JP2008242402A - 画像投射光学系及び画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投射レンズ（ズームレンズ）において、軸上色収差や倍率色収差を良好に補正し、かつ温度変化によるピント変動を少なくする。
【解決手段】画像投射光学系は、画像形成素子ＬＣＤからの光を光学素子ＧＢを介してズームレンズＰＬに導く。光学素子は条件（１）を満足する。ズームレンズは、拡大側から順に、第１、第２レンズユニットＬ１，Ｌ２及び該第２レンズユニットよりも縮小側の複数のレンズユニットＬ３〜Ｌ６を含む。第１レンズユニットは負レンズユニットであり、第２レンズユニットよりも縮小側のレンズユニットは条件（２）を満足する。第２レンズユニットよりも縮小側のレンズユニットのうち最も有効径が小さい負レンズエレメントよりも拡大側に配置された正レンズエレメントは条件（３）を満足する。該負レンズエレメントよりも縮小側に配置された正レンズエレメントは条件（４）を満足する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクタ等の画像投射装置に関し、特に該画像投射装置においてズームレンズとしての投射レンズを含む画像投射光学系に関する。

液晶パネル等の画像形成素子からの光をスクリーン等の被投射面に投射する画像投射装置（プロジェクタ）には、以下に挙げる事項が要望される。

１．Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の画像形成素子を使用する３板方式のプロジェクタでは、各色の画像形成素子からの色光を合成する色合成プリズムや偏光素子等の光学素子を配置するスペースを画像形成素子と投射レンズとの間に設ける必要がある。このため、投射レンズのバックフォーカスはある程度長いこと。

２．色合成プリズムに使用される光学膜（偏光分離膜等）の入射角度依存性の影響を小さくし、また画像形成素子を照明する照明系との良好な瞳整合性を確保するため、投射レンズは、画像形成素子側の瞳が無限遠方にあるテレセントリック光学系であること。

３．原画像に対して、投射画像の輪郭部に歪みが生じないよう、投射レンズは、歪曲収差が良好に補正されていること。

４．３色の画像を合成して被投射面に投射した場合に、３色の対応画素同士を被投射面上の全範囲にて良好に重ね合わせること。このため、投射レンズにて発生する色ずれ（倍率色収差）を可視光全域にて良好に補正すること。

５．装置を小型軽量化すること。

６．より短い投射距離で、より大きなサイズの画像を投射できること。

７．特定の投射距離において、投射画像サイズをある程度選択可能とするため、投射レンズはズーム機能を備えること。

８．光源として高出力のランプを使用するため、光学系が非常に高温になる。このため、温度変化に対してピントずれや性能劣化が生じないこと。

以上のような要望に応えるためのプロジェクタ用投射レンズとしては、特許文献１〜３にて開示されているズームレンズがある。

特許文献１には、拡大側から順に、負正正負正正の屈折力を有する６つのレンズユニットにより構成された投射レンズが開示されている。該投射レンズは、６つのレンズユニットのうち２以上のレンズユニットを移動させることで変倍を行う。

このような負の屈折力を有するレンズユニットが最も拡大側に配置されたネガティブリード型ズームレンズは、比較的広角化が容易であり、近距離投射状態での良好な性能が確保できる等の利点があり、プロジェクタに多く使用されている。ただし、変倍のための移動レンズユニットのシフト量が増きく高変倍化が難しい、また倍率色収差の変動が大きいなどの欠点を有する。

また、従来は、歪曲を補正するために、最も拡大側に正レンズユニットを配置することが多かった。この場合、レンズサイズが大きくなってしまうことが欠点の１つであった。しかし、近年では、特許文献２にて開示されているように、プラスチック非球面レンズを使用して歪曲を補正することで、最も拡大側の正レンズユニットを省略し、小型軽量化を図ることも多い。

ただし、プラスチックレンズは、材料の温度屈折率変化量がガラス材料に比べて非常に大きい。このため、投射光の熱によってプラスチックレンズの屈折率が大きく変化し、ピント位置変動や性能劣化が生じる。

このことから、特許文献３には、正と負の光学的パワーを持つ２つの非球面レンズエレメントを用いて、ピント変動を補正する手法が開示されている。
特開２００１−２３５６７９号公報 特開２００６−０８４９７１号公報 特開２００５−２６６１０３号公報

しかしながら、最近では、さらなる高輝度化に伴って投射レンズの温度上昇も著しくなり、プラスチックだけでなくガラス材料での温度による屈折率変化も無視できない状況になってきている。

そこで問題になるのが、材料ごとの温度による屈折率変化量の傾向が、硝材の構成物質に応じて異なることである。具体的には、νd < 68 (以下、C領域という)を満足する殆どのガラス材料は、温度による屈折率変化量が正の値であり、2.5〜8.5x10^-6(/℃)の範囲で生じる。これに対し、68 < νd <75 (以下、Ｂ領域という)のような低分散材料での温度による屈折率変化量は、-0.7x10^-6(/℃)と、ほぼ０に近い。さらに、75 <νd (以下、Ｃ領域という)のような超低分散材料の温度による屈折率変化量は、-6.0×10^-6(/℃)と、Ａ領域とは異符号で発生する。

通常、レンズ設計時には、正レンズ及び負レンズ共に、Ｃ領域の材料が支配的に用いられるため、意図せずしてピント変動が補正されているケースが多い。しかし、長いバックフォーカスを有する投射レンズでは、縮小側ピント面までの距離を確保するため、絞りより縮小側の負レンズユニットの光学的パワーが強くなる。したがって、負の球面収差が通常よりも大きく発生する。これにより、正のパワーを持つ面を多数用いて球面収差を補正する必要がある。しかし、この場合には、軸上色収差を発生させ過ぎないように、絞りより縮小側の正レンズには、低分散であるＡ，Ｂ領域の材料が用いられることが多い。

