JP2005156963A - 投影用ズームレンズ及びプロジェクタ - Google Patents

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Abstract

【課題】 複数のレンズを用いながらも、全体としての収差が小さな投影用ズームレンズを提供すること。
【解決手段】 第4レンズ群40は、両凹レンズ41及び両凸レンズ42を張り合わせた接合レンズと、両凸レンズ43とからなり、変倍に際してこれれらが光軸に沿って一体的に移動する。レンズ41,42からなる接合レンズは、他のレンズで生じた色収差を補正する。また、この接合レンズは、ズームレンズ2の組み立て等に際して光軸に垂直な方向に微動して並行偏芯可能になっており、ズームレンズ2を構成する他のレンズの製造誤差、調芯誤差等に起因する結像性能の劣化を防止する。この接合レンズの後段を構成する両凸レンズ42は、その物面80側の面42aが非球面となっている。このように、両凸レンズ42の面42aを非球面とすることにより、コマ収差等を主とする諸収差の発生を抑えることができる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、フィルムやスライド、或いは液晶表示器等に表示された像をスクリーンに拡大投影するためのプロジェクタに好適な投影用ズームレンズ及びこれを備えたプロジェクタ等に関する。
フィルムやスライド、或いは液晶表示器等に表示された像をスクリーンに拡大投影するプロジェクタにおいては、投影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。かかる投影用ズームレンズは、その変倍比が例えば1.2程度となるように構成されており、4群形式あるいは5群形式のものが主流となっている(特許文献1,2等参照)。
特開2000−137165号公報 米国特許第6,587,279号公報
しかし、従来のズームレンズでは、少ないレンズ枚数で歪曲収差やコマ収差等の諸収差を所望の程度に低減することが困難であった。
また、複数のレンズを用いているため、個々のレンズのばらつきが積算されてズームレンズ全体としての収差が大きくなる傾向があった。
そこで、本発明は、少ないレンズ枚数で諸収差を所望の程度に低減することができる投影用ズームレンズを提供することを目的とする。
また、本発明は、複数のレンズを用いながらも、全体としての収差が小さな投影用ズームレンズを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、上記な高性能の投影用ズームレンズを備えたプロジェクタや、かかる投影用ズームレンズの調整方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明に係る投影用ズームレンズは、スクリーン側より物点側に向かって順に配設された負の屈折力の第1レンズ群と、正の屈折力の第2レンズ群と、正の屈折力の第3レンズ群と、正の屈折力の第4レンズ群と、正の屈折力の第5レンズ群とを備える投影用ズームレンズであって、(a)第1レンズ群は、物点側が凹面で非球面の凹レンズを有し、(b)第2レンズ群は、1枚のレンズを有し、(c)第3レンズ群は、2枚のレンズを有し、(d)第4レンズ群は、3枚のレンズを有し、当該3枚のレンズのうち中央のレンズの物点側が非球面であり、(e)第5レンズ群は、1枚の両凸レンズを有する。
上記投影用ズームレンズでは、第1レンズ群のメニスカスレンズの物点側が非球面の凹面であるため主に歪曲収差等を低減できるだけでなく、第4レンズ群の3枚のレンズのうち中央のレンズの物点側が非球面であるので、比較的少ないレンズ枚数でありながらコマ収差等の諸収差を効果的に低減することができる。また、第4レンズ群のうち例えば中央のレンズの調芯によって、投影用ズームレンズを構成する他のレンズの光学特性等のばらつきによる性能劣化を部分的に相殺することができるので、投影用ズームレンズ全体としての収差特性を改善する調整が可能になる。
