JPWO2012160786A1 - 投写用変倍光学系および投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投写用変倍光学系において、縮小側がテレセントリックとされ、大きな変倍比を有し、変倍時における収差の変動と全系の大型化を抑制でき、映画館用途等に好適で高い光学性能を有する。【解決手段】拡大側から順に、変倍時に固定の正の第１レンズ群（Ｇ１）、変倍時に可動の負の第２レンズ群（Ｇ２）、変倍時に可動の正の第３レンズ群（Ｇ３）、変倍時に可動の正の第４レンズ群（Ｇ４）、変倍時に固定の正の第５レンズ群（Ｇ５）が配列されてなる。縮小側がテレセントリックとされる。条件式（１）を満足する。Ｌ／Ｉｍφ＜１５．０ （１）ただし、Ｌ：投写距離無限時の最も拡大側のレンズ面から最も縮小側のレンズ面までの光軸上の距離Ｉｍφ：縮小側における最大有効像円直径【選択図】図１

Description

本発明は、投写用変倍光学系、および投写型表示装置に関し、特に、映画館等において大画面スクリーン上に投写するのに好適な投写用変倍光学系、および投写型表示装置に関するものである。

従来、液晶表示素子やＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス：登録商標）等のライトバルブを用いた投写プロジェクタ装置（投写型表示装置）が広く普及している。また、近年、映画館等においては、このような投写型表示装置であって、大画面に適用し得る、より高精細な画像を映出し得るようにしたものも利用されつつある。このような利用に供される投写型表示装置では、各原色用に３つのライトバルブを配設して、光源からの光束を色分離光学系により３原色に分離し、各ライトバルブを経由した後、色合成光学系により合成して投写する３板方式が採用されていることから、長いバックフォーカスと良好なテレセントリック性を有することが求められている。

一般的に投写距離をスクリーン横幅で割った値をスローレシオという。スクリーンサイズとスクリーンから映写室までの距離、すなわち投写距離は映画館毎にまちまちである。したがって映画館毎に適した大きさの映像を投写するには、それぞれに適したスローレシオに対応するレンズが必要になるが、それらを個々に用意することはコスト面から考えると得策ではない。そこで、変倍光学系を用い、対応できるスローレシオに幅を持たせることが考えられる。

スローレシオの幅を広くとるためには、変倍光学系は高変倍比であることが望まれる。高変倍比を確保した４群または５群構成の変倍光学系としては、例えば、下記特許文献１、２に記載されたものが知られている。

特許文献１には、ビデオカメラに使用可能で、物体側から順に、正の第１レンズ群、負の第２レンズ群、正の第３レンズ群、正の第４レンズ群、正の第５レンズ群が配列され、第２レンズ群〜第４レンズ群を光軸方向に移動させることにより変倍を行うズームレンズが記載されている。

特許文献２には、テレビカメラ、写真用カメラ、ビデオカメラに使用可能で、物体側から順に、正の第１レンズ群、負の第２レンズ群、正または負の第３レンズ群、正の第４レンズ群が配列され、第２レンズ群が変倍時に互いに異なる速度で移動する２つのレンズ群を有するズームレンズが記載されている。

特開２００７−２５６６５６号公報 特許３９２７６７０号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に記載のズームレンズは、高変倍比を得やすい構成ではあるが、投写用を主目的として考案されたものではないため、このまま投写光学系として用いようとすると不都合が生じる。投写型表示装置に搭載される投写型表示素子のサイズはビデオカメラ等に搭載される撮像素子のサイズより大きく、また、投写型表示装置では、投写される画像を投写用光学系の光軸から大きくシフトさせた状態とすることが多い。そのため、上記特許文献１、２に記載のズームレンズを投写型表示装置で求められるイメージサークル（以下、最大有効像円直径ともいう）に対応させようとすると、レンズ系が大型化してしまい、特に映画館用途の投写光学系としては不適なものとなってしまう。さらに、上記特許文献１のズームレンズは、変倍時の開口数の変動については特に考慮されていないため、変倍時に明るさが変動してしまい、映画館用途の投写用光学系としては適さないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、縮小側がテレセントリックとされ、大きな変倍比を有しながらも、変倍時における収差の変動と全系の大型化を抑制でき、映画館用途等に好適で高い光学性能を有する投写用変倍光学系および投写型表示装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明に係る第１の投写用変倍光学系は、拡大側から順に、変倍の際に固定とされる正の屈折力を有する第１レンズ群と、変倍の際に移動する負の屈折力を有する第２レンズ群と、変倍の際に移動する正の屈折力を有する第３レンズ群と、変倍の際に移動する正の屈折力を有する第４レンズ群と、変倍の際に固定とされる正の屈折力を有する第５レンズ群とからなり、縮小側がテレセントリックとなるように構成され、下記条件式（１）を満足することを特徴とするものである。
Ｌ／Ｉｍφ＜１５．０ … （１）
ただし、
Ｌ：投写距離無限時の最も拡大側のレンズ面から最も縮小側のレンズ面までの光軸上の距離
Ｉｍφ：縮小側における最大有効像円直径。

また、上記目的を達成するために、本発明に係る第２の投写用変倍光学系は、拡大側から順に、変倍の際に固定とされる正の屈折力を有する第１レンズ群と、変倍の際に移動する負の屈折力を有する第２レンズ群と、変倍の際に移動する正の屈折力を有する第３レンズ群と、変倍の際に移動する正の屈折力を有する第４レンズ群と、変倍の際に固定とされる正の屈折力を有する第５レンズ群とからなり、縮小側がテレセントリックとなるように構成され、第５レンズ群中に絞りを有することを特徴とするものである。

