JP6280063B2 - 投写用光学系および投写型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、投写用光学系および投写型表示装置に関し、特に、液晶表示素子やＤＭＤ（ Digital Micromirror Device：登録商標）等のライトバルブを搭載した投写型表示装置に用いられるのに好適な投写用光学系およびこれを用いた投写型表示装置に関するものである。

近年、液晶表示素子やＤＭＤ（ Digital Micromirror Device：登録商標）等のライトバルブを搭載した投写型表示装置（プロジェクタともいう）が広く普及し、かつ高性能化してきている。特に、ライトバルブの解像度が向上したことに伴い、投写用光学系の解像性能に対しても高度な要望がなされるようになってきている。

また、スクリーンまでの距離設定の自由度を高めることや室内空間での設置性を考慮して、コンパクトな構成でありながら、より高性能で、より広角化の図られた汎用性の高い投写用光学系を投写型表示装置に搭載したいという要望も強くなっている。

このような要望に応えるべく、複数枚のレンズからなる第１光学系で中間像を形成し、同じく複数枚のレンズからなる第２光学系で再結像させる投写用光学系が提案されている。（特許文献１、２参照）

通常の中間像を結ばない光学系のみで構成された投写用光学系は、焦点距離を短くして広角化をしようとすると、どうしても拡大側のレンズが大きくなりすぎてしまうが、上記のように中間結像させる方式の投写用光学系では、第２光学系のバックフォーカスを短縮できるとともに、第２光学系の拡大側のレンズ径を小さくすることが可能であり、焦点距離を短くして広角化するのにも適している。

国際公開第０９／１０７５５３号 特開２００６−３３０４１０号公報

しかしながら、特許文献１は、第２光学系が魚眼レンズであり、最終像面で歪曲収差が大きく残存してしまうため、通常の投写用光学系としては適さない。また、特許文献２は、中間像を境に第１光学系、第２光学系で独立して収差補正を行っているため、昨今要求されているレベルの広角化には達しきれていない。さらに、特許文献１，２とも一度中間像を結ぶため、どうしてもレンズ全長が大きくなってしまっている。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、中間像を形成する投写用光学系において、小型化を達成しつつ、広角で諸収差が良好に補正された高い投写性能を有する投写用光学系およびこの投写用光学系を備えた投写型表示装置を提供することを目的とするものである。

本発明の投写用光学系は、縮小側共役面上に配置された画像表示素子に表示された画像を、拡大側共役面上に拡大像として投写する投写用光学系であって、縮小側から順に、複数のレンズにより構成され、画像表示素子上の画像を中間像として結像させる第１光学系と、反射面で光路を折り曲げる第１光路折り曲げ手段と、複数のレンズにより構成され、中間像を拡大側共役面上に結像する第２光学系から実質的になり、第２光学系は、縮小側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、反射面で光路を折り曲げる第２光路折り曲げ手段と、正の屈折力を有する第２レンズ群から実質的になり、下記条件式（１）および（２）を満足することを特徴とする。
１０．０＜ＴＬ１／｜ｆ｜＜５０．０ …（１）
４．０＜ＴＬ２１／｜ｆ｜＜３０．０ …（２）
ただし、
ＴＬ１：第１光学系の最も縮小側面から最も拡大側面までの光軸上の距離
ＴＬ２１：第１レンズ群の最も縮小側面から最も拡大側面までの光軸上の距離
ｆ：全系の焦点距離

本発明の投写用光学系においては、下記条件式（１−１）および／または（２−１）を満足することが好ましい。
１５．０＜ＴＬ１／｜ｆ｜＜４０．０ …（１−１）
６．０＜ＴＬ２１／｜ｆ｜＜２０．０ …（２−１）

また、下記条件式（３）および（４）を満足することが好ましい。なお、下記条件式（３−１）および／または（４−１）を満足することがより好ましい。
８．０＜Ｄ１２／｜ｆ｜＜３０．０ …（３）
１０．０＜Ｄ１２／｜ｆ｜＜２５．０ …（３−１）
５．０＜Ｄ２１２／｜ｆ｜＜２０．０ …（４）
６．０＜Ｄ２１２／｜ｆ｜＜１５．０ …（４−１）
ただし、
Ｄ１２：第１光学系と第２光学系の光軸上の間隔
Ｄ２１２：第１レンズ群と第２レンズ群の光軸上の間隔
ｆ：全系の焦点距離

また、下記条件式（５）を満足することが好ましい。なお、下記条件式（５−１）を満足することがより好ましい。
１．５０＜ｆ２／｜ｆ｜＜２．８０ …（５）
１．５２＜ｆ２／｜ｆ｜＜２．２０ …（５−１）
ただし、
ｆ２：第２光学系の焦点距離
ｆ：全系の焦点距離

また、下記条件式（６）を満足することが好ましい。なお、下記条件式（６−１）を満足することがより好ましい。
８．２０＜Ｉｍφ・ｆ２／ｆ^２＜２０．００ …（６）
８．３０＜Ｉｍφ・ｆ２／ｆ^２＜１６．００ …（６−１）
ただし、
Ｉｍφ：縮小側における有効像円直径
ｆ２：第２光学系の焦点距離
ｆ：全系の焦点距離

また、下記条件式（７）を満足することが好ましい。なお、下記条件式（７−１）を満足することがより好ましい。
０．０２０＜ｅｎＰ／ＴＬ２＜０．１６０ …（７）
０．０５０＜ｅｎＰ／ＴＬ２＜０．１４５ …（７−１）
ただし、
ｅｎＰ：第２光学系の最も拡大側面から拡大側を入射側とした場合の入射瞳位置までの光軸上の距離
ＴＬ２：第２光学系の最も縮小側面から最も拡大側面までの光軸上の距離

