JP6602114B2 - 投射光学系、及びそれを用いた投射型画像表示装置 - Google Patents

投射光学系、及びそれを用いた投射型画像表示装置 Download PDF

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Description

本発明は、投射光学系、及びそれを用いた投射型画像表示装置に関するものである。
近年、プロジェクターのような投射型画像表示装置において、臨場感をさらに向上させるために、凸や凹、シリンドリカルな曲率をもったスクリーンや、段差のある物体面に投射するケースが増えてきた。また、通常のプロジェクターでは平面のスクリーン全体でピントが合うようにするために、投射レンズをその像面が限りなくフラットに近いように設計する。
このため、曲率をもったスクリーンなど平面ではない面に投射する場合はスクリーンの中心などの特定の位置では平面に投射した場合と同様にピントを合わせられるが、そのほかの位置では平面からの差異に従ってピントがぼけてしまう。
このような問題を解決する技術として、特許文献１および２に記載の投射レンズが知られている。特許文献１および２によれば、スクリーンの平均曲率に従ってレンズユニットを移動させ、あえて像面湾曲を発生させることで曲面スクリーンに投射した場合でも、平面に投射したときと同様に投射画像全体でピントを合わせることができる。
特開平３−１９６００９号公報 特開２００１−１４５５８０号公報
ここで、特許文献１および２のようにレンズユニットの移動によって像面湾曲調整を行う場合、以下の現象が生じる可能性がある。
すなわち、像面湾曲調整のために移動するレンズユニットによっては、このレンズユニットの移動によって画角が変化し、投射画像のサイズが変わってしまうおそれがある。このような現象に対して特許文献２は、像面湾曲調整に合わせて各レンズユニットの位置を調整することによって、像面湾曲調整に伴う画角の変化をキャンセルすることを開示している。
しかしながら、特許文献２は、前述の画角の変化などの像面湾曲調整による投射画像への影響そのものを低減する方法については開示していない。
そこで、本発明は、投射画像への影響がより少ない像面湾曲調整が可能な投射光学系およびこれを用いた投射型表示装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の投射光学系は、
像面湾曲量の調整に際して光軸方向に移動する第１レンズユニットと、
前記第１レンズユニットよりも縮小側に位置する第２レンズユニットと、を備える投射光学系であって、
前記第１レンズユニットは、非球面レンズを備え、
前記非球面レンズは、第１の位置よりも前記光軸から離れている第２の位置における負の屈折力が前記第１の位置における負の屈折力よりも弱くなる形状を有し、
前記非球面レンズの拡大側の面の近軸の曲率半径をＲ１、前記非球面レンズの前記拡大側の面の有効径をφ１、前記光軸からの高さがφ１／２となる前記拡大側の面上の位置のサグ量をＳＡＧ１とし、
前記非球面レンズの前記縮小側の面の近軸の曲率半径をＲ２、前記非球面レンズの前記縮小側の面の有効径をφ２、前記光軸からの高さがφ２／２となる前記縮小側の面上の位置のサグ量をＳＡＧ２とし、
前記投射光学系の全系の焦点距離をｆｔｏｔ、前記非球面レンズの近軸の焦点距離をｆｇ１とするとき、
ＳＲ１＝｛（φ１／２）＾２＋ＳＡＧ１＾２｝／（２×ＳＡＧ１）
ＳＲ２＝｛（φ２／２）＾２＋ＳＡＧ２＾２｝／（２×ＳＡＧ２）
１．０＜｜Ｒ１／ＳＲ１｜／｜Ｒ２／ＳＲ２｜≦３．０
３＜｜ｆｇ１／ｆｔｏｔ｜≦１４．５０
を満足する、
ことを特徴とする。
本発明によれば、投射画像への影響がより少ない像面湾曲調整が可能な投射光学系およびこれを用いた投射型表示装置を提供することができる。
縮小側に凹形状の曲面スクリーン例 縮小側に凸形状の曲面スクリーン例 第１実施例における広角端でのレンズ断面図 第１実施例における縮小側に凹形状の曲面スクリーンへの適用例 第１実施例における縮小側に凸形状の曲面スクリーンへの適用例 第２実施例における広角端でのレンズ断面図 第２実施例における縮小側に凹形状の曲面スクリーンへの適用例 第２実施例における縮小側に凸形状の曲面スクリーンへの適用例 第３実施例における広角端でのレンズ断面図 第３実施例における縮小側に凹形状の曲面スクリーンへの適用例 第３実施例における縮小側に凸形状の曲面スクリーンへの適用例 各実施例で示すレンズを搭載可能なプロジェクターの概要図
（各実施例に共通の構成）
まず、本発明の各実施例に共通の構成について説明する。
各実施例で示す投射光学系は、像面湾曲量の調整に際して光軸方向に移動する第１レンズユニットと、第１レンズユニットよりも縮小側に位置する第２レンズユニットと、を備える。そして、第１レンズユニットは、拡大側および縮小側の面のうち少なくとも一方の面が非球面の非球面レンズを備える。ここでいう非球面レンズとは図３などに示すレンズ断面図のうち最も拡大側（紙面左側）に位置するレンズＧ１のことである。
本発明の各実施例においては、像面湾曲調整の際にレンズＧ１が光軸方向に移動する。言い換えれば、第１レンズユニットは、レンズＧ１（非球面レンズ）から構成されており、レンズＧ１は、投射光学系が備える光学素子のうち最も拡大側に位置している。もちろん、拡大側から２枚目あるいは３枚目のレンズが、後述の形状の非球面レンズであってもよい。
ここで、広画角のレンズでは、最も拡大側あるいは拡大側に近い位置に、強い負のパワーをもつレンズを置く必要がある。このため、この負レンズを光軸方向に動かすことで容易に像面湾曲を発生させる、言い換えれば容易に像面湾曲調整を行うことができる。
この負レンズが球面レンズの場合、周辺光線の発散力、すなわち周辺部の負のパワーが大きくなりすぎる可能性がある。その結果、像面湾曲調整のために、この負レンズが光軸方向に移動することで画角が変化してしまい、投射画像のサイズが変わってしまうおそれがある。
