JP2020086174A - 結像光学系、投写型表示装置、および撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中間像を形成する結像光学系において、小型でありながら、広角で、かつ、従来と比べて、部品点数も少なく、製造性が良く、光学性能も良好な結像光学系、この結像光学系を備えた投写型表示装置および撮像装置を提供する。【解決手段】拡大側から順に、反射光学系と、複数のレンズを含む屈折光学系とからなり、屈折光学系は光路上における屈折光学系と反射光学系との間でかつ縮小側結像面と共役な位置に第１中間像を形成し、反射光学系は第１中間像を拡大側結像面に再結像させる。反射光学系は、拡大側から光路に沿って順に、第１反射面と、第２反射面と、第３反射面とからなる。第１反射面と第３反射面は、１つの部材に形成され、かつ、同一の面形状を有する。【選択図】図１

Description

本開示は、結像光学系、投写型表示装置、および撮像装置に関する。

近年、液晶表示素子やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ：登録商標）表示素子等を含むライトバルブを搭載した投写型表示装置が広く普及し、かつ高性能化してきている。特に、ライトバルブの解像度が向上したことに伴い、投写用光学系の解像性能に対しても高度な要望がなされるようになってきている。

また、スクリーンまでの距離設定の自由度を高め、さらに室内空間での設置性を考慮して、小型の構成でありながら、より高性能で、より広角化の図られた汎用性の高い投写用光学系を投写型表示装置に搭載したいという要望も強くなっている。

このような要望に応えるべく、屈折光学系により縮小側結像面と共役な位置に中間像を形成し、この中間像を反射光学系により拡大側結像面に再結像させる結像光学系が提案されている。（例えば、特許文献１、２）

特開２００８−２５０２９６号公報 特開２０１７−４０８４９号公報

特許文献１の結像光学系は、屈折光学系と、反射光学系として１枚の非球面反射面とを用いた光学系であるが、中間像を再結像させる非球面反射面が１枚であるため、広角化を実現するためには反射面を大きくする必要がある。また、特許文献１の結像光学系において、反射面を小型化しようとすると、屈折光学系の負担が大きくなってレンズ枚数が増えてしまう。すなわち、特許文献１の結像光学系は、小型化が難しいという問題がある。

また、特許文献２の結像光学系は、屈折光学系と、反射光学系として３枚の非球面反射面とを用いた光学系であり、屈折光学系の収差補正量の負担を減らしてレンズ枚数の削減を図っている。しかし、特許文献２の結像光学系は、最も拡大側の反射面が大きいため、小型化が難しいという問題がある。

また、特許文献２の結像光学系は、反射光学系においては、３枚の反射面が、それぞれ別部材で構成されている。そのため、部品点数が多くなることに加えて、３つの反射面同士の位置合わせが難しく、製造性について改善の余地があった。

本開示は、上記事情に鑑みなされたものであり、中間像を形成する結像光学系において、小型でありながら、広角で、かつ、従来と比べて、部品点数も少なく、製造性が良く、光学性能も良好な結像光学系、この結像光学系を備えた投写型表示装置、および、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ものである。

上記の課題を解決するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。

本開示の結像光学系は、拡大側から順に、反射光学系と、複数のレンズを含む屈折光学系とからなり、屈折光学系は光路上における屈折光学系と反射光学系との間でかつ縮小側結像面と共役な位置に第１中間像を形成し、反射光学系は第１中間像を拡大側結像面に再結像させ、反射光学系は、拡大側から光路に沿って順に、第１反射面と、第２反射面と、第３反射面とからなり、第１反射面と第３反射面は、１つの部材に形成され、かつ、同一の面形状を有する。

第１反射面と第３反射面は、同じ非球面もしくは同じ自由曲面であることが好ましい。

第１反射面および第３反射面は、凹面形状であることが好ましい。

光路上における第１反射面と第２反射面との間でかつ第１中間像と共役な位置に第２中間像を形成することが好ましい。

第１反射面から拡大側に向かう、最大画角の主光線は、反射光学系内で最大画角の主光線と２回交わることが好ましい。

第２反射面は、凸面形状であることが好ましい。

屈折光学系の全ての光学面は、屈折光学系の光軸を中心とする回転対称面により構成されることが好ましい。

合焦の際に、第１反射面、第２反射面、および第３反射面のうちの少なくとも１つと、屈折光学系の一部とが移動することが好ましい。

合焦の際に、第１反射面、第２反射面、および第３反射面のうち、屈折光学系に最も近い反射面と、屈折光学系の一部とが移動することが好ましい。

本開示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、本開示の結像光学系とを備え、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。

