(57)【要約】【課題】狭い投射空間においても大画面を投射でき、かつ自由に画面サイズを変化させることのできるプロジェクターに好適なズームレンズとそれを用いた投射型画像表示装置を提供すること。【解決手段】本発明は、縮小側の１次像面から拡大側の２次像面へ拡大投射するズームレンズであって、１次像面の中間像を結像し、変倍時、少なくとも２つ以上の群が光軸上を移動する第１光学系Ｌ１と、中間像よりも２次像面側に形成される凹面反射面を少なくとも１面有する第２光学系Ｌ２とを備え、第１光学系Ｌ１および第２光学系Ｌ２を構成する各面は共通の光軸を中心とした回転対称面で構成され、１次像面の中心から２次像面の中心に至る光線が光軸を交差し、次に凹面反射面で反射し、再度光軸と交差して２次像面に到達し、下記条件式  （１）０．５＜φ１/φ２＜３  （２）１＜ＡＳＴ/ＡＳＳ＜５  （３）｜ＡＳＴ｜/Ｌ１２＜１を満足するズームレンズである。【選択図】図１
2008090200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縮小側の１次像面から拡大側の２次像面へ拡大投射するズームレンズであって、
前記１次像面の中間像を結像し、変倍時、少なくとも２つの群が、光軸上を移動する第１光学系と、
前記中間像よりも２次像面側に形成される凹面反射面を少なくとも１面有する第２光学系とを備え、
前記第１光学系および前記第２光学系を構成する各面は共通の光軸を中心とした回転対称面で構成され、前記１次像面の中心から前記２次像面の中心に至る光線が前記光軸を交差し、次に前記凹面反射面で反射し、再度前記光軸と交差して前記２次像面に到達し、下記条件式
（１）０．１＜φ１/φ２＜３
（２）１＜ＡＳＴ/ＡＳＳ＜５
（３）｜ＡＳＴ｜/Ｌ１２＜１
を満足することを特徴とするズームレンズ。
ただし
φ１：第1光学系の屈折力
φ２：第２光学系の屈折力
｜ＡＳＴ｜：第１光学系における、子午面での中間結像位置
｜ＡＳＳ｜:第１光学系における、球欠面での中間結像位置
Ｌ１２:第１光学系と第２光学系の光軸上距離
【請求項２】
前記凹面反射面が回転対称非球面で構成され、下記条件式
（４）Ｋ＜１
を満たすことを特徴とする請求項１記載のズームレンズ。
ただし、
Ｋ：円錐定数
【請求項３】
投射距離変更時において、前記第１光学系全体、あるいは前記第１光学系の少なくとも１つの群を光軸上に移動させることで焦点合わせを行う
ことを特徴とする請求項１記載のズームレンズ。
【請求項４】
光源と、
前記光源から発せられた光を映像信号に基づき変調して出力する変調手段と、
前記変調手段側の１次像面からスクリーン側の２次像面へ拡大投射するズームレンズを備え、
前記ズームレンズとして、請求項１から３のうちいずれか１項に記載のズームレンズを用いる
ことを特徴とする投射型画像表示装置。
【請求項５】
変倍時において、表示素子を光軸と垂直な平面内に移動させることで、投射画像位置を変化させる
ことを特徴とする請求項４記載の投射型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、縮小側の１次像面から拡大側の２次像面へ拡大投射するズームレンズおよびこのズームレンズを有する投射型画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
会議でのプレゼンテーション、家庭における、地上波デジタル放送に代表されるような、フルＨＤ（High Definition）、あるいはＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、いわゆる次世代ＤＶＤを利用したホームシアター等で、高精細なプロジェクターが普及しつつある。
【０００３】
このようなプロジェクターに用いられるズームレンズは、表示素子と投射光学系の間に色合成用をプリズム、光の偏光分離を行う偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）、光束分離用のＴＩＲ(Total Internal reflection)等を挿入するための長いバックフォーカスと略テレセントリックな構成が必要とされる。そのため、負・正の屈折力配置を有するレトロフォーカス型が一般的に使用されてきた。
【０００４】
さらに
［１］狭い投射空間で大画面を表示でき、かつ自由に画面を拡大、収縮できるような高いズーム比と超広角ズームレンズとしての機能を持つこと。
［２］より明るい画面を投射するためにＦ値を小さくすること。
［３］表示画素の高画素化に伴い、高解像力を有するレンズであること。また低歪曲であること。
［４］変倍時においても、テレセントリック性が崩れないこと。
［５］前記［１］〜［４］を満たしつつも、プロジェクターの小型化、コストダウン化のため、レンズの構成枚数を少なくし、かつ簡単な構成で達成すること。
