JP3407539B2

JP3407539B2 - 変倍偏芯光学系

Info

Publication number: JP3407539B2
Application number: JP12697496A
Authority: JP
Inventors: 聡大澤
Original assignee: ミノルタ株式会社
Priority date: 1996-05-22
Filing date: 1996-05-22
Publication date: 2003-05-19
Anticipated expiration: 2016-05-22
Also published as: JPH09311274A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、変倍偏芯光学系に
関するものであり、更に詳しくは、背面投射型プロジェ
クター，ＨＭＤ(head mounted display)，ＨＵＤ(headu
p display)等に用いられる変倍偏芯光学系に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来より、背面投射型プロジェクターに
は、像面が物面に対して傾くように画像を投影する斜め
投影光学系が用いられており、ＨＭＤやＨＵＤには、偏
芯ミラーで視野の広画角化を図った投影光学系が用いら
れている。これらの投影光学系では、像面の傾きや偏芯
ミラーによって発生する像の非対称な歪み(いわゆる台
形歪み)を打ち消すために、いくつかの偏芯した共軸光
学系が組み合わされている。つまり、光軸(対称軸)が一
致しない複数の共軸光学系から成る軸非対称光学系を用
いることによって、上記台形歪みが発生しないようにし
ているのである。

【０００３】上記のような軸非対称の偏芯光学系に、像
面位置一定のまま(例えば、画像投影面位置で常に結像
するように)像倍率を変化させる変倍機能(例えば、ズー
ム機能)をもたせた場合、変倍において上記台形歪みが
生じないようにする必要がある。

【０００４】特開平５−１１９３９５号公報には、台形
歪みを生じさせることなく変倍を行う投射型表示装置が
提案されている。この装置は、台形歪みのある中間像を
形成する第１の投射光学系と、その中間像を台形歪みの
ない像に変換する第２の投射光学系とを備えている。そ
して、第２の投射光学系を主光線方向に移動させること
によって像倍率を変化させ、それに連動して第１，第２
の投射光学系を回転させることによって像面位置一定の
まま台形歪みを補正している。

【０００５】また、特開平６−３２４２８５号公報に
は、簡単な機構で像倍率を変化させることができる視覚
表示装置が提案されている。この視覚表示装置には、偏
芯光学系が用いられており、偏芯光学系の一部を成す変
倍レンズ群は、その光軸方向に移動可能になっている。
そして、変倍レンズ群の倍率がβ又は１／βとなるよう
に変倍レンズ群を光軸方向に移動させることによって、
像倍率の切り替えを行うように構成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】特開平５−１１９３９
５号公報で提案されているように、複雑な移動を行う投
射光学系を駆動するには、複雑な機構が必要になる。駆
動機構が複雑になると、装置全体が大きくなり、コスト
的にも不利になる。また、特開平６−３２４２８５号公
報で提案されている視覚表示装置によれば、像倍率が２
段階の切り替えになっているため、変倍を連続的に行う
ことができない。

【０００７】本発明は以上の点に鑑みてなされたもので
あって、その目的は、簡単な機構で連続的に変倍を行う
ことができ、しかも変倍において像に台形歪みが生じな
い変倍偏芯光学系を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、第１の発明の変倍偏芯光学系は、少なくとも３つの
それぞれ互いに偏芯した共軸光学系を含み、かつ、複数
のズーム群から成るズーム光学系を含み、物面と像面と
が光学的に実質平行ではない関係にある変倍偏芯光学系
であって、前記ズーム群を少なくとも２つ平行移動させ
ることによって、像面位置一定のまま像倍率を連続的に
変化させることを特徴とする。

【０００９】第２の発明の変倍偏芯光学系は、第１の発
明の構成において、前記ズーム光学系が共軸光学系から
成り、前記ズーム群の平行移動が前記ズーム光学系の光
軸方向に行われることを特徴とする。第３の発明の変倍
偏芯光学系は、第１の発明の構成において、前記ズーム
群の平行移動の際、前記ズーム光学系出射直後の光束で
形成される中間像面の位置が概ね移動しないことを特徴
とする。第４の発明の変倍偏芯光学系は、第２の発明の
構成において、前記ズーム光学系がアフォーカルズーム
光学系であることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施した変倍偏芯
光学系を、図面を参照しつつ説明する。図１，図７は、
ワイド端における第１，第２の実施の形態のレンズ構成
図である。図１は第１の実施の形態のＸ−Ｙ断面を示し
ており、図７は第２の実施の形態のＸ−Ｙ断面を示して
いる。軸非対称光学系から成る各実施の形態は、互いに
独立した共軸光学系を成す第１〜第３レンズ群Ｇｒ１〜
Ｇｒ３で構成されている。従って、第１〜第３レンズ群
Ｇｒ１〜Ｇｒ３の光軸(すなわち対称軸)ＡＸ１〜ＡＸ３
は不一致である。なお、各レンズ構成図において、Ｘ軸
とＹ軸とは直交しており、Ｘ−Ｙ平面は紙面に平行であ
る。

【００１１】図２，図８は、第１，第２の実施の形態の
光路をそれぞれ示している。各光路図中、ＯＳは、映像
表示素子の表示面等に相当する物面であり、ＩＳは、各
実施の形態により形成される像面である。これらの図に
おいて、[Ｗ]はワイド端での各実施の形態の光路を示し
ており、[Ｍ]はミドル(中間焦点距離状態)での各実施の
形態の光路を示しており、[Ｔ]はテレ端での各実施の形
態の光路を示している。

