JP4889289B2 - 光学システムおよびリアプロジェクタ - Google Patents

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本発明は、液晶あるいはDMDなどにより画像情報に基づき変調された投影光をスクリーンに拡大投影する投写用光学システムおよびそれを用いたリアプロジェクタに関するものである。
特開2001−264627号公報には、良好な光学性能を有しながらコンパクトで薄型のリアプロジェクション光学系として、複数のレンズを含む正パワーの結像光学系と、負パワーの曲面ミラーとを備えた投影光学系が開示されている。
特開2001−264627号公報
特許文献1には、さらに、スクリーンの下に投影光を発する画像生成装置と、レンズシステムと、曲面ミラーとを配置し、スクリーンに対して斜め下方より投影光を入射して画像を表示する光学系においては、プリズムタイプのフレネルレンズが細かなピッチで配置されたスクリーン(フレネルスクリーン)を採用することが開示されている。通常のフレネルスクリーンでは、投影光の入射角度が大きくなると光量が不足し使用できないのに対し、プリズムタイプのフレネルレンズを用いたフレネルスクリーンは、投影光の入射角度が十分に大きな場合は投影光を所望の方向に屈折して明るい画像を表示できるからである。しかしながら、プリズムタイプのフレネルスクリーンでは、逆に、入射角度が不足すると画像が暗くなる。したがって、投影光の入射角度の大きなスクリーンの上部にプリズムタイプのフレネルレンズを配置した混合タイプのスクリーンを採用することになるが、この混合タイプのスクリーンは製造が難しく高コストであり、さらに、異なるタイプをミックスしているために迷光が発生するという問題がある。
スクリーンに対して斜め下方より投影光を入射する場合、スクリーンの下方中央の領域が最も入射角度が小さく、スクリーンの上方あるいは周辺に行くにしたがって入射角度が大きくなる。このため、スクリーンの下方中央において十分な入射角度が得られるように、広角なレンズシステムと、負のパワーの曲面レンズとを組み合わせた光学システムを採用することが好ましい。しかしながら、スクリーンの下方中央において十分な入射角度が得られるようにすると、スクリーンの上方あるいは周辺においては光線が拡散してしまい、十分な解像度を得ることが難しくなるという問題がある。このため、薄型のリアプロジェクタにおいて、スクリーン全体に鮮明で明るい画像を表示することが難しい。
本発明の目的の一つは、スクリーン全体において十分な入射角度を確保でき、さらにスクリーンの上方あるいは周辺における光線の拡散を抑制できる投写用光学システムを提供することである。本発明の他の目的の一つは、この投写用光学システムを採用することにより、スクリーン全体に鮮明で明るい画像を表示することができる薄型のリアプロジェクタを提供することである。
本発明の一態様は、画像情報により変調された投影光を出力する画像生成装置からの投影光をスクリーンに投写する光学システムであって、画像生成装置からの投影光が入射されるレンズシステムと、このレンズシステムとスクリーンとの光路上に配置された、全体が負のパワーの奇数次多項式非球面を備えた回転対称の非球面鏡であって、径方向の曲率が、中心から周囲にかけて低下し、周辺に向かう途中で正から負に変わる非球面鏡とを有し、レンズシステムは、投写側から、負の屈折力の前群と、正の屈折力の後群とから構成され、前群は、投写側に凸の奇数次多項式非球面を備えた回転対称のメニスカスレンズを少なくとも含む負の屈折力の第1のレンズ群と、正の屈折力の第2のレンズ群とから構成され、第1のレンズ群は、投写側から、投写側に凸の正の回転対称のメニスカスレンズと、投写側に凸の奇数次多項式非球面を含む回転対称の負のメニスカスレンズと、投写側に凸の回転対称の負のメニスカスレンズとにより構成され、レンズシステムの非球面鏡の側の端と非球面鏡との距離Dと、レンズシステムの合成焦点距離fとが次の条件(A)を満たす光学システムである。
非球面鏡の曲率は、中心から周囲にかけて小さくなり、途中で符号が反転す
この非球面鏡は、全体としては負のパワーであるが、外周部分において正のパワーの要素を持ち、スクリーンの上方および周辺に投写される投影光の光線が分散するのを抑制する。したがって、広角のレンズシステム、例えば、レンズシステムの最もスクリーンの側のレンズ、すなわち、投写側の端のレンズが、投写側に凸のメニスカスレンズであるレンズシステムと組み合わせることにより、スクリーンの下方中央において、投影光を十分に大きな入射角度で投写でき、さらにスクリーンの上方および周辺においては、投影光の光線の拡散を抑制できる。スクリーン側とはスクリーンに投写する投写光を出力する側を示し、この明細書では投写側と呼ぶ。
