JP6409839B2 - 投射光学系の製造方法および画像表示装置の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、投射光学系の製造方法および画像表示装置の製造方法に関する。

反射型のライトバルブを用いる投射型の画像表示装置の一般的な構成と機能を、図１を参照して説明する。

図１は、投射型の画像表示装置として一般的な「プロジェクタ装置」の光学配置を説明図として示している。

図中、符号ＬＢはライトバルブ、符号ＬＳはランプ光源、符号ＩＲはインテグレータロッド、符号ＬＮは照明用レンズ、符号Ｍはミラー、符号ＣＭは曲面ミラー、符号ＰＯＳは投射光学系を、それぞれ示している。

ライトバルブＬＢは、画像表示素子であって反射型である。
ランプ光源ＬＳは、ランプＬＰとリフレクタＲＦを有し、ライトバルブＬＢを照明するための照明光を放射する。

インテグレータロッドＩＲ、照明用レンズＬＮ、ミラーＭ、曲面ミラーＣＭは、ランプ光源ＬＳから放射される照明光をライトバルブＬＢに導光する照明光学系を構成する。

インテグレータロッドＩＲは、４つのミラーをトンネル状に組み合わせたライトパイプであり、入口部から入射する光をミラー面で反射させつつ出口部へ導光する。

投射光学系ＰＯＳは、ライトバルブＬＢからの反射光を、スクリーン等の被投射面にむけて投射し、被投射面上に「ライトバルブＬＢに表示された画像」を拡大して結像する。

ライトバルブＬＢは、この例では「ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）」であり、微小なミラーをアレイ状に配列してなる。個々の微小ミラーは、その法線方向を、互いに独立して、例えば「±１２度の範囲」で変化させることができる。

ランプＬＰから発せられた光をリフレクタＲＦで反射し、インテグレータロッドＩＲの入口部に集光する。入口部から入射した光は、インテグレータロッドＩＲ内で反射を繰り返しつつ導光され、出口部から「照度ムラを均された」一様な照度の光として射出する。

インテグレータロッドＩＲから射出した光は、照明用レンズＬＮ、ミラーＭ、曲面ミラーＣＭからなる照明光学系を介してライトバルブＬＢを照射する。

照明光学系の、照明レンズＬＮとミラーＭおよび曲面ミラーＣＭは、インテグレータロッドＩＲの出口部における射出光を「光量むらの均された一様な照度の面光源」とし、この面光源の像をライトバルブＬＢ上に形成する。即ち、ライトバルブＬＢは一様な照度の照明光で照射される。

ライトバルブＬＢにおける微小ミラーの傾き角を、例えば、−１２度のとき、微小ミラーによる反射光が投射光学系ＰＯＳに入射し、＋１２度のときは投射光学系ＰＯＳに入射しないように定めて、ライトバルブＬＢと投射光学系ＰＯＳとの位置関係を定め、さらに曲面ミラーＣＭからの照射光の「ライトバルブＬＢへの入射方向」を設定する。

被投射面に投射結像するべき画像の画素に応じて、個々の微小ミラーの傾きを調整すれば、ライトバルブＬＢに画像を表示することができる。このように表示された画像を「表示画像」と呼ぶ。

このようライトバルブＬＢに画像を表示し、照明光をライトバルブＬＢに照射すれば、投射光学系ＰＯＳに入射する微小ミラーごとの反射光が、投射光学系ＰＯＳにより結像光束とされて被投射面上に、上記画像の拡大画像として投射され結像する。このように被投射面上に結像した画像を「投射画像」と呼ぶ。

ライトバルブＬＢは「一様な照度分布の光」で照射されるので、表示された表示画像の拡大像である被投射面状の投射画像も一様な照度分布となる。このようにして、被投射面上に「デジタル画像」を表示できる。

以上が、一般的なプロジェクタ装置による画像表示の説明である。

上記の如く、投射光学系ＰＯＳの機能は「ライトバルブＬＢに表示された表示画像の実像である投射画像をスクリーン等の被投射面上に結像させる」ことであるが、被投射面上に表示させる投射画像のサイズや、プロジェクタ装置から被投射面までの距離は、プロジェクタ装置の具体的な使用状況により区々である。

被投射面上に投射画像を結像させるためには「ピント合わせ」が必要である。
図２（ａ）に示す「通常のプロジェクタ装置」では、投射光学系ＰＯＳ１は「共軸回転対称」であり、被投射面であるスクリーンＳＣ上の投射画像のピント合わせは、投射光学系ＰＯＳ１全体を動かしてピントを合わせる「全体繰り出し方式」や、レンズ系中の１枚以上のレンズをセットとしたフォーカス群を移動させるフォーカシング方式が一般的である。なお、図２以下の各図において、投射光学系の共軸回転対称なレンズ系部分の光軸を符号「ＡＸ」で表す。

図２（ｂ）に示す「複数枚レンズにより構成される屈折光学系ＰＯＳＬ１と、この屈折光学系ＰＯＳＬ１とは光軸を共有しない、非共軸の反射面により構成されるミラー光学系ＰＯＳＭ１（図の例では１枚の凹面ミラーにより構成されている。）により構成される投射光学系を用いるプロジェクタ装置」が知られ、広く普及しつつある。

