JP2020106640A - 投射光学系およびプロジェクタ装置 - Google Patents

投射光学系およびプロジェクタ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】プロジェクタ装置用の投射光学系において、投射像の合焦状態や投射倍率等の光学特性を調整可能な範囲を拡大する。【解決手段】レンズＬ１〜Ｌ１２を有する第１光学系１と、凹面鏡３を有する第２光学系２とを有し、主光軸Ｚに沿って移動することで投射像ＴＭの光学特性を変化させる、レンズＬ７やレンズＬ８からなる移動光学系を第１光学系１に備える投射光学系１００において、第１光学系１に、主光軸Ｚに交差する方向に光軸Ｚ１を変位させるように動く少なくとも１枚のレンズＬ６を有する可動光学系を設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクタ装置および、それに用いられる投射光学系に関するものである。
従来、投射画面を大画面化すると共に、投影空間の縮小化を図った反射型のプロジェクタ装置が種々提案されている。例えば特許文献１には、ライトバルブから投影画面に向かって、つまり縮小側から拡大側に向かって、屈折光学系からなる第１光学系、反射面を含む第２光学系を配置してなるプロジェクタ装置用の投射光学系が示されている。この種の投射光学系は多くの場合、合焦（フォーカス調整）や変倍（ズーム）のために、屈折光学系内に、該屈折光学系の主光軸に沿った方向に移動する移動光学系を含んで構成される。
近時は、投射画面を大型化する要求が高くなっており、そのため上記の投射光学系にも、投射像の合焦状態や投射倍率等の光学特性を調整できる範囲を拡大することが望まれている。プロジェクタ装置用の投射光学系において、投射像の光学特性を調整可能としたものとしては、例えば特許文献２に示されるように、投射光学系を構成する一部のレンズユニットを光軸に対して傾けるようにしたものが知られている。
特開２０１２−１０８２６７号公報 特許第５０６３２２４号公報
しかし、従来の反射型のプロジェクタ装置に用いられて来た投射光学系は、光学特性を調整可能な範囲を拡大する上で、改善の余地が残されている。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、光学特性を調整可能な範囲を確実に拡大できるプロジェクタ装置、およびプロジェクタ装置用の投射光学系を提供することを目的とする。
本発明による投射光学系は、
画像表示素子から出射された画像光の進行方向である前方に向かって順に、レンズを有する第１光学系と、凹面鏡を有する第２光学系とが配置され、
画像表示素子に形成された画像を、第１光学系の内部に第１中間像として結像させた後、第１光学系と第２光学系との間に第２中間像として結像させ、
第２中間像からの画像光を、第２光学系から第１光学系の光軸である主光軸に沿う方向と交差する投射方向に投射し、画像を被投射面に投射像として拡大投影させ、
主光軸に沿って移動することで投射像の光学特性を変化させる少なくとも１枚のレンズを有する移動光学系を第１光学系に備える、
投射光学系であって、
第１光学系は、光入射面および光出射面の少なくとも一方の面と主光軸との交点の位置が変化するように動く少なくとも１枚のレンズを有する可動光学系を有する、
ことを特徴とするものである。
なお、本発明の投射光学系において、
可動光学系の動きは、主光軸と直交する方向の移動成分を有する、
ことが望ましい。
また、本発明の投射光学系において、
可動光学系の動きは、該可動光学系の光軸と主光軸との成す角を変化させる動きであってもよい。
その場合、可動光学系の動きは、該可動光学系の最も後方の光入射面と主光軸との交点を中心に可動光学系を傾ける動きである、
ことが望ましい。
また、本発明の投射光学系において、
可動光学系の動きは、主光軸と投射方向とを含む面に沿う方向であって主光軸と交差する方向の動きである、
ことが望ましい。
また、本発明の投射光学系において、
画像表示素子の画像表示面の中で被投射面に投射像として投射されることが可能な範囲である投射有効域の中で、上記光軸の変位方向に沿う方向で、主光軸から最も遠い端部である遠端部から出射する光の主光線を遠端部主光線とし、投射有効域の中で、主光軸に最も近い端部である近端部から出射する光の主光線を近端部主光線とし、
可動光学系の最も後方の光入射面における遠端部主光線の入射位置を遠端部主光線入射位置とし、上記光入射面における近端部主光線の入射位置を近端部主光線入射位置としたとき、
可動光学系は、遠端部主光線入射位置と近端部主光線入射位置とが異なる位置に配置されている、
ことが望ましい。
上述のように可動光学系が、遠端部主光線入射位置と近端部主光線入射位置とが異なる位置に配置されている場合は、
遠端部主光線入射位置と主光軸との間の距離Ｙ１と、近端部主光線入射位置と主光軸との間の距離である入射位置距離Ｙ２と、投射光学系の全系の焦点距離ｆとが、
４．０ ＞（Ｙ１−Ｙ２）／｜ｆ｜≧０．８ ・・・ （１）
の関係を満たす、
ことが望ましい。
さらに、本発明の投射光学系においては、
画像表示素子の画像表示面の中で被投射面に投射像として投射されることが可能な範囲である投射有効域の中で、上記光軸の変位方向に沿う方向で、主光軸から最も遠い端部である遠端部から出射する光の主光線を遠端部主光線とし、
可動光学系の最も後方の光入射面における遠端部主光線の入射位置を遠端部主光線入射位置とし、
可動光学系の最も前方の光出射面における遠端部主光線の出射位置を遠端部主光線出射位置としたとき、
遠端部主光線入射位置と主光軸との間の距離である入射位置距離Ｙ１と、遠端部主光線出射位置と主光軸との間の距離である出射位置距離Ｙ３とが、
１．３≧Ｙ３／Ｙ１≧０．７ ・・・ （２）
の関係を満たす、
ことが望ましい。
また、本発明の投射光学系においては、
可動光学系の焦点距離ｆ５と、第１光学系の焦点距離ｆ１とが、
７０ ＞ ｜ｆ５｜ ／ ｜ｆ１｜ ≧ １．０ ・・・ （３）
の関係を満たす、
ことが望ましい。
また、本発明の投射光学系において、
移動光学系は、投射像の投射距離の変更を行い合焦状態を変化させる合焦用光学系、投射像の投射倍率の変更を行う変倍用光学系、および投射像の像面湾曲の補正を行う像面湾曲補正用光学系の少なくとも１つを備える、
ことが望ましい。
一方、本発明によるプロジェクタ装置は、
光源と、この光源からの光を変調する光変調器と、この光変調器によって変調された光による光学像を投射する本発明による投射光学系とを備えてなるものである。
本発明による投射光学系は、第１光学系が、光入射面および光出射面の少なくとも一方の面と主光軸との交点の位置が変化するように動く少なくとも１枚のレンズを有する可動光学系を含むように構成されているので、この可動光学系を動かすことにより、光学特性を調整可能な範囲を拡大できるようになる。
なお、以上述べた効果については、後に各実施例に即してさらに詳しく説明する。
また、本発明によるプロジェクタ装置は、上述の効果を奏する投射光学系を用いているので、光学特性を調整可能な範囲を大きく設定できるものとなる。
実施例１の投射光学系のレンズ構成を、主な光束と共に示す断面図 実施例１の投射光学系のレンズ構成を示す断面図 実施例１の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図 実施例１の投射光学系における各部の面間隔および偏芯量を示す図 実施例１の投射光学系を構成する光学要素の非球面データを示す図 実施例１の投射光学系によるスポットダイアグラムを示す図 実施例１の投射光学系による歪曲形状を示す図 実施例２の投射光学系のレンズ構成を示す断面図 実施例２の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図 実施例２の投射光学系における各部の面間隔および偏芯量を示す図 実施例２の投射光学系を構成する光学要素の非球面データを示す図 実施例２の投射光学系によるスポットダイアグラムを示す図 実施例２の投射光学系による歪曲形状を示す図 実施例３の投射光学系のレンズ構成を示す断面図 実施例３の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図 実施例３の投射光学系における各部の面間隔および偏芯量を示す図 実施例３の投射光学系を構成する光学要素の非球面データを示す図 実施例３の投射光学系によるスポットダイアグラムを示す図 実施例３の投射光学系による歪曲形状を示す図 実施例４の投射光学系のレンズ構成を示す断面図 実施例４の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図 実施例４の投射光学系における各部の面間隔および偏芯量を示す図 実施例４の投射光学系を構成する光学要素の非球面データを示す図 実施例４の投射光学系によるスポットダイアグラムを示す図 実施例４の投射光学系による歪曲形状を示す図 実施例５の投射光学系のレンズ構成を示す断面図 実施例５の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図 実施例５の投射光学系における各部の面間隔および偏芯量を示す図 実施例５の投射光学系を構成する光学要素の非球面データを示す図 実施例５の投射光学系によるスポットダイアグラムを示す図 実施例５の投射光学系による歪曲形状を示す図 実施例６の投射光学系のレンズ構成を示す断面図 実施例６の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図 実施例６の投射光学系における各部の面間隔および偏芯量を示す図 実施例６の投射光学系を構成する光学要素の非球面データを示す図 実施例６の投射光学系によるスポットダイアグラムを示す図 実施例６の投射光学系による歪曲形状を示す図 実施例７の投射光学系のレンズ構成を、主な光束と共に示す断面図 実施例７の投射光学系のレンズ構成を示す断面図 実施例７の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図 実施例７の投射光学系における各部の面間隔および偏芯量を示す図 実施例７の投射光学系を構成する光学要素の非球面データを示す図 実施例７の投射光学系によるスポットダイアグラムを示す図 実施例７の投射光学系による歪曲形状を示す図 実施例８の投射光学系のレンズ構成を示す断面図 実施例８の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図 実施例８の投射光学系における各部の面間隔および偏芯量を示す図 実施例８の投射光学系を構成する光学要素の非球面データを示す図 実施例８の投射光学系によるスポットダイアグラムを示す図 実施例８の投射光学系による歪曲形状を示す図 実施例９の投射光学系のレンズ構成を示す断面図 実施例９の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図 実施例９の投射光学系における各部の面間隔および偏芯量を示す図 実施例９の投射光学系を構成する光学要素の非球面データを示す図 実施例９の投射光学系によるスポットダイアグラムを示す図 実施例９の投射光学系による歪曲形状を示す図 実施例１０の投射光学系のレンズ構成を示す断面図 実施例１０の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図 実施例１０の投射光学系における各部の面間隔および偏芯量を示す図 実施例１０の投射光学系を構成する光学要素の非球面データを示す図 実施例１０の投射光学系によるスポットダイアグラムを示す図 実施例１０の投射光学系による歪曲形状を示す図 実施例１１の投射光学系のレンズ構成を示す断面図 