JP2004077950A

JP2004077950A - Zoom lens

Info

Publication number: JP2004077950A
Application number: JP2002240060A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Nakayama; 中山　博喜
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-08-21
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2004-03-11

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a zoom lens for a small projector for a DLP. <P>SOLUTION: This zoom lens consists of three groups of lenses being negative, positive and positive refractive power from an expansion side in turn. In zooming, the first lens group moves toward contraction side, the second lens group moves toward contraction side, and the third lens group moves toward expansion side. When the moving amounts of the first and second lens groups are defined as M1 and M2 respectively, the configuration satisfies 1. 25 < M2/M1 < 2. 4. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【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にて、スクリーンに拡大投写するプロジェクション装置に用いられるズームレンズに関し、特に表示デバイスとして機械的に光の反射方向を変えることにより表示のＯＮ／ＯＦＦを行なう複数の素子で画像の形成を行なう表示デバイスを用いる投写プロジェクタ用の投写ズームレンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上述した表示デバイスとしては、機械的に光の反射方向を変えることにより表示のＯＮ／ＯＦＦを行なう複数の素子を、複数の素子を微小なマイクロミラーで構成した、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）が知られている。
【０００３】
このデバイスを用いて、赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂの信号を時間分割によりそれぞれの色毎に前記マイクロミラーで光の反射方向を変えて、連続する画像を構成することが可能となる。
【０００４】
この方法によると表示デバイス１つで画像の形成を行なえるので小型のプロジェクターを提供可能となる。例えば従来からの透過型液晶パネルをＲＧＢ３枚用いて、そこで形成された画像をダイクロプリズム等で合成して投写を行なうプロジェクターに対して、
１．色合成用のダイクロプリズムを配置する必要が無く投写レンズのバックフォーカスが短くでき小型化が可能となる。
【０００５】
２．透過型液晶では、画像構成のため画素毎への電気配線等を液晶に配する必要があり開口率が低くなるが、ＤＭＤ等はミラー表面では機械的に角度を変える構成を裏側に構成すればいいので開口率は高い。
【０００６】
３．透過型液晶では液晶を透過する光線の効率を上げるため、あるいはダイクロプリズムでの特性を上げるため、投写レンズは縮小側をテレセントリックな構成にする必要があるが、ＤＭＤ等ではその必要が無く、ＯＮ／ＯＦＦの光束確保のためむしる積極的に縮小側の瞳を短くして、レンズの小型化を図る必要がある。
【０００７】
４．素子１枚でＲＧＢの色を出せるので、３枚の液晶を使って合成するのに対して、色ずれは起こらない。
【０００８】
５．照明光からレンズの光軸に導くためミラー角度を振る必要があるが、ミラー可変角度には限界があり、明るくするために光束を太くするとＯＦＦのときにも無効な光束がレンズに取り込まれるという欠点もあり明るさをあげるのにも限界がある。
【０００９】
こうした中でＤＭＤ用の投写レンズとして、特開２００１−５１１９５号公報では小型の投写ズームレンズが提案されている。　この公報によると、マイクロミラーの可変角度を±１０度程度と想定し、実施例によるレンズの明るさはＦ３．０程度であり、十分明るいものとはいえなかった。
【００１０】
近年ＤＭＤ素子の可変角度も１０度からさらに大きな値へと移行しつつあり、さらにレンズの明るさの向上も必要となってきている。上記従来例は、レンズの構成を拡大側から順に負、正の２つのレンズ群で構成し第２レンズ群に非球面を用いて小型化を達成している。しかしながら上述したようにＦ３．０程度の明るさしか達成しておらず、更なる大口径化には不十分であり、２つのレンズ群では限界があった。
【００１１】
また２つ以上のレンズ群を有するズームレンズとして、本発明で提案する負正正の３群で構成されるズームレンズは特開平１０−１０４５２０号公報、特開平１０−１３３１１０号公報等で開示されている。これらの例は本発明のように、縮小側のレンズの大きさを小型化しようとはしておらず、各レンズ群の移動方向や変倍分担は異なるものの例である。特に前記特開平１０−１３３１１０号公報は縮小側をテレセントリックな構成にしており本発明のような小型化は達成していない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の如き、表示画像をスクリーンに拡大投写する際、特にＤＭＤ等のように素子からの反射方向を変えて画像を形成するデバイスを１つで、時間毎にＲＧＢに分けて各色光を１本の投写レンズにて投写する場合、以下の条件を満足することが必要となる。
【００１３】
１）照明光からデバイスに当たった有効光束（ＯＮ）をレンズの光軸に導くためミラー角度を振る必要があるが、ミラー可変角度には限界があり、明るくするために光束を太くしてもＯＦＦのときにも無効な光束がレンズに取り込まれないようにする必要がある。そのために、できる限りレンズと縮小側デバイスまでの距離（バックフォーカス）を長く、レンズの縮小側の径を小さくする。
【００１４】
２）レンズ縮小側の瞳位置のズーミングによる変動を小さくする。デバイスからの有効光束の角度がズーミングで異ならないようにする（明るさの変動を小さくする）。
【００１５】
３）スクリーン上での明るさを確保するためにレンズのＦｎｏを大きく、周辺光量を多くする。
【００１６】
