JP2006113446A - 投射光学系、画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成にて明るく小型、広角で倍率色収差の発生、歪曲も小さく、拡大投射プロジェクション装置に用いやすい、高精細な画像投影を行うテレセントリックレトロフォーカスレンズを提供することを目的とする。
【解決手段】 拡大側から順に、凹メニスカスの負レンズを２枚、両凹レンズ、そして少なくとも１枚の凸レンズを有する正の第１レンズ群と、最も長い間隔の後、正の屈折力を有する第２レンズ群を有し、以下の式を満たすことを特徴とする投射レンズ。
１＜ｆ２／ｆ＜４
但しここで、第ｉレンズ群の焦点距離をｆｉ、全系の焦点距離をｆとする。
【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射するプロジェクション装置等に用いられる広角のプロジェクションレンズに関し、特に表示体に色光ごとに複数の液晶等デバイス等を用い、色合成して１本の投射レンズを介して、高精細な画像投射を行う簡易な構成でバックフォーカスの長い、画角も９０°以上の広角で、歪曲も小さく抑えた小型の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レトロフォーカスレンズは比較的広画角化が容易であるが、反面、歪曲の発生が大きく、またバックフォーカスも短め等の欠点を有している。

本出願人は従来から、特開平１０−４８５１３や特開平１１−７２７００号公報にて広角レンズを提案しているが、近年のプロジェクション装置には必要なクロスダイクロプリズム等の色合成系のような大きなガラス材を考慮していない。そのためバックフォーカスの短いレンズ系の提案になっている。

これらの欠点を改善しようとしたレンズが例えば特開平０９−２６５４２号公報、特開２００１−１１６９９０号公報、特開２００３−２３３０００号公報で提案されている。また本出願人も特開２００１−４２２１１号公報でバックフォーカスの長い広角レンズを提案している。しかしながら特開平０９−２６５４２号公報は、拡大側より順に負、正、正の３つのレンズ群より構成しておりＦＮｏも暗く画角も８０°以下と広角には至っていなかった。

特開２００１−１１６９９０号公報では、負正正の３つの群で構成され、第１レンズ群を負レンズのみで構成しており、バックフォーカスを大きく確保するには有利であるが、歪曲収差の発生が大きく充分な特性を得られていなかった。

特開２００３−２３３０００号公報では負正の２つの群構成で、画角も充分でなく、歪曲も充分に補正しきれていなかった。

また、その他本特開２００１−４２２１１号公報等にも同様の投射レンズについて開示がある。
特開平１０−０４８５１３号公報 特開平１１−０７２７００号公報 特開平０９−０２６５４２号公報 特開２００１−１１６９９０号公報 特開２００３−２３３０００号公報 特開２００１−０４２２１１号公報

本発明は、上記の従来技術の長所短所を考慮した上で、本発明では、簡易な構成にて明るく小型、広角で倍率色収差の発生、歪曲も小さく、拡大投射プロジェクション装置に用いやすい、高精細な画像投影を行うテレセントリックレトロフォーカスレンズを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の投射光学系は、拡大側から順に、凹メニスカスの負レンズを２枚、両凹レンズ、そして少なくとも１枚の凸レンズを有する正の第１レンズ群と、最も長い間隔の後、正の屈折力を有する第２レンズ群を有し、以下の式を満たすことを特徴としている。
１＜ｆ２／ｆ＜４
但しここで、第ｉレンズ群の焦点距離をｆｉ、全系の焦点距離をｆとする。

また、本発明の画像投射装置は、少なくとも１つの画像形成素子と、前記少なくとも１つの画像形成素子からの光を投射する、請求項１乃至３いずれかに記載の投射光学系とを有することを特徴としている。

