JP5571512B2 - 投射結像光学系およびプロジェクタ装置 - Google Patents

Description

この発明は投射結像光学系およびプロジェクタ装置に関する。

液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス等の画像表示手段の「画像表示面に表示された画像」をスクリーン等の投射面上に拡大投射するプロジェクタ装置は広く知られている。

プロジェクタ装置は、その小型化が求められる一方、投射画像の大画面化が求められている。即ち、小型でありながら大画面の投射画像を投射できるプロジェクタ装置が求められている。

出願人は先に、このようなプロジェクタ装置を実現できる投射結像光学系として「レンズ系と凹面鏡とを組み合わせた構成のもの」を提案した(特許文献１)。
この結像光学系では、画像表示面が「レンズ系の光軸に直交する方向へ、光軸からずらされて設定」され、画像表示面からの光は、レンズ系を所謂「斜光線」として通過し、凹面鏡により「画像表示面がずらされている側」へ反射されて投射面上に拡大された投射画像を結像させる。
このような投射方式を「斜め投射方式」と呼び、斜め投射における結像光束を「斜め光束」と呼ぶ。

斜め投射方式では、投射結像光束は凹面鏡により「光軸から離れる向き」に反射されるので、投射画像の位置が、投射結像光学系の光軸から離れてしまいがちであり、例えば、天井の低い部屋などで、投射画像が投射面から天井側へはみ出したりすることがある。

従って、斜め投射方式では、投射画像を如何にして投射結像光学系の光軸に近づけるかが課題となる。

上記の如き斜め投射方式で、この課題を解決法の１つとして「画像表示面と光軸とのずれ量」を小さくすることが考えられる。
画像表示面を光軸に近づけることはまた、投射画像の像質を良好に保つ上からも好ましい。即ち、光学系の収差の面からしても、斜め光束の傾きが小さいほど「収差の補正」が容易になるからである。

しかしながら、上記のように「画像表示面と光軸とのずれ量を小さくする」ことにより、斜光束の傾きを小さくすることには別の問題が付随する。
即ち、上記の如く、投射画像の大画面化が求められている状況においては、大画面の投射画像を実現するために、投射結像光学系は必然的に「広画角」である必要があり、上記の如き光学構成では、レンズ系において像側、即ち凹面鏡側に位置するレンズは口径の大きなものになる。

このように口径の大きなレンズを用いた場合、斜め光束の傾きが小さくなると、凹面鏡により折り返すように反射された「結像光束」の一部が、上記口径の大きなレンズを保持する鏡筒により「ケラれ」る恐れがある。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、斜め投射における「斜め光束の光軸に対する傾き」を小さくしつつ、鏡筒による結像光束のケラれを有効に防止できる新規な投射結像光学系およびこれを用いたプロジェクタ装置の実現を課題とする。

この発明の投射結像光学系は、画像表示面に表示された画像を、投射画像として投射面上に結像投射する結像光学系である。
「画像表示面」は、反射型や透過型の液晶パネルや、デジタルミラーデバイス等の画像表示手段における画像を表示する面であり、液晶パネルにおけるパネル面、デジタルマイクロミラーデバイス（所謂「ＤＭＤ」）におけるデジタルマイクロミラーの配列面等である。

この発明の投射結像光学系は、結像光学系としては、固定レンズ部、可動レンズ部、凹面鏡を有し、これら固定レンズ部、可動レンズ部、凹面鏡は、この順序で、物体側から像側へ向かって配置される。
固定レンズ部は、光軸Ａを有する。可動レンズ部は光軸Ｂを有する。光軸Ａと光軸Ｂとは互いに平行である。
画像表示面は、固定レンズ部の光軸Ａに直交する方向へずれて配置される。
画像表示面に表示された画像が投射結像光学系により、スクリーン等の投射面上に拡大して結像投射される。
即ち、画像表示面に表示された画像は、固定レンズ部、可動レンズ部および凹面鏡により拡大され、スクリーン等の投射面上に投射画像として結像投射される。
画像表示面からの光は、固定レンズ部、可動レンズ部を透過し、可動レンズ部から射出した光束は凹面鏡により反射され、結像光束となって投射面へ向かう。即ち、投射面上の投射画像は、画像表示面上の画像と、投射結像光学系により共役関係に結ばれる。

上記のごとく、画像表示面が、固定レンズ部の光軸に直交する方向へずれているので、投射結像光学系による投射は前述した「斜め投射」である。

「固定レンズ部」は、複数の円形レンズ（光軸方向から見たレンズ形状が円形であるレンズ）を光軸Ａ方向へ配してなる。これら複数の円形レンズの「光軸方向の相互の位置関係は固定的」である。

