JP2000009992A - Field lens and projection optics - Google Patents
Field lens and projection opticsInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】投射光学装置を小型化し、高精細で明るい投射
像を得る。
【解決手段】光源1から発し集光鏡2で集光され第1開
口4から出射した光源光は照明光軸AXに沿って進み、
フィールドレンズ7でほぼ平行光化され、表示素子8に
入射され、表示情報が付与され反射層9で反射され、フ
ィールドレンズ7を通って結像光軸BXに沿って進み第
2開口11近傍で結像され、投射レンズ10から投射さ
れる。
[PROBLEMS] To reduce the size of a projection optical device and obtain a high-definition and bright projection image. A light source emitted from a light source (1), collected by a condenser mirror (2), and emitted from a first opening (4) travels along an illumination optical axis (AX).
The light is substantially collimated by the field lens 7, is incident on the display element 8, is provided with display information, is reflected by the reflection layer 9, passes through the field lens 7 along the imaging optical axis BX, and is near the second opening 11. An image is formed and projected from the projection lens 10.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、フィールドレンズ
と光学素子、および反射型光学系を備えた投射型光学装
置に関する。[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a projection type optical device having a field lens, an optical element, and a reflection type optical system.
【0002】[0002]
【従来の技術】投射型光学装置は画像を一定の距離だけ
離れたスクリーンに投射し、直視型の光学装置に比べて
大きな画像を得ることを目的とする。投射型光学装置に
使用可能な、光散乱性を有する光学素子としては、サス
ペンジョンディスプレー素子、レーザ書き込みモード液
晶素子やダイナミック・スキャッタリングの液晶素子な
どが従来から知られていた。2. Description of the Related Art A projection type optical device aims to project an image on a screen which is separated by a predetermined distance and to obtain a larger image than a direct-view type optical device. As an optical element having a light scattering property that can be used in a projection optical device, a suspension display element, a laser writing mode liquid crystal element, a liquid crystal element of dynamic scattering, and the like have been conventionally known.
【0003】SIDプロシーディングズ Vol.18
/2 1977年、134〜146頁、「ライトバルブ
のためのプロジェクションシステム」(従来例1)は各
種の光変調手段とシュリーレン光学系とを組み合わせた
投射光学装置を示した。光変調手段として、PLZTや
液晶素子が例示され、透過型の構成以外に反射型の投射
光学装置の構成も示された。[0003] SID Proceedings Vol. 18
/ 2, 1977, pp. 134-146, "Projection System for Light Valve" (Conventional Example 1) shows a projection optical device in which various light modulating means and a schlieren optical system are combined. As the light modulating means, a PLZT or a liquid crystal element is exemplified, and a configuration of a reflection type projection optical device other than a transmission type configuration is also shown.
【0004】また、液晶/高分子複合体素子、液晶/樹
脂複合体素子、または分散型液晶素子などと呼ばれ、電
界駆動で高い散乱性能と透過率を有し、TN液晶素子や
STN液晶素子よりも明るく、コントラストの高い表示
を行うことができる透過散乱型の液晶光学素子および平
行光化レンズを用いた反射型の投射型光学装置に関する
発明が特開平5−196923号公報(従来例2)や、
特開平7−5419公報(従来例3)に示された。Further, they are called a liquid crystal / polymer composite element, a liquid crystal / resin composite element, or a dispersion type liquid crystal element, and have a high scattering performance and a high transmittance when driven by an electric field. Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-196923 (prior art 2) discloses an invention relating to a transmission-scattering type liquid crystal optical element capable of performing brighter and higher-contrast display and a reflection type projection optical apparatus using a parallelizing lens. And
It was disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-5419 (Conventional Example 3).
【0005】また、透過散乱型の液晶光学素子を反射型
素子として用い、白色光源をBGRの3色に色分離した
後、各々の色光を変調する3個の反射型表示素子および
平行光化レンズを用いたカラー投射型液晶表示装置が知
られていた。例えば、特開平4−142528号公報
(従来例4)の第5図、特開平4−232917号公報
(従来例5)の第1図に記載されている。Further, after using a transmission-scattering type liquid crystal optical element as a reflection type element and separating a white light source into three colors of BGR, three reflection type display elements for modulating each color light and a parallelizing lens are provided. There has been known a color projection type liquid crystal display device using the same. For example, it is described in FIG. 5 of JP-A-4-142528 (conventional example 4) and FIG. 1 of JP-A-4-232917 (conventional example 5).
【0006】これらの従来例では何れも、光源光学系の
集光鏡として楕円鏡を用い、光源光学系から出射された
発散光を1個の凸レンズによって平行光化した後、3個
の透過散乱型・反射型の液晶光学素子へ入射せしめる。
色分離合成系としては、互いに45°で交差するダイク
ロイックプリズムが、平行光化用凸レンズと反射型素子
との間に配置された。In each of these conventional examples, an elliptical mirror is used as a condenser mirror of a light source optical system, and divergent light emitted from the light source optical system is collimated by one convex lens, and then transmitted and scattered by three light scattering mirrors. Into a liquid crystal optical element of the reflection type.
As a color separation / synthesis system, a dichroic prism intersecting at 45 ° with each other was disposed between the convex lens for parallelizing light and the reflective element.
【0007】また、光源光学系の光源光束の利用効率を
少しでも上げ、かつ、投射画面内の照度分布をできるだ
け均一にするようなインテグレーターレンズ等の補助光
学素子が光源光学系に組み込まれていた(従来例6)。Further, auxiliary optical elements such as an integrator lens for increasing the utilization efficiency of the light source light flux of the light source optical system as much as possible and making the illuminance distribution in the projection screen as uniform as possible have been incorporated in the light source optical system. (Conventional example 6).
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】従来例1〜5に代表さ
れる従来技術において、主に光束の平行光化機能を担う
レンズ手段(以下、フィールドレンズとも呼ぶ)として
両凸球面レンズまたは平凸球面レンズが用いられてい
た。照明光学系の開口部から出射する光束をほぼ平行光
化して反射型の液晶表示素子面内に入射させる。そし
て、この液晶表示素子の反射面で反射された後、液晶表
示素子面外に表示光として出射してくる光束を投射光学
系の開口絞り(第1開口)位置付近に、光源光学系の開
口部(第1開口)とほぼ等倍の大きさで結像させる。In the prior art represented by the prior arts 1 to 5, a biconvex spherical lens or a plano-convex lens is mainly used as a lens means (hereinafter also referred to as a field lens) having a function of collimating a light beam. Spherical lenses were used. The light beam emitted from the opening of the illumination optical system is made substantially parallel and made incident on the surface of the reflective liquid crystal display element. Then, after being reflected by the reflection surface of the liquid crystal display element, the light flux emitted as display light out of the liquid crystal display element surface is placed near the aperture stop (first aperture) position of the projection optical system. An image is formed at approximately the same size as the portion (first opening).
【0009】しかし、フィールドレンズの形状のレンズ
形状を変化させた場合に、組み合わせるべき光源光学系
および投射光学系の具体的な構成が示されていなかっ
た。また、その光源光学系に従来例6のインテグレータ
ーレンズを用いた場合でも、平凸球面レンズを使用する
と、効率よく均一化した光源光学系の第1開口からの光
束の多くが、第2開口によって切り捨てられることにな
り、投射画面内の照度分布差を大きくしてしまう。However, no specific configuration of the light source optical system and the projection optical system to be combined when the shape of the field lens is changed has been disclosed. Further, even when the integrator lens of the conventional example 6 is used for the light source optical system, if the plano-convex spherical lens is used, much of the light flux from the first opening of the light source optical system, which has been efficiently uniformed, is largely increased by the second opening. As a result, the illuminance distribution difference in the projection screen is increased.
【0010】この問題点を解消する手段の一つとして、
フィールドレンズの収差を改善することが考えられる。
これには、フィールドレンズを複数の合成レンズ系で構
成すればよいが、フィールドレンズの製造が容易ではな
く生産性が悪化する。かつ、光軸方向にフィールドレン
ズが厚く、大きくなってしまう。As one of the means for solving this problem,
It is conceivable to improve the aberration of the field lens.
For this purpose, the field lens may be composed of a plurality of synthetic lens systems. However, the production of the field lens is not easy and productivity is deteriorated. In addition, the field lens becomes thick and large in the optical axis direction.
【0011】以上のように、反射型の光学素子の透過・
散乱特性を良好に維持しながら、光源光束の利用効率が
良好で、高密度の表示光をスクリーン上に明るく高コン
トラスト比の投射画像として投射できる、小型、軽量で
簡素な構造の投射型光学装置が望まれていた。As described above, the transmission and reflection of the reflection type optical element
A compact, lightweight, and simple structure projection-type optical device capable of projecting a high-density display light onto a screen as a bright and high-contrast ratio projection image while maintaining good scattering characteristics and using light source light efficiently. Was desired.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明は前述の課題を解
決すべくなされたものであり、すなわち、本発明の態様
1は、投射光学装置に組み込まれるフィールドレンズで
あって、数2を満足するフィールドレンズを提供する。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problem. That is, the first aspect of the present invention is a field lens incorporated in a projection optical device, and satisfies the following expression (2). To provide a field lens.
【0013】[0013]
【数2】 h =(x2 +y2 )1/2 ・・・(1) −80≦ k ≦20 ・・・(2) −5*10-i≦ Ai ≦5*10-i (iは4以上の整数) ・・・(3) 1/270≦( 1/R1 −1/R2 ) ≦1/13.5 ・・・(4) Z1 =(h2 /R1 )/(1+(1−(k+1)*(h/R1 )2 ) 1/2 ) +Σ(Ai *hi ) ・・・(5) Z2 =(h2 /R2 )/(1+(1−(k+1)*(h/R2 )2 ) 1/2 ) +Σ(Ai *hi ) ・・・(6) R1 ≠∞および/またはR2 ≠∞ ・・・(7)H = (x 2 + y 2 ) 1/2 (1) −80 ≦ k ≦ 20 (2) −5 * 10 −i ≦ A i ≦ 5 * 10 −i (i Is an integer of 4 or more) (3) 1/270 ≦ (1 / R 1 −1 / R 2 ) ≦ 1 / 13.5 (4) Z 1 = (h 2 / R 1 ) / (1+ (1− (k + 1) * (h / R 1 ) 2 ) 1/2 ) + Σ (A i * h i ) (5) Z 2 = (h 2 / R 2 ) / (1+ (1 − (K + 1) * (h / R 2 ) 2 ) 1/2 ) + {(A i * h i ) (6) R 1 } and / or R 2 } (7)
【0014】(a)xとyはフィールドレンズの光軸に
垂直な平面内で定めた直交座標(X軸、Y軸)における
レンズ面の座標値、Z1 、Z2 は(x、y)に対して定
まるレンズ面のZ軸における座標値 (b)kはレンズ面の円錐定数 (c)Ai は第1レンズ面または第2レンズ面の第i次
非球面係数 (d)R1 は第1レンズ面の光軸中心部における近軸曲
率半径 (e)R2 は第2レンズ面の光軸中心部における近軸曲
率半径 (f)Σは(Ai *hi )の全項の和(A) x and y are coordinate values of the lens surface in rectangular coordinates (X axis, Y axis) defined in a plane perpendicular to the optical axis of the field lens, and Z 1 and Z 2 are (x, y) (B) k is the conic constant of the lens surface, (c) A i is the i-th aspherical coefficient of the first lens surface or the second lens surface, and (d) R 1 is The paraxial radius of curvature at the center of the optical axis of the first lens surface (e) R 2 is the paraxial radius of curvature at the center of the optical axis of the second lens surface. (F) Σ is the total term of (A i * h i ). sum
【0015】また、態様2は、R2 =∞、および、1
3.5mm≦R1 ≦270mmを満足する態様1記載の
フィールドレンズを提供する。In the embodiment 2, R 2 = ∞ and 1
The field lens according to the aspect 1, which satisfies 3.5 mm ≦ R 1 ≦ 270 mm is provided.
