WO2016017434A1 - 投影光学系及び投影装置 - Google Patents

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WO2016017434A1
WO2016017434A1 PCT/JP2015/070360 JP2015070360W WO2016017434A1 WO 2016017434 A1 WO2016017434 A1 WO 2016017434A1 JP 2015070360 W JP2015070360 W JP 2015070360W WO 2016017434 A1 WO2016017434 A1 WO 2016017434A1
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optical system
projection
reflective
screen
refractive
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PCT/JP2015/070360
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Inventor
佐野永悟
Original Assignee
コニカミノルタ株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/16—Optical objectives specially designed for the purposes specified below for use in conjunction with image converters or intensifiers, or for use with projectors, e.g. objectives for projection TV
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/18—Optical objectives specially designed for the purposes specified below with lenses having one or more non-spherical faces, e.g. for reducing geometrical aberration
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
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    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details

Definitions

  • the present invention relates to a projection optical system for projecting an image and a projection apparatus incorporating the projection optical system.
  • a projection apparatus for enlarging and projecting an image displayed on an image display element on a screen by a projection optical system is desired to have a wide-angle projection optical system that can be projected on a large screen even at a short projection distance while being small and light. ing.
  • the majority of front-projection projectors that were placed directly against the screen were used.
  • the front-projection projectors were used to display the shadow of the presenter on the screen.
  • the projection light of the projector enters the eyes of the person and feels dazzling. Therefore, in order to solve such a problem, short focus projectors that can be arranged at positions close to the screen, such as directly below or above the screen, have appeared. In such short focus projectors, there is currently a strong demand for being small and capable of projecting a large screen.
  • there is an active movement to increase the resolution of image display elements and accordingly, there is an increasing demand for higher performance for projection optical systems.
  • an optical device having a combination of a refractive optical system having a plurality of lens groups and a reflective optical system including a mirror is used.
  • a system is disclosed.
  • the projection optical system of Patent Document 1 uses a lot of plastic lenses to actively reduce the weight, and realizes a large screen projection despite a short projection distance.
  • the total length of the refractive optical system can be sufficiently reduced, and an odd-order aspheric surface is used for the concave mirror part, but the optical performance is also sufficient. I can't say that.
  • the projection optical system of Patent Document 2 obtains good optical characteristics by using a free-form surface (XY polynomial surface) as a concave mirror to improve the shape freedom.
  • a free-form surface XY polynomial surface
  • the processing difficulty increases, the surface shape correction after processing becomes complicated, and the adjustment at the time of incorporation becomes complicated There is a problem such as, and productivity is impaired.
  • JP 2013-120365 A Japanese Patent No. 4210314
  • the present invention has been made in view of the above-described background art, and uses a reflective optical element having a rotationally symmetric optical surface that is easy to process and adjust, and can be projected on a small screen with a large screen.
  • An object of the present invention is to provide a projection optical system having good optical performance over the entire area.
  • a projection optical system is a projection optical system for a projection apparatus that enlarges an image obtained from an image display element and projects it on a screen, in order from the image display element side, A refractive optical system having a plurality of lens groups; and a reflective optical system that reflects the light emitted from the refractive optical system and guides it to the screen.
  • the reflective optical system has at least one reflective optical element and is reflective.
  • the optical element is divided into a plurality of regions having a concentric circle centered on the optical axis as a boundary, and has an aspheric shape using a different aspheric formula for each region.
  • the reflection optical system may include an optical element having substantially no power (for example, flat glass, a reflection mirror, etc.).
  • the basic configuration of the present invention includes, in order from the image display element side, a refractive optical system having a plurality of lens groups, and a reflective optical system that reflects the light emitted from the refractive optical system and guides it to the screen.
  • the system has at least one reflective optical element.
  • a special surface such as an odd-numbered aspheric surface or a free-form surface is used for the reflection optical system to improve the degree of freedom of shape. Is the current situation.
  • a reflective optical element with a large separation of each light beam is formed with a highly flexible surface shape. It becomes important to do.
  • the reflecting optical element in the projection optical system of the present invention is a plane rotationally symmetric with respect to the optical axis, but in order to improve the degree of freedom of shape, a plurality of concentric circles centered on the optical axis are used as boundaries.
  • each region is formed of an annular aspheric surface (hereinafter also referred to as a divided aspheric surface) that is expressed by different aspheric coefficients.
  • the projection optical system satisfies the following conditional expression. 0.50 ⁇
  • DS is the distance on the optical axis from the aperture stop disposed in the refractive optical system to the reflective optical element having an aspherical shape
  • TL is the light from the image display element to the reflective optical element having an aspherical shape. The distance on the axis.
  • Conditional expression (1) indicates the distance on the optical axis from the aperture stop arranged in the refractive optical system to the reflection optical element having the above-mentioned aspheric shape, and from the image display element to the reflection optical element having the aspheric shape. Is a conditional expression for appropriately setting the ratio to the distance on the optical axis.
  • the value of the conditional expression (1) exceeds the lower limit, the divided aspherical surface is sufficiently separated from the aperture stop, and the light ray hitting the aspherical surface becomes a different position for each image height reaching the screen. Therefore, it becomes easier to improve performance independently.
  • conditional expression (1) when the value of conditional expression (1) is below the upper limit, the effective diameter of the reflective optical element can be reduced, the entire projection optical system can be reduced in size, and the workability of the reflective optical element is not impaired.
  • is more preferably in the range of the following equation. 0.60 ⁇
  • the refractive optical system and the reflective optical system have a common optical axis.
  • the refractive optical system and the reflective optical system are not decentered from each other, and the difficulty of assembling the optical system can be reduced.
  • At least one surface of the lens disposed closest to the screen of the refractive optical system has an aspheric shape, and the at least one surface having the aspheric shape is light. It has a shape with extreme values at points other than the axis. In this case, distortion of the projected image on the screen can be suppressed and a high-performance projected image can be obtained.
  • a reflective optical element having an aspherical shape satisfies the following conditional expression.
  • h is the height [mm] from the optical axis of the boundary
  • Xin ′ (h) is a first-order differential value at the boundary position on the surface closer to the optical axis than the boundary
  • Xout ′ (h) is It is a first-order differential value at the boundary position on the surface outside the boundary.
  • a power of 10 is expressed using E.
  • Conditional expression (2) defines the absolute value of the difference between the first-order differential values on the boundary of the aspherical surface of each region in contact with the boundary in the region-divided aspherical surface.
  • the following conditional expression is satisfied. ⁇ 10.0 ⁇ FLsc / FL ⁇ 0.50 (3)
  • FLsc is a focal length of a lens disposed at a position closest to the screen of the refractive optical system
  • FL is a focal length of the entire refractive optical system.
  • the focal length here is a focal length in paraxial.
  • Conditional expression (3) is a conditional expression for appropriately setting the ratio between the focal length of the lens disposed at the position closest to the screen of the refractive optical system and the focal length of the entire refractive optical system.
  • conditional expression (3) exceeds the lower limit, the negative refractive power of the lens disposed at the position closest to the screen of the refractive optical system can be appropriately maintained. Therefore, it becomes possible to satisfactorily correct field curvature and distortion.
  • conditional expression (3) is below the upper limit, the negative refractive power does not become excessively strong, the effective diameter of the reflective optical element can be reduced, and the size of the entire optical system can be reduced. Can be small.
  • the reflective optical system has only one reflective optical element having power.
  • the reflective optical system has only one reflective optical element having power.
  • a special aspherical shape divided into regions as in the present invention for the reflective optical element a sufficient size reduction can be achieved without using two or more reflective optical elements having power.
  • a projection apparatus includes the above-described projection optical system and an image display element provided in a stage preceding the optical path of the projection optical system.
  • FIG. 1A and 1B are diagrams illustrating the structure and usage of a projection apparatus according to an embodiment of the present invention. It is sectional drawing explaining the projection optical system etc. of Example 1.
  • FIG. It is a figure explaining the concrete projection optical path of the image of Example 1.
  • FIG. 4A to 4C are MTF characteristic diagrams showing the performance of the projection optical system of Example 1.
