JP6570477B2 - 結像光学系、投写型表示装置、および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、特に、液晶表示素子やＤＭＤ（Digital Micromirror Device：登録商標）等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。

近年では、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。また、投写型表示装置を用いて大ホールや展示会等で大画面に投写する場面や、より短い投写距離でより大きな画面サイズが求められる場面が増加していることから、より広角な結像光学系が要望されるようになっている。さらに、拡大像は歪みが目立つことから歪みの少ない像を投写可能な結像光学系が求められている。

こ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、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（例えば、特許文献１参照）。

特表２００６−５２３３１８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光学系は、Ｆナンバーが十分小さいものではない。より高輝度な投写型表示装置を実現するためにＦナンバーが小さい結像光学系が求められている。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、Ｆナンバーが小さく、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ものである。

本発明の結像光学系は、縮小側共役面上の画像表示面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全体として負の屈折力を有する第２光学系とから実質的になり、第２光学系は、画像表示面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２光学系は、拡大側から順に、全体として正の屈折力を有する前群と、後群とから実質的になり、後群は、自身の拡大側焦点位置が自身の最も拡大側のレンズ面より拡大側に位置するレンズ群のうち、含まれるレンズ枚数が最大となるレンズ群であり、下記条件式（１）〜（３）、および（５）全てを満足することを特徴とする。
４＜｜ｆＧ２ａ／ｆ｜＜９ （１）
１＜｜ｆ２／Ｉｍφ｜＜８ （２）
０．７＜｜ｆ／ｆ１｜＜１．１ （３）
１８＜Ｂｆ×Ｉｍφ／ｆ ^２ ＜１００ （５）
ただし、
ｆＧ２ａ：前群の焦点距離
ｆ：全系の焦点距離
ｆ２：第２光学系の焦点距離
Ｉｍφ：縮小側における有効像円直径
ｆ１：第１光学系の焦点距離
Ｂｆ：空気換算距離での全系のバックフォーカス

本発明の結像光学系においては、下記条件式（１−１）〜（３−１）、および（５−１）のうちの少なくとも１つを満足することが好ましい。
４＜｜ｆＧ２ａ／ｆ｜＜８ （１−１）
１．５＜｜ｆ２／Ｉｍφ｜＜８ （２−１）
０．７＜｜ｆ／ｆ１｜＜１．０５ （３−１）
２０＜Ｂｆ×Ｉｍφ／ｆ ^２ ＜１００ （５−１）

本発明の結像光学系においては、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。
３＜ＴＬＧ２／Ｉｍφ＜８ （４）
３＜ＴＬＧ２／Ｉｍφ＜７ （４−１）
ただし、
ＴＬＧ２：光軸上における第２光学系の最も拡大側の面から最も縮小側の面までの距離
Ｉｍφ：縮小側における有効像円直径

本発明の結像光学系の第２光学系の最も拡大側のレンズは正レンズであることが好ましい。そのようにした場合、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。
１．５５＜Ｎｄ２ａ＜２．２ （６）
１．６０＜Ｎｄ２ａ＜２．２ （６−１）
ただし、
Ｎｄ２ａ：第２光学系の最も拡大側のレンズのｄ線に関する屈折率

本発明の結像光学系においては、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。
０．０５＜Ｄｍｉｎ／ｆ１＜１０ （７）
０．０５＜Ｄｍｉｎ／ｆ１＜５ （７−１）
ただし、
Ｄｍｉｎ：光軸上における中間像と中間像に最も近いレンズ面との距離
ｆ１：第１光学系の焦点距離

本発明の投写型表示装置は、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結像光学系としての上記の本発明の結像光学系とを備えたものである。

本発明の撮像装置は、本発明の結像光学系を備えたものである。

なお、本発明の結像光学系が投写型表示装置に適用される場合は、上記「拡大側」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」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。

また、「バックフォーカス」については、拡大側をフロント側と考え、縮小側をバック側と考えるものとする。

なお、上記「〜から実質的になり」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、およびパワーを有さない反射部材、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等を含んでもよいことを意図するものである。

なお、上記「前群」および「後群」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。上記レンズ群の屈折力の符号、および上記レンズの屈折力の符号は、非球面が含まれているものについては近軸領域で考えるものとする。上記条件式はｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に関するものである。

