JP2008242025A - Projection optical system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は投影光学系に関するものであり、例えば、液晶表示素子やデジタル・マイクロミラー・デバイス等の表示素子を備えた画像投影装置に搭載されて、表示素子面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系、その投影光学系を有する投影型光学機器(特に投影型画像表示装置)に関するものである。 The present invention relates to a projection optical system. For example, the present invention is mounted on an image projection apparatus having a display element such as a liquid crystal display element or a digital micromirror device, and enlarges and projects an image on the display element surface on a screen surface. The present invention relates to a projection optical system, and a projection optical apparatus (particularly a projection image display apparatus) having the projection optical system.
持ち運びの容易なコンピュータ(ノート型パーソナルコンピュータ等)が盛んに使用されるようになってきたことに伴い、オフィスでの会議やプレゼンテーションにおいて、コンピュータ上で作成された画像の拡大表示にフロントタイプのプロジェクターが広く用いられるようになってきている。また、デジタル放送等の映像情報配信の多様化及び高精細化に伴い、家庭においてもプロジェクターを用いて大画面での画像鑑賞が行われるようになってきている。しかし、従来のプロジェクターを大画面で使用する場合、それに十分な投影空間を中・小会議室や家庭等で確保することは困難である。つまり、十分な投影空間を確保できなければ、従来のプロジェクターで大画面の画像投影を行うことは困難である。 As computers that are easy to carry (such as notebook personal computers) have become popular, front-type projectors can be used to enlarge images created on computers during office meetings and presentations. Are becoming widely used. In addition, with the diversification and high definition of video information distribution such as digital broadcasting, image viewing on a large screen has been performed at home using a projector. However, when a conventional projector is used on a large screen, it is difficult to secure a sufficient projection space in a medium / small conference room or home. That is, unless a sufficient projection space can be secured, it is difficult to project a large screen image with a conventional projector.
必要とされる投影空間を縮小しつつ大画面化を達成する方法として、投影光学系内に反射面を導入することにより、投影される画像の結像に用いられる結像光束の光路を投影装置内に折り込む構成が知られている。その反射面として偏芯させた反射面を用い、いわゆる非軸光学系の配置をとれば、光路を折りたたむ効果をより一層向上させることが可能である。また、スクリーン面に対して入射する光束の入射角度を大きくすることによって、投影光学系からスクリーンまでの距離を短縮する構成も知られている。 As a method for achieving a large screen while reducing the required projection space, a projection device is used to introduce an optical path of an imaging light beam used for imaging a projected image by introducing a reflecting surface in the projection optical system. A configuration of folding in is known. If an eccentric reflecting surface is used as the reflecting surface and a so-called non-axial optical system is arranged, the effect of folding the optical path can be further improved. Also known is a configuration in which the distance from the projection optical system to the screen is shortened by increasing the incident angle of the light beam incident on the screen surface.
空間的に限られた範囲内でプロジェクターを使用する場合、投影光学系がズーミング機能を備えていれば、プロジェクターやスクリーンの位置をほぼ固定したまま投影倍率を変えることができるので、その場で即座に拡大・縮小を行うことができて大変便利である。このようなズーミング機能を有する投影光学系として非軸光学系を用いたものが、特許文献1〜3で提案されている。また、スクリーンが移動した場合のピント合わせを可能とし、使用の都度変化するスクリーン位置に対応したピント合わせを可能とするために、フォーカシング機能は投影光学系において必須である。このようなフォーカシング機能を有する投影光学系として非軸光学系を用いたものが、特許文献4,5で提案されている。 When using a projector within a limited space, if the projection optical system has a zooming function, the projection magnification can be changed while the position of the projector or screen is almost fixed. It is very convenient to zoom in and out. Patent Documents 1 to 3 propose using a non-axial optical system as a projection optical system having such a zooming function. In addition, the focusing function is essential in the projection optical system in order to enable focusing when the screen moves and to enable focusing corresponding to the screen position that changes with each use. Patent Documents 4 and 5 propose using a non-axis optical system as a projection optical system having such a focusing function.
特許文献1,2で提案されている投影光学系は、非軸光学系の構成になっているが、共軸部分を平行移動させて全系の焦点距離を変化させることによりズーミングを行うものである。特許文献3で提案されている投影光学系は、ミラーを平行移動させて全系の焦点距離を変化させることによりズーミングを行うものである。また、特許文献4,5で提案されている投影光学系は、非軸配置のミラーを平行移動させて全系の焦点距離を変化させることによりフォーカシングを行うものである。
前述したように、非軸光学系を用いて光路を折りたためば、投影光学系を小さく構成することができる。しかし、軸上光線が1本の直線状にならないため、ズーミングやフォーカシングのために光学要素を移動させて焦点距離を変化させる場合、非軸光学系であることを考慮する必要がある。例えば、非軸光学系においてパワーを有する部分をただ単純に平行移動させると、投影光学系全体の焦点距離は変化するが、スクリーン面への射出光線が大きく移動してしまう。その結果、ズーミング中に画面中心が移動して、像トビの現象が現れることになる。例えば、特許文献5で提案されている投影光学系では、ミラーを平行移動させてフォーカシングを行う構成になっているが、フォーカシング中に軸上像点位置をほぼ一定にするための方法が開示されていないため、軸上位置をほぼ一定にしたフォーカシングの実現が困難である。 As described above, if the optical path is folded using a non-axis optical system, the projection optical system can be made smaller. However, since the axial ray does not become one straight line, it is necessary to consider that it is a non-axial optical system when the focal length is changed by moving the optical element for zooming or focusing. For example, if the portion having power in the non-axis optical system is simply translated, the focal length of the entire projection optical system changes, but the light beam emitted to the screen surface moves greatly. As a result, the center of the screen moves during zooming, and the phenomenon of image distortion appears. For example, the projection optical system proposed in Patent Document 5 is configured to perform focusing by moving a mirror in parallel, but a method for making the axial image point position substantially constant during focusing is disclosed. Therefore, it is difficult to achieve focusing with a substantially constant axial position.
特許文献1,2で提案されている投影光学系では、非軸光学系の共軸光学系部分の位置を変えることにより変倍が行われる。この変倍方法には、軸上の射出位置がズレないという利点がある。しかし、非軸配置されている部分の移動を伴わないため、非軸光学系の変倍を十分に実現しているとは言えない。また、物面と像面の一方又は両方が傾いた斜め投影光学系の場合、方向(例えば画面の縦横方向)に関係なく共軸部分の焦点距離を一律に変えると、ある焦点距離領域ではアナモフィック倍率の関係が崩れることになる。そのため、設計上の結像面(つまり、スクリーン面に相当する設計像面)と1次像点(つまり、共軸光学系での近軸像点に相当するピント位置)との関係を大きくずらすことにより、アナモフィックな倍率の関係を保つようにしている。しかし、この方法によると、設計上の結像面から1次像点が大きくずれている部分でデフォーカスの影響による性能の低下が生じてしまうため、高性能な投影光学系を実現することができない。
In the projection optical systems proposed in
特許文献3で提案されている投影光学系では、非軸配置のミラーがズーミング時に平行移動する構成になっており、特許文献4で提案されている投影光学系では、非軸配置のミラーがフォーカシング時に平行移動する構成になっている。非軸ミラーを移動させている点では、どちらも非軸光学系に適した変倍方法と言える。しかしながらこの方法では、移動させる非軸ミラーの構成部分に入射する軸上主光線と、移動させる非軸ミラーの構成部分から射出する軸上主光線と、を平行に設計しておくという、設計上の制約条件が必要になる。また、移動が軸上主光線に対して平行方向に行われるため、方向(例えば画面の縦横方向)によって、個々の焦点距離を自由に変化させることができない。その結果、特許文献1,2のように、ある焦点距離領域ではアナモフィック倍率の関係が崩れることになる。そのため、設計上の結像面と1次像点との関係を大きくずらすことにより、アナモフィックな倍率の関係を保つようにしている。しかし、この方法によると、設計上の結像面から1次像点が大きくずれている部分でデフォーカスの影響による性能の低下が生じてしまうため、高性能な投影光学系を実現することができない。
In the projection optical system proposed in Patent Document 3, the non-axis-arranged mirror is configured to move in parallel during zooming. In the projection optical system proposed in Patent Document 4, the non-axis-arranged mirror is focused. Sometimes it is configured to translate. In terms of moving the non-axis mirror, both are zooming methods suitable for non-axis optical systems. However, in this method, the axial chief ray incident on the component part of the non-axis mirror to be moved and the axial chief ray emitted from the component part of the non-axis mirror to be moved are designed in parallel. The restriction condition is necessary. Further, since the movement is performed in a direction parallel to the axial principal ray, individual focal lengths cannot be freely changed depending on the direction (for example, the vertical and horizontal directions of the screen). As a result, as in
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、非軸光学系による斜め投影において、像トビの発生なしに、非軸光学系の特長を活かした非軸光学系独特のズーミングやフォーカシングを可能とする高性能でコンパクトな投影光学系、及びそれを用いた投影型画像表示装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is a non-axis optical system that takes advantage of the characteristics of the non-axis optical system without causing image distortion in oblique projection by the non-axis optical system. It is an object of the present invention to provide a high-performance and compact projection optical system that enables unique zooming and focusing, and a projection-type image display device using the same.
上記目的を達成するために、第1の発明の投影光学系は、表示素子面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系であって、スクリーン面とスクリーン面へ入射する軸上主光線との成す角度が垂直ではなく、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを有し、前記反射ミラーを含む少なくとも1つの光学素子群の平行移動と回転移動により全系の焦点距離を変化させることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a projection optical system according to a first aspect of the present invention is a projection optical system for enlarging and projecting an image of a display element surface onto a screen surface, and is an axial principal ray incident on the screen surface and the screen surface. And a rotationally asymmetric reflecting mirror arranged eccentrically, and the focal length of the entire system is changed by translation and rotation of at least one optical element group including the reflecting mirror. It is characterized by.
第2の発明の投影光学系は、上記第1の発明において、以下の条件式(1)を満たすことを特徴とする。
30<|θimg|<70 …(1)
ただし、
θimg:スクリーン面の画面法線とスクリーン面へ入射する軸上主光線とが成す角度(°)、
である。
A projection optical system according to a second invention is characterized in that, in the first invention, the following conditional expression (1) is satisfied.
30 <| θimg | <70… (1)
However,
θimg: Angle (°) between the screen normal of the screen surface and the axial principal ray incident on the screen surface,
It is.
第3の発明の投影光学系は、上記第1又は第2の発明において、全系の焦点距離を変化させることにより、表示素子面とスクリーン面の位置をほぼ一定に保ったまま、拡大倍率を変化させるズーム光学系であることを特徴とする。 The projection optical system according to a third aspect of the present invention is the projection optical system according to the first or second aspect of the present invention, in which the enlargement magnification is increased while maintaining the positions of the display element surface and the screen surface substantially constant by changing the focal length of the entire system. It is a zoom optical system to be changed.
第4の発明の投影光学系は、上記第3の発明において、全系の焦点距離変化による、絶対値の最も小さい拡大倍率から任意の拡大倍率への変倍において、以下の条件式(2)を満たすことを特徴とする。
0.2<|θzmov/Zz|<5.0 …(2)
ただし、
θzmov:反射ミラーを含む光学素子群の回転角度(°)、
Zz=fz1/fz2、
fz1:拡大倍率の絶対値が最も小さいときの全系の焦点距離、
fz2:変倍後の全系の焦点距離、
である。
The projection optical system according to a fourth aspect of the present invention is the following conditional expression (2) in the third aspect of the present invention, in changing the magnification from the smallest absolute value to an arbitrary magnification by changing the focal length of the entire system. It is characterized by satisfying.
0.2 <| θzmov / Zz | <5.0 (2)
However,
θzmov: rotation angle (°) of the optical element group including the reflection mirror,
Zz = fz1 / fz2,
fz1: the focal length of the entire system when the absolute value of the magnification is the smallest,
fz2: focal length of the entire system after zooming,
It is.
第5の発明の投影光学系は、上記第3又は第4の発明において、全系の焦点距離変化による、絶対値の最も小さい拡大倍率から任意の拡大倍率への変倍において、以下の条件式(3)を満たすことを特徴とする。
0.01<|Szmov/(Zz×fz1)|<5.0 …(3)
ただし、
Szmov:反射ミラーを含む光学素子群の平行移動の距離、
Zz=fz1/fz2、
fz1:拡大倍率の絶対値が最も小さいときの全系の焦点距離、
fz2:変倍後の全系の焦点距離、
である。
The projection optical system according to a fifth aspect of the present invention is the following conditional expression in the third or fourth aspect of the present invention, in changing the magnification from the smallest absolute value to an arbitrary magnification by changing the focal length of the entire system. It is characterized by satisfying (3).
0.01 <| Szmov / (Zz × fz1) | <5.0 (3)
However,
Szmov: distance of translation of the optical element group including the reflecting mirror,
Zz = fz1 / fz2,
fz1: the focal length of the entire system when the absolute value of the magnification is the smallest,
fz2: focal length of the entire system after zooming,
It is.
第6の発明の投影光学系は、上記第3〜第5のいずれか1つの発明において、全系の焦点距離変化による変倍での任意の焦点距離状態において、以下の条件式(4)及び(5)を満たすことを特徴とする。
-50<(Sz1st_ximg−Szx_design)/fzx<20 …(4)
-50<(Sz1st_yimg−Szy_design)/fzy<20 …(5)
ただし、物体中心から絞り中心を通り設計像面中心に至る軸上主光線をベースレイとし、表示素子面の画面法線方向をz方向とし、スクリーンへ向かう軸上主光線とスクリーン面の法線が成す平面に垂直な方向をx方向とし、x方向とz方向に垂直な方向をy方向とすると、
Sz1st_ximg:x方向光線の後側主点位置からx方向光線の1次像点位置までのベースレイに沿って測った距離、
Szx_design:x方向の後側主点位置から設計像面までのベースレイに沿って測った距離、
fzx:x方向の全系の焦点距離、
Sz1st_yimg:y方向光線の後側主点位置からy方向光線の1次像点位置までのベースレイに沿って測った距離、
Szy_design:y方向の後側主点位置から設計像面までのベースレイに沿って測った距離、
fzy:y方向の全系の焦点距離、
である。
The projection optical system according to a sixth aspect of the present invention is the projection optical system according to any one of the third to fifth aspects, wherein the following conditional expression (4) and (5) is satisfied.
-50 <(Sz1st_ximg-Szx_design) / fzx <20 (4)
-50 <(Sz1st_yimg-Szy_design) / fzy <20 (5)
However, the axial principal ray from the center of the object to the center of the design image plane through the center of the aperture is used as the base ray, the screen normal direction of the display element surface is the z direction, and the axial principal ray toward the screen and the normal of the screen surface. If the direction perpendicular to the plane formed by x is the x direction and the direction perpendicular to the x direction and the z direction is the y direction,
Sz1st_ximg: distance measured along the base ray from the back principal point position of the x-direction ray to the primary image point position of the x-direction ray,
Szx_design: Distance measured along the base ray from the back principal point position in the x direction to the design image plane.
fzx: focal length of the entire system in the x direction,
Sz1st_yimg: distance measured along the base ray from the back principal point position of the y-direction ray to the primary image point position of the y-direction ray,
Szy_design: The distance measured along the base ray from the rear principal point position in the y direction to the design image plane.
fzy: focal length of the entire system in the y direction,
It is.
第7の発明の投影光学系は、上記第3〜第6のいずれか1つの発明において、前記ズーム光学系が、回転非対称な光学面を持つ光学要素の平行移動と回転移動により、異なるスクリーン面位置にピントを合わせるフォーカシング機能を有することを特徴とする。 A projection optical system according to a seventh invention is the projection optical system according to any one of the third to sixth inventions, wherein the zoom optical system has different screen surfaces depending on the parallel movement and the rotational movement of an optical element having a rotationally asymmetric optical surface. It has a focusing function for focusing on a position.
第8の発明の投影光学系は、上記第1又は第2の発明において、全系の焦点距離を変化させることにより、異なるスクリーン面位置にピントを合わせるフォーカシング機能を有することを特徴とする。 A projection optical system according to an eighth aspect of the invention is characterized in that, in the first or second aspect of the invention, a focusing function is provided for focusing on different screen surface positions by changing the focal length of the entire system.
第9の発明の投影光学系は、上記第8の発明において、全系の焦点距離変化による、スクリーン面に最も近づく最近接投影状態から任意のフォーカス投影状態へのフォーカシングにおいて、以下の条件式(6)を満たすことを特徴とする。
0.2<|θfmov/Zfoc|<8.0 …(6)
ただし、
θfmov:反射ミラーを含む光学素子群の回転角度(°)、
Zfoc=ff1/ff2、
ff1:最近接投影状態での全系の焦点距離、
ff2:フォーカス後の全系の焦点距離、
である。
A projection optical system according to a ninth invention is the following conditional expression (8) in focusing from the closest projection state closest to the screen surface to an arbitrary focus projection state due to a change in focal length of the entire system in the eighth invention. It is characterized by satisfying 6).
0.2 <| θfmov / Zfoc | <8.0 (6)
However,
θfmov: rotation angle (°) of the optical element group including the reflection mirror,
Zfoc = ff1 / ff2,
ff1: Focal length of the entire system in the closest projection state,
ff2: focal length of the entire system after focusing,
It is.
第10の発明の投影光学系は、上記第8又は第9の発明において、全系の焦点距離変化による、スクリーン面に最も近づく最近接投影状態から任意のフォーカス投影状態へのフォーカシングにおいて、以下の条件式(7)を満たすことを特徴とする。
0.05<|Sfmov/(Zfoc×ff1)|<7.0 …(7)
ただし、
Sfmov:反射ミラーを含む光学素子群の平行移動の距離、
Zfoc=ff1/ff2、
ff1:最近接投影状態での全系の焦点距離、
ff2:フォーカス後の全系の焦点距離、
である。
A projection optical system according to a tenth aspect of the invention is the following in the eighth or ninth aspect, in focusing from the closest projection state closest to the screen surface to an arbitrary focus projection state due to a change in the focal length of the entire system. Conditional expression (7) is satisfied.
0.05 <| Sfmov / (Zfoc × ff1) | <7.0 (7)
However,
Sfmov: distance of translation of the optical element group including the reflecting mirror,
Zfoc = ff1 / ff2,
ff1: Focal length of the entire system in the closest projection state,
ff2: focal length of the entire system after focusing,
It is.