等が、プロジェクターのズームレンズとして求められる。
【０００５】
プロジェクター用に適した略テレセントリックな構成をもち、半画角４０度程度を有する広角ズームレンズとしては、特許文献１、２等の５成分、６成分ズームレンズがある。
【０００６】
特許文献１は、物体側から負正正正正の５成分を持ち、変倍時３つ以上の群が移動することで、最大で半画角４０度弱、Ｆ/１．８、ズーム比１．２程度のズームレンズを達成している。
【０００７】
特許文献２は、物体側から負正正正負正の６成分を持ち、ワイド端からテレ端への変倍時、２〜５群の４群が物体側に移動することで、半画角３０度〜４５度弱、Ｆ／２，０前後、ズーム比１．６〜２．０程度のズームレンズを達成している。
【０００８】
また用途は主に撮像系であるものの、半画角で５０〜６０度相当の超広角ズームレンズがある。
【０００９】
特許文献３は、物体側から負正正正の４成分を持ち、変倍時４群を移動させることで、半画角６０度、Ｆ／４．６、ズーム比２．０程度のズームレンズを達成している。
【００１０】
特許文献４は、物体側から負正負正の４成分を持ち、変倍時４群を移動させることで、半画角５０度、Ｆ／２．８、ズーム比２．２程度のズームレンズを達成している。
【００１１】
特許文献５は、自由曲面の反射面を３面使用し、オフアキシャル光学系を構成することで、変倍時においても画面中心を動かすことの無いズーム比２，０程度のズームレンズを達成している（図３０参照）。
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−０５４０２１号公報
【特許文献２】特開２００５−２９２２６０号公報
【特許文献３】特開２００５−１０６８７８号公報
【特許文献４】特開２００５−１５７０９７号公報
【特許文献５】特開２００４−２９５１０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、このような従来の技術に示される光学系には次のような問題がある。すなわち、特許文献１、２に示された光学系は、プロジェクターに好適なものである一方、屈折系のみで構成されているため、Ｆ値やズーム比、テレセントリック性を維持したまま、更なる広角化にする場合、像面湾曲、倍率色収差、歪曲等の諸収差が急激に悪化しやすくなり、良好な光学性能を得ることが非常に困難となり、径やレンズ全長の大型化を招く。
【００１４】
また、特許文献３に示された光学系は、半画角６０度程度の超広角のズームレンズを達成しているものの、Ｆ値が大きく、テレセントリックな光学系ではないため、プロジェクターの光学系には適していない。
【００１５】
また、特許文献４に示された光学系は、半画角５０度程度の超広角ズームレンズを達成しており、Ｆ／２．８程度の大口径化を達成しつつも、各収差は適当に補正されている。その一方、変倍によりテレセントリックが大きく崩れ、さらに絞りから像面側のレンズ群が変倍に際して大きく移動し、かつ大きな正の屈折力を持つため、この光学系で絞り径一定にした場合、Ｆ値が大きく変動するため明るさに大きく影響する。また、最も拡大側のレンズに大型のガラスモールド非球面等使用していることもあり、コスト面でも難がありプロジェクターの光学系には適していない。
【００１６】
特許文献５に記載されている投射光学系の場合、３枚以上の自由曲面を持つ光学ブロックＲと変倍機構を有する光学ブロックＣで構成され、光学ブロックＲ内に中間結像面を持つことで、広角化しつつも反射面を小さくすることができるという利点を持つ。その反面、反射面を偏心させることにより発生する偏心収差を残りの偏心された反射面で補正することになり、少なくとも反射面が３面以上必要となる。さらに反射面は回転対称な構成ではなく、自由曲面で構成され、面精度、組み立て制度に非常に敏感で、製造が難しくコストアップにつながるという問題がある。
【００１７】
また、絞りが光学ブロックＣの出射側に配置され、変倍機構を持つ群が、絞りと表示素子面間に構成されているため、ズーム比が大きくなるほど変倍時のＦ値変動が大きくなりやすい。実施例では約２倍のズーム比を達成しているものの、Ｆ値はワイド端からテレ端への変倍時、Ｆ／２．０からＦ／４．０に変化する。従って変倍時に画像表示面の明るさが変化し、特にテレ端側では暗い画面となってしまい、プロジェクター用には適しているとは言いがたい。また実施例においては、投射距離約１７００ｍｍで最大７０インチ程度であり、さらなる広角化をする場合、各収差が大きく悪化することが考えられる。
【００１８】
本発明は、前記した従来の問題点に鑑み、例えば半画角６０度前後、Ｆ値２．０程度、ズーム比１．５前後でプロジェクターに好適なズームレンズを比較的簡単な構成で提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
