JP4340430B2 - 投射用ズームレンズ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、投射用ズームレンズに関する。
【0002】
【従来の技術】
液晶パネル上の画像を拡大投射する液晶プロジェクタは、コンピュータのデータ表示用などに用いられ、広く普及している。なかでも、赤・青・緑の各色表示用の液晶パネルを使用する3板式液晶プロジェクタは、画像が高精細であることから広く用いられている。
【0003】
液晶プロジェクタにおける投射レンズは、最適なスクリーンサイズを容易に実現できるように、ズーム機能を有するものが用いられるのが一般的である。
【0004】
3板式プロジェクタに用いられる投射用ズームレンズには、一般に以下のような属性が求められる。
3枚の液晶パネルにより強度変調された各光束を、ダイクロイックプリズムやダイクロイックミラー等の「色合成手段」で合成するため、色合成手段を配備するための空間が必要であり、この空間を確保できるように、焦点距離に比して長いバックフォーカスを有すること。
【0005】
プロジェクタは、低電力で高い光利用効率を得ることが望ましく、各色光束の色合成の際、色合成手段に入射する光の角度が画角により異なると、色シェーディングが発生し易いので、光源側から投射用ズームレンズに入射する光は、光軸に対して平行に近い光束を用いるのが良い。したがって、平行光束を効率良く投射用ズームレンズに取り込めるように、縮小側、即ち、液晶パネル側においてテレセントリック性を持つこと。
【0006】
低電力の光源でも明るい画像を表示できるようにするため、光源からの光をなるべく多く取り込めるようにFナンバーの小さい、明るいレンズであること。
【0007】
スクリーン上で3色の画像を重ね合わせたときに、各色画像の画素が互いにずれると良好なカラー画像を実現できず、「色ずれ」により投射画像の辺縁部等に緑・青・赤などの「縁」が現れて像質を損なう。このような色ずれの発生を避けるために、倍率の色収差が小さく抑えられた投射レンズであること。
【0008】
投射された画像の輪郭が歪んで見苦しくならないように、歪曲収差が許容できる範囲に抑えられていること。元の画像を忠実に再現するため、高いMTF特性、解像力特性を備えていること。
【0009】
取り扱いの簡便性の面からコンパクトであること。
【0010】
上記の各特性は以前から求められていたものであるが、近年、これら特性に対する要求レベルが益々高くなり、要求レベルを満足する投射用ズームレンズの実現が強く求められている。
【0011】
投射用ズームレンズで、この発明のものと同様に、6群あるいは6群以上の群構成を有するものは特許文献1、2に記載のものが知られている。
【0012】
【特許文献1】
特開2001−108900号公報
【特許文献2】
特開2001−350094号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上述した諸属性を良好に実現した投射用ズームレンズの実現を課題とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
この発明の投射用レンズは「平面画像を拡大して投射結像させる投射用ズームレンズ」であって、以下の如き特徴を有する(請求項1)。
即ち、投射用ズームレンズは、拡大側から縮小側へ向って順に第1群ないし第6群のレンズ群(以下、単に「群」という)を配してなる。これらの群のうちで「最も拡大側の群」である第1群と「最も縮小側の群」である第6群とが変倍時に固定される固定群であり、これら固定群に挟まれた第2群〜第5群が変倍時に移動を行う移動群である。
拡大側から縮小側へ向って順に配される第1群ないし第6群の屈折力は、第1群が負、第2および第3群が正、第4群が負、第5および第6群が正の屈折力である。
【0015】
即ち、6群のうち、光軸方向における両端の群が「固定群」を構成し、これら固定群に挟まれた4群が「移動群」である。
【0016】
広角端における全系の焦点距離:fw
第2群の焦点距離:f2
第3群の焦点距離:f3
第2群を構成する凸レンズのd線に対する屈折率の平均値:n2p
第3群を構成する凸レンズのd線に対する屈折率の平均値:n3p
「移動群」をなす、最も拡大側の第2群から最も縮小側の第5群までの合成系の、広角端における、拡大側主点位置から縮小側主点位置までの距離:HH’MOV
「移動群」をなす、最も拡大側の第2群から最も縮小側の第5群までの、広角端における全長:OALMOV
