JP2019101431A - 結像光学系、投写型表示装置、及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｆナンバーが小さく、十分な長さのバックフォーカスが確保され、良好な光学性能を有する結像光学系、この結像光学系を備えた投写型表示装置、及びこの結像光学系を備えた撮像装置を提供する。【解決手段】結像光学系は、拡大側から順に、拡大側結像面と中間像ＭＩとを共役にする第１光学系Ｇ１、中間像ＭＩと縮小側結像面とを共役にする第２光学系Ｇ２からなり、縮小側がテレセントリックに構成されている。第１光学系Ｇ１は非球面レンズを含む。第２光学系Ｇ２は、前群Ｇ２Ａ、後群Ｇ２Ｂからなる。前群Ｇ２Ａの焦点距離、全系の焦点距離、後群Ｇ２Ｂの焦点距離、最大像高、第１光学系Ｇ１の焦点距離、第１光学系Ｇ１の非球面レンズに関する所定の条件式を満足する。【選択図】図１

Description

本発明は、結像光学系、投写型表示装置、及び撮像装置に関する。

従来、液晶表示素子又はＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ：登録商標）等のライトバルブに表示した画像をスクリーン等に拡大投写する投写型表示装置が広く用いられている。特に、ライトバルブを３枚用いて赤・緑・青の３原色の照明光に各々対応させ、個々のライトバルブで変調された光をプリズム等で合成し、結像光学系を介してスクリーンに画像を表示する構成をとるものが広く利用されている。

投写型表示装置においてライトバルブと併用される投写用の結像光学系には、近年のライトバルブの性能向上を受けてライトバルブの解像度に見合った良好な収差補正がなされていることが要望されている。また、投写型表示装置の小型化が望まれる一方で、大型スクリーンに近距離から投影したい等の要望に応えるため、小型でありながら広画角な結像光学系が要望されている。

投写型表示装置に適用可能な従来知られている結像光学系としては、例えば下記特許文献１に記載の光学系を挙げることができる。特許文献１には、複数枚のレンズからなる縮小側の光学系で中間像を形成し、複数枚のレンズからなる拡大側の光学系で中間像を拡大投写する光学系が記載されている。

米国特許第７００９７６５号明細書

近年では、より高輝度な投写型表示装置が望まれており、そのためにはＦナンバーが小さい結像光学系が求められる。また、３枚のライトバルブからの各変調光を色合成光学系で合成して投写するタイプの投写型表示装置に使用される結像光学系では、色合成プリズムを配置するために長いバックフォーカスを有することが求められる。

しかしながら、特許文献１に記載の光学系は、小さなＦナンバーを有する系ではなく、また、バックフォーカスが十分長いとは言えない。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、Ｆナンバーが小さく、十分な長さのバックフォーカスが確保され、良好な光学性能を有する結像光学系、この結像光学系を備えた投写型表示装置、及びこの結像光学系を備えた撮像装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の結像光学系は、拡大側から縮小側へ向かって順に、拡大側結像面と中間像とを共役にする第１光学系と、中間像と縮小側結像面とを共役にする第２光学系とからなり、縮小側がテレセントリックに構成されており、第１光学系は少なくとも１枚の非球面レンズを含み、全系の焦点距離をｆとした場合、縮小側結像面から第２光学系へ光軸に平行で光軸から｜ｆ｜の高さで入射した光線は、第２光学系内で光軸と交点を有し、第２光学系は、拡大側から縮小側へ向かって順に、上記交点より拡大側の前群と、上記交点より縮小側の後群とからなり、前群の焦点距離をｆＧ２Ａとし、後群の焦点距離をｆＧ２Ｂとし、縮小側結像面での最大像高をＹｍａｘとし、第１光学系の焦点距離をｆＧ１とし、第１光学系が含む非球面レンズについて焦点距離をｆａｓ、ｄ線に対する屈折率をＮａｓとし、｜ｆａｓ×Ｎａｓ｜の最小値をｍｉｎ｜ｆａｓ×Ｎａｓ｜とした場合、
１０．５＜ｆＧ２Ａ／｜ｆ｜＜１５ （１）
３＜ｆＧ２Ｂ／Ｙｍａｘ＜５．５ （２）
２．１＜｜Ｙｍａｘ／ｆ｜＜２．７ （３）
０．６５＜｜ｆ｜／ｆＧ１＜１ （４）
７．５＜ｍｉｎ｜ｆａｓ×Ｎａｓ｜／｜ｆ｜＜２３ （５）
で表される条件式（１）、（２）、（３）、（４）、及び（５）を満足する。

本発明の結像光学系においては、下記条件式（１−１）、（２−１）、（３−１）、及び（４−１）のうちの少なくとも１つをさらに満足することが好ましい。
１１＜ｆＧ２Ａ／｜ｆ｜＜１４ （１−１）
３．５＜ｆＧ２Ｂ／Ｙｍａｘ＜５ （２−１）
２．１＜｜Ｙｍａｘ／ｆ｜＜２．４ （３−１）
０．７＜｜ｆ｜／ｆＧ１＜０．９ （４−１）

また、本発明の結像光学系においては、前群の焦点距離をｆＧ２Ａとし、全系の焦点距離をｆとし、縮小側結像面での最大像高をＹｍａｘとし、後群の焦点距離をｆＧ２Ｂとした場合、下記条件式（６）を満足することが好ましい。
２＜（ｆＧ２Ａ／｜ｆ｜）×（Ｙｍａｘ／ｆＧ２Ｂ）＜３．５ （６）

また、本発明の結像光学系においては、第１光学系が含む全ての非球面レンズについて、下記条件式（７）を満足することが好ましい。
１．４５＜Ｎａｓ＜１．６ （７）

また、本発明の結像光学系においては、前群の焦点距離をｆＧ２Ａとし、後群の焦点距離をｆＧ２Ｂとした場合、下記条件式（８）を満足することが好ましい。
１＜ｆＧ２Ａ／ｆＧ２Ｂ＜１．５５ （８）

