JP6268028B2 - 投射光学系およびプロジェクタ装置および撮像装置 - Google Patents

Description

この発明は、投射光学系およびプロジェクタ装置および撮像装置に関する。

拡大投射するべき画像を画像表示面上に表示し、表示された画像を投射光学系により被投射面上に拡大画像として投射するプロジェクタ装置は、従来から広く知られている。

投射光学系を「レンズ系と凹曲面ミラーの組み合わせ」により構成したプロジェクタ装置が提案されている（特許文献１、２）。

レンズ系と凹曲面ミラーを組み合わせた投射光学系を用いると、短い投射距離を実現でき、プロジェクタ装置とスクリーンの間隔を縮小できるので、近年、プロジェクタ開発の主流となりつつある。

この発明は、レンズ系と凹曲面ミラーの組み合わせによる新規な投射光学系の実現を課題とする。

この発明の投射光学系は、画像表示デバイスの画像表示面における画像表示領域に表示された画像を、斜光束により拡大画像として投射する投射光学系であって、前記画像表示面側から順に、第１光学系、第２光学系、凹曲面ミラーを配してなり、前記第１光学系は、複数のレンズにより構成されて系内に開口絞りを有し、前記画像表示領域に表示された画像の第１中間像を実像として結像する光学系であり、前記第２光学系は、単レンズで、前記第１中間像を物体として第２中間像を実像として結像する光学系であり、前記凹曲面ミラーは、前記第２中間像を物体として、前記拡大画像を結像し、全系の光軸に対して、前記画像表示領域と同じ側にずれた反射面領域を結像に用いるものであり、全系の光軸上において、前記画像表示面から前記第１光学系の最も画像表示面側のレンズ面までの光学的距離と、前記第１光学系の最も画像表示面側のレンズ面から前記凹曲面ミラーまでの物理的距離との和：ＯＡＬ（Ｔ）、前記第２光学系の前記凹曲面ミラー側のレンズ面から前記凹曲面ミラーまでの物理的距離：ＯＡＬ（Ｍ）が、条件：
（１） ０．１ ＜ ＯＡＬ（Ｍ）／ＯＡＬ（Ｔ） ＜ ０．５
を満足する。

この発明によれば、従来にない新規な投射光学系を実現できる。

実施例１の投射光学系のレンズ構成を示す図である。 実施例１の投射光学系の縦収差図である。 実施例１の投射光学系の横収差図である。 実施例２の投射光学系のレンズ構成を示す図である。 実施例２の投射光学系の縦収差図である。 実施例２の投射光学系の横収差図である。 実施例３の投射光学系のレンズ構成を示す図である。 実施例３の投射光学系の縦収差図である。 実施例３の投射光学系の横収差図である。 実施例４の投射光学系のレンズ構成を示す図である。 実施例４の投射光学系の縦収差図である。 実施例４の投射光学系の横収差図である。 この発明の投射光学系における各部の結像機能を説明する図である。 この発明の投射光学系を用いるプロジェクタ装置の概念図である。 この発明の投射光学系を用いる撮像装置の概念図である。

以下、実施の形態を説明する。
図１、図４、図７、図１０に、この発明の投射光学系の実施の形態を４例示す。

これらの実施の形態の投射光学系は、この順序で、後述の具体的な実施例１〜４に対応している。繁雑を避けるため、これらの図において符号を共通化する。
これらの図において、符号ＩＰは画像表示デバイスの「画像表示面」を示し、符号ＰＲはプリズムを示す。

また、符号Ｉにより第１光学系、符号ＩＩにより第２光学系、符号ＩＩＩにより凹曲面ミラーを示す。

上記各図において、画像表示面ＩＰ側を「投射光学系の縮小側」、凹曲面ミラーＩＩＩ側を「投射光学系の拡大側」とも呼ぶ。

画像表示デバイスとしては公知の適宜のもの、例えば、液晶パネルやデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）等であることができる。

投射光学系により拡大されて投射される画像は、これら画像表示デバイスの画像表示面ＩＰにおける画像表示領域ＯＩに表示される。
画像表示面ＩＰと画像表示領域ＯＩとの関係について説明する。

画像表示面ＩＰは、投射光学系において「物体面」となる面であり、像面である被投射面と共役関係にある。

画像表示領域ＯＩは、画像表示面ＰＩと同一面で「実際に画像を表示される領域」を言う。
従って、画像表示領域ＯＩに表示された画像が、投射光学系による結像における物体である。

画像表示デバイスが液晶パネルであれば「光を透過させる液晶画素の配置パターン」で画像表示が行われる。

画像表示デバイスがＤＭＤであれば「所定の傾き角を与えられたマイクロミラー」の配置パターンで画像表示が行われる。

液晶パネルやＤＭＤは「自己発光機能」を持たないので、適宜の照明手段により画像表示領域を照明する。照明光は、表示された画像により強度変調されて「画像光」となる。

この画像光が投射光学系により、被投射面の実体をなすスクリーン（図示されず）の上に「表示された画像の拡大画像」として結像される。
この結像には「斜光束（主光線が光軸に対して傾く主光束）」が用いられる。

即ち、上記各図に示された投射光学系は、画像表示デバイスの画像表示面ＩＰの画像表示領域に表示された画像を、斜光束により拡大画像として投射する投射光学系である。

投射光学系は、画像表示面ＩＰ側から順に、第１光学系Ｉ、第２光学系ＩＩ、凹曲面ミラーＩＩＩを配してなる。
第１光学系Ｉ、第２光学系ＩＩ、凹曲面ミラーＩＩＩは、何れも「実像を結像」する結像機能を有する。

