JP5930088B1 - 投射光学系 - Google Patents

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Abstract

【課題】近接型のプロジェクターへの適用において、広い変倍範囲をカバーし、かつ、高解像度の画像表示素子にも対応できる投射光学系を提供すること。【解決手段】第１−２レンズ群４２において、最も縮小側に固定群である縮小側固定レンズ群（第１固定レンズ群Ｈ１）を配置し、最も拡大側に固定群である拡大側固定レンズ群（第２固定レンズ群Ｈ２）を配置し、これらの間に変倍に伴うフォーカスの際に移動する移動レンズ群（レンズ群Ｆ１〜Ｆ３）を有するものとすることで、収差変動を小さく抑えるために有効な補正をすることが可能となっている。これにより、第２光学群４０ｂが１枚のミラーＭＲで構成されるような場合であっても、１次像に適度な収差を含ませて第２光学群４０ｂを経て最終的にスクリーン上に投影される画像を収差の少ない良好なものとすることができる。【選択図】図３

Description

本発明は、画像表示素子の画像を拡大投影するプロジェクターへの組み込みに適した投射光学系に関する。
半画角６０度前後の広い画角を有することで、近距離から投射して大画面を得ることが可能なプロジェクター用の投射光学系として、複数のレンズから構成される屈折光学系が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、レンズだけの屈折光学系によって非常に広い画角を得ようとした場合、特に拡大側に位置するレンズは、非常に大きなものとなってしまうという欠点がある。また、屈折光学系で広画角化を行おうとすると、特に拡大側に位置するパワーの強い負メニスカスレンズによって発生する倍率色収差を補正するために、非常に多くのレンズ枚数が必要となってしまうことが考えられる。
屈折光学系の欠点を解消する方法として、複数のレンズからなる屈折光学系と、少なくとも１枚の曲面反射ミラーを用いた屈折・反射複合光学系が提案されている（例えば特許文献２，３等参照）。これらの屈折・反射型複合光学系では、最終的な広画角を得る手段として反射ミラーを用いているため、前述のレンズのみを用いた屈折光学系と比較して、倍率色収差が発生しにくいという特徴がある。
しかしながら、例えば特許文献２（特開２００６−２３５５１６号）では、屈折光学系と凹面ミラーとを用いて非常に広い画角を有しているが、曲面ミラーが非常に大きく、また全長も非常に長いものとなっている。また、特許文献３（特開２００７−０７９５２４号）では、例えば第８実施例において画角を６０度程度としながら、凹面ミラーと凸面ミラーとを組み合わせることにより、ミラーサイズは小さくなっている。しかし、前述の特許文献２と同様に、全長が非常に長いものとなっている。また、Ｆナンバーも３程度と暗く、透過型の液晶を用いる光学系としては、明るさの点でも物足りないものとなっている。加えて、構成される２枚のミラーは非球面であり、精度、組み立ての観点からも非常に難易度の高いものとなっている。
以上のように、屈折・反射型複合光学系では、超広画角が得られる反面、全長を小さくすることが困難で、かつミラーのサイズが大きくなってしまうという欠点があり、リアプロジェクターのように大きな筐体の中に光学系を折り曲げて配置するような用途には向いているが、例えばフロントプロジェクターのように可搬性を重視する機器には向いていない。
これに対して、フロントプロジェクター用途で反射ミラーを使用したものも知られている（特許文献４，５等）。例えば、特許文献４（特開２００８−２５０２９６号）では、１または２枚の非球面レンズを非球面ミラーの前に配置することで、コンパクトな構成にしているが、Ｆナンバーを１．７程度に明るくした系では、変倍の範囲が１．２倍程度と狭くなっている。逆に、変倍範囲を２倍程度とった系では、Ｆナンバーが１．８５程度と暗くなっている。また、例えば特許文献５（特開２０１２−２９３１３９号）では、屈折光学系の最もミラー側に正レンズを配置することでミラーの小型化を可能にし、延いては光学系全体の小型化を可能としている。しかし、Ｆナンバーが１．８程度のものまでしか対応していないため、明るさという点では不足している。
ところで、従来においては、近接用途のプロジェクターは固定されたスクリーンに対して、天井設置や、壁面設置のような設置時に固定的に使用されることが多かった。しかしながら、近年では、プロジェクターを縦置きにして、比較的小さな投射サイズでテーブル面に投射するだけでなく、そのプロジェクターを比較的広い部屋などに移動させて大画面投射用にも対応できるようにする要望が高くなってきた。大画面投射をする場合には、比較的明るい場所でも十分なコントラストを得るために、少しでも明るい光学系が要求される。
特開２００７−１４７９７０号公報 特開２００６−２３５５１６号公報 特開２００７−０７９５２４号公報 特開２００８−２５０２９６号公報 特開２０１２−２０３１３９号公報
本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、近接型のプロジェクターへの適用において、広い変倍範囲をカバーし、かつ、高解像度の画像表示素子にも対応できる投射光学系を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る投射光学系は、縮小側から順に、複数のレンズからなり正のパワーを有する第１光学群と、１枚の凹面非球面形状を有する反射面を含む第２光学群とからなる投射用光学系であって、第１光学群は、最も広い空気間隔を境にして、縮小側に正のパワーを有する第１−１レンズ群と、拡大側に第１−１レンズ群のパワーと比較して弱い正または負のパワーを有する第１−２レンズ群とからなり、第１−２レンズ群は、最も縮小側に配置され、かつ、変倍に伴うフォーカスの際に固定され正のパワーを有する縮小側固定レンズ群と、最も拡大側に配置され、かつ、変倍に伴うフォーカスの際に固定され負のパワーを有する拡大側固定レンズ群と、縮小側固定レンズ群と拡大側固定レンズ群との間に配置され、変倍に伴うフォーカスの際に光軸方向に移動する少なくとも１つの移動レンズ群とを有する。ここで、レンズ又はレンズ群のパワーの比較について、相対的に弱いとは、パワーの絶対値を比較した場合に小さいことを意味するものとする。すなわち、上記では、第１−２レンズ群の有するパワーに関して、その絶対値が、第１−１レンズ群の有するパワーの絶対値よりも小さいことを意味する。
まず、上記のような構成の場合、第１光学群は、物体（すなわちパネル部分）の像を、一旦、第２光学群のミラーの手前で結像させ、第２光学群のミラーでスクリーンに再結像させるための１次像を作る役割をする。この際、第２光学群は、ただ１枚のミラーで構成されるため、単独で収差を補正することは困難であり、従って、第２光学群で最終的にスクリーン上に収差の少ない画像が得られるようにするには、第１光学群において、収差を含んだ１次像を作ることが必要となる。
さらに、上記のような構成の超広角投射光学系では、投射倍率を変化させると画角が非常に広いため収差変動が大きくなりやすく、第１光学群は、結像倍率を変化させてもそれに対応した収差を含んだ１次像を作り出すことが必要となる。
これに対して、本発明に係る投射光学系では、上記のように、第１光学群のうちフォーカス群である第１−２レンズ群において、最も縮小側に配置され、かつ、変倍に伴うフォーカスの際に固定され正のパワーを有する縮小側固定レンズ群を配置している。見方を変えると、この縮小側固定レンズ群は、第１−１レンズ群から射出された光束（光線束）の入射面を含むレンズ群である。第１−１レンズ群から射出される光束を、続いて配置されるフォーカス移動群に無理なく入射させるため、縮小側のレンズ群は、第１−２レンズ群を構成するレンズ群の内において相対的に強い正のパワーを有するものとし拡大側に凸面を向けた形状とすることで収差の発生を極力抑えている。この際、縮小側のレンズ群を変倍に伴うフォーカス時の固定群とすることによって偏芯などによる影響を受けにくいものとし、安定した像性能を得ることが可能としている。また、第１−２レンズ群において、変倍に伴うフォーカスの際に移動する少なくとも１つの移動レンズ群を有するものとしている。これにより、スクリーン上に良好な画像を得るために必要な１次像を作ることができる。さらに、最も拡大側に位置し、かつ、変倍に伴うフォーカスの際に固定群である拡大側固定レンズ群を配置している。以上により、フォーカス群のガタなどによる影響を少なくし、かつ、近接型のプロジェクターへの適用において広い変倍範囲をカバーし、高解像度の画像表示素子にも対応できるものとなっている。拡大側と縮小側に２つの固定群を配置することで、変倍に伴うフォーカスの際に移動するレンズ群を最低限の１つの移動群としても、十分広い変倍範囲において良好な画像を得ることができ、移動群のガタなどによるフォーカス時の性能劣化が最小限となるようにしている。
