JP4206708B2 - 投影光学系 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は投影光学系に関するものであり、例えば２次元表示素子(液晶表示素子等)の表示画像をスクリーンに拡大投影するプロジェクター用の投影光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ビデオカメラ用のズームレンズでは、レンズ構成枚数４〜５枚程度のものが従来より知られている(特開平１−２１６３１０号公報等)。これに対し、プロジェクター用の投影光学系においては、ズーム化するのに１０枚前後のレンズ枚数が必要となる。このため、ズーム機能を持った投影光学系ではコストダウンや軽量・小型化が困難である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
少ないレンズ枚数で投影光学系をズーム化しようとすると、テレセントリック性を確保できなくなる。このため、コントラストが低下したり色ムラが発生したりすることになる。あるいは、Ｆナンバーが暗くなって十分な明るさを確保することが困難になる。
【０００４】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、高い光学性能を保持しつつ少ないレンズ枚数でズーム構成された投影光学系を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の投影光学系は、拡大側から順に、負の第１群と、正の第２群と、第３群と、正の第４群と、でズーム構成された投影光学系であって、前記第２群が１枚の正レンズから成り、前記第３群が１枚の負レンズと１枚の正レンズとのレンズ２枚から成り、前記第４群が１枚の正レンズから成り、前記第１群と前記第３群とにそれぞれ１面以上の非球面を含み、少なくとも前記第２群と前記第３群が移動することで変倍を行い、さらに以下の条件式 (2) を満たすことを特徴とする。
-0.2 ＜ P3 ／ PW ＜ 0.05 … (2)
ただし、
P3 ：第３群のパワー、
PW ：ワイド端での全系のパワー、
である。
【０００６】
第２の発明の投影光学系は、上記第１の発明の構成において、さらに以下の条件式(4)を満たすことを特徴とする。
0.2 ＜ P4 ／ PW ＜ 0.6 … (4)
ただし、
P4 ：第４群のパワー、
PW：ワイド端での全系のパワー、
である。
【０００７】
第３の発明の投影光学系は、上記第１又は第２の発明の構成において、前記第４群が固定群であることを特徴とする。
第４の発明の投影光学系は、上記第１，第２又は第３の発明の構成において、テレ端からワイド端へのズーミングにおいて、第１群〜第３群が縮小側へ移動することを特徴とする。
【０００８】
第５の発明の投影光学系は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明の構成において、さらに以下の条件式 (1) を満たすことを特徴とする。
-0.75 ＜ P1 ／ PW ＜ -0.35 … (1)
ただし、
P1 ：第１群のパワー、
PW ：ワイド端での全系のパワー、
である。
第６の発明の投影光学系は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明の構成において、縮小側がテレセントリックであることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施した投影光学系を、図面を参照しつつ説明する。図１〜図３は、第１〜第３の実施の形態の投影光学系にそれぞれ対応するレンズ構成図であり、テレ端(T)でのレンズ配置を光学断面で示している。また図４〜図６は、第１〜第３の実施の形態の投影光学系にそれぞれ対応する光路図であり、テレ端(T)，ミドル(M)及びワイド端(W)での光路及び光学構成をそれぞれ示している。
【００１０】
図１〜図３中、矢印mj(j=1,2,3)，矢印msはテレ端(T)からワイド端(W)へのズーミングにおける第ｊ群(Grj)，絞り(ST)の光軸(AX)に沿った移動をそれぞれ模式的に示している。また図１〜図３中、ri(i=1,2,3,...)が付された面は拡大側(つまりスクリーン側)から数えてi番目の面(riに*印が付された面は非球面)であり、diが付された軸上面間隔は、拡大側から数えてi番目の軸上面間隔di(i=1,2,3,...)のうち、ズーミングにおいて変化する可変間隔である。
【００１１】
各投影光学系の実施の形態は、拡大側から順に、負のパワーを有する第１群(Gr1)と、正のパワーを有する第２群(Gr2)と、負のパワーを有する第３群(Gr3)と、正のパワーを有する第４群(Gr4)とから成る、縮小側(つまり表示素子側)にテレセントリックなズームレンズである(パワー：焦点距離の逆数で定義される量)。第２群(Gr2)と第３群(Gr3)との間には絞り(ST)が配置されており、第４群(Gr4)の縮小側にはプリズム(PR)が配置されている。プリズム(PR)は色合成プリズムや光路分離プリズムに相当し、色合成プリズムは具体的にはクロスダイクロイックプリズム等を指し、光路分離プリズムは具体的にはＰＢＳ(Polarizing Beam Splitter)プリズムやＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズム等を指す。
【００１２】
各実施の形態において、第１群(Gr1)，第２群(Gr2)，第３群(Gr3)及び絞り(ST)はズーミングにおいて移動し、第４群(Gr4)はプリズム(PR)と共にズーム位置固定である。テレ端(T)からワイド端(W)へのズーミングにおいて、第１群(Gr1)〜第３群(Gr3)は縮小側へ移動し、絞り(ST)も基本的には縮小側へ移動する。ただし、絞り(ST)はミドル(M)からワイド端(W)にかけて移動量の減少が目立ち、なかでも第３の実施の形態(図３，図６)ではミドル(M)からワイド端(W)にかけてほとんど移動しない。
【００１３】
第１の実施の形態(図１，図４)において、各群(Gr1〜Gr4)は拡大側から順に以下のように構成されている。第１群(Gr1)は、縮小側に凹の負メニスカスレンズ２枚(縮小側のレンズが両面非球面)から成っている。第２群(Gr2)は、拡大側に凸の正メニスカスレンズ(両面非球面)１枚から成っている。第３群(Gr3)は、拡大側に凹の負メニスカスレンズ(両面非球面)と両凸の正レンズとのレンズ２枚から成っている。第４群(Gr4)は、両凸の正レンズ１枚から成っている。
