JP2010072374A - 投射光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、斜投射方式の投射光学系において、フォーカス調整に使用する自由曲面レンズの移動方向を特定することで、自由曲面レンズの有効サイズの大型化を軽減する投射光学系を提供できる。
【解決手段】 拡大側から順に、回転非対称な自由曲面ミラーと、回転非対称な自由曲面レンズ系と、回転対称な同軸レンズ系で構成され、全体として像面へ映像光を斜めに投射する投射光学系において、自由曲面レンズを光束の進行方向に沿って移動させる。或いは、同軸レンズ系の光軸方向と異なる方向に移動させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液晶等の映像表示素子を使用して、スクリーン等の像面上に映像を投影する投射装置用の投射光学系を提供する技術に関するものである。

反射鏡を用いたミラー方式の投射型表示装置において、反射鏡４枚構成の中の第三反射鏡を光軸方向に移動させることでフォーカス調整を行う技術が、特許文献１に開示されている。

また、特許文献２において、拡大側から自由曲面ミラーと自由曲面レンズと回転対称レンズで構成された斜投射方式の投射光学系が開示されている。

特開２００６−２９３０１７号公報 特開２００７−３２２８１１号公報

投射光学系におけるフォーカス調整方式としては、拡大側でレンズ径の大きい前玉レンズを移動させる前玉フォーカス方式と、途中のレンズを移動させるリアフォーカス方式の２つの方式がある。

前玉フォーカス方式では、前玉レンズの焦点距離ｆと、至近距離Ｌを用いて、前玉レンズの繰り出し量δは、δ＝ｆ²／（Ｌ−ｆ）で求まるので、至近距離Ｌが小さくなると、繰り出し量δは急激に大きくなる。その分、前玉レンズを大きくする必要が生じるが、特に、広角レンズのように、前玉レンズの径が大きい投射光学系においては、大きな問題となる。

一方、リアフォーカス方式では、レンズが移動する為の空間を確保する必要性があるが、レンズ径の一番大きな前玉レンズを固定にできるので、投射光学系全体の大型化の防止には効果的である。

特許文献１においてはフォーカス調整についての詳細な記述が無いが、特許文献１は大きさが小さい途中の第三反射鏡３２をフォーカス調整（表３）に使用しており、即ち、リアフォーカス方式について開示されている。

しかしながら、従来のフォーカス調整と同様に、特許文献１においても、フォーカス素子（レンズやミラー）を光軸方向へ移動させており、この点において、小型化のための改善の余地が残されている。

また、特許文献２においても、フォーカス調整として、自由曲面レンズを回転対称レンズの光軸方向に移動させている。

以下、図３から図６を用いて、フォーカス素子を光軸方向に移動させる場合の問題点について説明する。

図３は、投射型表示装置から像面までの距離を短くするために、投射光学系から像面へ斜めに投射する斜投射方式の投射型表示装置の使用形態を表す図である。投射光学系１０を内蔵する投射型表示装置２０をテーブル４０の上に設置し、すぐ側の壁面５０に像面３０を斜めに投射している。斜投射方式を採用することで、投射光学系１０から像面３０の中央点までの距離を一定のままで、投射型表示装置２０から像面３０までの図３での水平方向の距離を短くした投射が可能となる。

しかしながら、従来の投射光学系を単純に斜めから投射しただけでは、ビルを下から見上げた時と同様に、台形状の歪を有する所謂キーストーン状の映像となってしまう。そこで、本出願人らは、特許文献２において、回転非対称なエラー量に対しては、回転非対称な自由曲面レンズや自由曲面ミラーを用いることで、この台形歪を補正した投射光学系について出願している。

図４は、自由曲面レンズと自由曲面ミラーを含む投射光学系１０の光線図である。レンズＬ１〜レンズＬ８からなる回転対称な同軸レンズ系３と、自由曲面レンズＬ９〜Ｌ１０からなる回転非対称な自由曲面レンズ系４と、回転非対称な自由曲面ミラー５で、構成した投射光学系１０により、映像表示素子１の像を像面３０に斜めに投射している。なお、フィルタ２は、色合成手段としてのクロスプリズムや映像表示素子１のカバーガラスや、偏光板等々の厚みを総合して考慮し、説明上記載した光学的に等価な換算フィルタである。

