JP5274030B2

JP5274030B2 - 投射光学系およびプロジェクタ装置および画像読取装置

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Publication number: JP5274030B2
Application number: JP2008013116A
Authority: JP
Inventors: 修永瀬; 義次河野
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2028-01-23
Also published as: JP2008250296A; US8419191B2; US20100097582A1

Description

この発明は、投射光学系およびプロジェクタ装置および画像読取装置に関する。

プロジェクタに用いられる投射光学系は、透過型や反射型の液晶パネルや、デジタルミラーデバイスなどに表示される画像を拡大して投射面に結像投射するための光学系であり、従来から種々のものが知られている。

このような投射光学系には、長いバックフォーカスや、拡大結像光束の入射側の高いテレセントリック性、良好に補正された色収差・歪曲収差、高いＭＴＦ特性、解像力特性を備えていることなどが必要とされる。

また、プロジェクタとしては、投射画像の大画面化、装置のコンパクト化への要請が強い。コンパクトなプロジェクタを、レンズ系と１枚の凹面鏡とを組合せた投射光学系を用いてリアプロジェクタとして実現したものとして特許文献１記載のものが知られている。

特開２００６−２３５５１６号公報

この発明は、レンズ系と凹面鏡とを組み合わせ、短い全長でありながら大画面で良質な投射画像を投射しうる新規な投射光学系の実現を課題とする。この発明はまた、短い全長でありながら大画面で良質な投射画像を投射でき、なおかつ、投射距離が可変である投射光学系の実現を課題とする。さらに、これら投射光学系を用いたコンパクトなプロジェクタや画像読取装置の実現を課題とする。

この発明の投射光学系は「画像表示面に表示される画像を投射面上に拡大投射する光学系」である。
「画像表示面」は、拡大投射されるべき画像が表示される面であり、具体的には、透過型あるいは反射型の液晶パネルのパネル面、デジタルミラーデバイスのミラー配列面等である。
「投射面」は、画像表示面に表示された画像を拡大した投射画像が結像投射される面であり、実体的には「透過型や反射型のスクリーン」等である。

請求項１記載の投射光学系は、レンズ系と１以上の曲面ミラーとを有する。
「レンズ系」は、複数のレンズを有し、位置的には「１以上の曲面ミラーよりも画像表示面側」に配置される。

「１以上の曲面ミラー」は、凹または凸のミラー面を有し、位置的には拡大結像光束の結像光路上で「レンズ系よりも投射面側」に配置される。即ち、画像表示面からの拡大結像光束は、レンズ系を透過した後、１以上の曲面ミラーにより反射されて投射面上に結像投射される。「拡大結像光束」は拡大像を結像する光束である。

１以上の曲面ミラーのうちで「レンズ系から投射面側に射出した拡大結像光束が最初に入射する曲面ミラー」のミラー面は凹面である。
曲面ミラーの数は１以上であるから、必要とされる曲面ミラーの最小数は１である。

レンズ系を構成する複数レンズの光軸のうち「最多数のレンズにより共有される光軸」に沿って、画像表示面から、最も投射面側の曲面ミラー面に至る距離：ＯＡＬ、画像表示面内で「最多数のレンズにより共有される光軸」から最も離れた画像表示面端部までの距離：Ｙは、条件：
（１）２０＜ＯＡＬ／Ｙ＜３０
を満足する。

即ち、レンズ系を構成するレンズ枚数をｎ枚とすると、これらｎ枚のレンズの全てが光軸を共有しても良いが、レンズ光軸が相互にずれ「ｎ１枚のレンズが相互に光軸を共有」し、他の「ｎ２枚のレンズが相互に光軸を共有」するという具合に、「光軸を共有するレンズごとのグループ」が複数存在することもできる。この場合、各グループに含まれるレンズは１枚でも良いが、グループのうちの少なくとも１つは複数のレンズを含む。
これらのグループのうちで、最多数のレンズを含むグループの各レンズが相互に共有する光軸が上記「最多数のレンズにより共有される光軸」である。最多数のレンズを含むグループが複数ある場合、即ち、光軸を共有するレンズ枚数を同じくする２以上のグループがあるときは、上記Ｙは「これらのグループに対するＹのうちで最大のもの」を言うものとする。

上記距離：ＯＡＬは「最多数のレンズにより共有される光軸」を画像表示面側および投射面側へ延長し、直線的に展開した直線上の「画像表示面から最も投射面側にある曲面ミラーのミラー面までの長さ」であり、この線上において「画像表示面とレンズ系との間」に屈折力のない部材（色合成プリズム等）が含まれるとき、この部材の厚さを「物理的厚みをｅ線の屈折率で割った値」として上記距離：ＯＡＬの算出に用いる。

請求項１記載の投射光学系は、投射面上の「投射画像の画面サイズ」が可変であり、画面サイズを変更するとき、画像表示面から拡大結像光束の結像光路上「最も離れた曲面ミラーのミラー面」までの距離を一定に保ち、上記「最も離れた曲面ミラーのミラー面」から投射面までの距離の変化に応じて、画像表示面と上記「最も離れた曲面ミラーのミラー面」との間にある、一部または全ての光学素子の位置を変える構成である。
ここに「光学素子」とはレンズ系を構成する複数のレンズの個々、および１以上の曲面ミラーである。

請求項１記載の投射光学系におけるレンズ系は「レンズ系を構成する全レンズが光軸を共有している」ことができる（請求項２）。この場合には勿論、レンズ系自体が単一の光軸を有し、この単一の光軸が上記「最多数のレンズにより共有される光軸」である。

