特許 7510149 投射光学系、プロジェクタおよび撮像装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-25

(45)【発行日】2024-07-03

(54)【発明の名称】投射光学系、プロジェクタおよび撮像装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 17/08 20060101AFI20240626BHJP

   G02B 15/20 20060101ALI20240626BHJP

   G03B 21/14 20060101ALI20240626BHJP

【ＦＩ】

G02B17/08

G02B15/20

G03B21/14

【請求項の数】 23

(21)【出願番号】P 2020070270

(22)【出願日】2020-04-09

(65)【公開番号】P2021167857

(43)【公開日】2021-10-21

【審査請求日】2023-04-05

(73)【特許権者】

【識別番号】000227364

【氏名又は名称】株式会社ｎｉｔｔｏｈ

(74)【代理人】

【識別番号】100073184

【弁理士】

【氏名又は名称】柳田 征史

(74)【代理人】

【識別番号】100123652

【弁理士】

【氏名又は名称】坂野 博行

(74)【代理人】

【識別番号】100175042

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 秀明

(72)【発明者】

【氏名】松尾 恭彦

【審査官】瀬戸 息吹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－００５２４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１０８２６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０２０８６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ９／００ － １７／０８

Ｇ０２Ｂ ２１／０２ － ２１／０４

Ｇ０２Ｂ ２５／００ － ２５／０４

Ｇ０３Ｂ ２１／００ － ２１／１０

Ｇ０３Ｂ ２１／１２ － ２１／１３

Ｇ０３Ｂ ２１／１３４ － ２１／３０

Ｇ０３Ｂ ３３／００ － ３３／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

縮小側の画像を拡大側の被投射面へ投射する投射光学系であって、
複数のレンズを含み、縮小側から入射した光により拡大側に向かって第１中間像および第２中間像をこの順に結像するレンズ光学系と、
前記第２中間像を反射させる凹面鏡とを有し、
前記レンズ光学系は内部に、前記第１中間像を結像すると共に、変倍時に隣り合うレンズ群との間隔を変える方向に移動するレンズ群からなる２つ以上の変倍群を含み、
前記変倍群の中の最も拡大側に位置する第１の変倍群は前記第１中間像の拡大側に隣接するレンズを含む、
ことを特徴とする投射光学系。

【請求項2】

前記第１の変倍群は、前記第１中間像の縮小側に配置されて該第１中間像と隣接するレンズを含む、
請求項１に記載の投射光学系。

【請求項3】

前記変倍群は、前記第１中間像よりも縮小側に配置される第２の変倍群と絞りとをさらに含み、
前記第２の変倍群は、前記絞りに隣接するレンズを含む、
請求項２に記載の投射光学系。

【請求項4】

前記レンズ光学系は、前記第２の変倍群と前記第１の変倍群との間に負のパワーの第３の変倍群を含み、
前記第２の変倍群は正のパワーを有し、
前記第３の変倍群は前記第１変倍群の拡大側に隣接して配置されている、
請求項３に記載の投射光学系。

【請求項5】

広角端から望遠端側へ変倍する際に、
前記第２の変倍群は、縮小側から拡大側に移動し、
前記第３の変倍群は、縮小側から拡大側に移動する、
請求項４に記載の投射光学系。

【請求項6】

前記レンズ光学系は複数の合焦群を含み、
前記第１の変倍群と前記第３の変倍群との間に第４の変倍群が配置され、
前記第４の変倍群は、合焦時にも移動する第１の合焦群を兼ねている、
請求項４または５に記載の投射光学系。

【請求項7】

前記第１の変倍群の拡大側に第２の合焦群が隣接している、
請求項６に記載の投射光学系。

【請求項8】

前記第１の合焦群の拡大側のレンズ面は拡大側に凸面を有し、
前記第２の合焦群の縮小側のレンズ面は縮小側に凸面を有する、
請求項７に記載の投射光学系。

【請求項9】

前記第１の変倍群は、前記第１中間像の縮小側、拡大側にそれぞれ配された第１小群および第２小群からなり、
前記第１小群は縮小側から順に、縮小側のレンズ面が凹面形状のメニスカスレンズからなるレンズ１、拡大側のレンズ面が凹面形状であるレンズ２の並びを含み、
前記レンズ１の縮小側のレンズ面の曲率半径（１Ｒ２）と前記レンズ２の拡大側のレンズ面の曲率半径（２Ｒ１）とが、式１を満たしている、
０．５５ ＜｜１Ｒ２｜／｜２Ｒ１｜＜ １．００ ・・・式１
請求項２から８のいずれか１項に記載の投射光学系。

【請求項10】

前記第１小群はさらに、縮小側のレンズ面が凸面形状であって、前記レンズ２の拡大側に配置されたレンズ３の並びを含み、
前記レンズ１の拡大側のレンズ面の曲率半径（１Ｒ１）と、前記レンズ３の縮小側のレンズ面の曲率半径（３Ｒ２）とが、式２を満たしている、
０．５ ＜｜１Ｒ１｜／｜３Ｒ２｜＜ ６．０ ・・・式２
請求項９に記載の投射光学系。

【請求項11】

前記第１の変倍群は、前記第１中間像の縮小側、拡大側にそれぞれ配された第１小群および第２小群からなり、
前記第１小群は縮小側から順に、拡大側のレンズ面が凹面形状のレンズ２、縮小側のレンズ面が凸面形状のレンズ３の並びを含み、
前記レンズ２の拡大側のレンズ面の曲率半径（２Ｒ１）と前記レンズ３の縮小側のレンズ面の曲率半径（３Ｒ２）とが、式３を満たしている、
０．３０ ＜｜２Ｒ１｜／｜３Ｒ２｜＜ ０．７０ ・・・式３ 請求項２から１０のいずれか１項に記載の投射光学系。

【請求項12】

前記第１の変倍群は、前記第１中間像の縮小側、拡大側にそれぞれ配された第１小群および第２小群からなり、
前記第１小群は縮小側から順に、縮小側のレンズ面が凹面形状のメニスカスレンズからなるレンズ１、拡大側のレンズ面が凹面形状であるレンズ２の並びを含み、
前記レンズ１の屈折率（Ｌ１ｎｄ）と前記レンズ２の屈折率（Ｌ２ｎｄ）とが、式４を満たしている、
０．３＜Ｌ２ｎｄ － Ｌ１ｎｄ ・・・式４
請求項２から１１のいずれか１項に記載の投射光学系。

【請求項13】

前記第１の変倍群は、前記第１中間像の縮小側、拡大側にそれぞれ配された第１小群および第２小群からなり、
前記第１小群は縮小側から順に、拡大側のレンズ面が凹面形状のレンズ２、縮小側のレンズ面が凸面形状のレンズ３の並びを含み、
前記レンズ２のアッべ数（Ｌ２νｄ）と前記レンズ３のアッべ数（Ｌ３νｄ）とが、式５を満たしている、
１０．０＜ Ｌ３νｄ － Ｌ２νｄ ・・・式５
請求項２から１２のいずれか１項に記載の投射光学系。

【請求項14】

前記第１の変倍群の焦点距離ｆ５と広角端における投射光学系全系の焦点距離ｆｗとが、式６を満たしている、
１５．０＜|ｆ５|／|ｆｗ|＜２０．０ ・・・式６
請求項１から１３のいずれか１項に記載の投射光学系。

【請求項15】

前記第１の変倍群は、前記第１中間像の縮小側、拡大側にそれぞれ配された第１小群および第２小群からなり、
前記第１小群の焦点距離ｆ５－１と前記第２小群の焦点距離ｆ５－２とが、式７を満たしている、
２．０ ＜|ｆ５－１|／|ｆ５－２| ＜ ７．０ ・・・式７
請求項２から１４のいずれか１項に記載の投射光学系。

【請求項16】

前記複数の変倍群よりも拡大側に固定群を有し、
前記固定群の最も拡大側には３枚のレンズを接合した３枚接合レンズを有し、
前記３枚のレンズは縮小側から順に、負レンズ、正レンズ、負レンズからなる、
請求項１から１５のいずれか１項に記載の投射光学系。

【請求項17】

前記固定群の焦点距離ｆ７と、前記レンズ光学系の広角端における焦点距離ｆ８とが、式８を満たしている、
１．０ ＜ |ｆ７|／|ｆ８| ＜２．５ ・・・式８
請求項１６に記載の投射光学系。

【請求項18】

前記固定群の３枚接合レンズの焦点距離（ｆ接合）と、広角端における投射光学系全系の広角端における焦点距離ｆｗとが式９を満たしている、
１０．０ ＜ |ｆ接合|／|ｆｗ| ＜ ２５．０ ・・・式９
請求項１６または１７に記載の投射光学系。