実施例１１の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図 実施例１１の投射光学系における各部の面間隔および偏芯量を示す図 実施例１１の投射光学系を構成する光学要素の非球面データを示す図 実施例１１の投射光学系を構成する光学要素の自由曲面データを示す図 実施例１１の投射光学系によるスポットダイアグラムを示す図 実施例１１の投射光学系による歪曲形状を示す図 実施例１２の投射光学系の広角端でのレンズ構成を示す断面図 実施例１２の投射光学系の望遠端でのレンズ構成を示す断面図 実施例１２の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図 実施例１２の投射光学系における各部の面間隔および偏芯量を示す図 実施例１２の投射光学系を構成する光学要素の非球面データを示す図 実施例１２の投射光学系によるスポットダイアグラムを示す図 実施例１２の投射光学系による歪曲形状を示す図 実施例１３の投射光学系の広角端でのレンズ構成を示す断面図 実施例１３の投射光学系の望遠端でのレンズ構成を示す断面図 実施例１３の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図 実施例１３の投射光学系における各部の面間隔および偏芯量を示す図 実施例１３の投射光学系を構成する光学要素の非球面データを示す図 実施例１３の投射光学系によるスポットダイアグラムを示す図 実施例１３の投射光学系による歪曲形状を示す図 実施例１４の投射光学系の広角端でのレンズ構成を示す断面図 実施例１４の投射光学系の望遠端でのレンズ構成を示す断面図 実施例１４の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図 実施例１４の投射光学系における各部の面間隔および偏芯量を示す図 実施例１４の投射光学系を構成する光学要素の非球面データを示す図 実施例１４の投射光学系によるスポットダイアグラムを示す図 実施例１４の投射光学系による歪曲形状を示す図 実施例１５の投射光学系の広角端でのレンズ構成を示す断面図 実施例１５の投射光学系の望遠端でのレンズ構成を示す断面図 実施例１５の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図 実施例１５の投射光学系における各部の面間隔および偏芯量を示す図 実施例１５の投射光学系を構成する光学要素の非球面データを示す図 実施例１５の投射光学系によるスポットダイアグラムを示す図 実施例１５の投射光学系による歪曲形状を示す図 実施例１〜１５の投射光学系における主要な仕様を示す図 画像表示面上の領域および点を説明する概略図
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投射光学系１００の構成を、主な光束と合わせて示す断面図である。また図２は、図１の投射光学系１００の構成を、光束を除いて詳しく示す断面図である。ここでの断面図とは、画像表示素子１１の投射有効域ＭＡの中心から出射する光束の主光線がスクリーンに到達するまでの光路を含む平面に沿って、投射光学系１００を切断した際の断面図である。上記の平面は、主光軸Ｚ方向と画像表示素子１１の投射有効域ＭＡの短辺方向とによって構成される平面と平行な平面である。上記の光束は、主光軸Ｚに近い光束と最大画角の光束、並びにそれらの中間的な光束である。図１および図２において、画像表示素子の画像表示面１１側が縮小側、レンズ光学系の最終レンズＬ１２側が拡大側である。なお以下において、レンズ光学系内の位置については、光束の進行方向を考慮して、拡大側を前方、縮小側を後方と称して説明することもある。図１および図２に示す投射光学系１００は後述する実施例１に対応している。また、図１および図２に示す投射光学系１００の基本的なレンズ構成は、後述する図８、１４、２０、２６および３２にそれぞれ示す実施例２、３、４、５および６の投射光学系１００の基本なレンズ構成と同様である。
この投射光学系１００は、例えばプロジェクタ装置に搭載されて、ＤＭＤ、透過型液晶表示装置、あるいは反射型液晶表示装置等の画像表示素子の画像表示面１１に表示された画像ＭをスクリーンＳＣへ投射するものとして使用可能である。図１では、プロジェクタ装置に搭載される場合を想定して、画像表示素子の画像表示面１１およびカバーガラス１２も併せて図示している。
このプロジェクタ装置においては、図示外の光源から発せられた後に画像表示面１１で画像Ｍの情報を与えられた光束が、カバーガラス１２を通して投射光学系１００に入射され、この投射光学系１００内の屈折光学系を含む第１光学系１内で第１中間像ＩＭ１が結像される。上記光束は凹面鏡３を含む第２光学系２に入射され、第１中間像ＩＭ１がさらに、第１光学系１と第２光学系２との間に第２中間像ＩＭ２として結像される。第２中間像ＩＭ２は第２光学系２によって反射、拡大され、スクリーンＳＣ上に投射像ＴＭとして拡大投射される。なお、この投射の方向ＴＤは、後述する第１光学系１の主光軸Ｚと交差する方向である。レンズ構成に加えて光線も示す図１および、同様の後述する図３８では、第１中間像ＩＭ１および第２中間像ＩＭ２を実線で示すと共に、上記中間的な光束によるそれらの結像位置を破線の直線で概略的に示している。図１および図３８以外のレンズ構成図では、第１中間像ＩＭ１および第２中間像ＩＭ２については、上記のような概略的位置のみを示している（実線表示の直線）。実際の各実施例の第１中間像ＩＭ１および第２中間像ＩＭ２は、図１および図３８で表されているように、主光軸Ｚから離れるにつれて後方側（縮小側）に傾いた（倒れた）形状を有する実像である。
図２に示すように第１光学系１は、第１屈折光学系１０および第２屈折光学系２０をこの順に縮小側から拡大側に向かって配置して構成されている。第１屈折光学系１０は、正の屈折力を有する（以下、これを単に「正の」という）両面が非球面の両凸レンズＬ１、負の屈折力を有する（以下、これを単に「負の」という）を有する両凹レンズＬ２、負の両凹レンズＬ３、このレンズＬ３に接合された両凸レンズＬ４、両凸レンズＬ５、両凸レンズＬ６、および両面が非球面である負のメニスカスレンズＬ７を主光軸Ｚに沿って縮小側から拡大側に向かって順に配置して構成されている。一方第２屈折光学系２０は、両面が非球面である正のメニスカスレンズＬ８、両凸レンズＬ９、両凸レンズＬ１０、このレンズＬ１０に接合された両凹レンズＬ１１、および両凸レンズＬ１２を主光軸Ｚに沿って縮小側から拡大側に向かって順に配置して構成されている。第２光学系２を構成する凹面鏡３は、非球面の反射面を有するものとされている。なお、レンズＬ１とレンズＬ２との間には、開口絞りＳｔが配置されている。図示されている絞りＳｔは必ずしも大きさや形状を厳密に表すものではなく、主光軸Ｚ上の位置を示すものである。また図２に示す第１中間像ＩＭ１、第２中間像ＩＭ２はそれぞれ、主光軸Ｚに最も近い像位置を示すものである。
以下では、第１光学系１内で主光軸Ｚと一致することもある部分的な光軸について言及するが、この主光軸Ｚとは、回転対称体である最も縮小側のレンズＬ１と、同じく回転対称体である凹面鏡３の各回転中心軸が共有する軸を意味する。実施例では、第１屈折光学系１０を構成するレンズ素子の中で最も多くのレンズ素子が共有する光軸と、第２屈折光学系２０を構成するレンズ素子の中で最も多くのレンズ素子が共有する光軸と、第２光学系２の光軸（回転対称軸）とが、それぞれ共有されて主光軸Ｚとして構成されている。可動光学系が偏芯していない状態では、第１屈折光学系１０および第２屈折光学系２０は、それぞれ単一の光軸を共有する共軸光学系であり、さらに第１光学系１は単一の光軸を共有する共軸光学系であり、投射光学系１００は単一の光軸を共有する共軸光学系である。
第１光学系１には、主光軸Ｚに沿って移動することで投射像ＴＭの光学特性を変化させる少なくとも１枚のレンズを有する移動光学系が設けられている。図１に示す実施形態では、一例として移動光学系が正のメニスカスレンズＬ８から構成されている。この例では、レンズＬ８が主光軸Ｚに沿って移動することにより、投射像ＴＭの光学特性の一つである合焦状態が変えられる。この光学特性は合焦状態に限られるものではなく、その他、投射光学系１００が変倍機能を有する場合等においては、投射像ＴＭの倍率等であってもよい。すなわち、光学特性の変化とは、フォーカス調整時のピント位置（投射光学系１００の最も前方に配置された光学素子を基準にした投射像ＴＭが結像する位置）の変化やズーム調整時の像倍率の変化または像面湾曲調整時の像面湾曲量の変化を含むのはもちろんのこと、それらの調整の際に付随して発生する収差の変化を含む、スクリーンＳＣを含む投射面上における投射像ＴＭの結像状態の変化を指す。
また第１光学系１には、主光軸Ｚに交差する方向に光軸を変位させるように動く少なくとも１枚のレンズを有する可動光学系が設けられている。図１に示す実施形態では、一例として可動光学系が両凸レンズＬ６から構成されている。ここで、主光軸Ｚに交差する方向に光軸を変位させるように動くとは、すなわち、この凸レンズＬ６の光入射面Ｌ６ａおよび光入射面Ｌ６ａの少なくとも一方と主光軸Ｚとの交点の位置が変化するように動くことであり、主光軸Ｚに対して直交する方向に光軸を平行移動させること、および、主光軸Ｚに対して角度を成すように光軸を傾斜させることの双方を指すものである。図１では、前者のように平行移動された場合のレンズＬ６の光軸Ｚ１を示している。なお以下では、前者の平行移動させることを「シフト」と称し、後者の傾斜させることを「チルト」と称する。このような可動光学系を設ける構成は、後述する実施例１〜１５の全てにおいて適用されている。
以下、上述の可動光学系による作用について説明する。前述した通り、移動光学系の主光軸Ｚに沿った移動により投射像ＴＭの光学特性を変化させ得るが、それに加えて、可動光学系を主光軸Ｚに交差する方向に光軸を変位させるように移動させる。これにより、移動光学系のみの移動により投射像ＴＭの光学特性を変化させ得る場合と比較して、可動光学系も移動させることで投射像ＴＭの光学特性を適正に変化させ得る範囲をより広くすることが可能となる。一例を挙げると、図１および図２で示した実施形態（後述する実施例１に対応）では、フォーカス調整のために、移動光学系であるレンズＬ７およびＬ８の主光軸Ｚに沿った移動により投射像ＴＭの光学特性であるピント位置を変化させ得るが、それに加えて、可動光学系としてのレンズＬ６の光軸Ｚ１を主光軸Ｚに対して変位するように動かす。これにより、上記レンズＬ７およびＬ８の主光軸Ｚに沿った移動のみにより投射像ＴＭの光学特性を適正に変化させ得る範囲と比較して、より広い範囲で投射像ＴＭのピント位置を適正に変化させることが可能になる。ここでいうところの「適正に」とは、移動光学系を移動する目的（例えばフォーカス調整）に応じて移動させた際に、意図した光学特性の変化（例えばピント位置の変化）に付随して発生する、意図していない収差、結像位置や結像倍率の変動に伴う投射像ＴＭの結像性能の低下を十分に抑制ができていることを指す。
また、レンズＬ６の動きは、より詳しくは、主光軸Ｚと投射方向ＴＤとを含む面に沿う方向であって主光軸Ｚと交差する方向の動きである。この投射光学系１００は下方向から上方向へ向かって斜めに投射する投射光学系であるため、投射距離の関係上、投影像ＴＭはスクリーンＳＣ（通常通り横長であるとする）の長辺方向よりも短辺方向の方が、端部での結像性能のズレが大きく発生し、さらに合焦や変倍時に性能差が大きくなりやすい。よって、性能差が問題となりやすい方向成分を含むようにレンズＬ６を動かすことで、結像性能の差を無くす、あるいは少なくするように良好に補正可能となる。
