WO2014174600A1 - 投写型映像表示装置 - Google Patents

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谷津　雅彦
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    • H04N9/3173—Constructional details thereof wherein the projection device is specially adapted for enhanced portability

Definitions

  • the present invention relates to a projection display apparatus.
  • Patent Document 1 a projection optical system using two free-form surface lenses that are free-form surface optical elements and one free-form surface mirror is known (see Patent Document 1).
  • Patent Document 1 a large back focus (hereinafter referred to as “BFL”) is secured in order to arrange the color synthesis prism (filter thickness: 25.642 mm), and the lens length of the coaxial lens group (from the entrance surface of the lens 1).
  • the distance from the lens 14 exit surface) is 91.1mm
  • the distance from the image display element to the free-form curved mirror is 200.6mm
  • the distance from the free-form curved mirror to the image plane is 500mm.
  • an object of the present invention is to provide a projection display apparatus that further shortens the projection distance (widens) and reduces the size of the projection optical system.
  • the present invention it is possible to provide a projection display apparatus that further shortens the projection distance (widens) and reduces the size of the projection optical system.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a projection optical system according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 3 is a ray diagram of the projection optical system of Example 1.
  • Lens data of Example 1. The free-form surface coefficient of Example 1.
  • the aspheric coefficient of Example 1. The odd-order polynomial aspherical coefficient of Example 1.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of the shape of the lens 1. Explanatory drawing of flange back adjustment. Explanatory drawing of the minimum inclination light beam and the maximum inclination light beam.
  • FIG. 3 is a distortion aberration diagram of Example 1.
  • FIG. 4 is a lateral aberration diagram of Example 1.
  • FIG. 3 is a spot diagram of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a projection optical system of Example 2.
  • FIG. 6 is a ray diagram of the projection optical system of Example 2.
  • Lens data of Example 2 The free-form surface coefficient of Example 2.
  • Aspherical coefficients of Example 2. The odd-order polynomial aspherical coefficient of Example 2.
  • FIG. 6 is a distortion aberration diagram of Example 2.
  • FIG. 4 is a lateral aberration diagram of Example 2.
  • FIG. 9 is a spot diagram of Example 2. Explanatory drawing of BFL securing by retro focus. Ray diagram of optical design for wide angle.
  • FIG. 24 is an explanatory diagram of securing BFL by retrofocus.
  • the projection optical system in FIG. 24 includes a lens L 101 having a positive refractive power and a lens L 102 having a negative refractive power from the image display element 5 side. Assuming that the light beam is incident from the lens L 102 side, the light beam jumps up with the negative refractive power of the lens L 102 and bends with the positive refractive power of the lens L 101 . Lens L 102 min with splashed rays in, has secured about 2 times more BFL focal length f.
  • the angle of view is set to a half angle of view of 30 degrees, and the lens L 101 and the lens L 102 are aspherical.
  • the projection optical system of Patent Document 1 projection image of 80 inches at a projection distance of 500 mm
  • the projection distance is further shortened, but the possibility of interference between the projection image and the projection display apparatus increases.
  • the jumping up of the light beam to realize a wide angle of the projection optical system not only increases the distance between the lens L 101 and the lens L 102 (enlarges) but also increases the refractive power of the lens L 101 and the lens L 102. It can also be increased.
  • the lens balls are usually divided (increasing the number of lenses).
  • the lens length becomes long even if the distance between the convex lens balls on the optical axis, the edge thickness of the convex lens ball, the center thickness of the concave lens ball, and the interference of the edge of the concave lens ball are limited.
  • the manufacturing cost increases due to the increase in the number of lenses.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of the projection optical system 1.
  • an image display element 5 a conversion filter 6, a coaxial lens group 2 having a refractive action and including a plurality of lenses, a free-form surface lens group 3, and a free-form surface mirror 4 are arranged in the light traveling direction.
  • the conversion filter 6 is expressed as including a dustproof glass, a polarizing plate, a color composition prism, and the like of the video display element 5.
  • the refractive power of the free-form surface lens is such that the principal ray on the side farther from the optical axis is shorter than the passage distance of the principal ray on the side close to the optical axis of the lens group 2 through the relevant free-form surface lens. Is negative when the principal ray on the side closer to the optical axis of the lens group 2 has a larger passing distance of the principal ray farther from the optical axis than the passing distance through which the free-form surface lens passes. Is defined as the refractive power of. In the case of the same light beam as the lens optical axis, the passing distance is equal to the center thickness of the lens.
  • the image light emitted from the image display element 5 passes through the conversion filter 6, is refracted by the coaxial lens group 2 and the free-form surface lens group 3, is reflected by the free-form surface mirror 4, and the image surface 8 (screen). Is projected onto the screen.
  • the lens group 2 is a retrofocus type including a first lens group G 1 having a positive refractive power and a second lens group G 2 having a negative refractive power.
  • the aperture stop 7 is disposed between the first lens group G 1 and the second lens group G 2.