これにより、スクリーンの全面に対し、例えば、投影光の入射角を少なくとも45度にすることが可能な光学システムを提供できる。本発明の他の一態様は、全面プリズムタイプのフレネルスクリーンを採用したプロジェクタである。また、本発明の態様の一つは、画像生成装置と、スクリーンと、この投写用光学システムとを有し、スクリーンの裏側から投影光が投写されるリアプロジェクタにより、薄型で、スクリーン全体に鮮明で明るい画像を表示することができるリアプロジェクタである。
レンズシステムの非球面鏡の側の端と非球面鏡との距離Dと、レンズシステムの合成焦点距離fとが次の条件を満た
1.0|f|<D<3.0|f|・・・(A)
距離Dがこの条件の下限を超えると、非球面鏡により反射された光線がレンズにより蹴られる可能性がある。一方、距離Dがこの条件の上限を超えると、非球面鏡との間隔が開きすぎて、非球面鏡が無用に大きくなり、リアプロジェクタを薄型に纏めることができず、また、アライメントもし難いといった問題が発生する。
レンズシステムは、投写側から、負の屈折力の前群と、正の屈折力の後群と、これら前群と後群との間で光路を折り曲げる平面鏡またはプリズムとを有するシステムを採用する。負の屈折力の前群と、正の屈折力の後群とのレトロフォーカスタイプの組み合せは、入射側をテレセントリックにして、バックフォーカスを長くし、液晶、DMDなどの画像素子により変調あるいは発生された投影光を投写するのに適したレンズシステムである。そして、前群と後群との間隔をある程度確保して、これら前群と後群との間で光路を折り曲げる平面鏡またはプリズムを挿入することにより、非球面鏡により投影光が反射される方向の、投写用光学システムの全長を短くすることができ、薄型のリアプロジェクタに適した投写用光学システムを提供できる。
さらに、前群は、投写側から、投写側に凸のメニスカスレンズを少なくとも含む、負の屈折力の第1のレンズ群と、正の屈折力の第2のレンズ群とを備えてい。このレンズシステムは、後群と合わせて、投写側から負−正−正のレトロフォーカス型であり、さらに入射側をテレセントリックにするのに適したパワー配分を備えている。そして、第1のレンズ群が、投写側に凸のメニスカスレンズを少なくとも含む構成とすることにより、広角なレンズシステムを提供できる。
例えば、第1のレンズ群は、投写側から順に、投写側に凸面を向けたメニスカスレンズ、投写側に凸面を向けたメニスカスプラスチック非球面レンズ、および投写側に凸面を向けた負のメニスカスレンズを備えたものである。また、後群は、画像生成装置の側(投写側の反対側)から順に、画像生成装置の側に凸面を向けたメニスカスプラスチック非球面レンズ、正レンズ、およびプラスチック非球面レンズを備えたものである。
図1に、本発明の一形態のリアプロジェクタの概略構造を示してある。このリアプロジェクタ1は、ハウジング2の内部に、大型のスクリーン9と、光源3および光源3からの照明光を画像信号により変調して画像を形成する光変調器(ライトバルブ)4を備えた画像生成装置5と、画像生成装置5からの投影光6をスクリーン9に背面から投写する投写用光学システム10と、投影光6を反射してスクリーン9に導く大平面鏡8とを有している。画像生成装置5としては、光源3としての機能と、ライトバルブ4としての機能が一体になったCRTあるいは自発光型の光学デバイスを用いることも可能である。近年のリアプロジェクタにおいては、液晶パネルや、マイクロミラー素子を駆動して照明光を変調するDMDパネルがライトバルブ4として採用されることが多い。本例のリアプロジェクタ1においては、DMDパネルをライトバルブ4として用いており、ライトバルブ4が反射型となるために光源3が投写用光学システム10の側に配置される。
図2に、リアプロジェクタ1の下方に設けられたプロジェクタ部分を拡大して示してある。なお、図2においては、図1に示すように、途中で折り返された状態でハウジング2に収納されているレンズシステム11を、その構成を示すために光軸が直線になるように伸ばした状態で示してある。また、リアプロジェクタ1においては、鏡面などにより光路を折り返している。本明細書において、スクリーン9の側あるいは画像生成装置5の側という表現は、全て、光路に沿った位置関係を示し、ハウジング2の内部の機械的な位置関係を示しているものではない。このため、以下においては、スクリーン9の側の代わりに、投写側という言葉を用いる。
