JP5703591B2 - 投射光学系及び画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、投射光学系及び画像投射装置に関する。

画像投射装置として広く知られた液晶プロジェクタは、近来、液晶パネルの高解像化、光源ランプの高効率化に伴う明るさの改善、低価格化等が進んでいる。又、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）等を利用した小型軽量な画像投射装置が普及し、オフィスや学校のみならず家庭においても広く画像投射装置が利用されつつある。特に、フロントタイプのプロジェクタは携帯性が向上し、数人規模の小会議にも使われている。

超短焦点のプロジェクタは、プレゼンテーションのとき等に発表者の影が映りこまないという利点がある。一方、投射距離が光学系の全長よりも短くなった場合、被投射面から離れたところに設置して使用することができず、被投射面に埋め込まなければならないという欠点がある。

従来の投射光学系、及びそれを備えた画像投射装置に関し、例えば、特許文献１には、第１光学系と第２光学系の間に折り返しミラーを配置する構成が開示されている。特許文献１に開示された投射光学系、及びそれを備えた画像投射装置では、条件によっては、折り返しミラーによって反射された光線が第１光学系に遮られる問題や、第２光学系によって反射された光線が折り返しミラーに遮られる問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、光線が遮られる問題を解決でき、かつ、被投射面に埋め込まずに投射することを可能とする投射光学系、及び前記投射光学系を備えた画像投射装置を提供することを課題とする。

本投射光学系は、画像を被投射面に投射する投射光学系であって、前記画像側から前記被投射面側に向って、屈折光学系を少なくとも一つ含んだ光学系であり全体として正のパワーを有する第１光学系、折り返しミラー、パワーを有する反射面を少なくとも一つ含んだ光学系であり全体として正のパワーを有する第２光学系が配置され、前記折り返しミラーは、前記第１光学系から前記第２光学系に至る光路を折り曲げ、
前記被投射面に対して垂直な線上における、前記被投射面から前記第２光学系において光線を反射している領域内で前記被投射面から最も遠い位置までの距離を投射距離とし、前記被投射面に投射された画像の水平方向のサイズを投射サイズとしたときに、前記投射サイズに対する前記投射距離の比が０．２２６であり、
前記第１光学系の光軸と前記被投射面の法線とを含む平面上において下記（１）〜（３）の条件式を満たすことを特徴とする。
（１）０．４３≦ｄ_１
（２）０．４３≦ｄ_２
（３）０．７≦ｄ_２／ｄ_１≦２．０

ｆ：前記第１光学系の焦点距離
ｄ_１：前記折り返しミラーの外端部のうち、前記第１光学系と近い方の外端部に最も近い位置で反射した光線と、前記第１光学系の中で最も前記光線との距離の近い面と光軸の交わる点との、前記光線の法線方向での距離を前記第１光学系の焦点距離ｆで割った値
ｄ_２：前記第２光学系で反射した光線の中で、前記折り返しミラーの外端部のうち、前記第１光学系から遠い方の外端部に最も近い光線と、前記第１光学系から遠い方の外端部との、光軸の法線方向での距離を前記第１光学系の焦点距離ｆで割った値
ｌ_１：前記第１光学系の最も前記折り返しミラーに近い面と、前記折り返しミラーの外端部のうち、前記第１光学系と近い方の外端部との光軸方向の距離
θ_１：前記折り返しミラーの外端部のうち、前記第１光学系と近い方の外端部に最も近い位置で反射される、前記第１光学系の中で最も前記折り返しミラーと近い面から出射された光線の、光軸方向に対する出射角度
θ_２：前記折り返しミラーの光軸の法線方向に対する角度
θ_３：前記折り返しミラーの外端部のうち、前記第１光学系と近い方の外端部と、前記第１光学系の最も前記折り返しミラーに近い面と光軸の交わる点とを結んだ線の光軸方向に対する角度
である。

開示の技術によれば、光線が遮られる問題を解決でき、かつ、被投射面に埋め込まずに投射することを可能とする投射光学系、及び前記投射光学系を備えた画像投射装置を提供できる。

第１の実施の形態に係る投射光学系を例示する光路図である。 図１の一部を拡大して例示する光路図である。 比較例１に係る投射光学系を例示する光路図である。 比較例２に係る投射光学系を例示する光路図である。 パラメータについて説明するための図（その１）である。 図１の投射光学系においてＤ_１が負の値である場合を例示する光路図である。 図６の一部を拡大して例示する光路図である。 パラメータについて説明するための図（その２）である。 図１の投射光学系においてＤ_２が負の値である場合を例示する光路図である。 図９の一部を拡大して例示する光路図である。 ｌ_２について説明するための図である。 ｌ_２の決定方法について説明するための光路図（その１）である。 ｌ_２の決定方法について説明するための光路図（その２）である。 実施例１における最終的なスクリーン上での解像性能を例示する図である。 実施例２における最終的なスクリーン上での解像性能を例示する図である。 実施例３に係る投射光学系を例示する光路図である。 第２の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る投射光学系を例示する光路図である。図２は、図１の一部を拡大して例示する光路図である。図１及び図２における座標系は、スクリーンの長軸方向をＸ、短軸方向をＺ、スクリーンの法線方向をＹとしている。図１及び図２を参照するに、投射光学系１０は、第１光学系１１と、折り返しミラー１２と、第２光学系１３とを有する。なお、８０は画像形成素子（以降、画像形成素子８０とする）を、９０はスクリーンを示している（以降、スクリーン９０とする）。

