JP4208293B2 - ズームレンズ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ズームレンズに関し、特にレンズ系後方に色合成プリズムや色合成ミラーや各種のフィルターを有した液晶ビデオプロジェクター等に好適なテレセントリック系で、しかも画面全体にわたり良好な光学性能を有するバックフォーカスの長いズームレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりレンズ系の後方に色合成プリズム、偏光フィルター、カラーフィルター等の各種の光学部材を配置した液晶ビデオプロジェクター用のバックフォーカスが比較的長いレンズ系（投影レンズ系）が種々と提案されている。
【０００３】
このようなレンズ系が、例えば、特開昭６２―２９１６１３号公報や特開平３―１４５６１３号公報等で提案されている。
【０００４】
これらのうち特開昭６２―２９１６１３号公報のレンズ系は歪曲収差が−５％程度ある。また、特開平３―１４５６１３号公報のレンズ系は非点収差が大きくなる傾向があった。
【０００５】
更に、ＲＢＧ各色による画像の大きさのずれ、すなわち倍率色収差が大きいため高精細な液晶表示素子の画像を投影したときに、色のずれが目立つことがあった。
【０００６】
また、諸収差の補正とレンズ枚数の減少のためには、従来よりレンズ系の一部に非球面を用いることが知られている。非球面を用いるとレンズ枚数の削減と球面では得られない収差補正効果が期待でき有効である。
【０００７】
高画素対応のレンズ系においては諸収差の除去のうち、色収差の補正が特に重要となってくる。しかしながら非球面では色収差の良好なる補正は難しい。
【０００８】
最近ではレンズ系の収差を抑えるために構成レンズ群の数を増して、各レンズ群の収差分担を小さくして自由度を増やすズームレンズが多く提案されている。
【０００９】
レンズ系としてズームレンズを用いたとき、 色収差については第１群で補正し、特に第1 群で色収差の発生を小さく抑える必要がある。そうしないと、主変倍群である第２群以降のレンズ群の移動によって色収差のズーミングに伴う変動が大きくなってくる。
【００１０】
また第２群以降の変倍群においても色収差等の変動を小さくさせる必要がある。そのために従来では、各レンズ群を構成するレンズは、複数の分散値の異なる材質より成るレンズを多用し色消しを行っていた。また負レンズと正レンズを貼り合わせて補正していた。そのため各レンズ群を構成するレンズ枚数が多くなりレンズ系全体が大型化する傾向があった。
【００１１】
一方、色収差の発生、変動を小さく抑える方法として近年回折作用を有した回折型光学素子（回折光学素子）を撮像光学系に応用する提案がなされている。
【００１２】
例えば特開平4ー213421号公報、特開平6ー324262号公報等で回折光学素子を用いた光学系が提案されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の回折光学素子を用いた光学系は単レンズに回折光学素子を応用したものであり、色収差に対する言及はあるが、ズームレンズ特有の色収差のズーミングによる変動の除去等の考察、記載はなく、ズームレンズへの応用は行われていない。
【００１４】
ズームレンズへの応用に関しては米国特許（ＵＳＰ）5,268,790 号公報で、全体として４つのレンズ群より成るズームレンズが提案されている。該従来例は主変倍群である第２群もしくは補正群である第３群に回折型光学素子を用いることを提案しており、第１群については従来通りのレンズ構成であった。この構成では第１群で発生する色収差はそのままであり、ズーミングに伴い、その色収差は第２群等変倍群の移動により増倍あるいは変動することになり効率的ではなかった。
【００１５】
本発明は、全体として５つのレンズ群を有し、このうち所定のレンズ群に回折光学素子を適切に設定することにより、非点収差及び歪曲収差が少なく、かつ、高精細の液晶に対応した倍率色収差が良好に補正したバックフォーカスの長いテレセントリック系のズームレンズの提供を目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のズームレンズは、距離の長い方の第１共役点から順に負の屈折力の第１群、正の屈折力の第２群、負の屈折力の第３群、正の屈折力の第４群、そして正の屈折力の第５群の５つのレンズ群を有し、広角端から望遠端への変倍を該第２群と第４群を第１共役点側へ移動させて行い、
前記各レンズ群のうち少なくとも一つのレンズ群は光軸に対して回転対称な回折型光学素子を少なくとも１つ有しており、
前記第ｉ群の焦点距離をｆｉ、全系の広角端と望遠端の焦点距離を各々ｆＷ、ｆＴ、全系の射出瞳から距離の短い第２共役点までの距離をＴＫとしたとき、
０．８＜｜ｆ１／ｆ２｜＜２．３
【数２】
４＜｜ＴＫ｜／ｆＷ
を満足することを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１，図４，図７，図１０，図１３は各々本発明の数値実施例１〜５のレンズ断面図である。図中Ｓはスクリーン面、ＬＣＤは被投影画像としての液晶表示素子である。スクリーン面Ｓは距離の長い方の第１共役点側にある。液晶表示素子ＬＣＤは距離の短い方の第２共役点にある。
【００１８】
図中、Ｌ１は負の屈折力の第１群（第１レンズ群）、Ｌ２は正の屈折力の第２群（第２レンズ群）、Ｌ３は負の屈折力の第３群（第３レンズ群）、Ｌ４は正の屈折力の第４群（第４レンズ群）、Ｌ５は正の屈折力の第５群（第５レンズ群）である。ＧＢは赤外カットフィルター等のガラスブロックである。液晶表示素子ＬＣＤは像面に相当している。
【００１９】
矢印は広角端から望遠端への変倍（ズーミング）を行う際の各レンズ群の移動軌跡を示している。
【００２０】
本発明では広角端から望遠端への変倍に際して第２群Ｌ２と第４群Ｌ４を第１共役点側へ移動させている。
【００２１】
このとき第２群と第３群との間隔が増大し、第３群と第４群との間隔が減少するようにしている。第３群は変倍に際して固定又は第２共役点側へ単調に若しくは第１共役点側に凸状の軌跡を有しつつ移動させている。第１群と第５群は変倍に際して固定である。
【００２２】
第1 群Ｌ１を移動させてフォーカスを行っている。第1 群から第5 群のうち少なくとも１つのレンズ群に光軸に対して回転対称な回折光学素子を少なくとも１つ設けている。
【００２３】
本実施形態における回折光学素子は、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）の製作手法であるリソグラフィック手法で2 値的に製作している。回折光学素子はバイナリーオプティックス(BINARY OPTICS)で製作しても良い。この場合、更に回折効率を上げるためにキノフォームと呼ばれる鋸状の形状にしても良い。またこれらの方法で製作した方によって成型により製造しても良い。
【００２４】
また本実施形態における回折光学素子の形状は、基準波長（ｄ線）をλ、光軸からの距離をｈ、位相をφ（ｈ）としたとき