この光学システム10は、画像生成装置5のライトバルブ4により変調された投影光6が入射されるレンズシステム11と、このレンズシステム11とスクリーン9との光路上に当たる大平面鏡8に対峙した位置に設けられた、全体としては負のパワーの非球面鏡12とを備えている。レンズシステム11は、スクリーン9の側、すなわち、非球面鏡12の側に配置された屈折力が負の前群GFと、画像生成装置5の側に配置された屈折力が正の後群GRとにより構成されており、前群GFと後群GRとの間に距離が確保され、それらの間に、光路を折り曲げるために平面鏡13が配置されている。平面鏡13は、プリズムであっても良い。さらに、前群GFは、スクリーン9の側、すなわち、非球面鏡12の側から順番に屈折力が負の第1のレンズ群G1と、屈折力が正の第2のレンズ群G2とを備えており、レンズシステム11は、スクリーン9の側から負−正−正のレトロフォーカス型の3群構成となっている。レトロフォーカス型のレンズシステム11は、入射側がテレセントリックとなり、バックフォーカスが長く、液晶パネルおよびDMDパネルをライトバルブ4とした投影光6を拡大投影する光学システム10に適した構成である。
図3に、本例の光学システム10を拡大して示してある。この光学システム10は、光軸19の回りに対称な、回転対称光学系であり、光路上にスクリーン9の側(出力側)から、非球面鏡12と、レンズシステム11とを備えている。レンズシステム11は、非球面鏡12(スクリーン9)の側から、前群GFを構成する第1のレンズ群G1および第2のレンズ群G2と、後群GRと、それらの間に設置された折り曲げ用の平面鏡13とを備えている。なお、レンズシステム11とライトバルブ4との間に配置された平行ガラスFG1およびFG2は光学的ローパスフィルタである。
最も非球面鏡12(スクリーン9)の側に位置する第1のレンズ群G1は、全体として負の屈折力を備えており、非球面鏡12の側から順に、非球面鏡12の側に凸面を向けた正のメニスカスレンズL11、非球面鏡12の側に凸面を向けた負のメニスカスプラスチック非球面レンズL12、および非球面鏡12の側に凸面を向けた負のメニスカスレンズL13の3枚のレンズにより構成されている。
第2のレンズ群G2は、非球面鏡12の側から負レンズL21、接合レンズを構成する正レンズL22およびライトバルブ4の側に凸の負のメニスカスレンズL23の3枚により構成されている。
後群GRは、スクリーン9と反対側のライトバルブ4(画像生成装置5)の側から順に、ライトバルブ4の側に凸面を向けた正のメニスカスプラスチック非球面レンズL41、正レンズL40、負のプラスチック非球面レンズL39、それぞれ接合レンズを構成する、正レンズL38および負レンズL37、非球面鏡12の側に凸の正のメニスカスレンズL36および負のメニスカスレンズL35、正レンズL34および負レンズL33、非球面鏡12の側に凸の正のメニスカスレンズL32および負のメニスカスレンズL31の11枚のレンズにより構成されている。また、レンズL33の非球面鏡12の側に絞りSが配置されている。
図3に示す投写用光学システムの設計データを以下に示してある。rは、ライトバルブ4の側から順番に並んだ各レンズおよびミラーの曲率半径(mm)、dはライトバルブ4の側から順番に並んだ各レンズおよびミラーなどの面の間の距離(mm)、ndはそれぞれのレンズの屈折率(d線)、vdはそれぞれのレンズのアッベ数(d線)を示す。infは平面であることを示す。また、Typeは球面(SPH)および非球面(ASP)を示し、さらに、AASPは、奇数次多項式非球面であることを示している。
レンズデータ
No r Type d nd vd
0 inf 0.33 ライトバルブ4
1 inf 3.00 1.48749 70.4 平行ガラスFG2
2 inf 2.00
3 inf 26.00 1.51680 64.2 平行ガラスFG1
4 inf 5.57
5 33.333 AASP 4.00 1.49180 57.2 レンズL41
6 -847.224x1017 ASP 4.13
7 66.076 SPH 13.30 1.69680 55.5 レンズL40
8 -37.487 SPH 0.55
9 -454.756 ASP 4.00 1.49180 57.2 レンズL39
10 95.643 ASP 1.97
11 38.301 SPH 9.00 1.48749 70.4 レンズL38
12 -22.969 SPH 2.40 1.90367 31.3 レンズL37
13 25.763 SPH 4.11
14 -126.358 SPH 5.65 1.48749 70.4 レンズL36
15 -13.284 SPH 1.80 1.90367 31.3 レンズL35
16 -19.086 SPH 0.20
17 26.153 SPH 4.60 1.48749 70.4 レンズL34
18 -32.391 SPH 2.80 1.75520 27.5 レンズL33
19 39.519 SPH 1.08
20 inf 8.65 絞りS
21 -136.228 SPH 5.84 1.84666 23.8 レンズL32
22 -22.181 SPH 2.00 1.71300 53.9 レンズL31
