JP2021067703A - 結像光学系およびそれを有する画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広角でありながらレンズ径を小型化可能であると共に、広い投写距離範囲において良好な光学性能を有する結像光学系を提供する。【解決手段】結像光学系１００は、拡大共役側から縮小共役側へ順に、正の屈折力の第１光学系１０１、正の屈折力の第２光学系１０２から構成され、拡大共役側の拡大共役点が第１光学系と第２光学系の間の中間結像位置３０１に結像し、中間結像位置に結像した像が縮小共役側の縮小共役点に再結像する結像光学系であって、第１光学系は、フォーカシングに際して光軸方向へ移動するレンズ群のうち最も拡大共役側に配置された第１レンズ群Ｂ１を有し、第２光学系は、フォーカシングに際して固定であり、ズーミングに際して光軸方向へ移動する少なくとも一つのレンズ群を有し、第１レンズ群は、最も拡大共役側に負の屈折力のメニスカスレンズを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、結像光学系に関し、光変調素子に表示された画像を拡大投影するプロジェクター等の画像投影装置に好適なものである。

従来、画像投影装置において、バックフォーカスと良好なテレセントリック性とを確保するための投写光学系として、レトロフォーカスタイプが多用されている。また、光変調素子の高精細化が進みフルＨＤを超える解像度に対応するより高い性能が求められると共に、近距離で大きな画像を投影可能な広角化が強く望まれている。

近年、投写光学系として投影距離を変えずに投影画像のサイズを変更可能な変倍機能を有するズームレンズが広く使用されており、広角化しつつも変倍機能を有することも重要である。しかしながら、レトロフォーカスタイプで広角化をすすめると最も被投写面側のレンズが極端に大口径化してしまう。最も被投写面側のレンズの大口径化を抑えるために、光変調素子の表示画像を屈折光学系で中間像として一度結像させ、その中間像を別の屈折光学系により被投写面に拡大投影させるレンズ（以降、再結像タイプのレンズ）が提案されている。特許文献１には、フォーカス群を小型化し、変倍機能を有する再結像タイプのズームレンズが提案されている。

特開２０１８−３６３８６号公報

広角化に伴い、投写距離を変化させた際に像面湾曲が大きく発生するため、ピントを合わせるフォーカシング時に像面湾曲を補正する必要がある。その際に、歪曲収差が変動しないように注意する必要がある。

しかしながら、特許文献１のズームレンズでは、フォーカシングに伴う画角変化を抑えることができるが、フォーカシングの際の像面湾曲について言及されておらず、またフォーカシングに伴う歪曲収差の変動を十分に抑制できていない可能性がある。

本発明は、広角でありながらレンズ径を小型化可能であると共に、広い投写距離範囲において良好な光学性能を有する結像光学系を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての結像光学系は、拡大共役側から縮小共役側へ順に、正の屈折力の第１光学系、正の屈折力の第２光学系から構成され、拡大共役側の拡大共役点が第１光学系と第２光学系の間の中間結像位置に結像し、中間結像位置に結像した像が縮小共役側の縮小共役点に再結像する結像光学系であって、第１光学系は、フォーカシングに際して光軸方向へ移動するレンズ群のうち最も拡大共役側に配置された第１レンズ群を有し、第２光学系は、フォーカシングに際して固定であり、ズーミングに際して光軸方向へ移動する少なくとも一つのレンズ群を有し、第１レンズ群は、最も拡大共役側に負の屈折力のメニスカスレンズを備えることを特徴とする。

本発明によれば、広角でありながらレンズ径を小型化可能であると共に、広い投写距離範囲において良好な光学性能を有する結像光学系を提供することができる。

第１の実施形態に係る光学系の広角端での光路図である。 第１の実施形態に係る光学系の収差図である。 第２の実施形態に係る光学系の広角端での光路図である。 第２の実施形態に係る光学系の収差図である。 第３の実施形態に係る光学系の広角端での光路図である。 第３の実施形態に係る光学系の収差図である。 第４の実施形態に係る光学系の広角端での光路図である。 第４の実施形態に係る光学系の収差図である。 第５の実施形態に係る光学系の広角端での光路図である。 第５の実施形態に係る光学系の収差図である。 本発明の画像投影装置の概略図である。 本発明の撮像装置の要部概略図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。また、各図において、本発明を容易に理解できるようにするために、実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。
［第１の実施形態］
図１は、本実施形態に係る光学系（結像光学系）１００の光路図である。光学系１００は変倍機能を有するズームレンズであり、図１では投写距離６５５ｍｍでの広角端における光路図が示されている。

図１において、左方が拡大共役側で、右方が縮小共役側である。光学系１００は、拡大共役側から縮小共役側へ順に、正の屈折力の第１光学系、正の屈折力の第２光学系が配置されている。また、拡大共役側の拡大共役点が第１光学系と第２光学系との間の中間結像位置に結像し、中間結像位置に結像した像が縮小共役側の縮小共役点に再結像するように構成されている。

第１光学系１０１は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、各々パワーが負、負、正、正であるレンズ群Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４から構成される。第２光学系１０２は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、各々パワーが負、正、負、正、正であるレンズ群Ｂ５，Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８，Ｂ９から構成される。ＳＴは開口絞りである。

第２光学系１０２は光変調素子（画像表示素子）３００の共役像である中間像３０１を形成し、第１光学系１０１は中間像３０１を不図示のスクリーン面（被投写面）に投写する。光変調素子３００として例えば、液晶パネルやマイクロミラーデバイス等が用いられる
色合成光学系２００は、合成プリズムやＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）等から構成され、光学系１００と光変調素子３００との間に配置されている。色合成光学系２００は、光変調素子３００により変調された光を光学系１００に導光する。

