JP7259412B2

JP7259412B2 - 投写光学系、投写型画像表示装置、撮像装置、および光学素子の製造方法

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Publication number: JP7259412B2
Application number: JP2019037326A
Authority: JP
Inventors: 博隆柳澤; 栄時守国
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Priority date: 2019-03-01
Filing date: 2019-03-01
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Description

本発明は、中間像の拡大側に凹形状の反射面を備える投写光学系、投写光学系を備える投写型画像表示装置、投写光学系を備える撮像装置、および凹形状の反射面を備える光学素子の製造方法に関する。

画像形成部が形成した投写画像を、投写光学系により拡大して投射する投写型画像表示装置は特許文献１に記載されている。同文献の投写光学系は、縮小側から拡大側に向かって順に第１光学系と第２光学系とからなる。第１光学系は屈折光学系を備える。第２光学系は凹形状の反射面を備える反射ミラーからなる。画像形成部は、光源とライトバルブとを備える。画像形成部は、投写光学系の縮小側結像面に投写画像を形成する。投写光学系は、第１光学系と反射面との間に中間像を形成し、拡大側結像面に配置されたスクリーンに最終像を投写する。

特開２０１０－２０３４４号公報

特許文献１の投写光学系では、投写距離を短くすると、反射面の縮小側に位置する中間像が第１光学系の光軸に沿う方向に傾斜する。ここで、中間像は、傾斜するのに伴って、大きくなる。中間像が大きくなると、中間像の拡大側に位置する反射面を大きくする必要が生じる。従って、中間像の拡大側に凹形状の反射ミラーのみを備える投写光学系では、投写距離を短くする場合に、反射ミラーが大型化しやすいという問題がある。

上記の課題を解決するために、本発明は、縮小側から拡大側に向かって順に、第１光学系と、第２光学系と、からなり、縮小側結像面と拡大側結像面との間に中間像を形成する投写光学系において、前記第２光学系は、縮小側から拡大側に向かって順に、第１透過面、反射面、および第２透過面を有する光学素子であり、前記第１透過面と前記反射面とは、予め設定した仮想軸の一方側に位置し、前記第２透過面は、前記仮想軸の他方側に位置し、前記反射面は、凹曲面形状を備え、前記第２透過面は、前記拡大側に突出する凸曲面形状を備え、前記光学素子は、当該光学素子を通過する光線の光路上に屈折率が相違する第１部材部分と第２部材部分と、を備え、前記第１部材部分は、前記第２部材部分の外周面に密着して設けられていることを特徴とする。

また、本発明は、縮小側から拡大側に向かって順に、第１透過面、反射面、および第２透過面を有し、前記第１透過面と前記反射面とは、予め設定した仮想軸の一方側に位置し、前記第２透過面は、前記仮想軸の他方側に位置し、前記反射面は、凹形状を備え、前記第２透過面は、前記拡大側に突出する凸曲面形状を備える光学素子の製造方法において、金型の内壁面に前記反射面の面形状を転写した第１の転写面を設け、屈折率の異なる第１部材と第２部材とのうち、前記第２部材を金型内に配置し、前記金型内における前記第２部材と前記第１の転写面との間に前記第１部材を注入して、硬化させ、前記第１部材に反射コーティングを施して前記反射面を形成することを特徴とする。
また、本発明に係る投写光学系は、縮小側から拡大側に向かって順に、第１光学系と、第２光学系と、からなり、縮小側結像面と拡大側結像面との間に中間像を形成する投写光学系において、前記第２光学系は、縮小側から拡大側に向かって順に、第１透過面、反射面、および第２透過面を有する光学素子であり、前記第１透過面と前記反射面とは、予め設定した仮想軸の一方側に位置し、前記第２透過面は、前記仮想軸の他方側に位置し、前記反射面は、凹曲面形状を備え、前記第２透過面は、前記拡大側に突出する凸曲面形状を備え、前記光学素子は、当該光学素子を通過する光線の光路上に屈折率が相違する第１部材部分と第２部材部分と、を備え、前記第１部材部分は、前記第２部材部分の外周面に密着して設けられており、前記第２部材部分は、前記第１部材部分よりも耐熱性が高く、前記第２部材部分において前記光学素子に入射した光線の光束径が最も小さくなることを特徴とする。
また、本発明に係る撮像装置は、縮小側から拡大側に向かって順に、第１光学系と、第２光学系と、からなり、縮小側結像面と拡大側結像面との間に中間像を形成する投写光学系において、前記第２光学系は、縮小側から拡大側に向かって順に、第１透過面、反射面、および第２透過面を有する光学素子であり、前記第１透過面と前記反射面とは、予め設定した仮想軸の一方側に位置し、前記第２透過面は、前記仮想軸の他方側に位置し、前記反射面は、凹曲面形状を備え、前記第２透過面は、前記拡大側に突出する凸曲面形状を備え、前記光学素子は、当該光学素子を通過する光線の光路上に屈折率が相違する第１部材部分と第２部材部分と、を備え、前記第１部材部分は、前記第２部材部分の外周面に密着して設けられている投写光学系と、前記縮小側結像面に配置された撮像素子と、を備えることを特徴とする。

投写光学系を備える投写型画像表示装置の概略構成図である。投写光学系の全体を模式的に表す光線図である。実施例の投写光学系の光線図である。第２光学系の光線図である。第２光学系を構成する光学素子の材質の説明図である。中間像の拡大側に反射面のみを備える場合の倍率の説明図である。中間像の拡大側に反射面と第２透過面を備える場合の倍率の説明図である。スクリーンの上方に達する光束の開き角度の説明図である。スクリーンの下方に達する光束の開き角度の説明図である。実施例の投写光学系の拡大側のＭＴＦを示す図である。光学素子の製造方法のフローチャートである。光学素子の製造方法の説明図である。