本発明によれば、拡大側から順に、第１光学系と、第２光学系とからなり、第２光学系により中間像を結像させる光学系において、第２光学系の構成を好適に設定し、所定の条件式を満足するように構成しているため、Ｆナンバーが小さく、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。

本発明の実施例１の結像光学系の構成と光路を示す断面図である。 本発明の実施例２の結像光学系の構成と光路を示す断面図である。 本発明の実施例３の結像光学系の構成と光路を示す断面図である。 本発明の実施例１の結像光学系の各収差図である。 本発明の実施例２の結像光学系の各収差図である。 本発明の実施例３の結像光学系の各収差図である。 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。 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。 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。 本発明の一実施形態に係る撮像装置の前側の斜視図である。 図１０に示す撮像装置の背面側の斜視図である。

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に対応している。図１においては、左側が拡大側、右側が縮小側である。また、図１では軸上光束ｗａ、中間画角の光束ｗｂ、および最大画角の光束ｗｃも合わせて示している。

この結像光学系は、縮小側共役面上に配置された画像表示面Ｓｉｍ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ものである。具体的には、この結像光学系が投写型表示装置に搭載された際には、ライトバルブの画像表示面Ｓｉｍに表示された画像をスクリーン上へ拡大像として投写可能である。画像表示面Ｓｉｍの位置が縮小側共役面の位置に対応し、スクリーンの位置が拡大側共役面の位置に対応する。なお、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等を想定した平行平面を有する光学部材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。

なお、図１では、光学部材ＰＰの縮小側の面の位置と画像表示面Ｓｉｍ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では図の簡略化のために１枚の画像表示面Ｓｉｍのみを示しているが、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できるように構成してもよい。

この結像光学系では、光軸Ｚに沿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Ｇ１と、複数のレンズにより構成され全体として負の屈折力を有する第２光学系Ｇ２とから実質的になる。図１の例では、第１光学系Ｇ１は、拡大側から順に、レンズＬ１ａ〜Ｌ１ｋの１１枚のレンズからなり、第２光学系Ｇ２は、拡大側から順に、レンズＬ２ａ〜Ｌ２ｉの９枚のレンズからなる。しかし、第１光学系Ｇ１および第２光学系Ｇ２は、図１に示す例と異なる枚数のレンズで構成することも可能である。

第２光学系Ｇ２は、画像表示面上の画像を中間像ＭＩとして結像させ、第１光学系Ｇ１は、中間像ＭＩを拡大側共役面上に結像させるように構成されている。第２光学系Ｇ２はリレー光学系として機能するものである。なお、図１では中間像ＭＩは光軸近傍のみを点線で示している。

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、本実施形態のように中間結像させる方式の結像光学系では、第１光学系Ｇ１のバックフォーカスを短縮できるので、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。

第２光学系Ｇ２は、全体として負の屈折力を有するように構成される。これにより、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る。

また、第２光学系Ｇ２は、拡大側から順に、全体として正の屈折力を有する前群Ｇ２ａと、後群Ｇ２ｂとから実質的になる。後群Ｇ２ｂは、最も縮小側のレンズを含む第２光学系Ｇ２内のレンズ群であり、自身の拡大側焦点位置が自身の最も拡大側のレンズ面より拡大側に位置するレンズ群のうち、含まれるレンズ枚数が最大となるレンズ群である。第２光学系Ｇ２の中で、最も縮小側のレンズを含み、自身の拡大側焦点位置が自身の最も拡大側のレンズ面より拡大側に位置するという条件に適合するレンズ群が複数存在する場合がある。例えば図１の例では、レンズＬ２ｉのみからなるレンズ群、レンズＬ２ｈ〜Ｌ２ｉからなるレンズ群、レンズＬ２ｆ〜Ｌ２ｉからなるレンズ群が、この条件に適合する。これら３つのレンズ群のうち、含まれるレンズ枚数が最大となるレンズ群は、レンズＬ２ｆ〜Ｌ２ｉからなるレンズ群である。したがって図１の例の後群Ｇ２ｂは、レンズＬ２ｆ〜Ｌ２ｉの４枚のレンズからなるレンズ群となる。そして、前群Ｇ２ａは、レンズＬ２ａ〜Ｌ２ｅの５枚のレンズからなるレンズ群となる。