また、下記条件式（８）を満足することが好ましい。なお、下記条件式（８−１）を満足することがより好ましい。
０．１２５＜Ｉｍφ／ＴＬ２＜０．２４０ …（８）
０．１３０＜Ｉｍφ／ＴＬ２＜０．２００ …（８−１）
ただし、
Ｉｍφ：縮小側における有効像円直径
ＴＬ２：第２光学系の最も縮小側面から最も拡大側面までの光軸上の距離

また、下記条件式（９）を満足することが好ましい。なお、下記条件式（９−１）を満足することがより好ましい。
０．３０＜ｆ２２／ｆ２１＜２．００ …（９）
０．４０＜ｆ２２／ｆ２１＜１．７０ …（９−１）
ただし、
ｆ２１：第１レンズ群の焦点距離
ｆ２２：第２レンズ群の焦点距離

また、下記条件式（１０）を満足することが好ましい。なお、下記条件式（１０−１）を満足することがより好ましい。
４．０＜Ｂｆ／｜ｆ｜ …（１０）
５．０＜Ｂｆ／｜ｆ｜＜２０．０ …（１０−１）
ただし、
Ｂｆ：全系のバックフォーカス（空気換算距離）
ｆ：全系の焦点距離

また、第１レンズ群と第２レンズ群の間で、最大画角の主光線と第２光学系の光軸が交わることが好ましい。

また、中間像は、光軸中心より周辺部が第１光学系側に像面湾曲しているように構成してもよい。

また、第１光路折り曲げ手段および／または第２光路折り曲げ手段は、ミラーであることが好ましい。

また、第１光路折り曲げ手段および／または第２光路折り曲げ手段は、光路を９０度折り曲げる向きに配置されることが好ましい。

また、画像表示素子に表示された画像を、１８０度反転した向きに拡大像として投写することが好ましい。

本発明の投写型表示装置は、光源と、光源からの光が入射するライトバルブと、ライトバルブにより光変調された光による光学像をスクリーン上に投写する投写用光学系としての上記本発明の投写用光学系とを備えたことを特徴とする。

なお、上記「拡大側」とは、被投写側（スクリーン側）を意味し、縮小投写する場合も、便宜的にスクリーン側を拡大側と称するものとする。一方、上記「縮小側」とは、画像表示素子側（ライトバルブ側）を意味し、縮小投写する場合も、便宜的にライトバルブ側を縮小側と称するものとする。

また、上記「〜から実質的になる」とは、構成要素として挙げたもの以外に、実質的にパワーを有さないレンズ、絞りやマスクやカバーガラスやフィルタ等のレンズ以外の光学要素等を含んでもよいことを意図するものである。

また、上記「レンズ群」とは、必ずしも複数のレンズから構成されるものだけでなく、１枚のレンズのみで構成されるものも含むものとする。

また、「バックフォーカス」については、拡大側、縮小側をそれぞれ一般的な撮像レンズの物体側、像側に相当するものとして考え、拡大側、縮小側それぞれをフロント側、バック側とするものとする。

また、上記「Ｉｍφ」は、例えば、投写用光学系の仕様や、投写用光学系が搭載される装置の仕様によって求めることができる。

また、上記のレンズの面形状や屈折力の符号は、非球面が含まれている場合は近軸領域で考えるものとする。

本発明の投写用光学系は、縮小側共役面上に配置された画像表示素子に表示された画像を、拡大側共役面上に拡大像として投写する投写用光学系であって、縮小側から順に、複数のレンズにより構成され、画像表示素子上の画像を中間像として結像させる第１光学系と、反射面で光路を折り曲げる第１光路折り曲げ手段と、複数のレンズにより構成され、中間像を拡大側共役面上に結像する第２光学系から実質的になり、第２光学系は、縮小側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、反射面で光路を折り曲げる第２光路折り曲げ手段と、正の屈折力を有する第２レンズ群から実質的になり、下記条件式（１）および（２）を満足するものとしたので、小型化を達成しつつ、広角で諸収差が良好に補正された高い投写性能を有する投写用光学系とすることが可能となる。
１０．０＜ＴＬ１／｜ｆ｜＜５０．０ …（１）
４．０＜ＴＬ２１／｜ｆ｜＜３０．０ …（２）

また、本発明の投写型表示装置は、本発明の投写用光学系を備えているため、装置を小型化できるとともに、広角で高画質の画像を投写することができる。

本発明の一実施形態にかかる投写用光学系（実施例１と共通）の構成を示す断面図 本発明の実施例２の投写用光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例３の投写用光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例４の投写用光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例５の投写用光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例６の投写用光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例７の投写用光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例１の投写用光学系の各収差図 本発明の実施例２の投写用光学系の各収差図 本発明の実施例３の投写用光学系の各収差図 本発明の実施例４の投写用光学系の各収差図 本発明の実施例５の投写用光学系の各収差図 本発明の実施例６の投写用光学系の各収差図 本発明の実施例７の投写用光学系の各収差図 本発明の一実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態にかかる投写用光学系の構成を示す断面図である。図１に示す構成例は、後述の実施例１の投写用光学系の構成と共通である。図１においては、画像表示面Ｓｉｍ側が縮小側、第２光学系Ｇ２の最終レンズＬ３２側が拡大側であり、図示されている開口絞りＳｔは必ずしも大きさや形状を表すものではなく、光軸Ｚ上の位置を示すものである。また、図１では軸上光束ｗａおよび最大画角の光束ｗｂも合わせて示している。