  • the image display element side is referred to as a reduction side
  • the light traveling direction (image plane side) is referred to as an enlargement side.
  • the first lens group G 1 includes a lens L 1, the refractive index of the aspherical lens L 2 made 1.8 or more plastics having a small radius of curvature on the reduction side has a positive refractive power made of glass, Abbe number A lens L 3 having a positive refractive power and a biconvex shape made of glass of 70 or more, a lens L 4 having a negative refractive power and a negative refractive power made of a glass having an Abbe number of 25 or less, and an Abbe number of 70 or more And a biconvex lens L 5 having a positive refractive power and having a positive refractive power, and a biconvex lens L 6 having a positive refractive power and having a small radius of curvature toward the enlargement side.
  • the Lens L 5 from the lens L 3 constitutes a triplet lens lamination.
  • the second lens group G 2 is aspherical lens L 7 having a meniscus shape with a convex surface on the reduction side has a negative refractive power with a plastic, the Abbe number has a negative refractive power made of 70 or more glass
  • a biconcave lens L 8 having a concave surface facing the reduction side, a biconvex lens L 9 made of glass having an Abbe number of 35 or less, a positive refractive power and a small curvature radius on the enlargement side, and plastic in composed of aspherical lens L 10 of a meniscus shape with a convex surface on the enlargement side has a negative refractive power.
  • the free-form surface lens group 3 includes a plastic free-form lens L 11 having a convex surface facing the enlargement side and a free-form lens L 12 having a meniscus lens shape having a convex surface facing the enlargement side made of plastic. Is done.
  • FIG. 3 shows the lens data of Example 1.
  • the radius of curvature is represented by a positive sign when the center position of the radius of curvature is in the traveling direction, and the inter-surface distance represents the distance on the optical axis from the vertex position of each surface to the vertex position of the next surface.
  • Eccentricity is a value in the Y-axis direction
  • tilting is rotation about the X-axis in the YZ plane
  • eccentricity / falling acts in the order of eccentricity and tilting on the corresponding surface.
  • the next surface is placed at the position of the inter-surface distance on the new coordinate system on which.
  • DAR means decenter and return. Eccentricity and tilting act only on that surface and do not affect the next surface.
  • the glass name PMMA is a plastic acrylic.
  • FIG. 4 shows the free-form surface coefficient defined by Equation 1.
  • the free-form surface coefficient is a rotationally asymmetric shape with respect to each optical axis 9 (Z-axis), and is a shape defined by a conical term component and a XY polynomial term component.
  • X second order
  • Y third order
  • the position of each optical axis of the free-form surface is determined by the amount of decentering / falling in the lens data of FIG.
  • Fig. 5 shows the aspheric coefficients defined by Equation 2.
  • the aspheric coefficient has a rotationally symmetric shape with respect to each optical axis (Z-axis), and uses a component of a conic term and an even-order component of 4th to 20th order of the height h from the optical axis. Yes.
  • the odd-order polynomial aspheric coefficient shown in FIG. 6 is a shape obtained by adding an odd-order component to the aspheric surface in FIG. Since the height h is a positive value, it has a rotationally symmetric shape.
  • FIG. 7A shows an example using L 201 instead of L 1 for comparison
  • FIG. 7B shows an example using L 1 .
  • the image light emitted from the image display element 5 is refracted by a lens L 201 arranged at a distance of BFL.
  • the main plane of the biconvex lens (indicated by a dotted line) is located inside the biconvex lens.
  • the main plane of the L 1 is a plano-convex lens is located at the convex portion of the plano-convex lens. That is, the direction of the plano-convex lens, while ensuring a sufficient BFL, in the difference of the position of the main plane than the biconvex lens, it is possible refracted image light early, ray height on subsequent lens L 2 and subsequent This is advantageous in reducing the size of the projection optical system 1.
  • the refractive index in the lens L 1 is applied 1.8 or more glass, in Example 1 FDS90 the (HOYA).
  • Axial chromatic aberration ⁇ (Hm i 2 ⁇ i / ⁇ i)
  • Chromatic aberration of magnification ⁇ (Hm i Hp i ⁇ i / ⁇ i)
  • Refractive power ⁇ (Hm i ⁇ i )
  • the lens L 3 and the Abbe number to the convex lens in the lens L 4 and the lens L 5 is more than 70 glass, in terms of the Abbe number to the concave lens has applied the 25 following glass, further, generated in the lens L 1 for chromatic aberration is also corrected and increased refractive power of each lens ball lens L 3 and the lens L 4 and the lens L 5.
  • Results gave a large refractive power, since the size aberration occurs in each lens ball, by making the lens L 3 and the lens L 4 and the lens L 5 a cemented triplet lens, while performing correction of chromatic aberration, Occurrence of aberrations is prevented.
  • the lens L 2 is a plastic aspheric lens, and the refractive power of the lens L 2 is reduced in order to reduce the change in the refractive power of the plastic lens due to the temperature change, that is, ⁇ 2 ⁇ 0. Therefore, there is little influence on chromatic aberration.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of flange back adjustment.
