JP3982363B2 - 投射レンズ、プロジェクション表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投射レンズ、及びこのような投射レンズが搭載されるプロジェクション表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、プロジェクション表示装置が広く普及している。
このようなプロジェクション表示装置の１つとして、透過型のスクリーンに対してその背面側から画像光を投射することにより表示を行う、いわゆる背面投射型のプロジェクション表示装置が知られている。
【０００３】
上記のような背面投射型のプロジェクション表示装置では、例えば、白色光源の光をリフレクタ等によりコリメートした光束が色分解ミラーで、赤、緑、青の３色の光束に分解される。
そして、上記３色の光束は、赤、緑、青（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の映像電気信号に応じて形成される各２次元画像表示素子（例えばＬＣＤ；Liquid Crystal Display）に入光される。これら赤、緑、青に対応する各２次元画像表示素子上に得られた像光は、色合成光学系にて白色に色合成され、投射レンズを介して透過型のスクリーン上に拡大投射される。
【０００４】
なお、同様な構成のレンズとして、クイックリターンミラーによる制限等を考慮して、バックフォーカスの長い一眼レフカメラ用の広角系の写真レンズや、ＣＲＴ(Cathode Ray Tube)によるプロジェクションテレビ用の広角投射レンズも数多く提案されている。
【０００５】
また、プロジェクション表示装置として、投射レンズを形成するレンズ系において、光路を変換する構造を採る場合がある。
これにより、プロジェクション表示装置内における投射装置の筐体の配置方向や、投射装置内部の色分離から色合成までの各種光学素子の設置方向を変更したり、更には、上記各種光学素子を小型化することが可能となって、プロジェクション表示装置の小型化を図ることが可能になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
また、特に近年のプロジェクション表示装置においては、投影映像の高精細化、及び装置全体の小型化の要求が強くなってきていることから、投射レンズとしても、より広角であることや、より高い光学性能が求められている。
【０００７】
しかしながら、上記のようなプロジェクション表示装置の構成では、色合成光学系として、ダイクロイックプリズムまたはダイクロイックミラー等の光学素子を配置する必要上の制限から、２次元画像表示素子から投射レンズの最後端までの距離に相当する、いわゆるバックフォーカスを長めに確保しなければならない。
【０００８】
また、プロジェクション表示装置として、１つの投射装置で透過型のスクリーン全体に拡大画像を形成する場合、プロジェクション表示装置自体のコンパクト化のためには、投射距離（例えば投射レンズの出射端からミラーを介して透過型スクリーンに至る中心光線長）を短縮する必要がある。そのためには、投射レンズを広角化し出射光の発散角を大きくして大画面を得る必要がある。
【０００９】
また、２次元画像表示素子に光源から至る光を透過させ、２次元画像表示素子上の画像を高いコントラストでスクリーンに拡大投影するには、２次元画像表示素子から、垂直に近い角度で射出してくる光束を利用しなければならない。
従って、投射レンズの軸外の主光線が２次元画像表示素子に垂直となるようにテレセントリック性を有することが必要となる。
【００１０】
また、２次元画像表示素子には、通常ＬＣＤ等のディスプレイデバイスが採用されるが、ＬＣＤはマトリックス電極を用いて駆動されるため、ＣＲＴを用いた場合と異なり、投射レンズの歪曲を補正することは困難である。つまり、ＣＲＴの場合であれば、糸巻き歪み補正などのラスタ形状の補正機能を利用することで投射レンズの歪曲を補正することが比較的容易に可能となるが、ＬＣＤのようにドットマトリクス表示が行われるディスプレイデバイスでは、このようなラスターの歪み補正は通常行われない。
上記のような事情からすれば、投射レンズの歪曲収差は出来る限り小さいことが望ましい。しかしながら、このことは、投射レンズの広角化や長いバックフォーカスを得ることに対して障害となるものである。
つまり、投射レンズとして、広角化及び長いバックフォーカスを確保したうえで、テレセントリック性を与えると、レンズ全長が長くなったり、レンズ径などが大きくなる傾向を有してしまうことが分かっている。
【００１１】
また、前述もしたように、投射レンズを形成するレンズ系において、光路を変換する構造を採るようにすれば、プロジェクション表示装置の高さを抑え、奥行きを薄いものとすることができる。この結果、プロジェクション表示装置の小型化を図ることが可能になるのであるが、近年においては、このような光路変換を行う投射レンズを備えたプロジェクション表示装置についても、さらなる小型化が要求されている。また、投影映像の高精細化も促進されている状況にある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は上記した課題を解決するために、その系中において光路変換が行われる投射レンズとして、広画角、短投射距離で長いバックフォーカスと大きな軸外光量とテレセントリック性を有し、しかも、歪曲収差や諸収差の小さいものが得られるようにすることを目的とする。また、このような投射レンズが搭載されたプロジェクション表示装置を提供することを目的とする。
【００１３】
このために本発明は、分離された色光の各々に対応して備えられ、これらの分離された色光の各々を駆動電圧により光変調し、映像色光として形成する横長な矩形の画像形成素子と、この画像形成素子から出力される映像色光としての光を合成する光合成素子と、これらの光合成素子により合成された光が入射される第２レンズ群と、この第２レンズ群を通過した光が絞りを介して入射される第１Ｂレンズ群と、横長な矩形形状に形成され、第１Ｂレンズ群を通過した光について、その短辺方向に沿って所定角度を成して上向きに反射させて出射するようにされた光路変換手段と、この光路変換手段から入射された光を透過してスクリーンに対して投射するようにして設けられ、画像形成素子の短辺方向に対応して有効光線外とされる部分がカットされた形状のレンズを有する第１Ａレンズ群とを備え、第２レンズ群、第１Ｂレンズ群および第１Ａレンズ群の組み合わせにより全体として正の屈折力を有するレンズと負の屈折力を有するレンズが組み合わされたレトロフォーカスタイプとなるようにして、投射レンズを構成することとした。
【００１４】
また、光源と、この光源からの光を複数の色光に分離する光分離手段と、この光分離手段により分離された色光の各々に対応して備えられ、これら分離された色光の各々を駆動電圧により光変調し、映像色光として形成する横長な矩形の画像形成素子と、これら画像形成素子から出力される映像色光としての光を合成する光合成素子と、これら光合成素子により合成された光が入射される第２レンズ群と、この第２レンズ群を通過した光が絞りを介して入射される第１Ｂレンズ群と、横長な矩形形状に形成され、第１Ｂレンズ群を通過した光について、その短辺方向に沿って所定角度を成して上向きに反射させて出射するようにされた光路変換手段と、この光路変換手段から入射された光を透過してスクリーンに対して投射するようにして設けられ、画像形成素子の短辺方向に対応して有効光線外とされる部分がカットされた形状のレンズを有する第１Ａレンズ群と、この第１Ａレンズ群により投射された画像を表示するスクリーンとを備え、第２レンズ群、第１Ｂレンズ群および第１Ａレンズ群の組み合わせから成るレンズ系としては、全体として正の屈折力を有するレンズと負の屈折力を有するレンズが組み合わされたレトロフォーカスタイプとされるようにして、プロジェクション表示装置を構成することとした。
【００１６】
