(57)【要約】【課題】  超至近距離投射が可能でありながら小型の投射光学系を提供する【解決手段】  複数のレンズ群によって構成される屈折光学系と、凹面ミラーを有するミラー光学系と、を含み、屈折光学系とミラー光学系は、画像表示素子から被投射面に向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、正の屈折力を有する第２レンズ群、負の屈折力を有する第３レンズ群、非球面または自由曲面を有する１または複数のレンズを備える第４レンズ群、凹面ミラー、の順に配置され、画像表示素子に対してノンテレセントリックな光学系による。【選択図】図４
2014106307.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示素子に表示される画像を被投射面に拡大して投射する投射光学系であって、
前記投射光学系は、
複数のレンズ群によって構成される屈折光学系と、
凹面ミラーを有するミラー光学系と、を含み、
前記屈折光学系と前記ミラー光学系は、前記画像表示素子から前記被投射面に向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、正の屈折力を有する第２レンズ群、負の屈折力を有する第３レンズ群、非球面または自由曲面を有する１または複数のレンズを備える第４レンズ群、凹面ミラー、の順に配置され、
前記画像表示素子に対しノン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。
【請求項２】
前記第１レンズ群を構成するレンズのうち前記第２レンズ群に最も近いレンズのレンズ面は、前記第２レンズ群に向かって凸面である、
請求項１記載の投射光学系。
【請求項３】
前記画像表示素子から取り込む光束を制限する開口絞りを有し、
前記開口絞りは、前記画像表示素子と前記第１レンズ群の間、または、前記第１レンズ群を構成するレンズの間に配置される、
請求項１または２に記載の投射光学系。
【請求項４】
前記被投射面にフォーカスを合わせるとき、
前記第１レンズ群は固定で、
前記第２レンズ群と前記第３レンズ群が、それぞれ異なる量の移動をし、
前記移動の方向は、前記第２レンズ群と前記第３レンズ群の光軸方向において、同じ方向である、
請求項１乃至３のいずれかに記載の投射光学系。
【請求項５】
前記被投射面にフォーカスを合わせるとき、
前記非球面または前記自由曲面を有するレンズ群は移動する、
請求項１乃至４のいずれかに記載の投射光学系。
【請求項６】
前記屈折光学系と、前記凹面ミラーとの間には、平面の折り返しミラーが配置され、
前記画像表示素子の長辺方向中心から、前記平面の折り返しミラーに向かう光束の主光線と、前記画像表示素子に垂直な軸線とが形成する角度が、３０°以下である、
請求項１乃至５のいずれかに記載の投射光学系。
【請求項７】
画像表示素子に表示される画像を被投射面に拡大して投射する投射光学系であって、
前記投射光学系は、
投射光学系に取り込む光束を制限する開口絞りと、
複数のレンズ群によって構成される屈折光学系と、
凹面ミラーを有するミラー光学系と、を有し、
前記屈折光学系とミラー光学系は、前記画像表示素子から前記被投射面に向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、正の屈折力を有する第２レンズ群、負の屈折力を有する第３レンズ群、非球面または自由曲面を有する１または複数のレンズを備える第４レンズ群、凹面ミラー、の順に配置されていて、
前記開口絞りは、前記画像表示素子から前記凹面ミラーに向かって、前記画像表示素子に垂直な光線で第１レンズ群の光軸に平行な平行光線を入射したときの焦点よりも、前記画像表示素子の近い側に配置されていて、
前記画像表示素子に対しノン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。
【請求項８】
前記画像表示素子は反射型画像表示素子である、請求項１乃至７のいずれかに記載の投射光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像を拡大してスクリーンに投射する画像投射装置に適用可能な投射光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来に比べてスクリーンの近くに設置することができる画像投射装置が知られている。このような画像投射装置は至近距離プロジェクターと呼ばれる。至近距離プロジェクターは、画像が投射される被投射面であるスクリーン近くに立つプレゼンター（説明員や発表者など）の目に、投射光が入る眩しさを避けることができる。また、至近距離プロジェクターは、プレゼンターの説明を聞く聴講者の近くにプロジェクターを置かずに拡大画像を投射できるので、聴講者に画像投射装置からの排気や騒音が及ばないように、使用することができる。
【０００３】
至近距離プロジェクターが備える投射光学系は、従来の投射光学系（共軸・回転対称）の画角を広げることでスクリーンとの距離を短くするものや、曲面ミラーを使用することで、至近距離であっても拡大画像の投射を可能にするもの等がある。従来の投射光学系において画角を広げる場合は、スクリーンに近い側のレンズの外径を大型にする必要があるため、プロジェクター全体が大きくなる。これに対して、曲面ミラーを使用するものであれば、小型でありながらも至近距離での投射ができる。
【０００４】
曲面ミラーを使用するものとして、例えば特許文献１から特許文献４に記載されている投射光学系が知られている。特許文献１から特許文献４には、いずれにも屈折光学系と凹面ミラーとを組み合わせた投射光学系が記載されている。
【０００５】