すなわち、本発明は、縮小側の１次像面から拡大側の２次像面へ拡大投射する投射光学系であって、前記１次像面の中間像を結像し、変倍時、少なくとも２つ以上の群が、光軸上を移動する第１光学系と、前記中間像よりも２次像面側に形成される凹面反射面を少なくとも１面有する第２光学系とを備え、前記第１光学系および第２光学系を構成する各面は共通の光軸を中心とした回転対称面で構成され、前記１次像面の中心から前記２次像面の中心に至る光線が前記光軸を交差し、次に前記凹面反射面で反射し、再度前記光軸と交差して前記２次像面に到達し、下記条件式
（１）０．１＜φ１/φ２＜３
（２）１＜ＡＳＴ/ＡＳＳ＜５
（３）｜ＡＳＴ｜/Ｌ１２＜１
を満足することで、例えば半画角６０度前後でＦ値が２．３前後、ズーム比１．５前後でありながら、良好な光学性能を得ることができる。
ただし
φ１：第1光学系の屈折力
φ２：第２光学系の屈折力
｜ＡＳＴ｜：第１光学系における、子午面での中間結像位置
｜ＡＳＳ｜:第１光学系における、球欠面での中間結像位置
Ｌ１２:第１光学系と第２光学系の光軸上距離
【００２０】
また、本発明の投射型画像表示装置は、前記した課題を解決するために、光源と前記光源から発せられた光を映像信号に基づき変調して出力する変調手段と、前記に記述した変調手段側の１次像面からスクリーン側の２次像面へ拡大投射する上記ズームレンズを備えていることを特徴とするものである。
【００２１】
従って、本発明にあっては、１次像面の中心から２次像面の中心に至る光線が、第１光学系の光軸を交差し、次いで凹面反射面で反射され、再度前記光軸と交差して２次像面に到達する光路を辿ることにより、例えば略水平方向に配置された第１光学系から２次像面に結像する光を第２光学系により上方（あるいは下方）に出力させる。
【発明の効果】
【００２２】
上記のような本発明によれば、大きな半画角、Ｆ値、ズーム比を備えたプロジェクターに好適なズームレンズを提供することができ、狭い投射空間においても大画面を投射でき、かつ自由に画面サイズを変化させることのできる投射型画像表示装置に好適なズームレンズとそれを用いた投射型画像表示装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明のズームレンズおよび投射型画像表示装置を実施するための最良の形態について添付図面を参照して説明する。
【００２４】
すなわち、本実施形態に係るズームレンズは、縮小側の１次像面から拡大側の２次像面へ拡大投射する投射光学系であって、前記１次像面の中間像を結像し、変倍時、少なくとも２つ以上の群が、光軸上を移動する第１光学系と、前記中間像による前記２次像面を形成する第２光学系とを備え、前記１次像面の中心から前記２次像面の中心に至る光線が前記光軸と交差し、さらに前記凹面反射面で反射し、再度前記光軸と交差して前記２次像面に到達する。結像関係を要約すれば、第１光学系によって、１次像面の中間像が形成され、その後凹面反射面により収束光となり瞳を形成した後、２次像面として結像する構成をとっている。
【００２５】
また、前記第１光学系の中間像は、第１光学系と第２光学系間に配置され、下記条件式
（１）０．５＜φ１/φ２＜３
（２）１＜ＡＳＴ/ＡＳＳ＜５
（３）｜ＡＳＴ｜/Ｌ１２＜１
を満足することで、良好な光学性能を得ることができる。
ただし
φ１：第1光学系の屈折力
φ２：第２光学系の屈折力
｜ＡＳＴ｜：第１光学系における、子午面での中間結像位置
｜ＡＳＳ｜:第１光学系における、球欠面での中間結像位置
Ｌ１２:第１光学系と第２光学系の光軸上距離
【００２６】
条件式（１）は、第1光学系の屈折力φ１と第２光学系の屈折力φ２の比をとったもので、下限を下回る場合、凹面反射面の曲率が非常に大きくなるため、前記凹面反射面で発生する収差が非常に大きくなる。上限を超える場合、第1光学系の屈折力が大きいため、凹面反射面での収差補正が困難になる。
【００２７】
条件式（２）は、子午面(あるいはメリディオナル面：主光線と光軸を含む断面)と球欠面（あるいはサジッタル面:子午面に垂直な平面）における中間像の結像位置の比を取ったものである。図３１のように、第２光学系の凹面反射面をＡ、曲率半径をｒとした場合、子午面断面では、ｈによらず曲率半径ｒとなる。その一方で、球欠面においては、ｒｃｏｓθとなり、ｈによって球欠面に入射する光束は異なる屈折力をもつことになる。
【００２８】
前記したお互いの断面に入射する光束が２次像面の同位置に結像するためには、中間像のお互いの断面における結像位置が異なる位置に無ければならない。また球欠面に入射する光束は、子午面に入射する光束よりもθ＞０において、曲率半径の小さい面に入射するため、子午面の結像位置よりも第２光学系側に近づいている必要がある。
【００２９】
