JP2016194638A - 投写用ズームレンズおよび投写型表示装置 - Google Patents

投写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】広角で、長いバックフォーカスを有し、像面湾曲の補正が可能で、良好な光学性能を有する投写用ズームレンズおよびこの投写用ズームレンズを備えた投写型表示装置を提供する。【解決手段】投写用ズームレンズは、最も拡大側に配置されて変倍の際に固定されている負の屈折力を有する第1レンズ群G1と、変倍の際に光軸方向の相互間隔を変化させて移動する少なくとも2つの移動レンズ群とを備える。第1レンズ群G1は、拡大側から順に、合焦の際に固定されている前群G1aと、合焦の際に光軸方向に移動する負の屈折力を有する後群G1bとから実質的になる。前群G1aを光軸方向に移動させることにより像面湾曲の補正が行われる。広角端での全系の焦点距離fw、前群G1aの焦点距離f1aに関する条件式(1):|fw/f1a|<0.2を満足する。【選択図】図1

Description

本発明は、投写用ズームレンズおよび投写型表示装置に関し、例えば、ライトバルブにより形成される原画像をスクリーン上に拡大投写するのに好適な投写用ズームレンズおよびこれを搭載した投写型表示装置に関するものである。
従来、液晶表示素子やDMD(デジタル・マイクロミラー・デバイス:登録商標)表示素子等のライトバルブに表示した画像をスクリーン等に拡大投写する投写型表示装置が広く普及している。特に、このライトバルブを3つ用い、R(赤)、G(緑)、B(青)の3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色合成用プリズム等で合成し、投写用レンズを介してスクリーンに画像を投写する構成をとるものが広く用いられている。
投写型表示装置からスクリーンまでの距離やスクリーンサイズは設置環境により様々であることから、投写型表示装置に用いられる投写用レンズは合焦機能を有することが必要である。投写用レンズで用いられる合焦方式としては最も拡大側のレンズが移動しないインナーフォーカス方式を採った構成が知られている。また、多様な設置環境でもスクリーンサイズに応じて投写画像のサイズを調整可能なように、投写用レンズには変倍機能を有するズームレンズ系が好まれる傾向にある。従来知られているインナーフォーカス方式のズームレンズとしては、例えば下記特許文献1〜3に記載されたものがある。
特許文献1には、最も物体側に配置された第1レンズ群が物体側から順に正の屈折力を有する第1レンズ群と負の屈折力を有する第1レンズ群後群とからなり、合焦の際に第1レンズ群後群のみが移動するズームレンズが記載されている。特許文献2には、最も拡大側に配置された第1レンズユニットが拡大側から順に負の光学的パワーを有する第1Aレンズサブユニットと正の光学的パワーを有する第1Bサブレンズユニットからなり、合焦の際に第1Aレンズサブユニットは不動であり第1Bサブレンズユニットが移動するズームレンズが記載されている。特許文献3には、拡大側から2番目に配置されたレンズ群である第2レンズ群が合焦の際に移動する投写用ズームレンズが記載されている。
特開2001−066501号公報 特許第5253604号公報 特開2011−013657号公報
近年では、投写型表示装置を用いて大ホールや展示会等で大画面に投写する機会が増加しており、また、より短い投写距離でより大きな投写画面サイズが求められる場面も多くなっている。これらのことから、投写用レンズには広角化に対する要望が高まっている。また、レンズ系とライトバルブの間に、複数のライトバルブからの変調光を合成する色合成光学系や、照明光と投写光を分離する光束分離光学系を配置する構成では、投写用レンズは長いバックフォーカスを有することが求められる。これらの要望を満たすためレトロフォーカスタイプの投写用レンズが採用されることが多い。
特許文献1に記載のレンズ系は、レトロフォーカスタイプであるが、画角が小さく、バックフォーカスも短い。特許文献2に記載のレンズ系は、画角が不十分であり、バックフォーカスも短い。特許文献3に記載のレンズ系は、近年の要望に応えるためにはさらなる広角化が望まれる。
さらに、投写用ズームレンズに製造誤差がある場合、像面湾曲が設計で想定したものから変動してしまうことがあり、このような場合の像面湾曲の補正が要望されている。また、投写用レンズを投写型表示装置に搭載した際に無視できない量のフランジバック誤差がある場合、共役位置が設計で想定した位置からずれてしまうためフォーカス群を移動させて調整を行うことがあるが、そのような調整を行うと像面湾曲が変動する傾向があり、変動後の像面湾曲の補正が要望されている。上記の像面湾曲の変動はレンズ系が広角になるほど顕著に現れるため、特に広角のレンズ系で像面湾曲の補正が強く要望されている。
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、広角で、長いバックフォーカスを有し、像面湾曲の補正が可能で、良好な光学性能を有する投写用ズームレンズおよびこのような投写用ズームレンズを備え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。
本発明の投写用ズームレンズは、最も拡大側に配置されて変倍の際に固定されている負の屈折力を有する第1レンズ群と、変倍の際に相互間隔を変化させて移動する少なくとも2つの移動レンズ群とを備え、第1レンズ群は、拡大側から順に、合焦の際に固定されている前群と、合焦の際に光軸方向に移動する負の屈折力を有する後群とから実質的になり、前群を光軸方向に移動させることにより像面湾曲の補正が行われ、下記条件式(1)を満足するものである。
|fw/f1a|<0.2 (1)
ただし、