上記本発明に係る第１、第２の投写用変倍光学系において、下記条件式（２）〜（８）のいずれか１つ、あるいは任意の組合せを満足することが好ましい。
１．３＜Ｂｆ／ｆｗ＜３．０ … （２）
３．０＜ｆ１／ｆｗ＜８．０ … （３）
−３．０＜ｆ２／ｆｗ＜−０．５ … （４）
６．０＜ｆ３／ｆｗ … （５）
１．０＜ｆ４／ｆｗ＜３．０ … （６）
１．０＜ｆ５／ｆｗ＜３．０ … （７）
１．６＜Ｚｒ＜３．０ … （８）
ただし、
ｆ１：第１レンズ群の焦点距離
ｆ２：第２レンズ群の焦点距離
ｆ３：第３レンズ群の焦点距離
ｆ４：第４レンズ群の焦点距離
ｆ５：第５レンズ群の焦点距離
ｆｗ：広角端における全系の焦点距離
Ｂｆ：広角端における全系のバックフォーカス（空気換算距離）
Ｚｒ：広角端に対する望遠端の変倍比

また、上記本発明に係る第１、第２の投写用変倍光学系において、変倍の全範囲にわたって開口数が一定となるように設定されていることが好ましい。

また、上記本発明に係る第１、第２の投写用変倍光学系において、全てのレンズが単レンズからなることが好ましい。

また、上記本発明に係る第１、第２の投写用変倍光学系において、レンズ群の間隔のみを変更することでズームレンズとなるように構成されていることが好ましい。

また、上記本発明に係る第１、第２の投写用変倍光学系がズームレンズであるとき、フォーカシングは、第１レンズ群の最も縮小側に配置されたレンズを含む第１レンズ群の一部のみを光軸方向に移動させて行うように構成されていることが好ましい。

本発明に係る投写型表示装置は、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投写用変倍光学系として上述したいずれかの投写用変倍光学系とを備えたことを特徴とするものである。

なお、本発明の変倍光学系としては、ズームレンズでもよく、バリフォーカルレンズでもよい。

なお、上記本発明の第１および第２の変倍光学系における「〜第１レンズ群と、〜第２レンズ群と、〜第３レンズ群と、〜第４レンズ群と、〜第５レンズ群とからなり」とは、実質的に上記５つのレンズ群からなる変倍光学系であることを意味するものである。ここで、実質的に上記５つのレンズ群からなる変倍光学系とは、上記５つのレンズ群以外に、実質的にパワーを有さないレンズやレンズ群、絞りやカバーガラス等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、手振れ補正機構等の機構部分、等を持つものも含むものである。

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、原画像表示領域側（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。

なお、「縮小側がテレセントリック」とは、縮小側の像面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が光軸と平行に近い状態を指すものであり、完全にテレセントリックな場合、すなわち前記２等分角線が光軸に対して完全に平行な場合に限るものではなく、多少の誤差がある場合をも含むものを意味する。ここで多少の誤差がある場合とは、光軸に対する前記２等分角線の傾きが±３°の範囲内の場合である。

なお、「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。

なお、「単レンズ」とは、接合されていない１枚のレンズからなるものを意味する。

本発明に係る第１の投写用変倍光学系は、拡大側から順に、正、負、正、正、正の５つのレンズ群からなり、縮小側がテレセントリックとされ、条件式（１）を満足するように構成されているため、大きな変倍比を有することができ、またこの大きな変倍比を有しながらもその変倍時における収差の変動と全系の大型化を抑制することが可能であり、映画館用途等に好適で高い光学性能を実現することができる。

本発明に係る第２の投写用変倍光学系は、拡大側から順に、正、負、正、正、正の５つのレンズ群からなり、縮小側がテレセントリックとされ、第５レンズ群中に絞りを有するように構成されているため、大きな変倍比を有することができ、またこの大きな変倍比を有しながらもその変倍時における収差の変動と全系の大型化を抑制することが可能であり、変倍の全範囲にわたって開口数を一定に保つことができ、映画館用途等に好適で高い光学性能を実現することができる。

本発明に係る投写型表示装置は、本発明の投写用変倍光学系を備えているため、装置を極端に大型化させることなく、大きな変倍比で使用可能であり汎用性が高く、変倍の全範囲にわたって良好な投写像を得ることができ、例えば映画館用途等に好適である。

本発明の実施例１に係る投写用変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例１に係る投写用変倍光学系の、変倍時の各位置におけるレンズ群の配置および光線軌跡を示す図 本発明の実施例２に係る投写用変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例２に係る投写用変倍光学系の、変倍時の各位置におけるレンズ群の配置および光線軌跡を示す図 本発明の実施例３に係る投写用変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例３に係る投写用変倍光学系の、変倍時の各位置におけるレンズ群の配置および光線軌跡を示す図 本発明の実施例４に係る投写用変倍光学系のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例４に係る投写用変倍光学系の、変倍時の各位置におけるレンズ群の配置および光線軌跡を示す図 図９（Ａ）〜図９（Ｌ）は本発明の実施例１に係る投写用変倍光学系の各収差図 図１０（Ａ）〜図１０（Ｌ）は本発明の実施例２に係る投写用変倍光学系の各収差図 図１１（Ａ）〜図１１（Ｌ）は本発明の実施例３に係る投写用変倍光学系の各収差図 図１２（Ａ）〜図１２（Ｌ）は本発明の実施例４に係る投写用変倍光学系の各収差図 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

