JP6825147B2 - 結像光学系、投写型表示装置、および、撮像装置 - Google Patents

結像光学系、投写型表示装置、および、撮像装置 Download PDF

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Description

本発明は、特に、液晶表示素子やDMD( Digital Micromirror Device:登録商標)など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結像光学系、この結像光学系を備えた投写型表示装置、および、この結像光学系を備えた撮像装置に関するものである。
近年、液晶表示素子やDMDなど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。
また、近年のライトバルブの性能向上を受けて、ライトバルブと組み合わされる結像光学系には、ライトバルブの解像度に見合った良好な収差補正が求められている。さらに、プレゼンテーション用など比較的狭い室内空間で使用されることを考慮して、より広角な結像光学系が強く要望されるようになっている。
併せて、投写距離が変わっても投写画像の画質が大きく変わらないこと、つまり結像光学系の距離変動が少ないことも要求されている。しかし、焦点距離を短くして広角化が進むと、距離変動による像面湾曲が発生しやすくなる。
そのため、上記のような要望に応えるべく、複数枚のレンズからなる縮小側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拡大側光学系で再結像させる結像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結像光学系は、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結像光学系では、拡大側光学系のバックフォーカスを短縮できるとともに、拡大側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。
特開2006−330410号公報 特開2015−152764号公報
しかしながら、特許文献1の光学系は、中間像を境に縮小側光学系と拡大側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ばかりか距離変動に対する解決策が提案されていない。また、特許文献2の光学系は、光学系内に中間像を結び、3つの群を移動させてフォーカシングをするため、フォーカス機構の複雑化に加えて部品点数増に伴うコスト増が問題となる。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、中間像を形成する結像光学系において、コストを抑えつつ、広角で、かつフォーカシングによる像面湾曲が良好に補正された高い性能を有する結像光学系、この結像光学系を備えた投写型表示装置、および、この結像光学系を備えた撮像装置を提供することを目的とするものである。
本発明の結像光学系は、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可能な結像光学系であって、拡大側から順に、複数のレンズにより構成された第1光学系と、複数のレンズにより構成された第2光学系とから実質的になり、第2光学系は、画像表示素子上の画像を中間像として結像させ、第1光学系は、中間像を拡大側共役面上に結像させ、第1光学系の最も拡大側から最大画角の主光線と第1光学系の光軸が交わる位置までの間は、拡大側から順に、4枚の負レンズと、2枚の正レンズとから実質的になり、第1光学系の最も拡大側から最大画角の主光線と第1光学系の光軸が交わる位置までの間に、フォーカシングの際に第1光学系の光軸に沿って移動するフォーカス群を有し、下記条件式(1)を満足し、半画角が65°以上である。
10.0<|fA/f|<500.0 …(1)
ただし、
fA:フォーカシングの際に移動するレンズの焦点距離(フォーカス群の焦点距離に相当し、フォーカス群が複数枚のレンズからなる場合はフォーカス群全体の合成焦点距離とする)
f:全系の焦点距離
とする。
本発明の結像光学系においては、下記条件式(1−1)を満足することが好ましい。
20.0<|fA/f|<200.0 …(1−1)
また、本発明の結像光学系においては、フォーカス群は、1枚の単レンズから実質的になることが好ましい。
また、本発明の結像光学系においては、第2光学系は、第2光学系の最も縮小側の面から縮小側共役面までの光軸上の間隔の変動の影響を補正する際に第2光学系の光軸に沿って移動する補正群を有することが好ましい。
第2光学系に補正群を設けた場合は、下記条件式(4)を満足することが好ましく、下記条件式(4−1)を満足することがより好ましい。
10.0<fB/|f|<100.0 …(4)
20.0<fB/|f|<70.0 …(4−1)
ただし、
fB:補正群の焦点距離
f:全系の焦点距離
とする。
また、第2光学系に補正群を設けた場合は、補正群は、第2光学系の最も拡大側に配置されていることが好ましい。
また、第2光学系に補正群を設けた場合は、補正群は、負レンズおよび正レンズが拡大側からこの順に接合された接合レンズから実質的になることが好ましい。
