JPH11142731A - 投射レンズ及びそれを有したプロジェクション装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プロジェクション装置のスキャン率の変換を
簡易な構成の投射レンズによって実現すること。 【解決手段】 液晶表示素子ＬＣに表示された原画像と
原画像が投射されるスクリーンＳＣ間の共役距離が実質
的に固定されたプロジェクション装置に用いられる投射
レンズであって、スクリーンＳＣ側から順に、負の屈折
力の第１レンズ群Ｉ、正の屈折力の第２レンズ群ＩＩを
有し、投射倍率を相対的に高倍から低倍に遷移させる
際、第１レンズ群Ｉを固定し、第２レンズ群ＩＩをスク
リーンＳＣ側に移動させることにより、焦点距離を切り
替える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は投射レンズに関し、
特に、原画像とスクリーンの共役距離が有限距離にて実
質的に固定されたリヤプロジェクション装置に好適に用
いられるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＣＲＴや液晶表示素子に表示され
る原画像を、投射レンズによって、有限距離に固定され
たスクリーンに背面投射するリヤプロジェクションテレ
ビが知られている。

【０００３】図９は一般的なリアプロジェクションテレ
ビの概略構成図である。図９に示したリアプロジェクシ
ョンテレビは、筐体１内に配置された画像表示手段２、
投射レンズ３、反射ミラー４、スクリーン５等により構
成されている。画像表示手段２に表示された原画像から
の光は、投射レンズ３によって拡大され、反射ミラー４
を介してスクリーン５に投射される。スクリーン５は、
不図示のフレネルレンズとレンチキュラレンズとにより
構成されており、使用者はスクリーン５の正面位置で明
るい画像を観察できる。

【０００４】一方、近年では画像表示手段（具体的には
ＣＲＴや液晶表示素子等）の高精細化に伴って、テレビ
ジョン用の動画（ＮＴＳＣ画像）の表示のみならず、コ
ンピュータ用の静止画（ＶＧＡ，ＸＧＡ等）を投射する
ことのできるプロジェクション装置が求められている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、テレビ
用のＮＴＳＣ画像とコンピュータ用の静止画とでは解像
度が異なるため、従来の装置で各々の画像をスクリーン
に対して同じサイズで投射するには、スキャンコンバー
タを用いてスキャン率の変換を行なう必要があった。例
えば、ＮＴＳＣ画像とＶＧＡ画像の双方を同じサイズで
スクリーン上に表示するには、ＮＴＳＣ画像はオーバー
スキャンで表示し、ＶＧＡ画像はアンダースキャンで表
示するよう信号変換処理を行なわねばならない。ところ
が、画像信号を変換処理するためのスキャンコンバータ
は高価なため、プロジェクション装置自体のコスト上昇
の要因となっていた。

【０００６】本発明は、スキャン率の変換を変倍によっ
て実現する簡易な構成の投射レンズを提供することを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、原画像と該原画像が投射されるスクリー
ン間の共役距離が実質的に固定されたプロジェクション
装置に用いられる投射レンズであって、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レンズ群を有し、投射倍率を相対的に高倍から低倍
に遷移させる際、前記第１レンズ群を固定し、前記第２
レンズ群を前記スクリーン側に移動させることにより、
焦点距離を切り替えることを特徴としている。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１，３，５，７は、本発明の数
値実施例１〜４の投射レンズの断面図である。

【０００９】各図において、Ｉは正の屈折力の第１レン
ズ群、ＩＩは負の屈折力の第２レンズ群、ＩＩＩは正の
屈折力の第３レンズ群、ＳＴは絞りである。そしてＬＣ
は液晶表示素子、ＳＣは液晶表示素子ＬＣに表示された
原画像が投射されるスクリーン、ＣＧはカバーガラスで
ある。液晶表示素子ＬＣは、不図示の照明系によりケー
ラー照明される透過型の素子である。

【００１０】各数値実施例の投射レンズは、原画像とス
クリーンの間隔が有限距離にて実質的に固定されたリヤ
プロジェクション装置用の投射レンズであり、第２レン
ズ群ＩＩを光軸方向に移動させることにより、２つの焦
点距離（以後便宜上、焦点距離の短い方を広角端、長い
方を望遠端という）の間で焦点距離を切り替え、投射倍
率を遷移させている。なお各数値実施例とも、広角端か
ら望遠端への切り替えに際し、第２レンズ群ＩＩは図示
のようにスクリーン側に移動するが、第１レンズ群Ｉ及
び第３レンズ群ＩＩＩは固定である。