なお、本実施形態では、スクリーン面が拡大側共役面、光変調素子３００が縮小側共役面である。

第１光学系１０１は広角化の機能を担い、第２光学系１０２はバックフォーカスと良好なテレセントリック性の確保を担っている。

また、第２光学系１０２の残存収差を第１光学系１０１で補正している。このような構成とすることで、広角でありながら良好な光学性能を実現することができる。

さらに、第１光学系１０１はレトロフォーカスタイプであり一般的に歪曲収差の補正が困難であるが、第２光学系１０２の最も拡大共役側に負の屈折力のレンズ群Ｂ５を配置することにより歪曲収差の補正を行っている。

また、通常の中間像を有さないズームレンズと比較して、広角化を担う第１光学系１０１のバックフォーカスを短くできるため、最も拡大共役側のレンズを小径化できる。

本実施形態では、投写距離を変更した際のフォーカシングは、第１光学系１０１を構成する一部のレンズ群（移動レンズ群）の間隔を変化させることで行われる。具体的には、レンズ群Ｂ２，Ｂ３が各々異なる軌跡で第１光学系１０１の光軸方向へ移動することで行われる。レンズ群Ｂ１，Ｂ４は、フォーカシングに際して固定である。また、第２光学系１０２は、フォーカシングに際して固定である。なお、投写距離とは拡大側共役面と光学系１００の最も拡大共役側のレンズＬ１の拡大共役側のレンズ面との距離である。

また、本実施形態では、変倍は第２光学系１０２を構成する各レンズ群の間隔を変化させることで行われる。具体的には、レンズ群Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８が各々異なる軌跡で第２光学系１０２の光軸方向へ移動することで行われる。開口絞りＳＴは、レンズ群Ｂ９の一部であり、ズーミングに際して移動しない。すなわち、光学系１００は変倍に伴うＦナンバー変化が起こらないズームレンズとなっている。

本実施形態では、変倍時に第１光学系１０１を固定とすることで、光学的作用としては中間像３０１の変倍であり、第１光学系１０１の構成を簡略化できる。したがって、第１光学系１０１のバックフォーカスを短くすることができるため、光学系１００全体を小型化可能である。また、変倍時に移動するレンズ群を第２光学系１０２だけに集約することになり、ズームカム構成も簡略化できる。

本実施形態では、フォーカシングに際して第２光学系１０２を固定とすることで、フォーカシング時に中間像３０１の位置変化がほとんど起こらない。そのため、所望の投写距離においてピントを合わせた後のレンズ群Ｂ２，Ｂ３の光軸方向の位置を、第２光学系１０２の変倍位置に関係なく、同一となるように構成できる。したがって、第２光学系１０２の構成を簡略化できると共に、変倍位置に関係なく、レンズ群Ｂ２，Ｂ３の移動軌跡を同一にできるためフォーカスカム構成も簡略化できる。

本実施形態のように広角な光学系１００が広い投写距離で良好な光学性能を有するためには、投写距離が変化した際に発生する像面湾曲をフォーカシング時に良好に補正する必要がある。本実施形態では、フォーカシング時に移動するレンズ群Ｂ２，Ｂ３の、軸外光線の高さが大きい最も拡大共役側に負の屈折力のメニスカスレンズＬ２を配置することで、フォーカシング時に像面湾曲を良好に補正可能である。また、メニスカスレンズＬ２を配置することは、歪曲収差の変動を抑える上でも効果的である。

更に、メニスカスレンズＬ２を、非球面を有するレンズとすることが望ましい。メニスカスレンズＬ２を、非球面を有するレンズとすることで、像面湾曲や歪曲収差の変動をより効果的に抑制することができる。

一方、軸外光線の高さが大きいため、メニスカスレンズＬ２の移動に伴い、特に倍率色収差が変動してしまう。本実施形態では、レンズ群（第１レンズ群）Ｂ２の縮小共役側に高分散なレンズ群Ｂ３を配置することで、倍率色収差の変動を抑制している。本実施形態では、レンズ群Ｂ３のアッベ数をνとするとき、以下の条件式（１）を満足することが望ましい。

０＜ν≦４０ （１）
アッベ数νが条件式（１）の下限値を下回ると、倍率色収差を補正するためのレンズ群Ｂ２，Ｂ３の移動方向が逆方向となるため、レンズ群Ｂ２，Ｂ３の間隔をより広くする必要が生じ、光学系１００の大型化を招く。また、アッベ数νが条件式（１）の上限値を上回ると、レンズ群Ｂ３の分散が弱くなるため倍率色収差の補正効果が不十分となる。

好ましくは、条件式（１）の数値範囲を以下の条件式（１ａ）の範囲とすることがよい。

０＜ν≦３０ （１ａ）
さらに好ましくは、条件式（１）の数値範囲を以下の条件式（１ｂ）の範囲とすることがよい。

０＜ν≦２５ （１ｂ）
なお、レンズ群Ｂ３に含まれるレンズは、単レンズであってもよいし、接合レンズであってもよい。本実施形態では、レンズ群Ｂ３に含まれるレンズＬ９は単レンズ（第１レンズ）であり、アッベ数νは２２．７６であり、条件式（１）を満足している。レンズＬ９がｎ個のレンズの接合で構成されている場合、アッベ数νはレンズＬ９の焦点距離をｆ、レンズＬ９を構成するｉ番目の単レンズの焦点距離をｆ_ｉ、ｉ番目の単レンズのアッベ数をν_ｉとするとき、以下の式（２）で定義される。