上記各構成によれば、本発明の投射レンズ単体、又は、本発明のプロジェクション表示装置を構成する投射レンズとしては、その内部に光路変換手段を備えていることとなる。そして、このような投射レンズにつき、上記構成によるレンズ群と光路変換手段の配置とすることで、高画角であって、かつ長いバックフォーカスでありながらも短い投射距離が確保され、かつ、テレセントリック性が保たれる投射レンズを得ることが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の投射レンズ及びプロジェクション表示装置について説明することとする。本実施の形態のプロジェクション表示装置としては、２次元画像表示素子としてＬＣＤを採用した背面投射型とされると共に、本実施の形態の投射レンズは、この背面投射型のプロジェクション表示装置の投射装置に備えられるものとされる。
【００１８】
なお、以降の説明は次の順序で行うこととする。
１．プロジェクション表示装置の構成
１−１．全体構成（第１例）
１−２．全体構成（第２例）
１−３．投射装置の内部構成（第１例）
１−４．投射装置の内部構成（第２例）
１−５．投射装置の内部構成（第３例）
２．レンズ
３．投射レンズの構成
３−１．レンズの配置構造
３−２．条件式
３−３．数値実施形態等
【００１９】
１．プロジェクション表示装置の構成
１−１．全体構成（第１例）
先ず、本実施の形態の投射レンズを備えた投射装置を搭載して構成され得るプロジェクション表示装置に全体構成について説明する。
【００２０】
図１（ａ）（ｂ）は、このようなプロジェクション表示装置の全体構成として、第１例を示す側面図、及び正面図である。
これらの図に示すプロジェクション表示装置５００では、そのキャビネット５０１の背面において曲折ミラー５０４が設けられ、また、キャビネット５０１の前面には、透過型のスクリーン２１が設けられる。曲折ミラー５０４は、次に説明する投射装置５０２から投射された画像光を反射してスクリーン２１に投射できる角度を有して取り付けられる。
【００２１】
投射装置５０２は、図の実線で示されるようにしてキャビネット５０１内において、その下側に設置される。なお、破線は、従来の投射装置及びプロジェクション表示装置を示している。
投射装置５０２の光学ユニット５０３内には、後述する光源、ダイクロイックミラー、液晶パネルブロック、及びダイクロイックプリズム（光合成素子）等の光学部品が配置されており、これらの動作によって画像光としての光束を得る。ここで得られた画像光としての光束は投射レンズ２０により投射されて、投射光６００として出射される。
また、本実施の形態においては、投射レンズ２０を形成するレンズ系の光路内において、光路を変換するための曲折ミラーＭが配置される。これにより、本実施の形態では、画像光としての光束が投射レンズ２０内で折り曲げられることになる。
【００２２】
このような構造のプロジェクション表示装置５００では、投射光６００は、曲折ミラー５０４に対して照射されるようにして、上向きに投射レンズ２０から出射される。そして、投射レンズ２０から出射された投射光６００は曲折ミラー５０４にてその光路が折り曲げられて、スクリーン２１に対して照射されることになる。
スクリーン２１には、投射レンズ２０から投射された投射光により得られる拡大画像が表示されることになる。例えば鑑賞者は、投射レンズ２０が配置されているのとは反対の方向からスクリーン２１を見ることによって、表示画像を鑑賞するようにされる。
【００２３】
図１の実線に示すようにして、投射レンズ２０において光路を変換するという手法は、主として、プロジェクション表示装置５００のキャビネット５０１の小型化を図るために採用されるものである。
つまり、例えば図１の場合であれば、投射装置５０２の光学ユニット５０３内にて得られた画像光としての光束の光路を、投射レンズ２０において上向きに９０°変換してやるようにしている。これにより、投射装置５０２の光学ユニット５０３自体は、図１に示されるように、ほぼ平置き（実際には図１（ａ）から分かるように、曲折ミラー５０４に適正に投射光６００が照射されるように斜めとなる）の状態が得られると共に、光学ユニット５０３の正面（投射装置５０２が取り付けられている側の側面）／背面が、プロジェクション表示装置５００のキャビネット５０１の側面に対向するようにして設置することが可能になる。
これにより、例えば、破線に示される従来の投射装置５０２のようにして光路を変換しない場合に比較して、プロジェクション表示装置５００のキャビネット５０１におけるスクリーン２１より下側の部分のスペースも小さくて済むことになるため、キャビネット５０１の高さＨを小さくすることが可能となるものである。また、従来の投射装置５０２において、キャビネット５０１の高さを小さくするため、投射装置５０２を上に移動させ、曲折ミラー５０４との距離を短くすると、曲折ミラー５０４とスクリーン２１の距離を採る必要があるため、キャビネット５０１の奥行きＤが大きくなる。これに比較して、光路を変換した投射装置５０２では、プロジェクション表示装置５００のキャビネット５０１の奥行きＤを小さくすることが可能になる。
【００２４】
１−２．全体構成（第２例）
また、本実施の形態に対応するプロジェクション表示装置としての全体構成の第２例を図２（ａ）（ｂ）に示す。なお、この図において図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
この図に示すプロジェクション表示装置５００Ａでは、投射装置５０２Ａが設けられる。この投射装置５０２Ａは、図２（ａ）に示す光路６００ａの経路からも分かるように、投射レンズ２０において、光路を９０°以上変換している。
【００２５】
このような構成のプロジェクション表示装置５００Ａについても、従来の投射装置のようにして光路を変換しない構成と比較した場合には、キャビネット５０１の高さＨを小さくすることが可能であり、また、キャビネット５０１の奥行きＤを小さくすることも可能になる。
また、図１に示す構成では、投射装置５０２の光学ユニット５０３が、若干斜めとなる位置状態（図１（ａ）参照）により配置されていたのであるが、図２に示す投射装置５０２Ａのようにして、光路を９０°以上変換するようにすれば、図２（ａ）にも示されるようにして、投射装置５０２Ａを完全な平置きの状態として配置させることが可能となる。
【００２６】
なお、本発明が採用され得るプロジェクション表示装置としては、上記図１及び図２に示す構成に限定されるものではなく、例えば、プロジェクション表示装置のキャビネット内における投射装置の設置形態等も、投射装置の投射レンズにおける光路変換方向等によって適宜変更されて構わないものである。
【００２７】
１−３．投射装置の内部構成（第１例）
続いて、上記図１及び図２に示した投射装置５０２，５０２Ａの内部構成について、図３を参照して説明する。
図３は、本実施の形態の投射レンズを搭載し得る投射装置５０２，５０２Ａとして、第１例としての内部構造を概念的に示している。ここでは、スクリーン２１以外の部位が投射装置５０２，５０２Ａを形成するものとされる。
なお、本実施の形態では、図１及び図２に示したように、プロジェクション表示装置の構造として、投射レンズ２０とスクリーン２１との間に曲折ミラー５０４が設けられて光路が変換されるのであるが、ここでは、投射装置５０２，５０２Ａの内部構成の説明を主眼とする都合上、図３における曲折ミラー５０４の図示は共に省略している。
【００２８】
図３に示す投射装置５０２，５０２Ａとしては、例えばメタルハライドランプ等から成る光源としてのランプ１が、リフレクタ２（放物面鏡）の焦点位置に配置されている。ランプ１から照射された光は、リフレクタ２により反射されて光軸にほぼ平行となるようにコリメートされて、リフレクタ２の開口部から出射される。
上記リフレクタ２の開口部から出射された光のうち、赤外領域及び紫外領域の不要光線はＩＲ−ＵＶカットフィルタ３によって遮断されて、表示に有効な光線（色光）のみがその後段に配されている各種光学素子に導かれることになる。
【００２９】
ＩＲ−ＵＶカットフィルタ３の後段には、マルチレンズアレイ４に続き、マルチレンズアレイ５が配される。