【請求項19】

前記固定群の３枚接合レンズは、前記レンズ光学系の最も拡大側に配置されるレンズ素子である、請求項１６から１８のいずれか１項に記載の投射光学系。

【請求項20】

前記変倍群を複数有し、
それらの変倍群の各々を単独で広角端から望遠端へ移動させた際の全系の焦点距離の変化の比（ｆ比率）が最も大きい変倍群である変倍群をバリエータ群Ｖｒｇとし、その他の残りの変倍群をそれぞれコンペンセータ群ｃｎｇとして、全系の広角端における焦点距離を１としたときに、コンペンセータ群ｃｎｇのｆ比率から１を引いた値を変化量Δcngとし、Δcngの総和をsum Δcngとし、投射光学系全系の変倍における焦点距離の変化の比（ズーム比）をＺｒとしたとき、
sum ΔcngとＺｒとが、式１０を満たしている、
| sum Δcng |／|Ｚｒ| ＜ ０．０３ ・・・式１０
請求項１から１９のいずれか１項に記載の投射光学系。

【請求項21】

前記レンズ光学系と前記凹面鏡との間に、入射面と出射面とを有する光学素子を有し、
前記レンズ光学系は、該レンズ光学系からの出射光を凹面鏡よりも縮小側で結像して第２中間像を形成し、
前記第２中間像は、像高が高くなるほど縮小側に倒れるように結像され、
少なくとも一部の結像は、前記光学素子の出射面と凹面鏡との間になされる、
請求項１から２０のいずれか１項に記載の投射光学系。

【請求項22】

請求項１から２１のいずれか１項に記載の投射光学系の縮小側に、画像表示素子を備えてなるプロジェクタ装置。

【請求項23】

請求項１から２のいずれか１項に記載の投射光学系の拡大側から光線を入射した際に、
縮小側の結像位置となる位置に撮像素子を備えてなる撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プロジェクタ装置および、それに用いられる投射光学系に関し、さらにはその投射光学系を用いた撮像装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、投射画面を大画面化すると共に、投影空間の縮小化を図った反射型のプロジェクタ装置が種々提案されている。例えば特許文献１や特許文献２には、画像表示素子（ライトバルブ）から投射画面に向かって、つまり縮小側から拡大側に向かって、屈折光学系からなる第１光学系、反射面を含む第２光学系を配置してなるプロジェクタ装置用の投射光学系が示されている。この種の投射光学系は多くの場合、合焦（フォーカス調整）や変倍（ズーム）のために、屈折光学系内に、該屈折光学系の主光軸に沿った方向に移動する移動光学系を含んで構成される。

【0003】

近時は、投射画面を大型化する要求が高くなっており、そのため上記の投射光学系に対しては、倍率が変更されても収差の発生を良好に低減して、大型でしかも高画質の画像を投射可能とすることが望まれている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開第５１４５４８６号公報

【文献】特許第５７２８２０２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、従来の反射型のプロジェクタ装置に用いられている投射光学系は、倍率変更に伴う収差発生を低減する上で、改善の余地が残されている。

【0006】

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、倍率変更に伴う収差発生を良好に低減することができるプロジェクタ装置、およびそのようなプロジェクタ装置を実現できる投射光学系を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明による投射光学系は、
縮小側の画像を拡大側の被投射面へ投射する投射光学系であって、
複数のレンズを含み、縮小側から入射した光により拡大側に向かって第１中間像および第２中間像をこの順に結像するレンズ光学系と、
第２中間像を反射させる凹面鏡とを有し、
上記レンズ光学系は内部に第１中間像を結像すると共に、内部に１つ以上の変倍群を含み、
変倍群の中の第１の変倍群は第１中間像の拡大側に隣接するレンズを含む、
ことを特徴とするものである。

【0008】

上記第１の変倍群は、第１中間像の縮小側に配置されて該第１中間像と隣接するレンズを含むことが望ましい。
そしてその場合投射光学系は、上記第１中間像よりも縮小側に配置される第２の変倍群と絞りとをさらに含み、
第２の変倍群は、上記絞りに隣接するレンズを含む、
ことが望ましい。

【0009】

さらに上記レンズ光学系は、第２の変倍群と第１の変倍群との間に負のパワーの第３の変倍群を含み、
第２の変倍群は正のパワーを有し、
第３の変倍群は第２の変倍群の拡大側に隣接して配置されている、
ことが望ましい。

【0010】

また本発明による投射光学系においては、広角端から望遠端側へ変倍する際に、第２の変倍群は、縮小側から拡大側に移動し、第３の変倍群は、縮小側から拡大側に移動することが望ましい。

【0011】

また本発明による投射光学系において、
上記レンズ光学系は複数の合焦群を含み、
第１の変倍群と第３の変倍群との間に第４の変倍群が配置され、
この第４の変倍群は、合焦時にも移動する第１の合焦群を兼ねている、
ことが望ましい。

【0012】

さらに、上記第１の変倍群の拡大側には第２の合焦群が隣接していることが望ましい。

【0013】

また、上記第１の合焦群の拡大側のレンズ面は拡大側に凸面を有し、
第２の合焦群の縮小側のレンズ面は縮小側に凸面を有する、
ことが望ましい。

【0014】

さらに、上記第１の変倍群は、第１中間像の縮小側、拡大側にそれぞれ配された第１小群および第２小群からなり、
第１小群は縮小側から順に、縮小側のレンズ面が凹面形状のメニスカスレンズからなるレンズ１、拡大側のレンズ面が凹面形状であるレンズ２の並びを含み、
レンズ１の縮小側のレンズ面の曲率半径（１Ｒ２）とレンズ２の拡大側のレンズ面の曲率半径（２Ｒ１）とが、以下の式１
０．５５ ＜｜１Ｒ２｜／｜２Ｒ１｜＜ １．００ ・・・式１
を満たしていることが望ましい。

【0015】

そのように構成される場合、第１小群はさらに、縮小側のレンズ面が凸面形状であってレンズ２の拡大側に配置されたレンズ３の並びを含み、
レンズ１の拡大側のレンズ面の曲率半径（１Ｒ１）と、レンズ３の縮小側のレンズ面の曲率半径（３Ｒ２）とが、以下の式２
０．５ ＜｜１Ｒ１｜／｜３Ｒ２｜＜ ６．０ ・・・式２
を満たしていることが望ましい。

【0016】

また前述した第１の変倍群は、第１中間像の縮小側、拡大側にそれぞれ配された第１小群および第２小群からなり、
第１小群は縮小側から順に、拡大側のレンズ面が凹面形状のレンズ２、縮小側のレンズ面が凸面形状のレンズ３の並びを含み、
レンズ２の拡大側のレンズ面の曲率半径（２Ｒ１）とレンズ３の縮小側のレンズ面の曲率半径（３Ｒ２）とが、以下の式３
０．３０ ＜｜２Ｒ１｜／｜３Ｒ２｜＜ ０．７０ ・・・式３
を満たしていることが望ましい。

【0017】

また上記第１の変倍群は、第１中間像の縮小側、拡大側にそれぞれ配された第１小群および第２小群からなり、
第１小群は縮小側から順に、縮小側のレンズ面が凹面形状のメニスカスレンズからなるレンズ１、拡大側のレンズ面が凹面形状であるレンズ２の並びを含み、
レンズ１の屈折率（Ｌ１ｎｄ）とレンズ２の屈折率（Ｌ２ｎｄ）とが、以下の式４
０．３＜Ｌ２ｎｄ － Ｌ１ｎｄ ・・・式４
を満たしていることが望ましい。

【0018】

また上記第１の変倍群は、第１中間像の縮小側、拡大側にそれぞれ配された第１小群および第２小群からなり、
第１小群は縮小側から順に、拡大側のレンズ面が凹面形状のレンズ２、縮小側のレンズ面が凸面形状のレンズ３の並びを含み、
レンズ２のアッべ数（Ｌ２νｄ）とレンズ３のアッべ数（Ｌ３νｄ）とが、以下の式５
１０．０＜ Ｌ３νｄ － Ｌ２νｄ ・・・式５
を満たしていることが望ましい。

【0019】

また本発明の投射光学系においては、上記第１の変倍群の焦点距離ｆ５と広角端における投射光学系全系の焦点距離ｆｗとが、以下の式６
１５．０＜|ｆ５|／|ｆｗ|＜２０．０ ・・・式６
を満たしていることが望ましい。

