JPH11249011A

JPH11249011A - プロジェクター光学系

Info

Publication number: JPH11249011A
Application number: JP10046648A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Hayashi; 宏太郎林; Yasumasa Sawai; 靖昌澤井; Shunta Takimoto; 俊太瀧本; Kenji Konno; 賢治金野
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 1999-09-17
Also published as: US6091550A

Abstract

(57)【要約】【課題】投影光学系や照明光学系を大きくしなくて
も、投影光学系の高画角化や高効率光源の使用が可能な
プロジェクター光学系を提供する。【解決手段】光源(1)，リフレクター(2)，インテグレ
ータ(3)，照明リレー光学系(OP2)で反射型表示パネル(P
R,PG,PB)を照明し、投影光学系(OP1)でパネル(PR,PG,P
B)の表示画像をスクリーン(S)上に投影するプロジェク
ター光学系において、投影光学系(OP1)をスクリーン(S)
側から順に前群(GrF)，後群(GrR)で構成し、その間に照
明光を導光する反射ミラー(M)を設け、投影光学系(OP1)
全体のレンズパワーに対する前群(GrF)の負のレンズパ
ワーを適正に規定した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プロジェクター光
学系に関するものであり、更に詳しくは、反射型表示パ
ネル(例えば反射型液晶パネル)の画像をスクリーン上に
投影する投影装置(例えば液晶プロジェクター)用のプロ
ジェクター光学系に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】反射型表示パネルに表示される画像をス
クリーン上に投影するプロジェクター光学系において、
その絞り位置に配置した偏光分離プリズムで照明光を反
射型表示パネルに導く照明方式が、米国特許第5,552,93
8号明細書，特開平５−２０３８７２号公報で提案され
ている。図７に、そのプロジェクター光学系の概略構成
を示す。このプロジェクター光学系は、前群(GrF)，偏
光分離プリズム(Pr2)，絞り(A)及び後群(GrR)から成る
投影光学系と、集光レンズ(CL)から成る照明光学系と、
を備えている。

【０００３】光源(1)からの光束は、リフレクター(2)で
ほぼ平行光になり、更に集光レンズ(CL)で集光されて光
源像となる。光源(1)，リフレクター(2)，集光レンズ(C
L)及び偏光分離プリズム(Pr2)は、光源像が絞り(A)位置
で形成されるように配置されており、これによりケーラ
ー照明が構成される。集光して光源像となる光束のう
ち、Ｓ偏光成分のみが偏光分離プリズム(Pr2)で反射さ
れる。偏光分離プリズム(Pr2)で反射された光束は、後
群(GrR)を通過した後、色分解・合成プリズム(Pr1)で色
分解されて、３つの反射型表示パネル(PR,PG,PB)全域を
それぞれ照明する。

【０００４】反射型表示パネル(PR,PG,PB)には反射型液
晶パネルが用いられているので、各パネル(PR,PG,PB)に
対する照明光は、各画素の表示に応じて選択的にＰ偏
光，Ｓ偏光のいずれかで反射される。そして各反射光
は、色分解・合成プリズム(Pr1)で合成されて投影光と
なり、後群(GrR)通過後、投影光のうちＰ偏光成分のみ
が偏光分離プリズム(Pr2)を透過する。このとき各パネ
ル(PR,PG,PB)中心からの光束が平行光束に近い状態で偏
光分離プリズム(Pr2)を透過するように、前群(GrF)はほ
ぼアフォーカルに構成されている。偏光分離プリズム(P
r2)透過後の投影光は、前群(GrF)を通ってスクリーン
(S)上に表示像を形成する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】反射型表示パネルの画
像をスクリーン上に投影するプロジェクター光学系を、
背面投影型(リアタイプ)プロジェクションテレビに用い
ようとすると、投影光学系には高画角化が求められる。
上記従来例の構成において投影光学系の高画角化を行お
うとすると、前群(GrF)の角倍率を大きくしなければな
らない。しかし、角倍率を大きくすると、前群(GrF)が
アフォーカル(レンズパワーはほとんどゼロ)であるた
め、前群(GrF)のレンズ径は大きくなってしまう。

