JPH11508700A - オーバヘッドプロジェクタの固定焦点型トリプレット映写レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 オーバヘッドプロジェクタに使用するクックトリプレット映写レンズは、オフタルミッククラウンガラスから成る外側２枚の正要素と軽フリントガラスから成る内側１枚の負要素とを具備する。クラウングラスは屈折率が約１．５２３、アッベ値が５８．５である。フリントガラスは、屈折率が１．５７３未満、アッベ値が４３と５３の間である。正要素のうちの一方は両凸型、他方はメニスカス型である。

Description

【発明の詳細な説明】 オーバヘッドプロジェクタの固定焦点型トリプレット映写レンズ 技術分野 本発明は、全般に光学レンズに関し、更に詳しく言うと、オーバーヘッドプロ ジェクター用にデザインされたクックトリプレット映写レンズであって、外側２ 枚のオフタルミッククラウンガラスから成る正要素と内側１枚の軽フリントガラ スから成る負要素とを具備するレンズに関する。該レンズは、特定光学特性を有 するガラス材料を選択することによって優れた性能を低コストで提供するように 構成できる。 背景技術 クックトリプレットレンズは１８９３年に発明され（英国特許第１５，１０７ 号明細書ならびに第２２，６０７号明細書、および米国特許第５４０，１２２号 明細書ならびに第５６８，０５２号明細書参照）、そのとき以来、設計に関する 数多の変更がなされてきた。トリプレットについて分かっている一部応用例で最 も重要なのは、写真ならびに映写を目的とするものである。写真は、このレンズ 形態の最初の応用例であり、重要であり続けている。（米国特許第１，０３５， ４０８号、第１，０７３，７８９号、第１，６１６，７６５号、第１，６５８， ３６５号、第１，８８０，３９３号、第１，８９２，１６２号、第１，９８７， ８７８号、第２，０６４，５５０号、第２，２７０，２３４号、第２，２７９， ３７２号、第２，２９８，０９０号、第２，３８８，８６９号、第２，３９１， １１４号、第２，４１６，０３３号、第２，４３０，５５０号、第２，５８２， ３６２号、第２，６４５，１５７号、第２，７３６，２３４号、第２，９６２， ９３０号、第３，１９４，１１６号、第３，３５９，０５７号、第３，４３８， ６９６号、第３，４４３，８６３号、第３，４４９，０４１号、第３，５７８， ８４７号、第３，６４０，６０６号、第３，６４９，１０３号、第３，７８４， ２８７号、第３，９１２，３７９号、第３，９４４，３３７号、第３，９６７， ８８４号、第４，５４２，９６１号、英国特許第 ４，７１４号（１９１１）、 第４２２，２４６号（１９３３）、第５３２，９５０号（１９３９）、第６０１ ，６４９号（１９４８）、第６１２，７５７号（１９４８）、独国特許第４３４ ，７５９号（１９２４）、および仏国特許第１，０３７，２７４号（１９５３） の各明細書を参照）。映写応用例のうち、クックトリプレットは、ＣＲＴテレビ プロジェクタ（米国特許第４，１６３，６０４号明細書），映写機（米国特許第 ２，５０３，７５１号ならびに第２，７２０，８１４号明細書）、スライド映写 機（米国特許第１，９３７，１６８号、第３，２３７，５２０号、第３，４４３ ，８６４号、ならびに第３，９０５，６８６号明細書）およびオーバーヘッドプ ロジェクタ（米国特許第３，９３６，１５５号明細書）に使用されている。写真 複写等の応用例の特許も僅かながら存在する（米国特許第１，４８５，９２９号 、第１，９３７，１６８号、第３，２０２，０５１号ならびに第３，５８４，９ ３６号の各明細書）。 オーバーヘッドプロジェクタにおけるクックトリプレットの基本形は、固定焦 点型（‘１５５号特許明細書参照）と可変焦点型（独国特許第４，１１８，１４ ６号明細書）の２種類がある。後者の場合、レンズの焦点距離を調整するのにレ ンズ要素間の離隔距離が変更される。