JP2008225455A - Projection optical system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は投影光学系に関するものであり、例えば、スクリーンに近い位置から大きな映像を投影する短距離のフロントプロジェクション用投影光学系に関するものである。 The present invention relates to a projection optical system, for example, a short-distance front projection projection optical system that projects a large image from a position close to a screen.
近年、デジタル・マイクロミラー・デバイスやＬＣＤ(liquid crystal display)を表示素子としたプロジェクタが普及しつつあり、様々なタイプのものが提案されている。例えば斜め投影による投影距離が短い投影光学系として、特許文献１では最終面が凸面ミラーのタイプが提案されており、特許文献２〜４では最終面が凹面ミラーのタイプが提案されている。
特許文献１で提案されているような凸面ミラーを用いたタイプでは、短距離投影を行うとスクリーンへの光線の入射角が大きくなり、フロントプロジェクション等に利用した場合、スクリーンまでの距離が変化すると投影像の位置が上下方向に大きく変化してしまう。このため、机上に投影光学系が設置された場合等では、投影距離が離れると映像が大きく上方向に移動して映像が鑑賞しにくくなる。
In the type using the convex mirror as proposed in
特許文献２〜４で提案されているような凹面ミラーを用いたタイプでは、スクリーンへの光線の入射角を比較的小さくすることができ、投影距離が変化しても投影像の移動を比較的小さくすることができる。しかし、特許文献２〜４で提案されている投影光学系では、曲面ミラーが２枚以上配置されているため、投影光学系が上下方向に大きく、フロントプロジェクション用の投影光学系として机上に設置して使用すると、投影光学系が映像鑑賞の邪魔になってしまう。また、特許文献２〜４で提案されている投影光学系は、リアプロジェクション用であるためフォーカス機構を持っていない。したがって、フロントプロジェクションに使用した場合にはフォーカスを行うことができない。
In the type using the concave mirror as proposed in
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、その目的は、近距離のフロントプロジェクションにおいて、投影距離が変動しても映像の高さ方向の上下変動を抑えながらフォーカスすることにより、６０インチから１００インチ程度まで良好な投影像を得ることのできる、コンパクトかつ高性能な投影光学系を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and its purpose is to focus on a front projection at a short distance while suppressing vertical fluctuation in the height direction of the image even if the projection distance varies. An object of the present invention is to provide a compact and high-performance projection optical system capable of obtaining a good projection image from about 60 inches to about 100 inches.
上記目的を達成するために、第１の発明の投影光学系は、表示素子からの光を受けてその表示画像をスクリーンに拡大投影し、スクリーンへの投影距離を変えることで異なる投影倍率の画像を表示する投影光学系であって、屈折レンズで構成された正パワーの屈折光学系と、その屈折光学系よりもスクリーン側に位置する凹面ミラーと、を有し、前記屈折光学系と前記凹面ミラーとの間の空間に前記表示画像の中間像を形成し、いずれかの光学素子がフォーカスのために移動し、前記凹面ミラーの反射面形状が面対称であり、以下の条件式(1)を満たすことを特徴とする。
4°＜θ１＜20° …(1)
ただし、
θ１：凹面ミラーの対称面での断面において、最近接投影時にスクリーンに入射する光線のうちスクリーン面の法線と成す角が最も小さい光線の入射角度、
である。
In order to achieve the above object, the projection optical system according to the first aspect of the invention receives the light from the display element, enlarges and projects the display image on the screen, and changes the projection distance onto the screen to change the projection distance. A positive power refracting optical system composed of a refracting lens, and a concave mirror located on the screen side of the refracting optical system, the refracting optical system and the concave surface An intermediate image of the display image is formed in the space between the mirrors, one of the optical elements is moved for focusing, the shape of the reflecting surface of the concave mirror is plane symmetric, and the following conditional expression (1) It is characterized by satisfying.
4 ° <θ1 <20 °… (1)
However,
θ1: The incident angle of the light ray having the smallest angle with the normal of the screen surface among the light rays incident on the screen during the closest projection in the cross section of the symmetric surface of the concave mirror,
It is.
第２の発明の投影光学系は、上記第１の発明において、前記凹面ミラーよりも表示素子側には、パワーを有する光学素子として前記屈折レンズのみが配置されており、以下の条件式(2)を満たすことを特徴とする。
8°＜θ２＜25° …(2)
ただし、表示素子の画面形状が長方形であり、表示素子の画面中心から絞り中心を通過しスクリーン中心に至る光線を画面中心光線とすると、
θ２：表示素子の画面短辺に平行で画面中心光線を含む平面での断面において、最近接投影時に表示素子の画面上端と画面下端とから射出した主光線が屈折光学系から射出する際に成す角度、
である。
In the projection optical system according to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, only the refractive lens is disposed as an optical element having power closer to the display element than the concave mirror, and the following conditional expression (2 ).
8 ° <θ2 <25 °… (2)
However, if the screen shape of the display element is a rectangle, and the light beam that passes through the aperture center from the screen center of the display element and reaches the screen center is the screen center light beam,
θ2: formed when chief rays emitted from the upper end and lower end of the display element exit from the refractive optical system during the closest projection in a cross section on a plane parallel to the short side of the display element and including the central ray of the screen. angle,
It is.
第３の発明の投影光学系は、上記第１又は第２の発明において、以下の条件式(3)を満たすことを特徴とする。
1.15＜cxf／cyf＜1.65 …(3)
ただし、表示素子の画面形状が長方形であり、表示素子の画面中心から絞り中心を通過しスクリーン中心に至る光線を画面中心光線とすると、
cxf：凹面ミラーの反射面が画面中心光線の入射位置で有する画面長辺方向の曲率、
cyf：凹面ミラーの反射面が画面中心光線の入射位置で有する画面短辺方向の曲率、
である。
A projection optical system according to a third aspect of the invention is characterized in that, in the first or second aspect of the invention, the following conditional expression (3) is satisfied.
1.15 <cxf / cyf <1.65 (3)
However, if the screen shape of the display element is a rectangle, and the light beam that passes through the aperture center from the screen center of the display element and reaches the screen center is the screen center light beam,
cxf: curvature of the screen long side direction that the reflecting surface of the concave mirror has at the incident position of the screen center ray,
cyf: curvature of the short side of the screen that the reflecting surface of the concave mirror has at the incident position of the central ray of the screen,
It is.
第４の発明の投影光学系は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、以下の条件式(4)を満たすことを特徴とする。
-0.07＜cyf×OPK1／βyk＜-0.03 …(4)
ただし、表示素子の画面形状が長方形であり、表示素子の画面中心から絞り中心を通過しスクリーン中心に至る光線を画面中心光線とすると、
cyf：凹面ミラーの反射面が画面中心光線の入射位置で有する画面短辺方向の曲率、
OPK1：最近接投影時の凹面ミラーの反射面からスクリーン面までの画面中心光線の光路長、
βyk：最近接投影時のスクリーン面上での画面短辺方向の倍率、
である。
A projection optical system according to a fourth invention is characterized in that, in any one of the first to third inventions, the following conditional expression (4) is satisfied.
-0.07 <cyf × OPK1 / βyk <-0.03 (4)
However, if the screen shape of the display element is a rectangle, and the light beam that passes through the aperture center from the screen center of the display element and reaches the screen center is the screen center light beam,
cyf: curvature of the short side of the screen that the reflecting surface of the concave mirror has at the incident position of the central ray of the screen,
OPK1: The optical path length of the central ray of the screen from the reflecting surface of the concave mirror to the screen surface at the closest projection,
βyk: magnification in the direction of the short side of the screen on the screen during closest projection,
It is.
第５の発明の投影光学系は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、以下の条件式(5)を満たすことを特徴とする。
0.7＜Sd／Ent＜1.1 …(5)
ただし、
Sd：表示素子の画像表示面から絞りまでの距離、
Ent：表示素子の画像表示面から投影光学系の入射瞳までの距離、
である。
A projection optical system according to a fifth invention is characterized in that, in any one of the first to fourth inventions, the following conditional expression (5) is satisfied.
0.7 <Sd / Ent <1.1 (5)
However,
Sd: distance from the image display surface of the display element to the aperture,
Ent: Distance from the image display surface of the display element to the entrance pupil of the projection optical system,
It is.
第６の発明の投影光学系は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明において、パワーを有するミラーとして前記凹面ミラー１枚のみを最もスクリーン側に有することを特徴とする。 A projection optical system according to a sixth aspect of the present invention is characterized in that, in any one of the first to fifth aspects of the invention, only the concave mirror is provided on the most screen side as a mirror having power.
第７の発明の投影光学系は、上記第１〜第６のいずれか１つの発明において、前記凹面ミラーがフォーカスのために移動することを特徴とする。 A projection optical system according to a seventh invention is characterized in that, in any one of the first to sixth inventions, the concave mirror moves for focusing.
第８の発明の投影光学系は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、フォーカス時に少なくとも以下の条件式(7)を満たす範囲において、以下の条件式(8)を満たすことを特徴とする。
1.4≦βye／βyk≦1.8 …(7)
0.08＜(θak−θae)×βyk／βye＜1.2 …(8)
ただし、
βyk：最近接投影時のスクリーン面上での画面短辺方向の倍率、
βye：遠距離投影時のスクリーン面上での画面短辺方向の倍率、
θak：最近接投影時に表示素子の画面短辺に平行な断面内において、表示素子から絞り中心を通過しスクリーンへ到達する光線のうち、スクリーンに最も斜めに入射する光線の凹面ミラーへの入射角度、
θae：遠距離投影時に表示素子の画面短辺に平行な断面内において、表示素子から絞り中心を通過しスクリーンへ到達する光線のうち、スクリーンに最も斜めに入射する光線の凹面ミラーへの入射角度、
である。
The projection optical system according to an eighth aspect of the present invention is the projection optical system according to any one of the first to fourth aspects, wherein the following conditional expression (8) is satisfied in a range that satisfies at least the following conditional expression (7) during focusing. Features.
1.4 ≦ βye / βyk ≦ 1.8 (7)
0.08 <(θak−θae) × βyk / βye <1.2 (8)
However,
βyk: magnification in the direction of the short side of the screen on the screen during closest projection,
βye: magnification in the direction of the short side of the screen on the screen during long distance projection,
θak: The incident angle of the light ray that is most obliquely incident on the screen to the concave mirror among the light rays that pass from the display element through the aperture center and reach the screen in the cross section parallel to the short side of the display element at the closest projection. ,
θae: The incident angle of the light ray that is the most obliquely incident on the screen to the concave mirror among the light rays that pass through the center of the diaphragm and reach the screen in the cross section parallel to the short side of the display element during long distance projection ,
It is.
第９の発明の投影光学系は、上記第７の発明において、フォーカス時に少なくとも以下の条件式(7)を満たす範囲において、以下の条件式(9)を満たすことを特徴とする。
1.4≦βye／βyk≦1.8 …(7)
0.1＜(1／OPK1−1／OPE1)×Ｔｍ×βyk＜1.2 …(9)
ただし、
βyk：最近接投影時のスクリーン面上での画面短辺方向の倍率、
βye：遠距離投影時のスクリーン面上での画面短辺方向の倍率、
OPK1：最近接投影時の凹面ミラーの反射面からスクリーン面までの画面中心光線の光路長、
OPE1：遠距離投影時の凹面ミラーの反射面からスクリーン面までの画面中心光線の光路長、
Ｔｍ：最近接投影から遠距離投影への、表示素子基準での凹面ミラーの移動量(ただし、最近接投影から遠距離投影で表示素子に近づく方向に移動する。)、
である。
The projection optical system according to a ninth aspect of the invention is characterized in that, in the seventh aspect of the invention, the following conditional expression (9) is satisfied in a range that satisfies at least the following conditional expression (7) during focusing.