そこで、本発明の各実施例では、レンズＧ１を非球面レンズとし、拡大側の面の形状はレンズの中心から周辺に向かって正のパワーが強くなる（または、負のパワーが弱くなる）ように設定する。言い換えれば、拡大側の形状を、レンズＧ１の周辺部の曲率を近軸の曲率よりも強くなるように設定する。さらに好ましくは、縮小側の形状はレンズの中心から周辺に向かって負のパワーが弱くなる（または、正のパワーが強くなる）ように設定する。言い換えれば、縮小側の形状を、レンズＧ１の周辺部の曲率を近軸の曲率よりも弱くなるように設定する。
このように設定すると、レンズＧ１の周辺部に関しては、拡大側の面の正のパワーが強くなるため、レンズＧ１全体の負のパワーが弱くなり、縮小側の面の負のパワーを弱めると、レンズＧ１全体の負のパワーがさらに弱くなる。言い換えれば、レンズＧ１は中心から周辺に向かって正のパワーが強く（負のパワーが弱く）なるような非球面レンズとなる。その結果、前述の像面湾曲調整の際のレンズＧ１の光軸方向の移動による画角変化を低減することができる。
言い換えれば、非球面レンズを以下のような形状にすることが好ましい。すなわち、拡大側および縮小側の面のうち少なくとも一方の面が、この面上の第１の位置における屈折力よりも、第１の位置よりも光軸から（光軸と直交する方向に）離れている第２の位置における屈折力の方が弱くなっている形状とすることが好ましい。
拡大側の面あるいは縮小側の面の屈折力ではなく、非球面レンズ全体の屈折力に着目すると、以下のように表現することもできる。すなわち、第１のレンズユニットが、第１の位置よりも光軸から（光軸と直交する方向に）離れている第２の位置における屈折力が第１の位置における屈折力よりも弱くなっている形状の非球面レンズを備える。なお、上記の第１の位置とは、例えば非球面レンズの屈折面と光軸が交わる位置であり、第２の位置は非球面レンズの屈折面上の軸外の位置である。
レンズＧ１の形状を上記の形状とするためにはレンズＧ１が下記の条件を満足すると好ましい。すなわち、レンズＧ１の拡大側の面の近軸の曲率半径をＲ１、有効径をφ１、光軸からの高さがφ１／２となる位置のサグ量をＳＡＧ１とする。さらに、レンズＧ１の縮小側の面の近軸の曲率半径をＲ２、有効径をφ２、光軸からの高さがφ２／２となる位置のサグ量をＳＡＧ２とする。
このとき、レンズＧ１は、
ＳＲ１＝｛（φ１／２）＾２＋ＳＡＧ１＾２｝／（２×ＳＡＧ１）
ＳＲ２＝｛（φ２／２）＾２＋ＳＡＧ２＾２｝／（２×ＳＡＧ２）
１．０＜｜Ｒ１／ＳＲ１｜／｜Ｒ２／ＳＲ２｜≦５．０ …（１ａ）
を満足すると好ましい。
あるいは、レンズＧ１は、上記の式（１ａ）ではなく、
ＳＲ１＝｛（φ１／２）＾２＋ＳＡＧ１＾２｝／（２×ＳＡＧ１）
｜Ｒ１／ＳＲ１｜＞１．０ …（１ｂ）
を満足する形状であってもよく、さらに上記の式（１ｂ）に加えて、
ＳＲ２＝｛（φ２／２）＾２＋ＳＡＧ２＾２｝／（２×ＳＡＧ２）
｜Ｒ２／ＳＲ２｜＜１．０ …（１ｃ）
も満足する形状であるとより好ましい。
式（１ａ）の分子は、レンズＧ１の拡大側の面の非球面度合いを表わしており、分母はレンズＧ１の縮小側の面の非球面度合いを表わしている。すなわち、式（１ａ）は拡大側の面と縮小側の面の非球面度合いのバランス、言い換えれば、拡大側の面と縮小側の面との役割分担を表わしている。分子あるいは分母の値が１になることは、拡大側の面あるいは縮小側の面が球面であることを意味しており、下限値は拡大側の面あるいは縮小側の面の少なくとも一方が非球面であることを意味している。
前述のように、像面湾曲調整による画角の変化の発生自体を低減するためには、拡大側の面の形状を、レンズＧ１の周辺部の曲率を近軸の曲率よりも強くなるように設定することが好ましい。さらに、縮小側の面の形状を、レンズＧ１の周辺部の曲率を近軸の曲率よりも弱くなるように設定することが好ましい。拡大側の面の形状をこのように設定すると式（１ａ）の分子の値が大きくなり、縮小側の面の形状をこのように設定すると式（１ａ）の分母の値が小さくなる。
例えば、拡大側の面が球面で、縮小側の面の形状をレンズＧ１の周辺部の曲率を近軸の曲率よりも強くなるように設定すると、式（１ａ）の下限値を逸脱する。この場合、縮小側の面で周辺部の発散力（負のパワー）が強くなりすぎてしまうために好ましくない。また、拡大側でレンズＧ１の周辺部の曲率が近軸の曲率よりも強すぎると、式（１ａ）の上限値を逸脱する。この場合、レンズＧ１全体の負のパワーが弱くなりすぎてしまうため、像面湾曲調整のために必要なレンズＧ１の移動量が増加して投射光学系全体が大型化してしまう、あるいは広角化を実現できなくなってしまうため、好ましくない。
式（１ｂ）は式（１ａ）の分子であり、下限値は、拡大側の面の形状を、レンズＧ１の周辺部の曲率を近軸の曲率よりも強くなるように設定することを意味している。式（１ｂ）の下限値を逸脱すると、レンズＧ１の拡大側の面の周辺部で正のパワーを強めることが出来なくなってしまうため、好ましくない。
式（１ｃ）は式（１ａ）の分母であり、上限値は、縮小側の面の形状を、レンズＧ１の周辺部の曲率を近軸の曲率よりも弱くなるように設定することを意味している。式（１ｃ）の上限値を逸脱すると、レンズＧ１の拡大側の面の周辺部で負のパワーを弱めることが出来なくなってしまうため、好ましくない。
このように、上記の式（１ａ）、（１ｂ）、（１ｃ）のうち少なくとも一つを満足するようにレンズＧ１の形状を設定する。これにより、像面湾曲調整時の画角変化量を低減し、投射画像への影響がより少ない像面湾曲調整が可能な投射光学系およびこれを用いた投射型表示装置を提供することができる。もちろん、レンズＧ１は式（１ｂ）と（１ｃ）の両方を満足する形状であってもよい。すなわち、レンズＧ１は拡大側および縮小側の面のうち少なくとも一方が非球面形状であれば良く、拡大側が非球面で縮小側が球面であっても、拡大側が球面で縮小側が非球面であってもよい。もちろん、拡大側と縮小側の両方が非球面であってもよい。
上記の式（１ａ）、（１ｂ）、（１ｃ）は以下のように設定するとより好ましい。
１．５≦｜Ｒ１／ＳＲ１｜／｜Ｒ２／ＳＲ２｜≦４．０ …（１ａ’）
４．０≧｜Ｒ１／ＳＲ１｜＞１．０ …（１ｂ’）
０．９≦｜Ｒ２／ＳＲ２｜＜１．０ …（１ｃ’）
