JP4510399B2 - 反射光学系、及びそれを用いた投影装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶パネル、ＤＭＤ等の画像形成素子からの光をスクリーン等の被投影面に投影する投影光学系、特に反射面を有する投影光学系（反射光学系）及びそれを有する投影装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複数の光学反射面からなる反射光学系をコンパクトにするための、従来の技術には光学系の光路長を短くする提案がなされている。
【０００３】
特開２００１−２２２０６３号公報（図７）では、少なくとも３枚の曲面反射ミラーを用いて光路長に対して画面対角長を適当に長くすることで、２枚の平面ミラーで折り返しが容易にしたコンパクトなリアプロジェクション光学系を提案している。
【０００４】
特開２００１−２２１９４９号公報では、４枚の反射面を用いて最終反射面からのスクリーン、レンズ系の距離の比を適当に配しかつ、折り返しのための光路長を確保ことにより折り返しミラーを配して、斜め入射光学系における、薄く、低い装置サイズの低い光学系を提案している。
【０００５】
また、別の技術として、光路に曲面鏡を配置して、光学系内部での光路の拡がりを抑えてコンパクト化する提案がなされている。
【０００６】
例えば、特願２０００−１０４０９５号公報では、３枚ないし４枚の非球面反射鏡系に加えて、スクリーン直前の反射鏡として球面反射鏡を設置し、これを加えて合計４枚ないし５枚の反射鏡から成る、リアプロジェクション式モニター用反射結像光学系を提案している。
【０００７】
特開平０７−０１３１５７公報に開示されている投射光学系では、楕円面ミラーの第１焦点に入射した光を第２焦点に導光し、楕円面ミラーの第２焦点を放物面ミラーの焦点に一致して配置し、傾けた放物面ミラーの焦点に導光された光を平行光とし、スクリーンに斜め投射した光学系を提案している。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−２２２０６３号公報
【特許文献２】
特開２００１−２２１９４９号公報
【特許文献３】
特開２０００−１０４０９５号公報
【特許文献４】
特開平０７−０１３１５７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２００１−２２２０６３号公報、特開２００１−２２１９４９号公報、特願２０００−１０４０９５号公報に示されるように複数枚の光学反射面を配しても、光束の出入り口が異なるため反射光学素子の光束を通すための開口を複数箇所設ける必要があり、開口分の反射ミラーの間隔を複数箇所、空けざるを得ず、光学系が大型化してしまう欠点があった。
【００１０】
また、特開平０７−０１３１５７号公報に開示されている投射光学系では、主光線以外の光線は楕円面ミラーの第１焦点を通過しないために収差が発生し、同じ光線は楕円面ミラーの第２焦点において収差が発生し、放物面ミラーに入射する際は像が拡大されているので、スクリーン上での収差も大きくなり、結像性能が著しく悪くなるという課題があった。
【００１１】
また、従来、複数の反射光学面を用いた光学系では、光線の出入りための隙間が少なくとも二箇所空いた保持機構が必要であったため強度を確保しずらい欠点があった。
【００１２】
本発明の目的は、複数の曲率を有する光学反射面を含む結像光学系において、反射光学系へ入射する際に通過する一対の光学反射面の間隙と射出する際に通過する一対の光学反射面の間隙が同じ間隙することで、反射光学系の開口部の数を減らし、大きさを小さくできることで、光学系をコンパクトにすること、保持機構の強度を確保しやすく、高性能な反射光学系を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本出願に係る第１の発明の画像投影装置は、表示素子と、前記表示素子からの光を被投影面に投影する光学系とを有する画像投影装置であって、該光学系は、絞りと、第１、２、３、４ミラーを含み絞りからの光束を反射する反射光学系と、を備える光学系であって、絞りからの光束が、第２ミラーと第３ミラーとの間隙を介して第１ミラーに入射し、第１ミラーからの反射光が第３ミラーと第４ミラーとの間を通って第２ミラーに入射し、第２ミラーからの反射光が第３ミラーに入射し、第３ミラーからの反射光が第１ミラーと第２ミラーとの間を通って第４ミラーに入射し、第４ミラーからの反射光が間隙を介して反射光学系から射出するように反射光学系が構成されており、反射光学系が、前記絞りの像を前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間隙、前記第２ミラーと前記第３ミラーとの間隙、前記第３ミラーと前記第４ミラーとの間隙のいずれかに配置することを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１をあらわす。１００は入射光（不図示）を変調して射出する表示素子、１０１は屈折光学系（不図示）、１０２（一点鎖線の領域）は反射光学系、１０３（点線で囲まれた反射面間の領域）は一対の光学反射面の間隙で反射光学系に光線を入出射させる開口を配置する領域を示し、１０４は保持機構を模式的にあらわす。図２は光学系の全体図。図３は、像面上のディストーションを表す。