請求項１または２記載の投射光学系は「画像表示面側の開口数が０．２５よりも大きい」ことが好ましい(請求項３)。
請求項１〜３の任意の１に記載の投射光学系において「レンズ系に含まれる負レンズのうち、最も画像表示面側に位置する負レンズ」は、その画像表示面側の面が空気に接し、画像表示面側に凹の形状を有することが好ましい（請求項４）。

請求項１〜４の任意の１に記載の投射光学系は、レンズ系における最も画像表示面側のレンズから最も投射面側のレンズまでの間に、開口絞りを有することが好ましい（請求項５）。

請求項１〜５の任意の１に記載の投射光学系のレンズ系に含まれる正レンズのうち「最も画像表示面側に位置する正レンズ」は、そのレンズ材質のｅ線に対する屈折率：ｎＰｅが、条件：
（２）１．４５＜ｎＰｅ＜１．６５
を満足することが好ましい（請求項６）。
請求項１〜６の任意の１に記載の投射光学系の「結像光路上最も投射面側にある曲面ミラー」は、レンズ系において上記「最多数のレンズにより共有される光軸」を対称軸とする軸対称な面であることが好ましい（請求項７）。この場合も、「最多数のレンズにより共有される光軸」が複数あるときは、上記「最大のＹ」を与える光軸である。

請求項１〜７の任意の１に記載の投射光学系は、「レンズ系における最も画像表示面側のレンズから最も投射面側のレンズまでの間」に開口絞りを有し、この開口絞りから曲面ミラーまでの間に位置する各球面負レンズ（レンズ面が球面である負レンズ）のレンズ材質のｅ線に対する屈折率：ｎＮｅが、条件：
（３）２．０＞ｎＮｅ＞１．６５
を満足することが好ましい（請求項８）。

請求項１〜８の任意の１に記載の投射光学系において、曲面ミラーは１個であることができる（請求項９）。
上記請求項１〜９の任意の１に記載の投射光学系は勿論、実際の使用条件に応じ、光路内に結像光路を屈曲させるための平面鏡を１面以上有することができる。

この発明の「プロジェクタ装置」は、請求項１〜９の任意の１に記載の投射光学系を搭載したプロジェクタ装置である（請求項１０）。
また、この発明の「画像読取装置」は、請求項１〜９の任意の１に記載の投射装置を「縮小光学系」として用い、画像表示面となるべき位置に撮像素子の受光面を配置して画像取込みを行う画像読取装置である（請求項１１）。
この画像読取装置で読取られた画像情報を記録する記録部を付加して「画像記録装置」を構成することができることは言うまでもない。なお、撮像素子の受光面が配置される「画像表示面となるべき位置」は、画像表示面に合致する位置のみならず、画像表示面と等価な位置、即ち、上記縮小光学系の結像上、縮小光学系の像位置に等価な位置であることができ、画像表示面と撮像素子とをともに備えていることもできる。

この発明の投射光学系は「全長の短い光学系でありながら、大画面の投射を実現する」ものである。

当然のことながら、通常のレンズのみによる投射光学系では、そのＦナンバ、半画角によって「実現可能なレンズ全長」がほぼ決められる。
この発明の投射光学系は、レンズ系に曲面ミラーが組み合わせられているが、基本的な部分は「レンズのみの場合の性質」と共通するところが多く、画像表示面における画像表示範囲が大きくなるほど、即ち前述の「Ｙの値」が大きくなるほど、性能確保は困難となり、性能の確保には光学系全長（前述の距離：ＯＡＬに略合致する）を増大させていかなければならない傾向となる。

条件（１）は「性能確保と、全体の大きさを決める光学系全長のバランスをとる」ための条件であり、パラメータ：ＯＡＬ／Ｙが下限より小さい状態では「全長としてどんなに大きな値」をとっても像面が均一にならず投射光学系として充分な性能を確保できない。

また、パラメータ：ＯＡＬ／Ｙが条件（１）の上限を超えると、光学系が長いものとなり、リアプロジェクションテレビの光学系のように、平面のミラーなどで光路を折り曲げるなどのことをしないと実使用が困難になる。

この発明の投射光学系はリアプロジェクタ用にもフロントプロジェクタ用にも使用することができるが、フロントプロジェクタに用いる場合、請求項１のように「投射光学系と画像を映すスクリーン（投射面）までの距離を変えて、画像サイズの変更」ができる。

その場合、いわゆるフォーカシングとはべつに、画像サイズの変更に伴う「像面の倒れの変化と画面輪郭の歪曲の発生」を、主に一部のレンズ、構成によっては、総てのレンズを投射距離の変化に合わせて移動させることで補正できる。

同様の効果は、画像表示面、あるいは画像表示面に対して「画像表示面から最も離れた曲面ミラー」の位置を変動させることでも得られるが、画像表示面を移動させることは、縮小側共役位置付近の調整となるため微細な精度が要求される。また、ランプなどの照明系の移動を伴わなければならない場合もある。

結像光路上で投射面に最も近い曲面ミラーは、必然的に大きいものとなっており、大きな曲面ミラーを移動させるための可動部の大型化を招き、システム全体の大型化、コストの増大につながる。

このような事情から、画像サイズを変更するには、レンズ系に含まれる一部のレンズ、あるいは全てのレンズを移動させることにより、投射距離変化時の像面の倒れと画面輪郭の歪曲を補正するのがよい。
また、レンズ系における一部のレンズを他のレンズに対して偏芯させることで、部品配置の自由度が増し、設計性能の向上を図ることができるが、他方、レンズを正確な量だけ偏芯させることは「レンズ同士の芯を合わせる」こと以上に難しいという面もある。

この発明の投射光学系のレンズ系も、唯一の光軸を共有し、即ち、各レンズを偏芯させないことにより、安定した性能を確保することができるが、条件（１）を満足させることにより、レンズを偏芯させた場合でも性能を確保できる。