以上説明したように構成することにより、簡易な構成にて明るく小型、広角で倍率色収差の発生、歪曲も小さい投射レンズを提供することが可能となる。

まず、本発明のように、液晶パネル（特にＴＮ型液晶）や、微小ミラーデバイス等の画像表示素子で形成された表示画像をスクリーンに拡大投射する際、特に液晶表示体を複数の色光ごとに分けて用い、各色光を合成して１本の投射レンズ（投射光学系）にて投射する場合、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、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と共に、液晶パネルからレンズに射出される光束にあわせてパネル側の瞳（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。
２）表示体と投射レンズの間に介在する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を必要とする。
３）レンズ系の表面（拡大側）には、傷がつきやすい材料で作ったレンズを配置しない（例えばプラスチックなどにおいては触らないような構成にしておくことが好ましい）
４）スクリーンの背後から投射する所謂リアプロジェクション方式のレンズにおいては充分な広角（画角９０°以上）を確保すること。

上記、要求事項に対し、前記従来例では、テレセントリックには不足なものや、小型化、広角化の不足しているものや、またＦＮｏが暗く、明るいプロジェクタとして充分ではなかった。

本実施例の目的は、簡易な構成にて明るく小型、広角で倍率色収差の発生、歪曲も小さく、拡大投射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テレセントリックレトロフォーカスレンズを達成することである。

そこで、本実施例の投射光学系は、拡大側から順に凹メニスカスの負レンズを２枚、両凹レンズ、そして少なくとも１枚の凸レンズを有する正の第１レンズ群（ここで記載するレンズ群とは、複数枚のレンズで構成されていることが望ましいが、一枚であっても構わない）と、最も長い間隔の後、正の屈折力を有する第２レンズ群を有し、以下の式を満たす用に構成することである。
（１） １＜ｆ２／ｆ＜４
但しここで、第ｉレンズ群の焦点距離をｆｉ、全系の焦点距離をｆとする。

この式は全系焦点距離の配分を適切にするものである。これにより第１レンズ群で充分に歪曲を補正し、全系中の多くのパワーを第２レンズ群に集約することにより、適切な性能を達成している。（１）式の下限値を超えると第１レンズ群のパワーが弱くなり歪曲収差が大きくなるとともに、長いバックフォーカスが達成できなくなる。また上限値を超えると大型化し、また充分な広角化が出来なくなる。

特に拡大側から順に２番目の凹メニスカスレンズは非球面を有することである。本来ならば歪曲収差を適切に補正するには、本出願人が提案済みの特開平１０−４８５１３や特開平１１−７２７００号公報のように最も拡大側のレンズを非球面にすることで、最も軸外光線ｈ〜が周辺を通る最も拡大側のレンズで歪曲を制御しているが、レンズ系の表面（拡大側）には、傷がつきやすい材料で作ったレンズを配置しないほうが使用状態を考慮した際好ましい。特にこのような大きな径のレンズに非球面を構成する際はプラスチック材などで構成されることが多い。しかしながらプラスチック材は傷がつきやすくほこりなどがつきやすい素材である為、本発明においてはにおいては軸外光線が拡大側から２番目のレンズに非球面を構成し、拡大側から１番目のレンズではバックフォーカスを確保し歪曲の発生を少なくする為に屈折率の高いガラスで凹メニスカスレンズを構成させ、第２レンズの外から触らないような位置で非球面を構成し、歪曲を良好に補正するように分担を明確にし、非球面の形状は第２レンズにおいての最適に形に設定している。またこのような構成にすることでプラスチックレンズとなりがちな第２レンズの径を小さくでき、成形にて生産する上で、型形状が小さくでき、コストが低くプロジェクションレンズを提供可能となる。

特に拡大側の共役点の距離変動に伴う縮小側のピントずれ補正を、第２レンズ群を光軸方向に移動して行うことが全系の小型化には好ましい。

これは第１レンズ群あるいは全体で距離合せをすると、前玉が距離の変動で動くこととなり、至近において周辺光量を確保するには前玉径を大きくする必要が生じ、大型化して適当でない。一方第２レンズ群で距離合せをすると前玉が動くことはなく、また式（１）で示すように全系中の多くのパワーを第２レンズ群に集約しているため、全体で距離あわせをした場合と大きく変わらない繰り出し量で、至近まで距離合せが可能となり、また至近において周辺光量の低下もなく小型化に有効である。

