JPH04174812A - レトロフォーカス型レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はレトロフォーカス型レンズに関し、例えば具な
る色情報を有する複数の画像を合成ミラーで合成した後
、スクリーン面上に拡大投影するようにしたカラー液晶
プロジェクションテレビ用の投影レンズに好適なレトロ
フォーカス型レンズに関するものである。

（従来の技術） 従来より複数のカラー液晶（液晶ライトバルブ）に表示
されている画像を光学的に重ね合わせて投影レンズによ
りスクリーン面上に投影するようにしたカラー液晶プロ
ジェクションか種々と提案されている。

第９図は一般的なカラー液晶に形成された画像をスクリ
ーン面（不図示）に投影するカラー液晶プロジェクショ
ンテレどの要部概略図である。

図中１は白色光源でコリメートされた光束を射出してい
る。２ａ、２ｂ、２ｃは各々赤用、縁周、青用の液晶表
示素子であり、被投影画像が表示されている。３ａ、３
ｂは各々反射ミラー、４は赤反射ダイクロイックミラー
で赤用の液晶表示素子２ａを照明している。５は緑反射
ダイクロイックミラーで起用の液晶表示素子２ｂを照明
している。

青用の液晶表示素子２ｃは赤反射ダイクロイックミラー
４と縁反射ダイクロイックミラー５を通過した青色光で
照明される。６は青透過ダイクロイックミラーである。

７は投影レンズである。

同図においては白色光源１からの白色光をダイクロイッ
クミラー（４，５）で赤、縁、青の色光に色分解し、こ
れら赤、絃、青の各色光により各々赤、緑、青用の液晶
表示素子（２ａ、２ｂ。

２ｃ）を照明し、これらの各色光に基づく液晶表示素子
（２ａ、２ｂ、２ｃ）の像を投影レンズ７によりスクリ
ーン面（不図示）上に重ねて投影し、カラー画像を得て
いる。

このような構成における投影レンズには最終レンズ面が
ら液晶表示素子までの間（バックフォーカス間）に反射
ミラーやダイクロイックミラー等の各種の光学部材を配
置する必要から長いバックフォーカスを有するレトロフ
ォーカス型レンズが多く用いられている。

（発明が解決しようとする問題点） 一般にレトロフォーカス型レンズは物体側（距離の長い
共役点側）に負の屈折力のレンズ群を配置し、像面側（
距離の短い共役点側）に正の屈折力のレンズ群を配置し
たレンズ構成より成っている。この為比較的長いバック
フォーカスが容易に得られるという特長がある。

しかしながらレンズ構成が非対称な為に歪曲収差や非点
収差等の非対称性収差が多く発生してくる傾向がある。

レトロフォーカス型レンズをカラー液晶プロジェクショ
ンテレビに用いる場合には第９図に示すように像面側に
色分解用のダイクロイックミラーを配置している為、色
ムラをなくし、画面全体の色再現を良好に行なう為には
ダイクロイックミラーへの光束の入射角が画面全体にわ
たり略等しくする必要がある。即ちレンズ系を像面側か
ら射出する主光線が光軸と略平行となる所謂射出テレセ
ントリック系に近い状態にする必要がある。

しかしながら射出テレセントリック系にすると軸外光束
が像面側の正の屈折力のレンズ群に光軸上高い位置に入
射するようになってくる。この為樽型（負）の歪曲収差
及びフレアーが多く発生し、良好なる投影像を得るのが
大変難しいという問題点が生じてくる。

そこで本出願人は先に特願平１−２８６０５８号におい
てレンズ構成を適切に設定することにより、前述した歪
曲収差やフレアー等の諸収差を良好に補正したカラー液
晶プロジェクションテレビ用の投影レンズに好適な射出
テレセントリック系に近いレンズ構成を有したレトロフ
ォーカス型レンズを提案した。