「可動レンズ部」は、複数のレンズを光軸Ｂ方向へ配置してなるが、これら複数のレンズは光軸Ｂ方向へ移動可能である。可動レンズ部を構成する複数のレンズは、全体が一体として、あるいは個々のレンズが別個に移動可能であるが、可動レンズ部を構成する複数のレンズが２以上のグループをなし、各グループが別個に移動することも可能である。

この発明の投射結像光学系はまた、固定枠、可動枠を有する。
「固定枠」は円筒状であって、筒内に固定レンズ部を固定的に保持する。固定枠が、固定的であるとは「固定レンズ部の保持に関して」であり、画像表示面との位置関係においては光軸方向へ移動可能であることができる。

また、固定枠は、固定レンズ部を構成する複数の円形レンズのうちの「最大のものの外径に略等しい内径」を有する。
「可動枠」は、円筒状であって、固定枠に固定的に接合される。
可動枠は、可動レンズ部を構成する複数のレンズを、光軸Ｂ方向へ平行移動可能となるように保持する。
光軸Ｂは、可動部を構成する複数のレンズが共有する光軸であり、この光軸Ｂは「固定レンズ部を構成する複数の円形レンズが共有する光軸Ａ」と同一であることができるが、固定レンズ部の光軸Ａと、可動レンズ部の光軸Ｂとは「光軸直交方向に相互に平行にずれている」ことも可能である。
このように、光軸Ａと光軸Ｂとは、互いに平行であって、互いに重なりあて同一直線をなすこともあり、光軸Ａの方向と光軸Ｂの方向とは「同方向」であるので、以下においては、特に区別を必要とする場合を除き、これらを単に「光軸」と称する。

可動枠は、外側の円筒が、上記固定枠と固定的に接合される。この「外側の円筒」は、所謂「カム枠」として機能する。

可動レンズ部を構成する複数のレンズは、上記外側の円筒の内側で、上記光軸方向へ、カム機構により移動される。
可動レンズ部を構成する複数のレンズのうち、物体側（固定レンズ部側）には、少なくとも１枚の円形レンズが配置され、像側（凹面鏡側）には、少なくとも１枚の「異形レンズ」が配置される。即ち、可動レンズ群は、最小限で、光源側の１枚の円形レンズと、像側の１枚の異形レンズとで構成され得る。

可動レンズ部の１枚以上の円形レンズのうちで、最大のものはガラスレンズであり、これを「最大ガラスレンズ」と呼ぶ。

「異形レンズ」は、プラスチックレンズで「光軸対称レンズ形状における、投射画像の結像に寄与する有効光束の光束断面」を含み、この光束断面と略同形の形状を有する。

即ち、異形レンズは、光軸対称な円形レンズとして設計され、この設計上の円形レンズの形状が上記「光軸対称レンズ形状」であるが、設計された光軸対称レンズ形状の「全てのレンズ領域」が用いられるのではなく、上記の如く「投射画像の結像に有効に寄与できるレンズ領域」が用いられる。
即ち、異形レンズは上記「投射画像の結像に有効に寄与できるレンズ領域」即ち「投射画像の結像に寄与する有効光束の光束断面」を最小限のレンズ形状として含み、この光束断面と略同形の形状をレンズ形状として有するのである。

なお「投射画像の結像に寄与する有効光束の光束断面」は、この光束断面より小さい光束断面部分では有効な投射画像（プロジェクタ装置の投射画像としての画像品質を満足する投射画像）を結像できなくなるような光束断面である。

また、可動レンズ部の「光軸方向へ移動するレンズ」は、レンズ面の外側に、移動のためにカムと係合する係合部を有する。上記レンズ形状は、レンズ面としての形状である。

可動枠は、その内径が「最大ガラスレンズの外周と、最大径の異形レンズの外周」とに略外接する。最大ガラスレンズは「可動レンズ部において物体側に配置される１以上の円形レンズのうちの最大のもの」である。なお、ここに謂う「外周」は、前記レンズ面形状の外側に形成された「係合部」を含む外周である。

前述の如く、この発明の投射結像光学系の投射は「斜め投射」である。従って、投射画像の結像に寄与する有効光束は、可動レンズ群の光軸に対して傾いており、従って、異形レンズの形状を規定する光束断面は、可動レンズ系の光軸に対して「画像表示面と反対側にずれ」ており、可動レンズ群の光軸に対して軸対称な光束断面ではない。

