JP2009020283A - 投影用ズームレンズおよび投写型表示装置 - Google Patents

投影用ズームレンズおよび投写型表示装置 Download PDF

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Abstract

【課題】5群構成の投影用ズームレンズにおいて、縮小側でテレセントリック性を保つとともに、諸収差、特に軸上色収差を良好に補正する。
【解決手段】拡大側から順に、負の第1群G、正の第2、3群G 、G 、正又は負の第4群G および正の第5群G を配設してなり、広角端から望遠端への変倍時に、第 、第 、および第 が光軸に沿って拡大側に移動するように構成される。また、第2群Gの最も拡大側に位置するレンズLが負レンズとされるとともに、第5群Gが1枚の正レンズからなる。
【選択図】図1

Description

本発明は、投写型表示装置等に搭載される5群構成の投影用ズームレンズおよびその投影用ズームレンズを搭載した投写型表示装置に関し、特に、液晶表示装置やDMD(デジタル・マイクロミラー・デバイス)表示装置等のライトバルブからの映像情報を担持した光束をスクリーン上に拡大投影する投影用ズームレンズおよび投写型表示装置に関するものである。
近年、液晶表示装置やDMD表示装置等のライトバルブを用いた投写型表示装置が広く普及しており、特に、このライトバルブを3枚用い、RGB3原色の照明光に各々対応させるようにすることでこれら各照明光を変調し、個々のライトバルブで変調された光をプリズム等で合成し、投写レンズを介してスクリーンに画像を表示する構成をとるものが広く利用されている。
上述したライトバルブにおいては小型化・高精細化が急激に進み、また、パソコンの普及と相俟って、このような投写型表示装置を用いてプレゼンテーションを行うことの需要も増加しているため、投写型表示装置に対して、より高性能で、より小型・軽量なものへの要求が高まってきている。
すなわち、3枚のライトバルブからの各変調光を色合成光学系で合成して投写するタイプの投写型表示装置では、投写レンズの特性として色合成を行うプリズム等を配置するための長いバックフォーカスが必要となる。さらに、色合成光学系では入射光の角度によって分光特性が変化するため、投写レンズは縮小側から見た入射瞳が十分遠方に位置するという特性、すなわちテレセントリック性を持つことが必要となる。また、デバイスの解像度に見合った収差補正も必要とされ、さらに、設置性の観点からズーム機能も要求される。
このような要件を満たす投写レンズとしては、拡大側から順に負−正−正−正(または負)−正の5群構成とし、変倍時には、第2、第3および第4レンズ群を光軸方向に移動させるとともに第1レンズ群および第5レンズ群は固定とされるズーミングタイプのものが数多く知られている(例えば下記特許文献1、2参照)。
特開2000−137165号公報 特開2001−91829号公報
ところで、上述したような公報記載の投影用ズームレンズにおいては、軸上色収差の良化という点でさらなる向上が望まれている。
特に、投影用ズームレンズ全体が交換しうるタイプの投写型表示装置に用いる場合には、軸上色収差の点でも、投影用ズームレンズ単独で収差が充分に補正されていることが必要となるので、その点において、上述した公報記載の投影用ズームレンズは改善の余地があった。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、5群構成の投影用ズームレンズにおいては、縮小側でテレセントリック性を保つことができるとともに、充分なバックフォーカスを確保することができ、諸収差、特に軸上色収差を良好に補正することができる投影用ズームレンズおよび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。
本発明の投影用ズームレンズは、
拡大側より順に、変倍の際に固定で負の屈折力を有する第1レンズ群と、変倍の際に互いに独立に光軸に沿って移動する、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、および正または負の屈折力を有する第4レンズ群と、変倍の際に固定で正の屈折力を有する第5レンズ群とを配設してなる投影用ズームレンズにおいて、