本発明は先に本出願人が提案したレトロフォーカス型レ
ンズを更に改良し、レンズ枚数を少なくしつつ、所定の
バックフォーカスが容易に得られ、しかも歪曲収差やフ
レアー等の諸収差を良好に補正したカラー液晶プロジェ
クションテレビ用の投影レンズに好適なレトロフォーカ
ス型レンズの提供を目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明のレトロフォーカス型レンズは、複数のレンズを
有し、最も広いレンズ間隔と次に広いレンズ間隔を境に
して距離の長い方の第１共役点側から順に負の屈折力の
第１群、正の屈折力の第２群そして正の屈折力の第３群
の３つのレンズ群に分けたとき、該第１群は少なくとも
１枚の負レンズと少なくとも片面に非球面を設けた非球
面レンズを有し、該第２群は少なくとも１枚の正レンズ
を存し、該第３群は少なくとも１枚の正レンズと少なく
とも１枚の負レンズを有していることを特徴としている
。

特に本発明では、前記非球面レンズは第１共役点側のレ
ンズ面に非球面が施されており、該非球面の４次の非球
面係数を８１としたときＢ１〉０　　　　　　　　・・
・・・・・・（ａｌ）なる条件を満足すること、又は前
記非球面レンズは第１共役点側と第２共役点側の双方の
レンズ面に非球面が施されており、該第１共役点側と′
Ｍ２共役点側の非球面の４次の非球面係数を各々Ｂ１、
Ｂ２とするとき Ｂ　１　＞　Ｂ　２　　　　　　　−−−−−−−−　
（Ｂ２）なる条件を満足することを特徴としている。

（実施例） 第１〜第３図は本発明の数値実施例１〜３のレンズ断面
図であり、プロジェクションに適用した場合を例にとり
、その一部も併せて示している。

図中、ＬＦＬは本発明のレトロフォーカス型レンズであ
る。Ｓはスクリーンであり、距離の長い第１共役点側（
以下「物体側」と称する。）に配置されている。Ｆは被
投影面であり、距離の短い第２共役点側（以下ｒ像面側
」と称する。）に配置されている。この像面側には例え
ば第９図に示すようなカラー液晶プロジェクションの場
合には被投影画像である液晶表示素子、光源、フィルタ
ー等の各要素が配置されている。

■は負の屈折力の第１群、■は正の屈折力の第２群、■
は正の屈折力の第３群であり、これらの各レンズは最も
広い空気間隔と次に広い空気間隔を境にして物体側より
順に３つのレンズ群に分けている。

本発明のレトロフォーカス型レンズは第１〜第３群を構
成する各レンズの屈折力、レンズ形状等を適切に設定す
ると共に、第１共役点側に負の屈折力のレンズ群（第１
群）を配置し、第２共役点側に正の屈折力のレンズ群（
第３群）が位置するようにしてレトロフォーカス型を構
成し、これにより所定の長さのバックフォーカスを効果
的に確保している。そしてこのとき正の屈折力のレンズ
群（第３群）より球面収差が多く発生してくるので、第
１群と１Ｊ２群との間に正の屈折力の第２群を配置する
ことにより、このときの球面収差の発生量が少なくなる
ようにしている。

又、第１群中に少なくとも片側のレンズ面に非球面を施
した非球面レンズを少なくとも１枚配置し、これにより
歪曲収差やフレアー等の諸収差を良好に補正し、高い光
学性能の投影像を得ている。

前述した非球面の非球面形状は第７図に示すように非球
面形状を特定している。即ち非球面の光軸３１上の頂点
における近軸曲率半径なＲ１光軸上で距離の長い′Ｍｌ
共役点側から距離の短い第２共役点側への方向に（物体
側から像面側方向に）Ｘ軸、レンズ面頂点を通ってＸ軸
に垂直方向にＨ軸をとり、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅを各々の非球
面係数として非球面形状を ＋　ＤＨ８＋　εＨ＋ｏ　　・・・・（１）なる式で表
わしている。

この非球面形状を表わす（１）式において第２項以下が
非球面の量を与えるもので、第２項の係数、即ち４次の
非球面係数Ｂは３次の非球面収差係数！と次のような関
係式を満たす。

