JP2015060090A - 投写光学系および投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化および低コスト化を達成しつつ、短い投射距離でスクリーン上に十分な大きさの拡大映像を表示可能な投写光学系とする。
【解決手段】縮小側共役面上に配置された画像表示素子Ｄに表示された画像を、拡大側共役面上に拡大像として投写する投写光学系において、縮小側から順に、屈折光学系と、負のパワーを持つ反射光学系Ｒとを備え、下記条件式（１）を満足するものとする。
-0.0015 ≦ （1／tan（ωmax）−0.16）×（θL／θM−0.27） ・・・（１）
【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示素子に表示された画像を屈折光学系および反射光学系を用いてスクリーン上に結像させる投写光学系および該投写光学系を備えた投写型表示装置に関するものである。

画像表示素子に表示された画像を屈折光学系および反射光学系を用いてスクリーン上に結像させる投写光学系を備えた投写型表示装置として、下記特許文献１〜４に記載のものが知られている。

特開２００７−３２３０４７号公報 特開２００７−３３４０５２号公報 特許第４７３１８０８号明細書 特許第４８８９２８９号明細書

上記のような投写光学系および該投写光学系を備えた投写型表示装置では、さらなる装置の小型化および低コスト化や、スクリーン上において十分な大きさの拡大映像を表示しつつ投射距離を短くすることが求められている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、装置の小型化および低コスト化を達成しつつ、短い投射距離でスクリーン上に十分な大きさの拡大映像を表示可能な投写光学系および該投写光学系を備えた投写型表示装置を提供することを目的とするものである。

本発明の投写光学系は、縮小側共役面上に配置された画像表示素子に表示された画像を、拡大側共役面上に拡大像として投写する投写光学系であって、縮小側から順に、屈折光学系と、負のパワーを持つ反射光学系とを備え、下記条件式（１）を満足することを特徴とするものである。

-0.0015 ≦ （1／tan（ωmax）−0.16）×（θL／θM−0.27） ・・・（１）
ただし、ωmax：拡大側共役面に入射する主光線の最大入射角度、θL：画面中心からの主光線が屈折光学系から出射するときの光軸とのなす角度、θM：画面中心からの主光線が反射光学系から出射するときの光軸とのなす角度とする。

本発明の投写光学系において、屈折光学系と反射光学系とは共通の光軸を有することが好ましい。

また、屈折光学系と反射光学系は、光軸に対して回転対称であることが好ましい。

また、反射光学系は、負のパワーを持つ１枚のミラーからなることが好ましい。

また、下記条件式（２）を満足することが好ましい。

0.18 ≦ θL／θM ・・・（２）
また、下記条件式（３）を満足することが好ましい。

2.0 ≦ tan（ωmax）≦ 7.5 ・・・（３）
また、下記条件式（４）を満足することが好ましい。

|cosθ−2cosφcosψ| ≦ 0.6 ・・・（４）
ただし、θ：画面最周辺からの主光線が屈折光学系から出射するときの、光軸とのなす角度、φ：画面最周辺からの主光線が反射光学系に入射する点における、反射光学系の法線と光軸とのなす角度、ψ：画面最周辺からの主光線が反射光学系に入射する点における、主光線と反射光学系の法線とのなす角度とする。

また、下記条件式（５）を満足することが好ましい。

0.5 ≦ （ZL＋ZD）／Hm ≦ 2.1 ・・・（５）
ただし、ZL：屈折光学系の全長、ZD：屈折光学系と反射光学系との光軸上の距離、Hm：反射光学系の反射面における最大有効径とする。

また、屈折光学系において、球面形状を有する面のうち最も拡大側に配置されている面を含む光学要素（単レンズまたは接合レンズ）をＬｐとしたとき、Ｌｐと反射光学系との間に少なくとも１枚の非球面レンズを有することが好ましい。

また、屈折光学系において、Ｌｐと反射光学系との間に配置されたレンズ系（Ｌｐを含まない）を第１レンズ群、Ｌｐを含みＬｐよりも縮小側に配置されたレンズ系を第２レンズ群としたとき、第２レンズ群は全体として正の屈折力を有することが好ましい。

また、第１レンズ群は、拡大側から順に、負の屈折力を有する非球面レンズと正の屈折力を有する非球面レンズの２枚からなるものとしてもよいし、負の屈折力を有する１枚の非球面レンズからなるものとしてもよい。

また、Ｌｐの最も拡大側の面は、拡大側に凸の形状を有することが好ましい。

また、Ｌｐの最も縮小側の面は、縮小側に凹の形状を有することが好ましい。

また、Ｌｐは、負の屈折力を有することが好ましい。

また、第２レンズ群は、拡大側から順に、Ｌｐ、拡大側に凸面を向けた正レンズ、拡大側に凹面を向けた負レンズ、縮小側に凸面を向けた正レンズ、少なくとも１枚の両凸形状を有する正レンズを配してなる第２ａレンズ群と、この第２ａレンズ群よりも縮小側に配され、最も拡大側の光学要素（単レンズまたは接合レンズ）が負の屈折力を有する第２ｂレンズ群からなるものとしてもよいし、拡大側から順に、Ｌｐ、拡大側に凹面を向けた負レンズ、縮小側に凸面を向けた正レンズ、少なくとも１枚の両凸形状を有する正レンズを配してなる第２ａレンズ群と、この第２ａレンズ群よりも縮小側に配され、最も拡大側の光学要素（単レンズまたは接合レンズ）が負の屈折力を有する第２ｂレンズ群からなるものとしてもよい。