第11の発明の投影光学系は、上記第8〜第10のいずれか1つの発明において、全系の焦点距離変化によるフォーカシングでの任意の焦点距離状態において、以下の条件式(8)及び(9)を満たすことを特徴とする。
-50<(Sf1st_ximg−Sfx_design)/ffx<20 …(8)
-50<(Sf1st_yimg−Sfy_design)/ffy<20 …(9)
ただし、物体中心から絞り中心を通り設計像面中心に至る軸上主光線をベースレイとし、表示素子面の画面法線方向をz方向とし、スクリーンへ向かう軸上主光線とスクリーン面の法線が成す平面に垂直な方向をx方向とし、x方向とz方向に垂直な方向をy方向とすると、
Sf1st_ximg:x方向光線の後側主点位置からx方向光線の1次像点位置までのベースレイに沿って測った距離、
Sfx_design:x方向の後側主点位置から設計像面までのベースレイに沿って測った距離、
ffx:x方向の全系の焦点距離、
Sf1st_yimg:y方向光線の後側主点位置からy方向光線の1次像点位置までのベースレイに沿って測った距離、
Sfy_design:y方向の後側主点位置から設計像面までのベースレイに沿って測った距離、
ffy:y方向の全系の焦点距離、
である。
A projection optical system according to an eleventh aspect of the present invention is the projection optical system according to any one of the eighth to tenth aspects of the present invention, wherein the following conditional expressions (8) and (8) It is characterized by satisfying 9).
-50 <(Sf1st_ximg-Sfx_design) / ffx <20 (8)
-50 <(Sf1st_yimg-Sfy_design) / ffy <20 (9)
However, the axial principal ray from the center of the object to the center of the design image plane through the center of the aperture is used as the base ray, the screen normal direction of the display element surface is the z direction, and the axial principal ray toward the screen and the normal of the screen surface. If the direction perpendicular to the plane formed by x is the x direction and the direction perpendicular to the x direction and the z direction is the y direction,
Sf1st_ximg: distance measured along the base ray from the back principal point position of the x-direction ray to the primary image point position of the x-direction ray,
Sfx_design: Distance measured along the base ray from the back principal point position in the x direction to the design image plane,
ffx: focal length of the entire system in the x direction,
Sf1st_yimg: distance measured along the base ray from the back principal point position of the y-direction ray to the primary image point position of the y-direction ray,
Sfy_design: The distance measured along the base ray from the back principal point position in the y direction to the design image plane,
ffy: focal length of the entire system in the y direction
It is.
第12の発明の投影光学系は、表示素子面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系であって、スクリーン面とスクリーン面へ入射する軸上主光線との成す角度が垂直ではなく、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを有し、あるスクリーン位置に投影する状態と、その状態とは異なるスクリーン位置に投影する状態と、のいずれか一方で用いるために、前記反射ミラーを含む少なくとも1つの光学素子群の平行移動と回転移動が可能な構成を有することを特徴とする。 A projection optical system according to a twelfth aspect of the present invention is a projection optical system for enlarging and projecting an image on the display element surface onto the screen surface, and the angle formed by the screen surface and the axial principal ray incident on the screen surface is not vertical. The rotationally asymmetric reflecting mirror arranged eccentrically, and for use in any one of a state of projecting to a screen position and a state of projecting to a screen position different from the state. It is characterized by having a configuration capable of parallel movement and rotational movement of at least one optical element group.
第13の発明の投影光学系は、表示素子面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系であって、スクリーン面とスクリーン面へ入射する軸上主光線との成す角度が垂直ではなく、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを有し、ある投影倍率状態と、その状態とは異なる別の投影倍率状態と、のいずれか一方で用いるために、前記反射ミラーを含む少なくとも1つの光学素子群の平行移動と回転移動が可能な構成を有することを特徴とする。 A projection optical system according to a thirteenth aspect of the present invention is a projection optical system for enlarging and projecting an image on the display element surface onto the screen surface, and the angle formed between the screen surface and the axial principal ray incident on the screen surface is not vertical. A rotationally asymmetric reflecting mirror arranged eccentrically, and at least one including the reflecting mirror for use in one of a certain projection magnification state and another projection magnification state different from that state The optical element group has a configuration capable of parallel movement and rotational movement.
第14の発明の投影型画像表示装置は、2次元画像を形成する表示素子と、その表示素子面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系と、を備えた投影型画像表示装置であって、前記投影光学系が、上記第1〜第13のいずれか1つの発明に係る投影光学系であることを特徴とする。 A projection type image display apparatus according to a fourteenth aspect of the invention is a projection type image display apparatus comprising: a display element that forms a two-dimensional image; and a projection optical system that enlarges and projects an image of the display element surface on a screen surface. The projection optical system is a projection optical system according to any one of the first to thirteenth inventions.
本発明によれば、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを含む少なくとも1つの光学素子群の平行移動と回転移動により、全系の焦点距離が変化するので、投影光学系の高性能化とコンパクト化を達成しながら、非軸光学系による斜め投影において像トビの発生なしに、非軸光学系の特長を活かした非軸光学系独特のズーミングやフォーカシングを行うことができる。 According to the present invention, since the focal length of the entire system changes due to the parallel movement and the rotation movement of at least one optical element group including the rotationally asymmetric reflection mirror arranged eccentrically, the performance of the projection optical system can be improved. While achieving compactness, zooming and focusing unique to the non-axis optical system can be performed by taking advantage of the features of the non-axis optical system without causing image distortion in oblique projection by the non-axis optical system.
以下、本発明に係る投影光学系の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。本発明に係る投影光学系は、表示素子面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系であって、スクリーン面とスクリーン面へ入射する軸上主光線との成す角度が垂直ではなく、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを有し、前記反射ミラーを含む少なくとも1つの光学素子群の平行移動と回転移動により全系の焦点距離を変化させるものである。スクリーン面とスクリーン面へ入射する軸上主光線との成す角度が垂直ではない、いわゆる斜め投影光学系の構成を採用しているため、スクリーンの大画面化を達成しながら、投影光学系からスクリーンまでの距離を短縮することができる。また、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを用いて光路を折り曲げる構成を採用しているため、投影空間の縮小とスクリーンの大画面化を達成しながら、共軸光学系よりもはるかにコンパクトな投影光学系を実現することができる。 Embodiments of a projection optical system according to the present invention will be described below with reference to the drawings. The projection optical system according to the present invention is a projection optical system that enlarges and projects an image of the display element surface on the screen surface, and the angle formed between the screen surface and the axial principal ray incident on the screen surface is not vertical, It has a rotationally asymmetric reflecting mirror arranged eccentrically, and changes the focal length of the entire system by translation and rotation of at least one optical element group including the reflecting mirror. The angle between the screen surface and the axial principal ray incident on the screen surface is not vertical, so a so-called oblique projection optical system configuration is adopted. Can be shortened. In addition, because the optical path is bent using a rotationally asymmetric reflecting mirror with an eccentric arrangement, the projection space is reduced and the screen is enlarged, while being much more compact than a coaxial optical system. A projection optical system can be realized.
さらに、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを含む少なくとも1つの光学素子群の平行移動と回転移動により、投影光学系の焦点距離を変化させる構成を採用しているため、像トビの発生がない、非軸光学系の特長を活かした非軸光学系独特のズーミングやフォーカシングが可能となる。投影光学系の焦点距離を変化させるために、上記光学素子群の回転移動が必要となる理由は、大きく分けて2つある。第1の理由は、非軸光学素子である反射ミラーの回転移動により、スクリーンへ向かう軸上主光線の位置と方向を変えずに、全系の焦点距離を変化させることができる点にある。第2の理由は、非軸光学素子である反射ミラー自身のパワー変化も、全系の焦点距離の変化に寄与させることができる点にある。これらの理由を、図18〜図23を用いて具体的に説明する。 Furthermore, since the focal length of the projection optical system is changed by the parallel movement and the rotation movement of at least one optical element group including the rotationally asymmetric reflecting mirror arranged eccentrically, the occurrence of image distortion occurs. This makes it possible to perform zooming and focusing unique to non-axis optical systems that take advantage of the features of non-axis optical systems. There are two main reasons why the rotational movement of the optical element group is required to change the focal length of the projection optical system. The first reason is that the focal length of the entire system can be changed without changing the position and direction of the axial principal ray toward the screen by the rotational movement of the reflecting mirror which is a non-axis optical element. The second reason is that the power change of the reflection mirror itself, which is a non-axis optical element, can also contribute to the change of the focal length of the entire system. These reasons will be specifically described with reference to FIGS.
まず、第1の理由を説明する(図18〜図21)。説明を簡単にするため、投影光学系は平面対称であるものとし、その対称面上を軸上主光線が通過するものとする。また、対称面に対して垂直な方向をX方向とし、それに垂直な方向(つまり対称面に対して平行な方向)をY方向とする。図18〜図21において、M1,M2は偏芯配置された2枚の曲面ミラー、SLはスクリーン面であり、LAはスクリーン面SLへ向かう軸上主光線である。ズーミング又はフォーカシングのためにミラーM1,M2が移動し、その移動前の焦点距離状態Iから移動後の焦点距離状態IIへと全系の焦点距離が変化するものとする。図18〜図21において、破線は焦点距離状態IのミラーM1,M2の配置を示しており、太い実線は焦点距離状態IIのミラーM1,M2の配置を示している。また、一点鎖線は軸上主光線LAとミラーM1,M2との交点における面法線を示している。 First, the first reason will be described (FIGS. 18 to 21). In order to simplify the explanation, it is assumed that the projection optical system is plane symmetric, and the axial principal ray passes through the plane of symmetry. Further, the direction perpendicular to the symmetry plane is defined as the X direction, and the direction perpendicular thereto (that is, the direction parallel to the symmetry plane) is defined as the Y direction. 18 to 21, M1 and M2 are two curved mirrors arranged eccentrically, SL is a screen surface, and LA is an axial principal ray toward the screen surface SL. It is assumed that the mirrors M1 and M2 move for zooming or focusing, and the focal length of the entire system changes from the focal length state I before the movement to the focal length state II after the movement. 18 to 21, the broken line indicates the arrangement of the mirrors M1 and M2 in the focal length state I, and the thick solid line indicates the arrangement of the mirrors M1 and M2 in the focal length state II. A one-dot chain line indicates a surface normal at the intersection of the axial principal ray LA and the mirrors M1 and M2.
図18と図19は、2枚のミラーM1,M2を単純に平行移動させた場合の光路変化を示している。図18では、2枚のミラーM1,M2が同時に同じ方向に平行移動しており、図19では、2枚のミラーM1,M2が別々の方向に異なる量だけ平行移動している。両者とも、ミラーM2から射出する軸上主光線LAの位置と方向が、焦点距離状態Iと焦点距離状態IIとで異なっている。したがって、ズーミングやフォーカシングによってスクリーン面SL上で像面中心が移動してしまい、いわゆる像トビの現象が現れることになる。 18 and 19 show optical path changes when the two mirrors M1 and M2 are simply translated. In FIG. 18, the two mirrors M1, M2 are simultaneously translated in the same direction, and in FIG. 19, the two mirrors M1, M2 are translated in different directions by different amounts. In both cases, the focal length state I and the focal length state II differ in the position and direction of the axial principal ray LA emitted from the mirror M2. Therefore, the center of the image plane moves on the screen surface SL due to zooming or focusing, and a so-called image jump phenomenon appears.
図20は、ミラーM2から射出する軸上主光線の位置と方向が変化しないように、2枚のミラーM1,M2を独立に平行移動だけさせた場合の光路変化を示している。この場合、各面のパワー(焦点距離の逆数で定義される量)は変わらず、投影光学系の焦点距離を変化させるのは面間距離の変化のみである。後で述べるが、非軸光学系の場合の焦点距離を変化させる方法では、共軸光学系の場合とは異なり、面間距離の変化だけではなく、その面自身のパワーの変化も投影光学系の焦点距離変化に寄与することが可能である。そうすることにより、非軸光学系のメリットを活かすことができる。また、非軸光学系では偏芯配置された光学素子(又は光学面)の焦点距離が方向により異なるため、ある面間距離を変化させた場合、全系の焦点距離の変化量は方向により異なる。投影光学系は有限系であるため、倍率の変化は方向(例えば、X方向とY方向)によって異なる。したがって、アナモ比をほぼ一定にした変倍は困難になる。特に物面や像面が傾いた斜め投影光学系の場合では、物面や像面の傾きの影響が倍率に及ぶため、アナモ比を一定にした変倍は更に困難になる。 FIG. 20 shows the optical path change when the two mirrors M1 and M2 are only translated independently so that the position and direction of the axial principal ray emitted from the mirror M2 do not change. In this case, the power of each surface (an amount defined by the reciprocal of the focal length) does not change, and only the change in the inter-surface distance changes the focal length of the projection optical system. As will be described later, in the method of changing the focal length in the case of a non-axis optical system, unlike the case of a coaxial optical system, not only the change in the inter-surface distance but also the change in the power of the surface itself is a projection optical system. It is possible to contribute to the change of the focal length. By doing so, the merit of a non-axis optical system can be utilized. Also, in non-axis optical systems, the focal length of the eccentrically arranged optical element (or optical surface) varies depending on the direction, so when the distance between certain planes is changed, the amount of change in the focal length of the entire system varies depending on the direction. . Since the projection optical system is a finite system, the change in magnification differs depending on the direction (for example, the X direction and the Y direction). Therefore, it is difficult to change the magnification while keeping the anamorphic ratio substantially constant. In particular, in the case of an oblique projection optical system in which the object surface and the image surface are inclined, the influence of the inclination of the object surface and the image surface reaches the magnification.
なお、上記のような変倍において、倍率のアナモ比を一定にするために、X方向とY方向とで1次結像位置と設計像面位置とを乖離させる方法により、倍率を制御する方法が知られている。しかし、収差がほぼ補正された高性能の投影光学系の場合、1次結像位置に最良のピント位置があるため、その最良ピント位置から設計像面位置をずらすことにより倍率を合わせると、結像性能が低くなってしまう。 In the above zooming, a method of controlling the magnification by a method of separating the primary imaging position and the design image plane position in the X direction and the Y direction in order to make the anamorphic ratio of the magnification constant. It has been known. However, in the case of a high-performance projection optical system in which aberrations are almost corrected, the primary focus position has the best focus position. Therefore, if the magnification is adjusted by shifting the design image plane position from the best focus position, Image performance is lowered.
図21は、ミラーM1,M2の移動に回転移動を加えることにより、全系の焦点距離を変化させた場合の光路変化を示している。この場合、偏芯配置されたミラーM1,M2の平行移動と回転移動を行うことにより、スクリーンへ向かう軸上主光線LAを一定にしながら、各面のパワーと面間隔を変化させている。これにより全系の焦点距離が変化するので、投影倍率を所望の値へと変化させることができる。この方法を採用すると変倍の自由度が上がるため、高性能を維持しながら全系の焦点距離を変化させる変倍が可能となる。 FIG. 21 shows an optical path change when the focal length of the entire system is changed by adding a rotational movement to the movement of the mirrors M1 and M2. In this case, by performing parallel movement and rotational movement of the eccentrically arranged mirrors M1 and M2, the power and the surface interval of each surface are changed while the axial principal ray LA toward the screen is kept constant. This changes the focal length of the entire system, so that the projection magnification can be changed to a desired value. If this method is adopted, the degree of freedom of zooming increases, so zooming that changes the focal length of the entire system while maintaining high performance becomes possible.
次に、第2の理由を説明する(図22,図23)。ここでは、非軸ミラーのパワーを1面の非軸光学面のパワーに代表させて考える。図22に示すように、非軸の光学面Srで屈折系が構成される場合を考えるが、反射系の場合はその特別の場合として屈折系と同様に考えることができる。物体中心から絞り中心を通り設計像面中心に至る軸上主光線をベースレイLBとし、光学面SrにベースレイLBが入射する前の媒質の屈折率をnとし、入射した後の媒質の屈折率をndとする。光学面SrへのベースレイLBの入射角度をθsとし、光学面SrからのベースレイLBの射出角度をθsdとする。また、ベースレイLBと光学面Srとの交点OsにおけるX方向の局所曲率をC11とし、Y方向の局所曲率をC22とする。また、{n・cos(θs)−nd・cos(θsd)}=Sとする。ベースレイLBと光学面Srとの交点OsにおけるX方向,Y方向のそれぞれのパワーφX,φYは、以下の式(Fr1),(Fr2)で表される。
φX=−S・C11 …(Fr1)
φY=−S・C22/{cos(θs)・cos(θsd)} …(Fr2)
Next, the second reason will be described (FIGS. 22 and 23). Here, the power of the non-axis mirror is considered to be representative of the power of one non-axis optical surface. As shown in FIG. 22, a case where the refraction system is configured by the non-axial optical surface Sr is considered, but in the case of the reflection system, it can be considered as a special case in the same manner as the refraction system. An axial principal ray from the center of the object through the stop center to the center of the design image plane is defined as a base ray LB, a refractive index of the medium before the base ray LB is incident on the optical surface Sr is n, and the refraction of the medium after the incidence is made. Let nd be the rate. The incident angle of the base ray LB to the optical surface Sr is θs, and the emission angle of the base ray LB from the optical surface Sr is θsd. Further, the local curvature in the X direction at the intersection Os between the base ray LB and the optical surface Sr is C11, and the local curvature in the Y direction is C22. Also, {n · cos (θs) −nd · cos (θsd)} = S. The powers φX and φY in the X and Y directions at the intersection Os between the base ray LB and the optical surface Sr are expressed by the following equations (Fr1) and (Fr2).
φX = -S · C11 (Fr1)
φY = −S · C22 / {cos (θs) · cos (θsd)} (Fr2)
反射系の場合、Sの計算において、n=ndとし、θs=−θsdとすれば、S=2cos(θs)となる。さらに、φYの分母がcos(θs)の2乗になる。光学面Srの平行移動と回転移動により、θsとθsdの値を変化させることができ、さらに、ベースレイLBと光学面Srとの交点Osが変化するため、X方向,Y方向の局所曲率C11,C22を変化させることができる。それにより、その光学面Srでのパワーを自由に変化させることができる。 In the case of a reflection system, in the calculation of S, if n = nd and θs = −θsd, then S = 2 cos (θs). Furthermore, the denominator of φY is the square of cos (θs). The values of θs and θsd can be changed by the parallel movement and the rotational movement of the optical surface Sr, and the intersection Os between the base ray LB and the optical surface Sr is changed, so that the local curvatures C11 in the X and Y directions are changed. , C22 can be changed. Thereby, the power at the optical surface Sr can be freely changed.