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。まず、図１、図２を参照しながら、本発明の一実施形態に係る投写用変倍光学系について説明する。図１は本発明の一実施形態にかかる投写用変倍光学系のレンズ構成を示す断面図であり、図２は図１に示す投写用変倍光学系を変倍操作させたときの広角端、中間焦点位置および望遠端における、各レンズ群の移動位置を示すものである。図２では、広角端から中間焦点位置、中間焦点位置から望遠端へ変化する際の移動するレンズ群の移動方向を各位置の間の矢印で概略的に示している。なお、図１、図２に示す構成例は、後述の実施例１の投写用変倍光学系に対応している。

この投写用変倍光学系は、投写型表示装置に搭載されるものであり、例えばライトバルブにより縮小側共役位置に表示された画像情報を拡大側共役位置へ投写する投写レンズである。図１および図２では、図の左側を拡大側、右側を縮小側とし、投写型表示装置に搭載される場合を想定して、色合成プリズム（フィルタ類を含む）等のガラスブロック２ａ、２ｂと、ガラスブロック２ｂの縮小側の面に位置するライトバルブの画像表示面１も合わせて図示している。

投写型表示装置においては、画像表示面１で画像情報を与えられた光束が、ガラスブロック２ａ、２ｂを介して、この投写用変倍光学系に入射され、この投写用変倍光学系により紙面左側方向に配置されるスクリーン（不図示）上に拡大投写されるようになる。

なお、図１および図２では、ガラスブロック２ｂの縮小側の面の位置と画像表示面１の位置とが一致した例を示しているが、必ずしもこれに限定されない。また、図１には、１枚の画像表示面１のみを記載しているが、投写型表示装置において、光源からの光束を色分離光学系により３原色に分離し、各原色用に３つのライトバルブを配設して、フルカラー画像を表示可能とするように構成してもよい。

本実施形態に係る投写用変倍光学系は、拡大側から順に、変倍の際に固定とされる正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、変倍の際に移動する負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、変倍の際に移動する正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３と、変倍の際に移動する正の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ４と、変倍の際に固定とされる正の屈折力を有する第５レンズ群Ｇ５とからなり、縮小側がテレセントリックとなるように構成されている。

このような、最も拡大側のレンズ群が正の屈折力を有するポジティブリード型のレンズ構成は、高変倍比を得ることが容易であるという特徴がある。また、変倍時の移動群である、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３、第４レンズ群Ｇ４をそれぞれ負、正、正の屈折力を有するレンズ群とすることで、これらをそれぞれ負、負、正の屈折力を有するレンズ群としたものに比べて変倍時の収差の変動、特に球面収差の変動を抑制することが容易になる。

第１レンズ群Ｇ１は、例えば、拡大側から順に、１枚の負レンズと、２枚または３枚の正レンズとが配列された構成とすることができる。例えば図１に示す第１レンズ群Ｇ１は、拡大側から順に、負のレンズＬ１と、３枚の正のレンズＬ２〜Ｌ４が配列された４枚構成である。

第２レンズ群Ｇ２は、例えば図１に示すように、拡大側から順に、２枚の負のレンズＬ５、Ｌ６と、正のレンズＬ７が配列された３枚構成とすることができる。

第３レンズ群Ｇ３は、例えば図１に示すように、拡大側から順に、負のレンズＬ８と、正のレンズＬ９とが配列された２枚構成とすることができる。

第４レンズ群Ｇ４は、例えば図１に示すように、正のレンズＬ１０からなる１枚構成とすることができる。

第５レンズ群Ｇ５は、例えば図１に示すように、拡大側から順に、負のレンズＬ１１と、正のレンズＬ１２と、絞り３と、負のレンズＬ１３と、正のレンズＬ１４と、２枚の負のレンズＬ１５、Ｌ１６と、２枚の正のレンズＬ１７、Ｌ１８とが配列された８枚構成とすることができる。

絞り３は、例えば開口絞りとして機能するものを用いることができる。また、絞り３は、絞り径が変化しない固定絞りでもよく、絞り径が可変の可変絞りでもよい。

なお、本実施形態の投写用変倍光学系は、変倍の全範囲にわたって開口数が一定となるように設定されていることが好ましい。これにより、投写倍率が同じであれば、投写距離に関係なく同じ明るさでスクリーン上に投写することができる。例えば映画館の室内空間の大きさや形状等に応じて投写距離が変更される際に有効である。

例えば、絞り３を可変絞りとすることにより、変倍の全範囲にわたって開口数が一定となるように構成することが可能である。あるいは、絞り３が固定絞りの場合には、絞り３の配置箇所を好適に設定することにより、変倍の全範囲にわたって開口数が一定となるように構成することが可能である。

そのためには、絞り３は第５レンズ群Ｇ５中に配置されていることが好ましい。このように配置すれば、絞り３は変倍時に移動する全てのレンズ群よりも縮小側に配置され、かつ変倍時に絞り３の光軸方向の位置が固定されていることになる。絞り３が開口絞りの場合は、絞り３を第５レンズ群Ｇ５中に配置することにより、変倍の全範囲にわたって開口数を一定に保つことができ、投写倍率が同じであれば、投写距離に関係なく同じ明るさでスクリーン上に投写することができる。

特に、絞り３が固定絞りである場合には、絞り３を第５レンズ群Ｇ５中に配置することが好ましい。あるいは、絞り３が可変絞りの場合には、絞り３を第５レンズ群Ｇ５中に配置することにより、可変絞りの機構設置が容易になるという利点が得られる。