また開口絞りは第２レンズ群の拡大側に配置し、第２レンズ群の前側主点位置近傍に配置するのが良い。このような構成にすることで第３レンズ群の縮小側でテレセントリック性が確保できる。

また第２レンズ群は第１レンズ群より多くのレンズ枚数で構成し、第２レンズ群を構成するレンズは６枚以上で構成するのが好ましい。

特に倍率色収差を補正する為に、第２レンズ群の縮小側に低分散の硝材で構成する正レンズを有するのが好ましい。具体的には
（２） ν２ｐ＞７０
ただしν２ｐは第２レンズ群を構成する正レンズのアッベ数であり、更に具体的には第２レンズ群の縮小側にある正レンズである。特に（２）を満たす正レンズは少なくとも２枚以上第２レンズ群にあり、更には
（２−ａ） ν２ｐ＞８０
で構成されているのがさらに好ましい。

また第２レンズ群内には少なくとも２面以上の貼り合せ面を有しているのが更なる色収差補正に好ましい。

また第１レンズ群内の拡大側から３枚目の両凹レンズのアッベ数をν１３とするとき
（３） ν１３＞７０
で構成することが第１レンズ群内の倍率色収差補正に好ましい。

また特に第１レンズ群の最も拡大側の凹メニスカスレンズのアッベ数をν１１とするとき
（４） ν１１＜４０
で構成しているのが好ましい。またこの際特に
（４−ａ） ν１１＜３０
を満たしていることが更なる色収差補正に好ましい。また同じく第１レンズ群の最も拡大側の凹メニスカスレンズの屈折率をＮ１１とするとき
（５） Ｎ１１＞１．７
であることがバックフォーカスを確保し、歪曲の発生を少なくするのに好ましい。
等に好ましくは
（５−ａ） Ｎ１１＞１．８
を満足させているのが更に好ましい。特に（４）（５）の条件下の材料で構成した最も拡大側のレンズＧ１を配置させるのが良い。

また特に以下の式を満たすことが好ましい。
（６） Ｄ／ｆ＞１５
（７） ４＜Ｄ／ｂｆ＜８
但しここで、ｂｆはプリズム、フィルター等の無い状態での空気換算長のバックフォーカスを意味し、ｆは全系の焦点距離、Ｄはレンズ第１面から最終レンズ面までの長さである。

この式は広角化を目的とした際の、全長と、バックフォーカスについて述べたものである。

式（６）（７）を逸脱すると所望レンズの大きさでの広角化を達成できなくなる。

更に以下の条件式を満たすことが好ましい。
（８） ２．５＜ｂｆ／ｆ＜５．０
（９） ｆ１／ｆ２＞２．０
式（８）はバックフォーカスと焦点距離を適切に設定するものである。式（７）にも関連するが、バックフォーカスを大きくするには、全系の焦点距離を長くするのが簡易な方法である。しかしそれでは所望の広角化はできない。色合成プリズムをいれて所望の画角を得るにはこの式を満たす構成を、前記レンズ構成を配置した上で構成するのが良い。

また、以下の条件式を満足することが好ましい
（１０） ７＜ｆ１／ｆ
この（１０）式は略アフォーカルな第１レンズ群の役割分担について記したものである。

この範囲を逸脱すると歪曲が大きくなり適当でない。

構成レンズ枚数の多い第２レンズ群は、前述のように全系のパワーの多くを担っているレンズ群である。式（１）の関係からも判るが、具体的には下記の関係を保っているのが良い。
（１１） ０．８＜ｆ２／ｂｆ＜１．２
第２レンズ群の前側主点位置近傍に開口絞りがあり、第１レンズ群の焦点距離が（１０）式のようにほぼアフォーカルならば、第２レンズ群はリレーレンズのような役割を果たし、デバイス面には全画角に渡ってテレセントリックな構成が達成できる。ここで、これらの式（１）（１０）は開口絞りが第２レンズ群の前側主点位置近傍にあって、第１レンズ群が略アフォーカルの場合に、満たされる条件である。この式を逸脱するとテレセン性が確保できず、レンズも大型化し適当でない。

