JP2005106948A - 投射光学系及び画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 明るく、小型化を図り、反射型液晶を表示デバイスとして用いるプロジェクター用の最適な投写レンズ系を提供する。
【解決手段】 共役長が短い側の縮小側共役位置と、前記縮小側共役位置に最も近い光学素子との間の距離が、前記縮小側共役位置における有効像円の直径の２．５倍以上の間隔がある投射光学系であって、該有効像円の直径をφ、広角端での前記縮小側共役位置から近軸における前記縮小側共役位置側から見た瞳位置までの距離をｔｋとしたとき、
｜φ／ｔｋ｜ ＜ ０．１２
を満足する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、画像を、固定された有限距離にてスクリーンに拡大投写するプロジェクション装置に用いられるズームレンズに関し、特に表示体に色光ごとに複数の反射型液晶を用い、色合成して１本の投写レンズを介して、高精細な画像投写を行うテレセントリックズームレンズに関するものである。

プロジェクタ用の投射レンズ（ズームレンズ）によって画像を表示するデバイスとして液晶を用いることは広く知られている。また、液晶においても表示する手段として、透過型で表示する方法と反射型で表示する方法がある。

従来透過型液晶を用いたプロジェクタレンズはその中には特許文献１、２のような投射レンズが数多く提案されているが、透過型液晶、反射型液晶には以下のような特徴があった。
（１）透過型液晶は画素に対する発光部（光線透過部）は、液晶表面に配線等を施す必要があるために不感帯部が発生し開口率（透過率）は必然的に少なくなりがちで、明るさを重視する場合は、不利であった。その点反射型液晶は、配線等を反射面の裏側に設定等できるため不感体部を少なく或いはなくすことができ明るさで有利である。
（２）小型化のため、液晶サイズを小型化していくと、透過型液晶では液晶表面の配線等不感帯の割合が増えていき、開口率は更に不利となる。一方反射型液晶型は１と同様な理由で小型化には有利である。
（３）過型液晶型の場合は、レンズの縮小側に３色の合成系を配置するだけで比較的小型に構成できるが、反射型液晶型では色の３色の分離・合成を同じレンズ縮小側領域で行うため大型化してしまう。
このように、デバイスに透過型液晶を選択した場合、色合成系を小型化できるという利点があるが、色合成系の小型化が可能という反面明るさ向上には不向きであり、デバイスの小型化、明るさ向上のためには反射型液晶のほうが有利である。
特開平１１−１９０８２１号公報 特開２０００−０１９４００号公報

本発明では上記した透過型の不利な点を排除し、小型で明るい投写系に有利な反射型液晶に最適な投写レンズ構成を提案することを目的とする。

上述したように反射型表示画像をスクリーンに拡大投写する際、特に液晶表示体を複数の色に分けて用い、各色光を合成して１本の投写レンズにて投写する場合、以下の条件を満足することが必要となる。
（１）複数の色光を合成する時の、色合成ダイクロイックミラーの角度依存の影響を排除する為に、また表示体面上での反射光をレンズにて有効に取り込む為に、縮小側（パネル側）の瞳（射出瞳）が遠方にある所謂テレセントリック光学系であること。
（２）表示体体と投射レンズの間に介在する色分離、色合成素子のスペースを確保する為に、長いバックフォーカスを必要とすることである。
（３）レンズ縮小側バックフォーカス部に色分離・合成素子としてプリズムブロックを用いるが、レンズが明るい開口を有する場合バックフォーカスが長い分プリズム自体も大きくする必要がある。
（４）またズーミングや距離合せによって射出瞳が変動するのは好ましくない。パネルに対して絞りを固定するか、複数のレンズ群の動きで瞳位置の変動を小さくい抑える必要がある。

上記、要求事項に対し、これまでの特に透過型を前提とした従来例では、射出瞳位置（縮小側の瞳位置）は有限であり、またバックフォーカスも十分に長いとは言い難い。また瞳の変動についても充分に考慮されているとは言い難かった。