【0020】

また本発明の投射光学系において、上記第１の変倍群は、第１中間像の縮小側、拡大側にそれぞれ配された第１小群および第２小群からなり、
第１小群の焦点距離ｆ５－１と第２小群の焦点距離ｆ５－２とが、以下の式７
２．０ ＜|ｆ５－１|／|ｆ５－２| ＜ ７．０ ・・・式７
を満たしていることが望ましい。

【0021】

また本発明の投射光学系は、
複数の変倍群よりも拡大側に固定群を有し、
この固定群の最も拡大側には３枚のレンズを接合した３枚接合レンズを有し、
上記３枚のレンズは縮小側から順に、負レンズ、正レンズ、負レンズからなる、
ことが望ましい。

【0022】

そして上記固定群の焦点距離ｆ７と、レンズ光学系の広角端における焦点距離ｆ８とは、以下の式８
１．０ ＜ |ｆ７|／|ｆ８| ＜２．５ ・・・式８
を満たしていることが望ましい。

【0023】

そして上述した固定群の３枚接合レンズの焦点距離（ｆ接合）と、広角端における投射光学系全系の広角端における焦点距離ｆｗとが以下の式９
１０．０ ＜ |ｆ接合|／|ｆｗ| ＜ ２５．０ ・・・式９
を満たしていることが望ましい。

【0024】

そして上記固定群の３枚接合レンズは、レンズ光学系の最も拡大側に配置されるレンズ素子であることが望ましい。

【0025】

また本発明の投射光学系は、
変倍群を複数有し、
それらの変倍群の各々を単独で広角端から望遠端へ移動させた際の全系の焦点距離の変化の比（ｆ比率）が最も大きい変倍群である変倍群をバリエータ群Ｖｒｇとし、その他の残りの変倍群をそれぞれコンペンセータ群ｃｎｇとして、全系の広角端における焦点距離を１としたときに、コンペンセータ群ｃｎｇのｆ比率から１を引いた値を変化量Δcngとし、Δcngの総和をsum Δcngとし、投射光学系全系の変倍における焦点距離の変化の比（ズーム比）をＺｒとしたとき、sum ΔcngとＺｒとが、式１０
| sum Δcng |／|Ｚｒ| ＜ ０．０３ ・・・式１０
を満たしていることが望ましい。

【0026】

また本発明の投射光学系は、
レンズ光学系と凹面鏡との間に、入射面と出射面とを有する光学素子を有し、
レンズ光学系は、該レンズ光学系からの出射光を凹面鏡よりも縮小側で結像して第２中間像を形成し、
第２中間像は、像高が高くなるほど縮小側に倒れるように結像され、
少なくとも一部の結像は、光学素子の出射面と凹面鏡との間になされる、
ことが望ましい。

【0027】

一方、本発明による一つのプロジェクタ装置は、以上述べた本発明の投射光学系の縮小側に、画像表示素子を備えてなるものである。

【0028】

また、本発明による撮像装置は、以上述べた本発明の投射光学系の拡大側から光線を入射した際に、縮小側の結像位置となる位置に撮像素子を備えてなるものである。

【発明の効果】

【0029】

本発明による投射光学系は、第１中間像の拡大側に隣接するレンズを含む第１の変倍群を変倍時に移動する構成としたことにより、主光線が分離しつつ光線幅が狭く、結像後に反転して発散する光線を第１の変倍群に入射させることが可能となり、よって、軸外収差の変動を抑制した変倍が可能となる。

【0030】

そして好ましい形態として、第１の変倍群を、第１中間像の縮小側に隣接するレンズをさらに含む構成とした場合は、中間像を挟み込む第１の変倍群中のレンズが同一の変倍群として一体で移動することになる。そこで、入射光および出射光の光線高の高いレンズを変倍に使用することができるので、より収差補正に有利になる。

【0031】

またその好ましい形態とした場合は、第１中間像を挟むレンズを一つの群として移動させることで、第１中間像が結像する空間をレンズとレンズ枠とで密封できるため、ゴミや埃が入り込みにくくなり、よって、ゴミの映り込み等を抑制可能となる。すなわち、第１中間像の結像位置付近のレンズ面にゴミが付着すると投射画面や撮像面にゴミが結像することがあるが、そのような事態から逃れることができる。

【0032】

また、本発明によるプロジェクタ装置は、上述の効果を奏する投射光学系を用いているので、倍率変更に伴う軸外収差の発生を良好に低減可能となる。この点は、本発明による撮像装置においても同様である。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】実施例１の投射光学系のレンズ構成を主な光束と共に示す断面図であり、変倍系が広角端、望遠端にある状態をそれぞれ上側、下側に示す

【図2】実施例１の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図

【図3】実施例１の投射光学系を構成する光学要素の非球面データを示す図

【図4】実施例１の投射光学系を構成する光学要素の自由曲面データを示す図

【図5】実施例１の投射光学系における各部の面間隔の変化量を示す図

【図6】実施例１の投射光学系における各部の焦点距離に関連する数値を示す図

【図7】実施例１～３の投射光学系における各部の焦点距離を示す図

【図8】実施例１～３の投射光学系における式１～１０の値を示す図

【図9】実施例１の投射光学系の広角端での横収差を示すグラフ

【図10】実施例１の投射光学系の望遠端での横収差を示すグラフ

【図11】実施例１の投射光学系の近点投射時の横収差を示すグラフ

【図12】実施例１の投射光学系の望点投射時の横収差を示すグラフ

【図13】実施例２の投射光学系のレンズ構成を主な光束と共に示す断面図であり、変倍系が広角端、望遠端にある状態をそれぞれ上側、下側に示す

【図14】実施例２の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図

【図15】実施例２の投射光学系を構成する光学要素の非球面データを示す図

【図16】実施例２の投射光学系を構成する光学要素の自由曲面データを示す図

【図17】実施例２の投射光学系における各部の面間隔の変化量を示す図

【図18】実施例２の投射光学系における各部の焦点距離に関連する数値を示す図

【図19】実施例２の投射光学系の広角端での横収差を示すグラフ

【図20】実施例２の投射光学系の望遠端での横収差を示すグラフ

【図21】実施例２の投射光学系の近点投射時の横収差を示すグラフ

【図22】実施例２の投射光学系の望点投射時の横収差を示すグラフ

【図23】実施例３の投射光学系のレンズ構成を主な光束と共に示す断面図であり、変倍系が広角端、望遠端にある状態をそれぞれ上側、下側に示す

【図24】実施例３の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図

【図25】実施例３の投射光学系を構成する光学要素の非球面データを示す図

【図26】実施例３の投射光学系を構成する光学要素の自由曲面データを示す図

【図27】実施例３の投射光学系における各部の面間隔の変化量を示す図

【図28】実施例３の投射光学系における各部の焦点距離に関連する数値を示す図

【図29】実施例３の投射光学系の広角端での横収差を示すグラフ

【図30】実施例３の投射光学系の望遠端での横収差を示すグラフ

【図31】実施例３の投射光学系の近点投射時の横収差を示すグラフ

【図32】実施例３の投射光学系の望点投射時の横収差を示すグラフ

【図33】実施例４の投射光学系のレンズ構成を主な光束と共に示す断面図であり、変倍系が広角端、望遠端にある状態をそれぞれ上側、下側に示す

【図34】実施例４の投射光学系を構成する光学要素の基本データを示す図

【図35】横収差測定の位置を説明する図

【発明を実施するための形態】

【0034】

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係る投射光学系１００の構成を、主な光束と合わせて示す断面図である。この投射光学系１００は基本的に、レンズ光学系Ｇ８と反射光学系Ｇ９とから構成されている。この図１では、レンズ光学系Ｇ８が広角端にある状態をＷＩＤＥの表記をして上段に、またレンズ光学系Ｇ８が望遠端にある状態をＴＥＬＥの表記をして下段に示している。なお上段の図には、レンズ光学系Ｇ８から反射光学系Ｇ９の凹面鏡５までの光軸Ｚの大凡の位置を破線で示す。この断面図は、画像表示素子２の画像表示面１の投射有効域中心から出射する光束の主光線が投射画面に到達するまでの光路を含む平面に沿って、投射光学系１００を切断した場合の断面図である。

