JP2003287676A

JP2003287676A - 投射レンズ

Info

Publication number: JP2003287676A
Application number: JP2002091501A
Authority: JP
Inventors: Shuji Narimatsu; 松修司成
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2003-10-10
Anticipated expiration: 2022-03-28
Also published as: JP4161294B2

Abstract

(57)【要約】【課題】限られた少ない枚数のレンズから構成された
簡易な構成で高画角で良好に諸収差が低減された投射レ
ンズを提供する。【解決手段】投射レンズは、スクリーン側より表示素
子側に向かって順に配設され、表示素子側に凹面を向け
た負の屈折力のメニスカスレンズからなる第１レンズ
（１０）と、表示素子側に凹面を向けた負の屈折力のメ
ニスカスレンズからなる第２レンズ（２０）と、両側が
凸面の正の屈折力の第３レンズ（３０）と、スクリーン
側に凹面を向けた負の屈折力のメニスカスレンズからな
る第４レンズ（４０）と、両面が凹面の負の屈折力のレ
ンズと両面が凸面の正の屈折力のレンズとを接合してな
る第５レンズ（５０）と、正の屈折力の第６レンズ（６
０）と、からなり、第２レンズの両面が非球面に形成さ
れ、第４レンズの両面が非球面に形成されていることを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フィルムやスライ
ド、あるいは液晶表示器などに表示された像をスクリー
ンに拡大投映するためのプロジェクターに好適な投射レ
ンズに関する。

【０００２】

【従来の技術】低コストのLCDプロジェクター用レンズ
を考える場合に、明るいこと、コンパクトで軽量である
こと、高精細な画像が得られること、歪曲が小さいこ
と、倍率色収差が小さいこと、テレセントリックである
こと、バックフォーカスが長いこと、短い投射距離を有
すること、低コストであること等が要求される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方、フィルムやスラ
イド、あるいは液晶表示器などに表示された像をスクリ
ーンに拡大投映するプロジェクターにおいては、投映用
の光学系としてテレセントリックタイプのズームレンズ
が用いられることが多い。しかしながら、ズームレンズ
は高コストになりやすく、低コストであること等の要件
を満たしにくい。

【０００４】また、多数のレンズを用いることによっ
て、高精細な画像が得られること、歪曲が小さいこと、
倍率色収差が小さいこと等の要件を満たすことができ
る。しかしながら、レンズ枚数を多くした場合に、短波
長側の透過率がレンズのガラス材の内部吸収により低減
する。これに対し、短波長側の内部吸収の少ない鉛入り
ガラスを用い明るさを確保することも考えられるが、高
コストになる。

【０００５】また、半画角が３８度以上であるような広
角な投影レンズは、所望な歪曲収差等を得ようとする
と、主にフロント型のプロジェクターに用いられる半画
角が３０度以下の投射レンズに要求される枚数以上のレ
ンズ枚数が必要であるため高コストになるという問題が
ある。

【０００６】このように半画角が３８度以上というよう
に高画角であり歪曲収差等を高精度に補正され限られた
レンズ枚数で構成され短いレンズ長を有するコンパクト
な投影レンズを実現できないという問題があった。

【０００７】そこで、本発明の目的は、上記従来技術の
有する問題を解消し、少ない枚数のレンズから構成され
た簡易な構成で良好に諸収差が低減された高画角な投射
レンズを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の投射レンズは、スクリーン側より表示素子側
に向かって順に配設され、表示素子側に凹面を向けた負
の屈折力のメニスカスレンズからなる第１レンズと、表
示素子側に凹面を向けた負の屈折力のメニスカスレンズ
からなる第２レンズと、両側が凸面の正の屈折力の第３
レンズと、スクリーン側に凹面を向けた負の屈折力のメ
ニスカスレンズからなる第４レンズと、両面が凹面の負
の屈折力のレンズと両面が凸面の正の屈折力のレンズと
を接合してなる第５レンズと、正の屈折力の第６レンズ
と、からなり、前記第２レンズの両面が非球面に形成さ
れ、前記第４レンズの両面が非球面に形成されているこ
とを特徴とする。