fw:広角端での全系の焦点距離
f1a:前群の焦点距離
本発明の投写用ズームレンズは、下記条件式(1−1)を満足することが好ましい。
|fw/f1a|<0.15 (1−1)
本発明の投写用ズームレンズは、下記条件式(2)を満足することが好ましく、下記条件式(2−1)を満足することがより好ましい。
1.5<h1a/h1b (2)
2.0<h1a/h1b<4.0 (2−1)
ただし、
h1a:縮小側瞳位置が無限遠の場合の広角端での最大画角の主光線の前群における最大光線高さ
h1b:縮小側瞳位置が無限遠の場合の広角端での最大画角の主光線の後群における最大光線高さ
本発明の投写用ズームレンズは、後群の最も縮小側のレンズ面が凹面であることが好ましい。
本発明の投写用ズームレンズは、最も縮小側に変倍の際に固定されている正の屈折力を有する最終レンズ群が配置されていることが好ましい。
本発明の投写用ズームレンズは、後群の最も縮小側のレンズは負レンズであり、後群の縮小側から2番目のレンズは正レンズであることが好ましい。
本発明の投写用ズームレンズは、前群は負レンズと正レンズが接合された接合レンズを含み、この接合レンズを構成する負レンズのd線に関する屈折率がこの接合レンズを構成する正レンズのd線に関する屈折率より0.1以上大きく、下記条件式(3)および(4)を満足することが好ましい。
Ndn<−0.01×νdn+2.1 (3)
Ndp<−0.01×νdp+2.1 (4)
ただし、
Ndn:前群の接合レンズを構成する負レンズのd線に関する屈折率
νdn:前群の接合レンズを構成する負レンズのd線基準のアッベ数
Ndp:前群の接合レンズを構成する正レンズのd線に関する屈折率
νdp:前群の接合レンズを構成する正レンズのd線基準のアッベ数
本発明の投写用ズームレンズは、下記条件式(5)を満足することが好ましく、下記条件式(5−1)を満足することがより好ましい。
f1b/f1a<0.8 (5)
0.0<f1b/f1a<0.6 (5−1)
ただし、
f1a:前群の焦点距離
f1b:後群の焦点距離
本発明の投写用ズームレンズは、拡大側から順に、第1レンズ群と、変倍の際に相互間隔を変化させて移動する3つの移動レンズ群と、変倍の際に固定されている正の屈折力を有する最終レンズ群とから実質的になるように構成してもよく、あるいは、拡大側から順に、第1レンズ群と、変倍の際に相互間隔を変化させて移動する4つの移動レンズ群と、変倍の際に固定されている正の屈折力を有する最終レンズ群とから実質的になるように構成してもよい。
本発明の投写用ズームレンズは、下記条件式(6)を満足することが好ましく、下記条件式(6−1)を満足することがより好ましい。
2.5<Bf/fw (6)
3.5<Bf/fw<10.0 (6−1)
ただし、
Bf:最も縮小側のレンズ面から縮小側共役面までの光軸上の空気換算距離
fw:広角端での全系の焦点距離
本発明の投写型表示装置は、光源と、この光源からの光が入射するライトバルブと、このライトバルブにより光変調された光による光学像をスクリーン上に投写する投写用ズームレンズとして上述した本発明の投写用ズームレンズとを備えたものである。
なお、上記「拡大側」は、被投写側(スクリーン側)を意味し、縮小投写する場合も、便宜的にスクリーン側を拡大側と称するものとする。一方、上記「縮小側」は、原画像表示領域側(ライトバルブ側)を意味し、縮小投写する場合も、便宜的にライトバルブ側を縮小側と称するものとする。
なお、上記条件式におけるfwは投写距離が無限遠の場合のものである。また、上記条件式におけるBfは広角端におけるものである。
なお、上記「〜から実質的になり」、「〜から実質的になる」の「実質的に」は、構成要素として挙げたもの以外に、実質的にパワーを有さないレンズ、絞りやカバーガラス等のレンズ以外の光学要素を含んでもよいことを意図するものである。
なお、上記「〜レンズ群」、「前群」、「後群」は、必ずしも複数のレンズから構成されるものだけでなく、1枚のレンズのみで構成されるものも含むものとする。
なお、上記レンズ群の屈折力の符号、上記レンズの屈折力の符号、上記レンズの面形状は、非球面が含まれているものについては近軸領域で考えるものとする。
なお、本明細書におけるバックフォーカスとは、縮小側をバック側とした場合のものである。
本発明によれば、最も拡大側に変倍の際に固定されている負の第1レンズ群を配置し、第1レンズ群より縮小側に変倍の際に移動する複数の移動レンズ群を配置し、インナーフォーカス方式を採用したズームレンズ系において、第1レンズ群を拡大側から順に合焦の際に固定されている前群と合焦の際に移動する後群とから構成し、前群を光軸方向に移動させて像面湾曲の補正を行い、条件式を(1)を満足するようにしているため、広角で、長いバックフォーカスを有し、像面湾曲の補正が可能で、良好な光学性能を有する投写用ズームレンズおよびこの投写用ズームレンズを備えた投写型表示装置を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る投写用ズームレンズのレンズ構成および光路を示す断面図である。 像面湾曲の変動と補正を説明するための広角端での収差図である。 像面湾曲の変動と補正を説明するための望遠端での収差図である。 本発明の実施例1の投写用ズームレンズのレンズ構成を示す断面図である。 本発明の実施例2の投写用ズームレンズのレンズ構成を示す断面図である。 本発明の実施例3の投写用ズームレンズのレンズ構成を示す断面図である。 本発明の実施例1の投写用ズームレンズの諸収差図であり、左から順に、球面収差図、非点収差図、歪曲収差図、倍率色収差図である。 本発明の実施例2の投写用ズームレンズの諸収差図であり、左から順に、球面収差図、非点収差図、歪曲収差図、倍率色収差図である。 本発明の実施例3の投写用ズームレンズの諸収差図であり、左から順に、球面収差図、非点収差図、歪曲収差図、倍率色収差図である。 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である。 本発明の別の実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る投写用ズームレンズの広角端におけるレンズ構成と、軸上光束4および最大画角の光束5の光路を示す断面図であり、後述の実施例1の投写用ズームレンズに対応している。図1では、左側を拡大側、右側を縮小側としている。
