JP2017062510A - 投射光学系およびプロジェクタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで広角化の要求に対応できる投射光学系を提供する。【解決手段】縮小側の第１の像面から拡大側の第２の像面へ投射する投射光学系を提供する。投射光学系１は、複数のレンズを含み、縮小側から入射した光により拡大側に第１の中間像３１を結像する第１の屈折光学系１１と、複数のレンズを含み、縮小側の第１の中間像を拡大側に第２の中間像３２として結像する第２の屈折光学系１２と、第２の中間像３２よりも拡大側に位置する正の屈折力の第１の反射面２１ａを含む第１の反射光学系２０とを有し、第１の屈折光学系１１は、第１の像面５に形成された画像を収差補正して第１の中間像３１として結像させ、第２の屈折光学系１２は、第１の中間像３１を、主に第１の反射光学系で発生する台形歪みと逆方向の歪みを発生させた第２の中間像３２として結像させる。【選択図】図２

Description

本発明は、プロジェクタ装置の投射光学系に関するものである。

特許文献１には、投射画面の大画面化を図りつつ、投射装置外の投影空間を縮小するために、反射面を含む結像光学系を採用しつつ、色収差も補正可能な投射光学系およびこのような投射光学系を用いる画像投射装置を実現することが記載されている。そのため、特許文献１には、ライトバルブの投影側にライトバルブの側から第１、第２の光学系を上記順序に配し、第１の光学系は１以上の屈折光学系を含み、正のパワーを有し、第２の光学系はパワーを有する反射面を１以上含み、正のパワーを有し、ライトバルブにより形成された画像を第１及び第２の光学系の光路上に中間像として結像させ、中間像をさらに拡大してスクリーン上に投射することが記載されている。

特許文献２には、所望の変倍比を得つつ、倍率色収差等の諸収差の発生を抑制しコンパクトな構成の変倍光学系を実現する技術が記載されている。特許文献２の変倍光学系は、３つの反射曲面を有する光学ブロックＲと、その光学ブロックＲよりも縮小側に配置された光学ブロックＣとで構成され、光学ブロックＣは移動可能な複数のレンズユニットを有し、複数のレンズユニットの移動により変倍を行う。そして、縮小側から拡大側へ光線をトレースするとき、光学ブロックＣは光学ブロックＲの最も縮小側の光学面（反射面）より拡大側に縮小側共役点の像を形成する。

特開２００４−２５８６２０号公報 特開２００４−２９５１０７号公報

プレゼンテーション用や学校教育用などの様々な用途において、さらにコンパクトで広角化の要求に対応できる投射光学系が要望されている。

本発明の態様の１つは、縮小側の第１の像面から拡大側の第２の像面へ投射する投射光学系である。この投射光学系は、複数のレンズを含み、縮小側から入射した光により拡大側に第１の中間像を結像する第１の屈折光学系と、複数のレンズを含み、縮小側の第１の中間像を拡大側に第２の中間像として結像する第２の屈折光学系と、第２の中間像よりも拡大側に位置する正の屈折力の第１の反射面を含む第１の反射光学系とを有する。さらに、第１の屈折光学系は、第１の像面に形成された画像を収差補正して第１の中間像として結像させ、第２の屈折光学系は、第１の中間像を、主に第１の反射光学系で発生する台形歪みと逆方向の歪みを発生させた第２の中間像として結像させる。

この投射光学系においては、第１の屈折光学系が第１の中間像を結像し、その第１の中間像を第２の屈折光学系が拡大側に第２の中間像として結像することにより、第２の屈折光学系の拡大側のレンズ径を小さくできる。したがって、第２の屈折光学系をコンパクトにすることができ、さらに、第２の屈折光学系から第１の反射面の空気間隔（光学的距離）を短くしやすく、第１の反射面を小型化できる。

第１の反射面において非点収差などとともに台形歪みを補正するように設計することは容易ではない。この投射光学系においては、第１の屈折光学系により非点収差などの収差を補正した第１の中間像を結像させ、第２の屈折光学系によりおもに台形歪みなどの調整を行った第２の中間像を結像させやすい。したがって、鮮明で台形補正がされた像を投射しやすい。

この投射光学系においては、第１の中間像、第２の中間像および第１の反射面で結像される像がそれぞれ反転する。したがって、第１の屈折光学系が、第１の像面に形成された画像を第１の中間像として結像する場合、第１の像面の中心から第２の像面の中心に至る光線が第１の屈折光学系の光軸、第２の屈折光学系の光軸および第１の反射光学系の光軸のいずれかと３回交差して第２の像面に至るように投射光学系をデザインできる。

第１の像面の中心から第２の像面の中心に至る光線が、第１の屈折光学系の光軸、第２の屈折光学系の光軸および第１の反射光学系の光軸が共通の場合はその共通の光軸と、光軸がシフトしている場合はそれらのいずれかと３回交差して第２の像面に至る場合、第１の像面と第１の反射面との間では光線が光軸と２回交差する。したがって、第１の像面と第１の反射面とを光軸に対して同方向に配置できる。すなわち、第１の像面と第１の反射面とを光軸を含む第１の面に対して同方向に配置できる。このため、第１の像面を照明する照明光学系を第１の面に対し第１の反射面と同じ方向に配置することができる。したがって、第１の面に対し同じ方向のスペースを照明光学系と第１の反射面とで共有できる。このため、投射光学系および照明光学系を含めたプロジェクタを薄型にできる。

拡大側の第２の屈折光学系の最も拡大側のレンズの有効径は、縮小側の第１の屈折光学系の最大有効径よりも小さいことが好ましい。さらに、拡大側の第２の屈折光学系の最大有効径は、縮小側の第１の屈折光学系の最大有効径よりも小さいことがいっそう好ましい。第１の反射面に至る光線と、第１の反射面により反射される光線との干渉を抑制でき、コンパクトな投射光学系を提供できる。

また、第１の屈折光学系は等倍または拡大光学系であることが望ましい。第１の中間像は縮小された像であってもよいが、第１の中間像を等倍または拡大することにより第１の屈折光学系よりも拡大側の光学系における倍率を相対的に抑制でき、収差補正が容易になる。したがって、第１の屈折光学系により像面湾曲、非点収差およびコマ収差などの諸収差を補正でき、さらに、第２の屈折光学系により台形歪みなどの歪曲収差を補正できる。

また、この投射光学系は、第１の中間像および第２の中間像の間に配置された絞りを含むことが望ましい。第２の屈折光学系の拡大側のサイズをいっそうコンパクトにできる。さらに、第２の屈折光学系と第１の反射面との空気間隔を短縮できるので第１の反射面のサイズもいっそうコンパクトにできる。

すなわち、この投射光学系は、第１の屈折光学系および第２の屈折光学系を含む第１の光学系を有し、第１の光学系の内部に第１の中間像を結像させて、第１の光学系を第１の屈折光学系と第２の屈折光学系とに分割することにより、第１の光学系の射出瞳を第１の反射面の側に近付けることができる。このため、第１の反射面を小型化できる。この場合、第１の像面と第１の中間像との間に配置された第１の絞りを第１の光学系の絞りとしたときの射出瞳および第１の反射面の光学的距離ＥＸＰと、第１の像面および第１の反射面の光学的距離ｄｗとが以下の条件（１）を満たすことが望ましい。
０．１＜ＥＸＰ／ｄｗ＜０．６ ・・・（１）

さらに、第１の光学系の内部に第１の中間像を結像させて、第１の光学系を第１の屈折光学系と第２の屈折光学系とに分割することにより、第１の中間像および第２の中間像との間に第２の絞りを配置して光束を絞ることができる。このため、第１の光学系の拡大側のレンズサイズ、特に第２の屈折光学系の拡大側のレンズサイズを小型化することができる。第２の絞りは、第２の屈折光学系の内部に配置してもよい。第２の絞りは偏心絞りであることが好ましく、フレアやゴーストの原因となる散乱光を遮断できる。

また、第１の光学系の拡大側、すなわち第２の屈折光学系の拡大側のレンズサイズを小さくできるので、光軸を中心とした回転対称なレンズを用いても第１の反射面からの光線とレンズとの干渉を抑制できる。このため、第２の屈折光学系と第１の反射面との距離を確保するために第２の屈折光学系の拡大側に負のパワーのレンズを配置しなくてもよい。したがって、第２の屈折光学系の最も拡大側のレンズは正レンズあるいは正のメニスカスレンズであってもよく、さらに、接合レンズであってもよい。

さらに、第２の屈折光学系の最も拡大側のレンズおよび第１の反射面の光学的距離ｄｎと、第１の像面および第１の反射面の光学的距離ｄｗとが以下の条件（２）を満たすことが望ましい。
０．１＜ｄｎ／ｄｗ＜０．３ ・・・（２）

第２の屈折光学系に含まれるレンズと第１の反射面との間の空間を小さくできるので、レンズおよび第１の反射面との間の投影光を射出するための開口部が小さくなる。したがって、いっそうコンパクトなプロジェクタを提供でき、開口部から侵入するチリやホコリなどの要因によるレンズおよび反射面の損傷のリスクを低減できる。

