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JP2015031912A - Projection optical system and image projection apparatus - Google Patents

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JP2015031912A
JP2015031912A JP2013163231A JP2013163231A JP2015031912A JP 2015031912 A JP2015031912 A JP 2015031912A JP 2013163231 A JP2013163231 A JP 2013163231A JP 2013163231 A JP2013163231 A JP 2013163231A JP 2015031912 A JP2015031912 A JP 2015031912A
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JP
Japan
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optical system
projection
lens
free
image
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JP2013163231A
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Japanese (ja)
Inventor
修 小沼
Osamu Konuma
修 小沼
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Samsung Electronics Co Ltd
Original Assignee
Samsung Electronics Co Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】短い投射距離で、曲面スクリーンに良好な投射性能で投射できる投射光学系及び画像投射装置を提供する。【解決手段】投射光学系300に、画像表示素子500側から順に、屈折作用を有する第1光学系301と、反射作用を有する第2光学系302と、を備え、第1光学系301は、第2光学系302側に少なくとも2枚の自由曲面レンズ12、13を備え、第2光学系302は、第1光学系301側に凹の反射面を有する自由曲面ミラー14を備え、第1光学系301は、当該第1光学系301と第2光学系302との間に、画像表示素子500に表示された画像と共役な中間像を結像し、第2光学系302は、当該第2光学系302側に凹の曲面形状を有する曲面スクリーン400に当該中間像を拡大して投射する。【選択図】図5A projection optical system and an image projection apparatus capable of projecting onto a curved screen with good projection performance at a short projection distance are provided. A projection optical system (300) is provided with a first optical system (301) having refraction action and a second optical system (302) having reflection action in order from the side of an image display device (500). At least two free-form curved lenses 12 and 13 are provided on the second optical system 302 side, and the second optical system 302 is provided with a free-form curved mirror 14 having a concave reflecting surface on the first optical system 301 side. The system 301 forms an intermediate image conjugate with the image displayed on the image display element 500 between the first optical system 301 and the second optical system 302, and the second optical system 302 The intermediate image is magnified and projected onto a curved screen 400 having a concave curved surface on the optical system 302 side. [Selection drawing] Fig. 5

Description

本発明は投射光学系及び画像投射装置に関する。   The present invention relates to a projection optical system and an image projection apparatus.

短い投射距離で像を投射する投射光学系として、屈折レンズと反射ミラーとを有するものがある。投射距離が短いことによるメリットとして、画像投射装置の設置スペースを縮小することができる、投射光が視認者の目に入りにくくすることができる、発表者の影が投射画像に写らない等が挙げられる。
特許文献1〜3には、短い投射距離で像を投射する投射光学系が開示されている。具体的には、特許文献1は、画像表示素子側から順に、複数のレンズを含むレンズ群と、自由曲面レンズである第1及び第2のレンズと、自由曲面ミラーと、を備える画像投射装置を開示している。
また、特許文献2は、回転対称レンズ群と、画像表示素子側から順に、自由曲面レンズ群と、自由曲面ミラーと、を備える投射光学系及び画像投射装置を開示している。
また、特許文献3は、投射光学系と、補正光学系と、投射光学系に対して偏心した曲面スクリーンと、を備える画像投射装置を開示している。また、特許文献3は、補正光学系が拡張回転自由曲面からなる反射面を含むことを開示している。
Some projection optical systems that project an image at a short projection distance include a refractive lens and a reflection mirror. Advantages of a short projection distance include a reduction in the installation space of the image projection apparatus, projection light can be hard to enter the viewer's eyes, and the shadow of the presenter is not reflected in the projection image. It is done.
Patent Documents 1 to 3 disclose a projection optical system that projects an image at a short projection distance. Specifically, Patent Document 1 discloses an image projection apparatus including a lens group including a plurality of lenses, first and second lenses that are free-form surface lenses, and a free-form surface mirror in order from the image display element side. Is disclosed.
Patent Document 2 discloses a projection optical system and an image projection apparatus that include a rotationally symmetric lens group, a free-form surface lens group, and a free-form surface mirror in this order from the image display element side.
Patent Document 3 discloses an image projection apparatus including a projection optical system, a correction optical system, and a curved screen decentered with respect to the projection optical system. Patent Document 3 discloses that the correction optical system includes a reflecting surface formed of an extended rotation free-form surface.

特開2011−253024号公報JP 2011-253024 A 特開2013−044993号公報JP 2013-044993 A 特開2012−008358号公報JP 2012-008358 A

しかしながら、特許文献1及び特許文献2に記載の画像投射装置は、平な面のスクリーンに画像を投射することを目的としているため、曲面スクリーンに画像を投射すると、投射性能が極端に悪化してしまう問題がある。また、特許文献1〜3に記載の画像投射装置が有する反射ミラーは全て凸面ミラーであるから、投射光学系に対しオフセットして設置されたスクリーンの側に反射ミラーを配置する構成となる。そのため、反射ミラーが画像投射装置の上部に突出することとなり、視認上邪魔になるという問題がある。   However, since the image projection apparatuses described in Patent Document 1 and Patent Document 2 are intended to project an image onto a flat screen, when the image is projected onto a curved screen, the projection performance is extremely deteriorated. There is a problem. In addition, since the reflection mirrors included in the image projection apparatuses described in Patent Documents 1 to 3 are all convex mirrors, the reflection mirror is disposed on the screen side that is offset with respect to the projection optical system. Therefore, there is a problem that the reflection mirror protrudes to the upper part of the image projection apparatus, which obstructs visual recognition.

第1の形態に係る投射光学系は、画像表示素子側から順に、屈折作用を有する第1光学系と、反射作用を有する第2光学系と、を備える。また、前記第1光学系は、前記第2光学系側に少なくとも2枚の自由曲面レンズを備える。また、前記第2光学系は、前記第1光学系側に凹の反射面を有する自由曲面ミラーを備える。また、前記第1光学系は、当該第1光学系と前記第2光学系との間に、前記画像表示素子に表示された画像と共役な中間像を結像する。また、前記第2光学系は、前記第2光学系側に凹の曲面形状を有する曲面スクリーンに前記中間像を拡大して投射する。   The projection optical system according to the first embodiment includes, in order from the image display element side, a first optical system having a refractive action and a second optical system having a reflective action. The first optical system includes at least two free-form surface lenses on the second optical system side. The second optical system includes a free-form surface mirror having a concave reflecting surface on the first optical system side. The first optical system forms an intermediate image conjugate with the image displayed on the image display element between the first optical system and the second optical system. The second optical system projects the intermediate image on a curved screen having a concave curved surface on the second optical system side.

第2の形態に係る画像投射装置は、第1の実施の形態に係る投射光学系を備える。   The image projection apparatus according to the second embodiment includes the projection optical system according to the first embodiment.

本発明により、短い投射距離で、曲面スクリーンに良好な投射性能で投射できる投射光学系及び画像投射装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a projection optical system and an image projection apparatus that can project onto a curved screen with a good projection performance at a short projection distance.