また、第２ａレンズ群は、全体で正の屈折力を有することが好ましい。

また、第２ｂレンズ群は、全体で正の屈折力を有することが好ましい。

また、第２ｂレンズ群は、少なくとも１枚の非球面レンズを有することが好ましい。

また、下記条件式（１−１）を満足することが好ましい。

-0.0005 ≦ （1／tan（ωmax）−0.16）×（θL／θM−0.27） ・・・（１−１）
また、下記条件式（２−１）を満足することが好ましい。

0.24 ≦ θL／θM ・・・（２−１）
また、下記条件式（３−１）を満足することが好ましい。

2.3 ≦ tan（ωmax）≦ 5.0 ・・・（３−１）
また、下記条件式（４−１）を満足することが好ましい。

|cosθ−2cosφcosψ| ≦ 0.4 ・・・（４−１）
また、下記条件式（５−１）を満足することが好ましい。

1.0 ≦ （ZL＋ZD）／Hm ≦ 1.6 ・・・（５−１）
本発明の投写型表示装置は、光源と、光源からの光が入射するライトバルブと、ライトバルブにより光変調された光による光学像をスクリーン上に投写する投写光学系として上記記載の本発明の投写光学系とを備えたことを特徴とするものである。

なお、上記「〜からなり」とは、構成要素として挙げたレンズ群以外に、実質的にパワーを有さないレンズ、絞り、マスク、カバーガラス、フィルタ等のレンズ以外の光学要素、レンズフランジ、レンズバレル、撮像素子、手ぶれ補正機構等の機構部分、等を含んでもよいことを意図するものである。

また、上記のレンズの面形状や屈折力の符号は、非球面が含まれている場合は近軸領域で考えるものとする。

また、上記「主光線」とは、入射瞳位置にて光軸と交わる光線を意味する。

本発明の投写光学系は、縮小側共役面上に配置された画像表示素子に表示された画像を、拡大側共役面上に拡大像として投写する投写光学系であって、縮小側から順に、屈折光学系と、負のパワーを持つ反射光学系とを備え、下記条件式（１）を満足するものとしたので、光学系の小型化および低コスト化を達成しつつ、短い投射距離でスクリーン上に十分な大きさの拡大映像を表示することが可能となる。

-0.0015 ≦ （1／tan（ωmax）−0.16）×（θL／θM−0.27） ・・・（１）
本発明の投写型表示装置は、本発明の投写光学系を備えているため、装置の小型化および低コスト化を達成しつつ、短い投射距離でスクリーン上に十分な大きさの拡大映像を表示することが可能となる。

本発明の一実施形態にかかる投写光学系（実施例１と共通）の構成を示す断面図 本発明の実施例２の投写光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例３の投写光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例４の投写光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例５の投写光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例６の投写光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例７の投写光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例８の投写光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例９の投写光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例１０の投写光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例１１の投写光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例１２の投写光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例１３の投写光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例１４の投写光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例１５の投写光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例１６の投写光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例１７の投写光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例１の投写光学系の歪み性能を示す図 本発明の実施例２の投写光学系の歪み性能を示す図 本発明の実施例３の投写光学系の歪み性能を示す図 本発明の実施例４の投写光学系の歪み性能を示す図 本発明の実施例５の投写光学系の歪み性能を示す図 本発明の実施例６の投写光学系の歪み性能を示す図 本発明の実施例７の投写光学系の歪み性能を示す図 本発明の実施例８の投写光学系の歪み性能を示す図 本発明の実施例９の投写光学系の歪み性能を示す図 本発明の実施例１０の投写光学系の歪み性能を示す図 本発明の実施例１１の投写光学系の歪み性能を示す図 本発明の実施例１２の投写光学系の歪み性能を示す図 本発明の実施例１３の投写光学系の歪み性能を示す図 本発明の実施例１４の投写光学系の歪み性能を示す図 本発明の実施例１５の投写光学系の歪み性能を示す図 本発明の実施例１６の投写光学系の歪み性能を示す図 本発明の実施例１７の投写光学系の歪み性能を示す図 本発明の実施例１の投写光学系のスポット性能を示す図 本発明の実施例２の投写光学系のスポット性能を示す図 本発明の実施例３の投写光学系のスポット性能を示す図 本発明の実施例４の投写光学系のスポット性能を示す図 本発明の実施例５の投写光学系のスポット性能を示す図 本発明の実施例６の投写光学系のスポット性能を示す図 本発明の実施例７の投写光学系のスポット性能を示す図 本発明の実施例８の投写光学系のスポット性能を示す図 本発明の実施例９の投写光学系のスポット性能を示す図 本発明の実施例１０の投写光学系のスポット性能を示す図 本発明の実施例１１の投写光学系のスポット性能を示す図 本発明の実施例１２の投写光学系のスポット性能を示す図 本発明の実施例１３の投写光学系のスポット性能を示す図 本発明の実施例１４の投写光学系のスポット性能を示す図 本発明の実施例１５の投写光学系のスポット性能を示す図 本発明の実施例１６の投写光学系のスポット性能を示す図 本発明の実施例１７の投写光学系のスポット性能を示す図 画像表示素子内における評価ポイントを示す図 拡大側共役面上の拡大像内における評価ポイントを示す図 本発明の実施形態にかかる投写型表示装置の概略構成図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態にかかる投写光学系の構成を示す断面図である。図１に示す構成例は、後述の実施例１の投写光学系の構成と共通である。図１においては、左側が縮小側、右側が拡大側である。

