WO2013005444A1 - 投射光学系およびプロジェクタ装置 - Google Patents

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恭彦 松尾
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Definitions

  • the present invention relates to a projection optical system of a projector apparatus.
  • Japanese Patent Publication No. 2004-258620 (Reference 1) employs an imaging optical system including a reflecting surface in order to reduce the projection space outside the projection apparatus while increasing the size of the projection screen. Further, it is described that a projection optical system capable of correcting chromatic aberration and an image projection apparatus using such a projection optical system are realized. Therefore, in Document 1, the first and second optical systems are arranged in this order from the light valve side to the projection side of the light valve, and the first optical system includes one or more refractive optical systems, and is positive.
  • the second optical system has one or more reflecting surfaces having power, has a positive power, and an image formed by the light valve is an intermediate image on the optical path of the first and second optical systems. The intermediate image is further magnified and projected onto a screen.
  • Japanese Patent Publication No. 2004-295107 (Document 2) describes a technique for realizing a variable magnification optical system having a compact configuration by suppressing the occurrence of various aberrations such as chromatic aberration of magnification while obtaining a desired variable magnification ratio.
  • the variable magnification optical system of Document 2 includes an optical block R having three reflection curved surfaces, and an optical block C arranged on the reduction side of the optical block R, and the optical block C includes a plurality of movable lenses. A unit is provided, and zooming is performed by moving a plurality of lens units.
  • the optical block C forms an image of the reduction side conjugate point on the enlargement side of the optical surface (reflection surface) on the most reduction side of the optical block R.
  • the projection optical system includes a plurality of lenses, includes a first refractive optical system that forms a first intermediate image on the enlargement side by light incident from the reduction side, and a plurality of lenses, and includes a first lens on the reduction side.
  • a first refractive surface including a second refractive optical system that forms an intermediate image as a second intermediate image on the enlargement side, and a first reflecting surface having a positive refractive power located on the enlargement side with respect to the second intermediate image. Reflection optical system.
  • the first refractive optical system forms a first intermediate image
  • the second refractive optical system forms an image on the enlargement side as a second intermediate image.
  • the lens diameter on the enlargement side of the second refractive optical system can be reduced. Therefore, the second refractive optical system can be made compact, and the air interval (optical distance) from the second refractive optical system to the first reflective surface can be easily shortened, and the first reflective surface can be made compact.
  • first reflecting surface It is not easy to design the first reflecting surface so as to correct trapezoidal distortion as well as astigmatism.
  • a first intermediate image in which aberrations such as astigmatism are corrected is formed by the first refractive optical system, and keystone distortion is mainly adjusted by the second refractive optical system. It is easy to form two intermediate images. Therefore, it is easy to project a clear and trapezoidally corrected image.
  • the first intermediate image, the second intermediate image, and the image formed on the first reflecting surface are inverted. Therefore, when the first refractive optical system forms an image formed on the first image plane as the first intermediate image, the light beam from the center of the first image plane to the center of the second image plane.
  • Projection optical system in which the optical axis of the first refractive optical system, the optical axis of the second refractive optical system, and the optical axis of the first reflective optical system intersects with the optical axis three times and reaches the second image plane Can be designed.
  • a light beam from the center of the first image plane to the center of the second image plane has an optical axis of the first refractive optical system, an optical axis of the second refractive optical system, and an optical axis of the first reflective optical system.
  • the common optical axis and in the case where the optical axis is shifted, when the optical axis is shifted three times to reach the second image plane, the first image plane and the first reflection plane In between, the light beam intersects the optical axis twice. Therefore, the first image plane and the first reflecting surface can be arranged in the same direction with respect to the optical axis. That is, the first image plane and the first reflection plane can be arranged in the same direction with respect to the first plane including the optical axis.
  • the illumination optical system for illuminating the first image plane can be arranged in the same direction as the first reflecting surface with respect to the first surface. Therefore, the space in the same direction with respect to the first surface can be shared by the illumination optical system and the first reflecting surface. For this reason, the projector including the projection optical system and the illumination optical system can be thinned.
  • the effective diameter of the lens on the most enlargement side of the second refractive optical system on the enlargement side is smaller than the maximum effective diameter of the first refractive optical system on the reduction side. Furthermore, it is more preferable that the maximum effective diameter of the second refractive optical system on the enlargement side is smaller than the maximum effective diameter of the first refractive optical system on the reduction side. Interference between the light beam reaching the first reflection surface and the light beam reflected by the first reflection surface can be suppressed, and a compact projection optical system can be provided.
  • the first refractive optical system is an equal magnification or an enlargement optical system.
  • the first intermediate image may be a reduced image, the magnification in the optical system on the enlargement side relative to the first refractive optical system is relatively suppressed by equalizing or enlarging the first intermediate image. This makes it easy to correct aberrations. Accordingly, various aberrations such as field curvature, astigmatism and coma can be corrected by the first refractive optical system, and distortion such as trapezoidal distortion can be corrected by the second refractive optical system.
  • the projection optical system preferably includes a stop disposed between the first intermediate image and the second intermediate image.
  • the size of the magnification side of the second refractive optical system can be made more compact. Furthermore, since the air space between the second refractive optical system and the first reflecting surface can be shortened, the size of the first reflecting surface can be further reduced.
  • the projection optical system has a first optical system including a first refractive optical system and a second refractive optical system, and forms a first intermediate image inside the first optical system.
  • the exit pupil of the first optical system can be brought closer to the first reflecting surface side. For this reason, a 1st reflective surface can be reduced in size.
  • the optical distance EXP between the exit pupil and the first reflecting surface when the first diaphragm disposed between the first image plane and the first intermediate image is used as the diaphragm of the first optical system.
  • the optical distance dw between the first image surface and the first reflecting surface preferably satisfy the following condition (1). 0.1 ⁇ EXP / dw ⁇ 0.6 (1)
  • the first intermediate image is formed inside the first optical system, and the first optical system is divided into a first refractive optical system and a second refractive optical system, thereby providing the first optical system.
  • a second diaphragm can be arranged between the intermediate image and the second intermediate image to narrow the luminous flux. For this reason, the lens size on the enlargement side of the first optical system, particularly the lens size on the enlargement side of the second refractive optical system can be reduced.
  • the second diaphragm may be disposed inside the second refractive optical system.
  • the second diaphragm is preferably an eccentric diaphragm, and can block scattered light causing flare and ghost.
  • the lens size on the enlargement side of the first optical system that is, the enlargement side of the second refractive optical system can be reduced, even if a rotationally symmetric lens about the optical axis is used, the lens from the first reflecting surface can be used. Interference between the light beam and the lens can be suppressed. For this reason, in order to secure the distance between the second refractive optical system and the first reflecting surface, it is not necessary to dispose a negative power lens on the enlargement side of the second refractive optical system. Therefore, the most magnified lens of the second refractive optical system may be a positive lens or a positive meniscus lens, and may be a cemented lens.
  • the optical distance dn between the most magnified lens and the first reflecting surface of the second refractive optical system and the optical distance dw between the first image surface and the first reflecting surface satisfy the following condition (2 ) Is desirable. 0.1 ⁇ dn / dw ⁇ 0.3 (2) Since the space between the lens and the first reflecting surface included in the second refractive optical system can be reduced, the opening for emitting projection light between the lens and the first reflecting surface is reduced. Therefore, a more compact projector can be provided, and the risk of damage to the lens and the reflecting surface due to factors such as dust and dust entering from the opening can be reduced.
  • the first intermediate image and the second intermediate image are formed on opposite sides of the optical axis.
  • the first optical system may be one in which one or a plurality of intermediate images are formed on the reduction side of the first intermediate image.
  • the first reflective optical system may include one or more reflective surfaces before and after the first reflective surface.
  • the projection optical system may further include a refractive optical system on the enlargement side of the first reflection optical system.
  • the first optical system may be a variable magnification optical system.
  • the first optical system includes, in order from the reduction side, a front group having a positive refractive power, a middle group having a positive refractive power, and a rear group having a positive refractive power, from the wide-angle end.
  • the front group moves from the reduction side to the enlargement side
  • the middle group moves so as to compensate for the movement of the front group
  • the rear group is fixed
  • the first intermediate image It is desirable to form an image inside.
  • the middle group can compensate the incident light beam to the rear group in a constant state, and can suppress the movement of the first intermediate image during zooming. Therefore, the image projected on the second image plane can be zoomed without moving the positions of the first intermediate image and the second intermediate image.
  • the magnification of the first intermediate image can be changed mainly by moving the front group, and various factors such as field curvature, astigmatism, and coma aberration can be changed by moving the middle group. Aberration can be corrected. Therefore, it is possible to provide a high-resolution projection optical system including a variable magnification optical system that suppresses aberration fluctuation and position fluctuation of the first intermediate image.
  • Another aspect of the present invention is a projector having the projection optical system described above and a light modulator that forms an image on the first image plane.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a projection optical system according to a first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating lens data of the projection optical system according to the first embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a projector apparatus using a typical projection optical system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A shows a schematic configuration of a projector apparatus using a non-telecentric projection optical system.
  • FIG. 1B is a diagram showing a schematic configuration of a projector apparatus using a telecentric projection optical system
  • FIG. 1C is a diagram showing a schematic configuration of a projector apparatus using a different telecentric projection optical system. It is.
  • FIG. 14 shows a schematic configuration of a projector apparatus using a conventional projection optical system.
  • a projector (projector apparatus) 100 includes a light modulator (light valve) 5 and an illumination optical system 90 that irradiates the light valve 5 with illumination light for modulation. Then, the image plane of the light valve 5 is used as the first image plane on the reduction side, and the image formed by the light valve 5 is enlarged and projected as the projection light 91 onto the screen 9 which is the second image plane on the enlargement side.
  • the light valve 5 may be an LCD, a digital mirror device (DMD), an organic EL, or the like that can form an image, and may be a single plate type or a system that forms an image of each color.
  • the light valve 5 may be a reflective LDC or a transmissive LCD.
  • the illumination optical system 90 is disposed on the opposite side of the projection optical system 1 in the direction of the optical axis 101 with respect to the light valve 5.
  • the screen 9 may be a wall surface or a white board.
  • Projector 100 may be a front projector or a rear projector including a screen.
  • the light valve 5 indicates the position of the first image plane of the light valve.
  • a typical light valve 5 is a single-plate video projector that employs a DMD (digital mirror device).
  • the illumination optical system 90 includes a white light source such as a halogen lamp and a disk-shaped rotating color dividing filter (color wheel), and a DMD (panel, light valve) 5 is an image of three primary colors of red, green, and blue. Are formed in a time-sharing manner.
  • the DMD 5 side of the projection optical system 1 may be non-telecentric as shown in FIG. 1A, or telecentric using a TIR (Total Internal Reflection) prism Pr as shown in FIG. It is also possible to do.
  • TIR Total Internal Reflection
  • the projection optical system 1 moves from the DMD 5 which is the first image surface on the reduction side to the screen 9 which is the second image surface on the enlargement side.
  • a projection optical system for projecting is a first optical system 10 including a plurality of lenses, and a first intermediate image 31 formed inside the first optical system 10 by light incident from the reduction side is a first.
  • the first optical system 10 that forms an image as a second intermediate image 32 on the enlargement side with respect to the optical system 10, and the first reflecting surface with a positive refractive power located on the enlargement side with respect to the second intermediate image 32
  • a second optical system (first reflective optical system) 20 including 21a.
  • the first optical system 10 includes a first refractive optical system 11 that forms the first intermediate image 31 and a second refraction that forms the first intermediate image 31 as the second intermediate image 32. It can comprise so that the optical system 12 may be included.
  • the first intermediate image 31, the second intermediate image 32, and the image formed on the first reflecting surface 21a are inverted. Therefore, the light projecting from the center of the DMD 5 to the center of the screen 9 intersects the optical axis 101 common to the first optical system 10 and the second optical system 20 three times and reaches the screen 9 so that the projection optical system 1 is set.
  • the light beam intersects the optical axis 101 twice between the DMD 5 and the first reflecting surface 21a. Therefore, the DMD 5 and the first reflecting surface 21a can be arranged in the same direction with respect to the optical axis 101. That is, the DMD 5 and the first reflecting surface 21 a can be arranged in the first direction 111 a (downward) in the same direction with respect to the first surface 111 including the optical axis 101.
  • the illumination optical system 90 for illuminating the DMD 5 can be arranged in the same first direction 111 a as the first reflecting surface 21 a with respect to the first surface 111. Therefore, unlike the conventional projector device 200 as shown in FIG. 14, the space 111s in the same first direction 111a with respect to the first surface 111 can be shared by the illumination optical system 90 and the first reflecting surface 21a. For this reason, the height (thickness) of the projector 100 including the projection optical system 1 and the illumination optical system 90 can be reduced to half or less that of the conventional projector 200.
  • the projector 100 including the projection optical system 1 of the present invention illuminates the space 111s in the first direction 111a in the same direction with respect to the first surface 111.
  • the optical system 90 and the first reflecting surface 21a can be arranged.
  • the illumination optical system 90 can be accommodated in the height (thickness) h in which the first reflecting surface 21a is accommodated.
  • the first reflecting surface 21a can be accommodated in the thickness h of the illumination optical system 90.
  • FIG. 2 shows a projection optical system 1 according to a first embodiment.
  • the projection optical system 1 is a fixed focus type projection optical system whose incident side is telecentric.
  • the projection optical system 1 includes a first optical system 10 including a plurality of lenses and light emitted from the first optical system 10 in order from the DMD 5 side which is the first image plane on the reduction side.
  • a second optical system (first reflective optical system) 20 including a first reflective surface 21a having a positive power and projected onto the screen 9, which is a second image plane.
  • the first optical system 10 includes 14 lenses L1 to L14.
  • the second optical system 20 includes a mirror (concave mirror) 21 including a single aspherical first reflecting surface 21a.
  • the projection optical system 1 of this example is a single focus (fixed focus) type optical system that does not perform zooming.
  • the first optical system 10 uses the light projected onto the screen 9, which is the second image plane, by the plurality of lenses L 1 to L 14 of the first optical system 10 and the mirror 21 of the second optical system 20.
  • the image formed on the DMD 5 that is the image plane of the image is enlarged and projected on the screen 9.
  • the first optical system 10 of the projection optical system 1 is configured such that the first intermediate image 31 formed inside the first optical system 10 by the light incident from the DMD 5 is larger than the first optical system 10. An image is formed as a second intermediate image 32. Further, the first reflecting surface 21 a of the second optical system 20 is arranged on the enlargement side with respect to the second intermediate image 32.
  • the first optical system 10 shown in FIG. 2 is a refractive optical system that does not include a mirror surface.
  • the first optical system 10 combines the first refractive optical system 11 that forms an image formed by the DMD 5 as a first intermediate image 31 and the first intermediate image 31 as a second intermediate image 32. And a second refractive optical system 12 for imaging. Note that the first optical system 10 may include a mirror surface for bending the optical axis 101 at an appropriate position.
  • the first refractive optical system 11 is a lens system having a positive refractive power as a whole.
  • the first refractive optical system 11 includes a biconvex positive lens L1 arranged in order from the DMD5 side, a positive meniscus lens L2 convex on the DMD5 side, and a two-bonded first cemented lens (balsam).
