JP5823258B2

JP5823258B2 - 投射用レンズシステムおよび投影装置

Info

Publication number: JP5823258B2
Application number: JP2011241323A
Authority: JP
Inventors: 恵一望月
Original assignee: Nitto Optical Co Ltd
Current assignee: Nitto Optical Co Ltd
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2031-11-02
Also published as: JP2013097258A

Description

本発明は、ドーム状のスクリーンに投射する投射用レンズシステムに関するものである。

特許文献１には、投映方式が単眼式であっても高解像度であり、ビデオプロジェクタで生成される画像領域を増やして画像表示面を有効活用できるデジタル式プラネタリウム装置を提供することが記載されている。そのため、特許文献１には、プラネタリウム装置は、２台のビデオプロジェクタ、リレーレンズ、魚眼レンズを有し、ビデオプロジェクタはそれぞれの内部の表示素子に半円像を生成し、リレーレンズは２つの半円像を光学的に結像させて円像を生成し、魚眼レンズは円像をドームスクリーン上に投射することが記載されている。

特許文献２には、光学系が小型でありながら諸収差が良好に補正されたレンズ系を提供することが記載されている。そのため、特許文献２には、光軸に沿って投射側から順に並んだ、正の屈折力を持つ第１レンズ成分と、負レンズと正レンズとを接合した第２レンズ成分と、最も物体側に位置し正の屈折力を持つ第３レンズ成分とを有し、前記第１レンズ成分と前記第２レンズ成分との間に開口絞りを有し、前記第３レンズ成分の最も投射側のレンズ面が非球面であることが記載されている。

特開２００７−１８７６９５号公報特開２０１０−９７０７８号公報

近年、プラネタリウムだけではなく、ディスプレイ、インテリア、玩具などの分野において、ドーム状のスクリーンに画像を投影したいという要望があり、コンパクトなレンズシステムであって、ドーム状のスクリーンに鮮明な画像を結像できるレンズシステムが要望されている。

本発明の態様の１つは、被投影面からの投影光をドーム状のスクリーンに内側から投射する投射用レンズシステムである。この投射用レンズシステムは、スクリーンの側から順に配置された、第１レンズと、開口絞りと、正の屈折力の第２レンズと、正の屈折力の第３レンズとから構成され、第１レンズは、最もスクリーンの側に配置された、スクリーンの側に凹面を向けたメニスカスタイプであって、少なくとも周辺が負の屈折力のレンズであり、第２レンズは、最も被投影面の側に配置された、被投影面の側に凸面を向けたメニスカスタイプであり、第３レンズは、最もスクリーンの側に配置された、スクリーンの側に凸面を向けたレンズであり、第１レンズは、両面が非球面であり、光軸から周辺に向かって増大する負の屈折力を含み、開口絞りと第１レンズの被投影面の側のレンズ面との間の距離は、開口絞りと第２レンズのスクリーンの側の凹面と間の距離よりも小さい。

この投射用レンズシステムにおいては、最もスクリーンの側（拡大側）の第１レンズがスクリーンの側に凹面を有し、第２レンズが被投影面の側（縮小側）に凸面を有する。このため、第３レンズと第２レンズの凸面とにより、被投影面からの投影光を第１レンズの縮小側の開口絞りに向けて集め、第１レンズの凹面により拡大することができ、その際に、ドーム状のスクリーンに投影したときにドーム状に結像するように十分な歪曲収差を発生させながら球面収差やコマ収差を良好に補正できる。したがって、コンパクトな３枚構成でありながら、ドーム状のスクリーンに対して明るく鮮明な画像を結像させる投射用レンズシステムを提供できる。

さらに、第１レンズに、光軸から周辺に向かって増大する負の屈折力を含ませることにより、湾曲したスクリーンに沿ってより鮮明に結像するように投影光を投射できる。このため、この投射用レンズシステムにおいては、半球のスクリーンに対しても被投影面の像が鮮明に結像されるような投影光を投影できる。

この投射用レンズシステムにおいては、当該投射用レンズシステムの合成焦点距離ｆと、第１レンズおよび第２レンズの合成焦点距離ｆ１２と、第１レンズの最大有効光線高さｈ１と、最大有効光線高さｈ１における第１レンズの凹面のサグ量Ｄ１とが以下の条件（１）および（２）を満たす。
０．６０＜ｆ／ｆ１２＜１．００・・・（１）
０．０５＜｜Ｄ１／ｈ１｜＜０．４０・・・（２）

