(57)【要約】    【課題】  物体側のテレセントリック性、焦点距離の変動に対する共役点および瞳の位置の不変性に優れ、さらにバックフォーカスも十分に確保できるズーム光学系を提供する。    【解決手段】  ズーム光学系は、縮小側から拡大側に順に、正の第１レンズユニット、負の第２レンズユニット、正の第３レンズユニットおよび負の第４レンズユニットを含む。変倍に際しては、レンズユニット間の間隔が変化し、かつ変倍全域において拡大側および縮小側の共役点とこれら共役点の間の瞳の位置がそれぞれ実質的に不動である。そして、テレ端における第１レンズユニットと第２レンズユニットとの間隔がワイド端よりも広く、テレ端における第２レンズユニットと第３レンズユニットとの間隔がワイド端よりも広く、かつテレ端における第３レンズユニットと第４レンズユニットとの間隔が前記ワイド端よりも狭い。    【選択図】  図１Ａ
2006078704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縮小側から拡大側に順に、正の光学的パワーを有する第１レンズユニット、負の光学的パワーを有する第２レンズユニット、正の光学的パワーを有する第３レンズユニットおよび負の光学的パワーを有する第４レンズユニットを含む複数の変倍レンズユニットを有し、変倍に際して前記第１、第２、第３および第４レンズユニット間の各間隔が変化し、かつ変倍全域において拡大側および縮小側の共役点とこれら共役点の間の瞳の位置がそれぞれ実質的に不動であり、
テレ端における前記第１レンズユニットと前記第２レンズユニットとの間隔がワイド端よりも広く、前記テレ端における前記第２レンズユニットと前記第３レンズユニットとの間隔が前記ワイド端よりも広く、かつ前記テレ端における前記第３レンズユニットと前記第４レンズユニットとの間隔が前記ワイド端よりも狭いことを特徴とするズーム光学系。
【請求項２】
前記瞳が該ズーム光学系の外側に位置することを特徴とする請求項１に記載のズーム光学系。
【請求項３】
前記変倍全域において、それぞれ前記第１から第４レンズユニットのうち互いに隣り合う２つのレンズユニットからなる全てのレンズユニットの組における合成光学的パワーが正であることを特徴とする請求項１又は２に記載のズーム光学系。
【請求項４】
物体からの光束を曲面上に結像させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のズーム光学系。
【請求項５】
物体側が実質的にテレセントリックであり、
前記変倍全域において、像側主点から前記瞳までの距離が該ズーム光学系の焦点距離に実質的に等しいことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のズーム光学系。
【請求項６】
前記変倍全域において、物体側主点から像側主点までの距離が、
Ｅ−ｆｚ−ｆｚ（ｘ’＋ｆｚ）／ｘ’
と実質的に等しいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のズーム光学系。
ここで、Ｅは物体面から像面までの距離、ｆｚは該ズーム光学系の焦点距離、ｘ’は前記瞳から前記像面までの距離である。
【請求項７】
前記変倍全域において、物体面から前記第１レンズユニットまでの距離が、最大物高の３倍以上であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載のズーム光学系。
【請求項８】
前記変倍全域において、前記第４レンズユニットから前記瞳までの距離が、該瞳の最小径の１／２よりも広いことを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載のズーム光学系。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１つに記載のズーム光学系を有し、物体面上の原画からの光束を投射することを特徴とする投射光学系。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれか１つに記載のズーム光学系と、
実質的に前記瞳の位置に配置され、該ズーム光学系からの光を反射する反射部材と、
前記反射部材からの光を順次反射する複数の反射面を含む反射光学系とを有し、
物体面上の原画から前記ズーム光学系に入射した光束を前記反射光学系により投射し、かつ前記反射部材が回動することにより投射像が移動することを特徴とする投射光学系。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の投射光学系と、
前記原画を形成する画像形成素子とを有することを特徴とする画像投射装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の画像投射装置と、
前記原画を形成するための画像情報を前記画像投射装置に供給する画像情報供給装置とを有することを特徴とする画像投射システム。
【請求項１３】
