JP5350163B2

JP5350163B2 - 画像投射装置

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Publication number: JP5350163B2
Application number: JP2009230416A
Authority: JP
Inventors: 三郎菅原; 和宏猪子; 真高橋
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Filing date: 2009-10-02
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Description

本発明は画像投射装置に関するものである。特に画像表示素子で表示された画像を投射レンズ（投射光学系）によってスクリーン上に拡大投射するプロジェクターにおいて、投射レンズの組立誤差より生ずる投射画像の色ずれの補正を効果的に行ったものである。

画像表示素子（液晶パネルなど）を投射レンズでスクリーン上に投影し、画像を得る画像投射装置が広く用いられている。投射レンズを構成する個々のレンズや複数のレンズより成るレンズ群をレンズ鏡筒に組み込む際に組立て誤差により平行偏芯が発生してくる。この結果、投射画像に色ずれが発生してくる。

投射レンズにおいて色ずれが多く発生してくると、スクリーン上で、赤、緑、青の３色の投射画像が分離されて投影されてしまい、解像力（画質）が大きく低下してくる。このときの色ずれによる画質の低下は、被写体を撮像するカメラに用いる撮像レンズにおいても同様に生ずる。色ずれに着目すると、従来より大気分散による色ずれを軽減するようにした光学系が知られている。（特許文献１）。特許文献１では天体望遠鏡において、観測する天体が天頂付近にない場合に、大気の色分散により発生する光軸上の光軸に垂直な方向の色ずれを補正する収差補正系を用いた天体望遠鏡を開示している。特許文献１においては、全体としてほとんど屈折力がない、屈折率がほぼ同じでアッベ数がある程度異なる材料より成る接合レンズを収差補正系として配置している。この収差補正系を光軸に対して垂直な方向に移動することにより、他の収差を悪化させずに、色ずれを補正することを開示している。この他、複数のレンズやレンズ群より成る光学系において組立誤差による収差の影響を軽減するために偏芯調整機能を有するズームレンズが知られている（特許文献２）。特許文献２では一部のレンズ群をチルト及びシフトして偏心調整したズームレンズの偏芯調整方法を開示している。

特開平６−２３０２７４号公報特開２００５−２７４８３７号公報

光学系を構成する複数のレンズ又はレンズ群をレンズ鏡筒に組み込む際に組立誤差があると偏芯収差が発生し、特に偏芯倍率色収差が多く発生してくる。ここで、偏芯倍率色収差とは、組立誤差により発生する平行偏芯による光軸上の光軸に垂直な方向の色ずれのことである。この偏芯倍率色収差は投射レンズにおいては投射画像の色ずれとなり、又撮像レンズにおいては像の色ずれとなってきて、画質を大きく低下させる原因となる。この問題は近年、画像表示素子が高解像化することにより顕著になってきた。組立て誤差がないように複数のレンズやレンズ群をレンズ鏡筒に組み込むのは大変困難である。このため、光学系を構成するレンズ又はレンズ群を偏芯させて組立て誤差による光学性能の低下を軽減させる方法は大変有効である。しかしながら単に光学素子を偏芯調整しても効率的に色ずれを軽減することは難しい。色ずれを軽減するには偏芯調整する光学系中の光学素子を適切に選択し、かつ光学素子を適切に構成することが重要である。

本発明は、個々の光学素子のレンズ鏡筒への組み込みの際に、組立誤差により発生する偏芯倍率色収差を、簡単な構成で効果的に軽減することができる画像投射装置の提供を目的とする。

本発明の画像投射装置は、画像表示素子と、前記画像表示素子に表示された画像をスクリーン上に投射する光学系を有する画像投射装置において、前記光学系は、光軸に対して垂直な方向の成分を持つ方向に移動する光学素子と、前記光学素子を前記光軸に対して垂直な方向の成分を持つ方向に移動させることが可能な調整機構と、前記光学素子を鏡筒に固定する保持部材を有し、前記光学素子が１つの場合は、前記光学素子の材料のｄ線におけるアッベ数をＶｄｃｈ、前記光学素子が複数の場合は、複数の前記光学素子のｄ線における合成アッベ数をＶｄｃｈ、前記光学素子が１つの場合は、前記光学素子のｄ線における焦点距離をｆｄｃｈ、前記光学素子が複数の場合は、複数の前記光学素子のｄ線における合成焦点距離をｆｄｃｈ、前記画像表示素子の画素のピッチをＰとするとき、
Ｖｄｃｈ＜３５
０．５（ｍｍ²）＜｜Ｐ・ｆｄｃｈ｜＜１．３（ｍｍ²）
なる条件式を満足することを特徴とする。

本発明によれば、個々の光学素子のレンズ鏡筒への組み込みの際に、組立誤差により発生する偏芯倍率色収差を、簡単な構成で効果的に軽減することができる画像投射装置が得られる。

本発明の実施例１の光学系を有する画像投射装置の要部断面図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）本発明の実施例１の収差図本発明の実施例２の光学系を有する画像投射装置の要部断面図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）本発明の実施例２の収差図本発明の実施例３の光学系を有する画像投射装置の要部断面図（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）本発明の実施例３の収差図本発明に係る平行偏芯調整機構の構成図本発明に係る平行偏芯可能な鏡筒構成図カラー液晶プロジェクターの要部概略図撮像装置の要部概略図