この投射用レンズシステムにおいては、条件（１）を上回ると、第１のレンズ群および第２のレンズ群のパワーが強すぎてコマ収差が大きくなり過ぎ、条件（１）を下回ると、第１のレンズ群および第２のレンズ群のパワーが弱すぎて色収差の補正が難しくなり、また、歪曲収差が大きくなり過ぎる。さらに、サグ量が条件（２）を上回ると、球面収差とコマ収差とを協調制御することが難しくなり、サグ量が条件（２）を下回ると、コマ収差の制御が難しくなる。したがって、上記の値を条件（１）および（２）の範囲に収めることにより、諸収差を良好に補正しながら、スクリーンの形状に沿ってドーム状に、さらには半球に湾曲した明るく鮮明な画像を結像する投影光を投射できる。

この投射用レンズシステムにおいては、さらに、以下の条件を満たすことが望ましい。
０．７０＜ｆ／ｆ１２＜０．９０・・・（１´）
０．１０＜｜Ｄ１／ｈ１｜＜０．３０・・・（２´）

本発明の異なる態様の１つは、上記の投射用レンズシステムと、投影光により画像が形成されるドーム状のスクリーンとを有する投影装置である。典型的な投影装置は、スクリーンが半球のものである。

スクリーンは、スクリーンの半球の中心と投射用レンズシステムの光軸とが一致するように配置されていることが望ましい。

この投影装置においては、スクリーンの曲率半径Ｒと、スクリーンと第１レンズの凹面との間の光軸上の距離ｄ１とが以下の条件（３）を満たす範囲にスクリーンと投射用レンズシステムとを配置できる。
１．３０＜ｄ１／Ｒ＜１．５０・・・（３）

したがって、立体的な表示が可能なドーム状または半球のスクリーンと、投射レンズシステムとを含むコンパクトな投影装置を提供できる。このため、この投影装置は、プラネタリウムのような大型の投影装置にはもちろん、ディスプレイ、インテリア、さらには玩具などに適用した際に、ドーム状または半球のスクリーンの大きさに対して全体をコンパクトにまとめることができる。

この投影装置は、さらに、被投影面に画像を形成する光変調器を有することが望ましい。光変調器は、スクリーンに、スクリーンが外側から見られる画像を形成することが望ましい。

本発明に係る投射用レンズシステムを用いた投影装置の概略構成を示す図。第１の実施形態に係る投射用レンズシステムの概略構成を示す図。第１の実施形態に係る第１メニスカスレンズの有効径に対するパワーの変化を示す図。第１の実施形態に係る投射用レンズシステムのレンズデータを示す図。第１の実施形態に係る投射用レンズシステムの諸数値を示す図であり、（ａ）は基本データを示し、（ｂ）は非球面データを示す。第１の実施形態に係る投射用レンズシステムの収差図であり、（ａ）は縦収差を示し、（ｂ）は横収差を示す。第２の実施形態に係る投射用レンズシステムの概略構成を示す図。第２の実施形態に係る第１メニスカスレンズの有効径に対するパワーの変化を示す図。第２の実施形態に係る投射用レンズシステムのレンズデータを示す図。第２の実施形態に係る投射用レンズシステムの諸数値を示す図であり、（ａ）は基本データを示し、（ｂ）は非球面データを示す。第２の実施形態に係る投射用レンズシステムの収差図であり、（ａ）は縦収差を示し、（ｂ）は横収差を示す。

図１に、本発明に係る投射用レンズシステムを用いた投影装置の概略構成を示している。投影装置１は、投射用レンズシステム１０を収納したハウジング８と、ハウジング８に取り付けられた半球のスクリーン９とを備えている。投影装置１は、ハウジング８に収納された、光変調器（ライトバルブ）２と、ライトバルブ２に変調用の照明光９１を照射する光照射システム３と、ライトバルブ２により有効な方向に反射された投影光９２をスクリーン９に投射する投射用レンズシステム１０とを備えている。投影装置１の一例は、直径７０ｍｍ程度の半球のスクリーン９を備えた小型の立体表示装置である。

投影装置１は、ライトバルブ２としてＬＣＤ（液晶パネル）を採用した単板式のビデオプロジェクタであり、光照射システム３は、白色のＬＥＤを備えている。光照射システム３は、白色光源からの光をフィルタで色分割して照射するタイプであってもよく、また、照明光を調整するレンズなどの光学素子を含んでいてもよい。