請求項１から８のいずれか１つに記載のズーム光学系を有するることを特徴とする光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像投射装置、露光装置等の光学装置に用いられるズーム光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
上記のような光学装置には、物体側のテレセントリック性に優れ、焦点距離の変動に対して物体面、像面および射出瞳の位置の不変性に優れたズーム光学系が必要なものがある。
【０００３】
例えば、特許文献１では、投影露光装置に搭載される照明光学系に好適なズーム光学系として、焦点距離が短くなるに従って、負の屈折力を有するレンズユニット或いは強い負の屈折力を有するレンズエレメントを含むレンズユニットを物体側に移動させることで、物体面、像面、入射瞳および射出瞳の位置を焦点距離の変動に対して不動にしたものが開示されている。
【０００４】
ところで、特許文献１にて開示されたズーム光学系を、液晶パネルに形成された原画の像を拡大投射する画像投射装置の投射光学系又はその一部に用いることも考えられる。
【特許文献１】特開２００２−２０７１６７号公報（段落００１９〜００３５、図１等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のズーム光学系の縮小側焦点面に液晶パネルを配置すると、バックフォーカスが十分にとれず、縮小側に色合成部材を配置する空間がとれない。いわゆる３板式の画像投射装置では、赤、緑および青の３つの色光を合成する色合成部材をズーム光学系の縮小側に配置するが、上記のようにバックフォーカスが十分にとれないと、該色合成部材を配置する空間を確保することができなくなる。
【０００６】
また、特許文献１にて開示されたズーム光学系では、最も縮小側のレンズユニットが負の屈折力を持っており、焦点距離が短くなるに従って、該負のレンズユニットよりも拡大側に配置された正の屈折力を持つレンズユニットが拡大側に移動し、両レンズユニットの間隔が増大する。このため、該正のレンズユニットの有効径が大きくなってしまう。さらに、最も縮小側のレンズユニットが負の屈折力を持っているために、縮小側の開口数（ＮＡ）が小さくなってしまう。
【０００７】
なお、特許文献１には、最も縮小側のレンズユニットに正の屈折力を持たせた場合も開示されているが、このレンズユニットが、焦点距離が短くなるに従って大きく拡大側に移動するため、縮小側のＮＡを大きくすると、該レンズユニットの有効径が大きくなってしまう。
【０００８】
すなわち、このズーム光学系では、最小焦点距離（ワイド）の状態で複数のレンズユニットが開口絞り側に寄り、焦点距離が長くなるに従って縮小側焦点面の側に移動するため、レンズユニットの有効径が大きくなり易く、コンパクト化には不向きである。さらに、最も拡大側のレンズユニットが正の屈折力を持っているため、十分なバックフォーカスを確保することに対しても不向きである。しかも、該ズーム光学系は、単波長の光源を想定したものであり、カラー画像の投射表示には適さない。
【０００９】
本発明は、物体側のテレセントリック性に優れ、かつ焦点距離の変動に対して物体面、像面および射出瞳の位置の不変性に優れているだけでなく、コンパクトで明るく、バックフォーカスも十分に確保できるズーム光学系を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のズーム光学系は、縮小側から拡大側に順に、正の光学的パワーを有する第１レンズユニット、負の光学的パワーを有する第２レンズユニット、正の光学的パワーを有する第３レンズユニットおよび負の光学的パワーを有する第４レンズユニットを含む複数の変倍レンズユニットを有し、変倍に際して該第１、第２、第３および第４レンズユニット間の各間隔が変化し、かつ変倍全域において拡大側および縮小側の共役点とこれら共役点の間の瞳の位置がそれぞれ実質的に不動であるズーム光学系である。
【００１１】
そして、本発明は、テレ端における第１レンズユニットと第２レンズユニットとの間隔がワイド端よりも広く、テレ端における第２レンズユニットと第３レンズユニットとの間隔がワイド端よりも広く、かつテレ端における第３レンズユニットと第４レンズユニットとの間隔がワイド端よりも狭いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、十分なバックフォーカスを確保し、かつ開口数の大きな明るい光学系であって、さらに物体側のテレセントリック性に優れ、かつ焦点距離の変動に対して物体面、像面および射出瞳の位置の不変性に優れ、しかもコンパクトなズーム光学系を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
ここではまず、本実施例のズーム光学系の特徴について説明する。
【００１４】