「最大径の異形レンズ」は、異形レンズの設計上の円形レンズの形状である「光軸対称レンズ形状」の径が最大となるものである。

最大ガラスレンズの外周と、最大径の異形レンズの外周とは、可動枠の内径の直径上の反対側で上記内径に外接する。

そして、固定枠の中心軸を、固定レンズ部の光軸に合致させ、「可動枠の回転中心軸」を上記光軸に対し「画像表示面と逆向き」にずらすことにより、固定枠と可動枠の中心軸を互いに平行に分離する。
そして、凹面鏡により投射面へ向かって「光軸よりも画像表示面のずらされている側」へ反射される投射結像光束が、可動枠と干渉しない範囲で、可動枠に最近接するように、固定枠および可動枠およびこれらに保持されるレンズ、凹面鏡、画像表示面の位置関係を設定する。

上記最大ガラスレンズの光軸と、異形レンズの光軸とは共通である。
投射結像光学系における広画角を実現するため、異形レンズの「設計された円形レンズとしてのレンズ径」が、最大ガラスレンズのレンズ径よりも大きい場合もある。

このようにレンズ径の大きい「設計上の異形レンズ形状」において、そのレンズ面のうちで「投射画像の結像に有効に寄与する光束断面部分を含む部分のみ」を用いることにより、可動部の円筒径は、異形レンズの設計上のレンズ径よりも小さくなる。

このため、異形レンズを「設計上のレンズのまま用いる場合」であれば、凹面鏡により反射された結像光束が可動枠により「ケラれる」ほどに斜め光束の傾きを小さくしても、可動枠による結像光束の遮光を避けることができる。

このように斜め光束の傾きを小さくできるので、投射結像光学系の性能を良好にでき、良質の投射画像を投射できる。

また、斜め光束の傾きが小さいので、投射画像と光学系光軸との間隔を短くでき、天井の低い部屋などでも良好な画像投射を行なうことが可能になる。

また、異形レンズはプラスチックレンズであるので、異形レンズ自体を成型により容易に且つ安価に製造でき、ガラスレンズをカットして異形レンズにするよりも製造コストが安くて済む。

さらに、異形レンズ自体が必要最小限の大きさであり、プラスチックによる軽量レンズであるため、異形レンズの移動のためのエネルギを小さくできる。

請求項２記載の投射結像光学系は、上記請求項１記載の投射結像光学系の、可動レンズ部と凹面鏡との間に、さらに固定異形レンズを有する。
この「固定異形レンズ」は、その光軸対称レンズ形状における投射画像の結像に寄与する有効光束の光束断面を含み、その設計上の円形レンズ形状よりも小さい形状を有する。
「固定異形レンズを固定的に保持する保持枠」は、可動枠における最も像側の異形レンズの「最も像側の位置に応じた光軸方向の端部」に対し、凹面鏡による投射結像光束を避ける方向へずれて段差を形成している。
請求項２記載の投射結像光学系における「固定異形レンズを保持する保持枠」は、可動枠と一体的に形成されていることができる（請求項３）。
固定異形レンズは、これをプラスチックレンズとすれば、固定異形レンズ自体を成型により容易に且つ安価に製造でき、ガラスレンズをカットして固定異形レンズにするよりも製造コストが安くて済む。
また、固定異形レンズをガラスレンズで構成すると、これをプラスチックで形成する場合よりもコストの面では若干不利になるが、固定異形レンズは移動しないので、移動のエネルギは不要であり、また、ガラスレンズは機械的な強度がプラスチックレンズよりも強く、環境辺土の影響も受け難いので、これを可動レンズ群のプラスチックレンズによる異形レンズよりも像側に配置することにより、可動レンズ群における最も像側の異形レンズを、ガラスレンズによる固定異形レンズにより有効に保護することができる。
また、固定異形レンズの枚数は２枚以上であってもよいが、このような固定異形レンズを加えることにより、投射結像光学系の設計の自由度が増え、性能の向上を図ることができる。
この発明のプロジェクタ装置は、上記請求項１または２または３の投射結像光学系を有するプロジェクタ装置である（請求項４）。

以上に説明したように、この発明によれば新規な投射結像光学系およびプロジェクタ装置を実現できる。この発明の投射結像光学系は、斜め投射における斜め光束の光軸に対する傾きを小さくでき、なおかつ「結像光束のケラれ」を有効に回避することができる。
請求項２や３の投射結像光学系のように、可動レンズ群の最も像側の異形レンズと凹面鏡との間に「固定異形レンズ」を配することにより、結像性能をより高めることができ、なおかつ、凹面鏡により反射された結像光束を遮光することなく、斜め光束の光軸に対する傾きを小さくできる。