投射光学系１０において、第１光学系１１は、屈折光学系（レンズ）を少なくとも一つ含んだ共軸系の光学系であり、全体として正のパワーを有する。折り返しミラー１２は、第１光学系１１から第２光学系１３へ進む光の光路を変換するミラーである。第２光学系１３は、パワーを有する反射面を少なくとも一つ含んだ光学系であり、全体として正のパワーを有する。なお、本実施の形態において、第１光学系１１は、１１枚のレンズから構成されているが、これに限定されることはない。

例えば液晶パネル等のライトバルブである画像形成素子８０から出射した光束は、投射光学系１０の第１光学系１１に入射し、第１光学系１１を通過した後に折り返しミラー１２で折り返され、その後第２光学系１３で反射されてスクリーン９０に投射される。画像形成素子８０により形成された画像は、第１光学系１１及び第２光学系１３の光路上に中間像として結像され、スクリーン９０上には、この中間像を更に拡大した画像が投射結像される。

光軸に近い光線は折り返しミラー１２と第２光学系１３の間で中間像を形成し、光軸から遠い光線は第１光学系１１と折り返しミラー１２の間で中間像を形成する。折り返しミラー１２で光路を折り返すことにより、投射距離が光学系の全長よりも短い光学系であっても、投射方向を光学系の奥行き方向から高さ方向へ変えることができるため、スクリーン９０に埋め込むことなく投射することができる。このことは、図１における第１光学系１１の向きと、後述の図４における第１光学系１１の向きとを比較すれば明らかである。

又、投射距離を短くできるため、狭い会議室等でも使用することができる。更に別の効果として、従来のプロジェクタのように、発表者がプロジェクタの投射画像の間に入ることで投射画像に影が生じるという問題を軽減できる。又、第１光学系１１を構成する一部のレンズに非球面レンズを用いることにより設計の自由度が高くなり、スクリーン９０上での結像性能が上がる。又、第２光学系１３の正のパワーを持つ反射ミラーがアナモフィックな多項式自由曲面形状であれば、それぞれの像高に対する反射領域ごとに、反射面の曲面形状を調整することができ、収差補正性能を向上できる。

なお、『アナモフィックな多項式自由曲面』とは、投射画像を基準として上下方向をＹ方向、左右方向をＸ方向、曲面のデプスをＺ方向、『Ｘ２、Ｙ２、Ｘ２Ｙ、Ｙ３、Ｘ２Ｙ２等』を係数として、下記式（数２）で表される形状である。

但し、第１の実施の形態では、第２光学系１３として凹面状の反射面を採用しているが、フレネル反射鏡やホログラム反射鏡等の集光パワーを有する反射光学素子であれば凹面状の反射面には限定されない。

ここで、比較例を用いて第１の実施の形態に係る投射光学系１０の奏する効果について補足説明をする。図３は、比較例１に係る投射光学系を例示する光路図である。図４は、比較例２に係る投射光学系を例示する光路図である。図３及び図４における座標系は、スクリーンの長軸方向をＸ、短軸方向をＹ、スクリーンの法線方向をＺとしている。図３及び図４を参照するに、比較例１に係る投射光学系１０Ａ及び比較例２に係る投射光学系１０Ｂは、折り返しミラー１２を設けていない点を除いて、第１の実施の形態に係る投射光学系１０と同様の構成である。

図３に示す投射光学系１０Ａは、投射光学系１０と同様に投射距離を短くできるが、投射距離を更に短くしようとすると、図４に示す投射光学系１０Ｂのように、投射距離が光学系の全長よりも短くなる。投射光学系１０Ｂでは、画像形成素子８０及び第１光学系１１の一部がスクリーン９０よりも紙面右側に配置されていることからわかるように、投射光学系１０Ｂの一部をスクリーン９０に埋め込んで使用することになり、使い勝手が悪い。

第１の実施の形態に係る投射光学系１０のように、第１光学系１１と第２光学系１３との間に折り返しミラー１２を設けることにより、このような問題を回避できる。

ところで、投射光学系１０のように折り返しミラー１２を設ける構成にすると、折り返しミラー１２の位置によっては、『折り返しミラー１２で反射した光線が、第１光学系１１に遮られる。』という問題や、『第２光学系１３によって反射された光線が、折り返しミラー１２に遮られる。』という問題が発生する場合がある。そこで、このような問題を防ぐために、折り返しミラー１２の位置を適切に決定する必要がある。