前記第2レンズ群の最も拡大側に位置するレンズが負レンズとされるとともに、前記第5レンズ群が1枚の正レンズからなることを特徴とするものである。
また、下記条件式(1)〜(3)を共に満足することが好ましい。
0.3<|f1a/fw|<1.6 (1)
1.5<f5/fw<3.0 (2)
0.8<Bf/fw (3)
ただし、
f1a :広角端における、前記第1レンズ群と、前記第2レンズ群の最も拡大側に位置するレンズとの合成焦点距離
fw :広角端でのレンズ系全体の焦点距離
f5 :前記第5レンズ群の焦点距離
Bf :拡大側の共役点が無限遠のときのバックフォーカス(空気換算値)
また、前記第2レンズ群、前記第3レンズ群および前記第4レンズ群は、変倍時において互いに同一方向へ移動することが好ましい。
また、前記第4レンズ群が、下記条件式(4)を満足することが好ましい。
3.0<|f4/fw| (4)
ただし、
f4 :前記第4レンズ群の焦点距離
また、前記第2レンズ群の最も拡大側に負レンズ配され、該負レンズの縮小側に位置する正レンズと互いに接合されていることが好ましい。
さらに、本発明の投写型表示装置は、光源と、ライトバルブと、該光源からの光束を該ライトバルブへ導く照明光学部と、上述したいずれかの投影用ズームレンズとを備え、前記光源からの光束を前記ライトバルブで光変調し、前記投影用ズームレンズによりスクリーンに投写することを特徴とするものである。
本発明の投影用ズームレンズによれば、全体を5群で構成し、負の屈折力を有する第1レンズ群に隣接する、第2レンズ群の最も拡大側のレンズを負レンズで構成することにより、拡大側部分に集中する負の屈折力を、より多くのレンズにより分担することが可能となるので、従来技術において問題となっていた軸上色収差の改善を図ることが可能である。
また、投影用ズームレンズ単独で、軸上色収差を含めた諸収差を良好に補正することができるので、投影用ズームレンズ全体を交換するタイプの投写型表示装置に適用することが極めて有効である。
以下、本発明の具体的な実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1に示す実施形態(実施例1のものの広角端における状態を代表させて示している)の投影用ズームレンズは、拡大側から順に、負の屈折力を有する第1レンズ群G、各々正の屈折力を有する第2レンズ群Gおよび第3レンズ群G、負の屈折力を有する第4レンズ群G、正の屈折力を有する第5レンズ群Gを備え、その後段には、色合成プリズムを主とするガラスブロック(フィルタ部を含む)2および液晶表示パネル等ライトバルブの画像表示面1が配設される。なお、図中Xは光軸を表している。
ここで第1レンズ群Gは、拡大側から順に、正レンズよりなる第1レンズL、拡大側に凸面を向けた負のメニスカスレンズよりなる第2レンズL、両凹レンズよりなる第3レンズLからなる。また、第2レンズ群Gは、縮小側に凹面を向けた負レンズよりなる第4レンズLと拡大側に凸面を向けた正レンズよりなる第5レンズLを接合してなる接合レンズ、および正レンズよりなる第6レンズLからなる。また、第3レンズ群Gは、1枚の正レンズよりなる第7レンズLからなる。また、第4レンズ群Gは、拡大側から順に、負レンズよりなる第8レンズL、縮小側に凹面を向けた負レンズよりなる第9レンズLと拡大側に凸面を向けた正レンズよりなる第10レンズL10を接合してなる接合レンズ、および正レンズよりなる第11レンズL11からなる。さらに、第5レンズ群Gは、正レンズよりなる第12レンズL12のみからなる。
なお、上記各レンズ群のレンズ構成は上記の構成に限られるものではなく、負レンズまたは正レンズを1枚以上増減させることが可能である。
また、上記第4レンズ群Gは、正の屈折力を有するように構成することも可能である。
本実施形態の投影用ズームレンズにおいては、上述したように、ネガティヴリード型のズームレンズとされているため、広角化を図り易く、また適正な長さのバックフォーカスを確保することが可能である。
また、本実施形態の投影用ズームレンズは、変倍時において、第2レンズ群G〜第4レンズ群Gの3つのレンズ群を同一方向へ移動させることにより、ズーム機能を発揮し得る構成とされている。そして、広角端から望遠端への変倍に際し、これら3つの移動レンズ群は、いずれも拡大側に移動するように構成されているから、コンパクト化を図りつつ、変倍比を大きく設定することが可能となる。