【００１２】各レンズ構成図中、ri(i=1,2,3,...)は物
面ＯＳ(図１，図７)側から数えてi番目の面の曲率半径
であり、Ｐ１〜Ｐ３は各レンズ群Ｇｒ１〜Ｇｒ３の偏芯
基準位置である。第２レンズ群Ｇｒ２の第１面の面頂点
は、光軸ＡＸ２上に位置する偏芯基準位置Ｐ２から軸上
間隔D2だけ離れて位置しており、第１レンズ群Ｇｒ１と
第３レンズ群Ｇｒ３の各第１面の面頂点は、偏芯基準位
置Ｐ１，Ｐ３にそれぞれ位置している。そして、第１〜
第３レンズ群Ｇｒ１〜Ｇｒ３は、偏芯基準位置Ｐ１〜Ｐ
３を中心にＸ−Ｙ平面に沿って時計回りに回転した位置
にそれぞれ配置されている。θ1〜θ3は、Ｘ−Ｙ平面に
おいて光軸ＡＸ１〜ＡＸ３がＸ軸に対して成す傾き角度
をそれぞれ示している。

【００１３】また、各光路図中、ＰＯは物面ＯＳの中心
位置であり、ＰＩは像面ＩＳの中心位置である。物面Ｏ
Ｓの画像は、像面ＩＳが物面ＯＳに対して傾くように投
影される。θO，θIは、Ｘ−Ｙ平面において物面ＯＳ，
像面ＩＳがＹ軸に対して成す傾き角度をそれぞれ示して
いる。

【００１４】第１の実施の形態は、第１レンズ群Ｇｒ１
と、絞りＳを含む第２レンズ群Ｇｒ２と、第３レンズ群
Ｇｒ３と、の３群から成り、各レンズ群Ｇｒ１〜Ｇｒ３
がＸ軸に対して傾き角度θ1〜θ3だけ偏芯した構成をと
っている。第２レンズ群Ｇｒ２は、第１ズーム群ＧｒＡ
と、絞りＳを含む第２ズーム群ＧｒＢと、から成る負・
正構成の２群ズーム光学系である。ズーミングは、図２
に示すように、負の第１ズーム群ＧｒＡと正の第２ズー
ム群ＧｒＢが、異なる移動速度で光軸ＡＸ２方向にそれ
ぞれ平行移動することによって行われる。

【００１５】第２の実施の形態は、第１レンズ群Ｇｒ１
と、絞りＳを含む第２レンズ群Ｇｒ２と、第３レンズ群
Ｇｒ３と、の３群から成り、各レンズ群Ｇｒ１〜Ｇｒ３
がＸ軸に対して傾き角度θ1〜θ3だけ偏芯した構成をと
っている。第２レンズ群Ｇｒ２は、第１ズーム群ＧｒＡ
と、絞りＳを含む第２ズーム群ＧｒＢと、第３ズーム群
ＧｒＣと、から成る負・正・負構成の３群アフォーカル
ズーム光学系である。ズーミングは、図８に示すよう
に、負の第１ズーム群ＧｒＡと正の第２ズーム群ＧｒＢ
が、異なる移動速度で光軸ＡＸ２方向にそれぞれ平行移
動することによって行われる。

【００１６】上記のように、第１，第２の実施の形態に
係る変倍偏芯光学系は、少なくとも１つの偏芯した共軸
光学系を含み、かつ、複数のズーム群から成るズーム光
学系を含んでいる。そして、これらの実施の形態の特徴
は、第１，第２ズーム群ＧｒＡ，ＧｒＢを平行移動させ
ることによって、像面ＩＳ位置一定のまま像倍率(つま
り、投影倍率)を連続的に変化させる点にある。

【００１７】上記のように、像面ＩＳ位置一定のまま像
倍率が連続的に変化するように第１，第２ズーム群Ｇｒ
Ａ，ＧｒＢを平行移動させれば、ズーミングにおいて像
に台形歪みが発生しないようにすることができる。ま
た、ズーミングが第１，第２ズーム群ＧｒＡ，ＧｒＢの
平行移動によって行われるため、第１，第２ズーム群Ｇ
ｒＡ，ＧｒＢの駆動に複雑な機構を要しない。つまり、
第１，第２ズーム群ＧｒＡ，ＧｒＢに回転移動等を含む
複雑な運動をさせるための駆動機構が不要である。この
ように簡単な機構でズーミングを行うことができるた
め、装置全体のコンパクト化及び低コスト化を図ること
ができる。

【００１８】先に述べたように、第１，第２の実施の形
態では、ズーム光学系を成す第２レンズ群Ｇｒ２が共軸
光学系から成り、第１，第２ズーム群ＧｒＡ，ＧｒＢの
平行移動が光軸ＡＸ２方向に行われる。このように、変
倍偏芯光学系では、ズーム光学系が共軸光学系から成
り、ズーム群の平行移動がズーム光学系の光軸方向に行
われる構成とすることが望ましい。この構成によると、
ズーム光学系(第２レンズ群Ｇｒ２)部分を通常の共軸系
のズーム光学系と同様に構成することができるため、鏡
胴や変倍のための移動機構に対する特別な技術が不要に
なる。従って、鏡胴や変倍のための移動機構が簡単にな
り、コストが低くなる等の利点がある。

