JPWO2016017434A1 - 投影光学系及び投影装置 - Google Patents

Abstract

加工や調整が簡易である回転対称な光学面を有する反射光学素子を使用しながらも、小型軽量で大画面投影可能な、画面全域に渡って良好な光学性能を有する投影光学系を提供する。画像表示素子から得られる像を拡大してスクリーン上に投影する投影装置１００用の投影光学系４０であって、画像表示素子側から順に、複数のレンズ群４１ａを有する屈折光学系４１と、屈折光学系４１から出射された光線を反射させてスクリーンまで導く反射光学系４２と、を備え、反射光学系４２は、少なくとも１つの反射光学素子４２ａを有し、反射光学素子４２ａは、光軸を中心とする同心円を境界とする複数の領域に分割され、その領域毎に異なる非球面式を用いた非球面形状を有する。

Description

本発明は、画像を投影する投影光学系及び当該投影光学系を組み込んだ投影装置に関する。

近年、画像表示素子に表示された画像を、投影光学系によってスクリーン上に拡大投影する投影装置には、小型軽量でありながら、短い投影距離でも大画面に映し出せる広角な投影光学系が望まれている。従来はビジネスでのプレゼンテーション等の用途では、スクリーンに正対させて配置するフロント投射型プロジェクターが大部分を占めていたが、フロント投射型プロジェクターは、発表者の影がスクリーンに映り込んだり、発表者の眼にプロジェクターの投射光が入り込み、眩しく感じたりする等の問題があった。そこで、そのような問題を解決するため、スクリーンの真下や真上等、スクリーンに近接した位置に配置できる短焦点プロジェクターが登場してきた。そのような短焦点プロジェクターでは、特に小型で大画面投影可能という要求が強いのが現状である。また、画像表示素子の高解像度化の動きも活発で、それに伴い投影光学系に対する高性能化への要求も高まってきている。

このような短焦点プロジェクター用の投影光学系としては、例えば特許文献１、２に記載のような、複数のレンズ群を有する屈折光学系と、ミラーを含む反射光学系とを組み合わせた構成の光学系が開示されている。

特許文献１の投影光学系は、プラスチックレンズを多用し積極的に軽量化を図っており、投影距離が短いにもかかわらず大画面投影を実現している。しかしながら、特許文献１の投影光学系では、屈折光学系の全長が十分小型化できているとはいえず、凹面ミラー部には奇数次非球面が使用されているが、光学性能も十分とはいえない。

また、特許文献２の投影光学系は、凹面ミラーに自由曲面（ＸＹ多項式面）を使用して形状自由度を向上させることで、良好な光学特性を得ている。しかしながら、特許文献２の投影光学系では、自由曲面が光軸に対して回転対称な面でないため、加工難易度が増加し、加工後の面形状補正が複雑化し、組み込み時の調整が複雑化する等の問題があり生産性を損なうこととなる。

特開２０１３−１２０３６５号公報 特許４２１０３１４号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、加工や調整が簡易である回転対称な光学面を有する反射光学素子を使用しながらも、小型軽量で大画面投影が可能な、画面全域に渡って良好な光学性能を有する投影光学系を提供することを目的とする。

また、本発明は、上記投影光学系を組み込んだ投影装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る投影光学系は、画像表示素子から得られる像を拡大してスクリーン上に投影する投影装置用の投影光学系であって、画像表示素子側から順に、複数のレンズ群を有する屈折光学系と、屈折光学系から出射された光線を反射させてスクリーンまで導く反射光学系と、を備え、反射光学系は、少なくとも１つの反射光学素子を有し、反射光学素子は、光軸を中心とする同心円を境界とする複数の領域に分割され、その領域毎に異なる非球面式を用いた非球面形状を有する。ここで、反射光学系は、実質的にパワーを有しない光学素子（例えば、平板ガラス、反射ミラー等）を含んでいてもよい。

本発明の基本構成は、画像表示素子側から順に、複数のレンズ群を有する屈折光学系と、屈折光学系から出射された光線を反射させてスクリーンまで導く反射光学系とからなり、上記反射光学系は少なくとも１つの反射光学素子を有するというものである。これにより、小型ながら近接位置からの投射を可能にする短焦点プロジェクターの提供が可能になる。

ところで、一般的なプロジェクター光学系では、レンズ材料及び枚数の制限を受けるため、反射光学系に奇数次非球面や自由曲面等の特殊な面を使用して、形状自由度を向上させているのが現状である。投影距離が短く、大画面に対応した短焦点投影光学系では、画面全域に渡って良好な収差補正を行うためには、各光線が大きく分離した反射光学素子を自由度の大きな面形状で形成することが重要となってくる。

そこで、従来のように反射光学素子として通常の非球面形状よりも形状自由度の大きな自由曲面を有するものを使用すれば良いが、加工、加工後の測定、面の補正等が複雑化したり、反射光学素子を配置する際にも、複雑な調整が必要になったりといった不具合が生じる。

本発明の投影光学系における反射光学素子は、あくまで光軸に対して回転対称な面でありながらも、形状の自由度を向上させるために、光軸を中心とする同心円を境界とする複数の領域に分割せれるとともに、その領域毎に異なる非球面係数で表現されるような、輪帯非球面（以下、分割型の非球面とも称す）で形成されている。これにより、自由曲面を用いた場合の問題が解消できるとともに、小型軽量でありながらも、画面全域にわたって良好に収差補正のなされた、短焦点で大画面投影が可能な投影光学系を得ることができる。なお、反射光学系内には反射光学素子が少なくとも１つ存在すれば良く、プロジェクターのレイアウト次第では、上記の分割型の非球面を用いない反射光学素子を有していてもよい。