本実施例のズーム光学系は、縮小側から拡大側に順に、正の光学的パワーを有する第１レンズユニット、負の光学的パワーを有する第２レンズユニット、正の光学的パワーを有する第３レンズユニットおよび負の光学的パワーを有する第４レンズユニットを含む複数のレンズユニットにより構成されている。
【００１５】
第１の特徴は、ズーム光学系全体をコンパクトに保ちつつ、十分なバックフォーカスを確保し、かつ明るい光学系とするために、第１レンズユニットに正の屈折力（光学的パワー、すなわち焦点距離の逆数）を持たせている点である。これにより、第２レンズユニット以降のレンズユニットの有効径を抑えながら物体側の開口数（ＮＡ）を大きくすることが可能である。第１レンズユニットの屈折力が負の場合、第２レンズユニット以降の有効径が大きくなり易い。また、第２レンズユニットに正の屈折力を持たせたとしても、焦点距離の変動に際して、第１レンズユニットと第２レンズユニットの間隔を広げてしまうと、やはり有効径が拡大してしまい、結局光学系全体の大型化につながってしまう。
【００１６】
第２の特徴は、ズーム光学系全体の焦点距離を長い方向に変化させる、すなわちワイド側からテレ側に変化させる際に、正の合成屈折力を持つ第２レンズユニットおよび第３レンズユニットの組を大きく物体側に移動させて、第１レンズユニットと第２レンズユニットの間隔を広げる点である。焦点距離の変動に対して瞳径を一定にする場合、物体側のＮＡは最小焦点距離（ワイド端）のときに最大で、焦点距離が長くなるのに比例して小さくなるので、ワイド端で第２レンズユニットを最も物体側に配置し、焦点距離が長くなるに従って像側に移動させることで、有効径を大きくすることなく高変倍率を得ることができる。
【００１７】
第３の特徴は、物体面および像面（縮小側および拡大側の共役点）と瞳位置とを実質的に一定に保ちつつ、収差を良好に補正するために、第２レンズユニットと第３レンズユニットの間隔と、第３レンズユニットと第４レンズユニットの間隔も変化させている点である。具体的には、本実施例では、テレ端における第１レンズユニットと第２レンズユニットとの間隔がワイド端よりも広く、テレ端における第２レンズユニットと第３レンズユニットとの間隔がワイド端よりも広く、かつテレ端における第３レンズユニットと第４レンズユニットとの間隔がワイド端よりも狭くなるように各レンズユニットを移動させる。
【００１８】
第４の特徴は、該ズーム光学系の最大焦点距離（テレ端）と最小焦点距離（ワイド端）の間の全ての焦点距離、すなわち変倍全域において、上記複数のレンズユニットのうち、互いに隣り合う２つのレンズユニットからなるすべてのレンズユニットの組が持つ合成屈折力を正にしている点である。レンズの収差を補正する際、一般的に正の屈折力を持つ第１のレンズと負の屈折力を持つ第２レンズとを組み合わせることで、第１レンズで発生した収差を第２レンズである程度補正できることが知られている。本実施例では、正の屈折力を持つ第１レンズユニットと、負の屈折力を持つ第２レンズユニットおよび正の屈折力を持つ第３レンズユニットからなる正の合成屈折力を持つレンズユニットの組との間隔を変化させることによって変倍を行う。つまり、バックフォーカスが長く、明るい光学系において全長を長くしないために、基本的に変倍作用を正の屈折力を持つレンズユニットの移動で行っている。なお、本実施例では、第１と第２レンズユニットの合成屈折力、第２と第３レンズユニットの合成屈折力および第３と第４レンズユニットの合成屈折力は、それぞれ正である。
【００１９】
第５の特徴は、物体側が略テレセントリックであり、複数のレンズユニットを、変倍全域において、該ズーム光学系の像側主点から射出瞳までの距離が該ズーム光学系の焦点距離に実質的に等しくなるように定めた軌跡に沿って移動させる点である。
【００２０】
また、第６の特徴は、物体面から該物体面と該ズーム光学系の像面との間に位置する射出瞳面までの距離をＥとし、該射出瞳面から像面までの距離をｘ’とし、該ズーム光学系の焦点距離をｆｚとするとき、複数のレンズユニットを、該ズーム光学系の物体側主点と像側主点の間隔が、
Ｅ−ｆｚ−ｆｚ（ｘ’＋ｆｚ）／ｘ’…（１）
と実質的に等しくなるように定めた軌跡に沿って移動させる点である。
【００２１】
ここで図３には、本実施例のズーム光学系の近軸関係を示している。物体側がテレセントリックな場合、像側主点から該ズーム光学系の焦点距離ｆｚに相当する距離の位置に射出瞳ができる。つまり、本実施例のズーム光学系におけるレンズユニットの配置およびその移動軌跡に関しては、変倍全域において、像側主点が所定の射出瞳位置から物体側にその変倍状態での焦点距離ｆｚだけ離れて位置にするように設定している（第５の特徴）。
【００２２】
また、物体側主点に関しては、射出瞳位置との関係に加えて、変倍中に、所定の物体側主点位置で物体面と像面とを所定の倍率関係となるように設定している。すなわち、理想的には、像側主点が射出瞳位置から物体側に焦点距離ｆｚに相当する距離だけ離れて位置し、さらに物体側主点と像側主点の間隔（Ｈ’ｚ−Ｈｚ）が上記（１）式の値と実質的に等しくなるようにレンズユニットを配置すれば、テレセントリックな光学系において、物体面、像面、入射瞳（無限遠）および射出瞳の位置を変倍中一定とすることができる（第６の特徴）。