【００１９】第１，第２の実施の形態では、第１，第２
ズーム群ＧｒＡ，ＧｒＢの平行移動の際(つまり、ズー
ミングにおいて)、第２レンズ群Ｇｒ２出射直後の光束
で形成される中間像面の位置が概ね移動しないようにな
っている。このように、変倍偏芯光学系では、ズーム群
の平行移動の際、ズーム光学系出射直後の光束で形成さ
れる中間像面の位置が(許容収差の範囲内で)概ね移動し
ない構成とすることが望ましい。この構成によると、そ
の後に続く固定レンズ群(第３レンズ群Ｇｒ３)で投影さ
れる最終像面ＩＳの、ズーミングに伴う変動が抑えられ
るため、収差補正が容易になる。

【００２０】上記のように、ズーミングにおいて第２レ
ンズ群Ｇｒ２出射直後の光束で形成される中間像面の位
置が概ね移動しないように構成した場合には、さらに、
最も像倍率の大きい領域付近{つまり、物体と像の大き
さが最も異なるワイド端(最も焦点距離が短い)[Ｗ]領域
付近}で、台形歪みの補正を行う構成とする(つまり、近
軸的に台形歪みが生じないように構成する)ことが望ま
しい。このように構成すると、像倍率の小さい領域(つ
まり、テレ端[Ｔ]領域)では投影画角が狭くなるため、
偏芯光学系で問題となる台形歪みが変倍域全体で目立た
なくなる。従って、光学設計上の制約が小さくなる。

【００２１】上記のように、ズーム光学系を成す第２レ
ンズ群Ｇｒ２が共軸光学系から成り、第２レンズ群Ｇｒ
２出射直後の光束で形成される中間像面の位置がズーミ
ングにおいて概ね移動しない構成においては、第２レン
ズ群Ｇｒ２の前側の中間像面(図１３に基づいて後述す
る。)に形成される像の消失点を第２レンズ群Ｇｒ２の
光軸ＡＸ２が通過するように構成することが、像の台形
歪みを補正する上で望ましい。像の消失点とは、台形歪
みによって像倍率が無限小になる点であり、台形歪みの
発生している像面ＩＳ上において、台形の側辺をその面
内で延長していったときに交わる点で定義される。台形
歪みがない状態とは、物面ＯＳ上で消失点の物高が無限
大になった状態と考えられる。従って、複数の共軸光学
系から成る偏芯光学系においては、最終像面ＩＳ上で像
の消失点が像高無限大に結像されるようにすればよい。
そのためには、最後の共軸光学系の前側焦平面上に、そ
れ以前の共軸光学系でリレーされた像の消失点が位置す
るようにすればよい。

【００２２】ここで、ズーミングによる台形歪みの変動
が生じないより望ましい光学配置を、図１３に基づいて
説明する。Ｉ１は、第１レンズ群Ｇｒ１によって形成さ
れる、物面ＯＳの中間像面であり、この中間像面Ｉ１は
シャインプルーフの条件で決まる。Ｉ２は、第２レンズ
群Ｇｒ２によって形成される、中間像面Ｉ１の像面であ
る。ＶＰ１は、中間像面Ｉ１上での像の消失点であり、
中間像面Ｉ１上での倍率は、この消失点ＶＰ１で無限小
になる。ＶＰ２は、中間像面Ｉ２上での像の消失点(す
なわち、消失点ＶＰ１の像)であり、中間像面Ｉ２上で
の倍率は、この消失点ＶＰ２で無限小になる。Ｆ１’は
第１レンズ群Ｇｒ１の後側焦点であり、ｆ１は第１レン
ズ群Ｇｒ１の焦点距離である。Ｆ３は第３レンズ群Ｇｒ
３の前側焦点であり、ｆ３は第３レンズ群Ｇｒ３の焦点
距離である。

【００２３】第１レンズ群Ｇｒ１によって、物面ＯＳの
像面が中間像面Ｉ１として形成される。中間像面Ｉ１
は、共軸系のズームレンズである第２レンズ群Ｇｒ２に
よって、中間像面Ｉ２として再結像される。光軸ＡＸ２
が中間像面Ｉ１に対して垂直であるため、中間像面Ｉ２
も光軸ＡＸ２に対して垂直である。また、第２レンズ群
Ｇｒ２はズームレンズ(共役長不変のズーム)であるた
め、ズーミングにおいて中間像面Ｉ２は移動しない。そ
して、中間像面Ｉ２は、第３レンズ群Ｇｒ３によって最
終像面ＩＳとして再結像される。

【００２４】第２レンズ群Ｇｒ２は、第１レンズ群Ｇｒ
１の後側焦平面(焦点Ｆ１’位置)上に位置する像の消失
点ＶＰ１を光軸ＡＸ２が通過するように配置されてい
る。従って、中間像面Ｉ２上の光軸ＡＸ２通過位置に、
像の消失点ＶＰ２が形成されることになる。また、第３
レンズ群Ｇｒ３は、その前側焦平面(焦点Ｆ３位置)上に
像の消失点ＶＰ２が位置するように配置されている。上
述したようにズーミングにおいて中間像面Ｉ２は移動し
ないため、像の消失点ＶＰ２は常に第３レンズ群Ｇｒ３
の前側焦平面上に位置することになる。すると、ズーミ
ングにおいて常に像の消失点ＶＰ２が最終像面ＩＳ位置
で像高無限大に再結像することになる。これは、台形歪
みの補正された最終像面ＩＳが、ズーム全域にわたって
形成されることを意味する。