このようなプロジェクタ装置で、従来よりもさらに至近距離（超至近距離）での投射を可能とするものが提案され、実施されつつある。

スクリーンＳＣに対して「至近距離あるいは超至近距離で画像を投射」する場合、通常「投射画像が見やすい」ように、投射画像の投射位置を「プロジェクタ装置よりも上方」に設定する必要がある。
このため一般に、図２に示すように画像表示素子ＬＢ（ここではＤＭＤ）の中心を、投射光学系の光軸ＡＸ上からずらし、偏心して配置する。
そして「投射光学系の性能保障範囲を広く取る」ために投射光学系を広角レンズにすることにより画像品位を保つ。
しかし、共軸回転対称なレンズ系による投射光学系の広角化には限界があり、「スクリーンＳＣにより近接した超至近位置」から投射画像を投射するには、ミラー光学系により「光路をかせぐ」必要がある。

レンズ系による投射光学系の光路を平面ミラーで折り返すようにし、投射光学系の光軸をスクリーンに対して斜めに傾け、近距離での投射を行なう「斜め投射」方式もあるが、近距離投射は可能であるが、表示画面が台形状に歪む「台形歪み」の問題がある。

図２（ｂ）に示す投射方式では、ミラー光学系ＰＯＳＭ１を構成する凹面ミラーの鏡面形状を「自由曲面」とすることにより、投射画像の「台形歪み」を効果的に補正できる。
このような「自由曲面をもつミラーによる台形歪みの補正」に関しては、非特許文献１に詳しい説明がある。

図２（ｂ）に示すような、屈折光学系ＰＯＳＬ１とミラー光学系ＰＯＳＭ１を用い、ミラー光学系ＰＯＳＭ１に「自由曲面形状のミラー」を用いて台形歪みの補正を行なうプロジェクタ装置において、上述の「ピント合わせ」を行なうのに適したフォーカシング方式として「フローティングフォーカス方式」が考えられる。

この場合の「フローティングフォーカス方式」は、ライトバルブＬＢ（ＤＭＤ）に最も近い「１枚以上のレンズ」を固定し、他の２以上のレンズやレンズ群、ミラーを光軸方向に移動させてピントを合わせするフォーカシング方式である。

特に、至近距離や超至近距離でのピント合わせを「複数のレンズ群を、浮き木のように移動させてピントを合わせる」ところからフローティングフォーカス方式と呼ばれ、特に「一眼レフカメラの交換レンズ」で広く使われている。

全体繰り出し方式や「単一のレンズやレンズ群」によるフォーカシングでは、スクリーンＳＣに対して至近距離から投射画像の投射を行なったときの台形歪みの補正が不足しがちであり、像面湾曲の補正も不十分となって、表示画面の中心と周辺のピントがずれる問題も生じる。

フローティングフォーカス方式では、スクリーンＳＣに対して至近距離から投射画像の投射を行なったときに発生する画像の歪みを、主には「非共軸の曲面ミラー」で補正するため、台形歪みの補正や像面湾曲の補正も良好に行なうことが可能である。

より具体的に説明する。
図３（ａ）は「斜め投射」のプロジェクタ装置を示している。図示の簡単のために、光路を折り返す平面ミラーは図示を省略している。

投射光学系ＰＯＳ０によりスクリーンＳＣ上に投射画像を投射表示する。

ライトバルブＬＢは「ＤＭＤ」であり、その画像表示面は、図３（ｂ）の上図のようにスクリーンＳＣの上下方向（Ｙ方向）が短い「横長の長方形形状」であるが、スクリーンＳＣ上に投射された投射画像は、図３（ｂ）の下図のように「台形形状」である。

図４（ａ）は、屈折光学系ＰＯＳＬ１とミラー光学系ＰＯＳＭ１により構成された投射光学系による投射方式のプロジェクタ装置を示す。ミラー光学系ＰＯＳＭ１は凹面ミラーである。

このプロジェクタ装置では、ライトバルブＬＢ（ＤＭＤ）の画像表示面は、図４（ｂ）の上図のように長方形形状であり、屈折光学系ＰＯＳＬ１により、この画像表示面の実像を、中間像Ｉｍ０として、屈折光学系ＰＯＳＬ１とミラー光学系ＰＯＳＭ１との間に結像させ、ミラー光学系ＰＯＳＭ１により、中間像Ｉｍ０を物体像とする投射画像をスクリーンＳＣ上に結像投射する。

屈折光学系ＰＯＳＬ１により結像する中間像Ｉｍ０は、図４（ｂ）の中段の図のように「上部が狭い台形形状」で、このような歪曲収差を与えられて結像する。そして、この歪曲収差を、ミラー光学系ＰＯＳＭ１により補正して、図４（ｂ）の下図に示すように「長方形形状に補正された投射画像」をスクリーンＳＣ上に結像する。

図４のプロジェクタ装置で、スクリーンＳＣ上に「より小さい投射画像」を表示するために、図５（ａ）に示すように、スクリーンＳＣを（図４（ａ）の位置よりも）Ｚ方向の右側に移動させ、共軸系である屈折光学系ＰＯＳＬ１の「Ｚ方向への全体繰り出し」によりピント合わせを行なう場合を考える。