倍率色収差の補正効果を高めるためには、レンズＬ９への軸外光線の高さを大きくすることが好ましい。また、像面湾曲の補正効果を高めるためには、レンズ群Ｂ２の最も拡大共役側に配置されたメニスカスレンズＬ２への軸外光線の高さを大きくすることが好ましい。本実施形態では、メニスカスレンズＬ２とレンズＬ９との間に瞳が配置される構成とし、軸外光線の主光線がメニスカスレンズＬ２とレンズＬ９との間で光軸と交差するようにしている。このような構成により、レンズＬ９に対して軸外光線の高さを大きくすることができ、倍率色収差の補正効果を高めることができる。

レンズ群Ｂ３のパワーが負である場合、軸外光線を更に外側に屈折させてしまうため、縮小共役側の光学系の大型化を招く。したがって、レンズ群Ｂ３のパワーは正であることが好ましい。

また、光学系の小型化のためにフォーカシング時のレンズ群Ｂ２，Ｂ３の移動量を抑制しつつ、レンズ群Ｂ２による色収差の変動をより抑えるためには、レンズ群Ｂ２は接合レンズを有することが好ましい。レンズ群Ｂ２は、色収差補正効果の高い３枚の単レンズからなる接合レンズを有することがより好ましい。本実施形態では、レンズ群Ｂ２は、レンズＬ６，Ｌ７，Ｌ８からなる接合レンズを有する。接合レンズは、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、両凸レンズ、両凹レンズ、両凸レンズからなることが特に好ましい。

また、色収差補正の効果を高めるために、接合レンズを構成する３枚の単レンズのそれぞれのアッベ数を拡大共役側から順にν_１１，ν_１２，ν_１３とするとき、以下の条件式（３）乃至（５）を満足することが好ましい。

ν_１２＜ν_１１ （３）
ν_１２＜ν_１３ （４）
ν_１１＜ν_１３ （５）
本実施形態では、レンズＬ６，Ｌ７，Ｌ８の各アッベ数は４０．７７，２３．７８，６８．６２であり、条件式（３）乃至（５）を満足している。

メニスカスレンズＬ２からレンズＬ９に至るまでの光学系（本実施形態ではレンズ群Ｂ２に相当）、およびレンズＬ９の焦点距離をそれぞれ、ｆ_１，ｆ_２とするとき、以下の条件式（６）を満足することが好ましい。

条件式（６）の範囲外になると、レンズＬ９のパワーがメニスカスレンズＬ２からレンズＬ９に至るまでの光学系のパワーの絶対値よりも弱くなり過ぎ、倍率色収差が補正不足となってしまう。

本実施形態では、メニスカスレンズＬ２からレンズＬ９に至るまでの光学系の焦点距離は−１１７．２９ｍｍ、レンズＬ９の焦点距離は４５．６６ｍｍであり、条件式（６）を満足している。

図２は、本実施形態における投写距離４５９ｍｍ，６５５ｍｍ，１９６５ｍｍでの広角端および望遠端の光学系１００の収差図である。図２の収差図では、拡大共役側を物体側、縮小共役側を像側としている。横軸範囲は、球面収差図および非点収差図では±０．２ｍｍ、歪曲収差図では±０．５％、色収差図では±０．０１ｍｍである。

球面収差図において、ｄ線、Ｃ線、Ｆ線に対する球面収差量を示している。非点収差図において、Ｍはｄ線におけるメリディオナル像面における非点収差量、Ｓはｄ線に対するサジタル像面における非点収差量を示している。歪曲収差図において、ｄ線に対する歪曲収差量を示している。色収差図において、Ｃ線、Ｆ線に対する倍率色収差量を示している。

図２に示されるように、いずれの収差も、広角端および望遠端の両方で、かつ各投写距離で良好に補正されており、フォーカシングや変倍に伴う収差変動も良く抑えられている。

以上説明したように、光学系１００は、中間像３０１を挟んで拡大共役側に配置された第１光学系１０１、縮小共役側に配置された第２光学系１０２とから構成され、フォーカシングおよび変倍機能を有する再結像タイプのズームレンズある。フォーカシングは、第１光学系１０１を構成する複数のレンズ群のうちレンズ群Ｂ２，Ｂ３が光軸方向へ移動することで行われる。変倍は、第２光学系１０２を構成する複数のレンズ群のうちレンズ群Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８が光軸方向へ移動することで行われる。

中間像３０１を挟んで、フォーカシング時、および変倍時にそれぞれ第２光学系１０２、および第１光学系１０１が固定であることで、中間像３０１の位置変動がほぼ起こらず光学系を実現しつつ光学性能を向上させることができる。また、第２光学系１０２の変倍位置に関係なく、フォーカシング時の各移動群と軌跡を同一にできる。

フォーカシング時に移動する２つのレンズ群のうち最も拡大共役側に配置されたレンズ群Ｂ２は、最も拡大共役側に負の屈折力のメニスカスレンズＬ２を有する。また、レンズ群Ｂ２の縮小共役側に配置されたレンズ群Ｂ３は、高分散なレンズＬ９を有する。

このような構成により、広角でありながらレンズ径を小型化可能であると共に、広い投写距離範囲において良好な光学性能を有する光学系１００を提供することができる。

なお、本実施形態では、第１光学系１０１は４つのレンズ群で構成されているが、本発明はこれに限定されない。第１光学系１０１は、異なる数のレンズ群で構成されていてもよい。また、第２光学系１０２についても群数や各群の構成を適宜変更可能である。