また、本発明の結像光学系においては、下記条件式(5)を満足することが好ましく、下記条件式(5−1)を満足することがより好ましい。
4.0<Bf/|f| …(5)
5.0<Bf/|f|<20.0 …(5−1)
ただし、
Bf:全系のバックフォーカス
f:全系の焦点距離
とする。
また、下記条件式(1−a)を満足することが好ましい。
10.0<|fA/f|<90.0 …(1−a)
また、下記条件式(1−b)を満足することが好ましい。
10.0<|fA/f|≦82.61 …(1−b)
また、下記条件式(1−c)を満足することが好ましい。
10.0<|fA/f|≦52.55 …(1−c)
また、下記条件式(5−a)を満足することが好ましい。
4.0<Bf/|f|≦7.68 …(5−a)
また、結像光学系の中間位置に光路折り曲げ手段が配置されていることが好ましい。
また、結像光学系中に2つの光路折り曲げ手段が設けられていることが好ましい。
また、本発明の結像光学系においては、第1光学系と第2光学系は、共通の光軸を有することが好ましい。
また、本発明の結像光学系においては、中間像は、光軸中心より周辺部が第2光学系側に像面湾曲していることが好ましい。
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結像光学系としての上記本発明の結像光学系とを備えたことを特徴とする。
本発明の撮像装置は、上記記載の本発明の結像光学系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、パワーを有さないミラーや絞りやマスクやカバーガラスやフィルタなどのレンズ以外の光学要素など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。
また、上記条件式の計算において「全系の焦点距離f」は、投写距離を無限遠としたときの値とする。
本発明の第1の結像光学系は、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可能な結像光学系であって、拡大側から順に、複数のレンズにより構成された第1光学系と、複数のレンズにより構成された第2光学系とから実質的になり、第2光学系は、画像表示素子上の画像を中間像として結像させ、第1光学系は、中間像を拡大側共役面上に結像させ、第1光学系の最も拡大側から最大画角の主光線と第1光学系の光軸が交わる位置までの間に、フォーカシングの際に第1光学系の光軸に沿って移動するフォーカス群を有し、下記条件式(1)を満足するものとしたので、コストを抑えつつ、広角で、かつフォーカシングによる像面湾曲が良好に補正された高い性能を有する結像光学系とすることができる。
10.0 <|fA/f|<500.0 …(1)
本発明の第2の結像光学系は、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可能な結像光学系であって、拡大側から順に、複数のレンズにより構成された第1光学系と、複数のレンズにより構成された第2光学系とから実質的になり、第2光学系は、画像表示素子上の画像を中間像として結像させ、第1光学系は、中間像を拡大側共役面上に結像させ、第1光学系の最も拡大側から最大画角の主光線と第1光学系の光軸が交わる位置までの間は、拡大側から順に、負の屈折力を有する第1レンズ群と、2枚の単レンズから実質的になり正の屈折力を有する第2レンズ群とから実質的になり、第2レンズ群の2枚の単レンズの内いずれか1枚の単レンズを第1光学系の光軸に沿って移動させることでフォーカシングを行い、下記条件式(1)を満足するものとしたので、コストを抑えつつ、広角で、かつフォーカシングによる像面湾曲が良好に補正された高い性能を有する結像光学系とすることができる。
10.0 <|fA/f|<500.0 …(1)
本発明の投写型表示装置は、本発明の結像光学系を備えているため、装置を低コスト化できるとともに、広角で高画質の画像を投写することができる。
本発明の撮像装置は、本発明の結像光学系を備えているため、装置を低コスト化できるとともに、広角で高画質の画像を取得することができる。
本発明の一実施形態にかかる結像光学系(実施例1と共通)の構成を示す断面図 本発明の実施例2の結像光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例3の結像光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例4の結像光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例1の結像光学系の各収差図 本発明の実施例2の結像光学系の各収差図 本発明の実施例3の結像光学系の各収差図 本発明の実施例4の結像光学系の各収差図 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 本発明の別の実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図 本発明のさらに別の実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図 本発明の一実施形態に係る撮像装置の前側の斜視図 図12に示す撮像装置の背面側の斜視図