23 -32.895 SPH 45.00
24 56.906 SPH 2.90 1.84666 23.8 レンズL23
25 29.369 SPH 16.81 1.80450 39.6 レンズL22
26 -76.859 SPH 1.01
27 -169.492 SPH 3.00 1.48749 70.4 レンズL21
28 25.967 SPH 18.34
29 -21.729 SPH 3.20 1.92286 20.9 レンズL13
30 -137.334 SPH 14.33
31 -33.247 ASP 4.00 1.57415 31.9 レンズL12
32 -70.995 AASP 6.97
33 -74.673 SPH 12.14 1.84666 23.8 レンズL11
34 -58.707 SPH 7.30
35 64.865 AASP -132.00 -1.00000 非球面鏡12
36 inf 198.00 -1.00000 大平面鏡8
37 inf スクリーン9
レンズL41の両面(ライトバルブ4から数えて第5面および第6面)、レンズL39の両面(第9面および第10面)、レンズL12(第31面および第32面)および非球面鏡12(第35面)は、非球面である。さらに、これらの面の内、第5面、第32面および非球面鏡12の第35面は奇数次多項式非球面である。非球面は以下の式(1)により表される。なお、1/rをcに置き換えている。hは光軸からの距離である。
z=ch2/(1+√(1+K)c22
+A4h4+A6h6+A8h8+A10h10 ・・・(式1)
また、奇数次多項式非球面は、以下の式(2)により表される。
z=ch2/(1+√(1+K)c22
+A1h+A2h2+A3h3+・・+A10h10・・・(式2)
それぞれの非球面係数は以下の通りである。
第5面(レンズL41)
K=−1.9071
A3=−1.8623×10−4、 A4=1.0899×10−5
A5=−3.5016×10−6、 A6=8.9696×10−8
A7=3.7951×10−9、 A8=3.1476×10−11
A9=−1.3604×10−12、 A10=−1.4720×10−13
第6面(レンズL41)
K=−3.0000
A4=0.105546×10−4、 A6=0.251571×10−7
A8=0.154129×10−9、 A10=−0.273341×10−12
第9面(レンズL39)
K=−3.0000
A4=0.610450×10−4、 A6=−0.106617×10−6
A8=−0.565987×10−10、 A10=0.342891×10−13
第10面(レンズL39)
K=−3.0000
A4=0.486702×10−4、 A6=−0.129871×10−6
A8=−0.448820×10−9、 A10=0.110974×10−11
第31面(レンズL12)
K=−3.0000
A4=−0.507726×10−5、 A6=−0.162512×10−7
A8=0.241382×10−10、 A10=−0.886780×10−14
第32面(レンズL12)
K=2.5315
A3=2.0858×10−4、 A4=−2.7271×10−5
A5=5.4935×10−7、 A6=7.2801×10−9
A7=−3.0737×10−10、 A8=−4.2619×10−12
A9=1.2971×10−13、 A10=2.2207×10−15
第35面(非球面鏡12)
K=−4.8169
A3=−1.8881×10−5、 A4=1.0342×10−7
A5=−3.0875×10−10、 A6=2.3801×10−12
A7=−8.6259×10−15、 A8=−8.7972×10−17
A9=7.3278×10−19、 A10=−1.4910×10−21
この投写用光学システム10の諸パラメータは次の通りである。
レンズシステムの合成焦点f(mm):4.82
レンズシステムのF値:2.5
レンズシステムの半画角(degree):74.2
レンズシステムのバックフォーカス長(mm):36.90
レンズシステムの非球面鏡12の側の端と非球面鏡12との距離D(mm):7.30
条件(A):4.82<D<14.46
このレンズシステム11は、最もスクリーン側、すなわち、非球面鏡12の側のレンズL11がスクリーンの側に凸のメニスカスレンズとなっており、半画角が74.2度と広角のレンズシステムとなっている。したがって、負のパワーの非球面鏡12との組合せにより、スクリーン9に対して投影光6を大きな入射角度で投写できる。プリズムタイプのフレネルスクリーンにおいては、入射角度が45度以上であることが好ましく、本例のリアプロジェクタ1においては、投写用光学システム10の光軸19の近傍の光が投写されるスクリーン9の下端中央において45.6度程度の入射角となっており、スクリーン9の全面にプリズムタイプのフレネルスクリーンを採用することができる。
