JP6746553B2 - 結像光学系、画像投影装置および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、結像光学系、画像投影装置および撮像装置に関する。

近年、プロジェクターには、小型化や高精細化とともに、近距離投影を可能とする広角化が強く求められている。また、色合成に用いるプリズム等の素子を配置するスペースを画像表示素子と投射レンズとの間に設けなければならないため、所定のバックフォーカスを確保する必要がある。広角かつ長いバックフォーカスという条件を満足する光学系として、スクリーン側（拡大共役側）に負のレンズ、画像表示素子側（縮小共役側）に正の屈折力のレンズ群を配置するレトロフォーカス型の結像光学系が提案されている（特許文献１、２参照）。

特開２００６−１１３４４６号公報 特開２０１３−１９５７４７号公報

しかしながら、レトロフォーカス型の結像光学系は拡大共役側の前群と縮小共役側の後群で非対称な構造を持つため、像面湾曲や歪曲収差などの軸外収差が発生して光学性能が低下してしまう。特開２００６−１１３４４６号公報では、軸外収差を低減するために拡大共役側から２枚目に配置されたレンズに非球面レンズを用いているが、軸外収差の補正が不十分であり光学性能が十分でない。また、特開２０１３−１９５７４７号公報では、軸外収差の補正効果を高めるために拡大共役側から２枚目に配置されたレンズに加えて３枚目に配置されたレンズにも非球面レンズを用いているが、レンズの形状が最適でないためレンズ構成が煩雑になってしまう。

本発明は、広角でありながら、簡易構成でかつ光学性能が良好な結像光学系、画像投影装置および撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての結像光学系は、拡大共役側から順に、前群と、絞りと、後群と、を有し、前記前群は、拡大共役側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ、少なくとも１面の非球面を有し、メニスカス形状の負の屈折力を有する第２レンズ、および拡大共役側の面が凹面かつ非球面であり、負の屈折力を有する第３レンズを備え、前記第２レンズは、周辺部で正の屈折力を有し、前記第２レンズは、前記少なくとも１面の非球面のサグ量の変化量が、前記第２レンズの光軸から周辺に向かって増加し、最大値に到達した後、減少する面を有し、前記光軸から、前記第２レンズの前記少なくとも１面の非球面の前記サグ量の変化量が最大値である位置までの前記光軸に直交する方向の距離をｒｋ、前記第２レンズの半径をｒとするとき、
０．５ｒ≦ｒｋ≦０．７５ｒ
なる条件式を満足し、前記前群は、拡大共役側から順に、変倍の際に固定で負の屈折力の第１レンズ群、変倍の際に可動で正の屈折力の第２レンズ群、および変倍の際に可動で正の屈折力の第３レンズ群からなり、前記後群は、拡大共役側から順に、変倍の際に可動で負の屈折力の第４レンズ群、および変倍の際に固定で正の屈折力の第５レンズ群からなることを特徴とする。

本発明によれば、広角でありながら簡易構成でかつ光学性能が良好な結像光学系、画像投影装置および撮像装置を提供することができる。

実施例１の結像光学系を備える画像投影装置の簡易的な構成図である。 実施例１の結像光学系の広角端における縦収差図である。 実施例１の結像光学系の望遠端における縦収差図である。 実施例１の第２レンズの縮小側の面形状の断面図である。 実施例１の第２レンズの縮小側の面の傾きの変化量を表す図である。 実施例１の結像光学系を備える画像投影装置の概略図である。 実施例１の結像光学系を備える撮像装置の概略図である。 実施例２の結像光学系を備える画像投影装置の簡易的な構成図である。 実施例２の結像光学系の広角端における縦収差図である。 実施例２の結像光学系の望遠端における縦収差図である。 実施例３の結像光学系を備える画像投影装置の簡易的な構成図である。 実施例３の結像光学系の広角端における縦収差図である。 実施例３の結像光学系の望遠端における縦収差図である。 実施例４の結像光学系を備える画像投影装置の簡易的な構成図である。 実施例４の結像光学系の縦収差図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１を参照して、本発明の原理と効果について説明する。図１は、本実施例の結像光学系（投影距離１２０５ｍｍ）を投射レンズとして使用する画像投影装置の構成を簡易的に示している。画像投影装置は、拡大共役側から順に、結像光学系１、プリズム部２および画像表示素子３を有する。図２は、結像光学系１の広角端における縦収差図である。図３は、結像光学系１の望遠端における縦収差図である。