【0016】また、態様3は、R1 =∞、および、−2
70mm≦R2 ≦−13.5mmを満足する態様1記載
のフィールドレンズを提供する。In the embodiment 3, R 1 = ∞ and -2.
The field lens according to aspect 1, which satisfies 70 mm ≦ R 2 ≦ −13.5 mm, is provided.
【0017】また、態様4は、第1レンズ面または第2
レンズ面が偏心性レンズ面である態様1、2または3記
載のフィールドレンズを提供する。つまり、フィールド
レンズの光軸中心が光学素子の対角中心点を通る法線と
一致せず、垂直または水平方向に偏心されている また、態様5は、フィールドレンズが平凸形状である態
様1、2、3または4記載のフィールドレンズを提供す
る。In a fourth aspect, the first lens surface or the second lens surface is provided.
The field lens according to aspect 1, 2 or 3, wherein the lens surface is an eccentric lens surface. That is, the center of the optical axis of the field lens does not coincide with the normal passing through the diagonal center point of the optical element and is decentered in the vertical or horizontal direction. A field lens according to 2, 3, or 4.
【0018】また、態様6は、光源系、反射層を有する
光学素子、フィールドレンズ、投射光学系が設けられ、
光源系と光学素子との間に照明光軸、光学素子面に垂直
である中心光軸、光学素子と投射光学系との間に結像光
軸が設定され、中心光軸と照明光軸との間に交差角度
γ、中心光軸と結像光軸との間に交差角度δが設けられ
(交差角度γ≠交差角度δ)、光学素子1枚に対し、態
様1、2、3、4または5記載のフィールドレンズが1
枚配置され、光源系から出射した光源光は照明光軸に沿
って進み前記フィールドレンズの第1レンズ面に入射し
た後、第2レンズ面から出射し、光学素子に入射し、光
学素子によって表示情報が付与され、反射層によって反
射され、光学素子から表示光として出射し、表示光は前
記フィールドレンズの第2レンズ面に入射した後、第1
レンズ面から出射し、結像光軸に沿って進み、前記フィ
ールドレンズによって結像光軸上に結像されてなる投射
型光学装置を提供する。この態様6において、表示素子
として上記の分散型液晶素子以外に実質的に透過・散乱
型の動作モードを有する各種の表示素子を用いることが
できる。According to a sixth aspect, a light source system, an optical element having a reflective layer, a field lens, and a projection optical system are provided.
An illumination optical axis between the light source system and the optical element, a central optical axis perpendicular to the optical element surface, an imaging optical axis between the optical element and the projection optical system are set, and the central optical axis and the illumination optical axis And an intersection angle δ between the central optical axis and the imaging optical axis (intersection angle γ ≠ intersection angle δ). Or 1 field lens described in 5
The light source light emitted from the light source system proceeds along the illumination optical axis, enters the first lens surface of the field lens, exits from the second lens surface, enters the optical element, and is displayed by the optical element. Information is provided, reflected by the reflective layer, emitted from the optical element as display light, and after the display light is incident on the second lens surface of the field lens,
A projection optical device is provided, which is emitted from a lens surface, travels along an imaging optical axis, and is formed on the imaging optical axis by the field lens. In the sixth aspect, various display elements having substantially transmission / scattering operation modes can be used as display elements in addition to the above-mentioned dispersion type liquid crystal element.
【0019】また、上記の各態様において、フィールド
レンズの材料の屈折率nd が1.45〜1.60(e線
の波長=587.6nmで測定)であることが好まし
い。[0019] In each embodiment described above, it preferably has a refractive index n d of the field lens material is 1.45 to 1.60 (measured at a wavelength = 587.6 nm of e-line).
【0020】[0020]
【発明の実施の形態】まず、本発明の基本構成の一例を
図18に示す(構成例2)。光源1、集光鏡2(楕円鏡
など)、第1開口4を備える光源光学系の第1開口4か
ら出射した光源光は照明光軸AXに沿って進み、図示を
省略した色分離合成ダイクロイックミラーにより色分離
されて色光になり、平凸非球面フィールドレンズ7でほ
ぼ平行光化され、表示素子8に入射され、表示情報が付
与され、反射層9で反射され、再びフィールドレンズ8
を通って投射光学系(投射レンズ10、第2開口11)
の結像光軸BX上で結像された後、投射される。First, FIG. 18 shows an example of the basic configuration of the present invention (configuration example 2). The light source light emitted from the first opening 4 of the light source optical system including the light source 1, the condenser mirror 2 (an elliptical mirror, etc.) and the first opening 4 travels along the illumination optical axis AX, and is not shown in the drawing. The light is color-separated by a mirror to become colored light, and is converted into substantially parallel light by a plano-convex aspheric field lens 7, is incident on a display element 8, is given display information, is reflected by a reflection layer 9, and is reflected again by the field lens 8.
Through the projection optical system (projection lens 10, second aperture 11)
Is formed on the imaging optical axis BX, and then projected.
【0021】表示素子の表面の対角中心位置の法線を中
心光軸とし、中心光軸と照明光軸との間に交差角度γ、
中心光軸と結像光軸との間に交差角度δが設けられてい
る。本発明では、フィールドレンズの形状、すなわち、
この構成例2では第2レンズメンが平面であり、第1レ
ンズ面の形状が非球面に形成され、光学系全体に優れた
特性を与えている。The normal to the diagonal center of the surface of the display element is defined as the central optical axis, and the intersection angle γ between the central optical axis and the illumination optical axis is represented by:
An intersection angle δ is provided between the central optical axis and the imaging optical axis. In the present invention, the shape of the field lens, that is,
In the configuration example 2, the second lens element is a flat surface, and the shape of the first lens surface is formed to be aspherical, thereby giving excellent characteristics to the entire optical system.
【0022】次に、比較例1を説明する。液晶光学素子
1パネルに対し1枚の平凸球面レンズを配置したもので
あり、その形状、光学仕様を表1に示す。また、その光
線追跡法による各光路図を図3(光軸断面図)、図4
(斜視図)、および図5(幾何光学収差図)に示す。な
お、1サイズは約2.54cmである。Next, Comparative Example 1 will be described. One plano-convex spherical lens is arranged for one panel of the liquid crystal optical element, and its shape and optical specifications are shown in Table 1. FIGS. 3 (optical axis sectional view) and FIG.
(Perspective view) and FIG. 5 (geometric optical aberration diagram). One size is about 2.54 cm.
【0023】[0023]
【表1】 [Table 1]
【0024】図3、図4において、FLSは平凸球面レ
ンズ、8は反射型の液晶表示素子、9はその裏面側に設
けられた反射面である。φAは第1開口の径(光源光学
系)、2Hは液晶表示素子の対角有効直径、φLは平凸
球面レンズの外径、φBは平凸球面レンズと液晶表示素
子の反射面による第1開口の実像である。すなわち第2
開口の直径にほぼ相当する。また、Wはフィールドレン
ズ頂点と第1開口の中心点までの水平方向距離である。
平凸球面レンズの場合、Wは焦点距離fとほぼ等しい値
となる。3 and 4, FLS is a plano-convex spherical lens, 8 is a reflective liquid crystal display element, and 9 is a reflective surface provided on the back side thereof. φA is the diameter of the first aperture (light source optical system), 2H is the diagonal effective diameter of the liquid crystal display element, φL is the outer diameter of the plano-convex spherical lens, and φB is the first due to the plano-convex spherical lens and the reflection surface of the liquid crystal display element. It is a real image of an aperture. That is, the second
It corresponds approximately to the diameter of the opening. W is the horizontal distance from the vertex of the field lens to the center of the first opening.
In the case of a plano-convex spherical lens, W has a value substantially equal to the focal length f.
【0025】ここで、この比較例1の配置は、平凸球面
レンズの球面による収差状態がよくわかるように、第1
開口中心、平凸球面レンズの光軸、液晶表示素子の対角
線中心をすべて一致させた理想的な同軸光学系とした。
実際には第1開口と、その平凸球面レンズによる実像、
つまり第2開口とは互いに重ならないようにする。さら
に、光源光学系の部品と、投射光学系の鏡筒等の光学部
品が機械的干渉を生じないように、液晶表示素子の対角
線中心を通る垂線を対称軸として垂直または他の方向に
ずらして、つまり偏心させて配置する必要がある。Here, in the arrangement of the comparative example 1, the first lens is arranged such that the aberration state due to the spherical surface of the plano-convex spherical lens can be clearly understood.
An ideal coaxial optical system in which the center of the aperture, the optical axis of the plano-convex spherical lens, and the center of the diagonal of the liquid crystal display element were all matched.
Actually, the first aperture and the real image by the plano-convex spherical lens,
That is, the second openings are not overlapped with each other. Furthermore, in order to prevent mechanical interference between the components of the light source optical system and the optical components such as the lens barrel of the projection optical system, the vertical line passing through the diagonal center of the liquid crystal display element is shifted vertically or in other directions as the axis of symmetry. That is, it is necessary to dispose it eccentrically.
【0026】この場合、偏心性の入出射による非点収差
がさらに加わり集光性能はさらに悪化するが、比較例1
ではその偏心による収差の影響を除くため、前述したよ
うな理想的な完全同軸光学系をモデルとした。In this case, astigmatism due to eccentric incidence / emission is further added, and the light collection performance is further deteriorated.
In order to eliminate the influence of aberration due to the eccentricity, an ideal perfect coaxial optical system as described above was used as a model.
【0027】また、図5において、Yは幾何光学的収差
計算のための第1開口の半径上の代表的な物点(光束出
射点)であり、比較例1では、光軸中心上(Y=0.0
mm)、第1開口の半径の最大点すなわち端点(Y=1
0.5mm)、中間部の1点(Y=6.3mm)の3点
を選択している。In FIG. 5, Y is a representative object point (light beam emission point) on the radius of the first aperture for calculating the geometrical optical aberration, and in Comparative Example 1, on the optical axis center (Y = 0.0
mm), the maximum point of the radius of the first opening, that is, the end point (Y = 1
0.5 mm) and one point in the middle (Y = 6.3 mm).
【0028】Hは液晶表示素子の対角有効半径である。
一方、これはフィールドレンズに関してみると、その入
射(射出)瞳半径であり、かつその半径方向の高さ
(h)に対応する点をも示す。SAはそのhに対応する
光線の光軸方向の球面収差を表し、DX、DYは第1開
口面内のX、Y方向それぞれの方向で、前述した代表的
な3物点から出射した光束の収差、すなわち第2開口面
内のX、Y方向の横収差を示す。H is the effective diagonal radius of the liquid crystal display element.
On the other hand, this is the radius of the entrance (exit) pupil of the field lens and also shows the point corresponding to the height (h) in the radial direction. SA represents the spherical aberration in the optical axis direction of the light beam corresponding to h, and DX and DY represent the luminous flux of the light beam emitted from the above-described representative three object points in the X and Y directions in the first aperture plane. The graph shows aberration, that is, lateral aberration in the X and Y directions in the second aperture plane.
