JP5612972B2 - Projection optical device - Google Patents
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Description
本発明は投影光学系を含んで構成される光学系に関するものであり、特に、曲面状の投影面(スクリーン)に像歪み無く高解像な映像を投影することが可能な投影光学装置に関するものである。 The present invention relates to an optical system including a projection optical system, and particularly to a projection optical apparatus capable of projecting a high-resolution image without image distortion on a curved projection surface (screen). It is.
投影光学系を用いて円筒スクリーンに実像を投影する投影光学系について、特許文献1には、360°全方位(全周)の画角を有する画像を投影する光学系において、小型でフレアー光が少なく解像力のよい光学系を提供することが開示されている。
Regarding a projection optical system that projects a real image onto a cylindrical screen using a projection optical system,
特許文献1に記載の光学系によれば、全周囲に映像を投影することで、観察者は全周にパノラマ状に広がる映像を観察させることで、観察者を映像に没入させることが可能となる。しかしながら、このような360°にわたる映像を投影するには、光学系を中心として、その周囲にある程度の空間を設けることが必要である。
According to the optical system described in
したがって、特許文献1に記載の光学系では、例えば、飛行機の機内のような限られた空間で没入感のある映像を楽しむことは困難である。ここで、観察者が椅子やソファなどに着座した状況では360°にまで映像を投影するまでもなく、180°近くの投影像であっても没入感を得ることが可能であることが分かっている。これは、着座によって観察者の視点範囲が限られたものとなるためである。
Therefore, with the optical system described in
本発明は、このような曲面状の投影面(曲面スクリーン)に広画角の映像を投影する光学系において、歪みが抑えられるとともに、全面でほぼピントが合った高解像の投影像を投影できることを特徴とした投影光学装置を提供することを目的としている。 The present invention projects a high-resolution projection image with reduced distortion and almost in focus on the entire surface in an optical system that projects a wide-angle image onto such a curved projection surface (curved screen). It is an object of the present invention to provide a projection optical apparatus characterized by being capable of doing so.
本発明に係る投影光学装置は、二次元からなる映像表示素子に表示された映像を投影する投影光学系と、前記投影光学系に対して偏心し、前記投影光学系の投影した映像が投影される曲面からなるスクリーンと、を備えた投影光学装置において、前記投影光学系から投影された映像を反射し前記スクリーンへ投影する曲面からなる反射面を含む補正光学系を有し、前記投影光学系から前記スクリーンへ向かう光束の中心主光線を含む面をYZ断面、前記YZ断面に対して直交すると共に前記中心主光線が前記スクリーンと交差する投影中心と前記投影中心での前記スクリーンの垂線を含む面をXZ断面とし、前記スクリーンは、前記XZ断面内で前記補正光学系側に凹面を向け、前記反射面は、前記XZ断面と平行な面内で前記スクリーン側に凸面を向け、以下の条件式(4)を満足することを特徴とする。
αsr < 20° (4)
ただし、
αsrは前記中心主光線が前記反射面に当たる位置での前記反射面の垂線と、前記中心主光線が前記スクリーンに当たる位置での前記スクリーンの垂線と、のなす角
である。
The projection optical apparatus according to the present invention is a projection optical system that projects an image displayed on a two-dimensional image display element, and is decentered with respect to the projection optical system, and the image projected by the projection optical system is projected. A projection optical apparatus comprising: a correction optical system including a reflection surface including a curved surface that reflects an image projected from the projection optical system and projects the image onto the screen. The plane containing the central principal ray of the light beam traveling from the screen to the screen is perpendicular to the YZ section, the projection center at which the central principal ray intersects the screen, and the normal of the screen at the projection center. The screen has an XZ cross section, the screen has a concave surface facing the correction optical system side in the XZ cross section, and the reflection surface is on the screen side in a plane parallel to the XZ cross section. A convex surface, and satisfies the following conditional expression (4).
αsr <20 ° (4)
However,
αsr is an angle formed by a perpendicular of the reflecting surface at a position where the central principal ray hits the reflecting surface and a perpendicular of the screen at a position where the central principal ray hits the screen
It is.
また、前記反射面は、平面鏡を湾曲させて形成することを特徴とする。 The reflecting surface is formed by bending a plane mirror.
また、前記反射面は、裏面鏡で形成することを特徴とする。 The reflecting surface is formed by a back mirror.
また、前記反射面は、前記YZ断面に平行な面におけるパワーと前記XZ断面に平行な面におけるパワーが異なることを特徴とする。 Further, the reflecting surface is characterized in that a power in a plane parallel to the YZ section differs from a power in a plane parallel to the XZ section.
また、前記反射面は、前記YZ断面では直線で、前記XZ断面と平行な面内では一方に凸形状の曲線となるように形成することを特徴とする。 Further, the reflecting surface is formed so as to be a straight curve in the YZ section and a convex curve on one side in a plane parallel to the XZ section.
また、前記反射面は、前記YZ断面では直線で、前記XZ断面で放物線となることを特徴とする。 The reflection surface may be a straight line in the YZ section and a parabola in the XZ section.
また、前記反射面は、前記XZ断面と平行な面内で懸垂曲線となることを特徴とする。 The reflection surface may be a suspension curve in a plane parallel to the XZ cross section.
また、前記反射面は、Y軸に沿う方向で前記投影光学系側にいくにしたがって前記XZ断面と平行な面内での曲率が強くなるように、台形の平面鏡を湾曲させて形成することを特徴とする。 Further, the reflecting surface is formed by curving a trapezoidal plane mirror so that the curvature in a plane parallel to the XZ section becomes stronger as it goes to the projection optical system side in the direction along the Y axis. Features.
また、前記反射面は、Y軸に沿う方向で前記投影光学系側にいくにしたがって前記XZ断面と平行な面内での曲率が強くなるように、湾曲させて固定した時の両端の間隔が前記投影光学系側で短くなるように平面鏡を湾曲させて形成することを特徴とする。 Further, the distance between both ends when the reflecting surface is curved and fixed so that the curvature in the plane parallel to the XZ cross section becomes stronger as it goes to the projection optical system side in the direction along the Y axis. A plane mirror is curved and formed so as to be shorter on the projection optical system side.
また、前記反射面は、平面部と、真空成形により製作された球面形状の凸状反射面部と、を有することを特徴とする。 The reflective surface includes a flat surface portion and a spherical convex reflective surface portion manufactured by vacuum forming.
また、前記反射面は、平面部と、真空成形により製作されたトーリック面の凸状反射面部と、を有することを特徴とする。 Further, the reflection surface has a flat surface portion and a convex reflection surface portion of a toric surface manufactured by vacuum forming.
また、前記反射面は、前記凸状反射面部を楕円に形成することを特徴とする。 Further, the reflection surface is characterized in that the convex reflection surface portion is formed in an ellipse.
また、前記反射面は、Y軸に沿う方向で前記投影光学系側にいくにしたがって前記XZ断面と平行な面内で曲率が強くなるように湾曲させ形成することを特徴とする。 Further, the reflection surface is formed to be curved so that the curvature increases in a plane parallel to the XZ section as it goes to the projection optical system side in the direction along the Y axis.
また、前記スクリーンは、球面からなることを特徴とする。 The screen may be a spherical surface.
また、前記補正光学系は、光軸に対して回転非対称な光学素子をさらに有することを特徴とする。 The correction optical system further includes an optical element that is rotationally asymmetric with respect to the optical axis.
また、以下の条件式(2)を満足することを特徴とする。
0 < α < 70° (2)
ただし、αは、投影する光束の中心主光線と前記スクリーンの垂線のなす角度である。
Moreover, the following conditional expression (2) is satisfied.
0 <α <70 ° (2)
Where α is an angle formed by the central principal ray of the projected light beam and the normal of the screen.
また、以下の条件式(7)を満足することを特徴とする。
αs > 30° (7)
ただし、
αsは、XZ断面でのスクリーンの弧の角度、
である。
Further, the following conditional expression (7) is satisfied.
αs> 30 ° (7)
However,
αs is the angle of the arc of the screen in the XZ section,
It is.
また、以下の条件式(6)を満足することを特徴とする。
40 < R1 < 800 (6)
ただし、
R1は、XZ断面での前記反射面の曲率半径
である。
Moreover, the following conditional expression (6) is satisfied.
40 <R1 <800 (6)
However,
R1 is the radius of curvature of the reflecting surface in the XZ section.
また、以下の条件式(5)を満足することを特徴とする。
100 < Rs (5)
ただし、
Rsは、円柱又は球面スクリーンのXZ断面での曲率半径、
である。
Moreover, the following conditional expression (5) is satisfied.
100 <Rs (5)
However,
Rs is the radius of curvature in the XZ section of a cylindrical or spherical screen,
It is.
また、以下の条件式(1)を満足することを特徴とする。
−5 < z/R1 < 5 (1)
ただし、
R1は、前記XZ断面に平行な面における前記反射面の曲率半径、
zは、前記XZ断面内での前記スクリーンの中心から前記反射面までの距離、
である。
Moreover, the following conditional expression (1) is satisfied.
−5 <z / R1 <5 (1)
However,
R1 is a radius of curvature of the reflecting surface in a plane parallel to the XZ cross section,
z is the distance from the center of the screen to the reflecting surface in the XZ cross section,
It is.
また、以下の条件式(3)を満足することを特徴とする。
L2/L1 < 5.0 (3)
ただし、
L1は、前記反射面から前記回転非対称な光学素子までの中心主光線の光路長、
L2は、前記投影光学系の絞りから前記回転非対称な光学素子までの中心主光線の光路長、
である。
Moreover, the following conditional expression (3) is satisfied.
L2 / L1 <5.0 (3)
However,
L1 is the optical path length of the central principal ray from the reflecting surface to the rotationally asymmetric optical element,
L2 is the optical path length of the central principal ray from the stop of the projection optical system to the rotationally asymmetric optical element,
It is.
また、前記反射面は、XZ断面と平行な面内において以下の式(8)で近似した場合、以下の式(9)を満足する曲面で形成することを特徴とする。
Z=cX2/[1+{1−(1+k)c2X2}1/2] (8)
−1 < k < 0 (9)
ただし、ZはZ座標、
XはX座標、
cは面頂での曲率、
kは非球面係数
である。
The reflection surface is formed by a curved surface satisfying the following equation (9) when approximated by the following equation (8) in a plane parallel to the XZ cross section.
Z = cX 2 / [1+ { 1- (1 + k) c 2 X 2} 1/2] (8)
−1 <k <0 (9)
Where Z is the Z coordinate,
X is the X coordinate,
c is the curvature at the top,
k is an aspheric coefficient.
以上、本発明によれば、簡単な構成で平面の映像表示素子の映像を、曲面状の投影面(曲面スクリーン)に像歪みが無く高解像に投影することが可能な投影光学装置を提供することが可能となる。 As described above, according to the present invention, there is provided a projection optical apparatus capable of projecting a high-resolution image with no distortion on a curved projection surface (curved screen) with a simple configuration. It becomes possible to do.
以下、実施例に基づいて本発明の投影光学装置について説明する。 The projection optical apparatus of the present invention will be described below based on examples.
まず、本発明にかかる実施形態の座標系について説明する。図1は本発明にかかる実施形態の座標系及びYZ断面を説明した図、図2は本発明にかかる実施形態の座標系及びXZ断面を説明した図である。 First, a coordinate system according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram illustrating a coordinate system and a YZ section according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram illustrating a coordinate system and an XZ section according to an embodiment of the present invention.
