JP2005156804A - 投射用ズームレンズとそれを有する画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 ズーミングに伴う諸収差を良好に補正し、画面全体にわたり良好なる光学性能を有した液晶プロジェクター用に好適なズームレンズ及びそれを有する画像投射装置を得ること。
【解決手段】 最も前方側に負の屈折力のレンズ群が位置する5つ以上のレンズ群を有し、短焦点距離側から長焦点距離へのズーミングに際して、光軸上移動するレンズ群の内最も後方側にあるレンズ群は正又は負の屈折力を有し、残りのレンズ群は全て正の屈折力を有するズームレンズであって、該ズームレンズを構成する面の1以上の面に回折光学素子が設けられていること。
【選択図】図3
【解決手段】 最も前方側に負の屈折力のレンズ群が位置する5つ以上のレンズ群を有し、短焦点距離側から長焦点距離へのズーミングに際して、光軸上移動するレンズ群の内最も後方側にあるレンズ群は正又は負の屈折力を有し、残りのレンズ群は全て正の屈折力を有するズームレンズであって、該ズームレンズを構成する面の1以上の面に回折光学素子が設けられていること。
【選択図】図3
Description
本発明は、投射用ズームレンズ及びそれを有する画像投射装置に関し、例えばライトバルブ等の画像表示素子に表示された画像をスクリーン上に拡大投影する液晶プロジェクタ装置に好適なものである。
液晶パネル等の表示画像を拡大投影する液晶プロジェクタ等の投射型の画像表示装置は、近年大幅にその性能が向上し様々な場所で使用されるようになっている。この画像表示装置には、表示画像の画質、画像の明るさ、小型化、軽量化等の点に関してより一層の向上が求められている。
現在主流となっている液晶プロジェクタの1つとして、赤色、青色、緑色の波長領域用に各々液晶パネルを配置する、所謂「3板式液晶プロジェクタ」が知られている。この「3板式液晶プロジェクタ」は、3つの液晶パネルに表示された各色光に基づく画像を、スクリーン上に重ねて投影しカラー画像として表示するために光路上にダイクロイックプリズム等の色合成光学系を用いている。
このダイクロイックプリズム中のダイクロ膜の角度依存性により発生する投射画像の色むらや、液晶パネルの視向性により発生するコントラスト低下を防ぐために、投射光学系には縮小共役側の像面に対してテレセントリック性が要求されている。また、3つの液晶パネルの拡大画像の色ずれを少なくするため、投射レンズには倍率色収差を低減することが要求されている。更に、近年比較的明るい部屋の中でも画像を観察できるようにするため、液晶パネルにはマイクロレンズが採用されるようになっている。このため液晶パネルより放射する光の立体角が大きくなり、この光を有効利用するため、投射レンズにはより明るいものが求められるようになっている。
スクリーン側である拡大共役側より表示画像側である縮小共役側へ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、負の屈折力の第4レンズ群、正の屈折力の第5レンズ群、正の屈折力の第6レンズ群の6つのレンズ群より成り、変倍に際して第2レンズ群、第3レンズ群、第5レンズ群を移動させた液晶プロジェクタ用の投射用ズームレンズが知られている(例えば特許文献1)。
又拡大共役側より縮小共役側へ順に、負の屈折力の第1レンズ群、正の屈折力の第2レンズ群、負の屈折力の第3レンズ群、正の屈折力の第4レンズ群、正の屈折力の第5レンズ群より成り、画像の高精細化に大きな影響を与える色収差(特に倍率色収差)を回折作用を有する回折光学素子を用いて補正し、高性能化を図った投射用ズームレンズが知られている(例えば特許文献2,3)。
この他、拡大共役側から縮小共役側へ順に、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、負の屈折力の第4レンズ群、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(短焦点距離側)から望遠端の焦点距離(長焦点距離側)に変倍(ズーミング)する際に、該第2〜第5レンズ群中のうちの3つ以上のレンズ群を動かし、該第1レンズ群と該第6レンズ群は、変倍中固定である投射用ズームレンズにおいて、該複数のレンズ群のうちの1以上のレンズ群は、光軸に対して回転対称な回折型光学素子を有した投射用ズームレンズが知られている(例えば特許文献4,5)。
特開2001−108900号公報
特開2000−019400号公報
特開2001−066499号公報
特開2000−131641号公報
特開2000−182111号公報
一般に、画像表示素子として液晶パネルを用いたカラー液晶プロジェクタにおいては、投射光学系の諸収差のうち、特に色収差を良好に補正することが重要になっている。投射光学系の色収差が良好に補正されていないと投射像に色にじみが発生し、画質に悪影響を与えてしまう。更に最近では、プロジェクタ装置全体の小型化に伴う投射レンズの小型化への対応も課題となってきている。
本発明は、全変倍域における諸収差を良好に補正し、画面全体にわたり良好なる光学性能を有した、例えば液晶プロジェクタの投射光学系に好適なズームレンズの提供を目的とする。
本発明の投射用ズームレンズは、最も拡大共役側に負の屈折力のレンズ群が位置する5つ以上のレンズ群を有し、広角端から望遠端への変倍に際して、光軸上を移動するレンズ群の内最も縮小共役側にあるレンズ群は正又は負の屈折力を有し、残りのレンズ群は全て正の屈折力を有する投射用ズームレンズであって、該投射用ズームレンズを構成するレンズ面に回折光学素子を少なくとも1面以上設けられていることを特徴としている。