この場合、長いバックフォーカスを有する投射レンズでは、負レンズと正レンズの温度上昇によるピント変動が加算されるため、ガラス材料のみ使用した場合でも、大きなピント変動が発生する。

本発明は、長いバックフォーカスを有する投射レンズ（ズームレンズ）において、軸上色収差や倍率色収差を良好に補正することができ、かつ温度変化によるピント変動も少ない画像投射光学系及びこれを有する画像投射装置を提供する。

本発明の一側面としての画像投射光学系は、画像形成素子からの光を光学素子を介してズームレンズに導き、該ズームレンズにより被投射面に拡大投射する。該光学素子は以下の条件(1)を満足し、ズームレンズは、拡大側から順に、第１レンズユニット、第２レンズユニット及び該第２レンズユニットよりも縮小側の少なくとも１つのレンズユニットを含む。また、該ズームレンズにおいて、第１レンズユニットは、負レンズユニットであり、第２レンズユニットよりも縮小側のレンズユニットは、以下の条件(2)を満足し、第２レンズユニットよりも縮小側のレンズユニットのうち最も有効径が小さい負レンズエレメントよりも拡大側に配置された拡大側正レンズエレメントは、以下の条件(3)を満足し、さらに該最も有効径が小さい負レンズエレメントよりも縮小側に配置された縮小側正レンズエレメントは、以下の条件(4)を満足することを特徴とする。

(1) Σ(Di x Ndi)/fw > 4.0
(2) |dn/dt| < 1.0 x10^-5
ただし、Diは画像形成素子からズームレンズに向かう光路に沿った光学素子の長さ、Ndiは該光学素子を構成する材料のd線における屈折率、fwはズームレンズの広角端での焦点距離、dn/dtは上記縮小側のレンズユニットを構成する材料の25℃からの温度変化に対するd線における屈折率の変化量である。

(3) {9.0 x Σ(1/fpA)+5.0 x Σ(1/fpB)+0.5 x Σ(1/fpC)}/Σ(1/fp) < 1
(4) {9.0 x Σ(1/fpA)+0.3 x Σ(1/fpB)+2.0 x Σ(1/fpC)}/Σ(1/fp) < 1
ただし、fpA, fpB, fpCはそれぞれ、Ａ領域、Ｂ領域、Ｃ領域に含まれる拡大側正レンズエレメント又は縮小側正レンズエレメントの焦点距離、前記Ａ領域は75<νd、前記Ｂ領域は68<νd<75、前記Ｃ領域は68>νdであり、fpは前記Ａ領域、Ｂ領域、Ｃ領域に含まれる全ての拡大側正レンズエレメント又は全ての縮小側正レンズエレメントの焦点距離である。

本発明は、長いバックフォーカスを有するズームレンズを使用する場合に、該ズームレンズ内において色補正効果を持つ低分散材料とピント変動補正効果を持つ材料をバランス良く使用する。これにより、軸上色収差や倍率色収差を良好に補正でき、かつ温度変化によるピント変動が少ないズームレンズを有する画像投射光学系を得ることができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明の実施例としての基本的な考え方について説明する。

実施例の画像投射光学系は、液晶パネル等の画像形成素子からの光を光学素子（色合成プリズム等）を介してズームレンズに導き、該ズームレンズによりスクリーン等の被投射面に拡大投射する。

光学素子は、ズームレンズよりも縮小側（縮小共役側、すなわち画像形成素子側）に配置され、光学的パワーを持たない素子である。ここにいう光学的パワーを持たないとは、全く光学的パワーを持たないか、投射画像に影響を与えない程度のごく弱い光学的パワーしか持たない（光学的パワーを持たないとみなせる）場合の双方を含む。

ここで、ごく弱い光学的パワーとは、該光学素子の焦点距離をfoとし、ズームレンズの広角端での焦点距離をfwとしたときに、
|fo/fw| > 100
なる条件を満足する場合である。

なお、光学的パワーは、焦点距離の逆数であり、本実施例の場合は屈折力と言い換えることもできる。

該光学素子は、以下の条件(1)を満足する。

Σ(Di×Ndi)/fw > 4.0 …(1)
ここで、Diは画像形成素子からズームレンズに向かう光路に沿った光学素子の長さである。また、Ndiは該光学素子を構成する材料のd線における屈折率である。また、fwはズームレンズの広角端での焦点距離である。

条件(1)の下限値を下回ると、投射レンズとしてバックフォーカスが短くなり、実施例のように、後述する縮小側の正レンズエレメントに低分散材料を使用する必要がなくなる。

また、ズームレンズは、拡大（拡大共役）側から順に、第１レンズユニット（好ましくは負レンズユニット）、第２レンズユニット（好ましくは正レンズユニット）及び該第２レンズユニットよりも縮小側の複数のレンズユニットを含む。ここでは、第１レンズユニットは最も拡大側のレンズユニットであって、第２レンズユニットは拡大側から２番目のレンズユニット（第１レンズユニットに隣接するレンズユニット）であるが、その限りでは無い。拡大側から第１レンズユニット、第２レンズユニットの順番で並んでいれば良い。この場合に、第２レンズユニットよりも縮小側に配置されたレンズユニットは、以下の条件(2)を満足する。

|dn/dt| < 1.0 x10^-5 …(2)
ただし、dn/dtは上記縮小側のレンズユニットを構成する材料の25℃からの温度変化に対するd線における屈折率の変化量である。

