JPH10186233A - 画素化パネル用小型ズーム投射レンズ - Google Patents

画素化パネル用小型ズーム投射レンズ

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JPH10186233A
JPH10186233A JP9221637A JP22163797A JPH10186233A JP H10186233 A JPH10186233 A JP H10186233A JP 9221637 A JP9221637 A JP 9221637A JP 22163797 A JP22163797 A JP 22163797A JP H10186233 A JPH10186233 A JP H10186233A
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lens
image
range
focusing
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JP9221637A
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Melvyn H Kreitzer
エイチ クレイッツァー メルヴィン
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US Precision Lens Inc
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 照明系の出力との効率的な結合と高度な収差
補正を維持しつつ、広い倍率範囲で動作（フォーカシン
グ）でき、レンズのフォーカシングレンジ内のいかなる
組の共役に対しても、ある範囲の倍率を提供でき、構造
が比較的簡単であり、温度変化に鈍感である、画素化パ
ネル用の改良された投射レンズを提供する。 【解決手段】 画素化パネルようの投射レンズが０．０
５、望ましくは０．１以上の広いフォーカシングレンジ
を有し、制限されたズームレンジ、例えば１５％未満を
有している。ズームレンジを制限することによって、多
数のレンズエレメントを必要とする複雑なレンズ構造を
避けることができる。似たようなフォーカシングレンジ
の非ズームレンズに多くとも１枚のレンズエレメントを
加えただけの構成で投射レンズが形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は投射レンズ、特にＬ
ＣＤ等の画素からなる物体の像を形成するのに使用する
ことのできる投射レンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】スクリーン上に物体の像を形成するのに
投射レンズ装置（以下、単に「投射装置」と称すること
もある）が使用される。このような投射レンズ装置は観
察者と物体がスクリーンの同じ側にあるか、反対側にあ
るかで前面投射型と後方映写型に分かれ、同じ側にある
ときは前面投射型が用いられ、反対側にあるときには後
方映写型が用いられる。
【０００３】画素化パネルとともに使用される投射レン
ズ装置の基本的構造を図６に示す。図６において、１０
は光源（例えば、タングステンハロゲンランプ）、１２
は光源の像（以下、照明系の“出力”と称する）を形成
する照明光学系、１４は投射すべき物体（画素化パネ
ル）、例えば、オン、オフ画素のＬＣＤマトリックス、
１３は物体１４の拡大像、例えば、３から３５倍の像を
スクリーン１６上に形成する、複数のレンズエレメント
からなる投射レンズである。画素化パネルの近傍にフィ
ールドレンズ、例えば、フレネルレンズを配して、照明
系の射出瞳を適切に位置させるようにしてもよい。
【０００４】前面投射型の場合は、図６において観察者
はスクリーン１６の左側から像を観察し、後方映写型の
場合は観察者はスクリーン１６の右側から像を観察す
る。単一のキャビネットに収容される後方投射型の場合
は、ミラーを使用して光路を曲げて系全体のサイズを小
さくすることが多い。
【０００５】物体が画素化パネルである投射レンズ装置
はデータディスプレイ装置等の様々な用途で使用され
る。このような投射レンズ装置では、例えばレッド、グ
リーン、ブルーの画素を有する単一のパネルの像を形成
する単一の投射レンズを使用するのが望ましい。場合に
よっては、例えば、大きな像の後方映写装置では、複数
のパネルと複数の投射レンズを使用して、パネルと投射
レンズの各組が全体の像の一部を形成するようにするこ
ともある。
【０００６】少なくとも次のような特性を同時に備え
た、画素化パネル用投射レンズが要求されている。
【０００７】（１）照明系の出力との効率的な結合と高
度な収差補正を維持しつつ、広い倍率（共役）範囲で動
作（フォーカシング）できること。（以下、“レンズの
フォーカシングレンジ”と称する。） （２）照明系の出力との効率的な結合と高度な収差補正
を維持しつつ、レンズのフォーカシングレンジ内のいか
なる組の共役に対しても、ある範囲の倍率を提供できる
