JP4952225B2

JP4952225B2 - 投影光学系

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Publication number: JP4952225B2
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Inventors: 聡大澤
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
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Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2012-06-13
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Also published as: JP2008145639A

Description

本発明は投影光学系に関するものであり、例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)やＬＣＤ(liquid crystal display)を表示素子とする画像投影装置に搭載されて、表示素子面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系に関するものである。

近年、デジタル・マイクロミラー・デバイスやＬＣＤを表示素子としたプロジェクタが普及しつつある。そして、フロントプロジェクション，リアプロジェクションのそれぞれに適した投影光学系として、様々なタイプのものが提案されている(例えば、特許文献１，２参照。)。
特開２０００−１３７１６５号公報特開２００４−２２６５１０号公報

フロントプロジェクション用の投影光学系の場合、６０inch程度の投影像を得ようとすると、投影距離は２ｍ程度必要である。このため、従来の投影光学系では狭い室内で十分に大きな映像を得ることは困難である。一方、リアプロジェクション用の投影光学系には投影距離の短いものもあり、それを用いれば６０inch程度の投影像を得ることは可能である。しかし、リアプロジェクション用の投影光学系はフロントプロジェクションに使用するにはレンズ径が大きいため、プロジェクタ全体の大型化を招いてしまう。また、リアプロジェクション用の投影光学系としては、一般に単焦点レンズが使用されるため、投影距離を大きくとると逆に像が大きくなりすぎてしまう。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、投影距離が１ｍ以下の近距離で変倍可能な拡大投影を行うことのできる、コンパクトかつ高性能な投影光学系を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の投影光学系は、スクリーン面上に表示素子面の画像を変倍可能に拡大投影する投影光学系であって、拡大側から順に、負パワーの第１群と、負パワーの第２群と、正パワーの第３群と、正パワーの第４群と、をズーム群として含み、さらに最も縮小側に正レンズが配置され、以下の条件式(1)，(2)及び(3)を満足することを特徴とする。
0.2＜f1／f2＜0.8 …(1)
0.1＜Yd／Lb＜0.5 …(2)
45°＜ωkw＜70° …(3)
ただし、
f1：第１群の焦点距離、
f2：第２群の焦点距離、
Lb：最も縮小側に配置された正レンズとその拡大側に隣り合って位置するレンズとの最短間隔、
Yd：最大像高、
ωkw：広角端，最近接投影状態での最大半画角、
である。

第２の発明の投影光学系は、上記第１の発明において、以下の条件式(6)を満足することを特徴とする。
0.6＜f3／f4＜1.35 …(6)
ただし、
f3：第３群の焦点距離、
f4：第４群の焦点距離、
である。

第３の発明の投影光学系は、上記第１又は第２の発明において、以下の条件式(8)を満足することを特徴とする。
-13.0＜f2／fwk＜-5.0 …(8)
ただし、
fwk：広角端，最近接投影状態での全系の焦点距離、
である。

第４の発明の投影光学系は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記第１群が拡大側に凸の負メニスカスレンズを２枚以上含み、前記第２群が拡大側に両凸の空気レンズ、それよりも縮小側に正レンズを含むことを特徴とする。

第５の発明の投影光学系は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記第２群又は第３群に、アッベ数が７０以上の低分散ガラスから成るレンズを少なくとも１枚有することを特徴とする。

本発明によれば、拡大側から順に負・負・正・正のズーム群を含む構成になっているため、超広角化しても全変倍域で像面湾曲と歪曲収差を良好に補正することが可能である。また、最も縮小側に正レンズが配置された構成になっているため、表示素子面を照明するために必要な瞳位置を確保することが可能である。したがって、投影距離が１ｍ以下の近距離で変倍可能な拡大投影を行うことのできる、コンパクトかつ高性能な投影光学系を実現することができる。また、本発明に係る投影光学系を画像投影装置に用いれば、その軽量・コンパクト化，低コスト化，高性能化，高機能化等に寄与することができる。例えば、フロントプロジェクタに用いることにより、狭い室内でも十分な大きさの映像を得ることが可能となる。

以下、本発明に係る投影光学系の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。本発明に係る投影光学系は、スクリーン面上に表示素子面の画像を変倍可能に拡大投影する、画像投影装置用の投影光学系であって、拡大側から順に、負パワーの第１群と、負パワーの第２群と、正パワーの第３群と、正パワーの第４群と、をズーム群として含み、さらに最も縮小側に正レンズが配置された構成を特徴としている。

前述したように、従来のフロントプロジェクタ用の投影光学系では、変倍を行っても狭い室内で十分に大きな映像を得ることは困難である。一方、リアプロジェクタではスクリーン面のサイズが固定であるため、ズーム機能は通常必要とされない。したがって、従来のリアプロジェクタには単焦点レンズから成る投影光学系が用いられているが、単焦点レンズをフロントプロジェクションに使用した場合、投影距離を大きくしようとすると逆に像が大きくなりすぎてしまう。この投影距離と像倍率との関係を、図２６を用いて以下に説明する。