条件(2)の上限を上回る材料は、高輝度の照明光により屈折率が大きく変化し、ピント位置だけでなく収差バランスにまで影響を及ぼすため、可能な限り使用しない方がよい。

ここで、条件(2)の適用対象を、第２レンズユニットよりも縮小側のレンズユニットとしたのは、第１レンズユニットでは光束密度が小さくなることや外気に近いことから、温度上昇がそれ程生じないと考えられるためである。

また、第２レンズユニットよりも縮小側のレンズユニットのうち最も有効径が小さい負レンズエレメントよりも拡大側に配置された拡大側正レンズエレメントは、条件(3)を満足する。

{9.0 x Σ(1/fpA)+5.0 x Σ(1/fpB)+0.5 x Σ(1/fpC)}/Σ(1/fp) < 1 …(3)
さらに該最も有効径が小さい負レンズエレメントよりも縮小側に配置された縮小側正レンズエレメントは、以下の条件(4)を満足する。

{9.0 x Σ(1/fpA)+0.3 x Σ(1/fpB)+2.0 x Σ(1/fpC)}/Σ(1/fp) < 1 …(4)
ただし、各レンズエレメントの材料を、
Ａ領域:75 <νd Ｂ領域:68 <νd <75 Ｃ領域:68 >νd
の３領域に分類し、条件(3), (4)中の変数を以下のように定義する。

fpA, fpB, fpCはそれぞれ、アッベ数νｄがＡ領域、Ｂ領域、Ｃ領域の条件を満足する拡大側正レンズエレメント（条件(3)）又は縮小側正レンズエレメント（条件(4)）各々の焦点距離である。また、fpは、Ａ領域、Ｂ領域、Ｃ領域に含まれる全ての拡大側正レンズエレメント（条件(3)）又は縮小側正レンズエレメント（条件(4)）各々の焦点距離である。

ただし、条件(3)，(4)において、Ａ〜Ｃ領域の各領域に含まれるレンズエレメントは必ずしも存在しなくてもよい。例えば、Ａ領域のレンズエレメントが存在しない場合には、Σ(1/fpA)は０とする。他の領域のレンズエレメントが存在しない場合も同様である。

なお、Ａ〜Ｃ領域は、以下のように言い換えることができる。

Ａ領域：-2.0x10^-6> dn/dt
Ｂ領域：|2.0x10^-6|< dn/dt
Ｃ領域：2.0×10^-6< dn/dt
条件(3)の上限値を上回る場合、最も有効径が小さい負レンズエレメントよりも拡大側に配置される拡大側正レンズエレメントにおいて、Ａ領域又はＢ領域のパワー比率が過剰であることを表す。この場合、ピント変動補正が不十分となり易い。

また、条件(4)の上限値を上回る場合、最も有効径が小さい負レンズエレメントよりも縮小側に配置される縮小側正レンズエレメントにおいて、Ａ領域又はＣ領域のパワー比率が過剰であることを表す。Ａ領域のパワー比率が過剰である場合はピント変動補正が不十分になり易く、Ｃ領域のパワー比率が過剰である場合は色収差の補正が不十分となり易い。

上記条件(1)〜(4) に加えて、ズームレンズのうち最も縮小側のレンズユニット（最終レンズユニット）が変倍において不動である場合には、以下の条件(5)を満足するようにしてもよい。

Dnwt/fe > 0.15 …(5)
ただし、Dnmtはズームレンズの広角端から望遠端における上記最も有効径が小さい負レンズエレメントが含まれるレンズユニットの移動量である。また、feは該最終レンズユニットの焦点距離である。

条件(5)の下限値を下回る場合、広角端から望遠端にしたときにカットされる光量が少なくなり、著しい温度上昇が生じなくなる。このため、本発明の実施例は、条件(5)の下限値を下回わらない場合に特に効果を有する。ただし、条件(5)を満たさない場合でも、条件(1) 〜(4)を満足することで一定の効果が得られる。

また、第１レンズユニットよりも縮小側に配置され、かつ上記最も有効径が小さい負レンズエレメントよりも拡大側に配置された正レンズエレメントは、以下の条件(6)を満足するとよりよい。

Σ{Xi x (1/fpi)}/Σ(1/fpi) < 0.0015 …(6)
ただし、Xiは上記正レンズエレメントのうち拡大側からi番目の正レンズエレメントを構成する材料の異常分散量である。該材料のg線、F線、C線における屈折率をそれぞれNg, Nf, Ncとし、異常部分分散量θgFi = (Ng-Nf)/(Nf-Nc)とし、アッベ数をνdiとするとき、
Xi = θgFi-(0.6438-0.001682 x νdi)
である。fpiは該i番目の正レンズエレメントの焦点距離である。

条件(6)の上限を上回る場合、２次スペクトルが増加し、倍率色収差の補正が困難になる可能性がある。

また、条件(6)に代えて、条件(7)を満足すると、より好ましい。

Σ{Xi x (1/fpi)}/Σ(1/fpi) < 0 …(7)
さらに、上記最も有効径が小さい負レンズエレメントよりも縮小側に配置された正レンズエレメントが、以下の条件(8)を満足するようにしてもよい。