さらに、
２．０≦｜Ｒ１／ＳＲ１｜／｜Ｒ２／ＳＲ２｜≦３．０ …（１ａ’’）
３．０≧｜Ｒ１／ＳＲ１｜＞１．０ …（１ｂ’’）
としてもよい。
ここまでは主にレンズＧ１の周辺部について説明したが、次にレンズＧ１の近軸について説明する。レンズＧ１の近軸の形状は以下のように設定することが好ましい。すなわち、レンズＧ１の近軸の焦点距離をｆｇ１、投射光学系の全系の焦点距離をｆｔｏｔとするとき、
｜ｆｇ１／ｆｔｏｔ｜＞３ …（２）
を満足することが好ましい。上記の式（２）はレンズＧ１と投射光学系全系のパワーの比を表わしており、下限値を逸脱することはレンズＧ１の近軸のパワーが強すぎることを意味する。レンズＧ１の近軸のパワーが強すぎると、像面湾曲を調整する際に光軸のピントずれも大きく発生し、このピントずれを補正する分、一部のレンズ群を光軸方向に移動させる、あるいは全体繰り出しなどの調整機構が必要となる。その結果、投射光学系が大型化あるいは複雑化してしまう。
従って、レンズＧ１を、式（２）を満たすように近軸の焦点距離を長く設定することで像面湾曲の調整の際のピント移動量を低減することが可能となる。
さらに好ましくは（２’）の範囲に設定することが好ましい。
３０＞｜ｆｇ１／ｆｔｏｔ｜＞７ …（２’）
なお、本発明の各実施例では、式（２）〜（２’）中の全系の焦点距離ｆｔｏｔを広角端における全系の焦点距離としており、この場合には（２’’）の範囲に設定することがさらに好ましい。
２０＞｜ｆｇ１／ｆｔｏｔ｜＞１０ …（２’’）
もちろん、全系の焦点距離ｆｔｏｔを望遠端における全系の焦点距離としても良いが、この場合には前述の（２）式あるいは（２’）式を満足することが好ましい。本発明の各実施例の望遠端における全系の焦点距離は後述の数値実施例に記載している通りである。
（プロジェクターの構成）
次に、図１２を用いて本発明の各実施例で示す投射光学系を搭載可能なプロジェクターＰの構成を説明する。
光源１は高圧水銀ランプあるいは、レーザーダイオードやＬＥＤなどの固体光源と蛍光体を備える光源ユニットであり、白色光を発する。照明光学系２は、第１フライアイレンズ、第２フライアイレンズ、偏光変換素子、コンデンサーレンズを備えており、光源１からの光束を後述の色分離合成系３に導く。色分離合成系３は、ダイクロイックミラー、偏光ビームスプリッター、色合成プリズムを備えており、照明光学系２からの光を光変調素子４に導くとともに、光変調素子４からの光を投射光学系５に導く。
光変調素子４は反射型液晶パネルであり、青色用パネル、緑色用パネル、赤色用パネルを備えており、色分離合成系３が備える各光学素子によって分離された青色光、緑色光、赤色光をそれぞれ画像信号に基づいて変調する。
投射光学系５は本発明の各実施例で示す投射光学系であり、色分離合成系３を介した光変調素子４からの光をスクリーン（被投射面）６に導く。図１２（ａ）においてスクリーン６はプロジェクターＰ側に凹の曲面スクリーンである。投射光学系５は、拡大側から縮小側へ順に、像面湾曲調整機構である前述のレンズＧ１（第１レンズユニット）、合焦機構（フォーカシングユニット）ＦＵ、変倍機構（ズーミングユニット）ＺＵを備えている。
以上の構成により、プロジェクターＰはスクリーン６に画像を投射できるが、以下の構成をさらに備えていても良い。すなわち、プロジェクターＰは、レンズＧ１（第１レンズユニット）の光軸方向の位置を調整する位置調整手段７と、スクリーン６（被投射面）の形状を計測する形状計測手段とを備える。そして、位置調整手段７は形状計測手段からの情報に基づいてレンズＧ１の光軸方向の位置を調整するように構成されていてもよい。
位置調整手段７は、例えば、レンズＧ１を光軸方向に移動させるための駆動手段あるいは駆動手段を制御するための駆動制御手段である。駆動手段は、ユーザーが操作リングを操作することでレンズＧ１を光軸方向に移動させるカム機構のようなメカ的な構成であっても、アクチュエーター等であってもよい。
形状計測手段は、撮像光学系８および撮像素子９のことを示し、撮像光学系８および撮像素子９を撮像装置とする。撮像光学系８がスクリーン６からの光を撮像素子９に導き、撮像素子９からの情報を位置調整手段７に送り、その情報に基づいて位置調整手段７がレンズＧ１の光軸方向の位置を調整する。
レンズＧ１はユーザーの手動操作によって光軸方向の位置を調整可能であってもよい。しかしながら、上記の構成とすることでスクリーン６の形状に応じて自動的にそのスクリーンの形状に適した像面湾曲を発生させることができ、ユーザーの負担を低減することが可能である。
ここまでは、図１２（ａ）に示すように曲面スクリーンに画像を投射する際の像面湾曲調整について説明したが、図１２（ｂ）に示すように平面スクリーンに画像を投射する際にレンズＧ１を光軸方向に移動させてもよい。
前述のように、投射光学系５は、拡大側から縮小側へ順に、像面湾曲調整機構である前述のレンズＧ１（第１レンズユニット）、合焦機構（フォーカシングユニット）ＦＵ、変倍機構（ズーミングユニット）ＺＵを備えている。このような順に配置すると、合焦および変倍に対し像面湾曲の調整が独立となるので好ましい。言い換えれば、第２レンズユニットは、拡大側から縮小側へ順に、フォーカシングに際して光軸方向に移動するフォーカシングユニットと、ズーミングに際して光軸方向に移動するズーミングユニットと、を備える。
上記の条件を満たすと、レンズＧ１を、画角変化を低減しつつ像面湾曲を調整できる調整群とすることができるため、図１２（ｂ）に示すように平面スクリーンに投射する場合にもレンズＧ１を動かすことが有効となる。具体的には、ズーミングやフォーカシングでは各ポジション（投射光学系が備える複数のレンズ群の位置関係）で像面がフラットに近づくように設計されるが、より高解像度が求められるケースではポジションによってわずかに像面が平面から乱れる場合がある。特に、高画角のレンズでは、投影距離の変化に従って大きな像面湾曲が発生することが知られており、これを良好に補正するためにフローティングフォーカスが用いられるが、補正が充分でないケースもある。
