JP7133398B2 - Projection optical system and image projection device - Google Patents

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Description

この発明は投射光学系および画像投射装置に関する。 The present invention relates to a projection optical system and an image projection apparatus.

「画像投射装置」はプロジェクタ装置等として広く知られ、種々のものが提案されている。
画像投射装置に用いられ、画像表示素子に表示された画像を被投射面上に拡大画像として投射する投射光学系も種々のものが提案されているが、その1タイプとして、屈折光学系と屈折力を持つ反射光学系とを含み、画像表示素子側に配した屈折光学系から射出する結像光束を反射光学系により反射させて被投射面上に結像させるものが知られている(特許文献1等)。
The "image projection device" is widely known as a projector device and the like, and various devices have been proposed.
Various types of projection optical systems have been proposed for use in image projection apparatuses to project an image displayed on an image display element onto a projection surface as an enlarged image. An image forming light flux emitted from a refractive optical system arranged on the image display device side is reflected by the reflective optical system to form an image on a projected surface (Patent Reference 1, etc.).

この発明は、屈折光学系と反射光学系を有する新規な投射光学系の実現を課題とする。 An object of the present invention is to realize a novel projection optical system having a refractive optical system and a reflective optical system.

この発明の投射光学系は、画像表示素子に表示された画像を被投射面上に拡大画像として投射する投射光学系であって、縮小側から拡大側に向かって順次、第1屈折光学系、反射光学系、第2屈折光学系を、結像光束の光路上に配してなり、前記反射光学系は1面の凹面鏡を有し、前記第1屈折光学系は、系内に絞りを有し、前記画像表示素子に表示された画像の中間像を前記凹面鏡の前記縮小側に結像する機能を持ち、前記第2屈折光学系は1以上の非球面を有するレンズ系であり、前記第1屈折光学系の光軸を基準光軸として、前記画像表示素子から前記凹面鏡に向かう結像光束は前記基準光軸に対して傾き、前記凹面鏡は、入射する前記結像光束を前記基準光軸に対して傾く方向へ向けて反射させて前記第2屈折光学系に入射させ、前記第2屈折光学系は、その光軸を前記基準光軸に合致させて、前記第1屈折光学系と前記凹面鏡との間に位置するとともに、前記第1屈折光学系から前記凹面鏡に向かう結像光束の通過する部分を切り欠かれており。、前記凹面鏡により反射された結像光束を前記被投射面に向けて透過させ、前記画像表示素子における有効画像表示領域において前記基準光軸から最も離れた位置を物点とする主光線を最外角主光線として、前記最外角主光線が前記凹面鏡に入射する位置から前記基準光軸までの光路長さ:DM、前記第2屈折光学系において最も拡大側に配置されたレンズの入射面への前記最外角主光線の入射位置から前記基準光軸までの光路長さ:DR、が、条件:
(1) 0.9≦DR/DM<3.0
を満足する。
A projection optical system according to the present invention is a projection optical system for projecting an image displayed on an image display element onto a projection surface as an enlarged image, comprising: a first refractive optical system; A reflecting optical system and a second refractive optical system are arranged on an optical path of an imaging light beam , the reflecting optical system having a concave mirror, and the first refractive optical system having an aperture within the system. and has a function of forming an intermediate image of the image displayed on the image display element on the reduction side of the concave mirror, the second refractive optical system is a lens system having one or more aspherical surfaces, With the optical axis of the refracting optical system as a reference optical axis, the imaging light flux directed from the image display element to the concave mirror is inclined with respect to the reference optical axis, and the concave mirror directs the incident imaging light flux to the reference optical axis. and is incident on the second refractive optical system, and the second refractive optical system aligns its optical axis with the reference optical axis so that the first refractive optical system and the It is located between the concave mirror and has a cutout portion through which the image forming light flux from the first refractive optical system to the concave mirror passes. , the imaging light beam reflected by the concave mirror is transmitted toward the projection surface, and the chief ray whose object point is the position farthest from the reference optical axis in the effective image display area of the image display element is the outermost angle; As a principal ray, the optical path length from the position where the outermost principal ray is incident on the concave mirror to the reference optical axis: DM, the above to the incident surface of the lens arranged on the most expansion side in the second refractive optical system The optical path length from the incident position of the outermost principal ray to the reference optical axis: DR, and the condition:
(1) 0.9≦ DR/DM<3.0
satisfy.

この発明によれば、屈折光学系と反射光学系を有する新規な投射光学系を実現できる。 According to this invention, a novel projection optical system having a refractive optical system and a reflective optical system can be realized.

