JP2014062956A - 超広角光学系及びこれを用いた投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＤＭＤ等の光の反射方向を変えて画像を形成するライトバルブからの画像をスクリーンその他に拡大投射する明るく高性能で、投射面から極近距離での設置ながら大画面を実現する超広角光学系を提供する。
【解決手段】 拡大側から順に、全体で負の屈折力を有する第１レンズ群、全体で負の屈折力を有する第２レンズ群及び全体で正の屈折力を有する第３レンズ群から構成され、前記第１レンズ群は、拡大側から順に全体で負の屈折力を有する第１ａレンズ群及び全体で負の屈折力を有する第１ｂレンズ群から構成され、前記第２レンズ群は、拡大側から順に全体で負の屈折力を有する第２ａレンズ群及び全体で正又は負の屈折力を有する第２ｂレンズ群から構成され、前記第３レンズ群は、拡大側から順に全体で正又は負の屈折力を有する第３ａレンズ群及び全体で正の屈折力を有する第３ｂレンズ群から構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、主にＤＭＤなどの光の反射方向を変えて画像を形成するライトバルブからの画像をスクリーンその他に拡大投射する投射型表示装置に用いる短距離投射用超広角光学系に関するものである。

ライトバルブとしてＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）等を用いた投射型表示装置が広く一般に使われるようになったが、学校をはじめとする教育関連用途を中心に、より短距離での投射能力を有する投射型表示装置が要望されている。例えば、８０インチの投射サイズで使用する際に、スクリーン或いは壁面から３ｍ程の離れた距離から投射する場合では、スクリーンの傍らで、説明する人にとっては頻繁に投射光学系からの光線を見て眩しい思いをしなければならないが、同じ８０インチの投射サイズでも５０ｃｍ程度の短い距離から投射した場合には、殆ど投射光学系からの光線を見てしまうことが無くなるからである。しかしながら、このことは投射光学系に関して言えば、画角を格段に大きな超広角レンズとすることに他ならない。

ＤＭＤ等をライトバルブとして使用する場合、効率の良い明るさの投射型表示装置を実現しようとすると、各々の画素から投射光学系への光線束の角度についての制約がある。一般的には主光線で表現されることが多いが、主光線が各々の画素から垂直に射出するのが理想的な光線束となる。（照明方法によっては異なる場合もある）この光線束は投射レンズから射出するときには、投射光学系によって、その画角に応じた角度を付与されるため、画角が大きい投射光学系ほど光線束が投射光学系を通過する際に角度の変化を大きくしなければならないことがわかる。したがって、歪曲収差などの軸外収差が飛躍的に増加し、この補正のためにレンズの枚数が増加する、レンズの枚数が増加することで、光軸上での光学系の厚さが増加することになり、このことは、拡大側に配置されるレンズ径を大きくすることにもなり、また、非球面などの屈折面を使用しなければならなくなるなどの要因も加わって、投射レンズのコストを大幅に上げてしまうこととなる。また、加えて投射光学系では、一般的に光軸を水平に保持しているときに、光軸より上に投射画面が映し出される仕組みが、採用されている。これは、投射光学系の光軸とＤＭＤの中心をずらして配置することにより、実現することができ、所謂シフト光学系と呼ばれるものである。シフト光学系を採用すると、投射光学系に要求されるイメージサークルの大きさは、その半径が光軸と、ＤＭＤの光軸から一番離れて配置される角までの距離となるため、通常のカメラのような光軸と撮像素子の中心を一致させる光学系に比べて大きくならざるを得なくなり、コスト増加の一要因にもなっている。

プロジェクター用の超広角レンズとしては、例えば、全画角が１３０°程度でＦナンバーが４．０程度の特開２００６−１７１１２７号公報（特許文献１）、特開２００６−１７１１２８号公報（特許文献２）や、全画角が１００°程度でＦナンバーが２．９程度の特開平５−３４５９２号公報（特許文献３）がある。

特開２００６−１７１１２７号公報 特開２００６−１７１１２８号公報 特開平５−３４５９２号公報

本発明は、前述した事情に鑑み、最も拡大側の光学要素として樹脂製の非球面レンズを効果的に２枚続けて配置することによって、ＤＭＤなどの光の反射方向を変えて画像を形成するライトバルブの特性に適しており、ライトバルブからの画像をスクリーン上或いはその他の壁面等に拡大投射する用途において明るく超広角で結像性能が高い光学系を実現し、学校や、小さな会議室等の限られたスペースでも大きな画面を投射可能で高画質な投射型表示装置を提供することを目的としている。

本発明における超広角光学系は、拡大側から順に、全体で負の屈折力を有する第１レンズ群、全体で負の屈折力を有する第２レンズ群及び全体で正の屈折力を有する第３レンズ群から構成され、前記第３レンズ群の縮小側には、大きな空気間隔を設けた後ＤＭＤ等のライトバルブを配して構成される超広角光学系であって、前記第３レンズ群の最も縮小側の面から距離を経た後に結像する光学系であり、前記第１レンズ群のパワーに関して下記条件式（１）を満足し、前記第１レンズ群の最も拡大側の面から像面までの光軸上の距離と前記第１レンズ群の最も拡大側の面の有効径の大きさに関して下記条件式（２）及び下記条件式（３）を満足し、前記第２レンズ群の最も縮小側の面から像面までの光軸上の距離に関して下記条件式（４）を満足していることを特徴とする。（請求項１）
（１） −０．４４ ≦ ｆ／ｆ_I ≦ −０．１６
（２） ＴＬ／ｆ ≦ ３５
（３） Ｄ_I１／ＴＬ ≦ ０．７２
（４） ６．０ ≦ ｂ／ｆ
ただし、
ｆ ：光学系全系の合成焦点距離
（設計基準距離にある投射面に合焦の状態）
ｆ_I ：第１レンズ群の合成焦点距離
ＴＬ ：第１レンズ群の最も拡大側の面から像面までの光軸上の距離
（ただし、第４レンズ群及び平行平面のカバーガラス部分は空気換算距離）
Ｄ_I１ ：第１レンズ群の最も拡大側の面の有効径
ｂ ：第３レンズ群の最も縮小側の面から像面までの光軸上の距離
（ただし、第４レンズ群及び平行平面のカバーガラス部分は空気換算距離）