特許文献３と特許文献４の投射光学系は、画像表示素子に対してテレセントリックな投射光学系である。特許文献３と特許文献４の投射光学系は、開口絞りが屈折光学系の光軸方向の中心付近に配置されている。このようなテレセントリックな投射光学系では、画像表示素子から投射光学系に向かう主光線は全て、画像表示素子に対して垂直である。従って、テレセントリックな投射光学系では、これを構成するレンズのうち、画像表示素子寄りのレンズの径（レンズ径）は大きくなりがちである。しかし、テレセントリックな投射光学系は、光束全体が画像表示素子から離れた位置で収束するので、凹面ミラーに近くに配置されるレンズのレンズ径は、小型にできる。
【０００６】
一方、特許文献１と特許文献２の投射光学系は、画像表示素子に対してノンテレセントリックな投射光学系である。特許文献１と特許文献２の投射光学系は、開口絞りが屈折光学系の光軸方向の中央付近よりも、画像表示素子側に近い位置に配置されている。このようなノンテレセントリックな投射光学系は、画像表示素子から投射光学系に向かう光束全体が画像表示素子に近い位置で収束する。従って、光束全体が画像表示素子から離れるにしたがい自然と太ってしまうから、凹面ミラーに近い位置のレンズ径は大型になる。このように、ノンテレセントリックな投射光学系は、画像表示素子に最も近い位置に配置されるレンズのレンズ径と、凹面ミラーに最も近い位置に配置されるレンズのレンズ径との間に、大きな差がある。
【０００７】
被投射面であるスクリーンまでの「投射距離」を、スクリーンに投射された画像の「横幅」で、割った値を「スローレシオ」という。特許文献１の投射光学系は、スローレシオが「０．５」と緩く、投射画像の最上端に向かう光束の「必要な光束の収束度合い」と、投射画像の最下端に向かう光束の「必要な光束の収束度合い」との差が小さい。従って、歪曲収差や像面湾曲の補正を比較的簡単に行うことができる。しかし、スローレシオが「０．３５」を下回るような投射光学系の場合、屈折光学系と凹面ミラーにより、投射画像の最上端に向かう光束と投射画像の最下端に向かう光束とをしっかり分離し、異なる制御（収束度合いや光線方向）を行う必要がある。このために、凹面ミラーに近いレンズのレンズ径と、凹面ミラーのサイズがさらに大型化することになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、凹面ミラーに近いレンズのレンズ径や、凹面ミラーサイズを小型にし、投射光学系全体を小型化できる投射光学系を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、画像表示素子に表示される画像を被投射面に拡大して投射する投射光学系であって、前記投射光学系は、複数のレンズ群によって構成される屈折光学系と、凹面ミラーを有するミラー光学系と、を含み、前記屈折光学系と前記ミラー光学系は、前記画像表示素子から前記被投射面に向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群、正の屈折力を有する第２レンズ群、負の屈折力を有する第３レンズ群、非球面または自由曲面を有する１または複数のレンズを有する第４レンズ群、凹面ミラー、の順に配置され、前記画像表示素子に対してノンテレセントリックな光学系である、ことを最も主な特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、凹面ミラーに近いレンズのレンズ径や、凹面ミラーサイズを小型にし、投射光学系全体を小型にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る投射光学系を適用可能な画像投射装置の要部を一方向から見た側面図である。
【図２】画像表示素子に対してテレセントリックな投射光学系の例の一部を示す光学配置図である。
【図３】画像表示素子に対してノンテレセントリックな投射光学系の例の一部を示す光学配置図である。
【図４】本発明に係る投射光学系を構成するレンズ群の例を示す光学配置図である。
【図５】上記投射光学系が主光線を曲げる角度を説明する図である。
【図６】本発明に係る投射光学系の別の実施形態を示す光学配置図である。
【図７】本発明に係る投射光学系の実施例に係る光路図である。
【図８】上記投射光学系の実施例に係る詳細な光学配置図である。
【図９】本発明に係る投射光学系の別実施例に係る光路図である。
【図１０】上記投射光学系の別実施例に係る詳細な光学配置図である。
【図１１】本発明に係る投射光学系のさらに別実施例に係る光路図である。
【図１２】上記投射光学系のさらに別実施例に係る詳細な光学配置図である。
【図１３】本発明に係る投射光学系のさらに別実施例に係る光路図である。
【図１４】上記投射光学系のさらに別実施例に係る詳細な光学配置図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る投射光学系の実施形態について説明する。まず、本発明に係る投射光学系を適用可能な画像投射装置の例について説明する。図１は、画像投射装置であるプロジェクター１００の要部を一方向から見た側面図である。プロジェクター１００は、画像表示素子として、反射型画像表示素子を用いている。
なお、本発明に係る投射光学系に適用可能な画像表示素子は、反射型画像表示素子に限ることはなく、例えば液晶パネルでもよい。
【００１３】
図１においてプロジェクター１００は、光源であるランプ１から出射した光が、照明光学系を介して反射型画像表示素子であるＤＭＤ７を照明するように構成されている。ＤＭＤ７を照明した光は、ＤＭＤ７が備える微小ミラーによって反射される。この反射光が、投射光学系８により、被投射面であるスクリーン２０へと拡大投射される。この投射光学系８が、本発明に係る投射光学系の実施形態に相当する。
【００１４】
