(57)【要約】【課題】ミラーを大きくすることなく、十分な拡大倍率で画像を拡大投影できる変倍光学系及びプロジェクタを提供すること。【解決手段】物体面１３から照射される光束を、第一光学系１１、第二光学系１２、パワーを有する反射光学素子１８の順に通過させ、被投射面に画像１６を投射する変倍光学系１００において、反射光学素子１８を移動して被投射面と反射光学素子１８の間隔を変えることにより、反射光学素子１８から被投射面に入射する光束の入射角度を略同一に保持したまま、画像１６の投射倍率を変更する、ことを特徴とする。【選択図】図１
2010085973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体面から照射される光束を第一光学系、第二光学系の順に通過させた後、パワーを有する反射光学素子に反射させてスクリーンに画像を投射する変倍光学系において、
前記反射光学素子を物体面に対し相対的に移動して、スクリーンと前記反射光学素子の間隔を変えることにより、
前記反射光学素子からスクリーンに入射する光束の入射角度を略同一に保持したまま、前記画像の投射倍率を変更する、
ことを特徴とする変倍光学系。
【請求項２】
第一光学系又は第二光学系の少なくとも一方は、複数の屈折光学素子を有し、
前記反射光学素子の移動量に応じて、1以上の前記屈折光学素子を光軸方向に移動させ、前記画像の焦点を合わせる、
ことを特徴とする請求項１記載の変倍光学系。
【請求項３】
第二光学系及び前記反射光学素子を保持する鏡筒部材を有し、
前記鏡筒部材が光軸方向に移動することにより、スクリーンと前記反射光学素子の間隔を変える、
ことを特徴とする請求項２記載の変倍光学系。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか1項記載の変倍光学系と、
画像信号に応じて画像光を変調する画像生成装置と、
を有することを特徴とするプロジェクタ。
【請求項５】
前記反射光学素子に反射された光束を、第二光学系から前記反射光学素子への光束と交差させるように、光路を変更する投射光路偏向素子を有する、
ことを特徴とする請求項４記載のプロジェクタ。
【請求項６】
前記投射光路偏向素子は、スクリーンに平行な軸を中心に角度が可変である、
ことを特徴とする請求項５記載のプロジェクタ。
【請求項７】
物体面との距離が可変な正のパワーを有する反射光学素子と、
前記物体面と前記反射光学素子との間に中間像を形成する屈折光学系とを有し、
前記屈折光学系は、複数の屈折光学素子を有し、
前記反射光学素子の移動による変倍の前と後とで、前記中間像の倍率がほぼ一定に保たれるように、前記複数の屈折光学素子の少なくとも一つが移動する、
ことを特徴とする変倍光学系。
【請求項８】
複数の前記屈折光学素子のうち一以上が、
前記反射光学素子に対する前記中間像の相対位置がほぼ一定となるように、移動する、
ことを特徴とする請求項７記載の変倍光学系。
【請求項９】
前記反射光学素子の移動の際、
前記反射光学素子から被投射面に入射する光束の入射角度が略同一に保持される、
ことを特徴とする請求項７又は８記載の変倍光学系。
【請求項１０】
前記反射光学素子の移動の際、
前記第二光学系を通過した光束が任意の平面となす投射光の最大角度と最小角度の差が略同一に保持される、
ことを特徴とする請求項７〜９いずれか１項記載の変倍光学系。
【請求項１１】
前記反射光学素子の移動の際、
前記反射光学素子から被投射面に入射する光束のうち、最大角度で入射する光線の入射角度変化量は５度以下である、
ことを特徴とする請求項７〜１０いずれか１項記載の変倍光学系。
【請求項１２】
前記反射光学素子の移動の際、
前記反射光学素子から被投射面に入射する光束のうち、最小角度で入射する光線の入射角度変化量は５度以下である、
ことを請求項７〜１１いずれか１項記載の変倍光学系。
【請求項１３】
前記反射光学素子の移動の際、
前記第二光学系を通過した光束が任意の平面となす投射光の最大角度と最小角度の差が３度以下である、
ことを特徴とする請求項７〜１２いずれか１項記載の変倍光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変倍光学系等に関し、特に、物体面の像を拡大・縮小する変倍光学系、変倍光学系を用いたプロジェクタ、読取装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像を拡大投影して画像形成部１３よりも大きな画面を表示するプロジェクタでは、その装置を巨大化することなく、かつ、設置場所を取らないようになるべくスクリーンに近い位置に設置できるプロジェクタが好ましいとされている。このため、拡大倍率を大きく取れる光学系として、パワーを有したミラーを使った光学系を一部（ハイブリッド）又は全てに用いた光学系が提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。いずれも、レンズ系の最終段（光路において最もスクリーンに近い位置）にパワーを有したミラーを配置しているが、ミラーの高い偏向機能により非常に広角な投射を実現出来ている。
【０００３】
特許文献１又は２記載の光学系では、スクリーンに対する最大画角が７０度を越えることが可能であり、数１０ｃｍの投射距離の変化で、１．４倍以上の投射倍率変化をもたらすことも設計いかんでは可能となる。すなわち、至近から大画面が投射できるため、僅かな投射距離の変化により拡大倍率を容易に変化させることができるという利点がある。
【０００４】
しかしながら、これらの光学系において、投射距離を変えずに変倍機能を持たせるためには、複数のレンズ要素を移動する必要がある。例えばワイド、テレといったズーム駆動を行う変倍光学系を備えた光学系が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００５】
特許文献３には、屈折系で中間像をつくり、その中間像を凹面ミラーで反射してスクリーンに拡大投射する光学系において、屈折系が形成する像が次に到達する反射面よりもスクリーン側であることを特徴とする光学系が記載されている。この光学系では、屈折系を構成する複数のレンズを光軸に水平に移動してズーム光学系を構成する。
【０００６】
また、ミラーのみを使った光学系としては、複数のミラー群を移動して、ズームとフォーカスを行う技術が開示されている（例えば、特許文献４参照。）。特許文献４には、ライトバルブにより光強度変調された光束を複数の曲面反射ミラーを介してスクリーン上へ投射される光学系において、複数のミラーを連動させて移動し投射画角を変化させることにより、ワイド、ミドル、テレの投射画像を得る光学系が記載されている。
【０００７】
また、特許文献５には、投射画角を変えることなく、プロジェクタ本体と投射面の距離（投射距離Ｌ）を変化させて投射画像の拡大倍率を変化させる技術が開示されている。特許文献５記載のプロジェクタは、投影部自体、光学系、画像生成部であるＬＣＤ、光源ランプ、照明光学系などを含んだプロジェクタ本体すべてを移動させて投射距離を変えている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献３記載の光学系では、凹面ミラーは固定され、屈折系を構成しているレンズ系を光軸方向に移動してズーム光学系を構成するため、スクリーンに対する画角が一定でなく、ワイド側に凹面ミラーの大きさを合わせる必要がある。このため、凹面ミラーが大きくなるという問題がある。
【０００９】
また、特許文献４の光学系は、投射の画角を変えることにより拡大倍率を変化させている、つまり、ズームのために投射画角を変えることが必要である。投射画角を変えるということは、特許文献３と同様に、ワイド時には、テレ時より投射光束の幅が広がっているために、最終ミラーにあたる面積が大きくなる。すなわち、よりワイド（広角）な画像に対応させるために、最終ミラーの大きさをワイド側に合わせる必要があり、必然的に大きなミラーが必要となっていた。
