特許 6803764 投射光学系および画像表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6803764

(24)【登録日】2020年12月3日

(45)【発行日】2020年12月23日

(54)【発明の名称】投射光学系および画像表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 17/08 20060101AFI20201214BHJP

   G02B 13/16 20060101ALI20201214BHJP

   G02B 13/18 20060101ALI20201214BHJP

   G03B 21/14 20060101ALI20201214BHJP

【ＦＩ】

   G02B17/08 A

   G02B13/16

   G02B13/18

   G03B21/14 Z

【請求項の数】13

【全頁数】31

(21)【出願番号】特願2017-24382(P2017-24382)

(22)【出願日】2017年2月13日

(65)【公開番号】特開2018-132564(P2018-132564A)

(43)【公開日】2018年8月23日

【審査請求日】2019年12月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】514274487

【氏名又は名称】リコーインダストリアルソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100127111

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 修一

(74)【代理人】

【識別番号】100090103

【弁理士】

【氏名又は名称】本多 章悟

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼野 洋平

【審査官】 岡田 弘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０３３７３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１５２７６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１９７４７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ９／００−１７／０８

Ｇ０２Ｂ ２１／０２−２１／０４

Ｇ０２Ｂ ２５／００−２５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

画像表示素子の画像形成部に表示される画像を被投射面上に拡大投影する投射光学系であって、
屈折光学系と反射光学系とを有し、
前記反射光学系は、屈折力を有する反射光学素子を１個有し、
前記屈折光学系は縮小側から拡大側へ向かって順次、第１レンズ群、第２レンズ群、第３レンズ群、第４レンズ群、第５レンズ群、第６レンズ群を配して構成され、
前記第１レンズ群は、前記屈折光学系中において最も強い正の屈折力を有し、前記第３レンズ群は前記屈折光学系中において前記第１レンズ群に次いで強い正の屈折力を有し、
遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際して、前記第２レンズ群が縮小側へ移動し、前記第３レンズ群が前記画像に対して固定もしくは拡大側へ移動し、前記第３レンズ群より拡大側の１以上のレンズ群が移動レンズ群として縮小側に移動する投射光学系。

【請求項2】

請求項１記載の投射光学系であって、
前記第２レンズ群のｄ線における焦点距離：Ｆ２、第３レンズ群のｄ線における焦点距離：Ｆ３が、条件：
（１） １．０＜｜Ｆ２／Ｆ３｜＜３０．０
を満足する投射光学系。

【請求項3】

請求項１または２記載の投射光学系であって、
前記第３レンズ群のｄ線における焦点距離：Ｆ３、投影画像が最大となる合焦状態での前記屈折光学系のｄ線における焦点距離：ＦＬが、条件：
（２） ０．１＜ＦＬ／Ｆ３＜１．０
を満足する投射光学系。

【請求項4】

請求項１ないし３の何れか１項に記載の投射光学系であって、
前記第３レンズ群よりも拡大側に配置される少なくとも１つの移動レンズ群が負の屈折力を有する投射光学系。

【請求項5】

請求項１ないし４の何れか１項に記載の投射光学系であって、
屈折光学系におけるもっとも拡大側のレンズ群が負の屈折力を有する投射光学系。

【請求項6】

請求項１ないし５の何れか１項に記載の投射光学系であって、
前記屈折光学系における最も拡大側のレンズ群が、フォーカシングに際して固定である投射光学系。

【請求項7】

請求項１ないし６の何れか１項に記載の投射光学系であって、
前記第３レンズ群よりも拡大側に、フォーカシングに際して移動するレンズ群を２つ有する投射光学系。

【請求項8】

請求項１ないし７の何れか１項に記載の投射光学系であって、
前記画像表示素子の前記画像形成部に表示される画像と共役な像を、前記屈折光学系と前記反射光学素子の間に形成する投射光学系。

【請求項9】

請求項１ないし８の何れか１項に記載の投射光学系であって、
前記屈折光学系を構成する全てのレンズがガラスレンズである投射光学系。

【請求項10】

請求項１ないし９の何れか１項に記載の投射光学系であって、
前記反射光学素子が凹面ミラーである投射光学系。

【請求項11】

画像表示素子の画像形成部に表示される画像を投射光学系により被投射面上に拡大投影して画像表示する画像表示装置であって、
前記投射光学系として請求項１ないし１０の何れか１項に記載のものを用いる画像表示装置。

【請求項12】

請求項１１記載の画像表示装置であって、
前記投射光学系として請求項１０記載のものが用いられ、
前記凹面ミラーと結像光線との交点のうち、前記被投射面と垂直な方向において前記被投射面までの距離が最大となる交点Ｐから前記被投射面までの前記被投射面に垂直な方向における距離：Ｌと、前記被投射面に投射される最大画像の横幅：Ｗとの比：ＴＲ（＝Ｌ／Ｗ）が、条件：
（３） ＴＲ＜０．３５
を満足する画像表示装置。

【請求項13】

請求項１１または１２記載の画像表示装置であって、
前記投射光学系として請求項１０記載のものが用いられ、
前記凹面ミラーと結像光線との交点のうち、前記被投射面と垂直な方向において前記被投射面までの距離が最大となる交点Ｐと前記画像形成部までの前記画像形成部に垂直な方向における距離：ＯＡＬ、前記屈折光学系の光軸と、前記画像形成部との距離の最大値：Ｙが、条件：
（４） １０ ＜ＯＡＬ／Ｙ＜３０
を満足する画像表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は投射光学系および画像表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