第１の実施形態
図２に、第１の実施形態に係る投射用レンズシステム１０の概略構成を示している。この投射用レンズシステム１０は、スクリーン９の側（拡大側１０ａ）から順に、負の屈折力を備えた第１のレンズ群Ｇ１と、開口絞りＳｔと、正の屈折力を備えた第２のレンズ群Ｇ２と、正の屈折力を備えた第３のレンズ群Ｇ３とから構成されている。

最もスクリーン９の側の第１のレンズ群Ｇ１は、スクリーン９の側に凹面Ｓ１を向けた樹脂製の負メニスカスレンズ（第１レンズ）Ｌ１から構成されている。負メニスカスレンズＬ１の両面、すなわちスクリーン９の側の凹面Ｓ１およびＬＣＤ（被投影面）２の側（縮小側１０ｂ）の凸面Ｓ２は非球面である。第１のレンズ群Ｇ１の負メニスカスレンズＬ１は、投射用レンズシステム１０の中で最も小さな有効径（口径）のレンズである。

第２のレンズ群Ｇ２は、被投影面２の側に凸面Ｓ４を向けたガラス製の正メニスカスレンズ（第２レンズ）Ｌ２から構成されている。

最も被投影面２の側の第３のレンズ群Ｇ３は、両凸のガラス製の正レンズ（第３レンズ）Ｌ３から構成されている。第３のレンズ群Ｇ３の正レンズＬ３は、投射用レンズシステム１０の中で最も大きな有効径（口径）のレンズである。

この投射用レンズシステム１０は、スクリーン９の側から順に、光軸１００上の屈折力が負−正−正の３つのレンズ群Ｇ１〜Ｇ３にグループ化された３枚のレンズＬ１〜Ｌ３により構成された、変倍を行わない単焦点（固定焦点）タイプのレンズシステムである。

開口絞りＳｔと負メニスカスレンズＬ１の被投影面２の側の凸面Ｓ２との間の距離ｄ３（０．５ｍｍ）は、開口絞りＳｔと正メニスカスレンズＬ２のスクリーン９の側の凹面Ｓ３と間の距離ｄ４（２．５９ｍｍ）よりも小さい。このため、負メニスカスレンズＬ１の近傍に射出瞳を設定できるので、負メニスカスレンズＬ１を小型化しやすく、負メニスカスレンズＬ１の有効径（１２．２０ｍｍ）を正レンズＬ３の有効径（２８．４０ｍｍ）の半分以下に収めることができる。

この投射用レンズシステム１０においては、最も拡大側１０ａの負メニスカスレンズＬ１の有効径よりも大きな径のスクリーン９に画像を投影できる。したがって、最も拡大側１０ａの負メニスカスレンズＬ１を小さくすることにより、小さなドーム型あるいは半球のスクリーン９に対して立体画像を投影できる。

この投射用レンズシステム１０においては、集光レンズを用いて被投影面となる被投影面２からの投影光９２をテレセントリックにして投射用レンズシステム１０に入力している。投射用レンズシステム１０に入力された投影光９２は、縮小側１０ｂに配置された正レンズＬ３と正メニスカスレンズＬ２の凸面Ｓ４とにより、開口絞りＳｔに向けて集められる（絞られる）。正メニスカスレンズＬ２は、凹面Ｓ３を拡大側１０ａに向けているので、凹面Ｓ３による収差は発生しにくく、収差を補正しやすい。

集められた投影光９２は、負メニスカスレンズＬ１の凸面Ｓ２の近傍に配置された開口絞りＳｔから負メニスカスレンズＬ１の凹面Ｓ１により、スクリーン９の半球面９ａに向けて拡大投影（発散）される。負メニスカスレンズＬ１の凹面Ｓ１および／または凸面Ｓ２は、光軸１００から周辺に向かって負の屈折力が増大する、すなわち曲率が増大するように設計されている。したがって、負メニスカスレンズＬ１により、開口絞りＳｔに集められた投影光９２の周辺光の結像位置を、中心軸光の結像位置に対して、負メニスカスレンズＬ１がない場合の結像位置よりも徐々に遠方、すなわち、スクリーン９の側へシフトさせることができる。このため、開口絞りＳｔから出射された投影光９２を、半球面９ａの光軸近傍から周辺部９ｂに、いっそう均等に導くことが可能となり、周辺部９ｂにおける光量の低下を抑制でき、半球のスクリーン９に鮮明で明るい画像を結像できる。

