JP6858153B2 - 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、中間像を形成する結像光学系、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に関するものである。
従来、液晶表示素子やＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ：登録商標）表示素子等のライトバルブを用いた投写型表示装置が広く用いられている。
この種の投写型表示装置に用いら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。また、スクリーンまでの距離設定の自由度を高めることを考慮して、広角でありながら、諸収差が良好に補正された高い光学性能を有する結像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、縮小側結像面と共役な位置に中間像を形成し、この中間像を拡大側結像面に再結像させる結像光学系が提案されている。（例えば、特許文献１）
特開２０１７−２１５５０３号公報
しかしながら、特許文献１のレンズは、合焦時の歪曲収差変動が大きく、投写距離を変化させた際の性能変化が大きい。そのため、合焦範囲を広く確保することが難しいという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、広角でありながら、投写距離を変化させた際の性能変化が小さい結像光学系、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、拡大側から順に、拡大側結像面と共役な位置に中間像を形成する第１光学系と、中間像を縮小側結像面に再結像させる第２光学系とからなり、第１光学系は、合焦時に互いに異なる軌跡で移動する少なくとも２つの合焦レンズ群を備え、全系の焦点距離を１に規格化し、光軸に平行な高さｈ＝１の光線を縮小側から入射させて近軸追跡を行った時、最も拡大側の合焦レンズ群に入射する光線の光軸に対する傾角をｕ１、最も拡大側の合焦レンズ群から出射する光線の光軸に対する傾角をｕ２、ｕ１の値およびｕ２の値の単位をラジアンとした場合、条件式（１）を満足する。
−０．３＜ｕ１−ｕ２＜０．３ …（１）
なお、条件式（１−１）を満足することがより好ましい。
−０．２＜ｕ１−ｕ２＜０．２ …（１−１）
本発明の結像光学系においては、全系の焦点距離をｆ、最も拡大側の合焦レンズ群のみを縮小側に｜ｆ｜／１００移動させたときのバックフォーカス変化量をΔＢｆ、最も拡大側の合焦レンズ群のみを縮小側に｜ｆ｜／１００移動させたときのタンジェンシャル像面における最大画角の主光線の光軸方向の結像位置変化量をΔｔａｓとした場合、条件式（２）を満足することが好ましい。なお、条件式（２−１）を満足することがより好ましく、条件式（２−２）を満足することがさらに好ましい。
−０．５＜ΔＢｆ／Δｔａｓ＜０．５ …（２）
−０．２５＜ΔＢｆ／Δｔａｓ＜０．２５ …（２−１）
０＜ΔＢｆ／Δｔａｓ＜０．２ …（２−２）
また、全系の焦点距離を１に規格化し、光軸に平行な高さｈ＝１の光線を縮小側から入射させて近軸追跡を行った時、合焦レンズ群内での光線の高さの最大値を｜ｈｆｍａｘ｜、全系内での光線の高さの最大値を｜ｈｍａｘ｜とした場合、条件式（３）を満足することが好ましい。なお、条件式（３−１）を満足することがより好ましい。
０．０５＜｜ｈｆｍａｘ｜／｜ｈｍａｘ｜＜０．５ …（３）
０．１＜｜ｈｆｍａｘ｜／｜ｈｍａｘ｜＜０．４ …（３−１）
また、第１光学系は、合焦レンズ群を２つのみ備えることが好ましい。
また、第１光学系が備える全ての合焦レンズ群の各々の移動量の比は、常に一定であることが好ましい。
また、反射面で光軸を９０°折り曲げる２つの光軸折り曲げ手段を備えることが好ましい。
また、第２光学系は、変倍時に移動する変倍レンズ群を備えることが好ましい。
この場合、第２光学系は、変倍時に互いに異なる軌跡で移動する変倍レンズ群を少なくとも３つ備えるとともに、最も縮小側に変倍時に固定される正の屈折力を有するレンズ群を備えることが好ましい。
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記載の本発明の結像光学系とを備える。
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る。
なお、上記「〜からなる」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やミラーやプリズム等のレンズ以外の光学要素、レンズフランジ、レンズバレル、撮像素子、手ぶれ補正機構等の機構部分、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」、「合焦レンズ群」、および、「変倍レンズ群」とは、レンズ以外にも、絞りやマスクやカバーガラスやフィルタやミラーやプリズム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」、「合焦レンズ群」、および、「変倍レンズ群」については、合焦または変倍時に隣り合う群との光軸方向の間隔が変化する群を一つのレンズ群とする。