【００２５】上記のように、中間像面Ｉ１上に形成され
る像の消失点ＶＰ１を光軸ＡＸ２が通過するように構成
すれば、中間像面Ｉ２の像倍率がズーミングにおいて変
動しても、光軸ＡＸ２上にある消失点ＶＰ２の位置は変
動しない。従って、後続の第３レンズ群Ｇｒ３による台
形歪みの補正に影響を与えることなく、ズーム全域にわ
たって良好に台形歪みを補正することができる。

【００２６】図１３では、説明を容易にするために各中
間像面Ｉ１，Ｉ２を実像として表現しているが、中間像
面として虚像をリレーする場合でも、同様の光学配置で
台形歪みが補正されることは明らかである。虚像をリレ
ーする構成とすれば、レンズ全長が短くなるので更に好
ましい。また、図１３に示す光学構成の基本が、中間像
面Ｉ１，Ｉ２；第２レンズ群Ｇｒ２；消失点ＶＰ１，Ｖ
Ｐ２の配置にあることから、この光学配置を満たしてい
れば、第１，第３レンズ群Ｇｒ１，Ｇｒ３が複数の偏芯
したレンズ群で構成されていても、ズーム全域で台形歪
みが補正されることは明らかである。

【００２７】第２の実施の形態では、第２レンズ群Ｇｒ
２がアフォーカル系である。このように、偏芯変倍光学
系においては、ズーム光学系としてアフォーカルズーム
光学系を用いることが望ましい。この場合、アフォーカ
ル系より物面ＯＳ側に位置する固定レンズ群(第１レン
ズ群Ｇｒ１)が大きな拡大倍率(望ましくは１００倍以
上)を有し、アフォーカル系より像面ＩＳ側に位置する
固定レンズ群(第３レンズ群Ｇｒ３)が小さな縮小倍率
(望ましくは０．０１倍以下)を有する構成とすることが
更に望ましい。

【００２８】ここで、アフォーカル系による台形歪み補
正の原理を、図１４に基づいて説明する。図１４は、本
発明に適用可能なアフォーカル系の基本的構成を模式的
に示している。このアフォーカル系は、レンズ群ＬＡと
レンズ群ＬＢとから成っている。fAはレンズ群ＬＡの焦
点距離であり、fBはレンズ群ＬＢの焦点距離であり、Ａ
Ｘはアフォーカル系の光軸である。また、ＩＮはシャイ
ンプルーフの条件で決まる中間像面(この場合、虚像で
ある。)であり、ＶＰは中間像面ＩＮ上での像の消失点
である。この消失点ＶＰでは、中間像面ＩＮ上での像倍
率が台形歪みによって無限小になる。

【００２９】像の消失点ＶＰは、レンズ群ＬＡの後側焦
平面と中間像面ＩＮとの交点に位置している。また、レ
ンズ群ＬＡの後側焦点位置とレンズ群ＬＢの前側焦点位
置とは一致している。従って、像の消失点ＶＰは、レン
ズ群ＬＢの前側焦平面上に自動的に位置することにな
る。このため、像の消失点ＶＰはレンズ群ＬＢによって
再び像高無限大に拡大される結果、像の台形歪みが補正
される。

【００３０】アフォーカル系を用いれば、図１４に示す
ように、物面ＯＳ，中間像面ＩＮ及び像面ＩＳがアフォ
ーカル系の光軸ＡＸに対して垂直でなくても、像面ＩＳ
に台形歪みが生じない。また、前述したようにアフォー
カル系の前側に大きな拡大倍率を有する固定レンズ群
(第１レンズ群Ｇｒ１)を配置すれば、アフォーカル系に
はほぼ平行な光束が入射することになる。つまり、アフ
ォーカル系の前後に形成される中間像面が、アフォーカ
ル系に対してほぼ無限遠方に位置することになる。従っ
て、最終像面ＩＳを回転させるためにアフォーカル系の
偏芯を行ったとしても、アフォーカル系からはほぼ平行
な光束が出射することになる。前述したようにアフォー
カル系の後側に小さい縮小倍率を有する固定レンズ群
(第３レンズ群Ｇｒ３)を配置すれば、上記アフォーカル
系の偏芯前後で変わらず、ほぼ平行光束が後側の固定レ
ンズ群に入射することになる。従って、少ないレンズ枚
数でコマ収差等を補正することが可能になる(例えば、
アフォーカル系の前後に位置する固定レンズ群のレンズ
枚数を削減することが可能になる)。

