JPH10197790A - 投写レンズ及び照明レンズ及びこれらのいずれかを用いた液晶プロジェクタ - Google Patents
投写レンズ及び照明レンズ及びこれらのいずれかを用いた液晶プロジェクタInfo
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- JPH10197790A JPH10197790A JP19368597A JP19368597A JPH10197790A JP H10197790 A JPH10197790 A JP H10197790A JP 19368597 A JP19368597 A JP 19368597A JP 19368597 A JP19368597 A JP 19368597A JP H10197790 A JPH10197790 A JP H10197790A
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Abstract
長く広画角であり、レンズ枚数を少くし、結像性能に優
れた小型化された投写レンズと、小型・軽量でコマ収
差,色収差及び歪曲収差の小さな照明レンズと、これら
のいずれかを用いた液晶プロジェクタとを提供する。 【解決手段】 本発明の投写レンズは、スクリーン側よ
り順に、負のメニスカス形状で両面に非球面形状を有す
る第1群レンズL1、負のメニスカス形状の第2群レン
ズL2、正のレンズと両凹レンズの貼り合わせレンズ及
び正のレンズよりなる第3群レンズL3、負のレンズ及
び2枚の正のレンズよりなる第4群レンズL4、及び正
のレンズで少なくとも1面に非球面形状を有する第5群
レンズL5より構成される。第5群レンズは液晶パネル
に近接して配置され、第5群と第4群のレンズ群の間は
R,G,B合成用の光学要素を挿入する間隔を与える。
口径比3.5及び半画角35°以上の広画角が得られ
る。
Description
明レンズに関し、より詳細には、液晶パネル上の画像を
スクリーンに投影する光学系に適した投写レンズ及び液
晶パネルを照射する光学系に適した照射レンズに関す
る。
一般にR(赤),G(緑),B(青)3色に分離された
光源からの光により各色用の液晶パネルを照明し、各々
の液晶パネルからの画像をダイクロイックミラーやクロ
スダイクロイックプリズムなどで合成して投写レンズで
スクリーン上に拡大投影する方法が用いられている。ス
クリーン上に高精度な画像を投写するためには、諸収差
が良好に補正された投写レンズが必要であるところか
ら、近年では、非球面プラスチックレンズを有効に用い
て収差補正を行い、レンズの枚数削減による低コスト化
を実現したレンズ設計例が数多く見られる。
の液晶プロジェクタでは、一般にダイクロイックミラー
によりR(赤),G(緑),B(青)3色に分離された
光源からの光を液晶パネル上に設けられたマイクロレン
ズによって液晶の各色の画素開口部に個別に集光させる
照明方式が用いられているため、カラーフィルタを用い
た一般の単板方式の液晶パネルに比べて光の利用効率が
高い。
マイクロレンズにより1つの画素開口部が取込む光束の
立体角の大きさが制限される。すなわち、マイクロレン
ズに入射する光束の立体角の大きさ及び主光線の角度が
最適値の範囲から外れると、1つの画素だけでは光束を
取込みきれずに、例えば、緑の光が周辺の赤の画素にも
入射して単色の色純度の低下を引き起こす。従って、液
晶パネルの照明範囲全体をR,G,Bの広範な波長領域
にわたり適切な光束の立体角の大きさでテレセントリッ
ク照明できる照明システムが必要である。近年では液晶
パネルサイズの小型化が進み、光源から出射する光を所
望の照明範囲に適切な光束の立体角の大きさで集光する
ことが困難になってきている。
色の合成にダイクロイックミラーが用いられている3板
式の液晶プロジェクタでは、液晶パネルと投写レンズの
間に、2枚の該ミラーを挿入するために十分なスぺース
が必要となるため、投写レンズはバックフォーカスが焦
点距離に比べて非常に長いレトロフォーカスタイプが要
