JP7152372B2 - 結像光学系、投写型表示装置、および撮像装置 - Google Patents

Description

本開示の技術は、結像光学系、投写型表示装置、および撮像装置に関する。

従来、液晶表示素子又はＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ：登録商標）等のライトバルブに表示した画像をスクリーン等に拡大投写する投写型表示装置が広く用いられている。投写型表示装置に適用可能な光学系としては例えば、下記特許文献１、下記特許文献２、および下記特許文献３に記載の光学系が知られている。

特許文献１には、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、第１光学系と、第２光学系とから実質的になる結像光学系が記載されている。この結像光学系は、第２光学系が画像表示素子上の画像を中間像として結像させ、第１光学系がこの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。

特許文献２および特許文献３には、縮小側の第１の像面から拡大側の第２の像面へ投写する系であって、２つの中間像を結像し、そのうちの拡大側の中間像よりも拡大側に正のパワーの反射面を含むように構成された系が記載されている。

特開２０１７－２１１４７７号公報 国際公開第２０１４／１０３３２４号 国際公開第２０１６／０６８２６９号

投写型表示装置は広い画角を有することが求められており、近年ではより大きな画像表示素子に対応可能なことも求められている。特許文献１の結像光学系は、中間像を１回のみ結像する構成のため、より大きな画像表示素子に適用しようとすると、最も拡大側のレンズ径が大きくなってしまい、製造が困難になり、また、装置の大型化を招いてしまう。

特許文献２および特許文献３の系では、拡大側の中間像における光線が発散方向に広がっているため、この中間像より拡大側の光学素子の径が大きくなってしまい、装置の大型化を招いてしまう。

本開示は、上記事情に鑑みなされたものであり、広い画角を有しながら、光学素子の径が小さく抑えられ、良好な光学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。

本開示の技術の一態様に係る結像光学系は、拡大側結像面と縮小側結像面とを共役にする結像光学系であって、上記結像光学系は、拡大側結像面と共役な位置にある第１中間像と、第１中間像より縮小側の光路に位置しかつ第１中間像と共役な位置にある第２中間像とを形成し、縮小側がテレセントリックに構成されており、拡大側から縮小側へ光路に沿って順に、第１光学系と、第２光学系と、第３光学系とからなり、第１光学系の全てのレンズの拡大側の面は第１中間像より拡大側の光路に位置し、第２光学系の全てのレンズの拡大側の面は第１中間像より縮小側でかつ第２中間像より拡大側の光路に位置し、第３光学系の全てのレンズの拡大側の面は第２中間像より縮小側の光路に位置し、縮小側結像面での最大像高をＹｍａｘとし、縮小側結像面から結像光学系へ光軸に平行で光軸からＹｍａｘの高さで光線を入射させた場合に、第１中間像が空気間隔の内部に位置する場合は第１中間像が位置する空気間隔を第１空気間隔とし、第１中間像がレンズの内部に位置する場合は第１中間像が位置するレンズの拡大側に隣接する空気間隔を第１空気間隔とし、第１空気間隔内の光線を延長した第１延長線と、光軸とのなす角度をθとし、第１延長線と光軸との交点である第１交点が第１中間像より拡大側に位置する場合のθの符号を負とし、第１交点が第１中間像より縮小側に位置する場合のθの符号を正とし、θの単位を度とした場合に、
－１５＜θ＜１３ （１）
で表される条件式（１）を満足し、さらに、結像光学系の焦点距離をｆとした場合に、
２．１５＜｜Ｙｍａｘ／ｆ｜＜５ （２）
で表される条件式（２）を満足する。

上記態様の結像光学系は、下記条件式（１－１）および（２－１）の少なくとも一方を満足することが好ましい。
－１５＜θ＜１０ （１－１）
２．１５＜｜Ｙｍａｘ／ｆ｜＜３．８ （２－１）

縮小側結像面から結像光学系へ光軸に平行で光軸からＹｍａｘの高さで光線を入射させた場合に、第２光学系の最も拡大側のレンズ面での光線の光軸からの高さをｈ１とし、第１交点と、第２光学系の最も拡大側のレンズ面との光軸上での距離をｄｄ１とし、第３光学系の最も拡大側のレンズ面での光線の光軸からの高さをｈ２とし、第２中間像が空気間隔の内部に位置する場合は第２中間像が位置する空気間隔を第２空気間隔とし、第２中間像がレンズの内部に位置する場合は第２中間像が位置するレンズの拡大側に隣接する空気間隔を第２空気間隔とし、第２空気間隔内の光線を延長した第２延長線と、光軸との交点を第２交点とし、第２交点と、第３光学系の最も拡大側のレンズ面との光軸上での距離をｄｄ２とし、｜ｈ１／ｄｄ１｜および｜ｈ２／ｄｄ２｜のうち値の大きい方をｈｄＡ、小さい方をｈｄＢとした場合、上記態様の結像光学系は、下記条件式（３）および（４）を満足することが好ましい。また、上記態様の結像光学系は、条件式（３）および（４）を満足した上で、条件式（３－１）および（４－１）の少なくとも一方を満足することが好ましい。
０．１＜ｈｄＡ＜１ （３）
０．０３＜ｈｄＢ＜０．３ （４）
０．１＜ｈｄＡ＜０．８５ （３－１）
０．１＜ｈｄＢ＜０．３ （４－１）

結像光学系の縮小側のバックフォーカスをＢｆとし、結像光学系の焦点距離をｆとした場合、上記態様の結像光学系は、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。
５＜｜Ｂｆ／ｆ｜ （５）
６＜｜Ｂｆ／ｆ｜＜２０ （５－１）

上記態様の結像光学系は、パワーを有する反射部材を含まないことが好ましい。

第１光学系の焦点距離をｆ１とし、結像光学系の焦点距離をｆとした場合、上記態様の結像光学系は、下記条件式（６）を満足することが好ましく、下記条件式（６－１）を満足することがより好ましい。
１＜｜ｆ１／ｆ｜＜５ （６）
１．５＜｜ｆ１／ｆ｜＜３ （６－１）

第１光学系と第２光学系との合成焦点距離をｆ１２とし、結像光学系の焦点距離をｆとした場合、上記態様の結像光学系は、下記条件式（７）を満足することが好ましく、下記条件式（７－１）を満足することがより好ましい。
０．８＜｜ｆ１２／ｆ｜＜３ （７）
１＜｜ｆ１２／ｆ｜＜２ （７－１）

上記態様の結像光学系に含まれる全ての光学素子は共通の光軸を有することが好ましい。

上記態様の結像光学系は、光路を折り曲げる２つ以上の光路偏向部材を含むように構成してもよい。

本開示の技術の別の態様に係る投写型表示装置は、光学像を出力するライトバルブと、上記態様の結像光学系とを備え、上記態様の結像光学系は、ライトバルブから出力された光学像をスクリーン上に投写する。

本開示の技術のさらに別の態様に係る撮像装置は、上記態様の結像光学系を備えている。

なお、本明細書の「～からなり」、「～からなる」は、挙げられた構成要素以外に、実質的にパワーを有さないレンズ、並びに、絞り、フィルタ、およびカバーガラス等のレンズ以外の光学要素、並びに、レンズフランジ、レンズバレル、撮像素子、および手振れ補正機構等の機構部分、等が含まれていてもよいことを意図する。