条件式（１）は、最も拡大側に配置される第１レンズ群のパワーに関する条件である。レトロフォーカスの原理からバックフォーカスを維持しつつ画角を大きくするためにはレンズの拡大側に負パワーを投入するのが良い。従がって、拡大側のレンズ群を負パワーとすることは広角化に有効である。しかしながら本発明の光学系においては周辺光量を確保するために第１レンズ群の縮小側では正パワーを配置することを必要とする。したがって第１レンズ群のパワーはこれら要因のバランスによって決まり、全体としては負パワーを有することとなる。条件式（１）において上限を超えると、負パワーが不足し、画角を大きくすることが困難となり、逆に下限を超えると周辺光量の確保が出来ない。条件式（２）は、全長に関する条件であり、すなわち小型化の条件となる。上限を超えると全長が大きくなり、したがってレンズが大口径になり、小型という特徴を損ねてしまう。逆に下限を超えると、諸収差のバランスを取ることが困難となる。条件式（３）は、前玉の有効径の大きさの範囲を示したもので、仕様からの制約とともに、条件式（３）の範囲を超えると、製造コストが格段に増大し、製品としてのバランスを欠いてしまう。条件式（４）は、第２レンズ群の縮小側に設定される空気間隔に関する条件である。いわゆるバックフォーカスに相当する部分であるがライトバルブを照明するための光学系との共用スペースである為、この間隔を確保することが必要となる。従って下限を超えると照明系の光学系を組み込むことが困難となる。

また、前記第１レンズ群は、拡大側から順に全体で負の屈折力を有する第１ａレンズ群及び全体で負の屈折力を有する第１ｂレンズ群から構成され、前記第１ａレンズ群及び前記第１ｂレンズ群のパワーに関して下記条件式（５）を満足していることが望ましい。（請求項２）
（５） ０．２４ ≦ｆ_Iａ／ｆ_Iｂ ≦ １．２０
ただし、
ｆ_Iａ ：第１ａレンズ群の合成焦点距離
ｆ_Iｂ ：第１ｂレンズ群の合成焦点距離

この条件式を満足することにより、前記第１ａレンズ群には、レンズ全系のパワーバランスを崩すことなく、バックフォーカスを確保し得る負のパワーを付与することができる。すなわち条件式（５）は、そのパワー比を表したものであり、上限を超えるということはバランス的に第１ａレンズ群のパワーが小さくなることであり、バックフォーカスを確保することが難しくなる。またレンズ系の広角化にも不利となる。逆に上限をこえる場合は広角化には有利であるが、プロジェクター用途としての目標の周辺光量を確保出来ない。

また、前記第１レンズ群を構成する前記第１ａレンズ群は、拡大側から順に拡大側に凸のメニスカス形状で負の屈折力を有するレンズ（以下負レンズ）及び負レンズを配して構成され、前記第１ｂレンズ群は拡大側から順に負レンズ、負レンズ及び正の屈折力を有するレンズ（以下正レンズ）を配して構成され、前記第１ａレンズ群の有するパワーに関して下記条件式（６）を満足し、第１ａレンズ群において最も拡大側に配置されるレンズの形状の特徴に関して下記条件式（７）を満足し、第１ａレンズ群において拡大側から二番目に配置されるレンズの形状の特徴に関して下記条件式（８）を満足していることが望ましい。（請求項３）
（６） −０．１８ ≦ ｆ／ｆ_Iａ ≦ −０．１２
（７） ３．５ ≦ｒ_I１／ｒ_I２ ≦ ６．４
（８） ３．５ ≦ｒ_I３／ｒ_I４ ≦ ５．０
ただし、
ｒ_I１ ：第１ａレンズ群において最も拡大側に配置されるレンズの拡大側面の曲率半径
ｒ_I２ ：第１ａレンズ群において最も拡大側に配置されるレンズの縮小側面の曲率半径
ｒ_I３ ：第１ａレンズ群において拡大側から二番目に配置されるレンズの拡大側面の曲率半径
ｒ_I４ ：第１ａレンズ群において拡大側から二番目に配置されるレンズの縮小側面の曲率半径

条件式（６）は、第１ａレンズ群のパワーに関する条件である。第１ａレンズ群は、全体としては負パワーであり拡大側に数枚の負パワーのレンズが配置されており、このことは光学系に要求される画角とバックフォーカスに密接に関係しており、当該レンズの負パワーを増大することは、第２レンズ群とＤＭＤ等のライトバルブの構成部品であるカバーガラスＣＧとの空気間隔を確保した上で要求画角を実現し、かつ小型化に有効であるが、条件式（６）の上限を超えるとレンズの負パワーが強くなり色収差と像面湾曲が発生し、収差の補正が困難になり、下限を超えるとレンズの負パワーが弱くなり第２レンズ群とＤＭＤ等のライトバルブの構成部品であるカバーガラスＣＧとの空気間隔、いわゆるバックフォーカスに相当する部分を長く取ることが困難となる。条件式（７）及び条件式（８）は、ともに第１ａレンズ群において最も拡大側に配置されるレンズと拡大側から二番目に配置されるレンズの形状の特徴を示している。これらのレンズは、パワーが小さいものの、歪曲収差を強力に補正する目的で構成されているが、一方で概ね同心的形状とすることで、根本的に収差の発生を抑えた形状としている。したがって両条件式ともに上限を超えると、球面収差、コマ収差が補正不足となり、下限を超えると逆に補正過剰になる。

また、前記第１レンズ群を構成する前記第１ａレンズ群において拡大側から二番目に配置されるレンズの縮小側の空隙の大きさに関して下記条件式（９）を満足し、前記第１レンズ群を構成する前記第１ｂレンズ群において最も縮小側に配置されるレンズのパワーに関して下記条件式（１０）を満足し、当該レンズのレンズ形状の特徴に関して下記条件式（９）を満足していることが望ましい。（請求項４）
（９） ２．３ ≦ ｄ_I４／ｆ ≦ ４．０
（１０） ０．１３ ≦ ｆ／ｆ_I５ ≦ ０．２
（１１） ｜ｒ_I１０／ｒ_I９｜≦ ２．０ （絶対値はｒ_I１０ ≦ ０のため）
ただし、
ｄ_I４ ：第１ａレンズ群において拡大側から二番目に配置されるレンズの縮小側の空隙
ｆ_I５ ：第１ｂレンズ群において最も縮小側に配置されるレンズの焦点距離
ｒ_I９ ：第１ｂレンズ群において最も縮小側に配置されるレンズの拡大側面の曲率半径
ｒ_I１０：第１ｂレンズ群において最も縮小側に配置されるレンズの縮小側面の曲率半径