  • the image display element 5 and the image plane 8 for the projection optical system constituted by the convex lens L 301 (corresponding to L 1 to L 5 in FIG. 1) and the convex lens L 302 (corresponding to L 6 in FIG. 1) are used.
  • Screen should be in a conjugate relationship, but if there is a positional deviation of the image display element 5 or lens ball in the assembly process, or a curvature radius error of the lens ball, the conjugate relationship between the image display element 5 and the image plane 8 is It will shift.
  • FIG. 8 it is possible to focus by moving the convex lens L 301 on the optical axis.
  • the axial ray between the convex lens L 301 and the convex lens L 302 is a substantially parallel ray 100, the flange back adjustment is performed without changing the focal length of the projection optical system 1 even if the convex lens L 301 is moved. It can be performed.
  • the flange back adjustment can also be performed by moving the free-form surface lens group 3 that is a focusing lens, but (1) the original moving range (adjustment range) of the focusing lens is shifted.
  • the component error of the coaxial lens group 2 is preferably corrected by the same lens group 2 for optical performance, so that the first lens group G 1 having the positive refractive power of the lens group 2 is selected. Separate into two refractive power components. Specifically, a lens L 5 from the lens L 1 in FIG. 1, is separated by the lens L 6, a lens L 5 from the lens L 1 by moving on the optical axis, it was flange back adjustment.
  • the Abbe number is 70 or more in the lens L 5 , but conversely the Abbe number is 35 or less in the lens L 6 .
  • FIG. 9 shows the minimum tilted light flux, the maximum tilted light flux, the axial ray equivalent height, and the principal ray equivalent height.
  • M 2 ⁇ M 1 using the pupil center light P 1 , upper limit light P 2, and lower limit light P 3 with the maximum tilted light beam P (light beam with an angle of view 4 in FIG. 2) having the maximum incident angle.
  • the lens L 7 has a small principal ray height of 1.65 mm for the incident surface and 2.15 mm for the exit surface, and the lens L 7 is mainly excellent in correcting spherical aberration.
  • the lens L 2 is the chief ray height has a large value in the negative and the incident surface -4.43Mm ⁇ exit surface -3.76Mm, mainly, excellent correction effects of aberration in the periphery of such distortion.
  • the lens L 10 has a large principal ray equivalent height, it has positive values such as an incident surface of 5.73 mm and an exit surface of 7.40 mm, and the combination with the aspherical correction function of the lens 2 is effective. Is.
  • a focal length -7137.9mm plastic lens L 2 is the absolute value 3000 It can be seen that the focal length of the lens L 7 is ⁇ 105.0 mm is as large as about 50 times in absolute value, and the refractive power is sufficiently small.
  • the lens L 7 is a plastic lens having a small refractive power
  • the lens L 8 is a glass lens having a large refractive power. Since it is possible to increase the lens length, it is advantageous for widening the angle.
  • Focal length -33.3mm of the lens L 10 of plastic as high as about 16 times, but a large power compared to the lens L 2 and the lens L 7.
  • This axial ray height equivalent of a lens L 10 shown in FIG. 25 is as small as about 70% of the axial ray height equivalent of a lens L 2 ⁇ lens L 7, on-axis to on-axis chromatic aberration because light corresponding height acting square, because the influence of the refractive power of the lens L 10 is small.
  • Lens group 2 is the focal length of the first lens group G 1 is 21.2 mm
  • the focal length of the second lens group G 2 is the configuration of the retrofocus called -50.0Mm
  • Lens L 3 and the lens L 4 and the combined triplet lens attaching the lens L 5 is the focal length of each lens ball is small focal length and 14.5mm and -5.6mm and 12.2 mm, a large refractive power, respectively
  • the focal length of the entire triplet lens is ⁇ 235.6 mm and the refractive power is negative. That is, the absolute value of f 1 / f L3L4L5 , which is the ratio of the focal length f L3L4L5 of the entire triplet lens and the focal length f 1 of the entire lens group 2, was 0.2 or less.
  • FIG. 8 shows distortion performance
  • FIG. 9 shows a lateral aberration diagram
  • FIG. 10 shows a spot diagram. It can be seen that good optical performance is achieved.
  • FIG. 14 is a configuration diagram of the projection optical system according to the second embodiment
  • FIG. 15 is a ray diagram of the second embodiment.
  • FIG. 16 shows lens data of Example 2 (PMMA of glass name is plastic acrylic, ZEONEX_K26R is a plastic material manufactured by Zeon),
  • FIG. 17 is a free-form surface coefficient of Example 2
  • FIG. 19 is an odd-order polynomial aspherical coefficient of Example 2
  • FIG. 21 is a distortion performance of Example 2
  • FIG. 23 is a spot diagram of Example 2. It can be seen that good optical performance is achieved.
  • the projection distance can be further reduced (wide angle) and the projection optical system can be reduced with the minimum number of lenses.

