JP2017211480A - 結像光学系、投写型表示装置、および、撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中間像を形成する結像光学系において、コストを抑えつつ、広角で、かつフォーカシングによる像面湾曲が良好に補正された高い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。
【解決手段】拡大側から順に、第１光学系Ｇ１と、第２光学系Ｇ２とから実質的になり、第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２の間に中間像を形成する結像光学系において、第１光学系Ｇ１の最も拡大側から最大画角の主光線と第１光学系Ｇ１の光軸が交わる位置までの間に、フォーカシングの際に移動するフォーカス群を有し、フォーカス群に関する所定の条件式を満足するものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、特に、液晶表示素子やＤＭＤ（ Digital Micromirror Device：登録商標）などのライトバルブを搭載した投写型表示装置に用いられるのに好適な結像光学系、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。

近年、液晶表示素子やＤＭＤなどのライトバルブを搭載した投写型表示装置（プロジェクタともいう）が広く普及し、かつ高性能化してきている。

また、近年のライトバルブの性能向上を受けて、ライトバルブと組み合わさ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。さらに、プレゼンテーション用など比較的狭い室内空間で使用されることを考慮して、より広角な結像光学系が強く要望されるようになっている。

併せて、投写距離が変わっても投写画像の画質が大きく変わらないこと、つまり結像光学系の距離変動が少ないことも要求されている。しかし、焦点距離を短くして広角化が進むと、距離変動による像面湾曲が発生しやすくなる。

そのため、上記のような要望に応えるべく、複数枚のレンズからなる縮小側光学系で中間像を形成し、同じく複数枚のレンズからなる拡大側光学系で再結像させる結像光学系が提案されている。（特許文献１、２参照）

通常の中間像を結ばない光学系のみで構成された結像光学系は、焦点距離を短くして広角化をしようとすると、どうしても拡大側のレンズが大きくなりすぎてしまうが、上記のように中間結像させる方式の結像光学系では、拡大側光学系のバックフォーカスを短縮できるとともに、拡大側光学系の拡大側のレンズ径を小さくすることが可能であり、焦点距離を短くして広角化するのにも適している。

特開２００６−３３０４１０号公報 特開２０１５−１５２７６４号公報

しかしながら、特許文献１の光学系は、中間像を境に縮小側光学系と拡大側光学系で独立して収差補正を行っているため、昨今要求されているレベルの広角化には達しきれていないばかりか距離変動に対する解決策が提案されていない。また、特許文献２の光学系は、光学系内に中間像を結び、３つの群を移動させてフォーカシングをするため、フォーカス機構の複雑化に加えて部品点数増に伴うコスト増が問題となる。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、中間像を形成する結像光学系において、コストを抑えつつ、広角で、かつフォーカシングによる像面湾曲が良好に補正された高い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ものである。

本発明の第１の結像光学系は、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、複数のレンズにより構成された第１光学系と、複数のレンズにより構成された第２光学系とから実質的になり、第２光学系は、画像表示素子上の画像を中間像として結像させ、第１光学系は、中間像を拡大側共役面上に結像させ、第１光学系の最も拡大側から最大画角の主光線と第１光学系の光軸が交わる位置までの間に、フォーカシングの際に第１光学系の光軸に沿って移動するフォーカス群を有し、下記条件式（１）を満足することを特徴とする。
１０．０＜｜ｆＡ／ｆ｜＜５００．０ …（１）
ただし、
ｆＡ：フォーカシングの際に移動するレンズの焦点距離（フォーカス群の焦点距離に相当し、フォーカス群が複数枚のレンズからなる場合はフォーカス群全体の合成焦点距離とする）
ｆ：全系の焦点距離
とする。

本発明の第１の結像光学系においては、下記条件式（１−１）を満足することが好ましい。
２０．０＜｜ｆＡ／ｆ｜＜２００．０ …（１−１）

また、本発明の第１の結像光学系においては、フォーカス群は、１枚の単レンズから実質的になることが好ましい。

本発明の第２の結像光学系は、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、複数のレンズにより構成された第１光学系と、複数のレンズにより構成された第２光学系とから実質的になり、第２光学系は、画像表示素子上の画像を中間像として結像させ、第１光学系は、中間像を拡大側共役面上に結像させ、第１光学系の最も拡大側から最大画角の主光線と第１光学系の光軸が交わる位置までの間は、拡大側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、２枚の単レンズから実質的になり正の屈折力を有する第２レンズ群とから実質的になり、第２レンズ群の２枚の単レンズの内いずれか１枚の単レンズを第１光学系の光軸に沿って移動させることでフォーカシングを行い、下記条件式（１）を満足することを特徴とする。
１０．０＜｜ｆＡ／ｆ｜＜５００．０ …（１）
ただし、
ｆＡ：フォーカシングの際に移動するレンズの焦点距離
ｆ：全系の焦点距離
とする。