この投写用ズームレンズは、例えば投写型表示装置に搭載されて、ライトバルブに表示された画像情報をスクリーンへ投写する投写用ズームレンズとして使用可能である。図1では、投写型表示装置に搭載される場合を想定して、プリズム、各種フィルタ、カバーガラス等を想定した平行平面を有する光学部材2と、光学部材2の縮小側に配置されたライトバルブの画像表示面1も合わせて図示している。投写型表示装置においては、画像表示面1で画像情報を与えられた光束が、光学部材2を介して、この投写用ズームレンズに入射され、この投写用ズームレンズにより紙面左側方向に配置される不図示のスクリーン上に投写される。
なお、図1では図の簡略化のために1枚の画像表示面1のみを記載しているが、投写型表示装置において、光源からの光束を色分離光学系により3原色に分離し、各原色用に3つのライトバルブを配設して、フルカラー画像を表示できるように構成してもよい。
この投写用ズームレンズは、最も拡大側に配置されて変倍の際に固定されている負の屈折力を有する第1レンズ群G1と、第1レンズ群G1より縮小側に配置されて変倍の際に光軸方向の相互間隔を変化させて移動する少なくとも2つの移動レンズ群とを備える。このように、最も拡大側の第1レンズ群G1を負レンズ群とすることで、広い画角を得ることに有利となる。
例えば、図1に示す投写用ズームレンズは、拡大側から順に、第1レンズ群G1と、第2レンズ群G2と、第3レンズ群G3と、第4レンズ群G4と、最終レンズ群Geとからなる5つのレンズ群が光軸方向に配列されて構成されている。このうち、第2レンズ群G2、第3レンズ群G3、第4レンズ群G4が広角端から望遠端への変倍の際に隣り合うレンズ群の間隔を変化させて移動するものであり、これら3つのレンズ群が移動レンズ群に対応する。図1では、各移動レンズ群の下に、広角端から望遠端へ変倍する際の各移動レンズ群の移動方向を模式的に示す矢印を記入している。図1に示す例では、広角端から望遠端への変倍の際に第2レンズ群G2、第3レンズ群G3、第4レンズ群G4全て逆行することなく拡大側へ移動する。
第1レンズ群G1は、拡大側から順に、前群G1aと、負の屈折力を有する後群G1bとから実質的になる。後群G1bを負レンズ群とすることで、第1レンズ群G1の負の屈折力を確保することが容易となる。
なお、後群G1bの最も縮小側のレンズ面は凹面であることが好ましい。このようにした場合は、第1レンズ群G1の最も縮小側のレンズ面で光線を跳ね上げることができ、バックフォーカスを確保しながら非点収差を良好に補正することができる。
また、後群G1bの最も縮小側のレンズは負レンズであり、後群G1bの縮小側から2番目のレンズは正レンズであることが好ましい。このようにした場合は、非点収差の補正に効果的な構成となる。
この投写用ズームレンズは、合焦の際には、前群G1aは固定されており、後群G1bのみが光軸方向に移動する。図1の後群G1bの上の黒い実線の水平方向の両矢印は、後群G1bがフォーカス群であることを示す。このようにインナーフォーカス方式を採ることで、合焦の際にレンズ径が大きく重量の大きな拡大側のレンズを駆動させなくて良いため、駆動機構の負担を少なくすることができ、また、合焦の際のレンズ系全長を一定に保つことができる。
また、この投写用ズームレンズは、前群G1aを光軸方向に移動させることにより像面湾曲の補正が行われるように構成されている。図1の前群G1aの上に記入した白抜きの水平方向の両矢印は前群G1aが像面湾曲を補正する補正群であることを示す。さらに、この投写用ズームレンズは、下記条件式(1)を満足するように構成されている。
|fw/f1a|<0.2 (1)
ただし、
fw:広角端での全系の焦点距離
f1a:前群の焦点距離
前群G1aの移動により像面湾曲を補正できるため、簡易な方法で像面湾曲の補正を行うことができ、発明が解決しようとする課題の項で述べたような像面湾曲の変動が生じた場合に有効である。なお、像面湾曲を補正するための前群G1aの移動は、連続的なものに限定されず、段階的なものでもよい。例えば、組立調整の際に前群G1aとその縮小側または拡大側の構成部品との間に調整用の板を挟むことにより前群G1aの移動を行うようにしてもよい。
前群G1aの上記機能に加え、条件式(1)の上限以上とならないように前群G1aの屈折力を抑えることで、前群G1aを光軸方向に移動させてもバックフォーカスをほとんど変化させずに像面湾曲を補正することができ、補正群として前群G1aが好適なものとなる。仮に、像面湾曲を補正するために前群G1aを光軸方向に移動させた際に無視できないほどバックフォーカスが変化してしまうと、他の箇所でさらにバックフォーカスを調整する必要が生じ、調整作業が非常に複雑なものとなってしまう。
条件式(1)に関する上記効果を高めるためには、下記条件式(1−1)を満足することが好ましい。
|fw/f1a|<0.15 (1−1)
図1の構成例における像面湾曲の変動とその補正の例を図2(A)〜図2(C)に像面湾曲の収差図として示す。図2(A)〜図2(C)に示す収差図はいずれも、縦軸が半画角ωであり、横軸が収差量であり、サジタル方向、タンジェンシャル方向のd線(波長587.6nm)に関する収差をそれぞれ実線、短破線で示している。