また反射型での提案においても、スクリーンに明るく投写するのに、充分な明るさを備えたレンズではないものが多かった。

本発明は、上記条件を満足しつつ、明るく、小型化を図り、反射型液晶を表示デバイスとして用いるプロジェクター用の最適な投写レンズ系を提供することを目的とする。

上記目的の達成の為に、本発明の投射光学系は、共役長が短い側の縮小側共役位置と、前記縮小側共役位置に最も近い光学素子との間の距離が、前記縮小側共役位置における有効像円の直径の２．５倍以上の間隔があり、該有効像円（イメージサークル、画像投射装置においては画像表示素子を囲む円）の直径をφ、広角端での前記縮小側共役位置から近軸における前記縮小側共役位置側から見た瞳位置までの距離をｔｋとしたとき、
｜φ／ｔｋ｜ ＜ ０．１２ （１）
を満足することを特徴としている。

また、複数のレンズ群を有しており、前記縮小側共役位置に最も近いレンズ群がズーミング中固定の正レンズ群であることを特徴とする請求項１記載の投射光学系。

ここで、前記投射光学系の前記縮小側共役位置側での主光線の、前記縮小側共役位置における、前記投射光学系の光軸と垂直な平面とのなす角度をθとすると、
｜θ｜＜０．８° （２）
を満足するように構成すると尚好ましい。

また、前記縮小側共役位置に最も近い正レンズの直径をＤ、前記縮小側共役位置に最も近い光学素子から前記縮小側共役位置までの距離をｂｆとするとき
０．６＜Ｄ／ｂｆ＜０．９２ （３）
を満足するように構成すると尚好ましい。

また、前記縮小側共役位置に最も近い正レンズの直径をＤとしたとき、
１．５＜Ｄ／φ＜２．５ （４）
を満足するように構成すると尚好ましい。

また、本発明の画像投射装置は、少なくとも１つの反射型画像表示素子と、該少なくとも１つの反射型画像表示素子からの光を被投射面に投射する投射光学系を有する画像投射装置であって、上述の投射光学系を備えることを特徴としている。

また、本発明の画像投射装置は、少なくとも１つの反射型画像表示素子と、該少なくとも１つの反射型画像表示素子からの光を被投射面に投射する投射光学系を有する画像投射装置であって、共役長が短い側の縮小側共役位置と、前記縮小側共役位置に最も近い光学素子との間の距離が、前記縮小側共役位置における有効像円の直径の２．５倍以上の厚さを有するガラスブロック（プリズムブロック、もしくは色合成系のダイクロイックプリズム又は偏光ビームスプリッター）を有し、該有効像円の直径をφ、広角端での前記縮小側共役位置から近軸における前記縮小側共役位置側から見た瞳位置までの距離をｔｋとしたとき、
｜φ／ｔｋ｜ ＜ ０．１２
を満足することを特徴としている。

以上説明したように構成することにより、反射型液晶デバイスを表示体として、スクリーンに明るく投写するのに、充分な明るさを供給できるレンズを達成するための投射光学系を提供することができた。

まず初めに、上述の条件式について簡単に説明する。

条件式（１）は、本実施例の投射レンズが表示体面上での反射光をレンズにて有効に取り込む為に必要な条件である。この条件を逸脱すると、どんなに明るく、周辺光量の多いレンズでも、有効にスクリーン上に投写することが難しくなる。

このことを詳細に説明すると、透過型液晶を用いる場合、ランプ側から液晶を透過する光束の主光線（光束の中心の光線）は、おおよそ液晶に垂直（テレセントリック）に入射するように配置され、その光束に対してほぼテレセントリックな（瞳が十分長い）レンズを投写レンズとしておけば、レンズ側での損失はレンズの開口効率にほぼ依存しており、照明光学系からの照明有効部に対して、レンズ有効光束が略同一であれば、ほぼレンズの損失がないといえる。照明光束とレンズ有効光束はそれぞれ独立していることになる。

これに対して反射型液晶を用いる場合は、ランプ側からの照明光の主光線がテレセントリックからはずれれば液晶表面の反射戻り光をレンズで取り込めず（反射光線がレンズ内に戻らない）効率が開口効率以上に悪くなる。即ち反射型投写系においては、『照明光の反射光＝レンズに取り込む光束』となり、これがレンズの有効径で張る角度と一致すれば最も光効率が良いこととなり、照明光束とレンズ有効光束は従属関係になっていることになる。簡単に言うと液晶に向かう光束と液晶で反射して帰ってくる光束が同じであれば効率が良いこととなる。液晶に向かう光束が液晶（デバイス）の法線からθずれると、反射光は相対的に２θのずれとなっていく。できる限りこのθが小さいほうが効率がよく、これにより透過型液晶を使うより、反射型液晶を使うほうが、瞳の長さが明るさに影響しやすいこととなる。

