JP4601430B2

JP4601430B2 - 投射用ズームレンズ及びそれを用いたプロジェクタ装置

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Publication number: JP4601430B2
Application number: JP2005000056A
Authority: JP
Inventors: 康晴山田
Original assignee: Olympus Imaging Corp
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Filing date: 2005-01-04
Publication date: 2010-12-22
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Description

本発明は、投射用ズームレンズ及びそれを用いたプロジェクタ装置に関し、主に光の反射方向を変えることができるＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）等のライトバルブからの画像を拡大投影するための投射用ズームレンズ及びそれを用いたプロジェクタ装置に関するものである。

従来、ＬＣＤ（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用の投射レンズが数多く提案されている。近年、ＬＣＤに代わり、照明系からの光の反射方向を変えることにより画像を形成する複数の微小ミラーを配列したＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）が実用化されており、ＬＣＤより応答速度が速く、光量損失も少ないので発熱量も少なく冷却装置も比較的小さくでき、明るい画像も得られるという点から、小型、高輝度、高画質のプロジェクタを実現するのに適している。

現在のＤＭＤにおいて、画像を生成する際にマイクロミラーが旋回する角度は±１２°であり、これにより投射レンズに入射し投影される反射光（有効光）と、投射レンズには入射しない反射光（無効光）とを切り替えている。この旋回角の制約のため、ＤＭＤ等のライトバルブに照明光を入力する照明光学系と有効光を出力する投射レンズとの配置は限られてしまい、ＤＭＤに対して略同じ方向に配置せざるをえない。そのため、照明光学系と投射レンズが干渉しないよう、投射レンズの最も縮小側のレンズは小径になるようにすること、そのレンズとＤＭＤとの間隔（バックフォーカス）を大きめに確保すること、また、ＤＭＤ近傍にある光学部材については照明光学系と投射光学系の両光学系で使用することを考慮して設計する必要がある。

また、プロジェクタ装置の小型軽量化や投射距離の短縮、設置自由度の拡大、低コスト等の要求が高まっており、投射レンズ自体の小型化や広画角化、ズーム化、レンズ枚数の削減等様々なレンズタイプが検討されている。

中でもＤＭＤの直前に凸レンズ（フィールドレンズ）を配置し、これを照明光学系及び投射レンズの一部として共用することで、照明光学系を簡素化してコンパクトにすること及び投射レンズの一部として収差補正の効果を負担させることで、投射光学系の構成も簡素化してコンパクトにする方法が提案されている（特許文献１〜６等）。

しかし、このような照明光学系及び投射光学系に共用のフィールドレンズをライトバルブ直前に配置した投射レンズに関して、小型で広画角のズームレンズはこれまで開示されていない。
特開２００４−２０７９９号公報特開２００４−７７９４６号公報特開２００３−３１５６７５号公報特開２００４−３１７６４５号公報特開２００４−３１７６４４号公報特開２００４−２７１６６８号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、簡易な構成としつつも光の反射方向を変えることができるＤＭＤ等のライトバルブからの画像を拡大投影するのに適した投射用ズームレンズを提供することである。

さらには、全長の短い投射用ズームレンズを提供することを目的とする。

また、光学性能を確保しつつ広角投射を可能にし得るコンパクトな投射用ズームレンズを提供することを目的としている。

さらには、コンパクトなプロジェクタ装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成する第１の投射用ズームレンズは、拡大側より順に、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群を有し、
投影像を一定の位置にフォーカスした場合の広角端から望遠端への変倍に際し、前記第１レンズ群及び前記第２レンズ群が移動し、前記第３レンズ群は固定であり、
前記第３レンズ群はライトバルブの前面に配置され、ライトバルブを照明する照明光学系からの入射光線と前記ライトバルブからの反射光線を透過し、
フォーカシングに際して、前記第１レンズ群のみが移動し、
以下の条件式を満足することを特徴とするものである。

（１）０．００３＜Δｄ／｜ｆ₁｜＜０．０３０
ただし、ｆ₁は第１レンズ群の焦点距離、Δｄは投影像を一定の位置にフォーカスして広角端から望遠端まで変化させたときの第１レンズ群の最大移動量である。

以下に、第１の投射用ズームレンズにおいて上記構成をとる理由と作用を説明する。

第１の投射用ズームレンズは、拡大側より順に、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群を有する構成を基本にしている。

第１レンズ群を負の屈折力、第２レンズ群を正の屈折力とすることで、レンズ構成がレトロフォーカスタイプとなり、広画角で長いバックフォーカス（ここでは、第２レンズ群と第３レンズ群との間隔）を確保しやすくなり、照明光学系とも干渉し難くなる。また、第３レンズ群を正の屈折力とすることで、照明光学系からＤＭＤ等のライトバルブに対して斜入射する照明光を平行化すると共に、ライトバルブからの反射光も投射光学系に対して収束する方向に屈折することで、第２レンズ群の小型化に有利となる。また、広角端から望遠端への変倍に際し、第１レンズ群はコンペンセータとして、第２レンズ群はバリエータとして移動することで、諸収差の変動を抑えながら、第１レンズ群の移動距離が少ないので、レンズ全系の全長変化も小さく保てる。さらに、第３レンズ群はフィールドレンズとして固定とすることで、ライトバルブからフィールドレンズ（第３レンズ群）を介して入射する投射光の入射瞳位置の変動を少なく保てるので、照度ムラの少ない画像が得られるという利点がある。また、第３レンズ群をライトバルブの前面に配置したフィールドレンズとすることで、照明光学系から入射する照明光及びライトバルブから反射された投射光（有効光）が共に透過するので、第３レンズ群が照明光学系及び投射レンズの一部として機能することになり、照明光学系及び投射光学系の構成を簡素化してコンパクトにすることができる。フォーカシングの際は、第１レンズ群のみを移動して行うことにより、照明光学系との干渉の可能性を減らすことができる。