また、本発明の結像光学系においては、第２光学系の最も拡大側のレンズは正の屈折力を有することが好ましい。

本発明の投写型表示装置は、画像データに基づく光学像を出力するライトバルブと、本発明の結像光学系とを備え、上記結像光学系は、ライトバルブから出力された光学像をスクリーン上に投写する。

本発明の撮像装置は、本発明の結像光学系を備えている。

なお、本発明の結像光学系が投写型表示装置に適用される場合は、上記「拡大側」は、被投写側（スクリーン側）を意味し、上記「縮小側」は、原画像表示領域側（ライトバルブ側）を意味する。また、本明細書においては、拡大側をフロント側、縮小側をバック側としており、例えば、バックフォーカスとは、最も縮小側のレンズ面から縮小側の焦点位置までの光軸上の距離を意味する。

なお、本明細書の「〜からなり」、「〜からなる」は、構成要素として挙げたもの以外に、実質的に屈折力を有さないレンズ、並びに、絞り、フィルタ、及びカバーガラス等のレンズ以外の光学要素が含まれていてもよいことを意図する。

なお、本明細書における屈折力の符号は、特に断りがない限り近軸領域で考えることにする。上記の「全系」とは結像光学系のことを意味する。また、上記条件式で用いている記号の値は、拡大側結像面から最も拡大側のレンズ面までの距離を無限遠とし、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ（ナノメートル））を基準とした場合の値である。

本発明によれば、Ｆナンバーが小さく、十分な長さのバックフォーカスが確保され、良好な光学性能を有する結像光学系、この結像光学系を備えた投写型表示装置、及びこの結像光学系を備えた撮像装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る結像光学系（本発明の実施例１の結像光学系）の構成と光束を示す断面図である。 前群と後群を説明するための図である。 本発明の実施例２の結像光学系の構成と光束を示す断面図である。 本発明の実施例３の結像光学系の構成と光束を示す断面図である。 本発明の実施例４の結像光学系の構成と光束を示す断面図である。 本発明の実施例５の結像光学系の構成と光束を示す断面図である。 本発明の実施例１の結像光学系の各収差図である。 本発明の実施例２の結像光学系の各収差図である。 本発明の実施例３の結像光学系の各収差図である。 本発明の実施例４の結像光学系の各収差図である。 本発明の実施例５の結像光学系の各収差図である。 本発明の一実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。 本発明の別の実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る撮像装置の正面側の斜視図である。 図１５に示す撮像装置の背面側の斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る結像光学系の構成を示す断面図である。図１に示す構成例は、後述の実施例１に対応している。図１では、左側を拡大側、右側を縮小側としており、軸上光束２及び最大像高の光束３も合わせて示している。

本実施形態の結像光学系は、拡大側から縮小側へ向かって順に、少なくとも１枚のレンズを含み拡大側結像面と中間像ＭＩとを共役にする第１光学系Ｇ１と、少なくとも１枚のレンズを含み中間像ＭＩと縮小側結像面とを共役にする第２光学系Ｇ２とからなる。図１の例では、第１光学系Ｇ１は、拡大側から縮小側へ向かって順に、レンズＬ１ａ〜Ｌ１ｌの１２枚のレンズからなり、第２光学系Ｇ２は、拡大側から縮小側へ向かって順に、レンズＬ２ａ〜Ｌ２ｈの８枚のレンズからなる。しかし、本発明の第１光学系Ｇ１及び第２光学系Ｇ２は、図１に示す例と異なる枚数のレンズで構成することも可能である。

本実施形態の結像光学系は、投写型表示装置に搭載される投写光学系として使用可能であり、また、デジタルカメラ等に搭載される撮像光学系としても使用可能である。以下では主に、本実施形態の結像光学系が投写光学系として使用される場合を想定して説明する。

図１には、本実施形態の結像光学系が投写型表示装置に搭載される場合を想定して、スクリーンＳｃｒと、光学部材ＰＰと、ライトバルブの画像表示面Ｓｉｍも図示している。光学部材ＰＰは、入射面と出射面が平行な部材である。光学部材ＰＰは、フィルタ、カバーガラス、及び色合成プリズム等を想定した部材である。光学部材ＰＰは必須の構成要素ではなく、光学部材ＰＰを省略した構成も可能である。また、図１では光学部材ＰＰの縮小側の面の位置と画像表示面Ｓｉｍの位置とが一致した構成例を示しているが、これらの位置が異なる構成も可能である。

投写型表示装置においては、画像表示面Ｓｉｍで画像情報を与えられた光束が、光学部材ＰＰを介して、結像光学系に入射され、結像光学系によりスクリーンＳｃｒ上に投写される。すなわち、図１の例では、画像表示面Ｓｉｍが縮小側結像面に対応し、スクリーンＳｃｒが拡大側結像面に対応する。

図１の構成例においては、第２光学系Ｇ２が縮小側結像面と共役な位置に中間像ＭＩを形成し、第１光学系Ｇ１が中間像ＭＩを拡大側結像面に再結像させる。結像光学系は、中間像ＭＩの形成位置を挟んで、拡大側に配置された第１光学系Ｇ１と、縮小側に配置された第２光学系Ｇ２とからなる。なお、図１では、中間像ＭＩのうち光軸近傍を含む一部のみを概念的に点線で示しており、その光軸方向の位置は光軸近傍での位置を基に示している。中間像ＭＩを形成する結像光学系では、第１光学系Ｇ１のバックフォーカスを短縮できるので、第１光学系Ｇ１の拡大側のレンズ径を小さくすることが可能であり、全系の焦点距離を短くして広画角化に適した構成とすることができる。

