JP2004522187A - 画素化パネル用小型テレセントリック投射レンズ - Google Patents
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Abstract
【課題】画素化パネルと組み合わせて利用するための小型テレセントリック投射レンズを提供する。
【解決手段】画素化パネル(PP)と組み合わせて利用するためのテレセントリック投射レンズが提供される。投射レンズは、少なくとも1つの非球面を有する少なくとも1つの負メニスカス素子(N1)を有する負の第1のユニット(U1)と、少なくとも1つの非球面を有する少なくとも1つの正素子(P1)を有する正の第2のユニット(U2)と、を有する。レンズの開口絞り(AS)は、2つのユニット間に位置し、第3のレンズユニット(U3)は軸色補正を改善するために、開口絞り付近で用いられてもよい。レンズは、小さい前側頂点距離、小さい有効口径、および長い後側焦点距離を有し、小型投射系の製造において用いるのに特に適している。
【解決手段】画素化パネル(PP)と組み合わせて利用するためのテレセントリック投射レンズが提供される。投射レンズは、少なくとも1つの非球面を有する少なくとも1つの負メニスカス素子(N1)を有する負の第1のユニット(U1)と、少なくとも1つの非球面を有する少なくとも1つの正素子(P1)を有する正の第2のユニット(U2)と、を有する。レンズの開口絞り(AS)は、2つのユニット間に位置し、第3のレンズユニット(U3)は軸色補正を改善するために、開口絞り付近で用いられてもよい。レンズは、小さい前側頂点距離、小さい有効口径、および長い後側焦点距離を有し、小型投射系の製造において用いるのに特に適している。
Description
【技術分野】
【0001】
本発明は、投射レンズに関し、さらに詳細には、LCD、反射型LCD、DMDなどの画素から成る物体の画像を形成する際に用いるための焦点距離に対する有効後側焦点距離の比の大きな小型テレセントリック投射レンズに関する。
【背景技術】
【0002】
本願明細書および特許請求の範囲で用いられるように、以下の用語は、以下の意味を有するものとする。
【0003】
(1)テレセントリック
テレセントリックレンズは、無限遠に少なくとも1つの瞳を有するレンズである。主光線の観点から言えば、無限遠に瞳を有するということは、(a)入射瞳が無限遠にある場合に主光線が物空間における光軸と平行であり、(b)射出瞳が無限遠にある場合に主光線が像空間内における光軸と平行であることを意味する。光はいずれの方向にもレンズを通って伝播することができるため、無限遠にある瞳は、物体および像に対するレンズの向きに応じて、入射瞳または射出瞳のいずれかとして機能することができる。したがって、本願明細書では、「テレセントリック瞳」なる語は、瞳が入射瞳として機能していようと射出瞳として機能していようと、無限遠におけるレンズの瞳を表すために用いられる。
【0004】
実際の用途では、レンズの光学面から十分に長距離に位置する入射瞳または射出瞳を有するレンズは、本質的にテレセントリック系として動作するため、テレセントリック瞳は現実に無限遠に位置する必要はない。そのようなレンズの主光線は実質的に光軸に平行であるため、このレンズは一般に、瞳の理論(ガウス)上の位置が無限遠にあるレンズと機能的に同等となる。
【0005】
したがって、本願明細書で用いられるとき、「テレセントリック」「テレセントリックレンズ」なる語は、レンズ素子から長距離にある少なくとも1つの瞳を有するレンズを包含するものとしており、「テレセントリック瞳」なる語は、レンズ素子から長距離にあるような瞳を表すために用いられる。本発明の投射レンズの場合には、テレセントリック瞳の距離は一般に、レンズの焦点距離の少なくとも約10倍である。
【0006】
(2)有効後側焦点距離
投射レンズ/画素化パネル結合体の有効後側焦点距離(BFL)は、画素化パネルの前面と投射レンズの最後部レンズ素子の後面の頂点との間の距離であり、(1)画素化パネルの像が無限遠に位置し、(2)投射レンズが空中に位置しているとき、すなわち投射レンズの最後部レンズ素子と画素化パネルとの間の空間が、投射レンズと画素化パネルとの間に通常用いられるプリズム、ビームスプリッタなどを構成するガラスとは対照的に、空気で満たされているときに光出力を有する。
【0007】
(3)前側頂点距離
投射レンズ/画素化パネル結合体の前側頂点距離(FVD)は、画素化パネルの前面と投射レンズの最前部レンズ素子の前面の頂点との間の距離であり、(1)画素化パネルの像が無限遠に位置し、(2)投射レンズが空中に位置しているとき、すなわち投射レンズの最後部レンズ素子と画素化パネルとの間の空間が、投射レンズと画素化パネルとの間で通常用いられるプリズム、ビームスプリッタなどを構成するガラスとは対照的に、空気で満たされているときに光出力を有する。
【0008】
投射レンズ系(本願明細書では「投射系」と称することもある)は、目視用スクリーン上の物体の像を結像するために用いられる。このような系は、観察者および物体がスクリーンの同じ側(前面投射)にあるか、またはスクリーンの反対側(背面投射)にあるかに応じて、前面投射型または背面投射型に分けることができる。
【0009】
そのような系の基本構造を図5に示す。ここでは、10は光源(たとえば、メタルハライドまたは高圧水銀灯)であり、12は光源の像を結像する照射光学素子(以下、照射系の「出力」とも称する)、14は投射対象の物体(たとえば、オン画素およびオフ画素から成るLCDマトリックス)であり、13は複数のレンズ素子から構成される投射レンズであり、目視用スクリーン16上に物体14の拡大像を結像する。
【0010】