具体的には、例えば移動光学系のレンズを移動させて合焦（フォーカス調整）する時に可動光学系を用いることで、用いない場合に比べて合焦範囲（つまり投射画像の結像性能を一定以上保った状態を維持したままフォーカス調整が可能となる投射距離の範囲）を拡大することが可能となる。
この点についてより詳しく説明すると、まず、投射距離を変化させて投射像のサイズを変更する際に、フォーカス調整用のレンズを光軸に沿って移動させることで光学性能を維持したままフォーカス調整ができる範囲には限りがある。すなわち、調整可能範囲の上限・下限を超えてフォーカス調整をしても、収差の補正が仕切れずに結像性能が低下する。しかし、可動光学系をさらに変位させることで、フォーカス調整可能範囲の上限や下限をさらに拡大することが可能になる。例えば通常のフォーカス調整用レンズの移動だけでは、投射像サイズが５０ｉｎｃｈから１００ｉｎｃｈの範囲でしかフォーカス調整ができなかったとしても、可動光学系を変位させることで、上限であった１００ｉｎｃｈよりも大きな投射像サイズである１５０ｉｎｃｈまで投射像の結像性能を維持したままフォーカス調整を行うことが可能となる。
また、移動光学系のレンズを移動させて変倍（ズーム）する場合、そのレンズ単体では変倍比（最も短い焦点距離と最も長い焦点距離との比率）が例えば１０倍であったとしても、さらに可動光学系を変位させることで変倍比を１０倍を超えるまで伸ばすことも可能となる。
さらに可動光学系を変位させることで、像面湾曲の調整も可能となる。投射距離や投射倍率を変更したことで生じる像面湾曲は、投射像のサイズが大きいほど、または、投射画角が大きくなるほど増大する。この増大した像面湾曲を補正するために可動光学系を変位させることで、変位させない場合に比べて、より増大した像面湾曲を補正することが可能となり、よってこの点から、投射距離や投射倍率をより大きく設定することが可能になる。
なお、本実施形態の投射光学系１００は画像表示面１１の投射有効域ＭＡ（図９９参照）に対して垂直に偏芯して配置され、主光軸Ｚと投射有効域ＭＡとが交わらない、いわゆるオフセット構造を有している。また本発明においては、投射有効域ＭＡだけではなく、画像表示面１１自体と主光軸Ｚとが交わらないオフセット構造も適用可能である。
次に、可動光学系を構成するレンズＬ６への光入射について説明する。図１に示すように画像表示素子の画像表示面１１において、被投射面であるスクリーンＳＣに投射像ＴＭとして投射され得る範囲である投射有効域ＭＡの中で、光軸Ｚ１の変位方向Ｙに沿う方向で、主光軸Ｚから最も遠い端部である遠端部Ｅ１と、主光軸Ｚから最も近い端部である近端部Ｅ２とを考える。なお図９９には、上記投射有効域ＭＡ、遠端部Ｅ１および近端部Ｅ２等を主光軸Ｚと平行な方向から見た場合の状態を、図１中の方向を示す矢印Ｙと共に概略的に示す。そして上記遠端部Ｅ１から出射する光の主光線を遠端部主光線Ｒ１とし、近端部Ｅ２から出射する光の主光線を近端部主光線Ｒ２とする。また、可動光学系Ｌ６の最も後方の光入射面Ｌａにおける遠端部主光線Ｒ１の入射位置を遠端部主光線入射位置Ｐ１とし、光入射面Ｌａにおける近端部主光線Ｒ２の入射位置を近端部主光線入射位置Ｐ２としたとき、可動光学系Ｌ６は、遠端部主光線入射位置Ｐ１と近端部主光線入射位置Ｐ２とが互いに異なる位置に配置されている。
なお本発明の実施形態において、変位方向Ｙは、投射有効域ＭＡに対する投射光学系１００の偏芯方向と投射光学系１００の主光軸Ｚ方向とからなる平面に沿う方向である。例えば、投射有効域ＭＡに対して投射光学系１００が主光軸Ｚ方向（前後方向）とは直交する一方向（上下方向）に偏芯して配置された場合、投射光学系１００から出射される投射像ＴＭの中心は主光軸Ｚに対して上下方向の一方側に偏った位置に斜めから投射される。その際に、投射光学系１００から出射される投射像ＴＭの中心に入射する主光線は、前後方向と上下方向とからなる平面に沿って進行する。そのため、前記主光線が沿う平面において、主光軸ＺとスクリーンＳＣとが垂直関係にある場合、投射像ＴＭの最も下側で結像する光束の結像位置までの光路長（投射光学系１００から投射像ＴＭまで各光束の主光線が実際に進行した距離）と最も上側で結像する光束の結像位置までの光路長とに差が生じることとなる。その上側と下側での光路長の差により投射像ＴＭの上側の光束の結像性能と下側の光束の結像性能に差が生じ、フォーカス調整や変倍（ズーム調整）の際の投射像ＴＭ全体の結像性能に影響が生じる。そのため、可動光学系の変位方向Ｙを投射有効域ＭＡに対する投射光学系１００の偏芯方向（実施例では上下方向）と投射光学系１００の主光軸Ｚ方向とからなる平面に沿う方向とすることで、投射像ＴＭの上下の結像性能の差をより適切に補正が可能となる。よって、投射像ＴＭ全体の結像性能を保ったまま、光学特性を適正に変化させ得る範囲を拡大することに有利となる。
また、可動光学系の光軸Ｚ１の変位方向Ｙを、主光軸Ｚに対して直交する方向に変位（シフト）させた場合、可動光学系の光入射面および光出射面の主光軸Ｚと直交する方向への変位量は、光軸Ｚ１の変位量と同一となる。そのため、光入射面へ入射する各入射光束の入射位置および光出射面から出射する各出射光束の出射位置は、光軸Ｚ１の変位量に応じて入射位置および出射位置が光軸と直交する方向に変化する。よって、シフトの場合、主に可動光学系に対する各光束の入射位置および出射位置の変化によって光学性能の調整を行う。
シフトの場合、可動光学系の光入射面および光出射面の光軸Ｚ１に近い位置および光軸Ｚ１に遠い位置は、一律に主光軸Ｚに対して同一量移動するため、光入射面への入射光束および光出射面からの出射光束に対する変位に対する影響の差は、主に各レンズ面の曲率半径に影響を受ける。一般的には、光入射面および光出射面の両面において、光軸Ｚ１に近い位置よりも光軸Ｚ１に遠い位置の方が光線の屈折角が急になるため、変位の影響を強く受ける。
一方、可動光学系の光軸Ｚ１の変位方向Ｙを、可動光学系の光軸Ｚ１と主光軸Ｚとの成す角を変化（チルト）させた場合、可動光学系の光入射面および光出射面の主光軸Ｚと直交する方向への変位量は、各レンズ面自体の変位量よりも小さくなる。そのため、光入射面へ入射する各入射光束の入射位置および光出射面から出射する各出射光束の出射位置の光軸と直交する方向への変化は、シフトの場合に比べて少なくなる。しかし、その代わりに可動光学系の光軸Ｚ１は主光軸Ｚに対してチルトすることで、可動光学系の光入射面および光出射面の光軸方向への倒れが生じ、それにより各光束の入射位置および出射位置による入射角度および出射角度の変化が生じる。よって、チルトの場合、主に可動光学系に対する各光束の入射角度および出射角度の変化によって光学性能の調整を行う。チルトの場合、可動光学系の光入射面および光出射面は光軸Ｚ１から離間する位置ほど変位の量が増加するため、光入射面への入射光束および光出射面からの出射光束に対する変位に対する影響の差は、主に各レンズ面の曲率半径とチルトの角度の両方に影響を受ける。
以上述べたように、遠端部主光線Ｒ１と近端部主光線Ｒ２とを互いに分離した状態で可動光学系（例えば図１および図２に示す構成ではレンズＬ６）へ入射させる構成は、後述する実施例１〜１５の全てにおいて適用されている。
以下、上記構成による作用について説明する。遠端部主光線Ｒ１と近端部主光線Ｒ２とを互いに分離した状態で可動光学系Ｌ６へ入射させることにより、各主光線に対する光軸Ｚ１の変位による影響を異ならせることが可能になる。つまり、像高の高い位置へ入射する主光線ほど、光軸Ｚ１の変位に対する感度が高くなる。そこで、各主光線間の結像性能の差を無くす、あるいは少なくするように補正することが可能になるので、移動光学系であるレンズＬ７およびＬ８の移動により投射像ＴＭの光学特性を適正に変化させ得る範囲をより好適に広げることができる。
なお、遠端部主光線入射位置Ｐ１、近端部主光線入射位置Ｐ２に各々入射する遠端部主光線Ｒ１、近端部主光線Ｒ２の入射角度の差が大きくなるほど、入射位置Ｐ１、入射位置Ｐ２における光軸Ｚ１の変位に対する各光線の感度差が高くなる。そこで、入射角度がより大きくなる入射位置Ｐ１での結像性能の補正能力が、入射位置Ｐ２での補正能力に比べて高くなり、結果として、より収差の発生しやすい投射領域の補正を適切に行うことが可能となる。
次に、本発明の別の実施形態に係る投射光学系について、図３８および図３９を参照して説明する。図３８は本発明の別の実施形態に係る投射光学系の構成を、主な光束と合わせて示す断面図である。図３９は図３８の投射光学系１００の構成を、光束を除いて詳しく示す断面図である。なおこれらの図３８および図３９において、先に説明した図１および図２中のものと同等の要素には同番号を付してあり、それらについては特に必要の無い限り説明を省略する（以下、同様）。またこれらの図では、プロジェクタ装置に搭載される色合成部または照明光分離部に用いられるプリズム４も併せて示している。
図３８および図３９に示す投射光学系１００は後述する実施例７に対応している。また、図３８および図３９に示す投射光学系１００の基本的なレンズ構成は、後述する図４５、図５１、図５７および図６３にそれぞれ示す実施例８、９、１０および１１の投射光学系と同様であり、さらに図７０と７１に示す実施例１２、図７７と７８に示す実施例１３、図８４と８５に示す実施例１４、図９１と９２に示す実施例１５の投射光学系の基本なレンズ構成と同様である。
この別の実施形態における第１光学系１も、先に説明した実施形態におけるのと同様に、第１屈折光学系１０および第２屈折光学系２０をこの順に縮小側から拡大側に向かって配置して構成されている。第１屈折光学系１０は、両凸レンズＬ１、両凸レンズＬ２、両凸レンズＬ３、このレンズＬ３に接合された両凹レンズＬ４、両凸レンズＬ５、このレンズＬ５に接合された負のメニスカスレンズＬ６、両凹レンズＬ７、およびこのレンズＬ７に接合された両凸レンズＬ８を主光軸Ｚに沿って縮小側から拡大側に向かって順に配置して構成されている。一方第２屈折光学系２０は正のメニスカスレンズＬ９、両凸レンズＬ１０、両面が非球面である負のメニスカスレンズＬ１１、両凹レンズＬ１２、このレンズＬ１２に接合された両凸レンズＬ１３、両面が非球面である正のメニスカスレンズＬ１４、両面が非球面である負のメニスカスレンズＬ１５、正のメニスカスレンズＬ１６、両凸レンズＬ１７、負のメニスカスレンズＬ１８、およびこのレンズＬ１８に接合された両凸レンズＬ１９を主光軸Ｚに沿って縮小側から拡大側に向かって順に配置して構成されている。第２光学系２を構成する凹面鏡３は、非球面の反射面を有するものとされている。なお、レンズＬ８とレンズＬ９との間には開口絞りＳｔ１が配置され、レンズＬ１７とレンズＬ１８との間には開口絞りＳｔ２が配置されている。また、レンズＬ８とレンズＬ９との間においてレンズ９に近接した位置には、視野絞り（フレアカッタ）Ｓｆが配置されている。
次に、本発明の投射光学系における好ましい部分的構成に関して、上述した２つの実施形態を参照して説明する。まず、可動光学系におけるレンズ配置について説明する。先に述べたように遠端部主光線入射位置Ｐ１と近端部主光線入射位置Ｐ２とが互いに異なる位置にあるように可動光学系が配置される場合、可動光学系は例えば図３８および図３９に示すように、第１中間像ＩＭ１と、この第１中間像ＩＭ１よりも前方に配置される絞りＳｔ２との間に配置される少なくとも１枚のレンズ（図３８および図３９の例ではレンズＬ１５）を有することが望ましい。この構成は、後述する実施例７〜１３において適用されている。ちなみに本発明の投射光学系では、後述する実施例１〜６のように、光学系によっては絞りＳｔ２を実際の機械的構成として配置されていない場合もある。この場合は、絞りＳｔ２の位置の代わりに、主光軸Ｚおよび遠端部主光線Ｒ１の交点と読み替え、上記１枚のレンズを、「第一中間像ＩＭ１と、この第一中間像ＩＭ１よりも前方に配置される主光軸Ｚおよび遠端部主光線Ｒ１の交点との間に配置される少なくとも１枚のレンズ」とする。