この投射光学系において、典型的には第１の中間像と第２の中間像とは光軸を挟んで反対側に結像される。第１の光学系は、第１の中間像の縮小側に１または複数の中間像が形成されるものであってもよい。また、第１の反射光学系は第１の反射面の前後に１または複数の反射面を含んでいてもよい。また、投射光学系は、第１の反射光学系の拡大側にさらに屈折光学系を含んでいてもよい。

また、第１の光学系は変倍光学系であってもよい。第１の光学系は、縮小側から順に、正の屈折力を備えた前群と、正の屈折力を備えた中群と、正の屈折力を備えた後群とを含み、広角端から望遠端に変倍する際に、前群は縮小側から拡大側へ動き、中群は前群の動きを補償するように動き、後群は固定され、前記第１の中間像は後群の内部に結像されることが望ましい。中群により後群への入射光束を一定状態に補償でき、変倍中の第１の中間像の動きを抑制できる。したがって、第１の中間像および第２の中間像の位置をほとんど動かさずに第２の像面に投影される像をズームできる。

また、広角端から望遠端に変倍する際に、前群の移動により主に第１の中間像の倍率を変更でき、中群の移動により像面湾曲、非点収差およびコマ収差などの諸収差を補正できる。このため、収差変動および第１の中間像の位置変動を抑えた変倍光学系を含む高解像の投射光学系を提供できる。

本発明の他の態様の１つは、上記の投射光学系と、第１の像面に画像を形成する光変調器とを有するプロジェクタである。このプロジェクタは、第１の像面を照明する照明光学系であって、光軸を含む第１の面に対して第１の反射面と同方向に配置された照明光学系をさらに有するものであってもよい。

本発明に係る投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は非テレセントリックな投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示す図、（ｂ）はテレセントリックな投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示す図、（ｃ）は異なるテレセントリックな投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示す図。 第１の実施形態に係る投射光学系の概略構成を示す図。 第１の実施形態に係る投射光学系のレンズデータを示す図。 第１の実施形態に係る投射光学系の諸数値を示す図であり、（ａ）は基本データを示し、（ｂ）は間隔データを示し、（ｃ）は非球面データを示す。 第１の実施形態に係る投射光学系の中間像の近傍の平面における光束の状態を示す図であり、（ａ）は第１の中間像の近傍を示し、（ｂ）は第２の中間像の近傍を示す。 第２の実施形態に係る投射光学系の概略構成を示す図。 第２の実施形態に係る投射光学系のレンズデータを示す図。 第２の実施形態に係る投射光学系の諸数値を示す図であり、（ａ）は基本データを示し、（ｂ）は間隔データを示し、（ｃ）は非球面データを示し、（ｄ）はズームデータを示す。 第２の実施形態に係る投射光学系の中間像の近傍の平面における光束の状態を示す図であり、（ａ）は第１の中間像の近傍を示し、（ｂ）は第２の中間像の近傍を示す。 第３の実施形態に係る投射光学系の概略構成を示す図。 第３の実施形態に係る投射光学系のレンズデータを示す図。 第３の実施形態に係る投射光学系の諸数値を示す図であり、（ａ）は基本データを示し、（ｂ）は間隔データを示し、（ｃ）は非球面データを示し、（ｄ）はズームデータを示す。 第３の実施形態に係る投射光学系の中間像の近傍の平面における光束の状態を示す図であり、（ａ）は第１の中間像の近傍を示し、（ｂ）は第２の中間像の近傍を示す。 従来の投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示す図。

図１に、本発明の実施形態に係る典型的な投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示しており、図１（ａ）は非テレセントリックな投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示す図、図１（ｂ）はテレセントリックな投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示す図、図１（ｃ）は異なるテレセントリックな投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示す図である。図１４に、従来の投射光学系を用いたプロジェクタ装置の概略構成を示している。

図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、プロジェクタ（プロジェクタ装置）１００は、光変調器（ライトバルブ）５と、ライトバルブ５に変調用の照明光を照射する照明光学系９０と、ライトバルブ５の像面を縮小側の第１の像面とし、ライトバルブ５により形成された画像を投影光９１として拡大側の第２の像面であるスクリーン９に拡大して投射する投射光学系１とを備えている。ライトバルブ５は、ＬＣＤ、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）あるいは有機ＥＬなどの画像を形成できるものであればよく、単板式であっても、各色の画像をそれぞれ形成する方式であってもよい。なお、上記のライトバルブ５は、反射型のＬＤＣであっても透過型のＬＣＤであってもよい。ライトバルブ５が透過型の場合の照明光学系９０は、ライトバルブ５に対して投射光学系１の光軸１０１方向の反対側に配置される。さらに、スクリーン９は、壁面やホワイトボードなどであってもよい。プロジェクタ１００は、フロントプロジェクタであっても、スクリーンを含むリアプロジェクタであってもよい。なお、ライトバルブ５は、ライトバルブの第１の像面の位置を示す。

典型的なライトバルブ５はＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）を採用した単板式のビデオプロジェクタである。照明光学系９０は、ハロゲンランプなどの白色光源と、円盤型の回転色分割フィルタ（カラーホイール）とを備えて、ＤＭＤ（パネル、ライトバルブ）５が、赤、緑、青の３原色の画像を時分割で形成するものである。投射光学系１のＤＭＤ５の側は、図１（ａ）に示すようにノンテレセントリックであってもよく、図１（ｂ）に示すようにＴＩＲ（Total Internal Reflection）プリズムＰｒなどを用いてテレセントリ
ックにすることも可能である。なお、ＤＭＤ方式ではなく液晶方式の場合には、図１（ｃ）に示すようにＴＩＲプリズムＰｒの代わりに色合成プリズム６を用いることも可能である。反射型液晶方式の場合には、照明用プリズム若しくはワイヤーグリッドおよび色合成プリズムの両方を用いることも可能である。

図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、本発明の投射光学系１は、縮小側の第１の像面であるＤＭＤ５から拡大側の第２の像面であるスクリーン９へ投射する投射光学系である。投射光学系１は、複数のレンズを含む第１の光学系１０であって、縮小側から入射した光により第１の光学系１０の内部に結像される第１の中間像３１を第１の光学系１０よりも拡大側に第２の中間像３２として結像する第１の光学系１０と、第２の中間像３２よりも拡大側に位置する正の屈折力の第１の反射面２１ａを含む第２の光学系（第１の反射光学系）２０とを有する。さらに、第１の光学系１０は、第１の中間像３１を結像させる第１の屈折光学系１１と、第１の中間像３１を第２の中間像３２として結像させる第２の屈折光学系１２とを含むように構成できる。

この投射光学系１においては、第１の中間像３１、第２の中間像３２および第１の反射面２１ａで結像される像がそれぞれ反転する。したがって、ＤＭＤ５の中心からスクリーン９の中心に至る光線が第１の光学系１０および第２の光学系２０の共通する光軸１０１と３回交差してスクリーン９に至るように投射光学系１をデザインできる。

ＤＭＤ５の中心からスクリーン９の中心に至る光線が第１の屈折光学系１１、第２の屈折光学系１２および第２の光学系２０の共通する光軸１０１と３回交差してスクリーン９に至る場合、ＤＭＤ５と第１の反射面２１ａとの間では光線が光軸１０１と２回交差する。したがって、ＤＭＤ５と第１の反射面２１ａとを光軸１０１に対して同方向に配置できる。すなわち、ＤＭＤ５と第１の反射面２１ａとを光軸１０１を含む第１の面１１１に対して同方向の第１の方向１１１ａ（下方向）に配置できる。

このため、ＤＭＤ５を照明する照明光学系９０を第１の面１１１に対し第１の反射面２１ａと同じ第１の方向１１１ａに配置することができる。したがって、図１４に示すような従来のプロジェクタ装置２００とは異なり、第１の面１１１に対し同じ第１の方向１１１ａのスペース１１１ｓを照明光学系９０と第１の反射面２１ａとで共有できる。このため、投射光学系１および照明光学系９０を含めたプロジェクタ１００の高さ（厚さ）を、従来のプロジェクタ２００の半分以下に薄型化できる。

図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、本発明の投射光学系１を含むプロジェクタ１００は、第１の面１１１に対して同方向の第１の方向１１１ａのスペース１１１ｓに照明光学系９０および第１の反射面２１ａを配置できる。このため、第１の反射面２１ａが収まる高さ（厚さ）ｈの中に照明光学系９０を収めることができる。また、照明光学系９０の厚さが大きい場合であっても、照明光学系９０の厚さｈの中に第１の反射面２１ａを収めることができる。

第１の実施形態
図２に、第１の実施形態に係る投射光学系１を示している。この投射光学系１は、入射側がテレセントリックの固定焦点型の投射光学系である。投射光学系１は、縮小側の第１の像面であるＤＭＤ５の側から順に、複数のレンズを含む第１の光学系１０と、第１の光学系１０から出射された光を拡大側の第２の像面であるスクリーン９に投影する正のパワーの第１の反射面２１ａを含む第２の光学系（第１の反射光学系）２０とを有する。具体的には、第１の光学系１０は、１４枚のレンズＬ１〜Ｌ１４を含む。第２の光学系２０は、１枚の非球面形状の第１の反射面２１ａを含むミラー（凹面鏡）２１を含む。本例の投射光学系１は、変倍を行わない単焦点（固定焦点）タイプの光学系である。この投射光学系１においては、第１の光学系１０の複数のレンズＬ１〜Ｌ１４および第２の光学系２０のミラー２１により第２の像面であるスクリーン９に投影された光により、第１の像面であるＤＭＤ５に形成された画像がスクリーン９に拡大して投射される。