また、本実施形態では光学系１００を、画像投影装置に使用する光学系として説明したが、色合成光学系２００を変更し、光変調素子３００をＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどに置き換えることで、撮像光学系としても使用できる。

また、各使用用途等に応じてバックフォーカスの値等も変更可能である。
［第２の実施形態］
図３は、本実施形態に係る光学系１００の光路図である。光学系１００は変倍機能を有するズームレンズであり、図３では投写距離７７５ｍｍでの広角端における光路図が示されている。

各レンズ群の正、負のパワー配置、および第１光学系１０１や第２光学系１０２を構成するレンズ群の数は、第１の実施形態と同様であるが、個々のレンズ群を構成する単レンズの枚数は一部異なっている。

本実施形態では、第１の実施形態に対してフォーカシングに際して移動するレンズ群を１つ増やし、像面湾曲の変動をより良好に補正可能である。

また、変倍についても移動するレンズ群を１つ増やすことで高倍化しつつ、変倍時の収差変動補正の改善を図っている。

本実施形態では、フォーカシングは、第１光学系１０１のレンズ群Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４が各々異なる軌跡で光軸方向へ移動することで行われる。レンズ群Ｂ１は、フォーカシングに際して固定である。

第１光学系１０１において、フォーカシングに際して移動するレンズ群のうちレンズ群（第１レンズ群）Ｂ２は、最も拡大共役側に負の屈折力のメニスカスレンズＬ２を有する。メニスカスレンズＬ２は、非球面を有する。

本実施形態では、レンズ群Ｂ２の最も縮小共役側に配置されたレンズ群Ｂ３は、高分散な単レンズであるレンズ（第１レンズ）Ｌ８で構成されている。レンズＬ８のアッベ数νは２２.７６であり、条件式（１）を満足している。したがって、倍率色収差を良好に補正可能である。

瞳をメニスカスレンズＬ２とレンズＬ８との間に配置することでレンズＬ８に対する軸外光線の高さを大きくしている点や縮小共役側の光学系の大型化を抑えるためレンズ群Ｂ３のパワーを正としている点は第１の実施形態と同様である。

本実施形態では、フォーカシングに際してレンズ群Ｂ４も移動させることにより、像面湾曲の変動をより良好に補正可能である。

光学系１００の広角端が、より広角側であるほど投写距離が変化したときに像面湾曲が大きく発生するため、特に半画角が６０°を超えるような場合には、本実施形態のようにフォーカシングに際して移動するレンズ群を３つとすることが好ましい。

また、レンズ群Ｂ４より縮小共役側の光学系の大型化を抑えるために、レンズ群Ｂ４のパワーは正であることが好ましい。

また、本実施形態では、変倍は第２光学系１０２を構成するレンズ群Ｂ５，Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８が各々異なる軌跡で第２光学系１０２の光軸方向へ移動することで行われる。開口絞りＳＴは、レンズ群Ｂ９の一部であり、ズーミングに際して移動しない。すなわち、光学系１００は変倍に伴うＦナンバー変化が起こらないズームレンズとなっている。

また、本実施形態では、メニスカスレンズＬ２からレンズＬ８に至るまでの光学系の焦点距離は−１４６．４５ｍｍ、レンズＬ８の焦点距離は４０．９１ｍｍであり、条件式（６）を満足している。

また、本実施形態では、レンズ群Ｂ２は両凸レンズＬ５、両凹レンズＬ６、両凸レンズＬ７からなる接合レンズを有する。両凸レンズＬ５、両凹レンズＬ６、両凸レンズＬ７の各アッベ数は４６．６２，２３．７８，６８．６２であり、条件式（３）乃至（５）を満足している。

図４は、本実施形態における投写距離５４２ｍｍ，７７５ｍｍ，２３２５ｍｍでの広角端および望遠端の光学系１００の収差図である。いずれの収差も、広角端および望遠端の両方で、かつ各投写距離で良好に補正されており、フォーカシングや変倍に伴う収差変動も良く抑えられている。

以上説明したように、光学系１００は、中間像３０１を挟んで拡大共役側に配置された第１光学系１０１、縮小共役側に配置された第２光学系１０２とから構成され、フォーカシングおよび変倍機能を有する再結像タイプのズームレンズある。フォーカシングは、第１光学系１０１を構成する複数のレンズ群のうちレンズ群Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４が光軸方向へ移動することで行われる。変倍は、第２光学系１０２を構成する複数のレンズ群のうちレンズ群Ｂ５，Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８が光軸方向へ移動することで行われる。

中間像３０１を挟んで、フォーカシング時、および変倍時にそれぞれ第２光学系１０２、および第１光学系１０１が固定であることで、中間像３０１の位置変動がほぼ起こらず光学系の小型化を実現しつつ光学性能を向上させることができる。また、第２光学系１０２の変倍位置に関係なく、フォーカシング時の各移動群と軌跡を同一にできる。

フォーカシング時に移動する３つのレンズ群のうち最も拡大共役側に配置されたレンズ群Ｂ２は、最も拡大共役側に負の屈折力のメニスカスレンズＬ２を有する。また、レンズ群Ｂ２の縮小共役側に配置されたレンズ群Ｂ３は、高分散なレンズＬ８を有する。

