JP6847003B2 - 投写用光学系及び投写型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、投写用光学系、及びこの投写用光学系を備えた投写型表示装置に関する。

従来、液晶表示素子又はＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ：登録商標）等のライトバルブに表示した画像をスクリーン等に拡大投写する投写型表示装置が広く用いられている。投写型表示装置においてライトバルブと併用される投写用光学系には、近年のライトバルブの性能向上を受けてライトバルブの解像度に見合った良好な収差補正がなされていることが要望されている。

従来知られている投写型表示装置に適用可能な投写用光学系としては、例えば下記特許文献１〜５に記載の光学系を挙げることができる。特許文献１〜５には、最も拡大側に配置されたミラーからなる反射光学系と、複数のレンズを含む屈折光学系とを組み合わせて構成され、屈折光学系の内部に中間像を形成する光学系が記載されている。

特開２０１７−１００２３号公報 特開２０１７−３２９２５号公報 特開２０１７−３２９２７号公報 米国特許第９３３５５２４号明細書 特許第５４８４０９８号公報

投写型表示装置に搭載される投写用光学系には、スクリーンまでの距離設定の自由度の向上、及び室内空間での設置性を考慮して、コンパクトな構成でありながら、より高性能を有し、より広角であることが要望されている。

しかしながら、特許文献１〜４に記載の光学系は、ミラーが大きいだけでなく、歪曲収差及び像面湾曲といった軸外収差の補正が昨今の要求に達していない。特許文献５に記載の光学系は、ミラーが大きいだけでなく、広角化と良好な収差の両立がなされていない。

本発明は、反射光学系と屈折光学系とを組み合わせて構成され中間像を形成する投写用光学系であって、反射光学系を大型化させることなく、広角化が図られ、諸収差が良好に補正されて高い光学性能を有する投写用光学系、及びこの投写用光学系を備えた投写型表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の投写用光学系は、拡大側から縮小側へ向かって順に、１枚の凸面ミラー及びこの凸面ミラーの縮小側に配置された複数のレンズからなる第１光学系と、複数のレンズを含む第２光学系とからなり、第２光学系は縮小側結像面と共役な位置に中間像を形成し、第１光学系は中間像と共役な最終像を拡大側結像面に結像させ、第１光学系の最も拡大側のレンズは負レンズであり、上記凸面ミラーの近軸曲率半径をＭｒ、第１光学系の最も拡大側の負レンズの焦点距離をｆＬ１とし、第１光学系の最も拡大側のレンズの縮小側のレンズ面と第１光学系の拡大側から２番目のレンズの拡大側のレンズ面とで形成される空気レンズの焦点距離をｆＡ、投写用光学系の焦点距離をｆとしたとき、下記条件式（１）および（４）を満足する。
０＜Ｍｒ／ｆＬ１＜４．５ （１）
−８＜ｆＡ／｜ｆ｜＜−２ （４）
本発明の第２の投写用光学系は、拡大側から縮小側へ向かって順に、１枚の凸面ミラー及びこの凸面ミラーの縮小側に配置された複数のレンズからなる第１光学系と、複数のレンズを含む第２光学系とからなり、第２光学系は縮小側結像面と共役な位置に中間像を形成し、第１光学系は中間像と共役な最終像を拡大側結像面に結像させ、第１光学系と第２光学系とは共通の光軸を有し、第１光学系の最も拡大側のレンズは負レンズであり、上記凸面ミラーの近軸曲率半径をＭｒ、第１光学系の最も拡大側の負レンズの焦点距離をｆＬ１とし、第１光学系と第２光学系との光軸上の空気間隔をＤＧ１２、凸面ミラーと第１光学系の最も拡大側のレンズとの光軸上の空気間隔をＤｍとしたとき、下記条件式（１）および（６−１）を満足する。
０＜Ｍｒ／ｆＬ１＜４．５ （１）
０．７＜ＤＧ１２／Ｄｍ＜１．２ （６−１）

本発明の投写用光学系においては、下記条件式（１−１）を満足することが好ましい。
０．５＜Ｍｒ／ｆＬ１＜４ （１−１）

また、本発明の投写用光学系においては、凸面ミラーより縮小側に位置する全てのレンズの合成焦点距離をｆＲ、投写用光学系の焦点距離をｆとしたとき、下記条件式（２）を満足することが好ましく、下記条件式（２−１）を満足することがより好ましい。
１．５＜｜ｆＲ／ｆ｜＜３．５ （２）
１．６＜｜ｆＲ／ｆ｜＜２．６ （２−１）

また、本発明の投写用光学系においては、第１光学系の焦点距離をｆ１、第２光学系の焦点距離をｆ２としたとき、下記条件式（３）を満足することが好ましく、下記条件式（３−１）を満足することがより好ましい。
０．０３＜ｆ１／ｆ２＜０．２５ （３）
０．０５＜ｆ１／ｆ２＜０．２２ （３−１）