本発明によれば、全変倍域における諸収差を良好に補正し、画面全体にわたり良好なる光学性能を有した液晶プロジェクタ用に好適な投射用ズームレンズを得ることができる。
以下、図面を用いて本発明の投射用ズームレンズの実施例について説明する。
図1は、本発明の実施例1の投射用ズームレンズを用いた画像投射装置(液晶ビデオプロジェクタ)の要部概略図である。
図2、図3、図4は本発明の実施例1に対応する後述する数値実施例1の数値をmm単位表示した物体距離(第1レンズ群からの距離)2.8mのときの広角端(短焦点距離)と中間の焦点距離と望遠端(長焦点距離)における収差図である。
図5は、本発明の実施例2の投射用ズームレンズを用いた画像投射装置(液晶ビデオプロジェクタ)の要部概略図である。
図6、図7、図8は本発明の実施例2に対応する後述する数値実施例2の数値をmm単位表示した物体距離(第1レンズ群からの距離)2.8mのときの広角端(短焦点距離)と中間の焦点距離と望遠端(長焦点距離)における収差図である。
図9は、本発明の実施例3の投射用ズームレンズを用いた画像投射装置(液晶ビデオプロジェクタ)の要部概略図である。
図10、図11、図12は本発明の実施例3に対応する後述する数値実施例3の数値をmm単位表示した物体距離(第1レンズ群からの距離)2.8mのときの広角端(短焦点距離)と中間の焦点距離と望遠端(長焦点距離)における収差図である。
図13は、本発明の実施例4の投射用ズームレンズを用いた画像投射装置(液晶ビデオプロジェクタ)の要部概略図である。
図14、図15、図16は本発明の実施例4に対応する後述する数値実施例4の数値をmm単位表示した物体距離(第1レンズ群からの距離)2.8mのときの広角端(短焦点距離)と中間の焦点距離と望遠端(長焦点距離)における収差図である。
図1、図5、図9、図13の実施例1〜4における画像投射装置では液晶パネルLCD等に表示される原画(被投影画像)をズームレンズ(投影レンズ、投写レンズ)PLを用いてスクリーン面S上に拡大投影している状態を示している。
Sはスクリーン面(投影面)、LCDは液晶パネル(液晶表示素子)等の原画像(被投影画像)である。スクリーン面Sと原画像LCDとは共役関係にあり、一般にはスクリーン面Sは距離の長い方の共役点(拡大共役点)に、原画像LCDは距離の短い方の共役点(縮小共役点)に相当している。
GBは色合成プリズムや偏光フィルター、そしてカラーフィルター等のガラスブロックである。
ズームレンズPLは接続部材(不図示)を介して液晶ビデオプロジェクタ本体(不図示)に装着されている。ガラスブロックGB以降の液晶表示素子LCD側はプロジェクタ本体に含まれている。
各実施例では、最も拡大共役側に負の屈折力の第1レンズ群L1が位置する5つ以上のレンズ群を有している。
広角端から望遠端への変倍に際して、光軸上移動するレンズ群の内最も縮小共役側にあるレンズ群(図1、図5では第4レンズ群L4、図9、図13では第5レンズ群L5)は正又は負の屈折力を有し、残りのレンズ群はすべて正の屈折力を有している。
最も拡大共役側にある第1レンズ群L1と最も縮小共役側にあるレンズ群は変倍の際不動であり、残りのレンズ群の内少なくとも2つのレンズ群は広角端から望遠端への変倍に際して縮小共役側から拡大共役側に移動している。前記投射用ズームレンズを構成するレンズ面の内少なくとも1面以上に回折光学素子が設けられている。
具体的には、図1、図5の実施例1,2において、L1〜L5は順に第1〜第5レンズ群であり、広角端から望遠端への変倍に際して、第2〜第4レンズ群L2〜L4を矢印の如く前方へ移動させている。図9、図13の実施例3,4においてL1〜L6は順に第1〜第6レンズ群である。
広角端から望遠端への変倍に際して矢印の如く、図9の実施例3では第2レンズ群L2を往復移動させ、第3〜第5レンズ群L3〜L5を前方へ移動させている。又図13の実施例4では、第2〜第5レンズ群L2〜L5を拡大共役側へ移動させている。
各実施例において、変倍に際して、第1レンズ群L1と縮小共役側のレンズ群(図1、図5の実施例1,2では第5レンズ群L5、図9、図13の実施例3,4では第6レンズ群L6)は移動しない。
第1レンズ群L1を光軸上移動させてフォーカスを行っている。
各レンズ面には多層コートが施されており、これによって、スクリーン面S上での照度の低下を防止している。
図2〜4、図6〜8、図10〜12、図14〜16の収差図においてGは波長550nm、Rは波長650nm、Bは波長470nmでの収差を示し、S(サジタル像面の倒れ)、M(メリジオナル像面の倒れ)はどちらも波長550nmでの収差を示す。ωは半画角、FnoはFナンバーである。
各実施例では、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構成をすることにより、広画角化及び長いバックフォーカスの確保を容易にしている。
また、変倍の際の可動レンズ群を3成分以上として、変倍による収差変動を補正し、全変倍範囲にわたり高い光学性能を得ている。
また、変倍の際して第1レンズ群と最も後方のレンズ群をともに像面(LCD)に対して固定としている。これにより、投写レンズ部の堅牢性を確保し、また変倍の際に有効径の大きなレンズ群(第1レンズ群)を固定することにより重量バランスの変化を少なくし、機構面で有利に作用するようにしている。