上記のように後群Ｇ２ｂを規定して第２光学系Ｇ２において前群Ｇ２ａと後群Ｇ２ｂを群分けすると、軸外光束の主光線が光軸Ｚと交わる位置は前群Ｇ２ａと後群Ｇ２ｂの間、またはその付近に位置することになる。第２光学系Ｇ２の縮小側がテレセントリックに構成されている場合は、前群Ｇ２ａと後群Ｇ２ｂの間、またはその付近に瞳位置が配置されることになる。

この結像光学系は、下記条件式（１）〜（３）全てを満足するように構成される。
４＜｜ｆＧ２ａ／ｆ｜＜９ （１）
１＜｜ｆ２／Ｉｍφ｜＜８ （２）
０．７＜｜ｆ／ｆ１｜＜１．１ （３）
ただし、
ｆＧ２ａ：前群の焦点距離
ｆ：全系の焦点距離
ｆ２：第２光学系の焦点距離
Ｉｍφ：縮小側における有効像円直径
ｆ１：第１光学系の焦点距離

条件式（１）の下限以下とならないようにすることで、第２光学系Ｇ２のリレー倍率が小さくなりすぎるのを防ぐことができ、結果として第１光学系Ｇ１での収差補正が容易となる。仮に、第２光学系Ｇ２のリレー倍率が小さくなりすぎると、系全体の投写倍率を確保するためには第１光学系Ｇ１での拡大倍率をより大きくしなければならなくなり、そうすると第２光学系Ｇ２から中間像ＭＩまでに発生する色収差が第１光学系Ｇ１で拡大されてしまうため、第１光学系Ｇ１での収差補正が困難になる。また、条件式（１）の下限以下とならないようにすることで、リレー倍率を適切に収めながら画角を確保することが容易となる。

前群Ｇ２ａが全体として正の屈折力を有し、条件式（１）の上限以上とならないようにすることで、前群Ｇ２ａの光軸方向の長さを抑えることができ、第２光学系Ｇ２の光軸方向の長さが長くなりすぎるのを防ぐことができる。また、条件式（１）の上限以上とならないようにすることで、小さなＦナンバーを確保しながら、前群Ｇ２ａのレンズ径の大径化を抑えることができる。さらに、条件式（１）の上限以上とならないようにすることで、第２光学系Ｇ２の適切な長さのバックフォーカスを実現しながら、リレー倍率が小さくなりすぎるのを防ぐことができる、あるいは容易に画角を確保することができる。

条件式（１）に関する効果を高めるためには下記条件式（１−１）を満足することが好ましく、下記条件式（１−２）を満足することがより好ましい。
４＜｜ｆＧ２ａ／ｆ｜＜８ （１−１）
５．５＜｜ｆＧ２ａ／ｆ｜＜８ （１−２）

条件式（２）の下限以下とならないようにすることで、第１光学系Ｇ１内の縮小側のレンズの屈折力が強くなりすぎないようにすることができ、像面湾曲の補正が容易となる。条件式（２）の上限以上とならないようにすることで、第２光学系Ｇ２の拡大側のレンズ径より、第１光学系Ｇ１の縮小側のレンズ径を小さくできるので、Ｆナンバーが小さく、広角のレンズ系となるよう構成しても全体のレンズ径を小さくすることが容易となる。

条件式（２）に関する効果を高めるためには下記条件式（２−１）を満足することが好ましく、下記条件式（２−２）を満足することがより好ましい。
１．５＜｜ｆ２／Ｉｍφ｜＜８ （２−１）
１．９＜｜ｆ２／Ｉｍφ｜＜７．５ （２−２）

条件式（３）の下限以下とならないようにすることで、第１光学系Ｇ１の拡大倍率を低く抑えることができるので、倍率色収差等の収差を所定量に補正することが容易となる。条件式（３）の上限以上とならないようにすることで、第２光学系Ｇ２の拡大側のレンズ径より、第１光学系Ｇ１の縮小側のレンズ径を小さくできるので、Ｆナンバーが小さく広角のレンズ系となるよう構成しても全体のレンズ径を小さくすることが容易となる。

条件式（３）に関する効果を高めるためには下記条件式（３−１）を満足することが好ましく、下記条件式（３−２）を満足することがより好ましい。
０．７＜｜ｆ／ｆ１｜＜１．０５ （３−１）
０．７５＜｜ｆ／ｆ１｜＜１．０５ （３−２）