この図４において、同軸系レンズ３の光軸と同じ方向に、自由曲面レンズ系４を移動させることで、投射距離に対するフォーカス調整を行っている。図５は、自由曲面レンズ系４の繰り出し状態を詳細に示すために、投射サイズ６０インチ、８０インチ、１００インチでのレンズＬ８と自由曲面レンズ系４の位置を表した図である。６０インチ〜１００インチで、特に、自由曲面レンズＬ１０が、１００インチに比べて６０インチの方が大きく繰り出していることが分かる。

図５の自由曲面レンズＬ１０に着目すると、自由曲面レンズＬ１０がレンズＬ８に近い側、即ち、投射サイズ１００インチのときには、自由曲面レンズＬ１０の上側に光束が通過しない領域が存在していることが分かる。

そこで、フォーカス調整の移動方向と、光束の進行方向で単純化した光学モデル図である図６を用いて、自由曲面レンズＬ１０の大きさについて説明する。

図６の水平方向が同軸レンズ系３の光軸方向であり、自由曲面レンズ系４をこの光軸方向に移動させることでフォーカス調整を行っている。ところで、斜投射方式においては、自由曲面レンズ系４を通過する光束は、図６において右上方向（斜め方向）に進行する。ここで、遠距離側で必要な自由曲面レンズＬ１０の有効サイズを基準に考えると、近距離側では点Ａ側でサイズが不足しており、一方、反対側の点Ｂ側では逆に、サイズが余っていることが分かる。即ち、近距離側での光束サイズ以上の有効サイズが、自由曲面レンズＬ１０に必要となっている。

ところで、回転対称レンズの場合は対象物を回転させながら切削バイトを１方向に移動させることで形状加工できるのに対して、自由曲面レンズの場合は切削バイトを２次元状に移動させた形状加工が必要となる。同様に、回転対称レンズの場合は１軸方向に測定プローブを移動させることで形状測定ができるのに対して、自由曲面レンズの場合は測定プローブを２次元状に移動させた形状測定が必要となる。

即ち、自由曲面レンズは回転対称レンズに比べて、多くの形状加工時間と形状測定時間が必要となるので、自由曲面レンズの有効サイズは極力小さいことが望ましい。

本発明は、上記の事情の鑑み、自由曲面レンズを用いた斜投射方式において、自由曲面レンズを小型化した投射光学系を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、拡大側から順に、回転非対称な自由曲面ミラーと、回転非対称な自由曲面レンズ系と、回転対称な同軸レンズ系で構成され、全体として像面へ映像光を斜めに投射する投射光学系において、自由曲面レンズを光束の進行方向に沿って移動させる。或いは、同軸レンズ系の光軸方向と異なる方向に移動させる。

また、上記について、以下に別の表現にて、説明する。

映像表示素子からの光束を通す回転対称な同軸系レンズと、前記同軸系レンズからの光束を通す回転非対称な自由曲面を有する自由曲面レンズと、前記自由曲面レンズからの光束を反射する回転非対称な自由曲面を有する自由曲面ミラーと、前記自由曲面ミラーからの光束を被投射面に投射する投射光学系において、前記自由曲面レンズを前記同軸系レンズの光軸の平行方向へ移動するとともに、前記同軸系レンズの光軸の平行方向とは異なる方向へ移動することで投射距離に応じた合焦動作を行うようにする。

また、映像表示素子からの光束を通す回転対称な同軸系レンズと、前記同軸系レンズからの光束を通す回転非対称な自由曲面を有する自由曲面レンズと、前記自由曲面レンズからの光束を反射する回転非対称な自由曲面を有する自由曲面ミラーと、前記自由曲面ミラーからの光束を被投射面に投射する投射光学系において、前記自由曲面レンズを前記同軸系レンズの光軸の平行方向と、前記同軸系レンズの光軸の平行方向とは異なる方向とで合成された方向へ移動することで投射距離に応じた合焦動作を行うようにする。

また、合焦動作の際に、前記同軸系レンズからの光束の通る範囲が前記自由曲面レンズの範囲よりも大きくなる場合には、前記同軸系レンズからの周辺部の光束で前記自由曲面レンズを通らない範囲の大きさを等しくなる傾向となるように前記自由曲面レンズを移動することで投射距離に応じた合焦動作を行うようにする。

また、合焦動作の際に、前記同軸系レンズからの光束の通る範囲が前記自由曲面レンズの範囲よりも小さくなる場合には、前記自由曲面レンズの周辺において、前記同軸系レンズからの光束の通らない範囲の大きさを等しくなる傾向となるように前記自由曲面レンズを移動することで投射距離に応じた合焦動作を行うようにする。