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Abstract

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

Description

投写型映像表示装置
　本発明は、投写型映像表示装置に関する。
　従来技術において、自由曲面光学素子である自由曲面レンズ２枚と自由曲面ミラー１枚を用いた投写光学系が知られている（特許文献１参照）。
特開２０１１－２５３０２４号公報
　特許文献１では、色合成プリズム（フィルタ類　厚さ２５．６４２ｍｍ）を配置するために大きなバックフォーカス（以下、ＢＦＬと称する）を確保すると共に、同軸系レンズ群のレンズ長（レンズ１入射面からレンズ１４出射面の距離）９１．１ｍｍ、映像表示素子から自由曲面ミラーの距離２００．６ｍｍ、自由曲面ミラーから像面までの距離５００ｍｍに対して８０インチの投写像（長辺１７０７ｍｍ）を実現している（投写比＝５００／１７０７＝０．３）。しかし、更なる投写距離の短縮化と投写光学系の小型化が求められている。
　そこで、本発明の目的は、更なる投写距離の短縮化（広角化）と投写光学系の小型化を実現した投写型映像表示装置を提供することにある。
　上記課題は、請求項に記載の手段により達成される。
　本発明によれば、更なる投写距離の短縮化（広角化）と投写光学系の小型化を実現した投写型映像表示装置を提供することができる。
実施例１の投写光学系の構成図。 実施例１の投写光学系の光線図。 実施例１のレンズデータ。 実施例１の自由曲面係数。 実施例１の非球面係数。 実施例１の奇数次多項式非球面係数。 レンズ１の形状の説明図。 フランジバック調整の説明図。 最小傾斜光束と最大傾斜光束の説明図。 実施例１の各レンズ玉の焦点距離。 実施例１の歪曲収差図。 実施例１の横収差図。 実施例１のスポット図。 実施例２の投写光学系の構成図。 実施例２の投写光学系の光線図。 実施例２のレンズデータ。 実施例２の自由曲面係数。 実施例２の非球面の係数。 実施例２の奇数次多項式非球面係数。 実施例２の各レンズ玉の焦点距離。 実施例２の歪曲収差図。 実施例２の横収差図。 実施例２のスポット図。 レトロフォーカスによるＢＦＬ確保の説明図。 広角化の光学設計の光線図。
　本発明を分かりやすく説明するため、まず、本発明の課題について説明する。図２４は、レトロフォーカスによるＢＦＬ確保の説明図である。図２４の投写光学系は、映像表示素子５の側から、正の屈折力を有するレンズＬ１０１、及び、負の屈折力を有するレンズＬ１０２からなる。光線がレンズＬ１０２側から入射したとすると、レンズＬ１０２の負の屈折力で光線を跳ね上げ、レンズＬ１０１の正の屈折力で光線を折り曲げる。レンズＬ１０２で光線を跳ね上げた分、焦点距離ｆの約２倍ものＢＦＬを確保している。
　ここで、広角化の問題点を整理するため、図２４のレトロフォーカスタイプで広角化の光学設計を実施した。図２５は、図２４と同様の構成でＢＦＬ＝２０．０ｍｍとした光学設計の光線図である。画角は半画角３０度に設定し、レンズＬ１０１とレンズＬ１０２は非球面形状としている。
　図２５（Ａ）では、レンズＬ１０１の焦点距離ｆ１０１＝１６．３ｍｍ、レンズＬ１０２の焦点距離ｆ１０２＝－３４．１ｍｍ、及び、レンズ長＝４３．６ｍｍで、投写光学系の焦点距離ｆ＝１０．０ｍｍを実現している（ＢＦＬ＝２ｆ）。図２５（Ｂ）では、レンズＬ１０１の焦点距離ｆ１０１＝１８．３ｍｍ、レンズＬ１０２の焦点距離ｆ１０２＝－２８．５ｍｍ、及び、レンズ長＝９８．９ｍｍで、投写光学系の焦点距離ｆ＝５．０ｍｍを実現している（ＢＦＬ＝４ｆ）。
　このように、広角化だけであれば投写光学系を大形化すれば達成できる。しかし、特許文献１の投写光学系（投写距離５００ｍｍで投写像８０インチ）を更に広角化した場合、投写距離は更に短くなるが、投写像と投写型映像表示装置との干渉の可能性が増大する。例えば、投写型映像表示装置の使用形態として４０インチの投写像を表示したい場合、投写距離が約２５０ｍｍ（＝５００×４０／８０）となり、投写像と投写型映像表示装置との干渉が起きてしまい、更なる広角化どころではない。