画像表示素子の画像形成部に表示される画像を被投射面上に拡大投影して画像表示する画像表示装置（以下「プロジェクタ」ともいう。）は、従来から種々の方式のものが知られている。画像表示素子としては、ＤＭＤ（デジタル・ミラー・デバイス）や、液晶パネル等、所謂「ライトバルブ」と呼ばれるものが種々知られている。画像形成部は、ライトバルブにおいて「拡大投影される画像が表示される部分」である。
投射光学系は、画像形成部に表示される画像を被投射面上に拡大して結像させる光学系であり、従来から種々のものが提案されている。被投射面は一般的には「スクリーン面」である。

【0003】

投射光学系の構成として、屈折光学系と「屈折力を有する反射光学系」とを組み合わせて短い投射距離を実現するものが知られている（特許文献１〜４等）。「屈折光学系」は、複数レンズの組み合わせで構成される光学系である。屈折光学系を通った結像光束を、屈折力を有する反射光学系で被投射面側に反射させることにより投射距離を短くできる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

この発明は、屈折光学系と屈折力を有する反射光学系とを有する新規な投射光学系の実現を課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

この発明の投射光学系は、画像表示素子の画像形成部に表示される画像を被投射面上に拡大投影する投射光学系であって、屈折光学系と反射光学系とを有し、前記反射光学系は、屈折力を有する反射光学素子を１個有し、前記屈折光学系は縮小側から拡大側へ向かって順次、第１レンズ群、第２レンズ群、第３レンズ群、第４レンズ群、第５レンズ群、第６レンズ群を配して構成され、前記第１レンズ群は、前記屈折光学系中において最も強い正の屈折力を有し、前記第３レンズ群は前記屈折光学系中において前記第１レンズ群に次いで強い正の屈折力を有し、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際して、前記第２レンズ群が縮小側へ移動し、前記第３レンズ群が前記画像に対して固定もしくは拡大側へ移動し、前記第３レンズ群より拡大側の１以上のレンズ群が移動レンズ群として縮小側に移動する。

【発明の効果】

【0006】

この発明によれば、屈折光学系と屈折力を有する反射光学系とを有する新規な投射光学系を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】画像表示装置の実施の１形態を説明図的に示す図である。

【図2】画像表示装置における画像形成部の1例を説明する図である

【図3】図１に示す画像表示装置に用いられる投射光学系の屈折光学系を説明する図である。

【図4】被投射面（スクリーン）における画像形成部領域における画角の位置を説明するための図である。

【図5】実施例１の投射光学系の遠距離におけるスポットダイアグラムを示す図である。

【図6】実施例１の投射光学系の基準距離におけるスポットダイアグラムを示す図である。

【図7】実施例１の投射光学系の近距離におけるスポットダイアグラムを示す図である。

【図8】画像表示装置の実施の別形態を説明図的に示す図である。

【図9】図８に示す画像表示装置に用いられる投射光学系の屈折光学系を説明するための図である。

【図10】実施例２の投射光学系の遠距離におけるスポットダイアグラムを示す図である。

【図11】実施例２の投射光学系の基準距離におけるスポットダイアグラムを示す図である。

【図12】実施例２の投射光学系の近距離におけるスポットダイアグラムを示す図である。

【図13】画像表示装置の実施の他の別形態を説明図的に示す図である。

【図14】図１３に示す画像表示装置に用いられる投射光学系の屈折光学系を説明するための図である。

【図15】実施例３の投射光学系の遠距離におけるスポットダイアグラムを示す図である。

【図16】実施例３の投射光学系の基準距離におけるスポットダイアグラムを示す図である。

【図17】実施例３の投射光学系の近距離におけるスポットダイアグラムを示す図である。

【図18】画像表示装置の実施のさらに他の別形態を説明図的に示す図である。

【図19】図１８に示す画像表示装置に用いられる投射光学系の屈折光学系を説明するための図である。

【図20】実施例４の投射光学系の遠距離におけるスポットダイアグラムを示す図である。

【図21】実施例４の投射光学系の基準距離におけるスポットダイアグラムを示す図である。

【図22】実施例４の投射光学系の近距離におけるスポットダイアグラムを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

具体的な実施の形態を説明するのに先立って、この発明の投射光学系と画像表示装置とを説明する。
上記の如く、この発明の投射光学系は、屈折光学系と反射光学系とを有し、屈折光学系は６群のレンズ群を有し、反射光学系は「屈折力を有する反射光学素子」を１個有する。
屈折光学系は縮小側から拡大側へ向かって順次、第１レンズ群、第２レンズ群、第３レンズ群、第４レンズ群、第５レンズ群、第６レンズ群を配してなり、第１レンズ群は「屈折光学系中において最も強い正の屈折力」を有し、第３レンズ群は「屈折光学系中において第１レンズ群に次いで強い正の屈折力」を有する。
そして、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際して、第２レンズ群が縮小側へ移動し、第３レンズ群が「画像形成部に表示される画像に対して固定」もしくは拡大側へ移動し、第３レンズ群より拡大側の１以上のレンズ群が「移動レンズ群」として縮小側に移動する。「移動レンズ群」は、フォーカシングに際して移動するレンズ群であり、第２レンズ群も移動レンズ群であり、第３レンズ群も「画像に対して固定されない」場合には移動レンズ群である。
なお、付言すると、屈折光学系において「縮小側」とは「画像形成部の側」である。

【0009】

投射距離を変化させて、被投射面上に良好な拡大投影を得るには「像面位置を高度に補正する」必要があり、屈折光学系におけるレンズ群の屈折力配分と、フォーカシングに際して変位する移動レンズ群の構成が重要になる。
一般的には、フォーカス群へ入射する各画角の光線を「なるべく分離する」ような構成により像面位置の高度な補正を行うことが知られているが、この方法では、屈折光学系における最も拡大側のレンズの外径が大きくなり易い。

