JPH10153736A

JPH10153736A - 投影レンズおよび投影レンズシステム

Info

Publication number: JPH10153736A
Application number: JP9142209A
Authority: JP
Inventors: Moskovich Jacob; モスコヴィッチジャコブ
Original assignee: US Precision Lens Inc
Current assignee: 3M Precision Optics Inc
Priority date: 1996-05-30
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 1998-06-09
Also published as: KR970075962A; CN1117992C; US5969874A; CN1167924A

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】画素パネルを用いて使用される投影レンズに
求められる以下の特性、（１）長い焦点距離（２）長い
バックフォーカス距離（３）照明システムの出力との高
い結合効率と高レベルの収差補正を維持しながらの倍率
可変動作能力（４）比較的小さく少数のレンズ素子、比
較的小さな鏡筒長、および最大レンズ直径（５）高レベ
ルの色補正（６）低歪み（７）温度変化に対する低感受
性、これらの条件をすべて満足する投影レンズシステム
を提供する。【解決手段】投影レンズは三つのレンズユニットから
なり、第１のレンズユニットＵ１が弱い屈折力を有して
少なくとも一つの非球面を有し高分散性の負のレンズ素
子からなり、第２のレンズユニットＵ２が正の屈折力を
有し、第３のレンズユニットＵ３が負の屈折力を有して
全体としてメニスカス形状を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明に属する技術分野】本発明は、投影レンズに関
し、特にＬＣＤ（Liquid Crystal Displya）やＤＭＤ
（Discrete Mirror Device）といった画素からなる物体
の像を形成するために使用することが可能な投影レンズ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】投影レンズシステム（以下「投影システ
ム」ともいう）は、鑑賞スクリーン上に物体の像を形成
するために使用されるものである。そのシステムの基本
構成を図４に示す。ここで10は光源（タングステン−ハ
ロゲンランプなど）、12は光源の像を形成する照明光学
系（以下、照明システムの「出力」ともいう）、14は投
影される物体（例えばオン／オフする画素マトリク
ス）、13は複数のレンズ部品からなる投影レンズであ
り、鑑賞スクリーン16上に物体14の像を拡大して形成す
る。そのシステムは、照明システムの射出瞳を投影レン
ズの入射瞳に向けるために、画素パネルの近辺に例えば
フレネルレンズなどの平面レンズを設けることもある。

【０００３】図４はＬＣＤパネルの場合を図示してお
り、照明システムの「出力」がパネルの背面に投射さ
れ、透明なパネルの各画素を通過する。一方、ＤＭＤの
場合、反射による動作となり、したがって照明システム
の「出力」はプリズムやそれと同類の素子によりパネル
の前面へと投射される。

【０００４】物体が画素パネルとなる投影レンズシステ
ムは、データディスプレイシステムなどのような様々な
アプリケーションにおいて使用される。そのような投影
レンズシステムでは投影レンズを単体で使用することが
望ましく、その投影レンズにより、例えば赤、緑、青の
各画素を有する単板パネル、もしくは各色が一枚の三枚
の独立したパネルの像が形成される。ある場合には二枚
のパネルが使用されることもあり、その場合は、一枚は
二色（例えば赤と緑）を有し、一枚は一色（例えば青）
を有する二枚のパネルを使用する。またスピンフィルタ
ホイールやまたはそれと同類の装置を二色用のパネルに
取り付け、回転フィルタと同期してその二色に関する情
報がパネルに提供される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】画素パネルを用いて使
用される投影レンズは、少なくとも以下の特性を同時に
備える必要がある。（１）長い焦点距離（２）長いバッ
クフォーカス距離（３）照明システムの出力との高い結
合効率と高レベルの収差補正を維持しながらの倍率可変
動作能力（４）比較的小さく少数のレンズ素子、比較的
短い鏡筒長、および比較的小さな最大レンズ直径（５）
高レベルの色補正（６）低歪み（７）温度変化に対する
低感受性。

【０００６】長い焦点距離に関しては、劇場や会議場で
使用される投影システムに必要とされる。その場合、投
影システムは通常ホールの後ろに配置され、投影レンズ
から鑑賞スクリーンまでの投影距離が長くなる。所定の
パネルサイズとスクリーンサイズ、すなわち所定の倍率
では、焦点距離が長くなれば投影距離も長くなる。した
がって、所定の倍率範囲では、投影距離を長くするなら
ばレンズの焦点距離も長くしなければならない。