以下、上記縮小側固定レンズ群を構成するレンズに関してさらに詳述する。第１−１レンズ群から強い発散光として射出された光束は、第１−２レンズ群で受光されることになる。第１−２レンズ群のうち縮小側固定レンズ群を構成するレンズである最も縮小側に配置される正レンズは、第１−１レンズ群からの発散光を受けるため、例えば周辺部で特に強い屈折力を持つようにする態様が考えられる。この場合、当該正レンズを移動群とすると、フォーカス群としての第１−２レンズ群において偏芯などによる性能劣化を生じさせる原因となりやすい。従って、第１−１レンズ群からの発散光の状態によっては、フォーカス群である第１−２レンズ群の最も縮小側に配置される正レンズは、上述したように固定群とすることが好ましいことがある。
また、超広角の屈折と反射の複合光学系では、屈折光学系からなる第１光学群から出た光束は、第２光学群のミラーで反射され第１光学群のほうに戻るため、第１光学群のうち第２光学群側のレンズ（例えば拡大側固定レンズ群のうち最も拡大側に位置するレンズ）は、第２光学群から戻ってくる光束と干渉してしまうおそれがある。そのため、例えば円形状ではなく一部を切り欠いたような形状にする必要がある。この場合、切り欠いた形状のレンズを固定するための枠構造も一般的な円筒形状を用いることができなくなり、精度を維持することが困難となりやすくなる。本発明に係る投射光学系では、上記のように、第１光学群で最も大型となり異形構造をとり枠構造上も精度を維持しにくくなる可能性がある最も拡大側のレンズを含むレンズ群を、固定群（拡大側固定レンズ群）とすることで、性能のバラツキを防ぐことを可能にしている。
本発明の具体的な側面によれば、第１−２レンズ群は、少なくとも２枚の樹脂非球面レンズを含み、拡大側固定レンズ群は、当該樹脂非球面レンズの１枚として負の非球面レンズを含む。
特に、高精細なパネルに対応しコントラストが高く、かつ、歪の少ない画像を得るためには、第１−２レンズ群を構成する複数のフォーカスレンズ群と第２光学群を構成するミラーとを適切に配置する必要があり、特に、第１−２レンズ群が、少なくとも２枚の樹脂で成形された非球面レンズを含むことが好ましい。さらに、広い変倍範囲にかけて高精細化、低歪化の達成のためには、それぞれの非球面レンズの間隔を変化させることが有効となる。
ここで、樹脂非球面レンズを複数枚用いることで、高精細化、低歪化は比較的容易に行えるようになるものの、複数の非球面を用いる場合、一般には、各非球面の面精度を高くする必要性を生じ、また、それぞれのレンズの非球面の互いの偏芯が性能劣化の原因となってしまうことがある。さらに、樹脂の成形レンズの一般的な特徴としては、材料の収縮率が大きいため、ガラスの成形レンズなどと比較すると、面の精度確保が難しい。また、パワーを強くしすぎると、光軸近傍でのレンズ厚と外周部でのレンズ厚の比で表される偏肉比が大きくなり、成形に際して形成されるゲート部分や外周部分で内部歪を生じてしまうことにより性能に影響が出てしまうことが知られている。さらに、樹脂の線膨張係数や屈折率の温度係数もガラスレンズと比較して、１桁程度大きく、環境温度や使用時の温度変化で焦点距離変化による焦点位置ずれの原因ともなり、樹脂レンズは単体であまりパワーを強くすることは好ましくない。以上のような理由から、樹脂レンズはできるだけパワーを弱くして、偏肉比を小さくすることが好ましい。さらに非球面レンズの間隔を変化させるには、前記のようにお互いの非球面の感度を下げておくことに加えて、移動時の偏芯量を少なくするような構造とすることも必要になる。そのために、複数の樹脂非球面レンズのうち少なくとも１枚の負の樹脂非球面レンズを拡大側固定レンズ群に配置することで、非球面レンズの間隔を変化させる際に、互いの非球面の偏芯量を半減することができ、性能のバラツキ量を減らすことが可能となる。また、拡大側に配置される非球面レンズは、非円形形状となる必要が高いことがあることからも、フォーカスの際に固定とすることが好ましい。
本発明の別の側面によれば、拡大側固定レンズ群は、樹脂で成形された１枚の非球面レンズで構成される。この場合、拡大側固定レンズ群におけるレンズ用の枠構造の簡素化や、レンズ同士の偏芯の影響を抑え、フォーカス群としての第１−２レンズ群の安定化を図ることが可能となる。
本発明のさらに別の側面によれば、拡大側固定レンズ群は、少なくとも樹脂で成形された１枚の非球面レンズを含む２枚の負レンズから構成される。この場合、例えば、２枚の負レンズのうち、もう一方をガラスで成形された１枚の球面レンズとすることで、当該球面レンズに主にパワーを持たして、パワーを弱くした非球面レンズで収差補正をするように、レンズのパワーを分散させることでより安定した性能を維持することが可能となる。
本発明のさらに別の側面によれば、縮小側固定レンズ群は、縮小側に凸面を向けた１枚の正レンズである。この場合、第１−２レンズ群の拡大側に配置されるレンズの径を小さくすることができ、装置の小型化が可能となる。
本発明のさらに別の側面によれば、第１−１レンズ群は、内部に開口絞りを有し、開口絞りよりも拡大側において、縮小側から順に、拡大側に凸面を向けた正レンズと、拡大側に凹面を向けた負レンズとの２枚のレンズで構成される。この場合、開口絞りよりも拡大側に上記のような２枚のレンズを配置することで、広い変倍範囲でも良好な性能を維持することができる。
第１−１レンズ群には、（物体すなわちパネル）側から出た光束を効率よく取り込み、フォーカスレンズ群である第１−２レンズ群に送る役割がある。第１−２レンズ群は、フォーカスレンズ群として、広い変倍範囲であっても適切な中間像を作る役割が求められる。上記のように、第１−１レンズ群のうち開口絞りよりも拡大側に配置されるレンズ群を、正負の２枚のレンズとするに際して、特に、縮小側より順に拡大側に凸面を向けた正レンズと、拡大側に凹面を向けた負レンズとし、第１−１レンズ群の最も拡大側の面を発散面とすることができる。これにより、フォーカスレンズ群である第１−２レンズ群と組み合わせて、広い変倍域において良好に像面湾曲、非点収差特性を補正することができ、適切な中間像を作るために安定した性能を得ることが可能となる。
本発明のさらに別の側面によれば、第１−１レンズ群は、内部に開口絞りを有し、開口絞りの縮小側において、少なくとも２組の正レンズ及び負レンズの接合レンズを含み、かつ、少なくとも１面の拡大側に凹面形状の非球面を有する。この場合、少ないレンズ枚数の構成であっても色収差の発生を防ぎ、組立てバラツキを少なくしながら、開口数を大きくする（明るくする）ことができる。
第１−１レンズ群の開口絞りより縮小側に配置される複数のレンズは、（物体すなわちパネル）側から出た光束を効率よく取り込む役割をする。仮に、これら複数のレンズを球面レンズのみで構成した場合、レンズ枚数を増やすことが必要となる可能性がある。レンズ枚数が増えると透過率が減少するとともに、レンズの増加によるレンズ全長の増加もあるため、極力最低限のレンズ構成枚数にすることが要求されることもある。
例えば、Ｆナンバーが１．６程度の明るさまで対応可能なようにするために、第１−１レンズ群の開口絞りより縮小側において、少なくとも１面の拡大側に凹面形状の非球面を入れることで、明るさを確保しつつ、フレアーの発生を抑え、コントラストの高い画像を提供することが可能となる。また、第１−１レンズ群の開口絞りより縮小側において、少なくとも２組の接合レンズで構成することで、色収差の発生を極力抑え、接合することで組み立て性も向上する。
本発明のさらに別の側面によれば、物体側の開口数は、０．３以上である。この場合、十分に明るい投射画像を形成できる。
本発明のさらに別の側面によれば、縮小側は、略テレセントリックである。
本発明のさらに別の側面によれば、第１光学群及び第２光学群を構成する要素が、全て回転対称系である。
本発明のさらに別の側面によれば、変倍範囲が、１．５倍以上ある。
