JP4890771B2

JP4890771B2 - 投写光学系およびこれを用いた投写型表示装置

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Publication number: JP4890771B2
Application number: JP2005053782A
Authority: JP
Inventors: 隆鈴木
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2025-02-28
Also published as: US20100128345A1; US7549755B2; US8029147B2; JP2006235516A; US20060193036A1

Description

本発明は、投写光学系および投写型表示装置に関し、特に、リア型のプロジェクタに搭載される投写光学系に関する。

投写型プロジェクションディスプレイ装置や投写型テレビ装置の投写光学系においては、光学ガラスを用いた屈折光学系を用いたものが広く知られている。

しかし、投写光学系として屈折光学系を用いた場合、光学ガラスの特性上どうしても色収差が発生してしまう。特に、長焦点の望遠タイプでは軸上色収差が、短焦点の広角タイプでは倍率色収差が、非常に問題となる。
このような色収差をなくすために、ミラーのみで構成された光学系が提案されている。下記特許文献１〜５では、曲面で構成された非球面等のミラーが３枚と、比較的ミラー枚数が少ない光学系が提案されている。

ところで、近年、上述したような装置のコンパクト化に対する要求が強く、このような装置のコンパクト化に有利な、斜め投映タイプの投写光学系が注目されている。
斜め投映タイプには、光学素子を光軸からシフトさせるタイプと光学素子をチルトさせるタイプがある（特許文献６参照）。

このような斜め投映タイプの投写光学系は、設計値からのずれが若干量生じていても結像性能の劣化につながりやすく、特に、光学素子をチルトさせるタイプでは、大きな台形ひずみが生じやすいことから、これらの欠点を補うために、複数の非球面ミラーを用いる方法が提案されている。

特開平１０−１１１４５８号公報特開２００１−２２２０６３号公報特開２００１−２３５６８１号公報特開２００３−３４４７７２号公報特許第３０４３５８３号公報特開２００４−２２６９９７号公報

しかしながら、上記特許文献１〜５に記載のものでは、少ないとはいっても、非球面ミラーが３枚使用されていることから、高い組立て精度が要求され、製造コストが高価なものとなる。

さらに、斜め投映タイプの投写光学系において、上述したように、複数の非球面ミラーを用いた場合には、さらなる高い組み立て精度が要求され、製造コストが高価なものとなる。

したがって、装置のコンパクト化を図るという要求の下で、光学性能を良好に維持しつつ光学系の組立て精度を緩和し得る投写光学系の開発が急務であった。

本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、光学系の組立てが容易で、製造コストを安価なものとすることができ、投映画像のひずみが少なく、高性能でコンパクトな投写光学系および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、１対の共役面のうち、縮小側の共役面上の画像を拡大側の共役面上に拡大して結像させる光学系において、
前記縮小側の共役面側から順に、第１結像系と第２結像系とを配設してなり、
前記第１結像系は複数のレンズを有するのに対し、前記第２結像系は凹面の非球面形状をなす反射ミラーを有し、
前記第１結像系と前記第２結像系の間の位置に、中間像を形成するように構成されており、
前記第２結像系は、１枚の反射ミラーのみで構成されており、
下記条件式（１）を満足することを特徴とするものである。
０．６４７ ≦ ｜ｔａｎ（θ１）｜＜０．８４（１）
ただし、
θ１：前記第１結像系から前記第２結像系に向かう主光線の各々が前記縮小側の共役面の法線となす角度のうち最大となる角度

また、下記条件式（２）を満足することが好ましい。

０．７５＜｜ｔａｎ（θ２）｜＜１．３（２）
ただし、
θ２：前記第１結像系から前記第２結像系に向かう主光線の各々が前記縮小側の共役面の法線となす角度のうち最大となる場合の光線における、該第２結像系での入射角と出射角の角度差