そこで、図１２（ｂ）に示すように、投射光学系あるいはプロジェクターにズーミングユニット、フォーカシングユニットの位置を検出する位置検出手段１０を取り付け、位置検出手段１０からの情報に応じてレンズＧ１を自動的に調整する。これにより、設計的に残存する像面湾曲をさらに良好に補正でき、よりフラットな像面特性を得ることができる。位置検出手段１０は例えばエンコーダーである。
なお、式（１ａ）、（１ｂ）、（１ｃ）に記載のＳＲ１は、レンズＧ１の拡大側の面の面頂点と、光軸からの高さがφ１／２のレンズＧ１の拡大側の面上の点とを通る円の半径を意味している。一方、ＳＲ２は、レンズＧ１の縮小側の面の面頂点と、光軸からの高さがφ２／２のレンズＧ１の縮小側の面上の点とを通る円の半径を意味している。すなわち、ＳＲ１およびＳＲ２はレンズＧ１の周辺部の形状の非球面度合いを示している。なお、サグ量ＳＡＧ１およびＳＡＧ２は後述の式（３）から求めることができる。
ＳＲ１は以下のように言い換えることもできる。すなわち、レンズＧ１の拡大側の面の面頂点と、光軸からの高さがφ１／２となるレンズＧ１の拡大側の面上の点とを結ぶ球面を参照球面とするとき、この参照球面の曲率半径が参照半径ＳＲ１である。ＳＲ２についても同様に言い換えることができる。
また、有効径φ１は、レンズＧ１の拡大側の面の直径としてもよく、あるいは、レンズＧ１の拡大側の面の直径の９０％の値、あるいはレンズＧ１を保持する保持部材の内周円の直径としてもよい。
さらに、有効径φ１は、レンズＧ１の拡大側の面において前述の光変調素子４からの光を受光している位置のうち光軸から最も離れている点から光軸に下ろした垂線の長さの２倍としてもよい。あるいは、レンズＧ１の拡大側の面において前述の光変調素子４からの光のうち最も強い強度の９０％あるいは５０％の強度となる位置のうち光軸から最も離れている点から光軸に下ろした垂線の長さの２倍としてもよい。有効径φ２についても同様である。
（その他の実施形態）
なお、本発明の各実施例において、第１レンズニットはレンズＧ１から構成されており、レンズＧ１は投射光学系が備える光学素子のうち最も拡大側に位置しているが、このような構成とは異なる構成であってもよい。例えば、レンズＧ１よりも拡大側に平板ガラス、あるいは焦点距離が長く、屈折力の弱いレンズを設けても良い。
またレンズＧ１を拡大側に凸のメニスカスレンズとすると、光軸方向の移動で周辺光線の発散角が変化しにくいので、不必要な画角の変化などを少なくできるため好ましい。
（各実施例の説明）
以下、図面と数値実施例をもとに本発明の各実施例の構成について説明する。
図１は縮小側に凹形状の曲面スクリーンに投影した例を示しており、平面スクリーンに最適化された投射光学系ではスクリーンより拡大側にベストピント位置を有し、本発明の各実施例において、この状態をピントがオーバーと記載する。
図２は縮小側に凸形状の曲面スクリーンに投影した例を示しており、平面スクリーンに最適化された投射光学系ではスクリーンより縮小側にベストピント位置を有し、本発明の各実施例において、この状態をピントがアンダーと記載する。
図１及び図２の状態ではスクリーン上での投射画像は、前述のように、スクリーンの曲面度合いに応じて歪み、歪みの量に応じてピントがずれるため、平面スクリーンに最適化された投射光学系をそのまま使用すると良好な画像が得られない。また、図１の状態では被投射面は平面にたいして距離が短くなるため、樽型に変形し、図２の状態では糸巻き状に変形する。
本発明の各実施例で示す投射光学系は、このような歪みを、レンズＧ１を光軸方向に移動させることで解消している。なお、図１および図２に示す被投射面上の映像の歪みを、前述のように撮像装置で撮影することによって計測して歪み量に応じたピントずれ量を判別してもよい。
図３、図６、図９は各実施例における広角端のレンズ断面図である。これは、主にプロジェクター用に設計された投射光学系であり、最も縮小側にプリズムガラスＰＲを有する。このプリズムガラスＰＲは前述の色分離合成系３が備える偏光ビームスプリッターや色合成プリズムである。
図４、図５、図７、図８、図１０、図１１は各実施例における非点収差図を示している。各図において、実線がサジタル像面、点線がメリジオナル像面を表しており、横軸はスクリーン上でのデフォーカス量、スケールは−５００〜＋５００［ｍｍ］であり、光軸のピント移動も含むように表示している。
（第１実施例）
本発明の第１実施例の広角端のレンズ断面図を図３に示す。
第１実施例では最も拡大側に、拡大側に凸の負メニスカスレンズを配置し、拡大側の面（Ｒ１）を非球面、縮小側の面（Ｒ２）を球面としている。
非球面レンズはその製造上の観点から非球面を片面のみに限定する場合がある。このような場合であっても、前述の式（１ａ）あるいは（１ｂ）を満たすことで像面湾曲調整時の画角変化を低減することができる。
図４の左図は第１実施例において縮小側に凹のＲ＝３ｍのスクリーンに投影した場合のスクリーン上の非点収差図を示しており、右図は像面湾曲がアンダーに変化するように拡大側に０．３ｍｍ調整した例を示している。図４より、光軸のピントずれが少なく像面湾曲を調整可能であって、縮小側に凹の曲面のスクリーンに対して像面湾曲を調整することで、調整前に対してより良好な画像が得られることがわかる。
図５の左図は第１実施例において縮小側に凸のＲ＝４ｍのスクリーンに投影した場合のスクリーン上の非点収差図を示しており、右図は像面湾曲がオーバーに変化するように拡大側に０．３ｍｍ調整した例を示している。図５から、光軸のピントずれが少なく、像面湾曲を調整可能であって、縮小側に凸の曲面のスクリーンに対して像面湾曲を調整することで、調整前に対してより良好な画像が得られることがわかる。
このように、本実施例によれば、縮小側に凹のスクリーンであっても、縮小側に凸のスクリーンであっても、投射画像への影響がより少ない像面湾曲調整が可能な投射光学系およびこれを用いた投射型表示装置を提供することができる。
（第２実施例）
本発明の第２実施例の広角端のレンズ断面図を図６に示す。
