JP2005077548A - レトロフォーカスズームレンズ - Google Patents

Abstract

【課題】大口径で縮小側にて良好なテレセントリック性能を有し、高解像・低歪曲で、可視光広帯域にて倍率色収差が良好に補正された液晶プロジェクター用レトロフォ−カスズームレンズの提供。
【解決手段】 拡大共役側から負正正負正正の６群構成（変倍時、１、６群は固定、２ー５群は拡大共役側へ移動）。１群の焦点距離をｆ１、バックフォーカスをｂｆとしたとき−０．９＜ｆ１／ｂｆ＜−０．５を満足する。広角端における全系の焦点距離ｆｗ及びバックフォ−カスｂｆは以下の条件式を満足する。０．４＜ｆｗ／ｂｆ＜０．８。
【選択図】 図１

Description

本発明は、長いバックフォーカスを有し液晶ライトバルブに表示された像を広角投影するためのレトロフォーカスズームレンズに関するものである。さらには、照明系との瞳整合性が良好に保たれた、例えばモバイル液晶プロジェクターに好適なコンパクトな投写レンズに関するものである。

液晶プロジェクターはパソコン等の画像を大画面に投影可能な装置として会議およびプレゼンテーション等に広く利用されてきている。

このような液晶プロジェクターに関して、液晶表示装置を３枚使用する３板方式のプロジェクション装置では、液晶表示装置を透過した後の色光を合成するダイクロイックプリズムおよび偏光板等の素子を配置するスペースを液晶表示装置と投写レンズとの間に設けなければならず、投写レンズに関してある一定長のバックフォーカスを確保することが必要となり、負の屈折力のレンズ群が先行するネガティブリード型ズームレンズが広く利用されている。これらは比較的広角化が容易であり、かつ近接撮影距離での性能が維持できる等の特長を有しているが、反面、ズーミング時に移動するレンズ群の移動量が増大し収差変動もそれに伴い増大し、また高変倍化が難しく、さらには諸収差を抑えた広角化が難しい等の欠点を有している。

この他に、液晶プロジェクターに関して以下のような特徴が投射レンズに必要とされている。

色合成膜の角度依存の影響を極小にする為、また照明系との良好な瞳整合性を確保するために液晶表示装置（縮小）側の瞳が無限遠方にある所謂テレセントリック光学系であることが必要である。

３色の液晶表示装置の絵をスクリーンに合成投写したとき、パソコンの文字等が二重に見えたりして解像感および品位がそこなわれないように各色の画素を画面の全域にて重ね合わせられなければならない。そのため、投写レンズにて発生する色ずれ（倍率色収差）を可視光帯域にて良好に補正すること（アポクロマート化）。

また、投影された画像に関して輪郭部で歪んで見苦しくならないように歪曲収差も最大でも−２％（縮小側樽型）以下に補正されていること（特に周辺および中間部等での急激な歪曲収差の変化等が残存すると、画像品位が低下して好ましくない）等が望まれてきている。

また最近では、画面の高輝度・画像の高精細化といったニーズの一方で、小型パネル搭載のプロジェクターには機動性を重視すべく装置の小型・軽量化が強く求められるようになってきている。さらには、狭い室内において大画面投影を可能とするプロジェクターも求められている。

従来では、液晶プロジェクター用の投写レンズとして拡大側より順に負正正負正の屈折力配列による全体として５レンズ群より構成し、このうち所定のレンズ群を適切に移動させて変倍を行っている。

５群ズーム（特開２００１−５１１９４＆特開２００１−２６８１９３）および拡大側より順に負正正負正正の屈折力配列による全体として６レンズ群より構成し、このうち所定のレンズ群を適切に移動させて変倍を行っている６群ズーム（特開２００１−１０８９００）が提案されている。

