JP2010204328A

JP2010204328A - 投写光学系及び画像投写装置

Info

Publication number: JP2010204328A
Application number: JP2009048845A
Authority: JP
Inventors: Yuji Kamei; 裕二亀井
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】小さなスローレシオを備え、簡単且つコンパクトな構成を備える投射光学系及びこの投射光学系を備えた画像投写装置を提供する。
【解決手段】スクリーン９０側から、非球面ミラー８０、スクリーン側に凸で非球面の凹メニスカスレンズである凹メニスカスレンズ６０、光軸を９０度屈曲する反射鏡７０、スクリーン側に凸で非球面の凹メニスカスレンズである凹メニスカスレンズ５０、画像形成素子側に凸の凸メニスカスレンズである凸メニスカスレンズ４０、中間投写投写レンズ系３０を備える。前記凸メニスカスレンズ４０と、凹メニスカスレンズ５０とは各レンズの相対位置を不変として全体として光軸に沿って移動可能であり光画像のスクリーンへの合焦を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は投写光学系及び画像投写装置に係り、特にスクリーンに短焦点距離で光画像を投写する投写光学系及び画像投写装置及び画像投写装置に関する。

従来、短焦点距離の画像投写装置に用いられる投写光学系には種々のものが提案されてきた。例えば、特許文献１には、非球面ミラーに斜め方向から拡大投写する画像投写装置が開示され（同文献中図１参照）、この画像投射装置では非球面ミラーから順に第1レンズに、スクリーン側に凸で非球面の凹メニスカスレンズが用いられているものが記載されている（同文献図１７、同図２４参照）。

また、特許文献２には、非球面ミラー近傍に、２枚の非球面レンズを配置して、ＤＭＤなどから導光された画像を反射ミラーで折り返し、前記２枚の非球面レンズを介して、ミラーで反射し、更に非球面ミラーで反射して、スクリーンに画像を投影する超短焦点距離画像投写装置が記載されている（同文献Ｆｉｇ．５ａ参照）。

また、例えば特許文献３には、スクリーンから非球面ミラーまでの光軸上の距離をＤとし、スクリーン上の光軸から測って最大の有効領域までの光軸からの距離をＹとすると、Ｙ／Ｄが２．５以上であることが好ましく、この構成によれば、筐体の奥行きを薄くできる超短焦点距離画像投写装置が記載されている（同文献段落番号００１２参照）。

ここで、一般に短焦点距離の画像投射装置とは、投射光学系の投写距離（Ｌ）を投写するスクリーンの横幅の値（Ｗ）で割ったおよその値Ｌ／Ｗ（スローレシオ：ｔｈｒｏｗｒａｔｉｏ）が小さい、例えば２未満のものをいい、スローレシオが小さいほど、近距離から大画面の投写ができるようになる。一般の画像投写装置は、標準的にはスローレシオが概ね２以上であり、スローレシオが２未満である場合において、短焦点、超短焦点の境界は明確ではない。短焦点距離の画像投射装置としては、現在例えば８０型の画像を約１００ｃｍ、約４６ｃｍ各距離（本体からスクリーン面まで）から投写できるものがある。なお、特許文献３段落番号００５４には、Ｙ／Ｄ（Ｙ：、スクリーン上の光軸から測って最大の有効領域までの光軸からの距離、Ｄ：スクリーンから非球面ミラーまでを光軸上の距離）の値を指標とし、この値が２．５以上とすると、プロジェクションテレビの筐体の奥行きを薄くできると記載されている。この指標は前記スローレシオの定義とは異なる。

国際公開ＷＯ２００５−１０６５６０号公報アメリカ特許公開第２００８−２３９２５１号公報特開２００７−１７７０７号公報

しかしながら、上述した従来の非球面ミラーを用いた短焦点距離画像投写装置における投写光学系では、非球面ミラーと、その非球面ミラーに最も近い非球面レンズとの間の距離を充分小さくすることができず、非球面ミラーからスクリーンまでの距離をある程度設ける必要があり、結果的に光学系が後方に飛び出してしまうことになり、光学系を収納する筐体を薄くすることができなかった。また、短焦点距離画像投写装置として小さなスローレシオを有するものもあるが、複数枚のミラーを用いる等光学系が複雑となってしまうという問題がある。

