KR20050052397A - 투영렌즈 - Google Patents

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KR20050052397A
KR20050052397A KR1020040098116A KR20040098116A KR20050052397A KR 20050052397 A KR20050052397 A KR 20050052397A KR 1020040098116 A KR1020040098116 A KR 1020040098116A KR 20040098116 A KR20040098116 A KR 20040098116A KR 20050052397 A KR20050052397 A KR 20050052397A
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lens
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projection
projection lens
positive
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KR1020040098116A
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타케시 코바야시
쿠마지로 세키네
Original Assignee
세끼노스 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 온도변화에 의한 영향 및 각종 수차를 억제하는 것을 목적으로 한다.
영상을 스크린 상(확대측)에 투영하는 투영렌즈에 있어서, 확대측으로부터 축소측을 향하여 차례로 음의 굴절력(negative refractive power)을 갖는 제1군(I)과, 양의 굴절력(positive refractive power)을 갖는 제2군(II)을 배치하였다. 제1군(I)에는 확대측으로부터 차례로 제1렌즈와 제2렌즈, 제2군(II)에는 제3렌즈∼제7렌즈를 배치했다. 제1, 2렌즈는 확대측 면의 광축 근방 영역이 오목면인 양면 비구면으로 이루어진 네거티브 메니스커스 렌즈, 제2렌즈는 확대측 면의 광축 근방 영역이 오목면인 양면 비구면으로 이루어진 네거티브 메커니스 렌즈, 제3렌즈는 양볼록 렌즈의 축소측 면에 양오목 렌즈를 접합하여 이루어진 접합렌즈, 제4렌즈는 축소측으로 볼록면을 향하게 한 양면 비구면으로 이루어진 포지티브 메니스커스 렌즈, 제5렌즈는 양볼록 렌즈의 축소측 면에 양오목 렌즈를 접합하여 이루어진 접합렌즈, 제6렌즈는 축소측으로 강한 볼록면을 향하게 한 포지티브 렌즈, 제7렌즈는 양면이 볼록면의 포지티브 렌즈이다.

Description

투영렌즈 {Projection lens}
본 발명은 투영렌즈, 특히 배면 투사형 영상표시장치에 적합한 투영렌즈에 관한 것이다.
백색광원으로부터 나온 백색광을 3원색의 색성분으로 색분해하고, 색분해된 각 색성분광에 의해 투과형 또는 반사형의 화상표시 디바이스를 조명하고, 각 색성분 마다의 화상표시 디바이스를 투과 또는 반사한 각 색성분광을 색합성계에 의해 색합성하고, 투과형 스크린 상에 투영하는 것에 의해 컬러 화상을 표시하는 "배면 투사형 화상표시장치"는 지금까지 액정 프로젝션 TV 등으로 알려져 왔다.
도 24는 "배면 투사형 영상표시장치"의 일례를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 캐비닛(a) 내에 광학 유닛(b)이 설치되고, 캐비닛(a)의 전면에 투과형 스크린(c)이 설치된다. 그리고 광학 유닛(b)으로부터의 광은 제1절곡(折曲)거울(d), 투영렌즈(e) 및 제2절곡거울(f)을 통하여 투과형 스크린(c)으로 투영된다. 이에 의해, TV 본체의 박형화(薄型化)와 대화면화를 실현시킨다.
또한, 도 25는 지금까지 알려진 3판식 액정 프로젝션 TV의 광학계의 일례를 나타내는 구성도이다. 도 25에 있어서, 부호 1은 백색광원, 부호 2는 UV-IR 컷 필터, 부호 3은 청색 투과의 다이크로익 필터(Dichroic Filter), 부호 4는 적색 투과의 다이크로익 필터, 부호 5, 6, 7은 반사거울, 부호 8은 청색 표시용 액정 라이트 벨브(liquid crystal light valve), 부호 9는 녹색 표시용 액정 라이트 밸브, 부호 10은 적색 표시용 액정 라이트 벨브, 도 11은 색합성 프리즘, 부호 12는 투영렌즈, 부호 13은 스크린을 나타낸다.
백색광원(1)으로부터 방사된 광은 다이크로익 필터(3, 4)와 반사거울(5, 6, 7)에 의해 구성되는 "색분해계"에 의해 색분해되고, 대응하는 투과형의 화상표시 디바이스인 액정 라이트 벨브(8, 9, 10)를 조명하며, "색합성계"를 형성하는 색합성 프리즘(11)에 의해 색합성되어 투영렌즈(12)에 입사되고, 각 액정 라이트 벨브의 표시화상이 확대, 합성되어 스크린(13)에 결상(結像) 투영된다.
최근, 액정 프로젝션 TV에는 프로젝션 TV 본체의 박형화와 함께, 표시의 대화면화, 즉, 짧은 투사거리로 대화면을 투영시키는 것과, 투영렌즈의 단초점화, 광화각(wide angle of view)화가 요구되어 진다. 이와 같은 요건을 만족하기 위해서는, 투영렌즈의 백 포커스(Back focus, 렌즈의 최종면으로부터 결상면까지의 거리)와 초점거리의 비를 크게 해야만 한다. 한편, 투과형의 화상표시 디바이스 상의 화상을 높은 컨트래스트(contrast)로 스크린에 확대 투영하기 위해서는, 투과형의 화상표시 디바이스로부터, 수직에 가까운 각도로 사출되는 광속을 이용해야만 한다. 따라서, 투영렌즈의 축 이외의 주광선은 투과형의 화상표시 디바이스에 수직하게 되도록 텔레센트릭 성(telecentric characteristics)을 갖을 필요가 있다.
