JP5949975B1 - 投射光学系 - Google Patents
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Abstract
Description
まず、上記のような構成の場合、第1光学群は、物体(すなわちパネル部分)の像を、一旦、第2光学群のミラーの手前で結像させ、第2光学群のミラーでスクリーンに再結像させるための1次像を作る役割をする。この際、第2光学群は、ただ1枚のミラーで構成されるため、単独で収差を補正することは困難であり、従って、第2光学群で最終的にスクリーン上に収差の少ない画像が得られるようにするには、第1光学群において、収差を含んだ1次像を作ることが必要となる。
さらに、上記のような構成の超広角投射光学系では、投射倍率を変化させると画角が非常に広いため収差変動が大きくなりやすく、第1光学群は、結像倍率を変化させてもそれに対応した収差を含んだ1次像を作り出すことが必要となる。
これに対して、本発明に係る投射光学系では、上記のように、第1光学群のうち第1−2レンズ群において、変倍に伴うフォーカスの際に移動する少なくとも1つの移動レンズ群を有するものとなっていることで、スクリーン上に良好な画像を得るために必要な1次像を作ることができる。さらに、変倍に伴うフォーカスの際に、最も拡大側に位置し、かつ、固定群である拡大側固定レンズ群を配置している。以上により、フォーカス群のガタなどによる影響を少なくし、かつ、近接型のプロジェクターへの適用において広い変倍範囲をカバーし、高解像度の画像表示素子にも対応できるものとなっている。
超広角の屈折と反射の複合光学系では、屈折光学系からなる第1光学群から出た光束は、第2光学群のミラーで反射され第1光学群のほうに戻るため、第1光学群のうち第2光学群側のレンズ(例えば拡大側固定レンズ群のうち最も拡大側に位置するレンズ)は、第2光学群から戻ってくる光束と干渉してしまうおそれがある。そのため、例えば円形状ではなく一部を切り欠いたような形状にする必要がある。この場合、切り欠いた形状のレンズを固定するための枠構造も一般的な円筒形状を用いることができなくなり、精度を維持することが困難となりやすくなる。本発明に係る投射光学系では、上記のように、第1レンズ群で最も大型となり異形構造をとり枠構造上も精度を維持しにくくなる可能性がある最も拡大側のレンズを含むレンズ群を、固定群(拡大側固定レンズ群)とすることで、性能のバラツキを防ぐことを可能にしている。
さらに、拡大側固定レンズ群を複数のレンズで構成することで、球面で主にパワー確保、非球面で収差補正と分散することが可能となり、より安定した性能を維持できる。
また、樹脂の成形レンズについては、一般的な特徴としては、ガラスの成形レンズ等と比較して材料の収縮率が大きいため、面の精度確保が難しい。また、樹脂の成形レンズは、パワーを強くしすぎると、光軸近傍でのレンズ厚と外周部でのレンズ厚の比で表される偏肉比が大きくなり、ゲート部分や外周部分で内部歪を生じてしまうことにより性能に影響が出てしまうことが知られている。樹脂の線膨張係数や屈折率の温度係数も、ガラスの場合と比較して1桁程度大きく、環境温度や使用時の温度変化で焦点距離変化による焦点位置ずれの原因ともなる。従って、樹脂の成形レンズは、単体であまりパワーを強くすることは好ましくない。一方、樹脂の成形レンズは、大口径のレンズが比較的安価にでき、円形状以外の形状のものでも比較的簡単に対応可能であるところに利点がある。
以上のことから、第1−2レンズ群のうち、比較的大口径となる最も拡大側に配置されるレンズとして樹脂レンズを用いることで、前述のように円形状ではなく切り欠いたような形状として小型化なものとしつつ低コスト化を図っている。この際、樹脂レンズの縮小側にガラスレンズを配置することで、拡大側に配置された非球面の樹脂レンズに入射する光線を適度にコントロールすることが可能となり、前述の樹脂を用いる場合における不利な点に関する影響を少なくできる。
第1−1レンズ群には、物体(すなわちパネル)側から出た光束を効率よく取り込み、フォーカスレンズ群である第1−2レンズ群に送る役割がある。第1−2レンズ群は、フォーカスレンズ群として、広い変倍範囲であっても適切な中間像を作る役割が求められる。上記のように、第1−1レンズ群のうち開口絞りよりも拡大側に配置されるレンズ群を、正負の2枚のレンズとするに際して、特に、縮小側より順に拡大側に凸面を向けた正レンズと、拡大側に凹面を向けた負メニスカスレンズとすることで、第1−1レンズ群の最も拡大側の面を発散面とすることができる。これにより、フォーカスレンズ群である第1−2レンズ群と組み合わせて、広い変倍域において良好に像面湾曲、非点収差特性を補正することができ、適切な中間像を作るために安定した性能を得ることが可能となる。
第1−1レンズ群の開口絞りより縮小側に配置される複数のレンズは、物体(すなわちパネル)側から出た光束を効率よく取り込む役割をする。仮に、これら複数のレンズを球面レンズのみで構成した場合、レンズ枚数を増やすことが必要となる可能性がある。レンズ枚数が増えると透過率が減少するとともに、レンズの増加によるレンズ全長の増加もあるが、極力最低限のレンズ構成枚数にすることが要求されることもある。
