JP2005189768A - Projection optical system, image projection device - Google Patents
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Abstract
Description
当該装置は会議などのプレゼンテーション、または一般家庭における映画などの鑑賞に於いて、大画面スクリーン上に画像を投射するプロジェクター装置などのフォーカシング機構に関するものである。 The apparatus relates to a focusing mechanism such as a projector apparatus that projects an image on a large screen screen in presentations such as a meeting or appreciation of a movie in a general home.
反射系を用いた投射光学系としては、図8に示す再公表特許特許WO97/01787号公報に開示されているものがある。この例に示されるように画像表示素子に表示された画像は自由曲面反射鏡の組み合わせにより構成された結像光学系によりスクリーン上に投影され、該スクリーンの裏側から鑑賞するいわゆるリアプロジェクションである。このような装置の場合は物像間距離が固定されているため装置の製造時に、これを一旦調整してしまえばあとは使用する度に調整する必要はない。経時変化(温度による膨張など)又は運搬の際の振動衝撃などを原因として、一旦調整された像焦点がずれたりしない限りフォーカス調整はユーザの側で実行する必要はない。一方これに対してフロント投射の形式の液晶プロジェクタは使用する度に異なる条件にて設置されるため、その都度フォーカスなどを調整する必要がある。スクリーンまでの距離は設置の度に異なるのが常である。そのためスクリーンまでのフォーカスを調整すると画面サイズが投射距離に応じて変化するという問題がある。このため従来より屈折系の投射レンズにおいては1.2倍〜1.3倍程度の低ズーム倍率のズーム機構が搭載されているのが通例である。このズーム機構を利用して投射距離のばらつきに依存して投射画像サイズがばらつくのを調整してある程度画像サイズの変化を吸収して使用できるようになっていた。ところが自由曲面反射鏡を組み合わせて構成した投射光学系は、拡大結像光学系であるため、各構成ミラーの偏心に非常に敏感でありズーム系を構成するのは非常に困難であった。 As a projection optical system using a reflection system, there is one disclosed in the republished patent patent WO97 / 01787 shown in FIG. As shown in this example, the image displayed on the image display element is a so-called rear projection that is projected on a screen by an imaging optical system configured by a combination of free-form curved reflectors and viewed from the back side of the screen. In the case of such an apparatus, since the distance between object images is fixed, once this is adjusted at the time of manufacture of the apparatus, it is not necessary to adjust every time it is used. The focus adjustment need not be executed on the user side unless the image focus once adjusted shifts due to a change with time (expansion due to temperature, etc.) or a vibration shock during transportation. On the other hand, since the liquid crystal projector of the front projection type is installed under different conditions every time it is used, it is necessary to adjust the focus and the like each time. The distance to the screen is usually different for each installation. Therefore, when the focus to the screen is adjusted, there is a problem that the screen size changes according to the projection distance. For this reason, conventionally, a refractive projection lens is usually equipped with a zoom mechanism having a low zoom magnification of about 1.2 to 1.3 times. Using this zoom mechanism, the variation in the projected image size is adjusted depending on the variation in the projection distance, and the change in the image size can be absorbed to some extent and used. However, since the projection optical system configured by combining free-form surface reflecting mirrors is an enlargement imaging optical system, it is very sensitive to the decentering of each component mirror and it is very difficult to construct a zoom system.
自由曲面反射鏡を用いたズーム光学系の試みとしては、図9に示す、特許公開公報、特開平10−20196号公報に開示されている撮像装置に於いて共軸屈折光学系と自由曲面反射鏡による結像系を組み合わせ縮小光学系であって撮像光学系として用いる光学系である。この例に於いては、自由曲面反射鏡による結像系と共軸屈折光学系とをそれぞれ動かすことによりズーム機能を実現しようとするものである。この例の場合屈折光学素子を含んでいるため、その系で発生する色収差の発生が避けられず、精度の高い色消しを行うことはできなかった。 As an attempt of a zoom optical system using a free-form surface reflecting mirror, a coaxial refractive optical system and a free-form surface reflection in an imaging device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-20196 shown in FIG. This is a reduction optical system combined with an imaging system using a mirror and used as an imaging optical system. In this example, a zoom function is to be realized by moving an image forming system using a free-form curved reflecting mirror and a coaxial refractive optical system. In this example, since a refractive optical element is included, the occurrence of chromatic aberration occurring in the system is unavoidable, and high-precision achromaticity cannot be performed.
また、図10に示す、特開平9−258106号公報に開示されている撮像装置のように、反射光学系のみを組み合わせて構成した例があるが、この例の場合、移動群+固定群+移動群の構成であり、必ず固定群を間に挟まなければならない。後述するように、投射光学系は画像表示及び照明光学系から射出される光軸を上方に投射する光軸に偏向する群が必要となり、その偏向後の光束をこのように移動群+固定群+移動群のように3群で変倍するように構成すると、全部で4群構成となり光学系全体が非常に大型化する。また同公開公報に於ける実施例のように各群が4面から5面の面構成では更なる大型化が避けられない。 Further, there is an example in which only a reflection optical system is combined as in the imaging apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-258106 shown in FIG. 10, but in this example, a moving group + a fixed group + It is a moving group configuration, and a fixed group must be sandwiched between them. As will be described later, the projection optical system requires a group that deflects the optical axis emitted from the image display and illumination optical system to the optical axis that projects upward, and thus the deflected light beam is thus moved group + fixed group If it is configured to change the magnification by three groups as in the + moving group, the total number of groups becomes four, and the entire optical system becomes very large. Further, as in the embodiment in the publication, further increase in size is inevitable if each group has a surface configuration of 4 to 5 surfaces.
更に、上記特開平10−20196号公報、特開平9−258106号公報の双方の開示された実施例に共通であるのは、自由曲面反射鏡の組み合わせによる結像系の各群を、透明な屈折部材の表面に自由曲面反射面を形成し、該透明部材の内部を光束が通過する構成であるため、該自由曲面反射鏡が全て裏面反射鏡による構成にしたことである。このため該透明部材への入射面と射出面が存在し、これらの面では屈折が起こり色収差が発生する。ある物体距離と像距離で決まる結像条件に於いては入射面と射出面で発生する色収差を相殺する構成をとることができる。しかしながら、ズーミングの動作によりこれらの各群の部分結像倍率が変化するので、これら入射面、射出面に於ける色収差の発生を常に完全に相殺できる条件を決定するのは困難であった。
一般に自由曲面反射鏡を組み合わせ結像系を構成する場合、各ミラー間の相対的な位置関係は非常に重要である。反射結像系の場合、屈折結像系に比較して面の変形変位の影響は2倍になって効くので、一旦結像系を組んだら各反射鏡は動かないように非常に強力に固定されているか、若しくは、特開平10−20196号公報、特開平9−258106号公報に開示されているように、その内部を光束が裏面反射しながら伝搬するような透明部材のバルク形状の部材表面に裏面反射鏡として作り込み事実上その相対位置が動かないようにしてしまう。 In general, when a free-form curved mirror is combined to form an imaging system, the relative positional relationship between the mirrors is very important. In the case of a reflective imaging system, the effect of surface deformation is doubled compared to a refractive imaging system, so once the imaging system is assembled, each reflector is fixed very strongly so that it does not move. Or, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 10-20196 and 9-258106, a bulk member surface of a transparent member in which a light beam propagates while reflecting backside. As a back reflector, the relative position is prevented from moving.