【０００７】長いバックフォーカス距離、すなわち最後
尾のレンズ面から画素パネルまでの距離を長くすること
に関しては、特に多数のパネルを使用する際に、フィル
タ、ビームスプリッタ、プリズムなどの光学素子を取り
付け、レンズシステムが鑑賞スクリーンに向けて投影す
る異なる色の異なる光路からの光を結合させて使用する
場合に必要とされる。さらに、バックフォーカス距離を
長くすれば、出力距離が比較的長くなるため、照明シス
テムの出力を投影レンズの近辺にすることができる。特
にＬＣＤパネルの場合に重要であるが、画素パネルにお
ける光の入射角を比較的小さくすることが可能となるた
め、出力距離は比較的長いことが望ましい。

【０００８】投影レンズは倍率可変で効率よく動作する
ものが望ましく、それによりシステムの部品を変えるこ
となく異なるサイズのスクリーンや異なる大きさのホー
ルなどで投影システムを使用することが可能となる。物
体と像の共役のみを変化させればよいが、これはレンズ
と画素パネルとの距離を変化させることにより簡単に可
能となる。もちろんそうすれば、倍率動作範囲内におい
て、照明システムの出力との高い結合効率と高レベルの
色補正を達成することができる。

【０００９】コスト、重量、見た目のサイズから、投影
レンズの大きさは比較的小さいことは望ましい。多数の
レンズ部品や大きな直径を有する部品を用いると、原材
料がより多く消費され、より重くなり、さらに製造コス
トがより多くかかってしまう。通常筒長が長いと、投影
システム全体が大きくなってしまい、さらにまたコスト
や重量を増加させてしまうことになる。従って、最小限
の数の比較的小さなレンズ部品を互いに密接して配置さ
れたシステムが望ましい。

【００１０】画素がにじんだり、極端な場合には画像か
ら画素が完全に欠落してしまい、色収差が画素パネルの
画像に容易に見えてしまうので、高レベルの色補正が重
要である。この問題は画面の端部において最も深刻であ
る。一般に色補正は、画素パネルで評価すると、これら
の問題を回避するために、約一画素、好ましくは約半画
素よりも改善されているべきものである。

【００１１】ここではシステムのすべての色収差に関し
て取り組む必要があるが、色にじみ、コマ収差による色
彩変動、さらに非点収差による色収差に関しては最も改
善が必要である。色にじみ、すなわち色に対する倍率変
動は、コントラストの減少に伴い特に画面の端部におい
て現れるため、特に面倒なものである。極端な場合に
は、画面全体に虹色現象が見られる。

【００１２】陰極管（ＣＲＴ）を使用している投影シス
テムにおいては、わずかな（余計な）色にじみであれ
ば、例えば青色のＣＲＴ面上に映し出される像の大きさ
に対し赤色のＣＲＴ面上に映し出される像の大きさを小
さくすることにより電気的に補正できる。しかしながら
画素パネルにおいては、像がデジタル化されているため
そのような補正はできず、それゆえ可視画面全体にわた
りサイズを円滑に調整することは不可能である。かくし
て、高レベルな色にじみ補正が投影レンズに必要とされ
る。

【００１３】投影レンズの焦点距離が大きくなると色収
差補正が困難になることは留意すべき点である。したが
って、上述の（１）と（５）の基準、すなわち長い焦点
距離と高レベルの色補正は、適切なレンズ設計において
相反する作用なのである。

【００１４】データ表示用の画素パネルを使用する際に
は、歪み補正に関して厳しい要求がある。これはデータ
を見る際には、レンズの可視画面の末端においてでさえ
も高品質の画像が要求されるからである。明らかではあ
るが、表示される数字や文字を表示した画像は、画面の
中心と同様に画面の端部においても歪みのないことが重
要である。さらには、例えば図１〜図３のレンズがその
ように使用されるために設計されているが、投影レンズ
がオフセットされたＬＣＤパネルを用いて使用されるこ
ともしばしばある。その場合、鑑賞スクリーン上の歪み
は、スクリーン中央の水平線に対して対称に変化せず
に、例えばスクリーンの下から上へ単調増加する。この
影響により、わずかな歪みでも見る人には容易に目につ
いてしまう。