また、第１レンズ群の移動について、条件式（１）を満足するようにしている。

条件式（１）の下限の０．００３を越えると、第１レンズ群での移動量が少なくなり、投影像を一定にした上での十分な変倍の確保が難しくなる。一方、条件式（１）の上限の０．０３０を越えると、第１レンズ群の移動量が大きくなり、第１レンズ群を移動させるための構成が複雑になりやすくなる。

また、条件式（１）を満足することにより、ズーミングを行う際に、実質的に投射角（画角）の調整は第２レンズ群の移動にて行い、画角が設定されたところで第１レンズ群でフォーカスするという構成が可能になる。つまり、ズーミングにおいて第１レンズ群と第２レンズ群を機構的に連動させることなく、それぞれの群の役割を独立させることが可能になり、構成が容易になる。なお、この考え方は、第２レンズ群の移動時もオートフォーカス手段を機能させ、ピントが合うように第１レンズ群の位置を調整させることも含まれる。この利点の１つは、温度等の環境の変化に対しても追随させることが可能な点である。

条件式（１）について、下限値をさらに０．００５、さらには０．００７とすると、変倍比の確保の点でより好ましい。

また、上限値をさらに０．０２０、さらには０．０１５とすると、第１レンズ群の移動機構を簡略化する上でより好ましい。

また、前述の一定の位置を、広角端時で投影距離を１．６ｍとしたときを投影像位置とすると、プロジェクタの使用状況に合う設定となるので、より好ましい。

本発明の第２の投射用ズームレンズは、第１の投射用ズームレンズにおいて、前記第１レンズ群は、前記広角端から望遠端への変倍に際して縮小側に移動後拡大側に移動し、以下の条件式を満足することを特徴とするものである。

（１−１）１．７＜ｄＡ／Δｄ≦２．０
ただし、ｄＡは投影像を一定の位置にフォーカスして広角端から望遠端まで変化させたときの第１レンズ群の全移動量である。

以下に、第２の投射用ズームレンズにおいて上記構成をとる理由と作用を説明すると、第１レンズ群の移動について規定するものである。レンズ全長を短縮化する上で、本発明のようなレンズ構成とする場合、第１レンズ群が往復移動する構成とすると、適度な変倍比を確保しつつ全長を小さく構成できる。条件式（１−１）は、広角端と望遠端での位置が略同じ位置となる範囲を規定するものである。

条件式（１−１）の下限値の１．７を越えると、広角端若しくは望遠端でのレンズ全長が大きくなりやすくなる。その上限値２．０は、広角端と望遠端とで第１レンズ群が同じ位置となる状態であり、上限値２．０を越えることはない。

条件式（１−１）について、下限値を１．８、さらには１．９とすると、変倍比を確保しつつズームレンズ全長を短くする上でより好ましい。

前述の第１レンズ群、第２レンズ群、第３レンズ群の他に、収差補正のために他のレンズ群を含めても、基本的には３群ズームレンズの構成が、移動構成を簡単にできるのでより好ましい。３群ズームレンズの構成にて収差補正をより良好にするために、群内に微小可変間隔を持たせてフローティングを行う構成としてもよい。また、レンズ群の移動機構をより簡単にするためには、変倍時における可変間隔を第１、第２レンズ群間と第２、第３レンズ群間のみとして構成することが好ましい。

上記第１、第２の投射用ズームレンズは、光の反射方向を変えることができるＤＭＤ等のライトバルブからの画像を拡大投影するのに適した小型軽量の投射用ズームレンズを提供するものである。これに加えて、投射用スームレンズの小型軽量化、高性能化等を達成するために、以下の第３以降の投射用ズームレンズの何れかの構成を同時に満足させるか、若しくは、第３乃至第１４の投射用ズームレンズの諸条件の中、少なくとも１つを満足させることが望ましい。

第３の投射用ズームレンズは、拡大側より順に、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群を有し、
投影像を一定の位置にフォーカスした場合の広角端から望遠端への変倍に際し、前記第１レンズ群及び前記第２レンズ群が移動し、前記第３レンズ群は固定であり、
前記第３レンズ群はライトバルブの前面に配置され、ライトバルブを照明する照明光学系からの入射光線とライトバルブからの反射光線が透過し、
前記第１レンズ群は、拡大側より順に、拡大側に凸面を向けた負のメニスカスレンズ、非球面レンズ、拡大側よりも縮小側に絶対値の大きい曲率を持つ負レンズ、縮小側よりも拡大側に絶対値の大きい曲率を持つ正レンズから構成されることを特徴とするものである。

以下に、第３の投射用ズームレンズにおいて上記構成をとる理由と作用を説明する。

第３の投射用ズームレンズは、拡大側より順に、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群を有する構成を基本にしている。

第１レンズ群を負の屈折力、第２レンズ群を正の屈折力とすることで、レンズ構成がレトロフォーカスタイプとなり、広画角で長いバックフォーカス（ここでは、第２レンズ群と第３レンズ群との間隔）を確保しやすくなり、照明光学系とも干渉し難くなる。また、第３レンズ群を正の屈折力とすることで、照明光学系からＤＭＤ等のライトバルブに対して斜入射する照明光を平行化すると共に、ライトバルブからの反射光も投射光学系に対して収束する方向に屈折することで、第２レンズ群の小型化に有利となる。また、広角端から望遠端への変倍に際し、第１レンズ群はコンペンセータとして、第２レンズ群はバリエータとして移動することで、諸収差の変動を抑えながら、第１レンズ群の移動距離が少ないので、レンズ全系の全長変化も小さく保てる。さらに、第３レンズ群はフィールドレンズとして固定とすることで、ライトバルブからフィールドレンズ（第３レンズ群）を介して入射する投射光の入射瞳位置の変動を少なく保てるので、照度ムラの少ない画像が得られるという利点がある。また、第３レンズ群をライトバルブの前面に配置したフィールドレンズとすることで、照明光学系から入射する照明光及びライトバルブから反射された投射光（有効光）が共に透過するので、第３レンズ群が照明光学系及び投射レンズの一部として機能することになり、照明光学系及び投射光学系の構成を簡素化してコンパクトにすることができる。