投射光学系の実施例1を説明するための図である。It is a figure for demonstrating Example 1 of a projection optical system. 投射光学系の実施例2を説明するための図である。It is a figure for demonstrating Example 2 of a projection optical system. 投射光学系の実施例3を説明するための図である。It is a figure for demonstrating Example 3 of a projection optical system. 投射光学系の実施例4を説明するための図である。It is a figure for demonstrating Example 4 of a projection optical system. 投射光学系の実施例5を説明するための図である。It is a figure for demonstrating Example 5 of a projection optical system. 投射光学系の実施例6を説明するための図である。It is a figure for demonstrating Example 6 of a projection optical system. 投射光学系の実施例7を説明するための図である。It is a figure for demonstrating Example 7 of a projection optical system. 投射光学系の実施例8を説明するための図である。FIG. 12 is a diagram for explaining an eighth embodiment of the projection optical system; 投射光学系の実施例9を説明するための図である。FIG. 12 is a diagram for explaining a ninth embodiment of the projection optical system; 実施例1のデータを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing data of Example 1; 実施例1の非球面データを示す図である。4 is a diagram showing aspheric surface data of Example 1. FIG. 実施例1の収差図である。FIG. 2 is an aberration diagram of Example 1; 実施例2のデータを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing data of Example 2; 実施例2の非球面データを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing aspheric surface data of Example 2; 実施例2の収差図である。FIG. 10 is an aberration diagram of Example 2; 実施例3データを示す図である。It is a figure which shows Example 3 data. 実施例3の非球面データを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing aspheric surface data of Example 3; 実施例3の収差図である。FIG. 11 is an aberration diagram of Example 3; 実施例4のデータを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing data of Example 4; 実施例4の非球面データを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing aspheric surface data of Example 4; 実施例4の収差図である。FIG. 11 is an aberration diagram of Example 4; 実施例5のデータを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing data of Example 5; 実施例5の非球面データを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing aspheric surface data of Example 5; 実施例5の収差図である。FIG. 11 is an aberration diagram of Example 5; 実施例6のデータを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing data of Example 6; 実施例6の非球面データを示す図である。FIG. 12 is a diagram showing aspheric surface data of Example 6; 実施例6の収差図である。FIG. 11 is an aberration diagram of Example 6; 実施例7のデータを示す図である。FIG. 11 shows data of Example 7; 実施例7の非球面データを示す図である。FIG. 12 is a diagram showing aspheric surface data of Example 7; 実施例7の収差図である。FIG. 11 is an aberration diagram of Example 7; 実施例8のデータを示す図である。FIG. 11 shows data of Example 8; 実施例8の非球面データを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing aspheric surface data of Example 8; 実施例8の収差図である。FIG. 11 is an aberration diagram of Example 8; 実施例9のデータを示す図である。FIG. 11 shows data of Example 9; 実施例9の非球面データを示す図である。FIG. 12 is a diagram showing aspheric surface data of Example 9; 実施例9の収差図である。FIG. 11 is an aberration diagram of Example 9; 実施例1ないし実施例9における条件のパラメータの値を一覧として示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a list of parameter values of conditions in Examples 1 to 9;

具体的な実施の形態を説明するに先立って、この発明の構成を説明する。
この発明の投射光学系は、以下の如き「基本構成」を備えている。
即ち、画像表示素子に表示された画像を被投射面上に拡大画像として投射する投射光学系であって、縮小側から拡大側に向かって順次、第1屈折光学系、反射光学系、第2屈折光学系を結像光束の光路上に配してなり、「反射光学系」は1面の凹面鏡を有する。
「第1屈折光学系」は、系内に絞りを有し、画像表示素子に表示された画像の中間像を凹面鏡の縮小側に結像する機能を持つ。
「第2屈折光学系」はレンズ系であって、1以上の非球面を有する。
第2屈折光学系はレンズ系であるので、1枚以上のレンズで構成することができる。
なお、縮小側は画像表示素子側、拡大側は被投射面側である。
第2屈折光学系は第1屈折光学系の光軸を基準光軸とする。前記画像表示素子から前記凹面鏡に向かう結像光束は前記基準光軸に対して傾き、前記凹面鏡は、入射する前記結像光束を前記基準光軸に対して傾く方向へ向けて反射させて前記第2屈折光学系に入射させる。
第2屈折光学系は、その光軸を前記基準光軸に合致させて、前記第1屈折光学系と前記凹面鏡との間に位置するとともに、第1屈折光学系から前記凹面鏡に向かう結像光束の通過する部分を切り欠かれている。そして、凹面鏡により反射されて入射する結像光束を被投射面に向けて透過させる。
前記画像表示素子における有効画像表示領域において前記基準光軸から最も離れた位置を物点とする主光線を最外角主光線として、前記最外角主光線が前記凹面鏡に入射する位置から前記基準光軸までの光路長さ:DM、前記第2屈折光学系において最も拡大側に配置されたレンズの入射面への前記最外角主光線の入射位置から前記基準光軸までの光路長さ:DR、が、条件:
(1) 0.9≦DR/DM<3.0
を満足する。
Prior to describing specific embodiments, the configuration of the present invention will be described.
The projection optical system of the present invention has the following "basic configuration".
That is, it is a projection optical system for projecting an image displayed on an image display element onto a projection surface as an enlarged image, comprising a first refractive optical system, a reflective optical system, a second A refracting optical system is arranged on the optical path of the imaging light flux, and the "reflecting optical system" has a single concave mirror.
The "first refractive optical system" has an aperture within the system and has a function of forming an intermediate image of the image displayed on the image display device on the reduction side of the concave mirror.
A "second refractive optical system" is a lens system having one or more aspherical surfaces.
Since the second refractive optical system is a lens system, it can be composed of one or more lenses.
The reduction side is the image display element side, and the enlargement side is the projection surface side.
The second refractive optical system uses the optical axis of the first refractive optical system as a reference optical axis. The image forming light flux directed from the image display element toward the concave mirror is inclined with respect to the reference optical axis, and the concave mirror reflects the incident image forming light flux in a direction inclined with respect to the reference optical axis, thereby It is made incident on a two-refractive optical system.
The second refractive optical system is located between the first refractive optical system and the concave mirror with its optical axis aligned with the reference optical axis, and an imaging light flux directed from the first refractive optical system to the concave mirror. The part that passes through is notched. Then, the incident imaging light flux reflected by the concave mirror is transmitted toward the projected surface.
In the effective image display area of the image display device, the principal ray whose object point is the position furthest from the reference optical axis is defined as the outermost principal ray, and the position at which the outermost principal ray enters the concave mirror is measured from the reference optical axis. optical path length to: DM, optical path length from the incident position of the outermost angle chief ray to the incident surface of the lens arranged on the most expansion side in the second refractive optical system to the reference optical axis: DR, ,conditions:
(1) 0.9≦DR/DM<3.0
satisfy.

この基本構成において、上述のように前記第1屈折光学系の光軸を「基準光軸」、前記画像表示素子における有効画像表示領域において前記基準光軸から最も離れた位置を物点とする主光線を「最外角主光線」とする。 In this basic configuration, as described above, the optical axis of the first refractive optical system is the "reference optical axis", and the object point is the position furthest from the reference optical axis in the effective image display area of the image display device. Let the ray be the “outermost chief ray”.

「有効画像表示領域」は画像表示素子の表示面において「投射光学系により拡大画像として投射されるべき画像」が表示される面積領域である。 The "effective image display area" is an area area where "an image to be projected as an enlarged image by the projection optical system" is displayed on the display surface of the image display device.