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結像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の結像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1光学系G1のレンズL1a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。
この結像光学系は、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など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、画像表示素子上の画像表示面Simで画像情報を与えられた光束が、光学部材PPを介して、この結像光学系に入射され、この結像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。
まず、第1の実施形態の結像光学系について説明する。図1に示す通り、第1の実施形態の結像光学系は、拡大側から順に、複数のレンズにより構成された第1光学系G1と、複数のレンズにより構成された第2光学系G2とから実質的になり、第2光学系G2は、画像表示面Sim上の画像を中間像として結像させ、第1光学系G1は、中間像を拡大側共役面上に結像させるように構成されている。
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1光学系G1のバックフォーカスを短縮できるとともに、第1光学系G1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、第1光学系G1の最も拡大側から最大画角の主光線と第1光学系G1の光軸Zが交わる位置までの間に、フォーカシングの際に第1光学系G1の光軸に沿って移動するフォーカス群を有する。なお、本実施形態においてはレンズL1fがフォーカス群に相当する。
このように、フォーカス群の位置を、第1光学系G1の最も拡大側から最大画角の主光線と第1光学系G1の光軸Zが交わる位置までの間とすることで、軸外光線に対して比較的高い位置にフォーカス群を配置することができるため、投写画像の周辺部に対して高い像面湾曲補正効果を発揮する。
また、下記条件式(1)を満足するように構成されている。
10.0<|fA/f|<500.0 …(1)
20.0<|fA/f|<200.0 …(1−1)
27.0<|fA/f|<90.0 …(1−2)
ただし、
fA:フォーカシングの際に移動するレンズの焦点距離(フォーカス群の焦点距離に相当し、フォーカス群が複数枚のレンズからなる場合はフォーカス群全体の合成焦点距離とする)
f:全系の焦点距離
とする。
超広角な結像光学系では光軸中心近傍での深い被写界深度によって投写距離変化に対するピント変動が鈍いのに対して、投写画像の周辺部においては投写距離変化に対する像面湾曲の変動が大きいという特徴がある。この距離変動による像面湾曲を良好に補正するための条件式が(1)であり、条件式(1)を満足しつつ、フォーカス群を上記位置に配置することで、軸外光線に対して比較的高い位置で補正が可能となり、適切な像面湾曲補正効果を発生させることができる。これによりフォーカシングの際に移動するレンズの群数としては1群ながらも、距離変動による歪曲収差変動を少なくすることが可能となり、また広角化に伴う距離変動による像面湾曲を良好に補正することが可能となる。
条件式(1)は、全系の焦点距離とフォーカシングの際に移動するレンズの焦点距離との比を規定するものであり、条件式(1)の下限以下とならないようにすることで、フォーカシングの際に移動するレンズのパワーが強くなりすぎるのを抑え、フォーカシングの際に移動するレンズの移動量に対する光軸中心近傍でのピント変動量が大きくなりすぎないようにできるため、適切な移動量を確保できるとともに、投写距離変化に対する周辺部の像面湾曲を適切に補正することができる。条件式(1)の上限以上とならないようにすることで、フォーカシングの際に移動するレンズのパワーが弱くなりすぎるのを抑え、投写範囲内での移動量が大きくなりすぎないようにできるため、レンズ全系の大型化を防ぐことができる。なお、上記条件式(1−1)さらに好ましくは条件式(1−2)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。
第1の実施形態の結像光学系においては、フォーカス群は、1枚の単レンズから実質的になることが好ましい。このような構成とすることで、レンズ構成として必要な最少枚数での構成となるため、コストの低下につながる。
次に、第2の実施形態の結像光学系について説明する。図1に示す通り、第2の実施形態の結像光学系は、拡大側から順に、複数のレンズにより構成された第1光学系G1と、複数のレンズにより構成された第2光学系G2とから実質的になり、第2光学系G2は、画像表示素子上の画像を中間像として結像させ、第1光学系G1は、中間像を拡大側共役面上に結像させるように構成されている。この点については、上記第1の実施形態の結像光学系と同じであるため、説明を省略する。
