JP4451516B2 - 投射用ズームレンズ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は「平面画像を拡大して投射結像させる投射用ズームレンズ」に関する。
【0002】
【従来の技術】
液晶パネルに表示された平面画像を、スクリーン等の表示媒体上に拡大投射する液晶プロジェクタは、ビデオ再生画像やコンピュータのデータ等の表示用として、近来広く普及してきている。
なかでも、赤・緑・青の各色画像を独立した液晶パネルに表示し、各色画像を合成して拡大投影表示する「3板式液晶プロジェクタ」は、画像が高精細であることから普及率も高い。このような3板式液晶プロジェクタに使用される投射用レンズは、最適なスクリーンサイズを容易に実現できるようにズーム機能を有するものが一般的である。
3板式液晶プロジェクタに用いられる投射用ズームレンズは、以下の如き属性を持つことが好ましい。
第1に、3枚の液晶パネルにより強度変調された各色光束を、ダイクロイックプリズムやダイクロイックミラー等の「色合成手段」で合成して投射用ズームレンズに入射させるので、色合成手段を配備するための空間を確保できるように、バックフォーカスが、焦点距離に比してなるべく長いことが好ましい。
第2に、低電力で明るい投射画像を表示できるように高い光利用効率を得ることが望ましいが、各色光束の光路合成の際、色合成手段に入射する光の角度が画角により大きく異なると色シェーディングが発生し易いので、光源側から投射用ズームレンズに入射する光として、光軸に対して平行に近い光束を用いるのが良く、平行光束を効率良く取り込めるよう、投射用ズームレンズは、縮小側である液晶パネル側においてテレセントリック性を持ち、かつ、光源からの光をなるべく多く取り込めるように、Fナンバの小さい、明るいレンズであることが好ましい。
第3に、スクリーン上で3色画像を重ね合わせたとき、各色画像の画素が互いにずれると良好なカラー画像を実現できず、投射画像の辺縁部に緑、青、赤などの縁が現れて像質を損なう。このような問題を回避できるように、倍率の色収差は、なるべく小さく抑えられていることが好ましい。
第4に、投射された画像の輪郭が歪んで見苦しくならないように、歪曲収差が許容できる範囲に抑えられ、画像の忠実な再現のため、高いMTF・解像力を備えていることが好ましい。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上述の各属性を良好に実現した投射用ズームレンズの提供を課題とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
この発明のズームレンズは「平面画像を拡大して投射結像させる投射用ズームレンズ」である。上記平面画像は一般に液晶パネル上に表示される画像である。
この発明の投射用ズームレンズは、上述した3板式液晶プロジェクタ用として極めて好適であるが、勿論、単板式液晶プロジェクタやスライド式プロジェクタ用としても好適に使用できる。
この発明のズームレンズは、図1に例示するように、拡大側(図の左方)から縮小側に向かって、第1群G1〜第6群G6を配してなる。第1群G1は負の屈折力を持ち、第2群G2、第3群G3は正の屈折力を持ち、第4群G4は負の屈折力を持ち、第5群G5、第6群G6は正の屈折力を持つ。したがって、全体のパワー配置は「負・正・正・負・正・正」である。
投射距離の変化に際し、平面画像とスクリーンなどの被投射面を共役にするため、第1群が光軸方向に移動を行う。変倍に際しては、第1群G1、第4群G4、および第6群G6が固定され、第2群G2、第3群G3、第5群G5が光軸方向に移動を行う。
広角端における全系の焦点距離:fw、バックフォーカス(空気中での値):bf、レンズ全長の数値(第1群の最も拡大側寄りの面から第6群の最も縮小側寄りの面までの長さの数値):OAL、第3群の焦点距離:f3、第6群を構成する凸レンズのアッべ数の平均値:ν6P、第4群を構成する凹レンズのアッべ数の平均値:ν4M、第5群を構成する凹レンズのアッべ数の平均値:ν5Mは、以下の条件式(1)〜(4)を満足する。