本発明の第２の結像光学系においては、下記条件式（１−１）を満足することが好ましい。
２０．０＜｜ｆＡ／ｆ｜＜２００．０ …（１−１）

また、本発明の第２の結像光学系においては、下記条件式（２）および（３）を満足することが好ましく、下記条件式（２）および（３）を満足した上でさらに下記条件式（２−１）および／または（３−１）を満足することがより好ましい。
−３．０＜ｆ２１／｜ｆ｜＜−１．０ …（２）
−２．０＜ｆ２１／｜ｆ｜＜−１．２ …（２−１）
５．０＜ｆ２２／｜ｆ｜＜２０．０ …（３）
７．０＜ｆ２２／｜ｆ｜＜１５．０ …（３−１）
ただし、
ｆ２１：第１レンズ群の焦点距離
ｆ２２：第２レンズ群の焦点距離
ｆ：全系の焦点距離
とする。

また、本発明の第２の結像光学系においては、第１レンズ群は、全て負レンズで構成されていることが好ましい。

また、本発明の第２の結像光学系においては、第２レンズ群は、全て正レンズで構成されていることが好ましい。

また、本発明の第１および第２の結像光学系においては、第２光学系は、第２光学系の最も縮小側の面から縮小側共役面までの光軸上の間隔の変動の影響を補正する際に第２光学系の光軸に沿って移動する補正群を有することが好ましい。

第２光学系に補正群を設けた場合は、下記条件式（４）を満足することが好ましく、下記条件式（４−１）を満足することがより好ましい。
１０．０＜ｆＢ／｜ｆ｜＜１００．０ …（４）
２０．０＜ｆＢ／｜ｆ｜＜７０．０ …（４−１）
ただし、
ｆＢ：補正群の焦点距離
ｆ：全系の焦点距離
とする。

また、第２光学系に補正群を設けた場合は、補正群は、第２光学系の最も拡大側に配置されていることが好ましい。

また、第２光学系に補正群を設けた場合は、補正群は、負レンズおよび正レンズが拡大側からこの順に接合された接合レンズから実質的になることが好ましい。

また、本発明の第１および第２の結像光学系においては、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。
４．０＜Ｂｆ／｜ｆ｜ …（５）
５．０＜Ｂｆ／｜ｆ｜＜２０．０ …（５−１）
ただし、
Ｂｆ：全系のバックフォーカス
ｆ：全系の焦点距離
とする。

また、本発明の第１および第２の結像光学系においては、第１光学系と第２光学系は、共通の光軸を有することが好ましい。

また、本発明の第１および第２の結像光学系においては、中間像は、光軸中心より周辺部が第２光学系側に像面湾曲していることが好ましい。

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本発明の結像光学系とを備えたことを特徴とする。

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たことを特徴とする。

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、画像表示素子側（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。

また、上記「〜から実質的になる」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、パワーを有さないミラーや絞りやマスクやカバーガラスやフィルタなどのレンズ以外の光学要素など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」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。

また、「バックフォーカス」については、拡大側、縮小側をそれぞれ一般的な撮像レンズの物体側、像側に相当するものとして考え、拡大側、縮小側それぞれをフロント側、バック側とするものとする。

また、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。

また、上記条件式の計算において「全系の焦点距離ｆ」は、投写距離を無限遠としたときの値とする。

本発明の第１の結像光学系は、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、複数のレンズにより構成された第１光学系と、複数のレンズにより構成された第２光学系とから実質的になり、第２光学系は、画像表示素子上の画像を中間像として結像させ、第１光学系は、中間像を拡大側共役面上に結像させ、第１光学系の最も拡大側から最大画角の主光線と第１光学系の光軸が交わる位置までの間に、フォーカシングの際に第１光学系の光軸に沿って移動するフォーカス群を有し、下記条件式（１）を満足するものとしたので、コストを抑えつつ、広角で、かつフォーカシングによる像面湾曲が良好に補正された高い性能を有する結像光学系とすることができる。
１０．０ ＜｜ｆＡ／ｆ｜＜５００．０ …（１）

