JP2017044896A - 投射装置および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂製レンズの劣化が少なく、小型化に適切なレンズ構成を実現する。【解決手段】本発明に係る投射装置は、屈折光学系と反射光学素子とを備える。屈折光学系は、１以上の樹脂製の光学素子を少なくとも含む複数の光学素子を含み、かつ、画像形成部により形成された画像を屈折させる。反射光学素子は、屈折光学系から出射された光を投影面に導く。屈折光学系に含まれる複数の光学素子のうち最も画像形成部に近い位置に配置される光学素子の外径を示すＤａ、および、樹脂製の光学素子の外径を示すＤｂは、（式１）で表される条件を満たす。また、屈折光学系と反射光学素子との間に形成される中間像のうち樹脂製の光学素子に最も近い点と、樹脂製の光学素子と光軸との交点と、の間の光軸方向の距離を示すＭＣ、および、Ｄｂは、（式２）で表される条件を満たす。【選択図】図１

Description

本発明は、投射装置および画像表示装置に関する。

近年、ＤＭＤや液晶パネルで生成した画像をスクリーン（投影面）上に投影する画像表示装置が広く用いられている。特に最近では、投射距離を短く、大画面を表示できる超短投射距離のフロント投射型プロジェクタの需要が高まってきている。

小型で超短投射距離を実現する手段として、曲面ミラーを用いる構成が知られている。例えば特許文献１には、超短投射距離を実現することを目的として、屈折光学系と曲面ミラーを組み合わせた構成が開示されている。

近年、超短投射プロジェクタにおいても、高輝度化の要望が強くなってきている。超短投射プロジェクタにおいては、画面全体の像面位置を高度に補正する必要があり、この像面位置の補正は非球面レンズを用いることにより達成しているが、低コスト化、低重量化の観点から、非球面レンズの材料として樹脂を用いることが多い。しかし、高輝度化しようとすると、樹脂レンズへ入射する光線エネルギーが増大するため、特に３０００ｌｍ以上のプロジェクタにおいては、近紫外光の吸収により、樹脂レンズが経年劣化し、白濁や、それによる加熱により、溶融してしまう。

また、特に、凹面ミラーを用いた投射光学系においては、屈折光学系とミラーとの間に中間像を形成するため、屈折光学系の近傍に集光点を設けることとなり、樹脂レンズ上の光線エネルギーの密度が局所的に高くなる原因となり、前述した通り、樹脂レンズが経年劣化してしまう。例えば中間像の位置を樹脂レンズから離すことで、樹脂レンズ上の光線密度を均一化することが考えられるが、その分、装置が大型化してしまうという問題を引き起こす。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、樹脂製レンズの劣化が少なく、かつ、小型化に適切なレンズ構成を実現可能な投射装置および画像表示装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、投射対象の画像を形成する画像形成部により形成された画像を投影面に拡大投射する投射装置であって、像面位置を補正するための１以上の樹脂製の光学素子を少なくとも含む複数の光学素子を含み、かつ、前記画像形成部により形成された画像を屈折させるための屈折光学系と、前記屈折光学系から出射された光を前記投影面に導くための反射光学素子と、を備え、前記屈折光学系に含まれる複数の光学素子のうち最も前記画像形成部に近い位置に配置される光学素子の外径を示すＤａ、および、前記樹脂製の光学素子の外径を示すＤｂは、以下の（式１）で表される条件を満たし、前記屈折光学系と前記反射光学素子との間に形成される中間像のうち前記樹脂製の光学素子に最も近い点と、前記樹脂製の光学素子と光軸との交点と、の間の光軸方向の距離を示すＭＣ、および、前記Ｄｂは、以下の（式２）で表される条件を満たす投射装置である。

本発明によれば、高輝度化しても樹脂製レンズの劣化が少なく、かつ、小型化に適切なレンズ構成を実現できるという有利な効果を奏する。

図１は、画像表示装置の構成の一例を示す断面図である。 図２は、画像形成部の配置を説明するための図である。 図３は、中間像までの光路の一例を示す図である。 図４は、第１の実施形態の屈折光学系のレンズ構成を示す図である。 図５は、樹脂レンズを光軸側から見た時の形状を示す図である。 図６は、第１の実施形態の投射光学系の具体的なレンズデータを示す図である。 図７は、第１の実施形態のフォーカシング時に可変するレンズの可変間隔を示す図である。 図８は、第１の実施形態の非球面係数を示す図である。 図９は、第１の実施形態の自由曲面係数を示す図である。 図１０は、第１の実施形態の投射距離とＴＲとの関係を示す図である。 図１１は、第１の実施形態の折り返しミラー、凹面ミラーの位置座標を示す図である。 図１２は、近距離における近軸像面と主光線との交点をプロットした図である。 図１３は、第２の実施形態の屈折光学系のレンズ構成を示す図である。 図１４は、第２の実施形態の投射光学系の具体的なレンズデータを示す図である。 図１５は、第２の実施形態のフォーカシング時に可変するレンズの可変間隔を示す図である。 図１６は、第２の実施形態の非球面係数を示す図である。 図１７は、第２の実施形態の自由曲面係数を示す図である。 図１８は、第２の実施形態の投射距離とＴＲとの関係を示す図である。 図１９は、第２の実施形態の折り返しミラー、凹面ミラーの位置座標を示す図である。 図２０は、近距離における近軸像面と主光線との交点をプロットした図である。 図２１は、第３の実施形態の屈折光学系のレンズ構成を示す図である。 図２２は、第３の実施形態の投射光学系の具体的なレンズデータを示す図である。 図２３は、第３の実施形態のフォーカシング時に可変するレンズの可変間隔を示す図である。 図２４は、第３の実施形態の非球面係数を示す図である。 図２５は、第３の実施形態の自由曲面係数を示す図である。 図２６は、第３の実施形態の投射距離とＴＲとの関係を示す図である。 図２７は、第３の実施形態の折り返しミラー、凹面ミラーの位置座標を示す図である。 図２８は、近距離における近軸像面と主光線との交点をプロットした図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る投射装置および画像表示装置の実施形態を詳細に説明する。以下では、本発明が適用される画像表示装置として、超短焦点プロジェクタを例に挙げて説明する。例えば超短焦点距離の投写距離は、「１１．７〜２４．９ｃｍ」の範囲に設定することもできる。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の画像表示装置１００の構成の一例を示す断面図である。図１に示すように、画像表示装置１００は、画像形成部（画像表示素子）１０と、投射装置（投射光学系）２０とを備える。