求される。このとき、液晶パネルからの光は軸上,軸外
の全ての領域においてほぼパネルの法線方向を軸に有限
の立体角方向に出射するので、バックフォーカスが長い
タイプのレンズの場合、レンズの取リ込み光量を確保し
つつレンズ径の小型化を実現するためにパネルに近接し
てフィールドレンズを配置する必要がある。また、リア
型プロジェクタの場合、小型化,低コスト化のために共
役長および投写距離をあまり大きくとることができない
ため、所望の結像倍率を得るためには、投写レンズは短
焦点距離,広画角となる場合が多い。
明るさを保ちつつ軸上および軸外の広範囲にわたり高い
結像性能を得る場合、球面レンズのみを用いた構成では
レンズの枚数が多くなってしまうという問題点が生じ
る。
液晶プロジェクタでは、液晶パネルの照明範囲全体を
R,G,Bの広範な波長領域にわたり適切な立体角の大
きさ及び主光線の角度を有する入射光束で照明する必要
がある。また、液晶パネル上で糸巻き型の歪曲が大きす
ぎるとパネル中心の照度に対するパネル周辺の照度を下
げることになり、明るさのロスになる。
されたものであり、バックフォーカスが焦点距離に比べ
て非常に長く、広画角であり、レンズ枚数を少くし、結
像性能に優れた小型化された投写レンズと、小型・軽量
でコマ収差,色収差及び歪曲収差の小さな照明レンズ
と、これらのいずれかを用いた液晶プロジェクタとを提
供することをその解決すべき課題とする。
リーン側より順に、負のメニスカス形状の第1群レンズ
と、負のメニスカス形状の第2群レンズと、正のレンズ
と両凹レンズの貼り合わせレンズおよび正のレンズより
なる第3群レンズと、負のレンズおよび2枚の正のレン
ズよりなる第4群レンズ及び正のレンズである第5群レ
ンズを具備し、前記第1群レンズは両面を非球面形状と
し、前記第5群レンズは少なくとも1面を非球面形状と
するようにしたものである。
ンズにおいて、下記条件(1)ないし(5); 0.2<F/D4<0.3 … 条件(1) 2.5<F/D5 … 条件(2) −0.45<F/f2<−0.25 … 条件(3) −0.55<F/f12<−0.45 … 条件(4) −0.25<F/f3<−0.1 … 条件(5) ただし、F:投写レンズ全系の焦点距離 D4:第4群レンズと第5群レンズの光軸上の空気間隔 D5:第5群レンズと像面の光軸上の空気間隔 f2:第2群レンズの焦点距離 f12:第1群レンズと第2群レンズの合成焦点距離 f3:第3群レンズの焦点距離 を満足するようにしたものである。
投写レンズにおける、前記第5群レンズに近接して液晶
パネルを配置し、前記第5群レンズと前記第4群レンズ
の間に光学合成用の光学要素を挿入して構成するように
したものである。
光束を制限し仮想の物体面を形成するアパーチャ、被照
明体側に凸面を向けた正のメニスカス形状の第1のレン
ズ、両凸の第2のレンズ、両凸の第3のレンズ、両凸の
第4のレンズ、前記被照明体に入射する光束の立体角を
制限するための絞り、及び前記被照明体側に凸面を向け
た平凸面の第5のレンズを具備し、前記第5のレンズの
凸面はフレネル面であるようにしたものである。
ンズにおいて、下記条件(1)ないし(3); D5/f5<0.4 …(1) 2×(a0−ar)/(a1+a2)<0.02 …(2) 2×b0/(b1+b2)<0.04 …(3) ただし、D5:第5のレンズの最大有効径 f5:第5のレンズの焦点距離 ar:物体面を形成するアパーチャに実際に入射する光
束の主光線と物体面の法線とのなす角度 a0:物体面で最大物体高さを有する物点における光束
の主光線と物体面の法線とがなす角度 a1:物体面で最大物体高さを有する物点における光束
の上光線と物体面の法線とがなす角度 a2:物体面で最大物体高さを有する物点における光束
の下光線と物体面の法線とがなす角度 b0:像面で最大像高を有する像点における光束の主光
線と像面の法線とがなす角度 b1:像面で最大像高を有する像点における光束の上光
線と像面の法線とがなす角度 b2:像面で最大像高を有する像点における光束の下光
線と像面の法線とがなす角度 を満足するようにしたものである。