実施形態の投射光学系を組み込んだプロジェクターの概略構成を示す図である。 実施形態又は実施例１の投射光学系における物体面から投射面までの構成および光線図である。 図２のうち、物体面から凹面反射ミラーまでの一部拡大図である。 実施例１の投射光学系の構成を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、実施例１の投射光学系の縮小側収差図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、図５（Ａ）に対応する投射光学系の横収差図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、図５（Ｂ）に対応する投射光学系の横収差図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、図５（Ｃ）に対応する投射光学系の横収差図である。 実施例２の投射光学系の構成を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、実施例２の投射光学系の縮小側収差図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、図１０（Ａ）に対応する投射光学系の横収差図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、図１０（Ｂ）に対応する投射光学系の横収差図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、図１０（Ｃ）に対応する投射光学系の横収差図である。 実施例３の投射光学系の構成を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、実施例３の投射光学系の縮小側収差図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、図１５（Ａ）に対応する投射光学系の横収差図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、図１５（Ｂ）に対応する投射光学系の横収差図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は、図１５（Ｃ）に対応する投射光学系の横収差図である。
以下に図面を参照して、本発明の実施形態に係る投射光学系について詳細に説明する。
図１に示すように、本発明の一実施形態に係る投射光学系を組み込んだプロジェクター２は、画像光を投射する光学系部分５０と、光学系部分５０の動作を制御する回路装置８０とを備える。
光学系部分５０において、光源１０は、例えば超高圧水銀ランプであって、Ｒ光、Ｇ光、及びＢ光を含む光を射出する。ここで、光源１０は、超高圧水銀ランプ以外の放電光源であってもよいし、ＬＥＤやレーザーのような固体光源であってもよい。第１インテグレーターレンズ１１及び第２インテグレーターレンズ１２は、アレイ状に配列された複数のレンズ素子を有する。第１インテグレーターレンズ１１は、光源１０からの光束を複数に分割する。第１インテグレーターレンズ１１の各レンズ素子は、光源１０からの光束を第２インテグレーターレンズ１２のレンズ素子近傍にて集光させる。第２インテグレーターレンズ１２のレンズ素子は、重畳レンズ１４と協働して、第１インテグレーターレンズ１１のレンズ素子の像を液晶パネル１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂに形成する。このような構成により、光源１０からの光が液晶パネル１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの表示領域の全体を略均一な明るさで照明する。
偏光変換素子１３は、第２インテグレーターレンズ１２からの光を所定の直線偏光に変換させる。重畳レンズ１４は、第１インテグレーターレンズ１１の各レンズ素子の像を、第２インテグレーターレンズ１２を介して液晶パネル１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの表示領域上で重畳させる。
第１ダイクロイックミラー１５は、重畳レンズ１４から入射したＲ光を反射させ、Ｇ光及びＢ光を透過させる。第１ダイクロイックミラー１５で反射されたＲ光は、反射ミラー１６及びフィールドレンズ１７Ｒを経て、光変調素子である液晶パネル１８Ｒへ入射する。液晶パネル１８Ｒは、Ｒ光を画像信号に応じて変調することにより、Ｒ色の画像を形成する。
第２ダイクロイックミラー２１は、第１ダイクロイックミラー１５からのＧ光を反射させ、Ｂ光を透過させる。第２ダイクロイックミラー２１で反射されたＧ光は、フィールドレンズ１７Ｇを経て、光変調素子である液晶パネル１８Ｇへ入射する。液晶パネル１８Ｇは、Ｇ光を画像信号に応じて変調することにより、Ｇ色の画像を形成する。第２ダイクロイックミラー２１を透過したＢ光は、リレーレンズ２２、２４、反射ミラー２３、２５、及びフィールドレンズ１７Ｂを経て、光変調素子である液晶パネル１８Ｂへ入射する。液晶パネル１８Ｂは、Ｂ光を画像信号に応じて変調することにより、Ｂ色の画像を形成する。
クロスダイクロイックプリズム１９は、光合成用のプリズムであり、各液晶パネル１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂで変調された光を合成して画像光とし、投射光学系４０へ進行させる。
投射光学系４０は、各液晶パネル１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂによって変調されクロスダイクロイックプリズム１９で合成された画像光を不図示のスクリーン上に拡大投射する投射用ズームレンズである。
回路装置８０は、ビデオ信号等の外部画像信号が入力される画像処理部８１と、画像処理部８１の出力に基づいて光学系部分５０に設けた液晶パネル１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂを駆動する表示駆動部８２と、投射光学系４０に設けた駆動機構（不図示）を動作させて投射光学系４０の状態を調整するレンズ駆動部８３と、これらの回路部分８１，８２，８３等の動作を統括的に制御する主制御部８８とを備える。
画像処理部８１は、入力された外部画像信号を各色の諧調等を含む画像信号に変換する。なお、画像処理部８１は、外部画像信号に対して歪補正や色補正等の各種画像処理を行うこともできる。
表示駆動部８２は、画像処理部８１から出力された画像信号に基づいて液晶パネル１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂを動作させることができ、当該画像信号に対応した画像又はこれに画像処理を施したものに対応する画像を液晶パネル１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂに形成させることができる。
レンズ駆動部８３は、主制御部８８の制御下で動作し、投射光学系４０を構成する一部の光学要素をアクチュエータＡＣを介して光軸ＯＡに沿って適宜移動させることにより、投射光学系４０によるスクリーン上への画像の投射において変倍に伴うフォーカス（変倍時のフォーカス）を行うことができる。なお、レンズ駆動部８３は、投射光学系４０全体を光軸ＯＡに垂直な上下方向に移動させるアオリの調整により、スクリーン上に投射される画像の縦位置を変化させることもできる。
以下、図２及び図３等を参照して、実施形態の投射光学系４０について具体的に説明する。なお、図２等で例示した投射光学系４０は、後述する実施例１の投射光学系４０と同一の構成となっている。
実施形態の投射光学系４０は、液晶パネル１８Ｇ（１８Ｒ，１８Ｂ）の被投射面に形成された画像を不図示のスクリーン上に投射する。ここで、投射光学系４０と液晶パネル１８Ｇ（１８Ｒ，１８Ｂ）との間には、図１のクロスダイクロイックプリズム１９に相当するプリズムＰＲが配置されている。
投射光学系４０は、縮小側から順に、複数のレンズからなり正のパワーを有する第１光学群４０ａと、１枚の凹面非球面形状を有する反射面を含むミラーＭＲで構成される第２光学群４０ｂとからなる。第１光学群４０ａは、含まれるレンズ間に形成される空間のうち、最も広い空気間隔ＢＤを境にして、縮小側に正のパワーを有する第１−１レンズ群４１と、拡大側に第１−１レンズ群４１のパワーと比較して弱い正または負のパワーを有する第１−２レンズ群４２とからなる。
第１−１レンズ群４１は、内部に開口絞りＳＴを有し、開口絞りＳＴよりも縮小側のレンズ群Ｅ１と、開口絞りＳＴよりも拡大側のレンズ群Ｅ２とからなる。