上記「画像光」は、第１光学系Ｉに入射し、第２光学系ＩＩを介して凹曲面ミラーＩＩＩに入射し、凹曲面ミラーＩＩＩにより図示されないスクリーンに向けて反射される。

そして、第１光学系Ｉ、第２光学系ＩＩ、第３光学系ＩＩＩの結像機能により、スクリーン上に拡大画像が結像される。

なお、図１、図４、図７、図１０において、図示されないスクリーン上に結像する拡大画像の上下方向は、これらの図における上下方向である。

以下、この上下方向を「画像表示面、画像表示領域における上下方向」とする。

以下の説明において、「画像表示領域」は、上記図１、図４、図７、図１０の図面に直交する方向を長手方向とする「矩形形状」である。

図１等における上下方向は、この矩形形状の１辺に平行である。

第１光学系Ｉは、複数のレンズにより構成され、系内に開口絞りＳを有する。

第２光学系ＩＩは、単レンズである。
凹曲面ミラーＩＩＩは、第１光学系Ｉ、第２光学系ＩＩを介して入射する結像光束を、図における左上方へ向けて反射し、不図示のスクリーン上に拡大画像として結像させる。

投射光学系の結像機能の特徴部分を、図１３を参照して説明する。
図１３には、第１光学系Ｉ、第２光学系ＩＩ、凹曲面ミラーＩＩＩが「結像機能に果たす役割」を、図１の投射光学系を例にとって示している。

図１の投射光学系に代えて、図４、図７、図１０の投射光学系を用いる場合にも、以下の説明はそのまま成り立つ。

図１３に示すように、画像表示領域ＯＩは、画像表示面ＩＰにおいて「投射光学系の全系の光軸ＡＸよりも下方」にずれている。

画像表示領域ＯＩから放射された画像光は、プリズムＰＲを介して第１光学系Ｉに入射する。

第１光学系Ｉは、画像表示領域ＯＩに表示された画像の第１中間像ＭＩ１を結像する。

第２光学系ＩＩは、第１中間像ＭＩ１を物体として第２中間像ＭＩ２を結像する。

凹曲面ミラーＩＩＩは、第２中間像ＭＩ２を物体として、図示されないスクリーン上に拡大画像（画像表示領域ＯＩに表示された画像の拡大画像）を結像する。

図１３は、全系の光軸ＡＸを含み、図に示された上下方向の面内において、画像表示領域ＯＩの４点からの「主光束の光路状態」を示している。
「主光束」は、主光線を含み開口絞りを通過する光束である。

上記４点は、図１３の図面上で、光軸ＡＸに最も近い点、最も遠い点、およびこれら両端間の距離を３等分する点である。

これらの主光束は何れも、図１３に示されたように、光軸ＡＸに対して傾く「斜光束」である。

これら斜光束は、第２中間像ＭＩ２を結像したのち、凹曲面ミラーＩＩＩに入射する。

凹曲面ミラーＩＩＩの反射面において「上記主光束が入射する面領域」は、凹曲面ミラーＩＩＩが「拡大画像の結像に与る反射面領域」である。

図１３において、この反射面領域を符号ＦＸで示す。

即ち、凹曲面ミラーＩＩＩは「全系の光軸ＡＸに対し、画像表示領域ＯＩと同じ側（図の下方）にずれた反射面領域ＦＸ」を結像に用いるものである。

この発明の投射光学系は前述の如く、条件（１）を満足する。
条件（１）における「ＯＡＬ（Ｍ）」は、全系の光軸ＡＸ上において、第２光学系ＩＩの凹曲面ミラー側のレンズ面から凹曲面ミラーＩＩＩまでの物理的距離である。

「物理的距離」は、屈折率による光学的な換算を行わない実際の距離である。
条件（１）における「ＯＡＬ（Ｔ）」は、全系の光軸ＡＸ上において、画像表示面ＩＰから第１光学系Ｉの最も画像表示面側のレンズ面までの光学的距離と、第１光学系Ｉの最も画像表示面側のレンズ面から凹曲面ミラーＩＩＩまでの物理的距離との和である。

即ち、上記距離「ＯＡＬ（Ｔ）」のうち、全系の光軸ＡＸ上において、画像表示面ＩＰから第１光学系Ｉの最も画像表示面側のレンズ面まで」の部分は光学的距離である。

「光学的距離」は、周知の如く「物理的距離内に１と異なる屈折率を持つ媒質が存在する場合に、同媒質の長さを媒質の屈折率で除した値」で置き換えた距離である。なお、空気の屈折率は１とする。

図１３の場合で言えば、画像表示面ＩＰから第１光学系Ｉの最も画像表示面側のレンズ面までの距離のうち、プリズムＰＲの部分は、プリズムＰＲの光軸上の厚さを「ｅ線に対する屈折率」で除した値で置き換えられる。

第１光学系Ｉの最も画像表示面側のレンズ面から凹曲面ミラーＩＩＩまでの部分は「物理的距離」である。

上述の如く、この発明の投射光学系は、凹曲面ミラーＩＩＩを用いて、投射距離を短縮しつつ、高精細な画像の投射を可能とすることを基本とする。

即ち、投射光学系は、複数のレンズにより構成されて系内に開口絞りＳを有する第１光学系Ｉ、単レンズによる第２光学系ＩＩ、凹曲面ミラーＩＩＩにより構成される。

第１光学系Ｉは第１中間像ＭＩ１を実像として結像し、第２光学系ＩＩは第２中間像ＭＩ２を実像として結像する。

このように第１光学系Ｉ、第２光学系ＩＩがそれぞれ、第１中間像ＭＩ１、第２中間像ＭＩ２を実像として結像することにより「レンズ径の増大」が抑制される。

また、凹曲面ミラーＩＩＩの大型化も抑制される。

第２光学系ＩＩは「単レンズ」で構成されている。
「レンズ系の像側にミラーを組合せた光学系」では、ミラーに近いレンズの径が大きくなると、ミラーで折り返された光線に該レンズが干渉し易くなる。