が、拡大側から縮小側に向って距離の符号を正として、以下の条件:
(1) 1.0<(1/fw)/{(1/f2)+(1/f3)}<1.5
(2) n2p>1.75
(3) n3p≧1.8042
(4) HH’MOV/OALMOV<−0.3
を満足する。
【0017】
距離に関する符号は「拡大側から縮小側に向って測るときを正」とする。
「拡大側主点位置」は、レンズ系の縮小側から光軸に平行な光束を入射させたときに結像する点から縮小側に焦点距離分だけ戻った位置であり、「縮小側主点位置」は、拡大側から光軸に平行な光束を入射させたときに結像する点から焦点距離分だけ拡大側に戻った位置を言う。
【0018】
したがって、上記「HH’MOV」は、移動群による合成系が「広角端の配置」を採るときの、上記2つの主点位置の間隔を「拡大側主点位置から縮小側主点位置に向って測った距離」である。
また、上記「OALMOV」は、移動群による合成系が「広角端の配置」をとるときの移動群の全長である。「OALMOV」は定義により「正」の値であるから、条件(4)のパラメータが負であることは「広角端の配置において、移動群の拡大側主点位置が縮小側主点位置よりも縮小側にある」ことを意味する。
【0019】
上記請求項1記載の投射用ズームレンズは、
広角端における全系の焦点距離:fw
第1群以外で、最多レンズ枚数を持つ第5群中における最も発散作用の強いレンズ面の曲率半径:RMが条件:
(5) 0.5<|RM|/fw<0.8
を満足することが好ましい(請求項2)。
【0020】
請求項1または2記載の投射用ズームレンズにおける「最も拡大側の群である第1群」は、拡大側から縮小側へ向って順に、拡大側に凸面を向けたメニスカス負レンズ、拡大側に凸面を向けたメニスカスレンズ、両凹形状の負レンズ、正レンズで構成することができる(請求項3)。これら4枚のレンズは、相互に独立して用いることもできるし、一部のレンズを互いに張り合せた構成とすることもできる。
【0021】
請求項1〜3の任意の1に記載の投射用ズームレンズにおいて、「第1群以外で、最多レンズ枚数を持つ第5群」を、拡大側から縮小側へ向って順に、負レンズ、「両凹形状の負レンズと両凸形状の正レンズとの接合レンズ」、正レンズにより構成することができる(請求項4)。
【0022】
上記の如く、投射用ズームレンズは6群構成で、拡大側から「負・正・正・負・正・正のパワー配置」を持つ。
【0023】
請求項1〜4の任意の1に記載の投射用ズームレンズにおける第4群は、これを「負レンズ1枚のみ」で構成することができる(請求項5)。
【0024】
この発明の投射用ズームレンズの群構成を図1に例示する。
投射用ズームレンズは6群構成であり、拡大側(図の左方)から縮小側(図の右方)へ第1群G1〜第6群G6を配してなり、第3、第4群間に絞りSを有している。符号Pは前記「色合成手段」としてのダイクロイックプリズムを簡略化して示したものであり、符号IMGは「液晶パネル」の画像表示面を示している。
【0025】
この図1のレンズ構成を例にとって説明すると、変倍中に固定である固定群は第1群G1と第6群G6であり、第2〜第5群G2〜G5が移動群を構成する。移動群のうち、絞りSよりも前方に位置する第2群G2、第3群G3は、第1群G1で発生する歪曲収差を補正する役割、第1群G1で発散された球面収差を補正する役割、さらに像面湾曲を補正する役割等を受け持つ。
【0026】
条件(1)は、これら各収差の補正と屈折力を、全体の中で調和させる条件であり、分母は、第2、第3群の「合成焦点距離の逆数」である。したがって、条件(1)の下限を超えると、第2群G2、第3群G3の合成の焦点距離が短くなり、これら第2、第3群に屈折力が集中しすぎることとなって、像面湾曲の増大等の性能劣化を招く。逆に、上限を超えると、第2、第3群の合成の「正の屈折力」が不足することとなって、他の群が「正の屈折力を過剰に負担する」ことになり、性能の調和を図ることがが難しくなる。
【0027】
条件(2)、(3)は「像面湾曲を小さく抑える」条件であり、条件式を満たすように、材料を限定して用いることで「像面湾曲量の指標であるペッツバール和が大きくならない」ようにしている。
【0028】
条件(2)、(3)の下限と超えると、屈折力を面の曲率にたよることとなって諸収差が増大する。
なお、条件(2)、(3)の上限は「1.90程度」である。n2p、n3pが1.90を越えると、第2群G2、第3群G3の凸レンズを構成する適当なガラス材料が存在しなくなるためである。