  • FIG. It is a figure explaining the MTF evaluation point on a screen.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a projection optical system and the like of Example 2. It is a figure explaining the concrete projection optical path of the image of Example 2.
  • FIG. 8A to 8C are MTF characteristic diagrams showing the performance of the projection optical system of Example 2.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a projection optical system and the like of Example 3. It is a figure explaining the concrete projection optical path of the image of Example 3.
  • FIG. 11A to 11C are MTF characteristic diagrams showing the performance of the projection optical system of Example 3.
  • FIG. 11A to 11C are MTF characteristic diagrams showing the performance of the projection optical system of Example 3.
  • FIG. 1A is a diagram for explaining an internal structure and a usage pattern of an example of a projection apparatus 100 according to the present embodiment.
  • a projection apparatus 100 shown in FIG. 1A is a short-focus or short-distance projection type projector, and emits display light toward a screen surface (projection surface) Sc that intersects the optical axis of a refractive optical system disposed therein. The light is emitted and a close projection of the image is performed.
  • FIG. 1B is a diagram for explaining the internal structure and usage of another example of the projection apparatus 100 according to this embodiment.
  • the projection apparatus 100 shown in FIG. 1B emits display light toward a screen surface (projection surface) Sc that is substantially parallel to the optical axis of the refractive optical system disposed therein, and performs proximity projection of an image. It has become.
  • 1A and 1B has a structure in which an illumination optical system 10, a polarizing beam splitter 20, a reflective liquid crystal element 30, a projection optical system 40, and a drive circuit 60 are incorporated in a casing 100a.
  • the housing 100a is a box-shaped member, and has an exit window 100f for the image light PL1 in a part of the outer shape. Note that an operation unit for the user to place the projection apparatus 100 in a desired operation state may be provided at an appropriate position on the housing 100a.
  • the illumination optical system 10 includes a light emission source (illumination light source), a condensing optical system, a polarization conversion element, and the like, although detailed description is omitted.
  • a light emission source illumination light source
  • a condensing optical system converts, for example, illumination light from the three color LEDs or the like into substantially parallel light.
  • the polarization conversion element converts incident light into a specific polarization state. Note that a combination of a laser or other excitation light source and a phosphor that generates fluorescence when irradiated with excitation light can be used as the light emission source.
  • the polarization beam splitter 20 is formed by bonding a pair of right-angle prisms 22a and 22b, and reflects linearly polarized light in a predetermined direction incident from the illumination optical system 10 on the inclined surface of the one right-angle prism on the bonded surface.
  • a reflective surface 21 is formed. Thereby, the illumination light emitted from the illumination optical system 10 and linearly polarized in a predetermined direction can be reflected and incident on the reflective liquid crystal element 30.
  • the light that has been modulated by the reflective liquid crystal element 30 and whose polarization direction has been switched is returned to the polarizing beam splitter 20 and passes through the reflecting surface 21.
  • the reflective liquid crystal element 30 is a display element (image display element) that forms image light, and can be said to be a light modulation element, particularly in that image light is formed from illumination light by changing spatial transmittance.
  • the reflective liquid crystal element (image display element) 30 is an image display panel that is a plate-like electronic component.
  • the reflection type liquid crystal element 30 is a micro display also called LCOS (Liquid crystal on silicon), for example, and a circuit is directly formed on the surface of a silicon chip, and a liquid crystal layer is sandwiched between the opposite substrate. It is a thing.
  • the projection optical system 40 includes a refractive optical system 41 and a reflective optical system 42.
  • the refractive optical system 41 includes a plurality of lens groups. Each lens constituting this lens group is formed of glass or a resin material and has a circular outline when viewed from the optical axis direction. However, since the lens close to the reflective optical element 42a tends to have a larger diameter, a part of the unused area can be cut.
  • the optical surface of each lens is spherical or aspheric and has a rotationally symmetric shape.
  • the reflective optical system 42 shown in FIG. 1A has a reflective optical element 42a on the emission side.
  • the reflective optical element 42a is formed of glass or a resin material, and the surface is coated with a reflective film.
  • the optical surface of the reflective optical element 42a which will be described in detail later, is a split-type aspherical surface and has an optical surface shape that is rotationally symmetric when viewed from the optical axis direction, but is partially cut off from a circular outline. It has become a thing.
  • the reflection optical system 42 shown in FIG. 1B has reflection optical elements 42b and 42a on the emission side.
  • the reflective optical elements 42b and 42a are formed of glass or a resin material, and the surface is coated with a reflective film.
  • the optical surface of one reflective optical element 42b is a flat surface.
  • the optical surface of the other reflective optical element 42a is a split-type aspherical surface and has an optical surface shape that is rotationally symmetric when viewed from the optical axis direction, but is obtained by cutting a part from a circular outline. Yes.
  • the projection apparatus 100 can be placed vertically with respect to the screen surface Sc, and the arrangement space can be used more effectively than the configuration shown in FIG. 1A.
  • the drive circuit 60 can appropriately operate the illumination optical system 10, the reflective liquid crystal element 30, and the like based on a program incorporated therein or an instruction from an operation unit (not shown).
  • the drive circuit 60 outputs a drive signal to the illumination optical system 10 and the reflective liquid crystal element 30 based on, for example, a video signal input from the outside, and causes the reflective liquid crystal element 30 to perform a display operation.
  • FIG. 2 is a side sectional view for explaining a specific configuration example of the projection optical system 40 and the like, and FIG. 3 shows a specific projection optical path of an image.
  • the projection optical system 40 shown in FIG. 2 is emitted from the refractive optical system 41 having the plurality of lens groups 41a and the refractive optical system 41 in order from the reflective liquid crystal element 30 side which is an image display element.
  • the refractive optical system 41 and the reflective optical system 42 have a common optical axis. Therefore, the refractive optical system 41 and the reflective optical system 42 are not decentered from each other, and the assembly of the optical system is relatively easy.
  • light incident on the refractive optical system 41 from the reflective liquid crystal element 30 that is an image display element passes through the refractive optical system 41 and is then reflected by the reflective optical system 42.
  • the light reflected by the reflection optical system 42 is magnified and travels toward the screen surface Sc.
  • the plurality of lens groups 41a in the refractive optical system 41 of the projection optical system 40 each include one or a plurality of lenses, and are composed of, for example, lenses L1 to L12 as a whole.
  • At least one surface of the lens (specifically, the lens L12) disposed at the position closest to the screen of the refractive optical system 41 has an aspherical shape.
  • At least one surface having such an aspherical shape has a shape having an extreme value at a point other than the optical axis.
  • the reflection optical system 42 has at least one reflection optical element 42a.
  • the reflective optical element 42a is divided into a plurality of regions with a concentric circle centered on the optical axis as a boundary, and has an aspheric shape using a different aspheric formula for each region.
  • the reflective optical system 42 has only one reflective optical element 42a having power.
  • the reflection optical system 42 may further include a reflection optical element having no power.
  • the number of reflective optical elements may be increased to two or three. For example, if a reflection optical element 42b that bends the optical path is added between the lens L12 and the reflection optical element 42a of the projection optical system 40 shown in FIG. 2, the projection apparatus 100 in the usage pattern shown in FIG. 1B is obtained.
  • the projection optical system 40 satisfies the following conditional expression. 0.50 ⁇
  • DS is the distance on the optical axis from the aperture stop S disposed in the refractive optical system 41 to the reflective optical element 42a
  • TL is the distance on the optical axis from the image display element to the reflective optical element 42a.
  • is more preferably in the range of the following equation. 0.60 ⁇
  • the reflective optical element 42a having an aspherical shape satisfies the following conditional expression.
  • h is the height [mm] from the optical axis of the boundary, and when considering the surface position X in the optical axis direction as a function, Xin ′ (h) is on the optical axis side from any arbitrary boundary. Is a first-order differential value at the boundary position, and Xout ′ (h) is a first-order differential value at the boundary position on the surface outside the boundary.
  • the projection optical system 40 satisfies the following conditional expression. ⁇ 10.0 ⁇ FLsc / FL ⁇ 0.50 (3)
  • FLsc is the focal length of the lens arranged at the position closest to the screen of the refractive optical system 41
  • FL is the focal length of the entire refractive optical system 41.