【００２３】
第７の特徴は、変倍全域において、物体面から第１レンズユニットまでの距離（バックフォーカス）が、最大物高の３倍以上である点である。後述する実施例のような３板式の画像投射装置では、赤、緑および青の３つの色光を合成する色合成部材をズーム光学系の縮小側に配置するため、バックフォーカスが最大物高の３倍以上あれば、該色合成部材を配置する空間を確保することができる。
【００２４】
第８の特徴は、変倍全域において、第４レンズユニットから射出瞳までの距離が、該瞳の最小径の１／２よりも広い点である。これにより、例えば後述する実施例のように、射出瞳の位置に回動可能なミラーを配置した場合に、該ミラーと第４レンズユニットとの干渉を避けることができる。なお、実際には該ミラーの周囲には該ミラーの駆動機構も存在するため、上記距離は、射出瞳の最小径の１／２よりもある程度広くする必要があるが、物体面および像面（縮小側および拡大側の共役点）間の距離（共役長）の１０％以内に設定するとよい。また、「瞳の最小径」としたのは、後述する実施例のように、瞳面上の互いに直交する２方向において瞳径が異なる場合にも適用するためである。
【００２５】
（実施例）
図２には、本発明の実施例であるズーム光学系とOff-Axial光学系とを組み合わせた投射光学系を備えた画像投射装置を示している。ここで、Off-Axial光学系は、像中心と瞳中心を通る光線が辿る経路を基準軸としたときに、構成面の基準軸との交点における面法線が基準軸上にない曲面（Off-Axial曲面）を含む光学系として定義される。この場合、基準軸は折れ曲がった形状となる。光学系の構成面を基準軸に対して非対称形状で、かつ非球面にすることで、十分に収差が補正された光学系が構築できる（特開平０９−５６５０号公報、特開平０８−２９２３７１号公報、特開平０８−２９２３７２号公報、特開平０９−２２２５６１号公報参照）。
【００２６】
また、このOff-Axial光学系は、構成面が一般には非共軸となり、反射面でもケラレが生じることがないため、反射面を使った光学系の構築がしやすい。また、光学系内で中間像を形成することにより高画角でありながらコンパクトな光学系を構成することができる。さらに、前絞りの光学系でありながら、光路の引き回しが比較的自由に行なえるためにコンパクトな光学系が構成できる。
【００２７】
本実施例では、このようなOff-Axial光学系を採用することで、広画角、高精細および高変倍率の投射光学系を実現することができ、さらに本実施例のズーム光学系を採用した上で後述する平面ミラーを回動させることにより、投影画像の位置を画質の劣化が少なく大きく移動させたり傾けたりする（つまりは投射角度を変化させる）ことが可能となる。
【００２８】
ここで、良好な光学性能を保ったまま投射角度を変化させるための基本的な原理を図２を用いて説明する。図２において、ＬＬは液晶パネル等の画像形成素子と該画像形成素子により変調される光を照射する照明系である。Ｃは結像性能を有する光学ブロックである。照明系より射出し、画像形成素子によって変調された光は、回動可能な平面ミラーＲＭにより反射された後、第１の光学ブロックＣの射出瞳ＥＰの位置を曲率中心とする球面Ｅ’上の領域Ｂ１に結像する。なお、第１の光学ブロックＣは、曲面領域Ｂ１上に結像する能力を有していればよいので、共軸回転対称の光学ブロックであっても曲率を持つ反射面を構成要素として含む光学ブロックであっても構わない。但し、本実施例では、該第１の光学ブロックＣを本発明に係るズーム光学系により構成する。
【００２９】
さらに、射出瞳ＥＰの位置に配置された平面ミラーＲＭを、図２の紙面上で回動させると、領域Ｂ１に形成されていた像は、光学的な変化をほとんど伴わずに球面Ｅ’上の領域Ａ１又はＣ１に移動する。すなわち、球面Ｅ’上を結像状態を保存したまま連続的に移動する。
【００３０】
このように平面ミラーＲＭで反射された光は、曲率を持った複数の反射面を構成要素とするOff-Axial光学系としての第２の光学ブロックＲに導かれる。このとき、第２の光学ブロックＲは、球面Ｅ’上の像をスクリーンＥに良好な光学性能で結像するよう設計されている。さらに、Off-Axial光学系の特性により、像の歪みを生じさせることなく、スクリーンＥに対して斜めから像を投射することが可能である。
【００３１】
従って、平面ミラーＲＭが領域Ｂ１に光を向かわせる位置に回動している状態では、画像形成素子上に形成された原画の像は、第１の光学ブロックＣ、平面ミラーＲＭおよび第２の光学ブロックＲを介してスクリーンＥ上の領域Ｂ２に表示される。
【００３２】
そして、平面ミラーＲＭを回動させることで、球面Ｅ’上においては領域Ａ１，Ｂ１，Ｃ１に形成される像をそれぞれ、スクリーンＥ上の領域Ａ２，Ｂ２，Ｃ２に形成することができる。すなわち、第２の光学ブロックＲが良好な光学性能を保証する範囲（スクリーンＥ）に任意の投射角度で画像を投射することができる。但し、第１の光学ブロックＣの射出瞳ＥＰを中心に回動する部材は平面ミラーＲＭに限るものではなく、第１の光学ブロックＣと画像形成素子とを一体として回動させてもよいし、第２の光学ブロックＲを回動させてもよい。これらは上記光学ブロックの相対的な回転であるので、どちらの光学ブロックを回転させても光学的には等価である。