結像光学系１は、拡大共役側から順に、前群、絞りＳＴ１および後群を有する。前群は、拡大共役側から順に、変倍の際に固定で負の屈折力を有する第１レンズ群Ｂ１、変倍の際に可動で正の屈折力を有する第２レンズ群Ｂ２、および変倍の際に可動で正の屈折力を有する第３レンズ群Ｂ３を有する。後群は、拡大共役側から順に、変倍の際に可動で負の屈折力を有する第４レンズ群Ｂ４、および変倍の際に固定で正の屈折力を有する第５レンズ群Ｂ５を有する。

第１レンズ群Ｂ１は、拡大共役側から順に、負の屈折力を有するレンズＬ１１、少なくとも１面が非球面であり、メニスカス形状の負の屈折力を有するレンズＬ１２、拡大共役側の面が非球面であり、負の屈折力を有するレンズＬ１３、負の屈折力を有するレンズＬ１４、および正の屈折力を有するレンズＬ１５を有する。第２レンズ群Ｂ２は、正の屈折力を有するレンズＬ１６を有する。第３レンズ群Ｂ３は、正の屈折力を有するレンズＬ１７を有する。第４レンズ群Ｂ４は、拡大共役側から順に、負の屈折力を有するレンズＬ１８、正の屈折力を有するレンズＬ１９、負の屈折力を有するレンズＬ２０、正の屈折力を有するレンズＬ２１、および正の屈折力を有するレンズＬ２２を有する。第５レンズ群Ｂ５は、正の屈折力を有するレンズＬ２３を有する。

レンズ（第１レンズ）Ｌ１１、レンズ（第２レンズ）Ｌ１２およびレンズ（第３レンズ）Ｌ１３は、軸外の画角の大きな光線を段階的に曲げ、軸外収差の発生を抑制することができる。レンズＬ１１は、最も拡大共役側に配置されているため、耐候性や耐衝撃性を高める必要がある。プラスティックモールドレンズは、このような特性に難があるため適していない。また、ガラスモールドレンズはレンズ径が大きく、コストが高くなってしまう。

本実施例では、レンズＬ１１としてガラスの球面レンズを用いることで耐候性や耐衝撃性を高め、軸外光の光線高さが高い位置に配置されたレンズＬ１２およびレンズＬ１３を非球面構造とすることで像面湾曲や歪曲収差を効率よく補正する。

一般的に、レトロフォーカス型レンズでは、拡大共役側のメニスカスレンズの屈折力を小さくして光線を緩やかに曲げることで、球面収差やコマ収差の発生を抑制する。しかしながら、屈折力を小さくしてしまうと、軸外収差の補正効果が減少してしまう。メニスカスレンズに屈折力の大きなプラスティックモールドレンズを用いた場合、熱変化時のピント移動が大きくなりすぎてしまうため、レンズの屈折力を大きくすることは困難である。

本実施例では、レンズＬ１２の光軸付近の屈折力はあまり大きくせずに、軸外収差を補正する構成としている。具体的には、レンズＬ１２は、周辺部のみ正の屈折力を有することで、周辺部の光束を光軸方向に大きく曲げる。これにより、画像表示素子３に対して正の歪曲収差を生じさせてレンズ系全体の歪曲収差を低減させることができる。なお、周辺部とは、レンズ面のうち最軸外光線束が入射する領域のことである。

また、本実施例では、レンズＬ１３の拡大共役側の面は凹面である。これにより、レンズＬ１３に対する入射角が大きくなり、周辺部の負の歪曲補正効果と正の像面湾曲補正効果がより大きくなる。