第１−２レンズ群４２は、縮小側から順に、変倍に伴うフォーカスの際に固定される第１固定レンズ群Ｈ１（縮小側固定レンズ群）と、変倍に伴うフォーカスの際に光軸方向にそれぞれ移動する３つの移動レンズ群であるＦ１レンズ群（以下レンズ群Ｆ１）、Ｆ２レンズ群（以下レンズ群Ｆ２）及びＦ３レンズ群（以下レンズ群Ｆ３）と、変倍に伴うフォーカスの際に固定される第２固定レンズ群Ｈ２（拡大側固定レンズ群）とを有する。すなわち、第１−２レンズ群４２は、最も縮小側と、最も拡大側とに、変倍に伴うフォーカスの際に固定されるレンズ群が、第１及び第２固定レンズ群Ｈ１，Ｈ２（縮小側固定レンズ群、拡大側固定レンズ群）として配置されたものとなっている。縮小側固定レンズ群である第１固定レンズ群Ｈ１は、図示のように、１枚の正レンズＬ１１から構成され、第１−１レンズ群４１から発散した状態となって射出される光を受ける光入射面となっている。また、拡大側固定レンズ群である第２固定レンズ群Ｈ２は、図示のように、２枚の負レンズＬ１５，Ｌ１６から構成され、最も拡大側に配置されるレンズＬ１６は、樹脂で成形された非球面レンズである。縮小側に配置されるレンズＬ１５は、ガラスレンズである。また、３つのレンズ群Ｆ１〜Ｆ３（移動レンズ群）のうち、最も拡大側すなわち第２固定レンズ群Ｈ２（拡大側固定レンズ群）に近い位置に配置されるレンズＬ１４は、樹脂で成形された非球面レンズであり、負レンズである。言い換えると、第１−２レンズ群４２は、少なくとも２枚の樹脂非球面レンズと、２枚の樹脂非球面レンズの間に配置される少なくとも１枚のガラスレンズとを含む構成となっている。また、３つのレンズ群Ｆ１〜Ｆ３（移動レンズ群）は、アクチュエータＡＣにより、変倍時のフォーカスの際に独立してそれぞれ光軸ＯＡに沿った方向Ａ１について移動させるものとなっている。これにより、第１−２レンズ群４２の２枚の樹脂非球面レンズであるレンズＬ１４，Ｌ１６は、変倍に伴うフォーカシングの際にお互いの間隔を変化させるものとなる。なお、アクチュエータＡＣによるレンズ群Ｆ１〜Ｆ３のさせ方については、変倍時のフォーカスのさせ方により種々の態様が可能であり、例えば３つがまったく別個に独立して動いてもよいが、カム機構等を利用して連動してもよい。
以下、各レンズ群を構成するレンズについて縮小側から順に説明する。第１光学群４０ａのうち、第１−１レンズ群４１のレンズ群Ｅ１は、８枚のレンズＬ１〜Ｌ８を有し、レンズ群Ｅ２は、２枚のレンズＬ９，Ｌ１０を有する。第１−２レンズ群４２の縮小側固定レンズ群である第１固定レンズ群Ｈ１は、上述のように１枚のレンズＬ１１を有し、移動レンズ群であるレンズ群Ｆ１は、１枚のレンズＬ１２を有し、レンズ群Ｆ２は、１枚のレンズＬ１３を有し、レンズ群Ｆ３は、１枚のレンズＬ１４を有し、拡大側固定レンズ群である第２固定レンズ群Ｈ２は、上述のように２枚のレンズＬ１５，Ｌ１６を有する。すなわち、第１光学群４０ａは、全体で１６枚のレンズＬ１〜Ｌ１６で構成されている。
レンズ群Ｅ１を構成するレンズＬ１〜Ｌ８のうち、正レンズであるレンズＬ３と負レンズであるレンズＬ４とが接合レンズとなっており、また、レンズＬ５とレンズＬ６とが接合レンズとなっている。特に、レンズＬ６は、ガラス製の非球面形状の負レンズであり、拡大側の凹面形状の非球面となっている。以上を言い換えると、第１−１レンズ群４１は、開口絞りＳＴよりも縮小側において、少なくとも２組の正レンズ及び負レンズの接合レンズを含み、かつ、少なくとも１面の拡大側に凹面形状の非球面を有するものとなっている。なお、レンズ群Ｅ１を構成するレンズのうち、レンズＬ６以外のレンズは、ガラス製の球面レンズである。また、レンズＬ１〜Ｌ８は、光軸ＯＡについて軸対称な円形状となっている。
レンズ群Ｅ２を構成する２枚のレンズＬ９，Ｌ１０については、レンズＬ９が正レンズ、レンズＬ１０が負レンズとなっている。特に、レンズＬ１０は、拡大側に凹面を向けた負レンズである。以上を言い換えると、第１−１レンズ群４１は、開口絞りＳＴよりも拡大側において、縮小側から順に、拡大側に凸面を向けた正レンズと、拡大側に凹面を向けた負レンズとの２枚のレンズで構成されるものとなっている。なお、レンズＬ９，Ｌ１０は、ガラス製の球面レンズであり、光軸ＯＡについて軸対称な円形状となっている。
第１固定レンズ群Ｈ１を構成するレンズＬ１１は、両凸の正レンズである。なお、レンズＬ１１は、ガラス製の球面レンズであり、光軸ＯＡについて軸対称な円形状となっている。
レンズ群Ｆ１を構成するレンズＬ１２は、両凸の正レンズである。なお、レンズＬ１２は、ガラス製の球面レンズであり、光軸ＯＡについて軸対称な円形状となっている。
レンズ群Ｆ２を構成するレンズＬ１３は、負メニスカスレンズである。なお、レンズＬ１２は、ガラス製の球面レンズであり、光軸ＯＡについて軸対称な円形状となっている。
レンズ群Ｆ３を構成するレンズＬ１４は、負メニスカスレンズである。なお、レンズＬ１４は、上述のように、樹脂製の非球面レンズである。より具体的には、レンズＬ１４は、負のパワーを有する両面に非球面が施されたレンズ（非球面レンズ）であり、樹脂で成形されたレンズ（樹脂レンズ）である。なお、レンズＬ１４は、光軸ＯＡについて軸対称な円形状となっている。
レンズ群のうち最も拡大側に配置される固定レンズ群Ｈ２を構成するレンズＬ１５，Ｌ１６のうち、レンズＬ１５は、負メニスカスレンズである。なお、レンズＬ１５は、ガラス製の球面レンズであり、光軸ＯＡについて軸対称な円形状となっている。レンズＬ１６は、負のパワーを有する両面に非球面が施されたレンズ（非球面レンズ）であり、樹脂で成形されたレンズ（樹脂レンズ）である。なお、レンズＬ１６は、円形状ではなく、光軸ＯＡについて軸対称な円形の状態から上部側（映像光が投射される側）の一部を切り欠いたような形状になっている。
第２光学群４０ｂは、既述のように、１枚の凹面非球面形状を有するミラーＭＲで構成されており、ミラーＭＲは、第１光学群４０ａから射出された映像光を反射することで、スクリーンに向けて投射する。
なお、上記のように、投射光学系４０において、第１光学群４０ａを構成する全てのレンズＬ１〜Ｌ１６のうち、レンズＬ１〜Ｌ１５は、光軸ＯＡについて軸対称な円形状であり、レンズＬ１６は、光軸ＯＡについて軸対称な円形状の一部を切り欠いた形状となっている。また、第２光学群４０ｂを構成するミラーＭＲも、光軸ＯＡについて軸対称な形状の一部を切り欠いた形状となっている。すなわち、第１光学群４０ａ及び第２光学群４０ｂを構成する要素が、全て回転対称系である。また、図示のように、投射光学系４０において、縮小側は、略テレセントリックである。これにより、例えば上記のように、クロスダイクロイックプリズム１９において各液晶パネル１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂで変調された光を合成して画像光とする場合において組み立てのバラツキを吸収しやすいものとすることができる。
以上のような投射光学系４０を含む近接投射光学系では、一般に、スクリーンまでの距離が非常に近い。上記の投射光学系４０では、第１光学群４０ａにおいて、液晶パネル１８Ｇ（１８Ｒ，１８Ｂ）のパネル面ＰＩに位置する物体（すなわちパネル部分）の像を、一旦、第２光学群４０ｂのミラーの手前で結像させ、第２光学群４０ｂを構成する１枚のミラーＭＲでスクリーンに再結像させることで、近接投射を行っている。つまり、この場合、第１光学群４０ａは、ミラーＭＲの手前で１次像（中間像）を作る役割をする。上記のような投射では、変倍時のフォーカスによる収差変動が一般的な投射の場合より大きく、あまり変倍範囲を大きく取れないことが通常である。従って、第１光学群４０ａにより形成される１次像は、投射倍率を変化させても、最終的に良好な画像が得られるように最適化された１次像が得られることが必要となる。また、一般的な近接投射光学系では、像性能に直接影響が大きい像面湾曲、非点収差の変動によるコントラスト低下が大きく出やすく、フォーカス群の動きによる歪曲収差の変化も通常レンズ系よりも大きくなる傾向が高い。
これに対して、本実施形態では、上述のように、第１光学群４０ａのうち第１−２レンズ群４２において、最も縮小側に固定群である縮小側固定レンズ群（第１固定レンズ群Ｈ１）を配置し、最も拡大側に固定群である拡大側固定レンズ群（第２固定レンズ群Ｈ２）を配置し、これらの間に変倍に伴うフォーカスの際に移動する移動レンズ群（レンズ群Ｆ１〜Ｆ３）を有するものとすることで、収差変動を小さく抑えるために有効な補正をすることが可能となっている。これにより、第２光学群４０ｂが１枚のミラーＭＲで構成されるような場合であっても、１次像に適度な収差を含ませて第２光学群４０ｂを経て最終的にスクリーン上に投影される画像を収差の少ない良好なものとすることができる。すなわち、近接型のプロジェクターであるプロジェクター２において、広い変倍範囲をカバーし、かつ、高解像度の画像表示素子にも対応できるものとなっている。