さらに、負メニスカスレンズＬ１の凹面Ｓ１および凸面Ｓ２を非球面とすることにより、正レンズＬ３および正メニスカスレンズＬ２が光束を取り込む際に発生させた球面収差やコマ収差を、半球のスクリーン９に合わせて良好に補正できる。このため、さらに鮮明な立体的な画像を半球のスクリーン９に結像できる。

図３に、負メニスカスレンズＬ１の有効径に対するパワーの変化を示しており、（ａ）は負メニスカスレンズＬ１の凹面Ｓ１および凸面Ｓ２を球面（一点鎖線）および非球面（実線）とした場合の光軸１００に平行な仮想的な投影光の発散角を示す図、（ｂ）は球面および非球面の発散角の差を示す図である。図３では、負メニスカスレンズＬ１の有効径に対する発散角が負であれば発散しており、正であれば収束していることを示している。以降の実施形態においても同様である。

図３（ａ）に示すように、負メニスカスレンズＬ１の有効径２．００ｍｍを通過する仮想的な投影光の発散角は、球面の場合が約０．２°であるのに対して、非球面の場合は約０．６°となっている。また、負メニスカスレンズＬ１の有効径３．５０ｍｍを通過する仮想的な投影光の発散角は、球面の場合が約０．３°であるのに対して、非球面の場合は約２．６°となっている。したがって、図３（ｂ）に示すように、凹面Ｓ１および凸面Ｓ２を非球面とした負メニスカスレンズＬ１は、光軸１００から周辺に向かって発散角が大きくなっており、光軸１００から周辺に向かって増大する負の屈折力を備えていることがわかる。

本例の負メニスカスレンズＬ１の凹面Ｓ１は、光軸１００から周辺に向かって負の屈折力が強くなる形状の第１の非球面要素を含み、負メニスカスレンズＬ１の凸面Ｓ２は、光軸１００から周辺に向かって正の屈折力が弱くなる形状の第２の非球面要素を含む。負の屈折力が変化する要素は、凹面Ｓ１または凸面Ｓ２の一方が含んでいてもよい。

すなわち、この投射用レンズシステム１０においては、正の屈折力の第３のレンズ群Ｇ３および第２のレンズ群Ｇ２（正レンズＬ３および正メニスカスレンズＬ２）が光束を取り込む際に強い正（内向き）の像面湾曲を発生させている。これに対して、第１のレンズ群Ｇ１（負メニスカスレンズＬ１）は、光軸１００から周辺に向かって増大する負の屈折力により、負（外向き）の像面湾曲を発生させ、半球面９ａに合致するように結像位置を調整している。このため、スクリーン９の半球面９ａに沿って像面を外側（拡大側１０ａ）に広げやすく、周辺部９ｂにおける光量の低下も抑制でき、半球面９ａの形状に沿って半球に湾曲した鮮明な画像を結像できる。

さらに、この投射用レンズシステム１０においては、各レンズ群Ｇ１〜Ｇ３をそれぞれ一枚のレンズＬ１〜Ｌ３で構成している。このため、３枚のレンズＬ１〜Ｌ３によるコンパクトな構成でありながら、半球のスクリーン９に対して明るく鮮明な画像を結像させる投射用レンズシステム１０を提供できる。さらに、開口絞りＳｔが負メニスカスレンズＬ１の被投影面２の側（縮小側１０ｂ）に配置されているので、樽型の歪曲収差を発生させることができ、スクリーン９上に立体的な画像を結像させやすい。

この投射用レンズシステム１０においては、当該投射用レンズシステム１０の合成焦点距離ｆと、負メニスカスレンズＬ１および正メニスカスレンズＬ２の合成焦点距離ｆ１２と、負メニスカスレンズＬ１の最大有効光線高さｈ１と、最大有効光線高さｈ１における非球面（凹面）Ｓ１のサグ量Ｄ１とが以下の条件（１）および（２）を満たすように設計される。非球面Ｓ１は、負メニスカスレンズＬ１の凹面Ｓ１の近軸曲率半径で作られる面と非球面とが合成された面である。
０．６０＜ｆ／ｆ１２＜１．００・・・（１）
０．０５＜｜Ｄ１／ｈ１｜＜０．４０・・・（２）

