JP2014174483A

JP2014174483A - 投射光学系および画像投射装置

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Publication number: JP2014174483A
Application number: JP2013049709A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Arai; 伸幸新井; 洋平 ▲高▼野; Yohei Takano; Hibiki Tatsuno; 響辰野
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2014-09-22

Abstract

【課題】小型化と、縦の色収差の良好な補正とが可能な投射光学系を実現する。
【解決手段】投射光学系は、画像表示素子１に表示された画像を、スクリーン上に拡大して投射する投射光学系であって、画像表示素子側から順に、第１光学系２と、第２光学系３とを有し、第１光学系は、複数のレンズ群を有し、ペッツバール和が正であって、画像表示素子に表示された画像を中間像ＩＮＴとして結像させる機能を持ち、第２光学系３は、第１光学系に対して凹面を向けた凹面ミラーを有し、中間像を拡大して前記スクリーン上に結像する機能を有し、記第１光学系の複数のレンズ群の１以上は正の屈折力を持ち、第１光学系の正の屈折力をもつレンズ群に含まれる正レンズの１枚以上につき、その材料の屈折率：ｎ_d、アッベ数：ν_ｄ、部分分散比：θ_ｇＦが、条件（１）、（２）を満足するレンズを有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、投射光学系および画像投射装置に関する。

画像投射装置はプロジェクタ装置として実施できる。

画像表示素子に表示された画像を、スクリーン上に拡大して投射する投射光学系が広く、実用化されつつある。

画像表示素子は、具体的には透過型や反射型の各種の液晶パネルや、デジタル・ミラー・ディスク（以下「ＤＭＤ」と略記する。）等である。

これら画像表示素子を以下「ライトバルブ」とも言う。

レンズ系と凹面ミラーとを組合せて投射を行なう投射光学系が知られている（特許文献１、２）。
レンズ系と凹面ミラーを組合せることにより、投射距離を短くすることが可能である。

「投射距離」は、投射光学系における最も拡大側の光学素子の「光軸との交点」と、投射画像を投射するスクリーンとの「光軸に平行な距離成分」である。

投射距離が短いと、投射光学系を装備した画像投射装置をスクリーンに近接させて、投射画像を投射でき、画像投射に必要なスペースを小さくできる。

一方において、投射画像（スクリーン上に投射される画像を言う。）の拡大倍率も大きくなってきており、投射画像も「カラー画像」が主流である。

カラー画像を高い拡大倍率で投射した場合、投射光学系の色収差が十分に補正されていないと、投射画像の像質が劣化して「見づらい画像」になってしまう。

周知の如く、色収差には「軸上色収差」と「倍率色収差」があるが、結像光束の主光線がレンズ系光軸に対して傾いている場合がある。

そこで、このような場合の色収差のうちで、軸上色収差に相当するものをこの明細書中においては「縦の色収差」と称する。

投射画像の像質を劣化させる原因となるのは「縦の色収差」や「色収差の２次スペクトル」である。

特許文献１、２に開示された投射光学系は、小型化の達成に成功していると言えるが、
「縦の色収差や色収差の２次スペクトル」に関しては考慮されていない。

投射光学系の小型化には、レンズ系を構成するレンズ枚数の低減や、レンズの薄肉化が不可欠であるが、レンズ枚数を減らすと色収差の補正に十分な考慮が必要である。

投射画像の高画質化には、特に４４０ｎｍ近傍の短波長領域の色収差を十分に補正することが重要である。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、小型化と、縦の色収差の良好な補正とが可能な投射光学系の実現を課題とする。

この発明の投射光学系は、画像表示素子に表示された画像を、スクリーン上に拡大して投射する投射光学系において、画像表示素子側から順に、第１光学系と、第２光学系とを有し、前記第１光学系は、複数のレンズ群を有し、ペッツバール和が正であって、前記画像表示素子に表示された画像を中間像として結像させる機能を持ち、前記第２光学系は、前記第１光学系に対して凹面を向けた凹面ミラーを有し、前記中間像を拡大して前記スクリーン上に結像する機能を有し、前記第１光学系の複数のレンズ群の１以上は正の屈折力を持ち、前記第１光学系の正の屈折力をもつレンズ群に含まれる正レンズの１枚以上につき、その材料の屈折率：ｎ_d、アッベ数：ν_ｄ、部分分散比：θ_ｇＦが、条件：
（１） 0.651<θ_gF+0.001682ν_d<0.673
（２） 1.50<n_d<1.60
を満足するレンズを有することを特徴とする。