この投写用光学系は、例えば投写型表示装置に搭載されて、ライトバルブに表示された画像情報をスクリーンへ投写するものとして使用可能である。図１では、投写型表示装置に搭載される場合を想定して、色合成部または照明光分離部に用いられるフィルタやプリズム等を想定した光学部材ＰＰと、光学部材ＰＰの縮小側の面に位置するライトバルブの画像表示面Ｓｉｍも合わせて図示している。投写型表示装置においては、画像表示面Ｓｉｍで画像情報を与えられた光束が、光学部材ＰＰを介して、この投写用光学系に入射され、この投写用光学系により不図示のスクリーン上に投写されるようになる。

図１に示すように、この投写用光学系は、縮小側から順に、複数のレンズにより構成され、画像表示素子上の画像を中間像として結像させる第１光学系Ｇ１と、反射面で光路を折り曲げる第１光路折り曲げ手段Ｒ１と、複数のレンズにより構成され、中間像を拡大側共役面上に結像する第２光学系Ｇ２から実質的に構成される。

第２光学系Ｇ２は、縮小側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ２１と、反射面で光路を折り曲げる第２光路折り曲げ手段Ｒ２と、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２２から実質的に構成される。

通常の中間像を結ばない光学系のみで構成された投写用光学系は、焦点距離を短くして広角化をしようとすると、どうしても拡大側のレンズが大きくなりすぎてしまうが、本実施形態のように中間結像させる方式の投写用光学系では、第２光学系Ｇ２のバックフォーカスを短縮できるとともに、第２光学系Ｇ２の拡大側のレンズ径を小さくすることが可能であり、焦点距離を短くして広角化するのに適している。

また、投写用光学系の中間位置に光路折り曲げ手段を配置することにより、投写用光学系の拡大側に光路折り曲げ手段を配置する場合と比較して、光路折り曲げ手段を小型にすることができる。また、投写用光学系中に２つの光路折り曲げ手段を設けることにより、投写用光学系全体の小型化や投写方向の制御が容易となる。

なお、本実施形態の投写用光学系は、縮小側がテレセントリックに構成されている。ここで「縮小側がテレセントリック」とは、拡大側から縮小側へ向かう方向に光束を見たとき、縮小側共役面である画像表示面Ｓｉｍの任意の点に集光する光束の断面において、上側の最大光線と下側の最大光線との二等分角線が光軸Ｚと平行に近い状態を指すものである。ただし、完全にテレセントリックな場合、すなわち上記二等分角線が光軸Ｚに対して完全に平行な場合に限るものではなく、多少の誤差がある場合も含む。ここで「多少の誤差がある場合」とは、光軸Ｚに対する上記二等分角線の傾きが−３°〜＋３°の範囲内の場合を意味する。

また、下記条件式（１）および（２）を満足するように構成されている。
条件式（１）は、第１光学系Ｇ１のレンズ長と全系の焦点距離との比を規定するもので、条件式（１）を満足することで、第１光学系のリレー倍率を良好に保ち、広角化と諸収差の補正を両立しつつ、小型化を達成することができる。条件式（１）の上限以上とならないようにすることで、第１光学系Ｇ１のレンズ長が大きくなり過ぎるのを抑え、小型化を達成することができる。条件式（１）の下限以下とならないようにすることで、第１光学系Ｇ１のリレー倍率が大きくなり過ぎるのを抑え、結果的に第２光学系Ｇ２のレンズ径の大型化を防ぐことができる。また、第２光学系Ｇ２での歪曲収差、像面湾曲の補正も容易となる。さらに、第１光学系Ｇ１から第２光学系Ｇ２への射出角が発散方向に大きくなり過ぎるのを抑えることができるので、光路折り曲げのための空間の確保が容易となる。
条件式（２）は、第１レンズ群Ｇ２１のレンズ長と全系の焦点距離との比を規定するもので、条件式（２）を満足することで、第１光路折り曲げ手段Ｒ１と第２光路折り曲げ手段Ｒ２の間隔を適切に保ちつつ、小型化を達成することができる。条件式（２）の上限以上とならないようにすることで、第１レンズ群Ｇ２１のレンズ長が大きくなり過ぎるのを抑えることができるため、小型化を達成することができる。条件式（２）の下限以下とならないようにすることで、第１光路折り曲げ手段Ｒ１と第２光路折り曲げ手段Ｒ２の間隔が狭くなり過ぎるのを抑えることができるため、干渉のおそれを無くすことができる。
なお、下記条件式（１−１）および／または（２−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。
１０．０＜ＴＬ１／｜ｆ｜＜５０．０ …（１）
１５．０＜ＴＬ１／｜ｆ｜＜４０．０ …（１−１）
４．０＜ＴＬ２１／｜ｆ｜＜３０．０ …（２）
６．０＜ＴＬ２１／｜ｆ｜＜２０．０ …（２−１）
ただし、
ＴＬ１：第１光学系の最も縮小側面から最も拡大側面までの光軸上の距離
ＴＬ２１：第１レンズ群の最も縮小側面から最も拡大側面までの光軸上の距離
ｆ：全系の焦点距離

