(57)【要約】  【課題】  温度変化によって性能の劣化が生じない高性能で低コストの投射光学系を提供する。  【解決手段】  投射光学系を成すレンズ(G1〜G10)のうち、レンズ(G9)はプラスチック樹脂に平均粒子直径が３０ｎｍ以下の無機粒子を分散させた材料で作製されている。無機粒子は、プラスチック樹脂とは逆に、温度上昇によって屈折率が上昇する特性を有しており、プラスチック樹脂の屈折率の温度依存性を打ち消す。このため、レンズ(G9)は、プラスチックレンズでありながら、位置やパワーの制約が少ないガラスレンズと同様に使用することができる。このようなプラスチックレンズ(G9)を有する投射光学系は、設計の自由度が高くなって高性能となり、コストも抑えられる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面からの光を第２の面に導いて、第１の面を第２の面に拡大して投射する投射光学系であって、
平均粒子直径が３０ナノメートル以下の粒子を分散させたプラスチック材料から成るプラスチックレンズを含むことを特徴とする投射光学系。
【請求項２】
前記粒子が無機材料であることを特徴とする請求項１に記載の投射光学系。
【請求項３】
前記無機材料が酸化物であることを特徴とする請求項２に記載の投射光学系。
【請求項４】
前記プラスチック材料に対する前記粒子の体積比が１／９以上かつ２／３以下であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の投射光学系。
【請求項５】
前記プラスチック材料と前記粒子の和に対する前記粒子の重量比が５重量％以上かつ８０重量％以下であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の投射光学系。
【請求項６】
前記プラスチックレンズが、第２の面側に凸のメニスカスレンズであって、非球面を有し、当該投射光学系の絞りよりも第２の面側に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の投射光学系。
【請求項７】
前記プラスチックレンズの焦点距離をＦＬｐ、当該投射光学系全体の焦点距離をＦＬａと表すとき、
１ ＜ ｜ＦＬｐ／ＦＬａ｜ ＜ １０
の関係を満たすことを特徴とする請求項６に記載の投射光学系。
【請求項８】
前記プラスチックレンズが、正パワーのレンズであって、非球面を有し、当該投射光学系の絞りよりも第１の面側に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の投射光学系。
【請求項９】
前記プラスチックレンズの焦点距離をＦＬｐ、当該投射光学系全体の焦点距離をＦＬａと表すとき、
０．５ ＜ ｜ＦＬｐ／ＦＬａ｜ ＜ ７
の関係を満たすことを特徴とする請求項８に記載の投射光学系。
【請求項１０】
画像を表示するとともに照明光を受けて、表示した画像によって照明光を画像を表す光とする表示素子と、表示素子に照明光を導く照明光学系と、表示素子からの画像を表す光を投射面に導いて、表示素子が表示した画像を投射面に拡大して投射する投射光学系を備える投射型画像表示装置であって、
投射光学系として請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の投射光学系を備えることを特徴とする投射型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投射型画像表示装置の投射光学系に関し、特に、温度変化時の性能変化の少ない投射光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
投射型画像表示装置の投射光学系には、高性能（高解像度）、低コストが要求されている。このような投射光学系を構成するレンズに非球面を用いると、収差の補正が容易になり、またレンズ枚数の削減が可能となる。しかしながら、一般的なガラスレンズに非球面を用いて量産することは、投射光学系に用いるレンズのように大径のレンズの場合には、非常に困難である。そこで、非球面の加工が比較的容易で、製造コストの低いプラスチックレンズが使用されている。
【０００３】
ところが、プラスチックレンズは、ガラスレンズと比較して、温度変化に対する屈折率変化が大きいという問題を有している。投射光学系のレンズのように高強度の光が入射するような場合には、温度上昇が生じ、投射光学系の収差特性が悪化する、あるいは焦点がぼける、といった問題が生じる。
【０００４】
このような屈折率の温度依存性の問題を解決するために、特許文献１や特許文献２では、投射光学系とその一部のプラスチックレンズとの焦点距離比を規定し、プラスチックレンズの光学的パワーを制限している。また、特許文献３では、投射光学系内でのプラスチックレンズの位置を規定している。
【特許文献１】特開２００１−１４７３６８号公報
【特許文献２】特開２００４−１３８８１２号公報
【特許文献３】特開平１０−１４２５０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
少ないレンズ枚数で高性能かつ低コストの投射光学系を設計する場合、できるだけ設計パラメータ（レンズ曲率、レンズの屈折率、レンズ間隔等）が多い方が好ましい。ところが、特許文献１や特許文献２に記載の投射光学系では、レンズの光学的パワーが規定されており、設計の自由度が少ない。また、特許文献３に記載の投射光学系でも同様に、プラスチックレンズの位置が規定されているため、屈折率やアッベ数が制限され、設計の自由度が少ない。その結果、所望の性能を達成できない、あるいは、所望の性能を達成するためにレンズ枚数が増加する、といった不都合が生じる。
【０００６】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたもので、温度変化によって性能の劣化が生じない高性能で低コストの投射光学系を提供することを目的とする。また、そのような投射光学系を備えた投射型画像表示装置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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の面からの光を第２の面に導いて、第１の面を第２の面に拡大して投射する投射光学系は、平均粒子直径が３０ナノメートル以下の粒子を分散させたプラスチック材料から成るプラスチックレンズを含む構成とする。ここで、平均粒子直径とは個々の粒子を同体積の球としたときの直径の平均である。
【０００８】
このように微細な粒子をプラスチックレンズの材料に分散させておくことで、屈折率以外の点でのプラスチックレンズの特性の低下を防止しながら、屈折率が温度によって変化するのを抑えることができる。したがって、この投射光学系は、製造が容易で安価であるというプラスチックレンズの特徴が生かされる上に、設計パラメータの制約が少なくなって、低価格かつ高性能のものとなる。
【０００９】
ここで、粒子は無機材料とするとよく、特に、酸化物とするとよい。一般に、無機材料の屈折率は、プラスチック樹脂の屈折率とは逆に、温度上昇によって大きくなるから、プラスチック材料の屈折率の温度変化を相殺するのに適する。また、酸化物はさらなる酸化を受け難いので、プラスチックレンズの特性を長期にわたって一定に保つことができる。
【００１０】
また、プラスチック材料に対する粒子の体積比を１／９以上かつ２／３以下とする、あるいは、プラスチック材料と粒子の和に対する粒子の重量比を５重量％以上かつ８０重量％以下とするのが好ましい。このような比率で粒子を分散させることで、屈折率の温度変化を良好に抑えることができ、また、屈折率以外の点での特性の低下を防止することが容易になる。
【００１１】
プラスチックレンズが、第２の面側に凸のメニスカスレンズであって、非球面を有し、投射光学系の絞りよりも第２の面側に配置されている構成とすることができる。
【００１２】
その場合、１＜｜ＦＬｐ／ＦＬａ｜＜１０の関係を満たすようにするとよい。ここで、ＦＬｐはプラスチックレンズの焦点距離、ＦＬａは投射光学系全体の焦点距離である。
【００１３】
また、プラスチックレンズが、正パワーのレンズであって、非球面を有し、投射光学系の絞りよりも第１の面側に配置されている構成とすることもできる。
【００１４】