φ（ｈ）＝２π／λ（Ｃ１・ｈ2 ＋Ｃ２・ｈ4 ＋‥‥‥Ｃｉ・ｈ2i）‥‥‥（ａ）
（ａ）式より明かのように光軸からの距離ｈによって位相を調整している。レンズ径が大きければ大きい程、高次の係数の影響を大きくすることができるようになっている。
【００２５】
次に、本発明の数値実施例を説明する。図1 の数値実施例１はズーミング中、固定の第１レンズ群に回折光学素子を導入した例である。広角端から望遠端へのズーミングは第２群、第４群が第1 共役点側へ移動し、第３群が第2 共役点側に単調移動している。第５群はズーミング中固定である。
【００２６】
図4 の数値実施例２もズーミング中、固定の第１レンズ群に回折光学素子を導入した例である。広角端から望遠端へのズーミングは第２群、第４群が第1 共役点側へ移動し、第３群が第1 共役点側に移動した後、第２共役点側に戻る動き（第１共役側に凸の軌跡）をするものである。第５群はズーミング中固定である。
【００２７】
図7 の数値実施例３はズーミング中、固定の第１レンズ群と第５レンズ群に群に回折光学素子を導入した例である。広角端から望遠端へのズーミングは第２群、第４群が第１共役点側へ移動し、第３群が第１共役点側に移動した後、第２共役点側に戻る動き（第１共役点側に凸の軌跡）をするものである。第５群はズーミング中、固定である。
【００２８】
図１０の実施例４は第１レンズ群と第２レンズ群に群に回折光学素子を導入した例である。広角端から望遠端へのズーミングは第２群、第４群が第１共役点側へ移動し、第３群が第１共役点側に移動した後、第２共役点側に戻る動き（第１大きな共役点側に凸の軌跡）をするものである。第５群はズーミング中固定である。この中の第９番目の回折光学素子は平板ガラス状の上に回折面を施したものである。
【００２９】
図１３の数値実施例５は第１レンズ群と第４レンズ群に群に回折光学素子を導入した例である。広角端から望遠端へのズーミングは第２群、第４群が第１共役点側へ移動し、ズーミングに際し第１群、第３群、第５群は固定になっているものである。
【００３０】
図中Ｌｉは第ｉ群（ｉ＝１〜５）である。Ｌ１からＬ５までがズームレンズ部であり、接続部材Ｃを介して液晶ビデオプロジェクター本体に着装されている。したがってガラスブロックＧＢ以降の液晶表示素子ＬＣＤ側はプロジェクター本体に含まれる。
【００３１】
以上の各数値実施例では広角端から望遠端への変倍に際して矢印のように移動させている。又、第１群を光軸上移動させてフォーカスを行っている。
【００３２】
また、この第１レンズ群に非球面を設けるのが良く、これによれば更に性能を上げることができる。
【００３３】
また更に良好な収差補正、特に軸外のフレアーや歪曲そして色収差を良好に補正するためには、第１群中に少なくとも１枚の非球面レンズそして少なくとも１枚の光軸に対して回転対称な回折型光学素子を有することが有効である。先にも述べたように、液晶表示素子の高精細化にともない、従来あまり問題にならなかった解像力が問題となりこれに大きく起因する収差を良好に補正する必要がでてきた。該第５群中に非球面を配置することにより軸外のフレアーを良好に補正することが可能となった。また、該第４群は比較的に軸外光線が光軸より離れたところを通過するため、該回折型光学素子を配置することにより、倍率色収差を良好に補正することが可能になり更に性能が向上する。
【００３４】
また、良好な収差補正、特に色収差を良好に補正するためには、第５群中に少なくとも１枚の光軸に対して回転対称な回折型光学素子を有することである。先にも述べたように、液晶表示素子の高精細化にともない、従来あまり問題にならなかった色収差、特に倍率色収差を良好に補正することが可能となる。
【００３５】
尚、本発明の目的とするズームレンズは以上の構成要件を有することにより達成されるが更に好ましくは次の諸条件のうちの少なくとも１つを満足させるのが良い。
【００３６】
(ア-1) 広角端及び望遠端における全系の焦点距離をｆｗ、ｆT とし、第ｉ群の焦点距離をｆｉとするとき
０．８＜ ｜ｆ１／ｆ２｜ ＜ ２．３ ‥‥‥（１）
【００３７】
【数３】
‥‥‥（２）
なる条件式を満足するのが良い。
【００３８】
上の式（１），（２）は主変倍群である第2 レンズ群と第１レンズ群の関係を適切に規定したものである。
【００３９】
（１）式の下限値を逸脱すると第１レンズ群で決まる前玉径が大きくなり、また広角端での歪曲収差が大きくなり適当でない。また上限値を逸脱すると所望の変倍比を得るために第2 レンズ群の移動量を大きくする必要があり全系が大型化し適当でない。
【００４０】
（２）式は主変倍群のパワーを適切にするもので下限値を超えると像面が補正過剰となり適当でない。また上限値を超えると所望の変倍比を得るために第2 レンズ群の移動量を大きくする必要があり全系が大型化し適当でない。
【００４１】
(ア-2) 本発明においては以下の条件式を満たすことがレンズ系全体を略テレセントリック性を保つのに好ましい。
【００４２】
｜Ｔｋ｜／ｆｗ ＞ ４ ‥‥‥（３）
但しＴｋは距離の短い第2 共役点側からズームレンズの射出瞳までの距離（ズーミング中の絶対値が最小値のパネル（像面）から射出瞳までの距離）である。
【００４３】
ここで言っている略テレセントリック性というのは液晶素子の配光特性、または複数の色光を合成する時の色合成ダイクロイックミラーの角度依存の影響を排除する為に、射出瞳が遠方にあることを示す。具体的にはその角度依存性を排するためには必要な条件である。
【００４４】
更に望ましくは条件式（３）の数値は以下の範囲に入っていることが望ましい。
【００４５】
｜Ｔｋ｜／ｆｗ＞９．０ ‥‥‥（３ａ）
(ア-3) 歪曲を適正に補正するためには以下の式を満たしていることが好ましい。
【００４６】
１＜｜ｆ１｜／ｆｗ＜２ ‥‥‥（４）
この式の上限値を逸脱すると広角端の歪曲が、下限値を超えると望遠端の歪曲を適正にできなくなる。
【００４７】
(ア-4) 第1 群内に回折型光学素子を配置すると、適当に回折型光学素子の位相を選択することにより第１群で発生する倍率色収差、例えばｄ線とｇ線といった２波長の倍率色収差は小さく抑えられ、全体としての倍率色収差のズーミングによる変動を小さく抑えらる。しかも望遠端に残存する軸上色収差（２次スペクトル）の量は悪化しないものとなる。
【００４８】
(ア-5) 第２群以降のレンズ群に回折型光学素子を配置するのが良い。そして適当に回折型光学素子の位相を選択することにより第２レンズ群以降で発生する倍率色収差、例えばｄ線とｇ線といった２波長の倍率色収差は小さく抑えられ、全体としての倍率色収差のズーミングによる変動を小さく抑えられる。しかも望遠端に残存する軸上色収差（２次スペクトル）の量は悪化しない。
【００４９】
(ア-6) 前述の(ア-4) 又は(ア-5) の双方を同時に満足するように構成することにより、高度な色収差補正を達成して良好な光学性能を維持しつつ更なる小型化を達成できるようになる。
【００５０】
(ア-7) 本発明に係る回折型光学素子面は前述の式（ａ）で表せられるものであり、テレセントリックなズームレンズにおいて、効率的に係数を生かして、有効な収差補正を達成するには以下の条件を満たすのが好ましい。