この発明の投射光学系は、上記構成により小型化と、縦の色収差の良好な補正とが可能である。

画像投射装置の実施の１形態を説明するための図である。投射光学系の実施例１を示す図である。実施例１の構成を示す図である。投射光学系の実施例２を示す図である。実施例２の構成を示す図である。画像表示面上に表示される画像表示領域の「画角番号」を示す図である。実施例１の投射画像の対角長サイズ：６０インチ（ｗｉｄｅ側）におけるスクリーン上のビームスポット径比を示す図である。実施例１の投射画像の対角長サイズ：６０インチ（Ｔｅｌｅ側）におけるスクリーン上のビームスポット径比を示す図である。実施例１の投射画像の対角長サイズ：１１０インチ（ｗｉｄｅ側）におけるスクリーン上のビームスポット径比を示す図である。実施例１の投射画像の対角長サイズ：１１０インチ（Ｔｅｌｅ側）におけるスクリーン上のビームスポット径比を示す図である。実施例１の投射画像の対角長サイズ：６０インチ（ｗｉｄｅ側）のスクリーン上の画角番号：１、５、１３、２１、２５の画角についての横収差図である。実施例１の投射画像の対角長サイズ：６０インチ（ｔｅｌｅ側）のスクリーン上の画角番号：１、５、１３、２１、２５の画角についての横収差図である。実施例１の投射画像の対角長サイズ：１１０インチ（ｗｉｄｅ側）のスクリーン上の画角番号：１、５、１３、２１、２５の画角についての横収差図である。実施例１の投射画像の対角長サイズ：１１０インチ（ｔｅｌｅ側）のスクリーン上の画角番号：１、５、１３、２１、２５の画角についての横収差図である。実施例２の投射画像の対角長サイズ：６０インチにおけるスクリーン上のビームスポット径比を示す図である。実施例２の投射画像の対角長サイズ：１１０インチにおけるスクリーン上のビームスポット径比を示す図である。実施例２の投射画像の対角長サイズ：６０インチのスクリーン上の画角番号：１、５、１３、２１、２５の画角についての横収差図である。実施例２の投射画像の対角長サイズ：１１０インチのスクリーン上の画角番号：１、５、１３、２１、２５の画角についての横収差図である。スポットダイアグラムのＲＭＳスポット径の算出を説明する図である。照明系の１例を説明する図である。照明系の別の例を説明する図である。

以下、実施の形態を説明する。
図１に、画像投射装置（プロジェクタ装置）の実施の１形態を示す。

図１に示すように、画像投射装置１００は、画像表示素子１に表示された画像を、スクリーン４上に拡大して投射する。

図２および図４に、画像投射装置に用いられる投射光学系の実施の形態を２例示す。

これ等の２例の実施の形態は、後述する投射光学系の実施例１及び２に対応する。

図２および図４に実施の形態を示す投射光学系は、第１光学系２と第２光学系３により構成されている。

第１光学系２は複数のレンズ群を有し、画像表示素子１に表示される画像の像を中間像ＩＮＴとして結像させる機能を有する。

画像表示素子１は、図示されない画像信号入力部から入力される画像信号に従って、各画素の透過率や反射率を調整し、画像を表示する。

画像が表示される面を「画像表示面」と呼ぶ。

画像が表示された画像表示面は、図示されない照明光源からの照明光により照射され、照明光は表示された画像により２次元的に強度変調される。

強度変調された光は、第１光学系２を透過する。そして、透過光は第１光学系２の作用により、表示された画像の中間像ＩＮＴとして結像する。

第２光学系３は、第１光学系２側に凹面を向けた凹面ミラーであり、中間像ＩＮＴを物体として、その拡大像をスクリーン４上に拡大投射する。

画像表示素子１の画像表示面の中央部は、第１光学系２の光軸よりも、図２、図４において上方にシフトしている。

図３は、図２に示す投射光学系の、第１光学系２の部分を拡大して示している。また、図５は、図４に示す投射光学系の、第１光学系２の部分を拡大して示している。

図３、図５において、図の左方は縮小側、即ち、画像表示素子側であり、右方は第２光学系（凹面ミラー３）の側である。

図３、図５に示すように、これ等の実施の形態の投射光学系は何れも、第１光学系２が「１３枚のレンズ」で構成されている。

繁雑を避けるため、図３、図５の各構成において、これら１３枚のレンズを、画像表示素子１側から順次、レンズＬ１、レンズＬ２、・・、レンズＬ１３と呼ぶことにする。

また、図３、図５に示すように、画像表示素子の画像表示面とレンズＬ１〜レンズＬ１３の各レンズ面および開口絞りの面を面Ｓ０、面Ｓ１、・・、面Ｓ２１、面Ｓ２３と呼ぶ。

面Ｓ０は「画像表示面」であり、「開口絞りの面」は面Ｓ５である。

第２光学系は１枚の凹面ミラー３により構成されており、その反射面を面２４とする。そして、投射画像を投射されるスクリーン４を面２５とする（図１参照）。

これら実施の２形態の投射光学系の第１光学系は、共にレンズ群を５有している。即ち、第１光学系２は５群１３枚構成である。

第１群はレンズＬ１〜レンズＬ３で構成され、第２群はレンズＬ４〜レンズＬ７により構成され、第３群はレンズＬ８〜レンズＬ１１により構成されている。

また、第４群は１枚のレンズＬ１２により構成され、第５群の１枚のレンズＬ１３で構成されている。
第１群〜第３群、第５群の屈折力は何れも「正」で、第４群の屈折力は「負」である。