図１に示すように、この投写光学系は、縮小側共役面上に配置された画像表示素子Ｄに表示された画像を、拡大側共役面上に拡大像として投写する投写光学系であって、光軸Ｚに沿って、縮小側から順に、レンズＬ１〜Ｌ１２からなる屈折光学系と、負のパワーを持つ反射光学系Ｒとを備えてなる。

なお、画像表示素子Ｄは、表示面全体が光軸Ｚと交わらないように、フルシフト以上となる位置に配されている。

この投写光学系を投写型表示装置に適用する際には、装置の構成に応じて、画像表示素子Ｄと屈折光学系との間にカバーガラス、プリズム、赤外線カットフィルタやローパスフィルタなどの各種フィルタを配置することが好ましいため、図１では、これらを想定した平行平面板状の光学部材ＰＰを画像表示素子Ｄと屈折光学系との間に配置した例を示している。

上記投写光学系は、下記条件式（１）を満足するように構成されている。これにより、光学系の小型化および低コスト化を達成しつつ、短い投射距離でスクリーン上に十分な大きさの拡大映像を表示することが可能となる。なお、下記条件式（１−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。

-0.0015 ≦ （1／tan（ωmax）−0.16）×（θL／θM−0.27） ・・・（１）
-0.0005 ≦ （1／tan（ωmax）−0.16）×（θL／θM−0.27） ・・・（１−１）
ただし、ωmax：拡大側共役面に入射する主光線の最大入射角度、θL：画面中心からの主光線が屈折光学系から出射するときの光軸とのなす角度、θM：画面中心からの主光線が反射光学系から出射するときの光軸とのなす角度とする。

上記投写光学系においては、屈折光学系と反射光学系Ｒとは共通の光軸を有することが好ましい。また、屈折光学系と反射光学系は、光軸に対して回転対称であることが好ましい。また、反射光学系は、負のパワーを持つ１枚のミラーからなることが好ましい。これにより投写光学系の構造が簡略化できるため、低コスト化に寄与する。

また、下記条件式（２）を満足することが好ましい。これにより、光学系の小型化および低コスト化を達成することが可能となる。なお、下記条件式（２−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。

0.18 ≦ θL／θM ・・・（２）
0.24 ≦ θL／θM ・・・（２−１）
また、下記条件式（３）を満足することが好ましい。この条件式（３）の上限を上回らないようにすることで、光学系の小型化および低コスト化を達成することができる。また条件式（３）の下限を下回らないようにすることで、短い投射距離でスクリーン上に十分な大きさの拡大映像を表示することが可能となる。なお、下記条件式（３−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。

2.0 ≦ tan（ωmax）≦ 7.5 ・・・（３）
2.3 ≦ tan（ωmax）≦ 5.0 ・・・（３−１）
また、下記条件式（４）を満足することが好ましい。これにより、光学系の小型化および低コスト化を達成しつつ、短い投射距離でスクリーン上に十分な大きさの拡大映像を表示することが可能となる。なお、下記条件式（４−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。

|cosθ−2cosφcosψ| ≦ 0.6 ・・・（４）
|cosθ−2cosφcosψ| ≦ 0.4 ・・・（４−１）
ただし、θ：画面最周辺からの主光線が屈折光学系から出射するときの、光軸とのなす角度、φ：画面最周辺からの主光線が反射光学系に入射する点における、反射光学系の法線と光軸とのなす角度、ψ：画面最周辺からの主光線が反射光学系に入射する点における、主光線と反射光学系の法線とのなす角度とする。

また、下記条件式（５）を満足することが好ましい。これにより、光学系の小型化および低コスト化を達成しつつ、短い投射距離でスクリーン上に十分な大きさの拡大映像を表示することが可能となる。なお、下記条件式（５−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。

0.5 ≦ （ZL＋ZD）／Hm ≦ 2.1 ・・・（５）
1.0 ≦ （ZL＋ZD）／Hm ≦ 1.6 ・・・（５−１）
ただし、ZL：屈折光学系の全長、ZD：屈折光学系と反射光学系との光軸上の距離、Hm：反射光学系の反射面における最大有効径とする。