このため「ミラーに近いレンズの一部」をカットする等の必要が生じ、コスト増の原因となる。

この発明の投射光学系は、凹曲面ミラーＩＩＩに最も近い第２光学系ＩＩが「単レンズ構成」である。

このようにすることにより「第２光学系自体の厚みの軽減」と、「単レンズの径の増加の抑制」が実現される。

第２光学系ＩＩを単レンズ構成としたことにより、第２光学系ＩＩのレンズ面数が最小となり、レンズ面でのゴースト光の発生の可能性が低減される。

また、光学系の「組み立て易さと低コスト化」も可能となっている。

第１光学系Ｉと第２光学系ＩＩとで、２回の結像が行なわれるが、これらの拡大側に正の屈折力を持つ凹曲面ミラーＩＩＩが配されていることにより、第１、第２光学系による収差とのバランスをとることができる。

条件（１）は、投射光学系のコンパクト性と性能のバランスを図る条件である。

即ち、条件（１）の下限値を超えると、第２光学系から凹曲面ミラーまでの間隔が相対的に狭くなる。

このため、低画角側の光線と高画角側の光線とが「十分に分離しない状態」で凹曲面ミラーに入射するので、凹曲面ミラーの機能を十分に生かすことが難しく、歪曲収差の補正が困難になる。

条件（１）の上限値を超えると、全系中で「第２光学系から凹曲面ミラーまでの空間」が占める割合が大きくなる。
その結果、レンズ系として構成される「第１、第２光学系が占める部分」が、全系中で相対的に短くなる。

このため、第１、第２光学系に含まれる各レンズのパワーを増大させる必要が生じ、補正困難な「大きな収差」が発生し易くなる。

第１光学系は、第２光学系側に「第２光学系側から画像表示面側へ向かって順に、２枚以上の正レンズ、負レンズを有する」構成であることが好ましい。

このようにすることにより、上記２枚以上の正レンズと、負レンズとにより、第２光学系と凹曲面ミラーで発生する収差とのバランスをとることができる。

特に、第２光学系により発生する像面湾曲、倍率色収差の補正と、凹曲面ミラーにより発生する像面湾曲の補正に対して効果的である。

第１光学系により結像される第１中間像、第２光学系により結像される第２中間像は何れも像面が「平面ではなく」、図１３に示したように「全系の光軸から離れるに従い、画像表示面側に徐々に倒れる形状」ことが好ましい。

この発明の投射光学系のように、レンズ系による第１、第２光学系と凹曲面ミラーとによる構成では、凹曲面ミラーで「非常に大きな像面湾曲」が発生し易い。

この点を鑑みると、第１、第２中間像の像面を予め「凹曲面ミラーとは逆の画像表示面側」に倒しておき、凹曲面ミラーにおいて発生する像面湾曲で相殺するようにすることにより「スクリーン上においてフラットな像面」を実現することが容易になる。

第１中間像、第２中間像はともに「第１及び第２光学系の外部」に形成されることが好ましい。

第１、第２中間像の結像は「最終画像の個々の表示画素」を構成する光が小さい領域に集まることを意味する。

この集光位置がレンズ内部となる場合、レンズ材質であるガラスの「脈理や異物等の欠陥の影響」を受け易く、見苦しい拡大画像の原因となり得る。

この発明の投射光学系は、上記構成と共に、以下の条件（２）ないし（４）の何れか１以上を満足することが好ましい。

（２） ０．１ ≦ ＩＣ／ＭＣ ≦ ０．５
（３） ０．３ ≦ Ｌ１／Ｌ２ ≦ ０．９
（４） ０．４ ≦ ｜θｉ／θｏ｜ ≦ ０．７ 。

条件（２）ないし（４）におけるパラメータの各記号は、以下の通りである。

「ＩＣ」は、画像表示領域の、全系の光軸から最も離れた部分と光軸との距離である。

「ＭＣ」は、凹曲面ミラーへの結像光線の入射領域（図１３に示す反射面領域ＦＸ）において「全系の光軸から最も離れた部分」の光軸からの距離である。

「Ｌ１」は、第１光学系の最も第２光学系側のレンズ面と、第２光学系の最も第１光学系側のレンズ面との光軸上の距離である。

「Ｌ２」は、第２光学系の凹曲面ミラー側のレンズ面と凹曲面ミラーとの光軸上の距離である。

「θｉ」は、画像表示領域の「光軸から最も離れた画素」から放射される主光線が、第２光学系に入射する直前において光軸となす角である。

「θｏ」は、画像表示領域の「光軸から最も離れた画素」から放射される主光線が、第２光学系から射出した直後において光軸となす角である。

「画像表示領域の光軸から最も離れた画素」は、前記画像表示領域の上下方向に直交する辺のうち、光軸から遠い方の辺における両端部に位置する画素である。

条件（２）は、投射光学系全体の小型化と結像性能確保に有効な条件である。
条件（２）のパラメータ：ＩＣ／ＭＣは、小さくなるほど、イメージサークルに対する凹曲面ミラーの大きさに余裕が出、解像力やＭＴＦ等、結像性能の面で有利である。

しかし、上記パラメータが条件（２）の下限値を超えて小さくなると、凹曲面ミラーが大きくなって、投射光学系のコンパクト性が損なわれ易い。

また、条件（２）の上限値を超えると、投射光学系のコンパクト化には有利であるものの、拡大画像の全体にわたって良好な画質を実現するのが難しくなる。

条件（３）の上限値を超えると、拡大画像を結像する光線の「凹曲面ミラーへの入射角度」が緩くなり、短距離で大画面の拡大画像を得難くなる。
条件（３）の下限値を超えると、凹曲面ミラーへの結像光束の入射角度が大きくなり、凹曲面ミラーによる像面湾曲等の大きな収差が発生し易くなる。