【００１０】
ミラーが大きくなるとミラー製作や精度を出すための作製上の課題が顕在化し、必要な性能を持たせるために製作コストが増大する。また、装置自体が大きくなる、など種々の問題を引き起こす。
【００１１】
また、特許文献５記載のプロジェクタでは、装置全体を上昇させないと投射距離を変えることができない、装置の重量に耐える支持部が必要となる、重心が高くなり不安定になるなど、卓上に配置するプロジェクタとしては利便性が良好でないという問題がある。
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するために、ミラーを大きくすることなく、十分な拡大倍率で画像を拡大投影できる変倍光学系及びプロジェクタ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】
【００１３】
上記課題に鑑み、本発明は、物体面から照射される光束を第一光学系、第二光学系の順に通過させた後、パワーを有する反射光学素子に反射させて被投射面に画像を投射する変倍光学系において、反射光学素子を物体面に対し相対的に移動して、被投射面と前記反射光学素子の間隔を変えることにより、反射光学素子から被投射面に入射する光束の入射角度を略同一に保持したまま、画像の投射倍率を変更する、ことを特徴とする。
【００１４】
投射画角を変えないで投射倍率を可変にすることができので、反射光学素子の肥大化を抑制でき、変倍光学系１００を搭載した装置サイズをコンパクトにできる。また、反射光学素子のサイズを小さくできるので、製造コストを低減できる。
【発明の効果】
【００１５】
ミラーを大きくすることなく、十分な拡大倍率で画像を拡大投影できる変倍光学系及びプロジェクタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】変倍光学系の構成図の一例である。
【図２】図１に対し拡大率が相対的に大きい状態の変倍光学系の構成図の一例である。
【図３】縮小側・拡大側それぞれのプロジェクタの概略構成図の一例である（第二実施形態）。
【図４】投射光路偏光素子を有するプロジェクタの概略構成図の一例である（第三実施形態）。
【図５】縮小側及び拡大側それぞれのプロジェクタの概略構成図の一例である（第四実施形態）。
【図６】縮小側及び拡大側それぞれのプロジェクタの概略構成図の一例である（第五実施形態）。
【図７】縮小側及び拡大側それぞれのプロジェクタの概略構成図の一例である（第六実施形態）。
【図８】変倍光学系の「面番号」、「曲率半径」、「面間隔」、「屈折率」、「アッベ数」、「非球面形状の有無」、「XY多項式（自由曲面）形状の有無」、「反射面の有無」、「偏心及びチルトの有無」、「変倍による面間隔の移動の有無」を示す図の一例である。
【図９】面番号１９の非球面係数の一例を示す図である。
【図１０】面番号２０の非球面係数の一例を示す図である。
【図１１】面番号２７の多項式自由曲面の係数の一例を示す図である。
【図１２】各係数Ａ、Ｂ、Ｃ、・・が対応する次数を示す図の一例である。
【図１３】面番号５の偏心及びチルトのデータの一例を示す図である。
【図１４】面番号２７の偏心及びチルトのデータの一例を示す図である。
【図１５】投射倍率１．４における各投射サイズの、面番号１４、１８、２０、２４、２６、２７の面間隔の一例示す図である。
【図１６】投射サイズが３５インチ、３０インチ、２５インチのそれぞれの場合の光路図の一例を示す図である。
【図１７】スクリーンへの入射角度θａ、θａ'、θｂ、θｂ'、θｃ、θｃ'を数値で示す図の一例である。
【図１８】反射光学素子、第一光学系及び第二光学系の移動の詳細を示した図の一例である。
【図１９】投射光の角度θA、θA'、θB、θB'、θC、θC'の一例を示す図である。
【図２０】３５インチの際の物点の像面における位置を示す図の一例である。
【図２１】３０インチの際の物点の像面における位置を示す図の一例である。
【図２２】２５インチの際の物点の像面における位置を示す図の一例である。
【図２３】各物点の画像生成部における座標を説明する図の一例である。
【図２４】３５インチの際のスポットダイアグラムの一例を示す図である。
【図２５】３０インチの際のスポットダイアグラムの一例を示す図である。
【図２６】２５インチの際のスポットダイアグラムの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
まず、本実施形態の変倍光学系１００の概略を説明する。図１は、変倍光学系１００の構成図を示す。変倍光学系１００は、画像を生成する画像生成部１３、画像生成部１３から照射された光束の光軸が共通な複数の屈折光学素子を有する第一光学系１１、光軸が共通な複数の屈折光学素子を有する第二光学系１２、及び、パワーを有する反射光学素子１８を有する。第二光学系１２を通過してきた光の光路を、反射光学素子１８により折り返して被投射面上に配置されたスクリーン１５に投射して、拡大画像を形成する。第一光学系１１と第二光学系１２により、中間像１９を形成する屈折光学系を構成する。
【００１８】
ここで、被投射面は、当該変倍光学系１００の構成要素であってもよく、当該変倍光学系１００の構成要素（流通時に変倍光学系１００と被投射面とが一体に取り扱われるか否かに関係なく、例えば、無線又は有線で変倍光学系１００と被投射面が通信可能なことをいう）でなくてもよい。
【００１９】
例えば、被投射面が、当該変倍光学系１００の構成要素である場合には、適当な周知の機構を用いて、被投射面を含む構成要素を、物体面に対して移動させることによって、被投射面の位置を、投射画像の位置に一致させてもよい。周知な機構とは、例えば、被投射面を面に垂直方向に移動させるモータと支持機構である。変倍光学系１００は、エッジ強度検出等の画像処理などにより焦点が合う範囲で、被投射面に移動を指示することができる。
【００２０】
また、例えば、被投射面が、当該変倍光学系１００の構成要素でない場合には、適当な周知の機構を用いて、当該変倍光学系１００の筐体などに対して、当該変倍光学系１００の全体を移動させることによって、該投射画像の位置を、被投射面の位置に一致させてもよい。周知な機構とは、例えば、変倍光学系１００の底面に設けられたタイヤとそれを回転させるモータ等である。変倍光学系１００は、エッジ強度検出等の画像処理などにより焦点が合う範囲で、被投射面に対し移動することができる。
【００２１】
また、例えば、被投射面が、当該変倍光学系１００の構成要素でない場合には、ユーザによる人為的な手段によって、被投射面に対して、当該変倍光学系１００の全体を移動させることによって、該投射画像の位置を、被投射面の位置に一致させてもよい。なお、投射画像は、被投射面に向かって投射されるものであればよく、必ずしも被投射面上に形成される必要はない（例えば、被投射面が透明な場合やミラーの場合）。
【００２２】
本実施形態では、反射光学素子１８は図示する紙面を平行に移動可能であり、変倍光学系１００全体を移動することなく、反射光学素子１８と被投射面との距離、すなわちスクリーン１５との距離を変えることができる。反射光学素子１８とスクリーン１５の間隔（投射距離）を変えることにより、投射倍率を可変とすることができる。投射倍率を可変としても（投射距離が変わっても）、投射画角（光束の最大の入射角度から最小の入射角度を減じたもの）は変わらないように構成されているので、反射光学素子１８の大きさをワイド側に合わせる必要がなく反射光学素子１８を小型化することができる。
【００２３】
以下、具体的な形態を説明する。物体面に配置された画像生成部１３から照射された光束はプリズム部１０を通過し、第一光学系１１、光路偏光素子１４、第二光学系１２を通過して、負の倍率の中間像１９を形成後、正のパワーを有した反射光学素子１８により光路を折り曲げられ、所望のスクリーン１５上に一定の拡大倍率にて投射画像１６を形成する。投射画像１６と画像生成部１３は互いに結像関係を有する共役な位置関係となっている（投射画像１６と画像生成部１３が共役面である。）。