発明の実施の形態を説明するための図である。 図１の実施の形態における固定レンズ部と可動レンズ部の保持形態を説明するための図である。 光軸方向から見た円形ガラスレンズと異形レンズおよびこれらの光軸と可動枠の中心を説明するための図である。 請求項２、３の投射結像光学系の実施の形態を示す図である。 図４の投射光学系の部分拡大図である。

以下、実施の形態を説明する。
図１は、実施の１形態を説明図的に示している。
図１において、符号ＰＮは、画像表示手段としての液晶パネルを示している。

この液晶パネルＰＮにおいて画像を表示する面が「画像表示面」である。

液晶パネルＰＮは透過型であり、図の右側に配置された、図示されない光源からの照明光束で照射され、透過光束の強度分布が、画像表示面に表示された画像により２次元的に強度変調される。なお、以下において、液晶パネルＰＮの画像表示面を、画像表示面ＰＮと言うこともある。

図１における符号Ｌ１は「固定レンズ部」を示す。固定レンズ部Ｌ１は、レンズＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３を光軸ＡＸ方向に配列してなる。固定レンズＬ１を構成するレンズＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３は何れも円形レンズである。

この実施の形態においては、レンズＬ１１〜Ｌ１３は何れも両凸レンズであるが、中央のレンズＬ１２は肉厚である。

これらレンズＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３は、中枠１１に組み付けられ、中枠１１は外枠１２に組み付けられている。中枠１１と外枠１２は、固定枠１０を構成する。従って、複数のレンズＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３は、固定枠１０に固定的に保持される。

固定枠１０の外枠１２は、中空円筒状であるが、その像側（図の左側）端部は、光軸ＡＸに対して偏心した大径部分１２Ａをなしている。

図１における符号Ｌ２は「可動レンズ部」を示す。可動レンズ部Ｌ２は、レンズＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３を光軸ＡＸ方向へ配列してなる。即ち、この実施の形態において、光軸ＡＸは、固定レンズ部Ｌ１、可動レンズ部Ｌ２に共通である。
即ち、この実施の形態では、前述の光軸Ａと光軸Ｂとが、共通の光軸ＡＸをなしているのである。

レンズＬ２１は「円形ガラスレンズ」で、両凸レンズである。
レンズＬ２２、Ｌ２３はプラスチックレンズであり、これらは「異形レンズ」である。

可動レンズ部Ｌ２をなすレンズＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３は、可動枠２０内に設けられ、カム機構により、各レンズが光軸ＡＸ方向へ移動させられるようになっている。可動レンズ部Ｌ２の保持形態については後述する。

図１における符号ＲＦは凹面鏡を示している。
液晶パネルＰＮは、図１において、光軸ＡＸよりも上方へずらして配置されている。
液晶パネルＰＮからの光束は、固定レンズ部Ｌ１に「光軸ＡＸに対して傾いて」入射し、斜め光束となって固定レンズ部Ｌ１を透過し、可動レンズ部Ｌ２のレンズＬ２１、レンズＬ２２、Ｌ２３を透過して、光軸ＡＸに対して下向きに傾いた斜め光束ＣＦとして可動レンズ部Ｌ２から射出する。

可動レンズ部Ｌ２から射出した斜め光束ＣＦは凹面鏡ＲＦに入射し、凹面鏡ＲＦにより図の斜め右方向へ反射されて結像光束（液晶パネルＰＮの画像表示面に表示された画像の像を結像する光束）となり、「投射面」であるスクリーンＳＣに投射され、スクリーンＳＣ上に「画像表示面に表示された画像を拡大した投射画像」を結像する。
図１に示すように、結像光束はスクリーンＳＣへの光路上で一旦集光したのち発散しつつスクリーンＳＣに到達する。

なお、図１に示す実施の形態は、所謂３板式のカラープロジェクタであり、液晶パネルＰＮは３枚用いられ、これら液晶パネルと固定レンズ部との間に配置された図示されない色合成プリズムにより色合成された光束が固定レンズ部へ斜め入射する。

スクリーンＳＣ上に投射される投射画像の拡大倍率は、物体距離と像距離とを調整して変化させる。物体距離は、固定レンズ部Ｌ１と液晶パネルＰＮとの間隔を調整することにより変化され、像距離は凹面鏡ＲＦとスクリーンＳＣとの光軸方向距離を調整して変化される。