  • Lens, doublet) LB1 negative meniscus lens L5 convex on the mirror 21 side (enlargement side), positive meniscus lens L6 convex on the mirror 21 side, and positive meniscus lens convex on the DMD5 side (reduction side) L7 and a positive meniscus lens L8 made of biconvex resin.
  • the first cemented lens LB1 is composed of a biconvex positive lens L3 and a biconcave negative lens L4 arranged in this order from the DMD 5 side.
  • Both surfaces of the negative meniscus lens L5, that is, the surface S8 on the DMD5 side and the surface S9 on the mirror 21 side are aspherical surfaces.
  • both surfaces of the positive meniscus lens L8, that is, the surface S14 on the DMD5 side and the surface S15 on the mirror 21 side are also aspherical surfaces.
  • the second positive meniscus lens L7 from the most magnifying side of the first refractive optical system 11 is a lens having the largest effective diameter (aperture) in the first refractive optical system 11, and the first refractive optical system 11 This lens gives the maximum effective diameter.
  • the positive meniscus lens L 7 is a lens having the largest effective diameter (aperture) in the first optical system 10, and the maximum effective diameter of the first optical system 10 is an enlargement of the first refractive optical system 11. Given by the side lens.
  • a first aperture stop St1 that forms the first intermediate image 31 is disposed in the negative meniscus lens L5 on the mirror 21 side, that is, in the space between the negative meniscus lens L5 and the positive meniscus lens L6, a first aperture stop St1 that forms the first intermediate image 31 is disposed.
  • a glass prism (TIR prism) Pr is disposed on the DMD 5 side of the first refractive optical system 11, and light incident on the projection optical system 1 is telecentric or close to it.
  • the first refractive optical system 11 is formed by the DMD 5 on the enlargement side of the first refractive optical system 11, that is, in the space Sp1 between the first refractive optical system 11 and the second refractive optical system 12.
  • the image is formed as a first intermediate image 31.
  • the first intermediate image 31 of the present example is formed with an air interval (distance) of 3.74 mm from the positive meniscus lens L8 on the most magnifying side of the first refractive optical system 11 to the magnifying side.
  • the second refractive optical system 12 as a whole is a lens system having a positive refractive power with a shorter focal length and stronger power than the first refractive optical system 11.
  • the second refractive optical system 12 is arranged in order from the DMD 5 side.
  • the positive meniscus lens L9 made of resin convex on the DMD 5 side, the positive lens L10 biconvex, and a second bonded joint of two sheets It is composed of a lens LB2 and a third cemented lens LB3 bonded with two sheets.
  • the second cemented lens LB2 is composed of a biconvex positive lens L11 and a biconcave negative lens L12 arranged in this order from the DMD 5 side.
  • the third cemented lens LB3 includes a negative meniscus lens L13 convex toward the DMD 5 and a biconvex positive lens L14, which are arranged in order from the DMD 5. Both surfaces of the positive meniscus lens L9, that is, the surface S16 on the DMD5 side and the surface S17 on the mirror 21 side are aspherical surfaces.
  • the positive meniscus lens L9 closest to the reduction side of the second refractive optical system 12 is a lens having the largest effective diameter (aperture) in the second refractive optical system 12, and is the maximum effective of the second refractive optical system 12.
  • the lens gives the diameter.
  • a second decentered stop St2 that forms a second intermediate image 32 is disposed on the mirror 21 side of the second refractive optical system 12.
  • the center of the opening (circular opening) is shifted from the optical axis 101, and the amount of eccentricity of the center of the opening is relative to the first surface 111 including the optical axis 101. It is 1.5 mm in the downward direction (first direction) 111a.
  • the second refractive optical system 12 places the second intermediate image 32 in the magnification side of the second refractive optical system 12, that is, in the space Sp2 between the second refractive optical system 12 and the first reflecting surface 21a. Form an image.
  • the second intermediate image 32 of this example is formed on the mirror 21 side of the second eccentric stop St2 with an air interval of 41.60 mm from the second eccentric stop St2.
  • the first refractive optical system 11 forms a first intermediate image 31 in the space Sp 1 inside the first optical system 10
  • the second refractive optical system 12 is the first optical system.
  • a second intermediate image 32 is formed in the space Sp2 on the reduction side of the first reflecting surface 21a of the second optical system 20.
  • the aspherical reflecting surface 21 a of the second optical system 20 projects the second intermediate image 32 onto the screen 9 and enlarges and projects the image of the DMD 5 onto the screen 9.
  • a first intermediate image 31 formed by the second refractive optical system 12 disposed on the enlargement side of the first optical system 10 is formed inside the first optical system 10.
  • the second intermediate image 32 is formed on the enlargement side of the second refractive optical system 12.
  • the first intermediate image 31 and the second intermediate image 32 are reversed with respect to the optical axis 101. Therefore, the light beam passing through the second refractive optical system 12 intersects the optical axis 101 of the second refractive optical system 12, and the area of the light beam passing through the second refractive optical system 12 is concentrated around the optical axis 101. It's easy to do.
  • the maximum effective aperture diameter of the second refractive optical system 12 positioned on the enlargement side of the first optical system 10 can be made smaller than that of the first refractive optical system 11.
  • the lens diameter on the wide angle side of the second refractive optical system 12 can be made smaller than the lens diameter on the reduction side.
  • the first refractive optical system 11 forms the first intermediate image 31 in one region (first region) 101a in the upper half of the optical axis 101
  • the second refractive optical system 12 The second intermediate image 32 obtained by inverting the first intermediate image 31 in the vertical and horizontal directions is formed on the other side (second region) 101b opposite to the region 101a, that is, the lower half of the optical axis 101. Let Therefore, the light flux from the first intermediate image 31 to the second intermediate image 32 is concentrated around the optical axis 101, and the second refractive optical system 12 and the first reflecting surface 21a can be reduced in size.
  • the light beam 110 extending from the center of the first image plane formed on the DMD 5 to the center of the second image plane of the screen 9 is the first optical system 10 and the second optical system.
  • Crosses 20 common optical axes 101 three times to reach the screen 9.
  • the light beam 110 emitted from the DMD 5 enters the projection optical system 1 from below with respect to the optical axis 101, intersects the optical axis 101 inside the first refractive optical system 11, and crosses the optical axis 101. Is formed as a first intermediate image 31.
  • the light beam 110 intersects with the optical axis 101 inside the second refractive optical system 12 and is formed as a second intermediate image 32 below the optical axis 101.
  • the light beam 110 is reflected by the first reflecting surface 21 a below the optical axis 101 and projected onto the screen 9 so as to intersect the optical axis 101.
  • the upper and lower sides of the optical axis 101 are in a relative positional relationship, and the upper and lower sides with respect to the optical axis 101 may be interchanged, or may be on the left and right sides of the optical axis 101.
  • the first optical system 10 forms a first intermediate image 31 inside, and forms the first intermediate image 31 as a second intermediate image 32 on the enlargement side. Therefore, an eccentric stop St2 for the second intermediate image 32 formed on the magnification side is provided at a position closer to the magnification side of the first optical system 10 or on the magnification side than the first optical system 10. be able to. Therefore, the air interval between the second intermediate image 32 formed on the reduction side of the first reflecting surface 21a and the eccentric stop St2 can be shortened. For this reason, the spread of the light flux from the second intermediate image 32 to the first reflecting surface 21a can be ensured with respect to the size of the second intermediate image 32. Therefore, the diameter of the lens on the enlargement side of the second refractive optical system 12 can be reduced, and the diameter of the rotationally symmetric surface about the optical axis 101 of the first reflecting surface 21a can be reduced.
  • the optical distance EXP between the exit pupil of the first optical system 10 and the first reflecting surface 21a, and the optical distance dw between the DMD 5 and the first reflecting surface 21a are as follows: It can be designed to satisfy 1). 0.1 ⁇ EXP / dw ⁇ 0.6 (1)
  • the exit pupil of the first optical system 10 is set to the first reflection surface. 21a can be approached. For this reason, the 1st reflective surface 21a can be reduced in size.
  • the upper limit of the condition (1) is exceeded, the air gap between the lens on the magnification side of the first optical system 10 and the first reflecting surface 21a becomes long, and it is difficult to downsize the first reflecting surface 21a. Become.
  • the lower limit of the condition (1) is exceeded, it becomes difficult to suppress interference between the light that is reflected by the first reflecting surface 21 a and travels toward the screen 9 and the second refractive optical system 12.
  • the upper limit of condition (1) is preferably 0.4. Further, the lower limit of the condition (1) is preferably 0.2, and more preferably 0.24.
  • the second refractive optical system 12 can be formed by a lens having a rotationally symmetric surface with the optical axis 101 as the center. Interference between the light reflected by the first reflecting surface 21a and traveling toward the screen 9 and the second refractive optical system 12 can be suppressed. Therefore, it is possible to provide the projection optical system 1 that can shorten the air gap between the second refractive optical system 12 and the first reflecting surface 21a, is compact in size, and can meet the demand for wide angle.
  • the projection optical system 1 includes a lens (positive lens L14 in this example) disposed on the enlargement side of the first optical system 10, that is, the most mirror 21 side, and the first reflecting surface 21a.
  • the distance dn and the distance dw between the DMD 5 and the first reflecting surface 21a can be designed to satisfy the following condition (2). 0.1 ⁇ dn / dw ⁇ 0.3 (2)
  • the space Sp2 between the first optical system 10 and the reflecting surface 21a is reduced. it can. For this reason, it is easy to suppress mechanical damage to the wide angle side lens (positive lens L14) and the reflecting surface 21a of the first optical system 10.
  • the upper limit of the condition (2) is exceeded, the space Sp2 between the wide-angle lens L14 and the reflecting surface 21a becomes relatively large, and the possibility of mechanical damage increases.
  • the lower limit of the condition (2) is exceeded, the space Sp2 becomes small, and the first reflecting surface 21a is too close to the second intermediate image 32, so that a sufficient wide angle cannot be secured.
  • the upper limit of condition (2) is preferably 0.26.
  • the lower limit of condition (2) is preferably 0.15.
  • the ratio of the effective diameter MD of the first reflecting surface 21a to the image circle IC on the reduction side of the projection optical system 1 can be set to the following condition (3).
  • the upper limit of the condition (3) may be 5.0, and more preferably 4.5.
  • 2.0 may be sufficient as the minimum of condition (3), and it is more preferable that it is 2.5.
  • the first reflecting surface 21a can be reduced with respect to the size of the image circle IC, and a more compact projection optical system 1 can be provided.
  • the ratio of the effective diameter LLD of the lens (lens L14 in this example) of the first optical system 10 to the image circle IC on the reduction side of the projection optical system 1 is set to the following condition (4).
  • condition (4) Can do. 0.1 ⁇ LLD / IC ⁇ 2.0 (4)
  • the upper limit of condition (4) may be 1.5, and more preferably 1.0.
  • 0.2 may be sufficient as the minimum of condition (4), and it is still more preferable that it is 0.3.
  • the ratio of the diameter STD2 of the eccentric stop St2 to the effective diameter MD of the first reflecting surface 21a of the projection optical system 1 desirably satisfies the following condition (5).
  • the upper limit of condition (5) may be 25, desirably 20, and more desirably 18.
  • the lower limit of the condition (5) may be 2.0, preferably 3.0, and more preferably 4.0.
  • the maximum effective diameter of the first refractive optical system 11 is the effective diameter of the positive meniscus lens L7 (49.0 mm in this example), and the effective diameter of the positive lens L14 on the most magnifying side of the second refractive optical system 12 is effective.
  • the diameter is 17.0 mm in this example.
  • the maximum effective diameter of the second refractive optical system 12 is the effective diameter of the positive meniscus lens L9 (36.0 mm in this example). Therefore, the effective diameter of the lens L14 on the most enlarged side of the second refractive optical system 12 is smaller than the maximum effective diameter of the first refractive optical system 11, and the maximum effective diameter of the second refractive optical system 12 is the first. It is smaller than the maximum effective diameter of one refractive optical system 11. Accordingly, the first optical system 10 as a whole has a smaller lens diameter on the enlargement side than the reduction side, and the second refractive optical system 12 has a smaller lens diameter on the enlargement side than the reduction side.
  • the first optical system 10 includes a first refractive optical system 11 and a second refractive optical system 12, and is configured to relay a light beam via a first intermediate image 31. Therefore, each refractive optical system 11 and 12 can be configured such that a clear image is projected onto the screen 9. That is, when viewed from the wide angle side, the first reflecting surface 21a generates trapezoidal distortion, and it is difficult to design the first reflecting surface 21a so as to correct the trapezoidal distortion together with astigmatism. Therefore, the second intermediate image 32 includes trapezoidal distortion, and the first intermediate image 31 in which aberrations such as field curvature, astigmatism, and coma are corrected by the first refractive optical system 11 is formed.
  • the first intermediate image 31 is mainly adjusted for trapezoidal distortion or the like by the second refractive optical system 12, that is, distortion in the opposite direction (cancellation direction) to the distortion generated by the first reflecting surface 21a is generated.
  • a second intermediate image 32 is formed. Accordingly, a clear and trapezoidally corrected image can be projected on the screen 9 by the projection optical system 1 including the first optical system 10 and the second optical system 20.
  • the projection optical system 1 includes the first refractive optical system 11 on the reduction side (the DMD 5 side) with respect to the first intermediate image 31 with the first intermediate image 31 interposed therebetween, and the first intermediate image.
  • the second refractive optical system 12 on the enlargement side (the mirror 21 side) from FIG. Therefore, by forming the first intermediate image 31 by the first refractive optical system 11, various aberrations such as field curvature, astigmatism and coma aberration can be corrected, and further, the second refractive optical system. 12, the second intermediate image 32 is formed, and the distortion can be corrected by adjusting the trapezoidal distortion.
  • each of the first refractive optical system 11 and the second refractive optical system 12 can be designed as a dedicated optical system by sandwiching the first intermediate image 31 between the two refractive optical systems 11 and 12. For this reason, the freedom degree of design of each refractive optical system 11 and 12 can be improved.
  • the biconvex resin positive meniscus lens L8 disposed on the reduction side of the first intermediate image 31 on the most magnifying side of the first refractive optical system 11 has low power, and both surfaces S14 and S15 are aspheric. . For this reason, various aberrations can be corrected satisfactorily, and a decrease in MTF of the first intermediate image 31 can be suppressed.
  • the reduction-side surface S16 of the positive meniscus lens L9 made of resin convex on the reduction side, which is disposed on the most reduction side of the second refractive optical system 12, that is, on the enlargement side of the first intermediate image 31, is 1 has the smallest radius of curvature (larger curvature), and the surface S17 on the wide angle side has the smallest radius of curvature (larger curvature) next to the surface S16. For this reason, it is easy to adjust the trapezoidal distortion of the first intermediate image 31 and form the second intermediate image 32 including the trapezoidal distortion.
  • both surfaces S16 and S17 of the positive meniscus lens L9 are aspherical surfaces, various aberrations other than trapezoidal distortion (distortion aberration) can be corrected simultaneously. Therefore, the second intermediate image 32 in which various aberrations other than the trapezoidal distortion are suppressed at a low cost by a simple configuration in which the resin positive meniscus lens L9 is disposed closest to the DMD 5 of the second refractive optical system 12. Obtainable.
  • FIG. 3 shows lens data of each lens of the first optical system 10 of the projection optical system 1.
  • FIG. 4 shows various numerical values of the projection optical system 1.
