(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像形成素子または撮像素子をその結像面に有し，結像面側から物体面側に結像に寄与する光束の通過する順に，結像面に凹面を向けた回転対称面形状を有する第１の反射鏡と，回転対称非球面形状を有する第２の反射鏡と，同じく回転対称非球面形状を有する第３の反射鏡の以上少なくとも３つの反射鏡から構成される反射型結像装置に於いて，少なくとも１つの反射鏡が成型手段により形成され，略等しい肉厚を有するとともに，反射面側の有効反射部外あるいは反射面の裏面側に少なくとも１つの凸部または凹部を有する事を特徴とする反射型結像装置。
【請求項２】
前記成型手段により形成される反射鏡の少なくとも１つの反射鏡が，樹脂材料の反射鏡から構成されることを特徴とする請求項１に記載の反射型結像装置。
【請求項３】
前記樹脂材料の反射鏡が，熱可塑性の非晶質樹脂材料を用いて射出成型により形成されるとともに，回転対称軸を含む平面による反射鏡の切断面の回転対称軸から遠い側の近傍にゲート口を有することを特徴とする請求項２に記載の反射型結像装置。
【請求項４】
前記樹脂材料の反射鏡が，略四角形の外形形状を有するとともに，その反射面の有効反射部外の裏面側に成型時の離型用の突き出し部を有する反射鏡より構成されることを特徴とする請求項２に記載の反射型結像装置。
【請求項５】
前記樹脂材料の反射鏡の裏面側に，反射面の形状補正機構または部材を有する事を特徴とする請求項２に記載の反射型結像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，プロジェクタの投射光学系やＣＣＤ等の撮影光学系に好適な反射型結像装置に係わり，結像装置を構成する光学素子として使用する反射鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は，特開平８−５３２３８１において，所定の条件を満足する照明部及び結像部を組み合わせる事で，明るく高精細でしかも斜めからの投射が可能な投射装置が実現できることを開示した。また，そのような結像部が，複数の反射光学素子を組み合わせた反射型光学系として構成できることを示し，実際に２枚〜４枚の複数の反射鏡を使用した実施例も併せて開示した。更に，特開平８−２９５５９２においては，各々回転対称軸を有する３枚の反射鏡から構成する場合の具体的構成要件を開示した。
【０００３】
このような反射光学手段を用いて結像系を構成する場合，特に要求されるのが形状精度を確保する事である。反射面を成型で作る場合，波長オーダーの面の誤差が直接像性能に影響を及ぼすため，その形状の決定にあたっては，外形形状はもちろん，保持方法も含めた充分な検討が要求される。面形状を良好に保持するための１つの手段として，製品の肉厚差を少なくし，成型時の材料の収縮率差や内部歪み等に起因する全体的，局部的な歪みを小さくする事については上記各明細書の実施例中でも指摘した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は，反射光学素子，特に成型手段により形成される反射鏡を用いて結像光学装置を構成する場合の，反射面の設計値からの形状誤差を少なくし，更に面のうねりを最小限に保つための具体的手段に関するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
成型手段により反射鏡を形成し，反射面の面形状を確保するための基本は，成型品の肉厚差を少なくし，可能な限り均一な厚さとすることである。これにより肉厚差と材料の収縮による成型時のひけ等を防止することができ，本発明の反射型光学系で特に問題となる局所的な反射面のうねりを少なくすることが可能となる。これは硝子・樹脂等の成型に使用する材料の種類に関わりなく有効な手段である。
【０００６】
