JP2016080954A - 投影光学系及び投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一部のレンズ群を移動させるだけで、十分に大きな画角変動を発生させ、かつ画角変動に伴う性能劣化の小さな投影光学系の提供。【解決手段】複数のレンズ群を有し、少なくとも１つのレンズ群を移動レンズ群ＬＧｒとして光軸ＯＡと垂直方向に移動させることによって投影像の位置を変化させ、反射型液晶素子４０側のレンズと、被投影側のレンズとを固定させ、以下の条件式を満足する。１．５＜ＷＢｍａｘ／Ｗｌｅｎｓ＜４．０…（１）、０．５＜｜βＩ／βＢ｜＜１．２…（２）、ただし、ＷＢｍａｘは移動レンズ群ＬＧｒが最大変位したときに投影光学系１０から出射される主光線の最大角度、Ｗｌｅｎｓは移動レンズ群ＬＧｒが変位していないときの投影光学系１０全系の最大投射半画角、βＩは移動レンズ群ＬＧｒの横倍率、βＢは移動レンズ群ＬＧｒより反射型液晶素子４０側に配置されたレンズの横倍率。【選択図】図２

Description

本発明は、画像を投影する投影光学系及び当該投影光学系を組み込んだ投影装置に関する。

近年、ビデオやコンピューターグラフィックス等の映像を、スクリーンではなく、人物や建築物、車、家具、自然物といった立体物に直接投影するプロジェクションマッピングと呼ばれる映像手法が出てきている。プロジェクションマッピングで投影する被投影体が人物等の動体である場合、高速で移動する被投影体に投影像を追随して動かすには高度な技術が要求される。現在では、投影光学系の投射画角を被投影体の周囲をカバーできる程度の広画角としておき、被投影体の移動に対応して、出力画像の表示位置を変化させて追随させているのが一般的である。しかし、出力画像側で追随させようとすると画像処理が複雑となったり、投影光学系でカバーできる投射画角外に被投影体が移動した場合に追随できなかったりするといった欠点がある。

そこで、投射画角を可変にできるような投影光学系の要求が高まってきている。特許文献１には投影光学系の一部分のレンズを光軸と垂直方向に移動させて、画ブレを補正するような投影光学系が開示されている。また、特許文献２には投影光学系の一部分のレンズを光軸と垂直方向に移動させて、投影像の表示位置を変化させるような投影光学系が開示されている。さらに、特許文献３には、光学系の一部を光軸と垂直方向に移動させることで、建築物等を歪みなく撮影できる、所謂シフト効果を持たせるための撮像レンズ光学系が開示されている。

しかしながら、特許文献１に記載の投影光学系はあくまで画ブレ対策用の光学系であり、画像表示素子（ここではフィルム）面での移動量として０．１５ｍｍ前後の変化量までしか想定されていない。これは画角変動に換算しても０．８度程度であり、プロジェクションマッピング用の投影光学系で考えた場合には画角変化量が不十分である。レンズの移動量を増加させれば、それに伴って画角変動も大きくできるが、画角変動時の性能劣化が大きくなってしまう。
また、特許文献２に記載の投影光学系でも、想定しているのは画像表示素子面上で１画素程度、明細書中ではせいぜい２０μｍ程度となっており、特許文献１と同様に、本願の目的の画角変動としては不十分である。
また、特許文献３に記載の撮像レンズでは、シフト効果を持たせるために、レンズの移動量が大きく設定されているが、ある特定のシフト状態に固定して使用し、随時移動させながら使用するわけではないために、移動レンズ群が大きく、リアルタイムで動作させるにはアクチュエーター等への負荷が大きすぎる。

特開２００１−１９４５８４号公報 特許第３７５５５２５号公報 特開２００８−１４５７５１号公報

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、一部のレンズ群を移動させるだけで、十分に大きな画角変動を生じさせることができ、画角変動に伴う性能劣化も小さな投影光学系を提供することを目的とする。

また、本発明は、上記投影光学系を組み込んだ投影装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る投影光学系は、画像表示素子から得られる像を拡大して被投影体に投影する投影装置用の投影光学系であって、複数のレンズ群を有し、複数のレンズ群のうち少なくとも１つのレンズ群を移動レンズ群として光軸と垂直方向に移動させることによって投影像の位置を変化させ、複数のレンズ群に含まれるレンズのうち画像表示素子側のレンズと、被投影側のレンズとを固定させ、以下の条件式を満足する。
１．５＜ＷＢｍａｘ／Ｗｌｅｎｓ＜４．０ … （１）
０．５＜｜βＩ／βＢ｜＜１．２ … （２）
ただし、ＷＢｍａｘは移動レンズ群が最大変位したときに投影光学系から出射される主光線の最大角度であり、Ｗｌｅｎｓは移動レンズ群が変位していないときの投影光学系全系の最大投射半画角であり、βＩは移動レンズ群の横倍率であり、βＢは移動レンズ群よりも画像表示素子側に配置されたレンズの横倍率である。なお、レンズ群は、単一のレンズで構成される場合もある。