【００５１】
ｆｉ・Ｃ１ ＜ ０ ‥‥‥（５）
ここでＣ１は第１群にある回折光学素子の係数である。Ｃ１は回折型光学素子の近軸的屈折力を表しＣ１が正の値を持つときは負の屈折力を持ち、Ｃ１が負の値を持つときは正の屈折力を有する。この式を満たしていれば回折光学素子が正レンズ群にある時も、負レンズ群にある時もその群の曲率を緩く出来収差補正上有効である。
【００５２】
(ア-8) 回折光学素子の係数を次の条件を満足するように設定するのが良い。
【００５３】
1 ×10-4 ＜ ｜ C2 / C1 ｜＜ １ ‥‥‥（６）
1 ×10-7 ＜ ｜ C3 / C1 ｜ ＜ 1×10-1 ‥‥‥（７）
この条件式を外れると、収差補正が難しくなるだけでなく回折型光学素子が作りにくくなり適当でない。
【００５４】
(ア-9) 第１群内または第２群内または第3 群内の少なくとも１つのレンズ群に回折光学素子を配置するのが良い。この回折型光学素子により、各群で発生する倍率色収差を小さく抑えられ、第２群の移動による倍率色収差のズーミングによる変動も小さく抑えられるような構成となる。
【００５５】
(ア-10) 本発明に係る回折型光学素子は、光学面の上に施されるのであるが、そのベースは球面もしくは平面あるいは非球面あるいは２次曲面でも良い。
【００５６】
また、それらの光学面にプラスチック等の膜を上記回折光学素子面として添付する方法（いわゆるレプリカ非球面）で作成しても良い。これによれば高い光学性能を容易に得ることができる。
【００５７】
(ア-11) 回折型光学素子のパワーを強くすると中心と周辺の鋸状（格子形状）のピッチの差が大きくなり製作が難しくなり、また完成品の回折効率も良くない。
【００５８】
本発明のように、第１群または第２群または第3 群の貼り合わせ等の色消しレンズの代わりの色収差補正を回折光学系で行う場合のパワーは余り必要ではない。
【００５９】
ここで若干の軸外収差特に像面湾曲、ディストーション補正のためにパワーを持たせても良い。その場合の第i レンズ群の回折光学面の焦点距離を Fboi 、第ｉレンズ群の焦点距離をF ｉとするとき以下の条件を満たしていれば製作についても難しくなく、色収差を含めた収差補正にも良好である。
【００６０】
0.05 ＜ Fi/Fboi ＜ 3.0 ‥‥‥（８）
但しｉ＝１〜５である。
【００６１】
(ア-12) 主変倍群である第2 レンズ群については以下の式を満たすのが良い。第２レンズ群の広角端と望遠端の倍率を各々β２Ｗ，β２Ｔ、第2 レンズ群の倍率変化β2 ｔ／β2 ｗをＺ２、全系の焦点距離の変化ｆｔ／ｆｗをＺとし、変倍群となる第２レンズ群と第４レンズ群のズーミングでの移動量をそれぞれＭ２、Ｍ４とすると
０．８＜Ｚ２／Ｚ＜１．１ ‥‥‥（９）
０．９＜Ｍ２／Ｍ４＜１５ ‥‥‥（１０）
０．４＜Ｍ２／（ｆｔ−ｆｗ）＜１．５ ‥‥‥（１１）
（９）式は変倍群となる第２レンズ群と第４レンズ群での変倍の比を適切に規定するものである。第３レンズ群は変倍に際し減倍するためこの範囲にあるのが好ましい。
【００６２】
（１０），（１１）式はレンズ全体の長さと各変倍群の移動量を適切にするものである。特に第２レンズ群と第４レンズ群とでは第４レンズ群の方がパワーが弱くなりがちであるので適切な変倍分担をするにはこの範囲が好ましい。特に第２レンズ群の移動量が第４レンズ群の移動量を超えていることが更に好ましい（１≦Ｍ２／Ｍ４＜１．６）。
【００６３】
(ア-13) 上述したように第２レンズ群と第４レンズ群とでは第４レンズ群の方がパワーが弱くなりがちであり特に以下の式を満たすのが良い。
【００６４】
０．４＜ｆ２／ｆ４＜１．５ ‥‥‥（１２）
（１２）は主変倍群のパワー配置と変倍を適切にしながらペッツバール和を適当に設定するのに必用な式である。
【００６５】
(ア-14) 全系の射出瞳と、歪曲を適当に設定するには、以下の式を満たしているのが好ましい。
【００６６】
０．１＜ｂｆ／ｆ５＜０．５ ‥‥‥（１３）
０．５＜｜ｆ１｜／ｂｆ＜２．２ ‥‥‥（１４）
ｂｆは第５レンズ群から表示体（ＬＣＤ）までのきょりでありダイクロプリズム等を除いた空気換算長のことである。（１３）式は全系を適切にテレセントリックにするために必用な式である。上限値を超えると大型化し、下限値を超えると歪曲が発生する。第１４式も歪曲を適切にとりながら射出瞳を長くしテレセントリックにするための条件である。
【００６７】
(ア-15) 各群のパワー配置を適切にしつつ各群の移動量を適切にして、小型化をするには以下の式を満たすのが好ましい。
【００６８】
【数３】
歪曲収差は第１群において十分に押さえておくと共に、バックフォーカスを十分に確保することが必要である。
【００６９】
上限値を超えるとフォーカシングのための移動量が大きくなり全長が長大化し、かつバックフォーカスが短くなり好ましくない。逆に、下限値を超えるとフォーカシングのための移動量は少なくなるものの、歪曲収差の補正が困難になると同時にぺッツバール和が負に大きくなり像面が倒れてくるので好ましくない。
【００７０】
(ア-16) 第ｉ群の焦点距離をｆｉ、広角端と望遠端での焦点距離を各々ｆｗ，ｆｔとするとき
【００７１】
【数４】
を満足することである。
【００７２】
（１６），（１７）式は変倍に寄与するレンズ群の適切なパワー配置を示したものである。それぞれの上限値を超えると所望のズーム比を得るための移動量が大きくなり、レンズ系全体が大型化し適切でない。また下限値を超えると各群の移動量は小さくなるが、ズーミングに伴なう収差変動、特に像面湾曲の変動が大きくなり適当でない。
【００７３】
（１８）式は（１３）式とともに射出瞳を長くしてテレセントリックにするために必要な条件である。下限値を超えると、テレセントリックに構成しても第５群にて歪曲収差が発生して適当でない。
また上限値を超えると全系の大きさが大型化し適当でない。
【００７４】
(ア-17) ズーミングにおける倍率色収差を低減しつつ、変動も抑えるために第３レンズ群に材質のアッベ数ν3 が以下の範囲のレンズを有することが好ましい。
【００７５】
ν3 ＞５５ ‥‥‥（１９）
特に好ましくは
ν3 ＞６０ ‥‥‥（１９ａ）
の範囲のレンズがあることが好ましい。
【００７６】
(ア-18) また第１レンズ群を構成する負レンズの平均アッベ数ν1nは
ν1n＞６０ ‥‥‥（２０）
とするのが良い。このように構成することにより色収差とそのズーミングによる変動を小さくすることができる。
【００７７】
(ア-19) 最適にテレセントリック系にしつつ、レンズからパネルまでの距離を最適にするために以下の条件を満たすのが好ましい。
【００７８】
２＜ｆ５／ｆｗ＜７ ‥‥‥（２１）
下限値を超えると最適なテレセントリック性を満足できず、上限値を超えると大型化して適当でない。
【００７９】