【0035】

また図１中には、画像表示素子２の画像表示面１の最も上記光軸Ｚに近い位置から出射される光線の主光線（近端部主光線）Ｒ０を一点鎖線で示す。そして、この主光線Ｒ０の上下に、該主光線Ｒ０と同一の位置から出射され、主光線Ｒ０に対して角度を持って出射される光線の広がりを示す上側光線と下側光線を実線で示す。さらに、画像表示面１の投射有効域端部（図中で下側の端部）から出射される光線の主光線Ｒ１を一点鎖線で示し、この主光線Ｒ１に対する上側光線および下側光線を同じく実線で示す。上記の主光線、上側光線および下側光線が交わる位置が結像位置であり、後述する第１中間像ＩＭ１および第２中間像ＩＭ２はこの位置で結像する。以上述べた主光線Ｒ０およびＲ１、並びに上側光線と下側光線の表示の仕方は、後述する図１３、図２３および図３３においても同様である。

【0036】

図１において、画像表示素子２の画像表示面１側が縮小側、レンズ光学系Ｇ８の最終レンズＬ２０側が拡大側である。なお以下において、レンズ光学系内の位置については、光束の進行方向を考慮して、拡大側を前方、縮小側を後方と称して説明することもある。図１に示す投射光学系１００は後述する実施例１に対応している。

【0037】

この投射光学系１００は、例えばプロジェクタ装置に搭載されて、ＤＭＤ、透過型液晶表示装置、あるいは反射型液晶表示装置等の画像表示素子（ライトバルブ）２の画像表示面１に表示された画像をスクリーンへ投射するものとして使用可能である。図１では、プロジェクタ装置に搭載される場合を想定して、画像表示素子２の画像表示面１も併せて図示している。

【0038】

上記のプロジェクタ装置においては、図示外の光源から発せられた後に画像表示面１で画像の情報を与えられた光束が、ガラスブロック３を通して屈折光学系を含むレンズ光学系Ｇ８に入射され、レンズ光学系Ｇ８内で第１中間像ＩＭ１が結像される。上記光束はレンズ光学系Ｇ８からプリズム４を通して凹面鏡５に入射され、第１中間像ＩＭ１がさらに、プリズム４と凹面鏡５との間に第２中間像ＩＭ２として結像される。第２中間像ＩＭ２は凹面鏡５からなる反射光学系Ｇ９によって反射、拡大され、図示外のスクリーン上に投射像として拡大投射される。なお、図１および後述する図１３、２３および３３のレンズ構成図では、第１中間像ＩＭ１および第２中間像ＩＭ２については、上記のような概略的位置のみを示している（実線表示の直線）。実際の第１中間像ＩＭ１および第２中間像ＩＭ２は、主光線Ｒ０から離れるにつれて後方側（縮小側）に傾いた（倒れた）形状を有する実像である。ちなみにガラスブロック３はダイクロックプリズムやＴＩＲプリズムといった色合成プリズムである。

【0039】

図１に示すように投射光学系１００は、画像表示素子２、ガラスブロック３、レンズ光学系Ｇ８、プリズム４、および反射光学系Ｇ９をこの順に縮小側から拡大側に向かって配置して構成されている。レンズ光学系Ｇ８は、縮小側から拡大側に向かって第１固定群Ｇ１、変倍群Ｇ２、変倍群Ｇ３、合焦群（フォーカス群、第１合焦群）としても作用する変倍群Ｇ４、変倍群Ｇ５、合焦群として作用する第２合焦群Ｇ６、および第２固定群Ｇ７をこの順に配置して構成されている。なお、これらのレンズ群Ｇ１～Ｇ７のうち、いくつかの群は変倍あるいは合焦のために光軸方向に移動されるが、そのための駆動機構は図示を省略している。

【0040】

第１固定群Ｇ１は、正の屈折力を有する（以下、これを単に「正の」という）１枚の両凸レンズＬ１からなる。変倍群Ｇ２は、負の屈折力を有する（以下、これを単に「負の」という）メニスカスレンズＬ２、このメニスカスレンズＬ２に接合された正の両凸レンズＬ３、このレンズＬ３に接合された負のメニスカスレンズＬ４、両面が非球面である正の両凸レンズＬ５、負のメニスカスレンズＬ６、および正の両凸レンズＬ７を光軸Ｚに沿って縮小側から拡大側に向かって順に配置して構成されている。

【0041】

なお、レンズＬ１～Ｌ７等の光学要素のうち回転対称形のものは、回転対称の中心が光軸Ｚから離れた状態に配置されることもある。その種の光学要素の中心は、画像表示素子２の光軸を真直ぐに延長した主光線Ｒ０上に有る。上述した「光軸Ｚに沿って縮小側から拡大側に向かって順に配置」という説明は、このことも含んで示している。

【0042】

変倍群Ｇ２は本発明における第２の変倍群であり、その一部を構成している負のメニスカスレンズＬ６と正の両凸レンズＬ７との間には、縮小側から順に、第１視野絞りＦＳ１、開口絞りＡＳ、および第２視野絞りＦＳ２が配置されている。変倍群Ｇ３は本発明における第３の変倍群であり、縮小側から順に負のメニスカスレンズＬ８、および正の両凸レンズＬ９を配置して構成されている。変倍群Ｇ４は本発明における第４の変倍群であり、１枚の正のメニスカスレンズＬ１０からなる。

【0043】

変倍群Ｇ５は本発明における第１の変倍群であり、第１中間像ＩＭ１の縮小側、拡大側にそれぞれ配された第１小群Ｇ５－１および第２小群Ｇ５－２から構成されている。第１小群Ｇ５－１は縮小側から順に、縮小側のレンズ面が凹面形状で両面とも非球面である負のメニスカスレンズＬ１１、拡大側のレンズ面が凹面形状である負のメニスカスレンズＬ１２、および正の両凸レンズＬ１３を配置して構成されている。一方第２小群Ｇ５－２は縮小側から順に、負の両凹レンズＬ１４、および正のメニスカスレンズＬ１５を配置して構成されている。

【0044】

第２合焦群Ｇ６は、両面とも自由曲面である１枚の正のメニスカスレンズＬ１６からなる。第２固定群Ｇ７は縮小側から順に、両面とも非球面である正の両凸レンズＬ１７、負のメニスカスレンズＬ１８、このレンズＬ１８に接合された正の両凸レンズＬ１９、およびこのレンズＬ１９に接合された負のメニスカスレンズＬ２０を配置して構成されている。

【0045】

以上説明した変倍群のうち、変倍群Ｇ２は基本的に変倍を行ういわゆるバリエータ（変倍系）として作用し、変倍群Ｇ３、変倍群Ｇ４および変倍群Ｇ５は変倍に伴う合焦位置ズレを補正するためのいわゆるコンペンセータ（補正系）として作用する。

【0046】

次に、本開示の実施形態に係る実施例１における構成要素の詳細なデータについて図２～８を参照して説明する。まず図２に、構成要素の基本データを示す。この図２の基本データにおいて、面番号Ｎｏ．の欄には最も縮小側の構成要素の面を０番目として、拡大側に向かうに従い順次増加する面番号を示している。各面番号の面の中で非球面形状の面には＊の表記を付し、また自由曲面形状の面には括弧（）の表記を付して示している。要素の欄の最上に示す「ＯＢＪ」は画像表示素子（ライトバルブ）２の画像表示面１に表示された画像の面を示し、最下に示す「ＩＭＧ」は投射画面に拡大投射される投射像の面を示している。曲率半径Ｒの欄には各面の近軸曲率半径を示している。曲率半径Ｒの符号は、面形状が縮小側に凸の場合を正、拡大側に凸の場合を負としている。間隔の欄には、当該面番号の面と次の面番号の面との、光軸Ｚ上における光軸方向の間隔を示す。この値は、投射光学系１００が広角端に設定されている場合の値であり、縮小側から凹面鏡５に向かう光路における値を正値で、凹面鏡５で折り返した光路における値を負値で扱っている。有効径の値は、有効像高の２倍の値としている。以上の曲率半径Ｒ、間隔および有効径の単位はｍｍである。また、屈折率ｎｄ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、アッベ数νｄの欄には各光学要素のｄ線に対するアッベ数を示す。

【0047】

図３には非球面に関するデータとして、非球面の面番号と非球面係数を示す。非球面の形状は、Ｘを光軸方向の座標、Ｙを光軸と垂直方向の座標、光の進行方向を正、Ｒｄｙを近軸曲率半径とすると、図３に示した係数Ｒｄｙ、Ｋ、ＡＲｉ（ｉ＝３～６、８、１０、１２）を用いて次式で表わされる。なお、「ｅｎ」は、「１０のｎ乗」を意味する。
Ｘ＝（１／Ｒｄｙ）Ｙ²／［１＋｛１－（１＋Ｋ）（１／Ｒｄｙ）²Ｙ｝^1/2
＋ΣＡＲｉＹ^ｉ

