JP2017138490A - 投射光学系、プロジェクター及びプロジェクター用コンバージョンレンズ - Google Patents

Abstract

【課題】種々の形状の被照射面に対して画像投射を行う場合において、被照射面の面形状に応じた調整を可能とし、結像性能の高い良好な画像形成を可能にする投射光学系、投射光学系を用いたプロジェクター及びプロジェクター用コンバージョンレンズを提供すること。【解決手段】正負の異なるアナモフィック型のレンズを組み合わせて構成され、かつ、これらのレンズ間距離を変化させることが可能な第１〜第３レンズ群４１〜４３が協働することで、子午面に関する方向と球欠面に関する方向とについて、像面湾曲をそれぞれ変化させる。【選択図】図３

Description

本発明は、画像表示装置の画像を拡大投影するための投射光学系、投射光学系を用いたプロジェクター及びプロジェクター用コンバージョンレンズに関する。

プロジェクターとして、平面以外の曲面に対して画像投射を行うために、レンズの位置を変えて像面の曲率を変化させる投写光学系が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、プロジェクターの本体内部を構成する光学系として形状可変ミラーや回転対称でない形状を有するレンズを設けることで、スクリーンに投影される画像の幾何補正をするプロジェクターが知られている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、例えば円柱の表面のように、投射光学系の光軸に対して回転対称性を有しない形状のスクリーンに投射を行う場合には、例えば結像位置がスクリーンの垂直方向と水平方向とで異なっているため、画像の位置によって結像状態が異なり画像全体としては必ずしも高い結像性能を得られるとは限らなかった。

国際公開第２０１３／８０９５３号 特開２００６−１７８１５５号公報

本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、回転対称性を有しない形状といった種々の形状の被照射面（例えば、スクリーン等。以下、単にスクリーンとも記載する。）に対して画像投射を行う場合において、被照射面の面形状に応じた調整を可能とし、結像性能の高い良好な画像形成を可能にする投射光学系、投射光学系を用いたプロジェクター及びプロジェクター用コンバージョンレンズを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る投射光学系は、子午面と球欠面（球欠断面）で曲率の異なるアナモフィック型のレンズで構成されるレンズ群を含む投射光学系であって、正又は負のパワーを有する第１レンズ群と、第１レンズ群と符号が異なるパワーを有する第２レンズ群と、第１レンズ群と符号が一致したパワーを有する第３レンズ群とを備え、第２レンズ群は、第１レンズ群と第３レンズ群との間に移動可能に配置されている。ここで、子午面とは、投射光学系の光軸と光軸外の物点とを通る面（あるいは含む面）を意味し、典型的には光軸を通り被照射面のスクリーンの縦方向（垂直方向）に沿った面を意味し、球欠面（球欠断面）とは、上記の子午面に垂直な面で、典型的には、さらに投射光学系の光軸を通る面（あるいは含む面）を意味するものとする。アナモフィック型のレンズには、子午面の方向と球欠面の方向との双方にパワーを有して双方のパワーの正負が同じで大きさが異なるトーリックレンズのほか、一方向についてのみパワーを有するシリンドリカルレンズも含み得るものとする。

上記画像表示装置では、正負の異なるアナモフィック型のレンズを組み合わせて構成され、かつ、これらのレンズ間距離を変化させることが可能な第１〜第３レンズ群が協働することで、子午面に関する方向と球欠面に関する方向とについて、像面湾曲をそれぞれ変化させることができる。これにより、例えば垂直方向と水平方向とで異なる曲率形状を有している被照射面（スクリーン）への投射において、表示画像全体において高い結像性能を維持することが可能になる。

本発明の具体的な側面によれば、第２レンズ群は、一体的に移動可能である。この場合、第１〜第３レンズ群を通過するに際して、光線束の大きさや光の入射角度を変化させることなく所望の像面湾曲の変化を生じさせることができる。

本発明の別の側面によれば、第１レンズ群に対する第３レンズ群の配置は、固定されている。この場合、中間に位置する第２レンズ群の移動量により各レンズ間の距離を調整できる。

本発明のさらに別の側面によれば、第２レンズ群は、第１レンズ群と対になり第１アフォーカル光学系を構成する第２−１レンズ群と、第３レンズ群と対になり第２アフォーカル光学系を構成する第２−２レンズ群とで構成される。この場合、２つのアフォーカル光学系を組み合わせた構成となることで、例えば画像のアスペクト比が変化することを抑えられる。

本発明のさらに別の側面によれば、第１アフォーカル光学系と第２アフォーカル光学系とは、同一のレンズ群で構成される。この場合、第２レンズ群は、１つのレンズで構成される。この場合、光学系の対称性により、光線束の大きさや光の入射角度、画像のアスペクト比等について意図しない変化が生じることを低減できる。

本発明のさらに別の側面によれば、アナモフィック型のレンズとして、トーリックレンズを含む。この場合、湾曲量を子午面に関する方向と球欠面に関する方向とで異なるようにできる。

本発明のさらに別の側面によれば、アナモフィック型のレンズとして、非球面レンズを含む。この場合、非球面レンズを利用することで、例えば像面湾曲の変化の影響を大きくさせつつ、他の収差の発生を抑えることができる。