1.4 ≦ βye / βyk ≦ 1.8 (7)
0.1 <(1 / OPK1-1 / OPE1) × Tm × βyk <1.2 (9)
However,
βyk: magnification in the direction of the short side of the screen on the screen during closest projection,
βye: magnification in the direction of the short side of the screen on the screen during long distance projection,
OPK1: The optical path length of the central ray of the screen from the reflecting surface of the concave mirror to the screen surface at the closest projection,
OPE1: Optical path length of the screen center ray from the reflecting surface of the concave mirror to the screen surface during long distance projection,
Tm: the amount of movement of the concave mirror on the basis of the display element from the closest projection to the long-distance projection (however, it moves in the direction approaching the display element from the closest projection to the long-distance projection),
It is.
本発明によれば、正パワーの屈折光学系と凹面ミラーとの組み合わせにより近距離投影の達成が可能となり、所定の条件を満たすようにスクリーンへの光線の入射角を小さくした再結像の光学構成により投影距離の変動による投影位置の変動を抑えることが可能となる。また、フォーカス機構の組み込みにより適切な投影距離で良好な投影像を得ることが可能となる。したがって、コンパクトかつ高性能な投影光学系でありながら、近距離のフロントプロジェクションにおいて、投影距離が変動しても投影像の高さ方向の上下変動を抑えながらフォーカスすることにより、６０インチから１００インチ程度まで良好な投影像を得ることができる。 According to the present invention, a combination of a positive power refracting optical system and a concave mirror makes it possible to achieve short-distance projection, and re-imaging optics in which the incident angle of light rays on the screen is reduced so as to satisfy a predetermined condition. According to the configuration, it is possible to suppress the change in the projection position due to the change in the projection distance. In addition, it is possible to obtain a good projection image at an appropriate projection distance by incorporating a focus mechanism. Therefore, although it is a compact and high-performance projection optical system, focusing is performed while suppressing vertical fluctuation in the height direction of the projected image even when the projection distance varies in a short-distance front projection, so that 60 inches to 100 inches. A good projection image can be obtained to a certain extent.
以下、本発明に係る投影光学系の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。本発明に係る投影光学系は、表示素子からの光を受けてその表示画像をスクリーンに拡大投影する投影光学系であって、屈折レンズで構成された正パワーの屈折光学系と、その屈折光学系よりもスクリーン側に位置する凹面ミラーと、を有し、屈折光学系と凹面ミラーとの間の空間に前記表示画像の中間像を形成し、いずれかの光学素子がフォーカスのために移動することを特徴としている。スクリーン側に凹面ミラーを配置すると、前述したように投影距離の変動による投影位置の変動(つまり投影像の上下移動)を抑えることができる。これを図１３を用いて具体的に説明する。 Embodiments of a projection optical system according to the present invention will be described below with reference to the drawings. A projection optical system according to the present invention is a projection optical system that receives light from a display element and projects the display image on a screen in an enlarged manner, and includes a positive power refractive optical system composed of a refractive lens, and the refractive optical system A concave mirror positioned on the screen side of the system, and forms an intermediate image of the display image in a space between the refractive optical system and the concave mirror, and any one of the optical elements moves for focusing It is characterized by that. If a concave mirror is arranged on the screen side, it is possible to suppress the change in the projection position (that is, the vertical movement of the projection image) due to the change in the projection distance as described above. This will be specifically described with reference to FIG.
図１３(Ａ)に示すように、スクリーンＳＣ側に凸面ミラーＭａを有する投影光学系で斜め方向からフロントプロジェクションを行うと、スクリーンＳＣへの光線の入射角θ１が大きいため、投影距離が変化するとスクリーンＳＣ上での投影像ＩＡ，ＩＢの位置が上下方向に大きく変化してしまう(δ：投影像ＩＡ，ＩＢの移動量)。一方、図１３(Ｂ)に示すように、スクリーンＳＣ側に凹面ミラーＭｂを有する投影光学系で斜め方向からフロントプロジェクションを行えば、スクリーンＳＣへの光線の入射角θ１を比較的小さくすることができ、投影距離が変化したときの投影像ＩＡ，ＩＢの移動量δを比較的小さくすることができる。 As shown in FIG. 13A, when front projection is performed in an oblique direction with a projection optical system having a convex mirror Ma on the screen SC side, the incident angle θ1 of the light ray on the screen SC is large, and therefore the projection distance changes. The positions of the projected images IA and IB on the screen SC greatly change in the vertical direction (δ: movement amount of the projected images IA and IB). On the other hand, as shown in FIG. 13B, if front projection is performed from an oblique direction with a projection optical system having a concave mirror Mb on the screen SC side, the incident angle θ1 of the light beam on the screen SC can be made relatively small. The amount of movement δ of the projection images IA and IB when the projection distance changes can be made relatively small.
正パワーの屈折光学系と、その屈折光学系よりもスクリーン側に位置する凹面ミラーと、を有し、屈折光学系と凹面ミラーとの間の空間に前記表示画像の中間像を形成する投影光学系では、上記のように投影像ＩＡ，ＩＢの移動量δを小さくすることができるので、近距離のフロントプロジェクションにおいて、投影距離が変動しても投影像の高さ方向の上下変動を抑えながらフォーカスすることが可能となる。その投影位置の変動をより一層効果的に抑えながら、６０インチから１００インチ程度まで良好な投影像を得る上で望ましい条件、その他の有効な構成を以下に説明する。 Projection optics having a positive power refractive optical system and a concave mirror located on the screen side of the refractive optical system, and forming an intermediate image of the display image in a space between the refractive optical system and the concave mirror In the system, the movement amount δ of the projection images IA and IB can be reduced as described above, so that in the front projection at a short distance, the vertical fluctuation in the height direction of the projection image is suppressed even if the projection distance varies. It becomes possible to focus. A desirable condition and other effective configurations for obtaining a good projected image from 60 inches to 100 inches while suppressing the variation of the projection position will be described below.
投影光学系は、屈折レンズで構成された正パワーの屈折光学系と、その屈折光学系よりもスクリーン側に位置する凹面ミラーと、を有し、屈折光学系と凹面ミラーとの間の空間に中間像を形成し、いずれかの光学素子がフォーカスのために移動し、凹面ミラーの反射面形状が面対称であり、以下の条件式(1)を満たすことが望ましい。
4°＜θ１＜20° …(1)
ただし、
θ１：凹面ミラーの対称面での断面において、最近接投影時にスクリーンに入射する光線のうちスクリーン面の法線と成す角が最も小さい光線の入射角度、
である。
The projection optical system includes a positive power refracting optical system composed of a refractive lens, and a concave mirror located on the screen side of the refracting optical system, in a space between the refractive optical system and the concave mirror. It is desirable that an intermediate image is formed, one of the optical elements is moved for focusing, the shape of the reflecting surface of the concave mirror is plane symmetric, and the following conditional expression (1) is satisfied.
4 ° <θ1 <20 °… (1)
However,
θ1: The incident angle of the light ray having the smallest angle with the normal of the screen surface among the light rays incident on the screen during the closest projection in the cross section of the symmetric surface of the concave mirror,
It is.
図１４に入射角度θ１を示す。図１４において、ＤＳは表示素子、ＳＣはスクリーン、ＰＯは投影光学系、ＬＧは正パワーの屈折光学系、ＭＲは凹面ミラーである。条件式(1)はスクリーンＳＣに対する光線の最小入射角度θ１の好ましい条件範囲を規定しており、この条件式(1)を満たすことにより、投影距離の変化に伴う投影位置の変動を効果的に抑えることが可能となる。条件式(1)の下限を下回ると、凹面ミラーからスクリーンへの光線と屈折光学系とが干渉して光線がケラレてしまう。条件式(1)の上限を上回ると、スクリーンまでの距離をフォーカスで変動させた場合に、投影像の上下方向への移動が大きくなりすぎてしまう。 FIG. 14 shows the incident angle θ1. In FIG. 14, DS is a display element, SC is a screen, PO is a projection optical system, LG is a refractive optical system with positive power, and MR is a concave mirror. Conditional expression (1) defines a preferable condition range of the minimum incident angle θ1 of the light ray with respect to the screen SC. By satisfying this conditional expression (1), the variation of the projection position due to the change of the projection distance is effectively prevented. It becomes possible to suppress. If the lower limit of conditional expression (1) is not reached, the light beam from the concave mirror to the screen interferes with the refractive optical system and the light beam is vignetted. If the upper limit of conditional expression (1) is exceeded, when the distance to the screen is changed by focusing, the movement of the projected image in the vertical direction becomes too large.
パワーを有するミラーとして凹面ミラー１枚のみを有する構成が望ましく、パワーを有するミラーとして凹面ミラー１枚のみを最もスクリーン側に有することが更に望ましい。パワーを有するミラーの反射面は、屈折面と比較して面形状変動による光線の射出角変動量が大きい。このため、屈折面よりもより高い面精度が必要となり、製造難度が高いという問題がある。このようなミラー面を１面のみとすることにより、量産時の性能のバラツキを少なくすることができる。また、パワーミラーを多く使うと投影光学系が高さ方向に大きくなるので、凹面ミラー１枚の構成とすることにより、投影光学系の薄型化・コンパクト化が可能となる。 A configuration having only one concave mirror as a power mirror is desirable, and it is further desirable to have only one concave mirror as a power mirror on the most screen side. The reflecting surface of the mirror having power has a larger amount of variation in the emission angle of the light beam due to the surface shape variation than the refracting surface. For this reason, there is a problem that a higher surface accuracy than the refractive surface is required and the manufacturing difficulty is high. By using only one such mirror surface, variation in performance during mass production can be reduced. In addition, if a large number of power mirrors are used, the projection optical system becomes larger in the height direction, so that the projection optical system can be made thinner and more compact by using a single concave mirror.
凹面ミラーの反射面は自由曲面で構成されることが望ましい。この構成をとることにより、近距離投影においても歪曲収差を良好に補正することが可能となる。また、屈折光学系に自由曲面を少なくとも１面配置することが望ましい。この構成をとることにより、近距離斜め投影により発生する歪曲収差，非点収差，像面湾曲を良好に補正することが可能となる。屈折光学系において最も凹面ミラーに近いレンズに自由曲面を配置することが更に望ましい。この構成をとることにより、各像高の光線が分離した位置に自由曲面を配置することができ、近距離斜め投影により発生する歪曲収差，非点収差，像面湾曲をより一層良好に補正することが可能となる。 The reflecting surface of the concave mirror is preferably composed of a free-form surface. By adopting this configuration, it is possible to satisfactorily correct distortion even in short-distance projection. In addition, it is desirable to arrange at least one free-form surface in the refractive optical system. By adopting this configuration, it is possible to satisfactorily correct distortion, astigmatism, and field curvature that occur due to short-distance oblique projection. It is further desirable to arrange a free-form surface on the lens closest to the concave mirror in the refractive optical system. By adopting this configuration, it is possible to place a free-form surface at a position where the light beams of each image height are separated, and to correct distortion, astigmatism, and field curvature caused by near-field oblique projection even better. It becomes possible.
自由曲面を含むミラーや屈折レンズはプラスチック材料から成ることが望ましい。自由曲面を含む光学素子(ミラー，レンズ等)の構成材料としてプラスチックを使用することにより、光学素子のコストダウンを達成することが可能となる。 The mirror and the refractive lens including the free curved surface are preferably made of a plastic material. By using plastic as a constituent material of an optical element (mirror, lens, etc.) including a free-form surface, it is possible to achieve cost reduction of the optical element.
