JPS6049311A - 投影レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は投影レンズ、特にＣＲＴ像を投影し大きな画面
を得るビデオプロジェクタ−用投影レンズに関する。

（発明の背景） 一般にビデオプロジェクタ−では、Ｂ（青）、Ｇ（緑）
、Ｒ（赤）、３色のＣＲＴを各々のレンズでスクリーン
に投影しておシ、３色それぞれの発光スペクトル巾は狭
いため色消レンズの必要性はあｔｂない。これらのビデ
オプロジェクタ−用レンズとしては、通常の球面レンズ
だりで構成されるものや、非球面を含んだものが知れて
いる。

球面のみの構成では明るく広い画角を持せるためには限
界がちシ、構成するレンズの数を少なくして高性能を維
持するためには、非球面を用いることが不可欠である。

非球面を用いたこの種の投影レンズとしては、特開昭５
５−１２４１１４号、特開昭５７−１０８８１８号、特
開昭５８−１１８６１６号、特開昭５８−１２５００７
号などの各公報に開示されたものが知れている。これら
はいずれも３個のレンズにより構成されており、本願と
同一の出願人による特開昭５７−１０８８１８号公報に
開示された投影レンズの例を第１図に示す。

図示のごとく、スクリーン側（図中左側）より正の屈折
力を有する第ルンズ、正の屈折力を有する両凸形状第２
レンズ、負の屈折力を有しスクリーン側に強い曲率を向
けた第３レンズよシ構成されている。

特開昭５５−１２４１１４号公報に開示された投影レン
ズは、第１図のものよシ第ルンズの屈折力が弱く、第２
レンズの屈折力が強い基本構成を持っているため、中心
の結像性能は良いが、周辺の結像性は悪くなるという欠
点があった。また３個のレンズ素材が全てプラスチック
のため環境雰囲気の温度変化による焦点変動が著しいと
いう欠点もあった。また、特開昭５７−１０８８１８号
公報に開示された投影レンズは、平面のＣＲＴに対して
レンズ側に凹面を向けた曲率半径２５００朋の彎曲した
スクリーンへの投影を前提としていたため、像面彎曲的
には有利な投影レンズであったが、半画角が２４．０５
°と狭いものであった。さらに、この例についての第２
図に示すＣＲＴ側ＭＴＦ値も５本／朋で概ね５０％程度
はあるが、まだ充分な値とは云えなかった。またこれも
３個のレンズ素材が全てプラスチックであるため、環境
雰囲気の温度変化による焦点変動が著しい。

ここで、レンズ素材として使われているアクリルのｅ線
における屈折率ｎｅを気温２０℃を定常状態とし０°Ｃ
〜４０℃まで変化させ測定すると下記の値を得る。

ｎ＠（２０℃）＝１．４９３８０ ｎｏ（ＱｏＧ）＝１．４９６０８ ｎ＠（４０℃）＝１．４９１３４ この屈折率値変化によるＣＲＴ側の温度変化によるデフ
ォーカス量は、第１図に示した特開昭５７−１０８８１
８号公報も投影レンズについてみると２０℃を零として
、 ０６Ｇ　：　−０，６３５朋 ４０°Ｃ：　＋０．７４９朋 となる。これだけの焦点変動があると第２図のＭＴＦ値
から判断すれば、ビデオプロジェクターの設置場所の温
度変化が太い場合には実用の域を越えてしまう。

特開昭５８−１１８６１６号公報及び特開昭５８−１２
５００７号公報に開示された投影レンズは、Ｍ１図に示
したものとほぼ同じ構成を有しているが、第２レンズの
素材をガラスとし、温度変化による焦点変動が小さくな
るよう配慮されている。しかしながら、これらは第２レ
ンズの素材がガラスであるため、非球面化されておらず
、球面収差の補正が充分でなく、画角も半画角２５°以
下で狭く、像面彎曲の補正も充分でなかった。さらに、
温度変化による焦点変動については第ルンズでの変化は
何ら補償されておらず未だ十分なものではないという欠
点をもっていた。

（発明の目的） 本発明の目的は、従来知れているビデオプロジェクタ−
用投影レンズをより広画角し充分々結像性能を得るとと
もに環境雰囲気の温度変化による焦点変動を補償したビ
デオプロジェクタ−用投影レンズを提供することＫある
。

（発明の概要） 本発明による投影レンズは、スクリーン側より順に正の
屈折力を有する第ルンズ、正の屈折力ヲ有シ両凸形状の
第２レンズ、負の屈折力を有しスクリーン側に強い曲率
の凹面を向けたメニスカス状の第３レンズ、負の屈折力
を有しスクリーン側に強い曲率の凹面を向けた第４レン
ズにより構成されている。