例えば、Fナンバーが1.6程度の明るさまで対応可能なようにするために、第1−1レンズ群の開口絞りより縮小側において、少なくとも拡大側に凹面形状の非球面を入れることで、明るさを確保しつつ、フレアーの発生を抑え、コントラストの高い画像を提供することが可能となる。また、第1−1レンズ群の開口絞りより縮小側において、少なくとも2組の接合レンズで構成することで、色収差の発生を極力抑え、接合することで組み立て性も向上する。
以下、投射光学系40の具体的な実施例について説明する。以下に説明する実施例1〜3に共通する諸元の意義を以下にまとめた。
f 全系の焦点距離
ω 半画角
NA 開口数
R 曲率半径
D 軸上面間隔(レンズ厚又はレンズ間隔)
Nd d線の屈折率
Vd d線のアッベ数
非球面は、以下の多項式(非球面式)によって特定される。
ただし、
c: 曲率(1/R)
h: 光軸からの高さ
k: 非球面の円錐係数
Ai:非球面の高次非球面係数
実施例1のレンズ面のデータを以下の表1に示す。なお、OBJは、パネル面PIを意味し、STOは開口絞りSTを意味する。また、面番号の後に「*」が記載されている面は、非球面形状を有する面である。
f 4.198
ω 72.7
NA 0.313
R D Nd Vd
OBJ Infinity 9.400
1 Infinity 27.908 1.51633 64.14
2 Infinity 0.000
3 36.468 7.200 1.49700 81.54
4 -749.160 0.200
5 43.474 7.800 1.49700 81.54
6 -81.067 0.200
7 40.686 9.600 1.51633 64.14
8 -26.047 1.200 1.90366 31.31
9 50.879 0.200
10 20.617 6.800 1.51633 64.14
11 -51.334 1.600 1.85400 40.39
*12 47.828 1.000
13 27.572 6.400 1.54814 45.78
14 -27.572 0.967
15 -59.872 1.200 1.78590 44.20
16 30.662 4.000
STO Infinity 6.661
18 154.078 4.600 1.76182 26.52
19 -34.791 4.201
20 69.233 1.400 1.79952 42.22
21 37.520 25.172
22 50.763 8.200 1.58913 61.13
23 261.834 可変間隔
24 257.567 8.000 1.65160 58.55
25 -86.576 可変間隔
26 -65.440 2.500 1.80518 25.42
27 -202.755 可変間隔
*28 -83.004 3.500 1.53116 56.04
*29 160.357 可変間隔
30 -223.590 2.800 1.80518 25.42
31 340.269 2.000
*32 -91.539 3.500 1.53116 56.04
*33 136.964 116.000
*34 -63.286 可変間隔 反射面
35 Infinity
以上の表1及び以下の表において、10のべき乗数(例えば1.00×10+18)をE(例えば1.00E+18)を用いて表すものとする。
〔表2〕
非球面係数
K A04 A06 A08 A10
A12 A14
12 10.0050 2.3741E-05 -2.6694E-08 7.3594E-11 -1.5310E-12
0.0000E+00 0.0000E+00
28 0.0000 -2.3502E-05 2.2486E-08 9.1144E-13 -4.2273E-15
0.0000E+00 0.0000E+00
29 0.0000 -2.7373E-05 2.7720E-08 -1.2563E-11 4.2123E-15
0.0000E+00 0.0000E+00
32 3.2860 7.9229E-06 8.1486E-09 -1.7567E-11 1.1751E-14
-3.4034E-18 0.0000E+00
33 -1.0000 -4.4919E-06 1.4099E-08 -1.4126E-11 4.2322E-15
4.7746E-19 -5.0527E-22
34 -1.0000 -4.0047E-09 -1.1966E-11 -4.0663E-15 1.0653E-18
-1.5807E-22 8.2232E-27
〔表3〕
可変間隔
133x 104x 177x
23 4.692 3.000 6.368
25 4.291 4.460 4.135
27 9.610 10.030 9.212
29 9.120 10.225 8.000
34 -600.000 -477.420 -784.120
実施例2のレンズ面のデータを以下の表4に示す。なお、OBJは、パネル面PIを意味し、STOは開口絞りSTを意味する。また、面番号の後に「*」が記載されている面は、非球面形状を有する面である。
f 4.148
ω 72.9
NA 0.313
R D Nd Vd
OBJ Infinity 9.400
1 Infinity 27.908 1.51633 64.14