その場合、０．５＜｜ＦＬｐ／ＦＬａ｜＜７の関係を満たすようにするとよい。ここで、ＦＬｐはプラスチックレンズの焦点距離、ＦＬａは投射光学系全体の焦点距離である。
【００１５】
本発明ではまた、画像を表示するとともに照明光を受けて、表示した画像によって照明光を画像を表す光とする表示素子と、表示素子に照明光を導く照明光学系と、表示素子からの画像を表す光を投射面に導いて、表示素子が表示した画像を投射面に拡大して投射する投射光学系を備える投射型画像表示装置において、投射光学系として上記のいずれかの投射光学系を備えるようにする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の投射光学系は、プラスチックレンズの屈折率以外の特性の低下を防止しながら、屈折率の温度変化を抑えることができるため、プラスチックレンズに関する設計パラメータの制約が少なく、低価格かつ高性能のものとなる。また、本発明の投射型画像表示装置は、投射光学系の特徴が生かされて、高品位の画像を提供することが可能でありながら、低価格の装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施形態の説明に先立ち、実施形態で用いるプラスチックレンズの材料について説明する。
【００１８】
一般に、透明な樹脂材料に微粉末を混合させると、光の散乱が生じ、透過率が低下する。このため、微粉末を混合した透明樹脂を光学材料として使用することは困難であった。しかし、微粉末を透過光束の波長より小さい大きさにすることにより、散乱を事実上発生させないようにし得ることがわかってきた。
【００１９】
プラスチック樹脂は、温度が上昇することにより、屈折率が低下してしまうが、大部分の無機粒子は温度が上昇すると屈折率が上昇する。そこで、これらの性質をあわせて打ち消しあうように作用させることにより、屈折率変化が生じないようにすることができる。また、温度が上昇すると屈折率が低下する粒子であっても、その低下率がプラスチック樹脂の低下率よりも小さければ、プラスチック樹脂に加えることにより、プラスチック樹脂の屈折率の低下を軽減することが可能である。ただし、プラスチック樹脂の屈折率の温度依存性を抑える作用は、当然、温度の上昇に伴って屈折率が上昇する無機粒子の方が大きい。
【００２０】
本発明で用いるプラスチックレンズは、母材となるプラスチック樹脂に、平均粒子直径が３０ナノメートル以下の無機粒子を分散させた樹脂材料で形成されている。ここで、粒子直径とは個々の粒子を同体積の球としたときの直径であり、平均粒子直径は全粒子の粒子直径の平均値である。このように微細な無機粒子を分散させることにより、屈折率の温度依存性が無いか、あってもきわめて低いプラスチックレンズとなる。
【００２１】
屈折率の温度変化Ａは、ローレンツ・ローレンツの式に基づいて、屈折率ｎを温度ｔで微分することにより、次の式１で表される。ここで、αは線膨張係数、［Ｒ］は分子屈折である。
【数１】
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【００２２】
プラスチック素材の場合、一般に、式１の右辺中括弧内の第２項は、第１項に比べて寄与が小さく、ほぼ無視できる。例えばＰＭＭＡ樹脂の場合、線膨張係数αは７×１０-5であり、式１に代入すると、第２項を無視しても、−１．２×１０-4となり、実測値とおおむね一致する。
【００２３】
そこで、本発明では、微粒子、好ましくは無機微粒子を樹脂中に分散させることにより、実質的に式１の右辺中括弧内の第２項の寄与を大きくし、第１項の線膨張による変化と打ち消しあうようにさせる。あるいは、微粒子を分散させることによりプラスチック素材の含有比率を低下させて、第１項の線膨張を抑えるようにする。また、第２項の寄与をさらに大きくして、当初のプラスチック材料とは逆の温度特性をもたせることも可能である。つまり、温度が上昇することによって、屈折率が低下するのではなく、逆に屈折率が増加するような素材を得ることもできる。
【００２４】
プラスチック材料への無機粒子の添加量は必要とする性能に鑑みて適宜調整することができ、特に限定はないが、無機粒子の添加量が無機粒子とプラスチック材料の全重量に対し５重量％以上、８０重量％以下であることが好ましい。
【００２５】
大きさがナノメートルレベルの無機粒子をプラスチック樹脂に添加した後、射出成形することでプラスチックレンズを得ることができるが、無機粒子の添加量が上述の範囲を下回ると、性能の改善（アサーマル性つまり温度非依存性の向上）が充分に得られない場合がある。また、逆に添加量が上述の範囲を超えると、成形性が悪化したり、レンズとしての重量が増加したりして、樹脂材料（成形材料）としての性能が低下する場合がある。さらに、成形にあたり粒子の周りに焼けなどの問題が生じる場合もある。さまざまな樹脂の屈折率、屈折率の温度変化率、さらに無機粒子の性質、および混合した樹脂の成形性等から、上述の好ましい範囲を特定することができた。
【００２６】
無機粒子が有するｄｎ／ｄｔの値によってアサーマル性の効果は異なるが、無機粒子を５重量％以上添加することでアサーマル性の改善効果が得られる。ＰＬＺＴやＬｉＮｂＯ3等の無機粒子を用いる場合は、５重量％以上添加することで、樹脂のｄｎ／ｄｔを約１０％以上軽減させることができるため、これにより温度変化による収差変化を補正する必要性が低下する。その結果、光学設計の自由度を増加させることが可能になる。一方、無機粒子の添加量を８０重量％以下とすることにより、比重の増加を抑えることができる。
【００２７】
無機粒子の添加量を調整することにより、樹脂のｄｎ／ｄｔを逆転させることも可能である。つまり、温度が上昇するに従って、屈折率が増加するようにせしめることも可能である。例えば、ＬｉＮｂＯ3から成る無機粒子をアクリル樹脂中に分散させる場合、無機粒子の添加量を４０重量％以上とすることによりアクリル樹脂のｄｎ／ｄｔの符号を逆転させることができる。
【００２８】
このような構成を有するプラスチックレンズは温度変化に対して過剰補正となる為、通常の樹脂から成る光学素子と組み合わせることにより、互いの温度変化による屈折率変化を相殺することも可能である。このように、一部のプラスチックレンズを過剰補正とすることにより、光学系において、全ての光学素子を個別にアサーマル化しなくても、全系において温度変化による屈折率変化を相殺することができる。
【００２９】
プラスチックレンズの母材となる樹脂材料は、光学材料として一般的に用いられる透明樹脂材料であればよい。具体的には、アクリル樹脂、環状オレフェン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられる。これらの樹脂に、無機粒子、例えば酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）の微粒子を分散させることで、成形用の材料が得られる。
【００３０】
利用可能なプラスチック材料の屈折率の温度変化Ａ（＝ｄｎ／ｄＴ）の例を、表１に示す。ただし、すべての材料が表１の値を示すというわけではなく、同じ種類の材料であっても異なる値をもつことがある。
【００３１】
［表１］
プラスチック材料          Ａ[１０-5／℃]（近似値）
アクリル系                    −１２
ポリカーボネート系            −１４
ポリオレフィン系              −１２
ポリエステル系                −１４
【００３２】
分散させる微粒子として利用可能な無機材料の屈折率の温度変化Ａ（＝ｄｎ／ｄＴ）の例を、表２に示す。プラスチック材料と符号が逆である。
【００３３】
［表２］
無機材料                  Ａ[１０-5／℃]（近似値）
酸化アルミニウム                １．４
ＡＬＯＮ                        １．２
酸化ベリリウム                  １．０
ダイアモンド                    １．０
炭酸カルシウム                  ０．７
リン酸チタンカリウム            １．２
アルミン酸マグネシウム          ０．９
酸化マグネシウム                １．９
石英                            １．２