このような基本構成により第ルンズは球面収差とコマ収
差の補正機能を持ち、第２レンズと第３レンズは接近し
て配置され実質的にはいわゆる分離−゛プレットを構成
し、第ルンズにより補正しきれない球面収差とコマ収差
を補正する機能を有Ｌ、ｊｌＥ４レンズはフィールドフ
ラットナーとしてベソバール和の補正すなわち、像面彎
曲、非点収差の補正機能を有する。

このような補正機能を充分に果すためには、少なくとも
第ルンズ、第３レンズ、第４レンズの各１面を非球面化
することが望ましい。また非球面を有するレンズは、加
工上、レンズ素材をプラスチレンとすることにより、コ
ストの大巾低減が見込める。そして、本発明の投影レン
ズに温度変化による焦点ドリフト補償機能を持たせるた
めには、第ルンズ、第３レンズ、第４レンズの各素材を
プラスチックとし、第２レンズの素材をガラスとするこ
とが必須となる。プラスチックは屈折率の温度依存性が
ガラスに比べ２桁程度大きい。

この４個のレンズのうち、第２レンズは素材がガラスで
あるため、また第４レンズは物体面近舗にあるため、第
２レンズ及び第４レンズが全系に及ぼす温度変化による
焦点変動は実質的に無視できる。

そして、第ルンズの屈折力をＰｌ、第３レンズの屈折力
をＰ３とするとき、 −３，０≦Ｐ＋　／　Ｐ３≦−０，８ の条件を満足することにより、この２個のレンズによる
温度変化に対する焦点変動を大巾に軽減することができ
る。従って全系についても大きな温度変化に対して十分
に温度補償を達成することが可能となる。

この条件の下限に外れると温度補償効果は減少し、逆に
上限を越えると温度補償効果は増大する。

また、この条件の上限に近づくと、第３レンズの屈折力
が大きくなるため、これに対応して第２レンズの屈折力
む増す傾向になる。このことは分離ダブレットとしての
収差補正効果も増す働きをするが、この上限を出ると第
２レンズの屈折力が増しすぎ、新たに第２レンズのスク
リーン側の面での収差の発生が大きくなる。逆に、この
条件の下限に近づくと、分離ダブレットとしての第２．
第３レンズでの収差補正効果が減少し、下限をはずれる
と効果はＩ９とんどなくなる。すなわち、収差的にも一
ヒ式の範囲で第ルンズと第３レンズの各素材をプラスチ
ックとし、第２レンズの素材をガラスとすることが必要
である。

本発明による温度補償を十分に達成するために、第ルン
ズ（ＬＬ　）にアクリル、第３レンス（Ｌａ）にはスチ
レンを用いることが最適であるが、第３レンズ（Ｌａ）
にアクリルを用いてもビデオグロジェクター用投影レン
ズとしては充分な温度補償効果が得られる。要するに、
第ルンズと第３レンズとのレンズ素材にプラスチックを
用い、第２レンズのレンズ素材にガラスを用い、上記条
件の範囲で第ルンズと第３レンズとの屈折力比をとるこ
とにより十分な温度補償効果が得られる。

以上のごとき本発明の構成において、さらに、第２レン
ズのＣＲＴ側のレンズ面及び第３レンズである負メニス
カスレンズのスクリーン側のレンズ面の曲率半径をそれ
ぞれｒ４１　ｒ５とするとき、１’ｒ４１　＞　Ｉ　ｒ
ｓ　Ｉ の条件を満たすことが望ましい。

これにより、両凸形状の第２レンズと第３レンズとの間
にスクリーン側に凹面を向けたメニスカス形状の空気間
隔が形成され、球面収差のみならず、全画角にわたって
コマ収差をより良好に補正することが可能となる。

