JP2005221955A - 魚眼レンズおよびこれを用いた投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【目的】液晶型プロジェクタの投映レンズとして好適な、縮小側が略テレセントリックでかつ適量のバックフォーカスを有し、収差が良好に補正された明るい魚眼レンズを得る。
【構成】この魚眼レンズは、拡大側から順に負の第１レンズ群Ｇ_１と正の第２レンズ群Ｇ_２とを配列されてなり、第２レンズ群Ｇ_２は拡大側から順に正の前群Ｇ_２１、絞り１、および正の後群Ｇ_２２を配列されてなり、縮小側が略テレセントリックとなるように構成されている。また、条件式（１）５．０＜Ｆ_２Ｒ／Ｆ＜８．０、（２）４．０＜Ｄ／Ｆ＜７．５、（３）Ｂｆ／Ｆ＞４．５、（４）−２．０＜Ｆ_１／Ｆ＜−１．０（ただし、Ｆ_２Ｒ：第２レンズ群後群Ｇ_２２の焦点距離、Ｄ：第２レンズ群の前群Ｇ_２１と後群Ｇ_２２との間隔）を満足し、第２レンズ群後群Ｇ_２２に２組の２枚接合レンズと所定の条件式を満足する１組の３枚接合レンズとを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は魚眼レンズに関し、特に、液晶型プロジェクタの投映レンズとして好適な魚眼レンズおよびこれを用いた投写型表示装置に関するものである。

液晶プロジェクタにおいては、ユーザにより設置条件の希望は様々で、投映距離とスクリーンサイズの任意性が求められる。そこで、１つの照明光学装置に対して、標準系、広角系、望遠系など数種類の投映レンズが用意され交換が可能なものもある。また、液晶プロジェクタでは様々な画像の投映が容易なため、今まで幻灯機や映写機で投映を行ってきたような用途への使用可能性も広がっている。このような背景に基づき、投映レンズの交換レンズのバリエーションの１つとして、魚眼レンズも用意されることが要望されている。

従来、魚眼レンズでは、一眼レフレックスカメラのレンズとして用いられるレトロフォーカス型レンズがよく知られている。例えば、下記特許文献１には、この用途に好適な魚眼レンズが記載されている。また、下記特許文献２には、ＣＣＴＶシステムなどのＣＣＤへの結像レンズとして用いられる魚眼レンズが記載されている。また、投映レンズとして魚眼レンズを用いる提案は下記特許文献３にも記載されている。

特開平１１−５２２２９号公報 特開２０００−３５６７３９号公報 特開平７−６４０４２号公報

しかしながら、上記従来の魚眼レンズは、必ずしも投映レンズとして用いる場合の基本的な条件を満足したものとはなっていない。

従来より投映レンズとしては、特に液晶プロジェクタ用としては、明るいレンズであること、色分解あるいは色合成の光学系をレンズ系と結像面の間に挿入するために適量のバックフォーカスを有していること、さらに、照明系との関係を考慮して縮小側にテレセントリック性のあるレンズであることが基本的な条件といえる。投映レンズとして用いる魚眼レンズも、これらの条件を満たしたレンズであることが要望されるが、従来の魚眼レンズでは、バックフォーカスは液晶投映用のレンズで必要とされる長さに不十分なものが多く、また、バックフォーカスが足りていたとしても、射出角度がきつくなっておりテレセントリック性の点で問題がある。

特許文献１記載のものは、バックフォーカスが不十分でテレセントリック性もないため、このようなレトロフォーカス型レンズを用いた場合には、スクリーン上で色むらが発生する虞があり、カラー液晶型ビデオプロジェクタの投映レンズとして用いることは好ましくない。特許文献２記載のものは、テレセントリック性がなく投映レンズとして用いることは好ましくない。特許文献３には、魚眼レンズを使ったプロジェクタが提案されてはいるが、上記の条件を満足するような具体的なレンズのことまで言及されたものではない。