本発明の実施の形態1に係る画像投射装置を示す図である。It is a figure which shows the image projection apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る画像投射装置を示す図である。It is a figure which shows the image projection apparatus which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る投射光学系と曲面スクリーンを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the projection optical system and curved surface screen which concern on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る投射光学系と曲面スクリーンを示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the projection optical system and curved screen which concern on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る投射光学系と曲面スクリーンを示す上面断面図である。It is an upper surface sectional view showing the projection optical system and the curved screen according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1に係る投射光学系を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the projection optical system which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る投射光学系のレンズデータを示す表である。It is a table | surface which shows the lens data of the projection optical system which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る第11レンズの面形状データを示す表である。It is a table | surface which shows the surface shape data of the 11th lens which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る第12レンズ、第13レンズ、自由曲面ミラーの面形状データを示す表である。It is a table | surface which shows the surface shape data of the 12th lens based on Embodiment 1 of this invention, a 13th lens, and a free-form surface mirror. 本発明の実施の形態1に係る第13レンズのサグ量を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the sag amount of the 13th lens which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る投射光学系の歪曲収差を示す図である。It is a figure which shows the distortion aberration of the projection optical system which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る曲面スクリーン上の座標を説明する図である。It is a figure explaining the coordinate on the curved-surface screen which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る投射光学系のスポットダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the spot diagram of the projection optical system which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る投射光学系と曲面スクリーンを示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the projection optical system and curved surface screen which concern on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る投射光学系と曲面スクリーンを示す上面断面図である。It is upper surface sectional drawing which shows the projection optical system and curved surface screen which concern on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る投射光学系を示す側面断面図である。It is side surface sectional drawing which shows the projection optical system which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る投射光学系のレンズデータを示す表である。It is a table | surface which shows the lens data of the projection optical system which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る第11レンズの面形状データを示す表である。It is a table | surface which shows the surface shape data of the 11th lens which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る第12レンズ、第13レンズ、自由曲面ミラーの面形状データを示す表である。It is a table | surface which shows the surface shape data of the 12th lens based on Embodiment 2 of this invention, a 13th lens, and a free-form surface mirror. 本発明の実施の形態2に係る投射光学系の歪曲収差を示す図である。It is a figure which shows the distortion aberration of the projection optical system which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る曲面スクリーン上の座標を説明する図である。It is a figure explaining the coordinate on the curved-surface screen which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る投射光学系のスポットダイアグラムを示す図である。It is a figure which shows the spot diagram of the projection optical system which concerns on Embodiment 2 of this invention. 従来の投射光学系を用いて曲面スクリーンに像を投射した場合の歪曲収差を示す図である。It is a figure which shows the distortion aberration at the time of projecting an image on a curved-surface screen using the conventional projection optical system.

以下、本発明を適用可能な実施の形態について説明する。なお、本発明は、下記の実施の形態に限定されるものではない。
実施の形態1.
図1に、本発明の実施の形態1に係る画像投射装置を示す。図1に示す画像投射装置は、画像表示素子としてDMD(Digital Micro−Mirror Device)(登録商標)パネルを用いた、単板式DLPプロジェクタ100である。なお、説明の便宜上、図1では画像投射装置の光学要素だけを記載し他の要素は省略している。図1に示すように、単板式DLPプロジェクタ100は、DMDパネル101(画像表示素子)、TIRプリズム102、投射光学系103等を備える。そして、光源(図示省略)から出射された光線は、TIRプリズム102により屈折および反射され、DMDパネル101に入射する。また、DMDパネル101から出射された光線は、TIRプリズム102を透過して投射光学系103に入射する。そして、投射光学系103は入射した光線を曲面スクリーン(図示省略)に投射する。なお、単板式DLPプロジェクタ100において、光源からの射出光は、時間分割で、交互に、R(Red)、G(Green)、B(Blue)の光線としてプリズム102に入射される。
Embodiments to which the present invention can be applied will be described below. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 shows an image projection apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. The image projection apparatus shown in FIG. 1 is a single-plate DLP projector 100 that uses a DMD (Digital Micro-Mirror Device) (registered trademark) panel as an image display element. For convenience of explanation, only the optical elements of the image projection apparatus are shown in FIG. 1, and other elements are omitted. As shown in FIG. 1, a single-plate DLP projector 100 includes a DMD panel 101 (image display element), a TIR prism 102, a projection optical system 103, and the like. A light beam emitted from a light source (not shown) is refracted and reflected by the TIR prism 102 and enters the DMD panel 101. The light beam emitted from the DMD panel 101 passes through the TIR prism 102 and enters the projection optical system 103. The projection optical system 103 projects the incident light beam onto a curved screen (not shown). In the single-plate DLP projector 100, the light emitted from the light source is incident on the prism 102 as R (Red), G (Green), and B (Blue) light beams alternately in a time division manner.

図2に、本発明の実施の形態1に係る画像投射装置の他の例を示す。図2に示す画像投射装置は、画像素子として液晶パネルを用いた、3板式液晶プロジェクタ200である。なお、説明の便宜上、図2では画像投射装置の光学要素だけを記載し他の要素は省略している。図2に示すように、3板式液晶プロジェクタ200は、2枚のダイクロイックミラー201、3枚の反射ミラー202、R光線用液晶パネル203、G光線用液晶パネル204、B光線用液晶パネル205、ダイクロイックプリズム206、投射光学系207等を備える。そして、光源(図示省略)から出射された光線は、ダイクロイックミラー201および反射ミラー202によって反射され、R光線用液晶パネル203、G光線用液晶パネル204、B光線用液晶パネル205のそれぞれに入射する。また、R光線用液晶パネル203、G光線用液晶パネル204、B光線用液晶パネル205のそれぞれから出射された光線は、ダイクロイックプリズム206を透過および反射して投射光学系207に入射する。そして、投射光学系207は入射した光線を曲面スクリーン(図示省略)に投射する。   FIG. 2 shows another example of the image projection apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. The image projection apparatus shown in FIG. 2 is a three-plate liquid crystal projector 200 using a liquid crystal panel as an image element. For convenience of explanation, only optical elements of the image projection apparatus are shown in FIG. 2 and other elements are omitted. As shown in FIG. 2, the three-plate liquid crystal projector 200 includes two dichroic mirrors 201, three reflection mirrors 202, a liquid crystal panel 203 for R light, a liquid crystal panel 204 for G light, a liquid crystal panel 205 for B light, a dichroic. A prism 206, a projection optical system 207, and the like are provided. Light rays emitted from a light source (not shown) are reflected by the dichroic mirror 201 and the reflection mirror 202 and enter the R light liquid crystal panel 203, the G light liquid crystal panel 204, and the B light liquid crystal panel 205, respectively. . Light beams emitted from the R light liquid crystal panel 203, the G light liquid crystal panel 204, and the B light liquid crystal panel 205 are transmitted through and reflected by the dichroic prism 206 and enter the projection optical system 207. The projection optical system 207 projects the incident light beam onto a curved screen (not shown).

本発明にかかる画像投射装置は、上述の単板式DLPプロジェクタ100、3板式液晶プロジェクタ200の何れであってもよい。すなわち、本発明にかかる投射光学系は、上述の投射光学系103、投射光学系207の何れであってもよい。そこで、以下、説明のため、投射光学系103、投射光学系207を単に、投射光学系300と称して説明する。   The image projection apparatus according to the present invention may be any of the single-plate DLP projector 100 and the three-plate liquid crystal projector 200 described above. That is, the projection optical system according to the present invention may be any of the above-described projection optical system 103 and projection optical system 207. Therefore, hereinafter, for the sake of explanation, the projection optical system 103 and the projection optical system 207 will be simply referred to as the projection optical system 300.