本実施形態の光学系を用いた投影光学装置は、図1及び図2に示すように、投影光学系13、補正光学系12及びスクリーン11を含んで構成されている。投影光学系13から投影された映像は、曲面ミラー等の補正光学系12にて反射され、スクリーン11に投影される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the projection optical apparatus using the optical system according to the present embodiment includes a projection
本実施形態の光学系の座標系は、投影光学系13から射出した中心主光線Cが補正光学系12を経てスクリーン11と交差する点を投影中心SOとし、投影中心SOからスクリーン11の回転中心軸11aへの垂線A1を引いた場合に、回転中心軸11aと垂線A1の交点を原点Oとする。なお、スクリーン11が球面等の場合は、スクリーン11の中心を原点Oとする。
In the coordinate system of the optical system of this embodiment, the center principal ray C emitted from the projection
また、図1に示すように、スクリーン11の回転中心軸11aと中心主光線Cを含む面をYZ断面101とする。また、図2に示すように、YZ断面101に対して直交すると共に中心主光線Cがスクリーン11と交差する投影中心SOと投影中心SOでのスクリーン11の垂線A1を含む面をXZ断面102とする。
Further, as shown in FIG. 1, a plane including the
次に、実施例1に基づいて、本実施形態の投影光学装置について説明する。図3は、実施例1の光学系、及び、その周辺構成についてYZ断面における断面を示した図、図4は、実施例1の光学系、及び、その周辺構成についてXZ断面における平面図である。 Next, based on Example 1, the projection optical apparatus of this embodiment will be described. FIG. 3 is a diagram showing a cross section of the optical system of Example 1 and its peripheral configuration in the YZ section, and FIG. 4 is a plan view of the optical system of Example 1 and its peripheral structure in the XZ section. .
本実施形態の投影光学装置は、二次元からなる映像表示素子に表示された映像を投影する投影光学系13と、投影光学系13に対して偏心し、投影光学系13の投影した映像が投影される曲面からなるスクリーン11と、を備えた投影光学装置において、投影光学系13から投影された映像を反射しスクリーン11へ投影する曲面からなる反射面12を含む補正光学系12を有し、投影光学系13からスクリーン11へ向かう光束の中心主光線Cを含む面をYZ断面101、YZ断面101に対して直交すると共に中心主光線Cがスクリーン11と交差する投影中心SOと投影中心SOでのスクリーン11の垂線A1を含む面をXZ断面102とし、スクリーン11は、XZ断面102内でスクリーン11の回転中心O側に凹面を向け、反射面12は、XZ断面102と平行な面内でスクリーン11側に凸面を向けていることが好ましい。
The projection optical apparatus according to the present embodiment projects the image displayed on the two-dimensional image display element, the projection
例えば、図1及び図2に示すように、スクリーン11が観察者に対して上下方向となる回転中心軸11aを持つ円筒状のスクリーン11及び円筒状の反射面12の場合について説明する。
For example, as shown in FIGS. 1 and 2, the case where the
一般的に、円筒状の反射面12に斜め上方向から映像を投影した場合に、円筒の凸面で反射され、投影画角がひろがるが、映像の水平方向に当たる線分は円筒を斜めに切るような状態で反射されるために、像の水平方向の線分は円筒反射面12では上方に凸形状を有するように弓なりに曲がって投影され、上方に凸形状を有する円弧状の反射光になる。
In general, when an image is projected onto the
一方、円筒スクリーン11に斜めに上方向から投影される水平方向の線分は、先に水平線の両端からスクリーンに当るため、下方に凸形状を有するように弓なりに曲がって投影される。
On the other hand, since the horizontal line segment projected obliquely on the
本発明はこの2つの状態を適切にすることによって、水平線の歪を無くすことに成功したものである。なお、図1及び図2では、スクリーン11及び反射面12が円筒の場合を説明したが、スクリーン11と反射鏡12は球面でもトーリック面でもアナモルフィック面でも自由曲面でも回転対称自由曲面でも、本発明の趣旨である弓なりに発生する像歪の補正を行うことが可能なことは言うまでもない。
The present invention has succeeded in eliminating the distortion of the horizon by making these two states appropriate. 1 and 2, the case where the
また、反射面12aは、YZ断面101に平行な面におけるパワーとXZ断面102に平行な面におけるパワーが異なり、補正光学系12は、光軸に対して回転非対称な光学素子12bをさらに有することが好ましい。
Further, the reflecting
回転非対称な光学素子12bにより、反射面12で発生する非点収差を補正することが可能となる。なお、回転非対称な光学素子12bとしてシリンドリカルレンズを配置することが好ましい。また、アナモルフィック面や自由曲面、回転対称自由曲面等で構成された第2の反射鏡で補正することも可能である。さらに、反射面12aが球面の場合や非点収差の発生が少ない場合は回転非対称な光学素子12bは不要なことは言うまでもない。
Astigmatism generated on the reflecting
また、前記補正光学系は、XZ断面で放物線となり、YZ断面で直線となる反射面であることが好ましい。 The correction optical system is preferably a reflecting surface that is a parabola in the XZ section and a straight line in the YZ section.
放物線にすることにより、YZ断面からX軸の正負方向に行くにしたがって球面より傾きが大きくならない特徴がある。このため、X軸方向(横方向)の画角が大きい箇所が台形に歪む像歪みを球面やシリンドリカル面にくらべて小さくすることが可能となる。 By making it a parabola, there is a feature that the inclination does not become larger than the spherical surface as it goes from the YZ section in the positive and negative directions of the X axis. Therefore, it is possible to reduce image distortion in which a portion having a large angle of view in the X-axis direction (lateral direction) is trapezoidally distorted as compared to a spherical surface or a cylindrical surface.
また、前記補正光学系の前記反射面は、プラスチック裏面鏡からなることが好ましい。 The reflecting surface of the correction optical system is preferably a plastic back mirror.
既製品のプラスチックの平面の裏面鏡は存在するので、安価に製作することが可能となる。また、平面の裏面鏡を曲げた曲面からなる裏面鏡の断面形状は円より放物線に近く上記像歪を小さくする効果も期待できる。 Since there are off-the-shelf plastic flat mirrors, it can be manufactured at low cost. In addition, the cross-sectional shape of a back mirror made of a curved surface obtained by bending a flat back mirror is closer to a parabola than a circle, and the effect of reducing the image distortion can be expected.
また、以下の条件式(1)を満足することが好ましい。
−5 < z/R1 < 5 (1)
ただし、
R1は、XZ断面に平行な面における反射面の曲率半径、
zは、XZ断面内でのスクリーンの中心から反射面までの距離、
である。
ここで、R1は、中心主光線Cが反射面に当たる交点近傍のXZ断面の球欠から計算できる反射面の実効的な曲率半径も含まれる。
Moreover, it is preferable that the following conditional expression (1) is satisfied.
−5 <z / R1 <5 (1)
However,
R1 is the radius of curvature of the reflecting surface in a plane parallel to the XZ cross section,
z is the distance from the center of the screen to the reflecting surface in the XZ section,
It is.
Here, R1 also includes an effective radius of curvature of the reflecting surface that can be calculated from a sphere in the XZ cross section near the intersection where the central principal ray C hits the reflecting surface.
条件式(1)は、弓なりに発生する像歪に関するものであり、条件式(1)の下限を下回ると、反射面12aで発生する上方に凸形状の像歪の発生が少なく、スクリーン11で発生する下方に凸形状の像歪を補正しきれない。また、条件式(1)の上限を上回ると、スクリーン11側に凸面を向けた反射面12aで発生する上方に凸形状の像歪が過剰に発生しすぎてしまう。
Conditional expression (1) relates to image distortion that occurs in a bow-like manner. If the lower limit of conditional expression (1) is not reached, the occurrence of upward convex image distortion that occurs on the reflecting
また、以下の条件式(1’)を満足するとさらに好ましい。
0 < z/R1 < 5 (1’)
Further, it is more preferable that the following conditional expression (1 ′) is satisfied.
0 <z / R1 <5 (1 ′)
また、以下の条件式(2)を満足することが好ましい。
0 < α < 70° (2)
ただし、αは、投影する光束の中心主光線とスクリーンの垂線のなす角度である。
Moreover, it is preferable that the following conditional expression (2) is satisfied.
0 <α <70 ° (2)
Where α is an angle formed by the central principal ray of the projected light beam and the perpendicular of the screen.
条件式(2)は、投影光学系13の斜め投影の角度に関するものであり、条件式(2)の下限を下回ると、投影光学系13と反射面12aが邪魔になり、スクリーン11の正面から観察者が観察することが出来なくなってしまう。また、条件式(2)の上限を上回ると、偏心収差の発生が大きくなり、投影光学系13の設計に負担がかかったり、広い投影面積が取れなくなったりする。
Conditional expression (2) relates to the angle of oblique projection of the projection
また、以下の条件式(2’)を満足するとさらに好ましい。
5° < α < 60° (2’)
Further, it is more preferable that the following conditional expression (2 ′) is satisfied.
5 ° <α <60 ° (2 ')
また、以下の条件式(3)を満足することが好ましい。
L2/L1 < 5.0 (3)
ただし、
L1は、反射面から回転非対称な光学素子までの中心主光線の光路長、
L2は、投影光学系の絞りから回転非対称な光学素子までの中心主光線の光路長、
である。
Moreover, it is preferable that the following conditional expression (3) is satisfied.
L2 / L1 <5.0 (3)
However,
L1 is the optical path length of the central principal ray from the reflecting surface to the rotationally asymmetric optical element,
L2 is the optical path length of the central principal ray from the stop of the projection optical system to the rotationally asymmetric optical element,
It is.
条件式(3)の上限を上回ると、回転非対称な光学素子12bが反射面12aに近づき過ぎてしまい、非点収差を良好に補正することが難しくなる。
If the upper limit of conditional expression (3) is exceeded, the rotationally asymmetric
また、以下の条件式(3’)を満足するとさらに好ましい。
L2/L1 < 0.5 (3’)
Further, it is more preferable that the following conditional expression (3 ′) is satisfied.
L2 / L1 <0.5 (3 ′)
また、以下の条件式(3’’)を満足するとさらに好ましい。
L2/L1 < 0.1 (3’’)
Further, it is more preferable that the following conditional expression (3 ″) is satisfied.
L2 / L1 <0.1 (3 ″)
また、以下の条件式(4)を満足することが好ましい。
αsr < 20° (4)
ただし、
αsrは前記中心主光線が前記反射面に当たる位置での前記反射面の垂線と、前記中心主光線が前記スクリーンに当たる位置での前記スクリーンの垂線と、のなす角
である。
Moreover, it is preferable that the following conditional expression (4) is satisfied.
αsr <20 ° (4)
However,
αsr is an angle formed by a perpendicular of the reflecting surface at a position where the central principal ray hits the reflecting surface and a perpendicular of the screen at a position where the central principal ray hits the screen.
条件式(4)は、XZ断面と平行な断面内での中心主光線の進む方向に沿って、凸面の反射面と凹面のスクリーンでそれぞれ発生する上方向に凸の像歪みを打ち消しあう条件である。条件式(4)の上限を上回ると、上に凸か下に凸の弓なりの像歪みが残り、観察映像に違和感を生じることがある。 Conditional expression (4) is a condition that cancels the upward convex image distortion generated by the convex reflecting surface and the concave screen along the traveling direction of the central principal ray in the cross section parallel to the XZ cross section. is there. If the upper limit of the conditional expression (4) is exceeded, an upward or downward convex bow-like image distortion may remain, and the observed image may become uncomfortable.
また、以下の条件式(4’)を満足するとさらに好ましい。
αsr < 10° (4’)
Further, it is more preferable that the following conditional expression (4 ′) is satisfied.
αsr <10 ° (4 ')
また、以下の条件式(5)を満足することが好ましい。
100 < Rs (5)
ただし、
Rsは、円柱又は球面スクリーンのXZ断面での曲率半径、
である。
Moreover, it is preferable that the following conditional expression (5) is satisfied.
100 <Rs (5)
However,
Rs is the radius of curvature in the XZ section of a cylindrical or spherical screen,
It is.