本発明は上記事情に鑑みなされたもので、投映レンズとして、適度なバックフォーカスとテレセントリック性を有するとともに、高解像力と良好な光学性能を有する魚眼レンズおよびこれを用いた投写型表示装置を提供することを目的とするものである。

本発明の魚眼レンズは、拡大側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と正の屈折力を有する第２レンズ群とを配列されてなり、該第２レンズ群は拡大側から順に、正の屈折力を有する前群、絞り、および正の屈折力を有する後群を配列されてなり、縮小側が略テレセントリックとされ、以下の条件式（１）〜（３）を満足することを特徴とするものである。

５．０＜Ｆ_２Ｒ／Ｆ＜８．０ ・・・（１）
４．０＜Ｄ／Ｆ＜７．５ ・・・（２）
Ｂｆ／Ｆ＞４．５ ・・・（３）
ただし、
Ｆ：全系の焦点距離
Ｆ_２Ｒ：第２レンズ群後群の焦点距離
Ｄ：第２レンズ群の前群と後群との間隔
Ｂｆ：バックフォーカス

また、前記第１レンズ群が以下の条件式（４）を満足することが好ましい。

−２．０＜Ｆ_１／Ｆ＜−１．０ ・・・（４）
ただし、
Ｆ：全系の焦点距離
Ｆ_１：第１レンズ群の焦点距離

また、前記第２レンズ群後群が少なくとも１組の接合レンズを有することが好ましい。また、前記第２レンズ群後群が少なくとも１組の３枚接合レンズを有することが好ましい。さらに、前記３枚接合レンズが以下の条件式（５）および（６）を満足することが好ましい。

｜（Ｎｄ_１−Ｎｄ_２）／Ｒｓ_１｜＜０．０２ ・・・（５）
｜（Ｎｄ_２−Ｎｄ_３）／Ｒｓ_２｜＜０．０６ ・・・（６）
ただし、
Ｎｄ_ｉ：３枚接合レンズの拡大側からｉ枚目の屈折率
Ｒｓ_ｉ：３枚接合レンズの拡大側からｉ番目の接合面の曲率半径

本発明の投写型表示装置は、光源、ライトバルブ、および該ライトバルブにより変調された光による光学像をスクリーン上に投映する投映レンズとして上記魚眼レンズを備えたことを特徴とするものである。

本発明の魚眼レンズによれば、レトロフォーカスタイプで所定の条件式を満足するとともに縮小側が略テレセントリックとされた構成により、適量のバックフォーカスを有し収差が良好に補正された明るい魚眼レンズとすることができ、液晶プロジェクタの投映レンズとしても好適な魚眼レンズを得ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は本発明に係る魚眼レンズの基本構成を示すものであり、図２はこの魚眼レンズの部分拡大図である。このレンズを本実施形態の代表として、以下に説明する。

この魚眼レンズは、拡大側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ_１と正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ_２とを配列されてなり、第２レンズ群Ｇ_２は拡大側から順に、正の屈折力を有する前群Ｇ_２１、絞り１、および正の屈折力を有する後群Ｇ_２２を配列されてなり、縮小側が略テレセントリックとなるように構成されている。なお、図１では第２レンズ群後群Ｇ_２２と液晶表示パネルの素子面３との間に、赤外線をカットするフィルタやローパスフィルタさらには色合成光学系（色分解光学系）に相当するガラスブロック２が配列されている。また、図中、Ｘは光軸を表している。

また、この魚眼レンズは以下の条件式（１）〜（３）を満足するように構成されている。

５．０＜Ｆ_２Ｒ／Ｆ＜８．０ ・・・（１）
４．０＜Ｄ／Ｆ＜７．５ ・・・（２）
Ｂｆ／Ｆ＞４．５ ・・・（３）
ただし、
Ｆ：全系の焦点距離
Ｆ_２Ｒ：第２レンズ群後群の焦点距離
Ｄ：第２レンズ群の前群と後群との間隔
Ｂｆ：バックフォーカス