本発明の第２の結像光学系は、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、複数のレンズにより構成された第１光学系と、複数のレンズにより構成された第２光学系とから実質的になり、第２光学系は、画像表示素子上の画像を中間像として結像させ、第１光学系は、中間像を拡大側共役面上に結像させ、第１光学系の最も拡大側から最大画角の主光線と第１光学系の光軸が交わる位置までの間は、拡大側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、２枚の単レンズから実質的になり正の屈折力を有する第２レンズ群とから実質的になり、第２レンズ群の２枚の単レンズの内いずれか１枚の単レンズを第１光学系の光軸に沿って移動させることでフォーカシングを行い、下記条件式（１）を満足するものとしたので、コストを抑えつつ、広角で、かつフォーカシングによる像面湾曲が良好に補正された高い性能を有する結像光学系とすることができる。
１０．０ ＜｜ｆＡ／ｆ｜＜５００．０ …（１）

本発明の投写型表示装置は、本発明の結像光学系を備えているため、装置を低コスト化できるとともに、広角で高画質の画像を投写することができる。

本発明の撮像装置は、本発明の結像光学系を備えているため、装置を低コスト化できるとともに、広角で高画質の画像を取得することができる。

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）の構成を示す断面図 本発明の実施例２の結像光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例３の結像光学系の構成を示す断面図 本発明の実施例４の結像光学系の構成を示す断面図 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１２に示す撮像装置の背面側の斜視図

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は本発明の一実施形態にかかる結像光学系の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、画像表示面Ｓｉｍ側が縮小側、第１光学系Ｇ１のレンズＬ１ａ側が拡大側であり、図示されている開口絞りＳｔは必ずしも大きさや形状を表すものではなく、光軸Ｚ上の位置を示すものである。また、図１では軸上光束ｗａおよび最大画角の光束ｗｂも合わせて示している。

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、光学部材ＰＰの縮小側の面に位置する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。

まず、第１の実施形態の結像光学系について説明する。図１に示す通り、第１の実施形態の結像光学系は、拡大側から順に、複数のレンズにより構成された第１光学系Ｇ１と、複数のレンズにより構成された第２光学系Ｇ２とから実質的になり、第２光学系Ｇ２は、画像表示面Ｓｉｍ上の画像を中間像として結像させ、第１光学系Ｇ１は、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。

通常の中間像を結ばない光学系のみで構成された投写用光学系は、焦点距離を短くして広角化をしようとすると、どうしても拡大側のレンズが大きくなりすぎてしまうが、本実施形態のように中間結像させる方式の投写用光学系では、第１光学系Ｇ１のバックフォーカスを短縮できるとともに、第１光学系Ｇ１の拡大側のレンズ径を小さくすることが可能であり、焦点距離を短くして広角化するのに適している。

また、第１光学系Ｇ１の最も拡大側から最大画角の主光線と第１光学系Ｇ１の光軸Ｚが交わる位置までの間に、フォーカシングの際に第１光学系Ｇ１の光軸に沿って移動するフォーカス群を有する。なお、本実施形態においてはレンズＬ１ｆがフォーカス群に相当する。

このように、フォーカス群の位置を、第１光学系Ｇ１の最も拡大側から最大画角の主光線と第１光学系Ｇ１の光軸Ｚが交わる位置までの間とすることで、軸外光線に対して比較的高い位置にフォーカス群を配置することができるため、投写画像の周辺部に対して高い像面湾曲補正効果を発揮する。

また、下記条件式（１）を満足するように構成されている。
１０．０＜｜ｆＡ／ｆ｜＜５００．０ …（１）
２０．０＜｜ｆＡ／ｆ｜＜２００．０ …（１−１）
２７．０＜｜ｆＡ／ｆ｜＜９０．０ …（１−２）
ただし、
ｆＡ：フォーカシングの際に移動するレンズの焦点距離（フォーカス群の焦点距離に相当し、フォーカス群が複数枚のレンズからなる場合はフォーカス群全体の合成焦点距離とする）
ｆ：全系の焦点距離
とする。