この場合、マルチレンズアレイ４は、後述する光変調手段である各液晶パネルブロックの有効開口のアスペクト比に等しい相似形をした外形を持つ複数の凸レンズが、その位相を例えば１／２ずらした状態で千鳥格子状に配列された平型形状を有するようにされている。
マルチレンズアレイ５は、上記マルチレンズアレイ４の凸レンズに対向する側に複数の凸レンズ５ａが形成されている平凸型とされる。
これらマルチレンズアレイ４及びマルチレンズアレイ５を配置することにより、ＩＲ−ＵＶカットフィルタ３を通過した光束が効率よく、かつ均一に後述する液晶パネルブロックの有効開口に照射されるようにされる。
【００３０】
マルチレンズアレイ５と液晶パネルブロックの有効開口の間には、ランプ１からの光束を赤、緑、青色に分解するためにダイクロイックミラー６、１０が配置されている。
この図に示す例では、まずダイクロイックミラー６で赤色の光束Ｒを反射し緑色の光束Ｇ及び青色の光束Ｂを透過させている。このダイクロイックミラー６で反射された赤色の光束Ｒはミラー７により進行方向を９０゜曲げられて赤色用の液晶パネルブロック９の前のコンデンサーレンズ８に導かれる。
【００３１】
一方、ダイクロイックミラー６を透過した緑色及び青色の光束Ｇ，Ｂはダイクロイックミラー１０により分離されることになる。すなわち、緑色の光束Ｇは反射されて進行方向を９０゜曲げられて緑色用の液晶パネル１２前のコンデンサーレンズ１１に導かれる。そして青色の光束Ｂはダイクロイックミラー１０を透過して直進し、リレーレンズ１３、ミラー１４、反転用リレーレンズ１５、ミラー１６を介して青色用の液晶パネル１８前のコンデンサーレンズ１７に導かれる。
【００３２】
このようにして、赤、緑、青色の各光束Ｒ，Ｇ，Ｂは各々のコンデンサーレンズ８、１１、１７を通過して各色用の液晶パネルブロック９、１２、１８（ライトバルブに相当）に入射される。
これら各色の液晶パネルブロック９、１２、１８においては、それぞれ、液晶パネルが備えられると共に、液晶パネルの前段に入射した光の偏光方向を一定方向に揃えるための入射側偏光板が設けられる。また、液晶パネルの後段には出射した光の所定の偏光面を持つ光のみ透過するいわゆる検光子が配置され、液晶を駆動する回路の電圧により光の強度を変調するようにされている。
【００３３】
一般には、ダイクロイックミラー６、１０の特性を有効に利用するため、Ｐ偏波面の反射、透過特性を使用している。従って、各々の液晶パネルブロック９、１２、１８内の上記入射側偏光板は、図３の紙面内に平行な偏波面を透過するように配置されている。
また、液晶パネルブロック９、１２、１８を構成する各液晶パネルは例えばＴＮ（Twisted Nematic）型が用いられており、かつその動作はいわゆる例えばノーマリーホワイト型として構成され、検光子は図３の紙面に垂直な偏波光を透過するように配置されている。
【００３４】
そして、液晶パネルブロック９、１２、１８で光変調された各色の光束は、光合成素子（クロスダイクロイックプリズム）１９において図示する各面に対して入射される。この光合成素子は、所定形状のプリズムに対して反射膜１９ａ，１９ｂが組み合わされて成る。
光合成素子１９における赤色の光束Ｒは反射膜１９ａで反射され、また青色の光束Ｂは反射膜１９ｂで反射されて、投射レンズ２０に対して入射される。そして緑色の光束Ｇは光合成素子１９内を直進して透過するようにして投射レンズ２０に対して入射される。これにより、各光束Ｒ，Ｇ，Ｂが１つの光束に合成された状態で投射レンズ２０に入射されることになる。
【００３５】
投射レンズ２０では、光合成素子１９から入射された光束を投射光に変換して、例えば透過型のスクリーン２１に対して投射することになる。
【００３６】
１−４．投射装置の内部構成（第２例）
図４は本実施の形態の投射レンズ２０を搭載し得る投射装置５０２，５０２Ａの第２例としての内部構造を概念的に示すものである。なお、この図において図３と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００３７】
この場合には、マルチレンズアレイ５の後段のダイクロイックミラー６Ａにより光束Ｂを反射して、光束Ｒ、光束Ｇを通過させるようにしている。
ダイクロイックミラー６Ａにより反射された光束Ｂは、ミラー７Ａにより反射され、更に、コンデンサーレンズ８Ａを通過し、青色用の液晶パネルブロック９Ａを介して光変調された後に、図示する方向から光合成素子１９Ａに入射される。
【００３８】
ダイクロイックミラー６Ａを通過した光束Ｒ、光束Ｇは、その後段のダイクロイックミラー１０Ａに入射される。この場合、ダイクロイックミラー１０Ａでは光束Ｒを反射して、光束Ｇは通過させるようにされている。
ダイクロイックミラー１０Ａにより反射された光束Ｒは、コンデンサーレンズ１１Ａを通過し、赤色用の液晶パネルブロック１２Ａを介して光変調された後に、図示する方向から光合成素子１９Ａに入射される。
ダイクロイックミラー１０Ａを通過した光束Ｇは、リレーレンズ１３Ａ、ミラー１４Ａ、反転用リレーレンズ１５Ａ、ミラー１６Ａを介してコンデンサーレンズ１７Ａに到達する。そして、コンデンサーレンズ１７Ａを通過して、緑色用の液晶パネルブロック１８Ａを介して光変調された後に、図示する方向から光合成素子１９Ａに入射される。
【００３９】
光合成素子１９Ａも、所定形状のプリズムに対して、反射膜１９Ａ−ａ，１９Ａ−ｂが組み合わされて成る。
この光合成素子１９Ａに入射された各色の光束のうち、光束Ｂは反射膜１９Ａ−ｂにて反射されて投射レンズ２０に入射され、光束Ｇは反射膜１９Ａ−ａにて反射されて投射レンズ２０に入射される。また、光束Ｒは光合成素子１９Ａを直進するように通過して投射レンズ２０に入射される。この結果、各光束Ｒ，Ｇ，Ｂが１つの光束に合成されて投射レンズ２０に入射されることになる。
【００４０】
１−５．投射装置の内部構成（第３例）
図５は本実施の形態の投射レンズを搭載し得る投射装置の第３例としての内部構造を概念的に示すものである。なお、この図において図３及び図４と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００４１】
この場合には、ダイクロイックミラー６Ｂにより光束Ｇを反射して、光束Ｒ、光束Ｂを通過させるようにしている。
ダイクロイックミラー６Ｂにより反射された光束Ｇは、ミラー７Ｂ、コンデンサーレンズ８Ｂ、緑色用の液晶パネルブロック９Ｂを介した後、図示する方向から光合成素子１９Ｂに入射される。
【００４２】
ダイクロイックミラー６Ｂを通過した光束Ｒ、光束Ｂは、ダイクロイックミラー１０Ｂに入射されることで、光束Ｒが反射され、光束Ｂは通過するようにされている。
このダイクロイックミラー１０Ｂにて反射した光束Ｒは、コンデンサーレンズ１１Ｂ、赤色用の液晶パネルブロック１２Ｂを介して、図示する方向から光合成素子１９Ｂに入射される。
ダイクロイックミラー１０Ｂを通過した光束Ｂは、リレーレンズ１３Ｂ、ミラー１４Ｂ、反転用リレーレンズ１５Ｂ、ミラー１６Ｂ、コンデンサーレンズ１７Ｂ、及び青色用の液晶パネルブロック１８Ｂを順次介して、図示する方向から光合成素子１９Ｂに入射される。
【００４３】
光合成素子１９Ｂも、所定形状のプリズムに対して、反射膜１９Ｂ−ａ，１９Ｂ−ｂが組み合わされて成るものである。ここでは、光合成素子１９Ｂに入射された各色の光束のうち、光束Ｇは反射膜１９Ｂ−ａにて反射され、光束Ｂは反射膜１９Ｂ−ｂにて反射され、光束Ｒは光合成素子１９Ｂを直進するように通過することで、１つの光束となって投射レンズ２０に入射されることになる。
【００４４】
上記第１例〜第３例に示した構造において備えられる透過型ライトバルブ（液晶パネルブロック）としては、例えば、ＳＴＮ(Super Twisted Nematic)液晶表示素子、強誘電性液晶表示素子、高分子分散型液晶表示素子などを採用することができる。また、駆動方式としては、単純マトリックス駆動またはアクティブマトリックス駆動が挙げられる。
以上、３例を挙げて、本実施の形態としての投射装置を説明したが、これらはあくまでも一例であって、本実施の形態の投射レンズを搭載し得るプロジェクション表示装置の内部構成としては、他にも各種考えられるものである。
【００４５】
２．レンズ