第１レンズ群において最も縮小側に配置されるレンズ及び拡大側から二番目に配置されるレンズは、コストの面からプラスチック材料で製作される非球面レンズとするのが良い。しかしながら、プラスチック材料とすると、温度や湿度に対する変化が大きくなり、これらのレンズに大きなパワーを与えることが出来ない。したがって、その次に来る負パワーのレンズとの距離を小さくすることで、パワーの少ないことに対する設計的な対応が可能であるが、そうすると、特に拡大側から二番目に配置されるレンズの形状が、同心的な形状から外れてしまい、収差のバランスを崩すことになる。条件式（９）は、このバランスをとるための、形状的な条件を示すものであり、条件式（９）の下限を超えると、拡大側の二枚のレンズの収差バランスを崩すこととなり、逆に上限を超えると、拡大側の二枚のレンズの負パワーが不足することになる。条件式（１０）は、第１レンズ群の最も縮小側に配置される正レンズに付与されるパワーの条件に関するものである。拡大側レンズの有口径を小さくしたまま、画角を大きくし、尚且つ周辺光量を確保するためには、画面周辺に対する主光線の方向を大きく屈曲する必要があり、全体として大きな負パワーを有する第１レンズ群でも縮小側については大きな正パワーが必要になる。この役割を担っているのが当該レンズで、条件式（１０）の下限を超えるとパワーが小さくなり必要とされる画角を維持したまま周辺光量を確保できない。逆に上限を超えると他のレンズ群とのパワーバランスが崩れるため諸収差が増大してしまう。続く条件式（１１）は、当該レンズのレンズ形状に関するものである。拡大側の強い負のパワーの影響で最後部レンズに入射する光束は強い発散光束であり、これを適度に収束させ、第１レンズ群として収差の発生を少なくするためには条件式（１１）で示される制限が必要となる。上限を超えてしまうと当該レンズの拡大側面で過度に球面収差、コマ収差が補正され、良好な性能が得られない。

また、前記第２レンズ群は、拡大側から順に全体で負の屈折力を有する第２ａレンズ群及び全体で正又は負の屈折力を有する第２ｂレンズ群から構成され、前記第２ｂレンズ群のパワーに関して下記条件式（１２）を満足していることが望ましい。（請求項５）
（１２） −０．０６ ≦ｆ／ｆ_IIｂ ≦ ０．１２
ただし、
ｆ_IIｂ ：第２ｂレンズ群の合成焦点距離

第２レンズ群は、構成するエレメントのパワーの各々は比較的大きいが、群としてのパワーは、大きくない。これは、第２レンズ群としてもそうであるが、第２ａレンズ群でも第２ｂレンズ群でも、群としてのパワーは大きくない。このことは、第２ａレンズ群では構成する正のパワーと負のパワーが拮抗しているためであるが、エレメントのパワーが大きいことは、ペッツバール和を改善していると考えられる。しかし、第２ｂレンズ群は、光軸上で比較的亜厚さのある単レンズで構成されているため、パワーの小さいメニスカス形状のレンズとして構成することにより、像面の平坦性を向上している。正にしても負にしても第２ｂレンズ群のパワーを大きくすると、第２ａレンズ群の各々のレンズとのパワーバランスを崩すため好ましくない。その結果周辺光量を維持することが困難になる。すなわち、条件式（１２）の上限、下限のどちらを超えても、周辺光量を維持したまま、緒収差を良好に補正することが困難となる。さらに、上限を超えることは、レンズ系全体のレトロフォーカス度を下げることになり、仕様によるバックフォーカスが確保出来なくなる。

また、前記第２レンズ群を構成する前記第２ａレンズ群は、拡大側から順に正レンズ及び負レンズを配して構成され、前記第２レンズ群を構成する前記第２ｂレンズ群は、拡大側に凸のメニスカス形状で正又は負レンズを配して構成され、前記第２ａレンズ群の最も拡大側に配置されるレンズのパワーに関して下記条件式（１３）を満足し、拡大側から二番目に配置されるレンズのパワーに関して下記条件式（１４）を満足していることが望ましい。（請求項６）
（１３） ０．０５ ≦ ｆ／ｆ_II１ ≦ ０．２０
（１４） −０．４５ ≦ ｆ／ｆ_II２ ≦ −０．２０
ただし、
ｆ_II１：第２ａレンズ群において最も拡大側に配置されるレンズの焦点距離
ｆ_II２：第２ａレンズ群において拡大側から二番目に配置されるレンズの焦点距離

第２ａレンズ群に配置される正レンズは、周辺光量を維持するための大きな正パワーを付与されている。一方二番目に配置されるレンズは負パワーのレンズであるが、やはりパワーを付与することで、ペッツバール和を適正に保っている。したがって、周辺光量を維持し、同時に像面の平坦性を良好に保つためには、これらのレンズのパワーを比較的大きな状態で設定しなければならないが、同時にこのことは緒収差の悪化を招くこととなるため、これらのバランスを取ることになる。条件式（１３）は、拡大側レンズに関してのこれらの条件を表現したもので、下限を超えると、周辺光量も、像面の平坦性も確保できなくなるが、上限を超えると緒収差が悪化する。また、条件式（１４）は、縮小側のレンズに関しての条件であり、上限を超えると、パワー不足のため、像面の平坦性を損ない、逆に下限を超えるとパワーが過大となり、緒収差の悪化を招くこととなる。

また、前記第３レンズ群は、拡大側から順に全体で正又は負の屈折力を有する第３ａレンズ群及び全体で正の屈折力を有する第３ｂレンズ群から構成され、前記第３ｂレンズ群はのパワーに関して下記条件式（１５）を満足していることが望ましい。（請求項７）
（１５） ０．２１ ≦ ｆ／ｆ_IIIｂ ≦ ０．３２
ただし、
ｆ_IIIｂ ：第３ｂレンズ群の合成焦点距離

