JP4006073B2 - ズームレンズ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像を固定された有限距離でスクリーンに拡大投射するプロジェクション装置に用いられるズームレンズであり、特に表示体に色光ごとに複数の液晶等を用いて、色合成して1個の投射レンズを介して高精細な画像投射を行う簡易で小型な略テレセントリック形式のズームレンズに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
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、変倍のための移動量が増大し、また高変倍化が難しい等の欠点を有している。
【0003】
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号公報等に開示されている。
【0004】
これらの各公報では、ズームレンズを物体側から順に負、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。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし本発明のように、表示画像をスクリーンに拡大投射する際に、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本の投射レンズにより投射する場合には、次の条件を満足することが必要となる。
【0006】
(1) 液晶の配光特性又は複数の色光を合成するとき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ために、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。
【0007】
(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ために、長いバックフォーカスを必要とする。
【0008】
(3) 通常では、表示画像をスクリーン上に上方投射するために、投射レンズの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。
【0009】
このような要求事項に対し、先の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云い難い。
【0010】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、簡易な構成、小型でかつ高性能なズームレンズを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係るズームレンズは、表示面の画像をスクリーンに拡大投射するズームレンズにおいて、前記スクリーン側から順に、負の屈折力の第1レンズ群、正の屈折力の第2レンズ群、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レンズ群より構成され、広角端から望遠端に遷移するときに、前記第2レンズ群、第4レンズ群は前記スクリーン側に移動し、前記広角端における前記ズームレンズの焦点距離をfwとし、前記スクリーン側をマイナス、前記表示面側をプラスとしたときに、前記表示面から前記ズームレンズの射出瞳までの距離の絶対値が最小のなるときの前記表示面に対する前記射出瞳の位置をtkとし、前記第5レンズ群の焦点距離をf5とし、前記表示面から前記第5レンズ群の最も前記表示面側のレンズ面までの空気換算長をbf、前記第1レンズ群の焦点距離をf1としたとき、
tk/fw<−4.0
0.380981≦bf/f5<0.5
1.2<|f1|/bf<2.2
を満足することを特徴とする。
また、プロジェクション装置は、何れかの請求項に記載のズームレンズと、表示面を有する表示体とを備え、前記表示面で表示された画像をスクリーンに拡大投射することを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図1は実施例1のレンズ断面図であり、スクリーンに拡大投射するテレセントリックなズームレンズにおいて、スクリーン側から順に、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、負の屈折力の第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を有している。広角端の焦点距離時に対し、望遠端の焦点距離時には、第1レンズ群L1と第2レンズ群L2の間隔は減少し、第2レンズ群L2と第3レンズ群L3の間隔は増大し、第3レンズ群L3と第4レンズ群L4の間隔は減少し、第4レンズ群L4と第5レンズ群L5の間隔は増大するように各レンズ群を適切に移動し、更に望ましくは、構成の簡易化のために、第1レンズ群L1と第5レンズ群L5を固定とし、残る第2レンズ群L2、第4レンズ群L4をスクリーン側に移動して変倍する。第3レンズ群L3はこの際に第2レンズ群L2、第4レンズ群L4の移動に伴う像面の変動を補正するように動かすが、特にスクリーン側に凸の軌跡により移動することが好ましい。