プリズムのサイズについては、プリズムサイズが小さくなると明るく広い範囲での光量を透過できず、明るい開口を持つレンズの効率を充分に生かしきれない。また特に反射型液晶を用いる場合は、色分離した光束を投写レンズの光路に投入し、更に色合成を同一な空間で行う必要があるため、レンズの縮小側にイメージサークル（有効像円）の２．５倍以上の厚さのプリズムブロックを有することは、明るいレンズを反射型で用いる際は必要である。また色合成、分離をダイクロミラー等で行うと空気換算のバックフォーカスが更に長く必要となり大型化するだけでなく、ミラーを透過する際に偏芯系となり像劣化（非点格差）を発生し適当でない。

特に、ズーミング中瞳の変動を少なくし、しかも瞳を遠くに設定するため、レンズの最も縮小側にズーミング中固定の正レンズ群を有することが好ましい。

次に条件式（２）において、θは無収差レンズであれば像高によって一定にできるが実際には収差が発生し、像高やズーミング等で変動する。この式も表示体面上での反射光をレンズにて更に有効に取り込む為に必要な条件である。この式を逸脱したレンズを配置するとスクリーンに投写された像の明るさを充分にすることができない。

また一般に最大像高ｙで周辺光量が最小となり、中間像高においては光量に余裕があれば、すべての像高において（２）式を満たさなくとも、最も周辺光量の少ない少なくとも最大像高ｙにおいて上記（２）式を満たしていることは必要である。またそのためにも上述したようにレンズの最も縮小側にズーミング中固定の正レンズ群を有することが好ましい。

また、条件式（３）の範囲を逸脱すると適正なバックフォーカスを維持しつつ明るいレンズを達成できなくなる。パネルの光軸中心及び周辺において適当な角度を持ってレンズに光束を取り込めないと暗い光学系となる。具体的には光軸中心はパネルからＦＮＯに従った角度を以ってレンズへ照射される。（ＦＮｏ＝１／（２ｓｉｎρ）：光軸±ρはパネルからの軸上光線の張る角）また周辺部も開口効率が大きければ、光軸と同等の角度を以って照射される。従ってこの範囲を逸脱するとレンズとして明るいものは難しくなる。

この際明るい光学系を達成するにはＦＮｏは３以下が好ましい。

またここで言うレンズの径Ｄはそのレンズの有効径Ｄｅに対して３％から５％大きくなるものを指している。

条件式（４）は周辺光量を明るく適切に設定するための条件である。下限を逸脱すると周辺光量が不足するだけでなく、周辺までの瞳の長さを長くすることが難しくなる。又上限を逸脱するとレンズ系が大型化して適当ではない。

条件式（５）は色分離、色合成に使われるプリズムの入るバックフォーカスの間隔を適当に保ち、また前述したレンズの最も縮小側にズーミング中固定の正レンズ群のパワーｆｋを適切に設定するのに必要な式である。この式を逸脱すると、ズーミング中瞳の変動が大きくなり、しかも瞳を遠くに設定できなくなる。

上記目的を達成するためには、レンズ系の構成は具体的に、最も拡大側に負レンズ群、最も縮小側には前述のように正レンズ群を配置しているのが好ましい。特にバックフォーカスを長くするために第１レンズ群（拡大側）は負のパワー、瞳を長く設定するためには最終レンズ群（縮小側）は正のパワーが必要となる。

また、最も縮小側のレンズ群の焦点距離をｆｋとするとき、
０．９＜ｂｆ／ｆｋ＜２．０ （５）
を満足することが好ましい。この式は色分離、色合成に使われるプリズムの入るバックフォーカスの間隔を適当に保ち、また前述したレンズの最も縮小側にズーミング中固定の正レンズ群のパワーｆｋを適切に設定するのに必要な式である。この式を逸脱すると、ズーミング中瞳の変動が大きくなり、しかも瞳を遠くに設定できなくなる。

上記目的を達成するためには、レンズ系の構成は具体的に、最も拡大側に負レンズ群、最も縮小側には前述のように正レンズ群を配置しているのが好ましい。特にバックフォーカスを長くするために第１レンズ群（拡大側）は負のパワー、瞳を長く設定するためには最終レンズ群（縮小側）は正のパワーが必要となる。また特に有効像円φと空気換算バックフォーカスｂｆには以下の関係があることが好ましい。

