JP5507239B2 - 投影光学系 - Google Patents
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特許文献1〜3に記載された技術では、いずれもFナンバーの値をあまり小さくすることができないという問題がある。例えば、特許文献1には、Fナンバーが3.0を中心として、3.3から2.8までの投写レンズが記載されている。また、特許文献2には、広角端のFナンバーが1.7の投射用ズームレンズが記載されている。また、特許文献3には、広角端のFナンバーが2.4の投射用ズームレンズが記載されている。
このため、投影面の照度アップのために更なる大口径化を図ることができる投影光学系が強く望まれている。
この発明によれば、絞りに対して短い共役側に少なくとも1面の非球面を有するとともに負の屈折力を有する負レンズユニットを隣接して配置することにより、軸外光線による収差の影響を抑えつつ正の球面収差を補正することができる。
図1は、本発明の実施形態に係る投影光学系の構成を示す光軸を含む断面図である。
透過型の表示素子の例としては、透過型の液晶変調素子を挙げることができる。また、反射型の表示素子の例としては、例えば、可動保持された微小ミラーが配列されたデジタルマイクロミラーデバイス(DMD、Digital Micromirror Device)や反射型液晶パネル(LCOS、Liquid Crystal On Silicon)などの表示素子を挙げることができる。
なお、投影光学系100は、色合成プリズム13を備えることにより複数の表示素子面I、例えば、光の3原色に対応する3つの表示素子面Iからの光を合成して投影面に投影することができるが、図1では、1つの表示素子面Iのみを表示し、他の表示素子面Iの図示は省略している。
接合レンズ4は、両凹レンズである負レンズ4Aと、長い共役側に凸面を向けた正メニスカスレンズである正レンズ4Bとが、長い共役側からこの順に接合されたものであり、全体として正の屈折力を有している。
本実施形態の正レンズ4Bは、接合レンズ4の屈折力を高めるため、屈折率が1.9より大きい硝材によって構成されている。
このように、第1レンズ群G1は、2枚の正レンズと、4枚の負レンズとを備えている。そして、2枚の正レンズは、屈折率が1.9より大きい硝材からなる正レンズである正レンズ4Bが、より短い共役側、すなわち第2レンズ群G2に近い側となる位置関係に配置されている。
接合レンズ10は、両凹レンズである負レンズ10Aと、両凸レンズである正レンズ10Bとが、長い共役側からこの順に接合されたものであり、全体として負の屈折力を有している。
本実施形態では、1面の非球面を有するとともに負の屈折力を有する単レンズである非球面レンズ9が、絞り8に対して短い共役側に隣接して設けられている。
ただし、第2レンズ群G2において絞り8に対して短い共役側に隣接して配置されるレンズは、負の単レンズには限定されず、負レンズユニットであればよい。ここで、負レンズユニットとは、複数枚のレンズ構成により負の屈折力を実現する単レンズまたはレンズ群を意味する。負レンズユニットは、例えば、適宜枚数のレンズが接合され全体として負の屈折力を有する接合レンズでもよい。
また、非球面レンズ9、負レンズ10Aと正レンズ10Bとからなる接合レンズ10、および2枚の正レンズであるレンズ11、12は、絞りに対して短い共役側の位置に配置された、全体として正の屈折力を有するレンズ群である短共役側レンズ群を構成している。
一般に大口径の光学系、すなわち、小さなFナンバーを有する光学系を設計する際は、特に球面収差の補正が課題となる。投影光学系に用いる広角レンズの場合、従来技術の投影光学系では、球面収差が良好になるように補正を行うと像面湾曲などの軸外光線の収差が悪化してしまう問題があった。
本発明者は、絞り近傍のレンズは軸外光線の収差に影響を与えにくいことに着目し、長い共役側から順に、負の屈折力を有する第1レンズ群と正の屈折力を有する第2レンズ群とを有する投影光学系であって、前記第1レンズ群は、複数の負レンズと、屈折率が1.9より大きい硝材からなる正レンズと、を備え、前記第2レンズ群は、絞りと、少なくとも1面の非球面を有するとともに負の屈折力を有する負レンズユニットと、を備え、前記負レンズユニットは、前記絞りに対して短い共役側に隣接して配置されたことを特徴とする投影光学系の発明に到った。