このように倍率を調整されてスクリーンＳＣ上に結像投射された投射画像と、画像を表示された液晶パネルＰＮの画像表示面とは、固定レンズ部Ｌ１、可動レンズ部Ｌ２、凹面鏡ＲＦにより共役関係に結ばれる。

投射画像の倍率を上記の如く変化させると、像面がスクリーンＳＣに対して倒れたり、投射画像の形状が台形になったりするので、これらを軽減させる補正が必要であり、可動レンズ部Ｌ２の各レンズＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３の光軸方向への変位により上記補正を行なうのである。

このように可動レンズ部Ｌ２の各レンズは光軸方向へ変位するわけであるが、固定レンズ部Ｌ１から可動レンズ部Ｌ２へ入射してくる光束は斜め光束である。
従って、可動レンズ部Ｌ２の、最も物体側にあるレンズＬ２１は、その「光軸方向の移動領域」のどの位置にあっても「斜め光束に対する結像作用」を作用させる必要があり、このためにレンズＬ２１は大径にならざるを得ない。
この実施の形態では、レンズＬ２１を大径の円形ガラスレンズとするのである。

図２は、固定レンズ部Ｌ１と可動レンズ部Ｌ２の保持状態を示す断面図である。
上述のように、固定枠１０は、中枠１１と外枠１２で構成され、固定レンズ部Ｌ１のレンズＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３は中枠１１に組み付けられ、中枠１１が外枠１２に組み付けられている。

固定枠１０の外枠１２は中空円筒状であり、像側（図２の左側）の端部は、光軸ＡＸに対して偏心した大径部分１２Ａをなしている。

一方、可動レンズ部Ｌ２をなすレンズＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３を設けられる可動枠２０は、内枠２１と外枠２２とを有している。内枠２１の物体側は、固定枠の外枠１２の像側端部の大径部分１２Ａの内径と同じ内径の係合部分２１Ａを有する。
固定枠の大径部分１２Ａには、接合リングＬＮが嵌合され、この接合リングＬＮに、可動枠の内枠２１の係合部分２１Ａが嵌合することにより、内枠２１と外枠１０とが固定的に接合する。

可動レンズ群Ｌ２の各レンズは保持枠により固定的に保持され、これら保持枠は内枠２１の内周面に摺接し、保持したレンズを内周面に沿って光軸ＡＸ方向へ変位可能としている。

即ち、図２に示すように、円形ガラスレンズであるレンズＬ２１は保持枠２３Ｌ２１により保持され、レンズＬ２２、Ｌ２３はそれぞれ保持枠２４Ｌ２２、２５Ｌ２３により保持されている。

可動枠２０の外枠２２は、中空円筒状であって、内枠２１の外周面に摺接して、回転軸ＲＡＸを中心として回転可能である。
外枠２１には、レンズＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３を移動させるためのカム溝が形成されており、外枠２１が回転すると、これらカム溝を通して保持枠２３Ｌ２１〜２５Ｌ２３に係合するカム機構により、各保持枠が光軸ＡＸ方向へ変位して、レンズＬ２１〜Ｌ２３を移動させ、上記補正を実現する。

異形レンズＬ２２、Ｌ２３はプラスチックレンズであり、設計上は「光軸ＡＸを中心軸とする円形状」であるが、図２に示すように、図２において光軸ＡＸよりも上方の１部分は切除されている。

図３（ａ）は、光軸方向から見たレンズＬ２１（円形ガラスレンズ）と異形レンズＬ２３との関係を示している。光軸ＡＸは、円形ガラスレンズＬ２１と異形レンズＬ２３に共通である。図示されていないが、異形レンズＬ２２の光軸も光軸ＡＸと共通である。

異形レンズＬ２２とＬ２３とでは、異形レンズＬ２３のほうが大きい。

符号ＲＡＸは、可動枠２０の中心軸を示す。即ち、可動枠２０の外枠２２は中心軸ＲＡＸを中心として回転する。

異形レンズＬ２３は、設計上の円形レンズとしてはその外周が円ＣＲ２３に等しいが、実際の形状は実線で示すように、円ＣＲ２３を外周とする円形レンズの一部を切り出した形状をしている。

異形レンズＬ２３のこの形状は、光軸対称レンズ形状（円ＣＲ２３を外周計上とするレンズ形状）における「投射画像の結像に寄与する有効光束の光束断面を含み、この光束断面と略同形の形状」である。