載の照明レンズを具備し、前記被照明体を液晶パネルで
あるようにしたものである。
ーン側より第1,第2群レンズを有することにより弱い
発散作用を行い、第1群レンズでは主に歪曲収差の補正
を行う。第3群レンズは強い発散作用を行い、色収差お
よびペッツバール和の補正を行う。また、第3群レンズ
の一部に貼り合わせレンズを用いることにより、全反射
を防止する。第4群レンズは強い集光作用を行い、前群
レンズ系で発生する球面収差,コマ収差,非点収差を十
分に補正し、色収差の補正も行う。第5群レンズは液晶
パネルに近接して設置され、主に軸外光束の主光線の方
向を光軸とほぼ平行にする作用を行う。そして、上記作
用を十分に行うため、第1,第5群レンズは非球面形状
とし、そのレンズの硝材は投写レンズのコスト低下と軽
量化を考慮し、プラスチックとすると良い。また、第5
群レンズは液晶パネルに近接していることにより像位置
や球面収差にはほとんど影響がないことから、この投写
レンズのバックフォーカスと呼ぶ第4群レンズの後端か
ら液晶パネルまでの距離の領域に光学合成手段等の光学
要素を挿入することを可能にする。
の具体化にあたってその条件を規定したもので、請求項
2の条件(1)は第4群レンズと第5群レンズの光軸上
の空気間隔の制限であり、3板式液晶プロジェクタにお
いてR,G,B合成用の2枚のダイクロイックミラー等
の光学要素を挿入するための間隔を与えることと、結像
倍率,共役長,画角などの条件から決定されている。請
求項2の条件(2)は第5群レンズと投写されるべき像
面の間の光軸上の空気間隔の制限であり、制限を越える
と軸外光線の角度調整が難しくなる。請求項2の条件
(3)は第2群レンズの焦点距離に対する制限であり、
下限を越えるとレンズ口径が大きいことから周辺領域の
曲率変化率が大きくなり、軸外光束の球面収差,コマ収
差,非点収差が増大して補正が困難となる。また、上限
を越えるとパワー不足のために第1群のレンズに過剰な
負担をかけることになり、このレンズをプラスチックと
した場合にプラスチックレンズの加工精度,環境特性を
考慮すると好ましくない。請求項2の条件(4)は第1
群レンズと第2群レンズの合成焦点距離に対する制限で
あり、下限を越えると軸外収差が補正困難になり、上限
を越えるとパワー不足で第3群レンズに過剰な負担がか
かる。請求項2の条件(5)は第3群レンズの合成焦点
距離に対する制限であり、下限を越えると光束径が広が
り第4レンズの収差補正の負担が増大し、上限を越える
とレンズ全長が長くなりすぎる。
仮想の物体面となるアパーチャーを設けてレンズ系への
入射光量を制限する。ここで、アパーチャーの大きさは
照明レンズを出射する出射光束の立体角と液晶パネルの
大きさ及びパネルに設けられたマイクロレンズの取込み
の立体角により決定される。必要以上の光をレンズ系に
入射させてパネルの有効領域に集光させようとしても、
パネル各点に入射する光束の立体角が増大するため、1
つの画素だけでは光束を取込みきれずに、例えば、緑の
光が周辺の赤の画素にも入射して単色の色純度の低下を
引き起こす。逆に光束の立体角を絞れば、照明範囲が過
大になり、光熱によるパネル周辺部の温度上昇を招く。
第1のレンズは集光作用を行い、液晶パネル側に凸面を
向けたメニスカス形状にすることにより球面収差やコマ
収差が大きく発生することを防ぎ、物体側主点を液晶パ
ネル側に移動させて物体面を前記第1のレンズに近づ
け、レンズ径の小型化を実現している。第2のレンズか
ら第4のレンズは、それぞれ同程度のパワーを持ち、集
光作用を緩やかに伝達することによって諸収差の発生を
抑えている。絞りは、例えば、液晶パネルの画素のアス
ペクト比が縦横で異なるために光の取込み角が縦横で異
なる場合、開口を矩形にして液晶パネルへの光線の入射
角度の調整を行う。第5のレンズは、強い集光作用によ
り軸外光束の主光線の方向を光軸とほぼ平行にする作用
を行い、テレセントリック照明を実現する。
は非球面形状とする。レンズの硝材は照明レンズのコス
ト低下と軽量化及び波長分散の抑制を考慮し、アッベ数