図２６において、ＰＪは画像投影装置、ＰＯは投影光学系、Ｓｏは表示素子面、Ｓｉはスクリーン面、ＡＸは光軸である。投影光学系ＰＯが単焦点レンズである場合、スクリーン面Ｓｉ上にサイズＡ１の投影像が得られた状態にある画像投影装置ＰＪをスクリーン面Ｓｉから遠ざけていくと、スクリーン面Ｓｉ上に得られる投影像のサイズはＡ１からＡ２へと大きくなる。つまり、投影距離と像倍率との比例関係によって、遠距離投影状態では投影像が大きくなりすぎてしまうのである。投影光学系ＰＯがズームレンズであれば、図２６において破線で示すように、遠距離投影状態でも投影像の大きさを維持することが可能である。この点から、フロントプロジェクションに使用する投影光学系にはズーム機能を備えることが好ましく、投影光学系にズーム機能を備えることにより、投影距離が１ｍ以下の近距離で変倍可能な拡大投影を行うことが可能となる。

一般的な広角ズームレンズにおいては、拡大側から順に負パワーの第１群と正パワーの第２群とを配置して、そのズーム移動により変倍を行うタイプが用いられる。しかし、このタイプでは変倍時に像面湾曲と歪曲の変動を十分に補正することができず、超広角化が困難であった。それに対し、本発明に係る投影光学系では、拡大側から順に負・負・正・正のズーム群を含む構成を採用しているため、変倍に際して負・負のズーム群が主にコンペンセータとして働き、正・正のズーム群が主にバリエータとして働きながら、負パワーの第１群と負パワーの第２群との間隔を変化させることにより像面湾曲と歪曲収差の変動を制御し、正パワーの第３群と正パワーの第４群との間隔を変化させることにより像面湾曲の変動を制御することが可能となる。したがって、超広角化しても全変倍域で像面湾曲と歪曲収差を良好に補正することが可能となる。

また本発明に係る投影光学系では、投影光学系において最も縮小側(つまり最も表示素子面側)に正パワーのレンズが配置されているため、そのコンデンサレンズとしての機能により、光源からの照明光で表示素子面を照明するために必要な瞳位置を確保することが可能である。以下に、表示素子面に画像を形成する表示素子として反射型の表示素子を備えた画像投影装置を例に挙げ、最も縮小側に配置される正レンズの機能を更に詳しく説明する。

図２７に、反射型の表示素子ＤＳ，投影光学系ＰＯ及び照明光学系ＬＯを搭載した画像投影装置ＰＪの概略光学構成例を示す。投影光学系ＰＯは、拡大側から順に負・負・正・正のズーム群を含む主レンズ系ＰＺと、最も縮小側に位置する正レンズＣＬと、で構成されている。照明光学系ＬＯから射出した照明光は、正レンズＣＬを通過して、反射型の表示素子(例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス)を照明する。表示素子ＤＳで反射した光は、投影光として正レンズＣＬを再び通過し、主レンズ系ＰＺに入射してスクリーン面Ｓｉ上に投射される。このように、投影光学系ＰＯにおいて最も縮小側に配置されている正レンズＣＬは、照明光学系ＬＯから表示素子ＤＳへの照明光と、表示素子ＤＳからスクリーン面Ｓｉへの投影光と、が両方とも通過する正パワーの固定群を成しており、そのコンデンサレンズとしての機能により、照明に必要な瞳位置を確保することが可能となる。

上述したように、拡大側から順に負・負・正・正のズーム群を含む構成を用いることにより、超広角化しても全変倍域で像面湾曲と歪曲収差を良好に補正することが可能となり、また、最も縮小側に正レンズを配置することにより、表示素子面を照明するために必要な瞳位置を確保することが可能となる。したがって、投影距離が１ｍ以下の近距離で変倍可能な拡大投影を行うことのできる、コンパクトかつ高性能な投影光学系を実現することができる。コンパクト化の観点から言えば、最も縮小側に配置された正レンズを第５群とする５群ズーム構成とすることが好ましい。つまり、投影光学系は、拡大側から順に、負パワーの第１群と、負パワーの第２群と、正パワーの第３群と、正パワーの第４群と、正パワーの第５群と、から成り、最も縮小側に配置された正レンズを第５群に含むことが好ましく、第５群が正パワーのレンズ(単レンズ又は接合レンズ)１枚から成ることが更に好ましい。なお、拡大側から順に負・負・正・正・正の５群ズーム構成において、第４群を２以上に分割して、その微小な間隔変化により更に良好な収差補正を行う構成にしてもよい。

拡大側から順に負・負・正・正のズーム群を含み、さらに最も縮小側に正レンズが配置された投影光学系において、あるいは、その最も縮小側に配置された正レンズを第５群とする(又は第５群に含む)５群ズーム構成において、更に高い光学性能等を達成する上で望ましい条件、その他の有効な構成を以下に説明する。

以下の条件式(1)，(2)及び(3)を満足することが望ましい。
0.2＜f1／f2＜0.8 …(1)
0.1＜Yd／Lb＜0.5 …(2)
45°＜ωkw＜70° …(3)
ただし、
f1：第１群の焦点距離、
f2：第２群の焦点距離、
Lb：最も縮小側に配置された正レンズとその拡大側に隣り合って位置するレンズとの最短間隔、
Yd：最大像高、
ωkw：広角端，最近接投影状態での最大半画角、
である。

条件式(1)の下限を下回ると、第２群の負のパワーが弱くなりすぎてしまい、第１群と第２群との間隔を変動させることによる像面湾曲や歪曲収差の制御が困難になる。また、条件式(1)の下限を下回って超広角を維持するには、第２群の負のパワーが強くなりすぎてしまうため、第２群で発生する像面湾曲を補正することが困難になる。条件式(1)の上限を上回ると、第１群の負のパワーが弱くなりすぎてしまい、表示素子からの光を超広角に広げることが困難になるため、超広角化を達成できなくなる。また、第１群と第２群との間隔を変動させることによる像面湾曲の補正も困難になる。