以上の構成を有することで、本実施例の結像光学系１は、レンズ系全体の歪曲収差と像面湾曲を補正することが可能になる。

図４は、レンズＬ１２の縮小共役側の面形状の断面図であり、光軸からレンズ周辺に向かってレンズの面形状が変化している状態を表している。横軸は光軸に垂直な方向における光軸からの距離を表し、縦軸は光軸に沿ったサグ量を表している。本実施例では、光軸に垂直な方向をｙ方向、光軸方向をｚ方向とする。

図５は、レンズＬ１２の縮小共役側の面の傾きの変化量（図４の微分曲線ｄｚ／ｄｙ）を表す図である。図５に示されるように、微分値は、光軸からレンズ周辺に向かって増加し、最大値に到達した後、減少する。なお、本実施例では、微分値が増加から減少に変化する値や減少から増加に変化する値を極値と定義する。

レンズＬ１２の縮小共役側の面形状は、ｙ方向において光軸から任意の極値に対応する位置までの距離をｒｋ、レンズ半径をｒとするとき、以下の条件式（１）を満足する。なお、レンズ半径とは、光軸からレンズ面を通過する最軸外光線までの距離である有効半径であってもよいし、レンズの物理的な半径であってもよい。

０．５ｒ≦ｒｋ＜１．０ｒ （１）
条件式（１）を満足することで、良好な光学性能を有する結像光学系を実現することができる。条件式（１）の下限値を超えると、レンズＬ１２の中心部の屈折力が強くなりすぎて正の歪曲収差が大きくなるため、光学性能が悪化してしまう。また、条件式（１）の上限値を超えると、レンズＬ１２の周辺部の屈折力が弱くなりすぎて正の歪曲収差の補正が不十分になるため、光学性能が悪化してしまう。

条件式（１）の数値範囲を以下のように設定することで、より良好な光学性能を有する結像光学系を実現することができる。

０．５ｒ≦ｒｋ≦０．７５ｒ （１）’
なお、本実施例ではレンズＬ１２の縮小共役側の面において中央部の曲率に対して周辺部の符号が異なっているが、レンズＬ１２の拡大共役側の面において中央部の曲率に対して周辺部の符号が異なっていてもよい。

また、結像光学系１は、レンズＬ１２の屈折力をφ２、レンズＬ１３の屈折力をφ３とするとき、以下の条件式（２）を満足する。

０．６≦φ２／φ３≦４．０ （２）
条件式（２）を満足することで、良好な光学性能を有する結像光学系を実現することができる。条件式（２）の下限値を超えると、レンズＬ１３の屈折力が大きくなりすぎて正の像面湾曲が過剰になるため、レンズの像面性能が悪化する。また、条件式（２）の上限値を超えると、レンズＬ１３の屈折力が小さくなりすぎて正の像面湾曲が補正不足になり、レンズの像面性能が悪化する。

条件式（２）の数値範囲を以下のように設定することで、より良好な光学性能を有する結像光学系を実現することができる。

０．８≦φ２／φ３≦２．５０ （２）’
本実施例の結像光学系１は、数値実施例１の「（Ｃ）条件式の値」に示されているように、各条件式を満足する。

以上説明した構成により、レトロフォーカス型でありながら、簡易な構成で、軸外収差が補正された良好な光学性能を有する結像光学系を実現することができる。なお、本実施例では、結像光学系１は投射レンズとして使用されているが、本発明はこれに限定されない。結像光学系１は、例えば、撮像装置用の撮像レンズとして使用されてもよい。また、本実施例では、結像光学系１は、ズームレンズであるが、本発明はこれに限定されない。

