JP6873877B2 - 光学系、および画投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学系、および画像投影装置に関する。

従来、液晶などの画像表示素子に基づく画像をスクリーン面に投影する画像投影装置（プロジェクター）が種々提案されている。近年、プロジェクターには、小型化や高精細化の要望と共に、近距離投影が可能な広角化が強く求められており、投射光学系にレンズなどの屈折光学素子およびミラーなどの反射光学素子を設けることで超広角化を実現するプロジェクターが知られている。

特許文献１には、小型化および高精細化のために、凹形状のミラーと複数のレンズから構成され、最も拡大共役側の反射面から画像表示素子の表示面までの距離と、表示面における光軸から最も離れた端部までの距離とを最適化する投射光学系が開示されている。

特許文献２には、小型化のために、凸形状および凹形状のミラーと複数のレンズから構成され、各ミラーの配置と焦点距離とを適切に設定する投射光学系が開示されている。

特開２００８−２５０２９６号公報 特開２００９−１５７２２３号公報

しかしながら、特許文献１の投射光学系は、凹ミラーしか備えていないため、収差補正が不足し、十分な光学性能を得ることができない。

また、特許文献２の投射光学系は、２つのミラーと屈折光学系のパワー配置が不適切であるため、収差補正が不十分であり、良好な光学性能を得ることができない。十分に収差補正を行うためにはレンズやミラーを増やす必要があり、小型化が困難になってしまう。

本発明は、小型で画面全体にわたり良好な光学性能を有する光学系、ズームレンズおよび画像投影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光学系は、縮小共役側から拡大共役側へ順に配置された、正の屈折力を有する屈折光学部と、正の屈折力を有するミラー素子および負の屈折力を有するミラー素子を備えるミラー光学部と、を有し、前記ミラー光学部は、前記屈折光学部による中間像を前記ミラー光学部で再結像させる光学系であって、前記屈折光学部の屈折力をφ０、前記ミラー光学部のうち最も強い正の屈折力を有するミラー素子の屈折力をφＭ１とし、前記屈折光学部の最も拡大共役側の面から前記ミラー光学部のうち最も強い正の屈折力を有するミラー素子の反射面までの光軸上の距離をＬ１、軸上光束の中間像点から前記ミラー光学部のうち最も強い正の屈折率を有するミラー素子の反射面までの光軸上の距離をＬ２とし、前記光学系の全系の屈折力をφｆａとするとき、
０．６≦φ０／φＭ１≦０．９５
０．２３≦Ｌ２／Ｌ１≦０．４
０．０９≦｜φ０／φｆａ｜≦０．２
なる条件式を満足することを特徴とする。

本発明によれば、小型で画面全体にわたり良好な光学性能を有する光学系、および画像投影装置を提供することができる。

実施例１の投射レンズユニットの説明図である。 実施例１の投射レンズユニットの投影距離８１４ｍｍにおける収差図である。 実施例２の投射レンズユニットの説明図である。 実施例２の投射レンズユニットの投影距離８１４ｍｍにおける収差図である。 実施例３の投射レンズユニットの説明図である。 実施例３の投射レンズユニットの投影距離８１４ｍｍにおける収差図である。 実施例４の投射レンズユニットの説明図である。 実施例４の投射レンズユニットの投影距離８１４ｍｍにおける収差図である。 実施例５の投射レンズユニットの説明図である。 実施例５の投射レンズユニットの投影距離８１４ｍｍにおける収差図である。 実施例１の光学系を有する画像投影装置の断面図である。 投影システムの構成模式図である。

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。

本実施形態の光学系は正の屈折力を有する屈折光学系（屈折光学部）およびミラー光学系（ミラー光学部）により構成され、ミラー光学系は正の屈折力を有する凹ミラーおよび負の屈折力を有する凸ミラーを備える。

本実施形態では、屈折光学系と凹ミラーを組み合わせることで、短焦点化を実現することができる。通常、正の屈折力を有する屈折光学系を組み合わせた場合、広角化は実現できるが、ペッツバール和は加算関係になってしまい像面湾曲が大きく生じてしまう。一方、凹ミラーは正の屈折力を有しつつ、正の屈折力を有する屈折光学系のペッツバール和を打ち消す効果があるため、広角化を実現しながら良好な像面性能を得ることができる。

また、凸ミラーを配置することで屈折光学系と凹ミラーで生じた負の歪曲を打ち消すことができるため、広角化と良好な像面性能に加えて低歪曲を実現することができる。

また、屈折光学系による中間像をミラー光学系で再結像させることで、光学系をより小型化することができる。

さらに、屈折光学系と凹ミラーとの間で、凹ミラーの反射面に近い位置に中間像を作ることで、凹ミラーの小型化および高画質化を実現することができる。

本実施形態では、凹ミラーの屈折力に対して屈折光学系の屈折力を小さくしている。これにより、屈折光学系で生じる歪曲収差や色収差等を低減させることができるため、光学系全体として良好な光学性能を得ることができる。