この投射用レンズシステム１０においては、負メニスカスレンズＬ１および正メニスカスレンズＬ２のパワーを条件（１）に示すように強くして、最大有効光線高さｈ１における負メニスカスレンズＬ１の第１の非球面Ｓ１のサグ量ｄ１を条件（２）の範囲に収めることにより、諸収差を良好に補正しながら、スクリーン９の形状に沿って半球状に湾曲した明るく鮮明な画像を結像させることができる。なお、本明細書において最大有効光線高さは、各レンズの光軸１００から最も離れたところを通る光線の高さをいい、この投射用レンズシステム１０においては、負メニスカスレンズＬ１の最大有効光線高さｈ１は、負メニスカスレンズＬ１の有効径（１２．２０ｍｍ）の半分の６．１０ｍｍである。

条件（１）の範囲を外れると、半球面９ａに沿って像面を半球状に湾曲させることが困難となる。条件（１）の上限を超えると、負メニスカスレンズＬ１および正メニスカスレンズＬ２のパワーが投射用レンズシステム１０のパワーに対して強くなり、コマ収差の補正が困難となる。一方、条件（１）の下限を超えると、負メニスカスレンズＬ１および正メニスカスレンズＬ２のパワーが投射用レンズシステム１０のパワーに対して弱くなり、色収差および歪曲収差の補正が困難となる。

条件（２）の上限を超えると、最大有効光線高さｈ１における第１の非球面Ｓ１のサグ量ｄ１が大きくなり、球面収差およびコマ収差の補正が困難となる。一方、条件（２）の下限を超えると、最大有効光線高さｈ１における第１の非球面Ｓ１のサグ量ｄ１が小さくなり、コマ収差の補正が困難となる。

条件（１）の上限は、０．９０であることが望ましく、０．８２であることがさらに望ましい。また、条件（１）の下限は、０．７０であることが望ましく、０．７４であることがさらに望ましい。条件（２）の上限は、０．３０であることが望ましく、０．１８であることがさらに望ましい。また、条件（２）の下限は、０．１０であることが望ましく、０．１４であることがさらに望ましい。

さらに、この投射用レンズシステム１０を用いた投影装置１においては、スクリーン９の半球の中心９ｃと投射用レンズシステム１０の光軸１００とが一致するように配置されており、スクリーン９の曲率半径Ｒと、スクリーン９と負メニスカスレンズＬ１の凹面Ｓ１との間の光軸上の距離ｄ１とが以下の条件（３）を満たすように設計される。
１．３０＜ｄ１／Ｒ＜１．５０・・・（３）

スクリーン９の曲率半径Ｒに対する距離ｄ１を条件（３）の範囲内とすることにより、明るく鮮明な湾曲画像を結像可能な投射用レンズシステム１０をスクリーン９に近接させた、コンパクトな投影装置１を提供できる。条件（３）の上限を超えると、スクリーン９の曲率半径Ｒに対して距離ｄ１が大きくなり、投影装置１の小型化が困難となる。一方、条件（３）の下限を超えると、スクリーン９の曲率半径Ｒに対して距離ｄ１が小さくなり、スクリーン９の周辺における光量低下の抑制が困難となる。

図４に、投射用レンズシステム１０の各レンズのレンズデータを示している。図５に、投射用レンズシステム１０の諸数値を示している。レンズデータにおいて、Ｒｉはスクリーン９の側から順に並んだ各レンズ（各レンズ面）の曲率半径（ｍｍ）、ｄｉはスクリーン９の側から順に並んだ各レンズ面の間の距離（ｍｍ）、ｎｄはスクリーン９の側から順に並んだ各レンズの屈折率（ｄ線）、νｄはスクリーン９の側から順に並んだ各レンズのアッベ数（ｄ線）を示している。図４において、Ｆｌａｔは平面を示している。図５（ｂ）において、「Ｅｎ」は、「１０のｎ乗」を意味する。たとえば、「Ｅ−０５」は、「１０の−５乗」を意味する。以降の実施形態においても同様である。

また、負メニスカスレンズＬ１の凹面Ｓ１および凸面Ｓ２は、非球面である。非球面は、ｈを各レンズの有効光線高さ、Ｄを有効光線高さにおける近軸曲率半径で作られる面および非球面のサグ量、光の進行方向を正、Ｒを近軸曲率半径、Ｋを円錐定数とすると、図５（ｂ）の係数Ｋ、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤを用いて次式で表わされる。
Ｄ＝（１／Ｒ）ｈ^２／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（１／Ｒ）^２ｈ^２｝^１／２］
＋Ａｈ^４＋Ｂｈ^６＋Ｃｈ^８＋Ｄｈ^１０