【００１１】このように本実施形態の投射レンズは、第
２レンズ群ＩＩを移動させるだけの簡単な構成で投射倍
率を遷移させ、解像度の異なった複数種の画像のスキャ
ン率を変換することができる。本実施形態の投射レンズ
は、図９に示したような一般的なリアプロジェクション
テレビに用いることができる。

【００１２】以下本発明の投射レンズを実現する上で更
に望ましい形態を併記する。 （ａ）各数値実施例において、第１レンズ群Ｉは、最も
スクリーン側に位置するレンズの液晶表示素子ＬＣ側の
強い凹面（第２面）を非球面としている。非球面の形状
は、凹レンズで発生する樽型の歪曲を緩和するよう、周
辺で負の屈折力が弱まる形状になっている。 （ｂ）リアプロジェクション装置では、投射レンズの焦
点距離が短いほど、すなわち広画角であるほどスクリー
ンまでの共役距離が短縮でき小型化が可能になる。しか
しながら、収差補正の観点から見れば、第１レンズ群Ｉ
は軸外斜光束を極力緩やかに屈曲させることが望まし
い。このため各数値実施例においては、第１レンズ群Ｉ
を構成する少なくとも２枚のレンズをスクリーンＳＣ側
に凸面を向けた負メニスカスレンズで構成し、良好に収
差の発生を抑えている。 （ｃ）液晶表示素子ＬＣからの光を効率よくスクリーン
へ投射するためには、液晶表示素子ＬＣ側から見た投射
レンズの瞳位置が無限遠方になるよう、換言すれば液晶
表示素子ＬＣ側に実質的にテレセントリックになるよう
投射レンズを構成するのが望ましい。このため、各数値
実施例の投射レンズにおいては、絞りＳＴより液晶表示
素子ＬＣ側のレンズ全体の広角端における焦点距離をｆ
ｒ、また絞りＳＴから絞りＳＴより液晶表示素子ＬＣ側
のレンズ全体の前側主点までの距離をＬとしたとき、 ０．８５ ＜ Ｌ／ｆｒ ＜ １．０ （１） なる条件式を満足するよう各レンズ群を構成している。

【００１３】条件式（１）の下限を越えると瞳位置が比
較的近くなるため、照明系とのマッチングが悪くなり、
スクリーンＳＣ上の周辺の画像の照度が低下するといっ
た問題が生ずる。特に、マイクロレンズを用いる単板方
式プロジェクションテレビでは、色むら等の現象が発生
し良くない。また条件式（１）の上限を越えると絞りＳ
Ｔより液晶表示素子ＬＣ側のレンズ全体の屈折力が強く
なり過ぎ、収差補正が困難になるので好ましくない。 （ｄ）第３レンズ群ＩＩＩは、小型化とテレセントリッ
ク性（瞳位置の無限遠化）の両立のため、条件式（１）
を満たす範囲内にて強い正の屈折力を有することが望ま
しい。第３レンズ群ＩＩＩは液晶表示素子ＬＣに最も近
接しているので、軸外の像面特性への影響が大きく、強
い正の屈折力成分を収差上打ち消す負の屈折作用面が必
要である。この負の屈折作用面前後において主光線が、
液晶表示素子ＬＣ側では平行に近く、スクリーンＳＣ側
ではコンセントリックである方が望ましいので、スクリ
ーンＳＣ側に強い凹面を有した負レンズが効果的であ
る。ここで「強い凹面」とは、そのレンズを構成する２
つの屈折作用面を比較した場合の相対的なものである。 （ｅ）各数値実施例の投射レンズは、第１レンズ群Ｉ及
び第２レンズ群ＩＩの広角端における近軸横倍率をそれ
ぞれβ１ｗ，β２ｗ、変倍比（スキャン率）をＺ、第２
レンズ群ＩＩの広角端から望遠端への移動量をＭ、第１
レンズ群ＩのスクリーンＳＣ側焦点からスクリーンＳＣ
までの距離をｘ、第１レンズ群Ｉ及び第２レンズ群ＩＩ
の焦点距離をそれぞれｆ１，ｆ２、第１レンズ群Ｉと第
２レンズ群ＩＩの主点間隔をｅｗとするとき、