上記構成とすることで、自由曲面レンズを小型化できるので、自由曲面レンズの形状加工時間・形状測定時間の短縮化が可能な投射光学系を提供できる。

本発明によれば、従来よりも形状加工時間・形状測定時間の短縮化が可能な投射光学系を提供できるものとなる。

以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。

先ず、本発明の実施例について、自由曲面レンズ系４を含む投射光学系１０の光線図を図１に、フォーカス調整時の自由曲面レンズＬ１０の移動と光束範囲の関係を表す模式図を図２に示す。

図１は、拡大側から順に、回転非対称な自由曲面ミラー５と、回転非対称レンズで構成された自由曲面レンズ系４と、回転対称レンズで構成された同軸レンズ系３で構成された投射光学系１０によって、映像表示素子１の像を像面へ斜に拡大投射している。なお、フィルタ２は、色合成手段としてのクロスプリズムや映像表示素子１のカバーガラスや、偏光板等々の厚みを総合して考慮し、説明上記載した光学的に等価な換算フィルタである。

本発明の実施例においては、フォーカス調整のために自由曲面レンズ系４を、光束の進行方向に沿った方向、即ち、同軸レンズ系３の光軸とは異なる方向に移動することで、投射サイズ（投射距離）に応じたフォーカス調整を行っている。

このフォーカス調整の移動方向と、光束の進行方向で単純化した光学モデル図である図２を用いて、本発明の実施例における自由曲面レンズＬ１０の大きさについて説明する。

図２の水平方向が同軸レンズ系３の光軸方向であり、自由曲面レンズ系４をこの光軸方向とは異なる方向、即ち、光束の進行方向に沿った方向に移動させることでフォーカス調整を行っている。斜投射方式においては、自由曲面レンズ系４を通過する光束は、図２において右上方向（斜め方向）に進行するので、図６と同様に、遠距離側で必要な自由曲面レンズＬ１０の有効サイズを基準に考えると、近距離側では点Ａ側と点Ｂ側でもサイズが不足しているが、図６の点Ｂ側のようにサイズが余っている箇所がないので、図２の自由曲面レンズＬ１０は、図６の自由曲面レンズＬ１０よりも有効サイズが小さくできた。

上記自由曲面レンズ系４のフォーカス調整について、他の表現を以下に追記する。

図２に例示するように、フォーカス調整を遠距離側から近距離側に対して行うには、自由曲面レンズ系４を像面３０に近づけるように同軸レンズ系３の光軸方向に沿って移動しつつ、同軸レンズ系３からの外周側光束が自由曲面レンズ系４の端部を通る範囲を等しくなる傾向となるように自由曲面レンズ系４を移動するようにする。

更に別の表現を行うと、自由曲面レンズ系４を同軸レンズ系３の光軸方向への平行移動に加えて、同軸レンズ系３の光軸方向とは異なる方向への移動するようにする。

このような２方向への移動を合成した方向へ移動することで、単純な同軸レンズ系３の光軸方向への平行移動の場合に比べて、図６の点Ｂ側のようにサイズが余っている箇所を低減することが可能となる。

この図６の点Ｂ側のようにサイズが余っている箇所を低減するとは、合焦動作においては、自由曲面レンズＬ１０の位置によって、同軸レンズ系３からの光束の範囲と自由曲面レンズＬ１０の大きさの範囲の関係が変わることが有り、具体的には、以下の２つの場合をも想定するものである。

先ず第１の場合は、図２に例示するように、同軸レンズ系３からの光束の範囲が自由曲面レンズＬ１０よりも大きい場合である。この場合は、図２の斜線で示すＡ点、Ｂ点の光束を通せない範囲の面積が出来るだけ等しくなる傾向となるように、自由曲面レンズＬ１０を同軸レンズ系３の光軸方向とは異なる方向へ、加えて移動するようにする。

次に第２の場合は、図２に例示していないが、同軸レンズ系３からの光束の範囲が自由曲面レンズＬ１０よりも小さい場合である。この場合は、上記第１の場合とは逆に、図２の斜線で示すＡ点、Ｂ点の範囲は、レンズがあるのに光束の範囲の方が小さい為に、同軸レンズ系３からの光束が来ない範囲と読み替えることとなる。

この第２の場合は、同軸レンズ系３からの光束が来ないＡ点、Ｂ点の範囲の面積が出来るだけ等しくなる傾向となるように、自由曲面レンズＬ１０を同軸レンズ系３の光軸方向とは異なる方向へ、加えて移動するようにする。