（実施例） 以下本発明を実施例に基づいて説明する。

第３図は本発明による第１実施例のレンズ構成図である
。中心及び像高１００％の光束の光路を図示した。

本実施例の投影レンズはスクリーン側より正の屈折力を
有する第ルンズ（ＬＬ）、正の屈折力を有し両凸形状の
第２レンズ（Ｌ２）、負の屈折力を有しスクリーン側に
凹面を向けたメニスカス状第３レンズ（Ｌａ）、負の屈
折力を有しスクリーン側に強い曲率の凹面を向けた第４
レンズ（Ｌ４）、その後方にレンズとＣＲＴ前面をカッ
プリングする目的で光学的にはほぼ平行平面板として扱
えるシリコンゴム（Ｓ）、さらにほぼ平行平面のＣＲＴ
前面ガラス（Ｇ）を界して、物体面としての蛍光面（Ｐ
）が配置されている。そして第ルンズ（Ｌ己第４レンズ
（Ｌ４）の各スクリーン側の面（ｒ、　、　ｒ７）と、
第３レンズ（Ｌａ）のＣＲＴ側の面（ｒｓ）が非球面に
形成されている。また非球面を有する第ルンズ（ＬＬ）
、第４レンズ（Ｌ４）はレンズ素材がアクリル、第３レ
ンズ（Ｌａ）はスチレンでともにプラスチック素材が使
用され、第２レンズ（Ｌ２）のみガラス素材で構成され
ている。

物体面の中心、及び像高１００％の光束の図示した光路
により各レンズの働きが判り易く説明される。すなわち
、物体面の中心に対する光束は、第ルンズ（Ｌ＋）の非
球面によシ球面収差の補正を受け、第２レンズ（Ｌ２）
及び第３レンズ（Ｌ３）からなる分離ダブレットによシ
、さらに球面収差の補正を受け物体面中心とスクリーン
面中心との共役が成立している。また物体面の周辺に対
する斜光束については主光線よシ図中上側の光束が第ル
ンズ（Ｌｑ）の非球面で補正され、主光線よシ図中下側
の光束は第２レンズ（Ｌ２）及び第３レンズ（Ｌ３）の
分離ダブレットでの補正と、第３レンス（Ｌ３）の非球
面での補正とを受けている。

すなわち図からも明らかなように分離ダブレットの球面
収差補正機構が大きく働いているため、第ルンズ（Ｌｌ
）及び第３レンズ（Ｌ３）の非球面は、広い画角にわた
るコマ収差の補正に大きく働くことが可能になる。仮に
第２レンズ（Ｌ２）ト第３レンズ（Ｌ３）とを一体化し
て球面レンズとした場合を考えると、球面収差の補正が
不充分になシ広い画角にわたるコマ収差の補正も不可能
になる。また第２レンズ（Ｌ２）と第３レンズ（Ｌ３）
を一体化して非球面を設ける場合でも、球面収差ばかり
補正され広い画角には対応できず、全体にＭＴＦ値の低
い結像性能しか得られない。

第１実施例の諸元を下表に示す。

表中ｒ、　、　ｒ２．　ｒ３・・・・・・はスクリーン
側から順次者レンズ面の曲率半径を表わ１〜、ｄ、　、
　ｄ２．　ｄ３　・・・・・・・・は各レンズの中心厚
及びレンズ間隔、ｎ、　、　ｎ２．　ｎ３・・・・・・
は各レンズのｅ線に対する気温２０℃での屈折率、ｆｌ
　ｌ　ｆ２１　ｆ３　＋　ｆ４は各レンズの焦点距離、
ｆは全系の焦点距離を表わすものとする。また、非球面
形状は光軸方向をＸ軸とした直角座標において、頂点曲
率をＣ，Ｋを円錐定数、Ｃ２，Ｃ４゜Ｃ６１Ｃ８１ＣＩ
Ｏを高次定数とするとき、Ｐ Ｃ２Ｐ２　＋Ｃ４Ｐ４　＋Ｃ６Ｐ６　＋　Ｃ３Ｐ８−１
−　Ｃ，。ｐｌＯｐ−１Ｆ丁−７「 で表わされる回転対称非球面でＡＩ、表中にこれらの非
球面係数の値も示した。（以下の実施例についても同様
） 第１実施例 ｆ　＝　１０１．２　口径比　１　：　１．１０投影倍
率：　−７，９９７Ｘ　半画角２８．５６゜ｒ、＝１４
３．４５４　ｄ、＝１１．Ｏｎ、＝１．４９３８０　Ｌ
。