超広角な結像光学系では光軸中心近傍での深い被写界深度によって投写距離変化に対するピント変動が鈍いのに対して、投写画像の周辺部においては投写距離変化に対する像面湾曲の変動が大きいという特徴がある。この距離変動による像面湾曲を良好に補正するための条件式が（１）であり、条件式（１）を満足しつつ、フォーカス群を上記位置に配置することで、軸外光線に対して比較的高い位置で補正が可能となり、適切な像面湾曲補正効果を発生させることができる。これによりフォーカシングの際に移動するレンズの群数としては１群ながらも、距離変動による歪曲収差変動を少なくすることが可能となり、また広角化に伴う距離変動による像面湾曲を良好に補正することが可能となる。

条件式（１）は、全系の焦点距離とフォーカシングの際に移動するレンズの焦点距離との比を規定するものであり、条件式（１）の下限以下とならないようにすることで、フォーカシングの際に移動するレンズのパワーが強くなりすぎるのを抑え、フォーカシングの際に移動するレンズの移動量に対する光軸中心近傍でのピント変動量が大きくなりすぎないようにできるため、適切な移動量を確保できるとともに、投写距離変化に対する周辺部の像面湾曲を適切に補正することができる。条件式（１）の上限以上とならないようにすることで、フォーカシングの際に移動するレンズのパワーが弱くなりすぎるのを抑え、投写範囲内での移動量が大きくなりすぎないようにできるため、レンズ全系の大型化を防ぐことができる。なお、上記条件式（１−１）さらに好ましくは条件式（１−２）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。

第１の実施形態の結像光学系においては、フォーカス群は、１枚の単レンズから実質的になることが好ましい。このような構成とすることで、レンズ構成として必要な最少枚数での構成となるため、コストの低下につながる。

次に、第２の実施形態の結像光学系について説明する。図１に示す通り、第２の実施形態の結像光学系は、拡大側から順に、複数のレンズにより構成された第１光学系Ｇ１と、複数のレンズにより構成された第２光学系Ｇ２とから実質的になり、第２光学系Ｇ２は、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Ｇ１は、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。この点については、上記第１の実施形態の結像光学系と同じであるため、説明を省略する。

また、第１光学系Ｇ１の最も拡大側から最大画角の主光線と第１光学系Ｇ１の光軸Ｚが交わる位置までの間は、拡大側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、２枚の単レンズから実質的になり正の屈折力を有する第２レンズ群とから実質的になり、第２レンズ群の２枚の単レンズの内いずれか１枚の単レンズを第１光学系Ｇ１の光軸に沿って移動させることでフォーカシングを行うように構成されている。なお、本実施形態においては、第１レンズ群はレンズＬ１ａ〜Ｌ１ｄの４枚のレンズで構成され、第２レンズ群はレンズＬ１ｅおよびＬ１ｆの２枚のレンズで構成される。

このように、フォーカシングの際に移動するレンズの位置を、第１光学系Ｇ１の最も拡大側から最大画角の主光線と第１光学系Ｇ１の光軸Ｚが交わる位置までの間とすることで、軸外光線に対して比較的高い位置にフォーカス群を配置することができるため、投写画像の周辺部に対して高い像面湾曲補正効果を発揮する。また、第１光学系Ｇ１の最も拡大側から最大画角の主光線と第１光学系Ｇ１の光軸Ｚが交わる位置までの間について、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レンズ群から構成することで、超広角化に伴う歪曲収差を適切に補正できるとともに、第２レンズ群のレンズでフォーカシングすることで移動時の歪曲収差変動も少なくすることができる。

また、下記条件式（１）を満足するように構成されている。なお、下記条件式（１−１）さらに好ましくは下記条件式（１−２）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。この点についても、上記第１の実施形態の結像光学系と同じであるため、説明を省略する。
１０．０＜｜ｆＡ／ｆ｜＜５００．０ …（１）
２０．０＜｜ｆＡ／ｆ｜＜２００．０ …（１−１）
２７．０＜｜ｆＡ／ｆ｜＜９０．０ …（１−２）

第２の実施形態の結像光学系においては、下記条件式（２）および（３）を満足することが好ましい。
−３．０＜ｆ２１／｜ｆ｜＜−１．０ …（２）
−２．０＜ｆ２１／｜ｆ｜＜−１．２ …（２−１）
５．０＜ｆ２２／｜ｆ｜＜２０．０ …（３）
７．０＜ｆ２２／｜ｆ｜＜１５．０ …（３−１）
ただし、
ｆ２１：第１レンズ群の焦点距離
ｆ２２：第２レンズ群の焦点距離
ｆ：全系の焦点距離
とする。