また、以降説明する本実施の形態の投射レンズ２０としては、いわゆるレトロフォーカスタイプのレンズ系が採用されるのであるが、ここで、レトロフォーカスレンズの原理について図６及び図７を参照して簡単に説明しておく。
【００４６】
図６（ａ）に示すレンズＬ１は、正の屈折力を有しているものとされる。この図６（ａ）は、通常の正の屈折力を有するレンズは、物体が無限位置にあるときには、焦点位置は主点から小さな共役側の焦点距離の位置にあることを示している。
これに対して、図６（ｂ）に示すように、物点が近くにある場合には、焦点位置は長くなる。
【００４７】
一方、図６（ｃ）に示すレンズＬ２は、負の屈折力を有している。この図６（ｃ）では、負の屈折力を有するレンズでは、物体が無限位置にあるときには、主点から大きな共役側の焦点距離の位置にあることを示している。
【００４８】
そこで、図６（ｄ）に示すようにして、上記した特性を有する正の屈折力を有するレンズと、負の屈折力を有するレンズとを組み合わせることで、レトロフォーカスタイプのレンズ系を形成することができる。
このようなレトロフォーカスタイプは、前側の負の屈折力を持つレンズＬ２（レンズ群とみなしてもよい）により、―旦、大きな共役側の近距離に像を作り、その後ろの正の屈折力を持つレンズＬ１（レンズ群とみなしてもよい）はその像を物点とするため、長いバックフォーカスが得られることになる。
【００４９】
そして、本実施の形態としては、後述するように、前側の負の屈折力を持つレンズＬ２に相当する第１レンズ群０において、負の屈折力を有する第１Ａレンズ群１００と、正の屈折力を有する第１Ｂレンズ群２００の間隔を広く取ると共に、バランスのよい屈折力配分とすることで、投射レンズ２０内における光路変換を可能とするだけの広い空間が得られるようにしているものである。
【００５０】
また、ここでレトロフォーカスタイプのレンズ系における絞り位置と主光線のテレセントリック性との関係について図７に示す。
図７（ａ）に示すようにして、無限位置に物体があるとき、レンズには平行光線が入り焦点で集光する。逆に、焦点位置に物点があるとき、レンズから平行光線が射出することになる。
ここで、図７（ｂ）に示すようにして、主光線を絞りの中心を通る光線としたとする。この条件の下で、絞りより後のレンズ群の前側焦点位置に絞り位置を設定すれば、射出光線は平行光線となり、主光線のテレセントリック性が実現できることになる。
【００５１】
また、本実施の形態の投射レンズとしては、後述するようにして、レンズ系における前側のレンズ群（前群：第１レンズ群）及び後ろ側のレンズ群（後群：第２レンズ群）の各々において、所要の非球面形状を有する非球面レンズが配置される構造を採るのであるが、ここでレンズとして非球面を使用する条件について簡略に述べておく。
【００５２】
前群の負レンズとして非球面レンズを使用する場合、光軸から離れるに従って負のパワー（負の屈折力）が弱くなる形状にする。
また、後群の正レンズに非球面レンズを使用する場合、光軸から離れるのに従って、正のパワー（正の屈折力）が弱くなる形状にする。これに対して、後群の負レンズに非球面レンズを使用する場合には、光軸から離れるのに従って、負のパワー（負の屈折力）が弱くなる形状にする。
この際、非球面レンズとしての非球面部はなるべく軸外光束の光軸からの高さが高い面に使用することが好ましい。これによって、異なる像高の光束のオーバーラップ量が小さくなり、批点収差や歪曲収差などの軸外収差の補正に効果がある。また、軸上、軸外のオーバーラップしている面に非球面部を使用すると、球面収差やコマ収差などの補正に効果がある。
【００５３】
３．投射レンズの構成
３−１．レンズの配置構造
続いて、本実施の形態としての投射レンズにおけるレンズの配置構造について、図８〜図１２、及び図１３を参照して説明する。以降説明する第１〜第５の実施の形態としての投射レンズは、先に図３〜図５に示したプロジェクション表示装置における投射レンズ２０として採用されるものである。
なお、ここでは、主として、第１〜第５の各実施の形態としてのレンズの配置構造についての説明にとどめ、各レンズの形状、レンズ間の距離等は、後に示す数値実施形態により表すものとする。
また、以降説明する図８〜図１２において、ｒ１〜ｒ２２（ｒ２０）までで示される符号はレンズ面番号を示し、ｄ１〜ｄ２１（ｄ１９）までで示される符号は主光線軸におけるレンズ面間隔及びレンズ間隔（レンズ厚）を示す。
また、本実施の形態では、曲折ミラーＭによって投射レンズ２０の内部で光路が変換される構成を採るが、図８〜図１２においては、投射レンズ２０内のレンズの位置関係を明確に示す都合上、光路は直線的に示している。このため、曲折ミラーＭとしては、この直線的光路内における配置順のみを示してある。
【００５４】
先ず、第１の実施の形態としての投射レンズ２０のレンズの配置構造について説明する。
図８は、第１の実施の形態としての投射レンズ２０のレンズの配置構造を概念的に示すレンズ断面図である。これらの図においては、図の左側がスクリーン２１の在る「スクリーン側」とされ、右側がライトバルブ及び光合成素子が在る「パネル側」とされる。また、光合成素子６０は、例えば図３〜図５に示した各光合成素子（１９，１９Ａ，１９Ｂ）を概念的に示すもので、ライトバルブ７０は、図３〜図５に示したライトバルブ（ＲＧＢ各色の液晶表示パネルブロック）を概念的に示すものである。
【００５５】
第１の実施の形態の投射レンズ２０としては、図８に示すようにスクリーン側からパネル側にかけて、第１レンズ群０、絞り４００、第２レンズ群３００が順に配列されて成るものである。
【００５６】
この場合、第１レンズ群０は、スクリーン側からパネル側にかけて順に、第１Ａレンズ群１００、第１Ｂレンズ群２００を備え、全体としては、負の屈折力を有する。また、第１レンズ群０は、第１Ａレンズ群１００と第１Ｂレンズ群２００との間に光路変換手段としての曲折ミラーＭが介在するようにされ、これにより実際には、この曲折ミラーＭにおける反射によって、第１レンズ群０内において光路が変換されることとなる。
【００５７】
この場合の第１Ａレンズ群１００は、スクリーン側からパネル側にかけて順に、メニスカスレンズ１０１、非球面レンズ１０２が配置されて成る。
ここで、最もスクリーン側に位置するメニスカスレンズ１０１は、負の屈折力を有し、スクリーン側に凸の形状を有する。非球面レンズ１０２も、負の屈折力を有し、スクリーン側に凸の形状を有するメニスカスレンズとしての全体形状を有する。また、非球面レンズ１０２におけるパネル側のレンズ面（ｒ４）は、後に示す数値実施形態における非球面係数に従った非球面を有する。そして、第１Ａレンズ群１００全体としては負の屈折力を有するようにされる。
また、第１Ｂレンズ群２００は、１枚の正レンズ２０１が配置されて成るものとされており、従って、全体として正の屈折力を有することになる。
【００５８】
また、第２レンズ群３００は、スクリーン側からパネル側にかけて順に、メニスカスレンズ３０１、非球面レンズ３０２、貼り合わせレンズ３０３、正レンズ３０６、及び正レンズ３０７が配置されて成る。
貼り合わせレンズ３０３は、スクリーン側からパネル側にかけて配置した両凹レンズ３０４、正レンズ３０５を互いに貼り合わせて構成される。また、非球面レンズ３０２のパネル側のレンズ面（ｒ１２）については、後に示す数値実施形態における非球面係数に従った非球面を有する。また、第２レンズ群中のレンズのうち、少なくとも、ライトバルブ７０側（パネル側）から配置される、正レンズ３０７、正レンズ３０６、貼り合わせレンズ３０３は、ガラスレンズとされる。
このような構成によって、第２レンズ群３００は全体として正の屈折力を有する。
【００５９】
図９のレンズ断面図は、第２の実施の形態としての投射レンズ２０のレンズ配置構造を示しており、図８と同一部分については、同一符号を付して説明を省略する。
この図に示す投射レンズ２０においては、第２レンズ群３００のレンズ配置構造として、スクリーン側からパネル側にかけて順に、非球面レンズ３１１、正レンズ３１２、貼り合わせレンズ３１３、正レンズ３１６が配置される。
非球面レンズ３１１は、スクリーン側のレンズ面（ｒ９）とパネル側側のレンズ面（ｒ１０）が非球面となっている。
