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

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

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。

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。

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。

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。

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。

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）、λ_０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φ_Ｄは、最も低次の位相係数Ｃ_１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、
φ_Ｍ ： 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。
φ_Ｄ ： 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）。
ν_ｍ ： 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。
ν_Ｄ ： 回折光学素子の換算アッベ数。（−３．４５相当）
ｈ_Ｍ ： 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。
ｈ_Ｄ ： 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、

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φ_Ｄ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φ_Ｄ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。

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。

本発明の実施例１のレンズ断面図 数値実施例１のズームレンズをｍｍ単位で表わしたときの物体距離２．８ｍのときの広角端における収差図 数値実施例１のズームレンズをｍｍ単位で表わしたときの物体距離２．８ｍのときの中間の焦点距離における収差図 数値実施例１のズームレンズをｍｍ単位で表わしたときの物体距離２．８ｍのときの望遠端における収差図 本発明の実施例２のレンズ断面図 数値実施例２のズームレンズをｍｍ単位で表わしたときの物体距離２．８ｍのときの広角端における収差図 数値実施例２のズームレンズをｍｍ単位で表わしたときの物体距離２．８ｍのときの中間の焦点距離における収差図 数値実施例２のズームレンズをｍｍ単位で表わしたときの物体距離２．８ｍのときの望遠端における収差図 本発明の実施例３のレンズ断面図 数値実施例３のズームレンズをｍｍ単位で表わしたときの物体距離２．８ｍのときの広角端における収差図 数値実施例３のズームレンズをｍｍ単位で表わしたときの物体距離２．８ｍのときの中間の焦点距離における収差図 数値実施例３のズームレンズをｍｍ単位で表わしたときの物体距離２．８ｍのときの望遠端における収差図 本発明の実施例４のレンズ断面図 数値実施例４のズームレンズをｍｍ単位で表わしたときの物体距離２．８ｍのときの広角端における収差図 数値実施例４のズームレンズをｍｍ単位で表わしたときの物体距離２．８ｍのときの中間の焦点距離における収差図 数値実施例４のズームレンズをｍｍ単位で表わしたときの物体距離２．８ｍのときの望遠端における収差図 本発明に係る回折光学素子の説明図 本発明に係る回折光学素子の説明図 本発明に係る回折光学素子の回折効率波長依存特性の説明図 本発明に係る回折光学素子の回折効率波長依存特性の説明図 本発明に係る回折光学素子の説明図 本発明に係る回折光学素子の説明図 本発明に係る回折光学素子の回折効率波長依存特性の説明図 本発明の光学系の光学作用を説明するための近軸屈折力の配置図 本発明のズームレンズを用いた画像投射装置の概略図 本発明のズームレンズを用いた光学機器の概略図

符号の説明

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

Claims (8)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。