KR101012340B1 - 투사 광학계와, 이를 구비한 화상 투사 장치 - Google Patents

Abstract

물체와 공역인 제 1 화상을 형성하는 제 1 광학계; 및 상기 제 1 화상과 공역인 제 2 화상을 피투사면을 향해 투사하는 제 2 광학계를 포함하며, 상기 제 2 광학계와 상기 제 2 광학계 중 적어도 하나는, 상기 물체에 대해 이동가능한 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는, 투사 광학계로서, 상기 물체에 대해 상기 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 상기 투사 광학계의 화상 거리가 변화되고 상기 제 2 화상의 크기가 변화되는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.

Description

투사 광학계와, 이를 구비한 화상 투사 장치{PROJECTION OPTICAL SYSTEM AND IMAGE PROJECTING APPARATUS}

본 발명은 투사 광학계 및 화상 투사 장치에 관한 것이다.

소형의 라이트 밸브에 2차원적으로 화상 표시한 문자나 그림 등의 정지화면 또는 동영상 등을 투사 광학계에 의해 확대 투영하여 화상 표시하는 프로젝터 타입의 화상 표시 장치가 알려져 있다. 또한, 최근에, 투과형 또는 반사형의 도트 매트릭스 액정, DMD(Digital Micro-mirror Device) 등을 이용한 표시장치(이하, '라이트 밸브'로 지칭함)를 이용하여, 이 라이트 밸브에 표시되는 화상을 스크린에 확대 투사하여 대화면으로서 보이는 확대 투사 방식이 주목되고 있다. 더욱이, 라이트 밸브로서는, 투과형 액정 패널 및 DLP(Digital Light Processor)와 더불어, 콘트라스트 특성이 우수한 LCOS(Liquid Crystal on Silicon)가 주목받고 있다.

실제로, 화면의 크기에 제약을 받지 않고, 효과적인 대화면을 얻는 것이 가능하므로, 오피스, 학교 및 가정에서도, 화상 확대 투사 장치(프로젝터)가 널리 이용되고 있다.

프로젝터형의 화상 표시장치로서는, 라이트 밸브 위의 화상을 장치로부터 멀리 설치된 반사형 스크린 등의 투사면에 확대 투사하여 반사광을 관찰하는 프런트 프로젝션형과, 장치 내에 투과 형태의 스크린을 투사면으로서 마련하여 스크린의 배면의 측부로부터 라이트 밸브 위의 화상을 확대 투사되는 스크린 표면의 측부로부터 화상을 관찰하는 리어 프로젝션형이 있다.

광학계의 예로서 특허 문헌 1(일본특개 2004－258620호 공보)을 들 수 있다. 렌즈계에 의해 일단 중간 화상(intermediate image)을 형성하고, 그것을 오목 미러에 의해 확대 투영하는 구성을 갖는 투사 광학계로서 근접 범위에서의 투사를 실현하고 있다. 그러나, 투사 화상 사이즈를 변화시키는 기구가 없고 고정된 사이즈로만 투영가능하기 때문에, 투사 사이즈가 고정되는 조건 하에서는 사용 조건이 제약을 받을 가능성이 있다.

따라서, 투사된 화상 사이즈를 변화시키는 광학계가 제안되고 있고, 프런트 프로젝션형용의 투사 광학계의 예로서는, 4개의 미러에 의한 텔레센트릭계(telecentric system)를 구성 요건으로 하고 있는 특허 문헌 2(일본특개 2003－177320호 공보)를 들 수 있으며, 특허 문헌 2에 개시된 투사 광학계는, 4개의 미러 소자를 대향 배치하여 구성하고, 미러의 이동에 의해 근접 범위로 변배 투사가 가능한 투사 광학계이다.

그러나, 일반적으로 미러는 렌즈보다 높은 위치 차이에 의한 성능 열화의 감도가 높기 때문에, 변배 투사시에 미러를 이동시킬 때, 미러 위치의 오차에 의한 화상 기능의 열화가 예상된다. 즉, 변배시킬 때에 미러를 이동시킬 필요가 있지 만, 미러 위치의 오차에 의한 화상 기능의 열화가 예상되어 미러의 배치 정밀도를 엄격하게 할 필요가 있다고 생각된다.

또한, 미러 사이를 광선이 반사를 반복하는 광학 경로를 채택하고 있으므로, 확대 측부의 최종 미러에서는 광선의 높이가 높아지고 있다. 따라서, 이러한 장치의 높이를 낮게 하는 것은 어렵고, 사용시의 장치 사이즈가 더 커진다. 또한, 제 4 미러의 사이즈도 크다. 더욱이, 미러가 장치 케이스의 외부에 있기 때문에, 먼지, 오염물 및 충격 등의 외부 요인에 의해 미러가 열화하기 쉽다고 생각된다.

또한, 특허 문헌 3(일본특개 2004－295107호 공보)에는, 물체 측에 이동가능한 복수의 렌즈계로 이루어진 제 1 광학계와, 화상 측에 반사 곡면을 가지는 미러계를 구비한 제 2 광학계를 배치한 변배 투사 광학계(variable magnification projection optical system)가 개시되어 있다. 특허 문헌 3에 개시된 광학계 예에서, 미러부는 고정된 한편 렌즈부를 이동함으로써 변배가 성취된다. 또한, 이는 렌즈계로 구성된 광학계와, 복수의 곡면 미러로 구성된 광학계를 구비하여, 렌즈계가 미러부 내에 중간 화상을 형성한다. 그 중간상의 위치는 미러계에 대해 렌즈계에 가장 가까운 제 1 면보다 미러계 내의 확대 측에 있다.

본 광학계에서는, 렌즈부의 이동에 의해 중간 화상의 화상 사이즈를 변화시키고, 그 변화한 중간 화상을 제 2 광학계에 의해 다시 화상함으로써 투사 화상 사이즈를 변화시켜 변배를 성취하고 있다. 그러나, 투사 거리를 바꾸지 않고 화각(angle of view)을 변화시켜 변배하고 있기 때문에, 투사된 화상의 사이즈의 변배 요인에 의해 광학 파워(렌즈부)를 갖는 광학 소자의 (총) 초점 거리를 변화시킬 필요가 있으므로, 광학 성분이 복잡해지고, 그것을 담당하고 있는 렌즈부의 이동 정도도 커진다.

또한, 초점 거리의 변화에 의한 수차의 변동분을 미러부에서 흡수하기 위해서, 실제적인 예에서는 복수의 회전 비대칭 비구면 미러가 필요로 하므로, 비용 증대되는 것은 말할 필요도 없다. 이에 따라, 그 공차 감도의 높이에 의해 제조 조립이 곤란하거나 투사 거리 자체도 길고, 근접 범위를 위한 투사 광학계와 같이, 작은 스페이스에서의 사용에 적합하지 않게 된다.

또한, 특허 문헌 3에 개시된 변배 광학계에 있어서, 제 1 광학계는 투과 굴절 광학계로 구성되고 제 2 광학계는 복수의 미러로 구성된 것이 예시되고 있지만, 1개로 구성한 예는 없다. 복수의 미러로 반사를 반복하는 제 2 광학계에 있어서, 복수의 미러를 순차적으로 반사하면서 광선의 높이가 점차 높게 되므로, 미러계의 높이를 렌즈계의 높이에 맞추어 콤팩트하게 구성하는 것은 어렵다. 그 결과, 장치의 높이를 낮고 구성하는 것이 어려워진다.

또한, 제 1 광학계는 이동가능한 복수의 렌즈계로 구성되고 있고, 렌즈계를 접어 콤팩트하게 하려고 하면, 전후의 렌즈를 이동시키기 때문에, 캠의 기구가 복잡하게 된다. 개시된 도면에 있어서, 변배 시에는, 제 1 광학계의 모든 렌즈군이 이동하므로, 렌즈계를 접기 위한 기구의 구성은 어렵다고 생각된다. 또한, 제 2 광학계의 미러계의 부분도 전체 길이가 길어지므로, 콤팩트하게 장치를 구성하는 것이 어렵다고 생각된다.

또한, 특허 문헌 3에 개시된 변배 광학계는 대략 동일한 투사 거리에서 투사 화각을 변화시킴으로써 투사 배율을 변화시키는 기능을 가지는 것이지만, 투사 거리를 바꾸었을 때에 투사 배율을 바꾸는 작용에 대해서는 개시되어 있지 않다. 또한, 변배 광학계에서 화각이 작기 때문에, 화각이 일정 유지되면서 투사 가리를 변경함으로써 투사 배율이 변화된다면, 투사 거리를 큰 폭으로 바꾸지 않으면 안 된다. 투사 거리가 큰 폭으로 바뀌게 되므로, 초점 조정도 커지게 된다.

도 23은 특허 문헌 3에 개시된 광학계의 형태를 개략적으로 도시한 도면이다.

제 1 광학계(102)와 제 2 광학계(104)가 모두 실 화상을 형성하기 때문에, 그 파워는 정(positive)이다. 또한, 제 2 광학계(104)는 미러계로 구성되고 있지만, 개략적으로 렌즈로 가리켜도, 본 설명에는 아무런 문제는 없다. 물체(101)와 화상(105)의 관계에 있어서, 화상(105)의 크기를 변화시키기 위해, 제 2 광학계(104)는 고정되기 때문에 중간 화상(103)의 크기를 변화시키고 있다(특허 문헌 3의 도 2 참조). 이에 따라, 중간 화상(103)의 크기 변화에 따라서, 제 1 광학계(102)는 주요 지점을 이동시킬 뿐만 아니라 파워의 변화시켜야 한다. 실제로, 초점 길이 또는 배율이 근축론(paraxial theory)에서는 중간 화상(103)의 변배율에 의해 변화되어야 한다. 즉, 화상 사이즈의 변배율(최대의 화상 사이즈를 최소의 상 사이즈로 나눈 값)을 α'로 하고, 제 1 광학계의 최대의 초점 거리를 fa', 최소의 초점 거리를 fb'로 하면, 아래와 같은 수학식 (2)이 성립하게 된다.

α' = fa'/ fb' .......... (2)

본 발명의 일 목적은, 물체와 공역인 제 1 화상을 형성하는 제 1 광학계; 및 상기 제 1 화상과 공역인 제 2 화상을 피투사면을 향해 투사하는 제 2 광학계를 포함하며, 화상 거리가 변화되고 제 1 화상의 크기가 변화되는 투사 광학계를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 물체와 공역인 제 1 화상을 형성하는 제 1 광학계; 및 상기 제 1 화상과 공역인 제 2 화상을 피투사면을 향해 투사하는 제 2 광학계를 포함하며, 화상 거리가 변화되고 제 1 화상의 크기가 변화되는 투사 광학계를 포함하는 화상 투사 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 물체와 공역인 제 1 화상을 형성하는 제 1 광학계; 및 상기 제 1 화상과 공역인 제 2 화상을 피투사면을 향해 투사하는 제 2 광학계를 포함하며, 상기 제 2 광학계와 상기 제 2 광학계 중 적어도 하나는, 상기 물체에 대해 이동가능한 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는, 투사 광학계로서, 상기 물체에 대해 상기 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 상기 투사 광학계의 화상 거리가 변화되고 상기 제 2 화상의 크기가 변화되는 것을 특징으로 하는 투사 광학계가 제공된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 화상을 피투사면에 투사하는 화상 투사 장치로서, 상술한 바와 같은 투사 광학계를 포함하는 화상 투사 장치가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 물체와 공역인 제 1 화상을 형성하는 제 1 광학계; 및 상기 제 1 화상과 공역인 제 2 화상을 피투사면을 향해 투사하는 제 2 광학계를 포함하며, 화상 거리가 변화되고 제 1 화상의 크기가 변화되는 투사 광학계가 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 물체와 공역인 제 1 화상을 형성하는 제 1 광학계; 및 상기 제 1 화상과 공역인 제 2 화상을 피투사면을 향해 투사하는 제 2 광학계를 포함하며, 화상 거리가 변화되고 제 1 화상의 크기가 변화되는 투사 광학계를 포함하는 화상 투사 장치가 제공될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 특정례를 도시한 개략도,

도 2는 본 발명의 일 실시예의 제 1 특정례를 도시한 다이아그램으로서, 80인치의 대각선 화상이 551 mm의 투사 거리에서 화상면에 투사되는 상태를 도시한 도면,

도 3은 본 발명의 일 실시예의 제 1 특정례를 도시한 다이아그램으로서, 60인치의 대각선 화상이 438 mm의 투사 거리에서 투사되는 상태를 도시한 도면,

도 4는 본 발명의 일 실시예의 제 1 특정례를 도시한 다이아그램으로서, 40인치의 대각선 화상이 334 mm의 투사 거리에서 투사되는 상태를 도시한 도면,

도 5는 도 2의 광학계의 확대도,

도 6은 도 3의 광학계의 확대도,

도 7은 도 4의 광학계의 확대도,

도 8은 본 발명의 일 실시예의 제 2 특정례를 도시한 다이아그램으로서, 80인치 스크린에 화상을 투사하는 구성을 도시한 도면,

도 9는 본 발명의 일 실시예의 제 2 특정례를 도시한 다이아그램으로서, 60인치 스크린에 화상을 투사하는 구성을 도시한 도면,

도 10은 본 발명의 일 실시예의 제 3 특정례를 도시한 다이아그램,

도 11은 정(positive)의 파워를 갖는 광학 소자의 상면만곡(curvature of field)을 나타내는 다이아그램,

도 12는 본 발명의 일 실시예의 제 4 특정례를 도시한 다이아그램으로서, 제 1 광학계의 광학 축에 대해 물체면이 변경되는 구성을 도시한 도면,

