内での性能である（スキャンミラー１４のスキャン角が０°に相当）。
【００６５】
図１０の歪曲収差図に示すように、歪曲収差は約２．５％である。また、各波長間のズレ量は０．０８％以下である。これは、画素０．５ピクセル分に相当する。
【００６６】
この第２の実施例における投影レンズ系１２においても、投影装置１０における実際の投影距離Ｍｆは、光軸上で第１レンズＬ１の面ｒ１から計って約５７０mmであった。従って、この投影距離Ｍｆ内に１個の反射ミラー１８を用いた投影装置１０では、奥行きが約３６０mm程度のリアプロジェクタが実現可能となる。
【００６７】
また、図１０の各収差図にも示すように、前群ＧＦ及び後群ＧＲの色収差は、符号が反対で、且つ、その絶対値も個々に小さくなるように補正されており、レーザー光を光源として使用した投影装置１０に必要とされる青から赤までの波長範囲で、良好に色収差が補正されていることが明らかである。
【００６８】
ところで、上記投影レンズ系１２は、前述のように全系の焦点距離ｆは２０mmであり、前群ＧＦの焦点距離ｆａ＝３３．１２mm、後群ＧＲの焦点距離ｆｂ＝−３６．５３mmであるから、これら前群ＧＦ及び後群ＧＲを薄肉レンズとして扱ったとき、前群ＧＦ及び後群ＧＲとの間のレンズ間隔ｄは、
１／ｆ＝１／ｆａ＋１／ｆｂ―ｄ／ｆａ／ｆｂ
の関係から、ｄ＝５７．０８mmと算出される。また、倍率Ｍが２３倍の時の物体から像面までの距離をＴとすると、
０＝ｄ2―ｄＴ＋Ｔ（ｆａ＋ｆｂ）＋（Ｍ−１）2ｆａｆｂ／Ｍ
であるから、上記Ｔは５５４．７mmとなる。更に、物体距離Ｓは、
Ｓ＝｛（Ｍ−１）ｄ＋Ｔ｝／｛（Ｍ−１）―Ｍｄ／ｆａ｝＝−５２．１２mm
となる。上記結果から、像面距離Ｓ′は、
Ｓ′＝Ｔ＋Ｓ−ｄ＝４４５．５
と計算される。
【００６９】
従って、ＮＡ＝０．２として瞳径を計算すると、半径で６．６mmとなる。前記第１の数値実施例１２Ａにおける瞳径は１０．２ｍｍであったから、その６０％に縮小されていることが確認された。これは、大まかには、全系の焦点距離の比に相当する。
【００７０】
ところで、上記数値実施例２における投影レンズ係１２Ｂは、最終レンズ（第１１レンズ）Ｌ１１は肉厚の厚い非球面レンズであり、且つ、その前の第１０レンズＬ１０と密着し、接合色消しレンズの形状を為すものである。上記接合レンズＬ１０とＬ１１とを非球面ミラーに置き換えることが考えられる。
【００７１】
以下の投影レンズ系１２の第３の数値実施例１２Ｃは、図１２に示すように、投影レンズ系の最終面を非球面ミラーとしたものである。この第３の数値実施例１２Ｃにおいて、上記非球面ミラーは、光軸に垂直に配置されているが、光軸に対して傾斜させて、光軸を折り曲げる折り返しミラーとしての機能を兼ね備えさすことも可能である。
【００７２】
図１３に示すように、第３の数値実施例の投影レンズ系１２Ｃにおいて、前群ＧＦは、色合成機構１１の側（物体側）から順に、全体として正の屈折力を有する第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との接合レンズから成る第１小群Ｇ１、正の屈折力を有する第３レンズＬ３の第２小群Ｇ２、全体として正の屈折力を有する第４レンズＬ４と第５レンズＬ５との接合レンズから成る第３小群Ｇ３、正の屈折力を有する凸レンズの第６レンズＬ６の第４小群Ｇ４とによって構成される。
【００７３】
また、後群ＧＲは、負の屈折力を有する第７レンズＬ７の第５小群Ｇ５、正の屈折力を有する第８レンズＬ８の第６小群Ｇ６、負の屈折力を有する第９レンズＬ９の第７小群Ｇ７、負の屈折力を有する非球面ミラーＲＥＦＬの第８小群Ｇ８によって構成される。
【００７４】
第２の数値実施例における投影レンズ系１２Ｃは、物体距離１０mm、物体側開口数０．２、物体高さ（ｈ／２）は１３．５mm、倍率（Ｍ）は２３倍、投影距離４６０mm、像高３１１mmである。
【００７５】
以下の表７に上記投影レンズ系１２Ｃを構成するレンズの各種数値を示す。
【００７６】
【表７】