この投射光学系１の第１の光学系１０は、ＤＭＤ５から入射した光により第１の光学系１０の内部に結像される第１の中間像３１を第１の光学系１０よりも拡大側に第２の中間像３２として結像する。また、第２の光学系２０の第１の反射面２１ａは、第２の中間像３２よりも拡大側に配置されている。図２に示した第１の光学系１０は鏡面を含まない屈折光学系である。この第１の光学系１０は、ＤＭＤ５により形成された画像を第１の中間像３１として結像させる第１の屈折光学系１１と、第１の中間像３１を第２の中間像３２として結像させる第２の屈折光学系１２とを含む。なお、第１の光学系１０は、適当な位置で光軸１０１を折り曲げるための鏡面を含んでいてもよい。

第１の屈折光学系１１は、全体が正の屈折力を備えたレンズ系である。第１の屈折光学系１１は、ＤＭＤ５の側から順に配置された、両凸の正レンズＬ１と、ＤＭＤ５の側に凸の正メニスカスレンズＬ２と、２枚貼合の第１の接合レンズ（バルサムレンズ、ダブレット）ＬＢ１と、ミラー２１の側（拡大側）に凸の負メニスカスレンズＬ５と、ミラー２１の側に凸の正メニスカスレンズＬ６と、ＤＭＤ５の側（縮小側）に凸の正メニスカスレンズＬ７と、両凸の樹脂製の正メニスカスレンズＬ８とから構成されている。第１の接合レンズＬＢ１は、ＤＭＤ５の側から順に配置された両凸の正レンズＬ３と、両凹の負レンズＬ４とから構成されている。負メニスカスレンズＬ５の両面、すなわちＤＭＤ５の側の面Ｓ８およびミラー２１の側の面Ｓ９は非球面である。さらに、正メニスカスレンズＬ８の両面、すなわちＤＭＤ５の側の面Ｓ１４およびミラー２１の側の面Ｓ１５も非球面である。

第１の屈折光学系１１の最も拡大側から２番目の正メニスカスレンズＬ７は、第１の屈折光学系１１の中で最も有効径（口径）の大きいレンズであり、第１の屈折光学系１１の最大有効径を与えるレンズである。同時に、この正メニスカスレンズＬ７は、第１の光学系１０の中で最も有効径（口径）の大きいレンズであり、第１の光学系１０の最大有効径は第１の屈折光学系１１の拡大側のレンズにより与えられる。

負メニスカスレンズＬ５のミラー２１の側、すなわち負メニスカスレンズＬ５および正メニスカスレンズＬ６の間の空間には、第１の中間像３１を形成する第１の開口絞りＳｔ１が配置されている。第１の屈折光学系１１のＤＭＤ５の側には、１枚のガラス製のプリズム（ＴＩＲプリズム）Ｐｒが配置されており、この投射光学系１に入射する光はテレセントリックまたはそれに近い状態となっている。第１の屈折光学系１１は、第１の屈折光学系１１よりも拡大側、すなわち第１の屈折光学系１１と第２の屈折光学系１２との間の空間Ｓｐ１に、ＤＭＤ５により形成された画像を第１の中間像３１として結像する。本例の第１の中間像３１は、第１の屈折光学系１１の最も拡大側の正メニスカスレンズＬ８から拡大側に空気間隔（距離）３．７４ｍｍを隔てて結像される。

第２の屈折光学系１２は、全体が、第１の屈折光学系１１よりも焦点距離が短くパワーの強い正の屈折力を備えたレンズ系である。第２の屈折光学系１２は、ＤＭＤ５の側から順に配置された、ＤＭＤ５の側に凸の樹脂製の正メニスカスレンズＬ９と、両凸の正レンズＬ１０と、２枚貼合の第２の接合レンズＬＢ２と、２枚貼合の第３の接合レンズＬＢ３とから構成されている。第２の接合レンズＬＢ２は、ＤＭＤ５の側から順に配置された両凸の正レンズＬ１１と、両凹の負レンズＬ１２とから構成されている。第３の接合レンズＬＢ３は、ＤＭＤ５の側から順に配置されたＤＭＤ５の側に凸の負メニスカスレンズＬ１３と、両凸の正レンズＬ１４とから構成されている。正メニスカスレンズＬ９の両面、すなわちＤＭＤ５の側の面Ｓ１６およびミラー２１の側の面Ｓ１７は非球面である。

第２の屈折光学系１２の最も縮小側の正メニスカスレンズＬ９は、第２の屈折光学系１２の中で最も有効径（口径）の大きいレンズであり、第２の屈折光学系１２の最大有効径を与えるレンズとなる。第２の屈折光学系１２のミラー２１の側には、第２の中間像３２を形成する第２の偏心絞りＳｔ２が配置されている。本例の第２の偏心絞りＳｔ２は、開口（円形の開口）の中心が光軸１０１からずれており、その開口の中心の偏心量は、光軸１０１を含む第１の面１１１に対して下方向（第１の方向）１１１ａに１．５ｍｍである。第２の屈折光学系１２は、第２の屈折光学系１２よりも拡大側、すなわち第２の屈折光学系１２および第１の反射面２１ａの間の空間Ｓｐ２に、第２の中間像３２を結像する。本例の第２の中間像３２は、第２の偏心絞りＳｔ２のミラー２１の側に、第２の偏心絞りＳｔ２から空気間隔４１．６０ｍｍを隔てて結像される。

この投射光学系１は、第１の屈折光学系１１が第１の光学系１０の内部の空間Ｓｐ１に第１の中間像３１を結像させ、第２の屈折光学系１２が第１の光学系１０の拡大側で、第２の光学系２０の第１の反射面２１ａの縮小側の空間Ｓｐ２に第２の中間像３２を結像させる。さらに、第２の光学系２０の非球面の反射面２１ａが第２の中間像３２をスクリーン９に投影し、スクリーン９にＤＭＤ５の画像を拡大投射する。

この投射光学系１においては、第１の光学系１０の拡大側に配置された第２の屈折光学系１２が第１の光学系１０の内部に結像された第１の中間像３１を第２の屈折光学系１２の拡大側に第２の中間像３２として結像する。第１の中間像３１と第２の中間像３２とは光軸１０１に対して逆転する。したがって、第２の屈折光学系１２を通過する光束は第２の屈折光学系１２の光軸１０１と交差し、第２の屈折光学系１２を通過する光束の面積は光軸１０１の周りに集中しやすい。このため、第１の光学系１０の拡大側に位置する第２の屈折光学系１２の最大有効開口径を第１の屈折光学系１１に対して小さくすることができる。特に、第２の屈折光学系１２の広角側のレンズ径を縮小側のレンズ径に対して小さくできる。

すなわち、第１の屈折光学系１１は、第１の中間像３１を光軸１０１よりも上側半分の一方の領域（第１の領域）１０１ａに結像させ、第２の屈折光学系１２は、第１の中間像３１の上下左右が反転した第２の中間像３２を、領域１０１ａとは反対側、すなわち光軸１０１よりも下側半分の他方の領域（第２の領域）１０１ｂに結像させる。このため、第１の中間像３１から第２の中間像３２に至る光束は光軸１０１の周りに集中し、第２の屈折光学系１２および第１の反射面２１ａを小型化できる。

さらに、この投射光学系１においては、ＤＭＤ５に形成される第１の像面の中心からスクリーン９の第２の像面の中心に至る光線１１０が第１の光学系１０および第２の光学系２０の共通する光軸１０１と３回交差してスクリーン９に至る。具体的には、ＤＭＤ５から射出された光線１１０は、光軸１０１に対して下方から投射光学系１に入射し、第１の屈折光学系１１の内部で光軸１０１と交差して光軸１０１の上側で第１の中間像３１として結像される。さらに、光線１１０は、第２の屈折光学系１２の内部で光軸１０１と交差して光軸１０１の下側で第２の中間像３２として結像される。さらに、光線１１０は、光軸１０１の下側で第１の反射面２１ａにより反射され、光軸１０１と交差してスクリーン９に投影される。なお、光軸１０１の上下は相対的な位置関係であり、光軸１０１に対する上下が入れ替わってもよく、光軸１０１の左右であってもよい。

さらに、第１の光学系１０は、内部に第１の中間像３１を結像し、その第１の中間像３１を拡大側に第２の中間像３２として結像する。このため、拡大側に結像される第２の中間像３２のための偏心絞りＳｔ２を第１の光学系１０のより拡大側に近い位置、または第１の光学系１０よりも拡大側に設けることができる。したがって、第１の反射面２１ａの縮小側に形成される第２の中間像３２と偏心絞りＳｔ２との空気間隔を短くできる。このため、第２の中間像３２のサイズに対して第２の中間像３２から第１の反射面２１ａに至る光束の広がりを確保できる。したがって、第２の屈折光学系１２の拡大側のレンズ径を小さくできるとともに、第１の反射面２１ａの光軸１０１を中心とする回転対称な面の径を小さくできる。

さらに、この投射光学系は、第１の光学系１０の射出瞳および第１の反射面２１ａの光学的距離ＥＸＰと、ＤＭＤ５および第１の反射面２１ａの光学的距離ｄｗとが以下の条件（１）を満たすように設計できる。
０．１＜ＥＸＰ／ｄｗ＜０．６ ・・・（１）