또한, CRT(Cathode Ray Tube) 방식과는 달리, 액정 라이트 벨브 등에서는 도트 매트릭스(Dot Matrix) 표시 때문에 왜곡수차의 전기적 보정이 불가능하다. 따라서, 투영렌즈 자체로 작은 왜곡수차를 실현해야만 한다. 그러나, 이것은 투영렌즈의 광각화나 긴 백 포커스를 실현시키는 데에 있어서 장애가 된다.
이와 같은 과제를 고려하여 제안된 발명으로서 일본 특개2003-156683이 있다. 상기 발명의 실시예1에 있어서는, 9장의 렌즈 중, 아크릴 수지로 이루어진 비구면 렌즈를 2개 사용하여 제수차를 보정한다.
그러나, 상기 수지제 렌즈의 경우, 온도변화에 의한 백 포커스 위치의 변동(핀트 면의 이동)이 크다는 문제가 있었다. 예를 들면, 아크릴 수지의 굴절률 온도변화량을 -1.088 ×10-4/℃로 했을 때, 20℃의 온도 상승에서 +31.6㎛의 핀트 이동이 발생하게 된다는 문제가 있었다.
더욱이, 투과형의 화상표시 디바이스의 화소 고밀도(고정밀)화에 따라, 투영렌즈의 광학성능의 향상, 특히 "배율의 색수차"를 작게 하는 것이 중요하게 된다. 그러나 지금까지의 투영렌즈에서는 배율의 색수차가 청색광(450㎚)에서 +19㎛, 적색광(620㎚)에서 +22㎛으로, 최근의 화상표시 디바이스의 화상 사이즈인 15㎛각 보다 값이 크기 때문에, 투영된 화상은 주변으로 갈수록 색의 어긋남이 발생한다는 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 과제에 비추어 발명된 것으로, 온도변화에 의한 영향 및 색의 어긋남을 억제한 투영렌즈를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 제1의 발명에 따른 투영렌즈는, 화상표시 디바이스의 영상을 스크린 상에 투영하는 투영렌즈에 있어서, 확대측으로부터 축소측을 향하여 차례로 음의 굴절력 갖는 제1군과, 양의 굴절력을 갖는 제2군이 배치되고, 상기 제1군에는 확대측으로부터 차례로 제1렌즈와 제2렌즈가 배치되어 구성되는 것과 함께, 상기 제2군에는 확대측으로부터 차례로 제3렌즈에서 제7렌즈까지가 배치되어 구성되고, 상기 제1렌즈는 확대측 면의 광축 근방 영역이 오목면인 양면 비구면으로 이루어진 네거티브 메니스커스 렌즈(negative meniscus lens)이고, 상기 제2렌즈는 확대측 면의 광축 근방 영역이 오목면의 양면 비구면으로 이루어진 네거티브 메니스커스 렌즈이고, 상기 제3렌즈는 양볼록 렌즈의 축소측 면에 양오목 렌즈를 접합하여 이루어진 접합 렌즈이고, 상기 제4렌즈는 축소측으로 볼록면을 향하게 한 양면 비구면으로 이루어진 포지티브 메니스커스 렌즈(positive meniscus lens)이고, 상기 제5렌즈는 양볼록 렌즈의 축소측 면에 양오목 렌즈를 접합하여 이루어진 접합 렌즈이고, 상기 제6렌즈는 축소측으로 강한 볼록면을 향하게 한 포지티브 렌즈이고, 상기 제7렌즈는 양면이 볼록면의 포지티브 렌즈이고, 상기 제1군과 상기 제2군의 사이에 조리개를 설치한 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 투영렌즈를 구성하는 것에 의해, 광화각(wide angle of view), 높은 결상 성능, 고정밀의 화상을 실현할 수 있다.
제2의 발명에 따른 투영렌즈는 제1의 발명에 따른 투영렌즈에 있어서, 상기 제1렌즈, 제2렌즈 및 제4렌즈가 각각 합성수지로 성형되고, 이들 렌즈의 아베수(abbe number) v1, v2, v4가 v1, v2, v4 ＞ 54를 만족하고, 상기 제6렌즈 및 제7렌즈의 아베수 v6, v7이 v6, v7 ＞ 68을 만족하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 아베수의 조건을 만족시키면, 파장의 감소에 따라 굴절률이 높아지는 비율을 작게 할 수 있다.
제3의 발명에 따른 투영렌즈는, 제1 또는 제2의 발명에 따른 투영렌즈에 있어서, 상기 제1렌즈 및 제2렌즈의 음의 굴절력과, 상기 제4렌즈의 양의 굴절력이 서로 상쇄하여 온도변화에 의한 백 포커스의 위치변동을 억압하는 값인 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해, 온도가 변화하면, 상기 제1렌즈 및 제2렌즈에 의한 백 포커스의 위치변동과, 제4렌즈에 의한 백 포커스의 위치변동이 거의 같은 값으로 역방향으로 생기기 때문에, 서로 상쇄하여 억압한다.
