JP2015138148A - Projection optical system, image projection device, and expanded image shift adjustment method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、投射光学系および画像投射装置および拡大画像変位調整方法に関する。 The present invention relates to a projection optical system, an image projection apparatus, and an enlarged image displacement adjustment method.
画像投射装置はプロジェクタとして実施できる。従って、画像投射装置を以下において「プロジェクタ」とも言う。 The image projection apparatus can be implemented as a projector. Therefore, the image projection apparatus is also referred to as “projector” below.
画像表示素子に表示される画像を、投射光学系により被投射面（以下、「スクリーン」とも言う。）上に拡大画像として拡大投射する画像投射装置は、従来から種々知られている（特許文献１〜６）。 2. Description of the Related Art Conventionally, various image projection apparatuses that enlarge and project an image displayed on an image display element as an enlarged image on a projection surface (hereinafter also referred to as “screen”) by a projection optical system are known (Patent Documents). 1-6).
近時、投射光学系を、屈折光学系（レンズ系）と曲面ミラーとの組み合わせにより構成するものが知られている（特許文献２〜６）。
Recently, there has been known a projection optical system configured by a combination of a refractive optical system (lens system) and a curved mirror (
以下、このような「屈折光学系と曲面ミラーを組み合わせた投射光学系」を、便宜上、屈折・反射型の投射光学系と呼ぶことにする。 Hereinafter, such a “projection optical system combining a refractive optical system and a curved mirror” will be referred to as a refractive / reflective projection optical system for convenience.
図２と図３を参照して、屈折・反射型の投射光学系の２例を簡単に説明する。 Two examples of the refractive / reflective projection optical system will be briefly described with reference to FIGS.
図２は、屈折光学系Ｌと凸面ミラーＭＮとを組み合わせた投射光学系を説明するための図である。 FIG. 2 is a diagram for explaining a projection optical system in which the refractive optical system L and the convex mirror MN are combined.
符号０で示す画像表示素子に表示される画像を、屈折光学系Ｌと凸面ミラーＭＮとにより拡大して、スクリーンＳ上に拡大画像として結像させて拡大投射する。
An image displayed on the image display element denoted by
図３は、屈折光学系Ｌと凹面ミラーＭＰとを組み合わせた投射光学系を説明するための図である。 FIG. 3 is a diagram for explaining a projection optical system in which the refractive optical system L and the concave mirror MP are combined.
画像表示素子０に表示される画像を、屈折光学系Ｌと凹面ミラーＭＰとにより拡大して、スクリーンＳ上に拡大画像として結像させて拡大投射する。
The image displayed on the
図２、図３に示す屈折・反射型の投射光学系は何れも、結像光束を「拡大機能を持つ曲面ミラーＭＮ、ＭＰ」で折り返してスクリーンＳ上に結像させる。 Each of the refractive / reflective projection optical systems shown in FIG. 2 and FIG. 3 forms an image on the screen S by folding the imaged light beam with the “curved mirrors MN and MP having an enlargement function”.
このため、投射光学系を装荷した画像投射装置の配置を、スクリーンＳに近接させることができ、所謂「超至近プロジェクタ」が可能になる。 For this reason, the arrangement of the image projection apparatus loaded with the projection optical system can be brought close to the screen S, and a so-called “ultra-close projector” becomes possible.
ところで、プロジェクタにおいては「スクリーン上に拡大投射された拡大画像の位置」を、スクリーン上で変位調整する「拡大画像変位調整」が一般に望まれる。 By the way, in a projector, “enlarged image displacement adjustment” for adjusting the displacement of the “position of the enlarged image projected on the screen” on the screen is generally desired.
屈折光学系のみで構成された投射光学系の場合には、屈折光学系をなすレンズ系を「光軸直交方向」に変位させることにより、この種の拡大画像変位調整が容易に可能である。 In the case of a projection optical system composed only of a refractive optical system, this type of enlarged image displacement adjustment can be easily performed by displacing the lens system forming the refractive optical system in the “perpendicular direction to the optical axis”.
屈折・反射型の投射光学系で、拡大画像変位調整を行う最も単純な方法は、画像投射装置全体を変位させる方法である。 In the refracting / reflecting projection optical system, the simplest method for adjusting the enlarged image displacement is a method of displacing the entire image projection apparatus.
この方法の場合、画像投射装置全体を変位させるため、変位に必要なエネルギが大きく変位させるのが面倒である。 In the case of this method, in order to displace the entire image projection apparatus, it is troublesome to greatly displace energy necessary for displacement.
また、屈折・反射型の投射光学系を、画像投射装置のケーシング内で変位させるようにした場合には、投射光学系の変位のためのスペースがケーシング内に必要になる。
このため、ケーシングの大型化を招来してしまう。
Further, when the refractive / reflective projection optical system is displaced in the casing of the image projection apparatus, a space for displacement of the projection optical system is required in the casing.
For this reason, the enlargement of a casing will be caused.
別の方法として、屈折光学系のみを光軸直交方向に変位させる拡大画像変位調整方法も考えられる。
しかし、この方法では、屈折光学系の変位により、曲面ミラーに対する屈折光学系の位置関係が変化するため収差が発生し、投射される拡大画像の像質が劣化しやすい。
As another method, an enlarged image displacement adjustment method in which only the refractive optical system is displaced in the direction orthogonal to the optical axis can be considered.
However, in this method, due to the displacement of the refractive optical system, the positional relationship of the refractive optical system with respect to the curved mirror changes, so that aberration occurs, and the quality of the projected enlarged image tends to deteriorate.
このため、屈折・反射型の投射光学系で屈折光学系のみを変位させる拡大画像変位調整方法では、拡大画像の変位量（以下「拡大画像シフト量」と呼ぶ。）は、拡大画像のサイズの４％程度が限界と考えられる。 For this reason, in the enlarged image displacement adjustment method in which only the refractive optical system is displaced by the refraction / reflection type projection optical system, the displacement amount of the enlarged image (hereinafter referred to as “enlarged image shift amount”) is the size of the enlarged image. About 4% is considered the limit.
この発明は、拡大画像の像質の劣化を抑制しつつ、スクリーン上の大きい範囲で、拡大画像の位置調整が可能な、屈折・反射型の投射光学系の実現を課題とする。 An object of the present invention is to realize a refractive / reflective projection optical system capable of adjusting the position of a magnified image in a large range on a screen while suppressing deterioration in image quality of the magnified image.
この発明の投射光学系は、画像表示素子に表示される画像を、被投射面上に拡大画像として拡大投射するための投射光学系であって、縮小側から拡大側へ向かって順次、第１の屈折光学系、第２の屈折光学系、曲面ミラーを配してなり、第１の屈折光学系は、画像表示素子に表示された画像の中間像を、第１の屈折光学系と第２の屈折光学系の間に結像し、第２の屈折光学系と曲面ミラーは、前記中間像を結像した光を、被投射面上に拡大投射して拡大画像として結像させる機能を有し、第１の屈折光学系は、該第１の屈折光学系を構成する各光学素子が光軸を共有する共軸光学系で、前記画像表示素子側および前記中間像側ともにテレセントリックな、両側テレセントリック光学系である。 A projection optical system according to the present invention is a projection optical system for enlarging and projecting an image displayed on an image display element as an enlarged image on a projection surface, and sequentially proceeds from a reduction side to an enlargement side. The refractive optical system, the second refractive optical system, and the curved mirror are arranged, and the first refractive optical system converts the intermediate image of the image displayed on the image display element into the first refractive optical system and the second refractive optical system. The second refracting optical system and the curved mirror have a function of enlarging and projecting the light formed on the intermediate image onto the projection surface to form an enlarged image. The first refractive optical system is a coaxial optical system in which the optical elements constituting the first refractive optical system share the optical axis, and both the image display element side and the intermediate image side are telecentric. Telecentric optical system.
この発明によれば、拡大画像の像質の劣化を抑制しつつ、スクリーン上の大きい範囲で、拡大画像の位置調整が可能な、屈折・反射型の投射光学系を実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize a refractive / reflective projection optical system capable of adjusting the position of the enlarged image in a large range on the screen while suppressing the deterioration of the image quality of the enlarged image.
以下、実施の形態を説明する。
先ず、図１を参照して、投射光学装置のあらましを説明する。
図１は、主として、画像表示素子とその照明光学系を説明するための図である。
Hereinafter, embodiments will be described.
First, an overview of the projection optical apparatus will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a diagram mainly illustrating an image display element and its illumination optical system.
図１において、符号１０は「画像表示素子」を示している。
In FIG. 1,
画像表示素子１０としては、公知の適宜のもの、例えば、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラーアレイ・デバイス テキサスインスツルメント社製）や液晶パネルを用い得る。
As the
液晶パネルは、反射型・投射型ともに使用可能である。 The liquid crystal panel can be used for both a reflection type and a projection type.