図3、図4A、図4Bに、本発明の実施の形態1に係る投射光学系300と曲面スクリーン400を示す。図3、図4A、図4Bにおいて、投射光学系300を透過する主光線のみを示している。
図3は、投射光学系300と曲面スクリーン400を示す斜視図である。図3において、X軸方向は曲面スクリーン400の幅方向であり、Y軸は曲面スクリーン400の高さ方向であり、Z軸方向は曲面スクリーン400の奥行き方向である。また、Z軸方向は、投射光学系300の光軸の方向と一致する。
また、図4Aは、投射光学系300と曲面スクリーン400を示す側面断面図である。換言すれば、図4Aは、投射光学系300と曲面スクリーン400をX軸方向から見た断面図である。
また、図4Bは、投射光学系300と曲面スクリーン400を示す上面断面図である。換言すれば、図4Bは、投射光学系300と曲面スクリーン400をY軸方向から見た断面図である。
図3、図4A、図4Bに示すように、曲面スクリーン400は、当該曲面スクリーン400の幅方向(X軸方向)にのみ曲率を有する。換言すれば、曲面スクリーン400の曲率は、当該曲面スクリーン400の幅方向(X軸方向)においてのみゼロではない。
3, 4A, and 4B show the projection optical system 300 and the curved screen 400 according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 3, FIG. 4A, and FIG. 4B, only the chief ray which permeate | transmits the projection optical system 300 is shown.
FIG. 3 is a perspective view showing the projection optical system 300 and the curved screen 400. In FIG. 3, the X-axis direction is the width direction of the curved screen 400, the Y-axis is the height direction of the curved screen 400, and the Z-axis direction is the depth direction of the curved screen 400. Further, the Z-axis direction coincides with the direction of the optical axis of the projection optical system 300.
4A is a side sectional view showing the projection optical system 300 and the curved screen 400. FIG. In other words, FIG. 4A is a cross-sectional view of the projection optical system 300 and the curved screen 400 as seen from the X-axis direction.
FIG. 4B is a top sectional view showing the projection optical system 300 and the curved screen 400. In other words, FIG. 4B is a cross-sectional view of the projection optical system 300 and the curved screen 400 as seen from the Y-axis direction.
As shown in FIGS. 3, 4A, and 4B, the curved screen 400 has a curvature only in the width direction (X-axis direction) of the curved screen 400. In other words, the curvature of the curved screen 400 is not zero only in the width direction (X-axis direction) of the curved screen 400.

図5に、本発明の実施の形態1に係る投射光学系300を示す。図5において、投射光学系300を透過する主光線のみを示している。図5は、投射光学系300をX軸方向から見た断面図である。図5において、画像表示素子500は、上述のDMDパネル101、R光線用液晶パネル203、G光線用液晶パネル204、B光線用液晶パネル205の何れであってもよい。また、同様に、プリズム600は、上述のTIRプリズム102、ダイクロイックプリズム206何れであってもよい。
図5に示すように、投射光学系300は、画像表示素子500側から順に、屈折作用を有する第1光学系301と、反射作用を有する第2光学系302と、を備える。
FIG. 5 shows a projection optical system 300 according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 5, only the chief rays that pass through the projection optical system 300 are shown. FIG. 5 is a cross-sectional view of the projection optical system 300 as viewed from the X-axis direction. In FIG. 5, the image display element 500 may be any of the above-described DMD panel 101, liquid crystal panel 203 for R light, liquid crystal panel 204 for G light, and liquid crystal panel 205 for B light. Similarly, the prism 600 may be any of the TIR prism 102 and the dichroic prism 206 described above.
As shown in FIG. 5, the projection optical system 300 includes, in order from the image display element 500 side, a first optical system 301 having a refractive action and a second optical system 302 having a reflecting action.

第1光学系301は、13枚の屈折レンズ1〜13を備える。具体的には、第1光学系301は、画像表示素子500側から順に、第1レンズ1、第2レンズ2、第3レンズ3、・・・、第12レンズ12、第13レンズ13を備える。第1レンズ1〜第10レンズ10は、屈折作用を有する球面レンズである。また、第11レンズ11は、屈折作用を有する軸対称非球面レンズである。また、第12レンズ12及び第13レンズ13は、自由曲面レンズである。すなわち、第1光学系301は、第2光学系302側に少なくとも2枚の自由曲面レンズ12、13を備える。
また、第2光学系302は、第1光学系301側に凹の反射面を有する自由曲面ミラー14を備える。
また、第1光学系301は、第6レンズ6と第7レンズ7との間に絞り15を備える。
なお、自由曲面とは、第1光学系301の光軸に対して非回転対称に形成された非球面を意味する。
The first optical system 301 includes 13 refractive lenses 1 to 13. Specifically, the first optical system 301 includes a first lens 1, a second lens 2, a third lens 3,..., A twelfth lens 12, and a thirteenth lens 13 in order from the image display element 500 side. . The first lens 10 to the tenth lens 10 are spherical lenses having a refractive action. The eleventh lens 11 is an axisymmetric aspheric lens having a refractive action. The twelfth lens 12 and the thirteenth lens 13 are free-form surface lenses. That is, the first optical system 301 includes at least two free-form surface lenses 12 and 13 on the second optical system 302 side.
The second optical system 302 includes the free-form surface mirror 14 having a concave reflecting surface on the first optical system 301 side.
Further, the first optical system 301 includes a diaphragm 15 between the sixth lens 6 and the seventh lens 7.
The free-form surface means an aspheric surface formed in a non-rotational symmetry with respect to the optical axis of the first optical system 301.

そして、第1光学系301は、当該第1光学系301と第2光学系302との間に、画像表示素子500に表示された画像と共役な中間像を結像する。図5において、中間像を破線で示す。また、第2光学系302は、第2光学系302側に凹の曲面形状を有する曲面スクリーン400に当該中間像を拡大して投射する。   The first optical system 301 forms an intermediate image conjugate with the image displayed on the image display element 500 between the first optical system 301 and the second optical system 302. In FIG. 5, the intermediate image is indicated by a broken line. Further, the second optical system 302 enlarges and projects the intermediate image onto the curved screen 400 having a concave curved shape on the second optical system 302 side.