凹面ミラーよりも表示素子側には、パワーを有する光学素子として屈折レンズのみが配置されており、以下の条件式(2)を満たすことが望ましい。
8°＜θ２＜25° …(2)
ただし、表示素子の画面形状が長方形であり、表示素子の画面中心から絞り中心を通過しスクリーン中心に至る光線を画面中心光線とすると、
θ２：表示素子の画面短辺に平行で画面中心光線を含む平面での断面において、最近接投影時に表示素子の画面上端と画面下端とから射出した主光線が屈折光学系から射出する際に成す角度、
である。
Only a refractive lens is disposed as an optical element having power on the display element side of the concave mirror, and it is desirable that the following conditional expression (2) is satisfied.
8 ° <θ2 <25 °… (2)
However, if the screen shape of the display element is a rectangle, and the light beam that passes through the aperture center from the screen center of the display element and reaches the screen center is the screen center light beam,
θ2: formed when chief rays emitted from the upper end and lower end of the display element exit from the refractive optical system during the closest projection in a cross section on a plane parallel to the short side of the display element and including the central ray of the screen. angle,
It is.
図１４に光線の広がり角度θ２を示す。条件式(2)は屈折光学系ＬＧから射出する光線の成す角度θ２の好ましい条件範囲を規定しており、この条件式(2)を満たすことにより、投影光学系ＰＯの光学性能と大きさとのバランスを良好にすることが可能となる。条件式(2)の下限を下回ると、屈折光学系から射出される光線の広がりが小さくなりすぎて、それを近距離投影で大きく拡大しようとすると、凹面ミラーのパワーが強くなりすぎてしまう。このため、凹面ミラーで発生する歪曲収差や像面湾曲の補正が困難になる。条件式(2)の上限を上回ると、屈折光学系から射出される光線の広がりが大きくなりすぎて、それを受ける凹面ミラーのサイズが大きくなってしまう。このため、投影光学系全体のサイズが大きくなって、コンパクト化が困難になる。 FIG. 14 shows the light spread angle θ2. Conditional expression (2) defines a preferable condition range of the angle θ2 formed by the light beam emitted from the refractive optical system LG. By satisfying this conditional expression (2), the optical performance and size of the projection optical system PO are reduced. It becomes possible to improve the balance. If the lower limit of conditional expression (2) is not reached, the spread of the light beam emitted from the refractive optical system becomes too small, and the power of the concave mirror becomes too strong when attempting to enlarge it by short-distance projection. For this reason, it becomes difficult to correct distortion and field curvature generated in the concave mirror. If the upper limit of conditional expression (2) is exceeded, the spread of the light beam emitted from the refractive optical system becomes too large, and the size of the concave mirror receiving it becomes large. For this reason, the size of the entire projection optical system becomes large, and it becomes difficult to make it compact.
以下の条件式(3)を満たすことが望ましい。
1.15＜cxf／cyf＜1.65 …(3)
ただし、表示素子の画面形状が長方形であり、表示素子の画面中心から絞り中心を通過しスクリーン中心に至る光線を画面中心光線とすると、
cxf：凹面ミラーの反射面が画面中心光線の入射位置で有する画面長辺方向の曲率、
cyf：凹面ミラーの反射面が画面中心光線の入射位置で有する画面短辺方向の曲率、
である。
It is desirable to satisfy the following conditional expression (3).
1.15 <cxf / cyf <1.65 (3)
However, if the screen shape of the display element is a rectangle, and the light beam that passes through the aperture center from the screen center of the display element and reaches the screen center is the screen center light beam,
cxf: curvature of the screen long side direction that the reflecting surface of the concave mirror has at the incident position of the screen center ray,
cyf: curvature of the short side of the screen that the reflecting surface of the concave mirror has at the incident position of the central ray of the screen,
It is.
条件式(3)は、凹面ミラーに画面中心光線が入射する位置での好ましい反射面形状を規定している。条件式(3)の下限を下回ると、斜め投影で発生する縦横の方向の倍率差の補正を凹面ミラーで十分に行うことができなくなるため、十分な斜め投影が行えず、ミラーで反射した光束と屈折光学系とが干渉してしまう。条件式(3)の上限を上回ると、斜め投影でのスクリーンの角度を大きくすることはできるが、それによって発生する台形歪の補正が困難になるか、あるいは、台形歪を補正するために凹面ミラーを大きくする必要が生じて、投影光学系のサイズが大きくなってしまう。 Conditional expression (3) defines a preferable reflecting surface shape at a position where the central ray of the screen enters the concave mirror. If the lower limit of conditional expression (3) is not reached, correction of the magnification difference in the vertical and horizontal directions that occurs in oblique projection cannot be sufficiently performed by the concave mirror, so that sufficient oblique projection cannot be performed, and the light beam reflected by the mirror And the refractive optical system interfere with each other. If the upper limit of conditional expression (3) is exceeded, the angle of the screen in oblique projection can be increased, but it becomes difficult to correct the trapezoidal distortion caused by it, or a concave surface is used to correct the trapezoidal distortion. It becomes necessary to enlarge the mirror, and the size of the projection optical system increases.
以下の条件式(3a)を満たすことが更に望ましい。
1.25＜cxf／cyf＜1.55 …(3a)
この条件式(3a)は、上記条件式(3)が規定している条件範囲のなかでも更に好ましい条件範囲を規定している。上記条件式(1)を満たす凹面ミラー配置において、条件式(3a)を満たすことで、斜め投影で発生する縦横の方向の倍率差の補正を凹面ミラーで十分に行うことができる。その結果、十分な斜め投影が可能となり近距離投影での投影倍率を確保できる、あるいは近距離投影が容易となる。また、凹面ミラーで発生する非点収差量が大きくならず、屈折光学系での収差補正が容易となる。
It is more desirable to satisfy the following conditional expression (3a).
1.25 <cxf / cyf <1.55 (3a)
The conditional expression (3a) defines a more preferable condition range among the condition ranges defined by the conditional expression (3). In the concave mirror arrangement satisfying the conditional expression (1), by satisfying the conditional expression (3a), it is possible to sufficiently correct the magnification difference in the vertical and horizontal directions generated by the oblique projection with the concave mirror. As a result, sufficient oblique projection is possible, and a projection magnification in short-distance projection can be secured, or short-distance projection is facilitated. Further, the amount of astigmatism generated in the concave mirror does not increase, and aberration correction in the refractive optical system becomes easy.
以下の条件式(4)を満たすことが望ましい。
-0.07＜cyf×OPK1／βyk＜-0.03 …(4)
ただし、表示素子の画面形状が長方形であり、表示素子の画面中心から絞り中心を通過しスクリーン中心に至る光線を画面中心光線とすると、
cyf：凹面ミラーの反射面が画面中心光線の入射位置で有する画面短辺方向の曲率、
OPK1：最近接投影時の凹面ミラーの反射面からスクリーン面までの画面中心光線の光路長、
βyk：最近接投影時のスクリーン面上での画面短辺方向の倍率、
である。
It is desirable to satisfy the following conditional expression (4).
-0.07 <cyf × OPK1 / βyk <-0.03 (4)
However, if the screen shape of the display element is a rectangle, and the light beam that passes through the aperture center from the screen center of the display element and reaches the screen center is the screen center light beam,
cyf: curvature of the short side of the screen that the reflecting surface of the concave mirror has at the incident position of the central ray of the screen,
OPK1: The optical path length of the central ray of the screen from the reflecting surface of the concave mirror to the screen surface at the closest projection,
βyk: magnification in the direction of the short side of the screen on the screen during closest projection,
It is.
条件式(4)は、凹面ミラーに画面中心光線が入射する位置での好ましい反射面形状を規定している。条件式(4)の下限を下回ると、凹面ミラーのパワーが強くなりすぎて、凹面ミラーで発生する歪曲収差と像面湾曲の補正が困難になる。条件式(4)の上限を上回ると、凹面ミラーのパワーが弱くなりすぎて、広角化が困難になるため十分な拡大倍率が確保できなくなるか、あるいは、凹面ミラーのサイズが大きくなってしまう。 Conditional expression (4) defines a preferable reflecting surface shape at the position where the central ray of the screen enters the concave mirror. If the lower limit of conditional expression (4) is not reached, the power of the concave mirror becomes too strong, and it becomes difficult to correct distortion and field curvature that occur in the concave mirror. If the upper limit of conditional expression (4) is exceeded, the power of the concave mirror becomes too weak and it becomes difficult to widen the angle, so that a sufficient magnification cannot be secured, or the size of the concave mirror becomes large.
以下の条件式(4a)を満たすことが更に望ましい。
-0.06＜cyf×OPK1／βyk＜-0.04 …(4a)
この条件式(4a)は、上記条件式(4)が規定している条件範囲のなかでも更に好ましい条件範囲を規定している。上記条件式(1)を満たす凹面ミラー配置において、条件式(4a)を満たすことで、凹面ミラーのパワーが適切に設定され、誤差感度が低減されて量産時の製造バラツキを抑えることができるとともに、凹面ミラーのサイズの大型化を防止できる。
It is more desirable to satisfy the following conditional expression (4a).
-0.06 <cyf × OPK1 / βyk <-0.04 (4a)
This conditional expression (4a) defines a more preferable condition range among the condition ranges defined by the conditional expression (4). In the concave mirror arrangement that satisfies the above conditional expression (1), by satisfying conditional expression (4a), the power of the concave mirror is appropriately set, the error sensitivity can be reduced, and manufacturing variations during mass production can be suppressed. The increase in the size of the concave mirror can be prevented.
以下の条件式(5)を満たすことが望ましい。
0.7＜Sd／Ent＜1.1 …(5)
ただし、
Sd：表示素子の画像表示面から絞りまでの距離、
Ent：表示素子の画像表示面から投影光学系の入射瞳までの距離、
である。
It is desirable to satisfy the following conditional expression (5).
0.7 <Sd / Ent <1.1 (5)
However,
Sd: distance from the image display surface of the display element to the aperture,
Ent: Distance from the image display surface of the display element to the entrance pupil of the projection optical system,
It is.
条件式(5)の下限を下回ると、表示素子から入射瞳位置までの距離が実絞りの位置よりも遠くなり、表示素子から投影光学系へ向かう光線がテレセントリックに近くなる。このため、表示素子付近のレンズ径が大きくなり、屈折光学系の全長が長くなってしまう。条件式(5)の上限を上回ると、入射瞳が表示素子に近づきすぎてしまい、レンズバックが短くなりすぎて照明光源を屈折光学系に干渉せずに入射することが困難になったり、表示素子に対する光線の角度が大きくなりすぎて周辺照度落ちが大きくなりすぎたりする。 If the lower limit of conditional expression (5) is not reached, the distance from the display element to the entrance pupil position becomes farther than the actual aperture position, and the light beam traveling from the display element to the projection optical system becomes telecentric. For this reason, the lens diameter in the vicinity of the display element is increased, and the total length of the refractive optical system is increased. If the upper limit of conditional expression (5) is exceeded, the entrance pupil will be too close to the display element, and the lens back will be too short, making it difficult for the illumination light source to enter without interfering with the refractive optical system, or for display. The angle of the light beam with respect to the element becomes too large, and the decrease in ambient illuminance becomes too large.
以下の条件式(6)を満たすことが望ましい。
-0.35＜cyf×kyf＜-0.05 …(6)
ただし、表示素子の画面形状が長方形であり、表示素子の画面中心から絞り中心を通過しスクリーン中心に至る光線を画面中心光線とすると、
cyf：凹面ミラーの反射面が画面中心光線の入射位置で有する画面短辺方向の曲率、
kyf：屈折光学系が画面中心光線の通過位置で有する画面短辺方向(後述する座標系のｙ軸方向)の焦点距離、
である。
It is desirable to satisfy the following conditional expression (6).