こと。（以下、レンズの“ズームレンジ”と称する。） （３）構造が比較的簡単であること、すなわち構成する
レンズエレメントの数が少ないこと。
【０００８】（４）色補正が充分であること。
【０００９】（５）ディストーションが小さいこと。
【００１０】（６）温度変化に鈍感であること。
【００１１】広い倍率範囲で効率的に動作可能な投射レ
ンズ、すなわち、レンズのフォーカシングレンジが広い
レンズが望ましい。というのは、そのようなレンズを備
えた投射レンズ装置はその装置の部品を換えずにスクリ
ーンの大小およびホールの大小に関係なく使用できるか
らである。物体と像の共役の変更のみが必要であるが、
それは、画素化パネルに対してレンズを移動させるだけ
で容易に変更できる。困難なのは動作可能な倍率範囲全
体にわたって、照明系の出力との効率的な結合と高度な
収差補正を維持することである。
【００１２】与えられた像と物体との共役関係において
像の倍率を変更できるということ、すなわちズーミング
が可能であるということによっても同様な利益が得られ
る。この場合には、倍率の変更は、像の微妙な調整、例
えば、その像がスクリーン一杯に展がるように調整する
のに使用される。また、複数のパネルと複数の投射レン
ズを使用した後方映写型装置の場合には、像の各部分間
の倍率差をできるだけ小さくするのにズーミングを使用
できる。
【００１３】上記（１）と（２）の特性、すなわち、フ
ォーカシングとズーミングはともに倍率変化を伴うが、
倍率の変更は基本的に様々な方法で達成できる。フォー
カシング中、像と物体との共役が変化してもレンズの焦
点距離は一定のままであり、倍率はその共役の比の変化
の結果として変化する。これに対して、ズーミング中、
像と物体との共役は一定に保たれたまま、焦点距離が変
化し、その焦点距離の変化の結果として倍率が変化す
る。（後述の表１、２において示されている焦点距離は
フォカーシングとズーミング中固定されているフレネル
レンズを含んでいる。）結果として、フォーカシング
中、レンズの焦点距離が変化するように見えるが、フォ
ーカシング中に移動されるレンズエレメントに関しては
焦点距離は一定に保たれる。また表中のレンズには、ズ
ーミングの結果のレンズの焦点変化を許容する手段が含
まれている。特に、その表中には、その焦点補正のため
の、ズーミング中の共役の変化が示されている。
【００１４】上記の特性（３）、すなわち、比較的簡単
な構造は、コスト、重量および大きさの観点から望まし
い。レンズエレメントの数が多いと、必要な素材の量が
増え、重量が大きくなり、さらに組立と取付のコストが
高くなる。したがってレンズエレメントの数ができるだ
け少ない方が望ましい。
【００１５】当業者には周知のように、ズーミングが可
能なレンズは通常、焦点距離の変更と収差補正を同時に
実現するために複雑な構造の多数のレンズエレメントを
使用している。したがって上記（２）と（３）の特性は
レンズの設計上相反するものである。
【００１６】本発明によれば、ＬＣＤの投射レンズ装置
のユーザーの大部分のズーミングに対する要求には、比
較的狭いズーム範囲、例えば、スクリーンにおける像高
（表中では物体高さ）に換算して１５％あるいはそれ以
下（ズーム範囲の中心から±７．５％あるいはそれ以
下）の範囲で、充分対応できることが分かった。さら
に、このような比較的狭いズームレンジは多くとも１枚
のレンズエレメントを追加するだけの簡単なレンズ設計
で達成でき、多くの場合に、フォーカシングレンジがほ
ぼ同じで画質もほぼ同じの固定焦点距離レンズの設計に
比べて余分のレンズエレメントを必要としないことも分
かった。本発明のこのような特徴によれば、特性（２）
と（３）の相反性を解決することができる。
【００１７】特性（４）、すなわち色補正が充分である
こと、は重要である。色収差は画素化パネルの像内で、
画素のぼけ、またひどいときにはその画素の完全な脱落
として容易に見られる。一般に個の問題は視野の端でも
っとも顕著である。
【００１８】系の全ての色収差について考慮する必要が
あるが、横色収差、色によるコマの差、および色による
非点収差の差が一般には特に問題となる。横色収差、す
なわち、色による倍率の差、はコントラストの低下、視
野の縁部において特に顕著であるが、として現れるので
特に面倒である。ひどいときには、視野全体でレインボ
ー効果が見られる。
【００１９】陰極線管（ＣＲＴ）を使用した投射装置の
場合には、多少横色収差が残っていても、例えば、赤色
ＣＲＴ面上に結像される像の大きさを、青色ＣＲＴ上に
結像されるものと比べて小さくすることによって電子的
に補償できる。しかしながら、画素化パネルの場合に
は、像はデジタル化されており、視野全体にわたって大
きさをスムーズに調整するのは不可能であるために、Ｃ
ＲＴを使用した投射装置におけるような補償の仕方はで
きない。したがって、投射レンズの横色収差がより高度
に補正されていることが必要になる。
【００２０】データディスプレイに画素化パネルを使用
するとディストーションの補正に対する要求が厳しくな