各光線の鏡面上での通過点が、反射鏡面自体が動くことにより設計時に想定された状態と異なり、光線の通り方が変わってずれが発生する。言い換えると、設計時に或る光線がN番目の鏡面上の所定の点を通過、即ち反射偏向され次のN+1番目の鏡面の所定の位置の点に衝突しそこで再び反射偏向される。この反射偏向を繰り返して物体上のある点から発する各光線が像面まで至り、物体上の点に対応する像面上の或る一点に収束するというのがアプラナティックな正しい結像関係であるが、N番目の面に於いて光線の通過点が所定の位置からずれると、曲面を持つミラーの場合、局所的なミラーの傾き角度が異なるため、一般に偏向角度が変化する。その結果、N番目のミラーを経た光線は、次のN+1番目のミラーの上で本来その光線が通過する筈であった位置と異なる位置に到達し、その結果また到達した位置での局所的なミラーの角度が元来想定されていた状態と異なるため、そこで反射偏向された光線は更に本来の方向とは異なる方向に進行する。このずれは面を経る度にどんどん大きくなって行き、ひいては光学系を通った光線全体の結像性能にまで影響を及ぼしてしまうことになる。 Unlike the state assumed at the time of design, the passing point of each light ray on the mirror surface is different from the state assumed at the time of design due to the movement of the reflecting mirror surface itself. In other words, at the time of design, a certain ray passes through a predetermined point on the Nth specular surface, that is, is reflected and deflected, collides with a point at a predetermined position on the next N + 1th specular surface, and is reflected and deflected again there. By repeating this reflection deflection, each ray emitted from a certain point on the object reaches the image plane and converges to a certain point on the image plane corresponding to the point on the object. However, when the passing point of the light beam deviates from a predetermined position on the Nth surface, in the case of a mirror having a curved surface, the deflection angle generally changes because the local mirror tilt angle is different. As a result, the light beam that has passed through the Nth mirror reaches a position on the next N + 1th mirror that is different from the position where the light beam originally intended to pass, and as a result, the local light beam at the position where the light beam reached again. Since the angle of the mirror is different from the originally assumed state, the light beam reflected and deflected there travels in a direction different from the original direction. This deviation increases with each passing through the surface, and thus affects the imaging performance of the entire light beam that has passed through the optical system.
ズーム光学系を構成しようとする場合、最低限2つの群を動かす必要がある。一つの群を動かすことにより倍率を変えつつ、もうひとつの群を動かすことにより物体及びスクリーンの間の物像間距離を一定に保つ、いわゆるバリエータとコンペンセータの役割をそれぞれ果たすようにする必要があるからである。本発明の偏心反射光学系のように光学素子の相対的なシフトが結像性能を大きく損なってしまう危険性を有する光学系の場合、次のように構成を採る必要がある。 When configuring a zoom optical system, it is necessary to move at least two groups. It is necessary to play a role of so-called variator and compensator, which changes the magnification by moving one group and keeps the distance between the object and the screen constant by moving the other group. Because. In the case of an optical system having a risk that the relative shift of the optical elements greatly impairs the imaging performance, such as the decentered reflection optical system of the present invention, it is necessary to adopt the following configuration.
まず本光学系に於いては物体である画像表示パネルの中心を発した一本の光軸を基準軸光線と定義する。該基準軸光線は各面の基準となる頂点(以この点を基準軸光線のヒットポイントとする)を反射通過しながら像面の中心に至る。 First, in the present optical system, one optical axis originating from the center of the image display panel as an object is defined as a reference axis ray. The reference axis ray reaches the center of the image plane while reflecting and passing through a vertex serving as a reference for each surface (hereinafter, this point is referred to as a hit point of the reference axis ray).
以上の点を踏まえて本発明が解決しようとする課題を以下にまとめる。 The problems to be solved by the present invention based on the above points are summarized below.
第一にズーミングによって光学素子の相対位置関係が変化したとき、スクリーンに投射される像の中心の位置が変化しないことが好ましい。これは、ズーミング操作に応じて投射画面がスクリーン上で上下に動くことがあるとスクリーンからはみ出したりして好ましくない。 First, it is preferable that the position of the center of the image projected on the screen does not change when the relative positional relationship of the optical elements changes due to zooming. This is not preferable because the projection screen may move up and down on the screen according to the zooming operation.
また、第二に本光学系に於いては一部の自由曲面反射鏡の偏心、移動によりヒットポイントに対して該基準軸光線の通過位置がずれると、そこでの基準軸光線の反射角度や空間上の偏向点の位置が変化してしまう。その結果、先に述べたように其れ以降の反射面上に於いても、基準軸光線が通るはずのヒットポイントを通過しないということが生ずる。従って、本来各面に於いて所定のヒットポイントを通過伝搬しながら像面まで至る各光線の結像関係が大きく変化してしまい本来の結像性能を大きく損なうことが懸念される。そこで、ズームによる群移動が生じても、基準軸光線の各面のヒットポイントは動かず、その周囲の光線群が基準軸光線を中心に、光束径を拡大縮小する方向に移動するのが好ましい。 Second, in this optical system, if the passing position of the reference axis ray is shifted with respect to the hit point due to the eccentricity or movement of some free-form curved reflectors, the reflection angle or space of the reference axis ray there The position of the upper deflection point will change. As a result, as described above, the hit point where the reference axis ray should pass does not pass even on the subsequent reflecting surfaces. Accordingly, there is a concern that the image formation relationship of each light beam that reaches the image plane while passing through a predetermined hit point on each surface is greatly changed, and the original image formation performance is greatly impaired. Therefore, even if group movement occurs due to zooming, it is preferable that the hit points on each surface of the reference axis ray do not move, and the surrounding ray group moves in the direction of expanding or reducing the beam diameter around the reference axis ray. .
第三として、これらを投射光学系として必要最小限の群構成で実現することが望ましい。 Third, it is desirable to realize these with a minimum group configuration as a projection optical system.
第四として、自由曲面反射鏡を組み合わせて構成した結像光学系は中空構成とするのが望ましい。 Fourth, it is desirable that the imaging optical system configured by combining free-form surface reflecting mirrors has a hollow configuration.
本発明の目的は上記の課題を解決可能な投射光学系を提供することである。 An object of the present invention is to provide a projection optical system capable of solving the above-described problems.
上記課題を解決するために、本発明の投射光学系は、複数の曲面反射ミラーを有し、少なくとも1つの画像表示素子からの光を被投射面に投写する投射光学系であって、変倍機能を有することを特徴としている。ここで、前記投射光学系が反射面のみからなることが好ましい。 In order to solve the above problems, a projection optical system according to the present invention is a projection optical system that has a plurality of curved reflecting mirrors and projects light from at least one image display element onto a projection surface. It is characterized by having a function. Here, it is preferable that the projection optical system includes only a reflective surface.
また、前記画像表示素子を複数有しており、該複数の画像表示素子からの光束を合成する色合成光学系を有しており、前記色合成光学系から出射する光束を前記被投射面に投射することが好ましい。 A plurality of the image display elements; a color combining optical system for combining light beams from the plurality of image display elements; and a light beam emitted from the color combining optical system on the projection surface. It is preferable to project.
また、変倍に際して、前記被投射面に投射される投射画像の中心の位置が実質的に動かないことが好ましい。 In zooming, it is preferable that the center position of the projection image projected on the projection surface does not substantially move.
また、前記投射画像の中心の位置が、前記被投射面に投射された前記投射画像を囲むことが可能な最小の円の直径の1%未満であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the position of the center of the projection image is less than 1% of the diameter of the smallest circle that can surround the projection image projected on the projection surface.
前記投射画像の中心の位置が、前記被投射面に投射された前記投射画像を囲むことが可能な最小の円の直径の0.5%未満であることが好ましい。 It is preferable that the center position of the projection image is less than 0.5% of the diameter of the smallest circle that can surround the projection image projected on the projection surface.
変倍に際して2つの光学ユニットが移動し、該2つの光学ユニットそれぞれが少なくとも2つの反射ミラー面を有することが好ましい。 It is preferable that two optical units move during zooming, and each of the two optical units has at least two reflecting mirror surfaces.
また、変倍に際して2つの光学ユニットが移動し、該2つの光学ユニットそれぞれが少なくとも2つの反射ミラー面から成ることが好ましい。 Further, it is preferable that the two optical units move during zooming, and each of the two optical units includes at least two reflecting mirror surfaces.