Σ{Xi x (1/fpi)}/Σ(1/fpi) > 0 …(8)
ただし、Xiは該正レンズエレメントのうち拡大側からi番目の正レンズエレメントを構成する材料の異常分散量である。該材料のg線、F線、C線における屈折率をそれぞれNg, Nf, Ncとし、異常部分分散量θgFi = (Ng-Nf)/(Nf-Nc)とし、アッベ数をνdiとするとき、
Xi = θgFi-(0.6438-0.001682 x νdi)
である。fpiは該i番目の正レンズエレメントの焦点距離である。

条件(7)の上限を上回る場合、２次スペクトルが増加して、倍率色収差の補正が困難になる可能性がある。

なお、具体的なズームレンズの構成としては以下のようなものがある。

１．６レンズユニット構成のズームレンズであって、拡大側から順に、負の光学的パワー（以下、単にパワーという）を有する第1レンズユニット、正のパワーを有する第２レンズユニット及び正のパワーを有する第３レンズユニットを有するズームレンズ。該ズームレンズは、さらに負のパワーを有する第４レンズユニット、正のパワーを有する第５レンズユニット及び正のパワーを有する第６レンズユニットを有する。

２．６レンズユニット構成のズームレンズであって、拡大側から順に、負のパワーを有する第１レンズユニット、正のパワーを有する第２レンズユニット及び正のパワーを有する第３レンズユニットを有するズームレンズ。該ズームレンズは、さらに正のパワーを有する第4レンズユニット、正又は負の（弱い）パワーを有する第５レンズユニット及び正のパワーを有する第６レンズユニットを有する。

３．５レンズユニット構成のズームレンズであって、拡大側から順に、負のパワーを有する第1レンズユニット、正のパワーを有する第２レンズユニット及び正のパワーを有する第３レンズユニットを有するズームレンズ。該ズームレンズは、正又は負の（弱い）パワーを有する第４レンズユニット及び正のパワーを有する第５レンズユニットを有する。

上記画像投射光学系は、図１９に示すプロジェクタ（画像投射装置）に用いられる。

図１９において、３０３は液晶ドライバである。この液晶ドライバ３０３には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置３５０からのビデオ信号が入力される。液晶ドライバ３０３は、該ビデオ信号を、画像形成素子としての反射型液晶表示素子であるレッド（Ｒ）用液晶表示素子３Ｒ、グリーン（Ｇ）用液晶表示素子３Ｇ及びブルー（Ｂ）用液晶表示素子３Ｂの駆動信号に変換する。これにより、レッド用液晶表示素子３Ｒ、グリーン用液晶表示素子３Ｇ及びブルー用液晶表示素子３Ｂはそれぞれ独立に制御される。

なお、本実施例では、反射型液晶表示素子を画像形成素子として用いたプロジェクタについて説明するが、デジタルマイクロミラーデバイスを画像形成素子として用いてもよい。

３０１は照明光学系である。なお、図の枠内における左側には、右側に示した照明光学系３０１の側面図を示している。照明光学系３０１は、高圧水銀ランプ等の光源ランプ３０１ａから発せられた白色光を、図の紙面に垂直な偏光方向を有する直線偏光に変換してダイクロイックミラー３０５に導く。

本実施例のダイクロイックミラー３０５は、マゼンタ色の光を反射してグリーン色の光を透過する。これにより、白色光のうちマゼンタ光成分が偏向されて、ブルークロスカラー偏光子３１１に導かれる。

ブルークロスカラー偏光子３１１は、ブルー色の偏光に対して半波長のリタデーションを与える。これにより、紙面に水平な偏光方向を有する直線偏光であるブルー光成分と、紙面に垂直な偏光方向を有する直線偏光であるレッド光成分とが生成される。

次に、ブルー光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ３１０にＰ偏光として入射し、その偏光分離膜を透過して、ブルー用液晶表示素子３Ｂに導かれる。また、レッド光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ３１０にＳ偏光として入射し、その偏光分離膜で反射されてレッド用液晶表示素子３Ｒに導かれる。

一方、ダイクロイックミラー３０５を透過したグリーン光成分は、光路長を補正するためのダミーガラス３０６を通過した後、第２の偏光ビームスプリッタ３０７に入射する。図の紙面に垂直な偏光方向を有するグリーン光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ３０７の偏光分離膜に対してＳ偏光であるため、ここで反射されてグリーン用液晶表示素子３Ｇに導かれる。

以上のようにして、レッド用液晶表示素子３Ｒ、グリーン用液晶表示素子３Ｇ及びブルー用液晶表示素子３Ｇに照明光が入射する。

各液晶表示素子は、入射した照明光（偏光光）に対して、該液晶表示素子上に配列された画素の変調状態に応じてリタデーションを与える。各液晶表示素子からの反射光のうち、照明光と同じ方向の偏光成分は、照明光の光路を概ね引き返して光源ランプ側に戻る。

また、各液晶表示素子からの反射光のうち、照明光の偏光方向に対して直交する偏光方向の偏光成分により形成される画像光は以下のように進む。

レッド用液晶表示素子３Ｒから射出した図の紙面に水平な偏光方向の直線偏光であるレッド光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ３１０の偏光分離膜をＰ偏光として透過し、次にレッドクロスカラー偏光子３１２を透過する。レッドクロスカラー偏光子３１２は、レッド光成分に半波長のリタデーションを与える。これにより、レッド光成分は、図の紙面に垂直な偏光方向を有する直線偏光に変換される。そして、該レッド光成分は、第３の偏光ビームスプリッタ３０８にＳ偏光として入射し、その偏光分離膜で反射して、上述したズームレンズとしての投射レンズ３０４に導かれる。