このような構成により、広角でありながらレンズ径を小型化可能であると共に、広い投写距離範囲において良好な光学性能を有する光学系１００を提供することができる。
［第３の実施形態］
図５は、本実施形態に係る光学系１００の光路図である。光学系１００は変倍機能を有するズームレンズであり、図５では投写距離１１６３ｍｍでの広角端における光路図が示されている。

光学系１００は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、拡大側共役面と中間像とを共役にする正の屈折力の第１光学系１０１、中間像と縮小側共役面とを共役にする正の屈折力の第２光学系１０２からなる。

第１光学系１０１は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、各々パワーが負、正、正、正であるレンズ群Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４から構成される。第２光学系１０２は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、各々パワーが負、正、負、正、負、正、正であるレンズ群Ｂ５，Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８，Ｂ９，Ｂ１０，Ｂ１１から構成される。ＳＴは開口絞りである。

本実施形態では、フォーカシングは、第１光学系１０１のレンズ群Ｂ２，Ｂ３が各々異なる軌跡で光軸方向へ移動することで行われる。レンズ群Ｂ１，Ｂ４は、フォーカシングに際して固定である。

第１光学系１０１において、フォーカシングに際して移動するレンズ群のうちレンズ群（第１レンズ群）Ｂ２は、最も拡大共役側に負の屈折力のメニスカスレンズＬ２を有する。メニスカスレンズＬ２は、非球面を有する。

本実施形態では、レンズ群Ｂ２の最も縮小共役側に配置されたレンズ群Ｂ３は、高分散な単レンズであるレンズ（第１レンズ）Ｌ８で構成されている。レンズＬ８のアッベ数νは２２.７６であり、条件式（１）を満足している。したがって、倍率色収差を良好に補正可能である。

瞳をメニスカスレンズＬ２とレンズＬ８との間に配置することでレンズＬ８に対する軸外光線の高さを大きくしている点や縮小共役側の光学系の大型化を抑えるためレンズ群Ｂ３のパワーを正としている点は第１および第２の実施形態と同様である。

また、本実施形態では、変倍は第２光学系１０２を構成するレンズ群Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８，Ｂ９，Ｂ１０が各々異なる軌跡で第２光学系１０２の光軸方向へ移動することで行われる。開口絞りＳＴは、レンズ群Ｂ１０の一部であり、ズーミングに際して移動する。すなわち、光学系１００は変倍に伴いＦナンバーが変化するズームレンズとなっている。

また、本実施形態では、メニスカスレンズＬ２からレンズＬ８に至るまでの光学系の焦点距離は１４２．７２ｍｍ、レンズＬ８の焦点距離は６４．４１ｍｍであり、条件式（６）を満足している。

また、本実施形態では、レンズ群Ｂ２は両凸レンズＬ５、両凹レンズＬ６、両凸レンズＬ７からなる接合レンズを有する。両凸レンズＬ５、両凹レンズＬ６、両凸レンズＬ７の各アッベ数は３７．１３，２３．７８，６８．６２であり、条件式（３）乃至（５）を満足している。

図６は、本実施形態における投写距離６９７ｍｍ，１１６３ｍｍ，３４８９ｍｍでの広角端および望遠端の光学系１００の収差図である。いずれの収差も、広角端および望遠端の両方で、かつ各投写距離で良好に補正されており、フォーカシングや変倍に伴う収差変動も良く抑えられている。

以上説明したように、光学系１００は、中間像３０１を挟んで拡大共役側に配置された第１光学系１０１、縮小共役側に配置された第２光学系１０２とから構成され、フォーカシングおよび変倍機能を有する再結像タイプのズームレンズある。フォーカシングは、第１光学系１０１を構成する複数のレンズ群のうちレンズ群Ｂ２，Ｂ３が光軸方向へ移動することで行われる。変倍は、第２光学系１０２を構成する複数のレンズ群のうちレンズ群Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８，Ｂ９，Ｂ１０が光軸方向へ移動することで行われる。

中間像３０１を挟んで、フォーカシング時、および変倍時にそれぞれ第２光学系１０２、および第１光学系１０１が固定であることで、中間像３０１の位置変動がほぼ起こらず光学系の小型化を実現しつつ光学性能を向上させることができる。また、第２光学系１０２の変倍位置に関係なく、フォーカシング時の各移動群と軌跡を同一にできる。

フォーカシング時に移動する３つのレンズ群のうち最も拡大共役側に配置されたレンズ群Ｂ２は、最も拡大共役側に負の屈折力のメニスカスレンズＬ２を有する。また、レンズ群Ｂ２の縮小共役側に配置されたレンズ群Ｂ３は、高分散なレンズＬ８を有する。

このような構成により、広角でありながらレンズ径を小型化可能であると共に、広い投写距離範囲において良好な光学性能を有する光学系１００を提供することができる。
［第４の実施形態］
図７は、本実施形態に係る光学系１００の光路図である。光学系１００は変倍機能を有するズームレンズであり、図７では投写距離１４６３ｍｍでの広角端における光路図が示されている。

光学系１００は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、拡大側共役面と中間像とを共役にする正の屈折力の第１光学系１０１、中間像と縮小側共役面とを共役にする正の屈折力の第２光学系１０２からなる。

第１光学系１０１は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、各々パワーが正、正、正であるレンズ群Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３から構成される。第２光学系１０２は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、各々パワーが負、正、負、正、負、正、正であるレンズ群Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８，Ｂ９，Ｂ１０から構成される。ＳＴは開口絞りである。

本実施形態では、フォーカシングは、第１光学系１０１のレンズ群Ｂ１，Ｂ２が各々異なる軌跡で光軸方向へ移動することで行われる。レンズ群Ｂ３は、フォーカシングに際して固定である。