また、屈折光学系において、球面形状を有する面のうち最も拡大側に配置されている面を含む光学要素（単レンズまたは接合レンズ）をＬｐとしたとき、Ｌｐと反射光学系Ｒとの間に少なくとも１枚の非球面レンズを有することが好ましい。これにより、反射光学系Ｒで発生する諸収差を良好に補正することができる。なお、本実施形態では、レンズＬ１０がＬｐに相当し、Ｌｐと反射光学系Ｒとの間に２枚の非球面レンズＬ１１、Ｌ１２を有している。

また、屈折光学系において、Ｌｐと反射光学系Ｒとの間に配置されたレンズ系（Ｌｐを含まない）を第１レンズ群、Ｌｐを含みＬｐよりも縮小側に配置されたレンズ系を第２レンズ群としたとき、第２レンズ群は全体として正の屈折力を有することが好ましい。これにより、反射光学系Ｒで発生する諸収差を良好に補正することができる。

また、第１レンズ群は、拡大側から順に、負の屈折力を有する非球面レンズと正の屈折力を有する非球面レンズの２枚からなるものとしてもよいし、負の屈折力を有する１枚の非球面レンズからなるものとしてもよいが、負正２枚の非球面レンズからなるものとすれば、反射光学系Ｒで発生する諸収差をさらに良好に補正でき、負の屈折力を有する１枚の非球面レンズからなるものとすれば、光学系を簡略化し、組立や調整難度を抑えることができる。なお、本実施形態では、第１レンズ群は、拡大側から順に、負の屈折力を有する非球面レンズＬ１２と正の屈折力を有する非球面レンズＬ１１の２枚からなるものとしている。

また、Ｌｐの最も拡大側の面は、拡大側に凸の形状を有することが好ましい。また、Ｌｐの最も縮小側の面は、縮小側に凹の形状を有することが好ましい。これにより、反射光学系Ｒで発生する諸収差を良好に補正することができる。

また、Ｌｐは、負の屈折力を有することが好ましい。これにより、短い投射距離でスクリーン上に十分な大きさの拡大映像を表示させつつ、反射光学系Ｒで発生する諸収差を良好に補正することができる。

また、第２レンズ群は、拡大側から順に、Ｌｐ、拡大側に凸面を向けた正レンズ、拡大側に凹面を向けた負レンズ、縮小側に凸面を向けた正レンズ、少なくとも１枚の両凸形状を有する正レンズを配してなる第２ａレンズ群と、この第２ａレンズ群よりも縮小側に配され、最も拡大側の光学要素（単レンズまたは接合レンズ）が負の屈折力を有する第２ｂレンズ群からなるものとしてもよいし、拡大側から順に、Ｌｐ、拡大側に凹面を向けた負レンズ、縮小側に凸面を向けた正レンズ、少なくとも１枚の両凸形状を有する正レンズを配してなる第２ａレンズ群と、この第２ａレンズ群よりも縮小側に配され、最も拡大側の光学要素（単レンズまたは接合レンズ）が負の屈折力を有する第２ｂレンズ群からなるものとしてもよい。これにより、反射光学系Ｒで発生する諸収差を良好に補正することができる。

また、第２ａレンズ群は、全体で正の屈折力を有することが好ましい。また、第２ｂレンズ群は、全体で正の屈折力を有することが好ましい。また、第２ｂレンズ群は、少なくとも１枚の非球面レンズを有することが好ましい。これにより、反射光学系Ｒで発生する諸収差を良好に補正することができる。

なお、図１に示す例では、画像表示素子Ｄと屈折光学系との間に光学部材ＰＰを配置した例を示したが、画像表示素子Ｄと屈折光学系との間にローパスフィルタや特定の波長域をカットするような各種フィルタ等を配置する代わりに、各レンズの間にこれらの各種フィルタを配置してもよく、あるいは、いずれかのレンズのレンズ面に、各種フィルタと同様の作用を有するコートを施したり、保護用の多層膜コートや、使用時のゴースト光低減等のための反射防止コート等を施すようにしてもよい。

次に、本発明の投写光学系の数値実施例について説明する。

まず、実施例１の投写光学系について説明する。実施例１の投写光学系の構成を示す断面図を図１に示す。なお、図１および後述の実施例２〜１７に対応した図２〜１７においては、光学部材ＰＰも合わせて示しており、左側が縮小側、右側が拡大側である。

実施例１の投写光学系の基本レンズデータを表１に、諸元に関するデータを表２に、非球面係数に関するデータを表３に示す。以下では、表中の記号の意味について、実施例１のものを例にとり説明するが、実施例２〜１７についても基本的に同様である。

表１のレンズデータにおいて、Ｓｉの欄には最も物体側の構成要素の面を１番目として像側に向かうに従い順次増加するｉ番目（ｉ＝１、２、３、…）の面番号を示し、Ｒｉの欄にはｉ番目の面の曲率半径を示し、Ｄｉの欄にはｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸Ｚ上の面間隔を示す。また、Ｎｄｊの欄には最も物体側の光学要素を１番目として像側に向かうに従い順次増加するｊ番目（ｊ＝１、２、３、…）の光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を示し、νｄｊの欄には同じくｊ番目の光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数を示している。