(1) OAL>90・bf/fw
(2) 1.5<f3/fw<2.5
(3) ν6P>50
(4) (ν4M+ν5M)/2<40
なお、図1において、符号Sは絞りを表し、符号PRは色合成手段としての色合成プリズムを表す。
また、上記条件(1)、(2)において長さの次元を持つ量:fw、bf、OALの単位は「mm」とし、条件(1)における「OAL」は、上記レンズ全長をmm単位で表したときの数値を言う。
【0005】
条件式(1)は、十分な結像性能を確保したまま、焦点距離に比して長いバックフォーカスを確保するための条件である。
長いバックフォーカスを確保するのに適したレンズタイプとして、負の屈折力を持つ前群と正の屈折力を持つ後群からなる「レトロフォーカスタイプ」が、従来から知られている。
この発明の投射用ズームレンズは、後述の実施例に示すように、全体として見た場合、例えば、広角端での焦点距離:37mm程度に対し、バックフォーカスは37〜40mm程度(色合成プリズムによる伸びを空気中での値に換算した値)で、広角端における基本的パワー配置はレトロフォーカスタイプである。
周知の如く、レトロフォーカスタイプは、負の屈折力を持つ前群と、正の屈折力を持つ後群とで構成され、負の屈折力を持つ前群で光束を後群に向かって発散させることにより、全系の後側主点位置を後群よりも更に後方に設定し、焦点距離に比して長いバックフォーカスを確保できる。従って、レトロフォーカスタイプにおいては、負の屈折力を持つ前群と正の屈折力を持つ後群の間隔が大きい方がより長いバックフォーカスの確保が容易となる。換言すれば、全系のレンズ全長が長いほど長いバックフォーカスを確保し易い。
条件式(1)は、上記構成のレンズにおいて、焦点距離に比して長いバックフォーカスを確保するための条件であり、条件式(1)の下限を超えると、3板式液晶プロジェクタに必要な「バックフォーカスと焦点距離の比」を確保するのに十分なレンズ全長とならず、あえて必要なバックフォーカスを確保しようとすると、十分な結像性能を得にくい。
【0006】
この発明の投射用ズームレンズでは、変倍時における移動量は第3群が最も大きく、変倍への寄与率は第3群が最も高い。
周知の如く、変倍を行う主な群を「バリエータ」と称している。この発明の投射用ズームレンズでは第3群がバリエータである。
伝統的なズーム形式である「拡大側から順に正の屈折力、負の屈折力、正の屈折力、正の屈折力を配する4群ズームレンズ」では、例えば、特開平6−51202号公報等に見られるように、バリエータである第2群に、マスタレンズ群である第4群に次いで多くの枚数のレンズを用い、変倍時の収差が大きく変化するのを抑えている。
条件式(2)は、この発明の投射用ズームレンズにおいて、バリエータである第3群の収差を低く抑え、かつ、レンズ全体のコンパクト性を保ったままプロジェクタの投射用ズームレンズとして十分な変倍比を確保するための条件である。条件式(2)の下限を超えると、レンズ全体中における第3群の屈折力が強くなりすぎ、第3群での諸収差の発生量が大きくなり、変倍に伴う収差変化が大きくなってしまう。
条件式(2)の上限を超えると、プロジェクタ用の投射用ズームレンズとして最低限必要と考えられる「1.2〜1.3倍程度の変倍比」を得ることが困難となる。また、第3群の移動量を更に大きくすることが必要となり、レンズ全体が大型化し、コンパクト性が損なわれてしまう。
【0007】
条件式(3)は、倍率色収差を抑えるための条件である。倍率色収差は「軸上光線高と軸外光線高が高くなる面」ほど発生量が大きい。この発明の投射用ズームレンズにおいては、第6群において軸上光線高と軸外光線高を合わせた量が、他の群に比べて特に大きくなるため、この第6群を構成するレンズの材質を適切なものにする必要がある。
即ち、第6群の主たる屈折力である正のパワーを発生するレンズの材質の、アッべ数を50よりも大きい低分散な材質とすることで、倍率色収差の発生を抑えている。
条件式(4)は軸上色収差・倍率色収差の発生を適正にし、緑色に対する赤色の色収差、緑色に対する青色の色収差を同量程度とするための条件で、上限を超えると、軸上色収差・倍率色収差とも補正不足となってしまう。