【００３３】
さらに、球面Ｅ’上の領域Ｂ１においては必ずしも球面上に結像していなくてもよい。すなわち、Ｅ’が球面である必要はない。言い換えると、投射角度を可変とするためには、第１の光学ブロックＣの像がＥ’上を良好な光学性能を保ったまま連続的に移動することが必要であり、それを理想的に実現するためにはＥ’が球面であることが好ましい。しかしながら、実際には、焦点深度やディストーション等の光学性能の許容量には幅があるので、この許容量に収まる場合には、Ｅ’はどのような面形状でもよく、必ずしも球面である必要はない。なお、射出瞳ＥＰの位置に配置される平面ミラーＲＭの位置精度に関しても、厳密に第１の光学ブロックＣの射出瞳ＥＰの位置に一致する必要はなく、ある程度の許容幅を持って一致すればよい。
【００３４】
さらに、第１の光学ブロックＣの結像性能に関してより詳細に説明する。本実施例の投射光学系によってスクリーンＥ上で２次元的に像面Ｓを移動可能とする場合、各アジムス方向において全画角の収差がそれぞれ一様に発生していれば、該収差が充分に補正されている必要はない。これは、全画角の収差が一様に発生していれば、曲率を持つ反射面により構成された第２の光学ブロックＲによって補正が可能だからである。
【００３５】
また、スクリーンＥ上で１次元方向にのみ像面Ｓの位置を移動可能とする場合には、該移動方向でのみ全画角の収差が一様に発生していれば、該移動方向と異なる方向の結像性能が良好である必要はない。これも、第２の光学ブロックＲによって補正が可能だからである。
【００３６】
なお、ここでは図２の紙面上での像面移動についての原理のみを説明したが、これは該紙面に対して直交する方向に像面を移動させる場合についても同様である。但し、第１の光学ブロックＣの射出瞳ＥＰを中心に回転する部材が平面ミラーＲＭのみであり、スクリーンＥ上で像面を２次元的に移動させる場合には、水平方向の回転を担う平面ミラーと上下方向の回転を担うもの平面ミラーとを用いるとよい。これは、図２において、平面ミラーＲＭを図の紙面に対して直交する方向に回転させると、画像形成素子と平面ミラーＲＭとがねじれの位置関係になるために、スクリーンＥ上において基準軸上の光線は所望の位置に結像されるが、像面ＳがスクリーンＥ上で回転してしまうためである。
【００３７】
しかしながら、複数の平面ミラーを第１の光学ブロックＣの射出瞳ＥＰに配置することは物理的に不可能である。このため、平面ミラーＲＭは厳密に射出瞳ＥＰの位置に配置しなくても、Ｅ’上の像が光学性能の許容量の範囲内であれば、射出瞳ＥＰの近傍であって互いに干渉しない程度にずらして２つの平面ミラーＲＭを配置することができる。
【００３８】
次に、この投射光学系および画像投射装置において、変倍を行う場合について説明する。第１の光学ブロックＣに変倍機能を持たせ、該第１の光学ブロックＣにより形成される球面Ｅ’上の領域Ａ１，Ｂ１，Ｃ１に形成される像の大きさを変化させれば、実際の像面（スクリーン）Ｅ上で領域Ａ２，Ｂ２，Ｃ２に形成される像の大きさを変えることが可能である。
【００３９】
しかしながら、上述した原理説明に基づいて、第１の光学ブロックＣの射出瞳ＥＰの位置でミラーＲＭを回転させるためには、該射出瞳ＥＰの位置は、変倍中常に一定に保たれることが望ましい。該射出瞳ＥＰの位置が一定であれば、ミラーＲＭおよび第２の光学ブロックＲを固定された位置に配置することができる。
【００４０】
通常のカメラレンズでは、連続的に変動する焦点距離に対して物体面および像面の位置が変動しないことが要求されるが、本実施例の第１の光学ブロックＣ、すなわち本発明に係るズーム光学系では、これに加えて、焦点距離の変動に対して入射瞳および射出瞳の位置が一定に保たれていることが要求される。ここで、射出瞳の位置が一定であることが要求される理由は、上記原理で説明した通りであるが、入射瞳の位置に関しては、画像形成素子として液晶パネルを用いた場合、テレセントリック性が要求されるためである。
【００４１】
以下に、赤、緑および青の変調光を合成して第１の光学ブロックＣに入射させる３板式画像投射装置において、画像形成素子と第１の光学ブロックＣ（ズーム光学系）との間に色合成素子等を挿入するための十分な空間（すなわち、第１の光学ブロックＣのバックフォーカス）を確保し、物体側のテレセントリック性に優れ、焦点距離の変動に対して物体面、像面、入射瞳および射出瞳の位置の不変性に優れたズーム光学系のより具体的な構成について説明する。
【００４２】
まず図４には、３板式画像投射装置の全体構成を示している。図４において、ＬＯは照明系であり、白色光源ランプ１と、反射鏡２と、光源ランプ１からの白色光を赤、緑、青の３色の成分に分離する色分離素子（図示せず）とを有する。
【００４３】