条件式（１５）は、第３ｂレンズ群の正パワーの範囲を適正に設定するための範囲である。第３ｂレンズ群は、レンズ系の最も縮小側に配置されることが、そのパワーが直接その縮小側の、いわゆるバックフォーカスの設定に関係してくる。緒収差のバランスを維持するためには、過大な正パワーを付与することは好ましくないため、これらの条件のバランスで、第３ｂレンズ群の正パワーは決まる。したがって、条件式（１５）の下限を超えると、正パワーの量が少ないため、バックフォーカスを確保することが難しくなる。一方上限を超えるとパワーが過大となり緒収差を適正に維持することが出来なくなる。

また、前記第３レンズ群を構成する前記第３ａレンズ群は、拡大側から順に正レンズ、負レンズ、正レンズ及び負レンズを配して構成され、前記第３ａレンズ群を構成する正レンズの分散特性関して下記条件式（１６）を満足し、屈折率の特徴に関して各々下記条件式（１７）を満足していることが望ましい。（請求項８）
（１６） ４２ ≦ ｖ_IIIａＰ
（１７） ｎ_IIIａＰ ≦ １．６２
ただし、
ｖ_IIIａＰ：第３ａレンズ群を構成する正レンズのアッベ数の平均値
ｎ_IIｂＰ ：第３ａレンズ群を構成する正レンズの屈折率の平均値

条件式（１６）及び条件式（１７）は、ともに第３ａレンズ群における色収差補正に関する適正な範囲を示している。すなわち両式とも限度値を超えてレンズ系全体の色収差を適正に設計することが出来ない。

また、前記第３レンズ群を構成する前記第３ｂレンズ群は、拡大側から順に正レンズ、負レンズ、正レンズ及び正レンズを配して構成され、前記第３ｂレンズ群を構成する正レンズと負レンズの分散特性関して下記条件式（１８）を満足し、正レンズの屈折率の特徴に関して各々下記条件式（１９）を満足し、前記第３レンズ群において最も縮小側に配置されるレンズの形状に関して下記条件式（２０）を満足していることが望ましい。（請求項９）
（１８） ２６ ≦ ｖ_IIIｂＰ−ｖ_IIIｂＮ
（１９） ｎ_IIIｂＰ ≦ １．６０
（２０） −０．３１ ≦ ｆ／ｒ_III１３ ≦ −０．２６
ただし、
ｖ_IIIｂＰ：第３ｂレンズ群を構成する正レンズのアッベ数の平均値
ｖ_IIIｂＮ：第３ｂレンズ群を構成する負レンズのアッベ数の平均値
ｎ_IIIｂＰ：第３ｂレンズ群を構成する正レンズの屈折率の平均値
ｒ_III１３：第３レンズ群において最も縮小側に配置されるレンズの縮小側面の曲率半径

条件式（１８）は、レンズ系全系の色収差バランスを良好に保つ上で第３ｂレンズ群の色収差バランスの好ましい状態を示すものである。強い正パワーを有する第３ｂレンズ群の色収差を条件式（１８）の範囲において構成することはレンズ系全体の色収差補正に大きな影響を及ぼすため重要である。条件式の範囲を超えてしまうとレンズ系全体の色収差を適正に設計することが出来なくなる。また、色収差補正に関しては、特に正レンズの屈折率を条件式（１９）の範囲で設定することで、実質的な硝材の選択が可能となる。すなわち正レンズのアッベ数を大きくとるためには、実質的に条件式（１９）の範囲で屈折率を設定しなければならず、上限を超えてしまうと色収差補正が不十分とならざるを得ない。条件式（２０）は、第３レンズ群において最も縮小側に配置される面の形状に関するものである。当該面は本質的にレンズ系全体に於いても最も縮小側に位置することから軸外光束に関する諸々の特性に関しての影響が大きい。特に焦平面近傍におけるテレセントリック性を良好に保ちつつ、周辺光量を多く確保するためには、曲率半径を適切に選択する必要があり、上限を超えると面パワーとしては小さすぎて、周辺光量を確保することが難しくなる。逆に下限を超えるとテレセントリック性のコントロールが難しくなることと、レンズとしてのパワーも大きくなりがちとなり諸々の収差が悪化することに繋がる。

このように本発明の超広角光学系を投射型表示装置に搭載することにより高輝度で装置全体を小型化することが可能となり、またコストを低く維持することにも効果がある。（請求項１０）

本発明によれば、ＤＭＤなどのライトバルブの特性に適した短距離でも大きな画面を投射でき、結像性能が高い投射光学系を実現することができ、これを用いることで短距離でも大きな画面を投射でき、高画質の投射型表示装置を提供することが出来る

本発明による短距離投射光学系の第１実施例の光学系構成図である。 第１実施例の短距離投射光学系の諸収差図である。 本発明による短距離投射光学系の第２実施例の光学系構成図である。 第２実施例の短距離投射光学系の諸収差図である。 本発明による短距離投射光学系の第３実施例の光学系構成図である。 第３実施例の短距離投射光学系の諸収差図である。 本発明による短距離投射光学系の第４実施例の光学系構成図である。 第４実施例の短距離投射光学系の諸収差図である。 本発明による短距離投射光学系の第５実施例の光学系構成図である。 第５実施例の短距離投射光学系の諸収差図である。 本発明による短距離投射光学系の第６実施例の光学系構成図である。 第６実施例の短距離投射光学系の諸収差図である。