以下に、本発明の好ましい実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。本発明の画像投射装置は液晶パネル等から成る画像表示素子と、画像表示素子に表示された画像をスクリーン上に投射する単一焦点距離の投射レンズ又は変倍レンズ群を含むズームレンズ等の光学系を有する。光学系は光軸に対して垂直な方向の成分を持つ（光軸に対して垂直な成分を持つ）方向に移動する単一レンズより成る光学素子又は正レンズと負レンズを含む光学素子を有する。更に光学素子を光軸に対して垂直な方向の成分を持つように移動可能な調整機構または光軸に対して垂直な方向の成分を持つように移動後、固定鏡筒に固定する保持部材とを有している。

図１は実施例１の光学系として単一焦点距離の投射レンズを用いた画像投射装置（液晶ビデオプロジェクター）の要部概略図である。図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は実施例１において光学系の各レンズに偏芯がないときと、レンズＬ２に偏芯があったときと、レンズ（光学素子）Ｌ１４で色ずれを補正したときの横収差図である。収差図において実線はｄ線、２点鎖線はｇ線、１点鎖線はＣ線、点線はＦ線である。

図３は実施例２の光学系として単一焦点距離の投射レンズを用いた画像投射装置（液晶ビデオプロジェクター）の要部概略図である。図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は実施例２において光学系の各レンズに偏芯がないときと、レンズＬ１に偏芯があったときと、第３レンズ群（光学素子）Ｂ３で色ずれを補正したときの横収差図である。

図５は実施例３の光学系としてズームレンズを用いた画像投射装置の広角端における要部概略図である。図６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は実施例３において光学系の各レンズに偏芯がないときと、レンズＧ５（第２レンズ群２０）に偏芯があったときと、第７レンズ群（光学素子）７０で色ずれを補正したときの横収差図である。

図７、図８は本発明に係るレンズの平行偏芯調整機構の要部概略図である。実施例１〜３における画像投射装置では、液晶パネルＬＣＤ（画像表示素子）により表示された画像を光学系（投射レンズ、投写レンズ）ＰＬを用いてスクリーン面Ｓ上に拡大投影している状態を示している。Ｓはスクリーン面（投影面）、ＬＣＤは液晶パネル（画像表示素子）であり、光学系ＰＬの像面に位置している。スクリーン面Ｓと液晶パネルＬＣＤとは共役関係にあり、一般にはスクリーン面Ｓは距離の長い方の共役点で拡大側（前方、拡大共役点）に、液晶パネルＬＣＤは距離の短い方の共役点で縮小側（後方、縮小共役点）に相当している。

ＰＲは色合成プリズムや偏光フィルター、そしてカラーフィルター等に対応して光学設計上設けられたガラスブロックである。光学系ＰＬは、接続部材（不図示）を介して液晶ビデオプロジェクター本体（不図示）に装着されている。ガラスブロックＰＲ以降の液晶表示パネルＬＣＤはプロジェクター本体に含まれている。液晶パネルＬＣＤは縮小側に設けた照明光学系（不図示）からの光で照明されている。

各実施例において、光学系ＰＬは光軸上の光軸に対し垂直方向の色ずれ（偏心倍率色収差）を補正するために光軸に対して垂直方向の成分を持つように移動する光学素子を有する。このとき、光学素子の材料のｄ線における合成アッベ数をＶｄｃｈとする。光学素子のｄ線における合成焦点距離をｆｄｃｈとする。画像表示素子の画素のピッチをｐとする。このとき、
Ｖｄｃｈ＜３５ ‥‥‥（１）
０．５（ｍｍ²）＜｜Ｐ・ｆｄｃｈ｜＜１．３（ｍｍ²） ‥‥‥（２）
なる条件式を満足している。また光学系ＰＬにより画像をスクリーンＳ上に投射する被投射画像の投射有効範囲をＩＭＧとする。このとき、
０．１０＜｜ＩＭＧ／ｆｄｃｈ｜＜０．３０ ‥‥‥（３）
なる条件式を満足している。

ここで光学素子が正レンズと負レンズとを有するときの合成アッベ数Ｖｄｃｈと合成焦点距離ｆｄｃｈは次のとおりである。光学素子を構成する正レンズの焦点距離をｆｐ、光学素子を構成する正レンズの材料のアッベ数をνｐとする。光学素子を構成する負レンズの焦点距離をｆｎ、光学素子を構成する負レンズの材料のアッベ数をνｎとする。光学素子の合成の焦点距離ｆｄｃｈは、
１／ｆｄｃｈ＝１／ｆｐ＋１／ｆｎ
である。光学素子の材料の合成アッベ数Ｖｄｃｈは
１／（ｆｄｃｈ・Ｖｄｃｈ）＝１／（ｆｐ・Ｖｐ）＋１／（ｆｎ・Ｖｎ）
より、
Ｖｄｃｈ＝１／［ｆｄｃｈ・｛１／（ｆｐ・Ｖｐ）＋１／（ｆｎ・Ｖｎ）｝］
である。

上記の条件式の意味について説明する。条件式（１）は、色ずれの補正用の光学素子の材料の合成アッベ数について規定したものである。但し、光学素子が単一レンズの場合は、単一レンズの材料のアッベ数である。条件式（１）の上限値を超えると、色ずれを補正するときの光学素子の平行偏芯量が増加してしまうため、偏芯コマ収差や像面倒れが大きく発生してくるので好ましくない。