画像形成部１０は、投射対象の画像を形成する機能を有する。例えば画像形成部１０は、「ＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）」、「透過型液晶パネル」、「反射型液晶パネル」等のライトバルブで構成される。例えば画像形成部１０が、ＤＭＤ等のように自ら発光する機能を持たない場合は、画像形成部１０に形成された画像情報が照明光学系ＬＳからの照明光により照明される。このようにして、画像形成部１０は、光源（照明光学系ＬＳ）から照射された光を用いて画像を生成することができる。照明光学系ＬＳとしては、画像形成部１０を効率よく照明する機能を有するものが好ましく、また、照明をより均一にするため、例えばロッドインテグレータやフライアイインテグレータを用いることができる。また照明の光源としては、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ、ＬＥＤなどの白色光源を用いることができ、また単色発光ＬＥＤ、ＬＤなどの単色光源も用いることもできる。照明光学系ＬＳの具体的な例についてはここでは省略する。本実施形態においては画像形成部１０としてＤＭＤを想定している。なお、実施形態では、「自ら発光する機能を持たない」方式の画像形成部１０を前提としているが、これに限らず、例えば「生成した画像を発光させる機能を有する自己発光方式」の画像形成部１０を利用することもできる。画像形成部１０の近傍に配設される平行平板Ｆは、画像形成部１０のカバーガラス（シールガラス）を想定している。図１に示す記号「Ｈ」は投射装置２０の外装部、図１に示す記号「Ｓ」は絞り位置を示している。また、図１に示す記号「ＳＣ」は投影面の一例であるスクリーンを示している。

投射装置２０は、屈折光学系１１と、反射光学素子１３とを少なくとも備える。屈折光学系１１は、像面位置を補正するための１以上の樹脂製の光学素子を少なくとも含む複数の光学素子を含み、かつ、画像形成部１０により形成された画像を屈折させるための光学系である。この例では光学素子はレンズである。以下では、樹脂製の光学素子は「樹脂レンズ」と称する場合がある。なお、樹脂製の光学素子と、それ以外の光学素子とを区別しない場合は、単に「レンズ」と称する場合がある。反射光学素子１３は、屈折光学系１１から出射された光をスクリーンＳＣに導くための光学素子である。この例では、反射光学素子１３は、凹面の自由曲面形状を有するミラーであり、以下では「凹面ミラー１３」と称する場合がある。

ここで、図１の具体的な内容を説明する前に、各実施形態における記号の意味を説明する。記号「ｆ」は全系の焦点距離を示す。記号「ＮＡ」は開口数を示す。記号「ω」は半画角(deg)を示す。記号「Ｒ」は曲率半径(非球面にあっては近軸曲率半径)を示す。記号「Ｄ」は面間隔を示す。記号「Ｎｄ」は屈折率を示す。記号「Ｖｄ」はアッベ数を示す。記号「Ｋ」は非球面の円錐定数を示す。記号「Ａｉ」はｉ次の非球面定数を示す。記号「Ｃｊ」は自由曲面係数を示す。ここで、非球面形状は、近軸曲率半径の逆数(近軸曲率)をＣ、光軸からの高さをＨ、円錐定数をＫとし、上記各次数の非球面係数を用い、Ｘを光軸方向における非球面量として、周知の以下の（式３）で表すことができる。近軸曲率半径、円錐定数、非球面係数を与えて形状を特定することができる。

また、自由曲面形状は近軸曲率半径の逆数(近軸曲率)をＣ、光軸からの高さをＨ、円錐定数をＫとし、上記自由曲面係数を用い、Ｘを光軸方向における自由曲面量として、周知の以下の（式４）で表すことができる。近軸曲率半径、円錐定数、自由曲面係数を与えて形状を特定することができる。

図１に示すように、複数の軸対称レンズが共有する軸である光軸に平行な方向をＺ軸方向とし、画像形成部１０の中心から射出され、絞りＳの中心を通る光線を含む面内で、光軸に垂直な軸をＹ軸とし、光軸（Ｚ軸）およびＹ軸の各々に垂直な軸をＸ軸とする。図１において、時計回りの回転方向を＋α方向とする。