拡大側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ_１と正の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ_２とを配設するレトロフォーカスタイプは、長いバックフォーカスを確保するために適した構成である。これにより、色分解あるいは色合成の光学系をレンズ系と液晶表示パネルの素子面３と間に挿入可能となるバックフォーカスを確保することができる。

さらに上記条件式（１）もバックフォーカスに影響する条件式であって、この上限値を越えるとバックフォーカスが必要以上に長くなり、魚眼レンズの全長も長くなってしまう。この下限値を超えると必要なバックフォーカスの確保が難しくなる。また、この下限値を超えると、バランスよく収差を補正することが困難になるとともに、テレセントリック性を良好に保つことも困難になる。条件式（１）の上限値および下限値は、必要十分かつ長すぎないバックフォーカスの確保に作用するとともに、バランスよく諸収差を補正するための範囲である。

第２レンズ群Ｇ_２では、拡大側から順に、正の屈折力を有する前群Ｇ_２１、絞り１、および正の屈折力を有する後群Ｇ_２２が配列され、前群Ｇ_２１と後群Ｇ_２２との間隔は条件式（２）により規定されている。第２レンズ群Ｇ_２の構成は、縮小側にテレセントリックなレンズを実現するために適した構成とされている。諸収差を良好に保ちつつ、縮小側にテレセントリックなレンズとするためには、絞り付近において主光線が光軸に対し緩やかな角度となるように通過させることが肝要となる。条件式（２）の下限値を越えると、光線の角度がきつくなるので、テレセントリックにするためには大きなパワーが必要となり、収差の補正が困難となってしまう。逆に光線の角度を緩やかにしすぎると、テレセントリック性には有効であっても、魚眼レンズの全長が長くなりすぎるという弊害が生じてしまうので、条件式（２）の上限値はこれを防止するためのものである。

また、バックフォーカスに関するＢｆ／Ｆの値が4.5より大きいという条件式（３）の規定は、超広画角かつプロジェクタ用投映レンズとして必要なＢｆを有するレンズであるための条件というべきものである。

本発明の魚眼レンズは、さらに第１レンズ群Ｇ_１が以下の条件式（４）を満足することが好ましい。条件式（４）は、第１レンズ群Ｇ_１のパワーを規定して、必要十分なバックフォーカスを確保するとともに収差をバランスよく補正するための条件式である。この上限値を超えると第１レンズ群Ｇ_１の負のパワーが強くなりすぎて収差が大きくなるので、バランスのよい補正が難しくなる。この下限値を越えると第１レンズ群Ｇ_１の負のパワーが弱くなりすぎて必要なバックフォーカスを確保することが難しくなる。

−２．０＜Ｆ_１／Ｆ＜−１．０ ・・・（４）
ただし、
Ｆ：全系の焦点距離
Ｆ_１：第１レンズ群Ｇ_１の焦点距離

また、本発明の魚眼レンズは、第２レンズ群後群Ｇ_２２が少なくとも１組の接合レンズを有することが好ましい。接合レンズを有することにより倍率色収差を良好に補正することができる。一般に、広画角なレンズになるほど色収差の補正が難しく、周辺部で色にじみが発生しやすい。特に、魚眼レンズのような超広角レンズでは、色収差の補正が光学性能に最も影響が大きいので、倍率色収差の補正は重要である。

この接合レンズとしては、３枚接合レンズを用いることができる。３枚接合レンズは２枚接合レンズよりも色収差補正効果が飛躍的に高い。この３枚接合レンズは、倍率色収差を良好に補正するために、接合面のパワーを規定した以下の条件式（５）および（６）を満足することがより好ましい。また、３枚接合レンズは、主光線が光軸Ｘに近づく位置（絞り位置）に近い位置に配置することで軸上色収差補正についても効果を発揮することができる。