本発明の実施の形態1に係る投射光学系300のFナンバー(F値)は2.0、最大物体高は11.5mmである。また、曲面スクリーン400のX軸方向の曲率半径Rxは6000mm、Y軸方向の曲率半径Ryは無限大である。また、投射距離は420mmである。換言すれば、自由曲面ミラー14と曲面スクリーン400とのZ軸方向の間隔は420mmである。なお、最大物体高とは、光学系の光軸を中心として、その中心から画像表示素子のコーナー端までの距離である。
図6は、本発明の実施の形態1に係る投射光学系300のレンズデータを示す表である。図6の表において、物体面(画像表示素子500の画像が表示される面)の面番号を0とする。そして、像面(曲面スクリーン400の投射像が表示される面)の面番号は32である。また、絞り15の面番号は16である。また、図6の表において、「CG」は画像表示素子500のカバーガラスを意味し、「P1」はプリズム600を意味する。また、図6の表において、「L1」〜「L13」は、それぞれ、第1レンズ1〜第13レンズ13を意味する。また、図6の表において、「M1」は、自由曲面ミラー14を意味する。また、図6の表において、「*1」は、第11レンズ11の面形状が次の(1)式により規定されることを意味し、「*2」は、第12レンズ12、第13レンズ13、自由曲面ミラー14の面形状が次の(2)式により規定されることを意味する。
The projection optical system 300 according to Embodiment 1 of the present invention has an F number (F value) of 2.0 and a maximum object height of 11.5 mm. Further, the curvature radius Rx in the X-axis direction of the curved screen 400 is 6000 mm, and the curvature radius Ry in the Y-axis direction is infinite. The projection distance is 420 mm. In other words, the distance between the free-form curved mirror 14 and the curved screen 400 in the Z-axis direction is 420 mm. The maximum object height is a distance from the center to the corner end of the image display element with the optical axis of the optical system as the center.
FIG. 6 is a table showing lens data of the projection optical system 300 according to Embodiment 1 of the present invention. In the table of FIG. 6, the surface number of the object surface (the surface on which the image of the image display element 500 is displayed) is set to 0. The surface number of the image surface (the surface on which the projected image of the curved screen 400 is displayed) is 32. The surface number of the diaphragm 15 is 16. In the table of FIG. 6, “CG” means the cover glass of the image display element 500, and “P1” means the prism 600. In the table of FIG. 6, “L1” to “L13” mean the first lens 13 to the thirteenth lens 13, respectively. In the table of FIG. 6, “M1” means the free-form surface mirror 14. In the table of FIG. 6, “* 1” means that the surface shape of the eleventh lens 11 is defined by the following expression (1), and “* 2” indicates the twelfth lens 12 and the thirteenth lens. This means that the surface shapes of the lens 13 and the free-form surface mirror 14 are defined by the following equation (2).

Figure 2015031912
Figure 2015031912

Figure 2015031912
Figure 2015031912

(1)式において、Zはサグ量、cは曲率、kはコーニック定数、AR1、AR2、・・・、AR30はそれぞれ1次、2次、・・・、30次の非球面係数、rは第1光学系301の光軸からの高さである。
また、(2)式において、Zはサグ量、cは曲率、kはコーニック定数、rは第1光学系301の光軸からの高さ、Cはxy多項式の係数である。また、(2)式のm、n、jの間には、次の(3)式で表される関係が成り立つ。
In equation (1), Z is the sag amount, c is the curvature, k is the conic constant, AR1, AR2,..., AR30 are the first order, second order,. This is the height of the first optical system 301 from the optical axis.
In equation (2), Z is the sag amount, c is the curvature, k is the conic constant, r is the height from the optical axis of the first optical system 301, and C j is the coefficient of the xy polynomial. Further, a relationship represented by the following expression (3) is established between m, n, and j in the expression (2).

Figure 2015031912
Figure 2015031912

図7は、第11レンズ11の面形状データを示す表である。図7に示すように、第11レンズ11の両レンズ面は、第1光学系301の光軸に対して回転対称に形成された非球面形状を有する。なお、図7の表に示されていない非球面係数はゼロである。   FIG. 7 is a table showing surface shape data of the eleventh lens 11. As shown in FIG. 7, both lens surfaces of the eleventh lens 11 have an aspherical shape formed in rotational symmetry with respect to the optical axis of the first optical system 301. Note that aspherical coefficients not shown in the table of FIG. 7 are zero.

図8は、第12レンズ12、第13レンズ13、自由曲面ミラー14の面形状データを示す表である。具体的には、図8の表に、(2)式で用いられる各パラメータの値を示す。図8に示すように、第12レンズ12のR1面(画像表示素子500側のレンズ面)及びR2面(第2光学系302側のレンズ面)、第13レンズ13のR1面及びR2面、自由曲面ミラー14の反射面は、自由曲面形状となっている。
特に、第12レンズ12のR1面及びR2面と第13レンズ13のR1面及びR2面とは、X軸(曲面スクリーン400の幅方向)に対して垂直で且つ第1光学系の光軸を含む平面に対して対称であるがY軸(曲面スクリーン400の高さ方向)に対して垂直で且つ第1光学系の光軸を含む平面に対して非対称な形状となっている。
FIG. 8 is a table showing surface shape data of the twelfth lens 12, the thirteenth lens 13, and the free-form surface mirror. Specifically, the table of FIG. 8 shows the value of each parameter used in equation (2). As shown in FIG. 8, the R1 surface (lens surface on the image display element 500 side) and R2 surface (lens surface on the second optical system 302 side) of the twelfth lens 12, the R1 surface and R2 surface of the thirteenth lens 13, The reflecting surface of the free-form surface mirror 14 has a free-form surface shape.
In particular, the R1 and R2 surfaces of the twelfth lens 12 and the R1 and R2 surfaces of the thirteenth lens 13 are perpendicular to the X axis (the width direction of the curved screen 400) and have the optical axis of the first optical system. The shape is symmetric with respect to the plane including the plane but is perpendicular to the Y axis (the height direction of the curved screen 400) and asymmetric with respect to the plane including the optical axis of the first optical system.

また、(2)式、(3)式及び図8の表に示すパラメータによって規定された第13レンズ13のR1面は、次の(4)式を満たす。具体的には、第13レンズ13のR1面において、SL1/SU1は2.05である。
1<SL1/SU1<2.2 ・・・・・(4)
(4)式において、SL1は、画像表示素子500の表示領域内で第1光学系301の光軸に最も近いコーナー部から射出した主光線が通過する光線有効域内の座標におけるサグ量である。また、(4)式において、SU1は、画像表示素子500の表示領域内で第1光学系301の光軸に最も遠いコーナー部から射出した主光線が通過する光線有効域内の座標におけるサグ量である。
Further, the R1 surface of the thirteenth lens 13 defined by the parameters shown in the equations (2), (3) and the table of FIG. 8 satisfies the following equation (4). Specifically, SL1 / SU1 is 2.05 on the R1 surface of the thirteenth lens 13.
1 <SL1 / SU1 <2.2 (4)
In the equation (4), SL1 is a sag amount at coordinates in the effective ray range through which the principal ray emitted from the corner portion closest to the optical axis of the first optical system 301 passes within the display area of the image display element 500. In the equation (4), SU1 is a sag amount at coordinates in the effective ray range through which the principal ray emitted from the corner portion farthest from the optical axis of the first optical system 301 passes within the display area of the image display element 500. is there.

図9を参照しながら、SL1及びSU1について説明する。図9は、第13レンズを模式的に示す斜視図である。本実施の形態1に係る画像投射装置において、画像表示素子500は、第1光学系301の光軸より上側(Y軸プラス方向側)に位置している。そのため、画像表示素子500の表示領域内で第1光学系301の光軸に最も近いコーナー部から射出した主光線は、第13レンズ13の光線有効域の上側に到達する。一方、画像表示素子500の表示領域内で第1光学系301の光軸に最も遠いコーナー部から射出した主光線は、第13レンズ13の光線有効域の下側に到達する。また、図9において、対称面Hは、X軸に垂直で且つ第1光学系301の光軸を含む平面である。そして、第13レンズ13のR1面又はR2面のサグ量とは、当該対称面Hと第13レンズ13のR1面又はR2面が交差する位置からの第1光学系301の光軸方向(Z軸方向)の変位量である。   SL1 and SU1 will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a perspective view schematically showing the thirteenth lens. In the image projection apparatus according to the first embodiment, the image display element 500 is located above the optical axis of the first optical system 301 (Y-axis plus direction side). Therefore, the principal ray emitted from the corner closest to the optical axis of the first optical system 301 in the display area of the image display element 500 reaches the upper side of the effective ray range of the thirteenth lens 13. On the other hand, the principal ray emitted from the corner portion farthest from the optical axis of the first optical system 301 within the display area of the image display element 500 reaches the lower side of the effective ray range of the thirteenth lens 13. In FIG. 9, the symmetry plane H is a plane that is perpendicular to the X axis and includes the optical axis of the first optical system 301. The sag amount of the R1 surface or the R2 surface of the thirteenth lens 13 is the optical axis direction (Z of the first optical system 301 from the position where the symmetry plane H and the R1 surface or the R2 surface of the thirteenth lens 13 intersect. Axial displacement).