【００３１】ところで、一般に偏芯光学系では、偏芯し
ているレンズ群の光軸から離れた部分を光が通過するこ
とになる。このため、レンズ径が大きくなりやすいとい
った問題がある。変倍偏芯光学系においてこの問題を解
決するためには、変倍のために移動するズーム群内に絞
りを設けることが望ましい。一般に、ズーム光学系はズ
ーミングのために移動する複数のズーム群を含んでお
り、それらのズーム群がワイド側又はテレ側で大きく離
れてしまう。移動するズーム群内に絞りがあれば、軸外
の光束(つまり、画面中心から離れた光束)がそのズーム
群の光軸からあまり離れないので、変倍のために移動す
るズーム群のレンズ径を大きくする必要がなくなる。第
１，第２の実施の形態では、第２ズーム群ＧｒＢ内に絞
りＳが設けられているため、第２ズーム群ＧｒＢのレン
ズ径は小さくなっている。

【００３２】第１，第２の実施の形態では、ズーム移動
を行う第１，第２ズーム群ＧｒＡ，ＧｒＢが隣り合って
位置している。このように、変倍のために移動する複数
のズーム群が、隣り合うズーム群であることが望まし
い。変倍のために移動するズーム群においては、通過す
る光の高さや方向が変倍に伴って大きく変化しやすい。
また、一般に、ズーム群間隔が大きくなるほど、ズーム
群を通過する光の高さや方向の違いが大きくなる。従っ
て、変倍のために移動するズーム群が互いに離れている
と、少なくとも１つのズーム群における光の通過高さが
高くなりやすく、さらに、ズーム移動によってその変動
が大きくなってしまう。その結果、軸外の光束を通過さ
せるためにレンズ径を大きくする必要が生じたり、ズー
ムに起因する収差変動を抑えることが困難になったりす
る。隣り合うズーム群が変倍のために移動するように構
成すれば、このような問題が生じにくくなるため、レン
ズ径を小さくし、ズームに起因する収差変動を抑えるこ
とができる。

【００３３】先に述べたように、第１の実施の形態では
第２レンズ群Ｇｒ２が負・正の２群で構成されており、
第２の実施の形態では第２レンズ群Ｇｒ２が負・正・負
の３群で構成されている。このように、ズーム光学系
は、変倍のために移動するズーム群として、少なくとも
１つの正のパワーのズーム群と、少なくとも１つの負の
パワーのズーム群と、を含むことが望ましい。

【００３４】前述したように、ズーム光学系を備えた斜
め投影用の変倍偏芯光学系においては、ズーム光学系の
前後の中間像面位置がズーミングにおいてほぼ変動しな
いような構成にする必要がある(図１３参照。)。しか
し、変倍のために移動するズーム群が全て正のパワーを
有する場合、各ズーム群とも光線を収束させることしか
できないため、発散光を使うためにズーム光学系内で実
像を形成しなければならなくなる。ズーム光学系内で実
像を形成した場合、充分な倍率変化を得ようとすると、
ズーム光学系が大きくなってしまう。逆に、変倍のため
に移動するズーム群が全て負のパワーを有する場合、各
ズーム群とも光線を発散させることしかできないため、
充分な倍率変化を得ることが難しくなる。また、ズーム
光学系を正又は負のズーム群のみで構成すると、ズーム
光学系内では全体として正又は負のパワーが卓越するこ
とになるため、像面湾曲の補正が困難になるといった問
題も生じる。

【００３５】ズーム光学系が、変倍のために移動するズ
ーム群として、正，負のパワーを有するズーム群をそれ
ぞれ少なくとも１つ含んでいれば、上記のような問題が
生じにくくなる。従って、コンパクトでも充分な倍率変
化が得られ、像面湾曲の補正も容易に行うことができ
る。

【００３６】以上、スクリーンに画像を投影する拡大投
影系として各実施の形態を説明したが、本発明は縮小投
影系(例えば、フィルムに画像を投影する撮影系，ＣＣ
Ｄ等に画像を投影する画像入力系)にも適用可能であ
る。つまり、各実施の形態において、像面ＩＳを物面Ｏ
Ｓに、物面ＯＳを像面ＩＳに置き換えた場合でも、同じ
構成でズーム機能を実現することができる。

【００３７】

【実施例】以下、本発明を実施した変倍偏芯光学系の構
成を、コンストラクションデータ等を挙げて更に具体的
に説明する。ここで例として挙げる実施例１，実施例２
は、前述した第１，第２の実施の形態(図１，図２；図
７，図８)にそれぞれ対応する実施例である。そして、
各実施例のコンストラクションデータにおいて、ri(i=
1,2,3,...)は物面ＯＳ側から数えてi番目の面の曲率半
径、di(i=1,2,3,...)は物面ＯＳ側から数えてi番目の軸
上面間隔を示しており、Ni(i=1,2,3,...)は物面ＯＳ側
から数えてi番目のレンズのｄ線に対する屈折率(Ｎｄ)
を示している。

【００３８】各実施例のコンストラクションにおける位
置は、絶対座標系(X,Y,Z)で表されており、各レンズ構
成図に示すようにＸ軸とＹ軸とは直交し(Ｘ−Ｙ平面は
紙面に平行である。)、Ｘ軸及びＹ軸に対して垂直方向
にＺ軸がとられている。前述したように、各レンズ群Ｇ
ｒ１〜Ｇｒ３は互いに独立した共軸光学系を成してお
り、各レンズ群Ｇｒ１〜Ｇｒ３が互いに偏芯した状態で
軸非対称光学系を構成している。