｜（Ｎｄ_１−Ｎｄ_２）／Ｒｓ_１｜＜０．０２ ・・・（５）
｜（Ｎｄ_２−Ｎｄ_３）／Ｒｓ_２｜＜０．０６ ・・・（６）
ただし、
Ｎｄ_ｉ：３枚接合レンズの拡大側からｉ枚目の屈折率
Ｒｓ_ｉ：３枚接合レンズの拡大側からｉ番目の接合面の曲率半径

本発明によれば、縮小側が略テレセントリックでかつ適量のバックフォーカスを有し、収差が良好に補正された明るい魚眼レンズを得ることができ、液晶プロジェクタの投映レンズとしても好適な魚眼レンズとすることができる。本発明の魚眼レンズは、光源、およびライトバルブを備えた投写型表示装置において、ライトバルブにより変調された光による光学像をスクリーン上に投映するための投映レンズとして機能し得る。スクリーンとしては、投映レンズ側に凹面となるように湾曲した、例えば略半球状のような反射型スクリーンを用いて、魚眼レンズの広画角性を生かすことも可能である。

図３は、本発明の魚眼レンズを投映レンズとして備えた液晶プロジェクタの構成例である。この装置において、光源ランプ１０から出射された白色光の光束は、放物面リフレクタ１１、第１および第２のレンズアレイ１２、１３から構成されるインテグレータ光学系、偏光変換光学系１４、ミラー１５、およびコンデンサレンズ１６を介し、光束断面における光量の均一化が図られかつ偏光が揃えられた状態で色分解手段に入射される。色分解手段は第１および第２のダイクロイックミラー１７ａ、１７ｂよりなり、白色光を第１〜第３の色光に色分解する。第１〜第３の色光としては、Ｇ光、Ｂ光、Ｒ光を任意の順に充てることができる。色分解された第１〜第３の色光は、コンデンサレンズ２０ａ〜ｃを介し、各色光に対応する透過型液晶表示パネル２１ａ〜ｃを照射する。また、各色光の光路上にはミラー１８ａ〜ｃおよびリレーレンズ１９ａ、１９ｂが適宜配されている。各透過型液晶パネル２１ａ〜ｃを透過し各色光用の画像情報を担持した光束は、色合成手段としてのクロスダイクロイックプリズム２２を介し色合成され、本発明の魚眼レンズよりなる投写レンズ２３を介し図示されないスクリーン上にフルカラー画像が拡大投写される。

なお、本発明の魚眼レンズは透過型液晶表示パネルを用いた投写型表示装置の投映レンズとしての使用態様に限られるものではなく、反射型液晶表示パネルやＤＭＤ等の、他の光変調手段を用いた装置の投映レンズ等として用いることも可能であるほか、ＣＣＤ、撮像管等の撮像手段、さらには銀塩フィルム等を用いたカメラに使用される結像レンズとして用いることも可能である。

以下、本発明の魚眼レンズの実施例についてデータを用いて具体的に説明する。なお、本発明の魚眼レンズとしては下記実施例のものに限られるものではなく、例えば各レンズ群を構成するレンズの枚数および形状は適宜選択し得る。

＜実施例１＞
実施例１における各レンズ面の曲率半径Ｒ（共役点位置無限遠状態の焦点距離を１として規格化されている；以下の表２〜６において同じ）、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔Ｄ（上記曲率半径Ｒと同様の焦点距離で規格化されている；以下の表２〜６において同じ）、各レンズのｄ線における屈折率Ｎおよびアッベ数νを表１の上段に示す。なお、この表１および後述する表２〜６において、各記号Ｒ、Ｄ、Ｎ、νに対応させた数字は拡大側から順次増加するようになっている。また表１の下段に、この実施例１における上記各条件式（１）〜（６）に対応する数値を示す。なお、条件式（３）に対応するＢｆの値は、魚眼レンズと素子面との間にガラスブロックが無いとした場合の数値である（以下の表２〜６において同じ）。