도 13은 본 발명의 일 실시예의 제 4 특정례를 도시한 다이아그램으로서, 하우징 프레임에 의해 광학계를 덮는 구성을 도시한 도면,

도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일 실시예의 제 5 특정례를 도시한 도면,

도 15는 수치 실시예 1에 있어서 127 배율에서의 화상면에 스폿 다이아그램을 도시한 다이아그램,

도 16은 수치 실시예 1에 있어서 95.2 배율에서의 화상면에 스폿 다이아그램을 도시한 다이아그램,

도 17은 수치 실시예 1에 있어서 63.5 배율에서의 화상면에 스폿 다이아그램을 도시한 다이아그램,

도 18은 도 15 내지 도 17에 도시한 스폿과 화상면 상의 스폿의 위치 간의 대응을 도시한 다이아그램,

도 19는 수치 실시예 1에 있어서 127 투사 배율에서의 TV 디스토션(distortion) 특성을 도시한 다이아그램,

도 20은 수치 실시예 1에 있어서 95.2 투사 배율에서의 TV 디스토션 특성을 도시한 다이아그램,

도 21은 수치 실시예 1에 있어서 63.5 투사 배율에서의 TV 디스토션 특성을 도시한 다이아그램,

도 22는 수치 실시예 1에 있어서 중간 화상의 운동을 도시한 다이아그램,

도 23은 특개 JP-A-2004-295107호에 개시된 광학계의 구성을 도시한 개략도,

도 24는 수치 실시예 2에 있어서 759 mm의 투사 거리에서 100인치의 대각 화상을 투사하는 상태를 도시한 도면,

도 25는 수치 실시예 2에 있어서 544 mm의 투사 거리에서 70인치의 대각 화상을 투사하는 상태를 도시한 도면,

도 26은 수치 실시예 2에 있어서 400 mm의 투사 거리에서 50인치의 대각 화상을 투사하는 상태를 도시한 도면,

도 27은 도 24 내지 도 26 중 어느 하나에서 제 2 광학계(4)로의 물체(1)의 확대를 도시한 도면,

도 28은 수치 실시예 2에 있어서 164.7 배율에서의 화상면 상의 스폿 다이아그램을 도시한 다이아그램,

도 29는 수치 실시예 2에 있어서 115.3 배율에서의 화상면 상의 스폿 다이아 그램을 도시한 다이아그램,

도 30은 수치 실시예 2에 있어서 82.4 배율에서의 화상면 상의 스폿 다이아그램을 도시한 다이아그램,

도 31은 수치 실시예 2에 있어서 164.7 투사 배율에서의 TV 디스토션 특성을 도시한 다이아그램,

도 32는 수치 실시예 2에 있어서 115.3 투사 배율에서의 TV 디스토션 특성을 도시한 다이아그램,

도 33은 수치 실시예 2에 있어서 82.4 투사 배율에서의 TV 디스토션 특성을 도시한 다이아그램,

도 34는 수치 실시예 3에 있어서 739 mm의 투사 거리에서 80인치의 대각 화상을 투사하는 상태를 도시한 다이아그램,

도 35는 수치 실시예 3에 있어서 571 mm의 투사 거리에서 60인치의 대각 화상을 투사하는 상태를 도시한 다이아그램,

도 36은 수치 실시예 3에 있어서 400 mm의 투사 거리에서 40인치의 대각 화상을 투사하는 상태를 도시한 다이아그램,

도 37은 도 34 내지 도 36 중 어느 하나에서 제 2 광학계(4)로의 물체(1)의 확대를 도시한 도면,

도 38은 수치 실시예 3에 있어서 131.8 배율에서의 화상면 상의 스폿 다이아그램을 도시한 다이아그램,

도 39는 수치 실시예 3에 있어서 98.8 배율에서의 화상면 상의 스폿 다이아 그램을 도시한 다이아그램,

도 40은 수치 실시예 3에 있어서 65.9 배율에서의 화상면 상의 스폿 다이아그램을 도시한 다이아그램,

도 41은 수치 실시예 3에 있어서 131.8 투사 배율에서의 TV 디스토션 특성을 도시한 다이아그램,

도 42는 수치 실시예 3에 있어서 98.8 투사 배율에서의 TV 디스토션 특성을 도시한 다이아그램,

도 43은 수치 실시예 3에 있어서 65.9 투사 배율에서의 TV 디스토션 특성을 도시한 다이아그램.

<부호의 설명>

1 : 물체면

2 : 편광빔 스플리터와 크로스 프리즘의 복합계

3 : 굴절력을 갖는 복수의 광학 소자

3' : 제 1 광학계

4 : 반사곡면

5 : 화상면

6 : 중간 화상면

7 : 폴딩 미러

8 : 하우징

9 : 개구

10 : 광원

11, 12 : 컷오프 필터

13 : 편광 변환 소자

14, 15 : 플라이아이 렌즈 어레이

16 : 콘덴서 렌즈

17, 18 : 디크로익 미러

19, 20, 21 : 편광빔 스플리터

22, 23, 24 : 라이트 밸브 소자

25 : 크로스 프리즘

26 : 미러

101 : 물체

102 : 제 1 광학계

103 : 중간 화상

104 : 제 2 광학계

105 : 화상

다음에, 본 발명의 실시예를 도면과 함께 설명한다.

본 발명의 제 1 실시예는, 물체와 공역인 제 1 화상을 형성하는 제 1 광학계; 및 상기 제 1 화상과 공역인 제 2 화상을 피투사면을 향해 투사하는 제 2 광학 계를 포함하며, 상기 제 2 광학계와 상기 제 2 광학계 중 적어도 하나는, 상기 물체에 대해 이동가능한 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는, 투사 광학계에 있어서, 상기 물체에 대해 상기 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 상기 투사 광학계의 화상 거리가 변화되고 상기 제 2 화상의 크기가 변화되는 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

여기서, 피투사면은 투사 광학계의 성분일 수도 있거나 또는 투사 광학계의 성분이 아닐 수도 있다. 예를 들면, 피투사면이 투사 광학계의 성분인 경우에는, 적절한 주지의 기구를 이용하여, 피투사면을 포함한 성분을 물체에 대해 이동 시킴으로써, 피투사면의 위치를 제 2 화상의 위치에 동일하게 위치시킬 수 있다. 또한, 예를 들면, 피투사면이 투사 광학계의 성분이 아닌 경우에는, 적절한 주지의 기구를 이용하여, 투사 광학계의 케이스 등에 대해 투사 광학계의 전체를 이동시킴으로써, 제 2 화상의 위치를 피투사면의 위치에 위치시킬 수 있다. 또한, 예를 들면, 피투사면이 투사 광학계의 성분이 아닌 경우에는, 사용자에 의한 인위적인 수단에 의해, 피투사면에 대해 투사 광학계의 전체를 이동 시킴으로써, 제 2 화상의 위치를 피 투사면의 위치에 위치시킬 수 있다. 더욱이, 제 2 화상이 피투사면을 향해 투사되는 것만이 필요하고, 반드시 피투사면 위에 형성될 필요는 없다.

또한, 제 1 화상과 제 2 화상 각각은 수차(aberration)를 포함한 화상일 수 있다. 또한, 물체에 대해 이동가능한 적어도 하나의 광학 소자를 물체에 대해 이동시키는 수단으로서는, 주지의 임의의 수단을 이용할 수 있다.

더욱이, 투사 광학계의 화상 거리는, 투사 광학계의 전체에 있어서의 제 2 화상측에 있는 전체 투사 광학계의 주요 지점으로부터 제 2 화상의 근축 광학 위치까지의 근축 광학적인 거리를 의미한다.

본 발명의 제 1 실시예에 의하면, 물체와 공역인 제 1 화상을 형성하는 제 1 광학계; 및 상기 제 1 화상과 공역인 제 2 화상을 피투사면을 향해 투사하는 제 2 광학계를 포함하며, 화상 거리가 변화되고 제 1 화상의 크기가 변화되는 투사 광학계를 제공할 수 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 투사 광학계에 있어서, 물체에 대해 상기 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 투사 광학계의 화상 거리가 변화되고 제 2 화상의 크기가 변화되는 것이 바람직하다.

여기서, 제 1 화상과 제 2 화상 간의 거리는, 근축 광학적인 제 1 화상의 위치와 제 2 광학계에 있어서의 임의의 위치 간의 거리를 의미한다.

이 경우에는, 제 1 화상과 제 2 광학계 간의 거리를 변화시킴으로써, 비교적 용이하게 투사 광학계의 화상 거리를 변화시키는 동시에, 제 2 화상의 크기를 변화시킬 수 있는 투사 광학계를 제공할 수 있다.

예를 들면, 제 1 광학계가 적어도 하나의 광학 소자를 구비하고 제 2 광학계가 물체에 대해 이동가능한 광학 소자를 구비하지 않는 경우, 물체에 대해 제 1 광학계에 포함되는 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 물체에 대해 제 1 화상을 이동시키도록 제 1 화상과 제 2 광학계 간의 거리를 변화시킬 수 있다. 그 결과, 투사 광학계의 화상 거리를 변화시키는 동시에 제 2 화상의 크기를 변화시킬 수 있다.

또한, 예를 들면, 제 2 광학계가 적어도 하나의 광학 소자를 구비하고 제 1 광학계가 물체에 대해 이동가능한 광학 소자를 구비하지 않는 경우, 물체에 대해 제 2 광학계에 포함되는 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 물체에 대해 제 1 화상을 이동시키고 제 1 화상에 대해 제 2 광학계를 이동시키도록 제 1 화상과 제 2 광학계 간의 거리를 변화시킬 수 있다. 그 결과, 투사 광학계의 화상 거리를 변화시키는 동시에 제 2 화상의 크기를 변화시킬 수 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 투사 광학계에 있어서, 제 1 광학계는 광학 소자 중 적어도 하나를 포함하고, 물체에 대해 제 1 광학계에 포함되는 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 물체에 대해 제 1 화상을 이동시킨다.

근축 광학적인 물체의 크기에 대한 근축 광학적인 제 1 화상의 크기의 비, 즉 제 1 광학계의 배율을 ml(＞0)로 나타내고, 근축 광학적인 제 1 화상의 크기에 대한 근축 광학적인 제 2 화상의 크기의 비, 즉 제 2 광학계의 배율 m2(＞0)를 나타내면, 근축 광학적인 물체의 크기에 대한 근축 광학적인 제 2 화상의 크기의 비, 즉 근축 광학적인 투사 광학계의 배율은 ml X m2이다. 여기서, 제 1 광학계의 배율의 변화 ml에 대한 근축 광학적인 투사 광학계의 배율의 변화는 Δm2가 되고, 제 2 광학계의 배율의 변화 Δm2에 대한 근축 광학적인 투사 광학계의 배율의 변화는 ml가 된다.

여기서, 예를 들면, m2＞ml를 만족하는 투사 광학계에 대해서는, 제 1 광학계의 배율의 변화에 대한 근축 광학적인 투사 광학계의 배율의 변화(제 1 광학계의 배율 감도)가 제 2 광학계의 배율의 변화에 대한 근축 광학적인 투사 광학계의 배 율의 변화(제 2 광학계의 배율 감도)보다 커진다.

따라서, 제 1 광학계가 광학 소자 중 적어도 하나를 포함하고, 물체에 대해 제 1 광학계에 포함되는 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 제 2 화상의 크기를 변화시키는 투사 광학계는, 제 2 광학계가 광학 소자 중 적어도 하나를 포함하고, 물체에 대해 제 2 광학계에 포함되는 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 제 2 화상의 크기를 변화시키는 투사 광학계보다 높은 배율 감도를 가지므로, 광학 소자 중 적어도 하나의 보다 적은 이동량으로, 제 2화상의 크기를 변화시킬 수 있다.

이에 따라, 투사 광학계가 m2＞ml를 만족하는 경우에, 보다 용이하게 투사 광학계의 화상 거리를 변화시키는 동시에 제 2 화상의 크기가 변화하게 하는 투사 광학계를 제공할 수 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 투사 광학계에 있어서, 제 2 광학계는 물체에 대해 고정되는 것이 바람직하다.

이 경우에는, 제 2 광학계를 물체에 대해 고정해 두는 한편, 물체에 대해 제 1 광학계에 포함된 광학 소자 중 적어도 하나만을 이동시킴으로써 비교적 쉽게 제 2 화상의 크기를 변경하는 동시에 투사 광학계의 화상 거리를 변경할 수 있다. 그 결과, 투사 광학계의 화상 거리를 변화시키는 동시에, 제 2 화상의 크기가 변화하게 하는 투사 광학계를 비교적 용이하게 제공할 수 있다.

예를 들면, 투사 광학계는 물체를 확대 혹은 축소하여 화상면에 투사하는 투사 광학계이며, 물체의 크기비에 대한 화상의 크기비를 변경할 수 있으며, 변경시 에 이동가능한 렌즈 유닛을 구비하고 정(positive)의 광학 파워를 갖는 제 1 광학계와, 변경 시에 고정된 반사 곡면을 구비하고 정의 광학 파워를 갖는 제 2 광학계로서, 제 1 광학계와 제 2 광학계 사이의 물체면으로부터 방출된 광선을 대체로 모음으로써 제공되는 중간 화상을 갖는 제 2 광학계를 구비하며, 변경시에 제 1 광학 시스템을 이동시켜서 화상 거리를 변경함으로써 중간 화상을 이동시켜 화상의 크기를 변경할 수 있다.

이 경우에는, 투사 광학계는, 짧은 투사 거리로부터 높은 배율로 확대 투사가 가능하고, 투사 사이즈를 가변할 수 있는 광학계이다. 투사 거리가 변경되도록 중간 화상을 이동시킴으로써 변경이 구현될 수 있기 때문에, 중간 화상의 이동을 위한 광학 성분의 이동만이 요구되는 단순한 구성에 의해 화상 크기의 변경이 구현될 수 있다. 또한, 광학 성분의 이동에 의한 수차의 변동도 적기 때문에, 중간 화상을 화상면에 확대 투사하는 미러 광학계도 적은 개수로 실현할 수 있으므로, 조립이 현격히 향상한다.

즉, 투사 거리가 짧아도 높은 투사 화상 사이즈의 변배율로 확대 투사하는 것이 가능한 한편, 단순한 광학계이기 때문에 장치 비용이 낮고, 조립이 쉬운 신규한 투사 광학계를 제공할 수 있다.

또한, 예를 들면, 투사 광학계는, 적어도 평면적인 물체면, 및 물체면 측에 배치되어 굴절력을 갖고, 광축 방향으로 이동 기구를 수반하며, 광축 방향으로 이동가능한, 복수의 광학 소자를 포함한 제 1 광학계, 및 상면 측에 배치되어 이동하지 않는 반사면으로부터 완성되는 제 2 광학계를 구비하며, 제 1 광학계는 제 2 광 학계에서 제 1 광학계에 가장 가까운 광학면보다 제 1 광학계 측에 중간 화상을 형성하고, 제 2 광학계는 중간 화상을 확대 투사하는 동시에 제 1 광학계가 갖는 광학 소자의 이동에 의해 중간 화상의 위치를 이동시키고, 이에 따라 투사 거리와 화상의 크기를 변화시키는 투사 광학계이다.

투사 광학계는, 짧은 투사 거리로부터 높은 배율로 확대 투사가 가능한 특징을 가질 뿐만 아니라, 투사 배율이 바뀌었을 때에, 미러를 고정한 채로 포커스 조정을 실시할 수 있다. 즉, 제 1 광학계에 있어서의 굴절력을 갖는 광학 소자의 이동에 의해, 투사 광학계의 초점 거리를 조정하여, 포커스 조정을 실시할 수 있다. 이에 의해, 미러의 이동 기구가 불필요하게 된다. 미러의 이동에 의해 포커스시키는 방법에서는, 미러의 이동에 필요로 하는 정도가 높아지기 때문에, 미러의 이동 기구에 필요로 하는 비용이 높아지지만, 본 발명에 의해 해당 비용을 내릴 수 있다. 제 1 광학계에서 굴절력을 가지는 광학 소자를 광축 방향으로 이동시키는 것이 쉬울 수 있으므로, 저비용으로 이동 기구를 실현 할 수 있다.

