JP2005084455A - テレセントリックなズームレンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型の液晶プロジェクター用ズームレンズの提供。
【解決手段】 拡大側から順に負正正正負正で構成し、ズーミングで第２レンズ群と第３レンズ群の間隔が狭くなる。
第５レンズ群はスクリーン側（拡大側）に移動、
第４レンズ群はスクリーン側（拡大側）に移動、
第２レンズ群はパネル側（縮小側）に移動、
第１レンズ群、第６レンズ群は固定
としている。
第４レンズ群が最も変倍分担が大きいように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、画像を固定された有限距離にて、スクリーンに拡大投写するプロジェクション装置に用いられるズームレンズに関し、特に表示体に色光ごとに複数の液晶等を用い、色合成して１本の投写レンズを介して、高精細な画像投写を行う簡易な小型なテレセントリックズームレンズに関するものである。

負の屈折力のレンズ群が先行するネガティブリード型のズームレンズは比較的広画角化が容易で、かつ近接撮影距離での性能が維持できる等の特長を有しているが、反面、変倍の為の移動量が増大し、又高変倍化が難しい等の欠点を有している。

これらの欠点を改善し、レンズ系全体の小型化及び高変倍化を図ったズームレンズが例えば特公昭４９−２３９１２号公報、特開昭５３−３４５３９号公報、特開昭５７−１６３２１３号公報、特開昭５８−４１１３号公報、特開昭６３−２４１５１１号公報、そして特開平２−２０１３１０号公報等で提案されている。

これらの各公報ではズームレンズ物体側より順に負、正、負、そして正の屈折力のレンズ群の全体として４つのレンズ群より構成し、このうち所定のレンズ群を適切に移動させて変倍を行っている。

多くの群を有するものとして特開昭５４−１７０１９号公報がある。この発明は所謂オプティカルコンペンセーションをしているもので特に第２レンズ群、第４レンズ群を同じ動きにしているものである。このオプコン構成をすると制約が厳しく変倍比の割に大型化しやすい。またこの構成では射出瞳が短くプロジェクションレンズには適当ではなかった。

また近年になってスクリーンに拡大投写するプロジェクション装置に用いられるズームレンズ用として多群化構成の提案も多くされるようになってきた。例えば特開平１１−９５０９８号公報等では負正負正の４群構成でのズームレンズが提案されている。しかしながらこれらの提案はレンズとして暗い仕様のものが多く、明るい投写像を作るのに充分ではなかった。

また特開平１０−１８６２３５号公報等では負正正負正の５群構成のズームレンズが提案されている。この提案もレンズとして暗い仕様のものが多く、明るい投写像を作るのに充分ではなかった。

また本出願人は特開平１１−１９０８２１号公報にて負正負正正の５群構成の投写型ズームレンズを提案し、更に明るく、コンパクトなレンズを提案している。

本発明の如き、表示画像をスクリーンに拡大投写する際、特に液晶表示体を複数の色に分けて用い、各色光を合成して１本の投写レンズにて投写する場合、以下の条件を満足することが必要となる。

１）液晶の配光特性、照明系の投写指向性を考慮して射出瞳が遠方にある所謂テレセントリック光学系であること。またクロスダイクロプリズム等のダイクロ膜がついた部材にて色合成する際は、色むらを少なくするためにもテレセントリックであることが好ましい。

２）複数の表示体を合成するための色合成素子のスペースを確保する為に、長いバックフォーカス、あるいはレンズ間にスペースを必要とする。

３）通常、表示画像をスクリーン上に上方投写する為に、投写レンズ光軸に対し、表示体はその中心位置がシフトした状態で用いられ、結果として前玉付近は使用する有効領域が光軸対称ではなく、上方に偏り、前玉径が大きくなるので改善手段が必要である。

上記、要求事項に対し、前記従来例では、射出瞳位置は有限であり、またバックフォーカスも十分に長いとは言い難い。また構成群の数が少ないために変倍のための可動群が制限され所望の倍率を得るために各群の移動量が大きくなったり、敏感度が高くなり、微少の製作誤差・がたつきがあっただけで投写像が著しく劣化することが多かった。