条件式(2)の下限を下回ると、最も縮小側に配置された正レンズとその拡大側に隣り合って位置するレンズとの最短間隔が大きくなりすぎてしまう。例えば、図２７に示す投影光学系ＰＯの場合、正レンズＣＬと主レンズ系ＰＺとの最短間隔Ｌｂが大きくなりすぎてしまう。その結果、投影光学系の全長が長くなったりレンズ径が大きくなりすぎたりして、コンパクト化の達成が困難になる。条件式(2)の上限を上回ると、最も縮小側に配置された正レンズとその拡大側に隣り合って位置するレンズとの間に十分な間隔を確保できなくなるため、反射型の表示素子を使用した場合に照明光を表示素子に入射させることが困難になる。

例えば、図２７に示すように反射型の表示素子ＤＳを使用した場合、照明光と投影光とを分離するために、正レンズＣＬと主レンズ系ＰＺとの間隔を確保する必要があり、それと同時に投影光学系ＰＯのコンパクト化を達成する必要もある。条件式(2)は、投影光学系ＰＯのコンパクト化を達成しながら照明光と投影光とを分離するための最短間隔Ｌｂの好ましい条件範囲を規定している。正レンズＣＬと主レンズ系ＰＺとが近すぎると、光路を分離できなくなって、照明光学系ＬＯ又は照明光路と主レンズ系ＰＺとが干渉してしまう。逆に、正レンズＣＬと主レンズ系ＰＺとが離れすぎると、無駄な空間の確保により全長や前玉径が増大し、投影光学系ＰＯや画像投影装置ＰＪ全体が大型化することになる。

条件式(3)の下限を下回ると、超広角でなくなり、短い投影距離で十分な像倍率を確保することが困難になる。条件式(3)の上限を上回ると、投影角度が大きくなりすぎて、像面湾曲や歪曲収差を良好に補正することが困難になる。

以下の条件式(4)を満足することが更に望ましい。
0.4＜f1／f2＜0.75 …(4)

この条件式(4)は、前記条件式(1)が規定している条件範囲のなかでも更に好ましい条件範囲を規定している。条件式(4)の下限を下回ると、第１群の負のパワーが強くなりすぎて、第１群での像面湾曲や歪曲収差の発生が過大となり、非球面や他の群で補正することが困難になる。条件式(4)の上限を上回ると、第１群のパワーが弱くなりすぎて、第１群と第２群との間隔を変動させることによる像面湾曲の補正を行うのが困難になる。

以下の条件式(5)を満足することが更に望ましい。
50°＜ωkw＜65° …(5)

この条件式(5)は、前記条件式(3)が規定している条件範囲のなかでも更に好ましい条件範囲を規定している。条件式(5)の下限を下回ると、超広角でなくなり、より短い投影距離で十分な像倍率を確保することが困難になる。条件式(5)の上限を上回ると、投影角度が大きくなりすぎて、第１群のレンズ径が大きくなりすぎてしまう。結果として、投影光学系はコンパクトでなくなる。

正パワーの第３群と第４群に関しては、以下の条件式(6)を満足することが望ましい。
0.6＜f3／f4＜1.35 …(6)
ただし、
f3：第３群の焦点距離、
f4：第４群の焦点距離、
である。

条件式(6)の下限を下回ると、第４群の正のパワーが弱くなりすぎて変倍時の第４群の移動量が大きくなるためレンズ全長が大きくなったり、変倍時の入射瞳の変動が大きくなるため照明の効率が落ちたりする。また、第３群の正のパワーが強くなりすぎて、第３群で発生する像面湾曲の補正が困難になる。条件式(6)の上限を上回ると、第３群の正のパワーが弱くなりすぎて、変倍時の第３群の移動量が大きくなるため、レンズ全長が大きくなる。また、第４群の正のパワーが強くなりすぎて、第４群で発生する像面湾曲や球面収差の補正が困難になる。

以下の条件式(7)を満足することが更に望ましい。
0.8＜f3／f4＜1.20 …(7)

この条件式(7)は、前記条件式(6)が規定している条件範囲のなかでも更に好ましい条件範囲を規定している。条件式(7)の下限を下回ると、第３群の正のパワーが強くなりすぎて、第３群で発生する像面湾曲の補正が困難になる。条件式(7)の上限を上回ると、第４群の正のパワーが強くなりすぎて、第４群で発生する像面湾曲や球面収差の補正が困難になる。

負パワーの第２群に関しては、以下の条件式(8)を満足することが望ましい。
-13.0＜f2／fwk＜-5.0 …(8)
ただし、
fwk：広角端，最近接投影状態での全系の焦点距離、
である。

条件式(8)の下限を下回ると、第２群の負のパワーが弱くなりすぎて超広角投影に必要な負のパワーが第１群に集中するため、第１群で発生する像面湾曲や歪曲収差の補正が困難になる。条件式(8)の上限を上回ると、第２群の負のパワーが強くなりすぎて、第２群で発生する像面湾曲や歪曲収差の補正が困難になる。なお、超広角化を達成しようとすれば第１群と第２群の負・負のパワーが強くなるので、条件式(1)と条件式(8)とを共に満たすことは高い光学性能を得る上で有効である。

