JP2014010273A - 投写光学系及びこれを備えるプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】アスペクト比を切り替えて縦横比の調整された画像形成が可能なプロジェクターへの適用に際して、絞りにおいて光線を遮光することにより発生する熱の影響を抑制できる投写光学系及びこれを組み込んだプロジェクターを提供すること。
【解決手段】第２群４０が光変調素子である液晶パネル１８Ｇの調整方向と他方向とで異なるパワーを持つアナモフィック光学系であることで、幅と高さとの比であるアスペクト比の変換を可能としている。また、絞り７０が、拡大光学系である第１群３０とアナモフィック光学系である第２群４０との間に配置されている。これにより、絞り７０は、比較的容易に冷却でき、光線を遮光することによって発生する熱が絞り７０の近辺に配置された光学部材に伝わって影響を及ぼすことを抑制できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、投写像のアスペクト比を切り替えることができる投写光学系及びこれを備えるプロジェクターに関する。

プロジェクターの投写光学系に用いられるアスペクト比変換用のコンバーターとして、本来の投写光学系の前面位置すなわち像側正面に進退可能に配置されるフロント配置型のコンバーターが存在する。

しかしながら、この種のコンバーターは、プロジェクター本体から独立した外付けの光学部として設けられており、プロジェクターを大型化させるとともに、コンバーターを含めた全投写光学系の調整を複雑にし、或いは画像を著しく劣化させる。

なお、プロジェクターの投写光学系ではなく、カメラ等の撮像光学系に使用されるアスペクト比変換用のコンバーターやアナモフィック撮像システムとして、結像光学系の像側に着脱可能に配置されるリア配置型のリレー系が存在する（特許文献１，２参照）。例えば特許文献２のリレー系は、第１群と第２群と第３群とからなり、これらのうち中央の第２群は、アナモフィックコンバーターであり、第１群と第３群との間に挿脱可能になっている。

しかしながら、特許文献１等に開示された技術は、撮像光学系に関するものであり、これを投写光学系にそのまま用いると、種々の制約が生じる可能性がある。例えば、プロジェクターの投写光学系では、プロジェクターの光源から発せられた光を液晶パネル等の画像表示素子に均一に照射し、これを投写光学系で拡大投影するが、拡大投影する際に投写光学系内では一部の光が蹴られる（遮断される）。さらに、シネマ用のプロジェクターでは、投写光学系内に可動絞りを設置することで光束の広がりを制限し、高コントラストを実現するものもある。可動絞りを調整して光の量を大きく制限すると光エネルギーが変換されて発生する熱エネルギーが増加し、その熱エネルギーが特に可動絞りの近辺に配置されたレンズや鏡枠に伝わって、光学性能に大きな影響を及ぼす場合がある。この様な熱エネルギーの影響については、撮像系では必ずしも十分に考慮されていない。

特開２００５−３００９２８号公報 特表２００８−５１１０１８号公報

本発明は、アスペクト比を切り替えて縦横比の調整された画像形成が可能なプロジェクターへの適用に際して、絞りにおいて光線を遮光することにより発生する熱の影響を抑制できる投写光学系及びこれを組み込んだプロジェクターを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る投写光学系は、（ａ）光変調素子の画像を被投写面上に拡大投写する際に、光変調素子の画像の横縦比と、被投写面上に投写される画像の横縦比とを異なるものとする投写光学系であって、（ｂ）被投写面側から順に、拡大光学系である第１群と、光軸に対して回転非対称な面を持つとともに、圧縮又は伸張による変換調整を行う調整方向と他方向とで異なるパワーを持った少なくとも１つ以上の光学要素で構成される調整光学要素を含み、光変調素子の縦方向と横方向とのうち少なくとも一方向を調整方向として上記変換調整を行う第２群と、光軸に対して回転対称な面を持った補正光学要素からなる第３群とを備え、（ｃ）第１群と第２群との間に、光線を部分的に遮光する絞りが配置されている。

上記投写光学系において、第１群は、拡大投影を行う拡大光学系であり、第２群は、圧縮又は伸張によってアスペクト比の変換を行い、第３群は、光源側から広がって射出された光を狭める方向に角度補正する補正光学要素である。さらに、この投写光学系では、光線を遮光する絞りを、拡大光学系である第１群と、圧縮又は伸張による変換調整を行う調整光学要素を含む第２群との間に配置している。一般に、拡大光学系は円形のレンズ等で構成される一方、圧縮又は伸張による変換調整を行う調整光学要素は、例えばシリンドリカルレンズ等で構成され、矩形形状である。このため、第１群側と第２群側とでは、光学部材を組み付ける鏡枠の形状が別構造になるのが一般的である。また、鏡枠を一体とする場合でも、各群に対応する部分の間に空間を確保しやすい。従って、第１群と第２群との間に配置される絞りは、拡大光学系である第１群内に配置される絞りと比較すると、容易に冷却でき、遮光によって発生する熱が絞り近辺に配置された光学部材に伝わって影響を及ぼすことを抑制できる。

本発明の具体的な側面によれば、絞りが、遮光量を調整可能な可動絞りである。この場合、例えば遮光量を多くして高コントラストな画像を形成させたり、遮光量を少なくして明るい画像を形成させたりすることができる。

本発明の別の側面によれば、第１群が、ズーム光学系である。この場合、第１群において、投写倍率を変更することができる。さらに、絞りの位置が光路上ズーム光学系よりも前段側になるため、変倍を行っても、ズーム光学系において当該絞りによる周辺光のカットはなく、全ズーム位置で一定の明るさ（Ｆナンバー）を維持できる。これにより、望遠側でも明るい投写を実現することが可能になる。

本発明のさらに別の側面によれば、第１群が、絞りの近傍に異常低分散ガラス製のレンズを有する。この場合、色収差の補正を効率的に行うことができる。一般的に異常低分散ガラスは、絞りよりも光源側に配置されることが多い。その場合、絞りで蹴られた（遮断された）光線により異常低分散ガラスの温度が上昇する。特に異常低分散ガラスは温度上昇に対し、屈折率が大きく変動する特性を持つので、この温度上昇によりバックフォーカスが大きく変動する。本発明のように、絞りよりもスクリーン側に異常低分散ガラスを配置することで、温度による影響を最低限にとどめ、かつ色収差の補正を効率よく行うことが可能になる。