ＤＭＤや液晶パネルは、自ら発光する「自発光機能」を持たないので、表示される画像を照明する照明光学系を必要とする。 Since the DMD and the liquid crystal panel do not have a “self-emitting function” that emits light by themselves, an illumination optical system that illuminates a displayed image is required.
しかし、画像表示素子としては、これらに限らず、ＬＥＤアレイ等のように、自発光機能を持つものを用いることもでき、その場合には、照明光学系は不要である。 However, the image display element is not limited to these, and an element having a self-luminous function, such as an LED array, can be used. In that case, an illumination optical system is unnecessary.
説明の具体性のため、図１に示す形態例における画像表示素子１０はＤＭＤであるとするが、この発明の画像投射装置は勿論、画像表示素子の種類を問わない。
For the sake of concreteness of description, the
照明光学系による照明を説明する。 Illumination by the illumination optical system will be described.
光源１は、ランプ１Ａとリフレクタ１Ｂを有する。
ランプ１Ａを発光させると、リフレクタ１Ｂは、ランプ１Ａからの光を反射させて、インテグレータロッド３の入射部分に集光させる。
The
When the
インテグレータロッド３は、４つの短冊状平面鏡をトンネル状に組み合わせたライトパイプである。
The
インテグレータロッド３の入射部分に集光した光は、ライトパイプ内で反射を繰り返しつつ導光され、射出部分から射出する。
The light condensed on the incident part of the
このとき、射出部分は「均一な光強度の面」として機能する。インテグレータロッド３から射出した光は、レンズ系５を透過し、ミラー７により光路を屈曲される。
At this time, the emission part functions as a “surface of uniform light intensity”. The light emitted from the
ミラー７により反射された光は、曲面ミラー９に入射して反射され、ＤＭＤ１０の画像表示面に照射される。
The light reflected by the
ＤＭＤ１０の画像表示面には、多数のマイクロミラーが２次元的にアレイ配列され、個々のマイクロミラーは、鏡面を＋１２度〜−１２度の傾き角範囲で傾けることができる。
A large number of micromirrors are two-dimensionally arrayed on the image display surface of the
「拡大投射される画像」は、傾けられたマイクロミラーの２次元的な分布として表示される。 The “image to be enlarged and projected” is displayed as a two-dimensional distribution of tilted micromirrors.
このようにして画像表示面に表示された画像は、曲面ミラー９による反射光により照明される。
The image displayed on the image display surface in this way is illuminated by the reflected light from the
インテグレータロッド３と画像表示面との間に配備された光学系であるレンズ系５、ミラー７、曲面ミラー９は「結像光学系」を構成する。
The
そして、この結像光学系は、インテグレータロッド３の射出部分における上記「均一な光強度の面」を物体として、その拡大像を画像表示面に結像させる。
The imaging optical system forms an enlarged image on the image display surface using the above-mentioned “surface of uniform light intensity” in the exit portion of the
従って、画像表示面は「均一な光強度（均一な照度分布）」で照明される。ミラー７は平面鏡でもよいし、パワーを持つ曲面ミラーでもよい。
Therefore, the image display surface is illuminated with “uniform light intensity (uniform illuminance distribution)”. The
ＤＭＤ１０の画像表示面におけるマイクロミラーの傾きは、例えば、−１２度のときに反射光が投射光学系１００に入射し、＋１２°のときは入射しないように設定される。
The inclination of the micromirror on the image display surface of the
画像表示面により反射されて、投射光学系１００に入射する光は、画像表示面に表示された画像により強度変調されている。
The light reflected by the image display surface and incident on the projection
投射光学系１００は、入射してくる光を、図示されないスクリーン上に結像させる。
結像する像は、画像表示面に表示された画像の拡大画像である。
The projection
The image formed is an enlarged image of the image displayed on the image display surface.
以下に説明するように、この発明の投射光学系は、屈折光学系と、曲面ミラーを有し、屈折光学系は、第１および第２の屈折光学系を有する。 As will be described below, the projection optical system of the present invention has a refractive optical system and a curved mirror, and the refractive optical system has first and second refractive optical systems.
投射光学系の具体的な実施例を説明する前に、実施の形態を通じて説明する。 Before describing specific examples of the projection optical system, a description will be given through embodiments.
図４は、この発明の投射光学系の実施の１形態を、説明図として示す図である。 FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of the projection optical system according to the present invention as an explanatory diagram.
図４において、符号１０は、図１におけると同じく画像表示素子（ＤＭＤを想定しているが、勿論、これに限らない。）を示している。
図４には、画像表示素子１０の「画像表示面の部分」が示されている。以下の図においても同様である。
In FIG. 4,
FIG. 4 shows an “image display surface portion” of the
符号２１は、第１の屈折光学系、符号２２は第２の屈折光学系、符号２３は曲面ミラーを示している。
第１の屈折光学系２１と第２の屈折光学系２２とは「屈折光学系」を構成し、この屈折光学系と曲面ミラー２３とで、投射光学系が構成されている。
図４に図示されていないが、第１の屈折光学系２２内には開口絞りが配設されている。
The first refractive
Although not shown in FIG. 4, an aperture stop is disposed in the first refractive
図４に示された矢印は、画像表示素子１０の画像表示面からの光線であり、これらは全て「主光線」である。
The arrows shown in FIG. 4 are light rays from the image display surface of the
「主光線」は、一般的に定義されているように、結像光学系の入射瞳（図示の例では、第１の屈折光学系内に位置する。）の中心を通る光線である。 The “principal ray” is a ray passing through the center of the entrance pupil of the imaging optical system (in the illustrated example, located in the first refractive optical system) as generally defined.
第１の屈折光学系２１は、これを構成する各光学素子Ｌ１１、Ｌ１２が「光軸を共有」する共軸光学系である。
The first refractive
図４には、第１の屈折光学系２１が２枚のレンズＬ１１、Ｌ１２で構成されるように描かれている。
In FIG. 4, the first refractive
これは説明の便宜性のためであり、第１の屈折光学系２１を構成するレンズが２枚であることに限られる訳でないことは言うまでもない。
This is for convenience of explanation, and it goes without saying that the number of lenses constituting the first refractive
図４に示された状態では、第１の屈折光学系２１と第２の屈折光学系２２とは、光軸を共有している。
In the state shown in FIG. 4, the first refractive
画像表示素子１０の画像表示面からの光は、第１の屈折光学系２１に入射すると、図示の如く、第１の屈折光学系の結像作用により、中間像Ｉｍ１を結像する。
When light from the image display surface of the
中間像Ｉｍ１の結像位置は「第１の屈折光学系２１と第２の屈折光学系２２との間」である。
The imaging position of the intermediate image Im1 is “between the first refractive
中間像Ｉｍ１を結像した光は、第２の屈折光学系２２に入射し、第１の中間像Ｉｍ１を物体として第２の中間像Ｉｍ２を、曲面ミラー２３の手前に結像する。
The light that forms the intermediate image Im1 is incident on the second refractive
曲面ミラー２３は、この例において「凹面ミラー」であり、第２の中間像Ｉｍ２を物体として、その拡大像を図示されないスクリーン上に結像させる。
The
即ち、第１の屈折光学系２１は、画像表示素子１０に表示された画像の中間像Ｉｍ１を、第１の屈折光学系２１と第２の屈折光学系２２の間に結像させる機能を有する。
That is, the first refractive
第２の屈折光学系２２と曲面ミラー２３は、中間像Ｉｍ１を、図示されないスクリーン（被投射面）上に拡大投射して拡大画像として結像させる機能を有する。
The second refractive
さて、図４に示した全ての主光線は、第１の屈折光学系２１の物体側（縮小側）および像側（拡大側）の何れにおいても「光軸に平行」である。
Now, all the principal rays shown in FIG. 4 are “parallel to the optical axis” on both the object side (reduction side) and the image side (enlargement side) of the first refractive
即ち、第１の屈折光学系２１は、画像表示素子１０側（縮小側）および中間像Ｉｍ１側（拡大側）ともにテレセントリックな「両側テレセントリック光学系」である。
That is, the first refractive
図４に示された状態は、屈折光学系を構成する第１の屈折光学系２１と第２の屈折光学系２２とが光軸を共有する。
In the state shown in FIG. 4, the first refractive
そして、第２の屈折光学系２２と曲面ミラー２３とは「設計された位置関係」に位置関係を設定されている。
The positional relationship between the second refractive
以下、この状態を投射光学系における「基準状態」と呼ぶ。 Hereinafter, this state is referred to as a “reference state” in the projection optical system.