さらに、2面の非軸光学面の合成パワーを考える。図23に示すように、第1の光学面のX方向,Y方向のパワーをそれぞれφ1X,φ1Yとし、第2の光学面のX方向,Y方向のパワーをそれぞれφ2X,φ2Yとする。第1の光学面に関する入射角度,射出角度をそれぞれθ1,θ1Pとし、第2の光学面に関する入射角度,射出角度をそれぞれθ2,θ2Pとする。また、ベースレイLBに沿って測った第1の光学面の後側主点と第2の光学面の前側主点との間隔を、X方向にd2Xとし、Y方向にd2Yとする。Y―Z面に関して対称な光学系の場合、d2Xは各光学面の主光線との交点間の軸上主光線に沿って測った距離と等しくなる。それに対してY方向では、光学面と主光線との交点、及び主点位置は、屈折系の場合は通常一致せず、反射面の場合は一致する。したがって、2つの光学面の合成パワーを、X方向についてφ(1+2)Xとし、Y方向についてφ(1+2)Yとすると、合成パワーφ(1+2)X,φ(1+2)Yは、以下の式(Fr3),(Fr4)でそれぞれ表される(n2:2面間の屈折率)。
φ(1+2)X=φ1X+φ2X−(d2X/n2)・φ1X・φ2X …(Fr3)
φ(1+2)Y={cos(θ2)/cos(θ2P)}φ1Y+{cos(θ1P)/cos(θ1)}φ2Y−(d2Y/n2)φ1Y・φ2Y …(Fr4)
Further, consider the combined power of the two non-axial optical surfaces. As shown in FIG. 23, the powers in the X direction and Y direction of the first optical surface are φ1X and φ1Y, respectively, and the powers in the X direction and Y direction of the second optical surface are φ2X and φ2Y, respectively. The incident angle and exit angle for the first optical surface are θ1 and θ1P, respectively, and the incident angle and exit angle for the second optical surface are θ2 and θ2P, respectively. Further, the distance between the rear principal point of the first optical surface and the front principal point of the second optical surface measured along the base ray LB is d2X in the X direction and d2Y in the Y direction. In the case of an optical system that is symmetric with respect to the YZ plane, d2X is equal to the distance measured along the axial principal ray between the intersection points with the principal ray of each optical surface. On the other hand, in the Y direction, the intersection between the optical surface and the principal ray, and the principal point position do not normally match in the case of a refractive system, and match in the case of a reflection surface. Therefore, if the combined power of the two optical surfaces is φ (1 + 2) X in the X direction and φ (1 + 2) Y in the Y direction, the combined powers φ (1 + 2) X and φ (1 + 2) Y are given by Represented by (Fr3) and (Fr4), respectively (n2: refractive index between two surfaces).
φ (1 + 2) X = φ1X + φ2X− (d2X / n2) · φ1X · φ2X (Fr3)
φ (1 + 2) Y = {cos (θ2) / cos (θ2P)} φ1Y + {cos (θ1P) / cos (θ1)} φ2Y− (d2Y / n2) φ1Y · φ2Y (Fr4)
共軸光学系の場合は光学素子間の間隔変化のみがパワーの変化となるが、非軸光学系の場合は上記式(Fr3),(Fr4)より、各面のパワー変化の寄与も効果的であることが分かる。特に、面の傾き(つまり回転角度)を変化させることにより、Y方向のパワーを変化させることが可能であることが分かる。したがって、光学面を回転させることにより、倍率のアナモ比を補正することが容易になる。また、ズーミング,フォーカシングのために軸上主光線の入射光線と射出光線を平行にするという制約が必要なく、設計の自由度が増すとともに、非軸光学系の光路の折りたたみ効果を最大限に利用した設計が可能となる。したがって、薄型の光学系を実現することができる。 In the case of a coaxial optical system, only the change in the spacing between optical elements results in a change in power, but in the case of a non-axial optical system, the contribution of the power change on each surface is also effective from the above formulas (Fr3) and (Fr4). It turns out that it is. In particular, it can be seen that the power in the Y direction can be changed by changing the tilt of the surface (that is, the rotation angle). Therefore, it becomes easy to correct the anamorphic ratio of the magnification by rotating the optical surface. In addition, there is no need to make the incident and exiting rays of the axial principal ray parallel for zooming and focusing, which increases design flexibility and maximizes the folding effect of the optical path of non-axial optics. Design is possible. Therefore, a thin optical system can be realized.
また、屈折系の場合と比較すると、用いる光学面の曲率が同じでも、反射面を用いた場合の方がそのパワーを2〜4倍強くすることができる。さらに、大きくパワーを変化させる場合、屈折系の場合は色収差が大きく発生するため、その補正のための光学素子が必要になり、かえって光学系が大型化してしまう。特に、非軸対称な色収差の補正はかなり複雑であるため、高性能を維持しながら焦点距離を大きく変化させるには反射面を用いるのが望ましい。 Moreover, compared with the case of a refractive system, even when the curvature of the optical surface to be used is the same, the power can be increased by 2 to 4 times when the reflecting surface is used. Further, when the power is greatly changed, a chromatic aberration is greatly generated in the case of a refractive system, so that an optical element for the correction is required, and the optical system is enlarged. In particular, since correction of non-axisymmetric chromatic aberration is quite complicated, it is desirable to use a reflecting surface in order to greatly change the focal length while maintaining high performance.
ここでは、説明を簡単にするため、Y−Z面対称の場合を例に挙げたが、面対称でない場合(いわゆるねじれの場合)でもその考え方は同じである。ただし、ねじれがある場合には、ねじれのある面での入射面の回転の影響を回転行列で与えて対角化する演算を行えば、その光学面での入射面とそれに垂直な方向で1次量が極値をとることになる。1次量は、入射面の回転という形をとりながら各面を移行していく。したがって、非軸ミラーを含む光学素子群の平行移動と回転移動により全系の焦点距離を変化させることが、非軸斜め投影光学系の変倍を行う上で非常に有効である。 Here, in order to simplify the explanation, the case of YZ plane symmetry is taken as an example, but the idea is the same even when it is not plane symmetry (so-called torsion). However, in the case where there is a twist, if the calculation of diagonalizing by giving the influence of the rotation of the incident surface on the twisted surface by a rotation matrix is performed, 1 is obtained in the direction perpendicular to the incident surface on the optical surface. The next quantity takes an extreme value. The primary amount shifts each surface while taking the form of rotation of the incident surface. Therefore, changing the focal length of the entire system by parallel movement and rotational movement of the optical element group including the non-axis mirror is very effective in changing the magnification of the non-axis oblique projection optical system.
上記観点から、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを有する投影光学系にあっては、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを含む少なくとも1つの光学素子群の平行移動と回転移動により全系の焦点距離を変化させることが好ましい。この構成により、高性能かつコンパクトな構成でありながら、非軸光学系による斜め投影において、像トビの発生なしにズーミングやフォーカシングを行うことが可能となる。このように非軸光学系の部分に特徴のある投影光学系において、更なる性能向上,小型化等を達成する上で望ましい条件、その他の有効な構成を以下に説明する。なお、投影光学系の全体において基準とする座標系は直交座標系(x,y,z)とし、特に断らない限り、各方向を以下のようにとる。z方向は、表示素子面の画面法線方向とする。x方向は、スクリーンへ向かう軸上主光線とスクリーン面の法線が成す平面に垂直な方向とする。y方向は、x方向とz方向に垂直な方向とする。 From the above point of view, in a projection optical system having a rotationally asymmetric reflecting mirror arranged eccentrically, all of the optical elements including the rotationally asymmetric reflecting mirror arranged eccentrically are translated and rotationally moved. It is preferable to change the focal length of the system. With this configuration, it is possible to perform zooming and focusing without occurrence of image jumping in oblique projection by a non-axis optical system while having a high performance and compact configuration. In the projection optical system characterized by the non-axis optical system as described above, conditions desirable for achieving further performance improvement and downsizing, and other effective configurations will be described below. The reference coordinate system in the whole projection optical system is an orthogonal coordinate system (x, y, z), and unless otherwise specified, each direction is taken as follows. The z direction is the screen normal direction of the display element surface. The x direction is a direction perpendicular to the plane formed by the axial principal ray toward the screen and the normal of the screen surface. The y direction is a direction perpendicular to the x direction and the z direction.
斜め投影による効果を得る上で、以下の条件式(1)を満たすことが望ましい。
30<|θimg|<70 …(1)
ただし、
θimg:スクリーン面の画面法線とスクリーン面へ入射する軸上主光線とが成す角度(°)、
である。
In order to obtain the effect of oblique projection, it is desirable to satisfy the following conditional expression (1).
30 <| θimg | <70… (1)
However,
θimg: Angle (°) between the screen normal of the screen surface and the axial principal ray incident on the screen surface,
It is.
投影光学系を薄型化するには、スクリーン面を傾けることが効果的である。条件式(1)の下限を下回ると、斜め投影度合いが弱まり、薄型化の効果が小さくなる。逆に、条件式(1)の上限を上回ると、斜め投影度合いが強くなりすぎて、投影光学系の実質的な画角が広くなり、歪曲や像面湾曲の補正が困難になる。 In order to reduce the thickness of the projection optical system, it is effective to tilt the screen surface. If the lower limit of conditional expression (1) is not reached, the oblique projection degree becomes weak and the effect of thinning becomes small. On the contrary, if the upper limit of conditional expression (1) is exceeded, the oblique projection degree becomes too strong, the substantial angle of view of the projection optical system becomes wide, and it becomes difficult to correct distortion and curvature of field.
本発明に係る投影光学系は、前述したように全系の焦点距離を変化させることにより、表示素子面とスクリーン面の位置をほぼ一定に保ったまま、拡大倍率を変化させるズーム光学系であることが望ましい。先に説明したように、非軸光学要素の一部又は全部(つまり、偏芯配置された回転非対称な反射ミラー又はそれを含む光学素子群)を平行移動及び回転移動させることにより、スクリーンへ向かう軸上主光線の位置と方向を変えずに、投影光学系全体の焦点距離を変化させることができる。スクリーンを一定の位置で固定した場合に、全系の焦点距離を変化させることにより投影倍率を変えても、スクリーンへ向かう軸上主光線の位置と方向が変わらないため、軸上の像が移動する(つまり位置を変える)ことはない。 The projection optical system according to the present invention is a zoom optical system that changes the magnification while maintaining the positions of the display element surface and the screen surface substantially constant by changing the focal length of the entire system as described above. It is desirable. As described above, a part or all of the non-axis optical element (that is, the rotationally asymmetric reflecting mirror arranged eccentrically or the optical element group including the non-axial optical element) is translated and rotated toward the screen. The focal length of the entire projection optical system can be changed without changing the position and direction of the axial principal ray. When the screen is fixed at a fixed position, even if the projection magnification is changed by changing the focal length of the entire system, the position and direction of the axial principal ray toward the screen does not change, so the image on the axis moves. It does not do (that is, change position).
例えば、1次像点位置上にスクリーン面がある場合を考える。全系の焦点距離が変化する前と後の状態をそれぞれ焦点距離状態I,IIとする。表示素子面の画面法線と、表示素子面から射出する軸上主光線と、が成す角度をθobjとし、スクリーン面の画面法線と、スクリーン面へ入射する軸上主光線と、が成す角度をθimgとする。偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを含む光学素子群の平行移動と回転移動を行う方法によれば、焦点距離状態Iと焦点距離状態IIとで、これらの角度θobj,θimgが変わらないように焦点距離を変化させることが可能である。 For example, consider the case where the screen surface is on the primary image point position. The states before and after the change of the focal length of the entire system are referred to as focal length states I and II, respectively. The angle formed by the screen normal of the display element surface and the axial principal ray emitted from the display element surface is θobj, and the angle formed by the screen normal of the screen surface and the axial principal ray incident on the screen surface Is θimg. According to the method of performing the parallel movement and the rotation movement of the optical element group including the rotationally asymmetric reflecting mirror arranged eccentrically, the angles θobj and θimg are not changed between the focal length state I and the focal length state II. It is possible to change the focal length.
ある方向、例えばy方向について考える。焦点距離状態Iの場合のy方向の焦点距離をfyIとし、表示素子面から投影光学系全体の前側焦点まで軸上主光線に沿って測った距離をXyIとする。また、焦点距離状態IIの場合のy方向の焦点距離をfyIIとし、表示素子面から投影光学系全体の前側焦点まで軸上主光線に沿って測った距離をXyIIとする。このとき、焦点距離状態I,IIでのy方向の投影倍率βyI,βyIIは、以下の式(Fr5),(Fr6)でそれぞれ表される。
βyI=(-1)×fyI/XyI×(cos(θimg)/cos(θobj)) …(Fr5)
βyII=(-1)×fyII/XyII×(cos(θimg)/cos(θobj)) …(Fr6)
Consider a certain direction, such as the y direction. The focal length in the y direction in the focal length state I is fyI, and the distance measured along the axial principal ray from the display element surface to the front focal point of the entire projection optical system is XyI. Further, the focal length in the y direction in the focal length state II is fyII, and the distance measured along the axial principal ray from the display element surface to the front focal point of the entire projection optical system is XyII. At this time, the projection magnifications βyI and βyII in the y direction in the focal length states I and II are expressed by the following equations (Fr5) and (Fr6), respectively.
βyI = (− 1) × fyI / XyI × (cos (θimg) / cos (θobj)) (Fr5)
βyII = (-1) × fyII / XyII × (cos (θimg) / cos (θobj)) (Fr6)
式(Fr5),(Fr6)から分かるように、全系の焦点距離を変化させることにより、スクリーンを一定にしたまま変倍を行うことが可能である。スクリーンを一定にしたまま変倍が可能であると、一時的に拡大投影する場合や空間が限定された部屋でプロジェクターを使用する場合(例えば、スクリーン位置、プロジェクター位置、スクリーンとプロジェクターとの間隔等が制約を受けている場合)にも、所望の拡大倍率を実現することができる。 As can be seen from the equations (Fr5) and (Fr6), it is possible to change the magnification while keeping the screen constant by changing the focal length of the entire system. When scaling is possible with the screen kept constant, when temporarily enlarging projection or when using the projector in a room with limited space (for example, screen position, projector position, distance between screen and projector, etc.) Can also achieve the desired magnification.
全系の焦点距離変化による、絶対値の最も小さい拡大倍率から任意の拡大倍率への変倍において、以下の条件式(2)を満たすことが望ましい。
0.2<|θzmov/Zz|<5.0 …(2)
ただし、
θzmov:反射ミラーを含む光学素子群の回転角度(°)、
Zz=fz1/fz2、
fz1:拡大倍率の絶対値が最も小さいときの全系の焦点距離、
fz2:変倍後の全系の焦点距離、
である。
It is desirable that the following conditional expression (2) is satisfied in changing the magnification from the smallest absolute value to an arbitrary magnification by changing the focal length of the entire system.
0.2 <| θzmov / Zz | <5.0 (2)
However,
θzmov: rotation angle (°) of the optical element group including the reflection mirror,
Zz = fz1 / fz2,
fz1: the focal length of the entire system when the absolute value of the magnification is the smallest,
fz2: focal length of the entire system after zooming,
It is.
条件式(2)は、変倍のために回転移動させる光学素子群の回転角度の大きさについて、好ましい条件範囲を規定している。条件式(2)の上限を越えて回転角度が大きくなると、回転機構が大きくなり、画像投影装置の大型化を招いてしまう。また、光学素子群における面の使用範囲が大きくなるため、その光学素子の有効径が大きくなって大型化とコストアップを招いてしまう。逆に、条件式(2)の下限を越えて回転角度が小さくなりすぎると、回転角度に対する焦点距離の変化の感度が高くなるため、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを含む光学素子群の製作が困難になる。特に、角度の誤差による軸上主光線の変化が大きくなると、位置制御機構の精度を上げる必要がでてくるため、移動の機構も高価になる。例えば、位置検出用にセンサーを用いたり、バックラッシュの少ない回転機構が必要になる。バックラッシュがあった場合は、拡大側への変倍時と縮小側への変倍時とで軸上主光線位置が違う軌跡を描くため、変倍時に像のゆれが起こり、不快な映像が形成されることになる。また、位置制御精度を上げることによりチャタリングを起こす可能性もあり、これを防ぐための機構対策、(回路,ソフト等による)制御対策等が必要となるため、画像投影装置は非常に高価なものとなってしまう。 Conditional expression (2) defines a preferable condition range for the magnitude of the rotation angle of the optical element group to be rotated for zooming. If the rotation angle increases beyond the upper limit of conditional expression (2), the rotation mechanism increases, leading to an increase in the size of the image projection apparatus. Moreover, since the use range of the surface in the optical element group is increased, the effective diameter of the optical element is increased, resulting in an increase in size and cost. Conversely, if the rotation angle becomes too small beyond the lower limit of conditional expression (2), the sensitivity of the change in focal length with respect to the rotation angle increases, so the optical element group including rotationally asymmetric reflection mirrors arranged eccentrically It becomes difficult to produce. In particular, when the change of the axial principal ray due to the angle error becomes large, it is necessary to increase the accuracy of the position control mechanism, and thus the movement mechanism becomes expensive. For example, a sensor is used for position detection, and a rotating mechanism with less backlash is required. If backlash occurs, the axis principal ray position draws a different trajectory when zooming to the enlargement side and zooming to the reduction side. Will be formed. In addition, there is a possibility that chattering may occur by increasing the position control accuracy, and it is necessary to take mechanism measures to prevent this and control measures (by circuit, software, etc.), so the image projection device is very expensive. End up.
全系の焦点距離変化による、絶対値の最も小さい拡大倍率から任意の拡大倍率への変倍において、以下の条件式(3)を満たすことが望ましい。
0.01<|Szmov/(Zz×fz1)|<5.0 …(3)
ただし、
Szmov:反射ミラーを含む光学素子群の平行移動の距離、
Zz=fz1/fz2、
fz1:拡大倍率の絶対値が最も小さいときの全系の焦点距離、
fz2:変倍後の全系の焦点距離、
である。
It is desirable that the following conditional expression (3) is satisfied in changing the magnification from the smallest absolute value to an arbitrary magnification by changing the focal length of the entire system.
0.01 <| Szmov / (Zz × fz1) | <5.0 (3)
However,
Szmov: distance of translation of the optical element group including the reflecting mirror,
Zz = fz1 / fz2,
fz1: the focal length of the entire system when the absolute value of the magnification is the smallest,
fz2: focal length of the entire system after zooming,
It is.
