JPWO2014174600A1 - 投写型映像表示装置 - Google Patents

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Abstract

更なる投写距離の短縮化と投写光学系の小型化を実現した投写型映像表示装置を提供する。当該投写型映像表示装置は、複数のレンズを含むレンズ群と、自由曲面レンズと、自由曲面レンズからの光をスクリーン上に投写する自由曲面ミラーを備え、上記レンズ群は、映像表示素子側に小さい曲率半径を向けた両凸形状の第1レンズと、非球面形状の第2レンズと、両凸形状の第3レンズと、両凹形状の第4レンズと、両凸形状の第5レンズと、拡大側に小さい曲率半径を向けた両凸形状の第6レンズと、縮小側に凸面を向けたメニスカス形状の第7レンズと、両凹形状の第8レンズと、拡大側に小さい曲率半径を向けた両凸形状の第9レンズと、拡大側に凸面を向けたメニスカス形状の第10レンズを備え、第3乃至第5レンズはトリプレットレンズを構成し、自由曲面レンズは、拡大側に凸面を向けたメニスカスレンズ形状である。

Description

本発明は、投写型映像表示装置に関する。
従来技術において、自由曲面光学素子である自由曲面レンズ2枚と自由曲面ミラー1枚を用いた投写光学系が知られている(特許文献1参照)。
特開2011−253024号公報
特許文献1では、色合成プリズム(フィルタ類 厚さ25.642mm)を配置するために大きなバックフォーカス(以下、BFLと称する)を確保すると共に、同軸系レンズ群のレンズ長(レンズ1入射面からレンズ14出射面の距離)91.1mm、映像表示素子から自由曲面ミラーの距離200.6mm、自由曲面ミラーから像面までの距離500mmに対して80インチの投写像(長辺1707mm)を実現している(投写比=500/1707=0.3)。しかし、更なる投写距離の短縮化と投写光学系の小型化が求められている。
そこで、本発明の目的は、更なる投写距離の短縮化(広角化)と投写光学系の小型化を実現した投写型映像表示装置を提供することにある。
上記課題は、請求項に記載の手段により達成される。
本発明によれば、更なる投写距離の短縮化(広角化)と投写光学系の小型化を実現した投写型映像表示装置を提供することができる。
実施例1の投写光学系の構成図。 実施例1の投写光学系の光線図。 実施例1のレンズデータ。 実施例1の自由曲面係数。 実施例1の非球面係数。 実施例1の奇数次多項式非球面係数。 レンズ1の形状の説明図。 フランジバック調整の説明図。 最小傾斜光束と最大傾斜光束の説明図。 実施例1の各レンズ玉の焦点距離。 実施例1の歪曲収差図。 実施例1の横収差図。 実施例1のスポット図。 実施例2の投写光学系の構成図。 実施例2の投写光学系の光線図。 実施例2のレンズデータ。 実施例2の自由曲面係数。 実施例2の非球面の係数。 実施例2の奇数次多項式非球面係数。 実施例2の各レンズ玉の焦点距離。 実施例2の歪曲収差図。 実施例2の横収差図。 実施例2のスポット図。 レトロフォーカスによるBFL確保の説明図。 広角化の光学設計の光線図。
本発明を分かりやすく説明するため、まず、本発明の課題について説明する。図24は、レトロフォーカスによるBFL確保の説明図である。図24の投写光学系は、映像表示素子5の側から、正の屈折力を有するレンズL101、及び、負の屈折力を有するレンズL102からなる。光線がレンズL102側から入射したとすると、レンズL102の負の屈折力で光線を跳ね上げ、レンズL101の正の屈折力で光線を折り曲げる。レンズL102で光線を跳ね上げた分、焦点距離fの約2倍ものBFLを確保している。
