JP3275634B2

JP3275634B2 - 投影光学装置

Info

Publication number: JP3275634B2
Application number: JP15505695A
Authority: JP
Inventors: 聡大澤
Original assignee: ミノルタ株式会社
Priority date: 1995-06-22
Filing date: 1995-06-22
Publication date: 2002-04-15
Anticipated expiration: 2017-04-15
Also published as: JPH095668A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フィルム画像、ビデオ
画像等により提供される物体面をスクリーン上に拡大投
影する投影光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】フィルム画像、ビデオ画像等をスクリー
ン上に拡大投影する投影光学装置はこれまで種々開発さ
れてきたが、近年、スクリーンの大画面化に伴い装置が
大型化することが問題になってきたことから、スクリー
ンの大型化を達成しつつ投影光学系については大型化を
抑制するために、スクリーンに対して斜めに画像投影す
る方式が提案されるに至っている。

【０００３】しかしスクリーンに対し斜めに画像投影す
るときは、投影画像にいわゆる台形歪みが生じるので、
これを補正する様々の提案がなされている。例えば、特
開平３−８４５１５号公報は、投射レンズと画像表示装
置の間に台形歪み発生光学系を挿入し、この台形歪み発
生光学系によって逆台形歪みを与えた像を一旦中間のス
クリーンに結像させ、これを投射レンズにより最終スク
リーンに斜め投射することで最終投射画像の台形歪みを
抑えることができるとしている。

【０００４】また、特開平３−１１３４３２号公報は、
投射レンズに補正光学系及び補正光学系駆動装置を設
け、この補正光学系を投射レンズの光軸に対し、垂直方
向に平行偏心させる等により偏心させることで故意に偏
心歪曲収差を発生させ、これにより台形歪みを補正でき
るとしている。また、特開平３−１４１３３７号公報
は、投射レンズの一部のレンズを偏心駆動する手段を設
け、この駆動手段により投射レンズのうち少なくとも二
つのレンズを駆動偏心させることで偏心歪曲収差を発生
させ、これにより最終スクリーン上の画像の台形歪みと
原点移動を補正できるとしている。

【０００５】さらに、特開平５−１００３１２号公報
は、液晶表示等により画像を表示するライトバルブとス
クリーンを互いに平行に、且つ、投射光学系の光軸に対
して互いに反対方向にずれるように該ライトバルブとス
クリーンを配置し、投射レンズを大画角の広角レンズで
構成して、該広角レンズの画角の一部を使うことによ
り、歪曲のない投射画像を得られるとしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記公
報記載の投影光学装置はいずれも具体性、実用性のうえ
で難点がある。例えば特開平３−８４５１５号公報は、
台形歪み発生光学系について具体的な構成、数値データ
を開示していない。また、台形歪み発生光学系によって
逆台形歪みを与えた像を一旦中間のスクリーンに結像さ
せ、これを投射レンズにより最終スクリーンに斜め投射
するとしているが、中間スクリーンによる光量ロスとコ
スト高も問題となる。

【０００７】また、特開平３−１１３４３２号公報で
は、補正光学系の偏心駆動により発生する偏心歪曲収差
を３次の項乃至領域までしか考慮せずに歪曲収差を補正
しているが、その他の収差補正には言及していないので
十分な収差補正を達成することは困難である。また、特
開平３−１４１３３７号公報は、投射レンズのうち少な
くとも二つのレンズを駆動偏心させることで偏心歪曲収
差を発生させ、これにより最終スクリーン上の画像の台
形歪みを補正するとしているが、この公報の（実施例）
の項に開示された二つのレンズの平行偏心では、十分に
収差をとれないので実際の要求を満たすことは困難であ
る。