【００１５】
光源から発せられた光束を屈折光学系１０１で屈折し、反射光学系１０２へと入射する。反射光学系１０２は、４枚の光学反射面からなり、そのうちの２枚からなる光学反射面の間隙を入射光が通過する。反射光学系１０２へ入射した光は、反射光学系１０２の内部で４回反射し、その反射光は入射光と交差している。反射光学系１０２を射出する光束は、同一の一対の光学反射面の間隙１０３で挟まれた開口を通る、つまり、入射光と同じ間隙を通過する。そのため、反射光学系を保持する保持機構の光線の通す開口が一箇所である。開口の位置、サイズは、反射光学系に出入りする光がけられないようにすればよい。
【００１６】
また、この光学系では、反射光学系の射出光束が瞳像を一対の光学反射面の間隙１０３の中で形成している。そのため、反射光学系から射出する方向の断面を光学反射面の間隙で狭めることができる。一般に光学系における遮光手段である絞りの作用は軸外光線におけるマージナル光線を遮光するビネッテイング作用があり、絞りの前後と比較し光束がくびれている。本実施例では、絞りと共役な関係にある光線のくびれた瞳像を一対の光学反射面の間隙で挟まれた領域１０３内に配置しているため、領域を形成する一対の光学反射面の面間隔を短く配置することができ、反射光学系がコンパクト化できている。なお、反射光学系に入射する直前の光束上に瞳の実像を形成すると、入射光束の径を小さくすることができるので一対の光学反射面の間隙で挟まれた領域１０３を小型化できる。
【００１７】
また、反射光学系から射出する光束上に遮光手段と共役な像を有する、さらには、遮光手段と共役な像を前記間隙に設ければ、狭い射出光束を得ることができ、一対の光学反射面の間隙で挟まれた領域１０３を小型化できる。
一対の光学反射面の間隙で挟まれた領域１０３を狭くできれば、その領域に開口を有する反射光学系も小型化でき、さらに、保持機構１０４に光線を通すための隙間も一箇所に減らせるので強度が出しやすい。
【００１８】
なお、本実施例では、屈折光学系から反射光学系へ光を入射したが、物体から発せられる光を直接入射しても良いし、別の反射光学系から入射しても良い。
【００１９】
図４は本発明の実施例２をあらわす。符号の説明は実施例１と同様なので省略する。図５は本実施例の光学系の全体図。図６は、像面上のディストーションを表す。
【００２０】
本実施例では反射光学系２０２は、３枚の光学反射面からなり、そのうちの２枚からなる光学反射面の間隙を入射光が通過する。入射光は反射光学系２０２の内部で３回反射し、光線の通過する領域で入射光と光学反射面を入出する反射光線が交差している。反射光学系２０２を射出する光束は、同一の一対の光学反射面の間隙２０３で挟まれた開口２０３を通る、つまり、入射光と同じ間隙を通過する。そのため、反射光学系を保持する保持機構の光線の通す開口が一箇所であり、光学系が小型化できている。
【００２１】
（実施態様１）曲率を有する複数の光学反射面を含む光学系において、
前記光学系に入射する入射光が前記複数の光学反射面のうち隣り合う一対の光学反射面間の間隙を介して前記光学系に入射するとき、前記光学系から出射する出射光も前記間隙を介して前記光学系から出射することを特徴とする光学系。
【００２２】
（実施態様２）前記複数の光学反射面のうち入射光が最初に入射する反射面を入射側反射面、出射光が最後に反射する反射面を出射側反射面としたとき、前記入射側反射面から前記出射側反射面までの光路が少なくとも１回交差していることを特徴とする実施態様１記載の光学系。
【００２３】
（実施態様３）前記入射側反射面から前記出射側反射面までの光路が複数回交差していることを特徴とする実施態様１又は２記載の光学系。
【００２４】
（実施態様４）前記入射側反射面に入射する光もしくは前記出射側反射面から出射する光と、前記入射側反射面から前記出射側反射面までの光路とが４回以上交差することを特徴とする実施態様１乃至３いずれか記載の光学系。
【００２５】
（実施態様５）該光学系に入射する入射光と該光学系から出射する出射光と前記入射側反射面から前記出射側反射面までの光路とが５回以上交差することを特徴とする実施態様１乃至４いずれかに記載の光学系。
【００２６】
（実施態様６）前記光学系は４面の光学反射面を有していることを特徴とする実施態様１乃至５いずれかに記載の光学系。
【００２７】