ここで、広角化の問題点を整理するため、図24のレトロフォーカスタイプで広角化の光学設計を実施した。図25は、図24と同様の構成でBFL=20.0mmとした光学設計の光線図である。画角は半画角30度に設定し、レンズL101とレンズL102は非球面形状としている。
図25(A)では、レンズL101の焦点距離f101=16.3mm、レンズL102の焦点距離f102=−34.1mm、及び、レンズ長=43.6mmで、投写光学系の焦点距離f=10.0mmを実現している(BFL=2f)。図25(B)では、レンズL101の焦点距離f101=18.3mm、レンズL102の焦点距離f102=−28.5mm、及び、レンズ長=98.9mmで、投写光学系の焦点距離f=5.0mmを実現している(BFL=4f)。
このように、広角化だけであれば投写光学系を大形化すれば達成できる。しかし、特許文献1の投写光学系(投写距離500mmで投写像80インチ)を更に広角化した場合、投写距離は更に短くなるが、投写像と投写型映像表示装置との干渉の可能性が増大する。例えば、投写型映像表示装置の使用形態として40インチの投写像を表示したい場合、投写距離が約250mm(=500×40/80)となり、投写像と投写型映像表示装置との干渉が起きてしまい、更なる広角化どころではない。
尚、投写光学系の広角化を実現するための光線の跳ね上げは、レンズL101とレンズL102の間隔を広げる(大形化)だけでなく、レンズL101とレンズL102の屈折力を大きくすることでも可能である。しかし、レンズL101とレンズL102の屈折力を大きくすると、収差が大きくなり、光学性能が劣化する。そこで、通常はレンズ玉を分割する(レンズ枚数を増やす)。しかし、そうすると、凸レンズ玉同士の光軸上の距離の制約、凸レンズ玉のコバ厚の制約、凹レンズ玉の中心厚の制約、凹レンズ玉のコバ部の干渉の制約でもレンズ長が長くなる。更に、レンズ枚数の増加により、製造コストも増大する。
次に、実施例1について説明する。図1は、投写光学系1の構成図である。投写光学系1では、光の進行方向に、映像表示素子5、換算フィルタ6、屈折作用を有し複数のレンズを含む同軸系のレンズ群2、自由曲面レンズ群3、自由曲面ミラー4、の順に配置されている。換算フィルタ6は、映像表示素子5の防塵ガラス、偏光板、色合成用プリズム等を含むものとして表現している。
ここで、自由曲面レンズの屈折力は、レンズ群2の光軸に近い側の主光線が該当の自由曲面レンズを通過する通過距離よりも光軸から遠い側の主光線の通過距離が小さい場合を正の屈折力、逆に、レンズ群2の光軸に近い側の主光線が該当の自由曲面レンズを通過する通過距離よりも光軸から遠い側の主光線の通過距離が大きい場合を負の屈折力と定義する。尚、レンズ光軸と同じ光線の場合、通過距離はレンズの中心厚に等しくなる。
映像表示素子5を出射した映像光は、換算フィルタ6を通過し、同軸系のレンズ群2と自由曲面レンズ群3で屈折作用を受け、自由曲面ミラー4で反射し、像面8(スクリーン)に投写される。
レンズ群2は、正の屈折力を有する第1レンズ群G、及び、負の屈折力を有する第2レンズ群Gからなるレトロフォーカスタイプである。又、第1レンズ群Gと第2レンズ群Gの間に開口絞り7が配置されている。
以下、レンズの説明において、映像表示素子側を縮小側、光の進行方向(像面側)を拡大側、と称する。
第1レンズ群Gは、ガラス製で正の屈折力を有し縮小側に小さい曲率半径を有するレンズL、屈折率が1.8以上のプラスチック製の非球面レンズL、アッベ数が70以上のガラス製で正の屈折力を有し両凸形状のレンズL、アッベ数が25以下のガラス製で負の屈折力を有し両凹形状のレンズL、アッベ数が70以上のガラス製で正の屈折力を有し両凸形状のレンズL、及び、ガラス製で正の屈折力を有し拡大側に小さい曲率半径を向けた両凸形状のレンズLで構成される。レンズLからレンズLは、貼合せのトリプレットレンズを構成する。