【0029】
この発明の投射用ズームレンズは「6群を持つズームレンズ」であるが、広角端から望遠端までの変倍では、光軸上の両端に位置する群(図1の例で第1群G1と第6群G6)に挟まれた4以上の群が移動を行う。
【0030】
レンズ全長を比較的短くしてズームレンズを構成する場合、移動群における主点間隔が広いほど、各群の屈折力を弱めることができ、性能確保が容易である。
通常の「正の屈折力を持つ単レンズ」では、図2に示すように、前側主点:Hは、後側主点:H’よりもレンズの前側焦点:f側にできるが、この発明における移動群における最も拡大側の第2群から、最も縮小側の第5群までの合成系(図1において第2群G2〜第5群G5の合成系)においては、図3に例示するように、拡大側主点:Hが、縮小側主点:H’よりも、縮小側焦点:f’側となる構成としている。
【0031】
一般に「正の屈折力を持つ単レンズ」では、レンズ肉厚が厚くなると、このような「主点の逆転」の傾向が現れてくるが、この発明では、移動群における最も拡大側の群(図1、図3の第2群G2)から、最も縮小側の群(図1、図3の第5群G5)までの全長をそれほど長くすることなく、主点位置を逆転させるようなレンズ構成としている。
【0032】
したがって、第1群G1の縮小側主点位置から「移動群G2〜G5による合成系の拡大側主点位置:Hまで」の距離、および、上記合成系の縮小側主点位置:H’から「縮小側の固定群G6の拡大側主点位置までの距離」を共に長くとることができ、屈折力を強くして諸収差の増大を招来することなく、良好な性能の確保が可能となる。
【0033】
条件(4)はこのように、移動群G2〜G5による合成系が、その前後の固定群G1、G6に対し、投射用ズームレンズの全長を増大させることなく、実質的なレンズ間隔を確保する条件であり、条件(4)の上限を超えると、主点位置の逆転が起きていないか、あるいは逆転していても、主点:H、H’の間隔の絶対値が小さい状態であるため、拡大側の固定群G1と、縮小側の固定群G6との間の間隔を大きくとる必要が生じ、レンズ全長が長くなってしまう。
【0034】
なお、条件(4)のパラメータHH’MOVの下限は「−0.4程度」である。上記パラメータが−0.4より小さくなると、移動群における拡大側主点位置と縮小側主点位置の逆転による主点間隔が大きくなりすぎ、光学系として不安定になり、変倍に伴なう急激な収差増大が生じる。
【0035】
図1に例示したレンズ構成では、第1レンズ群Gは、拡大側(図の左方)から縮小側(図の右方)に向って順に、拡大側に凸面を向けたメニスカス負レンズL1、拡大側に凸面を向けたメニスカスレンズL2、両凹レンズL3、凸レンズL4で構成されている(請求項3)。
【0036】
最も拡大側のメニスカス負レンズL1は、拡大側から2番目のレンズL2に材料として樹脂が用いられた場合に「保護ガラス」としての役目を持ちつつ、負屈折力先行の「レトロフォーカスタイプ」の性能を損なうことの少ない形状となっている。
【0037】
このタイプのレトロフォーカスを基本としたズームレンズでは、マスタ系である「最も使用レンズ枚数の多い群内で、最も発散作用の強いレンズ面」において「サジタル、タンジェンシャルのコマフレア」を発生させがちであるが、図1の例では、マスターレンズ群である第5群G5の中で「最も発散作用の強い面」の形状を条件(5)により規制することにより、サジタル、タンジェンシャルのコマフレアの発生を防いでいる(請求項2)。
【0038】
即ち、条件(5)の下限を超えると上記発散面の曲率が大きくなって発散作用が強くなりすぎ、サジタル、タンジェンシャルのコマフレアが急激に増大する。上限を超えると、発散作用が不足気味となって像面湾曲、歪曲等が補正不足となり、他のレンズ、他の群での補正が困難となり、さらに、倍率色収差、像面湾曲等が補正不足となって他の群での補正が困難となる。
【0039】
上記の面形状の規制を実現するため、図1に示すように、マスタ系レンズ群G5を拡大側から順に凹レンズL9、凹レンズL10と凸レンズL11からなる接合レンズ、凸レンズL12により構成する(請求項4)ことで、マスタ系レンズに必要な発散作用を多くの面に分散し、コマフレアの発生を抑えることも有効である。
【0040】
また、この発明の投射用ズームレンズは、図1に示す例のように、第4群G4を負レンズL8の1枚のみで構成することも可能であり、この構成は「広角端から望遠端へ変倍するにつれ、タンジェンシャル面内の上光線がフレアとなる傾向を、他の収差に悪影響を与えることなく抑制する」のに有効である。