また、第1光学系G1の最も拡大側から最大画角の主光線と第1光学系G1の光軸Zが交わる位置までの間は、拡大側から順に、負の屈折力を有する第1レンズ群と、2枚の単レンズから実質的になり正の屈折力を有する第2レンズ群とから実質的になり、第2レンズ群の2枚の単レンズの内いずれか1枚の単レンズを第1光学系G1の光軸に沿って移動させることでフォーカシングを行うように構成されている。なお、本実施形態においては、第1レンズ群はレンズL1a〜L1dの4枚のレンズで構成され、第2レンズ群はレンズL1eおよびL1fの2枚のレンズで構成される。
このように、フォーカシングの際に移動するレンズの位置を、第1光学系G1の最も拡大側から最大画角の主光線と第1光学系G1の光軸Zが交わる位置までの間とすることで、軸外光線に対して比較的高い位置にフォーカス群を配置することができるため、投写画像の周辺部に対して高い像面湾曲補正効果を発揮する。また、第1光学系G1の最も拡大側から最大画角の主光線と第1光学系G1の光軸Zが交わる位置までの間について、拡大側から順に、負の屈折力を有する第1レンズ群と、正の屈折力を有する第2レンズ群から構成することで、超広角化に伴う歪曲収差を適切に補正できるとともに、第2レンズ群のレンズでフォーカシングすることで移動時の歪曲収差変動も少なくすることができる。
また、下記条件式(1)を満足するように構成されている。なお、下記条件式(1−1)さらに好ましくは下記条件式(1−2)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。この点についても、上記第1の実施形態の結像光学系と同じであるため、説明を省略する。
10.0<|fA/f|<500.0 …(1)
20.0<|fA/f|<200.0 …(1−1)
27.0<|fA/f|<90.0 …(1−2)
第2の実施形態の結像光学系においては、下記条件式(2)および(3)を満足することが好ましい。
−3.0<f21/|f|<−1.0 …(2)
−2.0<f21/|f|<−1.2 …(2−1)
5.0<f22/|f|<20.0 …(3)
7.0<f22/|f|<15.0 …(3−1)
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
f:全系の焦点距離
とする。
条件式(2)は、全系の焦点距離と第1レンズ群の焦点距離との比を規定するものであり、条件式(2)の下限以下とならないようにすることで、第1レンズ群のパワーが弱くなりすぎるのを抑え、最も拡大側にある第1レンズ群の外径が大きくなりすぎないようにできるため、レンズ全系の小型化に寄与する。条件式(2)の上限以上とならないようにすることで、第1レンズ群のパワーが強くなりすぎるのを抑え、第1レンズ群で発生する歪曲収差を始めとする諸収差が大きくなりすぎないようにできるため、他の群での補正を容易にすることができる。
条件式(3)は、全系の焦点距離と第2レンズ群の焦点距離との比を規定するものであり、条件式(3)の下限以下とならないようにすることで、第2レンズ群のパワーが強くなりすぎるのを抑え、第2レンズ群より縮小側のレンズ群への入射角が厳しくなりすぎないようにできるため、第2レンズ群より縮小側のレンズ群での収差補正を容易にすることができる。条件式(3)の上限以上とならないようにすることで、第2レンズ群のパワーが弱くなりすぎないようにできるため、第2レンズ群より縮小側のレンズ群の大径化などの不具合を防ぐことができる。
なお、上記条件式(2)および(3)を満足した上でさらに上記条件式(2−1)および/または(3−1)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。
また、第2の実施形態の結像光学系においては、第1レンズ群は、全て負レンズで構成されていることが好ましい。このような構成とすることで、広角化に必要な負の屈折力を確保することができるとともに、像面湾曲を適切に補正することができる。
また、第2の実施形態の結像光学系においては、第2レンズ群は、全て正レンズで構成されていることが好ましい。このような構成とすることで、適切な正の屈折力を確保することができる。
また、第1および第2の実施形態の結像光学系においては、第2光学系G2は、第2光学系G2の最も縮小側の面から縮小側共役面(画像表示面Sim)までの光軸Z上の間隔の変動の影響を補正する際に第2光学系G2の光軸に沿って移動する補正群を有することが好ましい。なお、第1および第2の実施形態においてはレンズL2aおよびL2bの2枚のレンズが補正群に相当する。
超広角な結像光学系を投写型表示装置に搭載した際に無視できない量のフランジバック誤差がある場合、共役位置が設計で想定した位置からずれてしまうため、それをフォーカス群で調整しようとしても、フォーカス群は光軸中心近傍のピント変動が鈍いため調整することはできないが、第2光学系G2内に別途ピント補正が可能な補正群を設けることで、共役位置での位置ズレを調整することが可能となる。
また、投写型表示装置の周辺温度の変化に応じてピント変動が発生した場合も同様に、それをフォーカス群で調整しようとしても、フォーカス群は光軸中心近傍のピント変動が鈍いため調整することはできないが、第2光学系G2内に別途ピント補正が可能な補正群を設けることで、温度変化に対するピント補正が可能となる。