また、画像表示素子から中間像点までの共役長を長く設定し、凹ミラーの反射面に近い位置に中間像を作ることで、凹ミラーの小型化および高画質化を実現することができる。

本実施形態の光学系は、屈折光学系の屈折力をφ０、ミラー光学系のうち最も強い正の屈折力を有するミラー素子の屈折力をφＭ１とするとき、以下の条件式（１）を満足する。

０．１≦φ０／φＭ１≦２ （１）
条件式（１）を満足することで、良好な光学性能を有する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、正の屈折力を有する凹ミラーの屈折力が強くなりすぎてしまい、像面湾曲や歪曲収差が大きくなりすぎてしまう。また、条件式（１）の上限値を超えると、屈折光学系の屈折力が大きくなりすぎてしまい、歪曲収差や色収差が大きくなりすぎてしまう。

なお、条件式（１）の数値範囲を以下のように設定することがより好ましい。

０．６≦φ０／φＭ１≦０．９５ （１ａ）
また、本実施形態の光学系は、屈折光学系およびミラー光学系を含む光学系全系の屈折力をφｆａとするとき、以下の条件式（２）、（３）を満足する。

０．０５≦｜φＭ１／φｆａ｜≦０．２ （２）
０．０１≦｜φ０／φｆａ｜≦０．２ （３）
条件式（２）、（３）を満足することで、広角化を達成しつつ、小型で良好な光学性能を有する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、凹ミラーの屈折力が小さくなりすぎて凹ミラーの小型化が困難になってしまう。また、条件式（２）の上限値を超えると、凹ミラーの屈折力が大きくなりすぎて凹ミラーの像面湾曲や歪曲収差が大きくなりすぎてしまう。条件式（３）の下限値を超えると、屈折光学系の屈折力が小さくなりすぎてしまい、小型化が困難になる。また、条件式（３）の上限値を超えると、屈折光学系の屈折力が大きくなりすぎてしまい、歪曲収差や色収差が大きくなりすぎてしまう。

なお、条件式（２）の数値範囲を以下のように設定することがより好ましい。

０．０９≦｜φＭ１／φｆａ｜≦０．１５ （２ａ）
また、屈折光学系の最も拡大共役側の面からミラー光学系のうち最も強い正の屈折力を有するミラー素子の反射面までの光軸上の距離をＬ１とする。軸上光束の中間像点からミラー光学系のうち最も強い正の屈折力を有するミラー素子の反射面までの光軸上の距離をＬ２とする。このとき、本実施形態の光学系は、以下の条件式（４）を満足する。

０．０１≦Ｌ２／Ｌ１≦０．４ （４）
条件式（４）は中間像と正の屈折力を有する凹ミラーの反射面との距離を規定しており、条件式（４）を満足することで像面性能が良好な光学系を実現することができる。条件式（４）の下限値を超えると、反射面上のキズやホコリの像が最終像面上に投影されてしまう。また、条件式（４）の上限値を超えると、正の屈折力を有する凹ミラー上の光束が広がりすぎてしまい、該凹ミラーの小型化および高画質化を実現することができない。

また、本実施形態の光学系を、画像表示素子を用いる製品に搭載する場合、画像表示素子の表示面からミラー光学系のうち最も強い正の屈折力を有するミラー素子の反射面までの光軸上の距離をＬ４、屈折光学系の横倍率をβ０とする。このとき、本実施形態の光学系は、以下の条件式（５）、（６）を満足する。

０．０１≦Ｌ２／Ｌ４＜０．２２ （５）
１≦｜β０｜≦７ （６）
条件式（５）を満足することで、像面性能が良好な、画像表示素子を用いた系を実現することができる。条件式（５）の下限値を超えると、反射面上のキズやホコリの像が最終像面上に投影されてしまう。また、条件式（５）の上限値を超えると、正の屈折力を有する凹ミラー上の光束が広がりすぎてしまい、該凹ミラーの小型化および高画質化を実現することができない。

条件式（６）は屈折光学系の横倍率を規定しており、条件式（６）を満足するように、画像表示素子と中間像との共役長を適切に設定することで良好な光学性能を有する光学系を実現することができる。条件式（６）の下限値を超えると、開口数（ＮＡ）が大きくなり、正の屈折力を有する凹ミラー上の光束が大きくなりすぎてしまうため、収差補正が困難になる。また、条件式（６）の上限値を超えると、中間像が大きくなり、正の屈折力を有する凹ミラーが大きくなりすぎてしまうため、光学系を小型化することができない。