条件式（２）は画像表示素子の画素ピッチと光学素子の焦点距離との積の範囲を限定したものである。条件式（２）の下限値を超えると、光学素子のパワー（屈折力＝焦点距離の逆数）が強くなりすぎ、平行偏芯させたときの偏芯コマや像面倒れが大きくなってしまうので、好ましくない。また条件式（２）の上限値を超えると、光学素子のパワーが弱くなりすぎて、色ずれを補正する際の光学素子の平行偏芯量が大きくなり過ぎるため、好ましくない。光学素子の平行偏芯量が大きくなりすぎると、光学素子の片側で有効光線がケラレてくる。これを回避するためには、光学素子の大きさを大きくしなければならず、この結果、光学素子が大型化してしまうので好ましくない。

条件式（３）は、光学系ＰＬにより画像を投射することのできる縮小共役側の投射有効範囲の大きさを光学素子の合成焦点距離で割った値を規定したものである。条件式（３）の下限値を超える領域では、光学素子のパワーが弱くなり、色ずれを補正する際の光学素子の平行偏芯量が大きくなり過ぎるため、好ましくない。条件式（３）の上限を超える領域では、光学素子のパワーが強くなりすぎ、光学素子を平行偏芯させたときに偏芯コマや像面倒れが大きくなってしまうので、好ましくない。更に好ましくは条件式（１）乃至条件式（３）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

Ｖｄｃｈ＜３０ ‥‥‥（１ａ）
０．７（ｍｍ²）＜｜Ｐ・ｆｄｃｈ｜＜１．１（ｍｍ²） ‥‥‥（２ａ）
０．１２＜｜ＩＭＧ／ｆｄｃｈ｜＜０．２８ ‥‥‥（３ａ）
以上のように各実施例によれば、複数のレンズやレンズ群により構成され、その個々のレンズの鏡筒への組み込みの際に発生するレンズ偏心によって生じる光軸上の光軸に対する垂直な方向の色ずれ（偏芯倍率色収差）を補正することができる。

各実施例において、更に好ましくは次の諸条件のうちの１以上を満足するのが良い。光学素子が光学系ＰＬの最も縮小共役点側に配置されているとき、光学素子から縮小側共役点までの空気換算距離をＬとする。光学素子の光軸に対し垂直方向の１ｍｍ当たりのシフト量に対するＦ線とＣ線の縮小共役側面における色ずれ量の敏感度Δｃｈを
Δｃｈ＝Ｌ／（ｆｄｃｈ・Ｖｄｃｈ）
とする。光学素子の材料の平均屈折率をＮｃｈとする。光学素子は正レンズと負レンズとを接合した接合レンズより成り、光学素子に含まれる負レンズの材料のｄ線における屈折率をＮｃｈｎ、光学素子に含まれる正レンズの材料のｄ線における屈折率をＮｃｈｐとする。このとき、
０．７＜Δｃｈ／Ｐ＜４．９ ‥‥‥（４）
Ｎｃｈ＞１．６５ ‥‥‥（５）
｜Ｎｃｈｎ−Ｎｃｈｐ｜＜０．１ ‥‥‥（６）
なる条件式のうち１以上を満足するのが良い。

色ずれ補正用の光学素子の敏感度Δｃｈの式の導出について説明する。色ずれ補正用の光学素子の１ｍｍ当たりのシフト量に対するＦ線とＣ線の縮小共役面における色ずれ量（色ずれ敏感度）をΔｃｈとする。色ずれ補正用の光学素子の縮小共役側の主点から縮小共役点までの距離をＬとする。Ｆ線における色ずれ補正用の光学素子の合成焦点距離をｆＦｃｈとする。Ｃ線における色ずれ補正用の光学素子の合成焦点距離をｆＣｃｈとする。ｄ線における色ずれ補正用の光学素子の合成焦点距離をｆｄｃｈとする。色ずれ補正用の光学素子の合成アッベ数をｖｄｃｈとする。このとき敏感度Δｃｈは、
Δｃｈ＝Ｌ／ｆＦｃｈ−Ｌ・／ｆＣｃｈ
＝Ｌ・（１／ｆＦｃｈ−１／ｆＣｃｈ）
＝Ｌ（ｆＣｃｈ−ｆＦｃｈ）／（ｆＦｃｈ・ｆＣｃｈ）
＝Ｌ・（ｆＣｃｈ−ｆＦｃｈ）ｆｄｃｈ＾２
＝Ｌ・ｆｄｃｈ／ｖｄｃｈ／（ｆｄ＾２）
＝Ｌ／（ｆｄｃｈ・ｖｄｃｈ）
Δｃｈの約７割の値が４７０ｎｍ（青）と５５０ｎｍ（緑）の色ずれ敏感度に相当する。Δｃｈの約３割の値が６２０ｎｍ（赤）と５５０ｎｍ（緑）の色ずれ敏感度に相当する。