第１の光学系１０の射出瞳と第１の反射面２１ａとの間の距離ＥＸＰを条件（１）の範囲内とすることにより、第１の光学系１０の射出瞳を第１の反射面２１ａの側に近付けることができる。このため、第１の反射面２１ａを小型化できる。条件（１）の上限を超えると、第１の光学系１０の拡大側のレンズと第１の反射面２１ａとの空気間隔が長くなり、第１の反射面２１ａを小型化することが困難となる。条件（１）の下限を超えると、第１の反射面２１ａで反射してスクリーン９に向かう光と第２の屈折光学系１２との干渉を抑制することが困難となる。条件（１）の上限は、０．４であることが望ましい。また、条件（１）の下限は、０．２であることが望ましく、０．２４であることがさらに望ましい。

さらに、第２の屈折光学系１２の拡大側のレンズ径を小さくできるので、第２の屈折光学系１２を、光軸１０１を中心とする回転対称な面を備えたレンズで形成しても第１の反射面２１ａで反射してスクリーン９に向かう光と第２の屈折光学系１２との干渉を抑制できる。したがって、第２の屈折光学系１２と第１の反射面２１ａとの空気間隔を短くでき、全体がコンパクトで広角化の要求に対応できる投射光学系１を提供できる。

このため、この投射光学系１は、第１の光学系１０の拡大側、すなわち、最もミラー２１の側に配置されたレンズ（本例では正レンズＬ１４）および第１の反射面２１ａの間の距離ｄｎと、ＤＭＤ５および第１の反射面２１ａの間の距離ｄｗとが以下の条件（２）を満たすように設計できる。
０．１＜ｄｎ／ｄｗ＜０．３ ・・・（２）

第１の光学系１０と第１の反射面２１ａとの間の距離ｄｎを条件（２）の範囲内とすることにより、第１の光学系１０と反射面２１ａとの間の空間Ｓｐ２を小さくできる。このため、第１の光学系１０の広角側のレンズ（正レンズＬ１４）および反射面２１ａの機械的な損傷を抑制しやすい。条件（２）の上限を超えると、広角側のレンズＬ１４および反射面２１ａの間の空間Ｓｐ２が相対的に大きくなり、機械的な損傷を受ける可能性が増す。条件（２）の下限を超えると、空間Ｓｐ２が小さくなり、第２の中間像３２に第１の反射面２１ａが接近しすぎて十分な広角化を確保できない。条件（２）の上限は、０．２６であることが望ましい。また、条件（２）の下限は、０．１５であることが望ましい。

さらに、投射光学系１の縮小側のイメージサークルＩＣに対する第１の反射面２１ａの有効径ＭＤの比を以下の条件（３）にすることができる。
１．０≦ＭＤ／ＩＣ≦６．０ ・・・（３）

条件（３）の上限は、５．０であってもよく、４．５であることがさらに好ましい。また、条件（３）の下限は、２．０であってもよく、２．５であることがさらに好ましい。イメージサークルＩＣのサイズに対して第１の反射面２１ａを小さくすることができ、さらにコンパクトな投射光学系１を提供できる。

また、投射光学系１の縮小側のイメージサークルＩＣに対する第１の光学系１０の最も広角側のレンズ（本例ではレンズＬ１４）の有効径ＬＬＤとの比を以下の条件（４）にすることができる。
０．１≦ＬＬＤ／ＩＣ≦２．０ ・・・（４）

条件（４）の上限は、１．５であってもよく、１．０であることがさらに好ましい。また、条件（４）の下限は、０．２であってもよく、０．３であることがさらに好ましい。イメージサークルＩＣのサイズに対して第１の光学系１０の最も広角側のレンズ径（有効径）を小さくすることにより、第１の反射面２１ａで反射された光束（投影光）とレンズとの干渉を抑制でき、さらにコンパクトな投射光学系１を提供できる。

さらに、投射光学系１の第１の反射面２１ａの有効径ＭＤに対する偏心絞りＳｔ２の径ＳＴＤ２との比は以下の条件（５）を満たすことが望ましい。
１．０≦ＭＤ／ＳＴＤ２≦３０ ・・・（５）

条件（５）の上限は、２５であってもよく、２０であることが望ましく、１８であることがさらに望ましい。また、条件（５）の下限は、２．０であってもよく、３．０であることが望ましく、４．０であることがさらに望ましい。投射光学系１の拡大側に偏心絞りＳｔ２を設けることにより第１の反射面２１ａの有効径ＭＤを上記の範囲に設定し、有効径ＭＤを小さくすることができる。

また、第１の屈折光学系１１の最大有効径は、正メニスカスレンズＬ７の有効径（本例では４９．０ｍｍ）であり、第２の屈折光学系１２の最も拡大側の正レンズＬ１４の有効径は、本例では１７．０ｍｍである。さらに、第２の屈折光学系１２の最大有効径は、正メニスカスレンズＬ９の有効径（本例では３６．０ｍｍ）である。したがって、第２の屈折光学系１２の最も拡大側のレンズＬ１４の有効径は第１の屈折光学系１１の最大有効径よりも小さく、さらに、第２の屈折光学系１２の最大有効径は第１の屈折光学系１１の最大有効径よりも小さい。したがって、第１の光学系１０は全体として縮小側に対して拡大側のレンズ径が小さく、さらに、第２の屈折光学系１２は縮小側に対して拡大側のレンズ径が小さくなっている。

さらに、第１の光学系１０は第１の屈折光学系１１および第２の屈折光学系１２を含み、第１の中間像３１を介して光線をリレーするように構成されている。したがって、それぞれの屈折光学系１１および１２を鮮明な像がスクリーン９に投影されるように構成できる。すなわち、広角側から見ると、第１の反射面２１ａは台形歪みを発生させ、第１の反射面２１ａを非点収差などとともに台形歪みを補正するように設計することは困難である。したがって、第２の中間像３２は台形歪みを含むものとし、第１の屈折光学系１１により像面湾曲や、非点収差、コマ収差などの収差を補正した第１の中間像３１を形成し、その第１の中間像３１を第２の屈折光学系１２によりおもに台形歪みなどの調整を行った、すなわち第１の反射面２１ａが発生させる歪みと逆方向（キャンセル方向）の歪みを発生させた第２の中間像３２を形成している。したがって、第１の光学系１０および第２の光学系２０を含む投射光学系１により鮮明で台形補正がされた像をスクリーン９に投影できる。

このように、この投射光学系１は、第１の中間像３１を挟んで第１の中間像３１よりも縮小側（ＤＭＤ５の側）の第１の屈折光学系１１と、第１の中間像３１よりも拡大側（ミラー２１の側）の第２の屈折光学系１２とを含む。このため、第１の屈折光学系１１により第１の中間像３１を結像させることにより、像面湾曲、非点収差およびコマ収差などの諸収差を補正でき、さらに、第２の屈折光学系１２により第２の中間像３２を結像させることにより、台形歪みの調整を行って歪曲収差を補正できる。したがって、第１の中間像３１を２つの屈折光学系１１および１２により挟む構成により、第１の屈折光学系１１および第２の屈折光学系１２のそれぞれを専用の光学系として設計できる。このため、それぞれの屈折光学系１１および１２の設計の自由度を向上できる。

第１の屈折光学系１１の最も拡大側の第１の中間像３１の縮小側に配置された両凸の樹脂製の正メニスカスレンズＬ８は、パワーが弱く、両面Ｓ１４およびＳ１５は非球面である。このため、諸収差を良好に補正でき第１の中間像３１のＭＴＦの低下を抑制できる。また、第２の屈折光学系１２の最も縮小側、すなわち第１の中間像３１の拡大側に配置された、縮小側に凸の樹脂製の正メニスカスレンズＬ９の縮小側の面Ｓ１６は、第１の光学系１０の中で最も曲率半径が小さく（曲率が大きく）、広角側の面Ｓ１７は、面Ｓ１６に次いで曲率半径が小さい（曲率が大きい）。このため、第１の中間像３１の台形歪みを調整し、台形歪みを含む第２の中間像３２を結像させやすい。さらに、正メニスカスレンズＬ９の両面Ｓ１６およびＳ１７は非球面であるため、台形歪み（歪曲収差）以外の諸収差の補正も同時に行うことができる。したがって、第２の屈折光学系１２の最もＤＭＤ５の側に樹脂製の正メニスカスレンズＬ９を配置する簡易な構成により、低コストで、台形歪み以外の諸収差を抑えた第２の中間像３２を得ることができる。