そこで、本発明は小さなスローレシオを備え、簡単且つコンパクトな構成を備える投射光学系及びこの投射光学系を備えた画像投写装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、非球面ミラーを備え、画像形成素子からの光画像をスクリーンに投写する投写光学系において、前記非球面ミラーを最もスクリーン側に配置すると共に、該非球面ミラー近接した側から、スクリーン側に凸で非球面の凹メニスカスレンズである第１レンズ、スクリーン側に凸で非球面の凹メニスカスレンズである第２レンズ、画像形成素子側に凸の凸メニスカスレンズである第３レンズ、を配置したことを特徴とする投写光学系である。

また、請求項２の発明は、請求項１記載の投射光学系において、前記第２レンズと、前記第３レンズとは各レンズの相対位置を不変として全体として光軸に沿って移動可能に構成され、光画像のスクリーンへの合焦を行うことを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１又は２記載の投射光学系において、光路に光束を折曲する反射鏡を備えることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項３記載の投射光学系において、前記反射鏡は、前記第１レンズと第２レンズとの間に配置されていることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか記載の投写光学系において、前記非球面ミラーと第１レンズまでの距離を３５ｍｍ以下とし、かつ前記非球面ミラーから前記スクリーンまでの距離を３００ｍｍ以下としたことを特徴とする。

また、請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか記載の投写光学系を備え、光画像を短焦点距離でスクリーンに投写することを特徴とする画像投写装置である。

本発明によれば、簡単且つコンパクトな構成で非球面ミラーと非球面ミラーに最も近いレンズまでの距離、及び非球面ミラーからスクリーンまでの距離を短くでき、また、レンズ系を全体として非球面ミラー側に詰めるように配置できるので、投写光学系を収納する筐体も極めて薄くすることができる。さらに、反射鏡を備えたものにあっては、縮小側の投写光学系が装置筐体の後方に飛び出さないので、光学系を配置する筐体を薄型でスマートなものとできる。

実施例に係る投写光学系の構成及び光路を示す図である。実施例に係る投写光学系の構成及び光路を示す図である。実施例に係る投写光学系のＭＴＦ特性を示すグラフである。

本発明に係る投写光学系は、画像形成素子からの光画像をスクリーンに投写するものであり、スクリーン側から、非球面ミラー、スクリーン側に凸で非球面の凹メニスカスレンズである第１レンズ、スクリーン側に凸で非球面の凹メニスカスレンズである第２レンズ、画像形成素子側に凸の凸メニスカスレンズである第３レンズを備える。また、前記第３レンズと画像形成素子との間には、複数枚のレンズを配置した中間投写レンズ系を備える。更に、前記第２レンズと、前記第３レンズとは各レンズの相対位置を不変として全体として光軸に沿って移動可能に構成され、光画像のスクリーンへの合焦を行う。また、第１レンズと第２レンズとの間の光路に光束を折曲する反射鏡を備えている。そして、前記非球面ミラーと第１レンズまでの距離を３５ｍｍ以下とし、かつ前記非球面ミラーから前記スクリーンまでの距離を３００ｍｍ以下としている。また、本発明に係る画像投写装置は、前記投写光学系を備え、画像形成素子に表示された画像を短焦点でスクリーンに投写する。

以下実施例に係る投写光学系について説明する。図１及び図２は実施例に係る投写光学系の構成及び光路を示す図である。本発明に係る投写光学系１００は、図示外の画像形成素子の光画像を非球面ミラー８０を介してスクリーン９０に結像する。投写光学系１００は、カバーグラス１０と、プリズム２０と、中間投写投写レンズ系３０と、画像形成素子側に凸の凸メニスカスレンズ４０（第３レンズ）と、凹メニスカスレンズ５０（第２レンズ）と、凹メニスカスレンズ６０（第１レンズ）と、反射鏡７０と、非球面ミラー８０とを備える。反射鏡７０は、凹メニスカスレンズ５０と、凹メニスカスレンズ６０との間に配置され光軸を９０度折曲している。なお、図２では反射鏡７０は表示されていない。

以下投写光学系１００の具体的構成について説明する。画像形成素子としては、例えばＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）、あるいは、１板（Ｒ（赤色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）又は白色のいずれかの一色）のＬＣＯＳ、あるいは、３板（Ｒ（赤色）Ｇ（緑色）Ｂ（青色）の三原色）のＬＣＯＳ、ライトバルブ、ＬＥＤ、ＬＤ（レーザ光））を用いることができる。これらはプリズム２０で合成されカラー画像となる。