【０００９】本発明において、第２レンズの両面が非球
面に形成されているので、第１レンズを広角に通過する
光束を含む場合に対しても、両面が非球面である第２レ
ンズによって主に歪曲収差の低減を図ることができる。
また、第４レンズには表示素子上の一つの物点に対応す
る一つの単位光束は第４レンズを通過するときは第４レ
ンズの広いレンズ面積範囲に渡って通過する。この場
合、第４レンズの非球面に形成された両面の形状を、主
に球面収差を低減させるように設計することが可能にな
る。第４レンズと第５レンズとは一体的なレンズグルー
プと考えることも可能であり、そして、第４レンズと第
５レンズとによって、球面収差と色収差の低減を十分に
図ることができる。

【００１０】また、表示素子側に向かってテレセントリ
ックに形成されていることを特徴とする。これによっ
て、表示素子における物点を遠方にあるスクリーン上に
鮮明に結像させることができる。

【００１１】また、全体の焦点距離をｆとし、前記第１
レンズの表示素子側の面の曲率半径をＲ２とするとき
に、０．８＜Ｒ２／ｆ＜１．２であることを特徴とす
る。便宜的に第１レンズへスクリーン側から光束が入射
するとする。半画角が３８度以上という広い画角で第１
レンズへ入射した光束は、Ｒ２／ｆ＜１．２を満たす程
に小さい曲率半径Ｒ２を有する第１レンズの表示素子側
の面で拡散する方向に強く屈折され、この屈折された光
束は、第１レンズの近傍に配設された両面が非球面の第
２レンズを通過し第２レンズによって主に歪曲収差の低
減が図られる。また、曲率半径Ｒ２がＲ２／ｆが１．２
以上の場合には、第１レンズにおいて生じる歪曲収差が
大きすぎ第２レンズによっても補正することができず、
曲率半径Ｒ２が０．８＜Ｒ２／ｆを満たさない程に大き
い場合には、第１レンズが必要な屈折力を得ることがで
きない。第１レンズから入射した各々の光束は第２レン
ズの互いに異なる狭いレンズ面積範囲を通過する。

【００１２】また、全体の焦点距離をｆとし、空気中の
バックフォーカスＢｆとするときに、Ｂｆ／ｆ＞１．８
であることを特徴とする。このように、長いバックフォ
ーカスＢｆをとることが可能になる。ここで、バックフ
ォーカスＢｆとは、第５レンズの表示素子側の面から表
示素子の物点までの距離をいう。

【００１３】また、全体の焦点距離をｆとし、全体のレ
ンズ長をＬとするときに、４＜Ｌ／ｆ＜６であることを
特徴とする。このように、４＜Ｌ／ｆが成り立つ程にレ
ンズ長Ｌに対し焦点距離ｆが短く、Ｌ／ｆ＜６が成り立
つ程に焦点距離ｆに対しレンズ長Ｌが短い。

【００１４】また、前記第４レンズは、プラスチック材
で形成されていることを特徴とする。第４レンズの機能
は、両面の非球面形状を用いて主に球面収差の低減を図
ることであるので、第４レンズをガラス材に比べて安価
なプラスチック材で形成することが可能である。

【００１５】また、前記第４レンズの焦点距離をｆ４と
するときに、｜ｆ４｜＞２００ｍｍであることを特徴と
する。第４レンズをプラスチック材で形成する場合、プ
ラスチック材の屈折率の温度変化はガラス材に比べて大
きいので、バックフォーカスＢｆが大きさが温度変化に
大きく依存する。しかしながら、焦点距離が長いほどレ
ンズは温度変化の影響を受けにくいので、第４レンズの
焦点距離ｆ４が、｜ｆ４｜＞２００ｍｍが成り立つ程に
大きいため、バックフォーカスＢｆの大きさは温度変化
によって変動しにくくすることができる。