以上に関して、特に、本実施形態では、フォーカス群である第１−２レンズ群４２において、縮小側にも固定レンズ群を配置しており、この固定レンズ群を縮小側に凸面を向けた１枚の正レンズで構成している。すなわち、ここでは、最も縮小側を固定された（移動しない）正レンズで構成することで、第１−１レンズ群４１から発散した状態となって射出される光を受ける入射面として、偏芯などによる影響を受けにくいものとし、安定した像性能を確保することを可能にしている。また、縮小側に凸面を向けた１枚の正レンズとすることで、第１−２レンズ群４２の拡大側に配置されるレンズの径を小さくすることができ、装置の小型化が可能となる。さらに、最も縮小側に固定レンズ群を配置した場合、拡大側の固定レンズ群との間に、移動レンズ群を挟み込むことで、例えば第１−２レンズ群４２のうち移動レンズ群の数を減らして（後述する実施例２では３つではなく２つの移動レンズ群で構成し、さらに、実施例３では１つの移動レンズ群で構成している）、レンズを固定するための枠構造等を簡易にし、延いては、装置全体の低コスト化を図ることも可能となる。
ここで、第１光学群４０ａのうち、拡大側に配置されるフォーカス群である第１−２レンズ群４２において構成するレンズについて、仮に、非球面レンズを１枚とすると、設計によっては、十分な変倍範囲が取れないおそれがある。第１−２レンズ群４２の非球面レンズを２枚とすれば、変倍範囲を広げることは可能になるが、この場合、複数の非球面の間隔を変化させることで変倍時の収差の補正は容易になるが、反面、非球面レンズを連続して配置すると、レンズ間の間隔感度や、レンズの互いの面の偏芯感度が高くなるとともに、レンズ単体の面精度や内部屈折率の影響も受けやすくなる。非球面レンズ間に、ガラスの球面レンズを配置することで、非球面のパワーを球面に分散することができ、移動時の影響を低減する効果とともに、非球面レンズ単体の面精度や内部屈折率の影響を少なくすることが可能となる。
また、一方で、第１−２レンズ群４２の非球面レンズ（レンズＬ１６）のような最も拡大側に位置するレンズについては、第２光学群４０ｂのミラーで反射された光束との干渉を避けるために、形状を円形の一部を切り欠いたような異型形状にする必要があることに加え、径が比較的大口径となるため、樹脂の成形非球面が用いられるが一般的であり、本実施形態においても、レンズＬ１６は、異型形状の樹脂非球面レンズとしている。しかし、一般に樹脂成形非球面は、ガラス成形非球面と比較すると、精度的にも低く、上述したような面精度や屈折率によるバラツキの影響を受けやすくなるので、設計時に十分に感度を低くしておく必要がある。
これに対して、本実施形態では、フォーカス群である第１−２レンズ群４２における非球面レンズを２枚（レンズＬ１４，Ｌ１６）としつつも、その間にガラス製の負レンズ（レンズＬ１５）を入れた構成とすることで、非球面レンズの負のパワーを適度に分散し、非球面同士の相対的な感度を下げることを可能としつつ、広い変倍範囲においても収差変動を少なくすることを可能としている。また、２枚の非球面レンズであるレンズＬ１４，Ｌ１６のうち、レンズＬ１６は、固定群である第２固定レンズ群Ｈ２に含まれている。すなわち、レンズＬ１４，Ｌ１６との間隔を変化させる際に、１枚の非球面レンズ（レンズＬ１６）は、固定されたものとなっている。
さらに、第１−１レンズ群４１において、仮に開口絞りＳＴの縮小側の構成を球面レンズだけとしたら、広い変倍範囲に対応するには、Ｆナンバーが１．８程度の明るさにしか対応できなくなると考えられる。これに対して、本実施形態では、開口絞りＳＴの縮小側にガラス非球面（レンズＬ６）を適切に配置することでＦナンバー１．６程度でも、フレアーの少ないコントラストの高い画像を得ることを可能としている。これにより、従来の例と比較して同程度の構成枚数（本実施形態では１６枚）であっても、物体側の開口数を０．３以上、すなわちＦナンバーが１．６程度の明るさを有しながら、１．５倍以上（さらには１．６倍以上）の高い変倍範囲を確保し、高解像度の画像表示素子にも十分対応可能な性能を有するものとなっている。
〔実施例〕
以下、投射光学系４０の具体的な実施例について説明する。以下に説明する実施例１〜３に共通する諸元の意義を以下にまとめた。
ｆ 全系の焦点距離
ω 半画角
ＮＡ 開口数
Ｒ 曲率半径
Ｄ 軸上面間隔（レンズ厚又はレンズ間隔）
Ｎｄ ｄ線の屈折率
Ｖｄ ｄ線のアッベ数
非球面は、以下の多項式（非球面式）によって特定される。
Figure 0005930088
ただし、
ｃ： 曲率（１／Ｒ）
ｈ： 光軸からの高さ
ｋ： 非球面の円錐係数
Ａｉ：非球面の高次非球面係数
（実施例１）
実施例１のレンズ面のデータを以下の表１に示す。なお、ＯＢＪは、パネル面ＰＩを意味し、ＳＴＯは開口絞りＳＴを意味する。また、面番号の後に「＊」が記載されている面は、非球面形状を有する面である。
〔表１〕
f 4.152
ω 72.8
NA 0.313
R D Nd Vd
OBJ Infinity 9.400
1 Infinity 27.908 1.51633 64.14
2 Infinity 0.000
3 37.352 8.370 1.49700 81.54
4 -188.886 0.200
5 40.133 7.800 1.49700 81.54
6 -107.927 0.200
7 39.972 9.600 1.51633 64.14
8 -27.269 1.200 1.90366 31.31
9 45.185 0.200
10 20.231 6.800 1.51633 64.14
11 -50.619 1.600 1.85400 40.39
*12 44.398 1.000
13 26.711 6.400 1.54814 45.78
14 -27.369 0.993
15 -52.197 1.200 1.78590 44.20
16 31.380 4.000
STO Infinity 5.983
18 154.166 4.600 1.76182 26.52
19 -33.612 4.417
20 84.073 1.400 1.79952 42.22
21 39.701 23.679
22 52.874 9.003 1.58913 61.13
23 -1797.154 可変間隔
24 503.924 8.000 1.65160 58.55
25 -74.678 可変間隔
26 -54.448 2.500 1.80518 25.42
27 -125.972 可変間隔
*28 -68.996 3.500 1.53116 56.04
*29 199.971 可変間隔
30 -124.398 2.800 1.80518 25.42
31 -2228.264 2.000
*32 -95.654 3.500 1.53116 56.04
*33 139.370 116.000
*34 -61.338 可変間隔 反射面
35 Infinity
以上の表１及び以下の表において、１０のべき乗数（例えば１．００×１０＋１８）をＥ（例えば１．００Ｅ＋１８）を用いて表すものとする。
以下の表２は、実施例１のレンズ面の非球面係数である。
〔表２〕
非球面係数
K A04 A06 A08 A10
A12 A14
12 8.4910 2.3810E-05 -2.7617E-08 7.3583E-11 -1.6253E-12
0.0000E+00 0.0000E+00
28 0.0000 -2.2316E-05 2.2734E-08 -4.5621E-13 -3.2241E-15
0.0000E+00 0.0000E+00
29 0.0000 -2.7067E-05 2.7682E-08 -1.3421E-11 4.8281E-15
0.0000E+00 0.0000E+00
32 3.2860 7.8719E-06 7.6243E-09 -1.7730E-11 1.1830E-14
-3.5862E-18 0.0000E+00
33 -1.0000 -4.1533E-06 1.4020E-08 -1.4527E-11 3.9283E-15
6.4862E-19 -4.7423E-22
34 -1.0000 2.1520E-08 -1.6548E-11 -3.9293E-15 1.1016E-18
-1.6702E-22 8.8464E-27
以下の表３は、投射倍率１３５倍、投射倍率１０６倍及び投射倍率２２３倍において、表２中の可変間隔２３，２５，２７，２９，３４の値を示している。
〔表３〕
可変間隔
135x 106x 223x
23 4.755 3.000 7.484
25 4.352 4.525 4.077
27 9.441 9.999 8.600
29 9.605 10.637 8.000
34 -600.000 -477.149 -965.647