【0048】

図４には、面番号Ｎｏ．＝３８および３９の自由曲面に関するデータを示す。自由曲面の形状は図４に示した各係数を用いて、座標（Ｘ,Ｙ）におけるサグ量Ｚを１０次までの多項式である下記〔数１〕式で規定して表わされる。この場合の座標（Ｘ,Ｙ）は、光軸に垂直な面内で互いに直交する２方向つまり画像表示素子２の短辺方向と長辺方向の各座標であり、（ｍ＋ｎ）≦１０である。また、ｃは頂点曲率、ｋはコーニック定数、Ｃｊは単項式Ｘ^ｍＹ^ｎの係数である。

【0049】

【数1】

【0050】

図５には、投射光学系１００の変倍、合焦状態によって変化する面間隔の値等（単位は全てｍｍ）を示す。この表中で、Ｚ１は投射光学系１００が広角端かつ近点投射時（合焦範囲内で最も近い位置に投射した場合）に設定されている場合、Ｚ２は投射光学系１００が望遠端かつ近点投射時に設定されている場合、Ｚ３は広角端かつ遠点投射時（合焦範囲内で最も遠い位置に投射した場合）に設定されている場合、Ｚ４は望遠端かつ遠点投射時に設定されている場合の各場合を示している。ここでも図３の間隔の値と同様に、縮小側から凹面鏡５に向かう光路における値を正値で、凹面鏡５で折り返した光路における値を負値として扱っている。この表中の「ＥＦＬ」は、各変倍・合焦状態における投射光学系１００の全系の焦点距離を示している。そして、この表中でｓ０、ｓ７のように「ｓ」に数字を付けた欄の値が、その数字が示す面番号の面に関する面間隔を示している。

【0051】

次に図６には主な変倍群、すなわち前述したバリエータ（変倍系）として作用する変倍群Ｇ２、並びにコンペンセータ（補正系）として作用する変倍群Ｇ３、Ｇ４およびＧ５の焦点距離に関連するデータを示す。ここでは、縮小側から拡大側に並ぶ変倍群Ｇ３、変倍群Ｇ４および変倍群Ｇ５をそれぞれコンペンセータ１、コンペンセータ２およびコンペンセータ３の呼称を付加して示している。またこの図６には、後述するように、上記焦点距離に関連するその他のデータも併せて示している。

【0052】

この図６に示す「焦点距離」には、「ＷＩＤＥ ｆｗ」として広角端の状態における投射光学系１００の焦点距離ｆｗを示すと共に、その状態から上記各変倍群Ｇ２～Ｇ５を単体で移動させた後の、投射光学系１００全体の焦点距離を示す。「ｆ比率」は上記各変倍群Ｇ２～Ｇ５の移動前後で変わる焦点距離の比率を示す。「変化量」は、上記広角端における投射光学系１００の焦点距離ｆｗを１としたとき、ｆ比率からこの１を引いた値を示す。「変化率」は、全ての変倍群を移動させる変倍時の「変化量」と、各変倍群Ｇ２～Ｇ５を単体で移動させた際の「変化量」との比率を示す。つまり
変化率＝{（変化後の投射光学系１００の焦点距離）/（ｆｗ－１）}/（ズーム比－１）
である。ズーム比は、投射光学系１００の変倍における焦点距離の変化の比である。この実施例１ではズーム比Ｚｒ＝１．２０であり、これは後述する実施例２および３においても同じである。

【0053】

前述したように変倍群Ｇ３、変倍群Ｇ４および変倍群Ｇ５はコンペンセータとして作用するものである。そこでこれら各群をコンペンセータ群ｃｎｇとして、全系の広角端における焦点距離を１としたときに、コンペンセータ群ｃｎｇのｆ比率から１を引いた値を変化量Δcngと示す。また、Δcngの総和（変倍群Ｇ３～Ｇ５における値の合計）をsum Δcngとし、上記ズーム比をＺｒとして、| sum Δcng |の値、および| sum Δcng |／|Ｚｒ|の値を図６に示している。

【0054】

以上説明した図２、３、４、５および６に示す実施例１のデータと対応するデータを、実施例２に関しては図１４、１５、１６、１７および１８に示し、実施例３に関しては図２４、２５、２６、２７および２８に示している。それらの対応するデータの表示のし方は、それぞれ図２～図６に関して説明した表示のし方と同じであるので、実施例２および３に関しては重複した説明を省略する。

【0055】

次に図７には、レンズ群Ｇ１～Ｇ８および反射光学系Ｇ９の焦点距離を、投射光学系１００が広角端にある場合について示す。また、この実施例１並びに後述する実施例２および３では第２固定群Ｇ７に、３枚のレンズが１枚に接合されてなる接合レンズが適用されているので、この接合レンズの焦点距離も併せて示す。またこの図７には、投射光学系１００が広角端、望遠端にある場合の該投射光学系１００の各焦点距離ｆｗ、ｆｔを併せて示す。そしてこの図７には、後述する実施例２の投射光学系２００および実施例３の投射光学系３００についても、上記焦点距離のデータを示している。

【0056】

以下、本実施形態における要部の構成および、その構成が奏する効果について順次詳しく説明する。まず、レンズ光学系Ｇ８における変倍群Ｇ５について詳しく説明する。この変倍群Ｇ５は前述した通り本発明における第１の変倍群であって、第１中間像ＩＭ１の縮小側、拡大側にそれぞれ配された第１小群Ｇ５－１、第２小群Ｇ５－２から構成されている。第１小群Ｇ５－１は、第１中間像ＩＭ１に隣接するレンズＬ１３を含む３枚のレンズから構成されている。一方第２小群Ｇ５－２は、第１中間像ＩＭ１に隣接するレンズＬ１４を含む２枚のレンズから構成されている。変倍群Ｇ５を、上記の通りの第２小群Ｇ５－２を含んで変倍時に移動する構成としたことにより、主光線が分離しつつ光線幅が狭く、結像後に反転して発散する光線を変倍群Ｇ５に入射させることが可能となり、よって、軸外収差の変動を抑制した変倍が可能となる。

【0057】

本実施形態では、変倍群Ｇ５を、上記の通りの第１小群Ｇ５－１をさらに含んで変倍時に移動する構成としたことにより、第１中間像ＩＭ１を挟み込むレンズが同一の変倍群として一体で移動することになる。そこで、入射光および出射光の光線高の高いレンズを変倍に使用することができるので、より収差補正に有利になる。さらにその場合は、第１中間像ＩＭ１を挟むレンズを一つの群として移動させることで、第１中間像ＩＭ１が結像する空間をレンズとレンズ枠とで密封できるため、ゴミや埃が入り込みにくくなり、よって、ゴミの映り込み等を抑制可能となる。すなわち、第１中間像ＩＭ１の結像位置付近のレンズ面にゴミが付着すると投射画面や撮像面にゴミが結像することがあるが、そのような事態から逃れることができる。

【0058】

またレンズ光学系Ｇ８は、第１中間像ＩＭ１よりも縮小側に変倍群Ｇ２および２つの視野絞りＦＳ１、ＦＳ２および開口絞りＡＳを配置し、変倍群Ｇ２はそれらの絞りに隣接するレンズＬ６およびＬ７を含むものとされている。このような構成とすることにより、変倍群に、光束の分離している群、および、分離していないレンズ群を含めることができる。これにより、変倍に伴って発生する軸外収差および軸上収差を、効果的に補正することが可能となる。ちなみに、視野絞りおよび開口絞りは常に本実施例のように構成しなければならないわけではなく、設計に応じて増減や省略および追加が可能である。視野絞りを二つ使用する必要がなければ、一方を省略しても構わない。

【0059】

またレンズ光学系Ｇ８において、変倍群Ｇ２は正のパワーを有するものとされ、この変倍群Ｇ２と変倍群Ｇ５との間に、変倍群Ｇ２に隣接させて正のパワーを有する変倍群Ｇ３を配置した構成とされている。このように変倍群Ｇ２と変倍群Ｇ３とのパワーを逆にした構成としたことにより、変倍群Ｇ２による過剰な焦点距離の変化に伴う光学性能（像面湾曲）の変動を、変倍群Ｇ３で補償することが可能となる。

【0060】

本実施形態では、上記の構成において、広角端から望遠端側へ変倍する際に、変倍群Ｇ２は縮小側から拡大側に移動し、変倍群Ｇ３は縮小側から拡大側に移動するようにしている。このように、バリエータとしての変倍群Ｇ２とコンペンセータとしての変倍群Ｇ３とを、互いのパワーの符号を反対にした上で同一方向に動かすことで、変倍群Ｇ２の移動量を確保しつつ、収差（像面湾曲）の発生を低減可能となる。