제4의 발명에 따른 투영렌즈는 제1 내지 제3의 발명 중 어느 한 발명에 따른 투영렌즈에 있어서, 상기 제2렌즈의 면 변경 또는 상기 제1군 및 제2군의 간격 변경에 따라 배율 변경을 실시하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해, 배율을 올리는 경우는, 제2렌즈의 면 형상을 변경하여 음의 굴절력을 강하게 하고, 상기 제1군 및 제2군의 간격을 좁힌다. 이때, 배율을 올리는 정도에 따라, 제2렌즈의 면 형상과 제1군 및 제2군의 간격의 한쪽 또는 양쪽을 적절히 변경한다. 배율을 내리는 경우는, 상기의 경우와 반대로, 제2렌즈의 면 형상을 변경하여 음의 굴절력을 약하게 하고, 상기 제1군 및 제2군의 간격을 넓힌다. 이때도 동일하게, 배율을 내리는 정도에 따라, 제2렌즈의 면 형상과, 제1군 및 제2군의 간격의 한쪽 또는 양쪽을 적절히 변경한다.
제5의 발명에 따른 투영렌즈는, 제1 내지 제4의 발명 중 어느 한 발명에 따른 투영렌즈에 있어서, 상기 제1군의 초점거리를 fI, 상기 제2군의 제4렌즈의 초점거리를 f4로 했을 때, 9 ＜ f4 / ｜fI｜ ＜ 17의 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해, 제1군 및 제2군의 제4렌즈의 초점거리를 상술한 조건을 만족하도록 설정하는 것으로, 백 포커스의 위치변동을 실용 레벨로 억압한다.
제6의 발명에 다른 투영렌즈는, 제1 내지 제5의 발명 중 어느 한 발명에 따른 투영렌즈에 있어서, 전체 초점거리를 f, 전체 백 포커스를 BFL로 하고, 상기 제1군의 초점거리를 fI, 제2군의 초점거리를 fII로 할 때, 2.5 ＜ BFL / f 및 1.1 ＜ FII / ｜fI｜ ＜ 1.7의 조건을 만족하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해, 상술의 조건을 만족하도록 설정하는 것으로, 높은 결상성능, 고정밀의 화상을 실현할 수 있다.
제7의 발명에 따른 투영렌즈는, 제1 내지 제6의 발명 중 어느 한 발명에 따른 투영렌즈에 있어서, 상기 제1군과 상기 조리개의 사이에 광로 절곡 수단을 설치한 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해, 광로 절곡 수단으로 광로를 절곡하는 것에 의해 프로젝션 TV 등의 폭을 얇게 할 수 있다.
발명을 실시하기 위한 바람직한 형태
(A) 제1실시형태
이하, 본 발명의 투영렌즈의 제1실시형태에 대해서 첨부도면을 참조하면서 설명한다.
제1실시형태에 따른 투영렌즈는 도 1에 나타나는 바와 같이, 투과형의 화상표시 디바이스인 투과형의 액정 라이트 벨브(90)의 컬러 화상을 도면 중의 좌측에 배치되는 스크린(미도시)에 확대 투영하는 렌즈이다. 여기서는 상기 스크린 측을 "확대측", 액정 라이트 벨브(90)(화상 표시 디바이스) 측을 "축소측"이라고 하기로 한다.
도면 중의 투영렌즈는, 확대측으로부터 축소측을 향하여 차례로, 음의 굴절력을 갖는 제1군(I)과, 양의 굴절력을 갖는 제2군(II)을 배치하여 구성된다. 제2군 (II)의 축소측에는 색합성 프리즘(80), 커버 유리(85), 액정 라이트 벨브(90)가 배치된다.
상기 제1군(I)과 제2군(II)을 배치하여 구성된 투영렌즈 형태는 "레트로포커스 타입(retrofocus type)"이라 불리는 것으로, 백 포커스를 길게 할 수 있으며, 광각화에도 적합하다. 상기 제1군(I)은 확대측으로부터 차례로, 제1렌즈(L1)와, 제2렌즈(L2)를 배치하여 구성된다. 제2군(II)은 확대측으로부터 차례로 제3렌즈(L3), 제4렌즈(L4), 제5렌즈(L5), 제6렌즈(L6), 제7렌즈(L7)를 배치하여 구성된다.
상기 제1렌즈(L1) 및 제2렌즈(L2)는 모두 확대측 면의 광축 근방 영역이 오목면 형상의 양면 비구면인 네거티브 메니스커스 렌즈이다. 상기 제3렌즈(L3)는 양볼록 렌즈(L31)의 축소측 면에 양오목 렌즈(L32)를 접합하여 이루어진 접합 렌즈이다. 상기 제4렌즈(L4)는 축소측으로 볼록면을 향하게 한 양면 비구면의 포지티브 메니스커스 렌즈이다. 상기 제5렌즈(L5)는 양볼록 렌즈(L51)의 축소측 면에 양오목 렌즈(L52)를 접합하여 이루어진 접합 렌즈이다. 상기 제6렌즈(L6)는 축소측으로 강한 볼록면을 향하게 한 포지티브 렌즈이고, 제7렌즈(L7)는 양면이 볼록면의 포지티브 렌즈이다.