また、この発明の投射用ズームレンズは、第4群を負の屈折力を持つ1枚のレンズのみの構成とすることも可能であり(請求項2)、このように構成すると、よりコストメリットを大きくできる。
上記請求項1または2に記載の投射用ズームレンズは、第1群または第2群の少なくとも1つのレンズ面を非球面とすることができ(請求項3)、このように構成することにより、諸収差の発生を小さく抑えて性能をより向上させ、あるいはレンズ枚数を低減化して安価なレンズとすることができる。
上記請求項1または2または3に記載の投射用ズームレンズは、第5群または第6群の少なくとも1つのレンズ面を非球面とすることができ(請求項4)、このように構成することにより、諸収差の発生を小さく抑えて性能をより向上させ、あるいはレンズ枚数を低減化して安価なレンズとすることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
実施の形態として具体的な実施例を4例示す。
各実施例における記号は以下の通りである。
拡大側から数えて第i番目の面(絞りSの面を含む)の曲率半径を「Ri」で表す。また、拡大側から数えて第i番目の面と第i+1番目の面との軸上面間隔を「Di」で表す。i=0はスクリーン(被投射面)を表し、i=IMGは液晶パネルのパネル面、即ち「平面画像」を表す。「D0」は、スクリーンから第1レンズ面(i=1)までの軸上距離を表す。
また、拡大側から数えてj番目のレンズの材質の屈折率(d線に対するもの)およびアッベ数を、それぞれ、「Nj」および「νj」とする。
また、非球面形状は、周知の式:
で表す。この式において、Z:光軸方向の座標、h:光軸直交方向の座標、Ri:軸上曲率半径、K:円錐定数、A,B,C,D..:高次の係数であり、これらの数値を与えることにより非球面の形状を特定する。
計算基準波長は「546.1nm」である。
【0009】
【実施例】
実施例1
第24面は色合成プリズムの射出面、第25面は色合成プリズムの入射面である。
可変量
条件式(1)の値 bf/fw=1.08,OAL=105
条件式(2)の値 f3/fw=1.92
条件式(3)の値 60.3
条件式(4)の値 36.5
図2に、実施例1の投射用ズームレンズの、広角端における断面図(上図)、望遠端における断面図(下図)と変倍に伴う各群の変位を示す。図3に実施例1の広角端における縦収差図、図4に同望遠端における縦収差図を、図5に実施例1の広角端における横収差図、図6に同望遠端における横収差図を示す。
【0010】
実施例2
第26面は色合成プリズムの射出面、第27面は色合成プリズムの入射面である。
(*)は「ガラスの球面レンズ上に薄いプラスチックを成型してなるハイブリッドタイプの非球面」であり、非球面係数は以下のとおりである。
K =-0.177950 ,
A=0.132372E-05, B=-0.101380E-08 , C=-0.280747E-12 , D=0.0
可変量
条件式(1)の値 bf/fw=1.08,OAL=105
条件式(2)の値 f3/fw=1.71
条件式(3)の値 60.3
条件式(4)の値 33.0
図7に、実施例2の投射用ズームレンズの、広角端における断面図(上図)、望遠端における断面図(下図)と変倍に伴う各群の変位を示す。図8に実施例2の広角端における縦収差図、図9に同望遠端における縦収差図を、図10に実施例2の広角端における横収差図、図11に同望遠端における横収差図を示す。
【0011】
実施例3
第22面は色合成プリズムの射出面、第23面は色合成プリズムの入射面である。
(*1)は「ガラスの球面レンズ上に薄いプラスチックを成型してなるハイブリッドタイプの非球面」であり、非球面係数は以下のとおりである。
K = -0.747183 ,
A=0.194418E-05 , B=-0.107331E-09 , C=0.470872E-12 , D=0.0
(*2)は「ガラスの球面レンズ上に薄いプラスチックを成型してなるハイブリッドタイプの非球面」であり、非球面係数は以下のとおりである。
K=-0.664682 ,