【0041】
即ち、広角端から望遠端への変倍に際し、第4群G4は「第3群G3とともに移動する絞りSとの間隔」を徐々に広げていく。したがって、変倍に共ない第4群G4に入射する軸外光線の高さが高くなり、第4群G4が「上光線を跳ね上げる力」は実質的に強くなっていく。これにより「上光線が他の群で下げられ過ぎてフレア成分となる」のを抑制できる。
【0042】
上記の如き構成とすることにより、この発明の投射用ズームレンズは、前述したプロジェクタの投射用ズームレンズとして要求される像性能を十分に満足することが可能となる。
【0043】
上述した特許文献1に記載されている投射用ズームレンズは、この発明の投射用ズームレンズと同様の「6群構成」であるが、この発明における条件(4)に相当する値は0.35程度と正の値となっており、移動群における「拡大側主点位置と縮小側主点位置との逆転」は生じていない。
【0044】
また、特許文献2に記載された投射用ズームレンズも、6群構成であるが、このズームレンズでも、この発明の条件(4)に該当する値は―0.27程度となっており、この発明の投射用ズームレンズが条件(4)を満足することにより得られる効果を十分に得ることは困難であると考えられる。
【0045】
【発明の実施の形態】
以下、具体的な実施例を3例挙げる。
実施例に用いられている記号の意味は以下の通りである。
【0046】
i :拡大側から数えて第i番目の面(絞りの面および色合成手段であるプリズムの面を含む)
IMG :液晶パネルの画像表示面
Ri :拡大側から数えて第i番目の面の曲率半径(非球面にあっては近軸曲率半径)
Di :拡大側から数えて第i番目の面から第i+1番目の面までの軸上面間隔
Do :カラー画像を表示するスクリーンから第1レンズ面までの距離
J :拡大側から数えて第j番目のレンズ
Nj :拡大側から数えて第j番目のレンズのd線に対する屈折率
νj :拡大側から数えて第j番目のレンズのアッべ数
以下の実施例において用いられている非球面の形状は周知の式:
で表す。この式において、Z:光軸方向の座標、h:光軸直交方向の座標、Ri:軸上曲率半径、K:円錐定数、A、B、C、D、E:4次以降の係数である。
計算基準波長は550nm(緑色)である。
【0047】
【実施例】
【0048】
*印を付した面は非球面であり、非球面係数は以下のとおりである。
【0049】
【0050】
条件(1)のパラメータの値:1.12
条件(2)のパラメータの値:1.83400
条件(3)のパラメータの値:1.80420
条件(4)のパラメータの値:―0.328
条件(5)のパラメータの値:0.744 。
【0051】
【0052】
【0053】
条件(1)のパラメータの値:1.303
条件(2)のパラメータの値:1.83400
条件(3)のパラメータの値:1.83500
条件(4)のパラメータの値:―0.392
条件(5)のパラメータの値:0.664 。
【0054】
【0055】
*印を付した面は非球面であり、非球面係数は以下のとおりである。
【0056】
【0057】
条件(1)のパラメータの値:1.22
条件(2)のパラメータの値:1.77250
条件(3)のパラメータの値:1.83500
条件(4)のパラメータの値:―0.374
条件(5)のパラメータの値:0.611 。
【0058】
図4、図5に実施例1の投射用ズームレンズの広角端および望遠端における断面図を示す。図6、図7に実施例2の投射用ズームレンズの広角端および望遠端における断面図を示す。図8、図9に実施例3の投射用ズームレンズの広角端および望遠端における断面図を示す。
【0059】
図10〜図12に順次、実施例1の投射用ズームレンズの広角端、中間変倍位置、望遠端における収差図を示す。図13〜図15に順次、実施例2の投射用ズームレンズの広角端、中間変倍位置、望遠端における収差図を示す。図16〜図18に順次、実施例3の投射用ズームレンズの広角端、中間変倍位置、望遠端における収差図を示す。これらの収差図中、Gは波長:550.0nm、Rは波長:620.0nm、Bは波長:460.0nmを表し、Sは波長:550.0nmでのサジタル像面、Tは波長:550.0nmでのタンジェンシアル像面を意味している。