ＬＶは画像形成素子としての透過型の液晶ディスプレイパネルである。この液晶ディスプレイパネルＬＶには、駆動回路１０が接続されている。駆動回路１０には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ビデオ（ＶＣＲ）、テレビ、デジタルビデオ又はスチルカメラ、電波により映像を受信するアンテナ及びチューナからなる受信ユニット等の画像情報供給装置２０が接続されている。画像情報供給装置２０からの画像情報を受けた駆動回路１０は、該画像情報に応じた駆動信号を液晶ディスプレイパネルＬＶに送出する。駆動信号を受けた液晶ディスプレイパネルＬＶは、該駆動信号に応じた原画を液晶により形成し、照明系ＬＯからの照明光を変調する。本実施例では、図示しないが、液晶ディスプレイパネルＬＶは赤、緑、青用の３つが設けられ、それぞれ赤、緑、青用の原画を形成する。
【００４４】
なお、本実施形態では、画像形成ユニットとして透過型の液晶ディスプレイパネルを用いた場合について説明しているが、本発明はこれに限られず、反射型の液晶ディスプレイパネル、デジタルマイクロミラーアレイ（ＤＭＤ）を用いる場合や、照明系が不要な自発光素子（エレクトロネミネセンス素子）を用いる場合にも適用することができる。
【００４５】
Ｄは３つの液晶ディスプレイパネルＬＶにて変調された色光を合成する色合成素子としてのダイクロイックプリズムである。ダイクロイックプリズムＤには、複数のダイクロイック膜が設けられており、このダイクロイック膜での波長に応じた透過又は反射作用によって３色の光を合成する。図４では、２つのダイクロイックプリズムを示しているが、これは画像形成素子ＬＶが必要とするものに応じて変更すればよい。また、ダイクロイックプリズムに代えて、偏光ビームスプリッタを用いてもよい。
【００４６】
Ｃは図２中の第１の光学ブロックを構成するズーム光学系であり、複数のレンズユニットによって共軸光学系として構成された屈折光学ユニット（以下、第１の屈折光学ユニットという）である。ＥＰは該ズーム光学系の射出瞳であり、複数の反射面Ｒ１〜Ｒ４で構成されたOff-Axial光学系である第２の光学ブロックとしての反射光学ユニットＲの入射瞳でもある。なお、この位置又はこの位置の近傍に、必要に応じて絞りを設けてもよい。
【００４７】
ダイクロイックプリズムＤで色合成された光は、第１の屈折光学ユニットＣ、射出瞳ＥＰの位置で回動可能な第１の平面ミラーＲＭおよび反射光学ユニット（Ｒ１〜Ｒ４）を介して進み、さらに第２の平面ミラーＴＭおよび第２の屈折光学ユニットＣ２を介して被投射面である不図示のスクリーン上に拡大投射される。
【００４８】
また、第１および第２の屈折光学ユニットＣ，Ｃ２、第１および第２の平面ミラーＲＭ、ＴＭ、さらに反射光学ユニットＲにより構成される投射光学系は、Off-Axial 光学系としての反射光学ユニットＲにより台形歪みを良好に補正して、スクリーンに対して画像を斜めから投射する。
【００４９】
また、投射光学系に第１の屈折光学ユニットＣを含ませることにより、スクリーンへの拡大投射に必要な光学的パワーを、第１の屈折光学ユニットＣと反射光学ユニットＲとに適宜分担させることができる。このため、反射光学ユニットＲの各反射面の曲率を緩やかなものとし、製造を簡単にし、製造誤差の敏感度を低減することができる。なお、反射面の製造誤差による非点隔差等の影響は、瞳に近い面ほど大きい。そして、複数の反射面のうち最も射出瞳ＥＰに近い第１の反射面で発生した非点隔差等は、この反射光学ユニットの倍率に応じて拡大される。したがって、反射光学系に比べて製造誤差による性能劣化の敏感度が低い屈折光学系と、画像投射に必要な倍率（光学的パワー）を分担することで、反射光学系の敏感度を低減することができる。
【００５０】
さらに、投射光学系が広角であっても、第１の屈折光学ユニットＣの焦点距離を長く設定することで、倍率色収差の発生を抑えることが比較的容易になる。反射光学ユニットＲでは色収差は発生しないため、諸収差の補正の面において有効である。
【００５１】
図４において、反射光学ユニットＲを構成する反射面Ｒ１〜Ｒ４は、いずれも回転非対称形状を有し、前述したように基準軸が折れ曲がったOff-Axial 光学系を構成している。
【００５２】
さらに、本実施例では、反射光学ユニットＲ内における反射面Ｒ３とＲ４との間に１回中間結像（中間結像面Ｍ）している。これにより、中間結像面を持たない場合に比べて各反射面の大きさを小さくすることができるので、面形状を精度良く製造する上で有効である。なお、中間結像面の位置は図４に示した位置に限るものではない。
【００５３】
従って、図４に示した投射光学系において、図２を用いて説明した投射角度を変化させる原理に従い、第１の平面ミラーＲＭを回動させることにより、投射光学系からの画像の投射角度を変化させることができる。
【００５４】
図１Ａ，１Ｂにはそれぞれ、第１の屈折光学ユニットＣを構成するズーム光学系のＸＺ断面およびＹＺ断面の構成を示している。前述したように、このズーム光学系は、投射光学系の一部を構成する部分系として用いられる。なお、この図において、ＬＶ，Ｄ，ＥＰは図４中の符号と同一の構成要素を示す。