ｆＣｃｈ−ｆＦｃｈ＝ｆｄｃｈ／ｖｄｃｈ（ほぼ等しい）の導出について説明する。アッベ数をｖｄとする。ｄ線における屈折をｎｄとする。Ｆ線における屈折率をｎＦとする。Ｃ線における屈折率をｎＣとする。このとき、アッベ数の定義より
ｖｄ＝（ｎｄ−１）／（ｎＦ−ｎＣ）
である。これより、
（ｎｄ−１）＝（ｎＦ−ｎＣ）・ｖｄ
である。単レンズのｄ線における焦点距離をｆｄとする。単レンズの拡大共役側レンズ面の曲率半径をＲ１とする。単レンズの縮小共役側レンズ面の曲率半径をＲ２とする。単レンズの焦点距離ｆｄ、屈折率ｎｄ、曲率半径Ｒ１、Ｒ２の関係式は、
１／ｆｄ＝（ｎｄ−１）・（１／Ｒ１−１／Ｒ２）
となる。

これらの式より
（ｎｄ−１）＝１／（ｆｄ・（１／Ｒ１−１／Ｒ２））
（ｎＦ−ｎＣ）・ｖｄ＝１／（ｆｄ・（１／Ｒ１−１／Ｒ２））
（ｎＦ−ｎＣ）＝１／（ｆｄ・（１／Ｒ１−１／Ｒ２）・Ｖｄ）
（ｎＦ−ｎＣ）・（１／Ｒ１−１／Ｒ２）＝１／（ｆｄ・Ｖｄ）
（ｎＦ−１）・（１／Ｒ１−１／Ｒ２）−（ｎＣ−１）・（１／Ｒ１−１／Ｒ２）＝１／（ｆｄ・Ｖｄ）
１／ｆＦ−１／ｆＣ＝１／（ｆｄ・Ｖｄ）
（ｆＣ−ｆＦ）／（ｆＦ・ｆＣ）＝１／（ｆｄ・Ｖｄ）
ｆＣ−ｆＦ＝（ｆＦ・ｆＣ）／（ｆｄ・Ｖｄ）
ここで
ｆＦ・ｆＣ＝ｆｄ² （ほぼ等しい）※（ここでほぼ等しいとは±１０％以内である）
とすると
ｆＣ−ｆＦ＝ｆｄ²／（ｆｄ・Ｖｄ）
ｆＣ−ｆＦ＝ｆｄ／Ｖｄ（ほぼ等しい）※
となる。

次に前述の各条件式の技術的意味について説明する。条件式（４）は、色ずれ補正用の光学素子の１ｍｍ当たりのシフト量に対するＦ線とＣ線の縮小共役面における色ずれ量（色ずれ敏感度）を画像表示素子の画素ピッチで割った値を限定したものである。条件式（４）の下限値を超える領域では、色ずれ敏感度が小さくなりすぎ、色ずれを補正するときの光学素子の平行偏芯量が大きくなってしまうため好ましくない。条件式（４）の上限を超える領域では、色ずれ敏感度が大きくなりすぎ、光学素子の僅かな平行偏芯量で色ずれが大きく変化しすぎるため微調整が困難となってくるため、好ましくない。

条件式（５）は、光学素子の材料の平均屈折率を限定したものである。条件式（５）の下限値をこえると、光学素子を構成するレンズのレンズ面の曲率半径が小さくなり、色ずれ補正のための平行偏芯時の、偏芯コマ収差や像面倒れが大きくなってくるので、好ましくない。

条件式（６）は、光学素子が負レンズと正レンズとを接合した接合レンズで構成される場合の、両者の屈折率差の絶対値について限定したものである。条件式（６）の上限値を超える領域では、光学素子の接合レンズ面において球面収差の発生が大きく発生してきて、平行偏芯時の偏芯コマ収差の発生が大きくなるため、好ましくない。更に好ましくは条件式（４）乃至条件式（６）の数値範囲を次の如く設定するのが良い。

１．５＜Δｃｈ／Ｐ＜４．４ ‥‥‥（４ａ）
Ｎｃｈ＞１．７０ ‥‥‥（５ａ）
｜Ｎｃｈｎ−Ｎｃｈｐ｜＜０．０６ ‥‥‥（６ａ）
各実施例において、光学素子は正レンズと負レンズを有する全体として正の屈折力を有し、該正レンズの材料のアッベ数は該負レンズの材料のアッベ数より小さい。また光学系か変倍レンズ群を有するズームレンズのときは、光学素子は変倍レンズ群より縮小共役側に配置される。

図１、図３の実施例１、２の画像投射装置に用いる光学系ＰＬの構成について説明する。図１、図３の実施例１、２はレンズ構成が同じである。ｉを拡大共役側から縮小共役側へのレンズ群の順序としたとき、Ｂｉは第ｉレンズ群を示している。図１、図２において、光学系ＰＬは拡大共役側から順に、レンズＬ１より構成される負の屈折力の第１レンズ群Ｂ１、レンズＬ２〜レンズＬ５から構成される負の屈折力の第２レンズ群Ｂ２を有している。更にレンズＬ６〜レンズＬ７から構成される正の屈折力の第３レンズ群Ｂ３、絞りＳ、レンズＬ８〜レンズＬ１４から構成される正の屈折力の第４レンズ群Ｂ４より構成されている。スクリーンＳが拡大共役側で無限遠にあったときから至近距離にきたときの距離変化に対応して、第２レンズ群Ｂ２と第３レンズ群Ｂ３の双方を矢印の如く縮小共役側に、第２レンズ群Ｂ２と第３レンズ群Ｂ３の間隔が広がるよう移動する。これにより焦点合わせを行っている。