また、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを通る光束の主光線の光路を基準軸光線とするとき、前記基準軸光線を上方に偏向する固定偏向群を有しており、変倍に際して2つの光学ユニットが、該固定偏向群を出射した基準軸光線の方向に沿って移動することが好ましい。 And a fixed deflection group for deflecting the reference axis ray upward when the optical path of the principal ray of the light beam passing through the center of the image display element and the center of the projection image of the projection surface is a reference axis ray. In zooming, it is preferable that the two optical units move along the direction of the reference axis light beam emitted from the fixed deflection group.
変倍に際して2つの光学ユニットが移動し、この2つの光学ユニットが移動する方向は、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを結ぶ直線に対して傾いていることが好ましい。 Two optical units move during zooming, and the direction in which the two optical units move is inclined with respect to a straight line connecting the center of the image display element and the center of the projected image of the projection surface. preferable.
変倍に際して2つの光学ユニットが移動し、該2つの光学ユニットのうち前記被投射面に近い光学ユニットを移動することによって、フォーカス調整が可能であることが好ましい。 It is preferable that two optical units move during zooming, and focus adjustment is possible by moving an optical unit close to the projection surface of the two optical units.
変倍に際して2つの光学ユニットが移動し、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを通る光束の主光線の光路を基準軸光線とするとき、該2つの光学ユニットのうち少なくとも一方に入射する基準軸光線と前記2つの光学ユニットのうち前記被投射面に近い光学ユニットから出射する基準軸光線との各々の方向余弦は、互いに略平行、且つ同符号であることが好ましい。 When the two optical units move at the time of zooming, and the optical path of the principal ray of the light beam passing through the center of the image display element and the center of the projected image on the projection surface is used as a reference axis light beam, The direction cosines of the reference axis ray incident on at least one of the two optical units and the reference axis ray emitted from the optical unit close to the projection surface of the two optical units are substantially parallel and have the same sign. preferable.
変倍に際して2つの光学ユニットが移動し、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを通る光束の主光線の光路を基準軸光線とするとき、該2つの光学ユニットのうち少なくとも一方に入射する基準軸光線と前記2つの光学ユニットのうち前記被投射面に近い光学ユニットから出射する基準軸光線との各々の方向余弦は、互いに略平行、且つ逆符号であることが好ましい。 When the two optical units move at the time of zooming, and the optical path of the principal ray of the light beam passing through the center of the image display element and the center of the projected image on the projection surface is used as a reference axis light beam, The direction cosines of the reference axis ray incident on at least one of the two optical units and the reference axis ray emitted from the optical unit close to the projection surface of the two optical units may be substantially parallel to each other and have opposite signs. preferable.
また、変倍に際して2つの光学ユニットが移動し、該2つの光学ユニットのいずれかを構成する反射面が3面のとき、該3面のパワーは正負正であることが好ましい。 Further, when the two optical units move during zooming, and there are three reflecting surfaces constituting either of the two optical units, it is preferable that the power of the three surfaces is positive or negative.
また、変倍に際して2つの光学ユニットが移動し、該2つの光学ユニットのいずれかを構成する反射面が2面のとき、該2面のパワーは共に正であることが好ましい。 Further, when the two optical units move during zooming and there are two reflecting surfaces constituting either of the two optical units, it is preferable that the powers of the two surfaces are both positive.
また、変倍に際して2つの光学ユニットが移動し、該2つの光学ユニットのうち前記画像表示素子に近い光学ユニットは、隣接する面同士で相互にパワーが逆であり、且つ最終面のパワーが続く群の最初の面のパワーと逆であることが好ましい。 In addition, two optical units move during zooming, and among the two optical units, the optical units close to the image display element have opposite powers between adjacent surfaces, and the power of the final surface continues. Preferably it is the opposite of the power of the first face of the group.
前記複数の曲面反射ミラーのうち少なくとも1つは非回転対称な曲面形状を有していることを特徴とする請求項1乃至16いずれかに記載の投射光学系。
The projection optical system according to
また、本発明の別の側面の画像投射装置は、少なくとも1つの画像表示素子と、光源からの光で前記少なくとも1つの画像表示素子を照明する照明光学系と、前記少なくとも1つの画像表示素子からの光束を被投射面に投射する、上述の投射光学系とを有することを特徴としている。ここで、前記少なくとも1つの画像表示素子が複数の画像表示素子であり、該複数の画像表示素子から出射した光束を合成する色合成光学系を有し、前記投射光学系が、該色合成光学系から出射した光束を前記被投射面に投射することが望ましい。 An image projection apparatus according to another aspect of the present invention includes at least one image display element, an illumination optical system that illuminates the at least one image display element with light from a light source, and the at least one image display element. It has the above-mentioned projection optical system which projects the light beam of this to a to-be-projected surface, It is characterized by the above-mentioned. Here, the at least one image display element is a plurality of image display elements, and includes a color synthesis optical system that synthesizes light beams emitted from the plurality of image display elements, and the projection optical system includes the color synthesis optical system. It is desirable to project the light beam emitted from the system onto the projection surface.
本発明により、投射装置の自由曲面ミラーを複数組み合わせて構成した画像投射結像光学系で、ズーム群、フォーカス調整群を部分的に移動することで変倍調整及びフォーカス調整を実行可能な系を実現出来る。 According to the present invention, an image projection imaging optical system configured by combining a plurality of free-form surface mirrors of a projection apparatus, a system capable of performing zooming adjustment and focus adjustment by partially moving a zoom group and a focus adjustment group. It can be realized.
本実施形態の説明に入る前に、実施形態の構成諸元の表し方及び実施形態全体の共通事項について説明する。 Prior to the description of the present embodiment, description will be given of how to represent the configuration specifications of the embodiment and common matters of the entire embodiment.
本発明の実施形態では物体側から像面に進む光線の到達する順序に従って第m番目の面を第m面とする。各反射面はガラス、プラスチック等で成形された表面形状に反射膜などを付着させた表面反射ミラーであり、各ミラー間の空間を満たす媒質は空気である。従って、本実施例は全て所謂中空型である。一方で、ガラスやプラスチックのバルクの表面に該自由曲面を複数形成して反射膜を付け、裏面ミラーとして、該媒質内部を光束が伝搬する構成でも構わない。 In the embodiment of the present invention, the m-th surface is defined as the m-th surface in the order of arrival of rays traveling from the object side to the image plane. Each reflecting surface is a surface reflecting mirror in which a reflecting film or the like is attached to a surface shape formed of glass, plastic or the like, and the medium filling the space between the mirrors is air. Therefore, all the examples are so-called hollow types. On the other hand, a configuration in which a plurality of free curved surfaces are formed on the surface of a glass or plastic bulk, a reflective film is attached, and a light beam propagates through the medium as a back mirror.
実施形態を説明するために、まず基準軸光線、グローバル座標系、ローカル座標系の三つの項目について定義し説明する。 In order to describe the embodiment, first, three items of a reference axis ray, a global coordinate system, and a local coordinate system are defined and described.
本発明の光学系はOff−Axial光学系であるため光学系を構成する各面は共通の光軸を持っていない。繰返しになるが、本発明の実施形態においては、先ず物体である画像表示素子から射出され該結像光学系を辿りながら像面へ至る一本の光線であって、光学系の絞り中心を通過する光線を基準と考え、該光線を基準軸光線と定義する。該基準軸光線は方向(向き)を持っている。その方向は基準の光線が結像に際して進行する方向である。基準軸光線は設定された各面の順番に沿って反射の法則に従ってその方向を変化させつつ、絞りの中心を通り、最終的に像面の中心に到達する。ここで、画像表示素子は1つであっても良いし、複数(好ましくは赤、青、緑用の3つ)あっても構わない。但し、画像表示素子を複数有する場合は、複数の画像表示素子からの複数の光束を合成する色合成光学系(図1、図3等に記載されているプリズム)を備え、この色合成光学系から出射した光束を投射光学系によりスクリーン等の被投射面に投射する。 Since the optical system of the present invention is an off-axial optical system, the surfaces constituting the optical system do not have a common optical axis. To repeat, in the embodiment of the present invention, a light beam that is first emitted from the image display element, which is an object, reaches the image plane while following the imaging optical system, and passes through the center of the stop of the optical system. The light beam to be used is regarded as a reference, and the light beam is defined as a reference axis light beam. The reference axis ray has a direction (orientation). The direction is the direction in which the reference ray travels during imaging. The reference axis ray passes through the center of the stop and finally reaches the center of the image plane while changing its direction in accordance with the law of reflection along the set order of each surface. Here, there may be one image display element or a plurality (preferably three for red, blue, and green). However, in the case of having a plurality of image display elements, a color synthesis optical system (a prism described in FIG. 1, FIG. 3, etc.) for synthesizing a plurality of light beams from the plurality of image display elements is provided. The light beam emitted from the projector is projected onto a projection surface such as a screen by a projection optical system.
