(57)【要約】【課題】回折光学素子を利用して、良好な結像性能と小型化を達成したプロジェクタ光学系を提供する。【解決手段】表示素子２０の像を投写して実像を形成するプロジェクタ光学系ＰＳを、投写側から順に、開口絞りＳと、正の屈折力を有し、内部、若しくは、投写側又は表示素子側のレンズ面に、２個の回折素子要素に形成された回折格子が対向して配置された複層型回折光学素子により形成される回折光学面Ｄを有する第１レンズ群Ｇ１とから構成する。そして、光軸上の全長をＬとし、開口絞りＳから第１レンズ群の最も投写側の面までの光軸上の距離をＫとしたとき、次式０．１  ＜  Ｋ／Ｌ  ＜１．５                            …（１）を満足し、且つ、２個の回折素子要素の主波長（ｄ線）に対する屈折率の差をΔＮdとしたとき、次式０．０１  ＜  ΔＮd  ＜  ０．４５                      …（２）を満足するように構成する。【選択図】図１
2008026440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示素子の像を投写して実像を形成するプロジェクタに用いられるプロジェクタ光学系であって、
投写側から順に、
開口絞りと、
正の屈折力を有し、内部、若しくは、投写側又は表示素子側のレンズ面に、２個の回折素子要素に形成された回折格子が対向して配置された複層型回折光学素子により形成される回折光学面を有する第１レンズ群とから構成され、
光軸上の全長をＬとし、前記開口絞りから前記第１レンズ群の最も投写側の面までの光軸上の距離をＫとしたとき、次式
０．１  ＜  Ｋ／Ｌ  ＜  １．５
を満足し、且つ、前記２個の回折素子要素の主波長（ｄ線）に対する屈折率の差をΔＮdとしたとき、次式
０．０１  ＜  ΔＮd  ＜  ０．４５
を満足するプロジェクタ光学系。
【請求項２】
前記回折光学素子が、前記回折格子が密着した密着複層型で構成され、
前記２個の回折素子要素のアッベ数の差をΔνdとしたとき、次式
５０  ＜  Δνd／ΔＮd  ＜  ２０００
を満足する請求項１に記載のプロジェクタ光学系。
【請求項３】
前記回折光学面の主波長（ｄ線）の回折効率設計値をＥdとし、前記主波長に対する短波長（ｇ線）での回折効率設計値をＥgとし、前記主波長に対する長波長（Ｃ線）での回折効率設計値をＥCとしたとき、次式
（Ｅg＋ＥC）／２  ＞  ０．８５×Ｅd
を満足する請求項１または２に記載のプロジェクタ光学系。
【請求項４】
光軸に対して対称で、最大像高の主光線が前記第１レンズ群に形成された前記回折光学面を通過するときの光線の角度が１０度以下になるように構成され、
前記回折光学面の有効径をＣとし、全系の焦点距離をｆとしたとき、次式
０．２  ＜  Ｃ／ｆ  ＜  ２．０
を満足する請求項１〜３のいずれか一項に記載のプロジェクタ光学系。
【請求項５】
前記回折光学面を形成する前記回折格子の格子高さをｈとし、前記回折素子要素のうち光軸上の軸上厚さが小さい方の厚さをｄとしたとき、次式
０．０２  ＜  ｈ／ｄ  ＜  ０．９
を満足することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のプロジェクタ光学系。
【請求項６】
前記第１レンズ群の表示素子側に正の屈折力を有する最終レンズ群を有する請求項１〜５のいずれか一項に記載のプロジェクタ光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクタに用いられ、表示素子の像をスクリーン等に拡大投写するプロジェクタ光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタは、液晶デバイス（ＬＣＤ，ＬＣＯＳ）やＤＭＤ等の表示素子をライトバルブとして用い、その表示画像をプロジェクタ光学系によりスクリーン等に拡大投写する装置である。近年では、表示素子の高性能化（高画素化）に伴い、解像力が高く、諸収差が十分補正された高性能なプロジェクタ光学系を備える種々のプロジェクタが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２７９９５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、高性能なプロジェクタ光学系は、レンズの枚数が多くなり、その結果、サイズも大きくなってしまい、プロジェクタ全体の小型化を妨げるという課題がある。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、回折光学素子を利用して、良好な結像性能と小型化を達成したプロジェクタ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】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明に係るプロジェクタ光学系は、表示素子の像を投写して実像を形成するものであり、投写側から順に、開口絞りと、正の屈折力を有し、内部、若しくは、投写側又は表示素子側のレンズ面に、２個の回折素子要素に形成された回折格子が対向して配置された複層型回折光学素子により形成される回折光学面を有する第１レンズ群とから構成される。そして、光軸上の全長をＬとし、開口絞りから第１レンズ群の最も投写側の面までの光軸上の距離をＫとしたとき、次式
０．１  ＜  Ｋ／Ｌ  ＜１．５
を満足し、且つ、２個の回折素子要素の主波長（ｄ線）に対する屈折率の差をΔＮdとしたとき、次式