また、第２レンズ群中のレンズのうち、少なくとも、ライトバルブ７０側（パネル側）から配置される、正レンズ３１６、貼り合わせレンズ３１３、正レンズ３１２は、ガラスレンズとされる。
また、この場合の貼り合わせレンズ３１３は、スクリーン側からパネル側にかけて配置した両凹レンズ３１４、正レンズ３１５を貼り合わせて成るものとされる。
【００６０】
図１０及び図１１に示すレンズ断面図は、それぞれ、第３、第４実施の形態としての投射レンズ２０のレンズ配置構造を示しており、図８及び図９と同一部分については、同一符号を付して説明を省略する。
この図に示す投射レンズ２０の第２レンズ群３００は、スクリーン側からパネル側にかけて順に、貼り合わせレンズ３２１、正レンズ３２４、正レンズ３２５、非球面レンズ３２６が配置される。つまり、この場合には、第２レンズ群３００内に配置すべき非球面レンズは、最もパネル側に位置していることになる。そして、この場合の非球面レンズ３２６は、その両面（ｒ１６、ｒ１７）が非球面となっている。
また、正レンズ３２４と正レンズ３２５と間の中心空気間隔ｄ１３は、第２レンズ群３００中において最も広い中心空気間隔とされる。
また、第２レンズ群中のレンズのうち、少なくとも、スクリーン側から配置される、貼り合わせレンズ３２１、正レンズ３２４、正レンズ３２５は、ガラスレンズとされる。
また、正レンズ３３５は、第２レンズ群中において最も強い屈折力を有している。
また、貼り合わせレンズ３２１は、スクリーン側からパネル側にかけて配置した両凹レンズ３２２、正レンズ３２３を貼り合わせて成る。
【００６１】
図１２のレンズ断面図は、第５の実施の形態としての投射レンズ２０のレンズ配置構造を示している。この図において、図８〜図１１と同一部分については、同一符号を付して説明を省略する。
この図１２に示す第５の実施の形態の投射レンズ２０においては、第２レンズ群３００のレンズ配置構造として、スクリーン側からパネル側にかけて順に、正レンズ３３１、貼り合わせレンズ３３２、正レンズ３３５、非球面レンズ３３６が配置される。
また、第２レンズ群中のレンズのうち、少なくとも、スクリーン側から配置される、正レンズ３３１、貼り合わせレンズ３３２、正レンズ３３５は、ガラスレンズとされる。
この場合の貼り合わせレンズ３３２もまた、スクリーン側からパネル側にかけて配置した両凹レンズ３３３、正レンズ３３４を貼り合わせて成る。また、非球面レンズ３３６については、その両面（ｒ１６，ｒ１７）が非球面となっている。
【００６２】
また、上記図８〜図１２には図示していないが、本実施の形態においては、第１Ｂレンズ群としての正レンズ２０１に代えて、正レンズと負レンズから成る色消しレンズとしての貼り合わせレンズとすることもできる。
このような構成とした場合には、第１レンズ群０内における色収差をはじめとする諸収差の発生が抑えられることとなって、後段の第２レンズ群３００による収差補正の程度をより少ないものとすることが可能となる。
【００６３】
また、上記各実施の形態の投射レンズ２０は、曲折ミラーＭを備えることによって、光路を所定角度により変換することになるのであるが、このような投射レンズ２０におけるレンズ群についての立体的位置関係例を図１３及び図１４に示しておく。なお、これら各図においては、図８に示した第１の実施の形態としてのレンズ構造による場合の投射レンズを示している。
これら図１３及び図１４においては、先ず、ライトバルブ７０と、このライトバルブ７０から入射された各色光を合成して白色光として投射レンズ側に出射する光合成素子６０とが示されている。
例えば光合成素子６０から、第２レンズ群３００の最もパネル側（パネル側）から入射した光は、第２レンズ群３００を形成する複数枚のレンズ（３０７→３０６→３０３（３０５→３０４）→３０２→３０１）を通過し、さらに絞り４００、第１Ｂレンズ群（正レンズ２０１）を通過して曲折ミラーＭに到達する。そしてこの場合には、上向きに所定角度により光路が変換されて、第１Ａレンズ群１００（１０２→１０１）に対して入射されているものである。
【００６４】
また、図１３及び図１４に示す投射レンズ２０の構成によると、第１Ａレンズ群を形成するレンズ（１０１，１０２）については、その外形が、光路変換の方向（画像表示素子の短辺方向）の有効光線外部分がカットされた形状を有している。
【００６５】
上記したように本実施の形態では、第１レンズ群０内において、光束の光路を所定角度により変換するようにされるが、ここで、光路を変換するのにあたっては、次に述べるように２つの手法が考えられる。
【００６６】
例えば、液晶パネルブロック（ライトバルブ７０）の表示領域は、画像のアスペクト比に対応して、それぞれ一対の長辺と短辺を有する長方形（矩形）とされている。
そこで、曲折ミラーＭにより光路変換を行うのにあたり、液晶パネルブロックを基準とすると、液晶パネルブロックの長辺方向に沿って光路を変換する手法と、短辺方向に沿って光路を変換する手法が考えられることになる。
本実施の形態としては、液晶パネルブロック（ライトバルブ７０）の長辺方向に沿って光路を変換する手法が、上記図１４に示した投射レンズ２０の構造により実現されており、液晶パネルブロック（ライトバルブ７０）の短辺方向に沿って光路を変換する手法が、上記図１３に示した投射レンズ２０の構造により実現されているものである。
なお、これら図１３及び図１４に示される曲折ミラーＭの形状としても、液晶パネルブロック（ライトバルブ７０）の表示領域形状に対応して、それぞれ一対の長辺と短辺を有する長方形（矩形）とされている。そして、曲折ミラーＭの位置状態としては、図１３おいては、その短辺方向に沿って光路が変換されるようにして配置され、図１４においては、その長辺方向に沿って光路が変換されるようにして配置されるようになっている。
【００６７】
本実施の形態としては、液晶パネルブロックの長辺と短辺の何れの方向に沿って光路を変換しても、プロジェクション表示装置のキャビネットの小型化を図ることが可能であるが、先ず、図１に示したプロジェクション表示装置の構成にしたがった場合には、次に述べるようにして光路変換を行うべきこととなる。
【００６８】
図１に示す構成によるプロジェクション表示装置５００の場合、液晶パネルブロックからの投射レンズ２０に入射した変調画像光の光束は、先ず、投射レンズ２０内の曲折ミラーＭによって反射されて光路が変換された後、更に、プロジェクション表示装置のキャビネット５０１に設けられた曲折ミラー５０４によって反射されて光路が変換されてスクリーン２１に投射される。
このようにして、液晶パネルブロックからの変調画像光は、図１に示すような位置関係を有する２枚のミラーを介してスクリーンに投影されるのであるが、この際、液晶パネルブロックからスクリーン２１に至るまでの過程において画像は９０°回転することになる。
【００６９】
従って、投射装置５０２の光学ユニット５０３内においては、液晶パネルブロックは長辺方向（画像としては水平方向）が縦方向となるようにして配置されるべきこととなる。これにより、最終的にスクリーン２１には画像長辺方向が水平方向となる適正な状態で画像が表示される。また、これに伴って、他の投射装置５０２を形成する各種光学素子も長辺方向が縦方向となるようにして配置されることになる。
【００７０】
つまり、図１に示すプロジェクション表示装置５００の光学ユニット５０３は、上記のように液晶パネルブロック及び他の光学素子の長辺方向が縦方向となるようにして配列されていることになる。そして、このような液晶パネルブロック及び光学素子の配列に対応しては、これらの長辺方向に沿って光束の光路を変換するようにする。
この場合には、結果的に、この図１に示すようにして光路の変換が行われる。つまり、投射装置５０２の光学ユニット５０３に対して、上向きとなるようにして光路が変換されることになる。
【００７１】
ところで、このようにして、投射装置５０２として液晶パネルブロック及び他の光学素子等の構成部品の長辺方向が縦方向となるようにして配置された場合、短辺が横方向となるようにされることから、各構成部品の短辺方向が縦方向となるように配置された場合に比較して、投射装置５０２の光学ユニット５０３の幅Ｗを小さくすることが容易となる。また、内部の各構成部位の配置によっては、各構成部位自体を小型化することも可能となる。
