JP5871039B2 - 投射光学系及び画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像を被投射面に拡大投射する投射光学系、及び、前記投射光学系を有する画像投射装置に関する。

画像投射装置として広く知られた液晶プロジェクタは、近来、液晶パネルの高解像化、光源ランプの高効率化に伴う明るさの改善、低価格化等が進んでいる。又、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔＡｌ Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）等を利用した小型軽量な画像投射装置が普及し、オフィスや学校のみならず家庭においても広く画像投射装置が利用されつつある。特に、フロントタイプのプロジェクタは携帯性が向上し、数人規模の小会議にも使われている。

このような画像投射装置において、スクリーン上にピントを合わせるためのフォーカス調整に関する様々な技術が開示されている。例えば、特許文献１では、投射光学系を構成する複数のレンズ群を各々移動させることにより、フォーカス調整を行う技術が開示されている。又、特許文献２では、投射光学系を構成するレンズ系中のフォーカスレンズ群と非球面ミラーとをそれぞれ個別に移動させることにより、フォーカス調整を行う技術が開示されている。

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、複数のレンズ群を各々移動させる方向については開示されていなく、フォーカス調整時に発生する歪みを補正できない虞がある。又、特許文献２の技術では、非球面ミラーを動かしているが、歪曲補正が主機能である非球面ミラーを動かすことは、他の部品との位置誤差が積み上がる点で望ましくなく、又、特許文献１の場合と同様に、フォーカス調整時に発生する歪みを補正できない虞がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、フォーカス調整時に発生する歪みを補正可能な投射光学系、及び前記投射光学系を有する画像投射装置を提供することを課題とする。

本投射光学系は、画像形成素子に形成された画像を被投射面に拡大投射する投射光学系であって、前記画像形成素子から前記被投射面までの光路上に、複数のレンズ群が光軸を共有する共軸光学系と、凹面ミラーとが、この順番で配置され、前記共軸光学系は開口絞りを含み、前記複数のレンズ群は、焦点を調整する際に前記光軸方向に独立して移動するフォーカス群を複数含み、前記凹面ミラーは、前記焦点を調整する際に固定であり、前記複数のフォーカス群のうちの１つは負の屈折力を持ち、負の屈折力を持つフォーカス群の中で最も前記凹面ミラーに近いフォーカス群を第１フォーカス群としたとき、前記開口絞りは前記第１フォーカス群よりも前記画像形成素子側に配置され、他のフォーカス群は、正の屈折力を持つ場合は前記開口絞りに対して前記第１フォーカス群と前記光軸方向の同一の方向に移動し、負の屈折力を持つ場合は前記開口絞りに対して前記第１フォーカス群と前記光軸方向の反対の方向に移動することを要件とする。

開示の技術によれば、フォーカス調整時に発生する歪みを補正可能な投射光学系、及び前記投射光学系を有する画像投射装置を提供できる。

第１の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式図である。 第１の実施の形態に係る投射光学系を例示する光路図である。 凹面ミラーについて説明するための図（その１）である。 凹面ミラーについて説明するための図（その２）である。 凹面ミラーについて説明するための図（その３）である。 被投射面に投射された画像の歪みについて説明するための図（その１）である。 被投射面に投射された画像の歪みについて説明するための図（その２）である。 被投射面に投射された画像の歪みについて説明するための図（その３）である。 被投射面に投射された画像の歪みについて説明するための図（その４）である。 被投射面に投射された画像の歪みについて説明するための図（その５）である。 被投射面に投射された画像の歪みについて説明するための図（その６）である。 第１の実施の形態に係るフォーカス調整について説明するための図（その１）である。 第１の実施の形態に係るフォーカス調整について説明するための図（その２）である。 第１の実施の形態に係るフォーカス調整について説明するための図（その３）である。 第２の実施の形態に係るフォーカス調整について説明するための図（その１）である。 第２の実施の形態に係るフォーカス調整について説明するための図（その２）である。 第２の実施の形態に係るフォーカス調整について説明するための図（その３）である。 第３の実施の形態に係るフォーカス調整について説明するための図（その１）である。 第３の実施の形態に係るフォーカス調整について説明するための図（その２）である。 第３の実施の形態に係るフォーカス調整について説明するための図（その３）である。 第１の実施の形態の変形例に係るフォーカス調整について説明するための図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。なお、各実施の形態において、スクリーンの長軸方向（横方向）をＸ、短軸方向（縦方向）をＹ、法線方向をＺとする。

〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る画像投射装置を例示する模式図である。図１に示す画像投射装置１０は、大略的には、光源１１から出射された光で画像形成素子１７を照明し、画像形成素子１７の拡大像を投射光学系１８でスクリーン９０に投射する装置である。光源１１としては、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、ＬＥＤ等を用いることができる。画像形成素子１７としては、例えば、ＤＭＤ、液晶パネル等を用いることができる。

画像投射装置１０について、より具体的に説明する。光源１１から出射された光をリフレクタ１２でインテグレータロッド１３の入口に集光する。インテグレータロッド１３は、例えば、４つのミラーを組み合わせてトンネル状にしたライトパイプである。インテグレータロッド１３の入口に集光された光は、インテグレータロッド１３内のミラー面で反射を繰り返し、インテグレータロッド１３の出口では光量むらが一様な状態となる。インテグレータロッド１３の出口を、光量むらが一様な照明光を出射する面光源として捉え、この面光源の光源像を、例えば、照明用レンズ１４、第１ミラー１５、及び第２ミラー１６を介して画像形成素子１７上に形成する。画像形成素子１７は一様な照度分布で照らされるので、その拡大像であるスクリーン９０に投射された画像も一様な照度分布となる。

画像形成素子１７がＤＭＤである場合には、多数の微小ミラーを備えており、微小ミラーの角度を、例えば、−１２°〜＋１２°まで変えることができる。例えば、微小ミラーの角度が−１２°のときには照明光の微小ミラーでの反射光が投射光学系１８に入り、微小ミラーの角度が＋１２°のときには照明光の反射光が投射光学系１８に入らないように、照明光のＤＭＤに向かう角度を設定すれば、ＤＭＤの各微小ミラーの傾斜角度を制御することで、スクリーン９０上にデジタル画像を形成することができる。

なお、画像形成素子１７を、赤、緑、青等の複数個用いて、それぞれにカラーフィルターを透過した照明光を当てて、色合成手段により合成された光を投射光学系１８に入射させることにより、スクリーン９０上にカラー画像を投射することができる。

図２は、本実施の形態に係る投射光学系を例示する光路図である。図２を参照するに、投射光学系１８は、レンズ群から構成された共軸光学系１９と、共軸光学系１９と光軸を共有しない非共軸光学系である凹面ミラー２０とを有する。投射光学系１８は、複数の凹面ミラーを有してもよい。なお、Ａは、共軸光学系１９の光軸を示している。投射光学系１８では、共軸光学系１９で画像形成素子１７の中間像１７ａを一度結像し、その中間像１７ａを凹面ミラー２０により大きく跳ね上げてスクリーン９０に投射する。共軸光学系１９の具体的な構成については、後述する。

凹面ミラー２０について、更に詳しく説明する。スクリーン９０に対して至近距離で画像を投射するには、通常、画面の見易さのために、プロジェクタ等の画像投射装置よりも上方に画像を作る必要があるので、例えば、図３に示すように、画像形成素子１７の中心を、共軸光学系１９の光軸Ａ上には置かずに偏心して配置する。そして、共軸光学系１９の性能保障範囲を広く取る（すなわち広角レンズにする）ことにより、画像品位を保つ。但し、共軸光学系１９の広角レンズ化には限界があるので、このような共軸光学系１９を使って、よりスクリーン９０近くから画像を投射するには、ミラーを使って光路をかせぐ必要がある。リアプロジェクションテレビでは図３に示すような方式を取っているが、通常の会議室で使用されるような持ち運びできる画像投射装置にミラーを付属するのは困難であるし、仮に付属したとしても大型のミラーが必要で、場所もコストもかかる。従って、図３に示すような方式は好ましくない。

図３とは異なる例として、凹面ミラーを使って斜め投射を行なう方式がある。斜め投射とは、例えば、図４に示すように、画像形成素子１７や共軸光学系１９をスクリーン９０に対して斜めに配置することにより近距離で投射することである。この方式を取ると、近距離投射は可能であるが、画面が台形状に歪むというデメリットがある。従って、図４に示すような方式も好ましくない。