該第2レンズ群L2と該第3レンズ群L3の間、若しくは該第3レンズ群L3と該第4レンズ群L4の間に絞りSPを有し、回折光学素子DOEは該絞りSPよりも縮小共役側に配置されており、回折光学素子DOEの設計波長における設計回折次数の回折光に対する屈折力をφDOE、短焦点距離における全系の屈折力をφwとするとき、
0.01 < φDOE / φw < 0.03・・・・・(1)
の条件式を満足している。
0.01 < φDOE / φw < 0.03・・・・・(1)
の条件式を満足している。
条件式(1)は、回折光学素子DOEの屈折力と広角端における光学系全系の屈折力との関係に関するものである。条件式(1)の下限値を超えると、回折光学素子DOEの屈折力が弱まり、実施例1,2では第5レンズ群L5内、実施例3,4では第6レンズ群L6内で発生する軸上色収差及び倍率色収差が大きく成り過ぎ、光学系全体での軸上色収差及び倍率色収差に対して補正過剰になるので好ましくない。条件式(1)の上限値を超えると、回折光学素子DOEの屈折力が強まり、実施例1,2では第5レンズ群L5内で、実施例3,4では第6レンズ群L6内で発生する軸上色収差及び倍率色収差が小さく成り過ぎ、光学系全体での軸上色収差及び倍率色収差に対して補正不足になるので好ましくない。
更に好ましくは条件式(1)の数値範囲を次の如く設定するのが良い、
0.015 < φDOE φw < 0.02・・・・・(1a)
広角端から望遠端への変倍に際して移動するレンズ群の内最も縮小共役側にあるレンズ群aは、拡大共役側から縮小共役側へ順に、拡大共役の面が凸のメニスカス形状の負レンズ、
拡大共役側に強い屈折力を有する負レンズと縮小共役側に強い屈折力を有する正レンズとを接合した接合レンズ、
縮小共役側に強い屈折力を有する正レンズを有している。
0.015 < φDOE φw < 0.02・・・・・(1a)
広角端から望遠端への変倍に際して移動するレンズ群の内最も縮小共役側にあるレンズ群aは、拡大共役側から縮小共役側へ順に、拡大共役の面が凸のメニスカス形状の負レンズ、
拡大共役側に強い屈折力を有する負レンズと縮小共役側に強い屈折力を有する正レンズとを接合した接合レンズ、
縮小共役側に強い屈折力を有する正レンズを有している。
そして該レンズ群aの広角端から望遠端への変倍に際しての移動量(移動量Maの符号は拡大共役側から縮小共役側へ移動するときを正、その逆を負とする。)をMa、該レンズ群aの焦点距離をfaとするとき、
0.001 < |Ma / fa| < 0.2・・・・・(2)
の条件式を満足している。
0.001 < |Ma / fa| < 0.2・・・・・(2)
の条件式を満足している。
条件式(2)は、変倍に際して移動するレンズ群の内最も縮小共役側にあるレンズ群aの移動量と該レンズ群aの焦点距離とに関するものである。実施例1及び実施例2では第4レンズ群がこれに当り、一方実施例3及び実施例4では第5レンズ群がこれに当る。条件式(2)の下限値を超えると、該レンズ群aの負の屈折力が強くなり過ぎ、像面(液晶パネル面)に対するテレセントリック性が崩れてくるので好ましくない。条件式(2)の上限値を超えると、該レンズ群aの正の屈折力が強くなり過ぎ、色合成プリズム等のガラスブロックを配置するのに必要な長いバックフォーカスを得られなくなるので好ましくない。
更に好ましくは条件式(2)の数値範囲を次の如く設定するのが良い、
0.002 < |Ma / fa| < 0.1・・・・・(2a)
最も拡大共役側の第1レンズ群L1は、拡大共役側から縮小共役側へ順に、両凸形状の正の屈折力の第11レンズ、拡大共役側の面が凸のメニスカス形状の負の屈折力の第12レンズ、両凹形状の負の屈折力の第13レンズより成り、該第11レンズの材料のd線のアッベ数をνd1pa、該第12レンズと第13レンズの材料のd線のアッベ数の平均値をνd1naとするとき、
35 < νd1la ・・・・・(3)
35 < νd1na < 75・・・・・(4)
の条件式を満足している。
0.002 < |Ma / fa| < 0.1・・・・・(2a)
最も拡大共役側の第1レンズ群L1は、拡大共役側から縮小共役側へ順に、両凸形状の正の屈折力の第11レンズ、拡大共役側の面が凸のメニスカス形状の負の屈折力の第12レンズ、両凹形状の負の屈折力の第13レンズより成り、該第11レンズの材料のd線のアッベ数をνd1pa、該第12レンズと第13レンズの材料のd線のアッベ数の平均値をνd1naとするとき、
35 < νd1la ・・・・・(3)
35 < νd1na < 75・・・・・(4)
の条件式を満足している。
条件式(3)及び(4)は、第1レンズ群L1を構成する各レンズの材質のアッベ数(d線)に関し、主に軸上色収差及び倍率色収差を良好に補正するための条件である。条件式(3)の下限値及び条件式(4)の上限値を超えると、第1レンズ群L1内で発生する軸上色収差及び倍率色収差が小さく成り過ぎ、レンズ系全体での軸上色収差及び倍率色収差が補正不足になってしまい好ましくない。条件式(4)の下限値を超えると、第1レンズ群L1内で発生する軸上色収差及び倍率色収差が大きく成り過ぎ、レンズ系全体での前記軸上色収差及び倍率色収差が補正過剰になってしまい、光学系全体の基準状態の色収差が大きく悪化することになり好ましくない。
更に好ましくは条件式(3)、(4)の数値を次の如く設定するのが良い、
40 < νd1pa ・・・・・(3a)
40 < νd1na <65・・・・・(4a)
次に、本発明の各実施例を各図に対応させながら説明する。