また、この発明の投射光学系をフロントプロジェクタ用に用いる場合、明るいところでも投射画像を認識できるように明るい光学系である必要があるが、請求項３記載のように「画像表示面側の開口数を０．２５よりも大きくする」ことにより、明るい光学系として実現できる。

像性能に大きく寄与する「最も拡大像側の曲面ミラー（結像光路上で最も投射面に近い曲面ミラー）」は、軸対称な形状であると、方向による性質の差を生じにくいので、画面のアスペクト比を容易に保てるなどといった優位性があるが、ある程度以上の解像度、歪曲などの性能を得るためには、軸非対称な面、所謂自由曲面を用いることも有効である。

この発明の投射光学系のレンズ系は「回転対称なレンズ面を持つレンズ系」を基本構成として、レンズ部全体として強力な正のパワーを持つことが実際的であるが、このようなレンズ系は、拡大結像光束として斜光線光束を利用する場合には「拡大像面をスクリーン奥側に倒す」ことになる。この拡大像面の倒れは「凹なる形状の曲面ミラーで、拡大像面をスクリーンの手前に引き戻す」ことにより補正が可能である。しかし、このような補正により「平坦に補正される」のは主に、所謂「子午的像面」であり、所謂「球欠的像面」は補正不足になりやすい。

この場合、請求項４のように、「最も画像表示面側に位置する負レンズ」の画像表示面側の面を「レンズ材質との屈折率差の大きい空気に接し、かつ、画像表示面に向かって凹なる形状」とすることにより、子午的像面に大きく影響を与えることなく、球欠的像面の補正不足を補うことができる。

また、請求項５のように開口絞りを「画像表示面側のレンズから最も投射面側のレンズまでの間に設ける」ことにより、諸収差をバランスよく補正することが可能である。

請求項６における条件（２）は、像面の倒れ・均一性を確保する条件であり、上限を超えると、像面が投射面（スクリーン）よりも手前側に倒れ、下限を超えると像面が投射面の奥側に倒れてしまう。

請求項８における条件（３）は、像面の均一性を確保するためのものである。通常の、レンズのみの構成の投射系の場合には、ペッツバール和を低減させるために「負レンズに屈折率の小なる材質」を用いるのが理想的であるが、この発明の投射光学系においては、曲面ミラーによって発生する像面湾曲とのバランスとの兼ね合いから「負レンズには屈折率の大きい材質」を用いた方が性能向上に有利である。

条件（３）の下限を超えると、像面がスクリーンの奥側となり、上限を超えると逆にスクリーンの手前側となり、他の要素での補正が困難となる。

曲面ミラーは、特に光路を妨げないかぎり複数個用いてもよく、複数個用いることで収差の発生を分散させたり、打ち消したりすることで、より良好な画像が得られる。

また、この発明の投射光学系は「反射型スクリーンを用いて反射光を観察するフロントプロジェクション」を基本としているが、透過型スクリーンを用いて、スクリーンの背面から投射するリアプロジェクション用として用いることも可能である。

また、この発明の投射光学系は、画像表示面の位置または画像表示面と等価な位置にＣＣＤやＣＭＯＳ等の受光素子を配置し、縮小光学系として用いることにより、投射面（スクリーン）位置にある画像情報を取り込む画像読取装置に用いることも可能である。

上記の如く、この発明によれば、短い光学系全長にも拘らず、投射画像における歪曲が少なく、高い解像力を持ち、大画面への投射が可能な投射光学系、さらには投射画像の画面サイズを可変できる投射光学系を実現でき、かかる投射光学系を用いるプロジェクタ装置および画像読取装置を実現できる。

以下、発明の実施の形態を説明する。
図１は、プロジェクタ装置の実施の１形態を示す図である。
図中、符号ＩＰは「画像表示面」を示し、符号Ｐはプリズム、符号Ｌはレンズ系、符号ＭＳは曲面ミラーの「ミラー面」である反射面、符号ＰＳは「投射面」であるスクリーン面をそれぞれ示す。

画像表示面ＩＰは、具体的には、例えば、透過型あるいは反射型液晶パネルのパネル面、デジタルミラーデバイスのミラー配列面等である。
プリズムＰは色合成プリズム等のプリズムである。レンズ系Ｌは複数のレンズを含む。反射面ＭＳは、レンズ系Ｌよりも結像光路上で投射面であるスクリーン面ＰＳ側に位置し、レンズ系Ｌ側に凹である。この実施の形態においては「レンズ系Ｌに含まれる全てのレンズ」は光軸を共有している。

図１に示すように、画像表示面ＩＰは、レンズ系Ｌの全てのレンズにより共有される光軸に対し、図の下方へずらされている。従って、図１において、レンズ系Ｌの光軸と、画像表示面ＩＰの「図の下方の端部」との距離が「Ｙ」である。

このように画像表示面ＩＰがレンズ系Ｌの光軸に対してずれているため、投射光学系は所謂「斜光線」を結像させる「軸外し光学系」となっている。画像表示面ＩＰに表示された画像は、レンズ系Ｌと曲面ミラーの反射面ＭＳの結像作用により、図の如く拡大されてスクリーン面ＰＳ上に結像投射される。

図２は、図１に示す実施の形態における投射光学系の具体的な実施例の構成を示す図である。Ｓはレンズ系Ｌに設けられた絞りを示す。
図２に示す投射光学系のデータを実施例１として以下に示す。なお、データにおける記号の意味は以下の通りである。後述する実施例２〜４においても同様である。
ｉ画像表示面側から数えて第ｉ番目の面（プリズム面レンズ面絞り面反射面）
ＩＭＧスクリーン面
Ｒｉ画像表示面側から数えて第ｉ番目の面の曲率半径
Ｄｉ画像表示面側から数えて第ｉ番目の面から第ｉ＋１番目の面までの面間隔
Ｄｏ画像表示面からから第１面までの距離
Ｊ画像表示面側から数えたレンズ番号
Ｎｊ画像表示面側から数えて第ｊ番目のレンズのｄ線に対する屈折率
νｊ画像表示面側から数えて第ｊ番目のレンズのアッべ数
(*)を付した面は「回転対称非球面」であることを示す。