従って条件式（２）は、前記のそれぞれの結像位置の適切な範囲を定めたものであって、下限を下回る場合、つまり球欠面の結像位置が、子午面の結像位置よりも第１光学系側に位置している場合、２次像面において互いの結像位置を同位置に結像することが困難となる。上限を超えた場合、子午面、球欠面での結像位置が離れているため、やはり２次像面上で、同時に結像することが困難となる。
【００３０】
条件式（３）は、子午面の任意の結像位置と第１光学系、第２光学系の光軸上距離の比となる。
【００３１】
本発明では、一旦中間像を持つタイプであり、第１光学系を出射した後、第２光学系に至る間に結像をするため、第１光学系の像面湾曲は、第１光学系と第２光学系の光軸上の距離よりも小さくなる。
【００３２】
第１光学系で発生した像面湾曲を、第２光学系の反射面で２次像面の平面上に結像する場合、第１光学系の湾曲量をなるべく小さくすることが、光学性能を良好にするのに望ましい。
【００３３】
従って、条件式（３）のように第１光学系と第２光学系の光軸上距離よりも第１光学系の像面湾曲量を小さくすることによって、良好な光学性能を得ることが可能となる。下限を下回る場合、凹面反射面と２次像面間に結像することになるため、２次像面で結像させることができない。
【００３４】
また第２光学系を構成する少なくとも１面の凹面反射面を回転対称非球面とすることで、さらに良好な光学性能を得ることができる。ここで非球面の式は以下の数１となる。
【００３５】
【数１】
2008090200.tif 000003
【００３６】
ただし、
Ｚ：非球面のサグ量
ｈ：光軸に対して垂直な高さ
ｃ：近軸の曲率
Ｋ：円錐定数
Ａｉ：ｉ次の非球面係数
である。
【００３７】
また、本実施形態のズームレンズは、前記凹面反射面が回転対称非球面で構成され、下記条件式（４）を満たすものである。
（４）Ｋ＜１
【００３８】
条件式（４）は、前記凹面反射面の形状についての適切な範囲を定めたものである。上限を超えた場合、第１光学系がある程度広角にならないと、２次像面上に低歪曲で結像させることができない。また、ｈが高くなるに従い、近軸の曲率よりも大きくなってくる。つまり、第１光学系、第２光学系共に収差発生量が増大するため、収差補正が不可能となる。従って、条件式（４）で定めた範囲にすることで、第２光学系の収差発生量を抑えることが可能となる。
【００３９】
さらに、投射距離変更時の焦点合わせ（フォーカシング）についても、変倍時と同様に第１光学系に調整機構を設け、第１光学系の全体、もしくは第１光学系の少なくとも１つの群の光軸上の移動によって行うことで、機構的に難易度の高い凹面反射面の移動をさせることなく可能となる。
【００４０】
また、本実施形態に係る投射型画像表示装置は、光源と、前記光源から発せられた光を映像信号に基づき変調して出力する変調手段と、前記変調手段側の１次像面からスクリーン側の２次像面へ拡大投射するズームレンズとを備え、前記ズームレンズが、前記１次像面の中間像を結像し、変倍時少なくとも２つ以上の群が光軸上を移動する第１光学系と、前記中間像を前記２次像面を形成させる１面以上の凹面反射面を有する第２光学系とを備え、前記１次像面の中心から前記２次像面の中心に至る光線が、前記第１光学系の光軸を交差し、さらに凹面反射面で反射し、再度前記光軸と交差して前記２次像面に到達するようにしたものである。
【００４１】
特に、本実施形態の投射型画像表示装置は、前記したズームレンズを使用して変調手段で形成された画像をスクリーンに投射するので、狭い投射空間においても大画面を投射することができ、さらに投射画面の大きさを自由に変えることを可能としながらも、明るく高解像力で低歪曲な拡大画像を表示することができる。
【００４２】
本実施形態のズームレンズは、回転対称な光学系で構成されているため、画面の位置は、表示素子を、光軸と垂直な平面上を移動させることで、容易に可能となる。
【００４３】
また、前記中間像の前記２次像面に対する前記第２光学系による瞳が、第２光学系とスクリーン間に形成されることで、キャビネット内の光路の引き回しの自由度が増すと共に、第２光学系とスクリーン間で最も光束が絞られる箇所である瞳位置において開口を有する遮蔽部分を設けることが可能になり、本実施形態のズームレンズの防塵対策や迷光対策を採りやすくなる。
【００４４】
従って、本実施形態に係るズームレンズは、前記形態を有することで、比較的簡単な構成で、超広角化と良好な光学性能を、容易に得ることができる。
【００４５】
また、本実施形態のズームレンズを利用した投射型画像表示装置においても、比較的簡単な構成で、狭い投射空間においても大画面を投射できる、高画質、低歪曲な光学性能を有する装置を提供できる。
【００４６】
以下に、本実施形態に係るズームレンズおよび投射型画像表示装置の実施形態および数値実施例を図および表を用いて説明する。なお、以下の実施例では、変倍時に第１光学系を構成する３つの群が移動するものを例とするが、変倍時に２つの群が移動する構成であっても適用可能である。
【００４７】