’ｌ’＝８　（Ｎ′−Ｎ）　Ｂ　　　　・・・・・・・
・（２）（但し、Ｎ′、Ｎはレンズ面の物体側と像面側
にあける媒質の屈折率） 更に非球面収差係数！は３次収差係数に対して次に示す
変化量、即ち非球面化したことによって生ずる３次収差
の変化量をもたらす。

但し、■は球面収差係数、■はコマ収差係数、■は非点
収差係数、■は歪曲収差係数を表わす。

又、ｈと百は第８図に示す近軸光線追跡量であって、ｈ
は光軸に沿って進み光軸上に結像する光線（近軸軸上光
線１１）が各レンズ面と交差する高さ（光軸からの距＃
）を示し、ｈは斜方向からレンズ面へ入射して＃ｉ（絞
りＳＰ）の中心（軸外光束の中心光線が光軸と交わる位
置）を通過する光、ｍｌ（瞳近軸光線ＩＬ２）が各レン
ズ面と交差する高さを示す。

さて第１群で発生する樽型の歪曲収差とオーバーの非点
収差を非球面で効果的に補正するためには３次収差係数
の変化量を示す（３）式のうちΔＶが Δｖ＝ｈｈ３ｖ　　＜ｏ　　　　・・・・・・・・（４
）６ｍが Ａｍ＝ｈ’　ｈ２　’Ｐ＞Ｏ−−−・・−−−（５）と
すればよい。

ここで第１群においてはｈ＞ｏ、ｈ＜ｏとなるので ！〉０　　　　　　　　　・・・・・・・・・・・・・
・・・（６）とすればよい。（２）式より第１群中の非
球面レンズにおける３次の非点収差係数重は両レンズ面
に非球面を設けた場合の非球面の４次の非球面係数を物
体側より順にＢ１．Ｂ２としたとき！−８（ＮＡＬ　−
１）・（Ｂｌ　−８２）　　　・・・・・・（７）（但
しＮＡＬは非球面レンズの材質の屈折率）となる。但し
、片面のみに非球面を設けたときはＢ２＝０となる。

（［ｉ）　、　（７）式より片面に非球面を設けるとき
は前述の（ａｌ）式のように Ｂ１〉０ とし、両レンズ面に非球面を設けるときは前述の（Ｂ２
）式のように Ｂ１＞８２ の如く設定し、これにより効果的に収差補正を行ってい
る。

又、本実施例において所定の長さのバックフォーカスを
確保しつつ投影画面全体の光学性能をバランス良く維持
する為には各レンズ群を次の如く設定するのが良い。

第１共役点側より順に前記第１群は第１共役点側に凸面
を向けたメニスカス状の負レンズと少なくとも片面に非
球面を設けた非球面レンズの２つのレンズを有し、前記
第２群は負レンズと正レンズの貼り合わせた正レンズ群
を有し、前記第３群は負レンズと正レンズの貼り合わせ
た全体として第２共役点側に凸面を向けたメニスカス状
の正レンズ群と正レンズの３つのレンズを有しているこ
とである。

又は第１共役点側より順に前記第１群は少なくとも片面
に非球面を設けた非球面レンズと正レンズと負レンズを
貼り合わせた全体として第１共役点側に凸面を向けたメ
ニスカス状の負レンズ群の３つのレンズを有し、前記第
２群は正レンズを有し、前記第３群は両レンズ面が凹面
の負レンズと２つの正レンズを有していることである。

この他本実施例において第１群中に設ける非球面レンズ
の焦点距離をｆＡＬ、全系の焦点距離をｆＴとしたとき ｌ　ｆＡＬｌン３　ｆ　Ｔ　　　　　−・・・−＝　（
Ｒ３）なる条件を満足することが好ましい。

条件式（Ｒ３）は非球面レンズを例えばプラスチック材
等で成形により製作したとき、温度変化等の環境変化に
より材質の屈折率が変化しピント移動や光学性能が低下
するのを防止する為のものである。

即ち、条件式（Ｒ３）を満足するような屈折力（パワー
）の比較的小さいレンズに非球面を施すことにより、所
定の光学性能を維持しつつ、環境変化による光学性能の
低下を効果的に防止している。