の比較的大きなアクリル系のプラスチックとする。
記載の条件(1)〜(3)を満足するものである。請求
項5の条件(1)は第5のレンズの焦点距離の制限であ
り、制限を越えると軸外光束のR,G,Bの角度収差が
過大となり、色純度の低下を引き起こす。請求項5の条
件(2)の左辺は、照明レンズの設計値としての最大物
体高における光束の主光線の傾き角度と実際の照明光束
の主光線の傾き角度の差に関する量であり、全ての物体
高,広範な波長領域に対して値を上限内に抑えることに
よってアパーチャよりも光源側の照明系との優れたマッ
チングを実現している。請求項5の条件(3)の左辺
は、照明レンズの設計値としての最大像高における光束
の主光線の傾き角度に関する量であり、全ての像高,広
範な波長領域に対して値を上限内に抑えることによって
色純度の低下を抑制する。
実施形態を以下に説明する。図1は、本発明の投写レン
ズの実施形態を示す図である。図1において、図示しな
いスクリーン側より順に、面S1,面S2を有する負の
メニスカス形状の第1群レンズL1、面S3,面S4を
有する負のメニスカス形状の第2群レンズL2、面S
5,面S6を有する正のレンズと面S6を共有面とし、
面S7を有する両凹レンズの貼り合わせレンズおよび面
S8,面S9を有する正のレンズよりなる第3群レンズ
L3、面S10,面S11を有する負のレンズおよび面
S12,面S13及び面S14,面S15を有する2枚
の正のレンズよりなる第4群レンズL4、および面S1
6,面S17を有する正のレンズである第5群レンズL
5より構成され、この第5群レンズに近接して液晶パネ
ルLCDが配置される。そして、上記第1群レンズL1
は両面を、上記第5群レンズL5は少なくとも1面を非
球面形状とし、硝材はどちらもプラスチックを用いてい
る。
示される実施形態における具体例として上記レンズ面S
1ないしS17および液晶パネルLCDにおける曲率半
径r、面間距離d、d線(587.6nm)における硝
材の屈折率nd、アッベ数νdを規定した実施例を次に
示す。ただし、rはスクリーン側に向って凸の場合を正
とし、また、この投写レンズに用いられている非球面レ
ンズの非球面形状式は、非球面の面頂から光軸方向にス
クリーンから液晶パネルに向かう方向を正としてその位
置をy、光軸と垂直方向の位置をxとすると、一般式と
して次式で表される形状をなす。
はそれぞれ4,6,8,10の次数の非球面係数を表
す。
を規定する数値の中、(表1−1)には、レンズ及びL
CDの面(S1,S2…LCD)に関し、r,d,n
d,νdを、(表1−2)には、第1群レンズ(S1,
S2),第5群レンズ(S17)の非球面形状を表す係
数A1〜A5を、また、球面収差,横収差,非点収差,歪
曲収差をそれぞれ図2(A),(B),(C),(D)
に示す。なお、各レンズ群の配置は前述したとおり図1
に示すものである。 (表1−2) A1 A2 A3 A4 A5 S1 1.017206 0.913301E-06 -0.143931E-09 -0.187160E-13 0.166667E-16 S2 0.233275 0.965881E-06 -0.396733E-09 0.135861E-12 -0.305557E-16 S16 4.766193 -0.133071E-05 0.490990E-09 -0.451215E-12 -0.415205E-16
(表2−1)及び(表2−2)に球面収差,横収差,非
点収差,歪曲収差をそれぞれ図3(A),(B),
(C),(D)に示す。なお、諸元については実施例1
と同様である。 (表2−2) A1 A2 A3 A4 A5 S1 1.106668 0.937609E-06 -0.124183E-09 -0.392733E-14 0.996998E-17 S2 0.169312 0.983685E-06 -0.294614E-09 0.170200E-12 -0.478866E-16 S16 3.728660 -0.103775E-05 0.426144E-09 -0.460534E-12 0.487242E-16