また，製品を筐体に固定する場合，各反射鏡を光軸に対して所定の位置に保持するための当てつけ等の基準が必要となる。このような場合，均肉の条件を崩さない範囲で少なくとも１つの凸部または凹部を反射面の有効範囲外や反射面とは反対側の裏面に設けることでそのような保持や調整の用に供する。
【０００７】
更に，樹脂材料を使用する場合，型に対する材料の流入口となるゲート部が必要となるが，反射鏡の回転軸とは略反対側にゲート部を設けることにより，ゲート部と，精度を要求される反射面の有効部との間に余裕を取ることができる。
【０００８】
同じく成型材料として樹脂を使用する場合，反射面の裏側や外周部には，成型時の型離れを促すための突き出しピンが必要となる。そのピン位置を光束の有効部外の裏面に設けることにより，反射面に対する突き出しピンの影響を無くすことができる。
【０００９】
更に，反射面の裏面側に，形状補正機構や補正部材を設けることにより，反射鏡の全体的な形状誤差や局所的うねりを補正することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下において，本発明の実施の形態を図面を参照して順次説明する。
図１は，本発明の反射型結像装置をプロジェクタの投射光学系に適用する場合の１つの実施形態を表す断面図である。画像形成素子２ａは反射型の液晶表示装置で，図示されていない照明部からの光束を変調すると同時に，第１の反射鏡３ａに向けて光束を反射させる役割を有する。第１の反射鏡３ａは，硝子の球面の凹面鏡であり，その反射面を画像形成素子２ａに向けている。第２の反射鏡３ｂは，第１の反射鏡に凸面を向けた硝子の非球面鏡である。第３の反射鏡３ｃは，樹脂材料から構成される非球面反射鏡である。これらの３つの反射鏡は，図１中に一点鎖線で示される，共通の回転対称軸（光軸）を有する。また，画像形成装置２ａからの光束の経路が，点線で示されている。
【００１０】
図２は，上記の反射型結像装置に加え，プロジェクタとして必要な照明部の光学素子を配置した構成例である。放物鏡の焦点に置かれた光源から構成されるランプ１ａから発せられる光束は，ランプ１ａとともに照明部を構成する複数の光学素子１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ，１ｇを通過した後反射鏡１ｈで反射され，画像形成素子２ａを照射する。詳しくは，光学素子１ｂはランプ１ａからの主光線の空間的分布を制御する屈折型素子，１ｃは光学素子１ｂから射出する光束の方向を制御する屈折型素子である。光学素子１ｃから射出した光束は，同じく屈折型の光学素子である第１のインテグレータ１ｄを通過し，反射鏡１ｅで方向を変えられ，第２のインテグレータ１ｆを通過する。更に，平凸レンズ１ｇを通過した後収束光となり，反射鏡１ｈで光路を変えられ，画像形成素子２ａを照射する。この例の場合，画像形成素子２ａは反射型素子であり，照明部１からの光束は画像形成素子２ａにより選択的に反射され結像部３を構成する第１の反射鏡３ａに到達する。図中には，照明部からの光束を３原色に分離合成するためのダイクロイックミラー２ｄ，２ｅや各色に対応した画像形成素子２ｂ，２ｃも設けられているが，本発明に本質的ではないため説明を省略する。第１の反射鏡３ａで反射された光束は，更に第２の反射鏡３ｂで反射され，第３の反射鏡３ｃに到達する。第３の反射鏡３ｃで反射された光束は，図示されていないスクリーン４に到達し，画像形成素子２ａの拡大像をスクリーン４上に投影する。
【００１１】
まず初めに，この様な反射型結像装置に使用される反射鏡の精度に関する一般的な性質について考える。図１の実施例に於ける第２及び第３の反射鏡３ｂ，３ｃは，回転対称軸を有する非球面反射鏡であるが，図１からもわかるように，実際の製品形状の中に，その回転対称軸を含まないことが多い。これは，反射光学系の場合，光束の干渉を避けるために光軸近傍が使用できにくい事に起因する本質的な事項である。後加工によるコストの増加を避けるには，出来る限り最終製品形状に近い形状で成型するのが望ましい。そのため，成型で使用される金型の形状は実質的には自由曲面と等価な形状となる。