非球面を含むレンズに関するパワーの符号および面形状は、特に断りが無い限り近軸領域で考えることにする。条件式で用いている「焦点距離」は、近軸焦点距離である。条件式で用いている値は、特に断りが無い限り、無限遠物体に合焦した状態においてｄ線を基準とした場合の値である。本明細書に記載の「イメージサークル」は、最大有効像円を意図している。本明細書に記載の「ｄ線」、「Ｃ線」、および「Ｆ線」は輝線であり、ｄ線の波長は５８７．５６ｎｍ（ナノメートル）、Ｃ線の波長は６５６．２７ｎｍ（ナノメートル）、Ｆ線の波長は４８６．１３ｎｍ（ナノメートル）である。

本開示の技術によれば、広い画角を有しながら、光学素子の径が小さく抑えられ、良好な光学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ができる。

本開示の実施例１の結像光学系に対応し、本開示の実施形態の一例の結像光学系の構成と光束を示す断面図である。 条件式中の記号の一例を示す要部拡大図である。 条件式中の記号の一例を示す要部拡大図である。 比較例として、パワーを有する反射部材を含む系におけるイメージサークルの使用可能領域および使用不可能領域を示す図である。 本開示の実施例１の結像光学系の各収差図である。 本開示の実施例１の変形例１－１の結像光学系の構成と光束を示す断面図である。 本開示の実施例１の変形例１－２の結像光学系の構成と光束を示す断面図である。 本開示の実施例２の結像光学系の構成と光束を示す断面図である。 本開示の実施例２の結像光学系の各収差図である。 本開示の実施例２の変形例２－１の結像光学系の構成と光束を示す断面図である。 本開示の実施例３の結像光学系の構成と光束を示す断面図である。 本開示の実施例３の結像光学系の各収差図である。 本開示の実施例３の変形例３－１の結像光学系の構成と光束を示す断面図である。 本開示の実施例３の変形例３－２の結像光学系の構成と光束を示す断面図である。 本開示の実施例３の変形例３－３の結像光学系の構成と光束を示す断面図である。 本開示の実施例４の結像光学系の構成と光束を示す断面図である。 本開示の実施例４の結像光学系の各収差図である。 本開示の実施例４の変形例４－１の結像光学系の構成と光束を示す断面図である。 本開示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。 本開示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。 本開示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。 本開示の一実施形態に係る撮像装置の正面側の斜視図である。 図２２に示す撮像装置の背面側の斜視図である。

以下、本開示の技術に係る実施形態の一例について図面を参照して詳細に説明する。図１に本開示の一実施形態に係る結像光学系の光軸Ｚを含む断面における構成を示す。図１に示す構成例は、後述の実施例１に対応している。図１では、左側を拡大側、右側を縮小側としており、軸上光束２および最大像高の光束３も合わせて示している。

本開示の技術に係る結像光学系は、投写型表示装置に搭載される投写光学系とすることもでき、また、デジタルカメラ等に搭載される撮像光学系とすることもできる。以下では本開示の技術に係る結像光学系について、投写光学系の用途で使用される場合を想定して説明する。

結像光学系が投写型表示装置に搭載されることを想定して、図１には結像光学系の縮小側に光学部材ＰＰを配置した例を示している。光学部材ＰＰは、各種フィルタ、カバーガラス、および色合成プリズム等を想定した部材である。光学部材ＰＰはパワーを有しない部材であり、光学部材ＰＰを省略した構成も可能である。

また、図１には、結像光学系が投写型表示装置に搭載されることを想定して、スクリーンＳｃｒ、およびライトバルブの画像表示面Ｓｉｍも図示している。投写型表示装置においては、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を介して結像光学系に入射され、結像光学系によりスクリーンＳｃｒ上に投写される。以下の説明において、「拡大側」はスクリーンＳｃｒ側を意味し、「縮小側」は画像表示面Ｓｉｍ側を意味する。スクリーンＳｃｒは本開示の「拡大側結像面」の一例であり、画像表示面Ｓｉｍは本開示の「縮小側結像面」の一例である。結像光学系は、拡大側結像面と縮小側結像面とを共役にする作用を有する。

結像光学系は、拡大側から縮小側へ光路に沿って順に、第１光学系Ｇ１と、第２光学系Ｇ２と、第３光学系Ｇ３とからなる。一例として、図１の結像光学系では、第１光学系Ｇ１は拡大側から縮小側へ順にレンズＬ１ａ～Ｌ１ｆからなり、第２光学系Ｇ２は拡大側から縮小側へ順にレンズＬ２ａ～Ｌ２ｋからなり、第３光学系Ｇ３は拡大側から縮小側へ順に、レンズＬ３ａ～Ｌ３ｇと、開口絞りＳｔと、レンズＬ３ｈ～Ｌ３ｎとからなる。

結像光学系は、リレータイプの光学系であり、拡大側結像面と共役な位置にある第１中間像ＭＩ１と、第１中間像ＭＩ１より縮小側の光路に位置しかつ第１中間像ＭＩ１と共役な位置にある第２中間像ＭＩ２とを形成する。すなわち、拡大側結像面、第１中間像ＭＩ１、第２中間像ＭＩ２、および縮小側結像面は全て共役な位置にある。

第１光学系Ｇ１の全てのレンズの拡大側の面は第１中間像ＭＩ１より拡大側の光路に位置する。第２光学系Ｇ２の全てのレンズの拡大側の面は第１中間像ＭＩ１より縮小側でかつ第２中間像ＭＩ２より拡大側の光路に位置する。第３光学系Ｇ３の全てのレンズの拡大側の面は第２中間像ＭＩ２より縮小側の光路に位置する。すなわち、あるレンズが第１光学系Ｇ１に含まれるか第２光学系Ｇ２に含まれるかは、そのレンズの拡大側の面と第１中間像ＭＩ１との位置関係により決まる。従って、あるレンズの内部に第１中間像ＭＩ１が位置する場合は、そのレンズは第２光学系Ｇ２ではなく第１光学系Ｇ１に含まれることになる。但し、上記の各レンズの拡大側の面と各中間像との位置関係は光軸上におけるものである。例えば、第１光学系Ｇ１の「全てのレンズの拡大側の面は第１中間像ＭＩ１より拡大側の光路に位置する」とは、第１光学系Ｇ１の全てのレンズの拡大側の面の光軸上の位置が第１中間像ＭＩ１の光軸上の位置より拡大側の光路に位置することを意味する。第２光学系Ｇ２および第３光学系Ｇ３についても同様である。なお、接合レンズについては、１つの接合レンズ内の全てのレンズは同一光学系に含まれることが好ましいため、接合レンズの最も拡大側の面を上記の「拡大側の面」として上記「位置」を考えることにする。

図１の例では、第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２との間に第１中間像ＭＩ１が形成され、第２光学系Ｇ２と第３光学系Ｇ３との間に第２中間像ＭＩ２が形成されている。図１に示す第１中間像ＭＩ１および第２中間像ＭＩ２は、各中間像の光軸上の位置がわかるように光軸付近を含む一部のみを簡略的に点線で示しており、正確な形状を表すものではない。