【0029】ASは第1開口面内の半径内の各物点から
出射する、X、Y両方向の主光線の像面(第2開口面)
内の収差、すなわち非点収差を示す。以上の単位はいず
れもmmである。また、Dist. は歪曲収差であるが、こ
の単位のみ%で示す。AS is an image plane (second aperture plane) of principal rays in both the X and Y directions emitted from each object point within a radius in the first aperture plane.
, Ie, astigmatism. All of the above units are mm. Dist. Is distortion, and this unit is shown in%.
【0030】図3、図4からわかるように、比較例1の
光源光学系の場合、第1開口から出射する光束は、理想
的には平凸球面レンズによって、その焦点位置、すなわ
ち、投射光学系内の光源と共役な位置(図1の第2開口
11の位置)に第1開口の直径とほぼ等しい大きさの
「像」を形成するはずである。しかし、実際には平凸球
面レンズの収差(球面収差等)によりその数倍もの大き
さの広がりをもった光源像になってしまう。また、図5
から読み取れるように、その幾何光学的収差のうち、特
に光軸方向の球面収差、x、y両方向の横収差ともに非
常に大きくなってしまう。As can be seen from FIGS. 3 and 4, in the case of the light source optical system of Comparative Example 1, the light beam emitted from the first aperture is ideally focused by a plano-convex spherical lens, that is, the projection optical system. An “image” having a size substantially equal to the diameter of the first opening should be formed at a position conjugate with the light source in the system (the position of the second opening 11 in FIG. 1). However, in practice, the light source image has a spread several times larger than that due to the aberration (spherical aberration or the like) of the plano-convex spherical lens. FIG.
As can be seen from the above, among the geometrical optical aberrations, particularly, both the spherical aberration in the optical axis direction and the lateral aberration in both the x and y directions become extremely large.
【0031】実際の投射光学装置においては、前述の通
り2つの共約な位置関係にある第1開口と第2開口とは
重ならないように、垂直あるいは他の一方向に偏心させ
て設ける。ただし、平凸球面レンズからの距離はほとん
ど同じ距離となる。さらに、この第2開口の位置付近に
投射光学装置の投射光学系の第2開口が置かれる。この
際、第1開口から出射された光束をほとんど取り込める
ようにするには図3、図4のように第1開口の数倍も大
きな開口絞りにする必要があり、投射レンズ直径も非常
に大きくなってしまうことになる。In an actual projection optical device, as described above, the first opening and the second opening, which are in a co-ordinate relationship with each other, are provided so as to be eccentric in the vertical or in another direction so as not to overlap. However, the distance from the plano-convex spherical lens is almost the same distance. Further, the second opening of the projection optical system of the projection optical device is placed near the position of the second opening. At this time, it is necessary to make the aperture stop several times larger than the first aperture as shown in FIGS. 3 and 4 so that the light beam emitted from the first aperture can be almost taken in, and the diameter of the projection lens is very large. It will be.
【0032】通常では投射レンズの開口絞りは投射レン
ズ内にあるため、その開口からフィールドレンズよりの
後群レンズによる瞳倍率のため、第1開口と同等程度の
大きさか、それ以下であることが多い。すなわち、反射
型光学系を構成する光学系の中に平凸球面レンズを用い
ることは製造コストが安くなる利点はあるものの、その
照明光束の利用率効率が低下し、結果的に投射画面の明
るさが不足する原因の一つとなる。Normally, the aperture stop of the projection lens is located within the projection lens. Therefore, the pupil magnification of the rear group lens from the field lens to the aperture stop may be equal to or smaller than the first aperture. Many. That is, although the use of a plano-convex spherical lens in the optical system constituting the reflection type optical system has the advantage of reducing the manufacturing cost, the efficiency of utilization of the illuminating light flux is reduced, and as a result, the brightness of the projection screen is reduced. Is one of the causes of the lack.
【0033】一方、光源光学系の光源には強度分布があ
り、中心部に比べて周辺部は強度が低下することが多
い。さらに、液晶表示素子の表示画像の有効面サイズか
ら出射し、投射光学系に入射する光束のうち、投射レン
ズの開口径外に向かう光束はすべて切り捨てられること
になり、そのなかでも液晶表示素子の周辺に近い光束で
あるほど切り捨てられる確率が大きくなる。このため、
周辺光束はあえて切り捨てても実用上問題ない明るさが
得られる。しかし、投射画面内の照度分布の格差はさら
に大きくなってしまう。On the other hand, the light source of the light source optical system has an intensity distribution, and the intensity is often lower at the peripheral portion than at the central portion. Furthermore, of the light flux emitted from the effective surface size of the display image of the liquid crystal display element and incident on the projection optical system, all the light fluxes going outside the aperture diameter of the projection lens are cut off. The closer the light beam is to the periphery, the greater the probability of being truncated. For this reason,
Even if the peripheral luminous flux is intentionally truncated, a brightness with no practical problem can be obtained. However, the difference in the illuminance distribution in the projection screen is further increased.
【0034】次に、図1と図2に本発明の投射型光学装
置の構成例1の側面図と平面図の模式図を示す。符号1
は光源、2は集光反射鏡(楕円鏡等)、3は照明光束の
均一化素子(上記のインテグレータ等)、4は第1開口
で光源光学系を構成する。符号5、6は色分離合成用ダ
イクロイックミラー、7、17、27は非球面フィール
ドレンズ、8、18、28は反射型液晶表示素子、9、
19、29はその反射面である。Next, FIGS. 1 and 2 are a schematic view of a side view and a plan view of a configuration example 1 of the projection optical apparatus of the present invention. Sign 1
Is a light source, 2 is a condensing and reflecting mirror (such as an elliptical mirror), 3 is an illumination light beam equalizing element (such as the above-described integrator), and 4 is a first aperture to constitute a light source optical system. Reference numerals 5 and 6 are dichroic mirrors for color separation / synthesis, 7, 17, and 27 are aspherical field lenses, 8, 18, and 28 are reflection-type liquid crystal display elements,
19 and 29 are the reflection surfaces.
【0035】符号10は投射レンズ鏡筒、11は第2開
口であり、10と11で投射光学系を構成する。12は
反射型の液晶表示素子面の対角線中心位置における法線
を示し、これを投射光学装置の中心光軸とする。Reference numeral 10 denotes a projection lens barrel, 11 denotes a second aperture, and 10 and 11 constitute a projection optical system. Reference numeral 12 denotes a normal line at the center of the diagonal line of the reflective liquid crystal display element surface, which is used as the central optical axis of the projection optical device.
【0036】通常では、図1のようにフィールドレンズ
の光軸はこの中心光軸と一致させる場合が多いが、本発
明では、フィールドレンズの光軸中心をこの中心光軸か
らずらしたり傾けたりした偏心性フィールドレンズとす
る。他に、シフトフィールドレンズまたはチルトフィー
ルドレンズとも呼ばれる。13は投射光学系の結像光軸
で、14は光学系全体の筐体を示している。Normally, the optical axis of the field lens is often coincident with this central optical axis as shown in FIG. 1, but in the present invention, the optical axis center of the field lens is shifted or tilted from this central optical axis. An eccentric field lens is used. In addition, it is also called a shift field lens or a tilt field lens. Reference numeral 13 denotes an image forming optical axis of the projection optical system, and reference numeral 14 denotes a housing of the entire optical system.
【0037】γは中心光軸12に対する光源光学系の照
明光軸AXの傾角(入射角)、δは中心光軸12に対す
る投射光学系の結像光軸BXの傾角(出射角)、αは液
晶表示素子の対角線中心点から第1開口を見込む角、β
は液晶表示素子の対角線中心点から第2開口を見込む
角、φAは第1開口の径、φBは第2開口の径、ΔAは
第1開口中心と中心光軸との距離、ΔBは第2開口中心
または投射レンズ光軸と中心光軸との距離である。Γ is the inclination angle (incident angle) of the illumination optical axis AX of the light source optical system with respect to the central optical axis 12, δ is the inclination angle (output angle) of the imaging optical axis BX of the projection optical system with respect to the central optical axis 12, and α is The angle of the first opening from the diagonal center point of the liquid crystal display element, β
Is the angle of the second opening from the diagonal center point of the liquid crystal display element, φA is the diameter of the first opening, φB is the diameter of the second opening, ΔA is the distance between the center of the first opening and the central optical axis, and ΔB is the second. The distance between the center of the aperture or the optical axis of the projection lens and the central optical axis.
【0038】さらに、θ⊥、ψ⊥は図1において、それ
ぞれ第1開口中心、第2開口中心から液晶表示素子の垂
直方向の対角有効径を見込む角、θ//、ψ//は図2にお
いて、それぞれ第1開口中心、第2開口中心から液晶表
示素子の水平方向の対角有効径を見込む角である。ま
た、Wはフィールドレンズ頂点と第1開口中心点までの
水平方向距離であるが、平凸非球面レンズの場合でも、
その焦点距離は、ほぼfと等しい値となる。Further, in FIG. 1, θψ⊥ and 角 are angles in the diagonal effective diameter of the liquid crystal display element in the vertical direction from the center of the first opening and the center of the second opening, respectively, and θ // and ψ // are the figures. 2 is an angle that allows the horizontal diagonal effective diameter of the liquid crystal display element from the center of the first opening and the center of the second opening, respectively. W is the horizontal distance between the vertex of the field lens and the center point of the first aperture, but even in the case of a plano-convex aspheric lens,
The focal length has a value substantially equal to f.
【0039】まず、上述した比較例1のフィールドレン
ズにおける「球面形状」に対し、非球面形状を採用した
本発明の構成例1の集光性能を比較する。表2にその平
凸形状の場合の仕様を示す。この構成例1では、その第
1開口中心、平凸非球面レンズの光軸、反射型液晶表示
素子の対角線中心をすべて一致させて理想的な同軸光学
系とし、図6と図7に比較例1と同様にそれぞれ光軸断
面図と斜視図を示す。また、図8にその幾何光学的収差
図を示す。図6、図7の符号FLAが非球面フィールド
レンズである。First, the light-collecting performance of the configuration example 1 of the present invention employing the aspherical shape is compared with the “spherical shape” of the field lens of the comparative example 1 described above. Table 2 shows the specifications in the case of the plano-convex shape. In this configuration example 1, the center of the first aperture, the optical axis of the plano-convex aspheric lens, and the center of the diagonal line of the reflective liquid crystal display element are all matched to form an ideal coaxial optical system. FIGS. 6 and 7 show comparative examples. 1 shows an optical axis sectional view and a perspective view, respectively. FIG. 8 shows the geometrical optical aberration diagram. Reference numeral FLA in FIGS. 6 and 7 denotes an aspheric field lens.
【0040】[0040]
【表2】 [Table 2]
【0041】図6と図7から明らかなように、第2開口
の大きさはほとんど第1開口の大きさと同じくらいまで
小さくなっていることがわかる。また、図8の幾何収差
図からも、非点収差(AS)と歪曲(Dist.) はあまり変
わらないが、光軸(Z)方向球面収差SAと横収差はと
もに一桁以上小さくなっていることがわかる。As is apparent from FIGS. 6 and 7, the size of the second opening is almost as small as the size of the first opening. 8, the astigmatism (AS) and the distortion (Dist.) Do not change much, but both the spherical aberration SA and the lateral aberration in the optical axis (Z) direction are reduced by one digit or more. You can see that.