【0060】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明によれば新規な投射用ズームレンズを実現できる。この発明の投射用ズームレンズは、コンパクトでありながら、各実施例の収差図に示すように、近来の厳しい要求レベルに応え得る良好な性能を有している。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の投射用レンズのレンズ構成の1例を示す断面図である。
【図2】前側主点:Hと後側主点:H’の一般的な位置関係を凸単レンズを例にとって説明する図である。
【図3】図1に例示したレンズ構成における、移動群の合成系の拡大側主点:Hと縮小側主点:H’の位置関係を説明するための図である。
【図4】実施例1の投射用ズームレンズの広角端における断面図である。
【図5】実施例1の投射用ズームレンズの望遠端における断面図である。
【図6】実施例2の投射用ズームレンズの広角端における断面図である。
【図7】実施例2の投射用ズームレンズの望遠端における断面図である。
【図8】実施例3の投射用ズームレンズの広角端における断面図である。
【図9】実施例3の投射用ズームレンズの望遠端における断面図である。
【図10】実施例1の投射用ズームレンズの広角端における収差図である。
【図11】実施例1の投射用ズームレンズの中間変倍位置における収差図である。
【図12】実施例1の投射用ズームレンズの望遠端における収差図である。
【図13】実施例2の投射用ズームレンズの広角端における収差図である。
【図14】実施例2の投射用ズームレンズの中間変倍位置における収差図である。
【図15】実施例2の投射用ズームレンズの望遠端における収差図である。
【図16】実施例3の投射用ズームレンズの広角端における収差図である。
【図17】実施例3の投射用ズームレンズの中間変倍位置における収差図である。
【図18】実施例3の投射用ズームレンズの望遠端における収差図である。
【符号の説明】
G1 第1群
G2 第2群
G3 第3群
G4 第4群
G5 第5群
G6 第6群
S 絞り
P 色合成プリズム
IMG 液晶パネルの画像表示面
Claims (5)
- 平面画像を拡大して投射結像させる投射用ズームレンズであって、
拡大側から縮小側へ向って順に、第1群ないし第6群を配してなり、第1群が負、第2および第3群が正、第4群が負、第5および第6群が正の屈折力を持ち、
上記第1群、上記第6群が変倍時に固定される固定群であり、上記第2群ないし上記第5群が変倍時に移動を行う移動群であり、
広角端における全系の焦点距離:fw
第2群の焦点距離:f2
第3群の焦点距離:f3
上記第2群を構成する凸レンズのd線に対する屈折率の平均値:n2p
上記第3群を構成する凸レンズのd線に対する屈折率の平均値:n3p
上記移動群をなす、最も拡大側の第2群から最も縮小側の第5群までの合成系の、広角端における、拡大側主点位置から縮小側主点位置までの距離:HH’MOV
上記移動群をなす、最も拡大側の第2群から最も縮小側の第5群までの、広角端における全長:OALMOV
が、拡大側から縮小側に向って距離の符号を正として、以下の条件:
(1) 1.0<(1/fw)/{(1/f2)+(1/f3)}<1.5
(2) n2p>1.75
(3) n3p ≧1.8042
(4) HH’MOV/OALMOV<−0.3
を満足することを特徴とする投射用ズームレンズ。 - 請求項1記載の投射用ズームレンズにおいて、
広角端における全系の焦点距離:fw
第1群以外で、最多レンズ枚数を持つ第5群中における最も発散作用の強いレンズ面の曲率半径:RM
が条件:
(5) 0.5<|RM|/fw<0.8
を満足することを特徴とする投射用ズームレンズ。 - 請求項1または2記載の投射用ズームレンズにおいて、
最も拡大側の群である第1群が、拡大側から縮小側へ向って順に、拡大側に凸面を向けたメニスカス負レンズ、拡大側に凸面を向けたメニスカスレンズ、両凹形状の負レンズ、正レンズで構成されることを特徴とする投射用ズームレンズ。 - 請求項1〜3の任意の1に記載の投射用ズームレンズにおいて、
第1群以外で、最多レンズ枚数を持つ第5群が、拡大側から縮小側へ向って順に、負レンズ、両凹形状の負レンズと両凸形状の正レンズとの接合レンズ、正レンズにより構成されることを特徴とする投射用ズームレンズ。 - 請求項1〜4の任意の1に記載の投射用ズームレンズにおいて、
第4群が、負レンズ1枚のみで構成されることを特徴とする投射用ズームレンズ。
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