条件式(3)は、変倍のために平行移動させる光学素子群の移動量の大きさについて、好ましい条件範囲を規定している。条件式(3)の上限を越えて移動量が大きくなりすぎると、移動のために大きなスペースが必要となるため、投影光学系全体がコンパクトにならなくなる。逆に、条件式(3)の下限を越えて移動量が小さくなりすぎると、変倍に対する感度が高くなりすぎるため、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを含む光学素子群の製作が困難になる。 Conditional expression (3) defines a preferable condition range for the amount of movement of the optical element group to be translated for zooming. If the movement amount exceeds the upper limit of conditional expression (3), a large space is required for movement, and the entire projection optical system cannot be made compact. Conversely, if the amount of movement is too small beyond the lower limit of conditional expression (3), the sensitivity to zooming becomes too high, making it difficult to manufacture optical elements that include rotationally asymmetric reflecting mirrors that are eccentrically arranged. become.
以下の条件式(3a)を満たすことが更に望ましい。
0.5<|Szmov/(Zz×fz1)|<4.0 …(3a)
この条件式(3a)は、上記条件式(3)が規定している条件範囲のなかでも、上記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。
It is more desirable to satisfy the following conditional expression (3a).
0.5 <| Szmov / (Zz × fz1) | <4.0 (3a)
The conditional expression (3a) defines a more preferable condition range based on the above viewpoints, etc., among the condition ranges defined by the conditional expression (3).
全系の焦点距離変化による変倍での任意の焦点距離状態において、以下の条件式(4)及び(5)を満たすことが望ましい。
-50<(Sz1st_ximg−Szx_design)/fzx<20 …(4)
-50<(Sz1st_yimg−Szy_design)/fzy<20 …(5)
ただし、物体中心から絞り中心を通り設計像面中心に至る軸上主光線をベースレイとし、表示素子面の画面法線方向をz方向とし、スクリーンへ向かう軸上主光線とスクリーン面の法線が成す平面に垂直な方向をx方向とし、x方向とz方向に垂直な方向をy方向とすると、
Sz1st_ximg:x方向光線の後側主点位置からx方向光線の1次像点位置までのベースレイに沿って測った距離、
Szx_design:x方向の後側主点位置から設計像面までのベースレイに沿って測った距離、
fzx:x方向の全系の焦点距離、
Sz1st_yimg:y方向光線の後側主点位置からy方向光線の1次像点位置までのベースレイに沿って測った距離、
Szy_design:y方向の後側主点位置から設計像面までのベースレイに沿って測った距離、
fzy:y方向の全系の焦点距離、
である。
It is desirable that the following conditional expressions (4) and (5) are satisfied in an arbitrary focal length state with a variable magnification due to a change in focal length of the entire system.
-50 <(Sz1st_ximg-Szx_design) / fzx <20 (4)
-50 <(Sz1st_yimg-Szy_design) / fzy <20 (5)
However, the axial principal ray from the center of the object to the center of the design image plane through the center of the aperture is used as the base ray, the screen normal direction of the display element surface is the z direction, and the axial principal ray toward the screen and the normal of the screen surface. If the direction perpendicular to the plane formed by x is the x direction and the direction perpendicular to the x direction and the z direction is the y direction,
Sz1st_ximg: distance measured along the base ray from the back principal point position of the x-direction ray to the primary image point position of the x-direction ray,
Szx_design: Distance measured along the base ray from the back principal point position in the x direction to the design image plane.
fzx: focal length of the entire system in the x direction,
Sz1st_yimg: distance measured along the base ray from the back principal point position of the y-direction ray to the primary image point position of the y-direction ray,
Szy_design: The distance measured along the base ray from the rear principal point position in the y direction to the design image plane.
fzy: focal length of the entire system in the y direction,
It is.
ある任意の倍率状態でのx方向,y方向の焦点距離を、それぞれfx,fyとする。その状態において、各方向の前側焦点から表示素子面までの、軸上主光線に沿った距離を、それぞれΔx,Δyとする。それぞれの方向の後側主点位置から軸上主光線に沿って測ったそれぞれの方向の1次像点位置までの距離を、それぞれS1st_ximg,S1st_yimgとする。また、その状態において、それぞれの方向の後側主点位置から設計像面までの距離を、それぞれSx_design,Sy_designとする。 Let the focal lengths in the x direction and y direction in a certain arbitrary magnification state be fx and fy, respectively. In this state, the distances along the axial principal ray from the front focal point in each direction to the display element surface are denoted by Δx and Δy, respectively. S1st_ximg and S1st_yimg are the distances from the rear principal point position in each direction to the primary image point position in each direction measured along the axial principal ray. In this state, the distance from the rear principal point position in each direction to the design image plane is Sx_design and Sy_design, respectively.
今、表示素子面とスクリーン面が、Y−Z断面に沿って傾いている(つまり、x軸回りに回転した状態にある)ものとする。表示素子面の画面法線と、表示素子面から射出する軸上主光線と、の成す角度をθobjとし、スクリーン面の画面法線と、スクリーン面へ入射する軸上主光線と、の成す角度をθimgとする。また、表示素子面からの軸上主光線の射出角度をθyとし、スクリーン面への軸上主光線の入射角度をθ'yとする。このとき、x方向,y方向の投影倍率βx,βyは、以下の式(Fr7),(Fr8)でそれぞれ表される。
βx=(fx/Δx)・(Sx_design/S1st_ximg) …(Fr7)
βy=(fy/Δy)・(Sy_design/S1st_yimg)・(cosθy/cosθ'y) …(Fr8)
Now, it is assumed that the display element surface and the screen surface are inclined along the YZ section (that is, in a state of being rotated around the x axis). The angle formed by the screen normal of the display element surface and the axial principal ray emitted from the display element surface is θobj, and the angle formed by the screen normal of the screen surface and the axial principal ray incident on the screen surface Is θimg. Further, the exit angle of the axial principal ray from the display element surface is θy, and the incident angle of the axial principal ray on the screen surface is θ′y. At this time, the projection magnifications βx and βy in the x and y directions are expressed by the following equations (Fr7) and (Fr8), respectively.
βx = (fx / Δx) · (Sx_design / S1st_ximg) (Fr7)
βy = (fy / Δy) · (Sy_design / S1st_yimg) · (cosθy / cosθ'y) (Fr8)
投影倍率のアナモ比は、βx/βyで表される。通常、ズーミング中のアナモ比は一定であることが望ましい。ズーミング中に設計像面(つまり、スクリーン面に相当する設計上の結像面)がほぼ1次像面(つまり、共軸光学系での近軸像面に相当するピント位置)上にある場合、ズーミングにおける投影倍率の変化では焦点距離fxと焦点距離fyの変化が支配的である。しかしながら、表示素子面の傾きとスクリーン面の傾きが、y方向の投影倍率に影響を与えることになる。例えば、x方向の焦点距離とy方向の焦点距離が同じだけ変化した場合、表示素子面とスクリーン面の傾きの影響がy方向のみにかかり、このためアナモ比が大きく変化することになる。したがって、アナモ比を一定にしたズーミングを行うためには、設計像面の位置を1次像面の位置からずらす必要がある。つまり、1次像面の位置を変化させることにより、アナモ比を一定にすることができる。しかしながら、1次像面位置と設計像面位置が大きく乖離していると、ピント位置がズレて性能が低下してしまう。条件式(4),(5)は、1次像面位置と設計像面位置とのズレの許容できる範囲を規定している。条件式(4),(5)で規定している条件範囲を外れて、設計像面が1次像面位置から大きく外れると、ピントのズレが生じて性能が低下することになる。 The anamorphic ratio of the projection magnification is expressed by βx / βy. Usually, it is desirable that the anamorphic ratio during zooming is constant. When zooming, the design image plane (that is, the design image plane corresponding to the screen plane) is almost on the primary image plane (that is, the focal position corresponding to the paraxial image plane in the coaxial optical system). In the change of the projection magnification during zooming, the change of the focal length fx and the focal length fy is dominant. However, the tilt of the display element surface and the tilt of the screen surface affect the projection magnification in the y direction. For example, when the focal length in the x direction and the focal length in the y direction are changed by the same amount, the influence of the tilt of the display element surface and the screen surface is applied only in the y direction, and thus the anamorphic ratio is greatly changed. Therefore, in order to perform zooming with a constant anamorphic ratio, it is necessary to shift the position of the design image plane from the position of the primary image plane. That is, the anamorphic ratio can be made constant by changing the position of the primary image plane. However, if the primary image plane position and the design image plane position are greatly deviated, the focus position will be deviated and the performance will deteriorate. Conditional expressions (4) and (5) define an allowable range of deviation between the primary image plane position and the design image plane position. If the designed image plane deviates greatly from the primary image plane position outside the condition range defined by the conditional expressions (4) and (5), the focus is deviated and the performance is deteriorated.
本発明に係る投影光学系は、前記ズーム光学系として、回転非対称な光学面を持つ光学要素の平行移動と回転移動により、異なるスクリーン面位置にピントを合わせるフォーカシング機能を有することが望ましい。一般に光学系では、以下の式(Fr9)で表される倍率関係が成り立つ。ただし、ΔX'は後側焦点から像面までの距離、ΔXは前側焦点から物体までの距離、fは光学系の焦点距離である。
ΔX'=−f2/ΔX …(Fr9)
The projection optical system according to the present invention preferably has, as the zoom optical system, a focusing function for focusing on different screen surface positions by parallel movement and rotational movement of an optical element having a rotationally asymmetric optical surface. In general, in an optical system, a magnification relationship represented by the following formula (Fr9) is established. Where ΔX ′ is the distance from the rear focal point to the image plane, ΔX is the distance from the front focal point to the object, and f is the focal length of the optical system.
ΔX ′ = − f 2 / ΔX (Fr9)
通常の投影系では、スクリーン位置が変化したとき、ΔXを変化させてΔX'の値を変化させることにより、ピント位置が調整される。上記式(Fr9)は、それと同時に、光学系の焦点距離fを変化させることにより、ΔX'の値を変化させることが可能であることを示している。前述したように、偏芯した非回転対称な光学素子(例えば反射ミラー)を移動させることにより、非軸光学系全体の焦点距離を変化させることが可能である。また、全系の焦点距離を変化させるだけであれば、共軸系の部分を移動させればよい。しかしながら、フォーカシングにはズーミングで移動させている部分を用いることが好ましい。ズーミングで移動させている部分を移動させてフォーカシングにも利用すれば、フォーカシングのために新たな移動機構を必要とせず、コストを低く抑えることが可能となるからである。 In a normal projection system, when the screen position changes, the focus position is adjusted by changing ΔX to change the value of ΔX ′. The above formula (Fr9) indicates that the value of ΔX ′ can be changed by changing the focal length f of the optical system at the same time. As described above, it is possible to change the focal length of the entire non-axis optical system by moving the eccentric non-rotationally symmetric optical element (for example, the reflection mirror). Further, if only the focal length of the entire system is changed, the portion of the coaxial system may be moved. However, it is preferable to use a portion moved by zooming for focusing. This is because if the part moved by zooming is moved and used for focusing, a new moving mechanism is not required for focusing, and the cost can be kept low.
前記ズーム光学系に限らず、本発明に係る投影光学系は、全系の焦点距離を変化させることにより、異なるスクリーン面位置にピントを合わせるフォーカシング機能を有することが望ましい。今、x方向の光線についてのフォーカシングを考える。あるスクリーン面位置に対するフォーカス投影状態(状態IIIとする。)において、全系の焦点距離をfxIII、前側焦点から表示素子面までの距離をΔXxIII、後側焦点からスクリーン面位置までの距離をΔX'xIIIとする。スクリーン面位置に1次像点があるとき、以下の式(Fr10)が成り立つ。
ΔX'xIII=−fxIII2/ΔXxIII …(Fr10)
It is desirable that the projection optical system according to the present invention, not limited to the zoom optical system, has a focusing function for focusing on different screen surface positions by changing the focal length of the entire system. Now consider focusing on a ray in the x direction. In a focus projection state (state III) with respect to a certain screen surface position, the focal length of the entire system is fxIII, the distance from the front focus to the display element surface is ΔXxIII, and the distance from the rear focus to the screen surface position is ΔX ′. Let xIII. When there is a primary image point at the screen surface position, the following equation (Fr10) holds.
ΔX′xIII = −fxIII 2 / ΔXxIII (Fr10)
次に、スクリーン面位置を変化させてピントを合わせたときのフォーカス投影状態(状態IVとする。)において、全系の焦点距離をfxIV、前側焦点から表示素子面までの距離をΔXxIV、後側焦点からスクリーン面位置までの距離をΔX'xIVとする。このとき、以下の式(Fr11)が成り立つ。
ΔX'xIV=−fxIV2/ΔXxIV …(Fr11)
Next, in the focus projection state (state IV) when the screen surface position is changed and focused, the focal length of the entire system is fxIV, the distance from the front focus to the display element surface is ΔXxIV, and the rear side The distance from the focal point to the screen surface position is ΔX′xIV. At this time, the following equation (Fr11) is established.
ΔX′xIV = −fxIV 2 / ΔXxIV (Fr11)
上記状態IVのときもスクリーン面位置に1次像点があると考えると、スクリーン面を状態IIIから状態IVに変化させた場合でもピントが合っているためには、通常、ΔX'xIVがスクリーン面位置にくるようにΔX'xを変化させればよい。しかしながら、非軸光学系の場合には、焦点距離fxを変化させることによってこれを実現することができる。つまり、焦点距離を変化させることによってピント合わせが可能となる。ΔX'xを変化させるために光学系全体を移動させるよりも、焦点距離を変化させるように非軸光学要素の一部を移動させる方が、重量的にもより移動させやすい。また、表示素子面から射出する軸上主光線と、スクリーン面へ入射する軸上主光線と、が平行でない場合、全体を移動させると像の中心が移動してしまうため、像トビのような現象を起こる。前述したように、非軸光学要素の一部又は全部(つまり、偏芯配置された回転非対称な反射ミラー又はそれを含む光学素子群)を平行移動及び回転移動させる方法によれば、像の中心を移動させずに全系の焦点距離を変化させることが可能である。さらに、投影光学系全体を大きく移動させず、光学系の一部を移動させるだけで済むというメリットもある。したがって、全系の焦点距離を変化させてフォーカシングを行う構成が望ましい。 Considering that there is a primary image point at the screen surface position even in the state IV, ΔX′xIV is usually set to the screen in order to be in focus even when the screen surface is changed from the state III to the state IV. What is necessary is just to change (DELTA) X'x so that it may become a surface position. However, in the case of a non-axis optical system, this can be realized by changing the focal length fx. That is, focusing can be performed by changing the focal length. Rather than moving the entire optical system to change ΔX′x, moving a part of the non-axial optical element to change the focal length is easier to move in terms of weight. In addition, when the axial principal ray emitted from the display element surface and the axial principal ray incident on the screen surface are not parallel, the center of the image moves when the whole is moved. The phenomenon occurs. As described above, according to the method of translating and rotating a part or all of the non-axial optical element (that is, the rotationally asymmetric reflecting mirror or the optical element group including the eccentrically arranged mirror), the center of the image is obtained. It is possible to change the focal length of the entire system without moving. Furthermore, there is an advantage that it is only necessary to move a part of the optical system without greatly moving the entire projection optical system. Accordingly, it is desirable to perform focusing by changing the focal length of the entire system.
全系の焦点距離変化による、スクリーン面に最も近づく最近接投影状態から任意のフォーカス投影状態へのフォーカシングにおいて、以下の条件式(6)を満たすことが望ましい。
0.2<|θfmov/Zfoc|<8.0 …(6)
ただし、
θfmov:反射ミラーを含む光学素子群の回転角度(°)、
Zfoc=ff1/ff2、
ff1:最近接投影状態での全系の焦点距離、
ff2:フォーカス後の全系の焦点距離、
である。
In focusing from the closest projection state closest to the screen surface to an arbitrary focus projection state due to the change in the focal length of the entire system, it is desirable to satisfy the following conditional expression (6).
0.2 <| θfmov / Zfoc | <8.0 (6)
However,
θfmov: rotation angle (°) of the optical element group including the reflection mirror,
Zfoc = ff1 / ff2,
ff1: Focal length of the entire system in the closest projection state,
ff2: focal length of the entire system after focusing,
It is.
条件式(6)は、フォーカシングのために回転移動させる光学素子群の回転角度の大きさについて、好ましい条件範囲を規定している。条件式(6)の上限を越えて回転角度が大きくなると、回転機構が大きくなり、画像投影装置の大型化を招いてしまう。また、光学素子群における面の使用範囲が大きくなるため、その光学素子の有効径が大きくなって大型化とコストアップを招いてしまう。逆に、条件式(6)の下限を越えて回転角度が小さくなりすぎると、回転角度に対する焦点距離の変化の感度が高くなるため、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを含む光学素子群の製作が困難になる。特に、角度の誤差による軸上主光線の変化が大きくなると、位置制御機構の精度を上げる必要がでてくるため、移動の機構も高価になる。例えば、位置検出用にセンサーを用いたりして、位置ズレを小さくする必要がある。そのため、画像投影装置は非常に高価なものとなってしまう。 Conditional expression (6) defines a preferable condition range for the magnitude of the rotation angle of the optical element group to be rotated for focusing. If the rotation angle increases beyond the upper limit of conditional expression (6), the rotation mechanism increases and the size of the image projection apparatus increases. Moreover, since the use range of the surface in the optical element group is increased, the effective diameter of the optical element is increased, resulting in an increase in size and cost. Conversely, if the rotation angle becomes too small beyond the lower limit of conditional expression (6), the sensitivity of the change in focal length with respect to the rotation angle increases, so the optical element group including rotationally asymmetric reflection mirrors arranged eccentrically It becomes difficult to produce. In particular, when the change of the axial principal ray due to the angle error becomes large, it is necessary to increase the accuracy of the position control mechanism, and thus the movement mechanism becomes expensive. For example, it is necessary to reduce the positional deviation by using a sensor for position detection. Therefore, the image projection apparatus becomes very expensive.
全系の焦点距離変化による、スクリーン面に最も近づく最近接投影状態から任意のフォーカス投影状態へのフォーカシングにおいて、以下の条件式(7)を満たすことが望ましい。
0.05<|Sfmov/(Zfoc×ff1)|<7.0 …(7)
ただし、
Sfmov:反射ミラーを含む光学素子群の平行移動の距離、
Zfoc=ff1/ff2、
ff1:最近接投影状態での全系の焦点距離、
ff2:フォーカス後の全系の焦点距離、
である。
In focusing from the closest projection state closest to the screen surface to the arbitrary focus projection state due to the change in the focal length of the entire system, it is desirable to satisfy the following conditional expression (7).