A=0.189322E-05 ,B=0.311321E-08 ,C=0.143023E-11 ,
D=-0.765210E-15
可変量
条件式(1)の値 bf/fw=1.08,OAL=105
条件式(2)の値 f3/fw=2.32
条件式(3)の値 57.9
条件式(4)の値 29.9
図12に、実施例3の投射用ズームレンズの、広角端における断面図(上図)、望遠端における断面図(下図)と、変倍に伴う各群の変位を示す。図13に実施例3の広角端における縦収差図、図14に同望遠端における縦収差図を、図15に実施例3の広角端における横収差図、図16に同望遠端における横収差図を示す。
【0012】
実施例4
第20面は色合成プリズムの射出面、第21面は色合成プリズムの入射面である。
【0013】
(*1)は非球面であり、非球面係数は以下のとおりである。
K=-0.340530 ,
A=-0.219750E-05,B=-0.217723E-09,C=-0.704716E-11,
D=0.376357E-14
(*2)は非球面であり、非球面係数は以下のとおりである。
K=-0.457725 ,
A=0.135333E-05,B=-0.172321E-08,C=0.506214E-11,
D=-0.409838E-14
可変量
条件式(1)の値 bf/fw=1.00,OAL=90.0
条件式(2)の値 f3/fw=2.12
条件式(3)の値 60.3
条件式(4)の値 32.0
図17に、実施例4の投射用ズームレンズの、広角端における断面図(上図)、望遠端における断面図(下図)と、変倍に伴う各群の変位を示す。図18に実施例4の広角端における縦収差図、図19に同望遠端における縦収差図を、図20に実施例4の広角端における横収差図、図21に同望遠端における横収差図を示す。
【0014】
各「レンズ断面図」において、符号Sは絞りを示し、符号PRは色合成プリズムを示す。絞りSは、いずれの実施例においても、ズーミングに際して、第3群と一体に移動する。
各収差図において、「G」は波長546.1nmでの収差、「R」は波長610.0nmでの収差、「B」は波長460.0nmでの収差を意味し、「Y」は像高、「F」はFナンバ、「S」は波長546.1nmでのサジタル像面、「T」は波長546.1nmでのタンジェンシャル像面を意味する。なお、各収差は、スクリーン側を物体側、液晶パネル側を像側として算出されたものであり、従って、像高:Yは液晶パネル上のものである。
【0015】
上記実施例1〜4の投射用ズームレンズは、平面画像を拡大して投射結像させる投射用ズームレンズであって、拡大側から順に、第1G1〜第6群G6を配してなり、第1群G1は負の屈折力、第2群G2は正の屈折力、第3群G3は正の屈折力、第4群G4は負の屈折力、第5群G5は正の屈折力、第6群G6は正の屈折力を各々有し、投射距離の変化に際し、平面画像と被投射面を共役にするため、第1群G1が光軸方向への移動を行い、変倍に際しては、第1群G1、第4群G4、第6群G6が固定で、第2群G2、第3群G3、第5群G5が光軸方向への移動を行う。
広角端における全系の焦点距離:fw、バックフォーカス(空気中での値):bf、レンズ全長(mm単位)の数値(第1群の最も拡大側寄りの面から第6群の最も縮小側寄りの面までの長さをmm単位で表したときの数値):OAL、第3群の焦点距離:f3、第6群を構成する凸レンズのアッべ数の平均値:ν6P、第4群を構成する凹レンズのアッべ数の平均値:ν4M、第5群を構成する凹レンズのアッべ数の平均値:ν5Mが、
(1) OAL>90・bf/fw
(2) 1.5<f3/fw<2.5
(3) ν6P>50
(4) (ν4M+ν5M)/2<40
なる条件式を満足する(請求項1)。
【0016】
また実施例3、4の投射用ズームレンズは、第4群G4が、負の屈折力を持つ単レンズのみで構成され(請求項2)、実施例2の投射用ズームレンズは、第1群G1または第2群G2中の少なくとも1つの面を非球面とし(請求項3)、実施例3,4の投射用ズームレンズは、第1群G1または第2群G2中の少なくとも1つの面を非球面とし、且つ、第5群G5または第6群G6中の少なくとも1つの面を非球面としている(請求項4)。