【００１６】また、前記第２レンズは前記第１レンズの
近傍に配設され、前記第４レンズは前記第５レンズの近
傍に配設されていることを特徴とする。第２レンズは、
第１レンズを広角に通過することが可能なように第１レ
ンズの近傍に配設され、第４レンズは、球面収差が補正
された光束が第５レンズによって色収差が十分に補正さ
れるように第５レンズの近傍に配設されている。

【００１７】また、実質的に７枚のレンズで構成されて
いることを特徴とする。第２レンズ及び第４レンズの両
面を非球面にすることによって、実質的に７枚という少
ない枚数で所望の性能要求を満たすことができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態に係る
投射レンズのレンズ構成を示すものである。図１に示す
投射レンズ２は、スクリーン側（図１における左側）よ
り表示素子側（図１における右側）に向かって順に配設
された、表示素子側に凹面を向けた負の屈折力のメニス
カスレンズからなる第１レンズ１０と、表示素子側に凹
面を向けた負の屈折力のメニスカスレンズからなる第２
レンズ２０と、両側が凸面の正の屈折力の第３レンズ３
０と、スクリーン側に凹面を向けた負の屈折力のメニス
カスレンズからなる第４レンズ４０と、両面が凹面の負
の屈折力のレンズ５１と両面が凸面の正の屈折力のレン
ズ５２とを接合してなる第５レンズ５０と、正の屈折力
の第６レンズ６０とから構成されている。投射レンズ２
は実質的に７枚のレンズで構成されている。

【００１９】図１において、符号７０は平行ガラス板を
示す。符合８０は表示素子の面を示す。符合９０は第３
レンズ３０の表示素子側の近傍に配設された絞りを示
す。投射レンズ２全体の焦点距離をｆとし、レンズ長を
Ｌとし、空気中のバックフォーカスＢｆとする。

【００２０】第２レンズ２０は第１レンズ１０の近傍に
配設されており、第４レンズ４０は第５レンズ５０の近
傍に配設されている。第２レンズ２０の両面は非球面に
形成されており、第４レンズ４０の両面は非球面に形成
されている。また、投射レンズ２は、表示素子側に向か
ってテレセントリックに形成されている。

【００２１】便宜的に第１レンズ１０へスクリーン側か
ら光束が入射するとして、以下に説明する。図５に示す
ように、第１レンズ１０によって半画角θが３８度以上
という広角範囲の光束が拾い集められる。第１レンズ１
０はＲ２／ｆ＜１．２を満たす程に小さい曲率半径Ｒ２
を有するので、第１レンズ１０によって広角に集められ
た光束は第１レンズ１０の表示素子側の面Ｒ２で拡散す
る方向へ大きく屈折される。このため、第１レンズ１０
で歪曲収差等の諸収差が生じ得る。第２レンズ２０は第
１レンズ１０の近傍に配設されているので、面Ｒ２で大
きく屈折された光線は第２レンズ２０へ導かれる。第２
レンズ２０の両面は非球面で形成されているので、第１
レンズ１０において大きく屈折させたことによって生じ
得る色収差を除く歪曲収差等の諸収差、特に歪曲収差
は、第２レンズ２０を通過することによって補正され
る。

【００２２】第２レンズ２０を通過した光束は、投射レ
ンズ２の中央部に位置する第３レンズ３０へ渡され、第
３レンズ３０によって収束されながら第４レンズ４０へ
渡される。第４レンズ４０の両面は非球面で形成されて
おり、第４ンズ４０では主に球面収差の補正が行われ
る。第４レンズ４０は第５レンズ５０の近傍に配設され
ている。第５レンズ５０では色収差の補正が行われる。
第６レンズ１０は主に投射レンズ２が表示素子側に向か
ってテレセントリックになるように作用する。