上記５群ズームの各レンズ群は、共に第１および５レンズ群を固定として広角〜望遠端への変倍に際してレンズ系内部の２〜４レンズ群を移動するため、全長は一定に保たれるテレセントリックズームレンズであり、さらに上記６群ズームレンズは第１、４および６レンズ群を固定として広角〜望遠端への変倍に際してレンズ系内部の第２、３および５群を移動するため、全長を一定に保たれ、色収差・変倍時の収差変動を抑えたテレセントリックズームレンズであった。
特開２００１−５１１９４号公報 特開２００１−２６８１９３号公報 特開２００１−１０８９００号公報

しかしながら、現在および将来に向かってさらなる小型のモバイル液晶プロジェクターの要望とともに、特にホームシアター用に大きなメリットとなる近距離投影での仕様つまり液晶プロジェクターの広画角化の要望もある。

この「液晶プロジェクターの小型・広画角化」といったテーマに対して、まず液晶表示装置が小さくならなければならないが、同じ解像度を求めようとすると液晶表示装置開口率の低下、および被照明領域と発光光源の大きさとの比（＝被照明領域の大きさ／光源の大きさ）が小さくなっていくため、照明効率は一般には低下してしまい、いくら装置の小型化が実現できても明るさの問題が生じる。

上記問題に対して、蛍光燈およびデイライト下でも使用に耐えうるスクリーン照度を確保するために、小型プロジェクター用の投写レンズといっても広角端開放Ｆ値（以後Ｆ値は開放を表す）に関して２．５程度では商品性を有する十分な明るさを得ることは困難であった。

さらに、小型軽量液晶プロジェクター用途を考えると、前記従来の５群・６群ズームでは小型化を考慮しているにも関わらず十分な広角化がなされておらず、十分な投影距離を必要とする問題が生じており小型化のメリットを十分に生かしているとは言ない。

上記問題に対して、ホームシアター用を主な目的とする近接距離投影での液晶プロジェクターの仕様に関しては十分に特化されていなかった。

また、非球面レンズを採用することも考えられるが現在の最小サイズの液晶表示装置から設計されるレンズ径では大幅なコストアップとなってしまい好ましくない。

上記課題の解決の為に、本発明では、以下の構成を特徴とする。

拡大側より順に、負の屈折力を有する第１レンズ群、正の屈折力を有する第２レンズ群、正の屈折力を有する第３レンズ群、負の屈折力を有する第４レンズ群、正の屈折力を有する第５レンズ群および正の屈折力を有する第６レンズ群の６つのレンズ群を有し、広角端から望遠端への変倍に際して少なくとも４成分を可動として変倍することを特徴としている。

本願のように負の屈折力のレンズ群が先行するネガティブリード型のズームレンズ構成により、広画角化および長いバックフォーカスを確保するといった特徴を引き出し、反面高変倍化・高画角化が難しいといった欠点に対しては、可動成分を４成分もたせることによりコンパクトな光学系を実現している。

また、第１、第６レンズ群はともに変倍に際して、像面に対して固定してズーム全長不変とすることで投写レンズ部の堅牢性を確保し、また変倍時等径の大きなレンズ群が固定されているため重量バランス等の変化が少なく機構面で有利に作用する。

第１レンズ群の焦点距離ｆ１およびバックフォーカスｂｆは以下の条件式を満足することを特徴としている。

−０．９＜ｆ１／ｂｆ＜−０．５ （１）
条件式（１）は、広角化のための適切な第１レンズ群の条件を表しており、上限を超えると第１レンズ群のパワーが弱くなるのでレンズ径が大きくなる傾向となり、コスト面を考えても好ましくなくさらには第１レンズ群全体の重量も大きくなってしまいフォーカシングに対するメカ構造の問題が生じ好ましくない。逆に下限を超えると１群の屈折力が強くなり過ぎてしまい特に軸外光線における収差補正が困難になってしまう。