第２実施例では最も拡大側に、拡大側に凸の負メニスカスレンズを配置し、拡大側の面（Ｒ１）と縮小側の面（Ｒ２）をともにレンズの中心から周辺部に向かって正のパワーが増えるような非球面としている。
図７の左図は第２実施例において縮小側に凹のＲ＝３ｍのスクリーンに投影した場合のスクリーン上の非点収差図を示しており、右図は像面湾曲がアンダーに変化するように拡大側に０．３ｍｍ調整した例を示している。図７から、光軸のピントずれが少なく、像面湾曲を調整可能であって、縮小側に凹の曲面のスクリーンに対して像面湾曲を調整することで、調整前に対してより良好な画像が得られることがわかる。
図８の左図は第２実施例において縮小側に凸のＲ＝４ｍのスクリーンに投影した場合のスクリーン上の非点収差図を示しており、右図は像面湾曲がオーバーに変化するように拡大側に０．３５ｍｍ調整した例を示している。図８から、光軸のピントずれが少なく、像面湾曲を調整可能であって、縮小側に凸の曲面のスクリーンに対して像面湾曲を調整することで、調整前に対してより良好な画像が得られることがわかる。
このように、本実施例によれば、縮小側に凹のスクリーンであっても、縮小側に凸のスクリーンであっても、投射画像への影響がより少ない像面湾曲調整が可能な投射光学系およびこれを用いた投射型表示装置を提供することができる。
（第３実施例）
本発明の第３実施例の広角端のレンズ断面図を図９に示す。
第３実施例では第２実施例のフォーカス調整群を減らし、残存してしまう距離変動による像面湾曲を、レンズＧ１の光軸方向の位置を微調整することで性能保障した例である。
第３実施例では至近側でオーバー方向に残存する像面湾曲を、レンズＧ１を拡大側に移動してアンダーの像面湾曲を発生することで補償している。いわゆるフローティングフォーカスは、像面湾曲の調整に伴うピント変化をレンズ全体繰出しで保障する方法があるが、高解像度化、レンズの重量化に伴い高い強度のメカ機構が必要になり好ましくない。
そこで本件の第１実施例などのように２つの群を移動して、光軸のピント変化と像面湾曲の変化を打ち消し合いながらピント変化と像面湾曲の程度を調整する方法であれば、移動群を軽量化することで高い光学性能が達成できる。
一方、第３実施例の方法は光軸のピント変化を発生する機構と、光軸のピントを変化させないで像面湾曲のみ変化する機構とを分けている。このように機能を分離することで、フォーカス構成の簡略化が達成できるだけでなく、曲面スクリーンへの調整や、レンズユニットの組みつけ後にバックフォーカスがずれた場合の不要な像面湾曲の発生を低減することができる。
図１０の左図は第３実施例において縮小側に凹のＲ＝３ｍのスクリーンに投影した場合のスクリーン上の非点収差図を示しており、右図は像面湾曲がアンダーに変化するように拡大側に０．３ｍｍ調整した例を示している。図１０より、光軸のピントずれが少なく像面湾曲を調整可能であって、縮小側に凹の曲面のスクリーンに対して像面湾曲を調整することで、調整前に対してより良好な画像が得られることがわかる。
図１１の左図は第３実施例において縮小側に凸のＲ＝４ｍのスクリーンに投影した場合のスクリーン上の非点収差図を示しており、右図は像面湾曲がオーバーに変化するように拡大側に０．３５ｍｍ調整した例を示している。図１１より、光軸のピントずれが少なく像面湾曲を調整可能であって、縮小側に凸の曲面のスクリーンに対して像面湾曲を調整することで、調整前に対してより良好な画像が得られることがわかる。
このように、本実施例によれば、縮小側に凹のスクリーンであっても、縮小側に凸のスクリーンであっても、投射画像への影響がより少ない像面湾曲調整が可能な投射光学系およびこれを用いた投射型表示装置を提供することができる。
（数値実施例）
各実施例の数値実施例を以下に記載する。面番号は拡大側より順に各レンズの面に付した番号であり、Φｅａは各レンズの有効径、Ｒは各レンズ面の曲率半径、ｄは面間隔、Ｎｄ、νｄは、ガラス材料のｄ線（５８７．５６ｎｍ）に対する屈折率およびアッベ数である。面番号の右側にｓが付記されているレンズ面は、絞りを示している。面番号の右側に＊（アスタリスク）が付記されているレンズ面は、非球面形状であることを示す。ｙをレンズ面の面頂点を基準としたときの径方向の座標とし、ｘを前述のサグ量ＳＡＧ１およびＳＡＧ２とすると、非球面形状は、レンズ面の面頂点を基準としたときの光軸方向の座標として以下の式で表わされる。
ｘ＝（ｙ２／Ｒ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）（ｙ２／Ｒ２）｝１／２］
＋Ａｙ４＋Ｂｙ６＋Ｃｙ８＋Ｄｙ１０＋Ｅｙ１２＋Ｆｙ１４＋Ｇｙ１６ …（３）
なお、式（３）中の曲率半径Ｒは、非球面レンズにおいては前述の近軸の曲率半径Ｒ１およびＲ２を示している。ある非球面レンズの近軸の曲率半径Ｒ１およびＲ２を求める場合には、非球面レンズの表面形状を計測し、光学設計ソフトを用いて式（３）を使って表面形状と同じ形状を再現してもよい。
また、以下の各数値実施例において、（可変）と記載されている面間隔は、少なくともズーミングとフォーカシングのいずれかの際に変化する面間隔である。そして、変倍間隔は投射距離が１５３４ｍｍのときのデータであり、合焦間隔は広角端におけるデータである。
（数値実施例1）ｆ＝17.07〜22.18 ω＝38.3〜31.3 FNO＝2.6 Φ＝27.08
SUR Φea R d glass Nd νd
OBJ 1534.00
1* 76.00 227.8794 4.35 SBSL7 1.51633 64.14
2 69.89 79.9850 15.00
3* 49.38 66.8497 2.60 SLAL8 1.71300 53.87
4 40.28 27.5965 15.70
5 37.87 -52.8286 2.00 SFPL51 1.49700 81.54
6 36.47 50.8683 (可変)
7 37.62 -122.2170 2.00 SLAM2 1.74400 44.79
8 38.55 243.6367 (可変)
9 41.99 100.5865 2.30 EFDS1W 1.92286 20.88