第2レンズ群Gは、プラスチック製で負の屈折力を有し縮小側に凸面を向けたメニスカス形状の非球面レンズL、アッベ数が70以上のガラス製で負の屈折力を有し縮小側に凹面を向けた両凹形状のレンズL、アッベ数が35以下のガラス製で正の屈折力を有し拡大側の曲率半径が小さい両凸形状のレンズL、及び、プラスチック製で負の屈折力を有し拡大側に凸面を向けたメニスカス形状の非球面レンズL10で構成される。
自由曲面レンズ群3は、プラスチック製で拡大側に凸面を向けたメニスカスレンズ形状の自由曲面レンズL11と、プラスチック製で拡大側に凸面を向けたメニスカスレンズ形状の自由曲面レンズL12とで構成される。
図3に実施例1のレンズデータを示す。曲率半径は曲率半径の中心位置が進行方向にある場合を正の符合で表し、面間距離は各面の頂点位置から次の面の頂点位置までの光軸上の距離を表す。
偏心はY軸方向の値であり、倒れはYZ平面内でX軸回りの回転であり、偏心・倒れは、該当の面で偏心と倒れの順に作用し、「普通偏心」では、偏心・倒れが作用した新しい座標系上での面間距離の位置に次の面が配置される。一方、「DAR」は、デセンタ・アンド・リターンの意味で、偏心と倒れはその面でのみ作用し、次の面に影響しない。ガラス名のPMMAは、プラスチックのアクリルである。
図4に数1で定義した自由曲面係数を示す。自由曲面係数は、それぞれの光軸9(Z軸)に対して回転非対称な形状であり、円錐項の成分とXYの多項式の項の成分で定義される形状である。例えば、Xが2次(m=2)でYが3次(n=3)の場合は、j={(2+3)+2+3×3}/2+1=19であるC19の係数が対応する。又、自由曲面のそれぞれの光軸の位置は、図3のレンズデータでの偏心・倒れの量によって定まる。
図5に数2で定義した非球面係数を示す。非球面係数は、それぞれの光軸(Z軸)に対して回転対称な形状であり、円錐項の成分と光軸からの高さhの4次から20次の偶数次の成分を使用している。
図6に示した奇数次多項式非球面係数は、図5の非球面に奇数次の成分を加えた形状である。高さhは正の値なので、回転対称な形状である。
実施例1のレンズ構成に関して、図7から図9を用いて説明する。最初に図7を用いて、レンズLについて説明する。図7(A)は比較のためLの代わりにL201を用いた例を示し、図7(B)はLを用いた例を示す。
映像表示素子5から出射した映像光は、BFLの距離をおいて配置したレンズL201で屈折される。この場合、両凸レンズの主平面(点線で表示)は両凸レンズの内部に位置する。一方、平凸レンズであるLの主平面は平凸レンズの凸面部に位置する。即ち、平凸レンズの方は、十分なBFLを確保しながらも、両凸レンズに比べて主平面の位置の違いで、映像光を早めに屈折できるので、後続のレンズL以降での光線高さを小さくでき、投写光学系1の小形化に有利となる。更に、レンズLで発生する収差を小さくするために、レンズLには屈折率が1.8以上のガラス、実施例1ではFDS90(HOYA)を適用している。
ところで、図24に示した軸上光線(Marginal Ray)の光線高さHmと、主光線(Principle Ray)の光線高さHpと、各レンズの屈折力φ(=焦点距離の逆数)と、各レンズのアッベ数νを用いると、軸上色収差と倍率色収差が以下の式で定義できる。
軸上色収差=Σ(Hm φ/ν
倍率色収差=Σ(HmHpφ/ν
屈折力=Σ(Hmφ