前面投射系の場合には、観察者は図5のスクリーン16の左側に位置し、背面投射系の場合には、観察者はスクリーンの右側に位置する。単一のキャビネットに収容されることになっている背面投射系の場合には、ミラーを用いて光路を折畳み、それによって系全体のサイズを小さくすることが多い。
【0011】
物体が画素化パネルである投射レンズ系は、さまざまな用途で用いられる。そのような系では、赤色、緑色、青色の画素を有する単一のパネルまたは1つは赤色光、2番目が緑色光、3番目が青色光である3色のパネルのいずれかの像を結像させる単一の投射レンズを用いることが好ましい。場合によっては、たとえば大画像背面投射系、複数のパネルおよび複数の投射レンズを、各パネル/投射レンズ結合体が像全体の一部を形成するように用いることもある。いずれの場合においても、そのような系と供に用いられる投射レンズは一般に、画素化パネルと供に通常用いられるプリズム、ビームスプリッタ、カラーホイールなどに適合するように、長い有効後側焦点距離を有する必要がある。
【0012】
画素化パネルを用いる投射レンズ系の特に重要な用途は、マイクロディスプレイの分野であり、たとえば、前面投射系はデータを表示するために用いられ、背面投射系はコンピュータモニタとして用いられる。製造技術の近年の飛躍的発展により、DMD、反射型LCDなどのディジタル式ライトバルブ素子を採用するマイクロディスプレイの普及が進んだ。
【0013】
これらの素子に基づく投射型ディスプレイは、サイズが小さく、軽量であるという利点を提供する。その結果、前面投射モードで作動し、ディジタル式ライトバルブを用いる全く新しいクラスの超携帯型軽量プロジェクタが、市場に登場した。これらの素子の利用によって、軽量小型の背面投射系も実現することができる。
【特許文献1】米国特許出願第09/304,693号明細書
【特許文献2】国際公開第00/67059号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
高度な情報内容を有する像を表示するために、これらの素子は、多数の画素を有していなければならない。素子自体は小さいため、個別の画素が小さく、一般的な画素サイズは、DMDディスプレイ用の17μ〜反射型LCDの場合の約8μ以下の範囲にある。このことは、これらの系で用いられる投射レンズがきわめて高度の収差補正を必要とすることを意味している。特に重要なことは、色収差および歪曲収差の補正である。
【0015】
色収差は、画素のぼけ、または極端な場合には、像から画素完全脱落など、画素化パネルの像に容易に見受けられるため、高度の色収差補正が重要である。このような問題は、一般に視野の縁部で最も顕著である。
【0016】
系のすべての収差に対処する必要があるが、横色収差、コマの色変動、非点収差、および歪曲収差が一般に最も問題となる。横色収差、すなわち色による倍率の変動は、特に視野の縁部でコントラストの低下となって現れるため、特に面倒である。極端な場合には、視野全体の領域にレインボー効果が現れる恐れがある。
【0017】
陰極線管(CRT)を用いる投射系において、たとえば、青色CRT上で生成される像を基準として赤色CRTの面で生成される像のサイズを縮小することによって、少量の(残存)横色収差を電子的に補償することができる。しかし、画素化パネルの場合には、像がディジタル化されるため、視野全体にわたってサイズを円滑に調整することは不可能であることから、そのような調整を行うことはできない。したがって、投射レンズの場合には、二次横色収差の補正を含むより高度な横色収差補正が必要である。
【0018】
データを表示するための画素化パネルを用いると、歪曲収差の補正に関する要件が厳しくなる。これは、データを見るときに、レンズの視野の末端部に至るまで優れた画質が必要とされることによる。明白であるように、表示される数字または文字の像は、中央と同じように視野の縁部でも歪んでいないことが重要である。さらに、投射レンズは、オフセットパネルと組み合わせて用いられることも多い。そのような場合には、目視用スクリーンにおける歪曲収差は、スクリーンの中心を通る水平線を中心にして対称に変化するのではなく、たとえば、スクリーンの下縁から上縁に向かって単調に増大することもある。この作用により、ごくわずかな歪曲収差であっても観察者に容易に見えてしまう。
【0019】
低い歪曲収差および高度の色補正は、WINDOWS(登録商標)型コンピュータインターフェイスの拡大像を目視用スクリーンに投射する場合に特に重要である。平行線、枠線で囲まれたコマンド、ダイアログボックス、複雑な配色を有するこのようなインターフェイスは、本質的に歪曲収差および色収差のテストパターンである。利用者は、そのようなインターフェイスの像における歪曲収差または色収差が軽微なレベルであっても、すぐ気付いて不平を述べる。
【0020】
上述のマイクロディスプレイは一般に、照射系からの光ビームがディスプレイに対してほぼ垂直の入射角を有することを必要とする。投射レンズの観点から言えば、これは、レンズがテレセントリック入射瞳を有する要件、すなわち、投射レンズは、物体(画素化パネル)が位置する短共役側の方向においてテレセントリックでなければならないという要件に言い換えられる。これにより、レンズが絞りに対して非対称となるため、横色収差の補正がより困難となる。
【0021】
上記に加えて、背面投射系の場合には、より小さなキャビネットサイズ(より小さな設置面積)に対する要望がさらに高まっている。投射レンズの観点から言えば、これは、レンズが像(スクリーン)の方向において広い視野を有するという要件に言い換えられる。この要件は、レンズの横色収差の補正をさらに一層困難にする。同様に、長い有効後側焦点距離に関する要件もまた、横色収差の補正をより困難にする。
【0022】