カバーグラス１０はガラス製の平板である。プリズム２０は各色画像の合成等に使用されるものである。中間投写投写レンズ系３０は、それぞれ所定のパワーを持つ７枚のレンズ３１〜３７からなり、各レンズ３１〜３７はガラスで構成される。

凸メニスカスレンズ４０は、ガラス製であり、両面とも画像形成素子側に凸であり、全体として正のパワーを持つ。凹メニスカスレンズ５０は、両面ともスクリーン側に凸であり、全体として負のパワーを持つ非球面レンズである。凹メニスカスレンズ６０は、両面ともスクリーン側に凸であり、全体として負のパワーを持つ非球面レンズである。凹メニスカスレンズ６０は、スクリーン側に、大きく湾曲した面形状を有する。材質はプラスチックである。拡大側（スクリーン側）に尖った凸形状にした特徴的な形状を有している。なお、凹メニスカスレンズ５０及び凹メニスカスレンズ６０のアッベ数及び屈折率は同じ値としている。

また、本実施例では、凸メニスカスレンズ４０と、凹メニスカスレンズ５０とはその相対位置を固定すると共に、両レンズ４０,５０を光軸に沿って移動できるようになっている（図１及び図２中矢印Ａ）。この構成により、本例では、両レンズを、スクリーンでの画像の合焦ができるようにしている。これは、投写光学系１００を備えた画像投写装置でスクリーンに画像を表示する際、設置したスクリーンの投写像の合焦のため使用される。

非球面ミラー８０は、プラスチックなどの樹脂に、金、銀、アルミニウムなどの金属を成膜し形成したものである。なお、成膜方法は、真空蒸着、スパッタリング法、浸漬法、スピン法などの方法が用いられる。

本例に係る投写光学系１００のレンズデータを以下に示す。
面番号曲率半径面間隔屈折率(nd) アッベ数(νd)
s1 0.2
s2 ∞ 3 1.487 70.41
s3 2.3
s4 ∞ 24 1.516 64.14
s5 4
s6 206.4629 7.53 1.516 64.14
s7 -39.5988 0.2
s8 51.9972 7.51 1.487 70.24
s9 -69.6916 2.85
s10 34.605 6.53 1.497 81.55
s11 -85.4752 1.8 1.847 23.78
s12 2563.715 1.15
s13 -76.284 1.8 1.801 34.97
s14 423.9876 14.18
s15 1.00E+18 20.4
s16 -16.6996 5.56 1.762 26.52
s17 -22.9031 9.94
s18 430.0663 11.05 1.516 64.14
s19 -50.4892 19.25
s20 43.9263 9.7 1.487 70.24
s21 41.2985 36.2
s22＊ -17.7562 6 1.531 56.044
s23＊ -19.2709 177
s24＊ -8.59744 6 1.531 56.044
s25＊ -16.1746 23
s26＊ 52.34972 0*非球面ミラー
s27 260
＊第２２面〜第２５面は、非球面である。
＊第２６面、第２７面は、非球面ミラーである。

ここで、第２２面〜第２５面は、非球面であり、第２６面、第２７面は、非球面ミラーである。

第２２面ないし第２６面の非球面データを以下に示す。
第22面非球面データ
コーニック係数 4次係数 6次係数 8次係数 10次係数 12次係数
-1.991549 -4.95E-07 4.27E-09 -1.04E-11 7.82E-15 -1.93E-18

第23面非球面データ
コーニック係数 4次係数 6次係数 8次係数 10次係数 12次係数
-0.981786 1.44E-05 -4.46E-09 -3.54E-12 4.05E-15 -9.99E-19

第24面非球面データ
コーニック係数 4次係数 6次係数 8次係数 10次係数 12次係数
-1.7
-3.90E-06
2.56E-09 -8.12E-13 1.25E-16 -7.27E-21

第25面非球面データ
コーニック係数 4次係数 6次係数 8次係数 10次係数 12次係数
-2.483559
-4.39E-06
2.07E-09 -4.73E-13 5.34E-17 -2.34E-21

第26面非球面データ
コーニック係数 4次係数 6次係数 8次係数 10次係数 12次係数
-2.653232
-1.16E-07 9.70E-12 -4.64E-16 1.21E-20 -1.32E-25