【0042】すなわち、本発明の手法による非球面形状
を採用したフィールドレンズは、第1開口から出射して
フィールドレンズに入射する光束を平行光化して反射型
液晶表示素子に入射させ、さらに、反射型液晶表示素子
の反射面によって反射されたほとんど全ての光束を、第
1開口位置の共役位置に、第1開口の直径とほぼ等しい
大きさの「像」、すなわち実効的な第2開口を形成でき
ることがわかる。That is, in the field lens adopting the aspherical shape according to the method of the present invention, the light beam emitted from the first aperture and incident on the field lens is collimated to be incident on the reflection type liquid crystal display element and further reflected. Almost all the light beams reflected by the reflection surface of the liquid crystal display element form an "image" having a size substantially equal to the diameter of the first opening, that is, an effective second opening at a conjugate position of the first opening position. We can see that we can do it.
【0043】このように、球面レンズの代わりに、本発
明の非球面形状フィールドレンズを用いることにより、
光源光学系の光束をほとんど減ずることなく投射光学系
に取り込むことが可能となる。以下、本発明において、
その投射画面の明るさを増加せしめる非球面フィールド
レンズの仕様、形状の条件範囲についてさらに説明をす
る。As described above, by using the aspherical field lens of the present invention instead of the spherical lens,
The light flux of the light source optical system can be taken into the projection optical system with almost no reduction. Hereinafter, in the present invention,
The specification range and the condition range of the aspheric field lens for increasing the brightness of the projection screen will be further described.
【0044】まず最初に、フィールドレンズの形状仕様
は、その投射光学装置が搭載する液晶表示素子の寸法に
合わせて決定することがよい。本発明はフィールドレン
ズの大きさに制限されるものではないが、比較的小型軽
量の投射光学装置を目的としているため、液晶表示素子
の大きさも対角サイズで約1〜3サイズ位の小型な表示
素子を搭載するとが好ましい。すなわち、フィールドレ
ンズの外径もこの液晶表示素子の寸法よりもやや大きめ
の外径であればよく、また。円形である必要はなくて液
晶表示素子の形状に相似である矩形でもよい。First, the shape specification of the field lens is preferably determined according to the size of the liquid crystal display element mounted on the projection optical device. Although the present invention is not limited to the size of the field lens, it is aimed at a relatively small and lightweight projection optical device, and the size of the liquid crystal display element is as small as about 1 to 3 in diagonal size. It is preferable to mount a display element. That is, the outer diameter of the field lens may be slightly larger than the size of the liquid crystal display element. The shape does not need to be circular, and may be rectangular which is similar to the shape of the liquid crystal display element.
【0045】また、透過散乱型の液晶表示素子の場合、
光量低下が問題にならない範囲で第1開口から液晶表示
素子への入射光の傾角は小さい方がより良好な性能を発
揮し得る。すなわち、図1、図2において、γ、δは、
符号1〜4の光源光学系と符号10、11の投射光学系
とが空間的に干渉しない範囲でできるだけ小さく、か
つ、α、β、φA、φBも小さい方が好ましい。具体的
には、数3の範囲が示される。In the case of a transmission scattering type liquid crystal display device,
As long as the decrease in the amount of light is not a problem, the smaller the inclination angle of the incident light from the first opening to the liquid crystal display element, the better the performance. That is, in FIGS. 1 and 2, γ and δ are
It is preferable that the light source optical systems denoted by reference numerals 1 to 4 and the projection optical systems denoted by reference numerals 10 and 11 be as small as possible without causing spatial interference, and that α, β, φA, and φB are also small. Specifically, the range of Expression 3 is shown.
【0046】[0046]
【数3】2°≦γ δ≦15° 4°≦α β≦30°[Equation 3] 2 ° ≦ γ δ ≦ 15 ° 4 ° ≦ α β ≦ 30 °
【0047】液晶表示素子の最大対角径2Hを見込む角
θ(θ⊥、θ//)もα、βと同様な理由から、数4の範
囲が好ましい。The angle θ (θ⊥, θ //) at which the maximum diagonal diameter 2H of the liquid crystal display element is estimated is preferably in the range of Equation 4 for the same reason as α and β.
【0048】[0048]
【数4】4°≦θ(θ⊥、θ//)≦30°[Equation 4] 4 ° ≦ θ (θ⊥, θ //) ≦ 30 °
【0049】一方、本発明において、フィールドレンズ
は表示素子1枚あたり単レンズで構成する。レンズ形状
としては、平凸レンズでなく、両面ともに平面ではない
曲率半径を有する曲面であってもよい。フィールドレン
ズから液晶表示素子に入射する光束をほぼ平行光化して
入射させるため、数5が成立する範囲で使用可能であ
る。このとき、フィールドレンズの中心厚をあまり厚く
しないことが必要となる。レンズ厚を不必要に厚くする
ことは重量が増加し、生産性が悪化するからである。On the other hand, in the present invention, the field lens is constituted by a single lens per display element. The lens shape may be a curved surface having a radius of curvature that is not flat on both surfaces instead of a plano-convex lens. Since the light beam incident on the liquid crystal display element from the field lens is made substantially parallel and incident, it can be used within a range in which Equation 5 is satisfied. At this time, it is necessary to make the center thickness of the field lens not too large. Unnecessarily increasing the lens thickness increases the weight and reduces the productivity.
【0050】[0050]
【数5】f≒W[Expression 5] f5W
【0051】また、液晶表示素子の対角サイズ2Hと
f、θの間には数6の関係が成立する。Further, a relationship expressed by Equation 6 is established between the diagonal size 2H of the liquid crystal display element and f and θ.
【0052】[0052]
【数6】H=2*f*tan(θ/2)H = 2 * f * tan (θ / 2)
【0053】以上から、液晶表示素子のサイズを1サイ
ズに設定したとき、フィールドレンズのfは数7の範囲
が好ましく、3サイズに設定したときは数8の範囲が好
ましい。From the above, when the size of the liquid crystal display element is set to one size, f of the field lens is preferably in the range of Expression 7, and when it is set to three sizes, the range of Expression 8 is preferable.
【0054】[0054]
【数7】47.4mm≦f≦363.7mm## EQU7 ## 47.4 mm ≦ f ≦ 363.7 mm
【0055】[0055]
【数8】142.2mm≦f≦1091.0mm(8) 142.2 mm ≦ f ≦ 1091.0 mm
【0056】実際には、fが大きくなると投射光学装置
自体も大きくなる。そのため、実用的には、約1〜3サ
イズの液晶光学素子を搭載とする投射光学装置では、フ
ィールドレンズの焦点距離としては、次の数9の範囲が
好ましい。In practice, as f increases, the size of the projection optical device itself also increases. Therefore, practically, in a projection optical device equipped with liquid crystal optical elements of about 1 to 3 sizes, the focal length of the field lens is preferably in the following range of Expression 9.
【0057】[0057]
【数9】45.0mm≦f≦300.0mm## EQU9 ## 45.0 mm ≦ f ≦ 300.0 mm
【0058】すなわち、後述する実施例においては、フ
ィールドレンズの焦点距離は、数8の範囲を採用する
が、搭載対象の反射型液晶表示素子が約1〜3サイズで
ない場合でも本発明の非球面フィールドレンズの焦点距
離が数5、数6、数7の範囲を逸脱する可能性がある。
しかし、本発明の非球面フィールドレンズの作用、効果
は同様に発現する。In other words, in the embodiments described later, the focal length of the field lens adopts the range of Expression 8, but the aspherical surface of the present invention can be used even when the reflection type liquid crystal display element to be mounted is not about 1 to 3 sizes. There is a possibility that the focal length of the field lens deviates from the range of Expressions 5, 6, and 7.
However, the function and effect of the aspherical field lens of the present invention are similarly exhibited.
【0059】次に、フィールドレンズの面形状について
は、単レンズの場合でも、大きく分けて両凸、凸メニス
カス、平凸レンズの3通りの形状が考えられる。その球
面収差は、一般的には、凸メニスカス、平凸、両凸形状
の順に良好である。その曲率半径Rで見れば、Rが大き
い方が焦点距離を規格化して比較すると、収差の程度は
小さいといえる。しかし、これもあくまで相対比較であ
り、両面を前述のような球面または平面で構成した場合
は、比較例のように、かなり大きい光軸方向の球面収差
や像面(第2開口面内)方向の横収差が残留することは
変わらない。Next, regarding the surface shape of the field lens, even in the case of a single lens, there are roughly three types of shapes, that is, biconvex, convex meniscus, and plano-convex lens. The spherical aberration is generally good in the order of convex meniscus, plano-convex, and biconvex. In terms of the radius of curvature R, it can be said that the larger R is, the smaller the degree of aberration is when comparing the normalized focal length. However, this is also a relative comparison, and when both surfaces are configured by the spherical surface or the flat surface as described above, a considerably large spherical aberration in the optical axis direction or the image surface (in the second aperture plane) direction is generated as in the comparative example. Remain unchanged.
【0060】それよりもフィールドレンズの曲率半径
は、レンズの基本形状と焦点距離を決める1つのパラメ
ータとしてまず決定する。そして、その投射光学装置に
おける平行光化フィールドレンズとしての光学性能は、
少なくともレンズ面の1面を光軸付近の球面形状をベー
スとした、非球面形状とする。この構成によって上述し
た幾何光学的収差を可能な限り小さくできる。最も安価
に達成できる例の一つが、上述した平凸非球面レンズで
ある。基準球面形状を凸メニスカス、または両凸面形状
とした方が設計の自由度が増えるが、平凸非球面レンズ
でも良好な性能が十分に得られる。Instead, the radius of curvature of the field lens is first determined as one parameter that determines the basic shape and focal length of the lens. And the optical performance as a collimated field lens in the projection optical device is:
At least one of the lens surfaces has an aspherical shape based on a spherical shape near the optical axis. With this configuration, the above-described geometric optical aberration can be reduced as much as possible. One of the examples which can be achieved at the lowest cost is the above-mentioned plano-convex aspheric lens. When the reference spherical shape is a convex meniscus or a biconvex shape, the degree of freedom in design increases, but good performance can be sufficiently obtained even with a plano-convex aspheric lens.
【0061】また、フィールドレンズの一方の面を平面
にすることにより、研磨や成形型に係る製造コストを大
きく低減できる。さらに、液晶表示素子の平面と屈折率
調整液で貼り合わせることで、2つの面のARコートを
同時に不要にできる。さらには液晶表示素子と一体化す
ることの副次効果として位置調整機構を簡略化できる。Further, by making one surface of the field lens flat, it is possible to greatly reduce the manufacturing cost associated with polishing and a mold. Further, by bonding the flat surface of the liquid crystal display element with the refractive index adjusting liquid, the AR coating on the two surfaces can be eliminated simultaneously. Further, as a secondary effect of integrating with the liquid crystal display element, the position adjusting mechanism can be simplified.