本開示の撮像装置は、本開示の結像光学系を備えている。

なお、上記「反射光学系」とは、反射面以外にも、絞り、フィルタ、およ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。

上記「屈折光学系」とは、実質的に屈折力を有さないレンズ、並びに、絞り、フィルタ、カバーガラス、ミラー、およびプリズム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。

本明細書の「〜からなり」、「〜からなる」は、挙げられた構成要素以外に、反射光学系および屈折光学系の各々について、レンズフランジ、レンズバレル、撮像素子、合焦機構、および手振れ補正機構等の機構部分等の部材を含んでもよいことを意図するものである。

非球面に関する面形状は、特に断りが無い限り近軸領域で考えることにする。本明細書に記載の「ｄ線」、「Ｃ線」、および「Ｆ線」は輝線であり、ｄ線の波長は５８７．５６ｎｍ（ナノメートル）、Ｃ線の波長は６５６．２７ｎｍ（ナノメートル）、Ｆ線の波長は４８６．１３ｎｍ（ナノメートル）である。

本開示によれば、中間像を形成する結像光学系において、小型でありながら、広角で、かつ、部品点数も少なく、製造性が良く、光学性能も良好な結像光学系、この結像光学系を備えた投写型表示装置、および、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。

本開示の一実施形態にかかる結像光学系（実施例１と共通）の構成を示す断面図 本開示の実施例２の結像光学系の構成を示す断面図 本開示の実施例３の結像光学系の構成を示す断面図 本開示の実施例４の結像光学系の構成を示す断面図 本開示の実施例４の結像光学系を筐体に収納した状態を示す断面図 本開示の実施例４の変形例１の結像光学系の構成を示す断面図 本開示の実施例４の変形例２の結像光学系の構成を示す断面図 本開示の実施例４の変形例２の結像光学系を筐体に収納した状態を示す断面図 本開示の実施例４の変形例３の結像光学系の構成を示す断面図 本開示の実施例４の変形例４の結像光学系の構成を示す断面図 本開示の実施例１の結像光学系の収差図 本開示の実施例２の結像光学系の収差図 本開示の実施例３の縮小側結像面におけるターゲットの位置の説明図 本開示の実施例３の物体距離が５８０ｍｍ（ミリメートル）の場合のスポットダイヤグラム 本開示の実施例３の物体距離が４６５．７ｍｍ（ミリメートル）の場合のスポットダイヤグラム 本開示の実施例３の物体距離が７６８．７ｍｍ（ミリメートル）の場合のスポットダイヤグラム 本開示の実施例４の結像光学系の収差図 本開示の一実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図 本開示の別の実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図 本開示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 本開示の一実施形態に係る撮像装置の前側の斜視図 図２１に示す撮像装置の背面側の斜視図

以下、本開示の技術に関する実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は一つの実施形態にかか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の結像光学系の構成と共通である。図１においては、左側が拡大側、右側が縮小側となるように記載している。また、図示されている開口絞りＳｔは必ずしも大きさまたは形状を表すものではなく、光軸Ｚ上の位置を示すものである。また、光束として最小画角の光束Ａおよび最大画角の光束Ｂを併せて記入している。

この結像光学系は、例えば投写型表示装置に搭載されて、ライトバルブが出力する光学像をスクリーン（拡大側結像面）へ投写するものとして使用可能である。ライトバルブは、画像データに基づいて光学像を出力し、画像表示面Ｓｉｍが形成された画像表示素子を有する。図１では、投写型表示装置に搭載される場合を想定して、色合成部または照明光分離部に用いられるフィルタおよびプリズム等を想定した光学部材ＰＰと、ライトバルブの画像表示面（縮小側結像面）Ｓｉｍも合わせて図示している。投写型表示装置においては、画像表示面Ｓｉｍから出力される画像情報を含む光束が、光学部材ＰＰを介して、この結像光学系に入射され、この結像光学系によりスクリーン（例えば図１８の符号１０５参照）上に投写される。

図１に示す通り、本実施形態の結像光学系は、拡大側から順に、反射光学系ＧＲと、複数のレンズを含む屈折光学系ＧＬとからなる。屈折光学系ＧＬは光路上における屈折光学系ＧＬと反射光学系ＧＲとの間でかつ縮小側結像面と共役な位置に第１中間像Ｍ１を形成する。反射光学系ＧＲは第１中間像Ｍ１を拡大側結像面に再結像させるように構成されている。