条件（３）を満足することにより、第１光学系、第２光学系を介した結像光束を、効果的に凹曲面ミラーに入射させ「整った拡大画像」を短い投射距離で実現し易くなる。

投射光学系は、一般に、対角長：１インチ前後の画像表示領域に表示された画像を、最終的に数十ないし数百インチに拡大投射する。

条件（４）は、第１光学系と第２光学系と凹曲面ミラーとの間に「拡大率を適度に配分する」のに有効な条件である。

なお、角：θｉ、θｏは、何れも「光線から光軸に向かう向きを正」とする。

条件（４）の下限値を超えると、第１光学系による拡大率が低下し、所望の大きな拡大率を得るために第２光学系と凹曲面ミラーに課せられる負荷が大きくなる。

条件（４）の上限値を超えると、第２光学系による拡大率が低下し、所望の大きな拡大率を得るために第１光学系と凹曲面ミラーに課せられる負荷が大きくなる。
従って条件（４）の範囲外では「機能負担の偏りによる、画質の低下」を招来し易い。

投射光学系は、一般的に、搭載されるプロジェクタ装置自体が小型で持ち運び等が可能となるように、できるだけ小さい方がよい。

また、基本性能として、結像能力が高く、高い解像力や高いＭＴＦを持ち、歪曲収差や色収差、像面湾曲等の収差が良好に補正されていることが求められる。

画像表示デバイスを照明する光が有効に用いられるように、投射光学系はできるだけ明るいＦ値を持つことが求められる。

上記構成で条件（１）を満足するこの発明の投射光学系は、設計パラメータの最適化により、後述の実施例に示す如く、これらの基本性能に対する要求を満たしている。

図１４は、この発明のプロジェクタ装置の実施の１形態を概念図として示す図である。

図１４において符号ＳＣで示す部分は、拡大画像を投射する「被投射面としてのスクリーン」を示している。

スクリーンＳＣ以外の部分は、投射光学系を概念図として示している。

この図は「概念図」であるので、投射光学系とスクリーンの大小関係は実際の比率と異なっている。即ち、スクリーンに比して投射光学系を大きく描いている。

投射光学系の部分は、図１３に示した構成を簡略化して示している。

「投射光学系」は、画像表示デバイスの画像表示面ＩＰにおける画像表示領域ＯＩに表示された画像を、斜光束により拡大画像として投射する投射光学系である。

そして、画像表示面側ＩＰから順に、第１光学系Ｉ、第２光学系ＩＩ、凹曲面ミラーＩＩＩを配してなる。

第１光学系Ｉは、複数のレンズにより構成されて系内に開口絞りを有し、画像表示領域ＯＩに表示された画像の第１中間像ＭＩ１を結像する光学系であり、第２光学系ＩＩは、単レンズで、第１中間像ＭＩ１を物体として第２中間像ＭＩ２を結像する光学系である。

凹曲面ミラーＩＩＩは、第２中間像ＭＩ２を物体として拡大画像を結像し、全系の光軸に対して画像表示領域ＯＩと同じ側にずれた反射面領域ＦＤを結像に用いるものである。

全系の光軸上において、画像表示面ＩＰから第１光学系Ｉの最も画像表示面側のレンズ面までの光学的距離と、第１光学系の最も画像表示面側のレンズ面から凹曲面ミラーＩＩＩまでの物理的距離との和：ＯＡＬ（Ｔ）、第２光学系ＩＩの凹曲面ミラー側のレンズ面から凹曲面ミラーＩＩＩまでの物理的距離：ＯＡＬ（Ｍ）が、条件：
（１） ０．１ ＜ ＯＡＬ（Ｍ）／ＯＡＬ（Ｔ） ＜ ０．５
を満足する。

従って、図１４に示すプロジェクタ装置は、拡大投射するべき画像を画像表示面ＩＰにおける画像表示領域ＯＩに表示し、表示された画像を投射光学系により被投射面（スクリーンＳＣ）上に拡大画像として投射するプロジェクタ装置であって、この発明の投射光学系を用いるものである。

図１５に示すプロジェクタ装置は、別のプロジェクタ装置で「撮像装置」でもある。

このプロジェクタ装置は、図１４のプロジェクタ装置における画像表示面ＩＰと第１光学系Ｉとの間に、半透鏡プリズム等の光路分離手段１００を配し、光路分離手段により分離された光路上で、画像表示面ＯＩと光学的に等価な面に撮像手段２００設けている。

このプロジェクタ装置では、スクリーンＳＣと撮像手段２００の受光面が、投射光学系により共役な関係となるので、スクリーンＳＣ上の画像を「縮小像」として撮像手段により撮像できる。

図１４には、プリズムの記載を省略したが、プリズムが必要とされる場合には、画像表示面ＩＰと第１光学系Ｉの間に配置すればよい。

図１５においても、プリズムの記載を省略したが、プリズムが必要とされる場合には、光路分離手段１００と第１光学系Ｉの間に配置すればよい。

図１５のプロジェクタ装置からも容易に理解されるように、この発明の投射光学系は、拡大側を物体側、縮小側を像側として「投射光学系」として用いることもできる。

以下に、投射光学系の具体的な実施例を４例挙げる。

実施例において用いられている記号の意味は、以下の通りである。

ｉ：画像表示面側から数えて第ｉ番目の面（ｉ＝０は「画像表示面ＩＰ（画像表示領域の面）、ｉ＝１はプリズム（色合成プリズムＰＲ）の入射側面、ｉ＝２はプリズムの射出側面である。またｉ＝ＳＣＲはスクリーン面である。