条件式（２）は、全系の焦点距離と第１レンズ群の焦点距離との比を規定するものであり、条件式（２）の下限以下とならないようにすることで、第１レンズ群のパワーが弱くなりすぎるのを抑え、最も拡大側にある第１レンズ群の外径が大きくなりすぎないようにできるため、レンズ全系の小型化に寄与する。条件式（２）の上限以上とならないようにすることで、第１レンズ群のパワーが強くなりすぎるのを抑え、第１レンズ群で発生する歪曲収差を始めとする諸収差が大きくなりすぎないようにできるため、他の群での補正を容易にすることができる。

条件式（３）は、全系の焦点距離と第２レンズ群の焦点距離との比を規定するものであり、条件式（３）の下限以下とならないようにすることで、第２レンズ群のパワーが強くなりすぎるのを抑え、第２レンズ群より縮小側のレンズ群への入射角が厳しくなりすぎないようにできるため、第２レンズ群より縮小側のレンズ群での収差補正を容易にすることができる。条件式（３）の上限以上とならないようにすることで、第２レンズ群のパワーが弱くなりすぎないようにできるため、第２レンズ群より縮小側のレンズ群の大径化などの不具合を防ぐことができる。

なお、上記条件式（２）および（３）を満足した上でさらに上記条件式（２−１）および／または（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。

また、第２の実施形態の結像光学系においては、第１レンズ群は、全て負レンズで構成されていることが好ましい。このような構成とすることで、広角化に必要な負の屈折力を確保することができるとともに、像面湾曲を適切に補正することができる。

また、第２の実施形態の結像光学系においては、第２レンズ群は、全て正レンズで構成されていることが好ましい。このような構成とすることで、適切な正の屈折力を確保することができる。

また、第１および第２の実施形態の結像光学系においては、第２光学系Ｇ２は、第２光学系Ｇ２の最も縮小側の面から縮小側共役面（画像表示面Ｓｉｍ）までの光軸Ｚ上の間隔の変動の影響を補正する際に第２光学系Ｇ２の光軸に沿って移動する補正群を有することが好ましい。なお、第１および第２の実施形態においてはレンズＬ２ａおよびＬ２ｂの２枚のレンズが補正群に相当する。

超広角な結像光学系を投写型表示装置に搭載した際に無視できない量のフランジバック誤差がある場合、共役位置が設計で想定した位置からずれてしまうため、それをフォーカス群で調整しようとしても、フォーカス群は光軸中心近傍のピント変動が鈍いため調整することはできないが、第２光学系Ｇ２内に別途ピント補正が可能な補正群を設けることで、共役位置での位置ズレを調整することが可能となる。

また、投写型表示装置の周辺温度の変化に応じてピント変動が発生した場合も同様に、それをフォーカス群で調整しようとしても、フォーカス群は光軸中心近傍のピント変動が鈍いため調整することはできないが、第２光学系Ｇ２内に別途ピント補正が可能な補正群を設けることで、温度変化に対するピント補正が可能となる。

第２光学系Ｇ２に補正群を設けた場合は、下記条件式（４）を満足することが好ましい。条件式（４）は、全系の焦点距離と補正群の焦点距離との比を規定するものであり、条件式（４）の下限以下とならないようにすることで、補正群のパワーが強くなりすぎるのを抑え、補正群として必要な周辺像面変化量が大きくなりすぎないようにできるため、補正時の像面倒れを抑えることができる。条件式（４）の上限以上とならないようにすることで、補正群のパワーが弱くなりすぎるのを抑え、補正するための移動量が大きくなりすぎないようにできるため、レンズ全系の小型化に寄与する。なお、下記条件式（４−１）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。
１０．０＜ｆＢ／｜ｆ｜＜１００．０ …（４）
２０．０＜ｆＢ／｜ｆ｜＜７０．０ …（４−１）
ただし、
ｆＢ：補正群の焦点距離
ｆ：全系の焦点距離
とする。

また、第２光学系Ｇ２に補正群を設けた場合は、補正群は、第２光学系Ｇ２の最も拡大側に配置されていることが好ましい。このような態様とすることで、第２光学系Ｇ２からの光を第１光学系Ｇ１側に入射する関係上、比較的なだらかな光線角度で補正群に入射されることになるため、周辺部の像面湾曲の変化を少なくする事ができる。