【００１４】

【外２】 Ｍ＝ｆ２×β２ｗ×（１−Ｚ） （３） β１ｗ＝ｆ１／ｘ （４） ｅｗ＝ｆ１＋ｆ２−ｆ１×β１ｗ−ｆ２／β２ｗ （５） なる関係を満足している。

【００１５】ここで、プロジェクション装置のスキャン
率の変化は、投射レンズの倍率変化で１０％程度であ
る。つまり、式（２），（３）から第２レンズ群ＩＩが
使用する近軸横倍率は等倍近辺となることが分かり、逆
に第２レンズ群ＩＩの位置敏感度は低くなることが分か
る。したがって、多少第２レンズ群ＩＩを移動させても
ピントの変化が少なく、ピント補正のために他のレンズ
群を移動させる必要がないので非常に好都合である。こ
のため、本実施形態の投射レンズを図９に示すようなリ
ヤプロジェクションテレビに組み込んだ際も、第２レン
ズ群ＩＩの位置の調整で投射倍率の微調整が行える。 （ｆ）原画像（液晶表示素子）とスクリーンの共役距離
のピント調整は、投射レンズ全系若しくは第３レンズ群
を光軸方向に移動させて行なうことが望ましい。スクリ
ーンサイズが変わり、フォーカスする際に画像の劣化が
生ずる場合は、第１レンズ群内のフローテイング機構に
より補正することが望ましい。

【００１６】このように各数値実施例の投射レンズは、 （ａ）第１レンズ群が少なくとも１つの非球面を有する
こと （ｂ）第１レンズ群をスクリーン側に凸面を向けた複数
の負メニスカスレンズで構成すること （ｃ）条件式（１）を満足すること （ｄ）正の屈折力の第３レンズ群が、スクリーン側に強
い凹面を有する負レンズを有すること （ｅ）条件式（２）〜（５）を満足すること （ｆ）投射レンズ全系若しくは第３レンズ群を光軸方向
に移動させてピント調整を行なうこと なる各要件を全て満足しているが、本発明の投射レンズ
においては上記各要件の少なくとも１つを満足するだけ
でも、それぞれの要件の効果が期待できる。

【００１７】次に各数値実施例毎の説明を行なう。

【００１８】（数値実施例１）表１に図１に示した数値
実施例１の投射レンズの数値データを示す。表中、ｒｉ
はスクリーン側より順に第ｉ番目のレンズ面の曲率半
径、ｄｉは第ｉ番目と第ｉ＋１番目のレンズ面間の間
隔、ｎｉは第ｉ番目のレンズを構成するガラスのｄ線に
対する屈折率、νｉは第ｉ番目のレンズを構成するガラ
スのアッベ数を表す。

【００１９】非球面形状は、光軸方向にＸ軸、光軸と垂
直な方向にＹ軸、光の進行方向を正とし、レンズの頂点
とＸ軸の交点を原点にとり、ｒをレンズ面の近軸曲率半
径、ｋ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅを非球面係数とするとき、

【００２０】

【外３】 なる式で表せる。

【００２１】また、『Ｄ−０３』等の表示は、『１
０^-3』を意味し、長さの単位は（ｍｍ）である。

【００２２】図２に共役距離８２０ｍｍの場合の本実施
例の投射レンズの収差図を示す。図２（ａ）は広角端、
図２（ｂ）は望遠端における諸収差図である。なお、本
実施例では、フォーカスの調整は投射レンズ全系を繰り
出して行っている。

【００２３】

【表１】

【００２４】（数値実施例２）表２に図３に示した数値
実施例２の投射レンズの数値データを示す。表中の符号
の意味は、数値実施例１と同様であるので説明を省略す
る。

【００２５】本実施例では、第２レンズ群ＩＩ中の絞り
ＳＴのスクリーンＳＣ側の凸レンズにて発生する収差、
主にコマ収差を良好に補正するため、その凸レンズを凹
レンズとの接合レンズとしている。また、第２レンズ群
ＩＩの先頭にスクリーンＳＣ側に凸面を向けた負メニス
カスレンズを導入することで変倍による収差変動を抑え
ている。

【００２６】図４に共役距離８２０ｍｍの場合の本実施
例の投射レンズの収差図を示す。図４（ａ）は広角端、
図４（ｂ）は望遠端における諸収差図である。なお、本
実施例では、フォーカスの調整は投射レンズ全系を繰り
出して行っている。

【００２７】

【表２】

【００２８】（数値実施例３）表３に図５に示した数値
実施例３の投射レンズの数値データを示す。表中の符号
の意味は、数値実施例１と同様であるので説明を省略す
る。

【００２９】図６に共役距離８２０ｍｍの場合の本実施
例の投射レンズの収差図を示す。図６（ａ）は広角端、
図６（ｂ）は望遠端における諸収差図である。なお、本
実施例では、フォーカスの調整は第３レンズ群ＩＩＩを
繰り出して行っている。

【００３０】

【表３】

【００３１】（数値実施例４）表４に図７に示した数値
実施例４の投射レンズの数値データを示す。表中の符号
の意味は、数値実施例１と同様であるので説明を省略す
る。

【００３２】本実施例では、フォーカスの調整は第３レ
ンズ群ＩＩＩを繰り出して行っているが、スクリーンサ
イズが変わった際に発生する像面湾曲を第１レンズ群の
フローテイング機構により補正している。