Ｒｉ：画像表示面側から数えて第ｉ番目の面の曲率半径
Ｄｉ：画像表示面側から数えて第ｉ番目の面と第ｉ＋１番目の面の面間隔（Ｄｏは、画像表示面からプリズムＰＲの入射側面までの距離である。Ｄ１はプリズムＰＲの入射側面と射出側面の距離であり物理的距離である。Ｄ１を「e線に対する屈折率」で除した値が前述の光学的距離である。）
ｊ：画像表示面側から数えて第ｊ番目のレンズ
Ｎｊ：画像表示面側から数えて第ｊ番目のレンズの材質のｄ線に対する屈折率
νｊ：画像表示面側から数えて第ｊ番目のレンズの材質のアッべ数
「＊印」を付した面は「回転対称非球面」である。

回転対称非球面は、光軸方向の座標：Ｚ、光軸直交方向の座標：ｈ、楕円定数：Ｋ、非球面係数：Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｊ、軸上曲率半径：Ｒｉを用いて、周知の次式で表す。

Ｚ＝（１／Ｒｉ）・ｈ²／［１＋√｛１−（Ｋ＋１）・（１／Ｒｉ）²・ｈ²｝］
＋Ａ・ｈ⁴＋Ｂ・ｈ⁶＋Ｃ・ｈ⁸＋Ｄ・ｈ¹⁰＋Ｅ・ｈ¹²
＋Ｆ・ｈ¹⁴＋Ｇ・ｈ¹⁶＋Ｈ・ｈ¹⁸＋J・ｈ²⁰ 。

計算基準波長は５４６．０７ｎｍ（緑色）である。また、長さの次元を持つ量の単位は「ｍｍ」、角の単位は「度」である。

なお、画像表示デバイスとしてはＤＭＤが想定され、その画像表示領域の大きさは、図１、図４、図７、図１０における上下方向に８.１６ｍｍ、図面に直交する方向へ１４.５２ｍｍである。

実施例１ないし４の全てにおいて、画像表示領域は、上記各図の上下方向において、光軸に最も近い側の辺が光軸から１.４ｍｍの位置に設定されている。

なお、以下に挙げる各実施例における全系の焦点距離：ｆは「負値」となっている。

これは、結像光束が、第１光学系により第１中間像として結像され、第２光学系により第２中間像として結像され、さらに凹曲面ミラーにより拡大画像として結像されるという「投射光学系の結像形態」により計算上「マイナスの値」になることによる。

全系の焦点距離が負値であっても、これは計算上の値であり、投射光学系が負の屈折力を持つことを意味するものではない。
周知の如く、焦点距離は「無限大の物体距離」に対して定義される。この発明の投射光学系に対しても、この定義を適用すれば、計算上の焦点距離は負となる。しかし、有限の物体距離に対しては、図１４に即して説明したように、物体である「画像表示面」の実像がスクリーン上に結像する。このときの投射光学系に対して「近軸結像公式」を当てはめるときに用いられる焦点距離は「正の値」をとる。第１光学系、第２光学系についても同様である。

「実施例１」
実施例１は、レンズ構成を図１に示したものである。

実施例１の焦点距離：ｆ、Ｆナンバ：ＦＮｏ、半画角：ωの値は、以下の通りである。

ｆ＝−４．６、ＦＮｏ＝１．７８、ω＝６９．８度 。

実施例１のデータを以下に示す。

i R D j N ν
0 ∞ 10.000
1 ∞ 30.000 1.52680 64.2
2 ∞ 2.600
3 186.901 5.337 1 1.75500 52.3
4 -38.158 0.200
5 57.264 1.500 2 1.85066 23.9
6 18.619 6.723 3 1.49700 81.6
7 -278.438 0.200
8 19.187 5.768 4 1.72778 53.7
9 151.433 9.606
10(絞り) ∞ 0.433
11 -99.041 1.500 5 1.84666 23.8
12 16.818 1.395
13 23.377 2.985 6 2.00100 29.1
14 64.302 5.107
15 -11.805 1.500 7 1.50603 73.8
16 108.695 2.270
17 -75.175 6.612 8 1.75500 52.3
18 -22.345 0.200
19 50.542 10.664 9 2.00100 29.1
20 -96.712 9.680
21 -33.835 1.500 10 1.95906 17.5
22 371.835 4.048
23 -106.262 11.753 11 2.00100 29.1
24 -35.048 0.200
25 31.019 7.825 12 1.75500 52.3
26 56.660 41.391
27 22.736 14.000 13 1.75500 52.3
28(＊) -35.592 76.527
29(＊) -29.65100 -660.000
SCR ∞ 0.000
第２９面は、凹曲面ミラーの反射面である。 。

「非球面データ」
第２８面と第２９面は非球面であり、その非球面データは以下の通りである。
「第２８面」
K＝0.0，A=0.219392E-04，B=-0.941007E-08，C=-0.108781E-10，
D=0.428211E-12
「第２９面」
K=-0.786259，A=0.241831E-05，B=-0.949289E-09，C=0.127920E-12，
D=0.154906E-15，E=-0.564533E-19，F=-0.347772E-22，G=0.292481E-25，
H=-0.755560E-29．J=0.689897E-33
上の表記において例えば「0.689897E-33」は「0.689897×10^-33」を意味する。以下の実施例においても同様である。

「条件式のパラメータの値」
各条件のパラメータの値は以下の通りである。
条件（１）：0.29
条件（２）：0.28
条件（３）：0.54
条件（４）：0.47(θi=20.43,θo=43.31) 。