【００１４】
第２の実施の形態(図２，図５)において、各群(Gr1〜Gr4)は拡大側から順に以下のように構成されている。第１群(Gr1)は、縮小側に凹の負メニスカスレンズ(両面非球面)１枚から成っている。第２群(Gr2)は、拡大側に凸の正メニスカスレンズ１枚から成っている。第３群(Gr3)は、両凹の負レンズ(両面非球面)と両凸の正レンズとのレンズ２枚から成っている。第４群(Gr4)は、両凸の正レンズ１枚から成っている。
【００１５】
第３の実施の形態(図３，図６)において、各群(Gr1〜Gr4)は拡大側から順に以下のように構成されている。第１群(Gr1)は、縮小側に凹の負メニスカスレンズ(両面非球面)１枚から成っている。第２群(Gr2)は、両凸の正レンズ１枚から成っている。第３群(Gr3)は、両凹の負レンズと両凸の正レンズ(両面非球面)とのレンズ２枚から成っている。第４群(Gr4)は、両凸の正レンズ１枚から成っている。
【００１６】
各実施の形態では投影光学系によって縮小側(共役長の短い側)の表示素子面(IM)から拡大側(共役長の長い側)のスクリーン面への拡大投影が行われるが、表示素子(例えばＬＣＤ：Liquid Crystal Display)の代わりに画像入力用の撮像素子(例えばＣＣＤ：Charge Coupled Device)を用い、投影光学系を撮像光学系として使用すれば、拡大側の被写体から縮小側の撮像素子への縮小投影を行う画像入力装置(例えばデジタルカメラ，ビデオカメラ，デジタルビデオユニット等)を構成することができる。その場合、表示素子面(IM)を撮像素子(例えばＣＣＤ)の受光面とし、スクリーン面を読み取り画像面(被写体)とすればよい。つまり、各実施の形態の投影光学系は、投影光学系(拡大系)としての使用に限らず、撮像光学系(縮小系)としても好適に使用することが可能である。
【００１７】
各実施の形態で採用しているズーム光学系の構成は、縮小側テレセントリック性の確保等による高い光学性能を保持しつつ、少ないレンズ枚数で投影光学系をズーム化することを可能にする。つまりズーム機能を持った投影光学系は、拡大側から順に、負の第１群(Gr1)と、正の第２群(Gr2)と、第３群(Gr3)と、正の第４群(Gr4)と、でズーム構成され、第２群(Gr2)が１枚の正レンズから成り、第３群(Gr3)が１枚の負レンズと１枚の正レンズとのレンズ２枚から成り、第４群(Gr4)が１枚の正レンズから成り、第１群(Gr1)と第３群(Gr3)とにそれぞれ１面以上の非球面を含み、少なくとも第２群(Gr2)と第３群(Gr3)が移動することで変倍を行うタイプのズーム光学系であることが望ましい。
【００１８】
第１群(Gr1)を負パワーの群とすることで、第１群(Gr1)以降の群に入射する軸外光の角度を小さくすることができる。その結果、第２群(Gr2)以降で発生する収差が少なくなるため、レンズ枚数の削減が可能となる。また、第４群(Gr4)を正パワーの群とすることで、縮小側へのテレセントリック性の確保が容易になる。さらに、軸外性能の補正に効果のある第１群(Gr1)と、軸上性能の補正に効果のある第３群(Gr3)と、に非球面を配置することで、像面全体での性能の向上が可能となり、それによってレンズ枚数の削減が可能となる。
【００１９】
図４〜図６の光路図から分かるように、いずれの投影光学系においても縮小側へのテレセントリック性が各焦点距離状態(T,M,W)で確保されている。このように、投影光学系は縮小側がテレセントリックであることが望ましい。テレセントリックにすることで色合成プリズムや光路分離プリズムに入射する角度が像高により一定となるため、分光反射率が画面内で変化せず、色ムラを低減することができる。
【００２０】
第１の実施の形態(図１)における第９面(r9)、第２の実施の形態(図２)における第７面(r7)、並びに第３の実施の形態(図３)における第８面(r8)及び第９面(r9)は、負のパワーを強める方向の非球面になっている。このように、負のパワーを強める方向の非球面が第３群(Gr3)に少なくとも１面配置されることが望ましい。これにより、第２群(Gr2)及び第３群(Gr3)内で発生する球面収差を補正することができ、光学系全体で球面収差の補正が容易になる。
【００２１】
各実施の形態のように、第３群(Gr3)が拡大側から順に負パワー・正パワーの２枚構成であることが望ましい。この構成をとることにより、負レンズと正レンズで第３群(Gr3)内の色収差補正が可能となる。また、ズームによる色収差の変動を抑えることができるとともに、負レンズを拡大側に配置することで色合成プリズムや光路分離プリズムを配置するのに十分な長さのレンズバックを確保することが可能となる。
【００２２】
各実施の形態のように、絞り(ST)が独立でズーム移動する構成にすることが望ましい。この構成によりテレセントリック性の確保が容易になるため、ズーム移動の自由度が増し、光学性能の向上が可能になる。また、第４群(Gr4)を１枚の正レンズから成る固定群とすることが望ましい。この構成によりレンズ枚数と移動群数が減るため、鏡胴構成が簡単になりコストの低減が可能となる。
【００２３】
次に、前述した各実施の形態のようなタイプの投影光学系において満たすことが望ましい条件式を説明する。ただし、以下に説明する全ての条件式を同時に満たす必要はなく、個々の条件式を光学構成に応じてそれぞれ単独に満足すれば、対応する作用・効果を達成することは可能である。もちろん、複数の条件式を満足する方が、光学性能，小型化，組立等の観点からより望ましいことはいうまでもない。
【００２４】
以下の条件式(1)を満たすことが望ましい。
-0.75＜P1／PW＜-0.35 …(1)
ただし、
P1：第１群(Gr1)のパワー、
PW：ワイド端(W)での全系のパワー、
である。
【００２５】
条件式(1)の下限を下回ると、第１群(Gr1)の負のパワーが過大となり、第１群(Gr1)で発生する像面湾曲を補正するためにレンズ枚数が増えてコストが増大したり、他の群の正のパワーを大きくする必要があるために発生する収差の補正が困難になったりする。逆に条件式(1)の上限を超えると、第１群(Gr1)の負のパワーが弱くなるため、第２群(Gr2)以降への軸外光の入射角度が大きくなりすぎて第２群(Gr2)以降のレンズ枚数が増大するとともに、第１群(Gr1)のレンズ径が大きくなりすぎてコストが上昇する。
【００２６】
以下の条件式(1a)を満たすことが更に望ましい。
-0.60＜P1／PW＜-0.45 …(1a)