상기 제1군(I)과 제2군(II)의 사이에는 조리개(S)가 설치된다. 또한, 상기 제1군(I)과 조리개(S)의 사이에는, 광로 절곡용 거울(M)이 설치된다.
제1군(I)을 전면 비구면(4면 모두가 비구면)으로 하는 것에 의해, 왜곡수차를 양호하게 보정한다. 더욱이, 축상 광속이 가장 넓게 퍼지는 제2군(II)의 접합렌즈인 제3렌즈(L3)의 바로 뒤(축소측)에 배치한 약한 양의 굴절력을 갖는 양면 비구면의 메니스커스 렌즈인 제4렌즈(L4)와, 제1군(I)의 두 렌즈(L1), (L2)가 서로 작용하여, 축외수차의 비점수차, 코마 수차 등을 양호하게 보정하고, 밝은 투영렌즈를 실현 가능하게 한다.
제1군(I)의 두 렌즈 L1, L2 및 제2군(II)의 제4렌즈(L4)와, 제2군(II)의 제6렌즈(L6) 및 제7렌즈(L7)는 다음의 조건을 만족하도록 설정한다. 또한, v는 렌즈 매질의 아베수이다.
(1) v1, v2, v4 ＞ 54
(2) v6, v7 ＞ 68
주지의 바와 같이, 아베수 v는 렌즈 매질의 F, d, C선의 굴절률을 NF, Nd, NC로 했을 때, v = (Nd - 1)/(NF - NC)로 정의된다.
제1군(I)으로부터 사출되어 스크린으로 향하는 광선에 있어서, 주광선이 광축과 이루는 각의 "파장에 의한 변화"가 크면, 스크린 상에 있어서 큰 배율의 색수차가 발생한다. 이에 대해, 제1군(I)과 제2군(II)의 축소측의 두 렌즈에 있어서, 축외광속의 주광선에 대한 광축으로부터의 거리가 크게 되고, 배율의 색수차로의 영향이 크다.
렌즈 매질의 굴절률은 단파장으로 될 수록 크게 되는데, 상기 조건(1), (2)을 만족하는 매질은 "파장의 감소에 따라 굴절률이 높아지는 비율"이 작다. 이와 같은 매질을 갖는 재료를 제1군(I), 제2군(II) 중의 "주광선 높이가 높고, 파워가 강한 렌즈"에 사용하면, 제1군(I)에서 나오는 주광선 높이의 사출점의 위치나 광축과 이루는 각도의 "파장에 의한 차"를 작게 할 수 있고, 큰 배율의 색수차의 요구를 만족시키는 것이 가능해진다.
제1군(I)의 제1렌즈(L1)는 축외광속의 주광선에 대한 광축으로부터의 거리가 크고, 이 때문에, 렌즈 지름이 크게 되기 쉽다. 제1렌즈(L1), 제2렌즈(L2)를 상기 조건(1)을 만족하는 합성수지제 렌즈로 하는 것에 의해, 색수차로의 영향을 억제하면서, 제1군(I)의 제1렌즈(L1) 및 제2렌즈(L2)를 경량화할 수 있어, 제조비용 절감으로 이어진다.
제1군(I)은 음의 굴절력을 갖기 때문에, 제1군(I)에만 합성수지제 렌즈를 사용하면, 굴절률의 온도변화에 의해 백 포커스의 위치변동(핀트 면의 이동)이 생긴다. 이것을 없애기 위해서는, 제2군(II)에 있어서, 비교적 약한 양의 굴절력을 갖는 합성수지제 렌즈 요소를 포함시켜 구성해야만 한다.
제1실시형태에서는, 제4렌즈(L4)를 포함시켜 제2군(II)을 구성한다. 제1군(I)의 초점거리를 FI, 제2군(II)의 제4렌즈(L4)의 초점거리를 f4로 했을 때, 다음의 조건을 만족하도록 설정한다.
(3) 9 ＜ f4 / ｜FI｜＜ 17
전체 초점거리를 f, 전체 백 포커스를 BFL로 하고, 또한 제1군(I)의 초점거리를 fI, 제2군(II)의 초점거리를 FII로 할 때, 다음의 조건을 만족하도록 설정한다.
(4) 2.5 ＜ BFL ＜ f
(5) 1.1 ＜ fII / ｜FI｜＜ 1.7
제1실시형태의 투영렌즈와 같이, 제1군(I)이 음의 굴절력을 갖고, 제2군(II)이 양의 굴절력을 갖는 레트로포커스형 렌즈로 초점거리 f의 2.5배 이상의 백 포커스 BFL에 의해 색합성계의 프리즘을 설치할 수 있는 공간을 확보하고, 제1군(I)과 제2군(II)의 사이에 긴 공간 간격을 형성하는 것에 의해, 광로의 절곡을 가능하게 하고, 강한 텔레센트릭 성을 갖으며, 양호한 광학특성을 실현하기 위해서는 상기 조건(4), (5)를 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 광로 변환을 실시하지 않는 구성의 투영렌즈를 구비한 경우와 비교하여, 프로젝션 TV 장치의 캐비닛의 박형화를 꾀할 수 있다.
실시예 1
다음으로, 제1실시형태의 투영렌즈에 대해서, 구체적인 수치를 이용한 실시예 1에 대해 설명한다.