このように、第１中間像Ｍ１を形成する結像光学系では、反射光学系ＧＲ内の各反射面のサイズを小さくすることができるとともに、全系の焦点距離を短くして広角化に適した構成とすることができる。というのも、結像光学系を投写側表示装置に搭載する場合は、プリズム等の光学部材ＰＰを配置するスペースを確保するため、バックフォーカスを長くする必要がある。一般に、バックフォーカスが長い光学系は、全系の焦点距離が長くなりがちであるが、第１中間像Ｍ１を形成する構成とすることによって、第１中間像Ｍ１よりも拡大側の光学系のバックフォーカスを短くすることができるため、第１中間像Ｍ１よりも拡大側の光学系の焦点距離を短くしやすい。これにより、第１中間像Ｍ１を形成しない場合と比べて、全系の焦点距離を短くすることができる。ここで、広角とは、全画角が１３０°以上の場合をいう。

反射光学系ＧＲは、拡大側から光路に沿って順に、第１反射面Ｒ１と、第２反射面Ｒ２と、第３反射面Ｒ３とからなる。

このように、３枚の反射面により光を複数回反射させて実質的な光路長を長くすることによって、小型化を図りつつ、各反射面の１面当たりのパワーを低く抑えることが可能となる。反射面の１面当たりのパワーが低く抑えられると、収差の発生量も低減される。その結果、屈折光学系ＧＬの収差補正量の負担が減り、屈折光学系ＧＬのレンズ枚数を少なくすることができるため、結像光学系全体の小型化を図ることができる。

また、色収差の発生しない３枚の反射面を設けることによって、光学系全体での色収差の発生を低減することが可能になる。

第１反射面Ｒ１と第３反射面Ｒ３は、１つの部材ＲＰに形成され、かつ、同一の面形状を有している。これにより、次のようなメリットがある。まず、第１に、１つの部材ＲＰに複数の反射面が形成されることにより、それぞれの反射面を別部材に形成する場合と比べて、部品点数が少なくなる。

また、第２に、組み立て時における、第１反射面Ｒ１および第３反射面Ｒ３の相対的な位置合わせ作業が不要となる。第１反射面Ｒ１から第３反射面Ｒ３の３つの反射面同士の相対的な位置関係は、光学性能（主として、歪曲収差および像面湾曲などの収差）に影響するため、３つの反射面の位置合わせ精度には高い精度が求められる。各反射面をそれぞれ別部材に形成した場合は、３つの反射面同士の位置合わせ作業を組み立て時に行う必要がある。しかし、組み立て時に行う位置合わせ作業は、手間と時間が掛る。本実施形態の反射光学系ＧＲでは、１つの部材ＲＰに第１反射面Ｒ１および第３反射面Ｒ３が形成されているため、組み立て時においては、３つの反射面のうち、第１反射面Ｒ１および第３反射面Ｒ３の２つの反射面同士の位置合わせ作業については不要となる。そのため、本実施形態の結像光学系は、３つの反射面同士の位置合わせ作業を行う場合と比べて、良好な光学性能を維持しつつ、製造性を良好にすることができる。また、第３に、第１反射面Ｒ１および第３反射面Ｒ３は、同一の面形状であるため、さらに、製造性が良好である。

また、本実施形態においては、第１反射面Ｒ１と第３反射面Ｒ３は、同じ非球面もしくは同じ自由曲面である。ここで、同じ非球面もしくは同じ自由曲面とは、非球面もしくは自由曲面を定義する式および係数が同じであることをいう。第１反射面Ｒ１と第３反射面Ｒ３を同じ非球面もしくは同じ自由曲面とすることで、異なる場合と比べて、部材ＲＰを加工する加工装置に設定するパラメータの共通部分が多くなるなど、製造上有利である。

また、本実施形態においては、第１反射面Ｒ１および第３反射面Ｒ３は凹面形状である。最も拡大側にある第１反射面Ｒ１を収束作用のある凹面とすることによって、光線が発散する凸面とする場合と比べて、第１反射面Ｒ１を小型化できる。加えて、第１反射面Ｒ１および第３反射面Ｒ３を凹面とすることによって、結像光学系を筐体に収納した場合に、光線を筐体の外部に出射するための光学窓（図５に示す光学窓２参照）のサイズを小さくできる。また、光学窓のサイズが小さくなると、外部から筐体内に入射する迷光を少なくすることができるため、表示品質を向上させることができる。