【００３９】偏芯基準位置Ｐ１は、第１レンズ群Ｇｒ１
の第１面(曲率半径r1の面)の面頂点である。光軸ＡＸ２
上に位置する偏芯基準位置Ｐ２は、第２レンズ群Ｇｒ２
の第１面(曲率半径r7の面)の面頂点から軸上間隔D2だけ
離れて位置している。偏芯基準位置Ｐ３は、第３レンズ
群Ｇｒ３の第１面(実施例１では曲率半径r22の面,実施
例２では曲率半径r28の面)の面頂点である。そして、偏
芯基準位置Ｐ１の座標(X,Y,Z)=(X1,Y1,Z1)であり、偏芯
基準位置Ｐ２の座標(X,Y,Z)=(X2,Y2,Z2)であり、偏芯基
準位置Ｐ３の座標(X,Y,Z)=(X3,Y3,Z3)である。また、第
１〜第３レンズ群Ｇｒ１〜Ｇｒ３の光軸ＡＸ１〜ＡＸ３
の傾き角度θ1〜θ3(°)は、Ｘ軸に対する偏芯基準位置
Ｐ１〜Ｐ３を中心としたＺ軸回りの回転角度(時計回り
を正とする。)である。

【００４０】物面ＯＳの中心位置ＰＯの座標(X,Y,Z)=(X
O,YO,ZO)であり、像面ＩＳの中心位置ＰＩの座標(X,Y,
Z)=(XI,YI,ZI)である。物面ＯＳの傾き角度θO(°)及び
像面ＩＳの傾き角度θI(°)は、Ｙ軸に対する中心位置
ＰＯ，ＰＩを中心としたＺ軸回りの回転角度(時計回り
を正とする。)である。

【００４１】物面ＯＳは映像表示素子の表示面等に相当
する。そのサイズは、Ｚ軸と同方向にｚ軸をとり、ｚ軸
に対して垂直で、かつ、物面ＯＳに対して平行な方向に
ｙ軸をとった場合に、物面ＯＳの中心位置ＰＯを原点と
する座標(y,z)で表される。物面ＯＳでの映像表示素子
のｙ軸方向の最大座標をymaxとし、物面ＯＳでの映像表
示素子のｙ軸方向の最小座標をyminとする。また、物面
ＯＳでの映像表示素子のｚ軸方向の最大座標をzmaxと
し、物面ＯＳでの映像表示素子のｚ軸方向の最小座標を
zminとする。

【００４２】各実施例のコンストラクションデータにお
いて、第１，第２ズーム群ＧｒＡ，ＧｒＢの移動に伴っ
て変化する、像倍率β_z(Ｚ軸方向)；軸上面間隔D2,d12,
d21に関するデータについては、各実施例の光路図にお
ける焦点距離状態[Ｗ],[Ｍ],[Ｔ]と対応させて示す。つ
まり、各実施例において、ワイド端[Ｗ]でのデータの末
尾に[Ｗ]を付し、ミドル[Ｍ]でのデータの末尾に[Ｍ]を
付し、テレ端[Ｔ]でのデータの末尾に[Ｔ]を付して示
す。

【００４３】《実施例１》〈物面ＯＳ(14mm角)〉ＰＯ…XO=-85.171 YO=0.000 ZO=0.000 θO=13.473 ymax=7，ymin=-7 zmax=7，zmin=-7 〈Ｇｒ１〉Ｐ１…X1=-30.000 Y1=-1.145 Z1=0.000 θ1=12.888 [曲率半径] [軸上面間隔] [屈折率] r1= 30.329 d1= 7.125 N1= 1.70000 r2= 514.864 d2= 6.000 r3= -28.207 d3= 2.085 N2= 1.57800 r4= 39.206 d4= 3.000 r5= 210.110 d5= 4.973 N3= 1.70800 r6= -29.961 〈Ｇｒ２〉Ｐ２…X2=-5.000 Y2=-5.635 Z2=0.000 θ2=4.257 D2=5.000[Ｗ]〜5.924[Ｍ]〜0.572[Ｔ] [曲率半径] [軸上面間隔] [屈折率] r7= 43.616 d7= 1.400 N4= 1.67003 r8= 16.000 d8= 6.100 r9= -89.833 d9= 1.200 N5= 1.74400 r10= 90.321 d10= 1.100 r11= 29.006 d11= 3.200 N6= 1.70055 r12= 125.790 d12= 2.000[Ｗ]〜11.348[Ｍ]〜24.232[Ｔ] r13= ∞(絞りＳ，絞り半径=4) d13= 1.000 r14= 34.146 d14= 2.400 N7= 1.69100 r15= -65.639 d15= 0.150 r16= 16.183 d16= 3.500 N8= 1.62280 r17= 34.134 d17= 2.300 r18=-117.051 d18= 4.000 N9= 1.80518 r19= 15.140 d19= 2.100 r20= 151.683 d20= 2.000 N10=1.63980 r21= -24.783 〈Ｇｒ３〉Ｐ３…X3=52.407 Y3=-11.444 Z3=0.000 θ3=3.438 [曲率半径] [軸上面間隔] [屈折率] r22= -36.414 d22= 2.500 N11=1.70055 r23= -16.628 d23= 0.700 r24= -21.501 d24= 1.000 N12=1.74400 r25=7981.674 d25= 5.000 r26= -12.826 d26= 1.000 N13=1.67003 r27= -21.275 〈像面ＩＳ〉ＰＩ…XI=612.449 YI=1.536 ZI=0.000 θI=8.821 β_z=-16.06[Ｗ]〜-11.67[Ｍ]〜-8.48[Ｔ]