この場合、屈折光学系ＰＯＳＬ１の全体繰出しの前後で、中間像Ｉｍ０の歪曲は殆ど変化しないので、中間像Ｉｍ０の形状は、図５（ｂ）の中段の図のように、図４（ｂ）の下図の場合と同様であり、スクリーンＳＣ上での投射画像には、図５（ｂ）の下段の図のように「上辺が短くなる台形歪み」が発生してしまう。

この現象を、図６以下を参照してより詳しく説明する。
図６（ａ）は、図４（ａ）を上方から見た状態、即ち、図４（ａ）のＸＺ断面を示す。

図６（ａ）に示すように、凹面ミラーＰＯＳＭ１を使った投射光学系は、スクリーンＳＣ上の表示画面の、Ｙ方向上方とＹ方向下方に向かう光の角度がＸＺ断面内で異なる。

図６（ｃ）は、図６（ａ）のように、適正な投射が行なわれている場合の投射画像の形状であり、長方形形状である。

スクリーンＳＣを、図５（ａ）のように移動させると、この状態のＸＺ断面を示す図６（ｂ）に示すように、表示画面の上と下で、スクリーンＳＣに到達するＸ方向の位置が異なり図６（ｄ）に示すように「上辺が短い台形歪み」を発生する。

ライトバルブと屈折光学系の距離（ライトバルブ法線方向の距離）が適正である場合には、台形歪みの補正や、全述の像面湾曲の補正には「フローティングフォーカス方式」は大変有効である。

フローティングフォーカス方式によるピント合わせでは、像面湾曲補正が強く作用するため、例えば、図７に示すように、スクリーンＳＣを、スクリーン位置ＳＣ(１)（図４の（ａ）の状態である。）から、スクリーン位置ＳＣ（２）（図５(ａ)の状態である。）まで、曲面ミラーＰＯＳＭ１に近づけたときのように「ピント調整量が、表示画面の上と下で大きく異なるような場合」に有効である。

しかし、表示画面全体で「合わせたいピント調整量が同じ場合」にはフローティングフォーカス方式によるピント合わせは、有効に機能せず、このような場合には「全体繰り出し方式や前群繰り出し方式によるピント合わせ」が有効である。

プロジェクタ装置のピント合わせに関しては、従来から、種々の方法が広く知られている（例えば、特許文献１〜３）。

フローティングフォーカス方式によるピント合わせは、表示画面の「中心と周辺のピントずれ」を補正する機能が主であるが「屈折光学系とライトバルブとの距離のばらつき」や「屈折光学系の焦点距離ばらつき」により投射画像全体のピントが「ボケて」いるような場合に、これを補正するには不向きである。

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、屈折光学系とミラー光学系を有し、表示画面の「中心と周辺のピントずれ」を補正する機能と、「投射画像全体のピントボケ」を補正する機能をもった投射光学系の製造方法の提供を課題とする。

この発明の投射光学系の製造方法は、物体側から順に、複数のレンズ群を含む屈折光学系と、曲面ミラーを有するミラー光学系と、を配し、前記屈折光学系の最も前記物体側の共役面側のレンズ面と前記物体側の共役面との距離を保ったまま前記屈折光学系中の一部のレンズ群を、前記物体側の共役面の法線方向に移動させて表示画面の中心と周辺とのピントずれを補正する第１のフォーカス調整部と、前記屈折光学系の最も前記物体側の共役面側のレンズ面と前記物体側の共役面との距離を所定の距離に維持する第２のフォーカス調整部とを有し、物体の像を拡大して投射する投射光学系を製造する方法であって、前記第２のフォーカス調整部により、前記屈折光学系のレンズを移動させて前記屈折光学系の最も前記物体側の共役面側のレンズ面と前記物体側の共役面との距離を変更して表示画面全体のピントを調整するフォーカス調整を行ったのち、前記屈折光学系の最も前記物体側の共役面側のレンズ面と前記物体側の共役面との前記所定の距離を固定することを特徴とする。

上記の如く、この発明の製造方法で製造される投射光学系は、第１および第２のフォーカス調整部と言う、互いに別個の２つのフォーカス調整部を有し、第１のフォーカス調整部は、画像表示素子の実像を被投射面に投射してフォーカス合わせを行なうとき、フローティングフォーカス方式のピント合わせを可能とする。

また、第２のフォーカス調整部により、屈折光学系の最も物体側の共役面側のレンズ面
と物体側の共役面との距離を変更し、「屈折光学系とライトバルブとの距離のばらつき」や「屈折光学系の焦点距離ばらつき」に起因する「投射画像全体のピントボケ」を有効に補正でき、投射画像全体のフォーカスを調整することができる。

第２のフォーカス調整部により投射光学系のフォーカス調整を行い、このフォーカス調整後に第２のフォーカス調整部を固定するので、第２のフォーカス調整部は、第１のフォーカス調整部の動作時には固定されている。