また、本発明の具体的態様では、第3レンズ群が、スクリーン側より順に両凸の第3群第1レンズと両凹の第3群第2レンズとを接合してなる接合レンズを有する。この場合、投影用ズームレンズの色収差を効果的に低減することができる。
また、本発明の別の具体的態様では、第4レンズ群が、スクリーン側より順に、両凹の第4群第1レンズと両凸の第4群第2レンズとを接合してなる接合レンズと、正の第3レンズとを有し、両凸の第2レンズは、物点側が非球面であることを特徴とする。この場合、投影用ズームレンズの色収差を効果的に低減することができる。
また、本発明の別の具体的態様では、広角端側から望遠端側に向かって変倍を行う際には、第2レンズ群、第3レンズ群、及び第4レンズ群が光軸上でともにスクリーン側に向かって移動させられる。
また、本発明の別の具体的態様では、変倍に際しての広角端側における第1レンズ群のみの焦点距離をf1wとし、広角端側における第2及び第3レンズ群の合成焦点距離をf23wとしたときに、
0.7<|f1w/f23w|<1.4
なる条件を満たす。なお、上記条件式の上限の範囲内であればレンズ全長の小型化を容易に達成することができ、上記条件式の下限の範囲内であればコマ収差の発生を防止し高い結像性能を確保することができる。
また、本発明の別の具体的態様では、変倍に際しての広角端側における第1、第2及び第3レンズ群の合成焦点距離をf123wとし、広角端側における第4及び第5レンズ群の合成焦点距離をf45wとしたときに、
0.8<|f123w/f45w|<1.2
なる条件を満たす。なお、上記条件式の範囲内であれば、球面収差、コマ収差等の諸収差を低減することができ、高い結像性能を確保することができる。
また、本発明に係るプロジェクタは、(a)画像を形成する画像形成手段と、(b)画像形成手段によって形成された画像を投影する上述の投影用ズームレンズとを備える。
上記プロジェクタでは、比較的少ないレンズ枚数でコマ収差等の諸収差を効果的に低減した投影用ズームレンズを用いているので、安価でありながら高画質の画像を投射することができる。
また、本発明に係る投影用ズームレンズの調整方法は、スクリーン側より物点側に向かって順に配設された負の屈折力の第1レンズ群と、正の屈折力の第2レンズ群と、正の屈折力の第3レンズ群と、正の屈折力の第4レンズ群と、正の屈折力の第5レンズ群とを備える投影用ズームレンズの調整方法であって、(a)第1レンズ群が物点側が凹面で非球面のメニスカスレンズを有し、第2レンズ群が1枚の正レンズを有し、第3レンズ群が2枚のレンズを有し、第4レンズ群が3枚のレンズを有し当該3枚のレンズのうち中央のレンズの物点側が非球面であり、第5レンズ群が1枚の両凸レンズを有するとともに、(b)第4レンズ群のうち少なくとも1つのレンズの調芯によって、投影用ズームレンズを構成するレンズのばらつきによる性能劣化を調整することを特徴とする。
上記調整方法では、第4レンズ群のうち少なくとも1つのレンズの調芯によって、投影用ズームレンズを構成するレンズのばらつきによる性能劣化を調整するので、投影用ズームレンズ全体としての収差特性を比較的簡単に改善する調整が可能になる。
図1は、本発明の一実施形態に係る投影用ズームレンズのレンズ構成を示すものである。図1(a)、(b)、及び(c)の各々は、広角端(wide)、通常位置(norma1)、及び望遠端(tele)の各状態におけるズームレンズ2を示す。
図1に示すズームレンズ2は、スクリーン側(図1における左側)より物点すなわち物面80側(図1における右側)に向かって順に配設された負の屈折力の第1レンズ群10と、正の屈折力の第2レンズ群20と、正の屈折力の第3レンズ群30と、正の屈折力の第4レンズ群40と、正の屈折力の第5レンズ群50とを備えている。ここで、レンズ群という用語は、1枚のレンズから構成されている場合も含めて、1枚以上のレンズからなることを意味するものとする。したがって、以下の説明において、第1レンズ群10、第2レンズ群20及び第5レンズ群50は、各々単一のレンズから構成されているが、便宜的に「レンズ群」という名称を用いることにする。