또한, 투사 화각이 크기 때문에, 투사 거리를 조금 바꾸는 것만으로 투사 배율을 크게 바꿀 수가 있으므로, 포커스 조정의 양이 적어질 수도 있다.

또한, 물체면으로부터의 순서로, 굴절력을 갖는 광학 소자를 구비한 제 1 광학계, 중간 화상, 반사면을 배치한(또는 미러계와 렌즈계 사이에 중간 화상이 있음) 구성 조건에 의해, 중간 화상을 반사면에 의해 짧은 투사 거리로 확대 투사시킬 수 있다.

이와 같이, 중간 화상을 확대 투사하는 광학계가 제공되기 때문에, 미러를 작게 할 수 있다. 또한, 미러 크기가 작더라도, 높은 배울과 낮은 디스토션을 갖는 화상이 얻어질 수 있고, 미러의 제조 비용이 낮춰질 수 있다.

또한, 투사 광학계에 의해, 짧은 투사 거리로 높은 배율로 확대 투사할 수 있다. 투사 광학계를 이용한 화상 투사 장치는 투사 스크린의 근방에 장치를 설치할 수 있다. 회의 스페이스 등에 있어서, 사용자 근방에 장치를 설치하지 않아도 된다. 즉, 사용자와 장치의 거리를 떼어 놓아도 사용할 수 있다. 또한, 장치에 의해 발생하는 소음이나 배기에 의한 효과를 사용자에게 주는 일 없이, 장치를 사용할 수 있다.

그리고, 본 장치에 있어서, 투사 화상은, 투사 스크린의 법선과 소정의 각도로 비스듬하게 투사된다. 이로써, 사용자가 투사 화면의 근방에 도달하더라도, 투사광이 쉽게 차단되지 않고 음영도 형성될 수 없다. 따라서, 사용하기 쉽고 편리성이 향상한다.

즉, 화상 표시장치의 높이를 낮게 소형화하는데 있어서 유리한 한편, 투사 배율이 바뀌었을 때에 화상을 열화 시키지 않게 하기 위한 장치 비용이 낮고, 투사 거리가 짧아도 높은 배율로 확대 투사하는 것이 가능한, 신규한 투사 광학계를 제공할 수 있다.

또한, 투사 광학계에 있어서, 투사 배율이 다른 임의의 2개 상태에서는, 투사 광학계에 있어서의 상면에 가장 가까운 소자로부터 상면까지의 투사 거리가 다른 것과 동시에, 제 1 광학계에 있어서의 일부의 소자 간격이 다르다(그 외의 소자 간격은 동일하다).

이 경우에는, 제 2 광학계를 구성하는 광학 소자를 이동시키는 기구는 불필요하게 된다. 제 2 광학계에는 반사 미러가 포함되어 있다. 미러의 이동 기구에는 높은 정도밀가 필요하기 때문에, 미러의 이동 기구에 필요로 하는 비용은 높다. 이러한 투사 광학계에 의하면, 비용의 높은 이동 기구가 불필요하다.

이에 따라, 투사 배율이 다를 때에도, 안정한 화질을 얻을 수 있다. 또한, 장치의 비용이 낮춰질 수 있다. 또한, 장치에 의한 화질의 불균형도 적게 된다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 투사 광학계에 있어서, 물체에 대해 제 1 광학계에 포함되는 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 제 1 광학계의 초점 거리가 제 1 초점 거리로부터 제 2 초점 거리까지 변화하게 하는 동시에, 제 2 화상의 크기가 제 1 크기로부터 제 2 크기까지 변화하게 할 때, 제 1 초점 거리에 대한 제 2 초점 거리의 비는 제 1 크기에 대한 제 2 크기의 비와 다르다.

이 경우에는, 제 2 화상의 크기를 제 1 크기로부터 제 2 크기까지 변화시킬 때, 제 1 크기에 대한 제 2 크기의 비와 다른 제 1 초점 거리에 대한 제 2 초점 거리의 비로, 제 1 광학계의 초점 거리를 제 1 초점 거리로부터 제 2 초점 거리까지 변화시킴으로써, 비교적 용이하게 투사 광학계의 화상 거리를 변화시키는 동시에, 제 2 화상의 크기를 변화시킬 수 있다. 그 결과, 투사 광학계의 화상 거리가 변화되는 동시에 제 2 화상의 크기가 변화하게 하는 투사 광학계를 비교적 용이하게 제공할 수 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 투사 광학계에 있어서, 제 2 초점 거리가 제 1 초점 거리보다 길고, 제 2 크기가 제 1 크기보다 큰 경우에, 제 1 크기에 대한 제 2 크기의 비가 제 1 초점 거리에 대한 제 2 초점 거리의 비보다 크다.

이 경우에는, 제 2 화상의 크기를, 제 1 크기로부터 제 2 크기까지 변화시킬 때, 제 1 크기에 대한 제 2 크기의 비보다 작은 제 1 초점 거리에 대한 제 2 초점 거리의 비를 갖는 제 1 광학계의 초점 거리를 제 1 초점 거리로부터 제 2 초점 거리까지 변화시킴으로써, 비교적 용이하게 투사 광학계의 화상 거리를 변화시키는 동시에, 제 2 화상의 크기를 변화시킬 수 있다. 그 결과, 투사 광학계의 화상 거리가 변화하게 하는 동시에, 제 2 화상의 크기가 변화하게 하는 투사 광학계를 비교적 용이하게 제공할 수 있다.

예를 들면, 상술한 투사 광학계는 아래와 같이 조건 수학식 (1)을 만족하는 투사 광학계이다.

α ＞ fa / fb ·····(1)

단, α은 최대의 화상 사이즈를 최소의 화상 사이즈로 나눈 값이고, fa는 제 1 광학계의 최대 초점 거리이고, fb는 제 1 광학계의 최소 초점 거리이다.

또한, 조건식 (1)은

1/α ＜ fa / fb ·····(1)'

로도 나타내진다.

또한, 조건식 (1) 또는 (1)'으로부터, fa에 있어서의 화상 사이즈가 최대의 화상 사이즈이고, fb에 있어서의 화상 사이즈가,최소의 화상 사이즈인 것을 고려하면, fa와 fb의 비가 fa에 있어서의 최대의 화상 사이즈와 fb에 있어서의 최소의 화상 사이즈의 비(α 또는 1/α)와 동일하지는 않은 것이 이해될 수 있다.

이 경우에는, 투사 광학계는 짧은 투사 거리로부터 높은 배율로 확대 투사가 가능한 한편, 투사 사이즈를 가변할 수 있는 광학계이다. 광학계 내에 형성되는 중간 화상을 이동함으로써 투사 거리를 변화시키는 것으로 실현하기 때문에, 중간 화상 이동을 위한 광학 성분의 이동만으로 필요로 하므로, 단순한 구성으로 화상 사이즈의 가변을 실현할 수 있다. 또한, 광학 성분 이동에 의한 수차의 변동도 적기 때문에, 중간 화상을 상면에 확대 투사하는 미러 광학계가 적은 수의 성분으로 실현될 수 있으므로, 조립의 용이성이 현격히 향상된다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 투사 광학계에 있어서, 광학 소자 중 적어도 하나를 포함한, 제 1 광학계 및 전기 제 2 광학계 중 적어도 하나는 동축 광학계인 것이 바람직하다.

이 경우에는, 광학 소자 중 적어도 하나가 동축 광학계에 포함되기 때문에, 물체에 대해 광학 소자 중 적어도 하나를 동축 광학계의 광축에 따라, 비교적 용이하게 이동시킬 수 있으므로, 투사 광학계의 화상 거리가 변화되는 동시에, 제 2 화상의 크기가 변화하게 하는 투사 광학계를 비교적 용이하게 제공할 수 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 투사 광학계에 있어서, 제 1 광학계 또는 제 2 광학계 중 하나는 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는 동시에, 제 1 광학계 또는 제 2 광학계 중 다른 하나를 구성하는 광학 소자보다 많은 광학 소자를 포함한다.

이 경우에는, 적어도 하나의 광학 소자가 보다 많은 광학 소자를 포함한(제 1 또는 제 2) 광학계에 포함되기 때문에, 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킬 때 에, 제 2 화상의 기능의 열화를 저감할 수 있다. 그 결과, 투사 광학계의 화상 거리가 변화되는 동시에 제 2 화상의 크기가 변화하게 하는, 보다 높은 광학 성능을 구비한 투사 광학계를 제공할 수 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 투사 광학계에 있어서, 제 2 화상의 크기가 변화되는 한편, 피투사면을 향해 투사되는 주 광선의 반 화각이 실질적으로 일정하다.

여기서, 피투사면을 향해 투사되는 주 광선은, 피투사면을 향해 투사되는 광속의 중심에서의 광선을 의미한다. 또한, 피투사면을 향해 투사되는 주 광선의 반 화각은, 90°－[주 광선이 피투사면에 입사하는 점에 있어서의 피투사면의 법선 벡터와 주 광선의 방향 벡터 사이의 각도(90°미만)]를 의미한다. 또한, 피투사면을 향해 투사되는 주 광선의 반 화각이 실질적으로 일정하다는 것은, 투사 광학계의 화상 거리를 변화시키는 동시에, 제 2 화상의 크기를 변화시킬 때에, 피투사면을 향해 투사되는 주 광선의 반 화각의 변동이 ±2°이내인 것을 의미한다.

이 경우에는, 피투사면을 향해 투사되는 주 광선의 반 화각이 실질적으로 일정한 한편, 투사 광학계의 화상 거리를 변화시키는 동시에, 제 2 화상의 크기를 변화시킬 수 있는 투사 광학계를 제공할 수 있다.

예를 들면, 투사 광학계는, 변배 시에 화상면에 투사하는 주 광선의 최대 입사각이 실질적으로 변화하지 않는 투사 광학계일 수 있다.

이 경우에는, 화상면에 투사하는 주 광선의 최대 입사각이 실질적으로 변함없이, 투사 거리에 대해 선형으로 화상 사이즈가 바뀌는 것으로, 화상 사이즈의 변 배 시의 상태가 쉽게 예상되어 사용하기 쉽다.

본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 투사 광학계에 있어서, 피투사면을 향해 투사되는 주 광선의 반 화각의 최대값은 60°이상인 것이 바람직하다.

이 경우에는, 투사 광학계의 화상 거리를 변화시키는 동시에 제 2 화상의 크기를 변화시킬 때에, 피투사면을 향해 투사되는 주 광선의 반 화각의 최대값이 60°이상인 (초광각) 투사 광학계를 제공할 수 있다.

본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 투사 광학계에 있어서, 제 2 광학계는 정의 파워를 가지는 반사면을 갖춘 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는 것이 바람직하다.

이 경우에는, 투사 광학계의 화상 거리를 변화시키는 동시에 제 2 화상의 크기를 변화시킬 때에, 피투사면을 향해 투사되는 주 광선의 반 화각의 최대값이 큰 투사 광학계를 비교적 용이하게 제공할 수 있다.

예를 들면, 투사 광학계에 있어서의 제 2 광학계는 파워를 가지는 하나 이상의 미러를 가진다. 또한, 투사 광학계에 있어서, 제 2 광학계에 있어서의 하나 이상의 미러는 정의 파워를 가진다.

이 경우에는, 중간 화상을 확대 투사할 수 있다. 중간 화상을 형성하는 경우, 물체로부터 중간 화상에 이르는 광빔은 수렴하고, 중간 화상으로부터 화상면에 이르는 광빔은 발산한다. 이에 따라, 발상된 광빔은 다시 파워를 갖는 하나 이상의 미러에 의해 집광되어 확대된 화상을 얻을 수 있다. 또한, 적절한 파워를 제공함으로써, 소정의 화상면에 반사 광빔이 안내되어, 화상을 제공한다. 또한, 화상 의 디스토션을 줄일 수 있다.

상술한 바와 같이, 중간 화상으로부터 제 2 광학계에 이르는 광빔은 발산하지만, 정의 파워를 가지는 반사면에 의해 다시 집광될 수 있다. 반사면의 수가 2 이상인 경우에는, 반사면의 총 파워가 정인 것만 필요하고, 부의 파워를 갖는 반사면이 제공될 수 있다. 여기서, 하나 이상의 반사면의 파워는 정이다. 파워가 정인 반사면은 소위 오목 미러를 의미한다.

정의 파워를 갖는 반사면으로부터 반사된 광선은 화상면 앞에서 교차한 후에 화상면에 도달하는 광로 상에서 이동한다. 교차하는 위치에서, 광빔의 폭은 좁아진다. 이러한 위치에 개구를 제공함으로써 플레어 성분을 차광할 수 있다. 따라서, 화상의 콘트라스트를 개선하는 효과를 얻을 수 있다. 교차하지 않는 광학계에서는 이러한 효과는 얻을 수 없다. 개구의 위치 및 형상은 설계에 의해 최적화할 수 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 투사 광학계에 있어서, 정의 파워를 가지는 반사면을 갖춘 적어도 하나의 광학 소자에 있어서의 정의 파워를 가지는 반사면이 적어도 하나는 회전 대칭 비구면인 것이 바람직하다.

여기서, 회전 대칭 비구면은, 정의 파워를 가지는 반사면이 회전축을 갖는 한편, 그 반사면의 형상이 그 회전축 주위에 완전히 또는 실질적으로 축대칭인 것을 의미한다. 더욱이, 실질적으로 축대칭인 것은, 설계에서 축대칭인 한편, 프로세스 오차에 의한 비대칭성이 존재할 수 있음을 의미한다.

이 경우에는, 제 2 화상에 있어서의 수차를 회전 대칭 비구면을 이용하여 비 교적 용이하게 저감할 수 있다. 그 결과, 투사 광학계의 화상 거리가 변화하는 동시에 제 2 화상의 크기가 변화하게 하는, 보다 높은 광학 성능을 갖춘 투사 광학계를 비교적 용이하게 제공할 수 있다.

예를 들면, 회전 대칭 비구면은 비구면의 주지된 수학식 (a)에 의해 나타낼 수 있다.

Z = c·r²/［1＋√{1－(1＋k) c²r²}］＋Ar⁴＋Br⁶＋Cr⁸ ..... (a)

여기서, Z는 광축 방향으로의 깊이, C는 근축 곡율 반경, r은 광축으로부터의 광축 직교 방향의 거리, k는 원추 계수, A, B, C,‥·등은 고차의 비구면 계수, 및 특정값을 k, A, B, C‥·로 치환함으로써 형상을 특정한다.

변형례로서, 예를 들면, 회전 대칭 비구면의 형상은, 비구면 계수로서 짝수 항과 홀수 항을 포함하는 비구면 형상일 수 있다. 짝수 항과 홀수 항을 구비한 비구면 형상은 수학식 (b)으로 나타낸다.