【0061】

またレンズ光学系Ｇ８は、複数の合焦群すなわち下記の第１合焦群および第２合焦群を含む構成とされている。すなわちレンズ光学系Ｇ８は、縮小側から拡大側に向かって配置された変倍群Ｇ２、変倍群Ｇ３、変倍群Ｇ４、変倍群Ｇ５、を有しているが、変倍群Ｇ４は合焦群（第１合焦群）としても作用する。第２合焦群Ｇ６は、変倍群Ｇ５の拡大側に隣接して配置される変倍時に固定のレンズ群からなる。

【0062】

上述のように、第１中間像ＩＭ１を内部に含む変倍群Ｇ５に近い位置で、かつ第１中間像ＩＭ１よりも縮小側の位置に合焦群Ｇ４を配置しているので、第１中間像ＩＭ１よりも縮小側のレンズ系で発生する軸外収差および軸上収差をそれぞれ良好に補正可能となる。また、変倍の際に第１中間像ＩＭ１よりも縮小側のレンズ系で生じる光学性能（像面湾曲）の変動も良好に補正可能となる。

【0063】

さらに本実施形態では、第１中間像ＩＭ１を内部に含む変倍群Ｇ５に近い位置で、かつ第１中間像ＩＭ１よりも拡大側の位置に第２合焦群Ｇ６を配置しているので、第１中間像ＩＭ１よりも拡大側のレンズ系で発生する軸外収差および軸上収差をそれぞれ良好に補正可能となる。また、変倍の際に第１中間像ＩＭ１よりも拡大側のレンズ系で生じる光学性能（像面湾曲）の変動も良好に補正可能となる。

【0064】

また本実施形態において、第１合焦群Ｇ４の拡大側のレンズ面（レンズＬ１０のレンズ面）は拡大側に凸面を有し、第２合焦群Ｇ６の縮小側のレンズ面（レンズＬ１６のレンズ面）は縮小側に凸面を有するものとされている。このように２つの合焦群Ｇ４、Ｇ６の凸面を向け合うことで、各群で発生する収差を打ち消し合うことができる。

【0065】

また、変倍群Ｇ５を構成する第１小群Ｇ５－１は、縮小側から順に、縮小側のレンズ面が凹面形状のメニスカスレンズからなるレンズ１（レンズＬ１１）、拡大側のレンズ面が凹面形状であるレンズ２（レンズＬ１２）の並びを含んでいる。そして上記レンズ１の縮小側のレンズ面の曲率半径（１Ｒ２）と、上記レンズ２の拡大側のレンズ面の曲率半径（２Ｒ１）とが、式１を満たしている。
０．５５ ＜｜１Ｒ２｜／｜２Ｒ１｜＜ １．００ ・・・式１
つまり実施例１において、１Ｒ２、２Ｒ１はそれぞれ図２に示すＮｏ．２７、３０の面の曲率半径で各々－３４．７４７ｍｍ、４０．１９４ｍｍであるから、｜１Ｒ２｜／｜２Ｒ１｜の値は０．８６４である。

【0066】

なお図８には、上記式１が下限値および上限値を規定している式の値に加えて、後述する式２～式１０が下限値および／または上限値を規定している式の値も示している。またこの図８には、同様の値を実施例２および実施例３についても併せて示している。

【0067】

レンズ１（レンズＬ１１）１の縮小側のレンズ面と、レンズ２（レンズＬ１２）の拡大側のレンズ面は上述の通りの形状とされて共に発散効果を生じるものであるが、式１を満足しているので、つまり凹面形状であるレンズＬ１１の曲率半径１Ｒ２が比較的大きい（曲率が緩い）ことから、このレンズＬ１１の発散パワーが過剰に大きくなってはいない。それに対して、｜１Ｒ２｜／｜２Ｒ１｜の値が上限値の１．００以上となるほどに｜１Ｒ２｜が大きい場合は、上記発散パワーが強くなり過ぎて、非球面の面精度の誤差感度が高くなる。他方、｜１Ｒ２｜／｜２Ｒ１｜の値が下限値の０．５５以下になるほど小さい場合は、周辺像高の上側光線と下側光線のコマ収差補正のバランスが悪くなる。

【0068】

上記第１小群Ｇ５－１はさらに、縮小側のレンズ面が凸面形状であって、レンズ２（レンズＬ１２）の拡大側に配置されたレンズ３（レンズＬ１３）の並びを含んでいる。そして上記レンズ１の拡大側のレンズ面の曲率半径（１Ｒ１）と、上記レンズ３の縮小側のレンズ面の曲率半径（３Ｒ２）とが、式２を満たしている。
０．５ ＜｜１Ｒ１｜／｜３Ｒ２｜＜ ６．０ ・・・式２
つまり実施例１において、１Ｒ１、３Ｒ２はそれぞれ図２に示すＮｏ．２８、３１の面の曲率半径で各々－２５０．３３５ｍｍ、８０．６４８ｍｍであるから、｜１Ｒ１｜／｜３Ｒ２｜の値は３．１０４である。

【0069】

レンズ１（レンズＬ１１）１の拡大側のレンズ面と、レンズ３（レンズＬ１２）の縮小側のレンズ面は共に収束効果を生じるものであるが、｜１Ｒ１｜／｜３Ｒ２｜の値が下限値の０．５以下になるほどに｜１Ｒ１｜の値が小さい場合は、第１中間像ＩＭ１付近のレンズ系を縮小できる反面、非球面の面精度の誤差感度が高くなる。それに対して、｜１Ｒ１｜／｜３Ｒ２｜の値が上限値の６．０以上になるほどに｜１Ｒ１｜の値が大きい場合は、周辺像高の上側光線と下側光線のコマ収差補正のバランスが悪くなる。

【0070】

上記第１小群Ｇ５－１はさらに、拡大側のレンズ面が凹面形状のレンズ２（レンズＬ１２）、および縮小側のレンズ面が凸面形状であって、レンズ２（レンズＬ１２）の拡大側に配置されたレンズ３（レンズＬ１３）の並びを含んでいる。そして、上記レンズ２の拡大側のレンズ面の曲率半径（２Ｒ１）と、上記レンズ３の縮小側のレンズ面の曲率半径（３Ｒ２）とが、式３を満たしている。
０．３０ ＜｜２Ｒ１｜／｜３Ｒ２｜＜ ０．７０ ・・・式３
つまり実施例１において、２Ｒ１、３Ｒ２はそれぞれ図２に示すＮｏ．２９、３０の面の曲率半径で各々４０．１９４ｍｍ、８０．６４８ｍｍであるから、｜２Ｒ１｜／｜３Ｒ２｜の値は０．４９８である。

【0071】

上記形状とされたレンズ２の拡大側のレンズ面は発散作用を有し、また上記形状とされたレンズ３の縮小側のレンズ面は収束作用を有して収差を相補しているので、｜２Ｒ１｜の値と｜３Ｒ２｜の値の差が小さいことが望ましい。｜２Ｒ１｜／｜３Ｒ２｜の値が下限値の０．３０以下になるほどに｜２Ｒ１｜の値が小さい場合は、発散力が強くなり過ぎて、第１中間像ＩＭ１付近の最大レンズ系が大きくなる。それに対して、｜２Ｒ１｜／｜３Ｒ２｜の値が上限値の０．７０以上になるほどに｜２Ｒ１｜の値が大きい場合は、発散力が弱くなり過ぎて、レンズ３の縮小側のレンズ面で発生する正の収差を相補することが困難になる。

【0072】

また第１小群Ｇ５－１は、縮小側から順に、縮小側のレンズ面が凹面形状のメニスカスレンズからなるレンズ１（レンズＬ１１）、拡大側のレンズ面が凹面形状であるレンズ２（レンズＬ１２）の並びを含んでいる。そして上記レンズ１の屈折率（Ｌ１ｎｄ）と上記レンズ２の屈折率（Ｌ２ｎｄ）とが、式４を満たしている。
０．３＜Ｌ２ｎｄ － Ｌ１ｎｄ ・・・式４
つまり実施例１においてＬ２ｎｄ、Ｌ１ｎｄはそれぞれ図２に示すレンズ１２、レンズ１１の屈折率で各々１．８９２８６０、１．５０９１７２であるから、Ｌ２ｎｄ － Ｌ１ｎｄの値は０．３８４である。