本発明の具体的な側面によれば、上記投影光学系は、以下の条件式を満足する。
０．５０＜｜ＤＳ／ＴＬ｜＜１．００ … （１）
ただし、ＤＳは屈折光学系内に配置された開口絞りから非球面形状を有する反射光学素子までの光軸上の距離であり、ＴＬは画像表示素子から非球面形状を有する反射光学素子までの光軸上の距離である。

条件式（１）は、屈折光学系内に配置された開口絞りから上述の非球面形状を有する反射光学素子までの光軸上の距離と、画像表示素子から非球面形状を有する反射光学素子までの光軸上の距離との比を適切に設定するための条件式である。
条件式（１）の値が下限を上回ることにより、領域分割された非球面が開口絞りから十分離れ、当該非球面に当たる光線が、スクリーン上に到達する像高毎に異なる位置となる。そのため、より独立に性能向上がしやすくなる。一方、条件式（１）の値が上限を下回ることで、反射光学素子の有効径を小さくでき、投影光学系全系の小型化が達成できるとともに、反射光学素子の加工性を損なわない。また、値｜ＤＳ／ＴＬ｜は、より望ましくは下式の範囲がよい。
０．６０＜｜ＤＳ／ＴＬ｜＜０．９０ … （１）'

本発明の別の側面によれば、屈折光学系と反射光学系とは、共通の光軸を有する。この場合、屈折光学系と反射光学系とは互いに偏芯しておらず、光学系の組み立ての難易度を下げることができる。

本発明のさらに別の側面によれば、屈折光学系の最もスクリーンに近い位置に配置されたレンズの少なくとも一方の面は非球面形状を有し、非球面形状を有する当該少なくとも一方の面は光軸以外の点で極値を持つ形状を有している。この場合、スクリーン上の投影像の歪みを抑制し、高性能な投影像とすることができる。

本発明のさらに別の側面によれば、非球面形状を有する反射光学素子は、以下の条件式を満足する。
｜Ｘｉｎ'（ｈ）−Ｘｏｕｔ'（ｈ）｜＜１．０Ｅ−３ … （２）
ただし、ｈは境界の光軸からの高さ［ｍｍ］であり、Ｘｉｎ'（ｈ）は境界より光軸側の面における、境界位置での１階微分値であり、Ｘｏｕｔ'（ｈ）は上記境界より外側の面における、境界位置での１階微分値である。なお、条件式（２）において、１０のべき乗数をＥを用いて表している。

条件式（２）は、領域分割された非球面において、境界に接するそれぞれの領域の非球面式の境界上での１階微分値の差の絶対値を規定している。条件式（２）の値が上記範囲を満たすことで、領域分割された非球面において、非球面式が変化する境界で面の傾きが離散的に又は非連続的に変化することを防ぐことができる。そのため、境界におけるフレアーの発生等で光学性能が劣化することを防ぐことができる。

本発明のさらに別の側面によれば、以下の条件式を満足する。
−１０．０＜ＦＬｓｃ／ＦＬ＜−０．５０ … （３）
ただし、ＦＬｓｃは屈折光学系の最もスクリーンに近い位置に配置されたレンズの焦点距離であり、ＦＬは屈折光学系全系の焦点距離である。ここでいう焦点距離は、近軸における焦点距離である。

条件式（３）は、屈折光学系の最もスクリーンに近い位置に配置されたレンズの焦点距離と、屈折光学系全系の焦点距離との比を適切に設定するための条件式である。
条件式（３）の値が下限を上回ることで、屈折光学系の最もスクリーンに近い位置に配置されたレンズの負の屈折力を適度に維持することができるようになる。そのため、像面湾曲の補正や歪曲収差の補正を良好に行うことができるようになる。一方、条件式（３）の値が上限を下回ることで、負の屈折力が必要以上に強くなりすぎず、反射光学素子の有効径を小さくすることができ、光学系全系の大きさを小さくすることができる。

本発明のさらに別の側面によれば、反射光学系はパワーを有する反射光学素子を１枚のみ有する。一般に、反射光学系にパワーを有する反射光学素子が２枚以上あると、収差補正や光学系の小型化には有利ではあるが、光学設計や製造プロセスの複雑化、組み立ての難易度増加といった不具合が出てしまう。本発明のような領域分割された特殊な非球面形状を反射光学素子に使用することで、パワーを有する反射光学素子を２枚以上使用することなく、十分な小型化を達成できる。