40 < νd1pa ・・・・・(3a)
40 < νd1na <65・・・・・(4a)
次に、本発明の各実施例を各図に対応させながら説明する。
図1の実施例1は、拡大共役側より縮小共役側へ順に、負の屈折力の第1レンズ群L1、正の屈折力の第2レンズ群L2、正の屈折力の第3レンズ群L3、正の屈折力の第4レンズ群L4、正の屈折力の第5レンズ群L5の5群構成の投射用ズームレンズであり、第5レンズ群L5に回折光学素子DOEを導入している。回折光学素子DOEは第5レンズ群L5内の接合レンズの接合面に設けている。最も拡大共役側に負の屈折力の第1レンズ群L1を配置し、全体としてレトロフォーカス型のレンズ構成をとることで、色合成プリズム等のガラスブロックを光学系と像面との間に配置するのに必要な長いバックフォーカスを得ている。一方最も縮小共役側に正の屈折力の第5レンズ群L5を配置して、像面(液晶パネル面)に対してテレセントリックにしている。
各レンズ群内のレンズ構成は以下の通りである。
第1レンズ群L1は、拡大共役側から縮小共役側へ順に、両凸形状の正の屈折力の第11レンズ、拡大共役側の面が凸のメニスカス形状の負の屈折力の第12レンズ、両凹形状の負の屈折力の第13レンズより成っている。第11レンズは最も軸外の光束が通る位置で歪曲収差の補正を行い、第12レンズは第1レンズ群L1内で発生するコマ収差を小さくするために、上記レンズ形状がとられている。また第13レンズは、第13レンズに入射する光線を跳ね上げ、長いバックフォーカスを得るために配置している。
第2レンズ群L2は両凸形状の正の屈折力の第21レンズの1枚より成っている。第21レンズは、第1レンズ群L1内で発生する球面収差及び歪曲収差を打ち消す働きをしている。
第3レンズ群L3は拡大共役側から縮小共役側へ順に、縮小共役側に強い正の屈折力を有する第31レンズと縮小共役側の面が凸でメニスカス形状の負の屈折力の第32レンズとを接合した接合レンズ31より成っている。接合レンズ31は第1レンズ群L1及び第2レンズ群L2で発生する像面湾曲(ペッツバール和)を打ち消している。
前記第4レンズ群L4は拡大共役側から縮小共役側へ順に、拡大共役側の面が凸形状の正の屈折力の第41レンズ、縮小共役側に強い負の屈折力を有する第42レンズ、拡大共役側に強い負の屈折力を有する第43レンズと縮小共役側に強い正の屈折力を有する第44レンズとを接合した接合レンズ43、縮小共役側に強い正の屈折力を有する第45レンズより成っている。第41レンズは、第4レンズ群L4内で発生する像面湾曲(ペッツバール和)を小さくするため、上記形状がとられている。第42レンズは、第2レンズ群L2と第3レンズ群L3で発生するコマ収差及び第3レンズ群L3で発生する非点収差を打ち消す働きをし、接合レンズ43を形成する第43レンズは、第43レンズに入射する光線を跳ね上げ、長いバックフォーカスを得るために、第45レンズは、光線を像面(液晶パネル面)に対してテレセントリックにするために配置している。また、接合レンズ43は、第3レンズ群L3で発生する球面収差を打ち消す働きをしている。
第5レンズ群L5は、拡大共役側に強い正の屈折力を有する第51レンズと正の屈折力の第52レンズとを接合した接合レンズ51より成っている。そして接合レンズ51の接合面に回折光学素子が設けられている。接合レンズ51は、第3レンズ群L3及び第4レンズ群L4で発生した歪曲収差及び倍率色収差を打ち消す働きをしている。
図5の実施例2は、拡大共役側より縮小共役側へ順に、負の屈折力の第1レンズ群L1、正の屈折力の第2レンズ群L2、正の屈折力の第3レンズ群L3、負の屈折力の第4レンズ群L4、正の屈折力の第5レンズ群L5の5群構成の投射用ズームレンズであり、第5レンズ群L5に回折光学素子DOEを導入している。回折光学素子DOEは第5レンズ群L5内の接合レンズの接合面に設けている。
各レンズ群内のレンズ構成は以下の通りである。
第1レンズ群L1及び第5レンズ群L5内のレンズ構成は、図1の実施例1と同様の構成をしており、且つ各レンズの働きもほぼ同様である。
第2レンズ群L2は拡大共役側から縮小共役側へ順に、負の屈折力の第21レンズ、縮小共役側に強い正の屈折力を有する第22レンズ、拡大共役側に強い正の屈折力を有する第23レンズより成っている。第22レンズは、第1レンズ群L1内で発生する歪曲収差を打ち消す働きをし、第23レンズは、第1レンズ群L1内で発生する球面収差を打ち消す働きをしている。第21レンズと第22レンズの間に空気レンズを設けることで、第1レンズ群L1内で発生する像面湾曲(ペッツバール和)を打ち消している。
第3レンズ群L3は拡大共役側に強い正の屈折力を有する第31レンズの1枚より成っている。第31レンズは、第3レンズ群L3内で発生する球面収差を小さくするため、上記形状をなしている。
第4レンズ群L4は拡大共役側から縮小共役側へ順に、縮小共役側に強い負の屈折力を有する第41レンズ、拡大共役側に強い負の屈折力を有する第42レンズと縮小共役側に強い正の屈折力を有する第43レンズとを接合した接合レンズ42、縮小共役側に強い正の屈折力を有する第44レンズより成っている。第41レンズは、第1レンズ群L1から第3レンズ群L3までで発生する非点収差を打ち消す働きをしている。接合レンズ42を構成する第42レンズは、第42レンズに入射する光線を跳ね上げ、長いバックフォーカスを得ている。第44レンズは、光線を像面(液晶パネル面)に対してテレセントリックにするために配置している。また、接合レンズ42は第3レンズ群L3で発生する像面湾曲(ペッツバール和)を打ち消す働きをしている。