る。これはデータを見るためには、レンズの視野の末端
に至るまで高度の画質が必要であるからである。言うま
でもなく、表示される数字や文字にゆがみがないのは、
中央部分におけると同様に視野の端でも重要である。ま
た投射レンズは互いに突き合わせた複数のパネルととも
に使用することも多く、そのように設計されているレン
ズもある。このような場合には、スクリーン上のディス
トーションはスクリーンの中心を通る水平線に対して対
称とならず、例えば、スクリーンの下縁から上縁に向か
って単調に大きくなることもある。これによって、小さ
なディストーションでも観察者に容易に見えるようにな
ってしまう。 ディストーションが小さく、色収差が良
好に補正されていることは、“WINDOWS”のインターフ
ェースの拡大像がスクリーンに投射されるときに、特に
重要である。平行線、縁取りされたコマンドボックスや
ダイアログボックス、複雑な着色を有するそのインター
フェースは本質的にディストーションと色収差のテスト
パターンである。このようなインターフェースの像のデ
ィストーションや色収差はほんの少しでも、ユーザーが
気が付き問題とするものである。
【００２１】充分な輝度の像を形成するためには、相当
な光量が投射レンズを通過する必要がある。そのため、
室温とレンズの作動温度の間にはかなりの差があるのが
普通である。さらに、レンズは様々な環境条件下で作動
できなければならない。例えば、投射レンズ装置は、周
囲温度が４０℃にも達するビルの屋根からなる天井に取
り付けられることもある。そのため、光学的特性が温度
変化に比較的鈍感な投射レンズが必要である。
【００２２】この温度変化に対する感度の問題に対処す
るのには例えば、ガラスのレンズエレメントを使用する
方法がある。ガラスのレンズエレメントの場合にはプラ
スチックのレンズエレメントに比べて曲率半径と屈折率
の変化が小さい。しかしながらガラスのレンズエレメン
トは一般にプラスチックのレンズエレメントに比べて高
価であり、特に収差の制御のために非球面が必要な場合
には高価である。またガラスレンズは重い。後述するよ
うに、プラスチックレンズエレメントのパワーと位置を
適切に選択すれば、プラスチックレンズエレメントを使
用しても所望の温度変化に対する鈍感さを得ることがで
きる。
【００２３】後述する投射レンズは全て上述した全ての
要求を満たすものであり、画素化パネルの高画質のカラ
ー像をスクリーン上に形成することのできる投射レンズ
装置を比較的低コストで製造するのに使用することがで
きるものである。
【００２４】画素化パネルとともに使用する投射レンズ
については下記の特許に開示がある。 Taylorの米国特
許No.４，１８９，２１１、Tanaka等の米国特許No.５，
０４２，９２９、Yano等の米国特許No. ５，１７９，４
７３、Moskovichの米国特許No. ５，２１８，４８０、I
Izuka等の米国特許No. ５，２７８，６９８、Betensky
の米国特許No.５，３１３，３３０、Yanoの米国特許No.
５，３３１，４６２。
【００２５】ＬＣＤ装置については、Gagnon等の米国特
許No.４，４２５，０２８、Gagnonの米国特許No.４，４
６１，５４２、Ledebuhrの米国特許No.４，８２６，３
１１、およびＥＰＯ特許公報No.３１１，１１６に開示
がある。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】上記のような事情に鑑
みて、本発明は、上述の６つの望ましい特性を全て備え
た、画素化パネル用の改良された投射レンズを提供する
ことを目的とするものである。
【００２７】
【課題を解決するための手段】上記目的は、フォーカシ
ングレンジが広く、そのフォーカシングレンジ全体にわ
たって狭いズームレンジを有する投射レンズによって達
成される。ここで、投射レンズのフォーカシングレンジ
Ｆとは、F=max｜hI/ho｜-min｜hI/ho｜と定義される。
但し、hoは物体の高さ、hIは拡大像の高さ、max｜hI/ho
｜、min｜hI/ho｜はそれぞれ所望のレベルの画質を維持
しながらその投射レンズが達成することのできる倍率
（縮小率）（像／物体）の最大値と最小値である。
【００２８】画質の望ましいレベルはディストーション
が１％未満、さらに望ましくは０．５％未満、横色収差
が４７０ｎｍから６３０ｎｍの範囲で１／２画素未満、
軸上色収差が４７０ｎｍから６３０ｎｍの範囲で２画素
未満である。（色補正に関する上記基準は物体において
適用してもよいし、像において適用してもよいが、像で
適用する場合には拡大された画素が使用される。また軸
上色収差に対する基準は横色収差に対する基準より緩
い。これは軸上色収差は対称的なハローとして現れ、そ
のハローは通常あまり目に付かないからである。）ま
た、投射レンズのズームレンジＺとは、Ｚ＝２・（max
｜hI｜-min｜hI｜)/（max｜hI｜+min｜hI｜) と定義さ
れる。
【００２９】但し、max｜hI｜、min｜hI｜はそれぞれフ
