JP2006184775A - 反射型光学系およびこれを用いた投写型表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】主として3枚の曲面ミラーで構成され所定の条件式を満足することで、諸収差が良好で特に色収差がなく、低コストで広角で、高さ方向にコンパクトな反射型光学系およびこれを用いた投写型表示装置を得る。さらに、明るさの要請に応え、性能劣化の少ないフォーカス方式についても提案する。
【解決手段】ライトバルブ5とスクリーン4との間に配された反射型光学系で、曲面は第1〜第3のミラー1〜3の3つの反射面のみである。また下記条件式を満足する。
(1)θL<20度、
(2)25度<θUL<55度、
(3)20度<θM1<55度、
(4)15度<θM2<50度、
(5)8度<θM3<30度、
(6)θL<15度、
(7)30度<θUL、
(8)7.5度<|θF|
ただし、
θL:瞳中心光線が拡大側結像面に対してなす最小角度、
θUL:瞳中心光線が拡大側結像面に対してなす最大角度と最小角度との差、
θM1、θM2、θM3:縮小側結像面の中央を通る瞳中心光線の第1〜第3のミラー1〜3における偏角、
θF:縮小側瞳開き角。
【選択図】 図1

Description

この発明は、投写光学系またはCCD、撮像管などの撮像素子やフィルムなどを用いたカメラに使用される結像光学系に、適用可能な反射型光学系に関し、特にライトバルブの表示情報を拡大投写する投写光学系に好適な、反射型光学系およびこれを用いた投写型表示装置に関する。
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や、屈折光学系とミラーを組み合わせた構成のものが広く知られており、現在使用されている投写光学系のほとんどはこのタイプのものである。
しかし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、曲面で構成されたミラーを3枚含み、ミラー枚数も少ない光学系が提案されている。
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
しかしながら、上記特許文献1〜5に記載のものでは、拡大側画角が狭い、拡大側結像面とのなす角度が大きい、縮小側光束開き角が小さい、フォーカス方式の具体的提案がなされていない、など実際に投写光学系として使用するには大きな問題が多数残されている。
拡大側画角が狭いと、拡大倍率を上げようとする場合に拡大側結像面と光学系との距離を離すことになるので、装置の大型化を招いたり配設位置の制約が増し、好ましくない。また、拡大側結像面とのなす角度が大きいと、拡大側結像面と光学系位置との高さ方向での差が大きくなるので、装置の大型化を招いたり配設位置の制約が増し、好ましくない。
縮小側光束開き角が小さいということは、いわばこの光学系のFナンバが暗いことにも相当するので、より明るく、縮小側光束開き角を大きくする構成が望まれる。また、どのようなフォーカス方式とするか、例えば、どの部材をどのように移動させてフォーカシングを行うかの具体的提案なしには実用化は困難である。
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、諸収差が良好で特に色収差がなく、低コストで広角で、投写光学系に用いた場合には、拡大側結像面と光学系位置とを高さ方向において近づけることのできる反射型光学系およびこれを用いた投写型表示装置の提供を目的とするものである。
さらに、本発明は、投写光学系として強く要望される、明るさの確保や性能劣化の少ないフォーカス方式についても配慮された、反射型光学系およびこれを用いた投写型表示装置の提供をも目的とするものである。
本発明に係る反射型光学系は、一方を拡大側、他方を縮小側とする2つの結像面の間に配され、該2つの結像面の間に中間像を形成しない反射型光学系であって、
該反射型光学系を構成する光学面のうちで、曲面は前記拡大側結像面側から順に、第1のミラー、第2のミラーおよび第3のミラーの3つの反射面のみとされ、
以下の条件式(1)および(2)を満足することを特徴とするものである。
θL<20度 ・・・・・・・・(1)
25度<θUL<55度 ・・・(2)
ただし、
θL :瞳中心光線が拡大側結像面に対してなす最小角度
θUL:瞳中心光線が拡大側結像面に対してなす最大角度と最小角度との差
なお、本明細書において「瞳中心光線」とは、縮小側結像面に垂直かつ縮小側結像面の中央と拡大側結像面の中央とを含む平面に縮小側結像面の各位置からの反射型光学系有効光束を射影してできる各鋭角を、角度的に略2等分する各線が、この平面内で略交わる場合にはこの略交わる位置と縮小側結像面各位置とを通る各光線を示すものとし、前記各鋭角を角度的に略2等分する各線がこの平面内で互いに略平行な場合は、縮小側結像面各位置を通りその略平行な線に略平行となる各光線を示すものとする。
また、前記反射型光学系において対称面が1つのみ存在し、この対称面において以下の条件式(3)〜(5)を満足することが好ましい。
20度<θM1<55度 ・・・(3)
15度<θM2<50度 ・・・(4)
8度<θM3<30度 ・・・・(5)
ただし、
θM1:縮小側結像面の中央を通る瞳中心光線の第1のミラーにおける偏角
θM2:縮小側結像面の中央を通る瞳中心光線の第2のミラーにおける偏角
θM3:縮小側結像面の中央を通る瞳中心光線の第3のミラーにおける偏角
また、以下の条件式(6)〜(8)を満足することを特徴とすることが好ましい。
θL<15度 ・・・・・・・・(6)
30度<θUL ・・・・・・・(7)
7.5度<|θF| ・・・・・(8)
ただし、
θF:縮小側瞳開き角
また、前記拡大側結像面と前記縮小側結像面とが非平行とされていることが好ましい。
また、フォーカス操作は、前記第1のミラーを単体で移動させ、さらに前記第2のミラーと前記第3のミラーとを一体に移動させ、これら3つのミラーの移動軌跡がそれぞれ直線となるように構成したことが好ましい。
また、フォーカス操作は、前記第1のミラーを単体で移動させ、さらに前記第2のミラーと前記第3のミラーとを前記縮小側結像面に対して固定せしめるようにしてもよい。なお、このフォーカス操作において、前記第1のミラーの移動軌跡が直線となることがより好ましい。
また、この反射型光学系において、縮小側瞳位置が無限遠に存在し、前記縮小側結像面上の各点において、縮小側結像面の法線に対して瞳中心光線がなす角度が互いに略等しいことが好ましい。この場合、前記第2のミラーと前記第3のミラーとの間に、光束径制御を行う絞りまたは可変絞りが配置されていることがより好ましい。