  • a general projector optical system uses a light source with a very high output, so the refractive optical system close to the image display element is easily affected by heat from the light source, making it difficult to use a lot of plastic lenses. As a result, the ratio of glass spherical lenses increases. Therefore, in order to obtain good optical performance with a small number of lenses, a special surface such as an odd-numbered aspherical surface or a free-form surface is used for the reflecting optical system to improve the degree of freedom of shape.
  • a short-focus projection optical system that has a short projection distance and is compatible with a large screen, the light beam reflected by the reflective optical element is incident on the screen surface at a very large angle, and the optical path difference in the vertical direction of the screen is large. In order to correct aberrations satisfactorily over the entire area, it is important to form a reflective optical element in which each light beam is largely separated with a surface shape having a high degree of freedom.
  • the reflective optical element 42a is divided into a plurality of regions having a concentric circle centered on the optical axis as a boundary, and each region is represented by a different aspheric coefficient.
  • an annular aspheric surface as described above, it is possible to improve the degree of freedom of shape even though the surface is rotationally symmetric with respect to the optical axis. Accordingly, it is possible to obtain a projection optical system 40 that is small and light, and that has been corrected for aberrations over the entire screen and that can project a large screen with a short focus.
  • the shape of the non-divided aspheric surface is expressed by the following “Equation 1”, where the vertex of the surface is the origin, the X axis is the optical axis direction, and the height in the direction perpendicular to the optical axis is h. .
  • the shape of the area-divided aspherical surface is expressed by the following “Equation 1” as in the case of the non-divided-type aspherical surface, but different values Ai, R, and K are used for each area.
  • Ai i-order aspheric coefficient
  • R radius of curvature
  • K conic constant
  • Table 1 below shows data such as lens surfaces of the projection optical system of Example 1.
  • “Surf-N” represents a surface number
  • “R” represents a radius of curvature
  • “D” represents a surface interval
  • “nd” represents a d-line refractive index
  • “vd” represents the Abbe number.
  • DDS represents a display element surface
  • “ASS” represents an aspheric surface
  • ST represents an aperture stop
  • MRS represents a reflective surface
  • SCS represents a screen surface
  • Infinity is expressed as “INF”.
  • Table 2 below shows non-divided aspheric coefficients of the refractive optical system in the projection optical system of Example 1. Incidentally, in this following description (including lens data in Tables), and it represents an exponent of 10 (for example, 2.5 ⁇ 10-0 2) using E (for example, 2.5E-02).
  • Table 3 shows the split-type aspherical coefficients of the reflecting surface (the 26th surface) of the reflecting optical system in the projection optical system of Example 1.
  • the aspherical surface of the twenty-sixth surface has a first region surface range 0 ⁇ h ⁇ 15.6 when the height from the optical axis is h, and an intermediate second region surface range surrounding the first region surface. It is divided into 15.6 ⁇ h ⁇ 31.2 and a range 31.2 ⁇ h of the outer peripheral third region surface.
  • regarding the conditional expression (2) is the value of the boundary between the area where the surface shape value is described and the outside thereof.
  • FIG. 2 is a sectional view of the projection optical system 40 and the like according to the first embodiment, which has already been described.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a specific projection optical path of the image of the first embodiment.
  • the projection optical system 40 includes first to twelfth lenses L1 to L12 that constitute the refractive optical system 41, and a reflective optical element 42a that constitutes the reflective optical system 42.
  • the reflective optical element 42a has a concave shape.
  • S represents an aperture stop
  • Sc represents a screen surface.
  • F is a parallel plate (in this embodiment, a polarization beam splitter 20) assuming a prism or the like for combining RGB colors when the image display element is LCOS, for example.
  • FIG. 4A is an MTF characteristic diagram of points F1 to F3 on the screen surface Sc shown in FIG. FIG.
  • FIG. 4B is an MTF characteristic diagram of points F4 to F6 shown in FIG.
  • FIG. 4C is an MTF characteristic diagram of points F7 to F9 shown in FIG. 4A to 4B
  • the MTF evaluation points are the same as those in the first embodiment in the following embodiments.
  • the wavelength weights for calculating the MTF are as follows (the same applies to the following embodiments). Wavelength weight 656.28nm 1 587.56nm 1 435.84nm 1
  • Example 2 Table 4 below shows data such as lens surfaces of the projection optical system of Example 2.
  • Surf-N R [mm] D [mm] nd vd DDS 0.850 1 INF 17.250 1.5163 64.1 2 INF 2.500 ASS 3 42.027 7.853 1.5320 64.4
  • ASS 15 -28.348 4.412 1.6169 50.4 ASS 16 -26.240 7.154 ASS 17 39.592 9.080 1.6656 37.8 ASS 18 -120.911 3.451 ASS 19 82.070 3.898
  • Table 5 below shows non-divided aspheric coefficients of the refractive optical system in the projection optical system of Example 2.
  • Table 6 below shows divided aspherical coefficients of the reflecting surface (the 25th surface) of the reflecting optical system in the projection optical system of Example 2.
  • the aspherical surface of the 25th surface is the range of the first region surface 0 ⁇ h ⁇ 10.0 when the height from the optical axis is h, and the range of the intermediate second region surface surrounding this It is divided into 10.0 ⁇ h ⁇ 20.0 and the outer peripheral third region surface range 20.0 ⁇ h.
  • FIG. 6 is a sectional view of the projection optical system 40 and the like of the second embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a specific projection optical path of an image according to the second embodiment.
  • the projection optical system 40 includes first to eleventh lenses L1 to L11 that constitute a refractive optical system 41, and a reflective optical element 42a that constitutes a reflective optical system 42.
  • the reflective optical element 42a has a concave shape. If a reflection optical element that bends the optical path is added between the eleventh lens L11 and the reflection optical element 42a, the projection apparatus 100 in the usage pattern shown in FIG. 1B is obtained.
  • 8A to 8C are MTF characteristics diagrams on the screen of Example 2.
  • Example 3 shows data such as lens surfaces of the projection optical system of Example 3.
  • Table 8 shows non-dividing aspherical coefficients of the refractive optical system of the projection optical system of Example 3.
  • Table 9 below shows split-type aspherical coefficients of the reflecting surface (the 26th surface) of the reflecting optical system in the projection optical system of Example 3.
  • the aspherical surface of the 26th surface is a range of the first region surface 0 ⁇ h ⁇ 20.0 when the height from the optical axis is h, and a range of the intermediate second region surface surrounding this It is divided into 20.0 ⁇ h ⁇ 40.0 and a range 40.0 ⁇ h of the outer peripheral third region surface.
  • FIG. 9 is a sectional view of the projection optical system 40 and the like according to the third embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a specific projection optical path of an image according to the third embodiment.
  • the projection optical system 40 includes first to twelfth lenses L1 to L12 that constitute the refractive optical system 41, and a reflective optical element 42a that constitutes the reflective optical system 42.
  • the reflective optical element 42a has a convex shape. If a reflection optical element that bends the optical path is added between the twelfth lens L12 and the reflection optical element 42a, the projection apparatus 100 in the usage pattern shown in FIG. 1B is obtained.
  • 11A to 11C are MTF characteristics diagrams on the screen of Example 3.
  • FIG. 11A to 11C are MTF characteristics diagrams on the screen of Example 3.
  • Table 10 summarizes the values of Examples 1 to 3 corresponding to the conditional expressions (1) and (3) for reference. [Table 10]
  • the area of the reflective optical element 42a is divided into three, but the number of divisions may be two or four or more.
  • the display element is not limited to the reflective liquid crystal element 30 such as LCOS, but a micromirror device including a micromirror, a transmissive LCD, or the like can be used.
  • the polarization beam splitter 20 is changed to an optical system suitable for each.
  • the reflective liquid crystal element 30 is not limited to being used alone, and an additional reflective liquid crystal element 230 can be disposed to face another side surface of the polarization beam splitter 20 (see FIG. 1).