可変焦点レンズはプロジェクタの複雑さを 緩和するが、固定焦点レンズの方が概して優れた性能を提供できる。 クックトリプレットレンズは一般に要素と呼ばれる３個のガラスまたはポリマ ーから構成されていて、鏡筒と呼ばれる機械的構造に収容されている。外側の第 １ならびに第２の要素は、通常、正の光強度のものであり、内側の要素は通常は 負である。逆の配置も試行されたが望ましくないことが分かった。この種のレン ズの設計方法は広範に出版されている（例えば、ウォーレンＪ．スミス（Ｗａｒ ｒｅｎ Ｊ. Ｓｍｉｔｈ）著「Ｍｏｄｅｒｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ ｉｎｇ」のセクション１２.６またはルドルフ・キングスレイク（Ｒｕｄｏｌｆ Ｋ ｉｎｇｓｌａｋｅ）「Ｌｅｎｓ Ｄｅｓｉｇｎ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ」のチ ャプター１３、セクションＶを参照）。 屈折率の高いガラスを選択することが推奨されることが多く、この慣習は原特 許以来続いている。その端的な例は、米国特許第３，８３８，９１０号明細書で 、レンズは屈折率１．９を越えるガラスで作成される。この慣習の根拠は、シン プルなレンズ（すなわち、単一要素）の屈折率と球面収差との関係による。要素 屈折率が高くなると、任意の焦点距離に対するレンズの曲率が小さくなり、それ によって瞳高さに対する入射角の変化が小さくなり、それゆえに球面収差が小さ くなる。このことは、高屈折率は大口径Ｆナンバーで機能するレンズの場合に最 も有用であることを示すものである。 米国特許第２，７３１，８８４号明細書は、レンズのペッツバール曲率を減少 することによってフィールドカバレージを向上するために、トリプレットの正要 素の屈折率の平均は、負要素の屈折率より大きくなければならないということを 教示している。このことは、ペッツバール曲率は、屈折率で除した各要素の強度 の合計に相等しいことを注記することによって理解できる。レンズに正の焦点距 離を持たせるには、正要素の強度は負要素の強度よりも大きくなくてはならない 。それ故、屈折率が同じであるならば、ペッツバール曲率が意味を持つ。負要素 の屈折率に対する正要素の屈折率を上げると、フィールドカーバチャが小さくな る。 レンズの全長（鏡筒長としても知られる）は、オーバヘッドプロジェクタの映 写レンズの設計における、もう一つの重要パラメータである。これは、第１のレ ンズ表面から最後のレンズ表面までの軸方向距離と定義される。‘１５５号に記 載されているように、レンズが短ければ、レンズ径も小さく形成することができ 、従って、材料も少なくて済み、それにより材料等のコストを抑えることができ る。これは、オーバヘッドプロジェクタの機械的安定度も向上する。米国特許第 ３，７６２，８０１号明細書も、全長を短くすることを重要視しているが、それ が強調しているのは、結果として得られるカメラの小型性である。 スミスは、上で、クラウンならびにフリント要素のアッベ値差を小さくするこ とにより、最適化レンズの全長が短くなり、小口径の費用でフィールドカバレー ジを大きくできるという一般原則を述べている。この原則は、トリプレットだけ でなく、あらゆる収差補正のレンズに重要であり、あらゆる用途のレンズを改善 できることを設計者に示唆するものである。スミスは、大口径・小フィールドレ ンズ（Ｄｎ＝２２）の場合にアッベ値差が大きく、小口径・大フィールドレンズ （Ｄｎ＝１５）の場合にアッベ値差が小さい優れた設計例として、３種類の特許 取得レンズ（米国特許第２，４５３，２６０号明細書、英国特許第１５５，６４ ０号明細書、独国特許第２８７，０８９号明細書）を引用している。