本例の投射用レンズシステム１０の上述した条件（１）〜（３）を与える各式の値は、以下のようになる。
条件（１）ｆ／ｆ１２＝０．８１
条件（２）｜Ｄ１／ｈ１｜＝０．１５
条件（３）ｄ１／Ｒ＝１．３９
したがって、本例の投射用レンズシステム１０は、条件（１）〜（３）を満たしている。

図６に、投射用レンズシステム１０の縦収差図および横収差図を示している。図６に示すように、いずれの収差も良好に補正されており、鮮明な画像をスクリーン９に投射できる。なお、球面収差およびコマ収差は、波長６２０ｎｍ（一点鎖線）と、波長５２０ｎｍ（実線）と、波長４６０ｎｍ（点線）とを示している。また、非点収差およびコマ収差においては、タンジェンシャル光線（Ｔ）およびサジタル光線（Ｓ）の収差をそれぞれ示している。

したがって、本例の投射用レンズシステム１０は、縮小側１０ｂがテレセントリックのコンパクトな３枚構成でありながら、半画角が６３度と広角で、Ｆ値が２．７０と明るく鮮明な湾曲画像を投影できる投射用レンズシステム１０の一例である。

第２の実施形態
図７に、第２の実施形態に係る投射用レンズシステム２０を示している。この投射用レンズシステム２０は、スクリーン９の側（拡大側２０ａ）から順に、正の屈折力を備えた第１のレンズ群Ｇ１と、開口絞りＳｔと、正の屈折力を備えた第２のレンズ群Ｇ２と、正の屈折力を備えた第３のレンズ群Ｇ３とから構成されている。この投射用レンズシステム２０は、スクリーン９の側から順に、光軸１００上の屈折力が正−正−正の３つのレンズ群Ｇ１〜Ｇ３にグループ化された３枚のレンズＬ１〜Ｌ３により構成されている。

最もスクリーン９の側の第１のレンズ群Ｇ１は、スクリーン９の側に凹面Ｓ１を向けた樹脂製の、光軸１００上の屈折力が正のメニスカスレンズ（第１レンズ）Ｌ１から構成されている。メニスカスレンズＬ１の両面、すなわちスクリーン９の側の凹面Ｓ１および被投影面２の側（縮小側２０ｂ）の凸面Ｓ２は非球面である。なお、本例のメニスカスレンズＬ１は、光軸１００上では正の屈折力を備えているが、光軸１００から周辺に向かう途中で正の屈折力から負の屈折力に変わり、周辺では強い負の屈折力を備えており、以降、本明細書において、メニスカスレンズＬ１を正メニスカスレンズ１と称する。

開口絞りＳｔと正メニスカスレンズＬ１の被投影面２の側の凸面Ｓ２との間の距離ｄ３（０．３ｍｍ）は、開口絞りＳｔと正メニスカスレンズＬ２のスクリーン９の側の凹面Ｓ３と間の距離ｄ４（３．５３ｍｍ）よりも小さい。

図８に、正メニスカスレンズＬ１の有効径に対するパワーの変化を示しており、（ａ）は正メニスカスレンズＬ１の凹面Ｓ１および凸面Ｓ２を球面（一点鎖線）および非球面（実線）とした場合の光軸１００に平行な仮想的な投影光の発散角を示す図、（ｂ）は球面および非球面の発散角の差を示す図である。

図８（ａ）に示すように、正メニスカスレンズＬ１の有効径２．００ｍｍを通過する仮想的な投影光の発散角は、球面の場合が約０．４°収束しているのに対して、非球面の場合は約０°でほぼ透過している。また、正メニスカスレンズＬ１の有効径３．５０ｍｍを通過する仮想的な投影光の発散角は、球面の場合が約０．７°収束しているのに対して、非球面の場合は約１．１°発散している。すなわち、仮想的な投影光は、光軸１００から有効径２．００ｍｍまでの範囲では収束しているが、有効径２．００ｍｍから周辺に向かって発散していることがわかる。したがって、図８（ｂ）に示すように、凹面Ｓ１および凸面Ｓ２を非球面とした正メニスカスレンズＬ１は、光軸１００から周辺に向かって発散角が大きくなっており、光軸１００の近傍の正の屈折力が周辺に向かって負の屈折力に変わり、周辺に向かって増大する負の屈折力を備えていることがわかる。