そして、第１レンズ群は、拡大側より順に、拡大側に凸面を向けた負のメニスカスレンズ（レンズ１）、非球面を有するレンズ（レンズ２）、拡大側よりも縮小側に絶対値の大きい曲率を持つ負レンズ（レンズ３）、縮小側よりも拡大側に絶対値の大きい曲率を持つ正レンズ（レンズ４）から構成することにより、高性能でコンパクトで、特に広角にすることが容易になる。

すなわち、拡大側に凸面を向けた負のメニスカスレンズ、非球面を有するレンズの組み合わせで、画角の広い軸外光束に対して効果的に収差補正を施すことができ、縮小側に強い曲率を持つ負レンズ、拡大側に強い曲率を持つ正レンズで色収差のコントロールと軸上と軸外光束の収差状況のバランスを整えることが可能となり、第１レンズ群を４枚というコンパクトで枚数の少ない構成で達成できる。

本発明の第４の投射用ズームレンズは、第３の投射用ズームレンズにおいて、前記第１レンズ群の縮小側に配される前記負レンズ及び前記正レンズは、拡大側に凸面を向けたメニスカスレンズであることを特徴とするものである。

以下に、第４の投射用ズームレンズにおいて上記構成をとる理由と作用を説明すると、レンズ３、レンズ４は、それぞれ拡大側に凸面を向けたメニスカスレンズで構成するのが望ましい。このように構成すると、高次収差の発生を小さくし、コントロールしやすくなる。

本発明の第５の投射用ズームレンズは、第３、第４の投射用ズームレンズにおいて、フォーカシングに際して、前記第１レンズ群のみを移動させることを特徴とするものである。

以下に、第５の投射用ズームレンズにおいて上記構成をとる理由と作用を説明すると、フォーカシングの際に第１レンズ群のみを移動させることで、照明光学系との干渉の可能性を減らすことができる。

本発明の第６の投射用ズームレンズは、第１〜第５の投射用ズームレンズにおいて、前記第１レンズ群及び前記第２レンズ群の各々に少なくとも１枚の非球面レンズが含まれていることを特徴とするものである。

以下に、第６の投射用ズームレンズにおいて上記構成をとる理由と作用を説明すると、第１レンズ群及び第２レンズ群の各々に少なくとも１枚の非球面レンズが含まれていると、小型で広画角にしようとする場合に大きくなる非点収差や像面湾曲、歪曲収差を少ないレンズ枚数で良好に補正することができる。

本発明の第７の投射用ズームレンズは、第１〜第６の投射用ズームレンズにおいて、前記第１レンズ群中の拡大側から２つ目のレンズがプラスティック非球面レンズであることを特徴とするものである。

以下に、第７の投射用ズームレンズにおいて上記構成をとる理由と作用を説明すると、第１レンズ群中の第２レンズは光学樹脂（プラスティック）を材料としてプラスティック非球面レンズとする。このレンズの有効径は他のレンズ群のレンズの有効径よりも大きくなる。そのため、第１レンズ群の第２レンズを全く同じ形状のガラスモールド非球面レンズとした場合と比較して、かなり低コストに抑えることが可能となる。また、第１レンズ群にプラスチックレンズを使用すると好ましいとする理由は、第１レンズ群はランプ等の熱源から離れており温度の影響を受け難い場所であるからであり、第２レンズに使用した理由は、プラスティックレンズはキズが付きやすいので外装表面に露出しないように構成できるためである。

本発明の第８の投射用ズームレンズは、第７の投射用ズームレンズにおいて、前記第１レンズ群中の前記プラスティック非球面レンズは、金型成型したプラスティックモールド非球面レンズであることを特徴とするものである。

以下に、第８の投射用ズームレンズにおいて上記構成をとる理由と作用を説明すると、第１レンズ群中の第２レンズのプラスチック非球面レンズは、金型成形したプラスティックモールド非球面レンズとすることが、非球面レンズを成形しやすく好ましい。

本発明の第９の投射用ズームレンズは、第７、第８の投射用ズームレンズにおいて、前記プラスチック非球面レンズが以下の条件式を満足することを特徴とするものである。

（２）０．５＜ｄ_3,E／ｄ_3,C＜２．０
ただし、ｄ_3,Cはプラスチック非球面レンズの中心肉厚、ｄ_3,Eはプラスチック非球面レンズ最外有効部での光軸方向に測った肉厚である。

以下に、第９の投射用ズームレンズにおいて上記構成をとる理由と作用を説明すると、条件式（２）は、第２レンズの中心肉厚ｄ_3,Cに対する最外有効部での光軸方向に測った肉厚ｄ_3,Eの比を規定したものである。

条件式（２）の範囲の上限の２．０、下限の０．５を越えると、周辺環境の温度や湿度変化に伴ってプラスティックレンズの形状や屈折率に変化が生じた場合に、レンズ中心部と周辺部での変化の差が大きくなり、形状精度の低下から光学性能を維持することが困難となる。

条件式（２）の下限値を０．６９、さらには０．８３とするとより好ましい。

また、上限値を１．５、さらには１．２とするとより好ましい。

本発明の第１０の投射用ズームレンズは、第１〜第９の投射用ズームレンズにおいて、前記第２レンズ群の最も縮小側のレンズは縮小側に凹面を向けた負レンズ、前記第３レンズ群の最も拡大側のレンズは拡大側に凸面を向けた正レンズであり、以下の条件式を満足することを特徴とするものである。

（３）０．４＜ｒ_2,r／ｒ_3,f＜０．６
ただし、ｒ_2,rは第２レンズ群の中で最も縮小側の面の近軸曲率半径、ｒ_3,fは第３レンズ群の中で最も拡大側の面の近軸曲率半径である。