また、各条件式の記号のうち、ｆの値、ΔＢｆの値、および、Δｔａｓの値については、拡大側結像面から第１光学系までの距離が無限遠の場合の値とする。また、結像光学系が変倍機能を有する場合、ΔＢｆの値およびΔｔａｓの値については、広角端における値とする。
本発明の結像光学系は、拡大側から順に、拡大側結像面と共役な位置に中間像を形成する第１光学系と、中間像を縮小側結像面に再結像させる第２光学系とからなり、第１光学系は、合焦時に互いに異なる軌跡で移動する少なくとも２つの合焦レンズ群を備え、全系の焦点距離を１に規格化し、光軸に平行な高さｈ＝１の光線を縮小側から入射させて近軸追跡を行った時、最も拡大側の合焦レンズ群に入射する光線の光軸に対する傾角をｕ１、最も拡大側の合焦レンズ群から出射する光線の光軸に対する傾角をｕ２、ｕ１の値およびｕ２の値の単位をラジアンとした場合、条件式（１）を満足するようにしたので、広角でありながら、投写距離を変化させた際の性能変化が小さい結像光学系、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ができる。
−０．３＜ｕ１−ｕ２＜０．３ …（１）
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）のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例１の結像光学系のミラーを含む構成を示す断面図 本発明の実施例２の結像光学系のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例２の結像光学系のミラーを含む構成を示す断面図 本発明の実施例３の結像光学系のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例３の結像光学系のミラーを含む構成を示す断面図 本発明の実施例４の結像光学系のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例４の結像光学系のミラーを含む構成を示す断面図 本発明の実施例５の結像光学系のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例５の結像光学系のミラーを含む構成を示す断面図 本発明の実施例６の結像光学系のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例６の結像光学系のミラーを含む構成を示す断面図 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 本発明の実施例５の結像光学系の各収差図 本発明の実施例６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２２に示す撮像装置の背面側の斜視図
以下、本発明の一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レンズ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、左側が拡大側、右側が縮小側となるように記載している。また、図１は、拡大側結像面から第１結像光学系までの距離が無限遠の状態を示しており、上段に広角端の状態を示し、光束として軸上光束Ｗａおよび最大画角の光束Ｗｂを併せて記入し、下段に望遠端の状態を示し、光束として軸上光束Ｔａおよび最大画角の光束Ｔｂを併せて記入している。
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、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。
図１に示す通り、本実施形態の結像光学系は、拡大側から順に、拡大側結像面と共役な位置に中間像ＭＩを形成する第１光学系Ｇ１と、中間像ＭＩを縮小側結像面（画像表示面Ｓｉｍ）に再結像させる第２光学系Ｇ２とから構成される。
第１光学系Ｇ１は、合焦時に互いに異なる軌跡で移動する少なくとも２つの合焦レンズ群を備えている。
本実施形態の結像光学系では、一例として、第１光学系Ｇ１は、拡大側から順に、レンズＬ１ａ〜レンズＬ１ｄの４枚のレンズから構成される第１ａレンズ群Ｇ１ａと、レンズＬ１ｅのみの１枚のレンズから構成される第１ｂレンズ群Ｇ１ｂと、レンズＬ１ｆのみの１枚のレンズから構成される第１ｃレンズ群Ｇ１ｃと、レンズＬ１ｇ〜レンズＬ１ｌの６枚のレンズから構成される第１ｄレンズ群Ｇ１ｄとから構成されている。このうち第１ｂレンズ群Ｇ１ｂおよび第１ｃレンズ群Ｇ１ｃが合焦レンズ群として構成されている。