また、本発明の投写用光学系においては、第１光学系の拡大側から２番目のレンズは負レンズであることが好ましい。

また、本発明の投写用光学系においては、第１光学系の最も拡大側のレンズの縮小側のレンズ面と第１光学系の拡大側から２番目のレンズの拡大側のレンズ面とで形成される空気レンズの焦点距離をｆＡ、投写用光学系の焦点距離をｆとしたとき、下記条件式（４）を満足することが好ましく、下記条件式（４−１）を満足することがより好ましい。
−８＜ｆＡ／｜ｆ｜＜−２ （４）
−７＜ｆＡ／｜ｆ｜＜−２．４ （４−１）

また、本発明の投写用光学系においては、第１光学系の拡大側から２番目のレンズのｄ線基準のアッベ数をνｄ２としたとき、下記条件式（５）を満足することが好ましく、下記条件式（５−１）を満足することがより好ましい。
１０＜νｄ２＜４０ （５）
１５＜νｄ２＜３５ （５−１）

また、本発明の投写用光学系においては、第１光学系と第２光学系とは共通の光軸を有し、第１光学系と第２光学系との光軸上の空気間隔をＤＧ１２、凸面ミラーと第１光学系の最も拡大側のレンズとの光軸上の空気間隔をＤｍとしたとき、下記条件式（６）を満足することが好ましく、下記条件式（６−１）を満足することがより好ましい。
０．６＜ＤＧ１２／Ｄｍ＜１．５ （６）
０．７＜ＤＧ１２／Ｄｍ＜１．２ （６−１）

本発明の投写型表示装置は、光源と、光源からの光が入射するライトバルブと、本発明の投写用光学系とを備え、この投写用光学系は、ライトバルブにより変調された変調光による光学像をスクリーン上に投写する。

なお、本発明の投写用光学系が投写型表示装置に適用される場合は、上記「拡大側」は、被投写側（スクリーン側）を意味し、上記「縮小側」は、原画像表示領域側（ライトバルブ側）を意味する。

なお、本明細書における屈折力（パワーともいう）の符号、及び光学面の面形状は、特に断りがない限り近軸領域で考えることにする。また、上記条件式で用いている値は、拡大側結像面から最も拡大側のレンズ面までの距離を無限遠とし、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ（ナノメートル））を基準とした場合の値である。上記Ｍｒの符号は、反射面が凸面形状の場合を負とする。

なお、本明細書の「〜からなり」、「〜からなる」は、実質的な意味で用いており、構成要素として挙げたもの以外に、実質的に屈折力を有さないレンズ、並びに、絞り、フィルタ、及びカバーガラス等のレンズ以外の光学要素、並びに、レンズフランジ、レンズバレル、撮像素子、及び手振れ補正機構等の機構部分、等が含まれていてもよいことを意図する。

本発明によれば、反射光学系と屈折光学系とを組み合わせて構成され中間像を形成する投写用光学系であって、反射光学系を大型化させることなく、広角化が図られ、諸収差が良好に補正されて高い光学性能を有する投写用光学系、及びこの投写用光学系を備えた投写型表示装置を提供することができる。

本発明の実施例１の投写用光学系の構成と光路を示す断面図である。 本発明の実施例２の投写用光学系の構成と光路を示す断面図である。 本発明の実施例３の投写用光学系の構成と光路を示す断面図である。 本発明の実施例４の投写用光学系の構成と光路を示す断面図である。 本発明の実施例１の投写用光学系の各収差図である。 本発明の実施例２の投写用光学系の各収差図である。 本発明の実施例３の投写用光学系の各収差図である。 本発明の実施例４の投写用光学系の各収差図である。 本発明の一実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。 本発明の別の実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る投写用光学系の構成を示す断面図である。図１に示す構成例は、後述の実施例１に対応している。図１では、左側を拡大側、右側を縮小側としており、最大画角の光束ｋ１、及び低画角の光束ｋ２も合わせて示している。

図１では、投写型表示装置に搭載される場合を想定して、光学部材ＰＰと、ライトバルブの画像表示面Ｓｉｍも図示している。光学部材ＰＰは、入射面と出射面が平行な部材であり、色合成部又は照明光分離部に用いられるプリズム、フィルタ、及びカバーガラス等を想定した部材である。光学部材ＰＰは必須の構成要素ではなく、光学部材ＰＰを省略して構成することも可能である。

図１に示す構成を投写型表示装置に適用した際には、画像表示面Ｓｉｍで画像情報を与えられた光束が、光学部材ＰＰを介して投写用光学系に入射され、投写用光学系によりスクリーン（不図示）の上に投写される。すなわち、画像表示面Ｓｉｍが縮小側結像面に対応し、スクリーンが拡大側結像面に対応する。