さらに、第５レンズ群Ｇ５中に絞り３を配置し、第５レンズ群Ｇ５において絞り３より拡大側に１枚以上のレンズが配置されているようにしてもよい。絞り３より拡大側で第５レンズ群Ｇ５に属するレンズは、変倍時に固定されているレンズとなるため、このレンズの保持部材により軸外光線の一部を遮断して、テレセントリック性を向上させることが可能になる。

また、本実施形態の投写用変倍光学系は、下記条件式（１）を満足することが好ましい。
Ｌ／Ｉｍφ＜１５．０ … （１）
ただし、
Ｌ：投写距離無限時の最も拡大側のレンズ面から最も縮小側のレンズ面までの光軸上の距離
Ｉｍφ：縮小側における最大有効像円直径

条件式（１）は、最大有効像円直径、いわゆるイメージサークルの大きさに対する、投写距離無限時の最も拡大側のレンズ面から最も縮小側のレンズ面までの光軸上の距離（以下、レンズ全厚という）の比の値を規定するものである。条件式（１）の上限を上回ると、本発明が目的とする映画館等の用途の投写用変倍光学系として必要な機能を備えることが困難になるとともに、レンズ全厚が大きくなりすぎる。

さらに、本実施形態の投写用変倍光学系においては、以下に述べる条件式（２）〜（８）を適宜選択的に満足することが好ましい。なお、好ましい態様としては、条件式（２）〜（８）のいずれか１つを満足するものでもよく、あるいは任意の組合せを満足するものでもよい。
１．３＜Ｂｆ／ｆｗ＜３．０ … （２）
３．０＜ｆ１／ｆｗ＜８．０ … （３）
−３．０＜ｆ２／ｆｗ＜−０．５ … （４）
６．０＜ｆ３／ｆｗ … （５）
１．０＜ｆ４／ｆｗ＜３．０ … （６）
１．０＜ｆ５／ｆｗ＜３．０ … （７）
１．６＜Ｚｒ＜３．０ … （８）
ただし、
ｆ１：第１レンズ群Ｇ１の焦点距離
ｆ２：第２レンズ群Ｇ２の焦点距離
ｆ３：第３レンズ群Ｇ３の焦点距離
ｆ４：第４レンズ群Ｇ４の焦点距離
ｆ５：第５レンズ群Ｇ５の焦点距離
ｆｗ：広角端における全系の焦点距離
Ｂｆ：広角端における全系のバックフォーカス（空気換算距離）
Ｚｒ：広角端に対する望遠端の変倍比

条件式（２）は、広角端における全系の焦点距離ｆｗに対する、全系のバックフォーカス（空気換算距離）Ｂｆの比の値を規定するものである。条件式（２）の下限を下回ると、長いバックフォーカスを確保することが困難になり、レンズ系の縮小側にビームスプリッタや、クロスダイクロイックプリズム、ＴＩＲプリズム等の色合成手段としてのガラスブロック等を挿入することが困難となる。条件式（２）の上限を上回ると、レンズ全長が長くなり、レンズ系が大型化してしまう。

条件式（３）は、第１レンズ群Ｇ１のパワーを規定するものである。条件式（３）の下限を下回り、第１レンズ群Ｇ１のパワーが強くなりすぎると、拡大側のレンズ外径が大きくなり、長いバックフォーカスを確保することが困難になり、レンズ系の縮小側に色合成手段としてのガラスブロック等を挿入することが困難となる。条件式（３）の上限を上回ると、像面湾曲や歪曲収差の収差補正が困難となる。

上記条件式（４）は、第２レンズ群Ｇ２のパワーを規定するものである。条件式（４）の下限を下回り、第２レンズ群Ｇ２のパワーが弱くなりすぎると、変倍時における第２レンズ群Ｇ２の移動量が大きくなりすぎるため、レンズ全厚が大きくなる。条件式（４）の上限を上回り、第２レンズ群Ｇ２の負のパワーが強くなりすぎると、第２レンズ群Ｇ２より縮小側のレンズ群の正のパワーも強くなるので、像面湾曲や色収差の補正が困難になる。

上記条件式（５）は、第３レンズ群Ｇ３のパワーを規定するものである。条件式（５）の下限を下回り、第３レンズ群Ｇ３のパワーが強くなりすぎると、球面収差や色収差の収差補正が困難となる。

上記条件式（６）は、第４レンズ群Ｇ４のパワーを規定するものである。条件式（６）の下限を下回り、第４レンズ群Ｇ４のパワーが強くなりすぎると、球面収差の補正が困難となるとともに、拡大側のレンズ外径が大きくなる。条件式（６）の上限を上回り、第４レンズ群Ｇ４のパワーが弱くなりすぎると、望遠端での球面収差の補正が困難になる。

上記条件式（７）は、第５レンズ群Ｇ５のパワーを規定するものである。条件式（７）の下限を下回り、第５レンズ群Ｇ５のパワーが強くなりすぎると、像面湾曲の補正が困難になる。条件式（７）の上限を上回り、第５レンズ群Ｇ５のパワーが弱くなると、テレセントリック性を確保するためにレンズ全厚が大きくなる。

上記条件式（８）は、変倍比を規定するものである。条件式（８）の下限を下回っても、条件式（８）の上限を上回っても、本発明が目的とする映画館等の用途の投写用変倍光学系として好適なものと言えなくなる。