【００４４】《実施例２》〈物面ＯＳ(6mm角)〉ＰＯ…XO=-85.171 YO=0.000 ZO=0.000 θO=5.618 ymax=3，ymin=-3 zmax=3，zmin=-3 〈Ｇｒ１〉Ｐ１…X1=-30.000 Y1=-2.704 Z1=0.000 θ1=5.648 [曲率半径] [軸上面間隔] [屈折率] r1= 29.122 d1= 7.125 N1= 1.70000 r2= 259.634 d2= 6.000 r3= -34.045 d3= 2.085 N2= 1.57800 r4= 30.563 d4= 3.000 r5= 87.859 d5= 4.973 N3= 1.70800 r6= -35.272 〈Ｇｒ２〉Ｐ２…X2=-5.000 Y2=-1.139 Z2=0.000 θ2=6.217 D2=5.000[Ｗ]〜5.924[Ｍ]〜0.572[Ｔ] [曲率半径] [軸上面間隔] [屈折率] r7= 43.616 d7= 1.400 N4= 1.67003 r8= 16.000 d8= 6.100 r9= -89.833 d9= 1.200 N5= 1.74400 r10= 90.321 d10= 1.100 r11= 29.006 d11= 3.200 N6= 1.70055 r12= 125.790 d12= 2.000[Ｗ]〜11.294[Ｍ]〜24.104[Ｔ] ｒ１３＝ ∞(絞りＳ，絞り半径=4) d13= 1.000 r14= 32.893 d14= 2.400 N7= 1.69100 r15= -68.245 d15= 0.150 r16= 16.011 d16= 3.500 N8= 1.62280 r17= 34.207 d17= 2.300 r18=-108.225 d18= 4.000 N9= 1.80518 r19= 15.185 d19= 2.100 r20= 161.817 d20= 2.000 N10=1.63980 r21= -25.266 d21=27.572[Ｗ]〜17.353[Ｍ]〜9.896[Ｔ］ｒ２２＝ −５０．１００ｄ２２＝１．６００Ｎ１１＝１．７０
０５５ｒ２３＝ −１５．４７５ｄ２３＝０．５５０ｒ２４＝ −２８．０９０ｄ２４＝０．６００Ｎ１２＝１．７４
４００ｒ２５＝４８．１８２ｄ２５＝３．０５０ｒ２６＝ −１０．２２９ｄ２６＝０．７００Ｎ１３＝１．６７
００３ｒ２７＝ −２２．３２５〈Ｇｒ３〉Ｐ３…Ｘ３＝７２．０００ Y3=-9.595 Z3=0.000 θ3=5.526 [曲率半径] [軸上面間隔] [屈折率] r28= 58.991 d28= 6.630 N14=1.70800 r29= -60.294 d29= 4.000 r30= -18.319 d30= 2.780 N15=1.57800 r31= -79.557 d31= 8.000 r32= -38.309 d32= 9.500 N16=1.70000 r33= -41.221 〈像面ＩＳ〉ＰＩ…XI=471.844 YI=-0.402 ZI=0.000 θI=6.000 β_z=-15.65[Ｗ]〜-11.40[Ｍ]〜-8.28[Ｔ]

【００４５】実施例１の結像特性を、図２に示すワイド
端[Ｗ]，ミドル[Ｍ]，テレ端[Ｔ]について、図３〜図５
のスポットダイアグラム(０．５ｍｍスケール)にそれぞ
れ示す。また、実施例２の結像特性を、図８に示すワイ
ド端[Ｗ]，ミドル[Ｍ]，テレ端[Ｔ]について、図９〜図
１１のスポットダイアグラム(０．５ｍｍスケール)にそ
れぞれ示す。なお、各スポットダイアグラムに付されて
いるY,Zの値は、像面ＩＳ上での結像重心位置のＹ，Ｚ
座標である。

【００４６】次に、各実施例の歪曲を説明する。Ｚ軸と
同方向にｚ’軸をとり、ｚ’軸に対して垂直で、かつ、
像面ＩＳに対して平行な方向にｙ’軸をとる。ｙ’−
ｚ’平面に対して垂直方向に見た像面ＩＳ上での実施例
１，２の歪曲(つまり、実際の像)を、ワイド端[Ｗ]，ミ
ドル[Ｍ]，テレ端[Ｔ](図２，図８)のそれぞれについ
て、図６，図１２に実線で示す。なお、図６，図１２中
の破線は、歪みの無い理想像を示している。

【００４７】上記のようにｙ’軸，ｚ’軸をとれば、像
高は、像面ＩＳの中心位置ＰＩを原点とする、像面ＩＳ
上の座標(y',z')で表される。従って、物高の座標(y,z)
=(a,b)と対応する理想像高の座標を(y',z')=(a',b')と
すると、像面ＩＳ上での実際の像高の座標は(a'+dy',b'
+dz')で表される(ここで、+dy'：ｙ’軸方向に発生した
歪曲，+dz'：ｚ’軸方向に発生した歪曲である。)。理
想像高は像面ＩＳの中心位置ＰＩから座標(a',b')まで
の距離で表されるので、理想像高Rは式：R=(a'²+b'²)
^1/2で表される。そこで、ｙ’軸方向の歪曲率をdy'/Rで
定義し、ｚ軸方向の歪曲率をdz'/Rで定義する。実施例
１，２の歪曲率dy'/R,dz'/Rを、ワイド端[Ｗ]，ミドル
[Ｍ]，テレ端[Ｔ](図２，図８)のそれぞれについて、表
１，表２に示す。ここでは、理想像点をｚ’軸方向(す
なわち、Ｚ軸方向)の像倍率β_zで規定しているので、理
想像高の座標(a',b')=(β_z・a,β_z・b)である。