逆に、米国 特許第３，７６２，８０１号明細書には、アッベ値差が小さくて、短く、小口径 、小フィールドのレンズが記載されているが、適切な収差補正を得るには非球面 成分すなわち光屈折率を要する。 米国特許第２，８１８，７７７号、第３，７６２，８０１号、第３，８３８， ９１０号、第３，９１０，６８５号、第４，１０５，３０８号、第４，１０９， ９９５号、第４，７８７，７２４号などの一部特許明細書に暗示されている教示 は、メニスカス正要素を利用することである。これら特許のいずれもが、そのよ うな要素の利用を記載しているが、それに関連する長所については何ら教示して いない。キングスレーク（Ｋｉｎｇｓｌａｋｅ）（ｐ．２４０）によれば、「望 遠鏡の対物レンズは２枚の三日月形要素で作成することができ、その長所は、そ のようなシステムに球面色収差がないことであると、かつてガウスは言った。」 同氏は、これら背中合わせの２枚のレンズは優れたカメラのレンズにもなるであ ろうというアルバン・クラーク（Ａｌｖａｎ Ｃｌａｒｋ）の洞察に注目するこ とによって続けている。このカメラレンズは、今や、二重ガウス型として広く知 られており、高品質なカメラレンズに使用されている。この種のレンズは、補正 率が高い。メニスカス要素の別の周知用途は、ボーワーズ−マスクトイ（Ｂｏｕ ｗｅｒｓ−Ｍａｋｓｕｔｏｖ）望遠鏡（キングレーク、ｐ．３１１ｆｆ）の球面 収差「補正装置」としてのものである。これらレンズにおいて、メニスカスは、 球面状の主鏡の球面収差を補正するのに利用される。 前述の教示に関わらず、先行技術のクックトリプレットレンズで、特にオーバ ヘッドプロジェクタに適したものは、依然として、球面収差、コマ収差、非点収 差などの特定短所があり、要素の特定パラメータを調整することによって、これ ら欠点のいずれか１つを改善しても、進行中に他の欠点が 強くなってしまう。 オーバヘッドプロジェクタの製造において、製品の品質を維持または向上しなが ら製造コストを削減するための努力が常になされている。従って、小型で、比較 的安価で、しかも、例えば、一般により鮮明で真実に近い画像を提供するといっ た有名な特徴において、優れた性能を発揮するクックトリプレットレンズの構成 を工夫することが望ましく有利である。 発明の概要 本発明は、オーバヘッドプロジェクタ用の映写レンズであって、全般に、外側 ２枚のオフタルミッククラウンガラスから成る正要素と内側１枚の軽フリントガ ラスから成る負要素とを具備するレンズを提供する。正要素の一方は両凸型であ り、他方はメニスカス型である。両凸要素は、等凸型であってもよい。クラウン ガラスの屈折率 は約１．５２３、アッベ値は約５８．５、または少なくとも５ ８〜６０の範囲であることが好ましい。フリントは、好ましくは屈折率が１．５ ７３未満、アッベ値が４３と５３の間であり、更に好ましくは、４８と５２．５ の間である。レンズ全長は、焦点距離の１／６未満である。 図面の簡単な説明 本発明は、添付図面を参照することによって最もよく理解されるであろう。 図１は、本発明によって構成された映写レンズを利用した汎用オーバヘッドプ ロジェクタの断面図である。 図２は、本発明の好適レンズの軸方向断面の外略図である。 図３は、本発明の好適実施例の変調伝達関数（ＭＴＦ）のプロット図である。 好適実施例の説明 前述の例のように、クックトリプレットレンズでは、ゾーン収差を補正するた めにメニスカスが利用される。与えられた構成のメニスカス要素の内面を平面に 変更して、デザインの再最適化処理を行うと、（レンズの対称性が増すために） コマ収差補正が向上するが、球面収差と非点収差の両方が著しく増してします。 本発明では、レンズを所望のメニスカス形に曲げられるようにして、両表面の主 光線角度を小さくし、それによって非点収差を減らし、第１の要素の強い正の球 面収差を補正する負の球面収差を起こすことによって、この問題を克服する。 メニスカス要素は、この収差補正機能以外にも、レンズ許容誤差に有用な効果 を備えることも可能である。