第１光学系１０１において、フォーカシングに際して移動するレンズ群のうちレンズ群（第１レンズ群）Ｂ１は、最も拡大共役側に負の屈折力のメニスカスレンズＬ１を有する。メニスカスレンズＬ１は、非球面を有する。

本実施形態では、レンズ群Ｂ１の最も縮小共役側に配置されたレンズ群Ｂ２は、高分散な単レンズであるレンズ（第１レンズ）Ｌ７で構成されている。レンズＬ７のアッベ数νは２２.７６であり、条件式（１）を満足している。したがって、倍率色収差を良好に補正可能である。

瞳をメニスカスレンズＬ２とレンズＬ７との間に配置することでレンズＬ７に対する軸外光線の高さを大きくしている点や縮小共役側の光学系の大型化を抑えるためレンズ群Ｂ３のパワーを正としている点は第１乃至第３の実施形態と同様である。

また、本実施形態では、変倍は第２光学系１０２を構成するレンズ群Ｂ５，Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８，Ｂ９が各々異なる軌跡で第２光学系１０２の光軸方向へ移動することで行われる。開口絞りＳＴは、レンズ群Ｂ９の一部であり、ズーミングに際して移動する。すなわち、光学系１００は変倍に伴いＦナンバーが変化するズームレンズとなっている。

また、本実施形態では、メニスカスレンズＬ２からレンズＬ７に至るまでの光学系の焦点距離は９５．８３ｍｍ、レンズＬ７の焦点距離は６２．１９ｍｍであり、条件式（６）を満足している。

また、本実施形態では、レンズ群Ｂ１は両凸レンズＬ４、両凹レンズＬ５、両凸レンズＬ６からなる接合レンズを有する。両凸レンズＬ４、両凹レンズＬ５、両凸レンズＬ６の各アッベ数は４０．７７，２３．７８，６８．６２であり、条件式（３）乃至（５）を満足している。

図８は、本実施形態における投写距離７００ｍｍ，１４６３ｍｍ，４３９３ｍｍでの広角端および望遠端の光学系１００の収差図である。いずれの収差も、広角端および望遠端の両方で、かつ各投写距離で良好に補正されており、フォーカシングや変倍に伴う収差変動も良く抑えられている。

以上説明したように、光学系１００は、中間像３０１を挟んで拡大共役側に配置された第１光学系１０１、縮小共役側に配置された第２光学系１０２とから構成され、フォーカシングおよび変倍機能を有する再結像タイプのズームレンズある。フォーカシングは、第１光学系１０１を構成する複数のレンズ群のうちレンズ群Ｂ１，Ｂ２が光軸方向へ移動することで行われる。変倍は、第２光学系１０２を構成する複数のレンズ群のうちレンズ群Ｂ５，Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８，Ｂ９が光軸方向へ移動することで行われる。

中間像３０１を挟んで、フォーカシング時、および変倍時にそれぞれ第２光学系１０２、および第１光学系１０１が固定であることで、中間像３０１の位置変動がほぼ起こらず光学系の小型化を実現しつつ光学性能を向上させることができる。また、第２光学系１０２の変倍位置に関係なく、フォーカシング時の各移動群と軌跡を同一にできる。

フォーカシング時に移動する２つのレンズ群のうち最も拡大共役側に配置されたレンズ群Ｂ１は、最も拡大共役側に負の屈折力のメニスカスレンズＬ２を有する。また、レンズ群Ｂ１の縮小共役側に配置されたレンズ群Ｂ２は、高分散なレンズＬ７を有する。

このような構成により、広角でありながらレンズ径を小型化可能であると共に、広い投写距離範囲において良好な光学性能を有する光学系１００を提供することができる。
［第５の実施形態］
図９は、本実施形態に係る光学系１００の光路図である。光学系１００は変倍機能を有するズームレンズであり、図９では投写距離１１６３ｍｍでの広角端における光路図が示されている。

光学系１００は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、拡大側共役面と中間像とを共役にする正の屈折力の第１光学系１０１、中間像と縮小側共役面とを共役にする正の屈折力の第２光学系１０２からなる。

第１光学系１０１は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、各々パワーが正、正であるレンズ群Ｂ１，Ｂ２から構成される。第２光学系１０２は、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、各々パワーが正、負、正、正、正、正であるレンズ群Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，Ｂ７，Ｂ８から構成される。ＳＴは開口絞りである。

本実施形態では、フォーカシングは、レンズ群Ｂ１が第１光学系１０１の光軸方向へ移動することで行われる。レンズ群Ｂ２は、フォーカシングに際して固定である。

レンズ群（第１レンズ群）Ｂ１は、最も拡大共役側に負の屈折力のメニスカスレンズＬ１を有する。メニスカスレンズＬ１は、非球面を有する。

本実施形態では、レンズ群Ｂ１は、最も縮小共役側に高分散なレンズＬ７を有する。すなわち、本実施形態では、他の実施形態とは異なり、メニスカスレンズＬ１を有するレンズ群Ｂ１が高分散なレンズ（第１レンズ）Ｌ７を有する。レンズＬ７のアッベ数νは２２.７６であり、条件式（１）を満足している。したがって、倍率色収差を良好に補正可能である。

瞳をメニスカスレンズＬ１とレンズＬ７との間に配置することでレンズＬ７に対する軸外光線の高さを大きくしている点や縮小共役側の光学系の大型化を抑えるためレンズＬ７のパワーを正としている点も第１乃至第４の実施形態と同様である。