以下、上記構成による作用について説明する。第１中間像ＩＭ１から絞りＳｔ２までの間の光線は、遠端部主光線と近端部主光線とが主光軸Ｚと直交する方向に分離した状態で光路上を進行する。このように遠端部主光線と近端部主光線とが分離している位置に可動光学系のレンズを配置することで、このレンズの光入射面における各主光線の入射角に差を持たせることができる。これにより、各主光線に対する可動光学系の変位（主光軸Ｚに対する光軸Ｚ１の変位）による影響、詳しくはこの光軸Ｚ１の変位に対する各主光線の感度を、各主光線の入射角の差に応じて変化させることが可能となる。傾向として、光入射面において像高の高い位置に入射する主光線ほど入射角が大きくなり、光軸Ｚ１の変位による影響をより強く受ける。結果として、移動光学群の移動による投射像ＴＭの結像位置による結像性能の差、つまり各主光線の結像位置による結像性能の差を無くす、あるいは少なくするように補正することが可能となる。
特に、第１中間像ＩＭ１よりも前方に配置される第２屈折光学系２０は、第１中間像ＩＭ１からの発散光を屈折させて、台形歪み等の歪曲収差および像面湾曲が強く発生した第２中間像ＩＭ２を形成する屈折光学系である。歪曲収差および像面湾曲は、画角に比例して発生量が増大する収差（軸外収差）であり、よって、第２屈折光学系２０は、遠端部主光線Ｒ１および近端部主光線Ｒ２を含む各光束の、光軸方向における結像位置や結像位置における結像性能に大きな差を持たせて結像させる光学系である。そのため、第１中間像ＩＭ１よりも前方に配置される屈折光学系である第２屈折光学系２０に可動光学系を配置することで、過剰な軸外収差による各主光線における結像位置および結像性能の差を無くす、あるいは少なくするように適切に補正することが可能となる。
上述したように、遠端部主光線入射位置Ｐ１と近端部主光線入射位置Ｐ２とが互いに異なる位置にあるように可動光学系が配置されて、かつ可動光学系が、第１中間像ＩＭ１と第１中間像ＩＭ１よりも前方に配置される絞りＳｔ２との間に配置される少なくとも１枚のレンズを有する場合、そのようなレンズのうちの１枚は、第１中間像ＩＭ１に隣接した位置に配置されていることが望ましい。なおこの「隣接」とは、中間像ＩＭ１と当該レンズとの間に、別のレンズが存在しないことを意味する。この構成は、後述する実施例３および８において適用されている。
以下、上記構成による作用について説明する。中間像を形成した光線の各主光線は分離した状態になっている。そのため、中間像に隣接するレンズへ入射する光線の各主光線を分離した状態にさせ易い。よって、中間像に隣接するレンズを可動光学系に含めることで、各主光線に対する可動光学系レンズ群の変位による影響を分散する（各主光線の可動光学系レンズ群の変位に対する感度を主光線毎に変化させる）ことが可能となり、各主光線間の結像性能の差を無くす、あるいは少なくするように補正することが可能となる。
また、画像光つまり画像情報を担持している光が結像する中間像の付近では、画像光の主光線、上光線および下光線同士の間隔は、中間像に近いほど狭くなる。そのため、中間像に隣接するレンズを可動光学系とすることで、軸上収差に対する影響を小さくすることが可能となる。
次の好ましい部分的構成について説明する。投射光学系１００においては、例えば図２０に示すように可動光学系（この例ではレンズＬ９が構成している）は、移動光学系（この例ではレンズＬ７およびＬ８が構成している）の中で最も前方に配置されたレンズＬ８よりも前方に配置された正レンズＬ９を有することが好ましい。この構成は、後述する実施例４、５および６において適用されている。
上記のような構成とすれば、移動光学系を構成するレンズＬ７およびＬ８の間に可動光学系Ｌ９を配置する必要がなくなるので、機械的な構成を単純化することが可能になる。以下、この点について詳しく説明する。移動光学系と可動光学系とはレンズが実際に駆動する方向が互いに異なるので、レンズを駆動する機械的機構も独立したものとなる。その場合、一方の光学系が他方の光学系に挟まれていると、一方の光学系によって分断された他方の光学系は分断されたそれぞれのレンズ群を移動させるために、それぞれのレンズ群に対して駆動力を伝達する機械的機構を用意する必要が生じて、機械的機構が複雑化する。それに対して、上述のようにレンズＬ７およびＬ８の間に可動光学系Ｌ９を配置しないのであれば、分断された各レンズ群に対して駆動力を伝達する機械的機構をそれぞれ用意する必要がなくなって、機械的な構成が単純化される。
次の好ましい部分的構成について説明する。投射光学系１００において、先に述べたように遠端部主光線入射位置Ｐ１と近端部主光線入射位置Ｐ２とが互いに異なる位置にあるように可動光学系が配置される場合、可動光学系は例えば図２６に示すように、第１光学系１のうちで最も前方に配置されるレンズ（この例ではレンズＬ１２）を有することが望ましい。この構成は、後述する実施例５および６において適用されている。
以下、上記構成による作用について説明する。第１光学系１の最も前方側に配置されるレンズＬ１２を可動光学系とすることで、各主光線が分離した状態で可動光学系の最も後方側の光入射面へ入射した光線を、各主光線の分離が小さい光線として出射することが可能となる。それにより、各主光線の結像性能の差（軸外収差）および、各主光線を含む光線（光束）における主光線と上下光線とのズレによる収差（軸上収差）無くす、あるいは少なくするように補正することが可能となる。
次の好ましい部分的構成について説明する。投射光学系１００において、先に述べたように遠端部主光線入射位置Ｐ１と近端部主光線入射位置Ｐ２とが互いに異なる位置にあるように可動光学系が配置される場合、可動光学系は例えば図１に示すように、第１中間像ＩＭ１と、この第１中間像ＩＭ１よりも後方に配置される絞りＳｔとの間に配置される少なくとも１枚のレンズ（この例ではレンズＬ６）を有することが好ましい。この構成は、後述する実施例１、２、１４および１５において適用されている。
以下、上記構成による作用について説明する。絞りＳｔから第１中間像ＩＭ１までの間の光線は、遠端部主光線と近端部主光線とが主光軸Ｚと直交する方向に分離した状態で光路上を進行する。このように遠端部主光線と近端部主光線とが分離している位置に可動光学系のレンズを配置することで、このレンズの光入射面における各主光線に差を持たせることができる。これにより、各主光線に対する可動光学系の変位（主光軸Ｚに対する光軸Ｚ１の変位）による影響、詳しくはこの光軸Ｚ１の変位に対する各主光線の感度を、各主光線の入射角の差に応じて変化させることが可能となる。傾向として、光入射面において像高の高い位置に入射する主光線ほど入射角度が大きくなり、光軸Ｚ１の変位による影響を強く受ける。結果として、移動光学系の移動による投射像ＴＭの結像位置による結像性能の差、つまり各主光線の結像位置による結像性能の差を無くす、あるいは少なくするように補正することが可能となる。
特に、第１中間像ＩＭ１よりも後方に配置される第１屈折光学系１０は、画像Ｍからの発散光を屈折させて像面湾曲、非点収差およびコマ収差が発生した第１中間像ＩＭ１を形成する屈折光学系である。像面湾曲、非点収差およびコマ収差は、画角に比例して発生量が増大する収差であり、よって、第１屈折光学系１０は、遠端部主光線Ｒ１および近端部主光線Ｒ２を含む各光束の、光軸方向における結像位置や結像位置における結像性能に差を持たせて結像させる光学系である。そのため、第１中間像ＩＭ１よりも後方に配置される第１屈折光学系１０に可動光学系を配置することにより、遠端部主光線Ｒ１および近端部主光線Ｒ２を含む各光束の結像性能の差を調整して第１中間像ＩＭ１を結像することが可能となる。さらに、第１中間像ＩＭ１よりも前方に配置される第２屈折光学系２０は、第１中間像ＩＭ１を拡大投影して第２中間像ＩＭ２を形成するため、第１中間像ＩＭ１で発生する収差もまた増大させることになるが、第１屈折光学系１０に可動光学系を配置すれば、可動光学系による補正の効果を第２屈折光学系２０による拡大により増大することができるため、上記調整の量を小さくすることが可能となる。
次の好ましい部分的構成について説明する。投射光学系１００において、上述したように、遠端部主光線入射位置Ｐ１と近端部主光線入射位置Ｐ２とが互いに異なる位置にあるように可動光学系が配置されて、かつ可動光学系が、第１中間像ＩＭ１と、この第１中間像ＩＭ１よりも後方に配置される絞りＳｔとの間に配置される少なくとも１枚のレンズを有する場合、可動光学系は例えば図２に示すように、第１光学系１の中で第１中間像ＩＭ１よりも後方に配置される正レンズの中で最も前方に配置されるレンズ（この例ではレンズＬ６）を有することが好ましい。この構成は、後述する実施例２において適用されている。
以下、上記構成による作用について説明する。第１中間像ＩＭ１を形成した光線は、各主光線が分離した状態になっている。そのため、中間像に隣接するレンズへ入射する光線を分離した状態にさせ易い。これにより、各主光線間の結像性能の差を無くす、あるいは少なくするように補正することが可能となる。また、絞りＳｔ、Ｓｔ１と第１中間像ＩＭ１との間において、有効表示域ＭＡからの光線は、主光線前方へ進行するほどに主光軸Ｚから離れるように発散している。そのため、投射光学系１００の外形寸法の過度な増大を防ぐために、その間にある正レンズは、各主光線の光線角度を光軸側へ向かうように屈折させる作用を有する。そのため、当該正レンズを可動光学系とすることで、光線角度を強く曲げることで増大する収差を良好に補正することが可能となる。また、可動光学系を構成する正レンズの入射面を凸面とすることで、光入射面において像高が高い光線ほど入射角度が大きくなり、かつ、像高の高い光線ほど正レンズの入射面に入射するまでの光路長が長くなる。そのため、可動光学系の変位から受ける影響も強くなり、結果として、上記補正を行う上で有利となる。また、画像光が結像する中間像の付近では、画像光の主光線、上光線および下光線の相互間の間隔は、中間像に近いほど狭くなる。そのため、中間像に隣接するレンズを可動光学系とすることで、軸上収差に対する感度が小さくなり、軸上収差が増大することを防止できる。
次の好ましい部分的構成について説明する。投射光学系１００において、上述したように、遠端部主光線入射位置Ｐ１と近端部主光線入射位置Ｐ２とが互いに異なる位置にあるように可動光学系が配置されて、かつ可動光学系が、第１中間像ＩＭ１と、この第１中間像ＩＭ１よりも後方に配置される絞りとの間に配置される少なくとも１枚のレンズを有する場合、可動光学系は例えば図８に示すように、第１中間像ＩＭ１とこの第１中間像ＩＭ１よりも後方に配置される絞りＳｔとの間に配置される少なくとも１枚のメニスカスレンズ（この例ではレンズＬ７）を有することが好ましい。この構成は、後述する実施例２および１３において適用されている。
以下、上記構成による作用について説明する。メニスカスレンズはレンズ面の曲率の大きさに対してレンズ自体のパワーが強くないため、光学系の焦点距離の変化を抑制しながら光線の角度の調整を行うことに適したレンズである。そのため、可動光学系として変位させた際に、光入射面へ入射する各主光線の入射角度を変化させる各主光線の差を調整しつつも、他の収差に対する影響を小さくすることが可能となる。
次の好ましい部分的構成について説明する。投射光学系１００において、先に述べたように遠端部主光線入射位置Ｐ１と近端部主光線入射位置Ｐ２とが互いに異なる位置にあるように可動光学系が配置される場合、例えば図１に示すように、遠端部主光線入射位置Ｐ１と主光軸Ｚとの間の距離である入射位置距離Ｙ１と、近端部主光線入射位置Ｐ２と主光軸Ｚとの間の距離Ｙ２と、投射光学系１００の全系の焦点距離ｆ（近点投射時の広角端における焦点距離とする）とが、