０．０１  ＜  ΔＮd  ＜  ０．４５
を満足するように構成される。
【０００７】
このような本発明に係るプロジェクタ光学系において、回折光学素子が、回折格子が密着した密着複層型で構成され、２個の回折素子要素のアッベ数の差をΔνdとしたとき、次式
５０  ＜  Δνd／ΔＮd  ＜  ２０００
を満足することが好ましい。
【０００８】
また、回折光学面の主波長（ｄ線）の回折効率設計値をＥdとし、主波長に対する短波長（ｇ線）での回折効率設計値をＥgとし、主波長に対する長波長（Ｃ線）での回折効率設計値をＥCとしたとき、次式
（Ｅg＋ＥC）／２  ＞  ０．８５×Ｅd
を満足することが好ましい。
【０００９】
また、光軸に対して対称で、最大像高の主光線が第１レンズ群に形成された回折光学面を通過するときの光線の角度が１０度以下になるように構成され、回折光学面の有効径（直径）をＣとし、全系の焦点距離をｆとしたとき、次式
０．２  ＜  Ｃ／ｆ  ＜  ２．０
を満足することが好ましい。
【００１０】
また、回折光学面を形成する回折格子の格子高さをｈとし、回折素子要素のうち光軸上の軸上厚さが小さい方の厚さをｄとしたとき、次式
０．０２  ＜  ｈ／ｄ  ＜０．９
を満足することが好ましい。
【００１１】
さらに、第１レンズ群の表示素子側に正の屈折力を有する最終レンズ群を有することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るプロジェクタ光学系を以上のように構成すると、第１レンズ群に回折光学面を設けることにより、少ないレンズ枚数でも良好な結像性能を得ることができ、このプロジェクタ光学系全体を小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。プロジェクタに用いられるプロジェクタ光学系は、表示素子に対して照明光を照射し、この表示素子から反射もしくは透過した光線の像を実像として拡大投写するものであり、一般的に、明るさの確保のためＦナンバーが小さく、画像の色ずれが小さいよう色収差が小さいことが求められる。そして、小型のモバイル機器等に搭載するために、小型で軽量であることも重要である。それでは、図１および図２を用いて本発明に係るプロジェクタ光学系ＰＳの構成について説明する。
【００１４】
このプロジェクタ光学系ＰＳは、投写側から順に、開口絞りＳ、および、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１を有し、表示素子２０から出射した光線を拡大投写するように構成されている。なお、この図１および図２に示すプロジェクタ光学系ＰＳは、表示素子２０として反射型液晶デバイス（ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）パネル）を用いた場合を示している。そのため、第１レンズ群Ｇ１と表示素子２０との間には、偏光ビームスプリッタプリズムＰ（以下、「プリズムＰ」と呼ぶ）が配置され、光源３０（例えば、白色ＬＥＤ）から放射される白色光をコンデンサレンズ４０で集光し、側方（図１，図２においては下方）からこのプリズムＰに入射させ、右方に反射させて照明光として表示素子２０に照射するように構成されている。なお、表示素子２０にＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いても良いし、或いは、表示素子２０に透過型液晶デバイス（ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）パネル）を用いて、照明光を、この表示素子２０を透過させるように構成しても良い。
【００１５】
また、表示素子２０としてこのような反射型の液晶デバイスや透過型の液晶デバイスを用いる場合には、照明光を効率的に用いるために、表示素子２０に対してはなるべくテレセントリックとなるように凸フィールドレンズを配置することが好ましい。そのため、表示素子２０へのテレセントリック性を向上させるために、このプロジェクタ光学系ＰＳの最も表示素子２０に近い位置に正の屈折力を有する最終レンズ群（凸フィールドレンズ）ＧＬが配置されている。この最終レンズ群ＧＬは、図１に示すように、第１レンズ群Ｇ１の直後に配置しても良いし、図２に示すように、表示素子２０に最も近い位置、すなわち、プリズムＰの表示素子２０側の面に凸パワーを持たせるように配置しても良い。図１に示すように配置することにより、色収差をより良好に補正することができ、図２に示すように配置することにより、フィールドレンズとしての効果をより良く発揮させることができる。さらに、このプロジェクタ光学系ＰＳにおいては、図１に示すように、表示素子２０とプリズムＰとの間に、この表示素子２０を保護するための保護ガラス若しくはフィルタＦを配置することができる。
【００１６】
以上のように、このプロジェクタ光学系ＰＳにおいては、プリズムＰを介して照射された照明光が表示素子２０で反射し、この表示素子２０から出射した光線は最終レンズ群ＧＬおよび第１レンズ群Ｇ１により拡大され、開口絞りＳを通過してスクリーン等に実像として投写される。なお、第１レンズ群Ｇ１および最終レンズ群ＧＬは、図１の第１レンズ群Ｇ１に示すように複数のレンズＬ１，Ｌ２から構成することもできるし、図２の第１レンズ群Ｇ１に示すように単レンズＬ１０で構成することもできる。
【００１７】