「実施例２」
実施例２は、レンズ構成を図４に示したものである。

実施例２の焦点距離：ｆ、Ｆナンバ：ＦＮｏ、半画角：ωの値は、以下の通りである。

ｆ＝−４．７５、ＦＮｏ＝１．７８、ω＝６８．８ 。

実施例２のデータを以下に示す。

i R D j N ν
0 ∞ 10.000
1 ∞ 30.000 1.51680 64.2
2 ∞ 2.600
3 59.870 5.994 1 1.68909 56.0
4 -44.912 0.200
5 95.561 1.500 2 2.00100 29.1
6 19.382 7.199 3 1.49947 80.9
7 -80.265 0.200
8 22.248 5.324 4 1.74279 52.9
9 143.378 12.887
10(絞り) ∞ 1.219
11 -76.354 1.500 5 1.84666 23.8
12 19.857 3.643
13 21.666 3.575 6 1.85672 37.8
14 134.988 2.013
15 -27.703 1.500 7 1.51103 70.3
16 24.758 2.997
17 -143.954 3.498 8 1.89602 34.7
18 -36.102 0.200
19 37.577 7.892 9 1.95260 27.4
20 -77.218 5.413
21 -31.595 14.000 10 1.95906 17.5
22 143.859 4.943
23 -58.786 7.817 11 1.82538 41.0
24 -27.531 12.641
25 35.848 11.237 12 1.60353 63.3
26 -258.346 39.919
27 14.647 14.000 13 1.75500 52.3
28(＊） -53.442 50.465
29(＊） -22.401 -680.000
SCR ∞ 0.0
第２９面は凹曲面ミラーの反射面である。

「非球面データ」
第２８面と第２９面は非球面であり、その非球面データは以下の通りである。
「第２８面」
K= 0.000，A=0.755940E-04，B=0.857186E-07，C=-0.469093E-08，
D=0.862444E-10
「第２９面」
K= -0.768515，A=0.457075E-05，B=-0.469788E-08，C=0.284542E-11，
D=-0.135330E-15，E=-0.860365E-18，F-0.283303E-21，G=0.256464E-24，
H=0.282753E-27，J=-0.124356E-30 。

「条件式のパラメータの値」
各条件のパラメータの値は以下の通りである。
条件（１）：0.19
条件（２）：0.42
条件（３）：0.79
条件（４）：0.49(θi=20.60,θo=42.11) 。

「実施例３」
実施例３は、レンズ構成を図７に示したものである。

実施例３の焦点距離：ｆ、Ｆナンバ：ＦＮｏ、半画角：ωの値は、以下の通りである。

ｆ＝−４．７２、ＦＮｏ＝２．０、ω＝６８．６ 。

実施例３のデータを以下に示す。
i R D j N ν
0 ∞ 10.000
1 ∞ 30.000 1.52680 64.2
2 ∞ 2.600
3 231.323 5.203 1 1.75506 52.3
4 -37.472 0.200
5 62.884 1.500 2 1.84666 23.8
6 18.279 7.019 3 1.49699 81.6
7 -173.452 0.200
8 15.623 6.632 4 1.66193 58.0
9 68.486 9.148
10(絞り) ∞ 0.982
11 -22.126 1.500 5 1.84666 23.8
12 36.705 2.214
13 49.285 3.866 6 2.00100 29.1
14 -33.680 3.220
15 -11.714 1.500 7 1.68910 34.5
16 115.632 2.118
17 -67.606 7.708 8 1.95314 31.3
18 -28.336 0.200
19 55.640 10.553 9 2.00100 29.1
20 -91.285 13.092
21 -37.224 1.500 10 1.95906 17.5
22 107.589 4.388
23 -198.218 11.729 11 2.00100 29.1
24 -33.406 0.200
25 31.688 7.726 12 1.75500 52.3
26 63.491 43.397
27 33.412 14.000 13 1.84181 39.2
28 -46.624 100.000
29(＊) -35.02878 -680.000
SCR ∞ 0.0
第２９面は凹鏡面ミラーの反射面である。

「非球面データ」
第２９面は非球面であり、その非球面データは以下の通りである。
「第２９面」
K= -0.775107，A=0.191533E-05，B=-0.548422E-09，C=-0.471547E-13，
D=0.191961E-15，E=-0.483421E-19，F=-0.386136E-22，G=0.281685E-25，
H=-0.693776E-29，J=0.618856E-33 。

「条件式のパラメータの値」
各条件のパラメータの値は以下の通りである。
条件（１）：0.34
条件（２）：0.22
条件（３）：0.44
条件（４）：0.49(θi=17.73、θo=36.47) 。

「実施例４」
実施例４は、レンズ構成を図１０に示したものである。

実施例４の焦点距離：ｆ、Ｆナンバ：ＦＮｏ、半画角：ωの値は、以下の通りである。

ｆ＝-４．７３、ＦＮｏ＝２．０、ω＝６８．５ 。

実施例４のデータを以下に示す。

i R D j N ν
0 ∞ 10.000
1 ∞ 30.000 1.51680 64.2
2 ∞ 2.600
3 158.635 5.171 1 1.75500 52.3
4 -39.035 0.200
5 59.191 1.500 2 1.87269 24.7
6 17.459 7.196 3 1.49699 81.6
7 -196.454 0.200
8 17.165 6.322 4 1.74699 52.7
9 108.614 9.232
10（絞り） ∞ 0.763
11 -29.543 1.500 5 1.84666 23.8
12 23.130 2.601
13 35.754 3.976 6 1.88961 35.1
14 -40.253 3.432
15 -11.749 1.500 7 1.54095 55.2
16 59.410 3.086
17 -55.705 5.690 8 1.89112 35.0
18 -29.111 0.200
19 91.033 10.083 9 2.00100 29.1
20 -46.185 10.589
21 -34.422 5.923 10 1.95906 17.5
22 105.317 1.374
23 179.502 15.198 11 1.83577 39.8
24 -34.162 0.200
25 36.662 6.460 12 1.73656 53.2
26 74.798 58.186
27 80.968 4.813 13 1.75167 52.5
28 -38.237 142.000
29(*) -37.378 -680.000
SCR ∞ 0.000
第２９面は凹曲面ミラーの反射面である。