-0.35 <cyf × kyf <-0.05… (6)
However, if the screen shape of the display element is a rectangle, and the light beam that passes through the aperture center from the screen center of the display element and reaches the screen center is the screen center light beam,
cyf: curvature of the short side of the screen that the reflecting surface of the concave mirror has at the incident position of the central ray of the screen,
kyf: focal length in the direction of the short side of the screen (the y-axis direction of the coordinate system to be described later) that the refractive optical system has at the screen center ray passage position
It is.
条件式(6)の下限を下回ると、凹面ミラーのパワーが強くなりすぎて凹面ミラーで発生する歪曲収差と像面湾曲収差の補正が困難になるか、あるいは、屈折光学系のパワーが弱くなりすぎて屈折光学系の全長が長くなってしまい、投影光学系がコンパクトでなくなってしまう。条件式(6)の上限を上回ると、凹面ミラーのパワーが弱くなりすぎて凹面ミラーで十分に広角化することができず投影像の拡大倍率の確保が困難になるか、あるいは、屈折光学系の焦点距離が短くなりすぎて屈折光学系で発生する像面湾曲収差と球面収差の補正が困難になる。 If the lower limit of conditional expression (6) is not reached, the power of the concave mirror becomes too strong, making it difficult to correct distortion aberration and field curvature aberration generated by the concave mirror, or the power of the refractive optical system becomes weak. Therefore, the total length of the refractive optical system becomes long, and the projection optical system becomes not compact. If the upper limit of conditional expression (6) is exceeded, the power of the concave mirror will be too weak and the concave mirror will not be able to widen the angle sufficiently, making it difficult to ensure the magnification of the projected image, or the refractive optical system Is too short, and it becomes difficult to correct curvature of field aberration and spherical aberration generated in the refractive optical system.
以下の条件式(6a)を満たすことが更に望ましい。
-0.27＜cyf×kyf＜-0.09 …(6a)
この条件式(6a)は、上記条件式(6)が規定している条件範囲のなかでも更に好ましい条件範囲を規定している。上記条件式(1)を満たす凹面ミラー配置において、条件式(6a)を満たすことで、凹面ミラーのパワーが適切に設定される。その結果、凹面ミラーの誤差感度が低減されて量産時の製造バラツキを抑えることができる、凹面ミラーを小型にすることができる、屈折光学系の焦点距離を収差補正に対して適切に設定でき、小型の投影光学系が実現できる、あるいは、屈折光学系の誤差感度を低減でき量産時の製造バラツキを抑えることができる、という効果が得られる。
It is more desirable to satisfy the following conditional expression (6a).
-0.27 <cyf × kyf <-0.09… (6a)
This conditional expression (6a) defines a more preferable condition range among the condition ranges defined by the conditional expression (6). In the concave mirror arrangement that satisfies the conditional expression (1), the power of the concave mirror is appropriately set by satisfying the conditional expression (6a). As a result, the error sensitivity of the concave mirror can be reduced and manufacturing variations during mass production can be suppressed, the concave mirror can be miniaturized, the focal length of the refractive optical system can be set appropriately for aberration correction, There is an effect that a small projection optical system can be realized, or that the error sensitivity of the refracting optical system can be reduced and manufacturing variations during mass production can be suppressed.
凹面ミラーがフォーカスのために移動することが望ましい。また、最もスクリーン側に配置された凹面ミラーをフォーカス時に動かし、スクリーンが投影光学系に近い状態(近距離投影状態)から遠い状態(遠距離投影状態)へのフォーカス時に、凹面ミラーが表示素子に近づく方向に動くことが望ましい。最もスクリーン側に配置された凹面ミラーの移動でフォーカスを行う構成とすることにより、フォーカス時に発生する歪曲収差と像面湾曲の変動を良好に補正することが可能となる。 It is desirable for the concave mirror to move for focusing. In addition, the concave mirror located on the most screen side is moved during focusing, and the concave mirror is used as a display element when focusing from a state close to the projection optical system (short-distance projection state) to a far state (long-distance projection state). It is desirable to move in the direction of approach. By adopting a configuration in which focusing is performed by moving the concave mirror disposed on the most screen side, it is possible to satisfactorily correct distortion and field curvature fluctuations that occur during focusing.
最もスクリーン側に位置する凹面ミラー１枚と屈折光学系との組み合わせにおいて、少なくとも凹面ミラーをフォーカスに用いることにより、斜め投影光学系のコンパクト化が可能となる。さらに、フォーカス時には最もスクリーン側に配置された凹面ミラーと屈折光学系の一部又は全部を異なった動きで動かすことが望ましい。この構成を採用することにより、フォーカス時に発生する歪曲収差と像面湾曲の変動を更に良好に補正することができるため、良好な性能でフォーカス可能な投影距離が拡大するというメリットがある。 In the combination of one concave mirror located closest to the screen and the refractive optical system, at least the concave mirror is used for focusing, so that the oblique projection optical system can be made compact. Furthermore, it is desirable to move a part of or all of the concave mirror disposed on the most screen side and the refractive optical system with different movements during focusing. By adopting this configuration, it is possible to more satisfactorily correct the distortion and the curvature of field that occur at the time of focusing, so that there is an advantage that the projection distance that can be focused with good performance is increased.
凹面ミラーを用いた斜め投影光学系においては、図１６に示すように、スクリーンへの光線の斜め入射角の大きい光線ＲＵは凹面ミラーＭｂのスクリーンに近接した位置から大きく跳ね上げられてスクリーンへ到達するため、この光線ＲＵの射出瞳が他の位置の光線よりスクリーンに近接している。光線ＲＵの光路がこのようなため、フォーカスによってスクリーン位置が遠くになると、そのままの光線角度ではスクリーンへの斜め入射角の大きい光線方向に像が伸びてしまう。つまり、近接投影時において、画面上部への光線ＲＵと画面中央部への光線ＲＭとの間隔Ａと、画面下部への光線ＲＬと画面中央部の光線ＲＭとの間隔Ｂと、が等しい場合であっても、より大きな拡大倍率にすると、画面上部への光線ＲＵと画面中央部への光線ＲＭとの間隔Ａ’と、画面下部への光線ＲＬと画面中央部の光線ＲＭとの間隔Ｂ’と、が異なってしまう。すなわち、投影像ＩＢは歪んでしまう。 In the oblique projection optical system using the concave mirror, as shown in FIG. 16, the light ray RU having a large oblique incident angle to the screen is greatly jumped from the position close to the screen of the concave mirror Mb and reaches the screen. Therefore, the exit pupil of this ray RU is closer to the screen than the rays at other positions. Since the optical path of the light beam RU is such, if the screen position becomes far away due to focusing, the image extends in the direction of the light beam having a large oblique incident angle to the screen at the same light beam angle. That is, in the proximity projection, the distance A between the light beam RU to the upper part of the screen and the light beam RM to the central part of the screen is equal to the distance B between the light beam RL to the lower part of the screen and the light beam RM at the central part of the screen. Even if the magnification is larger, the distance A ′ between the light beam RU to the upper part of the screen and the light beam RM to the central part of the screen, and the distance B ′ between the light beam RL to the lower part of the screen and the light beam RM at the central part of the screen. And will be different. That is, the projection image IB is distorted.
上記投影像の歪みを防いでＡ’＝Ｂ’とするためには、フォーカス時に少なくとも以下の条件式(7)を満たす範囲において、凹面ミラーに入射する光線の角度が以下の条件式(8)を満たすことが望ましい。
1.4≦βye／βyk≦1.8 …(7)
0.08＜(θak−θae)×βyk／βye＜1.2 …(8)
ただし、
βyk：最近接投影時のスクリーン面上での画面短辺方向の倍率、
βye：遠距離投影時のスクリーン面上での画面短辺方向の倍率、
θak：最近接投影時に表示素子の画面短辺に平行な断面内において、表示素子から絞り中心を通過しスクリーンへ到達する光線のうち、スクリーンに最も斜めに入射する光線の凹面ミラーへの入射角度、
θae：遠距離投影時に表示素子の画面短辺に平行な断面内において、表示素子から絞り中心を通過しスクリーンへ到達する光線のうち、スクリーンに最も斜めに入射する光線の凹面ミラーへの入射角度、
である。
In order to prevent the distortion of the projected image and set A ′ = B ′, the angle of the light ray incident on the concave mirror is set to the following conditional expression (8) in a range satisfying at least the following conditional expression (7) at the time of focusing. It is desirable to satisfy.
1.4 ≦ βye / βyk ≦ 1.8 (7)
0.08 <(θak−θae) × βyk / βye <1.2 (8)
However,
βyk: magnification in the direction of the short side of the screen on the screen during closest projection,
βye: magnification in the direction of the short side of the screen on the screen during long distance projection,
θak: The incident angle of the light ray that is most obliquely incident on the screen to the concave mirror among the light rays that pass from the display element through the aperture center and reach the screen in the cross section parallel to the short side of the display element at the closest projection. ,
θae: The incident angle of the light ray that is the most obliquely incident on the screen to the concave mirror among the light rays that pass through the center of the diaphragm and reach the screen in the cross section parallel to the short side of the display element during long distance projection ,
It is.
フロント投影型のプロジェクタの場合、一般的におよそ６０インチから１００インチの大きさで画像を投影する場合が多い。したがって、少なくともこのような投影倍率の範囲で、画像歪みを抑制させておくことが好ましい。条件式(8)の下限値を下回ると、フォーカス時の凹面ミラーへの光線入射角の変化が少なくなり、フォーカス時の像の変形が補正不十分となる。条件式(8)の上限値を上回ると、凹面ミラーへの光線入射角の変化が大きくなりすぎて像の変形が過剰補正となってしまう。 In the case of a front projection type projector, an image is generally projected in a size of approximately 60 inches to 100 inches. Therefore, it is preferable to suppress image distortion at least within such a projection magnification range. If the lower limit of conditional expression (8) is not reached, the change in the incident angle of light on the concave mirror at the time of focusing is reduced, and the deformation of the image at the time of focusing becomes insufficiently corrected. If the upper limit value of conditional expression (8) is exceeded, the change in the angle of incidence of light on the concave mirror becomes too large, and the deformation of the image is overcorrected.
また、フォーカス時に表示素子に対して凹面ミラー位置を移動させ、少なくとも前記条件式(7)を満たす範囲において、以下の条件式(9)を満たすことが望ましい。
0.1＜(1／OPK1−1／OPE1)×Ｔｍ×βyk＜1.2 …(9)
ただし、
OPK1：最近接投影時の凹面ミラーの反射面からスクリーン面までの画面中心光線の光路長、
OPE1：遠距離投影時の凹面ミラーの反射面からスクリーン面までの画面中心光線の光路長、
Ｔｍ：最近接投影から遠距離投影への、表示素子基準での凹面ミラーの移動量(ただし、最近接投影から遠距離投影で表示素子に近づく方向に移動する。)、
である。
In addition, it is desirable to satisfy the following conditional expression (9) within a range that satisfies the conditional expression (7) by moving the concave mirror position with respect to the display element during focusing.
0.1 <(1 / OPK1-1 / OPE1) × Tm × βyk <1.2 (9)
However,
OPK1: The optical path length of the central ray of the screen from the reflecting surface of the concave mirror to the screen surface at the closest projection,
OPE1: Optical path length of the screen center ray from the reflecting surface of the concave mirror to the screen surface during long distance projection,
Tm: the amount of movement of the concave mirror on the basis of the display element from the closest projection to the long-distance projection (however, it moves in the direction approaching the display element from the closest projection to the long-distance projection),
It is.