即ち、第１〜第３群、第５群は「正レンズ群」、第４群は「負レンズ群」である。

以下、上記の実施の各形態に対応する具体的な実施例を説明する。

以下に挙げる２つの実施例の数値において、長さの次元を持つものの単位は、特に断らない限り「ｍｍ」である。

「実施例１」
実施例１は、図２及び図３に即して説明した投射光学系の具体的な実施例である。

実施例１の投射光学系は、フォーカス機能のほかにズーム機能を有する。
「ズーム機能」は、投射距離を変化させることなく、スクリーン上の投射画像のサイズを微調整する機能である。

ズーム機能は、「ズーム群」をなす第２群（レンズＬ４〜レンズＬ７で構成される。）を光軸上で変位させることにより実施され、「ズーム倍率：１．０５倍」を実現する。

また、フォーカス機能は、投射距離に応じてスクリーン上の投射画像のピントを合わせる機能である。

フォーカス機能は、フォーカス群である第４群（レンズＬ１２により構成される。）を光軸上で変位させることにより実現される。

フォーカス調整可能な「投射画像のサイズ」は、対角長で６０〜１１０インチである。

図３の上図は、投射画像のサイズが６０インチの場合であり、下図は１１０インチの状態を示す。

投射画像のサイズを６０インチから１１０インチに拡大する場合には、図の如く、第３群をなすレンズＬ１２を縮小側へ変位して行う。

また、投射画像のサイズを微調整するズーム機能は、第２群を図の如く、拡大側へ移動させてＷｉｄｅ（広角端）からＴｅｌｅ（望遠端）へ変倍することにより行われる。

実施例１の諸元を表１に示す。

表１中のアッベ数：ν_ｄ、部分分散比：θ_ｇＦは周知の如く、フラウンホーファ線のｇ、ｄ、Ｆ、Ｃの各線に対する屈折率：ｎ_ｇ、ｎ_ｄ、ｎ_Ｆ、ｎ_Ｃにより以下の如く定義される。

ν_ｄ＝(n_ｄ-１）/（n_Ｆ-n_Ｃ）
θ_ｇＦ＝(n_ｇ-n_Ｆ）/（n_Ｆ-n_Ｃ）
実施例１の投射光学系の物体側の開口数は０．１９５である。

画像表示素子１の「画像表示面」である面Ｓ０に表示される画像のサイズは「横：縦の長さ比」が１６：１０で、対角長が０．６５インチの長方形形状である。

面Ｓ０と面Ｓ１とは、図２における上下方向（Ｙ方向とする。）において、１．１６０８ｍｍずれている。

即ち、画像表示面の中心は、第１光学系の光軸に対して、図２の上方へ１．１６０８ｍｍシフトしている。
面Ｓ２２と面Ｓ２３とを有するレンズＬ１３は「両面が非球面のプラスチックの非球面レンズ」であり、第２光学系３をなす凹面ミラーのミラー形状は非球面である。

非球面の形状は、光軸からの高さ：ｈ、近軸曲率半径：Ｒ、コーニック係数：Ｋ、非球面係数：Ａｉ、非球面量：Ｚ（ｈ）として、周知の次式（Ａ）で表される。
Ｚ(ｈ)＝(1/Ｒ)ｈ^２／[１＋√{１−(１＋Ｋ)(ｈ/Ｒ)^２}＋ΣＡ_ｉｈ^ｉ（Ａ）
右辺の和（Σ）は「ｉについて１から１４」まで取る。

上記の面Ｓ２２、面Ｓ２３、面Ｓ２４に関する非球面データ（上記「Ｒ」、「Ｋ」、「Ａ１〜Ａ１４」の値）を表２に示す。

また、表３には、開口絞りと、第２群と、第４群の移動量と投射距離を示す。

実施例１において、第１群のレンズＬ２と、第３群のレンズＬ１０に硝材として、Ｓ−ＦＰＭ２（商品名株式会社オハラ製）を用いている。

この硝材の屈折率：n_ｄ=１．５９５２である。
また、部分分散比：θ_ｇＦ+０．００１６８２ν_d=０．６５８である。

従って、レンズＬ２とレンズＬ１０の材料は、条件（１）と（２）を満足する。

レンズＬ２は、正の屈折力を持つ第１群中において「最も強い正の屈折力」を持つレンズである。また、レンズＬ１０は、負の屈折力の第３群中で負の屈折力が最も強い。

屈折力が強いレンズは、その焦点距離の絶対値が小さい。

このように、レンズＬ２、Ｌ１０の材料が、条件（１）と（２）とを満足することにより、縦の色収差の補正と、色収差の２次スペクトルの補正が容易に可能となる。

実施例１の投射光学系において、第２群がズーム群で、第４群がフォーカス群である。これら第２、第４群は光軸上を可変であるが、他のレンズ群は固定である。

即ち、条件（１）と（２）を満足するレンズＬ２、Ｌ１０が、移動しない固定群（第１群、第３群、第５群）に設けられている。

従って、投射距離が変わることによる「縦の色収差の変動」を抑えることができる。

第１光学系２の全系は「正の屈折力」を持ち、ペッツバール和を正の値：＋０．０１３５としている。

「ペッツバール和」は、レンズ系を構成する各レンズの焦点距離：ｆ_ｉと材料の屈折率：ｎ_ｉによる「１／（（ｎ_ｉｆ_ｉ）」を全レンズについて加え合わせたものである。