ブルー用液晶表示素子３Ｂから射出した図の紙面に垂直な偏光方向を有する直線偏光であるブルー光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ３１０の偏光分離膜でＳ偏光として反射し、レッドクロスカラー偏光子３１２をそのまま通過する。そして、該ブルー光成分は、第３の偏光ビームスプリッタ３０８にＳ偏光として入射し、その偏光分離面で反射して投射レンズ３０４に導かれる。

グリーン用液晶表示素子３Ｇから射出した図の紙面に水平な偏光方向を有する直線偏光であるグリーン光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ３０７の偏光分離膜をＰ偏光として透過し、次に光路長を補正するためのダミーガラス３０９を透過する。そして、該ブルー光成分は、第３の偏光ビームスプリッタ３０８にＰ偏光として入射し、その偏光分離膜を透過して、投射レンズ３０４に導かれる。

第３の偏光ビームスプリッタ３０８で色合成されたレッド、グリーン及びブルー光成分は、投射レンズ３０４の入射瞳によって捕らえられ、光拡散スクリーン（被投射面）３１３に転送される。各液晶表示素子の光変調面とスクリーン３１３の光拡散面とが投射レンズ３０４によって光学的に共役な関係に配されているため、スクリーン３１３上には、ビデオ信号に応じた画像が投射（表示）される。なお、レッド用液晶表示素子３Ｒ、グリーン用液晶表示素子３Ｇ及びブルー用液晶表示素子３Ｂは、対応する画素からの光がスクリーン３１３上において所定の精度で重なるように調整されている。

なお、第２の偏光ビームスプリッタ３０７、ダミーガラス３０９及び第３の偏光ビームスプリッタ３０８が、上述した光学素子に相当する。

以下、画像投射光学系の実施例１〜６について説明する。実施例１〜６の画像投射光学系では、図１９にも示したように、液晶パネルLCD上に形成された原画像（つまりは液晶パネルLCDからの光）を、光学素子としてのガラスブロックGBを通してズームレンズPLにより不図示のスクリーンに拡大投射する。ここにいうガラスブロックGBは、前述したように、図１９に示した第２の偏光ビームスプリッタ３０７、ダミーガラス３０９及び第３の偏光ビームスプリッタ３０８である。

各実施例において、スクリーン面と液晶パネルLCDとは投射レンズ（ズームレンズ）によって共役関係となり、一般にはスクリーン面側の距離の長い方の共役点が拡大共役点に相当し、液晶パネルLCD側の距離の短い方の共役点が縮小共役点に相当する。本実施例でも、これに沿ってズームレンズにおけるスクリーン側を拡大側といい、液晶パネル側を縮小側という。

STOはズームレンズPLの絞りである。

ズームレンズPLは、不図示の接続部材を介してプロジェクタ本体に装着される。ズームレンズPLよりも縮小側に配置されるガラスブロックGB及び液晶パネルLCDは、プロジェクタ本体内に含まれている。

液晶パネルLCDからの光は、照明光学系（図１９の３０１）との良好な瞳整合性を確保するため、液晶パネルLCD側の瞳が無限遠方にあるテレセントリック性を有している。

ガラスブロックGBでは、ＲＧＢの３つの液晶パネルからの光を合成したり、特定の偏光方向の偏光光のみを選択的に透過させたり、偏光光の位相を変えたりする等の役割を有している。

ズームレンズPLでは、負の屈折力を有するレンズユニットが最も拡大側に配置されたネガティブリード型を採用する。これにより、ガラスブロックGBを配置するための十分に長いバックフォーカスを容易に確保している。

ズームレンズPLは、１又は複数のレンズユニットが光軸上を移動することで、全レンズユニットの合成焦点距離を変更できる、すなわち変倍機能を持った構成を有する。

図１は、本発明の実施例１である画像投射光学系の概略図である。図２及び図３はそれぞれ、実施例１に対応する数値例（数値実施例）１の数値をmm単位で表したときの広角端及び望遠端における球面収差(Sph)、非点収差(As)、歪曲(Dst)及び倍率色収差(Chro）を示す。

図１には、拡大側から順に、負正正負正正のパワー配置を持つ６レンズユニット構成のズームレンズを有する画像投射光学系を示す。

第１レンズユニットＬ１は、拡大側から順に、拡大側に凸面を有する負のメニスカスレンズエレメントＥ１、非球面レンズエレメントＥ２、強いパワーの負レンズエレメントＥ３、縮小側に強いパワーの凸面を有する正レンズエレメントＥ４を有する。

拡大側に凸面を有する負のメニスカスレンズエレメントＥ１では、軸外主光線高ｈ′の小さい縮小側の面に広角化を得るための負のパワーを備え、軸外主光線高ｈ′の大きい拡大側の面に歪曲収差補正効果を持つ正のパワーを有する。また、非球面レンズエレメントＥ２と強いパワーの負レンズエレメントＥ３は、広角化を得るための強いパワーとそれによって生じる歪曲収差の補正効果を持つ。また、縮小側に強い凸面を有する正レンズエレメントＥ４は、強いパワーの負レンズエレメントで発生した歪曲や倍率色収差を補正する。

第２レンズユニットＬ２は、１つの強い正のパワーを有する両凸レンズエレメントＥ５で構成された移動レンズユニットである。該第２レンズユニットＬ２が光軸上を移動することで変倍効果を得る。また、これとともに、強い負のパワーの第１レンズユニットＬ１で発生した歪曲と倍率色収差を軸外主光線高ｈ′が大きい位置で効果的に補正する。

第３レンズユニットＬ３は、拡大側から順に配置された、両凸レンズエレメントＥ６と絞りＳＴＯとで構成されている。第３レンズユニットＬ３は、第２レンズユニットＬ２とともに光軸上を移動することにより、これらの合成焦点距離を変化させて変倍効果を得る。