条件式(9)の下限値を下回ると、凹面ミラーのフォーカス時の移動量が小さくなりすぎフォーカス時の凹面ミラー上での各光線通過位置の変動が小さくなるために、フォーカスで発生する像面湾曲や歪曲変動の補正が困難となる。条件式(9)の上限値を上回ると、凹面ミラーのフォーカス時の移動量が大きくなりすぎ、フォーカス時の凹面ミラー上の光線通過位置変動が大きくなり凹面ミラーでの像面湾曲、歪曲の変動が過大となり補正が困難となる。 If the lower limit of conditional expression (9) is not reached, the amount of movement of the concave mirror at the time of focusing becomes too small, and the fluctuation of each light passing position on the concave mirror at the time of focusing becomes small. It becomes difficult to correct curvature and distortion. If the upper limit of conditional expression (9) is exceeded, the amount of movement of the concave mirror during focusing becomes too large, and the variation in the light beam passing position on the concave mirror during focusing becomes large, and the field curvature and distortion fluctuations at the concave mirror Becomes excessive and correction becomes difficult.
屈折光学系の絞り近傍に非球面を配置することが更に望ましい。この構成を採用することにより、屈折光学系で発生する球面収差の補正が可能となり、より一層明るい投影光学系を達成することができる。 It is further desirable to arrange an aspherical surface near the stop of the refractive optical system. By adopting this configuration, it becomes possible to correct spherical aberration generated in the refractive optical system, and a brighter projection optical system can be achieved.
屈折光学系と凹面ミラーとの間に平面ミラーを配置して、投影光学系を斜め投影断面に対して概略垂直な方向に光路を折り曲げる構成にすることが望ましい。例えば、図１５に示すように、屈折光学系ＬＧと凹面ミラーＭＲとの間に平面ミラーＭＦを配置して、投影光学系ＰＯを斜め投影断面に対して概略垂直な方向に光路を折り曲げる構成にすることが望ましい。このよう光路を折り曲げる構成にすれば、凹面ミラーを含めた投影光学系の全長が長くても、スクリーンに対する奥行き方向のサイズの短縮が可能となる。また、斜め投影断面に対し平行方向に折り曲げる場合と比較して、厚み方向が薄い光学構成を達成することができる。 It is desirable to arrange a plane mirror between the refractive optical system and the concave mirror so that the optical path is bent in a direction substantially perpendicular to the oblique projection section. For example, as shown in FIG. 15, a plane mirror MF is disposed between the refractive optical system LG and the concave mirror MR, and the optical path of the projection optical system PO is bent in a direction substantially perpendicular to the oblique projection section. It is desirable to do. If the optical path is bent in this way, the size in the depth direction with respect to the screen can be reduced even if the entire length of the projection optical system including the concave mirror is long. In addition, an optical configuration with a thinner thickness direction can be achieved as compared with a case where the oblique projection section is bent in a parallel direction.
凹面ミラーよりも表示素子側に配置された屈折光学系は概ね共軸系で構成されることが望ましい。このように共軸系の屈折光学系を採用すれば、屈折光学系の鏡胴構成が簡単になるため、製造が容易になりコストダウンの達成が可能となる。 It is desirable that the refractive optical system arranged on the display element side with respect to the concave mirror is generally constituted by a coaxial system. By adopting the coaxial refractive optical system in this way, the configuration of the lens barrel of the refractive optical system becomes simple, so that manufacturing is facilitated and cost reduction can be achieved.
次に、第１〜第３の実施の形態を挙げて、本発明に係る投影光学系の具体的な光学構成を説明する。図１，図５，図９に、第１〜第３の実施の形態における表示素子ＤＳから凹面ミラーＭＲまでの投影光路全体の光学構成(光学配置，投影光路等)を、表示素子ＤＳの画面長辺方向に沿って見たときの光学断面(短辺側断面)でそれぞれ示す。また、図２，図６，図１０に、第１〜第３の実施の形態における表示素子ＤＳからスクリーンＳＣまでの投影光路全体の光学構成(光学配置，投影光路等)を、表示素子ＤＳの画面長辺方向に沿って見たときの光学断面(短辺側断面)でそれぞれ示す。 Next, a specific optical configuration of the projection optical system according to the present invention will be described with reference to first to third embodiments. 1, 5 and 9 show the optical configuration (optical arrangement, projection optical path, etc.) of the entire projection optical path from the display element DS to the concave mirror MR in the first to third embodiments, and the screen of the display element DS. An optical cross section (short side cross section) when viewed along the long side direction is shown. 2, 6 and 10 show the optical configuration (optical arrangement, projection optical path, etc.) of the entire projection optical path from the display element DS to the screen SC in the first to third embodiments. Each is shown by an optical cross section (short side cross section) when viewed along the long side direction of the screen.
図１，図５，図９中、Ｌｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)が付されたレンズは表示素子ＤＳ側(縮小側)から数えてｉ番目のレンズである。図２，図６，図１０中、(Ａ)はフォーカシングにおける最近接投影状態での光学配置を光学断面で示しており、(Ｂ)はフォーカシングにおける遠距離投影状態での光学配置を光学断面で示している。なお、表示素子ＤＳの画面の法線方向をｚ方向とし、表示素子ＤＳの画面短辺方向をｙ方向とし、表示素子ＤＳの画面長辺方向をｘ方向とする直交座標系(ｘ，ｙ，ｚ)において、図１，図２；図５，図６；図９，図１０は投影光学系ＰＯから成る第１〜第３の実施の形態の光学構成をｙｚ断面で示している。 In FIG. 1, FIG. 5 and FIG. 9, the lens with Li (i = 1, 2, 3,...) Is the i-th lens counted from the display element DS side (reduction side). 2, 6, and 10, (A) shows an optical arrangement in the closest projection state in focusing in an optical section, and (B) shows an optical arrangement in a long distance projection state in focusing in an optical section. Show. Note that an orthogonal coordinate system (x, y, x, y) is a normal direction of the screen of the display element DS, a short side direction of the display element DS is a y direction, and a long side direction of the display element DS is an x direction. FIG. 1, FIG. 2, FIG. 5, FIG. 6, FIG. 9, and FIG. 10 show the optical configuration of the first to third embodiments including the projection optical system PO in the yz section.
第１〜第３の実施の形態の投影光学系ＰＯは、縮小側(表示素子ＤＳ側)から拡大側(スクリーンＳＣ側)にかけて順に、正パワーの屈折光学系ＬＧと(パワー：焦点距離の逆数で定義される量)、凹面ミラーＭＲと、から成り、屈折光学系ＬＧと凹面ミラーＭＲとの間の空間に中間像を形成し、少なくとも凹面ミラーＭＲがフォーカスのために移動する構成になっている。投影光学系ＰＯはｙｚ平面に関して面対称になっている。したがって、凹面ミラーＭＲの反射面形状は面対称であり、その対称面はｙｚ平面である。各実施の形態の光学構成を以下に詳しく説明する。 The projection optical systems PO of the first to third embodiments are arranged in order from the reduction side (display element DS side) to the enlargement side (screen SC side) and the positive power refractive optical system LG (power: reciprocal of focal length). The concave mirror MR, and forms an intermediate image in the space between the refractive optical system LG and the concave mirror MR, and at least the concave mirror MR moves for focusing. Yes. The projection optical system PO is plane-symmetric with respect to the yz plane. Accordingly, the shape of the reflecting surface of the concave mirror MR is plane symmetric, and the plane of symmetry is the yz plane. The optical configuration of each embodiment will be described in detail below.
第１の実施の形態(図１，図２)において、屈折光学系ＬＧは、表示素子ＤＳ側から順に、第１レンズＬ１〜第８レンズＬ８から成っている。第１レンズＬ１は両凸の正レンズ(両面が回転対称な非球面)であり、第２レンズＬ２は両凹の負レンズである。第３レンズＬ３は、両凸の正レンズと表示素子ＤＳ側に凹の負メニスカスレンズとから成る接合レンズである。第４レンズＬ４は表示素子ＤＳ側に凸の正メニスカスレンズ(縮小側面が回転対称な非球面)であり、第４レンズＬ４の第５レンズＬ５側には絞りＳＴが配置されている。第５レンズＬ５は表示素子ＤＳ側に凹の正メニスカスレンズであり、第６レンズＬ６は両凸の正レンズであり、第７レンズＬ７は表示素子ＤＳ側に凹の負メニスカスレンズ(両面が回転対称な非球面)であり、第８レンズＬ８は表示素子ＤＳ側に凸の負メニスカスレンズ(両面が回転対称な非球面)である。屈折光学系ＬＧのスクリーンＳＣ側には、反射面形状が自由曲面の凹面ミラーＭＲが配置されている。近距離投影状態から遠距離投影状態へのフォーカシングにおいて、屈折光学系ＬＧは拡大側へ移動し、凹面ミラーＭＲは縮小側へ移動する。 In the first embodiment (FIGS. 1 and 2), the refractive optical system LG includes a first lens L1 to an eighth lens L8 in order from the display element DS side. The first lens L1 is a biconvex positive lens (aspherical surface whose both surfaces are rotationally symmetric), and the second lens L2 is a biconcave negative lens. The third lens L3 is a cemented lens including a biconvex positive lens and a negative meniscus lens concave on the display element DS side. The fourth lens L4 is a positive meniscus lens (aspherical surface whose rotational side is rotationally symmetric) convex toward the display element DS, and a stop ST is disposed on the fifth lens L5 side of the fourth lens L4. The fifth lens L5 is a positive meniscus lens concave on the display element DS side, the sixth lens L6 is a biconvex positive lens, and the seventh lens L7 is a negative meniscus lens concave on the display element DS side (both surfaces rotate). The eighth lens L8 is a negative meniscus lens (aspherical surface whose surfaces are rotationally symmetric) convex toward the display element DS. On the screen SC side of the refractive optical system LG, a concave mirror MR whose reflecting surface is a free-form surface is disposed. In focusing from the short distance projection state to the long distance projection state, the refractive optical system LG moves to the enlargement side, and the concave mirror MR moves to the reduction side.
第２の実施の形態(図５，図６)において、屈折光学系ＬＧは、表示素子ＤＳ側から順に、絞りＳＴと第１レンズＬ１〜第７レンズＬ７から成っている。第１レンズＬ１は両凸の正レンズ(両面が回転対称な非球面)であり、第２レンズＬ２は両凹の負レンズである。第３レンズＬ３は、両凸の正レンズと表示素子ＤＳ側に凹の負メニスカスレンズとから成る接合レンズである。第４レンズＬ４は両凹の負レンズ(両面が回転対称な非球面)であり、第５レンズＬ５は表示素子ＤＳ側に凹の正メニスカスレンズであり、第６レンズＬ６は表示素子ＤＳ側に凸の正メニスカスレンズであり、第７レンズＬ７は表示素子ＤＳ側に凹の負メニスカスレンズ(縮小側面が回転対称な非球面で拡大側面が自由曲面のプラスチックレンズ)である。屈折光学系ＬＧのスクリーンＳＣ側には、反射面形状が自由曲面の凹面ミラーＭＲが配置されている。近距離投影状態から遠距離投影状態へのフォーカシングにおいて、第５レンズＬ５〜第７レンズＬ７は拡大側へ移動し、凹面ミラーＭＲは縮小側へ移動する。 In the second embodiment (FIGS. 5 and 6), the refractive optical system LG includes a stop ST and a first lens L1 to a seventh lens L7 in order from the display element DS side. The first lens L1 is a biconvex positive lens (aspherical surface whose both surfaces are rotationally symmetric), and the second lens L2 is a biconcave negative lens. The third lens L3 is a cemented lens including a biconvex positive lens and a negative meniscus lens concave on the display element DS side. The fourth lens L4 is a biconcave negative lens (aspherical surface whose both surfaces are rotationally symmetric), the fifth lens L5 is a positive meniscus lens concave on the display element DS side, and the sixth lens L6 is on the display element DS side. The seventh lens L7 is a negative meniscus lens that is concave on the display element DS side (a plastic lens having an aspherical surface whose rotational side is rotationally symmetric and a free-form surface on the enlarged side). On the screen SC side of the refractive optical system LG, a concave mirror MR whose reflecting surface is a free-form surface is disposed. In focusing from the short distance projection state to the long distance projection state, the fifth lens L5 to the seventh lens L7 move to the enlargement side, and the concave mirror MR moves to the reduction side.
