(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像信号により駆動されるライトバルブからの画像情報を担持した光束をスクリーン上に拡大投映する反射型投映用光学系であって、
拡大側から順に、正のパワーを有する第１ミラーと、
負のパワーを有する第２ミラーと、
正のパワーを有する第３ミラーとを配設してなり、
前記第１ミラーと前記第２ミラーの合成焦点距離をｆ１２とし、前記第３ミラーの焦点距離をｆ３としたとき、下記条件式（１）を満足することを特徴とする反射型投映用光学系。
−１．０＜ｆ３／ｆ１２＜−０．２  …（１）
【請求項２】
前記３つのミラーのうち少なくとも１枚のミラーが、光軸に対して回転非対称な形状を有する自由曲面から構成されることを特徴とする請求項１記載の反射型投映用光学系。
【請求項３】
前記第１ミラーが、光軸に対して回転非対称な形状を有する自由曲面から構成されることを特徴とする請求項２記載の反射型投映用光学系。
【請求項４】
前記３つのミラーの全てが、光軸に対して回転非対称な形状を有する自由曲面から構成されることを特徴とする請求項２記載の反射型投映用光学系。
【請求項５】
前記３つのミラーの全ての光軸が一平面内に存在することを特徴とする請求項１記載の反射型投映用光学系。
【請求項６】
前記３つのミラーの光軸が一致するように構成されていることを特徴とする請求項５記載の反射型投映用光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投写プロジェクションディスプレイ装置や投写型テレビ装置等の投映用光学系として用いられる反射型投映用光学系に関し、特に、投映用光学系の要素として反射ミラーを用いた反射型投映用光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
投写型プロジェクションディスプレイ装置や投写型テレビ装置の投映レンズにおいては、光学ガラスを用いた屈折光学系や、屈折光学系とミラーを組み合わせた構成のものが広く知られており、現在使用されている投映レンズのほとんどはこのタイプのものである。
【０００３】
しかし、屈折光学系を用いた場合、光学ガラスの特性上どうしても色収差が発生してしまう。特に、長焦点の望遠タイプでは軸上色収差の発生が、一方短焦点の広角タイプでは倍率色収差の発生が各々大きな問題となる。
【０００４】
また光学性能を良好とするために非球面形状の光学面を導入した場合、光学ガラスを非球面形状とすることによる多くの問題が発生する。特に、大きな非球面形状のものを製造しようとする場合には、コストや重量、さらには面精度等の製造上の問題が発生し、設計上は可能であっても製品に採用することは難しい。そこで、基本的にはレンズ（屈折光学系）により構成し、大きな非球面が必要な部分については、大きな非球面ミラーを採用するようにした投映光学系が知られている（特開2000-66105号公報）。しかし、大きな光学レンズを非球面形状としたものを搭載するよりはコストや重量などの問題が軽減されるものの、依然として色収差の問題は解決されずに残ったままである。
【０００５】
そこで、レンズを使用することにより生じる色収差を除去するため、３枚のミラーのみを使用して投映光学系を構成したものが知られている（特開平１０−１１１４５８号公報）。このミラーのみを用いた投映光学系は、拡大側から順に、負のパワーを有するミラー、負のパワーを有するミラーおよび正のパワーを有するミラーが配された構成とされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報記載の、ミラーのみを用いた投映光学系は、明るい光学系とはなっておらず、実際に投映光学系として機能させるためには照明光学系を極めて明るいものとする必要があり、照明光学系の大型化やコストアップを招来する。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、諸収差、特にディストーションおよび色収差の補正を良好に行いつつも、明るい反射型投映用光学系を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の反射型投映用光学系は、画像信号により駆動されるライトバルブからの画像情報を担持した光束をスクリーン上に拡大投映する反射型投映用光学系であって、
拡大側から順に、正のパワーを有する第１ミラーと、
負のパワーを有する第２ミラーと、
正のパワーを有する第３ミラーとを配設してなり、
前記第１ミラーと前記第２ミラーの合成焦点距離をｆ１２とし、前記第３ミラーの焦点距離をｆ３としたとき、下記条件式（１）を満足することを特徴とするものである。
−１．０＜ｆ３／ｆ１２＜−０．２  …（１）
【００１０】
また、前記３つのミラーのうち少なくとも１枚のミラーが、光軸に対して回転非対称な形状を有する自由曲面から構成されることが好ましい。