10 42.37 58.3826 11.20 SNBH52 1.67300 38.15
11 43.08 -53.5108 (可変)
12 37.07 72.7271 3.30 SBAL35 1.58913 61.13
13 36.50 140.7457 (可変)
14 31.58 76.0349 3.60 FD60W 1.80518 25.46
15 31.03 1029.7681 (可変)
16s 22.93 INF (可変)
17 22.54 450.5117 3.70 SBSL7 1.51633 64.14
18 22.20 -40.2807 1.30 TAFD25 1.90366 31.31
19 22.18 -68.5657 (可変)
20 21.34 -352.9245 1.20 TAFD25 1.90366 31.31
21 21.50 28.6885 5.90 SBSL7 1.51633 64.14
22 22.34 -48.2408 (可変)
23 22.98 -26.0376 1.30 TAFD25 1.90366 31.31
24 26.09 77.5206 5.75 SBSL7 1.51633 64.14
25 28.42 -48.1230 1.16
26 32.66 267.1779 8.75 SFPL51 1.49700 81.54
27 34.46 -30.1637 (可変)
28 39.48 89.1406 5.00 SNPH1 1.80809 22.76
29 39.36 -223.9052 5.00
30 50.00 INF 37.00 SBSL7 1.51633 64.14
31 50.00 INF 4.00
32 50.00 INF 19.50 SF6 1.80518 25.43
33 50.00 INF 6.96
IMG
非球面係数
sur 1* 3*
R 227.8794 66.8497
k 0 0
A 3.2232E-06 -3.0924E-06
B -1.2520E-09 9.5440E-10
C 7.7393E-13 9.4330E-13
D -2.6304E-16 -1.7525E-15
E 5.8680E-20 8.9021E-19
変倍間隔
SUR WIDE MIDDLE TELE
11 69.726 52.162 34.853
13 4.096 10.012 18.450
15 14.458 21.250 26.982
16 11.941 7.578 1.500
19 2.000 2.000 4.855
22 3.351 4.287 4.092
27 2.078 10.362 16.920
合焦間隔
SUR
OBJ 1096 1534 6576
6 12.911 11.766 9.804
8 4.000 4.473 5.284
11 69.054 69.726 70.878
（数値実施例2）
ｆ＝17.07〜22.18 ω＝38.3〜31.3 FNO＝2.6 Φ＝27.08
SUR Φea R d glass Nd νd
OBJ 1534.00
1* 76.36 246.1596 4.50 SBSL7 1.51633 64.14
2* 70.48 83.6007 14.00
3* 49.13 59.9509 2.60 SLAL8 1.71300 53.87
4 40.31 27.8248 15.00
5 38.06 -52.6424 2.00 SFPL51 1.49700 81.54
6 36.17 47.3397 (可変)
7 36.94 -107.4611 2.00 SLAM2 1.74400 44.79
8 37.88 204.0220 (可変)
9 41.25 98.0378 2.30 EFDS1W 1.92286 20.88
10 41.59 56.2035 11.20 SNBH52 1.67300 38.15
11 42.31 -51.8320 (可変)
12 35.42 73.4648 3.30 SBAL35 1.58913 61.13
13 34.81 128.6670 (可変)
14 31.63 71.7142 3.60 FD60W 1.80518 25.46
15 31.10 1187.4460 (可変)
16s 22.92 INF (可変)
17 22.52 435.2147 3.70 SBSL7 1.51633 64.14
18 22.19 -40.3754 1.30 TAFD25 1.90366 31.31
19 22.22 -66.7994 (可変)
20 21.42 -196.5375 1.20 TAFD25 1.90366 31.31
21 21.39 29.1918 5.90 SBSL7 1.51633 64.14
22 21.98 -44.7197 (可変)
23 22.41 -25.4053 1.30 TAFD25 1.90366 31.31
24 25.36 76.0061 5.75 SBSL7 1.51633 64.14
25 27.70 -44.9881 1.16
26 31.95 261.3289 8.75 SFPL51 1.49700 81.54
27 33.84 -29.8326 (可変)
28 39.08 86.3781 5.00 SNPH1 1.80809 22.76
29 38.94 -247.1264 5.00
30 50.00 INF 37.00 SBSL7 1.51633 64.14
31 50.00 INF 4.00
32 50.00 INF 19.50 SF6 1.80518 25.43
33 50.00 INF 6.96
IMG
非球面係数
sur 1* 2* 3*
R 246.1596 83.6007 59.9509
k 0 0 0
A 3.0758E-06 -4.3043E-07 -3.2787E-06
B -1.3371E-09 -7.5145E-11 5.6279E-10
C 7.7489E-13 4.6711E-14 1.4073E-12
D -2.6181E-16 5.4000E-17 -1.3655E-15
E 5.6306E-20 -1.8280E-20 4.3028E-19