【０００６】また、プロジェクターを明るくするために
メタルハライドランプ等の高効率の光源を用いようとす
ると、光源による照明むらを抑えるためにインテグレー
タが必要となる。上記従来例のように投影光学系の絞り
(A)近傍に光源像を形成する構成においては、インテグ
レータを用いようとすると、インテグレータ内に形成さ
れた光源像を投影光学系の絞り近傍に再結像させる照明
リレー光学系が必要となる。しかし、投影光学系の前群
(GrF)がアフォーカルであるため、照明リレー光学系は
テレセントリック光学系である必要があり、テレセント
リックにすると照明リレー光学系が大きくなってしま
う。

【０００７】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、投影光学系や照明光学系を大きくしな
くても、投影光学系の高画角化や高効率光源の使用が可
能なプロジェクター光学系を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明のプロジェクター光学系は、反射型表示
パネルを照明する照明光学系と、前記反射型表示パネル
に表示される画像をスクリーン上に投影する投影光学系
と、を備えたプロジェクター光学系であって、前記投影
光学系が、スクリーン側から順に前群及び後群から成る
とともに、前記反射型表示パネルに対して照明光を導光
する導光手段を前群と後群との間に備え、更に以下の条
件式を満足することを特徴とする。 -1.5＜φF／φ＜-0.1 ただし、 φF：投影光学系の前群のレンズパワー、 φ ：投影光学系全体のレンズパワー、である。

【０００９】第２の発明のプロジェクター光学系は、上
記第１の発明の構成において、前記照明光学系が、複数
の光源像を形成するインテグレータと、前記導光手段を
介して前記投影光学系内に前記光源像の共役像を形成す
る照明リレー光学系と、を有することを特徴とする。

【００１０】第３の発明のプロジェクター光学系は、上
記第１の発明の構成において、前記投影光学系が、前記
前群と前記後群との間に絞りを有するとともに、絞り径
の約半分までを占める反射ミラーを前記導光手段として
絞り近傍に有することを特徴とする。

【００１１】第４の発明のプロジェクター光学系は、上
記第１の発明の構成において、前記前群が、スクリーン
側に凸面を有する負メニスカスレンズを少なくとも１枚
含む２枚以上の負レンズから成ることを特徴とする。

【００１２】第５の発明のプロジェクター光学系は、上
記第１又は第４の発明の構成において、前記投影光学系
が、前記前群と前記後群との間に絞りを有し、かつ、以
下の条件式を満足することを特徴とする。 0.2＜FL／(FNO×D)＜0.8 ただし、 FL ：投影光学系全体の焦点距離、 FNO：Ｆナンバー、 D ：絞り径、である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施したプロジェ
クター光学系を、図面を参照しつつ説明する。なお、実
施の形態相互で同一の部分や相当する部分には同一の符
号を付して重複説明を適宜省略する。

【００１４】図１，図３，図５は、第１，第２，第３の
実施の形態のプロジェクター光学系にそれぞれ対応する
光学構成図である。各実施の形態共リアタイプ投影装置
に適したプロジェクター光学系であり、プロジェクター
光学系を構成している投影光学系(OP1)は単焦点レンズ
である。投影光学系(OP1)において、ri(i=1,2,3,...)が
付された面は拡大側{すなわちスクリーン(S)側}から数
えてi番目の面であり、riに*印が付された面は非球面で
ある。また、プロジェクター光学系を構成している照明
リレー光学系(OP2)において、ri(i=1,2,3,...)が付され
た面はインテグレータ(3)側から数えてi番目の面であ
る。