本発明のさらに別の側面によれば、アナモフィック型のレンズにおいて、子午面が光軸に対して回転可能である。この場合、像面の湾曲方向を回転させることができる。

本発明のさらに別の側面によれば、第１〜第３レンズ群の物体側に結像光学系を有する。この場合、結像光学系により物体側における結像性能を高めることができる。

上記目的を達成するため、本発明に係るプロジェクターは、光を射出する照明光学系と、照明光学系から射出した光を変調する光変調装置と、光変調装置で変調された光を投影する上記いずれかに記載の投射光学系とを備える。この場合、上記投射光学系を適用することで、種々の形状の被照射面に対して画像投射を行う場合に、被照射面の面形状に応じた調整を可能であり、結像性能の高い良好な画像形成が可能になる。

上記目的を達成するため、本発明に係るプロジェクター用コンバージョンレンズは、子午面と球欠面で曲率の異なるアナモフィック型のレンズで構成されるレンズ群を含むプロジェクター用コンバージョンレンズであって、正又は負のパワーを有する第１レンズ群と、第１レンズ群と符号が異なるパワーを有する第２レンズ群と、第１レンズ群と符号が一致したパワーを有する第３レンズ群とを備え、第２レンズ群は、第１レンズ群と第３レンズ群との間に移動可能に配置されている。

上記プロジェクター用コンバージョンレンズ（コンバーター）では、正負の異なるアナモフィック型のレンズを組み合わせて構成され、かつ、これらのレンズ間距離を変化させることが可能な第１〜第３レンズ群が協働することで、子午面に関する方向と球欠面に関する方向とについて、像面湾曲をそれぞれ変化させることができる。これにより、例えばプロジェクターの投射光学系に当該コンバージョンレンズを取り付けることで、垂直方向と水平方向とで異なる曲率形状を有している被照射面への投射において、被照射面の面形状に応じた調整を可能とし、高い結像性能を維持することが可能になる。

第１実施形態のプロジェクターの概略構成を示す図である。 プロジェクターによるスクリーンへの投射を概念的に示す図である。 第１実施形態の投射光学系の構成及び光線を示す図である。 （Ａ）は、像面湾曲させた場合の一例を説明するための図であり、（Ｂ）は、略平面となるようにさせた場合の一例を説明するための図であり、（Ｃ）は、（Ａ）と反対側に像面湾曲させた場合の一例を説明するための図である。 （Ａ）〜（Ｆ）は、被照射面であるスクリーンの形状について概念的に例示するための図である。 （Ａ）は、第２実施形態の投射光学系の構成及び光線を示す図であり、像面湾曲させた場合の一例を説明するための図であり、（Ｂ）は、略平面となるようにさせた場合の一例を説明するための図であり、（Ｃ）は、（Ａ）と反対側に像面湾曲させた場合の一例を説明するための図である。 第３実施形態の投射光学系の構成および光線図である。 （Ａ）は、投射光学系の一変形例を示す図であり、（Ｂ）は、プロジェクター用コンバージョンレンズを取り付けた状態を示す概念的な図であり、（Ｃ）は、プロジェクター用コンバージョンレンズを取り外した状態を示す概念的な図である。

〔第１実施形態〕
以下に図面を参照して、本発明の第１実施形態に係る画像表示装置を組み込んだプロジェクターについて詳細に説明する。

図１及び図２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、プロジェクター２として画像光を投射する光学系部分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。図２に示すように、プロジェクター２からの映像光ＧＬは、被照射面であるスクリーンＳＣに照射される。ここでは、図示のように、平面の状態の仮のスクリーンＳＣ１に比べ被照射面であるスクリーンＳＣは、湾曲している。

以下、図１を参照して、プロジェクター２の構成等について詳しく説明する。まず、光学系部分５０は、照明光を射出する光源１０を含み、各色光を射出する照明光学系２０と、照明光を各色の色光に分離するとともに導光する色分離導光光学系３０と、色分離導光光学系３０から射出された各色光を空間的に変調する光変調装置１８と、光変調装置１８を経た色光（変調光）を合成する合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム１９と、合成された合成光を投影する投射光学系４０とを備える。

光学系部分５０において、照明光学系２０は、光源１０のほか、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と、偏光変換素子１３と、重畳レンズ１４とを有する。

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ライトバルブ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂのパネル部分に形成する。このような構成により、光源１０からの光が液晶ライトバルブ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの表示領域の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を介して液晶ライトバルブ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの表示領域上で重畳させる。

色分離導光光学系３０は、ダイクロイックミラー１５，２１と、反射ミラー１６，２３，２５と、リレーレンズ２２、２４と、フィールドレンズ１７Ｒ，１７Ｇ，１７Ｂとを有する。

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、光変調装置である液晶ライトバルブ１８Ｒへ入射する。液晶ライトバルブ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、光変調装置である液晶ライトバルブ１８Ｇへ入射する。液晶ライトバルブ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、光変調装置である液晶ライトバルブ１８Ｂへ入射する。液晶ライトバルブ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。