また、縮小側瞳位置が前記第3のミラーの近傍に存在するようにしてもよい。この場合、前記第3のミラーの近傍に、光束径制御を行う絞りまたは可変絞りが配置されていることがより好ましい。
また、この反射型光学系は、前記縮小側結像面に表示された画像を前記拡大側結像面に拡大投写する投写光学系として用いられることが好ましい。この場合、前記第3のミラーと前記縮小側結像面との間に色合成光学系が配置されることが好ましい。
また、前記色合成光学系と前記縮小側結像面との間に、該色合成光学系で発生する色収差を補正する少なくとも1つの色補正手段が配置されることが好ましい。
本発明に係る投写型表示装置は、光源と、前記縮小側結像面に配置されたライトバルブと、前記光源からの光束を該ライトバルブへ導く照明光学部と、上記いずれかの反射型光学系とを備え、前記光源からの光束を前記ライトバルブで光変調し、該反射型光学系により、前記拡大側結像面に配置されたスクリーンに投写することを特徴とするものである。
本発明の反射型光学系によれば、主として3枚の曲面ミラーで構成することにより、諸収差が良好で特に色収差がなく、低コストな反射型光学系とすることができ、さらに、瞳中心光線と拡大側結像面との角度関係を所定の条件式を満足するように構成することで、広角でありながら、拡大側結像面と光学系位置とが高さ方向において近づくようなコンパクトな配置が可能となる。
さらに、本発明の反射型光学系では、明るさの要請にも応え、性能劣化の少ないフォーカス方式についての具体的提案もなされているので、投写光学系として、またこれを用いた投写型表示装置として好適な反射型光学系を得ることができる。
以下、本発明に係る反射型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に係る反射型光学系の構成を示すYZ平面断面図であり、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。この反射型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(a)はこの反射型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1(b)は図1(a)の主要部としての部分A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5に照射し、ライトバルブ5により光変調され画像情報を担持した光束を、反射型光学系によりスクリーン4に拡大投写するものである。スクリーン4はこの反射型光学系の拡大側結像面に、またライトバルブ5はこの反射型光学系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5の光出射側にはカバーガラス6(平行平面板)が配されている。
なお、本発明に係る反射型光学系は、この反射型光学系において対称面が1つのみ存在するように構成され、図1ではこの対称面が紙面の断面となるように示されている。すなわちこの反射型光学系は図1の紙面(対称面)に関して略面対称となる。そして、この対称面をYZ平面として、この面において縮小側結像面の伸びる方向をY方向とし、Y方向に直交する方向をZ方向としている。図1にはZ軸が点線Zで記載されている。
ここで、本発明の反射型光学系は、拡大側結像面と縮小側結像面との間に配され、これら2つの結像面の間に中間像を形成しない反射型光学系であって、この反射型光学系を構成する光学面のうちで、曲面は拡大側結像面側から順に、第1のミラー1、第2のミラー2および第3のミラー3の3つの反射面のみとされている。なお、カバーガラス6のような平面部材を縮小側結像面と拡大側結像面との間に配することは任意である。
このように反射型光学系を構成する光学面のうちで、曲面は第1〜第3のミラー1〜3の3つの反射面のみとし、光学ガラスによる曲面を用いていないので、この反射型光学系は色収差の発生がなく良好な光学性能を有している。また、3枚という少ないミラー枚数で構成されているので、低コストな光学系である。
また、本発明の反射型光学系は、以下の条件式(1)および(2)を満足するように構成されている。
θL<20度 ・・・・・・・・(1)
25度<θUL<55度 ・・・(2)
ただし、
θL :瞳中心光線が拡大側結像面に対してなす最小角度
θUL:瞳中心光線が拡大側結像面に対してなす最大角度と最小角度との差
なお、上記「瞳中心光線」は、縮小側瞳の中心を通る光線のことで、一般の光学系では主光線に相当するものといえる。瞳中心光線は、図1ならびに以下の図6〜図10および図12〜図18では一点鎖線で示されている。すなわち、本明細書において「瞳中心光線」とは、縮小側結像面に垂直かつ縮小側結像面の中央と拡大側結像面の中央とを含む平面(上記各図の紙面(YZ平面)である)に縮小側結像面の各位置からの反射型光学系有効光束を射影してできる各鋭角を、角度的に略2等分する各線が、この平面内で略交わる場合にはこの略交わる位置と縮小側結像面各位置とを通る各光線を示すものとし、前記各鋭角を角度的に略2等分する各線がこの平面内で互いに略平行な場合は、縮小側結像面各位置を通りその略平行な線に略平行となる各光線を示すものとする。
またこの実施例では、条件式(1)に規定する角度θLは、図1に示すとおりであるが、条件式(2)に規定する角度差θULを計算する基となる、瞳中心光線が拡大側結像面に対してなす最大角度θUは、この図1には示せないため、便宜的に対称面での点U′および角度θU′を示している。最大角度θUは、点U′を紙面手前または奥に拡大側結像面の端辺に沿って最大に平行移動した位置での、瞳中心光線が拡大側結像面に対してなす角度である。角度θLおよび角度差θULは、各角度の方向性に依らず絶対値として考えてよい。
条件式(1)に規定する上限値を超えて角度θLが大きくなると、拡大側結像面と反射型光学系の位置との高さ方向での差が大きくなるので好ましくない。図2は、この差について説明するために、図1(a)の反射型光学系を回転させ、拡大側結像面(スクリーン4)が紙面上下方向に伸びるように記載したものである。ここで、Hは、対称面において、拡大側結像面の最も反射型光学系に近い端辺から縮小側結像面(ライトバルブ5)の中央位置までの、拡大側結像面が伸びる方向における距離、を示している。このH、すなわち拡大側結像面と反射型光学系の位置との高さ方向での差が大きくなると、装置の大型化を招いたり配設位置の制約が増し、好ましくない。近年、需要が伸びているリアプロジェクションタイプでは、投写光学系までを例えばTVボックス等の筐体中に配設することになるので、特にコンパクト化の要請が強く、高さ方向でのコンパクト化も重要となっている。