  • the light source of the illumination optical system 10 is not limited to the LED, and a mercury lamp, a laser, or the like can be used, and these light sources can be used in the same type or different types.
  • the number of red, green, and blue light sources may be arbitrarily combined according to the output. Further, it is possible to increase the brightness by adding an optical system for multiplexing and arranging a plurality of light sources for white or a specific color.

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Abstract

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

Description

投影光学系及び投影装置
　本発明は、画像を投影する投影光学系及び当該投影光学系を組み込んだ投影装置に関する。
　近年、画像表示素子に表示された画像を、投影光学系によってスクリーン上に拡大投影する投影装置には、小型軽量でありながら、短い投影距離でも大画面に映し出せる広角な投影光学系が望まれている。従来はビジネスでのプレゼンテーション等の用途では、スクリーンに正対させて配置するフロント投射型プロジェクターが大部分を占めていたが、フロント投射型プロジェクターは、発表者の影がスクリーンに映り込んだり、発表者の眼にプロジェクターの投射光が入り込み、眩しく感じたりする等の問題があった。そこで、そのような問題を解決するため、スクリーンの真下や真上等、スクリーンに近接した位置に配置できる短焦点プロジェクターが登場してきた。そのような短焦点プロジェクターでは、特に小型で大画面投影可能という要求が強いのが現状である。また、画像表示素子の高解像度化の動きも活発で、それに伴い投影光学系に対する高性能化への要求も高まってきている。
　このような短焦点プロジェクター用の投影光学系としては、例えば特許文献１、２に記載のような、複数のレンズ群を有する屈折光学系と、ミラーを含む反射光学系とを組み合わせた構成の光学系が開示されている。
　特許文献１の投影光学系は、プラスチックレンズを多用し積極的に軽量化を図っており、投影距離が短いにもかかわらず大画面投影を実現している。しかしながら、特許文献１の投影光学系では、屈折光学系の全長が十分小型化できているとはいえず、凹面ミラー部には奇数次非球面が使用されているが、光学性能も十分とはいえない。
　また、特許文献２の投影光学系は、凹面ミラーに自由曲面（ＸＹ多項式面）を使用して形状自由度を向上させることで、良好な光学特性を得ている。しかしながら、特許文献２の投影光学系では、自由曲面が光軸に対して回転対称な面でないため、加工難易度が増加し、加工後の面形状補正が複雑化し、組み込み時の調整が複雑化する等の問題があり生産性を損なうこととなる。
特開２０１３－１２０３６５号公報 特許４２１０３１４号公報
　本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、加工や調整が簡易である回転対称な光学面を有する反射光学素子を使用しながらも、小型軽量で大画面投影が可能な、画面全域に渡って良好な光学性能を有する投影光学系を提供することを目的とする。
　また、本発明は、上記投影光学系を組み込んだ投影装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明に係る投影光学系は、画像表示素子から得られる像を拡大してスクリーン上に投影する投影装置用の投影光学系であって、画像表示素子側から順に、複数のレンズ群を有する屈折光学系と、屈折光学系から出射された光線を反射させてスクリーンまで導く反射光学系と、を備え、反射光学系は、少なくとも１つの反射光学素子を有し、反射光学素子は、光軸を中心とする同心円を境界とする複数の領域に分割され、その領域毎に異なる非球面式を用いた非球面形状を有する。ここで、反射光学系は、実質的にパワーを有しない光学素子（例えば、平板ガラス、反射ミラー等）を含んでいてもよい。
　本発明の基本構成は、画像表示素子側から順に、複数のレンズ群を有する屈折光学系と、屈折光学系から出射された光線を反射させてスクリーンまで導く反射光学系とからなり、上記反射光学系は少なくとも１つの反射光学素子を有するというものである。これにより、小型ながら近接位置からの投射を可能にする短焦点プロジェクターの提供が可能になる。
　ところで、一般的なプロジェクター光学系では、レンズ材料及び枚数の制限を受けるため、反射光学系に奇数次非球面や自由曲面等の特殊な面を使用して、形状自由度を向上させているのが現状である。投影距離が短く、大画面に対応した短焦点投影光学系では、画面全域に渡って良好な収差補正を行うためには、各光線が大きく分離した反射光学素子を自由度の大きな面形状で形成することが重要となってくる。
　そこで、従来のように反射光学素子として通常の非球面形状よりも形状自由度の大きな自由曲面を有するものを使用すれば良いが、加工、加工後の測定、面の補正等が複雑化したり、反射光学素子を配置する際にも、複雑な調整が必要になったりといった不具合が生じる。
　本発明の投影光学系における反射光学素子は、あくまで光軸に対して回転対称な面でありながらも、形状の自由度を向上させるために、光軸を中心とする同心円を境界とする複数の領域に分割せれるとともに、その領域毎に異なる非球面係数で表現されるような、輪帯非球面（以下、分割型の非球面とも称す）で形成されている。これにより、自由曲面を用いた場合の問題が解消できるとともに、小型軽量でありながらも、画面全域にわたって良好に収差補正のなされた、短焦点で大画面投影が可能な投影光学系を得ることができる。なお、反射光学系内には反射光学素子が少なくとも１つ存在すれば良く、プロジェクターのレイアウト次第では、上記の分割型の非球面を用いない反射光学素子を有していてもよい。
　本発明の具体的な側面によれば、上記投影光学系は、以下の条件式を満足する。
　０．５０＜｜ＤＳ／ＴＬ｜＜１．００　　…　　（１）
ただし、ＤＳは屈折光学系内に配置された開口絞りから非球面形状を有する反射光学素子までの光軸上の距離であり、ＴＬは画像表示素子から非球面形状を有する反射光学素子までの光軸上の距離である。
　条件式（１）は、屈折光学系内に配置された開口絞りから上述の非球面形状を有する反射光学素子までの光軸上の距離と、画像表示素子から非球面形状を有する反射光学素子までの光軸上の距離との比を適切に設定するための条件式である。
　条件式（１）の値が下限を上回ることにより、領域分割された非球面が開口絞りから十分離れ、当該非球面に当たる光線が、スクリーン上に到達する像高毎に異なる位置となる。そのため、より独立に性能向上がしやすくなる。一方、条件式（１）の値が上限を下回ることで、反射光学素子の有効径を小さくでき、投影光学系全系の小型化が達成できるとともに、反射光学素子の加工性を損なわない。また、値｜ＤＳ／ＴＬ｜は、より望ましくは下式の範囲がよい。
　０．６０＜｜ＤＳ／ＴＬ｜＜０．９０　　…　　（１）'
　本発明の別の側面によれば、屈折光学系と反射光学系とは、共通の光軸を有する。この場合、屈折光学系と反射光学系とは互いに偏芯しておらず、光学系の組み立ての難易度を下げることができる。
　本発明のさらに別の側面によれば、屈折光学系の最もスクリーンに近い位置に配置されたレンズの少なくとも一方の面は非球面形状を有し、非球面形状を有する当該少なくとも一方の面は光軸以外の点で極値を持つ形状を有している。この場合、スクリーン上の投影像の歪みを抑制し、高性能な投影像とすることができる。
　本発明のさらに別の側面によれば、非球面形状を有する反射光学素子は、以下の条件式を満足する。
　｜Ｘｉｎ'（ｈ）－Ｘｏｕｔ'（ｈ）｜＜１．０Ｅ－３　　…　　（２）
ただし、ｈは境界の光軸からの高さ［ｍｍ］であり、Ｘｉｎ'（ｈ）は境界より光軸側の面における、境界位置での１階微分値であり、Ｘｏｕｔ'（ｈ）は上記境界より外側の面における、境界位置での１階微分値である。なお、条件式（２）において、１０のべき乗数をＥを用いて表している。
　条件式（２）は、領域分割された非球面において、境界に接するそれぞれの領域の非球面式の境界上での１階微分値の差の絶対値を規定している。条件式（２）の値が上記範囲を満たすことで、領域分割された非球面において、非球面式が変化する境界で面の傾きが離散的に又は非連続的に変化することを防ぐことができる。そのため、境界におけるフレアーの発生等で光学性能が劣化することを防ぐことができる。
　本発明のさらに別の側面によれば、以下の条件式を満足する。
　－１０．０＜ＦＬｓｃ／ＦＬ＜－０．５０　　…　　（３）
ただし、ＦＬｓｃは屈折光学系の最もスクリーンに近い位置に配置されたレンズの焦点距離であり、ＦＬは屈折光学系全系の焦点距離である。ここでいう焦点距離は、近軸における焦点距離である。
　条件式（３）は、屈折光学系の最もスクリーンに近い位置に配置されたレンズの焦点距離と、屈折光学系全系の焦点距離との比を適切に設定するための条件式である。
　条件式（３）の値が下限を上回ることで、屈折光学系の最もスクリーンに近い位置に配置されたレンズの負の屈折力を適度に維持することができるようになる。そのため、像面湾曲の補正や歪曲収差の補正を良好に行うことができるようになる。一方、条件式（３）の値が上限を下回ることで、負の屈折力が必要以上に強くなりすぎず、反射光学素子の有効径を小さくすることができ、光学系全系の大きさを小さくすることができる。