【0073】

レンズ１とレンズ２との屈折率の関係を式４のように規定することで、レンズ２の屈折率Ｌ２ｎｄを高くしてレンズ１の屈折率Ｌ１ｎｄを低く設定できるので、レンズ１によるパワーが弱くなってもレンズ２により補うことが可能となる。よって、レンズ１の設計自由度を高めることができる。その結果、レンズ１をプラスチックからモールド成型することも可能となり、レンズ１として非球面レンズを配置することが可能となる。

【0074】

上記第１小群Ｇ５－１はさらに、拡大側のレンズ面が凹面形状のレンズ２（レンズＬ１２）、および縮小側のレンズ面が凸面形状であって、レンズ２（レンズＬ１２）の拡大側に配置されたレンズ３（レンズＬ１３）の並びを含んでいる。そして、上記レンズ２のアッべ数（Ｌ２νｄ）と上記レンズ３のアッべ数（Ｌ３νｄ）とが、式５を満たしている。
１０．０＜ Ｌ３νｄ － Ｌ２νｄ ・・・式５
つまり実施例１においてＬ２ｎｄ、Ｌ１ｎｄはそれぞれ図２に示すレンズ１２、レンズ１３のアッベ数で各々２０．３６１４、７４．７０２０であるから、Ｌ３νｄ － Ｌ２νｄの値は５４．３４１である。上記レンズ３のアッべ数（Ｌ３νｄ）とレンズ２のアッべ数（Ｌ２νｄ）との差が、下限値の１０．０以下となるほどに小さい場合は、倍率色収差の補正のバランスが崩れやすい。

【0075】

また実施例１においては、投射光学系１００が広角端にある状態において、第１の変倍群としての変倍群Ｇ５の焦点距離ｆ５と投射光学系全系の焦点距離ｆｗとが、式６を満たしている。
１５．０＜|ｆ５|／|ｆｗ|＜２０．０ ・・・式６
つまり実施例１においては、図７に示す通りｆ５＝８１．６９６ｍｍ、ｆｗ＝－４．５２４ｍｍであるから、|ｆ５|／|ｆｗ|の値は１８．０５８である。

【0076】

|ｆ５|／|ｆｗ|の値が下限値の１５．０以下になるほど小さい場合、つまり変倍群Ｇ５の屈折力が大きい場合は、レンズ光学系Ｇ８の中間部のレンズを小さくできてコストダウン効果が得られる反面、コマ収差などの発生が大きくなる。それに対して、|ｆ５|／|ｆｗ|の値が上限値の２０．０以上になるほど大きい、つまり変倍群Ｇ５の屈折力が小さい場合は、レンズ光学系Ｇ８の中間部の径が大になり、第１中間像ＩＭ１の結像位置が遠くなってレンズ光学系Ｇ８の全長もより長くなる。

【0077】

また上記第１小群Ｇ５－１の焦点距離ｆ５－１と、第２小群Ｇ５－２の焦点距離ｆ５－２とは、式７を満たしている。
２．０ ＜|ｆ５－１|／|ｆ５－２| ＜ ７．０ ・・・式７
つまり実施例１においては、図７に示す通りｆ５－１＝７４１．７８５ｍｍ、ｆ５－２＝１２２．１６３ｍｍであるから、|ｆ５－１|／|ｆ５－２|の値は６．０７２である。

【0078】

|ｆ５－１|／|ｆ５－２|の値が下限値の２．０以下になるほど小さい場合は、レンズ光学系Ｇ８の中間部のレンズを小さくできてコストダウン効果が得られる反面、コマ収差などの発生が大きくなる。それに対して、|ｆ５－１|／|ｆ５－２|の値が上限値の７．０以上になるほど大きい場合は、レンズ光学系Ｇ８の中間部の径が大になる。

【0079】

またレンズ光学系Ｇ８においては、複数の変倍群Ｇ２～Ｇ５および第２合焦群Ｇ６よりも拡大側に第２固定群Ｇ７が配置され、この第２固定群Ｇ７の最も拡大側には３枚のレンズＬ１８、Ｌ１９およびＬ２０を接合した３枚接合レンズが配され、そしてこれらのレンズＬ１８、Ｌ１９およびＬ２０は縮小側から順に、負レンズ、正レンズ、負レンズとされている。このような構成によれば、レンズ光学系Ｇ８の拡大側が固定群となることで、公差感度の高い位置のレンズ群および凹面鏡５を動かさなくても済むので、投射光学系の製造が容易になり、また、製造時の光軸に対するレンズ位置のずれ（偏芯）の制御も容易となる。つまり、レンズ光学系Ｇ８の拡大側を移動群とした場合は、移動が可能となる程度にカム筒や固定筒との間に隙間が必要となり、それがガタとしてズレの要因になるが、本実施形態ではそのような事態を回避可能となる。

【0080】

そして、上記第２固定群Ｇ７の焦点距離ｆ７と、レンズ光学系Ｇ８全体の広角端における焦点距離ｆ８とは、式８を満たしている。
１．０ ＜ |ｆ７|／|ｆ８| ＜２．５ ・・・式８
つまり実施例１においては、図７に示す通りｆ７＝２９．４７８ｍｍ、ｆ８＝－１７．７１２ｍｍであるから、|ｆ７|／|ｆ８|の値は１．６６４である。

【0081】

|ｆ７|／|ｆ８|の値が下限値の１．０以下になるほど小さい場合は、凹面鏡５を小径化できる反面、コマ収差や像面湾曲などが増大する。それに対して、|ｆ７|／|ｆ８|の値が上限値の２．５以上になるほど大きい場合は、凹面鏡５が大径化して製造性が低下する。

【0082】

また、上記第２固定群Ｇ７の３枚接合レンズの焦点距離（ｆ接合）と、投射光学系全系の広角端における焦点距離ｆｗとは式９を満たしている。
１０．０ ＜ |ｆ接合|／|ｆｗ| ＜ ２５．０ ・・・式９
つまり実施例１においては、図７に示す通りｆ接合＝８１．７５ｍｍ、ｆｗ＝－４．５２４ｍｍであるから、|ｆ接合|／|ｆｗ|の値は１８．０７である。

【0083】

|ｆ接合|／|ｆｗ|の値が下限値の１０．０以下になるほど小さい場合、つまり３枚接合レンズのパワーが強過ぎる場合は、凹面鏡５を小径化できる反面、像面湾曲などが増大する。それに対して、|ｆ接合|／|ｆｗ|の値が上限値の２５．０以上になるほどに大きい場合、つまり３枚接合レンズのパワーが弱過ぎる場合は、凹面鏡５が大径化して製造性が低下する。

【0084】

また上述した第２固定群Ｇ７の３枚接合レンズは、レンズ光学系Ｇ８の最も拡大側に配置されたレンズ素子でもある。このような構成とすることにより、３枚接合レンズを変倍群の最も拡大側に配置した場合と同様に、投射光学系の製造が容易になり、また、製造時の光軸に対するレンズ位置のずれ（偏芯）の制御も容易となる。

【0085】

また本実施形態の投射光学系１００は、複数の変倍群Ｇ２～Ｇ５が設けられ、それらの変倍群Ｇ２～Ｇ５の各々を単独で広角端から望遠端へ移動させた際の全系の焦点距離の変化の比（ｆ比率）が最も大きい変倍群である変倍群Ｇ２をバリエータ群Ｖｒｇとし、その他の変倍群の中の変倍群Ｇ３、変倍群Ｇ４および変倍群Ｇ５をコンペンセータ群ｃｎｇとして、全系の広角端における焦点距離を１としたときに、コンペンセータ群ｃｎｇのｆ比率から１を引いた値を変化量Δcngとし、Δcngの総和をsum Δcngとし、投射光学系全系の変倍における焦点距離の変化の比（ズーム比）をＺｒとしたとき、sum ΔcngとＺｒとが、式１０を満たしている。
| sum Δcng |／|Ｚｒ| ＜ ０．０３ ・・・式１０

【0086】

つまり実施例１においては、図６に示す通りｆ比率が１．２０である変倍群Ｇ２がバリエータ群Ｖｒｇとされ、ｆ比率がそれそれ０．９７、１．０２、１．００である変倍群Ｇ３、変倍群Ｇ４および変倍群Ｇ５がコンペンセータ群ｃｎｇとされている。そしてコンペンセータ群ｃｎｇである変倍群Ｇ３、変倍群Ｇ４および変倍群Ｇ５のｆ比率の総和sum Δcngは０．０１１であり、ズーム比Ｚｒ＝１．２０であるので、| sum Δcng |／|Ｚｒ|の値は０．００９となる。