【0013】
第5レンズ群L5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。更に、スクリーン側に強い凸面を向けた1枚の正レンズにより第5レンズ群L5を構成し、軸外像面湾曲の補正と構成の簡易化の両立を達成することが望ましい。
【0014】
第2レンズ群L2、第3レンズ群L3、第4レンズ群L4を移動して変倍することで、各群の移動量を減らしながら、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ている。
【0015】
第1レンズ群L1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L1にスクリーン側に凸面を有する負メニスカスレンズを配置することが良い。更に、各群の屈折力を適切に配置し、第1レンズ群L1をズーミング中に固定とすることで、軸外斜光束の位置の変動を減少し、構成の簡易化と共に全長が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L1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。
【0016】
有限距離へのピント合わせは第1レンズ群L1で行うのが好ましいが、第3レンズ群や第5レンズ群或いは複数のレンズ群で別な移動量により距離合わせをしてもよく、また全体で行ってもスクリーンを移動して行うこともできる。
【0017】
図1に示す第1実施例は、広角端から望遠端へのズーミングで、第1レンズ群L1と第5レンズ群L5がズーミング中に固定で、第2レンズ群L2と第4レンズ群L4がスクリーン側に移動すると共に、第3レンズ群L3は望遠端近傍で変曲点をもってスクリーン側に凸の軌跡で移動し、最も口径の大きな構成となっている。
【0018】
図2に示す実施例2は、第1実施例と同様に広角端から望遠端へのズーミングで、第1レンズ群L1と第5レンズ群L5がズーミング中に固定で、第2レンズ群L2と第4レンズ群L4がスクリーン側に移動すると共に、第3レンズ群L3は望遠端近傍で変曲点をもってスクリーン側に凸の軌跡で移動するものであり、変倍比が大きい。
【0019】
図3に示す実施例3は、実施例2と別なレンズ構成の実施例である。広角端から望遠端へのズーミングで、第1レンズ群L1と第5レンズ群L5がズーミング中に固定で、第2レンズ群L2と第4レンズ群L4がスクリーン側に移動すると共に、第3レンズ群L3は望遠端近傍で変曲点をもってスクリーン側に凸の軌跡で移動する。
【0020】
図4に示す実施例4は、広角端から望遠端へのズーミングで、第1レンズ群L1がスクリーン側に凸の軌跡で移動し、望遠端では広角端よりも表示パネル側に位置し、第5レンズ群L5がズーミング中に固定で、第2レンズ群L2と第4レンズ群L4がスクリーン側に同じ移動量で移動すると共に、第3レンズ群L3は望遠端近傍で変曲点をもってスクリーン側へ凸の軌跡で移動する。
【0021】
図5に示す実施例5は、広角端から望遠端へのズーミングで、第1レンズ群L1と第5レンズ群L5がズーミング中に固定で、第2レンズ群L2と第4レンズ群L4がスクリーン側へ移動すると共に、第3レンズ群L3もズーミング中に固定となっている。
【0022】
更に望ましくは、これらの実施例において、広角端、望遠端の全系の焦点距離をそれぞれfw、ft、第1レンズ群L1の焦点距離をf1、第2レンズ群L2の焦点距離をf2、第3レンズ群L3の焦点距離をf3、第4レンズ群L4の焦点距離をf4、第5レンズ群L5の焦点距離をf5とするとき、次の条件式を満足することが好ましい。
【0023】
1.1<|f1|/f2<2.3 …(1)
0.6<f2/(fw・ft)1/2 <1.2 …(2)
【0024】
これらの条件式(1) 、(2) は主変倍群である第2レンズ群L2と第1レンズ群L1の関係を適切に規定したものであり、条件式(1) の下限を超えると第1レンズ群L1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、上限値を超えると所望の変倍比を得るために第2レンズ群L2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。
【0025】
条件式(2) は主変倍群の屈折力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L2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。
【0026】
特に、歪曲を適正に補正するためには、次の式を満足することが好ましい。
【0027】
1<|f1|/fw<2 …(3)
【0028】
この条件式(3) の上限を超えると広角端の歪曲が適正にできなくなり、下限値を超えると望遠端の歪曲を適正にできなくなる。
【0029】