2 Infinity 0.000
3 39.984 7.200 1.49700 81.54
4 -256.956 0.200
5 36.736 7.800 1.49700 81.54
6 -143.091 0.200
7 30.059 9.200 1.48749 70.24
8 -35.819 1.200 1.90366 31.31
9 26.069 0.100
10 17.177 7.500 1.48749 70.24
11 -343.444 0.100
*12 122.605 1.600 1.74320 49.29
*13 30.892 0.100
14 18.654 8.000 1.53172 48.84
15 -16.479 1.200 1.79952 42.22
16 35.200 4.000
STO Infinity 2.948
18 172.300 4.200 1.76182 26.52
19 -28.583 5.164
20 63.999 1.400 1.79952 42.22
21 38.677 24.618
22 65.570 8.500 1.58913 61.13
23 -844.941 可変間隔
24 97.751 9.000 1.69680 55.53
25 -125.923 可変間隔
26 -78.557 2.500 1.80518 25.42
27 -411.470 8.083
*28 -70.270 3.500 1.53116 56.04
*29 316.685 可変間隔
30 -78.342 2.800 1.80518 25.42
31 -285.360 2.000
*32 -80.937 3.500 1.53116 56.04
*33 118.799 118.535
*34 -63.897 可変間隔 反射面
35 Infinity
〔表5〕
非球面係数
K A04 A06 A08 A10
A12 A14
12 41.7552 -3.1150E-05 4.7440E-07 -2.7695E-09 1.1259E-11
-1.9427E-14 0.0000E+00
13 5.0559 -1.7738E-05 4.6868E-07 -3.0405E-09 1.1757E-11
-2.5631E-14 0.0000E+00
28 0.0000 -1.8992E-05 2.1986E-08 -3.8853E-12 -4.0246E-15
0.0000E+00 0.0000E+00
29 0.0000 -2.2802E-05 2.2365E-08 -7.5936E-12 0.0000E+00
0.0000E+00 0.0000E+00
32 3.2860 2.4060E-06 3.9245E-09 4.4949E-12 -1.3592E-14
7.5488E-18 0.0000E+00
33 -1.0000 -1.0274E-05 1.6113E-08 -1.7475E-11 1.4398E-14
-1.0369E-17 3.8391E-21
34 -1.0000 1.5584E-08 -2.7437E-11 2.7366E-15 -4.9253E-19
3.8224E-23 -2.0614E-27
〔表6〕
可変間隔
133x 104x 177x
23 2.579 1.500 3.678
25 6.813 6.782 6.866
29 12.151 13.261 11.000
34 -600.000 -476.470 -785.931
実施例3のレンズ面のデータを以下の表7に示す。なお、OBJは、パネル面PIを意味し、STOは開口絞りSTを意味する。また、面番号の後に「*」が記載されている面は、非球面形状を有する面である。
f 4.154
ω 73.0
NA 0.313
R D Nd Vd
OBJ Infinity 9.400
1 Infinity 27.908 1.51633 64.14
2 Infinity 0.000
3 40.191 8.456 1.49700 81.54
4 -119.236 0.200
5 40.835 7.800 1.49700 81.54
6 -96.666 0.200
7 44.591 9.600 1.51633 64.14
8 -26.059 1.200 1.90366 31.31
9 42.427 0.200
10 19.505 6.800 1.51633 64.14
11 -120.030 1.600 1.85400 40.39
*12 39.895 1.000
13 26.667 6.400 1.54814 45.78
14 -27.294 0.986
15 -51.302 1.200 1.78590 44.20
16 31.966 4.000
STO Infinity 5.905
18 139.580 4.600 1.76182 26.52
19 -34.639 3.798
20 66.572 1.400 1.79952 42.22
21 35.700 可変間隔
22 54.749 8.765 1.58913 61.13
23 -1483.212 可変間隔
24 460.597 8.000 1.65160 58.55
25 -75.696 5.453
26 -53.212 2.500 1.80518 25.42