次に、画像表示素子である物体面の中心の点を原点とするグローバル座標系(グローバル座標は大文字XYZで表現する)を考え、グローバル座標系の各軸を以下のように定め、図1を用いて説明する。尚、座標系は右手系とする。
(1)Z軸:図1に示すようにグローバル原点を通り、物体面から第1ミラーに向かう方向を正とする。
(2)Y軸:図1に示すようにグローバル原点を通りZ軸に対して90゜をなす直線。図1に於いて図上方をY軸の正符号方向とする。本発明において、上記基準軸光線はYZ面内に存在するものとする。従って、本発明の各実施形態の反射結像光学系を構成する曲面ミラーはすべてがYZ面内でチルトしている。本発明の各実施形態の各図に於いて紙面はYZ面内と一致する。また、上記座標系は本発明の各実施形態の各図に於いて共通であり、Y軸の正方向は図面上側である。
(3)X軸:原点を通りZ、Y各軸に垂直な直線。即ち、各図の紙面に垂直な方向の直線である。右手系なので正は紙面奥側となる。
Next, consider a global coordinate system (global coordinates are expressed by capital letters XYZ) with the origin at the center point of the object plane that is the image display element. Each axis of the global coordinate system is defined as follows, and FIG. It explains using. The coordinate system is a right-handed system.
(1) Z-axis: As shown in FIG. 1, the direction from the object plane toward the first mirror through the global origin is positive.
(2) Y axis: A straight line passing through the global origin and forming 90 ° with respect to the Z axis as shown in FIG. In FIG. 1, the upper side of the drawing is the positive sign direction of the Y axis. In the present invention, it is assumed that the reference axis ray exists in the YZ plane. Accordingly, all the curved mirrors constituting the reflective imaging optical system of each embodiment of the present invention are tilted in the YZ plane. In each figure of each embodiment of the present invention, the paper surface coincides with the YZ plane. The coordinate system is common in the drawings of the embodiments of the present invention, and the positive direction of the Y-axis is the upper side of the drawing.
(3) X axis: A straight line passing through the origin and perpendicular to the Z and Y axes. That is, it is a straight line in a direction perpendicular to the paper surface of each figure. Since it is a right-handed system, the positive is the back side of the page.
光学系を構成する第m面の面形状を表現するには、グローバル座標系にてその面の形状を表記するより、基準軸光線上を面間隔だけ移動した点をローカル原点とするローカル座標系(ローカル座標は小文字xyzで表現する)を設定して、各面毎に対応したローカル座標系でその面の面形状を表した方が形状を認識する上で理解し易いため、第m面の面形状をローカル座標系(右手系)で表わす。また、面のチルトも各面に対応するローカル座標系をグローバル座標系に対してチルトさせることにより表現することとする。第m面に対応するローカル座標系のYZ面内でのチルト角はグローバル座標系のZ軸に対して反時計回り方向を正とした角度θm(単位[°])で表す。よって、当然のことながら本発明の実施形態では各面のローカル座標の原点は全てYZ平面上にある。またXZおよびXY面内での面の偏心はない。さらに、第m面のローカル座標(x,y,z)のy,z軸はグローバル座標系(X,Y,Z)に対してYZ面内で角度θm傾いており、具体的には以下のように設定する。
(1)z軸:ローカル座標の原点を通り、グローバル座標系のZ方向に対しYZ面内において反時計方向に角度θmをなす直線。
(2)y軸:ローカル座標の原点を通り、z方向に対しYZ面内において反時計方向に90゜をなす直線。
(3)x軸:ローカル座標の原点を通り、YZ面に対し垂直な直線。
(4)Lmは第m面と第m+1面のローカル座標の原点間の間隔を表すスカラー量である。(単位[mm])
但し、最終面に関しては面のローカル原点から像面の中心までの距離を示す。
本発明の光学系は少なくとも回転非対称な非球面を一面以上有し、その形状はローカル座標系上に以下の(1)式により表す:
但し、C02、C20、C03、C21、C04、C22、C40、C05、C23、C41、C06、C24、C42、C60 は、非球面係数である。
z(x、y)=C02y2+C20x2+C03y3+C21x2y+C04y4+C22x2y2+C40x4+C05y5+C23x2y3+C41x4y+C06y6+C24x2y4+C42x4y2+C60x6‥‥(1)
In order to express the surface shape of the m-th surface constituting the optical system, the local coordinate system using the point moved on the reference axis ray by the surface distance as the local origin rather than describing the shape of the surface in the global coordinate system (Local coordinates are expressed in lower case xyz), and the surface shape of the surface in the local coordinate system corresponding to each surface is easier to understand when recognizing the shape. The surface shape is expressed in the local coordinate system (right hand system). The tilt of the surface is also expressed by tilting the local coordinate system corresponding to each surface with respect to the global coordinate system. The tilt angle in the YZ plane of the local coordinate system corresponding to the m-th plane is represented by an angle θm (unit [°]) with the counterclockwise direction being positive with respect to the Z axis of the global coordinate system. Therefore, as a matter of course, in the embodiment of the present invention, the origins of the local coordinates of each surface are all on the YZ plane. There is no surface eccentricity in the XZ and XY planes. Furthermore, the y and z axes of the local coordinates (x, y, z) of the m-th plane are inclined at an angle θm in the YZ plane with respect to the global coordinate system (X, Y, Z). Set as follows.
(1) z-axis: a straight line that passes through the origin of local coordinates and forms an angle θm counterclockwise in the YZ plane with respect to the Z direction of the global coordinate system.
(2) y-axis: a straight line that passes through the origin of local coordinates and forms 90 ° counterclockwise in the YZ plane with respect to the z direction.
(3) x-axis: a straight line passing through the origin of local coordinates and perpendicular to the YZ plane.
(4) Lm is a scalar quantity that represents the distance between the origins of the local coordinates of the mth and m + 1th planes. (Unit [mm])
However, for the final surface, the distance from the local origin of the surface to the center of the image surface is shown.
The optical system of the present invention has at least one rotationally asymmetric aspheric surface, and the shape thereof is represented by the following equation (1) on the local coordinate system:
However, C02, C20, C03, C21, C04, C22, C40, C05, C23, C41, C06, C24, C42, and C60 are aspherical coefficients.
z (x, y) = C02y 2 + C20x 2 +
上記曲面(1)式は平面をベースとする回転非対称面を表し、xに関して偶数次の項のみであるため、上記曲面式により規定される曲面はyz面を対称面とする面対称な形状である。さらに以下の条件が満たされる場合はxz面に対して対称な形状を表す。
C03=C21=C05=C23=C41=0
さらに
C02=C20、C04=C40=C22/2、C06=C60=C24/3=C42/3
が満たされる場合は回転対称な形状を表す。以上の条件を満たさない場合は非回転対称な形状である。
Since the curved surface (1) represents a rotationally asymmetric surface based on a plane and is only an even-order term with respect to x, the curved surface defined by the curved surface equation has a plane-symmetric shape with the yz plane as a symmetry plane. is there. Furthermore, when the following conditions are satisfied, it represents a symmetrical shape with respect to the xz plane.
C03 = C21 = C05 = C23 = C41 = 0
Furthermore, C02 = C20, C04 = C40 = C22 / 2, C06 = C60 = C24 / 3 = C42 / 3
Represents a rotationally symmetric shape. When the above conditions are not satisfied, the shape is non-rotationally symmetric.