図2(A)は、フランジバック誤差や製造誤差等の誤差が無い場合のものである。図2(B)は、0.05のフランジバック誤差が長さが増加する方向にある場合に、フォーカス群である後群G1bを移動させて調整を行った後のものである。図2(B)を図2(A)と比較すると、像面湾曲が変動しており、特に高画角領域で顕著に変動していることがわかる。図2(C)は、図2(B)の状態から補正群である前群G1aを縮小側に0.14移動させて像面湾曲を補正した後のものである。図2(C)は図2(A)とほぼ同様であり、変動した像面湾曲を前群G1aの移動によって良好に補正できたことがわかる。
なお、図2(A)〜図2(C)に示す収差図は、広角端で投写距離を2000としたものである。変倍状態のみ異なり望遠端とし、その他は上述の図2(A)〜図2(C)と同様のものを同様に図3(A)〜図3(C)に示す。図2(A)〜図2(C)および図3(A)〜図3(C)から、広角端および望遠端の両方において像面湾曲が良好に補正されていることがわかる。なお、上述したフランジバック誤差の数値および前群G1aの移動量の数値は、後述の実施例1のレンズデータに基づくものである。
なお、前群G1aは、正の屈折力を有するレンズ群で構成してもよく、負の屈折力を有するレンズ群で構成してもよい。前群G1aを負レンズ群とした場合は、第1レンズ群G1を構成する2つのレンズ群がともに負レンズ群となり、広角化と長いバックフォーカスの確保に有利となる。
前群G1aは負レンズと正レンズが接合された接合レンズを含み、この接合レンズを構成する負レンズのd線に関する屈折率がこの接合レンズを構成する正レンズのd線に関する屈折率より0.1以上大きく、下記条件式(3)および(4)を満足することが好ましい。
Ndn<−0.01×νdn+2.1 (3)
Ndp<−0.01×νdp+2.1 (4)
ただし、
Ndn:前群の接合レンズを構成する負レンズのd線に関する屈折率
νdn:前群の接合レンズを構成する負レンズのd線基準のアッベ数
Ndp:前群の接合レンズを構成する正レンズのd線に関する屈折率
νdp:前群の接合レンズを構成する正レンズのd線基準のアッベ数
なお、上記接合レンズが複数の負レンズを有する場合は、上記好ましい構成を有する負レンズが少なくとも1枚あればよく、上記接合レンズが複数の正レンズを有する場合は、上記好ましい構成を有する正レンズが少なくとも1枚あればよい。また、前群G1aが複数の接合レンズを有する場合は、上記好ましい構成を有する接合レンズが少なくとも1組あればよい。
前群G1aに含まれる接合レンズを構成する負レンズの屈折率を正レンズの屈折率をより0.1以上大きくすることで、像面湾曲や非点収差を良好に補正することができる。また、条件式(3)および(4)を満足するように前群G1aの接合レンズの材質を選択することで、像面湾曲や倍率色収差を良好に補正することができる。条件式(3)および(4)を満足する接合レンズは、例えば、縮小側に凹面を向けた負メニスカスレンズと両凸レンズを拡大側からこの順に接合したもので構成することができる。
前群G1aは具体的には例えば、拡大側から順に、拡大側に凸面を向けた正レンズと、縮小側に凹面を向けた3枚の負レンズと、負レンズおよび正レンズが接合された接合レンズとから構成することができる。あるいは、前群G1aは、拡大側から順に、拡大側に凸面を向けた正レンズと、縮小側に凹面を向けた3枚の負レンズと、負レンズおよび正レンズが接合された接合レンズと、負メニスカスレンズと、正メニスカスレンズとから構成することができる。
この投写用ズームレンズは、下記条件式(2)を満足することが好ましい。
1.5<h1a/h1b (2)
ただし、
h1a:縮小側瞳位置が無限遠の場合の広角端での最大画角の主光線の前群における最大光線高さ
h1b:縮小側瞳位置が無限遠の場合の広角端での最大画角の主光線の後群における最大光線高さ
条件式(2)は、縮小側瞳位置が無限遠の場合の最大画角の主光線5cについて前群G1aにおける最大光線高さと後群G1bにおける最大光線高さの比をとり、この比の好適な範囲を設定したものである。図1にh1a、h1bを例示する。条件式(2)の下限以下とならないようにすることで、広角なレンズ系において、歪曲収差や像面湾曲を抑えることが容易となる。
条件式(2)に関する上記効果を高めるために、下記条件式(2−1)の下限以下とならないようにすることがより好ましい。また、条件式(2−1)の上限以上とならないようにすることで、最も拡大側のレンズの径を抑えることができ、レンズ系の大型化を抑制することができる。
2.0<h1a/h1b<4.0 (2−1)
また、この投写用ズームレンズは、下記条件式(5)を満足することが好ましい。
f1b/f1a<0.8 (5)
ただし、
f1a:前群の焦点距離
f1b:後群の焦点距離
条件式(5)の上限以上とならないようにすることで、後群G1bの屈折力を確保でき、合焦の際の後群G1bの移動量が大きくなり過ぎるのを抑えることができるため、投写距離が変化した際の性能の変動を少なくすることができ、良好な性能を維持することが容易になる。条件式(5)に関する上記効果を高めるために、下記条件式(5−1)の上限以上とならないようにすることがより好ましい。また、条件式(5−1)の下限以下とならないようにすることで、広角化と長いバックフォーカスの確保に有利となる。
0.0<f1b/f1a<0.6 (5−1)
また、この投写用ズームレンズは、下記条件式(6)を満足することが好ましい。
2.5<Bf/fw (6)
ただし、
Bf:最も縮小側のレンズ面から縮小側共役面までの光軸上の空気換算距離
fw:広角端での全系の焦点距離