【００２３】図５に示すように、表示素子８０上の２個
の物点８１，８２に対応する単位光束は、第４レンズ４
０についてはレンズ面積の広い範囲を通過するのに対
し、第２レンズ２０についてはレンズ面積の局部的な狭
い範囲を通過する。この場合、第４レンズ４０の非球面
に形成された両面の形状を、主に球面収差を低減させる
ように設計することが可能になる。そして、第５レンズ
５０によって、球面収差等の収差が低減された状態で色
収差の低減を十分に図ることができる。

【００２４】投射レンズ２は、全体の焦点距離ｆと第１
レンズ１０の表示素子側の面の曲率半径Ｒ２との間で、
０．８＜Ｒ２／ｆ＜１．２の関係を満たしている。半画
角が３８度以上という広い画角で第１レンズへ入射した
光束は、Ｒ２／ｆ＜１．２を満たす程に小さい曲率半径
Ｒ２を有する第１レンズ１０の表示素子側の面で拡散す
る方向に強く屈折され、この屈折された光束は、第１レ
ンズ１０の近傍に配設された両面が非球面の第２レンズ
２０を通過する。第１レンズ１０から入射した各々の光
束は第２レンズ２０の互いに異なる狭いレンズ面積範囲
を通過する。従って、第２レンズ２０の表裏の非球面の
形状を所望に設定することにより、第１レンズ１０で強
く屈折されたことに生じる歪曲収差の低減を図ることが
できる。

【００２５】また、曲率半径Ｒ２が０．８＜Ｒ２／ｆを
満たさない程に大きい場合には、半画角が３８度以上と
いう広い画角では第１レンズへ入射させることができな
い。

【００２６】投射レンズ２は、全体の焦点距離ｆと空気
中のバックフォーカスＢｆとの間で、Ｂｆ／ｆ＞１．８
を満たしている。また、投射レンズ２は、全体の焦点距
離ｆと全体のレンズ長Ｌとの間で、４＜Ｌ／ｆ＜６を満
たしている。

【００２７】また、第４レンズ４０はプラスチック材で
形成されている。また、第４レンズ４０は、その焦点距
離ｆ４に対し、｜ｆ４｜＞２００ｍｍを満たしている。

【００２８】投射レンズ２は、第２レンズ２０と第４レ
ンズ４０の両側面が非球面に形成されているので、半画
角が３８度以上と非常に大きくすることができるととも
に、色収差以外の諸収差すなわち歪曲収差やコマ収差や
非点収差等の諸収差を著しく低減でき、例えば、従来
３．０％の歪曲収差やコマ収差や非点収差等の諸収差を
約１．５％に低減することができる。特に、歪曲収差に
ついては０．２％以下に低減することができる。

【００２９】以下に投射レンズ２の実施例について説
明する。

【００３０】本実施例の投射レンズ２の仕様は次のとお
りである。

【００３１】投射レンズ２のレンズデータを図２に示
す。なお、ＯＢＪは面番号を示しスクリーン側から順に
各レンズの面に付した番号であり、ＲＤＹは曲率半径
（単位ｍｍ）を示し、ＴＨＩは次のＯＢＪの面番号の面
との間のレンズ厚みあるいは空気空間を表している（単
位ｍｍ）。ＧＬＡはレンズ材料のｄ線屈折率とアッベ数
を示し、例えばＧＬＡが１．８３４００＿３７．３はレ
ンズ材料のｄ線屈折率が１．８３４００でありアッベ数
が３７．３であることを示す。

【００３２】ＡＳＰｎ（ｎ＝１，２，３，４）は非球面
を表す。ＡＳＰ１は第２レンズ２０のスクリーン側の非
球面を示し、ＡＳＰ２は第２レンズ２０の表示素子側の
非球面Ｒ２を示し、ＡＳＰ３は第４レンズ４０のスクリ
ーン側の非球面を示し、ＡＳＰ４は第４レンズ４０の表
示素子側の非球面を示す。第２レンズ２０及び第４レン
ズ４０の非球面の形状は次の非球面式