【０００８】さらに、特開平５−１００３１２号公報で
は、スクリーンに画像を投射するにあたり投射レンズの
画角の一部しか使っていないのでコストが割り高につく
うえ、投影画角が広い場合、像面傾きを大きくとれない
などの問題を残している。そこで本発明は、フィルム画
像、ビデオ画像等により提供される物体面の画像をスク
リーン上に拡大投影する投影光学装置であって、台形歪
みと歪曲収差が十分に補正された投影画像を得ることが
でき、その割りには安価に提供でき、小型化も可能であ
る、実用的な投影光学装置を提供することを課題とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は前記課
題を解決するため、物体面の画像をスクリーン上に拡大
投影する投影光学装置であり、絞り並びに該絞りに隣合
う物体面側の共軸系のレンズ群及びスクリーン側の共軸
系のレンズ群を含む投影光学系を備え、該投影光学系
は、前記スクリーン上の最終像面まで実像を結ばず、前
記絞りに隣合う物体面側のレンズ群の倍率β₁が、｜１
／β₁｜＜０．０５の条件を満たしており、前記スクリ
ーン側の共軸系のレンズ群が、前記絞りの中心を中心に
回転偏心していることにより、前記両レンズ群が互いに
偏心していることを特徴とする投影光学装置を提供す
る。

【００１０】ここで「絞りに隣合う物体面側のレンズ群
の倍率β₁」は物体面中心点に対しシャインプルーフ条
件で決定される近軸倍率を意味している。この本発明の
投影光学装置によると、フィルム画像、ビデオ画像等に
より提供される物体面がスクリーン上に拡大投影される
のであるが、この光学装置における投影光学系は、偏心
したレンズ群を有する光学系において最終像面まで実像
を結ばない構成としたものであり、この構成により投影
光学系の全長を短くして装置全体をそれだけ小型化でき
る。

【００１１】また、前記の絞りに隣り合わせて設けた物
体面側の共軸系をなすレンズ群の物体面中心点に対する
シャインプルーフ条件で決定される近軸倍率β₁が、｜
１／β₁｜＜０．０５の条件を満たしているとともに、
前記スクリーン側の共軸系のレンズ群が、該絞りの中心
を中心に回転偏心していることによって該絞りに隣合う
前記両レンズ群が互いに偏心していることにより、絞り
に対して略平行光となっている部分で偏心による像面の
回転がなされる。そして、絞り前後のレンズ群は略平行
光に対する偏心のため、部分的には共軸系での収差補正
とほぼ同等の収差補正がなされ、少ないレンズ枚数で最
終投影画像の実用的にして良好な収差補正（コマ収差、
台形歪み及び歪曲収差の補正）が達成される。さらに、
絞りに入射する光を略平行光とし、絞り前後のレンズ群
の偏心を絞り中心位置を回転中心とする回転偏心とする
ことにより、絞り方向から見た場合、絞り前後のレンズ
群に対する中間像面がほぼ無限遠方にあるため、回転に
対しても対称性が崩れず、且つ、像面を回転することが
可能となるため共軸系と設計的に一層同等となり、偏心
系にもかかわらず少ないレンズ枚数で収差補正が可能と
なる。さらに、従来の偏心光学系においては像面の回転
のために複雑なレンズ群の移動を必要としていたがこの
ような投影光学系を用いると回転偏心につれて良好な結
像関係を保ったまま像面を回転することができるため、
簡単なレンズ群の回転だけで像面の回転が行える利点が
ある。

【００１２】また、このように少ないレンズ枚数で、し
かも、従来装置におけるような投影光学系に対する付加
光学系を採用しなくても十分に収差補正を達成できるの
で、装置全体を安価に提供できる。ここで絞りより物体
面側のレンズ群の倍率β₁（物体面中心に対するシャイ
ンプルーフの倍率）についてさらに述べると、既述のと
おり｜１／β₁｜＜０．０５の条件式を満足させるのも
であることが望ましく、それは、この範囲を外れると絞
りを通過する光線が収束光又は発散光となり易く、平行
光からのずれが大きくなるため、より像面側のレンズ群
に近い距離に中間像面を形成する結果となり、レンズ群
の偏心による像面の回転を加えると絞りより像面側のレ
ンズ群に傾いた中間像面を（要すればリレーして）スク
リーンに投影することになり、多くのレンズ枚数を用い
ないと収差補正が困難となり、それだけ投射光学系の全
長が長くなってしまうからである。