第４レンズユニットＬ４は、拡大側に配置された、拡大側が凸の負メニスカスレンズエレメントＥ７と、縮小側に配置された両凸レンズエレメントＥ８との接合レンズ１つで構成された負のレンズユニットである。該第４レンズユニットＬ４は、変倍用の第２レンズユニットＬ２と第３レンズユニットＬ３の移動によって発生する球面収差や軸上色収差の変動を補正する補償機能を有する。この第４レンズユニットＬ４を、軸上光線高ｈが大きく軸外主光線高ｈ′が小さい位置に配置することで、倍率色収差の発生を抑えつつ球面収差及び軸上色収差の補正を行う。

第５レンズユニットＬ５は、拡大側からの順に、両凹レンズエレメントＥ９及び両凸レンズエレメントＥ１０の接合レンズ１つと、両凸レンズエレメントＥ１１とにより構成された比較的パワーが弱い正のレンズユニットである。該第５レンズユニットＬ５は、全変倍領域での倍率色収差及び像面湾曲を良好に補正する。

第６レンズユニットＬ６は、１つの正レンズエレメントＥ１２により構成され、第１レンズユニットＬ１から第５レンズユニットＬ５までの合成屈折力を弱める働きを有する。これは、広画角化及び大口径化に有利な作用である。

なお、第４レンズユニットＬ４のうち拡大側が凸の負メニスカスレンズエレメントＥ７が、「最も有効径が小さい負レンズエレメント」に相当する。そして、該負レンズエレメントＥ７よりも拡大側に配置された、第２レンズユニットＬ２及び第３レンズユニットＬ３の２つの正レンズエレメントＥ５，Ｅ６は、ともにＣ領域の材料であって条件(3)を満足する。これにより、温度ピント変動の補正を効果的に行っている。さらに、これらの正レンズエレメントＥ５，Ｅ６が条件(6)を満足することにより、２次スペクトルを軽減している。

また、「最も有効径が小さい負レンズエレメント」Ｅ７よりも縮小側に配置された、第４レンズユニットＬ４の両凸レンズエレメントＥ８と第５レンズユニットＬ５の２つの両凸レンズエレメントＥ１０，Ｅ１１はいずれもＢ領域のレンズエレメントである。さらに、第６レンズユニットＬ６の正レンズエレメントＥ１２はＣ領域のレンズエレメントである。これらの正レンズエレメントＥ８，Ｅ１０，Ｅ１１，Ｅ１２は、条件(4)を満足し、効果的に倍率色収差と軸上色収差を補正する。さらに、これらの正レンズエレメントＥ８，Ｅ１０，Ｅ１１，Ｅ１２は、条件(8)を満足することにより、２次スペクトルを軽減している。

これらの特徴により、実施例１では、図２及び図３に示すように、広角端及び望遠端のいずれにおいても良好な光学特性を得ることができるとともに、温度上昇によるピント変動を少なく抑えることができる。

図４は、本発明の実施例２である画像投射光学系の概略図である。図５及び図６はそれぞれ、実施例２に対応する数値例２の数値をmm単位で表したときの広角端及び望遠端における球面収差(Sph)、非点収差(As)、歪曲(Dst)及び倍率色収差(Chro)を示す。

図４には、拡大側から順に、負正正正負正のパワー配置を持つ６レンズユニット構成のズームレンズを有する画像投射光学系を示す。

本実施例のズームレンズにおける実施例１との相違点は、第４レンズユニットＬ４の合成焦点距離が正であり、第５レンズユニットＬ５の合成焦点距離が負となっている点である。各レンズユニットは、実施例１と同様の機能を有する。

本実施例でも、図５及び図６に示すように、広角端及び望遠端のいずれにおいても良好な光学特性を得ることができるとともに、温度上昇によるピント変動を少なく抑えることができる。

図７は、本発明の実施例３である画像投射光学系の概略図である。図８及び図９はそれぞれ、実施例３に対応する数値例３の数値をmm単位で表したときの広角端及び望遠端における球面収差(Sph)、非点収差(As)、歪曲(Dst)及び倍率色収差(Chro)を示す。

図７には、拡大側から順に、負正正正正正のパワー配置を持つ６レンズユニット構成のズームレンズを有する画像投射光学系を示す。

本実施例のズームレンズにおける実施例１との相違点は、実施例１の第４レンズユニットＬ４と第５レンズユニットＬ５に相当する２つのレンズユニットが第５レンズユニットＬ５を構成している点である。これにより、実施例１の第１レンズユニットＬ１を構成する４つのレンズエレメントのうち拡大側の３つのレンズユニットが本実施例の第１レンズユニットＬ１として機能し、最も縮小側のレンズエレメントが本実施例の第２レンズユニットＬ２として機能する。また、実施例１の第２レンズユニットＬ２が本実施例の第３レンズユニットＬ２として、実施例１の第３レンズユニットＬ３が本実施例の第４レンズユニットＬ４として機能する。

この構成により、第１レンズユニットＬ１では補正しきれない像面湾曲変動を、第２レンズユニットＬ２の移動により補正することができる。

本実施例でも、広角端及び望遠端のいずれにおいても良好な光学特性を得ることができるとともに、温度上昇によるピント変動を少なく抑えることができる。

図１０は、本発明の実施例４である画像投射光学系の概略図である。図１１及び図１２はそれぞれ、実施例４に対応する数値例４の数値をmm単位で表したときの広角端及び望遠端における球面収差(Sph)、非点収差(As)、歪曲(Dst)及び倍率色収差(Chro)を示す。