【００１５】十分な明るさの画像を生み出すには、投影
レンズに十分な光量の光を透過させなければならない。
その結果、室温とレンズが動作する温度との間に通常は
温度差が存在してしまう。さらに、レンズは様々な環境
条件の下でも動作可能であることが必要とされる。例え
ば、投影レンズはしばしば室内の天井に取り付けられ、
周辺温度が実質的に約４０℃にもなる建物の屋根に設置
されることもある。このような影響を考慮すると、温度
変化に対して比較的鈍感な光学特性を有する投影レンズ
が必要とされる。

【００１６】温度感度に関する問題を解決する一つの方
法としては、ガラス材料からなるレンズを使用すること
である。プラスチックと比較すると、ガラス材料の部品
の曲率半径と屈折率の変動はプラスチック材料の部品よ
りも小さい。しかしながら、ガラス材料は通常プラスチ
ック材料よりも高価であり、収差補正のために非球面に
する必要がある場合には特に高価となる。下記するよう
に、プラスチック材料も、その部品の数と位置を適切に
選択すれば温度の変化に対し鈍感にすることも可能であ
り、使用することができる。

【００１７】以下に述べる投影レンズは、上記の要求を
全て満足するものであり、画素パネルの色画像を鑑賞ス
クリーン上に高品質に形成することが可能な低コストの
投影レンズシステムに十分使用することができる。

【００１８】ここで、画素パネルを使用した投影レンズ
に関しては、米国特許第４，１８９，２１１号（Ｔａｙ
ｌｏｒ，ｅｔ．ａｌ）、第５，０４２，９２９号（Ｔａ
ｎａｋａ，ｅｔ．ａｌ）、第５，１７９，４７３号（Ｙ
ａｎｏ，ｅｔ．ａｌ）、第５，２００，８６１号（Ｍｏ
ｓｋｏｖｉｃｈ）、第５，２１８，４８０号（Ｍｏｓｋ
ｏｖｉｃｈ）、第５，２７８，６９８号（Ｉｉｚｕｋ
ａ，ｅｔ．ａｌ）、第５，３１３，３３０号（Ｂｅｔｅ
ｎｓｋｙ）、第５，３３１，４６２号（Ｙａｎｏ）に記
載されている。ＬＣＤシステムに関しては、米国特許第
４，４２５，０２８号（Ｇａｇｎｏｎ，ｅｔ．ａｌ）、
第４，４６１，５４２号（Ｇａｇｎｏｎ）、第４，８２
６，３１１号（Ｌｅｄｅｂｕｈｒ）、ＥＰＯＰａｔｅ
ｎｔＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ第３１１，１１６号に記
載されている。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上述の観点から本発明の
目的は、画素パネルとともに使用される、上述の７つの
所望の各特性を同時に有する投影レンズの性能を向上す
る方法を提供することにある。すなわち、この目的は、
物体から像まで（すなわちその長共役側から短共役側に
向かって）順に、（Ａ）弱い屈折力を有し、高分散性材
料からなる負のレンズ素子と低分散性材料からなる正の
レンズ素子からなり、少なくとも一つの非球面を有する
第１のレンズユニットと、（Ｂ）正の屈折力を有する第
２のレンズユニットと、（Ｃ）第２のレンズユニットか
ら広い間隔を有して配置され、負の屈折力を有して全体
としてメニスカス形状を有する第３のレンズユニットか
らなることを特徴とする投影レンズにより達成される。

【００２０】また本発明の具体的実施の形態として、第
３のレンズユニットのメニスカス形状が、小さな曲率半
径の面と大きな曲率半径の面を有し、小さな曲率半径の
面が投影レンズの像側に面していることを特徴とするも
のである。