条件式(6)のBfは空気換算距離でのバックフォーカスであり、条件式(6)は、いわゆるバックフォーカス比Bf/fwの好適な範囲に関する式である。条件式(6)の下限以下とならないようにすることで、適切な長さのバックフォーカスを確保することができる。条件式(6)に関する上記効果を高めるために、下記条件式(6−1)の下限以下とならないようにすることがより好ましい。また、条件式(6−1)の上限以上とならないようにすることで、レンズ系全長を抑えることができ、レンズ系の大型化を抑制することができる。
3.5<Bf/fw<10.0 (6−1)
また、この投写用ズームレンズは、図1に示すように、縮小側が良好なテレセントリック性を有するものであることが好ましい。縮小側が良好なテレセントリック性を有するとは、縮小側共役面の任意の点に集光する光束の断面において各光束の上側の最大光線と下側の最大光線との二等分角線を考え、光軸Zに対するこの二等分角線の傾きが−3°〜+3°の範囲内の場合のことを意味する。縮小側が良好なテレセントリック性を有するレンズ系とすることで、レンズ系とライトバルブの間に入射角依存性を有するプリズム等の光学部材を配置した場合でも、入射角依存性に起因する性能劣化を防止することができる。
また、この投写用ズームレンズの最も縮小側に配置される最終レンズ群Geは、変倍の際に固定されており、正の屈折力を有するレンズ群であることが好ましい。第1レンズ群G1を負レンズ群、最終レンズ群Geを正レンズ群とすることにより、広角化と長いバックフォーカスの実現に有利となる。さらに、最終レンズ群Geを変倍の際に固定されている固定群とすることで、変倍しても縮小側のテレセントリック性を維持することが容易となる。
図1に示す例は、拡大側から順に、第1レンズ群G1と、変倍の際に相互間隔を変化させて移動する3つの移動レンズ群と、変倍の際に固定されている正の屈折力を有する最終レンズ群Geとから実質的になる。しかし、本発明の投写用ズームレンズの全系を構成するレンズ群の数は図1に示す例に限定されない。本発明の投写用ズームレンズは、例えば、拡大側から順に、第1レンズ群と、変倍の際に相互間隔を変化させて移動する4つの移動レンズ群と、変倍の際に固定されている正の屈折力を有する最終レンズ群とから実質的になるように構成することも可能である。
また、本発明の目的とする投写用ズームレンズとしては、ズーム全域において歪曲収差が−2%〜+2%の範囲内に抑えられていることが好ましい。また、本発明の目的とする投写用ズームレンズとしては、ズーム全域においてFナンバーが3.0より小さいことが好ましい。
なお、上述した好ましい構成は、任意の組合せが可能であり、投写用ズームレンズに要望される事項に応じて適宜選択的に採用されることが好ましい。好ましい構成を適宜採用することで、より良好な光学性能やより高い仕様に対応可能な光学系を実現することができる。本発明の実施形態にかかる投写用ズームレンズは、広角で、長いバックフォーカスを有するレンズ系に適用可能である。なお、ここでいう広角のレンズ系とは、投写距離が無限遠の場合の広角端での最大全画角が75°以上のレンズ系のことである。
次に、本発明の投写用ズームレンズの具体的な実施例について説明する。なお、以下に示す実施例の数値データは全て、投写距離を無限遠とした場合の広角端における全系の焦点距離が10.0となるように規格化されたものである。
[実施例1]
実施例1の投写用ズームレンズの断面図を図4に示す。図4では、左側を拡大側、右側を縮小側としている。実施例1の投写用ズームレンズは、広角端から望遠端への変倍の際に隣り合うレンズ群の間隔が変化する第1レンズ群G1〜第4レンズ群G4、最終レンズ群Geの5つのレンズ群からなる。変倍の際には第2レンズ群G2〜第4レンズ群G4のみが移動し、第1レンズ群G1と最終レンズ群Geは固定されている。図4に示す各種矢印は図1に示すものと同義である。
第1レンズ群G1は、拡大側から順に、負の屈折力を有する前群G1aと、負の屈折力を有する後群G1bとからなる。合焦の際には後群G1bのみが移動する。前群G1aを光軸方向に移動させることにより像面湾曲の補正が行われるように構成されている。前群G1aは、拡大側から順に、拡大側に凸面を向けた正のレンズL11と、縮小側に凹面を向けた3枚の負のレンズL12〜L14と、縮小側に凹面を向けた負メニスカス形状のレンズL15と、両凸形状のレンズL16とからなる。レンズL15とレンズL16は接合されて全体として正の屈折力を有する接合レンズを構成している。後群G1bは、拡大側から順に、縮小側に凹面を向けた負メニスカス形状のレンズL17と、縮小側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズL18と、両凹形状のレンズL19とからなる。後群G1bを構成するレンズは全て単レンズである。
第2レンズ群G2は、拡大側から順に、負のレンズL21および正のレンズL22が接合された接合レンズと、正レンズL23とからなる。第3レンズ群G3は、拡大側に凸面を向けた正のレンズL31のみからなる。第4レンズ群G4は、拡大側から順に、レンズL41〜L45の5枚のレンズからなる。最終レンズ群Geは、両凸形状のレンズL51のみからなる。
実施例1の投写用ズームレンズの基本レンズデータを表1に、諸元と可変面間隔の値を表2に示す。表1のSiの欄には最も拡大側の構成要素の拡大側の面を1番目として縮小側に向かうに従い順次増加するように構成要素の面に面番号を付した場合のi番目(i=1、2、3、…)の面番号を示し、Riの欄にはi番目の面の曲率半径を示し、Diの欄にはi番目の面とi+1番目の面との光軸Z上の面間隔を示す。なお、曲率半径の符号は、拡大側に凸面を向けた面形状のものを正とし、縮小側に凸面を向けた面形状のものを負としている。Diの最下欄の値は光学部材2と画像表示面1との間隔である。