【００２４】
画像生成部１３は、画素ピッチで２次元に配列されたライトバルブと呼ばれる複数の画像形成素子で構成される。画像生成部１３を制御する制御回路（不図示）、入力された映像信号に基づき、画像生成部１３を駆動する駆動信号を生成し、駆動信号を画像生成部１３に供給し画素毎に画像生成部１３を駆動する。これにより、照射光が変調され、入力された映像信号を反映する投射画像が生成される。なお、画像情報を記憶した記憶媒体、画像情報の受信手段などは省略した。
【００２５】
また、画像生成部１３を画素単位で配列された微小なミラーにより光のオンオフを行うデジタルミラーデバイスで実装してもよい。デジタルミラーデバイスは自発光素子でないため、液晶プロジェクタに用いられているランプ光源と照明光学系を用いて外部から照明光を供給する（例えば、第二実施形態）。
【００２６】
プリズム部１０は、前述の照明光と投射光とを分離するために偏光ビームスプリッタなどの光路分離部１０ａと、複数の画像生成部１３の情報を合成するためのダイクロイックプリズムなどの色合成素子１０ｂなどから構成される。当然ながら、自己発光型パネルや、透過型液晶パネルや、斜めから照明光を照射して、照明光と投射光を分離できるレイアウトが可能なデジタルミラ−デバイスなどを用いる場合、光路分離部１０ｂは不要である。また、カラー情報を１つの画像生成部１３で生成できる場合など、複数の画像生成部１３を有しない場合は色合成素子１０ｂは不要である。
【００２７】
第一光学系１１は、複数の光学要素１１ａ〜１１ｇが共通の光軸に垂直に配列されており、図１では７枚の屈折レンズを用いている。なお、光学要素１１ａ〜１１ｇの１以上がシフト又はチルトされていてもよい。光学要素１１ａ〜１１ｇはそれぞれの相対位置及びプリズム部１０や光路変更素子１４に対する位置が、常に一定に保持されている。なお、図１では、いわゆるレンズセルといわれる第一光学系１１の固定部材は図示していない。また、光学要素１１ａ〜１１ｇは、ガラス又はプラスチック等の透明部材で実現されている。
【００２８】
第一光学系１１により画像生成部１３から発せられる光束（結像光束）は集光され、集光された光束は光路変更素子１４に入射される。光路偏光素子１４は、第一光学系１１から第二光学系１２に光束を折り返す素子であるので平面ミラーが好適である。反射率は高いほど好ましい。なお、第一光学系１１と第二光学系１２とが直列に配置されている場合は、この光路変更素子１４は不要としてよい。また、光路変更素子１４は、光路を変更したい場所に配置すればよいので、第一光学系１１と第二光学系１２の間に限られず、所望の位置にかつ所望の方向に光束を反射するよう配置することができる。また、複数の光路変更素子１４を配置してもよい。
【００２９】
スクリーン１５を鉛直に配置しスクリーン１５の下方に変倍光学系１００を配置した場合、図１では、第一光学系１１の光軸を鉛直方向とし、第二光学系１２の光軸をスクリーン１５に垂直な方向としたが、画像生成部１３及び第一光学系１１をスクリーン１５の横に配置して、第一光学系１１の光軸を紙面に対して垂直な方向としてもよい。
【００３０】
第二光学系１２は、複数の光学要素１２ａ〜１２ｅが共通の光軸に垂直に配列されており、図１では５枚の屈折レンズを用いている。一部（光学要素１２ｂと１２ｃ）は一体に張り合わせされている。光学要素１２ａ〜１２ｅの１以上がシフト及びチルトされていてもよい。第二光学系１２の複数の光学要素１２ａ〜１２ｅは、それぞれ光軸に沿って移動
することができる。
【００３１】
第二光学系１２の最終の光学要素１２ｅを通過した光束は、図示するように、スクリーン１５に対し内側に湾曲した負の倍率の中間像１９を形成する（光学要素１２ｅと反射光学素子１８の間で結象する）。その後、光束は中間像面から発散し、反射光学素子１８に入射する。
【００３２】
正のパワーを有した反射光学素子１８は、凹面形状のミラーが好適であり、諸収差を補正するのに非球面を採用することが望ましい。むしろ、投射画面のひずみをなくし（低減し）、所望の解像性能を得るために、次のように構成してもよい。すなわち、反射光学素子１８は、ミラーであることの特徴である光偏向能力を偏重して、拡大倍率、歪性能を最大限に出すような形状とし、第一光学系１１及び第二光学系１２は、所望の解像性能が得られるように形状、配置、収差性能、倍率等を調整する。
【００３３】
また、反射光学素子１８は、画角に応じた適切な集光性能を得るために、自由曲面ミラーなどの採用がさらに望ましく、これにより収差補正機能を強められるため、より高画質化を図ることもできる。なお、所望の光学性能を得るためには、公知の光線追跡シミュレーション技術を適用し、光学系サイズ、公差設定など、性能とのバランスをはかり、最適化を行えばよい。
【００３４】
中間像面から発散した光束は、正のパワーを有した反射光学素子１８により光路を折り返されると共に、所望の投射位置であるスクリーン１５上に集光され、投射画像１６を形成する。ここで、中間像１９は平面に結像していないが、この段階で必ずしも結像性能を得ていなくてもよく、第一光学系１１、第二光学系１２、正のパワーを有した反射光学素子１８とを併せた光学系全系により、諸収差を補正し、所望の光学性能を得ている。
【００３５】
以上の構成によれば、スクリーン１５上には、画像生成部１３の生成した画像が拡大された投射画像１６が形成されている。スクリーン１５と反射光学素子１８の間隔を低減（接近）、又は、増大（離間）させて間隔Ｄ１を変えることにより、投射画像１６の拡大率を変えることができる。すなわち、反射光学素子１８を移動することで、投射画角を変えずに投射画像１６の拡大率を変えることができるのが本実施形態の特徴である。
【００３６】
投射画角について説明する。このスクリーン１５の平面に対する画像生成部１３の所定の基準位置までの間隔をＴ１、スクリーン１５の平面に対する反射光学素子１８の所定の基準位置までの間隔をＤ１、反射光学素子１８の下端からスクリーン１５に入射する光束２２がスクリーン１５となす角をθ１とする。
【００３７】
θ１は、第一光学系１１または第二光学系１２の光軸を含む任意の断面で見たときその断面を含む平面上において、スクリーン１５への最大の入射角度である。通常は、投射画面で最も光学系から離れた位置である。一方、θ１'はスクリーン１５へ向かう最小の入射角度で、通常は、光学系に最も近い位置である。ここで、θ１やθ１'などは、被投射面（スクリーン）への入射角度である。
【００３８】
本実施形態の変倍光学系１００では、反射光学素子１８が移動することで、拡大率に関わりなくこのθ１を略一定に保つことになる。または、θ１、θ１'は、それぞれ多少変化しても、θ１とθ１'の差である投射画角の差を略一定に保つようにしてもよい。
【００３９】
より詳細に説明する。図２は図１よりも拡大率が相対的に大きい状態を示す変倍光学系１００の構成図である。図１において、所望の拡大率で投射画像１６がスクリーン１５上に形成されている状態から、第二光学系１２と反射光学素子１８を共にスクリーン１５から遠ざけるように移動させる。
【００４０】
移動させた状態が図２の状態である。移動により、反射光学素子１８とスクリーン１５の間隔がＤ２となっている。このとき、スクリーン１５の上端に入射する光束２２と、下端に入射する光束２１とのうち、スクリーン１５への入射角度が大きい光束２２の入射角度θ１はほぼ保たれたまま、拡大画像が得られている。すなわち、図２で光束２２のスクリーン１５への入射角度をθ２とすると、θ１とθ２は実質等しい角度となる。また、投射距離Ｄ１からＤ２に変化させるだけで、投射画像１６の拡大率が変わっている。
【００４１】
拡大率にかかわらず入射画角がほぼ等しい状態とすることにより、図１と図２のいずれにおいても中間像１９が反射光学素子１８で反射する有効反射領域１８Ｒは大きく変わらないように構成されている。反射光学素子１８を第二光学系１２と共に移動しているので、反射光学素子１８に対する中間像１９の相対位置はほとんど変わらない。
【００４２】