【0087】

| sum Δcng |／|Ｚｒ| の値が上限値の０．０３以上となるほどに大きい場合は、コンペンセータ群ｃｎｇである変倍群Ｇ３、変倍群Ｇ４および変倍群Ｇ５のズーミング時の変倍負荷が大きくなる。そのために、コンペンセータｃｎｇの収差補正能力が低下し、中間ズームポジションでの性能が悪化する。

【0088】

また本実施形態では、レンズ光学系Ｇ８と凹面鏡５との間に、入射面と出射面とを有する光学素子であるプリズム４が配置されている。そしてレンズ光学系Ｇ８は、該レンズ光学系Ｇ８からの出射光を凹面鏡８よりも縮小側で結像して第２中間像ＩＭ２を形成し、この第２中間像ＩＭ２は、像高が高くなるほど縮小側に倒れるように結像され、そして少なくとも一部の結像は、プリズム４の出射面と凹面鏡５との間になされるように構成されている。なお前述した通り、図１に実線の直線で示した第２中間像ＩＭ２は結像位置を示すものであるが、同図には、実際は上記のように結像される第２中間像ＩＭ２を、実線の直線から延びる状態にして粗い破線で概略的に示している。

【0089】

ここで、図９～図１２にそれぞれ、実施例１の投射光学系１００の横収差を示す。これらの図９、図１０、図１１、図１２は、図番が小さい図から図番が大きい方に向かって順に投射光学系１００が広角端にある場合、望遠端にある場合、近点投射時、遠点投射時の各状態について横収差を測定した結果を示している（単位はｍｍ）。各場合において横収差の測定は、投射画面上の１～５の５点において行った。それらの５点は各収差図の左右方向中央に、下から１、２・・と順次記してある。それらの１～５の点の具体的な位置は、図１における紙面に垂直な方向、上下方向の位置をそれぞれＸ、Ｙとし、光軸Ｚの位置を原点とする、画像表示面１上の５つの座標（Ｘ，Ｙ）＝（０，－１．５）、（０，－１３．７０２）、（７．２５７５，－１．５）、（７．２５７５，－６．８５）および（７．２５７５，－１３．７０２）を各々通過した光が到達する位置である。これらの座標上の位置は、記載順に投射画面上の点１、点２、点３、点４および点５に対応する位置である。つまり、各座標はＸ方向における投射表示面の片側半分に投射される投射画像の収差を表しており、投射画像の収差はＸ方向において中心を境に対称となるため、片側のみを示すに留めている。なお、上記座標位置の単位はｍｍである。つまり画像表示面１のサイズは、Ｙ方向が１３．７０２ｍｍ、Ｘ方向が７．２５７５×２＝１４．５１５ｍｍである。また、上記投射画面上の点１、点２、点３、点４および点５を、光軸Ｚから最も遠い位置を「１」として相対的に示す相対座標（ｘ，ｙ）上の位置をそれぞれ（１）、（２）、（３）、（４）および（５）として図３５に示す。

【0090】

横収差の測定は、上記ｙ方向とｘ方向とに関して行ない、各結果をｙ－ＦＡＮ、ｘ－ＦＡＮと付記して示している。本実施例では、回転対称形ではない自由曲面形状のレンズ面を有するレンズＬ１６を使用していることから、このように測定結果を示しているが、投射画面上で左右方向については像高が対称となるので、投射画面上で上記５点において右側だけ測定している。また横収差の測定は、波長が６２０．０ｎｍ、５５０．０ｎｍ、４６０．０ｎｍの光に関して行い、各波長に関する測定結果をグラフの線種を変えて区別している。

【0091】

これらの図９～図１２に示されている通り、横収差が良好に抑えられていることが分かる。なお、後述する実施例２の投射光学系２００についても同様の収差図を図１９～２２として、また実施例３の投射光学系３００についても同様の収差図を図２９～３２として示しているが、横収差を測定したときの投射光学系の状態と図番との関係は、上記と同様である。

【0092】

次に、本発明の実施例２である投射光学系２００について、図１３を参照して説明する。なおこの図１３において、先に説明した図１中のものと同等の要素には同番号を付してあり、それらについては特に必要の無い限り説明を省略する（以下、同様）。この実施例２の投射光学系２００において、レンズ光学系Ｇ８の基本的なレンズ構成は実施例１のレンズ光学系Ｇ８と同じであり、プリズム４が省かれている点で実施例１の投射光学系１００と基本的に相違している。

【0093】

この実施例２における構成要素の基本データを図１４に示す。また図３、図４、図５および図６に示した実施例１の各データに対応する実施例２のデータを、それぞれ図１５、図１６、図１７および図１８に示す。これらのデータの求め方および表示の仕方は、実施例１において説明したものと同じである。またこの実施例２の投射光学系２００の横収差を測定した結果を図１９、図２０、図２１および図２２に示す。この横収差の求め方および表示の仕方も、実施例１において説明したものと同じである。

【0094】

この実施例２においても、図８に示した通り、式１～式１０が全て満足されている。したがって、式１～式１０が満足されることによって得られる効果が、実施例１におけるのと同様に得られている。また図１９～図２２に示されている通り、実施例２においても横収差が良好に抑えられていることが分かる。

【0095】

次に、本発明の実施例３である投射光学系３００について、図２３を参照して説明する。この実施例３の投射光学系３００を実施例１の投射光学系１００と対比すると、第２合焦群Ｇ６がレンズＬ１６に加えて、両凸レンズＬ１７と両凹レンズＬ１８とが接合されてなる接合レンズを配して構成されている点で基本的に相違している。

【0096】

この実施例３における構成要素の基本データを図２４に示す。また図３、図４、図５および図６に示した実施例１の各データに対応する実施例３のデータを、それぞれ図２５、図２６、図２７および図２８に示す。これらのデータの求め方および表示の仕方は、実施例１において説明したものと同じである。またこの実施例２の投射光学系３００の横収差を測定した結果を図２９、図３０、図３１および図３２に示す。この横収差の求め方および表示の仕方も、実施例１において説明したものと同じである。

【0097】

この実施例３においても、図８に示した通り、式１～式１０が全て満足されている。したがって、式１～式１０が満足されることによって得られる効果が、実施例１におけるのと同様に得られている。また図２９～図３２に示されている通り、実施例３においても横収差が良好に抑えられていることが分かる。

【0098】

次に、本発明の実施例４である投射光学系４００について、図３３を参照して説明する。この実施例４の投射光学系４００を実施例３の投射光学系３００と対比すると、プリズム４に代えて、光軸オフセットプリズム４０が用いられている点で基本的に相違している。

【0099】

この実施例４における構成要素の基本データを図３４に示すが、実施例３に対する相違点は上述の通りであるので、レンズＬ２２までの基本データは図２４に示した実施例３の基本データと同じである。そこで図３４では、光軸オフセットプリズム４０以降、つまり拡大側の要素に関する基本データのみを示している。この実施例４で用いられている光軸オフセットプリズム４０には、内部に２つの全反射面を有するものが適用されているので、それらの内部全反射面に関するデータも示している。

【0100】

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、本発明の投射光学系は、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、アッベ数を適宜変更することが可能である。また以上説明した実施例の投射光学系は図１等に示す通り、その縮小側に画像表示素子２を備えて、画像表示面１に形成された画像を投射するプロジェクタ装置に適用され得るものである。しかし本発明の投射光学系はそれに限らない。投射光学系は基本的に、縮小側の共役面（縮小側共役面）から入射した光を拡大側の共役面（拡大側共役面）に結像するが、良好に収差を補正された投射光学系は、拡大側共役面から入射した光線を縮小側共役面状へ良好に結像することが可能である。そのため、本発明の投射光学系に対して拡大側から光線を入射した際に、縮小側の結像位置となる位置に撮像素子を備えることにより、撮像装置を構成することも可能である。

【0101】

また、本発明のプロジェクタ装置も、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について種々の態様の変更が可能である。

【符号の説明】

【0102】

１ 画像表示面
２ 画像表示素子
３ ガラスブロック
４ プリズム
５ 凹面鏡
４０ 光軸オフセットプリズム
１００、２００、３００、４００ 投射光学系
Ｇ１ 第１固定群
Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４、Ｇ５ 変倍群
Ｇ６ 第２合焦群
Ｇ７ 第２固定群
Ｇ８ レンズ光学系
Ｇ９ 反射光学系
ＩＭ１ 第１中間像
ＩＭ２ 第２中間像
Ｌ１～Ｌ２２ レンズ
Ｚ 光軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】