また、この結像光学系は下記条件式（４）を満足することが好ましい。
３＜ＴＬＧ２／Ｉｍφ＜８ （４）
ただし、
ＴＬＧ２：光軸上における第２光学系の最も拡大側の面から最も縮小側の面までの距離
Ｉｍφ：縮小側における有効像円直径

条件式（４）の下限以下とならないようにすることで、第２光学系Ｇ２の球面収差および軸上色収差の補正が容易となる。条件式（４）の上限以上とならないようにすることで、レンズ系全体の全長を抑えることが容易となる。

条件式（４）に関する効果を高めるためには下記条件式（４−１）を満足することが好ましく、下記条件式（４−２）を満足することがより好ましい。
３＜ＴＬＧ２／Ｉｍφ＜７ （４−１）
３．３＜ＴＬＧ２／Ｉｍφ＜６．５ （４−２）

また、この結像光学系は下記条件式（５）を満足することが好ましい。
１８＜Ｂｆ×Ｉｍφ／ｆ^２＜１００ （５）
ただし、
Ｂｆ：空気換算距離での全系のバックフォーカス
Ｉｍφ：縮小側における有効像円直径
ｆ：全系の焦点距離

条件式（５）の下限以下とならないようにすることで、必要な長さの全系のバックフォーカスを確保することができる。条件式（５）の上限以上とならないようにすることで、レンズ系全体の全長を抑えることが容易となる。

条件式（５）に関する効果を高めるためには下記条件式（５−１）を満足することが好ましく、下記条件式（５−２）を満足することがより好ましい。
２０＜Ｂｆ×Ｉｍφ／ｆ^２＜１００ （５−１）
２８＜Ｂｆ×Ｉｍφ／ｆ^２＜１００ （５−２）

第２光学系Ｇ２の最も拡大側のレンズは正レンズであることが好ましい。このようにした場合は第２光学系Ｇ２のレンズ外径を小さくすることができる。

第２光学系Ｇ２の最も拡大側のレンズは正レンズの場合は、下記条件式（６）を満足することが好ましい。
１．５５＜Ｎｄ２ａ＜２．２ （６）
ただし、
Ｎｄ２ａ：第２光学系の最も拡大側のレンズのｄ線に関する屈折率

条件式（６）の下限以下とならないようにすることで、像面湾曲の補正が容易となる。条件式（６）の上限以上とならないようにすることで、透過率およびコストの点で有利となる。

条件式（６）に関する効果を高めるためには下記条件式（６−１）を満足することが好ましく、下記条件式（６−２）を満足することがより好ましい。
１．６０＜Ｎｄ２ａ＜２．２ （６−１）
１．６５＜Ｎｄ２ａ＜２．２ （６−２）
なお、この結像光学系の全レンズのｄ線に関する屈折率は２．２より小さいことが好ましい。

また、この結像光学系は下記条件式（７）を満足することが好ましい。
０．０５＜Ｄｍｉｎ／ｆ１＜１０ （７）
ただし、
Ｄｍｉｎ：光軸上における中間像と中間像に最も近いレンズ面との距離
ｆ１：第１光学系の焦点距離

条件式（７）の下限以下とならないようにすることで、レンズの傷およびレンズに付着した塵が目立ちにくくなり良好な画像の取得に貢献できる。条件式（７）の上限以上とならないようにすることで、レンズ系全体の全長を抑えることに有利となる。

条件式（７）に関する効果を高めるためには下記条件式（７−１）を満足することが好ましい。
０．０５＜Ｄｍｉｎ／ｆ１＜５ （７−１）

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、小さなＦナンバーを有し、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。この結像光学系は、３．０以下のＦナンバーを有することが好ましく、２．５以下のＦナンバーを有することがより好ましい。

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。
［実施例１］
実施例１の結像光学系のレンズ構成は図１に示したものであり、その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省略する。実施例１の結像光学系は、拡大側から順に、第１光学系Ｇ１と、全体として負の屈折力を有する第２光学系Ｇ２とからなる。第２光学系Ｇ２は、拡大側から順に、全体として正の屈折力を有する前群Ｇ２ａと、後群Ｇ２ｂとからなる。第２光学系が画像表示面上の画像を中間像として結像させ、第１光学系Ｇ１がこの中間像を拡大側共役面上に結像させる。以上が基本構成である。