さらに広角端における全系の焦点距離ｆｗおよびバックフォーカスｂｆは以下の条件式を満足することを特徴としている。

０．４＜ｆｗ／ｂｆ＜０．８ （２）
条件式（２）は、クロスダイクロプリズム等の色合成手段の機能を備えた装置をレンズとその縮小側像面との間に配する必要性から所望のバックフォーカスを設けるために必要な条件であり、上限を超えると投写レンズのワイド端焦点距離を維持したまま十分なバックフォーカスを得られなくなり、プリズム等のスペースを確保できなくなってしまう。逆に下限を越えると、バックフォーカスが大きくなり歪曲収差をはじめとする諸収差の補正が困難となりさらにはコンパクト化においても好ましくない。

さらに広角端における全系の焦点距離ｆｗおよび第４レンズ群の焦点距離ｆ４は以下の条件を満足することが望ましい。

−５．０＜ｆ４／ｆｗ＜−２．０ （３）
条件式（３）はズーミングにより移動する結像位置の変動補正群（コンペンセーター）の倍率を規定する条件であり、上限を超えると第４レンズ群の屈折力が強くなりすぎ、必要以上にバックフォーカスが長くなってしまいコンパクト化が困難となり好ましくない。逆に下限を越えると第４レンズ群の屈折力が弱くなりすぎ、ズーミングにおける移動量が多くなり好ましくない。

さらに、広角端における全系の焦点距離ｆｗおよび第６レンズ群の焦点距離ｆ６は以下の条件式を満足する。

２．８＜ｆ６／ｆｗ＜３．５ （４）
条件式（４）はテレセントリック性を確保するための適切な第６レンズ群の屈折力を規定した条件式であり、上限を超えると第６レンズ群のパワーが弱くなり過ぎて、バックフォーカスが大きくなり好ましくない。逆に下限を越えると十分なバックフォーカスを確保できずテレセントリック性が崩れていく傾向となり、さらには軸外収差の補正が困難となり好ましくない。

また、コンパクト化実現のため各構成レンズ屈折力増加に伴う諸収差の劣化を補正するために、投写レンズ内部に少なくとも１枚の非球面レンズを採用することも考えられる。

硝子モールドタイプかレプリカ非球面等を選ぶことが好ましいが、解像度の目標と、非球面レンズの敏感度によっては、プラスチック非球面レンズとしてもよい。除去しようとする収差にもよるが、主に軸外収差を良好に補正するため第１および第５または６レンズ群といった絞り位置からなるべく遠い位置に採用するのが効果的である。

また、前記絞りは本来独立に移動絞り群を設けることが良いが、変倍の際カム溝が追加される等生産上要件を併せて考えると、第２または３レンズ群内といった変倍レンズ群内に配置されておれば、変倍時の収差変動を効率良く補正することが可能となる。

絞りからみて縮小側に配置される第５レンズ群には、拡大側から順に両凹レンズ、および少なくとも２枚の正レンズにより構成されたことを特徴としている。これは、軸上光線高さが最も小さくなる位置に強い負の屈折力を持ったレンズを配置することにより効率良くペッツバール和を小さく抑えることができる。また、正レンズは絞りから縮小側に配置された凹レンズ群で跳ね上げられた光線を緩やかに屈曲させて良好なテレセントリック性能を持たせなければならないので少なくとも２枚以上で構成し、非点収差発生を抑える目的で絞り面に向かってコンセントリックな形状を有しており、硝子材の屈折率はペッツバール和を小さくする意味においてもなるべく高い材質が好ましい。

かかる構成において、本発明の実施例に基づき、さらに詳細に説明する。

以上説明したように、本発明によれば大口径で縮小側にて良好なテレセントリック性能を有し、高解像・低歪曲で、可視光広帯域にて倍率色収差が良好に補正されたレトロフォーカスズームレンズを実現することができる。

（第１の実施例）
本発明の第１の数値実施例を表１にあげ、断面図を図１に示す。表中、ｒｉはスクリーン側から第ｉ番目に位置するレンズ面の曲率半径であり、ｄｉは同じく第ｉ番目と第ｉ＋１番目のレンズ面間の距離、ｎｉは第ｉ番目のレンズを構成するガラスのｄ線に対する屈折率、νｉは同じく第ｉ番目のレンズを構成するガラスのアッベ数をそれぞれ表す。