この投写用光学系は、縮小側結像面と共役な位置に中間像ＭＩを形成し、この中間像を拡大側結像面に再結像させる光学系である。この投写用光学系は、拡大側から縮小側へ向かって順に、第１光学系Ｇ１と、第２光学系Ｇ２とからなる。第２光学系Ｇ２は縮小側結像面と共役な位置に中間像ＭＩを形成し、第１光学系Ｇ１は中間像ＭＩと共役な最終像を拡大側結像面に結像させる。図１の例では第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２の間に中間像ＭＩが位置している。なお、図１では、中間像ＭＩを概念的に示しており、中間像ＭＩの光軸近傍を含む一部のみを点線で示し、中間像ＭＩの光軸方向の位置は光軸近傍での位置を基に示している。

第１光学系Ｇ１は、１枚の凸面ミラーＭと、この凸面ミラーＭの縮小側に配置された複数のレンズからなる。凸面ミラーＭは、凸面形状の反射面を有するミラーであり、全系の最も拡大側に配置されている。第２光学系Ｇ２は、複数のレンズを含んで構成される。すなわち、この投写用光学系は、反射光学系と、屈折光学系とからなる。そのうち反射光学系は凸面ミラーＭからなり、屈折光学系は第１光学系Ｇ１が含む全レンズ及び第２光学系２Ｇが含む全レンズを備える。

図１に示す例では、第１光学系Ｇ１は拡大側から縮小側へ向かって順に、凸面ミラーＭと、レンズＬ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃ、Ｌ１ｄ、Ｌ１ｅ、Ｌ１ｆ、Ｌ１ｇ、Ｌ１ｈの８枚のレンズとからなる。第２光学系Ｇ２は拡大側から縮小側へ向かって順に、レンズＬ２ａ、Ｌ２ｂ、Ｌ２ｃ、Ｌ２ｄ、Ｌ２ｅ、Ｌ２ｆ、Ｌ２ｇ、Ｌ２ｈ、Ｌ２ｉの９枚のレンズのみを屈折力と有するレンズとして備える。レンズＬ２ｅとレンズＬ２ｆの間には、開口絞りＳｔが配置されている。ただし、図１に示す例は一例であり、第１光学系Ｇ１及び第２光学系各々が有するレンズの枚数は図１に示す例と異なる数とすることも可能である。

上記のように中間像を形成する構成とした投写用光学系は、第１光学系Ｇ１のバックフォーカスを短縮でき、第１光学系Ｇ１の最も拡大側の光学要素の径、すなわち本実施形態においてはミラー径を小さくすることが可能であり、全系の焦点距離を短くして広角化を図るのに適した光学系となる。さらに、最も拡大側に凸面のミラーを配置することによって、倍率色収差を発生させずに軸外光線を高い位置で補正することが可能となり、収差補正上有利となる。

第１光学系Ｇ１の最も拡大側のレンズＬ１ａは負レンズである。最も拡大側のレンズＬ１ａを負レンズとすることによって、広角化が容易となり、歪曲収差の補正に有利となる。

また、第１光学系Ｇ１の拡大側から２番目のレンズＬ１ｂも負レンズであることが好ましい。拡大側から２番目のレンズＬ１ｂを負レンズとすることによって軸外収差の補正、特に非点収差の補正に有利となる。

さらに、この投写用光学系は、凸面ミラーＭの近軸曲率半径をＭｒ、第１光学系Ｇ１の最も拡大側の負レンズの焦点距離をｆＬ１としたとき、下記条件式（１）を満足する構成を有する。ここで、Ｍｒの符号は、反射面が凸面形状の場合を負としている。このＭｒの符号の定義と、最も拡大側のレンズＬ１ａが負レンズであることから、０＜Ｍｒ／ｆＬ１となる。条件式（１）は凸面ミラーＭのパワーと最も拡大側のレンズＬ１ａのパワーとの相対的な強さに関する式である。条件式（１）の上限以上とならないようにすることによって、凸面ミラーＭのパワーが相対的に弱くなりすぎないようにすることができ、あるいは最も拡大側のレンズＬ１ａのパワーが相対的に強くなりすぎないようにすることができる。これによって、凸面ミラーＭの寄与率を確保でき、広角化と凸面ミラーＭの小径化を両立させることが容易となる。
０＜Ｍｒ／ｆＬ１＜４．５ （１）

さらに、下記条件式（１−１）を満足することが好ましい。条件式（１−１）の下限以下とならないようにすることによって、凸面ミラーＭのパワーが相対的に強くなりすぎないようにすることができる、あるいは最も拡大側のレンズＬ１ａのパワーが相対的に弱くなりすぎないようにすることができる。これによって、凸面ミラーＭへの負荷が大きくなりすぎないようにすることができ、凸面ミラーＭで発生した歪曲収差及び像面湾曲を凸面ミラーＭより縮小側のレンズで補正することが容易となる。
０．５＜Ｍｒ／ｆＬ１＜４ （１−１）