ここで、曲率半径の符号は、面形状が物体側に凸の場合を正、像側に凸の場合を負としている。基本レンズデータには、光学部材ＰＰも含めて示している。

表２の諸元に関するデータに、Ｆ値ＦＮｏ．、全画角２ωの値を示す。

基本レンズデータ、諸元に関するデータにおいて、角度の単位としては度を用い、長さの単位としてはｍｍを用いているが、光学系は比例拡大又は比例縮小しても使用可能なため他の適当な単位を用いることもできる。

表１のレンズデータでは、非球面の面番号に＊印を付しており、非球面の曲率半径として近軸の曲率半径の数値を示している。表３の非球面係数に関するデータには、非球面の面番号Ｓｉと、これら非球面に関する非球面係数を示す。非球面係数は、以下の式（Ａ）で表される非球面式における各係数ＫＡ、Ａｍ（ｍ＝４、６、８、…２０）の値である。

Ｚｄ＝Ｃ・ｈ^２／｛１＋（１−ＫＡ・Ｃ^２・ｈ^２）^１/２｝＋ΣＡｍ・ｈ^ｍ …（Ｂ）
ただし、
Ｚｄ：非球面深さ（高さｈの非球面上の点から、非球面頂点が接する光軸に垂直な平面に
下ろした垂線の長さ）
ｈ：高さ（光軸からの距離）
Ｃ：近軸曲率半径の逆数
ＫＡ、Ａｍ：非球面係数（ｍ＝３、４、５、…２０）

この実施例１では、２２面〜２１面がＬｐ、２６面〜２３面が第１レンズ群、２２面〜１３面が第２ａレンズ群、１２面〜４面が第２ｂレンズ群となる。

実施例１の投写光学系の歪み性能を示す図を図１８に、スポット性能を示す図を図３５に示す。なお、スポット性能を示す図における各評価ポイントは、図５２および図５３の点１〜点１５に対応している。実施例２〜１７についても同様である。

次に、実施例２の投写光学系について説明する。実施例２の投写光学系の構成を示す断面図を図２に示す。また、実施例２の投写光学系の基本レンズデータを表４に、諸元に関するデータを表５に、非球面係数に関するデータを表６に、歪み性能を示す図を図１９に、スポット性能を示す図を図３６に示す。

この実施例２では、２２面〜２１面がＬｐ、２６面〜２３面が第１レンズ群、２２面〜１３面が第２ａレンズ群、１２面〜４面が第２ｂレンズ群となる。

次に、実施例３の投写光学系について説明する。実施例３の投写光学系の構成を示す断面図を図３に示す。また、実施例３の投写光学系の基本レンズデータを表７に、諸元に関するデータを表８に、非球面係数に関するデータを表９に、歪み性能を示す図を図２０に、スポット性能を示す図を図３７に示す。

この実施例３では、２２面〜２１面がＬｐ、２６面〜２３面が第１レンズ群、２２面〜１３面が第２ａレンズ群、１２面〜４面が第２ｂレンズ群となる。

次に、実施例４の投写光学系について説明する。実施例４の投写光学系の構成を示す断面図を図４に示す。また、実施例４の投写光学系の基本レンズデータを表１０に、諸元に関するデータを表１１に、非球面係数に関するデータを表１２に、歪み性能を示す図を図２１に、スポット性能を示す図を図３８に示す。

この実施例４では、１８面〜１７面がＬｐ、２２面〜１９面が第１レンズ群、１８面〜１１面が第２ａレンズ群、１０面〜４面が第２ｂレンズ群となる。

次に、実施例５の投写光学系について説明する。実施例５の投写光学系の構成を示す断面図を図５に示す。また、実施例５の投写光学系の基本レンズデータを表１３に、諸元に関するデータを表１４に、非球面係数に関するデータを表１５に、歪み性能を示す図を図２２に、スポット性能を示す図を図３９に示す。

この実施例５では、２３面〜２２面がＬｐ、２５面〜２４面が第１レンズ群、２３面〜１４面が第２ａレンズ群、１３面〜４面が第２ｂレンズ群となる。

次に、実施例６の投写光学系について説明する。実施例６の投写光学系の構成を示す断面図を図６に示す。また、実施例６の投写光学系の基本レンズデータを表１６に、諸元に関するデータを表１７に、非球面係数に関するデータを表１８に、歪み性能を示す図を図２３に、スポット性能を示す図を図４０に示す。

この実施例６では、２１面〜２０面がＬｐ、２３面〜２２面が第１レンズ群、２１面〜１４面が第２ａレンズ群、１３面〜４面が第２ｂレンズ群となる。

次に、実施例７の投写光学系について説明する。実施例７の投写光学系の構成を示す断面図を図７に示す。また、実施例７の投写光学系の基本レンズデータを表１９に、諸元に関するデータを表２０に、非球面係数に関するデータを表２１に、歪み性能を示す図を図２４に、スポット性能を示す図を図４１に示す。