また、本例の非球面鏡12は、奇数次多項式非球面が採用されており、奇数次の係数、特に3次および5次を負として、全体が負のパワーの非球面鏡でありながら、径方向の曲率が、中心から周辺にかけて減少し、中心から周辺の途中で符号が正から負に反転する非球面鏡としている。したがって、非球面鏡12の周辺部12rにおいて、レンズシステム11の光軸19から離れた投影光6を反射することにより、スクリーン9の上端あるいは周辺における投影光6の分散が抑制され、投写される画像の解像度が低下するのを防止できる。したがって、本例の投写用光学システム10を採用することにより、スクリーン9の全面に適当な入射角度で投影光6を投写することが可能となり、スクリーン全面をプリズムタイプのフレネルスクリーンに統一し、低コストで明るい画像を表示できる。さらに、スクリーンの上部および周辺部においては、解像度の低下を防止できるので、スクリーン全体に鮮明な画像を表示できる。
さらに、投影光6の分散を抑制することにより、スクリーン9の周辺部における収差補正も良好となり、図4に縦収差を示すように、高さ方向全体にわたり、歪曲収差の発生が抑えられている。したがって、本例の光学システム10は、この点でも鮮明な画像を表示するのに適した光学システムとなっている。また、径方向の曲率が、中心から周辺にかけて小さくなり途中で符号が反転する非球面鏡12を採用しているために、アライメントの容易な回転対象光学系により、アナモルフィック非球面あるいは自由曲面などの非軸対称な光学系を使用せずに、スクリーンの全面にわたり良好に収差を補正することができている。
さらに、本例の投写用光学システム10は、上述した条件(A)を満足しており、非球面鏡12に反射された投影光6がレンズにより蹴られることのない範囲で、レンズシステム11と非球面鏡12との距離が短く、全体をコンパクトに纏められている。このため、本例の投写用光学システム10を採用したリアプロジェクタ1は、非常に薄く纏められており、大画面のスクリーン9を備えた薄型の画像表示装置である。
リアプロジェクタの概略構成を示す図である。 リアプロジェクタの下部の構成を拡大して示した図である。 図2に示す投写用光学システムの構成を拡大して示す図である。 図2に示す投写用光学システムの歪曲収差を示す図である。
符号の説明
1 リアプロジェクタ、 2 ハウジング
3 光源、 4 ライトバルブ(光変調器)、 5 画像生成装置
6 投影光、 8 大平面鏡、 9 スクリーン
10 光学システム、 11 レンズシステム、 12 非球面鏡

Claims (6)

  1. 画像生成装置からの投影光をスクリーンに投写する光学システムであって、
    前記画像生成装置からの投影光が入射されるレンズシステムと、
    このレンズシステムと前記スクリーンとの光路上に配置された、全体が負のパワーの奇数次多項式非球面を備えた回転対称の非球面鏡であって、径方向の曲率が、中心から周囲にかけて低下し、周辺に向かう途中で、正から負に変わる非球面鏡とを有し、
    前記レンズシステムは、投写側から、負の屈折力の前群と、正の屈折力の後群とから構成され、前記前群は、前記投写側に凸の奇数次多項式非球面を備えた回転対称のメニスカスレンズを少なくとも含む負の屈折力の第1のレンズ群と、正の屈折力の第2のレンズ群とから構成され、前記第1のレンズ群は、前記投写側から、前記投写側に凸の正の回転対称のメニスカスレンズと、前記投写側に凸の奇数次多項式非球面を含む回転対称の負のメニスカスレンズと、前記投写側に凸の回転対称の負のメニスカスレンズとにより構成され、前記レンズシステムの前記非球面鏡の側の端と前記非球面鏡との距離Dと、前記レンズシステムの合成焦点距離fとが次の条件を満たす光学システム。
    1.0|f|<D<3.0|f|
  2. 請求項1において、前記スクリーンに対し、前記投影光の入射角度が少なくとも45度になるように投写する、光学システム。
  3. 請求項1または2において、前記前群前記後群との間で光路を折り曲げる平面鏡またはプリズム有する、光学システム。
  4. 請求項1ないし3のいずれかに記載の光学システムと、前記画像生成装置と、前記スクリーンとを有し、前記スクリーンは、全面プリズムタイプである、プロジェクタ。
  5. 請求項1ないし3のいずれかに記載の光学システムと、前記画像生成装置と、前記スクリーンとを有し、前記スクリーンの裏側から前記投影光が投写されるリアプロジェクタ。
  6. 請求項において、前記スクリーンは、全面プリズムタイプである、リアプロジェクタ。
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