以下、具体的な数値実施例について、本発明を説明する。以下の第１実施例から第６実施例の超広角光学系では、拡大側から順に、全体で負の屈折力を有する第１レンズ群（レンズ群名称ＬＧ１）、全体で弱い正又は負の屈折力を有する第２レンズ群（レンズ群名称ＬＧ２）及び全体で正の屈折力を有する第３レンズ群（レンズ群名称ＬＧ３）から構成され、前記第１レンズ群ＬＧ１は、拡大側から順に全体で負の屈折力を有する第１ａレンズ群（レンズ群名称ＬＧ１ａ）及び全体で負の屈折力を有する第１ｂレンズ群（レンズ群名称ＬＧ１ｂ）から構成され、前記第２レンズ群ＬＧ２は、拡大側から順に全体で負の屈折力を有する第２ａレンズ群（レンズ群名称ＬＧ２ａ）及び全体で正又は負の屈折力を有する第２ｂレンズ群（レンズ群名称ＬＧ２ｂ）から構成され、前記第３レンズ群ＬＧ３は、拡大側から順に全体で正又は負の屈折力を有する第３ａレンズ群（レンズ群名称ＬＧ３ａ）及び全体で正の屈折力を有する第３ｂレンズ群（レンズ群名称ＬＧ３ｂ）から構成され、前記第１ａレンズ群ＬＧ１ａは、拡大側から順に拡大側に凸のメニスカス形状の負レンズ（レンズ名称をＬ１１、拡大側面の面番号を１０１、縮小側面の面番号を１０２とする）及び負レンズ（レンズ名称をＬ１２、拡大側面の面番号を１０３、縮小側面の面番号を１０４とする）を配して構成され、前記第１ｂレンズ群ＬＧ１ｂは拡大側から順に負レンズ（レンズ名称をＬ１３、拡大側面の面番号を１０５、縮小側面の面番号を１０６とする）、負レンズ（レンズ名称をＬ１４、拡大側面の面番号を１０７、縮小側面の面番号を１０８とする）及び正レンズ（レンズ名称をＬ１５、拡大側面の面番号を１０９、縮小側面の面番号を１１０とする）を配して構成され、前記第２ａレンズ群ＬＧ２ａは、拡大側から順に正レンズ（レンズ名称をＬ２１、拡大側面の面番号を２０１、縮小側面の面番号を２０２とする）及び負レンズ（レンズ名称をＬ２２、拡大側面の面番号を２０３、縮小側面の面番号を２０４とする）を配して構成され、前記第２ｂレンズ群は、拡大側に凸のメニスカス形状で正又は負レンズ（レンズ名称をＬ２３、拡大側面の面番号を２０５、縮小側面の面番号を２０６とする）を配して構成され、前記第３ａレンズ群ＬＧ３ａは、拡大側から順に正レンズ（レンズ名称をＬ３１、拡大側面の面番号を３０１、縮小側面の面番号を３０２とする）、負レンズ（レンズ名称をＬ３２、拡大側面の面番号を３０３、縮小側面の面番号を３０４とする）、正レンズ（レンズ名称をＬ３３、拡大側面の面番号を接合のため３０４、縮小側面の面番号を３０５とする）及び負レンズ（レンズ名称をＬ３４、拡大側面の面番号を接合のため３０５、縮小側面の面番号を３０６とする）を配して構成され、前記第３ｂレンズ群ＬＧ３ｂは、拡大側から順に正レンズ（レンズ名称をＬ３５、拡大側面の面番号を３０７、縮小側面の面番号を３０８とする）、負レンズ（レンズ名称をＬ３６、拡大側面の面番号を３０９、縮小側面の面番号を３１０とする）、正レンズ（レンズ名称をＬ３７、拡大側面の面番号を接合のため３１０、縮小側面の面番号を３１１とする）及び正レンズ（レンズ名称をＬ３８、拡大側面の面番号を３１２、縮小側面の面番号を３１３とする）を配して構成され、前記第３レンズ群ＬＧ３の縮小側には、大きな空気間隔を設け、その後に照明光学系との関連において第４レンズ群（レンズ群名称ＬＧ４）を、正レンズ（レンズ名称をＬ４１、拡大側面の面番号を４０１、縮小側面の面番号を４０２とする）にて構成しても良く、続いて前記第４レンズ群ＬＧ４の縮小側とライトバルブ面との間には僅かな空気間隔をおいて配置されるＤＭＤ等のライトバルブの構成部品であるカバーガラスＣＧ（拡大側面をＣ０１、縮小側面をＣ０２）を配置し構成される。

［実施例１］
本発明の投射光学系の第１実施例について数値例を表１に示す。また図１は、そのレンズ構成図、図２はその諸収差図である。
表の上段で、ｆは短距離投射光学系の焦点距離、Ｆ_noはＦナンバー、２ωは短距離投射光学系の全画角（単位：度）を表し、ｄ_ｐは１０１面と当該面の拡大側にある投射面までの距離を表し、ｈ_I１は１０１面における有効径の半径を表すものである。また下段のｒは曲率半径、ｄはレンズ厚またはレンズ間隔、ｎ_ｄはｄ線に対する屈折率、ν_ｄはｄ線のアッベ数を示す。諸収差図中の球面収差図におけるＣＡ１、ＣＡ２、ＣＡ３はそれぞれＣＡ１＝５５０ｎｍ、ＣＡ２＝４５０ｎｍ、ＣＡ３＝６２０ｎｍの各波長における収差曲線である。非点収差図におけるＳはサジタル、Ｍはメリディオナルを示している。また、全般に亘り特別に記載のない限り、諸値の計算に使用している波長はＣＡ１＝５５０．０ｎｍであり、長さの単位はｍｍである。

［実施例２］
本発明の投射光学系の第２実施例について数値例を表２に示す。また図３は、そのレンズ構成図、図４はその諸収差図である。

［実施例３］
本発明の投射光学系の第３実施例について数値例を表３に示す。また図５は、そのレンズ構成図、図６はその諸収差図である。

［実施例４］
本発明の投射光学系の第４実施例について数値例を表４に示す。また図７は、そのレンズ構成図、図８はその諸収差図である。

［実施例５］
本発明の投射光学系の第５実施例について数値例を表５に示す。また図９は、そのレンズ構成図、図１０はその諸収差図である。

［実施例６］
本発明の投射光学系の第６実施例について数値例を表６に示す。また図１１は、そのレンズ構成図、図１２はその諸収差図である。

次に第１実施例から第６実施例に関して条件式（１）から条件式（２０）に対応する値を、まとめて表７に示す。

表７から明らかなように、第１実施例から第６実施例の各実施例に関する数値は条件式（１）から条件式（２０）の条件式を満足しているとともに、各実施例における収差図からも明らかなように、各収差とも良好に補正されている。