広い視野を有することに加えて、より小さなキャビネットサイズに対する要望も、レンズが短い前側頂点距離を有するという要件に言い換えられる。このようにして、キャビネットにおいて投射レンズに割り当てなければならない線形空間も削減される。また、所与の視野の場合には、より短い前側頂点距離は、投射レンズで用いられるレンズ素子に関するより小さな最大有効口径を生じることになる。このことは、レンズの最大横径を削減するほか、その重量およびコストも削減する。有効後側焦点距離と同様に、前側頂点距離を削減することにより、レンズの収差を補正することがより困難になる。特に、より短い前側頂点距離は一般に、収差の補正がより困難であるより強力なレンズ素子を必要とする。
【0023】
これらのさまざまな要件は互いに不利に作用するため、画素化パネルを用いる投射レンズ系に必要な高度の収差補正を依然として維持すると同時に、短い焦点距離、長い有効後側焦点距離、レンズの長い共役方向における広い視野、短い前側頂点距離を実現することは、特に困難である。以下で説明し、図示するように、本発明は、これらの相反する基準を満たす投射レンズを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0024】
上記に照らして、当業界において画素化パネルと組み合わせて用いるための投射レンズでは、以下の特性のうちのいくつか、好ましくはすべてを有する。
【0025】
(1)二次横色収差の補正を含む高度の横色収差補正
(2)低い歪曲収差
(3)像の方向における大きい視野
(4)テレセントリック入射瞳
(5)長い有効後側焦点距離
(6)短い前側頂点距離
(7)投射レンズを構成するレンズに関して小さい最大有効口径
当業界におけるこの必要を満たすために、本発明は、上記の7つの特徴のうちのいくつか、好ましくはすべてを有する投射レンズを提供する。
【0026】
具体的には、本発明は、画素化パネルの像を結像するための投射レンズを提供し、投射レンズは、長共役側(像またはスクリーン側)および短共役側(物体または画素化パネル側)を有し、長共役側から短共役側に順に
(A)負の屈折力を有し、全体的にメニスカス形状の少なくとも1つの負のレンズ素子(N1)を含み、負のレンズ素子が長共役側に向かって凸状であり、少なくとも1つの非球面を含む、第1のレンズユニット(U1)と、
(B)正の屈折力を有する第2のレンズユニット(U2)であって、軸空間によって第1のレンズユニットから離隔される少なくとも1つの非球面を含む少なくとも1つの正のレンズ素子(P1)を含む第2のレンズユニットと、を含み、
(i)投射レンズが短共役側でテレセントリックであり、
(ii)投射レンズが、以下の関係、
BFL/f0>3.5、および
FVD/f0<20
を満たす有効焦点距離f0、有効後側焦点距離BFL、ならびに前側頂点距離FVDを有する。
【0027】
BFL/f0の比は4.0より大きいことが好ましく、場合によっては4.5より大きく、さらに5.0より大きい場合もあり得る。同様に、FVD/f0の比は17未満であることが好ましく、場合によっては15未満、さらに13未満である場合もあり得る。
【0028】
上記のBFL/f0の比、FVD/f0の比を有することに加えて、本発明の投射レンズは、少なくとも70°(たとえば、75°<θ<80°)の長い共役の方向において視野θと、5.0未満、場合によっては4.0未満のf0に対する最大有効口径の比(D/f0の比)と、を有することが好ましい。
【0029】
明細書に組み込まれ、明細書の一部をなす上記の図面は、本発明の好ましい実施形態を示しており、以下の詳細と共に、本発明の原理を説明する役目を果たす。当然のことながら、図面および詳細のいずれもがあくまでも説明に過ぎず、本発明を限定するわけではないことを理解すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0030】
本発明の投射レンズは、逆焦点型または逆望遠型であり、2個のレンズユニット、すなわち長共役側にある負のユニット(U1)および短共役側にある正のユニット(U2)からなり、一般に開口絞りによって離隔されている。
【0031】
画素化パネルの像を生成するためのこの全体的なレンズ形態の利用には、さまざまな利点がある。したがって、第2の正のユニットの前焦点面にレンズの開口絞りを配置することによって、テレセントリックを実現することができる。以下に示される実施例によって明らかにされる別の利点は、長い有効後側焦点距離を実現する能力、およびレンズの長い共役の方向において広い視野を提供する能力である。これらの特性はいずれも、特に、レンズが最小の可能な全体実装サイズを実現するために広い視野を備えていなければならず、レンズと画素化パネルとの間のビーム分割プリズムに適合する必要がある背面投射系において有用である。このようなプリズムは、偏光ビームスプリッタのほか、色分割プリズムを含むことができる。
【0032】
本発明のレンズは、第1のレンズユニットに1つ以上の非球面を用いることによって、高度の歪曲収差補正を実現する。一部の残存歪曲収差のほか、レンズの入射瞳の球面収差は、第2のレンズユニットにおいて1つ以上の非球面の利用によって補正される。レンズの物体面における任意の点に関するテレセントリックを実現するために、入射瞳の球面収差を最小限にすべきである。非球面は、プラスチックレンズ素子上に形成されることが好ましい。
【0033】
補正しなければならない最も決定的な収差は、レンズの横色収差である。本発明のレンズは、「Projection Lenses Having Reduced Lateral Color for Use with Pixelized Panels(画素化パネルと組み合わせて利用する、横色収差の少ない投射レンズ)」という名称の特許文献1(同一出願人による1999年5月4日の出願)(尚、当該特許の内容は、本願明細書に参照によって引用される)の技術を用いて、そのような補正を実現することが好ましい。この出願は、特許文献2として2000年11月9日に公開された。以下の用途のアプローチは、好ましいが、本発明の実用に用いる必要はない。