【００４８】

【表１】

【００４９】

【表２】

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように第１〜第４の発明に
よれば、少なくとも２つのズーム群の平行移動によっ
て、像面位置一定のまま像倍率が連続的に変化するた
め、変倍において像に台形歪みが生じず、しかも簡単な
機構で変倍を行うことができる。そして、ズーム群を駆
動する機構を簡単にすることができるため、装置全体の
コンパクト化及び低コスト化を達成することが可能であ
る。

【００５１】第２の発明によれば、通常の共軸系のズー
ム光学系を用いて変倍を行うことができるため、鏡胴や
変倍のための移動機構の構成を簡単にして低コスト化を
図ることができる。第３の発明によれば、ズーミングに
伴う最終像面の変動が抑えられるため、収差補正が容易
になる。第４の発明によれば、ズーム光学系としてアフ
ォーカル系が用いられているため、少ないレンズ枚数で
コマ収差等を補正することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態（実施例１)のワイド端にお
けるレンズ構成を示す図。

【図２】第１の実施の形態(実施例１)の各焦点距離状態
での光路図。

【図３】実施例１におけるワイド端でのスポットダイア
グラム。

【図４】実施例１におけるミドルでのスポットダイアグ
ラム。

【図５】実施例１におけるテレ端でのスポットダイアグ
ラム。

【図６】実施例１における各焦点距離状態での歪曲を示
す図。

【図７】第２の実施の形態(実施例２)のワイド端におけ
るレンズ構成を示す図。

【図８】第２の実施の形態(実施例２)の各焦点距離状態
での光路図。

【図９】実施例２におけるワイド端でのスポットダイア
グラム。

【図１０】実施例２におけるミドルでのスポットダイア
グラム。

【図１１】実施例２におけるテレ端でのスポットダイア
グラム。

【図１２】実施例２における各焦点距離状態での歪曲を
示す図。

【図１３】ズーミングによる台形歪みの変動が生じない
望ましい光学配置を説明するための光学構成図。

【図１４】アフォーカル系による台形歪み補正の原理を
説明するための光学構成図。

【符号の説明】

Ｇｒ１ …第１レンズ群Ｇｒ２ …第２レンズ群(ズーム光学系，アフォーカル
ズーム光学系) ＧｒＡ…第１ズーム群ＧｒＢ…第２ズーム群ＧｒＣ…第３ズーム群Ｇｒ３ …第３レンズ群ＡＸ１ …第１レンズ群の光軸(対称軸) ＡＸ２ …第２レンズ群の光軸(対称軸) ＡＸ３ …第２レンズ群の光軸(対称軸) Ｐ１ …第１レンズ群の偏芯基準位置(第１レンズ群
の第１面の面頂点) Ｐ２ …第２レンズ群の偏芯基準位置Ｐ３ …第３レンズ群の偏芯基準位置(第３レンズ群
の第１面の面頂点) Ｓ …絞りＯＳ …物面ＩＳ …像面 θ1 …第１レンズ群の傾き角度 θ2 …第２レンズ群の傾き角度 θ3 …第３レンズ群の傾き角度 θO …物面の傾き角度 θI …像面の傾き角度Ｉ１ …中間像面Ｉ２ …中間像面ＩＮ …中間像面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−119283（ＪＰ，Ａ) 特開平４−70806（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−184222（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−59306（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−62611（ＪＰ，Ａ) 特開平３−141309（ＪＰ，Ａ) 特開平４−243207（ＪＰ，Ａ) 特開平６−27372（ＪＰ，Ａ) 特開平７−333561（ＪＰ，Ａ) 特開平７−311407（ＪＰ，Ａ) 特開平３−58042（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 15/00 G02B 13/00 G02B 27/64

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも３つのそれぞれ互いに偏芯し
た共軸光学系を含み、かつ、複数のズーム群から成るズ
ーム光学系を含み、物面と像面とが光学的に実質平行で
はない関係にある変倍偏芯光学系であって、前記ズーム群を少なくとも２つ平行移動させることによ
って、像面位置一定のまま像倍率を連続的に変化させる
ことを特徴とする変倍偏芯光学系。
【請求項２】前記ズーム光学系が共軸光学系から成
り、前記ズーム群の平行移動が前記ズーム光学系の光軸
方向に行われることを特徴とする請求項１に記載の変倍
偏芯光学系。
【請求項３】前記ズーム群の平行移動の際、前記ズー
ム光学系出射直後の光束で形成される中間像面の位置が
概ね移動しないことを特徴とする請求項１に記載の変倍
偏芯光学系。
【請求項４】前記ズーム光学系がアフォーカルズーム
光学系であることを特徴とする請求項２に記載の変倍偏
芯光学系。