なお、本明細書で云う略テレセントリック系或いはテレセントリック系とは、上述したように液晶の配光特性、又は複数の色光を合成するとき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ために、射出瞳が遠方(理想的には無限遠)にあることを示している。具体的には、その角度依存性を排するためには、ズーミング中において、表示パネルから(縮小側)射出瞳まで(拡大側)の距離の絶対値が最小になるときの表示面に対する射出瞳の位置(距離)をtkとする(ここで、以下の数値実施例1〜5で示すのと同様に、スクリーン側(拡大側)をマイナス、表示面(縮小側)をプラスとする)とき、
tk/fw<−4.0 …(4)
【0030】
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。
【0031】
|tk|/fw>9.0 …(4)'
【0032】
主変倍群である第2レンズ群L2については、第2レンズ群L2の倍率β2の変化β2t/β2wをZ2、全系の焦点距離の変化ft/fwをZとし、変倍群となる第2レンズ群L2と第4レンズ群L4のズーミングでの移動量をそれぞれM2、M4とすると、以下の式を満たすことが良い。
【0033】
0.8<Z2/Z<1.1 …(5)
0.9<M2/M4<1.6 …(6)
0.4<M2/(ft−fw)<1.0 …(7)
【0034】
条件式(5) は変倍群となる第2レンズ群L2と第4レンズ群L4での変倍の比を適切に規定するものある。第3レンズ群L3は変倍に際し減倍するため、この範囲にあることが好ましい。条件式(6) 、(7) はレンズ全体の長さと各変倍群の移動量を適切にするものである。特に、第2レンズ群L2と第4レンズ群L4とでは、第4レンズ群L4の方が屈折力が弱くなりがちであるので、適切な変倍分担をするにはこの範囲が好ましい。特に、第2レンズ群L2の移動量が第4レンズ群L4の移動量を超えていることが更に好ましい。
【0035】
上述したように、第2レンズ群L2と第4レンズ群L4とでは、第4レンズ群L4の方が屈折力が弱くなりがちであり、特に次の式を満たすことが良い。
【0036】
0.4<f2/f4<0.8 …(8)
【0037】
条件式(8) と条件式(6) は主変倍群の屈折力配置と変倍を適切にしながらペッツバール和を適当に設定するのために必要な式である。
【0038】
全系の射出瞳と、歪曲を適当に設定するには、bfを第5レンズ群L5から表示体までの距離とし、ダイクロイックプリズム等を除いた空気換算長とすると、次の式を満たしているのが好ましい。
【0039】
0.3<bf/f5<0.5 …(9)
1.2<|f1|/bf<2.2 …(10)
【0040】
条件式(9) は全系を適切にテレセントリック系にするために必要な式である。上限値を超えると大型化し、下限値を超えると歪曲が発生する。条件式(10)も歪曲を適切にとりながら射出瞳を長くし、テレセントリック系にするための条件である。
【0041】
特に、最適にテレセントリック系にしながら、レンズからパネルまでの距離を最適にするために、次の条件式を満たすのが好ましい。
【0042】
2<f5/fw<3.5 …(11)
【0043】
この条件式(11)の下限値を超えると最適なテレセントリック性を満足できず、上限値を超えると大型化して適当ではない。
【0044】
更に、各群の屈折力配置を適切にしながら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。
【0045】
1.0<|f1|/(fw・ft)1/2 <1.6 …(12)
0.6<|f3|/(fw・ft)1/2 <1.2 …(13)
1.1< f4 /(fw・ft)1/2 <1.8 …(14)
1.5< f5 /(fw・ft)1/2 <3.0 …(15)
【0046】
特に、ズーミングにおける倍率色収差を低減しながら、変動も抑えるために、第3レンズ群L3にアッベ数ν3 が以下の範囲のレンズを有することが好ましい。
【0047】
ν3 >55 …(16)
【0048】
特に、好ましくは、
ν3 >60 … (16)'
の範囲のレンズがあることが良い。
【0049】
また、第1レンズ群L1を構成する負レンズの平均アッベ数ν1nを、次式のように構成することにより、色収差とそのズーミングによる変動を小さくすることができる。
【0050】
ν1n>60 …(17)
【0051】
次に、実施例1〜5の数値実施例1〜5を示す。これらの数値実施例1〜5中で、riはスクリーン側からi番目のレンズ面の曲率半径、diはi番目のレンズ厚又は空気間隔、ni、νi はi番目のレンズの屈折率、アッベ数である。
【0052】
【0053】
【0054】
【0055】
【0056】
【0057】
また、次表は実施例1〜5におけるレンズ系の各数値、条件式の数値である。
【0058】
【0059】
【0060】
更に、図6〜図15は各実施例1〜5の収差図である。
【0061】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係るズームレンズは、簡易な構成で明るく小型で高変倍で歪曲も小さく倍率色収差の発生も少なく、高精細な画像投影を行い簡易で小型化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施例のレンズ断面図である。
【図2】実施例2のレンズ断面図である。
【図3】実施例3のレンズ断面図である。