光変調装置１８である液晶ライトバルブ１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂは、３色（赤、緑、青）の色光にそれぞれ対応する３つの入射した照明光である各色光の強度の空間分布を変調する非発光型の液晶パネルを含む。言い換えると、各液晶ライトバルブ１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂは、光透過型の液晶画素マトリクス（液晶パネル）をそれぞれ備える。具体的には、液晶ライトバルブ１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂは、液晶画素マトリクスと、画素マトリクスの光入射側に設けられた入射側偏光板と、画素マトリクスの光射出側に設けられた射出側偏光板とをそれぞれ備える。以下、各液晶ライトバルブ１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂの制御動作について簡単に説明する。まず、プロジェクター制御部である回路装置８０が、入力された画像信号から画像ライトバルブ制御信号に変換する。次に、変換された画像ライトバルブ制御信号により図示しないパネルドライバーが制御される。制御されたパネルドライバーにより駆動された３枚の液晶ライトバルブ１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂは、３色の色光をそれぞれ変調して、入力された画像情報（画像信号）に応じた画像を形成する。

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、各液晶ライトバルブ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂで変調された光を合成して画像光とし、投射光学系４０へ進行させる。

投射光学系４０は、クロスダイクロイックプリズム１９で合成された画像光（映像光）を被照射面である湾曲したスクリーンＳＣ（図２参照）上に拡大投射する投射レンズ（投写レンズ）である。詳しくは図３等を参照して説明するが、特に、本実施形態では、投射光学系４０が、子午面と球欠面（球欠断面）とで曲率の異なるアナモフィック型のレンズで構成される複数のレンズ群を含むものとなっている。ここで、アナモフィック型のレンズには、子午面の方向と球欠面の方向との双方において互いに異なるパワーを有するトーリックレンズのほか、一方向についてのみパワーを有するシリンドリカルレンズも含み得るものとする。投射光学系４０が、正及び負のアナモフィック型のレンズを組み合わせて構成され、かつ、位置調整可能なレンズ群を含むことで、種々の形状のスクリーン（被照射面）に対して画像投射を行う場合に、被照射面の面形状に応じた調整を可能であり、結像性能の高い良好な画像形成が可能になっている。

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に設けた液晶ライトバルブ１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂを駆動する表示駆動部８２と、投射光学系４０に設けた駆動機構（不図示）を動作させて投射光学系４０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階調等を含む画像信号に変換する。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。

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ライトバルブ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ライトバルブ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、投射光学系４０を構成する一部の光学要素をアクチュエーターＡＣを介して光軸ＯＡに沿って適宜移動させることにより、投射光学系４０によるスクリーン上への画像の投射において、例えば投射距離を変更した時のフォーカス等を行うことができる。なお、レンズ駆動部８３は、投射光学系４０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、スクリーン上に投射される画像の縦位置を変化させることもできる。

以下、図３を参照して、本実施形態の投射光学系４０の光学系部分の構成について具体的に説明する。図３は、投射光学系４０の構成及び光線を示す図であり、構成する光学系の子午面に沿った方向（垂直方向）について切断した場合の様子を示している。図３に示すように、投射光学系４０は、拡大側（像側）から順に、像面湾曲制御部Ｆ１と、結像部（結像光学系）Ｆ２とで構成される。

投射光学系４０のうち、像面湾曲制御部Ｆ１は、複数のアナモフィック型のレンズを組み合わせて構成されることで、単独で又は他の光学系と協働して、投射光学系４０全体としての像面湾曲（歪曲収差）により生じる湾曲量を調整しつつ、他の収差の発生を抑制し結像位置を調整可能としている。像面湾曲制御部Ｆ１の構成について具体的に説明すると、像面湾曲制御部Ｆ１は、アナモフィック型のレンズであって正のレンズである第１のレンズＬ１で構成される第１レンズ群４１（正のパワーを有するレンズ群）と、アナモフィック型のレンズであって２枚の負のレンズである第２及び第３のレンズＬ２，Ｌ３で構成される第２レンズ群４２（第１レンズ群４１と符号が異なるパワー（負のパワー）を有するレンズ群）と、アナモフィック型のレンズであって正のレンズである第４のレンズＬ４で構成される第３レンズ群４３（第１レンズ群４１と符号が一致したパワー（正のパワー）を有するレンズ群）とで構成される。第１のレンズＬ１と第４のレンズＬ４とは、同一のレンズである、すなわち同一形状・同一材質のレンズである。また、第２のレンズＬ２と第３のレンズＬ３とは、同一のレンズである、すなわち同一形状・同一材質のレンズである。