また、本実施形態の結像光学系は、縮小側がテレセントリックに構成されている。結像光学系とライトバルブの間に配置される色合成プリズムは入射光の角度によって分光特性が変化する。このような入射角依存性を有する部材と併用される結像光学系は縮小側がテレセントリックに構成されていることが望まれる。

なお、上記の「縮小側がテレセントリック」とは、拡大側から縮小側へ向かう方向に光束を見たとき、縮小側結像面である画像表示面Ｓｉｍの任意の点に集光する光束の断面において上側の最大光線と下側の最大光線との二等分角線が光軸Ｚと略平行の状態を指す。ここでいう略平行の状態とは、光軸Ｚに対する上記二等分角線の傾きが−３°以上かつ＋３°以下の範囲内にある状態である。

また、本実施形態の結像光学系は、全系の焦点距離をｆとした場合、図２に示すように、縮小側結像面から第２光学系Ｇ２へ光軸Ｚに平行で光軸から｜ｆ｜の高さで入射した光線４が、第２光学系Ｇ２内で光軸Ｚと交わるように構成されている。図２は図１に示す例の第２光学系Ｇ２と光学部材ＰＰを示す図であり、図２に一例として、上記光線４と光軸Ｚとの交点５を示す。第２光学系Ｇ２は、交点５を境にして２つの群に分けて考えることができる。すなわち、第２光学系Ｇ２は、拡大側から縮小側へ向かって順に、交点５より拡大側の前群Ｇ２Ａと、交点５より縮小側の後群Ｇ２Ｂとからなると考えることができる。図１に示す例では、前群Ｇ２ＡはレンズＬ２ａ〜Ｌ２ｃの３枚のレンズからなり、後群Ｇ２ＢはレンズＬ２ｄ〜Ｌ２ｈの５枚のレンズからなる。

本実施形態の結像光学系は、前群Ｇ２Ａの焦点距離をｆＧ２Ａとし、全系の焦点距離をｆとした場合、下記条件式（１）を満足するように構成されている。
１０．５＜ｆＧ２Ａ／｜ｆ｜＜１５ （１）

図１のような用途においては、第２光学系Ｇ２はリレー光学系として機能する。条件式（１）の下限以下とならないようにすることによって、リレー倍率が小さくなりすぎないため、系全体の投写倍率を確保しながら、第１光学系Ｇ１が担う倍率及び性能の負担を軽減することができるので、全系で良好な性能を得ることが容易となり、小さなＦナンバーの実現に有利となる。仮に、リレー倍率が小さくなりすぎた場合に、系全体の投写倍率を確保しようとすると、第１光学系Ｇ１の拡大倍率をより大きくしなければならなくなり、そうすると、第１光学系Ｇ１部分の収差補正をすることも、第２光学系Ｇ２で発生する収差と第１光学系Ｇ１で発生する収差とを相殺させることも難しくなるので、系全体の良好な収差補正が困難になる。また、条件式（１）の下限以下とならないようにすることによって、リレー倍率を適切な範囲に収めながら、投写光学系に要求される画角を確保することが容易になる。

条件式（１）の上限以上とならないようにすることによって、前群Ｇ２Ａの光軸方向の長さが長くなりすぎないため、第２光学系Ｇ２の全長の長大化の抑制、及び第２光学系Ｇ２の拡大側のレンズの大径化の抑制が容易となる。そして、このことによって第１光学系Ｇ１が担う収差補正の負担を増大させることなく、第２光学系Ｇ２の大型化を抑制できるようになり、結果として良好な収差補正、特に歪曲収差の補正と像面湾曲の補正が可能になる。

さらに、下記条件式（１−１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができる。
１１＜ｆＧ２Ａ／｜ｆ｜＜１４ （１−１）

また、本実施形態の結像光学系は、後群Ｇ２Ｂの焦点距離をｆＧ２Ｂとし、縮小側結像面での最大像高をＹｍａｘとした場合、下記条件式（２）を満足する。なお、イメージサークルの中心が光軸Ｚ上にある系では、Ｙｍａｘはイメージサークルの半径に対応する。
３＜ｆＧ２Ｂ／Ｙｍａｘ＜５．５ （２）

条件式（２）の下限以下とならないようにすることによって、前群Ｇ２Ａの縮小側の軸外光線と光軸Ｚとのなす角度を小さく抑えられるため、前群Ｇ２Ａのレンズの大径化を抑制することができる。このことにより、レンズ径を抑制しながら、全系のバックフォーカスを長くすることが容易となる。条件式（２）の上限以上とならないようにすることによって、第２光学系Ｇ２の全長の長大化を抑制することができる。

さらに、下記条件式（２−１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができる。
３．５＜ｆＧ２Ｂ／Ｙｍａｘ＜５ （２−１）

また、本実施形態の結像光学系は、縮小側結像面での最大像高をＹｍａｘとし、全系の焦点距離をｆとした場合、下記条件式（３）を満足する。
２．１＜｜Ｙｍａｘ／ｆ｜＜２．７ （３）

条件式（３）の下限以下とならないようにすることによって、歪曲収差を抑えて広い画角を維持することが容易となる。条件式（３）の上限以上とならないようにすることによって、第１光学系Ｇ１のレンズの大径化を抑えながら収差補正を行うことが容易となる。

さらに、下記条件式（３−１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができる。
２．１＜｜Ｙｍａｘ／ｆ｜＜２．４ （３−１）

また、本実施形態の結像光学系は、全系の焦点距離をｆとし、第１光学系Ｇ１の焦点距離をｆＧ１とした場合、下記条件式（４）を満足する。
０．６５＜｜ｆ｜／ｆＧ１＜１ （４）