図１において投射光学系８は、複数のレンズから構成されるレンズ群からなる屈折光学系と、屈折光学系を通過してきたＤＭＤ７からの反射光をスクリーン２０に向けて反射させるミラー（不図示）からなるミラー光学系と、を有してなる。なお、図１では、レンズ群を保持するレンズ鏡胴は図示を省略している。
【００１５】
プロジェクター１００が備える照明光学系は、ランプ１から曲面ミラー６によって構成される。ランプ１から出射した光は、リフレクタ２によってインテグレータロッド３の入射口に集光する。インテグレータロッド３は、４つのミラーを組み合わせてトンネル状にしたライトパイプである。インテグレータロッド３に入射した光は、インテグレータロッド３内のミラー面で反射を繰り返し、インテグレータロッド３の出射口において光量が一様でムラのない光になる。
【００１６】
インテグレータロッド３を通過した光は、ＤＭＤ照明用レンズ４を通過して、折り返し用のミラー５において図１斜めの右下方向に反射して、曲面ミラー６に向かう。曲面ミラー６で反射した光は、ＤＭＤ７を照明する。以上のようにＤＭＤ７の有効画像領域が、インテグレータロッド３の出射口を「光量が一様でムラのない面光源」として捉えた面光源から発した光により照明される。
【００１７】
ＤＭＤ７の有効画像領域を照明した光は、ＤＭＤ７の表面に配置されている微小ミラーによって反射して、投射光学系８に入射する。投射光学系８から出射した光は、スクリーン２０に向けて投射されて、拡大画像がスクリーン２０に表示される。
【００１８】
上記の照明光学系によって、ＤＭＤ７は光量ムラのない光で照明され、一様な照度分布となるので、その拡大画像である投射画像も一様な照度分布となる。
【００１９】
ＤＭＤ７は多数の微小ミラーからなるデバイスであって、各微小ミラーの角度は、例えば＋１２°から−１２°の範囲で変化する。例えば、微小ミラーの角度が−１２°のとき、当該微小ミラーで反射した光が投射光学系８に入射するように調整する。一方、微小ミラーの角度が＋１２°のとき、当該微小ミラーで反射した光は、投射光学系に入射しないように調整する。ＤＭＤ７の各微小ミラーは、スクリーン２０に投射されて表示される画像の画素に対応している。したがって、ＤＭＤ７の微小ミラーの傾斜角度を上記のように個別に制御することで、スクリーン２０に表示する拡大画像を形成することができる。
【００２０】
次に、本発明に係る投射光学系の実施形態である投射光学系８について説明する。投射光学系８は、ノンテレセントリックな光学系である。まず、ノンテレセントリックな投射光学系について、テレセントリックな投射光学系と対比しながら説明する。図２は、反射型画像表示素子の例であるＤＭＤ７に対してテレセントリックな投射光学系の例の一部を示す光学配置図である。図３は、ＤＭＤ７に対してノンテレセントリックな投射光学系の例の一部を示す光学配置図である。
【００２１】
図２に示すように、ＤＭＤ７に対してテレセントリックな投射光学系１８（以下において、「テレセントリック投射光学系１８」と表記する。）は、開口絞り１８２がテレセントリック投射光学系１８の光軸方向の中央付近に配置されている。照明光ＬｉがＤＭＤ７で反射してテレセントリック投射光学系１８に向かう主光線は、全てＤＭＤ７に対して垂直である。よって、テレセントリック投射光学系１８を構成するレンズのうち、ＤＭＤ７に近いレンズ１８１のレンズ径は大きくなりがちである。しかし、テレセントリック投射光学系１８では光束全体がＤＭＤ７から離れた収束位置１８３で収束する。これによって、テレセントリック投射光学系１８を通過した光をスクリーン２０（図１を参照）に向けて反射するミラーに近い位置に配置されるレンズは、レンズ径を小型化できる。
【００２２】
一方、図３に示すように、ＤＭＤ７に対してノンテレセントリックな光学系２８（以下において、「ノンテレセントリック投射光学系２８」と表記する。）は、開口絞り２８２がノンテレセントリック投射光学系２８の光軸方向の中央よりも、ＤＭＤ７に近い位置に配置されている。
【００２３】
図３に示すように、照明光Ｌｉにより照明されたＤＭＤ７からの反射光は、ＤＭＤ７に対して垂直ではなく、ＤＭＤ７に最も近いレンズ２８１に対して斜めに入射する。このため、ＤＭＤ７とノンテレセントリック投射光学系２８との距離が離れるにつれて、レンズ２８１のレンズ径を大型にする必要がある。
【００２４】
また、ＤＭＤ７からの反射光がレンズ２８１に対して斜めに入射することで、ノンテレセントリック投射光学系２８に入射する光束全体は、ＤＭＤ７に近い位置で収束する。そのため、符号２８３に示すように光束はＤＭＤ７から離れるにしたがい自然と全体が太くなる。そうすると、ノンテレセントリック投射光学系２８を通過した光をスクリーン２０（図１を参照）に向けて反射するミラーに近い位置に配置されるレンズは、レンズ径を大型にせざるを得ない。すなわち、ノンテレセントリック投射光学系２８は全体的に大型化する傾向にある。
【００２５】
本実施形態に係る投射光学系８は、ノンテレセントリックな投射光学系であるが、全体的に大型化することなく小型化を図ることができる。そのために、ＤＭＤ７から離れるにしたがい自然と太くなる光束を、屈折光学系の一部で引き締める必要がある。図４は、投射光学系８を構成するレンズ群の例を示す光学配置図である。
【００２６】
図４において、投射光学系８は、画像表示素子であるＤＭＤ７側（縮小側）から画像側（拡大側）に向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群８１と、正の屈折力を有する第２レンズ群８２と、負の屈折力を有する第３レンズ群８３と、１または複数の非球面レンズや自由曲面レンズを有する第４レンズ群８４と、凹面ミラー８５と、を有してなる。
【００２７】