即ち、実施例１においては「Σ１／（ｎ_ｉｆ_ｉ）ｉ＝１〜１３」である。

このように第１光学系２が「正のペッツバール和」を持つことにより、中間像ＩＮＴが図２に示す如き結像状態となる。

即ち、中間像ＩＮＴは、光軸から（Ｙ方向、図の下方）へ離れるに従い「像点」が光軸方向の縮小側に近づく形状となっている。

中間像ＩＮＴの結像状態をこのようにすることにより、中間像ＩＮＴを物体として、その拡大像をスクリーン上に結像する凹面ミラー３を小型にすることができる。

実施例は、このような構成により、６０〜１１０インチ投射で、ズーム機能を有しながら、小型で投射距離の短い投射光学系となっている。

即ち、画像表示素子１の画像表示面から凹面ミラー３までの「光軸上の距離」は３１０ｍｍ以下である。

また、６０インチ投射時の凹面ミラー３からスクリーン４までの光軸方向の距離である投射距離は４２０ｍｍ以下に抑えられている。

次に、実施例１の投射光学系の性能について以下に説明する。

図６は、投射光学系の光軸と画像表示面との交点を原点として、画像表示面上に表示される画像表示領域の「画角番号」を表している。

この画角番号に対応する画像表示領域の座標を示したものが、表４である。

Ｙ座標は、前述の如く、図２の上下方向で、図２の上方へ向かう方向が「正」である。

Ｘ座標は、図２において図面に直交する方向で、手前側に向かう側が「正」である。

Ｘ方向については、Ｙ軸に関して対称であるので、Ｘ≧０の領域のみを評価している。

図７、図８に、投射画像の対角長サイズ：６０インチ（ｗｉｄｅ側、Ｔｅｌｅ側）におけるスクリーン上の「ビームスポット径比」を示す。

また、図９、図１０に、投射画像の対角長サイズ：１１０インチ（ｗｉｄｅ側、Ｔｅｌｅ側）におけるスクリーン上のビームスポット径比を示す。

図７〜図１０において、横軸は画角番号、縦軸は「ビームスポット径比」である。

ビームスポット径比は、スクリーン上における「１画素に対する、スポットダイアグラムのＲＭＳスポット径」である。

「スポットダイアグラムのＲＭＳスポット径」の算出を図１９に即して説明する。

なお、図１９は説明上の概念図であり、図に示された「入射瞳の形状、スポットダイアグラムの形状」は、実施例１のものとは異なる。

図１９（ａ）は、第１光学系の「軸（光軸）上の入射瞳」を表し、同図（ｂ）は「軸外の入射瞳」を表す。
これらの入射瞳を「等間隔の格子状に分割」し、それぞれの光線のスポットダイアグラムとして表したものが図１９（ｃ）、（ｄ）である。

図１９（ｃ）、（ｄ）におけるＸ軸、Ｙ軸の原点は、それぞれの軸方向における「全光線の重心位置」である。
ＲＭＳスポット径は、それぞれの光線と「全光線の重心位置」との間隔を２乗和平方にて積み上げたものである。

ＲＭＳスポット径の半径の計算方法を式（Ｂ）に示す。ビームスポット径比は、ＲＭＳスポット半径の２倍を「ＲＭＳスポット直径」として求めている。
「ＲＭＳスポット径」は、次の式Ｂにより算出される「σ^２」である。

σ^２＝Σ{Ｗ_λ∫∫[(ｘ(λ；ｘ_ｐ，ｙ_ｐ)−[ｘ])^２
＋(ｙ(λ；ｘ_ｐ，ｙ_ｐ)−[ｙ])^２]ｄｘ_ｐｄｙ_ｐ}／ΣＷ_λ （Ｂ）
式（Ｂ）において、ｘ（λ；ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）は、瞳点（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）を通り、波長：λで追跡される像平面のｘ座標であり、［ｘ］は「ｘの平均値」である。

式（Ｂ）において、ｙ（λ；ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）は、瞳点（ｘ_ｐ，ｙ_ｐ）を通り、波長：λで追跡される像平面のｙ座標であり、［ｙ］は「ｙの平均値」である。

「Ｗ_λ」は「波長：λに対して付けられた重み」で、和（Σ）は波長：λ（赤・緑・青の３波長）についてとる。

「スクリーン上の１画素」は、解像度がＷＸＧＡ（１２８０Ｘ８００）での１画素であり、６０インチ時は１．１８ｍｍ、１１０インチ時は２．１９ｍｍである。
評価波長は、Ｒ(６２０ｎｍ)、Ｇ(５５０ｎｍ)、Ｂ(４６０ｎｍ)の３色に、ｇ線の４３５ｎｍを加え、色収差の２次スペクトルが補正できていることを確認した。
図７〜図１０に示すように、実施例１の投射光学系は６０インチ〜１１０インチのズーム光学系で、上記４波長につき、全画角でビームスポット径比が１．０以下である。