本発明の基本構成は、複数のレンズ群を有し、複数のレンズ群のうち少なくとも１つのレンズ群を、光軸と垂直な方向に移動させることによって投影像の位置を変化させるものである。投影像の位置を変化させる方法として一番単純な方法としては、投影光学系全体を画像表示素子含めて光軸を含む面内で回転させることが考えられるが、光学系全体を動かそうとすると高速で動かすことが困難である。そこで、複数のレンズ群の一部だけを動かすことで投影像の位置を変化させることができれば、非常に高速に動かすことができるようになる。

前述の通り、本発明の用途としては条件式（１）を満足するような範囲で投影角度を変化できることが望ましい。条件式（１）の下限値を上回ることで、移動レンズ群が変位していない状態（基準状態と呼ぶ）のときの投影光学系の最大投射画角の１．５倍以上に最大出射角度を変化させることができ、投影面上で投影距離×ｔａｎω（ωは基準状態の半画角）だけ投影像を移動させることができるようになる。レンズ群の一部を動かし、条件式（１）の範囲を満足する程度の投影像の移動を行うことで、より高速に演者その他の被投影体の動きに追随した投影を行うことができるようになる。さらに、投影光学系を広角にする必要がなくなるため、それだけ投影像を高画素にすることができる。

また、同時に移動レンズ群が条件式（２）の範囲を満足するような横倍率となっていることが望ましい。条件式（２）は移動レンズ群の横倍率と移動レンズ群より画像表示素子側に配置されたレンズ群の横倍率との比であり、移動レンズ群の光軸と垂直な方向への移動量に対する、投影画角変化の比を表すものである。条件式（２）の下限値を上回ることで、移動レンズ群の変化量に対する画角変化量が小さくなりすぎず、同じ画角変化を得るためのレンズ群の移動量を小さくすることができる。レンズ群の移動量が小さいと、レンズ群を移動させるアクチュエーターへの負荷を減らしたり、レンズ群が移動したときの性能劣化を小さく抑えたりすることができるようになる。一方、条件式（２）の上限値を下回ることで、移動レンズ群の変化量に対する画角変化量が過度に大きくなりすぎず、アクチュエーターに要求される精度を緩和することができるようになる。

本発明の具体的な側面によれば、上記投影光学系は、以下の条件式を満足する。
０．５＜ＳＦｍａｘ／ＤＰ＜１．５ … （３）
ただし、ＳＦｍａｘは移動レンズ群が最大変位したときの光軸からの変位量であり、ＤＰは画像表示素子の対角線長である。

条件式（３）は移動レンズ群が最大変位したときの光軸からの変位量を画像表示素子の対角線長で規格化した数値である。画像表示素子の対角線長は投影光学系の径方向の大きさに略比例することになるため、この式はレンズ系の径方向の大きさに対する移動レンズ群の移動量を規定していることになる。条件式（３）の下限値を上回ることで、条件式（１）の範囲を満足するような画角変動を与えた場合にも、ある程度のレンズ群の移動量があり、結果として、アクチュエーターに要求される精度を緩和することができる。一方、条件式（３）の上限値を下回ることで、レンズ群の移動量が大きくなりすぎず、高速で画角変化又は投影位置変化を与えることができ、投影像の移動の遅れを小さくすることができる。また、レンズ群の移動量を適度に抑えることで、投影像の光学特性の劣化を最小限に抑えることができるようになる。

本発明の別の側面によれば、上記投影光学系は、以下の条件式を満足する。
０．１０＜｜ＳＦＥＦＬ／ｆ｜＜０．３０ … （４）
ただし、ＳＦＥＦＬは移動レンズ群の焦点距離であり、ｆは投影光学系全系の焦点距離である。

条件式（４）は移動レンズ群の焦点距離を適切に設定するための条件式である。条件式（４）の下限値を上回ることで、移動レンズ群の屈折力が強くなりすぎることがなくなり、移動レンズ群を変位させた場合の性能劣化を抑えることができる。一方、条件式（４）の上限値を下回ることで、移動レンズ群の屈折力を適度に維持することができるので、ある投影画角を変化させる場合の、レンズ群の移動量を小さく抑えることができるようになり、被投影体に追随する速度を上げることができるようになる。