表1のNdjの欄には最も拡大側の構成要素を1番目として縮小側に向かうに従い順次増加するj番目(j=1、2、3、…)の構成要素のd線(波長587.6nm)に関する屈折率を示し、νdjの欄にはj番目の構成要素のd線基準のアッベ数を示す。なお、表1には光学部材2も含めて示している。また、表1では変倍の際に変化する可変面間隔については、DD[ ]という記号を用い、[ ]の中にこの間隔の拡大側の面番号を付してDiの欄に記入している。
表2に、ズーム比Zr、全系の焦点距離f、最も縮小側のレンズ面から縮小側共役面までの光軸上の空気換算距離Bf、FナンバーFNo.、最大全画角2ωと、可変面間隔の値をd線基準で示す。Bfは、すなわち、空気換算距離でのバックフォーカスである。2ωの欄の[°]は単位が度であることを意味する。表2では、広角端状態、第1中間焦点距離状態、第2中間焦点距離状態、望遠端状態の各値をそれぞれ広角端、中間1、中間2、望遠端と表記した欄に示している。表1のデータと表2の可変面間隔の値は投写距離が2000の場合のものであり、表2の可変面間隔以外の値は投写距離が無限遠の場合のものである。なお、以下に示す各表では所定の桁でまるめた数値を記載している。
図7に実施例1の投写用ズームレンズの各収差図を示す。図7では、最上段に広角端で投写距離を8000とした場合の収差図を示し、上から2段目に広角端で投写距離を2000とした場合の収差図を示し、上から3段目に望遠端で投写距離を8000とした場合の収差図を示し、最下段に望遠端で投写距離を2000とした場合の収差図を示す。また、各収差図は、左から順に、球面収差、非点収差、歪曲収差(ディストーション)、倍率色収差(倍率の色収差)を示す。球面収差図では、d線(波長587.6nm)、C線(波長656.3nm)、F線(波長486.1nm)に関する収差をそれぞれ黒の実線、長破線、短破線で示す。非点収差図では、サジタル方向、タンジェンシャル方向のd線に関する収差をそれぞれ実線、短破線で示しており、線種の説明にそれぞれ(S)、(T)という記号を記入している。歪曲収差図では、d線に関する収差を実線で示す。倍率色収差図では、C線、F線に関する収差をそれぞれ長破線、短破線で示す。球面収差図のFNo.はFナンバーを意味し、その他の収差図のωは半画角を意味する。
上記の実施例1の説明で述べた各データの記号、意味、記載方法は、特に断りがない限り以下の実施例のものについても同様であるため、以下では重複説明を省略する。
[実施例2]
実施例2の投写用ズームレンズの断面図を図5に示す。実施例2の投写用ズームレンズは、広角端から望遠端への変倍の際に隣り合うレンズ群の間隔が変化する第1レンズ群G1〜第4レンズ群G4、最終レンズ群Geの5つのレンズ群からなる。変倍の際には第2レンズ群G2〜第4レンズ群G4のみが移動し、第1レンズ群G1と最終レンズ群Geは固定されている。
第1レンズ群G1は、拡大側から順に、負の屈折力を有する前群G1aと、負の屈折力を有する後群G1bとからなる。合焦の際には後群G1bのみが移動する。前群G1aを光軸方向に移動させることにより像面湾曲の補正が行われるように構成されている。前群G1aは、拡大側から順に、拡大側に凸面を向けた正のレンズL11と、縮小側に凹面を向けた3枚の負のレンズL12〜L14と、縮小側に凹面を向けた負メニスカス形状のレンズL15と、両凸形状のレンズL16と、縮小側に凹面を向けた負メニスカス形状のレンズL17と、縮小側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズL18とからなる。レンズL15とレンズL16は接合されている。後群G1bは、拡大側から順に、縮小側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズL19と、両凹形状のレンズL20とからなる。後群G1bを構成するレンズは全て単レンズである。
第2レンズ群G2は、拡大側から順に、負のレンズL21および正のレンズL22が接合された接合レンズと、正レンズL23からなる。第3レンズ群G3は、拡大側に凸面を向けた正のレンズL31のみからなる。第4レンズ群G4は、拡大側から順に、レンズL41〜L45の5枚のレンズからなる。最終レンズ群Geは、両凸形状のレンズL51のみからなる。実施例2の投写用ズームレンズの基本レンズデータを表3に、諸元と可変面間隔の値を表4に示す。実施例2の投写用ズームレンズの各収差図を図8に示す。
[実施例3]
実施例3の投写用ズームレンズの断面図を図6に示す。実施例3の投写用ズームレンズは、広角端から望遠端への変倍の際に隣り合うレンズ群の間隔が変化する第1レンズ群G1〜第5レンズ群G5、最終レンズ群Geの6つのレンズ群からなる。変倍の際には第2レンズ群G2〜第5レンズ群G5のみが移動し、第1レンズ群G1と最終レンズ群Geは固定されている。
第1レンズ群G1は、拡大側から順に、負の屈折力を有する前群G1aと、負の屈折力を有する後群G1bとからなる。合焦の際には後群G1bのみが移動する。前群G1aを光軸方向に移動させることにより像面湾曲の補正が行われるように構成されている。前群G1aは、拡大側から順に、拡大側に凸面を向けた正のレンズL11と、縮小側に凹面を向けた3枚の負のレンズL12〜L14と、縮小側に凹面を向けた負メニスカス形状のレンズL15と、両凸形状のレンズL16と、縮小側に凹面を向けた負メニスカス形状のレンズL17と、縮小側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズL18とからなる。レンズL15とレンズL16は接合されている。後群G1bは、拡大側から順に、縮小側に凸面を向けた正メニスカス形状のレンズL19と、両凹形状のレンズL20とからなる。後群G1bを構成するレンズは全て単レンズである。