第１光学系Ｇ１は、拡大側から順に、レンズＬ１ａ〜Ｌ１ｋの１１枚のレンズからなり、第２光学系Ｇ２の前群Ｇ２ａは、拡大側から順に、レンズＬ２ａ〜Ｌ２ｅの５枚のレンズからなり、第２光学系Ｇ２の後群Ｇ２ｂは、拡大側から順に、レンズＬ２ｆ〜Ｌ２ｉの４枚のレンズからなる。

実施例１の結像光学系の基本レンズデータを表１に、各種データを表２に、非球面係数を表３に示す。表１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場合の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番目の面との光軸上の面間隔を示す。表１の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）に関する屈折率を示し、νｄｊの欄にはｊ番目の構成要素のｄ線基準のアッベ数を示す。ここで、曲率半径の符号は、拡大側に凸面を向けた面形状のものを正とし、縮小側に凸面を向けた面形状のものを負としている。表１には光学部材ＰＰも合わせて示している。

表２に、全系の焦点距離の絶対値｜ｆ｜、投写距離（光軸上における拡大側共役面から最も拡大側のレンズ面までの距離）ＰｒｏＤ、拡大倍率β、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。投写距離が表２に示す値のとき、縮小側共役面の位置は光学部材ＰＰの縮小側の面の位置と一致している。

表１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記載している。表３に、実施例１の各非球面の非球面係数を示す。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。非球面係数は、下式で表される非球面式における各係数ＫＡ、Ａｍ（ｍ＝３、４、５、…１６、あるいはｍ＝４、６、８、１０）の値である。

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

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を用いているが、光学系は比例拡大また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４に左から順に、投写距離が表２に示す値のときの実施例１の結像光学系の球面収差、非点収差、歪曲収差（ディストーション）、および倍率色収差（倍率の色収差）の各収差図を示す。球面収差図では、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）、Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）、およびＦ線（波長４８６．１ｎｍ）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の説明で述べた各データの記号、意味、および記載方法は、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。

［実施例２］
実施例２の結像光学系のレンズ構成と光路の断面図を図２に示す。実施例２の結像光学系の基本構成は実施例１のものと同様である。第１光学系Ｇ１は、拡大側から順に、レンズＬ１ａ〜Ｌ１ｋの１１枚のレンズからなり、第２光学系Ｇ２の前群Ｇ２ａは、拡大側から順に、レンズＬ２ａ〜Ｌ２ｃの３枚のレンズからなり、第２光学系Ｇ２の後群Ｇ２ｂは、拡大側から順に、レンズＬ２ｄ〜Ｌ２ｉの６枚のレンズからなる。実施例２の結像光学系の基本レンズデータを表４に、各種データを表５に、非球面係数を表６に示す。投写距離が表５に示す値のとき、縮小側共役面の位置は光学部材ＰＰの縮小側の面の位置と一致している。投写距離が表５に示す値のときの実施例２の結像光学系の各収差図を図５に示す。

［実施例３］
実施例３の結像光学系のレンズ構成と光路の断面図を図３に示す。実施例３の結像光学系の基本構成は実施例１のものと同様である。第１光学系Ｇ１は、拡大側から順に、レンズＬ１ａ〜Ｌ１ｊの１０枚のレンズからなり、第２光学系Ｇ２の前群Ｇ２ａは、拡大側から順に、レンズＬ２ａ〜Ｌ２ｃの３枚のレンズからなり、第２光学系Ｇ２の後群Ｇ２ｂは、拡大側から順に、レンズＬ２ｄ〜Ｌ２ｉの６枚のレンズからなる。実施例３の結像光学系の基本レンズデータを表７に、各種データを表８に、非球面係数を表９に示す。投写距離が表８に示す値のとき、縮小側共役面の位置は光学部材ＰＰの縮小側の面の位置と一致している。投写距離が表８に示す値のときの実施例３の結像光学系の各収差図を図６に示す。

表１０に実施例１〜３の結像光学系の条件式（１）〜（７）の対応値とこれら対応値に関連する値を示す。表１０では、中間像ＭＩの拡大側直前のレンズ面から中間像ＭＩまでの光軸上の距離をＤｍｉｎ１、中間像ＭＩから中間像ＭＩの縮小側直後のレンズ面までの光軸上の距離をＤｍｉｎ２としている。表１０に示す値はｄ線を基準とするものである。

