JPWO2013108622A1

JPWO2013108622A1 - 投写用ズームレンズおよび投写型表示装置

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Publication number: JPWO2013108622A1
Application number: JP2013554251A
Authority: JP
Inventors: 正直川名
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2013-01-17
Publication date: 2015-05-11
Anticipated expiration: 2033-01-17
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Abstract

投写用ズームレンズにおいて、低コスト化、少ないレンズ枚数で小型の構成、諸収差の良好な補正を実現する。拡大側から順に、負の第１レンズ群（Ｇ１）、正の第２レンズ群（Ｇ２）からなる。第１レンズ群（Ｇ１）は、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズの第１レンズ（Ｌ１）からなる。第２レンズ群（Ｇ２）は、拡大側から順に、正の第２レンズ（Ｌ２）、拡大側に凸面を向けた正メニスカスレンズの第３レンズ（Ｌ３）、負の第４レンズ（Ｌ４）、正の第５レンズ（Ｌ５）からなる。変倍時に第１レンズ群（Ｇ１）、第２レンズ群（Ｇ２）が光軸方向に移動する。全系の正レンズのうち少なくとも１つが、所定範囲のアッベ数および屈折率の値を有する。第１レンズ（Ｌ１）〜第３レンズ（Ｌ３）の屈折率について所定の条件式を満たす。【選択図】図１

Description

本発明は、投写用ズームレンズおよび投写型表示装置に関し、例えば、ライトバルブからの映像情報を担持した光束をスクリーン上に拡大投写するのに好適に使用できコンパクトに構成可能な投写用ズームレンズおよびこれを用いた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。そして近年では、ライトバルブの小型化・高精細化の急激な進歩とパソコンの普及とが相俟って、このような投写型表示装置を用いたプレゼンテーションが盛んに行われるようになってきている。このような事情から、良好な投写性能を有しながら、携帯性に優れた小型の投写型表示装置の需要が高まってきており、それに応じて投写用ズームレンズにも高性能を維持しながらコンパクトに構成することが求められるようになってきている。また、開発競争の激化から、上記要望に加え、いっそうの低コスト化が強く望まれるようになってきている。

投写型表示装置に使用可能なコンパクトな構成のズームレンズとしては、例えば下記特許文献１、２に記載されたような、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レンズ群とが配列された２つのレンズ群からなり、計５枚のレンズで構成されるレンズ系が知られている。

特開２００８−１０７７９８号公報特開２０１０−１１３１５０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたものは、近年の高精細化が進んだライトバルブに対応するには、諸収差の補正の点で改善の余地がある。特許文献２に記載されたものは、小型で高性能であるが、近年ではさらなる低コスト化が要請されるようになってきている。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、低コスト化が図られ、少ないレンズ枚数で小型に構成可能で、像面湾曲を含む諸収差が良好に補正されて高い投写性能を有する投写用ズームレンズおよびこれを用いた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。

本発明の投写用ズームレンズは、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レンズ群とから構成される実質的に２つのレンズ群からなり、第１レンズ群は、拡大側に凸面を向けた負のメニスカスレンズである第１レンズから構成される実質的に１枚のレンズからなり、第２レンズ群は、拡大側から順に、正レンズである第２レンズと、拡大側に凸面を向けた正のメニスカスレンズである第３レンズと、負レンズである第４レンズと、正レンズである第５レンズとから構成される実質的に４枚のレンズからなり、変倍に際して、第１レンズ群および第２レンズ群が光軸方向に移動するように構成されており、全系の正レンズのうち少なくとも１つが、ｄ線に対するアッベ数νｄを横軸とし、ｄ線に対する屈折率Ｎｄを縦軸とする直交座標において、（νｄ，Ｎｄ）＝（５５，１．６５）と（νｄ，Ｎｄ）＝（３４，１．７５）の２点を通る直線よりも屈折率が低い側の範囲のアッベ数および屈折率の値を有するものであり、下記条件式（１）〜（３）を満足することを特徴とするものである。
Ｎｄ１＜１．７０ … （１）
Ｎｄ２＞１．６５ … （２）
Ｎｄ３＞１．６５ … （３）
ただし、
Ｎｄ１：第１レンズのｄ線に対する屈折率
Ｎｄ２：第２レンズのｄ線に対する屈折率
Ｎｄ３：第３レンズのｄ線に対する屈折率