４．０ ＞（Ｙ１−Ｙ２）／｜ｆ｜≧０．８ ・・・ （１）
の関係を満たしていることが好ましい。なお図１では、距離Ｙ２を図示することが困難であるので、便宜的に近端部主光線入射位置Ｐ２の位置にＹ２の表示をしている。距離Ｙ２は正しくは、Ｙ２表示の位置から主光軸Ｚに直交する方向（図中矢印Ｙで示す方向）に主光軸Ｚまで降ろした線分の長さである。この構成は、後述する実施例１〜１５において適用されている。
以下、上記構成による作用について説明する。可動光学系を動かして光軸Ｚ１をシフトあるいはチルトさせることで、移動光学系により投射像ＴＭの光学特性を適正に変化させることができる範囲を広げることができる。なお、上記（Ｙ１−Ｙ２）／｜ｆ｜の値が仮に（１）式が規定している下限値を下回ると、Ｙ１とＹ２との差が小さくなり、各主光線の光軸までの高さの差が小さくなり過ぎるため、各主光線ごとの結像位置による結像性の差の補正が難しくなる。また、上記（Ｙ１−Ｙ２）／｜ｆ｜の値が仮に（１）式が規定している上限値以上になると、Ｙ１が大きくなり過ぎてレンズ系が増大し、もしくは焦点距離ｆが小さくなり過ぎて収差の発生量が過剰になり、補正が難しくなる。
次の好ましい部分的構成について説明する。投射光学系１００において、先に述べたように遠端部主光線入射位置Ｐ１と近端部主光線入射位置Ｐ２とが互いに異なる位置にあるように可動光学系が配置される場合、例えば図１に示すように、可動光学系（この例ではレンズＬ６）の最も後方の光入射面Ｌａにおける遠端部主光線Ｒ１の入射位置を遠端部主光線入射位置Ｐ１とし、最も前方の光出射面Ｌｂにおける遠端部主光線Ｒ１の出射位置を遠端部主光線出射位置Ｐ３としたとき、
遠端部主光線入射位置Ｐ１と主光軸Ｚとの間の距離である入射位置距離Ｙ１と、遠端部主光線出射位置Ｐ３と主光軸Ｚとの間の距離である出射位置距離Ｙ３とが、
１．３≧Ｙ３／Ｙ１≧０．７ ・・・ （２）
の関係を満たしていることが好ましい。この構成は、後述する実施例５および６以外の全ての実施例において適用されている。
上記の構成とすることにより、可動光学系を動かす際における像シフトを抑制することができる。
次の好ましい部分的構成について説明する。投射光学系１００において、可動光学系の焦点距離ｆ５と、第１光学系１の焦点距離ｆ１（近点投射時の広角端における焦点距離とする）とは、
７０ ＞ ｜ｆ５｜ ／ ｜ｆ１｜ ≧ １．０ ・・・ （３）
の関係を満たしていることが好ましい。この構成は、後述する実施例５以外の全ての実施例において適用されている。
上記の構成とすることにより、移動光学系の移動時における像シフトを抑制することができる。
次の好ましい部分的構成について説明する。投射光学系１００において、可動光学系は例えば図３２に示すように、第１光学系１のうちで、２枚以上のレンズからなるレンズ群（この例ではレンズＬ１０、Ｌ１１およびＬ１２）として構成されていることが好ましい。この構成は、後述する実施例５、６および１３において適用されている。
上記の構成とすることにより、複数のレンズ面により屈折角を調整することができる。そこで、フォーカス調整、変倍、像面湾曲の補正時に変動する収差をより精度良く補正することが可能となる。
次の好ましい部分的構成について説明する。投射光学系１００において移動光学系は、投射像ＴＭの投射距離を変更して合焦状態を変化させる合焦（フォーカス調整）用光学系、投射像ＴＭの投射倍率を変更する変倍用光学系、および投射像ＴＭの像面湾曲の補正を行う像面湾曲補正用光学系の少なくとも１つを備えることが好ましい。この構成は、後述する実施例１〜１５全てにおいて適用されている。
次に、本開示の実施形態に係る実施例１〜１５について説明する。まず、実施例１の投射光学系について説明する。実施例１の投射光学系の構成は、先に説明した通り、図１および図２に断面図を示した投射光学系１００の構成と対応している。実施例１の投射光学系について、構成要素の基本データを図３に、位置や角度が変わる面あるいは構成要素に関するデータを図４に、非球面係数に関するデータを図５に示す。以下では、それらの図中で用いられている記号の意味について、実施例１のものを例にとって説明するが、実施例２〜１５についても基本的に同様である。
図３の基本データにおいて、面番号Ｎｏ．の欄には最も縮小側の構成要素の面を１番目として拡大側に向かうに従い順次増加する面番号を示している。曲率半径Ｒｉの欄には各面の曲率半径を示している。曲率半径Ｒｉの符号は、面形状が縮小側に凸の場合を正、拡大側に凸の場合を負としている。面間隔ｄｉの欄には面番号＝ｉの面と面番号＝ｉ＋１の面との主光軸Ｚ上の間隔を示す。以上の曲率半径Ｒｉ、面間隔ｄｉおよび有効径Ｄｉの単位はｍｍである。また、屈折率ｎｄの欄には各光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を示し、アッベ数νｄの欄には各光学要素のｄ線に対するアッベ数を示す。「レンズ等」の欄には、図１および図２に示した光変調器の画像表示面１１に形成される画像Ｍの面、カバーガラス１２、開口絞りＳｔ、結像される第１中間像ＩＭ１、第２中間像ＩＭ２、凹面鏡３、スクリーンＳＣ上の位置となる投射像ＴＭの面も含めて示している。それらについては、上記の記載順に従ってそれぞれ「ＯＢＪ」、「ＣＧ」、「絞り」、「中間像１」、「中間像２」、「ＭＩＲ」、「ＩＭＧ」と表記している。面間隔ｄｉの中で可変の面間隔については、その面の番号に＊の表記を付して示している。また非球面形状の面は、面番号Ｎｏ．の欄に＊の表記を付して示している。
図４に示す面間隔は、上述のように可変である面間隔を、近点投射時（合焦範囲内で最も近い位置に投射した場合：図面内では「近点」と表記）と遠点投射時（合焦範囲内で最も遠い位置に投射した場合：図面内では「遠点」と表記）のそれぞれについて示している。また、図４に示す偏芯量は、可動光学系を構成するレンズ等について、前述した「シフト」あるいは「チルト」の量を示している。「シフト」については、可動光学系を構成するレンズ等の光軸Ｚ１が主光軸Ｚから平行移動した距離（ｍｍ）を、図１中で上方向へ移動した場合を正値、図１中で下方向へ移動した場合を負値として示している。「チルト」については、可動光学系を構成するレンズ等の光軸Ｚ１が主光軸Ｚに対して傾いた角度（度）を、図１に表れている入射面に回転中心を設定して反時計回りに回転した場合を正値、同様にして時計回りに回転した場合を負値として示している。
この実施例１ではレンズＬ７とレンズＬ８とが互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによってフォーカス調整がなされる。すなわち本実施例では、これらの２つのレンズによって移動光学系が構成されている。また、この実施例１では図４に示す通り、レンズＬ６がチルトによって偏芯してフォーカス調整する可動光学系を構成している。したがって本実施例１では、可動光学系の光入射面、光出射面はそれぞれ図３に示すＮｏ．１４、１５の面となる。なお、可動光学系を構成するこのレンズＬ６に対する画像光の入・出射角の変化は、投射像ＴＭの光学特性に顕著に影響する。そのため、こうしてレンズＬ６をチルトさせる場合は、その動き量を比較的小さくしても光学特性の変化範囲を大きく広げることができるという効果を奏する。特にこのチルトを、レンズＬ６の最も後方の面である光入射面と主光軸Ｚとの交点を中心に行うようにすれば、上記の効果がより大きくなる。
図５に示す非球面係数に関するデータには、非球面の面番号と、非球面に関する非球面係数を示す。非球面の形状は、Ｘを光軸方向の座標、Ｙを光軸に垂直な方向の座標、光の進行方向を正、Ｒｄｙを近軸曲率半径として、図５に示した係数Ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤを用いて次式で表わされる。なお、「ｅ−ｎ」は、「１０のｎ乗」を意味する。
Ｘ＝（１／Ｒｄｙ）Ｙ2／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（１／Ｒｄｙ）2Ｙ2｝1/2］
＋ＡＹ4＋ＢＹ6＋ＣＹ8＋ＤＹ10
以上のように実施例１に関して説明した各データの記号、意味、記載方法は、特に断りがない限り後述する実施例２〜１５に関しても同様であるので、以下では重複した説明は省略する。なお、図３〜図５に示す数値データには、適宜所定の桁でまるめた値も示してある。
図６には、実施例１の投射光学系１００を用いてスクリーンＳＣに光線を投射した場合の、スクリーンＳＣ上における光線のスポットダイアグラムを示す。図中の（ａ）は近点投射時、（ｂ）は遠点投射時のスポットダイアグラムである。各スポットダイアグラムの左側に示す４つの数値のうち下側左右の数値（単位：ＭＭ、ミリメートル）は、画像表示面１１における光線出射位置（Ｘ座標,Ｙ座標）を示す。また上側左右の数値は、それらのＸ座標とＹ座標の最大物体高に対する相対値を示している。図６では、Ｘ座標が０．０００でＹ座標が−１．３０、−５．６２、−９．９４である３つの場合、Ｘ座標が３．４５６でＹ座標が−１．３０、−５．６２、−９．９４である３つの場合、Ｘ座標が６．９１２でＹ座標が−１．３０、−５．６２、−９．９４である３つの場合、の合計９つの場合についてスポットダイアグラムを示している。図中のスケールは（ａ）では２０．０ミリメートル、（ｂ）では３０．０ミリメートルである。この図６より、本実施例の投射光学系を用いれば、９点の物体高について光学諸収差が良好に補正され得ることが分かる。
図７には、実施例１の投射光学系１００を用いてスクリーンＳＣに格子パターンを投射した場合の、スクリーンＳＣ上における格子パターンの歪曲形状を示す。図中の（ａ）は近点投射時、（ｂ）は遠点投射時の歪曲形状を示している。
次に、実施例２の投射光学系について説明する。実施例２の投射光学系の構成は、先に説明した通り、図１および図２に断面図を示した投射光学系１００の構成と対応しており、その断面形状を図８に示す。実施例２の投射光学系について、構成要素の基本データを図９に、位置や角度が変わる面あるいは構成要素に関するデータを図１０に、非球面係数に関するデータを図１１に示す。
この実施例２ではレンズＬ７とレンズＬ８とが互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによってフォーカス調整がなされる。すなわち本実施例では、これらの２つのレンズによって移動光学系が構成されている。また、この実施例２では図１０に示す通り、レンズＬ７がシフトによって偏芯してフォーカス調整する可動光学系を構成している。したがって本実施例２では、可動光学系の光入射面、光出射面はそれぞれ図９に示すＮｏ．１６、１７の面となる。なお、可動光学系を構成するこのレンズＬ７に入射する画像光の主光軸Ｚからの距離の変化が、投射像ＴＭに与える影響は、該距離の変化に対して緩慢である。そのため、こうしてレンズＬ７をシフトさせる場合は、レンズＬ７を動かすことによる光学特性の変化範囲の調整を行い易くなる。
実施例２の投射光学系１００を用いてスクリーンＳＣに光線を投射した場合の、スクリーンＳＣ上における光線のスポットダイアグラムを図１２に示す。また、実施例２の投射光学系を用いてスクリーンＳＣに格子パターンを投射した場合の、スクリーンＳＣ上における格子パターンの歪曲形状を図１３に示す。
次に、実施例３の投射光学系について説明する。実施例３の投射光学系の構成は、先に説明した通り、図１および図２に断面図を示した投射光学系１００の構成と対応しており、その断面形状を図１４に示す。実施例３の投射光学系について、構成要素の基本データを図１５に、位置や角度が変わる面あるいは構成要素に関するデータを図１６に、非球面係数に関するデータを図１７に示す。