この投写用光学系では、凸面ミラーＭより縮小側に位置する全てのレンズの合成焦点距離をｆＲ、投写用光学系の焦点距離をｆとしたとき、下記条件式（２）を満足することが好ましい。ｆＲは、投写用光学系を構成する光学部材のうち凸面ミラーＭ以外の光学部材の合成焦点距離であり、上述した屈折光学系の焦点距離である。条件式（２）の下限以下とならないようにすることによって、この屈折光学系の屈折力を抑えることができ、凸面ミラーＭの広角化への寄与率を確保することができる。条件式（２）の上限以上とならないようにすることによって、屈折光学系の屈折力を確保することができ、歪曲収差、像面湾曲、及び倍率色収差の補正が容易となる。なお、条件式（２）に代わり下記条件式（２−１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができる。
１．５＜｜ｆＲ／ｆ｜＜３．５ （２）
１．６＜｜ｆＲ／ｆ｜＜２．６ （２−１）

また、第１光学系Ｇ１の焦点距離をｆ１、第２光学系Ｇ２の焦点距離をｆ２としたとき、下記条件式（３）を満足することが好ましい。条件式（３）の下限以下とならないようにすることによって、第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２のバランスを良好に保つことに有利となり、球面収差の補正が容易になり、また、第２光学系Ｇ２の中間像ＭＩ側のレンズの大径化を抑制することができる。条件式（３）の上限以上とならないようにすることによって、広角化に伴う第２光学系Ｇ２の負担が大きくなりすぎないようにすることができ、歪曲収差の補正が容易になり、また、第１光学系Ｇ１の中間像ＭＩ側のレンズの大径化を抑制することができる。なお、条件式（３）に代わり下記条件式（３−１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができる。
０．０３＜ｆ１／ｆ２＜０．２５ （３）
０．０５＜ｆ１／ｆ２＜０．２２ （３−１）

また、第１光学系Ｇ１の最も拡大側のレンズＬ１ａの縮小側のレンズ面と第１光学系Ｇ１の拡大側から２番目のレンズＬ１ｂの拡大側のレンズ面とにより形成される空気レンズの焦点距離をｆＡ、投写用光学系の焦点距離をｆとしたとき、下記条件式（４）を満足することが好ましい。条件式（４）の下限以下とならないようにすることによって、上記空気レンズの屈折力が弱くなりすぎないようにすることができ、非点収差の発生を抑えることができる。条件式（４）の上限以上とならないようにすることによって、上記空気レンズの屈折力が強くなりすぎないようにすることができ、これによってレンズＬ１ａとレンズＬ１ｂの間隔が広くなりすぎるのを抑え、レンズＬ１ａの大径化を抑制することができる。なお、条件式（４）に代わり下記条件式（４−１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができる。
−８＜ｆＡ／｜ｆ｜＜−２ （４）
−７＜ｆＡ／｜ｆ｜＜−２．４ （４−１）

なお、第１光学系Ｇ１の最も拡大側のレンズＬ１ａの縮小側のレンズ面と第１光学系Ｇ１の拡大側から２番目のレンズＬ１ｂの拡大側のレンズ面とにより形成される空気レンズの焦点距離は下記式で得られる。ただし、下記式では、レンズＬ１ａのｄ線に対する屈折率をＮａ、レンズＬ１ｂのｄ線に対する屈折率をＮｂ、レンズＬ１ａの縮小側のレンズ面の近軸曲率半径をＲａ、レンズＬ１ｂの拡大側のレンズ面の近軸曲率半径をＲｂ、レンズＬ１ａとレンズＬ１ｂの光軸上の間隔をＤａｂとしている。

なお、第１光学系Ｇ１の拡大側から２番目のレンズＬ１ｂのｄ線基準のアッベ数をνｄ２としたとき、下記条件式（５）を満足することが好ましい。条件式（５）を満足するように材料を選択することによって、倍率色収差の補正が容易となる。また、条件式（５）の下限以下とならないようにすることによって、コストを抑えながらレンズ系を構成することが容易となる。第１光学系Ｇ１の拡大側から２番目のレンズＬ１ｂが負レンズの場合は、条件式（５）を満足することによって、倍率色収差の補正がより容易となる。なお、条件式（５）に代わり下記条件式（５−１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができる。
１０＜νｄ２＜４０ （５）
１５＜νｄ２＜３５ （５−１）

また、この投写光学系では第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２とは共通の光軸Ｚを有することが好ましい。すなわち、凸面ミラーＭ、第１光学系Ｇ１に含まれる全レンズ、及び第２光学系Ｇ２に含まれる全レンズは全て共通の光軸Ｚを有することが好ましい。凸面ミラーＭも含めて第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２とが共通の光軸Ｚを有することによって、投写光学系全体の構造を簡略化できるため低コスト化に寄与することができる。なお、ここでいう共通の光軸とは、略共通の光軸の場合も含み、例えば光学系の性能を著しく落とさない製造上の公差範囲も含む。

