JP2005084456A - コンパクトなレトロフォーカスレンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で、広角の明るく小型コンパクトでバックフォーカスの長いテレセントリックレトロフォーカスレンズを提供する。拡大投写プロジェクション用レンズ。
【解決手段】 スクリーン側から順に負の第１レンズ群、正の第２レンズ群、正の第３レンズ群を有し、下記の条件を満たす０．８＜｜ｆ１／ｆ２｜＜２．００．８＜ｆ／ｆ３＜１．１｜ｔｋ｜／ｂｆ＞２．０
【選択図】 図１

Description

本発明は、画像を固定された有限距離にて、スクリーンに拡大投射するプロジェクション装置に用いられるレトロフォーカスレンズに関し、特に表示体に色光ごとに複数の液晶等を用い、色合成して１本の投射レンズを介して、高精細な画像投射を行う簡易な構成で小型で安価なテレセントリックズームレンズに関するものである。

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レトロフォーカスレンズは比較的広画角化が容易であるが、反面、歪曲の発生が大きく、またバックフォーカスも短め等の欠点を有している。

これらを鑑みて提案されているのが特開平１１−１９４２６５号公報等である。

この従来例ではレンズを物体側より順に負、正、正の３つのレンズ群より構成している。

そしてその目的は「広角でバックフォーカスが長く、コンパクトで周辺まで明るく、歪曲収差、倍率の色収差が十分に補正され、画面全体にわたって高画質な画像を実現できる投写レンズ」としている。

しかしながらこの発明による実施例ではバックフォーカスは長く、歪曲は小さいが、全系として大型でコンパクトとは言い難かった。

またその他の公知例では、テレセントリックな構成ではなかったり、またバックフォーカスが短めの設定となっている。

本発明の如き、表示画像をスクリーンに拡大投射する際、特に液晶表示体を複数の色光ごとに分けて用い、各色光を合成して１本の投射レンズにて投射する場合、以下の条件を満足することが必要となる。

１）液晶の配光特性、または複数の色光を合成する時の色合成ダイクロイックプリズムの角度依存の影響を排除する為に、パネル側の瞳（射出瞳）が遠方にある所謂テレセントリック光学系であること。

２）表示体と投射レンズの間に介在する色合成素子のスペースを確保する為に、長いバックフォーカスを必要とする。

３）通常、表示画像をスクリーン上に上方投射する為に、投射レンズ光軸に対し、表示体はその中心位置がシフトした状態で用いられ、結果として前玉付近は使用する有効領域が光軸対称ではなく、上方に偏り、前玉径が大きくなるので改善手段が必要である。また、画角も大きくなりがちとなる。

上記、要求事項に対し、前記従来例では、十分にコンパクトでなく、またその他の公知例ではテレセントリックな系でなく、バックフォーカスも十分に長いとは言い難く、歪曲も大きめであった。

本発明では、簡易な構成にて広角で明るく、小型コンパクトで倍率色収差の発生も小さく、歪曲も比較的小さく、拡大投写プロジェクション装置に用いられる、高精細な画像投影を行うバックフォーカスの長いテレセントリックレトロフォーカスレンズを達成することである。

表示面の画像を、スクリーンに拡大投射する略テレセントリックなレンズにおいて、スクリーン側から順に、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群を有し、それぞれのレンズ群の焦点距離をｆ１、ｆ２、ｆ３とし全系の合成焦点距離をｆ、表示パネルから、表示パネル側（縮小側）のレンズの瞳（射出瞳）までの距離をｔｋとし、プリズム、フィルター等の無い状態での空気換算長のバックフォーカスをｂｆとしたとき以下の条件を満たすことである。

（１）０．８＜｜ｆ１／ｆ２｜＜２．０
（２）０．８＜ｆ／ｆ３＜１．１
（３）｜ｔｋ｜／ｂｆ＞２．０
式（１）は広角化を達成し、また歪曲を低減しつつ、前玉の小型化等コンパクト化を達成するために必要な条件である。

この下限値を越えると広角化やバックフォーカスを長くするのは可能であるが、歪曲が大きくなってしまい適当でない。また上限値を越えると全系のサイズが大型化しコンパクト化の達成が難しくなる、特に望ましくは、
（１）′１．１＜｜ｆ１／ｆ２｜＜２．０
の範囲に設定してあれば前玉径の小型化も容易になる。