本発明にかかる投写型表示装置は、光源と、この光源からの光が入射するライトバルブと、この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ズームレンズとしての上述した本発明の投写用ズームレンズとを備えたことを特徴とするものである。

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、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。

なお、上記「実質的に〜からなり」とは、構成要素として挙げたレンズ群以外に、実質的にパワーを有さないレンズ、絞り、マスク、カバーガラス、フィルタ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。

なお、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。

本発明の投写用ズームレンズは、全系で５枚という少ないレンズ枚数で構成しているため、低コスト化および小型化を図ることができる。また、本発明の投写用ズームレンズは、拡大側から順に、負の第１レンズ群、正の第２レンズ群が配されてなり、変倍に際してこれら２つのレンズ群を光軸方向に移動するように構成されたレンズ系において、構成要素となるレンズの屈折力、形状、屈折率、アッベ数を好適に設定しているため、小型に構成しながら、像面湾曲を含む諸収差を良好に補正することができ、さらに低コスト化を図ることができる。

本発明の投写型表示装置は、本発明の投写用ズームレンズを用いているため、良好な投写性能を有し、小型で低コストに構成することができる。

本発明の実施例１の投写用ズームレンズのレンズ構成を示す断面図本発明の実施形態にかかる投写用ズームレンズが有する正レンズの材質を説明するためのアッベ数と屈折率の座標図本発明の一実施形態にかかる投写型表示装置の概略構成図図４（Ａ）〜図４（Ｊ）は本発明の実施例１の投写用ズームレンズの各収差図本発明の実施例２の投写用ズームレンズのレンズ構成を示す断面図図６（Ａ）〜図６（Ｊ）は本発明の実施例２の投写用ズームレンズの各収差図本発明の実施例３の投写用ズームレンズのレンズ構成を示す断面図図８（Ａ）〜図８（Ｊ）は本発明の実施例３の投写用ズームレンズの各収差図

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に、本発明の一実施形態にかかる投写用ズームレンズの光軸Ｚを含む断面における断面図を示す。図１に示す構成例は、後述の実施例１の投写用ズームレンズに対応するものである。

この投写用ズームレンズは、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投写レンズとして使用可能である。図１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、各種フィルタやカバーガラス等を想定した平行平面板状の光学部材２と、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、光学部材２を介して、この投写用ズームレンズに入射され、この投写用ズームレンズにより紙面左側方向に配置されるスクリーン（不図示）上に投写されるようになる。

なお、図１では、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。

本実施形態にかかる投写用ズームレンズは、拡大側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２とから構成される実質的に２つのレンズ群からなる。変倍に際して、第１レンズ群Ｇ１および第２レンズ群Ｇ２が光軸方向に移動するように構成されている。

図１の上段、下段にそれぞれ、この投写用ズームレンズの広角端、望遠端におけるレンズ配置を示す。図１に示す例の投写用ズームレンズは、図１の矢印で概略的に示すように、広角端から望遠端への変倍に際し、第１レンズ群Ｇ１は縮小側へ移動し、第２レンズ群Ｇ２は拡大側へ移動するように構成されている。

第１レンズ群Ｇ１は、拡大側に凸面を向けた負のメニスカスレンズである第１レンズＬ１から構成される実質的に１枚のレンズのみからなる。第２レンズ群Ｇ２は、拡大側から順に、正レンズである第２レンズＬ２と、拡大側に凸面を向けた正のメニスカスレンズである第３レンズＬ３と、負レンズである第４レンズＬ４と、正レンズである第５レンズＬ５とから構成される実質的に４枚のレンズからなる。

例えば図１に示す例では、レンズＬ２は両凸レンズよりなり、レンズＬ３は拡大側に凸面を向けた正メニスカスレンズよりなり、レンズＬ４は両凹レンズよりなり、レンズＬ５は両凸レンズよりなり、全系の全てのレンズが接合されていない単レンズであり、球面レンズである。