上記目的を達成するため、本発明に係る投射装置は、上述の投影光学系と、投影光学系の光路前段に設けられた画像表示素子とを備える。

図１Ａ及び１Ｂは本発明の実施形態に係る投影装置の構造及び使用形態を説明する図である。 実施例１の投影光学系等を説明する断面図である。 実施例１の画像の具体的な投射光路を説明する図である。 図４Ａ〜４Ｃは、実施例１の投影光学系の性能を示すＭＴＦ特性図である。 スクリーン上のＭＴＦ評価ポイントを説明する図である。 実施例２の投影光学系等を説明する断面図である。 実施例２の画像の具体的な投射光路を説明する図である。 図８Ａ〜８Ｃは、実施例２の投影光学系の性能を示すＭＴＦ特性図である。 実施例３の投影光学系等を説明する断面図である。 実施例３の画像の具体的な投射光路を説明する図である。 図１１Ａ〜１１Ｃは、実施例３の投影光学系の性能を示すＭＴＦ特性図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態にかかる投影光学系及び投影装置について説明する。
図１Ａは、本実施形態に係る投影装置１００の一例の内部構造及び使用形態を説明する図である。図１Ａに示す投影装置１００は、短焦点又は近距離投射型のプロジェクターであり、その内部に配置された屈折光学系の光軸と交差するスクリーン面（被投影面）Ｓｃに向けて表示光を出射し、映像の近接投射を行うものとなっている。
図１Ｂは、本実施形態に係る投影装置１００の他の例の内部構造及び使用形態を説明する図である。図１Ｂに示す投影装置１００は、その内部に配置された屈折光学系の光軸と略平行なスクリーン面（被投影面）Ｓｃに向けて表示光を出射し、映像の近接投射を行うものとなっている。

図１Ａ及び１Ｂに示す投影装置１００は、筐体１００ａ内に、照明光学系１０、偏光ビームスプリッター２０、反射型液晶素子３０、投影光学系４０及び駆動回路６０を組み込んだ構造を有する。

筐体１００ａは、箱状の部材であり、外形の一部に映像光ＰＬ１の射出窓１００ｆを有するものとなっている。なお、筐体１００ａ上の適所にユーザーが投影装置１００を所望の動作状態にするための操作部を設けてもよい。

照明光学系１０は、詳細な説明を省略するが、発光源（照明光源）、集光光学系、偏光変換素子等を備える。発光源としては、例えば３色のＬＥＤ等を組み込んだものを用いることができ、集光光学系は、例えば３色のＬＥＤ等からの照明光を略平行光に変換する。また偏光変換素子は、入射した光を特定の偏光状態に変換する。なお、発光源として、レーザーその他の励起光源と、励起光の照射によって蛍光を発生する蛍光体とを組み合わせたものを用いることもできる。

偏光ビームスプリッター２０は、一対の直角プリズム２２ａ，２２ｂを貼り合わせたものであり、貼り合わせ面において、一方の直角プリズムの斜面には、照明光学系１０から入射した所定方向の直線偏光を反射させる反射面２１が形成されている。これにより、照明光学系１０から出射され所定方向に直線偏光した状態の照明光を反射させ、反射型液晶素子３０に入射させることができる。なお、反射型液晶素子３０で変調され偏光方向が切り替わった光は、偏光ビームスプリッター２０に戻されて反射面２１を通過する。

反射型液晶素子３０は、映像光を形成する表示素子（画像表示素子）であり、特に空間的な透過率を変化させることによって照明光から画像光を形成する点で光変調素子といえる。反射型液晶素子（画像表示素子）３０は、板状の電子部品である画像表示パネルからなる。この反射型液晶素子３０は、具体的には、例えばＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）とも称されるマイクロディスプレイであり、シリコンチップの表面に直接回路が形成され対向基板との間に液晶層を挟み込んだものである。

投影光学系４０は、屈折光学系４１と反射光学系４２とを有する。屈折光学系４１は、複数のレンズ群からなる。このレンズ群を構成する各レンズは、ガラスや樹脂材料で形成され、光軸方向から見て円形の輪郭を有する。ただし、反射光学素子４２ａに近いレンズは径が大きくなる傾向にあるため、使用しない領域の一部をカットすることもできる。各レンズの光学面は、球面又は非球面であり、回転対称な形状を有する。図１Ａに示す反射光学系４２は、出射側に反射光学素子４２ａを有する。反射光学素子４２ａは、ガラスや樹脂材料で形成され、表面に反射膜がコートされている。反射光学素子４２ａの光学面は、詳細は後述するが、分割型の非球面であり、光軸方向から見て回転対称な光学面形状を有するが、円形の輪郭から一部を切り取ったようなものとなっている。図１Ｂに示す反射光学系４２は、出射側に反射光学素子４２ｂ，４２ａを有する。反射光学素子４２ｂ，４２ａは、ガラスや樹脂材料で形成され、表面に反射膜がコートされている。一方の反射光学素子４２ｂの光学面は平面である。他方の反射光学素子４２ａの光学面は、分割型の非球面であり、光軸方向から見て回転対称な光学面形状を有するが、円形の輪郭から一部を切り取ったようなものとなっている。図１Ｂに示す構成の場合、スクリーン面Ｓｃに対し投影装置１００を縦置きにでき、図１Ａに示す構成よりも、配置スペースを有効利用できる。

駆動回路６０は、これに組み込まれたプログラムや不図示の操作部からの指示に基づいて、照明光学系１０、反射型液晶素子３０等を適宜動作させることができる。駆動回路６０は、例えば外部から入力されたビデオ信号等に基づいて照明光学系１０及び反射型液晶素子３０に対して駆動信号を出力し、反射型液晶素子３０に表示動作を行わせる。