　尚、投写光学系の広角化を実現するための光線の跳ね上げは、レンズＬ１０１とレンズＬ１０２の間隔を広げる（大形化）だけでなく、レンズＬ１０１とレンズＬ１０２の屈折力を大きくすることでも可能である。しかし、レンズＬ１０１とレンズＬ１０２の屈折力を大きくすると、収差が大きくなり、光学性能が劣化する。そこで、通常はレンズ玉を分割する（レンズ枚数を増やす）。しかし、そうすると、凸レンズ玉同士の光軸上の距離の制約、凸レンズ玉のコバ厚の制約、凹レンズ玉の中心厚の制約、凹レンズ玉のコバ部の干渉の制約でもレンズ長が長くなる。更に、レンズ枚数の増加により、製造コストも増大する。
　次に、実施例１について説明する。図１は、投写光学系１の構成図である。投写光学系１では、光の進行方向に、映像表示素子５、換算フィルタ６、屈折作用を有し複数のレンズを含む同軸系のレンズ群２、自由曲面レンズ群３、自由曲面ミラー４、の順に配置されている。換算フィルタ６は、映像表示素子５の防塵ガラス、偏光板、色合成用プリズム等を含むものとして表現している。
　ここで、自由曲面レンズの屈折力は、レンズ群２の光軸に近い側の主光線が該当の自由曲面レンズを通過する通過距離よりも光軸から遠い側の主光線の通過距離が小さい場合を正の屈折力、逆に、レンズ群２の光軸に近い側の主光線が該当の自由曲面レンズを通過する通過距離よりも光軸から遠い側の主光線の通過距離が大きい場合を負の屈折力と定義する。尚、レンズ光軸と同じ光線の場合、通過距離はレンズの中心厚に等しくなる。
　映像表示素子５を出射した映像光は、換算フィルタ６を通過し、同軸系のレンズ群２と自由曲面レンズ群３で屈折作用を受け、自由曲面ミラー４で反射し、像面８（スクリーン）に投写される。
　レンズ群２は、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１、及び、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２からなるレトロフォーカスタイプである。又、第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２の間に開口絞り７が配置されている。
　以下、レンズの説明において、映像表示素子側を縮小側、光の進行方向（像面側）を拡大側、と称する。
　第１レンズ群Ｇ１は、ガラス製で正の屈折力を有し縮小側に小さい曲率半径を有するレンズＬ１、屈折率が１．８以上のプラスチック製の非球面レンズＬ２、アッベ数が７０以上のガラス製で正の屈折力を有し両凸形状のレンズＬ３、アッベ数が２５以下のガラス製で負の屈折力を有し両凹形状のレンズＬ４、アッベ数が７０以上のガラス製で正の屈折力を有し両凸形状のレンズＬ５、及び、ガラス製で正の屈折力を有し拡大側に小さい曲率半径を向けた両凸形状のレンズＬ６で構成される。レンズＬ３からレンズＬ５は、貼合せのトリプレットレンズを構成する。
　第２レンズ群Ｇ２は、プラスチック製で負の屈折力を有し縮小側に凸面を向けたメニスカス形状の非球面レンズＬ７、アッベ数が７０以上のガラス製で負の屈折力を有し縮小側に凹面を向けた両凹形状のレンズＬ８、アッベ数が３５以下のガラス製で正の屈折力を有し拡大側の曲率半径が小さい両凸形状のレンズＬ９、及び、プラスチック製で負の屈折力を有し拡大側に凸面を向けたメニスカス形状の非球面レンズＬ１０で構成される。
　自由曲面レンズ群３は、プラスチック製で拡大側に凸面を向けたメニスカスレンズ形状の自由曲面レンズＬ１１と、プラスチック製で拡大側に凸面を向けたメニスカスレンズ形状の自由曲面レンズＬ１２とで構成される。
　図３に実施例１のレンズデータを示す。曲率半径は曲率半径の中心位置が進行方向にある場合を正の符合で表し、面間距離は各面の頂点位置から次の面の頂点位置までの光軸上の距離を表す。
　偏心はＹ軸方向の値であり、倒れはＹＺ平面内でＸ軸回りの回転であり、偏心・倒れは、該当の面で偏心と倒れの順に作用し、「普通偏心」では、偏心・倒れが作用した新しい座標系上での面間距離の位置に次の面が配置される。一方、「ＤＡＲ」は、デセンタ・アンド・リターンの意味で、偏心と倒れはその面でのみ作用し、次の面に影響しない。ガラス名のＰＭＭＡは、プラスチックのアクリルである。
　図４に数１で定義した自由曲面係数を示す。自由曲面係数は、それぞれの光軸９（Ｚ軸）に対して回転非対称な形状であり、円錐項の成分とＸＹの多項式の項の成分で定義される形状である。例えば、Ｘが２次（ｍ＝２）でＹが３次（ｎ＝３）の場合は、ｊ＝｛(２＋３)２＋２＋３×３｝／２＋１＝１９であるＣ１９の係数が対応する。又、自由曲面のそれぞれの光軸の位置は、図３のレンズデータでの偏心・倒れの量によって定まる。