本実施例ではバックフォーカスＳＫを長く保ち、かつコ
ンパクトなレンズ系を達成するために第１群の焦点距離
を＋３、第２群と第３群の合成レンズ（以下「後群」と
もいう。）の焦点距離を＋２３とするとき ｆ、＜０　　　、　　＋２３＞０ 式を満足するようにしている。

この時、第１群と後群との主点間隔をｅとすると、薄肉
系のバックフォーカスＳには Ｓに”　（１−ｅ／ｆｌ　）　−ｆｚ３・・”（８）と
なる。

本実施例においてバックフォーカスＳＫが長く、しかも
コンパクトなく即ち、主点間隔ｅの小さい）レンズ系を
達成する為には第１群の焦点距離の絶対値１ｆ１１がな
るべく短い方がよい。しかしながら１ｆ、１の値が小さ
くなりすぎると第１群より像面側において樽型の歪曲収
差が大きく発生してきて、又非点収差もオーバー側に大
きく発生してきて良好な光学性能を維持するのが困難と
なる。

そこで本実施例では ０、５＜　ｌ　ｆ　ｒ　／　＋２３１＜２．０　　”（
Ｒ４）式を満足するようにしている。

又、本発明において軸外光束の中心を主光線としたとき
、像面側のレンズ面がら射出する最大軸外光束の主光線
の光軸とのなす角度θがθ〈２０度となるように各要素
を設定している。即ち最大軸外光束の主光線の像面側の
レンズ面がら射出する光軸からの高さをｈ、像面上での
最大像高をＤ、バックフォーカスをＳＫとしたとき（Ｄ
−ｈ）／ＳＫ＜０．３６４　　−・・１ａ５）なる条件
式を満足するようにしている。これにより所定のテレセ
ントリック系を得ている。

次に本発明の数値実施例を示す。数値実施例においてＲ
ｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ面の曲率半径、Ｄ
ｉは物体側より第ｉ番目のレンズ厚及び空気間隔、Ｎｉ
とνｉは各々物体側より順に第ｉ番目のレンズのガラス
の屈折率とアツベ数である。尚、非球面係数は前述の（
１）式に基づいて表わしている。