本実施形態の投写用光学系においては、下記条件式（３）および（４）を満足することが好ましい。
条件式（３）は、第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２の間隔と全系の焦点距離との比を規定するもので、条件式（３）の上限以上とならないようにすることで、第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２の間隔が大きくなり過ぎるのを抑えることができるため、小型化を達成することができる。条件式（３）の下限以下とならないようにすることで、第１光路折り曲げ手段Ｒ１を入れる空間の余裕を確保できるため、中間像の結像面近傍を外して第１光路折り曲げ手段Ｒ１を配置できるため、第１光路折り曲げ手段Ｒ１上でのゴミやキズ等がスクリーン上に写りこむ可能性を低くすることができる。
条件式（４）は、第１レンズ群Ｇ２１と第２レンズ群Ｇ２２の間隔と全系の焦点距離との比を規定するもので、条件式（４）の上限以上とならないようにすることで、第１レンズ群Ｇ２１と第２レンズ群Ｇ２２の間隔が大きくなり過ぎるのを抑えることができるため、小型化を達成することができる。条件式（４）の下限以下とならないようにすることで、第２光路折り曲げ手段Ｒ２を入れる空間の余裕を確保することができる。
なお、下記条件式（３−１）および／または（４−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。
８．０＜Ｄ１２／｜ｆ｜＜３０．０ …（３）
１０．０＜Ｄ１２／｜ｆ｜＜２５．０ …（３−１）
５．０＜Ｄ２１２／｜ｆ｜＜２０．０ …（４）
６．０＜Ｄ２１２／｜ｆ｜＜１５．０ …（４−１）
ただし、
Ｄ１２：第１光学系と第２光学系の光軸上の間隔
Ｄ２１２：第１レンズ群と第２レンズ群の光軸上の間隔
ｆ：全系の焦点距離

また、下記条件式（５）を満足することが好ましい。条件式（５）は、第２光学系Ｇ２と全系の焦点距離の比を規定したもので、これは中間像を形成する第１光学系Ｇ１のリレー倍率に相当し、条件式（５）を満足することで、リレー方式で広角化を達成するために必要なリレー倍率を適切に設定することができ、これにより広角化を達成しながらも、広角化で問題になる諸収差を適切に補正することが可能になる。条件式（５）の上限以上とならないようにすることで、リレー倍率が大きくなって中間像のサイズが大きくなるのを抑えることができるので、第２光学系Ｇ２のレンズ径の大型化を防ぐことができる。また、第２光学系Ｇ２での歪曲収差、像面湾曲の補正を容易にすることができる。第２光学系Ｇ２に要求されるＦＮｏ．は全系のＦＮｏ．×リレー倍率であり、条件式（５）の下限以下とならないようにすることで、第２光学系Ｇ２に要求されるＦ値（ＦＮｏ．）が小さくなり過ぎるのを防ぐことができるため、広角化と適度に小さいＦ値のレンズに対応した収差補正（特に球面収差や非点収差）が容易となる。なお、下記条件式（５−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。
１．５０＜ｆ２／｜ｆ｜＜２．８０ …（５）
１．５２＜ｆ２／｜ｆ｜＜２．２０ …（５−１）
ただし、
ｆ２：第２光学系の焦点距離
ｆ：全系の焦点距離

また、下記条件式（６）を満足することが好ましい。条件式（６）は、縮小側における有効像円直径、第２光学系Ｇ２の焦点距離、全系の焦点距離の関係を規定するもので、条件式（６）の上限以上とならないようにすることで、全系の焦点距離に対する有効像円直径が大きくなり過ぎるのを防ぐとともに、全系の焦点距離に対する第２光学系Ｇ２のパワーが弱くなり過ぎるのを防ぐことができるので、第２光学系Ｇ２のレンズ径の小型化、および全系の小型化を図ることができる。条件式（６）の下限以下とならないようにすることで、全系の焦点距離に対する有効像円直径が小さくなり過ぎるのを防ぐとともに、全系の焦点距離に対する第２光学系Ｇ２のパワーが強くなり過ぎるのを防ぐことができるので、第２光学系Ｇ２に要求される収差補正（特に球面収差や非点収差）が緩和されるため、高性能を実現しやすくすることができる。なお、下記条件式（６−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。
８．２０＜Ｉｍφ・ｆ２／ｆ^２＜２０．００ …（６）
８．３０＜Ｉｍφ・ｆ２／ｆ^２＜１６．００ …（６−１）
ただし、
Ｉｍφ：縮小側における有効像円直径
ｆ２：第２光学系の焦点距離
ｆ：全系の焦点距離

また、下記条件式（７）を満足することが好ましい。条件式（７）は、第２光学系Ｇ２の最も拡大側面から拡大側を入射側とした場合の入射瞳位置までの光軸上の距離と第２光学系Ｇ２のレンズ全長の比を規定したもので、一度中間像を形成しない通常の光学系では長いバックフォーカスを確保する必要があるが、本実施形態では一度中間像を形成することで、第２光学系Ｇ２に長いバックフォーカスを確保する必要がないため、一度中間像を形成しない通常の光学系と比較して入射瞳位置をより拡大側にもっていくことができ、第２光学系Ｇ２の最も拡大側のレンズ径を小さくしながら広角化を達成することが可能であり、条件式（７）はそれを満足させるためのものである。条件式（７）の上限以上とならないようにすることで、入射瞳位置をより拡大側に位置させることができ、所望の画角を確保することが容易となる。条件式（７）の下限以下とならないようにすることで、第２光学系Ｇ２のレンズ全長が大きくなり過ぎるのを抑えるとともに、第２光学系Ｇ２の最も拡大側のレンズ径の大型化を抑えることができる。なお、下記条件式（７−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。
０．０２０＜ｅｎＰ／ＴＬ２＜０．１６０ …（７）
０．０５０＜ｅｎＰ／ＴＬ２＜０．１４５ …（７−１）
ただし、
ｅｎＰ：第２光学系の最も拡大側面から拡大側を入射側とした場合の入射瞳位置までの光軸上の距離
ＴＬ２：第２光学系の最も縮小側面から最も拡大側面までの光軸上の距離