また、本実施形態では、変倍は第２光学系１０２を構成するレンズ群Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，Ｂ７が各々異なる軌跡で第２光学系１０２の光軸方向へ移動することで行われる。開口絞りＳＴは、レンズ群Ｂ７の一部であり、ズーミングに際して移動する。すなわち、光学系１００は変倍に伴いＦナンバー変化がするズームレンズとなっている。

また、本実施形態では、メニスカスレンズＬ２からレンズＬ７に至るまでの光学系の焦点距離は−３１２．４８ｍｍ、レンズＬ７の焦点距離は５１．５１ｍｍであり、条件式（６）を満足している。

また、本実施形態では、レンズ群Ｂ１は両凸レンズＬ４、両凹レンズＬ５、両凸レンズＬ６からなる接合レンズを有する。両凸レンズＬ４、両凹レンズＬ５、両凸レンズＬ６の各アッベ数は４６．６２，２４．８０，６７．７４であり、条件式（３）乃至（５）を満足している。

図１０は、本実施形態における投写距離７００ｍｍ，１１６３ｍｍ，３４９３ｍｍでの広角端および望遠端の光学系１００の収差図である。いずれの収差も、広角端および望遠端の両方で、かつ各投写距離で良好に補正されており、フォーカシングや変倍に伴う収差変動も良く抑えられている。

以上説明したように、光学系１００は、中間像３０１を挟んで拡大共役側に配置された第１光学系１０１、縮小共役側に配置された第２光学系１０２とから構成され、フォーカシングおよび変倍機能を有する再結像タイプのズームレンズある。フォーカシングは、第１光学系１０１を構成する複数のレンズ群のうちレンズ群Ｂ１が光軸方向へ移動することで行われる。変倍は、第２光学系１０２を構成する複数のレンズ群のうちレンズ群Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６，Ｂ７が光軸方向へ移動することで行われる。

中間像３０１を挟んで、フォーカシング時、および変倍時にそれぞれ第２光学系１０２、および第１光学系１０１が固定であることで、中間像３０１の位置変動がほぼ起こらず光学系の小型化を実現しつつ光学性能を向上させることができる。また、第２光学系１０２の変倍位置に関係なく、フォーカシング時の各移動群と軌跡を同一にできる。

フォーカシング時に移動する２つのレンズ群のうち最も拡大共役側に配置されたレンズ群Ｂ１は、最も拡大共役側に負の屈折力のメニスカスレンズＬ２を有する。また、レンズ群Ｂ１は、最も縮小共役側に高分散なレンズＬ７を有する。

このような構成により、広角でありながらレンズ径を小型化可能であると共に、広い投写距離範囲において良好な光学性能を有する光学系１００を提供することができる。

表１乃至表５に、第１乃至第５の実施形態の光学系１００の具体的な数値データを示す。

各表（Ａ）には、レンズ構成を示している。ｆは焦点距離、ＦｎｏはＦナンバー、ωは半画角（度）を表す。焦点距離の符号がマイナスとなっているが、これは中間像を有するために拡大側共役面と縮小側共役面とは正立像として結像されるためであり、光学系１００としては正のパワーであることに注意されたい。

また、近軸曲率半径ｒは各面の曲率半径、面間隔ｄは各面と次の面との間の軸上の間隔、屈折率ｎとアッベ数νはｄ線に対する各光学部材の材料の屈折率とアッベ数である。なお、ある材料のアッベ数νは、フラウンホーファ線のｄ線（５８７．６ｎｍ）、Ｆ線（４８６．１ｎｍ）、Ｃ線（６５６．３ｎｍ）における屈折率をＮｄ、ＮＦ、ＮＣとするとき、
ν＝（Ｎｄ−１）／（ＮＦ−ＮＣ）
で表される。

また、光学面が以下の式（７）で表される非球面である場合、面番号の左側に＊の符号を付している。ｙは光軸からの径方向の距離、ｚは光軸方向の面のサグ量、ｒは近軸曲率半径、ｋはコーニック係数である。ｚの符号は、拡大共役側から縮小共役側へ向かう方向が正である。また、ＳＴは開口絞りを示している。

各表（Ｂ）には、各面の係数を示している。なお、「Ｅ±ｘ」は、「１０^±ｘ」を意味している。

各表（Ｃ）には、フォーカシング時および変倍時に変化する各面間隔（群間隔）を示している。距離Ｌは、投写距離である。

［画像投影装置］
図１１は、本発明の光学系１００を投写光学系として有する画像投影装置の概略図である。照明光学系５２は、光変調素子に対してむらの少ない照明を実現する機能を有する。色分離光学系５３は、照明光学系５２からの光を光変調素子に対応した任意の色に分解する。偏光ビームスプリッタ５４，５５は、入射した光を透過または反射させる。反射型画像表示素子５７，５８，５９は、入射した光を電気信号に応じて変調する。色合成光学系５６は、各光変調素子からの光を１つに合成する。投射光学系６０は、本発明の光学系１００を備え、色合成光学系５６で合成された光をスクリーン６１などの被投写面に投射する。照明光学系５２、色分離光学系５３、偏光ビームスプリッタ５４，５５および色合成光学系５６は、光源５１からの光を画像表示素子に導くための導光光学系である。