条件式(5)の下限を下回ると、スクリーンが小さくなり、観察者の観察が困難となる。 If the lower limit of conditional expression (5) is not reached, the screen becomes small and observation by an observer becomes difficult.
また、以下の条件式(5’)を満足するとさらに好ましい。
500 < Rs (5’)
Further, it is more preferable that the following conditional expression (5 ′) is satisfied.
500 <Rs (5 ′)
また、以下の条件式(5’’)を満足するとさらに好ましい。
1000 < Rs (5’’)
Further, it is more preferable that the following conditional expression (5 ″) is satisfied.
1000 <Rs (5 '')
また、以下の条件式(6)を満足することが好ましい。
40 < R1 < 800 (6)
ただし、
R1は、XZ断面での補正光学系の曲率半径
である。
Moreover, it is preferable that the following conditional expression (6) is satisfied.
40 <R1 <800 (6)
However,
R1 is the radius of curvature of the correction optical system in the XZ section.
条件式(6)の下限を下回ると、反射面の大きさに対する投影光学系の相対的な大きさが大きくなり、偏心収差の発生が大きくなる。そして、他の面で補正することが不可能になり、鮮明な観察像を観察することが困難となる。また、条件式(6)の上限を上回ると、反射面の大きさが大きくなりすぎ、自由な観察領域を確保することが困難となり、観察者が楽な姿勢で観察像を観察することが困難となる。 If the lower limit of conditional expression (6) is not reached, the relative size of the projection optical system with respect to the size of the reflecting surface increases, and the occurrence of decentration aberrations increases. And it becomes impossible to correct on other surfaces, and it becomes difficult to observe a clear observation image. If the upper limit of conditional expression (6) is exceeded, the size of the reflecting surface becomes too large, making it difficult to secure a free observation region, and it is difficult for the observer to observe the observation image in a comfortable posture. It becomes.
また、以下の条件式(6’)を満足するとさらに好ましい。
50 < R1 < 800 (6’)
Further, it is more preferable that the following conditional expression (6 ′) is satisfied.
50 <R1 <800 (6 ′)
また、以下の条件式(6’’)を満足するとさらに好ましい。
200 < R1 < 500 (6’’)
It is more preferable that the following conditional expression (6 ″) is satisfied.
200 <R1 <500 (6 ″)
また、以下の条件式(7)を満足することが好ましい。
αs > 30° (7)
ただし、
αsは、XZ断面でのスクリーンの弧の角度、
である。
Moreover, it is preferable that the following conditional expression (7) is satisfied.
αs> 30 ° (7)
However,
αs is the angle of the arc of the screen in the XZ section,
It is.
条件式(7)を満足すると、高い臨場感が得られる。 When the conditional expression (7) is satisfied, a high sense of realism can be obtained.
また、以下の条件式(7’)を満足するとさらに好ましい。
αs > 60° (7’)
Further, it is more preferable that the following conditional expression (7 ′) is satisfied.
αs> 60 ° (7 ')
また、以下の条件式(7’’)を満足するとさらに好ましい。
αs > 90° (7’’)
Further, it is more preferable that the following conditional expression (7 ″) is satisfied.
αs> 90 ° (7 ″)
また、前記反射面は、XZ断面と平行な断面で前記中心主光線が前記反射面に当たる位置から前記投影光学系側に行くにしたがって凸面形状の曲率半径が小さくなり、前記投影光学系の反対側に行くにしたがって曲率半径が大きくなることが好ましい。 In addition, the reflection surface has a cross section parallel to the XZ cross section, and the curvature radius of the convex surface decreases from the position where the central principal ray hits the reflection surface to the projection optical system side, and the opposite side of the projection optical system. It is preferable that the radius of curvature increases as it goes to.
反射面に中心主光線が当たる位置に対して、投影光学系側のXZ断面方向の光束は十分に広がらない状態で反射面に当たるため、XZ断面方向の長さが短く投影されてしまう。逆に、反射面に中心主光線が当たる位置に対して、投影光学系と反対側では、光束がXZ断面方向に十分に広がってから反射面に当たるため、XZ断面方向の長さも長く投影され、上辺の短い台形の像歪が発生する。 Since the light beam in the XZ sectional direction on the projection optical system side hits the reflecting surface in a state where it does not spread sufficiently with respect to the position where the central principal ray hits the reflecting surface, the length in the XZ sectional direction is projected short. On the other hand, on the side opposite to the projection optical system with respect to the position where the central principal ray hits the reflecting surface, the light beam hits the reflecting surface after sufficiently spreading in the XZ sectional direction, so the length in the XZ sectional direction is also projected long. A trapezoidal image distortion with a short upper side occurs.
反射面の形状を、XZ断面と平行な断面で中心主光線が反射面に当たる位置から投影光学系側に行くにしたがって凸面形状の曲率半径を小さくし、投影光学系の反対側に行くにしたがって曲率半径を大きくすることにより、このような投影画像の上側と下側のXZ断面と平行な方向の像の大きさが異なる台形状の像歪を補正することが可能となる。 The shape of the reflecting surface is a section parallel to the XZ section, and the curvature radius of the convex surface is decreased from the position where the central principal ray hits the reflecting surface to the projection optical system side, and the curvature is increased toward the opposite side of the projection optical system. By increasing the radius, it is possible to correct such trapezoidal image distortion in which the image sizes in the direction parallel to the upper and lower XZ sections of the projected image are different.
また、前記反射面は、YZ断面と平行な断面で前記中心主光線が前記反射面に当たる位置から前記投影光学系側に行くにしたがって凸面形状の曲率半径が小さくなり、前記投影光学系の反対側に行くにしたがって曲率半径が大きくなることが好ましい。 In addition, the reflection surface is a cross section parallel to the YZ cross section, and the curvature radius of the convex surface decreases from the position where the central principal ray hits the reflection surface to the projection optical system side, and the opposite side of the projection optical system. It is preferable that the radius of curvature increases as it goes to.
YZ断面と平行な断面では、投影光学系側のY方向の像の大きさが短くなり、投影光学系と反対側が長くなる像歪みが発生する。 In a section parallel to the YZ section, the size of the image in the Y direction on the projection optical system side is shortened, and image distortion occurs on the opposite side to the projection optical system.
反射面の形状を、YZ断面と平行な断面で中心主光線が反射面に当たる位置から投影光学系側に行くにしたがって凸面形状の曲率半径を小さくし、投影光学系の反対側に行くにしたがって曲率半径を大きくすることにより、このような投影画像の上側と下側のYZ断面と平行な方向の像の大きさが異なる像歪を補正することが可能となる。 The shape of the reflecting surface is a section parallel to the YZ section, and the curvature radius of the convex surface is reduced as it goes from the position where the central principal ray hits the reflecting surface to the projection optical system side, and the curvature as it goes to the opposite side of the projection optical system. By increasing the radius, it is possible to correct such image distortion in which the image sizes in the direction parallel to the upper and lower YZ sections of the projected image are different.
また、スクリーンは球面からなることが好ましい。 The screen is preferably made of a spherical surface.
設計が容易となり、製作コストを低くすることが可能となる。 Design becomes easy and the manufacturing cost can be reduced.
また、反射面は球面からなることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the reflecting surface is a spherical surface.
設計が容易となり、製作コストを低くすることが可能となる。 Design becomes easy and the manufacturing cost can be reduced.
以下に、投影光学装置1の光学系の実施例を説明する。これら光学系の構成パラメータは後記する。これら実施例等の構成パラメータは、スクリーン11から映像表示素子13bに向かう逆光線追跡で追跡している。
Hereinafter, examples of the optical system of the projection
座標系は、図1及び図2に示したように、投影光学系13から射出した中心主光線Cが補正光学系12を経てスクリーン11と交差する点を投影中心SOとし、投影中心SOからスクリーン11の回転中心軸11aへの垂線A1を引いた場合に、回転中心軸11aと垂線A1の交点を偏心光学系の原点Oとする。また、原点Oから回転中心軸11aを投影光学系13へ向かう方向をY軸正方向とし、投影中心SOの反対側へ向かう方向をZ軸正方向とする。そして、Y軸、Z軸と右手直交座標系を構成する軸をX軸正方向とする。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the coordinate system is a projection center SO where the central principal ray C emitted from the projection
また、図1に示すように、スクリーン11の回転中心軸11aと中心主光線Cを含む面をYZ断面101とする。また、図2に示すように、スクリーン11の回転中心軸11aに直交し、投影中心SOを含む面をXZ断面102とする。さらに、YZ断面101とZX面102でXYZ座標を定義する。
Further, as shown in FIG. 1, a plane including the
偏心面については、その面が定義される座標系の上記光学系の原点の中心からの偏心量(X軸方向、Y軸方向、Z軸方向をそれぞれX,Y,Z)と、光学系の原点に定義される座標系のX軸、Y軸、Z軸それぞれを中心とする各面を定義する座標系の傾き角(それぞれα,β,γ(°))とが与えられている。その場合、αとβの正はそれぞれの軸の正方向に対して反時計回りを、γの正はZ軸の正方向に対して時計回りを意味する。なお、面の中心軸のα,β,γの回転のさせ方は、各面を定義する座標系を光学系の原点に定義される座標系のまずX軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した新たな座標系のY軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その回転した別の新たな座標系のZ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。 For the decentered surface, the amount of decentering from the center of the origin of the optical system in the coordinate system in which the surface is defined (X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction are X, Y, and Z, respectively) and the optical system The inclination angles (α, β, γ (°), respectively) of the coordinate system defining each surface centered on the X axis, Y axis, and Z axis of the coordinate system defined at the origin are given. In this case, positive α and β mean counterclockwise rotation with respect to the positive direction of each axis, and positive γ means clockwise rotation with respect to the positive direction of the Z axis. Note that the α, β, and γ rotations of the central axis of the surface are performed by rotating the coordinate system defining each surface counterclockwise around the X axis of the coordinate system defined at the origin of the optical system. Then rotate it around the Y axis of the new rotated coordinate system by β and then rotate it around the Z axis of another rotated new coordinate system by γ. It is.
また、各実施例の光学系を構成する光学作用面の中、特定の面とそれに続く面が共軸光学系を構成する場合には面間隔が与えられており、その他、面の曲率半径、媒質の屈折率、アッベ数が慣用法に従って与えられている。なお、データの記載されていない係数項は0である。屈折率、アッベ数については、d線(波長587.56nm)に対するものを記載している。また、特に表記のない長さの単位はmmである。 Further, among the optical action surfaces constituting the optical system of each embodiment, when a specific surface and a subsequent surface constitute a coaxial optical system, a surface interval is given, in addition, the curvature radius of the surface, The refractive index and Abbe number of the medium are given according to conventional methods. The coefficient term for which no data is described is zero. The refractive index and Abbe number are for d-line (wavelength 587.56 nm). In addition, the unit of length not particularly described is mm.
また、本発明にかかる実施形態で用いられる自由曲面の面の形状は、以下の式(a)で定義されるものである。なお、その定義式のZ軸が自由曲面の軸とする。 Moreover, the shape of the surface of the free-form surface used in the embodiment according to the present invention is defined by the following formula (a). Note that the Z axis of the defining formula is the axis of the free-form surface.
Z=(r2 /R)/[1+√{1−(1+k)(r/R)2 }]
∞
+Σ Cj Xm Yn ・・・(a)
j=1
ここで、(a)式の第1項は球面項、第2項は自由曲面項である。
Z = (r 2 / R) / [1 + √ {1- (1 + k) (r / R) 2 }]
∞
+ Σ C j X m Y n (a)
j = 1
Here, the first term of the equation (a) is a spherical term, and the second term is a free-form surface term.
球面項中、
R:頂点の曲率半径
k:コーニック定数(円錐定数)
r=√(X2 +Y2 )
である。
In the spherical term,
R: radius of curvature of apex k: conic constant (conical constant)
r = √ (X 2 + Y 2 )
It is.