【0062】しかし、本発明は、特に平凸非球面レンズ
に限るものではない。あえて、両凸、凸メニスカス形状
を用いることにより、フィールドレンズと液晶表示面の
平面同士の貼合わせ時の泡、異物、温度変化時の剥離、
クラック等の対策を不要とする長所がある。また、独立
に配置する自由度を持たせたときに、平面のままでは平
面同士の干渉を防ぐ利点もある。そのため、片面を凸ま
たは凹面とした非球面単レンズについても、両面の球面
形状による残留収差を低減する非球面形状を少なくとも
1面に採用する。この組み合わせた構成により、十分に
幾何光学的収差を低減できる。ここで、球面単レンズの
焦点距離fは、一般的に数10で与えられる。However, the present invention is not particularly limited to a plano-convex aspheric lens. Dare, by using a biconvex, convex meniscus shape, bubbles at the time of bonding the plane of the field lens and the liquid crystal display surface, foreign matter, peeling at the time of temperature change,
There is an advantage that measures such as cracks are not required. Further, when the degree of freedom for independent arrangement is provided, there is an advantage that interference between planes can be prevented if the planes remain as they are. For this reason, even for an aspherical single lens having a convex or concave surface on one side, an aspherical shape that reduces residual aberration due to the spherical shape on both surfaces is adopted for at least one surface. With this combined configuration, geometrical optical aberrations can be sufficiently reduced. Here, the focal length f of the spherical single lens is generally given by Expression 10.
【0063】[0063]
【数10】1/f=(n−1)*(1/R1 −1/R
2 )+(n−1)2 *t/(n*R1 *R2 )1 / f = (n−1) * (1 / R 1 −1 / R
2) + (n-1) 2 * t / (n * R 1 * R 2)
【0064】ただし、nは、単レンズ材料の屈折率、R
1 、R2 は両面の曲率半径で、それぞれ、R1 は正のと
き、R2 は負のとき、外に向かって凸面を表すものとす
る。また、tはレンズの中心厚を表す。Where n is the refractive index of the single lens material, R
1 and R 2 are the radii of curvature of both surfaces. When R 1 is positive, and when R 2 is negative, they represent convex surfaces outward. Also, t represents the center thickness of the lens.
【0065】ここで、数10の第1項、第2項を比較す
ると、第1項の値が支配的であり、特に単レンズをでき
るだけ薄肉とした方が製造上有利である。そのため、中
心厚の影響は最も少ないものと見なせる。すなわち、数
10は、t=0として、数11のように簡略化しても一
般性は失われない。Here, comparing the first term and the second term in the equation (10), the value of the first term is dominant, and it is particularly advantageous in terms of manufacturing to make the single lens as thin as possible. Therefore, it can be considered that the influence of the center thickness is the smallest. In other words, generality is not lost even if Expression 10 is simplified as Expression 11 with t = 0.
【0066】これと、fは数9の範囲が好ましいことか
ら、数12が成り立つ。さらに、nは単レンズ材料の屈
折率であるから、一般的なレンズ材料の屈折率の範囲と
しては、数13の範囲にあると考えられる。Since f is preferably in the range of Expression 9, Expression 12 holds. Furthermore, since n is the refractive index of a single lens material, it is considered that the range of the refractive index of a general lens material is in the range of Expression 13.
【0067】[0067]
【数11】f=((n−1)*(1/R1 −1/R
2 ))-1 F = ((n-1) * (1 / R 1 -1 / R
2 )) -1
【0068】[0068]
【数12】1/300≦(n−1)*(1/R1 −1/
R2 )≦1/45(12) 1/300 ≦ (n−1) * (1 / R 1 −1 /
R 2 ) ≦ 1/45
【0069】[0069]
【数13】1.3≦n≦1.9[Expression 13] 1.3 ≦ n ≦ 1.9
【0070】数12と数13より、非球面フィールドレ
ンズを単レンズで構成する場合、両面の基準曲率半径R
1 、R2 は数14の関係を満たすことが必要である。From the equations (12) and (13), when the aspherical field lens is constituted by a single lens, the reference curvature radius R on both surfaces is obtained.
It is necessary that 1 and R 2 satisfy the relationship of Expression 14.
【0071】[0071]
【数14】1/270≦(1/R1 −1/R2 )≦1/
13.5[Expression 14] 1/270 ≦ (1 / R 1 −1 / R 2 ) ≦ 1 /
13.5
【0072】本発明で用いる非球面フィールドレンズ
は、光源光学系の第1開口面内より発散してくる光束を
ほぼ平行光化せしめて反射型の液晶表示素子面内に入射
させ、反射面で反射してくる光束を第2開口面内に収斂
させる機能を有する。このことから、両凸、平凸、凸メ
ニスカス形状のいずれかの形状である必要がある。すな
わち、フィールドレンズを単レンズで構成する場合、少
なくとも一方の面は凸面である必要があるため、R1 を
正としたとき、R2 は数14を満たす範囲で、正から負
の範囲をとりうる。In the aspherical field lens used in the present invention, the luminous flux diverging from the first aperture plane of the light source optical system is made substantially parallel and made incident on the reflection type liquid crystal display element surface. It has a function of converging the reflected light beam in the second opening surface. For this reason, it is necessary to have any of the biconvex, planoconvex, and convex meniscus shapes. That is, when constituting the field lens in a single lens, since at least one surface must be convex, when the R 1 and positive, R 2 is in a range satisfying the equation 14, it takes a negative range from the positive sell.
【0073】一方、フィールドレンズの焦点距離は、投
射光学装置の大きさを決める重要な要素であるが、その
要素の一つであるレンズ屈折率は材料によって特定さ
れ、その取りうる範囲も限定されるため、あまり収差補
正の自由度にはなり得ない。また、同様の焦点距離fの
制限から、自由度R1 を決めると、R2 もほとんど限定
されてしまうため、あまり収差補正の自由度とはなり得
ないことがわかる。On the other hand, the focal length of the field lens is an important factor that determines the size of the projection optical device. One of the factors, the lens refractive index, is specified by the material, and the possible range is also limited. Therefore, the degree of freedom for aberration correction cannot be so high. Also, if the degree of freedom R 1 is determined from the same limitation on the focal length f, the degree of freedom R 2 is also almost limited, so that it can be seen that the degree of freedom for aberration correction cannot be so high.
【0074】すなわち、上述した平凸球面レンズ例を両
面球面レンズの組み合わせに変えてもあまり収差補正の
自由度にはなり得ない。また、R1 、R2 が球面形状の
みの組み合わせでは液晶表示素子の対角有効径が約1サ
イズ以上の大きさを有する場合は、特に周辺部に入出射
する光束による球面収差等を除去し得ないことが予想さ
れる。That is, even if the above-described example of a plano-convex spherical lens is changed to a combination of a double-sided spherical lens, the degree of freedom for aberration correction is not so high. In the case where the combination of R 1 and R 2 is only a spherical shape, when the diagonal effective diameter of the liquid crystal display element has a size of about 1 or more, the spherical aberration and the like due to the luminous flux entering and exiting the peripheral portion are particularly eliminated. Not expected.
【0075】このため、仮に一方の面、例えばR2 を平
面とした平凸単レンズを仮定し、R1 のレンズ面を自由
に変更するものとして、その面形状による収差補正条件
を考慮する。この場合でも十分に有効であり、事実、前
述の平凸非球面形状の例からもあえて両面を球面または
非球面とする必要性はあまりない。しかし、前述したよ
うに、本発明には両側が非平面の場合を含むものとす
る。R2 を平面とすると、R2 =0であるから、これと
数14から数15が得られる。[0075] Thus, if one surface, for example, assuming a plano-convex single lens with an R 2 a plane, as to freely change the lens surface of the R 1, consider the aberration correction conditions due to the surface shape. Even in this case, it is sufficiently effective, and in fact, there is little need to make both surfaces spherical or aspherical even from the above-mentioned example of the plano-convex aspherical shape. However, as described above, the present invention includes the case where both sides are non-planar. Assuming that R 2 is a plane, R 2 = 0, and thus Equation 14 and Equation 15 are obtained.
【0076】[0076]
【数15】13.5mm≦R1 ≦270mm## EQU15 ## 13.5 mm ≦ R 1 ≦ 270 mm
【0077】すなわち、平凸単レンズの場合、R1 の取
り得る範囲としては、数15の範囲が好ましい。ここ
で、R2 を平面でなくて球面としても、前述のようにR
2 は、数12を満たす必要があるため、十分な収差補正
自由度とはなり得ない。仮に設計上の自由度として設定
しても、効果は不十分である。そこで、R1 の面形状に
本発明のような非球面を導入することにより、焦点距離
制限に影響を与えることなく、球面収差を良好に補正す
ることが可能となる。That is, in the case of a plano-convex single lens, the range that R 1 can take is preferably the range of Expression 15. Here, even if R 2 is not a plane but a spherical surface, as described above, R 2
Since 2 needs to satisfy Equation 12, the degree of freedom for aberration correction cannot be sufficient. Even if it is set as the degree of freedom in design, the effect is insufficient. Therefore, by introducing an aspherical surface as in the present invention the surface shape of the R 1, without affecting the focal length limit, it is possible to satisfactorily correct spherical aberration.
【0078】そして、その非球面形状を定義する非球面
形状式としては、数16のように、2次の非球面項とし
て円錐定数項を用いた、一般的な非球面形状式を用いて
表すことにする。ここで、2次の非球面係数を円錐定数
項ではなく、A2 *h2 項を加えて表すこともできる
が、いずれの式においても、フィールドレンズの一方の
面形状が、その面の光軸頂点におけるx、y面に対する
距離Zの連続面形状の範囲を決定できるものであればよ
い。本発明においては、その形状決定式として、数16
の非球面形状式を用いて表す。The aspherical shape equation defining the aspherical shape is expressed by a general aspherical shape equation using a conical constant term as a quadratic aspherical term as shown in Expression 16. I will. Here, the second-order aspherical coefficient can be expressed not by the conical constant term but by adding the A 2 * h 2 term. In any of the equations, the shape of one surface of the field lens is the light of the surface. What is necessary is just to be able to determine the range of the continuous surface shape of the distance Z to the x, y plane at the axis vertex. In the present invention, Equation 16
Is expressed using the aspherical shape formula of
【0079】[0079]
【数16】 h =(x2 +y2 )1/2 ・・・(1) Z1 =(h2 /R1 )/(1+(1−(k+1)*(h/R1 )2 )1/2 ) +Σ(Ai *hi ) ・・・(5) Z2 =(h2 /R2 )/(1+(1−(k+1)*(h/R2 )2 ) 1/2 ) +Σ(Ai *hi ) ・・・(6)H = (x 2 + y 2 ) 1/2 (1) Z 1 = (h 2 / R 1 ) / (1+ (1- (k + 1) * (h / R 1 ) 2 ) 1 / 2 ) + {(A i * h i ) (5) Z 2 = (h 2 / R 2 ) / (1+ (1- (k + 1) * (h / R 2 ) 2 ) 1/2 ) + Σ (A i * h i ) (6)
【0080】ただし、 (a)xとyはフィールドレンズの光軸に垂直な平面内
で定めた直交座標(X軸、Y軸)におけるレンズ面の座
標値、Z1 、Z2 は(x、y)に対して定まるレンズ面
のZ軸における座標値 (b)kはレンズ面Nの円錐定数 (c)Ai はレンズ面nの第i次非球面係数 (d)R1 は第1レンズ面の光軸中心部における近軸曲
率半径 (e)R2 は第2レンズ面の光軸中心部における近軸曲
率半径 (f)Σは(Ai *hi )の全項の和Where (a) x and y are the coordinate values of the lens surface in rectangular coordinates (X axis, Y axis) defined in a plane perpendicular to the optical axis of the field lens, and Z 1 and Z 2 are (x, (b) k is the conic constant of the lens surface N. (c) A i is the i-th aspherical coefficient of the lens surface n. (d) R 1 is the first lens. The radius of paraxial curvature at the center of the optical axis of the surface (e) R 2 is the radius of paraxial curvature at the center of the second lens surface at the optical axis. (F) Σ is the sum of all terms of (A i * h i ).