또한, 도 1에 나타난 바와 같이, 확대측으로부터 제i번째의 면의 곡률반경(曲率半徑)을 Ri로 하고, 제i번째의 면과 제i+1번째의 면과의 광축 상의 면 간격을 Di로 한다. 굴절률과 아베수는 d선의 값이다. 전체 초점거리를 f(e선의 값), 밝기를 F/no, 화각을 2ω, 가로배율을 M, 투사거리를 L로 표시한다.
비구면은 주지하는 바와 같이, 광축을 Z축으로 하는 직교좌표계(X, Y, Z)에 있어서, R을 근축곡률반경, K를 원추정수(conic constant), A3, A4, ..., A14를 각각 3차, 4차, ..., 14차의 비구면 계수로 할 때, 좌표 h = (X2 + Y2)1/2 에 있어서의 면 형상을 식으로 나타내면,
Z(h) = (h2/R)/[1 + {1 - (1 + K) ×(h/R)2}1/2]
+ A3 ×h3 + A4 ×h4 + A5 ×h5 + A6 ×h6
+ A7 ×h7 + A8 ×h8 + A9 ×h9 + A10 ×h10
+ A11 ×h11 + A12 ×h12 + A13 ×h13 + A14 ×h14
이 된다.
색합성 프리즘(80)에 있어서의 다이크로익 필터(Dichroic Filter)는 진공증착에 의한 간섭 박막이기 때문에, 분광특성이 입사각도에 의해 변화(입사각도 증대에 의해 단파장이 쉬프트)한다. 이 때문에, 스크린 상에 색의 얼룩짐이 발생한다. 모든 컬러쉐딩(색, 명암 등의 변화)을 방지하기 위해서도, 제1실시형태의 투영렌즈는 축외광선의 주광선이 광축과 평행하게 되는 텔레센트릭 성을 갖고, 액정 라이트 벨브(90)의 주변 화상으로부터 수직으로 사출되는 광선을 확실하게 거둬들여, 높은 컨트래스트를 실현한다. 주광선 각도는 전 화각에 있어서 0.5˚이내의 범위이다.
또한, 포커싱은 조리개(S) 보다 축소측에 위치하는 제2군(II) 전체를 광축방향으로 이동시키는 것에 의해 실시된다.
실시예 1에 있어서의 렌즈 구성 및 광선 추적도를 도 2에 나타낸다.
실시예 1에서는, 초점거리 f = 10.86㎜, 밝기 F/no = 2.41, 백 포커스 BFL = 37.577㎜, 화각 2ω= 90.1˚, 가로배율 M = -1/53.21×, 투사거리 L = 542.0㎜로 했다.
이상의 설정에 의한 렌즈 설계의 결과를 도 3에 나타내고, 도 4에는 이 경우의 각종 수차의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 4의 그래프로부터 알 수 있듯이, 구면수차, 비점수차, 왜곡수차 및 배율색수차에 있어서, 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
실시예 2
다음으로, 제1실시형태의 투영렌즈에 대해서, 구체적인 수치를 이용한 실시예2에 대해 설명한다.
또한, 곡률반경 Ri, 광축 상의 면 간격 Di 등의 정의는 상기 실시예 1과 동일하다.
실시예 2에 있어서의 렌즈 구성 및 광선 추적도도, 실시예 1에 따른 도 2와 거의 같다.
실시예 2에서는, 초점거리 f = 10.76㎜, 밝기 F/no = 2.41, 백 포커스 BFL = 37.581㎜, 화각 2ω= 91.1˚, 가로배율 M = -1/74.74×, 투사거리 L = 768.0㎜으로 설정했다.
이상의 설정에 의한 렌즈 설계 결과를 도 5에 나타내고, 도 6에는 이 경우의 각종 수차의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 6의 그래프로부터 알 수 있듯이, 구면수차, 비점수차, 왜곡수차 및 배율색수차에 있어서, 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
실시예 3
다음으로, 제1실시형태의 투영렌즈에 대해서, 구체적인 수치를 이용한 실시예3에 대해 설명한다.
또한, 곡률반경 Ri, 광축 상의 면 간격 Di 등의 정의는 상기 실시예 1과 동일하다.
실시예 3에 있어서의 렌즈 구성 및 광선 추적도를 도 7에 나타낸다.
실시예 3에서는, 초점거리 f = 10.83㎜, 밝기 F/no = 2.40, 백 포커스 BFL = 37.577㎜, 화각 2ω= 90.1˚, 가로배율 M = -1/53.30×, 투사거리 L = 542.0㎜으로 설정했다.
이상의 설정에 의한 렌즈 설계 결과를 도 8에 나타내고, 도 9에는 이 경우의 각종 수차의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 9의 그래프로부터 알 수 있듯이, 구면수차, 비점수차, 왜곡수차 및 배율색수차에 있어서, 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
실시예 4
다음으로, 제1실시형태의 투영렌즈에 대해서, 구체적인 수치를 이용한 실시예 4에 대해 설명한다.
또한, 곡률반경 Ri, 광축 상의 면 간격 Di 등의 정의는 상기 실시예 1과 동일하다.
실시예 4에 있어서의 렌즈 구성 및 광선 추적도도, 실시예 3에 따른 도 7과 거의 같다.