中間像を形成する系は、広い画角を確保しながら拡大側のレンズの大径化を抑制することができるので、広い画角が要求される投写型表示装置の用途に好適である。特に、中間像を２回形成する系は、中間像を１回のみ形成するものに比べて、広い画角を確保しながら拡大側のレンズ径を小さくすることがより容易になり、また、像高毎に光束が分離する箇所が増えるため軸外収差の補正に有利となる。よって、中間像を２回形成する結像光学系は、拡大側のレンズ径を小さくしながら、広い画角と大きなイメージサークルを有し、かつ歪曲収差および像面湾曲が良好に補正された光学系の実現に有利となる。

また、図１の結像光学系は縮小側がテレセントリックに構成されている。投写型表示装置において結像光学系とライトバルブの間に配置される色合成プリズムは入射光の角度によって分光特性が変化する。このような入射角依存性を有する部材と併用される結像光学系は縮小側がテレセントリックに構成されていることが望まれる。なお、ここでいう「縮小側がテレセントリックに構成されている」は主光線の光軸Ｚに対する傾きが０度のものに限定されず、±３度の誤差を許容するものとする。図１の例とは異なり開口絞りを含まない系においては、拡大側から縮小側へ向かう方向に光束を見た場合に、縮小側結像面である画像表示面Ｓｉｍの任意の点に集光する光束の断面において上側の最大光線と下側の最大光線との二等分角線を主光線の代用としてテレセントリック性を判断してもよい。

本開示の技術に係る結像光学系は、縮小側結像面での最大像高をＹｍａｘとし、縮小側結像面から結像光学系へ光軸Ｚに平行で光軸ＺからＹｍａｘの高さで光線３ｃを入射させた場合、以下に述べるθについて下記条件式（１）を満足する。図１の結像光学系を部分的に拡大した図２にθの一例を示す。θは以下のように定義される。第１中間像ＭＩ１が位置する空気間隔を第１空気間隔とする。第１空気間隔内の光線３ｃを延長した図２の二点鎖線で示す第１延長線４と、光軸Ｚとのなす角度がθである。θの単位は度とする。θの符号は、第１延長線４と光軸Ｚとの交点である第１交点Ｐ１が第１中間像ＭＩ１より拡大側に位置する場合に負とし、第１交点Ｐ１が第１中間像ＭＩ１より縮小側に位置する場合に正とする。図２の例ではレンズＬ１ｆとレンズＬ２ａの間が第１空気間隔である。図２では図の煩雑化を避けるため一部のレンズの符号を省略している。なお、ここで用いる第１中間像ＭＩ１の位置は、光軸上における第１中間像ＭＩ１の位置とする。また、図２の例とは異なり、第１中間像ＭＩ１がレンズの内部又はレンズの面上に位置する場合は、第１中間像ＭＩ１が位置するレンズの拡大側に隣接する空気間隔を第１空気間隔とする。
－１５＜θ＜１３ （１）
－１５＜θ＜１０ （１－１）
－１０＜θ＜１０ （１－２）

条件式（１）の下限以下とならないようにすることによって、第１中間像ＭＩ１が小さくなり過ぎないため、つまり、第２光学系Ｇ２および第３光学系Ｇ３を合成した光学系のリレー倍率が小さくなりすぎないため、結像光学系全体の拡大倍率を確保しながら、第１光学系Ｇ１が担う倍率および性能の負担を軽減することができるので、第１光学系Ｇ１での収差補正が容易になる。仮に、第１光学系Ｇ１が担う倍率および性能の負担が大きい場合に収差を良好に補正しようとすると、第１光学系Ｇ１の全長が長くなってしまうか、第１光学系Ｇ１の最も拡大側のレンズ面から第１光学系Ｇ１の拡大側瞳位置までの距離が長くなり拡大側のレンズが大径化してしまう。条件式（１）の上限以上とならないようにすることによって、第１中間像ＭＩ１が大きくなり過ぎないため、光線の収束用に第１光学系Ｇ１に持たせる正のパワーが強くなり過ぎることがなく、第１中間像ＭＩ１より拡大側のレンズの大径化を抑制しながら広い画角を得ることに有利となる。さらに上記条件式（１－１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができ、上記条件式（１－２）を満足する構成とすれば、さらにより良好な特性とすることができる。

また、本開示の技術に係る結像光学系は、縮小側結像面での最大像高をＹｍａｘとし、結像光学系の焦点距離をｆとした場合、下記条件式（２）を満足する。条件式（２）の下限以下とならないようにすることによって、広い画角を確保することに有利となる。条件式（２）の上限以上とならないようにすることによって、第１光学系Ｇ１のレンズの大径化を抑制しながら収差補正を行うことが容易となる。さらに下記条件式（２－１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができ、下記条件式（２－２）を満足する構成とすれば、さらにより良好な特性とすることができる。
２．１５＜｜Ｙｍａｘ／ｆ｜＜５ （２）
２．１５＜｜Ｙｍａｘ／ｆ｜＜３．８ （２－１）
２．１５＜｜Ｙｍａｘ／ｆ｜＜３ （２－２）

次に、本開示の技術に係る結像光学系の好ましい構成について説明する。結像光学系は、縮小側結像面での最大像高をＹｍａｘとし、縮小側結像面から結像光学系へ光軸Ｚに平行で光軸ＺからＹｍａｘの高さで光線３ｃを入射させた場合、以下に述べる｜ｈ１／ｄｄ１｜について下記条件式（８）を満足することが好ましい。図２にｈ１およびｄｄ１の一例を示す。ｈ１およびｄｄ１は以下のように定義される。第２光学系Ｇ２の最も拡大側のレンズ面での光線３ｃの光軸Ｚからの高さをｈ１とする。条件式（１）の説明において定義した第１交点Ｐ１と、第２光学系Ｇ２の最も拡大側のレンズ面との光軸上での距離をｄｄ１とする。
０．０３＜｜ｈ１／ｄｄ１｜＜１ （８）
０．０３＜｜ｈ１／ｄｄ１｜＜０．８５ （８－１）
０．１＜｜ｈ１／ｄｄ１｜＜０．８５ （８－２）

条件式（８）の下限以下とならないようにすることによって、第１中間像ＭＩ１近傍の光線３ｃの光軸Ｚに対する傾き角が小さくなり過ぎないため、第１中間像ＭＩ１近傍のレンズの大径化を抑制することができる。また、条件式（８）の上限以上とならないようにすることによって、第２光学系Ｇ２および第３光学系Ｇ３を合成した光学系のリレー倍率が小さくなり過ぎないため、結像光学系全体の拡大倍率を確保しながら、第１光学系Ｇ１が担う倍率および性能の負担を軽減することができるので、第１光学系Ｇ１での収差補正が容易になる。仮に、第１光学系Ｇ１が担う倍率が大きくなった場合に収差を良好に補正しようとすると、レンズの大径化を招いてしまう。さらに上記条件式（８－１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができ、上記条件式（８－２）を満足する構成とすれば、さらにより良好な特性とすることができる。