【0034】
横色収差を補正するためにどんなアプローチが用いられても、第1および第2のレンズユニットのそれぞれは、少なくとも1つの色補正ダブレット(図1〜図4ではそれぞれD1およびD2)を含むことが好ましい。また、投射レンズは、少なくとも1つの色補正ダブレットを含み、レンズの軸色補正を改善するために作用することが好ましい開口絞りの付近に位置する第3のレンズユニット(U3)を具備してもよい。
【0035】
いかなる方法によってもそれを限定する意図はなく、本発明は以下の実施例によって十分に説明されるであろう。
【実施例】
【0036】
図1〜図4および表1〜表4は、本発明によって構成される代表的な投射レンズを示している。
【0037】
HOYAなる名称が、レンズ系で用いられるさまざまなガラスに関して用いられる。本発明の実施において、他のメーカ(たとえば、OHARAまたはSCHOTT)によって製造される等価なガラスを用いることができる。業界許容材料は、プラスチック素子の場合に用いられる。
【0038】
表に示される非球面係数は、以下の式で用いられる。
【数1】
【0039】
式中、zは系の光軸からの距離yにおける面のサグであり、cは光軸におけるレンズの曲率、kは円錐係数であり、円錐係数kは表1から表4の規定に仕様に特に記載のない限り0である。
【0040】
表のさまざまな面に関連する表記「a」は非球面、すなわち上記数式におけるD、E、f、G、H、Iのうち少なくとも1つが0でない面を表し、表記「c」は上記数式におけるkが0でない面を表す。図および表においてU2の短共役側に配置されるさまざまな平面構造は、画素化パネルと組み合わせて使用されるか、または画素化パネルの一部を構成している構成要素である。それらは、投射レンズの一部を構成するものではない。表中の寸法はすべてミリメートル単位である。
【0041】
規定表は、光が図面の左から右に進むことを前提として構成されている。実際には、目視用スクリーンが左側にあり、画素化パネルが右側にあって、光は右から左へと進む。特に、物体/像および入射瞳/射出瞳に関する仕様表の記載は、本願明細書の以下の部分において使用されているものと逆になっている。図1〜図4において、画素化パネルは表記「PP」によって示され、開口絞りは表記「AS」によって示されている。
【0042】
表1〜表4の投射レンズを構成するさまざまなレンズユニットの焦点距離が、表5に記載されており、f1はU1の焦点距離であり、f2はU2の焦点距離であり、f3はU3の焦点距離である。表1のレンズに関して示されている2つの焦点位置に対応する2つのエントリが、図1のレンズに関して示されている。実際には、図2〜図4のレンズもまた、異なる共役でレンズを結像する際に用いられる表1に示されたタイプの可変空間を含んでいてもよい。
【0043】
表6は、表1〜表4のレンズに関するBFL/f0、FVD/f0、D/f0、およびθの値を列挙している。この表から分かるように、実施例のレンズは、3.5より大きいBFL/f0の比、20未満のFVD/f0の比、5.0未満のD/f0の比、および70°より大きいθの値を有し、画素化パネルを用いる小型投射レンズ系の製造に特に十分に適したレンズを製造する。
【0044】
表6に示される特性に加えて、本発明の投射レンズは、さらに以下の特性も有することが好ましい。
(i)画素より小さく、画素の4分の3未満であることが好ましい460nm〜620nmの範囲の波長に関して視野全体における横色収差のぼやけ(横色収差補正のレベルは、物体平面または像平面で決定されることができ、決定が像平面で行われた場合には、拡大した画素が用いられることを留意されたい)
(ii)1.5%未満で、1.0%以下であることが好ましい歪曲収差 表1〜表4の投射レンズは、上記の好ましい横色収差レベルおよび好ましい歪曲収差レベルの両方を実現する。特に、レンズは、15ミクロン未満の画素サイズ(画素幅)に関する好ましいレベルの横色収差補正を実現する。
【0045】
本発明の特定の実施形態について記述し、図示したが、当業者には前述の開示内容から本発明の範囲および精神から逸脱しない種々の変形例が明らかになるであろうことを理解されたい。
【表1.1】
【表1.2】
【表2.1】
【表2.2】
【表3.1】
【表3.2】
【表4.1】
【表4.2】
【表5】
【表6】
【図面の簡単な説明】
【0046】
【図1】本発明によって構成される代表的な投射レンズの概略則面図である。
【図2】本発明によって構成される代表的な投射レンズの概略則面図である。
【図3】本発明によって構成される代表的な投射レンズの概略則面図である。
【図4】本発明によって構成される代表的な投射レンズの概略則面図である。
【図5】本発明の投射レンズを用いることができる投射レンズ系全体を示す概略図である。
【符号の説明】
【0047】
N1 負のレンズ素子
D1 色補正ダブレット
D2 色補正ダブレット
AS レンズの開口絞り
P1 正素子
PP 画素化パネル
U1 第1のレンズユニット
U2 第2のレンズユニット
U3 第3のレンズユニット
10 光源
12 照射光学素子
13 投射レンズ
14 物体
16 目視用スクリーン
【0001】
本発明は、投射レンズに関し、さらに詳細には、LCD、反射型LCD、DMDなどの画素から成る物体の画像を形成する際に用いるための焦点距離に対する有効後側焦点距離の比の大きな小型テレセントリック投射レンズに関する。
【背景技術】
【0002】
本願明細書および特許請求の範囲で用いられるように、以下の用語は、以下の意味を有するものとする。
【0003】
(1)テレセントリック