また近年の提案においても、スクリーンに明るく投写するのに、充分な明るさを備えたレンズではないものが多かった。

本発明は、本出願人による特開平１１−１９０８２１号公報に改良を加えたもので、構成群数が多く、各群の敏感度を低減化し、明るく、小型化を図り、更に歪曲の小さいプロジェクター用の投写レンズを提供することを目的とする。

上記目的達成の為に、本発明では、以下の構成を特徴とする。

表示面の画像を、スクリーンに拡大投写する略テレセントリックなズームレンズにおいて、スクリーン側（拡大側）から順に、
負の屈折力の第１レンズ群、
正の屈折力の第２レンズ群、
正の屈折力の第３レンズ群、
正の屈折力の第４レンズ群、
負の屈折力の第５レンズ群、
正の屈折力の第６レンズ群を有し、
広角端の焦点距離から望遠端の焦点距離に遷移する時に、前記第２レンズ群と第３レンズ群の間隔は狭くなるように構成することである。このように構成する結果、第３レンズ群はズーミングに際し減倍するが、後述するように第４レンズ群は最も増倍し、所望の変倍比を得るのに好適な構成となる。

また広角端の焦点距離時から望遠端の焦点距離時に遷移する時、前記第５レンズ群は、望遠端において広角端よりスクリーン側（拡大側）にあるように構成し、第５レンズ群を増倍に寄与させるようにするのが好ましい。

特に、広角端の焦点距離時から望遠端の焦点距離時に遷移する時、前記第４レンズ群は、スクリーン側（拡大側）に移動し、第２レンズ群はパネル側（縮小側）に移動することが有効に変倍を行うのに好ましい。

特に広角端の焦点距離から望遠端の焦点距離に遷移する際、第４レンズ群が最も変倍に寄与するのがよく、そのために広角端の焦点距離時から望遠端の焦点距離に遷移する時、前記第４レンズ群は、望遠端において広角端よりスクリーン側（拡大側）にあり、第２レンズ群は、望遠端において広角端よりパネル側（縮小側）にあるように構成するのが好ましい。

第３レンズ群もまたスクリーン側（拡大側）に移動させるのが好ましい。

特に広角端の焦点距離時から望遠端の焦点距離時に遷移する時、
前記第２レンズ群と第３レンズ群の間隔は狭くなり
前記第４レンズ群と第５レンズ群の間隔は広くなり
前記第３レンズ群は広角端より望遠端の位置の方がスクリーン側（拡大前）にあることが好ましい。

この時、第４レンズ群の変倍分担が最も大きいことが好ましい。

また第３レンズ群は広角端から望遠端に変移するのに際し減倍する。

また最も移動量が大きいのは第３レンズ群、あるいは第４レンズ群であることである。

ここで第ｉレンズ群の広角端〜望遠端までの移動量を、Ｍｉとし、パネル側（縮小側）への移動を正（＋）とすると
０．６ ＜ Ｍ２／Ｍ４ ＜ １．８ （１）
を満足しているのが好ましい。

ここで上限値を超えると全系が大型化し、下限値を超えると所望の変倍比が得にくくなる。

また下記の条件を満足しているのが好ましい。

−０．４ ＜ Ｍ２／Ｍ４ ＜ −０．０４ （２）
この下限値を超えると大型化し、上限値を超えると所望の変倍比を確保しにくく適当でない。

特に第６レンズ群はズーミング中固定であることがズーミング中の瞳の変動を抑えるのに望ましい。

また第１レンズ群はズーミング中固定であれば、全系の小型化に有効であり、距離あわせのみに使うことによって機能の分担化ができ、性能面でも機構面でも有効である。

第６レンズ群は、表示体に最も近く、比較的強い正の屈折力を与えることにより、テレセントリックな系を実現している。

最終レンズをフィールドレンズの如く作用させて、そのスクリーン側（拡大側）に色合成プリズムを導入しても良い。そのとき最終レンズに偏光板や色フィルターなどを貼り付けても良い。その場合は、最終レンズは表示面（パネル）に最も近くなり、特にパネル側（縮小側）の面は平面もしくは平面に近く、スクリーン側（拡大側）に強い凸面を向けた正レンズを配するのが好ましい。