又、前述の条件式と数値実施例との関係を表−１に示す
。

数値実施例Ｉ Ｆ＝８６．Ｉ　　　　ＰＮｏ−１：３．６　　　２ω−
５４，２゜ＲＩ−５８，７８Ｄ　Ｉ−３，００Ｎ　Ｉ＝
１．６９６８０　ｖ　Ｉ＝５５．５Ｒ２−２７，８３Ｄ
　２−４．６２ Ｒ３−３７，４５Ｄ　　３−　３．５０　　　　Ｎ　　
２−１．４９１００　　ν　２曹５７．ＯＲ４−３７，
４２０４−４９，２８ Ｒ５−９３，２１０５−２，５０Ｎ　３−１．７７２５
０ν３−４９．６Ｒ６−４２，＋４　　Ｄ　６−７．４
４　８４−１．６９８９５シ４−３０．ＩＲ７−２４５
，０８０７−４２，１７ Ｒ８−１８８，７７０８−３，００Ｎ　５−１．８４６
６６シ５−２３．９８９＝　１３６．８１　　Ｄ　９＝
１０．２０　　Ｎ　６＝１．５１６３３　ｖ　６−６４
．２ＲＩＯ廁　−６４，４２ＤＩＯ−０，２０Ｒ１１−
４９２，２６Ｄｌｌ−６，１８Ｎ　７−１．８９６８０
シアー５５．５ＲＩ２−１２４．２６ 非球面係数 Ｒ３面　　Ｒ３−２，７２７ｘ　ＩＰ’　　Ｃ３−３，
４６１ｘ　１０−”Ｒ３−−３，４７８ｘ　１Ｏ−１２
Ｅ３−１．１９９　Ｘ　１０−”ＳＫ−１８７，２４ 数値実施例２ Ｆ−９４，８ＦＮｏ−１：３．６　　　２ω−６０，２
０Ｒ１＝　３６２．７２　　Ｄ　Ｉ＝　４．００　　Ｎ
　１＝］、４９１７１　ｖ　ｌ−５７，４Ｒ２−２０４
９，０２０２−０，５０ Ｒ３−９２，６４０３−７，５８Ｎ　２−１．６９８９
５シ２−３０．ＩＲ４請−８８８，１０Ｄ　　４ｓ　３
．５０　　　　Ｎ　　３−１．７７２５０　　ｖ　　３
＠４９．６Ｒ５−３４，６２Ｄ　５−５１．３８ Ｒ８−９９，４６０８−６，５５Ｎ　４−１．５９２７
０シ４−３５．３Ｒ７−５７９，２２０７−３４，８５ Ｒ８−−１４３，３１Ｄ　８−４．００　　Ｎ　５−１
．８４６６６　ｖ　５−２３．９Ｒ９−２７４，３８０
９−１，７４ ＲＩＯ自−５６９，６１０１０−６，７０Ｎ　　６−１
．６０３１１　　ν　６−６０．７Ｒ１１−−６７，４
８Ｄｌｌ−０，２０Ｒ１２＝　５１０．５４　０１２＝
　７．０７　　Ｎ　７−１．６９８８０　ｖ　７−５５
．５Ｒ１３−１０１，４２ 非球面係数 Ｒ１面　　Ｂｌ−４，６１５ｘ　１０−’　　Ｃｌ−３
，５５５ｘ　１０−”ＤＩ−−７，６６０ｘ　１０−”
　　Ｅｌ−４，１５０ｘ　１０−’γ数値実施例３ Ｆ＝８６．７　　　　ＦＮＯ−１：３．６　　　２ω−
５４，８゜Ｒ］−６５，７６５Ｄ　Ｉ・３．００　　Ｎ
　ｌ−１−６９６８０ν　ｌ−５５，５Ｒ２−３１，６
８３Ｄ　２−４．６２ Ｒ３−４０，２５３Ｄ　３−３．５０　　Ｎ　２−１．
４９＋００ν２−５７．ＯＲ４−３６，１１２Ｄ　４−
５４．６７Ｒ５−９３，３４９０５−２，５０Ｎ　３−
１．７７２５０ν３・４９５Ｒ＆−４２，２６１Ｄ　６
−８．３６　　Ｎ　４・］　、］６９８９５シ４３０．
ｌＲ７−２９１，６０８−０７−３９，１１Ｒ８−１８
５，７９９Ｄ　８−３．００　　Ｎ　５・１．８４６６
６シ５−２３．９Ｒ９膳１２３．１２９　　Ｄ　９−１
２．９１　　Ｎ　６−１．５１８３３　ｖ　６・６４．
２ＲＩＯ−−６６，３９７ＤＩＯ−０，２０Ｒ１１−４
８３，５０９Ｄｌｌ−５，５９Ｎ　７−１．１ｉ９６８
０シアー５５．５Ｒ１２−１３０，１１０ 非球面係数 Ｒ３面　　Ｒ３−１，６２５６ｘｌＯ−’　　Ｃ３−６
，４］５０ｘｌＯ−”０３−９．２８０３　ｘ　１０−
”　Ｅ３−１．７４９３ｘ　１０−”Ｒ４面　　８４−
３．９３４９　ｘｉ（１−’　Ｃ４−１，０６［１８ｘ
１０−９０４−１．２７１８　ｘ　１Ｏ−１２Ｅ４−１
．２８１８ｘ　ＩＱ−”表−１ （発明の効果） 本発明によれば前述の如くレンズ構成を設定することに
より、比較的少ないレンズ枚数で歪曲収差やフレアー等
の諸収差を効果的に補正し、高い光学性能を有したバッ
クフォーカスの長いカラー液晶プロジェクションテレビ
用の投影レンズに好適なレトロフォーカス型レンズを達
成することかできる。