テレセントリックレンズは、無限遠に少なくとも1つの瞳を有するレンズである。主光線の観点から言えば、無限遠に瞳を有するということは、(a)入射瞳が無限遠にある場合に主光線が物空間における光軸と平行であり、(b)射出瞳が無限遠にある場合に主光線が像空間内における光軸と平行であることを意味する。光はいずれの方向にもレンズを通って伝播することができるため、無限遠にある瞳は、物体および像に対するレンズの向きに応じて、入射瞳または射出瞳のいずれかとして機能することができる。したがって、本願明細書では、「テレセントリック瞳」なる語は、瞳が入射瞳として機能していようと射出瞳として機能していようと、無限遠におけるレンズの瞳を表すために用いられる。
【0004】
実際の用途では、レンズの光学面から十分に長距離に位置する入射瞳または射出瞳を有するレンズは、本質的にテレセントリック系として動作するため、テレセントリック瞳は現実に無限遠に位置する必要はない。そのようなレンズの主光線は実質的に光軸に平行であるため、このレンズは一般に、瞳の理論(ガウス)上の位置が無限遠にあるレンズと機能的に同等となる。
【0005】
したがって、本願明細書で用いられるとき、「テレセントリック」「テレセントリックレンズ」なる語は、レンズ素子から長距離にある少なくとも1つの瞳を有するレンズを包含するものとしており、「テレセントリック瞳」なる語は、レンズ素子から長距離にあるような瞳を表すために用いられる。本発明の投射レンズの場合には、テレセントリック瞳の距離は一般に、レンズの焦点距離の少なくとも約10倍である。
【0006】
(2)有効後側焦点距離
投射レンズ/画素化パネル結合体の有効後側焦点距離(BFL)は、画素化パネルの前面と投射レンズの最後部レンズ素子の後面の頂点との間の距離であり、(1)画素化パネルの像が無限遠に位置し、(2)投射レンズが空中に位置しているとき、すなわち投射レンズの最後部レンズ素子と画素化パネルとの間の空間が、投射レンズと画素化パネルとの間に通常用いられるプリズム、ビームスプリッタなどを構成するガラスとは対照的に、空気で満たされているときに光出力を有する。
【0007】
(3)前側頂点距離
投射レンズ/画素化パネル結合体の前側頂点距離(FVD)は、画素化パネルの前面と投射レンズの最前部レンズ素子の前面の頂点との間の距離であり、(1)画素化パネルの像が無限遠に位置し、(2)投射レンズが空中に位置しているとき、すなわち投射レンズの最後部レンズ素子と画素化パネルとの間の空間が、投射レンズと画素化パネルとの間で通常用いられるプリズム、ビームスプリッタなどを構成するガラスとは対照的に、空気で満たされているときに光出力を有する。
【0008】
投射レンズ系(本願明細書では「投射系」と称することもある)は、目視用スクリーン上の物体の像を結像するために用いられる。このような系は、観察者および物体がスクリーンの同じ側(前面投射)にあるか、またはスクリーンの反対側(背面投射)にあるかに応じて、前面投射型または背面投射型に分けることができる。
【0009】
そのような系の基本構造を図5に示す。ここでは、10は光源(たとえば、メタルハライドまたは高圧水銀灯)であり、12は光源の像を結像する照射光学素子(以下、照射系の「出力」とも称する)、14は投射対象の物体(たとえば、オン画素およびオフ画素から成るLCDマトリックス)であり、13は複数のレンズ素子から構成される投射レンズであり、目視用スクリーン16上に物体14の拡大像を結像する。
【0010】
前面投射系の場合には、観察者は図5のスクリーン16の左側に位置し、背面投射系の場合には、観察者はスクリーンの右側に位置する。単一のキャビネットに収容されることになっている背面投射系の場合には、ミラーを用いて光路を折畳み、それによって系全体のサイズを小さくすることが多い。
【0011】
物体が画素化パネルである投射レンズ系は、さまざまな用途で用いられる。そのような系では、赤色、緑色、青色の画素を有する単一のパネルまたは1つは赤色光、2番目が緑色光、3番目が青色光である3色のパネルのいずれかの像を結像させる単一の投射レンズを用いることが好ましい。場合によっては、たとえば大画像背面投射系、複数のパネルおよび複数の投射レンズを、各パネル/投射レンズ結合体が像全体の一部を形成するように用いることもある。いずれの場合においても、そのような系と供に用いられる投射レンズは一般に、画素化パネルと供に通常用いられるプリズム、ビームスプリッタ、カラーホイールなどに適合するように、長い有効後側焦点距離を有する必要がある。
【0012】
画素化パネルを用いる投射レンズ系の特に重要な用途は、マイクロディスプレイの分野であり、たとえば、前面投射系はデータを表示するために用いられ、背面投射系はコンピュータモニタとして用いられる。製造技術の近年の飛躍的発展により、DMD、反射型LCDなどのディジタル式ライトバルブ素子を採用するマイクロディスプレイの普及が進んだ。
【0013】
これらの素子に基づく投射型ディスプレイは、サイズが小さく、軽量であるという利点を提供する。その結果、前面投射モードで作動し、ディジタル式ライトバルブを用いる全く新しいクラスの超携帯型軽量プロジェクタが、市場に登場した。これらの素子の利用によって、軽量小型の背面投射系も実現することができる。
【特許文献1】米国特許出願第09/304,693号明細書
【特許文献2】国際公開第00/67059号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
高度な情報内容を有する像を表示するために、これらの素子は、多数の画素を有していなければならない。素子自体は小さいため、個別の画素が小さく、一般的な画素サイズは、DMDディスプレイ用の17μ〜反射型LCDの場合の約8μ以下の範囲にある。このことは、これらの系で用いられる投射レンズがきわめて高度の収差補正を必要とすることを意味している。特に重要なことは、色収差および歪曲収差の補正である。