以下に、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［請求項１］
拡大側から順に、全体で負の屈折力を有する第１レンズ群、全体で負の屈折力を有する第２レンズ群及び全体で正の屈折力を有する第３レンズ群から構成され、前記第３レンズ群の縮小側には、大きな空気間隔を設けた後ＤＭＤ等のライトバルブを配して構成される超広角光学系であって、前記第３レンズ群の最も縮小側の面から距離を経た後に結像する光学系であり、前記第１レンズ群のパワーに関して下記条件式（１）を満足し、前記第１レンズ群の最も拡大側の面から像面までの光軸上の距離と前記第１レンズ群の最も拡大側の面の有効径の大きさに関して下記条件式（２）及び下記条件式（３）を満足し、前記第２レンズ群の最も縮小側の面から像面までの光軸上の距離に関して下記条件式（４）を満足していることを特徴とする超広角光学系。
（１） −０．４４ ≦ ｆ／ｆ_I ≦ −０．１６
（２） ＴＬ／ｆ ≦ ３５
（３） Ｄ_I１／ＴＬ ≦ ０．７２
（４） ６．０ ≦ ｂ／ｆ
ただし、
ｆ ：光学系全系の合成焦点距離
（設計基準距離にある投射面に合焦の状態）
ｆ_I ：第１レンズ群の合成焦点距離
ＴＬ ：第１レンズ群の最も拡大側の面から像面までの光軸上の距離
（ただし、第４レンズ群及び平行平面のカバーガラス部分は空気換算距離）
Ｄ_I１ ：第１レンズ群の最も拡大側の面の有効径
ｂ ：第３レンズ群の最も縮小側の面から像面までの光軸上の距離
（ただし、第４レンズ群及び平行平面のカバーガラス部分は空気換算距離）
［請求項２］
前記請求項１記載の超広角光学系において、前記第１レンズ群は、拡大側から順に全体で負の屈折力を有する第１ａレンズ群及び全体で負の屈折力を有する第１ｂレンズ群から構成され、前記第１ａレンズ群及び前記第１ｂレンズ群のパワーに関して下記条件式（５）を満足していることを特徴とする。
（５） ０．２４ ≦ｆ_Iａ／ｆ_Iｂ ≦ １．２０
ただし、
ｆ_Iａ ：第１ａレンズ群の合成焦点距離
ｆ_Iｂ ：第１ｂレンズ群の合成焦点距離
［請求項３］
前記請求項１記載の超広角光学系において、前記第１レンズ群を構成する前記第１ａレンズ群は、拡大側から順に拡大側に凸のメニスカス形状で負の屈折力を有するレンズ（以下負レンズ）及び負レンズを配して構成され、前記第１ｂレンズ群は拡大側から順に負レンズ、負レンズ及び正の屈折力を有するレンズ（以下正レンズ）を配して構成され、前記第１ａレンズ群の有するパワーに関して下記条件式（６）を満足し、第１ａレンズ群において最も拡大側に配置されるレンズの形状の特徴に関して下記条件式（７）を満足し、第１ａレンズ群において拡大側から二番目に配置されるレンズの形状の特徴に関して下記条件式（８）を満足していることを特徴とする。
（６） −０．１８ ≦ ｆ／ｆ_Iａ ≦ −０．１２
（７） ３．５ ≦ｒ_I１／ｒ_I２ ≦ ６．４
（８） ３．５ ≦ｒ_I３／ｒ_I４ ≦ ５．０
ただし、
ｒ_I１ ：第１ａレンズ群において最も拡大側に配置されるレンズの拡大側面の曲率半径
ｒ_I２ ：第１ａレンズ群において最も拡大側に配置されるレンズの縮小側面の曲率半径
ｒ_I３ ：第１ａレンズ群において拡大側から二番目に配置されるレンズの拡大側面の曲率半径
ｒ_I４ ：第１ａレンズ群において拡大側から二番目に配置されるレンズの縮小側面の曲率半径
［請求項４］
前記請求項１記載の超広角光学系において、前記第１レンズ群を構成する前記第１ａレンズ群において拡大側から二番目に配置されるレンズの縮小側の空隙の大きさに関して下記条件式（９）を満足し、前記第１レンズ群を構成する前記第１ｂレンズ群において最も縮小側に配置されるレンズのパワーに関して下記条件式（１０）を満足し、当該レンズのレンズ形状の特徴に関して下記条件式（９）を満足していることを特徴とする。
（９） ２．３ ≦ ｄ_I４／ｆ ≦ ４．０
（１０） ０．１３ ≦ ｆ／ｆ_I５ ≦ ０．２０
（１１） ｜ｒ_I１０／ｒ_I９｜≦ ２．０ （絶対値はｒ_I１０ ≦ ０のため）
ただし、
ｄ_I４ ：第１ａレンズ群において拡大側から二番目に配置されるレンズの縮小側の空隙
ｆ_I５ ：第１ｂレンズ群において最も縮小側に配置されるレンズの焦点距離
ｒ_I９ ：第１ｂレンズ群において最も縮小側に配置されるレンズの拡大側面の曲率半径
ｒ_I１０：第１ｂレンズ群において最も縮小側に配置されるレンズの縮小側面の曲率半径
［請求項５］
前記請求項１記載の超広角光学系において、前記第２レンズ群は、拡大側から順に全体で負の屈折力を有する第２ａレンズ群及び全体で正又は負の屈折力を有する第２ｂレンズ群から構成され、前記第２ｂレンズ群のパワーに関して下記条件式（１２）を満足していることを特徴とする。
（１２） −０．０６ ≦ｆ／ｆ_IIｂ ≦ ０．１２
ただし、
ｆ_IIｂ ：第２ｂレンズ群の合成焦点距離
［請求項６］
前記請求項１記載の超広角光学系において、前記第２レンズ群を構成する前記第２ａレンズ群は、拡大側から順に正レンズ及び負レンズを配して構成され、前記第２レンズ群を構成する前記第２ｂレンズ群は、拡大側に凸のメニスカス形状で正又は負レンズを配して構成され、前記第２ａレンズ群の最も拡大側に配置されるレンズのパワーに関して下記条件式（１３）を満足し、拡大側から二番目に配置されるレンズのパワーに関して下記条件式（１４）を満足していることを特徴とする。
（１３） ０．０５ ≦ ｆ／ｆ_II１ ≦ ０．２０
（１４） −０．４５ ≦ ｆ／ｆ_II２ ≦ −０．２０
ただし、
ｆ_II１：第２ａレンズ群において最も拡大側に配置されるレンズの焦点距離
ｆ_II２：第２ａレンズ群において拡大側から二番目に配置されるレンズの焦点距離
［請求項７］
前記請求項１記載の超広角光学系において、前記第３レンズ群は、拡大側から順に全体で正又は負の屈折力を有する第３ａレンズ群及び全体で正の屈折力を有する第３ｂレンズ群から構成され、前記第３ｂレンズ群はのパワーに関して下記条件式（１５）を満足していることを特徴とする。
（１５） ０．２１ ≦ ｆ／ｆ_IIIｂ ≦ ０．３２
ただし、
ｆ_IIIｂ ：第３ｂレンズ群の合成焦点距離
［請求項８］
前記請求項１記載の超広角光学系において、前記第３レンズ群を構成する前記第３ａレンズ群は、拡大側から順に正レンズ、負レンズ、正レンズ及び負レンズを配して構成され、前記第３ａレンズ群を構成する正レンズの分散特性関して下記条件式（１６）を満足し、屈折率の特徴に関して各々下記条件式（１７）を満足していることを特徴とする。
（１６） ４２ ≦ ｖ_IIIａＰ
（１７） ｎ_IIIａＰ ≦ １．６２
ただし、
ｖ_IIIａＰ：第３ａレンズ群を構成する正レンズのアッベ数の平均値
ｎ_IIｂＰ ：第３ａレンズ群を構成する正レンズの屈折率の平均値
［請求項９］
前記請求項１記載の超広角光学系において、前記第３レンズ群を構成する前記第３ｂレンズ群は、拡大側から順に正レンズ、負レンズ、正レンズ及び正レンズを配して構成され、前記第３ｂレンズ群を構成する正レンズと負レンズの分散特性関して下記条件式（１８）を満足し、正レンズの屈折率の特徴に関して各々下記条件式（１９）を満足し、前記第３レンズ群において最も縮小側に配置されるレンズの形状に関して下記条件式（２０）を満足していることを特徴とする。
（１８） ２６ ≦ ｖ_IIIｂＰ−ｖ_IIIｂＮ
（１９） ｎ_IIIｂＰ ≦ １．６０
（２０） −０．３１ ≦ ｆ／ｒ_III１３ ≦ −０．２６
ただし、
ｖ_IIIｂＰ：第３ｂレンズ群を構成する正レンズのアッベ数の平均値
ｖ_IIIｂＮ：第３ｂレンズ群を構成する負レンズのアッベ数の平均値
ｎ_IIIｂＰ：第３ｂレンズ群を構成する正レンズの屈折率の平均値
ｒ_III１３：第３レンズ群において最も縮小側に配置されるレンズの縮小側面の曲率半径
［請求項１０］
前記請求項１乃至前記請求項８の少なくともいずれかの一項に記載される超広角光学系を搭載していることを特徴とした投射型表示装置。