本実施形態の結像光学系においては、光路上における第１反射面Ｒ１と第２反射面Ｒ２の間でかつ第１中間像Ｍ１と共役な位置に第２中間像Ｍ２を形成することが好ましい。このような態様とすることによって、第１反射面Ｒ１の焦点距離を短くできるため、第１反射面Ｒ１の小型化が可能であり、さらに広角化にも有利である。

また、第２中間像Ｍ２を形成する位置を、第１反射面Ｒ１と第２反射面Ｒ２の間にすることにより、次のようなメリットがある。すなわち、第２反射面Ｒ２と第３反射面Ｒ３の間に中間像を形成した場合、光路長確保のために第３反射面Ｒ３と屈折光学系ＧＬの間の間隔を大きく取らざるを得ず、必然的に第３反射面Ｒ３が大型化してしまう。第３反射面Ｒ３の大型化は、結像光学系全体の小型化の観点でも好ましくない。第１反射面Ｒ１と第２反射面Ｒ２の間に第２中間像Ｍ２を形成することにより、第３反射面Ｒ３および結像光学系全体を小型化することができる。

また、第１反射面Ｒ１から拡大側に向かう最大画角の主光線は、反射光学系ＧＲ内で縮小側結像面から拡大側結像面に向かう最大画角の主光線と２回交わることが好ましい。このような態様とすることによって、反射光学系ＧＲ全体の小型化が可能となる。ここで、反射光学系ＧＲ内とは、屈折光学系ＧＬから出射後、拡大側に向かう光線の光路内を意味する。なお、開口絞りが無い光学系においては、最小画角の光束の上側の最大光線と、最小画角の光束の下側の最大光線との二等分角線を主光線とする。

また、第２反射面Ｒ２は、凸面形状であることが好ましい。第１反射面Ｒ１および第３反射面Ｒ３が凹面形状である場合は、第２反射面Ｒ２を凸面形状とすることによって、反射光学系ＧＲの各反射面の形状の配置が、凹面、凸面、凹面となる。これにより、反射光学系ＧＲ全体のパワーを適切に保ちつつ、広角化と小型化の両立が可能となる。

また、屈折光学系ＧＬの全ての光学面は、屈折光学系ＧＬの光軸を中心とする回転対称面により構成されることが好ましい。このような態様とすることによって、屈折光学系ＧＬの構造が簡略化できるため、低コスト化に有利となる。

また、合焦の際に、第１反射面Ｒ１、第２反射面Ｒ２、および第３反射面Ｒ３のうちの少なくとも１つと、屈折光学系ＧＬの一部とが移動することが好ましい。というのも、広角の光学系は、光軸近傍での深い被写界深度によって物体距離変化に対する焦点変動が鈍いのに対して、投写画像の周辺部においては物体距離変化に対する像面湾曲の変動が大きいという特徴がある。そのため、屈折光学系ＧＬの一部に加えて、反射光学系ＧＲの少なくとも１つの反射面も合わせて移動させることによって、物体距離変化に対する像面湾曲の変動を抑制する事が可能となり、良好な性能を維持することができる。

本例においては、第１反射面Ｒ１と第３反射面Ｒ３は部材ＲＰに形成されているため、部材ＰＲまたは第２反射面Ｒ２のいずれかを移動させる。

ここで、物体距離とは、拡大側結像面（例えば光学像が投写されるスクリーン）から結像光学系の最も拡大側の面（例えば図１において第１反射面Ｒ１）までの距離をいう。物体距離は、投写距離に相当する。

また、合焦の際に、第１反射面Ｒ１、第２反射面Ｒ２、および第３反射面Ｒ３のうち、屈折光学系ＧＬに最も近い反射面と、屈折光学系ＧＬの一部とが移動することが好ましい。屈折光学系ＧＬの一部に加えて、屈折光学系ＧＬに最も近い反射面を移動させることによって、これらの部材を移動させるための機構を集中的に配置できるため、設計および製造を容易にすることができる。本例においては、屈折光学系ＧＬとの物理的な距離が最も近い反射面は、第２反射面Ｒ２であるので、第２反射面Ｒ２を移動させる。

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の結像光学系の構成を示す断面図を図１に示す。

図１に示す実施例１の結像光学系は、拡大側から光路に沿って順に、第１反射面Ｒ１〜第３反射面Ｒ３の３枚の反射面からなる反射光学系ＧＲと、レンズＬ１〜レンズＬ５の５枚のレンズおよび開口絞りＳｔからなる屈折光学系ＧＬとから構成される。合焦の際に、第２反射面Ｒ２、およびレンズＬ１が互いに独立して移動する。