自由曲面項は、
66
Σ Cj Xm Yn
j=1
=C1
+C2 X+C3 Y
+C4 X2 +C5 XY+C6 Y2
+C7 X3 +C8 X2 Y+C9 XY2 +C10Y3
+C11X4 +C12X3 Y+C13X2 Y2 +C14XY3 +C15Y4
+C16X5 +C17X4 Y+C18X3 Y2 +C19X2 Y3 +C20XY4
+C21Y5
+C22X6 +C23X5 Y+C24X4 Y2 +C25X3 Y3 +C26X2 Y4
+C27XY5 +C28Y6
+C29X7 +C30X6 Y+C31X5 Y2 +C32X4 Y3 +C33X3 Y4
+C34X2 Y5 +C35XY6 +C36Y7
・・・・・・
ただし、Cj (jは1以上の整数)は係数である。
The free-form surface term is
66
ΣC j X m Y n
j = 1
= C 1
+ C 2 X + C 3 Y
+ C 4 X 2 + C 5 XY + C 6 Y 2
+ C 7 X 3 + C 8 X 2 Y + C 9 XY 2 + C 10 Y 3
+ C 11 X 4 + C 12 X 3 Y + C 13 X 2 Y 2 + C 14 XY 3 + C 15 Y 4
+ C 16 X 5 + C 17 X 4 Y + C 18 X 3 Y 2 + C 19 X 2 Y 3 + C 20 XY 4
+ C 21 Y 5
+ C 22 X 6 + C 23 X 5 Y + C 24 X 4 Y 2 + C 25 X 3 Y 3 + C 26 X 2 Y 4
+ C 27 XY 5 + C 28 Y 6
+ C 29 X 7 + C 30 X 6 Y + C 31 X 5 Y 2 + C 32 X 4 Y 3 + C 33 X 3 Y 4
+ C 34 X 2 Y 5 + C 35 XY 6 + C 36 Y 7
・ ・ ・ ・ ・ ・
However, C j (j is an integer of 1 or more) is a coefficient.
上記自由曲面は、一般的には、XZ断面、YZ断面共に対称面を持つことはないが、本発明ではXの奇数次項を全て0にすることによって、YZ断面と平行な対称面が1つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式(a)においては、C2 、C5 、C7 、C9 、C12、C14、C16、C18、C20、C23、C25、C27、C29、C31、C33、C35・・・の各項の係数を0にすることによって可能である。
In general, the free-form surface does not have a symmetric surface in both the XZ cross section and the YZ cross section, but in the present invention, by setting all odd-order terms of X to 0, there is one symmetric surface parallel to the YZ cross section. It becomes only a free-form surface. For example, in the above defining
また、Yの奇数次項を全て0にすることによって、XZ断面と平行な対称面が1つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式においては、C3 、C5 、C8 、C10、C12、C14、C17、C19、C21、C23、C25、C27、C30、C32、C34、C36・・・の各項の係数を0にすることによって可能である。 Further, by setting all odd-numbered terms of Y to 0, a free-form surface having only one symmetry plane parallel to the XZ section is obtained. For example, in the above definition formula, C 3 , C 5 , C 8 , C 10 , C 12 , C 14 , C 17 , C 19 , C 21 , C 23 , C 25 , C 27 , C 30 , C 32 , This is possible by setting the coefficient of each term of C 34 , C 36 .
また、上記対称面の方向の何れか一方を対称面とし、それに対応する方向の偏心、例えば、YZ断面と平行な対称面に対して光学系の偏心方向はY軸方向に、XZ断面と平行な対称面に対しては光学系の偏心方向はX軸方向にすることで、偏心により発生する回転非対称な収差を効果的に補正しながら同時に製作性をも向上させることが可能となる。 Further, any one of the directions of the symmetry plane is a symmetry plane, and the eccentricity in the corresponding direction, for example, the eccentric direction of the optical system is parallel to the Y-axis direction and parallel to the XZ section with respect to the symmetry plane parallel to the YZ section By making the decentering direction of the optical system in the X axis direction with respect to such a symmetrical plane, it becomes possible to improve the manufacturability at the same time while effectively correcting the rotationally asymmetric aberration caused by the decentering.
また、上記定義式(a)は、前述のように1つの例として示したものであり、本発明の自由曲面は、対称面を1面のみ有する回転非対称な面を用いることで偏心により発生する回転非対称な収差を補正し、同時に製作性も向上させるということが特徴であり、他のいかなる定義式に対しても同じ効果が得られることは言うまでもない。 The definition formula (a) is shown as an example as described above, and the free curved surface of the present invention is generated by eccentricity by using a rotationally asymmetric surface having only one symmetric surface. It is characterized by correcting rotationally asymmetric aberrations and improving the manufacturability at the same time, and it goes without saying that the same effect can be obtained for any other defining formula.
実施例1について説明する。図3は、実施例1の光学系、及び、その周辺構成についてYZ断面における断面を示した図、図4は、実施例1の光学系、及び、その周辺構成についてXZ断面における平面図である。また、図5及び図6は光学系全体の横収差図であり、図7は像歪みを示す図である。 Example 1 will be described. FIG. 3 is a diagram showing a cross section of the optical system of Example 1 and its peripheral configuration in the YZ section, and FIG. 4 is a plan view of the optical system of Example 1 and its peripheral structure in the XZ section. . 5 and 6 are lateral aberration diagrams of the entire optical system, and FIG. 7 is a diagram showing image distortion.
実施例1の投影光学装置は、二次元からなる映像表示素子に表示された映像を投影する投影光学系13と、投影光学系13に対して偏心し、投影光学系13の投影した映像が投影される曲面からなるスクリーン11と、を備えた投影光学装置において、投影光学系13から投影された映像を反射しスクリーン11へ投影する曲面からなる反射面12を含む補正光学系12を有し、投影光学系13からスクリーン11へ向かう光束の中心主光線Cを含む面をYZ断面、YZ断面に対して直交すると共に中心主光線Cがスクリーン11と交差する投影中心SOと投影中心SOでのスクリーン11の垂線A1を含む面をXZ断面とし、スクリーン11は、XZ断面102内でスクリーン11の原点O側に凹面を向け、反射面12は、XZ断面と平行な面内でスクリーン11側に凸面を向けている。
The projection optical apparatus according to the first embodiment projects the image displayed on the two-dimensional image display element, the projection
また、反射面12aは、YZ断面に平行な面におけるパワーとXZ断面に平行な面におけるパワーが異なり、補正光学系12は、光軸に対して回転非対称な光学素子12bをさらに有する。
Further, the reflecting
スクリーン11は、回転中心軸11aを中心とし、XZ断面内で曲率を有する反射面である。また、ミラー12aは、スクリーン11とは曲率半径の長さと中心位置が異なる、XZ断面内で曲率を有する反射面である。
The
スクリーン11の投影中心SOと座標原点Oを結ぶ線A1は、投影光学系13における理想レンズ13aの中心軸A2及び映像表示素子13bの中心軸A3に対してY軸方向に偏心させた配置となっている。また、中心主光線Cがミラー12aで反射する点を反射中心ROとすると、反射中心ROのY軸方向の位置は、線A1と中心軸A2及び中心軸A3との間に配置されている。その結果、投影光学系13からミラー12aに斜めに投影される投影像は、ミラー12aで反射しスクリーン11に投影されて投影像となり観察者に観察される。
A line A1 connecting the projection center SO of the
また、図3及び図4には、破線で囲まれた部分の拡大図が合わせて図示されている。投影光学系13は、LCDなど映像を表示する映像表示素子13b、理想レンズ13aを含んで構成されている。シリンドリカルレンズ12bのシリンドリカル面r4には、絞りが設けられている。
3 and 4 also show enlarged views of a portion surrounded by a broken line. The projection
図3に示すように、実施例1の投影光学系13の理想レンズ13aの中心軸A2は、映像表示素子13bの中心軸A3に対して偏心して配置されている。そのため、映像表示素子13bから照射された映像は、理想レンズ13aの周囲を用いて投影されることとなり、ちょうどシフトレンズを用いたと同様、偏心配置されたミラー12aに対して斜めに投影される。
As shown in FIG. 3, the central axis A2 of the
このように、映像表示素子13bをシフト偏心させて、斜め投影を行った場合にはディストーションの発生が無く好ましい。なお、投影光学系13を傾けてティルト配置させた場合には台形の像歪が発生するが、このような像歪は電子的に補正することが可能である。
As described above, it is preferable that the
実施例では、X軸方向に投影画角を拡大する手段として、ミラー12a(反射面)を用いることとしている。しかしながら、ミラー12aを用いたことで非点収差が発生し、スクリーン11上に形成する映像を劣化させてしまう。そこで、シリンドリカルレンズ12bからなる光学素子を用いて、この非点収差を補正している。
In the embodiment, the
逆光線追跡において、物体面としてのスクリーン11(r1)から射出した光束は、補正光学系12のミラー12a(r3)で反射され、絞りを設けたシリンドリカルレンズ12bのシリンドリカル面(r4)に入射する。その後、シリンドリカルレンズ12bを透過して反対側の面(r5)から射出した光束は、投影光学系13の理想レンズ13a(r6)に入射する。そして、理想レンズ13a(r6)を射出した光束は、映像表示素子13b(r7)の所定位置に達する。なお、座標原点Oをr2としている。
In the reverse ray tracing, the light beam emitted from the screen 11 (r1) as the object surface is reflected by the
実施例1のスクリーン11は、原点Oを中心位置に持つ半径1mの円筒面内側である。また、理想レンズ13の焦点距離は23mm、射出瞳径は15mmである。
The
図7は、実施例1の像歪みを示す図である。外側の略四辺形は最大像高の像面での歪みを表し、内側の略四辺形は最大像高×0.7の像面での歪みを表す。略四辺形の上辺と下辺が水平に近くなり、弓なりになる像歪みが補正されていることがわかる。 FIG. 7 is a diagram illustrating image distortion in the first embodiment. The outer approximate quadrilateral represents the distortion on the image plane with the maximum image height, and the inner approximate quadrilateral represents the distortion on the image plane with the maximum image height × 0.7. It can be seen that the upper and lower sides of the substantially quadrilateral are nearly horizontal, and the image distortion that forms a bow is corrected.
実施例2について説明する。図8は、実施例2の光学系、及び、その周辺構成についてYZ断面における断面を示した図、図9は、実施例2の光学系、及び、その周辺構成についてXZ断面における平面図である。また、図10及び図11は光学系全体の横収差図であり、図12は像歪みを示す図である。 Example 2 will be described. FIG. 8 is a diagram showing a cross section of the optical system of Example 2 and its peripheral configuration in the YZ section, and FIG. 9 is a plan view of the optical system of Example 2 and its peripheral structure in the XZ section. . 10 and 11 are lateral aberration diagrams of the entire optical system, and FIG. 12 is a diagram showing image distortion.