次に本発明の各実施形態について説明する。 Next, each embodiment of the present invention will be described.
まず、投射結像光学系のズーミング動作によって基準軸光線の各面上のヒットポイントが動かないように光学系を配置構成することである。本発明による自由曲面反射面は各面毎にその表現式に於いて一次の項を持たないため、基準軸光線のヒットポイント近傍の微小な領域に於ける傾きは、その面の非球面係数が変化して面形状が変化した場合に於いても、(常にその微小領域に於いて)一定である。従って、本光学系を設計する基本的な骨格が構成され、ズーミング動作による各群間の相対的な位置変化が生じてもこの基準軸が動かなければ投映画像もこの基準軸光線を中心にして、拡大縮小するので投射画像の中心の位置は移動しない。 First, the optical system is arranged and configured so that the hit points on each surface of the reference axis ray do not move by the zooming operation of the projection imaging optical system. Since the free-form curved reflecting surface according to the present invention does not have a first-order term in the expression for each surface, the inclination in a minute region near the hit point of the reference axis ray is the aspheric coefficient of the surface. Even when the surface shape changes due to the change, it is constant (always in the minute region). Therefore, a basic skeleton for designing this optical system is constructed, and even if a relative position change between each group occurs due to a zooming operation, if this reference axis does not move, the projected image will also be centered on this reference axis ray. Since the image is enlarged or reduced, the center position of the projection image does not move.
周知の通り、投射光学系の場合、画像表示素子及びそれを照明する照明系を構成する部分と、それらに連結し画像表示素子の画像をスクリーンに拡大投影する結像光学系の二つの部分からなるが、多くの場合、画像表示素子及び照明系の光路は装置の置かれる卓上なり台などの表面に平行な光路となっていることが多い。それに対して、当該装置から投射されるスクリーンは一般にその設置位置よりも高い場所に置かれるため、該結像光学系の光路は鉛直上方に仰角をもった斜めの光軸を有することになる。そのため、本発明に於いては画像表示素子及び照明装置からの光軸を該上方投射仰角を有する光軸へ偏向する自由曲面ミラーを1面又は2面必要とし、それらのミラーにより光路を上方へ偏向された光束をバリエータ、コンペンセータの機能を有するミラー群をその後ろに配置することでズーム投射結像系を構成する。該バリエータ、コンペンセータの群は入射してきた基準軸光線をそのまま平行に同符号方向に又は平行に逆符号方向に射出する構成を有している。これらの組み合わせによる該バリエータ、コンペンセータ群が移動することにより第一にズーミングによって光学素子の相対位置関係が変化したとき、スクリーンに投射される像の中心の位置が変化しない。また、フォーカシングによりスクリーンに投射される像の中心の位置が変化しないことが好ましいが、そのため前記コンペンセータ群をフォーカシングにも使用する。この結果、フォーカシングにより像が移動することもない。 As is well known, in the case of a projection optical system, the image display element and a part constituting an illumination system that illuminates the image display element and two parts of an image forming optical system that are connected to the image display element and project an image of the image display element on a screen are enlarged. However, in many cases, the optical paths of the image display element and the illumination system are often parallel to the surface of a table or table on which the apparatus is placed. On the other hand, since the screen projected from the apparatus is generally placed at a place higher than the installation position, the optical path of the imaging optical system has an oblique optical axis having an elevation angle vertically upward. Therefore, in the present invention, one or two free-form surface mirrors for deflecting the optical axis from the image display element and the illumination device to the optical axis having the upward projection elevation angle are required, and the optical path is moved upward by these mirrors. A zoom projection imaging system is configured by arranging a mirror group having a deflected light beam functioning as a variator and a compensator. The group of the variator and the compensator has a configuration in which the incident reference axis light beam is emitted as it is in the same sign direction or in parallel in the opposite sign direction. When the relative positional relationship between the optical elements is changed by zooming due to the movement of the variator and the compensator group by these combinations, the position of the center of the image projected on the screen does not change. Further, although it is preferable that the center position of the image projected on the screen does not change due to focusing, the compensator group is also used for focusing. As a result, the image does not move due to focusing.
上記バリエータ、コンペンセータ群はそれぞれ、ミラー2面又は3面でひとつの群を構成し、繰り返しになるが各群はそれぞれ基準軸光線の入射軸と射出軸を一致させ、且つ投射光軸にもそれを一致させているので、各群の移動により各面内の基準軸光線のヒットポイントは移動しない。 Each of the above variator and compensator groups constitutes one group with two or three mirrors, and each group is repeated, but each group has its incident axis and exit axis coincide with each other, and the projection optical axis also has it. Therefore, the hit point of the reference axis ray in each plane does not move due to the movement of each group.
また、これらのミラーは全て表面反射ミラーを組み合わせて中空型構造にて構成されているため、色収差の発生はない。 In addition, since these mirrors are all configured with a hollow structure by combining surface reflection mirrors, chromatic aberration does not occur.
図1〜2に示すのは、自由曲面反射結像光学系のミラー部分の図及び投射スクリーン(投射像)までの光路全体の図である。図1は本発明の投射光学系を用いた投射型表示装置の第1実施形態の要部概略図である。ここでは光源からの光を用いて画像表示素子を照明する照明光学系に関しては不図示であるが、勿論備えている方が好ましい。 FIGS. 1 and 2 are a diagram of a mirror portion of a free-form surface reflection imaging optical system and a diagram of the entire optical path to a projection screen (projection image). FIG. 1 is a schematic view of a main part of a first embodiment of a projection display device using the projection optical system of the present invention. Although an illumination optical system for illuminating the image display element using light from the light source is not shown here, it is of course preferable to provide it.
本実施例は画像表示素子により光強度変調された光を投射スクリーンに投射し、投射スクリーン面上に画像を形成するためのOff−Axial系を利用した投射光学系である。図2は図1の投射光学系の全体図である。 This embodiment is a projection optical system using an off-axial system for projecting light whose intensity is modulated by an image display element onto a projection screen and forming an image on the projection screen surface. FIG. 2 is an overall view of the projection optical system of FIG.
図1において物体面は画像表示素子の面と一致している。該画像表示素子は不図示の照明系により裏側から照明される。不図示の照明系はランプ、コンデンサーレンズ、波長を選択するフィルターなどから成り立っている。また本実施形態ではRGBの3枚の画像表示素子を使用し色合成プリズムを用いてRGB3色の画像を合成して投射する構成であるが、2枚の画像表示素子は不図示である。ひとつの画像表示素子と色合成プリズムが図示されている。これは全ての実施例について共通であるが、
(1)反射曲面総数は6面
(2)物体面から色合成プリズムまでの距離:11.0
(3)色合成プリズム厚さ:28.0
(4)Nd:1.872690、νd:32.33
(5)プリズム射出端面から第1ミラーのローカル座標原点までの距離:30.0
(単位[mm])である。
In FIG. 1, the object plane coincides with the plane of the image display element. The image display element is illuminated from the back side by an illumination system (not shown). The illumination system (not shown) includes a lamp, a condenser lens, a filter for selecting a wavelength, and the like. In the present embodiment, three RGB image display elements are used and a RGB color image is synthesized and projected using a color synthesis prism, but the two image display elements are not shown. An image display element and a color synthesis prism are shown. This is common for all examples,
(1) The total number of reflection curved surfaces is 6 (2) The distance from the object surface to the color synthesis prism: 11.0
(3) Color composition prism thickness: 28.0
(4) Nd: 1.872690, νd: 32.33
(5) Distance from the prism exit end face to the local coordinate origin of the first mirror: 30.0
(Unit [mm]).