以下に図面を参照して、本発明の実施形態に係る投写光学系およびこれを備える投写型画像表示装置について詳細に説明する。

（投写型画像表示装置）
図１は本発明の投写光学系を備える投写型画像表示装置の概略構成図である。図１に示すように、投写型画像表示装置１は、スクリーンＳに投写する画像光を生成する画像形成部２と、画像光を拡大して投写する投写光学系３と、画像形成部２の動作を制御する制御部４とを備える。

（画像光生成光学系および制御部）
画像形成部２は、光源１０、第１インテグレーターレンズ１１、第２インテグレーターレンズ１２、偏光変換素子１３、重畳レンズ１４を備える。光源１０は、例えば、超高圧水銀ランプ、固体光源等で構成される。第１インテグレーターレンズ１１および第２インテグレーターレンズ１２は、アレイ状に配列された複数のレンズ素子をそれぞれ有する。第１インテグレーターレンズ１１は、光源１０からの光束を複数に分割する。第１インテグレーターレンズ１１の各レンズ素子は、光源１０からの光束を第２インテグレーターレンズ１２の各レンズ素子の近傍に集光させる。

偏光変換素子１３は、第２インテグレーターレンズ１２からの光を所定の直線偏光に変換させる。重畳レンズ１４は、第１インテグレーターレンズ１１の各レンズ素子の像を、第２インテグレーターレンズ１２を介して、後述する液晶パネル１８Ｒ、液晶パネル１８Ｇ、および、液晶パネル１８Ｂの表示領域上で重畳させる。

また、画像形成部２は、第１ダイクロイックミラー１５、反射ミラー１６およびフィールドレンズ１７Ｒ、および、液晶パネル１８Ｒを備える。第１ダイクロイックミラー１５は、重畳レンズ１４から入射した光線の一部であるＲ光を反射させ、重畳レンズ１４から入射した光線の一部であるＧ光およびＢ光を透過させる。第１ダイクロイックミラー１５で反射されたＲ光は、反射ミラー１６およびフィールドレンズ１７Ｒを経て、液晶パネル１８Ｒへ入射する。液晶パネル１８ＲはＲ光を画像信号に応じて変調することにより、赤色の投写画像を形成する。

さらに、画像形成部２は、第２ダイクロイックミラー２１、フィールドレンズ１７Ｇ、および、液晶パネル１８Ｇを備える。第２ダイクロイックミラー２１は、第１ダイクロイックミラー１５からの光線の一部であるＧ光を反射させ、第１ダイクロイックミラー１５からの光線の一部であるＢ光を透過させる。第２ダイクロイックミラー２１で反射されたＧ光は、フィールドレンズ１７Ｇを経て、液晶パネル１８Ｇへ入射する。液晶パネル１８Ｇは画像表示素子である。液晶パネル１８ＧはＧ光を画像信号に応じて変調することにより、緑色の投写画像を形成する。

また、画像形成部２は、リレーレンズ２２、反射ミラー２３、リレーレンズ２４、反射ミラー２５、およびフィールドレンズ１７Ｂ、および、液晶パネル１８Ｂを備える。第２ダイクロイックミラー２１を透過したＢ光は、リレーレンズ２２、反射ミラー２３、リレーレンズ２４、反射ミラー２５、およびフィールドレンズ１７Ｂを経て、液晶パネル１８Ｂへ入射する。液晶パネル１８Ｂは画像表示素子である。液晶パネル１８ＢはＢ光を画像信号に応じて変調することにより、青色の投写画像を形成する。

液晶パネル１８Ｒ、液晶パネル１８Ｇ、および、液晶パネル１８Ｂは、クロスダイクロイックプリズム１９を３方向から囲んでいる。クロスダイクロイックプリズム１９は、光合成用のプリズムであり、各液晶パネル１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂで変調された光を合成して画像光を生成する。

投写光学系３は、クロスダイクロイックプリズム１９が合成した画像光（各液晶パネル１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂが形成した投写画像）をスクリーンＳに拡大して投写する。

制御部４は、ビデオ信号等の外部画像信号が入力される画像処理部６と、画像処理部６から出力される画像信号に基づいて液晶パネル１８Ｒ、液晶パネル１８Ｇおよび液晶パネル１８Ｂを駆動する表示駆動部７とを備える。

画像処理部６は、外部の機器から入力された画像信号を各色の諧調等を含む画像信号に変換する。表示駆動部７は、画像処理部６から出力された各色の投写画像信号に基づいて液晶パネル１８Ｒ、液晶パネル１８Ｇおよび液晶パネル１８Ｂを動作させる。これにより、画像処理部６は、画像信号に対応した投写画像を液晶パネル１８Ｒ、液晶パネル１８Ｇおよび液晶パネル１８Ｂに表示する。

（投写光学系）
次に、投写光学系３を説明する。以下では、投写型画像表示装置１に搭載される投写光学系３の構成例として実施例を説明する。

（実施例）
図２は本発明の投写光学系３の全体を模式的に表す光線図である。図２では、投写光学系３からスクリーンＳに到達する１１本の光束Ｆ１～Ｆ１１を模式的に示している。光束Ｆ１は最も像高が低い位置に達する光束である。光束Ｆ１１は最も像高が高い位置に達する光束である。光束Ｆ２から光束Ｆ１０は、光束Ｆ１と光束Ｆ１１との間の各高さ位置に到達する光束である。図３は、実施例の投写光学系の光線図である。図４は第２光学系の光線図である。図５は第２光学系を構成する光学素子の材質の説明図である。