図３に、投射光学系１の第１の光学系１０の各レンズのレンズデータを示している。図４に、投射光学系１の諸数値を示している。レンズデータにおいて、ＲｉはＤＭＤ（ライトバルブ）５の側（縮小側）から順に並んだ各レンズ（各レンズ面）の曲率半径（ｍｍ）、ｄｉはＤＭＤ５の側から順に並んだ各レンズ面の間の距離（ｍｍ）、ＤｉはＤＭＤ５の側から順に並んだ各レンズ面の有効径（ｍｍ）、ｎｄはＤＭＤ５の側から順に並んだ各レンズの屈折率（ｄ線）、νｄはＤＭＤ５の側から順に並んだ各レンズのアッベ数（ｄ線）を示している。図３において、Ｆｌａｔは平面を示している。図４（ｃ）において、「Ｅｎ」は、「１０のｎ乗」を意味し、たとえば、「Ｅ−０６」は、「１０の−６乗」を意味する。以降の実施形態においても同様である。本明細書において、第１の中間像３１の位置は、光軸１０１上の第１の中間像３１の光束の焦点位置を示している。また、第２の中間像３２の位置は、第２の偏心絞りＳｔ２から光軸１０１上の第２の中間像３２の光学的距離ｄ１と、第２の偏心絞りＳｔ２から最周辺（最近辺）の第２の中間像３２の光学的距離ｄ２との差分の中点位置を示している。本例では、ｄ１が５８．２０ｍｍ、ｄ２が２５．００ｍｍであるため、第２の中間像３２の位置は、第２の偏心絞りＳｔ２から４１．６０ｍｍの位置を示している。以降の実施形態においても同様である。

図５に、投射光学系１の第１の中間像３１および第２の中間像３２の近傍の平面を横切る光束の様子をスポットダイアグラムにより示している。図５（ａ）に示すように、第１の中間像３１の近傍では、ＤＭＤ５により形成された画像が、第１の屈折光学系１１により拡大された画像として上下左右を反転されている。さらに、図５（ｂ）に示すように、第２の中間像３２の近傍では、第１の中間像３１が、第２の屈折光学系１２により台形歪みのある画像として上下左右を反転されている。

本例の投射光学系１の上述した条件（１）を与える式の値は、図４（ｂ）に示すように、第１の光学系１０の射出瞳と第１の反射面２１ａとの間の距離ＥＸＰが８１．７０ｍｍであり、ＤＭＤ５およびミラー２１の間の距離ｄｗが３２３．００ｍｍであるため、以下のようになる。さらに、本例の投射光学系１の上述した条件（２）を与える式の値は、図４（ｂ）に示すように、正レンズＬ１４およびミラー２１の間の距離ｄｎが７５．２０ｍｍであり、ＤＭＤ５およびミラー２１の間の距離ｄｗが３２３．００ｍｍであるため、以下のようになる。また、その他の条件（３）〜（５）は以下の通りである。なお、第１の光学系１０の射出瞳の位置は、縮小側の第１の絞りＳｔ１を第１の光学系１０の絞りとした場合の射出瞳の位置を示している。
条件（１） ＥＸＰ／ｄｗ＝０．２５
条件（２） ｄｎ／ｄｗ＝０．２３
条件（３） ＭＤ／ＩＣ＝２．９
条件（４） ＬＬＤ／ＩＣ＝０．６
条件（５） ＭＤ／ＳＴＤ２＝４．７
したがって、本例の投射光学系１は、条件（１）〜（５）を満たしている。

したがって、第１の実施形態に係る投射光学系１は、１４枚のレンズＬ１〜Ｌ１４および１枚のミラー２１の構成により、固定焦点でありながら最大画角（全画角）が６６．６７度、焦点距離が６．２０と比較的広角で、Ｆ値が１．９０と明るく鮮明な画像を投射できる、高性能な投射光学系１の一例である。

なお、第１の屈折光学系１１の負メニスカスレンズＬ５の両面Ｓ８およびＳ９と、第１の屈折光学系１１の正メニスカスレンズＬ８の両面Ｓ１４およびＳ１５と、第２の屈折光学系１２の正メニスカスレンズＬ９の両面Ｓ１６およびＳ１７と、第１の反射面２１ａとは回転対称非球面である。非球面は、Ｘを光軸方向の座標、Ｙを光軸と垂直方向の座標、光の進行方向を正、Ｒを近軸曲率半径とすると、図４（ｃ）の係数Ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、ＥおよびＦを用いて次式で表わされる。以降の実施形態においても同様である。
Ｘ＝（１／Ｒ）Ｙ^２／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（１／Ｒ）^２Ｙ^２｝^１／２］
＋ＡＹ^４＋ＢＹ^６＋ＣＹ^８＋ＤＹ^１０＋ＥＹ^１２＋ＦＹ^１４

第２の実施形態
図６に、第２の実施形態に係る投射光学系２を示している。この投射光学系２は、入射側が非テレセントリックのズーミング可能な投射光学系である。投射光学系２は、ＤＭＤ５の側（縮小側）から順に、複数のレンズを含む第１の光学系１０と、第１の光学系１０から出射された光を反射してスクリーン９に投影する第１の反射面２１ａを含む第２の光学系（第１の反射光学系）２０とを有する。第１の光学系１０は、１３枚のレンズＬ１１〜Ｌ１３、Ｌ２１〜Ｌ２２およびＬ３１〜Ｌ３８を含み、第２の光学系２０は、非球面の第１の反射面２１ａが形成されたミラー（凹面鏡）２１を含む。

本例の投射光学系２は、変倍を行うズームタイプの光学系である。第１の光学系１０は、ＤＭＤ５の側から順に、正の屈折力を備えた第１のレンズ群（前群）Ｇ１と、正の屈折力を備えた第２のレンズ群（中群）Ｇ２と、正の屈折力を備えた第３のレンズ群（後群）Ｇ３とを含む。また、本例の第１の光学系１０も、内部に結像された第１の中間像３１を第１の光学系１０よりも拡大側に第２の中間像３２として結像する光学系である。この第１の光学系１０は、ＤＭＤ５により形成された画像を第１の中間像３１として結像させる正のパワーの第１の屈折光学系１１と、第１の中間像３１を第２の中間像３２として結像させる正のパワーの第２の屈折光学系１２とを含む。第１の中間像３１は第３のレンズ群Ｇ３の内部に結像され、第１のレンズ群Ｇ１と、第２のレンズ群Ｇ２と、第３のレンズ群Ｇ３の最初（縮小側）のレンズＬ３１とが第１の屈折光学系１１を構成し、第３のレンズ群Ｇ３の他のレンズが第２の屈折光学系１２を構成する。

最もＤＭＤ５側（最も縮小側）の第１のレンズ群（前群）Ｇ１は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群である。第１のレンズ群Ｇ１は、ＤＭＤ５の側から順に配置された、両凸の正レンズＬ１１と、両凹の負レンズＬ１２と、両凸の正レンズＬ１３とから構成されている。正レンズＬ１１の両面、すなわちＤＭＤ５の側の面Ｓ１およびミラー２１の側の面Ｓ２は非球面である。正レンズＬ１１のミラー２１の側、すなわち正レンズＬ１１および負レンズＬ１２の間の空間には、第１の開口絞りＳｔ１が配置されている。第１のレンズ群Ｇ１のＤＭＤ５の側には、１枚のガラス製のカバーガラスＣＧが配置されている。

第２のレンズ群（中群）Ｇ２は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群である。第２のレンズ群Ｇ２は、２枚貼合の第１の接合レンズ（バルサムレンズ、ダブレット）ＬＢ１から構成されている。第１の接合レンズＬＢ１は、ＤＭＤ５の側から順に配置されたＤＭＤ５の側に凸の負メニスカスレンズＬ２１と、ＤＭＤ５の側に凸の正メニスカスレンズＬ２２とから構成されている。

最もミラー２１側（拡大側）の第３のレンズ群（後群）Ｇ３は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群である。第３のレンズ群Ｇ３は、ＤＭＤ５の側から順に配置された、ＤＭＤ５の側に凸の樹脂製の正メニスカスレンズＬ３１と、ＤＭＤ５の側に凸の樹脂製の正メニスカスレンズＬ３２と、ミラー２１の側に凸の正メニスカスレンズＬ３３と、３枚貼合の第２の接合レンズ（バルサムレンズ、トリプレット）ＬＢ２と、２枚貼合の第３の接合レンズ（バルサムレンズ、ダブレット）ＬＢ３とから構成されている。

第２の接合レンズＬＢ２は、ＤＭＤ５の側から順に配置された、両凸の正レンズＬ３４と、両凹の負レンズＬ３５と、ＤＭＤ５の側に凸の正メニスカスレンズＬ３６とから構成されている。第３の接合レンズＬＢ３は、ＤＭＤ５の側から順に配置された両凸の正レンズＬ３７と、両凹の負レンズＬ３８とから構成されている。正メニスカスレンズＬ３１の両面、すなわちＤＭＤ５の側の面Ｓ１０およびミラー２１の側の面Ｓ１１は非球面である。さらに、正メニスカスレンズＬ３２の両面、すなわちＤＭＤ５の側の面Ｓ１２およびミラー２１の側の面Ｓ１３も非球面である。正メニスカスレンズＬ３６のミラー２１の側、すなわち正メニスカスレンズＬ３６および正レンズＬ３７の間の空間には、第２の開口絞りＳｔ２が配置されている。

本例の投射光学系２は、広角端から望遠端に変倍する際に、第１のレンズ群（前群）Ｇ１は縮小側（ＤＭＤ５側）から拡大側（ミラー２１側）へ動き、第２のレンズ群（中群）Ｇ２も縮小側から拡大側へ動き、第３のレンズ群（後群）Ｇ３は動かない。第１のレンズ群Ｇ１はバリエータとして移動することにより変倍し、第２のレンズ群Ｇ２はコンペンセータとして第１のレンズ群Ｇ１の動きを補償するように動き、リレーレンズである第３のレンズ群Ｇ３への入射光束が一定条件になるようにする。本例の投射光学系２は、変倍の際に動かない第３のレンズ群Ｇ３内で焦点調整を行うフローティングフォーカスまたはインナーフォーカスタイプの光学系である。本例のフォーカシングは、第３のレンズ群Ｇ３に含まれる１つ以上のレンズを動かすことにより行われる。