図４は実施例１の魚眼レンズの諸収差（球面収差、非点収差、ディストーションおよび倍率色収差）を示す収差図である。なお、この図４および後述する図５〜９において、各非点収差図にはサジタル像面およびタンジェンシャル像面に対する収差が示されており、各倍率色収差図にはｄ線に対する収差が示されている。

この図４および上記表１から明らかなように、実施例１の魚眼レンズは条件式（１）〜（６）を全て満足し、縮小側が略テレセントリックでかつ適量のバックフォーカスを有し、収差が良好に補正された明るい魚眼レンズとされている。

＜実施例２＞
実施例２における各レンズ面の曲率半径Ｒ、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔Ｄ、各レンズのｄ線における屈折率Ｎおよびアッベ数νを表２の上段に示す。また表２の下段に、この実施例２における上記各条件式（１）〜（６）に対応する数値を示す。また、図５は実施例２の魚眼レンズの諸収差（球面収差、非点収差、ディストーションおよび倍率色収差）を示す収差図である。図５および表２から明らかなように、実施例２の魚眼レンズは条件式（１）〜（６）を全て満足し、縮小側が略テレセントリックでかつ適量のバックフォーカスを有し、収差が良好に補正された明るい魚眼レンズとされている。

＜実施例３＞
実施例３における各レンズ面の曲率半径Ｒ、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔Ｄ、各レンズのｄ線における屈折率Ｎおよびアッベ数νを表３の上段に示す。また表３の下段に、この実施例３における上記各条件式（１）〜（６）に対応する数値を示す。また、図６は実施例３の魚眼レンズの諸収差（球面収差、非点収差、ディストーションおよび倍率色収差）を示す収差図である。図６および表３から明らかなように、実施例３の魚眼レンズは条件式（１）〜（６）を全て満足し、縮小側が略テレセントリックでかつ適量のバックフォーカスを有し、収差が良好に補正された明るい魚眼レンズとされている。

＜実施例４＞
実施例４における各レンズ面の曲率半径Ｒ、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔Ｄ、各レンズのｄ線における屈折率Ｎおよびアッベ数νを表４の上段に示す。また表４の下段に、この実施例４における上記各条件式（１）〜（６）に対応する数値を示す。また、図７は実施例４の魚眼レンズの諸収差（球面収差、非点収差、ディストーションおよび倍率色収差）を示す収差図である。図７および表４から明らかなように、実施例４の魚眼レンズは条件式（１）〜（６）を全て満足し、縮小側が略テレセントリックでかつ適量のバックフォーカスを有し、収差が良好に補正された明るい魚眼レンズとされている。

＜実施例５＞
実施例５における各レンズ面の曲率半径Ｒ、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔Ｄ、各レンズのｄ線における屈折率Ｎおよびアッベ数νを表５の上段に示す。また表５の下段に、この実施例５における上記各条件式（１）〜（６）に対応する数値を示す。また、図８は実施例５の魚眼レンズの諸収差（球面収差、非点収差、ディストーションおよび倍率色収差）を示す収差図である。図８および表５から明らかなように、実施例５の魚眼レンズは条件式（１）〜（６）を全て満足し、縮小側が略テレセントリックでかつ適量のバックフォーカスを有し、収差が良好に補正された明るい魚眼レンズとされている。

＜実施例６＞
実施例６における各レンズ面の曲率半径Ｒ、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔Ｄ、各レンズのｄ線における屈折率Ｎおよびアッベ数νを表６の上段に示す。また表６の下段に、この実施例６における上記各条件式（１）〜（６）に対応する数値を示す。また、図９は実施例６の魚眼レンズの諸収差（球面収差、非点収差、ディストーションおよび倍率色収差）を示す収差図である。図９および表６から明らかなように、実施例６の魚眼レンズは条件式（１）〜（６）を全て満足し、縮小側が略テレセントリックでかつ適量のバックフォーカスを有し、収差が良好に補正された明るい魚眼レンズとされている。