図４では、ＤＭＤ７上の各点から出射される光束のうち、ＤＭＤ７の上下端部から出射される光束を３本の線で表現し、第３レンズ群以降は当該３本の線を１本の線に集約して表現している。図４に示すように、第１レンズ群８１の直後に正の屈折力を有する第２レンズ群を配置している。この第２レンズ群の作用により、ＤＭＤ７から離れるにしたがい自然と太くなる光束全体を、一度引き締めている。これによって、投射光学系８を構成するこの後のレンズのレンズ径の大型化を防ぎ、レンズ径を小さく収めることができる。
【００２８】
投射光学系８とＤＭＤ７の間には、ＤＭＤ７を照明するための照明光学系をレイアウトする空間を設ける必要がある。この空間を設けるには、ＤＭＤ７と投射光学系８を所定の距離だけ離して配置する必要がある。ＤＭＤ７と投射光学系８を構成するレンズの中で、最もＤＭＤ７に近いレンズ面との距離をバックフォーカス（Ｂｆ）という。このバックフォーカスを確保しないと、ＤＭＤ７で反射した光が投射光学系に入射できない。
【００２９】
バックフォーカスを確保するには、ＤＭＤ７から離れた位置に強い負の屈折力を有するレンズ群を配置し、ＤＭＤ７に近い位置に正の屈折力を有するレンズ群を配置する必要がある。従って、投射光学系８は、第１レンズ群８１が正の屈折力を有し、第３レンズ群８３が負の屈折力を有している。
【００３０】
また、投射光学系８は、第３レンズ群８３の次に第４レンズ群８４を配置している。これは以下の理由による。例えば、凹面ミラー８５からスクリーン２０（図１参照）までの距離（投射距離）が長い投射光学系であれば、負の屈折力を有する第３レンズ群８３の次に第４レンズ群を配置しなくても、光学性能（特に歪曲収差や像面湾曲）を満足することはできる。
【００３１】
本実施形態に係る投射光学系８は、従来の至近距離投射よりもさらにスクリーンまでの距離が近い「超至近投射」を可能にするものである。よって、ＤＭＤ７上の各点から出射される（反射される）光束ごとに、適切な屈折力の付与と、光線進行方向の制御が必要である。本来、レンズ径が十分に大きいレンズで光束を受ければ各光束は分離されるので、光束ごとに適切な作用を付与することができる。しかし、投射光学系８は、小型化を図るものであるから、第２レンズ群８２によってレンズ径が制限される。そこで、投射光学系８は、第４レンズ群８４に、非球面レンズや自由曲面レンズを用いている。これによって、小さなレンズ径であっても、各光束に対して適切な作用を付与できる。
【００３２】
なお、「投射距離が長い」とは、例えばスローレシオが０．３５を超えるような投射光学系をいう。通常はスローレシオが０．３５程度であれば、至近投射光学系と言われるが、本明細書では、スローレシオが０．３５を下回るような投射光学系を「超至近」とし、これに及ばない投射距離は「投射距離が長い」と表現している。
【００３３】
凹面ミラー８５は、ミラー面の形状が、回転非対称な自由曲面である。この凹面ミラー８５によって、第１レンズ群８１から第４レンズ群８４までの屈折光学系を構成するレンズのレンズ径を小型にした場合に生じる光学性能の劣化を補う。特に、歪曲や像面湾曲の劣化を補うことができる。また、凹面ミラー８５を自由曲面にすることで、凹面ミラー８５における各光束の分離量が小さくても十分高い光学性能を達成することができ、凹面ミラー８５も小型にできる。
【００３４】
また、投射光学系８は、ノンテレセントリックな光学系であるから、主光線を曲げる角度を小さくすることができる。図５は、投射光学系８によって曲がる主光線の角度を説明する図である。図５に示すように、ＤＭＤ７から第１レンズ群８１に入射するときの主光線の角度を「Ａ」とし、第４レンズ群８４から凹面ミラーに向かう主光線の角度を「Ｂ」とした場合、投射光学系８は、角度Ａと角度Ｂの差（Ａ−Ｂ）が小さくなる。これによって、仮に、投射光学系８をテレセントリックな光学系と同じレンズ枚数で構成するならば、比較的収差の発生を小さくすることができる。
【００３５】
図４に戻る。投射光学系８は、第１レンズ群を構成するレンズのうち、最も第２レンズ群８２に近いレンズ面が、凹面ミラー８５に向かって、つまり第２レンズ群８２に向かって、凸面である。これによって、第２レンズ群８２に向かう光束を光軸に寄せる効果が生じ、第２レンズ群８２で凹面ミラー８５寄りのレンズ径を小型にすることを補助する効果を生じる。
【００３６】
また、投射光学系８は、開口絞り８６が、ＤＭＤ７と第１レンズ群８１の間に配置されている。これによって、投射光学系８がＤＭＤ７から取り込む光束を制限することができ、投射光学系８の小型化を図ることができる。
【００３７】
投射光学系８は、被投射面であるスクリーン２０に表示される画像のフォーカスを合わせるとき、第１レンズ群８１は移動させず（固定）、第２レンズ群８２と第３レンズ群８３をそれぞれ異なる量の移動をさせる。第２レンズ群８２と第３レンズ群８３の移動方向は、投射光学系８の光軸方向において同じ方向である。
【００３８】
超至近投射におけるフォーカス合わせは、フローティングフォーカスによる像面湾曲補正が効果的である。正の屈折力を有する第２レンズ群８２と、負の屈折力を有する第３レンズ群８３とを、投射光学系８の光軸方向において同じ方向に動かすと、像面湾曲に対してそれぞれ逆の作用を発揮することになる。すなわち、正の屈折力を有する第２レンズ群８２をＤＭＤ７側に動かすと、像面はＤＭＤ７側に凸のピント状態になる。しかし、負の屈折力を有する第３レンズ群８３をＤＭＤ７側に動かすと、像面はＤＭＤ７側に凹のピント状態になる。よって、互いの作用を打ち消し合うことになる。
【００３９】
しかし、正の屈折力を有する第２レンズ群８２と、負の屈折力を有する第３レンズ群８３とを、投射光学系８の光軸方向において同じ方向に動かすと画像位置ごとの微妙なフォーカス合わせができるようになる。
【００４０】