【００１３】本発明に係るこの投影光学装置として次の
〜の態様のものを例示できる。物体面側の前記
レンズ群について前記絞り位置を該レンズ群の焦点位置
に配置して物体面側をテレセントリック系にした投影光
学装置。物体面側の前記レンズ群について前記絞り位置
を該レンズ群の焦点位置に配置して物体面側をテレセン
トリック系にすることで物体面の各点（例えば液晶表示
装置等における画像表示面の各絵素点）から該レンズ群
へ入射する光の角度が一定となるため、光の角度によっ
て光透過特性の異なる液晶表示素子やダイクロックミラ
ーによる色合成光学系にも応用できる。

【００１４】前記絞りに隣合わせて設けた前記両レ
ンズ群が該絞り側から見ていずれも略ｆ−θ特性を有す
るレンズ群より構成されている投影光学装置。

【００１５】ここでｆ−θ特性を有するレンズ群とは、
一般にｆθレンズ（エフシータレンズ）とよばれている
ものと同様で、像高がレンズへの光入射傾角θに比例す
るものである。なお、ｆは焦点距離である。このよう
に、絞りの前後の前記各レンズ群が絞り側から見ていず
れも略ｆ−θ特性を持つレンズ群より構成することによ
りｆ−θレンズ群は絞り側からの光線入射角度と像高に
比例関係が成り立つ。このため絞り側の光線の角度が変
化してもそれに対応する像高の関係が変化しない。この
ことよりｆ−θレンズ系を絞り位置を回転中心として回
転するという単純なレンズ群の移動で台形歪み、像面湾
曲、コマ収差等の諸収差の補正状況を維持したまま像面
を回転することができる。前記投影光学系が、最も
像面側に、拡大倍率を持つ、部分的に共軸系のレンズ群
を含み、そのレンズ群の対称軸と像面のなす角θ₁ が以
下の条件を満たす投影光学装置。

【００１６】｜θ₁｜＜５° 本発明の投影光学装置において、より広い画角を得よう
とする場合、像面側に拡大倍率を持つレンズ群を採用す
ると効果的である。さらにこの拡大倍率を持つレンズ群
による台形歪みを発生させないためは、このレンズ群の
対称軸と最終像面とのなす角θ₁を上記の条件とすれば
よい。

【００１７】｜θ₁｜＜５°の条件をはずれると、この
レンズ群で発生する台形歪みが大きくなり、該レンズ群
より前のレンズ群でその歪みを補正することが困難にな
る。

【００１８】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。図１から図４は本発明の１実施例に関係している。
図１は１実施例投影光学装置の投影光学系におけるレン
ズ群の断面図であり、図２は該投影光学系を有する投影
光学装置の概略構成とその光路を示す図である。図３は
物体面における物点からでる光線がスクリーン上の像面
を切る点を示すスポット図であり、図４はスクリーン上
の投影歪曲像（実線で示す像）と歪みの無い理想像（破
線で示す像）を示す図である。

【００１９】この実施例装置は、図２に示すように、拡
大投影されるべき物体面１０を提供する画像表示装置１
と、投射光学系Ｐ１と、最終像面５０形成のためのスク
リーン５とを備えている。物体面１０はここでは一辺４
０ｍｍの四角形物体面（格子パターン）である。投射光
学系Ｐ１は、絞り２と、絞り２に隣合わせてその前後に
配置したレンズ群３、４とを備えている。

【００２０】物体面側のレンズ群３については、絞り２
位置が該レンズ群の焦点位置に配置されていて、物体面
側がテレセットリック系になっている。絞り２より物体
面側のレンズ群３は、レンズ群全体でｆ−θ特性を示す
レンズ３１、３２及び３３からなる共軸系のレンズ群で
ある。絞り２より像面側のレンズ群４は、レンズ群全体
でｆ−θ特性を示すレンズ４１、４２、４３及び４４か
らなる共軸系のレンズ群である。