【００１２】
反射型光学素子は，屈折型光学素子に比べて，より高い面精度が要求される。その理由は，反射型素子の場合，形状誤差のほぼ２倍の誤差として波面収差に転写するからである。その影響度の観点から誤差を分類する場合，反射面の形状精度は次の３つに大別される。即ち，反射面全体の有効範囲の広がりスケールを持ついわゆる「形状誤差」と，画像形成素子の一点から発せられる一定の開口数を有する光束が各反射光学素子上で形成するスポット程度の広がりスケールを有する「うねり」と更に微視的な広がりスケールを有する「粗さ」である。このいずれもが光学性能に直接影響を与えるが，３番目の「粗さ」は，主に画像のコントラストに大きな影響を与える。「形状誤差」と「うねり」は，光学系の解像力や歪曲等に影響を与える。この中で，「うねり」は，その定義からみて，わずかな誤差でも解像力に大きな影響を与える。
【００１３】
ここで，形状誤差やうねりが解像力に与える影響度に関する見通しを得るために，簡単なシミュレーションを行う。ここでは，複雑さを避けるために，光軸に関し回転対称的な誤差のみを仮定し，図１の第２及び第３の反射鏡３ｂ，３ｃの基準形状に対し，正弦波的繰り返し誤差が生じたものとする。図３（ａ）の１は反射鏡の光軸を表す。基準曲面形状を光軸に垂直な直線５で表し，誤差が生じた場合その誤差を直線５と直交する成分で表すことにする。また，４は，反射鏡が実際光束を反射する有効範囲を示す。この様な定義の基で，反射面に生じる，回転対称的な正弦誤差を図３の誤差曲線２の様に表すことが出来る。ここで，正弦誤差の繰り返し回数と最大誤差量３を変化させたときの解像力の変化を表１に示す。この表の中で繰り返し回数は，正弦波の半波長を１単位として数えるものとする。また，表１は，第２及び第３の反射鏡のそれぞれに対する計算結果を含んでいる。
【００１４】
【表１】
0003844860.tif 000002
【００１５】
表１からは，正弦波誤差の繰り返し数が多くなるに従って，解像力が劣化する様子が良くわかる。また，外形形状の大きな反射鏡３ｃの方が許容される最大誤差量が大きい。これは，同じ最大誤差を有する正弦誤差が発生しても，反射鏡３ｃは反射鏡３ｂに比較し，面の外形形状が大きいため，誤差の変化率が小さくなる事から容易に理解できる。この様な正弦誤差に比較し，例えば図３（ｂ）の様な，一定の勾配を有する形状誤差の場合，許容誤差ははるかに大きな値となる。従って，許容される最大誤差量に着目した場合，全体的な形状誤差より，うねりの寄与の方が大きいことが理解できる。このため，ある程度の形状誤差は許容し，逆にうねりを抑えるように成型条件を調整することも可能である。
【００１６】
さて，反射面の裏面は結像特性とは関係ないため任意の形状を取ることが可能である。ここでは，図１の第２の反射鏡３ｂを例にとって考える。例えば，保持の便利さだけを考えると，図４に示すように，裏面は回転対称軸ｚと直交する平面３ｂｂとなるようにするのが最も好ましい。しかしながらこの様な裏面形状は，図４からも明らかなように，製品形状の場所による厚みの差を生じる。厚みの差は，材質の収縮率や温度差，内部歪み等を介して，全体的な形状誤差や局所的なうねりを生む要因となる。従って，面の形状精度の観点からは，できる限り均一な厚みを持つようにすることが望ましい。最も好ましい形状は，図５に示すように，反射面３ｂａと裏面３ｂｂを同じ形状とすることである。他の方法として，非球面の近似球面形状とすることも可能である。この様に，裏面は均一な厚みを基本として，様々な近似形状を付与する事が可能である。
【００１７】