この基準状態において、スクリーン上に投射される拡大画像の位置を「基準の投射画像位置」と呼ぶ。 In this reference state, the position of the enlarged image projected on the screen is referred to as “reference projected image position”.
スクリーン上に投射された拡大画像の位置の「基準の投射画像位置に対する変位調整」を以下に説明する。 “Displacement adjustment with respect to the reference projected image position” of the position of the enlarged image projected on the screen will be described below.
図５は、図４に示す基準状態から、第１の屈折光学系２１のみを、屈折光学系の光軸に直交する方向（図において上方）へ変位させた状態を示している。
FIG. 5 shows a state in which only the first refractive
この変位における変位量を「シフト量」と呼び、「Δ」で表す。 The displacement amount in this displacement is called “shift amount” and is represented by “Δ”.
即ち、図５の状態は、図４に示す基準状態から、第１の屈折光学系２１のみを光軸直交方向にシフト量：Δだけ変位させた状態である。
That is, the state of FIG. 5 is a state in which only the first refractive
この変位により、画像表示素子１０と第１の屈折光学系２１との位置関係は、光軸直交方向（図の上下方向）において相対的にずれることになる。
Due to this displacement, the positional relationship between the
しかし、第１の屈折光学系２１は「両側テレセントリック光学系」であるから、シフト量：Δの存在に拘わらず、全ての主光線は第１の屈折光学系２１の光軸に平行である。
However, since the first refractive
このとき、第１の屈折光学系２１により結像される第１の中間像Ｉｍ１Ａは、基準状態における結像位置よりも、光軸直交方向（図の上方）へずれる。
At this time, the first intermediate image Im1A imaged by the first refractive
第１の中間像Ｉｍ１Ａの「中間像Ｉｍ１（図４）に対するずれ量」は、第１の屈折光学系２１の横倍率：β１と、シフト量：Δとの積：Δ・β１になる。 The “shift amount with respect to the intermediate image Im1 (FIG. 4)” of the first intermediate image Im1A is the product of the lateral magnification: β1 and the shift amount: Δ of the first refractive optical system 21: Δ · β1.
第１の中間像Ｉｍ１Ａを結像した光は、ついで、第１の屈折光学系２１により、第２の中間像Ｉｍ２Ａとして結像される。
The light that forms the first intermediate image Im1A is then imaged by the first refractive
このとき、第２の中間像Ｉｍ２Ａの「中間像Ｉｍ２（図４）に対するずれ量」は、第２の屈折光学系２２の横倍率：β２と、上記ずれ量：Δ・β１との積になる。
At this time, the “deviation amount with respect to the intermediate image Im2 (FIG. 4)” of the second intermediate image Im2A is a product of the lateral magnification: β2 of the second refractive
即ち、第２の中間像Ｉｍ２Ａのずれ量は「Δ・β１・β２」になる。 That is, the shift amount of the second intermediate image Im2A is “Δ · β1 · β2”.
第２の中間像Ｉｍ２Ａを結像した光はついで、曲面ミラー２３により、図示されないスクリーン上に、拡大画像として拡大投射される。
The light that forms the second intermediate image Im2A is then enlarged and projected as an enlarged image on a screen (not shown) by the
スクリーン上に拡大投射された拡大画像の「基準の投射画像位置に対する変位量」は、曲面ミラー２３の横倍率：β３と前記ずれ量：Δ・β１・β２との積になる。 The “displacement amount with respect to the reference projection image position” of the enlarged image projected on the screen is a product of the lateral magnification of the curved mirror 23: β3 and the deviation amount: Δ · β1 · β2.
即ち、図４に示す基準状態から、第１の屈折光学系２１が光軸直交方向にシフト量：Δだけ変位すると、スクリーン上の拡大画像は「Δ・β１・β２・β３」だけ変位する。
That is, when the first refractive
図５に示す如く、第１の屈折光学系２１の「両側テレセントリック性」が成り立つ範囲のシフト量：Δ（≠０）に対しては、第１の中間像：Ｉｍ１Ａの結像に際しては「収差の劣化」が生じない。
As shown in FIG. 5, with respect to the shift amount: Δ (≠ 0) in the range where the “bilateral telecentricity” of the first refractive
また、第２の屈折光学系２３は、第１の屈折光学系２１の両側テレセントリック性により、シフト量：Δ（≠）の如何に拘わらず、常に平行な主光線を受けることになる。
Further, the second refractive
従って、中間像：Ｉｍ２Ａの結像に際しても収差の劣化は生じない。 Accordingly, the aberration does not deteriorate even when the intermediate image Im2A is formed.
スクリーン上の拡大画像の変位量：Δ・β１・β２・β３は、シフト量：Δの最大値と横倍率：β１、β２、β３とにより定まるが、これらは何れも設計条件として定まる。 The amount of displacement of the enlarged image on the screen: Δ · β1 · β2 · β3 is determined by the maximum value of the shift amount: Δ and the lateral magnifications: β1, β2, and β3, all of which are determined as design conditions.
従って、これらを適宜に設定することにより、所望の大きさの変位を、スクリーン上の拡大画像に対して与えることができる。 Accordingly, by appropriately setting these, a displacement having a desired size can be given to the enlarged image on the screen.
上記のように、この発明の投射光学系では、第１の屈折光学系が拡大側・縮小側にテレセントリックである「両側テレセントリック光学系」である。 As described above, in the projection optical system of the present invention, the first refractive optical system is a “double-sided telecentric optical system” that is telecentric on the enlargement side / reduction side.
ここで、比較のために、第１の屈折光学系が「両側テレセントリック光学系」でない場合の例を「比較例」として、図６、図７を参照して説明する。 Here, for comparison, an example in which the first refractive optical system is not the “bilateral telecentric optical system” will be described as a “comparative example” with reference to FIGS. 6 and 7.
繁雑を避けるため、混同の恐れがないと思われるものについては、比較例を示す図６、図７において、図４、５と符号を共通化する。 In order to avoid complications, for those that are not likely to be confused, the reference numerals in FIGS.
従って、図６、図７においても、符号１０は画像表示素子、符号２１は第１の屈折光学系、符号２２は第２の屈折光学系、符号２３は曲面ミラーを示す。
Accordingly, also in FIGS. 6 and 7,
図６、図７の例では、第１の屈折光学系２１は、物体側（縮小側）、像側（拡大側）ともにテレセントリックでない。
In the examples of FIGS. 6 and 7, the first refractive
図６は、第１の屈折光学系２１の光軸と第２の屈折光学系２２の光軸が合致している状態（図４の場合に倣って、この場合も「基準状態」と呼ぶ。）を示している。
FIG. 6 shows a state in which the optical axis of the first refractive
この基準状態において第１の屈折光学系２１により結像する中間像を、第１の中間像Ｉｍ１０とする。
図４の場合の第１の中間像Ｉｍ１と区別するために符号をＩｍ１０としている。
An intermediate image formed by the first refractive
In order to distinguish it from the first intermediate image Im1 in the case of FIG. 4, the symbol is Im10.
この場合、第１の中間像Ｉｍ１０を結像する主光線は、互いに平行ではない。 In this case, the chief rays that form the first intermediate image Im10 are not parallel to each other.
第１の中間像Ｉｍ１０を結像した光は、第２の屈折光学系２２により第２の中間像Ｉｍ２０として、結像する。
The light formed on the first intermediate image Im10 is formed as a second intermediate image Im20 by the second refractive
そして、第２の中間像Ｉｍ２０の、曲面ミラー２３による拡大像が「画像表示素子１０に表示された画像の拡大画像」として、図示されないスクリーン上に拡大投射される。
Then, an enlarged image of the second intermediate image Im20 by the
図４、図５の場合に倣い、この場合にスクリーン上に投射される拡大画像の位置も「基準の投射画像位置」と呼ぶ。 4 and FIG. 5, the position of the enlarged image projected on the screen in this case is also referred to as “reference projected image position”.
このとき「基準の投射画像位置」に投射される拡大画像が良好になるように、第１、第２の屈折光学系、曲面ミラーを設計することは勿論可能である。 At this time, it is of course possible to design the first and second refractive optical systems and the curved mirror so that the enlarged image projected on the “reference projected image position” is good.
図７は、図６の示す基準状態から、第１の屈折光学系２１のみを、光軸直交方向にシフト量：Δだけ変位させた状態を示している。
FIG. 7 shows a state in which only the first refractive
第１の屈折光学系２１はテレセントリックでないので、第１の屈折光学系２１が図７のように変位した場合も、第１の屈折光学系２１から射出する主光線は、互いに平行とならない。
Since the first refractive
このため、第１の中間像Ｉｍ１０Ａの結像に関しても「収差の劣化」が生じやすい。 For this reason, “deterioration of aberration” is also likely to occur with respect to the first intermediate image Im10A.