図１の具体的な内容を説明する。図１は、前玉（最前面のレンズ）が最も繰り出す６０インチの場合の光路図を示している。画像情報に基づき画像形成部（この例ではＤＭＤ）１０で２次元的に強度変調された光束が物体光としての投射光束となる。画像形成部１０からの投射光束は、屈折光学系１１、凹面ミラー１３を通って結像光束とされる。つまり、画像形成部（ＤＭＤ）１０上に形成された画像が投射装置（投射光学系）２０によりスクリーンＳＣに拡大投影され、投射画像となる。ここで、画像が形成される面を画像形成面とする。屈折光学系１１に含まれる各光学素子はそれぞれ光軸を共有しており、図２に示すように、画像形成部１０は、該光軸に対してＹ方向にシフトしている。図２に示すＦ０は、画像形成部（画像表示素子）１０を含む平面と光軸との交点を示している。

本実施形態においては、屈折光学系１１と、折り返しミラー１２と、一枚の凹面ミラー１３とを用いて投射光学系を構成している。ミラーを増やすこともできるが、構成が複雑になる上、大型化およびコストアップにもつながってしまうおそれがある。また、折り返しミラー１２を有さず、横置き配置とすることも可能だが、折り返しミラー１２を有することで全長方向の小型化が可能となる。

屈折光学系１１を通った光は、画像形成部１０に形成された画像情報に共役な中間像を、凹面ミラー（反射ミラー）１３よりも画像形成部１０側に空間像として形成する。中間像は平面像として結像する必要はなく、この実施形態においても、他の実施形態においても曲面像として形成している。中間像を、最も拡大側に配置した凹面ミラー１３により拡大投影し、スクリーンＳＣに映写する。中間像は像面湾曲、歪曲を持っているが、凹面ミラー１３に自由曲面を用いることにより、これを補正することができる。そのため、レンズ系への収差補正の負担が減ることにより、設計の自由度が増して、小型化等に有利となる。また、ここで、自由曲面とは、任意のＹ方向の位置にてＸ方向の位置に応じたＸ方向の曲率が一定ではなく、任意のＸ方向の位置にてＹ方向の位置に応じたＹ方向の曲率が一定でないアナモフィック面のことを意味する。

また、本実施形態では、凹面ミラー１３とスクリーンＳＣとの間に防塵ガラス１４を設置する。この例においては防塵ガラス１４として平板ガラスを用いているが、曲率を有していてもよく、またレンズ等のパワー（ここでは光を曲げる強さの度合いを意味する）を持った光学素子でもよい。また、光軸に対して垂直ではなく傾けて配置しているが、この角度は任意でよく、光軸に対して垂直でもよい。また、装置内部にはファン１５が内蔵されており、制風板１６により、ファン１５により発生する風をレンズへ送入する。つまり、送風部の一例であるファン１５は、筐体内部を巡回する空気を、樹脂レンズ等へ送入する役割を果たす。

図３は、本実施形態における中間像までの光路の一例を示す図である。図３の例では、最も拡大側の（最も画像形成部１０から離れた位置の）レンズと画像形成部１０との光軸上の距離が最大となる６０インチにおいてのレンズ配置を示している。前述したように、本実施形態では折り返しミラー１２を用いて光路を曲げているが、ここでは、光路を折り返さない場合の光路図を例に挙げて説明する。

図３の例では、屈折光学系１１に含まれる複数のレンズのうち最も画像形成部１０に近い位置に配置されるレンズ（最も縮小側のレンズ）を「レンズＡ」とし、画像形成部１０から最も離れた位置に配置されるレンズ（最も拡大側のレンズ）を「レンズＢ」とする。ここでは、レンズＢは、最も外径が大きい樹脂レンズである。また、図３においては、画像形成部１０に共役な中間像（集光点）を点線で示しており、大きく像面が湾曲している様子がわかる。図３の例では、屈折光学系１１と凹面ミラー１３との間に形成される中間像のうちレンズＢに最も近い点Ｃと、レンズＢと光軸との交点（レンズＢの拡大側面と光軸との交点）Ｅと、の間の光軸方向（Ｚ軸方向）の距離をＭＣとする。また、中間像のうちレンズＢから最も離れた点Ｄと、上記交点Ｅと、の間の光軸方向の距離をＭＤとする。

図４は、本実施形態における屈折光学系１１のレンズ構成を示す図である。本実施形態における屈折光学系１１は、拡大側から画像形成部１０側に向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｉと、負の屈折力を有する第２レンズ群ＩＩと、正の屈折力を有する第３レンズ群ＩＩＩと、正の屈折力を有する第４レンズ群ＩＶとを有する。投射距離の変動に対するフォーカシングは遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、正の第１レンズ群Ｉが拡大側に移動し、負の第２レンズ群ＩＩと正の第３レンズ群ＩＩＩが画像形成部１０側に移動する。また、第４レンズ群ＩＶはフォーカスに際し、画像形成部１０に対して固定されている。

以下、レンズの具体的な構成を説明する。正の第１レンズ群Ｉは、１枚のレンズ１１１からなる。レンズ１１１は、拡大側に凸面を向けた樹脂製の両面非球面正メニスカスレンズである。