図１０には、拡大側から順に、負正正正正のパワー配置を持つ５レンズユニット構成のズームレンズを有する画像投射光学系を示す。

本実施例では、実施例１における第４レンズユニットＬ４と第５レンズユニットＬ５に相当する２つのレンズユニットが第４レンズユニットＬ４を構成している。言い換えれば、本実施例は、実施例１における第４レンズユニットＬ４と第５レンズユニットＬ５の合成パワーが正の場合に相当する。本実施例において、各レンズユニットは実施例１と同様の機能を有する。

本実施例でも、図１１及び図１２に示すように、広角端及び望遠端のいずれにおいても良好な光学特性を得ることができるとともに、温度上昇によるピント変動を少なく抑えることができる。

図１３は、本発明の実施例５である画像投射光学系の概略図である。図１４及び図１５はそれぞれ、実施例５に対応する数値例５の数値をmm単位で表したときの広角端及び望遠端における球面収差(Sph)、非点収差(As)、歪曲(Dst)及び倍率色収差(Chro)を示す。

図１３には、拡大側から順に、負正正正正のパワー配置を持つ５レンズユニット構成のズームレンズを有する画像投射光学系を示す。

本実施例では、実施例４と同様に、実施例１における第４レンズユニットＬ４と第５レンズユニットＬ５に相当する２つのレンズユニットが第４レンズユニットＬ４を構成している。言い換えれば、本実施例は、実施例１における第４レンズユニットＬ４と第５レンズユニットＬ５の合成パワーが負の場合に相当する。本実施例において、各レンズユニットは実施例１と同様の機能を有する。

本実施例でも、図１４及び図１５に示すように、広角端及び望遠端のいずれにおいても良好な光学特性を得ることができるとともに、温度上昇によるピント変動を少なく抑えることができる。

図１６は、本発明の実施例６である画像投射光学系の概略図である。図１７及び図１８はそれぞれ、実施例６に対応する数値例６の数値をmm単位で表したときの広角端及び望遠端における球面収差(Sph)、非点収差(As)、歪曲(Dst)及び倍率色収差(Chro)を示す。

図１６には、拡大側から順に、負正正負正正のパワー配置を持つ６レンズユニット構成のズームレンズを有する画像投射光学系を示す。

本実施例における実施例１との相違点は、実施例１の第４レンズユニットＬ４にＡ領域の正レンズエレメントＥ１３を１つ追加した点である。

表７に示すように、Ａ領域の正レンズエレメントを含んでいても、そのパワーが十分弱ければ、各条件を満たす。これにより、良好な光学性能を得ることができるとともに、温度上昇によるピント変動を抑えることができる。

なお、上記実施例１〜６において、ズームレンズよりも縮小側に配置された光学素子（ガラスブロックGB）は条件(1)を満たし、ズームレンズは、十分に長いバックフォーカスを有する。

また、実施例１〜６では、第２レンズユニットＬ２よりも縮小側に配置されたレンズエレメントは条件(2)を満たし、著しく屈折率変化の大きい材料を使用していない。

さらに、実施例１〜６は、条件(5)を満たす。これにより、望遠端においてカットされる光量が大きく、著しい昇温が見込まれるので、特に実施例１〜６によるピント変動抑制効果が有効である。

以下、実施例１〜６のズームレンズの数値例１〜６を表１〜６に示す。各数値例では、拡大側からの各面の順序をi、各光学面の曲率半径をｒ、各光学面の間隔をｄ、ｄ線に対する各光学部材の屈折率とアッベ数をそれぞれＮd，νdとする。また、各光学部材の常温（25℃）からの温度上昇に対する屈折率変化量をdn/dtとする。

また、各数値例には、X＝θgF -(0.6438-0.001682 xνd)で表される異常分散量を記す。

さらに、各数値例において、fwはズームレンズの広角端での焦点距離を、ftは望遠端での焦点距離を、FnoはＦナンバーを示す。また、各光学面の間隔ｄの欄に「（可変）」と記されている部分は、変倍に際して変化する。各表に、広角端及び望遠端での面間隔を示す。また、「（※）」が付された光学面は非球面である。

非球面は、

の関係を満足する形状である。各非球面の非球面係数を各表に記す。非球面係数において、「Ｅ−Ｎ」は、「ｘ１０^−Ｎ」を示す。

また、各数値例における上記各条件に対応する数値を、表７に示す。表７では、条件(1)〜(8)を丸囲み数字で示している。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明の実施例はこれらに限定されず、請求項の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

本発明の実施例１の画像投射光学系の概略図。 実施例１（数値例１）のズームレンズの物体距離２１００ｍｍでの広角端における収差図。 実施例１（数値例１）のズームレンズの物体距離２１００ｍｍでの望遠端における収差図。 本発明の実施例２の画像投射光学系の概略図。 実施例２（数値例２）のズームレンズの物体距離２１００ｍｍでの広角端における収差図。 実施例２（数値例２）のズームレンズの物体距離２１００ｍｍでの望遠端における収差図。 本発明の実施例３の画像投射光学系の概略図。 実施例３（数値例３）のズームレンズの物体距離２１００ｍｍでの広角端における収差図。 実施例３（数値例３）のズームレンズの物体距離２１００ｍｍでの望遠端における収差図。 本発明の実施例４の画像投射光学系の概略図。 実施例４（数値例４）のズームレンズの物体距離２１００ｍｍでの広角端における収差図。 実施例４（数値例４）のズームレンズの物体距離２１００ｍｍでの望遠端における収差図。 本発明の実施例５の画像投射光学系の概略図。 実施例５（数値例５）のズームレンズの物体距離２１００ｍｍでの広角端における収差図。 実施例５（数値例５）のズームレンズの物体距離２１００ｍｍでの望遠端における収差図。 本発明の実施例６の画像投射光学系の概略図。 実施例６（数値例６）のズームレンズの物体距離２１００ｍｍでの広角端における収差図。 実施例６（数値例６）のズームレンズの物体距離２１００ｍｍでの望遠端における収差図。 実施例１から６の画像投射光学系を用いたプロジェクタの全体構成を示す平面図。