また、ＧＢは色合成用のダイクロイックプリズム等の硝子ブロック、ＳＴは絞り面およびＬＣＤは液晶表示装置をそれぞれ表す。

本実施例において、物体側より順に負正正負正正の６群構成にて成っている。

また、広角端から望遠端への変倍に際して、第１および６レンズ群は固定であり全長一定であり、第２〜５レンズ群は拡大側に独立に移動している。またスクリーン上での照度を確保するためにも、各レンズ面には多層コートを採用するとよい。

第１負レンズ群内構成に関しては、拡大側より凸凹凹凹凸の５枚構成であり最も拡大側に凸レンズを配置することにより、主に歪曲収差を効率良く補正している。

第２および３正レンズ群に関しては、主たる変倍群の役割を担っており大きな屈折力が与えられている都合上、凸レンズには屈折率の高い硝子材がペッツバール和および変倍時の球面収差等の収差変動を小さく設計するためにもふさわしい。特にペッツバール和に関して、本願のような大口径レンズで高い空間周波数でのレスポンスが要求されると許容錯乱（ボケ）径が小さくなることによって深度が浅くなるため、中間像高等での像面湾曲および非点収差が大きいと解像感が急激に劣化するためペッツバール和は小さく補正されていることが重要である。

色にじみの観点では、可視光広帯域にて倍率色収差を良好に補正するためにも凸レンズには異常分散性を有するランタン系の重フリント材等が適当である。

これらの第２・３変倍レンズ群に関して全変倍領域での倍率は反転縮小倍率で使用している。なお、絞りは第３レンズ群内に存在し、変倍時第３レンズ群とともに移動しており、変倍時の軸外収差変動をおさえている。

第４負レンズ群に関しては、変倍に伴うピント面の移動を補正する役割を担っている。

本実施例では１枚の両凹レンズで構成されており、変倍全域に関して第４レンズ群倍率は等倍以上であり第２および３変倍レンズ群と同じ拡大側へ移動している。

第５正レンズ群に関しては最も拡大側に強い負の屈折力を与えている。この強い負の屈折力により、効率よくペッツバール和を小さくする作用をする。さらに主平面位置を液晶表示装置側に配置できることから瞳に関して良好なテレセントリック性能およびバックフォーカス確保の面にて有利に作用している。

なお、本実施例のレトロフォーカスズームレンズを第１レンズ群により２．３ｍにフォーカスしたときの広角端および望遠端での収差図をそれぞれ図５（ａ）、（ｂ）に示す。

また、本実施例の条件式（１）〜（４）の数値を以下に示す。

条件式
（１） ｆ１／ｂｆ＝ −０．７１７
（２） ｆｗ／ｂｆ＝ ０．６０７
（３） ｆ４／ｆｗ＝ −３．３２
（４） ｆ６／ｆｗ＝ ３．０６
（第２の実施例）
本発明の第２の数値実施例を表２にあげ、断面図を図２に示す。表中、ｒｉはスクリーン側から第ｉ番目に位置するレンズ面の曲率半径であり、ｄｉは同じく第ｉ番目と第ｉ＋１番目のレンズ面間の距離、ｎｉは第ｉ番目のレンズを構成するガラスのｄ線に対する屈折率、νｉは同じく第ｉ番目のレンズを構成するガラスのアッベ数をそれぞれ表す。

また、ＧＢは色合成用のダイクロイックプリズム等の硝子ブロック、ＳＴは絞り面およびＬＣＤは液晶表示装置をそれぞれ表す。

本実施例において、物体側より順に負正正負正正の６群構成にて成っている。

また、広角端から望遠端への変倍に際して、第１および６レンズ群は固定であり全長一定であり、第２〜５レンズ群は拡大側に独立に移動している。またスクリーン上での照度を確保するためにも、各レンズ面には多層コートを採用するとよい。その他おもな構成は実施例１と同様なので詳細説明は省略する。