次に実施例に係る投写光学系１００の性能について説明する。図３は実施例に係る投写光学系のＭＴＦ曲線を示すグラフである。ＭＴＦ曲線（ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＴｒａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ曲線）は、レンズ性能を評価する指標のひとつであり、レンズの結像性能を知るために、画像形成素子の持つコントラストをどの程度忠実に再現できるかを空間周波数特性として表現したものである。図３中の各曲線は、理論限界値、画像形成素子の光軸を含む対角線上での距離０％（光軸）、５０％、７０％、９０％、１００％の位置における白色光の値を示している。この例では、スクリーン位置（０．０００）及びその前後において略０．６以上の値となり、良好な画像を得ることができることがわかる。

本発明に係る投写光学系では、非球面ミラーと非球面ミラーに最も近いレンズである凹メニスカスレンズ（第１レンズ）までの距離を３５ｍｍ以下、２０〜３０ｍｍ程度とでき、かつ非球面ミラーからスクリーンまでの距離を３００ｍｍ以下、２５０〜２８０ｍｍ程度とすることができる。そして、本実施例に係る投写光学系１００では、非球面ミラー８０と非球面ミラー８０に最も近い凹メニスカスレンズ６０までの距離は、レンズデータのＳ２５の面間隔に示すように、２３ｍｍとし、かつ非球面ミラー８０からスクリーン９０までの距離を同Ｓ２７の面間隔に示すように２６０ｍｍとした。これにより、実施例に係る画像投写装置では、０．６インチの画像形成素子の画像を非球面ミラーから２５０ｍｍないし２８０ｍｍの焦点距離で投写し、スクリーンに８０インチないし１２０インチの光画像を投写することができる。また、画像形成素子の大きさは１／２インチから１インチ程度のものを使用することができ、これによりスクリーンでの投写像は４０インチから２００インチとすることができる。

以上説明したように、本発明に係る画像投写装置によれば、非球面ミラーとその非球面ミラーに最も近いレンズまでの距離、及び非球面ミラーからスクリーンまでの距離を最短にすることができ、装置全体をコンパクトかつ小形にすることができ、また、レンズ系を全体として非球面ミラー側に詰めるように配置できるので、投写光学系を収納する筐体も極めて薄くすることができる。さらに、反射鏡を備えたものにあっては、縮小側の投写光学系が装置筐体の後方に飛び出さないので、光学系を配置する筐体を薄型でスマートなものとできる。

なお、本発明に係る投写光学系は、短焦点距離画像投写装置に用いられているが、用途は、これに限定されず、背面投写型（リアプロジェクション）テレビ、モバイルパソコン、車載用プロジェクタ、会議用プロジェクタ、家庭用プロジェクタなどに広く適用することができる。

１０カバーグラス
２０プリズム
３０中間投写投写レンズ系
３１〜３７レンズ
４０凸メニスカスレンズ（第３レンズ）
５０凹メニスカスレンズ（第２レンズ）
６０凹メニスカスレンズ（第１レンズ）
７０反射鏡
８０非球面ミラー
９０スクリーン
１００投写光学系

Claims

非球面ミラーを備え、画像形成素子からの光画像をスクリーンに投写する投写光学系において、
前記非球面ミラーを最もスクリーン側に配置すると共に、該非球面ミラー近接した側から、スクリーン側に凸で非球面の凹メニスカスレンズである第１レンズ、スクリーン側に凸で非球面の凹メニスカスレンズである第２レンズ、画像形成素子側に凸の凸メニスカスレンズである第３レンズ、を配置したことを特徴とする投写光学系。
前記第２レンズと、前記第３レンズとは各レンズの相対位置を不変として全体として光軸に沿って移動可能に構成され、光画像のスクリーンへの合焦を行うことを特徴とする請求項１記載の投射光学系。
光路に光束を折曲する反射鏡を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の投射光学系。
前記反射鏡は、前記第１レンズと第２レンズとの間に配置されていることを特徴とする請求項３記載の投射光学系。
前記非球面ミラーと第１レンズまでの距離を３５ｍｍ以下とし、かつ前記非球面ミラーから前記スクリーンまでの距離を３００ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の投写光学系。
請求項１乃至５のいずれか記載の投写光学系を備え、光画像を短焦点距離でスクリーンに投写することを特徴とする画像投写装置。