ォーカシングレンジ内のある｜hI/ho｜比を中心として
ズームしたときの最大像高と最小像高である。
【００３０】周知のように、ズーム可能なレンズは全て
その設計ズームレンジを越えて「強制駆動」することが
できる。もちろん、この「強制駆動」をすればレンズの
性能が低下する。しかしながら、その性能の低下は、通
常それほど急激なものではなく、一般には全ての性能の
パラメータに同じ割合で影響するものではない。
【００３１】したがって、ここでのレンズのズームレン
ジとは、そのレンジを５０％広げたとしても、例えば、
そのズームレンジが１５％のレンジ（後述）であったと
して、それを２２．５％まで広げたとしても、その広げ
られたレンジ内のどの点においても、ディストーション
が１％を超えたり、横色収差が４７０ｎｍから６３０ｎ
ｍの範囲で１／２画素を超えたり、軸上色収差が４７０
ｎｍから６３０ｎｍの範囲で２画素を超えたり、レンズ
エレメントの動きがレンズの物理的構造やレンズの支持
構造のために制限されたりすることのないようなレンジ
を言うものとする。
【００３２】上述のパラメータＦ、Ｚの点から見ると、
本発明の投射レンズは （Ａ）その投射レンズの像側端に配されたレンズユニッ
トであって、画素化パネルから軸上距離Ｄに像側端を有
する第１のレンズユニット、および （Ｂ）第１のレンズユニットと画素化パネルの間に配さ
れたズーム用のレンズユニットであって、前記第１のレ
ンズユニットの物体側端から軸上距離Ｄ12に像側端を有
する第２のレンズユニットからなり、（ｉ）その投射レ
ンズのフォーカシングが前記軸上距離Ｄを変えることに
よって行われ、（ｉｉ）その投射レンズのズーミングが
前記軸上距離Ｄ12を変えることによって行われ、（ｉｉ
ｉ）Ｆ＞０．０５であり、（ｉｖ）フォーカシングレン
ジ全体にわたるＺの最大値Ｚmaxが０．１５未満である
ことを特徴とするものである。
【００３３】本発明の一実施の形態では、Ｆ＞０．１、
Ｚmax＜０．１の少なくとも一方が満足される。
【００３４】本発明の投射レンズは照明系の出力に位置
を投射レンズの疑似開口絞り／入射瞳として使用して設
計するのが望ましい。(Betenskyの米国特許Ｎｏ．５，
３１３，３３０参照、この特許の関連する部分をここに
引用したものとする）これによって、照明系の光出力と
投射レンズとの効率的な結合が得られる。
【００３５】上記のような本発明の実施の形態によれ
ば、物体の像を結像する投射レンズ装置であって、
（ａ）光源とその光源の像を（照明系の出力）形成する
照明光学系とからなる照明系、（ｂ）前記物体を構成す
る画素化パネル、および（ｃ）上述のような投射レンズ
であって、前記照明系の出力の位置にほぼ対応する位置
に入射瞳を有する投射レンズからなる、投射レンズ装置
が提供される。
【００３６】また本発明の投射レンズは温度の影響がほ
ぼ無いようにも設計される。後に詳述するように、これ
はガラスのレンズエレメントとプラスチックのレンズエ
レメントを使用し、実質的に屈折力を有するプラスチッ
クレンズエレメントの屈折力を均衡させることによって
行われる。これによって、温度変化によって生ずる正の
レンズエレメントの屈折力の変化が負のレンズエレメン
トの屈折力の変化によって相殺され、投射レンズ全体の
光学的特性が温度変化に関わらずほぼ一定に保たれる。
【００３７】
【発明の実施の形態】上述のように、本発明の重要な特
徴は投射レンズのズームレンジを制限することによって
レンズの構造を比較的簡単にすることである。詳しく
は、本発明のレンズのズームレンジは最大１５％（ズー
ムレンジの中心から±７．５％）であり、多くの場合に
は、１５％よりはるかに狭い。
【００３８】このようにズームレンジを制限すると
（１）所望のフォーカシングレンジが得られる非ズーム
レンズを設計し、（２）その設計されたレンズの、ズー
ム時に動かすべきレンズユニットを選択し、（３）その
選択されたレンズユニットを動かして所望のズームレン
ジが得られるように設計を修正する、ことによって、本
発明のレンズを設計することができることが分かった。
実際には、前記非ズームレンズをズームレンズ化し、所
望のフォーカシングレンジを維持しつつ所望の制限され
たズーミングを得るためには、多くても１枚のレンズエ
レメントを追加すればよく、ほとんどの場合はレンズエ
レメントを追加する必要がないことが分かった。
【００３９】下記の実施の形態に基づいて説明するよう
に、本発明の制限されたズーミングは、投射レンズに、
ズーム時に互いに他方に対して移動される第１、第２の
レンズエレメントを設けることによって達成される。本
発明の投射レンズは、必要に応じて、下記の実施の形態
４、５において第２のレンズユニットに伴われるレンズ
ユニットのような追加のレンズユニットを備えていても
よい。本発明のレンズのフォーカシングはレンズ全体を
画素化パネルに対して移動させることによって行われ
る。第１のレンズユニットを２つのサブユニットで構成
し、フォーカシング時にその両サブユニットの相対的に