第2レンズ群G2は、拡大側から順に負のレンズL21および正のレンズL22が接合された接合レンズのみからなる。第3レンズ群G3は、拡大側に凸面を向けた正のレンズL31のみからなる。第4レンズ群G4は、両凸形状のレンズL41のみからなる。第5レンズ群G5は、拡大側から順に、レンズL51〜L55の5枚のレンズからなる。最終レンズ群Geは、両凸形状のレンズL61のみからなる。実施例3の投写用ズームレンズの基本レンズデータを表5に、諸元と可変面間隔の値を表6に示す。実施例3の投写用ズームレンズの各収差図を図9に示す。
表7の上段に実施例1〜3の条件式(1)〜(6)の対応値を示す。条件式(3)、(4)については、左辺と右辺両方の対応値を示す。表7の下段に実施例1〜3の条件式に関連する値を示す。表7に示す値はd線に関するものである。
以上のデータからわかるように、実施例1〜3の投写用ズームレンズは、前群G1aを光軸方向に移動させることにより像面湾曲の補正が行われるように構成されており、広角端での全画角が80°〜95°の範囲にあり広角化が達成され、バックフォーカス比が4〜5の範囲にあり十分な長さのバックフォーカスを有し、投写距離の変化による性能の変動も非常に少なく、諸収差が良好に補正されて高い光学性能を実現している。
次に、本発明の実施形態に係る投写型表示装置について説明する。図10は、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である。図10に示す投写型表示装置100は、本発明の実施形態に係る投写用ズームレンズ10と、光源15と、各色光に対応したライトバルブとしての透過型表示素子11a〜11cと、色分解のためのダイクロイックミラー12、13と、色合成のためのクロスダイクロイックプリズム14と、コンデンサレンズ16a〜16cと、光路を偏向するための全反射ミラー18a〜18cとを有する。なお、図10では、投写用ズームレンズ10は概略的に図示している。また、光源15とダイクロイックミラー12の間にはインテグレーターが配されているが、図10ではその図示を省略している。
光源15からの白色光は、ダイクロイックミラー12、13で3つの色光光束(G光、B光、R光)に分解された後、それぞれコンデンサレンズ16a〜16cを経て各色光光束にそれぞれ対応する透過型表示素子11a〜11cに入射して光変調され、クロスダイクロイックプリズム14により色合成された後、投写用ズームレンズ10に入射する。投写用ズームレンズ10は、透過型表示素子11a〜11cにより光変調された光による光学像をスクリーン105上に投写する。
図11は、本発明の別の実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。図11に示す投写型表示装置200は、本発明の実施形態に係る投写用ズームレンズ210と、光源215と、各色光に対応したライトバルブとしてのDMD素子21a〜21cと、色分解および色合成のためのTIR(Total Internal Reflection)プリズム24a〜24cと、照明光と投写光を分離する偏光分離プリズム25とを有する。なお、図11では投写用ズームレンズ210を概略的に図示している。また、光源215と偏光分離プリズム25の間にはインテグレーターが配されているが、図11ではその図示を省略している。
光源215からの白色光は、偏光分離プリズム25内部の反射面で反射された後、TIRプリズム24a〜24cにより3つの色光光束(G光、B光、R光)に分解される。分解後の各色光光束はそれぞれ対応するDMD素子21a〜21cに入射して光変調され、再びTIRプリズム24a〜24cを逆向きに進行して色合成された後、偏光分離プリズム25を透過して、投写用ズームレンズ210に入射する。投写用ズームレンズ210は、DMD素子21a〜21cにより光変調された光による光学像をスクリーン205上に投写する。
図12は、本発明のさらに別の実施形態に係る投写型表示装置の概略構成図である。図12に示す投写型表示装置300は、本発明の実施形態に係る投写用ズームレンズ310と、光源315と、各色光に対応したライトバルブとしての反射型表示素子31a〜31cと、色分離のためのダイクロイックミラー32、33と、色合成のためのクロスダイクロイックプリズム34と、光路偏向のための全反射ミラー38と、偏光分離プリズム35a〜35cとを有する。なお、図12では、投写用ズームレンズ310は概略的に図示している。また、光源315とダイクロイックミラー32の間にはインテグレーターが配されているが、図12ではその図示を省略している。
光源315からの白色光はダイクロイックミラー32、33により3つの色光光束(G光、B光、R光)に分解される。分解後の各色光光束はそれぞれ偏光分離プリズム35a〜35cを経て、各色光光束それぞれに対応する反射型表示素子31a〜31cに入射して光変調され、クロスダイクロイックプリズム34により色合成された後、投写用ズームレンズ310に入射する。投写用ズームレンズ310は、反射型表示素子31a〜31cにより光変調された光による光学像をスクリーン305上に投写する。
以上、実施形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明の投写用ズームレンズは、上記実施例のものに限られるものではなく種々の態様の変更が可能であり、例えば各レンズの曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数を適宜変更することが可能である。
なお、本発明の投写用ズームレンズは、前群が常に移動可能な状態のものに限定されず、本発明の要件を満足した投写用ズームレンズであれば、前群を移動させて像面湾曲を補正した後に前群を固定したものも本発明の技術範囲に含まれる。
また、本発明の投写型表示装置は、上記構成のものに限られるものではなく、例えば、用いられるライトバルブや、光束分離または光束合成に用いられる光学部材は、上記構成に限定されず、種々の態様の変更が可能である。