ｒ２＝−１５４２，２５４ｄ２＝６８ ｒ３−１１６．９７６　ｄ３＝＝ｚｏ、ｏ　ｎ、、＝＝
１．６２２８６　Ｌ２ｒ４＝−１１０，９１４ｄ４＝２
Ｊ３７ｒ５１：　８９．３７５　ｄ５＝：５．Ｑ　ｎａ
＝１．５９５０１　Ｌ３ｒ６＝＝７１２７．０７１　ａ
６＝ｓｓ、ｓｒ、＝−４８，６０９ｄ７＝５　ｎ４＝１
．４９３８０　ｉ、４ｒｓ　＝’＝＝　Ｃ０ ｒ９＝　”　ｄ８＝５　ｎ６＝１．４５０００　５ｒ１
ｏ＝ｃｏｄ９−８ｎ６＝１．５１８７２０上記第１実施
例の投影レンズの結像性能について、第４図（６）にＣ
ＲＴ上で３本／朋、第４図（Ｂ）にＣＲＴ上で５本／Ｎ
の各ＭＴＦ％性を示す。波長はｅ線スペクトルで図中上
よシ像高１００係、８５係、７０チ、５０％、３０％、
中心の矩形波ＭＴＦである。ここで破線はメリデイオナ
ル方向、実線はサジタル方向、またＡはスクリーン上で
の高さ、ＹはＣＲＴ上での高さ、そして横軸はＣＲＴ上
でのデフォーカス量を示している。５本／朋でも概ね５
０％は越えておシ、従来のものに比べ広角化され、かつ
中心から周辺までバランスのとれたビデオプロジェクタ
−用投影レンズである。

次に温度補償機能について説明する。

アクリル及びスチレンのｅ線における屈折率変化を気温
２０℃を定常状態として００〜４０°まで変化させ測定
すると以下のデータを得る。

ガラスは屈折率温度変化がこれらに比べて２桁程小さい
ために、また、シリコンゴムは平行平板のため全系に及
ぼすデフォーカスの影響が小さくともに屈折率の温度変
化は実質的に無視できる。

ＣＲＴ側の温度変化によるデフォーカス量は、２０℃を
零として、 となる。

このデフォーカス量は、前述した特開昭５７〜１０８８
１８号公報に開示された投影レンズについての同一条件
でのデフォーカス量の、およそ４分の１と極めて小さい
。このデフォーカス量を第４図に）及び（至）に示した
ＭＴＦ特性のデフォーカス値に対応させてみると、３本
／ｍｔｔｔでは十分に深度内にあシ、５本／朋でも１０
％程度のＭＴＦ値は維持し得ることが分シ、大きな温度
変化がある場合にも実用上優れた結像性能が保たれるこ
とが明らかである。

第５図及び第７図は本発明による第２及び第３実施例の
レンズ構成図である。

各図中には中心及び像高１００チの光束の光路を示した
。これらの実施例の投影レンズは像面としてのスクリー
ン面と物体面としてのＣＲＴ面０がレンズ内に設置され
たミｔ−（Ｍ）により互いに垂直に近い配置になってい
る。スクリーン側よシ正の屈折力を有する第ルンズ（Ｌ
＋）、平面ミラー（均、正の屈折力を有し両凸形状の第
２レンズ（Ｌ２）　、負の屈折力を有しスクリーン側に
凹面を向けたメニスカス形状第３レンズ（Ｌ３）、負の
屈折力を有しスクリーン側に強い凹面を向けた第４レン
ズ（Ｌ４）、その後方にレンズとＣＲＴ前面をカップリ
ングする目的で光学的にはほぼ平行平面板として扱える
シリコンゴム（均、さらにほぼ平行平面のＣＲＴ前面ガ
ラス０を介して物体面としての蛍光面０が配置されてい
る。レンズ素材及び非球面を有する面とも第１実施例と
同様に設計されている。これらの実施例では第ルンズ（
Ｌ＋）と第２レンズ（Ｌ２）との間にほぼ４５°に傾斜
するミラー（均を設置しコンパクトなビデオプロジェク
タ−の構成を可能にしている。

以下に、第２実施例及び第３実施例の諸元を示す。

Ａ　−＋１−ｃｏ　Φ （）　（０＋ｍ　ＯＯ〜 ω　＋Ｘ）　ＯＯｏｏト ■　へ　１　の　０　ω ■　へ　■　■　り　− ＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　１１１１ ？＋Ｉ：ｌＩｌ：ＩＬ：ｌ　悶　目　−ｌト 一へ　ｏｏ　ｏ　０ 一一一　−の　０ ０　（０（Ｘ）　ロ　０　へ ｏｏｏｏ　寸　ω　ｏト ■　へ　０　の　０　ω ■　へ　■　Φ　の　− ＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　ＩＩ　１１１１ ψ・− 一へ Ｏｏｏ　の へ 寸　の　■ の Ｆ−１ｏｏ　■ヘト■ 第６図（５）及び（Ｂ）に上記第２実施例の結像性能を
示すＭＴＦ特性を、第８図（５）及び（均に上記第３実
施例のＭＴＦ％性をそれぞれ第１実施例と同様に示す。

また第２及び第３実施例における温度補償は、２０℃を
零としたとき０℃及び４０℃でのＣＲＴ側デフォーカス
量は、 となる。これらの実施例でも結像性能、温度補償とも、
第１実施例と同様に従来の投影レンズを大きく上まわっ
ていることが分る。