(#)を付した面は「自由曲面」であることを示す。

特に断らない場合、レンズ、ミラーの偏芯量は０である。

回転対称非球面の形状は、光軸方向の座標：ｚ、光軸直交方向の座標：ｈ、軸上曲率半径：Ｒｉ、円錐定数：Ｋ、係数：Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇによる周知の式：
ｚ＝（１／Ｒｉ）・ｈ²／［１＋√｛１−（Ｋ＋１）・（１／Ｒｉ）²・ｈ²｝］
＋Ａ・ｈ⁴＋Ｂ・ｈ⁶＋Ｃ・ｈ⁸＋Ｄ・ｈ¹⁰＋Ｅ・ｈ¹²＋F・ｈ¹⁴＋G・ｈ¹⁶
により表す。

また、自由曲面の形状は、スクリーン水平方向座標：ｘ、同垂直方向座標：ｙ、ｘ，ｙ両方向に直交する方向の座標：ｚ、軸上曲率半径：Ｒｉ、楕円定数：Ｋ、係数：Ｃｊ（ｊ＝２〜６６）を用いて、以下の式：
ｚ＝（１／Ｒｉ）・ｈ²／［１＋√｛１−（Ｋ＋１）・（１／Ｒｉ）²・ｈ²｝］
＋ΣＣｊ・ｘ^ｍｙ^ｎ
ただし、ｊ＝［（ｍ＋ｎ）^２＋ｍ＋３ｎ］／２＋１
により表す。

計算基準波長は５５０ｎｍ（緑色）である。
「実施例１」
i R Ｄ j Ｎ ν
0 ∞ 10.400
1 ∞ 27.500 1.51680 64.2
2 ∞ 可変
3 90.67541 11.466 1 1.61800 63.4
4 -36.32076 4.051
5 29.82045 4.500 2 1.48749 70.4
6 989.57270 4.312
7 -24.04669 1.800 3 1.75520 27.5
8 19.38336 5.800 4 1.49700 81.6
9 -121.56068 2.680
10 62.28636 7.972 5 1.59270 35.5
11 -24.68738 0.300
12 32.12683 1.500 6 1.80610 40.7
13 21.27498 1.834
14 21.72845 6.909 7 1.59270 35.5
15 962.64456 1.172
16 -98.83816 1.500 8 1.77250 49.6
17 39.40166 2.076
18(絞り) ∞ 19.418
19 83.27478 6.299 9 1.58144 40.9
20 -343.22066 可変
21 52.99491 6.439 10 1.80610 33.3
22 107.31174 11.198
23 -23.64924 2.275 11 1.69895 30.1
24 -44.35174 可変
25(*) -31.88842 5.500 12 1.53046 55.8
26(*) 0.374805E-7 可変
27(#) -75.12400 可変 (ミラー面)
IMG ∞ 0.0 。

第２５面は回転対称非球面で、係数は以下のとおりである。
K=-0.647409
A=-0.216474E-06、 B= 0.125574E-08、 C= 0.145745E-13、 D= 0.0、E=0、F=0、G=０
第２６面は回転対称非球面で、係数は以下のとおりである。
K=-0.336961E+22
A=-0.102806E-04、 B= 0.272899E-08、 C= -0.197767E-11、 D＝ 0.0、E=0、F=0、G=0
第２７面は自由曲面で、係数は以下のとおりである。
K=-1.0
C7=-1.0688E-05、 C8=-1.2005E-05、 C9=-4.4146E-06、 C10=-1.2968E-05
C11= 7.7094E-08、 C12= 2.0953E-07、 C13= 2.3356E-07、 C14= 7.2321E-08
C15= 1.5468E-07、 C16= 1.0049E-09、 C17=-3.7655E-10、 C18=-6.1907E-10
C19=-3.1177E-10、 C20= 6.3132E-12、 C21= 2.6661E-10、 C22=-1.1863E-11
C23=-8.1479E-12、 C24=-2.0740E-11、 C25=-4.6813E-12、 C26=-2.2214E-11
C27=-3.1925E-12、 C28=-1.0867E-11
C２〜C6、C29〜C66は０である。
上の表記で例えば「E-05」は「×１０^-5」を表している。以下においても同様である。

可変部の値
投射画面サイズ
78インチ６４インチ
D2 0.200 0.332
D20 1.255 0.300
D24 17.706 17.874
D26 173.957 174.612
D28(投射距離) -494.000 -416.070 。

画像表示面側のNA＝0.25
OAL=329.62 Y=12.5
条件（１）のパラメータの値：26.7
条件（２）のパラメータの値：1.620
条件（３）のパラメータの値：1.704(第１１レンズのNe) 。

図３に実施例１のスクリーン面ＰＳ上における「スポットダイアグラム」を示す。

図３のスポットダイアグラムはアスペクト比が４：３で対角長：０．６インチサイズの液晶パネルの画像表示面の画像を、スクリーン上に対角長：７８インチに拡大したときのものである。

図４に実施例１のスクリーン面ＰＳ上における「スポットダイアグラム」を示す。

図４のスポットダイアグラムはアスペクト比が４：３で対角長：０．６インチサイズの液晶パネルの画像表示面の画像を、スクリーン上に対角長：６４インチに拡大したときのものである。