図9の実施例3は、拡大共役側より縮小共役側へ順に、負の屈折力の第1レンズ群L1、正の屈折力の第2レンズ群L2、正の屈折力の第3レンズ群L3、正の屈折力の第4レンズ群L4、正の屈折力の第5レンズ群L5、正の屈折力の第6レンズ群L6の6群構成の投射用ズームレンズであり、第6レンズ群L6に回折光学素子DOEを導入している。回折光学素子DOEは接合レンズの接合面に設けている。
各レンズ群内のレンズ構成は以下の通りである。
第1レンズ群L1と第2レンズ群L2のレンズ構成は、実施例1と同様であり、かつ各レンズの作用も略同じである。
第3レンズ群L3は拡大共役側から縮小共役側へ順に、正の屈折力の第31レンズと縮小共役側の面が凸でメニスカス形状の負の屈折力の第32レンズとを接合した接合レンズ31より成っている。接合レンズ31は第1レンズ群L1及び第2レンズ群L2で発生する像面湾曲(ペッツバール和)を打ち消している。
第4レンズ群L4は拡大共役側の面が凸形状の正の屈折力の第41レンズより成っている。第41レンズは、第4レンズ群L4内で発生する球面収差を小さくするような形状となっている。
第5レンズ群L5は拡大共役側から縮小共役側へ順に、負の屈折力の第51レンズ、拡大共役側に強い負の屈折力を有する第52レンズと縮小共役側に強い正の屈折力を有する第53レンズとを接合した接合レンズ52、縮小共役側に強い正の屈折力を有する第54レンズより成っている。第51レンズは第2レンズ群L2から第4レンズ群L4までで発生するコマ収差及び非点収差を打ち消す働きをしている。第52レンズは、第52レンズに入射する光線を跳ね上げ、長いバックフォーカスを得るために、第54レンズは、光線を像面(液晶パネル面)に対してテレセントリックにするために配置されている。また、接合レンズ52は、第3レンズ群L3及び第4レンズ群L4で発生した球面収差を打ち消す働きをしている。
第6レンズ群L6は、拡大共役側に強い正の屈折力を有する第61レンズと、正の屈折力の第62レンズとを接合した接合レンズ61より成っている。接合レンズ61の接合面に回折光学素子DOEが設けられている。接合レンズ61により、第1レンズ群L1から第5レンズ群L5で発生した歪曲収差及び倍率色収差を打ち消す働きをしている。
図13の実施例4は、拡大共役側より縮小共役側へ順に、負の屈折力の第1レンズ群L1、正の屈折力の第2レンズ群L2、正の屈折力の第3レンズ群L3、正の屈折力の第4レンズ群L4、負の屈折力の第5レンズ群L5、正の屈折力の第6レンズ群L6の6群構成の投射用ズームレンズであり、第6レンズ群L6に回折光学素子DOEを導入している。回折光学素子DOEは接合レンズの接合面に設けている。
各レンズ群内のレンズ構成は以下の通りである。
第1レンズ群L1及び第6レンズ群L6内のレンズ構成は、実施例3と同様の構成をしており、且つ各レンズの働きもほぼ同様である。
第2レンズ群L2は拡大共役側から縮小共役側へ順に、負の屈折力の第21レンズと縮小共役側に強い正の屈折力を有する第22レンズより成っている。第21レンズと第22レンズの間に空気レンズを設けることで、第2レンズ群L2内で発生する球面収差及び非点収差を抑えている。
第3レンズ群L3は拡大共役側に強い正の屈折力を有する第31レンズより成っている。第31レンズにより、第1レンズ群L1内で発生する球面収差及び歪曲収差を打ち消す働きをしている。
第4レンズ群L4は拡大共役側に強い正の屈折力を有する第41レンズより成っている。第41レンズは、第2レンズ群L2内で発生する歪曲収差を打ち消す働きをしている。
第5レンズ群L5は拡大共役側から縮小共役側へ順に、縮小共役側に強い負の屈折力を有する第51レンズ、拡大共役側に強い負の屈折力を有する第52レンズと縮小共役側に強い正の屈折力を有する第53レンズとを接合した接合レンズ52、縮小共役側に強い正の屈折力を有する第54レンズより成っている。第51レンズは、第1レンズ群L1から第4レンズ群L4までで発生する非点収差を打ち消す働きをしている。第52レンズは、第52レンズに入射する光線を跳ね上げ、長いバックフォーカスを得るために、第54レンズは、光線を像面(液晶パネル面)に対してテレセントリックにするために配置されている。また、接合レンズ52は第4レンズ群L4で発生する球面収差を打ち消す働きをしている。
各実施例で用いる回折光学素子の構造としては、例えば図17に示す1層のキノフォーム形状から成る単層構成のものや、図18に示すような格子厚の異なる(又は同一の)2つの層を積み上げた積層構成のもの等が適用可能である。
図19は図17に示す回折光学素子101の1次回折光の回折効率の波長依存性を示している。実際の回折光学素子101の構成は、図17に示すように、基材102の表面に紫外線硬化樹脂を塗布し、樹脂部に波長550nmで1次回折光の回折効率が100%となるような格子厚dの回折格子103を形成している。
図19で明らかなように、設計次数の回折効率は最適化した波長550nmから離れるに従って低下し、一方設計次数(1次)近傍の次数の0次回折光と2次回折光の回折効率が増大している。その設計次数以外の回折光の増加はフレアとなり、光学系(ズームレンズ)の解像度の低下につながる。