そこで、本実施の形態では、図３や図４の方式の問題点に鑑みて、図２に示すように光学系を配置し、凹面ミラー２０として自由曲面ミラーを用いることにより、画面の台形状の歪みを効果的に補正している。ここで、自由曲面ミラーとは、例えば、図５に示すように、Ｙ軸に従ってＸ方向の曲率が変化するミラーである。より詳しくは、被投射面であるスクリーン９０の横方向をＸ方向、縦方向をＹ方向としたときに、凹面ミラー２０のＸ方向の曲率は、共軸光学系１９の光軸Ａに近い側の凹面ミラー２０の端部から、共軸光学系１９の光軸Ａから遠い側の凹面ミラー２０の端部に向かってＹ方向の座標毎に大きくなる。

なお、本実施の形態において、凹面ミラー２０は固定されており、フォーカス調整時に移動しない。凹面ミラー２０のような大型で歪曲補正に最も重要な機能を果たす部品を動かすと、共軸光学系１９との位置誤差が大きくなり、歪曲の劣化を招くからである。

さて、投射光学系１８の機能は、画像形成素子１７の実像をスクリーン９０上に結ぶことである。スクリーン９０上に表示させたい画像のサイズや、画像投射装置１０からスクリーン９０までの距離は、使う人によってまちまちである。スクリーン９０上に画像形成素子１７の実像を形成するには、当然ながらピント（焦点）を合わせなくてはならない。通常のプロジェクタの投射光学系（すなわち共軸の回転対称の光学系）では、投射光学系全体を動かしてピントを合わせる全体繰り出し方式や、レンズの中の1枚（あるいは複数のレンズがセットになった１つのレンズ群）を動かすフォーカス調整方式が採用されている。

本実施の形態に係る投射光学系１８の場合には、画像形成素子１７に最も近いレンズ（あるいは複数枚のレンズがセットになったレンズ群）は固定して、他の２以上のレンズ（あるいはレンズ群）を光軸方向に動かしてピントを合わせるフォーカス調整方式を採用することが最も望ましい。理由は、スクリーン９０に対して至近距離から画像の投射を行なったときに発生する画像の歪みを、主には非共軸光学系である凹面ミラー２０で補正しているため、全体繰り出しや１のレンズ群によるフォーカス調整では、歪み補正が不足するからである。又、画像形成素子１７に最も近いレンズ群を固定した方が、画面サイズごとに明るさが変化しないからである。

以下、より具体的に説明する。図４に示すような斜め投射の場合、長方形の画像形成素子１７は、スクリーン９０上では、図６に示す画像９０ａのように上辺が下辺よりも長い台形形状になる。これに対し、図２に示す投射光学系１８では、図７に示すように、中間像１７ａに大きな歪曲（図２のスクリーン９０上方、すなわちＹ方向に大きい方の辺に対応する中間像１７ａの下辺が、中間像１７ａの上辺よりも長くなる歪曲であり、所謂糸巻き型の歪曲）を持たせ、これを凹面ミラー２０でスクリーン９０に導くことで、スクリーン９０上での画像９０ａを長方形にしている。

しかし、図８に示すように、図２のスクリーン９０上の画面よりも、より小さい画面を表示しようとして、スクリーン９０をＺ方向に動かし、共軸光学系１９による全体繰り出し（共軸光学系１９をＺ方向に動かす）でピントを合わせた場合、中間像１７ａの歪曲はほとんど変化しない。そのため、図９に示すように、スクリーン９０上での画像９０ａは上辺が短くなるように台形歪みが発生してしまう。

この現象について、詳しく説明する。図１０は、図２の凹面ミラーとスクリーンの断面図である。図１１は、図８の凹面ミラーとスクリーンの断面図である。図１０及び図１１に示すように、凹面ミラー２０を使った投射光学系１８では、スクリーン９０の画面のＹ方向上方に向かう光Ａ_１とＹ方向下方に向かう光Ａ_２の角度が、ＸＺ断面で異なる。よって、スクリーン９０を図８の位置に動かすと、図１１に示すように、画面上と画面下でスクリーン９０に到達するＸ方向の位置が異なるため、図９の画像９０ａのように、上辺が短くなるように台形歪みが発生してしまう。

そこで、本実施の形態では、投射光学系１８の共軸光学系１９を図１２に示すような構成とした。すなわち、共軸光学系１９は、画像形成素子１７側から順番に、開口絞り１９ａと、レンズ群１９ｂと、レンズ群１９ｃと、レンズ群１９ｄと、レンズ群１９ｅとを有する。なお、本願では、１枚のレンズから構成されている場合も含めてレンズ群と称することにする。

共軸光学系１９において、レンズ群１９ｂは、正屈折力を有するレンズ群である。レンズ群１９ｃは、負屈折力を有するレンズ群である。レンズ群１９ｄは、負屈折力を有するレンズ群である。レンズ群１９ｅは、正屈折力を有するレンズ群である。