そこで、本実施形態では、第1レンズ群G1に複数の負レンズを配置することで歪曲収差の補正を容易にしている。
しかしながら、複数の負レンズを配置するとペッツバール和が大きくなりすぎるため、像面湾曲の補正が困難となってしまう。そこで、本実施形態では、第1レンズ群G1内では最も短い共役側の正レンズである正レンズ4Bを屈折率が1.9より大きい硝材によって構成している。これにより、ペッツバール和を抑制することができるため像面湾曲を良好に補正することができる。
第1レンズ群G1の正レンズが、すべて屈折率1.9以下の硝材で形成されていると、ペッツバール和を抑制することができず、像面湾曲の補正が困難になる。
第1レンズ群G1において、レンズ1と正レンズ4Bとの間の負レンズの枚数は、少なくとも3枚であることが好ましく、4枚以上であってもよい。
また、本実施形態では、第1レンズ群G1において、2枚の正レンズの間に配置された負レンズのうち、最も短い共役側の負レンズである負レンズ4Aと正レンズ4Bとで接合レンズ4を構成している。このため、倍率色収差の補正が容易となる。
また、本実施形態では、第1レンズ群G1の最も短い共役側に、長い共役側に凹面を向けた負メニスカスレンズであるレンズ5を配置しているため、コマ収差の補正が容易となる。
上記条件式(1)は、投影光学系100の全系の焦点距離fに対する第1レンズ群G1の焦点距離f1の好ましい大きさの範囲を示している。
|f1|/fが1.3以上であると前玉径を小径化することが難しくなる。
また、|f1|/fが0.85以下であると歪曲収差の補正が難しくなる。
したがって、条件式(1)の範囲を満足することにより、前玉径を小径化して投影光学系100の大きさを小型化することができるとともに、歪曲収差をより容易に補正できるようになる。
f2/fが1.9以上であるとバックフォーカスの確保が難しくなる。
また、|f1|/fが1.2以下であると像面湾曲の補正が難しくなる。
したがって、条件式(2)の範囲を満足させることにより、バックフォーカスの確保が容易となるため、色合成プリズム13の配置や投影装置への組み込みが容易となるとともに、像面湾曲をより容易に補正することができるようになる。
1.35<f2/f<1.7 ・・・(2a)
上記条件式(3)は、第2レンズ群G2における短共役側レンズ群の焦点距離f2bに対する長共役レンズ群の焦点距離f2aの好ましい大きさの範囲を示している。
f2a/f2bが0.82以上であると像面湾曲の補正が難しくなる。
また、f2a/f2bが0.52以下であると球面収差の補正が難しくなる。
したがって、条件式(3)の範囲を満足させることにより、球面収差と像面湾曲とを同時に補正することがより容易となる。
上記条件式(4)は、投影光学系100の全系の焦点距離fに対する負レンズユニットの焦点距離をfnl2の好ましい大きさの範囲を示している。
|fnl2|/fが4.0以上であると球面収差の補正が難しくなる。
また、|fnl2|/fが2.0以下であると軸外光束のサジタルフレアの低減が難しくなる。
したがって、条件式(4)の範囲を満足させることにより、球面収差をより容易に補正できるとともに、軸外光束のサジタルフレアをより容易に低減することができる。
本変形例の投影光学系200は、図2に示すように、上記実施形態の投影光学系100の第1レンズ群G1、第2レンズ群G2に代えて、第1レンズ群G21、第2レンズ群G22を備える。以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
レンズ21は、レンズ1と同様に、屈折率1.9以下の硝材で構成されているが、長い共役側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる点が異なる。
レンズ22、22は、それぞれレンズ2、3と同様に長い共役側に凸面を向けた負メニスカスレンズからなる。
接合レンズ24は、接合レンズ4の負レンズ4A、正レンズ4Bに代えてそれぞれ負レンズ24A、正レンズ24Bを備える。負レンズ24Aは両凹レンズであり、正レンズ24Bは屈折率が1.9より大きい硝材で構成された長い共役側に凸面を向けた正メニスカスレンズである。これにより、接合レンズ24は、接合レンズ4と同様に全体として正の屈折力を有している。