  • Ri is a radius of curvature (mm) of each lens (each lens surface) arranged in order from the DMD (light valve) 5 side (reduction side), and di is a distance between each lens surface arranged in order from the DMD 5 side.
  • Di is the effective diameter (mm) of each lens surface arranged in order from the DMD 5 side
  • nd is the refractive index (d line) of each lens arranged in order from the DMD 5 side
  • ⁇ d is from the DMD 5 side.
  • the Abbe number (d line) of each lens arranged in order is shown.
  • the position of the first intermediate image 31 indicates the focal position of the light beam of the first intermediate image 31 on the optical axis 101.
  • the position of the second intermediate image 32 is the optical distance d1 of the second intermediate image 32 on the optical axis 101 from the second eccentric stop St2 and the most peripheral (nearest side) from the second eccentric stop St2.
  • the midpoint position of the difference from the optical distance d2 of the second intermediate image 32 is shown.
  • d1 is 58.20 mm and d2 is 25.00 mm
  • the position of the second intermediate image 32 indicates a position 41.60 mm from the second eccentric stop St2.
  • the position of the second intermediate image 32 indicates a position 41.60 mm from the second eccentric stop St2. The same applies to the following embodiments.
  • FIG. 5 shows a spot diagram of a light beam crossing a plane in the vicinity of the first intermediate image 31 and the second intermediate image 32 of the projection optical system 1.
  • the image formed by the DMD 5 is inverted vertically and horizontally as an image enlarged by the first refractive optical system 11.
  • the first intermediate image 31 is inverted vertically and horizontally as an image having trapezoidal distortion by the second refractive optical system 12. Yes.
  • the value of the expression that gives the above-described condition (1) of the projection optical system 1 of this example is between the exit pupil of the first optical system 10 and the first reflecting surface 21a.
  • the distance EXP is 81.70 mm
  • the distance dw between the DMD 5 and the mirror 21 is 323.00 mm.
  • the value of the expression that gives the above-described condition (2) of the projection optical system 1 of the present example is such that the distance dn between the positive lens L14 and the mirror 21 is 75.20 mm. Since the distance dw between the DMD 5 and the mirror 21 is 323.00 mm, the following is obtained.
  • Other conditions (3) to (5) are as follows.
  • the position of the exit pupil of the first optical system 10 indicates the position of the exit pupil when the reduction-side first stop St1 is used as the stop of the first optical system 10.
  • the projection optical system 1 has a fixed field of view and a maximum field angle (total field angle) of 66.67 degrees due to the configuration of the 14 lenses L1 to L14 and the mirror 21.
  • This is an example of a high-performance projection optical system 1 capable of projecting a bright and clear image with a relatively wide angle of 6.20 and an F value of 1.90.
  • both surfaces S8 and S9 of the negative meniscus lens L5 of the first refractive optical system 11, both surfaces S14 and S15 of the positive meniscus lens L8 of the first refractive optical system 11, and the positive meniscus of the second refractive optical system 12 are used.
  • Both surfaces S16 and S17 of the lens L9 and the first reflecting surface 21a are rotationally symmetric aspheric surfaces.
  • the aspherical surface has coefficients K, A, and B shown in FIG. 4C, where X is the coordinate in the optical axis direction, Y is the coordinate perpendicular to the optical axis, the light traveling direction is positive, and R is the paraxial radius of curvature.
  • C, D, E and F are represented by the following formula.
  • FIG. 6 shows a projection optical system 2 according to a second embodiment.
  • This projection optical system 2 is a zoomable projection optical system whose incident side is non-telecentric.
  • the projection optical system 2 projects the first optical system 10 including a plurality of lenses and the light emitted from the first optical system 10 on the screen 9 in order from the DMD 5 side (reduction side).
  • the first optical system 10 includes 13 lenses L11 to L13, L21 to L22, and L31 to L38, and the second optical system 20 is a mirror (concave mirror) on which an aspherical first reflecting surface 21a is formed. ) 21.
  • the projection optical system 2 in this example is a zoom type optical system that performs zooming.
  • the first optical system 10 includes, in order from the DMD 5 side, a first lens group (front group) G1 having a positive refractive power and a second lens group (middle group) G2 having a positive refractive power. And a third lens group (rear group) G3 having a positive refractive power.
  • the first optical system 10 of the present example is also an optical system that forms the first intermediate image 31 formed inside as the second intermediate image 32 on the enlargement side of the first optical system 10. is there.
  • the first optical system 10 includes a first refractive optical system 11 having a positive power for forming an image formed by the DMD 5 as a first intermediate image 31, and a first intermediate image 31 as a second intermediate image 31. And a second refractive optical system 12 having a positive power that forms an image 32.
  • the first intermediate image 31 is formed inside the third lens group G3, and the first lens group G1, the second lens group G2, and the first (reduction side) lens of the third lens group G3.
  • L31 constitutes the first refractive optical system 11, and the other lenses of the third lens group G3 constitute the second refractive optical system 12.
  • the first lens group (front group) G1 on the most DMD 5 side (most reduction side) is a lens group having a positive refractive power as a whole.
  • the first lens group G1 includes a biconvex positive lens L11, a biconcave negative lens L12, and a biconvex positive lens L13, which are arranged in order from the DMD5 side. Both surfaces of the positive lens L11, that is, the surface S1 on the DMD5 side and the surface S2 on the mirror 21 side are aspherical surfaces.
  • a first aperture stop St1 is disposed on the mirror 21 side of the positive lens L11, that is, in the space between the positive lens L11 and the negative lens L12.
  • One glass cover glass CG is arranged on the DMD 5 side of the first lens group G1.
  • the second lens group (medium group) G2 is a lens group having a positive refractive power as a whole.
  • the second lens group G2 is composed of a first cemented lens (balsam lens, doublet) LB1 bonded together.
  • the first cemented lens LB1 includes a negative meniscus lens L21 convex toward the DMD 5 and a positive meniscus lens L22 convex toward the DMD 5, which are arranged in order from the DMD 5 side.
  • the third lens group (rear group) G3 closest to the mirror 21 (enlargement side) is a lens group having a positive refractive power as a whole.
  • the third lens group G3 includes a positive meniscus lens L31 made of resin convex on the DMD5 side, a positive meniscus lens L32 made of resin convex on the DMD5 side, and a mirror 21 arranged in order from the DMD5 side. Consists of a positive meniscus lens L33 convex to the side, a third cemented second cemented lens (balsam lens, triplet) LB2, and a second cemented third cemented lens (balsam lens, doublet) LB3. ing.
  • the second cemented lens LB2 includes a biconvex positive lens L34, a biconcave negative lens L35, and a positive meniscus lens L36 convex on the DMD5 side, which are arranged in this order from the DMD5 side.
  • the third cemented lens LB3 includes a biconvex positive lens L37 and a biconcave negative lens L38 that are arranged in this order from the DMD 5 side. Both surfaces of the positive meniscus lens L31, that is, the surface S10 on the DMD5 side and the surface S11 on the mirror 21 side are aspherical surfaces.
  • both surfaces of the positive meniscus lens L32 that is, the surface S12 on the DMD5 side and the surface S13 on the mirror 21 side are also aspherical surfaces.
  • a second aperture stop St2 is disposed in the mirror 21 side of the positive meniscus lens L36, that is, in the space between the positive meniscus lens L36 and the positive lens L37.
  • the first lens group (front group) G1 moves from the reduction side (DMD5 side) to the enlargement side (mirror 21 side),
  • the second lens group (medium group) G2 also moves from the reduction side to the enlargement side, and the third lens group (rear group) G3 does not move.
  • the first lens group G1 is zoomed by moving as a variator, and the second lens group G2 is moved as a compensator so as to compensate for the movement of the first lens group G1, and is a relay lens.
  • the incident light beam to G3 is set to a certain condition.
  • the projection optical system 2 of this example is a floating focus or inner focus type optical system that performs focus adjustment in the third lens group G3 that does not move during zooming. Focusing in this example is performed by moving one or more lenses included in the third lens group G3.
  • the first refractive optical system 11 including the first lens group G1, the second lens group G2, and the lens L31 includes a positive lens L11, a first diaphragm St1, and the first diaphragm St1, which are arranged in order from the DMD 5 side. It includes a negative lens L12, a positive lens L13, a first cemented lens LB1, and a positive meniscus lens L31, and is an enlarged side of the first refractive optical system 11, that is, the first refractive optical system 11 and the second refractive.
  • a first intermediate image 31 is formed in the space Sp1 between the optical systems 12.
  • the first intermediate image 31 of this example is formed with an air interval of 15.00 mm from the positive meniscus lens L31 to the enlargement side.
  • the second refractive optical system 12 including the third lens group G3 excluding the lens L31 includes a positive meniscus lens L32, a positive meniscus lens L33, and a second cemented lens arranged in order from the DMD 5 side. It includes LB2, a second diaphragm St2, and a third cemented lens LB3.
  • the second intermediate image 32 is formed on the enlargement side of the second refractive optical system 12, that is, in the space Sp2 between the second refractive optical system 12 and the first reflecting surface 21a.
  • the second intermediate image 32 in this example is formed with an air interval of 37.40 mm from the second stop St2 to the enlargement side.
  • the first refractive optical system 11 forms the first intermediate image 31 in the space Sp 1 inside the first optical system 10, and the second refractive optical system 12 is the first refractive optical system 12.
  • the second intermediate image 32 is formed in the space Sp2 on the enlargement side with respect to the optical system 10.
  • the power of the first refractive optical system 11 is designed to be substantially the same as or larger than the power of the second refractive optical system 12, and the projection of this example In the optical system 2, the power of the first refractive optical system 11 is larger than the power of the second refractive optical system 12.
  • the first intermediate image 31 and the second intermediate image 32 are respectively formed in regions 101 a and 101 b on the opposite side across the optical axis 101, and pass through the second refractive optical system 12.
  • the luminous flux to be concentrated is around the optical axis 101. Therefore, the second refractive optical system 12 can be formed compactly.
  • the light beam 110 from the center of the first image plane formed on the DMD 5 to the center of the second image plane of the screen 9 is the first optical system 10 and the second optical system.
  • Crosses 20 common optical axes 101 three times to reach the screen 9.
  • the first intermediate image 31 is formed inside the first optical system 10, and the first intermediate image 31 is formed as a second intermediate image 32 on the enlargement side of the first optical system 10. is doing.
  • the second aperture stop St ⁇ b> 2 for forming the second intermediate image 32 can be arranged at a position close to the enlargement side inside the first optical system 10.
  • the lens diameter on the enlargement side of the first optical system 10 can be reduced similarly to the projection optical system 1, and the air gap between the first optical system 10 and the first reflecting surface 21a. Can be shortened. For this reason, the projection optical system 2 that is compact and capable of widening the angle can be provided.
  • various aberrations such as field curvature, astigmatism, and coma aberration can be corrected by the first refractive optical system 11, and further, distortion aberration such as trapezoidal distortion can be corrected by the second refractive optical system 12. For this reason, it is possible to provide a projection optical system 2 that is high-performance and variable in magnification.
  • a positive meniscus lens L31 made of a resin convex on the most magnifying side of the first refractive optical system 11, that is, on the reduction side disposed immediately upstream of the first intermediate image 31, is the first optical system 10 in this example.
  • the power is the weakest, and both surfaces S10 and S11 are aspheric. Therefore, various aberrations can be satisfactorily adjusted by the positive meniscus lens L31, and the first intermediate image 31 obtained by enlarging the image formed by the DMD 5 can be formed more clearly.
  • the first refractive optical system 11 inclines the first intermediate image 31 toward the reduction side as the image moves away from the optical axis 101, that is, as the image height increases, and is further away from the positive meniscus lens L32. An image is formed.
  • the second refractive optical system 12 has both surfaces S12 and S13 of the positive meniscus lens L32 made of a resin convex on the most reduction side, that is, on the reduction side disposed immediately downstream of the first intermediate image 31. Is small (curvature is large). Therefore, it is easy to adjust the trapezoidal distortion of the first intermediate image 31, and the second intermediate image 32 having the trapezoidal distortion can be formed.
  • both surfaces S12 and S13 of the positive meniscus lens L32 are aspherical surfaces, various aberrations other than trapezoidal distortion (distortion aberration) can be favorably corrected.
  • the positive meniscus lens L32 is convex on the DMD 5 side, and has a small radius of curvature (large curvature) on both surfaces S12 and S13, so that the light emitted from the first refractive optical system 11 is condensed at a wide angle. Can do. Therefore, the projection optical system 2 having a bright and wide field angle can be provided.
  • the maximum effective diameter of the first refractive optical system 11 is given by a positive meniscus lens L31 (effective diameter 54.0 mm in this example), and the positive meniscus lens L31 has the maximum effective diameter of the first optical system 10.
  • the effective diameter of the negative lens L38 on the most enlarged side of the second refractive optical system 12 is 26.0 mm in this example, which is smaller than the maximum effective diameter of the first refractive optical system 11.
  • the maximum effective diameter of the second refractive optical system 12 is given by a positive meniscus lens L32 (effective diameter 45.0 mm in this example), and is smaller than the maximum effective diameter of the first refractive optical system 11.
  • the projection optical system 2 also forms an image formed by the DMD 5 by the first refractive optical system 11 as the first intermediate image 31, so that the downstream side of the first intermediate image 31 is formed.
  • the second refractive optical system 12 can be reduced in size.
  • the first refractive optical system 11 forms the first intermediate image 31 on the first region (one region) 101a
  • the second refractive optical system 12 forms the second intermediate image 32 on the first region.
  • the image is formed on the second region (the other region) 101b.
  • the second refractive optical system 12 forms the first intermediate image 31 with less distortion as a second intermediate image 32 that is inverted vertically and horizontally. Therefore, it is easy to form the second intermediate image 32 having trapezoidal distortion while cutting scattered light (unnecessary light). Therefore, it is possible to provide the projection optical system 2 that can project a clear and enlarged image on which the trapezoidal distortion is substantially canceled on the screen 9.
  • FIG. 7 shows lens data of each lens of the first optical system 10 of the projection optical system 2.
  • FIG. 8 shows various numerical values of the projection optical system 2.
  • the optical distance d1 of the second intermediate image 32 on the optical axis 101 from the second diaphragm St2 is 53.30 mm, and the second middle of the most peripheral (nearest side) from the second diaphragm St2. Since the optical distance d2 of the image 32 is 21.40 mm, the position of the second intermediate image 32 indicates the position of 37.40 mm from the second stop St2.
  • the zoom interval V1 indicates the air interval between the cover glass CG and the first lens group G1
  • the zoom interval V2 indicates the air interval between the first lens group G1 and the second lens group G2
  • the zoom interval V3. Indicates an air space between the second lens group G2 and the third lens group G3.
  • FIG. 9 shows a spot diagram of the light flux in the vicinity of the first intermediate image 31 and the second intermediate image 32 of the projection optical system 2. It can be seen that the second intermediate image 32 includes trapezoidal distortion, and the first intermediate image 31 is corrected for trapezoidal distortion.
  • the projection optical system 2 has an F value of 2.62 due to the configuration of the thirteen lenses L11 to L13, L21 to L22, and L31 to L38, and the single mirror 21.
  • High-performance, non-telecentric projection capable of projecting a clear image at a wide angle with a maximum angle of view (full angle of view) of 75.34 degrees and a focal length of 3.63 at the wide-angle end. It is an optical system.
  • FIG. 10 shows a projection optical system 3 according to a third embodiment.