負の第２レンズ群ＩＩは、拡大側から順に、レンズ１１２と、レンズ１１３とからなる。レンズ１１２は、画像形成部１０側に凸面を向けた樹脂製の両面非球面負メニスカスレンズである。レンズ１１３は、画像形成部１０側により強い凹面を有する両凹レンズである。

正の第３レンズ群ＩＩＩは、１枚のレンズ１１４からなる。レンズ１１４は、画像形成部１０側に凸面を向けた正メニスカスレンズである。

正の第４レンズ群ＩＶは、拡大側から順に、レンズ１１５と、レンズ１１６と、レンズ１１７と、レンズ１１８と、レンズ１１９と、開口絞りＳと、レンズ１２０と、レンズ１２１と、レンズ１２２とを有する。レンズ１１５は、画像形成部１０側に強い凸面を向けた両凸レンズである。レンズ１１６は、画像形成部１０側により強い凹面を有する両凹レンズと拡大側により強い凸面を向けた両凸レンズとの接合レンズである。レンズ１１７は、画像形成部１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。レンズ１１８は、拡大側により強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズである。レンズ１１９は、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。レンズ１２０は、画像形成部１０側に凸面を向けた正メニスカスレンズと画像形成部１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズの接合レンズである。レンズ１２１は、画像形成部１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。レンズ１２２は、画像形成部１０側に強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズである。最も画像形成部１０側（最も縮小側）のレンズＡの外径をＤａとする。また、図５は、樹脂レンズ（レンズＢ）を光軸側から見た時の形状を示す。図５の例では、樹脂レンズの不要な部分を削除している。ここで樹脂レンズの外径とは、図５に示すように、レンズ外周上の二点を結ぶ直線の距離のうち、最大となる距離を指す。以下では、Ｄｂと表記する。

また、レンズＡには、波長３００ｎｍから４００ｎｍで９０％以上の反射率を有するマルチコートがなされている。要するに、本実施形態では、屈折光学系１１に含まれる複数のレンズのうち、レンズＢ（最も外径が大きい樹脂レンズ）よりも画像形成部１０側に配置される少なくとも１つのレンズの反射率は、波長３００ｎｍ〜波長４００ｎｍにおいて９０％以上である。なお、本実施形態では、レンズＡに前述したマルチコートを採用しているが、ＤＭＤのカバーガラスや、照明光学系ＬＳのレンズ、ランプの防爆ガラスなど、投射光学系（投射装置２０）中の他のレンズに採用してもよい。

以上のレンズ群により屈折光学系１１が構成されており、その拡大側に折り返しミラー１２、凹面ミラー１３が設置されている。

本実施形態では、屈折光学系１１に含まれる複数のレンズのうち最も画像形成部１０に近い位置に配置されるレンズ（レンズＡ）の外径を示すＤａ、および、樹脂レンズ（この例では最も外径が大きい樹脂レンズＢ）の外径を示すＤｂは、以下の（式５）で表される条件を満たす。

前述した通り、高輝度化に伴い、樹脂レンズへ入射する光線エネルギーが増大するため、光線エネルギーの密度を低減する必要がある。上記（式５）は、最も縮小側（画像形成部１０側）のレンズＡの外径と、レンズＢの外径の比の適切な範囲を示した式である。（式５）の下限を下回ると、レンズＡにより取り込まれた光線がレンズＢにおいて十分広げられているため、レンズＢに入射する光線エネルギーの密度が小さくなり、劣化を防ぐことが可能となる。ただし、レンズ径は増大するため、投射装置２０が大型化してしまう。また、（式５）の上限を上回ると、最も縮小側のレンズＡにおいて取り込まれた光線が樹脂レンズＢで十分に広がらず、レンズＢへ入射する光線エネルギー密度が増大してしまうため、劣化を促進してしまう。

また、前述したように凹面ミラー１３を用いた反射光学系においては、屈折光学系１１と凹面ミラー１３の間に中間像を形成するため、屈折光学系１１の近傍に集光点が形成される。上記（式５）を満足しても、集光点位置（中間像位置）が適切でないと、レンズＢ上の光線エネルギー密度が局所的に増大してしまい、劣化を促進してしまう。そこで、本実施形態では、中間像のうちレンズＢに最も近い点Ｃと、レンズＢの拡大側面と光軸との交点Ｅと、の間の光軸方向の距離を示すＭＣ、および、上記Ｄｂは、以下の（式６）で表される条件を満たす。

上記（式６）は、中間像と屈折光学系１１との距離の適切な範囲を示した式である。上記（式６）の上限を上回ると、中間像位置が屈折光学系１１から離れることになるため、屈折光学系１１と凹面ミラー１３との間の距離が大きくなり、その結果、投射装置２０の大型化を招いてしまう。一方、上記（式６）の下限値を下回ると、集光点が近づくことにより、各画角のレンズＢ上の光束が狭くなり、光線エネルギーの密度が非常に高い場所が生じてしまい、樹脂レンズＢの劣化を招いてしまう。

更に望ましくは、以下の（式７）、（式８）を満足することが望ましい。

また、本実施形態では、中間像のうちレンズＢから最も離れた点Ｄと、レンズＢの拡大側面と光軸との交点Ｅと、の間の光軸方向の距離を示すＭＤ、および、ＭＣは、以下の（式９）で表される条件を満たす。