このため、第1レンズ群G21は、第1レンズ群G1と同様に、2枚の正レンズと、4枚の負レンズとを備えている。また、2枚の正レンズは、屈折率が1.9より大きい硝材からなる正レンズである正レンズ4Bが、より短い共役側、すなわち第2レンズ群G22に近い側となる位置関係に配置されている。
接合レンズ26は、両凹レンズである負レンズ26Aと、両凸レンズである正レンズ26Bとが、長い共役側からこの順に接合されたものであり、全体として正の屈折力を有している。
レンズ27は、レンズ7と同様に、長い共役側に凸面を向けた正メニスカスレンズからなる。
非球面レンズ29は、2つの凹面が非球面である両凹レンズである。したがって、非球面レンズ29は、2面の非球面を備える単レンズからなる負レンズユニットを構成している。
接合レンズ30は、接合レンズ10の負レンズ10A、正レンズ10Bに代えてそれぞれ負レンズ30A、正レンズ30Bを備え、全体として負の屈折力を有している。
ただし、負レンズ30Aは長い共役側に凹面を向けた負メニスカスレンズであり、正レンズ30Bは長い共役側に凸面を向けた正メニスカスレンズである。
レンズ31、32は、レンズ11、12と同様に、それぞれ、長い共役側に凹面を向けた正メニスカスレンズ、両凸レンズからなる。
本変形例では、2面の非球面を有するとともに負の屈折力を有する単レンズである非球面レンズ29が、絞り28に対して短い共役側に隣接して設けられている。
また、非球面レンズ29、負レンズ30Aと正レンズ30Bとからなる接合レンズ30、および2枚の正レンズであるレンズ31、32は、絞りに対して短い共役側の位置に配置された、全体として正の屈折力を有するレンズ群である短共役側レンズ群を構成している。
また同様に、上記条件式(3)を満足することが好ましく、上記条件式(3a)を満足することがさらに望ましい。
また同様に、上記条件式(4)を満足することが好ましく、上記条件式(4a)を満足することがさらに望ましい。
そして、上記実施形態に比べて、球面収差、像面湾曲、歪曲収差をより容易に補正することができる。
また、追加された負レンズ26Bは、正レンズ26Bとの間で接合レンズ26を構成しており、投影光学系200合計3組の接合レンズを備えるため、上記実施形態に比べて色収差補正がより容易となる。
また、第1レンズ群G21は、最も短い共役側に、長い共役側に凹面を向けた負メニスカスレンズであるレンズ25が配置されているため、コマ収差の補正が容易となる。
また、本変形例が上記に説明した好ましい形態、あるいはさらに望ましい形態をとる場合には、上記と同様な作用効果が得られる。
非球面レンズ9、29は、それぞれ負レンズユニットの一実施形態である。
図3(a)、(b)、(c)は、それぞれ本発明の実施形態に係る投影光学系の数値実施例の球面収差、非点収差、歪曲収差をそれぞれ示す収差図である。
また、曲率半径Riは、各面番号iに対応したレンズ面の曲率半径、面間隔Diは、面番号iのレンズ面と面番号i+1のレンズ面との軸上面間隔であり、単位は(mm)である。各曲率半径Ri、面間隔Diと各レンズとの対応は、図1に符号Ri、Diで示している。
また、屈折率N、νdは、それぞれ、各レンズの屈折率、アッベ数を示している。また屈折率については、d線(波長587.56nm)に対するものを表記している。
1 R1 = 59.09 D1 = 4.54 N1 = 1.713 ν1 = 53.9
2 R2 =-3490.92 D2 = 0.20
3 R3 = 52.16 D3 = 1.50 N2 = 1.487 ν2 = 70.4
4 R4 = 17.87 D4 = 5.54
5 R5 = 316.76 D5 = 1.20 N3 = 1.487 ν3 = 70.4
6 R6 = 19.72 D6 = 4.92
7 R7 = -54.74 D7 = 1.00 N4 = 1.487 ν4 = 70.4
8 R8 = 20.65 D8 = 4.40 N5 = 1.904 ν5 = 31.3
9 R9 = 1678.02 D9 = 2.94
10 R10= -21.84 D10= 1.65 N6 = 1.847 ν6 = 23.8
11 R11= -81.39 D11= 1.83
12 R12= 1120.14 D12= 3.72 N7 = 1.713 ν7 = 53.9
13 R13= -31.47 D13= 0.20