移動させてもよい。画素化パネルに対して投射レンズを
移動させたり、レンズユニットやサブユニットを互いに
移動させたりするのには公知の機構を使用することがで
きる。
【００４０】本発明の投射レンズは、球面収差、非点収
差、コマ、ディストーション等の収差補正のための少な
くとも１つの、望ましくは複数の非球面を備えている。
上述のように、画素化パネルとともに使用される投射レ
ンズ装置の場合にはディストーションが高度に補正され
ている必要があり、フォーカシングレンジおよびズーム
レンジ全体にわたって、１．０％未満であるのが望まし
く、０．５％未満であるのがさらに望ましい。
【００４１】色補正のために、投射レンズは一般に高分
散材料で形成された負のレンズエレメントと、低分散材
料で形成された少なくとも１枚の正のレンズエレメント
を備えている。その高分散材料および低分散材料はガラ
スまたはプラスチックでよい。 一般に、高分散材料は
フリントガラスのような分散能を有する材料であり、低
分散材料はクラウンガラスのような分散能を有する材料
である。さらに詳しくは、高分散材料は１．８５から
１．５の範囲の屈折率に対して２０から５０の範囲のＶ
値を有するものであり、低分散材料は同じ範囲の屈折率
に対して３５から７５の範囲のＶー値を有するものであ
る。
【００４２】プラスチックレンズの場合には、高分散材
料および低分散材料は、例えば、それぞれスチレンおよ
びアクリル樹脂である。もちろん、必要ならば、他のプ
ラスチックも使用することができる。例えば、スチレン
の替わりにフリントガラスと同様な分散能を有するポリ
カーボネート、ポリスチレンとアクリル樹脂の共重合体
（例えば、ＮＡＳ）等を使用することができる。オハイ
オ州、シンシナティーの“U.S.Precision Lens Inc.,”
の“The Handbook of Plastic Optics”１９８３年版、
１７ページから２９ページを参照されたい。
【００４３】上述のように、本発明の投射レンズは、室
温からその作動温度まで加熱されても光学性能が余り変
化しないように断熱化される。より詳しくは、装置の特
性空間周波数における変調伝達関数の熱的に引き起こさ
れる変化が約２５％未満であるのが望ましい。装置の特
性空間周波数は画素サイズの１／２に等しい。レンズ内
でのプラスチックレンズエレメントの選択と配置によっ
て所望の温度安定性が得られる。
【００４４】通常、プラスチックレンズエレメントを使
用すると、プラスチックの光学材料の屈折率が温度によ
って大きく変化するという問題がある。さらにプラスチ
ックの光学材料の形状が温度によって変化する、すなわ
ち、膨張したり、収縮したりするという問題がある。こ
の形状変化の問題は屈折率の変化ほどは大きくないのが
普通である。
【００４５】使用されるプラスチックレンズエレメント
が屈折力の弱いものばかりの場合は、プラスチックの光
学部材の温度による変化と、プラスチックやアルミニウ
ムの機械部品、例えば、温度変化による焦点変動の主た
る原因となる機械部品であるレンズ鏡胴、の温度による
変化とをバランスさせることが可能である。プラスチッ
クの光学部材を無制限に使用できれば、すなわち、比較
的屈折力の強いプラスチックレンズエレメントを使用で
きれば、プラスチックレンズエレメントは成形によって
容易に形成できるため、非球面の光学面を使用して特定
のレンズ設計の性能を高めることができ、有利である。
さらに比較的屈折力の強いプラスチックレンズエレメン
トを使用できれば、投射レンズ全体のコストが低くな
り、投射レンズ全体の重量も軽くなる。これは大きなレ
ンズエレメントを使用するときに特に有利である。
【００４６】プラスチックレンズエレメントの正味の屈
折力が大きいときには、断熱化が必要であり、そうしな
いと、レンズの温度が室温から作動温度に変化したとき
に焦点距離が大きく変化する。これは、スクリーンに大
量の光を伝達する必要があり、そのために作動温度が室
温より大幅に高くなるプロジェクターの場合に特にそう
である。
【００４７】本発明の投射レンズの場合には、プラスチ
ックレンズエレメントの位置とそのプラスチックレンズ
エレメントにおける周縁光線の高さの両方を考慮しつ
つ、正のプラスチックレンズエレメントの屈折力と負の
プラスチックレンズエレメントの屈折力をバランスさせ
ることによって断熱化がなされる。
【００４８】プラスチックレンズエレメントの位置は、
そのプラスチックレンズエレメントに生じ得る温度変化
の大きさ、したがってそのプラスチックレンズエレメン
トの屈折率に生じ得る変化の大きさの点で重要である。
一般に、光源あるいはその像に近いレンズエレメントほ
ど温度変化が大きい。実際には、投射レンズがおかれる
部分の温度分布を、光源および照明光学系を作動させた
状態で測定し、投射レンズの設計にその測定値を使用す
る。
【００４９】プラスチックレンズエレメントの周縁光線
高さは、与えられた温度変化に対するそのレンズエレメ
ントの屈折率の変化が、投射レンズ全体の温度安定性に
対して大きいものであるかどうかを決定する。一般に周