実施例１、２において各レンズ群の不図示の鏡筒への組み込み時に発生する平行偏芯により発生する光軸上に対して垂直な方向の色ずれの補正を次のようにして行っている。図１の実施例１では第４レンズ群Ｂ４の最も縮小共役側の正レンズ（光学素子）Ｌ１４を光軸に対して垂直な方向に移動することにより、補正している。正レンズＬ１４は材料のアッベ数が２２．７６で、色分散が大きく、少ない平行偏芯量で、色ずれを補正することができる。また、材料の屈折率が１．８０８０９５と高い。このため、パワー（屈折力＝焦点距離の逆数）の割にレンズ面の曲率半径をゆるくできるので、球面収差の発生が少なく、平行偏芯による偏芯コマや像面倒れの変化を小さくすることが容易である。

たとえば、後述する数値実施例１において、レンズ群の平行偏芯の最大偏芯量を０．０５ｍｍ、レンズ群内の最大平行偏芯量０．０１ｍｍと仮定する。個々のレンズおよびレンズ群の偏芯量と、偏芯する光軸周りの方向に乱数をかけて、レンズ光軸上の色ずれ最大量を算出すると、波長４７０ｎｍ（青）と波長５５０ｎｍ（緑）の色ずれ量は０．００３８ｍｍとなる。このレンズを画素ピッチ０．００８ｍｍの液晶パネルを使用したプロジェクターに適用しようとすると、画素ピッチの半分程度の色ずれが発生してしまい、解像感が大きく低下してしまう。特にスクリーン周辺部では、上記色ずれに加えて、投射レンズそのものから発生する倍率色収差による色ずれも加算されるので、画素ピッチと同程度の色ずれとなってしまう可能性があり、解像度が大きく低下してしまう。この実施例において、正レンズＬ１４を０．２８ｍｍだけ光軸に対して垂直な方向に移動することにより、波長４７０ｎｍ（青）と波長５５０ｎｍ（緑）の色ずれ０．００３８ｍｍを０に戻すことができる。

図３の実施例２では実施例１と同じレンズ構成であるが、色ずれ補正を行うレンズが実施例１と異なる。図３の実施例２において、各レンズ群の不図示の鏡筒への組み込み時に発生する平行偏芯により発生する光軸上に対して垂直な方向の色ずれを、第３レンズ群（光学素子）Ｂ３を光軸に対して垂直な方向に移動することにより、補正している。第３レンズ群Ｂ３は、正レンズＬ６の材料のアッベ数が２８．４６、負レンズＬ７の材料のアッベ数が５５．５３であり、正レンズＬ６のほうが色分散の大きい材料を使用している。このため色だしレンズとなっており、第３レンズ群Ｂ３の少ない移動量で、色ずれの補正が容易となっている。

また、正レンズＬ６の材料の屈折率は１．７２８２５、負レンズＬ７の材料の屈折率は１．６９６７９７で、両方とも屈折率がある程度高く、屈折率差が小さいので、第３レンズ群Ｂ３全体における球面収差の発生が少ないレンズ構成となっている。このため、第３レンズ群Ｂ３の平行偏芯が生じても、偏芯コマ収差の発生が少なく抑えられる。また、第３レンズ群Ｂ３と第４レンズ群Ｂ４の間は光線がほぼアフォーカルとなっているので第３レンズ群Ｂ３の平行偏芯により、像面の倒れの発生も少ないレンズ構成となっている。たとえば、後述する数値実施例２において、レンズ群の平行偏芯の最大偏芯量を０．０５ｍｍ、レンズ群内の最大平行偏芯量０．０１ｍｍと仮定する。個々のレンズおよびレンズ群の偏芯量と、偏芯する光軸周りの方向に乱数をかけて、レンズ光軸上の色ずれ最大量を算出すると、波長４７０ｎｍ（青）と波長５５０ｎｍ（緑）の色ずれ量は０．００３８ｍｍとなる。このレンズを画素ピッチ０．００８ｍｍの液晶パネルを使用したプロジェクターに適用しようとすると、画素ピッチの半分程度の色ずれが発生してしまい、解像感が大きく低下してしまう。この実施例において、第３レンズ群Ｂ３を０．１５ｍｍ光軸に対して垂直な方向に移動することにより、波長４７０ｎｍ（青）と波長５５０ｎｍ（緑）の色ずれ０．００３０ｍｍを０に戻すことができる。

図５の実施例３の画像投射装置に用いる光学系ＰＬの構成について説明する。図５に示す光学系は７つのレンズ群より成る７群ズームレンズである。図５において光学系ＰＬは拡大共役側から縮小共役側へ順に、レンズＧ１〜レンズＧ４より構成される負の屈折力のフォーカス用の第１レンズ群１０、レンズＧ５より構成されるフォーカス用の正の屈折力の第２レンズ群２０を有している。更にレンズＧ６より構成される正の屈折力の第３レンズ群３０を有している。更にレンズＧ７より構成される正の屈折力の第４レンズ群４０、レンズＧ８より構成される正の屈折力の第５レンズ群５０、レンズＧ９〜レンズＧ１３より構成される負の屈折力の第６レンズ群６０を有している。更にレンズＧ１４〜レンズＧ１５より構成される正の屈折力の第７レンズ群７０より構成される。