　本発明のさらに別の側面によれば、反射光学系はパワーを有する反射光学素子を１枚のみ有する。一般に、反射光学系にパワーを有する反射光学素子が２枚以上あると、収差補正や光学系の小型化には有利ではあるが、光学設計や製造プロセスの複雑化、組み立ての難易度増加といった不具合が出てしまう。本発明のような領域分割された特殊な非球面形状を反射光学素子に使用することで、パワーを有する反射光学素子を２枚以上使用することなく、十分な小型化を達成できる。
　上記目的を達成するため、本発明に係る投射装置は、上述の投影光学系と、投影光学系の光路前段に設けられた画像表示素子とを備える。
図１Ａ及び１Ｂは本発明の実施形態に係る投影装置の構造及び使用形態を説明する図である。 実施例１の投影光学系等を説明する断面図である。 実施例１の画像の具体的な投射光路を説明する図である。 図４Ａ～４Ｃは、実施例１の投影光学系の性能を示すＭＴＦ特性図である。 スクリーン上のＭＴＦ評価ポイントを説明する図である。 実施例２の投影光学系等を説明する断面図である。 実施例２の画像の具体的な投射光路を説明する図である。 図８Ａ～８Ｃは、実施例２の投影光学系の性能を示すＭＴＦ特性図である。 実施例３の投影光学系等を説明する断面図である。 実施例３の画像の具体的な投射光路を説明する図である。 図１１Ａ～１１Ｃは、実施例３の投影光学系の性能を示すＭＴＦ特性図である。
　以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態にかかる投影光学系及び投影装置について説明する。
　図１Ａは、本実施形態に係る投影装置１００の一例の内部構造及び使用形態を説明する図である。図１Ａに示す投影装置１００は、短焦点又は近距離投射型のプロジェクターであり、その内部に配置された屈折光学系の光軸と交差するスクリーン面（被投影面）Ｓｃに向けて表示光を出射し、映像の近接投射を行うものとなっている。
　図１Ｂは、本実施形態に係る投影装置１００の他の例の内部構造及び使用形態を説明する図である。図１Ｂに示す投影装置１００は、その内部に配置された屈折光学系の光軸と略平行なスクリーン面（被投影面）Ｓｃに向けて表示光を出射し、映像の近接投射を行うものとなっている。
　図１Ａ及び１Ｂに示す投影装置１００は、筐体１００ａ内に、照明光学系１０、偏光ビームスプリッター２０、反射型液晶素子３０、投影光学系４０及び駆動回路６０を組み込んだ構造を有する。
　筐体１００ａは、箱状の部材であり、外形の一部に映像光ＰＬ１の射出窓１００ｆを有するものとなっている。なお、筐体１００ａ上の適所にユーザーが投影装置１００を所望の動作状態にするための操作部を設けてもよい。
　照明光学系１０は、詳細な説明を省略するが、発光源（照明光源）、集光光学系、偏光変換素子等を備える。発光源としては、例えば３色のＬＥＤ等を組み込んだものを用いることができ、集光光学系は、例えば３色のＬＥＤ等からの照明光を略平行光に変換する。また偏光変換素子は、入射した光を特定の偏光状態に変換する。なお、発光源として、レーザーその他の励起光源と、励起光の照射によって蛍光を発生する蛍光体とを組み合わせたものを用いることもできる。
　偏光ビームスプリッター２０は、一対の直角プリズム２２ａ，２２ｂを貼り合わせたものであり、貼り合わせ面において、一方の直角プリズムの斜面には、照明光学系１０から入射した所定方向の直線偏光を反射させる反射面２１が形成されている。これにより、照明光学系１０から出射され所定方向に直線偏光した状態の照明光を反射させ、反射型液晶素子３０に入射させることができる。なお、反射型液晶素子３０で変調され偏光方向が切り替わった光は、偏光ビームスプリッター２０に戻されて反射面２１を通過する。
　反射型液晶素子３０は、映像光を形成する表示素子（画像表示素子）であり、特に空間的な透過率を変化させることによって照明光から画像光を形成する点で光変調素子といえる。反射型液晶素子（画像表示素子）３０は、板状の電子部品である画像表示パネルからなる。この反射型液晶素子３０は、具体的には、例えばＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）とも称されるマイクロディスプレイであり、シリコンチップの表面に直接回路が形成され対向基板との間に液晶層を挟み込んだものである。
　投影光学系４０は、屈折光学系４１と反射光学系４２とを有する。屈折光学系４１は、複数のレンズ群からなる。このレンズ群を構成する各レンズは、ガラスや樹脂材料で形成され、光軸方向から見て円形の輪郭を有する。ただし、反射光学素子４２ａに近いレンズは径が大きくなる傾向にあるため、使用しない領域の一部をカットすることもできる。各レンズの光学面は、球面又は非球面であり、回転対称な形状を有する。図１Ａに示す反射光学系４２は、出射側に反射光学素子４２ａを有する。反射光学素子４２ａは、ガラスや樹脂材料で形成され、表面に反射膜がコートされている。反射光学素子４２ａの光学面は、詳細は後述するが、分割型の非球面であり、光軸方向から見て回転対称な光学面形状を有するが、円形の輪郭から一部を切り取ったようなものとなっている。図１Ｂに示す反射光学系４２は、出射側に反射光学素子４２ｂ，４２ａを有する。反射光学素子４２ｂ，４２ａは、ガラスや樹脂材料で形成され、表面に反射膜がコートされている。一方の反射光学素子４２ｂの光学面は平面である。他方の反射光学素子４２ａの光学面は、分割型の非球面であり、光軸方向から見て回転対称な光学面形状を有するが、円形の輪郭から一部を切り取ったようなものとなっている。図１Ｂに示す構成の場合、スクリーン面Ｓｃに対し投影装置１００を縦置きにでき、図１Ａに示す構成よりも、配置スペースを有効利用できる。
　駆動回路６０は、これに組み込まれたプログラムや不図示の操作部からの指示に基づいて、照明光学系１０、反射型液晶素子３０等を適宜動作させることができる。駆動回路６０は、例えば外部から入力されたビデオ信号等に基づいて照明光学系１０及び反射型液晶素子３０に対して駆動信号を出力し、反射型液晶素子３０に表示動作を行わせる。
　図２は、投影光学系４０等の具体的な構成例を説明する側方断面図であり、図３は、画像の具体的な投射光路を示している。
　図２に示す投影光学系４０は、既に説明したように、画像表示素子である反射型液晶素子３０側から順に、複数のレンズ群４１ａを有する屈折光学系４１と、屈折光学系４１から出射された光線を反射させてスクリーンまで導く反射光学系４２と、から実質的になる。屈折光学系４１と反射光学系４２とは、共通の光軸を有する。そのため、屈折光学系４１と反射光学系４２とは互いに偏芯しておらず、光学系の組み立てが比較的容易となっている。図３に示すように、画像表示素子である反射型液晶素子３０から屈折光学系４１に入射された光は、屈折光学系４１を透過した後、反射光学系４２により反射される。反射光学系４２により反射された光は、拡大されてスクリーン面Ｓｃに向かう。
　投影光学系４０のうち屈折光学系４１における複数のレンズ群４１ａは、それぞれが１枚又は複数のレンズを含み、全体として例えばレンズＬ１～Ｌ１２で構成される。屈折光学系４１の最もスクリーンに近い位置に配置されたレンズ（具体的にはレンズＬ１２）の少なくとも一方の面は非球面形状を有する。このような非球面形状を有する少なくとも一方の面は光軸以外の点で極値を持つ形状となっている。
　反射光学系４２は、少なくとも１つの反射光学素子４２ａを有する。反射光学素子４２ａは、光軸を中心とする同心円を境界とする複数の領域に分割され、その領域毎に異なる非球面式を用いた非球面形状を有する。反射光学系４２はパワーを有する反射光学素子４２ａを１枚のみ有する。なお、反射光学系４２は、パワーを有しない反射光学素子をさらに有していてもよい。投影装置１００のレイアウト次第では、反射光学素子を２つ、３つと増やしてもよい。たとえば、図２に示す投影光学系４０のレンズＬ１２と反射光学素子４２ａとの間に、光路を折り曲げる反射光学素子４２ｂを付加すれば、図１Ｂに示す使用形態の投影装置１００となる。
　投影光学系４０は、以下の条件式を満足する。
　０．５０＜｜ＤＳ／ＴＬ｜＜１．００　　…　　（１）
ただし、ＤＳは屈折光学系４１内に配置された開口絞りＳから反射光学素子４２ａまでの光軸上の距離であり、ＴＬは画像表示素子から反射光学素子４２ａまでの光軸上の距離である。なお、値｜ＤＳ／ＴＬ｜は、より望ましくは下式の範囲がよい。
　０．６０＜｜ＤＳ／ＴＬ｜＜０．９０　　…　　（１）'
　非球面形状を有する反射光学素子４２ａは、以下の条件式を満足する。
　｜Ｘｉｎ'（ｈ）－Ｘｏｕｔ'（ｈ）｜＜１．０Ｅ－３　　…　　（２）
ただし、ｈは境界の光軸からの高さ［ｍｍ］であり、これに対する光軸方向の面位置Ｘを関数として考えた場合に、Ｘｉｎ'（ｈ）はいずれか任意の境界より光軸側の面における、境界位置での１階微分値であり、Ｘｏｕｔ'（ｈ）は境界より外側の面における、境界位置での１階微分値である。
　投影光学系４０は、以下の条件式を満足する。
　－１０．０＜ＦＬｓｃ／ＦＬ＜－０．５０　　…　　（３）
ただし、ＦＬｓｃは屈折光学系４１の最もスクリーンに近い位置に配置されたレンズの焦点距離であり、ＦＬは屈折光学系４１全系の焦点距離である。
　なお、一般的なプロジェクター光学系では、非常に大出力の光源を使用するため、画像表示素子に近い屈折光学系は光源からの熱の影響を受けやすく、プラスチックレンズを多用することが難しく、結果としてガラス球面レンズの比率が多くなってしまう。そのため、少ないレンズ枚数で良好な光学性能を得るために、反射光学系に奇数次非球面や自由曲面等の特殊な面を使用して、形状自由度を向上させているのが現状である。投影距離が短く、大画面に対応した短焦点投影光学系では、反射光学素子で反射された光線がスクリーン面に非常に大きな角度で入射し、かつ画面の上下方向の光路差が大きいため、画面全域に渡って良好な収差補正を行うためには、各光線が大きく分離した反射光学素子を自由度の大きな面形状で形成することが重要となってくる。