このプロジェクタ光学系ＰＳを構成する第１レンズ群Ｇ１には、色収差を補正するために、内部若しくは前後のレンズ面のいずれかに、回折光学面Ｄが形成されている。図１に示す第１レンズ群Ｇ１には、平凸レンズＬ１，Ｌ２の間に挟まれて回折光学面Ｄを形成した場合を示しており、図２に示す第１レンズ群Ｇ１には、単レンズ（両凸レンズ）Ｌ１０の表示素子２０側の面に回折光学面Ｄを形成した場合を示している。
【００１８】
一般に、光線を曲げる方法は屈折と反射が知られているが、第３番目の方法として回折が知られている。回折光学素子とは、光の回折現象を利用した光学素子であって、屈折や反射とは異なる振る舞いを示すことが知られている。具体的には回折格子やフレネルゾーンプレートが従来から知られている。本実施例においては、ガラスやプラスチック等の光学部材の表面に回折格子やフレネルゾーンプレートのように回折現象を応用して光線を曲げる作用を有する面を創製して、その作用により良好な光学性能を得ようというものであり、このように回折現象を応用して光線を曲げる作用を有する面を回折光学面と呼ぶことにする。そして、このような面を有する光学素子を回折光学素子と一般に呼んでいる。
【００１９】
この回折光学面の性質として、正屈折力でありながら負の分散値を有しており、色収差補正に極めて有効であることが知られている。このため、通常ガラスでは達成し得ない良好な色収差補正が可能となることや、高価な特殊低分散ガラスでしか達成し得ないような良好な色収差補正が可能であることが知られている。
【００２０】
この回折光学素子を光学系に組み込み、利用するにあたり、素子としての光学設計上の特性を挙げると、負分散、異常分散性や非球面作用を有している。また、ペッツバール和を０にすることができ、光の分岐、合波が容易である。さらに、屈折力の温度変化が小さく、薄型化が可能である。特に、プロジェクタ光学系への応用に際し、注目されるのは次の点である。第１に、負の分散値（アッベ数＝−３．４５３）を持ち、分散が大きく、また異常分散性（部分分散比＝０．２９５６）が強いため、強力な色収差補正能力を有している点である。ガラスのアッベ数は通常３０〜８０程度であるため、回折光学素子のアッベ数の大きさはその１／１０倍以下である。換言すると、回折光学素子においては長い波長の光ほど大きく曲がる。このため、通常のガラスでは達成し得ない良好な色収差補正が可能となる。第２に、この回折光学素子を用いることにより、プロジェクタ光学系の小型化・軽量化が可能となる点である。回折格子の段差構造や強い色消し作用で接合レンズを減らすことができるため、薄型化が可能となる。
【００２１】
但し、副作用として、特定の次数・画角・波長以外の回折光がフレアとなって画質を低下させるので、ピックアップレンズのような単色の応用に限られていた。しかし、近年の研究で、回折格子を複数重ねることによって広い波長域で回折効率を大幅に向上できることが明らかになり、プロジェクタ光学系等への応用の道が拓けてきた。図３に２個の光学素子要素のそれぞれに回折格子を形成し、この回折格子を対向させて配置した複層型回折光学素子の例を示す。図３（ａ）は２個の回折素子要素５０ａ，５０ｂのそれぞれに回折格子を形成し、この回折格子を密着させて構成した密着複層型を示し、図３（ｂ）は、回折格子が所定の間隔を有して対向するように２個の回折素子要素５０ａ，５０ｂを配置した分離型を示している。なお、本実施例において、第１レンズ群Ｇ１に設けられている回折光学面Ｄは、密着複層型の回折光学素子により構成した場合を示している。
【００２２】
ここで、密着複層型回折光学素子の回折効率について検討する。主波長（ｄ線であってλd＝５８７．６ｎｍ）に対する基準屈折率をＮdとし、主分散をＮF−ＮC（ＮFはＦ線（λF＝４８６．１ｎｍ）に対する屈折率、ＮCはＣ線（λC＝６５６．３ｎｍ）に対する屈折率）とすると、密着型回折光学素子を構成する２個の回折素子要素（格子材料）の基準屈折率の差ΔＮdと、主分散ＮF−ＮCの差Δ（ＮF−ＮC）が、次の式の関係を満たせば、ｄ線、Ｆ線、Ｃ線での回折効率を１００％とすることができ、広帯域化を達成することができる。
【００２３】
ΔＮd／Δ（ＮF−ＮC）  ＝  λd／（λF−λC)
＝−３．４５３
【００２４】
すなわち、図４に示すように、ガラスマップ上の適切な格子材料の選び方は、密着複層型回折光学素子を形成する２個の格子材料を結ぶ直線Ｘの勾配が回折格子のアッベ数（＝−３．４５３）となれば良いことを示している。さらには、この直線Ｘ上であれば格子材料はどこから選択しても良く、実用上は多少この直線Ｘから外れても回折効率を十分高くすることができる。
【００２５】
さて、一般に、光学系の回折光学面を通過する光線角度は、できるだけ小さいことが好ましい。一般に、格子の段差（壁）部分は面に略垂直となっていることが多いため、回折光学面を通過する光線の角度が大きくなると回折光学面によるフレア（ブレーズした所定次数以外の光が有害光となって投影面に達する現象）が発生し易くなり、画質を損ねてしまうからである。そのため、回折光学面で発生するフレアがあまり影響を及ぼさずに良好な画像を得るためには、本プロジェクタ光学系ＰＳの場合、回折光学面Ｄを通過する光線の角度を１０度以下とすることが望ましい。このような条件を満たすことができれば、回折光学面Ｄは第１レンズ群Ｇ１のどこに配置しても良いが、物体側（すなわち、表示素子２０側）に凸な面に形成するとこのような条件を満足することが容易になるので好ましい。さらに、その効果を十分に得るには、回折光学面Ｄを通過する光線の角度を５度以下とすることがより好ましい。このフレアに対しては、複層型回折光学素子を用いて複数の回折格子を重ねることにより、波長広帯域で回折効率を向上させ、フレアを減ずることができるので、カメラやプロジェクタ用途には好適である。
【００２６】