【００２１】さらなる本発明の具体的実施の形態とし
て、そのレンズシステムは以下の数値限定の少なくとも
一つを満足する。

【００２２】０．３＞Ｄ₂₃／ｆ₀＞０．１｜ｆ₁｜／ｆ₀＞１．３ＢＦＬ／ｆ₀＞０．３ここで、（ｉ）ｆ₀は、第１および第２および第３のレンズユニ
ットからなる焦点距離（ii）ｆ₁は、第１のレンズユニットの焦点距離（iii）ＢＦＬは、投影レンズの長共役側の無限大に位
置する物体に対する第１および第２および第３のレンズ
ユニットからなるバックフォーカス（iv）Ｄ₂₃は第２のレンズユニットの後方の面から第３
のレンズユニットの前方の面で測定される第２のレンズ
ユニットと第３のレンズユニットとの距離。

【００２３】さらに本発明の具体的実施の形態として、
｜ｆ₁｜／ｆ₀は約２．５よりも大きく、ＢＦＬ／ｆ₀は
約０．４よりも大きい。

【００２４】（１）と（２）の基準は投影レンズの物理
的構造に関係する。これらが満足されれば、（３）の基
準は、高レベルな色補正と低歪みを同時に達成して満足
することができる。

【００２５】また本発明の具体的実施の形態としては、
本発明の投影レンズは、投影レンズの擬似開口絞り／入
射瞳としての照明システムの出力の位置を用いて設計さ
れる（Ｂｅｔｅｎｓｋｙの米国特許第５，３１３，３３
０号を参照のこと）。これにより、照明システムの光出
力と投影レンズとの結合が効率よく行われる。図１の投
影レンズはこのように設計された。

【００２６】これらの具体的実施の形態によれば、本発
明は、物体の像を形成する投影レンズシステムを提供す
る。そのシステムは、（ａ）光源と光源の像を形成する
照明光学系からなり、光源の像がその出力である照明シ
ステムと、（ｂ）物体を構成する画素パネルと、（ｃ）
照明システムの出力の位置にほぼ相当する位置に入射瞳
を有する、上記のタイプの投影レンズからなる。

【００２７】本発明の他の特徴とともに、（ａ）第２の
レンズユニットと第３のレンズユニットとの距離は一定
で、（ｂ）第１のレンズユニットと第２のレンズユニッ
トとの距離を変化させると同時に、画素パネルと前記第
１および第２および第３のレンズユニットとの距離を変
化させることにより、投影レンズシステムの倍率が可変
となるものである。

【００２８】本発明の投影レンズはまた、十分な温度非
依存性を有するように設計できる。以下に詳細に述べる
が、このことは同等の正および負の屈折力を有するプラ
スチックレンズ素子を使用することにより達成できる。
これによれば、温度変化に起因する正のレンズ素子の屈
折力変化が負のレンズ素子の屈折力変化により補償さ
れ、温度変化に対する投影レンズの全体の光学特性がほ
ぼ一定になる。

【００２９】

【発明の効果】本発明の投影レンズは、画素パネルを用
いて使用される投影レンズに求められる以下の特性、
（１）長い焦点距離（２）長いバックフォーカス距離
（３）照明システムの出力との高い結合効率と高レベル
の収差補正を維持しながらの倍率可変動作能力（４）比
較的小さく少数のレンズ素子、比較的小さな鏡筒長、お
よび比較的小さな最大レンズ直径、（５）高レベルの色
補正（６）低歪み（７）温度変化に対する低感受性、こ
れらの条件をすべて満足することができる。

【００３０】また、鑑賞スクリーン上に画素パネルの画
像を高品質に形成することができ、さらに低コストの投
影レンズシステムを構成するために使用することができ
る。

【００３１】

【発明の実施の形態】本発明の投影レンズは、望遠レン
ズ（ユニット２および３）の長共役側に補正ユニット
（ユニット１）を配置して概して構成される。望遠レン
ズは通常、約１０°以下の視野の半画面を有する。補正
ユニットにより、本発明の投影レンズは、例えば２０°
以上の視野で半画面といった、より広い視野を有する。

【００３２】第１のレンズユニット（補正ユニット）は
弱い屈折力を有し、少なくとも一つの非球面を備え、高
分散性を有する負のレンズ素子と低分散性を有する正の
レンズ素子からなる。その第１のレンズユニットは上述
の（２）の基準を満足することが望ましい。負および正
のレンズ素子はプラスチック材料からなることが望まし
く、所望ならガラス材料からなってもよい。しかしなが
ら、熱的安定性をもたせるためには、一つのレンズ素子
をプラスチックからガラスに変えるならば、両方変える
必要がある。