なお、条件式（６）の数値範囲を以下のように設定することがより好ましい。

３≦｜β０｜≦６ （６ａ）
また、本実施形態の光学系は、ミラー光学系のうち最も強い負の屈折力を有するミラー素子の屈折力をφＭ２とするとき、以下の条件式（７）を満足する。

１≦｜φＭ１／φＭ２｜≦５ （７）
条件式（７）は正の屈折力を有する凹ミラーと負の屈折力を有する凸ミラーの屈折力の比を規定しており、条件式（７）を満足することで広角化を達成しつつ、小型で良好な光学性能を有する光学系を実現することができる。条件式（７）の下限値を超えると、負の屈折力を有する凸ミラーの屈折力が大きくなりすぎてしまい、歪曲収差が大きくなってしまう。また、条件式（７）の上限値を超えると、正の屈折力を有する凹ミラーの屈折力が大きくなりすぎてしまい、像面湾曲が大きくなってしまう。

なお、条件式（７）の数値範囲を以下のように設定することがより好ましい。

１．３≦｜φＭ１／φＭ２｜≦２．５ （７ａ）
以下、本実施形態の光学系の変形例について説明する。超広角投影レンズを有する投影システムは、システム全体をコンパクトに構成して、設置スペースを小さくすることが求められている。レンズ全長をコンパクトにしたり、光路を折り曲げることで背面投影したりする様々な方法が提案されているが、いずれの方法も光学性能が低下してしまい、小型で良好な光学性能を有する光学系を実現することができない。一方、本実施形態では、屈折光学系、および凹ミラーと凸ミラーとを有するミラー光学系から構成される光学系を適切に折り曲げ配置することにより、小型で良好な光学性能を有する投影システムを実現することができる。

本実施形態では、実施例３〜５で説明するように、光学系は、屈折光学系とミラー光学系をコの字形状に折り曲げて背面方向へ投影する折り曲げ構成を有してもよい。折り曲げ構成を有する場合、屈折光学系の最も縮小共役側のレンズ面の中心に垂直入射する軸上主光線の光路を光学系の光軸とするとき、光軸は折れ曲げられている。折り曲げ構成を有することで、折り曲げ構成を有さない光学系に対して、小型化することができる。

また、最軸外光束の主光線は、屈折光学系の最も縮小共役側のレンズ面の中心に垂直な直線と１度だけ交差する。その交点付近に開口絞りを設けることで光学性能を向上させることができる。

距離Ｌ１とミラー光学系のうち最も強い正の屈折力を有するミラー素子の反射面から最も強い負の屈折力を有するミラー素子の反射面までの光軸上の距離Ｌ３との比を適切に設定することで、小型で良好な光学性能を有する光学系を実現することができる。光学系は、以下の条件式（８）を満足することが好ましい。

０．０１≦Ｌ３／Ｌ１≦０．８ （８）
条件式（８）を満足することで、像面性能が良好な光学系を実現することができる。条件式（８）の下限値を超えると、像面湾曲や歪曲収差が大きくなりすぎてしまう。また、条件式（８）の上限値を超えると、ミラーが大型化してしまい小型化が困難になる。

なお、条件式（８）の数値範囲を以下のように設定することがより好ましい。

０．３≦Ｌ３／Ｌ１≦０．７ （８ａ）
また、画像表示素子を用いる製品に搭載された本実施形態の光学系は、以下の条件式（９）を満足する。

０．０１≦Ｌ３／Ｌ４≦０．４５ （９）
条件式（９）を満足することで、像面性能が良好な光学系を実現することができる。条件式（９）の下限値を超えると、像面湾曲や歪曲収差が大きくなりすぎてしまう。また、条件式（９）の上限値を超えると、ミラーが大型化してしまい小型化が困難になる。

変形例である光学系のパワー配置では距離Ｌ１を大きくすることができるため、屈折光学系とミラー光学系との間に平面ミラーを有する光路屈曲系（光路屈曲部）を配置することができ、構成を容易に折り曲げ可能である。例えば、実施例３では、各平面ミラーが光軸に対して略４５度回転させた状態で配置されている。なお、本実施形態では、光路屈曲系は、光路屈曲素子として平面ミラーを有するが、凹ミラーや凸ミラーを有してもよい。

また、光軸に対して屈折光学系の光学素子やミラー素子の光軸を偏心（シフトやチルト）させることで自由度を増やすこともできる。

また、屈折光学系による物体全像高における中間像点は、平面ミラーの反射面とは異なる位置、すなわち正の屈折力を有する凹ミラーと平面ミラーとの間に位置している。本実施形態では、中間像点は、正の屈折力を有する凹ミラーと該凹ミラーに最も近接する平面ミラーとの間に位置する。これにより、スクリーン上に中間像点にあるキズやホコリの像が写り込まないようにすることができる。