実施例１の結像光学系の基本レンズデータを表１に、諸元に関するデータを表２に、可変面間隔に関するデータを表３に、非球面係数に関するデータを表４に示す。以下では、表中の記号の意味について、実施例１のものを例にとり説明するが、実施例２〜４についても基本的に同様である。

表１に示したレンズデータにおいて、Ｓｉの欄には、最も拡大側の光学要素の拡大側の面を１番目として、縮小側に向かうに従い順次増加するようにして符号を付したｉ番目の面の番号を示している。近軸曲率半径Ｒｉの欄には、拡大側からｉ番目の面の近軸曲率半径の値（ｍｍ（ミリメートル））を示す。面間隔Ｄｉの欄についても、同様に拡大側からｉ番目の面Ｓｉとｉ＋１番目の面Ｓｉ＋１との光軸Ｚ上の間隔（ｍｍ（ミリメートル））を示す。Ｎｄｊの欄には、拡大側からｊ番目の光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ（ナノメートル））に対する屈折率の値を示す。νｄｊの欄には、拡大側からｊ番目の光学要素のｄ線に対するアッベ数の値を示す。なお、曲率半径の符号は、面形状が拡大側に凸の場合を正、縮小側に凸の場合を負としている。表１には、開口絞りＳｔと光学部材ＰＰも含めて示しており、開口絞りＳｔに相当する面の面番号の欄には面番号とともに（Ｓｔ）という語句を記載している。また、表１のレンズデータにおいて、合焦の際に間隔が変化する面間隔の欄にはそれぞれＤＤ[ｉ]と記載している。このＤＤ[ｉ]に対応する数値は表３に示している。

表２の諸元に関するデータに、全系の焦点距離の絶対値｜ｆ｜、全系のバックフォーカスＢｆ、Ｆナンバー、全画角２ωの値を示す。なお、表２等この明細書において、ＦＮｏ．は、Ｆナンバーを意味する。なお、このバックフォーカスＢｆは空気換算した値を表している。

表１のレンズデータでは、非球面の面番号に＊印を付しており、非球面の曲率半径として近軸の曲率半径の数値を示している。表４の非球面係数に関するデータには、非球面の面番号と、これら非球面に関する非球面係数を示す。表４の非球面係数の数値の「Ｅ±ｎ」（ｎ：整数）は「×１０^±ｎ」を意味する。非球面係数は、下記式で表される非球面式における各係数ＫＡ、Ａｍ（ｍは、３以上の整数で面毎に異なる）の値である。
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（光軸からの距離）
Ｃ：近軸曲率半径の逆数
ＫＡ、Ａｍ：非球面係数（ｍは、３以上の整数で面毎に異なる）
であり、非球面深さＺｄにおけるΣはｍに関する総和を意味する。

レンズデータおよび諸元に関するデータにおいて、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。

実施例１の結像光学系の各収差図を図１１に示す。図１１の左側から順に、球面収差、非点収差、歪曲収差、および倍率色収差を示す。図１１において、上段は物体距離を５８０ｍｍ（ミリメートル）とした場合の収差図を示し、中段は物体距離を４６５．７ｍｍ（ミリメートル）とした場合の収差図を示し、下段は物体距離を７６８．７ｍｍ（ミリメートル）とした場合の収差図を示す。球面収差図には、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ（ナノメートル））、Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ（ナノメートル））、およびＦ線（波長４８６．１ｎｍ（ナノメートル））についての収差をそれぞれ実線、長破線、および短破線で示す。非点収差図には、サジタル方向のｄ線における収差を実線で示し、タンジェンシャル方向のｄ線における収差を短破線で示す。歪曲収差図には、ｄ線における収差を実線で示す。倍率色収差図にはＣ線（波長６５６．３ｎｍ（ナノメートル））およびＦ線（波長４８６．１ｎｍ（ナノメートル））についての収差をそれぞれ長破線および短破線で示す。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。

［実施例２］
次に、実施例２の結像光学系について説明する。実施例２の結像光学系の構成を示す断面図を図２に示す。なお、図２以下の各実施例の図示方法については、上述した図１と同様であるため、説明を省略する。

図２に示す実施例２の結像光学系は、拡大側から光路に沿って順に、第１反射面Ｒ１〜第３反射面Ｒ３の３枚の反射面からなる反射光学系ＧＲと、レンズＬ１〜レンズＬ６の６枚のレンズおよび開口絞りＳｔからなる屈折光学系ＧＬとから構成される。実施例２の結像光学系においては、合焦の際に、第２反射面Ｒ２と、レンズＬ１、レンズＬ２、およびレンズＬ３の３枚のレンズ群とが互いに独立して移動する。