本発明は、前記特開平２００１−５１１９５号広報の欠点を排除し、大口径で、レンズも縮小側のレンズサイズを小型化し、マイクロミラーの可変角度の増大にも対応し、明るいレンズの達成、周辺光量の向上、広角化が可能なズームレンズの提供を目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的の達成の為に、本発明では、以下の構成を特徴とする。
【００１８】
表示表示面の画像を、スクリーンに拡大投写するズームレンズにおいて、
スクリーン側（拡大側）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、
正の屈折力の第３レンズ群を有し、
広角端の焦点距離から望遠端の焦点距離への変倍に際し、
第１レンズ群は縮小側に移動し、
第２レンズ群は縮小側に移動し、
第３レンズ群は拡大側に移動し、
第２レンズ群と第３レンズ群は共に増倍することである。
【００１９】
第２レンズ群と第３レンズ群が共に増倍することで、２つのレンズ群構成よりもより多くの群で変倍を分担でき、より高倍化が可能となるばかりでなく、移動量も分配できるので小型化が可能となる。
【００２０】
また特に各群の移動量に対しては、
広角端の焦点距離から望遠端の焦点距離への変倍に際し、
第１レンズ群、第２レンズ群の移動量をそれぞれＭ１、Ｍ２とするとき（縮小側への移動を＋、拡大側への移動を−とする）以下の式を満足しているのが好ましい。
【００２１】
１．３＜Ｍ２／Ｍ１＜２．４　・・・（１）
本発明は第１レンズ群負、第２レンズ群正の２つのレンズ群を有するズームレンズの中の第１レンズ群を更に分割し、その第１レンズ群の中でも変倍分担をしている構成が基本となっている。これにより最適な変倍分担が達成できるのである。その際元の第１群負レンズ群が本発明での第１レンズ群、第２レンズ群を構成していることになるが、このレンズ群の間隔が広がれば増倍（横倍率β２＞０）するような構成になり、
元の第１群負レンズ群と元の第２群正レンズ群はもともと間隔が狭まって増倍（横倍率　β３＜０）の構成になるため本発明の第３レンズ群も拡大側に移動して増倍しているのである。したがって上式（１）のように第２レンズ群の移動量が第１レンズ群より大きいほうが増倍となり、上限を超えると大型化し、下限を超えると第３レンズ群の変倍分担が大きくなり適当でない。
【００２２】
その際開口絞り（瞳位置）は第３レンズ群の縮小側に位置しているのが好ましい。これによりレンズの縮小側（デバイス側）のレンズ径が小型化可能となる。
【００２３】
また特に３つの群で構成する第２レンズ群、第３レンズ群で変倍を分担しているため、第１レンズ群負、第２レンズ群正で構成するズームレンズよりも変倍群が多く、変倍のための移動量が少なくなり、絞りを有する群の移動量が減り、結果としてレンズ縮小側の瞳位置のズーミングによる変動を小さくでき、デバイスからの有効光束の角度をズーミングであまり変わらないようにでき効率が良くなる。
【００２４】
またその変倍分担であるが、広角端の焦点距離から望遠端の焦点距離にへの変倍に際し、第ｉレンズ群の倍率βｉの変化βｉｔ／βｉｗをＺｉするとき、
１＜Ｚ２＜Ｚ３　・・・（２）
を満足することである。
【００２５】
本発明では、最もズーミングで移動量が多いのは第２レンズ群である。この式（２）のように構成することで第３レンズ群を少ない移動量で変倍分担を多くし、縮小側の瞳（射出瞳＝デバイス（パネル）からの入射瞳）の変動を小さくできている。この関係から逸脱すると第２レンズ群の移動量が多くなり大型化して適当でない。
【００２６】
Ｚ２とＺ３は具体的には下の（２）´の式を満たすのが良い。
【００２７】
１＜Ｚ３／Ｚ２＜１．３　・・・（２）´
特に第２レンズ群と第３レンズ群の移動量に関しては以下の式を満足しているのが好ましい。
【００２８】
１．２＜｜Ｍ２／Ｍ３｜＜６　・・・（３）
ここでの移動は第２レンズ群、第３レンズ群の間隔は、広角端から望遠端への変倍に際し縮小するように移動し、上述したように、その方向は反対向きである。この式は式（２）と連動するもので、移動量と変倍分担を適切に設定するものである。下限を超えると瞳の変動が大きくなり、上限を超えると所望の変倍比のためにはレンズ系が大型化する。
【００２９】
広角端の全系の焦点距離をｆｗ、望遠端の全系の焦点距離をｆｔ、第１レンズ群の焦点距離をｆ１、第２レンズ群の焦点距離をｆ２、第３レンズ群の焦点距離をｆ３とする時、下記の式を満足するのが好ましい。
【００３０】
−１．４＜ｆ１／ｆｗ＜−０．８　・・・（４）
（４）式は第１レンズ群のパワーと広角端での全系のパワーの比を表したものである。
【００３１】
ｆ１のパワーが強いとバックフォーカスが長く取れ本発明の目的と合致するが、上限を逸脱すると広角端で歪曲が大きくなり全長が長くなる。また下限を超えるとバックフォーカスが短くなりがちとなり適当でない。
【００３２】
また全長と全系の焦点距離は以下の関係にあるのが好ましい。ここで広角端での空気換算の全長（レンズ全長＋バックフォーカス）をＴＤｗとするとき下記の式を満足するのが好ましい。
【００３３】
４＜ＴＤｗ／ｆｗ＜５　・・・（５）
この式は画角と全系の大きさを適切に表したもので上限を超えると大型化するが、下限を超えると歪曲が大きくなる。下限に近い設定をするときは非球面等の導入が好ましい。
【００３４】
前述したように本発明は、前記第２レンズ群、前記第３レンズ群を移動して変倍することで、各群の移動量を減らしつつ小型化を行い、更に各群の位置ずれ、倒れ等による性能敏感度を低く分散して、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、開口絞り（瞳位置）は第３レンズ群の縮小側に位置させることで、射出瞳位置（縮小側瞳位置）から後玉までの距離を短くし、最大像高（イメージサークル最大位置）軸外斜光束で決まる後玉径の小型化を可能とした。
【００３５】
前記第１レンズ群は、負の屈折力を有し、マイクロミラーの可変角度の増大に対応させるための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レンズ群中にスクリーン側（拡大側）に凸面を有する負メニスカスレンズを少なくとも１枚配置するのが良く、必要に応じて２枚あるいは３枚有するのが好ましい。さらに各群の屈折力を適切に配置し、適切な移動量を与えることで、上記軸外斜光束の位置のズーミングによる変動（射出瞳位置の変動）をへらし、照明光に対してレンズでけられが発生しないように構成している。また広角端での歪曲の低減のために第１レンズ群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も良い。また小型化の為に第１レンズ群に正レンズを用いないこともできるが、この場合非球面を用いて歪曲の低減化を図ることもできる。
【００３６】
特に広角端の焦点距離時に対し、望遠端の焦点距離時には、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の間隔は増大し、前記第２レンズ群と前記第３レンズ群の間隔は減少することが各群の変倍分担を適当に分散させ、所望の変倍比を得るのに好ましい。主変倍群である第３レンズ群については以下の式を満たすのが良い。
【００３７】
第ｉレンズ群の倍率βｉの変化βｉｔ／βｉｗをＺｉ、全系の焦点距離の変化ｆｔ／ｆｗをＺとすると、
０．９４＜Ｚ３／Ｚ＜０．９８　・・・（６）