また、光路中にプリズムを配置することで、様々な折り曲げレイアウトを実現することができる。

また、変形例である光学系では、画像表示素子から屈折光学系に入射する方向に対して１８０度回転した方向（背面方向）へ投影してもよいが、その角度に限定されるものではなく、９０度の方向へ投影してもよい。すなわち、屈折光学系の最も縮小共役側のレンズ面の中心に垂直入射する軸上主光線の入射方向の角度を０度とした場合、光軸系から射出される軸上主光線の射出角度は９０度から２７０度の間の角度であればよい。

また、ミラー光学系に含まれる凸ミラーは、奇数次非球面形状を有する。凹ミラーは、軸対称の非球面形状を有してもよいし、自由曲面形状を有してもよい。

また、屈折光学系が非球面レンズを有することで、歪曲等の収差発生を抑えることができる。特に、最も縮小共役側に非球面形状のレンズを配置することは、コマ収差補正に有効であり良好な光学性能を取得することができる。

また、屈折光学系またはミラー光学系に含まれる光学素子の外形を各光学系の光軸に直交する平面の水平方向または垂直方向のいずれかに対して非対称にカットすることで光学系の小型化や軽量化を実現することができる。

以上説明したように、上記構成条件を満足することで、小型で良好な光学性能を有する光学系を実現することができる。

また、本実施形態では、光学系が画像投影装置に使用される例について説明したが、本発明はこれに限定されない。本実施形態の光学系は、屈折光学系の複数のレンズユニットを隣接するレンズユニットとの間隔が変化するように移動させることで変倍可能（ズーミング可能）なズームレンズとして使用してもよいし、撮像装置に使用されてもよい。これらの場合でも本実施形態で説明した効果を得ることができる。

ここでいうレンズユニットとは、複数のレンズの集合も１枚のレンズも含む言葉である。各レンズユニットの境界は、各レンズユニット間の間隔のうちズーミングあるいはフォーカシング時に変化する間隔である。

なお、本実施形態では、発明に必要な最小限の構成について説明しており、例えば、ミラーの数や位置は本実施形態で説明した例に限定されるものではなく、光路の折り曲げ方等も本実施形態で説明した例と異なっていてもよい。

以下、各実施例の投射レンズユニットの構成について説明する。なお、各実施例では、光軸の方向をｚ方向、紙面上下方向をｙ方向、紙面奥行き方向をｘ方向、ｘ方向を回転軸とする回転をαとする。回転αでは、紙面に対して反時計回りの方向を＋向とする。

図１は、本実施例の投射レンズユニット（投影距離８１４ｍｍ）の説明図である。図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は光線図である。図２は、投射レンズユニットの投影距離８１４ｍｍにおける縦収差図である。

投射レンズユニットは、ミラー光学系１、屈折光学系２、色分離合成素子であるプリズム部３、画像表示素子４および絞りＳＴ１を有する。本実施例の光学系は、ミラー光学系１および屈折光学系２を有し、ミラー光学系１は凹ミラーおよび凸ミラーを有する。

ミラー光学系１は、縮小共役側から順に、正、負の屈折力を有する２枚のミラー素子Ｍ１１、Ｍ１２を有する。ミラー素子Ｍ１１、Ｍ１２は、非球面ミラーである。屈折光学系２は、縮小共役側から順に、正、正、正、負、正、負、正、正、正、正、負の屈折力を有する１１枚のレンズ素子Ｌ１１〜Ｌ２１を有する。レンズ素子Ｌ１１、Ｌ２１は、非球面レンズである。

本実施例では、屈折光学系２の最も縮小共役側のレンズ面の中心に垂直入射する軸上主光線の光路を光学系の光軸ＯＡ１とする。本実施例の光学系では、光軸ＯＡ１は折り曲げられておらず、レンズ素子およびミラー素子の光軸が光軸ＯＡ１に一致している。

本実施例の光学系を上述した条件式（１）〜（９）（特に、条件式（１）〜（７））を満足する構成とすることで、小型で画面全体にわたり良好な光学性能を有する超広角レンズとしての光学系を実現することができる。各条件式の値は、数値実施例１の「（Ｃ）条件式の値」に示されている。

図１１は、本実施例の光学系を有する画像投影装置の断面図である。照明光学系８２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８１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８３は、照明光学系８２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８４、８５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８７、８８、８９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８６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９０は、本実施例の光学系を備え、色合成光学系８６で合成された光をスクリーン９１などの被投射物に投射する。