また、下記条件式（８）を満足することが好ましい。条件式（８）は、縮小側における有効像円直径と第２光学系Ｇ２のレンズ全長の比を規定したもので、条件式（８）の上限以上とならないようにすることで、過度の小型化による第２光学系Ｇ２内のレンズ単品の誤差感度が上がり過ぎるのを抑え、製造性を維持することができる。条件式（８）の下限以下とならないようにすることで、所望の有効像円直径の大きさを得ることができるとともに、第２光学系Ｇ２のレンズ全長が大きくなり過ぎるのを抑えることができる。なお、下記条件式（８−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。
０．１２５＜Ｉｍφ／ＴＬ２＜０．２４０ …（８）
０．１３０＜Ｉｍφ／ＴＬ２＜０．２００ …（８−１）
ただし、
Ｉｍφ：縮小側における有効像円直径
ＴＬ２：第２光学系の最も縮小側面から最も拡大側面までの光軸上の距離

また、下記条件式（９）を満足することが好ましい。条件式（９）は、第２光学系Ｇ２の第１レンズ群Ｇ２１と第２レンズ群Ｇ２２の焦点距離の比を規定したもので、条件式（９）の上限以上とならないようにすることで、第２レンズ群Ｇ２２に対して第１レンズ群Ｇ２１のパワーが強くなり過ぎるのを抑え、第１光学系Ｇ１に入射するための入射角が大きくなるのを防ぐことができるため、第１光学系Ｇ１での収差補正を容易にすることができる。条件式（９）の下限以下とならないようにすることで、第１レンズ群Ｇ２１に対して第２レンズ群Ｇ２２のパワーが強くなり過ぎるのを抑えることができるため、第２レンズ群Ｇ２２での歪曲収差の補正が容易となる。なお、下記条件式（９−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。
０．３０＜ｆ２２／ｆ２１＜２．００ …（９）
０．４０＜ｆ２２／ｆ２１＜１．７０ …（９−１）
ただし、
ｆ２１：第１レンズ群の焦点距離
ｆ２２：第２レンズ群の焦点距離

また、下記条件式（１０）を満足することが好ましい。条件式（１０）は、全系のバックフォーカスを規定するもので、全系の縮小側に色合成用のプリズム等を配置する空間のための必要十分なバックフォーカスを設定するものである。条件式（１０）の下限以下とならないようにすることで、バックフォーカスが短くなり過ぎるのを抑えることができるため、色合成プリズム等の配置が容易となる。なお、下記条件式（１０−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。条件式（１０−１）の上限以上とならないようにすることで、バックフォーカスが長くなり過ぎるのを抑えることができるため、小型化を図ることができる。
４．０＜Ｂｆ／｜ｆ｜ …（１０）
５．０＜Ｂｆ／｜ｆ｜＜２０．０ …（１０−１）
ただし、
Ｂｆ：全系のバックフォーカス（空気換算距離）
ｆ：全系の焦点距離

また、第１レンズ群Ｇ２１と第２レンズ群Ｇ２２の間で、最大画角の主光線と第２光学系Ｇ２の光軸が交わることが好ましい。このような構成とすることで、第２光学系Ｇ２に配置された第２光路折り曲げ手段Ｒ２のサイズを小型化することができる。

また、中間像は、光軸中心より周辺部が第１光学系側に像面湾曲しているように構成してもよい。このように、第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２が独立して収差補正を行うのでなく、第１光学系Ｇ１で歪曲収差、非点収差などを残存させておいて、それを第２光学系Ｇ２で相殺させるような収差補正を行うことで、少ないレンズ枚数でも広角化を図りながら諸収差を良くすることが可能となる。

また、第１光路折り曲げ手段および／または第２光路折り曲げ手段は、ミラーであることが好ましい。このようにミラーを用いることで、プリズムと比較して、部材の透過率に起因する光量低下を招くことなく、熱の影響も受けにくく、さらに重量についても軽量にすることができる。また、この様な理由から、各光路折り曲げ手段の部分で水平方向振りや垂直方向振りを行う構成とする場合にも、特性や製造性で有利となる。

また、第１光路折り曲げ手段および／または第２光路折り曲げ手段は、光路を９０度折り曲げる向きに配置されることが好ましい。このような構成とすることで、効率的に投写用光学系全体の小型化を図ることができる。

また、画像表示素子に表示された画像を、１８０度反転した向きに拡大像として投写することが好ましい。このような構成とすることで、スクリーンから投写用光学系を含めたシステム全体のサイズを小型化できる。

次に、本発明の投写用光学系の数値実施例について説明する。
まず、実施例１の投写用光学系について説明する。実施例１の投写用光学系の構成を示す断面図を図１に示す。なお、図１および後述の実施例２〜７に対応した図２〜７においては、画像表示面Ｓｉｍ側が縮小側、第２光学系Ｇ２の最終レンズＬ３２（実施例５のみ最終レンズＬ３４）側が拡大側であり、図示されている開口絞りＳｔは必ずしも大きさや形状を表すものではなく、光軸Ｚ上の位置を示すものである。また、図１〜７では軸上光束ｗａおよび最大画角の光束ｗｂも合わせて示している。