【００２７】
条件式(1a)は、前記条件式(1)のなかでも更に好ましい条件範囲を規定している。条件式(1a)の下限を下回ると、第１群(Gr1)内に強いパワーの負の面が必要となり、レンズの製造コストが上昇する。逆に条件式(1a)の上限を超えると、第１群(Gr1)の移動量が大きくなりすぎて全長が長くなるためコストが増大する。
【００２８】
以下の条件式(2)を満たすことが望ましい。
-0.2＜P3／PW＜0.05 …(2)
ただし、
P3：第３群(Gr3)のパワー、
PW：ワイド端(W)での全系のパワー、
である。
【００２９】
条件式(2)の下限を下回ると、第２群(Gr2)の正のパワーが増大し、第２群(Gr2)がレンズ１枚では収差補正が困難となってコストアップになる。逆に条件式(2)の上限を超えると、レンズバックが短くなりすぎて色合成プリズムや光路分離プリズムを配置することが困難になる。
【００３０】
以下の条件式(2a)を満たすことが更に望ましい。
-0.15＜P3／PW＜0.00 …(2a)
【００３１】
条件式(2a)は、前記条件式(2)のなかでも更に好ましい条件範囲を規定している。条件式(2a)の下限を下回ると、第３群(Gr3)内での負レンズのパワーが過大となり、群内で色収差補正を十分に行うことが困難になる。逆に条件式(2a)の上限を超えると、絞り(ST)周辺の正パワーが過大となり、球面収差補正を十分に行うことが困難になる。
【００３２】
以下の条件式(3)を満たすことが望ましい。
1.0＜PW×LB＜2.0 …(3)
ただし、
PW：ワイド端(W)での全系のパワー、
LB：第４群(Gr4)以降の空気換算のレンズバック、
である。
【００３３】
条件式(3)は、最終レンズ面から像面(IM)までの間にプリズム(PR)を配置するためのレンズバック(LB)を規定している。条件式(3)の上限を超えると、レンズバックが長くなりすぎて光学系全長が大きくなり、レンズ径も大きくなってコストが上昇する。逆に条件式(3)の下限を下回ると、色合成プリズムや光路分離プリズムを配置することが困難になる。
【００３４】
以下の条件式(4)を満たすことが望ましい。
0.2＜P4／PW＜0.6 …(4)
ただし、
P4：第４群(Gr4)のパワー、
PW：ワイド端(W)での全系のパワー、
である。
【００３５】
条件式(4)の下限を下回ると、第４群(Gr4)の正パワーが弱すぎてテレセントリックを維持するために光学系の全長が長くなりすぎてしまい、コストアップとなる。逆に条件式(4)の上限を超えると、第４群(Gr4)の正パワーが強すぎてレンズバックが短くなりすぎてしまい、色合成プリズムや光路分離プリズムを配置することが困難になる。
【００３６】
なお各実施の形態には、入射光線を屈折により偏向させる屈折型レンズ(つまり、異なる屈折率を有する媒質同士の界面で偏向が行われるタイプのレンズ)のみが用いられているが、これに限らない。例えば、回折により入射光線を偏向させる回折型レンズ，回折作用と屈折作用との組み合わせで入射光線を偏向させる屈折・回折ハイブリッド型レンズ，入射光線を媒質内の屈折率分布により偏向させる屈折率分布型レンズ等を用いてもよい。また、光学的なパワーを有しない面(例えば、反射面，屈折面，回折面)を光路中に配置することにより、投影光学系の前，後又は途中で光路を折り曲げてもよい。折り曲げ位置は必要に応じて設定すればよく、光路の適正な折り曲げにより、投影装置のコンパクト化・薄型化を達成することが可能である。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明に係る投影光学系をコンストラクションデータ等により更に具体的に説明する。なお、ここで例として挙げる実施例１〜３は、前述した第１〜第３の実施の形態にそれぞれ対応しており、第１〜第３の実施の形態を表すレンズ構成図(図１〜図３)や光路図(図４〜図６)は、対応する実施例１〜３のレンズ構成や光路をそれぞれ示している。
【００３８】
各実施例のコンストラクションデータにおいて、ri(i=1,2,3,...)は拡大側から数えてi番目の面の曲率半径(mm)、di(i=1,2,3,...)は拡大側から数えてi番目の軸上面間隔(mm)を示しており、Ni(i=1,2,3,...),νi(i=1,2,3,...)は拡大側から数えてi番目の光学要素のｄ線に対する屈折率(Ｎd),アッベ数(νd)を示している。曲率半径riに*印が付された面は、非球面(非球面形状の屈折光学面、非球面と等価な屈折作用を有する面等)であり、非球面の面形状を表わす以下の式(AS)で定義される。また、コンストラクションデータ中、ズーミングにおいて変化する軸上面間隔は、テレ端(長焦点距離端,T)〜ミドル(中間焦点距離状態,M)〜ワイド端(短焦点距離端,W)での可変空気間隔である。各焦点距離状態(T),(M),(W)での全系の焦点距離(f,mm)及びＦナンバー(FNO)、並びに非球面データ(ただしAi=0の場合は省略する。)を他のデータとあわせて示し、また各条件式の対応データ及び関連データを表１に示す。
【００３９】
X(H)＝(C・H2)／{1+√(1-ε・C2・H2)}＋(A4・H4+A6・H6+A8・H8+A10・H10+A12・H12) …(AS)
ただし、式(AS)中、
X(H)：高さHの位置での光軸(AX)方向の変位量(面頂点基準)、
H：光軸(AX)に対して垂直な方向の高さ、
C：近軸曲率(=1／曲率半径)、
ε：２次曲面パラメータ、
Ai：i次の非球面係数、
である。
【００４０】
図７〜図９は実施例１〜実施例３にそれぞれ対応する収差図であり、(T)はテレ端，(M)はミドル，(W)はワイド端における無限遠物体に対する縮小側での諸収差{左から順に、球面収差等，非点収差，歪曲収差である。Y':最大像高(mm)}を示している。球面収差図において、実線(d)はｄ線、一点鎖線(g)はｇ線、二点鎖線(c)はｃ線に対する各球面収差量(mm)を表しており、破線(SC)は正弦条件の不満足量(mm)を表している。非点収差図において、破線(DM)はメリディオナル面でのｄ線に対する非点収差(mm)を表しており、実線(DS)はサジタル面でのｄ線に対する非点収差(mm)を表わしている。また、歪曲収差図において実線はｄ線に対する歪曲(％)を表している。
【００４１】