縁光線高さが低いレンズエレメントの場合には、すなわ
ち、投射レンズの焦点に近いレンズエレメントの場合に
は、周縁光線高さが高いレンズエレメントに比べて投射
レンズ全体の温度安定性に対する影響が小さい。
【００５０】以上のようなことから、断熱化は、特定の
プラスチックレンズエレメントの寄与分をそのレンズエ
レメントに生じ得ると考えられる温度変化とそのレンズ
エレメントにおける周縁光線高さに基づいて調整して、
プラスチックレンズエレメントの正の屈折力と負の屈折
力をバランスさせることによって達成される。実際に
は、この断熱化は以下のようにしてコンピュータレンズ
設計プログラムに組み込まれる。最初に、第１の温度分
布において光線追跡が行われ、後部焦点距離が計算され
る。この光線追跡は周縁光線に対して近軸光線追跡でよ
い。次に、第２の温度分布において同じ光線追跡が行わ
れ、ここでも後部焦点距離が計算される。第１の温度分
布も、第２の温度分布もレンズ全体にわたって一定であ
る必要はなく、レンズエレメント毎に異なってよいし、
その方が一般的である。計算された後部焦点距離は、レ
ンズ設計プログラムを使用して装置の設計が最適化され
る際に一定値に変換される。
【００５１】上述の方法においては、投射レンズの支持
機構と画素化パネルの支持機構が、装置の温度が変化し
てもレンズの最終面と画素化パネルの間の距離をほぼ一
定に保つと仮定されている。この仮定が妥当でない場合
には、断熱化のために他の対策をとってもよい。例え
ば、両支持機構の相対的な動きの測定値を設計に取り入
れてもよいし、他の距離、例えばレンズの前面と画素化
パネル間の距離が機械的に固定されているものと仮定し
てもよい。
【００５２】図１から図５は本発明の第１から第５の実
施の形態の投射レンズを示すものである。第１から第５
の実施の形態の仕様、光学特性等がそれぞれ表１から表
５に示されている。レンズ系に使用されたガラスは“Ｈ
ＯＹＡ”または“ＳＣＨＯＴＴ”の名称で示されてい
る。実際には、他のメーカーの同等なガラスを使用して
差し支えない。プラスチックレンズエレメントには工業
的に使用可能な材料が使用されている。第５の実施の形
態で使用されているガラスＦＣＤ１はこのレンズの色収
差を第４の実施の形態のレンズに比べて小さくする。
【００５３】表１から表５に示されている非球面係数は
次の数式で使用されるものである。
【００５４】
【数１】
【００５５】但し、ｚは系の光軸からの距離ｙにおける
面のサグ、ｃは光軸上でのレンズの曲率、ｋは円錐係数
である。円錐係数ｋは表１から表５に特に記載のない限
り０である。
【００５６】表中での略語は以下の通りである。
【００５７】 ＥＦＬ 実効焦点距離 ＦＶＤ 前頂点距離 f/ Ｆナンバー ＥＮＰ 長共役から見た入射瞳 ＢＲＬ 鏡胴長さ ＯＢＪＨＴ 物体高さ ＭＡＧ 倍率 ＳＴＯＰ 開口絞りの位置および大きさ ＩＭＤ 像距離 ＯＢＤ 物体距離 ＯＶＬ 全長 表１、２に記載されているこれらのパラメータの値はフ
レネルレンズを系の一部として計算したものである。表
中の面に付けられた“ａ”は非球面、すなわち、上記数
式におけるＤ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉの少なくとも一つが
０でない面、を表し、“ｃ”は上記数式におけるｋが０
でない面を表し、“ｆ”はフレネルレンズを表す。表１
の面１と表３の面７は随意のビネット面である。表中の
全ての寸法の単位はmmである。
【００５８】表は、図中で光が左から右に進行すると仮
定して作成されている。実際には、スクリーンが左に置
かれ、画素化パネルが右に置かれ、光は右から左に進行
することになる。特に、表中の物体と像に関する記載
は、本明細書の以下における記載と請求項における記載
の逆である。
【００５９】図中画素化パネルはＰＰで示されており、
画素化パネルに必要に応じて取り付けられるフレネルレ
ンズはＦＬで示されている。第１、第２の実施の形態の
装置では、複数の大きなパネルが使用されるため、照明
光学系からの光が垂直に近い入射角でパネルに入射する
ようにフレネルレンズが使用される。
【００６０】表１から表５内の種々のエレメントおよび
レンズ面と、上記の「第１のレンズユニット」、「第１
のサブユニット」、「第２のサブユニット」、「第２の
レンズユニット」のような用語との対応は表６に示され
ている。U1は第１のレンズユニット、U1s1は第１のレン
ズユニットの第１のサブユニット、U1s2は第１のレンズ
ユニットの第２のサブユニット、U2は第２のレンズユニ
ットである。
【００６１】表７は表１から表５のどの位置がフォーカ
シングでどの位置がズーミングであるかをまとめたもの
である。
【００６２】上述のように、表１から表５に示す投射レ
ンズは、Betenskyの米国特許Ｎｏ．５，３１３，３３０
の疑似開口絞り／入射瞳法を使用して設計されている。
この方法によれば、照明系が投射レンズの入射瞳の位置
を決定するのに使用され、その入射瞳はレンズの全ての
焦点距離および共役において、画素化パネルに対して一