（実施例１の形態）
【００４８】
図１は、実施例１の光路図となる。Ｐは変調手段としての表示素子であり、該表示素子Ｐにて図示されていない光源から発せられた光が、映像信号に基づいて変調されて１次像面が形成される。前記表示素子Ｐとしては、反射型あるいは透過型のドットマトリックス液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス(ＤＭＤ)等を用いることができる。また、図中のＰＰは、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）やＲＧＢ各色の映像信号を合成する色合成プリズム、ＴＩＲ(Total Internal Reflector)プリズム等を示している。図は、上からワイド端、ミドル、テレ端の３つのポジションから構成されている。
【００４９】
図２は、図１の投射光学系部分の詳細を図示したものである。第１光学系Ｌ１は、２次像面側からＩ〜ＶＩの６群から構成されており、ワイド端からテレ端への変倍の際ＩＩ、ＩＩＩ、Ｖ群が、２次像面側に移動する。ここで、Ｉ、ＩＶ、ＶＩ群と、第２光学系の凹面反射面は、変倍時において固定される。
【００５０】
表１に、実施例１の合成焦点距離ｆ、半画角ω、Ｆ値を示す。ここで、合成焦点距離とは、第１光学系の屈折力をφ１、第２光学系の屈折力をφ２、第１光学系の中間像側主点位置と第２光学系を構成する凹面反射面までの距離をΔとしたときの、合成屈折力をφとすると
１/ｆ＝φ＝φ１＋φ２−Δ・φ１・φ２
であらわされるものである。ワイド端からテレ端への変倍で、Ｆ値はＦ／２．００からＦ／２．０５、半画角５３度から４３．９度、ズーム比は１．３７倍となる。ここでズーム比は、ワイド端とテレ端の合成焦点距離の比とする。
【００５１】
【表１】
2008090200.tif 000004
【００５２】
表２は、実施例１のレンズデータとなる。面番号は２次像面(投射画像側)から１次像面(表示素子側)へＳ１、Ｓ２、Ｓ３、…と増大するように付されている。面番号の右側に絞りの面番号と非球面を配している面番号がわかるようにしており、非球面データは表３に示す。間隔の列で可変と記している箇所は、変倍時に変化する間隔となり、表４に示す。また、曲率半径の列でＩＮＦＩＮＩＴＹは当該面が平面であることを示し、屈折率(ｎｅ)およびアッベ数(νｅ)は、ｅ線(５４６．１ｎｍ)での数値となる。
【００５３】
【表２】
2008090200.tif 000005
【００５４】
【表３】
2008090200.tif 000006
【００５５】
【表４】
2008090200.tif 000007
【００５６】
図３〜図５は、実施例１の縦収差図で左から球面収差、像面湾曲、歪曲となる。実線が５４６．０７ｎｍ、破線が６２０ｎｍ、１点鎖線が４６０ｎｍとなる。図３がワイド端、図４がミドル、図５がテレ端となる。ここで、ワイド端、ミドル、テレ端ぞれぞれの球面収差図を見ると、主波長である５４６．０７ｎｍについて、光軸上のフォーカスは合っていないが、実際使用する表示素子の画面中心付近(表５参照)においてフォーカスが合うように設定されているため問題はない。
【００５７】
【表５】
2008090200.tif 000008
【００５８】
図６〜図８は、実施例１の横収差図である。実線が５４６．０７ｎｍ、破線が６２０ｎｍ、１点鎖線が４６０ｎｍとなる。図６がワイド端、図７がミドル、図８がテレ端となる。一目盛り１２．５μｍで設定している。
【００５９】
図９は、実施例１を使用した投射型画像表示装置の一例を示す。図中は、ワイド端時の投射状況を示しており、天井から吊り下げる構成としている。ここで、Ｐは表示素子、ＰＰは色合成のプリズム、Ｌ１は第１光学系、Ｍ１は、光路折り曲げ用の平面ミラー、Ｌ２は第２光学系となる。表示素子Ｐから出射された光束は、色分解プリズムＰＰ、第１光学系Ｌ１、折り曲げミラーＭ１、第２光学系Ｌ２の順に辿り、スクリーン面Ｓに到達する。
【００６０】
図中Ａと記している部分は、防塵ガラスであり、外部からの埃を防ぐだけでなく、第２光学系Ｌ２に誤って触れないような機能を持つ。主に透明のガラス基板使用し、両面を反射防止膜のコート処理をしておけば、画質に影響させずに画像を投射することができる。また、第２光学系である凹面反射面と２次像面間に形成される瞳付近に前記防塵ガラスを配置するため、光学系として小型にまとめることができる。
【００６１】
ここで、この図で使用している表示素子の縦×横寸法、ドットサイズ等を表５に示す。また、実施例１では２次像面と凹面反射面間距離を１７００ｍｍにしているが、表５に示す表示素子を使用した場合、２次像面側のスクリーンサイズは、ワイド端で１１０インチ、ミドルで９５インチ、テレ端で８０インチとなる。
【００６２】