【００３３】一般に、高分散性材料とはフリントガラス
のような分散性を有する材料であり、また低分散性材料
とはクラウンガラスのような分散性を有する材料であ
る。さらには、高分散性材料は屈折率が１．８５から
１．５の範囲に対してＶ値が２０から５０の範囲を有す
る材料であり、低分散性材料は上述の屈折率範囲に対し
てＶ値が３５から７０の範囲を有する材料である。

【００３４】プラスチックレンズ素子においては、低分
散性および高分散性材料としては、それぞれ、アクリル
およびスチレンを選択できる。当然ながら、所望ならば
他のプラスチック材料も選択できる。例えば、スチレン
の代用としては、ポリカーボネイト、ポリスチレン共重
合体、フリントガラスのような分散性のアクリル（例え
ばＮＡＳ）を使用することもできる。このことは、プラ
スチック光学ハンドブック，Ｕ．Ｓ．Ｐｒｅｃｉｓｉｏ
ｎＬｅｎｓ，Ｉｎｃ．，Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ，Ｏｈ
ｉｏ，１９８３，１７−２９ページを参照すればよい。

【００３５】第１のレンズユニット、特にそのユニット
の非球面が、システムの歪み補正に関して寄与してお
り、上記のように画素パネルを使用したレンズシステム
には高度な補正が必要である。その歪み補正は一般に
は、画像の約１％、好ましくは０．５％以下にすること
が望ましい。その非球面はまた、球面収差、非点収差、
コマ収差の補正にも寄与している。色補正は、第１のユ
ニットの高分散性の負のレンズ素子に低分散性のレンズ
素子を組み合わせることにより達成できる。その第１の
レンズユニットはまた、レンズシステムの集光に関して
重要な役割を果たす。特に、高品質画像を保持しながら
システムの倍率を可変するため、第２および第３のレン
ズユニットとは異なる割合で第１のレンズユニットが画
素パネルに対して移動する。このように第１のレンズユ
ニットは、前面に位置して非球面形状をなし集光および
色補正を行うものであることがわかる。

【００３６】第２および第３のレンズユニットは望遠レ
ンズの構成をなしている。これにより第２のレンズユニ
ットは正の屈折力を有し、第３のレンズユニットは負の
屈折力を有し、二つのユニットは広い間隔で配置され
る。ここでそのユニットの間隔は上記の（１）の条件を
満足することが望ましい。照明システムの出力は通常、
第２のレンズユニットと第３のレンズユニットとの間に
配置され、ゆえにこれらのユニットはその出力の周辺に
発生する熱に耐え得るようなガラス材料のみで構成され
ることが望ましい。

【００３７】第２および第３のレンズユニットの屈折力
の倍率は通常は同程度であり、各々が第１のレンズユニ
ットの屈折力の倍率よりも十分に大きい。

【００３８】上記のように、本発明の投影レンズは非温
度依存性を有し、そのため投影レンズが室温からその動
作温度まで加熱されても、特にシステムのバックフォー
カスを含む光学的性能はほとんど変化しない。さらには
バックフォーカスの変動は、システムの空間周波数伝達
特性（ＭＴＦ）をほとんど変化させないような小さな変
動であることが望ましく、例えば５サイクル／ｍｍにお
いてＭＴＦの変化は約１０％以下であることが望まし
い。下記する特定の例においては、ＭＴＦの基準値はバ
ックフォーカスの約０．８ｍｍ以下の変化に相当する。
レンズ焦点の所望の温度安定性は、プラスチックレンズ
素子の選択と配置により達成できる。

【００３９】通常、プラスチックレンズを使用する際に
は、プラスチック光学材料の屈折率が温度により変化す
るという欠点が存在する。また他の影響としては、温度
によるプラスチック光学材料の形状の変化、すなわち膨
張や収縮といったものがある。この後者の影響は、通常
は屈折率変化と比較してそれほど重要ではない。