また、実施例２の結像光学系の基本レンズデータを表５に、諸元に関するデータを表６に、可変面間隔に関するデータを表７に、非球面係数に関するデータを表８に、各収差図を図１２に示す。

［実施例３］
次に、実施例３の結像光学系について説明する。実施例３の結像光学系の構成を示す断面図を図３に示す。実施例３の結像光学系は、拡大側から光路に沿って順に、第１反射面Ｒ１〜第３反射面Ｒ３の３枚の反射面からなる反射光学系ＧＲと、レンズＬ１〜レンズＬ６の６枚のレンズからなる屈折光学系ＧＬとから構成される。実施例３の結像光学系においては、合焦の際に、第２反射面Ｒ２、およびレンズＬ１が互いに独立して移動する。

また、実施例３の結像光学系においては、第２反射面Ｒ２は非球面で形成され、第１反射面Ｒ１および第３反射面Ｒ３は、軸対称性を持たない回転非対称な自由曲面で形成される。第１反射面Ｒ１および第３反射面Ｒ３は、光軸Ｚに対し偏心（Ｙ方向シフト）およびチルト（Ｘ軸回転）して配置されている。Ｙ方向へのシフト量は、図３において上方を正方向、下方を負方向とすると、負方向に、１７．３２３５ｍｍ（ミリメートル）である。Ｘ軸回りのチルト量は、反時計方向に１７．１８６１°である。また、実施例３の結像光学系の基本レンズデータを表９に、諸元に関するデータを表１０に、可変面間隔に関するデータを表１１に、非球面係数に関するデータを表１２に示す。

また、表９のレンズデータでは、自由曲面の面番号に＊＊印を付しており、自由曲面の曲率半径は無限大（∞）で示している。自由曲面に関するデータを表１３に示す。表１３の自由曲面に関するデータには、自由曲面の面番号と、自由曲面に関する自由曲面係数を示す。表１３の自由曲面係数の数値の「Ｅ±ｎ」（ｎ：整数）は「×１０^±ｎ」を意味する。表１３に示す自由曲面係数は、下記式で表される自由曲面式における、回転非対称自由曲面係数Ｃ（ｉ，ｊ)の値である。

Ｚ＝ΣΣＣ（ｉ，ｊ)・Ｘ^ｉ・Ｙ^ｊ

ここで、
Ｘ、Ｙ、Ｚは、面頂点を原点とした各座標である。
また、上記式において、Ｘの値は絶対値である。
また、上記式において、１つ目のΣは、ｉに関する総和であり、２つ目のΣは、ｊに関する総和である。

また、実施例３の結像光学系については、第１反射面Ｒ１および第３反射面Ｒ３の形状が自由曲面であるため、収差図を示す代わりに、図１４から図１６に示すように、拡大側から縮小側に向かって光線追跡した場合のスポットダイヤグラムを示す。図１３は、拡大側から光線追跡した場合のスポット像の結像位置となる縮小側結像面（画像表示面Ｓｉｍ）を示す。図１４から図１６は、図１３の縮小側結像面の番号１から番号９の各格子点における、９つのスポット像を示すスポットダイヤグラムを示す。

図１３に示すように、縮小側結像面は、横長の矩形状をしており、横１４．５２ｍｍ（ミリメートル）×縦８．１６ｍｍ（ミリメートル）のサイズである。図１３において、縮小側結像面の内部は、便宜的に格子によって８マスに区画して示されており、Ｘ方向における中心位置から右半分において、番号１から番号９の格子点が設定されている。縮小側結像面の中心は、番号１の格子点であり、番号１の格子点は、光軸Ｚを原点とするＸＹ座標において（Ｘ＝０ｍｍ（ミリメートル），Ｙ＝−６．０８ｍｍ（ミリメートル））の位置である。番号１の格子点を基点として、横方向に３．６３ｍｍ（ミリメートル）、縦方向に４．０８ｍｍ（ミリメートル）の間隔を空けて番号２から番号９の各格子点が設定される。