このことから、実施例１の投射光学系の「縦の色収差」が良好に補正されていることが分かる。

図１１〜図１４には、投射画像の対角長サイズ：６０インチ、１１０インチ（ｗｉｄｅ側、Ｔｅｌｅ側）のスクリーン上の光線について、横収差図を示す。

何れも、画角番号：１、５、１３、２１、２５の画角についての横収差図である。
これらの図の縦軸の範囲は、スクリーン上の「±１画素相当」とした。

図１１〜図１４に示す通り、各画角において、横収差は良好に補正されている。特に、ｇ線を加えた倍率色収差は、最大でも０．５画素以内に抑えられている。

「実施例２」
実施例２は、図４及び図５に即して説明した投射光学系の具体的な実施例である。

実施例２の投射光学系の諸元を、表１に倣って表５に示す。

画像表示素子１は、実施例１に示したものと同じものである。
即ち、その画像表示面はである面Ｓ０に表示される画像のサイズは「横：縦の長さ比」が１６：１０で、対角長が０．６５インチの長方形形状である。

面Ｓ０と面Ｓ１とは、図２における上下方向（Ｙ方向とする。）において、１．１１９３ｍｍずれている。

即ち、画像表示面の中心は、第１光学系の光軸に対して、図２の上方へ１．１１９３ｍｍシフトしている。
実施例２の投射光学系の物体側の開口数も、実施例１と同じく０．１９５である。

レンズＬ１の面Ｓ１、Ｓ２は「ガラスモールドによる非球面」であり、レンズ１３はプラスチックの非球面レンズで、その両面である面Ｓ２２、面Ｓ２３は非球面である。

第２光学系３をなす凹面ミラーの鏡面である面Ｓ２４も非球面形状である。

実施例２の投射光学系の非球面データを表２に倣って、表６に示す。

実施例２のように、画像表示素子に最も近いレンズＬ１を非球面とすることにより、球面収差を最も効率的に補正することができる。

また、レンズＬ１は、条件（１）と（２）とを満足する材料で形成されており、このようにすることにより「縦の色収差」を最も効率的に補正することができる。

実施例２においては、レンズＬ１、レンズＬ２、レンズＬ１０の材料として、硝材：Ｓ−ＦＰＭ３（商品名株式会社オハラ製）を使用している。

この硝材の屈折率：ｎ_ｄ＝１．５３７２、部分分散比：θ_ｇＦ＋０．００１６８２ν_ｄ＝０．６６４であり、条件（１）と（２）を満足する。
レンズＬ２は「正の屈折力を持つ第１群において最も正の屈折力が強いレンズ」で、レンズＬ１０は「負の屈折力を持つ第３群において最も負の屈折力が強いレンズ」である。

これらレンズＬ２、Ｌ１０が共に条件（１）と（２）を満足することにより、縦の色収差と、色収差の２次スペクトルとを共に良好に補正することができる。

実施例２の投射光学系のフォーカス動作に伴う移動群の移動と投射距離を表７に示す。

第４群がフォーカス群として、投射距離に合わせてフォーカス調整を行う。
フォーカス調整可能な画像サイズは６０インチから１１０インチである。
条件（１）と（２）を満たす硝材によるレンズを使用する第１群と第３群は移動しない構成であるので、投射距離が変わっても縦の色収差の変動を抑えることができる。

第１光学系全系は正の屈折力を持ち、ペッツバール和を＋０．０１２８と正の値にしている。

ペッツバール和を正の値にすることにより、中間像ＩＮＴを図４に破線で示すように、光軸から（Ｙ方向）離れるに従って像点が縮小側に近づく構成となっている。

このような結像関係とすることで、中間像を物体とする投射画像をスクリーンへ拡大投射する第２光学系３（凹面ミラー）を小型にできる。

実施例２の投射光学系は、このような構成により、小型で「投射装置の短い」投射光学系となっている。

即ち、６０〜１１０インチの投射画像の投射で、画像表示面から第２光学系３である凹面ミラーまでの光軸方向の距離は３１０ｍｍ以下である。

また、６０インチの投射画像の投射時の第２光学系３からスクリーン４までの光軸方向の距離は４２０ｍｍ以下に抑えられている。

実施例２の光学系の性能について以下に示す。

表４と図６に即して説明した画角番号と「画像表示面上の対応座標」を用い、６０インチと１１０インチのスクリーン上のビームスポット径比を、図１５、図１６に示す。

横軸は画角番号、縦軸はビームスポット径比である。

実施例２においてもスクリーン上の１画素は、解像度がＷＸＧＡ（１２８０Ｘ８００）での１画素である。

即ち、投射画像の対角長：６０インチのときは１．１８ｍｍ、対角長：１１０インチのときは２．１９ｍｍである。
評価波長は、実施例１の場合と同様、Ｒ(６２０ｎｍ)、Ｇ(５５０ｎｍ)、Ｂ(４６０ｎｍ)、ｇ（４３５ｎｍ）の４波長とした。