0.05 <| Sfmov / (Zfoc × ff1) | <7.0 (7)
However,
Sfmov: distance of translation of the optical element group including the reflecting mirror,
Zfoc = ff1 / ff2,
ff1: Focal length of the entire system in the closest projection state,
ff2: focal length of the entire system after focusing,
It is.
条件式(7)は、フォーカシングのために平行移動させる光学素子群の移動量の大きさについて、好ましい条件範囲を規定している。条件式(7)の上限を越えて移動量が大きくなりすぎると、移動のために大きなスペースが必要となるため、投影光学系全体がコンパクトにならなくなる。逆に、条件式(7)の下限を越えて移動量が小さくなりすぎると、フォーカシングに対する感度が高くなりすぎるため、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを含む光学素子群の製作が困難になる。 Conditional expression (7) defines a preferable condition range for the amount of movement of the optical element group to be translated for focusing. If the amount of movement exceeds the upper limit of conditional expression (7), a large space is required for movement, and the entire projection optical system cannot be made compact. Conversely, if the amount of movement is too small beyond the lower limit of conditional expression (7), the sensitivity to focusing becomes too high, making it difficult to manufacture an optical element group including rotationally asymmetric reflecting mirrors arranged eccentrically. Become.
以下の条件式(7a)を満たすことが更に望ましい。
0.5<|Sfmov/(Zfoc×ff1)|<3.0 …(7a)
この条件式(7a)は、上記条件式(7)が規定している条件範囲のなかでも、上記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。
It is more desirable to satisfy the following conditional expression (7a).
0.5 <| Sfmov / (Zfoc × ff1) | <3.0 (7a)
The conditional expression (7a) defines a more preferable condition range based on the above viewpoints, etc., among the condition ranges defined by the conditional expression (7).
全系の焦点距離変化によるフォーカシングでの任意の焦点距離状態において、以下の条件式(8)及び(9)を満たすことが望ましい。
-50<(Sf1st_ximg−Sfx_design)/ffx<20 …(8)
-50<(Sf1st_yimg−Sfy_design)/ffy<20 …(9)
ただし、物体中心から絞り中心を通り設計像面中心に至る軸上主光線をベースレイとし、表示素子面の画面法線方向をz方向とし、スクリーンへ向かう軸上主光線とスクリーン面の法線が成す平面に垂直な方向をx方向とし、x方向とz方向に垂直な方向をy方向とすると、
Sf1st_ximg:x方向光線の後側主点位置からx方向光線の1次像点位置までのベースレイに沿って測った距離、
Sfx_design:x方向の後側主点位置から設計像面までのベースレイに沿って測った距離、
ffx:x方向の全系の焦点距離、
Sf1st_yimg:y方向光線の後側主点位置からy方向光線の1次像点位置までのベースレイに沿って測った距離、
Sfy_design:y方向の後側主点位置から設計像面までのベースレイに沿って測った距離、
ffy:y方向の全系の焦点距離、
である。
It is desirable that the following conditional expressions (8) and (9) are satisfied in an arbitrary focal length state during focusing by changing the focal length of the entire system.
-50 <(Sf1st_ximg-Sfx_design) / ffx <20 (8)
-50 <(Sf1st_yimg-Sfy_design) / ffy <20 (9)
However, the axial principal ray from the center of the object to the center of the design image plane through the center of the aperture is used as the base ray, the screen normal direction of the display element surface is the z direction, and the axial principal ray toward the screen and the normal of the screen surface. If the direction perpendicular to the plane formed by x is the x direction and the direction perpendicular to the x direction and the z direction is the y direction,
Sf1st_ximg: distance measured along the base ray from the back principal point position of the x-direction ray to the primary image point position of the x-direction ray,
Sfx_design: Distance measured along the base ray from the back principal point position in the x direction to the design image plane,
ffx: focal length of the entire system in the x direction,
Sf1st_yimg: distance measured along the base ray from the back principal point position of the y-direction ray to the primary image point position of the y-direction ray,
Sfy_design: The distance measured along the base ray from the back principal point position in the y direction to the design image plane,
ffy: focal length of the entire system in the y direction
It is.
ある任意のフォーカス投影状態でのx方向,y方向の焦点距離を、それぞれfx,fyとする。その状態において、各方向の前側焦点から表示素子面までの、軸上主光線に沿った距離を、それぞれΔx,Δyとする。それぞれの方向の後側主点位置から軸上主光線に沿って測ったそれぞれの方向の1次像点位置までの距離を、それぞれS1st_ximg,S1st_yimgとする。また、その状態において、それぞれの方向の後側主点位置から設計像面までの距離を、それぞれSx_design,Sy_designとする。 The focal lengths in the x and y directions in a certain focus projection state are assumed to be fx and fy, respectively. In this state, the distances along the axial principal ray from the front focal point in each direction to the display element surface are denoted by Δx and Δy, respectively. S1st_ximg and S1st_yimg are the distances from the rear principal point position in each direction to the primary image point position in each direction measured along the axial principal ray. In this state, the distance from the rear principal point position in each direction to the design image plane is Sx_design and Sy_design, respectively.
今、表示素子面とスクリーン面が、Y−Z断面に沿って傾いている(つまり、x軸回りに回転した状態にある)ものとする。表示素子面の画面法線と、表示素子面から射出する軸上主光線と、の成す角度をθobjとし、スクリーン面の画面法線と、スクリーン面へ入射する軸上主光線と、の成す角度をθimgとする。また、表示素子面からの軸上主光線の射出角度をθyとし、スクリーン面への軸上主光線の入射角度をθ'yとする。このとき、x方向,y方向の投影倍率βx,βyは、以下の式(Fr7),(Fr8)でそれぞれ表される。
βx=(fx/Δx)・(Sx_design/S1st_ximg) …(Fr7)
βy=(fy/Δy)・(Sy_design/S1st_yimg)・(cosθy/cosθ'y) …(Fr8)
Now, it is assumed that the display element surface and the screen surface are inclined along the YZ section (that is, in a state of being rotated around the x axis). The angle formed by the screen normal of the display element surface and the axial principal ray emitted from the display element surface is θobj, and the angle formed by the screen normal of the screen surface and the axial principal ray incident on the screen surface Is θimg. Further, the exit angle of the axial principal ray from the display element surface is θy, and the incident angle of the axial principal ray on the screen surface is θ′y. At this time, the projection magnifications βx and βy in the x and y directions are expressed by the following equations (Fr7) and (Fr8), respectively.
βx = (fx / Δx) · (Sx_design / S1st_ximg) (Fr7)
βy = (fy / Δy) · (Sy_design / S1st_yimg) · (cosθy / cosθ'y) (Fr8)
投影倍率のアナモ比は、βx/βyで表される。通常、フォーカシング中のアナモ比は一定であることが望ましい。フォーカシング中に設計像面(つまり、スクリーン面に相当する設計上の結像面)がほぼ1次像面(つまり、共軸光学系での近軸像面に相当するピント位置)上にある場合、フォーカシングの投影倍率の変化では焦点距離fxと焦点距離fyの変化が支配的である。しかしながら、表示素子面の傾きとスクリーン面の傾きが、y方向の投影倍率に影響を与えることになる。例えば、x方向の焦点距離とy方向の焦点距離が同じだけ変化した場合、表示素子面とスクリーン面の傾きの影響がy方向のみにかかり、このためアナモ比が大きく変化することになる。したがって、アナモ比を一定にしたフォーカシングを行うためには、設計像面の位置を1次像面の位置からずらす必要がある。つまり、1次像面の位置を変化させることにより、アナモ比を一定にすることができる。しかしながら、1次像面位置と設計像面位置が大きく乖離していると、ピント位置がズレて性能が低下してしまう。条件式(8),(9)は、1次像面位置と設計像面位置のずれの許容できる範囲を規定している。条件式(8),(9)で規定している条件範囲を外れて、設計像面が1次像面位置から大きく外れると、ピントのズレが生じて性能が低下することになる。 The anamorphic ratio of the projection magnification is expressed by βx / βy. Usually, it is desirable that the anamorphic ratio during focusing be constant. When the design image plane (that is, the design image plane corresponding to the screen plane) is on the primary image plane (that is, the focal position corresponding to the paraxial image plane in the coaxial optical system) during focusing. In the change in the focusing projection magnification, the change in the focal length fx and the focal length fy is dominant. However, the tilt of the display element surface and the tilt of the screen surface affect the projection magnification in the y direction. For example, when the focal length in the x direction and the focal length in the y direction are changed by the same amount, the influence of the tilt of the display element surface and the screen surface is applied only in the y direction, and thus the anamorphic ratio is greatly changed. Therefore, in order to perform focusing with a constant anamorphic ratio, it is necessary to shift the position of the design image plane from the position of the primary image plane. That is, the anamorphic ratio can be made constant by changing the position of the primary image plane. However, if the primary image plane position and the design image plane position are greatly deviated, the focus position will be deviated and the performance will deteriorate. Conditional expressions (8) and (9) define an allowable range of deviation between the primary image plane position and the design image plane position. If the condition range defined by the conditional expressions (8) and (9) is not satisfied and the design image plane is greatly deviated from the primary image plane position, the focus is shifted and the performance is deteriorated.
回転非対称な反射ミラーを平行移動及び回転移動させることにより、異なるスクリーン位置にフォーカスすることが可能であり、また、異なる投影倍率で用いるためにズーミングさせることも可能であることは、すでに述べた通りである。これらのことから、本発明に係る投影光学系を、2つ以上のスクリーン位置に対し別々に単焦点の投影光学系として用いることが可能であり、また、2つ以上の投影倍率で別々に単焦点の投影光学系として用いることが可能であることは明らかである。 As described above, it is possible to focus on different screen positions by translating and rotating a rotationally asymmetric reflecting mirror, and to zoom for use at different projection magnifications. It is. From these facts, the projection optical system according to the present invention can be used as a single-focus projection optical system separately for two or more screen positions, and separately at a projection magnification of two or more. Obviously, it can be used as a focal point projection optical system.
例えば、異なる2つのスクリーン位置に拡大投影する仕様の投影光学系が必要となる場合や異なる2つの投影倍率の投影光学系が必要となる場合には、通常、2つの投影光学系が必要である。しかしながら、本発明に係る投影光学系を用いれば、2つの投影光学系は不要であり、1つの投影光学系で十分である。そして、それらの仕様を満たすには、少なくとも1面の偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを含む少なくとも1つの光学素子群を平行移動及び回転移動させればよい。そのような調整を行うことにより、1つの投影光学系で異なった仕様の画像投影装置に対応することが可能となる。したがって、大幅なコストダウンが可能となる。また、実際の画像投影装置を個々に微調整する際にも上記光学素子群の平行移動及び回転移動を利用することができる。 For example, when a projection optical system with specifications for enlarging and projecting on two different screen positions is required, or when a projection optical system with two different projection magnifications is required, two projection optical systems are usually required. . However, if the projection optical system according to the present invention is used, two projection optical systems are unnecessary, and one projection optical system is sufficient. In order to satisfy these specifications, at least one optical element group including at least one rotationally asymmetric reflecting mirror arranged eccentrically may be translated and rotated. By performing such adjustment, it is possible to deal with image projection apparatuses having different specifications with one projection optical system. Therefore, the cost can be significantly reduced. In addition, the parallel movement and rotational movement of the optical element group can be used when finely adjusting the actual image projection apparatus individually.
したがって、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを有し、あるスクリーン位置に投影する状態と、その状態とは異なるスクリーン位置に投影する状態と、のいずれか一方で用いるために、前記反射ミラーを含む少なくとも1つの光学素子群の平行移動と回転移動が可能な構成を有することにより、少なくとも2つのスクリーン位置に拡大投影する仕様に対応したりその微調整を行ったりすることが可能となる。また、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを有し、ある投影倍率状態と、その状態とは異なる別の投影倍率状態と、のいずれか一方で用いるために、前記反射ミラーを含む少なくとも1つの光学素子群の平行移動と回転移動が可能な構成を有することにより、少なくとも2つの投影倍率で拡大投影する仕様に対応したりその微調整を行ったりすることが可能となる。 Therefore, the reflection mirror has a rotationally asymmetric reflection mirror arranged eccentrically, and is used in any one of a state of projecting to a screen position and a state of projecting to a screen position different from the state. By having a configuration in which at least one optical element group including can be translated and rotated, it is possible to correspond to the specifications for enlarging and projecting to at least two screen positions or to perform fine adjustment thereof. Further, it has a rotationally asymmetric reflecting mirror arranged eccentrically, and includes at least one reflecting mirror to be used in any one of a certain projection magnification state and another projection magnification state different from the state. By having a configuration in which the two optical element groups can be translated and rotated, it is possible to correspond to the specifications for enlarging and projecting at least two projection magnifications, and to perform fine adjustment thereof.
次に、本発明に係る投影光学系の具体的な光学構成を、第1〜第4の実施の形態を例に挙げて説明する。図1〜図4に、第1〜第4の実施の形態における表示素子面SGからスクリーン面SLまでの投影光路全体の光学構成(光学配置,投影光路等)を、表示素子面SGの画面長辺方向に沿って見たときの光学断面(短辺側断面)でそれぞれ示す。また、図1〜図4に示す光学構成の要部(表示素子面SGから第2曲面ミラーM2まで)を、それぞれ図5〜図8に拡大して示す。図1(A)ではズーミングにおける広角端,フォーカシングにおける最近接投影状態での光学配置を示しており、図1(B)ではズーミングにおける望遠端,フォーカシングにおける最近接投影状態での光学配置を示している。図2ではズーミングにおける広角端,フォーカシングにおける最近接投影状態での光学配置を示しており、図3及び図4では、フォーカシングにおける最近接投影状態での光学配置を示している。なお、図1〜図8では、表示素子面SGの画面法線方向をz方向とし、スクリーンへ向かう軸上主光線とスクリーン面の法線が成す平面に垂直な方向をx方向、それらと垂直な方向をy方向とする直交座標系(x,y,z)において、第1〜第4の実施の形態の光学構成をy−z断面で示している。なお、各実施の形態では、x方向は表示素子面SGの画面短辺方向、y方向は表示素子面SGの画面長辺方向と一致している。 Next, a specific optical configuration of the projection optical system according to the present invention will be described using the first to fourth embodiments as examples. 1 to 4 show the optical configuration (optical arrangement, projection light path, etc.) of the entire projection light path from the display element surface SG to the screen surface SL in the first to fourth embodiments, and the screen length of the display element surface SG. Each is shown by an optical cross section (short side cross section) when viewed along the side direction. Moreover, the principal part (from the display element surface SG to the 2nd curved mirror M2) of the optical structure shown in FIGS. 1-4 is expanded and shown in FIGS. 5-8, respectively. FIG. 1A shows the optical arrangement at the wide-angle end in zooming and the closest projection state in focusing, and FIG. 1B shows the optical arrangement at the telephoto end in zooming and the closest projection state in focusing. Yes. FIG. 2 shows an optical arrangement at the wide-angle end in zooming and the closest projection state in focusing. FIGS. 3 and 4 show an optical arrangement in the closest projection state in focusing. 1 to 8, the screen normal direction of the display element surface SG is the z direction, and the direction perpendicular to the plane formed by the axial principal ray toward the screen and the normal of the screen surface is the x direction, perpendicular to them. In the Cartesian coordinate system (x, y, z) in which any direction is the y direction, the optical configurations of the first to fourth embodiments are shown in the yz section. In each embodiment, the x direction coincides with the screen short side direction of the display element surface SG, and the y direction coincides with the screen long side direction of the display element surface SG.
第1,第2の実施の形態の投影光学系POは、フォーカシング機能とズーミング機能を有するズーム光学系であり、縮小側(表示素子面SG側)から拡大側(スクリーン面SL側)にかけて順に、複数の第iレンズLi(i=1,2,3,...)等で構成された屈折光学系LGと、第1曲面ミラーM1と、第2曲面ミラーM2と、平面ミラーMFと、から成っている。また、第1曲面ミラーM1と第2曲面ミラーM2との間の空間には中間像が形成され、スクリーン面SLとスクリーン面SLへ入射する軸上主光線との成す角度が垂直ではない、いわゆる斜め拡大投影が行われる構成になっている。 The projection optical system PO of the first and second embodiments is a zoom optical system having a focusing function and a zooming function, and sequentially from the reduction side (display element surface SG side) to the enlargement side (screen surface SL side). A refractive optical system LG composed of a plurality of i-th lenses Li (i = 1, 2, 3,...), A first curved mirror M1, a second curved mirror M2, and a plane mirror MF. It is made up. Also, an intermediate image is formed in the space between the first curved mirror M1 and the second curved mirror M2, and the angle formed between the screen surface SL and the axial principal ray incident on the screen surface SL is not vertical, so-called. The configuration is such that oblique enlargement projection is performed.
第3,第4の実施の形態の投影光学系POは、フォーカシング機能を有する光学系であり、縮小側(表示素子面SG側)から拡大側(スクリーン面SL側)にかけて順に、複数の第iレンズLi(i=1,2,3,...)等で構成された屈折光学系LGと、第1曲面ミラーM1と、第2曲面ミラーM2と、から成っている。また、第1曲面ミラーM1と第2曲面ミラーM2との間の空間には中間像が形成され、スクリーン面SLとスクリーン面SLへ入射する軸上主光線との成す角度が垂直ではない、いわゆる斜め拡大投影が行われる構成になっている。 The projection optical system PO of the third and fourth embodiments is an optical system having a focusing function, and in order from the reduction side (display element surface SG side) to the enlargement side (screen surface SL side) The optical system LG includes a refractive optical system LG including a lens Li (i = 1, 2, 3,...), A first curved mirror M1, and a second curved mirror M2. Also, an intermediate image is formed in the space between the first curved mirror M1 and the second curved mirror M2, and the angle formed between the screen surface SL and the axial principal ray incident on the screen surface SL is not vertical, so-called. The configuration is such that oblique enlargement projection is performed.