前記第２レンズ群、前記第３レンズ群、前記第４レンズ群、前記第５レンズ群を移動して変倍することで、各群の移動量を減らしつつ、各群の位置ずれ、倒れ等による性能敏感度を低く分散して、高変倍率なズームレンズを達成することができ、全長を短縮すると共に、入射瞳位置から前玉までの距離を短くし、軸外斜光束で決まる前玉径の小型化を可能とした。

前記第１レンズ群は、負の屈折力を有し、色合成素子のスペースのために、長いバックフォーカスを確保している。特にバックフォーカスを長くするために、第１レンズ群中にスクリーン側（拡大側）に凸面を有する負メニスカスレンズを配置するのが良い。さらに各群の屈折力を適切に配置し、前記第１レンズ群をズーミング中、固定とすることで、上記軸外斜光束の位置の変動をへらし、構成の簡易化と共に全長一定なレンズ系が達成できる。また広角端での歪曲の低減のために第１レンズ群の最も物体側には凸レンズを配置して最も軸外光束を通る位置での歪曲補正を行っている。

特に広角端の焦点距離時に対し、望遠端の焦点距離時には、
前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の間隔は増大し、
前記第２レンズ群と前記第３レンズ群の間隔は減少し、
前記第４レンズ群と前記第５レンズ群の間隔は増大し、
前記第５レンズ群と前記第６レンズ群の間隔は増大することが各群の変倍分担を適当に分散させ、所望の変倍比を得るのに好ましい。

この際第４レンズ群は変倍に際して増倍しているのが好ましい。

主変倍群である第４レンズ群については以下の式を満たすのが良い。

第ｉレンズ群の倍率βｉｔ／βｉｗをＺｉ、全系の焦点距離の変化ｆｔ／ｆｗをＺとすると
１．０１５ ＜ Ｚ４／Ｚ ＜ １．４ （３）
この（３）式は変倍群となる第４レンズ群の変倍の比を適切にするものである。第４レンズ群は変倍に際し増倍しているが、その他のレンズ群と変倍のバランスを考慮してこの範囲にあるのが全系の変倍分担上適切である。

広角端の全系の焦点距離をｆｗ、望遠端の全系の焦点距離をｆｔ、第１レンズ群の焦点距離をｆ１、第２レンズ群の焦点距離をｆ２、第３レンズ群の焦点距離をｆ３、第４レンズ群の焦点距離をｆ４、第５レンズ群の焦点距離をｆ５、第６レンズ群の焦点距離をｆ６とする時、下記の式を満足するのが好ましい。

０．１５ ＜ ｜ｆ１／ｆ２｜ ＜ ０．５ （４）
２．０ ＜ ｆ２／√（ｆｗ×ｆｔ） ＜ ８．０ （５）
１．３ ＜ ｆ４／√（ｆｗ×ｆｔ） ＜ ２．０ （６）
上の（４）式は前玉径と歪曲に絡む第１レンズ群と第２レンズ群の関係を適切に規定したものである。

（４）式の下限を逸脱すると第１レンズ群で決まる前玉径が大きくなり、また広角端での歪曲収差が大きくなり適当でない。また上限値を逸脱すると所望の画角（特に広角側）が難しくなり全系が大型化し適当でない。

式（５）は第２レンズ群のパワーを適切にするもので下限を超えると像面が補正過剰となり適当でない。また上限を超えると所望の変倍比を得るために第２レンズ群の移動量を大きくする必要があり全系が大型化し適当でない。

式（６）は変倍群の第４レンズ群のパワーを適切にするもので下限を超えると像面が補正過剰となり適当でない。また上限を超えると所望の変倍比を得るために第２レンズ群の移動量を大きくする必要があり全系が大型化し適当でない。