本例の投写光学系３Ａは、図２に示すように、縮小側から拡大側に向かって順に、第１光学系３１と、第２光学系３２と、からなる。図３、図４に示すように、投写光学系３Ａは、縮小側結像面と拡大側結像面との間に中間像３３を形成する。本例では、中間像３３は第２光学系３２の内側に形成される。なお、中間像３３は、第２光学系３２の内側でなくてもよい。

第１光学系３１は、複数枚のレンズを備える屈折光学系である。本例では、第１光学系３１は１５枚のレンズを備える。第２光学系３２は１枚の光学素子３５Ａからなる。中間像３３は、光学素子３５Ａの内側に形成される。

縮小側結像面には、画像形成部２の液晶パネル１８Ｒ、液晶パネル１８Ｇおよび液晶パネル１８Ｂが配置されている。図２、図３では３枚の液晶パネル１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂのうちの一枚である液晶パネル１８Ｇを示す。液晶パネル１８Ｒ、液晶パネル１８Ｇおよび液晶パネル１８Ｂは、縮小側結像面における第１光学系３１の光軸Ｎの一方側に投写画像を形成する。拡大側結像面にはスクリーンＳが配置されている。

図３に示すように、第１光学系３１は、クロスダイクロイックプリズム１９と、１５枚のレンズＬ１～Ｌ１５を有する。第１レンズＬ１～第１５レンズＬ１５は縮小側から拡大側に向かってこの順に配置されている。本例では、第２レンズＬ２と第３レンズＬ３は接合された第１接合レンズＬ２１である。第４レンズＬ４と第５レンズＬ５は接合された第２接合レンズＬ２２である。第１１レンズＬ１１と第１２レンズＬ１２は接合された第３接合レンズＬ２３である。第１３レンズＬ１３および第１４レンズＬ１４は接合された第４接合レンズＬ２４である。第７レンズＬ７と第８レンズＬ８との間には絞りＯ１が配置されている。第１５レンズＬ１５の拡大側の面は、非球面である。なお、第１光学系３１は、クロスダイクロイックプリズム１９を備えていない場合がある。

図４に示すように、光学素子３５Ａは、縮小側から拡大側に向かって順に、第１透過面４１、反射面４２、および第２透過面４３を有する。以下の説明では、便宜上、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸とする。そして、第１透過面４１および反射面４２が配列されている方向をＺ軸方向、Ｙ軸の一方側を上方Ｙ１、Ｙ軸の他方側を下方Ｙ２、Ｘ軸と垂直でＹ軸およびＺ軸を含む面をＹＺ平面とする。従って、図１から図５の各図はＸ軸と平行な方向から見た場合を示す。図２に示すように、第１光学系３１の光軸ＮはＺ軸方向に延びる。画像形成部２は、第１光学系３１の光軸Ｎの上方Ｙ１に投写画像を形成する。

中間像３３は、第１光学系３１の光軸Ｎの下方Ｙ２に形成される。スクリーンＳは、第１光学系３１の光軸Ｎの上方Ｙ１に位置する。スクリーンＳの横方向はＸ軸方向である。中間像３３はスクリーンＳに形成される投写画像に対して上下が反転した画像である。また、中間像３３は、拡大側結像面であるスクリーンＳに長方形の最終像が投写されるように、歪んだ画像である。より具体的には、中間像３３は、スクリーンＳに形成される最終像の台形歪みが小さくなる形状である。すなわち、中間像３３は、最終像の台形歪みに対して逆に歪む。従って、中間像３３は、スクリーンＳにおける像高が最も高い辺が最も短い。

また、以下の説明では、ＹＺ平面上に、Ｚ軸方向に延びる仮想軸Ｍを設定する。仮想軸Ｍは光学素子３５Ａの設計基準軸である。仮想軸Ｍは、拡大側結像面であるスクリーンＳに垂直である。

第１透過面４１と反射面４２とは、仮想軸Ｍの下方Ｙ２に位置する。第２透過面４３は、仮想軸Ｍの上方Ｙ１に位置する。反射面４２は、第１透過面４１または第２透過面４３から見て凹曲面形状を備える。従って、反射面４２は正のパワーを有する。反射面４２は光学素子３５Ａに外側から反射コートを施すことにより設けられている。第２透過面４３は拡大側に突出する凸曲面形状を備える。従って、第２透過面４３は正のパワーを有する。ここで、第１透過面４１、反射面４２、および第２透過面４３は、仮想軸Ｍに対し回転対称な面を持つ共軸光学系である。従って、仮想軸Ｍは、光学素子３５Ａの設計基準軸である。本例では、仮想軸Ｍは、第１光学系３１の光軸Ｎと一致する。

光学素子３５Ａは、上半分、下半分が、それぞれ仮想軸Ｍを中心とする回転対称に構成されている。すなわち、第１透過面４１、反射面４２、および第２透過面４３は、図３に示すＹＺ平面の断面形状を、仮想軸Ｍを中心としてＸ軸方向の一方側および他方側にそれぞれ９０°の角度範囲で回転させた形状を備える。本例では、第１透過面４１、反射面４２、および第２透過面４３は、いずれも非球面形状を備える。