【００２１】物体面側のｆ−θレンズ群３については、
画像表示装置１上の物体面１０における物点の位置（以
下、「物高」という。）と絞り２側の出射角度（出射光
がレンズ群３の光軸となす傾角）が比例している。像面
側のｆ−θレンズ群４については、最終像面５０におけ
る像点の位置（以下、「像高」という。）と入射角度
（入射光がレンズ群４の光軸となす傾角）が比例するよ
うに配置され、その入射光の中心を回転中心として所定
角度回転偏心しており、それにより最終像面５０を回転
することができるようになっている。すなわち、レンズ
群４は、絞り２を含む平面とレンズ群４の光軸との交点
（ここでは絞り２は円形なので、絞りの中心）を通り、
後記するＺ軸と平行な軸の周りに回転偏心している。

【００２２】物体面側のレンズ群３の倍率β₁は、｜１
／β₁｜＝８．４４６×１０^-5＜０．０５の条件を満た
している。レンズ群３及びレンズ群４並びに物体面１０
及び像面５０に関する諸元は表１に示す通りである。表
１において、「ｒ１・・・ｒ６、ｒ７・・ｒ１４」は、
図１に示すように、レンズ３１〜３３、４１〜４４にお
けるレンズ表面を示しており、「曲率半径」は各レンズ
面の曲率半径（単位ｍｍ）であり、ここでは、光線進行
方向に対し凸面を「正」、凹面を「負」で表示してい
る。また、「軸上面間隔」は隣合うレンズ面間の、及び
レンズ面と絞り間の光軸上の間隔（単位ｍｍ）であり、
「屈折率」は、隣合うレンズ面間（そのレンズ群の最像
面側のレンズ面についてはその後ろ）及びレンズ面と絞
り間の各物質の屈折率であって、これが1.00000 は、そ
こにレンズがなく、その物質が空気であることを意味す
る。

【００２３】絞りは曲率半径無限大( ∞）であり、これ
も絞り半径（単位ｍｍ）とともに表１に示してある。ま
た、表１において「レンズ群３」、「レンズ群４」、
「物体面」、「像面」の表示欄に示されるＸ、Ｙ、Ｚの
数値は、レンズ群３、４欄については最も物体面側のレ
ンズ面及び絞り（図１ではｒ１と、絞り２）の面頂点及
び絞り中心の（Ｘ、Ｙ、Ｚ）座標位置、並びに物体面、
像面の（Ｘ、Ｙ、Ｚ）座標位置を示しており、この実施
例及び後ほど説明する他の実施例においても、（Ｘ、
Ｙ、Ｚ）座標におけるＸ軸は最も物体面１０に近いレン
ズの面頂点（図１に示す例ではレンズ３１の面頂点）を
原点としてそのレンズの光軸方向（光進行方向に正）で
あり、Ｙ軸はＸ軸に垂直な縦方向軸であり、Ｚ軸はＸ
軸、Ｙ軸の双方に垂直方向（ここでは紙面に垂直方向）
の軸である。また、「ＡＮＧ」は、レンズ群３及び絞り
２についてのＸ軸に対する回転偏心角度（単位度）を
示し、物体面、像面については、Ｘ軸に対する傾斜角度
を示している。いずれも図中時計回りを「正」としてい
る。

【００２４】また、物体面の欄において、 ymax、ymin
は物体面のＹ軸方向のエリアを、zmax、zminは物体面の
Ｚ軸方向のエリアを示している。

【００２５】

【表１】最終像面５０での歪曲率は次表に示すようになる。次表
において「物高」は、前記のＸ軸が物体面１０を通る点
を原点として、そこから物点までのＹ軸方向の距離及び
Ｚ軸方向の距離（いずれも単位ｍｍ）で座標表示してい
る。また、「像高」は、物体面中心（０、０）よりの光
線が像面５０を通る点を原点として、ＸＹ平面と像面５
０の交わる直線をｙ軸（Ｙ軸正方向を像面５０に投影し
た方向が正）、ｙ軸に垂直な軸をｚ軸（紙面手前方向が
正）として、（ｙ、ｚ）座標で求め、理想像高は（ｙ、
ｚ）、歪曲ありの像高は（ｙ＋ｄｙ、ｚ＋ｄｚ）として
いる。ｄｙ／ｒがｙ軸方向の歪曲率であり、ｄｚ／ｒが
ｚ軸方向の歪曲率である。ｒ＝√（ｙ²＋ｚ²）であ
る。なお、歪曲率を求めるために用いた歪曲有りの像高
は各像高でのスポットダイアグラムの重心点である。