実施例2の投影光学装置は、二次元からなる映像表示素子に表示された映像を投影する投影光学系13と、投影光学系13に対して偏心し、投影光学系13の投影した映像が投影される曲面からなるスクリーン11と、を備えた投影光学装置において、投影光学系13から投影された映像を反射しスクリーン11へ投影する曲面からなる反射面12を含む補正光学系12を有し、投影光学系13からスクリーン11へ向かう光束の中心主光線Cを含む面をYZ断面、YZ断面に対して直交すると共に中心主光線Cがスクリーン11と交差する投影中心SOと投影中心SOでのスクリーン11の垂線A1を含む面をXZ断面とし、スクリーン11は、XZ断面内でスクリーン11の原点O側に凹面を向け、反射面12は、XZ断面と平行な面内でスクリーン11側に凸面を向けている。
The projection optical apparatus according to the second embodiment has a projection
また、反射面12aは、YZ断面に平行な面におけるパワーとXZ断面に平行な面におけるパワーが異なり、補正光学系12は、光軸に対して回転非対称な光学素子12bをさらに有する。
Further, the reflecting
スクリーン11は、回転中心軸11aを中心とし、XZ断面内で曲率を有する反射面である。また、ミラー12aは、スクリーン11とは曲率半径の長さと中心位置が異なる、XZ断面内で曲率を有する反射面である。
The
スクリーン11の投影中心SOと座標原点Oを結ぶ線A1は、投影光学系13における理想レンズ13aの中心軸A2及び映像表示素子13bの中心軸A3に対してY軸方向に偏心させた配置となっている。また、中心主光線Cがミラー12aで反射する点を反射中心ROとすると、反射中心ROのY軸方向の位置は、線A1と中心軸A2及び中心軸A3との間に配置されている。その結果、投影光学系13からミラー12aに斜めに投影される投影像は、ミラー12aで反射しスクリーン11に投影されて投影像となり観察者に観察される。
A line A1 connecting the projection center SO of the
また、図8及び図9には、破線で囲まれた部分の拡大図が合わせて図示されている。投影光学系13は、LCDなど映像を表示する映像表示素子13b、理想レンズ13aを含んで構成されている。また、シリンドリカルレンズ12bのシリンドリカル面r4には、絞りが設けられている。
8 and 9 also show enlarged views of a portion surrounded by a broken line. The projection
図8に示すように、実施例2の投影光学系13の理想レンズ13aの中心軸A2は、映像表示素子13bの中心軸A3に対して偏心して配置されている。そのため、映像表示素子13bから照射された映像は、理想レンズ13aの周囲を用いて投影されることとなり、ちょうどシフトレンズを用いたと同様、偏心配置されたミラー12aに対して斜めに投影される。
As shown in FIG. 8, the central axis A2 of the
このように、映像表示素子13bをシフト偏心させて、斜め投影を行った場合にはディストーションの発生が無く好ましい。なお、投影光学系13を傾けてティルト配置させた場合には台形の像歪が発生するが、このような像歪は電子的に補正することが可能である。
As described above, it is preferable that the
実施例2では、X軸方向に投影画角を拡大する手段として、ミラー12a(反射面)を用いることとしている。しかしながら、ミラー12aを用いたことで非点収差が発生し、スクリーン11上に形成する映像を劣化させてしまう。そこで、シリンドリカルレンズ12bからなる第2の光学素子を用いて、この非点収差を補正している。
In the second embodiment, the
逆光線追跡において、物体面としてのスクリーン11(r1)から射出した光束は、補正光学系12のミラー12a(r3)で反射され、絞りを設けたシリンドリカルレンズ12bのシリンドリカル面(r4)に入射する。その後、シリンドリカルレンズ12bを透過して反対側の面(r5)から射出した光束は、投影光学系13の理想レンズ13a(r6)に入射する。そして、理想レンズ13a(r6)を射出した光束は、映像表示素子13b(r7)の所定位置に達する。なお、座標原点Oをr2としている。
In the reverse ray tracing, the light beam emitted from the screen 11 (r1) as the object surface is reflected by the
実施例2のスクリーン11は、原点Oを中心位置に持つ半径180mmの円筒面内側である。また、理想レンズ13の焦点距離は23mm、射出瞳径は5mmである。
The
図12は、実施例2の像歪みを示す図である。外側の略四辺形は最大像高の像面での歪みを表し、内側の略四辺形は最大像高×0.7の像面での歪みを表す。略四辺形の上辺と下辺が水平に近くなり、弓なりになる像歪みが補正されていることがわかる。 FIG. 12 is a diagram illustrating image distortion in the second embodiment. The outer approximate quadrilateral represents the distortion on the image plane with the maximum image height, and the inner approximate quadrilateral represents the distortion on the image plane with the maximum image height × 0.7. It can be seen that the upper and lower sides of the substantially quadrilateral are nearly horizontal, and the image distortion that forms a bow is corrected.
実施例3について説明する。図13は、実施例3の光学系、及び、その周辺構成についてYZ断面における断面を示した図、図14は、実施例3の光学系、及び、その周辺構成についてXZ断面における平面図である。また、図15及び図16は光学系全体の横収差図であり、図17は像歪みを示す図である。 Example 3 will be described. FIG. 13 is a diagram showing a cross section of the optical system of Example 3 and its peripheral configuration in the YZ section, and FIG. 14 is a plan view of the optical system of Example 3 and its peripheral structure in the XZ section. . 15 and 16 are lateral aberration diagrams of the entire optical system, and FIG. 17 is a diagram showing image distortion.
実施例3の投影光学装置は、二次元からなる映像表示素子に表示された映像を投影する投影光学系13と、投影光学系13に対して偏心し、投影光学系13の投影した映像が投影される球面からなるスクリーン11と、を備えた投影光学装置において、投影光学系13から投影された映像を反射しスクリーン11へ投影する球面からなる反射面12を含む補正光学系12を有し、投影光学系13からスクリーン11へ向かう光束の中心主光線Cを含む面をYZ断面、YZ断面に対して直交すると共に中心主光線Cがスクリーン11と交差する投影中心SOと投影中心SOでのスクリーン11の垂線A1を含む面をXZ断面とし、スクリーン11は、XZ断面内でスクリーン11の原点O側に凹面を向け、反射面12は、XZ断面と平行な面内でスクリーン11側に凸面を向けている。
The projection optical apparatus according to the third embodiment projects the image displayed on the two-dimensional image display element, the projection
スクリーン11は、原点Oを中心とし、球面からなる反射面である。また、ミラー12aは、スクリーン11とは曲率半径の長さと中心位置が異なり、球面からなる反射面である。
The
スクリーン11の投影中心SOと座標原点Oを結ぶ線A1は、投影光学系13における理想レンズ13aの中心軸A2及び映像表示素子13bの中心軸A3に対してY軸方向に偏心させた配置となっている。また、中心主光線Cがミラー12aで反射する点を反射中心ROとすると、反射中心ROのY軸方向の位置は、線A1と中心軸A2との間に配置されている。その結果、投影光学系13からミラー12aに斜めに投影される投影像は、ミラー12aで反射しスクリーン11に投影されて投影像となり観察者に観察される。
A line A1 connecting the projection center SO of the
また、図13及び図14には、破線で囲まれた部分の拡大図が合わせて図示されている。投影光学系13は、LCDなど映像を表示する映像表示素子13b、理想レンズ13aを含んで構成されている。また、理想レンズ13aのミラー12a側には、絞りSが設けられている。
13 and 14 also show enlarged views of a portion surrounded by a broken line. The projection
図13に示すように、実施例3の投影光学系13の理想レンズ13aの中心軸A2は、映像表示素子13bの中心軸A3に対して偏心して配置されている。そのため、映像表示素子13bから照射された映像は、理想レンズ13aの周囲を用いて投影されることとなり、ちょうどシフトレンズを用いたと同様、偏心配置されたミラー12aに対して斜めに投影される。
As shown in FIG. 13, the central axis A2 of the
このように、映像表示素子13bをシフト偏心させて、斜め投影を行った場合にはディストーションの発生が無く好ましい。なお、投影光学系13を傾けてティルト配置させた場合には台形の像歪が発生するが、このような像歪は電子的に補正することが可能である。
As described above, it is preferable that the
実施例3では、X軸方向に投影画角を拡大する手段として、球面のミラー12a(反射面)を用いることとしている。球面のミラー12aを用いたことで非点収差を低減でき、他の実施例のような光学素子を用いることなく、スクリーン11上に映像を形成することが可能となる。
In the third embodiment, a
逆光線追跡において、物体面r1としてのスクリーン11から射出した光束は、補正光学系12のミラー12a(r3)で反射され、絞りS(r4)を通過し、投影光学系13の理想レンズ13a(r5)に入射する。そして、理想レンズ13a(r5)を射出した光束は、映像表示素子13b(r6)の所定位置に達する。なお、座標原点Oをr2としている。
In the reverse ray tracing, the light beam emitted from the
実施例3のスクリーン11は、原点Oを中心位置に持つ半径1mの球面内側である。また、理想レンズ13の焦点距離は23mm、射出瞳径は15mmである。
The
図17は、実施例3の像歪みを示す図である。外側の略四辺形は最大像高の像面での歪みを表し、内側の略四辺形は最大像高×0.7の像面での歪みを表す。弓なりになる像歪みが補正されていることがわかる。 FIG. 17 is a diagram illustrating image distortion in the third embodiment. The outer approximate quadrilateral represents the distortion on the image plane with the maximum image height, and the inner approximate quadrilateral represents the distortion on the image plane with the maximum image height × 0.7. It can be seen that the image distortion that becomes a bow is corrected.
実施例4について説明する。図18は、実施例4の光学系、及び、その周辺構成についてYZ断面における断面を示した図、図19は、実施例4の光学系、及び、その周辺構成についてXZ断面における平面図である。また、図20及び図21は光学系全体の横収差図であり、図22は像歪みを示す図である。 Example 4 will be described. 18 is a diagram showing a cross section of the optical system of Example 4 and its peripheral configuration in the YZ section, and FIG. 19 is a plan view of the optical system of Example 4 and its peripheral structure in the XZ section. . 20 and 21 are lateral aberration diagrams of the entire optical system, and FIG. 22 is a diagram showing image distortion.