この実施例３ではレンズＬ７とレンズＬ８とが互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによってフォーカス調整がなされる。すなわち本実施例では、これらの２つのレンズによって移動光学系が構成されている。また、この実施例３では図１６に示す通り、レンズＬ８がシフトによって偏芯してフォーカス調整する可動光学系を構成している。したがって本実施例３では、可動光学系の光入射面、光出射面はそれぞれ図１５に示すＮｏ．１９、２０の面となる。
実施例３の投射光学系を用いてスクリーンＳＣに光線を投射した場合の、スクリーンＳＣ上における光線のスポットダイアグラムを図１８に示す。また、実施例３の投射光学系を用いてスクリーンＳＣに格子パターンを投射した場合の、スクリーンＳＣ上における格子パターンの歪曲形状を図１９に示す。
次に、実施例４の投射光学系について説明する。実施例４の投射光学系の構成は、先に説明した通り、図１および図２に断面図を示した投射光学系１００の構成と対応しており、その断面形状を図２０に示す。実施例４の投射光学系について、構成要素の基本データを図２１に、位置や角度が変わる面あるいは構成要素に関するデータを図２２に、非球面係数に関するデータを図２３に示す。
この実施例４ではレンズＬ７とレンズＬ８とが互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによってフォーカス調整がなされる。すなわち本実施例では、これらの２つのレンズによって移動光学系が構成されている。また、この実施例４では図２２に示す通り、レンズＬ９がシフトおよびチルトによって偏芯してフォーカス調整する可動光学系を構成している。したがって本実施例４では、可動光学系の光入射面、光出射面はそれぞれ図２１に示すＮｏ．２１、２２の面となる。
実施例４の投射光学系１００を用いてスクリーンＳＣに光線を投射した場合の、スクリーンＳＣ上における光線のスポットダイアグラムを図２４に示す。また、実施例４の投射光学系を用いてスクリーンＳＣに格子パターンを投射した場合の、スクリーンＳＣ上における格子パターンの歪曲形状を図２５に示す。
次に、実施例５の投射光学系について説明する。実施例５の投射光学系の構成は、先に説明した通り、図１および図２に断面図を示した投射光学系１００の構成と対応しており、その断面形状を図２６に示す。実施例５の投射光学系について、構成要素の基本データを図２７に、位置や角度が変わる面あるいは構成要素に関するデータを図２８に、非球面係数に関するデータを図２９に示す。
この実施例５ではレンズＬ７とレンズＬ８とが互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによってフォーカス調整がなされる。すなわち本実施例では、これらの２つのレンズによって移動光学系が構成されている。また、この実施例５では図２８に示す通り、レンズＬ９、レンズＬ１０、レンズＬ１１、レンズＬ１２および凹面鏡３がシフトによって偏芯してフォーカス調整する可動光学系を構成している。したがって本実施例５では、可動光学系の光入射面、光出射面はそれぞれ図２７に示すＮｏ．２１、２９の面となる。
実施例５の投射光学系を用いてスクリーンＳＣに光線を投射した場合の、スクリーンＳＣ上における光線のスポットダイアグラムを図３０に示す。また、実施例５の投射光学系を用いてスクリーンＳＣに格子パターンを投射した場合の、スクリーンＳＣ上における格子パターンの歪曲形状を図３１に示す。
次に、実施例６の投射光学系について説明する。実施例６の投射光学系の構成は、先に説明した通り、図１および図２に断面図を示した投射光学系１００の構成と対応しており、その断面形状を図３２に示す。実施例６の投射光学系について、構成要素の基本データを図３３に、位置や角度が変わる面あるいは構成要素に関するデータを図３４に、非球面係数に関するデータを図３５に示す。
この実施例６ではレンズＬ７とレンズＬ８とが互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによってフォーカス調整がなされる。すなわち本実施例では、これらの２つのレンズによって移動光学系が構成されている。また、この実施例６では図３４に示す通り、レンズＬ１０、レンズＬ１１およびレンズＬ１２がシフトによって偏芯してフォーカス調整する可動光学系を構成している。したがって本実施例６では、可動光学系の光入射面、光出射面はそれぞれ図３３に示すＮｏ．２３、２７の面となる。
実施例６の投射光学系１００を用いてスクリーンＳＣに光線を投射した場合の、スクリーンＳＣ上における光線のスポットダイアグラムを図３６に示す。また、実施例６の投射光学系を用いてスクリーンＳＣに格子パターンを投射した場合の、スクリーンＳＣ上における格子パターンの歪曲形状を図３７に示す。
次に、実施例７の投射光学系について説明する。実施例７の投射光学系の構成は、先に説明した通り、図３８および図３９に断面図を示した投射光学系１００の構成と対応している。実施例７の投射光学系について、構成要素の基本データを図４０に、位置や角度が変わる面あるいは構成要素に関するデータを図４１に、非球面係数に関するデータを図４２に示す。
図４０の基本データにおいて、「レンズ等」の欄には、図３８および図３９に示した光変調器の画像表示面１１に形成される画像Ｍの面、カバーガラス１２、プリズム４、開口絞りＳｔ１、視野絞りＳｆ、結像される第１中間像ＩＭ１、開口絞りＳｔ２、第２中間像ＩＭ２、凹面鏡３、スクリーンＳＣ上の位置となる投射像ＴＭの面も含めて示している。それらについては、上記の記載順に従ってそれぞれ「ＯＢＪ」、「ＣＧ」、「ＰＲＩＳＭ」、「絞り１」、「出射絞り」、「中間像１」、「絞り２」、「中間像２」、「ＭＩＲ」、「ＩＭＧ」と表記している。また図４０の基本データには、レンズ等の欄に「ダミー」なる要素（面）を挙げて面番号も与えているが、これは設計用に採った便宜上の面で、実際のレンズ構成においては存在しない。これらの表記は、以下で述べる実施例８〜１５に関しても同様である。
この実施例７ではレンズＬ１４とレンズＬ１５とが互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによってフォーカス調整がなされる。すなわち本実施例では、これらの２つレンズによって移動光学系が構成されている。また、この実施例７では図４１に示す通り、レンズＬ１５がシフトおよびチルトによって偏芯してフォーカス調整する可動光学系を構成している。したがって本実施例７では、可動光学系の光入射面、光出射面はそれぞれ図４０に示すＮｏ．３４、３５の面となる。
この実施例７では、いずれも両面が非球面である負のメニスカスレンズＬ１１、正のメニスカスレンズＬ１４、負のメニスカスレンズＬ１５、および反射面が非球面である凹面鏡３において、それぞれの非球面は下記の（数１）で定義される奇数次非球面とされている。この（数１）式においてｚは非球面の光軸方向の座標、ｃは近軸曲率半径Ｒｄｙの逆数、ｒは光軸からの高さ、Ｋは円錐定数であり、図４２に示す各次数の非球面定数Ａｉを用いて、座標ｚが求められる。
実施例７の投射光学系１００を用いてスクリーンＳＣに光線を投射した場合の、スクリーンＳＣ上における光線のスポットダイアグラムを図４３に示す。各スポットダイアグラムの左側に示す４つの数値のうち下側左右の数値（単位：ＭＭ、ミリメートル）は、画像表示面１１における光線出射位置（Ｘ座標,Ｙ座標）を示す。また上側左右の数値は、それらのＸ座標とＹ座標の最大物体高に対する相対値を示している。図４３では、Ｘ座標が０．０００でＹ座標が−３．４１、−７．９５、−１２．５である３つの場合、Ｘ座標が３．６２９でＹ座標が−３．４１、−７．９５、−１２．５である３つの場合、Ｘ座標が７．２５８でＹ座標が−３．４１、−７．９５、−１２．５である３つの場合、の合計９つの場合についてスポットダイアグラムを示している。図中のスケールは（ａ）では１０．０ミリメートル、（ｂ）では６２．５ミリメートルである。以上の点は、以下で述べる実施例８〜１５に関しても同様である。この図４３より、本実施例の投射光学系を用いれば、９点の物体高について光学諸収差が良好に補正され得ることが分かる。
また、実施例７の投射光学系１００を用いてスクリーンＳＣに格子パターンを投射した場合の、スクリーンＳＣ上における格子パターンの歪曲形状を図４４に示す。
次に、実施例８の投射光学系について説明する。実施例８の投射光学系の構成は、先に説明した通り、図３８および図３９に断面図を示した投射光学系１００の構成と対応しており、その断面形状を図４５に示す。実施例８の投射光学系について、構成要素の基本データを図４６に、位置や角度が変わる面あるいは構成要素に関するデータを図４７に、非球面係数に関するデータを図４８に示す。
この実施例８ではレンズＬ１４とレンズＬ１５とが互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによってフォーカス調整がなされる。すなわち本実施例では、これらの２つレンズによって移動光学系が構成されている。また、この実施例８では図４７に示す通り、レンズＬ１４がチルトによって偏芯してフォーカス調整する可動光学系を構成している。したがって本実施例８では、可動光学系の光入射面、光出射面はそれぞれ図４６に示すＮｏ．３１、３２の面となる。
実施例８の投射光学系１００を用いてスクリーンＳＣに光線を投射した場合の、スクリーンＳＣ上における光線のスポットダイアグラムを図４９に示す。また、実施例８の投射光学系を用いてスクリーンＳＣに格子パターンを投射した場合の、スクリーンＳＣ上における格子パターンの歪曲形状を図５０に示す。
次に、実施例９の投射光学系について説明する。実施例９の投射光学系の構成は、先に説明した通り、図３８および図３９に断面図を示した投射光学系１００の構成と対応しており、その断面形状を図５１に示す。実施例９の投射光学系について、構成要素の基本データを図５２に、位置や角度が変わる面あるいは構成要素に関するデータを図５３に、非球面係数に関するデータを図５４に示す。
この実施例９ではレンズＬ２〜Ｌ９のレンズ群、レンズＬ１０〜Ｌ１３のレンズ群、そしてレンズＬ１４〜Ｌ１５のレンズ群が互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによってフォーカス調整がなされる。すなわち本実施例では、これらの３つレンズ群によって移動光学系が構成されている。また、この実施例９では図５３に示す通り、レンズＬ１５がチルトによって偏芯してフォーカス調整する可動光学系を構成している。したがって本実施例９では、可動光学系の光入射面、光出射面はそれぞれ図５２に示すＮｏ．３４、３５の面となる。
実施例９の投射光学系を用いてスクリーンＳＣに光線を投射した場合の、スクリーンＳＣ上における光線のスポットダイアグラムを図５５に示す。また、実施例９の投射光学系を用いてスクリーンＳＣに格子パターンを投射した場合の、スクリーンＳＣ上における格子パターンの歪曲形状を図５６に示す。
次に、実施例１０の投射光学系について説明する。実施例１０の投射光学系の構成は、先に説明した通り、図３８および図３９に断面図を示した投射光学系１００の構成と対応しており、その断面形状を図５７に示す。実施例１０の投射光学系について、構成要素の基本データを図５８に、位置や角度が変わる面あるいは構成要素に関するデータを図５９に、非球面係数に関するデータを図６０に示す。
この実施例１０ではレンズＬ２〜Ｌ９のレンズ群、レンズＬ１０〜Ｌ１３のレンズ群、そしてレンズＬ１４〜Ｌ１５のレンズ群が互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによってフォーカス調整がなされる。すなわち本実施例では、これらの３つレンズ群によって移動光学系が構成されている。