  • the projection optical system 3 is a projection optical system capable of zooming with the incident side telecentric.
  • the projection optical system 3 reflects, in order from the DMD 5 side (reduction side), the first optical system 10 including a plurality of lenses and the light emitted from the first optical system 10 to the enlargement-side screen 9.
  • the first optical system 10 includes 16 lenses L11, L21 to L26, L31 to L32, and L41 to L47
  • the second optical system 20 is a mirror including an aspherical first reflecting surface 21a ( Concave mirror) 21 is included.
  • the first optical system 10 of this example is an optical system that performs zooming, and in order from the DMD 5 side, a first lens group G1 having a positive refractive power and a second lens group having a positive refractive power.
  • Lens group (front group) G2 a third lens group (middle group) G3 having positive refractive power, and a fourth lens group (rear group) G4 having positive refractive power.
  • the first optical system 10 of the present example is also an optical system that forms the first intermediate image 31 formed inside as the second intermediate image 32 on the enlargement side of the first optical system 10.
  • the second refractive optical system 12 of the power of The first intermediate image 31 is formed inside the fourth lens group G4, and the first lens group G1, the second lens group G2, the third lens group G3, and the fourth lens group G4.
  • the first (reduction side) lens L41 constitutes the first refractive optical system 11, and the other lenses of the fourth lens group G4 constitute the second refractive optical system 12.
  • the first lens group G1 closest to the DMD 5 is a lens group having a positive refractive power as a whole.
  • the first lens group G1 includes a positive meniscus lens L11 that is convex on the enlargement side.
  • the second lens group (front group) G2 is a lens group having a positive refractive power as a whole.
  • the second lens group G2 is arranged in order from the DMD5 side, and includes a biconvex positive lens L21, a first cemented lens (balsam lens, doublet) LB1 bonded to two sheets, and a second bonded sheet. 2 cemented lenses LB2 and a positive meniscus lens L26 convex on the enlargement side.
  • the first cemented lens LB1 is composed of a biconvex positive lens L22 and a biconcave negative lens L23 arranged in this order from the DMD 5 side.
  • the second cemented lens LB2 is composed of a biconcave negative lens L24 and a biconvex positive lens L25 arranged in this order from the DMD5 side.
  • the enlargement-side surface S10 of the positive lens L25 is an aspherical surface.
  • a first aperture stop St1 is disposed on the enlargement side of the positive lens L25, that is, in the space between the positive lens L25 and the positive meniscus lens L26.
  • the third lens group (medium group) G3 is a lens group having a positive refractive power as a whole.
  • the third lens group G3 is composed of a biconcave negative lens L31 and a biconvex positive lens L32 arranged in this order from the DMD5 side.
  • the most enlarged fourth lens group (rear group) G4 is a lens group having a positive refractive power as a whole.
  • the fourth lens group G4 includes a biconvex resin positive meniscus lens L41 arranged in order from the DMD5 side, a resin positive meniscus lens L42 convex to the DMD5 side, and a biconvex positive lens L43. And a third cemented lens LB3 bonded with two sheets and a fourth cemented lens LB4 bonded with two sheets.
  • the third cemented lens LB3 is composed of a biconvex positive lens L44 and a biconcave negative lens L45 arranged in this order from the DMD 5 side.
  • the fourth cemented lens LB4 includes a biconcave negative lens L46 and a biconvex positive lens L47 arranged in this order from the DMD5 side. Both surfaces of the positive meniscus lens L41, that is, the reduction-side surface S17 and the enlargement-side surface S18 are aspheric. Furthermore, both surfaces S19 and S20 of the positive meniscus lens L42 are also aspheric. A second aperture stop St2 is arranged on the enlargement side of the fourth lens group G4.
  • the projection optical system 3 of this example when zooming from the wide-angle end to the telephoto end, the first lens group G1 does not move, and the second lens group (front group) G2 moves from the reduction side to the enlargement side,
  • the third lens group (medium group) G3 moves from the enlargement side to the reduction side so as to compensate for the movement of the second lens group G2, and the incident light beam to the fourth lens group G4, which is a relay lens, is in a constant condition.
  • the fourth lens group (rear group) G4 does not move.
  • the projection optical system 3 of the present example is a floating focus or inner focus type optical system that performs focus adjustment within the fourth lens group G4 that does not move during zooming. Focusing in this example is performed by moving one or more lenses included in the fourth lens group G4.
  • the first refractive optical system 11 including the first to third lens groups G1 to G3 and the lens L41 is a lens system having a negative refractive power as a whole, and is arranged in order from the DMD 5 side.
  • a positive meniscus lens L41 is formed on the enlargement side of the first refractive optical system 11, that is, in the space Sp 1 between the first refractive optical system 11 and the second refractive optical system 12.
  • the first intermediate image 31 of this example is formed on the enlargement side of the positive meniscus lens L41 with a distance of 1.00 mm from the positive meniscus lens L41.
  • the second refractive optical system 12 constituted by the remaining lenses L42 to L47 of the fourth lens group G4 is a lens system having a positive refractive power as a whole, and is arranged in order from the DMD 5 side. It includes a meniscus lens L42, a positive lens L43, a third cemented lens LB3, a fourth cemented lens LB4, and a second diaphragm St2.
  • a second intermediate image 32 is formed on the magnification side of the second refractive optical system 12, that is, in the space Sp2 between the second refractive optical system 12 and the first reflecting surface 21a.
  • the second intermediate image 32 of this example is formed on the enlargement side of the second aperture stop St2 with a distance of 33.80 mm from the second aperture stop St2.
  • the first refractive optical system 11 forms the first intermediate image 31 in the space Sp1 inside the first optical system 10
  • the second refractive optical system 12 is the first refractive optical system 12.
  • the second intermediate image 32 is formed in the space Sp2 on the enlargement side with respect to the optical system 10.
  • the power of the first refractive optical system 11 is smaller than the power of the second refractive optical system 12, and the first intermediate image 31 and the second intermediate image 32 are not.
  • the first intermediate image 31 and the second intermediate image 32 are formed in regions 101 a and 101 b on the opposite side across the optical axis 101, respectively. Therefore, the light beam passing through the second refractive optical system 12 is further concentrated around the optical axis 101, and the second refractive optical system 12 can be formed more compactly.
  • the light beam 110 extending from the center of the first image plane formed on the DMD 5 to the center of the second image plane of the screen 9 is the first optical system 10 and the second optical system.
  • Crosses 20 common optical axes 101 three times to reach the screen 9.
  • the magnification side of the first optical system 10 that is, the second refractive optical system 12 is configured by a lens that is rotationally symmetric around the optical axis 101, the first rotationally symmetric first around the optical axis 101.
  • Interference with the projection light reflected by the reflecting surface 21a can be suppressed, and a light beam closer to the optical axis 101 can be emitted from the first reflecting surface 21a.
  • an area close to the optical axis 101 of the rotationally symmetric first reflecting surface 21a can be used effectively, and an image having a small elevation angle and a large angle of view with respect to the optical axis 101 can be enlarged and projected on the screen 9.
  • the first intermediate image 31 is formed inside the first optical system 10, and the first intermediate image 31 is formed as a second intermediate image 32 on the enlargement side of the first optical system 10. Therefore, the second stop St2 for forming the second intermediate image 32 can be arranged on the enlargement side with respect to the first optical system 10. Therefore, also in the projection optical system 3, the lens diameter on the enlargement side of the first optical system 10 can be reduced similarly to the projection optical system 1, and the air gap between the first optical system 10 and the first reflecting surface 21a. Can be shortened. For this reason, the projection optical system 3 that is compact and capable of widening the angle can be provided.
  • the first refractive optical system 11 can correct various aberrations such as field curvature, astigmatism, and coma, and the second refractive optical system 12 can correct distortion such as trapezoidal distortion.
  • the projection optical system 3 capable of zooming can be provided. Also in the first optical system 10, both surfaces S17 and S18 of the biconvex resin positive lens L41 on the most enlarged side of the first refractive optical system 11 are aspherical and an image formed by the DMD 5 The first intermediate image 31 can be clearly imaged.
  • both surfaces S19 and S20 of the positive meniscus lens L42 convex on the reduction side disposed on the most reduction side of the second refractive optical system 12 have a small radius of curvature (a large curvature), and the surface S20 on the mirror 21 side has Next to the surface S19, the radius of curvature is small (the curvature is large). Therefore, the first intermediate image 31 formed with a slight inclination toward the reduction side is easily formed as a second intermediate image 32 having a trapezoidal distortion. Accordingly, a clear and trapezoidally corrected image can be projected on the screen 9.
  • the positive lens L41 of the first refractive optical system 11 has an effective diameter of 49.0 mm, and is a lens that gives the maximum effective diameter of the first refractive optical system 11 and the first optical system 10.
  • the effective diameter of the positive lens L47 on the most magnifying side of the second refractive optical system 12 is 11.0 mm in this example, which is smaller than the maximum effective diameter of the first refractive optical system 11.
  • the effective diameter of the positive meniscus lens L42 that gives the maximum effective diameter of the second refractive optical system 12 is 32.0 mm, and the second refractive optical system 12 is larger than the maximum effective diameter of the first refractive optical system 11. The maximum effective diameter is small.
  • the second refractive optical system 12 forms the first intermediate image 31 with less distortion as a second intermediate image 32 that is inverted vertically and horizontally, the scattered light (unnecessary light) is cut off.
  • the projection optical system 3 that can be easily formed as the second intermediate image 32 having the trapezoid distortion and can project a clear and enlarged image on which the trapezoid distortion is substantially canceled.
  • FIG. 11 shows lens data of each lens of the first optical system 10 of the projection optical system 3.
  • FIG. 12 shows various numerical values of the projection optical system 3.
  • the optical distance d1 of the second intermediate image 32 on the optical axis 101 from the second diaphragm St2 is 59.00 mm
  • the zoom intervals V1 to V3 are respectively the first lens group G1, the second lens group G2, the second lens group G2, the third lens group G3, the third lens group G3, and the fourth lens group G2.
  • the air space between the lens group G4 is shown.
  • FIG. 13 shows the state of the light flux on a plane in the vicinity of the first intermediate image 31 and the second intermediate image 32 of the projection optical system 3.
  • the projection optical system 3 has an F value of 2.43 due to the configuration of the 16 lenses L11, L21 to L26, L31 to L32, and L41 to L47, and the single mirror 21.
  • High-performance, telecentric projection optics that can project clear images at a wide angle with a relatively bright, zoomable, maximum field angle (full field angle) of 75.32 degrees and a focal length of 3.46 at the wide-angle end. It is a system.
  • the lens surface and / or mirror surface (reflection surface) included in the projection optical system may be a rotationally symmetric spherical surface or an aspherical surface, and an asymmetric surface such as a free-form surface. It may be.
  • at least one of the lenses included in the first optical system and / or the reflecting surface included in the second optical system may be decentered from the optical axis. In that case, the optical axis of each optical system includes the optical axis of the main optical element.
  • the optical axis of the first optical system and the optical axis of the second optical system may be common or may be decentered (shifted).
  • the light valve 5 may be a three-plate type light modulator 5 that separates a white light source into three colors by a dichroic filter (mirror) or the like.
  • the light modulator 5 may be an LCD (liquid crystal panel), a self-luminous type, or the like.
  • Organic EL or the like may be used.
  • the first optical system 10 and the second optical system 20 may further include a prism or mirror that bends the optical path. For example, one or a plurality of mirrors or prisms may be arranged on the reduction side and / or the enlargement side of the first reflecting surface 21a. Further, a refractive optical system may be further provided on the enlargement side of the second optical system 20.