【００５５】
図１Ａ，１Ｂにおいて、該第１の屈折光学ユニット（ズーム光学系）Ｃは、縮小側から拡大側（本実施例では、物体側である液晶ディスプレイパネルＬＶ側から像側である球面領域Ｂ１側：以下、Ｂ１を像面という）に順に、正の屈折力を持つ第１レンズユニットＧ１と、負の屈折力を持つ第２レンズユニットＧ２と、正の屈折力を持つ第３レンズユニットＧ３と、負の屈折力を持つ第４レンズユニットＧ４から構成されている。第１〜第４レンズユニットＧ１〜Ｇ４はそれぞれ、焦点距離を変化させる変倍に際して光軸ＡＸＬに沿って移動する。
【００５６】
また、この第１の屈折光学ユニットＣは、最大焦点距離（テレ端）と最小焦点距離（ワイド端）の間の全ての焦点距離状態において、すなわち変倍全域において、常に物体側が実質的にテレセントリックであり、かつ第４レンズユニットＧ４と像面Ｂ１の間に位置する射出瞳ＥＰの位置と、液晶ディスプレイパネルＬＶが配置された縮小側共役点の位置と、像面Ｂ１が位置する拡大側共役点の位置はそれぞれ実質的に不動である。
【００５７】
ここで、特に射出瞳ＥＰの位置が「実質的に不動」とは、拡大側共役点と縮小側共役点との間の距離の２〜３％、好ましくは１％までの変位は許容する意味である。これは、前述したように、実際には焦点深度やディストーション等の光学性能の許容量には幅があるからである。
【００５８】
また、該第１の屈折光学ユニットＣでは、ワイド端からテレ端への変倍に際して、第１レンズユニットＧ１と第２レンズユニットＧ２間の間隔が単調に増加し、第２レンズユニットＧ２と第３レンズユニットＧ３間の間隔が単調に増加し、かつ第３レンズユニットＧ３と第４レンズユニットＧ４間の間隔が、一旦増加した後、減少する。
【００５９】
そして、テレ端でのレンズ間隔とワイド端でのレンズ間隔とを比較すると、テレ端における第１レンズユニットＧ１と第２レンズユニットＧ２との間隔がワイド端のそれよりも広く、テレ端における第２レンズユニットＧ２と第３レンズユニットＧ３との間隔がワイド端のそれよりも広く、かつテレ端における第３レンズユニットＧ３と第４レンズユニットＧ４との間隔がワイド端のそれよりも狭くなる。
【００６０】
また、本実施例では、図１Ｃに示すように、射出瞳ＥＰのＹ軸方向での幅ＥｏとＸ軸方向での幅Ｅｒとが、Ｅｏ＜Ｅｒ
の関係（例えば、Ｅｒ＝２Ｅｏ）となっている。すなわち、射出瞳ＥＰの径がＹ軸方向とＸ軸方向とで異なり、最小径はＥｏとなる。
【００６１】
さらに、変倍中における物体側主点と像側主点の位置関係を図８に、物体側主点と像側主点の間隔を図９にそれぞれ示す。図８からわかるように、像側主点から射出瞳までの距離は、そのときの第１の屈折光学ユニットＣの焦点距離に実質的に一致する。このため、物体面および像面に加えて、射出瞳面を変倍全域での変倍中にて実質的に不動とすることができる。
【００６２】
なお、射出瞳ＥＰの位置に平面ミラーＲＭを配置して回動させることで、像面Ｂ１を移動させることができる。
【００６３】
以下、図４に示した実施例に対応した数値例として、第１の屈折光学ユニットの構成データを表１に示す。表１において、面番号ｉは物体側から数えた第ｉ面を示す。Ｒは第ｉ面の近軸曲率半径、ｄは第ｉ面と第ｉ＋１面間の間隔、ｎ，νは第ｉ面と第ｉ＋１面間の媒質の屈折率とアッベ数である。
【００６４】
また、非球面形状は、光軸方向にＸ軸を、光軸に直交る方向にＨ軸をとり、光の進行方向を正とし、非球面係数をＫ，Ｂ，Ｃ，Ｄとしたとき、以下の式（２）により表されるものとし、表中には該式内の係数（非球面係数）を記している。なお、「Ｅ−Ｘ」は、「×１０−Ｘ」を示す。
【００６５】
（１／Ｒ）Ｈ２
Ｘ＝----------------------------------＋ＡＨ４＋ＢＨ６＋ＣＨ８＋ＤＨ１０
１＋√１−（１＋Ｋ）（Ｈ／Ｒ）２
（表１）
焦点距離fz：78.80〜116.29mm
倍率比：1.48
開口絞り径（半径）：21.2mm
面番号     R             d         n          ν
1       ∞            2.60000   1.516330   64.14
2       ∞           41.50000   1.622992   58.17
3       ∞            7.82000
4       ∞           40.13000   1.846660   23.78
5       ∞          (d5 可変)
6    1134.73830       6.09027   1.517417   52.43
7     -48.14399     (d7 可変)
8     -29.83139       2.50000   1.698947   30.13
9     567.31211       1.00000
10     225.55868      10.00000   1.603112   60.64