第２光学系３２の光学素子３５Ａには、第２透過面４３の有効光線範囲５０のＹ軸方向の上端を通過する上端光束５１の上周辺光線５１ａおよび当該有効光線範囲５０のＹ軸方向の下端を通過する下端光束５２の上周辺光線５２ａがＹＺ平面上で交差する上側交点５３と、上端光束５１の下周辺光線５１ｂおよび下端光束５２の下周辺光線５２ｂがＹＺ平面上で交差する下側交点５４と、を結ぶ仮想線Ｐを規定することができる。仮想線Ｐは、ＹＺ平面で仮想軸Ｍに垂直な仮想垂直線Ｖに対して傾斜している。また、仮想線Ｐが仮想垂直線Ｖに対して傾斜する傾斜角度θが９０°以上である。すなわち、仮想垂直線Ｖに対して仮想線Ｐの上側交点５３の側が仮想垂直線Ｖと仮想線Ｐとの交点を軸として時計周りに回る傾斜角度θは、９０°以上である。ここで、仮想線Ｐは、ＹＺ平面上における瞳ということもできる。光学素子に入射した光線は、仮想線Ｐ、或いは仮想線Ｐの近傍において、集光される。光学素子に入射した光線は、仮想線Ｐの近傍の領域Ａにおいて、光束径が最も小さくなる。

ここで、図５に示すように、光学素子３５Ａは、入射した光線の光路上に第１部材部分６５と、第１部材部分６５とは屈折率の異なる第２部材部分６６と、を備える。第１部材部分６５は、第１透過面４１を備える第１の第１部材部分６５（１）と、反射面４２を備える第２の第１部材部分６５（２）と、第２透過面４３を備える第３の第１部材部分６５（３）と、を備える。第２部材部分は、Ｚ軸方向において、第１の第１部材部分６５（１）と、第２の第１部材部分６５（２）との間に位置する。また、第２部材部分は、Ｚ軸方向において、第２の第１部材部分６５（２）と第３の第１部材部分６５（３）と、の間に位置する。本例では、第１部材部分６５は、樹脂からなる。第２部材部分６６は、ガラスからなる。図４に示すように、第２部材部分６６において光学素子３５Ａに入射した光線の光束径が最も小さくなる。すなわち、光学素子３５Ａに入射した光線の光束径が最も小さくなる領域Ａは、第２部材部分６６の内側にある。

第２部材部分６６は、球形状である。第２部材部分６６には、Ｚ軸方向の一方側に第１の第１部材部分６５（１）および第３の第１部材部分６５（３）が密着し、Ｚ軸方向の他方側に第２の第１部材部分６５（２）が密着する。従って、第１の第１部材部分６５（１）の接合面と、第２部材部分６６の第１の第１部材部分６５（１）に対する接合面とは、対応する曲面形状を備える。言い換えれば、第２部材部分６６の第１の第１部材部分６５（１）に対する接合面は、凸曲面形状である。第１の第１部材部分６５（１）の第２部材部分６６に対する接合面は、第２部材部分６６の凸曲面形状に対応する凹曲面形状である。また、第２部材部分６６の第２の第１部材部分６５（２）に対する接合面と、第２の第１部材部分６５（２）の接合面とは、対応する曲面形状を備える。言い換えれば、第２部材部分６６の第２の第１部材部分６５（２）に対する接合面は、凸曲面形状であり、第２の第１部材部分６５（２）の接合面は、第２部材部分６６の凸曲面形状に対応する凹曲面形状である。さらに、第３の第１部材部分６５（３）の接合面と、第２部材部分６６の第３の第１部材部分６５（３）に対する接合面とは、対応する曲面形状を備える。言い換えれば、第２部材部分６６の第３の第１部材部分６５（３）に対する接合面は、凸曲面形状である。第３の第１部材部分６５（３）の第２部材部分６６に対する接合面は、第２部材部分６６の凸曲面形状に対応する凹曲面形状である。

ここで、第１部材部分６５と第２部材部分６６とは、屈折率が相違する。また、第２部材部分６６と第１の第１部材部分６５（１）との接合面、第２部材部分６６と第２の第１部材部分６５（２）との接合面、および第２部材部分６６と第３の第１部材部分６５（３）との接合面はそれぞれ曲面形状である。従って、光学素子３５Ａは、第２部材部分６６と第１の第１部材部分６５（１）との接合面、第２部材部分６６と第２の第１部材部分６５（２）との接合面、および、第２部材部分６６と第３の第１部材部分６５（３）との接合面において、パワーを備える。

また、第１部材部分６５と第２部材部分６６とは、材質が相違するので、耐熱性が異なる。すなわち、ガラスからなる第２部材部分６６は、樹脂からなる第１部材部分６５と比較して、短波長の光線の透過率が高い。これにより、第２部材部分６６では、短波長の光線を吸収による温度上昇が抑制される。よって、第２部材部分６６は、第１部材部分６５と比較して、発熱しにくく、耐熱性が高い。

なお、光学素子３５Ａには、絞りＯ２が設けられている場合がある。絞りＯ２は、光学素子３５を仮想線Ｐに沿って分割し、分割面に遮光用の墨を塗布し、しかる後に、分割した光学素子３５Ａ一つに接合することなどにより、設けられる。なお、絞りＯ２は、光束の一部を遮光できる部材を用いて形成すればよく、墨を用いて形成されるものに限られない。