第３の実施の形態(図９，図１０)において、屈折光学系ＬＧは、表示素子ＤＳ側から順に、絞りＳＴと第１レンズＬ１〜第５レンズＬ５から成っている。第１レンズＬ１は表示素子ＤＳ側に凸の負メニスカスレンズと両凸の正レンズとから成る接合レンズ(最も縮小側の面が回転対称な非球面)である。第２レンズＬ２は両凹の負レンズであり、第３レンズＬ３は両凸の正レンズ(両面が回転対称な非球面)であり、第４レンズＬ４は両凸の正レンズであり、第５レンズＬ５は両凹の負レンズ(縮小側面が拡張非球面で拡大側面が自由曲面のプラスチックレンズ)である。屈折光学系ＬＧのスクリーンＳＣ側には、反射面形状が自由曲面の凹面ミラーＭＲが配置されている。近距離投影状態から遠距離投影状態へのフォーカシングにおいて、第４レンズＬ４と第５レンズＬ５は拡大側へ移動し、凹面ミラーＭＲは縮小側へ移動する。 In the third embodiment (FIGS. 9 and 10), the refractive optical system LG includes an aperture ST and a first lens L1 to a fifth lens L5 in order from the display element DS side. The first lens L1 is a cemented lens (aspherical surface whose rotational surface is rotationally symmetric) including a negative meniscus lens convex to the display element DS side and a biconvex positive lens. The second lens L2 is a biconcave negative lens, the third lens L3 is a biconvex positive lens (aspherical surface whose both surfaces are rotationally symmetric), the fourth lens L4 is a biconvex positive lens, The lens L5 is a biconcave negative lens (a plastic lens whose reduction side is an expanded aspheric surface and whose expansion side is a free-form surface). On the screen SC side of the refractive optical system LG, a concave mirror MR whose reflecting surface is a free-form surface is disposed. In focusing from the short distance projection state to the long distance projection state, the fourth lens L4 and the fifth lens L5 move to the enlargement side, and the concave mirror MR moves to the reduction side.
第１〜第３の実施の形態(図１，図２；図５，図６；図９，図１０)は、表示画像をスクリーン面上に拡大投影する、画像投影装置用の投影光学系である。したがって、表示素子ＳＤの画像表示面は光強度の変調等により２次元画像を形成する画像形成面に相当し、スクリーンＳＣはその投影像面に相当する。各実施の形態では表示素子ＤＳとしてデジタル・マイクロミラー・デバイスを想定している。ただし、表示素子はこれに限らず、各実施の形態の投影光学系ＰＯに適した他の非発光・反射型(又は透過型)の表示素子(例えば液晶表示素子)を用いても構わない。表示素子としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合、それに入射した光は、ＯＮ／ＯＦＦ状態(例えば±１２°の傾き状態)の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に変調される。その際、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光のみが投影光学系に入射してスクリーンＳＣに投射される。 The first to third embodiments (FIG. 1, FIG. 2, FIG. 5, FIG. 6, FIG. 9, FIG. 10) are projection optical systems for an image projection apparatus that project an enlarged display image onto a screen surface. is there. Accordingly, the image display surface of the display element SD corresponds to an image forming surface on which a two-dimensional image is formed by modulation of light intensity or the like, and the screen SC corresponds to the projected image surface. In each embodiment, a digital micromirror device is assumed as the display element DS. However, the display element is not limited to this, and other non-light emitting / reflective (or transmissive) display elements (for example, liquid crystal display elements) suitable for the projection optical system PO of each embodiment may be used. When a digital micromirror device is used as a display element, light incident on the device is spatially modulated by being reflected by each micromirror in an ON / OFF state (for example, an inclination state of ± 12 °). At that time, only the light reflected by the micromirror in the ON state enters the projection optical system and is projected onto the screen SC.
以上の説明から分かるように、上述した各実施の形態や後述する各実施例には以下の投影光学系及び画像投影装置の構成が含まれている。その構成によると、コンパクトかつ高性能でありながら、近距離のフロントプロジェクションにおいて、投影距離が変動しても映像の高さ方向の上下変動を抑えながらフォーカスすることにより、６０インチから１００インチ程度まで良好な投影像を得ることが可能である。 As can be seen from the above description, each of the above-described embodiments and each example described later includes the following configurations of the projection optical system and the image projection apparatus. According to the configuration, it is compact and high-performance, but in the front projection at a short distance, even if the projection distance fluctuates, focusing while suppressing vertical fluctuation in the height direction of the image, from 60 inches to about 100 inches It is possible to obtain a good projection image.
(T1) スクリーン面上に表示素子面の画像を拡大投影する投影光学系であって、拡大側から順に、正パワーの屈折光学系と、凹面ミラーと、で構成され、前記屈折光学系と前記凹面ミラーとの間の空間に中間像を形成し、いずれかの光学素子がフォーカスのために移動し、前記凹面ミラーの反射面形状が面対称であり、前記条件式(1)を満たすことを特徴とする投影光学系。 (T1) A projection optical system for enlarging and projecting an image of the display element surface on the screen surface, comprising in order from the enlargement side, a positive power refractive optical system and a concave mirror, the refractive optical system and the An intermediate image is formed in the space between the concave mirror, one of the optical elements moves for focusing, and the shape of the reflecting surface of the concave mirror is plane symmetric, satisfying the conditional expression (1) Characteristic projection optical system.
(T2) 前記条件式(2),(3),(3a),(4),(4a),(5),(6),(6a),(7),(8),(9)のうちの少なくとも１つを満たすことを特徴とする上記(T1)記載の投影光学系。 (T2) Conditional expressions (2), (3), (3a), (4), (4a), (5), (6), (6a), (7), (8), (9) The projection optical system according to (T1), wherein at least one of them is satisfied.
(T3) パワーを有するミラーとして前記凹面ミラー１枚のみを最もスクリーン側に有することを特徴とする上記(T1)又は(T2)記載の投影光学系。 (T3) The projection optical system as set forth in (T1) or (T2), wherein only one concave mirror is provided closest to the screen as a mirror having power.
(T4) 前記凹面ミラーがフォーカスのために移動することを特徴とする上記(T1)〜(T3)のいずれか１項に記載の投影光学系。 (T4) The projection optical system according to any one of (T1) to (T3), wherein the concave mirror moves for focusing.
(T5) さらに、表示素子面からスクリーン面までの間に、光路を折り曲げる平面ミラーを有することを特徴とする上記(T1)〜(T4)のいずれか１項に記載の投影光学系。 (T5) The projection optical system according to any one of (T1) to (T4), further including a plane mirror that bends the optical path between the display element surface and the screen surface.
(T6) 前記屈折光学系がプラスチックレンズを少なくとも１枚有することを特徴とする上記(T1)〜(T5)のいずれか１項に記載の投影光学系。 (T6) The projection optical system according to any one of (T1) to (T5), wherein the refractive optical system includes at least one plastic lens.
(T7) 前記屈折光学系が自由曲面から成る屈折面を少なくとも１面有することを特徴とする上記(T1)〜(T6)のいずれか１項に記載の投影光学系。 (T7) The projection optical system according to any one of (T1) to (T6), wherein the refractive optical system has at least one refracting surface composed of a free-form surface.
(T8) 前記凹面ミラーが自由曲面から成る反射面を少なくとも１面有することを特徴とする上記(T1)〜(T7)のいずれか１項に記載の投影光学系。 (T8) The projection optical system according to any one of (T1) to (T7), wherein the concave mirror has at least one reflecting surface formed of a free-form surface.
(U1) ２次元画像を形成する表示素子と、その表示素子面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系と、を備えた画像投影装置であって、前記投影光学系が、拡大側から順に、正パワーの屈折光学系と、凹面ミラーと、で構成され、前記屈折光学系と前記凹面ミラーとの間の空間に中間像を形成し、いずれかの光学素子がフォーカスのために移動し、前記凹面ミラーの反射面形状が面対称であり、前記条件式(1)を満たすことを特徴とする画像投影装置。 (U1) An image projection apparatus comprising: a display element that forms a two-dimensional image; and a projection optical system that magnifies and projects an image of the display element surface onto a screen surface, wherein the projection optical system is In this order, it consists of a positive power refractive optical system and a concave mirror, and forms an intermediate image in the space between the refractive optical system and the concave mirror, and one of the optical elements moves for focusing. An image projection apparatus characterized in that the shape of the reflecting surface of the concave mirror is plane symmetric and satisfies the conditional expression (1).
(U2) 前記条件式(2),(3),(3a),(4),(4a),(5),(6),(6a),(7),(8),(9)のうちの少なくとも１つを満たすことを特徴とする上記(U1)記載の画像投影装置。 (U2) of the conditional expressions (2), (3), (3a), (4), (4a), (5), (6), (6a), (7), (8), (9) The image projection device according to (U1), wherein at least one of them is satisfied.
(U3) パワーを有するミラーとして前記凹面ミラー１枚のみを最もスクリーン側に有することを特徴とする上記(U1)又は(U2)記載の画像投影装置。 (U3) The image projection apparatus according to (U1) or (U2), wherein only one concave mirror is provided on the most screen side as a mirror having power.
(U4) 前記凹面ミラーがフォーカスのために移動することを特徴とする上記(U1)〜(U3)のいずれか１項に記載の画像投影装置。 (U4) The image projection apparatus according to any one of (U1) to (U3), wherein the concave mirror moves for focusing.
(U5) さらに、表示素子面からスクリーン面までの間に、光路を折り曲げる平面ミラーを有することを特徴とする上記(U1)〜(U4)のいずれか１項に記載の画像投影装置。 (U5) The image projection device according to any one of (U1) to (U4), further including a plane mirror that bends the optical path between the display element surface and the screen surface.
(U6) 前記屈折光学系がプラスチックレンズを少なくとも１枚有することを特徴とする上記(U1)〜(U5)のいずれか１項に記載の画像投影装置。 (U6) The image projection apparatus according to any one of (U1) to (U5), wherein the refractive optical system includes at least one plastic lens.
(U7) 前記屈折光学系が自由曲面から成る屈折面を少なくとも１面有することを特徴とする上記(U1)〜(U6)のいずれか１項に記載の画像投影装置。 (U7) The image projection apparatus according to any one of (U1) to (U6), wherein the refractive optical system has at least one refracting surface composed of a free-form surface.
(U8) 前記凹面ミラーが自由曲面から成る反射面を少なくとも１面有することを特徴とする上記(U1)〜(U7)のいずれか１項に記載の画像投影装置。 (U8) The image projection device according to any one of (U1) to (U7), wherein the concave mirror has at least one reflecting surface formed of a free-form surface.