(ア-20) 一般に回折光学素子面は、通常のレンズの屈折により発生する色収差と反対の色収差が発生する。例えば、従来貼り合わせレンズ面等により色消しを行っていたレンズのを除去し、レンズ枚数の削減をする場合は、その貼り合わせレンズ面で発生していた色収差分担と反対の色収差分担を有するレンズ面を回折光学素子面とするのがよい。そうすれば通常の屈折により発生する色収差と反対の色収差が回折光学素子面上で発生し、その方向は元々あった貼り合わせレンズ面での色収差発生方向と同じ物となり、貼り合わせ等の色消しが単レンズ上にて可能となる。
【００８０】
色収差係数（注）といった観点から見ると、絞りより物体側のレンズ面では、軸上色収差係数L と倍率色収差係数T が同一符号のレンズ面に回折光学面を配置し、絞りより像面側のレンズ面では双方が逆符号のレンズ面に回折光学面を配置するのが好ましい（（注）収差係数：共立出版株発行 「レンズ設計法」松居吉哉著 p89~参照）。
【００８１】
また回折効率を改善するためには以下で説明するような積層構造の回折光学素子にするのが良い。
【００８２】
図１７は図１６に示す１層の回折光学素子の一次回折効率の波長依存特性を示している。実際の回折格子の構成は基材102 の表面に紫外線硬化樹脂を塗布し、樹脂部に波長５３０ｎｍで１次回折効率が１００％となるような格子厚ｄの格子103 を成形している。
【００８３】
図１７で明らかなように設計次数での回折効率は最適化した波長５３０ｎｍから離れるに従って低下し、一方設計次数近傍の次数０次、２次回折光が増大している。この設計次数以外の回折光の増加は、フレアとなり、光学系の解像度の低下につながる。
【００８４】
図１８は本実施形態で用いている積層型の回折光学素子の説明図である。図１９はこの構成の回折光学素子の１次回折効率の波長依存特性である。具体的な構成としては、基材上に紫外線硬化樹脂（nd=1.499、νｄ=54 ）からなる第１の回折格子104 を構成し、その上に別の紫外線硬化樹脂（ｎｄ=1.598、νｄ=28 ）からなる第２の回折格子105 を形成している。
この材質の組み合わせでは、第１の回折格子部の格子厚ｄ１はｄ１＝13.8μm 、第２の回折格子部の格子厚ｄ２はｄ２＝10.5μm としている。
【００８５】
図１９から判るように積層構造の回折格子にすることで、設計次数の回折効率は、使用波長全域で95％以上の高い回折効率を有している。
【００８６】
このように、本発明の実施例の回折光学素子として積層構造の回折格子を用いることで、光学性能を改善させている。
【００８７】
なお回折光学素子として、材質を紫外線硬化樹脂に限定するものでなく、他のプラスチック材なども使用できるし、基材によっては、第１の回折格子部104 を直接基材に形成しても良い。また各格子厚が必ずしも異なる必要はなく、材料の組み合わせでは図２０に示すように2 つの格子厚を等しくできる。この場合、回折光学素子表面に格子形状が形成されないので、防塵性に優れ、回折光学素子の組み立て作業性が向上し、より安価な光学系を提供できる。
【００８８】
本実施形態では以上のような構成の回折光学素子を用いることによって色収差を低減し、構成レンズ枚数を削減でき、良好な光学性能を維持しつつ更なる小型化を達成している。
【００８９】
以下に、本発明の数値実施例を記載する。数値実施例において、Ｒi は第１共役点側より順に第i 番目のレンズ面の曲率半径、Ｄi は第１共役点側より順に第i 番目のレンズ厚及び空気間隔、Ｎi とνi はそれぞれ第１共役点側より順に第i 番目のレンズのガラスの屈折率とアッベ数である。
【００９０】
また、数値実施例１〜５における最も像面側の平板レンズは、色合成プリズム、偏光フィルター、カラーフィルター等のガラスブロックを示す。又、前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表−１に示す。
【００９１】
回折型光学素子面は、位相 φ(h) として
φ（ｈ）＝２π／λ（C1・h2+C2・h4+C3・h6+‥‥+Ci・h2i）
但し、 λ：波長
Ci：位相を表す係数
h ：光軸からの高さ
なる式で表している。また、例えば「ｅ−Ｚ」の表示は「１０-Z」を意味する。
【００９２】
【外１】
【００９３】
【外２】
【００９４】
【外３】
【００９５】
【外４】
【００９６】
【外５】
【００９７】
【外１】
【００９８】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、全体として５つのレンズ群を有し、このうち所定のレンズ群に回折光学素子を適切に設定することにより、非点収差及び歪曲収差が少なく、かつ、高精細の液晶に対応した倍率色収差が良好に補正したバックフォーカスの長いテレセントリック系のズームレンズを達成している。
【００９９】
特に本発明によれば、以上説明したように構成することにより、変倍比１．３以上でFNｏ１。８程度と大口径を確保しながらも非点収差及び歪曲収差が少なく、かつ、色合成用プリズム等の光学素子や各種フィルターの光学素子が入るバックフォーカス空間を充分に確保しつつ、倍率色収差が良好に補正され全ズーム域・全物体距離にわたって良好な性能を有するテレセントリックな光学系のズームレンズを実現し、合わせて該ズームレンズに適した液晶ビデオプロジェクターを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の数値実施例１のレンズ断面図
【図２】本発明の数値実施例１の広角端の収差図
【図３】本発明の数値実施例１の望遠端の収差図
【図４】本発明の数値実施例２のレンズ断面図
【図５】本発明の数値実施例２の広角端の収差図
【図６】本発明の数値実施例２の望遠端の収差図
【図７】本発明の数値実施例３のレンズ断面図
【図８】本発明の数値実施例３の広角端の収差図
【図９】本発明の数値実施例３の望遠端の収差図
【図１０】本発明の数値実施例４のレンズ断面図
【図１１】本発明の数値実施例４の広角端の収差図
【図１２】本発明の数値実施例４の望遠端の収差図
【図１３】本発明の数値実施例５のレンズ断面図
【図１４】本発明の数値実施例５の広角端の収差図
【図１５】本発明の数値実施例５の望遠端の収差図
【図１６】従来の回折光学素子の要部断面図
【図１７】従来の回折光学素子の回折効率の説明図
【図１８】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図１９】本発明に係る回折光学素子の回折効率の説明図
【図２０】本発明に係る回折光学素子の説明図
【符号の説明】
Ｌ１ 第１群
Ｌ２ 第２群
Ｌ３ 第３群
Ｌ４ 第４群
Ｌ５ 第５群
ＬＣＤ 像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＳ サジタル像面
ΔＭ メリディオナル像面
Ｓ スクリーン
【発明の属する技術分野】
本発明は、ズームレンズに関し、特にレンズ系後方に色合成プリズムや色合成ミラーや各種のフィルターを有した液晶ビデオプロジェクター等に好適なテレセントリック系で、しかも画面全体にわたり良好な光学性能を有するバックフォーカスの長いズームレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来よりレンズ系の後方に色合成プリズム、偏光フィルター、カラーフィルター等の各種の光学部材を配置した液晶ビデオプロジェクター用のバックフォーカスが比較的長いレンズ系（投影レンズ系）が種々と提案されている。