【００１５】《第１の実施の形態(図１)》第１の実施の
形態のプロジェクター光学系は、反射型表示パネル(PR,
PG,PB)を照明する照明光学系と、反射型表示パネル(PR,
PG,PB)に表示される画像をスクリーン(S)上に投影する
投影光学系(OP1)と、を備えている。投影光学系(OP1)
は、スクリーン(S)側から順に前群(GrF)，絞り(A)及び
後群(GrR)から成るとともに、反射型表示パネル(PR,PG,
PB)に対して照明光を導光する反射ミラー(M)を導光手段
として、前群(GrF)と絞り(A)及び後群(GrR)との間に備
えている。この反射ミラー(M)は、投影光学系(OP1)の絞
り(A)近傍に絞り径の約半分までを占めるように配置さ
れている。照明光学系は、第１，第２レンズアレイ(3a,
3b)から成るレンズアレイ方式インテグレータ(3)と、レ
ンズ５枚，反射ミラー１枚から成る照明リレー光学系(O
P2)と、で構成されている。インテグレータ(3)は複数の
光源像を形成し、照明リレー光学系(OP2)は反射ミラー
(M)を介して投影光学系(OP1)内に前記光源像の共役像を
形成する。

【００１６】光源(1)からの光束は、リフレクター(2)で
ほぼ平行光になり、インテグレータ(3)の第２レンズア
レイ(3b)上で光源像となる。第１レンズアレイ(3a)と第
２レンズアレイ(3b)との間には偏光変換光学系(3c)を配
置し、光源(1)の有効利用を図っている(特開平９−１４
６０６４号公報参照)。この光源像は、照明リレー光学
系(OP2)により反射ミラー(M)近傍で再結像される。反射
ミラー(M)で反射されて絞り(A)位置で投影光学系(OP1)
内に導光された光束は、後群(GrR)を通過した後、色分
解・合成プリズム(Pr1)で色分解(白色の照明光が赤，
緑，青の３成分に分解)されて、３つの反射型表示パネ
ル(PR,PG,PB)全域をそれぞれ照明する。このとき色分解
・合成プリズム(Pr1)は光束の緑成分をまっすぐ透過さ
せ、光束の赤成分，青成分を互いに逆方向に反射させる
ので、光束の赤成分，緑成分，青成分は、赤表示用のパ
ネル(PR)，緑表示用のパネル(PG)，青表示用のパネル(P
B)でそれぞれ反射されることになる。

【００１７】反射型表示パネル(PR,PG,PB)に達した照明
光は、各画素の表示に応じて選択的に反射される。反射
型表示パネル(PR,PG,PB)に反射型液晶パネルを用いる場
合には、反射型液晶パネルの直前に偏光フィルターを配
置することでＬＣＤ(liquidcrystal display)パネルと
し、液晶によって偏光面が変換されない光のみを反射さ
せる。各表示パネル(PR,PG,PB)からの反射光は、色分解
・合成プリズム(Pr1)で合成されて投影光となり、後群
(GrR)通過後、反射ミラー(M)が配置されている絞り(A)
位置において、反射ミラー(M)で占められていない残り
半分の開口を通過する。絞り(A)位置を反射ミラー(M)に
当たらずに通過した投影光は、負のパワーを有する前群
(GrF)を通ってスクリーン(S)上に表示像を形成する。

【００１８】本実施の形態のように、反射ミラー(M)を
絞り(A)よりもスクリーン(S)側に配置する場合には、反
射ミラー(M)を４５度より光軸(AX)寄りに寝かして、照
明光の反射による曲げ角を鈍角とするのが好ましい。こ
のように反射ミラー(M)を配置することにより、照明光
が絞り(A)や後群(GrR)でケラレることがないようにし
て、各パネル(PR,PG,PB)全域を均一に照明することがで
きる。また前記従来例(図７)では、照明光の導光手段と
して偏光分離プリズム(Pr2)が用いられているが、本実
施の形態のように前群(GrF)を負に強いパワーとする場
合には、偏光分離プリズム(Pr2)を用いると偏光分離特
性が悪くなるので、導光手段として反射ミラー(M)を用
いるのが好ましい。