この（６）式は変倍群となる第２レンズ群の変倍の比を適切に規定するものである。第３レンズ群は変倍に際し増倍しているが、その他のレンズ群と変倍のバランスを考慮してこの範囲にあるのが全系の変倍分担上適切である。
【００３８】
更に以下の式を満足するのが好ましい。
【００３９】
０．１＜｜ｆ１／ｆ２｜＜０．３　・・・（７）
２．０＜ｆ２／ｆｗ＜１２．０　・・・（８）
１．０＜ｆ３／ｆｗ＜１．５　・・・（９）
上の（７）式は前玉径と歪曲に絡む第１レンズ群と第２レンズ群の関係を適切に規定したものである。
【００４０】
（７）式の下限を逸脱すると第１レンズ群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。また上限値を逸脱すると所望の画角（特に広角側）が難しくなり全系が大型化し適当でない。
【００４１】
式（８）は第２レンズ群のパワー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。
【００４２】
式（９）は主変倍群の第３レンズ群のパワー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。
【００４３】
特に変倍に寄与する群は下記のような条件を満たすのが好ましい。
【００４４】
２＜ｆ２／ｆ３＜９　・・・（１０）
この式（１０）は変倍に寄与するレンズ群の屈折力配置を適切にするものである。上限値を逸脱すると主変倍群の第３レンズ群の屈折力が強くなり像面湾曲が大きくなりがちとなる。また下限値を逸脱すると主変倍群の第３レンズ群の屈折力が弱くなり所望の変倍比を得にくくなる。
【００４５】
照明されたデバイス上の情報が、全面明るさのムラのないようにスクリーン上（拡大側共役点）に表示されるようにするには、レンズの開口効率が周辺に渡って１００％以上あるのが好ましい。この開口効率を達成しておけば、周辺光量は７０％程度確保できるのであまりムラのない表示が可能となる。あるいは少なくとも周辺に渡って８５％以上の開口効率は確保するのが望ましい。そうすれば周辺光量５０％は確保できることとなる。
【００４６】
このときレンズの最も縮小側のレンズ径は周辺の光束にて決まりぎみとなり、縮小側のレンズ径は開口効率で決まることとなる。
【００４７】
このとき最も縮小側のレンズ外径をＤとし、広角端でのレンズバックフォーカス（レンズの縮小側の最終面と表示デバイスパネルまでの空気換算距離（フィルター等のない状態）をｂｆｗとして、広角端でのレンズのＦナンバーをＦＮＯｗとするとき、
０．６＜ｂｆｗ／（ＦＮＯｗ×Ｄ）＜０．８５　・・・（１１）
を満足するのが好ましい。この式はバックフォーカスとレンズ径を適切に設定するものでこれを逸脱すると、デバイスのミラー角度可変により有害光束もレンズに取り込まれることとなる。ここでＤはレンズの有効径よりも大きく、有効径より６〜１０％大きいものを指す。
【００４８】
レンズのイメージサークル（照明されるデバイスパネルの最周辺までのレンズ光軸からの距離を半径とする円の直径）をＬとするとき下記の式を満たしているのが好ましい。
【００４９】
１＜Ｌ／Ｄ＜２　・・・（１２）
この式はイメージサークルと縮小側最終レンズ径の関係を表したものである。下限値を超えるとレンズ径が大きくなりすぎ、上限を超えるとレンズの明るさ（ＦＮＯ）を確保できなくなる。
【００５０】
またこれらのレンズ径やイメージサークル、明るさの中で、レンズの縮小側の瞳位置を最適に設定するには下記の式を満たしているのが好ましい。
【００５１】
１．５＜｜ｔｋｗ｜／ｆｗ＜２　・・・（１３）
ここでｔｋｗというのは広角端での表示パネルから（縮小側共役位置から）射出瞳までの距離である。（ここで言う射出瞳とは縮小側の瞳のことである）ここでは縮小側のフィルター等の寸法は除いた空気換算の距離を示す。これは最終レンズの径を最適にする瞳の位置を設定するもので上限を超えるとレンズ径が大きくなり、下限を超えると最終レンズの外径がＦＮＯで決まることとなり、暗いレンズとなりがちとなる。
【００５２】
以下に本発明の実施例を記載する
【００５３】
【発明の実施の形態】
第１実施例は、すべてを球面レンズにて構成した明るさＦＮＯｗ：２．５２の例である。倍率１．２倍。周辺光量７０％以上。
【００５４】
第２実施例は、第１レンズ群を３枚の拡大側に凸面を有する負メニスカスレンズで構成し、最も縮小側に両面非球面の縮小側に凸面を有する凸メニスカスレンズを配置したＦＮＯｗ：２．５２の例である。倍率１．２倍。周辺光量７０％以上。
【００５５】
第３実施例は最も縮小側に両凸の両面非球面を有するＦＮＯｗ：２．５２、倍率１．３倍の例である。周辺光量７０％以上。
【００５６】
第４実施例は、第１レンズ群を３枚の拡大側に凸面を有する負メニスカスレンズで構成し、最も縮小側に両凸の両面非球面の配置したＦＮＯｗ：２．５２の例である。倍率１．２倍。周辺光量７０％以上。
【００５７】
第５実施例は、第２レンズ群を正負２枚の貼り合せで構成し、最も縮小側に両面非球面の配置したＦＮＯｗ：２．３２の例である。倍率１．３倍。周辺光量５０％以上。
【００５８】
第６実施例は、第２レンズ群を正負２枚の貼り合せで構成し、最も縮小側に非球面１面を配置したＦＮＯｗ：２．５２の例である。倍率１．３倍。周辺光量５０％以上。
【００５９】
第７実施例は、すべてを球面レンズにて構成した明るさＦＮＯｗ：２．８の例である。倍率１．３倍。周辺光量７０％以上。
【００６０】
第８実施例は、第２レンズ群を正負２枚の貼り合せで構成し、すべてを球面レンズにて構成したＦＮＯｗ：２．７の例である。倍率１．３倍。周辺光量６０％以上。
【００６１】
図中Ｐはフィルターや保護ガラス等のガラスブロックを示す。収差図はそれぞれ球面収差、非点収差（像面湾曲）、歪曲（％）倍率色収差を示し、上段に広角端（ＷＩＤＥ）、下段に望遠端（ＴＥＬＥ）に記している。球面収差は５５０ｎｍと４７０ｎｍのものを示す。倍率色収差は５５０ｎｍ基準で４７０ｎｍの値を示す。非点収差において実線はサジタル断面、鎖線はメリディオナル断面を示す。
【００６２】
ピント合わせは第１レンズ群で行うのが好ましいが、第１レンズ群と第２レンズ群同時に行う、または第３群で、あるいは複数の群で、特に有限距離で各群別な移動量にて距離合わせをしてもよく、又全体にて行っても表示パネルを移動して行ってもよい。
【００６３】
次に、本発明のズームレンズの数値実施例を示す。各数値実施例においてｉは物体側からの光学面の順序を示し、Ｒｉは第ｉ番目の光学面（第ｉ面）の曲率半径、Ｄｉは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の間隔、Ｎｉとνｉはそれぞれｄ線に対する第ｉ番目の光学部材の材質の屈折率、アッベ数を示す。またｋを離心率、Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ・・・を非球面係数、光軸からの高さｈの位置での光軸方向の変位を面頂点を基準にしてｘとするとき、非球面形状は、
ｘ＝（ｈ^２／Ｒ）／［１＋［１−（１＋ｋ）（ｈ／Ｒ）^２］^１／２］＋Ａｈ^２＋Ｂｈ^４＋Ｃｈ^６＋Ｄｈ^８＋Ｅｈ^１０・・・
で表示される。但しＲは曲率半径である。又、「ｅ−Ｘ」は「×１０^−Ｘ」を意味している。
【００６４】
又、各数値実施例における上述した条件式との対応を表１に示す。
【００６５】
【外１】