以下に、第１０の投射用ズームレンズにおいて上記構成をとる理由と作用を説明すると、第２レンズ群の最も縮小側のレンズは縮小側に凹面のある負レンズ、第３レンズ群の最も拡大側のレンズは拡大側に凸面のある正レンズとすることで、照明光学系からＤＭＤ等のライトバルブに対して斜入射する照明光を平行化すると共に、ライトバルブからの反射光も投射光学系に対して収束する方向に屈折することで、第２レンズ群の小型化に有利となる。

条件式（３）は、第３レンズ群の中で最も拡大側の面の曲率半径ｒ_3,fに対する第２レンズ群の中で最も縮小側の面の曲率半径ｒ_2,rの比を規定したものである。条件式（３）の上限の０．６を越えると、第３レンズ群の中で最も拡大側の面の曲率半径ｒ_3,fが、隣の面である第２レンズ群の中で最も縮小側の面の曲率半径ｒ_2,rと比較して相対的に小さいため、最初の強い光線収束面（第３レンズ群）で発生した収差を隣の光線発散面（第２レンズ群）で相殺することができず、補正が困難となる。反対に条件式（３）の下限の０．４を越えると、第３レンズ群の中で最も拡大側の面の曲率半径ｒ_3,fが、隣の面である第２レンズ群の中で最も縮小側の面の曲率半径_2,rと比較して相対的に大きいため、最初の光線収束面（第３レンズ群）で発生した収差量より隣の強い光線発散面（第２レンズ群）で発生した収差量の方が大きく、相殺することができず補正が困難となる。

条件式（３）について、下限値を０．４３、さらには０．４６とすることが収差補正上好ましい。

また、上限値を０．５５、さらには０．５０とすることがより好ましい。

本発明の第１１の投射用ズームレンズは、第１〜第１０の投射用ズームレンズにおいて、前記第２レンズ群が、拡大側から順に、負レンズ、正レンズの順で接合された接合レンズを有し、かつ、縮小側から順に、縮小側に凹面を向けた負メニスカスレンズ、拡大側よりも縮小側が絶対値の大きい曲率を持つ正レンズを有することを特徴とするものである。

以下に、第１１の投射用ズームレンズにおいて上記構成をとる理由と作用を説明すると、第２レンズ群に、最も拡大側に負正の接合レンズ（レンズ２１）を配することで、特に倍率の色収差を良好にコントロールできる。また、最も縮小側のレンズは縮小側に凹面を持つ負メニスカスレンズとし、その拡大側に縮小側に強い曲率を持つ正レンズを配置することにより、軸上から軸外までの光束に対し良好な収差状況になるようにコントロールできる。

本発明の第１２の投射用ズームレンズは、第１〜第１０の投射用ズームレンズにおいて、前記第２レンズ群が、拡大側から順に、負レンズ、正レンズの順で接合された接合レンズ、正の単レンズ、拡大側よりも縮小側が絶対値の大きい曲率を持つ正レンズ、縮小側に凹面を向けた負メニスカスレンズにて構成されたことを特徴とするものである。

以下に、第１２の投射用ズームレンズにおいて上記構成をとる理由と作用を説明すると、レンズ２１と縮小側に強い曲率を持つ正レンズの間に適切な空気間隔をもって正レンズを配置することにより、コンパクト性と高性能をバランス良く達成しやくなり、好ましい。

本発明の第１３の投射用ズームレンズは、第１〜第１２の投射用ズームレンズにおいて、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群が以下の条件式を満足することを特徴とするものである。

（４）１．２＜｜ｆ₁｜／ｆ_W＜１．６
（５）１．４＜ｆ₂／ｆ_W＜１．８
ただし、ｆ_Wは広角端における投射距離１．６ｍでの投射用ズームレンズ全系の焦点距離、ｆ₁は第１レンズ群の焦点距離、ｆ₂は第２レンズ群の焦点距離である。

以下に、第１３の投射用ズームレンズにおいて上記構成をとる理由と作用を説明すると、条件式（４）は、投射用ズームレンズの広角端（投影距離１．６ｍ）における全系の焦点距離ｆ_Wに対する第１レンズ群の焦点距離ｆ₁の絶対値の比を規定したものである。条件式（４）の上限の１．６を越えると、第１レンズ群の焦点距離が長くなるため、長いバックフォーカスを確保することが困難となる。反対に条件式（４）の下限の１．２を越えると、第１レンズ群の焦点距離が短くなり、諸収差の補正が困難となる。

条件式（５）は、投射用ズームレンズの広角端（投影距離１．６ｍ）における全系の焦点距離ｆ_Wに対する第２レンズ群の焦点距離ｆ₂の比を規定したものである。条件式（５）の上限の１．８を越えると、第２レンズ群の焦点距離が長くなるため、諸収差の補正に関しては有利であるが、レンズ全長が長くなると同時に、第１レンズ群の外径が大きくなりコストが高くなってしまう。反対に条件式（５）の下限の１．４を越えると、第２レンズ群の焦点距離が短くなり、諸収差の補正が困難となる。

条件式（４）について、下限値を１．３、さらには１．４とすることが好ましい。

また、上限値を１．５５、さらには１．５とすることが好ましい。

条件式（５）について、下限値を１．５、さらには１．５５とすることが好ましい。

また、上限値を１．７、さらには１．６とすることが好ましい。

本発明の第１４の投射用ズームレンズは、第１〜第１３の投射用ズームレンズにおいて、以下の条件式を満足することを特徴とするものである。

（６）０．２＜ｄ_17W／ｆ₃＜０．４
ただし、ｄ_17Wは広角端における第２レンズ群の最も縮小側の面と第３レンズ群の最も拡大側の面との面間距離、ｆ₃は第３レンズ群の焦点距離である。