そして、基本構成では、上記条件(1)が満足される。The basic configuration satisfies the above condition (1).

この基本構成において、最も拡大側のレンズの入射面への最外角主光線の入射位置の前記基準光軸からの高さ:YLB、前記反射光学系の凹面鏡の鏡面上における前記最外角主光線の前記基準光軸からの高さ:YMRが、条件:
(2) 0.2<YLB/YMR<3.5
を満足することができる。この構成を「構成2」という。
In this basic configuration, the height from the reference optical axis of the incident position of the outermost-angle principal ray to the incident surface of the lens on the most magnification side: Y LB , the outermost-angle principal ray on the mirror surface of the concave mirror of the reflecting optical system The height from the reference optical axis of: Y MR is the condition:
(2) 0.2< YLB / YMR <3.5
can satisfy you. This configuration is referred to as "configuration 2".

前記基本構成において、前記基準光軸と有効画像表示領域までの最大高さ:Yi、最も画像表示面側のレンズ面から前記凹面鏡の鏡面までの前記基準光軸上の距離:OALが、条件:
(3) 5.0<OAL/Yi<30.0
を満足することができる。この構成を「構成3」という。
In the basic configuration, the maximum height from the reference optical axis to the effective image display area: Yi, the distance on the reference optical axis from the lens surface closest to the image display side to the mirror surface of the concave mirror: OAL, are the conditions:
(3) 5.0<OAL/Yi<30.0
can satisfy you. This configuration is referred to as "configuration 3".

基本構成において、前記第1屈折光学系の焦点距離:f1A、全系の焦点距離:fが、条件:
(4) 0.04<f/f1A<0.5
を満足することができる。この構成を「構成4」という。
In the basic configuration, the focal length of the first refractive optical system: f 1A , the focal length of the entire system: f, the conditions:
(4) 0.04<f/ f1A <0.5
can satisfy you. This configuration is referred to as "configuration 4".

基本構成において、前記基準光軸から前記有効画像表示領域までの最大高さ:Yi、前記凹面鏡における前記最外角主光線の前記基準光軸からの高さ:YMRが、条件:
(5) 1.5<YMR/Yi<5.0
を満足することができる。この構成を「構成5」という。
In the basic configuration, the maximum height from the reference optical axis to the effective image display area: Yi, the height of the outermost principal ray on the concave mirror from the reference optical axis: Y MR are the conditions:
(5) 1.5< YMR /Yi<5.0
can satisfy you. This configuration is referred to as "configuration 5".

基本構成において、前記第1屈折光学系で最も拡大側のレンズ頂点から各像高での主光線と上光線又は下光線が交差する位置でより前記画像表示素子に近い方までの距離により前記中間像を定義するとき、前記有効画像表示領域で最も前記基準光軸に近い像高での中間像:TAと最も遠い像高における中間像位置:TBが、条件:
(6) 0.10<TB/TA<0.80
を満足することができる。この「構成6」という。
In the basic configuration, the distance from the vertex of the lens closest to the enlargement side in the first refractive optical system to the position where the chief ray at each image height intersects the upper ray or the lower ray and is closer to the image display element When defining the image, the intermediate image at the image height closest to the reference optical axis in the effective image display area: TA and the intermediate image position at the farthest image height: TB are the conditions:
(6) 0.10<TB/TA<0.80
can satisfy you. This "configuration 6" is called.

基本構成において、前記凹面鏡に反射された前記最外角主光線の、前記基準光軸に対する角:θが、条件、
(7) 1.5<tanθ<10.0
を満足することができる。この「構成7」という。
In the basic configuration, the angle of the outermost principal ray reflected by the concave mirror with respect to the reference optical axis: θ is the condition,
(7) 1.5<tan θ<10.0
can satisfy you. This "configuration 7" is called.

基本構成において、前記条件(2)ないし(7)の任意の2以上を満足することができる。この構成を「構成8」という。 In the basic configuration, any two or more of the conditions (2) to (7) can be satisfied. This configuration is referred to as "configuration 8".

この発明の画像投射装置は、画像表示素子と、該画像表示素子に表示される画像を被投射面上に拡大画像として投射する投射光学系とを有し、前記投射光学系として上記構成1ないし8の何れか構成を有するものが用いられる。
条件(1)ないし(7)の意義を以下に説明する。
条件(1)のパラメータ:DR/DMが、下限値を超えると、第2屈折光学系と凹面鏡とが近接するため、像面湾曲、歪曲収差等の「収差補正」上不利となる。また上限値を超えると、第2屈折光学系と凹面鏡の距離が長くなり、収差補正上は有利であるが、第2屈折光学系、ひいては投射光学系が大型化し易い。
An image projection apparatus according to the present invention comprises an image display element and a projection optical system for projecting an image displayed on the image display element onto a projection surface as an enlarged image, wherein the projection optical system has any of the above configurations 1 to 8 is used.
The significance of conditions (1) to (7) will be explained below.
If the parameter of condition (1): DR/DM exceeds the lower limit, the second refractive optical system and the concave mirror are brought close to each other, which is disadvantageous in terms of "aberration correction" such as curvature of field and distortion. If the upper limit is exceeded, the distance between the second refractive optical system and the concave mirror becomes long, which is advantageous in terms of aberration correction, but the second refractive optical system and, in turn, the projection optical system tend to be large.

条件(2)のパラメータ:YLB/YMRが、下限値を超えると、第2屈折光学系と凹面鏡とが近接するため、像面湾曲、歪曲収差等の「収差補正」上不利となる。また上限値を超えると、第2屈折光学系が光軸から離れる方向となり、収差補正上は有利であるが、第2屈折光学系、ひいては投射光学系が大型化し易い。 If the parameter of condition (2): Y LB /Y MR exceeds the lower limit, the second refractive optical system and the concave mirror are brought close to each other, which is disadvantageous in terms of "aberration correction" such as curvature of field and distortion. If the upper limit is exceeded, the second refractive optical system moves away from the optical axis, which is advantageous for correcting aberrations, but the second refractive optical system and, in turn, the projection optical system tend to be large.