上記表７において、「ＳＴＯ」と付記した面ｒ１１は絞り面であって、「Ｄ」と付記したダミー面ｒ１２にはスキャンミラー１４が配設され、水平方向に最大３３．５光束が振られるようになっている。また、「ＡＳＰ」を付記した面ｒ１３及びｒ１９は軸対象一般非球面によって構成されている。
【００７８】
以下の、表８に上記面ｒ１３及びｒ１９の４次、６次、８次及び１０次の非球面係数を示す。
【００７９】
【表８】
また、第３の数値実施例における投影レンズ系１２Ｃを構成する上記第１小群Ｇ１乃至第８小群Ｇ８の各焦点距離ｆ１乃至ｆ８及び前群ＧＦ及び後群ＧＲの焦点距離ｆａ、ｆｂは、以下の表９に示すとおりである。
【００８１】
【表９】
上記表９に示すように、前群ＧＦのパワーは、後群のパワーの約２５．８倍（絶対値）となり、パワーが前群ＧＦに集中することとなる。
【００８３】
図１４及び図１５に投影レンズ系１２の第３の数値実施例１２Ｃの球面収差、非点収差、歪曲収差及び横収差を示す。尚、上記各収差図における値は、何れも、光軸を含む断面内での性能である（スキャンミラー１４のスキャン角が０°に相当）。
【００８４】
図１０の歪曲収差図に示すように、歪曲収差は−２％である。また、各波長間のズレ量は０．０８％以下である。これは、画素０．５ピクセル分に相当する。
【００８５】
上記投影レンズ系１２の第１乃至第３の数値実施例１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃにおいて、前記スキャンミラー１４で、水平方向に半画角で１７．５°及び３３．５°だけ光束を振った場合における投影レンズ系１２の光学性能は、図７、図８、図１０、図１１、図１４及び図１５に示す各収差図に示した光軸を含む断面内での性能（スキャン角０°）と遜色ないものである。
【００８６】
図１６は、本発明投影装置１０において、スクリーン（像面）１３上における主光線の位置（波長：緑）を示すものである。即ち、図１６は縦横比９：１６のスクリーン１３の上半分を示しているが、その対角位置でｙ方向には３％程度の歪曲収差が、ｘ方向には５％程度の歪曲収差が認められる。この時のスキャンミラー１３のスキャン角は、３３．５°であるから、tan３３．５°＝０．６６となる。従って、もし、これが従来の技術の欄で示したフロントプロジェクターの場合では、図２１に示すように、ｙ方向の歪曲収差は３０％以上になってしまうこととなる。
【００８７】
本発明投影装置１０は、レーザー光源１６と位相を変調させる回折格子状素子が一次元に配列されて成る空間変調器（ＧＬＶ）１５とを有する色合成機構１１によって構成された縦又は横一列分の画像成分を含む光束をスキャンミラー１４による走査によってスクリーン１３上に画像として投影するものであり、物体側から像面側へと順に、全体として正の屈折力を有する前群ＧＦと、全体として負の屈折力を有する後群ＧＲとが間に空気間隔を空けて配置されると共に、スキャンミラー１４が前群ＧＦ及び後群ＧＲとの間の空気間隔に配置され、また、後群ＧＲとスクリーン１３との間の空気間隔内に光路を折り曲げる反射ミラー１８が少なくとも一個配置されたものである。従って、スクリーンの端部における歪曲収差を悪化させずに焦点距離を短縮できるため、レーザー光源を使用したＧＬＶプロジェクターを、リアプロジェクターに適用することが可能になる。
【００８８】
尚、前記実施の形態において示した各部の具体的な形状及び構造は、何れも本発明を実施するに当たっての具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。