図４は、実施例１の投射光学系の断面図である。図４の投射光学系は、実施形態１の投射光学系４０に相当する。なお、図３等では、円形状から一部切り欠いた形状となるレンズＬ１６やミラーＭＲについて、図４では切り欠かずにそのまま描いている。図４において、投射光学系は、パネル面ＰＩ上の像をスクリーンまでの距離に応じた倍率で拡大投射するものである。すなわち、縮小側から順に、第１−１レンズ群４１のレンズ群Ｅ１を構成するレンズＬ１〜Ｌ８と、レンズ群Ｅ２を構成するレンズＬ９，Ｌ１０と、第１−２レンズ群４２の第１固定レンズ群Ｈ１を構成するレンズＬ１１と、レンズ群Ｆ１を構成するレンズＬ１２と、レンズ群Ｆ２を構成するレンズＬ１３と、レンズ群Ｆ３を構成するレンズＬ１４と、第２固定レンズ群Ｈ２を構成するレンズＬ１５，Ｌ１６との１６枚のレンズＬ１〜Ｌ１６を有する。例えば壁面投射から床面投射に変更する場合のように、投射位置が変わる（投射距離が変わる）ことにより変倍することになり、このような変倍時のフォーカスに際して、第１−１レンズ群４１と第１−２レンズ群４２を構成する第１、第２固定レンズ群Ｈ１，Ｈ２とは固定されたままである一方、第１−２レンズ群４２を構成するレンズ群Ｆ１〜Ｆ３がそれぞれ移動する。この移動により、第１−２レンズ群４２の２枚の樹脂非球面レンズであるレンズＬ１４，Ｌ１６は、変倍に伴うフォーカシングの際にお互いの間隔を変化させる。なお、この間隔に変化に際して、移動するのはもっぱらレンズＬ１４のみであり、レンズＬ１６は、固定されている。
なお、各レンズＬ１〜Ｌ１６について詳しく説明すると、第１−１レンズ群４１のうち、第１レンズであるレンズＬ１は、正レンズであり、第２レンズであるレンズＬ２は、正レンズであり、第３レンズであるレンズＬ３は、正レンズであり、第４レンズであるレンズＬ４は、負レンズであり、第３レンズと第４レンズは接合レンズであり、第５レンズであるレンズＬ５は、正レンズであり、第６レンズであるレンズＬ６は、拡大側に凹面形状の非球面が施された負レンズであり、第５レンズと第６レンズは接合レンズであり、第７レンズであるレンズＬ７は、両凸の正レンズであり、第８レンズであるレンズＬ８は、両凹の負レンズであり、第９レンズであるレンズＬ９は、両凸の正レンズであり、第１０レンズであるレンズＬ１０は、拡大側に凹面を向けた負メニスカスレンズである。また、第１−２レンズ群４２のうち、第１１レンズであるレンズＬ１１は、縮小側に凸面を向けた正レンズであり、第１２レンズであるレンズＬ１２は、正レンズであり、第１３レンズであるレンズＬ１３は、負レンズであり、第１４レンズであるレンズＬ１４は、両面に非球面が施された負レンズであり、第１５レンズであるレンズＬ１５は、負レンズであり、第１６レンズであるレンズＬ１６は、両面に非球面が施された負レンズである。このうち、レンズＬ１４とレンズＬ１６とが樹脂で成形されたレンズであり、レンズＬ１４とレンズＬ１６との間に配置されるレンズＬ１５がガラス製のレンズである。また、第１−２レンズ群４２は、変倍時に投射距離を変化させたときのフォーカスには、３つのレンズ群Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を独立に移動させることで合焦を行う。また、第２光学群４０ｂは、１枚の凹面非球面ミラーで構成されている。
図５（Ａ）は、投射倍率１３５倍の時の投射光学系の縮小側収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差）であり、図５（Ｂ）は、投射倍率１０６倍の時の投射光学系の縮小側収差図であり、図５（Ｃ）は、投射倍率２２３倍の時の投射光学系の縮小側収差図である。また、図６（Ａ）〜６（Ｅ）は、図５（Ａ）に対応する投射光学系の横収差図である。このうち、図６（Ａ）は、最大画角の場合での横収差図であり、図６（Ａ）〜６（Ｅ）までの５画角で横収差を示している。同様に、図７（Ａ）〜７（Ｅ）は、図５（Ｂ）に対応する投射光学系の横収差図であり、図８（Ａ）〜８（Ｅ）は、図５（Ｃ）に対応する投射光学系の横収差図である。
（実施例２）
実施例２のレンズ面のデータを以下の表４に示す。なお、ＯＢＪは、パネル面ＰＩを意味し、ＳＴＯは開口絞りＳＴを意味する。また、面番号の後に「＊」が記載されている面は、非球面形状を有する面である。
〔表４〕
f 4.158
ω 72.9
NA 0.313
R D Nd Vd
OBJ Infinity 9.400
1 Infinity 27.908 1.51633 64.14
2 Infinity 0.000
3 37.055 9.800 1.49700 81.54
4 -75.656 0.200
5 32.631 7.200 1.49700 81.54
6 -252.276 0.200
7 65.201 8.000 1.51633 64.14
8 -26.798 1.200 1.90366 31.31
9 51.045 0.200
10 21.714 6.700 1.51633 64.14
11 -41.577 1.600 1.83220 40.10
*12 48.533 1.000
13 27.127 6.400 1.54814 45.78
14 -27.127 0.615
15 -55.052 1.200 1.78590 44.20
16 30.978 4.669
STO Infinity 6.100
18 147.569 4.600 1.76182 26.52
19 -35.372 4.300
20 73.931 1.400 1.79952 42.22
21 39.245 24.204
22 50.825 9.000 1.60311 60.64
23 682.347 可変間隔
24 1364.149 7.000 1.62299 58.16
25 -81.901 2.500 1.80518 25.42
26 -166.443 可変間隔
*27 -65.991 3.500 1.53116 56.04
*28 376.064 8.951
29 -44.448 2.800 1.80518 25.42
30 -102.234 可変間隔
*31 -78.956 3.500 1.53116 56.04
*32 221.059 114.717
*33 -63.190 可変間隔 反射面
34 Infinity
以下の表５は、実施例２のレンズ面の非球面係数である。
〔表５〕
非球面係数
K A04 A06 A08 A10
A12 A14
12 10.6887 2.2560E-05 -2.9271E-08 5.8170E-11 -1.5830E-12
0.0000E+00 0.0000E+00
27 0.0000 -2.9394E-05 2.1417E-08 7.0692E-12 -5.4910E-15
0.0000E+00 0.0000E+00
28 0.0000 -3.6119E-05 3.0832E-08 -1.2808E-11 5.8670E-15
0.0000E+00 0.0000E+00
31 3.2860 8.7171E-06 1.0738E-08 -2.1432E-11 1.5050E-14
-3.7120E-18 0.0000E+00
32 -1.0000 -2.0641E-06 1.2327E-08 -9.4443E-12 -4.8984E-15
9.2110E-18 -3.2680E-21
33 -1.0000 -3.5591E-08 7.8594E-12 -1.1557E-14 2.6060E-18
-3.3080E-22 1.6230E-26
以下の表６は、投射倍率１３５倍、投射倍率１０５倍及び投射倍率１７９倍において、表５中の可変間隔２３，２６，３０，３３の値を示している。
〔表６〕
可変間隔
135x 105x 179x
23 6.258 4.000 8.430
26 13.347 14.899 11.886
30 3.340 4.046 2.629
33 -600.000 -477.856 -783.266