この実施例７では、２３面〜２２面がＬｐ、２７面〜２４面が第１レンズ群、２３面〜１４面が第２ａレンズ群、１３面〜４面が第２ｂレンズ群となる。

次に、実施例８の投写光学系について説明する。実施例８の投写光学系の構成を示す断面図を図８に示す。また、実施例８の投写光学系の基本レンズデータを表２２に、諸元に関するデータを表２３に、非球面係数に関するデータを表２４に、歪み性能を示す図を図２５に、スポット性能を示す図を図４２に示す。

この実施例８では、２４面〜２２面がＬｐ、２６面〜２５面が第１レンズ群、２４面〜１４面が第２ａレンズ群、１３面〜４面が第２ｂレンズ群となる。

次に、実施例９の投写光学系について説明する。実施例９の投写光学系の構成を示す断面図を図９に示す。また、実施例９の投写光学系の基本レンズデータを表２５に、諸元に関するデータを表２６に、非球面係数に関するデータを表２７に、歪み性能を示す図を図２６に、スポット性能を示す図を図４３に示す。

この実施例９では、２５面〜２４面がＬｐ、２９面〜２６面が第１レンズ群、２５面〜１４面が第２ａレンズ群、１３面〜４面が第２ｂレンズ群となる。

次に、実施例１０の投写光学系について説明する。実施例１０の投写光学系の構成を示す断面図を図１０に示す。また、実施例１０の投写光学系の基本レンズデータを表２８に、諸元に関するデータを表２９に、非球面係数に関するデータを表３０に、歪み性能を示す図を図２７に、スポット性能を示す図を図４４に示す。

この実施例１０では、２７面〜２６面がＬｐ、３１面〜２８面が第１レンズ群、２７面〜１６面が第２ａレンズ群、１５面〜４面が第２ｂレンズ群となる。

次に、実施例１１の投写光学系について説明する。実施例１１の投写光学系の構成を示す断面図を図１１に示す。また、実施例１１の投写光学系の基本レンズデータを表３１に、諸元に関するデータを表３２に、非球面係数に関するデータを表３３に、歪み性能を示す図を図２８に、スポット性能を示す図を図４５に示す。

この実施例１１では、２７面〜２６面がＬｐ、３１面〜２８面が第１レンズ群、２７面〜１６面が第２ａレンズ群、１５面〜４面が第２ｂレンズ群となる。

次に、実施例１２の投写光学系について説明する。実施例１２の投写光学系の構成を示す断面図を図１２に示す。また、実施例１２の投写光学系の基本レンズデータを表３４に、諸元に関するデータを表３５に、非球面係数に関するデータを表３６に、歪み性能を示す図を図２９に、スポット性能を示す図を図４６に示す。

この実施例１２では、２４面〜２２面がＬｐ、２８面〜２５面が第１レンズ群、２４面〜４面が第２レンズ群となる。

次に、実施例１３の投写光学系について説明する。実施例１３の投写光学系の構成を示す断面図を図１３に示す。また、実施例１３の投写光学系の基本レンズデータを表３７に、諸元に関するデータを表３８に、非球面係数に関するデータを表３９に、歪み性能を示す図を図３０に、スポット性能を示す図を図４７に示す。

この実施例１３では、１８面〜１６面がＬｐ、２３面〜１９面が第１レンズ群、１８面〜１１面が第２ａレンズ群、１０面〜４面が第２ｂレンズ群となる。

次に、実施例１４の投写光学系について説明する。実施例１４の投写光学系の構成を示す断面図を図１４に示す。また、実施例１４の投写光学系の基本レンズデータを表４０に、諸元に関するデータを表４１に、非球面係数に関するデータを表４２に、歪み性能を示す図を図３１に、スポット性能を示す図を図４８に示す。

この実施例１４では、１９面〜１７面がＬｐ、２３面〜２０面が第１レンズ群、１９面〜３面が第２レンズ群となる。

次に、実施例１５の投写光学系について説明する。実施例１５の投写光学系の構成を示す断面図を図１５に示す。また、実施例１５の投写光学系の基本レンズデータを表４３に、諸元に関するデータを表４４に、非球面係数に関するデータを表４５に、歪み性能を示す図を図３２に、スポット性能を示す図を図４９に示す。

この実施例１５では、２１面〜２０面がＬｐ、２５面〜２２面が第１レンズ群、２１面〜１２面が第２ａレンズ群、１１面〜５面が第２ｂレンズ群となる。

次に、実施例１６の投写光学系について説明する。実施例１６の投写光学系の構成を示す断面図を図１６に示す。また、実施例１６の投写光学系の基本レンズデータを表４６に、諸元に関するデータを表４７に、非球面係数に関するデータを表４８に、歪み性能を示す図を図３３に、スポット性能を示す図を図５０に示す。

この実施例１６では、２９面〜２８面がＬｐ、３３面〜３０面が第１レンズ群、２９面〜５面が第２レンズ群となる。

次に、実施例１７の投写光学系について説明する。実施例１７の投写光学系の構成を示す断面図を図１７に示す。また、実施例１７の投写光学系の基本レンズデータを表４９に、諸元に関するデータを表５０に、非球面係数に関するデータを表５１に、歪み性能を示す図を図３４に、スポット性能を示す図を図５１に示す。