又、本発明によれば非球面を設ける非球面レンズの屈折
力を前述の如く設定することにより、アクリル等のプラ
スチックモールドレンズより構成したときの温度変化等
によるピント移動を効果的に防止すると共にレンズ系全
体の軽量化を図ることができる等の特長を有したレトロ
フォーカス型レンズを達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は各々本発明の数値実施例１〜３のレン
ズ断面図、１Ｊ７．第８図は非球面形状に間する説明図
、第４図、第６図は各々本発明の数値実施例１〜３の共
役面距離１．５ｍにおける像面側の諸収差図、第５図は
兵役面距離３ｍにおける像面側の収差図である。第９図
は従来のカラー液晶プロジェクタ−の構成図である。 図中、ＬＦＬはレトロフォーカス型レンズ、Ｓはスクリ
ーン、Ｆは被投影画像、■は第１群、■は第２群、■は
第３群、１は光源、２ａ、２ｂ。 ２Ｃは液晶表示素子、３ａ、３ｂはミラー、４は赤反射
ダイクロイックミラー、５は緑反射ダイクロイックミラ
ー、６は青透過ダイクロイックミラー、７は投影レンズ
、ΔＳはサジタル像面、ΔＭはメリディオナル像面であ
る。 特許出願人　　キャノン株式会社 第１図 第２図 第６図 Ｆ／３．６　　　　　ｗ＝２７．４　　　　ｗ＝２７．
４球面収差　　　　　非点収差　　　　歪曲収差（％）
第７図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数のレンズを有し、最も広いレンズ間隔と次に
   広いレンズ間隔を境にして距離の長い方の第１共役点側
   から順に負の屈折力の第１群、正の屈折力の第２群そし
   て正の屈折力の第３群の３つのレンズ群に分けたとき、
   該第１群は少なくとも１枚の負レンズと少なくとも片面
   に非球面を設けた非球面レンズを有し、該第２群は少な
   くとも１枚の正レンズを有し、該第３群は少なくとも１
   枚の正レンズと少なくとも１枚の負レンズを有している
   ことを特徴とするレトロフォーカス型レンズ。
2. （２）第１共役点側より順に前記第１群は第１共役点側
   に凸面を向けたメニスカス状の負レンズと少なくとも片
   面に非球面を設けた非球面レンズの２つのレンズを有し
   、前記第２群は負レンズと正レンズの貼り合わせた正レ
   ンズ群を有し、前記第３群は負レンズと正レンズの貼り
   合わせた全体として第２共役点側に凸面を向けたメニス
   カス状の正レンズ群と正レンズの３つのレンズを有して
   いることを特徴とする請求項１記載のレトロフォーカス
   型レンズ。
3. （３）第１共役点側より順に前記第１群は少なくとも片
   面に非球面を設けた非球面レンズと正レンズと負レンズ
   を貼り合わせた全体として第１共役点側に凸面を向けた
   メニスカス状の負レンズ群の３つのレンズを有し、前記
   第２群は正レンズを有し、前記第３群は両レンズ面が凹
   面の負レンズと２つの正レンズを有していることを特徴
   とする請求項１記載のレトロフォーカス型レンズ。
4. （４）前記非球面レンズは第１共役点側のレンズ面に非
   球面が施されており、該非球面の４次の非球面係数をＢ
   １としたとき Ｂ１＞０ なる条件を満足することを特徴とする請求項１記載のレ
   トロフォーカス型レンズ。
5. （５）前記非球面レンズは第１共役点側と第２共役点側
   の双方のレンズ面に非球面が施されており、該第１共役
   点側と第２共役点側の非球面の４次の非球面係数を各々
   Ｂ１、Ｂ２とするときＢ１＞Ｂ２ なる条件を満足することを特徴とする請求項１記載のレ
   トロフォーカス型レンズ。
6. （６）前記非球面レンズの焦点距離をｆＡＬ、全系の焦
   点距離をｆＴとしたとき ｜ｆＡＬ｜＞３ｆＴ なる条件を満足することを特徴とする請求項２又は３記
   載のレトロフォーカス型レンズ。