フォーカシングは第１群で行うことが望ましい。第１群をフォーカス群とすることにより、良好なフォーカス特性を得ることができる。

第１群が拡大側に凸の負メニスカスレンズを２枚以上含むことが望ましい。この構成をとることで、表示素子からの光を最も拡大側の第１群で超広角に投影する場合に、２枚の拡大側に凸の負メニスカスレンズで連続的に画角を拡大することができ、像面湾曲と歪曲収差の発生を低減できるとともにレンズ偏芯による誤差感度の低減が可能となる。さらに第１群内に非球面を含む構成が望ましい。この構成をとることで、第１群で発生する像面湾曲と歪曲収差を更に良好に補正することが可能となる。その結果として、第１群の負パワーを強くすることができるため、レンズ全長を短縮することができ、第１群のレンズ径を小さくすることができるため、レンズ系がコンパクトになる。

第２群が拡大側に両凸の空気レンズ、それよりも縮小側(すなわち表示素子側)に正レンズを含むことが望ましい。その正レンズが空気レンズを構成する縮小側のレンズに隣り合って位置するのが更に望ましい。第２群の表示素子側に配置された正レンズで表示素子からの光束を一旦集束し、拡大側の空気レンズで再び発散させる構成であるため、軸外光は正レンズの光軸から離れた位置を通過し、空気レンズの部分では負の面の光軸に近い位置を通過することができる。したがって、負群として発生する像面湾曲収差を適切に補正することが可能となる。

上記観点から、第１群が拡大側に凸の負メニスカスレンズを２枚以上含み、第２群が拡大側に両凸の空気レンズ、それよりも縮小側に正レンズを含むことが望ましい。さらに、第１群に非球面を用いたり、第２群に両凸の空気レンズとその縮小側に隣り合って位置する正レンズとを組み合わせて配置したりすることが望ましい。

第２群又は第３群に、アッベ数が７０以上の低分散ガラスから成るレンズを少なくとも１枚有することが望ましい。この構成をとることにより、超広角でありながら倍率色収差の補正を良好に行うことが可能になる。第２群においては負レンズに低分散ガラスを使用することが望ましい。第２群は負群であるため、群内の負レンズのパワーが大きく、その負レンズで発生する倍率色収差を低分散ガラスの使用により抑制することができる。第３群においては正レンズに低分散ガラスを使用することが望ましい。第３群は正群であるため、群内の正レンズのパワーが大きく、その正レンズで発生する倍率色収差を低分散ガラスの使用により抑制することができる。なお、第１群を構成するレンズは径が大きいので、第２群又は第３群に低分散ガラスを使用すれば、第１群に使用した場合よりも低コストで倍率色収差補正を行うことができる。

第４群を構成する正レンズに、アッベ数が７０以上の低分散ガラスを使用することが望ましい。そのような低分散ガラスを使用することにより、軸上色収差補正を良好に行うことができる。第２群，第４群ともにアッベ数が７０以上の低分散ガラスを使用することが更に望ましい。この構成をとることにより、倍率収差と軸上色収差を共に良好に補正することができる。

前述した負・負・正・正・正の５群ズーム構成において、第５群が１枚の正レンズから成り、以下の条件式(9)，(10)のうちの少なくとも一方を満足することが望ましい。
3.0＜f5／fwk＜5.5 …(9)
-0.7＜R5r／R5f＜0.01 …(10)
ただし、
f5：第５群の焦点距離、
R5f：第５群の拡大側の面の曲率半径、
R5r：第５群の縮小側の面の曲率半径、
である。

条件式(9)の下限を下回ると、表示素子から第５群を通過した後の瞳位置が第５群に近くなってしまい、第４群と第５群との間の距離が近くなりすぎて、デジタル・マイクロミラー・デバイスや反射型ＬＣＤを表示素子として用いる場合に照明光を入射させるために必要な間隔を確保することが困難になる。また、第５群のパワーが強くなりすぎて第５群で発生する像面湾曲や歪曲収差の補正が困難になる。条件式(9)の上限を上回ると、第５群のコンデンサレンズとしての働きが弱くなりすぎて、表示素子側でテレセントリックに近くするために第４群と第５群との間の距離を長くする必要が生じる。結果として、レンズ全長が大きくなってしまう。

条件式(10)の下限を下回ると、コンデンサレンズとしての第５群の拡大側の面が拡大側に強い凸面となり、照明光が第５群の拡大側の面で反射して広げられ、第５群を透過せずに直接第４群(図２７中の主レンズ系ＰＺ)に入射し、スクリーンに到達してゴーストを発生させてしまう。条件式(10)の上限を上回ると、第５群における表示素子側に凸の正メニスカスの度合いが強くなり、主点位置が表示素子から離れるため、実効的なレンズバックが長くなる。その結果、レンズ全体が大きくなってしまう。また、レンズ全体が大きくならないようにしようとすれば、第５群での収差劣化を招くことになる。

前述した負・負・正・正・正の５群ズーム構成において、第５群に非球面を配置することが望ましく、１枚の正レンズから成る第５群に非球面を配置することが更に望ましい。第５群に非球面を配置することにより、超広角であっても歪曲収差をより一層良好に補正することが可能となる。