本発明のさらに別の側面によれば、第２群が、光路上に進退可能である。この場合、第２群を光路上に配置して横縦比又はアスペクト比を変換して投写する第１動作状態と、第２群を光路上に配置せず横縦比又はアスペクト比を変換しないで投写する第２動作状態とに切り替え可能になる。また、第２群を進退可能とすることで、絞りを配置した第１群と第２群との間の領域の冷却がさらに行いやすくなる。

本発明のさらに別の側面によれば、投写光学系が、絞りの周辺に配置され絞り及び絞りの近傍を冷却する冷却装置をさらに備える。この場合、絞りでの遮光によって発生する熱を、冷却装置を用いて積極的に除去できる。さらに、温度差により空気内で屈折率勾配が発生するシュリーレン現象を防止することができ、良好な映像を維持することが可能になる。

本発明のさらに別の側面によれば、絞りが、第１群と第２群との間であって、光変調素子からの各光線の主光線と周辺光線を略平行とする位置に配置されている。この場合、絞りにおいて高精度な遮光が可能になる。

発明に係るプロジェクターは、上述した投写光学系と、光変調素子とを備える。本プロジェクターによれば、投写光学系で発生する熱の影響を抑制できるので、光学性能を維持でき、投影に際して良好な画質を確保できる。

第１実施形態に係るプロジェクターの使用状態を説明する図である。 図１のプロジェクターの概略構成を示す図である。 図１のプロジェクターのうち投写光学系の構造を説明する図である。 （Ａ）は、投写光学系の横断面の構成を示し、（Ｂ）は、投写光学系の縦断面の構成を示す。 （Ａ）は、投写光学系の第１動作状態を示し、（Ｂ）は、投写光学系の第２動作状態を示す。 絞りと冷却装置を含めた絞りの周辺について説明するための一部拡大図である。 （Ａ）は、相対的に開いた状態の絞り及びその周辺の様子を示す正面図であり、（Ｂ）は、相対的に閉じた状態の絞り及びその周辺の様子を示す正面図である。 第１実施形態の実施例１の光学系の横断面の構成について説明する図である。 第１実施形態の実施例１の光学系の縦断面の構成について説明する図である。 （Ａ）は、第２実施形態に係るプロジェクターの投写光学系の横断面の構成を示し、（Ｂ）は、投写光学系の縦断面の構成を示す。

以下に図面を参照して、本発明の実施形態に係るプロジェクター及び投写光学系を詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係るプロジェクター２は、画像信号に応じて画像光ＰＬを形成し、当該画像光ＰＬをスクリーンＳＣ等の被投写面へ向けて投写する。プロジェクター２の投写光学系２０は、プロジェクター２内に内蔵された光変調素子である液晶パネル１８Ｇ（１８Ｒ，１８Ｂ）の画像をスクリーン（被投写面）ＳＣ上に拡大投写する際に、液晶パネル１８Ｇ（１８Ｒ，１８Ｂ）の画像の横縦比又はアスペクト比ＡＲ０に対して、スクリーンＳＣ上に投写される画像の横縦比又はアスペクト比ＡＲ２を異なるものとすることができる。つまり、液晶パネル１８Ｇの表示領域Ａ０の横縦比ＡＲ０と、スクリーンＳＣの表示領域Ａ２の横縦比ＡＲ２とは、異なるものとすることができるが、同一のものとすることもできる。具体的には、液晶パネル１８Ｇの表示領域Ａ０の横縦比ＡＲ０は、例えば１．７８：１であり、スクリーンＳＣの表示領域Ａ２の横縦比ＡＲ２は、例えば１．７８：１、１．８５：１、２．３５：１、２．４：１等とされる。

図２に示すように、プロジェクター２は、画像光を投写する光学系部分５０と、光学系部分５０の動作を制御する回路装置８０とを備える。

光学系部分５０において、光源１０は、例えば超高圧水銀ランプであって、Ｒ光，Ｇ光，及びＢ光を含む光を射出する。ここで、光源１０は、超高圧水銀ランプ以外の放電光源であってもよいし、ＬＥＤやレーザーのような固体光源であってもよい。第１インテグレーターレンズ１１及び第２インテグレーターレンズ１２は、アレイ状に配列された複数のレンズ素子を有する。第１インテグレーターレンズ１１は、光源１０からの光束を複数に分割する。第１インテグレーターレンズ１１の各レンズ素子は、光源１０からの光束を第２インテグレーターレンズ１２のレンズ素子近傍にて集光させる。第２インテグレーターレンズ１２のレンズ素子は、重畳レンズ１４と協働して、第１インテグレーターレンズ１１のレンズ素子の像を液晶パネル１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂに形成する。このような構成により、光源１０からの光が液晶パネル１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂの表示領域（図１の表示領域Ａ０）全体を略均一な明るさで照明する。

偏光変換素子１３は、第２インテグレーターレンズ１２からの光を所定の直線偏光に変換させる。重畳レンズ１４は、第１インテグレーターレンズ１１の各レンズ素子の像を、第２インテグレーターレンズ１２を介して液晶パネル１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂの表示領域上で重畳させる。

第１ダイクロイックミラー１５は、重畳レンズ１４から入射したＲ光を反射させ、Ｇ光及びＢ光を透過させる。第１ダイクロイックミラー１５で反射されたＲ光は、反射ミラー１６及びフィールドレンズ１７Ｒを経て、光変調素子である液晶パネル１８Ｒへ入射する。液晶パネル１８Ｒは、Ｒ光を画像信号に応じて変調することにより、Ｒ色の画像を形成する。