酸化チルル                      ０．９
酸化イシトリム                  ０．８
酸化亜鉛                        ４．９
酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）          ０．７８
ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ）  ２．９
【００３４】
アクリル系樹脂（比重約１．２）に酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5：比重４．４７）粒子を分散させた素材の屈折率の温度変化率を図１に示す。縦軸が屈折率の温度変化率、横軸が酸化ニオブの重量比率である。図中の曲線は、測定データに基づいて最小自乗法により求めたものである。酸化ニオブ粒子の比率が多くなるにつれ、温度変化に対する屈折率変化が小さくなり、ある値以上では酸化ニオブ粒子の特性が支配的になり、温度上昇に対して屈折率が増加する特性を示している。なお、酸化ニオブの重量比が０％のときに、表１に示した値と異なる理由は、材料による違いと、測定誤差が原因である。
【００３５】
母材となるプラスチック樹脂は体積比で８０、酸化ニオブは２０程度の割合であり、これらを均一に混合する。微粒子は凝集しやすいという問題があるが、粒子表面に電荷を与えて分散させる等の技術により、必要な分散状態を生じさせることができる。
【００３６】
また、樹脂と粒子との混合・分散は、プラスチックレンズの射出成形時にインラインで行うことが好ましい。いいかえると、混合・分散した後は、レンズに成形されるまで、冷却・固化されないことが好ましい。
【００３７】
なお、この体積比率は、屈折率の温度に対する変化の割合をコントロールするために、適宜増減できるし、複数種類のナノサイズ無機粒子を混ぜ合わせて分散させることも可能である。
【００３８】
プラスチック樹脂と粒子の体積比率は、上記の例では８０：２０、すなわち４：１であるが、９０：１０（９：１）から６０：４０（３：２）までの間で適宜調整可能である。プラスチック樹脂に対する粒子の体積比率が１／９よりも小さいと温度変化抑制の効果が小さくなり、逆に２／３を越えると樹脂の成形性に問題が生じるために好ましくない。
【００３９】
本発明では上述のように無機物の微粒子を用いるが、さらに酸化物であることが好ましい。そして酸化状態が飽和していて、それ以上酸化しない酸化物であることが好ましい。無機物であることは、高分子有機化合物であるプラスチック樹脂との反応を低く抑えられるために好ましく、また、酸化物であることによって、使用に伴う劣化を防ぐことができる。特に高温化や、高強度光を照射されるという過酷な条件においては、酸化が促進されやすくなるが、このような無機酸化物の微粒子であれば、酸化による劣化を防ぐことができる。
【００４０】
利用可能な無機酸化物としては、例えば、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ストロンチウム、酸化バリウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化セリウム、酸化インジウム、酸化錫、酸化鉛、これらの酸化物より構成される複酸化物であるニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、タンタル酸リチウム等、これらの酸化物との組合せで形成されるリン酸塩、硫酸塩等がある。特に酸化ニオブおよびニオブ酸リチウムが好ましい。
【００４１】
半導体結晶組成の微粒子も利用することができる。半導体結晶の組成には特に制限はないが、レンズとして使用する波長領域において、吸収、発光、蛍光等が生じないものが望ましい。また、酸化物や半導体以外の無機物も利用可能である。
【００４２】
プラスチック材料に分散させる微粒子として利用可能な無機物の例を、既述の一部の無機物を含めて、表３〜表２１に示す。これらの表は構成元素を周期律表に従って分類したものである。
【００４３】
［表３］
第１４族元素の単体
例：炭素、ケイ素、ゲルマニウム、錫
【００４４】
［表４］
第１５族元素の単体
例：リン（黒リン）
【００４５】
［表５］
第１６族元素の単体
例：セレン、テルル
【００４６】
［表６］
複数の第１４族元素から成る化合物
例：炭化珪素（ＳｉＣ）
【００４７】
［表７］
第１４族元素と第１６族元素との化合物
例：酸化錫（ＩＶ）（ＳｉＯ2）、硫化錫（ＩＩ、ＩＶ）（Ｓｎ（ＩＩ）Ｓｎ（ＩＶ）Ｓ3）、硫化錫（ＩＶ）（ＳｎＳ2）、硫化錫（ＩＩ）（ＳｎＳ）、セレン化錫（ＩＩ）（ＳｎＳｅ）、テルル化錫（ＩＩ）（ＳｎＴｅ）、硫化鉛（ＩＩ）（ＰｂＳ）、セレン化鉛（ＩＩ）（ＰｂＳｅ）、テルル化鉛（ＩＩ）（ＰｂＴｅ）
【００４８】
［表８］
第１３族元素と第１５族元素との化合物（あるいはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）
例：窒化ホウ素（ＢＮ）、リン化ホウ素（ＢＰ）、砒化ホウ素（ＢＡｓ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、リン化アルミニウム（ＡｌＰ）、砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、アンチモン化アルミニウム（ＡｌＳｂ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、砒化インジウム（ＩｎＡｓ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）
【００４９】
［表９］
第１３族元素と第１６族元素との化合物
例：硫化アルミニウム（Ａｌ2Ｓ3）、セレン化アルミニウム（Ａｌ2Ｓｅ3）、硫化ガリウム（Ｇａ2Ｓ3）、セレン化ガリウム（Ｇａ2Ｓｅ3）、テルル化ガリウム（Ｇａ2Ｔｅ3）、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、硫化インジウム（Ｉｎ2Ｓ3）、セレン化インジウム（Ｉｎ2Ｓｅ3）、テルル化インジウム（Ｉｎ2Ｔｅ3）
【００５０】
［表１０］
第１２族元素と第１６族元素との化合物（あるいはＩＩ−ＶＩ族化合物半導体）
例：酸化亜鉛（ＺｎＯ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）、酸化カドミウム（ＣｄＯ）、硫化カドミウム（ＣｄＳ）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）、硫化水銀（ＨｇＳ）、セレン化水銀（ＨｇＳｅ）、テルル化水銀（ＨｇＴｅ）
【００５１】
［表１１］
第１５族元素と第１６族元素との化合物
例：硫化砒素（ＩＩＩ）（Ａｓ2Ｓ3）、セレン化砒素（ＩＩＩ）（Ａｓ2Ｓｅ3）、テルル化砒素（ＩＩＩ）（Ａｓ2Ｔｅ3）、硫化アンチモン（ＩＩＩ）（Ｓｂ2Ｓ3）、セレン化アンチモン（ＩＩＩ）（Ｓｂ2Ｓｅ3）、テルル化アンチモン（ＩＩＩ）（Ｓｂ2Ｔｅ3）、硫化ビスマス（ＩＩＩ）（Ｂｉ2Ｓ3）、セレン化ビスマス（ＩＩＩ）（Ｂｉ2Ｓｅ3）、テルル化ビスマス（ＩＩＩ）（Ｂｉ2Ｔｅ3）
【００５２】
［表１２］
第１１族元素と第１６族元素との化合物
例：酸化銅（Ｉ）（Ｃｕ2Ｏ）、セレン化銅（Ｉ）（Ｃｕ2Ｓｅ）
【００５３】
［表１３］
第１１族元素と第１７族元素との化合物
例：塩化銅（Ｉ）（ＣｕＣｌ）、臭化銅（Ｉ）（ＣｕＢｒ）、ヨウ化銅（Ｉ）（ＣｕＩ）、塩化銀（ＡｇＣｌ）、臭化銀（ＡｇＢｒ）
【００５４】
［表１４］
周期表第１０族元素と周期表第１６族元素との化合物
例：酸化ニッケル（ＩＩ）（ＮｉＯ）
【００５５】
［表１５］
第９族元素と第１６族元素との化合物
例：酸化コバルト（ＩＩ）（ＣｏＯ）、硫化コバルト（ＩＩ）（ＣｏＳ）
【００５６】
［表１６］
第８族元素と第１６族元素との化合物
例：四塩化三鉄（Ｆｅ3Ｏ4）、硫化鉄（ＩＩ）（ＦｅＳ）
【００５７】
［表１７］
第７族元素と第１６族元素との化合物
例：酸化マンガン（ＩＩ）（ＭｎＯ）
【００５８】
［表１８］
第６族元素と第１６族元素との化合物
例：硫化モリブデン（ＩＶ）（ＭｏＳ2）、酸化タングステン（ＩＶ）（Ｗｏ２）
【００５９】
［表１９］
第５族元素と第１６族元素との化合物