一方，反射鏡３ｂがほぼ均一な厚みを持つようにすることは，反射鏡を保持する上での困難を生じる。例えば，上記のように反射面３ｂａと裏面３ｂｂを同一形状とすることは，精度向上の上では有利であるが，取付上必要なリブや段差を追加する必要があり，それがかえって面の形状精度を悪化させる要因となる場合もある。そのため，面精度の確保だけではなく，取付方法迄を考慮し，最適な製品形状を決定する必要がある。図６（ａ）は，図１の第２の非球面反射鏡３ｂの側面図，図６（ｃ）はその正面図，更に図６（ｂ）は上面図である。この例の場合の裏面３ｂｂは基本的には平面である。但し，反射面３ｂａの回転対称軸ｚに垂直な平面ではなく，反射面３ｂａとの肉厚差が最も少なくなるような傾いた平面としてある。そのため，この平面３ｂｂの法線と回転対称軸ｚとは約７度の角度をなしている。更に，図６（ａ）や（ｃ）からわかるように，凹の球面３ｂｃがこの平面内に形成されている。
【００１８】
図６（ｃ）の様な四角形状かつ非軸対称の製品の場合，成型時の温度差や圧力差を生じやすく形状を出すための制御が難しい。また，材料が製品の各部に均一に充填するように制御する事も一つの課題である。特に硝子の場合には，成型温度が高く，条件的に更に厳しくなるため，面の形状精度すなわち面の形状誤差やうねりを厳しく抑えるためには，外径や肉厚等の条件をゆるめ，成型条件に余裕を持つことが重要である。この場合，保持精度を確保する手段として，後加工により保持のための要求精度を実現する方法と，製品そのものに予め基準を作り込みそれを基準とする方法が考えられる。
【００１９】
図６（ａ）の場合は，裏面に凹球面を一体で成型し，保持の際の位置出しに利用している。その保持構造の実際例が図７に断面図として示されている。図７で第２の反射鏡３ｂは，その保持部材３２ａに貼り合わせられており，更に他の連結機構３２ｃ〜３２ｊを通じて，２軸の傾き及び中心軸のまわりの回転調整が可能な構造となっている。調整機構の詳細は本発明にとって本質的ではないため説明を省略する。ここで重要なことは，第２の反射鏡３ｂの凹球面部が，保持部材３２ａに設けられた突起部と嵌合され，反射鏡の上下左右方向の位置決めに使用されていることである。他の位置決め方法の例としては，裏面に独立した複数の微少な凸または凹部を設ける方法や，複数のけがき線のような，凸または凹部を設ける方法が考えられる。いずれにしても，この様な凸または凹部は，成型時の形状精度に影響を及ぼさないように，最小限の大きさにとどめることが重要である。
【００２０】
次に，図１の第３の反射鏡３ｃの側面図を図８（ａ）に，正面図を図８（ｂ）に示す。これらの図に示された非球面反射鏡３ｃは，非晶質の熱可塑性樹脂であるポリカーボネート樹脂を用いて成型された樹脂反射鏡である。その裏面は，図８（ａ）からわかるように，反射面と同じ非球面形状として成型され，結果として，均一な肉厚形状を有している。更に，裏面左右の中央部及び下部には，左右対称的に計４カ所の凸部３ｃｄを有している。また，その反射面側の対応する部分は，逆に凹部となっている。裏面側の凸部３ｃｄは，その高さが，反射鏡３ｃの回転対称軸３ｃｅに直交する平面に関して同じ高さを持つように設定されている。従って，図９（ａ）に示される，第３の反射鏡３ｃの保持部材３４ａの当てつけ面３４ｂに，上記凸部３ｃｄを当て付け，更にバネ部材等を用いて押さえることで反射鏡３ｃの保持が可能となる。図８（ａ）から解るように，反射鏡３ｃの曲面形状が先端部にゆくほど，第２の反射鏡側に倒れる形状となっている。この場合取付用の凸部３ｃｄを反射鏡３ｃの中央より下側に設けることで，製品形状からの凸部３ｃｄの高さが最小限で済む様に配慮されている。
【００２１】