すなわち、以下に説明するｄ_１及びｄ_２を含むパラメータを適切に決定する必要がある。ｄ_１及びｄ_２を含むパラメータは、折り返し構成の可否、性能の維持等を考慮し、レンズデータに基づいて適切な値に決定する必要がある。

図５を参照しながら、ｄ_１及びｄ_２を含むパラメータを適切に決定する方法について説明する。図５は、パラメータについて説明するための図（その１）であり、図１の第１光学系１１近傍を拡大して示している。図５における座標系は、スクリーンの長軸方向をＸ、短軸方向をＺ、スクリーンの法線方向をＹとしている。図５の９１及び９２は、光線の角度を説明するための補助線であり（以降、補助線９１及び９２とする）、補助線９１及び９２は夫々第１光学系１１の光軸に垂直及び平行な線である。

図５において、Ｄ_１は、折り返しミラー１２の外端部１２ａ及び１２ｂのうち、第１光学系１１と近い方の外端部１２ａに最も近い位置で反射した光線９５と、第１光学系１１の中で最も光線９５との距離の近い面と光軸の交わる点９６との、光線９５の法線方向での距離を示している。又、Ｄ_２は、第２光学系１３で反射した光線の中で、折り返しミラー１２の外端部１２ａ及び１２ｂのうち、第１光学系１１から遠い方の外端部１２ｂに最も近い光線９７と、第１光学系１１から遠い方の外端部１２ｂとの、光軸の法線方向での距離を示している。

ここで、距離Ｄ_１及びＤ_２を第１光学系１１の焦点距離ｆで割った値を、それぞれｄ_１及びｄ_２とすると（つまり、ｄ_１＝Ｄ_１／ｆ、ｄ_２＝Ｄ_２／ｆとすると）、ｄ_１は以下の式（数３）で求められる。

但し、式（数３）において、ｌ_１：第１光学系１１の最も折り返しミラー１２に近い面と、折り返しミラー１２の外端部１２ａ及び１２ｂのうち、第１光学系１１と近い方の外端部１２ａとの光軸方向の距離、ｆ：第１光学系１１の焦点距離、θ_１：折り返しミラー１２の外端部１２ａ及び１２ｂのうち、第１光学系１１と近い方の外端部１２ａに最も近い位置で反射される、第１光学系１１の中で最も折り返しミラー１２と近い面から出射された光線の、補助線９２（光軸方向）に対する出射角度、θ_２：折り返しミラー１２の補助線９１（光軸の法線方向）に対する角度、θ_３：折り返しミラー１２の外端部１２ａ及び１２ｂのうち、第１光学系１１と近い方の外端部１２ａと、第１光学系１１の最も折り返しミラー１２に近い面と光軸の交わる点９６とを結んだ線の補助線９２（光軸方向）に対する角度、である。

始めに、ｄ_１の決定方法について説明する。図６は、図１の投射光学系においてＤ_１が負の値である場合を例示する光路図である。図７は、図６の一部を拡大して例示する光路図である。図６及び図７における座標系は、スクリーンの長軸方向をＸ、短軸方向をＺ、スクリーンの法線方向をＹとしている。図６及び図７を参照するに、折り返しミラー１２で反射した光線が第１光学系１１にぶつかっている。Ｄ_１が正の値であれば、折り返しミラー１２で反射した光線が第１光学系１１にぶつかることはない。

従って、０＜Ｄ_１とすれば良いが、投射光学系における各構成部品の実際の組み付けを考慮すると０＜Ｄ_１では不十分であり、１０ｍｍ≦Ｄ_１であることが望ましい。例えば、後述する実施例１の表１のようにｆ＝２３．５ｍｍであれば、Ｄ_１＝１０ｍｍの場合、ｄ_１＝Ｄ_１／ｆよりｄ_１＝０．４３と算出される。よって、０．４３≦ｄ_１であることが望ましい。

但し、ｄ_１で規定する条件だけでは不十分な場合がある。すなわち、重要なのはレンズの面形状と、折り返しミラー１２を反射した後の光線とレンズとの位置関係であり、例えば、非球面による面形状の変化が大きい場合には、ｄ_１に関する条件は満たしているが光線とレンズとの間隔が近くなりすぎている場合が考えられる。このような場合には、ｄ_１に変えてｄ_３で規定する方が望ましい。以下、ｄ_３について説明する。

図８は、パラメータについて説明するための図（その２）である。図８における座標系は、スクリーンの長軸方向をＸ、短軸方向をＺ、スクリーンの法線方向をＹとしている。図８において、θ_４は、折り返しミラー１２の外端部１２ａ及び１２ｂのうち、第１光学系１１と近い方の外端部１２ａと、第１光学系１１の最も折り返しミラー１２に近い面で、外端部１２ａと前記面の１点を結ぶことで前記面の接線となる線９９の補助線９２（光軸方向）に対する角度、Ｄ_３は、折り返しミラー１２の外端部１２ａ及び１２ｂのうち、第１光学系１１と近い方の外端部１２ａに最も近い位置で反射した光線９５と、前記面の１点との光線９５の法線方向での距離を示している。