このようにして、投射装置５０２の光学ユニット５０３の小型化がより有利になることで、プロジェクション表示装置５００の小型化（特に奥行きの縮小）を更に促進することが可能になる。
【００７２】
また、図２に示した構成のプロジェクション表示装置５００Ａの場合には、液晶パネルブロックから投射レンズ２０に入射した変調画像光の光束は、先ず、投射レンズ２０内の曲折ミラーＭによって９０°以上の反射角によって反射されて光路が変換された後、曲折ミラー５０４に対して投射されることになる。そして、さらにこの曲折ミラー５０４にて反射されてスクリーン２１に投射される。この図２に示す光路とされる場合、液晶パネルブロックからの変調画像光は、液晶パネルブロックからスクリーン２１に至るまでの過程において、１８０°の回転は生じるが、図１の場合のように９０°回転することはない。
従って、図２における投射装置５０２の光学ユニット５０３内においては、液晶パネルブロックは長辺方向が横方向で、短辺方向が縦方向となるようにして配置されるべきこととなる。また、これに伴って、他の投射装置５０２を形成する各種光学素子も長辺方向が横方向となるようにして配置されるべきことになる。
【００７３】
このように、本実施の形態の投射レンズ２０としては、図１に示すプロジェクション表示装置５００の場合には、液晶パネルブロック（ライトバルブ）の長辺方向に沿って光路変換が行われるように構成し、図２に示すプロジェクション表示装置５００Ａの場合には、液晶パネルブロック（ライトバルブ）の短辺方向に沿って光路変換が行われるように構成する。
つまり、図１に示すプロジェクション表示装置５００に対しては、図１４に示した光路変換構造の投射レンズ２０を採用し、図２に示すプロジェクション表示装置５００Ａに対しては、図１３に示した光路変換構造の投射レンズ２０を採用するものである。
【００７４】
なお、投射レンズ２０内において光路を変換する手段としては、上記曲折ミラーＭなどのミラーの構成を採るものの他、例えば、プリズムなどを採用することも考えられる。この場合、プリズム部分の光路長は、プリズムの屈折率で割った値となり、第１Ａレンズ群１００と第１Ｂレンズ群２００の物理的長さを長くすることができるので、曲折ミラーとプリズムとの間での置き換えが可能とされるものである。
また、本実施の形態のようにして、投射装置として液晶パネルブロックを利用するような場合、実際に利用する光としては、よく知られているように、Ｓ偏光成分又はＰ偏光成分の何れか一方の偏光方向のみ利用するようにされる。
そこで、投射レンズ２０内において光路を変換する曲折ミラーＭやプリズムに対して光反射効果を得るためのコーティングを施すことを考えた場合、光合成素子（１９，１９Ａ，１９Ｂ）から最終的に出射される光束の偏光面に対応して、Ｓ偏光成分又はＰ偏光成分の何れか一方の偏光方向についてのみ高い反射率を有する（強く反射する）ようにしてコーティングを行えばよいことになる。逆に言えば、本実施の形態の光路変換手段としては、必ずしもＳ偏光成分及びＰ偏光成分の両者を全反射し得る構成を採らなくてもよいものであり、例えばそれだけ高い効率で画像光を反射させることが可能になり、結果的には、コストの低減を図ることも可能となる。
【００７５】
３−２．条件式
上記構成による第１〜第３の実施の形態としての投射レンズ２０においては、次に示す条件式（１）〜（４）を満たしている。
【００７６】
全系の焦点距離をＦＬ、バックフォーカスをＦＢ、第２レンズ群３００の前側焦点位置をＦＦＦＰ２、絞り４００と第２レンズ群３００の間隔をＤｓｔ、第１レンズ群０と第２レンズ群３００の光軸上の空気換算距離をＤ２として、
ＦＢ／ＦＬ＞２．２・・・（１）
０．５９＜｜ＦＦＰ２／Ｄｓｔ｜＜０．９６・・・（２）
３．７５＜Ｄ２・・・（３）
【００７７】
また、第１Ａレンズ群１００の焦点距離をＦａ１として、
１．７４＜｜Ｆａ１／ＦＬ｜＜２．５４・・・（４）
【００７８】
続いて、上記各条件式について説明する。
例えば、本実施の形態では、投射レンズ２０において、例えば光路変換手段としての曲折ミラーＭが内蔵されるが、このために、長い空気間隔が必要とされる。また、図３〜図５に示した構成からも分かるように、プロジェクション表示装置において色合成用のダイクロイックミラーやダイクロイックプリズム等の光学素子を用いる必要があるため、投射レンズ２０としては、長いバックフォーカスが必要であり、また、テレセントリック性の強いレトロフォーカス型のレンズ構成とする必要がある。
本実施の形態において、条件式（１）（２）（３）を満たすことによっては、上記した長い空気間隔及び長いバックフォーカスの投射レンズを形成し、かつ、テレセントリック性の強いレトロフォーカス型のレンズ構成を得ることができる。
【００７９】
条件式（１）は、バックフォーカスの長さを制限している。バックフォーカスが、この条件式（１）により規定される長さよりも短くなると、色合成系の空間が無くなる。つまり、色合成プリズムが入らなくなってしまう。
【００８０】
条件式（２）は、絞り４００の位置と、テレセントリック性の範囲とを規定する。この条件式（２）の範囲を外れると、テレセントリック性が弱くなる。つまり、パネル面に入射する主光線に角度が付き過ぎて、均一なコントラストが得られなくなる。
【００８１】
条件式（３）は、光軸上において光路変換手段が入る空間を規定する。つまり、第１レンズ群０−第２レンズ群２００間に対して、曲折ミラーＭが配置できる空間を規定するものである。この条件式（３）により示される下限値を越えると、スクリーン側のレンズ径が大きくなる。また、上限値を越えると、第１Ｂレンズ群の正屈折力が大きくなり、非点収差や歪曲収差の補正が困難となる。
【００８２】
また、本実施の形態において、第１Ａレンズ群１００を形成するレンズは、スクリーン側に凸のメニスカスレンズ１０１と、同じくスクリーン側に凸のメニスカスレンズとされ、かつ、パネル側のレンズ面（ｒ４）が非球面とされる非球面レンズ１０２から成る。つまり、全てのレンズは、負の屈折力を有する、スクリーン側に凸のメニスカスレンズ形状を有しており、これによって、第１Ａレンズ群１００全体としても負の屈折力を有するようにされている。そして、このような負の屈折力を有する第１Ａレンズ群１００については、各軸外光束をレンズの異なる部分を通過させるようにすれば、光線の屈折の状態を少しづつ変化させることになるので、各面の収差の発生を少なくして第２レンズ群３００に伝播することができる。
条件式（４）は、このような第１Ａレンズ群１００が有するとされる、負の屈折力の範囲を規定するものである。
この条件式（４）により示される上限値を越えると、第１Ａレンズ群１００のレンズ径が大きくなり、第１Ｂレンズ群２００以降の正の屈折力を強くしなければならず、これによって発生した諸収差の補正が困難となる。
また、下限値を越えると、レンズの曲率が強くなり過ぎ、第１Ａレンズ群１００にて発生した収差を、以降のレンズ群により補正することが難しくなって好ましくない。
【００８３】
３−３．数値実施形態等
上記第１〜第５の実施の形態の投射レンズ２０としての数値実施形態は、それぞれ図１５〜図１９により示される。
図１５〜図１９の各図（ａ）において、「面数」はスクリーン側から数えたレンズ面の面番号（レンズ面番号）であり、これは図８〜図１２において、ｒ１〜ｒ２１（ｒ１９）までの符号により示したレンズ面に対応する。そして、これらの各レンズ面番号に対応して、レンズ面の曲率半径、レンズ面間隔、波長５８７．５６ｍｍのレンズの屈折率、レンズのアッベ数を示す。また、図１５〜図１９の各図（ａ）の欄外のＦＬは当該投射レンズの焦点距離を示し、Ｍは投射倍率を示し、ＦｎｏはＦナンバーを示し、２Ｗは画角を示す。
【００８４】