画像表示装置として一般的なプロジェクタ装置を説明するための図である。 投射画像のピント合わせを説明するための図である。 投射画像の台形歪みを説明するための図である。 台形歪みの補正を説明するための図である。 ミラー光学系を用いる画像投射装置における台形歪みの補正が不十分な場合 を説明するための図である。 ミラー光学系を用いる画像投射装置における台形歪みの補正が不十分な場合 を説明するための図である。 ミラー光学系を用いる画像投射装置において、スクリーン位置が変化する場 合を説明するための図である。 参考例１の主要部を示す図である。 参考例２を説明するための図である。 実施の形態を説明するための図である。 参考例１、２および実施の形態で用いられる屈折光学系の具体的な例を説明するための図である。 屈折光学系の具体的な構成の１例を示す図である。 実施例１の投射光学系の屈折光学系部分のデータを示す図である。 実施例１のデータを示す図である。 実施例１における凹面ミラーの鏡面形状のデータを示す図である。 投射光学系に外装ＯＣを装荷したプロジェクタ装置を説明するための図である。 投射光学系に外装ＯＣを装荷したプロジェクタ装置を説明するための図である。

以下、この発明の製造方法で製造される投射光学系、画像表示装置の実施の形態と具体的な実施例を説明する。

以下の説明において、画像表示素子であるライトバルブとして「ＤＭＤ」を例示するが、この発明の製造方法で製造される画像表示装置における画像表示素子は、勿論、ＤＭＤに限るものではない。

即ち、この発明の製造方法で製造される画像表示装置には、ＤＭＤ以外のライトバルブ、例えば、ＬＤパネルやＬＣＯＳパネル等、公知の種々のライトバルブの使用が可能である。

また、図の煩雑さを避けるため、以下の実施例の説明に用いる図面において、光源であるランプ光源や、ランプ光源からの照明光をライトバルブへ導光して照射する照明光学系の図示を省略する。

実際には、図１に示したような、ランプ光源ＬＳからの照明光を、インテグレータロッドＩＲ、照明用レンズＬＮ、ミラーＭ、曲面ミラーＣＭは曲面ミラーによる照明光学系で、ライトバルブＬＢ（ＤＭＤ）を照明する場合が想定されている。

勿論、光源や照明光源の種類や構成は、この場合に限定されるものではなく、画像表示素子の種類や形態に応じて適宜のものが用いられることは言うまでもない。

「実施の形態１」
この発明の製造方法で製造される投射光学系の実施の形態１の主要部を図８に示す。

ライトバルブＬＢはＤＭＤであり、光学ハウジングＨＳに保持されている。

光学ハウジングＨＳには、中間部材ＩｎＡを介して鏡胴ＣＬが連結され、この鏡胴ＣＬ内に投射光学系の「屈折光学系」をなす複数枚のレンズが配置されている。
形態１においては「屈折光学系」は、４つのレンズ群、即ち、ライトバルブＬＢ側から第１レンズ群ＬＩ、第２レンズ群ＬＩＩ、第３レンズ群ＬＩＩＩ、第４レンズ群ＬＩＶを配して構成されている。

また、符号ＲＭは「折り返しミラー」、符号ＣＮＭは「ミラー光学系」をなす凹面ミラーを示す。

図示されない光源からの照明光が、図示されない照明光学系によりライトバルブＬＢであるＤＭＤの画像表示面に照射されると、画像表示面による反射光は、ＤＭＤに表示された表示画像により強度変調されて、投射光学系の「屈折光学系」に入射する。

屈折光学系から射出した光束は、折り返しミラーＲＭにより反射され、凹面ミラーＣＮＭにより反射されると結像光束となって、図示されない被投射面（スクリーン）に向かい、被投射面上に表示画像を拡大した投射画像を結像する。

折り返しミラーＲＭは、ホルダＨＬに中間部材ＩｎＢを介して取り付けられている。

このような「折り返しミラーＲＭを経由する光学系」では、折り返しミラーＲＭで反射した光の拡散度合いを低くできるように、「屈折光学系と凹面ミラーＲＭの間の光路上に「表示画像の実像」を中間像として結像させることにより、光束を１度絞ることが好ましい。

フォーカシングによるピント合わせを説明する。
図８には図示されていないが、スクリーンの位置を、図７のスクリーン位置ＳＣ(１)からスクリーン位置ＳＣ(２)のように近づけた場合に、投射画像の「画面の上と下」とで異なるフォーカス調整量を補正するため、フローティングフォーカス方式でピント合わせを行なう。
形態１においては、屈折光学系を構成する４つのレンズ群のうち、第２レンズ群ＬＩＩと第３レンズ群ＬＩＩＩを光軸方向へ移動させて、ピントあわせを行なう。

図８は、鏡胴ＣＬの構造について詳しく図示していないが、第２レンズ群ＬＩＩと第３レンズ群ＬＩＩＩを移動させるには、例えば、鏡胴ＣＬにカム溝を形成し、第２レンズ群ＬＩＩと第３レンズ群ＬＩＩＩのそれぞれに、このカム溝に合うピンを取り付けて、カム溝にはめ込み、鏡胴ＣＬを回転させることにより、第２レンズ群ＬＩＩと第３レンズ群ＬＩＩＩをそれぞれ、異なる方向に移動させることができる。