図２は、投影光学系４０等の具体的な構成例を説明する側方断面図であり、図３は、画像の具体的な投射光路を示している。

図２に示す投影光学系４０は、既に説明したように、画像表示素子である反射型液晶素子３０側から順に、複数のレンズ群４１ａを有する屈折光学系４１と、屈折光学系４１から出射された光線を反射させてスクリーンまで導く反射光学系４２と、から実質的になる。屈折光学系４１と反射光学系４２とは、共通の光軸を有する。そのため、屈折光学系４１と反射光学系４２とは互いに偏芯しておらず、光学系の組み立てが比較的容易となっている。図３に示すように、画像表示素子である反射型液晶素子３０から屈折光学系４１に入射された光は、屈折光学系４１を透過した後、反射光学系４２により反射される。反射光学系４２により反射された光は、拡大されてスクリーン面Ｓｃに向かう。

投影光学系４０のうち屈折光学系４１における複数のレンズ群４１ａは、それぞれが１枚又は複数のレンズを含み、全体として例えばレンズＬ１〜Ｌ１２で構成される。屈折光学系４１の最もスクリーンに近い位置に配置されたレンズ（具体的にはレンズＬ１２）の少なくとも一方の面は非球面形状を有する。このような非球面形状を有する少なくとも一方の面は光軸以外の点で極値を持つ形状となっている。

反射光学系４２は、少なくとも１つの反射光学素子４２ａを有する。反射光学素子４２ａは、光軸を中心とする同心円を境界とする複数の領域に分割され、その領域毎に異なる非球面式を用いた非球面形状を有する。反射光学系４２はパワーを有する反射光学素子４２ａを１枚のみ有する。なお、反射光学系４２は、パワーを有しない反射光学素子をさらに有していてもよい。投影装置１００のレイアウト次第では、反射光学素子を２つ、３つと増やしてもよい。たとえば、図２に示す投影光学系４０のレンズＬ１２と反射光学素子４２ａとの間に、光路を折り曲げる反射光学素子４２ｂを付加すれば、図１Ｂに示す使用形態の投影装置１００となる。

投影光学系４０は、以下の条件式を満足する。
０．５０＜｜ＤＳ／ＴＬ｜＜１．００ … （１）
ただし、ＤＳは屈折光学系４１内に配置された開口絞りＳから反射光学素子４２ａまでの光軸上の距離であり、ＴＬは画像表示素子から反射光学素子４２ａまでの光軸上の距離である。なお、値｜ＤＳ／ＴＬ｜は、より望ましくは下式の範囲がよい。
０．６０＜｜ＤＳ／ＴＬ｜＜０．９０ … （１）'

非球面形状を有する反射光学素子４２ａは、以下の条件式を満足する。
｜Ｘｉｎ'（ｈ）−Ｘｏｕｔ'（ｈ）｜＜１．０Ｅ−３ … （２）
ただし、ｈは境界の光軸からの高さ［ｍｍ］であり、これに対する光軸方向の面位置Ｘを関数として考えた場合に、Ｘｉｎ'（ｈ）はいずれか任意の境界より光軸側の面における、境界位置での１階微分値であり、Ｘｏｕｔ'（ｈ）は境界より外側の面における、境界位置での１階微分値である。

投影光学系４０は、以下の条件式を満足する。
−１０．０＜ＦＬｓｃ／ＦＬ＜−０．５０ … （３）
ただし、ＦＬｓｃは屈折光学系４１の最もスクリーンに近い位置に配置されたレンズの焦点距離であり、ＦＬは屈折光学系４１全系の焦点距離である。

なお、一般的なプロジェクター光学系では、非常に大出力の光源を使用するため、画像表示素子に近い屈折光学系は光源からの熱の影響を受けやすく、プラスチックレンズを多用することが難しく、結果としてガラス球面レンズの比率が多くなってしまう。そのため、少ないレンズ枚数で良好な光学性能を得るために、反射光学系に奇数次非球面や自由曲面等の特殊な面を使用して、形状自由度を向上させているのが現状である。投影距離が短く、大画面に対応した短焦点投影光学系では、反射光学素子で反射された光線がスクリーン面に非常に大きな角度で入射し、かつ画面の上下方向の光路差が大きいため、画面全域に渡って良好な収差補正を行うためには、各光線が大きく分離した反射光学素子を自由度の大きな面形状で形成することが重要となってくる。

そこで、従来のように通常の非球面形状よりも形状自由度の大きな自由曲面を使用すれば良いが、自由曲面は光軸に対して回転対称な光学面ではなくなってしまうため、加工や加工後の測定、面の補正等が複雑化したり、反射光学素子を配置する際にも、複雑な調整が必要になったりといった不具合が生じる。

一方で、本実施形態の投影光学系４０によれば、反射光学素子４２ａを、光軸を中心とする同心円を境界とする複数の領域に分割させ、その領域毎に異なる非球面係数で表現されるような、輪帯非球面で形成することにより、あくまで光軸に対して回転対称な面でありながらも、形状の自由度を向上させることができる。これにより、小型軽量でありながらも、画面全域にわたって良好に収差補正のなされた、短焦点で大画面投影が可能な投影光学系４０を得ることができる。

〔実施例〕
以下、本発明の投影光学系の実施例を示す。各実施例において、非分割型の非球面の形状は、面の頂点を原点とし、光軸方向にＸ軸をとり、光軸と垂直方向の高さをｈとして以下の「数１」で表す。また、領域分割型の非球面の形状は、上記非分割型の非球面と同様に以下の「数１」で表すが、領域毎に異なる値Ａｉ、Ｒ、Ｋを用いる。