例：酸化バナジウム（ＩＩ）（ＶＯ）、酸化バナジウム（ＩＶ）（ＶＯ２）、酸化タンタル（Ｖ）（Ｔａ2Ｏ5）
【００６０】
［表２０］
第４族元素と第１６族元素との化合物
例：酸化チタン（Ｔｉｏ2、Ｔｉ2Ｏ5、Ｔｉ2Ｏ3、Ｔｉ5Ｏ9等）
【００６１】
［表２１］
第２族元素と第１６族元素との化合物
例：硫化マグネシウム（ＭｇＳ）、セレン化マグネシウム（ＭｇＳｅ）
【００６２】
さらに、酸化カドミウム（ＩＩ）クロム（ＩＩＩ）（ＣｄＣｒ2Ｏ4）、セレン化カドミウム（ＩＩ）クロム（ＩＩＩ）（ＣｄＣｒ2Ｓｅ4）、硫化銅（ＩＩ）クロム（ＩＩＩ）（ＣｕＣｒ2Ｓ4）、セレン化水銀（ＩＩ）クロム（ＩＩＩ）（ＨｇＣｒ2Ｓｅ4）等のカルコゲンスピネル類や、バリウムチタネート（ＢａＴｉＯ3）も利用することができる。また、Ｇ．Ｓｃｈｍｉｄら；Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．、４巻、４９４頁（１９９１）に報告されているＣｕ146Ｓｅ73（トリエチルホスフィン）22のように構造の確定されている半導体クラスターも利用可能である。
【００６３】
前述のように、同一のプラスチック材料に分散させる微粒子は、１種類でもよく、複数種類でもよい。また、酸化される可能性のある無機物を用いる場合は、酸化防止剤を添加することも好ましい。
【００６４】
無機粒子の大きさについては、前述のように平均粒子直径を３０ｎｍ以下とするが、平均粒子直径を２０ｎｍ以下とするのがより好ましく、１〜１０ｎｍとするのがさらに好ましい。平均粒子直径が３０ｎｍを超えると、得られる熱可塑性材料組成物が濁るなどして透明性が低下し、光線透過率が７０％未満となる可能性がある。この可能性は平均粒子直径が小さいほど少なくなる。ただし、平均粒子直径は１ｎｍ以上とするのがよい。平均粒子直径が１ｎｍ未満だと粒子の分散が困難になって、所望の性能が得られないおそれがあるからである。
【００６５】
無機粒子の形状は、特に限定されるものではないが、球状の粒子が好ましい。また、粒子直径の分布に関しても特に制限されるものではないが、本発明の効果をより効率よく発現させるためには、広範な分布を有するものよりも、比較的狭い分布をもつものが好適である。具体的には、８０％以上の粒子の粒子直径が平均粒子直径±３０％の範囲に収まることが好ましい。
【００６６】
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態である投射型画像表示装置１の光学構成を図２に模式的に示す。投射型画像表示装置１は、光源部１０と、照明光学系５０と、照明光学系５０からの照明光を変調して画像を形成する画像表示部６０と、画像表示部６０により形成された画像をスクリーン上に投射する投射光学系８０とを有している。
【００６７】
画像表示部６０は、３つの画像表示素子６１、６２、６３から成る。画表示像素子６１〜６３は、複数の画素が２次元上に配列されており、個々の画素が、画像表示素子６１〜６３に入力される画像信号に応じて照明光を変調し、画像を形成する。本実施形態では、画像表示素子６１、６２、６３として、透過型の液晶素子を用いている。液晶素子は、照明光の偏光状態を変調させて画像を生成する。画像表示素子６１〜６３としては、透過型の液晶素子に代えて、反射型の液晶素子や、入射光の反射方向を変調するデジタルマイクロミラー素子（テキサスインスツルメンツ社商標、以下、ＤＭＤ素子と呼ぶ）を使用してもよい。
【００６８】
光源部１０は、ランプ（例えば、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等の放電ランプ）１１と反射鏡（例えば、回転方物面鏡）１２とを有し、ランプ１１から放射された光が平行光として射出され、照明光学系５０に入射する。
【００６９】
照明光学系５０は、インテグレータ光学系２０と色分解光学系３０とリレー光学系４０を有している。また、光路を折り曲げてコンパクトな構成とするために、照明光学系５０には反射ミラー９１が備えられている。
【００７０】
インテグレータ光学系２０は、第１レンズアレイ２１、第２レンズアレイ２２、重畳レンズ２５、偏光変換プリズム２３から成っており、光源部１０からの光の空間的なエネルギー分布を均一化して、液晶素子６１〜６３を均一に照明する機能を有している。第１レンズアレイ２１は、液晶素子６１〜６３の表示面と相似形状のレンズセルが２次元的に配列された構成になっており、入射してきた照明光を各レンズセルで分割して第２レンズアレイ２２上でそれぞれ結像させる。
【００７１】
第２レンズアレイ２２は、第１レンズアレイ２１と同数のレンズセルが２次元的に配列された構成になっており、第１レンズアレイ２１の各レンズセルを液晶素子６１〜６３上に結像する。つまり、各レンズセルについて第１レンズアレイ２１と液晶素子６１〜６３とは共役関係にある。第２レンズアレイ２２の各レンズセル中には、光源像が形成され、第１レンズアレイ２１の各レンズセルの像は、重畳レンズ２５によって液晶素子６１〜６３の表示面上で重ね合わされる。
【００７２】
第２レンズアレイ２２と重畳レンズ２５との間に配置されている偏光変換プリズム２３は、照明光学系５０から射出する照明光の偏光状態が揃うように、ランダムな偏光を一定方向（つまり入射側偏光板を透過する振動方向）の直線偏光に変換する光学素子である。偏光変換プリズム２３はＰＢＳ(polarizing beam splitter)を左右方向のアレイ状に有しており、各ＰＢＳは第２レンズアレイ２２の左右方向に関して各レンズセルと対応する位置に設けられている。
【００７３】
ＰＢＳは、入射してきた照明光をＰ偏光（透過光）とＳ偏光（反射光）とに分離する偏光分離面と、Ｓ偏光をＰ偏光と同じ方向に反射させる反射面とを有している。各ＰＢＳにおいてＳ偏光またはＰ偏光の射出面には１／２波長板２４が貼られており、これによりインテグレータ光学系２０から射出する照明光はＳ、Ｐのいずれかの直線偏光に揃えられる。したがって、液晶素子６１〜６３を照明する光量は（ランダムな偏光で照明する場合の）約２倍になる。
【００７４】
インテグレータ光学系２０を射出した照明光は、全反射ミラー９１で光路が折り曲げられて、色分解光学系３０に入射する。色分解光学系３０は、Ｒ（赤色）光透過のダイクロイックミラー３１とＢ（青色）光透過のダイクロイックミラー３２とから成り、インテグレータ光学系２０から射出した照明光をＲＧＢの３原色光に色分解する。Ｒ光を透過させるダイクロイックミラー３１は、Ｇ(緑色)光とＢ光を反射し、Ｂ光を透過させるダイクロイックミラー３２は、Ｇ光を反射する。
【００７５】
ダイクロイックミラー３１を透過したＲ光は、Ｒ光反射のミラー３４で反射された後、フィールドレンズ５１に入射する。ダイクロイックミラー３２で反射されたＧ光は、フィールドレンズ５２に入射する。ダイクロイックミラー３２を透過したＢの光は、リレー光学系４０に入射する。Ｂ光は第１リレーレンズ４１を透過し、Ｂ光反射のミラー３３で反射され、第２リレーレンズ４２を透過し、Ｂ光反射のミラー３５で反射された後、フィールドレンズ５３に入射する。このようにＢ光がリレー光学系４０を透過することにより、Ｂ光の光路長とＧ光、Ｒ光の光路長とが光学的に等価になる。
【００７６】
各フィールドレンズ５１〜５３は、３原色ＲＧＢの各照明光がテレセントリックになるようにパワーが決められている。各フィールドレンズ５１、５２、５３を透過した各色の照明光は、入射側偏光板６４、６５、６６を透過することにより、偏光方向が一方向にきれいに揃えられて、液晶素子６１、６２、６３に入射する。
【００７７】
液晶素子６１〜６３は、画像信号に対応した電圧の印加により入射する照明光の偏光状態を空間的に変調する。液晶素子６１〜６３にはそれぞれ射出側偏光板（不図示）が設けられており、液晶素子６１〜６３で変調された光の偏光状態の違いを射出側偏光板によって光の強度の違いに置き換えることで、画像が形成される。
【００７８】
液晶素子６１〜６３で変調され、射出側偏光板を透過した光は、色合成光学系としてのクロスダイクロイックプリズム７１に入射して、合成される。クロスダイクロイックプリズム７１で合成された光は投射光学系８０に入射して、スクリーン(不図示)に投射される。これで、スクリーン上にカラーの拡大画像が形成される。
【００７９】