【0010】

この発明の投射光学系では、第３レンズ群を「第１レンズ群の次に強い正の屈折力」を有する群としたことで、主に像面補正を担っている「第３レンズ群よりも拡大側に配置されたレンズ群」への入射光線の高さを抑えることを可能とし、拡大側レンズの外径が大きくなるのを有効に軽減する。
さらに、遠距離から近距離へのフォーカシングに際し、第２レンズ群とともに「第３レンズ群よりも拡大側にある移動レンズ群」を縮小側に移動させることにより、各投射距離における像面の補正を効率的に行っている。
第２レンズ群を縮小側に移動させることにより「第３レンズ群よりも拡大側の移動レンズ群に入射する光線の角度」を投射距離に応じて大きく変えることができ、第３レンズ群よりも拡大側のレンズ群における像面位置の補正を効率的に行うことが可能となる。
従って、拡大側にあるレンズの外径を大きくすることなく、像面位置の高度な補正が可能となる。
また「第３レンズ群より拡大側の移動レンズ群」を縮小側に移動させることにより、像面位置のより高度な補正が可能となり、各投射距離において、投影画像の隅まで良好な解像性能を実現できる。

【0011】

なお、第３レンズ群を拡大側に移動させることにより「より高度な像面位置補正」が可能となるが「第３レンズ群より拡大側の移動レンズ群を縮小側に移動させることにより、像面位置の高度な補正」を実現できているので、第３レンズ群は「画像に対して固定」することによりフォーカシング機構の簡略化を図ることもできる。

【0012】

上記構成の投射光学系では、屈折光学系における「拡大側にあるレンズ」のレンズ径の増大が抑制されるので、屈折光学系の全長を長くしても「反射光学系による反射光束が屈折光学系に干渉しにくく」なり、各投射距離において高い解像性能を実現できる。

【0013】

なお、この発明の投射光学系は、拡大側のレンズ径を小型化できるため、拡大側のレンズに「耐熱性の高いガラスモールドレンズ」を採用することが可能となり、高輝度な画像表示装置においても、熱による性能劣化を抑制可能とすることができる。また、前述のように、結像光線とレンズもしくはメカ部品との干渉も抑制されるため、反射光学素子と屈折光学系との距離を縮めることも可能となり、投射光学系ひいては画像表示装置（プロジェクタ）の小型化に大きく寄与することができる。

【0014】

この発明の投射光学系は、上記構成において、以下の条件（１）、（２）の少なくとも一方を満足することが好ましい。
（１） １．０ ＜｜Ｆ２／Ｆ３｜＜ ３０．０
（２） ０．１ ＜ＦＬ／Ｆ３＜ １．０
これら条件（１）、（２）において、Ｆ２、Ｆ３、ＦＬの意味するところは、以下の通りである。
Ｆ２：第２レンズ群のｄ線における焦点距離
Ｆ３：第３レンズ群のｄ線における焦点距離
ＦＬ：投影画像が最大となる合焦状態での屈折光学系のｄ線における焦点距離 。

【0015】

条件（１）は屈折光学系中における第２レンズ群と第３レンズ群との屈折力の比の好適な範囲を規制する条件である。
パラメータ：｜Ｆ２／Ｆ３｜が条件（１）の下限値を下回ると、第３レンズ群の屈折力が第２レンズ群の屈折力に対して相対的に小さくなるため、第３レンズ群よりも拡大側に配置されたレンズ群への光線高さが大きくなり、拡大側レンズの外径が過大となり易く、投射光学系の小型化や高性能化が困難となり易い。
パラメータ：｜Ｆ２／Ｆ３｜が条件（１）の上限値を上回ると、第３レンズ群の正の屈折力が過大となり、小型化や高性能化に対しては有利となるが、製造誤差感度の上昇を招いたり、像面位置の制御が困難となったりし易い。

【0016】

パラメータ：｜Ｆ２／Ｆ３｜は、より好ましくは、以下の条件（１Ａ）を満足することが好ましい。
（１Ａ） ２．０ ＜｜Ｆ２／Ｆ３｜＜ ２５．０ 。

【0017】

条件（２）は屈折光学系における、第３レンズ群の屈折力の「屈折光学系中での適切な範囲」を規制する条件である。
条件（２）のパラメータ：ＦＬ／Ｆ３が、条件（２）の下限値を下回ると、第３レンズ群の正の屈折力が小さくなり、第３レンズ群の拡大側に向かう結像光束に対する「発散角抑制機能」が弱くなるため、第３レンズ群よりも拡大側に配置されたレンズ群への光線高さが過大になり易く、拡大側のレンズの大径化を齎し易くなり、投射光学系の小型化や高性能化が困難になりやすい。
条件（２）のパラメータ：ＦＬ／Ｆ３が、条件（２）の上限値を上回ると、第３レンズ群の正の屈折力が過大となり、小型化や高性能化に対しては有利となるが、製造誤差感度の上昇を招いたり、像面位置の制御が困難となったりし易い。
パラメータ：ＦＬ／Ｆ３は、より好ましくは、以下の条件（２Ａ）を満足することが好ましい。
（２Ａ） ０．１５ ＜ＦＬ ／Ｆ３ ＜ ０．５
第３レンズ群より拡大側に配置される移動群の少なくとも１つは負の屈折力を有することが望ましい。このようにすることにより像面位置の「より高度な調整」が容易となる。

【0018】

また「最も拡大側のレンズ群が負の屈折力を有する」ようにすると、投射光学系の広角化を図ることが容易になる。また、反射光学系の鏡面上での光線が分離され易く、各画角の像面の高度な調整が可能となり、所謂「超短投射距離」が可能となる。
さらに、前記最も拡大側のレンズ群を「フォーカシングにおいて、画像表示素子に対して固定」であるようにすると、フォーカシング機構を簡略化でき、拡大側の鏡胴径を細くすることが可能となるため、光線と鏡筒との干渉を避けることが容易となり、投射光学系ひいてはプロジェクタの小型化、高性能化に寄与することができる。

