(57)【要約】【課題】  偏心した瞳像と不要光と必要光を分離する遮光手段からなる光学系において、像面上で像性能の劣化をまねく、光学系内部のゴーストやフレア、迷光による不要な光を取り除くこと。【解決手段】  本発明が適用される光学系は、アジムス方向によって異なる瞳像位置もしくは瞳形状を有する、例えば、斜入射光学系や瞳像までの光学系で偏心光学系を有する光学系において、アジムス方向ごとの瞳位置と瞳形状に合わせた遮光手段を設ける。【選択図】  図１
2005173230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アジムス方向に依存した位置、形状を有する偏心した瞳像と、不要光と必要光を分離する遮光手段からなる光学系において、任意の主光線に対する任意のアジムス方向から定まる瞳像位置、特に基準軸光線の瞳像位置に遮光手段を有することを特徴とする光学系。
【請求項２】
遮光手段が複数面からなることを特徴とする請求項1の光学系。
【請求項３】
遮光手段が非平面からなることを特徴とする請求項1の光学系。
【請求項４】
湾曲した遮光手段を有することを特徴とする請求項３の光学系。
【請求項５】
基準軸光線方向に対して非軸対称なアジムス方向依存性を有する形状の遮光手段、もしくは、アジムス方向依存性を有した位置に遮光手段を有することを特徴とする請求項1の光学系。
【請求項６】
物体からアジムス方向依存性有する瞳像までの光学系における光学素子のパワーがアジムス方向依存性を有することで、瞳像が偏心することを特徴とする請求項１の光学系。
【請求項７】
少なくとも１つの画像形成素子と、光源からの光で前記少なくとも１つの画像形成素子を照明する照明光学系と、前記少なくとも１つの画像形成素子からの光を被投影面に投影する、請求項１乃至６いずれかに記載の光学系とを有することを特徴とする画像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は偏心した瞳結像を有する光学系において、発生した不要光を効果的に遮光し、像面上のフレア、ゴーストを低減するのに好適な遮光部に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より瞳像に遮光手段を配置し、コントラスト向上を図る光学系として、照明装置の光源と共役な位置に遮光手段を配置して、照明に寄与しない光を除去する照明装置が提案されている、また投射光学系に照明系の光源像と共役な位置に遮光部材を配置して。必要光を透過させる投射光学系の提案がなされている。
【０００３】
例えば、特開2000-338448号公報には、投射光学系は、インテグレータ光学系が形成する小光源像と略共役な瞳の近傍に、合成光学系によって合成されて成分の異なる複数の光全てを含むようになった光束のみを透過させる遮光部材を有する。
【０００４】
これに対して、特開2002-72128号公報には、プロジェクタ照明系ロッドインテグレータによる多重光源像のうち、画像投影に寄与しない光源像を選択的に絞りでカットすることが提案されている。
【特許文献１】特開2000-338448号公報
【特許文献２】特開2002-072128号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
光学系内部では、入射した光が光学面において光が反射したり、光学部品の保持機構に当たって反射した光が像面に到達して、ゴーストやフレアとなって像質を劣化させる。光学系の中で瞳結像を有する光学系においては、瞳結像位置に遮光手段を設けることにより不要な光を取り除いていた。しかし、偏心した瞳像を有する光学系においては、瞳像の位置や形状がアジムス方向によって異なり、不要な光を取り除くための遮光手段を設ける場所が特定せず、有効光束のコントラストを低下させるゴーストやフレアを生じる問題があった。
【０００６】
先に挙げた特開2000-338448号公報に開示されている遮光手段は、インテグレータ光学系が形成する小光源像と略共役な瞳の近傍に波長別に分解、変調、合成した光を透過させる遮光部材を有する光学系であるが、瞳の位置、形状のアジムス方向依存性が考慮されておらず、瞳が偏心する場合には、不要な光を透過させてしまうものであった。
【０００７】
また、特開2002-72128号公報に開示されている遮光手段は、ロッドインテグレータによって生成される多重光源像のうち、画像投影に寄与しない光源像を選択的に絞りでカットしていたが、光源、多重光源像の配置が共軸光学系であり、多重光源像が偏心していないため、多重光源像の位置はアジムス方向に依存しておらず、これも、瞳が偏心する場合には、不要な光を透過させてしまうものであった。
【０００８】
本発明の目的は、偏心した瞳像を有する光学系において、瞳像の位置や形状がアジムス方向によって異なっても、ゴーストやフレアの原因となる不要な光を効率的に遮光して、有効な光束を射出する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】
１  アジムス方向に依存した位置、形状を有する偏心した瞳像と、不要光と必要光を分離する遮光手段からなる光学系において、任意の主光線に対する任意のアジムス方向から定まる瞳像位置、特に基準軸光線の瞳像位置に遮光手段を有する。