本例の正メニスカスレンズＬ１の凹面Ｓ１は、光軸１００から周辺に向かって負の屈折力が強くなる形状の第１の非球面要素を含み、正メニスカスレンズＬ１の凸面Ｓ２は、光軸１００から周辺に向かって正の屈折力が弱くなる形状の第２の非球面要素を含み、全体として、光軸１００上では、弱い正のパワーまたはほとんどパワーがなく、周辺に向けて増大する負の屈折力を含むレンズになっている。

すなわち、この投射用レンズシステム２０においても、正の屈折力の第３のレンズ群Ｇ３および第２のレンズ群Ｇ２（正レンズＬ３および正メニスカスレンズＬ２）が光束を取り込む際に強い正（内向き）の像面湾曲を発生させている。これに対して、第１のレンズ群Ｇ１（正メニスカスレンズＬ１）は、光軸１００から周辺に向かって増大する負の屈折力により、負（外向き）の像面湾曲を発生させ、半球面９ａに合致するように結像位置を調整している。このため、スクリーン９の半球面９ａに沿って像面を外側（拡大側２０ａ）に広げやすく、周辺部９ｂにおける光量の低下も抑制でき、半球面９ａの形状に沿って半球に湾曲した鮮明な画像を結像できる。

図９に、投射用レンズシステム２０の各レンズのレンズデータを示している。図１０に、投射用レンズシステム２０の諸数値を示している。本例の投射用レンズシステム２０の上述した条件（１）〜（３）を与える各式の値は、以下のようになる。
条件（１）ｆ／ｆ１２＝０．７５
条件（２）｜Ｄ１／ｈ１｜＝０．１７
条件（３）ｄ１／Ｒ＝１．３５
したがって、本例の投射用レンズシステム２０は、条件（１）〜（３）を満たしている。

図１１に、投射用レンズシステム２０の縦収差図および横収差図を示している。図１１に示すように、いずれの収差も良好に補正されており、鮮明な画像をスクリーン９に投射できる。

したがって、本例の投射用レンズシステム２０は、縮小側２０ｂがテレセントリックのコンパクトな３枚構成でありながら、半画角が６５度とさらに広角で、Ｆ値が２．２０とさらに明るく鮮明な湾曲画像を投影できる投射用レンズシステム２０の一例である。

なお、本発明はこれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に規定されたものを含む。第１レンズＬ１は、ガラスモールド非球面レンズであってもよく、第２レンズＬ２は、接合レンズ（バルサムレンズ）であってもよい。また、レンズ群Ｇ１〜Ｇ３のそれぞれは、複数のレンズを含んでいてもよい。

また、光変調器（ライトバルブ）２は、ＬＣＤ（液晶パネル）、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）あるいは自発光型の有機ＥＬなどの画像を形成できるものであればよく、単板式であっても、各色の画像をダイクロイックプリズムなどにより合成するタイプであってもよい。光照射システム３は、多色のＬＥＤを備えていてもよく、その場合、ＤＭＤ（ライトバルブ）２には、赤色、緑色、青色の３原色が時分割で照射され、ＤＭＤ２は、それぞれの色の光が照射されるタイミングで個々の画素に対応する素子を制御し、ＤＭＤ２が被投影面２となってスクリーン９に投影されるカラー画像が表示される。

上記では、半球のスクリーン９に、スクリーン９の外側から見た時に立体的に見える画像を投影する玩具の投影装置（立体表示装置）１を例に説明しているが、投影装置１のサイズはこれに限定されず、スクリーン９の直径は７０ｍｍ以下であっても、７０ｍｍ以上であってもよい。スクリーン９は、半球に限らず、ドーム型であってもよく、立体的に画像を投影するディスプレイやインテリアなどとして投影装置を提供することも可能である。また、半球のスクリーン９には、内側から見たときに立体的に見える画像を投影することも可能であり、本投影装置をプラネタリウムのように大型の投影装置として提供することも可能である。いずれの装置においても、スクリーン９の中心（半球スクリーンにおいては、球の中心）９ｃと最もスクリーン９の側のレンズ面（凹面Ｓ１）との距離を上記の条件（３）の範囲に収め、半球のスクリーン９の全周にわたり鮮明な画像を投影することが可能である。したがって、コンパクトで、立体的な画像を投影できる範囲（面積）の大きな投影装置を提供できる。