従って、投射画像を結像する斜め光束のうちで、結像に有効に寄与する部分は、異形レンズＬ２３（異形レンズＬ２２も同様である。）を透過することにより、結像に必要な光学作用を受ける。

図３（ａ）において、円形状ＣＲ３０は、異形レンズＬ２３の外周部と、円形ガラスレンズＬ２１の外周部とに外接する円形状であり、その中心は中心軸ＲＡＸである。

可動枠２０の内径を、図３（ａ）の円ＣＲ３０に対して、保持枠２３Ｌ２１〜２５Ｌ２３等の大きさを加味して定めることを「円筒状の可動枠の内径が、最大径の円形ガラスレンズＬ２１の外周と、最大径の異形レンズＬ２３の外周に略外接させる」とする。

可動枠は円筒状に形成されねばならないから、もし、図３（ｂ）に示すように、可動枠の中心軸ＲＡＸと、可動レンズ部の光軸ＡＸとを合致させるならば、可動枠の内周を定める円形状は、異形レンズＬ２３の円形のレンズ外周に相当する円ＣＲ２３の大きさを少なくとも必要とし、この場合には、可動枠の外周形状が大きくなり、可動枠による結像光束のケラれを防ぐには、斜め光束の傾きを大きくしなければならず「投射画像を投射結像光学系の光軸ＡＸに近づけること」が困難であるし、必要とする性能を実現するための収差補正も困難になる。

図３（ａ）のようにすることにより、可動枠を小型化できるのみならず、可動枠の、図における上方の部分（液晶パネルＰＮが光軸ＡＸからずらされている側の部分）が小さくなるので、図１において、光軸ＡＸよりも「画像表示面ＰＮのずらされている側」へ反射される投射結像光束が、可動枠２０と干渉しない範囲で、可動枠２０に最近接するように、固定枠および可動枠およびこれらに保持されるレンズ、凹面鏡ＲＦ、画像表示面ＰＮの位置関係を設定することにより、斜め光束の傾き角を有効に十分小さくでき、「投射画像を投射結像光学系の光軸ＡＸに近づけること」ができ、なおかつ、良好に収差を補正して性能の良い投射結像光学系とすることができる。

即ち、上に実施の形態を説明した投射結像光学系は、物体側から、固定レンズ部Ｌ１、可動レンズ部Ｌ２および凹面鏡ＲＦをこの順序に配置し、固定レンズ部Ｌ１を円筒状の固定枠１０に保持させ、固定枠１０に固定的に接合された円筒状の可動枠２０に、可動レンズ部Ｌ２を、この可動レンズ部を構成する複数のレンズＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３が光軸ＡＸ方向へ平行移動可能となるように保持させ、光軸ＡＸに対して、光軸直交方向にずらして配置された画像表示面ＰＮに表示された画像を、固定レンズ部Ｌ１、可動レンズ部Ｌ２および凹面鏡ＲＦにより拡大して、投射画像として投射面ＳＣ上に結像投射する投射結像光学系である。

この結像光学系における固定レンズ部Ｌ１は、複数の円形レンズＬ１１〜Ｌ１３を光軸ＡＸ方向へ配してなる。
固定枠１０は、固定レンズ部Ｌ１を構成する円形レンズのうちの最大のものの外径に略等しい内径を有する。
可動レンズ部Ｌ２は、物体側に少なくとも１枚の円形レンズＬ２１を有するとともに、像側の１枚以上のレンズが異形レンズＬ２２、Ｌ２３であり、可動レンズ部の物体側の、１枚以上の円形レンズのうち、最大径のものは円形ガラスレンズＬ２１である。
異形レンズＬ２２、Ｌ２３はプラスチックレンズであって、光軸対称レンズ形状（円形状）における投射画像の結像に寄与する有効光束の光束断面を含み、この光束断面と略同形の形状を有する。

固定枠１０の中心軸は光軸ＡＸに合致し、可動枠２０の回転中心軸ＲＡＸが、光軸ＡＸに対し、画像表示面ＰＮと逆向きにずらされることにより、固定枠１０と可動枠２０の中心軸が互いに平行に分離し、円筒状の可動枠の内径が、最大径の円形ガラスレンズＬ２１の外周と、最大径の異形レンズＬ２３の外周に略外接する。
凹面鏡ＲＦにより投射面ＳＣへ向かって、光軸ＡＸよりも画像表示面ＰＮのずらされている側へ反射される投射結像光束が、可動枠２０と干渉しない範囲で、可動枠２０に最近接するように、固定枠および可動枠およびこれらに保持されるレンズ、凹面鏡、画像表示面の位置関係が設定されている。