上記事情から、上記条件式（１）〜（８）それぞれに代えて下記条件式（１−１）〜（８−１）それぞれを満たすことがより好ましい。
Ｌ／Ｉｍφ＜１２．０ … （１−１）
１．４＜Ｂｆ／ｆｗ＜２．０ … （２−１）
３．５＜ｆ１／ｆｗ＜７．５ … （３−１）
−２．５＜ｆ２／ｆｗ＜−１．０ … （４−１）
８．０＜ｆ３／ｆｗ … （５−１）
１．２＜ｆ４／ｆｗ＜２．５ … （６−１）
１．２＜ｆ５／ｆｗ＜２．５ … （７−１）
１．７＜Ｚｒ＜２．５ … （８−１）

また、本実施形態の投写用変倍光学系においては、全てのレンズを、接合レンズではなく単レンズにより構成することが好ましい。投写用変倍光学系が投写型表示装置に搭載されて高出力の光源と併用されたとき、強力な光によってレンズを接合するための接合剤が著しく変質、劣化し、レンズ性能の低下を招くおそれがあるが、接合レンズを用いないことで、そのような問題の発生を回避することができる。

なお、本実施形態の投写用変倍光学系においては、図１に示す例のように、各レンズ面を全て球面とした非球面を用いない構成が可能であり、このようにした場合は、コスト的に有利となる。勿論、本実施形態の投写用変倍光学系において、非球面を用いる構成も可能であり、その場合はより良好に収差補正を行うことができる。

また、本実施形態の投写用変倍光学系においては、レンズ群の間隔のみを変更することでズームレンズとなるように構成してもよい。すなわち、レンズ群の間隔のみを変更することで、ズームレンズからバリフォーカルレンズへ、あるいはバリフォーカルレンズからズームレンズへ変換可能であるように構成してもよい。このような構成によれば、最小限の機構構造変更で異なるフォーカス方式の装置に使用可能となり、コストメリットの高いものとすることができる。

なお、この投写用変倍光学系がズームレンズである場合、投写距離が変化したときのフォーカシングは、第１レンズ群１の最も縮小側に配置されたレンズを含む第１レンズ群Ｇ１の一部のみを光軸方向に移動させることによって行なうインナーフォーカス方式とすることが好ましい。

例えば図１に示す例では、第１レンズ群Ｇ１の縮小側の２枚のレンズ（レンズＬ３とレンズＬ４）を光軸方向に移動させることによりフォーカシングを行うことが可能である。インナーフォーカス方式を採用することで、径が大きく重量の大きな拡大側のレンズを駆動させなくてよいため駆動機構の負担を少なくできるとともに、フォーカス時にレンズ全厚を一定に保つことができる。

なお、本発明の投写用変倍光学系においては、フォーカシングを、第１レンズ群Ｇ１の全体または縮小側以外の一部を移動させることによって行うことも可能であり、あるいは第１レンズ群Ｇ１以外のレンズ群の全体または一部を移動させることによって行なうことも可能である。

なお、本発明の目的とする投写用変倍光学系としては、全変倍域でＦナンバーが３．０よりも小さな光学系であることが好ましい。また、本発明の目的とする投写用変倍光学系としては、全変倍域でディストーション（歪曲収差）が約２％以下に抑えられていることが好ましい。

次に、本発明に係る投写型表示装置の実施形態について、図１３を用いて説明する。図１３は本発明の一実施形態に係る投写型表示装置の一部を示す概略構成図である。

図１３に示す投写型表示装置１００は、本発明の実施形態にかかる投写用変倍光学系１０と、光源２０と、照明光学部３０とを備えている。照明光学部３０は、各色光に対応したライトバルブとしての透過型液晶表示素子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１３では、投写用変倍光学系１０は概略的に図示しており、光源２０とダイクロイックミラー１２の間の構成は図示を省略している。

光源２０からの白色光は、照明光学部３０において、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液晶表示素子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、投写用変倍光学系１０に入射する。この入射光による光学像が投写用変倍光学系１０によりスクリーン（不図示）上に投写される。

なお、本発明の投写型表示装置が備えるライトバルブは、透過型液晶表示素子に限られるものではなく、反射型液晶表示素子あるいはＤＭＤ等の他の光変調手段であってもよい。

次に、本発明の投写用変倍光学系の具体的な実施例について説明する。以下に述べる実施例１〜４はバリフォーカルレンズとして構成されているが、実施例１は後で実施例１の変形例として説明するように、レンズ群の間隔のみを変更することでズームレンズとして使用可能となるように構成されている。実施例１〜４をバリフォーカルレンズとして使用する際は、変倍時および投写距離が変化したときのフォーカシングは、全系を一体的に光軸方向に移動させることによって行う全体繰り出し方式により行われる。

＜実施例１＞
図１、図２にそれぞれ実施例１の投写用変倍光学系の広角端におけるレンズ構成、変倍時の各位置におけるレンズ群の配置および光線軌跡を示す。なお、図１および図２に示す構成は、投写距離が無限遠のときのものである。図１、図２についての詳細な説明は上述した通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の投写用変倍光学系は、拡大側から順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２と、正の屈折力を有する第３レンズ群Ｇ３と、正の屈折力を有する第４レンズ群Ｇ４と、正の屈折力を有する第５レンズ群Ｇ５とが配列されてなり、全系の縮小側がテレセントリックとなるように構成されている。投写用変倍光学系の縮小側には、色合成プリズムを主とする（赤外線カットフィルタやローパスフィルタ等のフィルタを含む）ガラスブロック（フィルタ部を含む）２ａ、２ｂと、ライトバルブの画像表示面１が配設されている。