【００６６】
【外２】

【００６７】
【外３】

【００６８】
【外４】

【００６９】
【外５】

【００７０】
【外６】

【００７１】
【外７】

【００７２】
【外８】

【００７３】
【表１】

【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように構成することにより、大口径で、レンズも縮小側のレンズサイズを小型化し、マイクロミラーの可変角度の増大にも対応し、明るいレンズの達成、周辺光量の向上、広角化が可能なズームレンズの提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１のレンズ断面図
【図２】本発明の数値実施例１の収差図
【図３】本発明の実施形態２のレンズ断面図
【図４】本発明の数値実施例２の収差図
【図５】本発明の実施形態３のレンズ断面図
【図６】本発明の数値実施例３の収差図
【図７】本発明の実施形態４のレンズ断面図
【図８】本発明の数値実施例４の収差図
【図９】本発明の実施形態５のレンズ断面図
【図１０】本発明の数値実施例５の収差図
【図１１】本発明の実施形態６のレンズ断面図
【図１２】本発明の数値実施例６の収差図
【図１３】本発明の実施形態７のレンズ断面図
【図１４】本発明の数値実施例７の収差図
【図１５】本発明の実施形態８のレンズ断面図
【図１６】本発明の数値実施例８の収差図
【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
Ｐ　　　　ガラス板
ＩＰ　　　像面
Ｙ　　　　像高
ｓｐｈ　　球面収差
ａｓ　　　非点収差
ｄｉｓｔ　歪曲
ｃｈｒｏ　倍率色収差[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a zoom lens used in a projection apparatus for enlarging and projecting an image on a screen at a fixed finite distance, and in particular, turns ON / OFF a display by mechanically changing a light reflection direction as a display device. The present invention relates to a projection zoom lens for a projection projector that uses a display device that forms an image with a plurality of elements.
[0002]
[Prior art]
As the above-described display device, a DMD (digital mirror device) in which a plurality of elements for turning on / off a display by mechanically changing a light reflection direction and a plurality of elements formed of minute micromirrors is known. Have been.
[0003]
By using this device, it is possible to form a continuous image by changing the light reflection direction by the micromirror for each color of the red R, green G, and blue B signals by time division.
[0004]
According to this method, an image can be formed by one display device, so that a small-sized projector can be provided. For example, for a projector that uses three conventional transmissive liquid crystal panels for RGB and combines the images formed there with a dichroic prism or the like to project the image,
1. There is no need to dispose a dichroic prism for color synthesis, and the back focus of the projection lens can be shortened, and the size can be reduced.
[0005]
2. In the case of a transmission type liquid crystal, it is necessary to arrange electric wiring and the like for each pixel in the liquid crystal for image configuration, so that the aperture ratio is low. The aperture ratio is high because it is good.
[0006]
3. In a transmission type liquid crystal, the projection lens needs to have a telecentric configuration on the reduction side in order to increase the efficiency of the light passing through the liquid crystal or to improve the characteristics of the dichroic prism. In order to secure the luminous flux of / OFF, it is necessary to shorten the pupil on the reduction side aggressively to reduce the size of the lens.
[0007]
4. Since the RGB colors can be output by one element, the color shift does not occur in comparison with the synthesis using three liquid crystals.
[0008]
5. It is necessary to swing the mirror angle to guide the illumination light to the optical axis of the lens, but there is a limit to the variable angle of the mirror, and if the light beam is made thicker to make it brighter, an invalid light beam will be taken into the lens even when it is OFF. There are drawbacks and there is a limit to increasing the brightness.
[0009]
Under these circumstances, as a projection lens for DMD, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-51195 proposes a small projection zoom lens. According to this publication, the variable angle of the micromirror is assumed to be about ± 10 degrees, and the brightness of the lens according to the embodiment is about F3.0, which is not sufficiently bright.
[0010]
In recent years, the variable angle of the DMD element is also shifting from 10 degrees to a larger value, and it is necessary to further improve the brightness of the lens. In the above conventional example, the configuration of the lens is composed of two negative and positive lens groups in order from the enlargement side, and the second lens group uses an aspheric surface to achieve miniaturization. However, as described above, only a brightness of about F3.0 is achieved, which is insufficient for further increasing the aperture, and the two lens groups have limitations.
[0011]
As a zoom lens having two or more lens groups, a zoom lens composed of three negative, positive, and positive lens groups proposed in the present invention is disclosed in JP-A-10-104520, JP-A-10-133110, and the like. ing. These examples do not attempt to reduce the size of the lens on the reduction side as in the present invention, and are examples in which the moving directions and the magnification sharing of each lens group are different. Particularly, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-133110 has a telecentric configuration on the reduction side, and does not achieve the miniaturization as in the present invention.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
When a display image is enlarged and projected on a screen as in the present invention, one device that forms an image by changing the reflection direction from an element, such as a DMD, is used. When projecting with a book projection lens, it is necessary to satisfy the following conditions.
[0013]
1) It is necessary to swing the mirror angle in order to guide the effective light beam (ON) hitting the device from the illumination light to the optical axis of the lens. However, there is a limit to the variable angle of the mirror, and even if the light beam is made thicker to make it brighter. It is necessary to prevent an ineffective light flux from being taken into the lens even when it is OFF. For this purpose, the distance between the lens and the reduction-side device (back focus) is made as long as possible, and the diameter of the lens on the reduction side is made small.
[0014]
2) The fluctuation of the pupil position on the lens reduction side due to zooming is reduced. Ensure that the angle of the effective luminous flux from the device does not differ during zooming (decrease brightness fluctuation).
[0015]
3) To secure brightness on the screen, increase the Fno of the lens and increase the amount of peripheral light.
[0016]