また、結像光学系は、縮小側結像面での最大像高をＹｍａｘとし、縮小側結像面から結像光学系へ光軸Ｚに平行で光軸ＺからＹｍａｘの高さで光線３ｃを入射させた場合、以下に述べる｜ｈ２／ｄｄ２｜について下記条件式（９）を満足することが好ましい。図１の結像光学系を部分的に拡大した図３にｈ２およびｄｄ２の一例を示す。ｈ２およびｄｄ２は以下のように定義される。第３光学系Ｇ３の最も拡大側のレンズ面での光線３ｃの光軸Ｚからの高さをｈ２とする。第２中間像ＭＩ２が位置する空気間隔を第２空気間隔とする。第２空気間隔内の光線３ｃを延長した図３の二点鎖線で示す第２延長線５と、光軸Ｚとの交点を第２交点Ｐ２とする。第２交点Ｐ２と、第３光学系Ｇ３の最も拡大側のレンズ面との光軸上での距離をｄｄ２とする。図３の例ではレンズＬ２ｋとレンズＬ３ａの間が第２空気間隔である。図３では図の煩雑化を避けるため一部のレンズの符号を省略している。なお、ここで用いる第２中間像ＭＩ２の位置は、光軸上における第２中間像ＭＩ２の位置とする。また、図３の例とは異なり、第２中間像ＭＩ２がレンズの内部又はレンズの面上に位置する場合は、第２中間像ＭＩ２が位置するレンズの拡大側に隣接する空気間隔を第２空気間隔とする。
０．０３＜｜ｈ２／ｄｄ２｜＜１ （９）
０．０３＜｜ｈ２／ｄｄ２｜＜０．８５ （９－１）
０．１＜｜ｈ２／ｄｄ２｜＜０．８５ （９－２）

条件式（９）の下限以下とならないようにすることによって、第２中間像ＭＩ２近傍の光線３ｃの光軸Ｚに対する傾き角が小さくなり過ぎないため、第２中間像ＭＩ２近傍のレンズの大径化を抑制することができる。また、条件式（９）の上限以上とならないようにすることによって、第３光学系Ｇ３のリレー倍率が小さくなり過ぎないため、結像光学系全体の拡大倍率を確保しながら、第２中間像ＭＩ２より拡大側の光学系が担う倍率および性能の負担を軽減することができるので、これらの光学系での収差補正が容易になる。仮に、第２中間像ＭＩ２より拡大側の光学系が担う倍率が大きくなった場合に収差を良好に補正しようとすると、レンズの大径化を招いてしまう。さらに上記条件式（９－１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができ、上記条件式（９－２）を満足する構成とすれば、さらにより良好な特性とすることができる。

結像光学系は、条件式（８）および（９）を満足することが好ましい。また、条件式（８）および（９）を満足した上で、条件式（８－１）、（８－２）、（９－１）、および（９－２）のうちの少なくとも１つを満足することが好ましい。

結像光学系は、上記の｜ｈ１／ｄｄ１｜および｜ｈ２／ｄｄ２｜のうち、値の大きい方をｈｄＡ、小さい方をｈｄＢとした場合、下記条件式（３）および（４）を満足することが好ましい。図２および図３に示す例では、｜ｈ１／ｄｄ１｜＝０．１６、｜ｈ２／ｄｄ２｜＝０．８１３であるから、ｈｄＡ＝｜ｈ２／ｄｄ２｜、ｈｄＢ＝｜ｈ１／ｄｄ１｜となる。
０．１＜ｈｄＡ＜１ （３）
０．１＜ｈｄＡ＜０．８５ （３－１）
０．０３＜ｈｄＢ＜０．３ （４）
０．１＜ｈｄＢ＜０．３ （４－１）

ｈｄＡ＝｜ｈ２／ｄｄ２｜、ｈｄＢ＝｜ｈ１／ｄｄ１｜となる場合は、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、第２中間像ＭＩ２近傍の光線３ｃの光軸Ｚに対する傾き角が小さくなり過ぎないため、第２中間像ＭＩ２近傍のレンズの大径化を抑制することができる。また、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、第３光学系Ｇ３のリレー倍率が小さくなり過ぎないため、結像光学系全体の拡大倍率を確保しながら、第２中間像ＭＩ２より拡大側の光学系が担う倍率および性能の負担を軽減することができるので、これらの光学系での収差補正が容易になる。仮に、第２中間像ＭＩ２より拡大側の光学系が担う倍率が大きくなった場合に収差を良好に補正しようとすると、レンズの大径化を招いてしまう。さらに上記条件式（３－１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができる。

ｈｄＡ＝｜ｈ２／ｄｄ２｜、ｈｄＢ＝｜ｈ１／ｄｄ１｜となる場合は、条件式（４）の下限以下とならないようにすることによって、第１中間像ＭＩ１近傍の光線３ｃの光軸Ｚに対する傾き角が小さくなり過ぎないため、第１中間像ＭＩ１近傍のレンズの大径化を抑制することができる。また、条件式（４）の上限以上とならないようにすることによって、第２光学系Ｇ２および第３光学系Ｇ３を合成した光学系のリレー倍率が小さくなり過ぎないため、結像光学系全体の拡大倍率を確保しながら、第１中間像ＭＩ１より拡大側の光学系が担う倍率および性能の負担を軽減することができるので、これらの光学系での収差補正が容易になる。仮に、第１中間像ＭＩ１より拡大側の光学系が担う倍率が大きくなった場合に収差を良好に補正しようとすると、レンズの大径化を招いてしまう。さらに上記条件式（４－１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができる。なお、ｈｄＡ＝｜ｈ１／ｄｄ１｜、ｈｄＢ＝｜ｈ２／ｄｄ２｜となる場合は、上記の条件式（３）の効果と条件式（４）の効果とが入れ替わる。

また、結像光学系は、結像光学系の縮小側のバックフォーカスをＢｆとし、結像光学系の焦点距離をｆとした場合、下記条件式（５）を満足することが好ましい。「縮小側のバックフォーカス」は、最も縮小側のレンズ面から結像光学系の縮小側の焦点位置までの光軸上の空気換算距離である。条件式（５）の下限以下とならないようにすることによって、投写型表示装置で用いられる色合成プリズム等を挿入するための十分な長さのバックフォーカスを確保することができる。さらに下記条件式（５－１）を満足することが好ましい。条件式（５－１）の下限以下とならないようにすることによって、より長いバックフォーカスを確保することができる。条件式（５－１）の上限以上とならないようにすることによって、光学系の大型化を抑制できる。
５＜｜Ｂｆ／ｆ｜ （５）
６＜｜Ｂｆ／ｆ｜＜２０ （５－１）

結像光学系は、第１光学系Ｇ１の焦点距離をｆ１とし、結像光学系の焦点距離をｆとした場合、下記条件式（６）を満足することが好ましい。条件式（６）は第１中間像ＭＩ１のリレー倍率に関する式である。条件式（６）の下限以下とならないようにすることによって、球面収差、像面湾曲、および非点収差の補正が容易になる。条件式（６）の上限以上とならないようにすることによって、第１中間像ＭＩ１の近傍のレンズの径を小さくすることが容易になる。さらに下記条件式（６－１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができる。
１＜｜ｆ１／ｆ｜＜５ （６）
１．５＜｜ｆ１／ｆ｜＜３ （６－１）

結像光学系は、第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２との合成焦点距離をｆ１２とし、結像光学系の焦点距離をｆとした場合、下記条件式（７）を満足することが好ましい。条件式（７）は第２中間像ＭＩ２のリレー倍率に関する式である。条件式（７）の下限以下とならないようにすることによって、球面収差、像面湾曲、および非点収差の補正が容易になる。条件式（７）の上限以上とならないようにすることによって、第２中間像ＭＩ２の近傍のレンズの径を小さくすることが容易になる。さらに下記条件式（７－１）を満足する構成とすれば、より良好な特性とすることができる。
０．８＜｜ｆ１２／ｆ｜＜３ （７）
１＜｜ｆ１２／ｆ｜＜２ （７－１）