例えば、凸と凹のレンズ玉を距離0で配置した場合は、光線高さは同じなので、色補正の条件が「φ/ν+φ/ν=0」、屈折力の条件が「φ=φ+φ」となる。ここで、図24のレトロフォーカスでの正のレンズ群を想定して、光学系全体の屈折力を正とすると、通常、凸レンズにはアッベ数の大きなガラスを、凹レンズにはアッベ数の小さなガラスを適用する。
しかし、実施例1のレンズLに屈折率の大きなガラスを適用した結果、アッベ数は小さくなった。そこで、レンズLとレンズLとレンズLの凸レンズにはアッベ数が70以上のガラスを、凹レンズにはアッベ数が25以下のガラスを適用した上で、更に、レンズLで発生した色収差も補正するために、レンズLとレンズLとレンズLの各レンズ玉の屈折力を大きくした。大きな屈折力を与えた結果、各レンズ玉では大きさ収差が発生するので、レンズLとレンズLとレンズLを貼合せのトリプレットレンズとすることで、色収差の補正を行いながらも、収差の発生を防いでいる。
尚、レンズLはプラスチッチ製の非球面レンズであり、温度変化によるプラスチックレンズの屈折力の変化を低減するために、レンズLの屈折力を小さくしている、即ち、φ≒0なので、色収差に対する影響は少ない。
図8は、フランジバック調整の説明図である。本来、凸レンズL301(図1のL〜Lに相当)と凸レンズL302(図1のLに相当)で構成された投写光学系に対して、映像表示素子5と像面8(スクリーン)は共役関係にあるべきだが、組立工程での映像表示素子5やレンズ玉の位置ズレや、レンズ玉の曲率半径エラーなどがあると、映像表示素子5と像面8との共役関係がずれてしまう。
そこで、図8では、凸レンズL301を光軸上で動かすことで、合焦させることが可能となる。図8では、凸レンズL301と凸レンズL302の間の軸上光線を、略平行光線100としているので、凸レンズL301移動させても投写光学系1の焦点距離を変化させずに、フランジバック調整を行うことができる。
本発明の投写光学系では、合焦レンズである自由曲面レンズ群3を動かすことでも、フランジバック調整ができるが、(1)本来の合焦レンズの移動範囲(調整範囲)にズレが生じてしまう、(2)同軸系のレンズ群2の部品エラーは同じレンズ群2で補正することが光学性能にとって望ましい、との理由により、レンズ群2の正の屈折力の第1レンズ群Gを2つの屈折力の成分に分離する。具体的には、図1でレンズLからレンズLと、レンズLで分離し、レンズLからレンズLを光軸上で移動させることで、フランジバック調整を行った。
ここで、レンズLとレンズLの間に開口絞り7を配置しているので、レンズLとレンズLでは、主光線の光線高さの符合が正負で逆になる。従って、先に説明した倍率色収差に関しては、レンズLとレンズLで作用が異なるので、レンズLではアッベ数を70以上としたが、レンズLでは逆にアッベ数を35以下とした。
ところで、一般的に、非球面を有効に活用することで、レンズ枚数の低減や、より難易度の高い光学系の光学設計が可能となる。しかし、非球面が適切に光学系に配置されてない場合は、非球面の作用は期待できない。
図9に、最小傾斜光束、最大傾斜光束と軸上光線相当高さ、及び、主光線相当高さを示す。YZ断面において像面8に斜投写する光束で、入射角度が最小となる最小傾斜光束M(図2で画角7の光束)での瞳中心光M・上限光M・下限光Mと、入射角度が最大となる最大傾斜光束P(図2で画角4の光束)での瞳中心光P・上限光P・下限光Pを用いて、「M−M」を軸上光線相当高、「P−M」を主光線相当高さとして示した。