　図５に数２で定義した非球面係数を示す。非球面係数は、それぞれの光軸（Ｚ軸）に対して回転対称な形状であり、円錐項の成分と光軸からの高さｈの４次から２０次の偶数次の成分を使用している。
　図６に示した奇数次多項式非球面係数は、図５の非球面に奇数次の成分を加えた形状である。高さｈは正の値なので、回転対称な形状である。
　実施例１のレンズ構成に関して、図７から図９を用いて説明する。最初に図７を用いて、レンズＬ１について説明する。図７（Ａ）は比較のためＬ１の代わりにＬ２０１を用いた例を示し、図７（Ｂ）はＬ１を用いた例を示す。
　映像表示素子５から出射した映像光は、ＢＦＬの距離をおいて配置したレンズＬ２０１で屈折される。この場合、両凸レンズの主平面（点線で表示）は両凸レンズの内部に位置する。一方、平凸レンズであるＬ１の主平面は平凸レンズの凸面部に位置する。即ち、平凸レンズの方は、十分なＢＦＬを確保しながらも、両凸レンズに比べて主平面の位置の違いで、映像光を早めに屈折できるので、後続のレンズＬ２以降での光線高さを小さくでき、投写光学系１の小形化に有利となる。更に、レンズＬ１で発生する収差を小さくするために、レンズＬ１には屈折率が１．８以上のガラス、実施例１ではＦＤＳ９０（ＨＯＹＡ）を適用している。
　ところで、図２４に示した軸上光線（Marginal Ray）の光線高さＨｍと、主光線（Principle Ray）の光線高さＨｐと、各レンズの屈折力φ（＝焦点距離の逆数）と、各レンズのアッベ数νを用いると、軸上色収差と倍率色収差が以下の式で定義できる。
軸上色収差＝Σ（Ｈｍｉ ２φｉ／νｉ）
倍率色収差＝Σ（ＨｍｉＨｐｉφｉ／νｉ）
屈折力＝Σ（Ｈｍｉφｉ）
　例えば、凸と凹のレンズ玉を距離０で配置した場合は、光線高さは同じなので、色補正の条件が「φ１／ν１＋φ２／ν２＝０」、屈折力の条件が「φ＝φ１＋φ２」となる。ここで、図２４のレトロフォーカスでの正のレンズ群を想定して、光学系全体の屈折力を正とすると、通常、凸レンズにはアッベ数の大きなガラスを、凹レンズにはアッベ数の小さなガラスを適用する。
　しかし、実施例１のレンズＬ１に屈折率の大きなガラスを適用した結果、アッベ数は小さくなった。そこで、レンズＬ３とレンズＬ４とレンズＬ５の凸レンズにはアッベ数が７０以上のガラスを、凹レンズにはアッベ数が２５以下のガラスを適用した上で、更に、レンズＬ１で発生した色収差も補正するために、レンズＬ３とレンズＬ４とレンズＬ５の各レンズ玉の屈折力を大きくした。大きな屈折力を与えた結果、各レンズ玉では大きさ収差が発生するので、レンズＬ３とレンズＬ４とレンズＬ５を貼合せのトリプレットレンズとすることで、色収差の補正を行いながらも、収差の発生を防いでいる。
　尚、レンズＬ２はプラスチッチ製の非球面レンズであり、温度変化によるプラスチックレンズの屈折力の変化を低減するために、レンズＬ２の屈折力を小さくしている、即ち、φ２≒０なので、色収差に対する影響は少ない。
　図８は、フランジバック調整の説明図である。本来、凸レンズＬ３０1（図１のＬ１～Ｌ５に相当）と凸レンズＬ３０２（図１のＬ６に相当）で構成された投写光学系に対して、映像表示素子５と像面８（スクリーン）は共役関係にあるべきだが、組立工程での映像表示素子５やレンズ玉の位置ズレや、レンズ玉の曲率半径エラーなどがあると、映像表示素子５と像面８との共役関係がずれてしまう。
　そこで、図８では、凸レンズＬ３０1を光軸上で動かすことで、合焦させることが可能となる。図８では、凸レンズＬ３０1と凸レンズＬ３０２の間の軸上光線を、略平行光線１００としているので、凸レンズＬ３０1移動させても投写光学系１の焦点距離を変化させずに、フランジバック調整を行うことができる。
　本発明の投写光学系では、合焦レンズである自由曲面レンズ群３を動かすことでも、フランジバック調整ができるが、（１）本来の合焦レンズの移動範囲（調整範囲）にズレが生じてしまう、（２）同軸系のレンズ群２の部品エラーは同じレンズ群２で補正することが光学性能にとって望ましい、との理由により、レンズ群２の正の屈折力の第１レンズ群Ｇ１を２つの屈折力の成分に分離する。具体的には、図１でレンズＬ１からレンズＬ５と、レンズＬ６で分離し、レンズＬ１からレンズＬ５を光軸上で移動させることで、フランジバック調整を行った。