本発明のさらに別の側面によれば、移動レンズ群はレンズ１枚以上５枚未満で構成されている。この場合、移動レンズ群の質量を抑えることができ、移動レンズ群を駆動するアクチュエーターにかかる負荷を低減することができる。なお、移動レンズ群を構成するレンズは少なすぎても移動レンズ群が変位した場合の性能劣化を適度に補正することが困難となるため、３枚以上で構成することが望ましい。

本発明のさらに別の側面によれば、移動レンズ群は３枚構成であり、画像表示素子側から、負の屈折力を有する単レンズ、及び負の屈折力を有する単レンズと正の屈折力を有する単レンズとを貼り合わせた接合レンズの順に配置される。前述の通り、移動レンズ群は変位時の性能劣化を抑制するために、３枚構成以上であるのが望ましく、さらに、枚数を抑えて画像表示素子側から、負の単レンズ、負及び正の単レンズを貼り合わせた接合レンズ、の順に配置されることが望ましい。上記のレンズ構成とすることで、負レンズが２枚構成となり、移動レンズ群が最大変位した場合の、最周辺光線の屈折角が２枚の負レンズで分散されるため、収差劣化を小さく抑えることができるようになる。

本発明のさらに別の側面によれば、全てのレンズが球面ガラスレンズで構成されている。この場合、プロジェクター等の強い光源を使用する光学系で問題となりうる発熱に対しての性能劣化を小さくすることができる。また、移動レンズ群が変位した場合の性能劣化も小さくすることができるようになる。

上記目的を達成するため、本発明に係る投射装置は、上述の投影光学系と、投影光学系の光路前段に設けられた画像表示素子と、移動レンズ群を移動させるアクチュエーターと、アクチュエーターの駆動を制御する制御回路とを備える。

本発明の実施形態に係る投影装置の構造を説明する図である。 （Ａ）は、基準状態における投影光学系を説明する図であり、図２（Ｂ）は、画角最大変位状態における投影光学系を説明する断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、図１に示す投影装置を用いて投影した状態を説明する図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、比較例の投影装置を用いて投影した状態を説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１の基準状態及び画角最大変位状態における投影光学系の画像表示素子下側の性能を示すＭＴＦ特性図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１の基準状態及び画角最大変位状態における投影光学系の画像表示素子上側の性能を示すＭＴＦ特性図である。 画像表示素子上のＭＴＦ評価ポイントを説明する図である。 （Ａ）は、実施例２の基準状態における投影光学系を説明する図であり、図２（Ｂ）は、実施例２の画角最大変位状態における投影光学系を説明する断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例２の基準状態及び画角最大変位状態における投影光学系の画像表示素子下側の性能を示すＭＴＦ特性図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、実施例２の基準状態及び画角最大変位状態における投影光学系の画像表示素子上側の性能を示すＭＴＦ特性図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態にかかる投影光学系及び投影装置について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る投影装置１００を説明する図である。この投影装置１００は、投影光学系によって画像の投影方向を変化させて表示位置を調整できるようになっている。

図示の投影装置１００は、投影光学系１０、照明光学系２０、偏光ビームスプリッター３０、反射型液晶素子４０、素子駆動回路５０、レンズ群駆動装置６０、及び制御回路７０を組み込んだ構造を有する。

投影光学系１０は、画像表示素子である反射型液晶素子４０から得られる像を拡大して被投影体に投影する。投影光学系１０は、複数のレンズ群Ｇｒ１〜Ｇｒ４からなり、複数のレンズＬ１〜Ｌ１５で構成される。各レンズＬ１〜Ｌ１５は、ガラスや樹脂材料で形成され、光軸ＯＡ方向から見て円形の輪郭を有する。各レンズＬ１〜Ｌ１５の光学面は、球面又は非球面であり、回転対称な形状を有する。なお、全てのレンズＬ１〜Ｌ１５が球面ガラスレンズで構成されていることが望ましい。この場合、プロジェクター等の強い光源を使用する光学系で問題となりうる発熱に対しての性能劣化を小さくすることができる。また、後述する移動レンズ群ＬＧｒが変位した場合の性能劣化も小さくすることができるようになる。詳細は後述するが、投影光学系１０を構成する複数のレンズ群Ｇｒ１〜Ｇｒ４のうち一部のレンズ群（図１の投影光学系１０ではレンズ群Ｇｒ３）が移動レンズ群ＬＧｒとして機能する。移動レンズ群ＬＧｒは、光軸ＯＡと垂直な方向に移動させることによって投影像の位置を変化させる。移動レンズ群ＬＧｒは、例えば基準状態における実線の位置から画角最大変位状態における点線の位置の範囲内で移動することで投影像の位置を変化させる。これにより、図２（Ａ）に示す主光線ＰＬ０によって投影される投影像の位置が図２（Ｂ）に示す主光線ＰＬ１によって投影される投影像の位置に移動する。複数のレンズ群Ｇｒ１〜Ｇｒ４に含まれるレンズのうち画像表示素子である反射型液晶素子４０側のレンズＬ１〜Ｌ３と、被投影側のレンズＬ１３〜Ｌ１５とは固定されている。