図9で、レンズLは主光線高さが入射面1.65mm・出射面2.15mmと小さな値を有し、主に、レンズLでは主に球面収差の補正作用に優れる。一方、レンズLは主光線高さが入射面−4.43mm・出射面−3.76mmと負で大きな値を有し、主に、歪曲収差などの周辺の収差の補正作用に優れる。同様に、レンズL10も主光線相当高さが大きいが、入射面5.73mm・出射面7.40mmと正の値を有しており、レンズ2の非球面の補正作用との組合せが効果的である。
次に、図7に実施例1の各レンズ玉の焦点距離(=屈折力の逆数)を示す。投写倍率(=像サイズ/物サイズ)と投写距離を用いて計算した投写光学系1の焦点距離2.1mmに対して、プラスチック製のレンズLの焦点距離−7137.9mmは絶対値で3000倍以上、レンズLの焦点距離−105.0mmも絶対値で約50倍と大きく、屈折力が十分に小さいことが分かる。
このようにレンズLの屈折力は小さいので、レンズLを屈折力の小さいプラスチックレンズとして、レンズLを屈折力の大きいガラスレンズとすることで、先に、図25で説明した実質的なレンズ長を大きくできるので、広角化に有利である。
プラスチック製のレンズL10の焦点距離−33.3mmも約16倍と大きいが、レンズLとレンズLに比べれば屈折力が大きい。これは、図25で示したレンズL10での軸上光線相当高さは、レンズL・レンズLでの軸上光線相当高さの約70%と小さく、軸上色収差には軸上光線相当高さは自乗で作用するので、レンズL10の屈折力の影響が小さいからである。
レンズ群2は、第1レンズ群Gの焦点距離が21.2mm、第2レンズ群Gの焦点距離が−50.0mmというレトロフォーカスの構成である。レンズLとレンズLとレンズLを貼り合わせたトリプレットレンズは、各レンズ玉の焦点距離は14.5mmと−5.6mmと12.2mmと小さい焦点距離であり、それぞれ大きな屈折力を有しているが、トリプレットレンズ全体では焦点距離は−235.6mmと屈折力が負になっている。即ち、トリプレットレンズ全体の焦点距離fL3L4L5と、レンズ群2全体の焦点距離fの比であるf/fL3L4L5の絶対値は0.2以下となった。
実施例1の光学性能として、図8に歪曲性能を、図9に横収差図を、図10にスポット図を示す。それぞれ、良好な光学性能を達成していることが分かる。
実施例1では、投写距離A=172.2mm、投写像の長辺の長さW=861.4(対角40インチ)なので、投写比0.2(=A/W)という広角化を実現した。又、同軸系のレンズ群の長さB=52.4mm、画像表示素子5の画像有効範囲の長辺の長さW=9.8mmなので、換算同軸系レンズ長5.4(=B/W)という小形化も実現した。投写比0.2と換算同軸レンズ系長5.4の積は、1.07と小さい値を達成した。
一方、特許文献1の投写光学系では、投写距離A=500mmを投写像の長辺の長さW=1706(対角80インチ)で割って投写比0.3(=A/W)、同軸系レンズ群の長さB=91.1mmを画像表示素子5の画像有効範囲の長辺の長さW=13.44mmで割って換算同軸系レンズ群長6.8(=B/W)であり、投写比0.3と換算同軸系レンズ群長6.8の積は、1.99である。
図14から図23を用いて、実施例2について説明する。図14は実施例2の投写光学系の構成図、図15は実施例2の光線図である。又、図16は実施例2のレンズデータ(ガラス名のPMMAはプラスチックのアクリル、ZEONEX_K26Rはゼオン社製のプラスチック材料)、図17は実施例2の自由曲面係数、図18は実施例2の非球面係数、図19は実施例2の奇数次多項式非球面係数、図20は実施例2の各レンズ玉の焦点距離(=屈折力の逆数)、図21は実施例2の歪曲性能、図22は実施例2の横収差図、図23は実施例2のスポット図を示す。それぞれ、良好な光学性能を達成していることが分かる。