第１のレンズ群Ｇ１、第２のレンズ群Ｇ２およびレンズＬ３１から構成される第１の屈折光学系１１は、ＤＭＤ５の側から順に配置された、正レンズＬ１１と、第１の絞りＳｔ１と、負レンズＬ１２と、正レンズＬ１３と、第１の接合レンズＬＢ１と、正メニスカスレンズＬ３１とを含み、第１の屈折光学系１１の拡大側、すなわち第１の屈折光学系１１および第２の屈折光学系１２の間の空間Ｓｐ１に第１の中間像３１が結像される。本例の第１の中間像３１は、正メニスカスレンズＬ３１から拡大側に空気間隔１５．００ｍｍを隔てて結像される。

レンズＬ３１を除いた第３のレンズ群Ｇ３により構成される第２の屈折光学系１２は、ＤＭＤ５の側から順に配置された、正メニスカスレンズＬ３２と、正メニスカスレンズＬ３３と、第２の接合レンズＬＢ２と、第２の絞りＳｔ２と、第３の接合レンズＬＢ３とを含む。第２の屈折光学系１２の拡大側、すなわち第２の屈折光学系１２および第１の反射面２１ａの間の空間Ｓｐ２に第２の中間像３２が結像される。本例の第２の中間像３２は、第２の絞りＳｔ２から拡大側に空気間隔３７．４０ｍｍを隔てて結像される。

この投射光学系２においても、第１の屈折光学系１１が第１の光学系１０の内部の空間Ｓｐ１に第１の中間像３１を結像させ、第２の屈折光学系１２が第１の光学系１０よりも拡大側の空間Ｓｐ２に第２の中間像３２を結像させている。入射側が非テレセントリックの投射光学系２においては、第１の屈折光学系１１のパワーは、第２の屈折光学系１２のパワーとほぼ同じ、または大きくなるようにデザインされており、本例の投射光学系２においては、第１の屈折光学系１１のパワーが第２の屈折光学系１２のパワーよりも大きい。この投射光学系２においても、第１の中間像３１と第２の中間像３２とは光軸１０１を挟んで反対側の領域１０１ａおよび１０１ｂにそれぞれ形成され、第２の屈折光学系１２を通過する光束は光軸１０１の周りに集中する。したがって、第２の屈折光学系１２をコンパクトに形成できる。

また、この投射光学系２においても、ＤＭＤ５に形成される第１の像面の中心からスクリーン９の第２の像面の中心に至る光線１１０が第１の光学系１０および第２の光学系２０の共通する光軸１０１と３回交差してスクリーン９に至る。さらに、第１の中間像３１を第１の光学系１０の内部に結像させて、その第１の中間像３１を第１の光学系１０の拡大側に第２の中間像３２として結像している。このため、第２の中間像３２を形成するための第２の絞りＳｔ２を第１の光学系１０の内部の拡大側に近い位置に配置できる。したがって、この投射光学系２においても、投射光学系１と同様に第１の光学系１０の拡大側のレンズ径を小さくでき、第１の光学系１０と第１の反射面２１ａとの空気間隔を短くできる。このため、コンパクトで広角化が可能な投射光学系２を提供できる。

さらに、第１の屈折光学系１１により像面湾曲、非点収差およびコマ収差などの諸収差を補正でき、さらに、第２の屈折光学系１２により台形歪みなどの歪曲収差を補正できる。このため、高性能で変倍可能な投射光学系２を提供できる。

第１の屈折光学系１１の最も拡大側、すなわち第１の中間像３１の直上流に配置された縮小側に凸の樹脂製の正メニスカスレンズＬ３１は、本例では第１の光学系１０の中で最もパワーが弱く、両面Ｓ１０およびＳ１１は非球面である。このため、正メニスカスレンズＬ３１により諸収差を良好に調整でき、ＤＭＤ５により形成された画像を拡大させた第１の中間像３１をいっそう鮮明に結像できる。

また、第１の屈折光学系１１は、第１の中間像３１を、像が光軸１０１から離れるほど、すなわち、像高が高くなるほど縮小側に傾斜し、正メニスカスレンズＬ３２から遠くなるように結像している。さらに、第２の屈折光学系１２は、最も縮小側、すなわち第１の中間像３１の直下流に配置された縮小側に凸の樹脂製の正メニスカスレンズＬ３２の両面Ｓ１２およびＳ１３は、曲率半径が小さい（曲率が大きい）。このため、第１の中間像３１の台形歪みを調整しやすく、台形歪みのある第２の中間像３２として結像させることができる。さらに、正メニスカスレンズＬ３２の両面Ｓ１２およびＳ１３は非球面であるため、台形歪み（歪曲収差）以外の諸収差も良好に補正できる。さらに、正メニスカスレンズＬ３２は、ＤＭＤ５の側に凸で、両面Ｓ１２およびＳ１３の曲率半径が小さい（曲率が大きい）ため、第１の屈折光学系１１から出射された光を広角に集光することができる。したがって、明るく、広画角の投射光学系２を提供できる。

第１の屈折光学系１１の最大有効径は正メニスカスレンズＬ３１（本例では有効径５４．０ｍｍ）で与えられ、正メニスカスレンズＬ３１は第１の光学系１０の最大有効径を備えている。第２の屈折光学系１２の最も拡大側の負レンズＬ３８の有効径は、本例では２６．０ｍｍであり、第１の屈折光学系１１の最大有効径よりも小さい。さらに、第２の屈折光学系１２の最大有効径は正メニスカスレンズＬ３２（本例では有効径４５．０ｍｍ）で与えられ、第１の屈折光学系１１の最大有効径よりも小さい。このように、この投射光学系２も、第１の屈折光学系１１がＤＭＤ５により形成された画像を第１の中間像３１として結像させることにより、第１の中間像３１よりも下流側の第２の屈折光学系１２を小型化できる。

さらに、第１の屈折光学系１１は、第１の中間像３１を第１の領域（一方の領域）１０１ａに結像させ、第２の屈折光学系１２は、第２の中間像３２を第２の領域（他方の領域）１０１ｂに結像させている。このため、正メニスカスレンズＬ３２の両面Ｓ１２およびＳ１３の使用領域を第１の領域１０１ａに限定でき、ミラー２１の使用領域を第２の領域１０１ｂに限定できる。

さらに、第２の屈折光学系１２は、歪みの少ない第１の中間像３１を上下左右に反転させた第２の中間像３２として結像させている。このため、散乱光（不要光）をカットしながら台形歪みのある第２の中間像３２として結像させやすい。したがって、台形歪みが実質的にキャンセルされた鮮明でかつ拡大された画像をスクリーン９に投射可能な投射光学系２を提供できる。

図７に、投射光学系２の第１の光学系１０の各レンズのレンズデータを示している。図８に、投射光学系２の諸数値を示している。また、本例では、第２の絞りＳｔ２から光軸１０１上の第２の中間像３２の光学的距離ｄ１が５３．３０ｍｍ、第２の絞りＳｔ２から最周辺（最近辺）の第２の中間像３２の光学的距離ｄ２が２１．４０ｍｍであるため、第２の中間像３２の位置は、第２の絞りＳｔ２から３７．４０ｍｍの位置を示している。なお、ズーム間隔Ｖ１はカバーガラスＣＧと第１のレンズ群Ｇ１との空気間隔を示し、ズーム間隔Ｖ２は第１のレンズ群Ｇ１と第２のレンズ群Ｇ２との空気間隔を示し、ズーム間隔Ｖ３は第２のレンズ群Ｇ２と第３のレンズ群Ｇ３との空気間隔を示す。

図９に、投射光学系２の第１の中間像３１および第２の中間像３２の近傍の光束の様子をスポットダイアグラムにより示している。第２の中間像３２は台形歪みを含み、第１の中間像３１は台形歪みが補正されていることがわかる。

本例の投射光学系２の上述した条件（１）〜（５）は以下のようになる。
条件（１） ＥＸＰ／ｄｗ＝０．２８
条件（２） ｄｎ／ｄｗ＝０．２５
条件（３） ＭＤ／ＩＣ＝４．３条件
（４） ＬＬＤ／ＩＣ＝１．０
条件（５） ＭＤ／ＳＴＤ２＝１５．６
したがって、本例の投射光学系２も、条件（１）〜（５）を満たしている。

このように、第２の実施形態に係る投射光学系２は、１３枚のレンズＬ１１〜Ｌ１３、Ｌ２１〜Ｌ２２およびＬ３１〜Ｌ３８と、１枚のミラー２１との構成により、Ｆ値が２．６２と比較的明るく、ズーミングが可能で、最大画角（全画角）が７５．３４度、広角端における焦点距離が３．６３と広角で鮮明な画像を投射できる、高性能で非テレセントリックな投射光学系である。