【００４０】もし低い屈折力のプラスチックレンズのみ
をレンズに使用するならば、プラスチック光学素子の温
度変化と、例えば一般にシステムにおける熱要因の焦点
変動の主な機械的発生源となる鏡筒などのプラスチック
製またはアルミ製機械部品の温度変化とのバランスをと
ることができる。設計の際に光学プラスチックを制限な
く使用できる、すなわち比較的高い屈折力のプラスチッ
クレンズ素子を使用できれば、プラスチックレンズ素子
は容易に成形できるため、特定のレンズ設計の可能性を
最大限にするために球面でない光学表面（非球面）を用
いることができるという利点がある。比較的高い屈折力
のプラスチック素子を使用することにより、全体として
低コストのレンズにすることもできる。

【００４１】もし設計上正味の光学屈折力が無視できな
い場合には、温度非依存性処理が必要であり、処理を施
さなければレンズが室温からその動作温度まで変化する
に従ってレンズの焦点距離が変化する可能性がある。こ
のことは、特に鑑賞スクリーンにかなりの光量を投影
し、そのため室温よりもかなり高温な動作温度を有する
プロジェクターに関していえることである。

【００４２】本発明の投影レンズにおいては、正および
負の屈折力のプラスチックレンズ素子の配置、およびこ
れらの素子の周辺光線高を考慮すると同時に、正および
負のプラスチックレンズ素子の屈折力のバランスをとる
ことにより、温度非依存性処理を達成することができ
る。

【００４３】プラスチックレンズ素子の配置は、素子が
被る温度変化量やそれに伴い素子に生じる屈折率変化量
に対して重要な影響を及ぼす。一般には、素子が光源や
光源の像に近接すれば、より大きな温度変化を被ること
になる。実際には、投影レンズを配置する領域における
温度分布を、光源やそれに付随する照明光学系が動作し
ている状態で測定し、その測定値を投影レンズ設計に使
用する。

【００４４】所定の温度変化において、特定のプラスチ
ックレンズ素子における周辺光線高により、素子の屈折
率変化がレンズの全体の温度安定性に関して重要である
かどうかが決定される。周辺光線高が小さい部品、例え
ばシステムの焦点付近にある部品は通常、周辺光線高の
大きな部品よりもシステム全体の温度安定性に対して影
響が少ない。

【００４５】上記の理由に基づき、素子が被ることが予
測される温度変化と素子の周辺光線高に基づいて、素子
の寄与を調整しながらプラスチックレンズの正および負
の屈折力のバランスをとることにより、温度非依存性処
理が達成できる。実際には、この温度非依存性処理の工
程は以下のようにコンピュータ化されたレンズ設計プロ
グラムに組み込まれている。まず、第１の温度分布にお
いて光線追跡を行いバックフォーカスを計算する。その
光線追跡は周辺光線に対して近軸光線追跡となり得る。
次に、同様の光線追跡を第２の温度分布において行い、
再びバックフォーカスを計算する。第１および第２の温
度分布もレンズ全体にわたり一定である必要はなく、一
般には必ずレンズ素子からレンズ素子に至るまで変化し
ている。計算されたバックフォーカスは、レンズ設計プ
ログラムによりシステム設計が最適化されるにつれ一定
値へと収束する。

【００４６】上記の方法は、後尾のレンズ表面とパネル
との距離がシステムの温度変化に対してほぼ一定である
ように、投影レンズと画素パネルに機械的な配置がなさ
れていると仮定されていることは留意すべき点である。
もしそのような仮定が保証されなくとも、温度非依存性
を達成するためには他の対策を施すことができ、それは
例えば、機械的配置の相対的移動量の評価値を製造時に
含めたり、前方のレンズ表面とパネルとの距離といった
相対的な距離が機械的に固定されていると仮定したりす
ることにより対策が施される。

【００４７】図１から図３は、本発明により構成された
様々な投影レンズを図示したものである。それらに対応
する仕様や光学特性を表１から表３にそれぞれ示してい
る。ここではレンズシステムに使用したガラスに対して
「ＨＯＹＡ」や「ＳＣＨＯＴＴ」の名称が記されている
が、他のメーカにより製造される同等のガラスも本発明
の実施において使用可能であり、プラスチック素子には
工業的に受容性のある材料を使用することができる。