このように、結像光学系中に中間像ＭＩを形成する構成とすることによって、画角を広げつつ、レンズ外径を抑えることができる。
また、中間像ＭＩより拡大側の第１光学系Ｇ１において、少なくとも２つの合焦レンズ群を備えることによって、広角の結像光学系としたときに、像面湾曲の距離変動を抑えることができる。
また、本実施形態の結像光学系は、全系の焦点距離を１に規格化し、光軸Ｚに平行な高さｈ＝１の光線を縮小側から入射させて近軸追跡を行った時、最も拡大側の合焦レンズ群に入射する光線の光軸Ｚに対する傾角をｕ１、最も拡大側の合焦レンズ群から出射する光線の光軸Ｚに対する傾角をｕ２、ｕ１の値およびｕ２の値の単位をラジアンとした場合、条件式（１）を満足するように構成されている。
−０．３＜ｕ１−ｕ２＜０．３ …（１）
最も拡大側の合焦レンズ群は、合焦レンズ群を移動させた時の歪曲収差の変動が起きやすいが、条件式（１）を満足することによって、広角の結像光学系でも、投写距離を変化させたときの歪曲収差の変化を抑えることが可能となる。なお、条件式（１−１）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。
−０．２＜ｕ１−ｕ２＜０．２ …（１−１）
本実施形態の結像光学系においては、全系の焦点距離をｆ、最も拡大側の合焦レンズ群のみを縮小側に｜ｆ｜／１００移動させたときのバックフォーカス変化量をΔＢｆ、最も拡大側の合焦レンズ群のみを縮小側に｜ｆ｜／１００移動させたときのタンジェンシャル像面における最大画角の主光線の光軸方向の結像位置変化量をΔｔａｓとした場合、条件式（２）を満足することが好ましい。広角の結像光学系で合焦を行う場合、結像領域周辺の像面倒れの制御が問題となるが、結像領域周辺の像面倒れへの影響が大きい最も拡大側の合焦レンズ群について、条件式（２）を満足することによって、投写距離を変化させたときの結像領域周辺の像面倒れを抑えるのに有利となる。なお、条件式（２−１）、より好ましくは条件式（２−２）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。
−０．５＜ΔＢｆ／Δｔａｓ＜０．５ …（２）
−０．２５＜ΔＢｆ／Δｔａｓ＜０．２５ …（２−１）
０＜ΔＢｆ／Δｔａｓ＜０．２ …（２−２）
また、全系の焦点距離を１に規格化し、光軸に平行な高さｈ＝１の光線を縮小側から入射させて近軸追跡を行った時、合焦レンズ群内での光線の高さの最大値を｜ｈｆｍａｘ｜、全系内での光線の高さの最大値を｜ｈｍａｘ｜とした場合、条件式（３）を満足することが好ましい。条件式（３）の下限以下とならないようにすることによって、投写距離を変化させたときの像面湾曲の変化を抑えることができる。条件式（３）の上限以上とならないようにすることによって、投写距離を変化させたときの歪曲収差の変化を抑えることができる。なお、条件式（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。
０．０５＜｜ｈｆｍａｘ｜／｜ｈｍａｘ｜＜０．５ …（３）
０．１＜｜ｈｆｍａｘ｜／｜ｈｍａｘ｜＜０．４ …（３−１）
また、第１光学系Ｇ１は、合焦レンズ群を２つのみ備えることが好ましい。このような構成とすることによって、合焦性能を確保しつつ、簡単な構成とすることができるため、低コスト化に寄与する。
また、第１光学系Ｇ１が備える全ての合焦レンズ群の各々の移動量の比は、常に一定であることが好ましい。このような構成とすることによって、合焦レンズ群を移動させる機構が単純になるため、低コスト化に寄与する。
また、一例として図２に示すように、反射面で光軸を９０°折り曲げる２つの光軸折り曲げ手段Ｒ１，Ｒ２を備えることが好ましい。２つの光軸折り曲げ手段Ｒ１，Ｒ２としては、例えばミラーまたはプリズム等の、光軸を折り曲げ可能な光学部材を用いることができる。このような構成とすることによって、結像光学系の長さを短縮し、小型化に有利となる。
また、第２光学系Ｇ２は、変倍時に移動する変倍レンズ群を備えることが好ましい。本実施形態の結像光学系において、中間像ＭＩよりも拡大側の第１光学系Ｇ１は投写レンズ部、中間像ＭＩよりも縮小側の第２光学系Ｇ２はリレーレンズ部となるが、広角系である第１光学系Ｇ１ではなく、第２光学系Ｇ２を変倍群とすることで、像面湾曲および歪曲収差の変動を抑えるのに有利となる。
この場合、第２光学系Ｇ２は、変倍時に互いに異なる軌跡で移動する変倍レンズ群を少なくとも３つ備えるとともに、最も縮小側に変倍時に固定される正の屈折力を有するレンズ群を備えることが好ましい。このように、第２光学系Ｇ２に変倍レンズ群を少なくとも３つ備えることによって、広角の結像光学系における諸収差を抑えるのに有利となる。また、第２光学系Ｇ２の最も縮小側に正の屈折力を有する固定レンズ群を配置することによって、変倍時のテレセントリック性の変動を抑えるのに有利となる。