11     -55.14159     (d11 可変)
12*    442.53991      15.00000   1.583126   59.37
13*    -51.43442     (d13 可変)
14     -97.07782       3.00000   1.516330   64.14
15    -139.33300     (d15 可変)  
16    (開口絞り)     243.47290
17    (像面)
非球面係数
12   K:-34.582339   A:-0.188358E-6  B: 0.133296E-9  C: 0.127487E-12  D: 0.129042E-15
13   K:  0.000933   A: 0.703051E-6  B: 0.392151E-9  C:-0.105058E-12  D: 0.324001E-15
可変間隔
fz    78.8093     88.1695     97.5481    106.9189    116.2877
d5    2.13756     2.43999     2.96235     3.82797     4.64969
d7    6.74199    23.87869    35.27061    42.81515    47.63221
d11   21.42663    21.03689    22.31438    24.62870    27.86209
d13   20.36137    23.79102    19.62730    11.88870     2.99451
d15   50.69526    30.21622    21.18817    18.20228    18.22431
図５には、上記数値例の焦点距離７８．８０９３ｍｍにおける横収差図を示している。また、焦点距離９７．５４８１ｍｍにおける横収差図を図６に、焦点距離１１６．２８７７ｍｍにおける横収差図を図７に示す。これらの横収差図において、横軸は瞳面上でのＸ或いはＹ軸であり、縦軸は像面上での収差量を示す。評価光線の波長は６２０ｎｍ（赤Ｒ・・・点線）、５５０ｎｍ（緑Ｇ・・・一点鎖線）、４７０ｎｍ（青Ｂ・・・実線）である。これらの図から、それぞれの軸方向において良好に結像していることが分かる。
【００６６】
本実施例によれば、色合成素子等を挿入するための十分な空間（バックフォーカス）を確保しつつ、物体側のテレセントリック性に優れ、焦点距離の変動に対して物体面、像面および射出瞳の位置の不変性に優れたズーム光学系を実現することができる。
【００６７】
従って、本実施例のズーム光学系を、投射光学系の物体面（液晶ディスプレイパネル等）側に配置すれば、製造誤差に対する敏感度が低く、広画角でありながら、収差を良好に補正しつつ像面移動量の大きい投射光学系および画像投射装置を実現することができる。
【００６８】
なお、本実施例では、射出瞳径がＹ軸方向とＸ軸方向とで異なるズーム光学系について説明したが、両方向で径が同じ射出瞳を有するズーム光学系についても本発明を適用することができる。
【００６９】
また、上記実施例では、縮小側を物体側とし、拡大側を像側としたズーム光学系について説明したが、本発明は、拡大側を物体側とし、縮小側を像側としたズーム光学系にも適用することができる。例えば、露光装置、拡大測長器、コンパクトな前絞りの撮像レンズ等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１Ａ】本発明の実施例であるズーム光学系の構成を示す断面図。
【図１Ｂ】実施例のズーム光学系の構成を示す断面図。
【図１Ｃ】実施例のズーム光学系の射出瞳径を示す図。
【図２】実施例における投射角度変更の原理を示す図。
【図３】実施例の近軸関係を示す図。
【図４】実施例の投射光学系および画像投射装置を示す断面図。
【図５】実施例（数値例）のズーム光学系の横収差図。
【図６】実施例（数値例）のズーム光学系の横収差図。
【図７】実施例（数値例）のズーム光学系の横収差図。
【図８】実施例のズーム光学系の物体側主点と像側主点との関係を示す図。
【図９】実施例のズーム光学系の焦点距離と主点間隔との関係を示す図。
【符号の説明】
【００７１】
Ｇ１〜Ｇ４  レンズユニット
ＥＰ  射出瞳
Ｒ  反射光学ユニット
Ｒｉ  ｉ番目の光学面
ＬＯ，ＬＯ’，ＬＣ  照明系
ＬＶ  液晶ディスプレイパネル
Ｄ  ダイクロイックプリズム
Ｃ，Ｃ２  屈折光学ブロック
ＲＭ，ＴＭ  平面ミラー
【図１Ａ】
2006078704.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006078704.tif 000009
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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