【００１９】投影光学系(OP1)は、縮小側{すなわちパネ
ル(PR,PG,PB)側}にテレセントリックな光学系である。
本実施の形態では絞り(A)近傍から照明光を導光する方
式を採用しているので、パネル(PR,PG,PB)への照明ムラ
をなくすとともに、パネル(PR,PG,PB)からの反射光を絞
り(A)近傍の反射ミラー(M)に当てることなく正しく通過
させるために、テレセントリック性が必要なのである。
投影光学系(OP1)がテレセントリック性を満たしながら
高画角であって、しかも前群(GrF)，照明リレー光学系
(OP2)とも小型であるためには、次の条件式を満足す
ることが望ましい。 -1.5＜φF／φ＜-0.1 … ただし、 φF：投影光学系(OP1)の前群(GrF)のレンズパワー{言い
換えれば、導光位置よりスクリーン(S)側のレンズパワ
ー}、 φ ：投影光学系(OP1)全体のレンズパワー、である。

【００２０】条件式の上限を超えると、前群(GrF)の
最もスクリーン(S)側のレンズが反射型表示パネル(PR,P
G,PB)の倍以上のサイズになってしまい、照明リレー光
学系(OP2)も大きくなる。条件式の下限を超えると、
前群(GrF)と絞り(A)との間隔、後群(GrR)と絞り(A)との
間隔を共に小さくしなければならなくなり、反射ミラー
(M)等の導光手段を配置することができなくなる。ま
た、特に小型で良好な性能を得るためには、次の条件式
'を満足することが望ましい。 -1.3＜φF／φ＜-0.35 …'

【００２１】さらに、投影光学系(OP1)の光学性能を良
好に保つためには、前群(GrF)が、スクリーン(S)側に凸
面を有する負メニスカスレンズを少なくとも１枚含む２
枚以上の負レンズから成ることが望ましく、全系の焦点
距離，Ｆナンバー，絞り径が次の条件式を満たす関係
にあるのが更に望ましい。 0.2＜FL／(FNO×D)＜0.8 … ただし、 FL ：投影光学系(OP1)全体の焦点距離、 FNO：Ｆナンバー、 D ：絞り径{すなわち絞り(A)の直径}、である。

【００２２】条件式の上限を超えると、テレセントリ
ック状態を維持してレンズバックを長くすることができ
なくなり、その結果、色分解・合成プリズム(Pr1)を配
置することができなくなる。条件式の下限を超える
と、後群(GrR)の全長が長くなり、また前群(GrF)への負
荷が増えるため、光学性能を確保するために前群(GrF)
に４枚以上のレンズが必要となる。

【００２３】《第２の実施の形態(図３)》上述した第１
の実施の形態が絞り(A)近傍の反射ミラー(M)で照明光束
を折り曲げる構成を採っているのに対し、第２の実施の
形態は絞り(A)近傍の反射ミラー(M)で投影光束を折り曲
げる構成を採っている点に特徴がある。このように投影
光学系(OP1)の前群(GrF)の光路を折り曲げるように構成
すれば、照明光学系の配置が容易になる。また本実施の
形態のように、絞り(A)よりもスクリーン(S)側に配置し
た反射ミラー(M)で投影光束を折り曲げるように構成し
た場合には、投影光束の曲げ角を鈍角にすることによっ
て、投影光束に対する絞り(A)位置を適正な配置にする
ことができ、余分なフレアやムラが生じないというメリ
ットが得られる。

【００２４】《第３の実施の形態(図５)》上述した第
１，第２の実施の形態では、導光手段である反射ミラー
(M)が絞り(A)位置よりもスクリーン(S)側に配置されて
いるのに対し、第３の実施の形態では、反射ミラー(M)
が絞り(A)位置よりも反射型表示パネル(PR,PG,PB)側に
配置されている点に特徴がある。このように絞り(A)よ
りもパネル(PR,PG,PB)側に配置した反射ミラー(M)で照
明光束を折り曲げるように構成した場合には、照明光束
の曲げ角を鋭角にすることによって、投影光束に対する
絞り(A)位置を適正な配置にすることができ、余分なフ
レアやムラが生じないというメリットが得られる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明を実施したプロジェクター光学
系の構成を、コンストラクションデータ，収差図等を挙
げて、更に具体的に説明する。ここで例として挙げる実
施例１〜３は、前述した第１〜第３の実施の形態にそれ
ぞれ対応しており、第１〜第３の実施の形態を表す光学
構成図(図１，図３，図５)は、対応する実施例１〜３の
光学構成をそれぞれ示している。