【0015】
色収差は、画素のぼけ、または極端な場合には、像から画素完全脱落など、画素化パネルの像に容易に見受けられるため、高度の色収差補正が重要である。このような問題は、一般に視野の縁部で最も顕著である。
【0016】
系のすべての収差に対処する必要があるが、横色収差、コマの色変動、非点収差、および歪曲収差が一般に最も問題となる。横色収差、すなわち色による倍率の変動は、特に視野の縁部でコントラストの低下となって現れるため、特に面倒である。極端な場合には、視野全体の領域にレインボー効果が現れる恐れがある。
【0017】
陰極線管(CRT)を用いる投射系において、たとえば、青色CRT上で生成される像を基準として赤色CRTの面で生成される像のサイズを縮小することによって、少量の(残存)横色収差を電子的に補償することができる。しかし、画素化パネルの場合には、像がディジタル化されるため、視野全体にわたってサイズを円滑に調整することは不可能であることから、そのような調整を行うことはできない。したがって、投射レンズの場合には、二次横色収差の補正を含むより高度な横色収差補正が必要である。
【0018】
データを表示するための画素化パネルを用いると、歪曲収差の補正に関する要件が厳しくなる。これは、データを見るときに、レンズの視野の末端部に至るまで優れた画質が必要とされることによる。明白であるように、表示される数字または文字の像は、中央と同じように視野の縁部でも歪んでいないことが重要である。さらに、投射レンズは、オフセットパネルと組み合わせて用いられることも多い。そのような場合には、目視用スクリーンにおける歪曲収差は、スクリーンの中心を通る水平線を中心にして対称に変化するのではなく、たとえば、スクリーンの下縁から上縁に向かって単調に増大することもある。この作用により、ごくわずかな歪曲収差であっても観察者に容易に見えてしまう。
【0019】
低い歪曲収差および高度の色補正は、WINDOWS(登録商標)型コンピュータインターフェイスの拡大像を目視用スクリーンに投射する場合に特に重要である。平行線、枠線で囲まれたコマンド、ダイアログボックス、複雑な配色を有するこのようなインターフェイスは、本質的に歪曲収差および色収差のテストパターンである。利用者は、そのようなインターフェイスの像における歪曲収差または色収差が軽微なレベルであっても、すぐ気付いて不平を述べる。
【0020】
上述のマイクロディスプレイは一般に、照射系からの光ビームがディスプレイに対してほぼ垂直の入射角を有することを必要とする。投射レンズの観点から言えば、これは、レンズがテレセントリック入射瞳を有する要件、すなわち、投射レンズは、物体(画素化パネル)が位置する短共役側の方向においてテレセントリックでなければならないという要件に言い換えられる。これにより、レンズが絞りに対して非対称となるため、横色収差の補正がより困難となる。
【0021】
上記に加えて、背面投射系の場合には、より小さなキャビネットサイズ(より小さな設置面積)に対する要望がさらに高まっている。投射レンズの観点から言えば、これは、レンズが像(スクリーン)の方向において広い視野を有するという要件に言い換えられる。この要件は、レンズの横色収差の補正をさらに一層困難にする。同様に、長い有効後側焦点距離に関する要件もまた、横色収差の補正をより困難にする。
【0022】
広い視野を有することに加えて、より小さなキャビネットサイズに対する要望も、レンズが短い前側頂点距離を有するという要件に言い換えられる。このようにして、キャビネットにおいて投射レンズに割り当てなければならない線形空間も削減される。また、所与の視野の場合には、より短い前側頂点距離は、投射レンズで用いられるレンズ素子に関するより小さな最大有効口径を生じることになる。このことは、レンズの最大横径を削減するほか、その重量およびコストも削減する。有効後側焦点距離と同様に、前側頂点距離を削減することにより、レンズの収差を補正することがより困難になる。特に、より短い前側頂点距離は一般に、収差の補正がより困難であるより強力なレンズ素子を必要とする。
【0023】
これらのさまざまな要件は互いに不利に作用するため、画素化パネルを用いる投射レンズ系に必要な高度の収差補正を依然として維持すると同時に、短い焦点距離、長い有効後側焦点距離、レンズの長い共役方向における広い視野、短い前側頂点距離を実現することは、特に困難である。以下で説明し、図示するように、本発明は、これらの相反する基準を満たす投射レンズを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0024】
上記に照らして、当業界において画素化パネルと組み合わせて用いるための投射レンズでは、以下の特性のうちのいくつか、好ましくはすべてを有する。
【0025】
(1)二次横色収差の補正を含む高度の横色収差補正
(2)低い歪曲収差
(3)像の方向における大きい視野
(4)テレセントリック入射瞳
(5)長い有効後側焦点距離
(6)短い前側頂点距離
(7)投射レンズを構成するレンズに関して小さい最大有効口径
当業界におけるこの必要を満たすために、本発明は、上記の7つの特徴のうちのいくつか、好ましくはすべてを有する投射レンズを提供する。
【0026】
具体的には、本発明は、画素化パネルの像を結像するための投射レンズを提供し、投射レンズは、長共役側(像またはスクリーン側)および短共役側(物体または画素化パネル側)を有し、長共役側から短共役側に順に
(A)負の屈折力を有し、全体的にメニスカス形状の少なくとも1つの負のレンズ素子(N1)を含み、負のレンズ素子が長共役側に向かって凸状であり、少なくとも1つの非球面を含む、第1のレンズユニット(U1)と、