また、ここで、２枚のレンズＬ２，Ｌ３で構成される第２レンズ群４２は、第１レンズ群４１（第１のレンズＬ２）と対になる第２−１レンズ群４２ａ（第２のレンズＬ２）と、第３レンズ群４３（第４のレンズＬ４）と対になる第２−２レンズ群４２ｂ（第３のレンズＬ３）とで構成されていると捉えることもできる。本実施形態では、正のレンズ群（１つの両凸レンズ）である第１レンズ群４１と負のレンズ群（１つの両凹レンズ）である第２−１レンズ群４２ａとが対になり第１アフォーカル光学系ＡＦ１を構成している。また、正のレンズ群（１つの両凸レンズ）である第３レンズ群４３と負のレンズ群（１つの両凹レンズ）である第２−２レンズ群４２ｂとが対になり第２アフォーカル光学系ＡＦ２を構成している。すなわち、第１レンズ群４１と第２−１レンズ群４２ａとは、アフォーカルな光学系を構成し、光軸に平行に入射した光は、光軸に平行に射出される。第３レンズ群４３と第２−２レンズ群４２ｂとについても同様である。さらに、この場合、像面湾曲制御部Ｆ１全体としてもアフォーカルな光学系となる。また、以上の構成の場合、第１レンズ群４１と第３レンズ群４３とは、ともに負のレンズ群であり正負が一致している一方、第１レンズ群４１と第２レンズ群４２とは、正負が異なっていることになる。

投射光学系４０のうち、結像光学系である結像部Ｆ２は、図示のように例えば３つのレンズＬ５〜Ｌ７によって構成されるトリプレットレンズを配置したものである。結像部Ｆ２は、像面湾曲（歪曲収差）以外の種々の収差を補正して物体面（パネル面）ＰＳでの結像性能を高めている。

上記構成において、像面湾曲制御部Ｆ１のうち、第１レンズ群４１及び第３レンズ群４３は、光軸ＯＡに沿った方向に関して固定された固定群である。言い換えると、第１レンズ群４１に対する第３レンズ群４３の配置は、固定されており、これらの距離は一定に保たれている。一方、第２レンズ群４２は、例えばアクチュエーターＡＣ（図１参照）等を用いる、あるいは手動によりカム機構を動かすことで、第１レンズ群４１と第３レンズ群４３との間において光軸ＯＡに沿った方向（Ｚ方向）に移動可能に配置されている移動群である。特に、第２レンズ群４２を構成する第２−１レンズ群４２ａと第２−２レンズ群４２ｂとは、一体的に移動可能となっている。この場合、第１レンズ群４１に対する第２−１レンズ群４２ａの位置が決まると同時に第３レンズ群４３に対する第２−２レンズ群４２ｂの配置も定まるものとなり、また、この場合、第１レンズ群４１から第２−１レンズ群４２ａまでの距離Ｄ１と第３レンズ群４３から第２−２レンズ群４２ｂまでの距離Ｄ２とはそれぞれ可変であっても、その合計距離（Ｄ１＋Ｄ２）は、一定となっていることになる。像面湾曲制御部Ｆ１において、上記のように、構成する光学系の対称性と、レンズ間の移動に関しての規定とがあることで、像面湾曲による湾曲量の変化を可能とさせつつ、例えば光線束の大きさや光の入射角度、画像のアスペクト比等については、意図しない変化が生じることを低減できるものとなっている。

例えば、一組の正レンズと負レンズのアナモフィックレンズだけでアフォーカル光学系を構成した場合、像面湾曲制御部Ｆ１を構成した場合、これらの位置関係を変更することで、湾曲量だけでなく、アスペクト比も変化してしまう可能性がある。これに対して本実施形態では、上記第１〜第３レンズ群４１〜４３により、二組のアフォーカル光学系ＡＦ１，ＡＦ２を有する構成となっており、さらに、これらに対称性をもたせることで、かかる事態を回避している。

以下、図４（Ａ）〜４（Ｃ）を参照して、第２レンズ群４２の移動と像面湾曲による湾曲量の変化の関係について一例を説明する。なお、ここでは、説明の簡易化のため、実際の被投射面（像面）における像面湾曲による湾曲量の変化の形状の変化に代えて、これに対応する物体側のパネル面（物体面）ＰＳ付近での集光の様子をパネル面（物体面）ＰＳの形状として表すことにより、変化の様子について説明するものとする。

図４（Ａ）は、図３に対応する図であり、ここでは、一例として、第１レンズ群４１から第２−１レンズ群４２ａまでの距離Ｄ１を２０ｍｍ、第３レンズ群４３から第２−２レンズ群４２ｂまでの距離Ｄ２を２０ｍｍとしている。この場合、図示のように、パネル面（物体面）ＰＳにおいて、像面湾曲制御部Ｆ１での像面湾曲により、結像面の形状が負の曲率を有するように湾曲した状態となる。なお、これは、被投射面が同様に湾曲していることに相当する。これに対して、図４（Ｂ）に示すように、像面湾曲制御部Ｆ１のうち第２レンズ群４２（２枚の負レンズ）を、光軸ＯＡに沿って−Ｚ側（図示において右側）に４ｍｍ移動させ、距離Ｄ１を２４ｍｍ、距離Ｄ２を１６ｍｍとした場合、パネル面ＰＳにおいて、曲率の状態が負から正に向かって変化し、結像の位置がほぼ平面上となる。なお、これは、被投射面が同様にほぼ平面となっていることに相当する。さらに、図４（Ｃ）に示すように、像面湾曲制御部Ｆ１のうち第２レンズ群４２（２枚の負レンズ）を、図４（Ｂ）の状態から光軸ＯＡに沿って−Ｚ側（図示において右側）にさらに１ｍｍ移動させ、距離Ｄ１を２５ｍｍ、距離Ｄ２を１５ｍｍとした場合、曲率の状態が正となる、すなわち結像面の形状が図４（Ａ）の場合とは逆方向に湾曲した形状となる。なお、これは、被投射面が同様に図４（Ａ）の場合と逆側に湾曲していることに相当する。以上のように、像面湾曲制御部Ｆ１を構成するレンズ群の一部である第２レンズ群４２の位置を移動させることで、像面の形状をその方向の正負を含め調整をすることが可能になる。