【００２６】各実施例の投影光学系(OP1)のコンストラ
クションデータにおいて、ri(i=1,2,3,...)は拡大側{す
なわちスクリーン(S)側}から数えてi番目の面の曲率半
径、di(i=1,2,3,...)は拡大側から数えてi番目の軸上面
間隔{dS:スクリーン(S)と投影光学系(OP1)の最もスクリ
ーン(S)側面(r1)との間隔，dA:絞り(A)と後群(GrR)の最
も絞り(A)側面との間隔}を示しており、Ni(i=1,2,
3,...),νi(i=1,2,3,...)は拡大側から数えてi番目の光
学要素のｄ線に対する屈折率(Nd),アッベ数(νd)を示し
ている。最大像高Ymax，ＦナンバーFNO，条件式対応値
及びその関連データを併せて示す。

【００２７】また、照明リレー光学系(OP2)のコンスト
ラクションデータにおいて、ri(i=1,2,3,...)はインテ
グレータ(3)側から数えてi番目の面の曲率半径、di(i=
1,2,3,...)はインテグレータ(3)側から数えてi番目の軸
上面間隔{dI:インテグレータ(3)の第２レンズアレイ(3
b)と照明リレー光学系(OP2)の最も第２レンズアレイ(3
b)側面(r1)との間隔}を示しており、Ni(i=1,2,3,...),
νi(i=1,2,3,...)はインテグレータ(3)側から数えてi番
目の光学要素のｄ線に対する屈折率(Nd),アッベ数(νd)
を示している。

【００２８】曲率半径riに*印が付された面は、非球面
で構成された面であることを示し、非球面の面形状を表
わす以下の式(AS)で定義されるものとする。各非球面の
非球面データを他のデータと併せて示す。 X＝(C・Y²)／{1+√(1-ε・C²・Y²)}＋Σ(Ai・Yⁱ) …(AS) ただし、式(AS)中、 X ：光軸(AX)方向の基準面からの変位量、 Y ：光軸(AX)に対して垂直な方向の高さ、 C ：近軸曲率、 ε：２次曲面パラメータ、 Ai：i次の非球面係数、である。

【００２９】

【００３０】[第２面(r2)の非球面データ] ε= 0.9188 A4=-5.62196×10^-6 A6= 1.09438×10^-8 A8=-1.32364×10^-10 A10= 2.89984×10^-13 A12=-6.73542×10^-17 A14=-8.25210×10^-19

【００３１】[第１３面(r13)の非球面データ] ε= 1.0000 A4=-5.43102×10^-6 A6= 2.21700×10^-10 A8=-5.54474×10^-13 A10=-1.24165×10^-16 A12= 2.82502×10^-19 A14= 7.35801×１０^−２３

【００３２】

【００３３】

【００３４】[第２面(r2)の非球面データ] ε= 0.8827 A4=-8.62873×10^-6 A6= 3.19882×10^-8 A8=-1.67085×10^-10 A10= 2.48803×10^-13 A12=-6.12963×10^-18 A14=-4.44236×10^-19

【００３５】[第１３面(r13)の非球面データ] ε= 1.0000 A4=-4.38734×10^-6 A6= 1.05685×10^-9 A8=-8.03644×10^-13 A10=-7.75876×10^-16 A12= 7.21641×10^-20 A14= 1.05743×10^-21

【００３６】

【００３７】

【００３８】[第２面(r2)の非球面データ] ε= 1.0000 A4=-2.77475×10^-6 A6=-1.25468×10^-8 A8= 9.31525×10^-12 A10= 2.79299×10^-15 A12=-2.80032×10^-17

【００３９】[第１３面(r13)の非球面データ] ε= 1.0000 A4=-3.07903×10^-6 A6=-5.12639×10^-10 A8=-3.36445×10^-14