図８に示すように、第１光学系１１の最も折り返しミラー１２に近い部分において、非球面による面形状の変化が大きい場合には（すなわち、ｄ_３＜ｄ_１の場合には）、投射光学系における各構成部品の実際の組み付けを考慮すると、１０ｍｍ≦Ｄ_３であることが望ましい。

ここで、距離Ｄ_３を第１光学系１１の焦点距離ｆで割った値をｄ_３とすると（つまり、ｄ_３＝Ｄ_３／ｆとすると）、ｄ_３は以下の式（数４）で求められる。

例えば、後述する実施例１の表１のようにｆ＝２３．５ｍｍであれば、Ｄ_３＝１０ｍｍの場合、ｄ_３＝Ｄ_３／ｆよりｄ_３＝０．４３と算出される。よって、０．４３≦ｄ_３であることが望ましい。なお、必ずｄ_３＜ｄ_１となるから、０．４３≦ｄ_３を満たしていれば０．４３≦ｄ_１も満たす。すなわち、非球面による面形状の変化が大きい場合には（すなわち、ｄ_３＜ｄ_１の場合には）、ｄ_１に変えてｄ_３で規定する必要があり、０．４３≦ｄ_３であることが望ましい。

次いで、ｄ_２の決定方法について説明する。図９は、図１の投射光学系においてＤ_２が負の値である場合を例示する光路図である。図１０は、図９の一部を拡大して例示する光路図である。図９及び図１０における座標系は、スクリーンの長軸方向をＸ、短軸方向をＺ、スクリーンの法線方向をＹとしている。図９及び図１０を参照するに、折り返しミラー１２の有効径φ_１は第１光学系１１から折り返しミラー１２に入射する光線の広がり具合によって決定される。図９及び図１０の例では、第２光学系１３から反射した光線が折り返しミラー１２にぶつかっている。加えて、第２光学系１３が第１光学系１１と折り返しミラー１２の間に入っている。これらを避けるために、Ｄ_２を適切に選択する必要がある。

具体的には、０＜Ｄ_２とすれば良いが、投射光学系における各構成部品の実際の組み付けを考慮すると０＜Ｄ_２では不十分であり、１０ｍｍ≦Ｄ_２であることが望ましい。例えば、後述する実施例１の表１のようにｆ＝２３．５ｍｍであれば、Ｄ_２＝１０ｍｍの場合、ｄ_２＝Ｄ_２／ｆよりｄ_２＝０．４３と算出される。よって、０．４３≦ｄ_２であることが望ましい。

以上の説明のように、ｄ_１、ｄ_２は、折り返し構成の可否、性能の維持等を考慮し、レンズデータに基づいて適切な値に決定する必要があり、０．４３≦ｄ_１、かつ、０．４３≦ｄ_２であることが望ましい。しかしながら、ｄ_１及びｄ_２の何れの値も上限は図１１に示すｌ_２によって決まり、更にｄ_１及びｄ_２の一方を大きくすると他方は小さくなるという関係がある。従って、ｄ_１及びｄ_２は、上限の値も決める必要がある。なお、図１１は、ｌ_２について説明するための図であり、図１の第１光学系１１及び第２光学系１３近傍を拡大し、折り返しミラー１２を削除して光路を直線状にした状態を示している。

図５及び図１１を参照するに、ｌ_２：折り返しミラー１２の外端部１２ａ及び１２ｂのうち、第１光学系１１と遠い方の外端部１２ｂに最も近い位置で反射する光線９８の、第１光学系１１の最も折り返しミラー１２に近い面から第２光学系１３までの長さ、である。

例えば、後述する実施例１の表１のようにｆ＝２３．５ｍｍであれば、前述のようにｄ_１＝０．４３と算出されるが、このときｄ_２＝０．８５となる。この値がｄ_２の上限である。同様に、ｄ_２＝０．４３と算出されたときはｄ_１＝０．６６となる。この値がｄ_１の上限である。以上より、０．７≦ｄ_２／ｄ_１≦２．０であることが望ましいと考えられる。なお、ｌ_２を長くすることで、ｄ_１及びｄ_２の選択の自由度は高くなる。

更に、ｌ_２を適切に決定することが望ましい。ｌ_２を適切に決定することにより、投射光学系を実用的なサイズにでき、かつ、十分な性能を確保できる。

以下、ｌ_２の決定方法について説明する。図１２は、ｌ_２の決定方法について説明するための光路図（その１）である。図１３は、ｌ_２の決定方法について説明するための光路図（その２）である。図１２及び図１３における座標系は、スクリーンの長軸方向をＸ、短軸方向をＹ、スクリーンの法線方向をＺとしている。なお、ここでは簡単のため、折り返しミラー１２を有さない図３の光学系を用いて考える。