特に変倍に寄与する群は下記のような条件を満たすのが好ましい。

１．４ ＜ ｆ２／ｆ４ ＜ ４．５ （７）
この式（７）は変倍に寄与するレンズ群の屈折力配置を適切にするものである。

上限値を逸脱すると主変倍群の第４レンズ群の屈折力が強くなり像面湾曲が大きくなりがちとなる。また下限値を逸脱すると主変倍群の第４レンズ群の屈折力が弱くなり所望の変倍比を得にくくなる。

特に歪曲を適正に補正するためには以下の式を満たしていることが好ましい。

０．８ ＜ ｜ｆ１｜／ｆｗ ＜ １．５ （８）
この式の上限を逸脱すると適切なバックフォーカスが確保できず、また下限値を超えると広角端の歪曲が負の値で大きくなり適当ではない。

広角端での第６レンズ群の最もスクリーン側（拡大側）の面と表示体（パネル）との間隔（最も表示体側にクロスダイクロ等色合成系があるときはそれを含めた間隔）をＤとするとき、下記の式を満たしているのが好ましい。

０．６ ＜ ｆ６／Ｄ ＜ １．０ （９）
この式の上限を超えると色合成系が入りにくくなり、また下限を超えると瞳が短くなり適当でない。

またレンズの射出側（縮小側）を略テレセントリックに設定するのは上述したように液晶の配光特性、または複数の色光を合成する時の色合成ダイクロイックミラーの角度依存の影響を排除する為である。具体的にはその角度依存性を排するためには以下の条件を満たしていれば好ましい。

｜ｔｋ｜／ｆｗ ＞ １．５ （１０）
更に望ましくは以下の範囲に入っていることが望ましい。

｜ｔｋ｜／ｆｗ ＞ ５．５ （１０ａ）
ここでｔｋというのは広角端での表示パネルから（縮小側共役位置から）射出瞳までの距離である。（ここで言う射出瞳とは縮小側の瞳のことである）
特に最適にテレセントリック系にしつつ、レンズからパネルまでの距離を最適にするために以下の条件を満たすのが好ましい。

１．１ ＜ ｆ６／ｆｗ ＜ １．４ （１１）
下限を超えると最適なテレセントリック性を満足できず、上限を超えると大型化して適当でない。

更に各群のパワー配置を適切にしつつ各群の移動量を適切にして、小型化をするには以下の式を満たすのが好ましい。

０．７ ＜ ｜ｆ１｜／√（ｆｗ×ｆｔ） ＜ １．５ （１２）
２．０ ＜ ｆ３／√（ｆｗ×ｆｔ） ＜ ７．０ （１３）
１．５ ＜ ｜ｆ５｜／√（ｆｗ×ｆｔ） ＜ ６．０ （１４）
０．８ ＜ ｆ６／√（ｆｗ×ｆｔ） ＜ １．５ （１５）
また特に表示体（パネル）と色合成プリズムの間に固定レンズ（フィールドレンズ・コンデンサーレンズ）を有する場合は、プリズムを小型化するために、パネル（縮小側共役面）から出た軸外の主光線（中心光線）は上記固定レンズには略垂直（テレセントリック）に入射しその後色合成プリズム内に入って光軸に向かう角度をもってスクリーン側（拡大側）に進むような構成にするのが好ましい（実施例２の断面図参照）。このように構成するとボリュームのある色合成プリズムのサイズの小型化になり、全系の小型化に貢献できる。このとき色合成されるＲＧＢの３色側にすべて上記固定レンズを有することになりコスト等不利になる点があるが、プリズムの小型化の方もコスト等に有益である。またこの上記固定レンズを各ＲＧＢの倍率色収差を考慮して異なった色分散（アッベ数）を持ち焦点距離の同じレンズを配置することで、更に合成での色ずれが低減されて好ましい。そのとき最終固定レンズには上述したように偏光板や色フィルターなどを貼り付けても良い。その場合は、最終固定レンズは表示面（パネル）に最も近くなり、特にパネル側（縮小側）の面は平面もしくは平面に近く、スクリーン側（拡大側）に強い凸面を向けた正レンズを配するのが好ましい。