変倍時には、第１レンズ群Ｇ１と第５レンズ群Ｇ５とが固定とされ、第２レンズ群Ｇ２、第３レンズ群Ｇ３、第４レンズ群Ｇ４とが可動とされ、その可動態様は図２に表されている。また、変倍の全範囲にわたって開口数が一定となるように設定されている。

第１レンズ群Ｇ１は、拡大側から順に、拡大側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズＬ１と、縮小側に平面を向けた平凸形状のレンズＬ２と、拡大側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズＬ３と、両凸形状のレンズＬ４とが配列されて構成されている。

第２レンズ群Ｇ２は、拡大側から順に、拡大側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズＬ５と、両凹形状のレンズＬ６と、拡大側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズＬ７とが配列されて構成されている。

第３レンズ群Ｇ３は、拡大側から順に、拡大側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズＬ８と、両凸形状のレンズＬ９とが配列されて構成されている。

第４レンズ群Ｇ４は、両凸形状のレンズＬ１０から構成されている。

第５レンズ群Ｇ５は、拡大側から順に、両凹形状のレンズＬ１１と、拡大側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズＬ１２と、絞り３と、両凹形状のレンズＬ１３と、拡大側に平面を向けた平凸形状のレンズＬ１４と、縮小側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズ１５と、拡大側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズＬ１６と、両凸形状のレンズＬ１７と、両凸形状のレンズＬ１８とが配列されて構成されている。

実施例１の投写用変倍光学系は、全てのレンズが接合されていない単レンズからなる。また、全てのレンズ面が球面とされており、非球面を用いていないので、コスト的に有利である。

表１の上段に実施例１の投写用変倍光学系の基本レンズデータを示す。表１には絞り３、ガラスブロック２ａ、２ｂも含めて示している。表１において、Ｓｉの欄には最も拡大側の構成要素の拡大側の面を１番目として縮小側に向かうに従い順次増加するように構成要素に面番号を付したときのｉ番目（ｉ＝１、２、３、…）の面番号を示す。Ｒｉの欄にはｉ番目の面の曲率半径を示し、Ｄｉの欄にはｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸Ｚ１上の面間隔を示している。また、Ｎｄｊの欄には最も拡大側の構成要素を１番目として縮小側に向かうに従い順次増加するｊ番目（ｊ＝１、２、３、…）の構成要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を示し、νｄｊの欄にはｊ番目の構成要素のｄ線に対するアッベ数を示している。

ただし、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。第１レンズ群Ｇ１と第２レンズ群Ｇ２の間隔、第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３の間隔、第３レンズ群Ｇ３と第４レンズ群Ｇ４の間隔、第４レンズ群Ｇ４と第５レンズ群Ｇ５の間隔は、変倍時に変化する可変間隔であり、これらの間隔に相当する欄にはそれぞれＤ８、Ｄ１４、Ｄ１８、Ｄ２０と記入している。

表１の下段に広角端、中間焦点位置、望遠端における全系の焦点距離ｆ、各可変間隔Ｄ８、Ｄ１４、Ｄ１８、Ｄ２０の値をそれぞれ示す。

なお、表１のデータは、投写距離が無限遠のときのものであり、広角端における投写用変倍光学系の全系の焦点距離を１０．０として規格化したときの値である。また、表１では所定の桁でまるめた数値を記載している。

図９（Ａ）〜図９（Ｄ）にそれぞれ、広角端における実施例１の投写用変倍光学系の球面収差、非点収差、ディストーション（歪曲収差）、倍率色収差（倍率の色収差）の各収差図を示す。図９（Ｅ）〜図９（Ｈ）にそれぞれ、中間焦点位置における実施例１の投写用変倍光学系の球面収差、非点収差、ディストーション（歪曲収差）、倍率色収差（倍率の色収差）の各収差図を示す。図９（Ｉ）〜図９（Ｌ）にそれぞれ、望遠端における実施例１の投写用変倍光学系の球面収差、非点収差、ディストーション（歪曲収差）、倍率色収差（倍率の色収差）の各収差図を示す。

図９（Ａ）〜図９（Ｌ）の各収差図は、ｄ線を基準としたものであるが、球面収差図では、Ｆ線（波長波長４８６．１ｎｍ）、Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）に関する収差も示しており、倍率色収差図では、Ｆ線、Ｃ線に関する収差を示している。また、非点収差図ではサジタル方向、タンジェンシャル方向に関する収差をそれぞれ実線、破線で示している。球面収差図の縦軸上方に記載のＦｎｏ．はＦナンバー、その他の収差図の縦軸上方に記載のωは半画角を意味する。なお、図９（Ａ）〜図９（Ｌ）の収差図は、縮小倍率が−０．００２倍のときのものである。

上述した実施例１のレンズ構成図、レンズ群配置図、表および収差図の記号、意味、記載方法は、特に断りがない限り、以下の実施例２〜４のものについても基本的に同様である。また、上述した実施例１の基本レンズデータに関する投射距離の条件、収差図に関する縮小倍率の条件、焦点距離が１０．０で規格化されている点も以下の実施例２〜４のものについても同様である。

＜実施例２＞
図３、図４にそれぞれ実施例２の投写用変倍光学系の広角端におけるレンズ構成、変倍時の各位置におけるレンズ群の配置および光線軌跡を示す。実施例２に係る投写用変倍光学系は、実施例１に係る投写用変倍光学系と略同様の構成とされているが、以下に述べる点が異なる。