照明光学系２０は、詳細な説明を省略するが、発光源、集光光学系、偏光変換素子等を備える。発光源としては、例えば３色のＬＥＤ等を組み込んだものを用いることができ、集光光学系は、例えば３色のＬＥＤ等からの照明光を略平行光に変換する。また偏光変換素子は、入射した光の光量を低下させずに特定の偏光に変換する。

偏光ビームスプリッター３０は、一対の直角プリズムを貼り合わせたものであり、貼合わせ面において、一方の直角プリズムの斜面には、照明光学系２０から入射した所定方向の直線偏光を反射させる反射面（不図示）が形成されている。これにより、照明光学系２０から射出され所定方向に直線偏光した状態の照明光を反射させ、反射型液晶素子４０に入射させることができる。

反射型液晶素子４０は、映像光を形成する表示素子（画像表示素子）であり、特に空間的な透過率を変化させることによって照明光から画像光を形成する点で光変調素子と言える。反射型液晶素子（画像表示素子）３０は、板状の電子部品である画像表示パネルからなる。この反射型液晶素子４０は、ＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）とも称されるマイクロディスプレイであり、シリコンチップの表面に直接回路が形成され対向基板との間に液晶層を挟み込んだものである。反射型液晶素子４０は、液晶層に対し駆動信号に応じた電圧が画素毎に印加されると、液晶分子の配列を変化させることで照明光を変調し、所望の画像を表示するものである。なお、反射型液晶素子４０は、反転画像を表示し、短時間で赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ及び緑色ＬＥＤの出射光を順次切り換えながら、反射型液晶素子４０に入射させることで、反転画像に対応した各色画像を時間軸上でずらせて反射させ、これによりスクリーン上でカラー画像を形成するものである。よって、赤色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ及び緑色ＬＥＤの駆動電流やデューティ比を変化させることで発光量又は発光時間を個々に調整すれば、色バランスを任意に変更できる（例えば特開２００７−７９４０２号公報参照）。

素子駆動回路５０は、画像信号に基づいて反射型液晶素子４０を動作させる回路部分である。素子駆動回路５０は、後述する制御回路７０からの制御信号に基づいて動作し、反射型液晶素子４０に画像信号に対応する駆動信号を出力し画像の表示動作を行わせる。

レンズ群駆動装置６０は、移動レンズ群ＬＧｒのホルダー６１と、ホルダー６１とともに移動レンズ群ＬＧｒを光軸ＯＡに垂直な方向に移動させるアクチュエーター６２とを有する。アクチュエーター６２は、移動レンズ群ＬＧｒをＸＹ面に沿ってＸ方向やＹ方向に移動させる。アクチュエーター６２は、例えばボイスコイル又はピエゾ素子からなり、ガイド機構を付随させたものとなっている。これにより、移動レンズ群ＬＧｒをＸＹ面内で２次元的に任意の位置に移動させることができ、結果的に画像の表示位置を所望のタイミングで２次元的に変位させる投影像の位置調整が可能になっている。

制御回路７０は、これに組み込まれたプログラムや不図示の操作部からの指示に基づいて、照明光学系２０、素子駆動回路５０、レンズ群駆動装置６０等を適宜動作させることができる。制御回路７０は、例えば検出系から被投影体の移動方向の情報又は位置情報を取得し、移動方向等に応じてアクチュエーター６２の駆動方向を制御する。また、制御回路７０は、外部から入力されたビデオ信号その他の信号に基づいて照明光学系２０及び素子駆動回路５０に対して駆動信号や画像信号を出力し、反射型液晶素子４０に表示動作を行わせる。

図２は、投影光学系１０等の具体的な構成例を説明する側方断面図であり、図２（Ａ）は、基準状態における投影光学系１０を示し、図２（Ｂ）は、画角最大変位状態における投影光学系１０を示す。