第３の実施形態
図１０に、第３の実施形態に係る投射光学系３を示している。この投射光学系３は、入射側がテレセントリックのズーミング可能な投射光学系である。投射光学系３は、ＤＭＤ５の側（縮小側）から順に、複数のレンズを含む第１の光学系１０と、第１の光学系１０から出射された光を反射して拡大側のスクリーン９に投影する第１の反射面２１ａを含む第２の光学系２０とを有する。第１の光学系１０は、１６枚のレンズＬ１１、Ｌ２１〜Ｌ２６、Ｌ３１〜Ｌ３２およびＬ４１〜Ｌ４７を含み、第２の光学系２０は、非球面の第１の反射面２１ａを備えたミラー（凹面鏡）２１を含む。

本例の第１の光学系１０は、変倍を行う光学系であり、ＤＭＤ５の側から順に、正の屈折力を備えた第１のレンズ群Ｇ１と、正の屈折力を備えた第２のレンズ群（前群）Ｇ２と、正の屈折力を備えた第３のレンズ群（中群）Ｇ３と、正の屈折力を備えた第４のレンズ群（後群）Ｇ４とを含む。また、本例の第１の光学系１０も、内部に結像された第１の中間像３１を第１の光学系１０よりも拡大側に第２の中間像３２として結像する光学系であり、ＤＭＤ５により形成された画像を第１の中間像３１として結像させる負のパワーの第１の屈折光学系１１と、第１の中間像３１を第２の中間像３２として結像させる正のパワーの第２の屈折光学系１２とを含む。第１の中間像３１は第４のレンズ群Ｇ４の内部に結像され、第１のレンズ群Ｇ１と、第２のレンズ群Ｇ２と、第３のレンズ群Ｇ３と、第４のレンズ群Ｇ４の最初（縮小側）のレンズＬ４１とが第１の屈折光学系１１を構成し、第４のレンズ群Ｇ４の他のレンズが第２の屈折光学系１２を構成する。

最もＤＭＤ５側（最も縮小側）の第１のレンズ群Ｇ１は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群である。第１のレンズ群Ｇ１は、拡大側に凸の正メニスカスレンズＬ１１から構成されている。第１のレンズ群Ｇ１のＤＭＤ５の側には、ＤＭＤ５の側から順に、１枚のガラス製のカバーガラスＣＧと、１枚のガラス製のＴＩＲプリズムＰｒとが配置されており、ＤＭＤ５からの投影光はテレセントリックまたはそれに近い状態で投射光学系３に入る。

第２のレンズ群（前群）Ｇ２は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群である。第２のレンズ群Ｇ２は、ＤＭＤ５の側から順に配置された、両凸の正レンズＬ２１と、２枚貼合の第１の接合レンズ（バルサムレンズ、ダブレット）ＬＢ１と、２枚貼合の第２の接合レンズＬＢ２と、拡大側に凸の正メニスカスレンズＬ２６とから構成されている。第１の接合レンズＬＢ１は、ＤＭＤ５の側から順に配置された両凸の正レンズＬ２２と、両凹の負レンズＬ２３とから構成されている。第２の接合レンズＬＢ２は、ＤＭＤ５の側から順に配置された両凹の負レンズＬ２４と、両凸の正レンズＬ２５とから構成されている。正レンズＬ２５の拡大側の面Ｓ１０は非球面である。正レンズＬ２５の拡大側、すなわち正レンズＬ２５および正メニスカスレンズＬ２６の間の空間には、第１の開口絞りＳｔ１が配置されている。

第３のレンズ群（中群）Ｇ３は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群である。第３のレンズ群Ｇ３は、ＤＭＤ５の側から順に配置された、両凹の負レンズＬ３１と、両凸の正レンズＬ３２とから構成されている。

最も拡大側の第４のレンズ群（後群）Ｇ４は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群である。第４のレンズ群Ｇ４は、ＤＭＤ５の側から順に配置された、両凸の樹脂製の正メニスカスレンズＬ４１と、ＤＭＤ５の側に凸の樹脂製の正メニスカスレンズＬ４２と、両凸の正レンズＬ４３と、２枚貼合の第３の接合レンズＬＢ３と、２枚貼合の第４の接合レンズＬＢ４とから構成されている。第３の接合レンズＬＢ３は、ＤＭＤ５の側から順に配置された両凸の正レンズＬ４４と、両凹の負レンズＬ４５とから構成されている。第４の接合レンズＬＢ４は、ＤＭＤ５の側から順に配置された両凹の負レンズＬ４６と、両凸の正レンズＬ４７とから構成されている。正メニスカスレンズＬ４１の両面、すなわち縮小側の面Ｓ１７および拡大側の面Ｓ１８は非球面である。さらに、正メニスカスレンズＬ４２の両面Ｓ１９およびＳ２０も非球面である。第４のレンズ群Ｇ４の拡大側には、第２の開口絞りＳｔ２が配置されている。

本例の投射光学系３は、広角端から望遠端に変倍する際に、第１のレンズ群Ｇ１は動かず、第２のレンズ群（前群）Ｇ２は縮小側から拡大側へ動き、第３のレンズ群（中群）Ｇ３は第２のレンズ群Ｇ２の動きを補償するように拡大側から縮小側へ動き、リレーレンズである第４のレンズ群Ｇ４への入射光束が一定条件になるようにする。第４のレンズ群（後群）Ｇ４は動かない。本例の投射光学系３は、変倍の際に動かない第４のレンズ群Ｇ４内で焦点調整を行うフローティングフォーカスまたはインナーフォーカスタイプの光学系である。本例のフォーカシングは、第４のレンズ群Ｇ４に含まれる１つ以上のレンズを動かすことにより行われる。

第１から第３のレンズ群Ｇ１〜Ｇ３およびレンズＬ４１から構成される第１の屈折光学系１１は、全体が負の屈折力を備えたレンズ系であり、ＤＭＤ５の側から順に配置された、正メニスカスレンズＬ１１と、正レンズＬ２１と、第１の接合レンズＬＢ１と、第２の接合レンズＬＢ２と、第１の絞りＳｔ１と、正メニスカスレンズＬ２６と、負レンズＬ３１と、正レンズＬ３２と、正メニスカスレンズＬ４１とを含む。第１の屈折光学系１１よりも拡大側、すなわち第１の屈折光学系１１および第２の屈折光学系１２の間の空間Ｓｐ１に第１の中間像３１が結像される。本例の第１の中間像３１は、正メニスカスレンズＬ４１の拡大側に、正メニスカスレンズＬ４１から距離１．００ｍｍを隔てて結像される。

第４のレンズ群Ｇ４の残りのレンズＬ４２〜Ｌ４７により構成される第２の屈折光学系１２は、全体が正の屈折力を備えたレンズ系であり、ＤＭＤ５の側から順に配置された、正メニスカスレンズＬ４２と、正レンズＬ４３と、第３の接合レンズＬＢ３と、第４の接合レンズＬＢ４と、第２の絞りＳｔ２とを含む。第２の屈折光学系１２よりも拡大側、すなわち第２の屈折光学系１２および第１の反射面２１ａの間の空間Ｓｐ２に第２の中間像３２が結像される。本例の第２の中間像３２は、第２の開口絞りＳｔ２の拡大側に、第２の開口絞りＳｔ２から距離３３．８０ｍｍを隔てて結像される。

この投射光学系３においても、第１の屈折光学系１１が第１の光学系１０の内部の空間Ｓｐ１に第１の中間像３１を結像させ、第２の屈折光学系１２が第１の光学系１０よりも拡大側の空間Ｓｐ２に第２の中間像３２を結像させている。入射側がテレセントリックの投射光学系３においては、第１の屈折光学系１１のパワーは第２の屈折光学系１２のパワーよりも小さく、第１の中間像３１と第２の中間像３２とは非テレセントリックの投射光学系２より拡大側にシフトし、第１の中間像３１と第２の中間像３２とが光軸１０１を挟んで反対側の領域１０１ａおよび１０１ｂにそれぞれ形成される。したがって、第２の屈折光学系１２を通過する光束は光軸１０１の周りにさらに集中し、第２の屈折光学系１２をいっそうコンパクトに形成できる。

また、この投射光学系３においても、ＤＭＤ５に形成される第１の像面の中心からスクリーン９の第２の像面の中心に至る光線１１０が第１の光学系１０および第２の光学系２０の共通する光軸１０１と３回交差してスクリーン９に至る。このため、光軸１０１の周りに回転対称なレンズにより第１の光学系１０の拡大側、すなわち、第２の屈折光学系１２を構成しても、光軸１０１の周りに回転対称の第１の反射面２１ａに反射された投影光との干渉を抑制でき、第１の反射面２１ａから、より光軸１０１に近い光線を射出できる。すなわち、回転対称の第１の反射面２１ａの光軸１０１に近い領域まで有効に利用でき、光軸１０１に対して仰角は小さく、画角が大きな像をスクリーン９に拡大投影できる。

さらに、第１の中間像３１を第１の光学系１０の内部に結像させて、その第１の中間像３１を第１の光学系１０の拡大側に第２の中間像３２として結像させているので、第２の中間像３２を形成するための第２の絞りＳｔ２を第１の光学系１０よりも拡大側に配置できる。したがって、この投射光学系３においても、投射光学系１と同様に第１の光学系１０の拡大側のレンズ径を小さくでき、第１の光学系１０と第１の反射面２１ａとの空気間隔を短くできる。このため、コンパクトで広角化が可能な投射光学系３を提供できる。