以下に、第１４の投射用ズームレンズにおいて上記構成をとる理由と作用を説明すると、条件式（６）は、第３レンズ群の焦点距離ｆ₃に対する広角端における第２レンズ群の最も縮小側の面と第３レンズ群の最も拡大側の面との面間距離ｄ_17Wの比を規定したものである。ライトバルブから投射光学系へ光線が入射する際、フィールドレンズである第３レンズ群から第２レンズ群の瞳位置へ入射するよう設計することが望ましい。これは、照明光学系からの光量の損失をできるだけ少なくし、スクリーン上の明るさを少しでも確保したいためである。本発明では、変倍時に第２レンズ群が移動してしまうため、前記条件を常に満足することは難しいが、著しい変化は避けた方が照度ムラも目立たないため望ましい。つまり、条件式（６）の上限の０．４を越えると、望遠端において第３レンズ群からの光束に対する第２レンズ群の瞳位置が遠すぎるため照度ムラを生じやすい。反対に条件式（６）の下限の０．２を越えると、広角端において第３レンズ群からの光束に対する第２レンズ群の瞳位置が近すぎるため、これも照度ムラを生じやすい。

条件式（６）について、下限値を０．２５、さらには０．３０とするとより好ましい。

また、上限値を０．３７、さらには０．３４とするとより好ましい。

また、上述の各々の投射用ズームレンズは、それぞれの構成を同時に満足することで、小型化、高性能化、広角化等に有利となる。

また、上述の投射用ズームレンズは、ライトバルブと、そのライトバルブに投写用の照明光を照射する照明光学系と、その照明光の中そのライトバルブにより反射された有効光を投影像として拡大側に拡大投射する投射用ズームレンズとを備えたプロジェクタ装置に用いることが好ましい。それにより、プロジェクタ装置の小型化、高性能化等に有利となる。

本発明によれば、ＤＭＤ等のライトバルブからの画像を拡大投影するのに適した投射用ズームレンズが得られる。また、全長の短い投射用ズームレンズが得られる。さらにまた、光学性能を確保しつつ広角投射を可能にし得るコンパクトな投射用ズームレンズが得られる。さらには、コンパクトなプロジェクタ装置を得ることができる。

以下に、本発明の投射用ズームレンズとそれを用いたプロジェクタ装置の実施例を説明する。

まず、図１に、ＤＭＤをライトバルブとして採用したプロジェクタ装置の概略構成を示してある。このプロジェクタ装置１は、光変調器であるＤＭＤ２と、このＤＭＤ２に投影用の照明光１１を照射する照明光学系（照明システム）３と、ＤＭＤ２により反射された有効光（投影光）１２をスクリーン９に拡大投射する投射用ズームレンズ５とを備えている。なお、ＤＭＤ２の直前に配置された平行平板Ｃは、ＤＭＤ２のカバー透明部材である。

図１に示したプロジェクタ装置１は、単板式のビデオプロジェクタであり、照明システム３は、ハロゲンランプ等の白色光源６と、円盤型の回転色分割フィルタ７とを備えている。このため、ＤＭＤ２には、赤、緑、青の３原色の照明光が時分割で照射される。そして、それぞれの色の光が照射されるタイミングで、個々の画素に対応するＤＭＤ２の素子（デジタルミラー）を制御することにより、カラー画像が表示される。照明光学系３は、さらに、種々のプロジェクタ装置の配置あるいは構成に対応して、光源６からの照明光１１をＤＭＤ２に照射するためのコンデンサレンズ８ａ、対物光学系８ｂ、ミラー４等が必要に応じて配置される。

ＤＭＤ２は、照明光１１の反射方向を変えて画像を生成する複数の素子（デジタルミラー）を備えた光変調器であり、ＤＭＤ２を採用したプロジェクタ装置１においては、ＤＭＤ２の法線と投射用ズームレンズ５の光軸とが一致していると、イメージサークルが小さくなり、投射用ズームレンズ５の径を小さくできる。それと共に、有効光及び無効光の分離が容易となる。したがって、照明システム３からＤＭＤ２に対する入射角度は限られており、照明システム３の光軸と投射用ズームレンズ５の光軸とがほとんど同一方向になる。このため、照明システム３の影響を受けないようにするには、投射用ズームレンズ５のバックフォーカス（第２レンズ群Ｇ２と第３レンズ群Ｇ３との間隔）はある程度長くする必要がある。また、有効な投影光１２を無効な光と分離するためには、投射用ズームレンズ５の第２レンズ群Ｇ２のＤＭＤ２側に位置する最終レンズの径は十分に小さくする必要がある。これらの条件を満たすように、本実施例のプロジェクタ装置１の投射用ズームレンズ５は設計されている。

投射用ズームレンズ５は、スクリーン９側（拡大側）からライトバルブ２側（縮小側）に順に、変倍時とフォーカス時に移動する負屈折力の第１レンズ群Ｇ１、正の屈折力で変倍時に移動する第２レンズ群Ｇ２、正の屈折力で変倍時に固定の第３レンズ群Ｇ３とで構成されている。変倍時には、第１レンズ群Ｇ１がコンペンセータとなり、第２レンズ群Ｇ２がバリエータとなる。

図２に、図１のプロジェクタ装置１に用いられている実施例１の投射用ズームレンズ５の光軸を含む断面図を示す。図２（ａ）は広角端、図２（ｂ）は中間状態、図２（ｃ）は望遠端でのレンズ断面図である。

実施例１の投射用ズームレンズは、図２に示すように、スクリーン側（拡大側）からライトバルブの表示面Ｉ側（縮小側）へ順に、変倍時とフォーカス時に移動する負屈折力の第１レンズ群Ｇ１、正の屈折力で変倍時に移動する第２レンズ群Ｇ２、正の屈折力で変倍時に固定の第３レンズ群Ｇ３とで構成されており、広角端から望遠端への変倍をする際に、第１レンズ群Ｇ１は、一旦縮小側に移動後反転して拡大側に移動し、広角端時投射距離ｄ₀＝１．６ｍの状態で、広角端と望遠端で同じ位置となる。第２レンズ群Ｇ２は拡大側へ単調に移動し、第３レンズ群Ｇ３は固定している。フォーカシングは第１レンズ群Ｇ１のみの移動で行う。