結像光学系は、パワーを有する反射部材を含まないように構成されていることが好ましい。このようにした場合は、光軸付近の光束もスクリーンＳｃｒ上での像の形成に使用可能となる。この点について、図４に示す比較例を参照しながら説明する。図４は、特許文献２に記載されたようなパワーを有する反射面を含む系において、イメージサークル内に画像表示面Ｓｉｍを配置する場合の使用可能領域と使用不可能領域を示す図である。パワーを有する反射面を含む系では、光軸Ｚの付近の光束を使用できないため、図４に斜線部として示すように、イメージサークルＩＣのうち半分以上が画像表示面Ｓｉｍを配置できない使用不可能領域となる。この系では、画像表示面Ｓｉｍを配置可能なのは図４の白抜きで示す領域のみとなり、イメージサークルＩＣのうち半分未満の狭い領域しか使用できない。

これに対して、結像光学系がパワーを有する反射部材を含まない場合は、光軸付近の光束も使用可能であり、イメージサークルのうち光軸部分を含む半分以上の領域が使用可能となる。図１の結像光学系は、パワーを有する反射部材を含んでおらず、イメージサークル全域の光束を使用可能である。図１の例においては、イメージサークル全域が画像表示面Ｓｉｍを配置するために使用可能な領域となる。パワーを有する反射部材を含まない結像光学系は、このように設計自由度が高いため、画像表示面Ｓｉｍの中心が光軸上にある構成だけでなく、画像表示面Ｓｉｍの中心を光軸Ｚに対して偏位させて配置する構成にも好適である。

結像光学系に含まれる全ての光学素子は共通の光軸Ｚを有することが好ましい。このようにした場合は、イメージサークル全域を使用可能な構成にすることにより有利となり、また、構造を簡略化できるので低コスト化を図ることができる。

結像光学系内の各光学系は例えば以下のように構成することができる。第１光学系Ｇ１は最も拡大側に負メニスカスレンズを備えるように構成してもよく、このようにした場合は、広角化に有利となる。第１光学系Ｇ１は最も拡大側から順に連続して複数枚の負メニスカスレンズを備えるように構成してもよく、このようにした場合は、広角化により有利となる。第１光学系Ｇ１の最も縮小側のレンズは正レンズとしてもよく、このようにした場合は、レンズの小径化に有利となる。第２光学系Ｇ２の最も拡大側のレンズは正レンズとしてもよく、このようにした場合は、レンズの小径化に有利となる。第２光学系Ｇ２の最も拡大側のレンズ面は凸面としてもよく、このようにした場合はレンズの小径化に有利となる。第３光学系Ｇ３の最も縮小側のレンズは正レンズとしてもよく、このようにした場合は縮小側をテレセントリックに構成することに有利となる。

各光学系に含まれるレンズの枚数は、図１に示す例と異なる枚数にしてもよい。結像光学系に含まれるパワーを持つ光学素子は全てレンズであるように構成してもよい。結像光学系に含まれる全てのレンズはｄ線に対する屈折率が２．２以下であることが好ましく、現在のレンズ材料の入手性を考慮すると２以下であることがより好ましい。結像光学系は、回折光学面を含むように構成してもよい。あるレンズの面に回折光学面が設けられている場合は、その回折光学面も便宜的にレンズ面とみなして本開示の技術を適用することができる。結像光学系は、全画角が１２０度より大きいことが好ましく、１２５度より大きいことがより好ましく、１３０度より大きいことがさらにより好ましい。結像光学系は、Ｆナンバーが３以下であることが好ましい。結像光学系は、歪曲収差が－２％以上かつ＋２％以下の範囲内に抑えられていることが好ましい。

図１には光路が直線状の結像光学系の例を示したが、これに限定されず、結像光学系は、光路を折り曲げるための光路偏向部材を備えて光路を折り曲げるように構成してもよい。光路偏向部材としては例えばミラー等の反射面を有する部材を用いることができる。光路を折り曲げることによって小型化に有利な構成にすることができる。例えば、後で変形例として述べる図６に示す結像光学系のように、光路を９０度折り曲げる第１光路偏向部材Ｒ１と、光路を９０度折り曲げる第２光路偏向部材Ｒ２とを含み、光路を２回折り曲げるように構成してもよい。光路を折り曲げる角度は厳密な９０度に限らず、例えば±３度の誤差を含む角度としてもよい。折り曲げる角度を９０度とすることが組み立て、製造上簡単な構成となるため好ましいが、必ずしも９０度である必要はない。

光路偏向部材を配置する箇所としては、光路偏向部材の拡大側および縮小側で光路偏向部材に隣接する２つのレンズ面の光軸上の距離が、これら２つのレンズ面の有効径のうち大きいほうの有効径の６０％以上の長さとなる空気間隔を選択することが好ましい。このような箇所に光路偏向部材を配置することによって、イメージサークルのうち光軸付近を含む半分以上の領域を使用可能な状態で光路を折り曲げることが可能になり、装置のコンパクト化および設置性の向上を図ることができる。より好ましくは、光路偏向部材の拡大側および縮小側で光路偏向部材に隣接する２つのレンズ面の光軸上の距離が、これら２つのレンズ面の有効径のうち大きいほうの有効径より長い空気間隔に光路偏向部材を配置することである。このような箇所に光路偏向部材を配置することによって、イメージサークル全域を使用可能な状態を損なうことなく光路を折り曲げることが可能になり、装置のコンパクト化および設置性のさらなる向上を図ることができる。

上記のような光路の折り曲げに適した箇所があれば、その箇所の数に応じて光路を折り曲げる回数は任意に設定可能である。光路を折り曲げる回数が２回ある場合は、２回とも同じ方向に光路を折り曲げるように構成してもよいし、１回目と２回目は互いに反対の方向に光路を折り曲げるようにしてもよい。また、図６に示す例では、２つの光路偏向部材による光路の折り曲げの前後において光軸Ｚが紙面内にあるように構成しているが、これに限定されず、紙面に垂直な方向に光路を折り曲げてもよい。但し、光路を折り曲げる方向はイメージサークルの使用可能領域を考慮して適宜設定することが好ましい。

なお、本開示の技術に係る「拡大側」および「縮小側」は、光路に沿って決められるものであり、これは折り曲げられた光路を形成する結像光学系についても同様である。例えば折り曲げられた光路を形成する結像光学系における「レンズＡはレンズＢより拡大側にある」は「レンズＡはレンズＢより拡大側の光路にある」と同じ意味である。よって、折り曲げられた光路を形成する結像光学系における「最も拡大側の～」は、光路上における並び順として最も拡大側という意味であり、距離的にスクリーンＳｃｒに最も近いということを意味するものではない。

上述した好ましい構成および可能な構成は、任意の組合せが可能であり、要求される仕様に応じて適宜選択的に採用されることが好ましい。本実施形態によれば、広い画角を有しながら、レンズ等の光学素子の径が小さく抑えられ、良好な光学性能を有する結像光学系を実現することが可能である。