上記（式９）は、中間像の像面湾曲の適切な範囲を示している。中間像の像面湾曲を適切な範囲とすることで、レンズＢの劣化を防ぎ、かつ小型な超短投射プロジェクタを得ることができる。上記（式９）の上限を上回ると、中間像の像面湾曲が小さくなるため、屈折光学系１１と凹面ミラー１３との距離を縮めることができ、小型化に有利となるが、中間像と屈折光学系１１との距離が小さくなるため、樹脂レンズＢへの光線エネルギーの密度の上昇を招いてしまう。また、上記（式９）の下限値を下回ると、中間像の像面湾曲が大きくなるため、屈折光学系１１と凹面ミラー１３との間の距離が大きくなるため、投射装置２０が大型化してしまう。

更に望ましくは、以下の（式１０）を満足することが好ましい。

また、本実施形態では、屈折光学系１１に含まれる全ての樹脂レンズの光軸上の厚さの総和を示すＴｂ、および、上記Ｄｂは、以下の（式１１）で表される条件を満たす。

上記（式１１）は屈折光学系１１に含まれる全ての樹脂レンズの肉厚の適切な範囲を示している。上記（式１１）の上限値を上回ると、肉厚増加により、樹脂レンズに入射する光線エネルギーの吸収量が多くなってしまうため、樹脂レンズの劣化につながる。また、上記（式１１）の下限値を下回ると、樹脂レンズの肉厚が薄くなるため、光線エネルギーの吸収量が少なくなるため、劣化を防ぐことが可能となるが、加工性が悪化する。

さらに好ましくは、樹脂レンズを構成する樹脂材料の３ｍｍの厚さの平板の内部透過率は、波長３５０ｎｍ〜波長４５０ｎｍにおいて５０％以上であることが望ましい。高輝度化に伴う樹脂レンズの劣化は主に、近紫外光の吸収により起こっており、この領域の吸収が少ない樹脂材料を用いることにより、劣化を防ぐことができる。特に、超高圧水銀ランプ等を用いた場合、樹脂レンズよりもランプ側に配置された光学素子（この例ではレンズ）により、近紫外光を多層膜コート等で反射し、カットしているが、カットしきれずに透過する一部の光が存在することにより樹脂レンズが劣化するため、上記のように吸収の少ない樹脂材料（例えば日本ゼオン社製「Ｚｅｏｎｅｘ Ｅ４８０Ｒ」等）を用いることが望ましい。さらに望ましくは波長３３０ｎｍから波長４５０ｎｍにおいて、内部透過率が５０％以上であることが望ましい。

さらに望ましくは、樹脂レンズが最も拡大側に配置されていることが好ましい。光線エネルギーの密度が小さいため、劣化を防ぐことが可能となる。上述したように、本実施形態では、レンズＢは最も拡大側に配置されている。

また、前述したように、本実施形態の投射装置２０は、筐体内部を巡回する空気を、樹脂レンズへ送入するファン１５を備える。樹脂レンズを冷却することにより、劣化による溶融を防ぐことが可能になる。

また、前述したように、本実施形態では、反射光学素子の一例である凹面ミラー１３は、凹面の自由曲面形状を有するミラーである。これにより、収差を効率的に補正することが可能となり、投射装置２０の小型化につながる。

また、凹面ミラー１３と光軸との交点と、スクリーンＳＣとの間の距離を示すＴＲは、以下の（式１２）で表される条件を満たすことが望ましい。

さらに望ましくは、上記中間像が樽型の歪曲を有することが望ましい。中間像を樽型の歪曲とすることで小型化を図れるが、周辺部の光線が圧縮されるため、より光線エネルギーの密度が高くなりやすい。そのため、前述の（式５）および（式６）を同時に満足する必要がある。さらに望ましくは、投射装置２０の光学系（投射光学系）がノンテレセントリック光学系であることが望ましい。ノンテレセントリック光学系とすることで、投射光学系の小型化が図れる。さらに望ましくは、投射装置２０の内部が不活性ガスで置換されていることが望ましい。樹脂レンズの劣化は近紫外光と空気中の酸素によって発生しており、投射装置２０の内部を不活性ガス（例えば窒素やアルゴン等）で置換することにより、劣化を防ぐことが可能となる。

本実施形態の投射装置２０は以上の構成を有することにより、高輝度化しても樹脂製レンズの劣化が少なく、小型化に適切な超短焦点のレンズ構成を実現できる。

図６は、本実施形態の投射光学系（投射装置２０）の具体的なレンズデータを示す図である。面番号は、画像形成部１０側より順にレンズの各面に付した番号であり、絞りＳには番号を与えていない。図６において、面番号の末尾に＊が付されているものは非球面、＊＊が付されているものは自由曲面を示している。また、図７は、フォーカシング時に可変するレンズの可変間隔を示す図である。また、図８は、非球面係数を示す図である。図９は、自由曲面係数を示す図である。図１０は、投射距離と上記ＴＲとの関係を示す図である。

本実施形態におけるＤＭＤサイズとして、ドットサイズは７．５６μｍ、横方向長さは１４．５１５２ｍｍ、縦方向長さは８．１６４８ｍｍ、光軸から画像形成部１０の中心までの距離は５．３０ｍｍである。また、レンズＡの外径は１９．１ｍｍ、レンズＢの外径は５５．９ｍｍ、上記ＭＣは２７．２５ｍｍ、上記ＭＤは１０７．８３ｍｍ、上記Ｔｂは６．８ｍｍである。