それでは、本実施例に係るプロジェクタ光学系ＰＳを構成するための条件について、以下に説明する。このプロジェクタ光学系ＰＳは、光学全長（開口絞りＳから表示素子２０までの光軸上の長さ）をＬとし、開口絞りＳから第１レンズ群Ｇ１の最も投影側の面までの光軸上の長さをＫとしたとき、次の条件式（１）を満足するように構成されている。また、回折光学面Ｄを形成している複層型回折光学素子の２個の回折素子要素の基準屈折率Ｎdの屈折率差をΔＮdとすると、次の条件式（２）を満足するように構成されている。
【００２７】
０．１  ＜  Ｋ／Ｌ  ＜  １．５                          …（１）
０．０１５  ＜  ΔＮd  ＜  ０．４５                      …（２）
【００２８】
条件式（１）は、開口絞りＳの位置の適正なる範囲を規定するものであり、収差バランスを整え、良い結像性能を得るために重要である。この条件式（１）の上限を上回ると、Ｋが大きくなりすぎ、開口絞りＳより撮像素子２０側の光学系の径が大きくなりすぎ、このプロジェクタ光学系ＰＳを小型化することができなくなる。また、図１および図２において、主光線より上側の光線にコマ収差が発生し易くなり、不都合である。一方、条件式（１）の下限を下回ると、Ｋが小さくなりすぎ、主光線より下側の光線にコマ収差が発生し易くなり、ディストーンションが正側に大きくなる傾向が強まり、不都合である。
【００２９】
条件式（２）は、第１レンズ群Ｇ１に用いられる回折光学素子の誤差感度の適正なる範囲を規定するものであり、この条件式（２）を満足すると、製造誤差感度を緩めることができ、また、界面でのフレネル反射を減じることができる。この条件式（２）の上限を上回ると、屈折率差ΔＮdが大きくなりすぎてしまい、回折格子の格子高さや面粗さの誤差感度が大きくなりすぎてしまう不都合が生じる。また、条件式（２）の下限を下回ると、格子高さが高くなりすぎてしまい、格子の段差部分によるフレアが大きくなってしまう不都合が生じる。なお、この条件式（２）の効果を十分に発揮させるためには、上限を０．３とすることが好ましく、さらに発揮させるためには上限を０．２とすることが好ましい。
【００３０】
なお、この第１レンズ群Ｇ１に形成される回折光学面Ｄを、密着複層型の回折光学素子により形成すると、分離型の回折光学素子に比べて一方の格子高さが設計値よりずれても、もう一方の高さが自動的に同じ高さになるため、回折効率の劣化が防止される。また、密着複層型は格子界面の屈折率差が小さいので、格子界面粗さの影響は小さく（一般に散乱は屈折率差の二乗に比例すると考えられるため）、また、原理的に２個の回折素子要素の偏心が発生しないことから、両格子の位置合わせ精度も良好である（このため、回折効率の低下は少ない）。
【００３１】
また、本実施例においては、第１レンズ群Ｇ１に設けられた回折光学面Ｄを密着複層型回折光学素子で構成したときに、上述の条件式に加えて、以下の条件式（３）〜（５）を満足することが望ましい。なお、この条件式（３）において、Δνdは密着複層型回折光学素子を形成する２個の格子材料のアッベ数の差を示す。また、条件式（４）において、Ｅdは主波長（ｄ線）に対する回折効率設計値、Ｅgは主波長に対する短波長（ｇ線，λg＝４３５．８ｎｍ）での回折効率設計値、ＥCは主波長に対する長波長（Ｃ線）での回折効率設計値を示す。さらに、条件式（５）において、Ｃは回折光学面Ｄの有効径（直径）を示し、ｆはこのプロジェクタ光学系ＰＳの全系の焦点距離を示す。
【００３２】
５０  ＜  Δνd／ΔＮd  ＜  ２０００                    …（３）
（Ｅg＋ＥC）／２  ＞  ０．８５×Ｅd                     …（４）
０．２  ＜  Ｃ／ｆ  ＜  ２．０                          …（５）
【００３３】
条件式（３）は、高い回折効率を所定の波長域にわたって得るために、密着複相型回折光学素子を構成する高屈折率低分散の材料と低屈折率高分散の材料の光学媒質の適切なる範囲を規定するための条件である。これは、回折光学面における１次回折光の回折効率をSINC2（α−１）と表わすと、密着型は、αが（Ｎ1λ−Ｎ2λ）ｈ／λとなるので、格子材料の分散性を利用して略一定とし、ブレーズ条件が光波長域で成り立つように構成したものとみることができる。この条件式（３）の上限を上回ると、波長広帯域にわたっての高い回折効率は得られない。反対に条件式（３）下限を下回ると、同様に波長広帯域にわたっての高い回折効率は得られない。なお、この条件式（３）の効果を十分に発揮するためには、上限を１０００、下限を１０００とすることが望ましい。
【００３４】
条件式（４）は、広帯域化した際の、ｄ線、ｇ線、Ｃ線での回折効率のバランスの適切なる範囲を規定している。この範囲内であれば、ｇ線からＣ線の波長にわたり十分に高く且つバランスされた実用的な回折効率を得ることができる。この条件式（４）の上下限のいずれかを超えると、短波長、長波長のいずれかで回折効率が低回してしまい、回折フレアが大きくなり画質を損ねてしまう。なお、この条件式（４）の効果を十分に発揮するには、右辺の数値（Ｅdに乗算される係数）の下限を０．９とすることが望ましい。
【００３５】