Claims (10)

1. 拡大側から順に、全体で負の屈折力を有する第１レンズ群、全体で負の屈折力を有する第２レンズ群及び全体で正の屈折力を有する第３レンズ群から構成され、前記第３レンズ群の縮小側には、大きな空気間隔を設けた後ＤＭＤ等のライトバルブを配して構成される超広角光学系であって、前記第３レンズ群の最も縮小側の面から距離を経た後に結像する光学系であり、前記第１レンズ群のパワーに関して下記条件式（１）を満足し、前記第１レンズ群の最も拡大側の面から像面までの光軸上の距離と前記第１レンズ群の最も拡大側の面の有効径の大きさに関して下記条件式（２）及び下記条件式（３）を満足し、前記第２レンズ群の最も縮小側の面から像面までの光軸上の距離に関して下記条件式（４）を満足していることを特徴とする超広角光学系。
   （１） −０．４４ ≦ ｆ／ｆ_I ≦ −０．１６
   （２） ＴＬ／ｆ ≦ ３５
   （３） Ｄ_I１／ＴＬ ≦ ０．７２
   （４） ６．０ ≦ ｂ／ｆ
   ただし、
   ｆ ：光学系全系の合成焦点距離
   （設計基準距離にある投射面に合焦の状態）
   ｆ_I ：第１レンズ群の合成焦点距離
   ＴＬ ：第１レンズ群の最も拡大側の面から像面までの光軸上の距離
   （ただし、第４レンズ群及び平行平面のカバーガラス部分は空気換算距離）
   Ｄ_I１ ：第１レンズ群の最も拡大側の面の有効径
   ｂ ：第３レンズ群の最も縮小側の面から像面までの光軸上の距離
   （ただし、第４レンズ群及び平行平面のカバーガラス部分は空気換算距離）
2. 前記請求項１記載の超広角光学系において、前記第１レンズ群は、拡大側から順に全体で負の屈折力を有する第１ａレンズ群及び全体で負の屈折力を有する第１ｂレンズ群から構成され、前記第１ａレンズ群及び前記第１ｂレンズ群のパワーに関して下記条件式（５）を満足していることを特徴とする。
   （５） ０．２４ ≦ｆ_Iａ／ｆ_Iｂ ≦ １．２０
   ただし、
   ｆ_Iａ ：第１ａレンズ群の合成焦点距離
   ｆ_Iｂ ：第１ｂレンズ群の合成焦点距離
3. 前記請求項１記載の超広角光学系において、前記第１レンズ群を構成する前記第１ａレンズ群は、拡大側から順に拡大側に凸のメニスカス形状で負の屈折力を有するレンズ（以下負レンズ）及び負レンズを配して構成され、前記第１ｂレンズ群は拡大側から順に負レンズ、負レンズ及び正の屈折力を有するレンズ（以下正レンズ）を配して構成され、前記第１ａレンズ群の有するパワーに関して下記条件式（６）を満足し、第１ａレンズ群において最も拡大側に配置されるレンズの形状の特徴に関して下記条件式（７）を満足し、第１ａレンズ群において拡大側から二番目に配置されるレンズの形状の特徴に関して下記条件式（８）を満足していることを特徴とする。
   （６） −０．１８ ≦ ｆ／ｆ_Iａ ≦ −０．１２
   （７） ３．５ ≦ｒ_I１／ｒ_I２ ≦ ６．４
   （８） ３．５ ≦ｒ_I３／ｒ_I４ ≦ ５．０
   ただし、
   ｒ_I１ ：第１ａレンズ群において最も拡大側に配置されるレンズの拡大側面の曲率半径
   ｒ_I２ ：第１ａレンズ群において最も拡大側に配置されるレンズの縮小側面の曲率半径
   ｒ_I３ ：第１ａレンズ群において拡大側から二番目に配置されるレンズの拡大側面の曲率半径
   ｒ_I４ ：第１ａレンズ群において拡大側から二番目に配置されるレンズの縮小側面の曲率半径
4. 前記請求項１記載の超広角光学系において、前記第１レンズ群を構成する前記第１ａレンズ群において拡大側から二番目に配置されるレンズの縮小側の空隙の大きさに関して下記条件式（９）を満足し、前記第１レンズ群を構成する前記第１ｂレンズ群において最も縮小側に配置されるレンズのパワーに関して下記条件式（１０）を満足し、当該レンズのレンズ形状の特徴に関して下記条件式（９）を満足していることを特徴とする。
   （９） ２．３ ≦ ｄ_I４／ｆ ≦ ４．０
   （１０） ０．１３ ≦ ｆ／ｆ_I５ ≦ ０．２０
   （１１） ｜ｒ_I１０／ｒ_I９｜≦ ２．０ （絶対値はｒ_I１０ ≦ ０のため）
   ただし、