図３の左列の数値は対応する画像表示面上のｘ座標とｙ座標である。

例えば「ｘ６．１５ｙ１０．９」とあるのは、「ｘ＝６．１５ｍｍ、ｙ＝１０．９ｍｍ」を意味している。図４や後述の実施例２〜４に関する図７、図８、図１１、図１２、図１５、図１６、図１７においても同様である。

図５は、プロジェクタ装置の実施の別形態を示す図である。繁雑をさけるため、混同の虞が無いと思われるものについては図１におけると同一の符号を付した。
図１の実施の形態と同様、図５の実施の形態においても、レンズ系Ｌは全てのレンズが光軸を共有している。

図５に示すように、画像表示面ＩＰは、レンズ系Ｌの全てのレンズにより共有される光軸に対し、図の下方へずらされている。従って、図５において、レンズ系Ｌの光軸と、画像表示面ＩＰの「図の下方の端部」との距離が「Ｙ」である。

図６は、図５に示す実施の形態における投射光学系の具体的な実施例の構成を示す図である。
図６に示す投射光学系のデータを実施例２として以下に示す。

「実施例２」
i R Ｄ j Ｎ ν
0 ∞ 10.800
1 ∞ 29.200 1.51680 64.1
2 ∞ 0.000
3 73.73405 10.106 1 1.49700 81.6
4 -40.82989 0.300
5 57.50288 5.302 2 1.48749 70.4
6 -201.92517 0.300
7 32.43349 4.622 3 1.48749 70.4
8 156.25824 3.042
9 -35.40145 1.600 4 1.83400 37.3
10 20.11036 6.753 5 1.49700 81.6
11 -97.87929 2.936
12 36.31999 6.057 6 1.53172 48.8
13 -32.20945 3.166
14 -112.21202 1.400 7 1.83400 37.3
15 19.22969 6.712 8 1.63980 34.6
16 50.95246 2.741
17(絞り) ∞ 1.589
18 -41.10637 4.320 9 1.54814 45.8
19 -27.04608 21.116
20 64.31575 7.884 10 1.74400 44.9
21 -381.36942 可変
22 42.73212 7.730 11 1.80610 40.7
23 92.52370 可変
24 -112.67420 2.500 12 1.83400 37.3
25 107.92882 7.692
26 -74.07870 2.500 13 1.83400 37.3
27 106.89642 可変
28(*) -180.06105 5.500 14 1.53046 55.8
29(*) 516.13189 可変
30(*) -77.32762 可変（ミラー面）
IMG ∞ 0.000 。

第２８面は回転対称非球面で、係数は以下のとおりである。
K= 14.722645
A=0.419885E-05、 B=0.297558E-08、 C=-0.637756E-11、 D=0.465514E-14
E=-0.123269E-17、F=0、G=0
第２９面は回転対称非球面で、係数は以下のとおりである。
K=-200.000
A=-0.397967E-05、 B=0.401039E-08、 C=-0.454979E-11、 D=0.251307E-14
E=-0.425185E-18、F=0、G=0
第３０面は回転対称非球面で、係数は以下のとおりである。
K=-2.360048
A=-0.274563E-06、 B=0.161310E-10、 C=-0.114777E-14、 D=0.291873E-19
E=0.140965E-23、 F=-0.184116E-27、 G=0.546153E-32 。

可変部の値
投射画面サイズ
78インチ６４インチ
D21 24.494 22.999
D23 8.310 8.760
D27 6.326 6.107
D29 170.000 171.264
D30(投射距離) -493.000 -415.670 。

画像表示面側のNA＝0.27
OAL=355.027 Y=16.2
条件（１）のパラメータの値：21.9
条件（２）のパラメータの値：1.498
条件（３）のパラメータの値：1.839(第12レンズのNe)、1.839(第13レンズのNe) 。

図７に実施例２のスクリーン面ＰＳ上における「スポットダイアグラム」を示す。

図７のスポットダイアグラムはアスペクト比が４：３で対角長：０．７８インチサイズの液晶パネルの画像表示面の画像をスクリーン上に対角長：７８インチに拡大したときのものである。

図８に実施例２のスクリーン面ＰＳ上における「スポットダイアグラム」を示す。

図８のスポットダイアグラムはアスペクト比が４：３で対角長：０．７８インチサイズの液晶パネルの画像表示面の画像をスクリーン上に対角長：６４インチに拡大したときのものである。

図３、図４のスポットダイアグラム、図７、図８のスポットダイアグラムに示されたように、実施例１、２の投射光学系は何れも良好な性能を有している。

図９は、プロジェクタ装置の実施の他の形態を示す図である。繁雑をさけるため、混同の虞が無いと思われるものについては図１におけると同一の符号を付した。
図１の実施の形態と同様、図９の実施の形態においても、レンズ系Ｌは全てのレンズが光軸を共有している。

図９に示すように、画像表示面ＩＰは、レンズ系Ｌの全てのレンズにより共有される光軸に対し、図の下方へずらされている。従って、図９において、レンズ系Ｌの光軸と、画像表示面ＩＰの「図の下方の端部」との距離が「Ｙ」である。

図１０は、図６に示す実施の形態における投射光学系の具体的な実施例の構成を示す図である。
図１０に示す投射光学系のデータを実施例３として以下に示す。

「実施例３」
i ＲＤ j Ｎ ν
0 ∞ 0.500
1 ∞ 27.000 1.51680 64.2
2 ∞ 0.300
3 243.39589 7.876 1 1.61800 63.4
4 -36.80043 11.415
5 38.29383 4.437 2 1.48749 70.4
6 -270.48389 2.620
7 -27.82599 2.000 3 1.75520 27.5
8 25.99933 5.787 4 1.49700 81.6
9 -83.09026 6.394
10 64.09770 10.000 5 1.59270 35.5
11 -34.66611 7.002
12(絞り) ∞ 8.461
13 -144.06734 10.000 6 1.75136 30.4
14 -47.22642 1.885
15 -29.11230 10.000 7 1.84666 23.8
16 -51.94609 41.000
17 97.21127 9.964 8 1.81305 40.6
18 -502.02314 35.220
19 -37.09509 10.000 9 1.69895 30.1
20 -476.03001 可変
21(*) -72.82677 6.600 10 1.53046 55.8
22(*) -237.58519 可変
23(#) -10000.000 -530.000 （反射面）
IMG ∞ 0.000 。