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Abstract

 縮小側の第1の像面から拡大側の第2の像面へ投射する投射光学系(1)であって、8枚のレンズ(L1)~(L8)を含み、縮小側から入射した光により拡大側に第1の中間像(31)を結像する第1の屈折光学系(11)と、6枚のレンズ(L9)~(L14)を含み、縮小側の第1の中間像(31)を拡大側に第2の中間像(32)として結像する第2の屈折光学系(12)と、第2の中間像(32)よりも拡大側に位置する正の屈折力の第1の反射面(21a)を含む第1の反射光学系(20)とを有する投射光学系(1)を提供する。

Description

投射光学系およびプロジェクタ装置
 本発明は、プロジェクタ装置の投射光学系に関するものである。
 日本国特許公開公報2004-258620号(文献1)には、投射画面の大画面化を図りつつ、投射装置外の投影空間を縮小するために、反射面を含む結像光学系を採用しつつ、色収差も補正可能な投射光学系およびこのような投射光学系を用いる画像投射装置を実現することが記載されている。そのため、文献1には、ライトバルブの投影側にライトバルブの側から第1、第2の光学系を上記順序に配し、第1の光学系は1以上の屈折光学系を含み、正のパワーを有し、第2の光学系はパワーを有する反射面を1以上含み、正のパワーを有し、ライトバルブにより形成された画像を第1及び第2の光学系の光路上に中間像として結像させ、中間像をさらに拡大してスクリーン上に投射することが記載されている。
 日本国特許公開公報2004-295107号(文献2)には、所望の変倍比を得つつ、倍率色収差等の諸収差の発生を抑制しコンパクトな構成の変倍光学系を実現する技術が記載されている。文献2の変倍光学系は、3つの反射曲面を有する光学ブロックRと、その光学ブロックRよりも縮小側に配置された光学ブロックCとで構成され、光学ブロックCは移動可能な複数のレンズユニットを有し、複数のレンズユニットの移動により変倍を行う。そして、縮小側から拡大側へ光線をトレースするとき、光学ブロックCは光学ブロックRの最も縮小側の光学面(反射面)より拡大側に縮小側共役点の像を形成する。
 プレゼンテーション用や学校教育用などの様々な用途において、さらにコンパクトで広角化の要求に対応できる投射光学系が要望されている。
 本発明の態様の1つは、縮小側の第1の像面から拡大側の第2の像面へ投射する投射光学系である。この投射光学系は、複数のレンズを含み、縮小側から入射した光により拡大側に第1の中間像を結像する第1の屈折光学系と、複数のレンズを含み、縮小側の第1の中間像を拡大側に第2の中間像として結像する第2の屈折光学系と、第2の中間像よりも拡大側に位置する正の屈折力の第1の反射面を含む第1の反射光学系とを有する。
 この投射光学系においては、第1の屈折光学系が第1の中間像を結像し、その第1の中間像を第2の屈折光学系が拡大側に第2の中間像として結像することにより、第2の屈折光学系の拡大側のレンズ径を小さくできる。したがって、第2の屈折光学系をコンパクトにすることができ、さらに、第2の屈折光学系から第1の反射面の空気間隔(光学的距離)を短くしやすく、第1の反射面を小型化できる。
 第1の反射面において非点収差などとともに台形歪みを補正するように設計することは容易ではない。この投射光学系においては、第1の屈折光学系により非点収差などの収差を補正した第1の中間像を結像させ、第2の屈折光学系によりおもに台形歪みなどの調整を行った第2の中間像を結像させやすい。したがって、鮮明で台形補正がされた像を投射しやすい。
 この投射光学系においては、第1の中間像、第2の中間像および第1の反射面で結像される像がそれぞれ反転する。したがって、第1の屈折光学系が、第1の像面に形成された画像を第1の中間像として結像する場合、第1の像面の中心から第2の像面の中心に至る光線が第1の屈折光学系の光軸、第2の屈折光学系の光軸および第1の反射光学系の光軸のいずれかと3回交差して第2の像面に至るように投射光学系をデザインできる。
 第1の像面の中心から第2の像面の中心に至る光線が、第1の屈折光学系の光軸、第2の屈折光学系の光軸および第1の反射光学系の光軸が共通の場合はその共通の光軸と、光軸がシフトしている場合はそれらのいずれかと3回交差して第2の像面に至る場合、第1の像面と第1の反射面との間では光線が光軸と2回交差する。したがって、第1の像面と第1の反射面とを光軸に対して同方向に配置できる。すなわち、第1の像面と第1の反射面とを光軸を含む第1の面に対して同方向に配置できる。このため、第1の像面を照明する照明光学系を第1の面に対し第1の反射面と同じ方向に配置することができる。したがって、第1の面に対し同じ方向のスペースを照明光学系と第1の反射面とで共有できる。このため、投射光学系および照明光学系を含めたプロジェクタを薄型にできる。
 拡大側の第2の屈折光学系の最も拡大側のレンズの有効径は、縮小側の第1の屈折光学系の最大有効径よりも小さいことが好ましい。さらに、拡大側の第2の屈折光学系の最大有効径は、縮小側の第1の屈折光学系の最大有効径よりも小さいことがいっそう好ましい。第1の反射面に至る光線と、第1の反射面により反射される光線との干渉を抑制でき、コンパクトな投射光学系を提供できる。
 また、第1の屈折光学系は等倍または拡大光学系であることが望ましい。第1の中間像は縮小された像であってもよいが、第1の中間像を等倍または拡大することにより第1の屈折光学系よりも拡大側の光学系における倍率を相対的に抑制でき、収差補正が容易になる。したがって、第1の屈折光学系により像面湾曲、非点収差およびコマ収差などの諸収差を補正でき、さらに、第2の屈折光学系により台形歪みなどの歪曲収差を補正できる。
 また、この投射光学系は、第1の中間像および第2の中間像の間に配置された絞りを含むことが望ましい。第2の屈折光学系の拡大側のサイズをいっそうコンパクトにできる。さらに、第2の屈折光学系と第1の反射面との空気間隔を短縮できるので第1の反射面のサイズもいっそうコンパクトにできる。
 すなわち、この投射光学系は、第1の屈折光学系および第2の屈折光学系を含む第1の光学系を有し、第1の光学系の内部に第1の中間像を結像させて、第1の光学系を第1の屈折光学系と第2の屈折光学系とに分割することにより、第1の光学系の射出瞳を第1の反射面の側に近付けることができる。このため、第1の反射面を小型化できる。この場合、第1の像面と第1の中間像との間に配置された第1の絞りを第1の光学系の絞りとしたときの射出瞳および第1の反射面の光学的距離EXPと、第1の像面および第1の反射面の光学的距離dwとが以下の条件(1)を満たすことが望ましい。
0.1<EXP/dw<0.6 ・・・(1)
 さらに、第1の光学系の内部に第1の中間像を結像させて、第1の光学系を第1の屈折光学系と第2の屈折光学系とに分割することにより、第1の中間像および第2の中間像との間に第2の絞りを配置して光束を絞ることができる。このため、第1の光学系の拡大側のレンズサイズ、特に第2の屈折光学系の拡大側のレンズサイズを小型化することができる。第2の絞りは、第2の屈折光学系の内部に配置してもよい。第2の絞りは偏心絞りであることが好ましく、フレアやゴーストの原因となる散乱光を遮断できる。
 また、第1の光学系の拡大側、すなわち第2の屈折光学系の拡大側のレンズサイズを小さくできるので、光軸を中心とした回転対称なレンズを用いても第1の反射面からの光線とレンズとの干渉を抑制できる。このため、第2の屈折光学系と第1の反射面との距離を確保するために第2の屈折光学系の拡大側に負のパワーのレンズを配置しなくてもよい。したがって、第2の屈折光学系の最も拡大側のレンズは正レンズあるいは正のメニスカスレンズであってもよく、さらに、接合レンズであってもよい。
 さらに、第2の屈折光学系の最も拡大側のレンズおよび第1の反射面の光学的距離dnと、第1の像面および第1の反射面の光学的距離dwとが以下の条件(2)を満たすことが望ましい。
0.1<dn/dw<0.3 ・・・(2)
第2の屈折光学系に含まれるレンズと第1の反射面との間の空間を小さくできるので、レンズおよび第1の反射面との間の投影光を射出するための開口部が小さくなる。したがって、いっそうコンパクトなプロジェクタを提供でき、開口部から侵入するチリやホコリなどの要因によるレンズおよび反射面の損傷のリスクを低減できる。
 この投射光学系において、典型的には第1の中間像と第2の中間像とは光軸を挟んで反対側に結像される。第1の光学系は、第1の中間像の縮小側に1または複数の中間像が形成されるものであってもよい。また、第1の反射光学系は第1の反射面の前後に1または複数の反射面を含んでいてもよい。また、投射光学系は、第1の反射光学系の拡大側にさらに屈折光学系を含んでいてもよい。
 また、第1の光学系は変倍光学系であってもよい。第1の光学系は、縮小側から順に、正の屈折力を備えた前群と、正の屈折力を備えた中群と、正の屈折力を備えた後群とを含み、広角端から望遠端に変倍する際に、前群は縮小側から拡大側へ動き、中群は前群の動きを補償するように動き、後群は固定され、前記第1の中間像は後群の内部に結像されることが望ましい。中群により後群への入射光束を一定状態に補償でき、変倍中の第1の中間像の動きを抑制できる。したがって、第1の中間像および第2の中間像の位置をほとんど動かさずに第2の像面に投影される像をズームできる。
 また、広角端から望遠端に変倍する際に、前群の移動により主に第1の中間像の倍率を変更でき、中群の移動により像面湾曲、非点収差およびコマ収差などの諸収差を補正できる。このため、収差変動および第1の中間像の位置変動を抑えた変倍光学系を含む高解像の投射光学系を提供できる。
 本発明の他の態様の1つは、上記の投射光学系と、第1の像面に画像を形成する光変調器とを有するプロジェクタである。
本発明に係る投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示す図であり、(a)は非テレセントリックな投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示す図、(b)はテレセントリックな投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示す図、(c)は異なるテレセントリックな投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示す図。 第1の実施形態に係る投射光学系の概略構成を示す図。 第1の実施形態に係る投射光学系のレンズデータを示す図。 第1の実施形態に係る投射光学系の諸数値を示す図であり、(a)は基本データを示し、(b)は間隔データを示し、(c)は非球面データを示す。 第1の実施形態に係る投射光学系の中間像の近傍の平面における光束の状態を示す図であり、(a)は第1の中間像の近傍を示し、(b)は第2の中間像の近傍を示す。 第2の実施形態に係る投射光学系の概略構成を示す図。 第2の実施形態に係る投射光学系のレンズデータを示す図。 第2の実施形態に係る投射光学系の諸数値を示す図であり、(a)は基本データを示し、(b)は間隔データを示し、(c)は非球面データを示し、(d)はズームデータを示す。 第2の実施形態に係る投射光学系の中間像の近傍の平面における光束の状態を示す図であり、(a)は第1の中間像の近傍を示し、(b)は第2の中間像の近傍を示す。 第3の実施形態に係る投射光学系の概略構成を示す図。 第3の実施形態に係る投射光学系のレンズデータを示す図。 第3の実施形態に係る投射光学系の諸数値を示す図であり、(a)は基本データを示し、(b)は間隔データを示し、(c)は非球面データを示し、(d)はズームデータを示す。 第3の実施形態に係る投射光学系の中間像の近傍の平面における光束の状態を示す図であり、(a)は第1の中間像の近傍を示し、(b)は第2の中間像の近傍を示す。 従来の投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示す図。
 図1に、本発明の実施形態に係る典型的な投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示しており、図1(a)は非テレセントリックな投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示す図、図1(b)はテレセントリックな投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示す図、図1(c)は異なるテレセントリックな投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示す図である。図14に、従来の投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示している。
 図1(a)~図1(c)に示すように、プロジェクタ(プロジェクタ装置)100は、光変調器(ライトバルブ)5と、ライトバルブ5に変調用の照明光を照射する照明光学系90と、ライトバルブ5の像面を縮小側の第1の像面とし、ライトバルブ5により形成された画像を投影光91として拡大側の第2の像面であるスクリーン9に拡大して投射する投射光学系1とを備えている。ライトバルブ5は、LCD、デジタルミラーデバイス(DMD)あるいは有機ELなどの画像を形成できるものであればよく、単板式であっても、各色の画像をそれぞれ形成する方式であってもよい。なお、上記のライトバルブ5は、反射型のLDCであっても透過型のLCDであってもよい。ライトバルブ5が透過型の場合の照明光学系90は、ライトバルブ5に対して投射光学系1の光軸101方向の反対側に配置される。さらに、スクリーン9は、壁面やホワイトボードなどであってもよい。プロジェクタ100は、フロントプロジェクタであっても、スクリーンを含むリアプロジェクタであってもよい。なお、ライトバルブ5は、ライトバルブの第1の像面の位置を示す。
 典型的なライトバルブ5はDMD(デジタルミラーデバイス)を採用した単板式のビデオプロジェクタである。照明光学系90は、ハロゲンランプなどの白色光源と、円盤型の回転色分割フィルタ(カラーホイール)とを備えて、DMD(パネル、ライトバルブ)5が、赤、緑、青の3原色の画像を時分割で形成するものである。投射光学系1のDMD5の側は、図1(a)に示すようにノンテレセントリックであってもよく、図1(b)に示すようにTIR(Total Internal Reflection)プリズムPrなどを用いてテレセントリックにすることも可能である。なお、DMD方式ではなく液晶方式の場合には、図1(c)に示すようにTIRプリズムPrの代わりに色合成プリズム6を用いることも可能である。反射型液晶方式の場合には、照明用プリズム若しくはワイヤーグリッドおよび色合成プリズムの両方を用いることも可能である。
 図1(a)~図1(c)に示すように、本発明の投射光学系1は、縮小側の第1の像面であるDMD5から拡大側の第2の像面であるスクリーン9へ投射する投射光学系である。投射光学系1は、複数のレンズを含む第1の光学系10であって、縮小側から入射した光により第1の光学系10の内部に結像される第1の中間像31を第1の光学系10よりも拡大側に第2の中間像32として結像する第1の光学系10と、第2の中間像32よりも拡大側に位置する正の屈折力の第1の反射面21aを含む第2の光学系(第1の反射光学系)20とを有する。さらに、第1の光学系10は、第1の中間像31を結像させる第1の屈折光学系11と、第1の中間像31を第2の中間像32として結像させる第2の屈折光学系12とを含むように構成できる。
 この投射光学系1においては、第1の中間像31、第2の中間像32および第1の反射面21aで結像される像がそれぞれ反転する。したがって、DMD5の中心からスクリーン9の中心に至る光線が第1の光学系10および第2の光学系20の共通する光軸101と3回交差してスクリーン9に至るように投射光学系1をデザインできる。
 DMD5の中心からスクリーン9の中心に至る光線が第1の屈折光学系11、第2の屈折光学系12および第2の光学系20の共通する光軸101と3回交差してスクリーン9に至る場合、DMD5と第1の反射面21aとの間では光線が光軸101と2回交差する。したがって、DMD5と第1の反射面21aとを光軸101に対して同方向に配置できる。すなわち、DMD5と第1の反射面21aとを光軸101を含む第1の面111に対して同方向の第1の方向111a(下方向)に配置できる。
 このため、DMD5を照明する照明光学系90を第1の面111に対し第1の反射面21aと同じ第1の方向111aに配置することができる。したがって、図14に示すような従来のプロジェクタ装置200とは異なり、第1の面111に対し同じ第1の方向111aのスペース111sを照明光学系90と第1の反射面21aとで共有できる。このため、投射光学系1および照明光学系90を含めたプロジェクタ100の高さ(厚さ)を、従来のプロジェクタ200の半分以下に薄型化できる。