(表3−1)及び(表3−2)に球面収差,横収差,非
点収差,歪曲収差をそれぞれ図4(A),(B),
(C),(D)に示す。なお、諸元については実施例1
と同様である。 (表3−2) A1 A2 A3 A4 A5 S1 1.077014 0.918997E-06 -0.151824E-09 -0.904261E-15 0.104865E-16 S2 0.195761 0.874010E-06 -0.272507E-09 0.132765E-12 -0.445730E-16 S16 4.496393 -0.126637E-05 0.552309E-09 -0.415371E-12 -0.401768E-16
以下に説明する。図5は、本発明の照明レンズの実施形
態を示す図である。図5に示すように図示しない光源側
より液晶パネル(LCD)に向って順に、入射光束を制
限し、仮想の物体OBJを形成するためのアパーチャ、
液晶パネル側に凸面を向けた正のメニスカス形状の第1
のレンズL1、両凸の第2のレンズL2、両凸の第3の
レンズL3、両凸の第4レンズL4、液晶パネルに入射
する光束の立体角を制限するための絞り、液晶パネル側
に凸面を向けた平凸の第5のレンズL5より構成され、
前記第5のレンズL5の凸面はフレネル面である。
はアパーチャにより形成される仮想物体、Siは光束が
通過する各レンズの面のうちi番目の面番号、Ljは光
源側からj番目のレンズ番号、LCDは液晶パネルを表
し、rは曲率半径、dは面間距離、ndはd線(587.6n
m)における硝材の屈折率、νdはアッベ数を表す。た
だし、rは光源側に向かって凸の場合を正とする。ま
た、この照明レンズに用いられているフレネルレンズの
非球面形状式は、光源から液晶パネルに向かう方向を正
として、面頂から光軸方向の変位をy、光軸と垂直方向
の変位をxとすると、次式で表される。
はそれぞれ4,6,8,10次の非球面係数を表す。
を規定する数値の中、(表4−1)に各レンズ面LC
D,OBJ,及び絞りに関し、r,d,nd,νdを、
(表4−2)にはフレネル面の非球面形状を表す係数A
1〜A5を、また、図6に横収差を、図7(A),(B)
に非点収差,歪曲収差をそれぞれ示す。なお、各レンズ
LCD,OBJ,及び絞りの配置は、前述したとおり、
図5に示すものである。 (表4−2) A1 A2 A3 A4 A5 S10 -0.965751 -1.208064E-07 1.378072E-11 -7.127269E-16 3.644513E-20
る投写レンズにより非常に長いバックフォーカスと口径
比3.5および半画角35°以上の広画角を与えるもの
であるにもかかわらず、ガラスレンズ7枚,プラスチッ
クレンズ2枚の少ない枚数の構成で、良好に各収差が補
正された優れた拡大画像が得られ、また、この投写レン
ズを液晶パネルの画像を投射する投写レンズとして用い
ることにより性能の優れた液晶プロジェクタを提供する
ことができる。
照明レンズにより光源側の照明系とマッチングが良好
で、特にコマ収差および歪曲収差が良好に補正されてお
り、広範な波長領域における光線の角度収差が小さいた
めに、カラーフィルタを用いない単板式の液晶プロジェ
クタに用いた場合に色純度の低下が抑えられた明るい照
明が実現できる。また、この照明レンズを液晶パネルの
照明レンズとして用いることにより性能の優れた液晶プ
ロジェクタを提供することができる。
示す図である。
る収差図であり、(A)は球面収差,(B)は横収差,
(C)は非点収差,(D)は歪曲収差を示す図である。
る収差図であり、(A)は球面収差,(B)は横収差,
(C)は非点収差,(D)は歪曲収差を示す図である。
る収差図であり、(A)は球面収差,(B)は横収差,
(C)は非点収差,(D)は歪曲収差を示す図である。
す図である。
る横収差を示す図である。
る収差図であり(A)は非点収差,(B)は歪曲収差を
示す図である。
ンズ面。
Claims (6)
- 【請求項1】 スクリーン側より順に、負のメニスカス