図1、図2において、反射結像光学系は画像表示素子からの光線の通過順に、第1ミラー(凹面)・絞り・第2ミラー(凸面)・第3ミラー(凹面)・第4ミラー(凸面)・第5ミラー(凹面)・第6面ラー(凹面)の6つの反射面で構成されている。すべての反射面はYZ平面のみに対して対称な面である。ここで、第4ミラーと第5ミラーの間で画像表示素子による画像は中間結像しており、絞りは第6ミラー後の位置で結像している。 1 and 2, the reflective imaging optical system includes a first mirror (concave surface), a diaphragm, a second mirror (convex surface), a third mirror (concave surface), a fourth mirror (in order of passage of light rays from the image display element). Convex surface), 5th mirror (concave surface), and 6th surface mirror (concave surface). All the reflection surfaces are symmetrical with respect to only the YZ plane. Here, an image formed by the image display element is intermediately formed between the fourth mirror and the fifth mirror, and the diaphragm is formed at a position after the sixth mirror.
本提案に於ける全ての実施形態では、画像表示素子は対角0.7インチ(10.7×14.2mm)、投射スクリーンの大きさは縦横比3:4の対角70インチ(1067×1422mm)である。また、投射スクリーンの法線は、投射スクリーンに入射する直前の基準軸光線に対し40度傾いている。画像表示素子は所謂XGA(1024×768画素)であり、画素のピッチはスクリーン側で1.4mmであり、このときの空間遮断周波数は1/2.8=0.36本/mmである。 In all embodiments in the proposal, the image display element is 0.7 inches diagonal (10.7 × 14.2 mm), and the projection screen size is 70 inches diagonal (1067 × 10) with an aspect ratio of 3: 4. 1422 mm). Further, the normal line of the projection screen is inclined by 40 degrees with respect to the reference axis light beam immediately before entering the projection screen. The image display element is a so-called XGA (1024 × 768 pixels), the pixel pitch is 1.4 mm on the screen side, and the spatial cutoff frequency at this time is 1 / 2.8 = 0.36 lines / mm.
実際の装置の使用状態を考慮した設置形態のひとつの例である、投射スクリーンの面が鉛直方向に平行であるように、且つ基準軸光線全てを含む平面を該投射スクリーンに垂直な鉛直面内になるように装置を設置した場合、装置の最終反射面からスクリーンまで水平方向に測った場合の投射距離は、L6×Cos40°=2837mm×Cos40°=2173mmである。 An example of an installation configuration that takes into account the actual use state of the apparatus, such that the plane of the projection screen is parallel to the vertical direction, and a plane including all the reference axis rays is within the vertical plane perpendicular to the projection screen. When the device is installed so that the projection distance is measured in the horizontal direction from the final reflection surface of the device to the screen, the projection distance is L6 × Cos 40 ° = 2837 mm × Cos 40 ° = 2173 mm.
下記の表1に第1実施例の設計値を示す。構成データではパネル面から像面(投射スクリーン面)に至る各面に順に番号を付している。物体側のF値は2.8である。 Table 1 below shows design values of the first embodiment. In the configuration data, each surface from the panel surface to the image surface (projection screen surface) is numbered sequentially. The F value on the object side is 2.8.
第1実施例においては、画像表示素子側(縮小共役側、縮小側)から順に、第1、2ミラーが第1光学ユニット(ミラー群、光学群)で、第3、4ミラーが第2光学ユニット、第5、6ミラーが第3光学ユニットであり、正負正の3つの光学ユニットを有する投射光学系である。ここで、第2光学ユニット、すなわち第3面と第4面で構成されるのがバリエータ、第3光学ユニット、すなわち第5面と第6面で構成されるのがコンペンセータでありこれらが変倍群である。また、第5面と第6面の2つので構成される群がフォーカス群でもある。ここで、第5面のチルト角θ5と第6面のチルト角θ6はそれぞれ5°と5°であり等しい。グローバル座標系のZ軸に対して、バリエータ、コンペンセータ群に入射する基準軸光線が成す角度は、40°であり、バリエータ、コンペンセータ群を射出する基準軸光線がグローバルZ軸に対して成す角度は、同じく40°である。該フォーカス群はこの光軸に平行な、グローバルZ軸に対して40°の角度を成す方向軸に平行移動することで変倍及びフォーカス調整機能を有する。 In the first embodiment, in order from the image display element side (reduction conjugate side, reduction side), the first and second mirrors are the first optical unit (mirror group, optical group), and the third and fourth mirrors are the second optical unit. The unit, the fifth and sixth mirrors are the third optical unit, and a projection optical system having three positive and negative optical units. Here, the second optical unit, that is, the third surface and the fourth surface is composed of the variator, and the third optical unit, that is, the fifth surface and the sixth surface is composed of the compensator. A group. In addition, a group composed of two of the fifth surface and the sixth surface is also a focus group. Here, the tilt angle θ5 of the fifth surface and the tilt angle θ6 of the sixth surface are 5 ° and 5 °, respectively, and are equal. The angle formed by the reference axis ray incident on the variator / compensator group with respect to the Z axis of the global coordinate system is 40 °, and the angle formed by the reference axis ray emitted from the variator / compensator group with respect to the global Z axis is The angle is also 40 °. The focus group has a scaling function and a focus adjustment function by moving in parallel with a direction axis that is parallel to the optical axis and forms an angle of 40 ° with the global Z axis.
次に図3〜4に示すのは、本発明に於ける第2の実施形態の自由曲面反射結像光学系のミラー部分の図及び投射スクリーン(投射像)までの光路全体の図である。 Next, FIGS. 3 to 4 are a diagram of the mirror part of the free-form surface reflection imaging optical system of the second embodiment in the present invention and a diagram of the entire optical path to the projection screen (projection image).
本実施例は画像表示素子により光強度変調された光を投射スクリーンに投射し、投射スクリーン面上に画像を形成するためのOff−Axial系を利用した投射光学系である。図4は図3の投射光学系の全体図である。ここでは光源からの光を用いて画像表示素子を照明する照明光学系に関しては不図示であるが、勿論備えている方が好ましい。 This embodiment is a projection optical system using an off-axial system for projecting light whose intensity is modulated by an image display element onto a projection screen and forming an image on the projection screen surface. FIG. 4 is an overall view of the projection optical system of FIG. Although an illumination optical system for illuminating the image display element using light from the light source is not shown here, it is of course preferable to provide it.
図3は本発明の投射光学系を用いた投射型表示装置の第2実施形態の要部概略図である。本第2の実施形態では、ワイド、ミドル、テレの3つの状態のミラーの位置を重ねて図に示している。この表示の場合、3状態が重なっているため図が煩雑になる反面、3状態を一度に把握し易い面もあるので、第2実施形態は光学系の拡大図及び全体図である図3、4共にこのワイド、ミドル、テレの3状態を重ねて表示した図で説明するものとする。 FIG. 3 is a schematic view of a main part of a second embodiment of a projection display device using the projection optical system of the present invention. In the second embodiment, the positions of the mirrors in the three states of wide, middle, and tele are shown in an overlapping manner. In the case of this display, since the three states overlap each other, the drawing becomes complicated. However, since there are also aspects that make it easy to grasp the three states at once, the second embodiment is an enlarged view and an overall view of the optical system in FIG. 4 will be described using a diagram in which the three states of wide, middle, and tele are displayed in an overlapping manner.
図3において物体面は画像表示素子の面と一致している。該画像表示素子は不図示の照明系により裏側から照明される。不図示の照明系はランプ、コンデンサーレンズ、波長を選択するフィルターなどから成り立っている。また本実施形態ではRGBの3枚の画像表示素子を使用し色合成プリズムを用いてRGB3色の画像を合成して投射する構成であるが、2枚の画像表示素子は不図示である。ひとつの画像表示素子と色合成プリズムが図示されている。これは全ての実施例について共通であるが、
(1)反射曲面総数は6面
(2)物体面から色合成プリズムまでの距離:11.0
(3)色合成プリズム厚さ:28
(4)Nd:1.872690、νd:32.33
(5)プリズム射出端面から第1ミラーのローカル座標原点までの距離:30.0
(単位[mm])である。
In FIG. 3, the object plane coincides with the plane of the image display element. The image display element is illuminated from the back side by an illumination system (not shown). The illumination system (not shown) includes a lamp, a condenser lens, a filter for selecting a wavelength, and the like. In the present embodiment, three RGB image display elements are used and a RGB color image is synthesized and projected using a color synthesis prism, but the two image display elements are not shown. An image display element and a color synthesis prism are shown. This is common for all examples,
(1) The total number of reflection curved surfaces is 6 (2) The distance from the object surface to the color synthesis prism: 11.0
(3) Color composition prism thickness: 28
(4) Nd: 1.872690, νd: 32.33
(5) Distance from the prism exit end face to the local coordinate origin of the first mirror: 30.0
(Unit [mm]).