また、前記第１ミラーを、光軸に対して回転非対称な形状を有する自由曲面から構成することが可能である。
【００１１】
また、前記３つのミラーの全てを、光軸に対して回転非対称な形状を有する自由曲面から構成することが可能である。
また、前記３つのミラーの全ての光軸が一平面内に存在するように構成することが可能である。
さらに、前記３つのミラーの光軸が一致するように構成することが可能である。
【００１２】
【作用】
上述したように、本発明の反射型投映用光学系においては、拡大側から順に、正のパワーを有する第１ミラーと、負のパワーを有する第２ミラーと、正のパワーを有する第３ミラーとを配設している。
【００１３】
これにより、収差補正上のバランスが良くなり、収差補正が良好となる。すなわち、前述した従来技術のように、拡大側から、負、負、正の順にミラーを配列した場合には、最後（最も表示素子側）の正のパワーのミラーに、パワー配分上大きな負担がかかるため、明るい光学系とすることが難しいが、上記構成のように、正負正のミラー配列とすれば、正のパワーを光学系の前後に振り分けることが可能となり、収差補正上有利となるので、明るい光学系とすることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図１は本発明の実施形態の代表例としての実施例１に係る反射型投映用光学系の構成を示すものである。なお、以下に示す数値データは全系の焦点距離を１に規格化したときの値が示されている。
【００１５】
本発明の実施形態に係る反射型投映用光学系は、図１に示すように、画像信号により駆動されるライトバルブ２からの画像情報を担持した光束をスクリーン（図示せず）上に拡大投映する光学系であって、拡大側から順に、正のパワーを有する（凹の）第１ミラー５と、負のパワーを有する（凸の）第２ミラー４と、正のパワーを有する（凹の）第３ミラー３とを配設してなる。なお、第２ミラー４と第１ミラー３との間には絞り６（必ずしも現実の絞りを配置せずともよい）が配されてなる。
【００１６】
また、この反射型投映用光学系は、第１ミラー５と第２ミラー４の合成焦点距離をｆ１２とし、第３ミラー３の焦点距離をｆ３としたとき、下記条件式（１）を満足する。
−１．０＜ｆ３／ｆ１２＜−０．２  …（１）
【００１７】
この条件式（１）は、収差補正を良好にしつつ、ミラー配置を容易にし得る条件を規定するものである。すなわち、その範囲の下限を下回ると、第３ミラー３の焦点距離が長くなり過ぎることから、収差の補正が困難になる。一方、その上限を上回ると第３ミラー３の焦点距離が短くなり過ぎることから、縮小側の結像位置と第３ミラー３の間隔が狭まり、光束に干渉しないように各ミラーを配置することが難しくなる。
【００１８】
また、本実施形態に係る反射型投映用光学系は、上記３枚のミラー３、４、５のうち少なくとも１枚のミラーが、光軸に対して回転非対称な形状を有する自由曲面から構成されている。
【００１９】
ミラー同士の干渉やミラーによる光束のケラレを考慮した場合、レンズ系における極めてワイドなレンズと同様に構成する、あるいは偏芯量を大きくとる等の対策が必要となるため、特に歪曲収差の劣化（図６（Ａ）の実線部分参照；歪曲収差がない場合の像形状を点線で表す）が問題となる。
そこで、本実施形態に係る反射型投映用光学系では、少なくとも１枚のミラー面を光軸非対称な自由曲面とすることで収差補正を良好なものとすることを可能としている（図６（Ｂ）参照）。
【００２０】
また、１枚のミラーを、光軸に対して回転非対称な形状を有する自由曲面とする場合には、第１ミラー５をその自由曲面とすることが最も効率的である。すなわち、自由曲面は非対称形状を有しているため、製造工程で実際に製造されたミラー面形状を測定したり、光学系を組み立てる際にミラーを配置することが難しくなる。そのため自由曲面とされたミラーの枚数を少なくすることが生産上は有利であり、歪曲収差を補正するのに最も効果的な第１ミラー５のみに自由曲面を配置することで、コストメリットを図りつつ収差補正を良好とすることが肝要である。
【００２１】
勿論３枚のミラー３、４、５の全てを、光軸に対して回転非対称な形状を有する自由曲面から構成すれば、最も光学性能を良化することができる。
また、３つのミラー３、４、５を共軸ではなく、偏芯系によって構成した場合、光学系を近軸上で広角にすることなく、ミラー同士の干渉やミラーによる光束のケラレを少なくすることができる。
【００２２】
しかし、その一方で、各ミラー３、４、５の光軸を同一平面内に位置するように構成すれば、ミラーの形状が少なくとも所定の平面内においては対称性を有するためコストや製造性の点で有利である。さらに、各ミラー３、４、５の光軸を全て共軸とするように構成すれば上記利点はさらに大きくなる。
【００２３】
以下、具体的な数値を用いて実施例１〜５について説明する。