また、第１の中間像Ｉｍ１０Ａを結像した主光線が互いに平行でないため、第２の屈折光学系２２に入射する光線の角度が、レンズ面上の入射位置ごとに変化する。
このため、第２の屈折光学系２２による第２の中間像（図示されず）の結像に際しても収差の大幅な劣化が生じる。
In addition, since the principal rays that form the first intermediate image Im10A are not parallel to each other, the angle of the rays incident on the second refractive
For this reason, when the second intermediate image (not shown) is formed by the second refractive
従って、図６、図７のような投射光学系の場合には「第１の屈折光学系のみの変位による拡大画像変位調整」を、拡大画像の像質劣化を伴わずに良好に行うことは困難である。 Accordingly, in the case of the projection optical system as shown in FIGS. 6 and 7, “enlarged image displacement adjustment by displacement of only the first refractive optical system” is favorably performed without image quality degradation of the enlarged image. Have difficulty.
図４、図５に即して説明したように、スクリーン上の拡大画像の変位量は「Δ・β１・β２・β３」である。 As described with reference to FIGS. 4 and 5, the displacement amount of the enlarged image on the screen is “Δ · β1 · β2 · β3”.
Δは第１の屈折光学系の変位の大きさ（シフト量）であり、β１、β２、β３はそれぞれ、第１、第２の屈折光学系および曲面ミラーの横倍率である。 Δ is the displacement (shift amount) of the first refractive optical system, and β1, β2, and β3 are the lateral magnifications of the first and second refractive optical systems and the curved mirror, respectively.
これら、Δ、β１〜β３は設計条件として適宜に設定できる。
しかし、投射光学系、延いては画像投射装置のコンパクト性や、画像品質のばらつきの抑制といった観点からすると、横倍率：β１は、以下の条件を満足するのが良い。
These Δ, β1 to β3 can be appropriately set as design conditions.
However, from the viewpoint of the compactness of the projection optical system and, in turn, the compactness of the image projection apparatus and the suppression of variations in image quality, the lateral magnification: β1 should satisfy the following conditions.
即ち、第１の屈折光学系（両側テレセントリック光学系である。）の横倍率：β１は、０．９〜４．０の範囲であることが好ましい。 That is, it is preferable that the lateral magnification β1 of the first refractive optical system (both sides telecentric optical system) is in the range of 0.9 to 4.0.
第１の屈折光学系の横倍率：β１が上記範囲であると、第１の中間像Ｉｍ１、Ｉｍ１Ａや、第２の中間像Ｉｍ２、Ｉｍ２Ａのサイズ、曲面ミラーのサイズを小さく抑制できる。 When the lateral magnification β1 of the first refractive optical system is in the above range, the size of the first intermediate images Im1 and Im1A, the second intermediate images Im2 and Im2A, and the size of the curved mirror can be reduced.
上に言う中間像や曲面ミラーの「サイズ」は、図４、図５における上下方向のサイズである。 The “size” of the intermediate image and the curved mirror mentioned above is the size in the vertical direction in FIGS. 4 and 5.
中間像や曲面ミラーのサイズを小さく押さえることができると、第２の屈折光学系のレンズサイズや、曲面ミラーのサイズを小さく抑えることができる。 If the size of the intermediate image and the curved mirror can be kept small, the lens size of the second refractive optical system and the size of the curved mirror can be kept small.
従って、横倍率：β１を、上記範囲に抑えることは、投射光学系、延いては画像投射装置の小型化（コンパクト性）に資するところが大きい。 Therefore, suppressing the lateral magnification: β1 within the above range greatly contributes to downsizing (compactness) of the projection optical system and, in turn, the image projection apparatus.
第１の屈折光学系の横倍率：β１は、上記範囲のうちで「略等倍（即ち１倍近傍）」であることがより好ましい。 The lateral magnification β1 of the first refractive optical system is more preferably “substantially the same magnification (ie, near 1 ×)” within the above range.
第１の屈折光学系の横倍率が略等倍であると、縦倍率（＝β１２）も略１に等しい。 When the lateral magnification of the first refractive optical system is approximately equal, the longitudinal magnification (= β1 2 ) is also approximately equal to 1.
従って、第１の屈折光学系と画像表示素子の位置関係が、画像表示面の法線方向に多少ずれても、第１の中間像の結像位置は第１の屈折光学系の光軸方向に大きく変化しない。 Therefore, even if the positional relationship between the first refractive optical system and the image display element is slightly shifted in the normal direction of the image display surface, the imaging position of the first intermediate image is the optical axis direction of the first refractive optical system. Does not change significantly.
図４、図５の場合に即して説明する。 A description will be given with reference to FIGS.
例えば、第１の屈折光学系の横倍率：β１＝１であるとすると、縦倍率もβ１となる。
このとき、画像表示面と第１の屈折光学系との位置関係が、第２の屈折光学系２２の光軸方向において微少量：ΔＺだけ、ずれたとする。
For example, when the lateral magnification of the first refractive optical system is β1 = 1, the longitudinal magnification is also β1.
At this time, it is assumed that the positional relationship between the image display surface and the first refractive optical system is shifted by a minute amount: ΔZ in the optical axis direction of the second refractive
このように「画像表示面と第１の屈折光学系２１との位置関係」が微小量:ΔＺだけずれた場合、第１の中間像Ｉｍ１やＩｍ１Ａの結像位置の上記方向の変化もΔＺである。
As described above, when the “positional relationship between the image display surface and the first refractive
ΔＺは微小であるから、第１の中間像と第２の屈折光学系との位置関係のずれも微小となり、第２の中間像Ｉｍ２やＩｍ２Ａの結像に際しての収差の劣化も大きくならない。 Since ΔZ is very small, the positional relationship between the first intermediate image and the second refractive optical system is also very small, and the deterioration of aberration during the formation of the second intermediate image Im2 or Im2A does not increase.
即ち、横倍率：β１を１近傍に設定することにより、投射光学系の組み付け精度に対する要求が有効に緩和され、投射光学系や投射光学系の組み付け作業が容易化される。 That is, by setting the lateral magnification β1 to be close to 1, the requirement for the assembly accuracy of the projection optical system is effectively relaxed, and the assembly work of the projection optical system and the projection optical system is facilitated.
逆に、例えば、β１＝１０のように大きな横倍率の場合に、第１の屈折光学系２１が画像表示素子１０に対して「ΔＺの位置ずれ」をもって組みつけられた場合を考える。
On the other hand, consider a case where the first refractive
この場合、第１の中間像Ｉｍ１、Ｉｍ１Ａ１の結像位置の「ずれ量」は、１００ΔＺとなり、第１の中間像と第２の屈折光学系２２の位置関係が大幅にずれる。
In this case, the “deviation amount” of the imaging positions of the first intermediate images Im1 and Im1A1 is 100ΔZ, and the positional relationship between the first intermediate image and the second refractive
このため、スクリーン上ではピントが合わなくなることが考えられる。 For this reason, it is conceivable that the image cannot be focused on the screen.
このような事態を避けるためには「画像表示素子と第１の屈折光学系」を、極めて高い精度で組み付ける必要がある。 In order to avoid such a situation, it is necessary to assemble the “image display element and the first refractive optical system” with extremely high accuracy.
この発明の投射光学系は、前述の如く、第１の屈折光学系は「両側テレセントリック光学系」であるが、第２の屈折光学系にはテレセントリック性は特に要求されない。 In the projection optical system of the present invention, as described above, the first refractive optical system is a “bilateral telecentric optical system”, but the second refractive optical system is not particularly required to have telecentricity.
しかし、第２の屈折光学系も「第１の屈折光学系が形成する中間像に対してテレセントリックな光学系」であることが好ましい。
このようにすると、第１の中間像Ｉｍ１Ａを結像した全ての主光線が「光軸に平行」に第２の屈折光学系に入射する。
However, the second refractive optical system is also preferably “an optical system telecentric with respect to the intermediate image formed by the first refractive optical system”.
In this way, all the principal rays that form the first intermediate image Im1A enter the second refractive optical system “parallel to the optical axis”.
従って、第２の屈折光学系による第２の中間像Ｉｍ２Ａの結像の際の収差の劣化を有効に抑制でき、拡大画像変位調整された拡大画像の像質を「より良好」に保てる。 Accordingly, it is possible to effectively suppress the deterioration of the aberration when the second intermediate image Im2A is formed by the second refractive optical system, and the image quality of the enlarged image whose enlarged image displacement is adjusted can be kept “better”.
以下、投射光学系の具体的な実施例を説明する。 Hereinafter, specific examples of the projection optical system will be described.