第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２とが共通の光軸Ｚを有する場合、第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２との光軸Ｚ上の空気間隔をＤＧ１２、凸面ミラーＭと第１光学系Ｇ１の最も拡大側のレンズＬ１ａとの光軸Ｚ上の空気間隔をＤｍとしたとき、下記条件式（６）を満足することが好ましい。条件式（６）の下限以下とならないようにすることによって、凸面ミラーＭと第１光学系Ｇ１の最も拡大側のレンズＬ１ａとの空気間隔が大きくなりすぎないようにすることができ、凸面ミラーＭの大型化を抑制することができる。また、条件式（６）の下限以下とならないようにすることによって、第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２の空気間隔が小さくなりすぎないようにすることができ、中間像ＭＩの近傍にレンズが配置されない構成にできるため、最終像へのキズ等の映り込みを防止できる。条件式（６）の上限以上とならないようにすることによって、第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２の空気間隔の長さを抑えることができ、レンズ系全長を抑制することができる。なお、条件式（６）に代わり下記条件式（６−１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができる。
０．６＜ＤＧ１２／Ｄｍ＜１．５ （６）
０．７＜ＤＧ１２／Ｄｍ＜１．２ （６−１）

上述した好ましい構成及び可能な構成は、任意の組合せが可能であり、要求される仕様に応じて適宜選択的に採用されることが好ましい。本実施形態によれば、ミラーと複数のレンズを備え中間像を形成するタイプの投写用光学系であって、ミラーを大型化させることなく、広角化が図られ、諸収差が良好に補正されて高い光学性能を保持する投写用光学系を実現することが可能である。なお、ここでいう「広角」とは全画角が１３０度より大きいことを意味する。

次に、本発明の投写用光学系の数値実施例について説明する。なお、以下に示す実施例の数値データは全て、全系の焦点距離の絶対値が１．００となるように規格化されたものであり、所定の桁でまるめたものである。

［実施例１］
実施例１の投写用光学系のレンズ構成と光路は図１に示したものであり、その構成及び図示方法は上述したとおりであるので、ここでは重複説明を一部省略する。実施例１の投写用光学系は、拡大側から順に、第１光学系Ｇ１と、第２光学系Ｇ２とからなる。第１光学系Ｇ１は、拡大側から順に、凸面ミラーＭと、レンズＬ１ａ〜Ｌ１ｈの８枚のレンズとからなる。第２光学系Ｇ２は、拡大側から順に、レンズＬ２ａ〜Ｌ２ｅの５枚のレンズと、開口絞りＳｔと、レンズＬ２ｆ〜Ｌ２ｉの４枚のレンズとからなる。

実施例１の投写用光学系の基本レンズデータを表１に、諸元を表２に、非球面係数を表３に示す。表１において、面番号の欄には最も拡大側の面を第１面とし縮小側に向かうに従い１つずつ番号を増加させた場合の面番号を示し、Ｒの欄には各面の曲率半径を示し、Ｄの欄には各面とその縮小側に隣接する面との光軸上の面間隔を示す。また、Ｎｄの欄には各構成要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ（ナノメートル））に対する屈折率を示し、νｄの欄には各構成要素のｄ線基準のアッベ数を示す。

表１では、曲率半径の符号は、拡大側に凸面を向けた面形状のものを正、縮小側に凸面を向けた面形状のものを負としている。表１には開口絞りＳｔ及び光学部材ＰＰも合わせて示している。表１では、凸面ミラーＭに相当する面のＮｄの欄には、反射面という語句を記載し、開口絞りＳｔに相当する面の面番号の欄には面番号と（Ｓｔ）という語句を記載している。表１のＤの最上欄の数値は、拡大側結像面から凸面ミラーＭまでの距離に対応する。

表２に、投写用光学系の諸元として、焦点距離の絶対値｜ｆ｜、縮小側をバック側とした場合の空気換算距離でのバックフォーカスＢｆ、ＦナンバーＦＮｏ．、最大全画角２ωの各値をｄ線基準で示す。２ωの欄の［°］は単位が度であることを意味する。

表１では、非球面の面番号には＊印を付しており、非球面の曲率半径の欄には近軸の曲率半径の数値を記載している。表３に、非球面の面番号と各非球面に関する非球面係数を示す。表３の非球面係数の数値の「Ｅ±ｎ」（ｎ：整数）は「×１０^±ｎ」を意味する。非球面係数は、下式で表される非球面式における各係数ＫＡ、Ａｍ（ｍ＝３、４、５、…２０）の値である。
Ｚｄ＝Ｃ×ｈ^２／｛１＋（１−ＫＡ×Ｃ^２×ｈ^２）^１/２｝＋ΣＡｍ×ｈ^ｍ
ただし、
Ｚｄ：非球面深さ（高さｈの非球面上の点から、非球面頂点が接する光軸に垂直な平面に
下ろした垂線の長さ）
ｈ：高さ（光軸からのレンズ面までの距離）
Ｃ：近軸曲率
ＫＡ、Ａｍ：非球面係数
であり、非球面式のΣはｍに関する総和を意味する。