また、第１の屈折光学系１１により像面湾曲、非点収差およびコマ収差などの諸収差を補正でき、さらに、第２の屈折光学系１２により台形歪みなどの歪曲収差を補正できる、高性能で変倍可能な投射光学系３を提供できる。また、この第１の光学系１０においても、第１の屈折光学系１１の最も拡大側の両凸の樹脂製の正レンズＬ４１の両面Ｓ１７およびＳ１８は非球面であり、ＤＭＤ５により形成された画像を拡大させた第１の中間像３１として鮮明に結像できるようになっている。また、第２の屈折光学系１２の最も縮小側に配置された縮小側に凸の正メニスカスレンズＬ４２の両面Ｓ１９およびＳ２０は曲率半径が小さく（曲率が大きく）、ミラー２１の側の面Ｓ２０は、面Ｓ１９に次いで曲率半径が小さい（曲率が大きい）。このため、縮小側に多少傾いて形成される第１の中間像３１を台形歪みのある第２の中間像３２として結像させやすい光学系となっている。したがって、鮮明で台形補正がされた画像をスクリーン９に投影できる。

また、この第１の屈折光学系１１の正レンズＬ４１は有効径４９．０ｍｍであり、第１の屈折光学系１１および第１の光学系１０の最大有効径を与えるレンズとなっている。第２の屈折光学系１２の最も拡大側の正レンズＬ４７の有効径は、本例では１１．０ｍｍであり、第１の屈折光学系１１の最大有効径よりも小さい。さらに、第２の屈折光学系１２の最大有効径を与える正メニスカスレンズＬ４２の有効径は３２．０ｍｍであり、第１の屈折光学系１１の最大有効径に対して第２の屈折光学系１２の最大有効径は小さい。

さらに、第２の屈折光学系１２は、歪みの少ない第１の中間像３１を上下左右に反転させた第２の中間像３２として結像させているため、散乱光（不要光）をカットしながら台形歪みのある第２の中間像３２として結像させやすく、台形歪みが実質的にキャンセルされた鮮明でかつ拡大された画像をスクリーン９に投射可能な投射光学系３を提供できる。

図１１に、投射光学系３の第１の光学系１０の各レンズのレンズデータを示している。図１２に、投射光学系３の諸数値を示している。また、本例では、第２の絞りＳｔ２から光軸１０１上の第２の中間像３２の光学的距離ｄ１が５９．００ｍｍ、第２の絞りＳｔ２から最周辺（最近辺）の第２の中間像３２の光学的距離ｄ２が８．５０ｍｍであるため、第２の中間像３２の位置は、第２の絞りＳｔ２から３３．８０ｍｍの位置を示している。なお、ズーム間隔Ｖ１〜Ｖ３は、それぞれ第１のレンズ群Ｇ１と第２のレンズ群Ｇ２と、第２のレンズ群Ｇ２と第３のレンズ群Ｇ３と、第３のレンズ群Ｇ３と第４のレンズ群Ｇ４との間の空気間隔を示す。図１３に、投射光学系３の第１の中間像３１および第２の中間像３２の近傍の平面における光束の様子を示している。

本例の投射光学系３の上述した条件（１）〜（５）は、以下のようになる。
条件（１） ＥＸＰ／ｄｗ＝０．３４
条件（２） ｄｎ／ｄｗ＝０．２５
条件（３） ＭＤ／ＩＣ＝３．９
条件（４） ＬＬＤ／ＩＣ＝０．４
条件（５） ＭＤ／ＳＴＤ２＝８．８
したがって、本例の投射光学系３も、条件（１）〜（５）を満たしている。

したがって、第３の実施形態に係る投射光学系３は、１６枚のレンズＬ１１、Ｌ２１〜Ｌ２６、Ｌ３１〜Ｌ３２およびＬ４１〜Ｌ４７と、１枚のミラー２１との構成により、Ｆ値が２．４３と比較的明るく、ズーミングが可能で、最大画角（全画角）が７５．３２度、広角端における焦点距離が３．４６と広角で鮮明な画像を投射できる、高性能でテレセントリックな投射光学系である。

なお、本発明はこれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に規定されたものを含む。上記に記載の光学系は一例であり、投射光学系に含まれるレンズの面および／または鏡面（反射面）は回転対称の球面または非球面であってもよく、非対称な面、たとえば、自由曲面であってもよい。さらに、第１の光学系に含まれるレンズの少なくとも何れかおよび／または第２の光学系に含まれる反射面は、光軸から偏心していてもよい。その場合、各光学系の光軸は主たる光学素子の光軸を含む。また、第１の光学系の光軸と第２の光学系の光軸は共通であってもよく、偏心（シフト）していてもよい。また、ライトバルブ５は、白色光源をダイクロイックフィルタ（ミラー）などにより３色に分離させる３板式の光変調器５であってもよく、光変調器５はＬＣＤ（液晶パネル）や、自発光型の有機ＥＬなどであってもよい。また、第１の光学系１０および第２の光学系２０は光路を折り曲げるプリズムあるいはミラーをさらに備えていてもよい。たとえば、第１の反射面２１ａの縮小側および／または拡大側に１または複数のミラーまたはプリズムが配置されていてもよい。また、第２の光学系２０の拡大側にさらに屈折光学系を備えていてもよい。

１、２、３ 投射光学系
１００ プロジェクタ（プロジェクタ装置）

Claims (15)

1. 縮小側の第１の像面から拡大側の第２の像面へ投射する投射光学系であって、
   複数のレンズを含み、縮小側から入射した光により拡大側に第１の中間像を結像する第１の屈折光学系と、
   複数のレンズを含み、縮小側の前記第１の中間像を拡大側に第２の中間像として結像する第２の屈折光学系と、
   前記第２の中間像よりも拡大側に位置する正の屈折力の第１の反射面を含む第１の反射光学系とを有し、
   前記第１の屈折光学系は、前記第１の像面に形成された画像を収差補正して前記第１の中間像として結像させ、前記第２の屈折光学系は、前記第１の中間像を、主に前記第１の反射光学系で発生する台形歪みと逆方向の歪みを発生させた前記第２の中間像として結像させる、投射光学系。
2. 請求項１において、
   前記第１の屈折光学系は、像高が高くなるほど縮小側に傾斜するように前記第１の中間像を結像する、投射光学系。
3. 請求項１または２において、
   前記第２の屈折光学系は、最も縮小側に配置されたレンズであって、縮小側に凸の縮小側の面を含むレンズを含む、投射光学系。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記第１の像面の中心から前記第２の像面の中心に至る光線が前記第１の屈折光学系の光軸、前記第２の屈折光学系の光軸および前記第１の反射光学系の光軸のいずれかと３回交差して前記第２の像面に至る、投射光学系。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて
   前記第１の像面と前記第１の反射面とは、光軸を含む第１の面に対して同方向に配置される、投射光学系。
6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
   前記第２の屈折光学系の最も拡大側のレンズの有効径が、前記第１の屈折光学系の最大有効径よりも小さい、投射光学系。
7. 請求項１ないし６のいずれかにおいて、
   前記第２の屈折光学系の最大有効径が、前記第１の屈折光学系の最大有効径よりも小さい、投射光学系。
8. 請求項１ないし７のいずれかにおいて、
   前記第１の像面と前記第１の中間像との間に配置された第１の絞りと、前記第１の中間像および前記第２の中間像との間に配置された第２の絞りとを含む、投射光学系。
9. 請求項８において、
   前記第１の屈折光学系および前記第２の屈折光学系を含む第１の光学系を有し、
   前記第１の絞りを前記第１の光学系の絞りとしたときの射出瞳および前記第１の反射面の光学的距離ＥＸＰと、前記第１の像面および前記第１の反射面の光学的距離ｄｗとが以下の条件を満たす、投射光学系。
   ０．１＜ＥＸＰ／ｄｗ＜０．６
10. 請求項１ないし９のいずれかにおいて、
    前記第２の屈折光学系の最も拡大側のレンズおよび前記第１の反射面の光学的距離ｄｎと、前記第１の像面および前記第１の反射面の光学的距離ｄｗとが以下の条件を満たす、投射光学系。
    ０．１＜ｄｎ／ｄｗ＜０．３
11. 請求項１ないし１０のいずれかにおいて、
    前記第１の中間像と前記第２の中間像とは光軸を挟んで反対側に結像される、投射光学系。
12. 請求項１ないし８のいずれかにおいて、
    前記第１の屈折光学系および前記第２の屈折光学系を含む第１の光学系を有し、前記第１の光学系は変倍光学系を含む、投射光学系。
13. 請求項１２において、
    前記第１の光学系は、縮小側から順に、正の屈折力を備えた前群と、正の屈折力を備えた中群と、正の屈折力を備えた後群とを含み、
    広角端から望遠端に変倍する際に、前記前群は縮小側から拡大側へ動き、前記中群は前記前群の動きを補償するように動き、前記後群は固定され、前記第１の中間像は前記後群の内部に結像される、投射光学系。
14. 請求項１ないし１３のいずれかに記載の投射光学系と、
    前記第１の像面に画像を形成する光変調器とを有する、プロジェクタ。
15. 請求項１４において、前記第１の像面を照明する照明光学系であって、光軸を含む第１の面に対して前記第１の反射面と同方向に配置された照明光学系をさらに有する、プロジェクタ。

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