図１２に示すように、第２光学系１３が第２光学系２３の位置に変更されたとする。すなわち、投射距離及び投射サイズを固定にしたままｌ_２を小さくしたとする。これにより、光路は図１２の実線から点線のように変化する。これは、例えば、第２光学系１３及び第２光学系２３の正のパワーを持つ反射ミラーがアナモフィックな多項式自由曲面形状であれば、第２光学系２３は第２光学系１３よりも自由曲面形状の反射ミラーの使用範囲が狭くなるためである。自由曲面形状の反射ミラーは、それぞれの像高に対する反射領域ごとに、反射面の曲面形状を調整することにより、諸収差補正を可能としている。よって、自由曲面形状の反射ミラーの使用範囲が狭くなるということは、それだけ収差補正が難しくなり、性能が劣化することを意味する。

次に自由曲面形状の反射ミラーの使用範囲が狭くなることによる性能劣化を避けることを考える。すなわち、図１３に示すように、第２光学系２３に代えて自由曲面形状の反射ミラーの使用範囲が広い第２光学系３３を用いる。図１３に示す光路からわかるように、第１光学系１１を通過後の光線角度がきつくなっている。これは第１光学系１１に後述の実施例１の場合よりも大きなパワーを持たせているということであり、諸収差の増大を招くため、この場合も性能が劣化する。

このように、ｌ_２を短くすると性能が劣化するため、ｌ_２に下限を設ける必要がある。発明者らが検討した結果、各パラメータが後述する実施例１の表１の値であれば、十分な性能が確保できることが確認された。すなわち、６．３≦ｌ_２／ｆである。一方、ｌ_２を大きくすると、投射光学系のサイズは当然大きくなり、性能劣化の原因にもなる。従って、ｌ_２に上限を設けることが望ましい。発明者らが検討した結果、ｌ_２／ｆ≦９．０であれば、投射光学系は実用的なサイズであり、かつ、十分な性能が確保できることが確認された。以上より、６．３≦ｌ_２／ｆ≦９．０であることが望ましい。

なお、折り返しミラーの角度θ_２を大きくすることで折り返し構成はとりやすくなる反面、投射光学系のサイズは大きくなる。投射光学系のサイズの観点から４５°≦θ_２≦６０°であることが望ましい。

このように、第１の実施の形態に係る投射光学系によれば、第１光学系と第２光学系の間に折り返しミラーを配置することにより、投射距離が光学系の全長よりも短くなった場合でも、投射方向を光学系の奥行き方向から高さ方向へ変えることができ、プロジェクタ等の画像投射装置をスクリーンに埋め込むことなく使用できる。

又、第１の実施の形態に係る投射光学系のパラメータであるｄ_１及びｄ_２を、『０．４３≦ｄ_１、０．４３≦ｄ_２、０．７≦ｄ_２／ｄ_１≦２．０』を満たす値に決定することにより、折り返しミラーによって反射された光線が第１光学系に遮られる問題や、第２光学系によって反射された光線が折り返しミラーに遮られる問題を回避できる。なお、ｄ_３＜ｄ_１である場合は、ｄ_３を、『０．４３≦ｄ_３』を満たす値に決定することにより、これらの問題を回避できる。

又、第１の実施の形態に係る投射光学系のパラメータであるｌ_２を、『６．３≦ｌ_２／ｆ≦９．０』を満たす値に決定することにより、投射光学系を実用的なサイズにでき、かつ、十分な光学系の性能を確保できる。

又、折り返しミラーの角度θ_２を、『０、４５°≦θ_２≦６０°』を満たす値に決定することにより、投射光学系を実用的なサイズにでき、かつ、性能を大きく落とすことなく折り返し構成がとりやすくなる。言い換えると、折り返しミラーによって反射された光線が第１光学系に遮られる問題や、第２光学系によって反射された光線が折り返しミラーに遮られる問題を回避できる位置に折り返しミラーを配置する自由度が高くなる。

又、スクリーン上の各位置に結像する光束は、第２光学系において像高ごとに局所的な反射領域に対応する。よって、第２光学系面形状を自由曲面とし、それぞれの像高に対する反射領域ごとに、反射面の曲面形状を調整することにより、最も効果的に諸収差補正が可能となり性能向上を図れる。

又、第１光学系が非球面形状の屈折面を有することにより、第１光学系の設計自由度が向上し、より高性能な投射光学系を実現できる。

又、折り返しミラーを平面ミラーにすることで、非球面形状や自由曲面形状を用いたときに比べ、コストを抑えられる。

又、第１光学系を共軸にすることで、組みつけが容易となる。

続いて、実施例を示す。

［実施例１］
実施例１では、ｄ_１＝０．４９、ｄ_２＝０．７７とした。その他のパラメータを表１に示す。表１においてｌ_１、ｌ_２、及びｆの単位は「ｍｍ」であり、θ_１、θ_２、及びθ_３の単位は「度」である。