図１５、図１６に示されたように、実施例２の投射光学系でも、縦の色収差が良好に補正されている。

即ち、対角長：６０インチ〜１１０インチの投射画像を投射する光学系において、上記４波長について、全画角でビームスポット径比が１．０以下になっている。
図１７、図１８に、投射画像の対角長サイズ：６０インチ、１１０インチのスクリーン上の光線について、横収差図を示す。

何れも、画角番号：１、５、１３、２１、２５の画角についての横収差図である。
図の縦軸の範囲はスクリーン上の±１画素相当とした。
図１７、図１８に示すように、各画角において横収差が良好に補正され、特に、ｇ線を加えた倍率色収差は、最大でも０．５画素以内に抑えられている。

この発明の投射光学系では、上述の如く、第１光学系の複数のレンズ群の１以上は正の屈折力を持つ。

そして、第１光学系の正の屈折力をもつレンズ群に含まれる正レンズの１枚以上につき、その材料が条件（１）と（２）を満足する。

条件（２）は、正レンズの材質の屈折率の範囲を規制している。

投射光学系を小型化のためには、第１光学系を構成するレンズの肉厚が薄いことが好ましい。

必要な焦点距離を確保しつつ肉厚を薄くするには、正レンズの硝材は高屈折率であることが好ましい。

条件（２）の下限を超えるような「低屈折率の硝材」を用いると、必要な焦点距離を確保するためにレンズ肉厚が増大し、光学系が大型化し易い。

あるいは、焦点距離を確保しつつ低屈折率な硝材で肉厚を薄くすると、レンズ面の曲率が大きくなり、部品ばらつきや取り付けばらつきによる収差の劣化が大きくなり易い。

逆に、条件（２）の上限を超える高屈折率の硝材で正レンズを形成すると、中間像が第２光学系よりも第１光学系側に結像し、第２光学系（凹面ミラー）が大型化し易い。

条件（１）は、縦の色収差の抑制に有効な条件である。

正レンズの材質が条件（１）の下限を超えるほどアッベ数（分散）が小さいと、縦の色収差が大きく発生してしまう。

逆に、アッベ数は小さくても、条件（１）の上限を超えるほどに部分分散比が大きいと、異常分散性が高くなり、色収差の２次スペクトルが補正過剰となってしまう。

条件（１）を満足する正レンズの使用により、縦の色収差を良好に抑制でき、色収差の２次スペクトルの良好な補正が可能になる。

この発明の投射光学系では、第１光学系のペッツバール和を正としている。

ペッツバール和は「ペッツバール像面の曲率」を示すが、これを正にすることで、ペッツバール像面である「中間像」が第１光学系側に向かって凹の形状をとる。
即ち、第１光学系のペッツバール和を正にしたことにより、中間像は図２、図４に示すように、第２光学系の凹面と「凹面の向き」が同じになる。

これは、中間像の像点が「光軸から遠い方が第１光学系に近くなる」ように傾斜湾曲させるのに有利である。

第２光学系はその凹面による反射で、中間像の拡大像をスクリーン上に結像させる。

中間像の傾斜湾曲が上記の如くであると、中間像とスクリーンの間の結像の共役関係を、第２光学系を大型化せずに実現しやすい。

従って、第１光学系のペッツバール和を正にすることで、第２光学系のサイズを小さくすることが可能になる。

ペッツバール和（Σ１／（ｎｆ））を正にするには、屈折力の強い正レンズ（焦点距離：ｆが短い）に、低屈折率（ｎが小さい）なレンズを用いるのが良い。
条件（２）を満足する材料は屈折率が高くはない。従って、条件（１）、（２）を満足する材料で「第１光学系中で正の屈折力が大きいレンズ」を形成するのがよい。

上に説明した実施例１、２では、何れも「画像表示素子に最も近い第１群中の正レンズ（実施例１、２で共にレンズＬ２）の材料が条件（１）と（２）を満足している。

このように、最も屈折力の強い正レンズを、条件（１）、（２）を満足する材料で形成することにより、投射距離、投射光学系の小型化を促進することができる。

投射光学系では一般に、画像表示素子に最も近く、正の屈折力を持つレンズは、光学系組み付けの公差に対する収差の感度が高い。

この感度を抑えるためには、レンズ面の曲率が小さいことが好ましい。レンズ面の曲率の増大を抑えつつ屈折力を確保するには、高屈折率の材料の採用が好ましい。

しかし、一般に、高屈折率の材料は高分散であり、投射光学系の正レンズとして用いた場合、縦の色収差を大きく発生させやすい。

投射光学系の小型化のためには、画像表示素子に近い群を正群にし、その後負群を配置するレトロフォーカスタイプ（拡大側に負縮小側に正）が有利である。
実施例１や２では、第１群を正群とし、第１群中の正レンズを条件（１）と（２）を満足する材料で形成している。