この投写用ズームレンズは、拡大側から順に、負レンズ群、正レンズ群を配置しているためレトロフォーカスタイプの光学系となり、広角化に有利であるとともに、光束分離光学系等を配置するために必要な長いバックフォーカスの確保に有利となる。

レンズ径が大きくなりやすい第１レンズ群Ｇ１を１枚の負メニスカスレンズで構成することで、低コストに製作可能となる。また、軽量に構成可能なため、変倍時に動作する駆動系の負担を軽くでき、装置の低コスト化および小型化に有利となる。

なお、第１レンズ群Ｇ１は、投写距離が変化したときに光軸方向に移動してフォーカス調整を行うフォーカス群として機能させることも可能であり、このような場合も第１レンズ群Ｇ１を１枚構成とすることで駆動系の負担を軽くでき有利である。

第１レンズ群Ｇ１の上記構成に加え、第２レンズ群Ｇ２の第２レンズＬ２〜第５レンズＬ５を上記のように構成することで、コンパクトなレンズ系としながら、投写用光学系に必要な小さなＦナンバーを実現して良好に収差を補正することに有利となる。

特に、この投写用ズームレンズは全系のレンズ枚数が５枚と少ないため、簡素な構成とすることができ、低コストに製作可能である。図１に示す例のように、全系の全てのレンズが接合されていない単レンズであり、球面レンズとした場合は、さらにコスト的に有利となる。

また、この投写用ズームレンズでは、全系の正レンズのうち少なくとも１つが、図２に示すようなｄ線に対するアッベ数νｄを横軸とし、ｄ線に対する屈折率Ｎｄを縦軸とする直交座標において、（νｄ，Ｎｄ）＝（５５，１．６５）と（νｄ，Ｎｄ）＝（３４，１．７５）の２点を通る直線よりも屈折率が低い側の範囲（図２に斜線で示す範囲）のアッベ数および屈折率の値を有するように構成される。

拡大側から順に、負、正のレンズ群が配置され、上述したような第１レンズＬ１〜第５レンズＬ５からなるレンズ系において、少なくとも１つの正レンズの材質の選択範囲を上記のように限定することで、レンズ系のコストを抑えることができ、低コスト化を図ることができる。

なお、図２の斜線範囲の材質を用いる正レンズとしては、容積の大きいレンズを選択すればコスト削減効果をより高いものとすることができる。例えば、図１に示す例では第２レンズＬ２の材質に図２の斜線範囲に含まれるものを用いている。

さらにまた、この投写用ズームレンズは、下記条件式（１）〜（３）を満足するように構成される。
Ｎｄ１＜１．７０ … （１）
Ｎｄ２＞１．６５ … （２）
Ｎｄ３＞１．６５ … （３）
ただし、
Ｎｄ１：第１レンズのｄ線に対する屈折率
Ｎｄ２：第２レンズのｄ線に対する屈折率
Ｎｄ３：第３レンズのｄ線に対する屈折率

条件式（１）〜（３）を同時に満たすように、軸外光線の光線高が比較的高い拡大側から１〜３番目のレンズそれぞれの材質を選択することで、像面湾曲を良好に補正することが可能となる。条件式（１）〜（３）を同時に満たさない場合は、レンズ系のペッツバール和の絶対値が大きくなり像面湾曲が大きくなる。

本実施形態の投写用ズームレンズによれば、投写用光学系に必要な小さなＦナンバーを実現しながら、５枚という少ないレンズ枚数で、像面湾曲を始めとする諸収差が良好に補正されて高い光学性能を有するレンズ系を、低コストに構成することが可能となる。

次に、図３を参照しながら、本発明の一実施形態にかかる投写型表示装置について説明する。図３に、本実施形態にかかる投写型表示装置１００の概略的な構成を示す。この投写型表示装置１００は、光源１０１と、照明光学系１０２と、ライトバルブとしてのＤＭＤ１０３と、本発明の実施形態にかかる投写用ズームレンズ１０４とを備える。