The present invention eliminates the drawbacks of the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-51195, and achieves a bright lens with a large aperture, a reduced lens size on the reduction side, and an increase in the variable angle of the micromirror. It is an object of the present invention to provide a zoom lens capable of improving peripheral light amount and widening the angle.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention has the following features.
[0018]
In a zoom lens that magnifies and projects the image on the display surface onto the screen,
From the screen side (enlarged side),
A first lens group having a negative refractive power,
A second lens group having a positive refractive power,
A third lens group having a positive refractive power,
When changing the focal length from the wide-angle end to the telephoto end,
The first lens group moves to the reduction side,
The second lens group moves to the reduction side,
The third lens group moves to the magnification side,
The second lens group and the third lens group are both multiplied.
[0019]
By increasing the magnification of both the second lens group and the third lens group, zooming can be shared by a larger number of groups than in the two lens group configuration, and not only higher magnification can be achieved, but also the movement amount is distributed. It is possible to reduce the size.
[0020]
Also, especially for the amount of movement of each group,
When changing the focal length from the wide-angle end to the telephoto end,
When the movement amounts of the first lens unit and the second lens unit are M1 and M2, respectively (movement to the reduction side is +, movement to the enlargement side is −), it is preferable that the following expression is satisfied. .
[0021]
1.3 <M2 / M1 <2.4 (1)
According to the present invention, a first lens group in a zoom lens having two lens groups, a first lens group negative and a second lens group positive, is further divided, and the zooming is shared among the first lens groups. Is the basis. As a result, the optimum magnification sharing can be achieved. In this case, the original first lens unit and the negative lens unit constitute the first lens unit and the second lens unit in the present invention. If the distance between the lens units is increased, the magnification is increased (lateral magnification β2> 0). )
The distance between the original first lens unit negative lens unit and the original second lens unit positive lens unit is originally narrowed and becomes a multiplication (lateral magnification β3 <0), so that the third lens unit of the present invention also moves to the enlargement side. It is multiplying. Therefore, as shown in the above equation (1), the magnification increases when the moving amount of the second lens group is larger than the first lens group. When the moving amount of the second lens group exceeds the upper limit, the size increases. Not suitable.
[0022]
At that time, it is preferable that the aperture stop (pupil position) is located on the reduction side of the third lens group. As a result, the lens diameter on the reduction side (device side) of the lens can be reduced.
[0023]
In addition, since the variable power is shared by the second lens group and the third lens group, which are composed of three groups in particular, there are more variable power groups than the zoom lens composed of the negative first lens group and the positive second lens group. In addition, the amount of movement for zooming is reduced, the amount of movement of the group having the aperture is reduced, and as a result, fluctuations due to zooming of the pupil position on the lens reduction side can be reduced, and the angle of the effective light beam from the device is not significantly changed by zooming. Efficiency can be improved.
[0024]
In addition, when the magnification is changed from the focal length at the wide-angle end to the focal length at the telephoto end, when the change βit / βiw of the magnification βi of the i-th lens unit is Zi,
1 <Z2 <Z3 (2)
Is to satisfy.
[0025]
In the present invention, the second lens group has the largest zooming and moving amount. By configuring as in equation (2), it is possible to increase the zooming share of the third lens group with a small amount of movement, and to reduce fluctuations in the pupil on the reduction side (exit pupil = entrance pupil from the device (panel)). ing. If the relationship deviates from this relationship, the amount of movement of the second lens group increases and the size of the second lens group increases, which is not appropriate.
[0026]
Specifically, it is preferable that Z2 and Z3 satisfy the following equation (2) ′.
[0027]
1 <Z3 / Z2 <1.3 (2) ′
In particular, it is preferable that the following expressions be satisfied with respect to the amount of movement of the second lens group and the third lens group.
[0028]
1.2 <| M2 / M3 | <6 (3)
In this movement, the distance between the second lens group and the third lens group moves so as to be reduced at the time of zooming from the wide-angle end to the telephoto end, and as described above, the direction is opposite. This equation is linked with the equation (2), and appropriately sets the moving amount and the variable power sharing. Exceeding the lower limit increases the pupil variation, while exceeding the upper limit entails a large lens system for a desired zoom ratio.
[0029]
The focal length of the entire system at the wide-angle end is fw, the focal length of the entire system at the telephoto end is ft, the focal length of the first lens unit is f1, the focal length of the second lens unit is f2, and the focal length of the third lens unit is When f3, it is preferable that the following expression is satisfied.
[0030]
-1.4 <f1 / fw <-0.8 (4)
Equation (4) represents the ratio of the power of the first lens unit to the power of the entire system at the wide-angle end.
[0031]
If the power of f1 is strong, a long back focus can be obtained, which is consistent with the object of the present invention. However, if the power exceeds the upper limit, the distortion becomes large at the wide-angle end and the overall length becomes long. If the lower limit is exceeded, the back focus tends to be short, which is not appropriate.