第2光学系G2に補正群を設けた場合は、下記条件式(4)を満足することが好ましい。条件式(4)は、全系の焦点距離と補正群の焦点距離との比を規定するものであり、条件式(4)の下限以下とならないようにすることで、補正群のパワーが強くなりすぎるのを抑え、補正群として必要な周辺像面変化量が大きくなりすぎないようにできるため、補正時の像面倒れを抑えることができる。条件式(4)の上限以上とならないようにすることで、補正群のパワーが弱くなりすぎるのを抑え、補正するための移動量が大きくなりすぎないようにできるため、レンズ全系の小型化に寄与する。なお、下記条件式(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。
10.0<fB/|f|<100.0 …(4)
20.0<fB/|f|<70.0 …(4−1)
ただし、
fB:補正群の焦点距離
f:全系の焦点距離
とする。
また、第2光学系G2に補正群を設けた場合は、補正群は、第2光学系G2の最も拡大側に配置されていることが好ましい。このような態様とすることで、第2光学系G2からの光を第1光学系G1側に入射する関係上、比較的なだらかな光線角度で補正群に入射されることになるため、周辺部の像面湾曲の変化を少なくする事ができる。
また、第2光学系G2に補正群を設けた場合は、補正群は、負レンズおよび正レンズが拡大側からこの順に接合された接合レンズから実質的になることが好ましい。このように負レンズと正レンズの接合レンズとすることで、中間像を結ぶ光学系で問題となる軸上色収差を適切に補正することが可能となる。
また、第1および第2の実施形態の結像光学系においては、下記条件式(5)を満足することが好ましい。条件式(5)は、全系の焦点距離と全系のバックフォーカスとの比を規定するものであり、条件式(5)の下限以下とならないようにすることで、バックフォーカスが短くなりすぎて、色合成プリズムなどを配置することが困難となるのを防ぐことができる。条件式(5)の上限以上とならないようにすることで、バックフォーカスも含めたレンズ全系の大型化を防ぐことができる。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。4.0<Bf/|f| …(5)
5.0<Bf/|f|<20.0 …(5−1)
ただし、
Bf:全系のバックフォーカス
f:全系の焦点距離
とする。
また、第1および第2の実施形態の結像光学系においては、第1光学系G1と第2光学系G2は、共通の光軸を有することが好ましい。このような構成とすることで光学系全体の構造が簡略化できるので、低コスト化に寄与することができる。
また、第1および第2の実施形態の結像光学系においては、中間像は、光軸中心より周辺部が第2光学系G2側に像面湾曲していることが好ましい。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2光学系G2で歪曲収差、非点収差などを残存させておいて、それを第1光学系G1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。
なお、図1に示すように、本実施の形態の結像光学系は、第1光学系G1中に反射面で光路を折り曲げる第1光路折り曲げ手段R1を備えるとともに、第1光学系G1と第2光学系G2の間に、反射面で光路を折り曲げる第2光路折り曲げ手段R2を備えたものとしてもよい。このように、結像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、結像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、結像光学系中に2つの光路折り曲げ手段を設けることにより、結像光学系全体の小型化や投写方向の制御が容易となる。
次に、本発明の結像光学系の数値実施例について説明する。
まず、実施例1の結像光学系について説明する。実施例1の結像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2〜4に対応した図2〜4においては、画像表示面Sim側が縮小側、第1光学系G1のレンズL1a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1〜4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の結像光学系は、拡大側から順に、第1光路折り曲げ手段R1を含む第1光学系G1と、第2光路折り曲げ手段R2と、第2光学系G2から構成され、第1光学系G1がレンズL1a〜L1lの12枚のレンズから構成され、第2光学系G2がレンズL2a〜L2hの8枚のレンズから構成されている。なお、実施例1においてはレンズL1fがフォーカス群に相当し、レンズL2aおよびL2bの2枚のレンズが補正群に相当する。
実施例1の結像光学系のレンズデータを表1に、フォーカシングの際に間隔が変化する面間隔に関するデータを表2に、諸元に関するデータを表3に、非球面係数に関するデータを表4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2〜4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、n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、ν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。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。また、レンズデータにおいて、フォーカシングの際に間隔が変化する面間隔の欄にはそれぞれDD[面番号]と記載している。このDD[面番号]に対応する数値は表2に示している。