(U9) さらに前記表示素子面を照明する照明光学系を有することを特徴とする上記(U1)〜(U8)のいずれか１項に記載の画像投影装置。 (U9) The image projection apparatus according to any one of (U1) to (U8), further including an illumination optical system that illuminates the display element surface.
以下、本発明を実施した投影光学系等を、コンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１〜３は、前述した第１〜第３の実施の形態にそれぞれ対応する数値実施例であり、第１〜第３の実施の形態を表す光学構成図，光路図等(図１，図２；図５，図６；図９，図１０)は、対応する実施例１〜３の光学配置，投影光路等をそれぞれ示している。 Hereinafter, the projection optical system and the like embodying the present invention will be described more specifically with reference to construction data and the like. Examples 1 to 3 listed here are numerical examples corresponding respectively to the first to third embodiments described above, and are optical configuration diagrams, optical path diagrams, and the like representing the first to third embodiments. FIGS. 1 and 2; FIGS. 5 and 6; FIGS. 9 and 10 show the optical arrangements, projection light paths, and the like of the corresponding first to third embodiments.
表１〜表１６に実施例１〜３のコンストラクションデータを示し、表１７に各条件式の対応データ及び関連データを各実施例について示す(βx：画面長辺方向の像倍率，βy：画面短辺方向の像倍率)。表１，表６，表１１に示す基本的な光学構成では、縮小側の表示素子面(Ｓ１：表示素子ＤＳの画像表示面であり、物面に相当する。)から拡大側のスクリーン面(スクリーンＳＣの被投影面であり、像面に相当する。)までを含めた系において、Ｓｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)が縮小側から数えてｉ番目の面であり、ｒｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)が面Ｓｉの曲率半径(ｍｍ)である。また、ｄｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)は面Ｓｉと面Ｓｉ＋１との間の軸上面間隔(ｍｍ，ただし偏心面間隔は偏心データとして記載する。)であり、Ｎｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)，νｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)は軸上面間隔ｄｉに位置する光学材料のｄ線に対する屈折率(Ｎｄ)，アッベ数(νｄ)をそれぞれ示している。なお、表１中の面Ｓ１１、表６中の面Ｓ２及び表１１中の面Ｓ２におけるＲは、絞り半径(ｍｍ)である。 Tables 1 to 16 show construction data of Examples 1 to 3, and Table 17 shows correspondence data of each conditional expression and related data for each example (βx: image magnification in the screen long side direction, βy: screen short) Image magnification in the side direction). In the basic optical configuration shown in Table 1, Table 6, and Table 11, the screen surface on the enlargement side (S1: the image display surface of the display element DS, which corresponds to the object surface) (S1: the image display surface of the display element DS). Si (i = 1, 2, 3,...) Is the i-th surface counted from the reduction side in a system including the screen SC, which corresponds to the image plane. ri (i = 1, 2, 3,...) is the curvature radius (mm) of the surface Si. Further, di (i = 1, 2, 3,...) Is the axial upper surface distance (mm, where the eccentric surface interval is described as eccentric data) between the surface Si and the surface Si + 1, and Ni (i = 1, 2, 3,..., Νi (i = 1, 2, 3,...) Is the refractive index (Nd) and Abbe number (νd) for the d-line of the optical material located at the axial upper surface distance di. ) Respectively. Note that R in the surface S11 in Table 1, the surface S2 in Table 6, and the surface S2 in Table 11 is the aperture radius (mm).
縮小側直前に位置する面に対して偏心した面については、その偏心データを表４，表９，表１５に示す。偏心データを表す直交座標系(ｘ，ｙ，ｚ)においては、ｘｙ平面に対して平行な物面Ｓ１の中心位置(物面基準)あるいは直前の面の面頂点から面間隔分(芯厚分)だけｚ方向に移動した点(普通偏芯)を原点(０，０，０)とする面頂点座標(ＸＤＥ，ＹＤＥ，ＺＤＥ)＝{ｘ軸方向の平行偏心位置(ｍｍ)，ｙ軸方向の平行偏心位置(ｍｍ)，ｚ軸方向の平行偏心位置(ｍｍ)}で、平行偏心した面の位置を表すとともに、その面の面頂点を中心とするｘ，ｙ，ｚの各方向の軸周りの回転角ＡＤＥ，ＢＤＥ，ＣＤＥ(°)で面の傾き(回転偏心位置)を表す。ただし、偏心の順序はＸＤＥ，ＹＤＥ，ＺＤＥ，ＡＤＥ，ＢＤＥ，ＣＤＥである。 Tables 4, 9, and 15 show the eccentricity data of the surface that is eccentric with respect to the surface located immediately before the reduction side. In the Cartesian coordinate system (x, y, z) representing the eccentricity data, the center position of the object surface S1 parallel to the xy plane (object surface reference) or the surface interval (core thickness component) from the surface vertex of the immediately preceding surface. ) By the point (ordinary eccentricity) moved in the z direction by the origin (0, 0, 0), the vertex coordinates (XDE, YDE, ZDE) = (parallel eccentric position in the x-axis direction (mm), y-axis direction The parallel eccentric position (mm) and the parallel eccentric position (mm) in the z-axis direction represent the position of the parallel eccentric surface, and axes in the x, y, and z directions with the surface vertex of the surface as the center The rotation angle ADE, BDE, CDE (°) around the surface represents the inclination of the surface (rotation eccentric position). However, the order of eccentricity is XDE, YDE, ZDE, ADE, BDE, CDE.
表５，表１０，表１６にそれぞれ示すフォーカスデータは、各実施例においてフォーカシングにより変化する軸上面間隔ｄｉ又は面頂点座標(ＸＤＥ，ＹＤＥ，ＺＤＥ)であり、最近接投影状態と遠距離投影状態におけるフォーカスポジションを示している。ただし、フォーカシングにより変化しないデータに関しては記載を省略する。 The focus data shown in Table 5, Table 10, and Table 16 are the axial top surface distance di or the surface vertex coordinates (XDE, YDE, ZDE) that change due to focusing in each embodiment, and the closest projection state and the long distance projection state. The focus position at. However, description of data that does not change due to focusing is omitted.
回転対称な非球面から成る面Ｓｉは、その面頂点を原点とするローカルな直交座標系(ｘ，ｙ，ｚ)を用いた以下の式(AS)で定義される。表２，表７，表１２に、各実施例の非球面データを示す。ただし、表記の無い項の係数は０であり、すべてのデータに関してＥ−ｎ＝×１０-nである。
ｚ＝(ｃ・ｈ2)／[１＋√{１−(１＋Ｋ)・ｃ2・ｈ2}]＋Ａ・ｈ4＋Ｂ・ｈ6＋Ｃ・ｈ8＋Ｄ・ｈ10＋Ｅ・ｈ12＋Ｆ・ｈ14＋Ｇ・ｈ16＋Ｈ・ｈ18＋Ｊ・ｈ20 …(AS)
ただし、式(AS)中、
ｚ：高さｈの位置でのｚ軸方向の変位量(面頂点基準)、
ｈ：ｚ軸に対して垂直な方向の高さ(ｈ2＝ｘ2＋ｙ2)、
ｃ：面頂点での曲率(＝１／ｒｉ)、
Ｋ：円錐係数、
Ａ，…，Ｊ：非球面係数、
である。
A surface Si composed of a rotationally symmetric aspherical surface is defined by the following expression (AS) using a local orthogonal coordinate system (x, y, z) having the surface vertex as an origin. Tables 2, 7, and 12 show aspherical data for each example. However, the coefficient of the term without description is 0, and E−n = × 10 −n for all data.
z = (c · h 2 ) / [1 + √ {1− (1 + K) · c 2 · h 2 }] + A · h 4 + B · h 6 + C · h 8 + D · h 10 + E · h 12 + F · h 14 + G · h 16 + H · h 18 + J · h 20 (AS)
However, in the formula (AS)
z: amount of displacement in the z-axis direction at the position of height h (based on the surface vertex),
h: height in the direction perpendicular to the z-axis (h 2 = x 2 + y 2 ),
c: curvature at the surface vertex (= 1 / ri),
K: cone coefficient,
A, ..., J: aspheric coefficient,
It is.
拡張非球面から成る面Ｓｉは、その面頂点を原点とするローカルな直交座標系(ｘ，ｙ，ｚ)を用いた以下の式(BS)で定義される。表１３に、実施例３の拡張非球面データを示す。ただし、表記の無い項の係数は０であり、すべてのデータに関してＥ−ｎ＝×１０-nである。
ｚ＝(ＣＵＸ・ｘ2＋ＣＵＹ・ｙ2)／[１＋√{１−(１＋ＫＸ)・ＣＵＸ2・ｘ2−(１＋ＫＹ)・ＣＵＹ2・ｙ2}]＋ＡＲ・{(１−ＡＰ)・ｘ2＋(１＋ＡＰ)・ｙ2}2＋ＢＲ・{(１−ＢＰ)・ｘ2＋(１＋ＢＰ)・ｙ2}3＋ＣＲ・{(１−ＣＰ)・ｘ2＋(１＋ＣＰ)・ｙ2}4＋ＤＲ・{(１−ＤＰ)・ｘ2＋(１＋ＤＰ)・ｙ2}5 …(BS)
ただし、式(BS)中、
ｘ，ｙ：ｚ軸に対して垂直な平面内での直交座標、
ｚ：座標(ｘ，ｙ)の位置でのｚ軸方向の変位量(面頂点基準)、
ＣＵＸ：面頂点でのｘ軸方向の曲率(＝１／ＲＤＸ)、
ＣＵＹ：面頂点でのｙ軸方向の曲率(＝１／ＲＤＹ)、
ＫＸ：ｘ軸方向の円錐係数、
ＫＹ：ｙ軸方向の円錐係数、
ＡＲ，ＢＲ，ＣＲ，ＤＲ：円錐からの４次，６次，８次，１０次の変形係数の回転対称成分、
ＡＰ，ＢＰ，ＣＰ，ＤＰ：円錐からの４次，６次，８次，１０次の変形係数の非回転対称成分、
である。
A surface Si composed of an expanded aspheric surface is defined by the following equation (BS) using a local orthogonal coordinate system (x, y, z) whose origin is the surface vertex. Table 13 shows the expanded aspheric data of Example 3. However, the coefficient of the term without description is 0, and E−n = × 10 −n for all data.
z = (CUX · x 2 + CUY · y 2 ) / [1 + √ {1− (1 + KX) · CUX 2 · x 2 − (1 + KY) · CUY 2 · y 2 }] + AR · {(1−AP) · x 2 + (1 + AP) · y 2 } 2 + BR · {(1−BP) · x 2 + (1 + BP) · y 2 } 3 + CR · {(1−CP) · x 2 + (1 + CP) · y 2 } 4 + DR · {(1−DP) · x 2 + (1 + DP) · y 2 } 5 (BS)
However, in the formula (BS)
x, y: Cartesian coordinates in a plane perpendicular to the z axis,
z: the amount of displacement in the z-axis direction at the coordinates (x, y) (based on the surface vertex),
CUX: curvature in the x-axis direction at the surface vertex (= 1 / RDX),
CUY: curvature in the y-axis direction at the surface vertex (= 1 / RDY),
KX: cone coefficient in the x-axis direction,
KY: the cone coefficient in the y-axis direction,
AR, BR, CR, DR: rotationally symmetric components of fourth, sixth, eighth, and tenth order deformation coefficients from a cone,
AP, BP, CP, DP: non-rotation symmetric components of fourth, sixth, eighth, and tenth order deformation coefficients from a cone,
It is.