図６は、本実施例の結像光学系１を投射光学系として有する画像投影装置の概略図である。照明光学系５２は、画像表示素子に対してむらの少ない照明を実現するために、光源５１から射出される光の偏光方向をＰ方向またはＳ方向の任意の方向に揃える機能を有する。色分離光学系５３は、照明光学系５２からの光を画像表示素子に対応した任意の色に分解する。偏光ビームスプリッタ５４、５５は、入射した光を透過または反射させる。反射型画像表示素子５７、５８、５９は、入射した光を電気信号に応じて変調する。色合成光学系５６は、各画像表示素子からの光を１つに合成する。投射光学系６０は、本実施例の結像光学系１を備え、色合成光学系５６で合成された光をスクリーン６１などの被投射物に投射する。照明光学系５２、色分離光学系５３、偏光ビームスプリッタ５４、５５および色合成光学系５６は、光源５１からの光を画像表示素子に導くための導光光学系である。

図７は、本実施例の結像光学系１を撮像光学系ＩＯＳとして有する撮像装置ＩＡの概略図である。撮像光学系ＩＯＳは、撮像レンズＩＬに保持される。カメラ本体ＣＢは、撮像レンズ光学系ＩＯＳによって形成された像を受光する撮像素子ＩＥを保持する。撮像レンズＩＬは、カメラ本体ＣＢと一体的に構成されていてもよいし、カメラ本体ＣＢに着脱可能に取り付けられるように構成されていてもよい。また、撮像レンズＩＬが撮像素子ＩＥを保持していてもよい。

本実施例は、実施例１の結像光学系に対して、第２レンズの屈折力に対する第３レンズの屈折力が大きく、第１レンズ群において非球面レンズの数が１枚減っている場合の実施例である。図８は、本実施例の結像光学系（投影距離１２０５ｍｍ）を投射レンズとして使用する画像投影装置の構成を簡易的に示している。画像投影装置は、拡大共役側から順に、結像光学系２１、プリズム部２２および画像表示素子２３を有する。図９は、結像光学系２１の広角端における縦収差図である。図１０は、結像光学系２１の望遠端における縦収差図である。

結像光学系２１は、拡大共役側から順に、前群、絞りＳＴ２および後群を有する。前群は、拡大共役側から順に、変倍の際に固定で負の屈折力を有する第１レンズ群Ｂ２１、変倍の際に可動で正の屈折力を有する第２レンズ群Ｂ２２、および変倍の際に可動で正の屈折力を有する第３レンズ群Ｂ２３を有する。後群は、拡大共役側から順に、変倍の際に可動で負の屈折力を有する第４レンズ群Ｂ２４、および変倍の際に固定で正の屈折力を有する第５レンズ群Ｂ２５を有する。

第１レンズ群Ｂ２１は、拡大共役側から順に、負の屈折力を有するレンズＬ３１、少なくとも１面が非球面であり、メニスカス形状の負の屈折力を有するレンズＬ３２、拡大共役側の面が非球面であり、負の屈折力を有するレンズＬ３３、負の屈折力を有するレンズＬ３４、負の屈折力を有するレンズＬ３５、および正の屈折力を有するレンズＬ３６を有する。第２レンズ群Ｂ２２は、正の屈折力を有するレンズＬ３７を有する。第３レンズ群Ｂ２３は、正の屈折力を有するレンズＬ３８を有する。第４レンズ群Ｂ２４は、拡大共役側から順に、負の屈折力を有するレンズＬ３９、正の屈折力を有するレンズＬ４０、負の屈折力を有するレンズＬ４１、正の屈折力を有するレンズＬ４２、および正の屈折力を有するレンズＬ４３を有する。第５レンズ群Ｂ２５は、正の屈折力を有するレンズＬ４４を有する。

本実施例の結像光学系２１は、数値実施例２の「（Ｃ）条件式の値」に示されているように、各条件式を満足する。

以上説明した構成により、レトロフォーカス型でありながら、簡易な構成で、軸外収差が補正された良好な光学性能を有する結像光学系２１を実現することができる。なお、本実施例では、非球面レンズが減っているため、軸外収差が実施例１に比べて大きくなっている。しかしながら、本実施例では、温度特性を改善するなどの設計自由度を増やすことができる。