さらに、最も反射面側に位置するレンズの投影画像が最大となる合焦状態での頂点からの折り返しミラー１２、凹面ミラー１３の位置座標を図１１に示す。なお、回転に関しては面法線と光軸とのなす角度を示している。

本実施形態においては、Ｄａ／Ｄｂの値は「０．３４２」となり、上記（式５）で表される条件を満たす。また、ＭＣ／Ｄｂの値は「０．４８７」となり、上記（式６）で表される条件を満たす。また、ＭＣ／ＭＤの値は「０．７４７」となり、上記（式９）で表される条件を満たす。さらに、Ｔｂ／Ｄｂの値は「０．１２１」となり、上記（式１１）で表される条件を満たす。

また、図１２は、近距離（６０インチ）における近軸像面と主光線との交点をプロットした図である。ここで、近軸像面とは、画像形成部１０を含む平面と光軸との交点Ｆ０と共役な光軸上の点Ｆを含み、光軸に垂直な平面を指す。図１２に示す黒点が各画角の主光線と近軸像面との交点の座標を示している。図１２から、本実施形態の投射装置１０は、樽型の歪曲を有する中間像を形成していることがわかる。つまり、これは中間像が圧縮されていることにほかならない。よって、中間像の小型化により、凹面ミラー１３を小型化できるため、コストダウンや装置の小型化を図ることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を説明する。上述の第１の実施形態と共通する部分については適宜に説明を省略する。本実施形態の投射光学系（投射装置２０）は、上述の第１の実施形態とは異なるレンズデータを有している。

図１３は、本実施形態における屈折光学系１１のレンズ構成を示す図である。本実施形態における屈折光学系１１は、拡大側から画像形成部１０側に向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｉと、負の屈折力を有する第２レンズ群ＩＩと、正の屈折力を有する第３レンズ群ＩＩＩと、正の屈折力を有する第４レンズ群ＩＶとを有する。投射距離の変動に対するフォーカシングは遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、正の第１レンズ群Ｉが拡大側に移動し、負の第２レンズ群ＩＩと正の第３レンズ群ＩＩＩが画像形成部１０側に移動する。また、第４レンズ群ＩＶはフォーカスに際し、画像形成部１０に対して固定されている。

以下、レンズの具体的な構成を説明する。正の第１レンズ群Ｉは、１枚のレンズ１３１からなる。レンズ１３１は、拡大側に凸面を向けた樹脂製の両面非球面正メニスカスレンズである。

負の第２レンズ群ＩＩは、拡大側から順に、レンズ１３２と、レンズ１３３と、レンズ１３４とを有する。レンズ１３２は、画像形成部１０側に凸面を向けた樹脂製の両面非球面負メニスカスレンズである。レンズ１３３は、画像形成部１０側により強い凹面を有する両凹レンズである。レンズ１３４は、画像形成部１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。

正の第３レンズ群ＩＩＩは、１枚のレンズ１３５からなる。レンズ１３５は、画像形成部１０側に凸面を向けた正メニスカスレンズである。

正の第４レンズ群ＩＶは、拡大側から順に、レンズ１３６と、レンズ１３７と、レンズ１３８と、レンズ１３９と、レンズ１４０と、開口絞りＳと、レンズ１４１と、レンズ１４２と、レンズ１４３とを有する。レンズ１３６は、拡大側に強い凸面を向けた両凸レンズである。レンズ１３７は、画像形成部１０側により強い凹面を有する両凹レンズと拡大側により強い凸面を向けた両凸レンズとの接合レンズである。レンズ１３８は、画像形成部１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。レンズ１３９は、拡大側により強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズである。レンズ１４０は、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。レンズ１４１は、画像形成部１０側に凸面を向けた正メニスカスレンズと画像形成部１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズの接合レンズである。レンズ１４２は、画像形成部１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。レンズ１４３は、画像形成部１０側に強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズである。

図１４は、本実施形態の投射光学系（投射装置２０）の具体的なレンズデータを示す図である。面番号は、画像形成部１０側より順にレンズの各面に付した番号であり、絞りＳには番号を与えていない。図１４において、面番号の末尾に＊が付されているものは非球面、＊＊が付されているものは自由曲面を示している。また、図１５は、フォーカシング時に可変するレンズの可変間隔を示す図である。また、図１６は、非球面係数を示す図である。図１７は、自由曲面係数を示す図である。図１８は、投射距離と上記ＴＲとの関係を示す図である。

本実施形態におけるＤＭＤサイズとして、ドットサイズは７．５６μｍ、横方向長さは１４．５１５２ｍｍ、縦方向長さは８．１６４８ｍｍ、光軸から画像形成部１０の中心までの距離は５．３１ｍｍである。また、レンズＡの外径は１９．１ｍｍ、レンズＢの外径は６０．８ｍｍ、上記ＭＣは２６．４３ｍｍ、上記ＭＤは１０３．２９５ｍｍ、上記Ｔｂは８．３ｍｍである。

さらに、最も反射面側に位置するレンズの投影画像が最大となる合焦状態での頂点からの折り返しミラー１２、凹面ミラー１３の位置座標を図１９に示す。なお、回転に関しては面法線と光軸とのなす角度を示している。