次に、第１〜第５の実施の形態を挙げて、本発明に係る投影光学系の具体的な光学構成を説明する。図１〜図５は、第１〜第５の実施の形態の投影光学系にそれぞれ対応するレンズ構成図であり、ズーミングにおける望遠端(Ｔ)，フォーカシングにおける最近接投影状態でのレンズ配置を光学断面で示している。各レンズ構成図中、ｒｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)が付された面は拡大側から数えてｉ番目の面であり(不図示の第１面ｒ１はダミー面である。)、ｒｉに＊印が付された面は非球面である。ｄｉが付された軸上面間隔は、拡大側から数えてｉ番目の軸上面間隔ｄｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)のうち、ズーミングにおいて変化する可変間隔である。また、矢印ｍｊ(ｊ＝１，２，３，４，５)は望遠端(Ｔ)から広角端(Ｗ)へのズーミングにおける、光軸ＡＸに沿った第ｊ群Ｇｒｊの移動をそれぞれ模式的に示しており、矢印ｍＦは最近接投影状態から遠距離投影状態へのフォーカス群(全実施の形態において第１群Ｇｒ１)の移動を模式的に示している。なお、いずれの実施の形態においても、第４群Ｇｒ４と第５群Ｇｒ５との間には第４群Ｇｒ４と一体に移動する絞りＳＴが配置されており、また、第５群Ｇｒ５は表示素子面Ｓｏに対してズーム位置・フォーカス位置とも固定になっている。

第１〜第５の実施の形態の投影光学系は、拡大側から順に、負パワーの第１群Ｇｒ１と、負パワーの第２群Ｇｒ２と、正パワーの第３群Ｇｒ３と、正パワーの第４群Ｇｒ４と、正パワーの第５群Ｇｒ５と、から成る５群ズームレンズである(パワー：焦点距離の逆数で定義される量)。各実施の形態のレンズ構成を以下に詳しく説明する。

第１の実施の形態(図１)において、各群は拡大側から順に以下のように構成されている。負パワーの第１群Ｇｒ１は、拡大側に凸の負メニスカスレンズと、拡大側に凸の負メニスカスレンズと、近軸的に両凹の負レンズと、から成っている。負パワーの第２群Ｇｒ２は、拡大側に凸の負メニスカスレンズと、両凹の負レンズと、両凸の正レンズと、両凸の正レンズと、から成っている。正パワーの第３群Ｇｒ３は、両凸の正レンズと、拡大側に凹の負メニスカスレンズと、から成っている。正パワーの第４群Ｇｒ４は、両凹の負レンズ及び両凸の正レンズから成る接合レンズと、両凸の正レンズと、拡大側に凸の負メニスカスレンズと、両凸の正レンズと、から成っている。正パワーの第５群Ｇｒ５は、両凸の正レンズ１枚から成っている。第１群Ｇｒ１はズーミング時とフォーカシング時に移動し、第２群Ｇｒ２,第３群Ｇｒ３及び第４群Ｇｒ４はズーミング時に移動し、第５群Ｇｒ５はズーミング時，フォーカシング時とも固定である。

第２の実施の形態(図２)において、各群は拡大側から順に以下のように構成されている。負パワーの第１群Ｇｒ１は、拡大側に凸の負メニスカスレンズと、拡大側に凸の負メニスカスレンズと、近軸的に両凹の負レンズと、から成っている。負パワーの第２群Ｇｒ２は、拡大側に凸の負メニスカスレンズと、両凹の負レンズと、両凸の正レンズと、両凸の正レンズと、から成っている。正パワーの第３群Ｇｒ３は、両凸の正レンズと、拡大側に凹の負メニスカスレンズと、から成っている。正パワーの第４群Ｇｒ４は、両凹の負レンズ及び両凸の正レンズから成る接合レンズと、両凸の正レンズと、両凹の負レンズと、両凸の正レンズと、から成っている。正パワーの第５群Ｇｒ５は、両凸の正レンズ１枚から成っている。第１群Ｇｒ１はズーミング時とフォーカシング時に移動し、第２群Ｇｒ２,第３群Ｇｒ３及び第４群Ｇｒ４はズーミング時に移動し、第５群Ｇｒ５はズーミング時，フォーカシング時とも固定である。

第３の実施の形態(図３)において、各群は拡大側から順に以下のように構成されている。負パワーの第１群Ｇｒ１は、拡大側に凸の負メニスカスレンズと、拡大側に凸の負メニスカスレンズと、近軸的に両凹の負レンズと、から成っている。負パワーの第２群Ｇｒ２は、両凹の負レンズと、両凹の負レンズと、両凸の正レンズと、両凸の正レンズと、から成っている。正パワーの第３群Ｇｒ３は、両凸の正レンズと、拡大側に凹の負メニスカスレンズと、から成っている。正パワーの第４群Ｇｒ４は、両凹の負レンズ及び両凸の正レンズから成る接合レンズと、両凸の正レンズと、拡大側に凸の負メニスカスレンズと、両凸の正レンズと、から成っている。正パワーの第５群Ｇｒ５は、両凸の正レンズ１枚から成っている。第１群Ｇｒ１はズーミング時とフォーカシング時に移動し、第２群Ｇｒ２,第３群Ｇｒ３及び第４群Ｇｒ４はズーミング時に移動し、第５群Ｇｒ５はズーミング時，フォーカシング時とも固定である。