また、前記第１結像系における各構成要素が、互いに共通の光軸を軸とした回転対称形状であり、下記条件式（３）を満足することが好ましい。

１．７＜｜Ｌ×ｔａｎ(θ１)／Ｙ｜＜２．８（３）
ただし、
θ１：前記第１結像系から前記第２結像系に向かう主光線の各々が前記縮小側の共役面の法線となす角度のうち最大となる角度
Ｌ：前記縮小側の共役面と、前記第１結像系の中で該縮小側の共役面に最も近いレンズとの光学的距離
Ｙ：前記第１結像系の光軸と前記縮小側の共役面との交点から、該縮小側の共役面上における最も遠い画像位置までの距離

また、前記反射ミラーのミラー面が回転対称面とされていることが好ましい。

また、前記第１結像系と前記第２結像系は共通の光軸を備えていることが好ましい。

また、前記第１結像系は、下記条件式（４）を満足する凸レンズを少なくとも１つ有していることが好ましい。

ν_凸＞８０（４）
ただし、
ν_凸：前記凸レンズのアッベ数

また、前記第２結像系と前記拡大側の共役面の間には、少なくとも１枚の反射光学素子が存在することが好ましい。

また、前記第１結像系と前記第２結像系の間には光学素子が存在しない状態としてもよい。

さらに、前記第１結像系は、樹脂材料よりなる凹レンズを有していることが好ましい。

また、本発明の投写型表示装置は、上記いずれかの投写光学系を備えたことを特徴とするものである。

本発明の投写光学系および投写型表示装置によれば、１対の共役面のうち、縮小側の共役面側から順に、第１結像系と第２結像系とを配してなり、第１結像系は複数のレンズを有するのに対し、第２結像系は非球面の凹面形状をなす反射ミラーを有するように構成し、かつ第１結像系と第２結像系の間の位置に、中間像を結像するように構成している。したがって、斜入射光学系において入射角を大きな状態としても歪みの少ない実像を、少ない数の反射ミラーを用いてスクリーン上に形成することができ、また、投写光学系を屈折光学系のみで構成した場合と比べて、色収差の発生を抑制することができる。また、第２結像系の反射ミラーを１枚とすることも可能であるから光学系の組立てが容易となり、また、装置のコンパクト化を促進することができる。

また、第１結像系と第２結像系の間の位置に中間像を結像するように構成したことにより、第２結像系に凸面ミラーを使用するとともに第１結像系と第２結像系の間の位置に中間像を結像しないように構成された系と比較して、第２結像系のミラーのサイズを小さく構成することができる。

すなわち、第２結像系を構成するミラーが、凸面形状や平面形状とされていた場合、第１結像系から出射された光線のうち広い画角に相当する光線の上記ミラー面との交差位置が、光軸から大きく離れた位置となり、このミラーの大型化を招くことになる（特開2003-344772号公報の図３を参照）。これに対し、本発明のもののように、第１結像系と第２結像系の間の位置に結像すると、第２結像系のミラーは凹面形状を採ることとなり、第１結像系から出射された光線のうち広い画角に相当する光線の上記ミラー面との交差位置は、光軸に近づいた位置となり、このミラーの小型化を図ることができる。

以下、本発明に係る投写光学系およびこれを用いた投写型表示装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施例１に係る投写光学系のレンズ構成を示すものであり、まず、この図を代表として用いて本発明の実施形態を説明する。この投写光学系は投写型表示装置の投写光学系として用いられており、図１はこの投写光学系の縮小側結像面から拡大側結像面までの全体を示す図であり、図２は図１の第１結像系を拡大して示す図である。

この投写型表示装置は、光源（不図示）からの光束を照明光学部（不図示）を介してライトバルブ３に照射し、ライトバルブ３により光変調され画像情報を担持した光束を、第１結像系としての投写レンズ系１および第２結像系としての反射ミラー４から構成される投写光学系２によりスクリーン５に拡大投写するものである。スクリーン５はこの投写光学系２の拡大側結像面に、またライトバルブ３はこの投写光学系２の縮小側結像面に略一致するように配置されている。ライトバルブ３の光出射側にはカバーガラス（平行平面板）６およびプリズム部（色合成プリズムや光偏向プリズム等）７が配されている。そして、第１結像系と第２結像系の間の位置に中間像が形成される。