ただし、これは、上記3つのレンズ群の各々について、広角端での位置よりも望遠端での位置の方が、より拡大側に設定されていることを意味しているのであって、中間領域において一旦縮小側に移動することを排除するものではない。
また、本実施形態の投影用ズームレンズによれば、レンズ系全体を5群に分け、変倍時に3つのレンズ群を独立して移動させるようにして変倍機能を各群に分割しているので、光学性能を向上させることができるとともに、変倍に伴うF値の変動を抑制することができる。
しかも、負の屈折力を有する第1レンズ群Gに隣接する、第2レンズ群Gの最も拡大側のレンズを負レンズで構成することにより、拡大側部分に集中する負の屈折力を、より多くのレンズにより分担することができるので、軸上色収差の改善を図ることが可能である。
また、本実施形態においては、第2レンズ群Gの拡大側に位置する2枚のレンズを、接合レンズとしてもよい(実施例1〜3)し、互いに離間させてもよい(実施例4)。ただし、これら2枚のレンズを接合することにより、色収差の補正がより有利となる。
すなわち、一般に、この第2レンズ群Gの位置付近で光線高さが最も大きくなるので、色収差補正を良好に行うことができることから、さらに第2レンズ群Gの上記負レンズと接合される正レンズの正のパワーによってズーム移動量を小さくすることが可能となることから、これら2つのレンズを接合レンズにより構成することが好ましい。
また、本実施形態に係る投影用ズームレンズは、下記条件式(1)〜(4)を満足するように構成されていることが好ましい。
0.3<|f1a/fw|<1.6 (1)
1.5<f5/fw<3.0 (2)
0.8<Bf/fw (3)
3.0<|f4/fw| (4)
ただし、
f1a :広角端における、第1レンズ群Gと、第2レンズ群Gの最も拡大側に位置するレンズとの合成焦点距離
fw :広角端でのレンズ系全体の焦点距離
f5 :第5レンズ群Gの焦点距離
Bf :拡大側の共役点が無限遠のときのバックフォーカス(空気換算値)
f4 :第4レンズ群Gの焦点距離
ここで、上述した条件式(1)〜(4)の技術的意義について説明する。
まず、条件式(1)は、広角端における、第1レンズ群Gと、第2レンズ群Gの最も拡大側に位置するレンズとの合成焦点距離f1aを、広角端でのレンズ系全体の焦点距離fwで規格化したものの絶対値の範囲を規定するものであり、レンズ系の拡大側位置部分における負のパワーの範囲を規定するものである。
すなわち、この条件式(1)の上限を上回ると投影レンズにおける充分なバックフォーカスを確保することが困難となり、その一方、その下限を下回ると諸収差のバランスをとりつつ、特に軸上色収差を良好なものとすることが困難となる。
したがって、この条件式(1)を満足することにより、第2レンズ群Gの最も拡大側に位置するレンズを負レンズとしたことと相俟って、各収差のバランスをとりつつ軸上色収差の大幅な改善を図ることができるとともに、充分なバックフォーカスを確保することが可能となる。
なお、このような趣旨から、条件式(1)に替えて下記条件式(1´)を満足することが、より好ましい。
0.6<|f1a/fw|<1.6 (1´)
次に、条件式(2)は、レンズ系の縮小側をテレセントリックに維持するための範囲を規定するものである。この条件式(2)の上限または下限を外れると、いずれもレンズ系の縮小側をテレセントリックに維持することが困難となる。
また、条件式(3)は、レンズ系の縮小側のバックフォーカスを適切に確保するための範囲を規定するものである。この条件式(3)の下限を下回ると、投写型表示装置において色合成プリズム等を配置するスペースの確保が難しくなる。
さらに、条件式(4)は、諸収差のバランスをとりつつ、特に、倍率色収差や像面湾曲等を良好なものとするための範囲を規定するものである。この条件式(4)の下限を下回ると、第4レンズ群Gのパワーが強くなり過ぎ、これに応じて、逆符号の他のレンズ群のパワーも強くなり過ぎる状態となるため、倍率色収差と、像面湾曲・非点隔差との補正バランスを良好なものとすることが困難となってしまう。