第２１面は軸対称非球面であり、係数は以下のとおりである。
K = -16.266645
A =0.120791E-05 、 B =-0.218628E-09 、 C = 0.199306E-13
第２２面は軸対称非球面であり、係数は以下のとおりである。
K = -500.0
A =-0.219810E-05 、 B = -0.388265E-09 、 C = 0.118932E-12 。

第２３面は自由曲面であり、その係数は以下のとおりである。
K= -9.7635E+03 、 C4 = -5.9146E-03 、 C6= -5.7109E-03
C8= 1.3364E-06 、 C10= -1.8655E-05 、 C11= 2.1404E-10
C13= -2.0400E-07 、 C15= 8.1614E-07 、 C17= -6.5598E-11
C19= 1.0874E-08 、 C21= -2.0546E-08 、 C22= -9.8347E-13
C24= 3.2450E-11 、 C26= -3.2424E-10 、 C28= 3.0791E-10
C30= 6.5044E-15 、 C32= -1.3436E-12 、 C34= 6.5082E-12
C36= -2.6129E-12 、 C37= -2.0976E-16 、 C39= -3.7751E-15
C41= 1.2508E-14 、 C43= -8.7230E-14 、 C45= 9.2980E-15
C47= 2.3106E-18 、 C49= 1.1024E-16 、 C51= -3.4790E-18
C53= 6.4308E-16 、 C55= 1.1821E-17 、 C56= 7.3701E-22
C58= -7.9731E-20 、 C60= -8.3892E-19 、 C62= -3.1803E-19
C64= -1.9714E-18 、 C66= -1.3557E-19
上記において、特に記述しない非球面係数、自由曲面の係数の値は「０」である。後述の実施例４においても同様である。

可変部の値
投射画面サイズ
78インチ６４インチ
Ｄ S2 0.300 0.333
Ｄ S20 13.527 13.885
Ｄ S22 176.414 176.022
Ｄ S23 -530.000 -448.461 。

画像表示面側のNA：0.29
OAL=408.4
物体サイズｙ（鉛直方向）＝２．２〜１４
x（水平方向）＝−８〜８
条件（１）のパラメータの値：25.3
条件（２）のパラメータの値：1.62032
条件（３）の値 1.8550(第７レンズのNe) 1.7044(第９レンズのNe) 。

図１１に実施例３のスクリーン面ＰＳ上における「スポットダイアグラム」を示す。

図１１のスポットダイアグラムは、アスペクト比が４：３で対角長：０．７８インチサイズの液晶パネルの画像表示面の画像を、スクリーン上に対角長：７８インチに拡大したときのものである。

図１２に実施例３のスクリーン面ＰＳ上における「スポットダイアグラム」を示す。

図１２のスポットダイアグラムは、アスペクト比が４：３で対角長：０．７８インチサイズの液晶パネルの画像表示面の画像を、スクリーン上に対角長：６４インチに拡大したときのものである。

図１３は、プロジェクタ装置の実施の他の形態を示す図である。繁雑をさけるため、混同の虞が無いと思われるものについては図１におけると同一の符号を付した。
図１３の実施の形態においては、レンズ系Ｌのうちで、絞りＳの物体側のレンズが光軸を共有し、絞りＳの像側のレンズも光軸を共有しているが、絞りの両側のレンズが共有する光軸は互いに合致しない。また、反射面の光軸も「絞りＳの物体側のレンズが共有する光軸」に対してずれている。「最多数のレンズにより共有される光軸」は、絞りＳの物体側に配置されたレンズにより共有される光軸である。

図１３に示すように、画像表示面ＩＰは、絞りＳの物体側のレンズが共有する光軸に対し、図の下方へずらされている。従って、図１３において、絞りＳの物体側のレンズにより共有される光軸と、画像表示面ＩＰの「図の下方の端部」との距離が「Ｙ」である。

このように画像表示面ＩＰが上記「絞りＳの物体側のレンズにより共有される光軸」に対してずれているため、投射光学系は所謂「斜光線」を結像させる「軸外し光学系」となっている。画像表示面ＩＰに表示された画像は、レンズ系Ｌと曲面ミラーの反射面ＭＳの結像作用により、図の如く拡大されてスクリーン面ＰＳ上に結像投射される。

図１４は、図１３に示す実施の形態における投射光学系の具体的な実施例の構成を示す図である。
図１４に示す投射光学系のデータを実施例４として以下に示す。

「実施例４」
i ＲＤ j Ｎ ν
O ∞ 10.400
1 ∞ 27.500 1.51680 64.2
2 ∞ 0.000
3 221.99060 5.263 1 1.51823 59.0
4 -43.32818 2.131
5 427.39205 3.276 2 1.51823 59.0
6 -91.87051 0.300
7 48.81452 4.105 3 1.48749 70.4
8 -208.55401 1.560
9 -44.36637 1.600 4 1.83400 37.3
10 43.27898 5.051 5 1.49700 81.6
11 -49.78687 0.300
12 29.00567 5.480 6 1.48749 70.4
13 -74.96679 8.863
14 -58.28332 1.400 7 1.83400 37.3
15 23.44971 3.790 8 1.48749 70.4
16 153.56154 6.358
17 -331.82123 3.304 9 1.84666 23.8
18 -40.46769 0.371
19(絞り) ∞ 可変
20 63.89415 19.060 10 1.51680 64.2
ΔY=5.000
21 -53.28671 可変
22(*) -312.79326 5.500 11 1.53046 55.8
23(*) -98.78860 7.165
24(*) -59.26451 5.000 12 1.53046 55.8
25(*) 26.71955 可変
26 169.96226 3.000 13 1.83400 37.3
27 52.43843 可変
28(*) -69.59940 可変 (反射面)
ΔY=-5.000
IMG ∞ 0.000 。