（レンズデータ）
投写光学系３Ａのレンズデータは以下のとおりである。面番号は、縮小側から拡大側に順番に付してある。＊を付した面番号の面は非球面である。符号は、第１光学系３１においては、各レンズの符号を示す。第２光学系３２においては、第１透過面４１、反射面４２、および第２透過面４３の符号と、第１の第１部材部分６５（１）、第２部材部分６６、第２の第１部材部分６５（２）、第３の第１部材部分６５（３）を示す。すなわち、面番号３２は、第１透過面４１である。面番号３３は、第１の第１部材部分６５（１）と、第２部材部分６６との接合面である。面番号３４は、第２部材部分６６と第２の第１部材部分６５（２）との接合面である。面番号３５は、反射面４２である。面番号３６は、第２の第１部材部分６５（２）と第２部材部分６６との接合面である。面番号３７は、第２部材部分６６と、第３の第１部材部分６５（３）との接合面である。従って、面番号３３、面番号３４、面番号３６、および面番号３７は、対応する曲面形状を備える。ｒは曲率半径であり、単位はｍｍである。ｄは軸上面間隔であり、単位はｍｍである。ｎｄは屈折率である。νｄはアッベ数である。Ｅは有効径である。

面番号符号 r d nd.vd E
1 18 1.000000E+18 7.125000E+00
2 19 1.000000E+18 1.943250E+01 SBSL7_OHARA 10.5740
3 1.000000E+18 1.000000E-01 13.8886
4 L1 2.647587E+02 4.745643E+00 834805.4272 13.0000
5 -3.126044E+01 4.745101E-01 14.1277
6 L2 9.919395E+01 5.624129E+00 606059.6170 13.0552
7 L3 -2.948335E+01 1.600000E+00 846663.2378 12.7515
8 -6.956515E+01 1.000000E-01 12.7384
9 L4 5.055435E+01 6.085836E+00 SBSL7_OHARA 12.2604
10 L5 -2.556322E+01 1.985833E+00 TAFD25_HOYA 11.9402
11 4.279800E+01 1.016403E-17 11.6870
12 L6 2.969023E+01 5.060257E+00 441995.9229 11.8491
13 -7.104468E+01 3.159436E+01 11.8366
14 絞り 1.000000E+18 1.966183E+01 9.0000
15 L7 1.586976E+01 1.995157E+00 496999.8155 10.1149
16 1.656880E+01 5.828419E+00 9.7713
17 L8 2.650639E+01 3.732072E+00 846202.1969 9.8276
18 -1.322151E+02 8.093165E-01 9.5673
19 L9 9.793586E+01 1.600000E+00 754097.4595 8.9183
20 2.150220E+01 2.640631E+00 8.1683
21 dummy 1.000000E+18 3.387773E+00 8.0000
22 L10 -1.585144E+01 1.600000E+00 830433.2293 8.2259
23 -2.329231E+01 1.319548E+00 8.9599
24 L11 6.906697E+01 6.446451E+00 612375.4546 10.0865
25 L12 -1.461690E+01 1.600000E+00 848353.1964 10.2599
26 -4.656021E+01 3.163258E+01 11.2203
27 L13 2.954727E+01 8.321169E+00 601811.3506 18.7571
28 L14 1.823521E+01 1.172597E+01 532763.7075 16.4609
29 4.067827E+01 8.321137E+00 15.8951
30 L15 3.568193E+02 1.026710E+01 710910.3070 16.0787
31* 1.680888E+01 3.388027E-01 16.0902
32* 41 2.457240E+01 2.000000E-01 511743.5305 16.4375
33 66 1.600000E+01 3.200000E+01 540166.6901 15.5966
34 65(2) -1.600000E+01 2.000000E-01 511743.5305 13.8539
35* 42 -1.807860E+01 -2.000000E-01 511743.5305 13.4842
36 66 -1.600000E+01 -3.200000E+01 540166.6901 11.7913
37 66(3) 1.600000E+01 -2.000000E-01 511743.5305 15.9959
38* 43 2.457240E+01 -2.900000E+02 23.8451
39 S 1.000000E+18 869.5336

面番号３１、３２、３５、３８の非球面データは、以下のとおりである。
面番号 31 32 35 38
Y曲率半径 16.80887566 24.57240332 -18.07859546 24.57240332
コーニック定数(K) -3.269988266 0 -1 0
4次の係数(A) -1.33145E-05 -1.33671E-06 3.06678E-05 -1.33671E-06
6次の係数(B) 2.15595E-09 -3.28313E-08 -1.40445E-07 -3.28313E-08
8次の係数(C) 2.63628E-11 7.00862E-11 6.34715E-10 7.00862E-11
10次の係数(D) -1.00452E-13 -4.76029E-14 -2.36137E-12 -4.76029E-14
12次の係数(E) -2.37019E-16 0 6.65427E-15 0
14次の係数(F) 4.56028E-19 0 -9.86215E-18 0
16次の係数(G) 0 0 0 0
18次の係数(H) 0 0 0 0
20次の係数(J) 0 0 0 0

（効果）
本例の投写光学系３Ａでは、第２光学系３２を構成する光学素子３５Ａは、凹曲面形状の反射面４２と、拡大側に突出する凸曲面形状の第２透過面４３と、を備える。従って、光学素子３５Ａは、反射面４２で反射した光束を、第２透過面４３で屈折させることができる。よって、第２光学系３２が、反射面４２のみを備える場合と比較して、投写光学系３Ａの短焦点化、すなわち投写距離を短くすることが容易である。また、光学素子３５Ａが拡大側に突出する凸曲面形状の第２透過面４３を備えるので、投写距離を短くする場合でも、中間像３３の拡大側に配置された凹曲面形状の反射面４２が大型化することを抑制できる。

かかる効果について、図６および図７を参照して説明する。図６は、第２光学系３２が中間像３３の拡大側に反射面４２のみを備える場合の倍率の説明図である。図７は、第２光学系３２が中間像３３の拡大側に反射面４２および凸曲面形状の第２透過面４３を備える場合の倍率の説明図である。