なお、各実施例の投影光学系を投影装置(例えば液晶プロジェクター)に用いる場合には、本来はスクリーン面(被投影面)が像面であり表示素子面(例えば液晶パネル面)が物体面であるが、各実施例では光学設計上それぞれ縮小系とし、スクリーン面を物体面とみなして表示素子面(IM)で光学性能を評価している。そして、得られた光学性能から分かるように、各実施例のズーム光学系は投影光学系としてだけでなく、撮像装置(例えばビデオカメラ，デジタルカメラ，デジタルビデオユニット)用の撮像光学系としても好適に使用可能である。
【００４２】
【００４３】
[第３面(r3)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4= 0.23481×10-4,A6=-0.18545×10-6,A8= 0.59013×10-9,A10=-0.10907×10-11,A12= 0.81908×10-15
[第４面(r4)の非球面データ]
ε=-0.21856,A4= 0.53067×10-4,A6=-0.31344×10-6,A8= 0.11295×10-8,A10=-0.28848×10-11,A12= 0.29444×10-14
[第５面(r5)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4= 0.51073×10-5,A6= 0.79695×10-8,A8= 0.54574×10-10,A10=-0.69035×10-12,A12= 0.26379×10-14
[第６面(r6)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4= 0.67836×10-5,A6= 0.90737×10-8,A8=-0.72302×10-10,A10= 0.15825×10-12,A12= 0.54839×10-15
[第８面(r8)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4= 0.75052×10-4,A6=-0.88534×10-6,A8= 0.56483×10-8,A10=-0.32187×10-10,A12= 0.10564×10-12
[第９面(r9)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4= 0.86261×10-4,A6=-0.64225×10-6,A8= 0.35854×10-8,A10=-0.11891×10-10,A12= 0.18313×10-13
【００４４】
【００４５】
[第１面(r1)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4=-0.39890×10-5,A6= 0.17662×10-8,A8= 0.45155×10-11,A10=-0.60789×10-14
[第２面(r2)の非球面データ]
ε=-0.19682,A4= 0.23634×10-4,A6=-0.34395×10-7,A8= 0.14954×10-9,A10=-0.16803×10-12
[第６面(r6)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4=-0.46228×10-5,A6=-0.56029×10-7,A8=-0.36247×10-9,A10= 0.42287×10-11
[第７面(r7)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4= 0.22674×10-4,A6=-0.51422×10-7,A8= 0.16873×10-9,A10=-0.12866×10-12
【００４６】
【００４７】
[第１面(r1)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4=-0.11695×10-4,A6= 0.14330×10-7,A8=-0.10091×10-10,A10= 0.18290×10-14
[第２面(r2)の非球面データ]
ε=-0.10692,A4= 0.77079×10-5,A6=-0.31265×10-7,A8= 0.14211×10-9,A10=-0.17243×10-12
[第８面(r8)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4=-0.26077×10-4,A6= 0.72269×10-7,A8=-0.23146×10-9,A10= 0.39465×10-12
[第９面(r9)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4= 0.71496×10-5,A6= 0.15348×10-7,A8= 0.26241×10-10,A10=-0.61042×10-14
【００４８】
【表１】
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高い光学性能を保持しつつ少ないレンズ枚数でズーム構成された投影光学系を実現することができる。そして、これを画像投影装置に用いれば、当該装置の軽量・コンパクト化，高性能化及び低コスト化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態(実施例１)のレンズ構成図。
【図２】第２の実施の形態(実施例２)のレンズ構成図。
【図３】第３の実施の形態(実施例３)のレンズ構成図。
【図４】第１の実施の形態(実施例１)の光路図。
【図５】第２の実施の形態(実施例２)の光路図。
【図６】第３の実施の形態(実施例３)の光路図。
【図７】実施例１の収差図。
【図８】実施例２の収差図。
【図９】実施例３の収差図。
【符号の説明】
Gr1 …第１群
Gr2 …第２群
ST …絞り
Gr3 …第３群
Gr4 …第４群
PR …プリズム
IM …像面(表示素子面)
AX …光軸
【発明の属する技術分野】
本発明は投影光学系に関するものであり、例えば２次元表示素子(液晶表示素子等)の表示画像をスクリーンに拡大投影するプロジェクター用の投影光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ビデオカメラ用のズームレンズでは、レンズ構成枚数４〜５枚程度のものが従来より知られている(特開平１−２１６３１０号公報等)。これに対し、プロジェクター用の投影光学系においては、ズーム化するのに１０枚前後のレンズ枚数が必要となる。このため、ズーム機能を持った投影光学系ではコストダウンや軽量・小型化が困難である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