変倍間隔
sur WIDE MIDDLE TELE
11 70.017 52.272 33.214
13 4.662 10.552 20.951
15 13.959 20.722 26.339
16 12.125 7.871 1.500
19 2.000 2.000 5.300
22 3.226 4.055 3.408
27 2.962 11.479 18.239
合焦間隔
SUR
OBJ 1096 1534 6576
6 13.196 12.086 10.167
8 4.000 4.402 5.098
11 69.310 70.017 71.241
（数値実施例3）ｆ＝17.07〜22.19 ω＝38.3〜31.3 FNO＝2.6 Φ＝27.08
SUR Φea R d glass Nd νd
OBJ 1534.00
1* 77.74 281.0701 4.50 SBSL7 1.51633 64.14
2* 71.94 89.9997 (可変)
3* 50.14 69.5903 2.60 SLAL8 1.71300 53.87
4 40.87 28.1980 15.00
5 39.21 -50.3240 2.00 SFPL51 1.49700 81.54
6 37.81 54.6731 (可変)
7 38.53 -162.0133 2.00 SLAM2 1.74400 44.79
8 39.33 170.5988 (可変)
9 43.09 111.3648 2.30 EFDS1W 1.92286 20.88
10 43.34 62.4022 11.20 SNBH52 1.67300 38.15
11 43.95 -54.5630 (可変)
12 35.79 67.2229 3.30 SBAL35 1.58913 61.13
13 35.39 139.6246 (可変)
14 33.09 82.4854 3.60 FD60W 1.80518 25.46
15 32.49 3012.0525 (可変)
16 22.61 INF (可変)
17 22.37 1e+004 3.70 SBSL7 1.51633 64.14
18 22.23 -37.3030 1.30 TAFD25 1.90366 31.31
19 22.43 -62.0826 (可変)
20 21.92 -699.1085 1.20 TAFD25 1.90366 31.31
21 21.86 28.2983 5.90 SBSL7 1.51633 64.14
22 22.47 -52.6089 (可変)
23 22.87 -25.8871 1.30 TAFD25 1.90366 31.31
24 25.64 66.3159 5.75 SBSL7 1.51633 64.14
25 27.70 -48.8725 1.16
26 31.74 214.0115 8.75 SFPL51 1.49700 81.54
27 33.56 -29.8524 (可変)
28 38.70 88.4603 5.00 SNPH1 1.80809 22.76
29 38.57 -217.2189 5.00
30 50.00 INF 37.00 SBSL7 1.51633 64.14
31 50.00 INF 4.00
32 50.00 INF 19.50 SF6 1.80518 25.43
33 50.00 INF 6.52
IMG
非球面係数
sur 1* 2* 3*
R 281.0701 89.9997 69.5903
k 0 0 0
A 3.2562E-06 1.5160E-07 -2.8023E-06
B -1.3734E-09 -1.5062E-10 1.0718E-09
C 7.3466E-13 -6.6596E-14 5.2307E-13
D -2.4597E-16 -5.1488E-18 -1.2994E-15
E 4.1909E-20 1.3933E-20 7.2947E-19
変倍間隔
sur WIDE MIDDLE TELE
11 73.692 56.695 40.920
13 1.000 6.781 13.643
15 15.650 21.913 27.244
16 10.771 6.785 1.500
19 2.000 2.000 4.428
22 3.431 4.256 4.115
27 1.771 9.887 16.467
合焦間隔
SUR
OBJ 1096 1534 6576
2 15.167 15.000 14.604
6 9.949 9.807 9.523
11 73.550 73.692 73.976
また、前述の各実施例における各数値および各条件式の計算結果は以下のとおりである。
Figure 0006602114
Figure 0006602114

Claims (16)

  1. 像面湾曲量の調整に際して光軸方向に移動する第１レンズユニットと、
    前記第１レンズユニットよりも縮小側に位置する第２レンズユニットと、を備える投射光学系であって、
    前記第１レンズユニットは、非球面レンズを備え、
    前記非球面レンズは、第１の位置よりも前記光軸から離れている第２の位置における負の屈折力が前記第１の位置における負の屈折力よりも弱くなる形状を有し、
    前記非球面レンズの拡大側の面の近軸の曲率半径をＲ１、前記非球面レンズの前記拡大側の面の有効径をφ１、前記光軸からの高さがφ１／２となる前記拡大側の面上の位置のサグ量をＳＡＧ１とし、
    前記非球面レンズの前記縮小側の面の近軸の曲率半径をＲ２、前記非球面レンズの前記縮小側の面の有効径をφ２、前記光軸からの高さがφ２／２となる前記縮小側の面上の位置のサグ量をＳＡＧ２とし、
    前記投射光学系の全系の焦点距離をｆｔｏｔ、前記非球面レンズの近軸の焦点距離をｆｇ１とするとき、
    ＳＲ１＝｛（φ１／２）＾２＋ＳＡＧ１＾２｝／（２×ＳＡＧ１）
    ＳＲ２＝｛（φ２／２）＾２＋ＳＡＧ２＾２｝／（２×ＳＡＧ２）
    １．０＜｜Ｒ１／ＳＲ１｜／｜Ｒ２／ＳＲ２｜≦３．０
    ３＜｜ｆｇ１／ｆｔｏｔ｜≦１４．５０
    を満足する、
    ことを特徴とする投射光学系。