条件式（５）は、回折光学面Ｄの有効径（直径）の適切なる範囲を規定している。この条件式（５）の範囲であれば、製造しやすくコストアップも避けられ、且つ、害光によるフレアなどの問題も回避できる。この条件式（５）の上限を上回ると、径が大きくなりすぎ、回折光学面の製作が困難となりコストアップにつながる。また、回折光学面に外部からの有害光が入りやすくなり、フレア等による画質低下を招きやすくなる。反対に、条件式（５）の下限を下回ると、回折光学面Ｄを有するレンズ（本実施例においては第１レンズ群Ｇ１）の適切な有効径が小さくなりすぎて、回折光学面の格子ピッチが小さくなる傾向が強まり、回折光学面の製作が困難となりコストアップに繋がるばかりか、回折光学面の格子によるフレア発生が大きくなり画質低下を招きやすくなる。なお、この条件式（５）の効果を十分に発揮するには、上限を０．３、下限を１．０とすることが望ましい。
【００３６】
さらに、本実施例においては、以下に示す条件式（６）〜（８）を満たすことが好ましい。このとき、条件式（６）において、ｈは、回折光学面Ｄを形成する回折格子の格子高さを示し、ｄは、２つの回折素子要素（５０ａ，５０ｂ）のうち、光軸上の厚さが薄い方のこの厚さを示す。また、条件式（７）において、Δはｄ線、ｇ線、Ｃ線、Ｆ線スペクトルの光軸方向の広がり幅を示す。さらに、条件式（８）において、ｆＬは、回折光学面Ｄを含む第１レンズ群Ｇ１より表示素子２０側に配設された凸レンズ成分（すなわち、最終レンズ群ＧＬ）の焦点距離を示す。
【００３７】
０．０２  ＜  ｈ／ｄ  ＜  ０．９                        …（６）
０．００１  ＜  Δ／ｆ  ＜  ０．０３                    …（７）
０．３  ＜  ｆＬ／Ｌ  ＜  ５．０                        …（８）
【００３８】
条件式（６）は、薄い格子を形成する際の適正なる格子高さｈと、厚さｄの関係を示している。条件式（６）の範囲内であれば、格子高さが過度に高くならず、そのため製造し易くなり、且つ、格子の段差部分による影の効果（回折効率の低下）、散乱によるフレアを防ぐことができる。この条件式（６）の上限を上回ると、相対的に格子が高くなりすぎ、格子形状が作りづらくなるばかりか、格子段差部分が大きくなり段差部分に当たった光による散乱等で迷光が発生し易くなる不都合が生じる。反対に、条件式（６）の下限を下回ると、相対的に格子を形成する光学材料が厚くなりすぎ、やはり格子形状を作りづらくなるばかりか、材料の内部吸収が増えてしまい、光学系全体の透過率が劣化したり、色付きが起りやすくなる不都合が発生する。この条件式（６）の効果を十分に発揮するには、上限を０．５、下限を０．０３５とすることが望ましい。
【００３９】
条件式（７）は、適切なる軸上色収差の補正範囲の条件を規定している。条件式（７）の範囲であれば、軸上色収差が十分に補正され色ずれの少ない優れた画像を得ることができる。この条件式（７）の上限を上回ると、色収差が大きくなりすぎてしまい、色付いた画像となって画質を大きく損ねてしまう。反対に、条件式（７）の下限を下回ると、格子ピッチが小さくなりすぎる傾向となって製造しづらくなるばかりか、狭ピッチの格子によるフレア発生が大きくなり画質を損ねてしまう。なお、この条件式（７）の効果を十分に発揮するには、上限を０．０２、下限を０．００２とすることが望ましい。
【００４０】
条件式（８）は、最終レンズ群ＧＬの適切なる焦点距離の補正範囲の条件を規定している。この条件式（８）を満たすことにより、結像性能の向上と瞳位置の最適化を図ることができる。この条件式（８）の上限を上回ると、ｆＬが大きくなりすぎ、瞳が近くなる傾向となって不都合である。また、条件式（８）の下限を下回ると、最終レンズ群ＧＬのパワーが小さくなりすぎ、収差バランスが崩れやすくなる。そのため、ディストーションが負側に大きくなる傾向となって不都合である。この条件式（８）の効果を十分に発揮するには、上限を３．０、下限を０．８とすることが望ましい。
【００４１】
このようなプロジェクタ光学系ＰＳをプロジェクタに適用する場合は、以下に示す構成的要件を更に満たすことが望ましい。まず、回折光学面Ｄは、開口絞りＳに対して同心であるような球面に配置することが好ましい。そして、回折光学面Ｄの両側をガラスや樹脂等の光学材料で封止する構造を取れば、耐久性が向上するので好ましい。また、良好な色収差補正のために、第１レンズ群Ｇ１は貼り合わせレンズとしても良い。その際に、平凸レンズと平凸レンズとの貼り合わせレンズとしても良いし、また、両凸レンズと凹メニスカスレンズの貼り合わせレンズとしても良い。ここで、図１においては、第１レンズ群Ｇ１を、平凸レンズと平凸レンズとを貼り合わせて構成し、これらのレンズ接合面に回折光学面Ｄが形成されている。すなわち、回折光学面Ｄが２つのレンズＬ１，Ｌ２で挟まれるように配置されており、耐久性や堅牢性が増すように構成されている。なお、このプロジェクタ光学系ＰＳにおいては、近距離物体へのフォーカシング（合焦）は、第１レンズ群Ｇ１を物体側（投写面側）に繰り出すいわゆるフロントフォーカス方式で行うのが最も簡素な方式である。
【００４２】
また、本実施例に係るプロジェクタ光学系ＰＳは、このプロジェクタ光学系ＰＳを構成するレンズのブレを検出するブレ検出手段と、ブレ検出手段からの信号とプロジェクタの作動シークエンスの制御を行う制御手段からの信号とに基づいて適正なブレ補正量を定めるブレ制御装置と、ブレ補正量に基づき防振レンズ群を移動させる駆動機構とを組み合わせて、防振レンズシステムを構成することで、このプロジェクタ光学系ＰＳが搭載されたプロジェクタを手で持って拡大投写するように構成することもできる。防振のために実際に可動とするのは、第１レンズ群Ｇ１であっても、プリズムＰであっても、表示素子２０であっても構わない。
【００４３】