図3、図4において、反射結像光学系は画像表示素子からの光線の通過順に、第1ミラー(凹面)・第2ミラー(凸面)・絞り・第3ミラー(凹面)・第4ミラー(凸面)・第5ミラー(凹面)・第6面ラー(凸面)・第7面ラー(凹面)の7つの反射面で構成されている。すべての反射面はYZ平面のみに対して対称な面である。ここで、第4ミラーと第5ミラーの間で画像表示素子による画像は中間結像しており、絞りは第6ミラー後の位置で結像している。 3 and 4, the reflective imaging optical system includes a first mirror (concave surface), a second mirror (convex surface), an aperture, a third mirror (concave surface), a fourth mirror (in order of passage of light rays from the image display element). Convex surface), 5th mirror (concave surface), 6th surface (convex surface), 7th surface (concave surface). All the reflection surfaces are symmetrical with respect to only the YZ plane. Here, an image formed by the image display element is intermediately formed between the fourth mirror and the fifth mirror, and the diaphragm is formed at a position after the sixth mirror.
本提案に於ける全ての実施形態では、画像表示素子は対角0.7インチ(10.7×14.2mm)、投射スクリーンの大きさは縦横比3:4の対角70インチ(1067×1422mm)である。また、投射スクリーンの法線は、投射スクリーンに入射する直前の基準軸光線に対し40度傾いている。画像表示素子は所謂XGA(1024×768画素)であり、画素のピッチはスクリーン側で1.4mmであり、このときの空間遮断周波数は1/2.8=0.36本/mmである。 In all embodiments in the proposal, the image display element is 0.7 inches diagonal (10.7 × 14.2 mm), and the projection screen size is 70 inches diagonal (1067 × 10) with an aspect ratio of 3: 4. 1422 mm). Further, the normal line of the projection screen is inclined by 40 degrees with respect to the reference axis light beam immediately before entering the projection screen. The image display element is a so-called XGA (1024 × 768 pixels), the pixel pitch is 1.4 mm on the screen side, and the spatial cutoff frequency at this time is 1 / 2.8 = 0.36 lines / mm.
実際の装置の使用状態を考慮した設置形態のひとつの例である、投射スクリーンの面が鉛直方向に平行であるように、且つ基準軸光線全てを含む平面を該投射スクリーンに垂直な鉛直面内になるように装置を設置した場合、装置の最終反射面からスクリーンまで水平方向に測った場合の投射距離は、L7×Cos40°=2300mm×Cos40°=1760mmである。この水平投射距離が設計時の基準となっている。 An example of an installation configuration that takes into account the actual use state of the apparatus, such that the plane of the projection screen is parallel to the vertical direction, and a plane including all the reference axis rays is within the vertical plane perpendicular to the projection screen. When the device is installed so that the projection distance is measured in the horizontal direction from the final reflection surface of the device to the screen, the projection distance is L7 × Cos 40 ° = 2300 mm × Cos 40 ° = 1760 mm. This horizontal projection distance is a reference for design.
下記に第2実施例の設計値を示す。構成データではパネル面から像面(投射スクリーン面)に至る各面に順に番号を付している。
物体側のF値は3.3。
The design values of the second embodiment are shown below. In the configuration data, each surface from the panel surface to the image surface (projection screen surface) is numbered sequentially.
The F value on the object side is 3.3.
第2実施例においては、画像表示素子側(縮小共役側、縮小側)から順に、第1、2ミラーが第1光学ユニット(ミラー群、光学群)で、第3、4ミラーが第2光学ユニット、第5、6ミラーが第3光学ユニットであり、正負正の3つの光学ユニットを有する投射光学系である。ここで、第2光学ユニット、すなわち第3面と第4面で構成されるのがバリエータ、第3光学ユニット、すなわち第5面と第6面で構成されるのがコンペンセータ。 In the second embodiment, in order from the image display element side (reduction conjugate side, reduction side), the first and second mirrors are the first optical unit (mirror group, optical group), and the third and fourth mirrors are the second optical unit. The unit, the fifth and sixth mirrors are the third optical unit, and a projection optical system having three positive and negative optical units. Here, the second optical unit, that is, the third surface and the fourth surface is a variator, and the third optical unit, that is, the fifth surface and the sixth surface is a compensator.
この第2実施例において、第3面と第4面で構成されるのがバリエータ、第5面と第6面と7面の3つの面で構成されるのがコンペンセータである。また、第5面と第6面と第7面の3つの面で構成される群がコンペンセータ/フォーカス群でもある。グローバル座標系のZ軸に対して、フォーカス群に入射する基準軸光線が成す角度は、40°であり、コンペンセータ/フォーカス群を射出する基準軸光線がグローバルZ軸に対して成す角度は、同じく40°である。該コンペンセータ/フォーカス群はこの光軸に平行な、グローバルZ軸に対して40°の角度を成す方向軸に平行移動することでフォーカス調整機能を有する。第5〜7図は第2実施例の基準となる前述の投射距離1760mmに於ける像面上各点のMTFのワイド端、ミドル、テレ端のdefocus特性及びDistortionである。同図に於いて横軸はdefocus量であり、0の点が基準の像面の位置(基準投射位置)である。defocus量は、前述の基準投射距離を測った水平方向に沿って測ったものである。この時の空間周波数は画像表示素子の画素ピッチから決まる投射スクリーン側に於ける周波数0.36本/mmである。
In the second embodiment, a variator is constituted by the third surface and the fourth surface, and a compensator is constituted by the three surfaces of the fifth surface, the sixth surface and the seventh surface. A group composed of three surfaces of the fifth surface, the sixth surface, and the seventh surface is also a compensator / focus group. The angle formed by the reference axis ray incident on the focus group with respect to the Z axis of the global coordinate system is 40 °, and the angle formed by the reference axis ray emitted from the compensator / focus group with respect to the global Z axis is the same 40 °. The compensator / focus group has a focus adjustment function by moving parallel to a direction axis that is parallel to the optical axis and forms an angle of 40 ° with the global Z axis. 5 to 7 show the defocus characteristics and distortion of the wide end, middle and tele end of the MTF at each point on the image plane at the above-mentioned projection distance of 1760 mm which is the reference of the second embodiment. In the figure, the horizontal axis is the amount of focus, and the
本実施例は以下のように記載することができる。 This example can be described as follows.