なお、図４（Ａ）〜４（Ｃ）を参照した以上の説明は、一例であり、適用する各レンズのレンズ面形状や設計等によって態様は種々変化し、例えば第２レンズ群４２の移動方向と像面の湾曲方向との関係が逆になる場合や、第２レンズ群４２の移動量の大きさと湾曲量との関係にも差が生じる。例えば、各レンズ面の形状を非球面とする（すなわち非球面レンズとする）ことで、第２レンズ群４２の移動量に対して湾曲量を大きくしつつ、他の収差については抑制した状態を維持することが考えられる。また、非球面とする面については、移動群である第２レンズ群４２を構成するレンズ（レンズＬ２，Ｌ３）のレンズ面以外にも、例えば固定群である第１及び第３レンズ群４１，４３を構成するレンズ（レンズＬ１，Ｌ４）のレンズ面を非球面としてもよい。

以上、図３及び図４（Ａ）〜４（Ｃ）では、構成する光学系の子午面に沿った方向（垂直方向）について切断した場合の様子を示しているが、これに垂直な球欠面に沿った方向（水平方向）についても、上記と同様のことが言える。ここで、像面湾曲制御部Ｆ１を構成するアナモフィック型のレンズで構成される第１〜第３レンズ群４１〜４３が、例えばトーリックレンズである場合、子午面の方向と球欠面の方向とでパワーが異なることで、曲率の変化の度合い、すなわち像面形状における垂直方向と水平方向との変化の度合いが異なるものとなる。ただし、第２レンズ群４２の移動方向と像面の湾曲方向との関係については、図４（Ａ）〜４（Ｃ）の場合と同じである。これにより、垂直方向と水平方向とで投射距離が異なるような形状を有する被照射面に対しても、面全体に対して結像性能が高い良好な画像を形成させることができる。すなわち、像面湾曲制御部Ｆ１として適用するトーリックレンズの構成によって例えばラグビーボールの表面形状のような種々の形状の被照射面に対して、湾曲量を調整しつつ適切な投射を行うことができる。また、例えば、像面湾曲制御部Ｆ１としてシリンドリカルレンズあるいはこれに近いトーリックレンズを適用しても投射光学系４０全体として必要に足る収差（特に非点収差）の補正が可能であれば、子午面に沿った方向についてのみ像面湾曲を発生させることで、円柱の表面のように、投射光学系の光軸に対して回転対称性を有しない形状のスクリーンに投射を行うことが可能である。

図５（Ａ）〜５（Ｆ）は、対象となる種々の形状を有する被照射面の例として、スクリーンＳＣの形状を例示している。例えば図５（Ａ）及び５（Ｂ）に示すように平面の状態の仮のスクリーンＳＣ１と比較して水平方向（Ｘ方向）について湾曲する場合や、図５（Ｃ）及び５（Ｄ）に示すように垂直方向（Ｙ方向）について湾曲する場合のほか、図５（Ｅ）及び５（Ｆ）に示すように水平方向（Ｘ方向）及び垂直方向（Ｙ方向）について湾曲する場合についても対応させることができる。

以上のように、本実施形態の投射光学系及びプロジェクターでは、正負の異なるアナモフィック型のレンズを組み合わせて構成され、かつ、これらのレンズ間距離を変化させることが可能な第１〜第３レンズ群４１〜４３が協働することで、子午面に関する方向と球欠面に関する方向とについて、像面湾曲をそれぞれ変化させることができる。これにより、例えば垂直方向と水平方向とで異なる曲率形状を有している被照射面（スクリーン）への投射において、表示画像全体において高い結像性能を維持することが可能になる。

また、上記の説明は、一例であり、種々の変形が可能である。例えば、上記では、第１アフォーカル光学系ＡＦ１と第２アフォーカル光学系ＡＦ２とが同一形状のレンズ群で構成され、対称性の高いものとされているが、例えば第１アフォーカル光学系ＡＦ１と第２アフォーカル光学系ＡＦ２とで形状等が多少異なっていてもよい。

また、各アフォーカル光学系ＡＦ１，ＡＦ２あるいは見方を変えれば第１〜第３レンズ群４１〜４３については、構成する光学系又はレンズ群が１つまたは２つのレンズで構成されるが、これに限らず、２つまたは３つ以上のレンズで各レンズ群が構成されるものとしてもよい。例えば第１レンズ群４１や第３レンズ群４３を２つ以上のレンズで構成し、構成レンズの一部を非球面レンズとする、といったことも可能である。また、高次の係数を有する非球面レンズを採用することで、周辺光における歪曲収差の影響を強めるものとしてもよい。