また、上述のフォーカス調整において、「自由曲面レンズ系４を同軸レンズ系３の光軸方向への平行移動に加えて、同軸レンズ系３の光軸方向とは異なる方向への移動するようにする」については、自由曲面レンズ系４を同軸レンズ系３の光軸方向への平行移動と、同軸レンズ系３の光軸方向とは異なる方向への移動を別々に行うものであっても良い。若しくは、自由曲面レンズ系４を前記同軸レンズ系３の光軸の平行方向と、前記同軸レンズ系３の光軸の平行方向とは異なる方向とで合成された方向へ移動するようにするものであっても良い。

その結果、上記第１の場合、そして第２の場合であっても、図６の自由曲面レンズＬ１０よりも有効サイズが小さくすることを可能とするものである。

上述したように、金型の形状加工及び形状測定において多くの時間を要する自由曲面レンズの有効サイズを小さくする投射光学系を提供できる。

本発明の実施例の投射光学系のフォーカス調整についての説明図である。 本発明の実施例の合焦レンズの大きさに関する説明図である。 斜投射方式の投射型表示装置の使用形態図である。 従来の投射光学系のフォーカス調整の説明図である。 フォーカスレンズの繰り出し量の例を表す図である。 従来のフォーカスレンズの大きさに関する説明図である。

符号の説明

１…映像表示素子、２…フィルタ、３…回転対称な同軸レンズ系、４…回転非対称な自由曲面レンズ系、５…回転非対称な自由曲面ミラー、１０…投射光学系、２０…投射型表示装置、３０…像面、４０…テーブル、５０…壁面。

Claims (6)

1. 映像表示素子からの光束を通す回転対称な同軸系レンズと、
   前記同軸系レンズからの光束を通す回転非対称な自由曲面を有する自由曲面レンズと、
   前記自由曲面レンズからの光束を反射する回転非対称な自由曲面を有する自由曲面ミラーと、
   を有し、
   前記自由曲面ミラーからの光束を被投射面に投射する投射光学系において、
   前記自由曲面レンズを前記同軸系レンズの光軸の平行方向へ移動するとともに、前記同軸系レンズの光軸の平行方向とは異なる方向へ移動することで投射距離に応じた合焦動作を行うことを特徴とする投射光学系。
2. 映像表示素子からの光束を通す回転対称な同軸系レンズと、
   前記同軸系レンズからの光束を通す回転非対称な自由曲面を有する自由曲面レンズと、
   前記自由曲面レンズからの光束を反射する回転非対称な自由曲面を有する自由曲面ミラーと、
   を有し、
   前記自由曲面ミラーからの光束を被投射面に投射する投射光学系において、
   前記自由曲面レンズを
   前記同軸系レンズの光軸の平行方向と、
   前記同軸系レンズの光軸の平行方向とは異なる方向と
   で合成された方向へ移動することで投射距離に応じた合焦動作を行う
   ことを特徴とする投射光学系。
3. 請求項１、または２に記載の投射光学系において、
   合焦動作の際に、前記同軸系レンズからの光束の通る範囲が前記自由曲面レンズの範囲よりも大きくなる場合には、
   前記同軸系レンズからの周辺部の光束で前記自由曲面レンズを通らない範囲の大きさを等しくなる傾向となるように前記自由曲面レンズを移動することで投射距離に応じた合焦動作を行うことを特徴とする投射光学系。
4. 請求項１、または２に記載の投射光学系において、
   合焦動作の際に、前記同軸系レンズからの光束の通る範囲が前記自由曲面レンズの範囲よりも小さくなる場合には、
   前記自由曲面レンズの周辺において、前記同軸系レンズからの光束の通らない範囲の大きさを等しくなる傾向となるように前記自由曲面レンズを移動することで投射距離に応じた合焦動作を行うことを特徴とする投射光学系。
5. 拡大側から順に、
   回転非対称な自由曲面を有する自由曲面ミラーと、
   回転非対称な自由曲面を有する自由曲面レンズと、
   回転対称な同軸系レンズで構成され、全体として像面へ映像光を斜めに投射する投射光学系において、
   自由曲面レンズを光束の進行方向に沿って移動させることで、投射距離に応じた合焦動作を行うことを特徴とする投射光学系。
6. 拡大側から順に、
   回転非対称な自由曲面を有する自由曲面ミラーと、
   回転非対称な自由曲面を有する自由曲面レンズ系と、
   回転対称な同軸レンズ系で構成され、全体として像面へ映像光を斜めに投射する投射光学系において、
   自由曲面レンズ系を該同軸レンズ系の光軸方向と異なる方向に移動させることで、投射距離に応じた合焦動作を行うことを特徴とする投射光学系。

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