第２ダイクロイックミラー２１は、第１ダイクロイックミラー１５からのＧ光を反射させ、Ｂ光を透過させる。第２ダイクロイックミラー２１で反射されたＧ光は、フィールドレンズ１７Ｇを経て、光変調素子である液晶パネル１８Ｇへ入射する。液晶パネル１８Ｇは、Ｇ光を画像信号に応じて変調することにより、Ｇ色の画像を形成する。第２ダイクロイックミラー２１を透過したＢ光は、リレーレンズ２２，２４、反射ミラー２３，２５、及びフィールドレンズ１７Ｂを経て、光変調素子である液晶パネル１８Ｂへ入射する。液晶パネル１８Ｂは、Ｂ光を画像信号に応じて変調することにより、Ｂ色の画像を形成する。

クロスダイクロイックプリズム１９は、光合成用のプリズムであり、各液晶パネル１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂで変調された光を合成して画像光とし、投写光学系２０へ進行させる。

投写光学系２０は、各液晶パネル１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂによって変調されクロスダイクロイックプリズム１９で合成された画像光ＰＬを図１のスクリーンＳＣ上に拡大投写する。この際、投写光学系２０は、スクリーンＳＣ上に投写される画像の横縦比ＡＲ２を、液晶パネル１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂの画像の横縦比ＡＲ０と異なるものとしたり、この横縦比ＡＲ０と等しいものとすることができる。

回路装置８０は、ビデオ信号等の外部画像信号が入力される画像処理部８１と、画像処理部８１の出力に基づいて光学系部分５０に設けた液晶パネル１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂを駆動する表示駆動部８２と、投写光学系２０に設けた駆動機構（不図示）を動作させて投写光学系２０の状態を調整するレンズ駆動部８３と、これらの回路部分８１，８２，８３等の動作を統括的に制御する主制御部８８とを備える。

画像処理部８１は、入力された外部画像信号を各色の諧調等を含む画像信号に変換する。画像処理部８１は、投写光学系２０が画像の横縦比又はアスペクト比（縦横比）を変換して投写する第１動作状態である場合、投写光学系２０による横縦比の変換を逆にした画像のアスペクト比変換を予め行ってスクリーンＳＣ上に表示される画像が縦横に伸縮しないようにする。具体的には、投写光学系２０によって例えば１．７８：１から例えば２．４：１となるように横方向に画像の伸張が行われる場合、予め、横方向に０．７４２＝１．７８／２．４倍の画像の圧縮が行われ、或いは、縦方向に１．３５＝２．４／１．７８倍の画像の伸張が行われる。一方、投写光学系２０が画像の横縦比又はアスペクト比を変換しないで投写する第２動作状態である場合、画像処理部８１は、上記のような画像のアスペクト比変換を行わない。なお、画像処理部８１は、外部画像信号に対して歪補正や色補正等の各種画像処理を行うこともできる。また、入力された外部画像信号が予め圧縮・あるいは伸長されたデータの場合、第１動作状態であっても、画像処理を行わないようにすることもできる。

表示駆動部８２は、画像処理部８１から出力された画像信号に基づいて液晶パネル１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂを動作させることができ、当該画像信号に対応した画像又はこれに画像処理を施したものに対応する画像を液晶パネル１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂに形成させることができる。

レンズ駆動部８３は、主制御部８８の制御下で動作し、例えば投写光学系２０を構成する一部の光学要素を光軸ＯＡに沿って適宜移動させることにより、投写光学系２０による図１のスクリーンＳＣ上への画像の投写倍率を変化させることができる。また、レンズ駆動部８３は、投写光学系２０を構成する別の一部の光学要素を光軸ＯＡ上すなわち光路上に進退させることにより、図１のスクリーンＳＣ上に投写される画像の横縦比ＡＲ２を変化させることができる。レンズ駆動部８３は、投写光学系２０全体を光軸ＯＡに垂直な上下方向に移動させるアオリの調整により、図１のスクリーンＳＣ上に投写される画像の縦位置を、歪みを抑制しつつ変化させることができる。また、レンズ駆動部８３は、投写光学系２０を構成する絞りのうち、ＸＹ面に平行な面内で伸縮する可動絞りである絞り７０（図３参照）を動作させて遮光量を調整し、例えば高コントラストな画像形成を可能にしている。

以下、図３を参照して、実施形態の投写光学系２０について説明する。投写光学系２０は、レンズ等の複数の光学要素を組み合わせてなる本体部分２０ａと、本体部分２０ａの一部又は全体を移動させることでその結像状態を調整する駆動機構６１，６２，６３，６４とを備える。

本体部分２０ａは、スクリーンＳＣ側から順に、第１群３０と、第２群４０と、絞り７０と、第３群６０とからなる。ここで、絞り７０は、第１群３０と第２群４０との間に配置され第１群３０とともに固定された状態となっている。また、投写光学系２０は、絞り７０を冷却する冷却装置９０を備える。

第１群３０は、第１レンズ部３１と、第２レンズ部３２とを有する。たとえば、第１レンズ部３１を構成する少なくとも１枚のレンズを光軸ＯＡに沿って手動等により微動させることにより、本体部分２０ａのフォーカス状態を調整することができる。また、第２レンズ部３２を構成する少なくとも１枚のレンズを、図３の駆動機構６１により光軸ＯＡに沿って移動させて、本体部分２０ａによる投写倍率を変更することができる。つまり、第１群３０は、拡大光学系であり、ズーム光学系である。

第２群４０は、横方向（Ｘ方向）と縦方向（Ｙ方向）で異なる焦点距離を持つ調整光学要素であり、結果的に第１群３０も含めた投写光学系２０の全系としても、縦方向と横方向とで異なる焦点距離を持つことになる。すなわち、本体部分２０ａによる投射に際して縦方向の拡大倍率と横方向の拡大倍率とが互いに異なるものとなり、液晶パネル１８Ｇ（１８Ｒ，１８Ｂ）に表示された画像の横縦比ＡＲ０とは異なる横縦比ＡＲ２の画像をスクリーンＳＣ上に投写することができる。第２群４０は、光軸ＯＡに対して回転非対称な面を持つ１つ以上の調整用の光学要素を含み、具体的には、図４（Ｂ）に示す縦方向（Ｙ方向）の断面に関して、スクリーンＳＣ側から順に、正のパワーを持つ第１の光学要素群４１と、負のパワーを持つ第２の光学要素群４２とで構成されている。なお、第１の光学要素群４１と第２の光学要素群４２とは、図４（Ａ）に示す横方向（Ｘ方向）の断面に関して、パワーを有していない。