さて，図８（ｂ）の正面図には，反射鏡３ｃの光束有効範囲が２点鎖線３ｃｂ示されているが，反射鏡３ｃの中央上部及び左右下部付近の光束有効範囲が外形形状に対して比較的余裕を持っていることがわかる。一方，反射鏡３ｃの下部は回転対称軸に近く，反射光学系による光束の折り畳みが行われるため，余裕量はほとんど取れない。従って，余裕のある上部中心付近にゲート３ｃａを作ることで，成型条件の幅を広げる事が可能となる。同様に，離型の際の突き出しについても，同じ事が言える。すなわち，反射面の有効部外の比較的余裕のある部分の裏側に，突き出し部３ｃｃを設けることにより，突き出しによる反射面への悪影響を最小限に抑える事が可能となる。
【００２２】
更に，樹脂材料を用いて成型される反射鏡の場合，反射鏡の背面側に調整機構を設けることで，形状誤差やうねりを補正し，解像力を向上させることが出来る。最も単純な場合，図９（ｂ）の第３の反射鏡３ｃの保持部材３４ａの背面側に，複数のタップ３４ｆを立て，ネジにより強制的に反射鏡を変形させることで，このような調整が可能となる。また，この様なネジによる強制的な調整の他，設計値の高さに対応するボスを設けておき，それに反射鏡を当て付ける等の方法を採ることも可能である。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように，反射鏡の均肉化をはかる事で，成型時に於ける面精度の向上を図ることが出来るとともに，更に均肉の条件を大きく逸脱しない範囲で，凸部や凹部を設けることにより，反射鏡の位置決め精度を向上し，面形状に悪影響を及ぼすことなく，反射鏡の保持が可能となる。
【００２４】
特に樹脂材料を用いた反射鏡に於いては，そのゲート部や突き出し部を光束と比較的余裕の取れる部分に設ける事で，成型時の安定性を高め，反射面に対するこれらの影響を抑える事が可能となる。
【００２５】
場合により，簡単な調整機構を設けることで，解像力の低下を防ぎ，高解像な反射型結像装置を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  プロジェクタの投射系として使用する場合の本発明の実施例を説明する断面図である。
【図２】  本発明の結像装置を利用したプロジェクタの光学素子の配置例を説明する模式図である。
【図３】  モデル化した反射面の誤差を説明する模式図である。
【図４】  成型品の裏面形状の例を示す第１の模式図である。
【図５】  成型品の裏面形状の例を示す第２の模式図である
【図６】  結像装置を構成する第２の反射鏡の外形形状の例を示す図である。
【図７】  結像装置を構成する第２の反射鏡の保持機構の例を示す図である。
【図８】  結像装置を構成する第３の反射鏡の外形形状の例を示す図である。
【図９】  結像装置を構成する第３の反射鏡の保持機構の例を示す図である。
【符号の説明】
１ａ              ランプ
１ｂ〜１ｈ        照明部を構成する光学素子
２ａ，２ｂ，２ｃ  画像形成装置
２ｄ，２ｅ        ダイクロイックミラー
３ａ，３ｂ，３ｃ  反射鏡
３ｂａ            反射面
３ｂｂ            反射面の裏面
３２ａ〜３２ｊ    反射鏡の保持部材
３ｃａ            ゲート部
３ｃｂ            反射面の光束有効範囲
３ｃｃ            突き出し部
３ｃｄ            凸または凹部
３ｃｅ            回転対称軸
３４ａ〜３４ｅ    反射鏡の保持部材
３４ｆ            形状補正用のタップ穴
【図１】
0003844860.tif 000003
【図２】
0003844860.tif 000004
【図３】
0003844860.tif 000005
【図４】
0003844860.tif 000006
【図５】
0003844860.tif 000007
【図６】
0003844860.tif 000008
【図７】
0003844860.tif 000009
【図８】
0003844860.tif 000010
【図９】
0003844860.tif 000011