従って、このような投射結像光学系を用いることにより、天井の低い室内でも良好な投射画像を表示できる性能良好なプロジェクタ装置を実現できる。
図４は、請求項２、３の投射結像光学系の実施の１形態を示す図である。繁雑を避けるため、混同の恐れが無いと思われるものについては、図１におけると同一の符号を付し、これらについては、上述の説明を援用する。
画像表示手段としての液晶パネルＰＮ、レンズＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３で構成される固定レンズ部Ｌ１、この固定レンズ部Ｌ１を固定的に保持する固定枠１０の部分は、構造的には図１の実施の形態のものと同様である。
固定枠１０の外枠１２は、図１の形態と同様、光軸ＡＸに対して偏心した大径部分１２Ａをなして接合リングＬＮに嵌合し、この接合リングＬＮに可動枠２０Ａの内枠２１Ａが嵌合することにより、可動枠２０は、固定枠１０と固定的に接合される。
固定枠の大径部分１２Ａには、接合リングＬＮが嵌合され、この接合リングＬＮに、可動枠２０Ａの内枠２１Ａの係合部分が嵌合することにより、内枠２１と外枠１０とが固定的に接合する。
可動レンズ部Ｌ２をなすレンズＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３を設けられる可動枠２０Ａは、内枠２１Ａと外枠２２Ａとを有している。内枠２１Ａの物体側は、固定枠の外枠１２の像側端部の大径部分１２Ａの内径と同じ内径の係合部分を有し、上記の如く、この係合部分が接合リングＬＮに嵌合する。
可動レンズ部Ｌ２をなすレンズＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３は、図１の実施の形態のものと同様で、これらを光軸Ａ方向へ変位させる機構も、図１の実施の形態と同様である。
図４における符号ＲＦは凹面鏡を示している。
図４において符号Ｌ３は「固定異形レンズ」を示す。
固定異形レンズＬ３は、可動枠２０Ａの内枠２１Ａの凹面鏡ＲＦに対向する面部分に固定的に設けられている。
液晶パネルＰＮは、図４において、光軸ＡＸよりも上方へずらして配置され、液晶パネルＰＮからの光束は、固定レンズ部Ｌ１に「光軸ＡＸに対して傾いて」入射し、斜め光束となって固定レンズ部Ｌ１を透過し、可動レンズ部Ｌ２のレンズＬ２１、レンズＬ２２、Ｌ２３を透過し、さらに、固定異形レンズＬ３を透過して、光軸ＡＸに対して下向きに傾いた斜め光束ＣＦとして固定異形レンズＬ３から射出する。
射出した斜め光束ＣＦは凹面鏡ＲＦに入射し、凹面鏡ＲＦにより図の斜め右方向へ反射されて結像光束ＲＦＸとなり、「投射面」であるスクリーンＳＣに投射され、スクリーンＳＣ上に「画像表示面に表示された画像を拡大した投射画像」を結像する。
結像光束ＲＦＸはスクリーンＳＣへの光路上で一旦集光したのち発散しつつスクリーンＳＣに到達する。
スクリーンＳＣ上に投射される投射画像の拡大倍率は、物体距離と像距離とを調整して変化させる。物体距離は、固定レンズ部Ｌ１と液晶パネルＰＮとの間隔を調整することにより変化され、像距離は凹面鏡ＲＦとスクリーンＳＣとの光軸方向距離を調整して変化される。
このように倍率を調整されてスクリーンＳＣ上に結像投射された投射画像と、画像を表示された液晶パネルＰＮの画像表示面とは、固定レンズ部Ｌ１、可動レンズ部Ｌ２、固定異形レンズＬ３と凹面鏡ＲＦとにより共役関係に結ばれる。
投射画像の倍率を上記の如く変化させると、像面がスクリーンＳＣに対して倒れたり、投射画像の形状が台形になったりするので、これを補正する必要があり、可動レンズ部Ｌ２の各レンズＬ２１、Ｌ２２、Ｌ２３の光軸方向への変位により上記補正を行なう点は、図１の実施の形態と同様である。
固定異形レンズＬ３は、この実施の形態ではガラスレンズである。固定異形レンズＬ３の形状は「その光軸対称レンズ形状における投射画像の結像に寄与する有効光束の光束断面を含み、その設計上の円形レンズ形状よりも小さい。
図５は、図４の部分拡大図である。固定異形レンズＬ３は、固定部材３０により可動枠の内枠２１Ａの凹面鏡ＲＦ側の側面部に固定されているが、固定異形レンズＬ３を固定的に保持する保持枠である可動枠における最も像側の異形レンズＬ２３の最も像側の位置に応じた光軸方向の端部２１ＡＧに対し、凹面鏡ＲＦによる投射結像光束ＲＦＸを避ける方向へずれて段差２１ＳＴを形成している。
この段差２１ＳＴが形成されているので、投射結像光束ＲＦＸは保持枠に「ケラれる」ことがない。
なお、内枠２１Ａの「段差部２１ＳＴを有する部分」の形状は、例えば、図５において、図面に直交する方向に平坦な「棚形状」でもよい。固定異形レンズＬ３は、固定されて変異させられることがないので、これを保持する部分が円筒形状である必要がないからである。そして、この場合、固定異形レンズ１３の形状は「段差部２１ＳＴを有する部分」の断面形状に合わせた形状であってよい。
このような投射結像光学系を用いても、天井の低い室内でも良好な投射画像を表示できる性能良好なプロジェクタ装置を実現できる。