ワイド端（広角端）からテレ端（望遠端）へのズーミングに際しては、矢印の如く第３レンズ群３０、第４レンズ群４０、第５レンズ群５０、第６レンズ群６０を光軸上で移動している。また、スクリーンＳが拡大共役側で、無限遠にあったときから至近距離に変化したときは、第１レンズ群１０と第２レンズ群２０の双方を、第１レンズ群１０と第２レンズ群２０の間隔が広がるよう縮小共役側に移動している。これにより、焦点合わせを行っている。不図示の鏡筒に組み込まれるときに発生するレンズＧ１〜レンズＧ１５の平行偏芯により、発生する光軸上の色ずれを、第７レンズ群（光学素子）７０を光軸に対して垂直な方向に移動することで、補正している。

第７レンズ群７０は、アッベ数が２２．７６、屈折率が１．８０８０９５の材料より成る正レンズＧ１４と、アッベ数が３７．１６、屈折率が１．８３４の材料より成る負レンズＧ１５とを接合した接合レンズ（色だしレンズ）より構成されている。第７レンズ群７０の材料の合成アッベ数は、１４．６７５、合成焦点距離は１１５．７１７である。第７レンズ群７０は材料の合成アッベ数が小さく、色分散が大きいため、少ない平行偏芯量で色ずれ補正が容易となっている。また、第７レンズ群７０の正レンズＧ１４と負レンズはＧ１５の両方の材料の屈折率が高く、正レンズＧ１４と負レンズＧ１５の材料の屈折率差が小さいので、球面収差や像面湾曲の発生が少なく、平行偏芯が生じても偏芯コマや像面倒れの変化が生じ難い。また、第７レンズ群７０は、縮小共役面に対して軸外主光線がほぼ平行となるよう配置されているので、平行偏芯が生じても、偏芯コマ収差や像面倒れの変化が少ない。

たとえば、後述する数値実施例３において、レンズ群の平行偏芯の最大偏芯量を０．０５ｍｍ、レンズ群内の最大平行偏芯量０．０１ｍｍと仮定する。個々のレンズおよびレンズ群の偏芯量と、偏芯する光軸周りの方向に乱数をかけて、レンズ光軸上の色ずれ最大量を算出すると、波長４７０ｎｍ（青）と波長５５０ｎｍ（緑）の色ずれ量は０．００３０ｍｍとなる。このレンズを画素ピッチ０．００８ｍｍの液晶パネルを使用したプロジェクターに適用しようとすると、画素ピッチの半分程度の色ずれが発生してしまい、解像感が大きく低下してしまう。この実施例において、第７レンズ群７０を０．１６ｍｍ光軸に対して垂直な方向に移動することにより、波長４７０ｎｍ（青）と波長５５０ｎｍ（緑）の色ずれ０．００３０ｍｍを０に戻すことができる。

図７は本発明におけるレンズの平行偏心調整機構の構成の概略図である。１はレンズ鏡筒であり、光軸に対して垂直方向に移動するレンズ（レンズ群）を保持している。レンズ鏡筒１には、調整機構として角度等分割で３個所に同軸コロ４Ａ、４Ｂ、４Ｃと、角度等分割で３箇所に偏心コロ６Ａ、６Ｂ、６Ｃが設けられている。レンズ鏡筒１を保持する固定鏡筒２には、角度等分割に、長穴３Ａおよび長穴５Ａ、長穴３Ｂおよび長穴５Ｂ、長穴３Ｃおよび長穴５Ｃが互いに直交して配置されている。偏心コロ６Ａ、６Ｂ、６Ｃを回転させることにより、レンズの光軸に対して垂直な方向にレンズ鏡筒１を移動させることができる。たとえば、偏芯コロ６Ａを回転させることにより、紙面左右方向の平行偏芯が可能となる。また偏芯コロ６Ｂを回転させることにより、紙面左上から右下方向への偏芯が可能となる。また偏芯コロ６Ｃを回転させることにより、紙面右上から左下方向への偏芯が可能となる。３つの偏芯コロ６Ａ、６Ｂ、６Ｃを回転させることにより、左右上下方向の任意の位置にレンズ鏡筒１を平行偏芯することができる。

図１、図３、図５それぞれに示した、色ずれ調整のための正レンズＬ１４、第３レンズ群Ｂ３、第７レンズ群７０は、図７に示したようなレンズ鏡筒で保持され、色ずれ調整を可能としている。図８は、本発明において光軸に対して、垂直な方向にレンズを移動後、固定可能なレンズ鏡筒の構成を示した要部断面図である。固定鏡筒７に対して、移動鏡筒８は、光軸１５に対して、垂直な方向に対向面を有している。そして不図示の調整装置により、移動鏡筒８は光軸１５に対して垂直な方向に調整され、保持部材としてのねじ１１、１３により固定鏡筒８に固定される。ねじ１１、１３の太さに対して、移動鏡筒８のねじ穴９、１４は、大きく設定されており、移動鏡筒８は、光軸１５に対して、垂直な方向に移動可能な構成となっている。