投影光学系１０において、既に説明したように、移動レンズ群ＬＧｒは、図２（Ａ）に示す基準状態から図２（Ｂ）に示すように光軸ＯＡと垂直な方向に移動させることによって投影像の位置を変化させる。投影光学系１０は、以下の条件式（１）及び（２）を満足する。
１．５＜ＷＢｍａｘ／Ｗｌｅｎｓ＜４．０ … （１）
０．５＜｜βＩ／βＢ｜＜１．２ … （２）
ただし、ＷＢｍａｘは移動レンズ群ＬＧｒが最大変位したときに投影光学系１０から出射される主光線の最大角度であり、Ｗｌｅｎｓは移動レンズ群ＬＧｒが変位していないときの投影光学系１０全系の最大投射半画角であり、βＩは移動レンズ群ＬＧｒの横倍率であり、βＢは移動レンズ群ＬＧｒより反射型液晶素子４０（画像表示素子）側に配置されたレンズの横倍率である。

上述のとおり、投影光学系１０は、複数のレンズ群Ｇｒ１〜Ｇｒ４を有し、複数のレンズ群Ｇｒ１〜Ｇｒ４のうち少なくとも１つのレンズ群を、光軸ＯＡと垂直な方向に移動させることによって投影像の位置を変化させるものである。投影像の位置を変化させる方法として一番単純な方法としては、投影光学系１０全体を反射型液晶素子４０含めて光軸ＯＡを含む面内で回転させることが考えられるが、光学系全体を動かそうとすると高速で動かすことが困難である。そこで、複数のレンズ群Ｇｒ１〜Ｇｒ４の一部だけを動かすことで投影像の位置を変化させることができれば、非常に高速に動かすことができるようになる。

被投影体（対象物）に追随して投影位置を変化させる用途では、条件式（１）を満足するような範囲で投影角度を変化できることが望ましい。レンズ群の一部を動かし、条件式（１）の範囲を満足する程度の投影像の移動を行うことで、より高速に演者その他の被投影体の動きに追随した投影を行うことができるようになる。条件式（１）の下限値を上回ることで、移動レンズ群ＬＧｒが変位していない状態（基準状態と呼ぶ）のときの投影光学系１０の最大投射画角の１．５倍以上に最大出射角度を変化させることができ、投影面上で投影距離×ｔａｎω（ωは基準状態の半画角）だけ投影像を移動させることができるようになる。

また、同時に移動レンズ群ＬＧｒが条件式（２）の範囲を満足するような横倍率となっていることが望ましい。条件式（２）は移動レンズ群ＬＧｒの横倍率と移動レンズ群ＬＧｒより画像表示素子側に配置されたレンズ群の横倍率との比であり、移動レンズ群ＬＧｒの光軸ＯＡと垂直な方向への移動量に対する、投影画角変化の比を表すものである。条件式（２）の下限値を上回ることで、移動レンズ群ＬＧｒの変化量に対する画角変化量が小さくなりすぎず、同じ画角変化を得るための移動レンズ群ＬＧｒの移動量を小さくすることができる。移動レンズ群ＬＧｒの移動量が小さいと、移動レンズ群ＬＧｒを移動させるレンズ群駆動装置６０への負荷を減らしたり、移動レンズ群ＬＧｒが移動したときの性能劣化を小さく抑えたりすることができるようになる。一方、条件式（２）の上限値を下回ることで、移動レンズ群ＬＧｒの変化量に対する画角変化量が過度に大きくなりすぎず、レンズ群駆動装置６０に要求される精度を緩和することができるようになる。

また、投影光学系１０は、以下の条件式を満足する。
０．５＜ＳＦｍａｘ／ＤＰ＜１．５ … （３）
ただし、ＳＦｍａｘは移動レンズ群ＬＧｒが最大変位したときの光軸ＯＡからの変位量であり、ＤＰは反射型液晶素子４０（画像表示素子）の対角線長である。

また、投影光学系１０は、以下の条件式を満足する。
０．１０＜｜ＳＦＥＦＬ／ｆ｜＜０．３０ … （４）
ただし、ＳＦＥＦＬは移動レンズ群ＬＧｒの焦点距離であり、ｆは投影光学系１０全系の焦点距離である。

また、投影光学系１０のうち移動レンズ群ＬＧｒは１枚以上５枚未満のレンズで構成されている。なお、移動レンズ群ＬＧｒを構成するレンズは少なすぎても移動レンズ群ＬＧｒが変位した場合の性能劣化を適度に補正することが困難となるため、３枚以上で構成することが望ましい。移動レンズ群ＬＧｒが３枚構成である場合、反射型液晶素子４０側から、負の屈折力を有する単レンズ（図１ではレンズＬ１２）、負の屈折力を有する単レンズと正の屈折力を有する単レンズを貼り合わせた接合レンズ（図１ではレンズＬ１１，Ｌ１０を貼り合わせた接合レンズＣＬ）の順に配置されることが望ましい。

また、投影光学系１０において、絞りＳは、移動レンズ群ＬＧｒと被投影側のレンズとの間に設けられている。なお、絞りＳは、移動レンズ群ＬＧｒと反射型液晶素子４０側のレンズとの間に設けられていてもよい。