次に、本開示の技術に係る結像光学系の数値実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１の結像光学系のレンズ構成と光束の断面図は図１に示したものであり、その構成および図示方法は上述したとおりであるので、ここでは重複説明を一部省略する。実施例１の結像光学系は、拡大側から縮小側へ順に、第１光学系Ｇ１と、第２光学系Ｇ２と、第３光学系Ｇ３とからなる。第１光学系Ｇ１は、拡大側から縮小側へ順に、レンズＬ１ａ～Ｌ１ｆからなる。第２光学系Ｇ２は、拡大側から縮小側へ順に、レンズＬ２ａ～Ｌ２ｋからなる。第３光学系Ｇ３は、拡大側から縮小側へ順に、レンズＬ３ａ～Ｌ３ｇと、開口絞りＳｔと、レンズＬ３ｈ～Ｌ３ｎとからなる。第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２との間に第１中間像ＭＩ１が形成され、第２光学系Ｇ２と第３光学系Ｇ３との間に第２中間像ＭＩ２が形成されている。

実施例１の結像光学系について、基本レンズデータを表１Ａおよび表１Ｂに、諸元を表２に、非球面係数を表３に示す。ここでは、１つの表の長大化を避けるため基本レンズデータを表１Ａおよび表１Ｂの２つの表に分けて表示している。表１Ａには第１光学系Ｇ１および第２光学系Ｇ２を示し、表１Ｂには第３光学系Ｇ３および光学部材ＰＰを示す。表１Ａおよび表１Ｂには、拡大側結像面から最も拡大側のレンズ面までの距離が１５５０の場合の値を示す。

表１Ａおよび表１Ｂにおいて、Ｓｎの欄には最も拡大側の面を第１面とし縮小側に向かうに従い１つずつ番号を増加させた場合の面番号を示し、Ｒの欄には各面の曲率半径を示し、Ｄの欄には各面とその縮小側に隣接する面との光軸上の面間隔を示す。また、Ｎｄの欄には各構成要素のｄ線に対する屈折率を示し、νｄの欄には各構成要素のｄ線基準のアッベ数を示す。

表１Ａおよび表１Ｂでは、拡大側に凸面を向けた形状の面の曲率半径の符号を正、縮小側に凸面を向けた形状の面の曲率半径の符号を負としている。表１Ｂでは開口絞りＳｔに相当する面の面番号の欄に面番号と（Ｓｔ）という語句を記載している。表１のＤの最下欄の値は表中の最も縮小側の面と画像表示面Ｓｉｍとの間隔である。

表２に、焦点距離の絶対値｜ｆ｜、ＦナンバーＦＮｏ．、および最大全画角２ωの値をｄ線基準で示す。２ωの欄の（°）は単位が度であることを意味する。

基本レンズデータでは、非球面の面番号には＊印を付しており、非球面の曲率半径の欄には近軸の曲率半径の数値を示している。表３において、Ｓｎの欄には非球面の面番号を示し、ＫＡおよびＡｍの欄には各非球面についての非球面係数の数値を示す。ｍは３以上の整数であり、例えば実施例１の非球面ではｍ＝４、６、８、１０である。表３の非球面係数の数値の「Ｅ±ｎ」（ｎ：整数）は「×１０^±ｎ」を意味する。ＫＡおよびＡｍは下式で表される非球面式における非球面係数である。
Ｚｄ＝Ｃ×Ｈ^２／｛１＋（１－ＫＡ×Ｃ^２×Ｈ^２）^１/２｝＋ΣＡｍ×Ｈ^ｍ
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（光軸からのレンズ面までの距離）
Ｃ：近軸曲率
ＫＡ、Ａｍ：非球面係数
であり、非球面式のΣはｍに関する総和を意味する。

各表のデータにおいて、角度の単位としては度を用い、長さの単位としてはｍｍ（ミリメートル）を用いているが、光学系は比例拡大又は比例縮小しても使用可能なため他の適当な単位を用いることもできる。また、以下に示す各表では所定の桁でまるめた数値を記載している。

図５に、拡大側結像面から最も拡大側のレンズ面までの距離が１５５０の場合の実施例１の結像光学系の各収差図を示す。図５では左から順に、球面収差、非点収差、歪曲収差、および倍率色収差を示す。球面収差図では、ｄ線、Ｃ線、およびＦ線に関する収差をそれぞれ実線、長破線、および短破線で示す。非点収差図では、サジタル方向のｄ線に関する収差を実線で示し、タンジェンシャル方向のｄ線に関する収差を短破線で示す。歪曲収差図ではｄ線に関する収差を実線で示す。倍率色収差図では、Ｃ線、およびＦ線に関する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ナンバーを意味し、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に関する各データの記号、意味、記載方法、および図示方法は、特に断りがない限り以下の実施例のものについても基本的に同様であるので、以下では重複説明を省略する。

図６および図７に実施例１の変形例として光路を折り曲げた例を示す。図６に示す変形例１－１の結像光学系は、実施例１の結像光学系に２つの光路偏向部材を追加して光路を２回折り曲げるように構成したものである。変形例１－１の結像光学系では、第１光学系Ｇ１の最も縮小側に光路を９０度折り曲げる第１光路偏向部材Ｒ１が配置され、第２光学系Ｇ２の内部に光路を９０度折り曲げる第２光路偏向部材Ｒ２が配置されている。

図７に示す変形例１－２の結像光学系は、実施例１の結像光学系に３つの光路偏向部材を追加して光路を３回折り曲げるように構成したものである。変形例１－２の結像光学系では、第１光学系Ｇ１の最も縮小側に光路を９０度折り曲げる第１光路偏向部材Ｒ１が配置され、第２光学系Ｇ２の内部に光路を９０度折り曲げる第２光路偏向部材Ｒ２および光路を９０度折り曲げる第３光路偏向部材Ｒ３が配置されている。

［実施例２］
実施例２の結像光学系のレンズ構成と光束の断面図を図８に示す。実施例２の結像光学系は、拡大側から縮小側へ順に、第１光学系Ｇ１と、第２光学系Ｇ２と、第３光学系Ｇ３とからなる。第１光学系Ｇ１は、拡大側から縮小側へ順に、レンズＬ１ａ～Ｌ１ｆからなる。第２光学系Ｇ２は、拡大側から縮小側へ順に、レンズＬ２ａ～Ｌ２ｋからなる。第３光学系Ｇ３は、拡大側から縮小側へ順に、レンズＬ３ａ～Ｌ３ｅと、開口絞りＳｔと、レンズＬ３ｆ～Ｌ３ｋとからなる。第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２との間に第１中間像ＭＩ１が形成され、第２光学系Ｇ２と第３光学系Ｇ３との間に第２中間像ＭＩ２が形成されている。

実施例２の結像光学系について、基本レンズデータを表４Ａおよび表４Ｂに、諸元を表５に、非球面係数を表６に、各収差図を図９に示す。表４Ａ、表４Ｂ、および図９には拡大側結像面から最も拡大側のレンズ面までの距離が１２４０の場合のデータを示す。

図１０に実施例２の変形例として光路を折り曲げた例を示す。図１０に示す変形例２－１の結像光学系は、実施例２の結像光学系に２つの光路偏向部材を追加して光路を２回折り曲げるように構成したものである。変形例２－１の結像光学系では、第１光学系Ｇ１の最も縮小側に光路を９０度折り曲げる第１光路偏向部材Ｒ１が配置され、第２光学系Ｇ２の内部に光路を９０度折り曲げる第２光路偏向部材Ｒ２が配置されている。