〔第２実施形態〕
以下、図６（Ａ）〜６（Ｃ）を参照して、本発明の第２実施形態に係る投射光学系１４０について詳細に説明する。なお、本実施形態では、投射光学系１４０のうち第１〜第３レンズ群１４１〜１４３の構造すなわち像面湾曲制御部Ｆ１以外の構造については、第１実施形態に示した投射光学系及びプロジェクターと同様であるので、プロジェクター全体の詳しい構造の説明および図示を省略する。

図６（Ａ）〜６（Ｃ）は、図４（Ａ）〜４（Ｃ）に対応する図であり、構成する光学系の子午面に沿った方向（垂直方向）について切断した場合の様子を示している。図３等に示した場合と同様に、図４（Ａ）等に示す投射光学系１４０は、拡大側（像側）から順に、像面湾曲制御部Ｆ１と、結像部（結像光学系）Ｆ２とで構成され、像面湾曲制御部Ｆ１は、アナモフィック型のレンズによる第１〜第３レンズ群１４１〜１４３で構成されている。本実施形態では、第１〜第３レンズ群１４１〜１４３を構成するレンズの正負が、第１実施形態の場合と異なっている。

具体的に説明すると、例えば図６（Ａ）に示すように、まず、第１レンズ群１４１は、負のレンズである第１のレンズＬ１（１つの両凹レンズ）で構成されている。すなわち、第１レンズ群１４１は、負のパワーを有するレンズ群である。次に、第２レンズ群１４２は、２枚の正のレンズである第２及び第３のレンズＬ２，Ｌ３（２つの両凸レンズ）で構成されている。すなわち、第２レンズ群１４２は、第１レンズ群１４１と符号が異なるパワー（正のパワー）を有するレンズ群である。最後に、第３レンズ群１４３は、負のレンズである第４のレンズＬ４（１つの両凹レンズ）で構成されている。すなわち、第３レンズ群１４３は、第１レンズ群１４１と符号が一致したパワー（負のパワー）を有するレンズ群である。第１のレンズＬ１と第４のレンズＬ４とは、同一のレンズである、すなわち同一形状・同一材質のレンズである。また、第２のレンズＬ２と第３のレンズＬ３とは、同一のレンズである、すなわち同一形状・同一材質のレンズである。

また、第２レンズ群１４２の第２−１レンズ群１４２ａ（第２のレンズＬ２）は、第１レンズ群１４１（第１のレンズＬ２）と対になり第１アフォーカル光学系ＡＦ１を構成し、第２レンズ群１４２の第２−２レンズ群１４２ｂ（第３のレンズＬ３）は、第３レンズ群１４３（第３のレンズＬ４）と対になり第２アフォーカル光学系ＡＦ２を構成する。この場合、像面湾曲制御部Ｆ１全体としてもアフォーカルな光学系となる。また、以上の構成の場合、第１レンズ群１４１と第３レンズ群１４３とは、ともに正のレンズ群であり正負が一致している一方、第１レンズ群１４１と第２レンズ群１４２とは、正負が異なっていることになる。

以下、図６（Ａ）〜６（Ｃ）を参照して、第２レンズ群１４２の移動と像面湾曲による湾曲量の変化の関係について一例を説明する。

図６（Ａ）に示す例では、第１レンズ群１４１から第２−１レンズ群１４２ａまでの距離Ｄ１を２０ｍｍ、第３レンズ群１４３から第２−２レンズ群１４２ｂまでの距離Ｄ２を２０ｍｍとしている。この場合、図示のように、パネル面（物体面）ＰＳにおいて、像面湾曲制御部Ｆ１での像面湾曲により、結像面の形状が正の曲率を有するように湾曲した状態となる。これに対して、図６（Ｂ）に示すように、像面湾曲制御部Ｆ１のうち第２レンズ群４２（２枚の正レンズ）を、光軸ＯＡに沿って−Ｚ側（図示において右側）に４ｍｍ移動させ、距離Ｄ１を２４ｍｍ、距離Ｄ２を１６ｍｍとした場合、パネル面ＰＳにおいて、曲率の状態が正から負に向かって変化し、結像の位置がほぼ平面上となる。さらに、図６（Ｃ）に示すように、像面湾曲制御部Ｆ１のうち第２レンズ群１４２（２枚の正レンズ）を、図６（Ｂ）の状態から光軸ＯＡに沿って−Ｚ側（図示において右側）にさらに１ｍｍ移動させ、距離Ｄ１を２５ｍｍ、距離Ｄ２を１５ｍｍとした場合、曲率の状態が負となる、すなわち結像面の形状が図６（Ａ）の場合とは逆方向に湾曲した形状となる。以上のように、像面湾曲制御部Ｆ１を構成するレンズ群の一部である第２レンズ群１４２の位置を移動させることで、像面の形状をその方向の正負を含め調整をすることが可能になる。また、図６（Ａ）〜６（Ｃ）では、構成する光学系の子午面に沿った方向（垂直方向）について切断した場合の様子を示しているが、これに垂直な球欠面に沿った方向（水平方向）についても、上記と同様のことが言える。