次に、上述した投影用ズームレンズを搭載した投写型表示装置の一例を図9により説明する。図9に示す投写型表示装置は、ライトバルブとして透過型液晶パネル11a〜cを備え、投影用ズームレンズ10として上述した実施形態に係る投影用ズームレンズを用いている。また、光源20とダイクロイックミラー12の間には、フライアイ等のインテグレータ(図示を省略)が配されており、光源20からの白色光は照明光学部を介して、3つの色光光束(G光、B光、R光)にそれぞれ対応する液晶パネル11a〜cに入射されて光変調され、クロスダイクロイックプリズム14により、色合成され投影用ズームレンズ10により図示されないスクリーン上に投映される。この装置は、色分解のためのダイクロイックミラー12、13、色合成のためのクロスダイクロイックプリズム14、コンデンサレンズ16a〜c、全反射ミラー18a〜cを備えている。本実施形態の投写型表示装置は、本実施形態に係る投影用ズームレンズを用いているので、広角、かつ投写画像の画質が良好であり、明るくコンパクトな投写型表示装置とすることができる。
なお、本発明の投影用ズームレンズは透過型の液晶表示パネルを用いた投写型表示装置の投影用ズームレンズとしての使用態様に限られるものではなく、反射型の液晶表示パネルあるいはDMD等の他の光変調手段を用いた装置の投影用ズームレンズ等として用いることも可能である。
以下、具体的な実施例を用いて、本発明の投影用ズームレンズをさらに説明する。
<実施例1>
この実施例1にかかる投影用ズームレンズは、前述したように図1に示す如き構成とされている。すなわちこの投影用ズームレンズは、拡大側から、負、正、正、負、正の5群構成、3群移動のレンズ系により構成されている。ここで第1レンズ群Gは、拡大側から順に、拡大側に凸面を向けた正レンズよりなる第1レンズL、拡大側に凸面を向けた負のメニスカスレンズよりなる第2レンズL、両凹レンズよりなる第3レンズLからなる。また、第2レンズ群Gは、縮小側に凹面を向けた負レンズよりなる第4レンズLと拡大側に凸面を向けた正レンズよりなる第5レンズLからなる接合レンズ、および拡大側に凸面を向けた正レンズよりなる第6レンズLからなる。また、第3レンズ群Gは、1枚の正レンズよりなる第7レンズLからなる。また、第4レンズ群Gは、拡大側から順に、負レンズよりなる第8レンズL、縮小側に凹面を向けた負レンズよりなる第9レンズLと拡大側に凸面を向けた正レンズよりなる第10レンズL10を接合してなる接合レンズ、および縮小側に凸面を向けた正レンズよりなる第11レンズL11からなる。さらに、第5レンズ群Gは、両凸レンズよりなる第12レンズL12のみからなる。
この実施例1における各レンズ面の曲率半径R(レンズ全系の焦点距離を1として規格化されている;以下の各表において同じ)、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と同様に規格化されている;以下の各表において同じ)、各レンズのe線における屈折率Neおよびアッベ数νeを表1に示す。なお、この表1および後述する表2〜4において、各記号R、D、Ne、νe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、上述したように実施例1に係る投写用広角ズームレンズでは、ズーミング時移動レンズ群G〜Gが、ズーミング時に互いに独立して光軸X方向に移動するようになっており、表1の下段には、広角端(WIDE)および望遠端(TELE)と、それらの中間位置(MEDIUM)における可変間隔(移動1,移動2,移動3,移動4;以下の表2〜4において同じ)の値が示されている。
Figure 2009020283
また、表5に実施例1における上記各条件式に対応する数値を示す。
図5は実施例1の投影用ズームレンズの諸収差(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、図5および以下の図6〜8において、各球面収差図には、e線、F線、C線の光に対する収差が示されており、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e線の光に対するF線およびC線の収差が示されている。
この図5から明らかなように、実施例1の投影用ズームレンズによれば、各収差は良好に補正されている。