「非球面データ」
第２９面は非球面であり、その非球面データは以下の通りである。
「第２９面」
K=-0.782024，A=0.221997E-05，B=-0.561137E-09，C=-0.739749E-13，
D=0.201096E-15，E=-0.473230E-19，F=-0.392155E-22，G=0.280472E-25，
H=-0.688797E-29，J=0.615780E-33 。

「条件式のパラメータの値」
各条件のパラメータの値は以下の通りである。
条件（１）：0.42
条件（２）：0.23
条件（３）：0.41
条件（４）：0.64(θi=16.29,θo=25.49) 。

図２に実施例１の投射光学系の縦収差図を、図３に実施例１の投射光学系の横収差図を
示す。

図５に実施例２の投射光学系の縦収差図を、図６に実施例２の投射光学系の横収差図を
示す。

図８に実施例３の投射光学系の縦収差図を、図９に実施例３の投射光学系の横収差図を
示す。

図１１に実施例４の投射光学系の縦収差図を、図１２に実施例４の投射光学系の横収差図を示す。

これらの収差図において、「Ｒ」は波長６２０ｎｍでの収差、「Ｇ」は波長５４６ｎｍでの収差、「Ｂ」は波長４７０ｎｍでの収差を意味する。

また「Ｓ」はサジタル像面、「Ｔ」はタンジェンシャル像面である。

なお、上記収差図は、スクリーン側を物体面、画像表示面側を像面として、像面即ち画像表示面における収差を表している。

上記の如く、実施例１ないし４の投射光学系とも、第１光学系は１２枚のレンズで構成され、系内に開口絞りを有し、画像表示面側から第２番目のレンズと第３番目のレンズが接合されている。

第２光学系は「１枚の単レンズ（画像表示面側から第１３番目のレンズ）」で構成されている。

また第１光学系の第２光学系側は、第２光学系側から、２枚の正レンズ（画像表示面側から第１１番目と第１２番目のレンズ）と負レンズ（画像表示面側から第１０番目のレンズ）となっている。

また、非球面は、凹曲面ミラーの反射面のみ（実施例３、４）もしくは凹曲面ミラーの反射面と、第２光学系の凹曲面ミラー側の面の２面のみ（実施例１、２）である。

このように、非球面の採用数が少ないので、実施例１ないし４の投射光学系は作製が容易で低コストに実現できる。

以上に説明したように、この発明によれば、以下の如き投射光学系とプロジェクタ装置および撮像装置を実現できる。

［１］
画像表示デバイスの画像表示面ＩＰにおける画像表示領域ＯＩに表示された画像を、斜光束により拡大画像として投射する投射光学系であって、画像表示面側から順に、第１光学系Ｉ、第２光学系ＩＩ、凹曲面ミラーＩＩＩを配してなり、第１光学系Ｉは、複数のレンズにより構成されて系内に開口絞りＳを有し、画像表示領域に表示された画像の第１中間像ＭＩ１を実像として結像する光学系であり、第２光学系ＩＩは、単レンズで、第１中間像ＭＩ１を物体として第２中間像ＭＩ２を実像として結像する光学系であり、凹曲面ミラーＩＩＩは、第２中間像ＭＩ２を物体として、拡大画像を結像し、全系の光軸ＡＸに対して、画像表示領域と同じ側にずれた反射面領域ＦＤを結像に用いるものであり、全系の光軸上において、画像表示面から第１光学系の最も画像表示面側のレンズ面までの光学的距離と、第１光学系の最も画像表示面側のレンズ面から凹曲面ミラーまでの物理的距離との和：ＯＡＬ（Ｔ）、第２光学系の凹曲面ミラー側のレンズ面から凹曲面ミラーまでの物理的距離：ＯＡＬ（Ｍ）が、条件：
（１） ０．１ ＜ ＯＡＬ（Ｍ）／ＯＡＬ（Ｔ） ＜ ０．５
を満足する投射光学系。

［２］
画像表示領域ＯＩの、全系の光軸ＡＸから最も離れた部分と光軸ＡＸとの距離：ＩＣ、凹曲面ミラーへの結像光線の入射領域ＦＸにおいて、全系の光軸ＡＸから最も離れた部分の光軸ＡＸからの距離：ＭＣが、条件：
（２） ０．１ ≦ ＩＣ／ＭＣ ≦ ０．５
を満足する［１］に記載の投射光学系。

［３］
第１光学系Ｉは、第２光学系ＩＩ側に、第２光学系側から画像表示面ＩＰ側へ向かって順に、２枚以上の正レンズ、負レンズを有する［１］または［２］に２記載の投射光学系。

［４］
第１中間像ＭＩ１、第２中間像ＭＩ２が共に平面でなく、これらの像面が何れも、全系の光軸ＡＸから離れるに従い、画像表示面ＩＰ側に徐々に倒れる形状である［１］ないし［３］の何れか１に記載の投射光学系。

［５］
第１中間像ＭＩ１、第２中間像ＭＩ２がともに、第１及び第２光学系の外部に形成される［１］ないし［４］の何れか１に記載の投射光学系。

［６］
第１光学系Ｉの最も第２光学系ＩＩ側のレンズ面と、第２光学系ＩＩの最も第１光学系Ｉ側のレンズ面との光軸上の距離：Ｌ１、第２光学系ＩＩの凹曲面ミラーＩＩＩ側のレンズ面と凹曲面ミラーＩＩＩとの光軸上の距離：Ｌ２が、条件：
（３） ０．３ ≦ Ｌ１／Ｌ２ ≦ ０．９
を満足する、［１］ないし［５］の何れか１に記載の投射光学系。