実施例１の構成は前述したとおりであり、図１の如く構成されている。
＜実施例１＞
本発明の実施例１に係る反射型投映用光学系は前述したとおりであり、図１に示されている。実施例１の光学系においては、３つのミラー面の全てが下記自由曲面式（１）（非球面式を含む）により表される非球面形状とされ、いずれも、いわゆる自由曲面とはされていない。さらに各ミラー面はＹ軸方向のずれによる光軸に対する偏心量を有する。
【００２４】
【数１】
0004349550.tif 000002
【００２５】
以下、実施例１に係る反射型投映用光学系の各光学面（スクリーン、ミラー、絞り、画像表示素子面）の曲率半径Ｒ、各光学面間の空気間隔Ｄを表１の上段に示す。また、この表１の中段には、上式（１）における非球面係数のみが示されており、さらに表１の下段には、各ミラー面の偏心量が示されている。
ただし、この表１および後述する表２〜５において、各記号Ｒ、Ｄ、Ｎ、νに対応させた数字は拡大側から順次増加するようになっている。
【００２６】
【表１】
0004349550.tif 000003
【００２７】
また、実施例１の光学系における条件式（１）に対応する値は-0.98とされており、この条件式を満足している。
さらに、実施例１についての歪曲収差（ディストーション）を図７（Ａ）に示す（実線部分；歪曲収差がない場合の像形状を点線で表す；図７（Ｂ）〜（Ｅ）において同じ）。
【００２８】
次に、上記実施例１についての横収差を図８に示す（横軸はＸ−Ｙ平面上での位置、縦軸は収差量であって、全系焦点距離を１で規格化した場合である）。なお、図８の左側列はＺＹ平面上の横収差を示し、右側列はＺＸ平面上の横収差を示すものであり、左端の各座標は縮小側のＸＹ平面上での座標位置を示すものである（以下の図９から１２において同じ）。
これら各収差図によれば、実施例１に係る反射型投映用光学系は良好な横収差とされていることが明らかである。
【００２９】
＜実施例２＞
本発明の実施例２に係る反射型投映用光学系について図２を用いて説明する。実施例２の光学系においては、第１ミラー５のミラー面のみが上記自由曲面式（１）（非球面式を含む）により表される自由曲面（非球面を含む）とされ、第２ミラー４および第３ミラー３のミラー面は非球面とされており、さらに各ミラー面はＹ軸方向のずれによる光軸に対する偏心量を有する。
【００３０】
以下、実施例２に係る反射型投映用光学系の各光学面（スクリーン、ミラー、絞り、画像表示素子面）の曲率半径Ｒ、各光学面間の空気間隔Ｄを表２の上段に示す。また、この表２の中段には、上記自由曲面式（１）における自由曲面係数（非球面係数を含む）が示されており、さらに表２の下段には、各ミラー面の偏心量が示されている。
【００３１】
【表２】
0004349550.tif 000004
【００３２】
また、実施例２の光学系における条件式（１）に対応する値は-0.98とされており、この条件式を満足している。
さらに、実施例２についての歪曲収差（ディストーション）を図７（Ｂ）に示す。
【００３３】
次に、上記実施例２についての横収差を図９に示す（横軸は平面上での位置、縦軸は収差量であって、全系焦点距離を１で規格化した場合である；以下の図においても同じ）。
これら各収差図によれば、実施例２に係る反射型投映用光学系は良好な横収差とされていることが明らかである。
【００３４】
＜実施例３＞
本発明の実施例３に係る反射型投映用光学系について図３を用いて説明する。実施例３の光学系においては、全てのミラー面が上記自由曲面式（１）（非球面式を含む）により表される自由曲面（非球面を含む）とされ、さらに各ミラー面はＹ軸方向のずれによる光軸に対する偏心量を有する。
【００３５】
以下、実施例３に係る反射型投映用光学系の各光学面（スクリーン、ミラー、絞り、画像表示素子面）の曲率半径Ｒ、各光学面間の空気間隔Ｄを表３の上段に示す。また、この表３の中段には、上記自由曲面式（１）における自由曲面係数（非球面係数を含む）が示されており、さらに表３の下段には、各ミラー面の偏心量が示されている。
【００３６】
【表３】
0004349550.tif 000005
【００３７】
また、実施例３の光学系における条件式（１）に対応する値は-0.57とされており、この条件式を満足している。
さらに、実施例３についての歪曲収差（ディストーション）を図７（Ｃ）に示す。
【００３８】
次に、上記実施例３についての横収差を図10に示す。
これら各収差図によれば、実施例３に係る反射型投映用光学系は良好な横収差とされていることが明らかである。
【００３９】
＜実施例４＞
本発明の実施例４に係る反射型投映用光学系について図４を用いて説明する。実施例４の光学系においては、全てのミラー面が上記自由曲面式（１）（非球面式を含む）により表される自由曲面（非球面を含む）とされ、さらに画像表示素子面はＹ軸方向のずれおよびＸ軸の倒れ（Ｘ軸を中心としてＺＹ平面を回転させる）による光軸に対する偏心量を有する。