また、表5に示すように実施例1の投影用ズームレンズにより、条件式(1)、(1´)、(2)、(3)、(4)が満足されている。
<実施例2>
実施例2に係る投影用ズームレンズの概略構成を図2に示す。この実施例2にかかる投影用ズームレンズは、実施例1のものと略同様の構成とされており、拡大側から、負、正、正、負、正の5群構成、3群移動のレンズ系により構成されている。ただし、第3レンズ群Gが、第7レンズLと第8レンズLの2枚の正レンズから構成されている点において、上記実施例1のものとは異なっている。
なお、実施例1のものとはレンズ枚数が相違しているので、その相違に応じて所定のレンズ番号が順次ずらされるように設定されている。
この実施例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e線における屈折率Neおよびアッベ数νeを表2に示す。
Figure 2009020283
また、表5に実施例2における上記各条件式に対応する数値を示す。
図6は実施例2の投影用ズームレンズの諸収差(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。
この図6から明らかなように、実施例2の投影用ズームレンズにより、各収差は良好に補正されている。
また、表5に示すように実施例2の投影用ズームレンズによれば、条件式(1)、(1´)、(2)、(3)、(4)が満足されている。
<実施例3>
実施例3に係る投影用ズームレンズの概略構成を図3に示す。この実施例3にかかる投影用ズームレンズは、実施例1のものと略同様に5群構成、3群移動のレンズ系とされている。ただし、拡大側から、負、正、正、正、正のパワー配置とされている点において、また、第1レンズ群Gが、拡大側から順に、拡大側に凸面を向けた正レンズよりなる第1レンズL、拡大側に凸面を向けた負のメニスカスレンズよりなる、第2レンズLと第3レンズL、および両凹レンズよりなる第4レンズLからなる点において、さらに、第3レンズ群Gが、縮小側に凸面を向けた正レンズからなる第8レンズLと拡大側に凹面を向けた負レンズからなる第9レンズLの、互いに近接配置された2枚のレンズから構成されている点において、上記実施例1のものとは異なっている。
なお、実施例1のものとはレンズ枚数が相違しているので、その相違に応じて所定のレンズ番号が順次ずらされるように設定されている。
この実施例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e線における屈折率Neおよびアッベ数νeを表3に示す。
Figure 2009020283
また、表5に実施例3における上記各条件式に対応する数値を示す。
図7は上記実施例3の投影用ズームレンズの諸収差(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。
この図7から明らかなように、実施例3の投影用ズームレンズによれば、各収差は良好に補正されている。
また、表5に示すように実施例3の投影用ズームレンズによれば、条件式(1)、(1´)、(2)、(3)、(4)が満足されている。
<実施例4>
実施例4に係る投影用ズームレンズの概略構成を図4に示す。この実施例4にかかる投影用ズームレンズは、実施例1のものとは略同様の構成とされており、拡大側から、負、正、正、負、正の5群構成、3群移動のレンズ系により構成されているが、主として、第2レンズ群Gを構成する、縮小側に凹面を向けた負レンズよりなる第4レンズLと拡大側に凸面を向けた正レンズよりなる第5レンズLが互いに離間しており接合レンズを構成してはいない点において、また、第3レンズ群Gの最も拡大側に開口絞り3が配されている点において、上記実施例1のものとは異なっている。
この実施例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e線における屈折率Neおよびアッベ数νeを表4に示す。
Figure 2009020283
また、表5に実施例4における上記各条件式に対応する数値を示す。
図8は実施例4の投影用ズームレンズの諸収差(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。
この図8から明らかなように、実施例4の投影用ズームレンズによれば、各収差は良好に補正されている。