本実施例は、実施例１の結像光学系に対して、非球面レンズの面形状を変えた場合の実施例である。図１１は、本実施例の結像光学系（投影距離１２０５ｍｍ）を投射レンズとして使用する画像投影装置の構成を簡易的に示している。画像投影装置は、拡大共役側から順に、結像光学系３１、プリズム部３２および画像表示素子３３を有する。図１２は、結像光学系３１の広角端における縦収差図である。図１３は、結像光学系３１の望遠端における縦収差図である。

結像光学系３１は、拡大共役側から順に、前群、絞りＳＴ３および後群を有する。前群は、拡大共役側から順に、変倍の際に固定で負の屈折力を有する第１レンズ群Ｂ３１、変倍の際に可動で正の屈折力を有する第２レンズ群Ｂ３２、および変倍の際に可動で正の屈折力を有する第３レンズ群Ｂ３３を有する。後群は、拡大共役側から順に、変倍の際に可動で負の屈折力を有する第４レンズ群Ｂ３４、および変倍の際に固定で正の屈折力を有する第５レンズ群Ｂ３５を有する。

第１レンズ群Ｂ３１は、拡大共役側から順に、負の屈折力を有するレンズＬ５１、少なくとも１面が非球面であり、メニスカス形状の負の屈折力を有するレンズＬ５２、拡大共役側の面が非球面であり、負の屈折力を有するレンズＬ５３、負の屈折力を有するレンズＬ５４、および負の屈折力を有するレンズＬ５５を有する。第２レンズ群Ｂ３２は、正の屈折力を有するレンズＬ５６を有する。第３レンズ群Ｂ３３は、正の屈折力を有するレンズＬ５７を有する。第４レンズ群Ｂ３４は、拡大共役側から順に、負の屈折力を有するレンズＬ５８、正の屈折力を有するレンズＬ５９、負の屈折力を有するレンズＬ６０、正の屈折力を有するレンズＬ６１、および正の屈折力を有するレンズＬ６２を有する。第５レンズ群Ｂ３５は、正の屈折力を有するレンズＬ６３を有する。

本実施例の結像光学系３１は、数値実施例３の「（Ｃ）条件式の値」に示されているように、条件式（１）、（２）、（２）’を満足する。しかしながら、本実施例の結像光学系３１は、条件式（１）’を満足していない。そのため、軸外収差は相対的に大きくなってしまっているが、設計自由度を増すことができる。

以上説明した構成により、レトロフォーカス型でありながら、簡易な構成で、軸外収差が補正された良好な光学性能を有する結像光学系３１を実現することができる。

本実施例は、実施例１の結像光学系に対して、変倍機能を有さない場合の実施例である。図１４は、本実施例の結像光学系（投影距離１２０５ｍｍ）を投射レンズとして使用する画像投影装置の構成を簡易的に示している。画像投影装置は、拡大共役側から順に、結像光学系４１、プリズム部４２および画像表示素子４３を有する。図１５は、結像光学系４１の縦収差図である。

結像光学系４１は、拡大共役側から順に、前群、絞りＳＴ４および後群を有する。前群は、拡大共役側から順に、負の屈折力を有するレンズＬ７１、少なくとも１面が非球面であり、メニスカス形状の負の屈折力を有するレンズＬ７２、拡大共役側の面が非球面であり、負の屈折力を有するレンズＬ７３、負の屈折力を有するレンズＬ７４、正の屈折力を有するレンズＬ７５、および正の屈折力を有するレンズＬ７６を有する。後群は、拡大共役側から順に、負の屈折力を有するレンズＬ７７、正の屈折力を有するレンズＬ７８、負の屈折力を有するレンズＬ７９、正の屈折力を有するレンズＬ８０、正の屈折力を有するレンズＬ８１、および正の屈折力を有するレンズＬ８２を有する。