また、この実施例１０では図５９に示す通り、レンズＬ１５がチルトによって偏芯してフォーカス調整する可動光学系を構成している。したがって本実施例１０では、可動光学系の光入射面、光出射面はそれぞれ図５８に示すＮｏ．３４、３５の面となる。特にこの場合はレンズＬ１５がチルトすると、非球面であるその入射側のレンズ面３４と、同じく非球面であるその出射側のレンズ面３５が双方共チルトおよびシフトするようになっている。なおレンズＬ１５はウェッジレンズであり、各レンズ面が主光軸Ｚに対してシフトおよびチルトした状態に配置される。具体的にＮｏ．３４の面は図５７中で主光軸Ｚから下方向に０．００６ｍｍシフトし、かつ、同図中で反時計回りに０．２８１度回転するようにチルトし、Ｎｏ．３５の面は同図中で主光軸Ｚから上方向に０．０２１ｍｍシフトし、かつ、同図中で反時計回りに０．２８２度回転するようにチルトして配置される。
実施例１０の投射光学系１００を用いてスクリーンＳＣに光線を投射した場合の、スクリーンＳＣ上における光線のスポットダイアグラムを図６１に示す。また、実施例１０の投射光学系を用いてスクリーンＳＣに格子パターンを投射した場合の、スクリーンＳＣ上における格子パターンの歪曲形状を図６２に示す。
次に、実施例１１の投射光学系について説明する。実施例１１の投射光学系の構成は、先に説明した通り、図３８および図３９に断面図を示した投射光学系１００の構成と対応しており、その断面形状を図６３に示す。実施例１１の投射光学系について、構成要素の基本データを図６４に、位置や角度が変わる面あるいは構成要素に関するデータを図６５に、非球面係数に関するデータを図６６に示す。
この実施例１１ではレンズＬ２〜Ｌ９のレンズ群、レンズＬ１０〜Ｌ１３のレンズ群、そしてレンズＬ１４〜Ｌ１５のレンズ群が互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによってフォーカス調整がなされる。すなわち本実施例では、これらの３つレンズ群によって移動光学系が構成されている。またこの実施例１１では図６５に示す通り、レンズＬ１５がチルトによって偏芯してフォーカス調整する可動光学系を構成している。したがって本実施例１１では、可動光学系の光入射面、光出射面はそれぞれ図６４に示すＮｏ．３４、３５の面となる。
この実施例１１では特に上記レンズＬ１５が、光入射側の面３４および光出射側の面３５が共に自由曲面である自由曲面レンズとされている。この自由曲面は、下に（数２）式として示す自由曲面多項式で光軸方向座標ｚが定義される曲面である。面３４および３５に関する自由曲面係数を図６７に示す。なお（数２）式においてｃは近軸曲率半径Ｒｄｙの逆数、ｒは光軸からの高さ、Ｋは円錐定数であり、図６７に示す自由曲面係数を用いて、座標ｚが求められる。
実施例１１の投射光学系１００を用いてスクリーンＳＣに光線を投射した場合の、スクリーンＳＣ上における光線のスポットダイアグラムを図６８に示す。また、実施例１１の投射光学系を用いてスクリーンＳＣに格子パターンを投射した場合の、スクリーンＳＣ上における格子パターンの歪曲形状を図６９に示す。
次に、実施例１２の投射光学系について説明する。実施例１２の投射光学系の構成は、先に説明した通り、図３８および図３９に断面図を示した投射光学系１００の構成と対応しており、その断面形状を図７０および図７１に示す。この実施例１２および後述する実施例１３、１４、１５の投射光学系はいずれも、第１光学系１が変倍（ズーム）機能を有するものであり、図７０には第１光学系１が広角端にある状態を（ＷＩＤＥ）の表示と共に示し、図７１には第１光学系１が望遠端にある状態を（ＴＥＬＥ）の表示と共に示している。
実施例１２の投射光学系について、構成要素の基本データを図７２に、位置や角度が変わる面あるいは構成要素に関するデータを図７３に、非球面係数に関するデータを図７４に示す。
この実施例１２ではレンズＬ２〜Ｌ８のレンズ群、レンズＬ９、レンズＬ１０、レンズＬ１１〜Ｌ１３のレンズ群が互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによって変倍がなされる。すなわち本実施例では、これらのレンズ群およびレンズによって移動光学系が構成されている。この点の構成は、以下に述べる実施例１３〜１５においても同様である。図７３には、この変倍によって面間隔が変わる面について、広角端にあるときの面間隔をＷＩＤＥの表示と共に示し、望遠端にあるときの面間隔をＴＥＬＥの表示と共に示している。またこの実施例１２では、レンズＬ１４、レンズＬ１５が互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによってフォーカス調整がなされる。すなわち本実施例では、これらのレンズＬ１４およびＬ１５が移動光学系を構成している。
またこの実施例１２では図７３に示す通り、レンズＬ１５がチルトによって偏芯してフォーカス調整する可動光学系を構成している。したがって本実施例１２では、可動光学系の光入射面、光出射面はそれぞれ図７２に示すＮｏ．３５、３６の面となる。
実施例１２の投射光学系を用いてスクリーンＳＣに光線を投射した場合の、スクリーンＳＣ上における光線のスポットダイアグラムを図７５に示す。この図７５中の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ第１光学系１が広角端にある場合の近点投射時、遠点投射時のスポットダイアグラムであり、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ第１光学系１が望遠端にある場合の近点投射時、遠点投射時のスポットダイアグラムである。また、実施例１２の投射光学系を用いてスクリーンＳＣに格子パターンを投射した場合の、スクリーンＳＣ上における格子パターンの歪曲形状を図７６に示す。この図７６中の（ａ）、（ｂ）はそれぞれ第１光学系１が広角端にある場合の近点投射時、遠点投射時の歪曲形状図であり、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ第１光学系１が望遠端にある場合の近点投射時、遠点投射時の歪曲形状図である。
次に、実施例１３の投射光学系について説明する。実施例１３の投射光学系の構成は、先に説明した通り、図３８および図３９に断面図を示した投射光学系１００の構成と対応しており、その断面形状を図７７および図７８に示す。この実施例１３の投射光学系１００も、第１光学系１が変倍（ズーム）機能を有するものであり、図７７には第１光学系１が広角端にある状態を（ＷＩＤＥ）の表示と共に示し、図７８には第１光学系１が望遠端にある状態を（ＴＥＬＥ）の表示と共に示している。
実施例１３の投射光学系１００について、構成要素の基本データを図７９に、位置や角度が変わる面あるいは構成要素に関するデータを図８０に、非球面係数に関するデータを図８１に示す。
この実施例１３ではレンズＬ２〜Ｌ８のレンズ群、レンズＬ９、レンズＬ１０、レンズＬ１１〜Ｌ１３のレンズ群が互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによって変倍がなされる。すなわち本実施例では、これらのレンズ群およびレンズによって移動光学系が構成されている。図８０には、この変倍によって面間隔が変わる面について、第１光学系１が広角端にあるときの面間隔をＷＩＤＥの表示と共に示し、第１光学系１が望遠端にあるときの面間隔をＴＥＬＥの表示と共に示している。またこの実施例１３では、レンズＬ１４、レンズＬ１５が互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによってフォーカス調整がなされる。すなわち本実施例では、これらのレンズＬ１４およびＬ１５も移動光学系を構成している。
またこの実施例１３では図８０に示す通り、レンズＬ１１〜レンズＬ１３がシフトによって偏芯して変倍する可動光学系を構成し、レンズＬ１５がチルトによって偏芯してフォーカス調整する可動光学系を構成している。したがって本実施例１３では、変倍用可動光学系の光入射面、光出射面はそれぞれ図７９に示すＮｏ．２５、２９の面となり、フォーカス調整用可動光学系の光入射面、光出射面はそれぞれ図７９に示すＮｏ．３５、３６の面となる。シフト量については、第１光学系１が広角端にある場合のシフト量をＷＩＤＥの表示と共に示し、第１光学系１が望遠端にあるときのシフト量をＴＥＬＥの表示と共に示している。
実施例１３の投射光学系１００を用いてスクリーンＳＣに光線を投射した場合の、スクリーンＳＣ上における光線のスポットダイアグラムを図８２に示す。また、実施例１３の投射光学系を用いてスクリーンＳＣに格子パターンを投射した場合の、スクリーンＳＣ上における格子パターンの歪曲形状を図８３に示す。図８２および図８３における表示の仕方は、実施例１２に関して先に説明したものと同じである。
次に、実施例１４の投射光学系について説明する。実施例１４の投射光学系の構成は、先に説明した通り、図３８および図３９に断面図を示した投射光学系１００の構成と対応しており、その断面形状を図８４および図８５に示す。この実施例１４の投射光学系１００も、第１光学系１が変倍（ズーム）機能を有するものであり、図８４には第１光学系１が広角端にある状態を（ＷＩＤＥ）の表示と共に示し、図８５には第１光学系１が望遠端にある状態を（ＴＥＬＥ）の表示と共に示している。
実施例１４の投射光学系１００について、構成要素の基本データを図８６に、位置や角度が変わる面あるいは構成要素に関するデータを図８７に、非球面係数に関するデータを図８８に示す。
この実施例１４ではレンズＬ２〜Ｌ８のレンズ群、レンズＬ９、レンズＬ１０、レンズＬ１１〜Ｌ１３のレンズ群が互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによって変倍がなされる。すなわち本実施例では、これらのレンズ群およびレンズによって移動光学系が構成されている。図８７には、この変倍によって面間隔が変わる面について、広角端にあるときの面間隔をＷＩＤＥの表示と共に示し、望遠端にあるときの面間隔をＴＥＬＥの表示と共に示している。またこの実施例１４では、レンズＬ１４、レンズＬ１５が互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによってフォーカス調整がなされる。すなわち本実施例では、これらのレンズＬ１４およびＬ１５も移動光学系を構成している。
またこの実施例１４では図８７に示す通り、レンズＬ１０がシフトによって偏芯して変倍する可動光学系を構成している。したがって本実施例１４では、可動光学系の光入射面、光出射面はそれぞれ図８６に示すＮｏ．２３、２４の面となる。シフト量については、第１光学系１が広角端にある場合のシフト量をＷＩＤＥの表示と共に示し、第１光学系１が望遠端にあるときのシフト量をＴＥＬＥの表示と共に示している。
実施例１４の投射光学系１００を用いてスクリーンＳＣに光線を投射した場合の、スクリーンＳＣ上における光線のスポットダイアグラムを図８９に示す。また、実施例１４の投射光学系を用いてスクリーンＳＣに格子パターンを投射した場合の、スクリーンＳＣ上における格子パターンの歪曲形状を図９０に示す。図８９および図９０における表示の仕方は、実施例１２に関して先に説明したものと同じである。
次に、実施例１５の投射光学系について説明する。実施例１５の投射光学系の構成は、先に説明した通り、図３８および図３９に断面図を示した投射光学系１００の構成と対応しており、その断面形状を図９１および図９２に示す。この実施例１５の投射光学系も、第１光学系１が変倍（ズーム）機能を有するものであり、図９１には第１光学系１が広角端にある状態を（ＷＩＤＥ）の表示と共に示し、図９２には第１光学系１が望遠端にある状態を（ＴＥＬＥ）の表示と共に示している。