レンズ群１９ｂ及１９ｅは固定されており、レンズ群１９ｃ及び１９ｄはＺ方向（光軸Ａの方向）に独立して往復動可能に構成されている。すなわち、共軸光学系１９では、共軸光学系１９内の複数のレンズ群（レンズ群１９ｃ及び１９ｄ）が、Ｚ方向（光軸Ａの方向）にそれぞれ異なる量移動してフォーカス調整を行うフローティングフォーカス方式を採用している。

なお、レンズ群１９ｃは、往復動可能に構成された負屈折力を有するレンズ群の中で、開口絞り１９ａの最も近くに配置されたレンズ群である。レンズ群１９ｄは、往復動可能に構成された負屈折力を有するレンズ群の中で、凹面ミラー２０の最も近くに配置されたレンズ群である。

開口絞り１９ａは、往復動可能に構成された負屈折力を有するレンズ群の中で凹面ミラー２０の最も近くに配置された負屈折力を有するレンズ群であるレンズ群１９ｄよりも画像形成素子１７側に配置される。但し、図１２に示すように、開口絞り１９ａを画像形成素子１７に近い位置に配置する方が、大きな糸巻き型歪曲収差を発生させることができる点で好適である。

図１２の状態から、図１３に示すようにスクリーン９０を凹面ミラー２０側に近づけて画面サイズを小さくし、かつ、フォーカス調整を行なう際には、図１４に示すように、レンズ群１９ｃ及び１９ｄをＺ方向（光軸Ａの方向）に動かす。より詳しくは、レンズ群１９ｃを開口絞り１９ａから遠ざかるようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かし、レンズ群１９ｄを開口絞り１９ａに近づくようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かす。

レンズ群１９ｄは特に強い負屈折力を有しており、大きな糸巻き型の歪曲収差を発生させる。この強い負屈折力を有するレンズ群１９ｄを、開口絞り１９ａに近い側に動かすことで、中間像１７ａの歪曲量を低減することができるので、図９に示す画像９０ａのような台形状の歪曲を抑えることができる。なお、スクリーン９０を凹面ミラー２０から遠ざけて画面サイズを大きくし、かつ、フォーカス調整を行なう際には、図１４とは反対に、レンズ群１９ｃを開口絞り１９ａに近づくようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かし、レンズ群１９ｄを開口絞り１９ａから遠ざかるようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かせばよい。

このように、第１の実施の形態では、共軸光学系１９内の複数のレンズ群がＺ方向（光軸Ａの方向）にそれぞれ異なる量移動してフォーカス調整を行うフローティングフォーカス方式を採用している。そして、スクリーン９０を凹面ミラー２０側に近づけて画面サイズを小さくし、かつ、フォーカス調整を行なう時には、往復動可能に構成された負屈折力を有するレンズ群の中で開口絞り１９ａの最も近くに配置された負屈折力を有するレンズ群であるレンズ群１９ｃを開口絞り１９ａから遠ざかるようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かし、往復動可能に構成された負屈折力を有するレンズ群の中で凹面ミラー２０の最も近くに配置された負屈折力を有するレンズ群であるレンズ群１９ｄを開口絞り１９ａに近づくようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かす。これにより、中間像の糸巻き型歪曲を小さく抑えることが可能となり、スクリーン９０上の画像の台形状の歪曲を抑えることができる。

又、スクリーン９０を凹面ミラー２０から遠ざけて画面サイズを大きくし、かつ、フォーカス調整を行なう時には、上記とは反対に、レンズ群１９ｃを開口絞り１９ａに近づくようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かし、レンズ群１９ｄを開口絞り１９ａから遠ざかるようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かす。これにより、中間像の糸巻き型歪曲を大きく発生させることが可能となり、スクリーン上の画像の台形状の歪曲を抑えることができる。

なお、糸巻き型の歪曲収差を大きく変化させるには、レンズ群１９ｄを開口絞り１９ａに近づくようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かす方法が有効である。正屈折力を有するレンズ群を開口絞り１９ａから遠い方向に動かす方法も歪曲補正としては効果があるが、凹面ミラー２０近辺に強い正屈折力を有するレンズを配置すると、中間像に大きな糸巻き型歪曲を発生させたり、中間像の横倍率を上げたりするのが難しいため好適ではない。