条件(3)のパラメータ:OAL/Yiが、下限値を超えると、イメージサイズに対する投射レンズ全長が短くなり像面湾曲等の収差補正が難しくなる。また、上限値を超えた場合、収差補正には有利だが、第1屈折光学系の入射面から凹面鏡までの距離が増大して、投射光学系が大型化し易い。 If the parameter of condition (3): OAL/Yi exceeds the lower limit, the total length of the projection lens with respect to the image size becomes short, making it difficult to correct aberrations such as curvature of field. Further, when the upper limit is exceeded, although it is advantageous for correcting aberrations, the distance from the entrance surface of the first refractive optical system to the concave mirror increases, and the projection optical system tends to be large.

条件(4)のパラメータ:f/f1Aが、下限値を超えると、第1屈折光学系の焦点距離:f1Aが、全系の焦点距離:fに対して大きくなり、広角化が難しくなる。上限値を超えると第1屈折光学系の焦点距離:f1Aが、全系の焦点距離:fに対して小さくなり、広角化には有利だが第1屈折光学系から射出した光線が凹面鏡の手前で中間像として結像するため、凹面鏡の鏡面サイズが大きくなり、投射光学系全体の大型化し易い。 If the parameter of condition (4): f/f 1A exceeds the lower limit, the focal length of the first refractive optical system: f 1A becomes larger than the focal length of the entire system: f, making it difficult to widen the angle. . If the upper limit is exceeded, the focal length of the first refractive optical system: f 1A becomes smaller than the focal length of the entire system: f. Since the intermediate image is formed at , the size of the mirror surface of the concave mirror becomes large, which tends to increase the size of the entire projection optical system.

条件(5)のパラメータ:YMR/Yiが、下限値を超えると、有効画像表示領域に対して凹面鏡のサイズが小さく、凹面鏡の小型化には有利となるが、凹面鏡のパワーが弱くなり、収差補正、広角化の面で不利になる。上限値を超えると、凹面鏡のサイズが大きくなり、収差補正には有利だが投射光学系が大型化し易い。 If the parameter of condition (5): Y MR /Yi exceeds the lower limit, the size of the concave mirror is small relative to the effective image display area, which is advantageous for miniaturization of the concave mirror, but the power of the concave mirror is weakened. This is disadvantageous in terms of aberration correction and widening of the angle of view. If the upper limit is exceeded, the size of the concave mirror increases, which is advantageous for correcting aberrations, but tends to increase the size of the projection optical system.

条件(6)のパラメータ:TB/TAが、下限値を超えると、最外角主光線における中間像位置が、基準光軸に近い像高の中間像位置に対して離れ、これによって凹面鏡の鏡面上では光束径が広くなり、収差補正に対しては有利であるが、凹面鏡のサイズが大きくなり易い。上限値を超えると、最外角主光線における中間像位置が光軸に近い像高の中間像位置に対して近づき、凹面鏡の小型化には有利であるが、凹面鏡上での光束径が狭くなり収差補正に対しては不利となる。 When the parameter of condition (6): TB/TA exceeds the lower limit, the intermediate image position on the outermost principal ray is separated from the intermediate image position on the image height close to the reference optical axis. In this case, the luminous flux diameter becomes wider, which is advantageous for aberration correction, but the size of the concave mirror tends to increase. If the upper limit is exceeded, the intermediate image position of the outermost chief ray approaches the intermediate image position of the image height close to the optical axis, which is advantageous for downsizing the concave mirror, but the beam diameter on the concave mirror becomes narrow. This is disadvantageous for aberration correction.

条件(7)は、投射光学系の広角化に有利な条件であり、パラメータ:tanθの値は、条件(7)の範囲が適している。
以下、発明の実施の形態を説明する。
図1ないし図9に、画像投射装置の要部、即ち、画像表示素子における画像表示面と有効画像表示領域および投射光学系の構成を示す。
図1ないし図9は、図示の順に、後述する実施例1ないし実施例9に対応している。
繁雑を避けるために、図1ないし図9において符号を共通化する。
即ち、投射光学系につき、第1屈折光学系を符号Iで示し、符号IIにより反射光学系を示し、符号IIIにより第2屈折光学系を示す。実施例1ないし実施例9において、第2屈折光学系IIIとして「1枚のレンズによる構成」を示しているが、これに限らず、第2屈折光学系IIIは2枚以上のレンズ系として構成してもよい。
第2屈折光学系IIIは、その光軸が、第1屈折光学系の光軸である基準光軸に合致しているが、その光軸を含み、第1屈折光学系からの結像光束が通過する部分は切りかかれており、第1屈折光学系からの結像光束は、第2屈折光学系の「切り欠かれた部分」を通って反射光学系IIに入射する。
図1ないし図9において、符号10は、画像表示素子における「画像表示面」を示し、この画像表示面10に表示される画像の「有効画像表示領域」を符号EImで示す。
Condition (7) is advantageous for widening the angle of projection optical system, and the range of condition (7) is suitable for the value of the parameter tan θ.
Embodiments of the invention will be described below.
1 to 9 show the essential parts of the image projection apparatus, that is, the configuration of the image display surface and effective image display area of the image display device and the projection optical system.
1 to 9 correspond to Embodiments 1 to 9, which will be described later, in the order shown.
In order to avoid complication, reference numerals are used in common in FIGS.
That is, with respect to the projection optical system, the first refractive optical system is indicated by reference numeral I, the reflective optical system is indicated by reference numeral II, and the second refractive optical system is indicated by reference numeral III. In Examples 1 to 9, the second refractive optical system III is shown as "a configuration with one lens", but is not limited to this, and the second refractive optical system III can be configured as a system of two or more lenses. You may
The optical axis of the second refractive optical system III coincides with the reference optical axis, which is the optical axis of the first refractive optical system. The portion through which it passes is cut off, and the imaging light flux from the first refractive optical system enters the reflecting optical system II through the "notched portion" of the second refractive optical system.
1 to 9, reference numeral 10 denotes an "image display surface" of the image display device, and reference numeral EIm denotes an "effective image display area" of an image displayed on the image display surface 10. FIG.