【００４０】

【００４１】図２，図４，図６は実施例１〜３の縮小側
での収差図であって、左から順に、球面収差等，非点収
差，歪曲収差(Y':像高)をそれぞれ示している。球面収
差図において、実線(ｄ)はｄ線に対する球面収差、一点
鎖線はｇ線に対する収差、二点鎖線はｃ線に対する収
差、破線(ＳＣ)は正弦条件を表している。非点収差図に
おいて、破線(ＤＭ)はメリディオナル面でのｄ線に対す
る非点収差を表しており、実線(ＤＳ)はサジタル面での
ｄ線に対する非点収差を表わしている。また、歪曲収差
図において実線はｄ線に対する歪曲％を表している。な
お、本来はスクリーン(S)面が像面であり反射型表示パ
ネル(PR,PG,PB)面が物体面であるが、上記各実施例では
光学設計上縮小系とし、スクリーン(S)面を物体面とみ
なして反射型表示パネル(PR,PG,PB)面で光学性能を評価
している。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、投
影光学系の前群のパワーが負に強くなっているため、投
影光学系や照明光学系を大きくしなくても、投影光学系
の高画角化や高効率光源の使用が可能である。例えば、
投影光学系を高画角化しても投影光学系の前群は大きく
ならず、高効率の光源やインテグレータを用いても照明
リレー光学系は簡単かつ小さなもので済む。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態(実施例１)の光学構成図。

【図２】実施例１の収差図。

【図３】第２の実施の形態(実施例２)の光学構成図。

【図４】実施例２の収差図。

【図５】第３の実施の形態(実施例３)の光学構成図。

【図６】実施例３の収差図。

【図７】従来例の概略構成を示す光学構成図。

【符号の説明】

OP1 …投影光学系 GrF …前群 GrR …後群 AX …光軸 A …絞り M …反射ミラー(導光手段) OP2 …照明リレー光学系 Pr1 …色分解・合成プリズム PR …赤表示用の反射型表示パネル PG …緑表示用の反射型表示パネル PB …青表示用の反射型表示パネル S …スクリーン 1 …光源 2 …リフレクター 3 …レンズアレイ方式インテグレータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者瀧本俊太大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内 (72)発明者金野賢治大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反射型表示パネルを照明する照明光学系
と、前記反射型表示パネルに表示される画像をスクリー
ン上に投影する投影光学系と、を備えたプロジェクター
光学系であって、前記投影光学系が、スクリーン側から
順に前群及び後群から成るとともに、前記反射型表示パ
ネルに対して照明光を導光する導光手段を前群と後群と
の間に備え、更に以下の条件式を満足することを特徴と
するプロジェクター光学系； -1.5＜φF／φ＜-0.1 ただし、 φF：投影光学系の前群のレンズパワー、 φ ：投影光学系全体のレンズパワー、である。
【請求項２】前記照明光学系が、複数の光源像を形成
するインテグレータと、前記導光手段を介して前記投影
光学系内に前記光源像の共役像を形成する照明リレー光
学系と、を有することを特徴とする請求項１記載のプロ
ジェクター光学系。
【請求項３】前記投影光学系が、前記前群と前記後群
との間に絞りを有するとともに、絞り径の約半分までを
占める反射ミラーを前記導光手段として絞り近傍に有す
ることを特徴とする請求項１記載のプロジェクター光学
系。
【請求項４】前記前群が、スクリーン側に凸面を有す
る負メニスカスレンズを少なくとも１枚含む２枚以上の
負レンズから成ることを特徴とする請求項１記載のプロ
ジェクター光学系。
【請求項５】前記投影光学系が、前記前群と前記後群
との間に絞りを有し、かつ、以下の条件式を満足するこ
とを特徴とする請求項１又は請求項４記載のプロジェク
ター光学系； 0.2＜FL／(FNO×D)＜0.8 ただし、 FL ：投影光学系全体の焦点距離、 FNO：Ｆナンバー、 D ：絞り径、である。