실시예 4에서는, 초점거리 f = 10.72㎜, 밝기 F/no = 2.41, 백 포커스 BFL = 37.582㎜, 화각 2ω= 91.1˚, 가로배율 M = -1/74.91×, 투사거리 L = 768.0㎜으로 설정했다.
이상의 설정에 의한 렌즈 설계 결과를 도 10에 나타내고, 도 11에는 이 경우의 각종 수차의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 11의 그래프로부터 알 수 있듯이, 구면수차, 비점수차, 왜곡수차 및 배율색수차에 있어서, 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
실시예 5
다음으로, 제1실시형태의 투영렌즈에 대해서, 구체적인 수치를 이용한 실시예 5에 대해 설명한다.
또한, 곡률반경 Ri, 광축 상의 면 간격 Di 등의 정의는 상기 실시예 1과 동일하다.
실시예 5에 있어서의 렌즈 구성 및 광선 추적도를 도 12에 나타낸다. 또한, 도 12에 있어서는, 절곡 거울(M)이 생략되어 있다. 이 미도시의 절곡 거울(M)의 위치는 제1군(I)과 제2군(II)의 중간 위치이다.
실시예 5에서는, 초점거리 f = 8.50㎜, 밝기 F/no = 2.3, 백 포커스 BFL = 32.270㎜, 화각 2ω= 92.5˚, 가로배율 M = -1/81.7×, 투사거리 L = 660.42㎜으로 설정했다.
이상의 설정에 의한 렌즈 설계 결과를 도 13에 나타내고, 도 14에는 이 경우의 각종 수차의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 14의 그래프로부터 알 수 있듯이, 구면수차, 비점수차, 왜곡수차 및 배율색수차에 있어서, 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
(B) 제2실시형태
다음으로, 본 발명의 투영렌즈의 제2실시형태에 대해 첨부도면을 참조하면서 설명한다.
상술한 제1실시형태의 투영렌즈는, 액정 라이트 벨브(도 1의 부호90 참조)로부터 컬러 화상광을 투영하는 것이나, 제2실시형태의 투영렌즈는 DMD(디지털 마이크로미러 디바이스(Digital micromirror device); 등록상표) 소자로부터 컬러 화상광을 투영하는 것이다. 이와 같이, 화상표시 디바이스가 제1실시형태에 따른 액정 라이트 벨브에서 DMD 소자로 치환되었는데, 제2실시형태의 투영렌즈도, 그 구성의 기술사상은 제1실시형태의 투영렌즈의 기술사상과 동일하다.
실시예 6
다음으로, 제2실시형태의 투영렌즈에 대해서, 구체적인 수치를 이용한 실시예 6에 대해 설명한다.
또한, 곡률반경 Ri, 광축 상의 면 간격 Di 등의 정의는 상기 실시예 1과 동일하다.
실시예 6에 있어서의 렌즈 구성 및 광선 추적도를 도 15에 나타낸다. 도 15에 있어서, 투영렌즈의 제2군(II)의 축소측에는, 커버 유리(85A), 조명광학계의 TIR(total-internal-reflection,전반사) 프리즘(80A), DMD 소자(90A)가 배치된다. 또한 도 15에 있어서는, 절곡 거울(M)이 생략되어 있다. 이 미도시의 절곡 거울(M)의 위치는 제1군(I)과 제2군(II)의 중간 위치이다.
실시예 6에서는, 초점거리 f = 6.97㎜, 밝기 F/no = 2.4, 백 포커스 BFL = 31.046㎜, 화각 2ω= 93.5˚, 가로배율 M = -1/97.5×, 투사거리 L = 649.0㎜으로 설정했다.
이상의 설정에 의한 렌즈 설계 결과를 도 16에 나타내고, 도 17에는 이 경우의 각종 수차의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 17의 그래프로부터 알 수 있듯이, 구면수차, 비점수차, 왜곡수차 및 배율색수차에 있어서, 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
실시예 7
다음으로, 제2실시형태의 투영렌즈에 대해서, 구체적인 수치를 이용한 실시예 7에 대해 설명한다.
또한, 곡률반경 Ri, 광축 상의 면 간격 Di 등의 정의는 상기 실시예 1과 동일하다.
실시예 7에 있어서의 렌즈 구성 및 광선 추적도를 도 18에 나타낸다. 도 18에 있어서도, 투영렌즈의 제2군(II)의 축소측에는, 커버 유리(85A), 조명광학계의 TIR(전 반사) 프리즘(80A), DMD 소자(90A)가 배치된다. 또한, 도 18에 있어서는, 절곡 거울(M)이 생략되어 있다. 이 미도시의 절곡 거울(M)의 위치는 제1군(I)과 제2군(II)의 중간 위치이다.
실시예 7에서는, 초점거리 f = 10.39㎜, 밝기 F/no = 2.4, 백 포커스 BFL = 31.046㎜, 화각 2ω= 90.8˚, 가로배율 M = -1/64.69×, 투사거리 L = 634.0㎜으로 설정했다.
이상의 설정에 의한 렌즈 설계 결과를 도 19에 나타내고, 도 20에는 이 경우의 각종 수차의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 20의 그래프로부터 알 수 있듯이, 구면수차, 비점수차, 왜곡수차 및 배율색수차에 있어서, 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
(C) 제3실시형태
다음으로, 본 발명의 투영렌즈의 제3실시형태에 대해서 첨부도면을 참조하면서 설명한다.