形状の第1群レンズと、負のメニスカス形状の第2群レ
ンズと、正のレンズと両凹レンズの貼り合わせレンズお
よび正のレンズよりなる第3群レンズと、負のレンズお
よび2枚の正のレンズよりなる第4群レンズ及び正のレ
ンズである第5群レンズを具備し、前記第1群レンズは
両面を非球面形状とし、前記第5群レンズは少なくとも
1面を非球面形状とするようにした投写レンズ。 - 【請求項2】 下記条件(1)ないし(5); 0.2<F/D4<0.3 … 条件(1) 2.5<F/D5 … 条件(2) −0.45<F/f2<−0.25 … 条件(3) −0.55<F/f12<−0.45 … 条件(4) −0.25<F/f3<−0.1 … 条件(5) ただし、F:投写レンズ全系の焦点距離 D4:第4群レンズと第5群レンズの光軸上の空気間隔 D5:第5群レンズと像面の光軸上の空気間隔 f2:第2群レンズの焦点距離 f12:第1群レンズと第2群レンズの合成焦点距離 f3:第3群レンズの焦点距離 を満足するようにした請求項1記載の投写レンズ。
- 【請求項3】 請求項1又は2記載の投写レンズにおけ
る、前記第5群レンズに近接して液晶パネルを配置し、
前記第5群レンズと前記第4群レンズの間に光学合成用
の光学要素を挿入して構成される液晶プロジェクタ。 - 【請求項4】 光源側より順に、入射光束を制限し仮想
の物体面を形成するアパーチャ、被照明体側に凸面を向
けた正のメニスカス形状の第1のレンズ、両凸の第2の
レンズ、両凸の第3のレンズ、両凸の第4のレンズ、前
記被照明体に入射する光束の立体角を制限するための絞
り、及び前記被照明体側に凸面を向けた平凸面の第5の
レンズを具備し、前記第5のレンズの凸面はフレネル面
として構成されているようにした照明レンズ。 - 【請求項5】 下記条件(1)ないし(3); D5/f5<0.4 …(1) 2×(a0−ar)/(a1+a2)<0.02 …(2) 2×b0/(b1+b2)<0.04 …(3) ただし、D5:第5のレンズの最大有効径 f5:第5のレンズの焦点距離 ar:物体面を形成するアパーチャに実際に入射する光
束の主光線と物体面の法線とのなす角度 a0:物体面で最大物体高さにおける光束の主光線と物
体面の法線とがなす角度 a1:物体面で最大物体高さにおける光束の上光線と物
体面の法線とがなす角度 a2:物体面で最大物体高さにおける光束の下光線と物
体面の法線とがなす角度 b0:像面で最大像高における光束の主光線と像面の法
線とがなす角度 b1:像面で最大像高における光束の上光線と像面の法
線とがなす角度 b2:像面で最大像高における光束の下光線と像面の法
線とがなす角度 を満足するようにした請求項4に記載の照明レンズ。 - 【請求項6】 請求項4または5に記載の照明レンズを
具備し、前記被照明体を液晶パネルとした液晶プロジェ
クタ。
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JP30009696 | 1996-11-12 | ||
JP19368597A JP3345568B2 (ja) | 1996-11-12 | 1997-07-18 | 照明レンズ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JP3345568B2 JP3345568B2 (ja) | 2002-11-18 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1997
- 1997-07-18 JP JP19368597A patent/JP3345568B2/ja not_active Expired - Fee Related
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CN113311563A (zh) * | 2020-02-27 | 2021-08-27 | 中强光电股份有限公司 | 光学镜头 |
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