さらに、本実施形態では、拡大・縮小において、第二光学系１２を構成している複数の光学要素の間隔を適宜移動させることで、投射位置の変化に対応して焦点位置ズレを補正している。第二光学系１２の光学要素の移動量は、距離Ｄ１（例えば最小距離）から距離Ｄ２（例えば、最大距離）の間で、常に、スクリーン１５に焦点を結ぶように最適化されている。第二光学系１２を構成する光学素子１２ａ〜１２ｅの移動量は必ずしも同じではなく諸収差を補正している。もちろん、移動量を同じになるように最適化を行えばよいが、よりコンパクト性を追求し、性能を上げるためには、光学素子の移動量は異なるような構成となる。
【００４３】
変倍光学系１００を構成するレンズ枚数や、レンズの諸公差（形状、屈折率、収差）にもよるが、現実的には、第一光学系１１、第二光学系１２の各光学要素の数を合計した１２枚の光学要素及び一面の反射光学素子１８を採用することで、最大１．３倍のズーム光学系を得ることできる。設計の自由度を上げるため、レンズ枚数を増やすなどを行うことで更に高倍率な変倍光学系１００とすることが可能となる。
【００４４】
また、レンズ面に非球面を多く適用し、より複雑な自由曲面や、偏芯（チルト、シフト）などを組み合わせることで、より小型な光学系や、レンズ枚数の低減がおこなえる。
【００４５】
続いて、本実施形態の変倍光学系１００が有効な効果を発揮する適用事例をさらに詳細に説明する。まず、投射画角として、５０度以上の比較的大きな画角を有した変倍光学系１００で大きな効果を発揮する。少ない投射距離の変化により画像サイズが変わるからである。例えば、スクリーン面から１．２ｍ離間した位置から画像の投射により、スクリーン面に６０インチの画像サイズを投影する投影レンズの画角は、単純に、画面対角距離／投影距離比 から求めると、６０＊２．５４／１２０＝１．２７の比率となり、その画角は約５１度となる。
【００４６】
この比率で変倍光学系１００を搭載したプロジェクタ２００の設置位置を投射方向に沿って１０ｃｍ後方へ移動すると、｛（１２０ｃｍ＋１０ｃｍ）×１．２７｝／２．５４＝６５から、単純計算すると画像サイズは６５インチ相当になり、１割近く画面サイズが変わる。すなわち、１．１倍ズーム相当の効果があることが判る。変倍光学系１００が短焦点、あるいは、広画角化がより進むと、ますます、投影距離の変化による投射倍率の変化量が大きくなってくる。
【００４７】
特許文献１（特開2008-96983号公報）、特許文献２（特開2008-96984号公報）に関連して説明したように、近年の光学系は最大画角が７０度を越える光学系となっており、僅かな投射距離の変化に応じて倍率を大きく変えることができる。具体的には、数１０ｃｍの投射距離の変化で、１．４倍以上の投射倍率変化をもたらすことも設計如何では可能となる。
【００４８】
一方、投射位置の僅かなズレ、特にスクリーン１５との平行からのズレにより、画面サイズが矩形とならず台形になる（いわゆるキーストン）ことが知られているが、この現象は、広画角であればあるほど、投影装置からの投射角度がわずかな変化が、大きな台形歪みの割合をもたらす。投射装置全体を移動する従来の技術では、歪を無くすために、スクリーン１５と平行を保ったまま装置全体を移動する機構が必要となり、装置も大掛かりなものとなるが、本実施形態の変倍光学系１００は、変倍光学系１００の一部を移動する構成を採用することで、画像生成部１３や、照明系などは動かすことなく、投射距離を変えることができ、しかも、スクリーン１５との平行度も高精度に保ちながら移動できるので、投射画像１６の歪発生を抑えることが可能である。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態の変倍光学系１００は、全体を移動することなく反射光学素子１８を光軸方向に移動することにより、投射画角を変えないで投射倍率を可変にすることができる。このため、反射光学素子１８の肥大化を抑制でき、変倍光学系１００を搭載した装置サイズをコンパクトにでき、かつ、ミラーサイズ（反射光学素子１８のサイズ）を小さくできるので、製造コストを低減できる。また、投射画角がほぼ一定なので、投射倍率の変更に伴う周辺光量の変化を抑制できる。
【００５０】
〔第二実施形態〕
本実施形態では、第一実施形態にて特徴部を説明した変倍光学系１００を搭載したプロジェクタ２００について説明する。プロジェクタ（投射型表示装置）２００は、変倍光学系１００と、画像生成部１３Ｂ、光源３１Ｂ、照明光学系３２Ｂを備える。なお、符号に連続する大文字のアルファベットは実施形態毎に付与したものであり、同じ機能又は同じ機能を異なる態様で与える手段である。
【００５１】
図３（ａ）は、プロジェクタ２００の概略構成図の一例を示す。プロジェクタ２００は、光源３１Ｂ、光源３１Ｂから発した光束を効率よく照明するための照明光学系３２Ｂ、画像生成部１３Ｂ、第一光学系１１Ｂ、光路偏向素子１４Ｂ、第二光学系１２Ｂ、パワーを有する反射光学素子１８Ｂを有する。
【００５２】
光源３１Ｂは、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ、ＬＥＤなどの白色光源、また単色発光ＬＥＤ、ＬＤ（Ｌａｚａｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）などの単色光源も用いられる。白色光源の場合は、色分離光学系が必要である。カラー画像を生成するためには、ＲＧＢそれぞれの光源３１Ｂを搭載すればよいが本実施形態では省略する。
【００５３】
照明光学系３２Ｂは、画像生成部１３Ｂに効率よく照明する機能を有しており、また、照明分布をより均一にするため、例えばフライアイインテグレータ光学系や、ロッドインテグレータなどが用いられる。
【００５４】
画像生成部１３Ｂは、透過型の液晶パネルや、反射型の液晶パネル、あるいは画素単位で配列された微小なミラーにより光のオンオフを行うデジタルミラーデバイスが好適である。後者の画像生成部１３Ｂを採用する場合は、自発光素子でないため外部から照明光をパネルに照射する必要があるが、先に掲げた光源３１Ｂ、照明光学系３２Ｂを採用すればよい。自己発光型パネルを用いる場合は、光源３１Ｂや、照明光学系３２Ｂは不要である。
【００５５】
第一光学系１１Ｂについては、第一実施形態と同様であるが、光軸の向きが異なる。すなわち、図３（ａ）では第一光学系１１Ｂの光学要素１１ａ〜１１ｇは、紙面に対し垂直方向に配列されているため、複数の光学要素１１ａ〜１１ｇの全ては図示されていない。
【００５６】
第二光学系１２Ｂも第一実施形態と同様の構成を備える。図２に示したように、５つの光学要素である屈折レンズ１２ａ〜１２ｅから構成され、一部（光学要素１２ｂと１２ｃ）は一体に張り合わせされている。
【００５７】
画像生成部１３Ｂが発した発散光束は、第一光学系１１Ｂにより集光されて、第二光学系１２Ｂへと導かれる。第一光学系１１Ｂの光軸は、紙面に対して垂直方向なので、この方向にある光軸を第二光学系１２Ｂに折り返す光路偏向素子１４Ｂが、第一光学系１１Ｂと第二光学系１２Ｂの間に配置されており、紙面の上下方向（スクリーン１５Ｂに対し垂直方向）へと光束を折り返している。
【００５８】
すなわち第二光学系１２Ｂはスクリーン１５Ｂに垂直方向を光軸に有している。ここで、第二光学系１２Ｂを通過した光束は物体面にあたる画像生成部１３Ｂと同じか又はより大きな空間像（中間像（不図示））を形成する。
【００５９】
反射光学素子１８は、中間像１９をさらに拡大してスクリーン１５Ｂに所望の拡大倍率で投射画像１６Ｂを形成する。第一実施形態と同様、反射光学素子１８Ｂにおいて中間像１９は平面に結像していないが、必ずしも結像性能を得ていなくてもよく、正のパワーを有した反射光学素子１８Ｂ、第一光学系１１Ｂ、第二光学系１２Ｂとあわせた光学系全系により諸収差を補正し、所望の光学性能を得ていればよい。
【００６０】
正のパワーを有した反射光学素子１８Ｂとしては、凹面形状のミラーが好適であり、諸収差を補正するのに非球面を採用することが望ましい。さらに、積極的に歪補正を行うために自由曲面形状を採用してもよい。