［７］
画像表示領域ＯＩの光軸から最も離れた画素から放射される主光線が、第２光学系ＩＩに入射する直前において前記光軸となす角：θｉ、前記主光線が第２光学系ＩＩから射出した直後において前記光軸となす角：θｏが、条件：
（４） ０．４ ≦ ｜θｉ／θｏ｜ ≦ ０．７
を満足する［１］ないし［６］の何れか１に記載の投射光学系。

［８］
拡大投射するべき画像を画像表示面ＩＰにおける画像表示領域ＯＩに表示し、表示された画像を投射光学系により被投射面Ｓ上に拡大画像として投射するプロジェクタ装置であって、投射光学系として［１］ないし［７］の何れか１に記載のものを用いるプロジェクタ装置。

［９］
［１］ないし［７］の何れか１に記載の投射光学系を用い、該投射光学系の拡大側にある物体の縮小像を、縮小側に設けた撮像手段２００により撮像する撮像装置。

［１０］
［９］記載のプロジェクタ装置の、画像表示デバイスと第１光学系Ｉとの間に、光路分離手段１００を配し、光路分離手段１００により分離された光路上で、画像表示デバイスの画像表示面ＩＰと光学的に等価な面に設けた撮像手段２００により撮像するように構成された撮像機能を有するプロジェクタ装置。

以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、上に説明した実施の形態、実施例において、画像表示デバイスとして、ＤＭＤのような自己発光機能のないものを例示した。

しかしこれに限らず、画像表示デバイスとして発光素子アレイのような自己発光機能を持つものを用いてもよいことは言うまでもない。

この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

ＩＰ 画像表示面
ＯＩ 画像表示領域
ＰＲ プリズム
Ｉ 第１光学系
ＩＩ 第２光学系
ＩＩＩ 凹曲面ミラー
Ｓ 被投射面（スクリーン）

特許第４２２３９３６号公報 特許第５１４５４８６号公報

Claims (10)

1. 画像表示デバイスの画像表示面における画像表示領域に表示された画像を、斜光束により拡大画像として投射する投射光学系であって、
   前記画像表示面側から順に、第１光学系、第２光学系、凹曲面ミラーを配してなり、
   前記第１光学系は、複数のレンズにより構成されて系内に開口絞りを有し、前記画像表示領域に表示された画像の第１中間像を実像として結像する光学系であり、
   前記第２光学系は、単レンズで、前記第１中間像を物体として第２中間像を実像として結像する光学系であり、
   前記凹曲面ミラーは、前記第２中間像を物体として、前記拡大画像を結像し、全系の光軸に対して、前記画像表示領域と同じ側にずれた反射面領域を結像に用いるものであり、
   全系の光軸上において、前記画像表示面から前記第１光学系の最も画像表示面側のレンズ面までの光学的距離と、前記第１光学系の最も画像表示面側のレンズ面から前記凹曲面ミラーまでの物理的距離との和：ＯＡＬ（Ｔ）、前記第２光学系の前記凹曲面ミラー側のレンズ面から前記凹曲面ミラーまでの物理的距離：ＯＡＬ（Ｍ）が、条件：
   （１） ０．１ ＜ ＯＡＬ（Ｍ）／ＯＡＬ（Ｔ） ＜ ０．５
   を満足する投射光学系。
2. 画像表示領域の、全系の光軸から最も離れた部分と前記光軸との距離：ＩＣ、凹曲面ミラーへの結像光線の入射領域において、全系の光軸から最も離れた部分の前記光軸からの距離：ＭＣが、条件：
   （２） ０．１ ≦ ＩＣ／ＭＣ ≦ ０．５
   を満足する請求項１記載の投射光学系。
3. 第１光学系は、第２光学系側に、第２光学系側から画像表示面側へ向かって順に、２枚以上の正レンズ、負レンズを有する請求項１または２記載の投射光学系。
4. 第１中間像、第２中間像が共に平面でなく、これらの像面が何れも、全系の光軸から離れるに従い、画像表示面側に徐々に倒れる形状である請求項１ないし３の何れか１項に記載の投射光学系。
5. 第１中間像、第２中間像がともに、第１及び第２光学系の外部に形成される請求項１ないし４の何れか１項に記載の投射光学系。
6. 第１光学系の最も第２光学系側のレンズ面と、第２光学系の最も第１光学系側のレンズ面との光軸上の距離：Ｌ１、第２光学系の凹曲面ミラー側のレンズ面と凹曲面ミラーとの光軸上の距離：Ｌ２が、条件：
   （３） ０．３ ≦ Ｌ１／Ｌ２ ≦ ０．９
   を満足する、請求項１ないし５の何れか１項に記載の投射光学系。
7. 画像表示領域の光軸から最も離れた画素から放射される主光線が、第２光学系に入射する直前において前記光軸となす角：θｉ、前記主光線が第２光学系から射出した直後において前記光軸となす角：θｏが、条件：
   （４） ０．４ ≦ ｜θｉ／θｏ｜ ≦ ０．７
   を満足する請求項１ないし６の何れか１項に記載の投射光学系。
8. 拡大投射するべき画像を画像表示面における画像表示領域に表示し、表示された画像を投射光学系により被投射面上に拡大画像として投射するプロジェクタ装置であって、
   投射光学系として、請求項１ないし７の何れか１項に記載のものを用いるプロジェクタ装置。
9. 請求項１ないし７の何れか１項に記載の投射光学系を用い、該投射光学系の拡大側にある物体の縮小像を、縮小側に設けた撮像手段により撮像する撮像装置。
10. 請求項９記載のプロジェクタ装置の、画像表示デバイスと第１光学系との間に、光路分離手段を配し、前記光路分離手段により分離された光路上で、前記画像表示デバイスの画像表示面と光学的に等価な面に設けた撮像手段により撮像するように構成された撮像機能を有するプロジェクタ装置。

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