図３に投射光学系８０の構成を模式的に示す。投射光学系８０はズーム光学系であり、図３において、（ａ）は広角端すなわち焦点距離最小の状態を、（ｂ）は望遠端すなわち焦点距離最大の状態を表している。なお、（ａ）、（ｂ）共に光軸を含む断面図であり、図の左側がスクリーン面側（拡大側）である。また、図３には、投射光学系８０を構成するレンズに加えて、クロスダイクロイックプリズム７１および液晶素子６１〜６３のカバーガラス６１ｂも示している。図３中、最も右側の面が液晶素子６１〜６３の画像表示面（変調面）６１ａである。
【００８０】
投射光学系８０は、５群構成である。第１群は負の光学的パワーを有し、平行平板（カバーガラス）であるレンズＧ１、拡大側に凸形状の負のメニスカスレンズであるレンズＧ２、および拡大側に凸形状の負のメニスカスレンズＧ３とから成る。レンズＧ１、Ｇ３はガラスレンズであり、レンズＧ２は、ポリオレフィン系（日本ゼオン社ＺＥＯＮＥＸ）のプラスチックレンズである。レンズＧ２の両面は、共に非球面である。
【００８１】
第２群は正の光学的パワーを有し、両凸のガラスレンズＧ４から成る。また、第３群は正の光学的パワーを有し、両凸のガラスレンズＧ５から成る。第３群と第４群との間には絞りＳが配置されている。
【００８２】
第４群は正の光学的パワーを有し、拡大側に凸形状の負のメニスカスレンズＧ６と、両凹レンズＧ７と、両凸レンズＧ８と、両凸レンズＧ９とから成る。レンズＧ７とレンズＧ８とは接着剤により接合されている。レンズＧ６、Ｇ７およびＧ８はガラスレンズである。
【００８３】
レンズＧ９は、プラスチック材料中に平均粒子直径が３０ナノメートル以下の微粒子（以下、ナノ粒子と呼ぶ）を分散させた素材を用いて成型したアクリル系のプラスチックレンズである。ナノ粒子の混合比を調節することにより屈折率の温度変化Ａは、Ａ＝−３×１０-5に設定されている。また、レンズＧ９の縮小側の面は非球面である。
【００８４】
第５群は正の光学的パワーを有し、両凸のガラスレンズＧ１０から成る。
【００８５】
広角端から望遠端へのズーミングにおいて、第１群と第２群とは位置固定で、第２群、第３群および第４群がそれぞれ、拡大側に移動する。絞りＳは第４群と共に移動する。
【００８６】
投射光学系８０のコンストラクションデータを表２２に示す。表２２において、ＦＬは投射光学系８０の焦点距離、ＢＦは投射光学系８０のバックフォーカス、Ｆｎｏ.は投射光学系８０のＦナンバーである。面に関するパラメータのうち、ＣＲは曲率半径、Ｔは軸上間隔であり、長さの単位はｍｍである。また、媒質に関するパラメータのうち、ＮＤはｄ線における屈折率、ＶＤはアッベ数である。
【００８７】
［表２２］
ＦＬ：１８．３〜２２ｍｍ
ＬＢ：０．５ｍｍ
Ｆｎｏ．：１．６〜１．７６
面       ＣＲ          Ｔ                           ＮＤ          ＶＤ
r1        ∞          1                            1.5168         64.2
r2        ∞          0.3                          1.0000
r3*     123.607       2.5                          1.5251         56.38
r4*      28.6093      4.40488                      1.0000
r5      360.999       1.3                          1.58913        61.25
r6       22.5037     10.8164 →  7.7094（望遠端）  1.0000
r7       61.8337      3.5465                       1.80518        25.46
r8      -98.596      15.7897 → 11.0385（望遠端）  1.0000
r9       24.5834      4.45029                      1.60311        60.69
r10    -115.492       2      →  4.8542（望遠端）  1.0000
r11       ∞          1.52217                      1.0000
r12      28.6585      2                            1.80518        25.46
r13      17.2416      6.2081                       1.0000
r14     -13.9501      1                            1.7552         27.53
r15      28.1341      0.01                         1.55           47
r16      28.1341      7.01508                      1.48749        70.44
r17     -22.6877      0.2                          1.0000
r18     408.672       8.00076                      1.4914         57.82
r19*    -18.7484      0.7    →  5.704（望遠端）   1.0000
r20      44.7305      5.58618                      1.834          37.34
r21    -269.992       9.5                          1.0000
r22       ∞         23.907                        1.5168         64.2
r23       ∞          0.5                          1.0000
r24       ∞          2.2                          1.51633        64.14
r25       ∞                                       1.0000
【００８８】
表２２において＊印を付した面は非球面である。非球面の面形状は式２によって定義している。非球面係数を表２３に示す。
【００８９】
［表２３］
非球面係数
面      ε         A4               A6               A8              A10
r3*     1      3.34x10-05     -2.39x10-07      8.03x10-10     -1.26x10-12
r4*     1      2.88x10-05     -3.08x10-07      1.10x10-09     -2.32x10-12
r19*    1      8.00x10-06      9.52x10-10      2.02x10-11      7.10x10-14
【００９０】
【数２】
2006145651.tif 000004
ここで、Ｙは光軸に垂直な方向の距離、Ｘは距離Ｙでの光軸に平行な方向における非球面頂点からの変位、Ｃ0は非球面頂点における曲率（曲率半径の逆数）、εは２次曲面パラメータ、Ａiはｉ次の非球面係数である。
【００９１】
常温における投射光学系８０の広角端および望遠端での収差をそれぞれ図４および図５に示し、常温＋３０℃における投射光学系８０の広角端および望遠端での収差をそれぞれ図６および図７に示す。また、材料中にナノ粒子を分散させていないプラスチックレンズを有する比較例の投射光学系の常温＋３０℃における収差を図８、図９に示す。図８および図９はそれぞれ広角端および望遠端での収差である。これらの図において非点収差図に付したＳおよびＭの符号は、それぞれサジタル像面およびメリジオナル像面を指す。また、各収差はｅ線（波長５４６．０７４ｎｍ）に対するものである。なお、レンズＧ１からスクリーン面までの距離は２０００ｍｍである。
【００９２】