第１レンズ群Ｇ１は、拡大側から順に、拡大側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズＬ１と、拡大側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズＬ２と、両凸形状のレンズＬ３とが配列されて構成されている。

第２レンズ群Ｇ２は、拡大側から順に、拡大側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズＬ４と、両凹形状のレンズＬ５と、拡大側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズＬ６とが配列されて構成されている。

第３レンズ群Ｇ３は、拡大側から順に、拡大側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズＬ７と、両凸形状のレンズＬ８とが配列されて構成されている。

第４レンズ群Ｇ４は、両凸形状のレンズＬ９から構成されている。

第５レンズ群Ｇ５は、拡大側から順に、両凹形状のレンズＬ１０と、拡大側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズＬ１１と、絞り３と、両凹形状のレンズＬ１２と、両凸形状のレンズＬ１３と、縮小側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズ１４と、拡大側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズＬ１５と、両凸形状のレンズＬ１６と、両凸形状のレンズＬ１７とが配列されて構成されている。

表２の上段に実施例２の投写用変倍光学系の基本レンズデータを示し、表２の下段に広角端、中間焦点位置、望遠端における全系の焦点距離ｆ、各可変間隔Ｄ６、Ｄ１２、Ｄ１６、Ｄ１８の値をそれぞれ示す。また、図１０（Ａ）〜図１０（Ｌ）にそれぞれ、実施例２の投写用変倍光学系の各収差図を示す。

＜実施例３＞
図５、図６にそれぞれ実施例３の投写用変倍光学系の広角端におけるレンズ構成、変倍時の各位置におけるレンズ群の配置および光線軌跡を示す。実施例３に係る投写用変倍光学系は、実施例２に係る投写用変倍光学系と略同様の構成とされているが、第５レンズ群Ｇ５の構成が異なる。

実施例３の投写用変倍光学系の第５レンズ群Ｇ５は、拡大側から順に、両凹形状のレンズＬ１０と、拡大側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズＬ１１と、絞り３と、両凹形状のレンズＬ１２と、両凸形状のレンズＬ１３と、縮小側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズ１４と、縮小側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズＬ１５と、拡大側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズＬ１６と、両凸形状のレンズＬ１７と、両凸形状のレンズＬ１８とが配列されて構成されている。

表３の上段に実施例３の投写用変倍光学系の基本レンズデータを示し、表３の下段に広角端、中間焦点位置、望遠端における全系の焦点距離ｆ、各可変間隔Ｄ６、Ｄ１２、Ｄ１６、Ｄ１８の値をそれぞれ示す。図１１（Ａ）〜図１１（Ｌ）にそれぞれ、実施例３の投写用変倍光学系の各収差図を示す。

＜実施例４＞
図７、図８にそれぞれ実施例４の投写用変倍光学系の広角端におけるレンズ構成、変倍時の各位置におけるレンズ群の配置および光線軌跡を示す。実施例４に係る投写用変倍光学系は、実施例３に係る投写用変倍光学系と略同様の構成とされているが、第１レンズ群Ｇ１と第５レンズ群Ｇ５の構成が異なる。

実施例４の投写用変倍光学系の第１レンズ群Ｇ１は、拡大側から順に、拡大側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズＬ１と、両凸形状のレンズＬ２と、拡大側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズＬ３とが配列されて構成されている。

実施例４の投写用変倍光学系の第５レンズ群Ｇ５は、両凹形状のレンズＬ１０と、拡大側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズＬ１１と、絞り３と、拡大側に凸面を向けた負メニスカス形状のレンズＬ１２と、両凹形状のレンズＬ１３と、両凸形状のレンズ１４と、両凹形状のレンズＬ１５と、両凸形状のレンズＬ１６と、縮小側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズＬ１７と、両凸形状のレンズＬ１８とが配列されて構成されている。

表４の上段に実施例４の投写用変倍光学系の基本レンズデータを示し、表４の下段に広角端、中間焦点位置、望遠端における全系の焦点距離ｆ、各可変間隔Ｄ６、Ｄ１２、Ｄ１６、Ｄ１８の値をそれぞれ示す。図１２（Ａ）〜図１２（Ｌ）にそれぞれ、実施例４の投写用変倍光学系の各収差図を示す。

表５に、上記実施例１〜４の上記各条件式（１）〜（８）に関連する値と対応する値を示す。実施例１〜４の投写用変倍光学系は、表５に示すように、条件式（１）〜（８）を全て満足している。

上述の実施例１〜４は、縮小側がテレセントリックとされ、長いバックフォーカスを有し、非球面を採用せずに、広角端から望遠端の全変倍範囲に亘りＦナンバーが２．５０と小さく、変倍比が１．９〜２．０と大きな変倍比を有しながらも、その変倍時における収差の変動が抑制されており、各収差が良好に補正されて高い光学性能を有するものである。

＜実施例１の変形例＞
上記実施例１はレンズ群の間隔のみを変更することでズームレンズとなるように構成されている。表６に上記実施例１をレンズ群の間隔のみを変更してズームレンズとして使用する際の、投写距離が無限遠のときの広角端、中間焦点位置および望遠端における全系の焦点距離ｆと、各可変間隔の距離を示す。この実施例１の変形例をズームレンズとして使用する際は、投写距離が変動した際のフォーカシングを第１レンズ群Ｇ１の縮小側のレンズＬ３とレンズＬ４を光軸方向に移動させることによって行うインナーフォーカス方式を採用している。表６では、このフォーカシングの際に変化する面間隔、すなわち、レンズＬ２とレンズＬ３の間隔をＤ４として示している。