このように、アナモフィック光学系である第２群４０を、縦断面に関して、正の屈折力を持つ第１の光学要素群４１と負の屈折力を持つ第２の光学要素群４２との組合せとすることにより、第２群をアフォーカル系のように機能させることができ、簡易に変倍すなわちズーミングを行なうことができる。

第２群４０を図３に示す進退駆動機構である第１アナモフィック駆動機構６２により一体として光路上に進退させることにより、スクリーンＳＣ上に投写される画像の横縦比又はアスペクト比を所望のタイミングで切り替えることができる。具体的には、図５（Ａ）に示すように、第２群４０を光路上に配置した第１動作状態とすることにより、液晶パネル１８Ｇ（１８Ｒ，１８Ｂ）に形成される画像を縦方向に圧縮した横縦比（例えば２．４：１）でスクリーンＳＣ上に画像を投写することができる。あるいは、図５（Ｂ）に示すように、第２群４０を光路上から退避させた第２動作状態とすることにより、液晶パネル１８Ｇ（１８Ｒ，１８Ｂ）に形成される画像のままの横縦比（例えば１．７８：１）でスクリーンＳＣ上に画像を投写することができる。第２群４０によってスクリーンＳＣ上に投写される画像を縦方向に圧縮する構成は、横寸法が固定されたスクリーンＳＣを使用する際に有効である。つまり、このようなスクリーンＳＣに対して投写光学系２０による投写距離等を変えずに横縦比だけの変更が可能になる。なお、第２群４０を構成する第１の光学要素群４１と第２の光学要素群４２とを第２アナモフィック駆動機構６３により光軸ＯＡ方向に移動させることもできる。これらの間隔を調整することにより、スクリーンＳＣ上に投写される画像の横縦比又はアスペクト比（縦横比）を連続的に増減させることができる。

図５（Ｂ）に示すように投写光学系２０を第２動作状態とした場合、すなわち第２群４０を光路上から退避させている場合、投写光学系２０は第１群３０と第３群６０とが協働して回転対称な光学要素のみで構成されることになるので、液晶パネル１８Ｇ（１８Ｒ，１８Ｂ）の表示領域Ａ０の横縦比又はアスペクト比とスクリーンＳＣの表示領域Ａ２の横縦比又はアスペクト比とは一致することになる。ここで、第１群３０は、一般的な投写光学系と同じ拡大光学系及び変倍光学系の機能を受け持ち、第１群３０のみで液晶パネル１８Ｇの像をスクリーンＳＣ上で結像させることができる。さらに、第２群４０を退避させた際には透過率が向上し、画像を明るくできる。第３群６０は、詳しくは後述するが、複数のレンズを有し、光学系全体の収差を抑える補正光学要素として機能する。

また、図３に示すように、投写光学系２０では、全系駆動機構６４によって本体部分２０ａ全体を光軸ＯＡに垂直な方向に移動させてシフト量を調整することにより、スクリーンＳＣ上に投写される画像の光軸ＯＡからのズレ量を少ない画像歪みで増減させることができる。つまり、本体部分２０ａの光軸ＯＡを液晶パネル１８Ｇの中心軸ＡＸに平行な状態を保ちつつ、本体部分２０ａの光軸ＯＡを液晶パネル１８Ｇの中心軸ＡＸに対して適当なシフト量ＳＦだけ移動させることで、光軸ＯＡから例えば上方向（＋Ｙ方向）に外れた位置に画像を投写することができ、シフト量ＳＦの調整によって画像の投写位置を縦方向に関して変化させることができる。なお、本体部分２０ａの光軸ＯＡの液晶パネル１８Ｇの中心軸ＡＸを基準するズレ量であるシフト量ＳＦは、必ずしも可変とする必要はなく、例えばゼロでない値で固定することもできる。駆動機構６１、進退駆動機構である第１アナモフィック駆動機構６２、第２アナモフィック駆動機構６３、及び全系駆動機構６４は、モーター、機械的な伝達機構、センサー等を有しており、図２のレンズ駆動部８３からの駆動信号に応じて動作する。これらの駆動機構６１，６２，６３，６４は、レンズ駆動部８３からの駆動信号によって単独で動作するだけでなく、複合的に動作する。

図４（Ａ）及び４（Ｂ）に戻って、第３群６０は、横方向及び縦方向にパワーを持つ回転対称な光学要素回転対称レンズを１枚以上含む。第３群６０は、正のパワーを有するため光変調素子から射出した光の広がりを抑えることができる。そのため、第２群４０へ入射する光の角度を抑えることができ、第２群４０で発生する収差を抑えることができる。結果的に、第３群６０は、投写光学系２０全体の収差を抑える役割があり、補正光学要素として複数のレンズを有し、それらのレンズ中に正のパワーのレンズを有するものとし、必要であれば、非球面のものを含めるものとする。なお、第３群６０において光変調素子から射出した光の広がりが抑えられる結果、図４において一例として模式的に示す光線ＬＬ１のように、第３群６０からの各像高の光線を主光線に対して略平行化したものとなっている。

絞り７０は、第１群３０と第２群４０との間に配置され、例えば第１群３０のうち第２レンズ部３２に近接して配置されている。絞り７０は、光束を部分的に遮光する、すなわち第２群４０を経て第１群３０に向かう光束の一部を遮断することで、液晶パネル１８Ｇ（１８Ｒ，１８Ｂ）から射出される光束すなわち画像光の周辺光線の射出角度や方向を調整することができる。つまり、絞り７０は、液晶パネル１８Ｇ（１８Ｒ，１８Ｂ）の画面の各位置におけるＦナンバーを調整する。また、絞り７０は、可動絞りであり、レンズ駆動部８３からの駆動信号に従って動作する駆動機構６１によって伸縮する。絞り７０は、光軸ＯＡを中心軸とする輪帯状であって、ＸＹ面に平行な面内で伸縮する可動絞りであることで、絞り量すなわち遮光量を調整可能にする調光部材である。具体的には、第２群４０から第１群３０に向かう光線のうち、光軸ＯＡから離れた周辺側の位置を通過する成分のカット量を増減させて調光を行い、例えば絞り７０を伸ばした状態（閉じた状態）にすることで、コントラスト性を落とす傾向にある光軸ＯＡから離れた周辺側の成分を絞り７０において遮光し、Ｆナンバーを大きく（暗く）することで、高コントラストな画像を形成できる。また、遮光量を少なくして明るい画像を形成させることも可能である。