상술한 제1실시형태의 투영렌즈는 투과형의 액정 라이트 벨브(도 1의 부호90 참조)로부터의 컬러 화상광을 투영하고, 상술한 제2실시형태의 투영렌즈는 DMD 소자로부터 컬러 화상광을 투영하는 것이나, 제3실시형태의 투영렌즈는 반사형의 액정 라이트 벨브로부터 컬러 화상광을 투영하는 것이다. 이와 같이, 화상표시 디바이스가 제1실시형태의 투과형 액정 라이트 벨브나 제2실시형태의 DMD소자에서 반사형의 액정 라이트 벨브로 치환된 것인데, 제3실시형태의 투영렌즈도 그 구성의 기술사상은 제1이나 제2실시형태의 투영렌즈의 기술사상과 동일하다.
실시예 8
다음으로, 제3실시형태의 투영렌즈에 대하여, 구체적인 수치를 이용한 실시예 8에 대해 설명한다.
또한, 곡률반경 Ri, 광축 상의 면 간격 Di 등의 정의는 상기 실시예 1과 동일하다.
실시예 8에 있어서의 렌즈 구성 및 광선 추적도를 도 21에 나타낸다. 도 21에 있어서, 투영렌즈의 제2군(II)의 축소측에는, 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter)를 이용한 색분리 ·색합성 프리즘(80B), 커버 유리(85B), 반사형의 액정 라이트 벨브(90B)가 배치된다.
실시예 8에서는, 초점거리 f = 9.23㎜, 밝기 F/no = 2.9, 백 포커스 BFL = 39.270㎜, 화각 2ω= 93.6˚, 가로배율 M = -1/92.4×, 투사거리 L = 769.9㎜로 설정했다.
이상의 설정에 의한 렌즈 설계 결과를 도 22에 나타내고, 도 23에는 이 경우의 각종 수차의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 23의 그래프로부터 알 수 있듯이, 구면수차, 비점수차, 왜곡수차 및 배율색수차에 있어서, 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
(D) 그외의 실시형태
상기 실시형태에서는, 광로 절곡용 거울(M)을 설치했지만, 광로 절곡용 거울(M)을 설치하지 않은 경우에서도 상기 실시형태와 동일한 작용, 효과를 가져올 수 있다.
또한, 상기 실시형태에서는, 배율을 변경하는 경우로서, 제2렌즈(L2)의 면 형상을 변경하여 음의 굴절력을 강하게(약하게) 하는 것과 함께, 제1군(I) 및 제2군(II)의 간격을 좁히고(넓히고), 제2렌즈(L2)의 면 변경과, 제1군(I) 및 제2군(II)의 간격 변경의 두 변경을 실시했지만, 한 변경만을 실시해도 좋다. 배율을 높이는 정도에 따라, 제2렌즈(L2)의 면 형상과, 제1군(I) 및 제2군(II)의 간격 중 어나 하나를 변경하거나 둘다를 적절히 변경한다.
이 경우도, 상기 실시형태와 동일한 작용, 효과를 가져올 수 있다.
상기 각 실시형태의 설명으로부터 명백하게 드러나는 바와 같이, 본 발명의 투영렌즈에 있어서는 화상표시 디바이스의 종류는 한정되지 않는다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과를 가져올 수 있다.
(1) 제1군 및 제2군에 합성수지제의 비구면 렌즈를 다용하면서도, 온도변화에 의한 백 포커스의 위치변동을 실용 레벨로 억압하면서, 고정밀의 화상을 투사할 수 있다.
(2) 광화각이며 긴 백 포커스를 갖고, 유효한 텔레센트릭 성(telecentric characteristics)과, 왜곡수차의 양호한 보정을 실현할 수 있다.
(3) 저비용으로 왜곡수차의 양호한 보정과 경량화 및 배율 색수차의 양호한 보정에 의한 높은 결상성능을 실현할 수 있다.
(4) 온도변화에 의한 백 포커스의 위치변동(핀트 면의 변화)을 억압할 수 있다.
(5) 제2렌즈의 면 변경 또는 제1군 및 제2군의 간격 변경 등의 렌즈 구성요소의 최소변경에 의해, 배율변경을 가능하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 투영렌즈의 렌즈 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 2는 실시예1과 실시예2의 렌즈 구성과 광선 추적 상태를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 3은 실시예1에 있어서의 투영렌즈의 각 부분의 수치를 나타내는 도표이다.
도 4는 실시예1에 있어서의 투영렌즈의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차, 및 배율 색수차를 나타내는 수차도이다.
도 5는 실시예2에 있어서의 투영렌즈의 각 부분의 수치를 나타내는 도표이다.
도 6은 실시예2에 있어서의 투영렌즈의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차, 및 배율 색수차를 나타내는 수차도이다.
도 7은 실시예3과 실시예4의 렌즈 구성과 광선 추적 상태를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 8은 실시예3에 있어서의 투영렌즈의 각 부분의 수치를 나타내는 도표이다.
도 9는 실시예3에 있어서의 투영렌즈의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차, 및 배율 색수차를 나타내는 수차도이다.
도 10은 실시예4에 있어서의 투영렌즈의 각 부분의 수치를 나타내는 도표이다.