実施例4の投影光学装置は、二次元からなる映像表示素子に表示された映像を投影する投影光学系13と、投影光学系13に対して偏心し、投影光学系13の投影した映像が投影される自由曲面からなるスクリーン11と、を備えた投影光学装置において、投影光学系13から投影された映像を反射しスクリーン11へ投影する自由曲面からなる反射面12を含む補正光学系12を有し、投影光学系13からスクリーン11へ向かう光束の中心主光線Cを含む面をYZ断面、YZ断面に対して直交すると共に中心主光線Cがスクリーン11と交差する投影中心SOと投影中心SOでのスクリーン11の垂線A1を含む面をXZ断面とし、スクリーン11は、XZ断面内でスクリーン11の原点O側に凹面を向け、反射面12は、XZ断面と平行な面内でスクリーン11側に凸面を向けている。
The projection optical apparatus according to the fourth embodiment projects the image displayed on the two-dimensional image display element, the projection
また、反射面12aは、YZ断面に平行な面におけるパワーとXZ断面に平行な面におけるパワーが異なり、補正光学系12は、光軸に対して回転非対称な光学素子12bをさらに有する。
Further, the reflecting
スクリーン11は、回転中心軸11aを中心とし、XZ断面内で曲率を有する反射面である。また、第1の自由曲面ミラー12aは、回転非対称な反射面である。
The
スクリーン11の投影中心SOと座標原点Oを結ぶ線A1は、投影光学系13における理想レンズ13a及び映像表示素子13bの中心軸A2に対してY軸方向に偏心させた配置となっている。また、中心主光線Cが第1の自由曲面ミラー12aで反射する点を第1の反射中心RO1とすると、第1の反射中心RO1のY軸方向の位置は、線A1と中心軸A2との間に配置されている。また、中央主光線Cが第2の自由曲面ミラー12bで反射する点を第2の反射中心RO2とすると、第2の反射中心RO2のY軸方向の位置は、第1の反射中心RO1と中心軸A2との間に配置されている。その結果、投影光学系13から第2の自由曲面ミラー12bに斜めに投影される投影像は、第2の自由曲面ミラー12aで反射し、第1の自由曲面ミラー12aで反射し、スクリーン11に投影されて投影像となり観察者に観察される。
A line A1 connecting the projection center SO of the
また、図18及び図19には、破線で囲まれた部分の拡大図が合わせて図示されている。投影光学系13は、LCDなど映像を表示する映像表示素子13b、理想レンズ13aを含んで構成されている。また、第2の自由曲面ミラー12bと理想レンズ13aとの間には、絞りSが設けられている。
18 and 19 also show enlarged views of a portion surrounded by a broken line. The projection
図18に示すように、実施例4の投影光学系13の理想レンズ13aの中心軸A2は、映像表示素子13bの中心軸A3に対して偏心して配置されている。そのため、映像表示素子13bから照射された映像は、理想レンズ13aの周囲を用いて投影されることとなり、ちょうどシフトレンズを用いたと同様、偏心配置された第2の自由曲面ミラー12bに対して斜めに投影される。また、第2の自由曲面ミラー12bで反射された映像は、第1の自由曲面ミラー12aに対して斜めに投影される。
As shown in FIG. 18, the central axis A2 of the
このように、映像表示素子13bをシフト偏心させて、斜め投影を行った場合にはディストーションの発生が無く好ましい。なお、投影光学系13を傾けてティルト配置させた場合には台形の像歪が発生するが、このような像歪は電子的に補正することが可能である。
As described above, it is preferable that the
実施例4では、X軸方向に投影画角を拡大する手段として、第1の自由曲面ミラー12a(反射面)を用いることとしている。しかしながら、第1の自由曲面ミラー12aを用いたことで非点収差が発生し、スクリーン11上に形成する映像を劣化させてしまう。そこで、第2の自由曲面ミラー12bからなる光学素子を用いて、この非点収差と台形の歪みを補正している。
In the fourth embodiment, the first free-form
逆光線追跡において、物体面としてのスクリーン11(r1)から射出した光束は、補正光学系12の第1の自由曲面ミラー12a(r3)で反射され、第2の自由曲面ミラー12b(r4)で反射され、絞りS(r5)を通過して、投影光学系13の理想レンズ13a(r6)に入射する。そして、理想レンズ13a(r6)を射出した光束は、映像表示素子13b(r7)の所定位置に達する。なお、座標原点Oをr2としている。
In the reverse ray tracing, the light beam emitted from the screen 11 (r1) as the object surface is reflected by the first free-
実施例4のスクリーン11は、原点Oを中心位置に持つ半径2mの円筒面内側である。また、理想レンズ13の焦点距離は50mm、射出瞳径は15mmである。
The
図22は、実施例4の像歪みを示す図である。外側の略四辺形は最大像高の像面での歪みを表し、内側の略四辺形は最大像高×0.7の像面での歪みを表す。略四辺形の上辺と下辺が水平になり、像歪みが補正されていることがわかる。 FIG. 22 is a diagram illustrating image distortion in the fourth embodiment. The outer approximate quadrilateral represents the distortion on the image plane with the maximum image height, and the inner approximate quadrilateral represents the distortion on the image plane with the maximum image height × 0.7. It can be seen that the upper and lower sides of the substantially quadrilateral are horizontal and the image distortion is corrected.
実施例5について説明する。図23は、実施例5の光学系、及び、その周辺構成についてYZ断面における断面を示した図、図24は、実施例5の光学系、及び、その周辺構成についてXZ断面における平面図である。また、図25及び図26は光学系全体の横収差図であり、図27は像歪みを示す図である。 Example 5 will be described. FIG. 23 is a view showing a cross section in the YZ section of the optical system of Example 5 and its peripheral configuration, and FIG. 24 is a plan view of the optical system of Example 5 and its peripheral structure in the XZ section. . 25 and 26 are lateral aberration diagrams of the entire optical system, and FIG. 27 is a diagram showing image distortion.
実施例5の投影光学装置は、二次元からなる映像表示素子に表示された映像を投影する投影光学系13と、投影光学系13に対して偏心し、投影光学系13の投影した映像が投影される球面からなるスクリーン11と、を備えた投影光学装置において、投影光学系13から投影された映像を反射しスクリーン11へ投影する自由曲面からなる反射面12aを含む補正光学系12を有し、投影光学系13からスクリーン11へ向かう光束の中心主光線Cを含む面をYZ断面、YZ断面に対して直交すると共に中心主光線Cがスクリーン11と交差する投影中心SOと投影中心SOでのスクリーン11の垂線A1を含む面をXZ断面とし、スクリーン11は、XZ断面内でスクリーン11の原点O側に凹面を向け、反射面12は、XZ断面と平行な面内でスクリーン11側に凸面を向けている。
The projection optical apparatus according to the fifth embodiment projects the image displayed on the two-dimensional image display element, the projection
スクリーン11は、原点Oを中心とし、球面からなる反射面である。また、ミラー12aは、スクリーン11とは曲率半径の長さと中心位置が異なり、自由曲面からなる反射面である。
The
スクリーン11の投影中心SOと座標原点Oを結ぶ線A1は、投影光学系13における理想レンズ13a及び映像表示素子13bの中心軸A2に対してY軸方向に偏心させた配置となっている。また、中心主光線Cがミラー12aで反射する点を反射中心ROとすると、反射中心ROのY軸方向の位置は、絞りSの開口中心とスクリーン11のスクリーン中心での垂線A1との間に配置されている。その結果、投影光学系13からミラー12aに斜めに投影される投影像は、ミラー12aで反射しスクリーン11に投影されて投影像となり観察者に観察される。
A line A1 connecting the projection center SO of the
また、図13及び図14には、破線で囲まれた部分の拡大図が合わせて図示されている。投影光学系13は、LCDなど映像を表示する映像表示素子13b、理想レンズ13aを含んで構成されている。また、理想レンズ13aのミラー12a側には、絞りSが設けられている。
13 and 14 also show enlarged views of a portion surrounded by a broken line. The projection
図13に示すように、実施例5の投影光学系13の理想レンズ13a及び映像表示素子13bの中心軸A2は、斜めに配置されている。そのため、映像表示素子13bから照射された映像は、理想レンズ13aを用いて投影されることとなり、偏心配置されたミラー12aに対して斜めに投影される。
As shown in FIG. 13, the
なお、投影光学系13を傾けてティルト配置させた場合には台形の像歪が発生するが、このような像歪は電子的に補正することが可能である。
Note that when the projection
実施例5では、X軸方向に投影画角を拡大する手段として、自由曲面のミラー12a(反射面)を用いることとしている。自由曲面のミラー12aを用いたことで非点収差を低減でき、他の実施例のような光学素子を用いることなく、スクリーン11上に映像を形成することが可能となる。
In the fifth embodiment, a free-
逆光線追跡において、物体面r1としてのスクリーン11から射出した光束は、補正光学系12のミラー12a(r3)で反射され、絞りS(r4)を通過し、投影光学系13の理想レンズ13a(r5)に入射する。そして、理想レンズ13a(r5)を射出した光束は、映像表示素子13b(r6)の所定位置に達する。なお、座標原点Oをr2としている。
In the reverse ray tracing, the light beam emitted from the
実施例5のスクリーン11は、原点Oを中心位置に持つ半径1mの球面内側である。また、理想レンズ13の焦点距離は17mm、射出瞳径は10mmである。
The
図17は、実施例5の像歪みを示す図である。外側の略四辺形は最大像高の像面での歪みを表し、内側の略四辺形は最大像高×0.7の像面での歪みを表す。弓なりになる像歪みと台形の歪みが補正されていることがわかる。 FIG. 17 is a diagram illustrating image distortion in the fifth embodiment. The outer approximate quadrilateral represents the distortion on the image plane with the maximum image height, and the inner approximate quadrilateral represents the distortion on the image plane with the maximum image height × 0.7. It can be seen that the bow-shaped image distortion and the trapezoidal distortion are corrected.
以下に、上記実施例1〜5の構成パラメータを示す。なお、以下の表中の“FFS”は自由曲面を示す。
The configuration parameters of Examples 1 to 5 are shown below. In the table below, “FFS” indicates a free-form surface.
実施例1
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
r1(物体面) シリンドリカル面[1] 1000.00
r2(座標原点) ∞ 0.00
r3 シリンドリカル面[2] 0.00 偏心(1)
r4(絞り) シリンドリカル面[3] 0.00 偏心(2) 1.5163 64.1
r5 ∞ 0.00 偏心(3)
r6 理想レンズ 0.00 偏心(4)
r7(像面) ∞ 0.00 偏心(5)
シリンドリカル面[1]
X方向曲率半径 1000.00
Y方向曲率半径 ∞
シリンドリカル面[2]
X方向曲率半径 455.24
Y方向曲率半径 ∞
シリンドリカル面[3]
X方向曲率半径 -1380.77
Y方向曲率半径 ∞
偏心[1]
X 0.00 Y 223.26 Z -250.61
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
X 0.00 Y 400.00 Z -843.83
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
X 0.00 Y 400.00 Z -848.83
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
X 0.00 Y 400.00 Z -871.83
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
X 0.00 Y 406.85 Z -895.33
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Example 1
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentric Refractive index Abbe number
r1 (object surface) Cylindrical surface [1] 1000.00
r2 (coordinate origin) ∞ 0.00
r3 Cylindrical surface [2] 0.00 Eccentricity (1)
r4 (diaphragm) Cylindrical surface [3] 0.00 Eccentricity (2) 1.5163 64.1
r5 ∞ 0.00 Eccentricity (3)
r6 Ideal lens 0.00 Eccentricity (4)
r7 (image plane) ∞ 0.00 Eccentricity (5)
Cylindrical surface [1]
X direction radius of curvature 1000.00
Y direction radius of curvature ∞
Cylindrical surface [2]
X direction radius of curvature 455.24
Y direction radius of curvature ∞
Cylindrical surface [3]
X direction radius of curvature -1380.77
Y direction radius of curvature ∞
Eccentric [1]
X 0.00 Y 223.26 Z -250.61
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [2]
X 0.00 Y 400.00 Z -843.83
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [3]
X 0.00 Y 400.00 Z -848.83
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [4]
X 0.00 Y 400.00 Z -871.83
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [5]
X 0.00 Y 406.85 Z -895.33
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
実施例2
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
r1(物体面) シリンドリカル面[1] 180.00
r2(座標原点) ∞ 0.00
r3 シリンドリカル面[2] 0.00 偏心(1)
r4(絞り) シリンドリカル面[3] 0.00 偏心(2) 1.5163 64.1
r5 ∞ 0.00 偏心(3)
r6 理想レンズ 0.00 偏心(4)
r7(像面) ∞ 0.00 偏心(5)
シリンドリカル面[1]
X方向曲率半径 180.00
Y方向曲率半径 ∞
シリンドリカル面[2]
X方向曲率半径 48.32
Y方向曲率半径 ∞
シリンドリカル面[3]
X方向曲率半径 -89.75
Y方向曲率半径 ∞
偏心[1]
X 0.00 Y 56.43 Z -36.10
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
X 0.00 Y 80.00 Z -96.19
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
X 0.00 Y 80.00 Z -101.19
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
X 0.00 Y 80.00 Z -124.19
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
X 0.00 Y 89.04 Z -150.48
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Example 2
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentric Refractive index Abbe number
r1 (object surface) Cylindrical surface [1] 180.00
r2 (coordinate origin) ∞ 0.00
r3 Cylindrical surface [2] 0.00 Eccentricity (1)
r4 (diaphragm) Cylindrical surface [3] 0.00 Eccentricity (2) 1.5163 64.1
r5 ∞ 0.00 Eccentricity (3)
r6 Ideal lens 0.00 Eccentricity (4)
r7 (image plane) ∞ 0.00 Eccentricity (5)
Cylindrical surface [1]