又、レンズ群１９ｄを大きく動かすことで歪曲を発生（収束）させ、フォーカス駆動としては動き過ぎた余分な移動量によるフォーカスずれを、歪曲発生量の少ないレンズ群１９ｃをレンズ群１９ｄと反対方向に移動させることで補正することができる。言い換えれば、歪曲発生量の少ないレンズ群１９ｃを配置することで、レンズ群１９ｄを大きく移動させることが可能となる。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、投射光学系１８の共軸光学系２９を図１５に示すような構成とした。すなわち、共軸光学系２９は、画像形成素子１７側から順番に、開口絞り２９ａと、レンズ群２９ｂと、レンズ群２９ｃと、レンズ群２９ｄと、レンズ群２９ｅ、レンズ群２９ｆとを有する。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。

共軸光学系２９において、レンズ群２９ｂは、正屈折力を有するレンズ群である。レンズ群２９ｃは、負屈折力を有するレンズ群である。レンズ群２９ｄは、正屈折力を有するレンズ群である。レンズ群２９ｅは、負屈折力を有するレンズ群である。レンズ群２９ｆは、正屈折力を有するレンズ群である。

レンズ群２９ｂ及び２９ｆは固定されており、レンズ群２９ｃ、２９ｄ、及び２９ｅはＺ方向（光軸Ａの方向）に独立して往復動可能に構成されている。すなわち、共軸光学系２９では、共軸光学系２９内の複数のレンズ群（レンズ群２９ｃ、２９ｄ、及び２９ｅ）が、Ｚ方向（光軸Ａの方向）にそれぞれ異なる量移動してフォーカス調整を行うフローティングフォーカス方式を採用している。

なお、レンズ群２９ｃは、往復動可能に構成された負屈折力を有するレンズ群の中で、開口絞り２９ａの最も近くに配置されたレンズ群である。レンズ群２９ｄは、往復動可能に構成された正屈折力を有するレンズ群の中で、開口絞り２９ａの最も近くに配置されたレンズ群である。レンズ群２９ｅは、往復動可能に構成された負屈折力を有するレンズ群の中で、凹面ミラー２０の最も近くに配置されたレンズ群である。

開口絞り２９ａは、往復動可能に構成された負屈折力を有するレンズ群の中で凹面ミラー２０の最も近くに配置された負屈折力を有するレンズ群であるレンズ群２９ｅよりも画像形成素子１７側に配置される。但し、図１５に示すように、開口絞り２９ａを画像形成素子１７に近い位置に配置する方が、大きな糸巻き型歪曲収差を発生させることができる点で好適である。

図１５の状態から、図１６に示すようにスクリーン９０を凹面ミラー２０側に近づけて画面サイズを小さくし、かつ、フォーカス調整を行なう際には、図１７に示すように、レンズ群２９ｃ、２９ｄ、及び２９ｅをＺ方向（光軸Ａの方向）に動かす。より詳しくは、レンズ群２９ｃを開口絞り２９ａから遠ざかるようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かし、レンズ群２９ｄを開口絞り２９ａに近づくようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かし、レンズ群２９ｅを開口絞り２９ａに近づくようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かす。

レンズ群２９ｅは特に強い負屈折力を有しており大きな糸巻き型の歪曲収差を発生させる。この強い負屈折力を有するレンズ群２９ｅを、開口絞り２９ａに近い側に動かすことで、中間像１７ａの歪曲量を低減することができるので、図９に示す画像９０ａのような台形状の歪曲を抑えることができる。なお、スクリーン９０を凹面ミラー２０から遠ざけて画面サイズを大きくし、かつ、フォーカス調整を行なう際には、図１７とは反対に、レンズ群２９ｃを開口絞り２９ａに近づくようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かし、レンズ群２９ｄを開口絞り２９ａから遠ざかるようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かし、レンズ群２９ｅを開口絞り２９ａから遠ざかるようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かせばよい。