【0019】

第３レンズ群よりも拡大側に「フォーカシングにおいて移動するレンズ群（移動レンズ群）」を２群有するようにすると、これらの移動により、各画角の像面を「より高度」に調整でき、超短投射距離の実現が容易となる。

【0020】

屈折光学系とともに投射光学系を構成する反射光学系の「屈折力を持つ反射光学素子」としては「凹面ミラー」を好適に用いることができる。反射光学素子は１個に限らず、複数個用いることもできる。また「光路を屈曲する平面鏡」を投射光学系内に適宜に配置できる。

【0021】

投射光学系は、屈折光学系により「画像表示素子の画像形成部に表示される画像と共役な像」を、屈折光学系と反射光学素子の間に形成する構成とすることができる。
画像表示素子の画像形成部に表示される画像と共役な像を「中間像」として形成することにより、反射光学素子を小さくでき、また、歪曲等の効率良い補正が可能となる。

【0022】

屈折光学系を構成する全てのレンズは「ガラスレンズ」とすることができる。
この発明の画像表示装置（プロジェクタ）は、画像表示素子の画像形成部に表示される画像を投射光学系により被投射面上に拡大投影して画像表示する画像表示装置であって、上に説明した投射光学系を用いるものである。
この画像表示装置において、反射光学素子として凹面ミラーを用いる場合、条件：
（３） ＴＲ＜０．３５
（４） １０ ＜ ＯＡＬ／Ｙ ＜ ３０
の少なくとも一方を満足することが好ましい。
条件（３）におけるパラメータ：ＴＲは、凹面ミラーと結像光線との交点のうち「被投射面と垂直な方向において被投射面までの距離が最大となる交点Ｐ」から被投射面までの被投射面に垂直な方向における距離：Ｌと、被投射面に投射される最大画像の横幅：Ｗとの比：ＴＲ（＝Ｌ／Ｗ）である。
条件（４）のパラメータ：ＯＡＬ／ＹにおけるＯＡＬ、Ｙは以下の如くである。

【0023】

ＯＡＬ：凹面ミラーと結像光線との交点のうち、被投射面と垂直な方向において前記被投射面までの距離が最大となる交点Ｐと画像形成部までの「画像形成部に垂直な方向」における距離である。
Ｙ：屈折光学系の光軸と、画像形成部との距離の最大値である。
補足すると、屈折光学系は複数の光軸対称なレンズを有する。これら光軸対称なレンズの複数個が共通の光軸を共有するときに、この共有された光軸を「屈折光学系の光軸」と称する。屈折光学系を構成する複数のレンズのうちには、他のレンズと「光軸を共有しないレンズ」が１以上存在してもよく。このような場合には、このようなレンズ以外の「光軸を共有するレンズ」により共有された光軸を「屈折光学系の光軸」とする。

【0024】

上記パラメータ：ＴＲが条件（３）を満足することにより、距離：Ｌにより規制される投射距離に対して、大きなサイズの投影画像を表示でき、超短距離投射が容易に実現可能である。
パラメータ：ＴＲは、以下の条件（３Ａ）を満足することがより好ましい。
（３Ａ） ＴＲ＜０．３０
また、上記パラメータ：ＯＡＬ／Ｙが、条件（４）
を満足することにより、画像形成部から凹面ミラーまでの長さ（これは、画像表示装置のサイズを規制する。）に対して、大きなサイズの投影画像を表示でき、超短距離投射が容易に実現可能である。
パラメータ：ＯＡＬ／Ｙは、以下の条件（４Ａ）を満足することがより好ましい。

【0025】

（４Ａ） １０ ＜ＯＡＬ／Ｙ＜ ２５
以下に、画像表示装置と投射光学系の実施の形態を４例説明する。
図１、図８、図１３、図１９はそれぞれ、画像表示装置の実施の形態を説明図的に示している。これらの実施の形態において用いられる投射光学系は、図の順序で、後述する投射光学系の具体的な実施例１ないし４に対応する。
繁雑を避けるため、図１、図８、図１３、図１９において、混同の恐れが無いと思われるものについて符号を共通化する。
これらの図において、符号Ｈは画像表示装置を示す。符号ＬＶは画像表示素子の「画像形成部」、符号ＬＳは「照明光学系」、符号Ｆは「透明平行平板」は、符号Ｐｒは「プリズム」を示し、符号ＳＣは「非投射面」の実態をなすスクリーンを示している。透明平行平板Ｆは、画像形成部ＬＶのカバーガラス（シールガラス）を想定している。
図１における符号１１、図８における符号２１、図１３における符号３１、図１９における符号４１はそれぞれ「屈折光学系」を示し、図１における符号１２、図８における符号２２、図１３における符号３２、図１９における符号４２はそれぞれ「反射光学系」を示す。
さらに、図１における符号１３、図８における符号２３、図１３における符号３３、図１９における符号４３はそれぞれ「防塵ガラス」を示す。

【0026】

また、図１、図８、図１３、図１９における符号Ｓは、屈折光学系中に配置された「開口絞り」を示す。またこれらの図において符号ＯＡＬや符号Ｌで示す距離は、条件（３）、（４）に関連して上に説明した距離の具体例である。

【0027】

画像表示素子は「ＤＭＤ」、「透過型液晶パネル」、「反射型液晶パネル」等のライトバルブを適宜に用いることができ、その画像形成部ＬＶに画像が表示される。
照明光学系ＬＳは、画像表示素子が自ら発光する機能を持たない場合に、画像形成部ＬＶに形成された画像を照明するためのものであり、画像表示素子が「発光素子の２次元アレイ」のように「生成させた画像を発光させる機能を有する自己発光方式」のものを利用する場合は不要である。