図８は、投射光学系の実施例における「第１の屈折光学系」を示す図である。 FIG. 8 is a diagram illustrating a “first refractive optical system” in the embodiment of the projection optical system.
図の如く、第１の光学系の光軸方向に「Ｚ方向」をとり、図の上下方向を「Ｙ方向」とし、図面に直交する方向は「Ｘ方向」とする。 As shown in the figure, the “Z direction” is taken in the optical axis direction of the first optical system, the vertical direction in the figure is taken as the “Y direction”, and the direction orthogonal to the drawing is taken as the “X direction”.
混同の恐れは無いと思われるので、図４、図５におけると同じく、符号２１により第１の屈折光学系を表し、符号１０により画像表示素子を表す。
Since there is no possibility of confusion, the first refractive optical system is represented by
また、符号Ｉｍ１により「第１の中間像」を表す。 Further, the symbol “Im1” represents a “first intermediate image”.
第１の屈折光学系２１は、光軸に対する回転対称である。
The first refractive
画像表示素子１０の画像表示面に表示された画像は、第１の屈折光学系２１により、第１の中間画像Ｉｍ１として結像される。
The image displayed on the image display surface of the
第１の屈折光学系２１は、図示の如く１０枚のレンズと開口絞りＳで構成され、開口絞りＳは物体側（縮小側）から数えて５枚目と６枚目のレンズの間に配置されている。
The first refractive
開口絞りＳよりも画像表示素子１０側にある「５枚のレンズの組み」をレンズ群Ｌ１Ａとし、拡大側にある「５枚のレンズの組み」をレンズ群Ｌ１Ｂとする。
“A set of five lenses” on the
画像表示素子１０から第１の屈折光学系２１に入射する光線は、開口絞りＳによってその光束幅を規制される。
The light beam width that enters the first refractive
図８において、レンズ群Ｌ１Ａは、図の左から右に向けて「光軸に平行な平行光束」が入射した場合に、その焦点位置が開口絞りＳの中心位置となるように構成されている。 In FIG. 8, the lens unit L1A is configured so that the focal position is the center position of the aperture stop S when a “parallel light beam parallel to the optical axis” enters from the left to the right in the figure. .
この構成により、レンズ群Ｌ１Ａは「物体側、即ち縮小側にテレセントリック」となっている。 With this configuration, the lens unit L1A is “telecentric on the object side, that is, on the reduction side”.
また、レンズ群Ｌ１Ｂは、図の右方、即ち拡大側から「光軸に平行な平行光束」を入射させた場合に、その焦点位置が開口絞りＳの中心位置となるように構成されている。 The lens unit L1B is configured such that the focal position is the center position of the aperture stop S when a “parallel light beam parallel to the optical axis” is incident from the right side of the drawing, that is, from the enlargement side. .
この構成により、レンズ群Ｌ１Ｂは「拡大側、即ち第１の中間像Ｉｍ１側にテレセントリック」となっている。 With this configuration, the lens unit L1B is “telecentric on the enlargement side, that is, on the first intermediate image Im1 side”.
従って、レンズ群Ｌ１Ａ、Ｌ１Ｂと開口絞りＳで構成される第１の屈折光学系２１は、縮小側及び拡大側にテレセントリックな「両側テレセントリック光学系」となっている。
Accordingly, the first refractive
図８には、画像表示素子１０の画素表示面上の３画素を光源とする光線を「これらの画素ごとに３本ずつ」描いている。
In FIG. 8, “three rays for each of these pixels” are drawn using three pixels on the pixel display surface of the
各画素からの３本の光線のうち、開口絞りＳの中心を通る主光線は、画像表示面に対しても第１の中間像Ｉｍ１の像面に対しても直交し、且つ、互いに平行である。 Of the three rays from each pixel, the principal rays passing through the center of the aperture stop S are orthogonal to the image display surface and the image plane of the first intermediate image Im1, and are parallel to each other. is there.
即ち、第１の屈折光学系２１を、画像表示面に対して平行（図８のＹ方向）に変位させても、第１の中間像Ｉｍ１に入る主光線は常に第１の中間像Ｉｍ１の像面に垂直である。
That is, even if the first refractive
なお、第１の屈折光学系２１の横倍率は１．０である。
The lateral magnification of the first refractive
画像表示素子１０に対する第１の屈折光学系２１の位置関係は、例えば、出荷工場での組み付け誤差等により、正規の位置関係からずれることがあり得る。
The positional relationship of the first refractive
このように、画像表示素子１０に対して第１の屈折光学系２１がＺ方向にずれても、第１の中間像Ｉｍ１の「Ｚ方向のずれ量」は第１の屈折光学系２１のずれ量と同一である。
As described above, even if the first refractive
もともと、組み付け誤差等によるずれは「微小」であるので、第１の中間像Ｉｍ１のＺ方向への「ずれ量」も微小となる。 Originally, the shift due to the assembly error or the like is “minute”, and therefore the “shift amount” in the Z direction of the first intermediate image Im1 is also minute.
従って、この「ずれ」に起因して「スクリーン上での拡大画像」に大きなピントずれが生じることは無い。
画像投射装置のコンパクト性や、画像品質のばらつきの抑制といった観点からすると、第１の屈折光学系の横倍率の好適な範囲は、前述の如く０．９〜４．０の範囲である。
Therefore, a large focus shift does not occur in the “enlarged image on the screen” due to the “shift”.
From the viewpoint of compactness of the image projection apparatus and suppression of variations in image quality, the preferred range of the lateral magnification of the first refractive optical system is the range of 0.9 to 4.0 as described above.
第１の屈折光学系の横倍率が４倍を超えると、画像表示素子１０に対する第１の屈折光学系のＺ方向のずれ量が、第１の中間像Ｉｍ１のずれ量として１６倍以上に拡大される。
When the lateral magnification of the first refractive optical system exceeds 4 times, the amount of deviation in the Z direction of the first refractive optical system with respect to the
このため、スクリーン上の「拡大画像のピントのずれ量」が、許容レベルを超える虞がある。 For this reason, there is a possibility that “the amount of defocusing of the enlarged image” on the screen exceeds the allowable level.
また、第２の屈折光学系のレンズ径が増大し、投射光学系、延いては画像投射装置の大型化を招来しやすくなる。 In addition, the lens diameter of the second refractive optical system increases, which tends to increase the size of the projection optical system and thus the image projection apparatus.
図８に示す第１の屈折光学系２１は「シフト調整機構」によって保持され、プロジェクタ内部で、図８のＹ方向に変位されるようになっている。
The first refractive
図８に示す第１の屈折光学系２１のデータを、図９に示す。図９において「面番号」とあるのは、縮小側から数えた面の番号である。
FIG. 9 shows data of the first refractive
画像表示素子は画像表示面に接して平行平板状のカバーガラスが設けられ、このカバーガラスの画像表示面側が面番号：０、第１の屈折光学系側の面が面番号１である。
The image display element is provided with a parallel plate-like cover glass in contact with the image display surface. The image display surface side of this cover glass is surface number: 0, and the surface on the first refractive optical system side is
これら面番号：０、１の曲率半径を表す「１．０Ｅ＋１８」は「１．０×１０１８」を意味し、以下に示す非球面や自由曲面等でも用いる表記である。 “1.0E + 18” representing the curvature radii of these surface numbers: 0 and 1 means “1.0 × 10 18 ”, and is also used for the following aspheric surfaces and free-form surfaces.
なお、「１．０Ｅ＋１８」は実質的に無限大である。 “1.0E + 18” is substantially infinite.
図１０には、実施例の「第２の屈折光学系」と、曲面ミラーを示す。
混同の虞は無いと思われるので、図１０においても図３におけると同じく、第２の屈折光学系を符号２２により、曲面ミラーを符号２３により現す。
FIG. 10 shows the “second refractive optical system” of the embodiment and a curved mirror.