表3の諸元に関するデータに、投写距離を193.406としたときの、焦点距離f´、バックフォーカスBf´、F値FNo、および、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、諸元の投写距離における全系の焦点距離が−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4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。表4の非球面係数の数値の「E−n」(n:整数)は「×10−n」を意味する。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=3〜20)の値である。
Zd=C・h/{1+(1−KA・C・h1/2}+ΣAm・h
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)
とする。
実施例1の結像光学系の各収差図を図5に示す。なお、図5では3種の投写距離の収差図を示しており、各々図5中の左側から順に球面収差、非点収差、歪曲収差、および、倍率色収差を示す。球面収差、非点収差、および、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)、および、F線(波長486.1nm)についての収差をそれぞれ実線、長破線、および、短破線の実線で示す。非点収差図にはサジタル方向およびタンジェンシャル方向の収差をそれぞれ実線および短破線で示す。倍率色収差図にはC線(波長656.3nm)およびF線(波長486.1nm)についての収差をそれぞれ長破線および短破線で示す。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。
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の結像光学系について説明する。実施例2の結像光学系の構成を示す断面図を図2に示す。実施例2の結像光学系は、第1光学系G1がレンズL1a〜L1mの13枚のレンズから構成されている以外は、実施例1と同様のレンズ枚数構成である。なお、実施例2においてはレンズL1fがフォーカス群に相当し、レンズL2aおよびL2bの2枚のレンズが補正群に相当する。また、実施例2の結像光学系のレンズデータを表5に、フォーカシングの際に間隔が変化する面間隔に関するデータを表6に、諸元に関するデータ(投写距離193.295)を表7に、非球面係数に関するデータを表8に、各収差図を図6に示す。
次に、実施例3の結像光学系について説明する。実施例3の結像光学系の構成を示す断面図を図3に示す。実施例3の結像光学系は、実施例1と同様のレンズ枚数構成である。なお、実施例3においてはレンズL1fがフォーカス群に相当し、レンズL2aおよびL2bの2枚のレンズが補正群に相当する。また、実施例3の結像光学系のレンズデータを表9に、フォーカシングの際に間隔が変化する面間隔に関するデータを表10に、諸元に関するデータ(投写距離193.671)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7に示す。
次に、実施例4の結像光学系について説明する。実施例4の結像光学系の構成を示す断面図を図4に示す。実施例4の結像光学系は、実施例4と同様のレンズ枚数構成である。なお、実施例4においてはレンズL1eがフォーカス群に相当し、レンズL2aおよびL2bの2枚のレンズが補正群に相当する。また、実施例4の結像光学系のレンズデータを表13に、フォーカシングの際に間隔が変化する面間隔に関するデータを表14に、諸元に関するデータ(投写距離218.526)を表15に、非球面係数に関するデータを表16に、各収差図を図8に示す。
実施例1〜4の結像光学系の条件式(1)〜(5)に対応する値を表17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17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1〜4の結像光学系は全て、条件式(1)〜(5)を満たしており、コストを抑えつつ、半画角ωが65°以上の広角で、かつフォーカシングによる像面湾曲が良好に補正された高い性能を有する結像光学系であることが分かる。
次に、本発明の実施形態に係る投写型表示装置について説明する。図9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9に示す投写型表示装置100は、本発明の実施形態に係る結像光学系10と、光源15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、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、光路を偏向するための全反射ミラー18a〜18cとを有する。なお、図9では、結像光学系10は概略的に図示している。また、光源15とダイクロイックミラー12の間にはインテグレーターが配されているが、図9ではその図示を省略している。