特に以下の条件を満たすのが小型化に好ましい。

レンズのイメージサークルをＬ、色合成プリズムのスクリーン側（拡大側）直前のレンズの有効径をＥとするとき
Ｅ／Ｌ ＜ １．０５ （１６）
このとき上限を逸脱すると、色合成プリズムのサイズが大きくなり適当でない。

以上説明したように構成することにより、構成群数が多く、各群の敏感度を低減化し、明るく、小型化を図り、更に歪曲の小さい拡大投写プロジェクション装置に用いられる高精細な画像投影を行う簡易な小型なテレセントリックズームレンズを達成することができた。

以下、図面や表を用いて、本願発明の実施例１〜６について説明する。

実施例１〜６に関して、条件式（１）〜（１６）の値を計算した計算結果を表１に示す。

次に、実施例１〜６のレンズデータを表２〜７、実施例１〜６のレンズ構成を示す図を図１〜６、実施例１〜６のレンズ構成における収差図を図７〜１２に示す。

第１実施例は、色合成プリズムのパネル側（縮小側）にフィールド（コンデンサー）レンズがない実施例である。この例では広角端から望遠端に変位するのに際し、第３レンズ群と第４レンズ群の間隔が減少する例である。｜Ｍ３｜＜｜Ｍ４｜
第２実施例〜第５実施例は色合成プリズムのパネル側（縮小側）にフィールド（コンデンサー）レンズがある例である。第２実施例、第３実施例は、第４実施例、第５実施例と開口径（Ｆナンバー）が異なる例である。これらの例では広角端から望遠端に変位するのに際し、第３レンズ群と第４レンズ群の間隔が増大する例である。｜Ｍ３｜＞｜Ｍ４｜
第５実施例は最もＭ３／Ｍ４が大きな例であり、第３レンズ群のパワーが最も弱いものである。

第６実施例は色合成プリズムのパネル側（縮小側）にフィールド（コンデンサー）レンズがない実施例である。この例では広角端から望遠端に変位するのに際し、第３レンズ群と第４レンズ群の間隔が減少する例である。｜Ｍ３｜＜｜Ｍ４｜。この例が最もテレセントリックな構成から外れている例である。

ピント合わせは第１レンズ群で行うのが好ましいが、第１レンズ群と第２レンズ群同時に行う、または第６群で、あるいは複数の群で、特に有限距離で各群別な移動量にて距離合わせをしてもよく、又全体にて行っても表示パネルを移動して行なってもよい。

実施例１のレンズ構成を示す図 実施例２のレンズ構成を示す図 実施例３のレンズ構成を示す図 実施例４のレンズ構成を示す図 実施例５のレンズ構成を示す図 実施例６のレンズ構成を示す図 実施例１のレンズ構成における収差図 実施例２のレンズ構成における収差図 実施例３のレンズ構成における収差図 実施例４のレンズ構成における収差図 実施例５のレンズ構成における収差図 実施例６のレンズ構成における収差図

Claims (5)

1. 表示面の画像を、スクリーンに拡大投写する略テレセントリックなズームレンズにおいて、スクリーン側（拡大側）から順に、
   負の屈折力の第１レンズ群、
   正の屈折力の第２レンズ群、
   正の屈折力の第３レンズ群、
   正の屈折力の第４レンズ群、
   負の屈折力の第５レンズ群、
   正の屈折力の第６レンズ群を有し、
   広角端の焦点距離から望遠端の焦点距離に遷移する時に、前記第２レンズ群と第３レンズ群の間隔は狭くなることを特徴とするズームレンズ。
2. 広角端の焦点距離時から望遠端の焦点距離時に遷移する時、
   前記第５レンズ群は、望遠端において広角端よりスクリーン側（拡大側）にあることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のズームレンズ。
3. 広角端の焦点距離時から望遠端の焦点距離時に遷移する時、
   前記第４レンズ群は、望遠端において広角端よりスクリーン側（拡大側）にあり
   第２レンズ群は、望遠端において広角端よりパネル側（縮小側）にあることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のズームレンズ。
4. 第６レンズ群はズーミング中固定であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のズームレンズ。
5. 第１レンズ群はズーミング中固定であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のズームレンズ。
   

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