実施例１５の投射光学系１００について、構成要素の基本データを図９３に、位置や角度が変わる面あるいは構成要素に関するデータを図９４に、非球面係数に関するデータを図９５に示す。
この実施例１５ではレンズＬ２〜Ｌ８のレンズ群、レンズＬ９、レンズＬ１０、レンズＬ１１〜Ｌ１３のレンズ群が互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによって変倍がなされる。すなわち本実施例では、これらのレンズ群およびレンズによって移動光学系が構成されている。図９４には、この変倍によって面間隔が変わる面について、広角端にあるときの面間隔をＷＩＤＥの表示と共に示し、望遠端にあるときの面間隔をＴＥＬＥの表示と共に示している。またこの実施例１５では、レンズＬ１４、レンズＬ１５が互いに独立して主光軸Ｚに沿って移動し、それによってフォーカス調整がなされる。すなわち本実施例では、これらのレンズＬ１４およびＬ１５も移動光学系を構成している。
またこの実施例１５では図９４に示す通り、レンズＬ９がチルトによって偏芯して変倍する可動光学系を構成している。したがって本実施例１５では、可動光学系の光入射面、光出射面はそれぞれ図９３に示すＮｏ．２１、２２の面となる。チルト角については、第１光学系１が広角端にある場合のチルト角をＷＩＤＥの表示と共に示し、第１光学系１が望遠端にあるときのチルト角をＴＥＬＥの表示と共に示している。
実施例１５の投射光学系１００を用いてスクリーンＳＣに光線を投射した場合の、スクリーンＳＣ上における光線のスポットダイアグラムを図９６に示す。また、実施例１５の投射光学系を用いてスクリーンＳＣに格子パターンを投射した場合の、スクリーンＳＣ上における格子パターンの歪曲形状を図９７に示す。図９６および図９７における表示の仕方は、実施例１２に関して先に説明したものと同じである。
以上説明した通り本発明の投射光学系によれば、移動光学系の移動によってなされフォーカス調整の範囲（つまり投射距離の範囲）やフォーカス調整の範囲（つまり焦点距離の範囲）を、可動光学系を動かすことによって、移動光学系の移動だけで実現される範囲を超えてより広くすることが可能になる。この効果を考慮すれば可動光学系の移動は、少なくとも、移動光学系が有する合焦光学系が投射光学系の最短の投射距離に対応した位置、または最長の投射距離に対応した位置に配置されている状態下で動く、あるいは少なくとも、移動光学系が有する変倍光学系が投射光学系の最短の焦点距離に対応した位置、または最長の焦点距離に対応した位置に配置されている状態下で動くことが好ましい。さらに、本発明の投射光学系によれば可動光学系を動かすことによって像面湾曲も補正できるので、移動光学系が像面湾曲調整光学系を有する場合、可動光学系は、少なくとも、上記像面湾曲調整光学系が最もアンダーの像面湾曲を発生させる位置に配置されている状態下で、または最もオーバーの像面湾曲を発生させる位置に配置されている状態下で動くことが好ましい。
ここで図９８に、以上説明した実施例１〜１５の投射光学系１００の主な仕様をまとめて示す。同図における上段の「焦点距離」中の「近点ｆ」、「遠点ｆ」、「偏芯FOCUS」、「偏芯ZOOM」はそれぞれ「近点投射時の全系の焦点距離」、「遠点投射時の全系の焦点距離」、「フォーカス調整する可動光学系の焦点距離」、「変倍する可動光学系の焦点距離」を意味する。また「偏芯ｆ」は「フォーカス調整または変倍する可動光学系の焦点距離」を意味し、「第１光学系ｆ１」は第１光学系１の焦点距離を意味する。したがって「｜偏芯ｆ｜/｜第１光学系ｆ１｜」は前述した（３）式における｜ｆ５｜/｜ｆ１｜に相当する。
一方、図９８の下段の主光線高さに関する「主光線高さ（入射）」とは、可動光学系の最も後方の光入射面における主光線高さを意味し、「主光線高さ（出射）」とは、可動光学系の最も前方の光出射面における主光線高さを意味する。そして「上限」は、前述した「遠端部主光線の高さ」つまりＹ１を示し、「下限」は「近端部主光線の高さ」つまりＹ２を示している。また主光線高さに関連する「FOCUS」、「ZOOM」はそれぞれ、「移動光学系によってフォーカス調整がなされる場合」、「移動光学系によって変倍がなされる場合」を意味する。つまりここに記されている「FOCUS下限」は、フォーカス調整時に使用される可動光学系のＹ２を表し、「FOCUS上限」は、フォーカス調整時に使用される可動光学系のＹ１を表し、「ZOOM下限」は、変倍時に使用される可動光学系のＹ２を表し、「ZOOM上限」は、変倍時に使用される可動光学系のＹ１を表す。したがって、この下段における「（上限−下限）/｜近点ｆ｜は、前述した条件式（１）における「（Ｙ１−Ｙ２）／｜ｆ｜」を、特に投射光学系１００の全系の焦点距離ｆを近点投射時の焦点距離とした場合に相当する。なお図９８では、上記近点投射時の全系の焦点距離ｆを、特に広角端における値として計算した例を挙げている。
また、同じく図９８の下段の「有効径比率」は、前述した式（２）におけるＹ３／Ｙ１を示している。つまり、この有効径比率の欄に記した「FOCUS上限」とは、フォーカス調整時に使用される可動光学系の最も後方の光入射面と最も前方の光出射面（図１の例ではレンズＬ６の面Ｌａと面Ｌｂ）に関する遠端部主光線入射位置Ｐ１と主光軸Ｚとの間の距離である入射位置距離Ｙ１と、遠端部主光線出射位置Ｐ３と主光軸Ｚとの間の距離である出射位置距離Ｙ３との比を表し、「ZOOM上限」とは、変倍時に使用される可動光学系に関する上記と同様の入射位置距離Ｙ１と出射位置距離Ｙ３との比を表している。
この図９８の表から、条件式（１）が全ての実施例で満足されており、条件式（３）が実施例５を除くその他全ての実施形態で満足されていることが確認される。また、条件式（２）も実施例５、６を除くその他全ての実施例で満足されていることが確認される。
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、本発明の投射光学系は、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、アッベ数を適宜変更することが可能である。
また、本発明のプロジェクタ装置も、例えば、用いられるライトバルブや、光束分離または光束合成に用いられる光学部材について種々の態様の変更が可能である。
１ 第１光学系
２ 第２光学系
３ 凹面鏡
４ プリズム
１０ 第１屈折光学系
１１ 画像表示素子の画像表示面
１２ カバーガラス
２０ 第２屈折光学系
１００ 投射光学系
Ｌ１〜Ｌ１９ レンズ
Ｚ 主光軸
Ｚ１ 可動光学系の光軸

Claims (11)

  1. 画像表示素子から出射された画像光の進行方向である前方に向かって順に、レンズを有する第１光学系と、凹面鏡を有する第２光学系とが配置され、
    前記画像表示素子に形成された画像を、前記第１光学系の内部に第１中間像として結像させた後、前記第１光学系と前記第２光学系との間に第２中間像として結像させ、
    前記第２中間像からの画像光を、前記第２光学系から前記第１光学系の光軸である主光軸に沿う方向と交差する投射方向に投射し、前記画像を被投射面に投射像として拡大投影させ、
    前記主光軸に沿って移動することで前記投射像の光学特性を変化させる少なくとも１枚のレンズを有する移動光学系を前記第１光学系に備える、
    投射光学系であって、
    前記第１光学系は、光入射面および光出射面の少なくとも一方の面と前記主光軸との交点の位置が変化するように動く少なくとも１枚のレンズを有する可動光学系を有する、
    ことを特徴とする投射光学系。
  2. 請求項１に記載の投射光学系において、
    前記可動光学系の動きは、前記主光軸と直交する方向の移動成分を有する、
    ことを特徴とする投射光学系。
  3. 請求項１または２に記載の投射光学系において、
    前記可動光学系の動きは、該可動光学系の光軸と前記主光軸との成す角を変化させる動きである、
    ことを特徴とする投射光学系。
  4. 請求項３に記載の投射光学系において、
    前記可動光学系の動きは、該可動光学系の最も後方の光入射面と前記主光軸との交点を中心に可動光学系を傾ける動きである、
    ことを特徴とする投射光学系。
  5. 請求項１から４いずれか１項に記載の投射光学系において、
    前記可動光学系の動きは、前記主光軸と前記投射方向とを含む面に沿う方向であって前記主光軸と交差する方向の動きである、
    ことを特徴とする投射光学系。
  6. 請求項１から５いずれか１項に記載の投射光学系において、
    前記画像表示素子の画像表示面の中で前記被投射面に投射像として投射されることが可能な範囲である投射有効域の中で、前記光軸の変位方向に沿う方向で、前記主光軸から最も遠い端部である遠端部から出射する光の主光線を遠端部主光線とし、前記投射有効域の中で、前記主光軸に最も近い端部である近端部から出射する光の主光線を近端部主光線とし、
    前記可動光学系の最も後方の光入射面における前記遠端部主光線の入射位置を遠端部主光線入射位置とし、前記光入射面における前記近端部主光線の入射位置を近端部主光線入射位置としたとき、
    前記可動光学系は、前記遠端部主光線入射位置と前記近端部主光線入射位置とが異なる位置に配置されている、
    ことを特徴とする投射光学系。
  7. 請求項６に記載の投射光学系において、
    前記遠端部主光線入射位置と前記主光軸との間の距離Ｙ１と、前記近端部主光線入射位置と前記主光軸との間の距離である入射位置距離Ｙ２と、前記投射光学系の全系の焦点距離ｆとが、
    ４．０ ＞（Ｙ１−Ｙ２）／｜ｆ｜≧０．８ ・・・ （１）
    の関係を満たす、
    ことを特徴とする投射光学系。
  8. 請求項１から５いずれか１項に記載の投射光学系において、
    前記画像表示素子の画像表示面の中で前記被投射面に投射像として投射されることが可能な範囲である投射有効域の中で、前記光軸の変位方向に沿う方向で、前記主光軸から最も遠い端部である遠端部から出射する光の主光線を遠端部主光線とし、
    前記可動光学系の最も後方の光入射面における前記遠端部主光線の入射位置を遠端部主光線入射位置とし、
    前記可動光学系の最も前方の光出射面における前記遠端部主光線の出射位置を遠端部主光線出射位置としたとき、
    前記遠端部主光線入射位置と前記主光軸との間の距離である入射位置距離Ｙ１と、前記遠端部主光線出射位置と前記主光軸との間の距離である出射位置距離Ｙ３とが、
    １．３≧Ｙ３／Ｙ１≧０．７ ・・・ （２）
    の関係を満たす、
    ことを特徴とする投射光学系。
  9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の投射光学系において、
    前記可動光学系の焦点距離ｆ５と、前記投射光学系の第１光学系の焦点距離ｆ１とが、
    ７０ ＞ ｜ｆ５｜ ／ ｜ｆ１｜ ≧ １．０ ・・・ （３）
    の関係を満たす、
    ことを特徴とする投射光学系。
  10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の投射光学系において、
    前記移動光学系は、前記投射像の投射距離の変更を行い合焦状態を変化させる合焦用光学系、前記投射像の投射倍率の変更を行う変倍用光学系、および前記投射像の像面湾曲の補正を行う像面湾曲補正用光学系の少なくとも１つを備える、
    ことを特徴とする投射光学系。
  11. 光源と、この光源からの光を変調する光変調器と、この光変調器によって変調された光による光学像を投射する請求項１から１０のいずれか１項に記載の投射光学系とを備えてなるプロジェクタ装置。
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