図1ないし図9に示す実施の形態では、被投射面(一般には「スクリーン」であり、以下においてスクリーンということもある。)に「カラー拡大画像」を投射する場合が想定され、画像表示素子としては3枚の液晶パネルが想定されている。
画像表示素子は液晶パネルに限らず、DMD(デジタルミラーデバイス)等を用いることができることは言うまでもない。
画像表示素子として想定された3枚の液晶パネルには、例えばR(赤)、G(緑)、B(青)の3原色の画像に相当する色成分画像が個別に表示され、それぞれの色の光により照明されて透過光束もしくは反射光束が各色画像光となる。
これら各色画像光は、図中に符号11で示す「色合成プリズム」により合成され、合成されたカラー結像光束が第1屈折光学系Iに入射し、第1屈折光学系Iから射出すると、「中間像」として結像したのち、反射光学系IIである「凹面鏡」に入射し、反射されると第2屈折光学系IIIに入射し、第2屈折光学系IIIから射出すると投射光束となって、図示を省略されたスクリーン上に「カラー拡大画像」を結像する。
以下、具体的な実施例9例挙げる。
実施例1ないし9とも、第1屈折光学系Iは系内に「絞り」を有している。
各実施例のデータにおいて、「i」は画像表示面10の面を0、色合成プリズム11の入射面を1として、拡大側に数えた面(絞りの面を含む)の面番号を示し、「IMG」はスクリーン面を示す。
「R」は各面の曲率半径、「D」は面間隔、「j」は光学素子の番号、「Nd」は「光学素子の材質のd線の屈折率」、「νd」は「d線のアッベ数」を示す。
また、各実施例に採用されている非球面は、周知の次式で表される。
In the embodiments shown in FIGS. 1 to 9, it is assumed that a "enlarged color image" is projected onto a projection surface (generally a "screen", hereinafter also referred to as a screen), and an image display element. , three liquid crystal panels are assumed.
It goes without saying that the image display element is not limited to a liquid crystal panel, and a DMD (digital mirror device) or the like can be used.
Color component images corresponding to images of three primary colors, for example, R (red), G (green), and B (blue), are individually displayed on three liquid crystal panels assumed as image display elements. , and the transmitted light beams or the reflected light beams become the respective color image lights.
These color image lights are synthesized by a "color synthesizing prism" indicated by reference numeral 11 in the figure, and the synthesized color imaging light flux enters the first refractive optical system I, and when it exits from the first refractive optical system I, After being imaged as an "intermediate image", it enters the "concave mirror" which is the reflecting optical system II, and when reflected, enters the second refractive optical system III and emerges from the second refractive optical system III to become a projection light flux. to form a "color enlarged image" on a screen (not shown).
Nine specific examples are given below.
In each of Examples 1 to 9, the first refractive optical system I has an "aperture" within the system.
In the data of each example, "i" indicates the surface number of the surface (including the diaphragm surface) counted on the enlargement side, with the surface of the image display surface 10 being 0 and the incident surface of the color synthesizing prism 11 being 1, "IMG" indicates the screen surface.
"R" is the radius of curvature of each surface, "D" is the surface spacing, "j" is the optical element number, "Nd" is the d-line refractive index of the material of the optical element, and "vd" is the d-line Abbe number of
Also, the aspherical surface employed in each embodiment is represented by the well-known formula below.

Figure 0007133398000001
Figure 0007133398000001

若干付言すると、各実施例において、画像表示素子の画像表示面10に設定された有効画像表示領域EImは、図面に直交する方向を長手方向とする矩形形状であり、長手方向の中心は、図の面内にあって、第1結像光学系の光軸即ち「基準光軸」と同一面にある。 In addition, in each embodiment, the effective image display area EIm set on the image display surface 10 of the image display device has a rectangular shape whose longitudinal direction is the direction orthogonal to the drawing, and the center of the longitudinal direction is the and is in the same plane as the optical axis of the first imaging optical system, ie, the "reference optical axis".

図の上下方向、即ち「短手方向」においては、矩形形状の有効画像表示領域は、全体として、基準光軸よりも、図における上方に位置している。
実施例中の数値の単位は「mm」である。
「実施例1」
実施例1のデータを図10に示す。また、実施例1の非球面データを図11に示す。
「非球面データ」において、例えば「7.582571E-17」とあるのは、指数表示で「7.582571×10-17」を表す。以下の実施例2ないし実施例9における非球面データにおいても同様である。
In the vertical direction of the figure, that is, in the "transverse direction", the rectangular effective image display area as a whole is located above the reference optical axis in the figure.
The unit of numerical values in the examples is "mm".
"Example 1"
Data for Example 1 are shown in FIG. Also, FIG. 11 shows the aspheric surface data of Example 1. As shown in FIG.
In the "aspheric surface data", for example, "7.582571E-17" represents "7.582571×10 −17 " in exponential notation. The same applies to the aspheric surface data in Examples 2 to 9 below.

実施例1の収差図を図12に示す。
収差図は、上の図が左から順に「球面収差」、「非点収差」および「歪曲収差」を示す。
FIG. 12 shows an aberration diagram of Example 1. FIG.
Aberration diagrams show "spherical aberration", "astigmatism" and "distortion" in order from the left in the upper diagram.