第２２面は軸対称非球面であり、係数は以下のとおりである。
K = 0.000000
A =-0.258176E-04 、 B =0.862854E-08 、 C =0.593441E-11 、 D =-0.327956E-14
第２３面は軸対称非球面であり、係数は以下のとおりである。
K = 0.000000
A =-0.525113E-05 、 B =0.674453E-08 、 C =-0.450325E-11 、 D =0.130656E-14
第２４面は軸対称非球面であり、係数は以下のとおりである。
K =-4.027985
A =0.115837E-04 、 B =-0.915031E-09 、 C =-0.826204E-11 、 D =0.449270E-14
E =0.129610E-17 、 F =-0.198992E-20 、 G =0.310917E-24
第２５面は軸対称非球面であり、係数は以下のとおりである。
K = -6.045148
A =-0.126937E-04 、 B =0.107777E-07 、 C =-0.459001E-11 、 D =-0.108169E-14
E =0.630308E-18 、 F =0.683893E-21 、 G =-0.451435E-24
第２８面は軸対称非球面であり、係数は以下のとおりである。
K = -2.751902
A =-0.552112E-06 、 B =0.704592E-10 、 C =-0.740927E-14 、 D =0.173827E-18
E =0.399460E-22 、 F =-0.390960E-26 、 G =0.981348E-31 。

「ΔY」は「面の中心がY方向（鉛直方向）にシフトしている量」を表し、以降の面はそれに倣うものとする。

可変部の値
投射画面サイズ
100インチ 70インチ 50インチ
Ｄ S19 71.548 70.481 69.002
Ｄ S21 6.640 6.604 6.534
Ｄ S25 3.086 3.468 4.092
Ｄ S27 154.000 154.718 155.646
Ｄ S28 -623.000 -449.269 -333.195 。

画像表示面側のNA：0.27
OAL=366.05
物体サイズｙ（鉛直方向）＝１．９〜１１．５
x（水平方向）＝−６．４〜６．４
条件（１）のパラメータの値：27.81
条件（２）のパラメータの値：1.52033
条件（３）のパラメータの値：1.83930(第13レンズのNe) 。

図１５に実施例４のスクリーン面ＰＳ上における「スポットダイアグラム」を示す。

図１５のスポットダイアグラムはアスペクト比が４：３で対角長：０．７８インチサイズの液晶パネルの画像表示面の画像を、スクリーン上に対角長：１００インチに拡大したときのものである。

図１６に実施例４のスクリーン面ＰＳ上における「スポットダイアグラム」を示す。

図１６のスポットダイアグラムはアスペクト比が４：３で対角長：０．７８インチサイズの液晶パネルの画像表示面の画像を、スクリーン上に対角長：７０インチに拡大したときのものである。

図１７に実施例４のスクリーン面ＰＳ上における「スポットダイアグラム」を示す。

図１７のスポットダイアグラムはアスペクト比が４：３で対角長：０．７８インチサイズの液晶パネルの画像表示面の画像を、スクリーン上に対角長：５０インチに拡大したときのものである。

即ち、実施例１〜４の投射光学系は、短い光学系全長にもかかわらず、歪曲が少なく、高い解像力を持ち、大画面の投射が可能で、且つ、投射画像の画面サイズを可変できる。

上記実施例１〜４の投射光学系は、画像表示面ＩＰに表示される画像を投射面ＰＳ上に拡大投射する光学系であって、複数のレンズを有するレンズ系Ｌと、１以上の曲面ミラーとを有し、レンズ系Ｌから投射面ＰＳ側に射出後、最初に入射する曲面ミラーのミラー面ＭＳが凹面であり、レンズ系Ｌを構成する複数レンズの光軸のうち、最多数のレンズにより共有される光軸に沿って、上記画像表示面から、最も投射面側の曲面ミラー面に至る距離：ＯＡＬ、画像表示面ＩＰ内で、最多数のレンズにより共有される光軸から最も離れた画像表示面端部までの距離：Ｙが、条件：
（１）２０＜ＯＡＬ／Ｙ＜３０
を満足する。
また、これら実施例の投射光学系は、投射面ＰＳ上の投射画像の画面サイズが可変であって、画面サイズを変更するとき、画像表示面ＩＰと、この画像表示面から結像光路上最も離れた曲面ミラーのミラー面ＭＳまでの距離が一定に保たれ、ミラー面ＭＳから投射面ＰＳまでの距離の変化に応じて、画像表示面とミラー面の間にある、一部の光学素子の位置を変えるものである（請求項１）。

また、実施例１〜３の投射光学系は、レンズ系Ｌを構成する全レンズが光軸を共有しており（請求項２）、画像表示面側の開口数が０．２５よりも大きい（請求項３）。

実施例１〜４の投射光学系とも、レンズ系Ｌに含まれる負レンズのうちで、最も画像表示面側に位置する負レンズ（ｊ＝３、実施例４ではｊ＝４）は、その画像表示面側の面が空気に接し、画像表示面側に凹の形状を有する（請求項４）。
また、レンズ系Ｌにおける最も画像表示面側のレンズから最も投射面側のレンズまでの間に開口絞りＳを有する（請求項５）。