また、第２光学系Ｇ２に補正群を設けた場合は、補正群は、負レンズおよび正レンズが拡大側からこの順に接合された接合レンズから実質的になることが好ましい。このように負レンズと正レンズの接合レンズとすることで、中間像を結ぶ光学系で問題となる軸上色収差を適切に補正することが可能となる。

また、第１および第２の実施形態の結像光学系においては、下記条件式（５）を満足することが好ましい。条件式（５）は、全系の焦点距離と全系のバックフォーカスとの比を規定するものであり、条件式（５）の下限以下とならないようにすることで、バックフォーカスが短くなりすぎて、色合成プリズムなどを配置することが困難となるのを防ぐことができる。条件式（５）の上限以上とならないようにすることで、バックフォーカスも含めたレンズ全系の大型化を防ぐことができる。なお、下記条件式（５−１）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。４．０＜Ｂｆ／｜ｆ｜ …（５）
５．０＜Ｂｆ／｜ｆ｜＜２０．０ …（５−１）
ただし、
Ｂｆ：全系のバックフォーカス
ｆ：全系の焦点距離
とする。

また、第１および第２の実施形態の結像光学系においては、第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２は、共通の光軸を有することが好ましい。このような構成とすることで光学系全体の構造が簡略化できるので、低コスト化に寄与することができる。

また、第１および第２の実施形態の結像光学系においては、中間像は、光軸中心より周辺部が第２光学系Ｇ２側に像面湾曲していることが好ましい。このように、第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２が独立して収差補正を行うのでなく、第２光学系Ｇ２で歪曲収差、非点収差などを残存させておいて、それを第１光学系Ｇ１で相殺させるような収差補正を行うことで、少ないレンズ枚数でも広角化を図りながら諸収差を良くすることが可能となる。

なお、図１に示すように、本実施の形態の結像光学系は、第１光学系Ｇ１中に反射面で光路を折り曲げる第１光路折り曲げ手段Ｒ１を備えるとともに、第１光学系Ｇ１と第２光学系Ｇ２の間に、反射面で光路を折り曲げる第２光路折り曲げ手段Ｒ２を備えたものとしてもよい。このように、結像光学系の中間位置に光路折り曲げ手段を配置することにより、結像光学系の拡大側に光路折り曲げ手段を配置する場合と比較して、光路折り曲げ手段を小型にすることができる。また、結像光学系中に２つの光路折り曲げ手段を設けることにより、結像光学系全体の小型化や投写方向の制御が容易となる。

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の結像光学系の構成を示す断面図を図１に示す。なお、図１および後述の実施例２〜４に対応した図２〜４においては、画像表示面Ｓｉｍ側が縮小側、第１光学系Ｇ１のレンズＬ１ａ側が拡大側であり、図示されている開口絞りＳｔは必ずしも大きさや形状を表すものではなく、光軸Ｚ上の位置を示すものである。また、図１〜４では軸上光束ｗａおよび最大画角の光束ｗｂも合わせて示している。

実施例１の結像光学系は、拡大側から順に、第１光路折り曲げ手段Ｒ１を含む第１光学系Ｇ１と、第２光路折り曲げ手段Ｒ２と、第２光学系Ｇ２から構成され、第１光学系Ｇ１がレンズＬ１ａ〜Ｌ１ｌの１２枚のレンズから構成され、第２光学系Ｇ２がレンズＬ２ａ〜Ｌ２ｈの８枚のレンズから構成されている。なお、実施例１においてはレンズＬ１ｆがフォーカス群に相当し、レンズＬ２ａおよびＬ２ｂの２枚のレンズが補正群に相当する。

実施例１の結像光学系のレンズデータを表１に、フォーカシングの際に間隔が変化する面間隔に関するデータを表２に、諸元に関するデータを表３に、非球面係数に関するデータを表４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２〜４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）に対する屈折率を示し、νの欄には各光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数を示す。ここで、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。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、レンズデータにおいて、フォーカシングの際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２に示している。

表３の諸元に関するデータに、投写距離を１９３．４０６としたときの、焦点距離ｆ´、バックフォーカスＢｆ´、Ｆ値ＦＮｏ、および、全画角２ωの値を示す。

なお、基本レンズデータおよび諸元に関するデータに示す数値は、諸元の投写距離における全系の焦点距離が−１となるように規格化されたものである。また、各表の数値は、所定の桁でまるめたものである。