［実施例３］
実施例３の結像光学系のレンズ構成と光束の断面図を図１１に示す。実施例３の結像光学系は、拡大側から縮小側へ順に、第１光学系Ｇ１と、第２光学系Ｇ２と、第３光学系Ｇ３とからなる。第１光学系Ｇ１は、拡大側から縮小側へ順に、レンズＬ１ａ～Ｌ１ｍからなる。第２光学系Ｇ２は、拡大側から縮小側へ順に、レンズＬ２ａ～Ｌ２ｇからなる。第３光学系Ｇ３は、拡大側から縮小側へ順に、レンズＬ３ａ～Ｌ３ｅと、開口絞りＳｔと、レンズＬ３ｆ～Ｌ３ｈとからなる。第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２との間に第１中間像ＭＩ１が形成され、第２光学系Ｇ２と第３光学系Ｇ３との間に第２中間像ＭＩ２が形成されている。

実施例３の結像光学系について、基本レンズデータを表７Ａおよび表７Ｂに、諸元を表８に、非球面係数を表９に、各収差図を図１２に示す。表７Ａ、表７Ｂ、および図１２には拡大側結像面から最も拡大側のレンズ面までの距離が７５２．７の場合のデータを示す。

図１３、図１４、および図１５に実施例３の変形例として光路を折り曲げた例を示す。図１３に示す変形例３－１の結像光学系は、実施例３の結像光学系に２つの光路偏向部材を追加して光路を２回折り曲げるように構成したものである。変形例３－１の結像光学系では、第２光学系Ｇ２の最も拡大側に光路を９０度折り曲げる第１光路偏向部材Ｒ１が配置され、第２光学系Ｇ２の最も縮小側に光路を９０度折り曲げる第２光路偏向部材Ｒ２が配置されている。

図１４に示す変形例３－２の結像光学系は、実施例３の結像光学系に２つの光路偏向部材を追加して光路を２回折り曲げるように構成したものである。変形例３－２の結像光学系では、第１光学系Ｇ１の内部に光路を９０度折り曲げる第１光路偏向部材Ｒ１が配置され、第２光学系Ｇ２の最も拡大側に光路を９０度折り曲げる第２光路偏向部材Ｒ２が配置されている。

図１５に示す変形例３－３の結像光学系は、実施例３の結像光学系に４つの光路偏向部材を追加して光路を４回折り曲げるように構成したものである。変形例３－３の結像光学系では、第１光学系Ｇ１の内部に光路を９０度折り曲げる第１光路偏向部材Ｒ１が配置され、第２光学系Ｇ２の最も拡大側に光路を９０度折り曲げる第２光路偏向部材Ｒ２が配置され、第２光学系Ｇ２の最も縮小側に光路を９０度折り曲げる第３光路偏向部材Ｒ３が配置され、第３光学系Ｇ３の内部に光路を９０度折り曲げる第４光路偏向部材Ｒ４が配置されている。

［実施例４］
実施例４の結像光学系について、レンズ構成と光束の断面図を図１６に示す。実施例４の結像光学系は、拡大側から縮小側へ順に、第１光学系Ｇ１と、第２光学系Ｇ２と、第３光学系Ｇ３とからなる。第１光学系Ｇ１は、拡大側から縮小側へ順に、レンズＬ１ａ～Ｌ１ｎからなる。第２光学系Ｇ２は、拡大側から縮小側へ順に、レンズＬ２ａ～Ｌ２ｈからなる。第３光学系Ｇ３は、拡大側から縮小側へ順に、レンズＬ３ａ～Ｌ３ｆと、開口絞りＳｔと、レンズＬ３ｇ～Ｌ３ｋとからなる。第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２との間に第１中間像ＭＩ１が形成され、第２光学系Ｇ２と第３光学系Ｇ３との間に第２中間像ＭＩ２が形成されている。

実施例４の結像光学系について、基本レンズデータを表１０Ａおよび表１０Ｂに、諸元を表１１に、非球面係数を表１２に、各収差図を図１７に示す。表１０Ａ、表１０Ｂ、および図１７には拡大側結像面から最も拡大側のレンズ面までの距離が７５２．７の場合のデータを示す。

図１８に実施例４の変形例として光路を折り曲げた例を示す。図１８に示す変形例４－１の結像光学系は、実施例４の結像光学系に２つの光路偏向部材を追加して光路を２回折り曲げるように構成したものである。変形例４－１の結像光学系では、第１光学系Ｇ１の内部に光路を９０度折り曲げる第１光路偏向部材Ｒ１が配置され、第２光学系Ｇ２の最も拡大側に光路を９０度折り曲げる第２光路偏向部材Ｒ２が配置されている。

表１３に実施例１～４の結像光学系の条件式（１）～（９）の対応値を示し、表１４に条件式に関する数値を示す。実施例１～４はｄ線を基準波長としており、表１３および表１４にはｄ線基準での値を示す。

以上のデータからわかるように、実施例１～４の結像光学系は、２．４以下という小さなＦナンバーを有し、レンズ径を小さく抑えながらも、全画角で１３０度以上という広い画角を確保し、各収差が良好に補正されて高い光学性能を実現している。また、実施例１～４の結像光学系は、光軸付近を含むイメージサークル全域の光束を使用可能であり、縮小側がテレセントリックに構成されている。

次に、本開示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、本開示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、本開示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（Ｇｒｅｅｎ光、Ｂｌｕｅ光、Ｒｅｄ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により変調された変調光による光学像をスクリーン１０５上に投写する。

図２０は、本開示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、本開示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（Ｇｒｅｅｎ光、Ｂｌｕｅ光、Ｒｅｄ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により変調された変調光による光学像をスクリーン２０５上に投写する。

図２１は、本開示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、本開示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（Ｇｒｅｅｎ光、Ｂｌｕｅ光、Ｒｅｄ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により変調された変調光による光学像をスクリーン３０５上に投写する。

図２２および図２３は、本開示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を正面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、本開示の実施形態に係る結像光学系４９を鏡筒内に収納したものである。

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および電源ボタン４３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、操作部４５、および表示部４６が設けられている。表示部４６は、撮像された画像および撮像される前の画角内にある画像を表示する。

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。

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）又はＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの撮像素子（不図示）、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（不図示）、およびその生成された画像を記録するための記録媒体（不図示）などが設けられている。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又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開示の技術について説明したが、本開示の技術は上記実施形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、各レンズの曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数、および非球面係数等は、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得る。

また、本開示の技術に係る投写型表示装置も、上記構成のものに限定されず、例えば、光束分離又は光束合成に用いられる光学部材、およびライトバルブは、種々の態様の変更が可能である。ライトバルブは、光源からの光を画像表示素子により空間変調して、画像データに基づく光学像として出力する態様に限定されず、自発光型の画像表示素子から出力された光自体を、画像データに基づく光学像として出力する態様であってもよい。自発光型の画像表示素子としては、例えば、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）又はＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の発光素子が２次元配列された画像表示素子が挙げられる。