また、(2)式、(3)式及び図8の表に示すパラメータによって規定された第13レンズ13のR2面は、次の(5)式を満たす。具体的には、第13レンズ13のR2面において、SL2/SU2は1.51である。
0.6<SL2/SU2<1.6 ・・・・・(5)
(5)式において、SL2は、画像表示素子500の表示領域内で第1光学系301の光軸に最も近いコーナー部から射出した主光線が通過する光線有効域内の座標におけるサグ量である。また、(5)式において、SU1は、画像表示素子500の表示領域内で第1光学系301の光軸に最も遠いコーナー部から射出した主光線が通過する光線有効域内の座標におけるサグ量である。
なお、SL2、SU2の定義は、SL1、SU1と同様であるため、その説明を省略する。
Further, the R2 surface of the thirteenth lens 13 defined by the parameters shown in the equations (2), (3) and the table of FIG. 8 satisfies the following equation (5). Specifically, SL2 / SU2 is 1.51 on the R2 surface of the thirteenth lens 13.
0.6 <SL2 / SU2 <1.6 (5)
In the equation (5), SL2 is a sag amount in coordinates within the effective ray range through which the principal ray emitted from the corner portion closest to the optical axis of the first optical system 301 passes within the display area of the image display element 500. In the equation (5), SU1 is a sag amount in coordinates in the effective ray range through which the principal ray emitted from the corner portion farthest from the optical axis of the first optical system 301 passes in the display area of the image display element 500. is there.
Since the definitions of SL2 and SU2 are the same as those of SL1 and SU1, the description thereof is omitted.

自由曲面ミラー14は、第1光学系301の光軸に対して偏心している。具体的には、自由曲面ミラー14は、第1光学系301の光軸に対してY軸プラス方向にシフトし、且つ、X軸に対して時計回りにチルト偏心していることが好ましい。本実施の形態1にかかる自由曲面ミラー14は、第1光学系301の光軸に対してY軸プラス方向に6.212mmシフトし、且つ、X軸に対して時計回りに3.7°チルト偏心している。   The free-form surface mirror 14 is decentered with respect to the optical axis of the first optical system 301. Specifically, it is preferable that the free-form surface mirror 14 is shifted in the Y-axis plus direction with respect to the optical axis of the first optical system 301 and tilted clockwise with respect to the X-axis. The free-form surface mirror 14 according to the first embodiment is shifted by 6.212 mm in the Y-axis plus direction with respect to the optical axis of the first optical system 301 and tilted by 3.7 ° clockwise with respect to the X-axis. Eccentric.

図10に、本実施の形態1に係る投射光学系300を用いて、幅:高さが16:9、大きさ(対角線の長さ)が100インチの曲面スクリーン400に投射した場合の歪曲収差を示す。具体的には、図10は、曲面スクリーン400上に表示された格子(21×21格子)を無限遠の平面に射影した場合に当該平面上に表示される格子を示している。図10において、実線は、理想的な格子を示し、破線は曲面スクリーン400上に表示された格子の射影を示す。図10において、投射光学系300によって曲面スクリーン400上に表示された格子は、無限遠の平面上の理想的な格子とほぼ一致している。換言すれば、本実施の形態1に係る投射光学系300の歪曲収差は、十分に低減されている。   FIG. 10 shows distortion aberration when the projection optical system 300 according to the first embodiment is used to project a curved screen 400 having a width: height of 16: 9 and a size (diagonal length) of 100 inches. Indicates. Specifically, FIG. 10 shows a grid displayed on the plane when the grid (21 × 21 grid) displayed on the curved screen 400 is projected onto an infinite plane. In FIG. 10, a solid line indicates an ideal lattice, and a broken line indicates a projection of the lattice displayed on the curved screen 400. In FIG. 10, the grating displayed on the curved screen 400 by the projection optical system 300 substantially coincides with an ideal grating on a plane at infinity. In other words, the distortion of the projection optical system 300 according to the first embodiment is sufficiently reduced.

また、図11Aに、曲面スクリーン400上の座標を示し、図11Bに当該座標におけるスポットダイアグラムを示す。図11Bに示すスポットダイアグラムは、e線のスポットダイアグラムである。図11Bに示すように、各座標におけるスポットの大きさは1mm程度であり、画像表示素子500の解像度がフルHD(1920×1080ピクセル)の場合、曲面スクリーン400上の1ピクセルの大きさは1mm程度であるため、本実施の形態1にかかる投射光学系300は、十分な性能を確保できていることが分かる。   FIG. 11A shows coordinates on the curved screen 400, and FIG. 11B shows a spot diagram at the coordinates. The spot diagram shown in FIG. 11B is an e-line spot diagram. As shown in FIG. 11B, the spot size at each coordinate is about 1 mm, and when the resolution of the image display element 500 is full HD (1920 × 1080 pixels), the size of one pixel on the curved screen 400 is 1 mm. Therefore, it can be seen that the projection optical system 300 according to the first embodiment can secure sufficient performance.

以上に説明した本発明の実施の形態1に係る画像投射装置及び投射光学系300によれば、画像表示素子500側から順に、屈折作用を有する第1光学系301と、反射作用を有する第2光学系302と、を備える。また、第1光学系301は、第2光学系302側に少なくとも2枚の自由曲面レンズ12、13を備える。また、第2光学系302は、第1光学系301側に凹の反射面を有する自由曲面ミラー14を備える。また、第1光学系301は、当該第1光学系301と第2光学系302との間に、画像表示素子500に表示された画像と共役な中間像を結像する。また、第2光学系302は、第2光学系302側に凹の曲面形状を有する曲面スクリーン400に当該中間像を拡大して投射する。
これにより、自由曲面ミラー14において発生する非点収差及び像面湾曲を中間像の収差により相殺することができる。また、自由曲面ミラー14は強い屈折力を有するため、中間像を極めて短い投射距離で拡大投射することができる。すなわち、短い投射距離で、曲面スクリーン400に良好な投射性能で投射できる投射光学系300及び画像投射装置を提供することができる。
According to the image projection apparatus and the projection optical system 300 according to the first embodiment of the present invention described above, the first optical system 301 having a refractive action and the second having a reflective action in order from the image display element 500 side. An optical system 302. The first optical system 301 includes at least two free-form surface lenses 12 and 13 on the second optical system 302 side. The second optical system 302 includes the free-form surface mirror 14 having a concave reflecting surface on the first optical system 301 side. The first optical system 301 forms an intermediate image conjugate with the image displayed on the image display element 500 between the first optical system 301 and the second optical system 302. Further, the second optical system 302 enlarges and projects the intermediate image onto the curved screen 400 having a concave curved shape on the second optical system 302 side.
As a result, astigmatism and field curvature generated in the free-form surface mirror 14 can be canceled by the aberration of the intermediate image. Moreover, since the free-form surface mirror 14 has a strong refractive power, the intermediate image can be enlarged and projected at an extremely short projection distance. That is, it is possible to provide the projection optical system 300 and the image projection apparatus that can project on the curved screen 400 with good projection performance with a short projection distance.