本発明の投射光学系は、複数の曲面反射ミラーを有し、少なくとも1つの画像表示素子からの光を被投射面に投写する投射光学系であって、変倍機能を有することを特徴としている。ここで、前記投射光学系が反射面のみからなることが好ましい。また、前記画像表示素子を複数有しており、該複数の画像表示素子からの光束を合成する色合成光学系を有しており、前記色合成光学系から出射する光束を前記被投射面に投射することが好ましい。また、変倍に際して、前記被投射面に投射される投射画像の中心の位置が実質的に動かないことが好ましい。また、前記投射画像の中心の位置が、前記被投射面に投射された前記投射画像を囲むことが可能な最小の円の直径の1%未満であることが好ましい。前記投射画像の中心の位置が、前記被投射面に投射された前記投射画像を囲むことが可能な最小の円の直径の0.5%未満であることが好ましい。変倍に際して2つの光学ユニットが移動し、該2つの光学ユニットそれぞれが少なくとも2つの反射ミラー面を有することが好ましい。また、変倍に際して2つの光学ユニットが移動し、該2つの光学ユニットそれぞれが少なくとも2つの反射ミラー面から成ることが好ましい。また、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを通る光束の主光線の光路を基準軸光線とするとき、前記基準軸光線を上方に偏向する固定偏向群を有しており、変倍に際して2つの光学ユニットが、該固定偏向群を出射した基準軸光線の方向に沿って移動することが好ましい。 The projection optical system of the present invention is a projection optical system that has a plurality of curved reflection mirrors and projects light from at least one image display element onto a projection surface, and has a zooming function. . Here, it is preferable that the projection optical system includes only a reflective surface. A plurality of the image display elements; a color combining optical system for combining light beams from the plurality of image display elements; and a light beam emitted from the color combining optical system on the projection surface. It is preferable to project. In zooming, it is preferable that the center position of the projection image projected on the projection surface does not substantially move. Moreover, it is preferable that the position of the center of the projection image is less than 1% of the diameter of the smallest circle that can surround the projection image projected on the projection surface. It is preferable that the center position of the projection image is less than 0.5% of the diameter of the smallest circle that can surround the projection image projected on the projection surface. It is preferable that two optical units move during zooming, and each of the two optical units has at least two reflecting mirror surfaces. Further, it is preferable that the two optical units move during zooming, and each of the two optical units includes at least two reflecting mirror surfaces. And a fixed deflection group for deflecting the reference axis ray upward when the optical path of the principal ray of the light beam passing through the center of the image display element and the center of the projection image of the projection surface is a reference axis ray. In zooming, it is preferable that the two optical units move along the direction of the reference axis light beam emitted from the fixed deflection group.
変倍に際して2つの光学ユニットが移動し、この2つの光学ユニットが移動する方向は、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを結ぶ直線に対して傾いていることが好ましい。 Two optical units move during zooming, and the direction in which the two optical units move is inclined with respect to a straight line connecting the center of the image display element and the center of the projected image of the projection surface. preferable.
変倍に際して2つの光学ユニットが移動し、該2つの光学ユニットのうち前記被投射面に近い光学ユニットを移動することによって、フォーカス調整が可能であることが好ましい。 It is preferable that two optical units move during zooming, and focus adjustment is possible by moving an optical unit close to the projection surface of the two optical units.
変倍に際して2つの光学ユニットが移動し、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを通る光束の主光線の光路を基準軸光線とするとき、該2つの光学ユニットのうち少なくとも一方に入射する基準軸光線と前記2つの光学ユニットのうち前記被投射面に近い光学ユニットから出射する基準軸光線との各々の方向余弦は、互いに略平行、且つ同符号であることが好ましい。 When the two optical units move at the time of zooming, and the optical path of the principal ray of the light beam passing through the center of the image display element and the center of the projected image on the projection surface is used as a reference axis light beam, The direction cosines of the reference axis ray incident on at least one of the two optical units and the reference axis ray emitted from the optical unit close to the projection surface of the two optical units are substantially parallel and have the same sign. preferable.
変倍に際して2つの光学ユニットが移動し、前記画像表示素子の中心と前記被投射面の投射画像の中心とを通る光束の主光線の光路を基準軸光線とするとき、該2つの光学ユニットのうち少なくとも一方に入射する基準軸光線と前記2つの光学ユニットのうち前記被投射面に近い光学ユニットから出射する基準軸光線との各々の方向余弦は、互いに略平行、且つ逆符号であることが好ましい。 When the two optical units move at the time of zooming, and the optical path of the principal ray of the light beam passing through the center of the image display element and the center of the projected image on the projection surface is used as a reference axis light beam, The direction cosines of the reference axis ray incident on at least one of the two optical units and the reference axis ray emitted from the optical unit close to the projection surface of the two optical units may be substantially parallel to each other and have opposite signs. preferable.
また、変倍に際して2つの光学ユニットが移動し、該2つの光学ユニットのいずれかを構成する反射面が3面のとき、該3面のパワーは正負正であることが好ましい。 Further, when the two optical units move during zooming, and there are three reflecting surfaces constituting either of the two optical units, it is preferable that the power of the three surfaces is positive or negative.
また、変倍に際して2つの光学ユニットが移動し、該2つの光学ユニットのいずれかを構成する反射面が2面のとき、該2面のパワーは共に正であることが好ましい。 Further, when the two optical units move during zooming and there are two reflecting surfaces constituting either of the two optical units, it is preferable that the powers of the two surfaces are both positive.
また、変倍に際して2つの光学ユニットが移動し、該2つの光学ユニットのうち前記画像表示素子に近い光学ユニットは、隣接する面同士で相互にパワーが逆であり、且つ最終面のパワーが続く群の最初の面のパワーと逆であることが好ましい。 In addition, two optical units move during zooming, and among the two optical units, the optical units close to the image display element have opposite powers between adjacent surfaces, and the power of the final surface continues. Preferably it is the opposite of the power of the first face of the group.
前記複数の曲面反射ミラーのうち少なくとも1つは非回転対称な曲面形状を有していることが望ましい。 It is desirable that at least one of the plurality of curved reflection mirrors has a non-rotationally symmetric curved shape.
上記曲面反射ミラーの少なくともひとつは表面反射ミラーであることが望ましい。また、上記表面曲面反射ミラーの少なくともひとつは樹脂又はガラスで成形したものの表面に高反射のコーティングを施したものであることが望ましい。上記表面曲面反射ミラーの少なくともひとつは金属の薄板をプレス成形して所定の形状を転写したものの表面に高反射のコーティングを施したものであることが望ましい。上記表面曲面反射ミラーの少なくともひとつは金属を研削研磨した表面に高反射のコーティングを施したものであることが望ましい。 At least one of the curved reflecting mirrors is preferably a surface reflecting mirror. In addition, it is desirable that at least one of the above curved surface reflecting mirrors is made of resin or glass and has a surface with a highly reflective coating. It is desirable that at least one of the above curved surface reflecting mirrors is obtained by applying a highly reflective coating to the surface of a metal sheet that has been press-molded to transfer a predetermined shape. It is desirable that at least one of the curved surface reflecting mirrors has a highly reflective coating on a surface obtained by grinding and polishing a metal.
また、本発明の別の側面の画像投射装置は、少なくとも1つの画像表示素子と、光源からの光で前記少なくとも1つの画像表示素子を照明する照明光学系と、前記少なくとも1つの画像表示素子からの光束を被投射面に投射する上述の投射光学系とを有することを特徴としている。ここで、前記少なくとも1つの画像表示素子が複数の画像表示素子であり、該複数の画像表示素子から出射した光束を合成する色合成光学系を有し、前記投射光学系が、該色合成光学系から出射した光束を前記被投射面に投射することが望ましい。 An image projection apparatus according to another aspect of the present invention includes at least one image display element, an illumination optical system that illuminates the at least one image display element with light from a light source, and the at least one image display element. And the above-described projection optical system for projecting the luminous flux onto the projection surface. Here, the at least one image display element is a plurality of image display elements, and includes a color synthesis optical system that synthesizes light beams emitted from the plurality of image display elements, and the projection optical system includes the color synthesis optical system. It is desirable to project the light beam emitted from the system onto the projection surface.
Claims (19)
該複数の画像表示素子からの光束を合成する色合成光学系を有しており、
前記色合成光学系から出射する光束を前記被投射面に投射することを特徴とする請求項1又は2記載の投射光学系。 A plurality of the image display elements;
A color combining optical system for combining light beams from the plurality of image display elements;
The projection optical system according to claim 1, wherein a light beam emitted from the color synthesis optical system is projected onto the projection surface.
該複数の画像表示素子から出射した光束を合成する色合成光学系を有し、
前記投射光学系が、該色合成光学系から出射した光束を前記被投射面に投射することを特徴とする請求項18記載の画像投射装置。 The at least one image display element is a plurality of image display elements;
A color synthesizing optical system for synthesizing light beams emitted from the plurality of image display elements;
The image projection apparatus according to claim 18, wherein the projection optical system projects a light beam emitted from the color synthesis optical system onto the projection surface.
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