主光線入射角度が小さくなるため、当該要素の曲率 ならびに厚さの許容差は比較的に緩やかで、結果として製造経済性と仕上りレン ズ性能が向上する。この効果は、メニスカスがストップから最も遠い構成要素で ある場合に強まる。図１に記載の汎用ＯＨＰ１０などのオーバヘッドプロジェク タ（ＯＨＰ）においては、ストップは、光源すなわちランプ２１の画像である。 新規な、本発明の多要素映写レンズ１６はプロジェクタヘッド１８の位置にあり 、プロジェクタヘッド１８は通常はアーム２０によってベース１４に取付けられ ている。プロジェクタヘッド１８の大きさを最小限にするために、スクリーンに 最も近いレンズの側面にストップを設けることが望ましい。これにより、レンズ １６のメニスカス要素が投影される透明に最も近い側となることが好ましいが、 それは絶対必要というわけではない。 図１に、ヘッド１８の効果的な高さを調整するためのアーム２０上のラックピ ニオン付き回転ノブ２２、光源すなわちランプ２１と、後方反射対すなわちミラ ー２３と、ステージエリア１２にあるフレネルレンズ２４などの手段を含む典型 的ＯＨＰの他の特徴を示す。但し、映写レンズ１６はＯＨＰ装置の他の変更態様 においても相等しく有用であるので、ＯＨＰ１０の当該特定実施例は限定的な意 味で解釈されるべきものではない。例えば、図示装置は透過型ＯＨＰであるが、 レンズ１６は、反射型ＯＨＰにも利用できる。 トリプレットレンズのコストを削減する可能手段の１つは、値段の安いタイプ のガラスまたはポリマーを使用することである。しかしながら、オーバヘッドプ ロジェクタの場合、レンズ近傍にエネルギーが集中してレンズが熱で変形し、そ れに付随して性能損失が生じる可能性があるので、概してポリマーは好ましくな い。従って、適切材料としてガラスだけが残る。ガラスのコストは、ガラスの成 分ならびにガラス生産時の精度によって影響を受ける。映写レンズは、通常は特 殊な「光学品質」のガラスから作成される。 オフタルミックレンズは、Ｓｃｈ ｏｔｔ Ｂ２７０またはＣｏｒｎｉｎｇ Ｂ２３−５９といった「オフタルミック クラウン」から作成される。オフタルミック級のガラスの製造工程は、光学系級 のガラスほどは注意深く規制されないものの、その品質はオーバヘッドプロジェ クト用レンズとして使用するに十分なものである。従って、本発明の目的は、オ フタルミッククラウンガラスを使用して優れた品質の映写レンズを生産すること である。クラウン要素の屈折率は、１．５１８から１．５２８の範囲であり、ア ッベ数は５８−６０の範囲である。 ここで図２を参照すると、本発明の映写レンズ１６が記載されている。レンズ １６は、全般に、要素２６、２８、および３０を具備している。外側要素２６と ３０は、オフタルミッククラウンガラスから作成されており、内側要素２８は、 非常に軽量なフリントガラスから作成されている。軽量フリントは、オーバヘッ ドプロジェクタに十分なレンズのフィールドカバレージを提供する低散乱性を備 えている。フリントのアッベ数は、５．５＜［（ｖ₁＋ｖ₃）／２−ｖ₂］＜１５ ．５でなくてはならない。式中、ｖ₁，ｖ₂およびｖ₃は、各々、要素２７、２８ 、および３０のアッベ値であり、アッベ数は、等式６＜［（ｖ₁＋ｖ₃）／２−ｖ₂ ］＜１０．５を満足することが最も好ましい。内側要素３０は、好ましくは屈 折率が約１．５７３未満、アッベ数が４３と５３の間であるが、最も好ましくは 、４８と５２．５の間である。また、レンズのフィールドカバレージは、そ の低屈折率によって助けられる。フリントの屈折率は、クラウンのそれよりも低 いことが理想敵である。残念なことに、そのようなガラスは低コストでは入手で きないので、その代わりにフリントは、（ｎ₁＋ｎ₃）／２＋０．０５未満の屈折 率であればよい。式中、ｎ₁とｎ₃は各々要素２６と３０の屈折率である。