少ないレンズ枚数で投影光学系をズーム化しようとすると、テレセントリック性を確保できなくなる。このため、コントラストが低下したり色ムラが発生したりすることになる。あるいは、Ｆナンバーが暗くなって十分な明るさを確保することが困難になる。
【０００４】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、高い光学性能を保持しつつ少ないレンズ枚数でズーム構成された投影光学系を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の投影光学系は、拡大側から順に、負の第１群と、正の第２群と、第３群と、正の第４群と、でズーム構成された投影光学系であって、前記第２群が１枚の正レンズから成り、前記第３群が１枚の負レンズと１枚の正レンズとのレンズ２枚から成り、前記第４群が１枚の正レンズから成り、前記第１群と前記第３群とにそれぞれ１面以上の非球面を含み、少なくとも前記第２群と前記第３群が移動することで変倍を行い、さらに以下の条件式 (2) を満たすことを特徴とする。
-0.2 ＜ P3 ／ PW ＜ 0.05 … (2)
ただし、
P3 ：第３群のパワー、
PW ：ワイド端での全系のパワー、
である。
【０００６】
第２の発明の投影光学系は、上記第１の発明の構成において、さらに以下の条件式(4)を満たすことを特徴とする。
0.2 ＜ P4 ／ PW ＜ 0.6 … (4)
ただし、
P4 ：第４群のパワー、
PW：ワイド端での全系のパワー、
である。
【０００７】
第３の発明の投影光学系は、上記第１又は第２の発明の構成において、前記第４群が固定群であることを特徴とする。
第４の発明の投影光学系は、上記第１，第２又は第３の発明の構成において、テレ端からワイド端へのズーミングにおいて、第１群〜第３群が縮小側へ移動することを特徴とする。
【０００８】
第５の発明の投影光学系は、上記第１〜第４のいずれか１つの発明の構成において、さらに以下の条件式 (1) を満たすことを特徴とする。
-0.75 ＜ P1 ／ PW ＜ -0.35 … (1)
ただし、
P1 ：第１群のパワー、
PW ：ワイド端での全系のパワー、
である。
第６の発明の投影光学系は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明の構成において、縮小側がテレセントリックであることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施した投影光学系を、図面を参照しつつ説明する。図１〜図３は、第１〜第３の実施の形態の投影光学系にそれぞれ対応するレンズ構成図であり、テレ端(T)でのレンズ配置を光学断面で示している。また図４〜図６は、第１〜第３の実施の形態の投影光学系にそれぞれ対応する光路図であり、テレ端(T)，ミドル(M)及びワイド端(W)での光路及び光学構成をそれぞれ示している。
【００１０】
図１〜図３中、矢印mj(j=1,2,3)，矢印msはテレ端(T)からワイド端(W)へのズーミングにおける第ｊ群(Grj)，絞り(ST)の光軸(AX)に沿った移動をそれぞれ模式的に示している。また図１〜図３中、ri(i=1,2,3,...)が付された面は拡大側(つまりスクリーン側)から数えてi番目の面(riに*印が付された面は非球面)であり、diが付された軸上面間隔は、拡大側から数えてi番目の軸上面間隔di(i=1,2,3,...)のうち、ズーミングにおいて変化する可変間隔である。
【００１１】
各投影光学系の実施の形態は、拡大側から順に、負のパワーを有する第１群(Gr1)と、正のパワーを有する第２群(Gr2)と、負のパワーを有する第３群(Gr3)と、正のパワーを有する第４群(Gr4)とから成る、縮小側(つまり表示素子側)にテレセントリックなズームレンズである(パワー：焦点距離の逆数で定義される量)。第２群(Gr2)と第３群(Gr3)との間には絞り(ST)が配置されており、第４群(Gr4)の縮小側にはプリズム(PR)が配置されている。プリズム(PR)は色合成プリズムや光路分離プリズムに相当し、色合成プリズムは具体的にはクロスダイクロイックプリズム等を指し、光路分離プリズムは具体的にはＰＢＳ(Polarizing Beam Splitter)プリズムやＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズム等を指す。
【００１２】
各実施の形態において、第１群(Gr1)，第２群(Gr2)，第３群(Gr3)及び絞り(ST)はズーミングにおいて移動し、第４群(Gr4)はプリズム(PR)と共にズーム位置固定である。テレ端(T)からワイド端(W)へのズーミングにおいて、第１群(Gr1)〜第３群(Gr3)は縮小側へ移動し、絞り(ST)も基本的には縮小側へ移動する。ただし、絞り(ST)はミドル(M)からワイド端(W)にかけて移動量の減少が目立ち、なかでも第３の実施の形態(図３，図６)ではミドル(M)からワイド端(W)にかけてほとんど移動しない。
【００１３】
第１の実施の形態(図１，図４)において、各群(Gr1〜Gr4)は拡大側から順に以下のように構成されている。第１群(Gr1)は、縮小側に凹の負メニスカスレンズ２枚(縮小側のレンズが両面非球面)から成っている。第２群(Gr2)は、拡大側に凸の正メニスカスレンズ(両面非球面)１枚から成っている。第３群(Gr3)は、拡大側に凹の負メニスカスレンズ(両面非球面)と両凸の正レンズとのレンズ２枚から成っている。第４群(Gr4)は、両凸の正レンズ１枚から成っている。
【００１４】
第２の実施の形態(図２，図５)において、各群(Gr1〜Gr4)は拡大側から順に以下のように構成されている。第１群(Gr1)は、縮小側に凹の負メニスカスレンズ(両面非球面)１枚から成っている。第２群(Gr2)は、拡大側に凸の正メニスカスレンズ１枚から成っている。第３群(Gr3)は、両凹の負レンズ(両面非球面)と両凸の正レンズとのレンズ２枚から成っている。第４群(Gr4)は、両凸の正レンズ１枚から成っている。
【００１５】
第３の実施の形態(図３，図６)において、各群(Gr1〜Gr4)は拡大側から順に以下のように構成されている。第１群(Gr1)は、縮小側に凹の負メニスカスレンズ(両面非球面)１枚から成っている。第２群(Gr2)は、両凸の正レンズ１枚から成っている。第３群(Gr3)は、両凹の負レンズと両凸の正レンズ(両面非球面)とのレンズ２枚から成っている。第４群(Gr4)は、両凸の正レンズ１枚から成っている。