本発明に係る魚眼レンズのレンズ構成図 図１の部分拡大図 本発明に係る投写型表示装置の概略構成図 実施例１に係る魚眼レンズの各収差図 実施例２に係る魚眼レンズの各収差図 実施例３に係る魚眼レンズの各収差図 実施例４に係る魚眼レンズの各収差図 実施例５に係る魚眼レンズの各収差図 実施例６に係る魚眼レンズの各収差図

符号の説明

Ｇ_１〜Ｇ_２、Ｇ_２１、Ｇ_２２ レンズ群
Ｌ_１〜Ｌ_１４ レンズ
Ｒ_１〜Ｒ_２７ レンズ面等の曲率半径
Ｄ_１〜Ｄ_２６ レンズ面間隔（レンズ厚）
Ｘ 光軸
１ 絞り
２ ガラスブロック
３ 素子面
１０ 光源ランプ
１１ 放物面リフレクタ
１２、１３ レンズアレイ
１４ 偏光変換光学系
１５、１８ａ〜ｃ ミラー
１６、２０ａ〜ｃ コンデンサレンズ
１７ａ、１７ｂ ダイクロイックミラー
１９ａ、１９ｂ リレーレンズ
２１ａ〜ｃ 透過型液晶パネル
２２ クロスダイクロイックプリズム
２３ 投写レンズ

Claims (6)

1. 拡大側から順に、負の屈折力を有する第１レンズ群と正の屈折力を有する第２レンズ群とを配列されてなり、該第２レンズ群は拡大側から順に、正の屈折力を有する前群、絞り、および正の屈折力を有する後群を配列されてなり、縮小側が略テレセントリックとされ、以下の条件式（１）〜（３）を満足することを特徴とする魚眼レンズ。
   ５．０＜Ｆ_２Ｒ／Ｆ＜８．０ ・・・（１）
   ４．０＜Ｄ／Ｆ＜７．５ ・・・（２）
   Ｂｆ／Ｆ＞４．５ ・・・（３）
   ただし、
   Ｆ：全系の焦点距離
   Ｆ_２Ｒ：第２レンズ群後群の焦点距離
   Ｄ：第２レンズ群の前群と後群との間隔
   Ｂｆ：バックフォーカス
2. 前記第１レンズ群が以下の条件式（４）を満足することを特徴とする請求項１記載の魚眼レンズ。
   −２．０＜Ｆ_１／Ｆ＜−１．０ ・・・（４）
   ただし、
   Ｆ：全系の焦点距離
   Ｆ_１：第１レンズ群の焦点距離
3. 前記第２レンズ群後群が少なくとも１組の接合レンズを有することを特徴とする請求項１または２記載の魚眼レンズ。
4. 前記第２レンズ群後群が少なくとも１組の３枚接合レンズを有することを特徴とする請求項３記載の魚眼レンズ。
5. 前記３枚接合レンズが以下の条件式（５）および（６）を満足することを特徴とする請求項４記載の魚眼レンズ。
   ｜（Ｎｄ_１−Ｎｄ_２）／Ｒｓ_１｜＜０．０２ ・・・（５）
   ｜（Ｎｄ_２−Ｎｄ_３）／Ｒｓ_２｜＜０．０６ ・・・（６）
   ただし、
   Ｎｄ_ｉ：３枚接合レンズの拡大側からｉ枚目の屈折率
   Ｒｓ_ｉ：３枚接合レンズの拡大側からｉ番目の接合面の曲率半径
6. 光源、ライトバルブ、および該ライトバルブにより変調された光による光学像をスクリーン上に投映する投映レンズとして請求項１〜５のうちいずれか１項記載の魚眼レンズを備えたことを特徴とする投写型表示装置。
   

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