図１０は、図９を下から見た図となる。なお、ここで光源、照明光学系等のライトバルブは省略している。また図では天井から装置を吊り下げて投射しているが、もちろん床からや横から投射しても良い。
【００６３】
（実施例２の形態）
【００６４】
図１１は、実施例２の光路図となる。Ｐは変調手段としての表示素子であり、該表示素子Ｐにて図示されていない光源から発せられた光が、映像信号に基づいて変調されて１次像面が形成される。前記表示素子Ｐとしては、反射型あるいは透過型のドットマトリックス液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス(ＤＭＤ)等を用いることができる。また、図中のＰＰは、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）やＲＧＢ各色の映像信号を合成する色合成プリズム、ＴＩＲ(Total Internal Reflector)プリズム等を示している。図は、上からワイド端、ミドル、テレ端の３つのポジションから構成されている。
【００６５】
図１２は、図１１の投射光学系部分の詳細を図示したものである。第１光学系Ｌ１は、２次像面側からＩ〜ＶＩの６群から構成されており、ワイド端からテレ端への変倍の際ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ群が、２次像面側に移動する。ここで、Ｉ、ＶＩ群と、第２光学系の凹面反射面は、変倍の際固定される。
【００６６】
表６に、実施例２の合成焦点距離ｆ、半画角ω、Ｆ値を示す。ここで、合成焦点距離とは、第１光学系の屈折力をφ１、第２光学系の屈折力をφ２、第１光学系の中間像側主点位置と第２光学系を構成する凹面批反射面までの距離をΔとしたときの、合成屈折力をφとすると
１/ｆ＝φ＝φ１＋φ２−Δ・φ１・φ２
であらわされるものである。ワイド端からテレ端への変倍で、Ｆ値はＦ／２．５０からＦ／２．７１、半画角５５度から３７．６度、ズーム比は１．８０倍となる。ここで、ズーム比は、ワイド端とテレ端の合成焦点距離の比とする。
【００６７】
【表６】
2008090200.tif 000009
【００６８】
表７は、実施例１のレンズデータとなる。面番号は２次像面(投射画像側)から１次像面(表示素子側)へ Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…と増大するように付されている。面番号の右側に絞りの面番号と非球面を配している面番号がわかるようにしており、非球面データは表８に示す。間隔の列で可変と記している箇所は、変倍時に変化する間隔となり、表９に示す。また、曲率半径の列でＩＮＦＩＮＩＴＹは当該面が平面であることを示し、屈折率(ｎｅ)およびアッベ数(νｅ)は、ｅ線(５４６．１ｎｍ)での数値となる。
【００６９】
【表７】
2008090200.tif 000010
【００７０】
【表８】
2008090200.tif 000011
【００７１】
【表９】
2008090200.tif 000012
【００７２】
図１３〜図１５は、実施例１の縦収差図で左から球面収差、像面湾曲、歪曲となる。実線が５４６．０７ｎｍ、破線が６２０ｎｍ、１点鎖線が４６０ｎｍとなる。図１３がワイド端、図１４がミドル、図１５がテレ端となる。ここで、ワイド端、ミドル、テレ端ぞれぞれの球面収差図を見ると、主波長である５４６．０７ｎｍについて、光軸上のフォーカスは合っていないが、実際使用する表示素子の画面中心(表１０参照)においてフォーカスが合うように設定されているため問題はない。
【００７３】
【表１０】
2008090200.tif 000013
【００７４】
図１６〜図１８は、実施例２の横収差図である。実線が５４６．０７ｎｍ、破線が６２０ｎｍ、１点鎖線が４６０ｎｍとなる。図１６がワイド端、図１７がミドル、図１８がテレ端となる。一目盛りは１２．５μｍに設定されている。
【００７５】
実施例２の画像表示装置としては図９に示すようなものが考えられるが、例えば表１０に示す表示画素サイズを使用した場合、投射距離１７００ｍｍでワイド端１１０インチ、ミドル８０インチ、テレ端６０インチとなる。
【００７６】
（実施例３の形態）
【００７７】
図１９は、実施例３の光路図となる。Ｐは変調手段としての画像表示素子であり、該表示素子Ｐにて図示されていない光源から発せられた光が、映像信号に基づいて変調されて1次像面が形成される。前記表示素子Ｐとしては、反射型あるいは透過型のドットマトリックス液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス(ＤＭＤ)等を用いることができる。また、図中のＰＰは、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）やＲＧＢ各色の映像信号を合成する色合成プリズム、ＴＩＲ(Total Internal Reflector)プリズム等を示している。図は、上からワイド端、ミドル、テレ端の３つのポジションから構成されている。