条件式(2)は、瞳中心光線が拡大側結像面に対してなす最大角度と最小角度との差となる角度差θULについて規定している。これは、いわば拡大側での画角に相当するものであり、画角が狭くなり角度差θULが下限値を超えると、拡大倍率を上げようとする場合に拡大側結像位置と反射型光学系との距離を多く取る必要が出てくるので、装置の大型化を招いたり配設位置の制約が増し、好ましくない。図3に示す構成は、図2で示した反射型光学系の図において、スクリーン4と第1のミラー1との間に平面ミラー8を配したものである。このような平面ミラーにより紙面左右方向の厚みを薄くすることができるものであるが、角度差θULが下限値を超えると、拡大倍率を上げようとする場合にスクリーン4と平面ミラー8との距離を長くする必要が生じてしまう。
また、広角が望ましいとはいえ、角度差θULが上限値を超えると、曲面ミラーに限らず平面ミラーであっても、光路内に配設する部材を大きくすることになるので、光学系の大型化につながり好ましくない。このように条件式(2)の上限値、下限値を超えると光学系や装置が大型化し、リアプロジェクションタイプでは筐体の大型化を招くことになってしまう。
さらに、本発明の反射型光学系は、上述した対称面において以下の条件式(3)〜(5)を満足するように構成されることが好ましい。
20度<θM1<55度 ・・・(3)
15度<θM2<50度 ・・・(4)
8度<θM3<30度 ・・・・(5)
ただし、
θM1:縮小側結像面の中央を通る瞳中心光線の第1のミラー1における偏角
θM2:縮小側結像面の中央を通る瞳中心光線の第2のミラー2における偏角
θM3:縮小側結像面の中央を通る瞳中心光線の第3のミラー3における偏角
なお、θM1〜θM3は図1(b)にも示されるとおり、縮小側結像面の中央を通る瞳中心光線が第1〜第3のミラー1〜3での反射でそれぞれなす角である(見易さのためにθM2、θM3は対頂角を示す)。各角度は方向性に依らず絶対値として考えてよい。
条件式(3)〜(5)の下限値を超えて偏角が小さくなると、光束の進行を妨げることなく、また部材同士が干渉しあったりすることなく、ミラーやライトバルブ等の部材を配設することが難しくなる。また、これらの上限値を超えて偏角が大きくなると、ミラーが大型化したり、光学系全体が大型化する。
さらに、本発明の反射型光学系は、以下の条件式(6)〜(8)を満足するように構成されることが好ましい。
θL<15度 ・・・・・・・・(6)
30度<θUL ・・・・・・・(7)
7.5度<|θF| ・・・・・(8)
ただし、
θF:縮小側瞳開き角
条件式(6)および条件式(7)は、上述した条件式(1)および条件式(2)の範囲をさらに規定するもので、これらを満足することにより、上述した作用効果を一層有効とすることができる。
条件式(8)に規定する縮小側瞳開き角θFは、図1(b)にも示されるとおり、縮小側結像面の任意の点において、この点を通る瞳中心光線に対するこの点を通る瞳最周辺光線の、光束開き角である。例えば投写光学系に用いるには、明るい光学系とすることが望ましいが、下限値を超えると暗くなり実用的でない。
さらに、本発明の反射型光学系は拡大側結像面と縮小側結像面とが非平行とされていることが好ましい。図1においても、スクリーン4とライトバルブ5とは、非平行に配設されている。このように構成することにより、歪曲収差が良好に補正され、解像性能を向上させることができる。なお、拡大側結像面と縮小側結像面との平行/非平行関係は、平面ミラー等、光束を偏向させるだけで収束または発散させることのない面を除外した場合のものとする。本発明の反射型光学系に平面ミラー等を配置した結果、拡大側結像面と縮小側結像面とが一見したところ平行となっても、本発明の反射型光学系の一態様とみなすものである。
また、本発明の反射型光学系においては、以下の2つの方式によるフォーカス操作が有効である。
第1の方式によるフォーカス操作は、第1のミラー1を単体で移動させ、さらに第2のミラー2と第3のミラー3とを一体に移動させ、これら3つのミラーの移動軌跡がそれぞれ直線となるように行うものである。
第2の方式によるフォーカス操作は、第1のミラー1を単体で移動させ、さらに第2のミラー2と第3のミラー3とを縮小側結像面に対して固定せしめて行うものである。なお、このとき第1のミラー1の移動軌跡は直線となることが好ましい。
フォーカス操作は、特に投写光学系では拡大側結像面と縮小側結像面との位置関係が変化する場合も想定されるので、この反射型光学系においても要望される。共軸系での結像光学系のように部材を光軸上で移動させるものではないため設計の難易度が高く、従来、具体的なフォーカス方式の提案はなされていなかったが、上記2つの方式によるフォーカス操作によれば、光学性能を劣化させることなくフォーカシングが可能となる。いずれの方式を用いるかは、構成例に応じて適宜選択可能であり、移動部材が多ければ変数が多いだけ理想的な配置が可能となり、移動部材が少なければ、そして直線的な移動ならばさらに、移動機構の簡略化などのメリットがある。
例えば図1の反射型光学系では第2の方式を採用しており、第1のミラー1が紙面の状態から紙面右下方向(第1フォーカス状態)または紙面左上方向(第2フォーカス状態)に移動され、第2のミラー2と第3のミラー3とは縮小側結像面に対して固定された状態で、フォーカス操作がなされる。ミラー1の実際の移動方向および移動量は、後述する実施例1に記載の数値に基づく。
また、本発明の反射型光学系においては、縮小側瞳位置は、以下の2つの位置のいずれかとなるように構成することが好ましい。
第1の縮小側瞳位置としては、これを無限遠に設定するものである。例えば、投写光学系に用いる場合には、ライトバルブ5への入射角度差が投写画面での照度ムラを招くような特性を有するライトバルブ5もあることから、このようなライトバルブ5にも対応可能な構成として有用である。縮小側瞳位置を無限遠とする場合には、縮小側結像面上の各点において、縮小側結像面の法線に対して瞳中心光線がなす角度が互いに略等しくなる。図1の反射型光学系では縮小側瞳位置はこのように設定されており、縮小側結像面の法線に対して瞳中心光線がなす角度θP(見易さのために対頂角を示す)が示されている。縮小側瞳位置が無限遠に設定されているので、紙面内だけでなく縮小側結像面上の各点から、瞳中心光線は全て互いに平行な状態で反射型光学系の第3のミラー3に向かうことになる。