また、自由曲面ミラー14が第1光学系301側に凹の反射面を有するため、投射光学系300において光学部品がY軸マイナス方向(第1光学系301の光軸の下側)に展開される。そのため、画像投射装置の上部に光学部品が突出することがないため、視認上邪魔にならずに済む。   In addition, since the free-form surface mirror 14 has a concave reflecting surface on the first optical system 301 side, the optical components are expanded in the Y-axis minus direction (below the optical axis of the first optical system 301) in the projection optical system 300. The For this reason, the optical component does not protrude above the image projection apparatus, so that it does not interfere with visual recognition.

また、実施の形態1では、第12レンズ12のR1面(画像表示素子500側のレンズ面)及びR2面(第2光学系302側のレンズ面)、第13レンズ13のR1面及びR2面、自由曲面ミラー14の反射面は、自由曲面形状となっている。
これにより、曲面スクリーン400に歪みなく画面全体においてフォーカス性能が良好な投射が可能となる。
In the first embodiment, the R1 surface (lens surface on the image display element 500 side) and R2 surface (lens surface on the second optical system 302 side) of the twelfth lens 12, and the R1 surface and R2 surface of the thirteenth lens 13 are used. The reflecting surface of the free-form surface mirror 14 has a free-form surface shape.
As a result, it is possible to project the curved screen 400 with good focusing performance over the entire screen without distortion.

また、第12レンズ12のR1面及びR2面と第13レンズ13のR1面及びR2面とは、X軸(曲面スクリーン400の幅方向)に対して垂直で且つ第1光学系の光軸を含む平面に対して対称であるがY軸(曲面スクリーン400の高さ方向)に対して垂直で且つ第1光学系の光軸を含む平面に対して非対称な形状となっている。
これにより、曲面スクリーン400の幅方向(X軸方向)にのみ曲率を有する曲面スクリーン400に対して投射画面全体のフォーカス性能及び歪曲性能を向上できる。また、当該自由曲面の収差補正作用を第12レンズ12及び第13レンズ13の合計4枚のレンズ面に分散させることにより、フォーカス性能及び歪曲性能を効果的に向上できるとともに、各レンズ面で発生する収差を最小化でき、製造誤差に対する敏感度を低くすることができる。
The R1 surface and R2 surface of the twelfth lens 12 and the R1 surface and R2 surface of the thirteenth lens 13 are perpendicular to the X axis (the width direction of the curved screen 400) and have the optical axis of the first optical system. The shape is symmetric with respect to the plane including the plane but is perpendicular to the Y axis (the height direction of the curved screen 400) and asymmetric with respect to the plane including the optical axis of the first optical system.
Thereby, the focusing performance and distortion performance of the entire projection screen can be improved with respect to the curved screen 400 having a curvature only in the width direction (X-axis direction) of the curved screen 400. In addition, by dispersing the aberration correction function of the free-form surface over a total of four lens surfaces of the twelfth lens 12 and the thirteenth lens 13, it is possible to effectively improve the focus performance and distortion performance and to generate on each lens surface. Aberration can be minimized, and sensitivity to manufacturing errors can be reduced.

また、自由曲面レンズ13の一方のレンズ面(R1面)は、次の(4)式を満たす。
1<SL1/SU1<2.2 ・・・・・(4)
SL1/SU1が上述の(4)式の下限値以下の場合、自由曲面レンズ13のレンズ面の形状が第1光学系301の光軸に対して光線有効域内でX軸方向に非対称であることによって収差を補正する効果が小さくなりすぎて、画面全体のフォーカス性能を確保することが難しくなる。
一方で、SL1/SU1が上述の(4)式の上限値以上の場合、自由曲面レンズ13のレンズ面の形状について第1光学系301の光軸に対する光線有効域内でのX軸方向の非対称性が大きくなりすぎて、当該レンズ面の傾斜角度が増大し自由曲面レンズ13の加工性及び加工精度が悪化してしまう。また、自由曲面レンズ13の加工性及び加工精度が悪化することにより、投射光学系300のフォーカス性能が悪化してしまう。
Further, one lens surface (R1 surface) of the free-form surface lens 13 satisfies the following expression (4).
1 <SL1 / SU1 <2.2 (4)
When SL1 / SU1 is less than or equal to the lower limit of the above-described expression (4), the shape of the lens surface of the free-form surface lens 13 is asymmetric in the X-axis direction within the effective ray range with respect to the optical axis of the first optical system 301. As a result, the effect of correcting the aberration becomes too small, and it becomes difficult to ensure the focusing performance of the entire screen.
On the other hand, when SL1 / SU1 is equal to or greater than the upper limit value of the above-described expression (4), the shape of the lens surface of the free-form surface lens 13 is asymmetric in the X-axis direction within the effective ray range with respect to the optical axis of the first optical system 301. Becomes too large, the inclination angle of the lens surface increases, and the workability and processing accuracy of the free-form surface lens 13 deteriorate. Further, the workability and processing accuracy of the free-form surface lens 13 are deteriorated, so that the focusing performance of the projection optical system 300 is deteriorated.

また、自由曲面レンズ13の他方のレンズ面(R2面)は、次の(5)式を満たす。
0.6<SL2/SU2<1.6 ・・・・・(5)
これにより、投射光学系300の投射性能をさらに向上させることができる。
Further, the other lens surface (R2 surface) of the free-form surface lens 13 satisfies the following expression (5).
0.6 <SL2 / SU2 <1.6 (5)
Thereby, the projection performance of the projection optical system 300 can be further improved.

また、自由曲面ミラー14は、第1光学系301の光軸に対して偏心している。これにより、投射光学系300は、より効果的に歪曲のない画像投射を行うことができる。   The free-form surface mirror 14 is decentered with respect to the optical axis of the first optical system 301. Thereby, the projection optical system 300 can perform image projection without distortion more effectively.

実施の形態2.
本発明の実施の形態2にかかる投射光学系300Aについて、図12A、図12B、図13、図14、図15、図16、図17、図18A、図18Bを参照しながら説明する。なお、図12A、図12B、図13、図14、図15、図16、図17、図18A、図18Bについての説明は、図4A、図4B、図5、図6、図7、図8、図10、図11A、図11Bと同様であるため、省略する。
また、図13、図14、図15、図16に示すように、実施の形態2にかかる投射光学系300Aは、第1レンズ1A、第2レンズ2A、・・・、第13レンズ13A、自由曲面ミラー14Aの構成のみが、実施の形態1にかかる投射光学系300と異なるため、同一の構成については、同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。
Embodiment 2. FIG.
A projection optical system 300A according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 12A, 12B, 13, 14, 14, 15, 16, 17, 18A, and 18B. 12A, 12B, 13, 14, 15, 16, 17, 17, 18A, and 18B are described in FIGS. 4A, 4B, 5, 6, 7, and 8. 10, FIG. 11A, and FIG.
As shown in FIGS. 13, 14, 15, and 16, the projection optical system 300A according to the second embodiment includes a first lens 1A, a second lens 2A,. Since only the configuration of the curved mirror 14A is different from the projection optical system 300 according to the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

図13に示すように、投射光学系300Aは、画像表示素子500側から順に、屈折作用を有する第1光学系301Aと、反射作用を有する第2光学系302Aと、を備える。   As shown in FIG. 13, the projection optical system 300A includes, in order from the image display element 500 side, a first optical system 301A having a refractive action and a second optical system 302A having a reflective action.