また式（２）はバックフォーカスを最適な大きさに設定するのに必要な式である。この式の意味するところは、ほぼｆ＝ｆ３近傍であり、全系のトータルパワーは主に第３レンズ群で負っていることを示すものである。つまり第２レンズ群と第３レンズ群の間の光線はほぼアフォーカルであり第１レンズ群、第２レンズ群で全体の歪曲、コマ収差等を除去するように構成しているのである。この（１）式の範囲内で、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔L1を最適に設定することで第２レンズ群の縮小側をアフォーカルとし、またこの第２レンズ群と第３レンズ群の間隔L2を適当に設定することで全系のテレセトリック性を確保している。

式（３）はレンズのバックフォーカスに対するテレセントリック性を表すものであり、射出瞳の長さをこのレンズの縮小側の色合成系プリズムの特性と合わせ、色むらを排除する。
特に第2レンズ群については以下の式を満たすのが良い。

第２レンズ群の横倍率β２とすると
（１０）β２＞−３
（１０）式は前系のパワー配置を適当に配分するための第２レンズ群の倍率を規定するものである。第１レンズ群によるスクリーン側の物点の像を適切に表示パネルに結像させる条件である。この範囲を逸脱すると、バックフォーカスが長くなり小型化には向かないための条件である。この範囲を逸脱するとスクリーン上に色むらが目立つようになる。

特に前玉径を小さくしつつ、歪曲を比較的小さくし、更にテレセントリック系を充分確保し全系を小型にするには下記の式を満たすのが好ましい。

（１１）L2／L3＞１．１
またコンパクトさを達成しつつ、必要なレンズのバックフォーカスを確保するには以下の条件を満たすのが好ましい。

（４）０．９＜ｂｆ／ｆ３＜１．３
これは上述したように、全系のトータルパワーは主に第３レンズ群で負っている中でテレセントリック性を保ちつつ小型の系を達成するのに必要な式であるこの式（４）の下限を逸脱すると色合成プリズムの入る余地がなくなり、上限を越えると全系が大型化し適当でない。

また、プリズム、フィルター等の無い状態での空気換算長の、縮小側表示パネルから最も縮小側レンズ面までの距離をバックフォーカスとし、ｂｆと表し
レンズ光軸から、表示面の最周辺で決定される有効像円の径をφとするとき
以下の条件式を満たすことが好ましい。

（５）０．８＜ｂｆ／φ＜１．４
この式（５）はテレセントリックとなっているレンズの縮小側の寸法とイメージサークルの関係を規定するもので、特に色合成プリズムの大きさに絡むものである。下限を逸脱すると色合成プリズムの入る余地がなくなり、上限を越えるとテレセントリックであるためレンズ系の最も縮小側のレンズ径が大型化し適当でない。

またプリズム、フィルター等の無い状態での空気換算長でレンズの最もスクリーン側の面から、表示面側の面までの間隔をLとするとき、以下の条件式を満たすことが好ましい。

（６）２＜L／ｆ＜４
この（６）式は所謂望遠比を表したものであり、上述したバックフォーカスｂｆを確保しつつ、コンパクトに所望の焦点距離（画角）を確保した際の条件である。

下限を超えると全長が短くなり、各レンズ群の屈折力がきつくなり歪曲が大きくなり、径全体も大きくなる。また所望のバックフォーカス、色合成プリズムが入らなくなる。また上限を越えると全系が大型化する。

また特に以下の条件を満たしているのが好ましい。

（７）０．８＜ｂｆ／ｆ＜１．３
この式の下限を逸脱すると、所望のバックフォーカスがとれず、液晶等のプロジェクション装置には適当でなくなる。またそのために第１レンズ群と第２レンズ群の適切な焦点距離が確保できなくなる。

特に本発明を達成するためには第１レンズ群は以下のような構成であるのが好ましい。

第１レンズ群は少なくとも１枚のスクリーン側（拡大側）に凸面を有する負メニスカスレンズで構成されているのが好ましい。この構成にすることで特に第１レンズ群の径が小さくなり、コンパクトな構成が達成できる。また第１レンズ群を弱い負レンズ２枚にて構成しても大きな歪曲なしに小型の光学系が達成できる。