また、レンズ系Ｌに含まれる正レンズのうち「最も画像表示面側」に位置する正レンズ（ｊ＝１）の、レンズ材質のｅ線に対する屈折率：ｎＰｅが、条件（２）を満足し（請求項６）、結像光路上最も投射面側にある曲面ミラーのミラー面ＭＳが、レンズ系において最多数のレンズにより共有される光軸を対称軸とする軸対称な面である（請求項７）。

実施例１〜４の投射光学系とも、レンズ系Ｌにおける最も画像表示面側のレンズから最も投射面側のレンズまでの間に開口絞りＳを有し、この開口絞りから曲面ミラーまでの間に位置する各球面負レンズにつき、そのレンズ材質のｅ線に対する屈折率：ｎＮｅが、条件（３）を満足する（請求項８）。そして、曲面ミラーは１個である（請求項９）。

なお、図１、図５、図９、図１３の光学配置において、スクリーン面ＰＳ位置に原稿を配置し、画像表示面位置もしくは「画像表示面位置と等価な位置」に撮像素子の受光面を配置して、投射光学系を縮小光学系として用いれば、上記投射光学系を用いる画像読取装置が実現できる。

プロジェクタ装置の実施の１形態を示す図である。図１の実施の形態における投射光学系の具体例（実施例１）を示す図である。実施例１の７８インチ投射時のスポットダイアグラムである。実施例１の６４インチ投射時のスポットダイアグラムである。プロジェクタ装置の実施の別形態を示す図である。図５の実施の形態における投射光学系の具体例（実施例２）を示す図である。実施例２の７８インチ投射時のスポットダイアグラムである。実施例２の６４インチ投射時のスポットダイアグラムである。プロジェクタ装置の実施の他の形態を示す図である。図９の実施の形態における投射光学系の具体例（実施例３）を示す図である。実施例３の７８インチ投射時のスポットダイアグラムである。実施例３の６４インチ投射時のスポットダイアグラムである。プロジェクタ装置の実施の他の形態を示す図である。図１３の実施の形態における投射光学系の具体例（実施例４）を示す図である。実施例４の１００インチ投射時のスポットダイアグラムである。実施例４の７０インチ投射時のスポットダイアグラムである。実施例４の５０インチ投射時のスポットダイアグラムである。

符号の説明

ＩＰ画像表示面
Ｐプリズム
Ｌレンズ系
Ｓ開口絞り
ＭＳミラー面
ＰＳ投射面

Claims

画像表示面に表示される画像を投射面上に拡大投射する光学系であって、
複数のレンズを有するレンズ系と、１以上の曲面ミラーとを有し、
上記レンズ系から投射面側に射出した拡大結像光束が、最初に入射する曲面ミラーのミラー面が凹面であり、
上記レンズ系を構成する複数のレンズの光軸のうち、最多数のレンズにより共有される光軸に沿って、上記画像表示面から、最も投射面側の曲面ミラー面に至る距離：ＯＡＬ、
上記画像表示面内で、上記最多数のレンズにより共有される光軸から最も離れた画像表示面端部までの距離：Ｙが、条件：
（１）２０＜ＯＡＬ／Ｙ＜３０
を満足し、
上記投射面上の投射画像の画面サイズが可変であって、
上記画面サイズを変更するとき、上記画像表示面と、この画像表示面から結像光路上最も離れた曲面ミラーのミラー面までの距離が一定に保たれ、
上記ミラー面から上記投射面までの距離の変化に応じて、上記画像表示面と上記ミラー面の間にある、一部または全ての光学素子の位置を変えることを特徴とする投射光学系。
請求項１記載の投射光学系において、
レンズ系を構成する全レンズが光軸を共有していることを特徴とする投射光学系。
請求項１または２記載の投射光学系において、
画像表示面側の開口数が０．２５よりも大きいことを特徴とする投射光学系。
請求項１〜３の任意の１に記載の投射光学系において、
レンズ系に含まれる負レンズのうち、最も画像表示面側に位置する負レンズが、その画像表示面側の面が空気に接し、上記画像表示面側に凹の形状を有することを特徴とする投射光学系。
請求項１〜４の任意の１に記載の投射光学系において、
レンズ系における最も画像表示面側のレンズから最も投射面側のレンズまでの間に開口絞りを有することを特徴とする投射光学系。
請求項１〜５の任意の１に記載の投射光学系において、
レンズ系に含まれる正レンズのうち、最も画像表示面側に位置する正レンズの、レンズ材質のｅ線に対する屈折率：ｎＰｅが、条件：
（２）１．４５＜ｎＰｅ＜１．６５
を満足することを特徴とする投射光学系。
請求項１〜６の任意の１に記載の投射光学系において、
結像光路上最も投射面側にある曲面ミラーが、レンズ系において最多数のレンズにより共有される光軸を対称軸とする軸対称な面であることを特徴とする投射光学系。
請求項１〜７の任意の１に記載の投射光学系において、
レンズ系における最も画像表示面側のレンズから最も投射面側のレンズまでの間に開口絞りを有し、この開口絞りから曲面ミラーまでの間に位置する各球面負レンズにつき、そのレンズ材質のｅ線に対する屈折率：ｎＮｅが、条件：
（３）２．０＞ｎＮｅ＞１．６５
を満足することを特徴とする投射光学系。
請求項１〜８の任意の１に記載の投射光学系において、
曲面ミラーが１個であることを特徴とする投射光学系。
請求項１〜９の任意の１に記載の投射光学系を搭載したプロジェクタ装置。
請求項１〜９の任意の１に記載の投射装置を縮小光学系として用い、画像表示面となるべき位置に撮像素子の受光面を配置して画像取込みを行う画像読取装置。