条件式（４）の下限以下とならないようにすることによって、第１光学系Ｇ１の拡大倍率を低く抑えることができるため、倍率色収差等の収差を所定量に補正することが容易になる。条件式（４）の上限以上とならないようにすることによって、第２光学系Ｇ２の拡大側のレンズの径よりも第１光学系Ｇ１の縮小側のレンズの径を小さくすることが容易となる。これによって、Ｆナンバーが小さく、かつ広画角の光学系になるように構成しても、全体のレンズ径を小さくすることが容易となる。

さらに、下記条件式（４−１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができる。
０．７＜｜ｆ｜／ｆＧ１＜０．９ （４−１）

第１光学系Ｇ１は少なくとも１枚の非球面レンズを含むように構成される。非球面レンズを含むことによって、小さなＦナンバー、広画角化、及び良好な収差補正に有利となる。特に広画角の光学系においては歪曲収差の補正に大きな効果を発揮する。第１光学系Ｇ１が含む非球面レンズについて焦点距離をｆａｓ、ｄ線に対する屈折率をＮａｓとし、｜ｆａｓ×Ｎａｓ｜の最小値をｍｉｎ｜ｆａｓ×Ｎａｓ｜とし、全系の焦点距離をｆとした場合、この結像光学系は下記条件式（５）を満足する。
７．５＜ｍｉｎ｜ｆａｓ×Ｎａｓ｜／｜ｆ｜＜２３ （５）

条件式（５）の下限以下とならないようにすることによって、非球面レンズの肉厚差が大きくなるのを抑制することができ、加工性を向上させることができる。ここで、肉厚とは光軸方向の厚みを意味し、肉厚差とは、１枚のレンズにおける最大肉厚と最小肉厚の差を意味する。条件式（５）の上限以上とならないようにすることによって、非球面レンズの屈折力を確保することができるので、他のレンズへ配分される屈折力が過剰にならないため、収差補正が容易となる。また、全長の長大化の抑制にも有利となる。

また、この結像光学系は、前群Ｇ２Ａの焦点距離をｆＧ２Ａとし、全系の焦点距離をｆとし、縮小側結像面での最大像高をＹｍａｘとし、後群Ｇ２Ｂの焦点距離をｆＧ２Ｂとした場合、下記条件式（６）を満足することが好ましい。
２＜（ｆＧ２Ａ／｜ｆ｜）×（Ｙｍａｘ／ｆＧ２Ｂ）＜３．５ （６）

条件式（６）の下限以下とならないようにすることによって、第２光学系Ｇ２の全長の長大化を抑制しながら、第１光学系Ｇ１が担う収差補正の負担を軽減することができるので、結果として良好な収差補正、特に歪曲収差の補正と像面湾曲の補正が可能になる。条件式（６）の上限以上とならないようにすることによって、第２光学系Ｇ２の拡大側のレンズの大径化を抑制しながら、第１光学系Ｇ１が担う収差補正の負担を軽減することができるので、結果として良好な収差補正、特に歪曲収差の補正と像面湾曲の補正が可能になる。

また、この結像光学系は、第１光学系Ｇ１の非球面レンズのｄ線に対する屈折率をＮａｓとした場合、第１光学系Ｇ１が含む全ての非球面レンズについて下記条件式（７）を満足することが好ましい。
１．４５＜Ｎａｓ＜１．６ （７）

条件式（７）の下限以下とならないようにすることによって、非球面レンズの肉厚差が大きくなるのを抑制することができ、加工性を向上させることができる。また、他のレンズへ配分される屈折力が過剰にならないため、収差補正が容易となり、さらに、全長の長大化の抑制にも有利となる。条件式（７）の上限以上とならないようにすることによって、安価な加工方法を選択可能となり、低コスト化を図ることができる。

また、この結像光学系は、前群Ｇ２Ａの焦点距離をｆＧ２Ａとし、後群Ｇ２Ｂの焦点距離をｆＧ２Ｂとした場合、下記条件式（８）を満足することが好ましい。
１＜ｆＧ２Ａ／ｆＧ２Ｂ＜１．５５ （８）

条件式（８）の下限以下とならないようにすることによって、リレー倍率が小さくなりすぎないため、系全体の投写倍率を確保しながら、第１光学系Ｇ１が担う倍率及び性能の負担を軽減することができるので全系で良好な性能を得ることが容易となる。仮に、リレー倍率が小さくなりすぎた場合に、系全体の投写倍率を確保しようとすると、条件式（１）の下限に関する説明で述べたように、第１光学系Ｇ１における収差補正が困難になり、結果として全系の良好な性能確保が困難になる。また、条件式（８）の下限以下とならないようにすることによって、リレー倍率を適切な範囲に収めながら、投写光学系に要求される画角を確保することが容易になる。

条件式（８）の上限以上とならないようにすることによって、前群Ｇ２Ａの光軸方向の長さが長くなりすぎないため、第２光学系Ｇ２の全長の長大化の抑制、及び第２光学系Ｇ２の拡大側のレンズの大径化の抑制が容易となる。そして、このことによって第１光学系Ｇ１が担う収差補正の負担を増大させることなく、第２光学系Ｇ２の大型化を抑制できるようになり、結果として良好な収差補正、特に歪曲収差の補正と像面湾曲の補正が可能になる。

この結像光学系において、第２光学系Ｇ２の最も拡大側のレンズは正の屈折力を有することが好ましい。第２光学系Ｇ２の最も拡大側に正レンズを配置することによって、第２光学系Ｇ２の外径を小さくすることが容易となる。

上述した好ましい構成及び可能な構成は、任意の組合せが可能であり、要求される仕様に応じて適宜選択的に採用されることが好ましい。本実施形態によれば、小さなＦナンバーを有し、十分な長さのバックフォーカスが確保され、良好な光学性能を有する結像光学系を実現することが可能である。ここでいう「小さなＦナンバー」とは３．０以下のＦナンバーを意味する。また、ここでいう「十分な長さのバックフォーカス」とは、空気換算距離での全系のバックフォーカスをＢｆとし、縮小側結像面での最大像高をＹｍａｘとした場合、「Ｂｆ／Ｙｍａｘ」が１．３５以上であることを意味する。なお、「Ｂｆ／Ｙｍａｘ」は３．０以上とすることがさらに好ましい。