また、縮小側瞳位置がこのように設定された場合、縮小側結像面上の各点からの瞳中心光線が第2のミラー2と第3のミラー3との間で交わるようにミラー3の曲面を設定し、この位置近傍に、光束径制御を行う絞りまたは可変絞りが配置されていることが好ましい。図1の反射型光学系ではこの位置近傍に絞り7が配され、効率よく光束径制御を行いうる構成となっている。
第2の縮小側瞳位置としては、これを第3のミラー3の近傍に設定するものである。このような構成は第3のミラー3の小型化を可能とする。後述する実施例8はこのような構成とされている。縮小側瞳位置がこのように設定された場合、縮小側結像面上の各点からの瞳中心光線は第3のミラー3の近傍で交わることとなるため、この位置近傍に光束径制御を行う絞りまたは可変絞りを配置し、効率よく光束径制御を行いうる構成とすることが好ましい。
なお、本発明の反射型光学系では、反射型光学系を構成する光学面のうちで、曲面は拡大側結像面側から順に、第1のミラー1、第2のミラー2および第3のミラー3の3つの反射面のみとしているが、縮小側結像面と拡大側結像面との間に平面部材を配することは任意である。例えば、カバーガラス6のような、光透過部材の両面が平面とされているものや、図3に示した平面ミラー8のような光反射部材の反射面が平面とされているもの等を配していても、本発明の利点が損なわれるものではない。
以下、本発明に係る反射型光学系の具体的な実施例について説明する。
なお、実施例2〜10に係る反射型光学系は、実施例1のものと同様に投写型表示装置の投写光学系として用いられているが、それらの構成を示す図は、図1(a)に相当する全体図を省略し、図1(b)に相当する主要部の拡大図のみ記載している。また、実施例2〜10の主要部拡大図において、実施例1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。
また、実施例1〜10に係る反射型光学系では、例えば各部材面の曲率半径、Z方向の面間隔、Y方向のシフト量など、長さを表す数値は、縮小側結像面のX方向での有効エリアの長さを1.0として、規格化されている。
なお、以下の実施例1〜10では、第1のミラー1、第2のミラー2および第3のミラー3の曲面は、いずれも自由曲面とされている。自由曲面形状は下記自由曲面形状式により表される。
Figure 2006184775
自由曲面では面形状の設計自由度が高いので、光線の偏向方向を設定する自由度が高い。また、自由曲面を用いることにより歪曲収差等の諸収差を良好に補正することができる。また、以下の実施例1〜10では、自由曲面は1面の対称面(紙面に略一致する)を有するように構成されている。面対称性を有する自由曲面は、製造や評価における難易度が低いというメリットがある。
<実施例1>
本実施例1に係る反射型光学系の構成は、図1に示すとおりである。
下記表1の左上段に、本実施例1の反射型光学系の各部材面の曲率半径、各部材のZ方向の面間隔(各部材間の空気間隔および各部材の中心厚)、各部材のd線における屈折率Ndおよびアッベ数νdを示す。また、面番号の左側に*を付した面は偏心面であることを表している。表1の右上段に、これら偏心面の偏心データとして、Y方向におけるシフト量と、X軸に関する回転量を示す。この反射型光学系では、拡大側結像面がX軸を軸として回転(以下、単に「X軸回転」と称する)されており、拡大側結像面と縮小側結像面とが非平行とされている。
また、表1の左下段に、この実施例においてフォーカス操作がなされる場合の、移動部材の移動位置に関するデータとして、Z方向の面間隔と、Y方向におけるシフト量を示す。この実施例では、フォーカス1、フォーカス2の2つのフォーカス移動位置が設定されている。この実施例のフォーカス操作は上述した第2の方式による。また、第1のミラー1の移動軌跡は直線となる。
これら曲率半径等の表、偏心面データの表、フォーカス移動データの表において、面番号の数字は、拡大側結像面を面番号S1として拡大側結像面側から順次増加し、面番号S6が縮小側結像面となるようになっている(以下の実施例2〜10の各表においても同じ)。
また、表1の右中段には、この実施例の縮小側瞳位置(縮小側結像面からのZ方向の距離)、縮小側瞳中心角度(縮小側結像面の法線に対して瞳中心光線がなす角度θP)、縮小側瞳開き角(θF)を示している。この実施例の縮小側瞳位置は無限遠とされ、上記第1の位置とされている。この反射型光学系では、縮小側結像面上の各点からの瞳中心光線が第2のミラー2と第3のミラー3との間で交わるように構成されており、この位置近傍に絞り7が配されている。
また、表1の右下段には、この実施例の縮小側結像面の有効エリアのX方向およびY方向の長さを示す。
Figure 2006184775
さらに、下記表2に、第1のミラー1、第2のミラー2および第3のミラー3の自由曲面に関する離心率K、4次、6次、8次、10次、12次のZ軸対称な各非球面係数A〜A12、およびC(i,j)のZ軸非対称な各非球面係数を示す。
Figure 2006184775
また、本実施例に係る反射型光学系では、上記条件式(1)〜(8)に対応する値は後述する表21のようになっている。この反射型光学系は条件式(1)〜(8)を全て満足している。
また、図4および図5は本実施例1に係る反射型光学系の結像性能を示すものである。図4は、縮小側結像面で正方形状の網目に対応する拡大側結像面における投写歪曲を示している。この実施例では縮小側結像面および拡大側結像面はアスペクト比4:3とされている。図5は縮小側結像面でのスポット図である。縮小側結像面の中央をx=0.0、y=0.0とし、各々左方に数値表記された(x,y)位置でのスポット形状を示している。図4および図5に示されるとおり、この反射型光学系は、各収差を良好に補正し得る高性能な反射型光学系とされている。
<実施例2>
本実施例2に係る反射型光学系の構成として、図6に主要部の拡大図を示す。
この反射型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6において縮小側結像面の光出射側には、カバーガラスに代えてプリズム部8が記載されている。本発明の反射型光学系ではこのように、縮小側結像面と拡大側結像面との間に平面部材を配することができる。例えば後述するように色合成用のクロスダイクロイックプリズムなどを配する場合には、縮小側結像面に配されたライトバルブ5の光出射側に配されたカバーガラスとクロスダイクロイックプリズムとが、このプリズム部8に相当することになる。