図５に左から順に、実施例１の投写用光学系の球面収差、非点収差、歪曲収差、及び倍率色収差の各収差図を示す。球面収差図では、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）、Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）、及びＦ線（波長４８６．１ｎｍ）に関する収差をそれぞれ実線、長破線、及び短破線で示す。非点収差図では、サジタル方向のｄ線に関する収差を実線で示し、タンジェンシャル方向のｄ線に関する収差を短破線で示す。歪曲収差図ではｄ線に関する収差を実線で示す。倍率色収差図では、Ｃ線、及びＦ線に関する収差をそれぞれ長破線、及び短破線で示す。球面収差図のＦＮｏ．はＦナンバーを意味し、その他の収差図のωは半画角を意味する。これらの収差図は、拡大側結像面から凸面ミラーＭまでの距離が表１に示す値の場合のものである。

上記の実施例１の説明で述べた各データの記号、意味、及び記載方法は、特に断りがない限り以下の実施例のものについても同様であるので、以下では重複説明を省略する。

［実施例２］
実施例２の投写用光学系のレンズ構成と光路の断面図を図２に示す。実施例２の投写用光学系は、拡大側から順に、第１光学系Ｇ１と、第２光学系Ｇ２とからなる。第１光学系Ｇ１は、拡大側から順に、凸面ミラーＭと、レンズＬ１ａ〜Ｌ１ｈの８枚のレンズとからなる。第２光学系Ｇ２は、拡大側から順に、レンズＬ２ａ〜Ｌ２ｅの５枚のレンズと、開口絞りＳｔと、レンズＬ２ｆ〜Ｌ２ｉの４枚のレンズとからなる。

実施例２の投写用光学系の基本レンズデータを表４に、諸元を表５に、非球面係数を表６に、各収差図を図６に示す。収差図は、拡大側結像面から凸面ミラーＭまでの距離が表４に示す値の場合のものである。

［実施例３］
実施例３の投写用光学系のレンズ構成と光路の断面図を図３に示す。実施例３の投写用光学系は、拡大側から順に、第１光学系Ｇ１と、第２光学系Ｇ２とからなる。第１光学系Ｇ１は、拡大側から順に、凸面ミラーＭと、レンズＬ１ａ〜Ｌ１ｈの８枚のレンズとからなる。第２光学系Ｇ２は、拡大側から順に、レンズＬ２ａ〜Ｌ２ｅの５枚のレンズと、開口絞りＳｔと、レンズＬ２ｆ〜Ｌ２ｉの４枚のレンズとからなる。なお、図３の例では、入射面と出射面が平行な２つの部材を一括して光学部材ＰＰとして図示している。

実施例３の投写用光学系の基本レンズデータを表７に、諸元を表８に、非球面係数を表９に、各収差図を図７に示す。収差図は、拡大側結像面から凸面ミラーＭまでの距離が表７に示す値の場合のものである。

［実施例４］
実施例４の投写用光学系のレンズ構成と光路の断面図を図４に示す。実施例４の投写用光学系は、拡大側から順に、第１光学系Ｇ１と、第２光学系Ｇ２とからなる。第１光学系Ｇ１は、拡大側から順に、凸面ミラーＭと、レンズＬ１ａ〜Ｌ１ｈの８枚のレンズとからなる。第２光学系Ｇ２は、拡大側から順に、レンズＬ２ａ〜Ｌ２ｅの５枚のレンズと、開口絞りＳｔと、レンズＬ２ｆ〜Ｌ２ｉの４枚のレンズとからなる。なお、図４の例では、入射面と出射面が平行な２つの部材を一括して光学部材ＰＰとして図示している。

実施例４の投写用光学系の基本レンズデータを表１０に、諸元を表１１に、非球面係数を表１２に、各収差図を図８に示す。収差図は、拡大側結像面から凸面ミラーＭまでの距離が表１０に示す値の場合のものである。

表１３に実施例１〜４の投写用光学系の条件式（１）〜（６）の対応値を示す。実施例１〜４はｄ線を基準波長としており、表１３にはｄ線を基準とした場合の値を示している。

以上のデータからわかるように、実施例１〜４の投写用光学系は、凸面ミラーＭの大型化が抑制され、全画角が１３８°以上あり広角に構成され、Ｆナンバーが２．４以下であり、諸収差が良好に補正されて高い光学性能を実現している。

次に、本発明の実施形態に係る投写型表示装置について説明する。図９は、本発明の一実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。図９に示す投写型表示装置１００は、本発明の実施形態に係る投写用光学系１０と、光源１５と、各色光に対応したライトバルブとしての透過型表示素子１１ａ〜１１ｃと、色分解のためのダイクロイックミラー１２、１３と、色合成のためのクロスダイクロイックプリズム１４と、コンデンサレンズ１６ａ〜１６ｃと、光路を偏向するための全反射ミラー１８ａ〜１８ｃとを有する。なお、図９では、投写用光学系１０は概略的に図示している。また、光源１５とダイクロイックミラー１２の間にはインテグレーターが配されているが、図９ではその図示を省略している。