また第２レンズ群は距離合わせを行う群であり、リレーレンズのような構成である為に、構成レンズ枚数も最も多いのが好ましい。前述のように少なくとも６枚以上のレンズで構成されるのが小型化と高性能化には必要である。

具体的には第２レンズ群は少なくとも２枚の両凸レンズ、少なくとも１枚の縮小側に凹面を有する負レンズを有することが好ましい。

また第２レンズ群内の縮小側の正レンズにアッベ数７０以上、更に好ましくは８０以上のレンズがあることが好ましいと述べているが、縮小側にはアッベ数３０以下の負レンズを有しているのが好ましい。このように構成することで第２レンズ群で発生する倍率色収差を小さくすることができる。また第２レンズ群内でアッベ数の大きな正レンズと、アッベ数の小さい負レンズを貼り合わせることで更に倍率色収差補正に寄与させても良い。また第２レンズ群の拡大側、即ち開口絞り近傍にはこれとは逆にアッベ数の大きな負レンズと、アッベ数の小さな正レンズを有して軸上色収差の発生を抑える構成にしているのが好ましい。

このときこれら正レンズ負レンズを貼りあわせにしても良い。

また液晶の配光特性、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に、パネル側の瞳（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が効率の良い照明手段としてのレンズに有効である。特に表示パネル側（縮小側）のレンズの瞳（射出瞳）が遠方にあること必要である。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良い。
（１２） ｜ｔｋ｜／ｆ＞１０．０
更に好ましくは以下の条件が好ましい
（１２ａ） ｜ｔｋ｜／ｆ＞３０．０
以下に、本実施例１〜６について簡単に説明する。

（実施例１〜６）
実施例１〜６の投射レンズの構成を図１〜６に、実施例１〜６の収差図を図７〜１２に、数値実施例１〜６を表１〜６に、各実施例の上記条件式の値を表７に示す。

この数値実施例の表において、Ｒｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ面の曲率半径、Ｄｉは物体側より順に第ｉ番目のレンズ厚及び空気間隔、Ｎｉとνｉはそれぞれ物体側より順に第ｉ番目のレンズのガラスの屈折率とアッベ数である。また、数値実施例１〜５における最も像面側の平板レンズＧＢは、色合成プリズム、偏光フィルター、カラーフィルター等のガラスブロックを示す。

また、図１〜図６は実施例１〜６の広角端での断面図を示しており、図中、Ｇは色合成プリズム、偏光フィルター、カラーフィルター等のガラスブロックである。

また、図７〜１２において、実線、破線、一点鎖線、二点鎖線が示すものは図７に記載の通りである。すなわち、球面収差、倍率色収差を表す図面においては、実線が５５０ｎｍの波長の光の収差を、二点鎖線が４３０ｎｍの波長の光の収差を、一点鎖線が６５０ｎｍの波長の光の収差を示しており、像面湾曲を表す図面においては、実線がサジタル像面における収差を、破線がメリディオナル像面における収差を示している。

また、各実施例の投写距離は５７０ｍｍを想定している。

又、前述の各条件式と数値実施例における諸数値との関係を表７に示す。非球面形状は、光軸方向にＸ軸、光軸と垂直方向Ｈ軸、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、各非球面係数をＫ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ、Ｆとしたとき、

なる式で表している。

第１〜５実施例は拡大側から２番目のレンズの凹面側面を非球面にしたプラスチックレンズを有している。また第２レンズ群にもプラスチック両面非球面の正のパワーを有するプラスチックレンズを有している。この２つのプラスチックレンズは温度変化による屈折率変化をキャンセルするように構成されている。勿論完璧にキャンセルしきることは困難であるため、ある特定のレンズの温度変化に起因する光学特性の変化が投射レンズ全体の光学特性に与える影響を、他のレンズの温度変化に起因する光学特性の変化が投射レンズ全体に与える影響によって低減できるような構成となっている。第２レンズの非球面は両面非球面でも可能である。レンズはＦＮｏは２．２である。