特に歪曲収差を除去するため第１レンズ群の最もスクリーン側殻順に、スクリーン側に凸面を有する正メニスカスレンズ、スクリーン側に凸面を有する負メニスカスレンズ、負レンズの３枚を配してもよい。この構成にすると第１レンズ群の主点位置がパネル側（縮小側）に位置し全系が大型化するので、第２レンズ群の主点位置もパネル側にくるような第２レンズ群の構成が好ましい。具体的にはスクリーン側に凹面、パネル側に凸面を有する形状がよい。例えば第５実施例に示すように両凹レンズ、両凸レンズの貼り合わせで正のパワーのレンズ等がレンズ枚数を多くしないで達成できる。以上より第１レンズ群の大型化を最小限にすることができる。

特に第1レンズ群を構成する負レンズは低分散ガラスが好ましくアッベ数で６０以上のものが好ましい。

また第２レンズ群は上述した構成のほかに、第１レンズ群に少なくとも１枚のスクリーン側（拡大側）に凸面を有する負メニスカスレンズで構成されている場合は、スクリーン側に少なくとも１枚の正レンズ、パネル側に1枚の負レンズを配し、第２レンズ群として正のパワーを有しているのがよい。具体的には、第２レンズ群はスクリーン側より両凸の正レンズ、両凸と両凹の貼り合わせの3枚構成が好ましい。特に第２レンズ群にはアッベ数が４５以下の高分散ガラスの正レンズを少なくとも1枚有しているのが好ましい。

また第３レンズ群はバックフォーカスを短く構成するために主点位置をパネル側に位置させるのが好ましい。具体的には第３レンズ群の最もスクリーン側に強い凹面を有する負レンズ、そして少なくとも２枚以上の正レンズを有することである。

特に絞りは第２レンズ群近傍に配するのが好ましい。

また液晶の配光特性、または複数の色光を合成する時の色合成ダイクロイックミラーの角度依存の影響を排除する為に、パネル側の瞳（射出瞳）が遠方にある所謂テレセントリック光学系であることが効率の良い照明手段としてのレンズに有効である。特に表示パネル側（縮小側）のレンズの瞳（射出瞳）が遠方にあること必要である。具体的にはその角度依存性を排するためには以下の条件を満たしていれば好ましい。

（８）｜ｔｋ｜／ｆ＞５．０
特に性能向上のため第１レンズ群、第３レンズ群のいずれかの面に非球面を導入し歪曲補正、コマ収差補正を行うのが好ましい。

また特に歪曲を最適にしつつ、バックフォーカスを確保するには下記の条件を満たすのが好ましい。

（９）１＜｜ｆ１／ｂｆ｜＜３
（９）式の上限を越えると広角化が不充分となり、また大型化する。

下限を越えると歪曲が大きくなり適当でない。

以下に本発明の実施例を記載する。

以上説明したように構成することにより、簡易な構成で、広角で明るく小型コンパクトで倍率色収差の発生も小さく、歪曲も比較的小さく、拡大投写プロジェクション装置に用いられる、高精細な画像投影を行うバックフォーカスの長いテレセントリックレトロフォーカスレンズを達成することができた。

特に有限距離へのピント合わせは第１レンズ群で行うのが好ましいが、全体で行っても、第１レンズ群、もしくは最終レンズ（第３レンズ群）で距離合わせをしてもよく、又表示パネルを移動して行ってもよい。

以下に、本発明の実施例について図面を用いて具体的に記載する。

実施例１のレンズ構成の概略図を図１に、実施例１のレンズ構成における収差図を図２に示す。ここで、最も像面側（縮小共役側）の平板レンズＧＢは、色合成プリズム、偏光フィルター、カラーフィルター等のガラスブロックを示す。また、図中実線はｄ線、２点鎖線はｇ線での収差、ΔＭ、ΔＳはメリジオナル像面、サジタル像面、倍率色収差はｇ線を示す。

また、実施例１の各面の曲率、面間隔、屈折率、分散については表１に示す。この表１において、Ｒiは物体側より順に第i番目のレンズ面の曲率半径、Ｄiは物体側より順に第i番目のレンズ厚及び空気間隔、Ｎiとνiはそれぞれ物体側より順に第i番目のレンズのガラスの屈折率とアッベ数である。勿論表２〜５についても同様の記号は同様のものを指している。