本実施形態の投射光学系及びプロジェクターにおいても、正負の異なるアナモフィック型のレンズを組み合わせて構成され、かつ、これらのレンズ間距離を変化させることが可能な第１〜第３レンズ群１４１〜１４３が協働することで、子午面に関する方向と球欠面に関する方向とについて、像面湾曲をそれぞれ変化させることができる。これにより、例えば垂直方向と水平方向とで異なる曲率形状を有している被照射面（スクリーン）への投射において、表示画像全体において高い結像性能を維持することが可能になる。

〔第３実施形態〕
以下、図７を参照して、本発明の第３実施形態に係る投射光学系及びプロジェクターについて詳細に説明する。なお、本実施形態では、投射光学系２４０のうち第１〜第３レンズ群２４１〜２４３の構造すなわち像面湾曲制御部Ｆ１以外の構造については、第１実施形態等に示した投射光学系及びプロジェクターと同様であるので、プロジェクター全体の詳しい構造の説明および図示を省略する。

図７は、図３に対応する図であり、構成する光学系の子午面に沿った方向（垂直方向）について切断した場合の様子を示している。図３等に示した場合と同様に、図７に示す投射光学系２４０は、拡大側（像側）から順に、像面湾曲制御部Ｆ１と、結像部（結像光学系）Ｆ２とで構成され、像面湾曲制御部Ｆ１は、アナモフィック型のレンズによる第１〜第３レンズ群２４１〜２４３で構成されている。本実施形態では、第２レンズ群２４２が、１枚のレンズ構成となっている点において、第１実施形態等の場合と異なっている。すなわち、固定群である第１及び第３レンズ群２４１，２４３がそれぞれ１枚の正レンズ（両凸レンズ）で構成され、移動群である第２レンズ群２４２が１枚の負レンズ（両凹レンズ）で構成されている。この場合においても、像面湾曲制御部Ｆ１全体としては、アフォーカル光学系を構成するものとし、固定群である第１レンズ群２４１と第３レンズ群２４３との間を１枚の負レンズで構成され第２レンズ群２４２が移動することで、他の実施形態と同様の動作が可能となる。なお、図示の例では、第１レンズ群２４１と第３レンズ群２４３とで形状が少し異なるものとなっているが、同一形状・同一材質のものとし、かつ、第２レンズ群２４２の両レンズ面にも対称性をもたせるものとしてもよい。

〔その他〕
この発明は、上記の各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。

上記では、投射光学系のうち像面湾曲制御部すなわち第１〜第３レンズ群が像側（投射光の光路上最も後段）に位置するものとなっているが、これに限らず、像面湾曲制御部は、投射光学系の中間部分や物体側に配置されるものとしてもよい。例えば、像面湾曲制御部の機能は焦点距離を変えるという観点からいわばズーム機能の一態様と考え、ズームレンズの一部として構成するものとしてもよい。また、像面湾曲（歪曲収差）以外の収差（非点収差等）の補正については、像面湾曲制御部の中に補正用の光学系を併せて設けるものとしてもよく、投射光学系全体において収差補正の負担を担うものとしてもよい。すなわち、他の収差補正を像面湾曲制御部の単独で行っても、投射光学系全体で行ってもよい。

ここで、例えば像面湾曲制御部を投射光の光路上最も後段に配置し、かつ、所望の像面湾曲（歪曲収差）に伴う他の収差補正を当該像面湾曲制御部の単独で行うといった場合においては、図８に例示するように、像面湾曲制御部Ｆ１（第１〜第３レンズ群４１〜４３）に相当する部分を着脱可能なプロジェクター用コンバージョンレンズ（コンバーター）ＣＭとして構成することも考えられる。すなわち、図８（Ａ）に示すように、投射光学系３４０は、通常の平面への投射が可能な本体部分３４０ａと、本体部分３４０ａの先端側に取り付けられるプロジェクター用コンバージョンレンズＣＭとを有するものとし、図８（Ｂ）及び８（Ｃ）に示すように、像面湾曲制御を可能にするプロジェクター用コンバージョンレンズＣＭは、プロジェクター２の本体部分２ａに取り付けられている本体部分３４０ａに対して着脱可能なものとすることが考えられる。この場合、図８（Ｂ）に示すように、プロジェクター用コンバージョンレンズＣＭを取り付けた場合には、種々の曲面形状を有する被照射面に対する画像投射が可能であり、通常の平面への投射においては、必ずしもプロジェクター用コンバージョンレンズＣＭを要さず、図８（Ｃ）に示すように、プロジェクター用コンバージョンレンズＣＭを取り外した状態で画像投射を行うことができる。

さらに、投射光学系のうち、アナモフィック型のレンズで構成される像面湾曲制御部が、回転可能であってもよい。すなわち、像面湾曲制御部Ｆ１について、子午面が光軸ＯＡに対して回転可能であるものとしてもよい。例えば、図８（Ａ）において、プロジェクター用コンバージョンレンズＣＭの部分のみが光軸ＯＡを回転軸として回転可能となるようにしてもよい。この場合、像面の湾曲方向を回転させることができる。