【００１６】
各実施の形態では投影光学系によって縮小側(共役長の短い側)の表示素子面(IM)から拡大側(共役長の長い側)のスクリーン面への拡大投影が行われるが、表示素子(例えばＬＣＤ：Liquid Crystal Display)の代わりに画像入力用の撮像素子(例えばＣＣＤ：Charge Coupled Device)を用い、投影光学系を撮像光学系として使用すれば、拡大側の被写体から縮小側の撮像素子への縮小投影を行う画像入力装置(例えばデジタルカメラ，ビデオカメラ，デジタルビデオユニット等)を構成することができる。その場合、表示素子面(IM)を撮像素子(例えばＣＣＤ)の受光面とし、スクリーン面を読み取り画像面(被写体)とすればよい。つまり、各実施の形態の投影光学系は、投影光学系(拡大系)としての使用に限らず、撮像光学系(縮小系)としても好適に使用することが可能である。
【００１７】
各実施の形態で採用しているズーム光学系の構成は、縮小側テレセントリック性の確保等による高い光学性能を保持しつつ、少ないレンズ枚数で投影光学系をズーム化することを可能にする。つまりズーム機能を持った投影光学系は、拡大側から順に、負の第１群(Gr1)と、正の第２群(Gr2)と、第３群(Gr3)と、正の第４群(Gr4)と、でズーム構成され、第２群(Gr2)が１枚の正レンズから成り、第３群(Gr3)が１枚の負レンズと１枚の正レンズとのレンズ２枚から成り、第４群(Gr4)が１枚の正レンズから成り、第１群(Gr1)と第３群(Gr3)とにそれぞれ１面以上の非球面を含み、少なくとも第２群(Gr2)と第３群(Gr3)が移動することで変倍を行うタイプのズーム光学系であることが望ましい。
【００１８】
第１群(Gr1)を負パワーの群とすることで、第１群(Gr1)以降の群に入射する軸外光の角度を小さくすることができる。その結果、第２群(Gr2)以降で発生する収差が少なくなるため、レンズ枚数の削減が可能となる。また、第４群(Gr4)を正パワーの群とすることで、縮小側へのテレセントリック性の確保が容易になる。さらに、軸外性能の補正に効果のある第１群(Gr1)と、軸上性能の補正に効果のある第３群(Gr3)と、に非球面を配置することで、像面全体での性能の向上が可能となり、それによってレンズ枚数の削減が可能となる。
【００１９】
図４〜図６の光路図から分かるように、いずれの投影光学系においても縮小側へのテレセントリック性が各焦点距離状態(T,M,W)で確保されている。このように、投影光学系は縮小側がテレセントリックであることが望ましい。テレセントリックにすることで色合成プリズムや光路分離プリズムに入射する角度が像高により一定となるため、分光反射率が画面内で変化せず、色ムラを低減することができる。
【００２０】
第１の実施の形態(図１)における第９面(r9)、第２の実施の形態(図２)における第７面(r7)、並びに第３の実施の形態(図３)における第８面(r8)及び第９面(r9)は、負のパワーを強める方向の非球面になっている。このように、負のパワーを強める方向の非球面が第３群(Gr3)に少なくとも１面配置されることが望ましい。これにより、第２群(Gr2)及び第３群(Gr3)内で発生する球面収差を補正することができ、光学系全体で球面収差の補正が容易になる。
【００２１】
各実施の形態のように、第３群(Gr3)が拡大側から順に負パワー・正パワーの２枚構成であることが望ましい。この構成をとることにより、負レンズと正レンズで第３群(Gr3)内の色収差補正が可能となる。また、ズームによる色収差の変動を抑えることができるとともに、負レンズを拡大側に配置することで色合成プリズムや光路分離プリズムを配置するのに十分な長さのレンズバックを確保することが可能となる。
【００２２】
各実施の形態のように、絞り(ST)が独立でズーム移動する構成にすることが望ましい。この構成によりテレセントリック性の確保が容易になるため、ズーム移動の自由度が増し、光学性能の向上が可能になる。また、第４群(Gr4)を１枚の正レンズから成る固定群とすることが望ましい。この構成によりレンズ枚数と移動群数が減るため、鏡胴構成が簡単になりコストの低減が可能となる。
【００２３】
次に、前述した各実施の形態のようなタイプの投影光学系において満たすことが望ましい条件式を説明する。ただし、以下に説明する全ての条件式を同時に満たす必要はなく、個々の条件式を光学構成に応じてそれぞれ単独に満足すれば、対応する作用・効果を達成することは可能である。もちろん、複数の条件式を満足する方が、光学性能，小型化，組立等の観点からより望ましいことはいうまでもない。
【００２４】
以下の条件式(1)を満たすことが望ましい。
-0.75＜P1／PW＜-0.35 …(1)
ただし、
P1：第１群(Gr1)のパワー、
PW：ワイド端(W)での全系のパワー、
である。
【００２５】
条件式(1)の下限を下回ると、第１群(Gr1)の負のパワーが過大となり、第１群(Gr1)で発生する像面湾曲を補正するためにレンズ枚数が増えてコストが増大したり、他の群の正のパワーを大きくする必要があるために発生する収差の補正が困難になったりする。逆に条件式(1)の上限を超えると、第１群(Gr1)の負のパワーが弱くなるため、第２群(Gr2)以降への軸外光の入射角度が大きくなりすぎて第２群(Gr2)以降のレンズ枚数が増大するとともに、第１群(Gr1)のレンズ径が大きくなりすぎてコストが上昇する。
【００２６】
以下の条件式(1a)を満たすことが更に望ましい。
-0.60＜P1／PW＜-0.45 …(1a)
【００２７】
条件式(1a)は、前記条件式(1)のなかでも更に好ましい条件範囲を規定している。条件式(1a)の下限を下回ると、第１群(Gr1)内に強いパワーの負の面が必要となり、レンズの製造コストが上昇する。逆に条件式(1a)の上限を超えると、第１群(Gr1)の移動量が大きくなりすぎて全長が長くなるためコストが増大する。
【００２８】
以下の条件式(2)を満たすことが望ましい。
-0.2＜P3／PW＜0.05 …(2)
ただし、
P3：第３群(Gr3)のパワー、
PW：ワイド端(W)での全系のパワー、
である。
【００２９】
条件式(2)の下限を下回ると、第２群(Gr2)の正のパワーが増大し、第２群(Gr2)がレンズ１枚では収差補正が困難となってコストアップになる。逆に条件式(2)の上限を超えると、レンズバックが短くなりすぎて色合成プリズムや光路分離プリズムを配置することが困難になる。
【００３０】
以下の条件式(2a)を満たすことが更に望ましい。