【0017】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明によれば新規な投射用ズームレンズを実現できる。この発明の投射用ズームレンズは、上記各実施例に関する収差図に示されたように広角側・望遠側ともに性能が良好であり、特に3板式液晶プロジェクタ用に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の投射用ズームレンズのレンズ構成を示す断面図である。
【図2】実施例1の投射用ズームレンズの広角端における断面図(上図)、望遠端における断面図(下図)と変倍に伴う各群の変位を示す図である。
【図3】実施例1の広角端における縦収差図である。
【図4】実施例1の望遠端における縦収差図である。
【図5】実施例1の広角端における横収差図である。
【図6】実施例1の望遠端における横収差図である。
【図7】実施例2の投射用ズームレンズの広角端における断面図(上図)、望遠端における断面図(下図)と変倍に伴う各群の変位を示す図である。
【図8】実施例2の広角端における縦収差図である。
【図9】実施例2の望遠端における縦収差図である。
【図10】実施例2の広角端における横収差図である。
【図11】実施例2の望遠端における横収差図である。
【図12】実施例3の投射用ズームレンズの広角端における断面図(上図)、望遠端における断面図(下図)と変倍に伴う各群の変位を示す図である。
【図13】実施例3の広角端における縦収差図である。
【図14】実施例3の望遠端における縦収差図である。
【図15】実施例3の広角端における横収差図である。
【図16】実施例3の望遠端における横収差図である。
【図17】実施例4の投射用ズームレンズの広角端における断面図(上図)、望遠端における断面図(下図)と変倍に伴う各群の変位を示す図である。
【図18】実施例4の広角端における縦収差図である。
【図19】実施例4の望遠端における縦収差図である。
【図20】実施例4の広角端における横収差図である。
【図21】実施例4の望遠端における横収差図である。
【符号の説明】
G1 第1群
G2 第2群
G3 第3群
G4 第4群
G5 第5群
G6 第6群
PR 色合成プリズム
S 絞り
Claims (4)
- 平面画像を拡大して投射結像させる投射用ズームレンズであって、
拡大側から順に、第1〜第6群を配してなり、第1群は負の屈折力、第2群は正の屈折力、第3群は正の屈折力、第4群は負の屈折力、第5群は正の屈折力、第6群は正の屈折力を各々有し、
投射距離の変化に際し、平面画像と被投射面を共役にするため、第1群が光軸方向への移動を行い、
変倍に際しては、第1群、第4群、第6群が固定で、第2群、第3群、第5群が光軸方向への移動を行い、
長さの次元を持つ量の単位をmmとして、広角端における全系の焦点距離:fw、バックフォーカス(空気中での値):bf、レンズ全長の数値(第1群の最も拡大側寄りの面から第6群の最も縮小側寄りの面までの長さのmm単位での数値):OAL、第3群の焦点距離:f3、第6群を構成する凸レンズのアッべ数の平均値:ν6P、第4群を構成する凹レンズのアッべ数の平均値:ν4M、第5群を構成する凹レンズのアッべ数の平均値:ν5Mが、
(1)OAL>90・bf/fw
(2)1.5<f3/fw<2.5
(3)ν6P>50
(4)(ν4M+ν5M)/2<40
なる条件式を満足することを特徴とする投射用ズームレンズ。 - 請求項1記載の投射用ズームレンズにおいて、
第4群が、負の屈折力を持つ単レンズのみで構成されることを特徴とする投射用ズームレンズ。 - 請求項1または2記載の投射用ズームレンズにおいて、
第1群または第2群中の、少なくとも1つの面を非球面とすることを特徴とする投射用ズームレンズ。 - 請求項1または2または3記載の投射用ズームレンズにおいて、
第5群または第6群中の、少なくとも1つの面を非球面とすることを特徴とする投射用ズームレンズ。
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