この構成により、固定鏡筒７に保持されているレンズ１６の光軸に対して、移動鏡筒８に保持されているレンズ１２の光軸をずらすことが可能となっている。光軸に対し垂直方向に移動させるレンズを保持した移動鏡筒は、図８に示す鏡筒の構成によりレンズの平行偏芯調整可能とすることができる。各実施例において液晶パネルＬＣＤの代わりにＣＣＤ等の固体撮像素子を配置すればＴＶカメラやビデオカメラ等の撮像装置に適用することができる。このとき前述した各条件式における画像表示素子に関するパラメータはそのまま固体撮像素子としてのパラメータとして取り扱えば良い。

以上のように各実施例によれば、交換レンズ式のプロジェクターであっても、スクリーン上の色ずれが極めて少ない、非常に解像感の高いプロジェクターシステムを完成させることができる。また、複数の原画像をスクリーン上に投影して、カラー画像を得るプロジェクターだけでなく、１枚の原画像を投影するレンズ交換式プロジェクターにおいても有効である。また、ＣＣＤセンサーやＣＭＯＳセンサーなど画素ピッチの小さい撮像素子を用いた、撮影レンズに応用しても良い。

本発明では、色ずれ補正用の光学素子を有する光学系に対して、新たに色ずれ補正用の光学素子を追加せずに、色ずれ補正が可能となるので、従来例と比較して、小型で、構成が簡単でかつ色ずれの少ない高性能な光学系を実現することができる。また本発明は、プロジェクターだけでなく、解像度が極めて高いＣＣＤやＣＭＯＳセンサーを撮像素子に用いたデジタルカメラや、ビデオカメラ用の交換レンズに実施しても、極めて色ずれの少ない撮影画像を得ることができる。

図９は本発明の画像投射装置の実施形態の要部概略図である。同図は前述したズームレンズを３板式のカラー液晶プロジェクターに適用し、複数の液晶パネルに基づく複数の色光の画像情報を色合成手段としてのプリズム１０２を介して合成している。そしてズームレンズ１０３でスクリーン面１０４上に拡大投射する画像投射装置を示している。図９においてカラー液晶プロジェクター１０１はＲ、Ｇ、Ｂの３枚の液晶パネル１０５Ｒ、１０５Ｇ、１０５ＢからのＲＧＢの各色光をプリズム１０２で１つの光路に合成している。そして前述したズームレンズより成る投影レンズ１０３を用いてスクリーン１０４に投影している。以上のように各実施例のズームレンズは、有限距離に位置するスクリーンに拡大投射するプロジェクター装置に好適なものである。

図１０は本発明の撮像装置の実施例の要部概略図である。本実施形態ではビデオカメラ、フィルムカメラ、デジタルカメラ等の撮像装置１０６に撮影レンズとして前述したズームレンズを用いた例を示している。図１０においては被写体１０９の像を撮影レンズ１０８で感光体１０７に結像し、画像情報を得ている。

以下に実施例１、３の光学系に各々対応する数値実施例１、３を示す。実施例２の数値実施例は実施例１の数値実施例１と同じである。各数値実施例においてｉは拡大側（前方側）からの光学面の順序を示す。実施例中のｆは焦点距離、Ｆは開口数（Ｆナンバー）比である。また、ｒｉは物体側より第ｉ番目の面の曲率半径、ｄｉは、第ｉ番目の面と第（ｉ＋１）番目の面（光学面）の間隔、ｎｉとνｉは各々物体側より順に第ｉ番目の光学部材のｄ線を基準とした屈折率とアッベ数である。

面番号の左側に※が付記されている面は、以下の関数に従った非球面形状であることを示し、（Ｂ）にその非球面係数を示す。数値実施例１、３において縮小共役側の３つの面はガラスブロックＰＲの平面である。ｋを円錐定数、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、Ａ１２を非球面係数、光軸からの高さｈの位置での光軸方向の変位を面頂点を基準にしてｘとするとき非球面係数は、
ｘ＝（ｈ²／ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）（ｈ／Ｒ）²｝^1/2］＋Ａ４ｈ⁴＋Ａ６ｈ⁶＋Ａ８ｈ⁸＋Ａ１０ｈ¹⁰＋Ａ１２ｈ¹²
で表示される。但し、ｒは近軸曲率半径である。なお、例えば「ｅ−Ｚ」の表示は「１０^-Z」を意味する。レンズ構成と前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表１に示す。

数値実施例１（数値実施例２も同じ）
単位ｍｍ
（Ａ）レンズ構成
焦点距離１２．７Ｆナンバー２
面データ
面番号ｒｄｎｄｖｄ
1* 81.676 5.95 1.77250 49.598
2 30.467 25.19
3 53.840 2.50 1.77250 49.598
4 25.982 12.23
5 -28.973 2.90 1.49700 81.546
6 123.759 11.53
7 0 8.50 1.72047 34.708
8 -25.985 2.05 1.80810 22.761
9 -55.782 3.79
10 205.639 6.95 1.72825 28.461
11 -45.047 2.50 1.72825 55.53
12 -132.769 42.34
13 (絞り)0 19.31
14 158.961 3.85 1.48749 70.236
15 -79.516 1.91
16 -321.443 2.00 1.83481 42.714
17 21.124 7.45 1.48749 70.236
18 -46.820 2.00
19 153.948 7.25 1.48749 70.236
20 -19.990 2.00 1.83481 42.714
21 -200.567 2.00
22 222.965 9.15 1.49700 81.546
23 -26.49 2.00
24 -152.455 3.65 1.80810 22.761
25 -63.113 3.10
26 0 44.02 1.51633 64.142
27 0 21.00 1.80518 25.432
28 0