このように、第２の実施の形態では、共軸光学系２９内の複数のレンズ群がＺ方向（光軸Ａの方向）にそれぞれ異なる量移動してフォーカス調整を行うフローティングフォーカス方式を採用している。そして、スクリーン９０を凹面ミラー２０側に近づけて画面サイズを小さくし、かつ、フォーカス調整を行なう時には、往復動可能に構成された負屈折力を有するレンズ群の中で開口絞り２９ａの最も近くに配置された負屈折力を有するレンズ群であるレンズ群２９ｃを開口絞り２９ａから遠ざかるようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かし、往復動可能に構成された正屈折力を有するレンズ群の中で開口絞り２９ａの最も近くに配置された正屈折力を有するレンズ群であるレンズ群２９ｄを開口絞り２９ａに近づくようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かし、往復動可能に構成された負屈折力を有するレンズ群の中で凹面ミラー２０の最も近くに配置された負屈折力を有するレンズ群であるレンズ群２９ｅを開口絞り２９ａに近づくようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かす。これにより、中間像の糸巻き型歪曲を小さく抑えることが可能となり、スクリーン上の画像の台形状の歪曲を抑えることができる。

又、スクリーン９０を凹面ミラー２０から遠ざけて画面サイズを大きくし、かつ、フォーカス調整を行なう時には、上記とは反対に、レンズ群２９ｃを開口絞り２９ａに近づくようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かし、レンズ群２９ｄを開口絞り２９ａから遠ざかるようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かし、レンズ群２９ｅを開口絞り２９ａから遠ざかるようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かす。これにより、中間像の糸巻き型歪曲を大きく発生させることが可能となり、スクリーン上の画像の台形状の歪曲を抑えることができる。

又、レンズ群２９ｅを大きく動かすことで歪曲を発生（収束）させ、フォーカス駆動としては動き過ぎた余分な移動量によるフォーカスずれを、歪曲発生量の少ないレンズ群２９ｃをレンズ群２９ｅと反対方向に移動させ、歪曲発生量の少ないレンズ群２９ｄをレンズ群２９ｅと同一方向に移動させることで補正する。言い換えれば、歪曲発生量の少ないレンズ群２９ｃ及び２９ｄを配置することで、レンズ群２９ｅを大きく移動させることが可能となる。

なお、レンズ群２９ｅの負屈折力を大きく、或いは、レンズ群２９ｅの移動量を大きくして非常に大きな歪曲変化を発生させた場合、他のレンズ群による大きなフォーカス補正が必要になる。この時、弱い負屈折力を有するレンズ群２９ｃと弱い正屈折力を有するレンズ群２９ｄをそれぞれ反対方向に移動させることで、余計な歪曲収差を発生させることなく、フォーカス調整を実施できる。

〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、投射光学系１８の共軸光学系３９を図１８に示すような構成とした。すなわち、共軸光学系３９は、画像形成素子１７側から順番に、開口絞り３９ａと、レンズ群３９ｂと、レンズ群３９ｃと、レンズ群３９ｄとを有する。なお、第３の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。

共軸光学系３９において、レンズ群３９ｂは、正屈折力を有するレンズ群である。レンズ群３９ｃは、正屈折力を有するレンズ群である。レンズ群３９ｄは、負屈折力を有するレンズ群である。

レンズ群３９ｂは固定されており、レンズ群３９ｃ及び３９ｄはＺ方向（光軸Ａの方向）に独立して往復動可能に構成されている。すなわち、共軸光学系３９では、共軸光学系３９内の複数のレンズ群（レンズ群３９ｃ及び３９ｄ）が、Ｚ方向（光軸Ａの方向）にそれぞれ異なる量移動してフォーカス調整を行うフローティングフォーカス方式を採用している。

なお、レンズ群３９ｃは、往復動可能に構成された正屈折力を有するレンズ群の中で、開口絞り３９ａの最も近くに配置されたレンズ群である。レンズ群３９ｄは、往復動可能に構成された負屈折力を有するレンズ群の中で、凹面ミラー２０の最も近くに配置されたレンズ群である。

開口絞り３９ａは、往復動可能に構成された負屈折力を有するレンズ群の中で凹面ミラー２０の最も近くに配置された負屈折力を有するレンズ群であるレンズ群３９ｄよりも画像形成素子１７側に配置される。但し、図１８に示すように、開口絞り３９ａを画像形成素子１７に近い位置に配置する方が、大きな糸巻き型歪曲収差を発生させることができる点で好適である。

図１８の状態から、図１９に示すようにスクリーン９０を凹面ミラー２０側に近づけて画面サイズを小さくし、かつ、フォーカス調整を行なう際には、図２０に示すように、レンズ群３９ｃ及び３９ｄを開口絞り３９ａに近づくようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かす。