Z(r)=(cr²)/［1＋√(1－(1＋K)c²r²)］＋C1·r＋C2·r²＋C3·r³+C4·r⁴＋....(b),

c는 근축 곡률, K를 원추 계수, 비구면 계수를 Ci(i 1, 2, 3,··)으로서 나타낸다.

여기서, r는 광축으로부터의 거리, Z는 광축 방향으로의 깊이이다.

예를 들면, 투사 광학계에 있어서, 제 2 광학계의 반사 곡면에서의 적어도 하나의 면은 축대칭 비구면 형상을 가지는 면이다. 변형례로서, 상기의 투사 광학계에 있어서, 미러의 형상은 축대칭 비구면이다.

이 경우에는, 반사 미러가 축대칭 비구면 형상이면, 그 설계 자유도가 증대될 수 있고, 광선의 수렴이 양호해질 수 있다. 또한, 해상 성능이 개선될 수 있고, 적은 수의 성분으로 동일한 기능이 재생될 수 있다. 또한, 해상도와 디스토션의 보정이 비구면 미러면을 이용하여 쉽게 성취될 수 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 투사 광학계에 있어서, 정의 파워를 가지는 반사면을 갖춘 적어도 하나의 광학 소자에 있어서의 정의 파워를 가지는 반사면이 적어도 하나는 자유 곡면이다.

여기서, 자유 곡면은, 회전대칭 비구면을 제외하는 모든 비구면을 의미한다.

이 경우에, 자유 곡면을 이용하여 제 2 화상에서의 수차가 보다 감소될 수 있다. 그 결과, 투사 광학계의 화상 거리가 변화하는 동시에 제 2 화상의 크기가 변화하게 하는, 보다 높은 광학 성능을 갖춘 투사 광학계를 제공할 수 있다.

예를 들면, 아나모픽 다항식 자유 곡면(anamorphic polynomial free-form surface)은,

z =Ⅹ2·x²＋Y2·y²＋Ⅹ2 Y·x²y＋Y3·y³＋Ⅹ4·x⁴＋Ⅹ2 Y2·x²y² + Y4·y⁴＋Ⅹ4Y·x⁴y＋Ⅹ2 Y3·x²y³＋Y5·y⁵＋Ⅹ6·x⁶ ＋Ⅹ4 Y2·x⁴y²＋Ⅹ2Y4·x²y⁴＋Y6·y⁶＋·· ·(c)

로 나타내지는 형상일 수 있다.

여기서, Y방향은 단축 방향, X방향은 장축 방향, Z방향은 곡면의 깊이 방향, Ⅹ2, Y2, Ⅹ2Y, Y3, Ⅹ2Y2 등은 참조로서 투사된 화상에 대한 계수이다.

예를 들면, 투사 광학계에 있어서, 제 2 광학계의 반사 곡면에서의 적어도 한 면은 자유 곡면 형상을 가지는 면일 수 있다. 변형례로서, 투사 광학계에 대해, 상술한 바와 같은 하나 이상의 미러의 형상은 자유 곡면이다.

반사 미러가 축대칭 비구면 형상이나 자유 곡면 형상이면, 그 설계 자유도가 증대될 수 있고, 광선의 수렴이 양호해질 수 있다. 또한, 해상 성능이 개설될 수 있고, 적은 수의 성분으로 동일한 기능이 재생될 수 있다.

또한, 자유 곡면을 이용하는 것으로 해상도와 디스토션의 보정이 용이하게 성취될 뿐만 아니라, 광축 근방에 미러가 배치되는 구성이 성취될 수 있다. 따라서, 장치의 두께를 얇게 할 수 있다. 또한, 미러의 사이즈도 소형화할 수 있다. 이에 의해, 미러의 비용이 낮춰질 수 있다. 장치의 소형화와 저비용화를 동시에 실현할 수 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 투사 광학계에 있어서, 제 2 광학계에 포함되는, 정의 파워를 가지는 반사면을 갖춘 적어도 하나의 광학 소자의 수는 하나이다.

이 경우에는, 제 2 광학계의 구성을 보다 단순하게 할 수가 있으므로, 투사 광학계의 화상 거리가 변화하는 동시에 제 2 화상의 크기가 변화하게 하는, 보다 단순한 구성을 갖춘 투사 광학계를 제공할 수 있다.

예를 들면, 투사 광학계에 있어서, 제 2 광학계의 반사 곡면은 1개일 수 있다.

이 경우에는, 미러의 개수를 하나로 하는 경우에, 제 2 광학계 전체의 비용을 내릴 수 있는 것은 물론이거니와, 공차 감도가 높은 미러계의 조립이 한번에 완료되기 때문에 생산성도 개선될 수 있다. 또한, 광학계를 하우징 내에 구비하는 경우, 그 사이즈가 작아져서 콤팩트화하게 된다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 투사 광학계에 있어서, 물체로부터 제 2 화상까지의 광로를 구부리기 위한 적어도 하나의 폴딩 미러를 광로 내에 구비하는 것이 바람직하다.

이 경우에는, 물체로부터 제 2 화상까지의 광로를 구부리는 것에 의해, 투사 광학계의 화상 거리가 변화하는 동시에 제 2 화상의 크기가 변화하게 하는, 보다 소형의 투사 광학계를 제공할 수 있다.

예를 들면, 투사 광학계에 있어서, 물체면으로부터 화상면 사이에 폴딩 미러를 배치함으로써 광로를 구부릴 수 있다. 변형례로서, 투사 광학계에 있어서, 제 1 광학계는 광로를 구부리도록 구성될 수 있다.

이 경우에는, 폴딩 미러가 광로를 구부리도록 배치되는 경우, 광학계의 점유 면적을 줄일 수 있고, 하우징의 사이즈를 줄일 수 있다. 변형례로서, 제 1 광학계는 콤팩트한 하우징 내에 구비될 수 있다. 즉, 장치의 하우징은 콤팩트하게 구성될 수 있다. 따라서, 장치의 휴대성 및 설치의 용이성을 높일 수 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 투사 광학계에 있어서, 물체에 대해 이동가능 한 적어도 하나의 광학 소자는, 적어도 하나의 폴딩 미러에 대해 물체측 또는 제 2 화상측에 배치된다.

이 경우에는, 투사 광학계의 화상 거리를 변화시키는 동시에 제 2 화상의 크기를 변화시키도록, 물체에 대해 이동가능한 적어도 하나의 광학 소자를 물체에 대해 보다 용이하게(보다 단순한 기구로) 이동시킬 수 있다. 그 결과, 해당 투사 광학계의 화상 거리가 변화하는 동시에 제 2 화상의 크기가 변화하게 하는, 보다 단순구성을 갖춘 투사 광학계를 제공할 수 있다.

예를 들면, 투사 광학계에 있어서, 제 1 광학계에 있어서의 폴딩 위치에 대해 화상 또는 물체 중 하나의 측면에 있는 광학 소자만이 이동될 수 있다.

일반적으로, 폴딩 구성의 전후의 전후로 광학 소자를 연동시키기 위한 기구는 복잡하여 비용을 증대시키는 경향이 있다. 그러나, 투사 광학계에 의하면, 이러한 캠 기구의 복잡화를 회피할 수가 있으므로, 캠의 비용도 줄이고, 장치 비용이 내린다. 또한, 광학계를 구부리도록 배치하기 때문에, 장치를 콤팩트화할 수도 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 투사 광학계에 있어서, 적어도 하나의 폴딩 미러는 물체와 제 1 화상 사이에 배치되는 것이 바람직하다.

이 경우에는, 제 1 화상의 위치가 적어도 하나의 폴딩 미러의 위치와 겹히는 것을 방지할 수가 있기 때문에, 제 1 화상에 대한 적어도 하나의 폴딩 미러의 효과, 즉 제 2 화상에 대한 적어도 하나의 폴딩 미러의 효과를 저감할 수 있다. 그 결과, 투사 광학계의 화상 거리가 변화하는 동시에 제 2 화상의 크기가 변화하게 하는, 보다 양호한 광학 성능을 갖춘 투사 광학계를 제공할 수 있다.

예를 들면, 투사 광학계에 있어서, 폴딩 미러는 제 1 광학계 내에 배치될 수 있다.

이 경우에는, 스크린에 수직 방향으로 제 1 광학계의 광축이 연장되지만, 제 1 광학계는 상술한 바와 같이 광로를 구부림으로써 콤팩트해질 수 있다. 또한, 제 1 광학계와 제 2 광학계 사이가 아니라 제 1 광학계 즉 렌즈 유닛 내에서 구부림으로써 제 1 광학계와 제 2 광학계 사이의 중간 화상은 폴딩 미러와 겹치는 것이 방지될 수 있다. 변형례로서, 중간 화상에서는 물체 위의 한 지점으로부터 방출한 광빔위 일반적으로 수렴됨으로써, 광빔의 직경이 작아지므로, 미소 먼지 등이 폴딩 미러에 부착된 경우, 광빔의 직경에 대한 먼지의 크기의 비율이 커지므로, 후속하는 화상면 상의 화상으로의 효과가 커져 버리는 경향이 있다. 따라서, 중간 화상이 폴딩 미러와 겹치는 것이 방지되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 투사 광학계에 있어서, 제 1 광학계는 물체에 대해 고정되고 제 1 화상에 가장 가까운 광학 소자를 포함하는 것이 바람직하다.

이 경우에는, 제 1 광학계가 물체에 대해 이동가능한 적어도 하나의 광학 소자를 구비하더라도, 물체에 대해 이동가능한 적어도 하나의 광학 소자는 물체와 이 물체에 대해 고정되고 제 1 화상에 가장 가까운 광학 소자 사이에 배치되므로, 물체에 대해 광학 소자 중 적어도 하나는 보다 쉽게 이동될 수 있다 그 결과, 투사 광학계의 화상 거리가 변화하는 동시에 제 2 화상의 크기가 변화하게 하는, 보다 단순한 구성을 갖춘 투사 광학계를 제공할 수 있다.

예를 들면, 투사 광학계에 있어서, 제 1 광학계의 가장 화상면측의 렌즈 유닉은 변배 시에 고정될 수 있다.

이 경우에는, 제 1 광학계의 가장 화상면측의 유닛이 물체 상의 각각의 지점으로부터 방출된 광빔이 대부분 분리되는 위치에 제공되기 때문에, 렌즈의 직경은 커지고, 렌즈의 중량은 높아진다. 그러나, 렌즈 유닛이 고정된 경우, 본체 튜브용의 가변 기구는 작아질 수 있고, 작동이 쉬운 기구일 수 있다. 또한, 제 1 광학계에서의 배치 구성의 효과와 조합하여 폴딩 미러의 효과에 대해, 물체의 측면에 있는 렌즈 유닛의 바로 전방에 고정된 폴딩 미러가 배치된 경우, 물체와 폴딩 미러 사이에서 렌즈 유닛이 이동할 필요만 있으므로, 본체 튜브의 설게가 쉬워지거나 단순해질 수 있다. 반대로, 유닛이 가변적인 경우, 미러의 전후에서 폴딩 미러에 의해 광축이 구부려지는 렌즈 유닛이 동시에 그리고 선형으로 이동해야 하므로, 본체 튜브용의 가변 기구를 설계하는 것이 매우 복잡할 수 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 투사 광학계에 있어서, 제 1 화상은 물체 측을 향해 만곡한 상면 만곡을 가지는 것이 바람직하다.

이 경우에는, 정의 파워를 가지는 반사면을 갖춘 적어도 하나의 광학 소자를 이용함으로써, 물체측을 향해 만곡한 제 1 화상의 상면 만곡을 보다 용이하게 저감할 수 있다. 그 결과, 투사 광학계의 화상 거리가 변화하는 동시에 제 2 화상의 크기가 변화하게 하는, 보다 높은 광학 성능을 갖춘 투사 광학계를 비교적 용이하게 제공할 수 있다.

예를 들면, 투사 광학계에 있어서, 중간 화상은 언더 측에서 상면 만곡을 가 질 수 있다. 여기서, 화상의 언더 측은, 광축에 수직인 면에서의 좌표가 광축으로부터 멀어질수록, 물체의 측면에 더욱 도달하게 하는 방향을 지칭하고, 물체의 오버 측은 광축에 수직인 면에서의 좌표가 광축으로부터 멀어질수록, 화상의 측면으로부터 더욱 떨어지는 방향을 지칭한다.

이와 같이, 중간 화상이 언더 측에 있는 상면 만곡 특성을 구비하는 경우, 정의 파워를 가지는 미러와 조합하여 화상의 경사를 보정하는 것이 쉬워진다. 언더 측에서의 상면 만곡 특성은, 광축으로부터의 거리가 길어질수록, 중간 화상과 제 1 광학계의 거리가 광축으로부터의 거리가 짧아지는 상태를 지칭한다. 중간 화상이 제 1 광학계의 물체면이라고 고려할 때, 물체면은 오버 측의 방향에 경사진다. 즉, 광축으로부터의 위치 거리가 길수록, 중간 화상으로부터 미러까지의 거리가 길어진다. 이러한 상태에 있어서, 정의 파워를 가지는 미러에 의해 얻을 수 있는 중간 화상면의 2차상의 화상 경사를 보정하기가 쉬워질 수 있다. 더욱이, 중간 화상의 2차 화상은 투사 광학계에 있어서의 화상과 일치한다.

또한, 정의 파워를 가지는 광학 소자에 의해 물체의 화상을 얻을 때, 물체가 경사지지 않는 조건에서, 화상면이 언더 측으로 경사지는 경향이 있다. 여기서, 언더 측에 경사지는 화상면의 경사량은 물체면이 오버 측으로 경사진 상태로 감소될 수 있다. 일반적으로 이러한 경사는 선형이 아니라 곡선이다. 한편, 물체면을 곡선 형상으로 만곡시키는 것은 일반적으로 어렵다. 물체면은 다수의 실시예에서 평면형이다. 예를 들면, 물체면은 프로젝터 광학계에서 라이트 밸브 소자 상에 있을 수 있고, 라이트 밸브 소자는 평면형으로 형성된다. 라이트 밸브 소자로서, DMD(Digital Mirror Device), LCoS(Liquid Crystal on Silicon), 투과형 액정 라이트 밸브 등이 제공된다. 이들 중 어느 것이 평면형을 갖는다. 따라서, 곡선 형상으로 제조하기 위해서는 고비용이 요구될 수 있다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 물체면이 중간 화상이기 때문에 상이한 위치에 제공된다. 즉, 제 1 광학계의 설계에 의해, 중간 화상면을 언더 측에 만곡한 형상으로 제공하는 것이 가능하고, 실시에 필요로 하는 비용의 추가는 적어질 수 있다. 이에 따라, 중간 화상면을 언더 측에 만곡시키는 것으로서, 투사 광학계의 화상면의 경사가 보정하기 쉬워질 수 있는 효과가 제공될 수 있다.