拡大側から順に、第１レンズ群Ｇ１は、拡大側に凸面を向けた３枚の負メニスカスレンズと、拡大側に凸面を向けた正メニスカスレンズとの４枚のレンズからなり、第２レンズ群Ｇ２は、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズと両凸正レンズの接合レンズと、拡大側に凹面を向けた正メニスカスレンズと、両凸正レンズと、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズとの５枚のレンズからなり、第３レンズ群Ｇ３は凸平正レンズ１枚からなる。

非球面は、第１レンズ群Ｇ１の拡大側から２番目の負メニスカスレンズの両面、第２レンズ群Ｇ２の接合レンズの最も縮小側の面、縮小側の両凸正レンズの両面の５面に用いている。

以下に、上記実施例の数値データを示すが、記号は上記の外、ｆは全系焦点距離、Ｆ_NOはＦナンバー、ωは投射最大半画角、Ｄ_pは投射用ズームレンズの縮小側瞳位置（ＤＭＤ反射面ｒ₂₂からの距離）、φ_pは投射用ズームレンズの縮小側瞳直径、ＷＥは広角端、ＳＴは中間状態、ＴＥは望遠端、ｒ₁、ｒ₂…は各レンズ面の曲率半径、ｄ₁、ｄ₂…は各レンズ面間の間隔、ｎ_d1、ｎ_d2…は各レンズのｄ線の屈折率、ν_d1、ν_d2…は各レンズのアッベ数、ａ₁、ａ₂…は各レンズ面の最大有効半径である。ｄ₀は投影距離で、スクリーンから第１面までの距離である。なお、非球面形状は、ｘを光の進行方向を正とした光軸とし、ｙを光軸と直交する方向にとると、下記の式にて表される。

ｘ＝（ｙ²／ｒ）／［１＋｛１−（Ｋ＋１）（ｙ／ｒ）²｝^1/2］
＋Ａ₄ｙ⁴＋Ａ₆ｙ⁶＋Ａ₈ｙ⁸＋Ａ₁₀ｙ¹⁰
ただし、ｒは近軸曲率半径、Ｋは円錐係数、Ａ₄、Ａ₆、Ａ₈、Ａ₁₀はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。

実施例１
ｒ₁= 34.83 ｄ₁= 2.5 ｎ_d1 =1.72916 ν_d1 =54.7 ａ₁=19.44
ｒ₂= 17.58 ｄ₂= 6.3 ａ₂=15.36
ｒ₃= 665.83（非球面）ｄ₃= 2.5 ｎ_d2 =1.52542 ν_d2 =55.8 ａ₃=15.20
ｒ₄= 69.18（非球面）ｄ₄= 3.2 ａ₄=14.33
ｒ₅= 166.23 ｄ₅= 1.8 ｎ_d3 =1.48749 ν_d3 =70.2 ａ₅=14.05
ｒ₆= 17.41 ｄ₆= 7.1 ａ₆=12.23
ｒ₇= 25.87 ｄ₇= 3.9 ｎ_d4 =1.84666 ν_d4 =23.8 ａ₇=12.25
ｒ₈= 42.17 ｄ₈= （可変）ａ₈=11.66
ｒ₉= 65.32 ｄ₉= 2.0 ｎ_d5 =1.69895 ν_d5 =30.1 ａ₉= 9.20
ｒ₁₀= 15.24 ｄ₁₀= 6.8 ｎ_d6 =1.80610 ν_d6 =40.7 ａ₁₀= 9.05
ｒ₁₁= -138.75（非球面）ｄ₁₁= 1.75 ａ₁₁= 8.77
ｒ₁₂= -48.58 ｄ₁₂= 3.0 ｎ_d7 =1.51742 ν_d7 =52.4 ａ₁₂= 8.72
ｒ₁₃= -22.84 ｄ₁₃= 4.25 ａ₁₃= 8.76
ｒ₁₄= 130.51（非球面）ｄ₁₄= 3.7 ｎ_d8 =1.58313 ν_d8 =59.5 ａ₁₄= 7.50
ｒ₁₅= -22.58（非球面）ｄ₁₅= 0.2 ａ₁₅= 7.57
ｒ₁₆= 45.37 ｄ₁₆= 1.3 ｎ_d9 =1.84666 ν_d9 =23.8 ａ₁₆= 7.40
ｒ₁₇= 16.53 ｄ₁₇= （可変）ａ₁₇= 7.23
ｒ₁₈= 35.00 ｄ₁₈= 20.0 ｎ_d10=1.51680 ν_d10=64.2 ａ₁₈=15.00
ｒ₁₉= ∞ ｄ₁₉= 0.5 ａ₁₉=15.00
ｒ₂₀= ∞ ｄ₂₀= 3.0 ｎ_d11=1.48749 ν_d11=70.4 ａ₂₀=15.00
（ＤＭＤカバーガラス）
ｒ₂₁= ∞ ｄ₂₁= 0.483 ａ₂₁=15.00
ｒ₂₂= ∞
（ＤＭＤ反射面）
非球面係数
第３面
Ｋ = -998.9996
Ａ₄= 1.0275 ×10^-4
Ａ₆= -3.4111 ×10^-7
Ａ₈= 1.0817 ×10^-9
Ａ₁₀= -2.0312 ×10^-12
第４面
Ｋ = 17.8901
Ａ₄= 8.7572 ×10^-5
Ａ₆= -3.4237 ×10^-7
Ａ₈= 5.8772 ×10^-10
Ａ₁₀= -2.2013 ×10^-12
第１１面
Ｋ = -9.2787
Ａ₄= 4.4718 ×10^-5
Ａ₆= 5.9094 ×10^-8
Ａ₈= 2.5226 ×10^-10
Ａ₁₀= -3.8522 ×10^-13
第１４面
Ｋ = 43.7802
Ａ₄= -8.1119 ×10^-6
Ａ₆= -2.8538 ×10^-8
Ａ₈= 9.7309 ×10^-11
Ａ₁₀= -3.2634 ×10^-12
第１５面
Ｋ = 0.0024
Ａ₄= 4.3557 ×10^-7
Ａ₆= -3.3543 ×10^-8
Ａ₈= -2.4506 ×10^-10
Ａ₁₀= -1.4521 ×10^-12
ズームデータ
ＷＥＳＴＴＥ
ｆ (mm) 18.41 20.16 22.09
Ｆ_NO 2.61 2.75 2.91
ω (°) 38.3 35.8 33.3
ｄ₀ 1600.000 1600.243 1600.000
ｄ₈ 13.427 10.656 8.118
ｄ₁₇ 21.720 24.248 27.029
Ｄ_p -55.14 -61.83 -70.22
φ_p 21.06 22.38 24.03 。