レンズ群３９ｄは特に強い負屈折力を有しており大きな糸巻き型の歪曲収差を発生させる。この強い負屈折力を有するレンズ群を、開口絞り３９ａに近い側に動かすことで、中間像１７ａの歪曲量を低減することができるので、図９に示す画像９０ａのような台形状の歪曲を抑えることができる。なお、スクリーン９０を凹面ミラー２０から遠ざけて画面サイズを大きくし、かつ、フォーカス調整を行なう際には、図２０とは反対に、レンズ群３９ｃ及び３９ｄを開口絞り３９ａから遠ざかるようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かせばよい。

このように、第３の実施の形態では、共軸光学系３９内の複数のレンズ群がＺ方向（光軸Ａの方向）にそれぞれ異なる量移動してフォーカス調整を行うフローティングフォーカス方式を採用している。そして、スクリーン９０を凹面ミラー２０側に近づけて画面サイズを小さくし、かつ、フォーカス調整を行なう時には、往復動可能に構成された正屈折力を有するレンズ群の中で開口絞り３９ａの最も近くに配置された正屈折力を有するレンズ群であるレンズ群３９ｃ、及び、往復動可能に構成された負屈折力を有するレンズ群の中で凹面ミラー２０の最も近くに配置された負屈折力を有するレンズ群であるレンズ群３９ｄを、何れも開口絞り３９ａに近づくようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かす（但し、移動量は同一でなくてもよい）。これにより、中間像の糸巻き型歪曲を小さく抑えることが可能となり、スクリーン上の画像の台形状の歪曲を抑えることができる。

又、スクリーン９０を凹面ミラー２０から遠ざけて画面サイズを大きくし、かつ、フォーカス調整を行なう時には、上記とは反対に、レンズ群３９ｃ及び３９ｄを、何れも開口絞り３９ａから遠ざかるようにＺ方向（光軸Ａの方向）に動かす（但し、移動量は同一でなくてもよい）。これにより、中間像の糸巻き型歪曲を小さく抑えることが可能となり、スクリーン上の画像の台形状の歪曲を抑えることができる。

又、レンズ群３９ｄを大きく動かすことで歪曲を発生（収束）させ、フォーカス駆動としては動き過ぎた余分な移動量によるフォーカスずれを、歪曲発生量の少ないレンズ群３９ｃをレンズ群３９ｄと同一方向に移動させることで補正することができる。言い換えれば、歪曲発生量の少ないレンズ群３９ｃを配置することで、レンズ群３９ｄを大きく移動させることが可能となる。

なお、レンズ群３９ｄの負屈折力を大きく、或いは、レンズ群３９ｄの移動量を大きくして非常に大きな歪曲変化を発生させた場合、他のレンズ群による大きなフォーカス補正が必要になる。この時、弱い正屈折力を有するレンズ群３９ｃをレンズ群３９ｄと同一方向に移動させることで、余計な歪曲収差を発生させることなく、フォーカス調整を実施できる。

〈第４の実施の形態〉
第４の実施の形態では、図２１に示すように、第１の実施の形態のレンズ群１９ｄを、強い負屈折力を有するガラスレンズ１９ｄ_１と、弱い正屈折力を有するプラスチックレンズ１９ｄ_２とを隣接して配置する構成とした。なお、第４の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部品についての説明は省略する。

大きな歪曲を発生させるための強い負屈折力を有するレンズは、形状誤差や組付け誤差の感度が高く、誤差があると解像度の劣化や画面位置ごとのフォーカスずれが起こりやすい。特にプロジェクタ等の画像投射装置の内部は温度が高く、ガラスのような線膨張係数が小さい部品でも、温度変化による解像度劣化やフォーカス変化は無視できない。

よって、強い負屈折力を有するガラスレンズで発生する解像度劣化（収差の劣化）やフォーカス変化を打ち消す正屈折力を有するレンズが必要になる。

更に、プロジェクタ等の画像投射装置は、レンズを保持する鏡胴内で光軸方向に温度分布が発生する（当然、画像形成素子１７側が熱い）。よって、正屈折力を有するレンズは、負屈折力を有するレンズ近辺に置かれることが望ましい。

もちろん、負屈折力を有するガラスレンズと同程度の屈折力の絶対値を持つ正屈折力を有するガラスレンズを置けば、負屈折力を有するレンズの温度変化による収差変化やフォーカス変化を打ち消すことができるが、強い正屈折力を有するレンズと負屈折力を有するレンズを並べた場合、各レンズでの屈折量が大きく、正屈折力を有するレンズと負屈折力を有するレンズの組付け誤差感度が高くなり、望ましくない。