ここで、一般的な従来の投写光学系では、拡大光学系を組み付ける鏡枠内という密閉された空間に絞りを配置することが多く、当該絞りやその周辺は、冷却しにくい。従って、このような従来型の絞りを、仮に、高コントラスト化のために可変絞りとし、コントラストの効果を高めるために像高位置の光線が全域に亘って通過する位置（瞳位置）又はその近辺の位置に配置してしまうと、特に温度が上昇しやすいものとなり、絞り周辺のレンズ等の光学性能に大きな影響を及ぼすことになると考えられる。

これに対して、本実施形態では、高コントラスト化のために可変絞りである絞り７０の配置を、拡大光学系である第１群３０とアナモフィック光学系を含む第２群４０との間としている。この場合、絞り７０は、遮光による温度上昇が生じても、冷却しやすい位置に配置されることになる。例えば、本実施形態では、既述のように、第１動作状態と第２動作状態とに切り替え可能とする、すなわち第２群４０が第１群３０に対して進退可能な構成としている。このため、第１群３０と第２群４０との間にはもともと隙間が形成されやすい構造となり、この位置にある絞り７０は、比較的放熱しやすいことになる。さらに、ここでは、絞り７０の近辺に冷却装置９０を設けることで、効率的に絞り７０とその周辺についての冷却を効率的に行うことができ、熱によって絞り７０周辺の光学部材が温度上昇することを抑制できるものとしている。

絞り７０は、例えば像高位置の光線が全域に亘って通過する位置（瞳位置）又はその近辺の位置に配置することで、コントラストによる効果が高いものにできるが、反面として、絞り７０において、遮光に伴って多くの熱が発生し、温度が上昇し、鏡枠や空気中を伝わって、絞り７０の近辺に配置された第１群３０等を構成するレンズの温度を上昇させてしまう可能性も高くなる。仮に、これらのレンズの温度が大きく上昇してしまうとすると、レンズの曲率半径、レンズ厚み（間隔）、レンズの屈折率が変化し、投写光学系２０の光学性能に大きな影響を及ぼすことになる。また、これらのレンズは遮光性を高めるため鏡枠内の密閉された空間に配置されることが多いことから、さらなる温度上昇を招くことになる。しかも、この温度上昇は、絞り７０の近辺で生じる局所的なものであるため、投写光学系２０の全域に亘り不均一な温度分布になり、温度上昇の状況の予測が難しい。それらの温度分布幅が極端に大きくなった場合、空気内にも屈折率勾配が発生し、シュリーレン現象が発生する。すなわち、空気に揺らぎが発生し、映像光を屈折させることで映像に悪影響を及ぼす。また、瞳位置又はその近傍に位置する絞り７０の近くにあるレンズには、色収差を補正するために、屈折率温度係数がマイナスの異常低分散ガラス製のレンズ等を配置することが多く、鏡枠の温度上昇によるバックフォーカス移動量と同じ方向に移動しやすくなり、ガラス温度上昇によるバックフォーカス移動量を調整して、鏡枠の温度上昇による移動量による影響をキャンセルさせることが難しい。以上のような背景から、絞り７０による温度上昇の影響をできるだけ排除することが望ましい。本実施形態では、上記のように、絞り７０が比較的放熱しやすい位置に配置され、さらに、冷却装置９０を設けていることで、絞り７０周辺の光学部材が温度上昇することを抑制し、以上のようなレンズの性能低下を回避して、投写光学系２０の光学性能を維持できるようにしている。また、局所的な温度勾配が発生しないようにもできるので、シュリーレン現象を防止することも可能になる。

また、以上のように絞り７０をアナモフィック光学系である第２群４０を通して拡大光学系である第１群３０へ入射させる位置の近辺に配置できるのは、補正光学要素からなる第３群６０を備えることで、液晶パネル１８Ｇ（１８Ｒ，１８Ｂ）側から射出された光線を、第３群６０において狭める方向に角度を補正しているからである。

図６は、絞り７０とその周辺についての一部拡大図であり、図７（Ａ）及び７（Ｂ）は、像面側すなわち液晶パネル１８Ｇ側から見た正面図である。また、図６に示すように、ここでは、絞り７０に近接して冷却装置９０が設けられている。なお、冷却装置９０は、絞り７０に向けて送風を行う送風装置９１と、絞り７０に接触して放熱する冷却フィン９２とで構成されている。