【０００３】
このようなレンズ系が、例えば、特開昭６２―２９１６１３号公報や特開平３―１４５６１３号公報等で提案されている。
【０００４】
これらのうち特開昭６２―２９１６１３号公報のレンズ系は歪曲収差が−５％程度ある。また、特開平３―１４５６１３号公報のレンズ系は非点収差が大きくなる傾向があった。
【０００５】
更に、ＲＢＧ各色による画像の大きさのずれ、すなわち倍率色収差が大きいため高精細な液晶表示素子の画像を投影したときに、色のずれが目立つことがあった。
【０００６】
また、諸収差の補正とレンズ枚数の減少のためには、従来よりレンズ系の一部に非球面を用いることが知られている。非球面を用いるとレンズ枚数の削減と球面では得られない収差補正効果が期待でき有効である。
【０００７】
高画素対応のレンズ系においては諸収差の除去のうち、色収差の補正が特に重要となってくる。しかしながら非球面では色収差の良好なる補正は難しい。
【０００８】
最近ではレンズ系の収差を抑えるために構成レンズ群の数を増して、各レンズ群の収差分担を小さくして自由度を増やすズームレンズが多く提案されている。
【０００９】
レンズ系としてズームレンズを用いたとき、 色収差については第１群で補正し、特に第1 群で色収差の発生を小さく抑える必要がある。そうしないと、主変倍群である第２群以降のレンズ群の移動によって色収差のズーミングに伴う変動が大きくなってくる。
【００１０】
また第２群以降の変倍群においても色収差等の変動を小さくさせる必要がある。そのために従来では、各レンズ群を構成するレンズは、複数の分散値の異なる材質より成るレンズを多用し色消しを行っていた。また負レンズと正レンズを貼り合わせて補正していた。そのため各レンズ群を構成するレンズ枚数が多くなりレンズ系全体が大型化する傾向があった。
【００１１】
一方、色収差の発生、変動を小さく抑える方法として近年回折作用を有した回折型光学素子（回折光学素子）を撮像光学系に応用する提案がなされている。
【００１２】
例えば特開平4ー213421号公報、特開平6ー324262号公報等で回折光学素子を用いた光学系が提案されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の回折光学素子を用いた光学系は単レンズに回折光学素子を応用したものであり、色収差に対する言及はあるが、ズームレンズ特有の色収差のズーミングによる変動の除去等の考察、記載はなく、ズームレンズへの応用は行われていない。
【００１４】
ズームレンズへの応用に関しては米国特許（ＵＳＰ）5,268,790 号公報で、全体として４つのレンズ群より成るズームレンズが提案されている。該従来例は主変倍群である第２群もしくは補正群である第３群に回折型光学素子を用いることを提案しており、第１群については従来通りのレンズ構成であった。この構成では第１群で発生する色収差はそのままであり、ズーミングに伴い、その色収差は第２群等変倍群の移動により増倍あるいは変動することになり効率的ではなかった。
【００１５】
本発明は、全体として５つのレンズ群を有し、このうち所定のレンズ群に回折光学素子を適切に設定することにより、非点収差及び歪曲収差が少なく、かつ、高精細の液晶に対応した倍率色収差が良好に補正したバックフォーカスの長いテレセントリック系のズームレンズの提供を目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のズームレンズは、距離の長い方の第１共役点から順に負の屈折力の第１群、正の屈折力の第２群、負の屈折力の第３群、正の屈折力の第４群、そして正の屈折力の第５群の５つのレンズ群を有し、広角端から望遠端への変倍を該第２群と第４群を第１共役点側へ移動させて行い、
前記各レンズ群のうち少なくとも一つのレンズ群は光軸に対して回転対称な回折型光学素子を少なくとも１つ有しており、
前記第ｉ群の焦点距離をｆｉ、全系の広角端と望遠端の焦点距離を各々ｆＷ、ｆＴ、全系の射出瞳から距離の短い第２共役点までの距離をＴＫとしたとき、
０．８＜｜ｆ１／ｆ２｜＜２．３
【数２】
を満足することを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１，図４，図７，図１０，図１３は各々本発明の数値実施例１〜５のレンズ断面図である。図中Ｓはスクリーン面、ＬＣＤは被投影画像としての液晶表示素子である。スクリーン面Ｓは距離の長い方の第１共役点側にある。液晶表示素子ＬＣＤは距離の短い方の第２共役点にある。
【００１８】
図中、Ｌ１は負の屈折力の第１群（第１レンズ群）、Ｌ２は正の屈折力の第２群（第２レンズ群）、Ｌ３は負の屈折力の第３群（第３レンズ群）、Ｌ４は正の屈折力の第４群（第４レンズ群）、Ｌ５は正の屈折力の第５群（第５レンズ群）である。ＧＢは赤外カットフィルター等のガラスブロックである。液晶表示素子ＬＣＤは像面に相当している。
【００１９】
矢印は広角端から望遠端への変倍（ズーミング）を行う際の各レンズ群の移動軌跡を示している。
【００２０】
本発明では広角端から望遠端への変倍に際して第２群Ｌ２と第４群Ｌ４を第１共役点側へ移動させている。
【００２１】
このとき第２群と第３群との間隔が増大し、第３群と第４群との間隔が減少するようにしている。第３群は変倍に際して固定又は第２共役点側へ単調に若しくは第１共役点側に凸状の軌跡を有しつつ移動させている。第１群と第５群は変倍に際して固定である。
【００２２】
第1 群Ｌ１を移動させてフォーカスを行っている。第1 群から第5 群のうち少なくとも１つのレンズ群に光軸に対して回転対称な回折光学素子を少なくとも１つ設けている。
【００２３】
本実施形態における回折光学素子は、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）の製作手法であるリソグラフィック手法で2 値的に製作している。回折光学素子はバイナリーオプティックス(BINARY OPTICS)で製作しても良い。この場合、更に回折効率を上げるためにキノフォームと呼ばれる鋸状の形状にしても良い。またこれらの方法で製作した方によって成型により製造しても良い。
【００２４】
また本実施形態における回折光学素子の形状は、基準波長（ｄ線）をλ、光軸からの距離をｈ、位相をφ（ｈ）としたとき
φ（ｈ）＝２π／λ（Ｃ１・ｈ2 ＋Ｃ２・ｈ4 ＋‥‥‥Ｃｉ・ｈ2i）‥‥‥（ａ）
（ａ）式より明かのように光軸からの距離ｈによって位相を調整している。レンズ径が大きければ大きい程、高次の係数の影響を大きくすることができるようになっている。
【００２５】
次に、本発明の数値実施例を説明する。図1 の数値実施例１はズーミング中、固定の第１レンズ群に回折光学素子を導入した例である。広角端から望遠端へのズーミングは第２群、第４群が第1 共役点側へ移動し、第３群が第2 共役点側に単調移動している。第５群はズーミング中固定である。
【００２６】