第４の実施の形態(図４)において、各群は拡大側から順に以下のように構成されている。負パワーの第１群Ｇｒ１は、拡大側に凸の負メニスカスレンズと、拡大側に凸の負メニスカスレンズと、近軸的に両凹の負レンズと、から成っている。負パワーの第２群Ｇｒ２は、両凹の負レンズと、両凹の負レンズと、両凸の正レンズと、両凸の正レンズと、から成っている。正パワーの第３群Ｇｒ３は、両凸の正レンズと、拡大側に凹の負メニスカスレンズと、から成っている。正パワーの第４群Ｇｒ４は、両凹の負レンズ及び両凸の正レンズから成る接合レンズと、両凸の正レンズと、両凹の負レンズと、両凸の正レンズと、から成っている。正パワーの第５群Ｇｒ５は、両凸の正レンズ１枚から成っている。第１群Ｇｒ１はズーミング時とフォーカシング時に移動し、第２群Ｇｒ２,第３群Ｇｒ３及び第４群Ｇｒ４はズーミング時に移動し、第５群Ｇｒ５はズーミング時，フォーカシング時とも固定である。

第５の実施の形態(図５)において、各群は拡大側から順に以下のように構成されている。負パワーの第１群Ｇｒ１は、拡大側に凸の負メニスカスレンズと、拡大側に凸の負メニスカスレンズと、拡大側に凸の負メニスカスレンズと、から成っている。負パワーの第２群Ｇｒ２は、両凹の負レンズと、両凹の負レンズと、両凸の正レンズと、両凸の正レンズと、から成っている。正パワーの第３群Ｇｒ３は、両凸の正レンズと、拡大側に凹の正メニスカスレンズと、から成っている。正パワーの第４群Ｇｒ４は、両凹の負レンズ及び両凸の正レンズから成る接合レンズと、両凸の正レンズと、拡大側に凸の負メニスカスレンズと、両凸の正レンズと、から成っている。正パワーの第５群Ｇｒ５は、両凸の正レンズ１枚から成っている。第１群Ｇｒ１はズーミング時とフォーカシング時に移動し、第２群Ｇｒ２,第３群Ｇｒ３及び第４群Ｇｒ４はズーミング時に移動し、第５群Ｇｒ５はズーミング時，フォーカシング時とも固定である。

第１〜第５の実施の形態(図１〜図５)は、表示素子面Ｓｏの画像をスクリーン面Ｓｉ(図２６，図２７)上に拡大投影する、画像投影装置用の投影光学系である。したがって、表示素子面Ｓｏは光強度の変調等により２次元画像を形成する表示素子の画像形成面に相当し、スクリーン面Ｓｉはその投影像面に相当する。表示素子面Ｓｏの近傍には表示素子のカバーガラスＣＧが位置しており、各実施の形態では表示素子としてデジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)を想定している。ただし、表示素子はこれに限らず、各実施の形態の投影光学系に適した他の非発光・反射型(又は透過型)の表示素子(例えば液晶表示素子)を用いても構わない。表示素子としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合、それに入射した光は、ＯＮ／ＯＦＦ状態(例えば±１２°の傾き状態)の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に変調される。その際、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光のみが投影光学系に入射してスクリーン面Ｓｉに投射される。

以上の説明から分かるように、上述した各実施の形態や後述する各実施例には以下の画像投影装置の構成が含まれている。その構成によると、コンパクトかつ高性能でありながら狭い室内で十分な大きさの映像を変倍可能に得ることのできる画像投影装置を実現することができる。

(T1) ２次元画像を形成する表示素子と、その表示素子面の画像をスクリーン面上に変倍可能に拡大投影する投影光学系と、を備えた画像投影装置であって、前記投影光学系が、拡大側から順に、負パワーの第１群と、負パワーの第２群と、正パワーの第３群と、正パワーの第４群と、をズーム群として含み、さらに最も縮小側に正レンズが配置され、前記条件式(1)，(2)及び(3)を満足することを特徴とする画像投影装置。

(T2) 前記投影光学系が、拡大側から順に、負パワーの第１群と、負パワーの第２群と、正パワーの第３群と、正パワーの第４群と、正パワーの第５群と、から成り、最も縮小側に配置された正レンズを前記第５群に含むことを特徴とする上記(T1)記載の画像投影装置。

(T3) 前記条件式(4)〜(8)のうちの少なくとも１つを満足することを特徴とする上記(T1)又は(T2)記載の画像投影装置。

(T4) 前記第５群が正レンズ１枚(正パワーの単レンズ１枚又は正パワーの接合レンズ１枚)から成ることを特徴とする上記(T2)記載の画像投影装置。

(T5) 前記条件式(9)，(10)のうちの少なくとも一方を満足することを特徴とする上記(T4)記載の画像投影装置。

(T6) 前記第１群が拡大側に凸の負メニスカスレンズを２枚以上含み、前記第２群が拡大側に両凸の空気レンズ、それよりも縮小側に正レンズを含むことを特徴とする上記(T1)〜(T5)のいずれか１項に記載の画像投影装置。

(T7) 前記第２群又は第３群に、アッベ数が７０以上の低分散ガラスから成るレンズを少なくとも１枚有することを特徴とする上記(T1)〜(T6)のいずれか１項に記載の画像投影装置。

(T8) 前記第４群を構成する正レンズとして、アッベ数が７０以上の低分散ガラスから成るレンズを少なくとも１枚有することを特徴とする上記(T1)〜(T7)のいずれか１項に記載の画像投影装置。