ここでは、鏡胴ＣＬを１部品のように扱って説明を簡単化したが、実際には複数部品による「より複雑な構成」を採るのが一般的である。

このカム機構を「第１のフォーカス調整部」とする。

ところで、光学ハウジングＨＳを複数個作製すれば、製品には、当然に「寸法のばらつき」が生じる。
従って、鏡胴ＣＬを光学ハウジングＨＳに直接組付けた場合、図８のライトバルブＬＢと第１レンズ群ＬＩとの間の距離が「寸法ばらつき」に従って、ばらついてしまう。
また、形態１では、第１〜第４レンズ群ＬＩ〜ＬＩＶで構成される屈折光学系の各レンズも、凹面ミラーＣＮＭも、複数個作製すれば、それぞれに「形状ばらつき」があり、特に「屈折光学系の焦点距離」のばらつきが発生し、ライトバルブＬＢと第１レンズ群ＬＩ間の「最適な距離」がばらついてしまう。

これら２種の「ばらつき」があっても、ライトバルブＬＢと第１レンズ群ＬＩとの間の距離を適正化できるように「中間部材ＩｎＡ」が配置される。

中間部材ＩｎＡとして、例えば、厚さ：０．１ｍｍ程度の薄い板を複数枚用い、光学ハウジングＨＳと鏡胴ＣＬの間に介設する薄い板の枚数を変えることにより、中間部材ＩｎＡの全厚みを調整するようにできる。このようにすると、ライトバルブＬＢと第１レンズ群ＬＩとの間の距離を、０．１ｍｍ単位で調整することができる。

あるいはまた別の方法として、厚みが０．１ｍｍ単位で異なる複数のアルミ等の板部材を中間部材ＩｎＡとして用意し、光学ハウジングＨＳと屈折光学系の組み合わせごとに、「最適な厚さのアルミ板」を選択して挿入するようにすれば、ライトバルブＬＢと第１レンズ群ＬＩとの間の距離を、０．１ｍｍ単位で調整することができる。

中間部材ＩｎＡにより、光学ハウジングＨＳ・鏡胴ＣＬの位置関係を調整したのちは、これらの位置関係を固定するために、これらを「ネジなどで相互に固定」するのが良い。

上記の如く、中間部材ＩｎＡで、ライトバルブＬＢと第１レンズ群ＬＩの位置関係を最適化すると、この最適化の操作により、第４レンズ群ＬＩＶと凹面ミラーＣＮＭの位置関係が「組付け当初の関係」からずれてしまう。

これを補正するために、折り返しミラーＲＭとホルダＨＬの間に介在する中間部材ＩｎＢを用いて、第４レンズ群ＬＩＶと凹面ミラーＣＮＭの間の光路長を調整する。

中間部材ＩｎＢも、中間部材ＩｎＡと同様に、複数枚の薄板や、厚みの異なるアルミ板を用いれば、上記光路長の調整を容易に高精度で実施することができる。

また、中間部材ＩｎＡ、ＩｎＢとして、薄板を使用する場合、中間部材ＩｎＡと光学ハウジングＨＳ、あるいは中間部材ＩｎＢとホルダＨＬの位置固定点（例えばネジで止める点）を複数個形成すれば、各位置固定点に挿入する薄板の枚数を変えることで「ライトバルブＬＢと屈折光学系の傾き誤差」や「曲面ミラーＣＮＭと屈折光学系の傾き誤差」を補正することが可能である。

上に説明した中間部材ＩｎＡ、ＩｎＢは「第２のフォーカス調整部」をなす。

鏡胴ＣＬと光学ハウジングＨＳの間に、中間部材ＩｎＡをはさむだけで調整可能なので、特別な構造体が不要であり、ライトバルブＬＢに近くて熱を持つ光学ハウジングＨＳと鏡胴ＣＬを直接接触させないことで、鏡胴ＣＬに熱が移りにくくなり、レンズの熱膨張によるピントずれが発生しない。

即ち、形態１の画像表示装置は上記の如く、第１および第２のフォーカス調整部を有する。
第１のフォーカス調整部では、被投射面と凹面ミラーＣＮＭとの距離を変えたような場合に、屈折光学系における第２レンズ群ＬＩＩ、第３レンズ群ＬＩＩＩを「異なる移動量で変位」させるフローティングフォーカス方式でピント合わせを行なう。

これに対し、第２のフォーカス調整部では、画像表示装置の光学系を組み付ける工程において、ライトバルブ・屈折光学系・凹面ミラー（ミラー光学系）の位置関係を適切にすることにより、基準状態で投射画像のピントが合うようにする。そして、前記位置関係の調整後に、第２のフォーカス調整部を固定する。

「実施の形態２」
実施の形態２を、図９を参照して説明する。

形態２は、上に説明した形態１の変形例であり、第２のフォーカス調整部のうち「ライトバルブＬＢと第１レンズ群ＬＩの間の距離を調整する構造」を、形態１における中間部材ＩｎＡに代えて「ネジ構造（図中に符号「ＢＳ」で示す。）」とした例である。