また、第１レンズ群Ｇ１において、回折光学面Ｄを形成する回折素子要素（図３における回折素子要素５０ａ，５０ｂ）は、成形性を良好に保ち、優れた量産性を確保するために、一方の回折素子要素を構成する材料の粘度（未硬化物粘度）は、少なくとも４０以上であることが好ましい。この粘度が４０以下であると、成形中に樹脂が流れやすくなってしまうので、精密形状を成形することが困難となってしまう不都合が生じする。また、もう一方の回折素子要素を構成する材料の粘度は、逆に少なくとも２０００以上であることが好ましい。さらには、回折光学面Ｄを形成する回折素子要素は少なくとも一方がＵＶ硬化型樹脂で構成されることが、生産効率がアップするので、生産上好ましい。この場合、工数が削減でき、コストダウンにもつながり好都合である。また、両方の回折素子要素をＵＶ硬化樹脂で構成することにより、さらに生産効率をアップさせることができる。
【００４４】
実際に回折光学面を創製するには、レンズの表面にフレネルゾーンプレートのように、光軸に対して回転対称な格子構造を作ることが製作上容易であって、まず、好ましい。この際、通常の非球面レンズを製作するのと同じく、精研削でも、ガラスモールドでも可能である。さらには、レンズ表面に薄い樹脂層で格子構造を形成しても良い。また、格子にはキノホーム等の単純な単層構造に限らず、複数の格子構造を重ねることにより、回折効率の波長特性や画角特性を向上させることができるので、好都合である。
【００４５】
ここで、回折光学面Ｄを形成する回折格子の段差部分は、必ずしも光軸に対して平行にする必要はなく、光束が通過する方向に倣って角度を付けても良い。この時、例えば、その段差部分は光学系の瞳を向くようにすれば、フレアを軽減できることが期待できる。なお、格子を形成する片側の回折素子要素（光学材料）による面を非球面とし、収差補正の自由度として活用することもできる。また、格子を形成する回折素子要素に、ＵＶカットのための色素を混入させ、光学系中に特別なフィルタ部材を配設せずに、フィルタ効果を持たせた画質改善を行うこともできる。
【００４６】
なお、本実施例に係るプロジェクタ光学系ＰＳを構成する各レンズに対して、屈折率分布型レンズ等をさらに用いることにより、さらに良好な光学性能を得ることができることは言うまでもない。また、上述の光源３０から出射した光線を集光するコンデンサレンズ４０を、フレネルレンズとすれば、このプロジェクタ光学系ＰＳが用いられるプロジェクタをさらに小型で且つ薄型とすることができる。
【００４７】
また、以上の説明においては、表示素子２０に反射型のＬＣＯＳを用い、光源３０から出射した白色光をプリズムＰで表示素子２０に照射し、反射した光線を投射するように構成した場合について説明したが、赤・青・緑の三色の光源とこの三色の光源に対応した表示素子とを設け、それぞれの表示素子から出射した光線をプリズムＰで合成した後、本実施例に係るプロジェクタ光学系ＰＳで投写するように構成することも可能である。さらには、反射または透過で用いる液晶素子のみでなく、自発光タイプの表示素子にも使用可能である。
【実施例】
【００４８】
以下に、本発明に係るプロジェクタ光学系ＰＳの２つの実施例を示すが、各実施例において、第１レンズ群Ｇ１に形成された回折光学面Ｄの位相差は、通常の屈折率と後述する非球面式（ａ）とを用いて行う超高屈折率法により計算した。超高屈折率法とは、非球面形状と回折光学面の格子ピッチとの間の一定の等価関係を利用するものであり、本実施例においては、回折光学面を超高屈折率法のデータとして、すなわち、後述する非球面式（ａ）およびその係数より示している。なお、本実施例では収差特性の算出対象として、ｄ線、ｇ線、Ｃ線、および、Ｆ線を選んでいる。本実施例において用いられたこれらｄ線、ｇ線、Ｃ線、および、Ｆ線の波長と、各スペクトル線に対して設定した超高屈折率法の計算に用いられるための屈折率の値を下の表１に示す
【００４９】
（表１）
波長              屈折率（超高屈折率法による）
ｄ線       587.562ｎｍ       10001
ｇ線       435.835ｎｍ        7418.6853
Ｃ線       656.273ｎｍ       11170.4255
Ｆ線       486.133ｎｍ        8274.7311
【００５０】
各実施例において、非球面は、光軸に垂直な方向の高さをｙとし、高さｙにおける各非球面の頂点の接平面から各非球面までの光軸に沿った距離（サグ量）をＳ（ｙ）とし、基準の曲率半径（頂点曲率半径）をｒとし、円錐係数をκとし、ｎ次の非球面係数をＣnとしたとき、以下の数式（ａ）で表わされる。
【００５１】
Ｓ（ｙ）＝（ｙ2／ｒ）／｛１＋（１−κ・ｙ2／ｒ2）1/2｝
＋Ｃ2・ｙ2＋Ｃ6・ｙ6＋Ｃ8・ｙ8＋Ｃ10・ｙ10＋・・・      （ａ）
【００５２】
なお、各実施例において、回折光学面が形成されたレンズ面には、表中の面番号の右側に＊印を付しており、非球面式（ａ）は、この回折光学面の性能の諸元を示している。
【００５３】
レンズデータ中の係数Ｃ2は、回折光学面の近軸パワーを示すものであり、色消しのためには、重要な量である。本実施例においては、｜１×１０-10｜  ＜Ｃ2  ＜  ｜１×１０-4｜の範囲とすることが好ましい。この範囲を超えると、良好な色消しが得られなくなる。また、波長広帯域にわたって、良好な回折効率を得るためには、ΔＮd／Δ（ＮF−ＮC）の値が所定の範囲であることが望ましく、本実施例においては、−１５  ＜  ΔＮd／Δ（ＮF−ＮC）  ＜  −２の範囲にあることが好ましい。この範囲を超えると、良好な回折効率が波長広帯域にわたって得られなくなる。