次に、本発明の結像光学系の数値実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１の結像光学系のレンズ構成と光束の断面図は図１に示したものであり、その構成及び図示方法は上述したとおりであるので、ここでは重複説明を一部省略する。実施例１の結像光学系は、拡大側から縮小側へ向かって順に、正の屈折力を有する第１光学系Ｇ１と、正の屈折力を有する第２光学系Ｇ２とからなる。第１光学系Ｇ１は、拡大側から縮小側へ向かって順に、レンズＬ１ａ〜Ｌ１ｌの１２枚のレンズからなる。第２光学系Ｇ２は、拡大側から縮小側へ向かって順に、前群Ｇ２Ａと、後群Ｇ２Ｂとからなる。前群Ｇ２Ａは、拡大側から縮小側へ向かって順に、レンズＬ２ａ〜Ｌ２ｃの３枚のレンズからなる。後群Ｇ２Ｂは、拡大側から縮小側へ向かって順に、レンズＬ２ｄ〜Ｌ２ｈの５枚のレンズからなる。第１光学系Ｇ１が含む非球面レンズはレンズＬ１ａである。

実施例１の結像光学系の基本レンズデータを表１に、諸元と可変面間隔を表２に、非球面係数を表３に示す。表１において、Ｓｎの欄には最も拡大側の面を第１面とし縮小側に向かうに従い１つずつ番号を増加させた場合の面番号を示し、Ｒの欄には各面の曲率半径を示し、Ｄの欄には各面とその縮小側に隣接する面との光軸上の面間隔を示す。また、Ｎｄの欄には各構成要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ（ナノメートル））に対する屈折率を示し、νｄの欄には各構成要素のｄ線基準のアッベ数を示す。

表１では、拡大側に凸面を向けた形状の面の曲率半径の符号を正、縮小側に凸面を向けた形状の面の曲率半径の符号を負としている。表１には光学部材ＰＰも合わせて示している。表１のＤの最下欄の値は表中の最も縮小側の面と画像表示面Ｓｉｍとの間隔である。表１では合焦時の可変面間隔については、ＤＤ［ ］という記号を用い、［ ］の中にこの間隔の拡大側の面番号を付してＤの欄に記入している。

表２に、拡大側結像面から最も拡大側のレンズ面までの距離が有限の場合の一例の全系の焦点距離の絶対値｜ｆｕ｜、拡大側結像面から最も拡大側のレンズ面までの距離が無限遠の場合の全系の焦点距離の絶対値｜ｆ｜を示す。また、表２に、ＦナンバーＦＮｏ．、最大全画角２ω、及び可変面間隔の値をｄ線基準で示す。２ωの欄の（°）は単位が度であることを意味する。表２では、全系の拡大倍率が２０６．９の場合を拡大側結像面から最も拡大側のレンズ面までの距離が有限の場合の一例として示しており、この拡大倍率が２０６．９の場合の各値を「β＝２０６．９」と表記した欄に示し、拡大側結像面から最も拡大側のレンズ面までの距離が無限遠の場合の各値を「無限遠」と表記した欄に示している。

表１では、非球面の面番号には＊印を付しており、非球面の曲率半径の欄には近軸の曲率半径の数値を示している。表３において、Ｓｎの欄には非球面の面番号を示し、ＫＡ及びＡｍ（ｍ＝３、４、５、…）の欄には各非球面についての非球面係数の数値を示す。表３の非球面係数の数値の「Ｅ±ｎ」（ｎ：整数）は「×１０^±ｎ」を意味する。ＫＡ及びＡｍは下式で表される非球面式における非球面係数である。
Ｚｄ＝Ｃ×ｈ^２／｛１＋（１−ＫＡ×Ｃ^２×ｈ^２）^１/２｝＋ΣＡｍ×ｈ^ｍ
ただし、
Ｚｄ：非球面深さ（高さｈの非球面上の点から、非球面頂点が接する光軸に垂直な平面に
下ろした垂線の長さ）
ｈ：高さ（光軸からのレンズ面までの距離）
Ｃ：近軸曲率
ＫＡ、Ａｍ：非球面係数
であり、非球面式のΣはｍに関する総和を意味する。

各表のデータにおいて、角度の単位としては度を用い、長さの単位としてはｍｍ（ミリメートル）を用いているが、光学系は比例拡大又は比例縮小しても使用可能なため他の適当な単位を用いることもできる。また、以下に示す各表では所定の桁でまるめた数値を記載している。

図７に左から順に、実施例１の結像光学系の拡大倍率が２０６．９の場合の各収差図を示す。図７では左から順に、球面収差、非点収差、歪曲収差、及び倍率色収差を示す。球面収差図では、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ（ナノメートル））、Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ（ナノメートル））、及びＦ線（波長４８６．１ｎｍ（ナノメートル））に関する収差をそれぞれ実線、長破線、及び短破線で示す。非点収差図では、サジタル方向のｄ線に関する収差を実線で示し、タンジェンシャル方向のｄ線に関する収差を短破線で示す。歪曲収差図ではｄ線に関する収差を実線で示す。倍率色収差図では、Ｃ線、及びＦ線に関する収差をそれぞれ長破線、及び短破線で示す。球面収差図のＦＮｏ．はＦナンバーを意味し、その他の収差図のωは半画角を意味する。

上記の実施例１に関する各データの記号、意味、記載方法、及び図示方法は、特に断りがない限り以下の実施例のものについても基本的に同様であるので、以下では重複説明を省略する。