 図1(a)~図1(c)に示すように、本発明の投射光学系1を含むプロジェクタ100は、第1の面111に対して同方向の第1の方向111aのスペース111sに照明光学系90および第1の反射面21aを配置できる。このため、第1の反射面21aが収まる高さ(厚さ)hの中に照明光学系90を収めることができる。また、照明光学系90の厚さが大きい場合であっても、照明光学系90の厚さhの中に第1の反射面21aを収めることができる。
 第1の実施形態
 図2に、第1の実施形態に係る投射光学系1を示している。この投射光学系1は、入射側がテレセントリックの固定焦点型の投射光学系である。投射光学系1は、縮小側の第1の像面であるDMD5の側から順に、複数のレンズを含む第1の光学系10と、第1の光学系10から出射された光を拡大側の第2の像面であるスクリーン9に投影する正のパワーの第1の反射面21aを含む第2の光学系(第1の反射光学系)20とを有する。具体的には、第1の光学系10は、14枚のレンズL1~L14を含む。第2の光学系20は、1枚の非球面形状の第1の反射面21aを含むミラー(凹面鏡)21を含む。本例の投射光学系1は、変倍を行わない単焦点(固定焦点)タイプの光学系である。この投射光学系1においては、第1の光学系10の複数のレンズL1~L14および第2の光学系20のミラー21により第2の像面であるスクリーン9に投影された光により、第1の像面であるDMD5に形成された画像がスクリーン9に拡大して投射される。
 この投射光学系1の第1の光学系10は、DMD5から入射した光により第1の光学系10の内部に結像される第1の中間像31を第1の光学系10よりも拡大側に第2の中間像32として結像する。また、第2の光学系20の第1の反射面21aは、第2の中間像32よりも拡大側に配置されている。図2に示した第1の光学系10は鏡面を含まない屈折光学系である。この第1の光学系10は、DMD5により形成された画像を第1の中間像31として結像させる第1の屈折光学系11と、第1の中間像31を第2の中間像32として結像させる第2の屈折光学系12とを含む。なお、第1の光学系10は、適当な位置で光軸101を折り曲げるための鏡面を含んでいてもよい。
 第1の屈折光学系11は、全体が正の屈折力を備えたレンズ系である。第1の屈折光学系11は、DMD5の側から順に配置された、両凸の正レンズL1と、DMD5の側に凸の正メニスカスレンズL2と、2枚貼合の第1の接合レンズ(バルサムレンズ、ダブレット)LB1と、ミラー21の側(拡大側)に凸の負メニスカスレンズL5と、ミラー21の側に凸の正メニスカスレンズL6と、DMD5の側(縮小側)に凸の正メニスカスレンズL7と、両凸の樹脂製の正メニスカスレンズL8とから構成されている。第1の接合レンズLB1は、DMD5の側から順に配置された両凸の正レンズL3と、両凹の負レンズL4とから構成されている。負メニスカスレンズL5の両面、すなわちDMD5の側の面S8およびミラー21の側の面S9は非球面である。さらに、正メニスカスレンズL8の両面、すなわちDMD5の側の面S14およびミラー21の側の面S15も非球面である。
 第1の屈折光学系11の最も拡大側から2番目の正メニスカスレンズL7は、第1の屈折光学系11の中で最も有効径(口径)の大きいレンズであり、第1の屈折光学系11の最大有効径を与えるレンズである。同時に、この正メニスカスレンズL7は、第1の光学系10の中で最も有効径(口径)の大きいレンズであり、第1の光学系10の最大有効径は第1の屈折光学系11の拡大側のレンズにより与えられる。
 負メニスカスレンズL5のミラー21の側、すなわち負メニスカスレンズL5および正メニスカスレンズL6の間の空間には、第1の中間像31を形成する第1の開口絞りSt1が配置されている。第1の屈折光学系11のDMD5の側には、1枚のガラス製のプリズム(TIRプリズム)Prが配置されており、この投射光学系1に入射する光はテレセントリックまたはそれに近い状態となっている。第1の屈折光学系11は、第1の屈折光学系11よりも拡大側、すなわち第1の屈折光学系11と第2の屈折光学系12との間の空間Sp1に、DMD5により形成された画像を第1の中間像31として結像する。本例の第1の中間像31は、第1の屈折光学系11の最も拡大側の正メニスカスレンズL8から拡大側に空気間隔(距離)3.74mmを隔てて結像される。
 第2の屈折光学系12は、全体が、第1の屈折光学系11よりも焦点距離が短くパワーの強い正の屈折力を備えたレンズ系である。第2の屈折光学系12は、DMD5の側から順に配置された、DMD5の側に凸の樹脂製の正メニスカスレンズL9と、両凸の正レンズL10と、2枚貼合の第2の接合レンズLB2と、2枚貼合の第3の接合レンズLB3とから構成されている。第2の接合レンズLB2は、DMD5の側から順に配置された両凸の正レンズL11と、両凹の負レンズL12とから構成されている。第3の接合レンズLB3は、DMD5の側から順に配置されたDMD5の側に凸の負メニスカスレンズL13と、両凸の正レンズL14とから構成されている。正メニスカスレンズL9の両面、すなわちDMD5の側の面S16およびミラー21の側の面S17は非球面である。
 第2の屈折光学系12の最も縮小側の正メニスカスレンズL9は、第2の屈折光学系12の中で最も有効径(口径)の大きいレンズであり、第2の屈折光学系12の最大有効径を与えるレンズとなる。第2の屈折光学系12のミラー21の側には、第2の中間像32を形成する第2の偏心絞りSt2が配置されている。本例の第2の偏心絞りSt2は、開口(円形の開口)の中心が光軸101からずれており、その開口の中心の偏心量は、光軸101を含む第1の面111に対して下方向(第1の方向)111aに1.5mmである。第2の屈折光学系12は、第2の屈折光学系12よりも拡大側、すなわち第2の屈折光学系12および第1の反射面21aの間の空間Sp2に、第2の中間像32を結像する。本例の第2の中間像32は、第2の偏心絞りSt2のミラー21の側に、第2の偏心絞りSt2から空気間隔41.60mmを隔てて結像される。
 この投射光学系1は、第1の屈折光学系11が第1の光学系10の内部の空間Sp1に第1の中間像31を結像させ、第2の屈折光学系12が第1の光学系10の拡大側で、第2の光学系20の第1の反射面21aの縮小側の空間Sp2に第2の中間像32を結像させる。さらに、第2の光学系20の非球面の反射面21aが第2の中間像32をスクリーン9に投影し、スクリーン9にDMD5の画像を拡大投射する。
 この投射光学系1においては、第1の光学系10の拡大側に配置された第2の屈折光学系12が第1の光学系10の内部に結像された第1の中間像31を第2の屈折光学系12の拡大側に第2の中間像32として結像する。第1の中間像31と第2の中間像32とは光軸101に対して逆転する。したがって、第2の屈折光学系12を通過する光束は第2の屈折光学系12の光軸101と交差し、第2の屈折光学系12を通過する光束の面積は光軸101の周りに集中しやすい。このため、第1の光学系10の拡大側に位置する第2の屈折光学系12の最大有効開口径を第1の屈折光学系11に対して小さくすることができる。特に、第2の屈折光学系12の広角側のレンズ径を縮小側のレンズ径に対して小さくできる。
 すなわち、第1の屈折光学系11は、第1の中間像31を光軸101よりも上側半分の一方の領域(第1の領域)101aに結像させ、第2の屈折光学系12は、第1の中間像31の上下左右が反転した第2の中間像32を、領域101aとは反対側、すなわち光軸101よりも下側半分の他方の領域(第2の領域)101bに結像させる。このため、第1の中間像31から第2の中間像32に至る光束は光軸101の周りに集中し、第2の屈折光学系12および第1の反射面21aを小型化できる。
 さらに、この投射光学系1においては、DMD5に形成される第1の像面の中心からスクリーン9の第2の像面の中心に至る光線110が第1の光学系10および第2の光学系20の共通する光軸101と3回交差してスクリーン9に至る。具体的には、DMD5から射出された光線110は、光軸101に対して下方から投射光学系1に入射し、第1の屈折光学系11の内部で光軸101と交差して光軸101の上側で第1の中間像31として結像される。さらに、光線110は、第2の屈折光学系12の内部で光軸101と交差して光軸101の下側で第2の中間像32として結像される。さらに、光線110は、光軸101の下側で第1の反射面21aにより反射され、光軸101と交差してスクリーン9に投影される。なお、光軸101の上下は相対的な位置関係であり、光軸101に対する上下が入れ替わってもよく、光軸101の左右であってもよい。
 さらに、第1の光学系10は、内部に第1の中間像31を結像し、その第1の中間像31を拡大側に第2の中間像32として結像する。このため、拡大側に結像される第2の中間像32のための偏心絞りSt2を第1の光学系10のより拡大側に近い位置、または第1の光学系10よりも拡大側に設けることができる。したがって、第1の反射面21aの縮小側に形成される第2の中間像32と偏心絞りSt2との空気間隔を短くできる。このため、第2の中間像32のサイズに対して第2の中間像32から第1の反射面21aに至る光束の広がりを確保できる。したがって、第2の屈折光学系12の拡大側のレンズ径を小さくできるとともに、第1の反射面21aの光軸101を中心とする回転対称な面の径を小さくできる。
 さらに、この投射光学系は、第1の光学系10の射出瞳および第1の反射面21aの光学的距離EXPと、DMD5および第1の反射面21aの光学的距離dwとが以下の条件(1)を満たすように設計できる。
0.1<EXP/dw<0.6 ・・・(1)
 第1の光学系10の射出瞳と第1の反射面21aとの間の距離EXPを条件(1)の範囲内とすることにより、第1の光学系10の射出瞳を第1の反射面21aの側に近付けることができる。このため、第1の反射面21aを小型化できる。条件(1)の上限を超えると、第1の光学系10の拡大側のレンズと第1の反射面21aとの空気間隔が長くなり、第1の反射面21aを小型化することが困難となる。条件(1)の下限を超えると、第1の反射面21aで反射してスクリーン9に向かう光と第2の屈折光学系12との干渉を抑制することが困難となる。条件(1)の上限は、0.4であることが望ましい。また、条件(1)の下限は、0.2であることが望ましく、0.24であることがさらに望ましい。
 さらに、第2の屈折光学系12の拡大側のレンズ径を小さくできるので、第2の屈折光学系12を、光軸101を中心とする回転対称な面を備えたレンズで形成しても第1の反射面21aで反射してスクリーン9に向かう光と第2の屈折光学系12との干渉を抑制できる。したがって、第2の屈折光学系12と第1の反射面21aとの空気間隔を短くでき、全体がコンパクトで広角化の要求に対応できる投射光学系1を提供できる。
 このため、この投射光学系1は、第1の光学系10の拡大側、すなわち、最もミラー21の側に配置されたレンズ(本例では正レンズL14)および第1の反射面21aの間の距離dnと、DMD5および第1の反射面21aの間の距離dwとが以下の条件(2)を満たすように設計できる。
0.1<dn/dw<0.3   ・・・(2)
 第1の光学系10と第1の反射面21aとの間の距離dnを条件(2)の範囲内とすることにより、第1の光学系10と反射面21aとの間の空間Sp2を小さくできる。このため、第1の光学系10の広角側のレンズ(正レンズL14)および反射面21aの機械的な損傷を抑制しやすい。条件(2)の上限を超えると、広角側のレンズL14および反射面21aの間の空間Sp2が相対的に大きくなり、機械的な損傷を受ける可能性が増す。条件(2)の下限を超えると、空間Sp2が小さくなり、第2の中間像32に第1の反射面21aが接近しすぎて十分な広角化を確保できない。条件(2)の上限は、0.26であることが望ましい。また、条件(2)の下限は、0.15であることが望ましい。
 さらに、投射光学系1の縮小側のイメージサークルICに対する第1の反射面21aの有効径MDの比を以下の条件(3)にすることができる。
1.0≦MD/IC≦6.0   ・・・(3)
条件(3)の上限は、5.0であってもよく、4.5であることがさらに好ましい。また、条件(3)の下限は、2.0であってもよく、2.5であることがさらに好ましい。イメージサークルICのサイズに対して第1の反射面21aを小さくすることができ、さらにコンパクトな投射光学系1を提供できる。
 また、投射光学系1の縮小側のイメージサークルICに対する第1の光学系10の最も広角側のレンズ(本例ではレンズL14)の有効径LLDとの比を以下の条件(4)にすることができる。
0.1≦LLD/IC≦2.0   ・・・(4)
条件(4)の上限は、1.5であってもよく、1.0であることがさらに好ましい。また、条件(4)の下限は、0.2であってもよく、0.3であることがさらに好ましい。イメージサークルICのサイズに対して第1の光学系10の最も広角側のレンズ径(有効径)を小さくすることにより、第1の反射面21aで反射された光束(投影光)とレンズとの干渉を抑制でき、さらにコンパクトな投射光学系1を提供できる。
 さらに、投射光学系1の第1の反射面21aの有効径MDに対する偏心絞りSt2の径STD2との比は以下の条件(5)を満たすことが望ましい。
1.0≦MD/STD2≦30   ・・・(5)
条件(5)の上限は、25であってもよく、20であることが望ましく、18であることがさらに望ましい。また、条件(5)の下限は、2.0であってもよく、3.0であることが望ましく、4.0であることがさらに望ましい。投射光学系1の拡大側に偏心絞りSt2を設けることにより第1の反射面21aの有効径MDを上記の範囲に設定し、有効径MDを小さくすることができる。
 また、第1の屈折光学系11の最大有効径は、正メニスカスレンズL7の有効径(本例では49.0mm)であり、第2の屈折光学系12の最も拡大側の正レンズL14の有効径は、本例では17.0mmである。さらに、第2の屈折光学系12の最大有効径は、正メニスカスレンズL9の有効径(本例では36.0mm)である。したがって、第2の屈折光学系12の最も拡大側のレンズL14の有効径は第1の屈折光学系11の最大有効径よりも小さく、さらに、第2の屈折光学系12の最大有効径は第1の屈折光学系11の最大有効径よりも小さい。したがって、第1の光学系10は全体として縮小側に対して拡大側のレンズ径が小さく、さらに、第2の屈折光学系12は縮小側に対して拡大側のレンズ径が小さくなっている。
 さらに、第1の光学系10は第1の屈折光学系11および第2の屈折光学系12を含み、第1の中間像31を介して光線をリレーするように構成されている。したがって、それぞれの屈折光学系11および12を鮮明な像がスクリーン9に投影されるように構成できる。すなわち、広角側から見ると、第1の反射面21aは台形歪みを発生させ、第1の反射面21aを非点収差などとともに台形歪みを補正するように設計することは困難である。したがって、第2の中間像32は台形歪みを含むものとし、第1の屈折光学系11により像面湾曲や、非点収差、コマ収差などの収差を補正した第1の中間像31を形成し、その第1の中間像31を第2の屈折光学系12によりおもに台形歪みなどの調整を行った、すなわち第1の反射面21aが発生させる歪みと逆方向(キャンセル方向)の歪みを発生させた第2の中間像32を形成している。したがって、第1の光学系10および第2の光学系20を含む投射光学系1により鮮明で台形補正がされた像をスクリーン9に投影できる。
 このように、この投射光学系1は、第1の中間像31を挟んで第1の中間像31よりも縮小側(DMD5の側)の第1の屈折光学系11と、第1の中間像31よりも拡大側(ミラー21の側)の第2の屈折光学系12とを含む。このため、第1の屈折光学系11により第1の中間像31を結像させることにより、像面湾曲、非点収差およびコマ収差などの諸収差を補正でき、さらに、第2の屈折光学系12により第2の中間像32を結像させることにより、台形歪みの調整を行って歪曲収差を補正できる。したがって、第1の中間像31を2つの屈折光学系11および12により挟む構成により、第1の屈折光学系11および第2の屈折光学系12のそれぞれを専用の光学系として設計できる。このため、それぞれの屈折光学系11および12の設計の自由度を向上できる。
 第1の屈折光学系11の最も拡大側の第1の中間像31の縮小側に配置された両凸の樹脂製の正メニスカスレンズL8は、パワーが弱く、両面S14およびS15は非球面である。このため、諸収差を良好に補正でき第1の中間像31のMTFの低下を抑制できる。また、第2の屈折光学系12の最も縮小側、すなわち第1の中間像31の拡大側に配置された、縮小側に凸の樹脂製の正メニスカスレンズL9の縮小側の面S16は、第1の光学系10の中で最も曲率半径が小さく(曲率が大きく)、広角側の面S17は、面S16に次いで曲率半径が小さい(曲率が大きい)。このため、第1の中間像31の台形歪みを調整し、台形歪みを含む第2の中間像32を結像させやすい。さらに、正メニスカスレンズL9の両面S16およびS17は非球面であるため、台形歪み(歪曲収差)以外の諸収差の補正も同時に行うことができる。したがって、第2の屈折光学系12の最もDMD5の側に樹脂製の正メニスカスレンズL9を配置する簡易な構成により、低コストで、台形歪み以外の諸収差を抑えた第2の中間像32を得ることができる。