この実施例のフォーカス操作は上述した第2の方式による。また、第1のミラー1の移動軌跡は直線となる。この実施例では、フォーカス1、フォーカス2の2つのフォーカス移動位置が設定されている。
また、この実施例の縮小側瞳位置は無限遠とされ、上記第1の位置とされている。この反射型光学系では、縮小側結像面上の各点からの瞳中心光線が第2のミラー2と第3のミラー3との間で交わるように構成されており、この位置に絞りを配することが好ましい。
また、この反射型光学系では、拡大側結像面がX軸回転されており、拡大側結像面と縮小側結像面とが非平行とされている。
下記表3に、本実施例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。
Figure 2006184775
下記表4に、本実施例2の、実施例1の表2と同様の項目についての、自由曲面に関するデータを示す。
Figure 2006184775
また、本実施例に係る反射型光学系では、上記条件式(1)〜(8)に対応する値は後述する表21のようになっている。この反射型光学系は条件式(1)〜(8)を全て満足している。
この反射型光学系の光学性能は、実施例1と略同等に各収差を良好に補正し得る高性能なものであり、縮小側結像面で正方形状の網目に対応する拡大側結像面における投写歪曲および縮小側結像面でのスポット形状は、図4および図5に示されたものと略同程度の性能を示すものとなっている。
<実施例3>
本実施例3に係る反射型光学系の構成として、図7に主要部の拡大図を示す。
この反射型光学系の構成は実施例1のものと略同様とされている。
この実施例のフォーカス操作は上述した第2の方式による。また、第1のミラー1の移動軌跡は直線となる。この実施例では、フォーカス1、フォーカス2の2つのフォーカス移動位置が設定されている。
また、この実施例の縮小側瞳位置は無限遠とされ、上記第1の位置とされている。この反射型光学系では、縮小側結像面上の各点からの瞳中心光線が第2のミラー2と第3のミラー3との間で交わるように構成されており、この位置に絞りを配することが好ましい。
また、この反射型光学系では、拡大側結像面がX軸回転されており、拡大側結像面と縮小側結像面とが非平行とされている。
下記表5に、本実施例3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。
Figure 2006184775
下記表6に、本実施例3の、実施例1の表2と同様の項目についての、自由曲面に関するデータを示す。
Figure 2006184775
また、本実施例に係る反射型光学系では、上記条件式(1)〜(8)に対応する値は後述する表21のようになっている。この反射型光学系は条件式(1)〜(8)を全て満足している。
この反射型光学系の光学性能は、実施例1と略同等に各収差を良好に補正し得る高性能なものであり、縮小側結像面で正方形状の網目に対応する拡大側結像面における投写歪曲および縮小側結像面でのスポット形状は、図4および図5に示されたものと略同程度の性能を示すものとなっている。
<実施例4>
本実施例4に係る反射型光学系の構成として、図8に主要部の拡大図を示す。
この反射型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8において縮小側結像面の光出射側には、カバーガラスに代えてプリズム部8が記載されている。
この実施例のフォーカス操作は上述した第2の方式による。また、第1のミラー1の移動軌跡は直線となる。この実施例では、フォーカス1、フォーカス2の2つのフォーカス移動位置が設定されている。
また、この実施例の縮小側瞳位置は無限遠とされ、上記第1の位置とされている。この反射型光学系では、縮小側結像面上の各点からの瞳中心光線が第2のミラー2と第3のミラー3との間で交わるように構成されており、この位置に絞りを配することが好ましい。
また、この反射型光学系では、拡大側結像面がX軸回転されており、拡大側結像面と縮小側結像面とが非平行とされている。
下記表7に、本実施例4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。
Figure 2006184775
下記表8に、本実施例4の、実施例1の表2と同様の項目についての、自由曲面に関するデータを示す。
Figure 2006184775
また、本実施例に係る反射型光学系では、上記条件式(1)〜(8)に対応する値は後述する表21のようになっている。この反射型光学系は条件式(1)〜(8)を全て満足している。
この反射型光学系の光学性能は、実施例1と略同等に各収差を良好に補正し得る高性能なものであり、縮小側結像面で正方形状の網目に対応する拡大側結像面における投写歪曲および縮小側結像面でのスポット形状は、図4および図5に示されたものと略同程度の性能を示すものとなっている。
<実施例5>
本実施例5に係る反射型光学系の構成として、図9に主要部の拡大図を示す。
この反射型光学系の構成は実施例1のものと略同様とされている。
この実施例のフォーカス操作は上述した第2の方式による。また、第1のミラー1の移動軌跡は直線となる。この実施例では、フォーカス1、フォーカス2の2つのフォーカス移動位置が設定されている。
また、この実施例の縮小側瞳位置は無限遠とされ、上記第1の位置とされている。この反射型光学系では、縮小側結像面上の各点からの瞳中心光線が第2のミラー2と第3のミラー3との間で交わるように構成されており、この位置に絞りを配することが好ましい。
また、この反射型光学系では、拡大側結像面がX軸回転されており、拡大側結像面と縮小側結像面とが非平行とされている。
下記表9に、本実施例5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。
Figure 2006184775
下記表10に、本実施例5の、実施例1の表2と同様の項目についての、自由曲面に関するデータを示す。
Figure 2006184775
また、本実施例に係る反射型光学系では、上記条件式(1)〜(8)に対応する値は後述する表21のようになっている。この反射型光学系は条件式(1)〜(8)を全て満足している。