Since there is no possibility of confusion, the second refractive optical system is represented by
図１０に示された第２の屈折光学系２２が、図８に示す第１の屈折光学系２１の拡大側に組み合わせられるのである。
The second refractive
第２の屈折光学系２２は、第１の中間像Ｉｍ１の側がテレセントリックな構成となっている。
The second refractive
第２の屈折光学系２２は、１５枚のレンズにより構成されている。
図１０に示す第２の屈折光学系２２と曲面ミラー２３のデータを図１１に示す。
The second refractive
FIG. 11 shows data of the second refractive
前述の如く、図８に示す第１の屈折光学系２１は、第２の屈折光学系２２に対して、光軸直交方向（Ｙ方向）へ変位可能である。
As described above, the first refractive
図１１において、面番号１、２を有するレンズは「平行平板ガラス」である。
In FIG. 11, lenses having
この平行平板ガラスの面番号１の面は、第１の中間像Ｉｍ１（図１１において「中間像１」と表記されている。）に対して間隔：１ｍｍを介して位置している。
The plane of
面番号２は、平行平板ガラスの拡大側の面である。
面番号９のレンズ面には、開口径：８．５ｍｍの「光線絞り」が形成されている。
A “beam stop” having an aperture diameter of 8.5 mm is formed on the lens surface of
面番号１〜９のレンズ群に対して、図１０の左から、光軸に平行な平行光線を入射するとき、その焦点位置が面９の「光線絞り位置の中心」に設定されている。
When parallel light rays parallel to the optical axis are incident on the lens groups of
即ち、面番号１〜９によるレンズ群は、第１の中間像Ｉｍ１側がテレセントリックであり、第１の屈折光学系２１からの光を受けても、収差が劣化しない構成となっている。
That is, the lens groups having the
図１１に示すように、第２の屈折光学系２２は非球面（面番号：３、４、２３〜２８）を含んでいる。
As shown in FIG. 11, the second refractive
また、曲面ミラー２３（図１１には「凹面ミラー」と表記されている。）のミラー面形状は「自由曲面」である。
図１２は、第２の屈折光学系の、上記非球面のデータを示している。
Further, the mirror surface shape of the curved mirror 23 (indicated as “concave mirror” in FIG. 11) is a “free curved surface”.
FIG. 12 shows the aspheric data of the second refractive optical system.
図１２の下図は、非球面を表す「非球面形状式」を示している。 The lower diagram of FIG. 12 shows an “aspheric shape formula” representing an aspheric surface.
「非球面」は、周知の次の非球面形状式で表される。 “Aspherical surface” is represented by the following well-known aspherical shape formula.
「非球面形状式」
Ｄ＝Ｃ・Ｈ２／[１＋√{１−(１＋Ｋ)Ｃ２・Ｈ２}]
＋Ｅ４・Ｈ４＋Ｅ６・Ｈ６＋Ｅ８・Ｈ８＋Ｅ10・Ｈ10＋Ｅ12・Ｈ12＋・・
この非球面形状式において、「Ｄ」は非球面量、「Ｈ」は光軸からの距離、「Ｃ」は近軸曲率、「Ｋ」は楕円定数、「Ｅ４、Ｅ６、・・Ｅ１2・・」は高次の非球面係数である。
"Aspherical surface type"
D = C · H 2 / [1 + √ {1- (1 + K) C 2 · H 2 }]
+ E 4・ H 4 + E 6・ H 6 + E 8・ H 8 + E 10・ H 10 + E 12・ H 12 + ・ ・
In this aspheric shape formula, “D” is the amount of aspheric surface, “H” is the distance from the optical axis, “C” is the paraxial curvature, “K” is the elliptic constant, “E 4 , E 6 ,. “ 12 ...” Is a higher-order aspheric coefficient.
図１３には、曲面ミラー２３のミラー面をなす自由曲面のデータを示す。
FIG. 13 shows data of a free curved surface that forms the mirror surface of the
「自由曲面」は、周知の以下の「自由曲面形状式」で表す。 The “free curved surface” is represented by the following well-known “free curved surface shape formula”.
「自由曲面形状式」
ｚ＝ｃ・ｈ２／[１＋√{１−(１＋ｋ)ｃ２・ｈ２}]＋ΣＣｊｘｍｙｎ
この自由曲面形状式において、右辺の「ｃ」は、自由曲面のｚ方向の頂点近傍における曲率である。
また「ｋ」は楕円定数、ｘ、ｙは、ｚ方向に直交し、互いに直交する２方向であり、自由曲面の位置を表す座標である。
また「ｈ」は、前記頂点を通り、ｚ方向に平行な軸からの距離を表す。
「ｈ＝√（ｘ２＋ｙ２）」である。
"Free-form surface form"
z = c · h 2 / [ 1 + √ {1- (1 + k)
In this free-form surface shape formula, “c” on the right side is the curvature in the vicinity of the vertex in the z direction of the free-form surface.
“K” is an elliptic constant, and x and y are two directions orthogonal to the z direction and orthogonal to each other, and are coordinates representing the position of the free-form surface.
“H” represents a distance from an axis passing through the vertex and parallel to the z direction.
“H = √ (x 2 + y 2 )”.
曲面ミラー２３は、図１１に示すように「頂点位置」が、第２の屈折光学系の光軸に対してＹ方向へ「−０．７ｍｍ」ずらされ、ｚ方向がＹＺ面に平行な面内で、上記光軸に対して時計方向に３．０度傾けて配置されている。
In the
ｘ方向は、ＹＺ面に対して交わり、ｙ方向はＹＺ面内にある。 The x direction intersects the YZ plane, and the y direction is in the YZ plane.
上に説明した実施例の、第１の屈折光学系２１、第２の屈折光学系２２、曲面ミラー２３を組み合わせてケーシングＣＳに組み込んだプロジェクタを、図１４に示す。
FIG. 14 shows a projector in which the first refractive
図１４において、符号ＣＳで示す「画像投射装置のケーシング」内に、上に説明した投射光学系が、画像表示素子や、照明光学系等とともに配備されている。 In FIG. 14, the projection optical system described above is provided together with an image display element, an illumination optical system, and the like in an “casing of the image projection apparatus” indicated by reference character CS.
画像表示素子は、例えばＤＭＤであり、照明光学系は、例えば「図１に即して説明した如きもの」である。 The image display element is, for example, a DMD, and the illumination optical system is, for example, “as described with reference to FIG.
図１４の左図は、スクリーンＳ上における拡大画像の位置を「Ｙ方向において最も下げた」ときの状態を示す。 The left diagram of FIG. 14 shows a state when the position of the enlarged image on the screen S is “lowered most in the Y direction”.
図１４の右図は、スクリーンＳ上における拡大画像の位置を「Ｙ方向において最も上げた」ときの状態を示す。 The right diagram in FIG. 14 shows a state when the position of the enlarged image on the screen S is “raised most in the Y direction”.
画像表示素子の画像表示面は長方形形状であり、図８におけるＹ方向の辺の長さが８．６４ｍｍである。 The image display surface of the image display element has a rectangular shape, and the length of the side in the Y direction in FIG. 8 is 8.64 mm.
第１の屈折光学系２１は、その光軸が、基準状態において、画像表示面における「Ｙ方向の上端位置」に対して一致するようにレイアウトされている。
The first refractive
従って、この基準状態においては、第１の結像光学系２１により結像される第１の中間像は、Ｙ方向の下端位置が、第１の屈折光学系の光軸位置に合致する。
Therefore, in this reference state, the lower end position in the Y direction of the first intermediate image formed by the first imaging
第２の屈折光学系２２は、基準状態において結像された第１の中間像の「Ｙ方向の下端部」に対して、光軸がＹ方向に−４．０ｍｍだけずれるようにレイアウトされている。
The second refractive
即ち、基準状態に置いて、第２の屈折光学系２２の光軸は、第１の屈折光学系２１の光軸に対してＹ方向のマイナス側へ４ｍｍだけずれている。
That is, in the reference state, the optical axis of the second refractive
先に、図４、図５に即して説明した例では、第１の屈折光学系２１の光軸と、第２の屈折光学系の光軸とは「基準状態において合致」している。
In the example described above with reference to FIGS. 4 and 5, the optical axis of the first refractive
しかし、説明中の実施例のように、第１、第２の屈折光学系の光軸が「基準状態において互いにＹ方向へずれた」レイアウトも可能である。 However, a layout in which the optical axes of the first and second refractive optical systems are “shifted from each other in the Y direction in the reference state” is also possible as in the embodiment being described.
図１４の左図は、上記「基準状態」に対し、第２の屈折光学系２２、曲面ミラー２３の画像表示素子１０に対する相対位置はそのままにして、第１の屈折光学系２１のみを、基準状態から「Ｙ方向に−１ｍｍだけ変位」させた状態を示している。
The left diagram of FIG. 14 shows only the first refractive
即ち、第１の屈折光学系のシフト量：Δ＝−１ｍｍである。 That is, the shift amount of the first refractive optical system: Δ = −1 mm.
図１４の右図は、上記「基準状態」に対し、第２の屈折光学系２２、曲面ミラー２３の画像表示素子１０に対する相対位置はそのままにして、第１の屈折光学系２１のみを、基準状態から「Ｙ方向に＋０．４ｍｍだけ変位」させた状態を示している。
The right diagram of FIG. 14 shows only the first refractive
即ち、第１の屈折光学系のシフト量：Δ＝＋４ｍｍである。 That is, the shift amount of the first refractive optical system: Δ = + 4 mm.