(T9) 前記第１群がフォーカス群であることを特徴とする上記(T1)〜(T8)のいずれか１項に記載の画像投影装置。

(T10) 前記第５群が非球面を有することを特徴とする上記(T1)〜(T9)のいずれか１項に記載の画像投影装置。

(T11) 前記表示素子が反射型の表示素子であることを特徴とする上記(T1)〜(T10)のいずれか１項に記載の画像投影装置。

(T12) さらに前記表示素子面を照明する照明光学系を有することを特徴とする上記(T1)〜(T11)のいずれか１項に記載の画像投影装置。

以下、本発明を実施した投影光学系の構成等を、コンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例１〜５は、前述した第１〜第５の実施の形態にそれぞれ対応する数値実施例であり、第１〜第５の実施の形態を表すレンズ構成図(図１〜図５)は、対応する実施例１〜５のレンズ構成等をそれぞれ示している。

表１〜表１５に実施例１〜実施例５のコンストラクションデータを示し、表１６に各実施例の条件式対応値を示す。表１，表４，表７，表１０，表１３に示す基本的な光学構成(ｉ：面番号)において、ｒｉ(ｉ＝０，１，２，３，．．．)は拡大側から数えてｉ番目の面の曲率半径(ｍｍ)、ｄｉ(ｉ＝０，１，２，３，．．．)は拡大側から数えてｉ番目の面と(ｉ＋１)番目の面との間の軸上面間隔(ｍｍ)を示しており(データに＃印が付された軸上面間隔ｄｉは可変間隔であり、ここでは望遠端，最近接投影状態での軸上面間隔を示す。)、Ｎｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)，νｉ(ｉ＝１，２，３，．．．)は軸上面間隔ｄｉに位置する光学材料のｄ線に対する屈折率(Ｎｄ)，アッベ数(νｄ)をそれぞれ示している。なお、第１面は基準面としてのダミー面に相当し、第３２面と第３３面は表示素子面Ｓｏ(第３４面)を保護するために覆うカバーバラスＣＧの両面であり、いずれも投影光学系ＰＯの一部を成すものではない。

表３，表６，表９，表１２，表１５にそれぞれ示すデータは、各実施例においてズーミングやフォーカシングにより変化する軸上面間隔ｄｉ(ただし、ｄ０はダミー面(ｉ＝１)からスクリーン面Ｓｉ(ｉ＝０)までの固定距離である。)，全系の焦点距離ｆ(ｍｍ)，ＦナンバーＦｎｏである。フォーカスポジションは最近接投影状態と遠距離投影状態であり、ズームポジションは望遠端(最長焦点距離状態，Ｔ)とミドル(中間焦点距離状態，Ｍ)と広角端(最短焦点距離状態，Ｗ)である。

曲率半径ｒｉのデータに＊印が付された面は、非球面(非球面形状の屈折光学面、非球面と等価な屈折作用を有する面等)であり、非球面の面形状を表わす以下の式(AS)で定義される。表２，表５，表８，表１１，表１４中に、各実施例の非球面データを示す。ただし、表記の無い項の係数は０であり、すべてのデータに関してＥ−ｎ＝×１０^-nである。
Ｚ＝(Ｃ０・Ｈ²)／[１＋√{１−(１＋Ｋ)・Ｃ０²・Ｈ²}]＋Ａ４・Ｈ⁴＋Ａ６・Ｈ⁶＋Ａ８・Ｈ⁸＋Ａ１０・Ｈ¹⁰＋Ａ１２・Ｈ¹² …(AS)
ただし、式(AS)中、
Ｚ：高さＨの位置での光軸ＡＸ方向の変位量(面頂点基準)、
Ｈ：光軸ＡＸに対して垂直な方向の高さ、
Ｃ０：近軸曲率(＝１／ｒｉ)、
Ｋ：円錐係数、
Ａｊ：ｊ次の非球面係数(ｊ＝４，６，８，１０，１２)、
である。

図６〜図１５は実施例１〜実施例５にそれぞれ対応する縦収差図であり、図６，図８，図１０，図１２，図１４は最近接投影状態での諸収差を示しており、図７，図９，図１１，図１３，図１５は遠距離投影状態での諸収差を示している。図６〜図１５中、(Ａ)〜(Ｃ)は望遠端Ｔ、(Ｄ)〜(Ｆ)はミドルＭ、(Ｇ)〜(Ｉ)は広角端Ｗにおける縮小側での諸収差を示しており、(Ａ)，(Ｄ)，(Ｇ)では球面収差、(Ｂ)，(Ｅ)，(Ｈ)では非点収差、(Ｃ)，(Ｆ)，(Ｉ)では歪曲収差を示している(最大像高：Yd=IMG HT=10.10mm)。

図６〜図１５中、球面収差図(Ａ)，(Ｄ)，(Ｇ)は、実線で示すｄ線(波長587.56nm)に対する球面収差量、一点鎖線で示すＣ線(波長656.28nm)に対する球面収差量、破線で示すｇ線(波長435.84nm)に対する球面収差量を、それぞれ近軸像面からの光軸ＡＸ方向のズレ量(単位：ｍｍ，横軸スケール：-0.100〜0.100mm)で表しており、縦軸は瞳への入射高さをその最大高さで規格化した値(すなわち相対瞳高さ)を表している。非点収差図(Ｂ)，(Ｅ)，(Ｈ)において、二点鎖線Ｔはｄ線に対するタンジェンシャル像面、実線Ｓはｄ線に対するサジタル像面を、近軸像面からの光軸ＡＸ方向のズレ量(単位：ｍｍ，横軸スケール：-0.10〜0.10mm)で表しており、縦軸は像高(IMG HT，単位：ｍｍ，縦軸スケール：0〜10.10mm)を表している。歪曲収差図(Ｃ)，(Ｆ)，(Ｉ)において、横軸はｄ線に対する歪曲(単位：％，横軸スケール：-5.0〜5.0％)を表しており、縦軸は像高(IMG HT，単位：ｍｍ，縦軸スケール：0〜10.10mm)を表している。