（Ｂ）非球面係数
面番号Ｋ A4 A6 A8 A10
1 0 2.52e-6 -5.32e-10 4.87e-13 -5.77E-18

数値実施例３
レンズ構成
面番号ｒｄｎｄｖｄ
1 44.733 5.30 1.80610 33.3
2 22.959 8.14
3* 141.228 3.65 1.58313 59.4
4* 30.634 14.80
5 -28.975 1.75 1.49700 81.5
6 -100.843 0.54
7 -242.747 3.40 1.80518 25.4
8 -71.436 可変
9 -147.725 3.70 1.80610 33.3
10 -63.523 可変
11 106.121 2.80 1.48749 70.2
12 695.425 可変
13 71.148 3.60 1.83481 42.7
14 437.970 可変
15 82.379 3.00 1.49700 81.5
16 -326.102 1.26
r17 0 可変
18 -92.508 1.25 1.80518 25.4
19 26.201 7.35 1.48749 70.2
20 -40.587 2.06
21 -26.971 1.40 1.83481 42.7
22 89.874 6.60 1.51633 64.1
23 -36.904 0.51
24 110.525 8.80 1.49700 81.5
25 -35.376 可変
26 155.701 6.00 1.80810 22.7
27 -50.379 1.80 1.83400 37.2
28 -212.697 3.10
29 0 44.02 1.51633 64.1
30 0 21.00 1.80518 25.4
31 0

群間隔
広角中間望遠
焦点距離 23.26 29.77 39.43
d8 3.33 3.33 3.33
d10 37.81 6.56 2.71
d12 14.13 29.55 5
d14 34.33 30.21 38.65
d17 3 11.08 12.2
d25 0.51 12.37 31.2

非球面係数
面番号ＫＡ４Ａ６Ａ８Ａ１０Ａ１２
3 0 8.19e-6 -3.00e-8 8.12e-11 -1.21e-13 6.36e-17
4 0 -1.17e-6 -4.29e-8 9.41e-11 -1.62e-13 5.21e-17

Ｌ１４：正レンズ、Ｂ３：第３レンズ群、７０：第７レンズ群、１：レンズ鏡筒、２：固定鏡筒、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ：長穴、４Ａ，４Ｂ，４Ｃ：同軸コロ、６Ａ，６Ｂ，６Ｃ：偏芯コロ、７：固定鏡筒、８：レンズ鏡筒、１１，１３：ねじ

Claims

画像表示素子と、前記画像表示素子に表示された画像をスクリーン上に投射する光学系を有する画像投射装置において、
前記光学系は、
光軸に対して垂直な方向の成分を持つ方向に移動する光学素子と、
前記光学素子を前記光軸に対して垂直な方向の成分を持つ方向に移動させることが可能な調整機構と、
前記光学素子を鏡筒に固定する保持部材を有し、
前記光学素子が１つの場合は、前記光学素子の材料のｄ線におけるアッベ数をＶｄｃｈ、前記光学素子が複数の場合は、複数の前記光学素子のｄ線における合成アッベ数をＶｄｃｈ、前記光学素子が１つの場合は、前記光学素子のｄ線における焦点距離をｆｄｃｈ、前記光学素子が複数の場合は、複数の前記光学素子のｄ線における合成焦点距離をｆｄｃｈ、前記画像表示素子の画素のピッチをＰとするとき、
Ｖｄｃｈ＜３５
０．５（ｍｍ²）＜｜Ｐ・ｆｄｃｈ｜＜１．３（ｍｍ²）
なる条件式を満足することを特徴とする画像投射装置。
前記光学素子は、前記光学系の最も縮小共役面側に配置されており、前記光学素子から縮小側共役面までの空気換算距離をＬ、前記光軸に対し垂直な方向に関する、前記光学素子の１ｍｍ当たりのシフト量に対するＦ線とＣ線の縮小共役面における色ずれ量の敏感度Δｃｈを
Δｃｈ＝Ｌ／（ｆｄｃｈ・Ｖｄｃｈ）
とするとき、
０．７＜Δｃｈ／Ｐ＜４．９
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
前記光学素子が１つの場合は、前記光学素子の材料の屈折率をＮｃｈ、前記光学素子が複数の場合は、複数の前記光学素子の平均屈折率をＮｃｈとするとき、
Ｎｃｈ＞１．６５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像投射装置。
前記光学素子は正レンズと負レンズとを接合した接合レンズより成り、前記負レンズの材料のｄ線における屈折率をＮｃｈｎ、前記正レンズの材料のｄ線における屈折率をＮｃｈｐとするとき、
｜Ｎｃｈｎ−Ｎｃｈｐ｜＜０．１
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の画像投射装置。
前記光学素子を複数有し、
前記光学素子は正レンズと負レンズであって、前記正レンズと前記負レンズは、全体として正の屈折力を有し、前記正レンズの材料のアッベ数は、前記負レンズの材料のアッベ数よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の画像投射装置。
前記光学系は変倍レンズ群を有し、
前記光学素子が１つの場合、前記光学素子は前記変倍レンズ群より縮小共役面側に配置され、前記光学素子が複数の場合、前記複数の光学素子は前記変倍レンズ群より縮小共役面側に配置されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の画像投射装置。