以下、投影装置１００の動作例について説明する。
まず、制御回路７０は、被投影体に対応する外部のセンサー信号を受け取り、被投影体の位置（例えば重心位置）のシフト量を計算する。この際、制御回路７０は、映像信号も受け取る。制御回路７０は、得られたシフト量に応じてレンズ群駆動装置６０を介して移動レンズ群ＬＧｒを移動させつつ、画像信号や駆動信号等を出力して反射型液晶素子４０に表示動作を行わせる。これにより、被投影体の動きに合わせて投影位置を変化させつつ投影像の表示を行うことができ、追随型の投影が可能となる。具体的には、投影装置１００は、図３（Ａ）〜３（Ｃ）に示すように被投影体ＯＢの移動に追随して投影像を表示させる。ここで、図３（Ａ）等に示すように、投影装置１００の投影可能範囲ＩＡ１（図中の実線で囲んだ範囲）は比較的狭く、実際に投影する投影範囲ＰＡ１（図中の点線で囲んだ範囲）とほとんど差がない状態となっている。被投影体ＯＢが図３（Ｂ）に示すように移動した場合、図３（Ｃ）に示すように、投影光学系１０の投影画角を変化させて、被投影体ＯＢの動きに合わせて投影範囲ＰＡ１を変化させる。図３（Ａ）及び３（Ｃ）に示すように、投影光学系１０を広角にする必要がなくなるため、それだけ投影像を高画素にすることができる。
なお、従来の投影光学系を用いたプロジェクションマッピングの場合、投影像の移動は画像処理によって行っていた。そのため、高速な被投影体の動きには対応できず、動きの少ないコンテンツにしか対応できていないのが一般的であった。また、画像処理で投影像を動かす場合には、図４（Ａ）〜４（Ｂ）に示すように、被投影体ＯＢの移動範囲を予測し、その移動範囲をカバーできる程度の広角な投影光学系が必要であった。例えば、投影可能範囲ＩＡ２（図中の実線で囲んだ範囲）は、実際に投影する投影範囲ＰＡ２（図中の点線で囲んだ範囲）に対して比較的広くする必要がある。従来の投影光学系を組み込んだ投影装置を用いると、被投影体ＯＢが図４（Ｂ）に示すように移動した場合、図４（Ｃ）に示すように、投影光学系の投影画角を変えずに、被投影体ＯＢの動きに合わせて投影範囲ＰＡ２を変化させることとなる。

〔実施例〕
以下、本発明の投影光学系の実施例を示す。
（実施例１）
実施例１の投影光学系のレンズ面等のデータを以下の表１に示す。なお、以下の表１等において、無限大を「ＩＮＦ」と表している。
〔表１〕
面番号 曲率半径 [mm] 面間隔 [mm] ｄ線屈折率 アッベ数
スクリーン面 20000.000
1 102.524 18.247 1.4970 81.5
2 -1170.936 1.000
3 91.879 15.260 1.4970 81.5
4 -477.228 2.000 1.8061 40.9
5 216.100 40.935
6 54.719 1.000 1.7015 41.2
7 26.989 8.359 1.5688 56.3
8 178.142 5.112
9 -1884.807 2.020 1.6727 32.0
10 50.249 3.654
11 103.869 3.804 1.8467 23.7
12 -63.605 1.000 1.6989 30.1
13 155.359 7.797
開口絞り 14 INF 1.000
15 45.361 2.000 1.8052 25.4
16 35.837 5.382
移動レンズ 17 228.188 5.276 1.8467 23.7
移動レンズ 18 -145.963 2.000 1.7432 49.3
移動レンズ 19 76.607 5.525
移動レンズ 20 -207.588 2.000 1.7130 53.8
移動レンズ 21 67.204 26.022
22 97.937 3.422 1.7725 49.5
23 443.157 2.000
24 62.257 15.572 1.6968 55.5
25 -55.825 3.000 1.8467 23.7
26 -144.394 1.612
27 INF 50.000 1.5163 64.1
28 INF 5.000
表示素子面 INF