　そこで、従来のように通常の非球面形状よりも形状自由度の大きな自由曲面を使用すれば良いが、自由曲面は光軸に対して回転対称な光学面ではなくなってしまうため、加工や加工後の測定、面の補正等が複雑化したり、反射光学素子を配置する際にも、複雑な調整が必要になったりといった不具合が生じる。
　一方で、本実施形態の投影光学系４０によれば、反射光学素子４２ａを、光軸を中心とする同心円を境界とする複数の領域に分割させ、その領域毎に異なる非球面係数で表現されるような、輪帯非球面で形成することにより、あくまで光軸に対して回転対称な面でありながらも、形状の自由度を向上させることができる。これにより、小型軽量でありながらも、画面全域にわたって良好に収差補正のなされた、短焦点で大画面投影が可能な投影光学系４０を得ることができる。
〔実施例〕
　以下、本発明の投影光学系の実施例を示す。各実施例において、非分割型の非球面の形状は、面の頂点を原点とし、光軸方向にＸ軸をとり、光軸と垂直方向の高さをｈとして以下の「数１」で表す。また、領域分割型の非球面の形状は、上記非分割型の非球面と同様に以下の「数１」で表すが、領域毎に異なる値Ａｉ、Ｒ、Ｋを用いる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ただし、
Ａｉ：ｉ次の非球面係数
Ｒ　：曲率半径
Ｋ　：円錐定数
　（実施例１）
　実施例１の投影光学系のレンズ面等のデータを以下の表１に示す。なお、以下の表１等において、「Surf-N」は面番号を表し、「R」は曲率半径を表し、「D」は面間隔を表し、「nd」はｄ線屈折率を表し、「vd」はアッベ数を表す。また、「DDS」は、表示素子面を表し、「ASS」は、非球面を表し、「ST」は開口絞りを表し、「MRS」は反射面を表し、「SCS」はスクリーン面を表し、無限大を「INF」と表している。
〔表１〕
        Surf-N    R [mm]       D [mm]       nd          vd
DDS                            1.403
          1       INF         17.250        1.5163     64.1
          2       INF          2.500
          3      33.653        7.000        1.8467     23.8
          4     -91.570        0.500
          5      33.601        5.374        1.8467     23.8
          6    1357.291        3.236
          7     -31.263        5.000        1.7552     27.5
          8      13.171        6.256        1.6228     57.1
          9     -18.777        1.707
         10     -18.259        2.014        1.8052     25.4
         11     -61.487        1.122
ASS      12      66.508        3.000        1.7720     50.0
ASS      13     471.381        0.660
ST       14       INF          1.439
         15      44.504        1.200        1.7015     41.2
         16      15.756        6.205        1.6228     57.1
         17    -152.023       37.601
         18   -2061.498        5.991        1.8340     37.2
         19     -47.616        0.500
ASS      20     222.487        2.556        1.5447     56.2
ASS      21      38.957        3.679
         22      44.395        7.500        1.8340     37.2
         23    -163.985        8.509
ASS      24     -37.052        2.797        1.5447     56.2
ASS      25      21.129      119.965
MRS      26     -41.491     -250.012
SCS               INF
　実施例１の投影光学系のうち屈折光学系の非分割型の非球面係数を以下の表２に示す。なお、これ以降（表のレンズデータを含む）において、１０のべき乗数（例えば２．５×１０－０２）をＥ（例えば２．５Ｅ－０２）を用いて表すものとする。
〔表２〕
第12面
K=0.00000E+00, A4=0.49515E-04, A6=0.18515E-06, A8=-0.10691E-08, 
A10=0.15204E-10, A12=0.00000E+00, A14=0.00000E+00
第13面
K=0.00000E+00, A4=0.55264E-04, A6=0.21022E-06, A8=-0.12199E-08, 
A10=0.18347E-10, A12=0.00000E+00, A14=0.00000E+00
第20面
K=-0.50000E+02, A4=-0.14929E-04, A6=0.19417E-06, A8=-0.11755E-08, 
A10=0.44385E-11, A12=-0.92069E-14, A14=0.77500E-17
第21面
K=0.28587E+01, A4=-0.12825E-04, A6=0.23694E-06, A8=-0.14145E-08, 
A10=0.56090E-11, A12=-0.11935E-13, A14=0.88000E-17
第24面
K=-0.13831E+02, A4=0.33526E-04, A6=-0.46956E-07, A8=0.29452E-09, 
A10=-0.10667E-11, A12=0.16139E-14, A14=-0.72000E-18
第25面
K=0.12509E-01, A4=0.14032E-04, A6=-0.15202E-06, A8=0.86518E-09, 
A10=-0.34263E-11, A12=0.49938E-14, A14=-0.17200E-17
　実施例１の投影光学系のうち反射光学系の反射面（第２６面）の分割型の非球面係数を以下の表３に示す。この場合、第２６面の非球面は、光軸からの高さをｈとしたときの第１領域面の範囲０≦ｈ≦１５．６と、この周りを囲む中間の第２領域面の範囲１５．６＜ｈ≦３１．２と、外周の第３領域面の範囲３１．２＜ｈとに分かれている。また、これ以降において、条件式（２）に関する値｜Ｘｉｎ'（ｈ）－Ｘｏｕｔ'（ｈ）｜については、面形状の値が記載されている領域とその外側との境界の値とする。
〔表３〕
第26面
面の範囲            0≦h≦15.6    15.6＜h≦31.2    31.2＜h
   R=             -41.49079      -36.60379       -41.01869
   K=              -0.18000E+02   -0.42016E+01    -0.80421E+00
  A4=              -0.21682E-04   -0.24181E-05     0.14671E-05
  A6=              -0.37531E-08   -0.32722E-09    -0.35912E-09
  A8=               0.40872E-09    0.11034E-11     0.97552E-13
 A10=              -0.67596E-12    0.62223E-16    -0.30986E-16
 A12=              -0.65352E-14   -0.53284E-18     0.84007E-20
 A14=               0.29493E-16   -0.90831E-22    -0.99476E-24
 A16=              -0.38096E-19    0.19052E-24     0.74025E-29
|Xin'(h)-Xout'(h)|  0.546E-11      0.588E-07
　図２は、既に説明したが、実施例１の投影光学系４０等の断面図である。図３は、実施例１の画像の具体的な投射光路を説明する図である。投影光学系４０は、屈折光学系４１を構成する第１～第１２レンズＬ１～Ｌ１２と、反射光学系４２を構成する反射光学素子４２ａとを有する。本実施例において、反射光学素子４２ａは、凹形状となっている。図中のＳは開口絞り、Ｓｃはスクリーン面を示す。また、Ｆは例えば画像表示素子をＬＣＯＳとした場合のＲＧＢ各色を合成するためのプリズム等を想定した平行平板（本実施例では、偏光ビームスプリッター２０）である。画像表示素子の方式によっては、Ｆは必要ない場合もあるが、Ｆは屈折力を持たない平行平板であるため、Ｆ以降の光学系は変えずになくすこともできる。その場合には、画像表示素子と第１レンズＬ１との空気間隔を最適な位置に設定するだけでよい。なお、第１２レンズＬ１２と反射光学素子４２ａとの間に、光路を折り曲げる反射光学素子を付加すれば、図１Ｂに示す使用形態の投影装置１００となる。