０．３＜φ／ｂｆ＜０．４７ （６）
この式は有効像円に対して、適切に色分離・合成系のプリズムを有効な大きさで配置するための条件である。上限を超えると適切なバックフォーカスが確保できず、下限を超えると大型化する。

以下に本発明の実施例を図を用いて詳細に説明する。

まず、数値実施例１〜１０のレンズデータを表１〜１０に示す。この表１〜１０において、ｆは焦点距離を、ｆｎｏはＦナンバーを、ｆｒは各面の曲率を、ｄは各面と次の面との間隔を、ｎは各面と次の面との間の硝材の屈折率を（空欄の部分は空気間隔）、ｖは各面と次の面との間の硝材の分散を示している。表１１は、上記の各条件式の値を各実施例に関して計算した結果を示した表である。

次に、実施例１のレンズ構成の概略図を図１に示す。図中Ｐは色分離・色合成プリズム等のガラスブロックを示す。このブロックは投写レンズの縮小側にあれば良く、実施例では２つのブロックで構成してあるように記載してあるが更に多くのブロックで分けても良く、適当な厚みで空気間隔を置いて分離させても良い。この色分離・色合成プリズムＰはダイクロプリズム、ＰＳ分離素子、色フィルター等で構成されている。

実施例１の広角端における収差図を図１１（ａ）に、望遠端における収差図を図１１（ｂ）に示す。収差図に示しているのは、左から、球面収差、像面湾曲、歪曲収差、倍率色収差である。収差図はそれぞれ球面収差、非点収差（像面湾曲）、歪曲（％）倍率色収差を示し、上段に広角端（ＷＩＤＥ）、下段に望遠端（ＴＥＬＥ）に記している。球面収差は５５０ｎｍと４７０ｎｍと６２０ｎｍのものを示す。倍率色収差は５５０ｎｍ基準で４７０ｎｍ，６２０ｎｍの値を示す。非点収差において実線はサジタル断面、鎖線はメリディオナル断面を示す。

また、実施例１〜１０のうち、実施例１〜４は、共役長が短い側の共役点（縮小側共役点）から射出瞳までの距離が２．８５ｍ、実施例５〜１０は共役長が短い側の共役点（縮小側共役点）から射出瞳までの距離が２．１ｍとしている。

また、第１〜５実施例は拡大側から順に負の第１群、正の第２群、負の第３群、正の第４群という４つのレンズ群で構成され、第４レンズ群がズーミング中固定であり、この第４レンズ群近傍に開口絞りがあるものである。この第１〜５実施例においては、第１、２、３レンズ群が可動となっている。

また、これらのうち第２、３実施例はＦナンバーが１．６と大口径のものの実施例で、その他はＦナンバーは２としている。

また第２，５実施例は縮小側最大像高ｙにおける主光線の、デバイス上での振れ角θはマイナス側、つまり収差込みの射出瞳位置がプラス側（デバイスより縮小側）にある例を示す。このような構成では最終レンズ（最も縮小側のレンズ）の径が大型化しがちとなる。

実施例６〜１０は第１レンズ群と最終レンズ群が固定で、その他の群が移動する例である。開口絞りはそれぞれの移動群の中にある。

実施例６〜１０を詳細に説明する。まず、第６実施例は負正負正正正の６群構成のものである。縮小側最大像高ｙにおける主光線の、デバイス上での振れ角θはマイナス側、つまり収差込みの射出瞳位置がプラス側（デバイスより縮小側）にある例である。

第７〜９実施例は負正負正正の５群構成で、第７実施例は縮小側最大像高ｙにおける主光線の、デバイス上での振れ角θはマイナス側、つまり収差込みの射出瞳位置がプラス側（デバイスより縮小側）にある例である。

第１０実施例は負正負負正正の６群構成の例であり、縮小側最大像高ｙにおける主光線の、デバイス上での振れ角θはマイナス側、つまり収差込みの射出瞳位置がプラス側（デバイスより縮小側）にある例となっている。

第５〜１０実施例では開口絞りは可動群にあるが瞳位置の変動を抑えた構成となっているものである。

また、ピント合わせは第１レンズ群で行うと述べたが、第１レンズ群と第２レンズ群同時に行う、または最終群で行うようにしても良いし、あるいは複数の群で、特に有限距離で各群別な移動量にて距離合わせをしてもよく、又全体にて行っても表示パネルを移動して行ってもよい。