X direction radius of curvature 180.00
Y direction radius of curvature ∞
Cylindrical surface [2]
X direction radius of curvature 48.32
Y direction radius of curvature ∞
Cylindrical surface [3]
X direction radius of curvature -89.75
Y direction radius of curvature ∞
Eccentric [1]
X 0.00 Y 56.43 Z -36.10
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [2]
X 0.00 Y 80.00 Z -96.19
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [3]
X 0.00 Y 80.00 Z -101.19
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [4]
X 0.00 Y 80.00 Z -124.19
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [5]
X 0.00 Y 89.04 Z -150.48
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
実施例3
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
r1(物体面) 1000.00 1000.00
r2(座標原点) ∞ 0.00
r3 931.25 0.00 偏心(1)
r4(絞り) ∞ 0.00 偏心(2)
r5 理想レンズ 0.00 偏心(3)
r6(像面) ∞ 0.00 偏心(4)
偏心[1]
X 0.00 Y 244.23 Z -343.86
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
X 0.00 Y 550.00 Z-1165.35
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
X 0.00 Y 550.00 Z-1188.35
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
X 0.00 Y 558.58 Z-1211.88
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Example 3
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentric Refractive index Abbe number
r1 (object surface) 1000.00 1000.00
r2 (coordinate origin) ∞ 0.00
r3 931.25 0.00 Eccentricity (1)
r4 (diaphragm) ∞ 0.00 Eccentricity (2)
r5 Ideal lens 0.00 Eccentricity (3)
r6 (image plane) ∞ 0.00 Eccentricity (4)
Eccentric [1]
X 0.00 Y 244.23 Z -343.86
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [2]
X 0.00 Y 550.00 Z-1165.35
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [3]
X 0.00 Y 550.00 Z-1188.35
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [4]
X 0.00 Y 558.58 Z-1211.88
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
実施例4
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
r1(物体面) シリンドリカル面[1] 2000.00
r2(座標原点) ∞ 0.00
r3 FFS[1] 0.00 偏心(1)
r4 FFS[2] 0.00 偏心(2)
r5(絞り) ∞ 0.00 偏心(3)
r6 理想レンズ 0.00 偏心(4)
r7(像面) ∞ 0.00 偏心(5)
シリンドリカル面[1]
X方向曲率半径 1000.00
Y方向曲率半径 ∞
FFS[1]
C4 2.5976E-003 C6 2.8258E-005 C8 -1.0779E-007
C10 3.4901E-009 C11 4.6733E-008 C13 1.7474E-009
FFS[2]
C4 3.9474E-004 C6 8.9780E-005 C8 -3.5485E-007
C10 -1.2841E-007
偏心[1]
X 0.00 Y 400.00 Z -100.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
X 0.00 Y 577.78 Z -500.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
X 0.00 Y 600.00 Z -450.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
X 0.00 Y 600.00 Z -400.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
X 0.00 Y 622.31 Z -348.73
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Example 4
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentric Refractive index Abbe number
r1 (object surface) Cylindrical surface [1] 2000.00
r2 (coordinate origin) ∞ 0.00
r3 FFS [1] 0.00 Eccentricity (1)
r4 FFS [2] 0.00 Eccentricity (2)
r5 (diaphragm) ∞ 0.00 Eccentricity (3)
r6 Ideal lens 0.00 Eccentricity (4)
r7 (image plane) ∞ 0.00 Eccentricity (5)
Cylindrical surface [1]
X direction radius of curvature 1000.00
Y direction radius of curvature ∞
FFS [1]
C4 2.5976E-003 C6 2.8258E-005 C8 -1.0779E-007
C10 3.4901E-009 C11 4.6733E-008 C13 1.7474E-009
FFS [2]
C4 3.9474E-004 C6 8.9780E-005 C8 -3.5485E-007
C10 -1.2841E-007
Eccentric [1]
X 0.00 Y 400.00 Z -100.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [2]
X 0.00 Y 577.78 Z -500.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [3]
X 0.00 Y 600.00 Z -450.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [4]
X 0.00 Y 600.00 Z -400.00
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [5]
X 0.00 Y 622.31 Z -348.73
α 0.00 β 0.00 γ 0.00
実施例5
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
r1(物体面) 球面[1] 2000.00
r2(座標原点) ∞ 0.00
r3 FFS[1] 0.00 偏心(1)
r4(絞り) ∞ 0.00 偏心(2)
r5 理想レンズ 0.00 偏心(3)
r6(像面) ∞ 0.00 偏心(4)
球面[1]
曲率半径 1000.00
FFS[1]
R 400
C8 3.1203e-006 C10 2.4651e-006
偏心[1]
X 0.00 Y 285.05 Z -44.69
α -9.02 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
X 0.00 Y 507.02 Z -365.72
α -34.66 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
X 0.00 Y 516.69 Z -379.70
α -34.66 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
X 0.00 Y 526.36 Z -393.68
α -34.66 β 0.00 γ 0.00
Example 5
Surface number Curvature radius Surface spacing Eccentric Refractive index Abbe number
r1 (object surface) spherical surface [1] 2000.00
r2 (coordinate origin) ∞ 0.00
r3 FFS [1] 0.00 Eccentricity (1)
r4 (diaphragm) ∞ 0.00 Eccentricity (2)
r5 Ideal lens 0.00 Eccentricity (3)
r6 (image plane) ∞ 0.00 Eccentricity (4)
Spherical [1]
Curvature radius 1000.00
FFS [1]
R 400
C8 3.1203e-006 C10 2.4651e-006
Eccentric [1]
X 0.00 Y 285.05 Z -44.69
α -9.02 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [2]
X 0.00 Y 507.02 Z -365.72
α -34.66 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [3]
X 0.00 Y 516.69 Z -379.70
α -34.66 β 0.00 γ 0.00
Eccentric [4]
X 0.00 Y 526.36 Z -393.68
α -34.66 β 0.00 γ 0.00
次に、各実施例における円筒スクリーンへ入射する中心主光線の角度a、並びに条件式(1)〜(7)の値を示す。
Next, the angle a of the central chief ray incident on the cylindrical screen in each embodiment and the values of conditional expressions (1) to (7) are shown.
実施例1 実施例2 実施例3 実施例4 実施例5
(1)z/R1 0.55 0.75 0.37 0.39 -0.11
(2)α 16.59 21.41 20.42 23.42 16.61
(3)L2/L1 0.11 1.51 3.00
(4)αsr 0.00 0.00 0.00 0.00 -9.02
(5)Rs 1000 180 1000 2000 1000
(6)R1 455.24 48.32 931.25 384.97 400.00
(7)αs 160.00 155.00 118.00 149.0 121.73
Example 1 Example 2 Example 3 Example 4 Example 5
(1) z / R1 0.55 0.75 0.37 0.39 -0.11
(2) α 16.59 21.41 20.42 23.42 16.61
(3) L2 / L1 0.11 1.51 3.00
(4) αsr 0.00 0.00 0.00 0.00 -9.02
(5) Rs 1000 180 1000 2000 1000
(6) R1 455.24 48.32 931.25 384.97 400.00
(7) αs 160.00 155.00 118.00 149.0 121.73
図28は、本発明の実施形態に係る光学系、及び、その周辺構成について、YZ断面における断面、並びに、観察者による観察の様子を示した図である。 FIG. 28 is a diagram showing a cross section in the YZ cross section and a state of observation by the observer, regarding the optical system according to the embodiment of the present invention and its peripheral configuration.
構成、並びに、光線については図18で示した実施例4と同様である。本実施形態の装置において、観察者は例えば、図示するように着座した状況で観察が行われる。観察上、着座状態で観察者の視線方向が、Z軸に沿うようにすることが好ましい。そのため、プロジェクター等の投影光学系13、補正光学系12を可動式にし、着座の状態に応じて位置を変更可能とすることで、着座状況に応じて観察しやすい投影像を提供することが可能となる。また、リクライニング式の可動シートなどにおいては、リクライニングの角度に応じて、装置全体を傾ける構成としてもよい。
The configuration and light rays are the same as those in the fourth embodiment shown in FIG. In the apparatus of the present embodiment, the observer is observed in a situation where the observer is seated as illustrated, for example. For observation, it is preferable that the line-of-sight direction of the observer is in the sitting state along the Z axis. Therefore, by making the projection
このように、本実施形態の光学系を用いた装置によれば、観察者が着座した状態などにおいて没入感のある投影像を提供することが可能となる。さらに、スクリーン11に、歪みが抑えられるとともに、全面でピントがあった高解像の投影像を投影することが可能となる。
Thus, according to the apparatus using the optical system of the present embodiment, it is possible to provide an immersive projection image in a state where an observer is seated. Furthermore, it is possible to project a high-resolution projection image on the
次に、反射面としてのミラー12aについて説明する。
Next, the
図29はミラー12aの実施例1の湾曲前の状態を示す図、図30はミラーの実施例1を示す図である。補正光学系12のミラー12aの実施例1は、図29に示すような平面鏡を、図30に示すように、湾曲させて鏡台20に固定して形成する。
FIG. 29 is a diagram illustrating a state of the
平面鏡を湾曲させて形成することで、安価で容易に製作することが可能となる。また、平面鏡は面の粗さを少なく、滑らかに製作できるので、コントラストの良い投影像をえることが可能となる。 By forming the plane mirror by bending it, it becomes possible to manufacture it inexpensively and easily. Further, since the plane mirror can be manufactured smoothly with less surface roughness, it is possible to obtain a projected image with good contrast.
また、ミラー12aを湾曲させる際には、図1に示した座標系において、YZ断面では直線で、XZ断面と平行な面内では一方に凸形状の曲面となるように形成するとよい。
Further, when the
YZ断面では投影光学系のYZ断面の画角をそのままミラー12aで反射し、XZ断面ではミラー12aの負のパワーにより、XZ断面にあたる横方向に拡大して投影することとなり、水平画角180°近い画角を得ることが可能となる。
In the YZ section, the angle of view of the YZ section of the projection optical system is reflected as it is by the
また、ミラー12aは裏面鏡で形成してもよい。ミラー12aを裏面鏡で形成する場合、図30に示すミラー12aの裏面12a1を反射コーティングする。
Further, the
例えば、ミラー12aがプラスチック等の素材の場合、表面にアルミコート等の反射作用を有する面を配置すると、面の汚れによりコーティングが剥がれやすくなり、耐久性に問題がある。裏面鏡とすることで、この耐久性を飛躍的に向上させることが可能となる。
For example, in the case where the
また、ミラー12aを湾曲させる際には、図1に示した座標系において、XZ断面と平行な面内で懸垂曲線となるように形成してもよい。
Further, when the
懸垂曲線にすることにより、XZ断面において両端の画角の光線が当たる位置での曲率変化を少なくすることが可能となり、台形に発生する像歪みを小さくすることが可能となる。 By using a catenary curve, it is possible to reduce the curvature change at the positions where the light rays having the angles of view at both ends in the XZ cross section strike, and to reduce the image distortion generated in the trapezoid.
また、ミラー12aの形状を、XZ断面と平行な面内において以下の式(8)で近似した場合、以下の式(9)を満足する曲面で形成してもよい。
Z=cX2/[1+{1−(1+k)c2X2}1/2] (8)
−1 < k < 0 (9)
ただし、ZはZ座標、
XはX座標、
cは面頂での曲率、
kは非球面係数
である。
Further, when the shape of the
Z = cX 2 / [1+ { 1- (1 + k) c 2 X 2} 1/2] (8)
−1 <k <0 (9)
Where Z is the Z coordinate,
X is the X coordinate,
c is the curvature at the top,
k is an aspheric coefficient.
一般に、懸垂曲線は次の式(10)で定義される。
Y=acosh(x/a) (10)
In general, the suspension curve is defined by the following equation (10).