本実施形態においては、Ｄａ／Ｄｂの値は「０．３１４」となり、上記（式５）で表される条件を満たす。また、ＭＣ／Ｄｂの値は「０．４３５」となり、上記（式６）で表される条件を満たす。また、ＭＣ／ＭＤの値は「０．７４４」となり、上記（式９）で表される条件を満たす。さらに、Ｔｂ／Ｄｂの値は「０．１３７」となり、上記（式１１）で表される条件を満たす。

また、図２０は、近距離（６０インチ）における近軸像面と主光線との交点をプロットした図である。図２０に示す黒点が各画角の主光線と近軸像面との交点の座標を示している。図２０から、本実施形態の投射装置１０も、樽型の歪曲を有する中間像を形成していることがわかる。つまり、これは中間像が圧縮されていることにほかならない。よって、中間像の小型化により、凹面ミラー１３を小型化できるため、コストダウンや装置の小型化を図ることができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態を説明する。上述の各実施形態と共通する部分については適宜に説明を省略する。本実施形態の投射光学系（投射装置２０）は、上述の各実施形態とは異なるレンズデータを有している。

図２１は、本実施形態における屈折光学系１１のレンズ構成を示す図である。本実施形態における屈折光学系１１は、拡大側から画像形成部１０側に向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｉと、負の屈折力を有する第２レンズ群ＩＩと、正の屈折力を有する第３レンズ群ＩＩＩと、正の屈折力を有する第４レンズ群ＩＶとを有する。投射距離の変動に対するフォーカシングは遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、正の第１レンズ群Ｉが拡大側に移動し、負の第２レンズ群ＩＩと正の第３レンズ群ＩＩＩが画像形成部１０側に移動する。また、第４レンズ群ＩＶはフォーカスに際し、画像形成部１０に対して固定されている。

以下、レンズの具体的な構成を説明する。正の第１レンズ群Ｉは、１枚のレンズ１５１からなる。レンズ１５１は、拡大側に凸面を向けた樹脂製の両面非球面正メニスカスレンズである。

負の第２レンズ群ＩＩは、拡大側から順に、レンズ１５２と、レンズ１５３とを有する。レンズ１５２は、画像形成部１０側に凸面を向けた樹脂製の両面非球面正メニスカスレンズである。レンズ１５３は、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。

正の第３レンズ群ＩＩＩは、１枚のレンズ１５４からなる。レンズ１５４は、画像形成部１０側により強い凸面を向けた両凸レンズである。

正の第４レンズ群ＩＶは、拡大側から順に、レンズ１５５と、レンズ１５６と、レンズ１５７と、レンズ１５８と、レンズ１５９と、レンズ１６０と、開口絞りＳと、レンズ１６１と、レンズ１６２とを有する。レンズ１５５は、画像形成部１０側に強い凸面を向けた両凸レンズである。レンズ１５６は、画像形成部１０側により強い凹面を有する両凹レンズと拡大側により強い凸面を向けた両凸レンズとの接合レンズである。レンズ１５７は、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。レンズ１５８は、拡大側により強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズである。レンズ１５９は、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。レンズ１６０は、画像形成部１０側に凸面を向けた正メニスカスレンズと画像形成部１０側に凸面を向けた負メニスカスレンズの接合レンズである。レンズ１６１は、画像形成部１０側により強い凹面を有する両凹レンズである。レンズ１６２は、画像形成部１０側に強い凸面を向けた両面非球面両凸レンズである。

図２２は、本実施形態の投射光学系（投射装置２０）の具体的なレンズデータを示す図である。面番号は、画像形成部１０側より順にレンズの各面に付した番号であり、絞りＳには番号を与えていない。図２２において、面番号の末尾に＊が付されているものは非球面、＊＊が付されているものは自由曲面を示している。また、図２３は、フォーカシング時に可変するレンズの可変間隔を示す図である。また、図２４は、非球面係数を示す図である。図２５は、自由曲面係数を示す図である。図２６は、投射距離と上記ＴＲとの関係を示す図である。

本実施形態におけるＤＭＤサイズとして、ドットサイズは７．５６μｍ、横方向長さは１４．５１５２ｍｍ、縦方向長さは８．１６４８ｍｍ、光軸から画像形成部１０の中心までの距離は５．２３ｍｍである。また、レンズＡの外径は１７．６ｍｍ、レンズＢの外径は６４．９ｍｍ、上記ＭＣは５０．６１ｍｍ、上記ＭＤは９８．６６ｍｍ、上記Ｔｂは６．１ｍｍである。

さらに、最も反射面側に位置するレンズの投影画像が最大となる合焦状態での頂点からの折り返しミラー１２、凹面ミラー１３の位置座標を図２７に示す。なお、回転に関しては面法線と光軸とのなす角度を示している。

本実施形態においては、Ｄａ／Ｄｂの値は「０．２７１」となり、上記（式５）で表される条件を満たす。また、ＭＣ／Ｄｂの値は「０．７８０」となり、上記（式６）で表される条件を満たす。また、ＭＣ／ＭＤの値は「０．４８７」となり、上記（式９）で表される条件を満たす。さらに、Ｔｂ／Ｄｂの値は「０．０８８」となり、上記（式１１）で表される条件を満たす。