　図４Ａ～４Ｃは、実施例１のスクリーン上でのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）特性図である。図４Ａは、図５に示すスクリーン面ＳｃのうちポイントＦ１～Ｆ３のＭＴＦ特性図である。図４Ｂは、図５に示すポイントＦ４～Ｆ６のＭＴＦ特性図である。図４Ｃは、図５に示すポイントＦ７～Ｆ９のＭＴＦ特性図である。図４Ａ～４Ｂ中のＦｉ－Ｘ（ｉ＝１～９）は、Ｆｉの位置での水平方向解像力を示し、Ｆｉ－Ｙ（ｉ＝１～９）は、Ｆｉの位置での垂直方向解像力を示す。ＭＴＦ評価ポイントは、以降の実施例においても実施例１と同様である。ＭＴＦを計算する上での波長ウェイトは以下の通りである（以降の実施例も同様）。
波長　　　　重み
656.28nm　　1
587.56nm　　1
435.84nm　　1
　（実施例２）
　実施例２の投影光学系のレンズ面等のデータを以下の表４に示す。
〔表４〕
        Surf-N    R [mm]       D [mm]       nd          vd
DDS                            0.850
          1       INF         17.250        1.5163     64.1
          2       INF          2.500
ASS       3      42.027        7.853        1.5320     64.4
ASS       4     -16.349        0.500
          5      59.079        5.000        1.7150     28.5
          6      10.589        8.337        1.5717     60.6
          7     -62.320        8.988
ASS       8    -237.540        1.690        1.8470     23.8
ASS       9     -28.075        0.500
ST       10       INF          2.399
         11     -44.435        1.200        1.8372     31.5
         12      62.223       15.444
ASS      13    -147.793        3.208        1.4931     66.4
ASS      14     -80.836        5.642
ASS      15     -28.348        4.412        1.6169     50.4
ASS      16     -26.240        7.154
ASS      17      39.592        9.080        1.6656     37.8
ASS      18    -120.911        3.451
ASS      19      82.070        3.898        1.8438     26.1
ASS      20      25.930        9.782
ASS      21      40.706        6.453        1.5292     56.6
ASS      22      70.050        5.101
ASS      23     -59.364        4.910        1.5710     52.2
ASS      24    -177.694       99.999
MRS      25     -36.761     -250.004
SCS               INF
　実施例２の投影光学系のうち屈折光学系の非分割型の非球面係数を以下の表５に示す。
〔表５〕
第3面
K=-0.66486E+01, A4=-0.26113E-04, A6=0.17899E-07, A8=0.96931E-09, 
A10=-0.40522E-12
第4面
K=-0.47441E+01, A4=-0.11721E-03, A6=0.59519E-06, A8=-0.30797E-08, 
A10=0.11110E-10
第8面
K=0.00000E+00, A4=-0.28065E-04, A6=0.00000E+00, A8=0.00000E+00, 
A10=0.00000E+00
第9面
K=0.23027E+01, A4=-0.30301E-04, A6=0.00000E+00, A8=0.00000E+00, 
A10=0.00000E+00
第13面
K=0.00000E+00, A4=0.64981E-04, A6=-0.35271E-06, A8=0.13748E-08, 
A10=-0.70712E-11, A12=0.00000E+00
第14面
K=0.11341E+02, A4=0.19256E-05, A6=-0.30246E-06, A8=0.00000E+00, 
A10=0.00000E+00
第15面
K=-0.51900E+01, A4=-0.17138E-03, A6=0.19547E-07, A8=-0.10545E-07, 
A10=0.15482E-09, A12=-0.15194E-11, A14=0.10028E-13, 
A16=-0.25290E-16
第16面
K=-0.19669E+01, A4=-0.68792E-04, A6=-0.14147E-07, A8=-0.55635E-09, 
A10=0.35544E-11, A12=0.43889E-13, A14=-0.22907E-15, 
A16=0.28000E-18
第17面
K=-0.27699E+01, A4=0.32390E-05, A6=0.76983E-08, A8=-0.25765E-10, 
A10=0.00000E+00
第18面
K=0.19101E+02, A4=-0.58153E-05, A6=-0.24504E-08, A8=-0.55319E-12, 
A10=0.00000E+00
第19面
K=0.10576E+02, A4=-0.90050E-05, A6=-0.10410E-06, A8=0.16745E-09, 
A10=-0.11492E-12
第20面
K=0.12555E+00, A4=-0.10969E-04, A6=-0.87906E-07, A8=0.19354E-09, 
A10=-0.21825E-12
第21面
K=-0.36655E+01, A4=0.43338E-05, A6=0.32794E-07, A8=-0.10898E-09, 
A10=0.10311E-12, A12=-0.57040E-16
第22面
K=-0.36358E+02, A4=-0.62395E-05, A6=0.44262E-08, A8=-0.62622E-11, 
A10=0.90596E-15
第23面
K=-0.18031E+02, A4=0.59210E-05, A6=-0.21451E-08, A8=0.10265E-10, 
A10=0.00000E+00, A12=0.00000E+00, A14=0.00000E+00, 
A16=0.00000E+00
第24面
K=0.41289E+02, A4=0.84790E-05, A6=0.54538E-08, A8=-0.26041E-10, 
A10=0.10701E-12, A12=-0.25551E-15, A14=0.20000E-18, 
A16=0.00000E+00
　実施例２の投影光学系のうち反射光学系の反射面（第２５面）の分割型の非球面係数を以下の表６に示す。この場合、第２５面の非球面は、光軸からの高さをｈとしたときの第１領域面の範囲０≦ｈ≦１０．０と、この周りを囲む中間の第２領域面の範囲１０．０＜ｈ≦２０．０と、外周の第３領域面の範囲２０．０＜ｈとに分かれている。
〔表６〕
第25面
面の範囲            0≦h≦10.0    10.0＜h≦20.0   20.0＜h
   R=             -36.76054      -36.01738       -36.35260 
   K=              -0.36718E+01   -0.25188E+01    -0.16919E+01
  A4=               0.88048E-05   -0.89308E-06     0.95389E-06
  A6=              -0.37080E-06   -0.12432E-08    -0.29264E-08
  A8=               0.25956E-08    0.10433E-11     0.26839E-11
 A10=               0.80450E-11   -0.51612E-14    -0.10052E-14
 A12=              -0.78933E-13    0.79794E-17    -0.62681E-18
 A14=              -0.72699E-15    0.16528E-19     0.80544E-21
 A16=               0.48289E-17   -0.31391E-22    -0.23860E-24
|Xin'(h)-Xout'(h)|  0.123E-09      0.908E-09