図１４の左図の状態では、第１の屈折光学系の光軸は、画像表示面内に位置する。
しかし、第２の屈折光学系の光軸が、基準状態において画像表示面のＹ方向の課端部から−側へ４ｍｍずれ、曲面ミラーも頂点位置が第２の屈折光学系の光軸上からずれ、ｚ方向が、上記光軸に対して時計回りに傾いている。
In the state of the left figure of FIG. 14, the optical axis of the first refractive optical system is located within the image display surface.
However, the optical axis of the second refractive optical system is deviated by 4 mm from the Y-direction end of the image display surface in the reference state, and the curved mirror also has a vertex position from the optical axis of the second refractive optical system. The deviation, z direction, is tilted clockwise with respect to the optical axis.
従って、画像表示面において第１の屈折光学系２１の光軸に最も近い画素からの光が、曲面ミラー２３により反射されて画像表示面側に戻ることはない。
Accordingly, light from the pixel closest to the optical axis of the first refractive
図１４の「左右の図」に示された状態で、スクリーンＳ上で「拡大画像の位置の差」は、図に示されたように、２２８ｍｍである。 In the state shown in the “left and right views” of FIG. 14, the “difference in the position of the enlarged image” on the screen S is 228 mm as shown in the figure.
また、スクリーンＳ上における拡大画像のＹ方向のサイズは７５３ｍｍである。このサイズを「ＭＳ」で表す。 The size of the enlarged image on the screen S in the Y direction is 753 mm. This size is represented by “MS”.
スクリーンＳ上で「拡大画像の位置の差」とＭＳとの比を「レンズシフト」と呼ぶ。 The ratio between the “difference in the position of the enlarged image” on the screen S and the MS is called “lens shift”.
説明中の実施例では、レンズシフトは０．３であり、百分率で３０％である。 In the example being described, the lens shift is 0.3, which is 30% as a percentage.
即ち、図１４に示す画像投射装置（プロジェクタ）は、スクリーンＳ上に投射される拡大画像の位置を、Ｙ方向において「拡大画像サイズの３０％」も変位調整できる。 That is, the image projection apparatus (projector) shown in FIG. 14 can adjust the displacement of the enlarged image projected on the screen S by “30% of the enlarged image size” in the Y direction.
レンズシフトが０．３であれば、拡大画像をスクリーン上で変位させうる大きさは「０．３×ＭＳ」となる。 If the lens shift is 0.3, the size by which the enlarged image can be displaced on the screen is “0.3 × MS”.
かかる「拡大画像変位調整」は、投射光学系における第１の屈折光学系のみを、光軸に直交する方（上の説明でＹ方向）に変位量を調整変位させて行われる。 Such “enlarged image displacement adjustment” is performed by adjusting and displacing only the first refractive optical system in the projection optical system in a direction perpendicular to the optical axis (Y direction in the above description).
この変位は、図示されない「変位機構」によって行われる。 This displacement is performed by a “displacement mechanism” (not shown).
拡大画像変位調整に必要な第１の屈折光学系の変位は「平行移動による変位」である。 The displacement of the first refractive optical system necessary for adjusting the enlarged image displacement is “displacement due to parallel movement”.
従って、変位機構は、従来から種々知られている「平行変位を調整的に行う機構」を適宜に用いて構成することができる。 Therefore, the displacement mechanism can be configured by appropriately using various conventionally known “mechanisms for adjusting parallel displacement in an adjustable manner”.
このように、この発明による投射光学系を用いることにより、曲面ミラーを含む投射光学系全体を変位させるような大掛かりな構成を用いることなく、従来の「屈折光学系のみにより構成される投射光学系」の場合と同レベルの拡大画像変位調整を実現できる。 Thus, by using the projection optical system according to the present invention, the conventional “projection optical system constituted only by a refractive optical system can be used without using a large-scale configuration that displaces the entire projection optical system including the curved mirror. The enlarged image displacement adjustment at the same level as in the case of "."
前述のように、屈折・反射型の投射光学系で「屈折光学系のみを変位」させる方法では、拡大画像の「シフト量」は、拡大画像のサイズの４％程度が限界と考えられている。 As described above, in the method of “displacing only the refractive optical system” in the refraction / reflection type projection optical system, the “shift amount” of the enlarged image is considered to be limited to about 4% of the size of the enlarged image. .
従って、レンズシフトが１０％（０．１×ＭＳ）であっても、実用上十分な拡大画像変位調整が出来たと言える。 Therefore, even if the lens shift is 10% (0.1 × MS), it can be said that the practically sufficient enlargement image displacement adjustment can be performed.
図１４に示すように、ケーシングＣＳには防塵ガラスＣＧが設けられている。
防塵ガラスＣＧはケーシングＣＳの内部を防塵する機能を有するとともに、曲面ミラー２３により反射された「結像光束」をスクリーンＳ側へ向かって射出させる。
As shown in FIG. 14, the casing CS is provided with dust-proof glass CG.
The dust-proof glass CG has a function of protecting the inside of the casing CS and emits an “imaging light beam” reflected by the
この発明の画像投射装置では、第１の屈折光学系の変位により、拡大画像変位調整を行うので、曲面ミラー２３により反射された結像光束の方向の変化範囲が大きい。
In the image projection apparatus of the present invention, since the enlarged image displacement adjustment is performed by the displacement of the first refractive optical system, the change range of the direction of the imaging light beam reflected by the
結像光束の方向の変化範囲が大きくなると、防塵ガラスＣＧの「光束射出面領域の幅」を大きく設定する必要がある。 When the range of change in the direction of the imaging light beam increases, the “width of the light beam exit surface area” of the dust-proof glass CG needs to be set large.
防塵ガラスＣＧにおけるこの幅は、スクリーンＳ上での拡大画像の位置が下端に位置するとき（図１４左図）と、上端のとき（図１３右図）の光線経路で決定される。 This width of the dust-proof glass CG is determined by the light beam path when the position of the enlarged image on the screen S is located at the lower end (the left figure in FIG. 14) and at the upper end (the right figure in FIG. 13).
特に、拡大画像が下端に位置するときが「光束射出面領域の幅」への影響が大きい。 In particular, when the enlarged image is positioned at the lower end, the influence on the “width of the light beam exit surface area” is large.
これは、図１４の左図のように、スクリーンＳに対する光線角度が垂直に近くなるためであり、この角度が垂直から遠ければ、図１４の右図のように、上記幅は小さくてよい。 This is because the ray angle with respect to the screen S becomes nearly vertical as shown in the left diagram of FIG. 14. If this angle is far from the vertical, the width may be small as shown in the right diagram of FIG.
防塵ガラスＣＧの光束射出面領域の幅が大きくなり過ぎないようにするには、スクリーンＳ上の拡大画像のＹ方向の最下端への光線の入射角は１９度以上が好ましい。 In order to prevent the width of the light exit surface area of the dust-proof glass CG from becoming too large, the incident angle of the light beam on the lowermost end in the Y direction of the enlarged image on the screen S is preferably 19 degrees or more.
なお、防塵ガラスＣＧは、図１０に示すように、曲面ミラー２３の「Ｙ方向の上端部」に接触して設けられている。
As shown in FIG. 10, the dust-proof glass CG is provided in contact with the “upper end portion in the Y direction” of the
防塵ガラスＣＧの中央部の「Ｙ方向の位置」は、図１１に示すように、基準状態における第１の屈折光学系の光軸から３１ｍｍ（内側面）および３４ｍｍ（外側面）であり、従って厚みは３ｍｍである。 As shown in FIG. 11, the “position in the Y direction” at the center of the dust-proof glass CG is 31 mm (inner surface) and 34 mm (outer surface) from the optical axis of the first refractive optical system in the reference state. The thickness is 3 mm.