これは 、所望分野において許容されうる性能を提供するに十分なものである。 本発明によって構成されるレンズの（物理的）全長は、焦点距離の１／６未満 であるが、先行技術においてしばしば要求されていたように全長を短くするため に負要素の方面を非球面化したりごく高い屈折率を利用する必要はない。 実施例１ ここで、トリプレット映写レンズの特定設計例を示す。当該レンズは、焦点距 離が３４５ｍｍ、無限遠のときのＦナンバーがｆ／６．２であるが、取付けなら びにピント合わせができるようにレンズ径が６５．４ｍｍであるように作られて いる。オーバヘッドプロジェクタは、最大画像高さ１７６ｍｍ、公称倍率−０． １９で通常に設計されている。以下の表において、表面番号１−６は、図２の表 面Ｒ１−Ｒ６に対応している。曲率の中央が表面の右側にある場合、半径値は正 であり、曲率の中央が表面の左側にある場合、半径値は負であり、厚さは、次の 表面までの距離であり、最後の厚さ値は、最後のレンズからステージ領域１２ま での有効距離である。屈折率ｎ_dとアッベ値ｖ_dとは、表面に隣接する材料のもの である（例えば、１，０００はエアギャップ）。屈折率は、ヘリウム−ｄ波長（ ５８７．６ｎｍ）について与えられ、アッベ値は赤色または青色水素ラインＣ（ ６５６．３ｎｍ）とＦ（４８６．１ｎｍ）について与えられる。ストップは第２ の表面にある。クラウン要素は、Ｓｃｈｏｔ Ｂ２７０であることが好ましく、 フリント要素はＳｃｈｏｔｔ ＬＬＦ６であることが好ましい。 図３に、コンピュータモデルを基礎とした実施例１の変調伝達係数(ＭＴＦ)の プロット図を示す。５本の曲線は、各々、軸上変調、軸から１２５ｍｍにおける タンジェンシャルおよびサジタル変調、および、軸から１７６ｍｍにおけるタン ジェンシャルおよびサジタル変調である。人間の目が識別できる変調は１０−１ ５％と低いので、このグラフから、本発明により構成されたレンズは優れた解像 力、すなわち、５本／ｍｍを（短共役側で）提供することが理解されるであろう 。 実施例２ 前方クラウン２６が等凸である第２の設計例を示す。背面焦点距離を３８０ｍ ｍに保つために、距離を３５６ｍｍに変更した。ストップは再び第２の表面にあ る。 実施例３ メニスカス要素がスクリーンに最も近い、すなわち、長共役側にある、第３の設 計例を示す。焦点距離は３４２ｍｍであり、ステップは第４の表面にある。当該 実施例のフリント３０は、前述の例のもの（Ｓｃｈｏｔｔ ＬＬＦ１）より僅か に密度が高い。 実施例４ メニスカス要素が透明に最も近い、すなわち短共役側にある、第４の設計例を 示す。焦点距離は３４２ｍｍのままであるが、ストップは第２の表面にある。当 該実施例のフリント３０は、前述の例のもの（Ｓｃｈｏｔｔ ＫＦ９）より僅か に密度が低い。 特定の実施例を参照しながら本発明を説明したが、その説明は、限定的な意味 において解釈されるべきものではない。当業者が本発明の説明を参照すれば、本 発明の代替実施例と同様に、開示実施例の種々の変更が明らかとなるであろう。 例えば、当業者は、本明細書でレンズ要素に対して与えられた種々の寸法は特定 の焦点距離を基礎としたものであるので、別の焦点距離で使用する場合には適切 に調整されることが理解されるであろう。従って、そのような変更は、添付クレ ームに定める本発明の精神または適用範囲から逸脱せずになされ得るものである と考えられる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．それぞれが正のレンズであると共に、オフタルミッククラウンガラスから 作成されている、第１ならびに第２のレンズ要素と、 前記第１と第２のレンズ要素の間に介在し、軽フリントから作成されている負 のレンズである第３のレンズ要素と、を具備し、 前記第１、第２、および第３のレンズ要素のアッベ数は、式5.5＜［(v₁+v₃)/2-v₂ ］＜15.5（式中のv₁，v₂およびv₃は、各々、前記第１、第２、および第３のレ ンズ要素のアッベ数である。）