【００１０】
２  遮光手段が複数面から構成する。
【００１１】
３  遮光手段を非平面から構成する。
【００１２】
４  特に、遮光手段を湾曲させた面から構成する。
【００１３】
５  基準軸光線方向に対して非軸対称なアジムス方向依存性を有する形状の遮光手段、もしくは、アジムス方向依存性を有した位置に遮光手段を有する。
【００１４】
６  物体からアジムス方向依存性有する瞳像までの光学系における光学素子のパワーがアジムス方向依存性を有することで、瞳像が偏心する光学系において、瞳像近傍に遮光手段を有する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば偏心した瞳結像を有する光学系において、発生した不要光を効果的に遮光し、像面上のフレア、ゴーストを低減するのに好適な光学系を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施例１）
図1は本発明の実施例１の光学系の特定のアジムス方向における断面図である。図中101は、物体（パネル）、102は絞りでかつ入射瞳、103は共軸レンズ、104は３枚の自由曲面反射面からなる反射光学系、105は画角全域の主光線の任意のアジムス方向における近軸入射瞳が実像を結ぶ領域の基準軸光線に沿った成分を瞳像領域としている。図１中三角印は、基準軸光線の特定のアジムス方向における近軸瞳像領域を示す。また、四角印は、任意の主光線によって定まる最大の近軸瞳像領域である。
【００１７】
基準軸光線の近軸瞳像位置ｚ’は、ニュートンの式にアジムス方向依存性を持たせた式（１）であらわされる。
【００１８】
ｚ’（φ）＝−ｆ（φ）＾２/z（φ）                …（１）
φはアジムス方向で０〜３６０°であり、ｚ’（φ）は、像側主点から瞳像までの距離、ｆ（φ）は焦点距離、z（φ）は絞りから前側主点までの距離である。任意の主光線ごとに定まるｚ’（φ）、f（φ）、z（φ）によって（１）の関係式は成り立ち、アジムス方向φが変わると瞳像位置ｚ’（φ）が変化して瞳像領域となる範囲を持つ。
【００１９】
これを幾何光学的に述べると、絞り上の一点から発せられるある主光線とその近傍の主光線の交差する位置が、ある主光線の瞳像位置とみなせ、さらにアジムス方向ごとにパワーの異なる光学系では一つの主光線においてもアジムスごとに瞳像位置は異なっていることになる。
【００２０】
図２は、図１と基準軸光線に沿って直交する方向の光路の断面図である。１０５’は、図2の断面上のアジムス方向における瞳像領域である。瞳像領域は、１０５と１０５’を足した領域、より一般には任意のアジムス方向における瞳像位置をその領域とするが、本実施例では、図１および図2の断面における瞳像領域を足した領域を任意のアジムス方向の瞳像領域としている。
【００２１】
瞳像領域が幅を持つことを説明する。102入射瞳は、103共軸レンズと104の反射光学系により実像を結んで、瞳像領域を形成する。ここで103の共軸レンズでは各素子のパワーがアジムス方向依存性つまり偏心作用を持たない。104の瞳像領域において、瞳像が偏心しているのは、反射光学系におけるミラーのパワーにアジムス方向依存性があり、偏心作用を有しているためである。したがって、101の物体から発せられ、光学系を通過する特定の光束の主光線における特定のアジムス方向に対して定まる光学系のパワーに対して瞳像の位置は一意に決まるが、別のアジムス方向、別の主光線においては、光学系は別のパワーを有することになり瞳像の位置も異なる。つまり、光束全体に対しては、（１）式で定まる光線の進行方向に幅を持った領域で、102入射瞳の実像を形成する、つまり基準軸光線方向にも幅を持つことになる。
【００２２】
図３(a)は、102円形絞りのフットプリント、図3(ｂ)は瞳像領域を斜めに切断するA-A'の断面のフットプリントである。光学系を通過する光線の通過領域は、102入射瞳で円形となり、103共軸レンズを通過したのち、反射光学系におけるミラーのパワーがアジムス方向ごとに異なるため偏心作用を受ける。よって、フットプリントが、基準軸光線に対して斜めに切断したA-A'断面でも非楕円形となる。図3(a)のような円形形状の絞りの場合、アジムス方向依存性のない光学系においては瞳の実像は、光線と垂直な切断面では円形形状となり、また、斜めの切断面では、楕円形状を示すはずであるが、図３（ｂ）に示されるA-A'断面において、瞳像が偏心しているために非軸対称な形状の光線通過領域となっている。
【００２３】
図３（ｂ）に示した太線領域の内側の光線を透過し、外側の光線を遮断する遮光手段を設けることは、基準軸光線に対しの瞳像近傍にA-A'断面の傾きをなす遮光手段を設けることに相当する。遮光手段により、光学面の面粗さに起因する乱反射によって発生する光束や保持機構で反射する光束といった、フレア、ゴーストの原因ともなる不要光束が遮光されて、コントラストの低下を防ぐことができる。
【００２４】
この遮光手段が、開口部を通る光の波長域において、光を吸収する材質で構成した遮光部とすれば、遮光部を照射する不要光束が再度光学系に戻ることなく、開口部を通る光束のみ光学系を通過することになる。
【００２５】