光源１０４より出射された光束は、不図示のカラーホイールによって、３原色光（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の各光に時系列的に選択変換され、照明光学系１０２によって光束の光軸と垂直な断面における光量分布の均一化が図られてＤＭＤ１０３に照射される。ＤＭＤ１０３においては、入射光の色の切り替わりに応じて、その色光用への変調切替が行われる。ＤＭＤ１０３により光変調された光は、投写用ズームレンズ１０４に入射する。投写用ズームレンズ１０４はＤＭＤ１０３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。

なお、本発明の投写型表示装置は図３に示すものから種々の態様の変更が可能である。例えば、単板のＤＭＤを設ける代わりに、各色光に応じた３枚のＤＭＤによりＲＧＢ各色の変調を同時に行うようにしてもよい。この場合、投写用ズームレンズ１０４とＤＭＤ１０３との間に図示しない色分離／合成プリズムが配置される。

なお、ＤＭＤ１０３に代えて他のライトバルブを用いることも可能であり、例えば、ライトバルブとして透過型液晶表示素子や反射型液晶表示素子を用いることも可能である。

次に、本発明の投写用ズームレンズの具体的な実施例について説明する。

＜実施例１＞
実施例１の投写用ズームレンズのレンズ構成図は図１に示したものである。図１に関する説明は上述しているため、ここでは重複説明を省略する。

実施例１の投写用ズームレンズの概略構成は以下のようになっている。すなわち、拡大側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２とが配列されてなる２群構成である。広角端から望遠端への変倍に際して、図１の矢印で概略的に示すように、光軸Ｚに沿って、第１レンズ群Ｇ１は縮小側へ、第２レンズ群Ｇ２は拡大側へ移動するように構成されている。また、投写距離が変化したときのフォーカス調整を第１レンズ群Ｇ１を光軸方向に移動させることにより行うように構成されている。

第１レンズ群Ｇ１は、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズよりなるレンズＬ１から構成されている。第２レンズ群Ｇ２は、拡大側から順に、両凸レンズよりなるレンズＬ２と、拡大側に凸面を向けた正メニスカスレンズよりなるレンズＬ３と、両凹レンズよりなるレンズＬ４と、両凸レンズよりなるレンズＬ５とから構成されている。全てのレンズが接合されていない単レンズであり、球面レンズである。

実施例１の投写用ズームレンズの詳細構成を表１に示す。表１の（ａ）には実施例１の投写用ズームレンズの基本レンズデータを示す。基本レンズデータの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の面に面番号を付したときのｉ番目（ｉ＝１、２、３、…）の面番号を示し、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Ｚ上の面間隔を示し、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す。

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おり、基本レンズデータには光学部材２も含めて示している。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と光学部材２の間隔は、変倍時に変化するものであり、これらに相当する面間隔の欄にはそれぞれＤＤ［２］、ＤＤ［１０］と記入している。

表１の（ｂ）に、実施例１の投写用ズームレンズの諸元として、広角端、望遠端それぞれにおける、ズーム倍率（ズーム比）、全系の焦点距離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。表中のバックフォーカスの値は空気換算距離である。また、表１の（ｂ）に、広角端、望遠端それぞれにおける変倍時に変化する上記面間隔の値を示す。表１の（ｂ）では、投写距離が無限遠のときのＤＤ［２］をＤＤ［２］（ｉｎｆ）、投写距離が２．３７ｍのときのＤＤ［２］をＤＤ［２］（２．３７ｍ）として表記している。

なお、表１（ｂ）に示す諸元はｄ線に関するものであり、ＤＤ［２］（２．３７ｍ）以外の表１（ｂ）に示す諸元は投写距離が無限遠のときのものである。また、表１の数値は、所定の桁でまるめたものである。なお、表１では長さの単位としてｍｍ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可能である。

図４（Ａ）〜図４（Ｅ）にそれぞれ、広角端における実施例１の投写用ズームレンズの球面収差、正弦条件違反量、非点収差、歪曲収差（ディストーション）、倍率色収差（倍率の色収差）の各収差図を示す。図４（Ｆ）〜図４（Ｊ）にそれぞれ、望遠端における実施例１の投写用ズームレンズの球面収差、正弦条件違反量、非点収差、歪曲収差（ディストーション）、倍率色収差（倍率の色収差）の各収差図を示す。