ネジ構造ＢＳによりライトバルブＬＢと第１レンズ群ＬＩとの間隔を調整する。ネジ構造ＢＳは、中間部材ＩｎＢとともに「第２のフォーカス調整部」を成すものであるから、ネジ構造ＢＳによる間隔調整は、光学系の組み付け工程で行い、調整後はネジ構造ＢＳを固定し、ユーザによる調整が簡単にはできないようにする。

なお、第２のフォーカス調整部は、上記中間部材ＩｎＡ、ＩｎＢやネジ構造ＢＳなどに限定されるものではなく、上記と同じ機能を達成可能であればどのような構造でもよい。

「参考例」
参考例を、図１０を参照して説明する。なお、繁雑を避けるため、混同の恐れがないと思われるものについては、各部の符号を共通化する。

図１０に構成を示す実施の形態では、屈折光学系は第１レンズ群ＬＩ〜第４レンズ群ＬＩＶにより構成される。

参考例では「第２レンズ群ＬＩＩと第３レンズ群ＬＩＩＩの移動によりフローティングフォーカス方式のピント合わせ」を行なう。このとき、第４レンズ群ＬＩＶは固定されている。即ち、第２レンズ群ＬＩＩと第３レンズ群ＬＩＩＩと、これらを変位させる機構は「第１のフォーカス構造」を構成する。

一方「第２のフォーカス構造」は、第４レンズ群ＬＩＶとこれを光軸方向に移動させる構造により構成される。

第４レンズ群ＬＩＶの光軸方向への移動により、上述の形態１、２の「全体繰り出しによるフォーカシング」と略同じ効果が得られる。
第４レンズ群ＬＩＶの移動は、第２、第３レンズ群ＬＩＩ、ＬＩＩＩを行なうカム構造とは異なるカム構造で行うようにし、光学系の組み付け工程で実施し、調整後は固定してユーザによる操作が簡単には出来ないようにする。

投射画像の投射中には、第１のフォーカス構造で、第２、第３レンズ群ＬＩＩ、ＬＩＩＩを変位させてピント合わせを行なう。第１のフォーカス構造と、第２のフォーカス構造は、互いに別個のカム機構とすることにより、フォーカシングのために動かすレンズ単位が小さく、調整で発生する傾きなどの誤差の影響を小さく抑えられるため、全体繰り出しよりも好ましい面がある。

しかし、第４レンズ群ＬＩＶを図１０に示すように、ライトバルブＬＢから離れる方向に動かす場合、図８や図９に示すような「折り返しミラーＲＭを用いる光学構造」では、折り返しミラーＲＭで反射した光が、凹面ミラーＣＮＭに向かう途中で、第４レンズ群ＩＶによって遮られないようにする必要がある。

上に説明した形態１、２や参考例で用いられる屈折光学系の具体的な例を、図１１以下を参照して説明する。

図１１（ａ）、（ｂ）において、符号２〜５は「照明光学系の部品」、符号１は光源である「ランプ光源」、符号２は「インテグレータロッド」、符号３は「照明用レンズ」、符号４は「ミラー」、符号５は「曲面ミラー」を示す。曲面ミラー５は「球面形状の反射面を有する凹面鏡」である。

符号６〜１０は「投射光学系の部品」であって、符号６はライトバルブの防塵カバーガラス、符号７はライトバルブ本体、符号８は「投射光学系」を示す。

図１１（ｂ）における符号８−１は「屈折光学系」、符号９は「自由曲面である凹面ミラー（上の説明における凹面ミラーＣＮＭ）」を保護する防塵ガラスを示し、符号１０は、第１〜第４レンズ群を保持する「鏡胴」を示す。

鏡胴１０は、４つのレンズ群中の３つのレンズ群が「別個に移動できる」ように、３本の異なるカム溝が彫ってある。なお「最もライトバルブ７寄りのカム溝」は移動量が０なのでフォーカスには無関係である。

屈折光学系８−１の具体的な構成を図１２に示す。
屈折光学系８−１は、図１２に示すように「４群１１枚」構成である。
「実施例１」
図１２に構成を示す屈折光学系の具体例の１例を実施例１とし、そのデータを図１３〜図１５に示す。
図１３は、各面の曲率半径、面間隔を「ｍｍ単位」で示し、材質の屈折率とアッベ数を示す。開口絞りについては開口半径を示す。また、曲率半径：０．０００は、曲率半径：∞大、即ち平面を表す。
「偏芯Ｙ」は、屈折光学系ＰＯＳＬの光軸の「Ｙ方向（図５（ａ）に示す上下方向）のマイナス側（図５（ａ）の下方側）」へのシフト量を「ｍｍ」単位で示す。

「偏芯α」は、投射光学系の凹面ミラーＣＮＭおよび防塵ガラスＧの、上記光軸（Ｚ方向）とライトバルブＬＢの短手方向を含む面に対するシフト量を「ｍｍ」単位で示す。

また、非球面の欄において「黒丸」を付した面は非球面である。

面番号の欄において、「ＬＢ（０）」は、ライトバルブＬＢ（ＤＭＤ）の画像表示面、面番号「１、２」はカバーガラスＣＧの両面である。面番号「４、５」は、屈折光学系の最も画像表示面側のレンズの入射側および射出側のレンズ面であり、これらは共に非球面である。