また、上記では、透過型の液晶プロジェクターを一例として取り上げたが、これ以外の他のタイプのプロジェクターについて本願発明の投射光学系を適用することも可能である。具体的には、反射型液晶プロジェクターのほか、デジタルマイクロミラーデバイスを用いたプロジェクター等、種々のものに対して適用可能である。

また、上記の他、例えば入射した照明光を、カラーフィルタを備えた液晶ライトバルブで変調して、変調された光を投射光学系により投写する単板のプロジェクターにおいても、本願発明を適用できる。

また、上記では、照明光を色分離する構成を記載しているが、色分離するのではなくそれぞれの光源を備えた構成とするプロジェクターにおいても、本願発明を適用できる。

また、この他、例えば主制御部８８が、撮像カメラと、当該撮像カメラでの測距に基づくスクリーン等の被照射面の面形状の情報を取り込むための形状取込部とを備え、取り込んだ被照射面の面形状についての情報に基づいて、像面湾曲制御部Ｆ１の移動量を調整させてもよい。

２…プロジェクター、１０…光源、１１，１２…インテグレーターレンズ、１３…偏光変換素子、１４…重畳レンズ、１５，２１…ダイクロイックミラー、１６，２３，２５…反射ミラー、１７Ｒ，１７Ｇ，１７Ｂ…フィールドレンズ、１８…光変調装置、１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂ…液晶ライトバルブ、１９…クロスダイクロイックプリズム、２０…照明光学系、２１…ダイクロイックミラー、２２…リレーレンズ、２３…反射ミラー、３０…色分離導光光学系、４０…投射光学系、４１…第１レンズ群、４２…第２レンズ群、４２ａ…第２−１レンズ群、４２ｂ…第２−２レンズ群、４３…第３レンズ群、５０…光学系部分、８０…回路装置、８１…画像処理部、８２…表示駆動部、８３…レンズ駆動部、８８…主制御部、１４０…投射光学系、１４１…第１レンズ群、１４２…第２レンズ群、１４２ａ…第２−１レンズ群、１４２ｂ…第２−２レンズ群、１４３…第３レンズ群、２４０…投射光学系、２４１…第１レンズ群、２４２…第２レンズ群、２４３…第３レンズ群、３４０…投射光学系、３４０ａ…本体部分、ＡＣ…アクチュエーター、ＡＦ１，ＡＦ２…アフォーカル光学系、ＣＭ…プロジェクター用コンバージョンレンズ、Ｄ１，Ｄ２…距離、Ｆ１…像面湾曲制御部、Ｆ２…結像部（結像光学系）、ＧＬ…映像光、Ｌ１−Ｌ７…レンズ、ＯＡ…光軸、ＰＳ…パネル面、ＳＣ…スクリーン、ＳＣ１…スクリーン

Claims (12)

1. 子午面と球欠面で曲率の異なるアナモフィック型のレンズで構成されるレンズ群を含む投射光学系であって、
   正又は負のパワーを有する第１レンズ群と、
   前記第１レンズ群と符号が異なるパワーを有する第２レンズ群と、
   前記第１レンズ群と符号が一致したパワーを有する第３レンズ群と
   を備え、
   前記第２レンズ群は、前記第１レンズ群と前記第３レンズ群との間に移動可能に配置されている、投射光学系。
2. 前記第２レンズ群は、一体的に移動可能である、請求項１に記載の投射光学系。
3. 前記第１レンズ群に対する前記第３レンズ群の配置は、固定されている、請求項１及び２のいずれか一項に記載の投射光学系。
4. 前記第２レンズ群は、前記第１レンズ群と対になり第１アフォーカル光学系を構成する第２−１レンズ群と、前記第３レンズ群と対になり第２アフォーカル光学系を構成する第２−２レンズ群とで構成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の投射光学系。
5. 前記第１アフォーカル光学系と前記第２アフォーカル光学系とは、同一形状のレンズの組み合わせで構成されている、請求項４に記載の投射光学系。
6. 前記第２レンズ群は、１つのレンズで構成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の投射光学系。
7. 前記アナモフィック型のレンズとして、トーリックレンズを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の投射光学系。
8. 前記アナモフィック型のレンズとして、非球面レンズを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の投射光学系。
9. 前記アナモフィック型のレンズにおいて、子午面が光軸に対して回転可能である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の投射光学系。
10. 前記第１〜第３レンズ群の物体側に結像光学系を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の投射光学系。
11. 光を射出する照明光学系と、
    前記照明光学系から射出した光を変調する光変調装置と、
    前記光変調装置で変調された光を投影する請求項１から１０までのいずれか一項に記載の投射光学系と
    を備えるプロジェクター。
12. 子午面と球欠面で曲率の異なるアナモフィック型のレンズで構成されるレンズ群を含むプロジェクター用コンバージョンレンズであって、
    正又は負のパワーを有する第１レンズ群と、
    前記第１レンズ群と符号が異なるパワーを有する第２レンズ群と、
    前記第１レンズ群と符号が一致したパワーを有する第３レンズ群と
    を備え、
    前記第２レンズ群は、前記第１レンズ群と前記第３レンズ群との間に移動可能に配置されている、プロジェクター用コンバージョンレンズ。

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