上記収差の計算にあたり、屈折率の温度変化Ａは、ガラスレンズに対しては、ＨＯＹＡ社のガラスレンズカタログに記載の値を参照して用いた。プラスチックレンズＧ２は、Ａ＝−１．０９×１０-4、プラスチックレンズＧ９は、Ａ＝−３×１０-5である。また、ナノ粒子を分散させていない比較例のレンズＧ９の屈折率の温度変化Ａは、Ａ＝−１．０７×１０-4である。
【００９３】
常温における投射光学系８０のレンズバックＬＢは０．５ｍｍであるが、比較例の投射光学系のレンズバックは、常温＋３０℃になると、広角端で０．６３ｍｍ、望遠端で０．６４ｍｍと、大きく変化している。また、球面収差は、常温＋３０℃になると、広角端、望遠端ともに、オーバー側（画像表示素子側）に倒れており、性能が劣化している。
【００９４】
これに対し、ナノ粒子を分散させたプラスチックレンズを有する本実施形態の投射光学系８０のレンズバックは、常温＋３０℃においても、広角端で０．５１ｍｍ、望遠端で０．５１ｍｍで、ほとんど変化していない。この程度の変化では、実用上支障がない。また、球面収差、非点収差も、常温＋３０℃でほとんど変化しておらず、性能は劣化していない。
【００９５】
［プラスチックレンズの好ましい位置、パワー］
ナノ粒子が分散されたプラスチックレンズは、絞りよりも縮小側(画像表示素子側）に配置され正の光学的パワーを有するレンズであることが好ましい。さらに、非球面を有することが好ましい。これにより、レンズ枚数を削減でき、投射光学系全体をコンパクトにすることができる。
【００９６】
さらに、式３を満足することが好ましい。
０．５ ＜ ｜ＦＬｐ１／ＦＬａ｜ ＜ ７  ・・・式３
ここで、ＦＬｐ１はプラスチックレンズの焦点距離、ＦＬａは投射光学系全体の焦点距離である。
【００９７】
式３の上限値を上回ると、プラスチックレンズのパワーが弱まり、ナノ粒子を分散させる効果が小さくなる。また、式３の下限値を下回ると、プラスチックレンズのパワーが強くなりすぎ、中心厚とレンズコバ厚の差が大きくなり、成形が困難になる、あるいはレンズの精度が低下する、という問題が生じる。
【００９８】
従来のプラスチックレンズではレンズのパワーを制限する必要があったが、ナノ粒子を分散させたプラスチックレンズでは、ナノ粒子の混合比により屈折率の温度依存性を制御できるため、成型時の問題を除けばパワーの制限はない。その結果、レンズ設計時の自由度が増し、少ないレンズ枚数で所望の性能を達成することが可能となる。
【００９９】
さらに好ましくは、式４を満たすようにするとよい。少ない混合比で、よりナノ粒子を分散させた効果が得られる。
０．５ ＜ ｜ＦＬｐ１／ＦＬａ｜ ＜ ４  ・・・式４
【０１００】
ナノ粒子を分散させたプラスチックレンズＧ９は、ＦＬｐ１／ＦＬａ＝２であり、式３、式４のいずれも満たしている。
【０１０１】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態である投射型画像表示装置２の光学構成を図１０に模式的に示す。この投射型画像表示装置２は、透過型のスクリーンに画像を投射する背面投射型の画像表示装置である。投射型画像表示装置２は、光源部１１０と、照明光学系と、照明光学系からの照明光を変調して画像を形成する画像表示素子１６１と、画像表示素子１６１により形成された画像をスクリーン上に投射する投射光学系１８０と、投射光学系１８０からの画像光束の光路を折り曲げて画像光をスクリーンへと導く反射ミラー（不図示）とを有している。
【０１０２】
投射型画像表示装置２の画像表示素子１６１は、ＤＭＤ素子である。ＤＭＤ素子は、方向可変の微小なミラー素片が平面上に多数配列された素子である。各ミラー素片は、各素片の対角軸を回転中心に回動可能となっており、各ミラー素片の方向は所定の２方向から択一的に選択可能であり、表示する画像に応じて選択される。ＤＭＤ素子に与えられる照明光は２方向に反射され、一方の反射光が画像を表す光（以下、ＯＮ光と呼ぶ）となり、他方の反射光は画像を表さない不要な光（以下、ＯＦＦ光と呼ぶ）となる。ＯＮ光を生じる方向を向いたミラー素片の状態をＯＮ状態、ＯＦＦ光を生じる方向を向いたミラー素片の状態をＯＦＦ状態という。
【０１０３】
光源部１１０は、ランプ１１１、反射鏡１１２より成る。ランプ１１１は可視の波長範囲全体にわたる白色光を発する。反射鏡１１２は回転楕円面鏡であり、ランプ１１１は反射鏡１１２の第１焦点に配置されている。したがって、反射鏡１１２はランプ１１１が発した光を第２焦点に収束させる。
【０１０４】
照明光学系は、インテグレータロッド１２１、カラーホイール１３０、リレー光学系１４０、およびＴＩＲプリズム１５０より成る。インテグレータロッド１２１は、入射端面が反射鏡１１２の第２焦点上に位置するように配置されており、ランプ１１１が発した光はインテグレータロッド１２１の入射端面上に収束する。
【０１０５】
インテグレータロッド１２１に入射した光は、側面で全反射されながら出射端面に達する。インテグレータロッド１２１の側面での全反射の回数は入射端面への光の入射角に依存し、したがって、出射端面上では反射鏡からの光束の中央部と周辺部の光が混じり合うようになり、インテグレータロッド１２１から出射する光の強度分布は均一になる。
【０１０６】
カラーホイール１３０は、インテグレータロッド１２１の入射端面に近い光路上に配置されており、軸１３０ａを中心に回転する。カラーホイール１３０には、Ｒ（赤色）光、Ｇ（緑色）光およびＢ（青色）光を選択的に透過させる３種のカラーフィルターが設けられており、光路上にどのフィルターが位置するかによって、照明光をＲ光、Ｇ光およびＢ光間で切り替える。
【０１０７】
リレー光学系１４０は前レンズ群１４１、後レンズ群１４２、および絞り１４３より成る。リレー光学系１４０は、発散光束となっているインテグレータロッド１２１からの照明光を前レンズ群１４１と後レンズ群１４２により収束させて、インテグレータロッド１２１の出射端面と共役な面上に結像させる。絞り１４３は、前レンズ群１４１と後レンズ群１４２の間の前レンズ群１４１に近い光路上に配置されている。絞り１４３は、円形の開口を有しており、前レンズ群１４１を透過した照明光の光束径を規制する。結像範囲内のどの部位にも出射端面のあらゆる部位からの光が導かれ、結像範囲全体にわたって照明光の強度分布は均一になる。
【０１０８】
絞り１４３と後レンズ群１４２の間には、照明光を反射して光路を折曲げる反射ミラー１９１が配置されている。なお、ミラーは装置構成を小型化するために備えられたものであり、省略することも可能である。
【０１０９】
ＴＩＲプリズム１５０は、第１のプリズム１５１と第２のプリズム１５２より成る。第１のプリズム１５１と第２のプリズム１５２は、第１のプリズムの表面１５１ａと第２のプリズムの表面１５２ａとが微小な間隙を介して対向し、ＤＭＤ素子１６１の反射面に対して傾斜するように配置されている。また、第１のプリズムの表面１５１ｂと第２のプリズム表面１５２ｂは互いに平行であり、ＤＭＤ素子１６１の反射面とも平行である。第１のプリズム１５１と第２のプリズム１５２の全ての表面には誘電体多層膜より成る反射防止膜が設けられている。
【０１１０】
リレー光学系１４０からの照明光は、表面１５１ｃを透過して第１のプリズム１５１に入り、臨界角を超える入射角で表面１５１ａに入射して全反射され、表面１５１ｂを透過して、ＤＭＤ素子１６１の反射面を照明する。ＤＭＤ素子１６１は、第１のプリズム１５１からの照明光の主光線が反射面の中心を通り、かつ、リレー光学系１４０の結像面と反射面が２０゜程度の角度で交差するように配置されている。ただし、この傾斜角はあまり大きくないから、リレー光学系１４０からの照明光はＤＭＤ素子１６１の反射面上で略結像し、また、反射面全体がリレー光学系１４０の結像範囲の略全体に対応する。
【０１１１】
ＤＭＤ素子１６１からの反射光のうち、ＯＮ光は、表面１５１ｂを透過して第１のプリズム１５１に入り、臨界角未満で表面１５１ａに入射してこれを透過し、第１のプリズム１５１、第２のプリズム１５２間の間隙に出る。間隙に出たＯＮ光は表面１５１ａを透過して第２のプリズム１５２に入り、表面１５２ｂを透過して第２のプリズム１５２の外に出る。プリズム１５２の外に出たＯＮ光は、投射光学系１８０に入射する。ＯＮ状態のミラー素片は、ＤＭＤ素子１６１の表面全体に対して略垂直な方向に照明光を反射する。この反射光がＯＮ光となる。
【０１１２】