【0028】

以下に説明する実施形態例では、画像表示素子として「ＤＭＤ」を想定し、ＤＭＤにおける２次元的なマイクロミラーアレイにおける個々のマイクロミラーの傾きにより形成される画像を、照明光学系ＬＳからの照明光で照明する。照明光学系ＬＳとしては画像形成部ＬＶを効率よく照明する機能を有するものが好ましく、また、照明をより均一にするため、例えばロッドインテグレータやフライアイインテグレータを用いることが出来る。

【0029】

照明の光源としては、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ、ＬＥＤなどの白色光源を用いることができ、また単色発光ＬＥＤ、ＬＤなどの単色光源も用いることが出来る。

【0030】

以下に実施の形態を説明する画像表示装置はスクリーンＳＣに「カラー画像」を投射するものが想定されており、３個のＤＭＤが画像表示素子として用いられ、これら３個のＤＭＤの画像形成部に、カラー画像の赤色成分画像、緑色画像成分、青色画像成分が形成されて表示され、これらの色画像成分が、対応する色の照明光により照明される。
各照明光は、各色画像成分により変調され、プリズムＰｒにより「色合成」され、結像光束として投射光学系に入射する。
結像光束は、屈折光学系１１、２１、３１、４１を透過し、反射光学系１２、２２、３２、４２により反射され、防塵ガラス１３、２３、３３、４３を介してスクリーンＳＣに向かって照射され、スクリーンＳＣ上にカラーの拡大画像を結像する。

【0031】

「投射光学系の実施例」
以下、図１、図８、図１３、図１９に実施の形態を示した画像表示装置に用いられている投射光学系の具体例を実施例１ないし４として説明する。
これら実施例１ないし４の投射光学系は、反射光学系として「１枚の凹面ミラー」を用いている。これらの実施例に用いられている屈折光学系１１、２１、３１、４１はいずれも複数の光軸回転対称なレンズで構成され、すべてのレンズは図中に示すように「光軸を共有」している。図１、図８、図１３、図１９に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を設定する。Ｘ軸は図面に直交する方向であり、Ｚ軸は上記光軸に平行な方向で、Ｙ軸はＸ、Ｚ両軸に直交する方向である。図に示された画像形成部ＬＶとスクリーンＳＣとは「ＸＹ面」に平行である。

【0032】

凹面ミラー１２（２２、３２、４２）と光線との交点のうち、スクリーンＳＣと垂直方向（Ｚ軸の方向）の距離が最大となる点ＰとスクリーンＳＣとの光軸方向（Ｚ軸方向）の距離：Ｌを「投射距離：Ｌ」と称する。また、点Ｐと画像形成部ＬＶとの距離：ＯＡＬを「光学全長：ＯＡＬ」と称する。

【0033】

ここで、図２を参照して画像形成部ＬＶにつき説明すると、画像形成部ＬＶはＸ方向に長い矩形形状であり、画像形成部中心は、Ｙ方向において、屈折光学系の「光軸」からシフトしている。図における「光軸」と画像形成部ＬＶとの距離のうちで最大になる距離が条件（４）における「Ｙ」であり、この距離「Ｙ」は、Ｙ方向とは関わりない。
画像形成部の仕様は、以下に説明する実施例１ないし４において共通であり、以下の通りである。
ドットサイズ：５．４μｍ
横方向（Ｘ方向）長さ：１４．６６６４ｍｍ
縦方向（Ｙ方向）長さ：８．２５１２ｍｍ
光軸から画像形成部中心へのＹ方向の距離（シフト量）：５．５２５６ｍｍ
実施例１ないし４とも、屈折光学系を通った光は「画像形成部ＬＶに形成された画像に共役な中間像」を反射ミラーよりも画像形成部ＬＶ側に、空間像として形成する。
中間像は平面像である必要はなく、実施例１ないし４においては「曲面像」として結像している。中間像を「最も拡大側に配置された凹面ミラーにより拡大投影」し、スクリーンＳＣに結像させる。中間像は像面湾曲・歪曲を持つが、これらは「凹面ミラーに非球面を用いる」ことにより補正出来る。従って、屈折光学系の収差補正の負担が減り、設計の自由度が増し、小型化等に有利となる。
凹面ミラーの面形状は実施例１ないし４において「非球面係数が偶数次の非球面」としているが「非球面係数が奇数次の非球面」や「自由曲面」としてもよい。

【0034】

凹面ミラーとスクリーンとの間に配置された防塵ガラス１３、２３、３３、４３は「平行平板ガラス」であるが、これに限らず、曲率を有するものや屈折力をもつレンズ形状のものを用いることもできる。実施例１ないし４において、防塵ガラスはいずれも、Ｙ軸方向に対して垂直ではなく傾けて配置しているが、傾きの角度は任意でよく、Ｙ軸方向に対して直交してもよい。
実施例１ないし４は、投射距離として、基準の投射距離での拡大画像のサイズ（Ｘ方向）を１００インチ、近距離でのサイズを８５インチ、遠距離でのサイズを１４０インチ（実施例２）もしくは１５０インチ（実施例１、３および４）とし、これらのサイズをフォーカシングにより変化させるものである。

【0035】

実施例１、２、３、４の投射光学系における屈折光学系のレンズ配置と、フォーカシングによるレンズ群の変位の様子を、図３、図９、図１４、図２０に示す。これらの図において符号ＩないしＩＶは「第１レンズ群ないし第６レンズ群」を示す。即ち、実施例１ないし４とも、屈折光学系は６群（Ｎ＝６）のレンズ群で構成されている。