この実施例１は、第1レンズ群を負メニスカスレンズ1枚で構成し、第2レンズ群を正レンズ、両凸レンズと両凹レンズの貼り合わせで構成された例であり、収差を良好に補正できていることが分かる。

ここで、第３レンズ群はスクリーン側に凹面を有する負レンズ、パネル側に凸面を有する正メニスカスレンズ、パネル側に凸面を有する正レンズ、両凸レンズで構成されている。この第３レンズ群の構成に関しては以下の実施例２〜５についても同様である。

第２実施例は第１レンズ群を負メニスカスレンズ２枚で構成し、第２レンズ群を正レンズ、両凸レンズと両凹レンズの貼り合わせで構成された例であり、実施例２のレンズ構成の概略図を図３に、実施例２のレンズ構成における収差図を図４に、実施例２の各面の曲率、面間隔、屈折率、分散については表２に示す。

第３実施例は第１実施例と同様の構成であるが第１レンズ群に非球面を有する例であり、この実施例３のレンズ構成の概略図を図５に、実施例３のレンズ構成における収差図を図６に、実施例３の各面の曲率、面間隔、屈折率、分散については表３に示す。

ここで、非球面形状は、光軸方向にＸ軸、光軸と垂直方向Ｈ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、各非球面係数をＫ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ、Ｆとしたとき、

なる式で表すことができる。この非球面係数を表３に示している。

第４実施例は第２実施例と同様の構成であるが第３レンズ群に非球面を有する例であり、この実施例４のレンズ構成の概略図を図７に、実施例４のレンズ構成における収差図を図８に、実施例４の各面の曲率、面間隔、屈折率、分散については表４に示す。

第５実施例は第１レンズ群を正メニスカス、負メニスカス、負メニスカスで構成し、第２レンズ群は両凹と両凸の貼り合わせで構成されている例であり、この実施例５のレンズ構成の概略図を図９に、実施例５のレンズ構成における収差図を図１０に、実施例５の各面の曲率、面間隔、屈折率、分散については表５に示す。

ここで、上述の各実施例１〜５について、上述の条件式（１）〜（１１）の値を計算した表を表６に示す。

実施例１のレンズ構成の概略図 実施例１のレンズ構成における収差図 実施例２のレンズ構成の概略図 実施例２のレンズ構成における収差図 実施例３のレンズ構成の概略図 実施例３のレンズ構成における収差図 実施例４のレンズ構成の概略図 実施例４のレンズ構成における収差図 実施例５のレンズ構成の概略図 実施例５のレンズ構成における収差図

Claims (4)

1. 表示面の画像を、スクリーンに拡大投射する略テレセントリックなレンズにおいて、スクリーン側から順に、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群を有し、それぞれのレンズ群の焦点距離をｆ１、ｆ２、ｆ３とし全系の合成焦点距離をｆ、表示パネルから、表示パネル側（縮小側）のレンズの瞳（射出瞳）までの距離をｔｋとしプリズム、フィルター等の無い状態での空気換算長のバックフォーカスをｂｆとしたとき以下の条件を満たしていることを特徴とするコンパクトなレトロフォーカスレンズ。
   ０．８＜｜ｆ１／ｆ２｜＜２．０
   ０．８＜ ｆ／ｆ３ ＜１．１
   ｜ｔｋ｜／ｂｆ＞２．０
2. 以下の式を満たすことを特徴とする請求項１記載のコンパクトなレトロフォーカスレンズ。
   ０．９＜ｂｆ／ｆ３＜１．３
3. プリズム、フィルター等の無い状態での空気換算長の、縮小側表示パネルから最も縮小側レンズ面までの距離をバックフォーカスとし、ｂｆと表しレンズ光軸から、表示面の最周辺で決定される有効像円の径をφとするとき以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１記載のコンパクトなレトロフォーカスレンズ。
   ０．８＜ｂｆ／φ＜１．４
4. プリズム、フィルター等の無い状態での空気換算長でレンズの最もスクリーン側の面から、表示面側の面までの間隔をLとするとき、以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１記載のコンパクトなレトロフォーカスレンズ。
   ２＜L／ｆ＜４
   

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