非点収差の図における「S」はサジタル、「T」はタンジェンシアルである。収差図の下の図は「コマ収差」の図である。収差図の表記は、以下に挙げる実施例2ないし実施例9に関する収差図において同様である。
「各種諸特性」
焦点距離 3.62
NA 0.278
有効画像表示領域最大高さ 13.195
「実施例2」
実施例2のデータを図13に示す。また、実施例2の非球面データを図14に示す。
実施例2の収差図を図15に示す。
「各種諸特性」
焦点距離 3.46
NA 0.278
有効画像表示領域最大高さ 13.2
「実施例3」
実施例3のデータを図16に示す。また、実施例3の非球面データを図17に示す。
実施例3の収差図を図18に示す。
「各種諸特性」
焦点距離 2.28
NA 0.250
有効画像表示領域最大高さ 13.20
「実施例4」
実施例4のデータを図19に示す。また、実施例4の非球面データを図20に示す。
実施例4の収差図を図21に示す。
「各種諸特性」
焦点距離 3.70
NA 0.250
有効画像表示領域最大高さ 13.20
「実施例5」
実施例5のデータを図22に示す。また、実施例5の非球面データを図23に示す。
実施例5の収差図を図24に示す。
「各種諸特性」
焦点距離 3.53
NA 0.278
有効画像表示領域最大高さ 13.20
「実施例6」
実施例6のデータを図25に示す。また、実施例6の非球面データを図26に示す。
実施例6の収差図を図27に示す。
「各種諸特性」
焦点距離 3.73
NA 0.278
有効画像表示領域最大高さ 13.20
「実施例7」
実施例7のデータを図28に示す。また、実施例7の非球面データを図29に示す。
実施例7の収差図を図30に示す。
「各種諸特性」
焦点距離 3.96
NA 0.278
有効画像表示領域最大高さ 13.20
「実施例8」
実施例8のデータを図31に示す。また、実施例8の非球面データを図32に示す。
実施例8の収差図を図33に示す。
「各種諸特性」
焦点距離 4.22
NA 0.313
有効画像表示領域最大高さ 13.15
「実施例9」
実施例9のデータを図34に示す。また、実施例9の非球面データを図35に示す。
実施例9の収差図を図36に示す。
「各種諸特性」
焦点距離 3.64
NA 0.227
有効画像表示領域最大高さ 11.7
前述した条件(1)ないし条件(7)の各パラメータの、実施例1ないし実施例9における値を一覧として図37に示す。
"S" in the astigmatism diagram is sagittal, and "T" is tangential. The figure below the aberration diagram is a diagram of "coma aberration". The notation of the aberration diagrams is the same in the aberration diagrams relating to Examples 2 to 9 given below.
"various characteristics"
Focal length 3.62
NA 0.278
Effective image display area maximum height 13.195
"Example 2"
Data for Example 2 are shown in FIG. FIG. 14 shows the aspheric surface data of Example 2. FIG.
FIG. 15 shows an aberration diagram of Example 2. FIG.
"various characteristics"
Focal length 3.46
NA 0.278
Effective image display area maximum height 13.2
"Example 3"
Data for Example 3 are shown in FIG. FIG. 17 shows the aspheric surface data of Example 3. In FIG.
FIG. 18 shows aberration diagrams of Example 3. FIG.
"various characteristics"
Focal length 2.28
NA 0.250
Effective image display area maximum height 13.20
"Example 4"
Data for Example 4 are shown in FIG. Also, FIG. 20 shows the aspheric surface data of Example 4. As shown in FIG.
FIG. 21 shows an aberration diagram of Example 4. FIG.
"various characteristics"
Focal length 3.70
NA 0.250
Effective image display area maximum height 13.20
"Example 5"
Data for Example 5 are shown in FIG. Also, FIG. 23 shows the aspheric surface data of Example 5. As shown in FIG.
FIG. 24 shows an aberration diagram of Example 5. FIG.
"various characteristics"
Focal length 3.53
NA 0.278
Effective image display area maximum height 13.20
"Example 6"
Data for Example 6 are shown in FIG. Also, FIG. 26 shows the aspheric surface data of Example 6. As shown in FIG.
FIG. 27 shows aberration diagrams of Example 6. FIG.
"various characteristics"
Focal length 3.73
NA 0.278
Effective image display area maximum height 13.20
"Example 7"
Data for Example 7 are shown in FIG. Also, FIG. 29 shows the aspheric surface data of Example 7. As shown in FIG.
FIG. 30 shows an aberration diagram of Example 7. FIG.
"various characteristics"
Focal length 3.96
NA 0.278
Effective image display area maximum height 13.20
"Example 8"
Data for Example 8 are shown in FIG. FIG. 32 shows the aspheric surface data of Example 8. In FIG.
FIG. 33 shows an aberration diagram of Example 8. FIG.
"various characteristics"
Focal length 4.22
NA 0.313
Effective image display area maximum height 13.15
"Example 9"
Data for Example 9 are shown in FIG. Also, FIG. 35 shows the aspheric surface data of Example 9. As shown in FIG.
FIG. 36 shows aberration diagrams of Example 9. FIG.
"various characteristics"
Focal length 3.64
NA 0.227
Effective image display area maximum height 11.7
FIG. 37 shows a list of the values of the parameters of the conditions (1) to (7) described above in Examples 1 to 9. In FIG.

収差図に見られるように、実施例1ないし実施例9の投射光学系は何れも、性能良好であり、特に歪曲収差が良好に補正されている。これは、第2屈折光学系IIIのレンズ面に採用した非球面による補正効果が大きい。 As can be seen from the aberration diagrams, the projection optical systems of Examples 1 to 9 all have good performance, and distortion is particularly well corrected. This is due to the large correction effect of the aspherical surfaces adopted for the lens surfaces of the second refractive optical system III.

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・実施例に限定されるものではなく、上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。
第2屈折光学系を構成するレンズに、画像投射装置における「カバーガラス」の機能を持たせることもできる。
Although the preferred embodiments of the invention have been described above, the invention is not limited to the specific embodiments and examples described above, and unless otherwise specified in the above description, Various modifications and alterations are possible within the spirit of the disclosed invention.
The lens that constitutes the second refractive optical system can also have the function of a "cover glass" in the image projection device.

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。 The effects described in the embodiments of the present invention are merely enumerations of preferred effects resulting from the invention, and the effects of the invention are not limited to "those described in the embodiments".