ただし、
Ａｉ：ｉ次の非球面係数
Ｒ ：曲率半径
Ｋ ：円錐定数

（実施例１）
実施例１の投影光学系のレンズ面等のデータを以下の表１に示す。なお、以下の表１等において、「Surf-N」は面番号を表し、「R」は曲率半径を表し、「D」は面間隔を表し、「nd」はｄ線屈折率を表し、「vd」はアッベ数を表す。また、「DDS」は、表示素子面を表し、「ASS」は、非球面を表し、「ST」は開口絞りを表し、「MRS」は反射面を表し、「SCS」はスクリーン面を表し、無限大を「INF」と表している。
〔表１〕
Surf-N R [mm] D [mm] nd vd
DDS 1.403
1 INF 17.250 1.5163 64.1
2 INF 2.500
3 33.653 7.000 1.8467 23.8
4 -91.570 0.500
5 33.601 5.374 1.8467 23.8
6 1357.291 3.236
7 -31.263 5.000 1.7552 27.5
8 13.171 6.256 1.6228 57.1
9 -18.777 1.707
10 -18.259 2.014 1.8052 25.4
11 -61.487 1.122
ASS 12 66.508 3.000 1.7720 50.0
ASS 13 471.381 0.660
ST 14 INF 1.439
15 44.504 1.200 1.7015 41.2
16 15.756 6.205 1.6228 57.1
17 -152.023 37.601
18 -2061.498 5.991 1.8340 37.2
19 -47.616 0.500
ASS 20 222.487 2.556 1.5447 56.2
ASS 21 38.957 3.679
22 44.395 7.500 1.8340 37.2
23 -163.985 8.509
ASS 24 -37.052 2.797 1.5447 56.2
ASS 25 21.129 119.965
MRS 26 -41.491 -250.012
SCS INF

実施例１の投影光学系のうち屈折光学系の非分割型の非球面係数を以下の表２に示す。なお、これ以降（表のレンズデータを含む）において、１０のべき乗数（例えば２．５×１０−０^２）をＥ（例えば２．５Ｅ−０２）を用いて表すものとする。

〔表２〕
第12面
K=0.00000E+00, A4=0.49515E-04, A6=0.18515E-06, A8=-0.10691E-08,
A10=0.15204E-10, A12=0.00000E+00, A14=0.00000E+00
第13面
K=0.00000E+00, A4=0.55264E-04, A6=0.21022E-06, A8=-0.12199E-08,
A10=0.18347E-10, A12=0.00000E+00, A14=0.00000E+00
第20面
K=-0.50000E+02, A4=-0.14929E-04, A6=0.19417E-06, A8=-0.11755E-08,
A10=0.44385E-11, A12=-0.92069E-14, A14=0.77500E-17
第21面
K=0.28587E+01, A4=-0.12825E-04, A6=0.23694E-06, A8=-0.14145E-08,
A10=0.56090E-11, A12=-0.11935E-13, A14=0.88000E-17
第24面
K=-0.13831E+02, A4=0.33526E-04, A6=-0.46956E-07, A8=0.29452E-09,
A10=-0.10667E-11, A12=0.16139E-14, A14=-0.72000E-18
第25面
K=0.12509E-01, A4=0.14032E-04, A6=-0.15202E-06, A8=0.86518E-09,
A10=-0.34263E-11, A12=0.49938E-14, A14=-0.17200E-17

実施例１の投影光学系のうち反射光学系の反射面（第２６面）の分割型の非球面係数を以下の表３に示す。この場合、第２６面の非球面は、光軸からの高さをｈとしたときの第１領域面の範囲０≦ｈ≦１５．６と、この周りを囲む中間の第２領域面の範囲１５．６＜ｈ≦３１．２と、外周の第３領域面の範囲３１．２＜ｈとに分かれている。また、これ以降において、条件式（２）に関する値｜Ｘｉｎ'（ｈ）−Ｘｏｕｔ'（ｈ）｜については、面形状の値が記載されている領域とその外側との境界の値とする。
〔表３〕
第26面
面の範囲 0≦h≦15.6 15.6＜h≦31.2 31.2＜h
R= -41.49079 -36.60379 -41.01869
K= -0.18000E+02 -0.42016E+01 -0.80421E+00
A4= -0.21682E-04 -0.24181E-05 0.14671E-05
A6= -0.37531E-08 -0.32722E-09 -0.35912E-09
A8= 0.40872E-09 0.11034E-11 0.97552E-13
A10= -0.67596E-12 0.62223E-16 -0.30986E-16
A12= -0.65352E-14 -0.53284E-18 0.84007E-20
A14= 0.29493E-16 -0.90831E-22 -0.99476E-24
A16= -0.38096E-19 0.19052E-24 0.74025E-29
|Xin'(h)-Xout'(h)| 0.546E-11 0.588E-07