実施例１の投写用光学系は、縮小側から順に、第１光学系Ｇ１と、第１光路折り曲げ手段Ｒ１と、第２光学系Ｇ２から構成され、第１光学系Ｇ１がレンズＬ１〜Ｌ１０の１０枚のレンズから構成され、第２光学系Ｇ２がレンズＬ２１〜Ｌ３２の１２枚のレンズから構成されている。また、第２光学系Ｇ２は、縮小側から順に、第１レンズ群Ｇ２１と、第２光路折り曲げ手段Ｒ２と、第２レンズ群Ｇ２２から構成され、第１レンズ群Ｇ２１がレンズＬ２１〜Ｌ２６の６枚のレンズから構成され、第２レンズ群Ｇ２２がレンズＬ２７〜Ｌ３２の６枚のレンズから構成されている。

実施例１の投写用光学系の基本レンズデータを表１に、諸元に関するデータを表２に、非球面係数に関するデータを表３に示す。以下では、表中の記号の意味について、実施例１のものを例にとり説明するが、実施例２〜７についても基本的に同様である。

表１のレンズデータにおいて、面番号の欄には最も拡大側の構成要素の面を１番目として縮小側に向かうに従い順次増加する面番号を示し、曲率半径の欄には各面の曲率半径を示し、面間隔の欄には各面とその次の面との光軸Ｚ上の間隔を示す。また、ｎｄの欄には各光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を示し、νｄの欄には各光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数を示す。ここで、曲率半径の符号は、面形状が拡大側に凸の場合を正、縮小側に凸の場合を負としている。基本レンズデータには、開口絞りＳｔ、光学部材ＰＰも含めて示している。開口絞りＳｔに相当する面の面番号の欄には面番号とともに（絞り）という語句を記載している。

表２の諸元に関するデータに、焦点距離ｆ、バックフォーカスＢｆ、Ｆ値ＦＮｏ、全画角２ωの値を示す。

なお、基本レンズデータおよび諸元に関するデータに示す数値は、全系の焦点距離の絶対値が１となるように規格化されたものである。また、各表の数値は、所定の桁でまるめたものである。

表１のレンズデータでは、非球面の面番号に＊印を付しており、非球面の曲率半径として近軸の曲率半径の数値を示している。表３の非球面係数に関するデータには、非球面の面番号と、これら非球面に関する非球面係数を示す。非球面係数は、下記式で表される非球面式における各係数ＫＡ、Ａｍ（ｍ＝３〜１７）の値である。
Ｚｄ＝Ｃ・ｈ^２／｛１＋（１−ＫＡ・Ｃ^２・ｈ^２）^１/２｝＋ΣＡｍ・ｈ^ｍ
ただし、
Ｚｄ：非球面深さ（高さｈの非球面上の点から、非球面頂点が接する光軸に垂直な平面に下ろした垂線の長さ）
ｈ：高さ（光軸からの距離）
Ｃ：近軸曲率半径の逆数
ＫＡ、Ａｍ：非球面係数（ｍ＝３〜１７）

実施例１の投写用光学系の各収差図を図８に示す。なお、図８中の左側から順に球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す。球面収差、非点収差、歪曲収差を表す各収差図には、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）を基準波長とした収差を示す。球面収差図にはｄ線（波長５８７．６ｎｍ）、Ｃ線(波長６５６．３ｎｍ)、Ｆ線(波長４８６．１ｎｍ)についての収差をそれぞれ実線、長破線、短破線の実線で示す。非点収差図にはサジタル方向、タンジェンシャル方向の収差をそれぞれ実線と短破線で示す。倍率色収差図にはＣ線(波長６５６．３ｎｍ)、Ｆ線(波長４８６．１ｎｍ)についての収差をそれぞれ長破線、短破線で示す。球面収差図のＦＮｏ．はＦ値、その他の収差図のωは半画角を意味する。

なお、基本レンズデータおよび諸元に関するデータに示す数値や、各収差図は全て有限の投写距離におけるものであり、実施例１では、投写距離：１２１．９５０の場合のデータを示している。

上記の実施例１の説明で述べた各データの記号、意味、記載方法は、特に断りがない限り以下の実施例のものについても同様であるので、以下では重複説明を省略する。

次に、実施例２の投写用光学系について説明する。実施例２の投写用光学系の構成を示す断面図を図２に示す。実施例２の投写用光学系は、第１光学系Ｇ１がレンズＬ１〜Ｌ９の９枚のレンズから構成されている以外は、実施例１と同様の構成である。また、実施例２の投写用光学系の基本レンズデータを表４に、諸元に関するデータを表５に、非球面係数に関するデータを表６に、各収差図を図９に示す。実施例２では、投写距離：１２１．９３３の場合のデータを示している。

次に、実施例３の投写用光学系について説明する。実施例３の投写用光学系の構成を示す断面図を図３に示す。実施例３の投写用光学系は、第１光学系Ｇ１がレンズＬ１〜Ｌ９の９枚のレンズから構成されている以外は、実施例１と同様の構成である。また、実施例３の投写用光学系の基本レンズデータを表７に、諸元に関するデータを表８に、非球面係数に関するデータを表９に、各収差図を図１０に示す。実施例３では、投写距離：１２１．６８２の場合のデータを示している。

次に、実施例４の投写用光学系について説明する。実施例４の投写用光学系の構成を示す断面図を図４に示す。実施例４の投写用光学系は、実施例１と同様の構成である。また、実施例４の投写用光学系の基本レンズデータを表１０に、諸元に関するデータを表１１に、非球面係数に関するデータを表１２に、各収差図を図１１に示す。実施例４では、投写距離：１２１．８１１の場合のデータを示している。