この反射型光学系の光学性能は、実施例1と略同等に各収差を良好に補正し得る高性能なものであり、縮小側結像面で正方形状の網目に対応する拡大側結像面における投写歪曲および縮小側結像面でのスポット形状は、図4および図5に示されたものと略同程度の性能を示すものとなっている。
<実施例6>
本実施例6に係る反射型光学系の構成として、図10に主要部の拡大図を示す。
この反射型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、ライトバルブ5の縮小側有効エリアのサイズがアスペクト比16:9のものとなっている。スクリーン(不図示)のサイズもこれに対応したものとなる。
この実施例のフォーカス操作は上述した第2の方式による。また、第1のミラー1の移動軌跡は直線となる。この実施例では、フォーカス1、フォーカス2の2つのフォーカス移動位置が設定されている。
また、この実施例の縮小側瞳位置は無限遠とされ、上記第1の位置とされている。この反射型光学系では、縮小側結像面上の各点からの瞳中心光線が第2のミラー2と第3のミラー3との間で交わるように構成されており、この位置に絞りを配することが好ましい。
また、この反射型光学系では、拡大側結像面がX軸回転されており、拡大側結像面と縮小側結像面とが非平行とされている。
下記表11に、本実施例6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。
Figure 2006184775
下記表12に、本実施例6の、実施例1の表2と同様の項目についての、自由曲面に関するデータを示す。
Figure 2006184775
また、本実施例に係る反射型光学系では、上記条件式(1)〜(8)に対応する値は後述する表21のようになっている。この反射型光学系は条件式(1)〜(8)を全て満足している。
この反射型光学系の光学性能は、実施例1と略同等に各収差を良好に補正し得る高性能なものである。図11は本実施例6に係る反射型光学系の、縮小側結像面での有効エリアをX方向に16分割、Y方向に12分割した網目に対応する拡大側結像面における投写歪曲を示している。この実施例では縮小側結像面および拡大側結像面はアスペクト比16:9とされているが、本発明によれば、アスペクト比に関わらず歪曲収差を良好に補正することができる。また、縮小側結像面でのスポット形状は、図5に示されたものと略同程度の性能を示すものとなっている。
<実施例7>
本実施例7に係る反射型光学系の構成として、図12に主要部の拡大図を示す。
この反射型光学系の構成は実施例1のものと略同様とされている。
この実施例のフォーカス操作は上述した第2の方式による。また、第1のミラー1の移動軌跡は直線となる。この実施例では、フォーカス1、フォーカス2の2つのフォーカス移動位置が設定されている。
また、この実施例の縮小側瞳位置は無限遠とされ、上記第1の位置とされている。この反射型光学系では、縮小側結像面上の各点からの瞳中心光線が第2のミラー2と第3のミラー3との間で交わるように構成されており、この位置に絞りを配することが好ましい。
また、この反射型光学系では、拡大側結像面がX軸回転されており、拡大側結像面と縮小側結像面とが非平行とされている。
下記表13に、本実施例7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。
Figure 2006184775
下記表14に、本実施例7の、実施例1の表2と同様の項目についての、自由曲面に関するデータを示す。
Figure 2006184775
また、本実施例に係る反射型光学系では、上記条件式(1)〜(8)に対応する値は後述する表21のようになっている。この反射型光学系は条件式(1)〜(8)を全て満足している。
この反射型光学系の光学性能は、実施例1と略同等に各収差を良好に補正し得る高性能なものであり、縮小側結像面で正方形状の網目に対応する拡大側結像面における投写歪曲および縮小側結像面でのスポット形状は、図4および図5に示されたものと略同程度の性能を示すものとなっている。
<実施例8>
本実施例8に係る反射型光学系の構成として、図13に主要部の拡大図を示す。
この反射型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、この反射型光学系では、縮小側瞳位置は第3のミラー3の近傍とされ、上記第2の位置とされている。第3のミラー3の近傍に絞りを配することが好ましい。
この実施例のフォーカス操作は上述した第2の方式による。また、第1のミラー1の移動軌跡は直線となる。この実施例では、フォーカス1、フォーカス2の2つのフォーカス移動位置が設定されている。
また、この反射型光学系では、拡大側結像面がX軸回転されており、拡大側結像面と縮小側結像面とが非平行とされている。
下記表15に、本実施例8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。ただし、この反射型光学系では縮小側瞳が有限位置にあるので、表15の右中段にはそのデータとして、縮小側瞳位置の、縮小側結像面からのZ方向での距離と縮小側結像面中央からのY方向での距離とを示し、さらに、この縮小側瞳の半径を示す。
Figure 2006184775
下記表16に、本実施例8の、実施例1の表2と同様の項目についての、自由曲面に関するデータを示す。
Figure 2006184775
また、本実施例に係る反射型光学系では、上記条件式(1)〜(8)に対応する値は後述する表21のようになっている。この反射型光学系は条件式(1)〜(8)を全て満足している。
この反射型光学系の光学性能は、実施例1と略同等に各収差を良好に補正し得る高性能なものであり、縮小側結像面で正方形状の網目に対応する拡大側結像面における投写歪曲および縮小側結像面でのスポット形状は、図4および図5に示されたものと略同程度の性能を示すものとなっている。
<実施例9>
本実施例9に係る反射型光学系の構成として、図14に主要部の拡大図を示す。
この反射型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、この実施例のフォーカス操作は上述した第1の方式による。すなわち、第1のミラー1が単体で移動し、さらに第2のミラー2と第3のミラー3とは一体に移動し、これら3つのミラーの移動軌跡がそれぞれ直線となる。ミラー1〜3の実際の移動方向および移動量は、表17に記載の数値に基づく。この実施例では、フォーカス1、フォーカス2の2つのフォーカス移動位置が設定されている。