図１４から図１６のそれぞれのスポットダイヤグラムは、図１３に示す縮小側結像面の番号１から番号９のそれぞれの格子点をターゲットとして光線追跡した場合の各格子点におけるスポット像を示す。図１４は、物体距離が５８０ｍｍ（ミリメートル）、図１５は、物体距離が４６７．７ｍｍ（ミリメートル）、図１６は、物体距離が７６８．７ｍｍ（ミリメートル）の場合のスポットダイヤグラムを示す。図１４から図１６に示す３０μｍ（マイクロメートル）の縮尺は、各スポット像の大きさを示す縮尺であり、各スポット像の間隔を示すものではない。各スポット像の中心位置は各格子点に対応し、各格子点の間隔は、上述のとおり、横方向が３．６３ｍｍ（ミリメートル）、縦方向が４．０８ｍｍ（ミリメートル）である。

［実施例４］
次に、実施例４の結像光学系について説明する。実施例４の結像光学系の構成を示す断面図を図４に示す。実施例４の結像光学系は、拡大側から光路に沿って順に、第１反射面Ｒ１〜第３反射面Ｒ３の３枚の反射面からなる反射光学系ＧＲと、レンズＬ１〜レンズＬ６の６枚のレンズおよび開口絞りＳｔからなる屈折光学系ＧＬとから構成される。合焦の際に、第２反射面Ｒ２と、レンズＬ１およびレンズＬ２からなる群とが、独立して移動する。また、実施例４の結像光学系の基本レンズデータを表１４に、諸元に関するデータを表１５に、可変面間隔に関するデータを表１６に、非球面係数に関するデータを表１７に、各収差図を図１７に示す。

図５に示す実施例４Ａは、図１に示す実施例４の結像光学系を、光学窓２を備えた筐体１に収納した例である。

図６に示す実施例４の変形例１の結像光学系は、屈折光学系ＧＬ内に反射面Ｒ４を１枚追加して、屈折光学系ＧＬ内で光軸Ｚが９０°折り曲げられるように構成したものである。図６において、反射面Ｒ４は、レンズＬ２とレンズＬ３の間で、レンズＬ３の拡大側の面番号８の面の頂点より拡大側に１４ｍｍ（ミリメートル）シフトした位置に配置される。

図７に示す実施例４の変形例２の結像光学系は、屈折光学系ＧＬ内に反射面Ｒ４および反射面Ｒ５の２枚の反射面を追加して、屈折光学系ＧＬ内で光軸Ｚが２回９０°折り曲げられるように構成したものである。図７において、反射面Ｒ４から拡大側に向かう光軸Ｚの方向と、反射面Ｒ５から縮小側に向かう光軸Ｚの方向は同じ方向である。また、図７において、反射面Ｒ４は、レンズＬ３の拡大側の面番号８の面の頂点より拡大側に１４ｍｍ（ミリメートル）シフトした位置に配置される。また、図７において、反射面Ｒ５は、レンズＬ６の拡大側の面番号１４の面の頂点より拡大側に１０ｍｍ（ミリメートル）シフトした位置に配置される。

図８に示す実施例４の変形例２Ａは、図７に示す実施例４の変形例２の結像光学系を、光学窓２を備えた筐体１に収納した例である。

図９に示す実施例４の変形例３の結像光学系は、図７に示す変形例２と同様に、屈折光学系ＧＬ内に反射面Ｒ４および反射面Ｒ５の２枚の反射面を追加して、屈折光学系ＧＬ内で光軸Ｚが２回９０°折り曲げられるように構成したものである。図９に示す変形例３においては、反射面Ｒ５の向きが図７に示す変形例２と異なり、反射面Ｒ４から拡大側に向かう光軸Ｚの方向と、反射面Ｒ５から縮小側に向かう光軸Ｚの方向が１８０°逆転している。図９において、反射面Ｒ４は、図７と同様に、レンズＬ３の拡大側の面番号８の面の頂点より拡大側に１４ｍｍ（ミリメートル）シフトした位置に配置される。また、図９において、反射面Ｒ５は、レンズＬ６の拡大側の面番号１４の面の頂点より拡大側に１７ｍｍ（ミリメートル）シフトした位置に配置される。

図１０に示す実施例４の変形例４の結像光学系は、図６に示す変形例１と同様に、屈折光学系ＧＬ内に反射面Ｒ４を１枚追加して、屈折光学系ＧＬ内で光軸Ｚが９０°折り曲げられるように構成したものである。図１０に示す変形例４は、反射面Ｒ４の配置が、図６に示す変形例１と異なる。図１０において、反射面Ｒ４は、レンズＬ６の拡大側の面番号１４の面の頂点より拡大側に１７ｍｍ（ミリメートル）シフトした位置に配置される。