【数１】で表わされ、係数Ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは図２に示す値に
設定される。

【００３３】投射レンズ２の全体の焦点距離ｆは１４．
０５ｍｍであり、空気中のバックフォーカスＢｆは３
０．００ｍｍであり、レンズ長Ｌは７１．１ｍｍであ
る。

【００３４】Ｂｆ／ｆは２．１３６であり、Ｂｆ／ｆ＞
１．８を満たしている。また、Ｌ／ｆは５．０６であ
り、４＜Ｌ／ｆ＜６を満たしている。また、第４レンズ
４０の焦点距離ｆ４は−８３６．１ｍｍであり、｜ｆ４
｜＞２００ｍｍを満たしている。

【００３５】投射レンズ２の収差図を図３および図４に
示す。なお、図３において（Ａ）は球面収差を、（Ｂ）
は非点収差を、（Ｃ）は歪曲収差を表している。図３中
（Ｂ）の非点収差図における符号Ｓ，Ｔは、それぞれ球
欠的像面，子午的像面に対する収差を表す。また、図４
は横収差図であり、図中（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），
（Ｄ），（Ｅ）は、それぞれ像高比（１．００），
（０．８３），（０．６９），（０．４７），および
（０．００）における収差を表す。

【００３６】図３及び図４に示されるように、極めて良
好に諸収差が低減されていることが認められる。特に、
歪曲収差は０．２％以下に低減されていることが認めら
れる。

【００３７】以上、上述の本発明の実施の形態によれ
ば、実質的に７枚のレンズという少数のレンズ枚数で構
成し、半画角が３８度以上と広いとともに０．２％以下
という低い歪曲収差でありコンパクトで軽量であり長い
バックフォーカスＢｆを有する投射レンズ２を提供する
ことができる。投射レンズ２は、低コストのLCDプロジ
ェクター用レンズとして使用することができる。従来で
は、全て球面レンズで構成しようとすると１０枚以上の
球面レンズで構成する以外には所望の性能を得られなか
ったのであり、この場合、高コストになり、またコンパ
クトに構成することができなかったのである。

【００３８】第２レンズ２０の両面が非球面に形成され
ているので、第１レンズ１０を広角に通過する光束を含
めて、第１レンズ１０の近傍に配設された両面が非球面
である第２レンズ２０によって０．２％以下に歪曲収差
の低減を図ることができる。また、第４レンズ４０には
表示素子上の一つの物点８１，８２に対応する一つの単
位光束は第４レンズ４０を通過するときは第４レンズ４
０の広いレンズ面積範囲に渡って通過するので、第４レ
ンズ４０の非球面に形成された両面の形状を主に球面収
差を低減させるように設計することが可能になり、第５
レンズ５０によって球面収差の収差が低減された状態で
色収差の低減を十分に図ることができる。

【００３９】また、投射レンズ２は表示素子側に向かっ
てテレセントリックに形成されているので、表示素子８
０における物点８１，８２を遠方にあるスクリーン上に
鮮明に結像させることができる。

【００４０】また、０．８＜Ｒ２／ｆ＜１．２であるの
で、半画角が３８度以上である高画角を可能にする光束
を第１レンズ１０に通過させることができる。

【００４１】また、Ｂｆ／ｆ＞１．８であるので、非常
に長い長いバックフォーカスＢｆをとることができる。

【００４２】また、４＜Ｌ／ｆ＜６であるので、４＜Ｌ
／ｆが成り立つ程にレンズ長Ｌに対し焦点距離ｆが短
く、Ｌ／ｆ＜６が成り立つ程に焦点距離ｆに対しレンズ
長Ｌを短くすることができる。

【００４３】また、第４レンズ４０は、プラスチック材
で形成されているので、非球面形状の加工がガラス材に
比べて容易であり、安価で軽量な構成することができ
る。

【００４４】また、｜ｆ４｜＞２００ｍｍであるので、
第４レンズ４０をプラスチック材で形成するにもかかわ
らず、バックフォーカスＢｆの大きさが温度変化によっ
て変動しにくくすることができる。