図4 の数値実施例２もズーミング中、固定の第１レンズ群に回折光学素子を導入した例である。広角端から望遠端へのズーミングは第２群、第４群が第1 共役点側へ移動し、第３群が第1 共役点側に移動した後、第２共役点側に戻る動き（第１共役側に凸の軌跡）をするものである。第５群はズーミング中固定である。
【００２７】
図7 の数値実施例３はズーミング中、固定の第１レンズ群と第５レンズ群に群に回折光学素子を導入した例である。広角端から望遠端へのズーミングは第２群、第４群が第１共役点側へ移動し、第３群が第１共役点側に移動した後、第２共役点側に戻る動き（第１共役点側に凸の軌跡）をするものである。第５群はズーミング中、固定である。
【００２８】
図１０の実施例４は第１レンズ群と第２レンズ群に群に回折光学素子を導入した例である。広角端から望遠端へのズーミングは第２群、第４群が第１共役点側へ移動し、第３群が第１共役点側に移動した後、第２共役点側に戻る動き（第１大きな共役点側に凸の軌跡）をするものである。第５群はズーミング中固定である。この中の第９番目の回折光学素子は平板ガラス状の上に回折面を施したものである。
【００２９】
図１３の数値実施例５は第１レンズ群と第４レンズ群に群に回折光学素子を導入した例である。広角端から望遠端へのズーミングは第２群、第４群が第１共役点側へ移動し、ズーミングに際し第１群、第３群、第５群は固定になっているものである。
【００３０】
図中Ｌｉは第ｉ群（ｉ＝１〜５）である。Ｌ１からＬ５までがズームレンズ部であり、接続部材Ｃを介して液晶ビデオプロジェクター本体に着装されている。したがってガラスブロックＧＢ以降の液晶表示素子ＬＣＤ側はプロジェクター本体に含まれる。
【００３１】
以上の各数値実施例では広角端から望遠端への変倍に際して矢印のように移動させている。又、第１群を光軸上移動させてフォーカスを行っている。
【００３２】
また、この第１レンズ群に非球面を設けるのが良く、これによれば更に性能を上げることができる。
【００３３】
また更に良好な収差補正、特に軸外のフレアーや歪曲そして色収差を良好に補正するためには、第１群中に少なくとも１枚の非球面レンズそして少なくとも１枚の光軸に対して回転対称な回折型光学素子を有することが有効である。先にも述べたように、液晶表示素子の高精細化にともない、従来あまり問題にならなかった解像力が問題となりこれに大きく起因する収差を良好に補正する必要がでてきた。該第５群中に非球面を配置することにより軸外のフレアーを良好に補正することが可能となった。また、該第４群は比較的に軸外光線が光軸より離れたところを通過するため、該回折型光学素子を配置することにより、倍率色収差を良好に補正することが可能になり更に性能が向上する。
【００３４】
また、良好な収差補正、特に色収差を良好に補正するためには、第５群中に少なくとも１枚の光軸に対して回転対称な回折型光学素子を有することである。先にも述べたように、液晶表示素子の高精細化にともない、従来あまり問題にならなかった色収差、特に倍率色収差を良好に補正することが可能となる。
【００３５】
尚、本発明の目的とするズームレンズは以上の構成要件を有することにより達成されるが更に好ましくは次の諸条件のうちの少なくとも１つを満足させるのが良い。
【００３６】
(ア-1) 広角端及び望遠端における全系の焦点距離をｆｗ、ｆT とし、第ｉ群の焦点距離をｆｉとするとき
０．８＜ ｜ｆ１／ｆ２｜ ＜ ２．３ ‥‥‥（１）
【００３７】
【数３】
なる条件式を満足するのが良い。
【００３８】
上の式（１），（２）は主変倍群である第2 レンズ群と第１レンズ群の関係を適切に規定したものである。
【００３９】
（１）式の下限値を逸脱すると第１レンズ群で決まる前玉径が大きくなり、また広角端での歪曲収差が大きくなり適当でない。また上限値を逸脱すると所望の変倍比を得るために第2 レンズ群の移動量を大きくする必要があり全系が大型化し適当でない。
【００４０】
（２）式は主変倍群のパワーを適切にするもので下限値を超えると像面が補正過剰となり適当でない。また上限値を超えると所望の変倍比を得るために第2 レンズ群の移動量を大きくする必要があり全系が大型化し適当でない。
【００４１】
(ア-2) 本発明においては以下の条件式を満たすことがレンズ系全体を略テレセントリック性を保つのに好ましい。
【００４２】
｜Ｔｋ｜／ｆｗ ＞ ４ ‥‥‥（３）
但しＴｋは距離の短い第2 共役点側からズームレンズの射出瞳までの距離（ズーミング中の絶対値が最小値のパネル（像面）から射出瞳までの距離）である。
【００４３】
ここで言っている略テレセントリック性というのは液晶素子の配光特性、または複数の色光を合成する時の色合成ダイクロイックミラーの角度依存の影響を排除する為に、射出瞳が遠方にあることを示す。具体的にはその角度依存性を排するためには必要な条件である。
【００４４】
更に望ましくは条件式（３）の数値は以下の範囲に入っていることが望ましい。
【００４５】
｜Ｔｋ｜／ｆｗ＞９．０ ‥‥‥（３ａ）
(ア-3) 歪曲を適正に補正するためには以下の式を満たしていることが好ましい。
【００４６】
１＜｜ｆ１｜／ｆｗ＜２ ‥‥‥（４）
この式の上限値を逸脱すると広角端の歪曲が、下限値を超えると望遠端の歪曲を適正にできなくなる。
【００４７】
(ア-4) 第1 群内に回折型光学素子を配置すると、適当に回折型光学素子の位相を選択することにより第１群で発生する倍率色収差、例えばｄ線とｇ線といった２波長の倍率色収差は小さく抑えられ、全体としての倍率色収差のズーミングによる変動を小さく抑えらる。しかも望遠端に残存する軸上色収差（２次スペクトル）の量は悪化しないものとなる。
【００４８】
(ア-5) 第２群以降のレンズ群に回折型光学素子を配置するのが良い。そして適当に回折型光学素子の位相を選択することにより第２レンズ群以降で発生する倍率色収差、例えばｄ線とｇ線といった２波長の倍率色収差は小さく抑えられ、全体としての倍率色収差のズーミングによる変動を小さく抑えられる。しかも望遠端に残存する軸上色収差（２次スペクトル）の量は悪化しない。
【００４９】
(ア-6) 前述の(ア-4) 又は(ア-5) の双方を同時に満足するように構成することにより、高度な色収差補正を達成して良好な光学性能を維持しつつ更なる小型化を達成できるようになる。
【００５０】
(ア-7) 本発明に係る回折型光学素子面は前述の式（ａ）で表せられるものであり、テレセントリックなズームレンズにおいて、効率的に係数を生かして、有効な収差補正を達成するには以下の条件を満たすのが好ましい。
【００５１】
ｆｉ・Ｃ１ ＜ ０ ‥‥‥（５）
ここでＣ１は第１群にある回折光学素子の係数である。Ｃ１は回折型光学素子の近軸的屈折力を表しＣ１が正の値を持つときは負の屈折力を持ち、Ｃ１が負の値を持つときは正の屈折力を有する。この式を満たしていれば回折光学素子が正レンズ群にある時も、負レンズ群にある時もその群の曲率を緩く出来収差補正上有効である。
【００５２】
(ア-8) 回折光学素子の係数を次の条件を満足するように設定するのが良い。
【００５３】
1 ×10-4 ＜ ｜ C2 / C1 ｜＜ １ ‥‥‥（６）