【００６１】
プロジェクタ２００は、変倍光学系１００をケースに収納しているが、変倍光学系１００のうち、光源３１Ｂ、照明系３２、画像生成部１３Ｂ、第一光学系１１Ｂはプロジェクタ２００のベースユニット３４Ｂに収納されている。特に、画像生成部１３Ｂや第一光学系１１Ｂはベースユニット３４Ｂに固定されている。第二光学系１２Ｂと反射光学素子１８Ｂは一体化されており、鏡筒３５Ｂにより保持されている。
【００６２】
図示するように、鏡筒３５Ｂはベースユニット３４Ｂに対し、第二光学系１２Ｂの光軸方向にスライド可能に構成されている。なお、鏡筒３５Ｂはベースユニット３４Ｂ内に含まれる構成にして、ベースユニット３４Ｂ内で鏡筒３５Ｂが伸縮するように実装してもよい。
【００６３】
以上の構成に基づき、プロジェクタ２００による画像の拡大について説明する。図３（ｂ）は、図３（ａ）よりも拡大倍率が大きい場合のプロジェクタ２００を説明する図である。本実施形態では、拡大倍率が最も小さい場合を図３（ａ）とし、拡大倍率が最も大きい場合を図３（ｂ）とする。
【００６４】
図３（ａ）の鏡筒３５Ｂがベースユニット３４Ｂ側に最も近接した位置では、投射画像１６Ｂは最も小さくなる。この状態から、第二光学系１２Ｂと反射光学素子１８Ｂが一体化されている鏡筒３５Ｂをスクリーン１５Ｂに対し伸長させると、反射光学素子１８Ｂはスクリーン１５Ｂから離れていく、つまり、投射距離を伸ばすことができる。
【００６５】
第二光学系１２Ｂ内においては、光学要素１２ａ〜１２ｅのレンズ間隔を変化させるなどして拡大画像が所望の投射位置に正しく結像される。すなわち焦点を合わせる焦点合わせ機構が組み込まれている。焦点合わせに関しては、反射光学素子１８Ｂの移動後の投射距離を変化させてから行ってもよい。また、投射距離の変化に応じて、第二光学系１２Ｂ内の光学素子の位置を連動して移動させるようにして常に最適像面を結像位置に保つようにしてもよい。
【００６６】
以上のような構成によれば、図３（ａ）に示した光束のスクリーン１５Ｂへの入射角度をθ３、図３（ｂ）に示した拡大側の入射角度をθ４としたとき、第一実施形態と同様に、θ３とθ４は実質等しい角度となる（θ３≒θ４）している。
【００６７】
したがって、本実施形態のプロジェクタ２００は、反射光学素子１８Ｂを大きくすることなく投射画像１６Ｂの拡大倍率を変化させることができるので、プロジェクタ２００も小型化することができる。また、第２光学系１２Ｂと反射光学素子１８Ｂが一体とした鏡筒で保持されているため、変倍操作と焦点合わせを同時に操作できる。
【００６８】
〔第三実施形態〕
第一及び第二実施形態では、反射光学素子１８から直接、スクリーン１５に拡大画像を投射したが、本実施形態では、反射光学素子１８Ｃからスクリーン１５Ｃへの投射光路中に、パワーを有さないミラー（投射光路偏向素子２３）を配置し、光路を折り曲げてから拡大画像を投射するプロジェクタ２００について説明する。パワーのないミラー（投射光路偏向素子２３）を配置することで、選択的に投射方向を決定したり２つの投射画面を得ることができる。また、投射光路偏光素子２３を回転させることで、投射空間を小さくすることできプロジェクタ２００の操作性を向上させることができる。
【００６９】
図４（ａ）は投射光路偏光素子２３を有するプロジェクタ２００の概略構成図を、図４（ｂ）は投射光路偏光素子２３によって投射空間を小さくしたプロジェクタ２００の概略構成図をそれぞれ示す。なお、図４において図３と同一部には同一の符号を付しその説明は省略する。
【００７０】
本実施形態の変倍光学系１００は、光源３１Ｃ、照明光学系３２Ｃ、画像生成部１３Ｃ、第一光学系１１Ｃ、光路偏向素子１４Ｃ、第二光学系１２Ｃ、反射光学素子１８Ｃ、投射光路偏向素子２３とを有する。また、少なくとも光源３１Ｃ、照明光学系３２Ｃ、画像生成部１３Ｃ及び第一光学系１１Ｃはベースユニット３４Ｃにより保持され、第二光学系１２Ｃと反射光学素子１８Ｃは鏡筒３５Ｃに一体保持される。
【００７１】
図示するように、投射光路偏光素子２３により光束が偏光されるので、図３とはスクリーン１５Ｃとプロジェクタ２００の相対的な位置が異なるが、スクリーン１５Ｃと反射光学素子１８Ｃの間隔は図３と同程度である。
【００７２】
投射光路偏向素子２３以外は第二実施形態の構成と同じなので、投射光路偏向素子２３について説明する。結像の作用は第二実施形態と同じであるが、本実施形態では投射画像の投射の方法が異なる。
【００７３】
具体的には図４に示したように、反射光学素子１８Ｃにより折り返された投射光は、第二光学系１２Ｃと反射光学素子１８Ｃの間を通る結像光束と交差して、図４に示すように鏡筒３５Ｃの右方向から投射される。
【００７４】
投射光路偏向素子２３は、全反射型の平面ミラーが好ましいが、半透明の平面ミラーでもよい。半透明の平面ミラーとすることで、反射光学素子１８Ｃから入射した光束を、プロジェクタ２００を挟んで２方向に（左右対称に）得ることができる。また、全反射型の平面ミラーと半透明の平面ミラーのいずれかで固定するのでなく、１つの投射光路偏向素子２３の性質を透過及び反射で切り替えてもよい。このような反射光路偏光素子２３は、液晶の画素の開口を高速に切り替えることで実現できる。反射光路偏光素子２３で２方向に分かれた投射画像１６Ｃの一方は反転画像となるが、この反転画像を正規の画像となるように補正すれば（例えばもう一度ミラーで反射する）、２画面表示することができる。
【００７５】
また、投射光路偏光素子２３が２方向に投射光を投射する場合、投射光路偏向素子２３は取り外し可能又は光路に干渉しないようにプロジェクタ２００内で退避できるようになっていることが好ましい。
【００７６】
以上のように、投射画像１６の方向を選択可能とすることで、プロジェクタ２００を隔てて対面して打ち合わせを行う場合（卓上に本プロジェクタ２００を配置して机上に投射画像１６Ｃを映し出す場合）など、大変使い勝手のよいプロジェクタ２００を提供することができる。投射画像１６を左右のいずれに出力するか選択できるので、卓上に設置した場合、本体全体を移動させたり人が移動することなく、投射画像１６を見やすい位置に投射できる。この場合、左右のいずれに出力するかで投射画像１６の上下方向を逆にできるとさらに好ましい。また、卓上に設置した場合においても、本体全体を移動させることなく机上に拡大投射画像を得ることができる。
【００７７】
また、投射光路偏向素子２３は、所望の角度に傾けることが出来る。傾ける（回転させる）ことで、反射光学素子１８Ｃから入射する光束のなす角を可変にできるので、投射画像の投射方向を制御することができる。図４（ｂ）に示したように時計方向に投射光路偏光素子２３を回転させると、投射画像１６Ｃを時計方向に回転させて結像させることができる。
【００７８】
投射光路偏向素子２３はパワーを有していないので角度を変えても変倍光学系１００の結像を損なわないで投射位置の調整を行うことができる。つまり、図４（ａ）に示すように、投射光路偏光素子２３がスクリーン１５Ｃに垂直な状態において、投射光のスクリーン１５Ｃへの入射角度をθ５とすると、図４（ｂ）に示すようにスクリーン１５Ｃがプロジェクタ２００側に傾いても、スクリーン１５Ｃへの入射角度がθ５となるように、投射光の角度を変えればスクリーン１５Ｃに結像させることができる。すなわち、プロジェクタ２００の全体を傾けることなく、投射光路偏向素子２３のみの角度を変えればよい。
【００７９】
図４（ｂ）に示すように、投射光路偏向素子２３をηだけ回転させると、結像する投射画像１６Ｃは２η傾く。したがって、スクリーン１５Ｃが２ηだけ傾いた状態で最適な投射画像１６Ｃを得るためにスクリーン１５Ｃの傾斜角度の半分となるηだけ投射光路偏向素子２３を傾けることで、歪のない投射画像１６Ｃを得ることができる。
【００８０】
本実施形態のプロジェクタ２００は、上記の構成を採用することで、投射光を折り曲げることができ、投射システムが占有する投射空間を小さくすることができる。
〔第四実施形態〕