図６に示すように、第２光学系３２が中間像３３の拡大側に反射面４２のみを備える場合には、投写光学系３Ａの倍率Ｑは、中間像３３からスクリーンＳに至る特定の光線の光路において中間像３３と反射面４２との距離Ｒに対する、反射面４２からスクリーンＳまでの距離Ｔの比である。すなわち、Ｑ＝Ｔ／Ｒである。従って、拡大側結像面であるスクリーンＳと共役となる中間像３３は、倍率Ｑを合わせるために、仮想軸Ｍに沿う方向に大きく傾斜して、像面湾曲を発生させたものとなる。ここで、中間像３３は、傾斜すると、大きくなる。また、中間像３３が大きくなると、中間像３３の拡大側に位置する反射面４２を大きくする必要が生じる。従って、中間像３３の拡大側に凹曲面形状の反射面４２のみを備える投写光学系３Ａでは、投写距離を短くする場合に、反射面４２が大型化しやすい。また、中間像３３が大きくなると、第１光学系３１と第２光学系３２との間の距離が必要になり、投写光学系３Ａの全長が長くなる。

これに対して、本例では、第２光学系３２が反射面４２の拡大側に凸曲面形状の第２透過面４３を備えるので、中間像３３が大きくなることを抑制できる。すなわち、図７に示すように、本例では、投写光学系３Ａの倍率Ｑは、中間像３３からスクリーンＳに至る特定の光線の光路において中間像３３と反射面４２との間の距離Ｒ１と反射面４２と第２透過面４３との間の距離Ｒ２との合計に対する、第２透過面４３とスクリーンＳとの間の距離Ｔ´の比である。すなわち、Ｑ＝Ｔ´／（Ｒ１＋Ｒ２）である。これにより、拡大側結像面であるスクリーンＳと共役となる中間像３３は、スクリーンＳの上方と下方とで倍率を合わせるために仮想軸Ｍに沿って大きく傾斜することがなく、像面湾曲が減少したものとなる。よって、中間像３３が大きくなることを抑制できる。従って、中間像３３の拡大側に位置する反射面４２が大型化することを抑制できる。また、最外周の光線５１が第１透過面４１を通過するときに内側に屈折させることができれば、さらに反射面４２を小型化することが可能になる。また、第２透過面４３が凸曲面形状であり、正のパワーを持っているので、第２透過面４３がない場合と比較して、光束を集光させる作用が働き、反射面４２が大型化することを抑制できる。

さらに、本例では、中間像３３は、光学素子３５Ａにおける第１透過面４１と反射面４２との間に位置する。従って、中間像３３が第１光学系３１と光学素子３５Ａとの間に形成される場合と比較して、第１光学系３１と光学素子３５Ａとを接近させることができる。これにより、投写光学系３Ａをコンパクトにすることができる。

また、本例では、第２光学系３２の第１透過面４１、反射面４２、および第２透過面４３が非球面である。従って、本例の投写光学系３Ａでは、収差の発生を抑制できる。

さらに、本例では、中間像３３の縮小側に位置する第１透過面４１が非球面なので、中間像３３での収差の発生を抑制できる。また、中間像３３の縮小側に、第１の第１部材部分６５（１）と、第２部材部分６６との接合面があり、かかる接合面が曲面形状を備える。従って、中間像３３で発生する収差を補正しやすい。さらに、本例では、中間像３３が仮想軸Ｍに沿って大きく傾斜することはなく、中間像３３が仮想軸Ｍに対して垂直な方向に立っている。従って、第１透過面４１と中間像３３とをＺ軸方向で接近させることが容易であり、非球面を中間像３３に近い位置に配置できる。従って、中間像３３で発生する収差を効率よく補正できる。

さらに、本例では、仮想線Ｐが仮想垂直線Ｖに対して傾斜しているので、仮想線Ｐが仮想垂直線Ｖと平行な場合と比較して、スクリーンＳの上方の周辺部の光量が低下することを抑制できる。すなわち、仮想線Ｐが仮想垂直線Ｖに対して傾斜すれば、仮想線Ｐが仮想垂直線Ｖと平行な場合と比較して、スクリーンＳの上方へ達する光束の開き角度θ０が大きくなる。これにより、スクリーンＳの上方へ達する光量が多くなる。ここで、図８は、スクリーンＳへ達する光束の開き角度の説明図である。図８は図２のＡ部分の部分拡大図である。スクリーンＳの上方へ達する光束の開き角度θ０とは、スクリーンＳと上端光束５１の上周辺光線５１ａとが成す角度θ１と、スクリーンＳと上端光束５１の下周辺光線５１ｂとが成す角度θ２と、の差分である。

また、スクリーンＳの上方へ達する光束の開き角度θ０が大きくなれば、スクリーンＳの下方へ達する光束の開き角度θ０との差が小さくなる。従って、スクリーンＳの上方の周辺部の光量が、下方と比較して低下することを抑制できる。ここで、図９は、スクリーンＳへ達する光束の開き角度の説明図である。図９は図２のＢ部分の部分拡大図である。スクリーンＳの下方へ達する光束の開き角度θ０とは、スクリーンＳと下端光束５２の上周辺光線５２ａとが成す角度θ１と、スクリーンＳと下端光束５２の下周辺光線５２ｂとが成す角度θ２と、の差分である。