27 -119.728 可変間隔
*28 -58.176 3.500 1.53116 56.04
*29 128.586 可変間隔
30 -125.246 2.800 1.80518 25.42
31 1912.349 2.000
*32 -78.179 3.500 1.53116 56.04
*33 -3823.231 113.625
*34 -61.466 可変間隔 反射面
35 Infinity
〔表8〕
非球面係数
K A04 A06 A08 A10
A12 A14
12 6.4461 2.2175E-05 -1.6365E-08 7.5210E-11 -1.5183E-12
0.0000E+00 0.0000E+00
28 0.0000 -1.2680E-05 1.8029E-08 -1.1193E-11 4.8015E-15
0.0000E+00 0.0000E+00
29 0.0000 -2.2927E-05 2.2016E-08 -1.5103E-11 6.2559E-15
0.0000E+00 0.0000E+00
32 3.2860 9.5153E-06 1.1223E-08 -2.0865E-11 1.1925E-14
-3.0782E-18 0.0000E+00
33 -1.0000 1.5255E-06 1.0843E-08 -8.3444E-12 -1.4840E-15
8.2465E-19 4.8363E-22
34 -1.0000 2.7182E-08 -1.3766E-11 -5.3481E-15 1.4526E-18
-1.9708E-22 9.1483E-27
〔表9〕
可変間隔
133x 104x 177x
21 24.532 24.415 25.047
23 3.955 2.000 6.769
27 9.142 10.254 7.714
29 9.847 10.861 8.000
34 -600.000 -475.698 -974.783
いずれの実施例においても、広角端での半画角70゜以上の広い画角を有しながらも、最も拡大側のレンズが樹脂製非球面レンズの簡易な構成となっている。
Claims (8)
- 縮小側から順に、複数のレンズからなり正のパワーを有する第1光学群と、1枚の凹面非球面形状を有する反射面を含む第2光学群とからなる投射用光学系であって、
前記第1光学群は、縮小側に配置された物体の中間像を前記第2光学群の前記反射面の手前に形成し、
前記第1光学群は、最も広い空気間隔を境にして、縮小側に正のパワーを有する第1−1レンズ群と、拡大側に前記第1−1レンズ群のパワーと比較して弱い正または負のパワーを有する第1−2レンズ群とからなり、
前記第1−2レンズ群は、最も拡大側に配置され、かつ、変倍に伴うフォーカスの際に固定され少なくとも1面の非球面を有する複数のレンズからなり負のパワーを有する拡大側固定レンズ群と、変倍に伴うフォーカスの際に光軸方向に移動する少なくとも1つの移動レンズ群とを有し、
前記第1−2レンズ群のうち、前記拡大側固定レンズ群は2枚の負レンズから構成され、拡大側に樹脂非球面レンズが、縮小側にガラス球面レンズが配置され、
前記移動レンズ群は少なくとも1つの非球面を有するレンズを含むことを特徴とする投射光学系。 - 請求項1に記載の投射光学系において、前記第1−2レンズ群は、前記移動レンズ群として、変倍に伴うフォーカスの際に独立してそれぞれ移動する複数のレンズ群を有することを特徴とする投射光学系。
- 請求項1又は請求項2に記載の投射光学系において、前記第1−1レンズ群は、内部に開口絞りを有し、前記開口絞りよりも拡大側において、縮小側から順に、拡大側に凸面を向けた正レンズと、拡大側に凹面を向けた負メニスカスレンズとの2枚のレンズで構成されることを特徴とする投射光学系。
- 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の投射光学系において、前記第1−1レンズ群は、内部に開口絞りを有し、前記開口絞りの縮小側において、少なくとも2組の正レンズ及び負レンズの接合レンズを含み、かつ、少なくとも拡大側に凹面形状の非球面を有することを特徴とする投射光学系。
- 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の投射光学系において、物体側の開口数は、0.3以上であることを特徴とする投射光学系。
- 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の投射光学系において、縮小側は、テレセントリックであることを特徴とする投射光学系。
- 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の投射光学系において、前記第1光学群及び前記第2光学群を構成する要素が、全て回転対称系であることを特徴とする投射光学系。
- 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の投射光学系において、変倍範囲が、1.5倍以上あることを特徴とする投射光学系。
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