上記ｄ_１及びｄ_２の値、並びに表１の値より、ｄ_２／ｄ_１＝１．６、ｌ_２／ｆ＝６．３、θ_２＝４５°であり、何れも第１の実施の形態で示した『０．４３≦ｄ_１、０．４３≦ｄ_２、０．７≦ｄ_２／ｄ_１≦２．０、６．３≦ｌ_２／ｆ≦９．０、４５°≦θ_２≦６０°』の条件を満たしている。

表２に実施例１の諸元を示す。

表２において、面番号は、物体側より順にレンズの各面に付した番号である。すなわち、画像形成素子８０の一方の面（第１光学系１１から遠い方の面）が０面、他方の面が１面、第１光学系１１の各面が画像形成素子８０に近い方から３面〜２４面、折り返しミラー１２が２５面、第２光学系１３が２６面、スクリーン９０が２７面である。曲率半径は、面番号を付された面の曲率半径である。面間隔は、面番号を付された面とその次の面との軸上面間隔である。屈折率は、付された面番号とその次の面番号とで表された面からなる各レンズの屈折率である。分散はアッベ数として表し、屈折率と共にｄ線での値である。シフトは、シフト偏心量、チルトはチルト偏心量である。曲率半径、面間隔及びシフト偏心量の単位は「ｍｍ」、チルト偏心量の単位は「度」である。又、シフト及びチルトの符号については、Ｙ軸方向における正の方向のシフトが＋の符号を有し、Ｘ軸まわりにおける左回転のチルトが＋の符号を有する。以下の各実施例においても同様である。

４、５、２０、２１、２２、２３面に用いられている非球面は回転対称非球面であるが、非対称の非球面でも良い。回転対称非球面は周知のとおり、Ｚを光軸方向のデプス、ｃを近軸曲率半径、ｒを光軸からの光軸直交方向の距離、ｋを円錐係数、Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・等を高次の非球面係数とすると、『Ｚ＝ｃ・ｒ^２／［１＋√｛１−（１＋ｋ）ｃ^２ｒ^２｝］＋Ａｒ^４＋Ｂｒ^６＋Ｃｒ^８・・・』という非球面式となり、ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ・・・の値を与えて形状を特定する。以下の各実施例においても同様である。

表３に実施例１の非球面の係数を与える。

表４に実施例１の多項式自由曲面の係数を与える。多項式自由曲面の係数は前述の式（数２）に対応している。

図１４は、実施例１における最終的なスクリーン上での解像性能を例示する図である。図１４は、画像形成素子８０として対角０．５４インチ、縦横比が３：４のパネルを想定した結果となっている。拡大率は約１１１．１倍である。画像形成素子８０からの射出光のＦナンバーはＦ２．５である。図１４より、評価周波数０．４２ｃ／ｍｍでのＭＴＦ値は５０％以上である。ｌ_２を更に短くすることで、ＭＴＦの向上が期待される。しかしながら、実施例１の光学系においては、ｌ_２を１４８ｍｍよりも短くすると折り返し構成をとることができず、光線は折り返しミラー反射後に第１光学系１１に当たってしまうか、もしくは第２光学系１３で反射した後に折り返しミラー１２に当たってしまう。なお、評価周波数は、評価する白（黒）のサイズにより決定される値である。

［実施例２］
実施例１ではｄ_１＝０．４９、ｄ_２＝０．７７としたが、実施例２ではｄ_１＝０．８３、ｄ_２＝０．７２とする例を示す。なお、実施例２において、実施例１と同一部分の説明は省略する。ｄ_１及びｄ_２以外のパラメータを表５に示す。表５においてｌ_１、ｌ_２、及びｆの単位は「ｍｍ」であり、θ_１、θ_２、及びθ_３の単位は「度」である。表５に示す通り、実施例２では、ｌ_２＝１６０ｍｍであり、実施例１のｌ_２＝１４８ｍｍよりも長い。

上記ｄ_１及びｄ_２の値、並びに表５の値より、ｄ_２／ｄ_１＝０．９、ｌ_２／ｆ＝６．４、θ_２＝４５°であり、何れも第１の実施の形態で示した『０．４３≦ｄ_１、０．４３≦ｄ_２、０．７≦ｄ_２／ｄ_１≦２．０、６．３≦ｌ_２／ｆ≦９．０、４５°≦θ_２≦６０°』の条件を満たしている。