この実施例１７では、２１面〜２０面がＬｐ、２５面〜２２面が第１レンズ群、２１面〜１５面が第２ａレンズ群、１４面〜５面が第２ｂレンズ群となる。

実施例１〜１７の投写光学系の条件式（１）〜（５）に対応する値を表５２に示す。なお、全実施例ともｄ線を基準波長としており、下記の表５２に示す値はこの基準波長におけるものである。

以上のデータから、実施例１〜１７の投写光学系は全て条件式（１）〜（５）を満たしており、光学系の小型化および低コスト化を達成しつつ、短い投射距離でスクリーン上に十分な大きさの拡大映像を表示可能な投写光学系であることが分かる。

次に、本発明に係る投写型表示装置の実施形態について、図５４を用いて説明する。図５４は本発明の一実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。

図５４に示す投写型表示装置１００は、本発明の実施形態にかかる投写光学系１０と、光源２０と、各色光に対応したライトバルブとしての透過型表示素子１１ａ〜１１ｃと、光源２０からの光束をライトバルブへ導く照明光学部３０とを備えている。照明光学部３０は、色分解のためのダイクロイックミラー１２、１３と、色合成のためのクロスダイクロイックプリズム１４と、コンデンサレンズ１６ａ〜１６ｃと、全反射ミラー１８ａ〜１８ｃとを有する。なお、図５４では、投写光学系１０は概略的に図示されている。また、光源２０とダイクロイックミラー１２の間にはフライアイ等のインテグレータが配されているが、図５４ではその図示を省略している。

光源２０からの白色光は、照明光学部３０において、ダイクロイックミラー１２、１３で３つの色光光束（Ｇ光、Ｂ光、Ｒ光）に分解された後、それぞれ全反射ミラー１８ａ〜１８ｃにより光路を偏向されてコンデンサレンズ１６ａ〜１６ｃを経て各色光光束にそれぞれ対応する透過型表示素子１１ａ〜１１ｃに入射して光変調され、クロスダイクロイックプリズム１４により色合成された後、投写光学系１０に入射する。投写光学系１０は透過型表示素子１１ａ〜１１ｃにより光変調された光による光学像を不図示のスクリーン上に投写する。

透過型表示素子１１ａ〜１１ｃとしては、例えば透過型液晶表示素子等を用いることができる。なお、図５４ではライトバルブとして透過型表示素子を用いた例を示したが、本発明の投写型表示装置が備えるライトバルブは、これに限られるものではなく、反射型液晶表示素子あるいはＤＭＤ等の他の光変調手段を用いてもよい。

以上、実施形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、各レンズ成分の曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数等の値は、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

１０ 投写光学系
１１ａ〜１１ｃ 透過型表示素子
１２、１３ ダイクロイックミラー
１４ クロスダイクロイックプリズム
１６ａ〜１６ｃ コンデンサレンズ
１８ａ〜１８ｃ 全反射ミラー
２０ 光源
３０ 照明光学部
１００ 投写型表示装置
Ｚ 光軸

Claims (26)