実施例１の移動レンズ群ＬＧｒの移動量を以下の表２に示す。
〔表２〕
面番号 移動量 最大変位時の主光線角度の最大値
17〜21 16.00mm 4.3°

実施例１の投影光学系の光学諸元値を以下に示す。
焦点距離：207.27mm
基準状態での最大画角：2.49°
Fno：F3.0
画像表示素子対角線長：18mm

図１、２（Ａ）、及び２（Ｂ）は、既に説明したが、実施例１の投影光学系１０等の断面図である。投影光学系１０は、複数のレンズ群Ｇｒ１〜Ｇｒ４を有する。複数のレンズ群のうちＬＧｒは移動レンズ群を示す。図中のＬｉはレンズ群Ｇｒ１〜Ｇｒ４を構成する第ｉレンズ、Ｓは開口絞りを示す。また、Ｆは例えば画像表示素子をＬＣＯＳとした場合のＲＧＢ各色を合成するためのプリズム等を想定した平行平板（本実施例では、偏光ビームスプリッター３０）である。画像表示素子の方式によっては、Ｆは必要ない場合もあるが、Ｆは屈折力を持たない平行平板であるため、Ｆ以降の光学系は変えずになくすこともできる。その場合には、画像表示素子と最終レンズとの空気間隔を最適な位置に設定するだけでよい。
図５（Ａ）、５（Ｂ）、６（Ａ）、及び６（Ｂ）は、実施例１の反射型液晶素子４０（画像表示素子）上でのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）特性図である。図５（Ａ）は、図７に示す投影範囲Ｓｃのうち移動レンズ群ＬＧｒが基準状態時のポイントＦ１〜Ｆ３のＭＴＦ特性図であり、図５（Ｂ）は、図７に示す投影範囲Ｓｃのうち移動レンズ群ＬＧｒが最大変位時のポイントＦ１〜Ｆ３のＭＴＦ特性図である。図６（Ａ）は、図７に示す投影範囲Ｓｃのうち移動レンズ群ＬＧｒが基準状態時のポイントＦ４〜Ｆ６のＭＴＦ特性図であり、図６（Ｂ）は、図７に示す投影範囲Ｓｃのうち移動レンズ群ＬＧｒが最大変位時のポイントＦ４〜Ｆ６のＭＴＦ特性図である。図５（Ａ）、５（Ｂ）、６（Ａ）、及び６（Ｂ）中のＦｉ−Ｘ（ｉ＝１〜６）は、Ｆｉの位置での水平方向解像力を示し、Ｆｉ−Ｙ（ｉ＝１〜６）は、Ｆｉの位置での垂直方向解像力を示す。ＭＴＦ評価ポイントは、以降の実施例においてもこの実施例１と同様である。ＭＴＦを計算する上での波長ウェイトは以下の通りである（以降の実施例も同様）。
波長 重み
650nm 107
610nm 503
555nm 1000
510nm 503
470nm 91

（実施例２）
実施例２の投影光学系のレンズ面等のデータを以下の表３に示す。
〔表３〕
面番号 曲率半径 [mm] 面間隔 [mm] ｄ線屈折率 アッベ数
スクリーン面 20000.000
1 158.330 21.270 1.4970 81.5
2 -2593.901 24.175
3 95.191 21.845 1.4970 81.5
4 -630.873 1.327
5 -534.208 1.128 1.8061 40.9
6 250.274 46.914
7 45.247 5.000 1.5814 40.7
8 27.695 9.723 1.4970 81.5
9 4404.559 1.000
10 280.345 1.591 1.6968 55.5
11 35.873 2.999
12 72.340 2.402 1.8467 23.7
13 80.307 2.451 1.8348 42.7
14 155.359 4.301
開口絞り 15 INF 1.000
16 43.332 5.000 1.8052 25.4
17 31.712 5.000 1.6779 55.3
18 33.540 5.358
移動レンズ 19 -609.479 5.456 1.8467 23.7
移動レンズ 20 -67.146 2.065 1.7725 49.5
移動レンズ 21 50.352 4.996
移動レンズ 22 221.704 1.000 1.7725 49.5
移動レンズ 23 61.085 9.196
24 87.832 2.464 1.7725 49.5
25 389.760 1.000
26 41.511 6.760 1.6127 58.7
27 -126.954 1.000 1.8467 23.7
28 -210.127 1.000
29 INF 50.000 1.5163 64.1
30 INF 2.000
表示素子面 INF

実施例２の移動レンズ群ＬＧｒの移動量を以下の表４に示す。
〔表４〕
面番号 移動量 最大変位時の主光線角度の最大値
19〜23 19.05mm 7.9

実施例２の投影光学系の光学諸元値を以下に示す。
焦点距離：204.14mm
基準状態での最大画角：2.49°
Fno：F3.0
画像表示素子対角線長：18mm

図８（Ａ）及び８（Ｂ）は、実施例２の投影光学系１０等の断面図である。図８（Ａ）は、基準状態における投影光学系１０を示し、図８（Ｂ）は、画角最大変位状態における投影光学系１０を示す。投影光学系１０は、レンズＬ１〜Ｌ１６で構成される複数のレンズ群Ｇｒ１〜Ｇｒ４を有する。図９（Ａ）、９（Ｂ）、１０（Ａ）、及び１０（Ｂ）は、実施例２の反射型液晶素子４０上でのＭＴＦ特性図である。