図１１に示す画像投影装置において、照明光学系８２、色分離光学系８３、偏光ビームスプリッタ８４、８５、色合成光学系８６は、まとめると、光源部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３は、本実施例の投射レンズユニット（投影距離８１４ｍｍ）の説明図である。図３（ａ）は断面図、図３（ｂ）は光線図である。図４は、投射レンズユニットの投影距離８１４ｍｍにおける縦収差図である。

投射レンズユニットは、ミラー光学系２１、屈折光学系２２、色分離合成素子であるプリズム部２３、画像表示素子２４および絞りＳＴ２を有する。本実施例の光学系は、ミラー光学系２１および屈折光学系２２を有し、ミラー光学系２１は凹ミラーおよび凸ミラーを有する。本実施例の光学系は、実施例１の光学系に対して凹ミラーと凸ミラーの屈折力の比が異なる。

ミラー光学系２１は、縮小共役側から順に、正、負の屈折力を有する２枚のミラー素子Ｍ３１、Ｍ３２を有する。ミラー素子Ｍ３１、Ｍ３２は、非球面ミラーである。屈折光学系２２は、縮小共役側から順に、正、正、正、負、正、負、正、正、正、正、負の屈折力を有する１１枚のレンズ素子Ｌ３１〜Ｌ４１を有する。レンズ素子Ｌ３１、Ｌ４１は、非球面レンズである。

本実施例では、屈折光学系２２の最も縮小共役側のレンズ面の中心に垂直入射する軸上主光線の光路を光学系の光軸ＯＡ２とする。本実施例の光学系では、光軸ＯＡ２は折り曲げられておらず、レンズ素子およびミラー素子の光軸が光軸ＯＡ２に一致している。

本実施例の光学系を上述した条件式（１）〜（９）（特に、条件式（１）〜（７））を満足する構成とすることで、小型で画面全体にわたり良好な光学性能を有する超広角レンズとしての光学系を実現することができる。各条件式の値は、数値実施例２の「（Ｃ）条件式の値」に示されている。

図５は、本実施例の投射レンズユニット（投影距離８１４ｍｍ）の説明図である。図５（ａ）は断面図、図５（ｂ）は光線図である。図６は、投射レンズユニットの投影距離８１４ｍｍにおける縦収差図である。

投射レンズユニットは、ミラー光学系３１、屈折光学系３２、色分離合成素子であるプリズム部３３、画像表示素子３４および絞りＳＴ３を有する。本実施例の光学系は、ミラー光学系３１および屈折光学系３２を有し、ミラー光学系３１は２枚の平面ミラー、凹ミラーおよび凸ミラーを有する。本実施例の光学系は、実施例１、２の光学系に対してミラー光学系のレイアウトが異なる。なお、２枚の平面ミラーは、光路屈曲系であり、ミラー光学系３１と独立した構成であってもよい。

ミラー光学系３１は、縮小共役側から順に、２枚の平面ミラーＨＭ１、ＨＭ２、および正、負の屈折力を有する２枚のミラー素子Ｍ５１、Ｍ５２を有する。ミラー素子Ｍ５１、Ｍ５２は、非球面ミラーである。屈折光学系３２は、縮小共役側から順に、正、正、正、負、正、負、正、正、正、正、負の屈折力を有する１１枚のレンズ素子Ｌ５１〜Ｌ６１を有する。レンズ素子Ｌ５１、Ｌ６１は、非球面レンズである。

本実施例では、屈折光学系３２の最も縮小共役側のレンズ面の中心に垂直入射する軸上主光線の光路を光学系の光軸ＯＡ３とする。本実施例の光学系では、２枚の平面ミラーＨＭ１、ＨＭ２はそれぞれ、入射する光線に対してα方向において略４５度傾けて配置されている。具体的には、平面ミラーＨＭ１は光軸ＯＡ３に対して略４５度傾いた光軸を有し、平面ミラーＨＭ２は平面ミラーＨＭ１の光軸に対して略９０度傾いた光軸を有する。そのため、光軸ＯＡ３は、折り曲げられている。また、レンズ素子およびミラー素子の光軸は、光軸ＯＡ３に一致している。本実施例の光学系は、光軸ＯＡ３が折り曲げられていることで、画像表示素子３４から射出される光線に対して１８０度回転した光線を射出することが可能である。これにより、本実施例の光学系は、折り曲げ構成を有していない光学系に比べて、全長を短くすることができる。したがって、本実施例の光学系を備えた画像投影装置は、折り曲げ構成を有していない光学系を備えた画像投影装置に対して、光学系の全長分だけ小型化することが可能である。