このようにすることにより、投射光学系の小型化と、縦の色収差の低減が可能になる。

実施例１、２では、第１光学系中の「負の屈折力の第３群」内の負の屈折力を持つレンズＬ１０の材料が、条件（１）と（２）を満足している。

第１光学系内の正の屈折力を持つレンズ群内の正レンズのみを、条件（１）、（２）を満足する材料で形成した場合、色収差の２次スペクトルが残存しやすい。

この残存する２次スペクトルを除去することは可能であるが、条件（１）、（２）をも満足しない材料のレンズを用いるのでは、複数枚のレンズが必要になる。

実施例１、２では、第１光学系中の負の屈折力を持つレンズ群中に条件（１）、（２）を満足する材料による負レンズとしてレンズＬ１０を用いている。

このように負の屈折力のレンズ群の負レンズも、条件（１）、（２）を満足する材料で形成することにより、異常分散性を合わせることができる。

従って、レンズ枚数を増やすことなく、投射光学系全系の縦の色収差のおよび色収差の２次スペクトルを合わせて相殺することができる。

実施例１、２において、条件（１）、（２）を満足する材料による「第１群中の正レンズ（レンズＬ２）」は、第１群中で正の屈折力が最も高いレンズである。

実施例１、２において、条件（１）、（２）を満足する材料による「第３群中の負レンズ（レンズＬ１０）」は、第３群中で負の屈折力が最も高いレンズである。

このようにすることにより、条件（１）、（２）を満足する材料を用いることによる、上述の効果を、有効に高めることができる。

実施例１においては、第２群がズーム群、第４群がフォーカス群である。実施例２においては第４群がフォーカス群である。

そして、条件（１）、（２）を満足する材料による正レンズ、負レンズは、これらズーム群、フォーカス群の何れにも含まれていない。

条件（１）、（２）を満足する材料によるレンズは、縦の色収差に関して高い補正効果を持っている。
ズーム動作やフォーカス動作によってレンズ位置が動くと、色収差の補正量も変わり、全てのズーム領域やフォーカス点で収差をバランス良く補正することが困難になる。

条件（１）、（２）を満たすレンズを、フォーカス動作やズーム動作により移動しない群に採用することが望ましい。

上に説明した実施の各形態において用いられる画像表示素子１は、液晶パネルやＤＭＤ等の公知の種々のライトバルブが使用可能である。

これらのライトバルブの種類に応じて、ライトバルブを照明する照明系も種々可能であり、従来から種々のものが提案され、知られている。

プロジェクタの照明系としては、これら種々のものを適宜用いることができる。

以下には、照明系の２例を簡単に説明する。

図２０は、ライトバルブ（画像表示素子）としてＤＭＤを用いる場合の照明系を説明するための図である。リフレクタを有する光源装置２１からは白色光が放射される。

放射された白色光は、リレーレンズ系２３により「照度均一化処理と偏光調整処理」を受ける。

光源装置２１の発光源としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、ＬＥＤなどが用いられる。
リレーレンズ系２３は、光源装置２１から入射する光束をリレーするリレーレンズと共に、光の偏光方向を１方向に揃える偏光調整を行い、直線偏光状態の光を射出させる。

リレーレンズ系２３はまた、所謂インテグレータ光学系を融資、光束断面における光強度を均一化する。

このようにして、リレーレンズ系２３から、直線偏光状態で、照度が均一化された指向性のある光束が射出する。

この光束はカラーホイール２５を透過する。
カラーホイール２５は、等速回転して、透過光を例えば、赤・緑・青の３色に時分割する。時分割された各色の光は偏光ビームスプリッタ２７に入射する。