また、図２８は、近距離（６０インチ）における近軸像面と主光線との交点をプロットした図である。図２８に示す黒点が各画角の主光線と近軸像面との交点の座標を示している。図２８から、本実施形態の投射装置１０も、樽型の歪曲を有する中間像を形成していることがわかる。つまり、これは中間像が圧縮されていることにほかならない。よって、中間像の小型化により、凹面ミラー１３を小型化できるため、コストダウンや装置の小型化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上述の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。本発明は、上述の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

１０ 画像形成部
１１ 屈折光学系
１２ 折り返しミラー
１３ 凹面ミラー
１４ 防塵ガラス
１５ ファン
１６ 制風板
２０ 投射装置（投射光学系）
１００ 画像表示装置

特開２００９−２１６８８３号公報

Claims (14)

1. 投射対象の画像を形成する画像形成部により形成された画像を投影面に拡大投射する投射装置であって、
   像面位置を補正するための１以上の樹脂製の光学素子を少なくとも含む複数の光学素子を含み、かつ、前記画像形成部により形成された画像を屈折させるための屈折光学系と、
   前記屈折光学系から出射された光を前記投影面に導くための反射光学素子と、を備え、
   前記屈折光学系に含まれる複数の光学素子のうち最も前記画像形成部に近い位置に配置される光学素子の外径を示すＤａ、および、前記樹脂製の光学素子の外径を示すＤｂは、以下の（式１）で表される条件を満たし、
   前記屈折光学系と前記反射光学素子との間に形成される中間像のうち前記樹脂製の光学素子に最も近い点と、前記樹脂製の光学素子と光軸との交点と、の間の光軸方向の距離を示すＭＣ、および、前記Ｄｂは、以下の（式２）で表される条件を満たす、
   投射装置。
   

   

   
2. 前記中間像のうち前記樹脂製の光学素子から最も離れた点と、前記樹脂製の光学素子と光軸との交点と、の間の光軸方向の距離を示すＭＤ、および、前記ＭＣは、以下の（式３）で表される条件を満たす、
   請求項１に記載の投射装置。
   

   
3. 前記屈折光学系に含まれる全ての前記樹脂製の光学素子の光軸上の厚さの総和を示すＴｂ、および、前記Ｄｂは、以下の（式４）で表される条件を満たす、
   請求項１または２に記載の投射装置。
   

   
4. 前記樹脂製の光学素子を構成する樹脂材料の３ｍｍの厚さの平板の内部透過率は、波長３５０ｎｍ〜波長４５０ｎｍにおいて５０％以上である、
   請求項１乃至３のうちの何れか１項に記載の投射装置。
5. 前記屈折光学系に含まれる複数の光学素子のうち前記画像形成部から最も離れた位置に配置される光学素子は、最も外径が大きい前記樹脂製の光学素子である、
   請求項１乃至４のうちの何れか１項に記載の投射装置。
6. 前記屈折光学系に含まれる複数の光学素子のうち、前記樹脂製の光学素子よりも前記画像形成部側に配置される少なくとも１つの光学素子の反射率は、波長３００ｎｍ〜波長４００ｎｍにおいて９０％以上である、
   請求項１乃至５のうちの何れか１項に記載の投射装置。
7. 前記屈折光学系に含まれる複数の光学素子の各々はレンズである、
   請求項１乃至６のうちの何れか１項に記載の投射装置。
8. 筐体内部を巡回する空気を、前記樹脂製の光学素子へ送入する送風部をさらに備える、
   請求項１乃至７のうちの何れか１項に記載の投射装置。
9. 前記反射光学素子は、凹面の自由曲面形状を有するミラーである、
   請求項１乃至８のうちの何れか１項に記載の投射装置。
10. 前記反射光学素子と光軸との交点と、前記投影面との間の距離を示すＴＲは、以下の（式５）で表される条件を満たす、
    請求項１乃至９のうちの何れか１項に記載の投射装置。
    

    
11. 前記中間像は樽型の歪曲を有する、
    請求項１乃至１０のうちの何れか１項に記載の投射装置。
12. 前記投射装置の光学系はノンテレセントリック光学系である、
    請求項１乃至１１のうちの何れか１項に記載の投射装置。
13. 前記投射装置の内部は不活性ガスで置換されている、
    請求項１乃至１２のうちの何れか１項に記載の投射装置。
14. 投射対象の画像を形成する画像形成部と、
    前記画像形成部により形成された画像を投影面に拡大投射する拡大投射系と、を備え、
    前記拡大投射系は、
    像面位置を補正するための１以上の樹脂製の光学素子を少なくとも含む複数の光学素子を含み、かつ、前記画像形成部により形成された画像を屈折させるための屈折光学系と、
    前記屈折光学系から出射された光を前記投影面に導くための反射光学素子と、を備え、
    前記屈折光学系に含まれる複数の光学素子のうち最も前記画像形成部に近い位置に配置される光学素子の外径を示すＤａ、および、前記樹脂製の光学素子の外径を示すＤｂは、以下の（式６）で表される条件を満たし、
    前記屈折光学系と前記反射光学素子との間に形成される中間像のうち最も外径が大きい前記樹脂製の光学素子に最も近い点と、前記樹脂製の光学素子と光軸との交点と、の間の光軸方向の距離を示すＭＣ、および、前記Ｄｂは、以下の（式７）で表される条件を満たす、
    画像表示装置。
    

    

    

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