　ここで、レンズＬ５とレンズＬ６の間に開口絞り７を配置しているので、レンズＬ５とレンズＬ６では、主光線の光線高さの符合が正負で逆になる。従って、先に説明した倍率色収差に関しては、レンズＬ５とレンズＬ６で作用が異なるので、レンズＬ５ではアッベ数を７０以上としたが、レンズＬ６では逆にアッベ数を３５以下とした。
　ところで、一般的に、非球面を有効に活用することで、レンズ枚数の低減や、より難易度の高い光学系の光学設計が可能となる。しかし、非球面が適切に光学系に配置されてない場合は、非球面の作用は期待できない。
　図９に、最小傾斜光束、最大傾斜光束と軸上光線相当高さ、及び、主光線相当高さを示す。ＹＺ断面において像面８に斜投写する光束で、入射角度が最小となる最小傾斜光束Ｍ（図２で画角７の光束）での瞳中心光Ｍ１・上限光Ｍ２・下限光Ｍ３と、入射角度が最大となる最大傾斜光束Ｐ（図２で画角４の光束）での瞳中心光Ｐ１・上限光Ｐ２・下限光Ｐ３を用いて、「Ｍ２－Ｍ１」を軸上光線相当高、「Ｐ１－Ｍ１」を主光線相当高さとして示した。
　図９で、レンズＬ７は主光線高さが入射面１．６５ｍｍ・出射面２．１５ｍｍと小さな値を有し、主に、レンズＬ７では主に球面収差の補正作用に優れる。一方、レンズＬ２は主光線高さが入射面－４．４３ｍｍ・出射面－３．７６ｍｍと負で大きな値を有し、主に、歪曲収差などの周辺の収差の補正作用に優れる。同様に、レンズＬ１０も主光線相当高さが大きいが、入射面５．７３ｍｍ・出射面７．４０ｍｍと正の値を有しており、レンズ２の非球面の補正作用との組合せが効果的である。
　次に、図７に実施例１の各レンズ玉の焦点距離（＝屈折力の逆数）を示す。投写倍率（＝像サイズ／物サイズ）と投写距離を用いて計算した投写光学系１の焦点距離２．１ｍｍに対して、プラスチック製のレンズＬ２の焦点距離－７１３７．９ｍｍは絶対値で３０００倍以上、レンズＬ７の焦点距離－１０５．０ｍｍも絶対値で約５０倍と大きく、屈折力が十分に小さいことが分かる。
　このようにレンズＬ７の屈折力は小さいので、レンズＬ７を屈折力の小さいプラスチックレンズとして、レンズＬ８を屈折力の大きいガラスレンズとすることで、先に、図２５で説明した実質的なレンズ長を大きくできるので、広角化に有利である。
　プラスチック製のレンズＬ１０の焦点距離－３３．３ｍｍも約１６倍と大きいが、レンズＬ２とレンズＬ７に比べれば屈折力が大きい。これは、図２５で示したレンズＬ１０での軸上光線相当高さは、レンズＬ２・レンズＬ７での軸上光線相当高さの約７０％と小さく、軸上色収差には軸上光線相当高さは自乗で作用するので、レンズＬ１０の屈折力の影響が小さいからである。
　レンズ群２は、第１レンズ群Ｇ１の焦点距離が２１．２ｍｍ、第２レンズ群Ｇ２の焦点距離が－５０．０ｍｍというレトロフォーカスの構成である。レンズＬ３とレンズＬ４とレンズＬ５を貼り合わせたトリプレットレンズは、各レンズ玉の焦点距離は１４．５ｍｍと－５．６ｍｍと１２．２ｍｍと小さい焦点距離であり、それぞれ大きな屈折力を有しているが、トリプレットレンズ全体では焦点距離は－２３５．６ｍｍと屈折力が負になっている。即ち、トリプレットレンズ全体の焦点距離ｆL3L4L5と、レンズ群２全体の焦点距離ｆ１の比であるｆ１／ｆL3L4L5の絶対値は０．２以下となった。
　実施例１の光学性能として、図８に歪曲性能を、図９に横収差図を、図１０にスポット図を示す。それぞれ、良好な光学性能を達成していることが分かる。
　実施例１では、投写距離Ａ＝１７２．２ｍｍ、投写像の長辺の長さＷ８＝８６１．４（対角４０インチ）なので、投写比０．２（＝Ａ／Ｗ８）という広角化を実現した。又、同軸系のレンズ群の長さＢ＝５２．４ｍｍ、画像表示素子５の画像有効範囲の長辺の長さＷ５＝９．８ｍｍなので、換算同軸系レンズ長５．４（＝Ｂ／Ｗ５）という小形化も実現した。投写比０．２と換算同軸レンズ系長５．４の積は、１．０７と小さい値を達成した。
　一方、特許文献１の投写光学系では、投写距離Ａ＝５００ｍｍを投写像の長辺の長さＷ８＝１７０６（対角８０インチ）で割って投写比０．３（＝Ａ／Ｗ８）、同軸系レンズ群の長さＢ＝９１．１ｍｍを画像表示素子５の画像有効範囲の長辺の長さＷ５＝１３．４４ｍｍで割って換算同軸系レンズ群長６．８（＝Ｂ／Ｗ５）であり、投写比０．３と換算同軸系レンズ群長６．８の積は、１．９９である。