본 발명의 제 1 실시예에 따른 투사 광학계에 있어서, 제 1 광학계는 동축 광학계이고, 물체는 제 1 광학계의 광축에 대해 편심하게 하는 것이 바람직하다.

이 경우에는, 물체는 제 1 광학계의 광축에 대해 편심시킴으로써, 제 1 광학계 및 제 2 광학계가 보다 적절히 배치되는 한편, 투사 광학계의 화상 거리가 변화하게 하는 동시에 제 2 화상의 크기가 변화하게 하는, 투사 광학계를 제공할 수 있다.

예를 들면, 투사 광학계는 물체면의 중심이 전기 제 1 광학계의 광축의 중심과 분산되고 미러에 투사하는 광선의 높이가 제 1 광학계의 광축보다 낮은 투사 광학계일 수 있다.

투사 광학계에 있어서, 물체면의 중심은 제 1 광학계의 광축의 중심과 분산시키도록 배치된다. 여기서, 광축 방향을 Z 축, 광축과 직교하는 방향의 한 방향을 Ⅹ축, 다른 한 방향을 Y 축으로 하는 직교 좌표계를 정의한다. 물체면을 ＋Y 방향으로 변환하면, 중간 화상은 광학의 결상 원리에 근거하여 -Y 방향에 형성된다. 중간 화상보다 확대 측에 제 2 광학계의 미러를 배치할 때, -Y의 영역에 미러를 배치하여 광을 반사시킬 수 있다. +Y의 방향이 장치의 높이방향으로 취해지면, 장치의 상부측으로부터 돌출하지 않도록 미러를 배치할 수 있다. 따라서, 장치의 하우징 내에 미러가 구비될 수 있다. 이에 따라, 사용자는 미러를 접촉하지 않는다. 또한, 미러가 하우징에 의해 덮여있기 때문에, 몬지가 쉽게 부착되지 않는다. 먼지가 열에 의해 눌러 붙으면, 미러의 반사율이 저하되거나 또는 산란 근원이 되어 투사 화상의 화질을 열화시킨다. 이에 따라, 반사율의 저하는 밝기를 떨어뜨릴 수 있다. 산란은 콘트라스트를 낮출 수 있다. 그러나, 이러한 상황은 방지될 수 있다. 또한, 미러로의 접촉에 의한 파손, 일그러짐의 발생 등의 데미지도 회피할 수 있다.

본 발명의 제 2 실시예는, 화상을 피투사면에 투사하는 화상 투사 장치로서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 투사 광학계를 포함한다.

본 발명의 제 2 실시예에 의하면, 물체와 공역인 제 1 화상을 형성하는 제 1 광학계, 및 제 1 상과 공역인 제 2 화상을 피투사면을 향해 투사하는 제 2 광학계를 포함하며, 화상 거리가 변화하게 하는 동시에 제 2 화상의 크기가 변화하게 하는 투사 광학계를 포함하는 화상 투사 장치를 제공할 수 있다.

예를 들면, 화상 투사 장치는 적어도 하나의 화상 형성 소자, 이 화상 형성 소자를 조명하는 조명 광학계, 및 화상 형성 소자에 의해 변조된 광 화상 신호를 확대 또는 축소하는 투사 광학계를 구비한 화상 표시 장치일 수 있으며, 투사 광학계는 상술한 투사 광학계 중 어느 하나일 수 있다.

이 경우에, 투사 거리가 짧아도 높은 투사 화상 사이즈의 변배율로 확대 투사하는 것이 가능한 한편, 단순한 광학계 때문에 장치 비용이 낮고, 조립이 쉬운, 신규한 투사 광학계를 이용한 화상 표시장치를 실현할 수 있다.

또한, 화상 투사 장치는, 예를 들면, 적어도 하나의 라이트 밸브 소자를 갖는 화상 표시 장치, 라이트 밸브를 조명하는 조명 광학계, 및 라이트 밸브에 의해 변조된 광 화상 신호를 확대 및 투사하는 투사 광학계일 수 있으며, 투사 광학계는 상술한 투사 광학계 중 어느 하나일 수 있다.

이러한 화상 투사 장치에 의하면, 하우징의 케이스의 높이 및/또는 두께를 증대시키지 않고서 미러를 하우징 내에 배치하도록 하는 구성이 가능하다. 이에 의해, 물체면의 중심은 제 1 광학계의 광축과 중심이 분산되도록 배치되어 한편, 미러에 투사하는 광선의 높이가 제 1 광학계의 광축보다 낮은, 투사 광학계의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 제 1 광학계의 설계에 의해, 중간 화상의 화상 형상은 낮은 비용으로 제어할 수 있다. 이에 의해, 경사 없이도 초점 조정이 좋은 화상면이 얻어질 수 있다. 또한, 물체면이 변경되기 때문에, 화상면의 법선에 대해서 소정의 각도로 비스듬하게 투사할 수가 있으므로, 짧은 투사 거리로 확대 투사할 수 있다. 또한, 투사 배율이 바뀌어도, 미러를 이동시키는 일 없이 초점 조정이 제동될 수 있다. 고정밀도를 요구할 수 있고 비용 증대를 초래할 수 있는 미러를 이동시키는 기구가 불필요하게 된다. 또한, 미러를 작게 구성할 수가 있으므로, 미러의 비용도 낮다. 또한, 미러를 작게 구성할 수 있고 비구면 형상 이외의 자유 곡면 형상으로 할 수 있기 때문에, 비용을 억제하면서 자유 곡면에 의한 높은 상 수차 보정 효과를 얻을 수 있으므로, 화상 품질을 개선할 수 있다. 제 1 광학계에는 렌즈로 대표되는 굴절력을 갖는 소자를 배치하고 있지만, 이것들은 광축 방향에 이동시키는 것만으로 초점 조정할 수 있으므로, 특정의 이동 기구는 불필요하다. 또한, 제 1 광학계를 구부리는 구성으로 해 케이스를 콤팩트하게 구성할 수도 있다. 구부림 방향은 대개 ⅩY 면내에서의 구부리는 것이 바람직하지만, 필요에 따라서 ⅩZ 면에 있는 폴딩 각도 선분이 있더라도 본 발명의 사상은 유지된다. 또한, 구부렸을 때 광학 소자를 이동시키는 기구가 복잡하지 않도록 하는 구성도 실현가능하다.

즉, 화상 표시 장치의 높이를 낮게 소형화하는데 있어서 유리한 한편, 투사 배율이 바뀌었을 때에 화상을 열화시키지 않게 하기 위한 장치 비용이 낮고, 투사 거리가 짧아도 높은 배율로 확대 투사하는 것이 가능한, 신규한 투사 광학계를 이용한 화상 표시 장치를 제공할 수 있다.

다음에, 본 발명의 실시예의 특정례를 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예의 특정례를 도시한 개략도이다.

도 23과 마찬가지로, 제 1 광학계(102)와 제 2 광학계(104)는 정(+)의 파워를 가지며, 제 2 광학계가 미러계로 구성되어 있지만, 개략적으로 렌즈로 나타내더라도 본 설명에는 아무런 문제가 없다. 제 2 광학계가 고정되기 때문에, 도 1에 도시한 바와 같이 중간 화상(103)의 위치를 이동시키고 화상(105)의 거리를 변화시키는 것으로 화상 사이즈를 변화시키고 있다. 여기서, 제 2 광학계(104)가 중간 화상을 매우 확대하기 때문에, 정의 파워가 크다. 따라서, 종간 화상(103)의 위치가 약간 변화되더라도, 종배율의 관계에 따라 화상 거리가 매우 변화되고, 화상(105)의 사이즈도 매우 변화된다. 즉, 중간 화상(105)의 사이즈는 중간 화상(103)의 위치를 약간 변화시킴으로써 매우 변화될 수 있다. 이에 따라, 제 1 광학계(102)는 고정된 초점을 가지지만, 주점의 위치는 이동하므로, 중간 화상(103)의 위치는 약간 이동된다. 실지로, 제 1 광학계(102)의 초점 거리는 수차 보정을 위해 변화되지만, 초점 길이의 변화가 요구되지 않으며, 이러한 변화는 상기의 수학식 (2) (α' = fa' / fb')에 의해 나타낸 바와 같이 화상 사이즈 변화에 대응한다. 즉, 화상 사이즈의 변배율(최대의 화상 사이즈를 최소의 화상 사이즈로 나눈 값)을 α라고 하고, 제 1 광학계(102)의 최대의 초점 거리를 fa, 최소의 초점 거리를 fb로 하면, 상기의 수학식 (1) (α ＞ fa / fb)이 만족한다. 제 1 광학계(102)의 초점 거리 변화를 작게 할 수 있기 때문에, 그 변배 구성을 단순하게 할 수 있다. 또한, 광학계 전체의 수차 변동도 작기 때문에, 제 2 광학계(104)가 흡수하는 수차 변동분도 작게 할 수 있으므로, 제 2 광학계(104)를 단순하게 할 수 있다. 또한, 중간 화상 위치를 미소 변동시키는 것으로, 화상면에 투사하는 주 광선의 최대 투사각은 상기 수차 변동분을 흡수하기 위해서 약간 변화하지만, 근축론으로 실질적으로 변화하지 않는 구성이 되어 있다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예의 제 1 예를 도시한 다이아그램이다.

도 2 내지 도 4에 있어서, 참조부호(1)는 투사 광학계의 결상에 대한 물체면을 나타낸다. 실지로, 예를 들면, "라이트 밸브의 화상 표시면" 및 "반사형 라이트 밸브의 화상 표시면"이 본 실시예의 특정례에서 가정된다. 더욱이, 반사형에 제한되는 것이 아니라, 투사형 라이트 밸브의 화상 표시면일 수 있다. 본 실시예의 특정례에 있어서, 3개의 반사형 라이트 밸브를 이용하는 칼라 화상 표시장치가 가정되고, 3개의 라이트 밸브가 투사 광학계에 대해 동등한 위치에 배치되기 때문에, 물체면(1)은 3개의 물체면을 나타낸다.

참조부호(2)는, 동등한 광로 길이를 갖는 투명판으로서, "광원으로부터의 광을 각각의 라이트 밸브로 안내하기 위한 편광빔 분할기와, 각 라이트 밸브에서 반사된 광빔을 합성하기 위한 크로스 프리즘의 조합계"를 나타낸다.

참조부호(3)는 "굴절력을 갖는 복수 개의 광학 소자"를 나타낸다. 본 실시예의 특정례에 있어서, 렌즈 소자와 스톱(stop)(조리개라고도 함)으로 구성되어 있지만, 렌즈 소자의 수는 10개가 아니어도 좋다. 또한, 스톱의 위치도 도시한 위치가 아니어도 좋다.

참조부호(4)는 "이동하지 않는 반사 곡면"을 나타낸다. 본 실시예에 있어서, 제 2 광학계는 이동하지 않는 반사 곡면(4)만으로 구성되어 있다.

도 2는 본 발명의 실시예의 제 1 특정례를 도시한 다이어그램으로서, 551 mm의 투사 거리에서 화상면에 80인치의 대각 화상이 투사된 상태를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 실시예의 제 1 특정례를 도시한 다이어그램으로서, 438 mm 의 투사 거리에서 화상면에 60인치의 대각 화상이 투사된 상태를 나타낸다.

도 4는 본 발명의 실시예의 제 1 특정례를 도시한 다이어그램으로서, 334 mm의 투사 거리에서 화상면에 40인치의 대각 화상이 투사된 상태를 나타낸다.

도 2 내지 도 4에 있어서, 라이트 밸브 소자는 0.6인치의 대각이며, 어스펙트비는 3：4이다.

도 2 내지 도 4에 있어서, 물체면(1)으로부터 방사된 5개의 광빔의 모든 광로가 도시된다. 이것들은 화상면(5) 상에 확대하여 집광되고 있다.

도 5 내지 도 7은 도 2 내지 도 4에 있어서의 물체면(1)으로부터 제 2 광학계(4)까지를 확대한 것을 도시하고 있다.

도 5는 도 2의 광학계의 확대도를 나타낸다.

도 6은 도 3의 광학계의 확대도를 나타낸다.

도 7은 도 4의 광학계의 확대도를 나타낸다.

도 5 내지 도 7에 있어서, 참조부호(6)는 물체면(1)에 있어서 물체 지점의 중간 화상을 나타낸다. 엄밀하게, 중간 화상면에 대해 각 화각의 광빔은 1점에 집광하지 않고, 수차를 가질 수 있다.

도 5 내지 도 7에 있어서, 실지로 무수한 광빔이 물체면(1)으로부터 방사되지만, 그 모두를 도시하지는 않는다. 점선(6)은 이러한 광빔에 의해 얻어지는 중간 화상을 개략적으로 나타낸다. 도면에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 특정례에서 중간 화상면은 언더 측으로 만곡된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계에 있어서, 언더 측으로 만곡된 중간 화상은 일반적인 예로서 도시된다.

도 5 내지 도 7에 있어서, 제 1 광학계는, 제 2 광학계 내의 제 1 광학계에 가장 가까운 광학면보다 제 1 광학계 측에 중간 화상을 형성한다.

이에 따라, 중간 화상은 제 2 광학계의 미러에 의해 확대 투사된다.

여기서, 도 5 내지 도 7을 비교하면, 제 1 광학계의 소자만을 이동하고 있고, 제 2 광학계의 미러는 이동하고 있지 않다.

또한, 제 1 광학계에 있어서의 렌즈(L8, L9, LlO)는 이동하고 있지 않다.

제 2 광학계는 1개의 오목 미러(4)로 구성되고, 오목 미러(4)는 파워를 가진다. 또한, 그 파워는 정이다. 본 실시예에 있어서, 오목 미러(4)는 자유 곡면을 갖는다. 자유 곡면의 정의 수학식은, 상술한 아나모픽 다항식 자유 곡면의 의 아나모아이트크인 다항식 자유 곡면의 수학식 (c)에 의해 나타낸다.

도 2에 도시한 바와 같은 좌표계를 취함으로써 반사 곡면(4)에 수학식 (2)를 적용할 수 있다. 이 경우에, 반사 곡면은 Ⅹ = 0의 위치를 경계로, Ⅹ가 정의 방향과 Ⅹ가 부의 방향으로서 대칭되는 형상을 가지는 것이 본 발명에 있어서의 전형적인 예이다.

반사 곡면(4)은 본 실시예에 있어서의 자유 곡면을 취할 수 있지만, 그 밖에, 예를 들면 수학식 (b) 또는 (c)에 의해 나타낸 축대칭 비구면일 수도 있다. 또한, 축대칭 비구면은 상기의 수학식 (c)에 의해 나타낸 바와 같이 홀수차의 비구면을 구비할 수 있다.

도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예의 제 2 특정례를 도시한다.

도 8은 본 발명의 실시예의 제 2 특정례를 도시한 다이아그램으로서, 80인치 의 대각 화면에 화상을 투사하는 구성을 도시한다.