以下の表１０は、参考のため、各条件式（１）〜（３）に対応する各実施例１及び２の値をまとめたものである。
〔表１０〕

以上、実施形態や実施例に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態等に限定されるものではない。例えば、上記実施形態において、画像表示素子としては、ＬＣＯＳ等の反射型液晶素子４０に限らず、マイクロミラーからなるマイクロミラーデバイス、透過型のＬＣＤ等を用いることができる。この場合、偏光ビームスプリッター３０は、それぞれに適合する光学系に変更する。

また、上記実施形態において、反射型液晶素子４０は、単独で使用する場合に限らず、偏光ビームスプリッター３０の別の側面に対向して追加の反射型液晶素子を配置することもできる。

また、上記実施形態において、照明光学系２０の光源としては、ＬＥＤに限らず、水銀ランプ、レーザー等を用いることができ、これらの光源を同種又は異種で組み合わせることもできる。特に、ＬＥＤやレーザーを光源とする場合、赤色・緑色・青色の光源数は出力に合わせ任意に組み合わせても良い。また、合波するための光学系を追加し、白色又は特定色に関して複数の光源を配置することで明るさを上げることもできる。

また、上記実施形態において、プロジェクションマッピング用途を仮定した場合を例にして説明してきたが、上述の投影光学系１０はプロジェクションマッピング用途に限ったことではない。それ以外にもオフィス用途としての一般的なプロジェクターとしても、上述の投影光学系１０を用いることで、投影位置を瞬時に変化させることができる。これにより、例えば、プロジェクター本体とスクリーンとを正対して配置できないような場合に、投影位置をスクリーン位置に合わせて変えることができるようになる。

１０…投影光学系、 ２０…照明光学系、 ３０…偏光ビームスプリッター、 ４０…反射型液晶素子、 ５０…素子駆動回路、 ６０…レンズ群駆動装置、 ６１…ホルダー、 ６２…アクチュエーター、 ７０…制御回路、 １００…投影装置、 Ｇｒ１-Ｇｒ４…レンズ群、 Ｌ１-Ｌ１６…レンズ、 ＬＧｒ…移動レンズ群、 ＯＡ…光軸

Claims (7)

1. 画像表示素子から得られる像を拡大して被投影体に投影する投影装置用の投影光学系であって、
   複数のレンズ群を有し、
   前記複数のレンズ群のうち少なくとも１つのレンズ群を移動レンズ群として光軸と垂直方向に移動させることによって投影像の位置を変化させ、
   前記複数のレンズ群に含まれるレンズのうち前記画像表示素子側のレンズと、被投影側のレンズとを固定させ、
   以下の条件式を満足することを特徴とする投影光学系。
   １．５＜ＷＢｍａｘ／Ｗｌｅｎｓ＜４．０ … （１）
   ０．５＜｜βＩ／βＢ｜＜１．２ … （２）
   ただし、
   ＷＢｍａｘ：前記移動レンズ群が最大変位したときに投影光学系から出射される主光線の最大角度
   Ｗｌｅｎｓ：前記移動レンズ群が変位していないときの投影光学系全系の最大投射半画角
   βＩ：前記移動レンズ群の横倍率
   βＢ：前記移動レンズ群よりも前記画像表示素子側に配置されたレンズの横倍率
2. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の投影光学系。
   ０．５＜ＳＦｍａｘ／ＤＰ＜１．５ … （３）
   ただし、
   ＳＦｍａｘ：前記移動レンズ群が最大変位したときの光軸からの変位量
   ＤＰ：前記画像表示素子の対角線長
3. 以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１及び２のいずれか一項に記載の投影光学系。
   ０．１０＜｜ＳＦＥＦＬ／ｆ｜＜０．３０ … （４）
   ただし、
   ＳＦＥＦＬ：前記移動レンズ群の焦点距離
   ｆ：前記投影光学系全系の焦点距離
4. 前記移動レンズ群はレンズ１枚以上５枚未満で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の投影光学系。
5. 前記移動レンズ群は３枚構成であり、前記画像表示素子側から、負の屈折力を有する単レンズ、及び負の屈折力を有する単レンズと正の屈折力を有する単レンズとを貼り合わせた接合レンズの順に配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の投影光学系。
6. 全てのレンズが球面ガラスレンズで構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の投影光学系。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の投影光学系と、
   前記投影光学系の光路前段に設けられた前記画像表示素子と、
   前記移動レンズ群を移動させるアクチュエーターと、
   前記アクチュエーターの駆動を制御する制御回路とを備えることを特徴とする投影装置。

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