【0036】

実施例に関する以下の説明において、記号の意味は以下の通りである。
ｆ：全系の焦点距離
NA：開口数
ω：半画角(deg)
Ｒ：曲率半径(非球面にあっては近軸曲率半径)
Ｄ：面間隔
Ｎｄ：屈折率
νｄ：アッベ数
Ｋ：非球面の円錐定数
Ai：i次の非球面定数
Ｃ：近軸曲率（近軸曲率半径の逆数）
非球面の形状は、近軸曲率：Ｃ、光軸からの高さ：Ｈ、円錐定数：Ｋ、各次数の非球面係数：Ａｉを用い、Ｘを「光軸方向における非球面量」として、周知の式：
Ｘ＝ＣＨ^２/［１＋√（１−（１＋Ｋ）Ｃ^２Ｈ^２）］＋ΣＡｉＨ^ｉ
により表し、Ｃ、Ｋ、Ａｉを与えて形状を特定する。なお、長さの次元を有する量に関して、特に断らない限り単位は「ｍｍ」である。

【0037】

「実施例１」
図１に示した画像表示装置の投射光学系である実施例１は、屈折光学系１１と反射光学系１２とを有する。
図３に示すように、屈折光学系１１は、縮小側（物体側）から拡大側へ向かって順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｉと、正の屈折力を有する第２レンズ群ＩＩと、正の屈折力を有する第３レンズ群ＩＩＩと、正の屈折力を有する第４レンズ群ＩＶと、負の屈折力を有する第５レンズ群Ｖと、負の屈折力を有する第６レンズ群ＶＩと、を配してなり、投射距離の変更に対するフォーカシングは、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、第２レンズ群ＩＩ、第４レンズ群ＩＶ、第５レンズ群Ｖが縮小側（画像形成部ＬＶ側）に移動し、第３レンズ群ＩＩＩが拡大側に移動する。第１レンズ群Ｉ、第６レンズ群ＶＩは、フォーカシングに際して移動しない。
このような「フォーカシング構成」と、第３レンズ群の正の屈折力を適切にすることにより「第３レンズ群ＩＩＩよりも拡大側」での光線の広がりを抑えつつ各画角、特に画面周辺部の像面を高度に補正することができている。また、このフォーカス方式により、各画角の像面を高度に補正することが可能となるため、信頼性の高いガラスモールド非球面レンズも用いることが可能となっている。

【0038】

以下に、投射光学系の実施例１のデータを示す。
開口数：０．２２２７３
実施例１のデータを表１に示す。一番左側の欄に示す面番号は、画像形成部ＬＶを面番号１とし、以下、透明平行平板Ｆ、プリズムＰｒの面を面番号２〜５としている。面番号６が屈折光学系の最も縮小側のレンズ面である。この点は、以下の実施例２〜４においても同様である。

【0039】

【表1】

【0040】

「フォーカシングに伴う可変間隔」
近距離、基準距離（基準と表示）、遠距離におけるフォーカシングに伴う可変間隔を表２に示す。

【0041】

【表2】

【0042】

「非球面データ」
非球面は、上記データ中の面番号に「＊印」を付した面であり（この点は以下の他の実施例でも同様である。）、そのデータを表３に示す。

【0043】

【表3】

【0044】

上記の表記において、例えば「2.8853E-10」は、「2.8853×10^-10」を意味する。以下においても同様である。

【0045】

「パラメータ：ＴＲの値」
投射距離に対するパラメータ：ＴＲの値を表４に示す。

【0046】

【表4】

【0047】

実施例１において、屈折光学系１１の最も拡大側のレンズのレンズ有効径は５６ｍｍである。
図４に示した各画角（Ｆ１〜Ｆ１１）に対応したスポットダイアグラムを、図５から７に示す。各スポットダイアグラムは、スクリーン面での結像特性(ｍｍ)を波長：６３８ｎｍ（赤）、５５０ｎｍ（緑）、４５５ｎｍ（青）について示している。良好な結像をしていることがわかる。

【0048】

「実施例２」
実施例２は、図８に実施の形態を示した画像表示装置における投射光学系の実施例である。実施例２における屈折光学系のレンズ構成とフォーカシングに伴うレンズ群の変位を図３に倣って、図９に示す。屈折光学系２１は、図９に示す如く、縮小側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｉ、負の屈折力を有する第２レンズ群ＩＩ、正の屈折力を有する第３レンズ群ＩＩＩ、負の屈折力を有する第４レンズ群ＩＶ、負の屈折力を有する第５レンズ群Ｖ、負の屈折力を有する第６レンズ群ＩＶと、を配してなる。

【0049】

遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際し、第２レンズ群ＩＩと負の第４レンズ群ＩＶ、第５レンズ群Ｖが画像形成部側に移動し、第３レンズ群ＩＩＩが拡大側に移動する。第１レンズ群Ｉ、第６レンズ群ＶＩは移動しない。
このようなフォーカシング構成で、第３レンズ群ＩＩＩの正の屈折力を適切にすることで、第３レンズ群ＩＩＩよりも拡大側での光線の広がりを抑えつつ各画角、特に画面周辺部の像面を高度に補正することができている。また、このフォーカス方式により、高度に各画角の像面を補正することが可能となるため、信頼性の高いガラスモールド非球面レンズも用いることが可能となっている。

【0050】

以下に、投射光学系の実施例２のデータを示す。
開口数：０．２２２２
実施例２のデータを表５に示す。

【0051】

【表5】

【0052】

「フォーカシングに伴う可変間隔」
近距離、基準距離、遠距離におけるフォーカシングに伴う可変間隔を表６に示す。

【0053】

【表6】

【0054】

「非球面データ」
非球面のデータを表７に示す。

【0055】

【表7】

【0056】

「パラメータ：ＴＲの値」
投射距離に対するパラメータ：ＴＲの値を表８に示す。

【0057】

【表8】

【0058】

実施例２において、屈折光学系２１の最も拡大側のレンズのレンズ有効径は４４ｍｍである。
図４に示した各画角（Ｆ１〜Ｆ１１）に対応したスポットダイアグラムを、図５から７に倣って、図１０ないし図１２に示す。良好な結像をしていることがわかる。