【0081】ここで、前述の平凸非球面レンズの場合、
円錐定数kは−2.40で良好な収差状態が得られた。
しかし、この場合、−2.0位になると球面収差が補正
不足となり、−2.8位になると補正過剰になり、第2
開口の外側にはみ出る光束が多くなってくる。この場合
は、表2のような仕様の液晶表示素子とレンズ形状仕様
について最適化したときの円錐定数であるため、そのよ
うなkの範囲が最良であった。Here, in the case of the above-mentioned plano-convex aspheric lens,
When the conical constant k was -2.40, a favorable aberration state was obtained.
However, in this case, the spherical aberration is insufficiently corrected at the position of −2.0, and the correction is excessively corrected at the position of −2.8.
The amount of luminous flux protruding outside the opening increases. In this case, since the liquid crystal display element having the specifications shown in Table 2 and the conical constant obtained when the lens shape specification was optimized, such a range of k was the best.
【0082】しかし、図8の収差図をよく見ると、光軸
方向の球面収差SAは球面の時の+範囲から−方向に行
きすぎ、かつ、横収差は、第1光源の中心のY=0.0
と最周縁部Y=10.0から出射した光束の傾きは逆に
なってしまっており、必ずしも理想的な収差状態とはい
えない。However, when looking closely at the aberration diagram in FIG. 8, the spherical aberration SA in the optical axis direction goes too far in the negative direction from the positive range of the spherical surface, and the lateral aberration is Y = Y at the center of the first light source. 0.0
And the inclination of the light beam emitted from the outermost peripheral portion Y = 10.0 is reversed, which is not necessarily an ideal aberration state.
【0083】それでも、収差量は球面レンズの場合に比
べて約1/10〜1/20小さくなっており、かつ、第
2開口の大きさも第1開口とほぼ同じサイズまで小さく
なっていることを見れば、十分に実用可能なレベルとい
えるが、より良好な収差状態を得るには、円錐定数kの
みの補正では難しく、より高次の非球面係数との組み合
わせが必要になってくる。Nevertheless, it should be noted that the amount of aberration is about 1/10 to 1/20 smaller than that of the spherical lens, and the size of the second opening is also reduced to almost the same size as the first opening. At first glance, it can be said that the level is sufficiently practicable. However, to obtain a better aberration state, it is difficult to correct only the conical constant k, and a combination with a higher order aspheric coefficient is required.
【0084】一方、非球面係数の取り方はさまざまであ
るが、数16からレンズ周縁部ほど非球面係数の値に影
響されやすく、かつ、高次のべき乗の係数ほど影響が大
きく、そのまま球面収差、横収差に直接に影響すること
が予想される。On the other hand, although there are various ways of obtaining the aspherical coefficient, from equation (16), the peripheral part of the lens is more susceptible to the value of the aspherical coefficient, and the higher the power coefficient, the greater the effect. , Is expected to directly affect the lateral aberration.
【0085】また、あまり、べき乗の高い係数が大きい
場合、収差だけでなく、周辺部の形状変化が大きくなり
製造しにくいフィールドレンズになってしまう。そこ
で、非球面係数のべき乗数には特に制限はないが、20
次以下のべき乗数が好ましく、実際にはそれ以下の次数
で十分に誤差補正の目的が達せられることが多い。If the coefficient of a high power is too large, not only the aberration but also the shape change of the peripheral portion becomes large, resulting in a field lens which is difficult to manufacture. Therefore, the power of the aspheric coefficient is not particularly limited,
An exponent of the following order is preferable, and in practice, the order of the lower order often sufficiently satisfies the purpose of error correction.
【0086】さらに、非球面係数項のべき乗は、できる
だけべき乗の高い係数ほど小さく、各非球面項の影響が
同じ位になるように、負のべき乗数が大きくなっていく
ような係数値が好ましい。すなわち、本発明において
は、後述する実施例でも示すように、円錐定数と非球面
係数の範囲は、数17で示すような範囲が好ましい。Further, the power of the aspheric coefficient term is preferably smaller as the power is as high as possible, and is preferably such a coefficient value that the negative power is increased so that the influence of each aspheric term becomes the same. . That is, in the present invention, the range of the conical constant and the aspherical surface coefficient is preferably a range as shown in Expression 17, as will be shown in Examples described later.
【0087】[0087]
【数17】 −80≦k ≦20 ・・・(2) −5*10-i≦Ai ≦5*10-i (iは4以上の整数) ・・・(3)-80 ≦ k ≦ 20 (2) −5 * 10 −i ≦ A i ≦ 5 * 10 −i (i is an integer of 4 or more) (3)
【0088】ここで、kの範囲がやや大きいのは、高次
の非球面係数項を使用せずに収差を抑え込もうするとき
に、自由度が少ないため、kが大きくなってしまう傾向
があるからであり、高次非球面係数項を増すにつれて、
小さくなってくる。それでもkの値が負の限界を越える
と、収差補正過剰となり、正の限界を越えると補正不足
となってしまう。各非球面係数についても同様に負また
は正の限界値を超えると、それ以下の次数の非球面係数
による収差補正量に対して補正不足または過剰となって
しまう。Here, the reason why the range of k is slightly large is that k tends to be large because the degree of freedom is small when trying to suppress aberrations without using higher order aspheric coefficient terms. Because as we increase the higher order aspheric coefficient term,
It is getting smaller. Nevertheless, if the value of k exceeds the negative limit, aberration correction will be excessive, and if it exceeds the positive limit, correction will be insufficient. Similarly, if each aspheric coefficient exceeds the negative or positive limit value, the amount of aberration correction by the lower order aspheric coefficient is insufficiently corrected or excessively corrected.
【0089】このように、円錐定数kと非球面係数Ai
の組合わせにおいては、数17を満たすような係数の範
囲で、かつ、低次の非球面係数で補正不足または補正過
剰な収差をより高次の非球面係数でバランス良く、最適
に補正することにより、より正確に、目的の収差状態の
フィールドレンズの非球面形状を決定することができ
る。また、これは、平凸レンズだけではなく、両凸、凸
メニスカスのような形状のレンズの非球面形状について
も同じである。Thus, the conic constant k and the aspherical coefficient A i
In the combination of the above, correction of aberrations that are undercorrected or overcorrected with low-order aspherical coefficients in a range of coefficients satisfying Equation 17 and well-balanced with higher-order aspherical coefficients are optimally corrected. Thereby, the aspherical shape of the field lens in the target aberration state can be determined more accurately. The same applies to not only a plano-convex lens but also an aspherical shape of a lens having a biconvex or convex meniscus shape.
【0090】これまで述べてきた非球面フィールドレン
ズは、主に、その光軸が液晶表示素子の対角中心を通る
法線と一致しているような配置を想定した。しかし、本
発明は非球面フィールドレンズの光軸が液晶表示素子の
対角中心を通る法線と一致しない場合、すなわち、偏心
性フィールドレンズの場合においても有効である。The above-described aspherical field lens is supposed to be arranged such that its optical axis coincides with the normal passing through the diagonal center of the liquid crystal display element. However, the present invention is also effective when the optical axis of the aspherical field lens does not coincide with the normal passing through the diagonal center of the liquid crystal display element, that is, in the case of an eccentric field lens.
【0091】なぜなら、フィールドレンズの光軸を中心
にした開口径の中に液晶表示素子の対角有効面を含むよ
うに配置し、フィールドレンズの光軸を中心軸として、
前述したような非球面レンズ形状を適用すれば、その非
球面による収差補正効果は全く同様な効果が得られるか
らである。ただし、この場合、非球面レンズの外径や中
心厚は大きくなるため収差補正はやや難しくなる。This is because the liquid crystal display element is disposed so as to include the diagonal effective surface within the aperture diameter centered on the optical axis of the field lens.
This is because, if the aspherical lens shape as described above is applied, the aberration correction effect by the aspherical surface can be exactly the same. However, in this case, since the outer diameter and the center thickness of the aspherical lens become large, it becomes somewhat difficult to correct aberration.
【0092】しかし、このように非球面フィールドレン
ズの光軸を偏心させることにより、フィールドレンズ面
の反射防止コート性能に頼ることなく、高輝度の照明光
がフィールドレンズ面で反射されて投射光学系に入射し
て不快な輝点を形成してしまうことを防止できるという
利点がある。また、光束が通らない部分のレンズ部を削
除することが好ましい。However, by decentering the optical axis of the aspherical field lens in this manner, high-intensity illumination light is reflected by the field lens surface without relying on the antireflection coating performance of the field lens surface to project the projection optical system. There is an advantage that it is possible to prevent the formation of an unpleasant luminescent spot due to incidence on the light. In addition, it is preferable to delete a lens portion of a portion through which a light beam does not pass.
【0093】非球面フィールドレンズの光学材料として
は、従来の球面フィールドレンズと同様であり、従来公
知の透明な光学ガラス、プラスチック光学材料を使用で
きる。またそのレンズ材料の屈折率の範囲としては、通
常はおよそ、数18の範囲にある。The optical material of the aspherical field lens is the same as the conventional spherical field lens, and conventionally known transparent optical glass and plastic optical material can be used. The range of the refractive index of the lens material is generally in the range of Expression 18.
【0094】[0094]
【数18】1.3≦n≦1.9[Expression 18] 1.3 ≦ n ≦ 1.9
【0095】しかし、そのなかでも、平凸非球面レンズ
形状として液晶表示素子の表面と密着して一体化させる
場合、両面の界面反射による光量低下やゴーストのよう
な不要像を防止するため、レンズ材料と液晶表示素子の
ガラス面の屈折率はできるだけ近いことが好ましい。通
常、液晶表示素子のガラス面の屈折率は、約1.52で
あるため、この界面反射による影響を許容できる程度の
レンズ材料の屈折率の範囲は、数19の範囲であること
が好ましい。これにより、界面反射率をほぼ0.1%以
下に設定できるようになる。However, among them, in the case of a plano-convex aspheric lens shape in which the lens is in close contact with the surface of the liquid crystal display element and integrated with the surface of the liquid crystal display element, in order to prevent a reduction in the amount of light due to interfacial reflection on both surfaces and unnecessary images such as ghosts, It is preferable that the refractive index of the material and the glass surface of the liquid crystal display element be as close as possible. Usually, the refractive index of the glass surface of the liquid crystal display element is about 1.52, so that the range of the refractive index of the lens material that can tolerate the influence of the interfacial reflection is preferably the range of Expression 19. As a result, the interface reflectance can be set to approximately 0.1% or less.
【0096】さらに、屈折率調整液をレンズ材料と液晶
表示素子のガラス面との中間の屈折率の材料を選定する
ことによりさらに界面反射率を下げることができる。ま
たは、数19の屈折率範囲を拡大できるため、使用可能
なレンズ材料の可能性が広くなる効果も期待できる。以
下、本発明の実施例について、光学系の仕様表、光路
図、光学性能図を用いて説明する。Further, by selecting a material having a refractive index between the lens material and the glass surface of the liquid crystal display element as the refractive index adjusting liquid, the interface reflectance can be further reduced. Alternatively, since the refractive index range of Expression 19 can be expanded, an effect of increasing the possibility of usable lens materials can be expected. Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described using an optical system specification table, an optical path diagram, and an optical performance diagram.