図１２は、投射レンズユニットおよびスクリーン９１を含む投影システムの構成模式図である。図１２（ａ）の投影システムでは、折り曲げ構成を有していない光学系を備えた投射レンズユニットＬＵ１が用いられている。図１２（ｂ）の投影システムでは、本実施例の光学系を備えた投射レンズユニットＬＵ２が用いられている。屈折光学系の射出面からスクリーン９１までの投影距離をＳ、投影レンズユニットの全長（屈折光学系の最も縮小共役側の面から最も拡大共役側のミラー素子の射出面までのｚ方向の長さ）をＬとする。このとき、投影システムの全長Ｌ１は、図１２（ａ）ではＳ＋Ｌになり、図１２（ｂ）ではＳになる。したがって、折り曲げ構成を有する光学系を備えた投影システムは、折り曲げ構成を有していない光学系を備えた投影システムに対して、光学系の全長分だけ小型化することが可能である。

また、各光学素子の光軸は投射レンズユニットの光軸から偏心（シフトやチルト）していないため、投射レンズユニットは軸対称な非球面形状の光学素子のみで構成することができ、製造上も簡易な構成を実現することができる。

本実施例の光学系を上述した条件式（１）〜（９）を満足する構成とすることで、小型で画面全体にわたり良好な光学性能を有する超広角レンズとしての光学系を実現することができる。各条件式の値は、数値実施例３の「（Ｃ）条件式の値」に示されている。

図７は、本実施例の投射レンズユニット（投影距離８１４ｍｍ）の説明図である。図７（ａ）は断面図、図７（ｂ）は光線図である。図８は、投射レンズユニットの投影距離８１４ｍｍにおける縦収差図である。

投射レンズユニットは、ミラー光学系４１、屈折光学系４２、色分離合成素子であるプリズム部４３、画像表示素子４４および絞りＳＴ４を有する。本実施例の光学系は、ミラー光学系４１および屈折光学系４２を有し、ミラー光学系３１は弱い屈折力を有する２枚の略平面ミラー、凹ミラーおよび凸ミラーを有する。本実施例の光学系は、実施例３の光学系に対してミラー光学系の構成が異なる。なお、２枚の略平面ミラーは、光路屈曲系であり、ミラー光学系４１と独立した構成であってもよい。

ミラー光学系４１は、縮小共役側から順に、略平面ミラーＨＭ３、ＨＭ４、および正、負の屈折力を有する２枚のミラー素子Ｍ７１、Ｍ７２を有する。ミラー素子Ｍ７１、Ｍ７２は、非球面ミラーである。屈折光学系４２は、縮小共役側から順に、正、正、正、負、正、負、正、正、正、正、負の屈折力を有する１１枚のレンズ素子Ｌ７１〜Ｌ８１を有する。レンズ素子Ｌ７１、Ｌ８１は、非球面レンズである。

本実施例では、屈折光学系４２の最も縮小共役側のレンズ面の中心に垂直入射する軸上主光線の光路を光学系の光軸ＯＡ４とする。本実施例の光学系では、略平面ミラーＨＭ４、ミラー素子Ｍ７１、Ｍ７２はそれぞれ、入射する光線に対してα方向において５０度、１度、２．６度傾けて配置されている。そのため、光軸ＯＡ４は、折り曲げられている。また、レンズ素子およびミラー素子の光軸は、光軸ＯＡ４に一致せずに、偏心（シフトやチルト）している。各光学素子の光軸を光軸ＯＡ４から偏心させることで、レイアウトの自由度を上げることができ、さらに光学系を小型化することが可能である。なお、本実施例では、ｘ軸を回転中心としてチルトさせ、偏心させているが、ｚ軸やｙ軸を、回転中心としたチルトや平行移動の基準としたシフトなどの偏心をさせてもよい。

本実施例の光学系を上述した条件式（１）〜（９）を満足する構成とすることで、小型で画面全体にわたり良好な光学性能を有する超広角レンズとしての光学系を実現することができる。各条件式の値は、数値実施例４の「（Ｃ）条件式の値」に示されている。

図９は、本実施例の投射レンズユニット（投影距離８１４ｍｍ）の説明図である。図９（ａ）は断面図、図９（ｂ）は光線図である。図１０は、投射レンズユニットの投影距離８１４ｍｍにおける縦収差図である。

投射レンズユニットは、ミラー光学系５１、屈折光学系５２、色分離合成素子であるプリズム部５３、画像表示素子５４および絞りＳＴ５を有する。本実施例の光学系は、ミラー光学系５１および屈折光学系５２を有し、ミラー光学系３１は屈折力を有さない２枚の平面ミラー、凹ミラーおよび凸ミラーを有する。本実施例の光学系は、実施例３の光学系に対してミラー光学系が自由曲面ミラーを有する点で異なる。なお、２枚の平面ミラーは、光路屈曲系であり、ミラー光学系５１と独立した構成であってもよい。