【0059】

「実施例３」
実施例３は、図１３に実施の形態を示した画像表示装置における投射光学系の実施例である。実施例３における屈折光学系のレンズ構成とフォーカシングに伴うレンズ群の変位を図３に倣って、図１４に示す。
屈折光学系３１は、縮小側から拡大側に向かって」順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｉと、正の屈折力を有する第２レンズ群ＩＩと、正の屈折力を有する第３レンズ群ＩＩＩと、負の屈折力を有する第４レンズ群ＩＶと、正の屈折力を有する第５レンズ群Ｖと負の屈折力を有する第６レンズ群ＶＩと、を配してなる。

【0060】

遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際しては、第２レンズ群ＩＩ、第４レンズ群ＩＶ、第５レンズ群Ｖが画像形成部ＬＶ側（縮小側）に移動し、第３レンズ群ＩＩＩが拡大側に移動する。第１レンズ群Ｉ、負の第６レンズ群ＶＩは移動しない。
このようなフォーカシング構成とするとともに、第３レンズ群の正の屈折力を適切に設定することにより、第３レンズ群ＩＩＩよりも拡大側での光線の広がりを抑えつつ各画角、特に画面周辺部の像面を高度に補正することができている。

【0061】

このフォーカス方式により、高度に各画角の像面を補正することが可能となるため、信頼性の高いガラスモールド非球面レンズも用いることが可能となっている。

【0062】

以下に、投射光学系の実施例３のデータを示す。
開口数：０．２２７３
実施例３のデータを表９に示す。

【0063】

【表9】

【0064】

「フォーカシングに伴う可変間隔」
近距離、基準距離、遠距離におけるフォーカシングに伴う可変間隔を表１０に示す。

【0065】

【表10】

【0066】

「非球面データ」
非球面のデータを表１１に示す。

【0067】

【表11】

【0068】

「パラメータ：ＴＲの値」
投射距離に対するパラメータ：ＴＲの値を表１２に示す。

【0069】

【表12】

【0070】

実施例３において、屈折光学系３１の最も拡大側のレンズのレンズ有効径は４４．２ｍｍである。
図４に示した各画角に対応したスポットダイアグラムを図１５から１７に示す。各スポットダイアグラムはスクリーン面での結像特性(ｍｍ) を波長６３８ｎｍ（赤）、５５０ｎｍ（緑）、４５５ｎｍ（青）について示している。良好な結像をしていることがわかる。

【0071】

「実施例４」
実施例４は、図１８に実施の形態を示した画像表示装置における投射光学系の実施例である。実施例４における屈折光学系のレンズ構成とフォーカシングに伴うレンズ群の変位を図３に倣って、図１９に示す。
屈折光学系４１は、画像形成部側（縮小側）から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Ｉと、正の屈折力を有する第２レンズ群ＩＩと、正の屈折力を有する第３レンズ群ＩＩＩと、負の屈折力を有する第４レンズ群ＩＶと、負の屈折力を有する第５レンズ群Ｖと負の屈折力を有する第６レンズ群ＶＩと、を配してなっている。
遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際しては、第２レンズ群ＩＩ、第４レンズ群ＩＶ、第５レンズ群Ｖが縮小側に移動し、第３レンズ群ＩＩＩが拡大側に移動する。第１レンズ群Ｉ、第６レンズ群ＶＩは移動しない。
このようなフォーカシング構成とし、第３レンズ群の正の屈折力を適切に設定することにより、第３レンズ群ＩＩＩよりも拡大側での光線の広がりを抑えつつ各画角、特に画面周辺部の像面を高度に補正することができている。
また、このフォーカス方式により、高度に各画角の像面を補正することが可能となるため、信頼性の高いガラスモールド非球面レンズも用いることが可能となっている。

【0072】

以下に、投射光学系の実施例４のデータを示す。
開口数：０．２２７３
実施例４のデータを表１３に示す。

【0073】

【表13】

【0074】

「フォーカシングに伴う可変間隔」
近距離、基準距離、遠距離におけるフォーカシングに伴う可変間隔を表１４に示す。

【0075】

【表14】

【0076】

「非球面データ」
非球面のデータを表１５に示す。

【0077】

【表15】

【0078】

「パラメータ：ＴＲの値」
投射距離に対するパラメータ：ＴＲの値を表１６に示す。

【0079】

【表16】

【0080】

実施例４において、屈折光学系４１の最も拡大側のレンズのレンズ有効径は４３．４ｍｍである。
図４に示した各画角に対応したスポットダイアグラムを図２０から２２に示す。各スポットダイアグラムはスクリーン面での結像特性(ｍｍ) を波長６３８ｎｍ（赤）、５５０ｎｍ（緑）、４５５ｎｍ（青）について示している。良好な結像をしていることがわかる。

【0081】

実施例１ないし４の投射光学系に関するパラメータ中の量を表１７に示す。

【0082】

【表17】

【0083】

Ｆ４〜Ｆ６は、それぞれ第４レンズ群〜第６レンズ群の焦点距離（ｍｍ）である。

【0084】

実施例１ないし４に関する条件（１）〜（４）の各パラメータの値を表１８に示す。

【0085】

【表18】

【0086】

何れの実施例も条件（１）〜（４）を満たしている。

【0087】

以上に説明したように、この発明によれば以下の如き投射光学系および画像表示装置を実現できる。

【0088】

［１］
画像表示素子の画像形成部（ＬＶ）に表示される画像を被投射面（ＳＣ）上に拡大投影
する投射光学系であって、屈折光学系（１１、２１、３１、４１）と反射光学系（１２、２２、３２、４２）とを有し、前記屈折光学系は６群のレンズ群（Ｉ〜ＶＩ）を配して構成され、前記反射光学系は、屈折力を有する反射光学素子を１個有し、前記屈折光学系は縮小側から拡大側へ向かって順次、第１レンズ群（Ｉ）、第２レンズ群（ＩＩ）、第３レンズ群（ＩＩＩ）、第４レンズ群（ＩＶ）、第５レンズ群（Ｖ）、第６レンズ群（ＶＩ）を配して構成され、遠距離側から近距離側へのフォーカシングに際して、前記第２レンズ群が縮小側へ移動し、前記第３レンズ群が前記画像に対して固定もしくは拡大側へ移動し、前記第３レンズ群より拡大側の１以上のレンズ群が移動レンズ群として縮小側に移動する投射光学系（実施例１〜４）。