［実施例２］
実施例２の結像光学系のレンズ構成と光束の断面図を図３に示す。実施例２の結像光学系は、拡大側から縮小側へ向かって順に、正の屈折力を有する第１光学系Ｇ１と、負の屈折力を有する第２光学系Ｇ２とからなる。第１光学系Ｇ１は、拡大側から縮小側へ向かって順に、レンズＬ１ａ〜Ｌ１ｋの１１枚のレンズからなる。第２光学系Ｇ２は、拡大側から縮小側へ向かって順に、前群Ｇ２Ａと、後群Ｇ２Ｂとからなる。前群Ｇ２Ａは、拡大側から縮小側へ向かって順に、レンズＬ２ａ〜Ｌ２ｃの３枚のレンズからなる。後群Ｇ２Ｂは、拡大側から縮小側へ向かって順に、レンズＬ２ｄ〜Ｌ２ｇの４枚のレンズからなる。第１光学系Ｇ１が含む非球面レンズはレンズＬ１ａである。

実施例２の結像光学系の基本レンズデータを表４に、諸元と可変面間隔を表５に、非球面係数を表６に示す。表５では、拡大倍率が２０７．０の場合を拡大側結像面から最も拡大側のレンズ面までの距離が有限の場合の一例として示している。図８に、拡大倍率が２０７．０の場合の各収差図を示す。

［実施例３］
実施例３の結像光学系のレンズ構成と光束の断面図を図４に示す。実施例３の結像光学系は、拡大側から縮小側へ向かって順に、正の屈折力を有する第１光学系Ｇ１と、負の屈折力を有する第２光学系Ｇ２とからなる。第１光学系Ｇ１は、拡大側から縮小側へ向かって順に、レンズＬ１ａ〜Ｌ１ｌの１２枚のレンズからなる。第２光学系Ｇ２は、拡大側から縮小側へ向かって順に、前群Ｇ２Ａと、後群Ｇ２Ｂとからなる。前群Ｇ２Ａは、拡大側から縮小側へ向かって順に、レンズＬ２ａ〜Ｌ２ｃの３枚のレンズからなる。後群Ｇ２Ｂは、拡大側から縮小側へ向かって順に、レンズＬ２ｄ〜Ｌ２ｇの４枚のレンズからなる。第１光学系Ｇ１が含む非球面レンズはレンズＬ１ａとレンズＬ１ｂである。

実施例３の結像光学系の基本レンズデータを表７に、諸元と可変面間隔を表８に、非球面係数を表９に示す。表８では、拡大倍率が２０６．９の場合を拡大側結像面から最も拡大側のレンズ面までの距離が有限の場合の一例として示している。図９に、拡大倍率が２０６．９の場合の各収差図を示す。

［実施例４］
実施例４の結像光学系のレンズ構成と光束の断面図を図５に示す。実施例４の結像光学系は、拡大側から縮小側へ向かって順に、正の屈折力を有する第１光学系Ｇ１と、負の屈折力を有する第２光学系Ｇ２とからなる。第１光学系Ｇ１は、拡大側から縮小側へ向かって順に、レンズＬ１ａ〜Ｌ１ｌの１２枚のレンズからなる。第２光学系Ｇ２は、拡大側から縮小側へ向かって順に、前群Ｇ２Ａと、後群Ｇ２Ｂとからなる。前群Ｇ２Ａは、拡大側から縮小側へ向かって順に、レンズＬ２ａ〜Ｌ２ｃの３枚のレンズからなる。後群Ｇ２Ｂは、拡大側から縮小側へ向かって順に、レンズＬ２ｄ〜Ｌ２ｇの４枚のレンズからなる。第１光学系Ｇ１が含む非球面レンズはレンズＬ１ａとレンズＬ１ｂである。

実施例４の結像光学系の基本レンズデータを表１０に、諸元と可変面間隔を表１１に、非球面係数を表１２に示す。表１１では、拡大倍率が２０３．６の場合を拡大側結像面から最も拡大側のレンズ面までの距離が有限の場合の一例として示している。図１０に、拡大倍率が２０３．６の場合の各収差図を示す。

［実施例５］
実施例５の結像光学系のレンズ構成と光束の断面図を図６に示す。実施例５の結像光学系は、拡大側から縮小側へ向かって順に、正の屈折力を有する第１光学系Ｇ１と、負の屈折力を有する第２光学系Ｇ２とからなる。第１光学系Ｇ１は、拡大側から縮小側へ向かって順に、レンズＬ１ａ〜Ｌ１ｋの１１枚のレンズからなる。第２光学系Ｇ２は、拡大側から縮小側へ向かって順に、前群Ｇ２Ａと、後群Ｇ２Ｂとからなる。前群Ｇ２Ａは、拡大側から縮小側へ向かって順に、レンズＬ２ａ〜Ｌ２ｃの３枚のレンズからなる。後群Ｇ２Ｂは、拡大側から縮小側へ向かって順に、レンズＬ２ｄ〜Ｌ２ｇの４枚のレンズからなる。第１光学系Ｇ１が含む非球面レンズはレンズＬ１ａとレンズＬ１ｂである。

実施例５の結像光学系の基本レンズデータを表１３に、諸元と可変面間隔を表１４に、非球面係数を表１５に示す。表１３では、拡大倍率が２０６．８の場合を拡大側結像面から最も拡大側のレンズ面までの距離が有限の場合の一例として示している。図１１に、拡大倍率が２０６．８の場合の各収差図を示す。

表１６に実施例１〜５の結像光学系の条件式（１）〜（８）の対応値と各数値を示す。実施例１〜５はｄ線を基準波長としており、表１６にはｄ線基準での値を示す。表１６のＮａｓとｆａｓの欄では対応値の下に対応する非球面レンズの符号を括弧書きで記入している。表１６において、ｆＧ２は第２光学系Ｇ２の焦点距離であり、Ｐ５−Ｇ２Ｂは上述した交点５から後群Ｇ２Ｂの最も拡大側のレンズ面までの光軸上の距離であり、Ｂｆは空気換算距離での全系のバックフォーカスである。