図１６〜図２５は実施例１〜実施例５にそれぞれ対応する倍率色収差図であり、図１６，図１８，図２０，図２２，図２４は最近接投影状態での倍率色収差を示しており、図１７，図１９，図２１，図２３，図２５は遠距離投影状態での倍率色収差を示している。図６〜図１５中、(Ａ)は望遠端Ｔ、(Ｂ)はミドルＭ、(Ｃ)は広角端Ｗにおける縮小側での倍率色収差を示している(最大像高：IMG HT=10.10mm)。図１６〜図２５において、実線はＣ線(波長656.28nm)とｄ線(波長587.56nm)との差に相当する倍率色収差、破線はｇ線(波長435.84nm)とｄ線(波長587.56nm)との差に相当する倍率色収差を表しており(単位：ｍｍ，横軸スケール：-0.0400〜0.0400mm)で、縦軸は像高(IMG HT，単位：ｍｍ，縦軸スケール：0〜12.00mm)を表している。

なお、各実施例を投影光学系としてプロジェクタ(例えば液晶プロジェクタ)に用いる場合には、本来はスクリーン面(被投影面)Ｓｉが像面であり表示素子面(例えば液晶パネル面)Ｓｏが物体面であるが、各実施例では光学設計上それぞれ縮小系とし、スクリーン面Ｓｉを物体面とみなして表示素子面Ｓｏで光学性能を評価している。そして、得られた光学性能から分かるように、各実施例のズームレンズは投影光学系としてだけでなく、撮像装置(例えばビデオカメラ，デジタルカメラ)用の撮像レンズとしても好適に使用可能である。

第１の実施の形態(実施例１)のレンズ構成図。第２の実施の形態(実施例２)のレンズ構成図。第３の実施の形態(実施例３)のレンズ構成図。第４の実施の形態(実施例４)のレンズ構成図。第５の実施の形態(実施例５)のレンズ構成図。実施例１の最近接投影状態での縦収差図。実施例１の遠距離投影状態での縦収差図。実施例２の最近接投影状態での縦収差図。実施例２の遠距離投影状態での縦収差図。実施例３の最近接投影状態での縦収差図。実施例３の遠距離投影状態での縦収差図。実施例４の最近接投影状態での縦収差図。実施例４の遠距離投影状態での縦収差図。実施例５の最近接投影状態での縦収差図。実施例５の遠距離投影状態での縦収差図。実施例１の最近接投影状態での倍率色収差図。実施例１の遠距離投影状態での倍率色収差図。実施例２の最近接投影状態での倍率色収差図。実施例２の遠距離投影状態での倍率色収差図。実施例３の最近接投影状態での倍率色収差図。実施例３の遠距離投影状態での倍率色収差図。実施例４の最近接投影状態での倍率色収差図。実施例４の遠距離投影状態での倍率色収差図。実施例５の最近接投影状態での倍率色収差図。実施例５の遠距離投影状態での倍率色収差図。投影距離と像倍率との関係を説明するための模式図。反射型の表示素子，投影光学系及び照明光学系を搭載した画像投影装置の概略光学構成例を示す模式図。

符号の説明

ＰＪ画像投影装置
ＰＯ投影光学系
ＬＯ照明光学系
ＤＳ表示素子
Ｓｏ表示素子面
Ｓｉスクリーン面
Ｇｒ１第１群
Ｇｒ２第２群
Ｇｒ３第３群
Ｇｒ４第４群
Ｇｒ５第５群
ＰＺ主レンズ系
ＣＬ正レンズ
ＳＴ絞り
ＣＧカバーガラス
ＡＸ光軸

Claims

スクリーン面上に表示素子面の画像を変倍可能に拡大投影する投影光学系であって、拡大側から順に、負パワーの第１群と、負パワーの第２群と、正パワーの第３群と、正パワーの第４群と、をズーム群として含み、さらに最も縮小側に正レンズが配置され、以下の条件式(1)，(2)及び(3)を満足することを特徴とする投影光学系；
0.2＜f1／f2＜0.8 …(1)
0.1＜Yd／Lb＜0.5 …(2)
45°＜ωkw＜70° …(3)
ただし、
f1：第１群の焦点距離、
f2：第２群の焦点距離、
Lb：最も縮小側に配置された正レンズとその拡大側に隣り合って位置するレンズとの最短間隔、
Yd：最大像高、
ωkw：広角端，最近接投影状態での最大半画角、
である。
以下の条件式(6)を満足することを特徴とする請求項１記載の投影光学系；
0.6＜f3／f4＜1.35 …(6)
ただし、
f3：第３群の焦点距離、
f4：第４群の焦点距離、
である。
以下の条件式(8)を満足することを特徴とする請求項１又は２記載の投影光学系；
-13.0＜f2／fwk＜-5.0 …(8)
ただし、
fwk：広角端，最近接投影状態での全系の焦点距離、
である。
前記第１群が拡大側に凸の負メニスカスレンズを２枚以上含み、前記第２群が拡大側に両凸の空気レンズ、それよりも縮小側に正レンズを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の投影光学系。
前記第２群又は第３群に、アッベ数が７０以上の低分散ガラスから成るレンズを少なくとも１枚有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の投影光学系。