図９は、実施例２の投射光学系の断面図である。なお、実際の光学系では、円形状から一部切り欠いた形状となるレンズＬ１６やミラーＭＲについて、図９では切り欠かずにそのまま描いている。図９において、投射光学系は、パネル面ＰＩ上の像をスクリーンまでの距離に応じた倍率で拡大投射するものである。すなわち、縮小側から順に、第１−１レンズ群４１のレンズ群Ｅ１を構成するレンズＬ１〜Ｌ８と、レンズ群Ｅ２を構成するレンズＬ９，Ｌ１０と、第１−２レンズ群４２の第１固定レンズ群Ｈ１を構成するレンズＬ１１と、レンズ群Ｆ１を構成するレンズＬ１２，Ｌ１３と、レンズ群Ｆ２を構成するレンズＬ１４，Ｌ１５と、第２固定レンズ群Ｈ２を構成するレンズＬ１６との１６枚のレンズＬ１〜Ｌ１６を有する。例えば壁面投射から床面投射に変更する場合のように、投射位置が変わる（投射距離が変わる）ことにより変倍することになり、このような変倍時のフォーカスに際して、第１−１レンズ群４１と第１−２レンズ群４２を構成する第１、第２固定レンズ群Ｈ１，Ｈ２とは固定されたままである一方、第１−２レンズ群４２を構成するレンズ群Ｆ１，Ｆ２がそれぞれ移動する。これにより、第１−２レンズ群４２の２枚の樹脂非球面レンズであるレンズＬ１４，Ｌ１６は、変倍に伴うフォーカシングの際にお互いの間隔を変化させる。また、この場合、第２固定レンズ群Ｈ２は、樹脂で成形された１枚の非球面レンズ（レンズＬ１６）で構成されるものとなっている。なお、この間隔に変化に際して、移動するのはもっぱらレンズＬ１４のみであり、レンズＬ１６は、固定されている。
以上のように、実施例２では、第１光学群４０ａは、縮小側から数えてレンズＬ１（第１レンズ）からレンズＬ１６（第１６レンズ）までの１６枚のレンズで構成され、第１光学群４０ａは、最も広い空気間隔ＢＤを境にして、縮小側に正のパワーを有する第１−１レンズ群４１と、拡大側に第１−１レンズ群４１のパワーと比較して弱い正または負のパワーを有する第１−２レンズ群４２とに分けることができる。
より具体的には、第１−１レンズ群４１は、縮小側から順に、正のレンズＬ１と、正のレンズＬ２と、正のレンズＬ３及び負のレンズＬ４の接合レンズと、正のレンズＬ５及び拡大側に凹面形状の非球面が施された負のレンズＬ６の接合レンズと、両凸の正のレンズＬ７と、両凹の負のレンズＬ８とからなるレンズ群Ｅ１、開口絞りＳＴ、両凸の正のレンズＬ９と、拡大側に凹面を向けた負メニスカスレンズのレンズＬ１０とからなるレンズ群Ｅ２で構成される。すなわち、レンズ群Ｅ１，Ｅ２で総計１０枚のレンズが順次配置される。
第１−２レンズ群４２は、縮小側から順に、縮小側に凸面を向けた正のレンズＬ１１からなる第１固定レンズ群Ｈ１、正のレンズＬ１２及び負のレンズＬ１３の接合レンズからなるレンズ群Ｆ１（Ｆ１レンズ群）、両面に非球面が施された負のレンズＬ１４と、負のレンズＬ１５とからなるレンズ群Ｆ２（Ｆ２レンズ群）、両面に非球面が施された負のレンズＬ１６からなる第２固定レンズ群Ｈ２で構成される。すなわち、固定レンズ群Ｈ１，Ｈ２及びレンズ群Ｆ１，Ｆ２で総計６枚のレンズが順次配置される。このうち、レンズＬ１４とレンズＬ１６とが樹脂で成形されたレンズであり、レンズＬ１４とレンズＬ１６との間に配置されるレンズＬ１５がガラス製のレンズである。また、第１−２レンズ群４２は、変倍時に投射距離を変化させたときのフォーカスには、２つのレンズ群Ｆ１，Ｆ２を独立に移動させることで合焦を行う。
第２光学群４０ｂは、１枚の凹面非球面ミラーで構成されている。
図１０（Ａ）は、投射倍率１３５倍の時の投射光学系の縮小側収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差）であり、図１０（Ｂ）は、投射倍率１０５倍の時の投射光学系の縮小側収差図であり、図１０（Ｃ）は、投射倍率１７９倍の時の投射光学系の縮小側収差図である。また、図１１（Ａ）〜１１（Ｅ）は、図１０（Ａ）に対応する投射光学系の横収差図である。このうち、図１１（Ａ）は、最大画角の場合での横収差図であり、図１１（Ａ）〜１１（Ｅ）までの５画角で横収差を示している。同様に、図１２（Ａ）〜１２（Ｅ）は、図１０（Ｂ）に対応する投射光学系の横収差図であり、図１３（Ａ）〜１３（Ｅ）は、図１０（Ｃ）に対応する投射光学系の横収差図である。
（実施例３）
実施例３のレンズ面のデータを以下の表７に示す。なお、ＯＢＪは、パネル面ＰＩを意味し、ＳＴＯは開口絞りＳＴを意味する。また、面番号の後に「＊」が記載されている面は、非球面形状を有する面である。
〔表７〕
f 4.206
ω 72.7
NA 0.313
R D Nd Vd
OBJ Infinity 9.400
1 Infinity 27.908 1.51633 64.14
2 Infinity 0.000
3 35.306 7.600 1.49700 81.54
4 -2689.959 0.200
5 41.762 7.800 1.49700 81.54
6 -91.462 0.200
7 49.537 9.800 1.51633 64.14
8 -27.051 1.200 1.90366 31.31
9 86.751 0.200
10 20.529 8.000 1.51633 64.14
11 -30.111 1.600 1.85400 40.39
*12 44.293 1.000
13 27.026 6.400 1.58144 40.75
14 -27.026 0.811
15 -70.978 1.200 1.79952 42.22
16 28.028 5.386
STO Infinity 5.298
18 123.093 4.500 1.76182 26.52
19 -37.022 3.800
20 253.994 1.400 1.79952 42.22
21 49.571 21.434
22 63.145 8.400 1.58913 61.13
23 -3480.687 可変間隔
24 51.784 8.200 1.69680 55.53
25 186.419 3.141
26 -659.015 2.500 1.80518 25.42
27 114.517 8.926
*28 64.883 3.500 1.53116 56.04
*29 35.333 可変間隔
30 -126.413 2.800 1.80518 25.42
31 -1094.597 1.500
*32 -71.028 3.500 1.53116 56.04
*33 159.558 114.774
*34 -61.447 可変間隔 反射面
35 Infinity
以下の表８は、実施例３のレンズ面の非球面係数である。
〔表８〕
非球面係数
K A04 A06 A08 A10
A12 A14
12 8.41675 2.4683E-05 -3.8580E-08 6.2209E-11 -1.6444E-12
0.0000E+00 0.0000E+00
28 0.00000 -4.0508E-05 2.9622E-08 7.6834E-13 -3.7931E-15
0.0000E+00 0.0000E+00
29 0.00000 -4.7806E-05 4.2065E-08 -2.1762E-11 6.5405E-15
0.0000E+00 0.0000E+00
32 3.28595 8.8431E-06 1.2490E-08 -2.5368E-11 1.7557E-14
-4.0703E-18 0.0000E+00
33 -1.00000 -5.2935E-06 1.5827E-08 -1.0208E-11 -1.0683E-14
1.5920E-17 -5.8862E-21
34 -1.00000 6.7248E-09 -7.8333E-12 -9.0366E-15 2.5943E-18
-3.8814E-22 2.1585E-26
以下の表９は、投射倍率１３３倍、投射倍率１０４倍及び投射倍率１７７倍において、表８中の可変間隔２３，２９，３４の値を示している。
〔表９〕
可変間隔
133x 104x 177x
23 8.696 7.698 9.622
29 8.926 9.924 8.000
34 -600.000 -476.302 -785.769
図１４は、実施例３の投射光学系の断面図である。なお、実際の光学系では、円形状から一部切り欠いた形状となるレンズＬ１６やミラーＭＲについて、図１４では切り欠かずにそのまま描いている。図１４において、投射光学系は、パネル面ＰＩ上の像をスクリーンまでの距離に応じた倍率で拡大投射するものである。すなわち、縮小側から順に、第１−１レンズ群４１のレンズ群Ｅ１を構成するレンズＬ１〜Ｌ８と、レンズ群Ｅ２を構成するレンズＬ９，Ｌ１０と、第１−２レンズ群４２の第１固定レンズ群Ｈ１を構成するレンズＬ１１と、レンズ群Ｆ１を構成するレンズＬ１２，Ｌ１３，Ｌ１４と、第２固定レンズ群Ｈ２を構成するレンズＬ１５，Ｌ１６との１６枚のレンズＬ１〜Ｌ１６を有する。なお、本実施例では、１つのレンズ群Ｆ１のみが移動レンズ群として存在する。例えば壁面投射から床面投射に変更する場合のように、投射位置が変わる（投射距離が変わる）ことにより変倍することになり、このような変倍時のフォーカスに際して、第１−１レンズ群４１と第１−２レンズ群４２を構成する第１、第２固定レンズ群Ｈ１，Ｈ２とは固定されたままである一方、第１−２レンズ群４２を構成するレンズ群Ｆ１のみが移動する。これにより、第１−２レンズ群４２の２枚の樹脂非球面レンズであるレンズＬ１４，Ｌ１６は、変倍に伴うフォーカシングの際にお互いの間隔を変化させる。なお、この間隔に変化に際して、移動するのはもっぱらレンズＬ１４のみであり、レンズＬ１６は、固定されている。