なお、本実施形態に係る投写光学系２は軸はずし光学系とされており、反射ミラー４においては、光軸Ｘの片側（図1中で光軸よりも下方）が有効な光反射領域として利用されている。このように、片側に偏った光線のみを利用することにより、図１に示すような位置にスクリーン５を配置することができ、これにより装置の薄型化、コンパクト化を図ることが可能となる。

また、この投写光学系２の各要素は図１の紙面（対称面）に関して略面対称形状とされており、光学系の組立てを容易なものとすることができる。

また、本実施形態に係る投写光学系２は下記条件式（１）、（２）を満足することが好ましい。

０．６４７ ≦ ｜ｔａｎ（θ１）｜＜０．８４（１）
０．７５＜｜ｔａｎ（θ２）｜＜１．３（２）
ただし、
θ１：前記第１結像系から前記第２結像系に向かう主光線の各々が前記縮小側の共役面の法線となす角度のうち最大となるもの
θ２：前記第１結像系から前記第２結像系に向かう主光線の各々が前記縮小側の共役面の法線となす角度のうち最大となる場合の光線における、該第２結像系での入射角と出射角の角度差

また、前記第１結像系における各構成要素は、互いに共通の光軸を有する、回転対称形状であり、下記条件式（３）を満足することが好ましい。

１．７＜｜Ｌ×ｔａｎ(θ１)／Ｙ｜＜２．８（３）
ただし、
Ｌ：前記縮小側の共役面と、前記第１結像系の中で該縮小側の共役面に最も近いレンズとの光学的距離
Ｙ：前記第１結像系の光軸と前記縮小側の共役面との交点から、該縮小側の共役面上における最も遠い画像位置までの距離

前述したように各光学要素を配置し、上記各条件式を満足することにより、高性能な投映レンズを得ることが可能となる。

ここで、上述した４つの条件式（１）〜（４）の技術的意義について説明する。
上記条件式（１）は、レンズの広角化と収差補正の難易度とのバランスを決定する条件を示すものである。

すなわち、条件式(１)の下限を下回ると、第２結像系に入射する光線の画角における、入射位置や入射角の変化が小さくなり、広角に像を広げることとスクリーン５上に結像させることを同時に担う第２結像系を構築することが困難となる。一方、条件式(１)の上限を上回ると、第１結像系が広角になり過ぎ、第１結像系の収差補正が困難となる。

また、条件式(２)は、装置全体のコンパクト化とスクリーン５上の像の観察のし易さとのバランスを規定するものである。

すなわち、条件式(２)の下限を下回るとスクリーン５に入射する光束の入射角が小さくなって垂直入射に近づき、スクリーン５と第２結像系の距離が離れてしまい、装置のコンパクト化を達成することが困難となる。一方、条件式(２)の上限を上回ると、スクリーン５に入射する光束の光路がスクリーン５の面と平行に近づき、スクリーン５上の像を観察することが困難となる。

また、条件式(３)は、反射型のライトバルブ３上の画像表示面に第１結像系側から光を照射する場合に要求される範囲を示すものである。

すなわち、反射型液晶（ＬＣＯＳ）やＤＭＤなど反射型のライトバルブ３では、このライトバルブ３の画像表示面に入射する光束の入射角は小さいものとすること（垂直入射に近いものとすること）が必要となり、第１結像系とライトバルブ３の画像表示面の間に、斜めの反射面を挿入するための空間スペースを設けることが要求される。条件式(３)の下限を下回るとこの空間を大きくとることが困難となる。一方、条件式(３)の上限を上回ると、第１結像系の作動距離が大きくなり過ぎ収差補正が困難となる。