【００２６】各物高の物点に対するスポットダイアグラ
ムは図３に示すとおりである。また、スクリーン５上の
投影画像は図４に示すとおりである。歪曲率物高ｄｙ／ｒｄｚ／ｒ（２０、０）０．０００８０．００００（−２０、０）０．００４６０．００００（２０、２０）０．０１６２ −０．０２２４（０、２０）０．０２３５ −０．００４２（−２０、２０）０．０２３４０．０１０１この歪曲率及び図４から、この投影光学装置によると台
形歪みと歪曲収差が十分補正された最終投影画像が得ら
れることが判る。

【００２７】次に図５から図８を参照して本発明の第２
実施例装置について説明する。図５はこの実施例投影光
学装置の投影光学系におけるレンズ群の断面図であり、
図６は該投影光学系を有する投影光学装置の概略構成と
その光路を示す図である。図７は物体面における物点か
らでる光線がスクリーン上の像面を切る点を示すスポッ
ト図であり、図８はスクリーン上の投影歪曲像（実線で
示す像）と歪みの無い理想像（破線で示す像）を示す図
である。

【００２８】この実施例装置は、先に説明した実施例と
同様に、拡大投影されるべき物体面１０を提供する画像
表示装置１を有し、さらに投影光学系Ｐ２と、最終像面
９０形成のためのスクリーン９とを備えている。物体面
１０は一辺４０ｍｍの四角形物体面（格子パターン）で
ある。投影光学系Ｐ２は、絞り２０と、絞り２０に隣合
わせてその前後に配置したレンズ群６、７と、さらにレ
ンズ群７とスクリーン９との間に配置したレンズ群８と
を備えている。

【００２９】物体面側のレンズ群６については、絞り２
０位置が該レンズ群の焦点位置に配置されていて、物体
面側がテレセットリック系になっている。レンズ群６は
レンズ６１、６２、６３からなる共軸系の正レンズ群で
あり、レンズ群７はレンズ７１、７２、７４、７４から
なる共軸系の正レンズ群であり、レンズ群８はレンズ８
１、８２、８３からなる共軸系の負レンズ群である。

【００３０】正レンズ群６、絞り２０、正レンズ群７の
役割は先程の実施例装置における投影光学系Ｐ１とほぼ
同等であり、負レンズ群８は投影光学系全体の焦点距離
を短くし、より広角化することにより、それより物体面
側の像をより拡大投影する役割を担っている。レンズ群
７は、絞り２０を含む平面とレンズ群７の光軸との交点
（ここで絞りは円形なので絞りの中心）を通り、Ｚ軸と
平行な軸の周りに回転偏心している。レンズ群８は、レ
ンズ群８における最も物体面側のレンズ面（ここでは図
５に示すレンズ面ｒ１５）の面頂点位置が表２に（Ｘ、
Ｙ）で示す位置にあり、この面頂点を中心にＺ軸と平行
な軸周りに回転偏心している。

【００３１】物体面側のレンズ群６の倍率β₁は｜１／
β₁｜＝０．０１６１７＜０．０５の条件を満たしてい
る。また、レンズ群８の対称軸と像面９０のなす角θ₁
は｜θ₁ ｜＝１．０２°の条件を満たしている。レンズ
群６、７及び８並びに物体面１０及び像面９０に関する
諸元は前掲の表１と同様にして表２に示すとおりであ
る。