　図６は、実施例２の投影光学系４０等の断面図である。図７は、実施例２の画像の具体的な投射光路を説明する図である。投影光学系４０は、屈折光学系４１を構成する第１～第１１レンズＬ１～Ｌ１１と、反射光学系４２を構成する反射光学素子４２ａとを有する。本実施例において、反射光学素子４２ａは、凹形状となっている。なお、第１１レンズＬ１１と反射光学素子４２ａとの間に、光路を折り曲げる反射光学素子を付加すれば、図１Ｂに示す使用形態の投影装置１００となる。図８Ａ～８Ｃは、実施例２のスクリーン上でのＭＴＦ特性図である。
　（実施例３）
　実施例３の投影光学系のレンズ面等のデータを以下の表７に示す。
〔表７〕
        Surf-N    R [mm]       D [mm]       nd          vd
DDS                            3.306
          1       INF         25.750        1.5163     64.1
          2       INF          5.000
          3     173.572        3.547        1.6968     55.5
          4     -37.827        0.501
          5      27.971        4.743        1.7432     49.3
          6  -21439.412        7.622
          7      19.028        3.331        1.4875     70.2
          8     -63.299        4.985        1.7847     25.7
          9      28.280        1.393
ASS      10     -40.439        1.200        1.7618     26.5
ASS      11      60.060        0.765
         12       INF         29.412
         13      43.238        1.200        1.7432     49.3
         14      19.469       13.101        1.7200     50.2
         15     -86.471        0.500
         16      50.329        4.983        1.7432     49.3
         17      95.879       13.765
ASS      18     -29.305        1.200        1.4875     70.2
ASS      19    -211.891        5.064
ASS      20     -37.530        1.200        1.6989     30.1
ASS      21      56.839        8.458
         22     -67.561        8.326        1.8061     40.9
         23     -25.525        4.273
ASS      24     -20.653        4.679        1.4875     70.2
ASS      25     -29.951      108.940
MRS      26      41.050     -508.910
SCS               INF
　実施例３の投影光学系の屈折光学系の非分割型の非球面係数を以下の表８に示す。
〔表８〕
第10面
K=-0.53034E+01, A4=0.12261E-04, A6=0.26952E-06, A8=-0.13236E-07, 
A10=0.17077E-09, A12=0.00000E+00
第11面
K=0.20381E+02, A4=0.50787E-04, A6=-0.27001E-06, A8=0.57871E-08, 
A10=-0.10940E-09, A12=0.00000E+00
第18面
K=-0.59088E+00, A4=0.16105E-04, A6=0.12322E-07, A8=-0.83498E-10, 
A10=-0.12726E-11, A12=0.73154E-14
第19面
K=0.49902E+02, A4=0.21381E-05, A6=-0.36944E-07, A8=-0.40752E-09, 
A10=-0.56112E-12, A12=0.34276E-14
第20面
K=0.48633E+01, A4=-0.16722E-04, A6=-0.84905E-07, A8=-0.28736E-09, 
A10=-0.34202E-12, A12=0.37718E-15
第21面
K=-0.26342E+00, A4=-0.17178E-06, A6=-0.26239E-08, A8=-0.46486E-11, 
A10=-0.70023E-15, A12=-0.76890E-16
第24面
K=-0.16307E+00, A4=-0.64258E-05, A6=0.11148E-07, A8=-0.68104E-12, 
A10=0.11781E-12, A12=-0.30700E-16
第25面
K=0.45218E+00, A4=-0.19932E-05, A6=-0.36702E-08, A8=0.92497E-11, 
A10=0.14827E-13, A12=-0.11680E-16
　実施例３の投影光学系のうち反射光学系の反射面（第２６面）の分割型の非球面係数を以下の表９に示す。この場合、第２６面の非球面は、光軸からの高さをｈとしたときの第１領域面の範囲０≦ｈ≦２０．０と、この周りを囲む中間の第２領域面の範囲２０．０＜ｈ≦４０．０と、外周の第３領域面の範囲４０．０＜ｈとに分かれている。
〔表９〕
第26面
面の範囲            0≦h≦20.0    20.0＜h≦40.0   40.0＜h
   R=              41.04984       35.48014        34.01286 
   K=               0.29246E+01   -0.56815E+01    -0.61299E+01
  A4=              -0.24436E-04   -0.16443E-06     0.12197E-06
  A6=               0.19176E-06    0.12656E-09    -0.28280E-10
  A8=              -0.14056E-08    0.23170E-13     0.10562E-14
 A10=               0.40828E-11   -0.48343E-16     0.49428E-18
 A12=              -0.44430E-14    0.12453E-19    -0.51100E-22
 A14=               0.00000E+00    0.00000E+00     0.00000E+00
 A16=               0.00000E+00    0.00000E+00     0.00000E+00
|Xin'(h)-Xout'(h)|  0.764E-13      0.125E-15
　図９は、実施例３の投影光学系４０等の断面図である。図１０は、実施例３の画像の具体的な投射光路を説明する図である。投影光学系４０は、屈折光学系４１を構成する第１～第１２レンズＬ１～Ｌ１２と、反射光学系４２を構成する反射光学素子４２ａとを有する。本実施例において、反射光学素子４２ａは、凸形状となっている。なお、第１２レンズＬ１２と反射光学素子４２ａとの間に、光路を折り曲げる反射光学素子を付加すれば、図１Ｂに示す使用形態の投影装置１００となる。図１１Ａ～１１Ｃは、実施例３のスクリーン上でのＭＴＦ特性図である。
　以下の表１０は、参考のため、各条件式（１）、（３）に対応する各実施例１～３の値をまとめたものである。　
〔表１０〕
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　以上、実施形態や実施例に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態等に限定されるものではない。例えば、上記実施形態において、反射光学素子４２ａの領域を３つに分割したが、分割数は２つでも４つ以上でもよい。
　また、上記実施形態において、表示素子としては、ＬＣＯＳ等の反射型液晶素子３０に限らず、マイクロミラーからなるマイクロミラーデバイス、透過型のＬＣＤ等を用いることができる。この場合、偏光ビームスプリッター２０は、それぞれに適合する光学系に変更する。
　また、上記実施形態において、反射型液晶素子３０は、単独で使用する場合に限らず、偏光ビームスプリッター２０の別の側面に対向して追加の反射型液晶素子２３０を配置することもできる（図１参照）。
　また、上記実施形態において、照明光学系１０の光源としては、ＬＥＤに限らず、水銀ランプ、レーザー等を用いることができ、これらの光源を同種又は異種で組み合わせることもできる。特に、ＬＥＤやレーザーを光源とする場合、赤色・緑色・青色の光源数は出力に合わせ任意に組み合わせても良い。また、合波するための光学系を追加し、白色又は特定色に関して複数の光源を配置することで明るさを上げることもできる。

Claims (8)

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