ここで「画像位置ごとの微妙なフォーカス合わせ」について説明する。スクリーン２０までの投射距離を短くして（スクリーン２０を凹面ミラー８５に近づけて）、「画像位置」を変更するとき、当該画像のピント調整量は、スクリーン２０の上方部分の画像の方が、スクリーン２０の下方部分の画像よりも大きくなる。
【００４１】
スクリーン２０の位置に合わせて（画像位置に合わせて）、フォーカス調整をするとき、第２レンズ群８２を単体で画像側に動かしたとしても、フォーカスをそれまでの位置より凹面ミラー８５に近づく方向に移動させることができる。よって、第２レンズ群８２だけでフォーカス調整をすることもできる。ただし、第２レンズ群８２を単体で画像側に動かすと、ピントはスクリーン２０に対して垂直に動くのではなく、像面湾曲の発生により、下方部分の画像が上方部分の画像よりも大きく動く。すなわち、第２レンズ群８２を単体で画像側に動かすと、ピントはスクリーン２０に対して斜めに動く。
【００４２】
第３レンズ群８３を単体で画像側に動かすと、フォーカスはそれまでの位置よりも凹面ミラー８５から遠のく方向に移動する。このときも、ピントはスクリーン２０に対して垂直に動くのではなく斜めに動くとき、下方部分の画像が上方部分の画像よりも大きく動く。
【００４３】
この第２レンズ群８２と第３レンズ群８３のフォーカス移動の違いにより、第２レンズ群８２と第３レンズ群８３を同じ方向に動かすことで、第２レンズ群８２により移動するフォーカスに対し、第３レンズ群８３によりピント補正効果を与えることができる。これによって、スクリーン２０に投射される画像全体でのピント合わせが容易にでき、画像位置ごとに微妙なフォーカス合わせができるようになる。
【００４４】
また、投射光学系８は、スクリーン２０に表示される画像のフォーカスを合わせるとき、第４レンズ群８４も移動する。非球面レンズまたは自由曲面レンズを有してなる第４レンズ群８４が移動することで、投射距離ごとに変化する歪曲の調整を図ることができる。なお、フォーカス時に動く非球面レンズまたは自由曲面レンズを有する屈折力の弱いレンズ群を更に備えてもよい。
【００４５】
また、投射光学系８において、開口絞り８６を、第１レンズ群８１を構成するレンズの間に配置してもよい。この場合、開口絞り８６を配置する位置は、ＤＭＤ７から凹面ミラー８５に向かってＤＭＤ７に垂直な光線であって、第１レンズ群８１の光軸に平行な平行光線を入射したときの焦点の位置よりも、ＤＭＤ７側にあるとよい。
【００４６】
開口絞り８６を第１レンズ群８１内に配置すると、開口絞り８６は動かない。そうすると、スクリーン２０に表示される画像サイズにより、各レンズ群間隔が変化しても、照明光学系から投射光学系８への入射光量は変わらずに、常に最大光量を維持できる。
【００４７】
次に、本発明に係る投射光学系の別の実施形態について説明する。図６は、本実施形態に係る投射光学系８の別の例を示す光学配置図である。図６において、投射光学系８は、第１レンズ群８１・第２レンズ群８２・第３レンズ群８３・第４レンズ群８４からなる屈折光学系と、凹面ミラー８５との空間に、折り返しミラー８７が配置されている。すなわち、第４レンズ群８４と凹面ミラー８５との間に折り返しミラー８７が配置されている。折り返しミラー８７は平面ミラーである。
【００４８】
図６に示すように、ＤＭＤ７の長辺方向中心から投射光学系８に向かう光束は、第１レンズ群８１・第２レンズ群８２・第３レンズ群８３・第４レンズ群８４からなる屈折光学系において屈折された後に、折り返しミラー８７に向かう。本実施形態に係る投射光学系８は、折り返しミラー８７に向かう光束の主光線（開口絞り８６の中心を通る光線）が、ＤＭＤ７に垂直な軸線に対して、３０°以下であることを特徴としている。
【００４９】
図６に示すように、屈折光学系と凹面ミラー８５の間に折り返しミラー８７を配置すると、折り返しミラー８７から凹面ミラー８５に向かう光束が、屈折光学系によって遮光される可能性がある。この屈折光学系による遮光は、第２レンズ群８２によってレンズ径を小さくした場合に、屈折光学系から出射する光線角度Ｂが３０°を超えると生じる。
【００５０】
屈折光学系による遮光を避けるには、屈折光学系と折り返しミラー８７の距離Ｄを大きくすればよい。しかし、距離Ｄを大きくして屈折光学系と折り返しミラー８７を離しても、屈折光学系から凹面ミラー８５までの距離は所定の範囲で保つ必要がある。そうすると、折り返しミラー８７と凹面ミラー８５の距離Ｈを小さくしなければならない。
【００５１】
しかし、距離Ｈを小さくして、折り返しミラー８７と凹面ミラー８５を近づけると、凹面ミラー８５からの反射光がスクリーン２０に向かう前に、折り返しミラー８７で遮光される可能性が生じる。これを避けるには、屈折光学系と凹面ミラー８５の距離を離す必要があるから、投射光学系８が大型化する。
【００５２】
そこで、投射光学系８のレンズの径を小型化しつつ、遮光が生じないようにするために、投射光学系８は、屈折光学系から出射される光線の角度を３０°以下に抑えるように屈折光学系を構成する。なお、この場合、凹面ミラー８５への自由曲面の採用は必須条件となる。
【００５３】
なお、図６において、折り返しミラー８７の角度は主光線に対して４５°傾斜しているが、折り返しミラー８７の角度は４５°に限る必要はない。但し、少なくとも４５°近傍であることが必要となる。
【実施例１】
【００５４】
次に、本発明に係る投射光学系のさらに詳細な実施例について説明する。図７は、本実施例に係る投射光学系８の光路図である。図７において、投射光学系８は、複数のレンズ群を有してなる屈折光学系８０と、自由曲面ミラーである凹面ミラー８５と、を有してなる。ＤＭＤ７から屈折光学系８０に入射した光は、凹面ミラー８５によって反射されて、スクリーン２０へ投射される。
【００５５】
図８は、本実施例に係る投射光学系８の詳細な光学配置図である。図８において、投射光学系８を構成する屈折光学系８０は、第１レンズ群８１、第２レンズ群８２、第３レンズ群８３、第４レンズ群８４、によって構成されている。