第1〜第4の実施の形態において、第1曲面ミラーM1と第2曲面ミラーM2は、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーであり、その反射面形状は自由曲面から成っている。投影光学系POはyz平面に関して面対称になっている。また、第1,第2曲面ミラーM1,M2の反射面形状は面対称であり、その対称面はyz平面である。第1〜第4の実施の形態の投影光学系POは、全系の焦点距離を変化させることにより、異なるスクリーン面位置にピントを合わせるフォーカシング機能を有している。さらに第1,第2の実施の形態の投影光学系POは、全系の焦点距離を変化させることにより、表示素子面とスクリーン面の位置をほぼ一定に保ったまま、拡大倍率を変化させるズーミング機能を有している。そして、フォーカシング,ズーミングのうちの少なくとも一方を行う際、全系の焦点距離を変化させるために、少なくとも第1,第2曲面ミラーM1,M2がそれぞれ平行移動と回転移動を行う構成になっている。 In the first to fourth embodiments, the first curved mirror M1 and the second curved mirror M2 are rotationally asymmetric reflecting mirrors that are eccentrically arranged, and the shape of the reflecting surface is a free-form surface. The projection optical system PO is plane-symmetric with respect to the yz plane. The reflection surface shapes of the first and second curved mirrors M1 and M2 are plane symmetric, and the plane of symmetry is the yz plane. The projection optical system PO of the first to fourth embodiments has a focusing function for focusing on different screen surface positions by changing the focal length of the entire system. Further, the projection optical system PO according to the first and second embodiments can perform zooming to change the magnification while maintaining the positions of the display element surface and the screen surface substantially constant by changing the focal length of the entire system. It has a function. When at least one of focusing and zooming is performed, at least the first and second curved mirrors M1 and M2 are configured to perform translation and rotation, respectively, in order to change the focal length of the entire system. .
第1の実施の形態では、ズーミングにおいて、第1〜第4レンズL1〜L4と、第5〜第7レンズL5〜L7と、がそれぞれ平行移動を行い、第8レンズL8と、第1曲面ミラーM1と、第2曲面ミラーM2と、がそれぞれ平行移動と回転移動を行う。また、フォーカシングにおいては、第8レンズL8が平行移動と回転移動を行う。第2の実施の形態では、ズーミングにおいて、第1〜第4レンズL1〜L4と、第5〜第7レンズL5〜L7と、がそれぞれ平行移動を行い、第8レンズL8と、第1曲面ミラーM1と、第2曲面ミラーM2と、がそれぞれ平行移動と回転移動を行う。また、フォーカシングにおいては、第1曲面ミラーM1と、第2曲面ミラーM2と、がそれぞれ平行移動と回転移動を行う。第3の実施の形態では、フォーカシングにおいて、第5レンズL5が平行移動を行い、第2曲面ミラーM2が平行移動と回転移動を行う。第4の実施の形態では、フォーカシングにおいて、第1曲面ミラーM1が平行移動と回転移動を行う。 In the first embodiment, in zooming, the first to fourth lenses L1 to L4 and the fifth to seventh lenses L5 to L7 perform parallel movement, respectively, and the eighth lens L8 and the first curved mirror. M1 and the second curved mirror M2 perform parallel movement and rotational movement, respectively. In focusing, the eighth lens L8 performs translation and rotation. In the second embodiment, in zooming, the first to fourth lenses L1 to L4 and the fifth to seventh lenses L5 to L7 perform parallel movement, respectively, and the eighth lens L8 and the first curved mirror. M1 and the second curved mirror M2 perform parallel movement and rotational movement, respectively. In focusing, the first curved mirror M1 and the second curved mirror M2 perform parallel movement and rotational movement, respectively. In the third embodiment, in focusing, the fifth lens L5 performs parallel movement, and the second curved mirror M2 performs parallel movement and rotational movement. In the fourth embodiment, the first curved mirror M1 performs parallel movement and rotational movement during focusing.
上記のように第1〜第4の実施の形態では、少なくとも第1曲面ミラーM1又は第2曲面ミラーM2の平行移動と回転移動により全系の焦点距離が変化するので、投影光学系の高性能化とコンパクト化を達成しながら、非軸光学系による斜め投影において像トビの発生なしにズーミングやフォーカシングを行うことができる。第1,第2曲面ミラーM1,M2は、それぞれが偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを含む光学素子群であり、各光学素子群の平行移動と回転移動により全系の焦点距離を変化させるが、各実施の形態から分かるように、全系の焦点距離を変化させる際には、第1,第2曲面ミラーM1,M2以外の光学素子群(レンズ群等)を移動させてもよい。つまり、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを含む少なくとも1つの光学素子群を移動群の1つとして、少なくともその平行移動と回転移動により全系の焦点距離を変化させる構成であればよい。 As described above, in the first to fourth embodiments, the focal length of the entire system changes due to the parallel movement and the rotational movement of at least the first curved mirror M1 or the second curved mirror M2. Zooming and focusing can be performed without causing image distortion in oblique projection by a non-axis optical system while achieving reduction in size and size. The first and second curved mirrors M1 and M2 are optical element groups including rotationally asymmetric reflecting mirrors that are eccentrically arranged, and the focal length of the entire system is changed by the parallel movement and rotational movement of each optical element group. However, as can be seen from each embodiment, when changing the focal length of the entire system, the optical element group (lens group or the like) other than the first and second curved mirrors M1 and M2 may be moved. . That is, it is sufficient if at least one optical element group including a rotationally asymmetric reflecting mirror arranged eccentrically is one of the moving groups, and the focal length of the entire system is changed by at least the parallel movement and the rotational movement.
各実施の形態の投影光学系POでは、表示素子面SGからスクリーン面SLまでの間に、第1,第2曲面ミラーM1,M2や平面ミラーMFで構成された反射面が配置されている。各実施の形態のように、表示素子面からスクリーン面までの間に1面又は2面の反射面を有することが望ましい。反射面で光路を折り曲げることにより、投影光学系をコンパクトにすることができる。反射面の枚数を多くすれば、投影光学系をより一層コンパクトにすることが可能である。したがって、投影光学系は反射面を2面以上有することが望ましい。反射面を2面以上有することにより、投影光学系をスクリーン面に対して略平行な方向に折り曲げることができる。これにより、スクリーンの奥行き方向に投影光学系のサイズを小さくすることが可能となり、投影光学系の投影空間を縮小することが可能となる。投影光学系中に反射面を追加して光路を折り曲げ、スクリーンの高さ方向に投影光学系のサイズを縮小することも可能である。 In the projection optical system PO of each embodiment, a reflecting surface composed of the first and second curved mirrors M1, M2 and the plane mirror MF is disposed between the display element surface SG and the screen surface SL. As in each embodiment, it is desirable to have one or two reflecting surfaces between the display element surface and the screen surface. By bending the optical path at the reflecting surface, the projection optical system can be made compact. If the number of reflecting surfaces is increased, the projection optical system can be made more compact. Therefore, it is desirable that the projection optical system has two or more reflecting surfaces. By having two or more reflecting surfaces, the projection optical system can be bent in a direction substantially parallel to the screen surface. As a result, the size of the projection optical system can be reduced in the depth direction of the screen, and the projection space of the projection optical system can be reduced. It is also possible to reduce the size of the projection optical system in the height direction of the screen by adding a reflecting surface in the projection optical system to bend the optical path.
すべての反射面がパワーを有することが望ましい。反射面にパワーを持たせることによって反射面での収差補正が可能となり、投影光学系全体の収差を補正することが可能となる。したがって、すべての反射面にパワーを持たせることにより、より高い光学性能を得ることが可能となる。 It is desirable that all reflecting surfaces have power. By giving power to the reflecting surface, it is possible to correct the aberration on the reflecting surface, and it is possible to correct the aberration of the entire projection optical system. Therefore, it is possible to obtain higher optical performance by giving power to all the reflecting surfaces.
パワーを有する反射面は自由曲面形状を有することが望ましい。自由曲面形状には、設計の自由度が高いため光線の偏向方向を設定する自由度が高い、というメリットがある。また、自由曲面形状を用いることにより、像面の倒れや非点収差等の収差を良好に補正することができる。さらに、反射面に用いる自由曲面は1面の対称面を有することが望ましい。対称面を有する自由曲面には、製造や評価における難易度が低いというメリットがある。 The reflecting surface having power preferably has a free-form surface shape. The free-form surface has a merit that since the degree of freedom in design is high, the degree of freedom in setting the light deflection direction is high. Further, by using a free-form surface shape, it is possible to satisfactorily correct aberrations such as image plane tilt and astigmatism. Furthermore, it is desirable that the free-form surface used for the reflecting surface has one plane of symmetry. A free-form surface having a symmetric surface has an advantage of low difficulty in manufacturing and evaluation.
投影光学系中の最もスクリーン面に近い位置に反射面を設置することが望ましい。スクリーン面に近い位置に反射面を設置して光路を折り曲げることにより、画像の投影に必要な空間をコンパクトにすることができる。また、反射面に入射する各画角の光束が分離しているので、そこに自由曲面形状を有する反射面を配置することにより、高い収差補正効果を得ることができる。 It is desirable to install the reflecting surface at a position closest to the screen surface in the projection optical system. A space necessary for projecting an image can be made compact by installing a reflecting surface near the screen surface and bending the optical path. In addition, since the light beams having different angles of view incident on the reflection surface are separated, a high aberration correction effect can be obtained by disposing a reflection surface having a free-form surface.
自由曲面を含むミラーの基盤や屈折レンズはプラスチック材料から成ることが望ましい。自由曲面を含む光学素子(ミラー,レンズ等)の構成材料としてプラスチックを使用することにより、光学素子のコストダウンを達成することが可能となる。例えば、後述する実施例3,4の第8レンズL8はアナモフィック非球面を有するガラスレンズであるが、それをプラスチックレンズに代えることができる。 The base of the mirror including the free-form surface and the refractive lens are preferably made of a plastic material. By using plastic as a constituent material of an optical element (mirror, lens, etc.) including a free-form surface, it is possible to achieve cost reduction of the optical element. For example, an eighth lens L8 of Examples 3 and 4 to be described later is a glass lens having an anamorphic aspheric surface, but it can be replaced with a plastic lens.
各実施の形態の投影光学系POは、パワーを有する屈折光学素子から成る屈折光学系LGを有している。各実施の形態のように、投影光学系はパワーを有する屈折光学素子を少なくとも1つ有することが望ましい。パワーを有する屈折光学素子を用いることにより、色合成プリズムで発生する色収差等、反射面のみでは補正できない収差を補正することが可能となる。なお、本発明の特徴的構成は、屈折光学素子を有する投影光学系に適用する場合に限らず、ミラーのみを有する投影光学系に適用する場合でも、同様にその効果を発揮することができる。 The projection optical system PO of each embodiment has a refractive optical system LG composed of a refractive optical element having power. As in each embodiment, it is desirable that the projection optical system has at least one refractive optical element having power. By using a refracting optical element having power, it is possible to correct aberrations that cannot be corrected only by the reflecting surface, such as chromatic aberration generated in the color synthesis prism. The characteristic configuration of the present invention is not limited to being applied to a projection optical system having a refracting optical element, but can also exhibit the same effect when applied to a projection optical system having only a mirror.
屈折面として、x軸方向とy軸方向とでパワーの異なる面(つまりアナモフィック非球面)を用いることが望ましい。x軸方向とy軸方向とでパワーの異なる屈折面を用いることにより、x軸方向とy軸方向とで非対称な収差を補正することができる。x軸方向とy軸方向とでパワーの異なる屈折面は、スクリーン面に近い面として用いることが好ましい。ただし、最もスクリーン面に近い面では各画角の光束が分離しているため、高い収差補正の効果を得るために、自由曲面形状を有する反射面を配置することが望ましい。 As the refracting surface, it is desirable to use surfaces having different powers in the x-axis direction and the y-axis direction (that is, anamorphic aspheric surfaces). By using refracting surfaces having different powers in the x-axis direction and the y-axis direction, it is possible to correct asymmetric aberrations in the x-axis direction and the y-axis direction. Refractive surfaces having different powers in the x-axis direction and the y-axis direction are preferably used as surfaces close to the screen surface. However, since the luminous fluxes at the respective angles of view are separated on the surface closest to the screen surface, it is desirable to arrange a reflecting surface having a free-form surface in order to obtain a high aberration correction effect.
ズーミング時には、2面の偏芯配置された非回転対称な反射面を移動させることが、ズーミングによる収差変動を良好に補正できるため好ましい。また、フォーカシング時には、1面又は2面の偏芯配置された非回転対称な反射面を移動させることが、フォーカシングによる収差変動を良好に補正できるため好ましい。また、2面の偏芯配置された非回転対称な透過面を有する光学素子を移動させることが、フォーカシングによる収差変動を良好に補正できるため好ましい。さらに、フォーカシング時には1つの反射光学素子と1つの屈折光学素子との合計2つの光学素子を移動させることが、フォーカシングによる収差変動を良好に補正できるため好ましい。もちろん、反射光学素子のみ又は屈折光学素子のみを用いて、フォーカシングを行うことも可能である。 During zooming, it is preferable to move the non-rotationally symmetric reflecting surfaces arranged eccentrically on the two surfaces because aberration variations due to zooming can be corrected well. Further, at the time of focusing, it is preferable to move the non-rotationally symmetric reflecting surface in which one or two surfaces are eccentrically arranged because aberration fluctuations due to focusing can be corrected well. In addition, it is preferable to move the optical element having a non-rotationally symmetric transmission surface arranged eccentrically on two surfaces because aberration variations due to focusing can be favorably corrected. Further, during focusing, it is preferable to move a total of two optical elements, one reflective optical element and one refractive optical element, because aberration fluctuations due to focusing can be favorably corrected. Of course, it is also possible to perform focusing using only a reflective optical element or a refractive optical element.
投影光学系内でいったん中間像を形成した後、その中間像を反射面でスクリーン面上に結像させることが望ましい。中間像よりもスクリーン面側に位置する光学素子で発生する歪曲を相殺するように、中間像に収差を与えることによって、広角な投影光学系でありながらスクリーン面上で良好な光学性能を得ることが可能となる。また、中間像を形成することにより、反射面の大きさを小さくすることができるので、反射面の製造が容易になる。 It is desirable to form an intermediate image once in the projection optical system and then form the intermediate image on the screen surface with a reflecting surface. By giving aberration to the intermediate image so as to cancel out the distortion generated by the optical element located on the screen surface side of the intermediate image, it is possible to obtain a good optical performance on the screen surface even though it is a wide-angle projection optical system. Is possible. Moreover, since the size of the reflecting surface can be reduced by forming the intermediate image, the manufacturing of the reflecting surface is facilitated.
最もスクリーン面に近い反射面は凹面であることが望ましい。最もスクリーン面に近い反射面として凹面反射面を用いることにより、凹面反射面のパワーによって中間像を結像させることができる。したがって、中間像の収差を用いて、歪曲や像面の傾き等、投影光学系全体の収差を補正することが可能となる。最もスクリーン面に近い反射面が凸面反射面である場合、いったん形成した中間像をスクリーン面上で結像させるために、凸面ミラーのほかに正パワーの光学素子が必要となる。このため、中間像を形成する構成ではコンパクト化が困難になる。したがって、最もスクリーン面に近い反射面が凸面反射面であり、中間像を形成しない場合には、収差補正のために自由曲面形状の屈折光学素子や反射光学素子を追加することが望ましい。 The reflecting surface closest to the screen surface is preferably a concave surface. By using the concave reflecting surface as the reflecting surface closest to the screen surface, an intermediate image can be formed by the power of the concave reflecting surface. Therefore, it is possible to correct aberrations of the entire projection optical system such as distortion and inclination of the image plane using the aberration of the intermediate image. When the reflective surface closest to the screen surface is a convex reflective surface, a positive power optical element is required in addition to the convex mirror in order to form an intermediate image once formed on the screen surface. For this reason, it is difficult to reduce the size of the configuration in which the intermediate image is formed. Therefore, when the reflective surface closest to the screen surface is a convex reflective surface and an intermediate image is not formed, it is desirable to add a free-form refractive optical element or reflective optical element for aberration correction.
第1〜第4の実施の形態は、表示画像をスクリーン面SL上に拡大投影する、画像投影装置用の投影光学系POである。したがって、表示素子面SGは光強度の変調等により2次元画像を形成する画像形成面に相当し、スクリーン面SLはその投影像面に相当する。各実施の形態では表示素子としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを想定しているが、表示素子はこれに限らず、各実施の形態の投影光学系POに適した他の非発光・反射型(又は透過型)の表示素子(例えば液晶表示素子)を用いても構わない。表示素子としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合、その表示素子面SGを照明光学系で照明すると、表示素子面SGに入射した光は、ON/OFF状態(例えば±12°の傾き状態)の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に変調される。その際、ON状態のマイクロミラーで反射した光のみが投影光学系POに入射してスクリーン面SLに投射される。 The first to fourth embodiments are projection optical systems PO for an image projection apparatus that project an enlarged display image on a screen surface SL. Accordingly, the display element surface SG corresponds to an image forming surface on which a two-dimensional image is formed by modulation of light intensity or the like, and the screen surface SL corresponds to the projected image surface. In each embodiment, a digital micromirror device is assumed as a display element. However, the display element is not limited to this, and other non-light-emitting / reflective type (or a suitable type) for the projection optical system PO of each embodiment (or A transmission type display element (for example, a liquid crystal display element) may be used. When a digital micromirror device is used as a display element, when the display element surface SG is illuminated with an illumination optical system, the light incident on the display element surface SG is in an ON / OFF state (for example, an inclination state of ± 12 °). It is spatially modulated by being reflected by each micromirror. At that time, only the light reflected by the micromirrors in the ON state enters the projection optical system PO and is projected onto the screen surface SL.
以上の説明から分かるように、上述した各実施の形態や後述する各実施例には以下の投影光学系及び画像投影装置の構成が含まれている。その構成によると、前述したように、投影光学系の高性能化とコンパクト化を達成しながら、非軸光学系による斜め投影において像トビの発生なしにズーミングやフォーカシングを行うことが可能である。 As can be seen from the above description, each of the above-described embodiments and each example described later includes the following configurations of the projection optical system and the image projection apparatus. According to this configuration, as described above, it is possible to perform zooming and focusing without causing image distortion in oblique projection by a non-axis optical system while achieving high performance and compactness of the projection optical system.