１投影装置
１０、２０投射用レンズシステム

Claims

被投影面からの投影光をドーム状のスクリーンに内側から投射する投射用レンズシステムであって、
前記スクリーンの側から順に配置された、第１レンズと、開口絞りと、正の屈折力の第２レンズと、正の屈折力の第３レンズとから構成され、
前記第１レンズは、最も前記スクリーンの側に配置された、前記スクリーンの側に凹面を向けたメニスカスタイプであって、少なくとも周辺が負の屈折力のレンズであり、
前記第２レンズは、最も前記被投影面の側に配置された、前記被投影面の側に凸面を向けたメニスカスタイプであり、
前記第３レンズは、最も前記スクリーンの側に配置された、前記スクリーンの側に凸面を向けたレンズであり、
前記第１レンズは、両面が非球面であり、光軸から周辺に向かって増大する負の屈折力を含み、
前記開口絞りと前記第１レンズの前記被投影面の側のレンズ面との間の距離は、前記開口絞りと前記第２レンズの前記スクリーンの側の凹面と間の距離よりも小さく、
当該投射用レンズシステムの合成焦点距離ｆと、前記第１レンズおよび前記第２レンズの合成焦点距離ｆ１２と、前記第１レンズの最大有効光線高さｈ１と、前記最大有効光線高さｈ１における前記第１レンズの前記凹面のサグ量Ｄ１とが以下の条件を満たす、投射用レンズシステム。
０．６０＜ｆ／ｆ１２＜１．００
０．０５＜｜Ｄ１／ｈ１｜＜０．４０
請求項１において、
さらに、以下の条件を満たす、投射用レンズシステム。
０．７０＜ｆ／ｆ１２＜０．９０
０．１０＜｜Ｄ１／ｈ１｜＜０．３０
請求項１または２に記載の投射用レンズシステムと、
前記投影光により画像が形成されるドーム状のスクリーンとを有する、投影装置。
請求項３において、
前記スクリーンは半球である、投影装置。
請求項４において、
前記スクリーンは、前記スクリーンの前記半球の中心と前記投射用レンズシステムの前記光軸とが一致するように配置されている、投影装置。
請求項４または５において、
前記スクリーンの曲率半径Ｒと、前記スクリーンと前記第１レンズの前記凹面との間の前記光軸上の距離ｄ１とが以下の条件を満たす、投影装置。
１．３０＜ｄ１／Ｒ＜１．５０
ドーム状のスクリーンと、被投影面からの投影光を前記ドーム状のスクリーンに内側から投射する投射用レンズシステムとを有する投影装置であって、
前記投射用レンズシステムは、前記スクリーンの側から順に配置された、第１レンズと、開口絞りと、正の屈折力の第２レンズと、正の屈折力の第３レンズとから構成され、
前記第１レンズは、最も前記スクリーンの側に配置された、前記スクリーンの側に凹面を向けたメニスカスタイプであって、少なくとも周辺が負の屈折力のレンズであり、
前記第２レンズは、最も前記被投影面の側に配置された、前記被投影面の側に凸面を向けたメニスカスタイプであり、
前記第３レンズは、最も前記スクリーンの側に配置された、前記スクリーンの側に凸面を向けたレンズであり、
前記第１レンズは、両面が非球面であり、光軸から周辺に向かって増大する負の屈折力を含み、
前記開口絞りと前記第１レンズの前記被投影面の側のレンズ面との間の距離は、前記開口絞りと前記第２レンズの前記スクリーンの側の凹面と間の距離よりも小さく、
前記スクリーンは半球であり、前記スクリーンの前記半球の中心と前記投射用レンズシステムの前記光軸とが一致するように配置され、
前記スクリーンの曲率半径Ｒと、前記スクリーンと前記第１レンズの前記凹面との間の前記光軸上の距離ｄ１とが以下の条件を満たす、投影装置。
１．３０＜ｄ１／Ｒ＜１．５０
請求項３ないし７のいずれかにおいて、さらに、
前記被投影面に画像を形成する光変調器を有する、投影装置。
請求項８において、
前記光変調器は、前記スクリーンに、前記スクリーンが外側から見られる画像を形成する、投影装置。