それぞれの実施例は画角はほぼ同じ（焦点距離、イメージサークルは同じ）でレンズの縮小側に導入したプリズム厚が異なったものを含んでいる。また第１実施例は第１レンズ群と開口絞りの間にミラーで折り曲げても良いスペースを空けている。リアプロジェクションをこうせいする際にはこの折り曲げにより小型化が可能である。

第６実施例は第１レンズ群内のみに非球面を有する構成である。
また非球面は，ガラスの球面に薄い凹プラスチック層からなる非球面を有する複合非球面レンズ（レプリカ非球面）としても良い。

またこれらの実施例では開口効率３００％以上、周辺光量６５％を確保している。

また、実施例１〜６においては、最も拡大側に配置されたレンズは、拡大側に凸の負のメニスカスレンズとしており、さらに最も拡大側から２枚目に配置されたレンズも、拡大側に凸の負のメニスカスレンズとすることが望ましい。

また、本実施例の構成は、実施例１〜６に限定されるものではなく、十分に弱いパワーのレンズを実施例１〜６のレンズ構成中に挿入したとしても、それは本実施例の範囲内であるものと考える。

ここまで述べた投射レンズは、投射レンズにしか使用できない訳ではなく、勿論撮影レンズ（カメラやビデオカメラ等）や、観察用レンズ（望遠鏡や双眼鏡等）として用いても構わない。

（実施例７）
前述の実施例１〜６の投射レンズを用いた画像投射装置の実施例を示す。光源からの光で、液晶パネルやＤＭＤ等のように入射光を変調することができる画像形成素子を照明し、その画像形成素子からの光を前述の投射レンズを用いてスクリーン等の被投射面に投射する構成である。ここで、画像形成素子を１つとし、時分割で各色を表示するように構成しても構わないし、光源からの光を赤、緑、青等の色光に色分解する色分解光学系と、各色光用の画像形成素子からの光を色合成する色合成光学系とを有し、その色合成光学系からの光を、前述の投射レンズで投射するような構成としても構わない。また、この画像投射装置は、フロントプロジェクション方式であってもリアプロジェクション方式であってもどちらでも構わない。

投射レンズを、本実施例において説明してきたような構成することにより、簡易な構成にて明るく小型、広角で倍率色収差の発生、歪曲も小さく、拡大投射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投射レンズ（テレセントリックレトロフォーカスレンズ）を達成することができる。特に上記、従来技術に対し、充分テレセントリックで、小型化、広角化を達成したＦＮｏが明るいプロジェクタレンズが提供可能となった。

実施例１の投射レンズ構成の概略図である。 実施例２の投射レンズ構成の概略図である。 実施例３の投射レンズ構成の概略図である。 実施例４の投射レンズ構成の概略図である。 実施例５の投射レンズ構成の概略図である。 実施例６の投射レンズ構成の概略図である。 実施例１の投射光学系の収差図である。 実施例２の投射光学系の収差図である。 実施例３の投射光学系の収差図である。 実施例４の投射光学系の収差図である。 実施例５の投射光学系の収差図である。 実施例６の投射光学系の収差図である。

符号の説明

Ｇ 色合成用のガラスブロック

Claims (4)

1. 拡大側から順に、凹メニスカスの負レンズを２枚、両凹レンズ、そして少なくとも１枚の凸レンズを有する正の第１レンズ群と、最も長い間隔の後、正の屈折力を有する第２レンズ群を有し、
   以下の式を満たすことを特徴とする投射光学系。
   １＜ｆ２／ｆ＜４
   但しここで、第ｉレンズ群の焦点距離をｆｉ、全系の焦点距離をｆとする。
2. 拡大側から順に２番目の凹メニスカスレンズは非球面を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の投射光学系。
3. 拡大側の共役点の距離変動に伴う縮小側のピントずれ補正を、第２レンズ群を光軸方向に移動して行うことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の投射光学系。
4. 少なくとも１つの画像形成素子と、前記少なくとも１つの画像形成素子からの光を投射する、請求項１乃至３いずれかに記載の投射光学系とを有することを特徴とする画像投射装置。

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