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の結像光学系のレンズ構成を示す断面図を図１に示す。また、実施例１の結像光学系のミラー（光軸折り曲げ手段Ｒ１，Ｒ２）を含む構成を示す断面図を図２に示す。図１，２および後述の実施例２〜６に対応した図３〜１２においては、光軸を展開したときに、左側が拡大側、右側が縮小側となるように記載している。
また、実施例１〜３に対応した図１〜６は、拡大側結像面から第１光学系Ｇ１までの距離が無限遠の状態を示しており、上段に広角端の状態を示し、光束として軸上光束Ｗａおよび最大画角の光束Ｗｂを併せて記入し、下段に望遠端の状態を示し、光束として軸上光束Ｔａおよび最大画角の光束Ｔｂを併せて記入している。
また、実施例４〜６に対応した図７〜１２は、拡大側結像面から第１光学系Ｇ１までの距離が無限遠の状態を示しており、光束として軸上光束Ｂａおよび最大画角の光束Ｂｂを併せて記入している。
実施例１の結像光学系は、拡大側から順に、拡大側結像面と共役な位置に中間像ＭＩを形成する第１光学系Ｇ１と、中間像ＭＩを縮小側結像面（画像表示面Ｓｉｍ）に再結像させる第２光学系Ｇ２とから構成される。
第１光学系Ｇ１は、拡大側から順に、レンズＬ１ａ〜レンズＬ１ｄの４枚のレンズから構成される第１ａレンズ群Ｇ１ａと、レンズＬ１ｅのみの１枚のレンズから構成される第１ｂレンズ群Ｇ１ｂと、レンズＬ１ｆのみの１枚のレンズから構成される第１ｃレンズ群Ｇ１ｃと、レンズＬ１ｇ〜レンズＬ１ｌの６枚のレンズから構成される第１ｄレンズ群Ｇ１ｄとから構成されている。このうち第１ｂレンズ群Ｇ１ｂおよび第１ｃレンズ群Ｇ１ｃが合焦レンズ群として構成されている。
第２光学系Ｇ２は、拡大側から順に、レンズＬ２ａのみの１枚のレンズから構成される第２ａレンズ群Ｇ２ａと、レンズＬ２ｂのみの１枚のレンズから構成される第２ｂレンズ群Ｇ２ｂと、レンズＬ２ｃ〜レンズＬ２ｅの３枚のレンズから構成される第２ｃレンズ群Ｇ２ｃと、レンズＬ２ｆのみの１枚のレンズから構成される第２ｄレンズ群Ｇ２ｄと、開口絞りＳｔおよびレンズＬ２ｇ〜レンズＬ２ｉの３枚のレンズから構成される第２ｅレンズ群Ｇ２ｅと、レンズＬ２ｊのみの１枚のレンズから構成される第２ｆレンズ群Ｇ２ｆとから構成されている。このうち第２ｂレンズ群Ｇ２ｂ、第２ｃレンズ群Ｇ２ｃ、第２ｄレンズ群Ｇ２ｄ、および、第２ｅレンズ群Ｇ２ｅが変倍レンズ群として構成されている。
実施例１の結像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、合焦時に変化する面間隔に関するデータを表３に、変倍時に変化する面間隔に関するデータを表４に、非球面係数に関するデータを表５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２〜６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（ナノメートル））における屈折率を示し、νの欄には各光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ（ナノメートル））におけるアッベ数を示す。また、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。また、表１のレンズデータにおいて、合焦時および変倍時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３および表４に示している。
表２の諸元に関するデータに、ズーム倍率、焦点距離｜ｆ｜、バックフォーカスＢｆ、ＦナンバーＦＮｏ．、全画角２ω（°）の値を示す。
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５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５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の値である。
Ｚｄ＝Ｃ・ｈ２／｛１＋（１−ＫＡ・Ｃ２・ｈ２）１/２｝＋ΣＡｍ・ｈｍ
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
であり、非球面深さＺｄにおけるΣはｍに関する総和を意味する。
基本レンズデータおよび諸元に関するデータにおいて、角度の単位としては°を用い、長さ（距離）については広角端における焦点距離｜ｆ｜＝１で規格化した数値を記載している。
Figure 0006858153