【００４５】また、第２レンズ２０は第１レンズ１０の
近傍に配設されているので、第１レンズ１０を広角に通
過する光束を第２レンズ２０を通過させることができ
る。第４レンズ４０は第５レンズ５０の近傍に配設され
ているので、第４レンズ４０と第５レンズ５０とを一つ
のレンズ群として扱い第４レンズ４０と第５レンズ５０
とによって球面収差の補正と色収差の補正とをほぼ一体
的に行うことができる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の構成によ
れば、少ない枚数のレンズから構成された簡易な構成で
高画角であり良好に諸収差が低減された投射レンズを提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の投射レンズの一実施例を示すレンズ構
成を示し、左側がスクリーン側を示し右側が表示素子側
を示す。

【図２】図１に示す投射レンズのレンズデータを示す図
であり、ＯＢＪは面番号を示し、ＲＤＹは曲率半径（単
位ｍｍ）を示し、ＴＨＩは次のＯＢＪの番号の面との間
のレンズ厚みあるいは空気空間を示す。

【図３】図１に示した投射レンズの収差図であり、
（Ａ）は球面収差を、（Ｂ）は非点収差を、（Ｃ）は歪
曲収差をそれぞれ表す。

【図４】図１に示した投射レンズの横収差図であり、
（Ａ）は像高比１．００における収差を、（Ｂ）は像高
比０．８３における収差を、（Ｃ）は像高比０．６９に
おける収差を、（Ｄ）は像高比０．４７における収差
を、（Ｅ）は像高比０．００における収差をそれぞれ表
す。

【図５】表示素子上の２個の物点に対応する光束が投射
レンズを通過する様子を示す光線図。

【符号の説明】

２投射レンズ１０第１レンズ２０第２レンズ３０第３レンズ４０第４レンズ５０第５レンズ５１接合レンズを構成する負レンズ５２接合レンズを構成する正レンズ６０第６レンズ７０平行ガラス板８０表示素子９０絞りＲ２第２レンズの表示素子側の面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スクリーン側より表示素子側に向かって順
に配設され、表示素子側に凹面を向けた負の屈折力のメ
ニスカスレンズからなる第１レンズと、表示素子側に凹
面を向けた負の屈折力のメニスカスレンズからなる第２
レンズと、両側が凸面の正の屈折力の第３レンズと、ス
クリーン側に凹面を向けた負の屈折力のメニスカスレン
ズからなる第４レンズと、両面が凹面の負の屈折力のレ
ンズと両面が凸面の正の屈折力のレンズとを接合してな
る第５レンズと、正の屈折力の第６レンズと、からな
り、前記第２レンズの両面が非球面に形成され、前記第４レンズの両面が非球面に形成されていることを
特徴とする投射レンズ。
【請求項２】表示素子側に向かってテレセントリックに
形成されていることを特徴とする請求項１に記載の投射
レンズ。
【請求項３】全体の焦点距離をｆとし、前記第１レンズ
の表示素子側の面の曲率半径をＲ２とするときに、０．８＜Ｒ２／ｆ＜１．２であることを特徴とする請求
項１に記載の投射レンズ。
【請求項４】全体の焦点距離をｆとし、空気中のバック
フォーカスＢｆとするときに、Ｂｆ／ｆ＞１．８であることを特徴とする請求項１に記
載の投射レンズ。
【請求項５】全体の焦点距離をｆとし、全体のレンズ長
をＬとするときに、４＜Ｌ／ｆ＜６であることを特徴とする請求項１に記載
の投射レンズ。
【請求項６】前記第４レンズはプラスチック材で形成さ
れていることを特徴とする請求項１に記載の投射レン
ズ。
【請求項７】前記第４レンズの焦点距離をｆ４とすると
きに、｜ｆ４｜＞２００ｍｍであることを特徴とする請求項１
に記載の投射レンズ。
【請求項８】前記第２レンズは前記第１レンズの近傍に
配設され、前記第４レンズは前記第５レンズの近傍に配
設されていることを特徴とする請求項１に記載の投射レ
ンズ。
【請求項９】実質的に７枚のレンズで構成されているこ
とを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。