　図１４から図２３を用いて、実施例２について説明する。図１４は実施例２の投写光学系の構成図、図１５は実施例２の光線図である。又、図１６は実施例２のレンズデータ（ガラス名のＰＭＭＡはプラスチックのアクリル、ＺＥＯＮＥＸ＿Ｋ２６Ｒはゼオン社製のプラスチック材料）、図１７は実施例２の自由曲面係数、図１８は実施例２の非球面係数、図１９は実施例２の奇数次多項式非球面係数、図２０は実施例２の各レンズ玉の焦点距離（＝屈折力の逆数）、図２１は実施例２の歪曲性能、図２２は実施例２の横収差図、図２３は実施例２のスポット図を示す。それぞれ、良好な光学性能を達成していることが分かる。
　実施例２では、投写距離Ａ＝１７２．６ｍｍで、投写像の長辺の長さＷ８＝８８８．７（対角４０インチ強）なので、投写比０．２（＝Ａ／Ｗ８）という広角化を実現した。又、同軸系レンズ群の長さＢ＝５２．７ｍｍ、映像表示素子５の画像有効範囲の長辺の長さＷ５＝１０．１ｍｍなので、換算同軸系レンズ群長５．２（＝Ｂ／Ｗ５）という小形化を実現した。投写比０．２と換算同軸系レンズ群長５．４の積は、１．０２となり、１．５以下という小さい値を達成した。
　以上より、本発明は、必要最低限のレンズ枚数で、更なる投写距離の短縮化（広角化）と投写光学系の小型化を実現できる。
１…投写光学系、２…同軸レンズ系、Ｇ１…第１レンズ群、Ｇ２…第２レンズ群、３…自由曲面レンズ群、４…自由曲面ミラー、５…映像表示素子、６…換算フィルタ、７…開口絞り、８…像面、９…光軸、Ｌ１…第１レンズ、Ｌ２…第２レンズ、Ｌ３…第３レンズ、Ｌ４…第４レンズ、Ｌ５…第５レンズ、Ｌ６…第６レンズ、Ｌ７…第７レンズ、Ｌ８…第８レンズ、Ｌ９…第９レンズ、Ｌ１０…第１０レンズ、Ｌ１１…第１自由曲面レンズ、Ｌ１２…第２自由曲面レンズ。

Claims (5)

  1. 映像表示素子に対して光の進行方向に配置され、複数のレンズを含むレンズ群と、
    前記レンズ群に対して光の進行方向に配置される第１の自由曲面レンズと、
    前記第１の自由曲面レンズに対して光の進行方向に配置される第２の自由曲面レンズと、
    前記第２の自由曲面レンズから出射する光を反射してスクリーン上に傾斜して投写する自由曲面ミラーを備え、前記レンズ群は、前記映像表示素子側から順に、
    正の屈折力を有し前記映像表示素子側に小さい曲率半径を向けた両凸形状の第１レンズと、
    非球面形状の第２レンズと、
    正の屈折力を有し両凸形状の第３レンズと、
    負の屈折力を有し両凹形状の第４レンズと、
    正の屈折力を有し両凸形状の第５レンズと、
    正の屈折力を有し拡大側に小さい曲率半径を向けた両凸形状の第６レンズと、
    負の屈折力を有し縮小側に凸面を向けたメニスカス形状、かつ、非球面形状の第７レンズと、
    負の屈折力を有し両凹形状の第８レンズと、
    正の屈折力を有し拡大側に小さい曲率半径を向けた両凸形状の第９レンズと、
    負の屈折力を有し拡大側に凸面を向けたメニスカス形状、かつ、非球面形状の第１０レンズを備え、
    前記第３、第４、及び第５レンズは、それぞれが貼り合わされたトリプレットレンズを構成し、
    前記第１及び第２の自由曲面レンズは、拡大側に凸面を向けたメニスカスレンズ形状である、投写型映像表示装置。
  2. 前記第１レンズの屈折率は１．８より大きい、請求項１記載の投写型映像表示装置。
  3. 前記第３レンズのアッベ数は７０より大きく、
    前記第４レンズのアッベ数は２５より小さく、
    前記第５レンズのアッベ数は７０より大きく、
    前記トリプレットレンズ全体の焦点距離ｆL3L4L5と、前記レンズ群全体の焦点距離ｆ１の比、ｆ１／ｆL3L4L5の絶対値が０．２以下である、請求項１又は２記載の投写型映像表示装置。
  4. 前記第６レンズのアッベ数は３５より小さい、請求項１乃至３何れか一に記載の投写型映像表示装置。
  5. 前記投写光学系の投写距離Ａと、投写像の長辺の長さＷ８とで定義する投写比（Ａ／Ｗ８）に、前記レンズ群の長さＢを、前記映像表示素子の画像有効範囲の長辺の長さＷ５で規格化した値（Ｂ／Ｗ５）を掛けた値（Ａ／Ｗ８）×（Ｂ／Ｗ５）は１．５以下である、請求項１乃至４何れか一に記載の投写型映像表示装置。
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