ミラー光学系５１は、縮小共役側から順に、２枚の平面ミラーＨＭ５、ＨＭ６、および正、負の屈折力を有する２枚のミラー素子Ｍ９１、Ｍ９２を有する。ミラー素子Ｍ９１は自由曲面ミラー、ミラー素子Ｍ９２は非球面ミラーである。屈折光学系５２は、縮小共役側から順に、正、正、正、負、正、負、正、正、正、正、負の屈折力を有する１１枚のレンズ素子Ｌ９１〜Ｌ１０１を有する。レンズ素子Ｌ９１、Ｌ１０１は、非球面レンズである。

本実施例では、屈折光学系５２の最も縮小共役側のレンズ面の中心に垂直入射する軸上主光線の光路を光学系の光軸ＯＡ５とする。本実施例の光学系では、２枚の平面ミラーはそれぞれ、入射する光線に対してα方向において略４５度傾けて配置されている。そのため、光軸ＯＡ５は、折り曲げられている。また、レンズ素子およびミラー素子の光軸は、光軸ＯＡ５に一致している。

本実施例の光学系では、正の屈折力を有するミラー素子を自由曲面形状にすることで、更に良好な光学性能を実現することができる。ただし、自由曲面ミラーを用いる効果は、本実施例のレンズ配置に限るものでなく、例えば、実施例４の偏心させた光学系に用いても有効である。

本実施例の光学系を上述した条件式（１）〜（９）を満足する構成とすることで、小型で画面全体にわたり良好な光学性能を有する超広角レンズとしての光学系を実現することができる。各条件式の値は、数値実施例５の「（Ｃ）条件式の値」に示されている。

以下、実施例１〜５にそれぞれ対応する数値実施例１〜５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（１０）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］＋Ａｙ²＋Ｂｙ³＋Ｃｙ⁴＋Ｄｙ⁵＋Eｙ⁶
＋Ｆｙ⁷＋Gｙ⁸＋Hｙ⁹＋Iｙ¹⁰＋Jｙ¹¹＋Lｙ¹²＋Mｙ¹³＋Nｙ¹⁴＋Oｙ¹⁵＋Pｙ¹⁶ （１０）
左側に※２が付記されている面は、以下の式（１１）に従った自由曲面形状であることを示し、「（Ｂ２）非球面係数２」にその係数を示す。ｙは上下方向（各実施例のユニット断面図はｙｚ断面表記なので紙面上下方向がｙ方向）の座標、ｘは左右方向の座標、ｚは光軸方向の座標を示す。

ｚ（xy）＝X2・x2＋XY・xy+Y2・y2＋X3・x3+X2Y・x2y＋XY2・xy2+Y3・y3＋X4・x4＋X3Y・x3y+X2Y2・x2y2＋XY3・xy3+Y4・y4+ X5・ｘ5+X4Y・x4y＋X3Y2・x3y2+X2Y3・x2y3＋XY4・xy4+Y5・y5＋X6・x6＋X5Y・x5y+X4Y2・x4y2＋X3Y3・x3y3+X2Y4・x2y4＋XY5・xy5+Y6・y6＋・・ （１１）
［数値実施例１］

［数値実施例２］

［数値実施例３］

［数値実施例４］

[数値実施例５]

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〜Ｌ１０１ レンズ素子
Ｍ１１〜Ｍ９２ ミラー素子
１、２１、３１、４１、５１ ミラー光学系
２、２２、３２、４２、５２ 屈折光学系

Claims (23)