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実施例１の結像光学系の各収差図を図１３に示す。なお、図１３の１段目（広角端：拡大側結像面から第１光学系Ｇ１までの距離（以下、投写距離）１１８．１）、２段目（望遠端：投写距離１１８．１）、３段目（広角端：投写距離８６．４）、４段目（広角端：投写距離２２２．２）の各々において、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（ナノメートル））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（ナノメートル））、Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ（ナノメートル））、およびＦ線（波長４８６．１ｎｍ（ナノメートル））についての収差をそれぞれ実線、長破線、および短破線で示す。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（ナノメートル））およびＦ線（波長４８６．１ｎｍ（ナノメートル））についての収差をそれぞれ長破線および短破線で示す。なお、球面収差図のＦＮｏ．はＦナンバー、その他の収差図のωは半画角を意味する。
次に、実施例２の結像光学系について説明する。実施例２の結像光学系のレンズ構成を示す断面図を図３に、実施例２の結像光学系のミラー（光軸折り曲げ手段Ｒ１，Ｒ２）を含む構成を示す断面図を図４に示す。実施例２の結像光学系の群構成は、第２光学系Ｇ２が、拡大側から順に、レンズＬ２ａのみの１枚のレンズから構成される第２ａレンズ群Ｇ２ａと、レンズＬ２ｂのみの１枚のレンズから構成される第２ｂレンズ群Ｇ２ｂと、レンズＬ２ｃ〜レンズＬ２ｄの２枚のレンズから構成される第２ｃレンズ群Ｇ２ｃと、レンズＬ２ｅのみの１枚のレンズから構成される第２ｄレンズ群Ｇ２ｄと、開口絞りＳｔおよびレンズＬ２ｆ〜レンズＬ２ｈの３枚のレンズから構成される第２ｅレンズ群Ｇ２ｅと、レンズＬ２ｉのみの１枚のレンズから構成される第２ｆレンズ群Ｇ２ｆとから構成されている以外は、実施例１の結像光学系と同じである。
また、実施例２の結像光学系の基本レンズデータを表６に、諸元に関するデータを表７に、合焦時に変化する面間隔に関するデータを表８に、変倍時に変化する面間隔に関するデータを表９に、非球面係数に関するデータを表１０に、各収差図を図１４に示す。なお、図１４における投写条件は、１段目（広角端：投写距離１１８．１）、２段目（望遠端：投写距離１１８．１）、３段目（広角端：投写距離８６．５）、４段目（広角端：投写距離２２２．３）の通りである。
Figure 0006858153
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次に、実施例３の結像光学系について説明する。実施例３の結像光学系のレンズ構成を示す断面図を図５に、実施例３の結像光学系のミラー（光軸折り曲げ手段Ｒ１，Ｒ２）を含む構成を示す断面図を図６に示す。実施例３の結像光学系の群構成は、第２光学系Ｇ２が、拡大側から順に、レンズＬ２ａ〜レンズＬ２ｂの２枚のレンズから第２ａレンズ群Ｇ２ａと、レンズＬ２ｃ〜レンズＬ２ｄの２枚のレンズから第２ｂレンズ群Ｇ２ｂと、レンズＬ２ｅ〜レンズＬ２ｆの２枚のレンズから構成される第２ｃレンズ群Ｇ２ｃと、レンズＬ２ｇのみの１枚のレンズから構成される第２ｄレンズ群Ｇ２ｄと、開口絞りＳｔおよびレンズＬ２ｈ〜レンズＬ２ｊの３枚のレンズから構成される第２ｅレンズ群Ｇ２ｅと、レンズＬ２ｋのみの１枚のレンズから構成される第２ｆレンズ群Ｇ２ｆとから構成されている以外は、実施例１の結像光学系と同じである。
また、実施例３の結像光学系の基本レンズデータを表１１に、諸元に関するデータを表１２に、合焦時に変化する面間隔に関するデータを表１３に、変倍時に変化する面間隔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１５に示す。なお、図１５における投写条件は、１段目（広角端：投写距離１１７．６）、２段目（望遠端：投写距離１１７．６）、３段目（広角端：投写距離８６．１）、４段目（広角端：投写距離２２１．４）の通りである。
Figure 0006858153
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次に、実施例４の結像光学系について説明する。実施例４の結像光学系のレンズ構成を示す断面図を図７に、実施例４の結像光学系のミラー（光軸折り曲げ手段Ｒ１，Ｒ２）を含む構成を示す断面図を図８に示す。実施例４の結像光学系は、拡大側から順に、拡大側結像面と共役な位置に中間像ＭＩを形成する第１光学系Ｇ１と、中間像ＭＩを縮小側結像面（画像表示面Ｓｉｍ）に再結像させる第２光学系Ｇ２とから構成される。第１光学系Ｇ１は、拡大側から順に、レンズＬ１ａ〜レンズＬ１ｃの３枚のレンズから構成される第１ａレンズ群Ｇ１ａと、レンズＬ１ｄのみの１枚のレンズから構成される第１ｂレンズ群Ｇ１ｂと、レンズＬ１ｅのみの１枚のレンズから構成される第１ｃレンズ群Ｇ１ｃと、レンズＬ１ｆ〜レンズＬ１ｋの６枚のレンズから構成される第１ｄレンズ群Ｇ１ｄとから構成されている。このうち第１ｂレンズ群Ｇ１ｂおよび第１ｃレンズ群Ｇ１ｃが合焦レンズ群として構成されている。第２光学系Ｇ２は、変倍レンズ群を備えず、開口絞りＳｔおよびレンズＬ２ａ〜レンズＬ２ｈの８枚のレンズから構成されている。