また、本開示の技術に係る撮像装置も、上記構成のものに限定されず、例えば、ノンレフレックス方式以外のカメラ、フィルムカメラ、ビデオカメラ、および映画撮影用カメラ等、種々の態様とすることができる。

２ 軸上光束
３ 最大像高の光束
３ｃ 光線
４ 第１延長線
５ 第２延長線
１０、４９、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
１００、２００、３００ 投写型表示装置
１０５、２０５、３０５ スクリーン
４００ カメラ
ｄｄ１ 第１交点と第２光学系の最も拡大側のレンズ面との光軸上での距離
ｄｄ２ 第２交点と第３光学系の最も拡大側のレンズ面との光軸上での距離
Ｇ１ 第１光学系
Ｇ２ 第２光学系
Ｇ３ 第３光学系
ｈ１ 第２光学系の最も拡大側のレンズ面での光線３ｃの光軸からの高さ
ｈ２ 第３光学系の最も拡大側のレンズ面での光線３ｃの光軸からの高さ
ＩＣ イメージサークル
Ｌ１ａ～Ｌ１ｎ、Ｌ２ａ～Ｌ２ｋ、Ｌ３ａ～Ｌ３ｎ レンズ
ＭＩ１ 第１中間像
ＭＩ２ 第２中間像
Ｐ１ 第１交点
Ｐ２ 第２交点
ＰＰ 光学部材
Ｒ１ 第１光路偏向部材
Ｒ２ 第２光路偏向部材
Ｒ３ 第３光路偏向部材
Ｒ４ 第４光路偏向部材
Ｓｃｒ スクリーン
Ｓｉｍ 画像表示面
Ｓｔ 開口絞り
Ｙｍａｘ 最大像高
Ｚ 光軸
θ 角度

Claims (16)

1. 拡大側結像面と縮小側結像面とを共役にする結像光学系であって、
   前記結像光学系は、前記拡大側結像面と共役な位置にある第１中間像と、前記第１中間像より縮小側の光路に位置しかつ前記第１中間像と共役な位置にある第２中間像とを形成し、
   縮小側がテレセントリックに構成されており、
   拡大側から縮小側へ光路に沿って順に、第１光学系と、第２光学系と、第３光学系とからなり、
   パワーを有する反射部材を含まず、
   前記第１光学系の全てのレンズの拡大側の面は前記第１中間像より拡大側の光路に位置し、
   前記第２光学系の全てのレンズの拡大側の面は前記第１中間像より縮小側でかつ前記第２中間像より拡大側の光路に位置し、
   前記第３光学系の全てのレンズの拡大側の面は前記第２中間像より縮小側の光路に位置し、
   前記縮小側結像面での最大像高をＹｍａｘとし、前記縮小側結像面から前記結像光学系へ光軸に平行で光軸からＹｍａｘの高さで光線を入射させた場合に、
   前記第１中間像が空気間隔の内部に位置する場合は前記第１中間像が位置する空気間隔を第１空気間隔とし、前記第１中間像がレンズの内部に位置する場合は前記第１中間像が位置するレンズの拡大側に隣接する空気間隔を第１空気間隔とし、
   前記第１空気間隔内の前記光線を延長した第１延長線と、光軸とのなす角度をθとし、
   前記第１延長線と光軸との交点である第１交点が前記第１中間像より拡大側に位置する場合のθの符号を負とし、前記第１交点が前記第１中間像より縮小側に位置する場合のθの符号を正とし、θの単位を度とした場合に、
   －１５＜θ＜１３ （１）
   で表される条件式（１）を満足し、さらに、
   前記結像光学系の焦点距離をｆとした場合に、
   ２．１５＜｜Ｙｍａｘ／ｆ｜＜５ （２）
   で表される条件式（２）を満足する結像光学系。
2. 前記縮小側結像面から前記結像光学系へ光軸に平行で光軸からＹｍａｘの高さで前記光線を入射させた場合に、
   前記第２光学系の最も拡大側のレンズ面での前記光線の光軸からの高さをｈ１とし、
   前記第１交点と、前記第２光学系の最も拡大側のレンズ面との光軸上での距離をｄｄ１とし、
   前記第３光学系の最も拡大側のレンズ面での前記光線の光軸からの高さをｈ２とし、
   前記第２中間像が空気間隔の内部に位置する場合は前記第２中間像が位置する空気間隔を第２空気間隔とし、前記第２中間像がレンズの内部に位置する場合は前記第２中間像が位置するレンズの拡大側に隣接する空気間隔を第２空気間隔とし、
   前記第２空気間隔内の前記光線を延長した第２延長線と、光軸との交点を第２交点とし、
   前記第２交点と、前記第３光学系の最も拡大側のレンズ面との光軸上での距離をｄｄ２とし、
   ｜ｈ１／ｄｄ１｜および｜ｈ２／ｄｄ２｜のうち値の大きい方をｈｄＡ、小さい方をｈｄＢとした場合、
   ０．１＜ｈｄＡ＜１ （３）
   ０．０３＜ｈｄＢ＜０．３ （４）
   で表される条件式（３）および（４）を満足する請求項１に記載の結像光学系。
3. 前記結像光学系の縮小側のバックフォーカスをＢｆとした場合、
   ５＜｜Ｂｆ／ｆ｜ （５）
   で表される条件式（５）を満足する請求項１又は２に記載の結像光学系。
4. 前記第１光学系の焦点距離をｆ１とした場合、
   １＜｜ｆ１／ｆ｜＜５ （６）
   で表される条件式（６）を満足する請求項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光学系と前記第２光学系との合成焦点距離をｆ１２とした場合、
   ０．８＜｜ｆ１２／ｆ｜＜３ （７）
   で表される条件式（７）を満足する請求項１から４のいずれか１項に記載の結像光学系。
6. 前記結像光学系に含まれる全ての光学素子が共通の光軸を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の結像光学系。
7. 光路を折り曲げる２つ以上の光路偏向部材を含む請求項１から６のいずれか１項に記載の結像光学系。
8. －１５＜θ＜１０ （１－１）
   で表される条件式（１－１）を満足する請求項１に記載の結像光学系。
9. ２．１５＜｜Ｙｍａｘ／ｆ｜＜３．８ （２－１）
   で表される条件式（２－１）を満足する請求項１に記載の結像光学系。
10. ０．１＜ｈｄＡ＜０．８５ （３－１）
    で表される条件式（３－１）を満足する請求項２に記載の結像光学系。
11. ０．１＜ｈｄＢ＜０．３ （４－１）
    で表される条件式（４－１）を満足する請求項２に記載の結像光学系。
12. ６＜｜Ｂｆ／ｆ｜＜２０ （５－１）
    で表される条件式（５－１）を満足する請求項３に記載の結像光学系。
13. １．５＜｜ｆ１／ｆ｜＜３ （６－１）
    で表される条件式（６－１）を満足する請求項４に記載の結像光学系。
14. １＜｜ｆ１２／ｆ｜＜２ （７－１）
    で表される条件式（７－１）を満足する請求項５に記載の結像光学系。
15. 光学像を出力するライトバルブと、
    請求項１から１４のいずれか１項に記載の結像光学系とを備え、
    前記結像光学系は、前記ライトバルブから出力された前記光学像をスクリーン上に投写する投写型表示装置。
16. 請求項１から１４のいずれか１項に記載の結像光学系を備えた撮像装置。

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