【００３２】表２において、「ｒ１・・・ｒ６、ｒ７・
・・ｒ１４、ｒ１５・・・ｒ２０」は、図５に示すよう
に、レンズ６１〜６３、７１〜７４、レンズ８１〜８３
におけるレンズ表面を示している。絞り２０は曲率半径
無限大( ∞）であり、これも絞り半径（単位ｍｍ）とと
もに表２に示してある。また、表２においても「レンズ
群６、７、８」、「物体面」、「像面」の表示欄に示さ
れるＸ、Ｙ、Ｚの数値は、レンズ群６、７、８欄につい
ては最も物体面側のレンズ面及び絞り（図示例ではｒ１
と、絞り２０と、ｒ１５）の面頂点及び絞り中心の
（Ｘ、Ｙ、Ｚ）座標位置、並びに物体面、像面の（Ｘ、
Ｙ、Ｚ）座標位置を示している。また、「ＡＮＧ」は、
レンズ群６、絞り２０及びレンズ群８のＸ軸に対する回
転偏心角度（単位度）を示し、物体面、像面について
は、Ｘ軸に対する傾斜角度を示している。

【００３３】

【表２】最終像面９０での歪曲率は次表に示すようになる。な
お、各物高の物点に対するスポットダイアグラムは図７
に示すとおりである。また、スクリーン９上の投影画像
は図８に示すとおりである。歪曲率物高ｄｙ／ｒｄｚ／ｒ（２０，０） −０．０１６４０．００００（−２０，０） −０．０１９６０．００００（２０，２０）０．００８８ −０．０３５６（０，２０）０．０２６３０．００２２（−２０，２０）０．００４１０．０３０５この歪曲率と図８から、この投射光学装置によると台形
歪みと歪曲収差が十分補正された最終投影画像が得られ
ることが判る。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によると、フ
ィルム画像、ビデオ画像等により提供される物体面の画
像をスクリーン上に拡大投影する投影光学装置であっ
て、台形歪みと歪曲収差が十分に補正された投影画像を
得ることができ、その割りには安価に提供でき、小型化
も可能である、実用的な投影光学装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例投影光学装置の投影光学系に
おけるレンズ群の断面図である。

【図２】図１に示す投影光学系を有する投影光学装置の
概略構成とその光路を示す図である。

【図３】図２に示す装置において物体面における物点か
らでる光線がスクリーン上の像面を切る点を示すスポッ
ト図である。

【図４】四角形物体面（格子パターン）のスクリーン上
の投影歪曲像（実線で示す像）と歪みの無い理想像（破
線で示す像）を示す図である。

【図５】本発明の他の実施例投影光学装置の投影光学系
におけるレンズ群の断面図である。

【図６】図５に示す投影光学系を有する投影光学装置の
概略構成とその光路を示す図である。

【図７】図６に示す装置において物体面における物点か
らでる光線がスクリーン上の像面を切る点を示すスポッ
ト図である。

【図８】四角形物体面（格子パターン）のスクリーン上
の投影歪曲像（実線で示す像）と歪みの無い理想像（破
線で示す像）を示す図である。

【符号の説明】

１画像表示装置１０物体面Ｐ１投影光学系２絞り３、４ｆ−θ特性レンズ群３１〜３３、４１〜４４レンズｒ１〜ｒ２０レンズ面５スクリーン５０像面Ｐ２投影光学系２０絞り６、７正レンズ群６１〜６３、７１〜７４レンズ８負レンズ群８１〜８３レンズ９スクリーン９０像面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 27/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】物体面の画像をスクリーン上に拡大投影
する投影光学装置であり、絞り並びに該絞りに隣合う物
体面側の共軸系のレンズ群及びスクリーン側の共軸系の
レンズ群を含む投影光学系を備え、該投影光学系は、前
記スクリーン上の最終像面まで実像を結ばず、前記絞り
に隣合う物体面側のレンズ群の倍率β₁が、｜１／β₁
｜＜０．０５の条件を満たしており、前記スクリーン側
の共軸系のレンズ群が、前記絞りの中心を中心に回転偏
心していることにより、前記両レンズ群が互いに偏心し
ていることを特徴とする投影光学装置。