また、図１５（ｂ）（ｃ）及び図１６〜図１９の各図（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示す、非球面としての面形状（非球面係数）は、面の中心を原点とし、光軸方向をＺとした直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）において、ｒを中心曲率半径、Ｋを円錐定数、Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０をそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数とするとき、
【数１】

で示される式により表されるものとする。
【００８５】
また、図２０に、第１〜第５の実施の形態において、先に説明した条件式（１）〜（４）についての具体的な計算値例を示す。
【００８６】
また、図２１〜図２５の各々により、第１〜第５の実施の形態の投射レンズ２０についての球面収差、非点収差、及び歪曲収差を示す。
なお、これら各図に示す諸収差図に示す結果を得るのにあたっては、数値実施形態には示していないが、色合成のためのプリズムである、図３〜図５に示した光合成素子１９（１９Ａ，１９Ｂ）として、所定の中心面間隔を有する平行平面板を入れて計算を行っている。但し、このような色合成プリズムに関する数値は、本発明としての投射レンズの構成に影響を与えるものではない。
【００８７】
また、上記第１〜第５の実施の形態としての投射レンズの実際の構造は、図８〜図１２に示したものに限定されるものではなく、これまで説明した条件式が満たされる限り、各レンズ群を形成するレンズ枚数等の変更があっても構わないものである。
また、上記実施の形態においては、本発明の投射レンズは、背面投写型のプロジェクション表示装置において、液晶パネル、ライトバルブを二次元画像表示素子として利用した投射装置に備えられるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、フロントプロジェクション方式など、背面投写型以外のプロジェクション装置や、一眼レフカメラ用、工業用カメラ、電子写真用等の広角系の写真レンズ、さらに、ＣＲＴを利用したプロジェクションテレビ用の投射レンズなどにも適用が可能とされる。
【００８８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、以下の効果を得ることができる。
先ず、請求項１及び請求項１２に記載の発明により、例えばプロジェクション表示装置に投射レンズを利用したときに必要となる長い空気間隔と、長いバックフォーカスを形成し、かつ、テレセントリック性の強いレトロフォーカス型のレンズ構成を得ることができるものである。
【００８９】
また、請求項２及び請求項１３に記載の発明により、第１Ａレンズ群を形成するレンズにおける各レンズ面の収差の発生を少なくして、以降のレンズ群に対して光を伝播させていくことが可能となる。そして、第１レンズ群が有する負の屈折力により、一旦、大きな共役側（スクリーン側）の近距離に像を作り、第２レンズ群がその像を物点として長いバックフォーカスを得ることができることになる。
【００９０】
また、請求項３及び請求項１４に記載の発明によっては、第１Ｂレンズ群を貼り合わせレンズとすることで、第１レンズ群内での色収差をはじめとする諸収差の発生が抑えられ、第２レンズ群における収差補正の程度を軽減することができる。そして特に、適切な色補正を行うことが可能とされるものである。
【００９１】
また、請求項４及び請求項１５、請求項５及び請求項１６、請求項６及び請求項１７、請求項７及び請求項１８、請求項８及び請求項１９、請求項９及び請求項２０に記載した発明による第２レンズ群中のガラスレンズ及び非球面レンズの配置とすることで、諸収差を良好に補正することが可能になる。
【００９２】
また、請求項１０及び請求項２１に記載の発明による、第２レンズ群内の非球面レンズの形状とすることで、諸収差を良好に補正することが可能とされることになる。
【００９３】
また、請求項１１及び請求項２２に記載した発明では、光路変換手段を、Ｐ偏光成分又はＳ偏光成分の何れかを強く反射するように構成するのであるが、例えば、当該投射レンズを備えた投射装置の光学系において、Ｐ偏光成分又はＳ偏光成分の何れか１方向の偏光面を利用しているような場合には、敢えてＰ偏光成分とＳ偏光成分の両方の偏光面に対応して平均的に反射する構成を採る必要は無い。従って、このような場合には、請求項１１及び請求項２２に記載した発明を適用して、光学系が利用する偏光成分のみを強く反射する光路変換手段とすることで、画像光を効率良く反射することが可能とされる。
【００９４】
即ち、これまでの各請求項に記載した発明により、バックフォーカスが長く、強いテレセントリック性を有し、特に液晶パネルを用いた投射装置では高コントラストで投射でき、更には、歪曲収差等をはじめとする諸収差が少ないようにされた、内部で光路変換を行う投射レンズが実現されるものである。
【００９５】
また、請求項２３及び請求項２４に記載の発明によっては、プロジェクション表示装置を構成する投射レンズとして、長い空気間隔と、長いバックフォーカスを形成し、かつ、テレセントリック性の強いレトロフォーカス型のレンズ構成を得ることができる。また、光路変換を行わない構成の投射レンズを備えた場合と比較して、プロジェクション表示装置のキャビネットの小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の投射レンズを備えたプロジェクション表示装置の全体構成（第１例）を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の投射レンズを備えたプロジェクション表示装置の全体構成（第２例）を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の投射レンズを備えたプロジェクション表示装置の内部構成（第１例）を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態の投射レンズを備えたプロジェクション表示装置の内部構成（第２例）を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態の投射レンズを備えたプロジェクション表示装置の内部構成（第３例）を示す図である。
【図６】レトロフォーカスレンズの原理を示す説明図である。
【図７】絞り位置と主光線のテレセントリック性との関係を示す説明図である。
【図８】第１の実施の形態としての投射レンズの構造例を示すレンズ断面図である。
【図９】第２の実施の形態としての投射レンズの構造例を示すレンズ断面図である。
【図１０】第３の実施の形態としての投射レンズの構造例を示すレンズ断面図である。
【図１１】第４の実施の形態としての投射レンズの構造例を示すレンズ断面図である。
【図１２】第５の実施の形態としての投射レンズの構造例を示すレンズ断面図である。
【図１３】本実施の形態（第１の実施の形態）の投射レンズとして、ライトバルブの短辺方向に沿って光路変換を行う場合のの構造例を立体的に示す立体図である。
【図１４】本実施の形態（第１の実施の形態）の投射レンズとして、ライトバルブの長辺方向に沿って光路変換を行う場合のの構造例を立体的に示す立体図である。
【図１５】第１の実施の形態としての投射レンズの数値実施形態を示す図である。
【図１６】第２の実施の形態としての投射レンズの数値実施形態を示す図である。
【図１７】第３の実施の形態としての投射レンズの数値実施形態を示す図である。
【図１８】第４の実施の形態としての投射レンズの数値実施形態を示す図である。
【図１９】第５の実施の形態としての投射レンズの数値実施形態を示す図である。
【図２０】第１〜第５の各実施の形態において条件式（１）〜（４）についての計算値例を示す図である。
【図２１】第１の実施の形態としての投射レンズの球面収差、非点収差、及び歪曲収差を示す収差図である。
【図２２】第２の実施の形態としての投射レンズの球面収差、非点収差、及び歪曲収差を示す収差図である。
【図２３】第３の実施の形態としての投射レンズの球面収差、非点収差、及び歪曲収差を示す収差図である。
【図２４】第４の実施の形態としての投射レンズの球面収差、非点収差、及び歪曲収差を示す収差図である。