도 11은 실시예4에 있어서의 투영렌즈의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차, 및 배율 색수차를 나타내는 수차도이다.
도 12는 실시예5의 렌즈 구성과 광선 추적 상태를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 13은 실시예5에 있어서의 투영렌즈의 각 부분의 수치를 나타내는 도표이다.
도 14는 실시예5에 있어서의 투영렌즈의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차, 및 배율 색수차를 나타내는 수차도이다.
도 15는 실시예6의 렌즈 구성과 광선 추적 상태를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 16은 실시예6에 있어서의 투영렌즈의 각 부분의 수치를 나타내는 도표이다.
도 17은 실시예6에 있어서의 투영렌즈의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차, 및 배율 색수차를 나타내는 수차도이다.
도 18은 실시예7의 렌즈 구성과 광선 추적 상태를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 19는 실시예7에 있어서의 투영렌즈 각 부분의 수치를 나타내는 도표이다.
도 20은 실시예7에 있어서의 투영렌즈의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차, 및 배율 색수차를 나타내는 수차도이다.
도 21은 실시예8의 렌즈 구성과 광선 추적 상태를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 22는 실시예8에 있어서의 투영렌즈 각 부분의 수치를 나타내는 도표이다.
도 23은 실시예8에 있어서의 투영렌즈의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차, 및 배율 색수차를 나타내는 수차도이다.
도 24는 종래의 배면 투사형 영상표시장치의 일례를 나타내는 단면도이다.
도 25는 액정표시 디바이스를 이용한 광학 배치의 일례를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
부호의 설명
I: 제1군 II: 제2군
L1: 제1렌즈 L2: 제2렌즈
L3: 제3렌즈 L31, L32: 제3렌즈를 구성하는 렌즈
L4: 제4렌즈 L5: 제5렌즈
L51, L52: 제5렌즈를 구성하는 렌즈
L6: 제6렌즈 L7: 제7렌즈
80: 색합성 프리즘 80A: 조명광학계의 TIR 프리즘
80B: 색분리 ·색합성 프리즘 90: 투과형의 액정 라이트 벨브
90A: DMD소자 90B: 반사형의 액정 라이트벨브

Claims (7)

  1. 화상표시 디바이스의 영상을 스크린 상에 투영하는 투영렌즈에 있어서,
    확대측으로부터 축소측을 향하여 차례로 음의 굴절력을 갖는 제1군과, 양의 굴절력을 갖는 제2군을 배치하고,
    상기 제1군은 확대측으로부터 차례로 제1렌즈와, 제2렌즈를 배치하여 구성되는 것과 함께, 상기 제2군은 확대측으로부터 차례로 제3렌즈에서 제7렌즈까지를 배치하여 구성되고,
    상기 제1렌즈는 확대측 면의 광축 근방 영역이 오목면인 양면 비구면으로 이루어진 네거티브 메니스커스 렌즈이고,
    상기 제2렌즈는 확대측 면의 광축 근방 영역이 오목면인 양면 비구면으로 이루어지는 네거티브 메니스커스 렌즈이고,
    상기 제3렌즈는 양볼록 렌즈의 축소측 면에 양오목 렌즈를 접합하여 이루어지는 접합 렌즈이고,
    상기 제4렌즈는 축소측으로 볼록면을 향하게 한 양면 비구면으로 이루어지는 포지티브 메니스커스 렌즈이고,
    상기 제5렌즈는 양볼록 렌즈의 측소측 면에 양오목 렌즈를 접합하여 이루어지는 접합렌즈이고,
    상기 제6렌즈는 축소측으로 강한 볼록면을 향하게 한 포지티브 렌즈이고,
    상기 제7렌즈는 양측이 볼록면의 포지티브 렌즈이고,
    상기 제1군과 상기 제2군의 사이에 조리개를 배치한 것을 특징으로 하는 투영렌즈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1렌즈, 제2렌즈 및 제4렌즈는 각각 합성수지로 성형되고, 이들 렌즈의 아베수 v1, v2, v4가 v1, v2, v4 ＞ 54를 만족하고, 상기 제6렌즈 및 제7렌즈의 아베수 v6, v7이 v6, v7 ＞ 68을 만족하는 것을 특징으로 하는 투영렌즈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 투영렌즈는 상기 제1렌즈 및 제2렌즈의 음의 굴절력과, 상기 제4렌즈의 양의 굴절력이 서로 상쇄하여 온도변화에 의한 백 포서스의 위치변동을 억압하는 값을 갖는 것을 특징으로 하는 투영렌즈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2렌즈의 면 변경 또는 상기 제1군 및 제2군의 간격 변경에 의해 배율변경을 실시하는 것을 특징으로 하는 투영렌즈.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1군의 초점거리를 fI, 상기 제2군의 제4렌즈의 초점거리를 f4로 했을 때, ９＜ｆ４／｜ｆI｜＜１７의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 투영렌즈.
  6. 제1항에 있어서, 전체 초점거리를 f, 전체 백 포커스를 BFL로 하고, 상기 제1군의 초점거리를 fI, 제2군의 초점거리를 fII로 할 때, 2.5 ＜ BFL ＜f 및 １.１＜ｆＩＩ／｜ｆＩ｜＜１.７의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 투영렌즈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1군과 상기 조리개의 사이에 광로 절곡 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 투영렌즈.
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