に適合することを特徴とする、多要素レンズ。 ２．前記第１のレンズ要素は両凸型であって、前記第２のレンズ要素はメニス カス型であることを特徴とする、請求項１に記載のレンズ。 ３．前記第１、第２、および第３のレンズ要素のアッベ数は、式6＜［(v₁+v₃) /2-v₂］＜10.5に適合することを特徴とする、請求項１に記載のレンズ。 ４．多要素レンズの全長は、その焦点距離の１／６未満であることを特徴とす る、請求項１に記載のレンズ。 ５．前記第３のレンズ要素は、屈折率が約１．５７３未満であって、アッベ数 が４３〜５３の間であることを特徴とする、請求項１に記載のレンズ。 ６．前記第１ならびに第３のレンズ要素のアッベ数は、５８−６０の範囲であ ることを特徴とする、請求項１に記載のレンズ。 ７．前記第１のレンズ要素は、等凸型であることを特徴とする、請求項２に記 載のレンズ。 ８．前記第３のレンズ要素は、屈折率が約１．５７３未満であって、アッベ数 が４３〜５３の間であることを特徴とする、請求項４に記載のレンズ。 ９．前記第１ならびに第２のレンズ要素のアッベ数は、約５８．５であること を特徴とする、請求項８に記載のレンズ。 １０．正の両凸型で、５８〜６０の範囲のアッベ数を有する第１のレンズ要素 と 正のメニスカス型で、５８−６０の範囲のアッベ数を有する第２のレンズ要素 であって、前記第２のレンズ要素の軸が前記第１のレンズ要素の軸と整列配置さ れた状態で前記第１のレンズ要素から離隔されている前記第２のレンズ要素と、 前記第１と第２のレンズ要素の間に介在し、やはり前記第１ならびに第２のレ ンズ要素の前記軸と整列配置される軸を有する第３のレンズ要素であって、負で あると共に、４８〜５２．５の間のアッベ数と、［０．０５＋（前記第１と第２ のレンズ要素の平均屈折率）］以下の屈折率を有する第３のレンズ要素と、を具 備する、 クックトリプレットレンズ。 １１．前記第１と第２のレンズ要素は、オフタルミッククラウンガラスから作 成されることを特徴とする、請求項１０に記載のレンズ。 １２．少なくとも１枚の前記レンズ要素は、ガラスから作成されていることを 特徴とする、請求項１０に記載のレンズ。 １３．クックトリプレットレンズの全長は、その焦点距離の１／６未満である ことを特徴とする、請求項１０に記載のレンズ。 １４．前記第１のレンズ要素は、第１と第２の表面を有し、 前記第３のレンズ要素は、第３と第４の表面を有し、 前記第２のレンズ要素は、第５と第６の表面を有し、 前記各表面の曲率半径と、前記各要素の屈折率（n_d）ならびにアッベ数（v_d） とは、表 （表中、記載の厚さは次の表面までの距離であり、最後の厚さは第６のレンズ表 面から画像平面までの有効距離である）に記載の通りであることを特徴とする、 請求項１３に記載のレンズ。 １５．前記第１のレンズ要素は、第１と第２の表面を有し、 前記第３のレンズ要素は、第３と第４の表面を有し、 前記第２のレンズ要素は、第５と第６の表面を有し、 前記各表面の曲率半径と、前記各要素の屈折率（n_d）ならびにアッベ数（v_d） とは、表 （表中、記載の厚さは次の表面までの距離であり、最後の厚さは第６のレンズ表 面から画像平面までの有効距離である）に記載の通りであることを特徴とする、 請求項１３に記載のレンズ。 １６．前記第１のレンズ要素は、第１と第２の表面を有し、 前記第３のレンズ要素は、第３と第４の表面を有し、 前記第２のレンズ要素は、第５と第６の表面を有し、 前記各表面の曲率半径と、前記各要素の屈折率（n_d）ならびにアッベ数（v_d） とは、表 （表中、記載の厚さは次の表面までの距離であり、最後の厚さは第６のレンズ表 面から画像平面までの有効距離である）に記載の通りであること特徴とする、請 求項１３に記載のレンズ。