第一〜第三実施形態では、反射光学素子１８と第二光学系１２が移動して、投射距離を変え、さらに、第二光学系１２を構成する光学要素１２ａ〜１２ｅの互いの間隔を調整して、焦点合わせを行っていたが、本実施形態では、第一光学系１１Ｄを構成する光学要素１１ａ〜１１ｅを移動させて焦点合わせ行うプロジェクタ２００について説明する。
【００８１】
図５は、プロジェクタ２００の概略構成図を示す。図５は、図３をスクリーン１５Ｄの上側から透視した図に相当する。これまで説明したように、光源３１Ｄが発した光束は照明光学系３２Ｄを介して画像生成部１３Ｄを照明する。この光束は画像信号に応じて変調され、画像生成部１３Ｄ上に得られる画像情報を第一光学系１１Ｄ、第二光学系１２Ｄ、反射光学素子１８Ｄを介して、スクリーン１５Ｄ上に所望の拡大倍率にて投射画像１６Ｄを形成する。
【００８２】
また、少なくとも、光源３１Ｄ、照明光学系３２Ｄ、画像生成部１３Ｄ及び第一光学系１１Ｄは、ベースユニット３４Ｄに固定されている。また、第二光学系１２Ｄ、反射光学光素子１８Ｄとを一体化する鏡筒３５Ｄとで構成され、鏡筒３５Ｄはベースユニット３４Ｄに対し相対的に、スクリーン１５Ｄから遠ざけたり近づけたりすることができる。
【００８３】
また、図５（ａ）に示すように縮小側の投射画像１６Ｄの投射光がスクリーン１５Ｄになす入射角度をθ６、図５（ｂ）に示す拡大側の入射角度をθ７としたとき、第一〜第三の実施の形態と同様にθ６とθ７は実質等しい角度となる（θ６≒θ７）。
本実施形態においても、光源３１Ｄ、照明光学系３２Ｄ及び画像生成部１３Ｄは、ベースユニット３４Ｄに固定されているので、これらとスクリーン１５Ｄとの位置関係は変化しない。しかし、図５（ｂ）に示すように、鏡筒３５Ｄがスクリーン１５Ｄに対し接近・離間する方向に移動できるので、離間すると投射距離は長くでき、接近すると投射距離は短くできる。
【００８４】
そして本実施形態では、投射距離に応じて、諸収差を補正して所望の結像性能を確保するために第一光学系１１Ｄを構成している複数の光学要素１１ａ〜１１ｅを光軸方向に移動させ、拡大倍率時の焦点合わせを行う。したがって、第二光学系１２Ｄで倍率を調整し、第一光学系１１Ｄで焦点あわせを行うことができる。
【００８５】
本実施形態のプロジェクタ２００は、投射距離の設定と、焦点合わせとをそれぞれ独立して行うことができるので、第二光学系１２Ｄのメカニカルな駆動部の簡素化が可能となり、プロジェクタ２００を更に型化できる。
〔第五実施形態〕
第一〜第三実施形態では、第二光学系１２の光学要素１２ａ〜１２ｇを光軸方向に移動させたが、本実施形態では、反射光学素子１８Ｅのみを移動させ、投射距離を変えることにより拡大倍率を変えている。焦点あわせは、第一光学系１１Ｅ若しくは第二光学系１２Ｅのいずれか一方、又は、両方の光学要素を移動すればよい。
【００８６】
図６（ａ）は、縮小側のプロジェクタ２００の概略構成図を、図６（ｂ）は拡大側のプロジェクタ２００の概略構成図をそれぞれ示す。なお、図６において図５と同一部の説明は書略する。図６（ａ）の反射光学素子１８Ｅに対し、図６（ｂ）の反射光学素子１８Ｅはスクリーン１Ｅから離間しているが、第二光学系１２Ｅの各光学要素１２ａ〜１２ｅは移動していない。不図示であるが、第一光学系１１Ｅの光学要素１１ａ〜１１ｇが移動して焦点合わせを行っている。
【００８７】
また、これまで同様、縮小側の投射画像１６Ｅの投射光がスクリーン１５Ｅになす入射角度をθ８、拡大側の入射角度をθ９とした場合、θ８とθ９は実質等しい角度となる（θ８≒θ９）。
【００８８】
本実施形態のプロジェクタ２００は、投射距離の設定を、反射光学素子１８Ｅのみで行い、焦点あわせを第一光学系１１Ｅ若しくは第二光学系１２Ｅのいずれか又は両方を選択的に移動させることができるので焦点範囲を拡大できる。すなわち、プロジェクタ２００の設置位置の許容範囲を拡大できる。
〔第六実施形態〕
これまで説明した第一〜第五実施形態では、反射光学素子１８から投射位置に至る最大画角を実質的に変化させずに投射距離を伸ばす又は短くすることで、投射倍率を変えている。しかしながら、第一光学系１１Ｆ及び第二光学系１２の一部のレンズを移動して投射画角を変え投射倍率を変化させてもよい。
【００８９】
図７（ａ）は、縮小側のプロジェクタ２００の概略構成図を、図６（ｂ）は拡大側のプロジェクタ２００の概略構成図をそれぞれ示す。図７（ａ）の縮小側におけるスクリーン１５Ｆへの入射角度はθ１０とする。ここで、拡大側の入射角度をθ１１とすると、θ１１＞θ１０を許容することで、投射距離を大きく変化させなくても、より拡大倍率を上げることが可能となる。なお、逆に、縮小側の入射角度θ１０が、拡大側の入射角度θ１１よりも大きくてもよい。
【００９０】
このように、反射光学素子１８Ｆとスクリーン１５Ｆの位置との距離を変えて投射距離を変えることに加え、光学要素を移動して投射画角を変えることで、反射光学素子１８Ｆを移動するだけより拡大倍率を上げることができる。また、同じ拡大倍率を得る場合、投射距離を変えないで拡大倍率を上げる従来の光学系より、反射光学素子１８Ｆのサイズの肥大化を抑えることができる。
【００９１】
以上説明したように、本実施形態の変倍光学系１００又はプロジェクタ２００は、反射光学素子１８を移動させることで投射画角を変えずに投射画像１６Ｅを拡大することができるので、反射光学素子１８Ｆ、すなわちプロジェクタ２００を小型化することができる。また、投射光路偏向素子２３を配置することで、２つの投射画像を投射することができる。
また、反射光学素子１８Ｆの移動に加え投射画角を替えれば、より拡大倍率を上げることができる。
【００９２】
なお、以上の実施形態では、変倍光学系１００をプロジェクタ２００へ適用した例を説明したが、白板などの平面上に記載された情報を読み取り、読取位置と共役な位置に縮小画像を形成する読取光学系に適用することができる（光束の向きが逆になる）。縮小画像を形成する位置に２次元センサを配置し画像を読み取ることで画像読取装置にも適用できる。
【００９３】
〔第七実施形態〕
本実施形態では、これまでの第一実施形態〜第六実施形態の変倍光学系１００について具体的な数値を挙げて説明する。本実施形態では、第一実施形態の変倍光学系１００を例に説明するが、第二〜第六実施形態についても同様に、本実施形態の数値が適用される。
【００９４】
図８は、変倍光学系１００の「面番号」、「曲率半径〔ｍｍ〕」、「面間隔〔ｍｍ〕」、「屈折率」、「アッベ数」、「非球面形状の有無」、「ＸＹ多項式（自由曲面）形状の有無」、「反射面の有無」、「偏心及びチルトの有無」、「変倍による面間隔の移動の有無」を示している。面番号は、光束の進む方向に沿って、光学系を構成する光学素子に対し順番に付されている。光を屈折又は透過させる光学素子の入射面の面番号には屈折率とアッベ数が対応づけられている。
【００９５】
面番号はレンズであれば入射面と出射面にそれぞれ付され、ミラーや絞りには１つだけ付される。面番号１面のＣＧはカバーガラスの入射面、面番号３面のＰ（プリスム）は透過光学素子の入射面、面番号５，７、８、１０、１２面は、本実施形態の第一光学系１１のレンズＬ１〜Ｌ５の入射面であり、面番号１５、１７、１９、２１、２３、２５面は、第二光学系１２のレンズＬ６〜Ｌ１１の入射面である。また、面番号２７面のＭ１は反射光学素子１８の反射面である。
【００９６】
図８において、非球面、多項式自由曲面の光学素子にはそれぞれ「○印」が登録されている。非球面に○印がある第１９、２０面は、回転対称非球面であり、多項式自由曲面形状に○印がある第２７面は、アナモフィックな多項式自由曲面である。
【００９７】
図９は、面番号１９面の非球面係数の一例を、図１０は面番号２０面の非球面係数の一例を、図１１は面番号２７面の多項式自由曲面の係数の一例を、それぞれ示す。ここで、Zを光軸方向のデプス、ｃを近軸曲率半径、ｒを光軸からの光軸直交方向の距離、ｋを円錐係数、Ａ、Ｂ、Ｃ、・・・等を高次の非球面係数とすると、回転対称非球面は、周知のとおり