【図２５】第５の実施の形態としての投射レンズの球面収差、非点収差、及び歪曲収差を示す収差図である。
【符号の説明】
１ ランプ、２ リフレクタ、３ ＩＲ−ＵＶカットフィルタ、４，５ マルチレンズアレイ、６，６Ａ、６Ｂ ダイクロイックミラー、７，７Ａ，７Ｂ ミラー、８，８Ａ，８Ｂ コンデンサーレンズ、９，９Ａ，９Ｂ 液晶パネルブロック、１０，１０Ａ，１０Ｂ ダイクロイックミラー、１１，１１Ａ，１１Ｂ コンデンサーレンズ、１２，１２Ａ，１２Ｂ 液晶パネルブロック、１３，１３Ａ，１３Ｂ リレーレンズ、１４，１４Ａ，１４Ｂ ミラー、１５，１５Ａ，１５Ｂ 反転用リレーレンズ、１６，１６Ａ，１６Ｂ ミラー、１７，１７Ａ，１７Ｂ コンデンサーレンズ、１８，１８Ａ、１８Ｂ 液晶パネルブロック、１９，１９Ａ，１９Ｂ 光合成素子、１９ａ，１９ｂ，１９Ａ−ａ，１９Ａ−ｂ，１９Ｂ−ａ，１９Ｂ−ｂ 反射膜 ２０ 投射レンズ、２１ スクリーン、６０ 光合成素子、７０ ライトバルブ、０ 第１レンズ群、１００ 第１Ａレンズ群、１０１ メニスカスレンズ、１０２ 非球面レンズ、２００ 第１Ｂレンズ群、２０１ 正レンズ、３００ 第２レンズ群、３０１ 正レンズ、３０２ 正レンズ、３０３ 貼り合わせレンズ、３０４ 非球面レンズ、３０５ 正レンズ、３０６ 正レンズ、３０７ 正レンズ、３１１ 非球面両凹レンズ、３１２ 非球面正レンズ、３１３ 貼り合わせレンズ、３１４ 両凹レンズ、３１５ 正レンズ、３１６ 正レンズ、３２１ 貼り合わせレンズ、３２２ 両凹レンズ、３２３ 正レンズ、３２４ 正レンズ、３２５ 正レンズ、３２６ 非球面レンズ、３３１ 正レンズ、３３２ 貼り合わせレンズ、３３３ 両凹レンズ、３３４正レンズ、３３５ 正レンズ、３３６ 非球面レンズ、４００ 絞り、Ｍ 曲折ミラー、５００，５００Ａ プロジェクション表示装置、５０１ キャビネット、５０２，５０２Ａ 投射装置、５０３ 光学ユニット、５０４ スクリーン、５０４ 曲折ミラー、６００ 投射光、６００ａ 光路

Claims (13)

1. 分離された色光の各々に対応して備えられ、該分離された色光の各々を駆動電圧により光変調し、映像色光として形成する横長な矩形の画像形成素子と、
   該画像形成素子から出力される上記映像色光としての光を合成する光合成素子と、
   上記光合成素子により合成された光が入射される第２レンズ群と、
   上記第２レンズ群を通過した光が絞りを介して入射される第１Ｂレンズ群と、
   横長な矩形形状に形成され、上記第１Ｂレンズ群を通過した光について、その短辺方向に沿って所定角度を成して上向きに反射させて出射するようにされた光路変換手段と、
   上記光路変換手段から入射された光を透過してスクリーンに対して投射するようにして設けられ、上記画像形成素子の短辺方向に対応して有効光線外とされる部分がカットされた形状のレンズを有する第１Ａレンズ群と、
   を備え、上記第２レンズ群、第１Ｂレンズ群および第１Ａレンズ群の組み合わせにより全体として正の屈折力を有するレンズと負の屈折力を有するレンズが組み合わされたレトロフォーカスタイプとなるようにされている、
   ことを特徴とする投射レンズ。
2. 上記第２レンズ群、第１Ｂレンズ群および第１Ａレンズ群により全系の焦点距離をＦＬ、上記画像形成素子から第１Ａレンズ群最先端までのバックフォーカスをＦＢ、上記第２レンズ群の前側焦点位置をＦＦＰ２、上記絞りと上記第２レンズ群の間隔をＤｓｔ、上記第１Ａレンズ群と上記第１Ｂレンズ群の光軸上の空気換算距離をＤ２として、
   ＦＢ／ＦＬ＞２．２
   ０．５９＜｜ＦＦＰ２／Ｄｓｔ｜＜０．９６
   ３．７５＜Ｄ２／ＦＬ
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
3. 上記第１Ｂレンズ群は、貼り合わせレンズであることを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
4. 上記第２レンズ群は、画像形成素子側より、最も近い順に、少なくとも正レンズ、正レンズ、貼り合わせレンズのガラスレンズを備えて構成されることを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
5. 上記第２レンズ群は、画像形成素子側より、最も近い順に、少なくとも正レンズ、貼り合わせレンズ、正レンズのガラスレンズを備えて構成されることを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
6. 上記第２レンズ群は、スクリーン側より、少なくとも貼り合わせレンズ、正レンズ、当該第２レンズ群中で最も広い中心空気間隔を経て正レンズの順でガラスレンズを備えて構成されることを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
7. 上記第２レンズ群は、スクリーン側より、少なくとも正レンズ、貼り合わせレンズ、当該第２レンズ群中で最も屈折力の強い正レンズのガラスレンズを備えて構成されることを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
8. 上記第２レンズ群中の上記非球面レンズは、最もスクリーン側に位置することを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
9. 上記第２レンズ群中の上記非球面レンズは、最も画像形成素子側に位置することを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
10. 上記第２レンズ群中の上記非球面レンズは、負の屈折力を有する両凹レンズであることを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
11. 上記光路変換手段は、Ｓ偏光成分よりもＰ偏光成分を強く反射するように構成される、又はＰ偏光成分よりもＳ偏光成分を強く反射するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
12. 光源と、
    該光源からの光を複数の色光に分離する光分離手段と、
    該光分離手段により分離された色光の各々に対応して備えられ、該分離された色光の各 々を駆動電圧により光変調し、映像色光として形成する横長な矩形の画像形成素子と、
    該画像形成素子から出力される上記映像色光としての光を合成する光合成素子と、
    上記光合成素子により合成された光が入射される第２レンズ群と、
    上記第２レンズ群を通過した光が絞りを介して入射される第１Ｂレンズ群と、
    横長な矩形形状に形成され、上記第１Ｂレンズ群を通過した光について、その短辺方向に沿って所定角度を成して上向きに反射させて出射するようにされた光路変換手段と、
    上記光路変換手段から入射された光を透過してスクリーンに対して投射するようにして設けられ、上記画像形成素子の短辺方向に対応して有効光線外とされる部分がカットされた形状のレンズを有する第１Ａレンズ群と、
    上記第１Ａレンズ群により投射された画像を表示するスクリーンとを備え、
    上記第２レンズ群、第１Ｂレンズ群および第１Ａレンズ群の組み合わせから成るレンズ系としては、全体として正の屈折力を有するレンズと負の屈折力を有するレンズが組み合わされたレトロフォーカスタイプとされている、
    ことを特徴とするプロジェクション表示装置。
13. 上記第２レンズ群、第１Ｂレンズ群および第１Ａレンズ群により全系の焦点距離をＦＬ、上記画像形成素子から第１Ａレンズ群最先端までのバックフォーカスをＦＢ、上記第２レンズ群の前側焦点位置をＦＦＰ２、上記絞りと上記第２レンズ群の間隔をＤｓｔ、上記第１Ａレンズ群と上記第１Ｂレンズ群の光軸上の空気換算距離をＤ２として、
    ＦＢ／ＦＬ＞２．２
    ０．５９＜｜ＦＦＰ２／Ｄｓｔ｜＜０．９６
    ３．７５＜Ｄ２／ＦＬ
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１２に記載のプロジェクション表示装置。

Images