ＯＦＦ状態のミラー素片は、ＯＮ光に関して入射側とは反対側に照明光を反射する。この反射光がＯＦＦ光となる。ＯＦＦ光は、ＯＮ光と同様に第１のプリズム１５１および第２のプリズム１５２を透過するが、投射光学系１８０には入射せず、捨てられる。
【０１１３】
投射光学系１８０は、その光軸がＤＭＤ素子１６１の反射面の中心を通り、反射面と直交するように配置されている。投射光学系１８０に入射したＯＮ光は、スクリーン（不図示）に投射され、スクリーン上に拡大画像を形成する。
【０１１４】
ＤＭＤ素子１６１の表示動作はカラーホイール１３０の回転に同期して制御され、ＤＭＤ素子１６１は、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を受ける間、それぞれＲ成分、Ｇ成分、Ｂ成分の画像を表示する。すなわち、Ｒ光を受けている間は、画像のうちＲ成分を含む部分のミラー素片がＯＮ状態とされ、同様に、Ｇ光またはＢ光を受けている間は、画像のうちＧ成分またはＢ成分を含む部分のミラー素片がＯＮ状態とされる。これにより、スクリーン上の画像はカラー画像となる。また、ＯＮ状態とされるミラー素片であっても、ＯＮ状態とＯＦＦ状態を高速で切り替えられ、成分の強弱によってＯＮ状態をとる時間を変えられる。これにより、スクリーン上のカラー画像の色調が調節される。
【０１１５】
照明光は、ミラー画素がＯＮ状態のときに投射光学系１８０に向けて反射され、ＯＦＦ状態のときには投射光学系１８０から外れる方向に反射される。各ミラー画素は、ＤＭＤ素子１６１に入力される画像信号に応じて、所定の時間ＯＮ状態をとり、これによって多階調の画像をスクリーン上に形成する。
【０１１６】
図１１に投射光学系１８０の構成を模式的に示す。図１１は、光軸を含む断面図であり、図の左側がスクリーン面側（拡大側）である。また、図１１には、投射光学系１８０を構成するレンズに加えて、ＴＩＲプリズム１５０およびＤＭＤ素子１６１のカバーガラス１６１ｂも示している。図１１中、最も右側の面がＤＭＤ素子１６１の画像表示面（変調面）１６１ａである。なお、投射光学系１８０の焦点距離は固定である。
【０１１７】
投射光学系１８０は、絞りＳを挟んで、負の光学的パワーを有する前群と、正の光学的パワーを有する後群とから成る。前群は、拡大側から順に、拡大側に凸の負のメニスカスレンズＧ１およびＧ２と、両凹レンズＧ３と、両凸レンズＧ４と、両凸レンズ（略平凸）Ｇ５とから成る。レンズＧ１はプラスチックレンズであり、その両面は非球面である。
【０１１８】
後群は、拡大側から順に、両凸レンズＧ６と、両凹レンズＧ７と、両凸レンズＧ８と、両凸レンズＧ９と、両凸レンズＧ９と、両凸レンズＧ１０とから成る。レンズＧ６とレンズＧ７とレンズＧ８とは接着剤によって接合されている。
【０１１９】
レンズＧ９は、プラスチック材料中に平均粒子直径が３０ナノメートル以下の粒子を分散させた素材を用いて成型したアクリル系のプラスチックレンズである。レンズＧ９の屈折率の温度変化Ａは、Ａ＝−１．０９×１０-4である。また、レンズＧ９の拡大側の面は非球面である。
【０１２０】
投射光学系１８０のコンストラクションデータを表２４に示す。表２４において、ＦＬは投射光学系１８０の焦点距離、ＢＦは投射光学系１８０のバックフォーカス、Ｆｎｏ.は投射光学系１８０のＦナンバーである。面に関するパラメータのうち、ＣＲは曲率半径、Ｔは軸上間隔であり、長さの単位はｍｍである。また、媒質に関するパラメータのうち、ＮＤはｄ線における屈折率、ＶＤはアッベ数である。
【０１２１】
［表２４］
ＦＬ：１１．８ｍｍ
ＬＢ：０．５ｍｍ
Ｆｎｏ．：  ２．４
面       ＣＲ          Ｔ             ＮＤ          ＶＤ
r1*     318.794       3.5            1.5251         56.38
r2*      33.6398      8.93092        1.0000
r3       63.1152      1.5            1.48749        70.44
r4       16.1576     13.1165         1.0000
r5      -35.5764      1.2            1.48749        70.44
r6       24.5728      4.03324        1.0000
r7       36.1789      5              1.62004        36.3
r8      -88.4743     10.76804        1.0000
r9       31.3117      3.62521        1.62004        36.3
r10    -504.888      18.04541        1.0000
r11      85.2889      7.19881        1.48749        70.44
r12     -14.9831      0.01           1.514          42.83
r13     -14.9831      1              1.74077        27.76
r14      24.9353      0.01           1.514          42.83
r15      24.9353      8.92438        1.48749        70.44
r16     -35.0766      0.3            1.0000
r17*     45.5208      6              1.4914         57.82
r18     -78.5376      1.2            1.0000
r19     449.821       5.60042        1.78472        25.72
r20     -46.4891      4.8            1.0000
r21       ∞         24              1.5168         64.2
r22       ∞          3.5            1.0000
r23       ∞          3              1.50847        61.19
r24       ∞                         1.0000
【０１２２】
表２４において＊印を付した面は非球面である。非球面の面形状は前述の式２によって定義している。非球面係数を表２５に示す。
【０１２３】
［表２５］
非球面係数
面      ε         A4               A6               A8              A10
r1*     1      3.27x10-05     -4.52x10-08      4.30x10-11     -1.87x10-14
r2*     1      2.71x10-05      5.69x10-09     -1.27x10-10      9.47x10-14
r17*    1     -9.89x10-06      2.42x10-08     -6.88x10-11      1.19x10-13
【０１２４】
常温における投射光学系１８０の収差を図１２に示し、常温＋３０℃における投射光学系８０の収差を図１３に示す。また、材料中にナノ粒子を分散させていないプラスチックレンズを有する比較例の投射光学系の常温＋３０℃における収差を図１４に示す。これらの図において非点収差図に付したＳおよびＭの符号は、それぞれサジタル像面およびメリジオナル像面を指す。また、各収差はｅ線に対するものである。なお、レンズＧ１からスクリーン面までの距離は８１１．９６８ｍｍである。
【０１２５】
上記収差の計算にあたり、屈折率の温度変化Ａは、ガラスレンズに対しては、ＨＯＹＡ社のガラスレンズカタログに記載の値を参照した。また、ナノ粒子を分散させていない比較例のレンズの屈折率の温度変化Ａを、レンズＧ１のＡ＝−１．０９×１０-4、レンズＧ９のＡ＝−１．０７×１０-4として計算した。
【０１２６】