図２は、既に説明したが、実施例１の投影光学系４０等の断面図である。図３は、実施例１の画像の具体的な投射光路を説明する図である。投影光学系４０は、屈折光学系４１を構成する第１〜第１２レンズＬ１〜Ｌ１２と、反射光学系４２を構成する反射光学素子４２ａとを有する。本実施例において、反射光学素子４２ａは、凹形状となっている。図中のＳは開口絞り、Ｓｃはスクリーン面を示す。また、Ｆは例えば画像表示素子をＬＣＯＳとした場合のＲＧＢ各色を合成するためのプリズム等を想定した平行平板（本実施例では、偏光ビームスプリッター２０）である。画像表示素子の方式によっては、Ｆは必要ない場合もあるが、Ｆは屈折力を持たない平行平板であるため、Ｆ以降の光学系は変えずになくすこともできる。その場合には、画像表示素子と第１レンズＬ１との空気間隔を最適な位置に設定するだけでよい。なお、第１２レンズＬ１２と反射光学素子４２ａとの間に、光路を折り曲げる反射光学素子を付加すれば、図１Ｂに示す使用形態の投影装置１００となる。
図４Ａ〜４Ｃは、実施例１のスクリーン上でのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）特性図である。図４Ａは、図５に示すスクリーン面ＳｃのうちポイントＦ１〜Ｆ３のＭＴＦ特性図である。図４Ｂは、図５に示すポイントＦ４〜Ｆ６のＭＴＦ特性図である。図４Ｃは、図５に示すポイントＦ７〜Ｆ９のＭＴＦ特性図である。図４Ａ〜４Ｂ中のＦｉ−Ｘ（ｉ＝１〜９）は、Ｆｉの位置での水平方向解像力を示し、Ｆｉ−Ｙ（ｉ＝１〜９）は、Ｆｉの位置での垂直方向解像力を示す。ＭＴＦ評価ポイントは、以降の実施例においても実施例１と同様である。ＭＴＦを計算する上での波長ウェイトは以下の通りである（以降の実施例も同様）。
波長 重み
656.28nm 1
587.56nm 1
435.84nm 1

（実施例２）
実施例２の投影光学系のレンズ面等のデータを以下の表４に示す。
〔表４〕
Surf-N R [mm] D [mm] nd vd
DDS 0.850
1 INF 17.250 1.5163 64.1
2 INF 2.500
ASS 3 42.027 7.853 1.5320 64.4
ASS 4 -16.349 0.500
5 59.079 5.000 1.7150 28.5
6 10.589 8.337 1.5717 60.6
7 -62.320 8.988
ASS 8 -237.540 1.690 1.8470 23.8
ASS 9 -28.075 0.500
ST 10 INF 2.399
11 -44.435 1.200 1.8372 31.5
12 62.223 15.444
ASS 13 -147.793 3.208 1.4931 66.4
ASS 14 -80.836 5.642
ASS 15 -28.348 4.412 1.6169 50.4
ASS 16 -26.240 7.154
ASS 17 39.592 9.080 1.6656 37.8
ASS 18 -120.911 3.451
ASS 19 82.070 3.898 1.8438 26.1
ASS 20 25.930 9.782
ASS 21 40.706 6.453 1.5292 56.6
ASS 22 70.050 5.101
ASS 23 -59.364 4.910 1.5710 52.2
ASS 24 -177.694 99.999
MRS 25 -36.761 -250.004
SCS INF

実施例２の投影光学系のうち屈折光学系の非分割型の非球面係数を以下の表５に示す。
〔表５〕
第3面
K=-0.66486E+01, A4=-0.26113E-04, A6=0.17899E-07, A8=0.96931E-09,
A10=-0.40522E-12
第4面
K=-0.47441E+01, A4=-0.11721E-03, A6=0.59519E-06, A8=-0.30797E-08,
A10=0.11110E-10
第8面
K=0.00000E+00, A4=-0.28065E-04, A6=0.00000E+00, A8=0.00000E+00,
A10=0.00000E+00
第9面
K=0.23027E+01, A4=-0.30301E-04, A6=0.00000E+00, A8=0.00000E+00,
A10=0.00000E+00
第13面
K=0.00000E+00, A4=0.64981E-04, A6=-0.35271E-06, A8=0.13748E-08,
A10=-0.70712E-11, A12=0.00000E+00
第14面
K=0.11341E+02, A4=0.19256E-05, A6=-0.30246E-06, A8=0.00000E+00,
A10=0.00000E+00
第15面
K=-0.51900E+01, A4=-0.17138E-03, A6=0.19547E-07, A8=-0.10545E-07,
A10=0.15482E-09, A12=-0.15194E-11, A14=0.10028E-13,
A16=-0.25290E-16
第16面
K=-0.19669E+01, A4=-0.68792E-04, A6=-0.14147E-07, A8=-0.55635E-09,
A10=0.35544E-11, A12=0.43889E-13, A14=-0.22907E-15,
A16=0.28000E-18
第17面
K=-0.27699E+01, A4=0.32390E-05, A6=0.76983E-08, A8=-0.25765E-10,
A10=0.00000E+00
第18面
K=0.19101E+02, A4=-0.58153E-05, A6=-0.24504E-08, A8=-0.55319E-12,
A10=0.00000E+00
第19面
K=0.10576E+02, A4=-0.90050E-05, A6=-0.10410E-06, A8=0.16745E-09,
A10=-0.11492E-12
第20面
K=0.12555E+00, A4=-0.10969E-04, A6=-0.87906E-07, A8=0.19354E-09,
A10=-0.21825E-12
第21面
K=-0.36655E+01, A4=0.43338E-05, A6=0.32794E-07, A8=-0.10898E-09,
A10=0.10311E-12, A12=-0.57040E-16
第22面
K=-0.36358E+02, A4=-0.62395E-05, A6=0.44262E-08, A8=-0.62622E-11,
A10=0.90596E-15
第23面
K=-0.18031E+02, A4=0.59210E-05, A6=-0.21451E-08, A8=0.10265E-10,
A10=0.00000E+00, A12=0.00000E+00, A14=0.00000E+00,
A16=0.00000E+00
第24面
K=0.41289E+02, A4=0.84790E-05, A6=0.54538E-08, A8=-0.26041E-10,
A10=0.10701E-12, A12=-0.25551E-15, A14=0.20000E-18,
A16=0.00000E+00