1 ×10-7 ＜ ｜ C3 / C1 ｜ ＜ 1×10-1 ‥‥‥（７）
この条件式を外れると、収差補正が難しくなるだけでなく回折型光学素子が作りにくくなり適当でない。
【００５４】
(ア-9) 第１群内または第２群内または第3 群内の少なくとも１つのレンズ群に回折光学素子を配置するのが良い。この回折型光学素子により、各群で発生する倍率色収差を小さく抑えられ、第２群の移動による倍率色収差のズーミングによる変動も小さく抑えられるような構成となる。
【００５５】
(ア-10) 本発明に係る回折型光学素子は、光学面の上に施されるのであるが、そのベースは球面もしくは平面あるいは非球面あるいは２次曲面でも良い。
【００５６】
また、それらの光学面にプラスチック等の膜を上記回折光学素子面として添付する方法（いわゆるレプリカ非球面）で作成しても良い。これによれば高い光学性能を容易に得ることができる。
【００５７】
(ア-11) 回折型光学素子のパワーを強くすると中心と周辺の鋸状（格子形状）のピッチの差が大きくなり製作が難しくなり、また完成品の回折効率も良くない。
【００５８】
本発明のように、第１群または第２群または第3 群の貼り合わせ等の色消しレンズの代わりの色収差補正を回折光学系で行う場合のパワーは余り必要ではない。
【００５９】
ここで若干の軸外収差特に像面湾曲、ディストーション補正のためにパワーを持たせても良い。その場合の第i レンズ群の回折光学面の焦点距離を Fboi 、第ｉレンズ群の焦点距離をF ｉとするとき以下の条件を満たしていれば製作についても難しくなく、色収差を含めた収差補正にも良好である。
【００６０】
0.05 ＜ Fi/Fboi ＜ 3.0 ‥‥‥（８）
但しｉ＝１〜５である。
【００６１】
(ア-12) 主変倍群である第2 レンズ群については以下の式を満たすのが良い。第２レンズ群の広角端と望遠端の倍率を各々β２Ｗ，β２Ｔ、第2 レンズ群の倍率変化β2 ｔ／β2 ｗをＺ２、全系の焦点距離の変化ｆｔ／ｆｗをＺとし、変倍群となる第２レンズ群と第４レンズ群のズーミングでの移動量をそれぞれＭ２、Ｍ４とすると
０．８＜Ｚ２／Ｚ＜１．１ ‥‥‥（９）
０．９＜Ｍ２／Ｍ４＜１５ ‥‥‥（１０）
０．４＜Ｍ２／（ｆｔ−ｆｗ）＜１．５ ‥‥‥（１１）
（９）式は変倍群となる第２レンズ群と第４レンズ群での変倍の比を適切に規定するものである。第３レンズ群は変倍に際し減倍するためこの範囲にあるのが好ましい。
【００６２】
（１０），（１１）式はレンズ全体の長さと各変倍群の移動量を適切にするものである。特に第２レンズ群と第４レンズ群とでは第４レンズ群の方がパワーが弱くなりがちであるので適切な変倍分担をするにはこの範囲が好ましい。特に第２レンズ群の移動量が第４レンズ群の移動量を超えていることが更に好ましい（１≦Ｍ２／Ｍ４＜１．６）。
【００６３】
(ア-13) 上述したように第２レンズ群と第４レンズ群とでは第４レンズ群の方がパワーが弱くなりがちであり特に以下の式を満たすのが良い。
【００６４】
０．４＜ｆ２／ｆ４＜１．５ ‥‥‥（１２）
（１２）は主変倍群のパワー配置と変倍を適切にしながらペッツバール和を適当に設定するのに必用な式である。
【００６５】
(ア-14) 全系の射出瞳と、歪曲を適当に設定するには、以下の式を満たしているのが好ましい。
【００６６】
０．１＜ｂｆ／ｆ５＜０．５ ‥‥‥（１３）
０．５＜｜ｆ１｜／ｂｆ＜２．２ ‥‥‥（１４）
ｂｆは第５レンズ群から表示体（ＬＣＤ）までのきょりでありダイクロプリズム等を除いた空気換算長のことである。（１３）式は全系を適切にテレセントリックにするために必用な式である。上限値を超えると大型化し、下限値を超えると歪曲が発生する。第１４式も歪曲を適切にとりながら射出瞳を長くしテレセントリックにするための条件である。
【００６７】
(ア-15) 各群のパワー配置を適切にしつつ各群の移動量を適切にして、小型化をするには以下の式を満たすのが好ましい。
【００６８】
【数３】
【００６９】
上限値を超えるとフォーカシングのための移動量が大きくなり全長が長大化し、かつバックフォーカスが短くなり好ましくない。逆に、下限値を超えるとフォーカシングのための移動量は少なくなるものの、歪曲収差の補正が困難になると同時にぺッツバール和が負に大きくなり像面が倒れてくるので好ましくない。
【００７０】
(ア-16) 第ｉ群の焦点距離をｆｉ、広角端と望遠端での焦点距離を各々ｆｗ，ｆｔとするとき
【００７１】
【数４】
【００７２】
（１６），（１７）式は変倍に寄与するレンズ群の適切なパワー配置を示したものである。それぞれの上限値を超えると所望のズーム比を得るための移動量が大きくなり、レンズ系全体が大型化し適切でない。また下限値を超えると各群の移動量は小さくなるが、ズーミングに伴なう収差変動、特に像面湾曲の変動が大きくなり適当でない。
【００７３】
（１８）式は（１３）式とともに射出瞳を長くしてテレセントリックにするために必要な条件である。下限値を超えると、テレセントリックに構成しても第５群にて歪曲収差が発生して適当でない。
また上限値を超えると全系の大きさが大型化し適当でない。
【００７４】
(ア-17) ズーミングにおける倍率色収差を低減しつつ、変動も抑えるために第３レンズ群に材質のアッベ数ν3 が以下の範囲のレンズを有することが好ましい。
【００７５】
ν3 ＞５５ ‥‥‥（１９）
特に好ましくは
ν3 ＞６０ ‥‥‥（１９ａ）
の範囲のレンズがあることが好ましい。
【００７６】
(ア-18) また第１レンズ群を構成する負レンズの平均アッベ数ν1nは
ν1n＞６０ ‥‥‥（２０）
とするのが良い。このように構成することにより色収差とそのズーミングによる変動を小さくすることができる。
【００７７】
(ア-19) 最適にテレセントリック系にしつつ、レンズからパネルまでの距離を最適にするために以下の条件を満たすのが好ましい。
【００７８】
２＜ｆ５／ｆｗ＜７ ‥‥‥（２１）
下限値を超えると最適なテレセントリック性を満足できず、上限値を超えると大型化して適当でない。
【００７９】
(ア-20) 一般に回折光学素子面は、通常のレンズの屈折により発生する色収差と反対の色収差が発生する。例えば、従来貼り合わせレンズ面等により色消しを行っていたレンズのを除去し、レンズ枚数の削減をする場合は、その貼り合わせレンズ面で発生していた色収差分担と反対の色収差分担を有するレンズ面を回折光学素子面とするのがよい。そうすれば通常の屈折により発生する色収差と反対の色収差が回折光学素子面上で発生し、その方向は元々あった貼り合わせレンズ面での色収差発生方向と同じ物となり、貼り合わせ等の色消しが単レンズ上にて可能となる。
【００８０】
色収差係数（注）といった観点から見ると、絞りより物体側のレンズ面では、軸上色収差係数L と倍率色収差係数T が同一符号のレンズ面に回折光学面を配置し、絞りより像面側のレンズ面では双方が逆符号のレンズ面に回折光学面を配置するのが好ましい（（注）収差係数：共立出版株発行 「レンズ設計法」松居吉哉著 p89~参照）。
【００８１】