14 R14= 21.39 D14= 4.50 N8 = 1.697 ν8 = 55.5
15 R15= 303.60 D15= 8.48
16 R16= ∞(絞り) D16= 1.47
17 R17= -52.15 D17= 1.22 N9 = 1.821 ν9 = 24.1
18 非球面[1] D18= 2.79
19 R19= -16.41 D19= 1.00 N10= 1.805 ν10= 25.5
20 R20= 263.59 D20= 4.40 N11= 1.713 ν11= 53.9
21 R21= -20.64 D21= 0.20
22 R22= -152.71 D22= 3.44 N12= 1.713 ν12= 53.9
23 R23= -31.38 D23= 0.20
24 R24= 51.34 D24= 4.55 N13= 1.834 ν13= 37.3
25 R25= -62.17 D25= 1.00
26 R26= ∞ D26=21.60 N14= 1.516 ν14= 64.2
27 R27= ∞ D27= 2.10
28 R28= ∞ D28= 2.30 N15= 1.458 ν15= 67.8
29 R29= ∞ D29= 2.10
30 ∞(表示素子面) D30= 0.00
非球面[1]:
c 1/166.14 (r=166.14)
k 0
A 0.5100x10-4 B 0.1217x10-6 C -0.7743x10-9
D 0.4752x10-11
したがって、条件式(1)〜(4)に対応する各値は、それぞれ、|f1|/f=1.09、f2/f=1.47、f2a/f2b=0.68、|fnl2|/f=2.54である。
なお、球面収差図、歪曲収差図(図3(a)、(c))では、波長638nm(実線で示す。)、波長520nm(1点鎖線で示す。)、波長455nm(2点鎖線で示す。)の各波長における球面収差、歪曲収差を示している。ただし、本実施例の歪曲収差は3本の曲線がほとんど重なって図示されているため区別できない。
非点収差図(図3(b))は、同様に波長638nm、520nm、455nmの各波長におけるサジタル光線に対する非点収差をそれぞれ曲線S1、S2、S3で示し、同様に、タンジェンシャル光線に対する非点収差をそれぞれ曲線T1、T2、T3で示している。
また、図3(a)、(b)、(c)に示すように、本実施例の投影光学系100は、球面収差、非点収差、および歪曲収差が良好に補正されていることがわかる。
また、半画角ωが26°と広画角でありながら、Fナンバーが1.5と明るい光学系になっている。
図4(a)、(b)、(c)は、それぞれ本発明の実施形態の変形例に係る投影光学系の数値実施例の球面収差、非点収差、歪曲収差をそれぞれ示す収差図である。
1 R1 = 58.50 D1 = 4.30 N1 = 1.786 ν1 = 43.9
2 R2 = 329.16 D2 = 0.20
3 R3 = 47.28 D3 = 1.00 N2 = 1.487 ν2 = 70.4
4 R4 = 15.60 D4 = 6.63
5 R5 = 96.37 D5 = 1.00 N3 = 1.487 ν3 = 70.4
6 R6 = 21.37 D6 = 4.48
7 R7 = -80.53 D7 = 1.00 N4 = 1.487 ν4 = 70.4
8 R8 = 18.71 D8 = 4.28 N5 = 1.904 ν5 = 31.3
9 R9 = 85.54 D9 = 3.69
10 R10= -21.70 D10= 1.00 N6 = 1.762 ν6 = 26.6
11 R11= -67.89 D11= 2.00
12 R12= -243.54 D12= 1.00 N7 = 1.847 ν7 = 23.8
13 R13= 38.56 D13= 5.30 N8 = 1.786 ν8 = 43.9
14 R14= -33.65 D14= 0.20
15 R15= 23.62 D15= 4.38 N9 = 1.786 ν9 = 43.9
16 R16= 982.39 D16= 7.70
17 R17= ∞(絞り) D17= 3.97
18 非球面[1] D18= 1.45 N10= 1.821 ν10= 24.1
19 非球面[2] D19= 2.84
20 R20= -19.03 D20= 1.00 N11= 1.847 ν11= 23.8