なお、曲率半径の欄において「１．０Ｅ＋１８」は「１×１０^１８」を意味し、これらの曲率半径を持つ面は「実質的な平面」である。曲率半径の値は、非球面については「近軸曲率半径」である。

図１４（ａ）は、非球面データである。
非球面は、近軸曲率（近軸曲率半径の逆数）：Ｃ、楕円定数（コーニック定数）：Ｋ、高次の非球面係数：Ｅ_２ｊ（ｊ＝２、３、４、５、６、７、８）、光軸直交方向の座標：Ｈ、光軸方向のデプス：Ｄにより、周知の式、
Ｄ＝ＣＨ^２/［1＋√｛１−（１＋Ｋ）Ｃ^２Ｈ^２｝］
＋ΣＥ_２ｊＨ^２ｊ（ｊ＝１〜８）
で表現される。

実施例１の屈折光学系に用いられている非球面では、何れも楕円定数：Ｋは０である。

図１４（ｂ）は、「第１ミラー（折り返しミラー）に最も近いレンズ面の面頂点」を基準とする、第１ミラー、第２ミラー（凹面ミラーＣＮＭ）、防塵ガラスの第１、第２面、スクリーン距離１（前記スクリーン位置ＳＣ（１））、スクリーン距離２（スクリーン距離（２））のＸ、Ｙ、Ｚ方向の位置のデータである。

図１４（ｃ）は、スクリーン距離が、スクリーン距離１、２であるときの、各レンズ群の具体的な移動量データを「ｍｍ単位」で示している。

図１５は、凹面ミラーＣＮＭの「鏡面形状のデータ」である。

凹面ミラーＣＮＭの鏡面形状は「自由曲面」であり、光軸上の近軸曲率半径：ｃ、コーニック定数：ｋ、高次の係数：Ｃｊ（ｊ＝２〜７２）、光軸直交方向の距離：ｒ、光軸に平行な「面のサグ量：ｚ」、図５におけるＸ方向の座標：ｘ、Ｙ方向の座標：ｙを用いて、以下の式で与えられる。

ｚ＝ｃｒ^２/［1＋√｛１−（１＋ｋ）ｃ^２ｒ^２｝］
＋ΣＣ_ｊ・ｘ^ｍｙ^ｎ（ｊ＝２〜７２）
図１５で、例えば、Ｃ４０を係数とする「ｘ＊＊４＊ｙ＊＊７」は「ｘ^４×ｙ^７」を表す。

６枚構成の第１レンズ群ＬＩは、画像表示装置の使用中におけるフォーカス時に固定であり、第２〜第３レンズ群ＬＩＩ〜ＬＩＩＩの「間隔が変化する変位」によってフローティングフォーカス方式のピント合わせが行なわれる。
図１２ないし図１５に示す投射光学系の具体的なデータに示されているように、実施例１の投射光学系は「物体側に非テレセントリック」である。

図１６、図１７に、この投射光学系に外装ＯＣを装荷したプロジェクタ装置を示す。
ライトバルブＬＢ、屈折光学系ＰＯＳＬ、ミラー光学系ＲＭ、ＣＮＭを外装ＯＣに内装し、カバーガラスＣＧを介して結像光束を射出させ、スクリーンＳＣ上に結像させる。

フローティングフォーカス方式のピント合わせを行なう第１のフォーカス調整部の「操作部（フォーカスレバー）」が、外装ＯＣの外側に露出するように「鏡胴メカ構造」を設定し、例えば、図１６で、スクリーンＳＣを上下（Ｙ）方向に動かした場合には、第１のフォーカス調整部のフォーカスレバーを動かすことにより、フローティングフォーカス方式のピント合わせを実施すれば「投射画面全体で好適な解像感」を得ることができる。

「第２のフォーカス調整部」は、外装ＯＣの内部に収納固定し、外部に露呈させず、ユーザが第２のフォーカス調整部を簡単には操作することができないようにする。

第２のフォーカス調整部は、折り返しミラーを用いない場合は「屈折光学系全体をライトバルブの法線方向に移動させる全体繰り出し機構」であることができる。

全体繰り出し機構は、屈折光学系を保持する鏡胴に設けられたネジ構造の、ネジ回転によって行なわれることができる。

全体繰り出し機構は、屈折光学系を保持する鏡胴と、ライトバルブを保持する光学ハウジングの間に設けられる１以上の中間部材として構成され、前記鏡胴と光学ハウジングが前記中間部材を介して組みつけられることができる。

参考例の場合は、第２のフォーカス構造は、屈折光学系内部のレンズ群のうち、ライトバルブから最も遠いレンズ群を、ライトバルブの法線方向に移動させる、前群フォーカス機構である。