尚、上記の各実施例とも非球面を第ルンズ（Ｌ、）ノｘ
クリーン側の面（ｒｌ）、第３レンズ（Ｌ３）のＣＲＴ
側の面（ｒ６）、第４レンズ（Ｌ４）ｏｘクリーン側の
面（ｒ７）に設けたが、第ルンズ（Ｌｌ）及び第３レン
ズ（Ｌ３）においては他の面を非球面としても同様の性
能が得られる。また、カップリング材として上記実施例
ではシリコンゴムを用いたが、素材としてはこの限りで
なく、水、アルコールなどの液体を用いても、空気層と
してもかまわない。

同様のことはＣＲＴ前面ガラスについても云え、異なる
硝材で異なる厚さにしてもかまわない。

（発明の効果） 以上のごとく本発明によれば、口径比１：１．０〜１：
１．２の明るさを有しつつ、半画角２５°〜３０°の極
めて広画角で１ながら優れた結像性能を有し、しかも０
℃〜４０°Ｃまでの環境雰囲気の温度変化による焦点変
動が十分良好に補償されたビデオプロジェクタ−用投影
レンズが達成される。

尚、本発明のような広画角投影レンズになると構成され
る４個のレンズのなかで第４レンズ（Ｌ４）が最も外径
として大きくなる。この最もＣＲＴに近い第４レンズ（
Ｌ４）を通常使われる長方形のＣＲＴ有効サイズより若
干大きい程度の相似形長方形又は正方形にすれば加工コ
ストの低下及びレンズのコンパクト化ばかシでなくビデ
オプロジェクタ−の性能としてもメリットが生じる。特
に透過型ビデオプロジェクタ−では、通常Ｇ（緑）のＣ
ＲＴとこれ用の投影レンズは光学配置として、像面とな
るスクリーンと垂直な光軸を選べるが、他のＢ　（Ｔ）
、Ｒ（赤）のＣＲＴのための投影レンズには多少のアオ
リ角を持たせなくては々らない。従って、Ｂ（青）、Ｇ
（緑）、Ｒ（赤）３個のＣＲＴを含めた光学系を互いに
接近させアオリ角を小さくするためには一番大きな第４
レンズ（Ｌ４）をＣＲＴと同等の大きさにする必要があ
る。第ルンズ（Ｌｔ）、第２レンズ（Ｌ２）、第３レン
ズ（Ｌ３）は円形としてなるべく大きい口径を持たせた
方が結像性能上良いが、第４レンズ（Ｌ４）ＣＲＴの有
効サイズよシ若干大きくすれば長方形にしても個々の投
影レンズの性能には変りはない。このため、各投影レン
ズの第４レンズ（Ｌ４）の外形をＣＲＴの形状よりやや
大きな矩形とすることによシ、３個のＣＲＴを接近させ
ることができ、従ってアオリ角を小さくできスクリーン
上の投影像の質を高められると共に、装置全体を一層小
型化するためにも有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の投影レンズの例を示すレンズ構成図、第
２図はそのＭＴＦ特性図、第３図は本発明による投影レ
ンズの第１実施例のレンズ構成図、第４図（５）及び（
均は第４実施例のＭＴＦ特性図、第５図は第２実施例の
レンズ構成図、第６図（５）及び（Ｂ）は第２実施例の
ＭＴＦ特性図、第７図は第３実施例のレンズ構成図、第
８図（５）及びＣＢ）は第３実施例のＭＴＦ特性図であ
る。 （主要部分の符号の説明） Ｌｌ・・・・・・・第ルンズ　、Ｌ２・・・・・・・・
第２レンズＬ３・・・・・・・・・第３レンズ　、Ｌ４
・・・・・・・・・第４レンズ出願人　日本光学工業株
式会社 代理人渡辺隆男

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 スクリーン側よシ順に正屈折力を有する第ルンズ、正屈
   折力を有し両凸形状の第２レンズ、負屈折力を有しスク
   リーン側に強い曲率の凹面を向けたメニスカス形状の第
   ３レンズ、負の屈折力を有しスクリーン側に強い曲率の
   凹面を向けた第４レンズによシ構成きれ、該第１．第３
   ．第４レンズはプラスチックで形成され該第２レンズは
   ガラスで形成されると共に、前記第ルンズの屈折力を烏
   、前記第３レンズの屈折力をＰ３とするとき、 −３，０≦Ｐ＋／Ｐ３　≦　−０，８ の条件を満足することを特徴とする投影レンズ。