以上に説明したこの発明の投射光学系は、画像表示素子１０に表示される画像を、被投射面Ｓ上に拡大画像として拡大投射するための投射光学系であって、縮小側から拡大側へ向かって順次、第１の屈折光学系２１、第２の屈折光学系２２、曲面ミラー２３を配してなり、第１の屈折光学系２１は、画像表示素子１０に表示された画像の中間像Ｉｍ１を、第１の屈折光学系２１と第２の屈折光学系２２の間に結像し、第２の屈折光学系２２と曲面ミラー２３は、前記中間像Ｉｍ１を結像した光を、被投射面Ｓ上に拡大投射して拡大画像として結像させる機能を有し、第１の屈折光学系２１は、該第１の屈折光学系を構成する各光学素子が光軸を共有する共軸光学系で、前記画像表示素子１０側および前記中間像Ｉｍ１側ともにテレセントリックな、両側テレセントリック光学系である。
The projection optical system of the present invention described above is a projection optical system for enlarging and projecting an image displayed on the
中間像Ｉｍ１の結像に対する第１の屈折光学系２１の横倍率は０．９倍ないし４．０倍であることが好ましく、特に、略等倍であることが好ましい。実施例では等倍である。
The lateral magnification of the first refractive
また、実施例に示した投射光学系では、第２の屈折光学系２２は、第１の屈折光学系２１が形成する中間像Ｉｍ１に対してテレセントリックな光学系である。
曲面ミラー２３は凹面ミラーであるが、これに限らず、凸面鏡により曲面ミラーを構成することもできる。
In the projection optical system shown in the embodiment, the second refractive
The
図１４に即して説明した画像投射装置は、画像表示素子に表示される画像を、投射光学系によって、被投射面Ｓ上に拡大画像として拡大投射する画像投射装置であって、画像表示素子と、投射光学系と、を有し、投射光学系は上に説明したこの発明のものであり、第１の屈折光学系、第２の屈折光学系および曲面ミラーを有し、投射光学系の第１の屈折光学系と画像表示素子を、第１の屈折光学系２１の光軸に直交する方向において相対的に変位させる変位機構を有する。
The image projection apparatus described with reference to FIG. 14 is an image projection apparatus that enlarges and projects an image displayed on the image display element as an enlarged image on the projection surface S by the projection optical system. A projection optical system according to the present invention described above, and includes a first refractive optical system, a second refractive optical system, and a curved mirror. A displacement mechanism that relatively displaces the first refractive optical system and the image display element in a direction orthogonal to the optical axis of the first refractive
この変位機構は、投射光学系の第１の屈折光学系を、その光軸に直交する方向へ変位量調整可能に変位させるものである。 This displacement mechanism displaces the first refractive optical system of the projection optical system in a direction perpendicular to the optical axis so that the displacement amount can be adjusted.
画像表示素子の画像が表示される有効領域の縦方向（Ｙ方向）の幅：ＭＳに対し、変位機構により変位可能な変位量が０．１×ＭＳ以上（実施例では０．３×ＭＳ）である。 The vertical direction (Y direction) width of the effective area in which the image of the image display element is displayed: the displacement amount that can be displaced by the displacement mechanism is 0.1 × MS or more with respect to MS (0.3 × MS in the embodiment). It is.
また、被投射面Ｓに入射する光線角度が、被投射面の外向き法線に対して１９度以上である。 In addition, the angle of light incident on the projection surface S is 19 degrees or more with respect to the outward normal of the projection surface.
上記変位機構を用いて、被投射面上における拡大画像の位置を、変位調整する拡大画像変位調整方法を実施できる。 An enlarged image displacement adjustment method for adjusting the displacement of the enlarged image on the projection surface can be implemented using the displacement mechanism.
上には、屈折光学系における第１の屈折光学系を光軸直交方向に変位させて、拡大画像の位置調整を行う場合を説明した。 In the above, the case where the position of the enlarged image is adjusted by displacing the first refractive optical system in the refractive optical system in the direction perpendicular to the optical axis has been described.
しかし、この発明は、この場合に限らず、投射光学系に対して、画像表示素子１０を屈折光学系の光軸に直交する方向に変位させて、拡大画像変位調整を行うこともできる。
However, the present invention is not limited to this case, and the enlarged image displacement adjustment can be performed by displacing the
この場合には、屈折光学系における第１の屈折光学系を光軸直交方向に変位させる必要は無い。 In this case, it is not necessary to displace the first refractive optical system in the refractive optical system in the direction orthogonal to the optical axis.
このような場合においても、第１の屈折光学系は、縮小側と拡大側に対しテレセントリックであるので、第２の屈折光学系の光軸に対する光軸間のずれが性能に影響しない。 Even in such a case, since the first refractive optical system is telecentric with respect to the reduction side and the enlargement side, the deviation between the optical axes with respect to the optical axis of the second refractive optical system does not affect the performance.
従って、投射光学系の組み立てが容易である。 Therefore, the assembly of the projection optical system is easy.
１０ 画像表示素子
２１ 第１の屈折光学系
２２ 第２の屈折光学系
２３ 曲面ミラー
Ｉｍ１ 第１の中間像
Ｉｍ２ 第２の中間像
Ｉｍ１Ａ 第１の屈折光学系２１を変位させたときの第１の中間像
Ｉｍ２Ａ 第１の屈折光学系２１を変位させたときの第２の中間像
10 Image display element
21 First refractive optical system
22 Second refractive optical system
23 Curved mirror
Im1 first intermediate image
Im2 second intermediate image
Im1A First intermediate image when the first refractive
Im2A second intermediate image when the first refractive
Claims (10)
縮小側から拡大側へ向かって順次、第１の屈折光学系、第２の屈折光学系、曲面ミラーを配してなり、
第１の屈折光学系は、画像表示素子に表示された画像の中間像を、第１の屈折光学系と第２の屈折光学系の間に結像し、
第２の屈折光学系と曲面ミラーは、前記中間像を結像した光を、被投射面上に拡大投射して拡大画像として結像させる機能を有し、
第１の屈折光学系は、該第１の屈折光学系を構成する各光学素子が光軸を共有する共軸光学系で、前記画像表示素子側および前記中間像側ともにテレセントリックな、両側テレセントリック光学系である投射光学系。 A projection optical system for enlarging and projecting an image displayed on an image display element as an enlarged image on a projection surface,
In order from the reduction side to the enlargement side, a first refractive optical system, a second refractive optical system, and a curved mirror are arranged,
The first refractive optical system forms an intermediate image of the image displayed on the image display element between the first refractive optical system and the second refractive optical system,
The second refractive optical system and the curved mirror have a function of enlarging and projecting the light formed on the intermediate image onto the projection surface to form an enlarged image,
The first refractive optical system is a coaxial optical system in which each optical element constituting the first refractive optical system shares an optical axis, and both-side telecentric optics is telecentric on both the image display element side and the intermediate image side. Projection optical system.
中間像の結像に対する第１の屈折光学系の横倍率が０．９倍ないし４．０倍であることを特徴とする投射光学系。 The projection optical system according to claim 1,
A projection optical system characterized in that the lateral magnification of the first refractive optical system with respect to the formation of the intermediate image is 0.9 times to 4.0 times.
中間像の結像に対する第１の屈折光学系の横倍率が、略等倍であることを特徴とする投射光学系。 In the projection optical system according to claim 2,
A projection optical system characterized in that the lateral magnification of the first refractive optical system with respect to the intermediate image is approximately equal.
第２の屈折光学系が、第１の屈折光学系が形成する中間像に対してテレセントリックな光学系であることを特徴とする投射光学系。 In the projection optical system according to any one of claims 1 to 3,
A projection optical system, wherein the second refractive optical system is an optical system telecentric with respect to the intermediate image formed by the first refractive optical system.
曲面ミラーが凹面ミラーであることを特徴とする投射光学系。 The projection optical system according to any one of claims 1 to 4,
A projection optical system, wherein the curved mirror is a concave mirror.
画像表示素子と、投射光学系と、を有し、
投射光学系は、請求項１〜５の何れか１項に記載されたものであって、第１の屈折光学系、第２の屈折光学系および曲面ミラーを有し、
前記投射光学系の第１の屈折光学系と画像表示素子を、第１の屈折光学系の光軸に直交する方向において相対的に変位させる変位機構を有することを特徴とする画像投射装置。 An image projection apparatus that projects an image displayed on an image display element as a magnified image on a projection surface by a projection optical system,
An image display element and a projection optical system,
The projection optical system is described in any one of claims 1 to 5, and includes a first refractive optical system, a second refractive optical system, and a curved mirror,
An image projection apparatus comprising: a displacement mechanism that relatively displaces the first refractive optical system and the image display element of the projection optical system in a direction orthogonal to the optical axis of the first refractive optical system.
変位機構は、投射光学系の第１の屈折光学系を、その光軸に直交する方向へ変位量調整可能に変位させるものであることを特徴とする画像投射装置。 The image projection apparatus according to claim 6,
The displacement mechanism displaces the first refractive optical system of the projection optical system in a direction orthogonal to the optical axis so that the displacement amount can be adjusted.
画像表示素子の画像が表示される有効領域の縦方向の幅：ＭＳに対し、
変位機構により変位可能な変位量が、０．１×ＭＳ以上であることを特徴とする画像投射装置。 In the image projection device according to claim 6 or 7,
The vertical width of the effective area where the image of the image display element is displayed:
An image projection apparatus characterized in that a displacement amount displaceable by a displacement mechanism is 0.1 × MS or more.
被投射面に入射する光線角度が、被投射面の外向き法線に対して１９度以上であることを特徴とする画像投射装置。 The image projection apparatus according to any one of claims 6 to 8,
An image projection apparatus characterized in that a light ray incident on a projection surface has an angle of 19 degrees or more with respect to an outward normal of the projection surface.
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