次に、実施例５の投写用光学系について説明する。実施例５の投写用光学系の構成を示す断面図を図５に示す。実施例５の投写用光学系は、第１光学系Ｇ１がレンズＬ１〜Ｌ８の８枚のレンズから構成され、第２光学系Ｇ２の第１レンズ群Ｇ２１がレンズＬ２１〜Ｌ２７の７枚のレンズから構成され、第２レンズ群Ｇ２２がレンズＬ２８〜Ｌ３４の７枚のレンズから構成されている。また、実施例４の投写用光学系の基本レンズデータを表１３に、諸元に関するデータを表１４に、非球面係数に関するデータを表１５に、各収差図を図１２に示す。実施例５では、投写距離：１９３．４８５の場合のデータを示している。

次に、実施例６の投写用光学系について説明する。実施例６の投写用光学系の構成を示す断面図を図６に示す。実施例６の投写用光学系は、第１光学系Ｇ１がレンズＬ１〜Ｌ９の９枚のレンズから構成されている以外は、実施例１と同様の構成である。また、実施例６の投写用光学系の基本レンズデータを表１６に、諸元に関するデータを表１７に、非球面係数に関するデータを表１８に、各収差図を図１３に示す。実施例６では、投写距離：１９３．３０８の場合のデータを示している。

次に、実施例７の投写用光学系について説明する。実施例７の投写用光学系の構成を示す断面図を図７に示す。実施例７の投写用光学系は、第１光学系Ｇ１がレンズＬ１〜Ｌ８の８枚のレンズから構成されている以外は、実施例１と同様の構成である。また、実施例７の投写用光学系の基本レンズデータを表１９に、諸元に関するデータを表２０に、非球面係数に関するデータを表２１に、各収差図を図１４に示す。実施例７では、投写距離：１９３．１４２の場合のデータを示している。

実施例１〜７の投写用光学系の条件式（１）〜（１０）に対応する値を表２２に示す。なお、全実施例ともｄ線を基準波長としており、下記の表２２に示す値はこの基準波長におけるものである。

以上のデータから、実施例１〜７の投写用光学系は全て、条件式（１）〜（１０）を満たしており、小型化を達成しつつ、１３５°以上の広角で諸収差が良好に補正された高い投写性能を有する投写用光学系であることが分かる。

次に、本発明に係る投写型表示装置の実施形態について、図１５を用いて説明する。図１５は本発明の一実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。

図１５に示す投写型表示装置１００は、本発明の実施形態にかかる投写用光学系１０と、光源２０と、各色光に対応したライトバルブとしての透過型表示素子１１ａ〜１１ｃと、光源２０からの光束をライトバルブへ導く照明光学部３０とを備えている。照明光学部３０は、色分解のためのダイクロイックミラー１２、１３と、色合成のためのクロスダイクロイックプリズム１４と、コンデンサレンズ１６ａ〜１６ｃと、全反射ミラー１８ａ〜１８ｃとを有する。なお、図１５では、投写用光学系１０は概略的に図示されている。また、光源２０とダイクロイックミラー１２の間にはフライアイ等のインテグレータが配されているが、図１５ではその図示を省略している。

光源２０からの白色光は、照明光学部３０において、ダイクロイックミラー１２、１３で３つの色光光束（Ｇ光、Ｂ光、Ｒ光）に分解された後、それぞれ全反射ミラー１８ａ〜１８ｃにより光路を偏向されてコンデンサレンズ１６ａ〜１６ｃを経て各色光光束にそれぞれ対応する透過型表示素子１１ａ〜１１ｃに入射して光変調され、クロスダイクロイックプリズム１４により色合成された後、投写用光学系１０に入射する。投写用光学系１０は透過型表示素子１１ａ〜１１ｃにより光変調された光による光学像を不図示のスクリーン上に投写する。

透過型表示素子１１ａ〜１１ｃとしては、例えば透過型液晶表示素子等を用いることができる。なお、図１５ではライトバルブとして透過型表示素子を用いた例を示したが、本発明の投写型表示装置が備えるライトバルブは、これに限られるものではなく、反射型液晶表示素子あるいはＤＭＤ等の他の光変調手段を用いてもよい。

本実施形態の投写型表示装置１００は、本発明の投写用光学系１０を備えたものであるから、装置を小型化できるとともに、広角で高画質の画像を投写することができる。

以上、実施形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、各レンズの曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、非球面係数の値は、上記各実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

１０ 投写用光学系
１１ａ〜１１ｃ 透過型表示素子
１２、１３ ダイクロイックミラー
１４ クロスダイクロイックプリズム
１６ａ〜１６ｃ コンデンサレンズ
１８ａ〜１８ｃ 全反射ミラー
２０ 光源
３０ 照明光学部
１００ 投写型表示装置
Ｇ１ 第１光学系
Ｇ２ 第２光学系
Ｇ２１ 第１レンズ群
Ｇ２２ 第２レンズ群
Ｌ１〜Ｌ３４ レンズ
ＰＰ 光学部材
Ｒ１ 第１光路折り曲げ手段
Ｒ２ 第２光路折り曲げ手段
Ｓｉｍ 画像表示面
Ｓｔ 開口絞り
Ｚ 光軸

Claims (20)