Y = acosh (x / a) (10)
例えば、幅600mm、厚さ3mmのミラー12aの両端を528.82mmに湾曲させて固定した場合、式(10)におけるaは300となる。この懸垂曲線は、式(8)におけるc=1/300、k=−0.6921の非球面の式に近似することができる。
For example, when both ends of the
また、幅400mm、厚さ3mmのミラー12aの両端を352.55mmに湾曲させて固定した場合、式(10)におけるaは200となる。この懸垂曲線は、式(8)におけるc=1/200、k=−0.6894の非球面の式に近似することができる。
Further, when both ends of the
平面の裏面反射鏡をミラー12aとして湾曲させて、両端を鏡台20に固定させることにより、湾曲した形状は懸垂曲線となり、安定する。両端を固定することのみで懸垂曲線からなる反射面を形成することができ、製作が容易である。
By curving a flat rear surface reflecting mirror as the
また、非球面係数が式(9)を満足することにより、周辺の映像の像歪みを少なくすることが可能となる。式(9)の下限を下回ると、XZ断面方向の反射面周辺の曲率が小さくなり、結果として反射される投影像のXZ方向の大きさが小さくなる。式(9)の上限を上回ると、曲率が大きくなり、反射される投影像は大きく拡大されすぎてしまう。 Further, when the aspheric coefficient satisfies Expression (9), it is possible to reduce the image distortion of the surrounding video. If the lower limit of Expression (9) is not reached, the curvature around the reflection surface in the XZ cross-sectional direction becomes small, and as a result, the size of the projected image reflected in the XZ direction becomes small. If the upper limit of Expression (9) is exceeded, the curvature increases, and the reflected projected image is greatly enlarged.
図31はミラー12aの実施例2の湾曲前の状態を示す図、図32はミラーの実施例2を示す図である。補正光学系12のミラー12aの実施例2は、図31に示すような台形の平面鏡を、図32に示すように、湾曲させて形成する。
FIG. 31 is a diagram illustrating a state of the
ミラー12aの実施例2は、Y軸に沿う方向で投影光学系側に行くにしたがってXZ断面と平行な面内での曲率が強くなるように、台形の平面反射鏡であるミラー12aを湾曲させて形成する。
In the second embodiment of the
Y軸に沿う方向で投影光学系側に行くにしたがってXZ断面と平行な面内でのミラー12aの曲率を強くすることによって、台形に発生する像歪みを、ミラー12aの短辺側で長く、長辺側で短くすることが可能となる。したがって、ミラー12aの短辺と長辺の長さ及び曲率を適切に設定することにより、台形の像歪みを補正することが可能となる。
By increasing the curvature of the
図33はミラーの実施例3を示す図である。補正光学系12のミラー12aの実施例3は、図29に示すような平面鏡を、図33に示すように、湾曲させて形成する。
FIG. 33 shows a third embodiment of the mirror. In the third embodiment of the
ミラー12aの実施例3は、Y軸に沿う方向で投影光学系側に行くにしたがってXZ断面と平行な面内での曲率が強くなるように、湾曲させて固定した時の両端の間隔が投影光学系側で短くなるように平面反射鏡を湾曲させて形成する。長方形の平面反射鏡を湾曲させて固定した時の両端の間隔が投影光学系側で短くするには、平面反射鏡の端面の間隔を投影光学系側で短く、投影光学系と反対側で長くし、ハの字に固定する。
In the third embodiment of the
Y軸に沿う方向で投影光学系側に行くにしたがってXZ断面と平行な面内でのミラー12aの曲率を強くすることによって、台形に発生する像歪みを、ミラー12aの短辺側で長く、長辺側で短くすることが可能となる。したがって、ミラー12aの短辺と長辺の長さ及び曲率を適切に設定することにより、台形の像歪みを補正することが可能となる。
By increasing the curvature of the
図34は、反射面の実施例5を示す図である。補正光学系12のミラー12aの実施例5は、図34に示すように、平面部12a2と、真空成形により製作された球面形状の凸状反射面部12a3と、を有する。
FIG. 34 is a diagram illustrating Example 5 of the reflecting surface. As shown in FIG. 34, the fifth embodiment of the
真空成形により製作された球面形状の凸状反射面部12a3を形成することにより、安価に反射面を製作することが可能となる。 By forming the spherical convex reflection surface portion 12a3 manufactured by vacuum forming, the reflection surface can be manufactured at low cost.
図35は、反射面の実施例6を示す図である。補正光学系12のミラー12aの実施例6は、図35に示すように、平面部12a2と、真空成形により製作されたトーリック面の凸状反射面部12a4と、を有する。
FIG. 35 is a diagram illustrating Example 6 of the reflecting surface. As shown in FIG. 35, the sixth embodiment of the
真空成形により製作されたトーリック面の凸状反射面部12a4を形成することにより、縦横の拡大率を任意に選択することができ投影スクリーンの大きさに柔軟に対応することが可能となる。また、安価に反射面を製作することが可能となる。 By forming the convex reflection surface portion 12a4 of the toric surface manufactured by vacuum forming, the vertical and horizontal enlargement ratios can be arbitrarily selected, and the size of the projection screen can be flexibly supported. In addition, the reflecting surface can be manufactured at a low cost.
また、図35に示すように、凸状反射面部12a4を楕円に形成してもよい。楕円に形成することにより、長円側と短円側とで異なる曲率のトーリック面の凸状反射面部12a4を形成することが可能となり、縦横の拡大率を任意に選択することができ投影スクリーンの大きさに柔軟に対応することが可能となる。 Further, as shown in FIG. 35, the convex reflection surface portion 12a4 may be formed in an ellipse. By forming an ellipse, it is possible to form the convex reflection surface portion 12a4 having a toric surface having different curvatures on the ellipse side and the short circle side, and the enlargement / reduction ratio can be arbitrarily selected. It becomes possible to respond flexibly to the size.
図36は、反射面の実施例7を示す図である。補正光学系12のミラー12aの実施例7は、図34に示した平面部12a2と、真空成形により製作された球面形状の凸状反射面部12a3とを有するミラー12aを、図36に示すように、Y軸に沿う方向で投影光学系側に行くにしたがってXZ断面と平行な面内で曲率が強くなるように湾曲させ形成する。
FIG. 36 is a diagram illustrating Example 7 of the reflecting surface. As shown in FIG. 36, the seventh embodiment of the
なお、図35に示したトーリック面の凸状反射面部12a4を楕円に形成した実施例6に対して、Y軸に沿う方向で投影光学系側に行くにしたがってXZ断面と平行な面内で曲率が強くなるように湾曲させてもよい。 35. In contrast to Example 6 in which the convex reflection surface portion 12a4 of the toric surface shown in FIG. You may make it curve so that may become strong.
Y軸に沿う方向で投影光学系側に行くにしたがってXZ断面と平行な面内で曲率が強くなるように湾曲させることにより、XZ断面と平行な断面での曲率を投影光学系側で強く、反対側で弱くして、台形の像歪みを補正することが可能となる。 By curving so that the curvature increases in a plane parallel to the XZ section as it goes to the projection optical system side in the direction along the Y axis, the curvature in the section parallel to the XZ section is strong on the projection optical system side, It is possible to correct the trapezoidal image distortion by weakening on the opposite side.
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。 Although various embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and embodiments configured by appropriately combining the configurations of the respective embodiments also fall within the scope of the present invention. Is.
11…スクリーン、12…補正光学系、12a…反射面、12b…光学素子、13…投影光学系、13a…理想レンズ、13b…映像表示素子、O…座標原点(スクリーンの回転中心)
DESCRIPTION OF
Claims (22)
前記投影光学系から投影された映像を反射し前記スクリーンへ投影する曲面からなる反射面を含む補正光学系を有し、
前記投影光学系から前記スクリーンへ向かう光束の中心主光線を含む面をYZ断面、前記YZ断面に対して直交すると共に前記中心主光線が前記スクリーンと交差する投影中心と前記投影中心での前記スクリーンの垂線を含む面をXZ断面とし、
前記スクリーンは、前記XZ断面内で前記補正光学系側に凹面を向け、
前記反射面は、前記XZ断面と平行な面内で前記スクリーン側に凸面を向け、
以下の条件式(4)を満足することを特徴とする投影光学装置。
αsr < 20° (4)
ただし、
αsrは前記中心主光線が前記反射面に当たる位置での前記反射面の垂線と、前記中心主光線が前記スクリーンに当たる位置での前記スクリーンの垂線と、のなす角
である。 A projection optical system that projects an image displayed on a two-dimensional image display device; and a screen that is decentered with respect to the projection optical system and is formed of a curved surface onto which the image projected by the projection optical system is projected. In the projection optical device
A correction optical system including a reflecting surface composed of a curved surface that reflects and projects the image projected from the projection optical system onto the screen;
The plane including the central principal ray of the light beam traveling from the projection optical system toward the screen is perpendicular to the YZ section, the projection center where the central principal ray intersects the screen, and the screen at the projection center. The plane including the perpendicular of
The screen has a concave surface facing the correction optical system in the XZ cross section,
The reflective surface has a convex surface facing the screen in a plane parallel to the XZ cross section ,
A projection optical apparatus satisfying the following conditional expression (4):
αsr <20 ° (4)
However,
αsr is an angle formed by a perpendicular of the reflecting surface at a position where the central principal ray hits the reflecting surface and a perpendicular of the screen at a position where the central principal ray hits the screen
It is.
0 < α < 70° (2)
ただし、αは、投影する光束の中心主光線と前記スクリーンの垂線のなす角度である。 The projection optical system according to claim 1 or 2, characterized by satisfying the following conditional expression (2).
0 <α <70 ° (2)
Where α is an angle formed by the central principal ray of the projected light beam and the normal of the screen.
αs > 30° (7)
ただし、
αsは、XZ断面でのスクリーンの弧の角度、
である。 The projection optical apparatus according to claim 16 , wherein the following conditional expression (7) is satisfied.
αs> 30 ° (7)
However,
αs is the angle of the arc of the screen in the XZ section,
It is.
40 < R1 < 800 (6)
ただし、
R1は、XZ断面での前記反射面の曲率半径
である。 The projection optical apparatus according to claim 17 , wherein the following conditional expression (6) is satisfied.
40 <R1 <800 (6)
However,
R1 is the radius of curvature of the reflecting surface in the XZ section.
100 < Rs (5)
ただし、
Rsは、円柱又は球面スクリーンのXZ断面での曲率半径、
である。 The projection optical apparatus according to claim 18, wherein the following conditional expression (5) is satisfied.
100 <Rs (5)
However,
Rs is the radius of curvature in the XZ section of a cylindrical or spherical screen,
It is.
−5 < z/R1 < 5 (1)
ただし、
R1は、前記XZ断面に平行な面における前記反射面の曲率半径、
zは、前記XZ断面内での前記スクリーンの中心から前記反射面までの距離、
である。 The projection optical apparatus according to claim 19 , wherein the following conditional expression (1) is satisfied.
−5 <z / R1 <5 (1)
However,
R1 is a radius of curvature of the reflecting surface in a plane parallel to the XZ cross section,
z is the distance from the center of the screen to the reflecting surface in the XZ cross section,
It is.
L2/L1 < 5.0 (3)
ただし、
L1は、前記反射面から前記回転非対称な光学素子までの中心主光線の光路長、
L2は、前記投影光学系の絞りから前記回転非対称な光学素子までの中心主光線の光路長、
である。 The projection optical apparatus according to claim 20 , wherein the following conditional expression (3) is satisfied.
L2 / L1 <5.0 (3)
However,
L1 is the optical path length of the central principal ray from the reflecting surface to the rotationally asymmetric optical element,
L2 is the optical path length of the central principal ray from the stop of the projection optical system to the rotationally asymmetric optical element,
It is.
Z=cX2/[1+{1−(1+k)c2X2}1/2] (8)
−1 < k < 0 (9)
ただし、ZはZ座標、
XはX座標、
cは面頂での曲率、
kは非球面係数
である。 The projection optical system according to claim 6, wherein the reflecting surface is formed by a curved surface satisfying the following equation (9) when approximated by the following equation (8) in a plane parallel to the XZ section. apparatus.
Z = cX 2 / [1+ { 1- (1 + k) c 2 X 2} 1/2] (8)
−1 <k <0 (9)
Where Z is the Z coordinate,
X is the X coordinate,
c is the curvature at the top,
k is an aspheric coefficient.
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