【００４８】表中に示されている非球面係数は以下の式
において使用される。

【００４９】

【数１】

【００５０】ここで、ｚはシステムの光軸から距離ｙの
位置における表面くぼみ量であり、ｃは光軸上のレンズ
の曲率、ｋは円錐係数で表１から表３の仕様では０であ
る。

【００５１】表で使用されている略号は以下の通りであ
る。ＥＦＬ−焦点距離、ＦＶＤ−前方頂点距離、ｆ／−
ｆ値、ＥＮＰ−長共役側から見られる入射瞳、ＥＸＰ−
長共役側から見られる射出瞳、ＢＲＬ−筒長、ＯＢＪ
ＨＴ−物体の高さ、ＭＡＧ−倍率、ＳＴＯＰ−開口絞
り、ＩＭＤ−像距離、ＯＢＤ−物体距離、ＯＶＬ−全
長。

【００５２】表中の様々な面において付随する「ａ」の
記号は非球面を表し、すなわち上述の式においてＤ、
Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｊのうち少なくとも一つは０ではな
い。表中の全ての単位はミリメートルである。これらの
表は図において左から右へ光が伝搬すると仮定して構成
されている。実際には、鑑賞スクリーンは左側に置か
れ、画素パネルは右に置かれ、光が右から左へと伝搬す
るかもしれない。画素パネルは図の「ＰＰ」の記号で示
されている。レンズを設計した際にパネル、特にＬＣＤ
パネルは、レンズシステムの光軸からのパネルのオフセ
ットを含め、対角線上で実効的に約３３０ｍｍを有し
た。

【００５３】表１において、第１のレンズユニット（Ｕ
１）は面１〜４からなり、第２のレンズユニット（Ｕ
２）は面５、６からなり、第３のレンズユニット（Ｕ
３）は面７、８からなる。表２および表３では、第１の
レンズユニット（Ｕ１）は面１〜４からなり、第２のレ
ンズユニット（Ｕ２）は面５、６からなり、第３のレン
ズユニット（Ｕ３）は面８〜１１からなる。

【００５４】上述したように、図１の投影レンズは、Ｂ
ｅｔｅｎｓｋｙの米国特許第５，３１３，３３０号の擬
似開口絞り／入射瞳の技術を用いて設計した。表１の面
９は擬似開口絞りからなる。その位置は照明システムの
出力の位置に相当する。

【００５５】「可変間隔」の副表に見られるように、擬
似開口絞りから画素パネルまでの距離、すなわち「像距
離」は、図１の投影レンズシステムのあらゆる焦点位置
（倍率）において本質的には一定である。対照的に、間
隔８は異なる倍率により変化する。焦点位置によって
は、この間隔は、レンズの前方および後方のレンズ表面
により定義される間隔内に配置された照明出力に相当す
るよう負であることもある。

【００５６】また上述したように、図１〜３の投影レン
ズは、ａ）第２および第３のレンズユニット間の距離は
一定で（ｂ）第１および第２のレンズユニット間の距離
は変化しながら、画素パネルと第１、第２および第３の
レンズユニットとの距離が変化することにより集光でき
る。表１〜３に示すように、第２のレンズユニットに対
する第１のレンズユニットの移動量は、画素パネルに対
するレンズシステムの全体の移動量と比較して小さい。

【００５７】表４および表５は、本発明のレンズシステ
ムの様々な特性を要約している。ＢＦＬの値はシステム
の長共役に従い無限大における物体として計算してい
る。表５に示すように、上述の（１）から（３）の各基
準は図１から図３のレンズシステムにより満足されてい
る。

【００５８】本発明の特定の具体的実施の形態について
述べてきたが、本発明の視野や意図からそれない範囲
で、前述の開示から通常の手法により様々な修正が可能
であることは明らかである。