【００５６】
第１レンズ群８１は、９枚の球面レンズ（レンズＬ１１からレンズＬ１９）からなり、フォーカス時に動かない（固定の）正の屈折力を有するレンズ群である。
【００５７】
第２レンズ群８２は、１枚の球面レンズ（Ｌ２１）からなり、フォーカス時に動く（可動の）正の屈折力を有するレンズ群である。
【００５８】
第３レンズ群８３は、１枚の球面レンズ（Ｌ３１）と、１枚の非球面レンズ（Ｌ３２）からなり、フォーカス時に動く（可動の）負の屈折力を有するレンズ群である。
【００５９】
第４レンズ群８４は、２枚の非球面レンズ（Ｌ４１、Ｌ４２）からなり、フォーカス時に動く（可動の）屈折力の弱い、正の屈折力を有するレンズ群である。なお、第４レンズ群８４の焦点距離は１３１０ｍｍある。
【００６０】
開口絞り８６は、第１レンズ群８１の中に配置されているので、フォーカス時には動かない。これによって、照明光学系から投射光学系８に導かれる光量は、フォーカス時にレンズ群間隔を変えても変化しない。
【００６１】
図８は、スクリーンに表示される画像のサイズが８０インチであるとき（８０インチ画像投射時）のレンズ群間隔である。８０インチよりも小さいサイズの画像を投射するときには、第２レンズ群８２を屈折光学系８０の光軸（ＤＭＤ７に垂直方向の軸）に沿ってＤＭＤ７側に移動させ、第３レンズ群８３を同じくＤＭＤ７側に移動させる。併せて、第４レンズ群８４を同じくＤＭＤ７側に移動させる。これら各レンズ群の移動により、フォーカスを合わせればよい。この場合、各レンズ群の移動量は異なる量である。
【００６２】
上記のように各レンズ群を移動させるのは、スクリーン２０の上方に投射される光線と、スクリーン２０の下方に投射される光線とでは、凹面ミラー８５からスクリーン２０までの距離が異なるからである。すなわち、スクリーン２０の上方までは遠く、スクリーン２０下方までは近いからである（図７参照）。例えば、スクリーン２０を凹面ミラー８５側に寄せたとき、フォーカス合わせをする量は、スクリーン２０上方がスクリーン２０下方よりも明らかに大きくなる。したがって、屈折光学系８０を構成する第１レンズ群８１から第４レンズ群８４全体を動かし（あるいはＤＭＤ７を光軸方向に動かし）、フォーカス合わせをするのではなく、複数のレンズ群をそれぞれ異なる量だけ動かす。これによって、全体のフォーカスを合わせながら同時に像面湾曲も制御するフローティングフォーカスを行なう。
【００６３】
また、実施例１に係る投射光学系８における８０インチ画像投射時のスローレシオは「０．２９」である（画像の横幅が１７１８ｍｍ、投射距離が５０１ｍｍ）。このスローレシオは、超至近投射の目安である０．３５を下回っている。よって、実施例１に係る投射光学系８は、超至近投射が可能な投射光学系である。
【００６４】
投射光学系８のようにスローレシオの小さいものは、図８に示すＤＭＤ７上の点ａ、点ｂ、点ｃのそれぞれから広がる光束が、第３レンズ群８３、第４レンズ群８４及び凹面ミラー８５において十分に分離されていなければならない。なぜならば、十分に分離されていないと、スクリーン２０上における歪曲補正や像面湾曲補正をすることができないからである。従来技術の延長で上記の構成を行うと、第３レンズ群８３と第４レンズ群８４を大型のレンズで構成する必要が生じる。
【００６５】
また、実施例１の投射光学系８は、ＤＭＤ７側から第１レンズ群８１に向かってＤＭＤ７に垂直な（すなわち屈折光学系８０の光軸に平行な）光束を入れたときの焦点位置よりも、ＤＭＤ７寄りの位置に開口絞り８６を配置するノンテレセントリック光学系である。
【００６６】
ＤＭＤ７上の点ａ（最も光軸から離れた点）から出射した光束は、投射光学系８に角度をもって入射するので、開口絞り８６から第４レンズ群８４に向かってレンズ径を大型にしなければならなくなる。
【００６７】
本実施例に係る投射光学系８は、このように従来技術の延長では大型化してしまうところ、第１レンズ群８１の最も第２レンズ群８２に近いレンズ面を凸面にし、また第２レンズ群８２を、正の屈折力を有するレンズ群とすることで、小型化を図ることができる。
【００６８】
すなわち、第１レンズ群８１から出射した光束を一度収束させて（図８の上方に屈折させて）から第３レンズ群８３に入射させて、第３レンズ群８３の負の屈折力で再度光束を分離させるようにしている。
【００６９】
また、仮に第１レンズ群８１の直後に第３レンズ群８３を配置すると、フローティングフォーカス機能が十分に働かなくなる。そこで、第２レンズ群８２に光束の収束とフローティングフォーカスの機能を持たせている。これによって、レンズ径の小型化と超至近投射のフォーカスを可能にしている。第２レンズ群８２と第３レンズ群８３では、特に像面湾曲補正の機能を分け合う構成となっている。
【００７０】
また、非球面レンズと自由曲面レンズを用いると小さなレンズ径・小さなミラーサイズでも十分に収差補正ができる。したがって、投射光学系８に非球面レンズと自由曲面レンズを用いることで、小型のレンズ径であっても高品位な画像（歪曲が小さく、像面湾曲の少ない画像）を実現し、凹面ミラー８５も小型にすることができる。
【００７１】
図８において明らかなように、第４レンズ群８４は光束が最も細い位置に配置される。よって、第４レンズ群８４は光線の収束や発散すなわち像面湾曲にはあまり寄与させずに、歪曲の補正に機能を集中させることが望ましい。このため、第４レンズ群８４の屈折力を正または負の弱い屈折力として、２枚の非球面レンズからなる構成とした。
【００７２】
また、凹面ミラー８５を自由曲面にすることで、凹面ミラー８５の小型化を図ることができる。なおかつ屈折光学系８０の歪曲・像面湾曲補正を補助することも可能であって、レンズ径の小型化にも寄与する。