光源１５からの白色光は、ダイクロイックミラー１２、１３で３つの色光光束（Ｇｒｅｅｎ光、Ｂｌｕｅ光、Ｒｅｄ光）に分解された後、それぞれコンデンサレンズ１６ａ〜１６ｃを経て各色光光束にそれぞれ対応する透過型表示素子１１ａ〜１１ｃに入射して変調され、クロスダイクロイックプリズム１４により色合成された後、投写用光学系１０に入射する。投写用光学系１０は、透過型表示素子１１ａ〜１１ｃにより変調された変調光による光学像をスクリーン１０５上に投写する。

図１０は、本発明の別の実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。図１０に示す投写型表示装置２００は、本発明の実施形態に係る投写用光学系２１０と、光源２１５と、各色光に対応したライトバルブとしてのＤＭＤ素子２１ａ〜２１ｃと、色分解及び色合成のためのＴＩＲ（Ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）プリズム２４ａ〜２４ｃと、照明光と投写光を分離する偏光分離プリズム２５とを有する。なお、図１０では投写用光学系２１０を概略的に図示している。また、光源２１５と偏光分離プリズム２５の間にはインテグレーターが配されているが、図１０ではその図示を省略している。

光源２１５からの白色光は、偏光分離プリズム２５内部の反射面で反射された後、ＴＩＲプリズム２４ａ〜２４ｃにより３つの色光光束（Ｇｒｅｅｎ光、Ｂｌｕｅ光、Ｒｅｄ光）に分解される。分解後の各色光光束はそれぞれ対応するＤＭＤ素子２１ａ〜２１ｃに入射して変調され、再びＴＩＲプリズム２４ａ〜２４ｃを逆向きに進行して色合成された後、偏光分離プリズム２５を透過して、投写用光学系２１０に入射する。投写用光学系２１０は、ＤＭＤ素子２１ａ〜２１ｃにより変調された変調光による光学像をスクリーン２０５上に投写する。

図１１は、本発明のさらに別の実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。図１１に示す投写型表示装置３００は、本発明の実施形態に係る投写用光学系３１０と、光源３１５と、各色光に対応したライトバルブとしての反射型表示素子３１ａ〜３１ｃと、色分離のためのダイクロイックミラー３２、３３と、色合成のためのクロスダイクロイックプリズム３４と、光路偏向のための全反射ミラー３８と、偏光分離プリズム３５ａ〜３５ｃとを有する。なお、図１１では、投写用光学系３１０は概略的に図示している。また、光源３１５とダイクロイックミラー３２の間にはインテグレーターが配されているが、図１１ではその図示を省略している。

光源３１５からの白色光はダイクロイックミラー３２、３３により３つの色光光束（Ｇｒｅｅｎ光、Ｂｌｕｅ光、Ｒｅｄ光）に分解される。分解後の各色光光束はそれぞれ偏光分離プリズム３５ａ〜３５ｃを経て、各色光光束それぞれに対応する反射型表示素子３１ａ〜３１ｃに入射して変調され、クロスダイクロイックプリズム３４により色合成された後、投写用光学系３１０に入射する。投写用光学系３１０は、反射型表示素子３１ａ〜３１ｃにより変調された変調光による光学像をスクリーン３０５上に投写する。

以上、実施形態及び実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、各レンズの曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、及び非球面係数等は、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

また、本発明の投写型表示装置も、上記構成のものに限定されず、例えば、光束分離又は光束合成に用いられる光学部材、及びライトバルブは、種々の態様の変更が可能である。

１０、２１０、３１０ 投写用光学系
１１ａ〜１１ｃ 透過型表示素子
１２、１３、３２、３３ ダイクロイックミラー
１４、３４ クロスダイクロイックプリズム
１５、２１５、３１５ 光源
１６ａ〜１６ｃ コンデンサレンズ
１８ａ〜１８ｃ、３８ 全反射ミラー
２１ａ〜２１ｃ ＤＭＤ素子
２４ａ〜２４ｃ ＴＩＲプリズム
２５、３５ａ〜３５ｃ 偏光分離プリズム
３１ａ〜３１ｃ 反射型表示素子
１００、２００、３００ 投写型表示装置
１０５、２０５、３０５ スクリーン
Ｇ１ 第１光学系
Ｇ２ 第２光学系
ｋ１ 最大画角の光束
ｋ２ 低画角の光束
Ｌ１ａ〜Ｌ１ｈ、Ｌ２ａ〜Ｌ２ｉ レンズ
Ｍ 凸面ミラー
ＭＩ 中間像
ＰＰ 光学部材
Ｓｉｍ 画像表示面
Ｓｔ 開口絞り
Ｚ 光軸

Claims (14)