また回折効率を改善するためには以下で説明するような積層構造の回折光学素子にするのが良い。
【００８２】
図１７は図１６に示す１層の回折光学素子の一次回折効率の波長依存特性を示している。実際の回折格子の構成は基材102 の表面に紫外線硬化樹脂を塗布し、樹脂部に波長５３０ｎｍで１次回折効率が１００％となるような格子厚ｄの格子103 を成形している。
【００８３】
図１７で明らかなように設計次数での回折効率は最適化した波長５３０ｎｍから離れるに従って低下し、一方設計次数近傍の次数０次、２次回折光が増大している。この設計次数以外の回折光の増加は、フレアとなり、光学系の解像度の低下につながる。
【００８４】
図１８は本実施形態で用いている積層型の回折光学素子の説明図である。図１９はこの構成の回折光学素子の１次回折効率の波長依存特性である。具体的な構成としては、基材上に紫外線硬化樹脂（nd=1.499、νｄ=54 ）からなる第１の回折格子104 を構成し、その上に別の紫外線硬化樹脂（ｎｄ=1.598、νｄ=28 ）からなる第２の回折格子105 を形成している。
この材質の組み合わせでは、第１の回折格子部の格子厚ｄ１はｄ１＝13.8μm 、第２の回折格子部の格子厚ｄ２はｄ２＝10.5μm としている。
【００８５】
図１９から判るように積層構造の回折格子にすることで、設計次数の回折効率は、使用波長全域で95％以上の高い回折効率を有している。
【００８６】
このように、本発明の実施例の回折光学素子として積層構造の回折格子を用いることで、光学性能を改善させている。
【００８７】
なお回折光学素子として、材質を紫外線硬化樹脂に限定するものでなく、他のプラスチック材なども使用できるし、基材によっては、第１の回折格子部104 を直接基材に形成しても良い。また各格子厚が必ずしも異なる必要はなく、材料の組み合わせでは図２０に示すように2 つの格子厚を等しくできる。この場合、回折光学素子表面に格子形状が形成されないので、防塵性に優れ、回折光学素子の組み立て作業性が向上し、より安価な光学系を提供できる。
【００８８】
本実施形態では以上のような構成の回折光学素子を用いることによって色収差を低減し、構成レンズ枚数を削減でき、良好な光学性能を維持しつつ更なる小型化を達成している。
【００８９】
以下に、本発明の数値実施例を記載する。数値実施例において、Ｒi は第１共役点側より順に第i 番目のレンズ面の曲率半径、Ｄi は第１共役点側より順に第i 番目のレンズ厚及び空気間隔、Ｎi とνi はそれぞれ第１共役点側より順に第i 番目のレンズのガラスの屈折率とアッベ数である。
【００９０】
また、数値実施例１〜５における最も像面側の平板レンズは、色合成プリズム、偏光フィルター、カラーフィルター等のガラスブロックを示す。又、前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表−１に示す。
【００９１】
回折型光学素子面は、位相 φ(h) として
φ（ｈ）＝２π／λ（C1・h2+C2・h4+C3・h6+‥‥+Ci・h2i）
但し、 λ：波長
Ci：位相を表す係数
h ：光軸からの高さ
なる式で表している。また、例えば「ｅ−Ｚ」の表示は「１０-Z」を意味する。
【００９２】
【外１】
【外２】
【外３】
【外４】
【外５】
【外１】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、全体として５つのレンズ群を有し、このうち所定のレンズ群に回折光学素子を適切に設定することにより、非点収差及び歪曲収差が少なく、かつ、高精細の液晶に対応した倍率色収差が良好に補正したバックフォーカスの長いテレセントリック系のズームレンズを達成している。
【００９９】
特に本発明によれば、以上説明したように構成することにより、変倍比１．３以上でFNｏ１。８程度と大口径を確保しながらも非点収差及び歪曲収差が少なく、かつ、色合成用プリズム等の光学素子や各種フィルターの光学素子が入るバックフォーカス空間を充分に確保しつつ、倍率色収差が良好に補正され全ズーム域・全物体距離にわたって良好な性能を有するテレセントリックな光学系のズームレンズを実現し、合わせて該ズームレンズに適した液晶ビデオプロジェクターを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の数値実施例１のレンズ断面図
【図２】本発明の数値実施例１の広角端の収差図
【図３】本発明の数値実施例１の望遠端の収差図
【図４】本発明の数値実施例２のレンズ断面図
【図５】本発明の数値実施例２の広角端の収差図
【図６】本発明の数値実施例２の望遠端の収差図
【図７】本発明の数値実施例３のレンズ断面図
【図８】本発明の数値実施例３の広角端の収差図
【図９】本発明の数値実施例３の望遠端の収差図
【図１０】本発明の数値実施例４のレンズ断面図
【図１１】本発明の数値実施例４の広角端の収差図
【図１２】本発明の数値実施例４の望遠端の収差図
【図１３】本発明の数値実施例５のレンズ断面図
【図１４】本発明の数値実施例５の広角端の収差図
【図１５】本発明の数値実施例５の望遠端の収差図
【図１６】従来の回折光学素子の要部断面図
【図１７】従来の回折光学素子の回折効率の説明図
【図１８】本発明に係る回折光学素子の説明図
【図１９】本発明に係る回折光学素子の回折効率の説明図
【図２０】本発明に係る回折光学素子の説明図
【符号の説明】
Ｌ１ 第１群
Ｌ２ 第２群
Ｌ３ 第３群
Ｌ４ 第４群
Ｌ５ 第５群
ＬＣＤ 像面
ｄ ｄ線
ｇ ｇ線
ΔＳ サジタル像面
ΔＭ メリディオナル像面
Ｓ スクリーン
Claims (6)
- 距離の長い方の第１共役点から順に負の屈折力の第１群、正の屈折力の第２群、負の屈折力の第３群、正の屈折力の第４群、そして正の屈折力の第５群の５つのレンズ群を有し、広角端から望遠端への変倍を該第２群と第４群を第１共役点側へ移動させて行い、
前記各レンズ群のうち少なくとも一つのレンズ群は光軸に対して回転対称な回折型光学素子を少なくとも１つ有しており、
前記第ｉ群の焦点距離をｆｉ、全系の広角端と望遠端の焦点距離を各々ｆＷ、ｆＴ、全系の射出瞳から距離の短い第２共役点までの距離をＴＫとしたとき、
０．８＜｜ｆ１／ｆ２｜＜２．３
を満足することを特徴とするズームレンズ。 - 広角端から望遠端への変倍において前記第２群と第３群の間隔は広角端に比べて望遠端で広く、前記第３群と第４群の間隔は広角端に比べて望遠端で狭くなっていることを特徴とする請求項１のズームレンズ。
- 前記第３群は変倍に際して固定であることを特徴とする請求項２のズームレンズ。
- 前記第１群と第５群は変倍に際して固定であることを特徴とする請求項１のズームレンズ。
- 前記第１群を光軸上移動させてフォーカスを行っていることを特徴とする請求項１乃至４いずれかのズームレンズ。
- 液晶表示素子と、前記液晶表示素子からの光をスクリーン面に投射する、請求項１乃至５いずれかのズームレンズと、を備えることを特徴とする液晶プロジェクタ。
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