(B)正の屈折力を有する第2のレンズユニット(U2)であって、軸空間によって第1のレンズユニットから離隔される少なくとも1つの非球面を含む少なくとも1つの正のレンズ素子(P1)を含む第2のレンズユニットと、を含み、
(i)投射レンズが短共役側でテレセントリックであり、
(ii)投射レンズが、以下の関係、
BFL/f0>3.5、および
FVD/f0<20
を満たす有効焦点距離f0、有効後側焦点距離BFL、ならびに前側頂点距離FVDを有する。
【0027】
BFL/f0の比は4.0より大きいことが好ましく、場合によっては4.5より大きく、さらに5.0より大きい場合もあり得る。同様に、FVD/f0の比は17未満であることが好ましく、場合によっては15未満、さらに13未満である場合もあり得る。
【0028】
上記のBFL/f0の比、FVD/f0の比を有することに加えて、本発明の投射レンズは、少なくとも70°(たとえば、75°<θ<80°)の長い共役の方向において視野θと、5.0未満、場合によっては4.0未満のf0に対する最大有効口径の比(D/f0の比)と、を有することが好ましい。
【0029】
明細書に組み込まれ、明細書の一部をなす上記の図面は、本発明の好ましい実施形態を示しており、以下の詳細と共に、本発明の原理を説明する役目を果たす。当然のことながら、図面および詳細のいずれもがあくまでも説明に過ぎず、本発明を限定するわけではないことを理解すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0030】
本発明の投射レンズは、逆焦点型または逆望遠型であり、2個のレンズユニット、すなわち長共役側にある負のユニット(U1)および短共役側にある正のユニット(U2)からなり、一般に開口絞りによって離隔されている。
【0031】
画素化パネルの像を生成するためのこの全体的なレンズ形態の利用には、さまざまな利点がある。したがって、第2の正のユニットの前焦点面にレンズの開口絞りを配置することによって、テレセントリックを実現することができる。以下に示される実施例によって明らかにされる別の利点は、長い有効後側焦点距離を実現する能力、およびレンズの長い共役の方向において広い視野を提供する能力である。これらの特性はいずれも、特に、レンズが最小の可能な全体実装サイズを実現するために広い視野を備えていなければならず、レンズと画素化パネルとの間のビーム分割プリズムに適合する必要がある背面投射系において有用である。このようなプリズムは、偏光ビームスプリッタのほか、色分割プリズムを含むことができる。
【0032】
本発明のレンズは、第1のレンズユニットに1つ以上の非球面を用いることによって、高度の歪曲収差補正を実現する。一部の残存歪曲収差のほか、レンズの入射瞳の球面収差は、第2のレンズユニットにおいて1つ以上の非球面の利用によって補正される。レンズの物体面における任意の点に関するテレセントリックを実現するために、入射瞳の球面収差を最小限にすべきである。非球面は、プラスチックレンズ素子上に形成されることが好ましい。
【0033】
補正しなければならない最も決定的な収差は、レンズの横色収差である。本発明のレンズは、「Projection Lenses Having Reduced Lateral Color for Use with Pixelized Panels(画素化パネルと組み合わせて利用する、横色収差の少ない投射レンズ)」という名称の特許文献1(同一出願人による1999年5月4日の出願)(尚、当該特許の内容は、本願明細書に参照によって引用される)の技術を用いて、そのような補正を実現することが好ましい。この出願は、特許文献2として2000年11月9日に公開された。以下の用途のアプローチは、好ましいが、本発明の実用に用いる必要はない。
【0034】
横色収差を補正するためにどんなアプローチが用いられても、第1および第2のレンズユニットのそれぞれは、少なくとも1つの色補正ダブレット(図1〜図4ではそれぞれD1およびD2)を含むことが好ましい。また、投射レンズは、少なくとも1つの色補正ダブレットを含み、レンズの軸色補正を改善するために作用することが好ましい開口絞りの付近に位置する第3のレンズユニット(U3)を具備してもよい。
【0035】
いかなる方法によってもそれを限定する意図はなく、本発明は以下の実施例によって十分に説明されるであろう。
【実施例】
【0036】
図1〜図4および表1〜表4は、本発明によって構成される代表的な投射レンズを示している。
【0037】
HOYAなる名称が、レンズ系で用いられるさまざまなガラスに関して用いられる。本発明の実施において、他のメーカ(たとえば、OHARAまたはSCHOTT)によって製造される等価なガラスを用いることができる。業界許容材料は、プラスチック素子の場合に用いられる。
【0038】
表に示される非球面係数は、以下の式で用いられる。
【数1】
【0039】
式中、zは系の光軸からの距離yにおける面のサグであり、cは光軸におけるレンズの曲率、kは円錐係数であり、円錐係数kは表1から表4の規定に仕様に特に記載のない限り0である。
【0040】
表のさまざまな面に関連する表記「a」は非球面、すなわち上記数式におけるD、E、f、G、H、Iのうち少なくとも1つが0でない面を表し、表記「c」は上記数式におけるkが0でない面を表す。図および表においてU2の短共役側に配置されるさまざまな平面構造は、画素化パネルと組み合わせて使用されるか、または画素化パネルの一部を構成している構成要素である。それらは、投射レンズの一部を構成するものではない。表中の寸法はすべてミリメートル単位である。
【0041】