도 9는 본 발명의 실시예의 제 2 특정례를 도시한 다이아그램으로서, 60인치의 대각 화면에 화상을 투사하는 구성을 도시한다.

폴딩 미러(7)를 제 1 광학계 내의 렌즈(L7)와 렌즈(L8) 사이에 설치하는 구성을 도 8에 도시한다. 도 8의 구성에서 80인치의 대각 화면이 투사된다. 도 9의 구성에서, 60인치의 대각 화면이 투사된다. 도 8 및 도 9에 있어서, 렌즈(L8, L9, L10)가 제 1 광학계(3') 내에서 이동하지 않기 때문에, 폴딩 미러에 대한 감소측에 캠을 제공하기만 하면 된다. 또한, 제 1 광학계의 미러(4)는 도 8 및 도 9에서 이동하지 않는다. 또한, 폴딩 미러는 이동하지 않는다. 여기서, 특정례에서 제 1 광학계(3')의 렌즈가 고정되고 폴딩 미러에 대한 감소측에서만 캠이 제공되어 있지만, 그 밖에, 도 27에 도시한 바와 같이 폴딩 미러에 대한 감소측에 있는 렌즈가 고정되고 제 2 광학계 측에 캠이 제공되어 제 2 광학계 측에서 렌즈를 이동시켜도 된다.

도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예의 제 3 특정례를 도시한다.

도 10은 본 발명의 실시예의 제 3 특정례를 도시한 다이아그램이다. 도 11은 정의 파워를 갖는 광학 소자의 상면 만곡을 도시는 다이아그램이다.

도 10에 있어서, 제 1 광학계에 의해 형성된 중간 화상은 점선으로 도시한다. 중간 화상은 언더 측으로 만곡된다.

중간 화상이 언더 측의 상면 만곡 특성을 구비하면, 정의 파워를 가지는 미러와 아울러, 화상의 경사가 쉽게 보정될 수 있다. 언더 측의 상면 만곡 특성은, 광축으로부터의 거리가 길수록, 중간 화상과 제 1 광학계의 거리가 짧아지는 상태를 지칭한다. 여기서, 광축은 도 10에서 O-O'으로 나타낸다.

다른 견해에 있어서, 중간 화상(6)이 제 1 광학계의 물체면으로 생각할 때, 물체면은 오버 방향으로 경사진다. 즉, 광축(0－0')으로부터의 거리가 길수록, 중간 화상(6)으로부터 미러(4)까지의 거리가 길어진다. 이러한 상태에서, 중간 화상의 2차 화상의 화상 경사가 쉽게 보정될 수 있으며, 이 2차 화상은 정의 파워를 갖는 미러에 의해 얻어진다. 여기서, 중간 화상의 2차 화상은 투사 광학계에서의 화상면과 상응한다.

정의 파워를 가지는 광학 소자에 의해 물체의 화상을 얻는 경우, 물체의 경사가 없는 상태에서는 화상면이 언더 측으로 경사지는 경향이 있다. 도 11은 이러한 상태를 개략적으로 도시한다.

여기서, 물체면이 오버 측으로 경사지는 경우, 언더 측으로 경사지는 화상면의 경사가 감소될 수 있다.

일반적으로, 경사가 선형이 아니라 곡선이다. 한편, 물체면을 만곡 형상으로 만곡시키는 것은 일반적으로 어렵다. 물체면은 다수의 실시예에서 평면형이다. 예를 들면, 프로젝터 광학게에서 물체면은 라이트 밸브 소자 위에 있고, 라이트 밸브 소자 상에 평면 화상이 형성된다. 라이트 밸브 소자로서, DMD(Digital Mirror Device), LCos(Liquid Crystal on Silicon), 투사형 액정 라이트 밸브 등이 제공된다. 이들 중 어느 것도 평면 형상을 갖는다. 따라서, 만곡 형상으로 형성하는데에는 고비용이 든다.

한편, 물체면이 중간 화상에 대응하기 때문에, 본 발명의 일 실시예에 따라 다른 상황이 제동된다. 즉, 제 1 광학계의 설계에 의해, 중간 화상을 언더 측에 만곡한 형상으로 하는 것은 가능하고, 실시에 필요로 하는 비용의 추가는 적다. 이에 따라, 중간 화상을 언더 측에 만곡시키는 것으로, 투사 광학계의 화상면의 경사가 쉽게 보정되는 효과를 얻을 수 있다.

도 12 및 도 13은 본 발명의 실시예의 제 4 특정례를 도시한다. 도 12는 본 발명의 일 실시예의 제 4 특정례를 도시한 다이아그램으로서, 물체면이 제 1 광학계의 광축에 대해 변환되는 구성을 도시한다. 도 13은 본 발명의 일 실시예의 제 4 특정례를 도시한 다이아그램으로서, 광학계가 하우징에 의해 덮여지는 구성을 도시한다.

도 10에 있어서, 제 1 광학계의 광축은 직선(O-O')으로 나타낸다. 물체면은 광축에 대해 +Y측으로 변환하도록 배치된다. 이에 따라, 제 1 광학계에 의해 형성된 중간 화상은 점선(MM')으로 나타낸다. 중간 화상은 광축으로부터 -Y측에 형성된다. 또한, 도면은 광축으로부터 -Y측에 제 2 광학계의 오목 미러를 배치할 수 있음을 도시한다. 도 12는 도 10에 도시한 광학계의 일반적인 도면으로서, 화상면의 위치를 도시한다. 미러로부터 반사된 광선이 광축을 통과하여 반대측에 있는 화상면에 도달하는 구성이 제공된다. 광축으로부터 미러까지의 최소 거리는 H1으로 나타낸다. 광학계가 하우징에 의해 덮여있기 때문에, 대략 Hi + H2의 두께만이 필요하다[H2는 렌즈(L19)의 외경임]. 여기서, 반사가 만곡된 미러에 의해 수차례 반복되지 않는 구성은 종래의 예의 다이아그램에 도시한 구성과는 상이하다. 따라 서, 반복된 반사에 의해 발생된 광학계의 두께 증다는 발생하지 않는다.

도 10에 있어서, 제 1 광학계의 광축에 직교하는 방향으로 변환하도록 패널면(1)이 배치된다. 본실시예에서의 변환량은 6.8 mm이다. 도 10 및 도 12에 도시한 바와 같이, 제 1 광학계로부터 방사된 후의 광로가 광축에 대해 -Y의 방향으로 지향되기 때문에, 패널을 변환하도록 배치함으로써 제 2 광학계의 반사 곡면의 높이가 +Y의 방향으로 높지 않도록 배치될 수 있는 효과가 얻어진다. 또한, 후술하는 바와 같이, 반사 곡면의 크기가 콤팩트하게 구성될 수 있기 때문에, 반사 곡면이 -Y 방향으로 너무 낮아지는 것이 방지될 수 있다. 이러한 효과로 인해, 반사 곡면은 하우징 내에 쉽게 구비될 수 있으며, 하우징의 Y 방향 높이가 작아질 수 있다.

미러부를 포함한 광학계가 하우징에 의해 덮인 구성은 도 13에 개략적으로 도시한다. 도 13의 구성에 있어서, 사용자는 미러와 접촉하지 않는다. 또한, 미러가 하우징(8)에 의해 덮여있기 때문에, 먼지가 쉽게 부착하지 않는다. 이러한 효과는 제 1 광학계에서도 유사하다.

먼지가 열에 의해 눌어붙으면, 미러의 반사율이 저하하거나 또는 산란 근원이 되어, 투사 화상의 화질을 열화시킨다. 반사율의 저하는 밝기를 떨어뜨린다. 산란은 콘트라스트를 내린다. 본 실시예에 대해서는, 이러한 상황이 방지된다. 또한, 미러로의 접촉에 의한 파손, 일그러짐의 발생 등의 데미지도 회피할 수 있다.

아울러, 도 13에서 장치 하우징(8)의 일부에 개구(9)가 제공되어 하우징(8) 의 외부로 광선이 통과한다.

또한, 제 1 광학계에서의 광로가 도 13의 예에서 구부려져 있지 않지만, 도 8 및 도 9에 도시한 폴딩 구성도 물론 가능하다. Z 방향으로의 장치 길이는 구부림에 의해 감소될 수 있다.

도 14(a) 및 도 14(b)는 본 발명의 실시예의 제 5 특정례를 나타낸다.

상술한 투사 광학계를 이용하여 화상 표시 장치를 구성할 수 있다. 도 14(a) 및 도 14(b)에 구성 예를 개략적으로 나타낸다.

광원(10)으로서 램프 광원을 나타내고 있다. 램프 광원으로서는, 크세논 램프, 할로겐 램프, 메탈 할로겐화물 램프, 초고압 수은 램프 등을 이용할 수 있다. 변형례로서, LED, LD, 레이저 등의 고체 광원을 이용해도 괜찮다.

광원으로부터의 광은 UV 성분, IR 성분을 포함하고 있지만, 이것들은 차단 필터(11, 12)로 차단함으로써, 광학 소자의 열화를 억제할 수 있다.

편광 변환 소자(13)는 광선의 편광 특성을 직선편광으로 변환하는 것으로, 광 이용 효율을 높일 수 있다.

한 쌍의 프라이아이 렌즈 어레이(14, 15)에 의해 조명 광량 분포를 균일화할 수 있다.

콘덴서 렌즈(16)는 라이트 밸브의 조명 각도 및 조명 영역을 조절할 수 있다.

도 14(a)에서의 프라이아이 렌즈(15)로부터 방사된 광빔은 도 14(b)에서의 다이크로익 미러(dichroic mirror)(17)에 도달한다.

다이크로익 미러(17)는 청색 파장 성분을 선택 반사하여 청색 조명의 광로를 다색 조명 광로와 분리한다. 다이크로익 미러(17)의 투과광(녹색 파장 성분 및 적색 파장 성분을 포함한 광)은 미러(26)에 의해 반사되어 다이크로익 미러(18)에 입사한다.

다이크로익 미러(18)는 녹색 파장 성분을 선택 반사하여 녹색과 빨간색 조명의 광로를 분리한다

다이크로익 미러(17)의 반사광은 편광 빔 분할기(19)를 투과하여, 라이트 밸브 소자(22)를 조명한다.

다이크로익 미러(18)의 반사광은 편광 빔 분할기(20)을 투과하여, 라이트 밸브 소자(23)를 조명한다.

다이크로익 미러(18)의 투과광은 편광 빔 분할기(21)을 투과하여, 라이트 밸브 소자(24)를 조명한다.

여기서 가리키는 라이트 밸브 소자(22, 23, 24)는 반사형 라이트 밸브 소자이다.

라이트 밸브 소자(22)로의 조명광은 라이트 밸브 소자(22)에 의해 변조되어 청색 파장 성분의 화상 신호가 주어진다.

라이트 밸브 소자(23)로의 조명광은 라이트 밸브 소자(23)에 의해 변조되어 녹색 파장 성분의 화상 신호가 주어진다.

라이트 밸브 소자(24)로의 조명광은 라이트 밸브 소자(24)에 의해 변조되어 적색 파장 성분의 화상 신호가 주어진다.

라이트 밸브 소자(22)에 의해 변조된 반사광은 편광 빔 분할기(19)를 반사하여, 크로스 프리즘(25)에 의해 다른 색의 반사광과 합성된다.

라이트 밸브 소자(23)에 의해 변조된 반사광은 편광 빔 분할기(20)를 반사하여, 크로스 프리즘에 의해 다른 색의 반사광과 합성된다.

라이트 밸브 소자(24)에 의해 변조된 반사광은 편광 빔 분할기(21)를 반사하여, 크로스 프리즘에 의해 다른 색의 반사광과 합성된다.

다이크로익 프리즘(25)에 의해 합성된 반사광은 투사 광학계의 제 1 광학계에 의해 중간 화상을 형성한다

중간 화상은 제 2 광학계에 의해 확대 투사된다.

라이트 밸브 소자(22, 23, 24)가 투사 광학계에 있어서의 물체면(1)이 되도록 투사 광학계를 배치한다.

상술한 구성 예에 의하면, 3판식의 확대 화상 표시 장치를 구성할 수 있다. 본 발명에 의한 투사 광학계를 이용함으로써, 전술된 효과를 얻을 수 있다.

아울러, 투과형 라이트 밸브 소자를 이용한 화상 표시 장치에 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 광학계를 적용하는데 아무런 문제가 없다.

변형례로서, 하나의 라이트 밸브 소자에 의해 필드 시퀀스식으로 화상을 표시하는 화상 표시 장치에 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 광학계를 적용할 수 있다.

다음에, 본 발명에 의한 투사 광학계의 수치 실시예 1을 도 15 내지 도 22를 참조하여 설명한다.

표 1에 투사 광학계의 표면 번호, 곡률 반경, 표면 거리, 굴절률, 아베수(Abbe number)의 수치 실시예를 나타낸다.

[표 1]

주 1： 비구면을 "○"표로 나타낸다. (다만, 제 24 표면은 자유 곡면임)

주 2： 반사면을 "○"표로 나타낸다.

표 1에 있어서, 비구면을 주 1에 "○"표로 나타낸다. 제 14, 15, 17, 21 및 22 표면은 회전 대칭 비구면이고, 제 24 표면은 아나모픽 다항식 자유 곡면이다.

표 1에 있어서, 반사면을 주 2에 "○"표로 나타낸다. 즉, 제 24 표면은 미러면이다.

표 1에 있어서, 투사 배율에 의해 변화하는 표면 거리의 값을 이탤릭체로 나타낸다.

물체로부터 제 5 표면 사이에는, 크로스 프리즘이나 편광 빔 분할기가 설치되는 경우와 동등한 광로 길이가 제공된다.

표 2 내지 표 6에 비구면 계수를 나타낸다.

[표 2]

[표 3]

[표 4]

[표 5]

[표 6]

[표 7]

표 7에는, 수학식 (a)에서의 계수의 차수와 계수 기호의 관계를 요약했다.

표 8에는, 제 24 표면의 자유 곡면 계수를 나타낸다. 제 24 표면의 자유 곡면 계수는 수학식 (b)에 있어서의 계수이다.

[표 8]

표 9에는, 제 24 표면의 편심 양을 나타낸다.

[표 9]

수치 실시예 1에 있어서의 물체 측에 있는 광학계의 개구수(NA)는 0.25이다.

수치 실시예 1에 있어서, 물체면의 중심과 제 1 광학계의 광축은 ＋Y 방향으로 6.46 mm 변환되도록 배치하고 있다.

아울러, 수치 실시예 1의 표 1에 있어서의 확대 배율은 127이다. 여기서, 확대 배율은 대략 물체 사이즈와 화상 사이즈의 비율이다.

또한, 수치 실시예 1에서, 확대 배율이 다른 상태에 있어서의 표면 거리의 값을 표 10에 나타낸다.

표 10에 있어서, 예를 들면, 표면 거리 d10은 표면 번호 10과 표면 번호 11 사이의 표면 거리를 의미한다.