10 画像表示素子の画像表示面
EIm 有効画像表示領域
11 色合成プリズム
I 第1屈折光学系
II 反射光学系(凹面鏡)
III 第2屈折光学系
10 Image display surface of image display element
EIm Effective image display area
11 color synthesis prism
I first refractive optical system
II reflective optical system (concave mirror)
III second refractive optical system

特願2014-80509Patent application 2014-80509

Claims (9)

画像表示素子に表示された画像を被投射面上に拡大画像として投射する投射光学系であって、
縮小側から拡大側に向かって順次、第1屈折光学系、反射光学系、第2屈折光学系を、結像光束の光路上に配してなり、
前記反射光学系は1面の凹面鏡を有し、
前記第1屈折光学系は、系内に絞りを有し、前記画像表示素子に表示された画像の中間像を前記凹面鏡の前記縮小側に結像する機能を持ち、
前記第2屈折光学系は1以上の非球面を有するレンズ系であり、
前記第1屈折光学系の光軸を基準光軸として、前記画像表示素子から前記凹面鏡に向かう結像光束は前記基準光軸に対して傾き、前記凹面鏡は、入射する前記結像光束を前記基準光軸に対して傾く方向へ向けて反射させて前記第2屈折光学系に入射させ、
前記第2屈折光学系は、その光軸を前記基準光軸に合致させて、前記第1屈折光学系と前記凹面鏡との間に位置するとともに、前記第1屈折光学系から前記凹面鏡に向かう結像光束の通過する部分を切り欠かれており、前記凹面鏡により反射された結像光束を前記被投射面に向けて透過させ、
前記画像表示素子における有効画像表示領域において前記基準光軸から最も離れた位置を物点とする主光線を最外角主光線として、
前記最外角主光線が前記凹面鏡に入射する位置から前記基準光軸までの光路長さ:DM、前記第2屈折光学系において最も拡大側に配置されたレンズの入射面への前記最外角主光線の入射位置から前記基準光軸までの光路長さ:DR、が、条件:
(1) 0.9≦DR/DM<3.0
を満足する投射光学系。
A projection optical system for projecting an image displayed on an image display element onto a projection surface as an enlarged image,
A first refractive optical system, a reflective optical system, and a second refractive optical system are arranged in order from the reduction side to the expansion side on the optical path of the imaging light flux ,
The reflective optical system has a single concave mirror,
The first refractive optical system has an aperture in the system and has a function of forming an intermediate image of an image displayed on the image display device on the reduction side of the concave mirror,
the second refractive optical system is a lens system having one or more aspherical surfaces;
With the optical axis of the first refracting optical system as a reference optical axis, the image forming light beam directed from the image display element to the concave mirror is inclined with respect to the reference optical axis, and the concave mirror tilts the incident image forming light beam to the reference optical axis. reflect in a direction tilting with respect to the optical axis and enter the second refractive optical system;
The second refractive optical system is located between the first refractive optical system and the concave mirror with its optical axis aligned with the reference optical axis, and is a coupling from the first refractive optical system to the concave mirror. a portion through which the image light flux passes is cut off, and the image light flux reflected by the concave mirror is transmitted toward the projection surface;
A principal ray whose object point is the position furthest from the reference optical axis in the effective image display area of the image display element is the outermost principal ray,
Optical path length from the position where the outermost-angle principal ray enters the concave mirror to the reference optical axis: DM, the outermost-angle principal ray to the incident surface of the lens arranged on the most expansion side in the second refractive optical system The optical path length from the incident position to the reference optical axis: DR, but the condition:
(1) 0.9≦ DR/DM<3.0
A projection optical system that satisfies
請求項1記載の投射光学系であって、
記第1屈折光学系の光軸を基準光軸、前記画像表示素子における有効画像表示領域において前記基準光軸から最も離れた位置を物点とする主光線を最外角主光線として、
前記第2屈折光学系における最も拡大側のレンズの入射面への最外角主光線の入射位置の前記基準光軸からの高さ:YLB、前記反射光学系の凹面鏡の鏡面上における前記最外角主光線の前記基準光軸からの高さ:YMRが、条件:
(2) 0.2<YLB/YMR<3.5
を満足する投射光学系。
The projection optical system according to claim 1,
The optical axis of the first refractive optical system is defined as a reference optical axis, and the principal ray whose object point is the position furthest from the reference optical axis in the effective image display area of the image display device is defined as the outermost principal ray,
Height from the reference optical axis of the incident position of the outermost-angle principal ray to the incident surface of the lens on the most magnification side in the second refractive optical system : Y LB , the outermost angle on the mirror surface of the concave mirror of the reflective optical system The height of the principal ray from the reference optical axis: Y MR is the condition:
(2) 0.2< YLB / YMR <3.5
A projection optical system that satisfies
請求項1記載の投射光学系であって、
前記第1屈折光学系の光軸を基準光軸、前記画像表示素子における有効画像表示領域において前記基準光軸から最も離れた位置を物点とする主光線を最外角主光線として、
前記基準光軸と有効画像表示領域までの最大高さ:Yi、最も画像表示面側のレンズ面から前記凹面鏡の鏡面までの前記基準光軸上の距離:OALが、条件:
(3) 5.0<OAL/Yi<30.0
を満足する投射光学系。
The projection optical system according to claim 1,
The optical axis of the first refractive optical system is defined as a reference optical axis, and the principal ray whose object point is the position furthest from the reference optical axis in the effective image display area of the image display device is defined as the outermost principal ray,
The maximum height from the reference optical axis to the effective image display area: Yi, the distance on the reference optical axis from the lens surface closest to the image display side to the mirror surface of the concave mirror: OAL, are the conditions:
(3) 5.0<OAL/Yi<30.0
A projection optical system that satisfies
請求項1記載の投射光学系であって、
記第1屈折光学系の焦点距離:f1A、全系の焦点距離:fが、条件:
(4) 0.04<f/f1A<0.5
を満足する投射光学系。
The projection optical system according to claim 1,