規定表は、光が図面の左から右に進むことを前提として構成されている。実際には、目視用スクリーンが左側にあり、画素化パネルが右側にあって、光は右から左へと進む。特に、物体/像および入射瞳/射出瞳に関する仕様表の記載は、本願明細書の以下の部分において使用されているものと逆になっている。図1〜図4において、画素化パネルは表記「PP」によって示され、開口絞りは表記「AS」によって示されている。
【0042】
表1〜表4の投射レンズを構成するさまざまなレンズユニットの焦点距離が、表5に記載されており、f1はU1の焦点距離であり、f2はU2の焦点距離であり、f3はU3の焦点距離である。表1のレンズに関して示されている2つの焦点位置に対応する2つのエントリが、図1のレンズに関して示されている。実際には、図2〜図4のレンズもまた、異なる共役でレンズを結像する際に用いられる表1に示されたタイプの可変空間を含んでいてもよい。
【0043】
表6は、表1〜表4のレンズに関するBFL/f0、FVD/f0、D/f0、およびθの値を列挙している。この表から分かるように、実施例のレンズは、3.5より大きいBFL/f0の比、20未満のFVD/f0の比、5.0未満のD/f0の比、および70°より大きいθの値を有し、画素化パネルを用いる小型投射レンズ系の製造に特に十分に適したレンズを製造する。
【0044】
表6に示される特性に加えて、本発明の投射レンズは、さらに以下の特性も有することが好ましい。
(i)画素より小さく、画素の4分の3未満であることが好ましい460nm〜620nmの範囲の波長に関して視野全体における横色収差のぼやけ(横色収差補正のレベルは、物体平面または像平面で決定されることができ、決定が像平面で行われた場合には、拡大した画素が用いられることを留意されたい)
(ii)1.5%未満で、1.0%以下であることが好ましい歪曲収差 表1〜表4の投射レンズは、上記の好ましい横色収差レベルおよび好ましい歪曲収差レベルの両方を実現する。特に、レンズは、15ミクロン未満の画素サイズ(画素幅)に関する好ましいレベルの横色収差補正を実現する。
【0045】
本発明の特定の実施形態について記述し、図示したが、当業者には前述の開示内容から本発明の範囲および精神から逸脱しない種々の変形例が明らかになるであろうことを理解されたい。
【表1.1】
【表1.2】
【表2.1】
【表2.2】
【表3.1】
【表3.2】
【表4.1】
【表4.2】
【表5】
【表6】
【図面の簡単な説明】
【0046】
【図1】本発明によって構成される代表的な投射レンズの概略則面図である。
【図2】本発明によって構成される代表的な投射レンズの概略則面図である。
【図3】本発明によって構成される代表的な投射レンズの概略則面図である。
【図4】本発明によって構成される代表的な投射レンズの概略則面図である。
【図5】本発明の投射レンズを用いることができる投射レンズ系全体を示す概略図である。
【符号の説明】
【0047】
N1 負のレンズ素子
D1 色補正ダブレット
D2 色補正ダブレット
AS レンズの開口絞り
P1 正素子
PP 画素化パネル
U1 第1のレンズユニット
U2 第2のレンズユニット
U3 第3のレンズユニット
10 光源
12 照射光学素子
13 投射レンズ
14 物体
16 目視用スクリーン
Claims (14)
- 画素化パネルの像を形成するための投射レンズであって、前記投射レンズは、長共役側および短共役側を有し、前記長共役側から前記短共役側に向かって順に
(A)全体的にメニスカス形状の少なくとも1つの負のレンズ素子を含み、該負のレンズ素子が長共役側に向かって凸状であり、少なくとも1つの非球面を含む、負の屈折力を有する第1のレンズユニットと、
(B)軸空間によって前記第1のレンズユニットから離隔され、少なくとも1つの非球面を含む少なくとも1つの正のレンズ素子を含む、正の屈折力を有する第2のレンズユニットと、を含み、
(i)前記投射レンズが短共役側でテレセントリックであり、
(ii)前記投射レンズが、以下の関係、
BFL/f0>3.5、および
FVD/f0<20
を満たす有効焦点距離f0、有効後側焦点距離BFL、ならびに前側頂点距離FVDを有することを特徴とする投射レンズ。 - BFL/f0>4.0であることを特徴とする請求項1記載の投射レンズ。
- FVD/f0<17であることを特徴とする請求項1記載の投射レンズ。
- BFL/f0>4.0およびFVD/f0<17であることを特徴とする請求項1記載の投射レンズ。
- (i)前記投射レンズが、それぞれが有効口径を有する複数のレンズ素子を含み、
(ii)最大有効口径がDであり、
(iii)Dが、関係D/f0<5.0を満たすことを特徴とする請求項1記載の投射レンズ。 - D/f0<4.0であることを特徴とする請求項5記載の投射レンズ。
- (i)前記投射レンズが、前記レンズの長共役側の方向において視野θを有し、
(ii)θが、関係θ>70°を満たすことを特徴とする請求項1記載の投射レンズ。 - 75°<θ<80°であることを特徴とする請求項7記載の投射レンズ。
- 前記第1および第2のレンズユニットのそれぞれが、色補正ダブレットを含むことを特徴とする請求項1記載の投射レンズ。
- 前記投射レンズが、前記第1のレンズユニットと前記第2のレンズユニットとの間の軸空間に位置する開口絞りを含むことを特徴とする請求項1記載の投射レンズ。
- 前記投射レンズが、前記開口絞りの付近に位置する第3のレンズユニットを含むことを特徴とする請求項10記載の投射レンズ。
- 前記第3のレンズユニットが、少なくとも1つの色補正ダブレットを含むものであることを特徴とする請求項11記載の投射レンズ。
- (a)画素化パネル、および
(b)請求項1記載の投射レンズを含むことを特徴とする投射レンズ系。 - 光源および前記光源の像を結像する照射光学素子からなる照射系をさらに含むことを特徴とする請求項13記載の投射レンズ系。
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