図２０の例では、カラーホイール２５側から入射する光束は、偏光ビームスプリッタ２７の偏光分離膜に対してＳ偏光となっており、ライトバルブ２９側へ反射される。

ライトバルブ２９は、ＤＭＤと１／４波長板とを組み合わせてなり、表示された画像により強度変調された反射光の偏光方向を入射光の偏光方向に対して９０度旋回させる。

このようにして、偏光方向を旋回された反射光は偏光ビームスプリッタ２７を透過して投射光学系３１に入射し、図示されないスクリーン上に拡大画像として投射される。

拡大画像の色は、カラー画像の赤・緑・青の各成分が順次に入れ替わり、観察者の目にはカラー画像として映ずる。

投射光学系としては上に実施の各形態を説明したものが適宜用いられる。

図２１は、ライトバルブ（画像表示素子）として、赤・緑・青の反射型の液晶パネルＬＰＲ、ＬＰＧ、ＫＰＢを用いる場合の照明系を説明するための図である。

光源装置２１から放射された指向性を持つ白色光束は、リレーレンズ系２３により導光されつつ、「照度均一化処理と偏光調整処理」を受けて射出する。

射出した光束は、ダイクロイックミラーＤＭ１、ＤＭ２、ミラーＭ３により反射されて色分解され、光路を屈曲される。

ダイクロイックミラーＤＭ１により選択的に反射された「青色光」は、ミラーＭ３で反射され、偏光ビームスプリッタ２７Ｂにより反射されて液晶パネルＬＰＢに入射する。

ダイクロイックミラーＤＭ１を透過し、ダイクロイックミラーＤＭ２で選択的に反射された「緑色光」は、偏光ビームスプリッタ２７Ｇに入射して反射される。

このように反射された光束は液晶パネルＬＰＧに入射する。

ダイクロイックミラーＤＭ１、ＤＭ２を透過した「赤色光」は、偏光ビームスプリッタ２７Ｒにより反射されて液晶パネルＬＰＲに入射する。

液晶パネルＬＰＲ、ＬＰＧ、ＬＰＢは、表示された画像の画素の部分で反射光の偏光方向を９０度旋回させる機能を持つ。

従って、液晶パネルＬＰＲ、ＬＰＧ、ＬＰＢにより強度変調された反射光は、偏光ビームスプリッタ２７Ｒ、２７Ｇ、２７Ｂを透過し、色合成プリズム２７０に入射する。

色合成プリズム２７０は、入射してくる画像光束を色合成し、カラー画像光束として投射光学系３１に入射し、図示されないスクリーン上にカラー拡大画像として投射される。

なお、図２１の照明系の場合、画像表示素子ＬＰＲ等から投射光学系３１の第１光学系の第１面までの距離が長くなる。

この場合、投射光学系として、上記距離に応じたバックフォーカスを持つものを設計することができる。

以上、実施の形態及び具体的な実施例を説明したが、この発明は、これら実施の形態、実施例に限定されるものではない。

これら実施の形態や実施例を、発明の主旨及び範囲を逸脱することなく、変更又は変形することができる。

１画像表示素子
２第１光学系
３第２光学系（凹面ミラー）
４スクリーン
ＩＮＴ中間像

特許第３８０８２９３号公報特開平０６−０９１６４１号公報

Claims

画像表示素子に表示された画像を、スクリーン上に拡大して投射する投射光学系において、
画像表示素子側から順に、第１光学系と、第２光学系とを有し、
前記第１光学系は、複数のレンズ群を有し、ペッツバール和が正であって、前記画像表示素子に表示された画像を中間像として結像させる機能を持ち、
前記第２光学系は、前記第１光学系に対して凹面を向けた凹面ミラーを有し、前記中間像を拡大して前記スクリーン上に結像する機能を有し、
前記第１光学系の複数のレンズ群の１以上は正の屈折力を持ち、
前記第１光学系の正の屈折力をもつレンズ群に含まれる正レンズの１枚以上につき、その材料の屈折率：ｎ_d、アッベ数：ν_ｄ、部分分散比：θ_ｇＦが、条件：
（１） 0.651<θ_gF+0.001682ν_d<0.673
（２） 1.50<n_d<1.60
を満足するレンズを有することを特徴とする投射光学系。
請求項１記載の投射光学系において、
第１光学系が、負の屈折力のレンズ群を１以上有し、前記負の屈折力のレンズ群に含まれる負レンズの１枚以上につき、その材料の屈折率：ｎ_d、アッベ数：ν_ｄ、部分分散比：θ_ｇＦが、条件：
（１） 0.651<θ_gF+0.001682ν_d<0.673
（２） 1.50<n_d<1.60
を満足するレンズを有することを特徴とする投射光学系。
請求項１または２記載の投射光学系において、
第１光学系の正の屈折力のレンズ群に含まれる正レンズのうち、正の屈折力が最も強い正レンズの材料が、条件（１）及び（２）を満足することを特徴とする投射光学系。
請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の投射光学系において、
第１光学系が、負の屈折力のレンズ群を１以上有し、前記負の屈折力のレンズ群に含まれる負レンズのうち、負の屈折力が最も大きい負レンズの材料が、条件（１）及び（２）を満足することを特徴とする投射光学系。
請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の投射光学系において、
第１光学系により結像される中間像は、前記第１光学系と第２光学系の間に結像し、前記中間像は、光軸に近い像点よりも、遠い像点の方が、第１光学系に近くなるように傾斜湾曲していることを特徴とする投射光学系。
請求項１から請求項５までの何れか１項に記載の投射光学系において、
条件（１）と（２）を満足する正レンズが、画像表示素子に最も近いレンズであって、非球面レンズであることを特徴とする投射光学系。
請求項１から請求項６までの何れか１項に記載の投射光学系において、
第１光学系を構成する複数のレンズ群は、正レンズ群、負レンズ群を有し、
前記複数のレンズ群中に、投射距離に合わせてスクリーン上の投射画像のフォーカス調整をするフォーカス群を含み、
前記フォーカス群は、条件（１）および（２）を満足する材料による正レンズまたは負レンズを含まないことを特徴とする投射光学系。
請求項１から請求項７までの何れか１項に記載の投射光学系において、
第１光学系を構成する複数のレンズ群は、正レンズ群、負レンズ群を有し、
前記複数のレンズ群中に、投射距離を変えずに投射画像のサイズを変えるズーム群を含み、
前記ズーム群は、条件（１）および（２）を満足する材料による正レンズまたは負レンズを含まないことを特徴とする投射光学系。
画像表示素子に表示された画像を、投射光学系により、スクリーン上に拡大して投射する画像投射装置において、
投射光学系として、請求項１から請求項８までの何れか１項に記載のものを用いたことを特徴とする画像投射装置。