1 画像表示面
2 光学部材
4 軸上光束
5 最大画角の光束
5c 最大画角の主光線
10、210、310 投写用ズームレンズ
11a〜11c 透過型表示素子
12、13、32、33 ダイクロイックミラー
14、34 クロスダイクロイックプリズム
15、215、315 光源
16a〜16c コンデンサレンズ
18a〜18c、38 全反射ミラー
21a〜21c DMD素子
24a〜24c TIRプリズム
25、35a〜35c 偏光分離プリズム
31a〜31c 反射型表示素子
100、200、300 投写型表示装置
105、205、305 スクリーン
G1 第1レンズ群
G1a 前群
G1b 後群
G2 第2レンズ群
G3 第3レンズ群
G4 第4レンズ群
G5 第5レンズ群
Ge 最終レンズ群
L11〜L23、L31、L41〜L45、L51〜L55、L61 レンズ
Z 光軸

Claims (15)

  1. 最も拡大側に配置されて変倍の際に固定されている負の屈折力を有する第1レンズ群と、変倍の際に光軸方向の相互間隔を変化させて移動する少なくとも2つの移動レンズ群とを備え、
    前記第1レンズ群は、拡大側から順に、合焦の際に固定されている前群と、合焦の際に光軸方向に移動する負の屈折力を有する後群とから実質的になり、
    前記前群を光軸方向に移動させることにより像面湾曲の補正が行われ、
    下記条件式(1)を満足することを特徴とする投写用ズームレンズ。
    |fw/f1a|<0.2 (1)
    ただし、
    fw:広角端での全系の焦点距離
    f1a:前記前群の焦点距離
  2. 下記条件式(2)を満足する請求項1記載の投写用ズームレンズ。
    1.5<h1a/h1b (2)
    ただし、
    h1a:縮小側瞳位置が無限遠の場合の広角端での最大画角の主光線の前記前群における最大光線高さ
    h1b:縮小側瞳位置が無限遠の場合の広角端での最大画角の主光線の前記後群における最大光線高さ
  3. 前記後群の最も縮小側のレンズ面が凹面である請求項1または2記載の投写用ズームレンズ。
  4. 最も縮小側に変倍の際に固定されている正の屈折力を有する最終レンズ群が配置されている請求項1から3のいずれか1項記載の投写用ズームレンズ。
  5. 前記後群の最も縮小側のレンズは負レンズであり、前記後群の縮小側から2番目のレンズは正レンズである請求項1から4のいずれか1項記載の投写用ズームレンズ。
  6. 前記前群は負レンズと正レンズが接合された接合レンズを含み、
    該接合レンズを構成する負レンズのd線に関する屈折率が該接合レンズを構成する正レンズのd線に関する屈折率より0.1以上大きく、
    下記条件式(3)および(4)を満足する請求項1から5のいずれか1項記載の投写用ズームレンズ。
    Ndn<−0.01×νdn+2.1 (3)
    Ndp<−0.01×νdp+2.1 (4)
    ただし、
    Ndn:前記接合レンズを構成する負レンズのd線に関する屈折率
    νdn:前記接合レンズを構成する負レンズのd線基準のアッベ数
    Ndp:前記接合レンズを構成する正レンズのd線に関する屈折率
    νdp:前記接合レンズを構成する正レンズのd線基準のアッベ数
  7. 下記条件式(5)を満足する請求項1から6のいずれか1項記載の投写用ズームレンズ。
    f1b/f1a<0.8 (5)
    ただし、
    f1b:前記後群の焦点距離
  8. 拡大側から順に、前記第1レンズ群と、3つの前記移動レンズ群と、変倍の際に固定されている正の屈折力を有する最終レンズ群とから実質的になる請求項1から7のいずれか1項記載の投写用ズームレンズ。
  9. 拡大側から順に、前記第1レンズ群と、4つの前記移動レンズ群と、変倍の際に固定されている正の屈折力を有する最終レンズ群とから実質的になる請求項1から7のいずれか1項記載の投写用ズームレンズ。
  10. 下記条件式(6)を満足する請求項1から9のいずれか1項記載の投写用ズームレンズ。
    2.5<Bf/fw (6)
    ただし、
    Bf:最も縮小側のレンズ面から縮小側共役面までの光軸上の空気換算距離
  11. 下記条件式(1−1)を満足する請求項1から10のいずれか1項記載の投写用ズームレンズ。
    |fw/f1a|<0.15 (1−1)
  12. 下記条件式(2−1)を満足する請求項1から11のいずれか1項記載の投写用ズームレンズ。
    2.0<h1a/h1b<4.0 (2−1)
    ただし、
    h1a:縮小側瞳位置が無限遠の場合の広角端での最大画角の主光線の前記前群における最大光線高さ
    h1b:縮小側瞳位置が無限遠の場合の広角端での最大画角の主光線の前記後群における最大光線高さ
  13. 下記条件式(5−1)を満足する請求項1から12のいずれか1項記載の投写用ズームレンズ。
    0.0<f1b/f1a<0.6 (5−1)
    ただし、
    f1b:前記後群の焦点距離
  14. 下記条件式(6−1)を満足する請求項1から13のいずれか1項記載の投写用ズームレンズ。
    3.5<Bf/fw<10.0 (6−1)
    ただし、
    Bf:最も縮小側のレンズ面から縮小側共役面までの光軸上の空気換算距離
  15. 光源と、該光源からの光が入射するライトバルブと、該ライトバルブにより光変調された光による光学像をスクリーン上に投写する投写用ズームレンズとしての請求項1から14のいずれか1項記載の投写用ズームレンズとを備えたことを特徴とする投写型表示装置。
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