【００４０】
以下、実施例４に係る反射型投映用光学系の各光学面（スクリーン、ミラー、絞り、画像表示素子面）の曲率半径Ｒ、各光学面間の空気間隔Ｄを表４の上段に示す。また、この表４の中段には、上記自由曲面式（１）における自由曲面係数（非球面係数を含む）が示されており、さらに表４の下段には、画像表示素子面の偏心量が示されている。
【００４１】
【表４】
0004349550.tif 000006
【００４２】
また、実施例４の光学系における条件式（１）に対応する値は-0.63とされており、この条件式を満足している。
さらに、実施例４についての歪曲収差（ディストーション）を図７（Ｄ）に示す。
【００４３】
次に、上記実施例４についての横収差を図11に示す。
これら各収差図によれば、実施例４に係る反射型投映用光学系は良好な横収差とされていることが明らかである。
【００４４】
＜実施例５＞
本発明の実施例５に係る反射型投映用光学系について図５を用いて説明する。実施例５の光学系においては、全てのミラー面が上記自由曲面式（１）（非球面式を含む）により表される自由曲面（非球面を含む）とされ、さらに各ミラー面はＹ軸方向のずれによる光軸に対する偏心量を有する。
【００４５】
実施例５に係る反射型投映用光学系の各光学面（スクリーン、ミラー、絞り（仮想絞り）、画像表示素子面）の曲率半径Ｒ、各光学面間の空気間隔Ｄを表５の上段に示す。また、この表５の中段には、上記自由曲面式（１）における自由曲面係数（非球面係数を含む）が示されており、さらに表５の下段には、各ミラー面の偏心量が示されている。
【００４６】
【表５】
0004349550.tif 000007
【００４７】
また、実施例５の光学系における条件式（１）に対応する値は-0.83とされており、この条件式を満足している。
さらに、実施例５についての歪曲収差（ディストーション）を図７（Ｅ）に示す。
【００４８】
次に、上記実施例５についての横収差を図12に示す。
これら各収差図によれば、実施例５に係る反射型投映用光学系は良好な横収差とされていることが明らかである。
【００４９】
なお、本発明に係る反射型投映用光学系は、透過型あるいは反射型の液晶型プロジェクタに用いられるだけでなく、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等の他のライトバルブ素子を用いたプロジェクタに搭載される投映用光学系としても利用可能である。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の反射型投映用光学系においては、拡大側から順に、正のパワーを有する第１ミラーと、負のパワーを有する第２ミラーと、正のパワーを有する第３ミラーとを配設しており、正のパワーを光学系の前後に振り分けるようにしているので、各収差を良好としつつも、明るい光学系とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る反射型投映用光学系を示す断面図
【図２】本発明の実施例２に係る反射型投映用光学系を示す断面図
【図３】本発明の実施例３に係る反射型投映用光学系を示す断面図
【図４】本発明の実施例４に係る反射型投映用光学系を示す断面図
【図５】本発明の実施例５に係る反射型投映用光学系を示す断面図
【図６】本発明の実施形態に係る反射型投映用光学系におけるディストーションの補正効果を説明するための概略図
【図７】各実施例におけるディストーションの補正効果を表す概略図
【図８】本発明の実施例１に係る反射型投映用光学系の横収差を示す収差図
【図９】本発明の実施例２に係る反射型投映用光学系の横収差を示す収差図
【図１０】本発明の実施例３に係る反射型投映用光学系の横収差を示す収差図
【図１１】本発明の実施例４に係る反射型投映用光学系の横収差を示す収差図
【図１２】本発明の実施例５に係る反射型投映用光学系の横収差を示す収差図
【符号の説明】
２        画像表示素子
３        第３ミラー
４        第２ミラー
５        第１ミラー
６        絞り
【図１】
0004349550.tif 000008
【図２】
0004349550.tif 000009
【図３】
0004349550.tif 000010
【図４】
0004349550.tif 000011
【図５】
0004349550.tif 000012
【図６】
0004349550.tif 000013
【図７】
0004349550.tif 000014
【図８】
0004349550.tif 000015
【図９】
0004349550.tif 000016
【図１０】
0004349550.tif 000017
【図１１】
0004349550.tif 000018
【図１２】
0004349550.tif 000019