21 R21= -112.36 D21= 3.50 N12= 1.487 ν12= 70.4
22 R22= -25.58 D22= 0.20
23 R23= -326.23 D23= 5.18 N13= 1.697 ν13= 55.5
24 R24= -23.65 D24= 0.20
25 R25= 58.68 D25= 4.41 N14= 1.834 ν14= 37.3
26 R26= -84.66 D26= 1.00
27 R27= ∞ D27=21.60 N15= 1.517 ν15= 64.2
28 R28= ∞ D28= 2.10
29 R29= ∞ D29= 2.30 N16= 1.458 ν16= 67.8
30 R30= ∞ D30= 2.10
31 ∞(表示素子面) D31= 0.00
非球面[1]:
c -1/51.84 (r= -51.84)
k 0
A 0.4039x10-4 B -0.5209x10-6 C 0.7317x10-9
D 0.7128x10-11
非球面[2]:
c -1/5616.69 (r= -5616.69)
k 0
A 0.8940x10-4 B -0.3758x10-6 C 0.5783x10-9
D 0.5901x10-11
したがって、条件式(1)〜(4)に対応する各値は、それぞれ、|f1|/f=1.17、f2/f=1.58、f2a/f2b=0.65、|fnl2|/f=3.35である。
なお、各収差図の見方は、図3(a)、(b)、(c)と同様である。
また、図4(a)、(b)、(c)に示すように、本実施例の投影光学系200は、球面収差、非点収差、および歪曲収差が良好に補正されていることがわかる。
また、半画角ωが28°と広画角でありながら、Fナンバーが1.6と明るい光学系になっている。
5、25 レンズ(長い共役側に凹面を向けた負メニスカスレンズ)
8、28 絞り
9、29 非球面レンズ(負レンズユニット)
10、30 接合レンズ
10A、30A 負レンズ
10B,30B 正レンズ
100、200 投影光学系
G1、G21 第1レンズ群
G2、G22 第2レンズ群
I 素子表示面
Claims (5)
- レンズ群として、長い共役側から順に、負の屈折力を有する第1レンズ群と正の屈折力を有する第2レンズ群とからなる投影光学系であって、
前記第1レンズ群は、
長い共役側から順に、正レンズ、少なくとも3枚の負レンズ、屈折率が1.9より大きい硝材からなる正レンズ、および長い共役側に凹面を向けた負メニスカスレンズが配置されて構成され、
前記第2レンズ群は、
長い共役側から順に、正の屈折力を有する長共役側レンズ群、絞り、および正の屈折力を有する短共役側レンズ群が配置されて構成され、
前記短共役側レンズ群は、
少なくとも1面の非球面を有するとともに負の屈折力を有する負レンズユニットが、前記絞りに対して短い共役側に隣接して配置されていることを特徴とする投影光学系。 - 全系の焦点距離をf、前記第1レンズ群の焦点距離をf1、前記第2レンズ群の焦点距離をf2としたとき、以下の条件式(1)、(2)を満足することを特徴とする請求項1に記載の投影光学系。
0.85<|f1|/f<1.3 ・・・(1)
1.2<f2/f<1.9 ・・・(2) - 前記第2レンズ群は、
前記長共役側レンズ群の焦点距離をf2a、前記短共役側レンズ群の焦点距離をf2bとしたとき、以下の条件式(3)を満足することを特徴とする請求項1または2に記載の投影光学系。
0.52<f2a/f2b<0.82 ・・・(3) - 前記負レンズユニットの焦点距離をfnl2としたときに、以下の条件式(4)を満足することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の投影光学系。
2.0<|fnl2|/f<4.0 ・・・(4)
ただし、fは全系の焦点距離である。 - 前記長共役側レンズ群は、少なくとも2枚の正レンズを備え、
前記短共役側レンズ群は、長い共役側から順に、前記負レンズユニット、負レンズと正レンズとからなる接合レンズ、および少なくとも2枚の正レンズを備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の投影光学系。
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