以上のように、実施例３では、第１光学群４０ａは、縮小側から数えてレンズＬ１（第１レンズ）からレンズＬ１６（第１６レンズ）までの１６枚のレンズで構成され、第１光学群４０ａは、最も広い空気間隔ＢＤを境にして、縮小側に正のパワーを有する第１−１レンズ群４１と、拡大側に第１−１レンズ群４１のパワーと比較して弱い正または負のパワーを有する第１−２レンズ群４２とに分けることができる。
より具体的には、第１−１レンズ群４１は、縮小側から順に、正のレンズＬ１と、正のレンズＬ２と、正のレンズＬ３及び負のレンズＬ４の接合レンズと、正のレンズＬ５及び拡大側に非球面が施された負のレンズＬ６の接合レンズと、両凸の正のレンズＬ７と、両凹の負のレンズＬ８とからなるレンズ群Ｅ１、開口絞りＳＴ、両凸の正のレンズＬ９と、拡大側に凹面を向けた負メニスカスレンズのレンズＬ１０とからなるレンズ群Ｅ２で構成される。すなわち、レンズ群Ｅ１，Ｅ２で総計１０枚のレンズが順次配置される。
第１−２レンズ群４２は、縮小側から順に、縮小側に凸面を向けた正のレンズＬ１１からなる第１固定レンズ群Ｈ１、正のレンズＬ１２と、負のレンズＬ１３と、両面に非球面が施された負のレンズＬ１４とからなるレンズ群Ｆ１（Ｆ１レンズ群）、負のレンズＬ１５と、両面に非球面が施された負のレンズＬ１６とからなる第２固定レンズ群Ｈ２で構成される。すなわち、第１及び第２固定レンズ群Ｈ１，Ｈ２及びレンズ群Ｆ１で総計６枚のレンズが順次配置される。このうち、レンズＬ１４とレンズＬ１６とが樹脂で成形されたレンズであり、レンズＬ１４とレンズＬ１６との間に配置されるレンズＬ１５がガラス製のレンズである。また、第１−２レンズ群４２は、変倍時に投射距離を変化させたときのフォーカスには、３つのレンズ群Ｆ１〜Ｆ３を独立に移動させることで合焦を行う。
第２光学群４０ｂは、１枚の凹面非球面ミラーで構成されている。
図１５（Ａ）は、投射倍率１３３倍の時の投射光学系の縮小側収差図（球面収差、非点収差、歪曲収差）であり、図１５（Ｂ）は、投射倍率１０４倍の時の投射光学系の縮小側収差図であり、図１５（Ｃ）は、投射倍率１７７倍の時の投射光学系の縮小側収差図である。また、図１６（Ａ）〜１６（Ｅ）は、図１５（Ａ）に対応する投射光学系の横収差図である。このうち、図１６（Ａ）は、最大画角の場合での横収差図であり、図１６（Ａ）〜１６（Ｅ）までの５画角で横収差を示している。同様に、図１７（Ａ）〜１７（Ｅ）は、図１５（Ｂ）に対応する投射光学系の横収差図であり、図１８（Ａ）〜１８（Ｅ）は、図１５（Ｃ）に対応する投射光学系の横収差図である。
〔実施例のまとめ〕
いずれの実施例においても、広角端での半画角７０゜以上の広い画角を有しながらも、最も拡大側のレンズが樹脂製非球面レンズの簡易な構成となっている。
この発明は、上記の実施形態又は実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。
例えば、各実施例において、各レンズ群を構成するレンズの前後又は間に１つ以上の実質的にパワーを持たないレンズを追加することができる。
また、投射光学系４０による拡大投射の対象は、液晶パネル１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂに限らず、マイクロミラーを画素とするデジタル・マイクロミラー・デバイス等の各種光変調素子によって形成された画像を投射光学系４０によって拡大投射することができる。
２…プロジェクター、 １０…光源、 １１…インテグレーターレンズ、 １２…インテグレーターレンズ、 １３…偏光変換素子、 １４…重畳レンズ、 １５…ダイクロイックミラー、 １６…反射ミラー、 １７Ｇ，１７Ｒ，１７Ｂ…フィールドレンズ、 １８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂ…液晶パネル、 １９…クロスダイクロイックプリズム、 ２１…ダイクロイックミラー、 ２２…リレーレンズ、 ２３…反射ミラー、 ４０…投射光学系、 ４０ａ…第１光学群、 ４０ｂ…第２光学群、 ４１…レンズ群、 ４２…レンズ群、 ５０…光学系部分、 ８０…回路装置、 ８１…画像処理部、 ８２…表示駆動部、 ８３…レンズ駆動部、 ８８…主制御部、 Ａ１…方向、 ＡＣ…アクチュエータ、 Ｅ１，Ｅ２…レンズ群、 Ｆ１-Ｆ３…移動レンズ群、 Ｈ１…第１固定レンズ群（縮小側固定レンズ群）、 Ｈ２…第２固定レンズ群（拡大側固定レンズ群）、 Ｌ１-Ｌ１６…レンズ、 ＭＲ…ミラー、 ＯＡ…光軸、 ＰＩ…パネル面、 ＰＲ…プリズム

Claims (11)

  1. 縮小側から順に、複数のレンズからなり正のパワーを有する第１光学群と、１枚の凹面非球面形状を有する反射面を含む第２光学群とからなる投射用光学系であって、
    前記第１光学群は、縮小側に配置された物体の中間像を前記第２光学群の前記反射面の手前に形成し、
    前記第１光学群は、最も広い空気間隔を境にして、縮小側に正のパワーを有する第１−１レンズ群と、拡大側に前記第１−１レンズ群のパワーと比較して弱い正または負のパワーを有する第１−２レンズ群とからなり、
    前記第１−２レンズ群は、最も縮小側に配置され、かつ、変倍に伴うフォーカスの際に固定され正のパワーを有する縮小側固定レンズ群と、最も拡大側に配置され、かつ、変倍に伴うフォーカスの際に固定され負のパワーを有する拡大側固定レンズ群と、前記縮小側固定レンズ群と前記拡大側固定レンズ群との間に配置され、変倍に伴うフォーカスの際に光軸方向に移動する少なくとも１つの移動レンズ群とを有することを特徴とする投射光学系。
  2. 請求項１に記載の投射光学系において、前記第１−２レンズ群は、少なくとも２枚の樹脂非球面レンズを含み、前記拡大側固定レンズ群は、当該樹脂非球面レンズの１枚を含むことを特徴とする投射光学系。
  3. 請求項１または請求項２に記載の投射光学系において、前記拡大側固定レンズ群は、樹脂で成形された１枚の負のパワーを有する非球面レンズで構成されることを特徴とする投射光学系。
  4. 請求項１または請求項２に記載の投射光学系において、前記拡大側固定レンズ群は、少なくとも樹脂で成形された１枚の非球面レンズを含む２枚の負のパワーを有するレンズから構成されることを特徴とする投射光学系。
  5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の投射光学系において、前記縮小側固定レンズ群は、縮小側に凸面を向けた１枚の正レンズで構成されることを特徴とする投射光学系。
  6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の投射光学系において、前記第１−１レンズ群は、内部に開口絞りを有し、前記開口絞りよりも拡大側において、縮小側から順に、拡大側に凸面を向けた正レンズと、拡大側に凹面を向けた負メニスカスレンズとの２枚のレンズで構成されることを特徴とする投射光学系。
  7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の投射光学系において、前記第１−１レンズ群は、内部に開口絞りを有し、前記開口絞りの縮小側において、少なくとも２組の正レンズ及び負レンズの接合レンズを含み、かつ、少なくとも１面の拡大側に凹面形状を向けた非球面を有することを特徴とする投射光学系。
  8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の投射光学系において、物体側の開口数は、０．３以上であることを特徴とする投射光学系。
  9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の投射光学系において、縮小側は、テレセントリックであることを特徴とする投射光学系。
  10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の投射光学系において、前記第１光学群及び前記第２光学群を構成する要素が、全て回転対称系であることを特徴とする投射光学系。
  11. 請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の投射光学系において、変倍範囲が、１．５倍以上あることを特徴とする投射光学系。
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