The focal length of the first refractive optical system: f 1A , the focal length of the entire system: f, the conditions:
(4) 0.04<f/ f1A <0.5
A projection optical system that satisfies
請求項1記載の投射光学系であって、
記第1屈折光学系の光軸を基準光軸、前記画像表示素子における有効画像表示領域において前記基準光軸から最も離れた位置を物点とする主光線を最外角主光線として、
前記基準光軸から前記有効画像表示領域までの最大高さ:Yi、前記凹面鏡における前記最外角主光線の前記基準光軸からの高さ:YMRが、条件:
(5) 1.5<YMR/Yi<5.0
を満足する投射光学系。
The projection optical system according to claim 1,
The optical axis of the first refractive optical system is defined as a reference optical axis, and the principal ray whose object point is the position furthest from the reference optical axis in the effective image display area of the image display device is defined as the outermost principal ray,
The maximum height from the reference optical axis to the effective image display area: Yi, the height of the outermost principal ray in the concave mirror from the reference optical axis: Y MR are the conditions:
(5) 1.5< YMR /Yi<5.0
A projection optical system that satisfies
請求項1記載の投射光学系であって、
記第1屈折光学系の光軸を基準光軸、前記画像表示素子における有効画像表示領域において前記基準光軸から最も離れた位置を物点とする主光線を最外角主光線、前記第1屈折光学系で最も拡大側のレンズ頂点から各像高での主光線と上光線又は下光線が交差する位置でより前記画像表示素子に近い方までの距離により前記中間像を定義するとき、
前記有効画像表示領域で最も前記基準光軸に近い像高での中間像:TAと最も遠い像高における中間像位置:TBが、条件:
(6) 0.10<TB/TA<0.80
を満足する投射光学系。
The projection optical system according to claim 1,
The optical axis of the first refracting optical system is a reference optical axis, the chief ray having an object point at a position farthest from the reference optical axis in the effective image display area of the image display element is the outermost chief ray, and the first When the intermediate image is defined by the distance from the apex of the lens closest to the enlargement side in the refractive optical system to the position where the chief ray and the upper ray or the lower ray at each image height intersect, and whichever is closer to the image display device ,
An intermediate image at an image height closest to the reference optical axis in the effective image display area: TA and an intermediate image position at the farthest image height: TB are the conditions:
(6) 0.10<TB/TA<0.80
A projection optical system that satisfies
請求項1記載の投射光学系であって、
記第1屈折光学系の光軸を基準光軸、前記画像表示素子における有効画像表示領域に
おいて前記基準光軸から最も離れた位置を物点とする主光線を最外角主光線として、
前記凹面鏡に反射された前記最外角主光線の、前記基準光軸に対する角:θが、条件:
(7)1.5<tanθ<10.0
を満足する投射光学系。
The projection optical system according to claim 1,
The optical axis of the first refractive optical system is defined as a reference optical axis, and the principal ray whose object point is the position furthest from the reference optical axis in the effective image display area of the image display device is defined as the outermost principal ray,
The angle of the outermost principal ray reflected by the concave mirror with respect to the reference optical axis: θ is the condition:
(7) 1.5<tan θ<10.0
A projection optical system that satisfies
請求項1記載の投射光学系であって、
前記第2屈折光学系における最も拡大側のレンズの入射面への最外角主光線の入射位置の前記基準光軸からの高さ:Y LB 、前記反射光学系の凹面鏡の鏡面上における前記最外角主光線の前記基準光軸からの高さ:Y MR 、前記基準光軸と有効画像表示領域までの最大高さ:Yi、最も前記画像表示面側のレンズ面から前記凹面鏡の鏡面までの前記基準光軸上の距離:OAL、前記第1屈折光学系の焦点距離:f 1A 、全系の焦点距離:f、前記基準光軸から前記有効画像表示領域までの最大高さ:Yi、前記凹面鏡における前記最外角主光線の前記基準光軸からの高さ:Y MR 、前記有効画像表示領域で最も前記基準光軸に近い像高での中間像:TAと最も遠い像高における中間像位置:TB、前記凹面鏡に反射された前記最外角主光線の、前記基準光軸に対する角:θが、条件:
(2) 0.2<Y LB /Y MR <3.5
(3) 5.0<OAL/Yi<30.0
(4) 0.04<f/f 1A <0.5
(5) 1.5<Y MR /Yi<5.0
(6) 0.10<TB/TA<0.80
(7)1.5<tanθ<10.0
の任意の2以上を満足する投射光学系。
The projection optical system according to claim 1,
Height from the reference optical axis of the incident position of the outermost-angle principal ray to the incident surface of the lens on the most magnification side in the second refractive optical system: Y LB , the outermost angle on the mirror surface of the concave mirror of the reflective optical system Height of the principal ray from the reference optical axis: Y MR Maximum height from the reference optical axis to the effective image display area: Yi Reference from the lens surface closest to the image display surface to the mirror surface of the concave mirror Distance on the optical axis: OAL, focal length of the first refractive optical system: f 1A , focal length of the entire system: f, maximum height from the reference optical axis to the effective image display area: Yi, in the concave mirror The height of the outermost principal ray from the reference optical axis: Y MR , the intermediate image at the image height closest to the reference optical axis in the effective image display area: TA, and the intermediate image position at the farthest image height: TB , the angle of the outermost principal ray reflected by the concave mirror with respect to the reference optical axis: θ is the condition:
(2) 0.2< YLB / YMR <3.5
(3) 5.0<OAL/Yi<30.0
(4) 0.04<f/ f1A <0.5
(5) 1.5< YMR /Yi< 5.0
(6) 0.10<TB/TA<0.80
(7) 1.5<tan θ<10.0
A projection optical system that satisfies any two or more of
画像表示素子と、該画像表示素子に表示される画像を被投射面上に拡大画像として投射する投射光学系とを有し、
前記投射光学系として請求項1ないし8の何れか1項に記載の投射光学系を有する画像投射装置。
an image display element; and a projection optical system for projecting an image displayed on the image display element onto a projection surface as an enlarged image,
An image projection apparatus comprising the projection optical system according to any one of claims 1 to 8 as the projection optical system.
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