常温におけるレンズバックＬＢは０．５ｍｍであるが、比較例の投射光学系のレンズバックは、常温＋３０℃になると、０．５９ｍｍと大きく変化している。筐体に組み込まれた背面投射型画像表示装置の場合には、投射光学系のフォーカス調整ができないため、このようなレンズバックの変化は致命的である。また、常温＋３０℃において、メリディオナル像面とサジタル像面との間の非点較差が大きくなり、性能が劣化している。
【０１２７】
これに対し、ナノ粒子を分散させたプラスチックレンズを有する本実施形態の投射光学系１８０のレンズバックは、常温＋３０℃において０．５１ｍｍであり、ほとんど変化していない。この程度の変化では、実用上支障がない。また、プラスチック材料に分散させるナノ粒子の混合比を増やすことで、レンズの屈折率の温度変化Ａを容易に小さくでき、その結果、レンズバックの変化や収差の変化を抑えることができる。
【０１２８】
本実施形態の投射光学系１８０においても、ナノ粒子が分散され、絞りよりも縮小側（画像表示素子側）に配置され正の光学的パワーを有するプラスチックレンズは、前述の式３または式４を満たすことが好ましい。これにより、第１の実施形態の投射光学系８０で得られる効果と同様の効果が得られる。ナノ粒子を分散させたプラスチックレンズＧ９は、ＦＬｐ１／ＦＬａ＝５であり、式３を満たしている。
【０１２９】
＜第３の実施形態＞
第３の実施の形態の投射型画像表示装置３は、第２の実施形態の投射型画像表示装置２を修飾して、投射光学系１８０のレンズＧ１を、プラスチック材料中にナノ粒子を分散させた素材を用いて成型したプラスチックレンズとしたものである。他の点は投射型画像表示装置と同様である。
【０１３０】
レンズＧ１の屈折率の温度変化Ａは、ナノ粒子の混合比を調節して、Ａ＝−２×１０-5に設定されている。常温＋３０℃における本実施形態の投射光学系１８０の収差を図１５に示す。図１５において非点収差図に付したＳおよびＭの符号は、それぞれサジタル像面およびメリジオナル像面を指す。また、各収差はｅ線に対するものである。
【０１３１】
投射光学系１８０のレンズバックは０．５２ｍｍであり、常温＋３０℃においてもほとんど変化していない。この程度の変化では、実用上支障がない。また、プラスチック材料に分散させるナノ粒子の混合比を増やすことで、レンズの屈折率の温度変化Ａを容易に小さくでき、その結果、レンズバックの変化や収差の変化を抑えることができる。
【０１３２】
また、レンズＧ１として、ナノ粒子を分散させた素材を用いて成型したプラスチックレンズを用いることで、温度変化による非点収差の発生が抑制されている。
【０１３３】
ナノ粒子が分散され、絞りよりも縮小側に配置され正の光学的パワーを有するプラスチックレンズは、前述の式３または式４を満たすことが好ましい。これにより、第１の実施形態の投射光学系８０で得られる効果と同様の効果が得られる。第２の実施形態で述べたように、プラスチックレンズＧ９は、ＦＬｐ１／ＦＬａ＝５であり、式３を満たしている。
【０１３４】
また、ナノ粒子が分散され、絞りより拡大側に配置されるプラスチックレンズは、拡大側に凸のメニスカスレンズであることが好ましい。また、そのプラスチックレンズは非球面を有することが望ましい。投射光学系の絞りより拡大側に配置され拡大側に凸のメニスカスレンズは、投射光学系の収差のうちで、特に非点収差に影響を与える。このようなレンズの屈折率の変化を抑制することで、非点収差の変化を抑えることができる。
【０１３５】
さらに、ナノ粒子が分散され、絞りより拡大側に配置されるプラスチックレンズは、式５を満たすことが好ましい。
１ ＜ ｜ＦＬｐ２／ＦＬａ｜ ＜ １０  ・・・式５
ここで、ＦＬｐ２はプラスチックレンズの焦点距離、ＦＬａは投射光学系の焦点距離
である。
【０１３６】
式５の上限値を上回ると、プラスチックレンズのパワーが弱まり、ナノ粒子を分散させる効果が小さくなる。また、式５の下限値を下回ると、プラスチックレンズのパワーが強くなりすぎ、中心厚とレンズコバ厚の差が大きくなり、成形が困難になる、あるいはレンズの精度が低下する、という問題が生じる。ナノ粒子を分散させたプラスチックレンズＧ１は、ＦＬｐ２／ＦＬａ＝−６．１であり、式５を満たしている。
【０１３７】
なお、上記の各実施形態で示した投射光学系はいずれも屈折光学系であったが、カタディオプトリク光学系（反射屈折光学系）の屈折レンズにナノ粒子を分散させたプラスチックレンズを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１】アクリル系樹脂に酸化ニオブ粒子を分散させた素材の屈折率の温度変化率を示す図。
【図２】第１の実施形態の投射型画像表示装置の光学構成を模式的に示す図。
【図３】第１の実施形態の投射型画像表示装置が備える投射光学系の構成を模式的に示す図。
【図４】第１の実施形態の投射型画像表示装置が備える投射光学系の広角端での常温における収差を示す図。
【図５】第１の実施形態の投射型画像表示装置が備える投射光学系の望遠端での常温における収差を示す図。
【図６】第１の実施形態の投射型画像表示装置が備える投射光学系の広角端での常温＋３０℃における収差を示す図。
【図７】第１の実施形態の投射型画像表示装置が備える投射光学系の望遠端での常温＋３０℃における収差を示す図。
【図８】比較例の投射光学系の広角端での常温＋３０℃における収差を示す図。
【図９】比較例の投射光学系の望遠端での常温＋３０℃における収差を示す図。
【図１０】第２の実施形態の投射型画像表示装置の光学構成を模式的に示す図。
【図１１】第２の実施形態の投射型画像表示装置が備える投射光学系の構成を模式的に示す図。
【図１２】第２の実施形態の投射型画像表示装置が備える投射光学系の常温における収差を示す図。
【図１３】第２の実施形態の投射型画像表示装置が備える投射光学系の常温＋３０℃における収差を示す図。
【図１４】比較例の投射光学系の常温＋３０℃における収差を示す図。
【図１５】第３の実施形態の投射型画像表示装置が備える投射光学系の常温＋３０℃における収差を示す図。
【符号の説明】
【０１３９】
１、２、３  投射型画像表示装置
１０    光源部
１１    ランプ
１２    反射鏡
２０    インテグレータ光学系
２１    第１レンズアレイ
２２    第２レンズアレイ
２３    偏光変換プリズム
２４    １／２波長板
２５    重畳レンズ
３０    色分解光学系
３１、３２  ダイクロイックミラー
３３、３４、３５    反射ミラー
４０    リレー光学系
４１    第１リレーレンズ
４２    第２リレーレンズ
５０    照明光学系
５１、５２、５３  フィールドレンズ
６０    画像表示部
６１、６２、６３  画像表示素子（液晶素子）
６４、６５、６６  入射側偏光板
７１    クロスダイクロイックプリズム
８０    投射光学系
９１    反射ミラー
１１０    光源部
１１１    ランプ
１１２    反射鏡
１２１    インテグレータロッド
１３０    カラーホイール
１４０    リレー光学系
１４１    前レンズ群
１４２    後レンズ群
１４３    絞り
１５０    ＴＩＲプリズム
１５１    第１プリズム
１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃ  第１プリズム表面
１５２    第２プリズム
１５２ａ、１５２ｂ  第２プリズム表面
１６１    画像表示素子（ＤＭＤ素子）
１８０    投射光学系
１９１    反射ミラー
Ｇ１〜Ｇ１０  投射光学系レンズ
Ｓ      投射光学系絞り
【図１】
2006145651.tif 000005
【図２】
2006145651.tif 000006
【図３】
2006145651.tif 000007
【図４】
2006145651.tif 000008
【図５】
2006145651.tif 000009
【図６】
2006145651.tif 000010
【図７】
2006145651.tif 000011
【図８】
2006145651.tif 000012
【図９】
2006145651.tif 000013
【図１０】
2006145651.tif 000014
【図１１】
2006145651.tif 000015
【図１２】
2006145651.tif 000016
【図１３】
2006145651.tif 000017
【図１４】
2006145651.tif 000018
【図１５】
2006145651.tif 000019