Z=c・r2/[1+√{1-(1+k)c2r2}]＋Ａr4＋Ｂr6＋Ｃr8・・・
という非球面式で示される。図９、１０によりｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ・・・の値を与えることで、面番号１９、２０面の光学素子の形状を特定することができる。なお、各係数Ａ、Ｂ、Ｃ、・・が対応する次数は図１２に示す如くである。
【００９８】
面番号２７面のようなアナモフィックな多項式自由曲面の光学素子の形状は、投射画像を基準として、短軸方向をＹ方向、長軸方向をＸ方向、曲面のデプスをＺ方向、「Ｘ2、Ｙ2、Ｘ2Ｙ、Ｙ3、Ｘ2Ｙ2など」を係数として、
Z=X2・x2＋Y2・y2＋X2Y・x2y＋Y3・y3＋X4・x4＋X2Y2・x2y2＋Y4・y4＋X4Y・x4y＋X2Y3・x2y3＋Y5・y5＋X6・x6＋X4Y2・x4y2＋X2Y4・x2y4＋Y6・y6＋・・
により表される。
【００９９】
また、図８の面番号２７面に対し、反射面の欄に「○印」が登録されている。すなわち第２７面はミラーである。また、光学系の基準軸、すなわち第一光学系１１の光軸に対して偏心やチルトをしている面には、図８の「偏芯及びチルト」の欄に○印が登録されている。
【０１００】
図１３は、面番号５面の偏心及びチルトのデータの一例を、図１４は面番号２７面の偏心及びチルトのデータの一例を、それぞれ示す。すなわち、面番号５面は、「Ｙ方向に−２．０８ｍｍ」シフトし、ＹＺ面内にはチルトしていない（回転角度が「０度」）。また、面番号２７面は、「Ｙ方向に−６７．１５ｍｍ」シフトし、ＹＺ面内にて「−４６．６度」チルトしている。
【０１０１】
また、図８に示すように、投射サイズ（スクリーンサイズ）によって変化する面間隔が数値で図示しない制御装置に登録されている。面間隔は１つ前の面との距離〔ｍｍ〕を表す。変倍光学系１００は、投射サイズを２５インチから３５インチまで投射倍率１．４で変倍することが可能な変倍光学系１００である。画像を変倍可能なため、図８には「変倍による移動」の欄に、移動する面番号が登録されている。図８では、「○」が付されている「面間隔」が変わることを意味する。面番号１４、１８、２０、２４、２６、２７面に「○」付されているので、例えば、面番号１４面の絞りの位置は固定で、絞りとＬ６の面間隔が変わることを意味する（Ｌ６とＬ７は一体）。なお、図８の面間隔は投射サイズが３５インチの場合の面間隔を示す。
【０１０２】
図１５は、投射倍率１．４における各投射サイズの、面番号１４、１８、２０、２４、２６、２７面と、面番号１５、１９、２１、２５、２７、２８面それぞれとの面間隔を示している。例えば、面番号１４面は、投射サイズが２５インチから３５インチに変倍すると、面番号１５面との面間隔が「１．００」〜「７．６９」に変化する。このように、投射倍率１．４とすると、面番号１４、１８、２０、２４、２６、２７面と、面番号１５、１９、２１、２５、２７、２８面それぞれとの面間隔は大きく変化するが、光束の被投射面への入射角度等がほとんど変化しないことが本実施形態の変倍光学系１００の特徴である。
【０１０３】
以下、投射サイズを３５インチから２５インチまで変化させた場合について詳述する。
図１６は、本実施形態において、投射サイズが３５インチ、３０インチ、２５インチのそれぞれの場合の光路図の一例を示す。図１６に示すようにスクリーン１５上で画像形成部１３から出た光束が結像しており、プロジェクタ２００は画像形成部１３の像をスクリーン１５上に映し出している。図１６のように変倍の際には、スクリーン１５と画像形成部１３の位置関係は変わらないが、反射光学素子１８が移動する（紙面の上下方向）と共に、同時に、第二光学系１２のレンズが光軸方向に移動している。また、変倍を行ってもプロジェクタ２００の像面はスクリーン１５上を維持する。
【０１０４】
なお、スクリーン１５から、反射光学素子の最もスクリーン１５から遠い位置のZ方向の距離はそれぞれ、投射サイズが３５インチの際に「３００．０mm」、３０インチの際に「２８５．６mm」、２５インチの際に「２７０．８mm」である。
【０１０５】
またスクリーン１５から画像形成部１３までのZ方向の距離は、投射サイズで変わらず「１５．１mm」である。スクリーン１５から画像形成部１３の距離が投射サイズの変倍により変化しないため、図示はしていないが画像形成部１３を照明する照明ユニットや画像形成部１３の画像を電気的に変化させる電気回路装置を動かさなくともよいので、構成がシンプルにできる。
【０１０６】
図１７には、図１６に記したスクリーン１５への入射角度θａ、θａ'、θｂ、θｂ'、θｃ、θｃ'を数値で示した。すなわち、投射サイズ毎の最大入射角度θａ、θｂ、θｃ、最小入射画角θａ'、θｂ'、θｃ'、の一覧を示している。ここで、屈折光学系の光軸を含む任意の断面上では、スクリーン１５への入射角度の最も大きい光線と、スクリーン１５への入射角度の最も小さい光線が一義的にきまる。本実施形態では、最も大きいスクリーン１５への入射角度を最大入射角度、最も小さいスクリーン１５への入射角度を最小入射角度と定義した。また、入射角度については、ＹＺ平面上で定義される断面で説明する。
【０１０７】
本実施形態では図１７に示したように、投射サイズが３５インチから２５インチに変化する間で（少なくとも投射サイズが１．４倍に変化する間）、最大入射角度が「約３．４度」しか変化しない。また、最小画角の変化は、「２．８度」である。
【０１０８】
また、それぞれの投射サイズにおける最小入射角度と最大入射角度の差は、３５インチで「４３．８度」、３０インチで「４３．５度」、２５インチで「４３．２度」である。したがって、少なくとも投射サイズが１．４倍に変化する間、最小入射角度と最大入射角度の差は「０．６度」と非常に小さいものとなっている。
【０１０９】
本実施形態の変倍光学系１００は、このように最大、最小の入射角度、及び、最小入射角度と最大入射角度の差の変化がほとんどないにも関わらず、投射サイズの増大量として「２５インチ−３５インチ」を実現し、１．４倍ものズーム比が得られる光学系となっている。入射角度の変化が小さいので、反射光学素子１８にあたる光の位置も変わらず、変倍光学系１００の大きさの肥大化を抑えられている。
【０１１０】
図１８は、投射画像のサイズを３５インチから３０インチを経て２５インチに変倍させた際の、反射光学素子１８、第一光学系１１及び第二光学系１２の移動の詳細を示した図の一例である。図１８では、図１６の光路図における画像形成部１３から反射光学素子までを拡大し、見やすいように９０度回転させた。図１８のように第二光学系１２のレンズ4群（第一実施形態〜第六実施形態のレンズ群とは異なっている）Ｌ６-Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９-Ｌ１０、Ｌ１１と反射光学素子がＺ方向に移動することによってスクリーン１５上の投射サイズの変倍を実現している。なお、本実施形態では、変倍における光学素子の移動は光軸方向のみであるが、光軸方向以外でもよく、たとえば反射光学素子を斜め方向に動かすことによっても本実施形態の変倍光学系１００を実現できる。
【０１１１】
図１８において点線で示されたIntＡ〜Ｃは中間像１９である。第一光学系１１と第二光学系１２で構成される屈折光学系は、上述したように（反射光学素子１８（凹面ミラー））の手前の位置に中間像IntＡ〜Ｃを形成する。中間像IntＡ〜Ｃの光軸上の位置は、第二光学系１２に対し最も遠い反射光学素子１８の上端から、それぞれ、ＺＡの位置（中間像IntＡ（３５インチ時））,ＺＢの位置（中間像IntＢ（３０インチ時））、ＺＣの位置（中間像IntＣ（３５インチ時））である。
【０１１２】
どの投射サイズにおいても、中間像IntＡ〜Ｃは、像高の高い位置では屈折光学系に近い側に結像し、像高の低い位置では反射光学素子１８に近い側に結象する。中間像IntＡ〜Ｃは、反射光学素子１８と同じ方向に、反射光学素子１８よりも大きく湾曲した像となっている。
【０１１３】