また、上記条件式(４)は、色収差を良好に補正し得る第１結像系中の凸レンズのアッベ数の範囲を規定するものである。すなわち、上記条件式(４)の下限を下回ると、軸上色収差および倍率色収差双方を良好に補正することが困難となる。

また、本実施形態の投写光学系において、第２結像系は１枚の反射ミラー４によって構成されている。この第２結像系を複数の反射ミラーにより構成した場合、アラインメント調整が難しく、また、そのためにどうしても発生する組立誤差に伴って性能維持が困難となる。これに対し、本実施形態の投写光学系においては、第２結像系を１枚の反射ミラー４によって構成しているので、組立誤差が小さく、光学系の性能維持が容易である。

また、反射ミラー４は、光軸Ｘを軸とする回転対称面により構成されており、光学系のアラインメント調整が容易となるように構成されている。さらに、第１結像系と第２結像系は共通の光軸を備えており、これによっても光学系のアラインメント調整が容易となるように工夫されている。

また、第２結像系とスクリーン５の間の位置（図１の太い２点鎖線で示される位置）には、平面反射ミラーを配置することが好ましく、これにより光路を、図１の紙面上下方向に折り畳むことで装置のコンパクト化を図ることができる。

また、図１に示す実施形態の投写光学系においては、第１結像系と第２結像系の間には反射ミラー等の反射光学素子が存在していない。上述したように、本発明の投写光学系においては、第１結像系と第２結像系の間の位置で中間結像するようになっており、したがって、仮に第１結像系と第２結像系の間に反射ミラー等の反射光学素子を配したとすると、反射ミラー面上に付着していた塵埃の像がスクリーン５上に投映されてしまう。したがって、このような塵埃の像が、スクリーン５上に投映されてしまうという不都合を回避するため、第１結像系と第２結像系の間に反射ミラー等の反射光学素子を配置するようにはしていない。ただし、このような塵埃の問題を解決しうるシステムを構築することが可能であれば（例えば、第１結像系と第２結像系の間の空間を防塵用のカバーで被覆するように構成すれば）、図５に示すように、投写レンズ系１からなる第１結像系と、反射ミラー４からなる第２結像系の間に平面反射ミラー９を配置して、光路を折り畳み、装置のコンパクト化を図るようにしてもよい。

さらに、本実施形態のうち、実施例２の第１結像系は、樹脂材料よりなる凹レンズ（実施例２においては第７レンズＬ_７）を有している。

上述したように、本実施形態においては、上述した条件式(４)において説明した凸レンズ（第１レンズＬ_１）により、温度等の変化に伴ってフォーカス位置が変動することになるので、この変動分を補償するため第１結像系内に樹脂材料よりなる凹レンズを配置するようにしている。

なお、本実施形態に係る投写型表示装置はリア型のプロジェクションテレビに適用されたものであるが、その装置の全体構成の概略を図５（（Ａ）は側面図であり、（Ｂ）は正面図である）に示す（図１に示す実施形態のものから一部変更されている）。

この投写型表示装置によれば、投写光学系２からスクリーン５に至る光路は平面反射ミラー１０で折り返されて、装置全体がコンパクトなものとされている。また、前述したように、投写レンズ系１と反射ミラー４の間に平面反射ミラー９が配され、この位置で光路が折り曲げられており、さらなるコンパクト化が図られている。すなわち、図５（Ａ）に示すように、投写光学系２の全体がスクリーン５の背面位置に隠されるようになっており、スペースの効率化が図られている。

さらに、図１に示す実施形態のものと同様に、反射ミラー４からの反射光束はスクリーン５に対して極めて入射角の大きな角度で入射するようになっている。

以下、本発明に係る投写光学系の具体的な実施例について説明する。

また、実施例１、２に係る投写光学系では、第２結像系を構成する凹面の反射ミラー４は、非球面とされている。この非球面形状は下記非球面式（Ａ）により表される。

また、実施例２に係る投写光学系では、第１結像系を構成する投写レンズ系１中に非球面（第１７面）を有するレンズ（Ｌ_７）を含んでいる。この非球面形状は下記非球面式（Ｂ）により表される。