画像表示装置は、被投射面に投射画像を投射表示するとき、ライトバルブを出た光が屈折光学系を介してミラー光学系に入射し、ミラー光学系で反射された後に前記被投射面に向かうように、屈折光学系とミラー光学系が配置され、投射光学系は、屈折光学系とミラー光学系の間に光路折り曲げ用の折り返しミラーを有し、該折り返しミラーが、設置位置を調整可能な構造体で保持されていることができる。

折り返しミラーの設置位置調整を行なう構造体は、折り返しミラーを保持する保持部品と、折り返しミラーの間に配置された１以上の中間部材で構成されることができる。
ミラー光学系の曲面ミラーは凹面ミラーで、屈折曲光学系により、屈折光学系とミラー光学系の間の光路に、画像表示素子の実像を中間像として形成することが好ましい。
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。
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。

ＬＢ ライトバルブ
ＬＩ 第１レンズ系
ＬＩＩ 第２レンズ系
ＬＩＩＩ 第３レンズ系
ＬＩＶ 題４レンズ系
ＲＭ 折り返しミラー
ＣＮＭ 曲面ミラー
ＩｎＡ 中間部材
ＩｎＢ 中間部材
ＳＣ スクリーン

特開２００９−２５１４５７ 特開２００９−２２９７３８ 特開２００８−１６５１８７

光技術コンタクト Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．９（２００１）

Claims (9)

1. 物体側から順に、複数のレンズ群を含む屈折光学系と、曲面ミラーを有するミラー光学系と、を配し、前記屈折光学系の最も前記物体側の共役面側のレンズ面と前記物体側の共役面との距離を保ったまま前記屈折光学系中の一部のレンズ群を、前記物体側の共役面の法線方向に移動させて表示画面の中心と周辺とのピントずれを補正する第１のフォーカス調整部と、前記屈折光学系の最も前記物体側の共役面側のレンズ面と前記物体側の共役面との距離を所定の距離に維持する第２のフォーカス調整部とを有し、物体の像を拡大して投射する投射光学系を製造する方法であって、
   前記第２のフォーカス調整部により、前記屈折光学系のレンズを移動させて前記屈折光学系の最も前記物体側の共役面側のレンズ面と前記物体側の共役面との距離を変更して表示画面全体のピントを調整するフォーカス調整を行ったのち、前記屈折光学系の最も前記物体側の共役面側のレンズ面と前記物体側の共役面との前記所定の距離を固定することを特徴とする投射光学系の製造方法。
2. 請求項１記載の投射光学系の製造方法において、
   前記所定の距離が変化しないように、第２のフォーカス調整部によるフォーカス構造を固定することを特徴とする投射光学系の製造方法。
3. 請求項１または２記載の投射光学系の製造方法において、
   前記第２のフォーカス調整部は、屈折光学系全体を物体側の共役面の法線方向に移動させることを特徴とする投射光学系の製造方法。
4. 請求項３記載の投射光学系の製造方法において、
   前記第２のフォーカス調整部は、屈折光学系を保持する鏡胴に設けられたネジ構造であることを特徴とする投射光学系の製造方法。
5. 請求項１ないし４の何れか１項に記載の投射光学系の製造方法において、
   屈折光学系とミラー光学系の間に光路折り曲げ用の折り返しミラーを有し、該折り返しミラーが、設置位置を調整可能な構造体で保持されていることを特徴とする投射光学系の製造方法。
6. 請求項５記載の投射光学系の製造方法において、
   折り返しミラーの設置位置調整を行なう構造体は、折り返しミラーを保持する保持部品と、折り返しミラーの間に配置された１以上の中間部材で構成されることを特徴とする投射光学系の製造方法。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の投射光学系の製造方法において、
   ミラー光学系の曲面ミラーは凹面ミラーで、屈折光学系により、屈折光学系とミラー光学系の間の光路に、物体の実像を中間像として形成することを特徴とする投射光学系の製造方法。
8. 物体側から順に、複数のレンズ群を含む屈折光学系と、曲面ミラーを有するミラー光学系と、が配され、前記屈折光学系の最も画像表示素子側のレンズ面と前記画像表示素子との距離を保ったまま前記屈折光学系中の一部のレンズ群を、前記画像表示素子の法線方向に移動させて表示画面の中心と周辺とのピントずれを補正する第１のフォーカス調整部と、前記屈折光学系の最も前記物体側の共役面側のレンズ面と前記物体側の共役面との距離を所定の距離に維持する第２のフォーカス調整部とを有し、前記画像表示素子に表示された画像を拡大して投射する投射光学系を有する画像表示装置を製造する方法であって、
   前記第２のフォーカス調整部により、前記屈折光学系のレンズを移動させて前記屈折光学系の最も前記物体側の共役面側のレンズ面と前記物体側の共役面との距離を変更して表示画面全体のピントを調整するフォーカス調整を行ったのち、前記屈折光学系の最も前記物体側の共役面側のレンズ面と前記物体側の共役面との前記所定の距離を固定することを特徴とする画像表示装置の製造方法。
9. 請求項８記載の画像表示装置の製造方法において、
   前記第２のフォーカス調整部は、前記屈折光学系を保持する鏡胴と、前記画像表示素子を保持する光学ハウジングの間に設けられる少なくとも１つの中間部材であることを特徴とする画像表示装置の製造方法。

Images