【００７８】
図２０は、図１９の投射光学系部分の詳細を図示したものである。第１光学系Ｌ１は、２次像面側からＩ〜ＶＩの６群から構成されており、ワイド端からテレ端への変倍の際ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ、Ｖ群が、２次像面側に移動する。ここで、Ｉ、ＶＩ群と、第２光学系の凹面反射面は、変倍の際固定される。
【００７９】
表１１に、実施例１の合成焦点距離ｆ、半画角ω、Ｆ値を示す。ここで、合成焦点距離とは、第１光学系の屈折力をφ１、第２光学系の屈折力をφ２、第１光学系の中間像側主点位置と第２光学系を構成する凹面批反射面までの距離をΔとしたときの、合成屈折力をφとすると
１/ｆ＝φ＝φ１＋φ２−Δ・φ１・φ２
であらわされるものである。ワイド端からテレ端への変倍で、Ｆ値はＦ／２．４０からＦ／２．５１、半画角６５．１度から５７．０度、ズーム比は１．３５倍となる。ここで、ズーム比は、ワイド端とテレ端の合成焦点距離の比とする。
【００８０】
【表１１】
2008090200.tif 000014
【００８１】
表１２は、実施例３のレンズデータとなる。面番号は２次像面(投射画像側)から１次像面(表示素子側)へＳ１、Ｓ２、Ｓ３、…と増大するように付されている。面番号の右側に絞りの面番号と非球面を配している面番号がわかるようにしており、非球面データは表１３に示す。間隔の列で可変と記している箇所は、変倍時に変化する間隔となり、表１４に示す。また、曲率半径の列でＩＮＦＩＮＩＴＹは当該面が平面であることを示し、屈折率(ｎｅ)およびアッベ数(νｅ)は、ｅ線(５４６．１ｎｍ)での数値となる。
【００８２】
【表１２】
2008090200.tif 000015
【００８３】
【表１３】
2008090200.tif 000016
【００８４】
【表１４】
2008090200.tif 000017
【００８５】
図２１〜図２３は、実施例３の縦収差図で左から球面収差、像面湾曲、歪曲となる。実線が５４６．０７ｎｍ、破線が６２０ｎｍ、１点鎖線が４６０ｎｍとなる。図２１がワイド端、図２２がミドル、図２３がテレ端となる。ここで、ワイド端、ミドル、テレ端ぞれぞれの球面収差図を見ると、主波長である５４６．０７ｎｍについて、光軸上のフォーカス位置は合っていないが、実際使用する表示素子の画面中心(表１５参照)においてフォーカスが合うように設定されているため問題はない。
【００８６】
【表１５】
2008090200.tif 000018
【００８７】
図２４〜図２６は、実施例３の横収差図である。実線が５４６．０７ｎｍ、破線が６２０ｎｍ、１点鎖線が４６０ｎｍとなる。図２４がワイド端、図２５がミドル、図２６がテレ端となる。一目盛りは９．５μｍに設定されている。
【００８８】
図２７に、実施例３を使用した投射型画像表示装置の一例を示す。表示素子Ｐから出射した光束は、色分解プリズムＰＰ、第１光学系Ｌ１、折り曲げミラーＭ１、第２光学系Ｌ２、折り曲げミラーＭ２の順に辿り、フレネル形状を有した透過型スクリーンＳに到達する。本発明のズームレンズは、画像表示の際、光軸から外れて投射しているため、ワイド端からテレ端への変倍時において、投射画面位置が光軸方向にシフトする。ワイド端からテレ端への変倍時、表示素子中心と光軸の縦方向距離を変えることで、投射画面位置を一定にすることが可能となる。
【００８９】
表１５は、図２７で使用している表示素子サイズとワイド端、テレ端それぞれの表示素子中心位置を示している。この例は、リアプロジェクションテレビを想定したものであり、ワイド端のスクリーンサイズは５２．８インチ、テレ端では、３８．４インチとなる。奥行きは３３０ｍｍであり、従来のリアプロジェクションテレビと比較しても問題ない奥行きである。また、ここでは画面直後に光学ユニットが配置する折り曲げ方にしているため、デザイン上画面下方に突起部分のない構成となる。
【００９０】
図２８は、図２７のワイド端時の状態を上から見た図である。もちろん実施例３において、図９に示すような投射方法も可能であり、その場合、画面縦方向を自由に変えていくことが可能となる。
【００９１】
図２９に図２７の画像表示面でのＴＶ歪曲図を示す。外枠の太線が、ワイド端でのスクリーンサイズとなる。上段がワイド端、下段がテレ端となる。
【００９２】
表１６は、本発明の実施例１〜３の条件式（１）〜（４）を列記したものであり、表１７はその元となる数値を列記したものである。
【００９３】
【表１６】
2008090200.tif 000019
【００９４】
【表１７】
2008090200.tif 000020
【００９５】
このように、前記条件式を満たすことで、半画角は６０度前後の超広角でＦ値が２．３前後の大口径にもかかわらず、高解像力、低歪曲でズーム比が１．５前後のズームレンズを比較的容易な構成で得ることが可能となる。