【００７３】
以上述べたように、本実施例に係る投射光学系８によれば、ＤＭＤ７のような反射型光学素子を設けたときのノンテレセントリックな光学系においても、レンズ径及び凹面ミラーを小型にしつつ、高品位な画像を投射することができる。
【００７４】
次に、実施例１に係る投射光学系８の具体的な数値例を以下に示す。表１は、実施例１に係る投射光学系８のレイアウトデータである。
【表１】
2014106307.tif 000003
【００７５】
表１における、面番号２３、２４、２５、２６、２７、２８は非球面である。これらの非球面係数を表２に示す。
【表２】
2014106307.tif 000004
【００７６】
上記非球面係数を適用して非球面を算出する式を式１に示す。
【数１】
2014106307.tif 000005
【００７７】
投射画像のサイズが８０ｉｎｃｈの場合と４８ｉｎｃｈの場合における、各面番号におけるレンズ群の間隔（群間隔）を表３に示す。
【表３】
2014106307.tif 000006
【００７８】
面番号２９を形成するための係数を表４に示す。なお、表４中の「＊」は乗算を表し、「＊＊」はべき乗演算を表す。
【表４】
2014106307.tif 000007
【００７９】
上記係数を適用して面番号２９の算出する式を式２に示す。
【数２】
2014106307.tif 000008
【００８０】
以上説明をした実施例１に係る投射光学系８によれば、凹面ミラー８５寄りのレンズ径を小型にし、凹面ミラー８５のサイズも小型にすることができ、超至近距離の投射が可能であり、かつ、全体として小型化できる投射光学系を得ることができる。
【実施例２】
【００８１】
次に、本発明に係る投射光学系の別の実施例について説明する。図９は、本実施例に係る投射光学系８の光路図である。また、図１０は、本実施例に係る投射光学系８の詳細な光学配置図である。実施例２が実施例１と異なる点は、屈折光学系８０と凹面ミラー８５の間に折り返しミラー８７が配置されている点である。折り返しミラー８７を配置することで、屈折光学系８０と凹面ミラー８５の間の空間を小型にできる。
【００８２】
図１０に示すＤＭＤ７上の点ａから出射される光束の主光線（開口絞り８６の中心を通る光線）が、折り返しミラー８７に向かうときに光軸となす角度が３０°以上であると、折り返しミラー８７で反射した後に屈折光学系８０により遮光される。
【００８３】
この遮光を避けるために、凹面ミラー８５を図１０における右方向（屈折光学系８０から光軸方向に離す方向）に配置すると、屈折光学系８０と凹面ミラー８５の位置関係を保つ必要があるので、凹面ミラー８５を図１０の下方向に配置しなければならなくなる。そうすると、図１０においてＤＭＤ７上の点ａから出射される光束が凹面ミラー８５によって反射した後に、折り返しミラー８７により遮光されるようになる。
【００８４】
このような遮光を避けて、なおかつ投射光学系８を小型に（屈折光学系から凹面ミラーまでの空間レイアウトを最小に）するには、上述した角度を３０°以内にしなければならない。実施例２に係る投射光学系８は、この角度が２７°である。
【００８５】
また、実施例２に係る投射光学系８は、スローレシオが「０．２６」である。超至近投射の目安である０．３５を大きく下回っている。よって、実施例２に係る投射光学系８は、超至近の投射光学系である。
【００８６】
実施例２に係る投射光学系８の具体的な数値例を以下に示す。表５は、実施例２に係る投射光学系８のレイアウトデータである。
【表５】
2014106307.tif 000009
【００８７】
表５における、面番号２４、２５、２６、２７は非球面である。これらの非球面係数を表６に示す。
【表６】
2014106307.tif 000010
【００８８】
上記非球面係数を適用して非球面を算出する式は、実施例１にて示した式１と同じである。
【００８９】
投射画像のサイズが８０ｉｎｃｈの場合と４８ｉｎｃｈの場合における、各面番号におけるレンズ群の間隔（群間隔）を表７に示す。
【表７】
2014106307.tif 000011
【００９０】
面番号２９を形成するための係数を表８に示す。なお、表８中の「＊」は乗算を表し、「＊＊」はべき乗演算を表す。
【表８】
2014106307.tif 000012
【００９１】
第１レンズ群８１を構成する第１のミラーＬ１１に最も近いレンズ面の「面頂点基準」を表９に示す。表９において、「スクリーン距離１」は１１０インチ投射時スクリーン位置を示し、「スクリーン距離２」は６０インチ投射時のスクリーン位置を示している。各部品の座標は屈折光学系８０の中で最も折り返しミラー８７に近い面頂点の座標を基準とした。なお、表９中のＸ、Ｙ、Ｚは、基準座標からのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の距離を示している。Ｚ軸は光軸と平行の軸である。Ｘ軸はＺ軸と垂直方向の軸であって、ＤＭＤ７の長手方向と平行の軸である。Ｙ軸は、Ｚ軸およびＹ軸と垂直の軸である。
【表９】
2014106307.tif 000013
【００９２】
以上説明した実施例２に係る投射光学系８によれば、凹面ミラー８５寄りのレンズ径を小型にし、凹面ミラー８５のサイズも小型にすることができ、超至近距離の投射が可能であり、かつ、全体として小型化できる投射光学系を得ることができる。
【実施例３】
【００９３】
次に、本発明に係る投射光学系のさらに別の実施例について説明する。図１１は、本実施例に係る投射光学系８の光路図である。また、図１２は、本実施例に係る投射光学系８の詳細な光学配置図である。
【００９４】