ここで、図６に示すように、絞り７０は、第１群３０のうち最も第２群４０側（−Ｚ側）に配置される第２レンズ部３２の一部であるレンズ群３２ｘと、第２群４０のうち最も第１群３０側（＋Ｚ側）に配置される第１の光学要素群４１のレンズ群４１ｘとの間に配置されている。また、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、絞り７０は、複数枚の絞り羽根７０ａ（図示では８枚）を組み合わせて構成され、光軸ＯＡについて回転対称な円形状の外形を有している。図示のように、絞り７０において複数の絞り羽根７０ａが開閉動作することで、絞り７０は、開口ＯＰの大きさを変化させる可動絞りとして機能する。上述したように、第１群３０は、ズーム光学系であり、光軸ＯＡについて回転対称な円形状のレンズ群で構成されている（図７（Ａ）に示すレンズ群３２ｘを参照。）。従って、レンズ群３２ｘ等の第１群３０の光学系を支持する第１鏡枠部ＬＢ１は、光軸ＯＡを中心軸とする円筒状となっている。一方、第２群４０は、アナモフィック光学系であり、矩形のシリンドリカルレンズで構成されている（図７（Ａ）に示すレンズ群４１ｘを参照。）。従って、レンズ群４１ｘ等の第２群４０の光学系を支持する第２鏡枠部ＬＢ２は、矩形の支持部を有する構造とすれば、簡易なものにできる。以上から、第２鏡枠部ＬＢ２と第１鏡枠部ＬＢ１とを同じ形状とせず、別構造としている。さらに、第２群４０は、第１群３０に対して進退可能としている。このため、第１群３０と第２群４０との間は、メカ的な分離をせざるを得ない箇所となっている。以上から、第１群３０と第２群４０との間すなわち絞り７０の近辺は、比較的排熱、冷却がしやすく、例えば第１群３０の一部であるレンズ群３２ｘを異常低分散ガラス製のレンズで構成しても、第１群３０の光路前段側で絞り７０で発生した熱を逃がすことができ、温度の影響を少なくすることが可能になる。なお、図７（Ａ）及び７（Ｂ）に示す絞り７０の構成は、一例であり、その他種々の態様の可変絞りが適用可能である。

以下、冷却装置９０の構成の詳細について説明し、冷却装置９０による絞り７０及びその周辺の光学部材の冷却方法の一例について説明する。

送風装置９１は、絞り７０に向けて送風を行う一対の送風ファン９１ａ，９１ｂと、送風ファン９１ａ，９１ｂを駆動するファン駆動装置９１ｃとを有する。一対の送風ファン９１ａ，９１ｂは、光路外の位置であって、かつ、第２群４０の進退動作に影響しない位置に配置され、例えば光軸ＯＡに対して上下方向或いは左右方向に対称に設けられている。送風ファン９１ａ，９１ｂは、ファン駆動装置９１ｃによって適宜送風量を調整されて絞り７０に向けて送風を行い、絞り７０及びその近辺の部材を適度に冷却する。なお、ファン駆動装置９１ｃは、モーター、機械的な伝達機構、センサー等を有しており、図２のレンズ駆動部８３からの駆動信号に応じて動作する。また、ここでは、送風装置９１は、一対の送風ファン９１ａ，９１ｂとしているが、単独のファンで構成されるものとしてもよく、また、２つ以上のファンで構成されるものとしてもよい。また、ファンを必ずしも近接させる必要はなく、例えばダクト等を設けて遠隔的に送風することも可能である。

冷却フィン９２は、絞り７０を周囲から囲って固定する輪帯状の部材であり、例えばアルミ等の熱伝導性が比較的高い材料で構成され、絞り７０と外縁側において接触しており、絞り７０での遮光によって発生した熱を伝導させて放熱する。なお、冷却フィン９２は、釘ＮＬ等で第１鏡枠部ＬＢ１に打ち付けて組み付けられて固定されている。これにより、絞り７０の第１群３０に対する光軸方向についての相対的な位置も固定的に確定されている。

以上のように、本実施形態では、絞り７０が元々冷却されやすい位置に配置されているだけでなく、さらに冷却装置９０を備えることによって積極的に絞り７０を冷却することで、絞り７０及びその周辺での熱の発生をより効率的に抑制することが可能なものとなっている。

また、絞り７０は、光路上ズーム光学系である第１群３０よりも前段側に位置している。この場合、絞り７０による光軸ＯＡから離れ位置を通過する周辺側の成分が既にカットされた状態の光線が１群３０に向かうことになる。このため、第１群３０でのズーミングの動作において絞り７０での遮光がズーム光学系の明るさの決定に際して影響するという事態が生じない。従って、ズーム光学系である第１群３０において全ズーム位置で一定の明るさが略維持され、例えば望遠側でも明るい投写を実現することが可能になる

また、上記実施形態の投写光学系２０の場合、調整光学要素である第２群４０を構成する光学要素群４１，４２の片面又は両面をシリンドリカルレンズ面とすることで、上記圧縮変換が可能となる。これらのシリンドリカルレンズは、一方向のみに曲率を有する形状であることから、加工が容易で高精度が期待でき、コストダウンが可能である。また、平面断面側の偏芯感度が低く、組立性が向上し、結果的に、高性能化が期待できる。つまり、第２群４０をシリンドリカルレンズで構成することで、投写光学系２０の精度を確保しつつコストダウンが可能になる。

なお、第２群４０を構成する光学要素群４１，４２の片面又は両面は、シリンドリカルレンズ面に限らず、アナモフィックレンズ（例えばトーリック又はトロイダルレンズ）とすることも可能である。

以上において、第２群４０を構成するシリンドリカル型又はアナモフィックレンズ型の光学要素群４１，４２の片面又は両面は、横のＸ断面又は縦のＹ断面に関して非球面式、具体的には、以下の多項式ｈで表される形状を持つものとできる。

ここで、ｙは光軸ＯＡからの像の高さ（像高）、ｃは基準とする球面の曲率、ｋは円錐定数、Ａ２、Ａ４、Ａ６、Ａ８、Ａ１０、・・・のそれぞれは所定の補正項とする。

さらに、第２群４０を構成する光学要素群４１，４２の片面又は両面は、自由曲面とすることができる。アナモフィックレンズを用いることにより、Ｙ方向及びＸ方向の両断面で曲率をコントロールできるので、非点収差の低減が可能で、高性能化が可能になる。また、非球面とすることにより、各種収差の低減が可能で、高性能化が可能になる。さらに、自由曲面とすることにより、スクリーンＳＣ上又は液晶パネル１８Ｇ（１８Ｒ，１８Ｂ）上のイメージサークル面において、液晶パネル１８Ｇ（１８Ｒ，１８Ｂ）の縦横方向以外の中間の斜め方向の結像状態の最適化も容易になり、高性能化が可能になる。

第２群４０については、２枚の光学要素群４１，４２に限らず３枚以上の光学要素群で構成することができる。この際、第２群４０によって色収差が発生しないことが望ましい。このため、以下の関係
Σ（φｉ×νｉ）≒０
ここで、
φｉ：第２群４０を構成する各レンズの屈折率
νｉ：第２群４０を構成する各レンズのアッベ数
が成り立つことが望ましい。