ここで、少なくとも投射サイズが１．４倍に変化する間、それぞれの投射サイズにおける中間像IntＡ〜Ｃの大きさもほとんど変わらない。つまり、光学系から見た中間像IntＡ〜Ｃの投射倍率はほとんど変わっていない。また、中間像IntＡ〜Ｃと反射光学素子１８の位置関係に注目すると、その位置関係（距離）はほぼ一定に保たれる。具体的には、反射光学素子１８がどこに移動しても、中間像IntＡ〜Ｃの結像位置は、反射光学素子１８のスクリーン１５からの光が結像する位置の近傍に維持されるように、第二光学系１２の各光学素子が移動する。
【０１１４】
すなわち、具体例の一つとして、図１８に示すように、少なくとも投射サイズが１．４倍に変化する間、中間光学素子１８が移動しても、中間像IntＡ〜Ｃの一端と中間光学素子との距離ZA、ZB, ZCはほぼ一定に保たれている。つまり、中間像IntＡ〜Ｃの位置を見てみると、反射光学素子１８（凹面ミラー）の物体側すなわち画像形成部１３への移動に伴って、反射光学素子１８に対する中間像IntＡ〜Ｃの相対位置を維持しながら、中間像IntＡ〜Ｃは物体側（光学系側）に移動している。なお、中間像IntＡ〜Ｃは屈折光学系で形成させているが、中間像IntＡ〜Ｃを移動させるには、図１８に示すように、屈折光学系を構成する第二光学系 (レンズ)１２の配置関係を変えている。
【０１１５】
また、投射サイズを２５インチから３５インチに変倍する際は、反射光学素子１８が画像形成装置１３から遠ざかるように移動するに伴い、中間像IntＡ〜Ｃは、第二光学系の各光学素子の少なくとも一つ以上が移動することで、その投射倍率を保ちながら画像形成装置１３から遠ざかるように移動し、中間像IntＡ〜Ｃと反射光学素子１８との相対位置を維持する。つまり、反射光学素子１８が画像形成装置１３から遠ざかるように移動するに伴い、第二光学系の各光学素子の少なくとも一つ以上が移動することで、中間像IntＡ〜Ｃは、その投射倍率を保ちながら、反射光学素子１８のスクリーン１５からの光が結像する位置の近傍に結像される。
【０１１６】
図１９は、図１８における投射光の角度θA、θA'、θB、θB'、θC、θC'の一例を示す図である。投射サイズが３５インチの際、３０インチの際、２５インチの際で、ＹＺ平面における、それぞれの投射光の最大角度をθA、θB、θC,  最小角度をθA'、θB',θC'とする。変倍による投射光の最大角度の差は「０．７１度」、最小角度の差は「０．２４度」とほぼ一定である。更に、それぞれの投射サイズにおける投射光の最大角度と最小角度の差の変化も「０．４７度」と小さい。
【０１１７】
中間像IntＡ〜Ｃの位置と反射光学素子１８の位置の関係（距離）がほぼ一定のまま、また、中間像IntＡ〜Ｃの大きさ（倍率）が変わらないため、反射光学素子１８で反射されてスクリーン１５へと向かう角度も、投射サイズに関係なくほぼ一定となる。このため、反射光学素子１８とスクリーン１５の位置関係により、投射された拡大画像の投射サイズが決定されている。また、反射光学素子１８の大きさに余裕を持たせる必要がなくなる。
【０１１８】
続いて、画面のひずみ具合について説明する。
図２０〜２２は、像面（スクリーン１５）上の物点の一例を示し、図２３は、各物点の元の画像生成部１３における座標を説明する図の一例をそれぞれ示す。図２３においては、ＸＹ面上にある像面のうち、Ｘ≦０のエリアについて、Ｘ方向に３等分割、Ｙ方向に３等分割して得られる９個の格子点を、それぞれＢ１〜Ｂ９で示している。
【０１１９】
図２０は、投射サイズが３５インチの際の物点の、図２１は３０インチの際の物点の、図２２は２５インチの際の物点の、それぞれ像面における位置を示す。図２０〜２２によると、例えばＢ１〜Ｂ３はＸ＝０の軸上に、Ｂ２，Ｂ５、Ｂ８はＹ=０の軸上に位置していることから、画面の歪が十分抑えられていることがわかる。
【０１２０】
図２４に、投射サイズが３５インチの際のスポットダイアグラム（単一物点からレンズを通して焦点面上に結像するプロットを集合したもの）の一例を、図２５に３０インチの際のスポットダイアグラムの一例を、図２６に２５インチの際のスポットダイアグラムの一例を、それぞれ示す。各スポットの番号は前記格子点の番号と対応している。図２４〜２６によると、スポットが十分小さく形成されているので解像度の高い画像がスクリーン上に作り出されていることがわかる。
【０１２１】
また、図２４〜２６において、スクリーン１５に入射する主光線の最大角度（投射画面の上端隅：図２０で示すＢ９の位置）は、それぞれ、投射サイズが３５インチの場合は「７２．０度」、３０インチの場合は「７０．３度」、２５インチの場合は「６９度」であった。すなわち、最大でもその差は「３度」である。上述したように、投射倍率が変化しても、ほぼ入射角度が一定である。投射倍率の変更に伴う周辺光量の変化を考慮すると、光量変化を抑制可能な角度変化として知られる約５度程度以下であることが好ましいので、本実施形態の変倍光学系１００は好ましい結果を示している。
【０１２２】
また、最大入射角度と最小入射角度の差の変化量は小さければ小さいほどよいが、好ましくは1度未満、大きくても３度以下であれば、十分な画質が得られるとされている。  図１７に示したように、本実施形態の変倍光学系１００では最大入射角度と最小入射角度の差の変化量は１度未満なので、変倍光学系１００が好ましい構成を備えることがわかる。すなわち、本実施形態の変倍光学系１００は、「ミラーを大きくすることなく、十分な拡大倍率で画像を拡大投影」するという目的を達成することができる。
【０１２３】
本実施例は、反射光学素子１８の移動量としては、スクリーン１５から遠い位置のＺ方向の距離がそれぞれ、投射サイズが３５インチの際に「３００．０mm」、３０インチの際に「２８５．６mm」、２５インチの際に「２７０．８mm」と、２９．２ｍｍ程の変化で、１．４倍の投射サイズ比を実現した。これは、机上をスクリーン１５として画像を投射する際に適したサイズとして、比較的小型な投射サイズを想定して設計を行ったものである。具体的な投射サイズや変倍量は求められる仕様に応じて、適宜設定すればよい。
【０１２４】
例えば、垂直なスクリーン面や、壁面への投射する通常のプロジェクタを想定した場合，４０インチから１００インチ程度の画面サイズにも適用する必要がある。この場合は、画面サイズ比としては、２．５倍必要となる。反射光学素子１８の移動量としても、画角を一定とするならば、２９．２ｍｍよりも当然大きく設定することにより、実現可能であることは言うまでもない。もちろん、本実施例にあげた変倍光学系１００よりも、大きな投射系となったり、レンズ枚数を追加するなどして必要な設計仕様を満足するように最適化を行う。本実施例は、画面サイズや、倍率を制約するものではない。
【符号の説明】
【０１２５】
１０      プリズム部
１１、１１Ｂ〜１１Ｆ      第一光学系
１２、１２Ｂ〜１２Ｆ      第二光学系
１３、１３Ｂ〜１３Ｆ      画像生成部
１４、１４Ｂ〜１４Ｆ      光路偏光素子
１５、１５Ｂ〜１５Ｆ      スクリーン
１６、１６Ｂ〜１６Ｆ      投射画像
１８、１８Ｂ〜１８Ｆ      反射光学素子
１９、IntＡ〜Ｃ           中間像
２３                      投射光路偏向素子
１００                    変倍光学系
２００                    プロジェクタ
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１２６】
【特許文献１】特開２００８−０９６９８３号公報
【特許文献２】特開２００８−０９６９８４号公報
【特許文献３】特開２００４−２９５１０７号公報
【特許文献４】特開２００５−１８９７６８号公報
【特許文献５】特開２００６−１８４５９１号公報
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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