表６に実施例２の諸元を示す。

実施例１と同様、４、５、２０、２１、２２、２３面に用いられている非球面は回転対称非球面であるが、非対称の非球面でも良い。

表７に実施例２に係る非球面の係数を与える。

表８に実施例２に係る多項式自由曲面の係数を与える。多項式自由曲面の係数は前述の式（数２）に対応している。

図１５は、実施例２における最終的なスクリーン上での解像性能を例示する図である。図１５は、実施例１と同様に画像形成素子８０として対角０．５４インチ、縦横比が３：４のパネルを想定した結果となっている。拡大率は約１１１．１倍である。画像形成素子８０からの射出光のＦナンバーはＦ２．５である。図１５より、評価周波数０．４２ｃ／ｍｍでのＭＴＦ値は４０％程度であり、実施例１よりも悪くなっている。これは、ｌ_２を長くしたことが原因である。ｌ_２を更に長くすることで、折り返し構成を取りやすくなる一方で、ＭＴＦは悪くなる。加えて、光学系サイズの増大も招くため、ｌ_２は６．３≦ｌ_２／ｆ≦９．０の範囲内で、適切な値に決定する必要がある。なお、評価周波数は、評価する白（黒）のサイズにより決定される値である。

［実施例３］
実施例１及び２ではθ_２＝４５°とした。実施例３ではθ_２＝６０°とする例を示す。なお、実施例３において、実施例１と同一部分の説明は省略する。

図１６は、実施例３に係る投射光学系を例示する光路図である。図１６における座標系は、スクリーンの長軸方向をＸ、短軸方向をＺ、スクリーンの法線方向をＹとしている。
図１６を参照するに、投射光学系２０は、折り返しミラーの角度がθ_２＝６０°である点が、実施例１及び２に係る投射光学系１０と異なる。

実施例３では、ｄ_１＝０．７７、ｄ_２＝０．８５とした。又、実施例３では、前述の表１のパラメータを使用した。すなわち、実施例１と同様にｌ_２＝１４８ｍｍとした。このように、折り返しミラーの角度を調節することで、ｌ_２を変えることなく折り返し構成を容易にとることができる。しかしながら、これにより、図１６に示すように第１光学系１１がＺ軸に対して傾いてしまい、結果として光学系のＹ方向のサイズが大きくなってしまう。従って、前述のように、４５°≦θ_２≦６０°の範囲内とする必要があるが、θ_２は４５°に近い方が望ましい。

なお、上記ｄ_１及びｄ_２の値、並びに表１の値より、ｄ_２／ｄ_１＝１．１、ｌ_２／ｆ＝６．３、θ_２＝６０°であり、何れも第１の実施の形態で示した『０．４３≦ｄ_１、０．４３≦ｄ_２、０．７≦ｄ_２／ｄ_１≦２．０、６．３≦ｌ_２／ｆ≦９．０、４５°≦θ_２≦６０°』の条件を満たしている。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１の実施の形態に係る投射光学系を備えた画像投射装置を例示する。第２の実施の形態において、第１の実施の形態と同一部分の説明は省略する。

図１７は、第２の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式図である。図１７を参照するに、第２の実施の形態に係る画像投射装置５０は、第１の実施の形態に係る投射光学系１０と、照明光学系６０と、分離手段７０と、画像形成素子８０とを有する。

照明光学系６０は、光源６１を含み、例えば光源６１近傍に配置されたリフレクター６２（光源６１と一体となっていても良い）やリレーレンズ６３及び６４、リフレクター６２により反射されて指向性を持った光束の照度を均一化するインテグレータ光学系といわれる照度均一化手段６５等により構成され、画像形成素子８０の面上で均一な照明分布が得られるようにしている。光源６１としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、ＬＥＤ等が用いられる。

又、カラーホイール６６を用いて照明光をカラー化し、それと同期して画像形成素子８０の画像をコントロールすることにより、カラー画像を投射できるようにしてもよい。画像形成素子８０として反射型タイプの液晶画像形成素子を用いる場合は、照明光路と投射光路を分離する分離手段７０を用いることで、より効率のよい照明が可能となる。又、画像形成素子８０としてＤＭＤパネルを用いる場合は、全反射プリズムを使った光路分離等が採用される。このように、画像形成素子８０の種類に応じて適切な光学系を採用すればよい。

なお、画像形成素子８０を、赤、緑、青等の複数枚用いて、それぞれカラーフィルターを透過した照明光を当てて、色合成手段により合成された光を投射光学系１０に入射させることによりスクリーン９０上にカラー画像を投射することができる。又、投射光学系１０に代えて、投射光学系２０を用いても構わない。

画像投射装置５０において、画像形成素子８０は変調信号に応じて画像形成される。光源６１からの照明光は画像形成素子８０に照射され、画像形成素子８０に形成された画像は、投射光学系１０によりスクリーン９０に拡大投射される。

以上、好ましい実施の形態及び実施例について詳説したが、上述した実施の形態及び実施例に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、２０ 投射光学系
１１ 第１光学系
１２ 折り返しミラー
１２ａ、１２ｂ 外端部
１３ 第２光学系
５０ 画像投射装置
６０ 照明光学系
６１ 光源
６２ リフレクター
６３、６４ リレーレンズ
６５ 照度均一化手段
６６ カラーホイール
７０ 分離手段
８０ 画像形成素子
９０ スクリーン
９１、９２ 補助線
９５、９７、９８ 光線
９６ 点
９９ 線
Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、ｌ_１、ｌ_２ 距離
θ_１、θ_２、θ_３、θ_４ 角度
φ_１ 径