以上のデータからわかるように、実施例１〜５の結像光学系は、Ｆナンバーが２．４以下であり小さなＦナンバーを有し、十分長いバックフォーカスが確保され、縮小側のテレセントリック性を保ちながら、各収差が良好に補正されて、高い光学性能が実現されている。

次に、本発明の実施形態に係る投写型表示装置について説明する。図１２は、本発明の一実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。図１２に示す投写型表示装置１００は、本発明の実施形態に係る結像光学系１０と、光源１５と、各色光に対応したライトバルブとしての透過型表示素子１１ａ〜１１ｃと、色分解のためのダイクロイックミラー１２、１３と、色合成のためのクロスダイクロイックプリズム１４と、コンデンサレンズ１６ａ〜１６ｃと、光路を偏向するための全反射ミラー１８ａ〜１８ｃとを有する。なお、図１２では、結像光学系１０は概略的に図示している。また、光源１５とダイクロイックミラー１２の間にはインテグレーターが配されているが、図１２ではその図示を省略している。

光源１５からの白色光は、ダイクロイックミラー１２、１３で３つの色光光束（Ｇｒｅｅｎ光、Ｂｌｕｅ光、Ｒｅｄ光）に分解された後、それぞれコンデンサレンズ１６ａ〜１６ｃを経て各色光光束にそれぞれ対応する透過型表示素子１１ａ〜１１ｃに入射して変調され、クロスダイクロイックプリズム１４により色合成された後、結像光学系１０に入射する。結像光学系１０は、透過型表示素子１１ａ〜１１ｃにより変調された変調光による光学像をスクリーン１０５上に投写する。

図１３は、本発明の別の実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。図１３に示す投写型表示装置２００は、本発明の実施形態に係る結像光学系２１０と、光源２１５と、各色光に対応したライトバルブとしてのＤＭＤ素子２１ａ〜２１ｃと、色分解及び色合成のためのＴＩＲ（Ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）プリズム２４ａ〜２４ｃと、照明光と投写光を分離する偏光分離プリズム２５とを有する。なお、図１３では結像光学系２１０を概略的に図示している。また、光源２１５と偏光分離プリズム２５の間にはインテグレーターが配されているが、図１３ではその図示を省略している。

光源２１５からの白色光は、偏光分離プリズム２５内部の反射面で反射された後、ＴＩＲプリズム２４ａ〜２４ｃにより３つの色光光束（Ｇｒｅｅｎ光、Ｂｌｕｅ光、Ｒｅｄ光）に分解される。分解後の各色光光束はそれぞれ対応するＤＭＤ素子２１ａ〜２１ｃに入射して変調され、再びＴＩＲプリズム２４ａ〜２４ｃを逆向きに進行して色合成された後、偏光分離プリズム２５を透過して、結像光学系２１０に入射する。結像光学系２１０は、ＤＭＤ素子２１ａ〜２１ｃにより変調された変調光による光学像をスクリーン２０５上に投写する。

図１４は、本発明のさらに別の実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。図１４に示す投写型表示装置３００は、本発明の実施形態に係る結像光学系３１０と、光源３１５と、各色光に対応したライトバルブとしての反射型表示素子３１ａ〜３１ｃと、色分離のためのダイクロイックミラー３２、３３と、色合成のためのクロスダイクロイックプリズム３４と、光路偏向のための全反射ミラー３８と、偏光分離プリズム３５ａ〜３５ｃとを有する。なお、図１４では、結像光学系３１０は概略的に図示している。また、光源３１５とダイクロイックミラー３２の間にはインテグレーターが配されているが、図１４ではその図示を省略している。

光源３１５からの白色光はダイクロイックミラー３２、３３により３つの色光光束（Ｇｒｅｅｎ光、Ｂｌｕｅ光、Ｒｅｄ光）に分解される。分解後の各色光光束はそれぞれ偏光分離プリズム３５ａ〜３５ｃを経て、各色光光束それぞれに対応する反射型表示素子３１ａ〜３１ｃに入射して変調され、クロスダイクロイックプリズム３４により色合成された後、結像光学系３１０に入射する。結像光学系３１０は、反射型表示素子３１ａ〜３１ｃにより変調された変調光による光学像をスクリーン３０５上に投写する。

図１５、図１６は、本発明の一実施形態に係る撮像装置であるカメラ４００の外観図である。図１５は、カメラ４００を正面側から見た斜視図を示し、図１６は、カメラ４００を背面側から見た斜視図を示す。カメラ４００は、交換レンズ４８が取り外し自在に装着される、レフレックスファインダーを持たない一眼形式のデジタルカメラである。交換レンズ４８は、本発明の実施形態に係る結像光学系４９を鏡筒内に収納したものである。

このカメラ４００はカメラボディ４１を備え、カメラボディ４１の上面にはシャッターボタン４２及び電源ボタン４３が設けられている。またカメラボディ４１の背面には、操作部４４、操作部４５、及び表示部４６が設けられている。表示部４６は、撮像された画像や、撮像される前の画角内にある画像を表示するためのものである。

カメラボディ４１の前面中央部には、撮影対象からの光が入射する撮影開口が設けられ、その撮影開口に対応する位置にマウント４７が設けられ、マウント４７を介して交換レンズ４８がカメラボディ４１に装着される。

カメラボディ４１内には、交換レンズ４８によって形成された被写体像に応じた撮像信号を出力するＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）又はＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの撮像素子（不図示）、その撮像素子から出力された撮像信号を処理して画像を生成する信号処理回路（不図示）、及びその生成された画像を記録するための記録媒体（不図示）などが設けられている。このカメラ４００では、シャッターボタン４２を押すことにより静止画又は動画の撮影が可能であり、この撮影で得られた画像データが上記記録媒体に記録される。