なお、本実施例のレトロフォーカスズームレンズを第１レンズ群により２．３ｍにフォーカスしたときの広角端および望遠端での収差図をそれぞれ図６（ａ）、（ｂ）に示す。

また、本実施例の条件式（１）〜（４）の数値を以下に示す。

条件式
（１） ｆ１／ｂｆ＝ −０．６６６
（２） ｆｗ／ｂｆ＝ ０．６０６
（３） ｆ４／ｆｗ＝ −３．６０
（４） ｆ６／ｆｗ＝ ３．０６
（第３の実施例）
本発明の第２の数値実施例を表２にあげ、断面図を図３に示す。表中、ｒｉはスクリーン側から第ｉ番目に位置するレンズ面の曲率半径であり、ｄｉは同じく第ｉ番目と第ｉ＋１番目のレンズ面間の距離、ｎｉは第ｉ番目のレンズを構成するガラスのｄ線に対する屈折率、νｉは同じく第ｉ番目のレンズを構成するガラスのアッベ数をそれぞれ表す。

また、ＧＢは色合成用のダイクロイックプリズム等の硝子ブロック、ＳＴは絞り面およびＬＣＤは液晶表示装置をそれぞれ表す。

本実施例において、物体側より順に負正正負正正の６群構成にて成っている。

また、広角端から望遠端への変倍に際して、第１および６レンズ群は固定であり全長一定であり、第２〜５レンズ群は拡大側に独立に移動している。またスクリーン上での照度を確保するためにも、各レンズ面には多層コートを採用するとよい。その他おもな構成は実施例１と同様なので詳細説明は省略する。

なお、本実施例のレトロフォーカスズームレンズを第１レンズ群により２．３ｍにフォーカスしたときの広角端および望遠端での収差図をそれぞれ図７（ａ）、（ｂ）に示す。

また、本実施例の条件式（１）〜（４）の数値を以下に示す。

条件式
（１） ｆ１／ｂｆ＝ −０．６９０
（２） ｆｗ／ｂｆ＝ ０．６１６
（３） ｆ４／ｆｗ＝ −３．７３
（４） ｆ６／ｆｗ＝ ３．００
（第４の実施例）
本発明の第３の数値実施例を表３にあげ、断面図を図４に示す。表中、ｒｉはスクリーン側から第ｉ番目に位置するレンズ面の曲率半径であり、ｄｉは同じく第ｉ番目と第ｉ＋１番目のレンズ面間の距離、ｎｉは第ｉ番目のレンズを構成するガラスのｄ線に対する屈折率、νｉは同じく第ｉ番目のレンズを構成するガラスのアッベ数をそれぞれ表す。また、非球面係数に関しては、ｋは円錐定数、Ｂは４次、Ｃは６次、Ｄは８次、Ｅは１０次の係数をそれぞれ表している。

また、ＧＢは色合成用のダイクロイックプリズム等の硝子ブロック、ＳＴは絞り面およびＬＣＤは液晶表示装置をそれぞれ表す。

本実施例において、物体側より順に負正正負正正の６群構成にて成っている。

また、広角端から望遠端への変倍に際して、第１および６レンズ群は固定であり全長一定であり、第２〜５レンズ群は拡大側に独立に移動している。またスクリーン上での照度を確保するためにも、各レンズ面には多層コートを採用するとよい。

本実施例では、実施例１と比較して第１正レンズ群の凹レンズの一枚（拡大側より２番目のレンズ）に非球面を採用している一つの例である。本実施例では硝子モールドタイプの非球面レンズであるが、必ずしもこれに限らずレプリカおよびプラスチックタイプの非球面であっても構わない。このように絞りから遠い位置に非球面を配置することによって、主に像面湾曲等の収差を良好に補正する作用をしている。

また、特に非球面を配置する位置としては第１レンズ群に限らず、第１〜６レンズ群、収差補正の目的に合わせて配置を選択することが望ましい。その他の点は実施例１と同様なので詳細説明は省略する。