[표 10]

도 15는 수치 실시예 1에서 배율 127에 있어서의 화상면의 스폿 다이어그램을 나타내는 도면이다. 유사하게, 도 16은 수치 실시예 1에서 배율 95.2에 있어서의 화상면의 스폿 다이어그램을 나타내는 도면이다. 또한, 도 17은 수치 실시예 1에서 배율 63.5에 있어서의 화상면의 스폿 다이어그램을 나타내는 도면을 나타내는 도면이다.

도 18은 도 15 내지 도 17에 도시한 스폿과 화상면 상의 위치 사이의 대응을 나타내는 다이아그램이다. 도 18에 있어서, ⅩY 면에 있는 화상면 가운데, Ⅹ ≤ 0의 영역에 대하여, Ⅹ 방향으로 3 등분비율, Y 방향으로 3 등분 비율하여 얻을 수 있는 9개의 격자점을 나타내고 있다. 이러한 격자점을 ①~⑨로 나타내며, 그러한 반점 다이어그램을 도 15 내지 도 17에 나타내고 있다.

더욱이, 수치 실시예 1에 있어서, 화상면은 ⅩY 면에 있고, 화상면 상의 스폿 특성은 Y 축으로 대해 ±Ⅹ 방향으로 대칭되는 스폿 특성을 나타내기 때문에, 도 18에 +Ⅹ측의 스폿 위치만을 나타내고 있다.

도 15 내지 도 17에 도시한 바와 같이, 어느 투사 배율에서도 광 스폿이 잘 집광된다. 수치 실시예 1에서는, XGA 클래스의 해상도를 얻을 수 있다.

XGA의 해상 주파수에 대하여, 흰색의 변조 전달 함수[Modulation Transfer Function(MTF)]로서 화면 전역으로 50% 이상의 기능을 얻을 수 있다.

도 19는 투사 배율 127에 있어서의 TV 디스토션 특성을 나타내는 다이아그램이다. 도 20은 투사 배율 95.2에 있어서의 TV 디스토션 특성을 나타내는 다이아그램이다. 도 21은 투사 배율 63.5에 있어서의 TV 디스토션 특성을 나타내는 다이아그램이다.

여기서, TV 디스토션은 TV 모니터에 화상을 비추었을 때의 화상의 장변 방향의 일그러짐을 나타내는 수치이며, Dh = Δh / 2h X lOO%에 의해 정의된다. 여기서, Dh는 TV 디스토션, h는 화상의 중심으로부터 화상의 단변 방향에서의 화상의 구석까지의 길이, 및 Δh는 화상의 장변 방향으로 연장되고 화상의 정점을 통과하 는 직선으로부터 화상의 장변 방향으로 연장되고 화상의 단변 방향으로 화상의 구석을 통과하는 직선까지의 거리를 나타낸다.

TV 디스토션은 1% 이하이며, 그 왜곡은 어느 경우에도 잘 보정된다.

또한, 투사 배율 127, 95.2, 63.5의 각각에 있어서, 화상면과 미러의 최대 거리는 535.4 mm, 424.9 mm, 321.6 mm이다. 이에 따라, 미러로부터 화상면까지의 거리는 짧고, 지근 거리로부터 높은 배율로 확대 투사할 수 있다고 하는 기능을 실현할 수 있다.

또한, 본 실시예 1의 투사 광학계에 있어서, 피투사면을 향해 투사되는 주 광선의 반 화각의 최대치는 약 74°이다.

아울러, 수치 실시예 1의 투사 광학계에 있어서, 투사 거리 및 투사 배율을 변화시킬 때, 중간 화상이 이동하고 있다.

도 22는 수치 실시예 1에 있어서의 중간 화상의 이동을 설명하기 위한 도면이다. 도 22에는, (제 24 표면을 갖는) 오목 미러에 가장 가까운 (제 21 표면 및 제 22 표면을 갖는) 렌즈 및 오목 미러를 나타낸다. 도 22에 도시한 바와 같이, 이 렌즈의 광축과 화면 중심을 연결하는 축(Y축, 스크린의 단축 방향) 상의 스크린 최상부에 도달하는 주 광선의, 중간 화상으로부터 오목 미러에 충돌할 때까지의 광로 길이를 "a"로 한다.

[표 11]

표 11에 나타낸 바와 같이, 투사 거리가 긴 80인치에서는, 중간 화상과 오목 미러 사이의 광로 길이 "a"가 짧고, 투사 거리가 짧은 40인치에서는, 중간 화상과 오목 미러 사이의 광로 길이 "a"가 길다. 이에 따라, 투사 길이가 변화되는, 즉 투사 배율이 80인치로부터 40인치로 변화되는 경우, 중간 화상이 이동하는 것을 확인할 수 있다.

다음에, 본 발명에 의한 투사 광학계의 수치 실시예 2를 도 24 내지 도 33을 참조하여 설명한다.

표 12에, 투사 광학계의 표면 번호, 곡률 반경, 표면 거리, 굴절률, 아베수의 수치 실시예를 나타낸다.

[표 12]

주 1：비구면을 "○"표로 나타낸다. (다만, 제 33 표면은 자유 곡면임)

주 2：반사면을 "○"표로 나타낸다.

표 12에 있어서, 비구면을 주 1에 "○"표로 나타낸다. 제 22, 23, 30 및 31 표면은 회전 대칭 비구면이고, 제 33 표면은 아나모픽 다항식 자유 곡면이다.

표 12에 있어서, 반사면을 주 2에 "○"표로 나타낸다. 즉, 제 33 표면은 미러면이다.

표 12에 있어서, 투사 배율에 의해 변화하는 표면 거리의 값을 이탤릭체로 나타낸다.

물체로부터 제 7 표면 사이에는, 크로스 프리즘이나 편광 빔 분할기가 설치되는 경우와 동등한 광로 길이가 제공된다.

표 13 내지 표 16에 비구면 계수를 나타낸다.

[표 13]

[표 14]

[표 15]

[표 16]

[표 17]

표 17에는, 수학식 (a)에 있어서의 계수의 차수와 계수 기호의 관계를 요약했다.

표 18에, 제 33 표면의 자유 곡면 계수를 나타낸다. 제 33 표면의 자유 곡면 계수는 수학식 (c)에 있어서의 계수이다.

[표 18]

표 19에, 제 33 표면의 편심량을 나타낸다.

[표 19]

수치 실시예 2에 있어서의 물체 측에서의 광학계의 개구수(NA)는 0.22이다.

수치 실시예 2에 있어서, 물체면의 중심과 제 1 광학계의 광축은 ＋Y 방향에 5.57 mm 변환되도록 배치된다.

아울러, 수치 실시예 2의 표 12에 있어서의 확대 배율은 164.7이다.

또한, 수치 실시예 2에 있어서, 확대 배율이 다른 상태에 있어서의 표면 거리의 값을 표 20에 나타낸다.

표 20에 있어서, 예를 들면, 표면 거리 d21는 표면 번호 21과 표면 번호 22 사이의 표면 거리를 나타낸다.

[표 20]

도 24는 수치 실시예 2에 있어서의 투사 거리 759 mm에 대해 100인치의 대각 화상을 투사한 상태를 나타낸다. 도 25는 수치 실시예 2에 있어서의 투사 거리 544 mm에 대해 70인치의 대각 화상을 투사한 상태를 나타낸다. 도 26은 수치 실시예 2에 있어서의 투사 거리 400 mm에 대해 50인치의 대각 화상을 투사한 상태를 나타낸다.

도 24 내지 도 26에 있어서, 라이트 밸브 소자는 0.61인치의 대각이고, 어스펙트비는 9：16이다.

도 27은 도 24 내지 도 26에 있어서의 물체면(1)으로부터 제 2 광학계(4)까지를 나타내고 있다.

도 5 내지 도 7과 마찬가지로, 중간 화상이 제공되고, 중간 화상의 화상면은 언더 측으로 만곡된다.

여기서, 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이 폴딩 미러에 의해 제 1 광학계의 광로의 구부림이 도 27에 제공되지 않더라도, 구부림을 수행하기 위해 폴딩 미러(7)를 배치하는 공간은 충분히 확보되고, 광로가 직선으로 개략적으로 도시되어 있지만, 폴딩 미러(7)에 의해 광로를 구부리는 것은 가능하다.

수치 실시예 1에서는 폴딩 미러(7)에 대해서 감소 측, 즉 물체면 측의 렌즈를 이동시키고 있었지만, 수치 실시예 2에서는 폴딩 미러(7)에 대해서 확대 측, 즉 폴딩 미러와 제 2 광학계(4) 사이의 렌즈를 이동시키고 있다. 이와 같이 렌즈를 이동시키기 위한 캠 기구는 폴딩 미러(7)에 대해서 감소 측의 렌즈 군이라도 좋고, 확대 측의 렌즈 군이라도 좋다.

도 28은 수치 실시예 2에서 배율 164.7에 있어서의 화상면의 스폿 다이어그램을 나타내는 도면이다. 유사하게, 도 29는 수치 실시예 2에 있어서 배율 115.3에 있어서의 화상면의 스폿 다이어그램을 나타내는 도면이다. 또한, 도 30은 수치 실시예 2에서 배율 82.4에 있어서의 화상면의 스폿 다이어그램을 나타내는 도면이다.

여기서, 도 28 내지 도 30은 도 15 내지 도 17과 마찬가지로 도 18에 도시한 9개의 격자점의 스폿 다이어그램을 나타내고 있다.

아울러, 수치 실시예 2에 있어서도, 화상면은 XY 면에 있고, 화상면의 스폿 특성은 Y축에 대해 ±Ⅹ방향으로 대칭되는 스폿 특성을 나타내기 때문에, 도 18의 +X 측의 반점 위치만을 나타내고 있다.

도 28 내지 도 30에 도시한 바와 같이, 어느 투사 배율에서도 광 스폿이 잘 집광된다. 수치 실시예 2에 있어서, 풀 하이비젼 클래스의 해상도(1920×1080)를 얻을 수 있다.

도 31은 투사 배율 164.7에 있어서의 TV 디스토션 특성을 나타내는 도면이다. 도 32는 투사 배율 115.3에 있어서의 TV 디스토션 특성을 나타내는 도면이다. 도 33은 투사 배율 82.4에 있어서의 TV 디스토션 특성을 나타내는 도면이다. TV 디스토션은 1% 이하이며, 그 왜곡은 잘 보정된다.

또한, 투사 배율 164.7, 115.3, 82.4의 각각에 대해, 화상면과 미러의 최대 길이는은 759 mm, 544 mm, 400 mm이다. 이에 따라, 미러로부터 화상면까지의 거리는 짧고, 지근 거리로부터 높은 배율로 확대 투사할 수 있다고 하는 기능을 실현할 수 있다. 또한, 본 실시예 2의 투사 광학계에 있어서, 피투사면을 향해 투사되는 주 광선의 반 화각의 최대치는 약 71.9°이다.

또한, 수치 실시예 1과 마찬가지로, 렌즈의 광축과 화면 중심을 연결하는 축(Ⅴ축, 스크린의 단축 방향) 상의 스크린 최상부에 도달하는 주 광선의, 중간 화상으로부터 오목 미러에 충돌할 때까지의 광로장을 "a"로 했을 때, 표 21에 나타낸 바와 같이, 투사 거리가 길어지는 100인치에서는 중간 화상과 오목 미러 사이의 광로 길이 "a"가 짧고, 투사 거리가 짧아지는 50인치에서는, 중간 화상과 오목 미러 사이의 광로 길이 "a"가 길다.

[표 21]

이에 따라, 수치 실시예 2에서, 투사 거리를 100인치로부터 50인치까지 변화시킬 때, 즉 투사 배율을 변화시킬 때, 중간 화상이 이동하는 것을 확인할 수 있다.

다음에, 본 발명에 의한 투사 광학계의 수치 실시예 3을 도 34 내지 도 43을 참조하여 나타낸다.

표 22에 투사 광학계의 표면 번호, 곡률 반경, 표면 거리, 굴절률, 아베수의 수치 실시예를 나타낸다.

[표 22]

주 1：비구면을 "○"표로 나타낸다.

주 2：반사면을 "○"표로 나타낸다.

표 22에 있어서, 비구면을 주 1에 "○"표로 나타낸다. 제 18, 19, 22, 23, 28, 29 및 30 표면은 회전 대칭 비구면이다.

표 22에 있어서, 반사면을 주 2에 "○"표로 나타낸다. 즉, 제 30 표면은 미러면이다. 수치 실시예 1, 2에 대해, 수치 실시예 3에서는 제 2 광학계의 미러는 회전 대칭 비구면이다. 표 22에 있어서, 투사 배율에 의해 변화하는 표면 거리의 값을 이탤릭체로 나타낸다.

물체와 제 4 표면 사이에는, 크로스 프리즘이나 편광 빔 분할기가 설치되는 경우와 동등한 광로 길이가 제공된다.

표 23 내지 표 29에 비구면 계수를 나타낸다.

[표 23]

[표 24]

[표 25]

[표 26]

[표 27]

[표 28]

[표 29]

[표 30]

표 30에는, 수학식 (a)에 있어서의 계수의 차수와 계수 기호의 관계를 요약했다.

수치 실시예 3에 있어서의 물체 측에 있는 광학계의 개구수(NA)는 0.20이다.

수치 실시예 3에 있어서, 물체면의 중심과 제 1 광학계의 광축은 ＋Y 방향으 로 5.80 mm 변환되도록 배치된다.

아울러, 수치 실시예 3의 표 22에 있어서의 확대 배율은 131.8이다.

또한, 수치 실시예 3에서, 확대 배율이 다른 상태에 있어서의 표면 거리의 값을 표 31에 나타낸다.

표 31에 있어서, 예를 들면, 표면 거리 d19는 표면 번호 19와 표면 번호 20 사이의 표면 거리를 나타낸다.

[표 31]

도 34는 수치 실시예 3에 있어서의, 투사 거리 739 mm에 대해 80인치의 대각 화상을 투사한 상태를 나타낸다.

도 35는 수치 실시예 3에 있어서의, 투사 거리 571 mm에 대해 60인치의 대각 화상을 투사한 상태를 나타낸다.

도 36은 수치 실시예 3에 있어서의, 투사 거리 400 mm에 대해 40인치의 대각 화상을 투사한 상태를 나타낸다.

도 34 내지 도 36에 있어서, 라이트 밸브 소자는 0.61인치의 대각이고, 어스펙트비는 9：16이다.

도 37은 도 34 내지 도 36에 있어서의 물체면(1)으로부터 제 2 광학계(4)까 지를 나타내고 있다.

도 5 내지 도 7과 마찬가지로, 중간 화상을 제공하고, 중간 화상면은 언더 측으로 만곡하고 있다.