また、本実施例は投射レンズ（ズームレンズ）について述べて来たが、勿論この限りではない。本実施例の投射レンズをプロジェクターの投射レンズとして用いることが可能である。

例えば、少なくとも１つ（好ましくは１つか３つか４つ）の画像表示素子（反射型液晶パネルやＤＭＤ等）と、その少なくとも１つの画像表示素子を光源からの光で照明する照明光学系と、その照明された画像表示素子からの光をスクリーン等の被投射面に投射する上述のような投射レンズを有するような画像投射装置に適用しても良い。

より詳細には、照明光学系は、照度均一化光学系（はえの目レンズ等の光束分割レンズ）や、光源からの光を色分解する色分解光学系等を有するように構成するのが良い。また、画像表示素子を３つ持つ場合には、投射レンズと画像表示素子との間に、各画像表示素子から出射した光を色合成する色合成光学系を配置する必要がある。この色合成光学系は、ダイクロイックミラーや偏光ビームスプリッターを備えているのが望ましく、さらに望ましくは波長選択性位相差板（特定の波長の光の偏光方向を９０度回転させる素子）を備えるようにすると尚望ましい。

実施例１のレンズ構成の概略図 実施例２のレンズ構成の概略図 実施例３のレンズ構成の概略図 実施例４のレンズ構成の概略図 実施例５のレンズ構成の概略図 実施例６のレンズ構成の概略図 実施例７のレンズ構成の概略図 実施例８のレンズ構成の概略図 実施例９のレンズ構成の概略図 実施例１０のレンズ構成の概略図 実施例１の収差図 実施例２の収差図 実施例３の収差図 実施例４の収差図 実施例５の収差図 実施例６の収差図 実施例７の収差図 実施例８の収差図 実施例９の収差図 実施例１０の収差図

符号の説明

Ｌ１ 第１レンズ群
Ｌ２ 第２レンズ群
Ｌ３ 第３レンズ群
Ｌ４ 第４レンズ群
Ｌ５ 第５レンズ群
Ｌ６ 第６レンズ群
Ｐ プリズム体

Claims (7)

1. 共役長が短い側の縮小側共役位置と、前記縮小側共役位置に最も近い光学素子との間の距離が、前記縮小側共役位置における有効像円の直径の２．５倍以上の間隔があり、該有効像円の直径をφ、広角端での前記縮小側共役位置から近軸における前記縮小側共役位置側から見た瞳位置までの距離をｔｋとしたとき、
   ｜φ／ｔｋ｜ ＜ ０．１２
   を満足することを特徴とする投射光学系。
2. 複数のレンズ群を有しており、前記縮小側共役位置に最も近いレンズ群がズーミング中固定の正レンズ群であることを特徴とする請求項１記載の投射光学系。
3. 前記投射光学系の前記縮小側共役位置側での主光線の、前記縮小側共役位置における、前記投射光学系の光軸と垂直な平面とのなす角度をθとすると、
   ｜θ｜＜０．８°
   を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の投射光学系。
4. 前記縮小側共役位置に最も近い正レンズの直径をＤ、前記縮小側共役位置に最も近い光学素子から前記縮小側共役位置までの距離をｂｆとするとき
   ０．６＜Ｄ／ｂｆ＜０．９２
   を満足することを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の投射光学系。
5. 前記縮小側共役位置に最も近い正レンズの直径をＤとしたとき、
   １．５＜Ｄ／φ＜２．５
   を満足することを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の投射光学系。
6. 少なくとも１つの反射型画像表示素子と、該少なくとも１つの反射型画像表示素子からの光を被投射面に投射する投射光学系を有する画像投射装置であって、
   請求項１乃至５いずれかに記載の投射光学系を備えることを特徴とする画像投射装置。
7. 少なくとも１つの反射型画像表示素子と、該少なくとも１つの反射型画像表示素子からの光を被投射面に投射する投射光学系を有する画像投射装置であって、
   共役長が短い側の縮小側共役位置と、前記縮小側共役位置に最も近い光学素子との間の距離が、前記縮小側共役位置における有効像円の直径の２．５倍以上の厚さを有するガラスブロックを有し、該有効像円の直径をφ、広角端での前記縮小側共役位置から近軸における前記縮小側共役位置側から見た瞳位置までの距離をｔｋとしたとき、
   ｜φ／ｔｋ｜ ＜ ０．１２
   を満足することを特徴とする画像投射装置。

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