図18に示す2つの回折格子104、105を積層した積層型の回折光学素子の波長依存特性を図20に示す。図18では、基材102上に紫外線硬化樹脂(屈折率nd=1.499、アッベ数vd=54)から成る第1の回折格子104を形成し、その上に別の紫外線硬化樹脂(屈折率nd=1.598、アッベ数vd=28)から成る第2の回折格子105を形成している。この材質の組合せでは、第1の回折格子104の格子厚d1はd1=13.8μm、第2の回折格子105の格子厚d2はd2=10.5μmとしている。図20から判るように、積層構造の回折光学素子にすることで、設計次数の回折効率は、使用波長全域で95%以上の高い回折効率を有している。
尚、本発明に適用可能な回折光学素子として、材質を紫外線硬化樹脂に限定するものではなく、他のプラスチック材なども使用できるし、基材によっては第1の回折格子部104を直接レンズ面に形成しても良い。また各格子厚が必ずしも必要はなく、材料の組合せでは図21に示すように2つの格子厚を等しくできる。この場合、回折光学素子101の表面に格子形状が形成されないので、防塵性に優れ、回折光学素子の組立作業性が向上し、より安価な光学系を提供できる。
更に積層型の回折光学素子において、使用する2つの樹脂材料の選択性を広げ、且つ光学特性を向上させるには、図22のように空気層を樹脂層同士の間に挟むことが好ましい。図22では、基材102上に紫外線硬化樹脂(屈折率nd=1.635、アッベ数vd=22.1)から成る第1の回折格子107を形成し、前記回折格子107に対し、互いの鋸の山の部分の間隔を約1.5μm程度離れた場所に、別の紫外線硬化樹脂(屈折率nd=1.513、アッベ数vd=50.0)から成る第2の回折格子106を空気層を挟んで形成した積層型構造の回折光学素子101である。図22の積層型の回折光学素子101の際、図23のように全波長域で高い回折効率を得ることができる。尚この材質の組合せでは、第1の回折格子107の格子厚d1はd1=6.8μm、第2の回折格子106の格子厚d2はd2=9.5μmとしている。
以上のように、各実施例で用いる回折光学素子の構造としては、特に図22のような2つの樹脂層の間に空気層を設けた積層型の回折光学素子であると、より高い光学性能を得ることができる。
尚、各実施例で用いる回折光学素子101の形状ψは、次式によって表される。
ここで、Hは光軸に対して垂直方向の高さ、mは設計次数(ここではm=1次)、λ0は設計波長(ここでは波長550nm)、Ciは位相係数(i=1,2,3…)を各々表している。この上記(a)式より明らかなように、光軸からの距離Hによって位相を調整している。レンズ径(レンズ有効径)が大きければ大きい程、高次の係数の影響を大きくすることができるようになっている。また、任意の波長λ、設計次数m(ここではm=1次)に対する回折光学素子の屈折力φDは、最も低次の位相係数C1を用いて以下のように表すことができる。
更に各実施例において、前記回折光学素子を導入する光学系中の位置として、以下の条件を満足する位置に導入すると、色収差を良好に補正することができる。
ここで、前記回折光学素子を導入する位置の検討を行うにあたって、問題を簡単に取り扱うために、光学系を図24(A)、(B)のような薄肉単レンズで構成された近軸配置を用いて考えることにする。図24(A)は回折光学素子Dが絞りSPより拡大共役側に配置された場合を、図24(B)は前記回折光学素子Dが絞りSPより縮小共役側に配置された場合を各々表している。また各図中のMは光学系を構成する屈折光学系の部分を、Dは回折光学素子を、Pは近軸軸上光線を、Qは瞳近軸光線を、IPは像面を各々表している。
屈折光学系(薄肉単レンズ)と回折光学素子から成る光学配置(図24(A)、(B))において、この光学系の軸上色収差係数(L)及び倍率色収差係数(T)は以下のように表される。
但し、
φM : 光学系を構成する屈折光学系部分(薄肉単レンズ)の屈折力。
φD : 回折光学素子の設計次数の回折光に対する屈折力(パワー)。
νm : 光学系を構成する屈折光学系部分(薄肉単レンズ)のアッベ数。
νD : 回折光学素子の換算アッベ数。(−3.45相当)
hM : 光学系を構成する屈折光学系部分(薄肉単レンズ)へ入射する近軸軸上光線の高さ。
hD : 回折光学素子へ入射する近軸軸上光線の高さ。
φM : 光学系を構成する屈折光学系部分(薄肉単レンズ)の屈折力。
φD : 回折光学素子の設計次数の回折光に対する屈折力(パワー)。
νm : 光学系を構成する屈折光学系部分(薄肉単レンズ)のアッベ数。
νD : 回折光学素子の換算アッベ数。(−3.45相当)
hM : 光学系を構成する屈折光学系部分(薄肉単レンズ)へ入射する近軸軸上光線の高さ。
hD : 回折光学素子へ入射する近軸軸上光線の高さ。
を各々表している。
また、軸上色収差係数(L)及び倍率色収差係数(T)の各色収差係数と軸上色収差及び倍率色収差の各色収差との間には、次の関係式が成り立っている。
但し、ωは各光線の半画角を表している。
液晶プロジェクタ等に使用する投影用の屈折光学系の色収差は、一般的に軸上及び倍率色収差ともに正側に発生する傾向にあることから、この場合の屈折光学系全系の軸上色収差係数及び倍率色収差係数ともに、前記(e)式より負の値になる。すなわち、前記(c)式及び(d)式において、
液晶プロジェクタ等に使用する投影用の屈折光学系の色収差は、一般的に軸上及び倍率色収差ともに正側に発生する傾向にあることから、この場合の屈折光学系全系の軸上色収差係数及び倍率色収差係数ともに、前記(e)式より負の値になる。すなわち、前記(c)式及び(d)式において、
となる。