そこで、強い負屈折力を有するガラスレンズ１９ｄ_１と、弱い正屈折力を有するプラスチックレンズ１９ｄ_２とを隣接して配置する。これにより、組付け誤差感度を下げることが可能となり、かつ、プラスチックの線膨張係数はガラスの１０倍程度大きいので、強い負屈折力を有するガラスレンズ１９ｄ_１の温度変化で発生する収差やフォーカス変化をプラスチックレンズ１９ｄ_２で打ち消すことが可能となる。

このように、第４の実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を奏するが、更に以下の効果を奏する。すなわち、強い負屈折力を有するガラスレンズ１９ｄ_１と、弱い正屈折力を有するプラスチックレンズ１９ｄ_２とを隣接して配置することにより、組付け誤差感度を下げることが可能となり、かつ、強い負屈折力を有するガラスレンズ１９ｄ_１の温度変化で発生する収差やフォーカス変化をプラスチックレンズ１９ｄ_２で打ち消すことが可能となる。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

１０ 画像投射装置
１１ 光源
１２ リフレクタ
１３ インテグレータロッド
１４ 照明用レンズ
１５ 第１ミラー
１６ 第２ミラー
１７ 画像形成素子
１７ａ 中間像
１８ 投射光学系
１９、２９、３９ 共軸光学系
２０ 凹面ミラー
Ａ 光軸
Ａ_１、Ａ_２ 光
９０ スクリーン
９０ａ 画像
１９ａ、２９ａ、３９ａ 開口絞り
１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄ、２９ｅ、２９ｆ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄ レンズ群
１９ｄ_１ ガラスレンズ
１９ｄ_２ プラスチックレンズ

特開２００９−２５１４５７号公報 特開２００９−２２９７３８号公報

Claims (8)

1. 画像形成素子に形成された画像を被投射面に拡大投射する投射光学系であって、
   前記画像形成素子から前記被投射面までの光路上に、複数のレンズ群が光軸を共有する共軸光学系と、凹面ミラーとが、この順番で配置され、
   前記共軸光学系は開口絞りを含み、
   前記複数のレンズ群は、焦点を調整する際に前記光軸方向に独立して移動するフォーカス群を複数含み、
   前記凹面ミラーは、前記焦点を調整する際に固定であり、
   前記複数のフォーカス群のうちの１つは負の屈折力を持ち、負の屈折力を持つフォーカス群の中で最も前記凹面ミラーに近いフォーカス群を第１フォーカス群としたとき、
   前記開口絞りは前記第１フォーカス群よりも前記画像形成素子側に配置され、
   他のフォーカス群は、正の屈折力を持つ場合は前記開口絞りに対して前記第１フォーカス群と前記光軸方向の同一の方向に移動し、負の屈折力を持つ場合は前記開口絞りに対して前記第１フォーカス群と前記光軸方向の反対の方向に移動することを特徴とする投射光学系。
2. 前記第１フォーカス群は、前記共軸光学系中の負屈折力を有するレンズ群の中で、最も強い負屈折力を有するレンズ群であることを特徴とする請求項１記載の投射光学系。
3. 前記開口絞りは、前記共軸光学系の最も前記画像形成素子側に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の投射光学系。
4. 焦点を調整する際、前記第１フォーカス群は、前記開口絞りに近づく方向に移動することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の投射光学系。
5. 前記凹面ミラーは自由曲面ミラーであり、前記被投射面の横方向をＸ方向、前記被投射面の縦方向をＹ方向としたときに、前記凹面ミラーの前記Ｘ方向の曲率は、前記共軸光学系の光軸に近い側の前記凹面ミラーの端部から、前記共軸光学系の光軸から遠い側の前記凹面ミラーの端部に向かって前記Ｙ方向の座標毎に大きくなることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項記載の投射光学系。
6. 前記共軸光学系の光軸と、前記画像形成素子の中心は、前記被投射面の縦方向に偏心していることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項記載の投射光学系。
7. 負屈折力を有するレンズ群の中で、最も強い負屈折力を有するレンズ群は、ガラスレンズから構成され、
   前記複数のレンズ群は、前記最も強い負屈折力よりも絶対値が小さい正屈折力を有するプラスチックレンズを含むことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項記載の投射光学系。
8. 変調信号に応じて画像を形成する前記画像形成素子に、光源からの照明光を照射し、前記画像形成素子に形成された前記画像を、請求項１乃至７の何れか一項記載の投射光学系により前記被投射面に拡大投射する画像投射装置。

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