1. 縮小側共役面上に配置された画像表示素子に表示された画像を、拡大側共役面上に拡大像として投写する投写光学系であって、
   縮小側から順に、屈折光学系と、負のパワーを持つ反射光学系とを備え、
   下記条件式（１）を満足する
   ことを特徴とする投写光学系。
   -0.0015 ≦ （1／tan（ωmax）−0.16）×（θL／θM−0.27） ・・・（１）
   ただし、
   ωmax：前記拡大側共役面に入射する主光線の最大入射角度
   θL：画面中心からの主光線が前記屈折光学系から出射するときの光軸とのなす角度
   θM：画面中心からの主光線が前記反射光学系から出射するときの光軸とのなす角度
2. 前記屈折光学系と前記反射光学系とは共通の光軸を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の投写光学系。
3. 前記屈折光学系と前記反射光学系は、光軸に対して回転対称である
   ことを特徴とする請求項１または２記載の投写光学系。
4. 前記反射光学系は、負のパワーを持つ１枚のミラーからなる
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の投写光学系。
5. 下記条件式（２）を満足する
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の投写光学系。
   0.18 ≦ θL／θM ・・・（２）
6. 下記条件式（３）を満足する
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の投写光学系。
   2.0 ≦ tan（ωmax）≦ 7.5 ・・・（３）
7. 下記条件式（４）を満足する
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の投写光学系。
   |cosθ−2cosφcosψ| ≦ 0.6 ・・・（４）
   ただし、
   θ：画面最周辺からの主光線が前記屈折光学系から出射するときの、光軸とのなす角度
   φ：画面最周辺からの主光線が前記反射光学系に入射する点における、前記反射光学系の法線と光軸とのなす角度
   ψ：画面最周辺からの主光線が前記反射光学系に入射する点における、前記主光線と前記反射光学系の法線とのなす角度
8. 下記条件式（５）を満足する
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の投写光学系。
   0.5 ≦ （ZL＋ZD）／Hm ≦ 2.1 ・・・（５）
   ただし、
   ZL：前記屈折光学系の全長
   ZD：前記屈折光学系と前記反射光学系との光軸上の距離
   Hm：前記反射光学系の反射面における最大有効径
9. 前記屈折光学系において、球面形状を有する面のうち最も拡大側に配置されている面を含む光学要素をＬｐとしたとき、該Ｌｐと前記反射光学系との間に少なくとも１枚の非球面レンズを有する
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の投写光学系。
10. 前記屈折光学系において、前記Ｌｐと前記反射光学系との間に配置されたレンズ系を第１レンズ群、前記Ｌｐを含みＬｐよりも縮小側に配置されたレンズ系を第２レンズ群としたとき、前記第２レンズ群は全体として正の屈折力を有する
    ことを特徴とする請求項９記載の投写光学系。
11. 前記第１レンズ群は、拡大側から順に、負の屈折力を有する非球面レンズと正の屈折力を有する非球面レンズの２枚からなる
    ことを特徴とする請求項１０記載の投写光学系。
12. 前記第１レンズ群は、負の屈折力を有する１枚の非球面レンズからなる
    ことを特徴とする請求項１０記載の投写光学系。
13. 前記Ｌｐの最も拡大側の面は、拡大側に凸の形状を有する
    ことを特徴とする請求項９から１２のいずれか１項記載の投写光学系。
14. 前記Ｌｐの最も縮小側の面は、縮小側に凹の形状を有する
    ことを特徴とする請求項９から１３のいずれか１項記載の投写光学系。
15. 前記Ｌｐは、負の屈折力を有する
    ことを特徴とする請求項９から１４のいずれか１項記載の投写光学系。
16. 前記第２レンズ群は、拡大側から順に、前記Ｌｐ、拡大側に凸面を向けた正レンズ、拡大側に凹面を向けた負レンズ、縮小側に凸面を向けた正レンズ、少なくとも１枚の両凸形状を有する正レンズを配してなる第２ａレンズ群と、該第２ａレンズ群よりも縮小側に配され、最も拡大側の光学要素が負の屈折力を有する第２ｂレンズ群からなる
    ことを特徴とする請求項１０から１５のいずれか１項記載の投写光学系。
17. 前記第２レンズ群は、拡大側から順に、前記Ｌｐ、拡大側に凹面を向けた負レンズ、縮小側に凸面を向けた正レンズ、少なくとも１枚の両凸形状を有する正レンズを配してなる第２ａレンズ群と、該第２ａレンズ群よりも縮小側に配され、最も拡大側の光学要素が負の屈折力を有する第２ｂレンズ群からなる
    ことを特徴とする請求項１０から１５のいずれか１項記載の投写光学系。
18. 前記第２ａレンズ群は、全体で正の屈折力を有する
    ことを特徴とする請求項１６または１７記載の投写光学系。
19. 前記第２ｂレンズ群は、全体で正の屈折力を有する
    ことを特徴とする請求項１６から１８のいずれか１項記載の投写光学系。
20. 前記第２ｂレンズ群は、少なくとも１枚の非球面レンズを有する
    ことを特徴とする請求項１６から１９のいずれか１項記載の投写光学系。
21. 下記条件式（１−１）を満足する
    ことを特徴とする請求項１から２０のいずれか１項記載の投写光学系。
    -0.0005 ≦ （1／tan（ωmax）−0.16）×（θL／θM−0.27） ・・・（１−１）
22. 下記条件式（２−１）を満足する
    ことを特徴とする請求項１から２１のいずれか１項記載の投写光学系。
    0.24 ≦ θL／θM ・・・（２−１）
23. 下記条件式（３−１）を満足する
    ことを特徴とする請求項１から２２のいずれか１項記載の投写光学系。
    2.3 ≦ tan（ωmax）≦ 5.0 ・・・（３−１）
24. 下記条件式（４−１）を満足する
    ことを特徴とする請求項１から２３のいずれか１項記載の投写光学系。
    |cosθ−2cosφcosψ| ≦ 0.4 ・・・（４−１）
    ただし、
    θ：画面最周辺からの主光線が前記屈折光学系から出射するときの、光軸とのなす角度
    φ：画面最周辺からの主光線が前記反射光学系に入射する点における、前記反射光学系の法線と光軸とのなす角度
    ψ：画面最周辺からの主光線が前記反射光学系に入射する点における、前記主光線と前記反射光学系の法線とのなす角度
25. 下記条件式（５−１）を満足する
    ことを特徴とする請求項１から２４のいずれか１項記載の投写光学系。
    1.0 ≦ （ZL＋ZD）／Hm ≦ 1.6 ・・・（５−１）
    ただし、
    ZL：前記屈折光学系の全長
    ZD：前記屈折光学系と前記反射光学系との光軸上の距離
    Hm：前記反射光学系の反射面における最大有効径
26. 光源と、該光源からの光が入射するライトバルブと、該ライトバルブにより光変調された光による光学像をスクリーン上に投写する投写光学系としての請求項１記載の投写光学系とを備えたことを特徴とする投写型表示装置。