【0089】

［２］
［１］記載の投射光学系であって、前記第２レンズ群（ＩＩ）のｄ線における焦点距離：Ｆ２、第３レンズ群（ＩＩＩ）のｄ線における焦点距離：Ｆ３が、条件：
（１） １．０ ＜｜Ｆ２／Ｆ３｜＜ ３０．０
を満足する投射光学系（実施例1〜４）。

【0090】

［３］
［１］または［２］記載の投射光学系であって、前記第３レンズ群（ＩＩＩ）のｄ線における焦点距離：Ｆ３、投影画像が最大となる合焦状態での前記屈折光学系のｄ線における焦点距離：ＦＬが、条件：
（２） ０．１ ＜ ＦＬ／Ｆ３ ＜ １．０
を満足する投射光学系（実施例１〜４）。

【0091】

［４］
［１］ないし［３］の何れか１に記載の投射光学系であって、前記第３レンズ群（ＩＩＩ）よりも拡大側に配置される少なくとも１つの移動レンズ群が負の屈折力を有する投射光学系（実施例１〜４）。

【0092】

［５］
［１］ないし［４］の何れか１に記載の投射光学系であって、屈折光学系におけるもっとも拡大側のレンズ群が負の屈折力を有する投射光学系（実施例１〜４）。

【0093】

［６］
［１］ないし［５］の何れか１に記載の投射光学系であって、前記屈折光学系における最も拡大側のレンズ群が、フォーカシングに際して固定である投射光学系（実施例１〜４）。

【0094】

［７］
［１］ないし［６］の何れか１に記載の投射光学系であって、前記第３レンズ群よりも拡大側に、フォーカシングに際して移動するレンズ群を２つ有する投射光学系（実施例１〜４）。

【0095】

［８］
［１］ないし［７］の何れか１に記載の投射光学系であって、前記画像表示素子の前記画像形成部に表示される画像と共役な像を、前記屈折光学系と前記反射光学素子の間に形成する投射光学系（実施例１〜４）。

【0096】

［９］
［１］ないし［８］の何れか１に記載の投射光学系であって、前記屈折光学系を構成する全てのレンズがガラスレンズである投射光学系（実施例１〜４）。

【0098】

［１０］
［１］ないし［９］の何れか１に記載の投射光学系であって、前記反射光学素子（１２、２２、３２、４２）が凹面ミラーである投射光学系（実施例１〜４）。

【0099】

［１１］
画像表示素子の画像形成部（ＬＶ）に表示される画像を投射光学系により被投射面（ＳＣ）上に拡大投影して画像表示する画像表示装置であって、投射光学系として［１］ないし［１０］の何れか１に記載のものを用いる画像表示装置（図１、図８、図１３、図１８、実施例1〜４）。

【0100】

［１２］
［１１］記載の画像表示装置であって、前記投射光学系として［１０］記載のものが用いられ、前記凹面ミラー（１２、２２、３２、４２）と結像光線との交点のうち、前記被投射面（ＳＣ）と垂直な方向において前記被投射面までの距離が最大となる交点Ｐから前記被投射面までの前記被投射面に垂直な方向における距離：Ｌと、前記被投射面に投射される最大画像の横幅：Ｗとの比：ＴＲ（＝Ｌ／Ｗ）が、条件：
（３） ＴＲ＜０．３５
を満足する画像表示装置（図１、図８、図１３、図１８、実施例１〜４）。

【0101】

［１３］
［１１］または［１２］記載の画像表示装置であって、前記投射光学系として［１０］前記凹面ミラー（１２、２２、３２、４２）と結像光線との交点のうち、前記被投射面と垂直な方向において前記被投射面までの距離が最大となる交点Ｐと前記画像形成部（ＬＶ）までの前記画像形成部に垂直な方向における距離：ＯＡＬ、前記屈折光学系の光軸と、前記画像形成部との距離の最大値：Ｙが、条件：
（４） １０＜ＯＡＬ／Ｙ＜３０
を満足する画像表示装置（図１、図８、図１３、図１８、実施例１〜４）。

【0102】

以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、反射光学系を構成する反射光学素子を2以上とすることもできる。
また、実施例１ないし４では、屈折光学系を構成するすべてのレンズをガラスレンズとしたが、これに限らず、１以上の樹脂レンズが含まれていてもよい。

【0103】

この発明の実施の形態に記載された効果は、発明から生じる好適な効果を列挙したに過ぎず、発明による効果は「実施の形態に記載されたもの」に限定されるものではない。

【符号の説明】

【0104】

Ｈ 画像表示装置
ＬＶ 画像形成部
Ｆ 透明平行平板
Ｐｒ プリズム
１１ 屈折光学系
１２ 反射光学系（凹面ミラー）
１３ 防塵ガラス
Ｓ 開口絞り

【先行技術文献】

【特許文献】

【0105】

【特許文献1】特開２００７−０７９５２４号公報

【特許文献2】特開２００９−２５１４５８号公報

【特許文献3】特開２０１１−２４２６０６号公報

【特許文献4】特開２０１２−２０３１３９号公報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】