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４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４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（ｍ＝３〜２０）の値である。
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（光軸からの距離）
Ｃ：近軸曲率半径の逆数
ＫＡ、Ａｍ：非球面係数（ｍ＝３〜１７）
とする。

実施例１の結像光学系の各収差図を図５に示す。なお、図５では３種の投写距離の収差図を示しており、各々図５中の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）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）、Ｃ線(波長６５６．３ｎｍ)、および、Ｆ線(波長４８６．１ｎｍ)についての収差をそれぞれ実線、長破線、および、短破線の実線で示す。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)およびＦ線(波長４８６．１ｎｍ)についての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値、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の説明で述べた各データの記号、意味、記載方法は、特に断りがない限り以下の実施例のものについても同様であるので、以下では重複説明を省略する。

次に、実施例２の結像光学系について説明する。実施例２の結像光学系の構成を示す断面図を図２に示す。実施例２の結像光学系は、第１光学系Ｇ１がレンズＬ１ａ〜Ｌ１ｍの１３枚のレンズから構成されている以外は、実施例１と同様のレンズ枚数構成である。なお、実施例２においてはレンズＬ１ｆがフォーカス群に相当し、レンズＬ２ａおよびＬ２ｂの２枚のレンズが補正群に相当する。また、実施例２の結像光学系のレンズデータを表５に、フォーカシングの際に間隔が変化する面間隔に関するデータを表６に、諸元に関するデータ（投写距離１９３．２９５）を表７に、非球面係数に関するデータを表８に、各収差図を図６に示す。

次に、実施例３の結像光学系について説明する。実施例３の結像光学系の構成を示す断面図を図３に示す。実施例３の結像光学系は、実施例１と同様のレンズ枚数構成である。なお、実施例３においてはレンズＬ１ｆがフォーカス群に相当し、レンズＬ２ａおよびＬ２ｂの２枚のレンズが補正群に相当する。また、実施例３の結像光学系のレンズデータを表９に、フォーカシングの際に間隔が変化する面間隔に関するデータを表１０に、諸元に関するデータ（投写距離１９３．６７１）を表１１に、非球面係数に関するデータを表１２に、各収差図を図７に示す。

次に、実施例４の結像光学系について説明する。実施例４の結像光学系の構成を示す断面図を図４に示す。実施例４の結像光学系は、実施例４と同様のレンズ枚数構成である。なお、実施例４においてはレンズＬ１ｅがフォーカス群に相当し、レンズＬ２ａおよびＬ２ｂの２枚のレンズが補正群に相当する。また、実施例４の結像光学系のレンズデータを表１３に、フォーカシングの際に間隔が変化する面間隔に関するデータを表１４に、諸元に関するデータ（投写距離２１８．５２６）を表１５に、非球面係数に関するデータを表１６に、各収差図を図８に示す。

実施例１〜４の結像光学系の条件式（１）〜（５）に対応する値を表１７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１７に示す値はこの基準波長におけるものである。

以上のデータから、実施例１〜４の結像光学系は全て、条件式（１）〜（５）を満たしており、コストを抑えつつ、半画角ωが６５°以上の広角で、かつフォーカシングによる像面湾曲が良好に補正された高い性能を有する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９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９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９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９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１０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１０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１０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１０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１１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１１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１１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１１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１２、図１３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１２は、カメラ４００を前側から見た斜視図を示し、図１３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）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
Ｇ１ 第１光学系
Ｇ２ 第２光学系
Ｌ１ａ〜Ｌ２ｈ レンズ
ＰＰ 光学部材
Ｒ１ 第１光路折り曲げ手段
Ｒ２ 第２光路折り曲げ手段
Ｓｉｍ 画像表示面
Ｓｔ 開口絞り
ｗａ 軸上光束
ｗｂ 最大画角の光束
Ｚ 光軸

Claims (20)