以上のように本実施形態の投写光学系２０によれば、第２群４０が光変調素子である液晶パネル１８Ｇの調整方向と他方向とで異なるパワーを持つアナモフィック光学系であることで、幅と高さとの比であるアスペクト比の変換を可能としている。また、絞り７０が、拡大光学系である第１群３０とアナモフィック光学系である第２群４０との間に配置されている。これにより、絞り７０は、比較的容易に冷却でき、光線を遮光することによって発生する熱が絞り７０の近辺に配置された光学部材に伝わって影響を及ぼすことを抑制できる。

〔実施例１〕
図８及び図９は、第１実施形態の投写光学系２０の具体的な実施例１を説明する図であり、第１動作状態での投写光学系２０を示すものである。図８は、横断面の状態を示し、図９は、縦断面の状態を示している。

投写光学系２０は、レンズＬ１〜Ｌ２４、絞り７０からなる。このうちレンズＬ１〜Ｌ２４に関しては、レンズＬ１〜Ｌ１６によって第１群３０が構成され、レンズＬ１７〜Ｌ２１によって第２群４０が構成され、レンズＬ２２〜Ｌ２４によって第３群６０が構成されている。絞り７０は、第１群３０のレンズＬ１６と第２群４０のレンズＬ１７との間に配置されている。第１群３０に含まれるレンズＬ１〜Ｌ１６は、光軸ＯＡのまわりに回転対称な球面のレンズである。第１群３０のうち、レンズＬ１〜Ｌ７は、第１レンズ部３１を構成し、レンズＬ８〜Ｌ１６は、第２レンズ部３２を構成している。第２群４０のうち、接合レンズＬ１７，Ｌ１８は、縦のＹ方向に関して正のパワーを有するレンズとなっており、横のＸ方向に関してパワーを有しないシリンドリカルレンズとなっている。つまり、接合レンズＬ１７，Ｌ１８は、第１の光学要素群４１を構成している。また、単独のレンズＬ１９〜Ｌ２１は、全体として縦のＹ方向に関して負のパワーを有するレンズとなっており、いずれも横のＸ方向に関してパワーを有しないシリンドリカルレンズとなっている。つまり、レンズＬ１９〜Ｌ２１は、第２の光学要素群４２を構成している。第３群６０に含まれるレンズＬ２２，Ｌ２３は、負のメニスカスレンズであり、レンズＬ２４は、正のメニスカスレンズである。なお、第１群３０のレンズＬ１，Ｌ７と、第２群のレンズＬ２１と、第３群６０のレンズＬ２３とは、非球面レンズである。特に、レンズＬ２１は、アナモフィック非球面レンズである。非球面式について具体的には、上述した多項式ｈで表される形状が同様に適用される。すなわち、

に適宜数値を入れることで、形状が特定される。図示のように、第３群６０において、収差の補正がなされる結果、第３群６０は、各光線の主光線と周辺光線とを略平行な状態にして射出させるものとなっており、この状態は、絞り７０付近においても保たれている。

また、絞り７０は、図示の場合のように、全ての像高位置の光線が絞り７０の全域に亘って通過する位置にある可動絞りとすることで、画面全域の光量を均一に低下させることが可能である。すなわち、一つの光束の周辺光をカットすることができるので、光学性能を向上させることができるとともに、パネルからの不要光もカットできるので、コントラスト向上にもつながる。なお、絞り７０以外にも例えば絞りＤＰ１，ＤＰ２等が存在するが、これらはいずれも開閉動作しない固定絞りであり、ゴースト光、フレアの発生等を抑制するために適宜設けられるものである。

以下の表１及び表２に、実施例１のレンズデータ等を示す。表１は、第１動作状態での投写光学系２０に関するものである。表１の上欄において、「面番号」は、像面側から順に各レンズの面又は絞りに付した番号である。また、「Ｒ１」、「Ｒ２」は、Ｙ及びＸ曲率半径を示し、「Ｄ」は、次の面との間のレンズ厚み或いは空気空間を表している。さらに、「Ｎｄ」は、レンズ材料のｄ線における屈折率を示し、「νｄ」は、レンズ材料のｄ線におけるアッベ数を示し、また、「Ｑ１」、「Ｑ２」は、Ｙ及びＸ有効径を示す。なお、表１の下欄には、実施例１の投写光学系２０を構成するレンズのうち、上述した非球面式又は多項式で表される非球面であるレンズＬ１，Ｌ７，Ｌ２３について、非球面形状が示されている。

また、アナモフィック非球面レンズであるレンズＬ２１の非球面データは、以下の表２に示す通りである。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る投写光学系等について説明する。なお、本実施形態は、第１実施形態の投写光学系等の変形例であり、特に説明しない部分又は事項は、第１実施形態の場合と同様である。

図１０（Ａ）及び１０（Ｂ）は、図４（Ａ）及び４（Ｂ）に示す投写光学系２０の変形例である投写光学系１２０を説明する図である。第２群１４０は、縦方向（Ｙ方向）と横方向（Ｘ方向）で異なる焦点距離を持っており、結果的に第１群３０も含めた投写光学系１２０の全系としても、縦方向と横方向とで異なる焦点距離を持つことになる。この場合、第２群１４０は、横方向（Ｘ方向）の断面に関して、スクリーンＳＣ側から順に、負のパワーを持つ第１の光学要素群１４１と、正のパワーを持つ第２の光学要素群１４２とで構成されている。なお、第１の光学要素群１４１と第２の光学要素群１４２とは、図１０（Ｂ）に示す縦方向（Ｙ方向）の断面に関して、パワーを有していない。図１０（Ａ）及び１０（Ｂ）に示すように、第２群４０を光路上に配置して、液晶パネル１８Ｇ（１８Ｒ，１８Ｂ）に形成される画像を横方向に伸張した横縦比（例えば２．４：１）でスクリーンＳＣ上に画像を投写することができる。図示を省略するが、この第２群１４０を光路上から退避させた場合、液晶パネル１８Ｇ（１８Ｒ，１８Ｂ）に形成される画像のままの横縦比（例えば１．７８：１）でスクリーンＳＣ上に映像を投写することができる。つまり、横方向が伸張による変換調整を行う調整方向であり、縦方向が非調整方向である。さらに、第２群１４０を構成する第１の光学要素群１４１と第２の光学要素群１４２とを図３の第２アナモフィック駆動機構６３により光軸ＯＡ方向に移動させてこれらの間隔を調整することにより、スクリーンＳＣ上に投写される画像の縦横比（アスペクト比）又は横縦比を連続的に増減させることもできる。なお、第２群４０によってスクリーンＳＣ上に投写される画像を横方向に伸張する構成は、縦寸法が固定されたスクリーンＳＣを使用する際に有効である。つまり、このようなスクリーンＳＣに対して投写光学系１２０による投写距離等を変えずに横縦比だけの変更が可能になる。