여기서, 도 37은 도 8 및 도 9에 도시한 바와 같이 폴딩 미러에 의해 제 1 광학계의 광로를 구부리지 않지만, 폴딩 미러(7)를 배치하여 구부리는 스페이스는 충분히 확보되가능하고, 개략적으로 광로를 직선형으로 나타내고 있지만, 폴딩 미러(7)에 의해 광로를 구부리는 것은 가능하다.

수치 실시예 2와 마찬가지로, 확대 측에 있는 렌즈, 즉 폴딩 미러와 제 2 광학계(4) 사이는 폴딩 미러(7)에 대해 이동된다.

도 38은 수치 실시예 3에서 배율 131.8에 있어서의 화상면의 스폿 다이어그램을 나타내는 도면이다. 마찬가지로, 도 39는 수치 실시예 3에서 배율 98.8에 있어서의 화상면의 스폿 다이어그램을 나타내는 도면이다. 또한, 도 40은 수치 실시예 3에서 배율 65.9에 있어서의 화상면의 스폿 다이어그램을 나타내는 도면이다.

여기서, 도 38 내지 도 40은 도 15 내지 도 17에 도시한 바와 같이 9개의 격자점의 스폿 다이아그램을 나타낸다.

아울러, 수치 실시예 3에 있어서도, 화상면은 XY 면이고, 화상면의 스폿 특성은 Y축에 ±X방향으로 대칭하는 스폿 특성을 나타내기 때문에, 도 18에서는 ＋X 측의 스폿 위치만을 나타내고 있다.

도 38 내지 도 40에 도시한 바와 같이, 어느 투사 배율에서도 광 스폿이 잘 집광된다. 수치 실시예 3에서는, 풀 하이비젼 클래스의 해상도(1920×1080)를 얻 을 수 있다.

도 41은 투사 배율 131.8에 있어서의 TV 디스토션 특성을 나타내는 다이아그램이다. 도 42는 투사 배율 98.8에 있어서의 TV 디스토션 특성을 나타내는 다이아그램이다. 도 43은 투사 배율 65.9에 있어서의 TV 디스토션 특성을 나타내는 다이아그램이다. TV 디스토션은 1%이하이며, 그 왜곡은 잘 보정되고 있다.

또한, 투사 배율 131.8, 98.8, 65.9의 각각에 있어서, 화상면과 미러의 최대 길이는 739 mm, 571 mm, 400 mm이다. 이에 따라, 미러로부터 화상면까지의 거리는 짧고, 지근 거리로부터 높은 배율로 확대 투사할 수 있는 기능을 실현할 수 있다.

또한, 수치 실시예 3의 투사 광학계에 있어서, 피투사면을 향해 투사되는 주 광선의 반 화각의 최대치는, 약 67.7°이다.

또한, 수치 실시예 1과 마찬가지로, 렌즈의 광축과 화면 중심을 연결하는 축(Y축, 스크린의 단축 방향) 상의 스크린 최상부에 도달하는 주 광선의, 중간 화상으로부터 오목 미러에 충돌할 때까지의 광로 길이를 "a"로 했을 때 표 32에 나타낸 바와 같이, 투사 거리가 길어지는 80인치에서는, 중간 화상과 오목 미러 사이의 광로 길이 "a"가 짧고, 투사 거리가 짧아지는 40인치에서는, 중간 화상과 오목 미러 사이의 광로 길이 "a"가 길다.

[표 32]

이에 따라, 수치 실시예 3에 있어서, 투사 거리를 80인치로부터 40인치까지 변화시킬 때, 즉 투사 배율을 변화시킬 때, 중간 화상이 이동하는 것을 확인할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시예 및 예를 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 이러한 실시예 및 예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 실시예 및 예를 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고서 변경 또는 변형할 수 있다.

[부록]

본 발명의 일반적인 실시예 (1) 내지 (20)는 하기와 같다.

실시예 (1)은, 물체와 공역인 제 1 화상을 형성하는 제 1 광학계; 및 상기 제 1 화상과 공역인 제 2 화상을 피투사면을 향해 투사하는 제 2 광학계를 포함하며, 상기 제 2 광학계와 상기 제 2 광학계 중 적어도 하나는, 상기 물체에 대해 이동가능한 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는, 투사 광학계로서, 상기 물체에 대해 상기 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 상기 투사 광학계의 상 거리가 변화되고 상기 제 2 화상의 크기가 변화되는 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

실시예 (2)는, 상기 실시예 (1)에 기재된 바와 같은 투사 광학계로서, 상기 물체에 대해 상기 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 상기 제 1 화상과 상기 제 2 화상 사이의 거리가 변화되는 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

실시예 (3)은, 상기 실시예 (1) 또는 (2)에 기재된 바와 같은 투사 광학계로 서, 상기 제 1 광학계는 상기 광학 소자 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 물체에 대해 상기 제 1 광학계에 포함되는 상기 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 상기 물체에 대해 상기 제 1 화상을 이동시키는 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

실시예 (4)는, 상기 실시예 (3)에 기재된 바와 같은 투사 광학계로서, 상기 제 2 광학계는 상기 물체에 대해 고정되는 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

실시예 (5)는, 상기 실시예 (4)에 기재된 바와 같은 투사 광학계로서, 상기 물체에 대해 상기 제 1 광학계에 포함되는 상기 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 상기 제 1 광학계의 초점 거리가 제 1 초점 거리로부터 제 2 초점 거리까지 변화되고 상기 제 2 화상의 크기가 제 1 크기로부터 제 2 크기까지 변화되며, 상기 제 1 초점 거리에 대한 상기 제 2 초점 거리의 비는 상기 제 1 크기에 대한 상기 제 2 크기의 비와 상이한 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

실시예 (6)은, 상기 실시예 (5)에 기재된 바와 같은 투사 광학계로서, 상기 제 2 초점 거리가 상기 제 1 초점 거리보다도 크고, 상기 제 2 크기가 상기 제 1 크기보다도 큰 경우에, 상기 제 1 크기에 대한 상기 제 2 크기의 비가 상기 제 1 초점 거리에 대한 상기 제 2 초점 거리의 비보다도 큰 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

실시예 (7)은, 상기 실시예 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 바와 같은 투사 광학계로서, 상기 광학 소자 중 적어도 하나를 포함하는 상기 제 1 광학계와 상기 제 2 광학계 중 적어도 하나는 동축 광학계인 것을 특징으로 하는 투사 광학 계이다.

실시예 (8)은, 상기 실시예 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 바와 같은 투사 광학계로서, 상기 제 1 광학계와 상기 제 2 광학계 중 하나는 상기 적어도 하나의 광학 소자를 포함하고, 상기 제 1 광학계와 상기 제 2 광학계 중 다른 하나를 구성하는 광학 소자보다도 많은 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

실시예 (9)는, 상기 실시예 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 바와 같은 투사 광학계로서, 상기 제 2 화상의 크기가 변화되는 한편, 상기 피투사면을 향해 투사되는 주 광선의 반화각(a half angle of view)이 실질적으로 일정한 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

실시예 (10)은, 상기 실시예 (9)에 기재된 바와 같은 투사 광학계로서, 상기 피투사면을 향해 투사된 주 광선의 최대값은 60°이상인 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

실시예 (11)은, 상기 실시예 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 기재된 바와 같은 투사 광학계로서, 상기 제 2 광학계는 정(positive)의 파워를 갖는 반사면을 구비한 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

실시예 (12)는, 상기 실시예 (11)에 기재된 바와 같은 투사 광학계로서, 상기 정(positive)의 파워를 갖는 반사면을 구비한 적어도 하나의 광학 소자에서 상기 정(positive)의 파워를 갖는 반사면 중 적어도 하나는 회전 대칭 비구면인 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

실시예 (13)은, 상기 실시예 (11)에 기재된 바와 같은 투사 광학계로서, 상기 정(positive)의 파워를 갖는 반사면을 구비한 적어도 하나의 광학 소자에서 상기 정의 파워를 갖는 반사면 중 적어도 하나는 자유 곡면인 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

실시예 (14)는, 상기 실시예 (11) 내지 (13) 중 어느 하나에 기재된 바와 같은 투사 광학계로서, 상기 제 2 광학계에 포함되는 상기 정(positive)의 파워를 갖는 반사면을 구비한 적어도 하나의 광학 소자의 수는 1개인 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

실시예 (15)는, 상기 실시예 (1) 내지 (14) 중 어느 하나에 기재된 바와 같은 투사 광학계로서, 상기 물체로부터 상기 제 1 화상까지의 광로 중에, 상기 광로를 구부리는 적어도 하나의 폴딩 미러(folding mirror)를 포함하는 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

실시예 (16)은, 상기 실시예 (15)에 기재된 바와 같은 투사 광학계로서, 상기 물체에 대해 이동가능한 적어도 하나의 광학 소자는 상기 적어도 하나의 폴딩 미러보다도 상기 물체측 또는 상기 제 2 화상측에 배치되는 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

실시예 (17)은, 상기 실시예 (15) 또는 (16)에 기재된 바와 같은 투사 광학계로서, 상기 적어도 하나의 폴딩 미러는 상기 물체와 상기 제 1 화상 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

실시예 (18)은, 상기 실시예 (1) 내지 (17) 중 어느 하나에 기재된 바와 같 은 투사 광학계로서, 상기 제 1 화상은 상기 물체측을 향해 만곡된 상면만곡(curvature of field)을 갖는 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

실시예 (19)는, 상기 실시예 (1) 내지 (18) 중 어느 하나에 기재된 바와 같은 투사 광학계로서, 상기 제 1 광학계는 동축 광학계이고, 상기 물체는 상기 제 1 광학계의 광축에 대해 편심되는 것을 특징으로 하는 투사 광학계이다.

실시예 (20)은, 화상을 피투사면에 투사하는 화상 투사 장치로서, 상기 실시예 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 투사 바와 같은 투사 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상 투사 장치이다.

본 발명은 투영기와 같은 투사 광학계, 확대 투사 광학계, 변배 투사 광학계 및 화상 표시 장치에 적용할 수 있다. 예를 들면, 본 발명은 투영 장치 등의 화상 투사 장치의 투사 광학계에 적용할 수가 있고, 특히 프런트 프로젝터에 있어서의 지근 거리 투사를 달성시키는 투사 광학계에 적용할 수 있다.

본 출원은 2006년 12월 4일자로 출원된 일본 특허 출원 2006-327592호와, 2007년 10월 10일자로 출원된 일본 특허 출원 2007-264801호를 우선권으로 하며, 그 전체 내용은 본원에 참고로 인용한다.

Claims (20)

1. 물체와 공역인 제 1 화상을 형성하는 제 1 광학계; 및 상기 제 1 화상과 공역인 제 2 화상을 피투사면을 향해 투사하는 제 2 광학계를 포함하며,

   상기 제 1 광학계와 상기 제 2 광학계 중 적어도 하나는, 상기 물체에 대해 이동가능한 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는, 투사 광학계에 있어서,

   상기 물체에 대해 상기 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 상기 투사 광학계의 화상 거리가 변화되고 상기 제 2 화상의 크기가 변화되며,

   상기 제 1 광학계는 상기 광학 소자 중 적어도 하나를 포함하고,

   상기 물체에 대해 상기 제 1 광학계에 포함되는 상기 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 상기 물체에 대해 상기 제 1 화상을 이동시키며,

   상기 제 2 광학계는 상기 물체에 대해 고정되는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
2. 물체와 공역인 제 1 화상을 형성하는 제 1 광학계; 및 상기 제 1 화상과 공역인 제 2 화상을 피투사면을 향해 투사하는 제 2 광학계를 포함하며,

   상기 제 1 광학계와 상기 제 2 광학계 중 적어도 하나는, 상기 물체에 대해 이동가능한 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는, 투사 광학계에 있어서,

   상기 물체에 대해 상기 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 상기 투사 광학계의 화상 거리가 변화되고 상기 제 2 화상의 크기가 변화되며,

   상기 제 2 광학계는 정(positive)의 파워를 갖는 반사면을 구비한 적어도 하나의 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 물체에 대해 상기 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 상기 제 1 화상과 상기 제 2 광학계 사이의 거리가 변화되는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 물체에 대해 상기 제 1 광학계에 포함되는 상기 광학 소자 중 적어도 하나를 이동시킴으로써, 상기 제 1 광학계의 초점 거리가 제 1 초점 거리로부터 제 2 초점 거리까지 변화되고 상기 제 2 화상의 크기가 제 1 크기로부터 제 2 크기까지 변화될 때,

   상기 제 1 초점 거리에 대한 상기 제 2 초점 거리의 비는 상기 제 1 크기에 대한 상기 제 2 크기의 비와 상이한 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제 2 초점 거리가 상기 제 1 초점 거리보다도 크고, 상기 제 2 크기가 상기 제 1 크기보다도 큰 경우에, 상기 제 1 크기에 대한 상기 제 2 크기의 비가 상기 제 1 초점 거리에 대한 상기 제 2 초점 거리의 비보다도 큰 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 광학 소자 중 적어도 하나를 포함하는 상기 제 1 광학계와 상기 제 2 광학계 중 적어도 하나는 동축 광학계인 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
8. 삭제
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 제 2 화상의 크기가 변화되는 한편, 상기 피투사면을 향해 투사되는 주 광선의 반화각(a half angle of view)이 일정한 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
10. 제9항에 있어서,

    상기 피투사면을 향해 투사된 주 광선의 반화각의 최대값은 60°이상인 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
11. 삭제
12. 제2항에 있어서,

    상기 정(positive)의 파워를 갖는 반사면을 구비한 적어도 하나의 광학 소자에서 상기 정(positive)의 파워를 갖는 반사면 중 적어도 하나는 회전 대칭 비구면인 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
13. 제2항에 있어서,

    상기 정(positive)의 파워를 갖는 반사면을 구비한 적어도 하나의 광학 소자에서 상기 정의 파워를 갖는 반사면 중 적어도 하나는 자유 곡면인 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
14. 제2항에 있어서,

    상기 제 2 광학계에 포함되는 상기 정(positive)의 파워를 갖는 반사면을 구비한 적어도 하나의 광학 소자의 수는 1개인 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
15. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 물체로부터 상기 제 2 화상까지의 광로를 구부리는 적어도 하나의 폴딩 미러(folding mirror)를 상기 광로 중에 포함하는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
16. 제15항에 있어서,

    상기 물체에 대해 이동가능한 적어도 하나의 광학 소자는 상기 적어도 하나의 폴딩 미러에 대해 상기 물체측 또는 상기 제 2 화상측에 배치되는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
17. 제15항에 있어서,

    상기 적어도 하나의 폴딩 미러는 상기 물체와 상기 제 1 화상 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
18. 삭제
19. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 제 1 광학계는 동축 광학계이고,

    상기 물체는 상기 제 1 광학계의 광축에 대해 편심되는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
20. 화상을 피투사면에 투사하는 화상 투사 장치에 있어서,

    제1항 또는 제2항에 따른 투사 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상 투사 장치.

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