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１８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１８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、光軸を偏向するための全反射ミラー１８ａ〜１８ｃとを有する。なお、図１８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１８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（Ｇ光、Ｂ光、Ｒ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に入射して光変調され、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により光変調された光による光学像をスクリーン１０５上に投写する。

図１９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１９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、色分解および色合成のための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２２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１９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（Ｇ光、Ｂ光、Ｒ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に入射して光変調され、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により光変調された光による光学像をスクリーン２０５上に投写する。

図２０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２０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、光軸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２０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２０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（Ｇ光、Ｂ光、Ｒ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に入射して光変調され、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により光変調された光による光学像をスクリーン３０５上に投写する。

図２１、図２２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２１は、カメラ４００を前側から見た斜視図を示し、図２２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かかる光学系である結像光学系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と電源ボタン４３とが設けられている。またカメラボディ４１の背面には、操作部４４、４５と表示部４６とが設けられている。表示部４６は、撮像された画像およびまたは撮像される前の画角内にある画像等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に装着されるようになっている。

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）またはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等の撮像素子（図示せず）、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、およびその生成された画像を記録するための記録媒体等が設けられている。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また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、実施形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明の結像光学系は、上記実施例のものに限られるものではなく種々の態様の変更が可能であり、例えば各レンズの曲率半径、面間隔、屈折率、およびアッベ数を適宜変更することが可能である。

また、上記各実施例において、第１反射面Ｒ１および第３反射面Ｒ３と、第２反射面Ｒ２のそれぞれの面形状を、非球面形状または自由曲面形状の例で説明したが、少なくとも一方を球面形状としてもよい。

また、本発明の投写型表示装置も、上記構成のものに限られるものではなく、例えば、用いられるライトバルブおよび光束分離または光束合成に用いられる光学部材は、上記構成に限定されず、種々の態様の変更が可能である。

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、およびライトバルブは、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られるものではなく、例えば、一眼レフ形式のカメラ、フィルムカメラ、およびビデオカメラ等に適用することも可能である。

１ 筐体
２ 光学窓
１０、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
４９ 結像光学系
１００、２００、３００ 投写型表示装置
１０５、２０５、３０５ スクリーン
４００ カメラ
Ａ 最小画角の光束
Ｂ 最大画角の光束
ＧＬ 屈折光学系
ＧＲ 反射光学系
Ｌ１〜Ｌ６ レンズ
Ｍ１ 第１中間像
Ｍ２ 第２中間像
ＰＰ 光学部材
Ｒ１〜Ｒ５ 反射面
ＲＰ 部材
Ｓｉｍ 画像表示面
Ｓｔ 開口絞り
Ｚ 光軸

Claims (11)

1. 拡大側から順に、反射光学系と、複数のレンズを含む屈折光学系とからなり、
   前記屈折光学系は光路上における前記屈折光学系と前記反射光学系との間でかつ縮小側結像面と共役な位置に第１中間像を形成し、前記反射光学系は前記第１中間像を拡大側結像面に再結像させ、
   前記反射光学系は、拡大側から光路に沿って順に、第１反射面と、第２反射面と、第３反射面とからなり、
   前記第１反射面と前記第３反射面は、１つの部材に形成され、かつ、同一の面形状を有する結像光学系。
2. 前記第１反射面と前記第３反射面は、同じ非球面もしくは同じ自由曲面である請求項１に記載の結像光学系。
3. 前記第１反射面および前記第３反射面は、凹面形状である請求項１又は２に記載の結像光学系。
4. 光路上における前記第１反射面と前記第２反射面との間でかつ前記第１中間像と共役な位置に第２中間像を形成する請求項１から３のいずれか１項に記載の結像光学系。
5. 前記第１反射面から拡大側に向かう、最大画角の主光線は、前記反射光学系内で前記最大画角の主光線と２回交わる請求項４に記載の結像光学系。
6. 前記第２反射面は、凸面形状である請求項３に記載の結像光学系。
7. 前記屈折光学系の全ての光学面は、前記屈折光学系の光軸を中心とする回転対称面により構成される請求項１から６のいずれか１項に記載の結像光学系。
8. 合焦の際に、前記第１反射面、前記第２反射面、および前記第３反射面のうちの少なくとも１つと、前記屈折光学系の一部とが移動する請求項１から７のいずれか１項に記載の結像光学系。
9. 合焦の際に、前記第１反射面、前記第２反射面、および前記第３反射面のうち、前記屈折光学系に最も近い反射面と、前記屈折光学系の一部とが移動する請求項１から８のいずれか１項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。