(T1) 表示素子面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系であって、スクリーン面とスクリーン面へ入射する軸上主光線との成す角度が垂直ではなく、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを有し、前記反射ミラーを含む少なくとも1つの光学素子群を移動群として、少なくとも前記光学素子群の平行移動と回転移動により全系の焦点距離を変化させることを特徴とする投影光学系。 (T1) A projection optical system for enlarging and projecting an image of the display element surface onto the screen surface, and the angle formed between the screen surface and the axial principal ray incident on the screen surface is not vertical, but is rotated eccentrically A projection having an asymmetric reflection mirror, wherein at least one optical element group including the reflection mirror is used as a moving group, and the focal length of the entire system is changed by at least parallel movement and rotational movement of the optical element group. Optical system.
(T2) 前記条件式(1)を満たすことを特徴とする上記(T1)記載の投影光学系。 (T2) The projection optical system according to (T1), wherein the conditional expression (1) is satisfied.
(T3) 全系の焦点距離を変化させることにより、表示素子面とスクリーン面の位置をほぼ一定に保ったまま、拡大倍率を変化させるズーム光学系であることを特徴とする上記(T1)又は(T2)記載の投影光学系。 (T3) The above (T1) or (T1), wherein the zoom optical system changes the magnification while maintaining the positions of the display element surface and the screen surface substantially constant by changing the focal length of the entire system. The projection optical system according to (T2).
(T4) 全系の焦点距離変化による、絶対値の最も小さい拡大倍率から任意の拡大倍率への変倍において、前記条件式(2),(3),(3a)のうちの少なくとも1つを満たすことを特徴とする上記(T3)記載の投影光学系。 (T4) In changing magnification from the smallest absolute value to an arbitrary magnification by changing the focal length of the entire system, at least one of the conditional expressions (2), (3), (3a) is The projection optical system according to (T3) above, characterized in that:
(T5) 全系の焦点距離変化による変倍での任意の焦点距離状態において、前記条件式(4)及び(5)を満たすことを特徴とする上記(T3)又は(T4)記載の投影光学系。 (T5) Projection optics according to the above (T3) or (T4), wherein the conditional expressions (4) and (5) are satisfied in an arbitrary focal length state at a variable magnification due to a change in focal length of the entire system system.
(T6) 前記ズーム光学系が、回転非対称な光学面を持つ光学要素の平行移動と回転移動により、異なるスクリーン面位置にピントを合わせるフォーカシング機能を有することを特徴とする上記(T3)〜(T5)のいずれか1項に記載の投影光学系。 (T6) The zoom optical system has a focusing function for focusing on different screen surface positions by parallel movement and rotational movement of an optical element having a rotationally asymmetric optical surface. The projection optical system according to any one of the above.
(T7) 全系の焦点距離を変化させることにより、異なるスクリーン面位置にピントを合わせるフォーカシング機能を有することを特徴とする上記(T1)又は(T2)記載の投影光学系。 (T7) The projection optical system according to (T1) or (T2) above, wherein the projection optical system has a focusing function for focusing on different screen surface positions by changing the focal length of the entire system.
(T8) 全系の焦点距離変化による、スクリーン面に最も近づく最近接投影状態から任意のフォーカス投影状態へのフォーカシングにおいて、前記条件式(6),(7),(7a)のうちの少なくとも1つを満たすことを特徴とする上記(T7)記載の投影光学系。 (T8) At least one of the conditional expressions (6), (7), and (7a) in focusing from the closest projection state closest to the screen surface to an arbitrary focus projection state due to the change in the focal length of the entire system The projection optical system described in (T7) above, wherein:
(T9) 全系の焦点距離変化によるフォーカシングでの任意の焦点距離状態において、前記条件式(8)及び(9)を満たすことを特徴とする上記(T7)又は(T8)記載の投影光学系。 (T9) The projection optical system according to (T7) or (T8), wherein the conditional expressions (8) and (9) are satisfied in an arbitrary focal length state in focusing by a change in focal length of the entire system .
(T10) 表示素子面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系であって、スクリーン面とスクリーン面へ入射する軸上主光線との成す角度が垂直ではなく、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを有し、あるスクリーン位置に投影する状態と、その状態とは異なるスクリーン位置に投影する状態と、のいずれか一方で用いるために、前記反射ミラーを含む少なくとも1つの光学素子群の平行移動と回転移動が可能な構成を有することを特徴とする投影光学系。 (T10) A projection optical system for enlarging and projecting an image of a display element surface on a screen surface, and the angle formed between the screen surface and the axial principal ray incident on the screen surface is not vertical, but is rotated eccentrically At least one optical element group having an asymmetric reflection mirror and including the reflection mirror for use in any one of a state of projecting to a screen position and a state of projecting to a screen position different from the state A projection optical system characterized by having a configuration capable of parallel movement and rotational movement.
(T11) 表示素子面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系であって、スクリーン面とスクリーン面へ入射する軸上主光線との成す角度が垂直ではなく、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを有し、ある投影倍率状態と、その状態とは異なる別の投影倍率状態と、のいずれか一方で用いるために、前記反射ミラーを含む少なくとも1つの光学素子群の平行移動と回転移動が可能な構成を有することを特徴とする投影光学系。 (T11) A projection optical system for enlarging and projecting an image of a display element surface on a screen surface, and the angle formed by the screen surface and the axial principal ray incident on the screen surface is not vertical, but is rotated eccentrically A translational movement of at least one optical element group including the reflection mirror for use in any one of a certain projection magnification state and another projection magnification state different from that state, having an asymmetric reflection mirror; A projection optical system having a configuration capable of rotational movement.
(U1) 2次元画像を形成する表示素子と、その表示素子面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系と、を備えた画像投影装置であって、前記投影光学系が、上記(T1)〜(T11)のいずれか1項に記載の投影光学系であることを特徴とする画像投影装置。 (U1) An image projection apparatus comprising: a display element that forms a two-dimensional image; and a projection optical system that magnifies and projects an image of the display element surface onto a screen surface, wherein the projection optical system is the above ( An image projection apparatus, which is the projection optical system according to any one of T1) to (T11).
(U2) 2次元画像を形成する表示素子と、その表示素子面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系と、を備え、スクリーン面とスクリーン面へ入射する軸上主光線との成す角度が垂直ではない画像投影装置であって、前記投影光学系が、偏芯配置された回転非対称な反射ミラーを有し、前記反射ミラーを含む少なくとも1つの光学素子群を移動群として、少なくとも前記光学素子群の平行移動と回転移動により全系の焦点距離を変化させることを特徴とする画像投影装置。 (U2) comprising a display element for forming a two-dimensional image and a projection optical system for enlarging and projecting the image of the display element surface onto the screen surface, and comprising the screen surface and an axial principal ray incident on the screen surface An image projection apparatus having a non-vertical angle, wherein the projection optical system includes a rotationally asymmetric reflecting mirror arranged eccentrically, and at least one optical element group including the reflecting mirror is used as a moving group, An image projection apparatus characterized in that the focal length of the entire system is changed by parallel movement and rotational movement of an optical element group.
以下、本発明を実施した投影光学系等を、コンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例1〜4は、前述した第1〜第4の実施の形態にそれぞれ対応する数値実施例であり、第1〜第4の実施の形態の光学構成を表す光路図(図1〜図4,図4〜図8)は、対応する実施例1〜4の光学配置,投影光路等をそれぞれ示している。 Hereinafter, the projection optical system and the like embodying the present invention will be described more specifically with reference to construction data and the like. Examples 1 to 4 listed here are numerical examples corresponding to the first to fourth embodiments, respectively, and are optical path diagrams representing the optical configurations of the first to fourth embodiments (FIG. 1). 4 to 4) show the optical arrangement, projection optical path, and the like of the corresponding first to fourth embodiments.
表1〜表27に、実施例1〜4のコンストラクションデータを示す。表1,表7,表13,表19に示す基本的な光学構成では(実施例1,2では広角端,最近接投影状態、実施例3,4では最近接投影状態を基本配置としている。)、縮小側の表示素子面SG(S0:表示素子の画像表示面であり、物面に相当する。)から拡大側のスクリーン面SL(像面に相当する。)までを含めた系において、Si(面番号:i=0,1,2,3,...)が縮小側から数えてi番目の面であり、ri(i=0,1,2,3,...)が面Siの曲率半径(mm)である。また、di(i=0,1,2,3,...)は面Siと面Si+1との間の軸上面間隔(mm,ただし、偏心面間隔の場合には偏心データとして、又は偏芯データとあわせて記載する。)であり、Ni(i=0,1,2,3,...),νi(i=0,1,2,3,...)は軸上面間隔diに位置する光学材料のd線に対する屈折率(Nd),アッベ数(νd)をそれぞれ示している。 Tables 1 to 27 show construction data of Examples 1 to 4. In the basic optical configurations shown in Table 1, Table 7, Table 13, and Table 19, the basic arrangement is the wide angle end and closest projection state in Examples 1 and 2, and the closest projection state in Examples 3 and 4. ), A system including a display element surface SG on the reduction side (S0: an image display surface of the display element and corresponding to an object surface) to a screen surface SL on the enlargement side (corresponding to an image surface). Si (surface number: i = 0, 1, 2, 3,...) Is the i-th surface counted from the reduction side, and ri (i = 0, 1, 2, 3,...) Is a surface. It is a curvature radius (mm) of Si. Also, di (i = 0, 1, 2, 3,...) Is the axial upper surface distance between the surface Si and the surface Si + 1 (mm, but in the case of the eccentric surface interval, as eccentric data or eccentricity Ni (i = 0, 1, 2, 3,...), Νi (i = 0, 1, 2, 3,...) The refractive index (Nd) and Abbe number (νd) for the d-line of the optical material positioned are shown.
偏心した面については面Siの対応する欄*にAを付して示し、その偏心データを表2,表8,表14,表20に示す。偏心データは右手系の直交座標系(X,Y,Z)に基づいて表現されており、その直交座標系(X,Y,Z)では座標基準とする面Siの中心位置を原点(0,0,0)とする面頂点座標(X,Y,Z)={X軸方向の平行偏心位置(mm),Y軸方向の平行偏心位置(mm),Z軸方向の平行偏心位置(mm)}で、平行偏心した面の位置を表すとともに、その面の面頂点を中心とする各軸周りの回転角度(X回転,Y回転,Z回転)で面の傾き(°)を表す。なお、座標基準とする面Siが表示素子面S0である場合、表示素子面S0の画面法線方向をz方向とし、表示素子面S0の画面短辺方向をy方向とし、表示素子面S0の画面長辺方向をx方向とする直交座標系(x,y,z)が、座標基準とする面Siの直交座標系(X,Y,Z)であり、各光路図(図1〜図8)において、X軸方向は紙面に対して垂直方向であり(紙面の裏面方向を正とし、紙面に向かって反時計回りをX回転の正とする。)、Y軸方向はX軸とZ軸により右手系をなす方向(紙面と平行)である。 The eccentric surface is indicated by A in the corresponding column * of the surface Si, and the eccentric data is shown in Table 2, Table 8, Table 14, and Table 20. The eccentricity data is expressed based on a right-handed orthogonal coordinate system (X, Y, Z). In the orthogonal coordinate system (X, Y, Z), the center position of the surface Si as a coordinate reference is set to the origin (0, 0,0) plane vertex coordinates (X, Y, Z) = {parallel eccentric position in the X-axis direction (mm), parallel eccentric position in the Y-axis direction (mm), parallel eccentric position in the Z-axis direction (mm) } Represents the position of the parallel decentered surface, and represents the inclination (°) of the surface by the rotation angle (X rotation, Y rotation, Z rotation) around each axis around the surface vertex of the surface. In addition, when the surface Si as the coordinate reference is the display element surface S0, the screen normal direction of the display element surface S0 is the z direction, the screen short side direction of the display element surface S0 is the y direction, and the display element surface S0 An orthogonal coordinate system (x, y, z) having the long side direction of the screen as the x direction is an orthogonal coordinate system (X, Y, Z) of the plane Si as a coordinate reference, and each optical path diagram (FIGS. 1 to 8). ), The X-axis direction is a direction perpendicular to the paper surface (the back surface direction of the paper surface is positive, and the counterclockwise rotation toward the paper surface is X rotation positive), and the Y-axis direction is the X-axis and Z-axis. The direction is a right-handed system (parallel to the page).
ズーミングにより移動する面については面Siの対応する欄*にBを付して示し、そのズームデータを表3,表9に示す(フォーカス投影状態は最近接投影状態であり、ズームポジションPOSは、広角端W,ミドル(中間焦点距離状態)M及び望遠端Tである。)。ズームデータは軸上面間隔diと右手系の直交座標系(X,Y,Z)に基づいて表現されており、その直交座標系(X,Y,Z)では座標基準とする面Siの中心位置を原点(0,0,0)とする面頂点座標(X,Y,Z)={X軸方向の平行移動位置(mm),Y軸方向の平行移動位置(mm),Z軸方向の平行移動位置(mm)}で、平行移動した面の位置を表すとともに、その面の面頂点を中心とする各軸周りの回転角度(X回転,Y回転,Z回転)で面の傾き(°)を表す。なお、座標基準とする面Siが表示素子面S0である場合、表示素子面S0の画面法線方向をz方向とし、表示素子面S0の画面短辺方向をy方向とし、表示素子面S0の画面長辺方向をx方向とする直交座標系(x,y,z)が、座標基準とする面Siの直交座標系(X,Y,Z)であり、各光路図(図1〜図8)において、X軸方向は紙面に対して垂直方向であり(紙面の裏面方向を正とし、紙面に向かって反時計回りをX回転の正とする。)、Y軸方向はX軸とZ軸により右手系をなす方向(紙面と平行)である。 The surface moved by zooming is indicated by adding B to the corresponding column * of the surface Si, and zoom data thereof are shown in Tables 3 and 9 (the focus projection state is the closest projection state, and the zoom position POS is Wide angle end W, middle (intermediate focal length state) M and telephoto end T.) The zoom data is expressed on the basis of the axial top surface distance di and the right-handed orthogonal coordinate system (X, Y, Z). In the orthogonal coordinate system (X, Y, Z), the center position of the surface Si as a coordinate reference is expressed. Coordinates of surface vertex (X, Y, Z) with {0, 0, 0) as the origin (= X axis direction translation position (mm), Y axis direction translation position (mm), Z axis direction parallel The movement position (mm)} represents the position of the translated surface, and the inclination of the surface (°) at a rotation angle (X rotation, Y rotation, Z rotation) about each axis around the surface vertex of the surface. Represents. In addition, when the surface Si as the coordinate reference is the display element surface S0, the screen normal direction of the display element surface S0 is the z direction, the screen short side direction of the display element surface S0 is the y direction, and the display element surface S0 An orthogonal coordinate system (x, y, z) having the long side direction of the screen as the x direction is an orthogonal coordinate system (X, Y, Z) of the plane Si as a coordinate reference, and each optical path diagram (FIGS. 1 to 8). ), The X-axis direction is a direction perpendicular to the paper surface (the back surface direction of the paper surface is positive, and the counterclockwise rotation toward the paper surface is X rotation positive), and the Y-axis direction is the X-axis and Z-axis. The direction is a right-handed system (parallel to the page).
フォーカシングにより移動する面については面Siの対応する欄*にCを付して示し、そのズームデータを表4,表10,表15,表21に示す(最近接投影状態から遠距離投影状態へとフォーカシングが行われ、ズームポジションPOSは、広角端W,ミドル(中間焦点距離状態)M及び望遠端Tである。)。フォーカスデータは軸上面間隔diと右手系の直交座標系(X,Y,Z)に基づいて表現されており、その直交座標系(X,Y,Z)では座標基準とする面S0の中心位置を原点(0,0,0)とする面頂点座標(X,Y,Z)={X軸方向の平行移動位置(mm),Y軸方向の平行移動位置(mm),Z軸方向の平行移動位置(mm)}で、平行移動した面の位置を表すとともに、その面の面頂点を中心とする各軸周りの回転角度(X回転,Y回転,Z回転)で面の傾き(°)を表す。ただし、フォーカシングにより変化しないデータに関しては記載を省略する。なお、座標基準とする表示素子面S0の直交座標系(X,Y,Z)において、表示素子面S0の画面法線方向がZ方向、表示素子面S0の画面短辺方向がY方向、表示素子面S0の画面長辺方向がX方向であり、各光路図(図1〜図8)において、X軸方向は紙面に対して垂直方向であり(紙面の裏面方向を正とし、紙面に向かって反時計回りをX回転の正とする。)、Y軸方向はX軸とZ軸により右手系をなす方向(紙面と平行)である。 The surface moved by focusing is indicated by adding C to the corresponding column * of the surface Si, and the zoom data is shown in Tables 4, 10, 15, and 21 (from the closest projection state to the long-distance projection state). The zoom position POS is at the wide-angle end W, the middle (intermediate focal length state) M, and the telephoto end T). The focus data is expressed on the basis of the axial upper surface distance di and the right-handed orthogonal coordinate system (X, Y, Z). In the orthogonal coordinate system (X, Y, Z), the center position of the surface S0 as the coordinate reference is expressed. Coordinates of surface vertex (X, Y, Z) with {0, 0, 0) as the origin (= X axis direction translation position (mm), Y axis direction translation position (mm), Z axis direction parallel The movement position (mm)} represents the position of the translated surface, and the inclination of the surface (°) at a rotation angle (X rotation, Y rotation, Z rotation) about each axis around the surface vertex of the surface. Represents. However, description of data that does not change due to focusing is omitted. In the orthogonal coordinate system (X, Y, Z) of the display element surface S0 as the coordinate reference, the screen normal direction of the display element surface S0 is the Z direction, and the screen short side direction of the display element surface S0 is the Y direction. The screen long side direction of the element surface S0 is the X direction, and in each optical path diagram (FIGS. 1 to 8), the X-axis direction is a direction perpendicular to the paper surface (the back surface direction of the paper surface is positive, and it faces the paper surface). The Y-axis direction is the direction (parallel to the paper surface) that forms the right-handed system by the X-axis and the Z-axis.