また、表5に示すように実施例4の投影用ズームレンズによれば、条件式(1)、(1´)、(2)、(3)、(4)が満足されている。
Figure 2009020283
本発明の実施例1に係る投影用ズームレンズの構成を示す概略図 本発明の実施例2に係る投影用ズームレンズの構成を示す概略図 本発明の実施例3に係る投影用ズームレンズの構成を示す概略図 本発明の実施例4に係る投影用ズームレンズの構成を示す概略図 実施例1の投影用ズームレンズの諸収差(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 実施例2の投影用ズームレンズの諸収差(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 実施例3の投影用ズームレンズの諸収差(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 実施例4の投影用ズームレンズの諸収差(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 本発明の一実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図
符号の説明
〜G レンズ群
〜L14 レンズ
〜R28 レンズ面等の曲率半径
〜D27 レンズ面間隔(レンズ厚)
X 光軸
1 画像表示面
2 ガラスブロック(フィルタ部を含む)
10 投影用ズームレンズ
11a〜c 透過型液晶パネル
12、13 ダイクロイックミラー
14 クロスダイクロイックプリズム
16a〜c コンデンサレンズ
18a〜c 全反射ミラー
20 光源

Claims (6)

  1. 拡大側より順に、変倍の際に固定で負の屈折力を有する第1レンズ群と、変倍の際に互いに独立に光軸に沿って移動する、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、および正または負の屈折力を有する第4レンズ群と、変倍の際に固定で正の屈折力を有する第5レンズ群とを配設してなる投影用ズームレンズにおいて、
    前記第2レンズ群の最も拡大側に位置するレンズが負レンズとされるとともに、前記第5レンズ群が1枚の正レンズからなることを特徴とする投影用ズームレンズ。
  2. 下記条件式(1)〜(3)を共に満足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。
    0.3<|f1a/fw|<1.6 (1)
    1.5<f5/fw<3.0 (2)
    0.8<Bf/fw (3)
    ただし、
    f1a :広角端における、前記第1レンズ群と、前記第2レンズ群の最も拡大側に位置するレンズとの合成焦点距離
    fw :広角端でのレンズ系全体の焦点距離
    f5 :前記第5レンズ群の焦点距離
    Bf :拡大側の共役点が無限遠のときのバックフォーカス(空気換算値)
  3. 前記第2レンズ群、前記第3レンズ群および前記第4レンズ群は、変倍時において互いに同一方向へ移動することを特徴とする請求項1または2記載の投影用ズームレンズ。
  4. 前記第4レンズ群が、下記条件式(4)を満足することを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1項記載の投影用ズームレンズ。
    3.0<|f4/fw| (4)
    ただし、
    f4 :前記第4レンズ群の焦点距離
  5. 前記第2レンズ群の最も拡大側に負レンズが配され、該負レンズの縮小側に位置する正レンズと互いに接合されていることを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1項記載の投影用ズームレンズ。
  6. 光源と、ライトバルブと、該光源からの光束を該ライトバルブへ導く照明光学部と、請求項1〜5のうちいずれか1項記載の投影用ズームレンズとを備え、前記光源からの光束を前記ライトバルブで光変調し、前記投影用ズームレンズによりスクリーンに投写することを特徴とする投写型表示装置。
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