【００５４】
（第１実施例）
上述の説明で用いた図１は、本発明に係るプロジェクタ光学系ＰＳの第１実施例を示しており、投写側から照射した光線を表示素子１０に結像させた場合（すなわち、逆光線追跡の場合）を示している。そして、このように図１に示した第１実施例に係るプロジェクタ光学系ＰＳの諸元を表２に示す。この表１において、第１欄ｍは投写側からの各光学面の番号（右の＊は回折光学面として形成されているレンズ面）であって、図１に示した面番号１〜１３に対応している。また、第２欄ｒは各光学面の曲率半径（回折光学面の場合は、ベースとなる非球面の基準となる球面の曲率半径）、第３欄ｄは各光学面から次の光学面までの光軸上の距離、さらに第４欄ｎｄ、第５欄ｎｇ、第６欄ｎＣ、および、第７欄ｎＦはそれぞれｄ線、ｇ線、Ｃ線、および、Ｆ線に対する屈折率を示している。また、非球面データにおいて、０（ゼロ）となるｎ次の非球面係数Ｃnは省略している。さらに、表には前記条件式（１）〜（８）に対応する値、すなわち、条件対応値も示している。以上の表の説明は他の実施例においても同様である。
【００５５】
なお、以下の全ての諸元において掲載される曲率半径ｒ、面間隔ｄその他長さの単位は、特記の無い場合、一般に「ｍｍ」が使われるが、光学系は比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、単位は「ｍｍ」に限定されることはなく、他の適当な単位を用いることもできる。
【００５６】
（表２）
ｍ        ｒ          ｄ      ｎｄ          ｎｇ        ｎＣ      ｎＦ
1     0.00000    12.00000    1.000000
2    28.79601     2.81000    1.524700    1.536490    1.521960    1.531290
3     0.00000     0.20000    1.518900    1.538000    1.514400    1.528900
4*    0.00000     0.00000    10001        7418.6853  11170.4255  8274.7311
5     0.00000     0.20000    1.556900    1.570900    1.553600    1.564700
6     0.00000     3.13000    1.524700    1.536490    1.521960    1.531290
7   -28.78899     0.10000    1.000000
8    25.95000     2.50000    1.516800    1.526690    1.514320    1.522380
9     0.00000     4.53300    1.000000
10     0.00000    10.00000    1.516330    1.521910    1.526210    1.513860
11     0.00000     2.90960    1.000000
12     0.00000     0.70000    1.522160    1.533190    1.519460    1.528340
13     0.00000     0.70016    1.000000
非球面データ
第２面  κ＝-1.2440    Ｃ4＝4.75000×10-5    Ｃ6＝-1.24690×10-6
Ｃ8＝1.36500×10-8    Ｃ10＝-6.23160×10-11
第５面  κ＝ 1.0000    Ｃ2＝1.49600×10-7    Ｃ4＝-1.47720×10-9
Ｃ6＝4.37060×10-11    Ｃ8＝-5.33850×10-13    Ｃ10＝2.28480×10-15
第７面  κ＝-9.3788    Ｃ4＝-7.74480×10-6    Ｃ6＝-5.16060×10-7
Ｃ8＝5.51070×10-9    Ｃ10＝-2.62390×10-11
条件対応値
Ｋ＝12
Ｌ＝39.78276
Δνd＝14.38
ΔＮd＝0.038
Ｅg＝94.372
ＥC＝96.490
Ｅd＝99.706
Ｃ＝9
ｆ＝17.844
ｈ＝0.015
ｄ＝0.2
Δ＝0.0931
ｆＬ＝50.213
（１）Ｋ／Ｌ＝0.3016
（２）ΔＮd＝0.038
（３）Δνd／ΔＮd＝378.42
（４）（Ｅg＋ＥC）／２＝95.431
０．８５×Ｅd＝84.750
（５）Ｃ／ｆ＝0.5044
（６）ｈ／ｄ＝0.075
（７）Δ／ｆ＝0.0052
（８）ｆＬ／Ｌ＝1.2622
【００５７】
このように、第１実施例では上記条件式（１）〜（８）は全て満たされていることが分かる。図５にこの第１実施例の球面収差、非点収差、歪曲収差、コマ収差、および、倍率色収差、すなわち、無限遠合焦状態での諸収差図を示す。各収差図において、ＮＡは開口数を、Ｙは像高をそれぞれ示している。なお、球面収差図では最大口径に対するＮＡの値、非点収差図と歪曲収差図では像高の最大値をそれぞれ示し、コマ収差図では各像高の値を示す。また、非点収差図では実線はサジタル像面を示し、破線はメリディオナル像面を示している。以上の収差図の説明は、他の実施例においても同様である。この図５中の各収差図から明らかなように、第１実施例では、諸収差が良好に補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。