実施例３に係る投射光学系８が、実施例１と異なる点は、第２レンズ群８２を３枚の球面レンズで構成し、焦点距離を実施例１の７４ｍｍら４７ｍｍ短く（すなわち屈折力を強く）し、さらに第４レンズ群８４のレンズ径の小型化を図った点である。なお、実施例３に係る第３レンズ群８３は１枚の負の屈折力を有するレンズにより構成し、第４レンズ群８４は２枚の非球面レンズにより構成する。
【００９５】
実施例３に係る投射光学系８の具体的な数値例を以下に示す。表１０は、実施例３に係る投射光学系８のレイアウトデータである。
【表１０】
2014106307.tif 000014
【００９６】
表１０における、面番号２８、２９、３０、３１は非球面である。これらの非球面係数を表１１に示す。
【表１１】
2014106307.tif 000015
【００９７】
上記非球面係数を適用して非球面を算出する式は、実施例１にて示した式１と同じである。
【００９８】
投射画像のサイズが１１０ｉｎｃｈの場合と、６０ｉｎｃｈの場合における、各面番号におけるレンズ群の間隔（群間隔）を表１２に示す。
【表１２】
2014106307.tif 000016
【００９９】
面番号３２を形成する係数を表１３に示す。なお、表１３中の「＊」は乗算を表し、「＊＊」はべき乗演算を表す。
【表１３】
2014106307.tif 000017
【０１００】
以上説明した実施例３に係る投射光学系８によれば、凹面ミラー８５寄りのレンズ径を小型にし、凹面ミラー８５のサイズも小型にすることができ、超至近距離の投射が可能であり、かつ、全体として小型化できる投射光学系を得ることができる。
【実施例４】
【０１０１】
次に、本発明に係る投射光学系のさらに別の実施例について説明する。図１３は、本実施例に係る投射光学系８の光路図である。また、図１４は、本実施例に係る投射光学系８の詳細な光学配置図である。
【０１０２】
実施例４に係る投射光学系８が、実施例１に係る構成と異なる点は、第３レンズ群８３を、負の屈折力を有する２枚の球面レンズで構成し、第４レンズ群８４を、１枚の非球面レンズと１枚の自由曲面レンズで構成した点である。
【０１０３】
非球面に比べて自由曲面は形状の自由度が高く、特に第４レンズ群８４に自由曲面レンズを用いることで歪曲補正に効果を発揮する。そこで、第４レンズ群８４に自由曲面レンズを用いて、非球面レンズの枚数を減らした。
【０１０４】
実施例４に係る投射光学系８の具体的な数値例を以下に示す。表１４は、実施例４に係る投射光学系８のレイアウトデータである。
【表１４】
2014106307.tif 000018
【０１０５】
表１４における、面番号２５、２６は非球面である。これらの非球面係数を表１５に示す。
【表１５】
2014106307.tif 000019
【０１０６】
上記非球面係数を適用して非球面を算出する式は、実施例１にて示した式１と同じである。
【０１０７】
投射画像のサイズが８０ｉｎｃｈの場合と、４８ｉｎｃｈの場合における、各面番号におけるレンズ群の間隔（群間隔）を表１６に示す。
【表１６】
2014106307.tif 000020
【０１０８】
面番号３２を形成する係数を表１７に示す。なお、表１７中の「＊」は乗算を表し、「＊＊」はべき乗演算を表す。
【表１７】
2014106307.tif 000021
【０１０９】
面番号２７および２８を形成する係数を表１８に示す。なお、表１８中の「＊」は乗算を表し、「＊＊」はべき乗演算を表す。
【表１８】
2014106307.tif 000022
【０１１０】
以上説明した実施例４に係る投射光学系８によれば、凹面ミラー８５寄りのレンズ径を小型にし、凹面ミラー８５のサイズも小型にすることができ、超至近距離の投射が可能であり、かつ、全体として小型化できる投射光学系を得ることができる。
【０１１１】
以上のように、本発明に係る投射光学系は、正レンズ群、正レンズ群、負レンズ群、非球面または自由曲面のレンズ群を１または複数、凹面の自由曲面ミラーからなる。これによって、バックフォーカスを確保しながら、凹面ミラー寄りのレンズ径と凹面ミラーサイズを小型化しつつ、十分な光学性能を得ることができる。さらに、本発明に係る投射光学系は、フォーカス時には正の第１レンズ群を固定、正の第２レンズ群と負の第３レンズ群を光軸に沿って同じ方向かつ異なる移動量で移動し、補助的に非球面または自由曲面の第４レンズ群を動かして、凹面ミラーは固定とする。これによって、画面全体でフォーカスの合った（像面湾曲の小さい）、歪曲の小さい良好な画像を表示することができる。
【符号の説明】
【０１１２】
７    ＤＭＤ
８    投射光学系
８０  屈折光学系
８１  第１レンズ群
８２  第２レンズ群
８３  第３レンズ群
８４  第４レンズ群
８５  凹面ミラー
８６  開口絞り
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１１３】
【特許文献１】特許第４３２９８６３号明細書
【特許文献２】特開２００７−０７９５２４号公報
【特許文献３】特開２００９−２５１４５７号公報
【特許文献４】特開２０１０−０８５９７３号公報
【図１】
2014106307.tif 000023
【図２】
2014106307.tif 000024
【図３】
2014106307.tif 000025
【図４】
2014106307.tif 000026
【図５】
2014106307.tif 000027
【図６】
2014106307.tif 000028
【図７】
2014106307.tif 000029
【図８】
2014106307.tif 000030
【図９】
2014106307.tif 000031
【図１０】
2014106307.tif 000032
【図１１】
2014106307.tif 000033
【図１２】
2014106307.tif 000034
【図１３】
2014106307.tif 000035
【図１４】
2014106307.tif 000036