第1光学系301Aは、13枚の屈折レンズ1A〜13Aを備える。具体的には、第1光学系301は、画像表示素子500側から順に、第1レンズ1A、第2レンズ2A、第3レンズ3A、・・・、第12レンズ12A、第13レンズ13Aを備える。第1レンズ1A〜第10レンズ10Aは、屈折作用を有する球面レンズである。また、第11レンズ11Aは、屈折作用を有する軸対称非球面レンズである。また、第12レンズ12A及び第13レンズ13Aは、自由曲面レンズである。すなわち、第1光学系301Aは、第2光学系302A側に少なくとも2枚の自由曲面レンズ12A、13Aを備える。
また、第2光学系302Aは、第1光学系301A側に凹の反射面を有する自由曲面ミラー14Aを備える。
また、第1光学系301Aは、第6レンズ6Aと第7レンズ7Aとの間に絞り15Aを備える。
The first optical system 301A includes 13 refractive lenses 1A to 13A. Specifically, the first optical system 301 includes a first lens 1A, a second lens 2A, a third lens 3A,..., A twelfth lens 12A, and a thirteenth lens 13A in order from the image display element 500 side. . The first lens 10A to the 10th lens 10A are spherical lenses having a refractive action. The eleventh lens 11A is an axisymmetric aspheric lens having a refractive action. The twelfth lens 12A and the thirteenth lens 13A are free-form curved lenses. That is, the first optical system 301A includes at least two free-form surface lenses 12A and 13A on the second optical system 302A side.
The second optical system 302A includes a free-form surface mirror 14A having a concave reflecting surface on the first optical system 301A side.
The first optical system 301A includes a diaphragm 15A between the sixth lens 6A and the seventh lens 7A.

そして、第1光学系301Aは、当該第1光学系301Aと第2光学系302Aとの間に、画像表示素子500に表示された画像と共役な中間像を結像する。図13において、中間像を破線で示す。また、第2光学系302Aは、第2光学系302A側に凹の曲面形状を有する曲面スクリーン400に当該中間像を拡大して投射する。   Then, the first optical system 301A forms an intermediate image conjugate with the image displayed on the image display element 500 between the first optical system 301A and the second optical system 302A. In FIG. 13, the intermediate image is indicated by a broken line. The second optical system 302A enlarges and projects the intermediate image on the curved screen 400 having a concave curved surface shape on the second optical system 302A side.

投射光学系300AのFナンバー(F値)は2.0、最大物体高は11.5mmである。また、曲面スクリーン400のX軸方向の曲率半径Rxは6000mm、Y軸方向の曲率半径Ryは無限大である。また、投射距離は420mmである。換言すれば、自由曲面ミラー14Aと曲面スクリーン400とのZ軸方向の間隔は420mmである。
図16に示すように、第12レンズ12AのR1面(画像表示素子500側のレンズ面)及びR2面(第2光学系302A側のレンズ面)、第13レンズ13AのR1面及びR2面、自由曲面ミラー14Aの反射面は、自由曲面形状となっている。
特に、第12レンズ12AのR1面及びR2面と第13レンズ13AのR1面及びR2面とは、X軸(曲面スクリーン400の幅方向)に対して垂直で且つ第1光学系の光軸を含む平面に対して対称であるがY軸(曲面スクリーン400の高さ方向)に対して垂直で且つ第1光学系の光軸を含む平面に対して非対称な形状となっている。
The projection optical system 300A has an F number (F value) of 2.0 and a maximum object height of 11.5 mm. Further, the curvature radius Rx in the X-axis direction of the curved screen 400 is 6000 mm, and the curvature radius Ry in the Y-axis direction is infinite. The projection distance is 420 mm. In other words, the interval in the Z-axis direction between the free curved surface mirror 14A and the curved screen 400 is 420 mm.
16, the R1 surface (lens surface on the image display element 500 side) and R2 surface (lens surface on the second optical system 302A side) of the twelfth lens 12A, the R1 surface and the R2 surface of the thirteenth lens 13A, The reflecting surface of the free curved mirror 14A has a free curved surface shape.
In particular, the R1 and R2 surfaces of the twelfth lens 12A and the R1 and R2 surfaces of the thirteenth lens 13A are perpendicular to the X axis (the width direction of the curved screen 400) and have the optical axis of the first optical system. The shape is symmetric with respect to the plane including the plane but is perpendicular to the Y axis (the height direction of the curved screen 400) and asymmetric with respect to the plane including the optical axis of the first optical system.

また、(2)式、(3)式及び図16の表に示すパラメータによって規定された第13レンズ13AのR1面は、次の(4)式を満たす。具体的には、第13レンズ13AのR1面において、SL1/SU1は1.25である。
1<SL1/SU1<2.2 ・・・・・(4)
Further, the R1 surface of the thirteenth lens 13A defined by the parameters shown in the equations (2), (3) and the table of FIG. 16 satisfies the following equation (4). Specifically, SL1 / SU1 is 1.25 in the R1 surface of the thirteenth lens 13A.
1 <SL1 / SU1 <2.2 (4)

また、(2)式、(3)式及び図16の表に示すパラメータによって規定された第13レンズ13AのR2面は、次の(5)式を満たす。具体的には、第13レンズ13AのR2面において、SL2/SU2は0.73である。
0.6<SL2/SU2<1.6 ・・・・・(5)
Further, the R2 surface of the thirteenth lens 13A defined by the parameters shown in the equations (2), (3) and the table of FIG. 16 satisfies the following equation (5). Specifically, SL2 / SU2 is 0.73 on the R2 surface of the thirteenth lens 13A.
0.6 <SL2 / SU2 <1.6 (5)

自由曲面ミラー14Aは、第1光学系301Aの光軸に対して偏心している。具体的には、自由曲面ミラー14Aは、第1光学系301Aの光軸に対してY軸プラス方向にシフトし、且つ、X軸に対して時計回りにチルト偏心していることが好ましい。本実施の形態2にかかる自由曲面ミラー14Aは、第1光学系301Aの光軸に対してY軸プラス方向に5.482mmシフトし、且つ、X軸に対して時計回りに4.2°チルト偏心している。   The free-form surface mirror 14A is decentered with respect to the optical axis of the first optical system 301A. Specifically, it is preferable that the free-form surface mirror 14A is shifted in the Y-axis plus direction with respect to the optical axis of the first optical system 301A and is tilted eccentrically clockwise with respect to the X-axis. The free-form surface mirror 14A according to the second embodiment is shifted by 5.482 mm in the Y-axis plus direction with respect to the optical axis of the first optical system 301A and tilted by 4.2 ° clockwise with respect to the X-axis. Eccentric.