（実施態様７）前記４面の光学反射面は回転非対称な曲率を有する面であることを特徴とする実施態様６記載の光学系。
【００２８】
（実施態様８）前記複数の光学反射面のうち入射光が最初に入射する反射面を入射側反射面、出射光が最後に反射する光学反射面を出射側反射面とするとき、前記出射側反射面から出射する光もしくは前記出射側反射面から出射する光と、前記入射側反射面から出射側反射面までの光路とが少なくとも１回交差することを特徴とする実施態様１記載の光学系。
【００２９】
（実施態様９）前記光学系は３面の光学反射面を有していることを特徴とする実施態様８に記載の光学系。
【００３０】
（実施態様１０）前記３面の光学反射面は回転非対称な曲率を有する面であることを特徴とする実施態様９記載の光学系。
【００３１】
（実施態様１１）複数の曲率を有する光学反射面を含む結像光学系において、入射光束が光学系へ入射する際に通過する一対の光学反射面の間隙と射出光束が射出する際に通過する一対の光学反射面の間隙を同一にすることを特徴とする光学系。
【００３２】
（実施態様１２）前記入射光束もしくは前記射出光束が間隙をなす反射面と他の反射面で反射することを特徴とする実施態様１１記載の光学系。
【００３３】
（実施態様１３）前記入射光束もしくは前記射出光束が反射光お学系内で複数回交差することを特徴とする実施態様１２記載の光学系。
【００３４】
（実施態様１４）前記入射光束と前記射出光束が交差することを特徴とする実施態様１１記載の光学系。
【００３５】
（実施態様１５）前記光学系への前記入射光束に遮光手段を有することを特徴とする実施態様１１又は１２に記載の光学系。
【００３６】
（実施態様１６）前記光学系からの前記射出光束上に遮光手段と共役な像を有することを特徴とする実施態様１１又は１２に記載の光学系。
【００３７】
（実施態様１７）遮光手段と共役な像を前記間隙に有することを特徴とする実施態様１６記載の光学系。
【００３８】
（実施態様１８）実施態様１乃至１７いずれかに記載の光学系を用いて、表示素子からの光を被投影面に投影することを特徴とする画像投影装置。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば反射光学系の開口部の数を減らし、大きさを小さくできることで、光学系がコンパクトにでき、保持機構の強度を確保しやすく、高性能な反射光学系を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１を説明する図であり、４枚の光学反射面からなる反射光学系の入射光と反射光を通す開口部が同一の反射面の間隙から構成されている。
【図２】実施例１の光学系の全体図である。
【図３】実施例１の光学系の像面上でのディストーションを表す図である。
【図４】本発明の実施例２を説明する図であり、３枚の光学反射面からなる反射光学系の入射光と反射光を通す開口部が同一の反射面の間隙から構成されている。
【図５】実施例２の光学系の全体図である。
【図６】実施例２の光学系の像面上でのディストーションを表す図である。
【図７】従来例の反射光学系を説明する図である。
【符号の説明】
１００，２００ 入射光（不図示）を変調して射出する表示素子
１０１，２０１ 屈折光学系
１０２，２０２ 反射光学系
１０３，２０３ 一対の光学反射面の間隙で反射光学系に光線を入出射させる開口を配置できる領域
１０４，２０４ 保持機構

Claims (2)

1. 表示素子と、前記表示素子からの光を被投影面に投影する光学系とを有する画像投影装置であって、
   該光学系は、
   絞りと、第１、２、３、４ミラーを含み前記絞りからの光束を反射する反射光学系と、を備えており、
   前記絞りからの光束が、前記第２ミラーと前記第３ミラーとの間隙を介して前記第１ミラーに入射し、
   前記第１ミラーからの反射光が前記第３ミラーと前記第４ミラーとの間を通って前記第２ミラーに入射し、前記第２ミラーからの反射光が前記第３ミラーに入射し、前記第３ミラーからの反射光が前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間を通って前記第４ミラーに入射し、前記第４ミラーからの反射光が前記間隙を介して前記反射光学系から射出するように、前記反射光学系が構成されており、
   前記反射光学系が、前記絞りの像を前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間隙、前記第２ミラーと前記第３ミラーとの間隙、前記第３ミラーと前記第４ミラーとの間隙のいずれかに配置することを特徴とする画像投影装置。
2. 前記第１、２、３、４ミラーを保持する保持機構を有することを特徴とする請求項１記載の画像投影装置。

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