1. 縮小側共役面上に配置された画像表示素子に表示された画像を、拡大側共役面上に拡大像として投写する投写用光学系であって、
   縮小側から順に、複数のレンズにより構成され、前記画像表示素子上の画像を中間像として結像させる第１光学系と、反射面で光路を折り曲げる第１光路折り曲げ手段と、複数のレンズにより構成され、前記中間像を前記拡大側共役面上に結像する第２光学系から実質的になり、
   前記第２光学系は、縮小側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群と、反射面で光路を折り曲げる第２光路折り曲げ手段と、正の屈折力を有する第２レンズ群から実質的になり、
   下記条件式（１）および（２）を満足する
   ことを特徴とする投写用光学系。
   １０．０＜ＴＬ１／｜ｆ｜＜５０．０ …（１）
   ４．０＜ＴＬ２１／｜ｆ｜＜３０．０ …（２）
   ただし、
   ＴＬ１：前記第１光学系の最も縮小側面から最も拡大側面までの光軸上の距離
   ＴＬ２１：前記第１レンズ群の最も縮小側面から最も拡大側面までの光軸上の距離
   ｆ：全系の焦点距離
2. 下記条件式（１−１）および／または（２−１）を満足する
   請求項１記載の投写用光学系。
   １５．０＜ＴＬ１／｜ｆ｜＜４０．０ …（１−１）
   ６．０＜ＴＬ２１／｜ｆ｜＜２０．０ …（２−１）
3. 下記条件式（３）および（４）を満足する
   請求項１または２記載の投写用光学系。
   ８．０＜Ｄ１２／｜ｆ｜＜３０．０ …（３）
   ５．０＜Ｄ２１２／｜ｆ｜＜２０．０ …（４）
   ただし、
   Ｄ１２：前記第１光学系と前記第２光学系の光軸上の間隔
   Ｄ２１２：前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の光軸上の間隔
4. 下記条件式（３−１）および／または（４−１）を満足する
   請求項３記載の投写用光学系。
   １０．０＜Ｄ１２／｜ｆ｜＜２５．０ …（３−１）
   ６．０＜Ｄ２１２／｜ｆ｜＜１５．０ …（４−１）
5. 下記条件式（５）を満足する
   請求項１から４のいずれか１項記載の投写用光学系。
   １．５０＜ｆ２／｜ｆ｜＜２．８０ …（５）
   ただし、
   ｆ２：前記第２光学系の焦点距離
6. 下記条件式（５−１）を満足する
   請求項５記載の投写用光学系。
   １．５２＜ｆ２／｜ｆ｜＜２．２０ …（５−１）
7. 下記条件式（６）を満足する
   請求項１から６のいずれか１項記載の投写用光学系。
   ８．２０＜Ｉｍφ・ｆ２／ｆ^２＜２０．００ …（６）
   ただし、
   Ｉｍφ：縮小側における有効像円直径
   ｆ２：前記第２光学系の焦点距離
8. 下記条件式（６−１）を満足する
   請求項７記載の投写用光学系。
   ８．３０＜Ｉｍφ・ｆ２／ｆ^２＜１６．００ …（６−１）
9. 下記条件式（７）を満足する
   請求項１から８のいずれか１項記載の投写用光学系。
   ０．０２０＜ｅｎＰ／ＴＬ２＜０．１６０ …（７）
   ただし、
   ｅｎＰ：前記第２光学系の最も拡大側面から拡大側を入射側とした場合の入射瞳位置までの光軸上の距離
   ＴＬ２：前記第２光学系の最も縮小側面から最も拡大側面までの光軸上の距離
10. 下記条件式（７−１）を満足する
    請求項９記載の投写用光学系。
    ０．０５０＜ｅｎＰ／ＴＬ２＜０．１４５ …（７−１）
11. 下記条件式（８）を満足する
    請求項１から１０のいずれか１項記載の投写用光学系。
    ０．１２５＜Ｉｍφ／ＴＬ２＜０．２４０ …（８）
    ただし、
    Ｉｍφ：縮小側における有効像円直径
    ＴＬ２：前記第２光学系の最も縮小側面から最も拡大側面までの光軸上の距離
12. 下記条件式（８−１）を満足する
    請求項１１記載の投写用光学系。
    ０．１３０＜Ｉｍφ／ＴＬ２＜０．２００ …（８−１）
13. 下記条件式（９）を満足する
    請求項１から１２のいずれか１項記載の投写用光学系。
    ０．３０＜ｆ２２／ｆ２１＜２．００ …（９）
    ただし、
    ｆ２１：前記第１レンズ群の焦点距離
    ｆ２２：前記第２レンズ群の焦点距離
14. 下記条件式（９−１）を満足する
    請求項１３記載の投写用光学系。
    ０．４０＜ｆ２２／ｆ２１＜１．７０ …（９−１）
15. 下記条件式（１０）を満足する
    請求項１から１４のいずれか１項記載の投写用光学系。
    ４．０＜Ｂｆ／｜ｆ｜ …（１０）
    ただし、
    Ｂｆ：全系のバックフォーカス
16. 前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の間で、最大画角の主光線と前記第２光学系の光軸が交わる
    請求項１から１５のいずれか１項記載の投写用光学系。
17. 前記中間像は、光軸中心より周辺部が前記第１光学系側に像面湾曲している
    請求項１から１６のいずれか１項記載の投写用光学系。
18. 前記第１光路折り曲げ手段および／または前記第２光路折り曲げ手段は、光路を９０度折り曲げる向きに配置される
    請求項１から１７のいずれか１項記載の投写用光学系。
19. 前記画像表示素子に表示された画像を、１８０度反転した向きに前記拡大像として投写する請求項１から１８のいずれか１項記載の投写用光学系。
20. 光源と、該光源からの光が入射するライトバルブと、該ライトバルブにより光変調された光による光学像をスクリーン上に投写する投写用光学系としての請求項１から１９のいずれか１項記載の投写用光学系とを備えたことを特徴とする投写型表示装置。