本実施例の結像光学系４１は、数値実施例４の「（Ｃ）条件式の値」に示されているように、各条件式を満足する。

以上説明した構成により、レトロフォーカス型でありながら、簡易な構成で、軸外収差が補正された良好な光学性能を有する結像光学系４１を実現することができる。
（数値実施例）
以下、実施例１〜４にそれぞれ対応する数値実施例１〜４を示す。各数値実施例の「（Ａ）レンズ構成」において、ｆは焦点距離、Ｆは開口比である。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）番目の面との間隔、ｎｉとνｉはそれぞれｄ線に対する物体側より順に第ｉ番目の光学部材の材料の屈折率とアッベ数、ＳＴは絞りの位置である。

左側に※が付記されている面は、以下の式（３）に従った非球面形状であることを示し、「（Ｂ）非球面係数」にその係数を示す。ｙは径方向の座標、ｚは光軸方向の座標、ｋはコ―ニック係数を示す。また、ｅ−Ｘは１０^−Ｘを示す。

ｚ（ｙ）＝（ｙ^２／ｒｉ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）（ｙ^２／ｒｉ^２）｝^１／２］＋Ａｙ^２＋Ｂｙ^３
＋Ｃｙ^４＋Ｄｙ^５＋Ｅｙ^６＋Ｆｙ^７＋Ｇｙ^８＋Ｈｙ^９＋Ｉｙ^１０＋Ｊｙ^１１＋Ｌｙ^１２
＋Ｍｙ^１３＋Ｎｙ^１４＋Ｏｙ^１５＋Ｐｙ^１６ （３）

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Ｌ１１、Ｌ３１、Ｌ５１、Ｌ７１ 第１レンズ
Ｌ１２、Ｌ３２、Ｌ５２、Ｌ７２ 第２レンズ
Ｌ１３、Ｌ３３、Ｌ５３、Ｌ７３ 第３レンズ
ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４ 絞り
１、２１、３１、４１ 結像光学系

Claims (7)

1. 拡大共役側から順に、前群と、絞りと、後群と、を有し、
   前記前群は、拡大共役側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ、少なくとも１面の非球面を有し、メニスカス形状の負の屈折力を有する第２レンズ、および拡大共役側の面が凹面かつ非球面であり、負の屈折力を有する第３レンズを備え、
   前記第２レンズは、周辺部で正の屈折力を有し、
   前記第２レンズは、前記少なくとも１面の非球面のサグ量の変化量が、前記第２レンズの光軸から周辺に向かって増加し、最大値に到達した後、減少する面を有し、
   前記光軸から、前記第２レンズの前記少なくとも１面の非球面の前記サグ量の変化量が最大値である位置までの前記光軸に直交する方向の距離をｒｋ、前記第２レンズの半径をｒとするとき、
   ０．５ｒ≦ｒｋ≦０．７５ｒ
   なる条件式を満足し、
   前記前群は、拡大共役側から順に、変倍の際に固定で負の屈折力の第１レンズ群、変倍の際に可動で正の屈折力の第２レンズ群、および変倍の際に可動で正の屈折力の第３レンズ群からなり、
   前記後群は、拡大共役側から順に、変倍の際に可動で負の屈折力の第４レンズ群、および変倍の際に固定で正の屈折力の第５レンズ群からなることを特徴とする結像光学系。
2. 前記第２レンズの前記少なくとも１面の非球面は、前記第２レンズの縮小共役側の面にあることを特徴とする請求項１に記載の結像光学系。
3. 前記第２レンズの屈折力をφ２、前記第３レンズの屈折力をφ３とするとき、
   ０．５≦φ２／φ３≦４．０
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の結像光学系。
4. 前記第２レンズの屈折力をφ２、前記第３レンズの屈折力をφ３とするとき、
   ０．８≦φ２／φ３≦２．５
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の結像光学系。
5. 前記第１レンズは、球面レンズであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の結像光学系。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の結像光学系と、
   画像表示素子と、
   前記画像表示素子からの光を前記結像光学系に導く導光光学系と、を有することを特徴とする画像投影装置。
7. 請求項１から５のいずれか１項に記載の結像光学系と、
   前記結像光学系によって形成された像を受光する撮像素子と、を有することを特徴とする撮像装置。