また、遮光手段が、開口部を通る光の波長域において、非光沢面で光の一部を散乱し、他を吸収する材質で構成した遮光部とすれば、遮光部を照射する不要光束の一部が散乱され他が吸収されるが、一部の拡散された光のうち大部分の光は再度遮光部を照射し吸収されるため、結局大部分の不要光束が再度光学系に戻ることなく遮光されることになる。つまり、遮光手段を光束を吸収または非光沢面で光の一部を散乱し、他を吸収する材質で構成した遮光部とすれば、フレア、ゴーストの原因ともなる不要光束が遮光されて、コントラストの低下を防ぐことができる。
【００２６】
また、本実施例の光学系は、物体と光学系の間に絞りがある前絞り系である。基準軸光線に対して絞りは垂直面に配置されている。共軸レンズ内の各レンズは、基準軸光線に対して、偏心することなく配置されている。反射光学系におけるミラーのパワーにアジムス方向依存性があり、基準軸光線に対して偏心作用を有しているために、偏心した瞳像は、反射光学系によって形成されている。
【００２７】
反射光学系では、反射光学素子に入出射する光束の分離のために、例えばメリディオナル方向とサジッタル方向にパワーの差が生じる、より一般にはアジムス方向ごとにパワーの差がでる。このパワーの差によりアジムス方向によって像位置が異なる非点収差が出るため、本実施例の瞳像では、アジムス方向に依存した瞳像位置の偏心が発生する。よって、本発明の遮光手段は、瞳像位置が偏心しやすい反射光学系からなる光学系に適用するのに好適である。
【００２８】
また、絞りやレンズが偏心した光学系でも瞳像が偏心するので、瞳像領域に遮光手段を設けると効果的にフレア、ゴーストを低減でき、コントラストの低下を防ぐことができる。
【００２９】
また、本実施例では絞りの形状は円形としたが、非円形であっても、アジムス方向によって瞳像位置が異なれば本発明は適用できる。
【００３０】
（実施例２）
図４は実施例１における瞳像領域において基準軸光線方向を法線とする断面B-B'、C-C', D-D', E-E'の位置を示し、図5(a)は、断面B-B',C-C' ,D-D' ,E-E'のフットプリントを示す。各断面ごとのフットプリント形状は異なる。各断面図に示す長方形の枠は光線通過領域を囲んだ矩形領域である。矩形の枠の内側に開口、外側に遮光手段を設ければ、フレア、ゴーストの原因となる不要な光を遮光することができる。
【００３１】
図5(b)は断面B-B'の上部を通過する５つの光束である。断面B-B'では各光束の上側が、断面E-E'では、各光束の下側が開口と遮光手段との境界に接している。よって、断面B-B'で遮光手段を設けると光束の上側の広がった光束が遮光され、断面E-E'で遮光手段を設けると光束の下側の広がった光束が遮光される。
【００３２】
断面B-B'、断面E-E'の2箇所において遮光手段を設けると、上下方向といった異なるアジムス方向で広がった光束を遮光することになる。また、断面B-B'、E-E'以外でも瞳像領域における光線の断面に遮光手段を複数設けると、効果的に他光束のアジムス方向に依存した不要光を除去できる。図6は、光学系をBからB'方向に見た断面B-B'から断面E-E'における湾曲した光線透過領域を湾曲し曲線で結んでいる。湾曲した光線透過領域に近接する、非平面の湾曲手段もしくは湾曲した遮光手段を設ければ効果的に不要光を除去できる。非平面の遮光手段は、例えば光線の進行方向に沿ったステップ上の遮光手段でもよい。
【００３３】
また、実施例１や２に記載したような光学系を有する画像投影装置（プロジェクター）を構成することも可能である。その場合は、透過型画像形成素子（液晶パネル等）や反射型画像形成素子（液晶パネルやＤＭＤ等）を少なくとも１つ有し、その画像形成素子からを光源からの光で照明光学系を介して照明し、その画像形成素子からの光を投影光学系を介して被投影面に投影するように構成するようにする。ここで、実施例１や２に記載した光学系は、このプロジェクターの投影光学系として適用するのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施例１の光学系の概略図。瞳像領域の断面位置A-A'。
【図２】図１の断面から直交する方向の瞳像領域付近の光路図。
【図３】(a) 絞りにおけるフットプリント (b) 瞳像領域の断面A-A'におけるフットプリン。
【図４】偏心した瞳像を示す光路図と瞳像領域の断面位置 B-B'からE-E'。
【図５】(a) 瞳像領域の断面位置 B-B'からE-E'におけるフットプリント(b) (a)のフットプリントのうちB-B'断面において上部を通過する光束のE-E'断面までのフットプリントで、開口端に対して光束の接するアジムス方向が異なることを示す。
【図６】光学系をB-B'方向に見たとき、光線透過領域が湾曲することを示す曲線。
【符号の説明】
【００３５】
101  物体
102  絞り
103  共軸レンズ
104  反射光学系
105,105'  瞳像領域
205  瞳像領域B-B'からE-E'瞳像領域の断面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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