  2. 前記非球面レンズの前記拡大側の面は非球面であって、
    ｜Ｒ１／ＳＲ１｜＞１．０
    をさらに満足することを特徴とする請求項１に記載の投射光学系。
  3. 前記非球面レンズの前記縮小側の面は非球面であって、
    ｜Ｒ２／ＳＲ２｜＜１．０
    をさらに満足することを特徴とする請求項１または２に記載の投射光学系。
  4. 前記非球面レンズは、前記拡大側に凸のメニスカスレンズである、
    ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の投射光学系。
  5. 前記第１レンズユニットは、前記非球面レンズから構成されており、
    前記非球面レンズは、前記投射光学系が備える光学素子のうち最も前記拡大側に位置している、
    ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の投射光学系。
  6. 前記第２レンズユニットは、前記拡大側から前記縮小側へ順に、フォーカシングに際して前記光軸方向に移動するフォーカシングユニットと、ズーミングに際して前記光軸方向に移動するズーミングユニットと、を備える、
    ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の投射光学系。
  7. 像面湾曲量の調整に際して光軸方向に移動する非球面レンズを備え、
    前記非球面レンズは、第１の位置よりも前記光軸から離れている第２の位置における負の屈折力が前記第１の位置における負の屈折力よりも弱くなる形状を有し、
    前記非球面レンズの拡大側の面の近軸の曲率半径をＲ１、前記非球面レンズの前記拡大側の面の有効径をφ１、前記光軸からの高さがφ１／２となる前記拡大側の面上の位置のサグ量をＳＡＧ１とし、
    前記非球面レンズの前記縮小側の面の近軸の曲率半径をＲ２、前記非球面レンズの前記縮小側の面の有効径をφ２、前記光軸からの高さがφ２／２となる前記縮小側の面上の位置のサグ量をＳＡＧ２とし、
    前記投射光学系の全系の焦点距離をｆｔｏｔ、前記非球面レンズの近軸の焦点距離をｆｇ１、とするとき、
    ＳＲ１＝｛（φ１／２）＾２＋ＳＡＧ１＾２｝／（２×ＳＡＧ１）
    ＳＲ２＝｛（φ２／２）＾２＋ＳＡＧ２＾２｝／（２×ＳＡＧ２）
    １．０＜｜Ｒ１／ＳＲ１｜／｜Ｒ２／ＳＲ２｜≦３．０
    ３＜｜ｆｇ１／ｆｔｏｔ｜≦１４．５０
    を満足する
    ことを特徴とする投射光学系。
  8. 前記非球面レンズの前記拡大側の面は非球面であって、
    前記非球面レンズの拡大側の面の近軸の曲率半径をＲ１、前記非球面レンズの前記拡大側の面の有効径をφ１、前記光軸からの高さがφ１／２となる前記拡大側の面上の位置のサグ量をＳＡＧ１とするとき、
    ＳＲ１＝｛（φ１／２）＾２＋ＳＡＧ１＾２｝／（２×ＳＡＧ１）
    ｜Ｒ１／ＳＲ１｜＞１．０
    を満足することを特徴とする請求項７に記載の投射光学系。
  9. 前記非球面レンズの前記縮小側の面は非球面であって、
    前記非球面レンズの前記縮小側の面の近軸の曲率半径をＲ２、前記非球面レンズの前記縮小側の面の有効径をφ２、前記光軸からの高さがφ２／２となる前記縮小側の面上の位置のサグ量をＳＡＧ２とするとき、
    ＳＲ１＝｛（φ１／２）＾２＋ＳＡＧ１＾２｝／（２×ＳＡＧ１）
    ｜Ｒ２／ＳＲ２｜＜１．０
    を満足することを特徴とする請求項７または８に記載の投射光学系。
  10. 前記非球面レンズは、前記拡大側に凸のメニスカスレンズである、
    ことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の投射光学系。
  11. 前記非球面レンズを含む第１レンズユニットと、
    前記第１レンズユニットよりも縮小側に位置する第２レンズユニットと、を備え、
    前記第１レンズユニットは、前記非球面レンズから構成されており、
    前記非球面レンズは、前記投射光学系が備える光学素子のうち最も前記拡大側に位置し
    ている、
    ことを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか一項に記載の投射光学系。
  12. 前記非球面レンズを含む第１レンズユニットと、
    前記第１レンズユニットよりも縮小側に位置する第２レンズユニットと、を備え、
    前記第２レンズユニットは、前記拡大側から前記縮小側へ順に、フォーカシングに際して前記光軸方向に移動するフォーカシングユニットと、ズーミングに際して前記光軸方向に移動するズーミングユニットと、を備える、
    ことを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか一項に記載の投射光学系。
  13. 光源からの光を変調する光変調素子と、
    前記光変調素子からの光を被投射面に導く請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の投射光学系と、を備える、
    ことを特徴とする投射型表示装置。
  14. 前記第１レンズユニットの前記光軸方向の位置を調整することが可能な位置調整手段を備える、
    ことを特徴とする請求項１３に記載に投射型表示装置。
  15. 前記位置調整手段は、前記ズーミングユニットおよび前記フォーカシングユニットのうち少なくとも一方の前記光軸方向の位置を検出する位置検出手段からの情報に基づいて前記第１レンズユニットの前記光軸方向の位置を調整する、
    ことを特徴とする請求項１４に記載の投射型表示装置。
  16. 前記位置調整手段は、前記被投射面の形状を計測する形状計測手段からの情報に基づいて前記第１レンズユニットの前記光軸方向の位置を調整する、
    ことを特徴とする請求項１４または１５に記載の投射型表示装置。
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