ズームレンズ2は、物点側がほぼテレセントリックになるように構成されている。ズームレンズ2の後端である第5レンズ群50と、液晶表示パネルが配置される物面80との間には、3色の像を合成するための合成プリズム70が配置されている。なお、他の2色の液晶表示パネルを配置すべき物面については、図示を省略しているが、図示の物面80と等価な配置となっている。図1において、物面80上の各物点からは、物面80に垂直で互いに平行な主光線を中心として一定の広がりを有する光束が出射し、左側に進み、ズームレンズ2を通ってスクリーン上に投影される。
ズームレンズ2は、広角端側から望遠端側に向かって変倍を行う際には、第2レンズ群20乃至第4レンズ群40が光軸上で移動させられる。具体的には、これらレンズ群20〜40が、相互の間隔を変化させつつ光軸上でともにスクリーン側に向かって徐々に移動する。逆に、望遠端側から広角端側に向かって変倍を行う際にも、第2レンズ群20乃至第4レンズ群40が光軸上で移動させられる。具体的には、これらレンズ群20〜40が、相互の間隔を変化させつつ光軸上でともに物面80側に向かって徐々に移動する。
第1レンズ群10は、凹レンズのみからなり、変倍の際に移動しない固定式のレンズとなっている。この第1レンズ群10すなわちメニスカスレンズは、その物面80側の面10aがガラス面に薄いプラスチック層を張り合わせることによって形成した非球面となっている。このように、第1レンズ群10の面10aを非球面とすることにより、歪曲収差等を主とする諸収差の発生を抑えることができる。なお、第1レンズ群10の非球面からなる凹レンズは、型を用いて安価に製造可能なプラスチックレンズである。
第2レンズ群20は、正の両凸レンズのみからなり、変倍に際して光軸に沿って移動する。また、第3レンズ群30は、スクリーン側より順に、正の両凸レンズ31と負の両凹レンズ32とを張り合わせてなり、変倍に際して光軸に沿って一体的に移動する。第3レンズ群30は、色消用の接合レンズであり、他のレンズで生じた色収差を補正する。なお、第3レンズ群30のスクリーン側の近傍には、絞りSTが配設されており、この絞りSTは、第3レンズ群30と一体的に移動する。
第4レンズ群40は、スクリーン側より順に、負の両凹レンズ41及び正の両凸レンズ42を張り合わせた接合レンズと、正の両凸レンズ43とからなり、変倍に際してこれらが光軸に沿って一体的に移動する。両凹レンズ41及び両凸レンズ42を張り合わせた接合レンズは、他のレンズで生じた色収差を補正する。また、この接合レンズは、ズームレンズ2の組み立て等に際して光軸に垂直な方向に微動して並行偏芯可能になっており、球面収差等の収差成分の現れ方を調整することができる。つまり、この接合レンズの調芯によってズームレンズ2を構成する他のレンズの製造誤差、調芯誤差等に起因する結像性能の劣化を一定範囲で防止することができる。この接合レンズの後段側の両凸レンズ42は、その物面80側の面42aが非球面となっている。この面42aは、ガラス面に薄いプラスチック層を張り合わせることによって形成したものである。このように、両凸レンズ42の面42aを非球面とすることにより、コマ収差等を主とする諸収差の発生を抑えることができる。なお、非球面からなる両凸レンズ42は、型を用いて安価に製造可能なプラスチックレンズである。
第5レンズ群50は、正の両凸レンズのみからなり、最も物面80側に配置されている。この第5レンズ群50は、変倍の際にも移動しない固定式のレンズとなっており、主に物面80側のテレセントリック性を確保するように機能する。
以上のズームレンズ2は、バックフォーカスが長く、第5レンズ群50から物面80にかけての間隔を十分に確保でき、合成プリズム70を配置するための十分な空間を確保することができる。また、このズームレンズ2は、物面80側でテレセントリックであるので、物面80に配置される液晶表示パネルからの像光を効率よくムラなく結像することができ、色ムラ等の発生を防止して明るい画像を投射することができる。また、このズームレンズ2は、物面80側でNAが比較的大きく、明るい画像をスクリーン上に投射することができる。さらに、このズームレンズ2は、2つの非球面を有し、レンズ数を少なくすることができるので、小型で低コストを実現することができる。