符号の説明

Ｌ１〜Ｌ２ レンズユニット
ＰＬ ズームレンズ
ＳＴＯ 絞り
ＧＢ ガラスブロック
ＬＣＤ 液晶パネル

Claims (6)

1. 画像形成素子からの光を光学素子を介してズームレンズに導き、該ズームレンズにより被投射面に拡大投射する画像投射光学系であって、
   前記光学素子は以下の条件(1)を満足し、
   前記ズームレンズは、拡大側から順に、第１レンズユニット、第２レンズユニット及び該第２レンズユニットよりも縮小側の複数のレンズユニットを含み、
   該ズームレンズにおいて、
   前記第１レンズユニットは、負レンズユニットであり、
   前記第２レンズユニットよりも縮小側のレンズユニットは、以下の条件(2)を満足し、
   前記第２レンズユニットよりも縮小側のレンズユニットのうち最も有効径が小さい負レンズエレメントよりも拡大側に配置された拡大側正レンズエレメントは、以下の条件(3)を満足し、
   前記最も有効径が小さい負レンズエレメントよりも縮小側に配置された縮小側正レンズエレメントは、以下の条件(4)を満足することを特徴とする画像投射光学系。
   (1) Σ(Di x Ndi)/fw > 4.0
   (2) |dn/dt| < 1.0 x10^-5
   ただし、Diは前記画像形成素子から前記ズームレンズに向かう光路に沿った前記光学素子の長さ、Ndiは該光学素子を構成する材料のd線における屈折率、fwは前記ズームレンズの広角端での焦点距離、dn/dtは前記縮小側のレンズユニットを構成する材料の25℃からの温度変化に対するd線における屈折率の変化量である。
   (3) {9.0 x Σ(1/fpA)+5.0 x Σ(1/fpB)+0.5 x Σ(1/fpC)}/Σ(1/fp) < 1
   (4) {9.0 x Σ(1/fpA)+0.3 x Σ(1/fpB)+2.0 x Σ(1/fpC)}/Σ(1/fp) < 1
   ただし、fpA, fpB, fpCはそれぞれ、Ａ領域、Ｂ領域、Ｃ領域に含まれる前記拡大側正レンズエレメント又は縮小側正レンズエレメントの焦点距離、前記Ａ領域はアッベ数νｄ＞75、前記Ｂ領域は68 <νd <75、前記Ｃ領域は68 >νdであり、fpは前記Ａ領域、Ｂ領域、Ｃ領域に含まれる全ての前記拡大側正レンズエレメント又は全ての縮小側正レンズエレメントの焦点距離である。
2. 前記ズームレンズのうち最も縮小側のレンズユニットは変倍において不動であり、かつ以下の条件(5)を満足することを特徴とする請求項１に記載の画像投射光学系。
   (5) Dnwt/fe > 0.15
   ただし、Dnmtは前記ズームレンズの広角端から望遠端における前記最も有効径が小さい負レンズエレメントが含まれるレンズユニットの移動量、feは前記最も縮小側のレンズユニットの焦点距離である。
3. 前記第１レンズユニットよりも縮小側に配置され、かつ前記最も有効径が小さい負レンズエレメントよりも拡大側に配置された正レンズエレメントは、以下の条件(6)を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像投射光学系。
   (6) Σ{Xi x (1/fpi)}/Σ(1/fpi) < 0.0015
   ただし、Xiは前記正レンズエレメントのうち拡大側からi番目の正レンズエレメントを構成する材料の異常分散量であり、該材料のg線、F線、C線における屈折率をそれぞれNg, Nf, Ncとし、異常部分分散量θgFi = (Ng-Nf)/(Nf-Nc)とし、アッベ数をνdiとするとき、
   Xi = θgFi-(0.6438-0.001682 x νdi)
   であり、fpiは前記i番目の正レンズエレメントの焦点距離である。
4. 以下の条件(7)を満足することを特徴とする請求項３に記載の画像投射光学系。
   (7) Σ{Xi x (1/fpi)}/Σ(1/fpi) < 0
5. 前記最も有効径が小さい負レンズエレメントよりも縮小側に配置された正レンズエレメントは、以下の条件(8)を満足することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の画像投射光学系。
   (8) Σ{Xi x (1/fpi)}/Σ(1/fpi) > 0
   ただし、Xiは前記正レンズエレメントのうち拡大側からi番目の正レンズエレメントを構成する材料の異常分散量であり、該材料のg線、F線、C線における屈折率をそれぞれNg, Nf, Ncとし、異常部分分散量θgFi = (Ng-Nf)/(Nf-Nc)とし、アッベ数をνdiとするとき、
   Xi = θgFi-(0.6438-0.001682 x νdi)
   であり、fpiは前記i番目の正レンズエレメントの焦点距離である。
6. 請求項１から５のいずれか１つに記載の画像投射光学系を有することを特徴とする画像投射装置。