1. 拡大側から縮小側へ向かって順に、１枚の凸面ミラー及び該凸面ミラーの縮小側に配置された複数のレンズからなる第１光学系と、複数のレンズを含む第２光学系とからなる投写用光学系であって、
   前記第２光学系は縮小側結像面と共役な位置に中間像を形成し、前記第１光学系は前記中間像と共役な最終像を拡大側結像面に結像させ、
   前記第１光学系の最も拡大側のレンズは負レンズであり、
   前記凸面ミラーの近軸曲率半径をＭｒ、前記第１光学系の最も拡大側の前記負レンズの焦点距離をｆＬ１とし、
   前記第１光学系の前記最も拡大側のレンズの縮小側のレンズ面と前記第１光学系の拡大側から２番目のレンズの拡大側のレンズ面とで形成される空気レンズの焦点距離をｆＡ、前記投写用光学系の焦点距離をｆとしたとき、
   ０＜Ｍｒ／ｆＬ１＜４．５ （１）
   −８＜ｆＡ／｜ｆ｜＜−２ （４）
   で表される条件式（１）および（４）を満足する投写用光学系。
2. 拡大側から縮小側へ向かって順に、１枚の凸面ミラー及び該凸面ミラーの縮小側に配置された複数のレンズからなる第１光学系と、複数のレンズを含む第２光学系とからなる投写用光学系であって、
   前記第２光学系は縮小側結像面と共役な位置に中間像を形成し、前記第１光学系は前記中間像と共役な最終像を拡大側結像面に結像させ、
   前記第１光学系と前記第２光学系とは共通の光軸を有し、
   前記第１光学系の最も拡大側のレンズは負レンズであり、
   前記凸面ミラーの近軸曲率半径をＭｒ、前記第１光学系の最も拡大側の前記負レンズの焦点距離をｆＬ１とし、
   前記第１光学系と前記第２光学系との前記光軸上の空気間隔をＤＧ１２、前記凸面ミラーと前記第１光学系の最も拡大側のレンズとの前記光軸上の空気間隔をＤｍとしたとき、
   ０＜Ｍｒ／ｆＬ１＜４．５ （１）
   ０．７＜ＤＧ１２／Ｄｍ＜１．２ （６−１）
   で表される条件式（１）および（６−１）を満足する投写用光学系。
3. 前記凸面ミラーより縮小側に位置する全てのレンズの合成焦点距離をｆＲ、前記投写用光学系の焦点距離をｆとしたとき、
   １．５＜｜ｆＲ／ｆ｜＜３．５ （２）
   で表される条件式（２）を満足する請求項１又は２記載の投写用光学系。
4. 前記第１光学系の焦点距離をｆ１、前記第２光学系の焦点距離をｆ２としたとき、
   ０．０３＜ｆ１／ｆ２＜０．２５ （３）
   で表される条件式（３）を満足する請求項１から３のいずれか１項記載の投写用光学系。
5. 前記第１光学系の拡大側から２番目のレンズは負レンズである請求項１から４のいずれか１項記載の投写用光学系。
6. 前記第１光学系の拡大側から２番目のレンズのｄ線基準のアッベ数をνｄ２としたとき、
   １０＜νｄ２＜４０ （５）
   で表される条件式（５）を満足する請求項１から５のいずれか１項記載の投写用光学系。
7. 前記第１光学系と前記第２光学系とは共通の光軸を有し、前記第１光学系と前記第２光学系との前記光軸上の空気間隔をＤＧ１２、前記凸面ミラーと前記第１光学系の最も拡大側のレンズとの前記光軸上の空気間隔をＤｍとしたとき、
   ０．６＜ＤＧ１２／Ｄｍ＜１．５ （６）
   で表される条件式（６）を満足する請求項１記載の投写用光学系。
8. ０．５＜Ｍｒ／ｆＬ１＜４ （１−１）
   で表される条件式（１−１）を満足する請求項１から７のいずれか１項記載の投写用光学系。
9. １．６＜｜ｆＲ／ｆ｜＜２．６ （２−１）
   で表される条件式（２−１）を満足する請求項３記載の投写用光学系。
10. ０．０５＜ｆ１／ｆ２＜０．２２ （３−１）
    で表される条件式（３−１）を満足する請求項４記載の投写用光学系。
11. −７＜ｆＡ／｜ｆ｜＜−２．４ （４−１）
    で表される条件式（４−１）を満足する請求項１記載の投写用光学系。
12. １５＜νｄ２＜３５ （５−１）
    で表される条件式（５−１）を満足する請求項６記載の投写用光学系。
13. ０．７＜ＤＧ１２／Ｄｍ＜１．２ （６−１）
    で表される条件式（６−１）を満足する請求項７記載の投写用光学系。
14. 光源と、
    該光源からの光が入射するライトバルブと、
    請求項１から１３のいずれか１項記載の投写用光学系とを備え、
    該投写用光学系は、前記ライトバルブにより変調された変調光による光学像をスクリーン上に投写する投写型表示装置。

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