ＰＮ 液晶パネル
Ｌ１ 固定レンズ部
Ｌ２ 可動レンズ部
ＲＦ 凹面鏡
ＳＣ スクリーン（投射面）
２０ 可動枠
Ｌ２１ 円形ガラスレンズ
Ｌ２２、Ｌ２３ 異形レンズ

特開２００８−２５０２９６号公報

Claims (4)

1. 光軸Ａを有する固定レンズ部、上記光軸Ａに平行な光軸Ｂを有する可動レンズ部、および凹面鏡を、物体側から上記順序に配置し、上記固定レンズ部を円筒状の固定枠に保持させ、上記固定枠に固定的に接合された円筒状の可動枠に上記可動レンズ部を、この可動レンズ部を構成する複数のレンズが光軸Ｂ方向へ平行移動可能となるように保持させ、上記光軸Ａに対して、光軸直交方向にずらして配置された画像表示面に表示された画像を、上記固定レンズ部、可動レンズ部および凹面鏡により拡大して、投射画像として投射面上に結像投射する投射結像光学系であって、
   上記固定レンズ部は、複数の円形レンズを光軸Ａ方向へ配してなり、
   上記固定枠は、上記固定レンズ部を構成する円形レンズのうちの最大のものの外径に略等しい内径を有し、
   上記可動レンズ部は、物体側に少なくとも１枚の円形レンズを有するとともに、像側の１枚以上のレンズが異形レンズであり、
   上記可動レンズ部の物体側の、１枚以上の円形レンズのうち、少なくとも最大径のものは円形ガラスレンズであり、
   上記異形レンズはプラスチックレンズであって、光軸対称レンズ形状における投射画像の結像に寄与する有効光束の光束断面を含み、この光束断面と略同形の形状を有し、
   上記固定枠の中心軸は上記光軸Ａに合致し、
   上記可動枠の回転中心軸が、上記光軸Ｂに対し、上記画像表示面と逆向きにずらされることにより、上記固定枠と可動枠の中心軸が互いに平行に分離し、
   上記円筒状の可動枠の内径が、上記最大径の円形ガラスレンズの外周と、最大径の異形レンズの外周に略外接し、
   上記凹面鏡により投射面へ向かって、上記光軸よりも上記画像表示面のずらされている側へ反射される投射結像光束が、上記可動枠と干渉しない範囲で、上記可動枠に最近接するように、上記固定枠および可動枠およびこれらに保持されるレンズ、凹面鏡、上記画像表示面の位置関係が設定されていることを特徴とする投射結像光学系。
2. 請求項１記載の投射結像光学系の、可動レンズ部と凹面鏡との間に、固定異形レンズを有し、
   この固定異形レンズは、その光軸対称レンズ形状における投射画像の結像に寄与する有効光束の光束断面を含み、その設計上の円形レンズ形状よりも小さい形状を有し、
   上記固定異形レンズを固定的に保持する保持枠は、可動枠における最も像側の異形レンズの最も像側の位置に応じた光軸Ｂ方向の端部に対し、凹面鏡による投射結像光束を避ける方向へずれて段差を形成していることを特徴とする投射結像光学系。
3. 請求項２記載の投射結像光学系において、
   固定異形レンズを保持する保持枠が、可動枠と一体的に形成されていることを特徴とする投射結像光学系。
4. 請求項１〜３の任意の１に記載の投射結像光学系を用いるプロジェクタ装置。

Images