定の位置に置かれる。この入射瞳の位置は、画素化パネ
ルおよびそのパネルの投射レンズ側の固定位置に配され
るフレネルレンズを通過する照明系からのほぼ平行な光
（ほぼテレセントリックな光）によって決定される。
【００６３】表１から５において「開口絞り」記された
面は上記のBetenskyの米国特許における疑似開口絞りを
構成する面である。その疑似開口絞りの位置は照明系の
出力の位置に対応する。各表の「可変間隔」の部分から
明らかなように、疑似開口絞りから画素化パネルまでの
距離は、表１から５の投射レンズ装置の全てのフォーカ
シング位置／ズーム位置（倍率）に対してほぼ一定であ
る。（「像距離」の列参照）表に示されているフォーカ
シング位置とズーム位置に対しては、投射レンズの後面
に対して開口絞りの位置を決定する可変間隔は、照明系
の出力がレンズの前側レンズ面と後側レンズ面によって
規定される空間内に位置するのに対応して負である。な
おこの疑似開口絞り法は、望ましいものではあるが、本
発明のレンズの設計に必ず使用しなくてはならないと言
うものではない。本発明のレンズは従来の開口絞りを使
用して設計することもできる。
【００６４】表８は表１から５のレンズの種々の特性を
まとめたものである。表８の数値はフレネルレンズが第
１、第２の実施の形態の装置全体の一部をなすものとし
て計算したものである。表に示すように、第１から第５
の実施の形態の投射レンズはフォーカシングレンジが少
なくとも０．０５であり、大部分０．１より広い。なお
表中のフォーカシングレンジは上述の望ましいディスト
ーション、横色収差、軸上色収差の基準に基づくもので
ある。すなわち表中のフォーカシングレンジに対して、
各レンズはディストーションが１％未満（ディストーシ
ョンの列参照）であり、４７０ｎｍから６３０ｎｍの波
長範囲の横色収差および軸上色収差の補正がそれぞれ１
／２画素未満、２画素未満である。
【００６５】また表８に示すように、各レンズのズーム
レンジは０．１５未満、大部分０．１未満と制限されて
おり、そのため図示したような比較的簡単な構造とする
ことができる。表８の「制限」の列はズームレンジを制
限する基準を示すものである。第１の実施の形態のレン
ズの場合、ズームレンジを０．０９０まで広げると、デ
ィストーションが１％を超え、また第３の実施の形態の
レンズの場合、ズームレンジを０．１７７まで広げる
と、４７０ｎｍから６３０ｎｍの波長範囲の横色収差の
補正が１／２画素より悪くなったり、軸上色収差の補正
が２画素より悪くなったりする。
【００６６】以上のように、本発明のレンズは画素化パ
ネルとともに使用する投射レンズに望まれる上述の特性
を全て備えている。
【００６７】以上、本発明の特定の実施の形態について
説明したが、本発明は上記実施例に限られるものではな
く、様々に変更できることはいうまでもない。
【００６８】
【表１】
【００６９】
【表２】
【００７０】
【表３】
【００７１】
【表４】
【００７２】
【表５】
【００７３】
【表６】
【００７４】
【表７】
【００７５】
【表８】
【００７６】
【表９】
【００７７】
【表１０】
【００７８】
【表１１】
【００７９】
【表１２】
【００８０】
【表１３】
【００８１】
【表１４】
【図面の簡単な説明】
【図１】から
【図５】本発明の実施の形態の投射レンズの概略側面図
である。
【図６】本発明の投射レンズを使用することができる投
射レンズ装置全体を示す概略図である。
【符号の説明】 U1 第１のレンズユニット U2 第２のレンズユニット U1s1 第１のレンズユニットの第１のサブユニット U1s2 第１のレンズユニットの第２のサブユニット ＰＰ 画素化パネル ＦＬ フレネルレンズ
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成９年１０月２１日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２７】
【課題を解決するための手段】上記目的は、フォーカシ
ングレンジが広く、そのフォーカシングレンジ全体にわ
たって狭いズームレンジを有する投射レンズによって達
成される。ここで、投射レンズのフォーカシングレンジ
Ｆとは、F=max｜ho/hI｜-min｜ho/hI｜と定義される。
但し、hoは物体の高さ、hIは拡大像の高さ、max｜ho/hI
｜、min｜ho/hI｜はそれぞれ所望のレベルの画質を維持
しながらその投射レンズが達成することのできる倍率
（縮小率）（物体／像）の最大値と最小値である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２９】但し、max｜hI｜、min｜hI｜はそれぞれフ
ォーカシングレンジ内のある｜ho/hI｜比を中心として
ズームしたときの最大像高と最小像高である。

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高さhoの物体の高さhI（｜hI｜＞｜ho