特開２００８−０９６９８３号公報

Claims (9)

1. 画像を被投射面に投射する投射光学系であって、
   前記画像側から前記被投射面側に向って、屈折光学系を少なくとも一つ含んだ光学系であり全体として正のパワーを有する第１光学系、折り返しミラー、パワーを有する反射面を少なくとも一つ含んだ光学系であり全体として正のパワーを有する第２光学系が配置され、
   前記折り返しミラーは、前記第１光学系から前記第２光学系に至る光路を折り曲げ、
   前記被投射面に対して垂直な線上における、前記被投射面から前記第２光学系において光線を反射している領域内で前記被投射面から最も遠い位置までの距離を投射距離とし、前記被投射面に投射された画像の水平方向のサイズを投射サイズとしたときに、前記投射サイズに対する前記投射距離の比が０．２２６であり、
   前記第１光学系の光軸と前記被投射面の法線とを含む平面上において下記（１）〜（３）の条件式を満たすことを特徴とする投射光学系。
   （１）０．４３≦ｄ_１
   （２）０．４３≦ｄ_２
   （３）０．７≦ｄ_２／ｄ_１≦２．０
   但し、ｄ_１は式（数１）で表され、
   

   

   ｆ：前記第１光学系の焦点距離
   ｄ_１：前記折り返しミラーの外端部のうち、前記第１光学系と近い方の外端部に最も近い位置で反射した光線と、前記第１光学系の中で最も前記光線との距離の近い面と光軸の交わる点との、前記光線の法線方向での距離を前記第１光学系の焦点距離ｆで割った値
   ｄ_２：前記第２光学系で反射した光線の中で、前記折り返しミラーの外端部のうち、前記第１光学系から遠い方の外端部に最も近い光線と、前記第１光学系から遠い方の外端部との、光軸の法線方向での距離を前記第１光学系の焦点距離ｆで割った値
   ｌ_１：前記第１光学系の最も前記折り返しミラーに近い面と、前記折り返しミラーの外端部のうち、前記第１光学系と近い方の外端部との光軸方向の距離
   θ_１：前記折り返しミラーの外端部のうち、前記第１光学系と近い方の外端部に最も近い位置で反射される、前記第１光学系の中で最も前記折り返しミラーと近い面から出射された光線の、光軸方向に対する出射角度
   θ_２：前記折り返しミラーの光軸の法線方向に対する角度
   θ_３：前記折り返しミラーの外端部のうち、前記第１光学系と近い方の外端部と、前記第１光学系の最も前記折り返しミラーに近い面と光軸の交わる点とを結んだ線の光軸方向に対する角度
   である。
2. 更に下記（４）の条件式を満たすことを特徴とする請求項１記載の投射光学系。
   （４）０．４３≦ｄ_３
   但し、ｄ_３は式（数２）で表され、
   

   

   θ_４：前記折り返しミラーの外端部のうち、前記第１光学系と近い方の外端部と、前記第１光学系の最も前記折り返しミラーに近い面で、前記外端部と前記面の１点を結ぶことで前記面の接線となる線の光軸方向に対する角度
   ｄ_３：前記折り返しミラーの外端部のうち、前記第１光学系と近い方の外端部に最も近い位置で反射した光線と前記面の１点との、前記光線の法線方向での距離を前記第１光学系の焦点距離ｆで割った値
   である。
3. 更に下記（５）の条件式を満たすことを特徴とする請求項1又は２記載の投射光学系。
   （５）６．３≦ｌ_２／ｆ≦９．０
   但し、
   ｌ_２：前記折り返しミラーの外端部のうち、前記第１光学系と遠い方の外端部に最も近い位置で反射する光線の、前記第１光学系の最も前記折り返しミラーに近い面から前記第２光学系までの長さ
   である。
4. 前記第２光学系の反射面は自由曲面であることを特徴とする請求項1乃至３の何れか一項記載の投射光学系。
5. 前記屈折光学系が非球面形状の屈折面を有することを特徴とする請求項1乃至４の何れか一項記載の投射光学系。
6. 前記折り返しミラーは平面ミラーであることを特徴とする請求項1乃至５の何れか一項記載の投射光学系。
7. 前記第１光学系は共軸であることを特徴とする請求項1乃至６の何れか一項記載の投射光学系。
8. 前記θ_２は、４５°≦θ_２≦６０°を満たすことを特徴とする請求項1乃至７の何れか一項記載の投射光学系。
9. 変調信号に応じて画像を形成する画像形成素子に、光源からの照明光を照射し、前記画像形成素子に形成された前記画像を、請求項１乃至８の何れか一項記載の投射光学系により被投射面に拡大投射する画像投射装置。

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