また、この実施例の縮小側瞳位置は無限遠とされ、上記第1の位置とされている。この反射型光学系では、縮小側結像面上の各点からの瞳中心光線が第2のミラー2と第3のミラー3との間で交わるように構成されており、この位置に絞りを配することが好ましい。
下記表17に、本実施例9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。
Figure 2006184775
下記表18に、本実施例9の、実施例1の表2と同様の項目についての、自由曲面に関するデータを示す。
Figure 2006184775
また、本実施例に係る反射型光学系では、上記条件式(1)〜(8)に対応する値は後述する表21のようになっている。この反射型光学系は条件式(1)〜(8)を全て満足している。
この反射型光学系の光学性能は、実施例1と略同等に各収差を良好に補正し得る高性能なものであり、縮小側結像面で正方形状の網目に対応する拡大側結像面における投写歪曲および縮小側結像面でのスポット形状は、図4および図5に示されたものと略同程度の性能を示すものとなっている。
<実施例10>
本実施例10に係る反射型光学系の構成として、図15に主要部の拡大図を示す。
この反射型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、この実施例のものではフォーカス操作は行われない。
また、この実施例の縮小側瞳位置は無限遠とされ、上記第1の位置とされている。この反射型光学系では、縮小側結像面上の各点からの瞳中心光線が第2のミラー2と第3のミラー3との間で交わるように構成されており、この位置に絞りを配することが好ましい。
下記表19に、本実施例10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。ただし、この反射型光学系ではフォーカス操作は行われないので、フォーカス移動データの表は省略されている。
Figure 2006184775
下記表20に、本実施例10の、実施例1の表2と同様の項目についての、自由曲面に関するデータを示す。
Figure 2006184775
また、本実施例に係る反射型光学系では、上記条件式(1)〜(8)に対応する値は後述する表21のようになっている。この反射型光学系は条件式(1)〜(8)を全て満足している。
この反射型光学系の光学性能は、実施例1と略同等に各収差を良好に補正し得る高性能なものであり、縮小側結像面で正方形状の網目に対応する拡大側結像面における投写歪曲および縮小側結像面でのスポット形状は、図4および図5に示されたものと略同程度の性能を示すものとなっている。
Figure 2006184775
次に、本発明の反射型光学系を投写型表示装置の投写光学系として用いる場合に好適な、ライトバルブと色合成光学系について説明する。
図16は、反射型のライトバルブ15を用いる場合のライトバルブ近辺の光線図である。ライトバルブ15に対して斜め方向から照明光が入射され、ライトバルブ15で反射されて、画像情報を担持した投写光が本発明の反射型光学系の第3のミラー13に入射される様子が示されている。このような反射型のライトバルブ15としては、例えば、テキサス・インスツルメント社製のデジタルマイクロミラーデバイスのような、傾きを変えることができる微小な鏡が略平面上に多数形成された微小ミラー素子が知られている。また反射型のライトバルブとして、反射型の液晶表示素子(LCOS)も知られている。ライトバルブ15の光出射側には、必要に応じてカバーガラス16や偏光板等からなる平行平面板が配されてもよい。ライトバルブが1つの、単板式投写型表示装置であっても、例えば時系列的に色分解された照明光を照射し、各色光に対応させて画像情報を時系列的に切り替えてライトバルブ15に表示することにより、カラー画像を投写することが可能となる。
図17は、反射型の3枚のライトバルブ25a〜25cを用いた3板式投写型表示装置の、ライトバルブ近辺の光線図である。ライトバルブ25a〜25cには、各々、3原色のうちの互いに異なる1色の光が照射され、各ライトバルブ25a〜25cをその色光に対応する画像情報に基づいて制御することにより、各ライトバルブ25a〜25cでは各色光に応じた画像情報を担持した投写光が反射されることになる。これら3色の投写光は互いに異なる方向からクロスダイクロイックプリズム28に入射され、このクロスダイクロイックプリズム28の内部で合成されて出射される。なお、図17において、カバーガラス等や偏光板の記載は省略している。また、図17(a)のYZ断面図には第3のミラー23までの光路を示し、図17(b)のXZ断面図にはクロスダイクロイックプリズム28での合成の様子を示している。
図18は、同じ3板式投写型表示装置であるが、透過型の3枚のライトバルブ35a〜35cを用いた装置の、ライトバルブ近辺の光線図である。このような透過型のライトバルブ35a〜35cとしては、例えば、透過型の液晶表示素子が知られている。ライトバルブ35a〜35cには、各々、3原色のうちの互いに異なる1色の光が照射され、各ライトバルブ35a〜35cをその色光に対応する画像情報に基づいて制御することにより、各ライトバルブ35a〜35cでは各色光に応じた画像情報を担持した投写光が透過されることになる。これら3色の投写光は互いに異なる方向からクロスダイクロイックプリズム38に入射され、このクロスダイクロイックプリズム38の内部で合成されて出射される。なお、図18において、カバーガラス等や偏光板の記載は省略している。また、図18(a)のYZ断面図には第3のミラー33までの光路を示し、図18(b)のXZ断面図にはクロスダイクロイックプリズム38での合成の様子を示している。
図17および図18に示すように、本発明の反射型光学系を投写光学系として用いる場合に、第3のミラー23、33と縮小側結像面(ライトバルブ25a〜25c、35a〜35c)との間に、例えばクロスダイクロイックプリズム28、38のような、色合成光学系を配置することができる。