[0032]
The total length and the focal length of the entire system preferably have the following relationship. Here, assuming that TDw is the total air equivalent length (lens total length + back focus) at the wide angle end, it is preferable that the following expression be satisfied.
[0033]
4 <TDw / fw <5 (5)
This expression appropriately represents the angle of view and the size of the entire system. When the value exceeds the upper limit, the size increases, but when the value exceeds the lower limit, the distortion increases. When setting near the lower limit, it is preferable to introduce an aspherical surface or the like.
[0034]
As described above, according to the present invention, the second lens group and the third lens group are moved to change the magnification, thereby reducing the moving amount of each group and reducing the size. A high-magnification zoom lens can be achieved by dispersing the performance sensitivity by reducing the overall length, and by shortening the overall length, the aperture stop (pupil position) is located on the reduction side of the third lens group. The distance from the exit pupil position (reduction-side pupil position) to the rear lens is shortened, and the diameter of the rear lens determined by the maximum image height (image circle maximum position) off-axis oblique light flux can be reduced.
[0035]
The first lens group has a negative refractive power, and secures a long back focus to cope with an increase in the variable angle of the micro mirror. In particular, in order to lengthen the back focus, it is preferable to arrange at least one negative meniscus lens having a convex surface on the screen side (enlargement side) in the first lens group, and to have two or three as required. preferable. Further, by appropriately arranging the refracting power of each group and giving an appropriate amount of movement, fluctuations due to zooming of the position of the off-axis oblique light beam (fluctuations of the exit pupil position) are reduced, and the lens is used to illuminate the illumination light. Is configured so that no interference occurs. Further, in order to reduce distortion at the wide-angle end, a convex lens may be disposed closest to the object side of the first lens group, and distortion may be corrected at a position passing the off-axis light beam most. In addition, a positive lens may not be used in the first lens group for miniaturization, but in this case, distortion can be reduced by using an aspheric surface.
[0036]
In particular, at the focal length at the telephoto end as compared with the focal length at the wide-angle end, the distance between the first lens group and the second lens group increases, and the distance between the second lens group and the third lens group decreases. Is preferable for appropriately dispersing the variable power share of each group and obtaining a desired variable power ratio. The third lens group, which is the main zooming group, preferably satisfies the following expression.
[0037]
If the change βit / βiw of the magnification βi of the i-th lens group is Zi and the change ft / fw of the focal length of the entire system is Z,
0.94 <Z3 / Z <0.98 (6)
The expression (6) appropriately defines the zoom ratio of the second lens group which is a zooming group. Although the third lens unit is multiplied during zooming, it is appropriate for the entire system to share zooming in consideration of the balance of zooming with other lens units.
[0038]
Further, it is preferable to satisfy the following expression.
[0039]
0.1 <| f1 / f2 | <0.3 (7)
2.0 <f2 / fw <12.0 (8)
1.0 <f3 / fw <1.5 (9)
The above equation (7) appropriately defines the relationship between the first lens group and the second lens group that is related to the front lens diameter and distortion.
[0040]
If the lower limit of the expression (7) is exceeded, the front lens diameter determined by the first lens group becomes large, and the distortion at the wide-angle end becomes large, which is not appropriate. If the value deviates from the upper limit, a desired angle of view (especially on the wide angle side) becomes difficult, and the entire system becomes large, which is not suitable.
[0041]
Equation (8) is for making the power of the second lens group appropriate. If the power exceeds the lower limit, the image plane is over-corrected, which is not appropriate. If the ratio exceeds the upper limit, the moving amount of the second lens unit must be increased in order to obtain a desired zoom ratio.
[0042]
Equation (9) is to make the power of the third lens unit of the main zooming unit appropriate. If the power exceeds the lower limit, the image plane becomes excessively corrected, which is not appropriate. If the ratio exceeds the upper limit, the moving amount of the second lens unit must be increased in order to obtain a desired zoom ratio.
[0043]
In particular, the group that contributes to zooming preferably satisfies the following conditions.
[0044]
2 <f2 / f3 <9 (10)
This equation (10) makes the refractive power arrangement of the lens group contributing to zooming appropriate. If the upper limit value is deviated, the refractive power of the third lens unit of the main zooming unit becomes strong, and the curvature of field tends to increase. If the lower limit is deviated, the refractive power of the third lens unit in the main zooming unit becomes weak, and it becomes difficult to obtain a desired zooming ratio.
[0045]
In order for the information on the illuminated device to be displayed on the screen (enlarged side conjugate point) without unevenness in overall brightness, the aperture efficiency of the lens must be 100% or more over the periphery. Is preferred. If this aperture efficiency is achieved, a peripheral light amount of about 70% can be secured, so that a display with very little unevenness can be made. Alternatively, it is desirable to secure an opening efficiency of 85% or more over at least the periphery. Then, the peripheral light amount of 50% can be secured.
[0046]
At this time, the diameter of the lens on the most reduced side of the lens is determined by the peripheral light flux, and the diameter of the lens on the reduced side is determined by the aperture efficiency.