 図3に、投射光学系1の第1の光学系10の各レンズのレンズデータを示している。図4に、投射光学系1の諸数値を示している。レンズデータにおいて、RiはDMD(ライトバルブ)5の側(縮小側)から順に並んだ各レンズ(各レンズ面)の曲率半径(mm)、diはDMD5の側から順に並んだ各レンズ面の間の距離(mm)、DiはDMD5の側から順に並んだ各レンズ面の有効径(mm)、ndはDMD5の側から順に並んだ各レンズの屈折率(d線)、νdはDMD5の側から順に並んだ各レンズのアッベ数(d線)を示している。図3において、Flatは平面を示している。図4(c)において、「En」は、「10のn乗」を意味し、たとえば、「E-06」は、「10の-6乗」を意味する。以降の実施形態においても同様である。本明細書において、第1の中間像31の位置は、光軸101上の第1の中間像31の光束の焦点位置を示している。また、第2の中間像32の位置は、第2の偏心絞りSt2から光軸101上の第2の中間像32の光学的距離d1と、第2の偏心絞りSt2から最周辺(最近辺)の第2の中間像32の光学的距離d2との差分の中点位置を示している。本例では、d1が58.20mm、d2が25.00mmであるため、第2の中間像32の位置は、第2の偏心絞りSt2から41.60mmの位置を示している。以降の実施形態においても同様である。
 図5に、投射光学系1の第1の中間像31および第2の中間像32の近傍の平面を横切る光束の様子をスポットダイアグラムにより示している。図5(a)に示すように、第1の中間像31の近傍では、DMD5により形成された画像が、第1の屈折光学系11により拡大された画像として上下左右を反転されている。さらに、図5(b)に示すように、第2の中間像32の近傍では、第1の中間像31が、第2の屈折光学系12により台形歪みのある画像として上下左右を反転されている。
 本例の投射光学系1の上述した条件(1)を与える式の値は、図4(b)に示すように、第1の光学系10の射出瞳と第1の反射面21aとの間の距離EXPが81.70mmであり、DMD5およびミラー21の間の距離dwが323.00mmであるため、以下のようになる。さらに、本例の投射光学系1の上述した条件(2)を与える式の値は、図4(b)に示すように、正レンズL14およびミラー21の間の距離dnが75.20mmであり、DMD5およびミラー21の間の距離dwが323.00mmであるため、以下のようになる。また、その他の条件(3)~(5)は以下の通りである。なお、第1の光学系10の射出瞳の位置は、縮小側の第1の絞りSt1を第1の光学系10の絞りとした場合の射出瞳の位置を示している。
条件(1) EXP/dw=0.25
条件(2) dn/dw=0.23
条件(3) MD/ID=2.8
条件(4) LLD/ID=0.6
条件(5) STD2/MD=4.7
したがって、本例の投射光学系1は、条件(1)~(5)を満たしている。
 したがって、第1の実施形態に係る投射光学系1は、14枚のレンズL1~L14および1枚のミラー21の構成により、固定焦点でありながら最大画角(全画角)が66.67度、焦点距離が6.20と比較的広角で、F値が1.90と明るく鮮明な画像を投射できる、高性能な投射光学系1の一例である。
 なお、第1の屈折光学系11の負メニスカスレンズL5の両面S8およびS9と、第1の屈折光学系11の正メニスカスレンズL8の両面S14およびS15と、第2の屈折光学系12の正メニスカスレンズL9の両面S16およびS17と、第1の反射面21aとは回転対称非球面である。非球面は、Xを光軸方向の座標、Yを光軸と垂直方向の座標、光の進行方向を正、Rを近軸曲率半径とすると、図4(c)の係数K、A、B、C、D、EおよびFを用いて次式で表わされる。以降の実施形態においても同様である。
X=(1/R)Y/[1+{1-(1+K)(1/R)1/2
+AY+BY+CY+DY10+EY12+FY14
 第2の実施形態
 図6に、第2の実施形態に係る投射光学系2を示している。この投射光学系2は、入射側が非テレセントリックのズーミング可能な投射光学系である。投射光学系2は、DMD5の側(縮小側)から順に、複数のレンズを含む第1の光学系10と、第1の光学系10から出射された光を反射してスクリーン9に投影する第1の反射面21aを含む第2の光学系(第1の反射光学系)20とを有する。第1の光学系10は、13枚のレンズL11~L13、L21~L22およびL31~L38を含み、第2の光学系20は、非球面の第1の反射面21aが形成されたミラー(凹面鏡)21を含む。
 本例の投射光学系2は、変倍を行うズームタイプの光学系である。第1の光学系10は、DMD5の側から順に、正の屈折力を備えた第1のレンズ群(前群)G1と、正の屈折力を備えた第2のレンズ群(中群)G2と、正の屈折力を備えた第3のレンズ群(後群)G3とを含む。また、本例の第1の光学系10も、内部に結像された第1の中間像31を第1の光学系10よりも拡大側に第2の中間像32として結像する光学系である。この第1の光学系10は、DMD5により形成された画像を第1の中間像31として結像させる正のパワーの第1の屈折光学系11と、第1の中間像31を第2の中間像32として結像させる正のパワーの第2の屈折光学系12とを含む。第1の中間像31は第3のレンズ群G3の内部に結像され、第1のレンズ群G1と、第2のレンズ群G2と、第3のレンズ群G3の最初(縮小側)のレンズL31とが第1の屈折光学系11を構成し、第3のレンズ群G3の他のレンズが第2の屈折光学系12を構成する。
 最もDMD5側(最も縮小側)の第1のレンズ群(前群)G1は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群である。第1のレンズ群G1は、DMD5の側から順に配置された、両凸の正レンズL11と、両凹の負レンズL12と、両凸の正レンズL13とから構成されている。正レンズL11の両面、すなわちDMD5の側の面S1およびミラー21の側の面S2は非球面である。正レンズL11のミラー21の側、すなわち正レンズL11および負レンズL12の間の空間には、第1の開口絞りSt1が配置されている。第1のレンズ群G1のDMD5の側には、1枚のガラス製のカバーガラスCGが配置されている。
 第2のレンズ群(中群)G2は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群である。第2のレンズ群G2は、2枚貼合の第1の接合レンズ(バルサムレンズ、ダブレット)LB1から構成されている。第1の接合レンズLB1は、DMD5の側から順に配置されたDMD5の側に凸の負メニスカスレンズL21と、DMD5の側に凸の正メニスカスレンズL22とから構成されている。
 最もミラー21側(拡大側)の第3のレンズ群(後群)G3は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群である。第3のレンズ群G3は、DMD5の側から順に配置された、DMD5の側に凸の樹脂製の正メニスカスレンズL31と、DMD5の側に凸の樹脂製の正メニスカスレンズL32と、ミラー21の側に凸の正メニスカスレンズL33と、3枚貼合の第2の接合レンズ(バルサムレンズ、トリプレット)LB2と、2枚貼合の第3の接合レンズ(バルサムレンズ、ダブレット)LB3とから構成されている。
 第2の接合レンズLB2は、DMD5の側から順に配置された、両凸の正レンズL34と、両凹の負レンズL35と、DMD5の側に凸の正メニスカスレンズL36とから構成されている。第3の接合レンズLB3は、DMD5の側から順に配置された両凸の正レンズL37と、両凹の負レンズL38とから構成されている。正メニスカスレンズL31の両面、すなわちDMD5の側の面S10およびミラー21の側の面S11は非球面である。さらに、正メニスカスレンズL32の両面、すなわちDMD5の側の面S12およびミラー21の側の面S13も非球面である。正メニスカスレンズL36のミラー21の側、すなわち正メニスカスレンズL36および正レンズL37の間の空間には、第2の開口絞りSt2が配置されている。
 本例の投射光学系2は、広角端から望遠端に変倍する際に、第1のレンズ群(前群)G1は縮小側(DMD5側)から拡大側(ミラー21側)へ動き、第2のレンズ群(中群)G2も縮小側から拡大側へ動き、第3のレンズ群(後群)G3は動かない。第1のレンズ群G1はバリエータとして移動することにより変倍し、第2のレンズ群G2はコンペンセータとして第1のレンズ群G1の動きを補償するように動き、リレーレンズである第3のレンズ群G3への入射光束が一定条件になるようにする。本例の投射光学系2は、変倍の際に動かない第3のレンズ群G3内で焦点調整を行うフローティングフォーカスまたはインナーフォーカスタイプの光学系である。本例のフォーカシングは、第3のレンズ群G3に含まれる1つ以上のレンズを動かすことにより行われる。
 第1のレンズ群G1、第2のレンズ群G2およびレンズL31から構成される第1の屈折光学系11は、DMD5の側から順に配置された、正レンズL11と、第1の絞りSt1と、負レンズL12と、正レンズL13と、第1の接合レンズLB1と、正メニスカスレンズL31とを含み、第1の屈折光学系11の拡大側、すなわち第1の屈折光学系11および第2の屈折光学系12の間の空間Sp1に第1の中間像31が結像される。本例の第1の中間像31は、正メニスカスレンズL31から拡大側に空気間隔15.00mmを隔てて結像される。
 レンズL31を除いた第3のレンズ群G3により構成される第2の屈折光学系12は、DMD5の側から順に配置された、正メニスカスレンズL32と、正メニスカスレンズL33と、第2の接合レンズLB2と、第2の絞りSt2と、第3の接合レンズLB3とを含む。第2の屈折光学系12の拡大側、すなわち第2の屈折光学系12および第1の反射面21aの間の空間Sp2に第2の中間像32が結像される。本例の第2の中間像32は、第2の絞りSt2から拡大側に空気間隔37.40mmを隔てて結像される。
 この投射光学系2においても、第1の屈折光学系11が第1の光学系10の内部の空間Sp1に第1の中間像31を結像させ、第2の屈折光学系12が第1の光学系10よりも拡大側の空間Sp2に第2の中間像32を結像させている。入射側が非テレセントリックの投射光学系2においては、第1の屈折光学系11のパワーは、第2の屈折光学系12のパワーとほぼ同じ、または大きくなるようにデザインされており、本例の投射光学系2においては、第1の屈折光学系11のパワーが第2の屈折光学系12のパワーよりも大きい。この投射光学系2においても、第1の中間像31と第2の中間像32とは光軸101を挟んで反対側の領域101aおよび101bにそれぞれ形成され、第2の屈折光学系12を通過する光束は光軸101の周りに集中する。したがって、第2の屈折光学系12をコンパクトに形成できる。
 また、この投射光学系2においても、DMD5に形成される第1の像面の中心からスクリーン9の第2の像面の中心に至る光線110が第1の光学系10および第2の光学系20の共通する光軸101と3回交差してスクリーン9に至る。さらに、第1の中間像31を第1の光学系10の内部に結像させて、その第1の中間像31を第1の光学系10の拡大側に第2の中間像32として結像している。このため、第2の中間像32を形成するための第2の絞りSt2を第1の光学系10の内部の拡大側に近い位置に配置できる。したがって、この投射光学系2においても、投射光学系1と同様に第1の光学系10の拡大側のレンズ径を小さくでき、第1の光学系10と第1の反射面21aとの空気間隔を短くできる。このため、コンパクトで広角化が可能な投射光学系2を提供できる。
 さらに、第1の屈折光学系11により像面湾曲、非点収差およびコマ収差などの諸収差を補正でき、さらに、第2の屈折光学系12により台形歪みなどの歪曲収差を補正できる。このため、高性能で変倍可能な投射光学系2を提供できる。
 第1の屈折光学系11の最も拡大側、すなわち第1の中間像31の直上流に配置された縮小側に凸の樹脂製の正メニスカスレンズL31は、本例では第1の光学系10の中で最もパワーが弱く、両面S10およびS11は非球面である。このため、正メニスカスレンズL31により諸収差を良好に調整でき、DMD5により形成された画像を拡大させた第1の中間像31をいっそう鮮明に結像できる。
 また、第1の屈折光学系11は、第1の中間像31を、像が光軸101から離れるほど、すなわち、像高が高くなるほど縮小側に傾斜し、正メニスカスレンズL32から遠くなるように結像している。さらに、第2の屈折光学系12は、最も縮小側、すなわち第1の中間像31の直下流に配置された縮小側に凸の樹脂製の正メニスカスレンズL32の両面S12およびS13は、曲率半径が小さい(曲率が大きい)。このため、第1の中間像31の台形歪みを調整しやすく、台形歪みのある第2の中間像32として結像させることができる。さらに、正メニスカスレンズL32の両面S12およびS13は非球面であるため、台形歪み(歪曲収差)以外の諸収差も良好に補正できる。さらに、正メニスカスレンズL32は、DMD5の側に凸で、両面S12およびS13の曲率半径が小さい(曲率が大きい)ため、第1の屈折光学系11から出射された光を広角に集光することができる。したがって、明るく、広画角の投射光学系2を提供できる。
 第1の屈折光学系11の最大有効径は正メニスカスレンズL31(本例では有効径54.0mm)で与えられ、正メニスカスレンズL31は第1の光学系10の最大有効径を備えている。第2の屈折光学系12の最も拡大側の負レンズL38の有効径は、本例では26.0mmであり、第1の屈折光学系11の最大有効径よりも小さい。さらに、第2の屈折光学系12の最大有効径は正メニスカスレンズL32(本例では有効径45.0mm)で与えられ、第1の屈折光学系11の最大有効径よりも小さい。このように、この投射光学系2も、第1の屈折光学系11がDMD5により形成された画像を第1の中間像31として結像させることにより、第1の中間像31よりも下流側の第2の屈折光学系12を小型化できる。
 さらに、第1の屈折光学系11は、第1の中間像31を第1の領域(一方の領域)101aに結像させ、第2の屈折光学系12は、第2の中間像32を第2の領域(他方の領域)101bに結像させている。このため、正メニスカスレンズL32の両面S12およびS13の使用領域を第1の領域101aに限定でき、ミラー21の使用領域を第2の領域101bに限定できる。
 さらに、第2の屈折光学系12は、歪みの少ない第1の中間像31を上下左右に反転させた第2の中間像32として結像させている。このため、散乱光(不要光)をカットしながら台形歪みのある第2の中間像32として結像させやすい。したがって、台形歪みが実質的にキャンセルされた鮮明でかつ拡大された画像をスクリーン9に投射可能な投射光学系2を提供できる。
 図7に、投射光学系2の第1の光学系10の各レンズのレンズデータを示している。図8に、投射光学系2の諸数値を示している。また、本例では、第2の絞りSt2から光軸101上の第2の中間像32の光学的距離d1が53.30mm、第2の絞りSt2から最周辺(最近辺)の第2の中間像32の光学的距離d2が21.40mmであるため、第2の中間像32の位置は、第2の絞りSt2から37.40mmの位置を示している。なお、ズーム間隔V1はカバーガラスCGと第1のレンズ群G1との空気間隔を示し、ズーム間隔V2は第1のレンズ群G1と第2のレンズ群G2との空気間隔を示し、ズーム間隔V3は第2のレンズ群G2と第3のレンズ群G3との空気間隔を示す。
 図9に、投射光学系2の第1の中間像31および第2の中間像32の近傍の光束の様子をスポットダイアグラムにより示している。第2の中間像32は台形歪みを含み、第1の中間像31は台形歪みが補正されていることがわかる。
 本例の投射光学系2の上述した条件(1)~(5)は以下のようになる。
条件(1) EXP/dw=0.28
条件(2) dn/dw=0.25
条件(3) MD/ID=4.3
条件(4) LLD/ID=1.0
条件(5) STD2/MD=16.6
したがって、本例の投射光学系2も、条件(1)~(5)を満たしている。
 このように、第2の実施形態に係る投射光学系2は、13枚のレンズL11~L13、L21~L22およびL31~L38と、1枚のミラー21との構成により、F値が2.62と比較的明るく、ズーミングが可能で、最大画角(全画角)が75.34度、広角端における焦点距離が3.63と広角で鮮明な画像を投射できる、高性能で非テレセントリックな投射光学系である。
 第3の実施形態