また、以上のズームレンズ2において、変倍に際しての広角端側における第1レンズ群10の焦点距離をf1wとし、広角端側における第2及び第3レンズ群20,30の合成焦点距離をf23wとしたときに、
0.7<|f1w/f23w|<1.4 … (1)
なる条件が満たされる。なお、焦点距離の比|f1w/f23w|が0.7以下である場合、特にコマ収差が発生しズームレンズ2の結像性能が劣化する傾向が強まる。一方、焦点距離の比|f1w/f23w|が1.4以上である場合、ズームレンズ2全長の小型化が難しくなる傾向が生じる。
また、以上のズームレンズ2において、変倍に際しての広角端側における第1、第2及び第3レンズ群10,20,30の合成焦点距離をf123wとし、広角端側における第4及び第5レンズ群40,50の合成焦点距離をf45wとしたときに、
0.8<|f123w/f45w|<1.2 … (2)
なる条件が満たされる。なお、焦点距離の比|f123w/f45w|が0.8以下である場合、前段と後段の焦点距離の差が大きくなる結果として、球面収差、コマ収差等の諸収差が増加し、ズームレンズ2の結像性能が劣化する傾向が強まる。同様に、焦点距離の比|f123w/f45w|が1.2以上である場合も、球面収差、コマ収差等の諸収差が増加してズームレンズ2の結像性能が劣化する傾向が強まる。
〔実施例〕
以下に、図1に示すズームレンズ2の実施例について説明する。以下の表1は、ズームレンズ2の具体的なレンズデータを示す。
Figure 2005156963
ここにおいて、「NO.」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る。また、「RDY」は、曲率半径を示し、「THI」は、次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。さらに、「GLA」は、レンズ材料のd線屈折率とアッベ数とを示し、例えばGLAが「1.48749−70.4」となっている場合、レンズ材料のd線屈折率が1.48749でありアッベ数が70.4であることを示す。なお、面番号の欄において、「obj」は、物体距離(object disatance)を示している。
本実施例において、第1〜第5レンズ群10〜50は、基本的に球面で形成されているが、既述のように一対の面10a、42a(表1の面番号NO.3,12)が非球面となっている。これらの面10a、42aの形状は、次の非球面式
Figure 2005156963
で表される。非球面式における係数については、例えば面10aにおいて、係数Rは、NO.3の面の曲率半径(RDY)を示し、係数K,A,B,C,Dは、NO.の面の下方に示す一群の値である。
本実施例のズームレンズ2の仕様は、次のとおりである。
Figure 2005156963
上記データ中、値fは、ズームレンズ2を構成する光学系全体での焦点距離(mm)を示し、値FNOは、ズームレンズ2のFナンバーを示している。つまり、実施例のズームレンズ2において、全体の焦点距離fは、f=23.8mm(広角端)〜28.5mm(望遠端)であり、Fナンバーは、F=1.84(広角端)〜2.13(望遠端)である。また、ズームレンズ2の変倍比は約1.2倍である。表2において、記号「*1」は、第1レンズ群10の凹レンズの物面80側における端面と、第2レンズ群20の両凸レンズのスクリーン側における端面との間隔の、広角端(wide)、通常位置(norma1)、望遠端(tele)における値をそれぞれ示す。また、記号「*2」は、第2レンズ群20の物面80側の端面と、第3レンズ群30の両凸レンズ31のスクリーン側における端面との間隔の、広角端、通常位置、望遠端における値をそれぞれ示す。また、記号「*3」は、第3レンズ群30の両凹レンズ32の物面80側における端面と、第4レンズ群40の両凹レンズ41のスクリーン側における端面との間隔の、広角端、通常位置、望遠端における値をそれぞれ示す。さらに、記号「*4」は、第4レンズ群40の両凸レンズ43の物面80側における端面と、第5レンズ群50の両凸レンズのスクリーン側における端面との間隔の、広角端、通常位置、望遠端における値をそれぞれ示す。