【００５９】

【表１】

【００６０】

【表２】

【００６１】

【表３】

【００６２】

【表４】

【００６３】

【表５】

【００６４】

【表６】

【００６５】

【表７】

【００６６】

【表８】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により構成された投影レンズの概略側面
図

【図２】本発明により構成された投影レンズの概略側面
図

【図３】本発明により構成された投影レンズの概略側面
図

【図４】本発明の投影レンズを使用した投影レンズシス
テム全体を図示した概略図

【符号の説明】

１０光源１２照明光学系１３投影レンズ１４投影物体１６鑑賞スクリーン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】物体の像を形成する投影レンズにおい
て、該レンズが前記物体から前記像に至るまで順に、
（Ａ）弱い屈折力を有し、高分散性材料からなる負のレ
ンズ素子と低分散性材料からなる正のレンズ素子からな
り、少なくとも一つの非球面を有する第１のレンズユニ
ットと、（Ｂ）正の屈折力を有する第２のレンズユニッ
トと、（Ｃ）該第２のレンズユニットから広い間隔を有
して配置され、負の屈折力を有し、全体としてメニスカ
ス形状を有する第３のレンズユニットからなることを特
徴とする投影レンズ。
【請求項２】前記第３のレンズユニットの前記メニス
カス形状が、小さな曲率半径の面と大きな曲率半径の面
を有し、該小さな曲率半径の面が前記投影レンズの像側
に面していることを特徴とする請求項１記載の投影レン
ズ。
【請求項３】０．３＞Ｄ₂₃／ｆ₀＞０．１（ここでｆ
₀は前記第１のレンズユニットと前記第２のレンズユニ
ットと前記第３のレンズユニットからなる焦点距離、Ｄ
₂₃は前記第２のレンズユニットと前記第３のレンズユニ
ットとの距離）であることを特徴とする請求項１記載の
投影レンズ。
【請求項４】｜ｆ₁｜／ｆ₀＞１．３、または｜ｆ₁｜
／ｆ₀＞２．５（ｆ₀は前記第１のレンズユニットと前記
第２のレンズユニットと前記第３のレンズユニットから
なる焦点距離、ｆ₁は前記第１のレンズユニットの焦点
距離）であることを特徴とする請求項１記載の投影レン
ズ。
【請求項５】ＢＦＬ／ｆ₀＞０．３、またはＢＦＬ／
ｆ₀＞４（ｆ₀は前記第１のレンズユニットと前記第２
のレンズユニットと前記第３のレンズユニットからなる
焦点距離、ＢＦＬは前記投影レンズの長共役側の無限大
の位置に配置された物体に対する前記第１のレンズユニ
ットと前記第２のレンズユニットと前記第３のレンズユ
ニットからなるバックフォーカス）であることを特徴と
する請求項１記載の投影レンズ。
【請求項６】前記第１のレンズユニットが少なくとも
二つの非球面を有し、前記第１のレンズユニットがプラ
スチックレンズ素子のみからなり、前記第２のレンズユ
ニットおよび前記第３のレンズユニットがガラスレンズ
素子のみからなることを特徴とする請求項１から５に記
載の投影レンズ。
【請求項７】以下の特性のうち、（ａ）前記レンズが、室温から該レンズの動作温度まで
温度変化しても該レンズのバックフォーカスがほとんど
変化しない（ｂ）前記レンズが、前記像の約１％以下の歪みを有す
る（ｃ）前記レンズが、前記像の約２０°以上の視野で画
面の半分を有する（ｄ）前記物体が画素パネルである（ｅ）前記物体の一画素以下の色にじみ収差を有する少なくとも一つの特性を有することを特徴とする請求項
１から６記載の投影レンズ。
【請求項８】物体の像を形成するシステムにおいて、
該システムが、（ａ）光源と該光源の像を形成する照明
光学系からなり、該光源の像がその出力である照明シス
テムと、（ｂ）物体を構成する画素パネルからなること
を特徴とする請求項１から７に記載の投影レンズ。
【請求項９】前記投影レンズが前記照明システムの出
力の位置にほぼ相当する位置にある入射瞳を有すること
を特徴とする請求項８記載の投影レンズ。
【請求項１０】（ａ）前記第２のレンズユニットと第３
のレンズユニットとの距離は一定で、（ｂ）前記第１の
レンズユニットと前記第２のレンズユニットとの距離を
変化させると同時に、前記画素パネルと前記第１および
第２および第３のレンズユニットとの距離を変化させる
ことにより、前記投影レンズシステムの焦点が可変とな
ることを特徴とする請求項８または９記載の投影レン
ズ。