    ｜）の像を形成するための可変焦点距離小型ズーム投射
    レンズにおいて、 （Ａ）その投射レンズの像側端に配された少なくとも１
    枚のレンズエレメントを有するレンズユニットであっ
    て、前記物体から軸上距離Ｄに像側端を有する第１のレ
    ンズユニット、および （Ｂ）前記第１のレンズユニットと前記物体の間に配さ
    れた、少なくとも１枚のレンズエレメントを有するズー
    ム用のレンズユニットであって、前記第１のレンズユニ
    ットの物体側端から軸上距離Ｄ12に像側端を有する第２
    のレンズユニットからなり、（ｉ）前記物体が多数の画
    素によって形成されたパネルからなり、（ｉｉ）その投
    射レンズのフォーカシングが前記軸上距離Ｄを変えるこ
    とによって行われ、（ｉｉｉ）その投射レンズのズーミ
    ングが前記軸上距離Ｄ12を変えることによって行われ、
    （ｉｖ）F=max｜hI/ho｜-min｜hI/ho｜と定義される前
    記投射レンズのフォーカシングレンジＦが少なくとも
    ０．０５であり（但し、max｜hI/ho｜、min｜hI/ho｜は
    それぞれ投射レンズの倍率（像／物体）の最大値と最小
    値である）、（ｖ）Ｚ＝２・（max｜hI｜-min｜hI｜)/
    （max｜hI｜+min｜hI｜) と定義される前記投射レンズ
    のズームレンジＺのフォーカシングレンジ全体にわたる
    最大値Ｚmaxが０．１５未満である（但し、max｜hI｜、
    min｜hI｜はそれぞれフォーカシングレンジ内のある｜h
    I/ho｜比を中心としてズームしたときの最大像高と最小
    像高である）ことを特徴とする投射レンズ。
  2. 【請求項２】 ３５・｜ho｜＞｜hI｜＞３・｜ho｜であ
    ることを特徴とする請求項１記載の投射レンズ。
  3. 【請求項３】 ズーミング時に、前記軸上距離Ｄを変え
    ることによってフォーカシングし直すことを特徴とする
    請求項１記載の投射レンズ。
  4. 【請求項４】 前記第２のレンズユニットが２枚のレン
    ズエレメントを有し、その一方が正の屈折力を、他方が
    負の屈折力を有することを特徴とする請求項１記載の投
    射レンズ。
  5. 【請求項５】 前記第１のレンズユニットが光軸上に間
    隔を置いて配された、第１、第２のサブユニットからな
    り、その各サブユニットが少なくとも１枚のレンズエレ
    メントからなり、フォーカシングの際に両サブニット間
    の間隔が変えられることを特徴とする請求項１記載の投
    射レンズ。
  6. 【請求項６】 Ｆ＞０．１であることを特徴とする請求
    項１記載の投射レンズ。
  7. 【請求項７】 Ｚmax＜０．１であることを特徴とする
    請求項１記載の投射レンズ。
  8. 【請求項８】 前記フォーカシングレンジ全体にわたっ
    て投射レンズのディストーションが１％以下であること
    を特徴とする請求項１記載の投射レンズ。
  9. 【請求項９】 前記フォーカシングレンジおよびズーム
    レンジ全体にわたって投射レンズのディストーションが
    ０．５％以下であることを特徴とする請求項１記載の投
    射レンズ。
  10. 【請求項１０】 横色収差が４７０ｎｍから６３０ｎｍ
    の範囲で１／２画素未満であることを特徴とする請求項
    １記載の投射レンズ。
  11. 【請求項１１】 軸上色収差が４７０ｎｍから６３０ｎ
    ｍの範囲で２画素未満であることを特徴とする請求項１
    記載の投射レンズ。
  12. 【請求項１２】 少なくとも１枚のプラスチックで形成
    されたレンズエレメントと、少なくと１枚のガラスで形
    成されたレンズエレメントを備えていることを特徴とす
    る請求項１記載の投射レンズ。
  13. 【請求項１３】 少なくとも１面の非球面を備えている
    ことを特徴とする請求項１記載の投射レンズ。
  14. 【請求項１４】 前記パネルの特性空間周波数（サイク
    ル／mm)が画素サイズの１／２に等しく、投射レンズが
    室温からその作動温度まで加熱されたときの、前記特性
    空間周波数における投射レンズの変調伝達関数の変化が
    約２５％未満であることを特徴とする請求項１記載の投
    射レンズ。
  15. 【請求項１５】 物体の像を結像する投射レンズ装置で
    あって、 （ａ）光源とその光源の像を出力として形成する照明光
    学系とからなる照明系、 （ｂ）前記物体を構成する画素化パネル、および （ｃ）請求項１に記載の可変焦点距離小型ズーム投射レ
    ンズ、 からなる投射レンズ装置
  16. 【請求項１６】 前記投射レンズが前記照明系の出力の
    位置にほぼ対応する位置に入射瞳を有することを特徴と
    する請求項１５記載の投射レンズ装置。
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