回転対称な非球面から成る面Siについては、面Siの対応する欄#にAを付して示す。回転対称な非球面から成る面Siは、その面頂点を原点とするローカルな直交座標系(x,y,z)を用いた以下の式(AS)で定義される。表5,表11,表16,表22に、各実施例の非球面データを示す。ただし、表記の無い項の係数は0であり、すべてのデータに関してE−n=×10-nである。
z=(c・h2)/[1+√{1−(1+K)・c2・h2}]+A・h4+B・h6+C・h8+D・h10+E・h12+F・h14+G・h16+H・h18+J・h20 …(AS)
ただし、式(AS)中、
z:高さhの位置でのz軸方向の変位量(面頂点基準)、
h:z軸に対して垂直な方向の高さ(h2=x2+y2)、
c:面頂点での曲率(=1/ri)、
K:円錐係数、
A,…,J:非球面係数、
である。
A surface Si composed of a rotationally symmetric aspheric surface is indicated by A in the corresponding column # of the surface Si. A surface Si composed of a rotationally symmetric aspherical surface is defined by the following expression (AS) using a local orthogonal coordinate system (x, y, z) having the surface vertex as an origin. Table 5, Table 11, Table 16, and Table 22 show the aspheric surface data of each example. However, the coefficient of the term without description is 0, and E−n = × 10 −n for all data.
z = (c · h 2 ) / [1 + √ {1− (1 + K) · c 2 · h 2 }] + A · h 4 + B · h 6 + C · h 8 + D · h 10 + E · h 12 + F · h 14 + G · h 16 + H · h 18 + J · h 20 (AS)
However, in the formula (AS)
z: amount of displacement in the z-axis direction at the position of height h (based on the surface vertex),
h: height in the direction perpendicular to the z-axis (h 2 = x 2 + y 2 ),
c: curvature at the surface vertex (= 1 / ri),
K: cone coefficient,
A, ..., J: aspheric coefficient,
It is.
アナモフィック非球面から成る面Siについては、面Siの対応する欄#にBを付して示す。アナモフィック非球面から成る面Siは、その面頂点を原点とするローカルな直交座標系(x,y,z)を用いた以下の式(BS)で定義される。表17,表23に、実施例3,4のアナモフィック非球面データを示す。ただし、表記の無い項の係数は0であり、すべてのデータに関してE−n=×10-nである。
z=(CUX・x2+CUY・y2)/[1+√{1−(1+KX)・CUX2・x2−(1+KY)・CUY2・y2}]+AR・{(1−AP)・x2+(1+AP)・y2}2+BR・{(1−BP)・x2+(1+BP)・y2}3+CR・{(1−CP)・x2+(1+CP)・y2}4+DR・{(1−DP)・x2+(1+DP)・y2}5 …(BS)
ただし、式(BS)中、
x,y:z軸に対して垂直な平面内での直交座標、
z:座標(x,y)の位置でのz軸方向の変位量(面頂点基準)、
CUX:面頂点でのx軸方向の曲率、
CUY:面頂点でのy軸方向の曲率、
KX:x軸方向の円錐係数、
KY:y軸方向の円錐係数、
AR,BR,CR,DR:円錐からの4次,6次,8次,10次の変形係数の回転対称成分、
AP,BP,CP,DP:円錐からの4次,6次,8次,10次の変形係数の非回転対称成分、
である。
For the surface Si composed of an anamorphic aspheric surface, B is shown in the corresponding column # of the surface Si. A surface Si composed of an anamorphic aspheric surface is defined by the following equation (BS) using a local orthogonal coordinate system (x, y, z) having the surface vertex as an origin. Tables 17 and 23 show the anamorphic aspheric data of Examples 3 and 4. However, the coefficient of the term without description is 0, and E−n = × 10 −n for all data.
z = (CUX · x 2 + CUY · y 2 ) / [1 + √ {1− (1 + KX) · CUX 2 · x 2 − (1 + KY) · CUY 2 · y 2 }] + AR · {(1−AP) · x 2 + (1 + AP) · y 2 } 2 + BR · {(1−BP) · x 2 + (1 + BP) · y 2 } 3 + CR · {(1−CP) · x 2 + (1 + CP) · y 2 } 4 + DR · {(1−DP) · x 2 + (1 + DP) · y 2 } 5 (BS)
However, in the formula (BS)
x, y: Cartesian coordinates in a plane perpendicular to the z axis,
z: the amount of displacement in the z-axis direction at the coordinates (x, y) (based on the surface vertex),
CUX: curvature in the x-axis direction at the surface vertex,
CUY: curvature in the y-axis direction at the surface vertex,
KX: cone coefficient in the x-axis direction,
KY: the cone coefficient in the y-axis direction,
AR, BR, CR, DR: rotationally symmetric components of fourth, sixth, eighth, and tenth order deformation coefficients from a cone,
AP, BP, CP, DP: non-rotation symmetric components of fourth, sixth, eighth, and tenth order deformation coefficients from a cone,
It is.
自由曲面から成る面Siについては、面Siの対応する欄#にCを付して示す。自由曲面から成る面Siは、その面頂点を原点とするローカルな直交座標系(x,y,z)を用いた以下の式(CS)で定義される。表6,表12,表18,表24に、各実施例の多項式自由曲面データを示す。ただし、表記の無い項の係数は0であり、すべてのデータに関してE−n=×10-nである。 For the surface Si composed of a free-form surface, C is shown in the corresponding column # of the surface Si. A surface Si composed of a free-form surface is defined by the following equation (CS) using a local orthogonal coordinate system (x, y, z) having the surface vertex as an origin. Table 6, Table 12, Table 18, and Table 24 show the polynomial free-form surface data of each example. However, the coefficient of the term without description is 0, and E−n = × 10 −n for all data.
ただし、式(CS)中、
z:高さhの位置でのz軸方向の変位量(面頂点基準)、
h:z軸に対して垂直な方向の高さ(h2=x2+y2)、
c:近軸曲率(=1/ri)、
k:円錐係数、
Cj:多項式自由曲面係数、
であり、自由曲面項は以下の式(CF)で表される。
However, in the formula (CS)
z: amount of displacement in the z-axis direction at the position of height h (based on the surface vertex),
h: height in the direction perpendicular to the z-axis (h 2 = x 2 + y 2 ),
c: paraxial curvature (= 1 / ri),
k: cone coefficient,
C j : polynomial free-form surface coefficient,
The free-form surface term is expressed by the following formula (CF).
表25に、ズーミングにおいて一体的に移動する光学素子群と、フォーカシングにおいて一体的に移動する光学素子群と、について、平行移動の移動量ΔS(mm)及び移動方向φ(°)と、回転移動の回転角度θ(°)を示す。平行移動の移動方向φは、図24(A)に示すようにz軸を基準とした左回りを正とし、回転移動の回転角度θは、図24(B)に示すように左回りを正とする。また、フォーカシングは最近接投影状態から遠距離投影状態へと行われ(ズーム光学系のフォーカシングの場合、ズームポジションは望遠端T)、ズーミングは最近接投影状態で広角端Wから望遠端Tへと行われる。 Table 25 shows the amount of translation ΔS (mm) and the movement direction φ (°) and the rotational movement of the optical element group that moves integrally during zooming and the optical element group that moves integrally during focusing. The rotation angle θ (°) is shown. As shown in FIG. 24 (A), the movement direction φ of the parallel movement is positive in the counterclockwise direction with respect to the z axis, and the rotation angle θ of the rotational movement is positive in the counterclockwise direction as shown in FIG. 24 (B). And Further, focusing is performed from the closest projection state to the far-distance projection state (in the case of zoom optical system, the zoom position is the telephoto end T), and zooming is performed from the wide-angle end W to the telephoto end T in the closest projection state. Done.
表26に全系の投影倍率(画面長辺方向の投影倍率βxと画面短辺方向の投影倍率βyとの平均値)を示し、表27に表示素子面SG(物面S0)の有効エリアのサイズ(mm)、表示素子側のNA(numerical aperture)及び絞り半径(mm)を示す。また表28〜表32に、各条件式の対応データを各実施例について示す。 Table 26 shows the projection magnification of the entire system (the average value of the projection magnification βx in the screen long side direction and the projection magnification βy in the screen short side direction), and Table 27 shows the effective area of the display element surface SG (object surface S0). The size (mm), NA (numerical aperture) and aperture radius (mm) on the display element side are shown. Tables 28 to 32 show the correspondence data of the conditional expressions for each example.
各実施例の光学性能を、スポットダイアグラム(図9〜図17)で示す。図9は実施例1の広角端W,最近接投影状態でのスポットダイアグラム、図10は実施例1のミドルM,最近接投影状態でのスポットダイアグラム、図11は実施例1の望遠端T,最近接投影状態でのスポットダイアグラム、図12は実施例1の広角端W,遠距離投影状態でのスポットダイアグラム。図13は実施例1のミドルM,遠距離投影状態でのスポットダイアグラム、図14は実施例1の望遠端T,遠距離投影状態でのスポットダイアグラム、図15は実施例2の広角端W,最近接投影状態でのスポットダイアグラム、図16は実施例3の最近接投影状態でのスポットダイアグラム、図17は実施例4の最近接投影状態でのスポットダイアグラムである。各スポットダイアグラムは、スクリーン面SLでの結像特性(mm)をC線(波長656.3nm),d線(波長587.6nm)及びg線(波長435.8nm)の3波長について示しており、各スポットのフィールドポジションは表示素子面SG(物面S0)上の座標(x,y)を示している。 The optical performance of each example is shown by spot diagrams (FIGS. 9 to 17). 9 is a spot diagram in the wide-angle end W of the first embodiment, in the closest projection state, FIG. 10 is a middle M in the first embodiment, a spot diagram in the closest projection state, and FIG. 11 is a telephoto end T in the first embodiment. FIG. 12 is a spot diagram in the closest projection state, and FIG. 12 is a spot diagram in the wide angle end W, long distance projection state of the first embodiment. 13 is a spot diagram in the middle M of the first embodiment, in the long-distance projection state, FIG. 14 is a telephoto end T in the first embodiment, a spot diagram in the long-distance projection state, and FIG. 15 is a wide-angle end W in the second embodiment. FIG. 16 is a spot diagram in the closest projection state of the third embodiment, and FIG. 17 is a spot diagram in the closest projection state of the fourth embodiment. Each spot diagram shows the imaging characteristics (mm) on the screen surface SL for three wavelengths, C-line (wavelength 656.3 nm), d-line (wavelength 587.6 nm) and g-line (wavelength 435.8 nm). The field position of each spot indicates coordinates (x, y) on the display element surface SG (object surface S0).
SG 表示素子面
SL スクリーン面
PO 投影光学系(ズーム光学系)
M1 第1曲面ミラー(反射ミラー,光学素子群)
M2 第2曲面ミラー(反射ミラー,光学素子群)
MF 平面ミラー
LG 屈折光学系
L1〜L8 第1〜第8レンズ
ST 絞り
SG Display element surface SL Screen surface PO Projection optical system (zoom optical system)
M1 first curved mirror (reflection mirror, optical element group)
M2 Second curved mirror (reflection mirror, optical element group)
MF plane mirror LG refractive optical system L1-L8 1st-8th lens ST stop
Claims (14)
30<|θimg|<70 …(1)
ただし、
θimg:スクリーン面の画面法線とスクリーン面へ入射する軸上主光線とが成す角度(°)、
である。 The projection optical system according to claim 1, wherein the following conditional expression (1) is satisfied:
30 <| θimg | <70… (1)
However,
θimg: Angle (°) between the screen normal of the screen surface and the axial principal ray incident on the screen surface,
It is.
0.2<|θzmov/Zz|<5.0 …(2)
ただし、
θzmov:反射ミラーを含む光学素子群の回転角度(°)、
Zz=fz1/fz2、
fz1:拡大倍率の絶対値が最も小さいときの全系の焦点距離、
fz2:変倍後の全系の焦点距離、
である。 4. The projection optical system according to claim 3, wherein the following conditional expression (2) is satisfied in zooming from an enlargement magnification having the smallest absolute value to an arbitrary enlargement magnification due to a change in focal length of the entire system:
0.2 <| θzmov / Zz | <5.0 (2)
However,
θzmov: rotation angle (°) of the optical element group including the reflection mirror,
Zz = fz1 / fz2,
fz1: the focal length of the entire system when the absolute value of the magnification is the smallest,
fz2: focal length of the entire system after zooming,
It is.
0.01<|Szmov/(Zz×fz1)|<5.0 …(3)
ただし、
Szmov:反射ミラーを含む光学素子群の平行移動の距離、
Zz=fz1/fz2、
fz1:拡大倍率の絶対値が最も小さいときの全系の焦点距離、
fz2:変倍後の全系の焦点距離、
である。 5. The projection optical system according to claim 3, wherein the following conditional expression (3) is satisfied in zooming from an enlargement magnification having the smallest absolute value to an arbitrary enlargement magnification due to a change in focal length of the entire system: ;
0.01 <| Szmov / (Zz × fz1) | <5.0 (3)
However,
Szmov: distance of translation of the optical element group including the reflecting mirror,
Zz = fz1 / fz2,
fz1: the focal length of the entire system when the absolute value of the magnification is the smallest,
fz2: focal length of the entire system after zooming,
It is.
-50<(Sz1st_ximg−Szx_design)/fzx<20 …(4)
-50<(Sz1st_yimg−Szy_design)/fzy<20 …(5)
ただし、物体中心から絞り中心を通り設計像面中心に至る軸上主光線をベースレイとし、表示素子面の画面法線方向をz方向とし、スクリーンへ向かう軸上主光線とスクリーン面の法線が成す平面に垂直な方向をx方向とし、x方向とz方向に垂直な方向をy方向とすると、
Sz1st_ximg:x方向光線の後側主点位置からx方向光線の1次像点位置までのベースレイに沿って測った距離、
Szx_design:x方向の後側主点位置から設計像面までのベースレイに沿って測った距離、
fzx:x方向の全系の焦点距離、
Sz1st_yimg:y方向光線の後側主点位置からy方向光線の1次像点位置までのベースレイに沿って測った距離、
Szy_design:y方向の後側主点位置から設計像面までのベースレイに沿って測った距離、
fzy:y方向の全系の焦点距離、
である。 The projection according to any one of claims 3 to 5, wherein the following conditional expressions (4) and (5) are satisfied in an arbitrary focal length state at a variable magnification due to a change in focal length of the entire system: Optical system;
-50 <(Sz1st_ximg-Szx_design) / fzx <20 (4)
-50 <(Sz1st_yimg-Szy_design) / fzy <20 (5)
However, the axial principal ray from the center of the object to the center of the design image plane through the center of the aperture is used as the base ray, the screen normal direction of the display element surface is the z direction, and the axial principal ray toward the screen and the normal of the screen surface. If the direction perpendicular to the plane formed by x is the x direction and the direction perpendicular to the x direction and the z direction is the y direction,
Sz1st_ximg: distance measured along the base ray from the back principal point position of the x-direction ray to the primary image point position of the x-direction ray,
Szx_design: Distance measured along the base ray from the back principal point position in the x direction to the design image plane.
fzx: focal length of the entire system in the x direction,
Sz1st_yimg: distance measured along the base ray from the back principal point position of the y-direction ray to the primary image point position of the y-direction ray,
Szy_design: The distance measured along the base ray from the rear principal point position in the y direction to the design image plane.
fzy: focal length of the entire system in the y direction,
It is.
0.2<|θfmov/Zfoc|<8.0 …(6)
ただし、
θfmov:反射ミラーを含む光学素子群の回転角度(°)、
Zfoc=ff1/ff2、
ff1:最近接投影状態での全系の焦点距離、
ff2:フォーカス後の全系の焦点距離、
である。 9. The projection optical system according to claim 8, wherein the following conditional expression (6) is satisfied in focusing from the closest projection state closest to the screen surface to an arbitrary focus projection state due to a change in focal length of the entire system: ;
0.2 <| θfmov / Zfoc | <8.0 (6)
However,
θfmov: rotation angle (°) of the optical element group including the reflection mirror,
Zfoc = ff1 / ff2,
ff1: Focal length of the entire system in the closest projection state,
ff2: focal length of the entire system after focusing,
It is.
0.05<|Sfmov/(Zfoc×ff1)|<7.0 …(7)
ただし、
Sfmov:反射ミラーを含む光学素子群の平行移動の距離、
Zfoc=ff1/ff2、
ff1:最近接投影状態での全系の焦点距離、
ff2:フォーカス後の全系の焦点距離、
である。 10. The projection according to claim 8, wherein the following conditional expression (7) is satisfied in focusing from a closest projection state closest to the screen surface to an arbitrary focus projection state due to a change in focal length of the entire system: Optical system;
0.05 <| Sfmov / (Zfoc × ff1) | <7.0 (7)
However,
Sfmov: distance of translation of the optical element group including the reflecting mirror,
Zfoc = ff1 / ff2,
ff1: Focal length of the entire system in the closest projection state,
ff2: focal length of the entire system after focusing,
It is.
-50<(Sf1st_ximg−Sfx_design)/ffx<20 …(8)
-50<(Sf1st_yimg−Sfy_design)/ffy<20 …(9)
ただし、物体中心から絞り中心を通り設計像面中心に至る軸上主光線をベースレイとし、表示素子面の画面法線方向をz方向とし、スクリーンへ向かう軸上主光線とスクリーン面の法線が成す平面に垂直な方向をx方向とし、x方向とz方向に垂直な方向をy方向とすると、
Sf1st_ximg:x方向光線の後側主点位置からx方向光線の1次像点位置までのベースレイに沿って測った距離、
Sfx_design:x方向の後側主点位置から設計像面までのベースレイに沿って測った距離、
ffx:x方向の全系の焦点距離、
Sf1st_yimg:y方向光線の後側主点位置からy方向光線の1次像点位置までのベースレイに沿って測った距離、
Sfy_design:y方向の後側主点位置から設計像面までのベースレイに沿って測った距離、
ffy:y方向の全系の焦点距離、
である。 The projection optics according to any one of claims 8 to 10, wherein the following conditional expressions (8) and (9) are satisfied in an arbitrary focal length state in focusing by a change in focal length of the entire system: system;
-50 <(Sf1st_ximg-Sfx_design) / ffx <20 (8)
-50 <(Sf1st_yimg-Sfy_design) / ffy <20 (9)
However, the axial principal ray from the center of the object to the center of the design image plane through the center of the aperture is used as the base ray, the screen normal direction of the display element surface is the z direction, and the axial principal ray toward the screen and the normal of the screen surface. If the direction perpendicular to the plane formed by x is the x direction and the direction perpendicular to the x direction and the z direction is the y direction,
Sf1st_ximg: distance measured along the base ray from the back principal point position of the x-direction ray to the primary image point position of the x-direction ray,
Sfx_design: Distance measured along the base ray from the back principal point position in the x direction to the design image plane,
ffx: focal length of the entire system in the x direction,
Sf1st_yimg: distance measured along the base ray from the back principal point position of the y-direction ray to the primary image point position of the y-direction ray,
Sfy_design: The distance measured along the base ray from the back principal point position in the y direction to the design image plane,
ffy: focal length of the entire system in the y direction
It is.
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- 2007-03-27 JP JP2007081678A patent/JP2008242025A/en active Pending
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