【００９６】
また、前記した実施の形態および実施例に示した各部の具体的形状および数値は、本発明を実施するに際して行う具体化のほんの一例を示したものにすぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されることがあってはならないものである。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
透過型、反射型液晶あるいはＤＭＤ(デジタルマイクロミラーデバイス)等を表示素子とした投射型画像表示装置で、狭い投射空間においても大画面を投射させることができ、かつ自由に表示画面サイズを変えることができるフロント投射型のプロジェクター、あるいはリア投射型のプロジェクションテレビにも応用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】実施例１の光路図である。
【図２】実施例１の投射光学系部分の詳細図である。
【図３】実施例１の縦収差図（ワイド端）である。
【図４】実施例１の縦収差図（ミドル）である。
【図５】実施例１の縦収差図（テレ端）である。
【図６】実施例１の横収差図（ワイド端）である。
【図７】実施例１の横収差図（ミドル）である。
【図８】実施例１の横収差図（テレ端）である。
【図９】実施例１を使用した投射型画像表示装置の一例を示す図である。
【図１０】図９を下から見た図である。
【図１１】実施例２の光路図である。
【図１２】実施例２の投射光学系部分の詳細図である。
【図１３】実施例２の縦収差図（ワイド端）である。
【図１４】実施例２の縦収差図（ミドル）である。
【図１５】実施例２の縦収差図（テレ端）である。
【図１６】実施例２の横収差図（ワイド端）である。
【図１７】実施例２の横収差図（ミドル）である。
【図１８】実施例２の横収差図（テレ端）である。
【図１９】実施例３の光路図である。
【図２０】実施例３の投射光学系部分の詳細図である。
【図２１】実施例３の縦収差図（ワイド端）である。
【図２２】実施例３の縦収差図（ミドル）である。
【図２３】実施例３の縦収差図（テレ端）である。
【図２４】実施例３の横収差図（ワイド端）である。
【図２５】実施例３の横収差図（ミドル）である。
【図２６】実施例３の横収差図（テレ端）である。
【図２７】実施例３を使用した投射型画像表示装置の一例を示す図である。
【図２８】図２７のワイド端時の状態を上から見た図である。
【図２９】図２７の画像表示面でのＴＶ歪曲図である。
【図３０】従来例を説明する模式図である。
【図３１】子午面および球欠面を説明する模式図である。
【符号の説明】
【００９９】
Ｌ１…第１光学系、Ｌ２…第２光学系、Ｐ・表示素子（１次像面）、ＰＰ・色合成プリズム、Ｓ…スクリーン（２次像面）
【図１】
2008090200.tif 000021
【図２】
2008090200.tif 000022
【図３】
2008090200.tif 000023
【図４】
2008090200.tif 000024
【図５】
2008090200.tif 000025
【図６】
2008090200.tif 000026
【図７】
2008090200.tif 000027
【図８】
2008090200.tif 000028
【図９】
2008090200.tif 000029
【図１０】
2008090200.tif 000030
【図１１】
2008090200.tif 000031
【図１２】
2008090200.tif 000032
【図１３】
2008090200.tif 000033
【図１４】
2008090200.tif 000034
【図１５】
2008090200.tif 000035
【図１６】
2008090200.tif 000036
【図１７】
2008090200.tif 000037
【図１８】
2008090200.tif 000038
【図１９】
2008090200.tif 000039
【図２０】
2008090200.tif 000040
【図２１】
2008090200.tif 000041
【図２２】
2008090200.tif 000042
【図２３】
2008090200.tif 000043
【図２４】
2008090200.tif 000044
【図２５】
2008090200.tif 000045
【図２６】
2008090200.tif 000046
【図２７】
2008090200.tif 000047
【図２８】
2008090200.tif 000048
【図２９】
2008090200.tif 000049
【図３０】
2008090200.tif 000050
【図３１】
2008090200.tif 000051