1. 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、複数のレンズにより構成された第１光学系と、複数のレンズにより構成された第２光学系とから実質的になり、
   前記第２光学系は、前記画像表示素子上の画像を中間像として結像させ、
   前記第１光学系は、前記中間像を前記拡大側共役面上に結像させ、
   前記第１光学系の最も拡大側から最大画角の主光線と該第１光学系の光軸が交わる位置までの間に、フォーカシングの際に該第１光学系の光軸に沿って移動するフォーカス群を有し、
   下記条件式（１）を満足する
   ことを特徴とする結像光学系。
   １０．０＜｜ｆＡ／ｆ｜＜５００．０ …（１）
   ただし、
   ｆＡ：フォーカシングの際に移動するレンズの焦点距離
   ｆ：全系の焦点距離
   とする。
2. 前記フォーカス群は、１枚の単レンズから実質的になる
   請求項１記載の結像光学系。
3. 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、複数のレンズにより構成された第１光学系と、複数のレンズにより構成された第２光学系とから実質的になり、
   前記第２光学系は、前記画像表示素子上の画像を中間像として結像させ、
   前記第１光学系は、前記中間像を前記拡大側共役面上に結像させ、
   前記第１光学系の最も拡大側から最大画角の主光線と前記第１光学系の光軸が交わる位置までの間は、拡大側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と、２枚の単レンズから実質的になり正の屈折力を有する第２レンズ群とから実質的になり、
   該第２レンズ群の前記２枚の単レンズの内いずれか１枚の単レンズを前記第１光学系の光軸に沿って移動させることでフォーカシングを行い、
   下記条件式（１）を満足する
   ことを特徴とする結像光学系。
   １０．０＜｜ｆＡ／ｆ｜＜５００．０ …（１）
   ただし、
   ｆＡ：フォーカシングの際に移動するレンズの焦点距離
   ｆ：全系の焦点距離
   とする。
4. 下記条件式（２）および（３）を満足する
   請求項３記載の結像光学系。
   −３．０＜ｆ２１／｜ｆ｜＜−１．０ …（２）
   ５．０＜ｆ２２／｜ｆ｜＜２０．０ …（３）
   ただし、
   ｆ２１：前記第１レンズ群の焦点距離
   ｆ２２：前記第２レンズ群の焦点距離
   とする。
5. 前記第１レンズ群は、全て負レンズで構成されている
   請求項３または４記載の結像光学系。
6. 前記第２レンズ群は、全て正レンズで構成されている
   請求項３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、該第２光学系の最も縮小側の面から前記縮小側共役面までの光軸上の間隔の変動の影響を補正する際に前記第２光学系の光軸に沿って移動する補正群を有する
   請求項１から６のいずれか１項記載の結像光学系。
8. 下記条件式（４）を満足する
   請求項７記載の結像光学系。
   １０．０＜ｆＢ／｜ｆ｜＜１００．０ …（４）
   ただし、
   ｆＢ：前記補正群の焦点距離
   とする。
9. 前記補正群は、前記第２光学系の最も拡大側に配置されている
   請求項７または８記載の結像光学系。
10. 前記補正群は、負レンズおよび正レンズが拡大側からこの順に接合された接合レンズから実質的になる
    請求項７から９のいずれか１項記載の結像光学系。
11. 下記条件式（５）を満足する
    請求項１から１０のいずれか１項記載の結像光学系。
    ４．０＜Ｂｆ／｜ｆ｜ …（５）
    ただし、
    Ｂｆ：全系のバックフォーカス
    とする。
12. 前記第１光学系と前記第２光学系は、共通の光軸を有する
    請求項１から１１のいずれか１項記載の結像光学系。
13. 前記中間像は、光軸中心より周辺部が前記第２光学系側に像面湾曲している
    請求項１から１２のいずれか１項記載の結像光学系。
14. 下記条件式（１−１）を満足する
    請求項１または３記載の結像光学系。
    ２０．０＜｜ｆＡ／ｆ｜＜２００．０ …（１−１）
15. 下記条件式（２−１）を満足する
    請求項４記載の結像光学系。
    −２．０＜ｆ２１／｜ｆ｜＜−１．２ …（２−１）
16. 下記条件式（３−１）を満足する
    請求項４記載の結像光学系。
    ７．０＜ｆ２２／｜ｆ｜＜１５．０ …（３−１）
17. 下記条件式（４−１）を満足する
    請求項８記載の結像光学系。
    ２０．０＜ｆＢ／｜ｆ｜＜７０．０ …（４−１）
18. 下記条件式（５−１）を満足する
    請求項１１記載の結像光学系。
    ５．０＜Ｂｆ／｜ｆ｜＜２０．０ …（５−１）
19. 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結像光学系としての請求項１から１８のいずれか１項記載の結像光学系とを備えたことを特徴とする投写型表示装置。
20. 請求項１から１８のいずれか１項記載の結像光学系を備えた撮像装置。