この屈折光学系で発生した軸上及び倍率色収差の補正をするには、3次収差係数のレベルで考えると、屈折光学系と回折光学素子より成る光学系の全系の各色収差係数L、T(前記(c)、(d)式)の値が各々0に近づけば良いことになる。前述より、屈折光学系部分の軸上色収差係数及び倍率色収差係数ともに負の値であること((f)式)と、前記(c)、(d)式を考慮し、全系(屈折光学系部分+回折光学素子)の各色収差係数L、Tの値を0に近づけるには、回折光学素子の軸上色収差係数及び倍率色収差係数とも正の値にすれば良い。すなわち、前記(c)式及び(d)式において、
となれば良く、上記(g)式を同時に満たす位置に回折光学素子を導入すれば、軸上及び倍率色収差を同時に補正することができる。
ここで、図24(A)のように、回折光学素子Dが絞りSPよりも拡大共役側に配置された場合を考える。この時、回折光学素子Dの位置において、
となり、上記(g)の2式を同時に満足するような回折光学素子の屈折力φDが存在しないことになる。これは、この位置に回折光学素子を配置すると、軸上色収差又は倍率色収差の内どちらか一方の色収差は補正される方向にあるが、もう一方の色収差は増大してしまう方向にあることを意味しており、両色収差を同時に補正することができなくなるので、回折光学素子Dを前記絞りSPよりも拡大共役側に配置するのは好ましくない。
一方、図24(B)のように、回折光学素子Dが絞りSPよりも縮小共役側に配置された場合を考えると、回折光学素子Dの位置において、
となる。この時、上記(g)の2式を同時に満足するような回折光学素子の屈折力φDが存在し、前記軸上色収差及び倍率色収差を同時に補正する方向にある。従って、回折光学素子Dを絞りSPよりも縮小共役側に配置する方が好ましい。
以上のことを、本発明の各実施例について対応させると、実施例2では絞りSPが第2レンズ群L2と第3レンズ群L3の間にあり、残りの各実施例1,3,4では絞りSPが第3レンズ群L3と第4レンズ群L4の間にある。従って値実施例2では絞りSPよりも縮小共役側にあるレンズ群、つまり第3レンズ群L3、第4レンズ群L4又は第5レンズ群L5のいずれかのレンズ群に、実施例1では第4レンズ群L4又は第5レンズ群L5のレンズ群に、残りの実施例3,4では第4レンズ群L4、第5レンズ群L5又は第6レンズ群L6のいずれかのレンズ群に回折光学素子DOEを導入すれば、軸上色収差及び倍率色収差の両者の色収差を同時に補正する方向にあり好ましい。また、その中でも、回折光学素子を設ける面は、近軸軸上光線と瞳近軸光線の光軸からの高さができるだけ高い部分に配置した方がより色収差の補正に効果があることから(前記(c)、(g)式及び図24(b)より)、できるだけ縮小共役側に近いレンズ群に設けた方が好ましいことと、最も外側のレンズ面は塵や光源からの熱の影響を受けるためなるべく避けた方が良いこと等を考慮すると、特に実施例1及び実施例2では第5レンズ群L5内の接合面に、実施例3及び実施例4では第6レンズ群L6内の接合面に導入することが好ましい。
更に、回折光学素子を設ける面として、各光学系を通過する軸上光線及び軸外光線が、各光線入射位置における法線方向に対して角度に差が生じると、回折効率が劣化することが懸念される為、軸上光線及び軸外光線に対して、できるだけコンセントリックなレンズ面に設定することが尚好ましい。
これらの回折光学素子は、光学面の上に施されるのであるが、そのベースは球面若しくは平面あるいは非球面あるいは2次曲面でも良い。また、それらの光学面にプラスチック等の膜を上記回折光学面として添付する方法(いわゆるレプリカ非球面)で作成しても良い。
本実施例における回折光学素子の製法としては、バイナリオプティクス形状をフォトレジストにより直接レンズ表面に成形する方法の他に、この方法によって作成した型を用いるレプリカ成形やモールド成形を行う方法が適用可能である。また、鋸状形状のキノフォームにすれば、回折効率が上がり、理想値に近い回折効率が期待できる。
各実施例では、以上のような構成の回折光学素子を用いることによって、諸収差特に色収差が十分補正され、且つレンズ全長の短縮がなされた光学系(ズームレンズ)を実現している。
以下に実施例の1〜4の投射用ズームレンズの数値データに各々対応する数値実施例1〜4を示す。各数値実施例においてはiは拡大共役側から縮小共役側へ光学面の順序を示し、riは第i番目の光学面(第i面)の曲率半径、diは第i面と第i+1面との間の間隔、niとνiはそれぞれd線に対する第i番目の光学部材の材料の屈折率、アッベ数を示す。fは焦点距離、FnoはFナンバーである。
また、数値実施例1、3の最も後方の2つの面、数値実施例2、4の最も後方の4つの面は、色分解プリズム、フェースプレート、各種フィルター等に相当するガラスブロックGBを構成する面である。
C1、C2、C3は式(a)における位相係数である。
前述の各条件式1〜4と数値実施例1〜4における諸数値との関係を表1に示す。
以上のように、各実施例によれば最も拡大共役側にあるレンズ群が負の屈折力を有する5つ以上のレンズ群で構成され、広角端から望遠端への変倍の際、移動するレンズ群の内最も縮小共役側にあるレンズ群は正又は負の屈折力を有し、残りのレンズ群は全て正の屈折力で構成された投射用ズームレンズにおいて、前記投射用ズームレンズのいずれかのレンズ面に回折光学素子を少なくとも1面以上設け、且つ各レンズ群の屈折力や広角端から望遠端への変倍に伴う各レンズ群の移動条件等を適切に設定することにより、諸収差(特に倍率色収差)を補正することは勿論のこと、レンズ全長が小型で且つFno1.6と明るいズームレンズを実現している。
図25は本発明の投射用ズームレンズを用いた実施例の要部概略図である。