-0.15＜P3／PW＜0.00 …(2a)
【００３１】
条件式(2a)は、前記条件式(2)のなかでも更に好ましい条件範囲を規定している。条件式(2a)の下限を下回ると、第３群(Gr3)内での負レンズのパワーが過大となり、群内で色収差補正を十分に行うことが困難になる。逆に条件式(2a)の上限を超えると、絞り(ST)周辺の正パワーが過大となり、球面収差補正を十分に行うことが困難になる。
【００３２】
以下の条件式(3)を満たすことが望ましい。
1.0＜PW×LB＜2.0 …(3)
ただし、
PW：ワイド端(W)での全系のパワー、
LB：第４群(Gr4)以降の空気換算のレンズバック、
である。
【００３３】
条件式(3)は、最終レンズ面から像面(IM)までの間にプリズム(PR)を配置するためのレンズバック(LB)を規定している。条件式(3)の上限を超えると、レンズバックが長くなりすぎて光学系全長が大きくなり、レンズ径も大きくなってコストが上昇する。逆に条件式(3)の下限を下回ると、色合成プリズムや光路分離プリズムを配置することが困難になる。
【００３４】
以下の条件式(4)を満たすことが望ましい。
0.2＜P4／PW＜0.6 …(4)
ただし、
P4：第４群(Gr4)のパワー、
PW：ワイド端(W)での全系のパワー、
である。
【００３５】
条件式(4)の下限を下回ると、第４群(Gr4)の正パワーが弱すぎてテレセントリックを維持するために光学系の全長が長くなりすぎてしまい、コストアップとなる。逆に条件式(4)の上限を超えると、第４群(Gr4)の正パワーが強すぎてレンズバックが短くなりすぎてしまい、色合成プリズムや光路分離プリズムを配置することが困難になる。
【００３６】
なお各実施の形態には、入射光線を屈折により偏向させる屈折型レンズ(つまり、異なる屈折率を有する媒質同士の界面で偏向が行われるタイプのレンズ)のみが用いられているが、これに限らない。例えば、回折により入射光線を偏向させる回折型レンズ，回折作用と屈折作用との組み合わせで入射光線を偏向させる屈折・回折ハイブリッド型レンズ，入射光線を媒質内の屈折率分布により偏向させる屈折率分布型レンズ等を用いてもよい。また、光学的なパワーを有しない面(例えば、反射面，屈折面，回折面)を光路中に配置することにより、投影光学系の前，後又は途中で光路を折り曲げてもよい。折り曲げ位置は必要に応じて設定すればよく、光路の適正な折り曲げにより、投影装置のコンパクト化・薄型化を達成することが可能である。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明に係る投影光学系をコンストラクションデータ等により更に具体的に説明する。なお、ここで例として挙げる実施例１〜３は、前述した第１〜第３の実施の形態にそれぞれ対応しており、第１〜第３の実施の形態を表すレンズ構成図(図１〜図３)や光路図(図４〜図６)は、対応する実施例１〜３のレンズ構成や光路をそれぞれ示している。
【００３８】
各実施例のコンストラクションデータにおいて、ri(i=1,2,3,...)は拡大側から数えてi番目の面の曲率半径(mm)、di(i=1,2,3,...)は拡大側から数えてi番目の軸上面間隔(mm)を示しており、Ni(i=1,2,3,...),νi(i=1,2,3,...)は拡大側から数えてi番目の光学要素のｄ線に対する屈折率(Ｎd),アッベ数(νd)を示している。曲率半径riに*印が付された面は、非球面(非球面形状の屈折光学面、非球面と等価な屈折作用を有する面等)であり、非球面の面形状を表わす以下の式(AS)で定義される。また、コンストラクションデータ中、ズーミングにおいて変化する軸上面間隔は、テレ端(長焦点距離端,T)〜ミドル(中間焦点距離状態,M)〜ワイド端(短焦点距離端,W)での可変空気間隔である。各焦点距離状態(T),(M),(W)での全系の焦点距離(f,mm)及びＦナンバー(FNO)、並びに非球面データ(ただしAi=0の場合は省略する。)を他のデータとあわせて示し、また各条件式の対応データ及び関連データを表１に示す。
【００３９】
X(H)＝(C・H2)／{1+√(1-ε・C2・H2)}＋(A4・H4+A6・H6+A8・H8+A10・H10+A12・H12) …(AS)
ただし、式(AS)中、
X(H)：高さHの位置での光軸(AX)方向の変位量(面頂点基準)、
H：光軸(AX)に対して垂直な方向の高さ、
C：近軸曲率(=1／曲率半径)、
ε：２次曲面パラメータ、
Ai：i次の非球面係数、
である。
【００４０】
図７〜図９は実施例１〜実施例３にそれぞれ対応する収差図であり、(T)はテレ端，(M)はミドル，(W)はワイド端における無限遠物体に対する縮小側での諸収差{左から順に、球面収差等，非点収差，歪曲収差である。Y':最大像高(mm)}を示している。球面収差図において、実線(d)はｄ線、一点鎖線(g)はｇ線、二点鎖線(c)はｃ線に対する各球面収差量(mm)を表しており、破線(SC)は正弦条件の不満足量(mm)を表している。非点収差図において、破線(DM)はメリディオナル面でのｄ線に対する非点収差(mm)を表しており、実線(DS)はサジタル面でのｄ線に対する非点収差(mm)を表わしている。また、歪曲収差図において実線はｄ線に対する歪曲(％)を表している。
【００４１】
なお、各実施例の投影光学系を投影装置(例えば液晶プロジェクター)に用いる場合には、本来はスクリーン面(被投影面)が像面であり表示素子面(例えば液晶パネル面)が物体面であるが、各実施例では光学設計上それぞれ縮小系とし、スクリーン面を物体面とみなして表示素子面(IM)で光学性能を評価している。そして、得られた光学性能から分かるように、各実施例のズーム光学系は投影光学系としてだけでなく、撮像装置(例えばビデオカメラ，デジタルカメラ，デジタルビデオユニット)用の撮像光学系としても好適に使用可能である。
【００４２】
[第３面(r3)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4= 0.23481×10-4,A6=-0.18545×10-6,A8= 0.59013×10-9,A10=-0.10907×10-11,A12= 0.81908×10-15
[第４面(r4)の非球面データ]
ε=-0.21856,A4= 0.53067×10-4,A6=-0.31344×10-6,A8= 0.11295×10-8,A10=-0.28848×10-11,A12= 0.29444×10-14