さらに、本例では、仮想線Ｐが仮想垂直線Ｖに対して傾斜する傾斜角度θが９０°以上である。これにより、スクリーンＳの下方へ達する光束の開き角度θ０が小さくなる。従って、スクリーンＳの上方へ達する光束の開き角度θ０と、スクリーンＳの下方へ達する光線の開き角度θ０との差が小さくなるので、スクリーンＳで発生する上方と下方との間の光量の差を抑制できる。

次に、本例では、光学素子３５Ａを通過する光線は、凹曲面形状の反射面４２によって光学素子３５の内部で集光される。従って、光学素子３５Ａの内部で光密度が高くなり、光学素子３５Ａの一部分が高温となることがある。この場合、高温となった光学素子３５Ａの一部分が熱膨張して、投写光学系３Ａの光学性能の劣化を招くという問題がある。

このような問題に対して、光学素子３５Ａは、当該光学素子３５Ａを通過する光線の光路上に、樹脂からなる第１部材部分６５と、ガラスからなる第２部材部分６６と、を備える。そして、第２部材部分６６に、光学素子３５Ａに入射した光線の光束径が最も小さくなる領域Ａを位置させる。これにより、光学素子３５Ａの内部で光密度が高くなり、高温となりやすい領域Ａが、発熱しにくく、耐熱性の高い材質から構成される。従って、高温となった光学素子３５Ａの一部分が熱膨張して、投写光学系３Ａの光学性能の劣化を招くことを抑制或いは回避できる。

また、中間像３３は、第２部材部分６６に形成されるので、中間像３３が第１部材部分６５と第２部材部分６６との接合面を横断することがない。従って、第１部材部分６５と第２部材部分６６との接合面に起因して、投写画像が劣化することを防止できる。

さらに、本例では、光学素子３５Ａは、第２部材部分６６と第１の第１部材部分６５（１）との接合面、第２部材部分６６と第２の第１部材部分６５（２）との接合面、第２部材部分６６と第３の第１部材部分６５（３）との接合面において、パワーを備える。よって、光学素子３５Ａは、これらの接合面において、各種の収差を制御して、解像度を向上させることができる。

このように、本例の投写光学系３Ａによれば、第２光学系３２を一つの光学素子３５から構成した場合でも、第２光学系３２において各種の収差の補正を行うことができる。よって、第１光学系３１の設計の自由度を確保できる。

図１０は投写光学系３Ａの拡大側のＭＴＦを示す図である。ＭＴＦを示す図１０の横軸は空間周波数である。縦軸はコントラスト再現比である。図１０に示すように、本例の投写光学系３Ａは、高い解像度を有する。

また、本例では、光学素子３５Ａにおいて、ガラスからなる第２部材部分６６は、球形状である。さらに、ガラスからなる第２部材部分６６は、非球面を備えていない。従って、第２部材部分６６は、製造が容易である。この一方、光学素子３５Ａにおいて、非球面の第１透過面４１を備える第１の第１部材部分６５（１）、非球面の反射面４２を備える第２の第１部材部分６５（２）、および、非球面の第２透過面４３を備える第３の第１部材部分６５（３）は、いずれも、樹脂からなる。従って、第１の第１部材部分６５（１）、第２の第１部材部分６５（２）、および第３の第１部材部分６５（３）をガラス製とした場合と比較して、光学素子３５Ａに、非球面を設けることが容易である。

ここで、光学素子３５Ａの製造方法を説明する。図１１は、光学素子３５Ａの製造方法のフローチャートである。図１２は、光学素子３５Ａの製造方法の説明図である。光学素子３５Ａの製造においては、まず、光学素子製造用の金型として、内壁面に第１透過面４１の面形状を転写した第１転写面７１、反射面４２の面形状を転写した第２転写面７２、および第２透過面４３の面形状を転写した第３転写面７３を備える金型７０を準備する。

次に、ガラス製の光学部材７５（第２部材）を金型７０の内部に配置する。本例では、光学部材７５は球形状である。しかる後に、金型７０内における光学部材７５と第１転写面７１との間の空間７６、光学部材７５と第２転写面７２との間の空間７７、光学部材７５と第３転写面７３との間の空間７８間に樹脂（第１部材）を注入して、硬化させる。ここで、樹脂は紫外線硬化樹脂とすることができる。また、樹脂の硬化に際して、樹脂の注入部分に紫外線を照射するものとすることができる。

その後、樹脂が密着して一体となった光学部材７５を金型７０から取り出す。しかる後に、第２転写面７２が転写された樹脂部分に反射コーティングを施し、反射面４２とする。また、第１転写面７１が転写された樹脂部分に反射防止コーティングを施して、第１透過面４１とする。さらに、第３転写面が転写された樹脂部分に反射防止コーティングを施して、第２透過面４３とする。これにより、光学素子３５Ａが完成する。