以上の実施例１の投射距離１．６ｍ（広角端でのズームレンズ射出面頂から投影像面までの距離）のときの収差図を図３に示す。この収差図において、（ａ）は広角端、（ｂ）は中間状態、（ｃ）は望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す。各図中、“ＦＩＹ”はＤＭＤ反射面での最大像高を示す。

実施例１の投射用ズームレンズにおける条件式（１）〜（６）の値を示す。

（１） Δｄ／｜ｆ₁｜＝０．００９
（１−１）ｄＡ／Δｄ＝２．０
（２）ｄ_3,E／ｄ_3,C＝１．０３０
（３）ｒ_2,r／ｒ_3,f＝０．４７２
（４）｜ｆ₁｜／ｆ_W＝１．４５５
（５）ｆ₂／ｆ_W ＝１．５７２
（６）ｄ_17W／ｆ₃ ＝０．３２２
図１の構成において、ライトバルブとしてＤＭＤを用いている。そのライトバルブでの画像サイズは、対角長が２９．０ｍｍの長方形状である。

なお、実施例１の第１レンズ群はＧ１、拡大側より順に、拡大側に凸面を向けた負のメニスカスレンズ、非球面レンズ、拡大側よりも縮小側に絶対値の大きい曲率を持つ負レンズ、縮小側よりも拡大側に絶対値の大きい曲率を持つ正レンズから構成したものであるが、拡大側に凸面を向けた負のメニスカスレンズ、非球面を有するレンズの組み合わせに代えて、屈折率１．６８以上のガラス材料で成形した非球面レンズ１枚に置き換えても、収差補正を行いつつコンパクト化できる。

したがって、本発明の第３の投射用ズームレンズの、
拡大側より順に、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群を有し、
投影像を一定の位置にフォーカスした場合の広角端から望遠端への変倍に際し、前記第１レンズ群及び前記第２レンズ群が移動し、前記第３レンズ群は固定であり、
前記第３レンズ群はライトバルブの前面に配置され、ライトバルブを照明する照明光学系からの入射光線とライトバルブからの反射光線が透過し、
前記第１レンズ群は、拡大側より順に、拡大側に凸面を向けた負のメニスカスレンズ、非球面レンズ、拡大側よりも縮小側に絶対値の大きい曲率を持つ負レンズ、縮小側よりも拡大側に絶対値の大きい曲率を持つ正レンズから構成されることを特徴とする投射用ズームレンズ、
に代えて、
拡大側より順に、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群を有し、
投影像を一定の位置にフォーカスした場合の広角端から望遠端への変倍に際し、前記第１レンズ群及び前記第２レンズ群が移動し、前記第３レンズ群は固定であり、
前記第３レンズ群はライトバルブの前面に配置され、ライトバルブを照明する照明光学系からの入射光線とライトバルブからの反射光線が透過し、
前記第１レンズ群は、拡大側より順に、屈折率１．６８以上のガラス材料で成形した非球面レンズ、拡大側よりも縮小側に絶対値の大きい曲率を持つ負レンズ、縮小側よりも拡大側に絶対値の大きい曲率を持つ正レンズから構成されることを特徴とする投射用ズームレンズ、
として構成してもよい。

本発明の実施例１の投射用ズームレンズを用い、ＤＭＤをライトバルブとして採用したプロジェクタ装置の概略構成を示す図である。本発明の実施例１の投射用ズームレンズの広角端（ａ）、中間状態（ｂ）、望遠端（ｃ）での光軸を含む断面図である。実施例１の投射用ズームレンズの広角端（ａ）、中間状態（ｂ）、望遠端（ｃ）での収差図である。

符号の説明

Ｇ１…第１レンズ群
Ｇ２…第２レンズ群
Ｇ３…第３レンズ群
Ｃ…ＤＭＤのカバー透明部材
Ｉ…ライトバルブの表示面（像面）
１…プロジェクタ装置
２…ＤＭＤ
３…照明光学系（照明システム）
４…ミラー
５…投射用ズームレンズ
６…白色光源
７…回転色分割フィルタ
８ａ…コンデンサレンズ
８ｂ…対物光学系
９…スクリーン
１１…照明光
１２…有効光（投影光）