なお、本実施例のレトロフォーカスズームレンズを第１レンズ群により１．６ｍにフォーカスしたときの広角端および望遠端での収差図をそれぞれ図８（ａ）、（ｂ）に示す。

また、本実施例の条件式（１）〜（４）の数値を以下に示す。

条件式
（１） ｆ１／ｂｆ＝ −０．６８８
（２） ｆｗ／ｂｆ＝ ０．６１６
（３） ｆ４／ｆｗ＝ −４．１４
（４） ｆ６／ｆｗ＝ ３．１２

本発明の第１実施例であるレトロフォーカスズームレンズの断面図。 本発明の第２実施例であるレトロフォーカスズームレンズの断面図。 本発明の第３実施例であるレトロフォーカスズームレンズの断面図。 本発明の第４実施例であるレトロフォーカスズームレンズの断面図。 第１実施例の２．８ｍフォーカス時での収差図。（ａ）は広角端の焦点距離時、（ｂ）は望遠端の焦点距離時の縦収差を示し、それぞれ、球面収差、像面湾曲、歪曲収差および倍率色収差を示す。 第２実施例の２．８ｍフォーカス時での収差図。（ａ）は広角端の焦点距離時、（ｂ）は望遠端の焦点距離時の縦収差を示し、それぞれ、球面収差、像面湾曲、歪曲収差および倍率色収差を示す。 第３実施例の２．８ｍフォーカス時での収差図。（ａ）は広角端の焦点距離時、（ｂ）は望遠端の焦点距離時の縦収差を示し、それぞれ、球面収差、像面湾曲、歪曲収差および倍率色収差を示す。 第４実施例の２．８ｍフォーカス時での収差図。（ａ）は広角端の焦点距離時、（ｂ）は望遠端の焦点距離時の縦収差を示し、それぞれ、球面収差、像面湾曲、歪曲収差および倍率色収差を示す。

符号の説明

１ 第１レンズ群
２ 第２レンズ群
３ 第３レンズ群
４ 第４レンズ群
５ 第５レンズ群
６ 第６レンズ群
ＡＳＰ 非球面
ＬＣＤ 液晶表示装置（像面）
ＳＴ 絞り
ＧＢ 硝子ブロック（色合成プリズム）
ΔＳ Ｓａｇｉｔｔａｌ像面の倒れ
ΔＭ Ｍｅｒｉｄｉｏｎａｌ像面の倒れ

Claims (5)

1. 物体側から、変倍の際に固定で負の屈折力を有する第１レンズ群、正の屈折力を有する第２レンズ群、正の屈折力を有する第３レンズ群、負の屈折力を有する第４レンズ群、正の屈折力を有する第５レンズ群および変倍の際に固定で正の屈折力を有する第６レンズ群の６つのレンズ群を有し、可動レンズ群である第２、３、４および５レンズ群は広角端から望遠端への変倍に際してすべて拡大側へ移動し、第１レンズ群の焦点距離をｆ１およびバックフォーカスをｂｆとしたとき、
   −０．９＜ｆ１／ｂｆ＜−０．５ （１）
   を満足することを特徴とするズームレンズ。
2. 前記ズームレンズに関して、広角端における全系の焦点距離ｆｗおよびバックフォーカスｂｆは以下の条件式を満足することを特徴とする第１項記載のズームレンズ。
   ０．４＜ｆｗ／ｂｆ＜０．８ （２）
3. 前記ズームレンズに関して、広角端における全系の焦点距離ｆｗおよび第４レンズ群の焦点距離ｆ４は以下の条件を満足することを特徴とする第１項記載のズームレンズ。
   −５．０＜ｆ４／ｆｗ＜−２．０ （３）
4. 前記ズームレンズに関して、広角端における全系の焦点距離ｆｗおよび第６レンズ群の焦点距離ｆ６は以下の条件を満足することを特徴とする第１項記載のズームレンズ。
   ２．８＜ｆ６／ｆｗ＜３．５ （４）
5. 前記ズームレンズに関して、少なくとも１枚の非球面レンズを含むことを特徴とする請求項１記載のレトロフォーカスズームレンズ。
   

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