[0047]
At this time, the outer diameter of the lens on the most reduced side is D, and the lens back focus at the wide angle end (the air-equivalent distance between the final surface of the lens on the reduced side and the display device panel (without a filter or the like) is bfw, When the F-number of the lens at is FNOw,
0.6 <bfw / (FNOw × D) <0.85 (11)
Is preferably satisfied. This formula sets the back focus and the lens diameter appropriately. If the value deviates from this, the harmful light flux is also taken into the lens due to the variable mirror angle of the device. Here, D is larger than the effective diameter of the lens and 6 to 10% larger than the effective diameter.
[0048]
When the image circle of the lens (the diameter of a circle whose radius is the distance from the lens optical axis to the outermost periphery of the illuminated device panel) is L, it is preferable that the following formula is satisfied.
[0049]
1 <L / D <2 (12)
This equation represents the relationship between the image circle and the final lens diameter on the reduction side. If the value exceeds the lower limit, the lens diameter becomes too large. If the value exceeds the upper limit, the brightness (FNO) of the lens cannot be secured.
[0050]
In order to optimally set the pupil position on the reduction side of the lens among these lens diameters, image circles, and brightness, it is preferable that the following expression is satisfied.
[0051]
1.5 <| tkw | / fw <2 (13)
Here, tkw is the distance from the display panel at the wide-angle end to the exit pupil (from the conjugate position on the reduction side). (Here, the exit pupil is the pupil on the reduction side.) Here, the distance in terms of air excluding the dimensions of the filter and the like on the reduction side is shown. This is to set the position of the pupil that optimizes the diameter of the final lens. If the upper limit is exceeded, the lens diameter increases. If the lower limit is exceeded, the outer diameter of the final lens is determined by FNO, which tends to result in a dark lens. .
[0052]
Hereinafter, examples of the present invention will be described.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The first embodiment is an example in which the brightness FNOw is 2.52, all of which are configured by spherical lenses. Magnification 1.2 times. Peripheral light intensity 70% or more.
[0054]
In the second embodiment, the first lens group is constituted by three negative meniscus lenses having a convex surface on the enlargement side, and a convex meniscus lens having a double-sided aspherical convex surface on the reduction side is arranged on the most reduction side. 52 is an example. Magnification 1.2 times. Peripheral light intensity 70% or more.
[0055]
The third embodiment is an example in which FNOw: 2.52 and a magnification of 1.3 times, each having a biconvex double-sided aspherical surface on the most reduced side. Peripheral light intensity 70% or more.
[0056]
The fourth embodiment is an example of FNOw: 2.52 in which the first lens group is constituted by three negative meniscus lenses having a convex surface on the enlargement side, and a biconvex double-sided aspheric surface is arranged on the most reduction side. Magnification 1.2 times. Peripheral light intensity 70% or more.
[0057]
The fifth embodiment is an example of FNOw: 2.32 in which the second lens unit is formed by bonding two positive and negative lenses, and both aspheric surfaces are arranged on the most reduced side. Magnification 1.3 times. Peripheral light quantity 50% or more.
[0058]
The sixth embodiment is an example of FNOw: 2.52 in which the second lens group is formed by bonding two positive and negative lenses, and one aspherical surface is arranged on the most reduction side. Magnification 1.3 times. Peripheral light quantity 50% or more.
[0059]
The seventh embodiment is an example in which the brightness FNOw is 2.8, all of which are constituted by spherical lenses. Magnification 1.3 times. Peripheral light intensity 70% or more.
[0060]
The eighth embodiment is an example of FNOw: 2.7 in which the second lens group is formed by bonding two positive and negative lenses, and all are formed by spherical lenses. Magnification 1.3 times. Peripheral light quantity 60% or more.
[0061]
In the figure, P indicates a glass block such as a filter or a protective glass. The aberration diagrams show spherical aberration, astigmatism (field curvature), and distortion (%) chromatic aberration of magnification, respectively, and are shown at the wide-angle end (WIDE) at the upper stage and at the telephoto end (TELE) at the lower stage. The spherical aberrations are at 550 nm and 470 nm. The lateral chromatic aberration shows a value of 470 nm based on 550 nm. In astigmatism, a solid line indicates a sagittal section, and a chain line indicates a meridional section.
[0062]
Focusing is preferably performed by the first lens group, but is performed simultaneously by the first lens group and the second lens group, or by the third group, or by a plurality of groups, particularly at a finite distance with a moving amount for each group. The distance may be adjusted, or the distance may be adjusted as a whole or by moving the display panel.
[0063]
Next, numerical examples of the zoom lens according to the present invention will be described. In each numerical example, i indicates the order of the optical surface from the object side, Ri is the radius of curvature of the i-th optical surface (i-th surface), Di is the distance between the i-th surface and the (i + 1) -th surface, Ni and νi represent the refractive index and Abbe number of the material of the i-th optical member with respect to the d-line, respectively. When k is the eccentricity, B, C, D, E... Are aspherical coefficients, and the displacement in the optical axis direction at the position of height h from the optical axis is x with respect to the surface vertex. The spherical shape is
^{^{^{x = (h 2 / R)}}} / [1+ [1- (1 + k) (h / R) 2] 1/2] + Ah 2 + Bh 4 + Ch 6 + Dh 8 + Eh 10 ···
Displayed with. Here, R is a radius of curvature. “E−X” means “× 10 ^−X ”.
[0064]
Table 1 shows the correspondence between the numerical expressions and the conditional expressions described above.
[0065]
[Outside 1]