＜実施例１＞
実施例１に係る投写光学系の構成は、図１に示すとおりであり、その第１結像系を形成する投写レンズ系１の詳細構成は図２に示すとおりである。

図２に示すように、この投写レンズ系１は、縮小側に配された反射型液晶素子（LCOS）からなるライトバルブ３から出射された、画像情報を担持した光束を第２結像系を構成する反射ミラー４に向けて出射するものであり、縮小側から順に、カバーガラス（平行平面板）６およびプリズム部７、６枚のレンズＬ_１〜Ｌ_６からなる第１レンズ群、絞り８、および６枚のレンズＬ_７〜Ｌ_１２からなる第２レンズ群とを配設してなる。

ここで、第１レンズＬ_１はアッベ数νが８０以上の硝材から形成されている。

下記表１に、実施例１の投写光学系の各部材面の曲率半径、各部材の光軸Ｘ上の面間隔（各部材間の空気間隔および各部材の中心厚：光軸Ｘ上に存在しない面においては各面位置（上記反射ミラー４の面では面頂点位置、上記スクリーン５の面では第２結像面からの光軸Ｘ方向の距離が最小となる位置）から光軸Ｘ上に垂線を下ろした位置を基準とする）、各部材のｄ線における屈折率Ｎおよびアッベ数νを示す。また、面番号の左側に＊を付した面は非球面であることを表している（表２において同じ）。

さらに、下記表２に、上記反射ミラー４の反射面形状を表す上記非球面式（Ａ）における各非球面係数を示す。

また、本実施例に係る投写光学系では、上記条件式（１）〜（４）に対応する値は後述する表５のようになっている。この投写光学系は条件式（１）〜（４）を全て満足している。

また、図６（Ａ）は実施例１に係る投写光学系のスクリーン５上の各位置（595mm〜1455mmは光軸Ｘからの距離を示す）における各波長（435.8nm、546.1nm、656.3nm）に対する横収差を示すものであり、図６（Ｂ）は実施例１に係る投写光学系のスクリーン５上各位置（595mm〜1455mmは光軸Ｘからの距離を示す）におけるディストーションを示すものである。

図６に示すとおり、この投写光学系は、各収差を良好に補正し得る高性能な投写光学系とされている。

＜実施例２＞
実施例２に係る投写光学系の構成として、全体図を図３に、その第１結像系を形成する投写レンズ系１の詳細構成を図４に示す。

なお、図３および図４において、実施例１のものと同様の作用効果をなす部材には同一の符号を付し、その説明は省略している。

この投写光学系の構成は実施例１のものと略同様とされているが、図３に示すように第２レンズ群が７枚のレンズＬ_７〜Ｌ_１３から構成されており、第２レンズ群の最も絞り８側に、樹脂により形成された凹レンズからなる第７レンズＬ_７が配されている点で異なっている。

下記表３に、実施例２の、実施例１の表１と同様の項目についてのデータを示す。

下記表４に、実施例２における、上記反射ミラー４の反射面形状を表す上記非球面式（Ａ）における各非球面係数、および上記第７レンズＬ_７の拡大側の面形状を表す上記非球面式（Ｂ）における各非球面係数についてのデータを示す。

また、図７（Ａ）は実施例２に係る投写光学系のスクリーン５上各位置（595mm〜1455mmは光軸Ｘからの距離を示す）における各波長（435.8nm、546.1nm、656.3nm）に対する横収差を示すものであり、図７（Ｂ）は実施例２に係る投写光学系のスクリーン５上各位置（595mm〜1455mmは光軸Ｘからの距離を示す）におけるディストーションを示すものである。