Claims

拡大側より順に、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群とからなり、
投影像を一定の位置にフォーカスした場合の広角端から望遠端への変倍に際し、前記第１レンズ群及び前記第２レンズ群が移動し、前記第３レンズ群は固定であり、
前記第３レンズ群はライトバルブの前面に配置され、ライトバルブを照明する照明光学系からの入射光線と前記ライトバルブからの反射光線を透過し、
フォーカシングに際して、前記第１レンズ群のみが移動し、
前記第２レンズ群の最も縮小側のレンズは縮小側に凹面を向けた負レンズ、前記第３レンズ群の最も拡大側のレンズは拡大側に凸面を向けた正レンズであり、
以下の条件式を満足することを特徴とする投射用ズームレンズ。
（１）０．００３＜Δｄ／｜ｆ₁｜＜０．０３０
（３）０．４＜ｒ _2,r ／ｒ _3,f ＜０．６
ただし、ｆ₁は第１レンズ群の焦点距離、Δｄは投影像を一定の位置にフォーカスして広角端から望遠端まで変化させたときの第１レンズ群の最大移動量、ｒ _2,r は第２レンズ群の中で最も縮小側の面の近軸曲率半径、ｒ _3,f は第３レンズ群の中で最も拡大側の面の近軸曲率半径である。
前記第１レンズ群は、前記広角端から望遠端への変倍に際して縮小側に移動後拡大側に移動し、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１記載の投射用ズームレンズ。
（１−１）１．７＜ｄＡ／Δｄ≦２．０
ただし、ｄＡは投影像を一定の位置にフォーカスして広角端から望遠端まで変化させたときの第１レンズ群の全移動量である。
前記第１レンズ群は、拡大側より順に、拡大側に凸面を向けた負のメニスカスレンズ、非球面レンズ、拡大側よりも縮小側に絶対値の大きい曲率を持つ負レンズ、縮小側よりも拡大側に絶対値の大きい曲率を持つ正レンズから構成されることを特徴とする請求項１又は２記載の投射用ズームレンズ。
前記第１レンズ群の縮小側に配される前記負レンズ及び前記正レンズは、拡大側に凸面を向けたメニスカスレンズであることを特徴とする請求項３記載の投射用ズームレンズ。
フォーカシングに際して、前記第１レンズ群のみを移動させることを特徴とする請求項３又は４記載の投射用ズームレンズ。
前記第１レンズ群及び前記第２レンズ群の各々に少なくとも１枚の非球面レンズが含まれていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の投射用ズームレンズ。
前記第１レンズ群中の拡大側から２つ目のレンズがプラスティック非球面レンズであることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の投射用ズームレンズ。
前記第１レンズ群中の前記プラスティック非球面レンズは、金型成型したプラスティックモールド非球面レンズであることを特徴とする請求項７記載の投射用ズームレンズ。
前記プラスチック非球面レンズが以下の条件式を満足することを特徴とする請求項７又は８記載の投射用ズームレンズ。
（２）０．５＜ｄ_3,E／ｄ_3,C＜２．０
ただし、ｄ_3,Cはプラスチック非球面レンズの中心肉厚、ｄ_3,Eはプラスチック非球面レンズ最外有効部での光軸方向に測った肉厚である。
前記第２レンズ群が、拡大側から順に、負レンズ、正レンズの順で接合された接合レンズを有し、かつ、縮小側から順に、縮小側に凹面を向けた負メニスカスレンズ、拡大側よりも縮小側が絶対値の大きい曲率を持つ正レンズを有することを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載の投射用ズームレンズ。
前記第２レンズ群が、拡大側から順に、負レンズ、正レンズの順で接合された接合レンズ、正の単レンズ、拡大側よりも縮小側が絶対値の大きい曲率を持つ正レンズ、縮小側に凹面を向けた負メニスカスレンズにて構成されたことを特徴とする請求項１から９の何れか１項記載の投射用ズームレンズ。
前記第１レンズ群と前記第２レンズ群が以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１から１１の何れか１項記載の投射用ズームレンズ。
（４）１．２＜｜ｆ₁｜／ｆ_W＜１．６
（５）１．４＜ｆ₂／ｆ_W＜１．８
ただし、ｆ_Wは広角端における投射距離１．６ｍでの投射用ズームレンズ全系の焦点距離、ｆ₁は第１レンズ群の焦点距離、ｆ₂は第２レンズ群の焦点距離である。
以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１から１２の何れか１項記載の投射用ズームレンズ。
（６）０．２＜ｄ_17W／ｆ₃＜０．４
ただし、ｄ_17Wは広角端における第２レンズ群の最も縮小側の面と第３レンズ群の最も拡大側の面との面間距離、ｆ₃は第３レンズ群の焦点距離である。
拡大側より順に、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群とからなり、
投影像を一定の位置にフォーカスした場合の広角端から望遠端への変倍に際し、前記第１レンズ群及び前記第２レンズ群が移動し、前記第３レンズ群は固定であり、
前記第３レンズ群はライトバルブの前面に配置され、ライトバルブを照明する照明光学系からの入射光線と前記ライトバルブからの反射光線を透過し、
フォーカシングに際して、前記第１レンズ群のみが移動し、
前記第２レンズ群が、拡大側から順に、負レンズ、正レンズの順で接合された接合レンズを有し、かつ、縮小側から順に、縮小側に凹面を向けた負メニスカスレンズ、拡大側よりも縮小側が絶対値の大きい曲率を持つ正レンズを有し、
以下の条件式を満足することを特徴とする投射用ズームレンズ。
（１）０．００３＜Δｄ／｜ｆ ₁ ｜＜０．０３０
ただし、ｆ ₁ は第１レンズ群の焦点距離、Δｄは投影像を一定の位置にフォーカスして広角端から望遠端まで変化させたときの第１レンズ群の最大移動量である。
拡大側より順に、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群、正の屈折力の第３レンズ群からなり、
投影像を一定の位置にフォーカスした場合の広角端から望遠端への変倍に際し、前記第１レンズ群及び前記第２レンズ群が移動し、前記第３レンズ群は固定であり、
前記第３レンズ群はライトバルブの前面に配置され、ライトバルブを照明する照明光学系からの入射光線と前記ライトバルブからの反射光線を透過し、
フォーカシングに際して、前記第１レンズ群のみが移動し、
前記第２レンズ群が、拡大側から順に、負レンズ、正レンズの順で接合された接合レンズ、正の単レンズ、拡大側よりも縮小側が絶対値の大きい曲率を持つ正レンズ、縮小側に凹面を向けた負メニスカスレンズにて構成され、
以下の条件式を満足することを特徴とする投射用ズームレンズ。
（１）０．００３＜Δｄ／｜ｆ ₁ ｜＜０．０３０
ただし、ｆ ₁ は第１レンズ群の焦点距離、Δｄは投影像を一定の位置にフォーカスして広角端から望遠端まで変化させたときの第１レンズ群の最大移動量である。
ライトバルブと、前記ライトバルブに投写用の照明光を照射する照明光学系と、前記照明光の中前記ライトバルブにより反射された有効光を投影像として拡大側に拡大投射する投射用ズームレンズとを備え、前記投射用ズームレンズとして請求項１から１５の何れか１項記載の投射用ズームレンズを用いたことを特徴とするプロジェクタ装置。