図４（Ａ）〜図４（Ｊ）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、Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）、Ｆ線（波長４８６．１ｎｍ）、ｇ線（波長４３５．８ｎｍ）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それぞれに関する収差を実線、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４（Ａ）〜図４（Ｊ）の収差図は投写距離が２．３７ｍのときのものである。

実施例１の投写用ズームレンズの条件式（１）〜（３）の対応値は後掲の表４に他の実施例のものと合わせて示す。

上記の実施例１に関する図示方法、各表中の記号、意味、記載方法、表に示す諸元の投写距離と波長に関する条件、収差図が投写距離が２．３７ｍのときのものである点は、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。

＜実施例２＞
図５に、実施例２の投写用ズームレンズの広角端、望遠端それぞれにおけるレンズ構成を示す。実施例２の投写用ズームレンズの概略構成は、実施例１のものと同様である。実施例２の投写用ズームレンズの詳細構成を表２に示し、各収差図を図６（Ａ）〜図６（Ｊ）に示す。

＜実施例３＞
図７に、実施例３の投写用ズームレンズの広角端、望遠端それぞれにおけるレンズ構成を示す。実施例３の投写用ズームレンズの概略構成は、実施例１のものと同様である。実施例３の投写用ズームレンズの詳細構成を表３に示し、各収差図を図８（Ａ）〜図８（Ｊ）に示す。

表４に、上記実施例１〜３の上記各条件式（１）〜（３）の対応値を示す。表４のＮｄ１は第１レンズＬ１のｄ線に対する屈折率、Ｎｄ２は第２レンズＬ２のｄ線に対する屈折率、Ｎｄ３は第３レンズＬ３のｄ線に対する屈折率である。

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、アッベ数の値は、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

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。

なお、上記「実質的に〜からなり」とは、構成要素として挙げたレンズ群やレンズ以外に、実質的にパワーを有さないレンズ、絞り、マスク、カバーガラス、フィルタ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。

光源１０１より出射された光束は、不図示のカラーホイールによって、３原色光（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の各光に時系列的に選択変換され、照明光学系１０２によって光束の光軸と垂直な断面における光量分布の均一化が図られてＤＭＤ１０３に照射される。ＤＭＤ１０３においては、入射光の色の切り替わりに応じて、その色光用への変調切替が行われる。ＤＭＤ１０３により光変調された光は、投写用ズームレンズ１０４に入射する。投写用ズームレンズ１０４はＤＭＤ１０３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。

Claims

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レンズ群とから構成される実質的に２つのレンズ群からなり、
前記第１レンズ群は、拡大側に凸面を向けた負のメニスカスレンズである第１レンズから構成される実質的に１枚のレンズからなり、
前記第２レンズ群は、拡大側から順に、正レンズである第２レンズと、拡大側に凸面を向けた正のメニスカスレンズである第３レンズと、負レンズである第４レンズと、正レンズである第５レンズとから構成される実質的に４枚のレンズからなり、
変倍に際して、前記第１レンズ群および前記第２レンズ群が光軸方向に移動するように構成されており、
全系の正レンズのうち少なくとも１つが、ｄ線に対するアッベ数νｄを横軸とし、ｄ線に対する屈折率Ｎｄを縦軸とする直交座標において、（νｄ，Ｎｄ）＝（５５，１．６５）と（νｄ，Ｎｄ）＝（３４，１．７５）の２点を通る直線よりも屈折率が低い側の範囲のアッベ数および屈折率の値を有するものであり、
下記条件式（１）〜（３）を満足することを特徴とする投写用ズームレンズ。
Ｎｄ１＜１．７０ … （１）
Ｎｄ２＞１．６５ … （２）
Ｎｄ３＞１．６５ … （３）
ただし、
Ｎｄ１：前記第１レンズのｄ線に対する屈折率
Ｎｄ２：前記第２レンズのｄ線に対する屈折率
Ｎｄ３：前記第３レンズのｄ線に対する屈折率
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ズームレンズとしての請求項１記載の投写用ズームレンズとを備えたことを特徴とする投写型表示装置。