   ｄ_I４ ：第１ａレンズ群において拡大側から二番目に配置されるレンズの縮小側の空隙
   ｆ_I５ ：第１ｂレンズ群において最も縮小側に配置されるレンズの焦点距離
   ｒ_I９ ：第１ｂレンズ群において最も縮小側に配置されるレンズの拡大側面の曲率半径
   ｒ_I１０：第１ｂレンズ群において最も縮小側に配置されるレンズの縮小側面の曲率半径
5. 前記請求項１記載の超広角光学系において、前記第２レンズ群は、拡大側から順に全体で負の屈折力を有する第２ａレンズ群及び全体で正又は負の屈折力を有する第２ｂレンズ群から構成され、前記第２ｂレンズ群のパワーに関して下記条件式（１２）を満足していることを特徴とする。
   （１２） −０．０６ ≦ｆ／ｆ_IIｂ ≦ ０．１２
   ただし、
   ｆ_IIｂ ：第２ｂレンズ群の合成焦点距離
6. 前記請求項１記載の超広角光学系において、前記第２レンズ群を構成する前記第２ａレンズ群は、拡大側から順に正レンズ及び負レンズを配して構成され、前記第２レンズ群を構成する前記第２ｂレンズ群は、拡大側に凸のメニスカス形状で正又は負レンズを配して構成され、前記第２ａレンズ群の最も拡大側に配置されるレンズのパワーに関して下記条件式（１３）を満足し、拡大側から二番目に配置されるレンズのパワーに関して下記条件式（１４）を満足していることを特徴とする。
   （１３） ０．０５ ≦ ｆ／ｆ_II１ ≦ ０．２０
   （１４） −０．４５ ≦ ｆ／ｆ_II２ ≦ −０．２０
   ただし、
   ｆ_II１：第２ａレンズ群において最も拡大側に配置されるレンズの焦点距離
   ｆ_II２：第２ａレンズ群において拡大側から二番目に配置されるレンズの焦点距離
7. 前記請求項１記載の超広角光学系において、前記第３レンズ群は、拡大側から順に全体で正又は負の屈折力を有する第３ａレンズ群及び全体で正の屈折力を有する第３ｂレンズ群から構成され、前記第３ｂレンズ群はのパワーに関して下記条件式（１５）を満足していることを特徴とする。
   （１５） ０．２１ ≦ ｆ／ｆ_IIIｂ ≦ ０．３２
   ただし、
   ｆ_IIIｂ ：第３ｂレンズ群の合成焦点距離
8. 前記請求項１記載の超広角光学系において、前記第３レンズ群を構成する前記第３ａレンズ群は、拡大側から順に正レンズ、負レンズ、正レンズ及び負レンズを配して構成され、前記第３ａレンズ群を構成する正レンズの分散特性関して下記条件式（１６）を満足し、屈折率の特徴に関して各々下記条件式（１７）を満足していることを特徴とする。
   （１６） ４２ ≦ ｖ_IIIａＰ
   （１７） ｎ_IIIａＰ ≦ １．６２
   ただし、
   ｖ_IIIａＰ：第３ａレンズ群を構成する正レンズのアッベ数の平均値
   ｎ_IIｂＰ ：第３ａレンズ群を構成する正レンズの屈折率の平均値
9. 前記請求項１記載の超広角光学系において、前記第３レンズ群を構成する前記第３ｂレンズ群は、拡大側から順に正レンズ、負レンズ、正レンズ及び正レンズを配して構成され、前記第３ｂレンズ群を構成する正レンズと負レンズの分散特性関して下記条件式（１８）を満足し、正レンズの屈折率の特徴に関して各々下記条件式（１９）を満足し、前記第３レンズ群において最も縮小側に配置されるレンズの形状に関して下記条件式（２０）を満足していることを特徴とする。
   （１８） ２６ ≦ ｖ_IIIｂＰ−ｖ_IIIｂＮ
   （１９） ｎ_IIIｂＰ ≦ １．６０
   （２０） −０．３１ ≦ ｆ／ｒ_III１３ ≦ −０．２６
   ただし、
   ｖ_IIIｂＰ：第３ｂレンズ群を構成する正レンズのアッベ数の平均値
   ｖ_IIIｂＮ：第３ｂレンズ群を構成する負レンズのアッベ数の平均値
   ｎ_IIIｂＰ：第３ｂレンズ群を構成する正レンズの屈折率の平均値
   ｒ_III１３：第３レンズ群において最も縮小側に配置されるレンズの縮小側面の曲率半径
10. 前記請求項１乃至前記請求項８の少なくともいずれかの一項に記載される超広角光学系を搭載していることを特徴とした投射型表示装置。

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