光源15からの白色光は、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、結像光学系10に入射する。結像光学系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スクリーン105上に投写する。
図10は、本発明の別の実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。図10に示す投写型表示装置200は、本発明の実施形態に係る結像光学系210と、光源215と、各色光に対応したライトバルブとしてのDMD素子21a〜21cと、色分解および色合成のためのTIR(Total Internal Reflection)プリズム24a〜24cと、照明光と投写光を分離する偏光分離プリズム25とを有する。なお、図10では結像光学系210を概略的に図示している。また、光源215と偏光分離プリズム25の間にはインテグレーターが配されているが、図10ではその図示を省略している。
光源215からの白色光は、偏光分離プリズム25内部の反射面で反射された後、TIRプリズム24a〜24cにより3つの色光光束(G光、B光、R光)に分解される。分解後の各色光光束はそれぞれ対応するDMD素子21a〜21cに入射して光変調され、再びTIRプリズム24a〜24cを逆向きに進行して色合成された後、偏光分離プリズム25を透過して、結像光学系210に入射する。結像光学系210は、DMD素子21a〜21cにより光変調された光による光学像をスクリーン205上に投写する。
図11は、本発明のさらに別の実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。図11に示す投写型表示装置300は、本発明の実施形態に係る結像光学系310と、光源315と、各色光に対応したライトバルブとしての反射型表示素子31a〜31cと、色分離のためのダイクロイックミラー32、33と、色合成のためのクロスダイクロイックプリズム34と、光路偏向のための全反射ミラー38と、偏光分離プリズム35a〜35cとを有する。なお、図11では、結像光学系310は概略的に図示している。また、光源315とダイクロイックミラー32の間にはインテグレーターが配されているが、図11ではその図示を省略している。
光源315からの白色光はダイクロイックミラー32、33により3つの色光光束(G光、B光、R光)に分解される。分解後の各色光光束はそれぞれ偏光分離プリズム35a〜35cを経て、各色光光束それぞれに対応する反射型表示素子31a〜31cに入射して光変調され、クロスダイクロイックプリズム34により色合成された後、結像光学系310に入射する。結像光学系310は、反射型表示素子31a〜31cにより光変調された光による光学像をスクリーン305上に投写する。
図12、図13は、本発明の一実施形態に係る撮像装置であるカメラ400の外観図である。図12は、カメラ400を前側から見た斜視図を示し、図13は、カメラ400を背面側から見た斜視図を示す。カメラ400は、交換レンズ48が取り外し自在に装着される、レフレックスファインダーを持たない一眼形式のデジタルカメラである。交換レンズ48は、本発明の実施形態にかかる光学系である結像光学系49を鏡筒内に収納したものである。
このカメラ400はカメラボディ41を備え、カメラボディ41の上面にはシャッターボタン42と電源ボタン43とが設けられている。またカメラボディ41の背面には、操作部44、45と表示部46とが設けられている。表示部46は、撮像された画像や、撮像される前の画角内にある画像を表示するためのものである。
カメラボディ41の前面中央部には、撮影対象からの光が入射する撮影開口が設けられ、その撮影開口に対応する位置にマウント47が設けられ、マウント47を介して交換レンズ48がカメラボディ41に装着されるようになっている。
カメラボディ41内には、交換レンズ48によって形成された被写体像に応じた撮像信号を出力するCCD(Charge Coupled Device)などの撮像素子(図示せず)、その撮像素子から出力された撮像信号を処理して画像を生成する信号処理回路、およびその生成された画像を記録するための記録媒体などが設けられている。このカメラ400では、シャッターボタン42を押すことにより静止画または動画の撮影が可能であり、この撮影で得られた画像データが上記記録媒体に記録される。
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、本発明の結像光学系は、上記実施例のものに限られるものではなく種々の態様の変更が可能であり、例えば各レンズの曲率半径、面間隔、屈折率、および、アッベ数を適宜変更することが可能である。
また、本発明の投写型表示装置も、上記構成のものに限られるものではなく、例えば、用いられるライトバルブおよび光束分離または光束合成に用いられる光学部材は、上記構成に限定されず、種々の態様の変更が可能である。
また、本発明の撮像装置も、上記構成のものに限られるものではなく、例えば、一眼レフ形式のカメラや、フィルムカメラ、および、ビデオカメラなどに適用することも可能である。