【図4】実施例4のレンズ断面図である。
【図5】実施例5のレンズ断面図である。
【図6】第1実施例の広角状態の収差図である。
【図7】第1実施例の望遠状態の収差図である。
【図8】実施例2の広角状態の収差図である。
【図9】実施例2の望遠状態の収差図である。
【図10】実施例3の広角状態の収差図である。
【図11】実施例3の望遠状態の収差図である。
【図12】実施例4の広角状態の収差図である。
【図13】実施例4の望遠状態の収差図である。
【図14】実施例5の広角状態の収差図である。
【図15】実施例5の望遠状態の収差図である。
【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
ΔM メリディオナル焦線
ΔS サジタル焦線
Claims (15)
- 表示面の画像をスクリーンに拡大投射するズームレンズにおいて、前記スクリーン側から順に、負の屈折力の第1レンズ群、正の屈折力の第2レンズ群、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レンズ群より構成され、広角端から望遠端に遷移するときに、前記第2レンズ群、第4レンズ群は前記スクリーン側に移動し、前記広角端における前記ズームレンズの焦点距離をfwとし、前記スクリーン側をマイナス、前記表示面側をプラスとしたときに、前記表示面から前記ズームレンズの射出瞳までの距離の絶対値が最小のなるときの前記表示面に対する前記射出瞳の位置をtkとし、前記第5レンズ群の焦点距離をf5とし、前記表示面から前記第5レンズ群の最も前記表示面側のレンズ面までの空気換算長をbf、前記第1レンズ群の焦点距離をf1としたとき、
tk/fw<−4.0
0.380981≦bf/f5<0.5
1.2<|f1|/bf<2.2
を満足することを特徴とするズームレンズ。 - 前記広角端の焦点距離時に対し前記望遠端の焦点距離時には、前記第2レンズ群と前記第3レンズ群の間隔は増大し、前記第3レンズと前記第4レンズ群の間隔は減少する請求項1に記載のズームレンズ。
- 前記広角端の焦点距離時に対し前記望遠端の焦点距離時には、前記第1レンズ群と前記第2レンズ群の間隔は減少し、前記第2レンズ群と前記第3レンズ群の間隔は増大し、前記第3レンズと前記第4レンズ群の間隔は減少し、前記第4レンズと前記第5レンズ群の間隔は増大する請求項2に記載のズームレンズ。
- 前記第2レンズ群は少なくとも2枚の正レンズと1枚の負レンズで構成し、前記第3レンズ群は少なくとも1枚の負レンズで構成した請求項1に記載のズームレンズ。
- 前記望遠端の全系の焦点距離をft、前記第2レンズ群の焦点距離をf2としたとき、次の条件式を満足する請求項1に記載のズームレンズ。
1.1<|f1|/f2<2.3
0.6<f2/(fw・ft)1/2 - 前記広角端の焦点距離時から前記望遠端の焦点距離時に遷移するとき、前記第2レンズ群と前記第4レンズ群は前記スクリーン側に移動すると共に、前記第3レンズ群は前記広角端から前記望遠端の位置の方が前記スクリーン側にある請求項1又は5に記載のズームレンズ。
- 前記広角端の焦点距離時から前記望遠端の焦点距離時に遷移するとき、前記第2レンズ群と前記第4レンズ群は前記スクリーン側に移動すると共に前記第3レンズ群は前記スクリーン側に凸の軌跡で移動する請求項6に記載のズームレンズ。
- 前記広角端の焦点距離時から前記望遠端の焦点距離時に遷移するとき、前記第1レンズ群はズーミングに際し固定している請求項3に記載のズームレンズ。
- 次の条件式を満足する請求項1に記載のズームレンズ。
1<|f1|/fw<2 - 前記望遠端の全系の焦点距離をft、前記第2レンズ群の望遠端と広角端の倍率の比をZ2、全系の広角端と望遠端の焦点距離の比をZ、前記第2レンズ群と前記第4レンズ群のズーミングの際の移動量をそれぞれM2、M4としたとき、次の条件式を満足する請求項1に記載のズームレンズ。
0.8<Z2/Z<1.1
0.9<M2/M4<1.6
0.4<M2/(ft−fw)<1.0 - 前記第2レンズ群と第4レンズ群の焦点距離をそれぞれf2、f4としたとき、次の条件式を満足する請求項10に記載のズームレンズ。
0.4<f2/f4<0.8 - 前記望遠端の全系の焦点距離をft、前記第3レンズ群、第4レンズ群の焦点距離をそれぞれf3、f4としたとき、次の条件式を満足する請求項1に記載のズームレンズ。
1.0<|f1|/(fw・ft)1/2 <1.6
0.6<|f3|/(fw・ft)1/2 <1.2
1.1<f4/(fw・ft)1/2 <1.8
1.5<f5/(fw・ft)1/2 <3.0 - 前記第3レンズ群のアッベ数をν3 としたとき、次の条件式を満足する請求項1に記載のズームレンズ。
ν3 >55 - 前記第1レンズ群が有する負レンズの平均アッベ数をν1nとしたとき、次の条件式を満足する請求項1に記載のズームレンズ。
ν1n>60 - 請求項1〜14の何れかの請求項に記載のズームレンズと、表示面を有する表示体とを備え、前記表示面で表示された画像をスクリーンに拡大投射することを特徴とするプロジェクション装置。
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