なお、色合成光学系としてはクロスダイクロイックプリズムに限られず、例えばPBSを用いることも可能であるが、いずれの場合もこのような色合成光学系では、各色光がガラス部材を透過するので色収差が発生することがある。そこで、本発明の、反射型光学系の色収差なしという利点を活かすためには、色合成光学系と縮小側結像面との間に、色合成光学系で発生する色収差を補正する少なくとも1つの色補正手段を配することが好ましい。色補正手段の例としては、一部の色光のガラス部材内での光路長だけを他と異ならせるように、プリズム形状を設定したり、ほとんど屈折力のない薄いレンズを一部の色光の縮小側結像面近傍に配置したりする手法がある。このような場合に、一部の色光の光路では、反射型光学系を構成する光学面のうちで、曲面が第1〜第3のミラーの3つの反射面のみとならない場合もありうるが、少なくとも1つの光路で曲面が第1〜第3のミラーの3つの反射面のみとなっていれば、本発明の実施形態に含まれるものである。
本発明に係る反射型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に係る反射型光学系の構成を示す図 図1の反射型光学系を回転させた図 図2の反射型光学系に平面ミラーを配設した図 実施例1に係る反射型光学系の拡大側結像面における投写歪曲図 実施例1に係る反射型光学系の縮小側結像面でのスポット図 実施例2に係る反射型光学系の構成を示す図 実施例3に係る反射型光学系の構成を示す図 実施例4に係る反射型光学系の構成を示す図 実施例5に係る反射型光学系の構成を示す図 実施例6に係る反射型光学系の構成を示す図 実施例6に係る反射型光学系の拡大側結像面における投写歪曲図 実施例7に係る反射型光学系の構成を示す図 実施例8に係る反射型光学系の構成を示す図 実施例9に係る反射型光学系の構成を示す図 実施例10に係る反射型光学系の構成を示す図 反射型ライトバルブを用いた単板式投写型表示装置のライトバルブ近辺の光線図 反射型ライトバルブを用いた3板式投写型表示装置のライトバルブ近辺の光線図 透過型ライトバルブを用いた3板式投写型表示装置のライトバルブ近辺の光線図
符号の説明
1 第1のミラー
2 第2のミラー
3、13、23、33 第3のミラー
4 スクリーン
5 ライトバルブ
6、16 カバーガラス
7 絞り
8 プリズム部
9 平面ミラー
15、25a〜25c 反射型ライトバルブ
28、38 クロスダイクロイックプリズム
35a〜35c 透過型ライトバルブ

Claims (15)

  1. 一方を拡大側、他方を縮小側とする2つの結像面の間に配され、該2つの結像面の間に中間像を形成しない反射型光学系であって、
    該反射型光学系を構成する光学面のうちで、曲面は前記拡大側結像面側から順に、第1のミラー、第2のミラーおよび第3のミラーの3つの反射面のみとされ、
    以下の条件式(1)および(2)を満足することを特徴とする反射型光学系。
    θL<20度 ・・・・・・・・(1)
    25度<θUL<55度 ・・・(2)
    ただし、
    θL :瞳中心光線が拡大側結像面に対してなす最小角度
    θUL:瞳中心光線が拡大側結像面に対してなす最大角度と最小角度との差
  2. 前記反射型光学系において対称面が1つのみ存在し、この対称面において以下の条件式(3)〜(5)を満足することを特徴とする請求項1記載の反射型光学系。
    20度<θM1<55度 ・・・(3)
    15度<θM2<50度 ・・・(4)
    8度<θM3<30度 ・・・・(5)
    ただし、
    θM1:縮小側結像面の中央を通る瞳中心光線の第1のミラーにおける偏角
    θM2:縮小側結像面の中央を通る瞳中心光線の第2のミラーにおける偏角
    θM3:縮小側結像面の中央を通る瞳中心光線の第3のミラーにおける偏角
  3. 以下の条件式(6)〜(8)を満足することを特徴とする請求項1または2記載の反射型光学系。
    θL<15度 ・・・・・・・・(6)
    30度<θUL ・・・・・・・(7)
    7.5度<|θF| ・・・・・(8)
    ただし、
    θF:縮小側瞳開き角
  4. 前記拡大側結像面と前記縮小側結像面とが非平行とされていることを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項記載の反射型光学系。
  5. フォーカス操作は、前記第1のミラーを単体で移動させ、さらに前記第2のミラーと前記第3のミラーとを一体に移動させ、これら3つのミラーの移動軌跡がそれぞれ直線となるように構成したことを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項記載の反射型光学系。
  6. フォーカス操作は、前記第1のミラーを単体で移動させ、さらに前記第2のミラーと前記第3のミラーとを前記縮小側結像面に対して固定せしめたことを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項記載の反射型光学系。
  7. 前記フォーカス操作において、前記第1のミラーの移動軌跡が直線となることを特徴とする請求項6記載の反射型光学系。
  8. 縮小側瞳位置が無限遠に存在し、前記縮小側結像面上の各点において、縮小側結像面の法線に対して瞳中心光線がなす角度が互いに略等しいことを特徴とする請求項1〜7のうちいずれか1項記載の反射型光学系。
  9. 前記第2のミラーと前記第3のミラーとの間に、光束径制御を行う絞りまたは可変絞りが配置されていることを特徴とする請求項8記載の反射型光学系。
  10. 縮小側瞳位置が前記第3のミラーの近傍に存在することを特徴とする請求項1〜7のうちいずれか1項記載の反射型光学系。
  11. 前記第3のミラーの近傍に、光束径制御を行う絞りまたは可変絞りが配置されていることを特徴とする請求項10記載の反射型光学系。
  12. 前記縮小側結像面に表示された画像を前記拡大側結像面に拡大投写する投写光学系として用いられたことを特徴とする請求項1〜11のうちいずれか1項記載の反射型光学系。
  13. 前記第3のミラーと前記縮小側結像面との間に色合成光学系が配置されたことを特徴とする請求項12記載の反射型光学系。
  14. 前記色合成光学系と前記縮小側結像面との間に、該色合成光学系で発生する色収差を補正する少なくとも1つの色補正手段が配置されたことを特徴とする請求項13記載の反射型光学系。
  15. 光源と、前記縮小側結像面に配置されたライトバルブと、前記光源からの光束を該ライトバルブへ導く照明光学部と、請求項12〜14のうちいずれか1項記載の反射型光学系とを備え、前記光源からの光束を前記ライトバルブで光変調し、該反射型光学系により、前記拡大側結像面に配置されたスクリーンに投写することを特徴とする投写型表示装置。
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