画像投影装置の一例として反射型画像表示素子を３つ用いた装置を示したが、本発明はこれに限定されない。
［撮像装置］
次に、本発明の光学系１００を撮像光学系として用いたデジタルスチルカメラ（撮像装置）の実施例について、図１２を用いて説明する。図１２において、１０はカメラ本体、１１は第１乃至第５の実施形態で説明したいずれかの光学系によって構成された撮影光学系である。１２はカメラ本体に内蔵され、撮影光学系１１によって形成された光学像を受光して光電変換するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）である。カメラ本体１０はクイックリターンミラーを有する所謂一眼レフカメラでも良いし、クイックリターンミラーを有さない所謂ミラーレスカメラでも良い。

このように本発明の光学系をデジタルスチルカメラ等の撮像装置に適用することにより、広角かつレンズが小型である撮像装置を得ることができる。
［撮像システム］
なお、各実施例のズームレンズと、ズームレンズを制御する制御部とを含めた撮像システム（監視カメラシステム）を構成してもよい。この場合、制御部は、ズーミングやフォーカシングに際して各レンズ群が上述したように移動するようズームレンズを制御することができる。このとき、制御部がズームレンズと一体的に構成されている必要はなく、制御部をズームレンズとは別体として構成してもよい。例えば、ズームレンズの各レンズを駆動する駆動部に対して遠方に配置された制御部（制御装置）が、ズームレンズを制御するための制御信号（命令）を送る送信部を備える構成を採用してもよい。このような制御部によれば、ズームレンズを遠隔操作することができる。

また、ズームレンズを遠隔操作するためのコントローラーやボタンなどの操作部を制御部に設けることで、ユーザーの操作部への入力に応じてズームレンズを制御する構成を採ってもよい。例えば、操作部として拡大ボタン及び縮小ボタンを設け、ユーザーが拡大ボタンを押したらズームレンズの倍率が大きくなり、縮小ボタンを押したらズームレンズの倍率が小さくなるように、制御部からズームレンズの駆動部に信号が送られるように構成すればよい。

また、撮像システムは、ズームレンズのズームに関する情報（移動状態）を表示する液晶パネルなどの表示部を有していてもよい。ズームレンズのズームに関する情報とは、例えばズーム倍率（ズーム状態）や各レンズ群の移動量（移動状態）である。この場合、表示部に示されるズームレンズのズームに関する情報を見ながら、操作部を介してユーザーがズームレンズを遠隔操作することができる。このとき、例えばタッチパネルなどを採用することで表示部と操作部とを一体化してもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。

１００ 光学系（結像光学系）
１０１ 第１光学系
１０２ 第２光学系
３０１ 中間像
Ｂ１，Ｂ２ レンズ群（第１レンズ群）

Claims (16)

1. 拡大共役側から縮小共役側へ順に、正の屈折力の第１光学系、正の屈折力の第２光学系から構成され、前記拡大共役側の拡大共役点が前記第１光学系と前記第２光学系の間の中間結像位置に結像し、前記中間結像位置に結像した像が前記縮小共役側の縮小共役点に再結像する結像光学系であって、
   前記第１光学系は、フォーカシングに際して光軸方向へ移動するレンズ群のうち最も拡大共役側に配置された第１レンズ群を有し、
   前記第２光学系は、フォーカシングに際して固定であり、ズーミングに際して光軸方向へ移動する少なくとも一つのレンズ群を有し、
   前記第１レンズ群は、最も拡大共役側に負の屈折力のメニスカスレンズを備えることを特徴とする結像光学系。
2. 前記メニスカスレンズは、非球面を有することを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
3. 前記第１光学系は、前記メニスカスレンズより縮小共役側に配置され、アッベ数をνとするとき、
   ０＜ν≦４０
   なる条件式を満足する第１レンズを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の結像光学系。
4. 前記メニスカスレンズと前記第１レンズとの間で、軸外光線の主光線が前記光学系の光軸と交差することを特徴とする請求項３に記載の結像光学系。
5. 前記第１レンズは、単レンズであることを特徴とする請求項３又は４に記載の結像光学系。
6. 前記第１レンズのパワーは、正であることを特徴とする請求項３乃至５の何れか一項に記載の結像光学系。
7. 前記メニスカスレンズから前記第１レンズに至るまでの光学系の焦点距離をｆ_１、前記第１レンズの焦点距離をｆ_２とするとき、
   

   

   
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項３乃至６の何れか一項に記載の結像光学系。
8. 前記第１レンズ群は、接合レンズを有することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の結像光学系。
9. 前記接合レンズは、３枚の単レンズからなることを特徴とする請求項８に記載の結像光学系。
10. 前記接合レンズは、拡大共役側から縮小共役側へ順に配置された、両凸レンズ、両凹レンズ、両凸レンズからなることを特徴とする請求項９に記載の結像光学系。
11. 前記３枚の単レンズのそれぞれのアッベ数を拡大共役側から順にν_１１，ν_１２，ν_１３とするとき、
    ν_１２＜ν_１１
    ν_１２＜ν_１３
    ν_１１＜ν_１３
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項９又は１０に記載の結像光学系。
12. 前記第１光学系は、フォーカシングに際して光軸方向へ移動する１つの移動レンズ群を有することを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の結像光学系。
13. 前記第１光学系は、フォーカシングに際して光軸方向へ移動する２つの移動レンズ群を有することを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の結像光学系。
14. 前記第１光学系は、フォーカシングに際して光軸方向へ移動する３つの移動レンズ群を有することを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の結像光学系。
15. 前記移動レンズ群のうち前記第１レンズ群とは異なるレンズ群のパワーは、正であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の結像光学系。
16. 光変調素子と、
    請求項１乃至１５の何れか一項に記載の結像光学系とを有することを特徴とする画像投影装置。
    

Images