実施例２の投影光学系のうち反射光学系の反射面（第２５面）の分割型の非球面係数を以下の表６に示す。この場合、第２５面の非球面は、光軸からの高さをｈとしたときの第１領域面の範囲０≦ｈ≦１０．０と、この周りを囲む中間の第２領域面の範囲１０．０＜ｈ≦２０．０と、外周の第３領域面の範囲２０．０＜ｈとに分かれている。
〔表６〕
第25面
面の範囲 0≦h≦10.0 10.0＜h≦20.0 20.0＜h
R= -36.76054 -36.01738 -36.35260
K= -0.36718E+01 -0.25188E+01 -0.16919E+01
A4= 0.88048E-05 -0.89308E-06 0.95389E-06
A6= -0.37080E-06 -0.12432E-08 -0.29264E-08
A8= 0.25956E-08 0.10433E-11 0.26839E-11
A10= 0.80450E-11 -0.51612E-14 -0.10052E-14
A12= -0.78933E-13 0.79794E-17 -0.62681E-18
A14= -0.72699E-15 0.16528E-19 0.80544E-21
A16= 0.48289E-17 -0.31391E-22 -0.23860E-24
|Xin'(h)-Xout'(h)| 0.123E-09 0.908E-09

図６は、実施例２の投影光学系４０等の断面図である。図７は、実施例２の画像の具体的な投射光路を説明する図である。投影光学系４０は、屈折光学系４１を構成する第１〜第１１レンズＬ１〜Ｌ１１と、反射光学系４２を構成する反射光学素子４２ａとを有する。本実施例において、反射光学素子４２ａは、凹形状となっている。なお、第１１レンズＬ１１と反射光学素子４２ａとの間に、光路を折り曲げる反射光学素子を付加すれば、図１Ｂに示す使用形態の投影装置１００となる。図８Ａ〜８Ｃは、実施例２のスクリーン上でのＭＴＦ特性図である。

（実施例３）
実施例３の投影光学系のレンズ面等のデータを以下の表７に示す。
〔表７〕
Surf-N R [mm] D [mm] nd vd
DDS 3.306
1 INF 25.750 1.5163 64.1
2 INF 5.000
3 173.572 3.547 1.6968 55.5
4 -37.827 0.501
5 27.971 4.743 1.7432 49.3
6 -21439.412 7.622
7 19.028 3.331 1.4875 70.2
8 -63.299 4.985 1.7847 25.7
9 28.280 1.393
ASS 10 -40.439 1.200 1.7618 26.5
ASS 11 60.060 0.765
12 INF 29.412
13 43.238 1.200 1.7432 49.3
14 19.469 13.101 1.7200 50.2
15 -86.471 0.500
16 50.329 4.983 1.7432 49.3
17 95.879 13.765
ASS 18 -29.305 1.200 1.4875 70.2
ASS 19 -211.891 5.064
ASS 20 -37.530 1.200 1.6989 30.1
ASS 21 56.839 8.458
22 -67.561 8.326 1.8061 40.9
23 -25.525 4.273
ASS 24 -20.653 4.679 1.4875 70.2
ASS 25 -29.951 108.940
MRS 26 41.050 -508.910
SCS INF

実施例３の投影光学系の屈折光学系の非分割型の非球面係数を以下の表８に示す。
〔表８〕
第10面
K=-0.53034E+01, A4=0.12261E-04, A6=0.26952E-06, A8=-0.13236E-07,
A10=0.17077E-09, A12=0.00000E+00
第11面
K=0.20381E+02, A4=0.50787E-04, A6=-0.27001E-06, A8=0.57871E-08,
A10=-0.10940E-09, A12=0.00000E+00
第18面
K=-0.59088E+00, A4=0.16105E-04, A6=0.12322E-07, A8=-0.83498E-10,
A10=-0.12726E-11, A12=0.73154E-14
第19面
K=0.49902E+02, A4=0.21381E-05, A6=-0.36944E-07, A8=-0.40752E-09,
A10=-0.56112E-12, A12=0.34276E-14
第20面
K=0.48633E+01, A4=-0.16722E-04, A6=-0.84905E-07, A8=-0.28736E-09,
A10=-0.34202E-12, A12=0.37718E-15
第21面
K=-0.26342E+00, A4=-0.17178E-06, A6=-0.26239E-08, A8=-0.46486E-11,
A10=-0.70023E-15, A12=-0.76890E-16
第24面
K=-0.16307E+00, A4=-0.64258E-05, A6=0.11148E-07, A8=-0.68104E-12,
A10=0.11781E-12, A12=-0.30700E-16
第25面
K=0.45218E+00, A4=-0.19932E-05, A6=-0.36702E-08, A8=0.92497E-11,
A10=0.14827E-13, A12=-0.11680E-16