[第５面(r5)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4= 0.51073×10-5,A6= 0.79695×10-8,A8= 0.54574×10-10,A10=-0.69035×10-12,A12= 0.26379×10-14
[第６面(r6)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4= 0.67836×10-5,A6= 0.90737×10-8,A8=-0.72302×10-10,A10= 0.15825×10-12,A12= 0.54839×10-15
[第８面(r8)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4= 0.75052×10-4,A6=-0.88534×10-6,A8= 0.56483×10-8,A10=-0.32187×10-10,A12= 0.10564×10-12
[第９面(r9)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4= 0.86261×10-4,A6=-0.64225×10-6,A8= 0.35854×10-8,A10=-0.11891×10-10,A12= 0.18313×10-13
【００４４】
[第１面(r1)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4=-0.39890×10-5,A6= 0.17662×10-8,A8= 0.45155×10-11,A10=-0.60789×10-14
[第２面(r2)の非球面データ]
ε=-0.19682,A4= 0.23634×10-4,A6=-0.34395×10-7,A8= 0.14954×10-9,A10=-0.16803×10-12
[第６面(r6)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4=-0.46228×10-5,A6=-0.56029×10-7,A8=-0.36247×10-9,A10= 0.42287×10-11
[第７面(r7)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4= 0.22674×10-4,A6=-0.51422×10-7,A8= 0.16873×10-9,A10=-0.12866×10-12
【００４６】
[第１面(r1)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4=-0.11695×10-4,A6= 0.14330×10-7,A8=-0.10091×10-10,A10= 0.18290×10-14
[第２面(r2)の非球面データ]
ε=-0.10692,A4= 0.77079×10-5,A6=-0.31265×10-7,A8= 0.14211×10-9,A10=-0.17243×10-12
[第８面(r8)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4=-0.26077×10-4,A6= 0.72269×10-7,A8=-0.23146×10-9,A10= 0.39465×10-12
[第９面(r9)の非球面データ]
ε=0.10000×10,A4= 0.71496×10-5,A6= 0.15348×10-7,A8= 0.26241×10-10,A10=-0.61042×10-14
【００４８】
【表１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高い光学性能を保持しつつ少ないレンズ枚数でズーム構成された投影光学系を実現することができる。そして、これを画像投影装置に用いれば、当該装置の軽量・コンパクト化，高性能化及び低コスト化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態(実施例１)のレンズ構成図。
【図２】第２の実施の形態(実施例２)のレンズ構成図。
【図３】第３の実施の形態(実施例３)のレンズ構成図。
【図４】第１の実施の形態(実施例１)の光路図。
【図５】第２の実施の形態(実施例２)の光路図。
【図６】第３の実施の形態(実施例３)の光路図。
【図７】実施例１の収差図。
【図８】実施例２の収差図。
【図９】実施例３の収差図。
【符号の説明】
Gr1 …第１群
Gr2 …第２群
ST …絞り
Gr3 …第３群
Gr4 …第４群
PR …プリズム
IM …像面(表示素子面)
AX …光軸
Claims (6)
- 拡大側から順に、負の第１群と、正の第２群と、第３群と、正の第４群と、でズーム構成された投影光学系であって、
前記第２群が１枚の正レンズから成り、前記第３群が１枚の負レンズと１枚の正レンズとのレンズ２枚から成り、前記第４群が１枚の正レンズから成り、前記第１群と前記第３群とにそれぞれ１面以上の非球面を含み、少なくとも前記第２群と前記第３群が移動することで変倍を行い、さらに以下の条件式 (2) を満たすことを特徴とする投影光学系；
-0.2 ＜ P3 ／ PW ＜ 0.05 … (2)
ただし、
P3 ：第３群のパワー、
PW ：ワイド端での全系のパワー、
である。 - さらに以下の条件式(4)を満たすことを特徴とする請求項１記載の投影光学系；
0.2 ＜ P4 ／ PW ＜ 0.6 … (4)
ただし、
P4 ：第４群のパワー、
PW：ワイド端での全系のパワー、
である。 - 前記第４群が固定群であることを特徴とする請求項１又は２記載の投影光学系。
- テレ端からワイド端へのズーミングにおいて、第１群〜第３群が縮小側へ移動することを特徴とする請求項１，２又は３記載の投影光学系。
- さらに以下の条件式 (1) を満たすことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の投影光学系；
-0.75 ＜ P1 ／ PW ＜ -0.35 … (1)
ただし、
P1 ：第１群のパワー、
PW ：ワイド端での全系のパワー、
である。 - 縮小側がテレセントリックであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の投影光学系。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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