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、本発明の投写用変倍光学系としては、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、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としても、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や、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。

Claims (20)

1. 拡大側から順に、変倍の際に固定とされる正の屈折力を有する第１レンズ群と、変倍の際に移動する負の屈折力を有する第２レンズ群と、変倍の際に移動する正の屈折力を有する第３レンズ群と、変倍の際に移動する正の屈折力を有する第４レンズ群と、変倍の際に固定とされる正の屈折力を有する第５レンズ群とからなり、
   縮小側がテレセントリックとなるように構成され、
   下記条件式（１）を満足することを特徴とする投写用変倍光学系。
   Ｌ／Ｉｍφ＜１５．０ … （１）
   ただし、
   Ｌ：投写距離無限時の最も拡大側のレンズ面から最も縮小側のレンズ面までの光軸上の距離
   Ｉｍφ：縮小側における最大有効像円直径
2. 下記条件式（１−１）を満足することを特徴とする請求項１記載の投写用変倍光学系。
   Ｌ／Ｉｍφ＜１２．０ … （１−１）
3. 拡大側から順に、変倍の際に固定とされる正の屈折力を有する第１レンズ群と、変倍の際に移動する負の屈折力を有する第２レンズ群と、変倍の際に移動する正の屈折力を有する第３レンズ群と、変倍の際に移動する正の屈折力を有する第４レンズ群と、変倍の際に固定とされる正の屈折力を有する第５レンズ群とからなり、
   縮小側がテレセントリックとなるように構成され、
   前記第５レンズ群中に絞りを有することを特徴とする投写用変倍光学系。
4. 下記条件式（２）を満足することを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の投写用変倍光学系。
   １．３＜Ｂｆ／ｆｗ＜３．０ … （２）
   ただし、
   Ｂｆ：広角端における全系のバックフォーカス（空気換算距離）
   ｆｗ：広角端における全系の焦点距離
5. 下記条件式（２−１）を満足することを特徴とする請求項４記載の投写用変倍光学系。
   １．４＜Ｂｆ／ｆｗ＜２．０ … （２−１）
6. 下記条件式（３）を満足することを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項記載の投写用変倍光学系。
   ３．０＜ｆ１／ｆｗ＜８．０ … （３）
   ただし、
   ｆ１：前記第１レンズ群の焦点距離
   ｆｗ：広角端における全系の焦点距離
7. 下記条件式（３−１）を満足することを特徴とする請求項６記載の投写用変倍光学系。
   ３．５＜ｆ１／ｆｗ＜７．５ … （３−１）
8. 下記条件式（４）を満足することを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１項記載の投写用変倍光学系。
   −３．０＜ｆ２／ｆｗ＜−０．５ … （４）
   ただし、
   ｆ２：前記第２レンズ群の焦点距離
   ｆｗ：広角端における全系の焦点距離
9. 下記条件式（４−１）を満足することを特徴とする請求項８記載の投写用変倍光学系。
   −２．５＜ｆ２／ｆｗ＜−１．０ … （４−１）
10. 下記条件式（５）を満足することを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか１項記載の投写用変倍光学系。
    ６．０＜ｆ３／ｆｗ … （５）
    ただし、
    ｆ３：前記第３レンズ群の焦点距離
    ｆｗ：広角端における全系の焦点距離
11. 下記条件式（５−１）を満足することを特徴とする請求項１０記載の投写用変倍光学系。
    ８．０＜ｆ３／ｆｗ … （５−１）
12. 下記条件式（６）を満足することを特徴とする請求項１〜１１のうちいずれか１項記載の投写用変倍光学系。
    １．０＜ｆ４／ｆｗ＜３．０ … （６）
    ただし、
    ｆ４：前記第４レンズ群の焦点距離
    ｆｗ：広角端における全系の焦点距離
13. 下記条件式（６−１）を満足することを特徴とする請求項１２記載の投写用変倍光学系。
    １．２＜ｆ４／ｆｗ＜２．５ … （６−１）
14. 下記条件式（７）を満足することを特徴とする請求項１〜１３のうちいずれか１項記載の投写用変倍光学系。
    １．０＜ｆ５／ｆｗ＜３．０ … （７）
    ただし、
    ｆ５：前記第５レンズ群の焦点距離
    ｆｗ：広角端における全系の焦点距離
15. 変倍の全範囲にわたって開口数が一定となるように設定されていることを特徴とする請求項１〜１４のうちいずれか１項記載の投写用変倍光学系。
16. 全てのレンズが単レンズからなることを特徴とする請求項１〜１５のうちいずれか１項記載の投写用変倍光学系。
17. レンズ群の間隔のみを変更することでズームレンズとなるように構成されていることを特徴とする請求項１〜１６のうちいずれか１項記載の投写用変倍光学系。
18. 前記変倍光学系がズームレンズであるとき、フォーカシングは、前記第１レンズ群の最も縮小側に配置されたレンズを含む前記第１レンズ群の一部のみを光軸方向に移動させて行うように構成されていることを特徴とする請求項１〜１７のうちいずれか１項記載の投写用変倍光学系。
19. 下記条件式（８）を満足することを特徴とする請求項１〜１８のうちいずれか１項記載の投写用変倍光学系。
    １．６＜Ｚｒ＜３．０ … （８）
    ただし、
    Ｚｒ：広角端に対する望遠端の変倍比
20. 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投写用変倍光学系としての請求項１〜１９のうちいずれか１項記載の投写用変倍光学系とを備えたことを特徴とする投写型表示装置。

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