図2及び図5は、ズームレンズ2の広角端での収差図であり、図3及び図6は、ズームレンズ2の通常位置での収差図であり、図4及び図7は、ズームレンズ2の望遠端での収差図である。なお、図2乃至図4の各々において(a)は球面収差を、(b)は非点収差を、(c)歪曲収差を表している。また、図2乃至図4中(b)の非点収差図における符号S,Tは、それぞれサジタル像面、メリジオナル像面に対する収差を表す。また、図5乃至図7は、ズームレンズ2の横収差図であり、各図の(a)、(b)、(c)、(d)及び(e)は、それぞれ像高比(1.00)、(0.80)、(0.60)、(0.40)及び(0.00)における収差を表す。
また、以上説明した実施例のズームレンズ2では、上述の条件式(1)中において、f1w=32.98mmであり、f23w=28.84mmであることから、焦点距離の比|f1w/f23w|=1.44となっており、条件式(1)が満たされている。さらに、本実施例のズームレンズ2では、上述の条件式(2)中において、f123w=34.66mmであり、f45w=37.36mmであることから、焦点距離の比|f123w/f45w|=0.93となっており、条件式(2)が満たされている。この場合、ズームレンズ2の前段と後段が絞りSTをはさんで同等の焦点距離を有する系となっているため、前段と後段で発生する収差が互いに打ち消し合い、結果的に高性能なレンズとなっている。
〔応用例〕
次に、図8を参照して、上述のズームレンズ2を備えたプロジェクタ101の一実施例を説明する。このプロジェクタ101は、カラー画像を形成するための画像形成手段3とズームレンズ2を備えている。画像形成手段3は、光変調素子として3つの液晶表示パネル180と、3つの液晶表示パネル180によって形成された3つの像を合成する合成プリズム70と、3つの液晶表示パネル180を例えばRGBの3色で個別に照明する光源装置190とを備えている。なお、図面では、特定色の液晶表示パネルのみが示されており、他の色の液晶表示パネルについては図示を省略している。
3つの液晶表示パネル180によって形成された画像は、合成プリズム70によって合成された後、ズームレンズ2によってスクリーン5へ投影される。ズームレンズ2は、物面80で略テレセントリックであるので、液晶表示パネル180の画質の角度依存性に左右されずに、鮮明な画像をスクリーン5上に投影することを可能にする。また、ズームレンズ2は、長いバックフォーカスを有し、ズームレンズ2と物面80との間に画角程度の寸法を有する四角柱状の合成プリズム70を配設することが可能である。
なお、画像形成手段3としては、液晶表示パネル180に換えて、画素がマイクロミラーによって構成されたデバイスのような光変調装置やフィルムやスライドのようなものを用いることも可能である。
かかるプロジェクタ101に上述の実施例に係るズームレンズ2を組み込むことにより、比較的安価で画像品質の高いプロジェクタを提供することができる。
本発明の一実施形態に係る投影用ズームレンズを示すレンズ構成図であり、広角端位置(a)、通常位置(b)、望遠端位置(c)の各々の場合を示す。 (a)、(b)及び(c)は、実施例のズームレンズの広角端における球面収差、非点収差、及び歪曲収差をそれぞれ示す。 (a)、(b)及び(c)は、実施例のズームレンズの通常位置における球面収差、非点収差、及び歪曲収差をそれぞれ示す。 (a)、(b)及び(c)は、実施例のズームレンズの望遠端における球面収差、非点収差、及び歪曲収差をそれぞれ示す。 (a)〜(e)は、実施例のズームレンズの広角端における横収差を示す。 (a)〜(e)は、実施例のズームレンズの通常位置における横収差を示す。 (a)〜(e)は、実施例のズームレンズの望遠端における横収差を示す。 本発明の投影用ズームレンズを備えたプロジェクタを示す図である。