【００８９】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明は、レーザー光源と位相を変調させる回折格子状素子が一次元に配列されて成る空間変調器とを有する色合成機構によって構成された縦又は横一列分の画像成分を含む光束をスキャンミラーによる走査によってスクリーン上に画像として投影する投影装置であって、物体側から像面側へと順に、前群及び後群によって構成される投影レンズ系を、上記前群と後群との間に空気間隔を空けて配置すると共に、上記スキャンミラーを前群及び後群との間の空気間隔に配置し、前群は、色合成機構１１の側から順に、全体として正の屈折力を有する第１のレンズ及び第２のレンズからなる接合レンズと、正の屈折力を有する第３のレンズと、全体として正の屈折力を有する第４のレンズ及び第５のレンズからなる接合レンズと、正の屈折力を有する凸レンズである第６のレンズとによって構成され、後群は、前群に近い側から順に、負の屈折力を有する第７のレンズと、正の屈折力を有する第８のレンズと、負の屈折力を有する第９のレンズと、負の屈折力を有する非球面ミラーとによって構成されているので、後群によって短焦点化したときに増大する歪曲収差を補正して、投影装置を投影距離の短いリアプロジェクターに適用することができるようになり、後群によって短焦点化したときに増大する歪曲収差を補正して、投影装置を投影距離の短いリアプロジェクターに適用することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図２及び図１６と共に本発明投影装置の実施の形態を示すものであり、本図は投影装置を概略的に示す水平断面図である。
【図２】投影装置の縦断面図である
【図３】本発明投影装置をリアプロジェクターに適用した一例を概略的に示す縦断面図である。
【図４】投影レンズ系を概略的に示す断面図である。
【図５】全体の３次元概念図である。
【図６】図７及び図８と共に投影レンズ系の数値実施例１を示すものであり、本図はレンズ構成を示す拡大断面図である。
【図７】球面収差、非点収差及び歪曲収差を示す図である。
【図８】横収差を示す図である。
【図９】図１０及び図１１と共に投影レンズ系の数値実施例２を示すものであり、本図はレンズ構成を示す拡大断面図である。
【図１０】球面収差、非点収差及び歪曲収差を示す図である。
【図１１】横収差を示す図である。
【図１２】図１３乃至図１５と共に投影レンズ系の数値実施例２を示すものであり、本図は全体の拡大断面図である。
【図１３】レンズ構成を示す拡大断面図である。
【図１４】球面収差、非点収差及び歪曲収差を示す図である。
【図１５】横収差を示す図である。
【図１６】像面における主光線の位置を示す図である
【図１７】ＧＬＶの作動原理を概略的に示す図である。
【図１８】図１９乃至図２１と共に従来のＧＬＶを用いた投影装置を示すものであり、本図は基本構成を概略的に示す図である。
【図１９】スクリーンへの画像の投影の原理を示す概略的に図である。
【図２０】スクリーンの両端部において、歪曲収差が発生する様子を概略的に示す図である。
【図２１】主光線の傾斜角と歪曲収差の発生程度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…投影装置、１１…色合成機構、１２…投影レンズ系、１５…空間変調器、１６…レーザー光源、ＧＦ…前群、ＧＲ…後群、ＲＥＦＬ…非球面によって構成された反射面
Claims (1)
- レーザー光源と位相を変調させる回折格子状素子が一次元に配列されて成る空間変調器とを有する色合成機構によって構成された縦又は横一列分の画像成分を含む光束をスキャンミラーによる走査によってスクリーン上に画像として投影する投影装置であって、物体側から像面側へと順に、前群及び後群によって構成される投影レンズ系を、上記前群と後群との間に空気間隔を空けて配置すると共に、上記スキャンミラーを前群及び後群との間の空気間隔に配置し、
前群は、色合成機構１１の側から順に、全体として正の屈折力を有する第１のレンズ及び第２のレンズからなる接合レンズと、正の屈折力を有する第３のレンズと、全体として正の屈折力を有する第４のレンズ及び第５のレンズからなる接合レンズと、正の屈折力を有する凸レンズである第６のレンズとによって構成され、
後群は、前群に近い側から順に、負の屈折力を有する第７のレンズと、正の屈折力を有する第８のレンズと、負の屈折力を有する第９のレンズと、負の屈折力を有する非球面ミラーとによって構成された
ことを特徴とする投影装置。
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