【0097】[0097]
【数19】1.45≦nd ≦1.60[Number 19] 1.45 ≦ n d ≦ 1.60
【0098】(ただし、nd はHe の波長である58
7.6nmに対する屈折率)[0098] (where, n d is the wavelength of the H e 58
(Refractive index for 7.6 nm)
【0099】[0099]
【実施例】(例1)例1では、上述した構成例1で取り
上げた非球面フィールドレンズを偏心して、光源光学系
と投射光学系とが空間的干渉を起こさないよう配置し
た。構成例1のものと曲率半径や非球面係数値は若干異
なっている。図9、図10、図11にその光線追跡光路
図の光軸断面図、斜視図、および幾何光学収差図を示
す。図9、図10において、FL1が本例の非球面フィ
ールドレンズである。(Example 1) In Example 1, the aspherical field lens described in Configuration Example 1 was decentered, and the light source optical system and the projection optical system were arranged so as not to cause spatial interference. The curvature radius and the aspheric coefficient value are slightly different from those of the configuration example 1. 9, 10, and 11 show an optical axis sectional view, a perspective view, and a geometric optical aberration diagram of the ray tracing optical path diagram. 9 and 10, FL1 is the aspherical field lens of the present example.
【0100】[0100]
【表3】 [Table 3]
【0101】本例においては、光源光学系の第1開口か
らの光束を実質的に取り込む第2開口の大きさφBは約
26.7mmφとやや大きい状態にとどまっている。こ
れは、上述した構成例は非偏心の完全同軸であるのに対
し、本例は、フィールドレンズに対して光軸が10°傾
いた偏心光学系となっているため、円錐定数だけの補正
では補正が完全ではなく、やや収差が残ってしまったこ
とによる。しかし、その比は、φB/φA=1.27
と、球面のみのレンズではとても実現し得ないコンパク
トな大きさになった。In the present example, the size φB of the second opening for substantially taking in the light flux from the first opening of the light source optical system remains at a slightly large state of about 26.7 mmφ. This is because the above configuration example is non-eccentric and completely coaxial, whereas this example is an eccentric optical system in which the optical axis is inclined by 10 ° with respect to the field lens. This is because the correction was not perfect and some aberrations remained. However, the ratio is φB / φA = 1.27.
And it became a compact size that could not be realized with a lens with only a spherical surface.
【0102】また、表3の円錐定数とレンズ中心厚が、
完全同軸の例の場合と異なるのは、偏心光学系であるた
めにその収差補正量が変わることである。これは、フィ
ールドレンズの中心厚や周辺厚を無駄に厚くせず、製造
コストを低減し、さらに余計な収差もできるだけ少なく
するためである。The conic constant and the lens center thickness in Table 3 are:
The difference from the case of the completely coaxial example is that the aberration correction amount changes because of the decentered optical system. This is because the center thickness and the peripheral thickness of the field lens are not increased unnecessarily, the manufacturing cost is reduced, and unnecessary aberrations are reduced as much as possible.
【0103】(例2)例2は、対角有効径が3サイズと
やや大きめの液晶表示素子を搭載した例を示す。この程
度の大きさならば特に平凸レンズ形状でも大きな問題は
ない。しかし、当然対応するフィールドレンズの外径は
大きくなり、これに伴いレンズ中心厚や重量も大きくな
る。このため、本例においては、平凸非球面レンズでは
なく、一方の面が非球面でかつ他方の面を球面とした単
レンズとした。そして、フィールドレンズと液晶表示素
子とを貼合わせない構成を採用した。Example 2 Example 2 shows an example in which a slightly larger liquid crystal display element having a diagonal effective diameter of 3 is mounted. With such a size, there is no major problem even with a plano-convex lens shape. However, the outer diameter of the corresponding field lens naturally increases, and accordingly the lens center thickness and weight also increase. For this reason, in this example, instead of a plano-convex aspherical lens, a single lens having one surface aspherical and the other surface spherical is used. And the structure which does not bond a field lens and a liquid crystal display element was adopted.
【0104】これにより、大面積の平面同士の貼合わせ
の際の泡、異物混入等による接着歩留まり低下を防ぐこ
と、また、フィールドレンズの両面に曲率を設けること
により、フィールドレンズの中心厚が薄く、レンズ重量
が軽くなり、材料コストも低減するという利点が生まれ
る。ただし、液晶光学素子とフィールドレンズはごく近
接して配置する方が好ましい。Thus, the bonding yield is prevented from lowering due to bubbles and foreign matter when the large-area flat surfaces are bonded to each other, and the center thickness of the field lens is reduced by providing curvature on both sides of the field lens. This has the advantage that the lens weight is reduced and the material cost is reduced. However, it is preferable to arrange the liquid crystal optical element and the field lens very close to each other.
【0105】また、実際に光源光学系と投射光学系が空
間的干渉を起こさないように配置するために、「光源光
学系〜フィールドレンズ〜液晶表示素子〜投射光学系」
で構成される光学系のうち、中心光軸は、フィールドレ
ンズの光軸に対して偏心させて構成した。フィールドレ
ンズの非球面形状の設定もいろいろ取りうるが、ここで
は、両凸レンズの中でも、あえて、|R1 |=|R2
|、かつ、R2 は球面のみとして、R1 のみを非球面と
して最適化を試みた。この構成により、中心厚を最も薄
くすることができ、かつ、非球面化による生産性低下を
押えることができる。In order to arrange the light source optical system and the projection optical system so as not to cause spatial interference, “light source optical system—field lens—liquid crystal display element—projection optical system”
In the optical system composed of, the central optical axis is decentered with respect to the optical axis of the field lens. Although the setting of the aspherical shape of the field lens can be variously taken, in this case, among the biconvex lenses, | R 1 | = | R 2
|, And, R 2 is as only spherical, tried to optimize only R 1 aspherical. With this configuration, the center thickness can be minimized, and a decrease in productivity due to the aspherical surface can be suppressed.
【0106】(例2−a〜例2−e)一方、前述したよ
うに、非球面係数値の範囲と取り方があっても、その数
値は多種の組み合わせが考えられる。そこで、5種の例
を表5に示す。いずれも本実施例の、非球面係数の選択
次数や係数値は異なっているが、十分に本発明の効果を
発現するものであり、その光学性能は良好な結果を示し
ている。(Examples 2-a to 2-e) On the other hand, as described above, even if there is a range of aspheric coefficient values and how to take them, various combinations of the numerical values are conceivable. Table 5 shows five examples. In each of the examples, although the order of selection and coefficient values of the aspherical coefficients in the present embodiment are different, the effects of the present invention are sufficiently exhibited, and the optical performance shows good results.
【0107】また、図12、図13、図14にその表5
の中の例2−aについて、光線追跡光路図の光軸断面
図、斜視図、および幾何光学収差図を示す。その他設計
例の図は省略するが、いずれも光源側の非球面形状と光
学収差のみ若干異なるのみでほとんど同じような形状、
収差である。図12、図13において、FL2が本例の
非球面フィールドレンズである。FIG. 12, FIG. 13 and FIG.
In Example 2-a, a cross-sectional view of an optical axis of a ray tracing optical path diagram, a perspective view, and a geometric optical aberration diagram are shown. Other illustrations of the design examples are omitted, but in all cases, the aspherical shape on the light source side and the optical aberration are slightly different, almost the same shape,
Aberration. 12 and 13, FL2 is the aspherical field lens of the present example.
【0108】[0108]
【表4】 [Table 4]
【0109】[0109]
【表5】 [Table 5]
【0110】(例3)本例は対角有効径が1サイズと小
さめの液晶表示素子を搭載した投射光学装置を示す。こ
の程度の大きさならば特に両凸レンズや凸メニスカス形
状でなく、平凸レンズでも外径、レンズ中心厚や重量は
それほど重要ではない。また、貼り合わせの面積も比較
的小さいため、本例においては、平凸非球面単レンズと
して、液晶表示素子と貼合わせる構成とした。また、こ
の場合、液晶表示素子が小さいため、投射光学装置も非
常に小さくできる利点もある。(Example 3) This example shows a projection optical apparatus equipped with a liquid crystal display element having a small diagonal effective diameter of one size. With such a size, the outer diameter, the lens center thickness and the weight are not so important especially for a plano-convex lens without being a biconvex lens or a convex meniscus shape. In addition, since the bonding area is relatively small, in this example, a plano-convex aspheric single lens is used to bond the liquid crystal display element. In this case, since the liquid crystal display element is small, there is an advantage that the projection optical device can be very small.
【0111】しかし、本例においても、光源光学系と投
射光学系が空間的干渉を起こさないように配置させるた
めに、「光源光学系〜フィールドレンズ〜液晶表示素子
〜投射光学系」における中心光軸は、フィールドレンズ
の光軸に対して偏心させて構成した。また、非球面フィ
ールドレンズの光学性能についても、やはり限界に近い
集光性能が求められる上に、狭い空間の中で光学素子を
高精度で配置し、保持するためには、厳しい設計技術と
製造技術が必要となる。However, also in this example, in order to arrange the light source optical system and the projection optical system so as not to cause spatial interference, the central light in the “light source optical system—field lens—liquid crystal display device—projection optical system” is used. The axis was decentered with respect to the optical axis of the field lens. Also, regarding the optical performance of aspherical field lenses, light collection performance close to the limit is also required, and strict design technology and manufacturing are required to arrange and hold optical elements with high precision in a narrow space. Technology is required.
【0112】表6に本例の投射光学装置に搭載した非球
面レンズの仕様例を示す。図15、図16、図17にそ
の光線追跡光路図の光軸断面図、斜視図、および幾何光
学収差図を示す。図15、図16において、FL2が非
球面フィールドレンズである。Table 6 shows an example of specifications of the aspherical lens mounted on the projection optical apparatus of this embodiment. 15, 16, and 17 show an optical axis cross-sectional view, a perspective view, and a geometric optical aberration diagram of the ray tracing optical path diagram. 15 and 16, FL2 is an aspheric field lens.
【0113】[0113]
【表6】 [Table 6]
【0114】本例においては、非球面係数を14次まで
使用したが、偏心光学系に加えて、平凸レンズの形状で
あり、そのR1 も小さく、光源開口径や対角有効径は大
きめである。そのため、収差補正のために非球面係数は
かなり大きくなり、かなり強い非球面補正となってい
る。このために、第1開口からの光束を取り込む第2開
口の大きさφBは、約11.5mmφなり、その比は、
φB/φA=1.1と、平凸球面レンズではとても実現
し得ない、きわめて小さな形状で構成されていることが
わかる。In this example, the aspherical coefficient was used up to the 14th order. However, in addition to the decentered optical system, the shape was a plano-convex lens, its R 1 was small, and the light source aperture diameter and the diagonal effective diameter were large. is there. For this reason, the aspherical coefficient is considerably large for aberration correction, and the aspherical surface correction is considerably strong. For this reason, the size φB of the second aperture for taking in the light flux from the first aperture is about 11.5 mmφ, and the ratio is:
It can be seen that φB / φA = 1.1, which is a very small shape that cannot be realized with a plano-convex spherical lens.
【0115】[0115]
【発明の効果】本発明によれば、反射型の投射光学装置
のフィールドレンズとして、その光学的収差を大きく改
善した高性能な非球面フィールドレンズを採用する。こ
の構成により、光源系からの出射光をほぼ平行化して表
示素子に入射させることができ、かつ、簡素で明るい投
影画面を得られるような小型、高性能な反射型の投射光
学装置が実現できる。According to the present invention, a high-performance aspherical field lens whose optical aberration is greatly improved is adopted as a field lens of a reflection type projection optical device. With this configuration, it is possible to make the light emitted from the light source system substantially parallel and make it incident on the display element, and to realize a small-sized, high-performance reflective optical device capable of obtaining a simple and bright projection screen. .