【００５８】
（第２実施例）
次に第２実施例として、上述の説明で用いた図２に示すプロジェクタ光学系ＰＳについて説明する。この図２においても、投写側から照射した光線を表示素子１０に結像させた逆光線追跡の場合を示している。この図２に示した第２実施例に係るプロジェクタ光学系ＰＳの諸元を表３に示す。なお、表３に示す面番号は図２に示した面番号１〜９と一致している。
【００５９】
（表３）
ｍ        ｒ          ｄ      ｎｄ          ｎｇ        ｎＣ      ｎＦ
1     0.00000     5.00000    1.000000
2     9.50000     2.00000    1.524700    1.536490    1.521960    1.531290
3    -9.50000     0.10000    1.527600    1.547700    1.523300    1.538500
4*   -9.50000     0.00000    10001        7418.6853  11170.4255  8274.7311
5    -9.50000     0.10000    1.556900    1.571100    1.553700    1.564800
6    -9.50000     1.00000    1.000000
7     0.00000     5.50000    1.516800    1.526690    1.514320    1.522380
8     0.00000     0.50000    1.491080    1.501900    1.488540    1.497070
9   -20.00000     2.87208    1.000000
非球面データ
第２面  κ＝-1.2440    Ｃ4＝1.32180×10-3    Ｃ6＝-3.18610×10-4
Ｃ8＝3.32800×10-8    Ｃ10＝-1.28000×10-6
第４面  κ＝-11.0000    Ｃ4＝-2.15510×10-4    Ｃ6＝-1.31870×10-4
Ｃ8＝1.29310×10-5    Ｃ10＝-5.65350×10-7
第５面  κ＝-11.0000    Ｃ2＝-4.46000×10-7    Ｃ4＝-2.15510×10-4
Ｃ6＝-1.31870×10-4    Ｃ8＝1.29310×10-5    Ｃ10＝-5.65350×10-7
第３面  κ＝-11.0000    Ｃ4＝-2.15510×10-4    Ｃ6＝-1.31870×10-4
Ｃ8＝1.29310×10-5    Ｃ10＝-5.65350×10-7
第６面  κ＝-11.0000    Ｃ4＝-2.15510×10-4    Ｃ6＝-1.31870×10-4
Ｃ8＝1.29310×10-5    Ｃ10＝-5.65350×10-7
条件対応値
Ｋ＝5
Ｌ＝17.072
Δνd＝15.46
ΔＮd＝0.0293
Ｅg＝98.221
ＥC＝98.233
Ｅd＝99.999
Ｃ＝5.49
ｆ＝8.134
ｈ＝0.02
ｄ＝0.1
Δ＝0.0289
ｆＬ＝40.727
（１）Ｋ／Ｌ＝0.2929
（２）ΔＮd＝0.0293
（３）Δνd／ΔＮd＝527.65
（４）（Ｅg＋ＥC）／２＝98.227
０．８５×Ｅd＝84.999
（５）Ｃ／ｆ＝0.6749
（６）ｈ／ｄ＝0.2
（７）Δ／ｆ＝0.0036
（８）ｆＬ／Ｌ＝2.3856
【００６０】
このように、第２実施例においても上記条件式（１）〜（８）は全て満たされていることが分かる。図６にこの第２実施例に係るプロジェクタ光学系ＰＳの無限遠合焦状態での球面収差、非点収差、歪曲収差、コマ収差、および、倍率色収差を示すが、各収差図から明らかなように、この第２実施例でも、収差が良好に補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。
【００６１】
以上説明したように、第１および第２実施例に係るプロジェクタ光学系ＰＳは、第１レンズ群Ｇ１に回折光学面Ｄを設けることにより、少ないレンズ枚数でも良好な結像性能を得ることができ、このプロジェクタ光学系ＰＳ全体を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】第１実施例に係るプロジェクタ光学系のレンズ構成を示す図である。
【図２】第２実施例に係るプロジェクタ光学系のレンズ構成を示す図である。
【図３】複層型回折光学素子を説明するための説明図であり、（ａ）は密着型を示し、（ｂ）は分離型を示す。
【図４】複層型回折光学素子を構成する２個の回折素子要素のガラスマップ上の分布を説明するための説明図である。
【図５】第１実施例に係るプロジェクタ光学系の諸収差図である。
【図６】第２実施例に係るプロジェクタ光学系の諸収差図である。
【符号の説明】
【００６３】
ＰＳ  プロジェクタ光学系      Ｓ  開口絞り
Ｇ１  第１レンズ群      ＧＬ  最終レンズ群      Ｄ  回折光学面
１０  表示素子      ５０ａ，５０ｂ  回折素子要素
【図１】
2008026440.tif 000003
【図２】
2008026440.tif 000004
【図３】
2008026440.tif 000005
【図４】
2008026440.tif 000006
【図５】
2008026440.tif 000007
【図６】
2008026440.tif 000008