また、実施例４の結像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、合焦時に変化する面間隔に関するデータを表１８に、非球面係数に関するデータを表１９に、各収差図を図１６に示す。なお、図１６における投写条件は、１段目（投写距離１２１．５）、２段目（投写距離７４．７）、３段目（投写距離２３０．５）の通りである。
Figure 0006858153
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次に、実施例５の結像光学系について説明する。実施例５の結像光学系のレンズ構成を示す断面図を図９に、実施例５の結像光学系のミラー（光軸折り曲げ手段Ｒ１，Ｒ２）を含む構成を示す断面図を図１０に示す。実施例５の結像光学系の群構成は、第２光学系Ｇ２が、開口絞りＳｔおよびレンズＬ２ａ〜レンズＬ２ｉの９枚のレンズから構成されている以外は、実施例４の結像光学系と同じである。また、実施例５の結像光学系の基本レンズデータを表２０に、諸元に関するデータを表２１に、合焦時に変化する面間隔に関するデータを表２２に、非球面係数に関するデータを表２３に、各収差図を図１７に示す。なお、図１７における投写条件は、１段目（投写距離１１５．４）、２段目（投写距離７２．６）、３段目（投写距離２９０．４）の通りである。
Figure 0006858153
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次に、実施例６の結像光学系について説明する。実施例６の結像光学系のレンズ構成を示す断面図を図１１に、実施例６の結像光学系のミラー（光軸折り曲げ手段Ｒ１，Ｒ２）を含む構成を示す断面図を図１２に示す。実施例６の結像光学系の群構成は、実施例４の結像光学系と同じである。
また、実施例６の結像光学系の基本レンズデータを表２４に、諸元に関するデータを表２５に、合焦時に変化する面間隔に関するデータを表２６に、非球面係数に関するデータを表２７に、各収差図を図１８に示す。なお、図１８における投写条件は、１段目（投写距離１２１．４）、２段目（投写距離７４．６）、３段目（投写距離２０４．８）の通りである。
Figure 0006858153
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実施例１〜６の結像光学系の条件式（１）〜（３）に対応する値を表２８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２８に示す値はこの基準波長におけるものである。
Figure 0006858153
以上のデータから、実施例１〜６の結像光学系は全て、条件式（１）〜（３）を満たしており、全画角が１３０°以上と広角でありながら、投写距離を変化させた際の性能変化が小さい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１９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１９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１９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１９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２０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２０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２０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２０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２１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２１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２１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２１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２２、図２３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２２は、カメラ４００を前側から見た斜視図を示し、図２３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）またはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）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