（その他の実施の形態）
上記の例では、第２部材部分６６は、球形状であるが、他の形状としてもよい。

なお、ガラスからなる第２部材部分６６の外周面に、第１透過面４１、および第２透過面４３のうちの一面または２面を設けてもよい。

投写光学系３を用いて撮像装置を構成する場合には、図２に示すように、投写光学系３の縮小側結像面に撮像素子１００を配置する。

１…投写型画像表示装置、２…画像形成部、３,３Ａ,３Ｂ…投写光学系、４…制御部、６…画像処理部、７…表示駆動部、１０…光源、１１…第１インテグレーターレンズ、１２…第２インテグレーターレンズ、１３…偏光変換素子、１４…重畳レンズ、１５…第１ダイクロイックミラー、１６…反射ミラー、１７Ｂ…フィールドレンズ、１７Ｇ…フィールドレンズ、１７Ｒ…フィールドレンズ、１８…液晶パネル、１８Ｂ…液晶パネル、１８Ｇ…液晶パネル、１８Ｒ…液晶パネル、１９…クロスダイクロイックプリズム、２１…第２ダイクロイックミラー、２２…リレーレンズ、２３…反射ミラー、２４…リレーレンズ、２５…反射ミラー、３１…第１光学系、３２…第２光学系、３３…中間像、３５…光学素子３５Ａ、４１…第１透過面、４２…反射面、４３…第２透過面、５０…有効光線範囲、５１…上端光束、５１ａ…上周辺光線、５１ｂ…下周辺光線、５２…下端光束、５２ａ…上周辺光線、５２ｂ…下周辺光線、５３…上側交点、５４…下側交点、６５…第１部材部分、６５（１）…第１の第１部材部分、６５（２）…第２の第１部材部分、６５（３）…第３の第１部材部分、６６…第２部材部分、７０…金型、７１，７２，７３…転写面，７５…光学部材、７６，７７，７８…隙間、１００…撮像素子、Ｌ１～Ｌ１５…レンズ、Ｌ２１～Ｌ２４…接合レンズ、Ｏ１,Ｏ２…絞り。

Claims

縮小側から拡大側に向かって順に、第１光学系と、第２光学系と、からなり、縮小側結像面と拡大側結像面との間に中間像を形成する投写光学系において、
前記第２光学系は、縮小側から拡大側に向かって順に、第１透過面、反射面、および第２透過面を有する光学素子であり、
前記第１透過面と前記反射面とは、予め設定した仮想軸の一方側に位置し、
前記第２透過面は、前記仮想軸の他方側に位置し、
前記反射面は、凹曲面形状を備え、
前記第２透過面は、前記拡大側に突出する凸曲面形状を備え、
前記光学素子は、当該光学素子を通過する光線の光路上に屈折率が相違する第１部材部分と第２部材部分と、を備え、
前記第１部材部分は、前記第２部材部分の外周面に密着して設けられており、
前記第２部材部分は、前記第１部材部分よりも耐熱性が高く、
前記第２部材部分において前記光学素子に入射した光線の光束径が最も小さくなることを特徴とする投写光学系。
前記中間像は、前記光学素子における前記第１透過面と前記反射面との間に形成されることを特徴とする請求項１に記載の投写光学系。
前記第２部材部分は、球形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の投写光学系。
前記反射面は、前記第１部材部分に設けられていることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の投写光学系。
前記反射面は、非球面形状を備えることを特徴とする請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の投写光学系。
前記第１透過面は、前記第１部材部分に設けられていることを特徴とする請求項１から５のうちのいずれか一項に記載の投写光学系。
前記第２透過面は、前記第１部材部分に設けられていることを特徴とする請求項１から６のうちのいずれか一項に記載の投写光学系。
前記中間像は、前記第２部材部分に位置することを特徴とする請求項１から７のうちのいずれか一項に記載の投写光学系。
互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸とし、前記仮想軸が延びる方向をＺ軸方向、前記Ｙ軸の一方側を上方、前記Ｙ軸の他方側を下方、前記Ｘ軸と垂直で前記Ｙ軸および前記Ｚ軸を含む面をＹＺ平面とした場合に、
前記第２透過面の有効光線範囲のＹ軸方向の上端を通過する上端光束の上周辺光線および当該有効光線範囲のＹ軸方向の下端を通過する下端光束の上周辺光線がＹＺ平面上で交差する上側交点と、前記上端光束の下周辺光線および前記下端光束の下周辺光線が前記ＹＺ平面上で交差する下側交点とを結ぶ仮想線は、前記ＹＺ平面で前記仮想軸に垂直な仮想垂直線に対して傾斜していることを特徴とする請求項１から８のうちのいずれか一項に記載の投写光学系。
前記第１部材部分の材質は、樹脂であることを特徴とする請求項１から９のうちのいずれか一項に記載の投写光学系。
前記第１部材部分の材質は、紫外線硬化樹脂であることを特徴とする請求項１０に記載の投写光学系。
前記第２部材部分の材質は、ガラスであることを特徴とする請求項１から１１のうちのいずれか一項に記載の投写光学系。
前記光学素子は、前記反射面よりも拡大側に絞りを備えることを特徴とする請求項１から１２うちのいずれか一項に記載の投写光学系。
請求項１から１３のうちのいずれか一項に記載の投写光学系と、
前記縮小側結像面に投写画像を形成する画像形成部と、
を有することを特徴とする投写型画像表示装置。
請求項１から１４のうちのいずれか一項に記載の投写光学系と、
前記縮小側結像面に配置された撮像素子と、
を備えることを特徴とする撮像装置。
縮小側から拡大側に向かって順に、第１光学系と、第２光学系と、からなり、縮小側結像面と拡大側結像面との間に中間像を形成する投写光学系において、
前記第２光学系は、縮小側から拡大側に向かって順に、第１透過面、反射面、および第２透過面を有する光学素子であり、
前記第１透過面と前記反射面とは、予め設定した仮想軸の一方側に位置し、
前記第２透過面は、前記仮想軸の他方側に位置し、
前記反射面は、凹曲面形状を備え、
前記第２透過面は、前記拡大側に突出する凸曲面形状を備え、
前記光学素子は、当該光学素子を通過する光線の光路上に屈折率が相違する第１部材部分と第２部材部分と、を備え、
前記第１部材部分は、前記第２部材部分の外周面に密着して設けられている投写光学系と、
前記縮小側結像面に配置された撮像素子と、
を備えることを特徴とする撮像装置。