図７に示すとおり、この投写光学系は、各収差を良好に補正し得る高性能な投写光学系とされている。

本発明に係る投写光学系およびこれを用いた投写型表示装置としては、上述したものに限られるものではなく、種々の態様の変更が可能である。例えば、ミラーの曲面形状や配設位置は適宜設定することができる。

実施例１に係る投写光学系の構成を示す図図１の投写光学系の一部の詳細を示す図実施例２に係る投写光学系の構成を示す図図３の投写光学系の一部の詳細を示す図本実施形態に係る投写型表示装置の全体構成を示す図（（Ａ）は側面図であり、（Ｂ）は正面図である）実施例１に係る投写光学系の収差を示す図（（Ａ）は横収差を示す図であり、（Ｂ）はディストーションを示す図である）実施例２に係る投写光学系の収差を示す図（（Ａ）は横収差を示す図であり、（Ｂ）はディストーションを示す図である）

符号の説明

１投写レンズ系
２投写光学系
３ライトバルブ
４反射ミラー
５スクリーン
６カバーガラス
７プリズム部
８絞り
９、１０平面反射ミラー

Claims

１対の共役面のうち、縮小側の共役面上の画像を拡大側の共役面上に拡大して結像させる光学系において、
前記縮小側の共役面側から順に、第１結像系と第２結像系とを配設してなり、
前記第１結像系は複数のレンズを有するのに対し、前記第２結像系は凹面の非球面形状をなす反射ミラーを有し、
前記第１結像系と前記第２結像系の間の位置に、中間像を形成するように構成されており、
前記第２結像系は、１枚の反射ミラーのみで構成されており、
下記条件式（１）を満足することを特徴とする投写光学系。
０．６４７ ≦ ｜ｔａｎ（θ１）｜＜０．８４（１）
ただし、
θ１：前記第１結像系から前記第２結像系に向かう主光線の各々が前記縮小側の共役面の法線となす角度のうち最大となる角度
下記条件式（２）を満足することを特徴とする請求項１記載の投写光学系。
０．７５＜｜ｔａｎ（θ２）｜＜１．３（２）
ただし、
θ２：前記第１結像系から前記第２結像系に向かう主光線の各々が前記縮小側の共役面の法線となす角度のうち最大となる場合の光線における、該第２結像系での入射角と出射角の角度差
前記第１結像系における各構成要素が、互いに共通の光軸を軸とした回転対称形状であり、下記条件式（３）を満足す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。
１．７＜｜Ｌ×ｔａｎ(θ１)／Ｙ｜＜２．８（３）
ただし、
θ１：前記第１結像系から前記第２結像系に向かう主光線の各々が前記縮小側の共役面の法線となす角度のうち最大となる角度
Ｌ：前記縮小側の共役面と、前記第１結像系の中で該縮小側の共役面に最も近いレンズとの光学的距離
Ｙ：前記第１結像系の光軸と前記縮小側の共役面との交点から、該縮小側の共役面上における最も遠い画像位置までの距離
前記反射ミラーのミラー面が回転対称面とされたことを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項記載の投写光学系。
前記第１結像系と前記第２結像系は共通の光軸を備えていることを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項記載の投写光学系。
前記第１結像系は、下記条件式（４）を満足する凸レンズを少なくとも１つ有していることを特徴とする請求項１から５のうちいずれか１項記載の投写光学系。
ν_凸＞８０（４）
ただし、
ν_凸：前記凸レンズのアッベ数
前記第２結像系と前記拡大側の共役面の間には、少なくとも１枚の反射光学素子が存在することを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１項記載の投写光学系。
前記第１結像系と前記第２結像系の間には光学素子が存在しない状態とされていることを特徴とする請求項１から７のうちいずれか１項記載の投写光学系。
前記第１結像系は、樹脂材料よりなる凹レンズを有していることを特徴とする請求項１から８のうちいずれか１項記載の投写光学系。
請求項１から９のうちいずれか１項記載の投写光学系を備えたことを特徴とする投写型表示装置。