図25は本発明の投射用ズームレンズを用いた実施例の要部概略図である。
同図は前述した投射用ズームレンズを3板式のカラー液晶プロジェクタに適用し複数の液晶表示素子に基づく複数の色光の画像情報を色合成手段を介して合成し、投射用ズームレンズでスクリーン面上に拡大投射する画像投射装置を示している。図25においてカラー液晶プロジェクタ1は、R、G、Bの3枚の液晶パネル5B、5G、5RからのRGBの各色光を色合成手段としてのプリズム2で1つの光路に合成し、前述したズームレンズより成る投影レンズ3を用いてスクリーン4に投影している。
図26は、本発明のズームレンズを用いた光学機器の実施例の要部概略図である。本実施例ではビデオカメラ、フィルムカメラ、デジタルカメラ等の撮像装置を含む光学機器に撮影レンズとして前述したズームレンズを用いた例を示している。
図26においては被写体9の像を撮影レンズ8で感光体7に結像し、画像情報を得ている。
L1 第1レンズ群
L2 第2レンズ群
L3 第3レンズ群
L4 第4レンズ群
L5 第5レンズ群
L6 第6レンズ群
LCD 液晶表示装置(像面)
GB 硝子ブロック(色合成プリズム)
ΔS Sagittal像面の倒れ
ΔM Meridional像面の倒れ
1 液晶プロジェクター
2 色合成手段
3 投射レンズ
4 スクリーン
5(5B、5G、5R) 液晶パネル
6 撮像装置
7 撮像手段
8 ズームレンズ
9 被写体
101 回折光学素子
103〜107 回折格子
L2 第2レンズ群
L3 第3レンズ群
L4 第4レンズ群
L5 第5レンズ群
L6 第6レンズ群
LCD 液晶表示装置(像面)
GB 硝子ブロック(色合成プリズム)
ΔS Sagittal像面の倒れ
ΔM Meridional像面の倒れ
1 液晶プロジェクター
2 色合成手段
3 投射レンズ
4 スクリーン
5(5B、5G、5R) 液晶パネル
6 撮像装置
7 撮像手段
8 ズームレンズ
9 被写体
101 回折光学素子
103〜107 回折格子
Claims (8)
- 最も拡大共役側に負の屈折力のレンズ群が位置する5つ以上のレンズ群を有し、広角端から望遠端への変倍に際して、光軸上移動するレンズ群の内最も縮小共役側にあるレンズ群は正又は負の屈折力を有し、残りのレンズ群は全て正の屈折力を有する投射用ズームレンズであって、該投射用ズームレンズを構成するレンズ面に回折光学素子を少なくとも1面以上設けていることを特徴とする投射用ズームレンズ。
- 前記投射用ズームレンズにおいて、広角端から望遠端へ変倍する際、最も拡大共役側にあるレンズ群及び最も縮小共役側にあるレンズ群は固定であり、残りのレンズ群の内少なくとも2つのレンズ群は縮小共役側から拡大共役側に移動することを特徴とする請求項1に記載の投射用ズームレンズ。
- 前記投射用レンズにおける前記各レンズ群を拡大共役側から縮小共役側へ順に第1、第2、・・・・・第iレンズ群としたとき、該第2レンズ群と該第3レンズ群の間、若しくは該第3レンズ群と該第4レンズ群の間に絞りを有し、前記回折光学素子は該絞りよりも縮小共役側に配置されており、該回折光学素子の設計波長における設計回折次数の回折光に対する屈折力をφDOE、広角端における全系の屈折力をφwとするとき、
0.01 < φDOE / φw < 0.03
の条件式を満足することを特徴とする請求項1又は2に記載の投射用ズームレンズ。 - 広角端から望遠端への変倍に際して移動するレンズ群の内最も縮小共役側にあるレンズ群aは、拡大共役側から縮小共役側へ順に、拡大共役側の面が凸のメニスカス形状の負レンズ、拡大共役側に強い屈折力を有する負レンズと縮小共役側に強い屈折力を有する正レンズとを接合した接合レンズ、縮小共役側に強い屈折力を有する正レンズを有し、該レンズ群aの広角端から望遠端への変倍に際しての移動量をMa、該レンズ群aの焦点距離をfaとするとき、
0.001 < |Ma / fa| < 0.2
の条件式を満足することを特徴とする請求項1,2又は3に記載の投射用ズームレンズ。 - 最も拡大共役側の第1レンズ群は、拡大共役側から縮小共役側へ順に、両凸形状の正の屈折力の第11レンズ、拡大共役側の面が凸のメニスカス形状の負の屈折力の第12レンズ、両凹形状の負の屈折力の第13レンズより成り、該第11レンズの材料のd線のアッべ数をνd1pa、該第12レンズと第13レンズの材料のd線のアッベ数の平均値をνd1naとするとき、
35 < υd1pa
35 < υd1na < 75
の条件式を満足することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項の投射用ズームレンズ。 - 前記回折光学素子は、単層型の回折光学素子、若しくは複数の層を積層した積層型の回折光学素子より成ることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項の投射用ズームレンズ。
- 前記回折光学素子は、2つの回折格子を近接配置した積層型の回折光学素子より成ることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項の投射用ズームレンズ。
- 画像表示素子と請求項1から7のいずれか1項の投射用ズームレンズとを有し、該投射用ズームレンズを用いて画像表示素子に表示された原画をスクリーン面上に投影していることを特徴とする画像投射装置。
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