[0066]
[Outside 2]

[0067]
[Outside 3]

[0068]
[Outside 4]

[0069]
[Outside 5]

[0070]
[Outside 6]

[0071]
[Outside 7]

[0072]
[Outside 8]

[0073]
[Table 1]

[0074]
【The invention's effect】
With the configuration described above, the lens size is reduced on the reduction side with a large aperture, and the lens size can be increased, and the variable angle of the micromirror can be increased. A possible zoom lens could be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a lens according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is an aberration diagram of a numerical example 1 of the present invention. FIG. 3 is a sectional view of a lens according to a second embodiment of the present invention. FIG. 5 is an aberrational diagram of Example 2 FIG. 5 is a lens cross-sectional view of Embodiment 3 of the present invention FIG. 6 is an aberrational diagram of Numerical Example 3 of the present invention FIG. 7 is a lens cross-sectional view of Embodiment 4 of the present invention 8: Aberration diagram of Numerical Example 4 of the present invention [FIG. 9] Lens sectional view of Embodiment 5 of the present invention [FIG. 10] Aberration diagram of Numerical Example 5 of the present invention [FIG. 11] Embodiment 6 of the present invention FIG. 12 is an aberration diagram of Numerical Example 6 of the present invention. FIG. 13 is a lens cross-sectional view of Embodiment 7 of the present invention. FIG. 14 is an aberration diagram of Numerical Example 7 of the present invention. FIG. 16 is a lens cross-sectional view of Embodiment 8 of the present invention. FIG. 16 is an aberration diagram of Numerical Example 8 of the present invention.
L1 First lens unit L2 Second lens unit L3 Third lens unit P Glass plate IP Image plane Y Image height sph Spherical aberration as astigmatism dist Distortion chloro Magnification chromatic aberration

Claims

In a zoom lens that magnifies and projects the image on the display surface onto the screen,
From the screen side (enlarged side),
A first lens group having a negative refractive power,
A second lens group having a positive refractive power,
A third lens group having a positive refractive power,
When changing the focal length from the wide-angle end to the telephoto end,
The first lens group moves to the reduction side,
The second lens group moves to the reduction side,
The third lens group moves to the magnification side,
A zoom lens wherein both the second lens unit and the third lens unit are multiplied.

When changing the focal length from the wide-angle end to the telephoto end,
When the movement amounts of the first lens group and the second lens group are M1 and M2, respectively (movement to the reduction side is +, and movement to the enlargement side is-).
1.3 <M2 / M1 <2.4
2. The zoom lens according to claim 1, wherein the zoom lens satisfies the following.

When changing the focal length from the wide-angle end to the telephoto end,
When Zi is the change βit / βiw of the magnification βi of the i-th lens group,
1 <Z2 <Z3
2. The zoom lens according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.