Ｂａ 軸上光束
Ｂｂ 最大画角の光束
Ｇ１ 第１光学系
Ｇ１ａ 第１ａレンズ群
Ｇ１ｂ 第１ｂレンズ群
Ｇ１ｃ 第１ｃレンズ群
Ｇ１ｄ 第１ｄレンズ群
Ｇ２ 第２光学系
Ｇ２ａ 第２ａレンズ群
Ｇ２ｂ 第２ｂレンズ群
Ｇ２ｃ 第２ｃレンズ群
Ｇ２ｄ 第２ｄレンズ群
Ｇ２ｅ 第２ｅレンズ群
Ｇ２ｆ 第２ｆレンズ群
Ｌ１ａ〜Ｌ２ｋ レンズ
ＭＩ 中間像
ＰＰ 光学部材
Ｒ１ 第１光軸折り曲げ手段
Ｒ２ 第２光軸折り曲げ手段
Ｓｉｍ 画像表示面
Ｔａ 望遠端における軸上光束
Ｔｂ 望遠端における最大画角の光束
Ｗａ 広角端における軸上光束
Ｗｂ 広角端における最大画角の光束
Ｚ 光軸

Claims (14)

  1. 拡大側から順に、拡大側結像面と共役な位置に中間像を形成する第１光学系と、前記中間像を縮小側結像面に再結像させる第２光学系とからなり、
    前記第１光学系は、合焦時に互いに異なる軌跡で移動する少なくとも２つの合焦レンズ群を備え、
    全系の焦点距離を１に規格化し、光軸に平行な高さｈ＝１の光線を縮小側から入射させて近軸追跡を行った時、
    最も拡大側の前記合焦レンズ群に入射する前記光線の光軸に対する傾角をｕ１、
    最も拡大側の前記合焦レンズ群から出射する前記光線の光軸に対する傾角をｕ２、
    前記ｕ１の値および前記ｕ２の値の単位をラジアンとした場合、
    −０．３＜ｕ１−ｕ２＜０．３ …（１）
    で表される条件式（１）を満足する結像光学系。
  2. 全系の焦点距離をｆ、
    最も拡大側の前記合焦レンズ群のみを縮小側に｜ｆ｜／１００移動させたときのバックフォーカス変化量をΔＢｆ、
    最も拡大側の前記合焦レンズ群のみを縮小側に｜ｆ｜／１００移動させたときのタンジェンシャル像面における最大画角の主光線の光軸方向の結像位置変化量をΔｔａｓとした場合、
    −０．５＜ΔＢｆ／Δｔａｓ＜０．５ …（２）
    で表される条件式（２）を満足する
    請求項１記載の結像光学系。
  3. 全系の焦点距離を１に規格化し、光軸に平行な高さｈ＝１の光線を縮小側から入射させて近軸追跡を行った時、
    前記合焦レンズ群内での前記光線の高さの最大値を｜ｈｆｍａｘ｜、
    全系内での前記光線の高さの最大値を｜ｈｍａｘ｜とした場合、
    ０．０５＜｜ｈｆｍａｘ｜／｜ｈｍａｘ｜＜０．５ …（３）
    で表される条件式（３）を満足する
    請求項１または２記載の結像光学系。
  4. 前記第１光学系は、前記合焦レンズ群を２つのみ備える
    請求項１から３のいずれか１項記載の結像光学系。
  5. 前記第１光学系が備える全ての前記合焦レンズ群の各々の移動量の比は、常に一定である
    請求項１から４のいずれか１項記載の結像光学系。
  6. 反射面で光軸を９０°折り曲げる２つの光軸折り曲げ手段を備える
    請求項１から５のいずれか１項記載の結像光学系。
  7. 前記第２光学系は、変倍時に移動する変倍レンズ群を備える
    請求項１から６のいずれか１項記載の結像光学系。
  8. 前記第２光学系は、変倍時に互いに異なる軌跡で移動する前記変倍レンズ群を少なくとも３つ備えるとともに、最も縮小側に変倍時に固定される正の屈折力を有するレンズ群を備える
    請求項７記載の結像光学系。
  9. −０．２＜ｕ１−ｕ２＜０．２ …（１−１）
    で表される条件式（１−１）を満足する
    請求項１記載の結像光学系。
  10. −０．２５＜ΔＢｆ／Δｔａｓ＜０．２５ …（２−１）
    で表される条件式（２−１）を満足する
    請求項２記載の結像光学系。
  11. ０＜ΔＢｆ／Δｔａｓ＜０．２ …（２−２）
    で表される条件式（２−２）を満足する
    請求項２記載の結像光学系。
  12. ０．１＜｜ｈｆｍａｘ｜／｜ｈｍａｘ｜＜０．４ …（３−１）
    で表される条件式（３−１）を満足する
    請求項３記載の結像光学系。
  13. 光源と、前記光源からの光が入射するライトバルブと、前記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１２のいずれか１項記載の結像光学系とを備えた投写型表示装置。
  14. 請求項１から１２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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