以上、実施形態及び実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、各レンズの曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、及び非球面係数等は、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得る。

また、本発明の投写型表示装置も、上記構成のものに限定されず、例えば、光束分離又は光束合成に用いられる光学部材、及びライトバルブは、種々の態様の変更が可能である。ライトバルブは、光源からの光を画像表示素子により空間変調して、画像データに基づく光学像として出力する態様に限定されず、自発光型の画像表示素子から出力された光自体を、画像データに基づく光学像として出力する態様であってもよい。自発光型の画像表示素子としては、例えば、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）またはＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の発光素子が２次元配列された画像表示素子が挙げられる。

また、本発明の撮像装置も、上記構成のものに限定されず、例えば、本発明をノンレフレックス方式以外のカメラ、フィルムカメラ、ビデオカメラ、及び映画撮影用カメラ等などに適用することも可能である。

２ 軸上光束
３ 最大像高の光束
４ 光線
５ 交点
１０、４９、２１０、３１０ 結像光学系
１１ａ〜１１ｃ 透過型表示素子
１２、１３、３２、３３ ダイクロイックミラー
１４、３４ クロスダイクロイックプリズム
１５、２１５、３１５ 光源
１６ａ〜１６ｃ コンデンサレンズ
１８ａ〜１８ｃ、３８ 全反射ミラー
２１ａ〜２１ｃ ＤＭＤ素子
２４ａ〜２４ｃ ＴＩＲプリズム
２５、３５ａ〜３５ｃ 偏光分離プリズム
３１ａ〜３１ｃ 反射型表示素子
４１ カメラボディ
４２ シャッターボタン
４３ 電源ボタン
４４、４５ 操作部
４６ 表示部
４７ マウント
４８ 交換レンズ
１００、２００、３００ 投写型表示装置
１０５、２０５、３０５ スクリーン
４００ カメラ
Ｇ１ 第１光学系
Ｇ２ 第２光学系
Ｇ２Ａ 前群
Ｇ２Ｂ 後群
Ｌ１ａ〜Ｌ１ｌ、Ｌ２ａ〜Ｌ２ｈ レンズ
ＭＩ 中間像
ＰＰ 光学部材
Ｓｃｒ スクリーン
Ｓｉｍ 画像表示面
Ｚ 光軸

Claims (11)

1. 拡大側から縮小側へ向かって順に、拡大側結像面と中間像とを共役にする第１光学系と、前記中間像と縮小側結像面とを共役にする第２光学系とからなり、
   縮小側がテレセントリックに構成されており、
   前記第１光学系は少なくとも１枚の非球面レンズを含み、
   全系の焦点距離をｆとした場合、前記縮小側結像面から前記第２光学系へ光軸に平行で光軸から｜ｆ｜の高さで入射した光線は、前記第２光学系内で前記光軸と交点を有し、
   前記第２光学系は、拡大側から縮小側へ向かって順に、前記交点より拡大側の前群と、前記交点より縮小側の後群とからなり、
   前記前群の焦点距離をｆＧ２Ａとし、
   前記後群の焦点距離をｆＧ２Ｂとし、
   前記縮小側結像面での最大像高をＹｍａｘとし、
   前記第１光学系の焦点距離をｆＧ１とし、
   前記第１光学系が含む前記非球面レンズについて焦点距離をｆａｓ、ｄ線に対する屈折率をＮａｓとし、｜ｆａｓ×Ｎａｓ｜の最小値をｍｉｎ｜ｆａｓ×Ｎａｓ｜とした場合、
   １０．５＜ｆＧ２Ａ／｜ｆ｜＜１５ （１）
   ３＜ｆＧ２Ｂ／Ｙｍａｘ＜５．５ （２）
   ２．１＜｜Ｙｍａｘ／ｆ｜＜２．７ （３）
   ０．６５＜｜ｆ｜／ｆＧ１＜１ （４）
   ７．５＜ｍｉｎ｜ｆａｓ×Ｎａｓ｜／｜ｆ｜＜２３ （５）
   で表される条件式（１）、（２）、（３）、（４）、及び（５）を満足する結像光学系。
2. ２＜（ｆＧ２Ａ／｜ｆ｜）×（Ｙｍａｘ／ｆＧ２Ｂ）＜３．５ （６）
   で表される条件式（６）を満足する請求項１に記載の結像光学系。
3. 前記第１光学系が含む全ての非球面レンズについて
   １．４５＜Ｎａｓ＜１．６ （７）
   で表される条件式（７）を満足する請求項１又は２に記載の結像光学系。
4. １＜ｆＧ２Ａ／ｆＧ２Ｂ＜１．５５ （８）
   で表される条件式（８）を満足する請求項１から３のいずれか１項に記載の結像光学系。
5. 前記第２光学系の最も拡大側のレンズは正の屈折力を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の結像光学系。
6. １１＜ｆＧ２Ａ／｜ｆ｜＜１４ （１−１）
   で表される条件式（１−１）を満足する請求項１に記載の結像光学系。
7. ３．５＜ｆＧ２Ｂ／Ｙｍａｘ＜５ （２−１）
   で表される条件式（２−１）を満足する請求項１に記載の結像光学系。
8. ２．１＜｜Ｙｍａｘ／ｆ｜＜２．４ （３−１）
   で表される条件式（３−１）を満足する請求項１に記載の結像光学系。
9. ０．７＜｜ｆ｜／ｆＧ１＜０．９ （４−１）
   で表される条件式（４−１）を満足する請求項１に記載の結像光学系。
10. 画像データに基づく光学像を出力するライトバルブと、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の結像光学系とを備え、
    前記結像光学系は、前記ライトバルブから出力された前記光学像をスクリーン上に投写する投写型表示装置。
11. 請求項１から９のいずれか１項に記載の結像光学系を備えた撮像装置。