 図10に、第3の実施形態に係る投射光学系3を示している。この投射光学系3は、入射側がテレセントリックのズーミング可能な投射光学系である。投射光学系3は、DMD5の側(縮小側)から順に、複数のレンズを含む第1の光学系10と、第1の光学系10から出射された光を反射して拡大側のスクリーン9に投影する第1の反射面21aを含む第2の光学系20とを有する。第1の光学系10は、16枚のレンズL11、L21~L26、L31~L32およびL41~L47を含み、第2の光学系20は、非球面の第1の反射面21aを備えたミラー(凹面鏡)21を含む。
 本例の第1の光学系10は、変倍を行う光学系であり、DMD5の側から順に、正の屈折力を備えた第1のレンズ群G1と、正の屈折力を備えた第2のレンズ群(前群)G2と、正の屈折力を備えた第3のレンズ群(中群)G3と、正の屈折力を備えた第4のレンズ群(後群)G4とを含む。また、本例の第1の光学系10も、内部に結像された第1の中間像31を第1の光学系10よりも拡大側に第2の中間像32として結像する光学系であり、DMD5により形成された画像を第1の中間像31として結像させる負のパワーの第1の屈折光学系11と、第1の中間像31を第2の中間像32として結像させる正のパワーの第2の屈折光学系12とを含む。第1の中間像31は第4のレンズ群G4の内部に結像され、第1のレンズ群G1と、第2のレンズ群G2と、第3のレンズ群G3と、第4のレンズ群G4の最初(縮小側)のレンズL41とが第1の屈折光学系11を構成し、第4のレンズ群G4の他のレンズが第2の屈折光学系12を構成する。
 最もDMD5側(最も縮小側)の第1のレンズ群G1は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群である。第1のレンズ群G1は、拡大側に凸の正メニスカスレンズL11から構成されている。第1のレンズ群G1のDMD5の側には、DMD5の側から順に、1枚のガラス製のカバーガラスCGと、1枚のガラス製のTIRプリズムPrとが配置されており、DMD5からの投影光はテレセントリックまたはそれに近い状態で投射光学系3に入る。
 第2のレンズ群(前群)G2は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群である。第2のレンズ群G2は、DMD5の側から順に配置された、両凸の正レンズL21と、2枚貼合の第1の接合レンズ(バルサムレンズ、ダブレット)LB1と、2枚貼合の第2の接合レンズLB2と、拡大側に凸の正メニスカスレンズL26とから構成されている。第1の接合レンズLB1は、DMD5の側から順に配置された両凸の正レンズL22と、両凹の負レンズL23とから構成されている。第2の接合レンズLB2は、DMD5の側から順に配置された両凹の負レンズL24と、両凸の正レンズL25とから構成されている。正レンズL25の拡大側の面S10は非球面である。正レンズL25の拡大側、すなわち正レンズL25および正メニスカスレンズL26の間の空間には、第1の開口絞りSt1が配置されている。
 第3のレンズ群(中群)G3は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群である。第3のレンズ群G3は、DMD5の側から順に配置された、両凹の負レンズL31と、両凸の正レンズL32とから構成されている。
 最も拡大側の第4のレンズ群(後群)G4は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群である。第4のレンズ群G4は、DMD5の側から順に配置された、両凸の樹脂製の正メニスカスレンズL41と、DMD5の側に凸の樹脂製の正メニスカスレンズL42と、両凸の正レンズL43と、2枚貼合の第3の接合レンズLB3と、2枚貼合の第4の接合レンズLB4とから構成されている。第3の接合レンズLB3は、DMD5の側から順に配置された両凸の正レンズL44と、両凹の負レンズL45とから構成されている。第4の接合レンズLB4は、DMD5の側から順に配置された両凹の負レンズL46と、両凸の正レンズL47とから構成されている。正メニスカスレンズL41の両面、すなわち縮小側の面S17および拡大側の面S18は非球面である。さらに、正メニスカスレンズL42の両面S19およびS20も非球面である。第4のレンズ群G4の拡大側には、第2の開口絞りSt2が配置されている。
 本例の投射光学系3は、広角端から望遠端に変倍する際に、第1のレンズ群G1は動かず、第2のレンズ群(前群)G2は縮小側から拡大側へ動き、第3のレンズ群(中群)G3は第2のレンズ群G2の動きを補償するように拡大側から縮小側へ動き、リレーレンズである第4のレンズ群G4への入射光束が一定条件になるようにする。第4のレンズ群(後群)G4は動かない。本例の投射光学系3は、変倍の際に動かない第4のレンズ群G4内で焦点調整を行うフローティングフォーカスまたはインナーフォーカスタイプの光学系である。本例のフォーカシングは、第4のレンズ群G4に含まれる1つ以上のレンズを動かすことにより行われる。
 第1から第3のレンズ群G1~G3およびレンズL41から構成される第1の屈折光学系11は、全体が負の屈折力を備えたレンズ系であり、DMD5の側から順に配置された、正メニスカスレンズL11と、正レンズL21と、第1の接合レンズLB1と、第2の接合レンズLB2と、第1の絞りSt1と、正メニスカスレンズL26と、負レンズL31と、正レンズL32と、正メニスカスレンズL41とを含む。第1の屈折光学系11よりも拡大側、すなわち第1の屈折光学系11および第2の屈折光学系12の間の空間Sp1に第1の中間像31が結像される。本例の第1の中間像31は、正メニスカスレンズL41の拡大側に、正メニスカスレンズL41から距離1.00mmを隔てて結像される。
 第4のレンズ群G4の残りのレンズL42~L47により構成される第2の屈折光学系12は、全体が正の屈折力を備えたレンズ系であり、DMD5の側から順に配置された、正メニスカスレンズL42と、正レンズL43と、第3の接合レンズLB3と、第4の接合レンズLB4と、第2の絞りSt2とを含む。第2の屈折光学系12よりも拡大側、すなわち第2の屈折光学系12および第1の反射面21aの間の空間Sp2に第2の中間像32が結像される。本例の第2の中間像32は、第2の開口絞りSt2の拡大側に、第2の開口絞りSt2から距離33.80mmを隔てて結像される。
 この投射光学系3においても、第1の屈折光学系11が第1の光学系10の内部の空間Sp1に第1の中間像31を結像させ、第2の屈折光学系12が第1の光学系10よりも拡大側の空間Sp2に第2の中間像32を結像させている。入射側がテレセントリックの投射光学系3においては、第1の屈折光学系11のパワーは第2の屈折光学系12のパワーよりも小さく、第1の中間像31と第2の中間像32とは非テレセントリックの投射光学系2より拡大側にシフトし、第1の中間像31と第2の中間像32とが光軸101を挟んで反対側の領域101aおよび101bにそれぞれ形成される。したがって、第2の屈折光学系12を通過する光束は光軸101の周りにさらに集中し、第2の屈折光学系12をいっそうコンパクトに形成できる。
 また、この投射光学系3においても、DMD5に形成される第1の像面の中心からスクリーン9の第2の像面の中心に至る光線110が第1の光学系10および第2の光学系20の共通する光軸101と3回交差してスクリーン9に至る。このため、光軸101の周りに回転対称なレンズにより第1の光学系10の拡大側、すなわち、第2の屈折光学系12を構成しても、光軸101の周りに回転対称の第1の反射面21aに反射された投影光との干渉を抑制でき、第1の反射面21aから、より光軸101に近い光線を射出できる。すなわち、回転対称の第1の反射面21aの光軸101に近い領域まで有効に利用でき、光軸101に対して仰角は小さく、画角が大きな像をスクリーン9に拡大投影できる。
 さらに、第1の中間像31を第1の光学系10の内部に結像させて、その第1の中間像31を第1の光学系10の拡大側に第2の中間像32として結像させているので、第2の中間像32を形成するための第2の絞りSt2を第1の光学系10よりも拡大側に配置できる。したがって、この投射光学系3においても、投射光学系1と同様に第1の光学系10の拡大側のレンズ径を小さくでき、第1の光学系10と第1の反射面21aとの空気間隔を短くできる。このため、コンパクトで広角化が可能な投射光学系3を提供できる。
 また、第1の屈折光学系11により像面湾曲、非点収差およびコマ収差などの諸収差を補正でき、さらに、第2の屈折光学系12により台形歪みなどの歪曲収差を補正できる、高性能で変倍可能な投射光学系3を提供できる。また、この第1の光学系10においても、第1の屈折光学系11の最も拡大側の両凸の樹脂製の正レンズL41の両面S17およびS18は非球面であり、DMD5により形成された画像を拡大させた第1の中間像31として鮮明に結像できるようになっている。また、第2の屈折光学系12の最も縮小側に配置された縮小側に凸の正メニスカスレンズL42の両面S19およびS20は曲率半径が小さく(曲率が大きく)、ミラー21の側の面S20は、面S19に次いで曲率半径が小さい(曲率が大きい)。このため、縮小側に多少傾いて形成される第1の中間像31を台形歪みのある第2の中間像32として結像させやすい光学系となっている。したがって、鮮明で台形補正がされた画像をスクリーン9に投影できる。
 また、この第1の屈折光学系11の正レンズL41は有効径49.0mmであり、第1の屈折光学系11および第1の光学系10の最大有効径を与えるレンズとなっている。第2の屈折光学系12の最も拡大側の正レンズL47の有効径は、本例では11.0mmであり、第1の屈折光学系11の最大有効径よりも小さい。さらに、第2の屈折光学系12の最大有効径を与える正メニスカスレンズL42の有効径は32.0mmであり、第1の屈折光学系11の最大有効径に対して第2の屈折光学系12の最大有効径は小さい。
 さらに、第2の屈折光学系12は、歪みの少ない第1の中間像31を上下左右に反転させた第2の中間像32として結像させているため、散乱光(不要光)をカットしながら台形歪みのある第2の中間像32として結像させやすく、台形歪みが実質的にキャンセルされた鮮明でかつ拡大された画像をスクリーン9に投射可能な投射光学系3を提供できる。
 図11に、投射光学系3の第1の光学系10の各レンズのレンズデータを示している。図12に、投射光学系3の諸数値を示している。また、本例では、第2の絞りSt2から光軸101上の第2の中間像32の光学的距離d1が59.00mm、第2の絞りSt2から最周辺(最近辺)の第2の中間像32の光学的距離d2が8.50mmであるため、第2の中間像32の位置は、第2の絞りSt2から33.80mmの位置を示している。なお、ズーム間隔V1~V3は、それぞれ第1のレンズ群G1と第2のレンズ群G2と、第2のレンズ群G2と第3のレンズ群G3と、第3のレンズ群G3と第4のレンズ群G4との間の空気間隔を示す。図13に、投射光学系3の第1の中間像31および第2の中間像32の近傍の平面における光束の様子を示している。
 本例の投射光学系3の上述した条件(1)~(5)は、以下のようになる。
条件(1) EXP/dw=0.34
条件(2) dn/dw=0.25
条件(3) MD/ID=3.8
条件(4) LLD/ID=0.4
条件(5) STD2/MD=9.2
したがって、本例の投射光学系3も、条件(1)~(5)を満たしている。
 したがって、第3の実施形態に係る投射光学系3は、16枚のレンズL11、L21~L26、L31~L32およびL41~L47と、1枚のミラー21との構成により、F値が2.43と比較的明るく、ズーミングが可能で、最大画角(全画角)が75.32度、広角端における焦点距離が3.46と広角で鮮明な画像を投射できる、高性能でテレセントリックな投射光学系である。
 なお、本発明はこれらの実施形態に限定されず、請求の範囲に規定されたものを含む。上記に記載の光学系は一例であり、投射光学系に含まれるレンズの面および/または鏡面(反射面)は回転対称の球面または非球面であってもよく、非対称な面、たとえば、自由曲面であってもよい。さらに、第1の光学系に含まれるレンズの少なくとも何れかおよび/または第2の光学系に含まれる反射面は、光軸から偏心していてもよい。その場合、各光学系の光軸は主たる光学素子の光軸を含む。また、第1の光学系の光軸と第2の光学系の光軸は共通であってもよく、偏心(シフト)していてもよい。また、ライトバルブ5は、白色光源をダイクロイックフィルタ(ミラー)などにより3色に分離させる3板式の光変調器5であってもよく、光変調器5はLCD(液晶パネル)や、自発光型の有機ELなどであってもよい。また、第1の光学系10および第2の光学系20は光路を折り曲げるプリズムあるいはミラーをさらに備えていてもよい。たとえば、第1の反射面21aの縮小側および/または拡大側に1または複数のミラーまたはプリズムが配置されていてもよい。また、第2の光学系20の拡大側にさらに屈折光学系を備えていてもよい。

Claims (15)

  1.  縮小側の第1の像面から拡大側の第2の像面へ投射する投射光学系であって、
     複数のレンズを含み、縮小側から入射した光により拡大側に第1の中間像を結像する第1の屈折光学系と、
     複数のレンズを含み、縮小側の前記第1の中間像を拡大側に第2の中間像として結像する第2の屈折光学系と、
     前記第2の中間像よりも拡大側に位置する正の屈折力の第1の反射面を含む第1の反射光学系とを有する、投射光学系。
  2.  請求項1において、
     前記第1の屈折光学系は、前記第1の像面に形成された画像を前記第1の中間像として結像し、
     前記第1の像面の中心から前記第2の像面の中心に至る光線が前記第1の屈折光学系の光軸、前記第2の屈折光学系の光軸および前記第1の反射光学系の光軸のいずれかと3回交差して前記第2の像面に至る、投射光学系。
  3.  請求項1または2において
     前記第1の像面と前記第1の反射面とは、光軸を含む第1の面に対して同方向に配置される、投射光学系。
  4.  請求項1ないし3のいずれかにおいて、
     前記第2の屈折光学系の最も拡大側のレンズの有効径が、前記第1の屈折光学系の最大有効径よりも小さい、投射光学系。
  5.  請求項1ないし4のいずれかにおいて、
     前記第2の屈折光学系の最大有効径が、前記第1の屈折光学系の最大有効径よりも小さい、投射光学系。
  6.  請求項1ないし5のいずれかにおいて、
     前記第1の屈折光学系は等倍または拡大光学系である、投射光学系。
  7.  請求項1ないし6のいずれかにおいて、
     前記第1の像面と前記第1の中間像との間に配置された第1の絞りと、前記第1の中間像および前記第2の中間像との間に配置された第2の絞りとを含む、投射光学系。
  8.  請求項7において、
     前記第2の絞りは偏心絞りである、投射光学系。
  9.  請求項7または8において、
     前記第1の屈折光学系および前記第2の屈折光学系を含む第1の光学系を有し、
     前記第1の絞りを前記第1の光学系の絞りとしたときの射出瞳および前記第1の反射面の光学的距離EXPと、前記第1の像面および前記第1の反射面の光学的距離dwとが以下の条件を満たす、投射光学系。
    0.1<EXP/dw<0.6
  10.  請求項1ないし9のいずれかにおいて、
     前記第2の屈折光学系の最も拡大側のレンズおよび前記第1の反射面の光学的距離dnと、前記第1の像面および前記第1の反射面の光学的距離dwとが以下の条件を満たす、投射光学系。
    0.1<dn/dw<0.3
  11.  請求項1ないし10のいずれかにおいて、
     前記第1の中間像と前記第2の中間像とは光軸を挟んで反対側に結像される、投射光学系。
  12.  請求項1ないし8のいずれかにおいて、
     前記第1の屈折光学系および前記第2の屈折光学系を含む第1の光学系を有し、前記第1の光学系は変倍光学系を含む、投射光学系。
  13.  請求項12において、
     前記第1の光学系は、縮小側から順に、正の屈折力を備えた前群と、正の屈折力を備えた中群と、正の屈折力を備えた後群とを含み、
     広角端から望遠端に変倍する際に、前記前群は縮小側から拡大側へ動き、前記中群は前記前群の動きを補償するように動き、前記後群は固定され、前記第1の中間像は前記後群の内部に結像される、投射光学系。
  14.  請求項1ないし13のいずれかに記載の投射光学系と、
     前記第1の像面に画像を形成する光変調器とを有する、プロジェクタ。
  15.  請求項14において、前記第1の像面を照明する照明光学系であって、光軸を含む第1の面に対して前記第1の反射面と同方向に配置された照明光学系をさらに有する、プロジェクタ。
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