【００３３】図８に共役距離９３１ｍｍの場合の本実施
例の投射レンズの収差図を示す。図８（ａ）は広角端、
図８（ｂ）は望遠端における諸収差図である。

【００３４】

【表４】

【００３５】次に各数値実施例毎のＬ／ｆｒの値を表５
に示す。

【００３６】

【表５】

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
スキャン率の変換を簡易な構成の投射レンズによって実
現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】数値実施例１の投射レンズの断面図である。

【図２】数値実施例１の投射レンズの広角端と望遠端の
諸収差図である。

【図３】数値実施例２の投射レンズの断面図である。

【図４】数値実施例２の投射レンズの広角端と望遠端の
諸収差図である。

【図５】数値実施例３の投射レンズの断面図である。

【図６】数値実施例３の投射レンズの広角端と望遠端の
諸収差図である。

【図７】数値実施例４の投射レンズの断面図である。

【図８】数値実施例４の投射レンズの広角端と望遠端の
諸収差図である。

【図９】一般的なリアプロジェクションテレビの概略構
成図である。

【符号の説明】

Ｉ 第１レンズ群 ＩＩ 第２レンズ群 ＩＩＩ 第３レンズ群 ＬＣ 液晶表示素子 ＳＣ スクリーン ＳＴ 絞り

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原画像と該原画像が投射されるスクリー
   ン間の共役距離が実質的に固定されたプロジェクション
   装置に用いられる投射レンズであって、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レンズ群を有し、投射倍率を相対的に高倍から低倍
   に遷移させる際、前記第１レンズ群を固定し、前記第２
   レンズ群を前記スクリーン側に移動させることにより、
   焦点距離を切り替えることを特徴とする投射レンズ。
2. 【請求項２】 絞りより原画像側のレンズ全体の広角端
   における焦点距離をｆｒ、前記絞りから前記絞りより原
   画像側のレンズ全体の前側主点までの距離をＬとしたと
   き、 ０．８５ ＜ Ｌ／ｆｒ ＜ １．０ なる条件式を満足することを特徴とする請求項１項記載
   の投射レンズ。
3. 【請求項３】 前記第１レンズ群は、少なくとも１面の
   非球面を有することを特徴とする特許請求の請求項１乃
   至２記載の投射レンズ。
4. 【請求項４】 前記第１レンズ群は、スクリーン側に凸
   面を向けた負メニスカスレンズを最もスクリーン側に有
   し、該負メニスカスレンズの原画像側は非球面であるこ
   とを特徴とする請求項３記載の投射レンズ。
5. 【請求項５】 前記第１レンズ群は、スクリーン側に凸
   面を向けた少なくとも２枚の負メニスカスレンズを有し
   ていることを特徴とする請求項１乃至４記載の投射レン
   ズ。
6. 【請求項６】 正の屈折力の第３レンズ群を有すること
   を特徴とする請求項１乃至５記載の投射レンズ。
7. 【請求項７】 前記第３レンズ群は、少なくとも１枚の
   正レンズと少なくとも１枚の負レンズとを有し、該負レ
   ンズはスクリーン側に強い凹面を有することを特徴とす
   る請求項６記載の投射レンズ。
8. 【請求項８】 前記第３レンズ群を光軸上移動させて、
   ピント調整を行うことを特徴とする請求項６，７項記載
   の投射レンズ。
9. 【請求項９】 前記スクリーンのサイズが変化した際、
   前記第１レンズ群内のフローティング機構を利用して、
   前記スクリーン上の像面の劣化を補正することを特徴と
   する請求項１乃至８項記載の投射レンズ。
10. 【請求項１０】 前記第１レンズ群及び第２レンズ群の
    広角端における近軸横倍率をそれぞれβ１ｗ，β２ｗ、
    変倍比をＺ、前記第２レンズ群の広角端から望遠端への
    移動量をＭ、前記第１レンズ群の前記スクリーン側焦点
    から前記スクリーンまでの距離をｘ、前記第１レンズ群
    及び第２レンズ群の焦点距離をそれぞれｆ１，ｆ２、前
    記第１レンズ群と第２レンズ群間の主点間隔をｅｗとす
    るとき、 【外１】 Ｍ＝ｆ２×β２ｗ×（１−Ｚ） β１ｗ＝ｆ１／ｘ ｅｗ＝ｆ１＋ｆ２−ｆ１×β１ｗ−ｆ２／β２ｗ なる関係を満足することを特徴とする請求項１乃至９記
    載の投射レンズ。
11. 【請求項１１】 請求項１乃至１０記載の投射レンズを
    有し、該投射レンズによって、原画像をスクリーンに投
    射することを特徴とするプロジェクション装置。