以上のデータからわかるように、実施例１〜３の結像光学系は、Ｆナンバーが１．８９〜２．１１の範囲にあり小さなＦナンバーを有し、全画角が１２０°以上あり広角に構成され、各収差が良好に補正されて、高い光学性能が実現されている。

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７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７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７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７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８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８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８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８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９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９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９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９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１０、図１１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１０は、カメラ４００を前側から見た斜視図を示し、図１１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（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、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、他の値をとり得るものである。

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、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、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
Ｇ１ 第１光学系
Ｇ２ 第２光学系
Ｇ２ａ 前群
Ｇ２ｂ 後群
Ｌ１ａ〜Ｌ１ｋ、Ｌ２ａ〜Ｌ２ｉ レンズ
ＭＩ 中間像
ＰＰ 光学部材
Ｓｉｍ 画像表示面
ｗａ 軸上光束
ｗｂ 中間画角の光束
ｗｃ 最大画角の光束
Ｚ 光軸

Claims (14)

1. 縮小側共役面上の画像表示面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全体として負の屈折力を有する第２光学系とから実質的になり、
   前記第２光学系は、前記画像表示面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２光学系は、拡大側から順に、全体として正の屈折力を有する前群と、後群とから実質的になり、
   前記後群は、自身の拡大側焦点位置が自身の最も拡大側のレンズ面より拡大側に位置するレンズ群のうち、含まれるレンズ枚数が最大となるレンズ群であり、
   下記条件式（１）〜（３）、および（５）全てを満足することを特徴とする結像光学系。
   ４＜｜ｆＧ２ａ／ｆ｜＜９ （１）
   １＜｜ｆ２／Ｉｍφ｜＜８ （２）
   ０．７＜｜ｆ／ｆ１｜＜１．１ （３）
   １８＜Ｂｆ×Ｉｍφ／ｆ ^２ ＜１００ （５）
   ただし、
   ｆＧ２ａ：前記前群の焦点距離
   ｆ：全系の焦点距離
   ｆ２：前記第２光学系の焦点距離
   Ｉｍφ：縮小側における有効像円直径
   ｆ１：前記第１光学系の焦点距離
   Ｂｆ：空気換算距離での全系のバックフォーカス
2. 下記条件式（４）を満足する請求項１記載の結像光学系。
   ３＜ＴＬＧ２／Ｉｍφ＜８ （４）
   ただし、
   ＴＬＧ２：光軸上における前記第２光学系の最も拡大側の面から最も縮小側の面までの距離
3. 前記第２光学系の最も拡大側のレンズは正レンズである請求項１または２記載の結像光学系。
4. 下記条件式（６）を満足する請求項３記載の結像光学系。
   １．５５＜Ｎｄ２ａ＜２．２ （６）
   ただし、
   Ｎｄ２ａ：前記第２光学系の最も拡大側のレンズのｄ線に関する屈折率
5. 下記条件式（７）を満足する請求項１から４のいずれか１項記載の結像光学系。
   ０．０５＜Ｄｍｉｎ／ｆ１＜１０ （７）
   ただし、
   Ｄｍｉｎ：光軸上における前記中間像と該中間像に最も近いレンズ面との距離
6. 下記条件式（１−１）を満足する請求項１記載の結像光学系。
   ４＜｜ｆＧ２ａ／ｆ｜＜８ （１−１）
7. 下記条件式（２−１）を満足する請求項１記載の結像光学系。
   １．５＜｜ｆ２／Ｉｍφ｜＜８ （２−１）
8. 下記条件式（３−１）を満足する請求項１記載の結像光学系。
   ０．７＜｜ｆ／ｆ１｜＜１．０５ （３−１）
9. 下記条件式（４−１）を満足する請求項２記載の結像光学系。
   ３＜ＴＬＧ２／Ｉｍφ＜７ （４−１）
10. 下記条件式（５−１）を満足する請求項１記載の結像光学系。
    ２０＜Ｂｆ×Ｉｍφ／ｆ^２＜１００ （５−１）
11. 下記条件式（６−１）を満足する請求項４記載の結像光学系。
    １．６０＜Ｎｄ２ａ＜２．２ （６−１）
12. 下記条件式（７−１）を満足する請求項５記載の結像光学系。
    ０．０５＜Ｄｍｉｎ／ｆ１＜５ （７−１）
13. 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１２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。
14. 請求項１から１２のいずれか１項記載の結像光学系を備えた撮像装置。