自由曲面から成る面Ｓｉは、その面頂点を原点とするローカルな直交座標系(ｘ，ｙ，ｚ)を用いた以下の式(CS)で定義される。表３，表８，表１４に、各実施例の多項式自由曲面データを示す。ただし、表記の無い項の係数は０であり、すべての自由曲面についてｘ，ｙ方向ともＫ＝０であり、すべてのデータに関してＥ−ｎ＝×１０-nである。
ｚ＝(ｃ・ｈ2)／[１＋√{１−(１＋Ｋ)・ｃ2・ｈ2}]＋Σ{Ｃ(ｊ，ｋ)・ｘj・ｙk} …(CS)
ただし、式(CS)中、
ｚ：高さｈの位置でのｚ軸方向の変位量(面頂点基準)、
ｈ：ｚ軸に対して垂直な方向の高さ(ｈ2＝ｘ2＋ｙ2)、
ｃ：面頂点での曲率(＝１／ｒｉ)、
Ｋ：円錐係数、
Ｃ(ｊ，ｋ)：ｘのｊ次、ｙのｋ次の多項式自由曲面係数、
である。
A surface Si composed of a free-form surface is defined by the following equation (CS) using a local orthogonal coordinate system (x, y, z) having the surface vertex as an origin. Tables 3, 8 and 14 show the polynomial free-form surface data of each example. However, the coefficient of the term not described is 0, K = 0 in all x and y directions for all free-form surfaces, and E−n = × 10 −n for all data.
z = (c · h 2 ) / [1 + √ {1− (1 + K) · c 2 · h 2 }] + Σ {C (j, k) · x j · y k } (CS)
However, in the formula (CS)
z: amount of displacement in the z-axis direction at the position of height h (based on the surface vertex),
h: height in the direction perpendicular to the z-axis (h 2 = x 2 + y 2 ),
c: curvature at the surface vertex (= 1 / ri),
K: cone coefficient,
C (j, k): j-order polynomial of x, k-order polynomial free-form surface coefficient of y,
It is.
各実施例の光学性能をスポットダイアグラム(図３，図７，図１１)と歪曲図(図４，図８，図１２)で示す。各図中、(Ａ)はフォーカシングにおける最近接投影状態での光学性能を示しており、(Ｂ)はフォーカシングにおける遠距離投影状態での光学性能を示している。スポットダイアグラムは、スクリーン面ＳＣでの結像特性(ｍｍ)をＣ線(波長６５６．３ｎｍ)，ｄ線(波長５８７．６ｎｍ)及びｇ線(波長４３５．８ｎｍ)の３波長について示している。また歪曲図は、表示素子面ＤＳでの長方形状網目(ｘ軸方向：画面長辺方向，ｙ軸方向：画面短辺方向)に対応するスクリーン面ＳＣでの光線位置(ｍｍ)を示しており、実線が各実施例の歪曲格子であり、点線がアナモ比を考慮した理想像点の格子(歪曲無し)である。 The optical performance of each example is shown with spot diagrams (FIGS. 3, 7, and 11) and distortion diagrams (FIGS. 4, 8, and 12). In each figure, (A) shows the optical performance in the closest projection state in focusing, and (B) shows the optical performance in the long distance projection state in focusing. The spot diagram shows the imaging characteristics (mm) on the screen surface SC for three wavelengths of C-line (wavelength 656.3 nm), d-line (wavelength 587.6 nm) and g-line (wavelength 435.8 nm). The distortion diagram shows the light ray position (mm) on the screen surface SC corresponding to the rectangular mesh (x-axis direction: screen long side direction, y-axis direction: screen short side direction) on the display element surface DS. The solid line is the distortion grid of each embodiment, and the dotted line is the ideal image point grid (without distortion) in consideration of the anamorphic ratio.
ＰＯ 投影光学系
ＬＧ 屈折光学系
ＤＳ 表示素子
ＳＣ スクリーン
ＭＲ 凹面ミラー
ＭＦ 平面ミラー
ＳＴ 絞り
PO Projection optical system LG Refraction optical system DS Display element SC Screen MR Concave mirror MF Flat mirror ST Aperture
Claims (9)
4°＜θ１＜20° …(1)
ただし、
θ１：凹面ミラーの対称面での断面において、最近接投影時にスクリーンに入射する光線のうちスクリーン面の法線と成す角が最も小さい光線の入射角度、
である。 A projection optical system that receives light from a display element, magnifies and projects the displayed image onto a screen, and displays images with different projection magnifications by changing the projection distance onto the screen, and has a positive power composed of a refractive lens. And a concave mirror positioned on the screen side of the refractive optical system, and forms an intermediate image of the display image in a space between the refractive optical system and the concave mirror, A projection optical system characterized in that the optical element moves for focusing, the shape of the reflecting surface of the concave mirror is plane symmetric, and satisfies the following conditional expression (1):
4 ° <θ1 <20 °… (1)
However,
θ1: The incident angle of the light ray having the smallest angle with the normal of the screen surface among the light rays incident on the screen during the closest projection in the cross section of the symmetric surface of the concave mirror,
It is.
8°＜θ２＜25° …(2)
ただし、表示素子の画面形状が長方形であり、表示素子の画面中心から絞り中心を通過しスクリーン中心に至る光線を画面中心光線とすると、
θ２：表示素子の画面短辺に平行で画面中心光線を含む平面での断面において、最近接投影時に表示素子の画面上端と画面下端とから射出した主光線が屈折光学系から射出する際に成す角度、
である。 2. The projection optical system according to claim 1, wherein only the refractive lens is disposed as an optical element having power closer to the display element than the concave mirror, and satisfies the following conditional expression (2):
8 ° <θ2 <25 °… (2)
However, if the screen shape of the display element is a rectangle, and the light beam that passes through the aperture center from the screen center of the display element and reaches the screen center is the screen center light beam,
θ2: formed when chief rays emitted from the upper end and lower end of the display element exit from the refractive optical system during the closest projection in a cross section on a plane parallel to the short side of the display element and including the central ray of the screen. angle,
It is.
1.15＜cxf／cyf＜1.65 …(3)
ただし、表示素子の画面形状が長方形であり、表示素子の画面中心から絞り中心を通過しスクリーン中心に至る光線を画面中心光線とすると、
cxf：凹面ミラーの反射面が画面中心光線の入射位置で有する画面長辺方向の曲率、
cyf：凹面ミラーの反射面が画面中心光線の入射位置で有する画面短辺方向の曲率、
である。 The projection optical system according to claim 1, wherein the following conditional expression (3) is satisfied:
1.15 <cxf / cyf <1.65 (3)
However, if the screen shape of the display element is a rectangle, and the light beam that passes through the aperture center from the screen center of the display element and reaches the screen center is the screen center light beam,
cxf: curvature of the screen long side direction that the reflecting surface of the concave mirror has at the incident position of the screen center ray,
cyf: curvature of the short side of the screen that the reflecting surface of the concave mirror has at the incident position of the central ray of the screen,
It is.
-0.07＜cyf×OPK1／βyk＜-0.03 …(4)
ただし、表示素子の画面形状が長方形であり、表示素子の画面中心から絞り中心を通過しスクリーン中心に至る光線を画面中心光線とすると、
cyf：凹面ミラーの反射面が画面中心光線の入射位置で有する画面短辺方向の曲率、
OPK1：最近接投影時の凹面ミラーの反射面からスクリーン面までの画面中心光線の光路長、
βyk：最近接投影時のスクリーン面上での画面短辺方向の倍率、
である。 The projection optical system according to claim 1, wherein the following conditional expression (4) is satisfied:
-0.07 <cyf × OPK1 / βyk <-0.03 (4)
However, if the screen shape of the display element is a rectangle, and the light beam that passes through the aperture center from the screen center of the display element and reaches the screen center is the screen center light beam,
cyf: curvature of the short side of the screen that the reflecting surface of the concave mirror has at the incident position of the central ray of the screen,
OPK1: The optical path length of the central ray of the screen from the reflecting surface of the concave mirror to the screen surface at the closest projection,
βyk: magnification in the direction of the short side of the screen on the screen during closest projection,
It is.
0.7＜Sd／Ent＜1.1 …(5)
ただし、
Sd：表示素子の画像表示面から絞りまでの距離、
Ent：表示素子の画像表示面から投影光学系の入射瞳までの距離、
である。 The projection optical system according to claim 1, wherein the following conditional expression (5) is satisfied:
0.7 <Sd / Ent <1.1 (5)
However,
Sd: distance from the image display surface of the display element to the aperture,
Ent: Distance from the image display surface of the display element to the entrance pupil of the projection optical system,
It is.
1.4≦βye／βyk≦1.8 …(7)
0.08＜(θak−θae)×βyk／βye＜1.2 …(8)
ただし、
βyk：最近接投影時のスクリーン面上での画面短辺方向の倍率、
βye：遠距離投影時のスクリーン面上での画面短辺方向の倍率、
θak：最近接投影時に表示素子の画面短辺に平行な断面内において、表示素子から絞り中心を通過しスクリーンへ到達する光線のうち、スクリーンに最も斜めに入射する光線の凹面ミラーへの入射角度、
θae：遠距離投影時に表示素子の画面短辺に平行な断面内において、表示素子から絞り中心を通過しスクリーンへ到達する光線のうち、スクリーンに最も斜めに入射する光線の凹面ミラーへの入射角度、
である。 5. The projection optical system according to claim 1, wherein the following conditional expression (8) is satisfied in a range satisfying at least the following conditional expression (7) at the time of focusing:
1.4 ≦ βye / βyk ≦ 1.8 (7)
0.08 <(θak−θae) × βyk / βye <1.2 (8)
However,
βyk: magnification in the direction of the short side of the screen on the screen during closest projection,
βye: magnification in the direction of the short side of the screen on the screen during long distance projection,
θak: The incident angle of the light ray that is most obliquely incident on the screen to the concave mirror among the light rays that pass from the display element through the aperture center and reach the screen in the cross section parallel to the short side of the display element at the closest projection. ,
θae: The incident angle of the light ray that is the most obliquely incident on the screen to the concave mirror among the light rays that pass through the center of the diaphragm and reach the screen in the cross section parallel to the short side of the display element during long distance projection ,
It is.
1.4≦βye／βyk≦1.8 …(7)
0.1＜(1／OPK1−1／OPE1)×Ｔｍ×βyk＜1.2 …(9)
ただし、
βyk：最近接投影時のスクリーン面上での画面短辺方向の倍率、
βye：遠距離投影時のスクリーン面上での画面短辺方向の倍率、
OPK1：最近接投影時の凹面ミラーの反射面からスクリーン面までの画面中心光線の光路長、
OPE1：遠距離投影時の凹面ミラーの反射面からスクリーン面までの画面中心光線の光路長、
Ｔｍ：最近接投影から遠距離投影への、表示素子基準での凹面ミラーの移動量(ただし、最近接投影から遠距離投影で表示素子に近づく方向に移動する。)、
である。 The projection optical system according to claim 7, wherein the following conditional expression (9) is satisfied in a range satisfying at least the following conditional expression (7) at the time of focusing;
1.4 ≦ βye / βyk ≦ 1.8 (7)
0.1 <(1 / OPK1-1 / OPE1) × Tm × βyk <1.2 (9)
However,
βyk: magnification in the direction of the short side of the screen on the screen during closest projection,
βye: magnification in the direction of the short side of the screen on the screen during long distance projection,
OPK1: The optical path length of the central ray of the screen from the reflecting surface of the concave mirror to the screen surface at the closest projection,
OPE1: Optical path length of the screen center ray from the reflecting surface of the concave mirror to the screen surface during long distance projection,
Tm: the amount of movement of the concave mirror on the basis of the display element from the closest projection to the long-distance projection (however, it moves in the direction approaching the display element from the closest projection to the long-distance projection),
It is.
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