【図1】本発明の構成例1の側面図。FIG. 1 is a side view of Configuration Example 1 of the present invention.
【図2】本発明の構成例1の平面図。FIG. 2 is a plan view of Configuration Example 1 of the present invention.
【図3】比較例1の光軸断面図。FIG. 3 is an optical axis cross-sectional view of Comparative Example 1.
【図4】比較例1の斜視図。FIG. 4 is a perspective view of Comparative Example 1.
【図5】比較例1の幾何光学収差図。FIG. 5 is a diagram showing a geometric optical aberration of Comparative Example 1.
【図6】構成例1の光軸断面図。FIG. 6 is an optical axis cross-sectional view of Configuration Example 1.
【図7】構成例1の斜視図。FIG. 7 is a perspective view of Configuration Example 1.
【図8】構成例1の幾何光学収差図。FIG. 8 is a diagram showing a geometric optical aberration of Configuration Example 1.
【図9】本発明の例1の光軸断面図。FIG. 9 is an optical axis sectional view of Example 1 of the present invention.
【図10】本発明の例1の斜視図。FIG. 10 is a perspective view of Example 1 of the present invention.
【図11】本発明の例1の幾何光学収差図。FIG. 11 is a diagram showing a geometric optical aberration of Example 1 of the present invention.
【図12】本発明の例2の光軸断面図。FIG. 12 is an optical axis cross-sectional view of Example 2 of the present invention.
【図13】本発明の例2の斜視図。FIG. 13 is a perspective view of Example 2 of the present invention.
【図14】本発明の例2の幾何光学収差図。FIG. 14 is a diagram showing a geometric optical aberration of Example 2 of the present invention.
【図15】本発明の例3の光軸断面図。FIG. 15 is an optical axis sectional view of Example 3 of the present invention.
【図16】本発明の例3の斜視図。FIG. 16 is a perspective view of Example 3 of the present invention.
【図17】本発明の例3の幾何光学収差図。FIG. 17 is a diagram showing a geometric optical aberration of Example 3 of the present invention.
【図18】本発明の構成例2の斜視図。FIG. 18 is a perspective view of Configuration Example 2 of the present invention.
1:光源 2:反射鏡 3:均一化素子 4:開口絞り(第1開口) 5、6:色分離合成用ダイクロイックミラー 7、17、27:フィールドレンズ 8、18、28:表示素子 9、19、29:反射層 10:投射レンズ鏡筒 11:投射光学系の開口絞り(第2開口) 12:表示素子面の対角線中心の法線(中心光軸) AX:照明光軸 BX:結像光軸 14:筐体 α:表示素子の入射中心点から光源光学系の開口を見込
む角 β:表示素子の出射中心点から投射光学系の開口を見込
む角 γ:中心光軸と照明光軸との傾角 δ:中心光軸と結像光軸との傾角 φA:第1開口径 φB:第2開口径 ΔA:第1開口中心と中心光軸との距離 ΔB:第2開口中心と中心光軸との距離 θ⊥:第1開口中心から表示素子の垂直方向の対角有効
径を見込む角 ψ⊥:第2開口中心から表示素子の垂直方向の対角有効
径を見込む角 θ//:第1開口中心から表示素子の水平方向の対角有効
径を見込む角 ψ//:第2開口中心から表示素子の水平方向の対角有効
径を見込む角 W:フィールドレンズ頂点と第1開口中心点までの水平
方向距離1: Light source 2: Reflector 3: Uniform element 4: Aperture stop (first aperture) 5, 6: Dichroic mirror for color separation / synthesis 7, 17, 27: Field lens 8, 18, 28: Display element 9, 19 , 29: reflective layer 10: projection lens barrel 11: aperture stop (second aperture) of projection optical system 12: normal to center of diagonal of display element surface (center optical axis) AX: illumination optical axis BX: imaging light Axis 14: Housing α: Angle at which the aperture of the light source optical system is viewed from the center of incidence of the display element β: Angle at which the aperture of the projection optical system is viewed from the center of emission of the display element γ: The angle between the central optical axis and the illumination optical axis Inclination angle δ: Inclination angle between the central optical axis and the imaging optical axis φA: First aperture diameter φB: Second aperture diameter ΔA: Distance between first aperture center and central optical axis ΔB: Second aperture center and central optical axis Θ⊥: angle from the center of the first opening to the diagonal effective diameter of the display element in the vertical direction ψ⊥: Angle at which the diagonal effective diameter in the vertical direction of the display element is viewed from the center of the second opening θ //: Angle at which the horizontal diagonal effective diameter of the display element is viewed from the center of the first opening ψ //: Display element from the center of the second opening W: Angle in the horizontal direction between the vertex of the field lens and the center point of the first aperture.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G02F 1/157 G02F 1/157 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) G02F 1/157 G02F 1/157
Claims (6)
ンズであって、数1を満足するフィールドレンズ。 【数1】 h =(x2 +y2 )1/2 ・・・(1) −80≦ k ≦20 ・・・(2) −5*10-i≦ Ai ≦5*10-i (iは4以上の整数) ・・・(3) 1/270≦( 1/R1 −1/R2 ) ≦1/13.5 ・・・(4) Z1 =(h2 /R1 )/(1+(1−(k+1)*(h/R1 )2 ) 1/2 ) +Σ(Ai *hi ) ・・・(5) Z2 =(h2 /R2 )/(1+(1−(k+1)*(h/R2 )2 ) 1/2 ) +Σ(Ai *hi ) ・・・(6) R1 ≠∞および/またはR2 ≠∞ ・・・(7) (a)xとyはフィールドレンズの光軸に垂直な平面内
で定めた直交座標(X軸、Y軸)におけるレンズ面の座
標値、Z1 、Z2 は(x、y)に対して定まるレンズ面
のZ軸における座標値 (b)kはレンズ面の円錐定数 (c)Ai は第1レンズ面または第2レンズ面の第i次
非球面係数 (d)R1 は第1レンズ面の光軸中心部における近軸曲
率半径 (e)R2 は第2レンズ面の光軸中心部における近軸曲
率半径 (f)Σは(Ai *hi )の全項の和1. A field lens incorporated in a projection optical device, wherein the field lens satisfies Expression 1. H = (x 2 + y 2 ) 1/2 (1) −80 ≦ k ≦ 20 (2) −5 * 10 −i ≦ A i ≦ 5 * 10 −i (i Is an integer of 4 or more) (3) 1/270 ≦ (1 / R 1 −1 / R 2 ) ≦ 1 / 13.5 (4) Z 1 = (h 2 / R 1 ) / (1+ (1− (k + 1) * (h / R 1 ) 2 ) 1/2 ) + Σ (A i * h i ) (5) Z 2 = (h 2 / R 2 ) / (1+ (1 − (K + 1) * (h / R 2 ) 2 ) 1/2 ) + {(A i * h i ) (6) R 1 } and / or R 2 } (7) (a) ) X and y are coordinate values of the lens surface in orthogonal coordinates (X axis, Y axis) defined in a plane perpendicular to the optical axis of the field lens, and Z 1 and Z 2 are lenses determined with respect to (x, y). (B) k is the conic constant of the lens surface, (c) Ai is the first lens surface or the (D) R 1 is the paraxial radius of curvature at the center of the optical axis of the first lens surface. (E) R 2 is the paraxial radius of curvature at the center of the optical axis of the second lens surface. (F) Σ is the sum of all terms in (A i * h i )
270mmを満足する請求項1記載のフィールドレン
ズ。2. R 2 = ∞ and 13.5 mm ≦ R 1 ≦
The field lens according to claim 1, which satisfies 270 mm.
−13.5mmを満足する請求項1記載のフィールドレ
ンズ。3. R 1 = ∞ and -270 mm ≦ R 2 ≦
The field lens according to claim 1, which satisfies -13.5 mm.
レンズ面である請求項1、2または3記載のフィールド
レンズ。4. The field lens according to claim 1, wherein the first lens surface or the second lens surface is an eccentric lens surface.
1、2、3または4記載のフィールドレンズ。5. The field lens according to claim 1, wherein the field lens has a plano-convex shape.
ルドレンズ、投射光学系が設けられ、光源系と光学素子
との間に照明光軸、光学素子面に垂直である中心光軸、
光学素子と投射光学系との間に結像光軸が設定され、中
心光軸と照明光軸との間に交差角度γ、中心光軸と結像
光軸との間に交差角度δが設けられ(交差角度γ≠交差
角度δ)、光学素子1枚に対し、請求項1、2、3、4
または5記載のフィールドレンズが1枚配置され、光源
系から出射した光源光は照明光軸に沿って進み前記フィ
ールドレンズの第1レンズ面に入射した後、第2レンズ
面から出射し、光学素子に入射し、光学素子によって表
示情報が付与され、反射層によって反射され、光学素子
から表示光として出射し、表示光は前記フィールドレン
ズの第2レンズ面に入射した後、第1レンズ面から出射
し、結像光軸に沿って進み、前記フィールドレンズによ
って結像光軸上に結像されてなる投射型光学装置。6. A light source system, an optical element having a reflective layer, a field lens, and a projection optical system are provided, an illumination optical axis between the light source system and the optical element, a central optical axis perpendicular to the optical element surface,
An imaging optical axis is set between the optical element and the projection optical system, and an intersection angle γ is provided between the central optical axis and the illumination optical axis, and an intersection angle δ is provided between the central optical axis and the imaging optical axis. (Intersecting angle γ ≠ intersecting angle δ), and for one optical element, claim 1, 2, 3, 4
Or one of the field lenses described in 5, wherein the light source light emitted from the light source system travels along the illumination optical axis, enters the first lens surface of the field lens, and then exits from the second lens surface to form an optical element. , Display information is given by the optical element, reflected by the reflective layer, emitted from the optical element as display light, and emitted from the first lens surface after being incident on the second lens surface of the field lens. And a projection optical device which travels along the image forming optical axis and is formed on the image forming optical axis by the field lens.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10177722A JP2000009992A (en) | 1998-06-24 | 1998-06-24 | Field lens and projection optics |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10177722A JP2000009992A (en) | 1998-06-24 | 1998-06-24 | Field lens and projection optics |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000009992A true JP2000009992A (en) | 2000-01-14 |
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ID=16035979
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10177722A Pending JP2000009992A (en) | 1998-06-24 | 1998-06-24 | Field lens and projection optics |
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP2000009992A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7145728B2 (en) | 2001-08-31 | 2006-12-05 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Projection apparatus |
| CN111854635A (en) * | 2020-07-06 | 2020-10-30 | 中国科学院光电技术研究所 | An Aspheric Surface Detection Method Based on Liquid Lens |
-
1998
- 1998-06-24 JP JP10177722A patent/JP2000009992A/en active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7145728B2 (en) | 2001-08-31 | 2006-12-05 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Projection apparatus |
| CN111854635A (en) * | 2020-07-06 | 2020-10-30 | 中国科学院光电技术研究所 | An Aspheric Surface Detection Method Based on Liquid Lens |
| CN111854635B (en) * | 2020-07-06 | 2022-11-11 | 中国科学院光电技术研究所 | An Aspheric Surface Detection Method Based on Liquid Lens |
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