実施例３の投影光学系のうち反射光学系の反射面（第２６面）の分割型の非球面係数を以下の表９に示す。この場合、第２６面の非球面は、光軸からの高さをｈとしたときの第１領域面の範囲０≦ｈ≦２０．０と、この周りを囲む中間の第２領域面の範囲２０．０＜ｈ≦４０．０と、外周の第３領域面の範囲４０．０＜ｈとに分かれている。
〔表９〕
第26面
面の範囲 0≦h≦20.0 20.0＜h≦40.0 40.0＜h
R= 41.04984 35.48014 34.01286
K= 0.29246E+01 -0.56815E+01 -0.61299E+01
A4= -0.24436E-04 -0.16443E-06 0.12197E-06
A6= 0.19176E-06 0.12656E-09 -0.28280E-10
A8= -0.14056E-08 0.23170E-13 0.10562E-14
A10= 0.40828E-11 -0.48343E-16 0.49428E-18
A12= -0.44430E-14 0.12453E-19 -0.51100E-22
A14= 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
A16= 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
|Xin'(h)-Xout'(h)| 0.764E-13 0.125E-15

図９は、実施例３の投影光学系４０等の断面図である。図１０は、実施例３の画像の具体的な投射光路を説明する図である。投影光学系４０は、屈折光学系４１を構成する第１〜第１２レンズＬ１〜Ｌ１２と、反射光学系４２を構成する反射光学素子４２ａとを有する。本実施例において、反射光学素子４２ａは、凸形状となっている。なお、第１２レンズＬ１２と反射光学素子４２ａとの間に、光路を折り曲げる反射光学素子を付加すれば、図１Ｂに示す使用形態の投影装置１００となる。図１１Ａ〜１１Ｃは、実施例３のスクリーン上でのＭＴＦ特性図である。

以下の表１０は、参考のため、各条件式（１）、（３）に対応する各実施例１〜３の値をまとめたものである。
〔表１０〕

以上、実施形態や実施例に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態等に限定されるものではない。例えば、上記実施形態において、反射光学素子４２ａの領域を３つに分割したが、分割数は２つでも４つ以上でもよい。

また、上記実施形態において、表示素子としては、ＬＣＯＳ等の反射型液晶素子３０に限らず、マイクロミラーからなるマイクロミラーデバイス、透過型のＬＣＤ等を用いることができる。この場合、偏光ビームスプリッター２０は、それぞれに適合する光学系に変更する。

また、上記実施形態において、反射型液晶素子３０は、単独で使用する場合に限らず、偏光ビームスプリッター２０の別の側面に対向して追加の反射型液晶素子２３０を配置することもできる（図１参照）。

また、上記実施形態において、照明光学系１０の光源としては、ＬＥＤに限らず、水銀ランプ、レーザー等を用いることができ、これらの光源を同種又は異種で組み合わせることもできる。特に、ＬＥＤやレーザーを光源とする場合、赤色・緑色・青色の光源数は出力に合わせ任意に組み合わせても良い。また、合波するための光学系を追加し、白色又は特定色に関して複数の光源を配置することで明るさを上げることもできる。

Claims (8)

1. 画像表示素子から得られる像を拡大してスクリーン上に投影する投影装置用の投影光学系であって、前記画像表示素子側から順に、
   複数のレンズ群を有する屈折光学系と、
   屈折光学系から出射された光線を反射させてスクリーンまで導く反射光学系と、を備え、
   前記反射光学系は、少なくとも１つの反射光学素子を有し、
   前記反射光学素子は、光軸を中心とする同心円を境界とする複数の領域に分割され、その領域毎に異なる非球面式を用いた非球面形状を有する、投影光学系。
2. 以下の条件式を満足する、請求項１に記載の投影光学系。
   ０．５０＜｜ＤＳ／ＴＬ｜＜１．００ … （１）
   ただし、
   ＤＳ：前記屈折光学系内に配置された開口絞りから前記非球面形状を有する反射光学素子までの光軸上の距離
   ＴＬ：前記画像表示素子から前記非球面形状を有する反射光学素子までの光軸上の距離
3. 前記屈折光学系と前記反射光学系とは、共通の光軸を有する、請求項１及び２のいずれか一項に記載の投影光学系。
4. 前記屈折光学系の最もスクリーンに近い位置に配置されたレンズの少なくとも一方の面は非球面形状を有し、前記非球面形状を有する少なくとも一方の面は光軸以外の点で極値を持つ形状を有している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の投影光学系。
5. 前記非球面形状を有する反射光学素子は、以下の条件式を満足する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の投影光学系。
   ｜Ｘｉｎ'（ｈ）−Ｘｏｕｔ'（ｈ）｜＜１．０Ｅ−３ … （２）
   ただし、
   ｈ：前記境界の前記光軸からの高さ
   Ｘｉｎ'（ｈ）：前記境界より前記光軸側の面における、境界位置での１階微分値
   Ｘｏｕｔ'（ｈ）：前記境界より外側の面における、境界位置での１階微分値
6. 以下の条件式を満足する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の投影光学系。
   −１０．０＜ＦＬｓｃ／ＦＬ＜−０．５０ … （３）
   ただし、
   ＦＬｓｃ：前記屈折光学系の最もスクリーンに近い位置に配置されたレンズの焦点距離
   ＦＬ：前記屈折光学系全系の焦点距離
7. 前記反射光学系はパワーを有する反射光学素子を１枚のみ有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の投影光学系。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の投影光学系と、
   前記投影光学系の光路前段に設けられた前記画像表示素子とを備える、投影装置。

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