符号の説明
2…ズームレンズ, 3…画像形成手段, 5…スクリーン, 10…第1レンズ群, 20…第2レンズ群, 30…第3レンズ群, 40…第4レンズ群,
50…第5レンズ群, 70…合成プリズム, 80…物面, 101…プロジェクタ, 180…液晶表示パネル, 190…光源装置

Claims (8)

  1. スクリーン側より物点側に向かって順に配設された負の屈折力の第1レンズ群と、正の屈折力の第2レンズ群と、正の屈折力の第3レンズ群と、正の屈折力の第4レンズ群と、正の屈折力の第5レンズ群とを備える投影用ズームレンズであって、
    前記第1レンズ群は、物点側が凹面で非球面の凹レンズを有し、
    前記第2レンズ群は、1枚の正レンズを有し、
    前記第3レンズ群は、2枚のレンズを有し、
    前記第4レンズ群は、3枚のレンズを有し、当該3枚のレンズのうち中央のレンズの物点側が非球面であり、
    前記第5レンズ群は、1枚の両凸レンズを有することを特徴とする投影用ズームレンズ。
  2. 前記第3レンズ群は、スクリーン側より順に両凸の第3群第1レンズと両凹の第3群第2レンズとを接合してなる接合レンズを有することを特徴とする請求項1記載の投影用ズームレンズ。
  3. 前記第4レンズ群は、スクリーン側より順に、両凹の第4群第1レンズと両凸の第4群第2レンズとを接合してなる接合レンズと、正の第3レンズとを有し、前記両凸の第2レンズは、物点側が非球面であることを特徴とする請求項1記載の投影用ズームレンズ。
  4. 広角端側から望遠端側に向かって変倍を行う際には、前記第2レンズ群、前記第3レンズ群、及び前記第4レンズ群が光軸上でともにスクリーン側に向かって移動させられることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項記載の投影用ズームレンズ。
  5. 変倍に際しての広角端側における前記第1レンズ群のみの焦点距離をf1wとし、広角端側における前記第2及び第3レンズ群の合成焦点距離をf23wとしたときに、
    0.7<|f1w/f23w|<1.4
    なる条件を満たすことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項記載の投影用ズームレンズ。
  6. 変倍に際しての広角端側における前記第1、第2及び第3レンズ群の合成焦点距離をf123wとし、広角端側における前記第4及び第5レンズ群の合成焦点距離をf45wとしたときに、
    0.8<|f123w/f45w|<1.2
    なる条件を満たすことを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか一項記載の投影用ズームレンズ。
  7. 画像を形成する画像形成手段と、
    前記画像形成手段によって形成された画像を投影する請求項1から請求項6のいずれか一項記載の投影用ズームレンズと
    を備えることを特徴とするプロジェクタ。
  8. スクリーン側より物点側に向かって順に配設された負の屈折力の第1レンズ群と、正の屈折力の第2レンズ群と、正の屈折力の第3レンズ群と、正の屈折力の第4レンズ群と、正の屈折力の第5レンズ群とを備える投影用ズームレンズの調整方法であって、
    前記第1レンズ群が物点側が凹面で非球面のメニスカスレンズを有し、前記第2レンズ群が1枚の正レンズを有し、前記第3レンズ群が2枚のレンズを有し、前記第4レンズ群が3枚のレンズを有し当該3枚のレンズのうち中央のレンズの物点側が非球面であり、前記第5レンズ群が1枚の両凸レンズを有するとともに、
    前記第4レンズ群のうち少なくとも1つのレンズの調芯によって、投影用ズームレンズを構成するレンズのばらつきによる性能劣化を調整することを特徴とする投影用ズームレンズの調整方法。
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