1. 縮小共役側から拡大共役側へ順に配置された、
   正の屈折力を有する屈折光学部と、
   正の屈折力を有するミラー素子および負の屈折力を有するミラー素子を備えるミラー光学部と、を有し、
   前記ミラー光学部は、前記屈折光学部による中間像を再結像させ、前記屈折光学部の屈折力をφ０、前記ミラー光学部のうち最も強い正の屈折力を有するミラー素子の屈折力をφＭ１とし、前記屈折光学部の最も拡大共役側の面から前記ミラー光学部のうち最も強い正の屈折力を有するミラー素子の反射面までの光軸上の距離をＬ１、軸上光束の中間像点から前記ミラー光学部のうち最も強い正の屈折力を有するミラー素子の反射面までの光軸上の距離をＬ２とし、前記光学系の全系の屈折力をφｆａとするとき、
   ０．６≦φ０／φＭ１≦０．９５
   ０．２３≦Ｌ２／Ｌ１≦０．４
   ０．０９≦｜φ０／φｆａ｜≦０．２
   なる条件式を満足することを特徴とする光学系。
2. ０．０５≦｜φＭ１／φｆａ｜≦０．２
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 画像表示素子の表示面から前記ミラー光学部のうち最も強い正の屈折力を有するミラー素子の反射面までの光軸上の距離をＬ４とするとき、
   ０．０１≦Ｌ２／Ｌ４≦０．２２
   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に記載の光学系。
4. 前記屈折光学部の横倍率をβ０とするとき、
   １≦｜β０｜≦７
   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項に記載の光学系。
5. 前記ミラー光学部のうち最も強い負の屈折力を有するミラー素子の屈折力をφＭ２とするとき、
   １≦｜φＭ１／φＭ２｜≦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４のいずれか１項に記載の光学系。
6. 前記屈折光学部と前記ミラー光学部との間に配置された光路屈曲部を更に有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光学系。
7. 前記屈折光学部の最も縮小共役側のレンズ面の中心に垂直入射する軸上主光線の光路は折れ曲げられていることを特徴とする請求項６に記載の光学系。
8. 最軸外光束の主光線は、前記屈折光学部の最も縮小共役側のレンズ面の中心に垂直な直線と１度だけ交差することを特徴とする請求項６または７に記載の光学系。
9. 前記光路屈曲部は前記光軸に対して傾いている平面ミラーを有することを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の光学系。
10. 前記光路屈曲部は、前記光学系の光軸に対して４５度傾いた光軸を有する第１平面ミラーと、前記第１平面ミラーの光軸と９０度傾いた光軸を有する第２平面ミラーと、を有することを特徴とする請求項８または９に記載の光学系。
11. 前記屈折光学部による物体全像高における中間像点は、前記光路屈曲部に含まれる平面ミラーの反射面とは異なる位置に位置することを特徴とする請求項９または１０に記載の光学系。
12. 前記中間像点は、前記正の屈折力を有するミラー素子と前記光路屈曲部に含まれる平面ミラーとの間に位置することを特徴とする請求項１１に記載の光学系。
13. 前記中間像点は、前記正の屈折力を有するミラー素子と該ミラー素子に最も近接する平面ミラーとの間に位置することを特徴とする請求項１１または１２に記載の光学系。
14. 前記光路屈曲部は、プリズムを有することを特徴とする請求項６から１２のいずれか１項の光学系。
15. 前記ミラー光学部のうち最も強い正の屈折力を有するミラー素子の反射面から前記ミラー光学部のうち最も強い負の屈折力を有するミラー素子の反射面までの光軸上の距離をＬ３とするとき、
    ０．０１≦Ｌ３／Ｌ１≦０．８
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載の光学系。
16. 前記ミラー光学部のうち最も強い正の屈折力を有するミラー素子の反射面から前記ミラー光学部のうち最も強い負の屈折力を有するミラー素子の反射面までの光軸上の距離をＬ３とし、画像表示素子の表示面から前記ミラー光学部のうち最も強い正の屈折力を有するミラー素子の反射面までの光軸上の距離をＬ４とするとき、
    ０．０１≦Ｌ３／Ｌ４≦０．４５
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の光学系。
17. 前記屈折光学部および前記ミラー光学部に含まれる少なくとも１つの光学素子の光軸は、前記屈折光学部の光軸または前記ミラー光学部の光軸と異なることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載の光学系。
18. 前記屈折光学部の最も縮小共役側のレンズ面の中心に垂直入射する軸上主光線の入射方向の角度を０度とした場合、前記光学系から射出される軸上主光線の射出角度は９０度から２７０度の間の角度であることを特徴とする請求項６から１７のいずれか１項に記載の光学系。
19. 前記ミラー光学部に含まれる負の屈折力を有するミラー素子は、奇数次非球面形状を有することを特徴とする請求項１から１８のいずれか１項に記載の光学系。
20. 前記屈折光学部の最も縮小共役側には、正の屈折力を有する非球面レンズが配置されていることを特徴とする請求項１から１９のいずれか１項に記載の光学系。
21. 前記屈折光学部に含まれる光学素子の外形は、前記屈折光学部の光軸に直交する平面の水平方向または垂直方向のいずれかに対して非対称であることを特徴とする請求項１から２０のいずれか１項に記載の光学系。
22. 前記屈折光学部が有する複数のレンズユニットのうち、少なくとも一部のレンズユニットがズーミングに際して隣接するレンズユニットとの間隔が変化するように移動することを特徴とする請求項１から２１のいずれか１項に記載の光学系。
23. 請求項１から２２のいずれか１項に記載の光学系と、
    画像表示素子と、
    前記画像表示素子からの光を前記光学系に導くための導光光学系と、を有することを特徴とする画像投影装置。

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