図17に、本実施の形態2に係る投射光学系300Aを用いて、幅:高さが16:9、大きさ(対角線の長さ)が100インチの曲面スクリーン400に投射した場合の歪曲収差を示す。図17において、投射光学系300Aによって曲面スクリーン400上に表示された格子は、無限遠の平面上の理想的な格子とほぼ一致している。換言すれば、本実施の形態2に係る投射光学系400の歪曲収差は、十分に低減されている。   FIG. 17 shows distortion aberration when projected onto a curved screen 400 having a width: height of 16: 9 and a size (diagonal length) of 100 inches using the projection optical system 300A according to the second embodiment. Indicates. In FIG. 17, the grating displayed on the curved screen 400 by the projection optical system 300A substantially coincides with an ideal grating on a plane at infinity. In other words, the distortion of the projection optical system 400 according to the second embodiment is sufficiently reduced.

また、図18Aに、曲面スクリーン400上の座標を示し、図18Bに当該座標におけるスポットダイアグラムを示す。図18Bに示すように、各座標におけるスポットの大きさは1mm程度であり、画像表示素子500の解像度がフルHD(1920×1080ピクセル)の場合、曲面スクリーン400上の1ピクセルの大きさは1mm程度であるため、本実施の形態2にかかる投射光学系300Aは、十分な性能を確保できていることが分かる。   18A shows coordinates on the curved screen 400, and FIG. 18B shows a spot diagram at the coordinates. As shown in FIG. 18B, the size of the spot at each coordinate is about 1 mm. When the resolution of the image display element 500 is full HD (1920 × 1080 pixels), the size of one pixel on the curved screen 400 is 1 mm. Therefore, it can be seen that the projection optical system 300A according to the second embodiment can secure sufficient performance.

以上に説明した本発明の実施の形態2に係る画像投射装置及び投射光学系300Aによれば、実施の形態1に係る画像投射装置及び投射光学系300と同様の効果を得ることができる。   According to the image projection apparatus and the projection optical system 300A according to the second embodiment of the present invention described above, the same effects as those of the image projection apparatus and the projection optical system 300 according to the first embodiment can be obtained.

図19に、平面スクリーンに画像を投射することを目的として設計された従来の投射光学系を用いて、幅:高さが16:9、大きさ(対角線の長さ)が100インチの曲面スクリーン400に投射した場合の歪曲収差を示す。なお、図19の説明は、図10と同様であるため省略する。図19において、従来の投射光学系によって曲面スクリーン400上に表示された格子(破線)は、無限遠の平面上の理想的な格子(実線)と大きく異なっている。換言すれば、従来の投射光学系の歪曲収差は、かなり大きく、視認上問題がある。   FIG. 19 shows a curved screen having a width: height of 16: 9 and a size (diagonal length) of 100 inches using a conventional projection optical system designed for projecting an image onto a flat screen. The distortion aberration when projected on 400 is shown. The description of FIG. 19 is the same as that of FIG. In FIG. 19, the grating (broken line) displayed on the curved screen 400 by the conventional projection optical system is greatly different from the ideal grating (solid line) on the plane at infinity. In other words, the distortion of the conventional projection optical system is quite large, which causes a problem in visual recognition.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

12、12A 第12レンズ(自由曲面レンズ)
13、13A 第13レンズ(自由曲面レンズ)
14、14A 自由曲面ミラー
100 単板式DLPプロジェクタ(画像投射装置)
200 3板式液晶プロジェクタ(画像投射装置)
103、207、300 投射光学系
301 第1光学系
302 第2光学系
400 曲面スクリーン
500 画像表示素子
600 プリズム
12, 12A 12th lens (free-form surface lens)
13, 13A 13th lens (free-form surface lens)
14, 14A Free-form curved mirror 100 Single plate type DLP projector (image projection device)
200 3-plate liquid crystal projector (image projection device)
103, 207, 300 Projection optical system 301 First optical system 302 Second optical system 400 Curved screen 500 Image display element 600 Prism

Claims (6)

画像表示素子側から順に、屈折作用を有する第1光学系と、反射作用を有する第2光学系と、を備え、
前記第1光学系は、前記第2光学系側に少なくとも2枚の自由曲面レンズを備え、
前記第2光学系は、前記第1光学系側に凹の反射面を有する自由曲面ミラーを備え、
前記第1光学系は、当該第1光学系と前記第2光学系との間に、前記画像表示素子に表示された画像と共役な中間像を結像し、
前記第2光学系は、前記第2光学系側に凹の曲面形状を有する曲面スクリーンに前記中間像を拡大して投射する、投射光学系。
In order from the image display element side, a first optical system having a refractive action and a second optical system having a reflective action are provided,
The first optical system includes at least two free-form surface lenses on the second optical system side,
The second optical system includes a free-form surface mirror having a concave reflecting surface on the first optical system side,
The first optical system forms an intermediate image conjugate with an image displayed on the image display element between the first optical system and the second optical system,
The second optical system is a projection optical system that enlarges and projects the intermediate image onto a curved screen having a concave curved surface shape on the second optical system side.
前記自由曲面レンズのうち最も前記第2光学系側の前記自由曲面レンズの少なくとも一方のレンズ面は、次の(4)式を満たす、請求項1に記載の投射光学系。
1<SL1/SU1<2.2 ・・・・・(4)
(4)式において、SL1は、前記画像表示素子の表示領域内で前記第1光学系の光軸に最も近いコーナー部から射出した主光線が通過する光線有効域内の座標におけるサグ量、SU1は、前記画像表示素子の表示領域内で前記第1光学系の光軸に最も遠いコーナー部から射出した主光線が通過する光線有効域内の座標におけるサグ量である。
2. The projection optical system according to claim 1, wherein at least one lens surface of the free-form surface lens closest to the second optical system among the free-form surface lenses satisfies the following expression (4).
1 <SL1 / SU1 <2.2 (4)
In the equation (4), SL1 is a sag amount at coordinates in a light ray effective region through which a principal ray emitted from a corner portion closest to the optical axis of the first optical system passes in the display region of the image display element, and SU1 is , A sag amount at coordinates in the effective ray range through which the principal ray emitted from the corner portion farthest from the optical axis of the first optical system passes within the display area of the image display element.
前記自由曲面ミラーは、前記第1光学系の光軸に対して偏心している、請求項1又は2に記載の投射光学系。   The projection optical system according to claim 1, wherein the free-form curved mirror is decentered with respect to the optical axis of the first optical system. 前記曲面スクリーンは、当該曲面スクリーンの幅方向にのみ曲率を有する、請求項1乃至3の何れか一項に記載の投射光学系。   The projection optical system according to any one of claims 1 to 3, wherein the curved screen has a curvature only in a width direction of the curved screen. 前記曲面スクリーンは、当該曲面スクリーンの幅方向にのみ曲率を有し、
前記自由曲面レンズのレンズ面は、前記曲面スクリーンの幅方向に対して垂直で且つ前記第1光学系の光軸を含む平面に対して対称であるが前記曲面スクリーンの高さ方向に対して垂直で且つ前記第1光学系の光軸を含む平面に対して非対称な形状を有する、請求項1乃至4の何れか一項に記載の投射光学系。
The curved screen has a curvature only in the width direction of the curved screen,
The lens surface of the free-form curved lens is perpendicular to the width direction of the curved screen and symmetric with respect to a plane including the optical axis of the first optical system, but perpendicular to the height direction of the curved screen. The projection optical system according to claim 1, wherein the projection optical system has an asymmetric shape with respect to a plane including the optical axis of the first optical system.
請求項1乃至5の何れか一項に記載の投射光学系を備える、画像投射装置。   An image projection apparatus provided with the projection optical system as described in any one of Claims 1 thru | or 5.
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