図１０（Ａ）及び１０（Ｂ）に示すように、絞り１７０は、拡大光学系である第１群３０とアナモフィック光学系である第２群１４０との間に配置されている。これにより、絞り１７０は、比較的容易に冷却でき、光線を遮光することによって発生する熱が絞り１７０の近辺に配置された光学部材に伝わって影響を及ぼすことを抑制できる。

この発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

例えば、第２群４０，１４０を進退可能としているが、進退可能とせず、常に第２群４０，１４０を光路上に配置した第１動作状態のみで画像投写を行うものとしてもよい。また、第１群３０を支持する第１鏡枠部ＬＢ１と第２群４０を支持する第２鏡枠部ＬＢ２とを一体的な構造としてもよい。

例えば、上記実施形態では、投写光学系２０等の第２群４０等により、液晶パネル１８Ｇ等に表示された画像を縦方向に圧縮（縮小）又は横方向に伸張してスクリーンＳＣ上に相対的に横長のアスペクト比となるように変換した画像を投写したが、第２群４０等のレンズ構成を変更することで、相対的に縦長のアスペクト比となるように変換した画像を投写することもできる。

また、上記では、縦方向についてのみ圧縮による変換調整を行うすなわち縦方向のみが調整方向であるとするか、横方向についてのみ伸張による変換調整を行うすなわち横方向のみが調整方向であるとしているが、縦方向への圧縮と横方向への伸張との双方を行い、縦方向及び横方向の双方とも調整方向とする態様も可能である。

液晶パネル１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂは、透過型に限らず、反射型とすることができる。ここで、「透過型」とは、液晶パネルが変調光を透過させるタイプであることを意味しており、「反射型」とは、液晶パネルが変調光を反射するタイプであることを意味している。

プロジェクターとしては、投写面を観察する方向から画像投写を行う前面投写型のプロジェクターと、投写面を観察する方向とは反対側から画像投写を行う背面投写型のプロジェクターとがあるが、図２等に示すプロジェクターの構成は、いずれにも適用可能である。

液晶パネル１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂに代えて、マイクロミラーを画素とするデジタル・マイクロミラー・デバイス等を、光変調素子として用いることもできる。

２…プロジェクター、 １０…光源、 １５，２１…ダイクロイックミラー、 １７Ｂ，１７Ｇ，１７Ｒ…フィールドレンズ、 １８Ｂ，１８Ｇ，１８Ｇ…液晶パネル、 １９…クロスダイクロイックプリズム、 ２０，１２０…投写光学系、 ２０ａ…本体部分、 ３０…第１群、 ３１…第１レンズ部（第１レンズ群）、 ３２…第２レンズ部、 ４０，１４０…第２群、 ６０…第３群、 ４１，４２，１４１，１４２…光学要素群、 ５０…光学系部分、 ６１…ズーム駆動機構、 ６２…第１アナモフィック駆動機構、 ６３…第２アナモフィック駆動機構、 ６４…全系駆動機構、 ７０，１７０…絞り、 ８０…回路装置、 ８１…画像処理部、 ８３…レンズ駆動部、 ８８…主制御部、 ９０…冷却装置、 ＡＸ…中心軸、 Ｌ１-Ｌ２４…レンズ、 ＯＡ…光軸、 ＰＬ…画像光、 ＳＣ…スクリーン

Claims (8)

1. 光変調素子の画像を被投写面上に拡大投写する際に、前記光変調素子の画像の横縦比と、前記被投写面上に投写される画像の横縦比とを異なるものとする投写光学系であって、
   前記被投写面側から順に、拡大光学系である第１群と、光軸に対して回転非対称な面を持つとともに、圧縮又は伸張による変換調整を行う調整方向と他方向とで異なるパワーを持った少なくとも１つ以上の光学要素で構成される調整光学要素を含み、前記光変調素子の縦方向と横方向とのうち少なくとも一方向を前記調整方向として前記変換調整を行う第２群と、光軸に対して回転対称な面を持った補正光学要素からなる第３群とを備え、
   前記第１群と前記第２群との間に、光線を部分的に遮光する絞りが配置されている、投写光学系。
2. 前記絞りは、遮光量を調整可能な可動絞りである、請求項１に記載の投写光学系。
3. 前記第１群は、ズーム光学系である、請求項１及び２のいずれか一項に記載の投写光学系。
4. 前記第１群は、前記絞りの近傍に異常低分散ガラス製のレンズを有する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の投写光学系。
5. 前記第２群は、光路上に進退可能である、請求項１から４までのいずれか一項に記載の投写光学系。
6. 前記絞りの周辺に配置され前記絞り及び前記絞りの近傍を冷却する冷却装置をさらに備える、請求項１から５までのいずれか一項に記載の投写光学系。
7. 前記絞りは、前記第１群と前記第２群との間であって、前記光変調素子からの各光線の主光線と周辺光線を略平行とする位置に配置されている、請求項１から６までのいずれか一項に記載の投写光学系。
8. 請求項１から７までのいずれか一項に記載の投写光学系と、
   前記光変調素子とを備える、
   プロジェクター。

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