10、210、310 結像光学系
11a〜11c 透過型表示素子
12、13、32、33 ダイクロイックミラー
14、34 クロスダイクロイックプリズム
15、215、315 光源
16a〜16c コンデンサレンズ
18a〜18c、38 全反射ミラー
21a〜21c DMD素子
24a〜24c TIRプリズム
25、35a〜35c 偏光分離プリズム
31a〜31c 反射型表示素子
41 カメラボディ
42 シャッターボタン
43 電源ボタン
44、45 操作部
46 表示部
47 マウント
48 交換レンズ
49 結像光学系
100、200、300 投写型表示装置
105、205、305 スクリーン
400 カメラ
G1 第1光学系
G2 第2光学系
L1a〜L2h 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
wa 軸上光束
wb 最大画角の光束
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可能な結像光学系であって、
    拡大側から順に、複数のレンズにより構成された第1光学系と、複数のレンズにより構成された第2光学系とから実質的になり、
    前記第2光学系は、前記画像表示素子上の画像を中間像として結像させ、
    前記第1光学系は、前記中間像を前記拡大側共役面上に結像させ、
    前記第1光学系の最も拡大側から最大画角の主光線と前記第1光学系の光軸が交わる位置までの間は、拡大側から順に、4枚の負レンズと、2枚の正レンズとから実質的になり、
    前記第1光学系の最も拡大側から最大画角の主光線と該第1光学系の光軸が交わる位置までの間に、フォーカシングの際に該第1光学系の光軸に沿って移動するフォーカス群を有し、
    下記条件式(1)を満足し、
    半画角が65°以上である結像光学系。
    10.0<|fA/f|<500.0 …(1)
    ただし、
    fA:フォーカシングの際に移動するレンズの焦点距離
    f:全系の焦点距離
  2. 前記フォーカス群は、1枚の単レンズから実質的になる
    請求項1記載の結像光学系。
  3. 前記第2光学系は、該第2光学系の最も縮小側の面から前記縮小側共役面までの光軸上の間隔の変動の影響を補正する際に前記第2光学系の光軸に沿って移動する補正群を有する
    請求項1または2記載の結像光学系。
  4. 下記条件式(4)を満足する
    請求項3記載の結像光学系。
    10.0<fB/|f|<100.0 …(4)
    ただし、
    fB:前記補正群の焦点距離
  5. 前記補正群は、前記第2光学系の最も拡大側に配置されている
    請求項3または4記載の結像光学系。
  6. 前記補正群は、負レンズおよび正レンズが拡大側からこの順に接合された接合レンズから実質的になる
    請求項3から5のいずれか1項記載の結像光学系。
  7. 下記条件式(5)を満足する
    請求項1から6のいずれか1項記載の結像光学系。
    4.0<Bf/|f| …(5)
    ただし、
    Bf:全系のバックフォーカス
  8. 前記第1光学系と前記第2光学系は、共通の光軸を有する
    請求項1から7のいずれか1項記載の結像光学系。
  9. 前記中間像は、光軸中心より周辺部が前記第2光学系側に像面湾曲している
    請求項1から8のいずれか1項記載の結像光学系。
  10. 下記条件式(1−1)を満足する
    請求項1記載の結像光学系。
    20.0<|fA/f|<200.0 …(1−1)
  11. 下記条件式(4−1)を満足する
    請求項4記載の結像光学系。
    20.0<fB/|f|<70.0 …(4−1)
  12. 下記条件式(5−1)を満足する
    請求項7記載の結像光学系。
    5.0<Bf/|f|<20.0 …(5−1)
  13. 下記条件式(1−a)を満足する
    請求項1記載の結像光学系。
    10.0<|fA/f|<90.0 …(1−a)
  14. 下記条件式(1−b)を満足する
    請求項13記載の結像光学系。
    10.0<|fA/f|≦82.61 …(1−b)
  15. 下記条件式(1−c)を満足する
    請求項14記載の結像光学系。
    10.0<|fA/f|≦52.55 …(1−c)
  16. 下記条件式(5−a)を満足する
    請求項7記載の結像光学系。
    4.0<Bf/|f|≦7.68 …(5−a)
  17. 前記結像光学系の中間位置に光路折り曲げ手段が配置されている、請求項1から16のいずれか1項記載の結像光学系。
  18. 前記結像光学系中に2つの光路折り曲げ手段が設けられている、請求項1から17のいずれか1項記載の結像光学系。
  19. 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結像光学系としての請求項1から18のいずれか1項記載の結像光学系とを備えたことを特徴とする投写型表示装置。
  20. 請求項1から19のいずれか1項記載の結像光学系を備えた撮像装置。
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