実施例2では、投写距離A=172.6mmで、投写像の長辺の長さW=888.7(対角40インチ強)なので、投写比0.2(=A/W)という広角化を実現した。又、同軸系レンズ群の長さB=52.7mm、映像表示素子5の画像有効範囲の長辺の長さW=10.1mmなので、換算同軸系レンズ群長5.2(=B/W)という小形化を実現した。投写比0.2と換算同軸系レンズ群長5.4の積は、1.02となり、1.5以下という小さい値を達成した。
以上より、本発明は、必要最低限のレンズ枚数で、更なる投写距離の短縮化(広角化)と投写光学系の小型化を実現できる。
1…投写光学系、2…同軸レンズ系、G…第1レンズ群、G…第2レンズ群、3…自由曲面レンズ群、4…自由曲面ミラー、5…映像表示素子、6…換算フィルタ、7…開口絞り、8…像面、9…光軸、L…第1レンズ、L…第2レンズ、L…第3レンズ、L…第4レンズ、L…第5レンズ、L…第6レンズ、L…第7レンズ、L…第8レンズ、L…第9レンズ、L10…第10レンズ、L11…第1自由曲面レンズ、L12…第2自由曲面レンズ。

Claims (5)

  1. 映像表示素子に対して光の進行方向に配置され、複数のレンズを含むレンズ群と、
    前記レンズ群に対して光の進行方向に配置される第1の自由曲面レンズと、
    前記第1の自由曲面レンズに対して光の進行方向に配置される第2の自由曲面レンズと、
    前記第2の自由曲面レンズから出射する光を反射してスクリーン上に傾斜して投写する自由曲面ミラーを備え、前記レンズ群は、前記映像表示素子側から順に、
    正の屈折力を有し前記映像表示素子側に小さい曲率半径を向けた両凸形状の第1レンズと、
    非球面形状の第2レンズと、
    正の屈折力を有し両凸形状の第3レンズと、
    負の屈折力を有し両凹形状の第4レンズと、
    正の屈折力を有し両凸形状の第5レンズと、
    正の屈折力を有し拡大側に小さい曲率半径を向けた両凸形状の第6レンズと、
    負の屈折力を有し縮小側に凸面を向けたメニスカス形状、かつ、非球面形状の第7レンズと、
    負の屈折力を有し両凹形状の第8レンズと、
    正の屈折力を有し拡大側に小さい曲率半径を向けた両凸形状の第9レンズと、
    負の屈折力を有し拡大側に凸面を向けたメニスカス形状、かつ、非球面形状の第10レンズを備え、
    前記第3、第4、及び第5レンズは、それぞれが貼り合わされたトリプレットレンズを構成し、
    前記第1及び第2の自由曲面レンズは、拡大側に凸面を向けたメニスカスレンズ形状である、投写型映像表示装置。
  2. 前記第1レンズの屈折率は1.8より大きい、請求項1記載の投写型映像表示装置。
  3. 前記第3レンズのアッベ数は70より大きく、
    前記第4レンズのアッベ数は25より小さく、
    前記第5レンズのアッベ数は70より大きく、
    前記トリプレットレンズ全体の焦点距離fL3L4L5と、前記レンズ群全体の焦点距離fの比、f/fL3L4L5の絶対値が0.2以下である、請求項1又は2記載の投写型映像表示装置。
  4. 前記第6レンズのアッベ数は35より小さい、請求項1乃至3何れか一に記載の投写型映像表示装置。
  5. 前記投写光学系の投写距離Aと、投写像の長辺の長さWとで定義する投写比(A/W)に、前記レンズ群の長さBを、前記映像表示素子の画像有効範囲の長辺の長さWで規格化した値(B/W)を掛けた値(A/W)×(B/W)は1.5以下である、請求項1乃至4何れか一に記載の投写型映像表示装置。
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