JP3987168B2

JP3987168B2 - 投射用ズームレンズ

Info

Publication number: JP3987168B2
Application number: JP26176797A
Authority: JP
Inventors: 義次河野
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2017-09-26
Also published as: JPH11101940A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は３板式液晶プロジェクタに適した投射用ズームレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶プロジェクタは、大画面の画像を見ることのできる装置として、近来広く利用されている。液晶プロジェクタも装置本体の小型化が求められ、用いられる液晶パネルも次第にサイズが小さくなってきている。また、最適なスクリーンサイズが容易に得られるよう、投射レンズは一般にズームレンズが用いられる。液晶プロジェクタは「単板式」と「３板式」に大別される。３板式は単板式に比べ３倍の画素数が可能であるため「高画質な表示」が可能である。
【０００３】
３板式の液晶プロジェクタは、３枚の液晶パネルをそれぞれ色分解した光で照射し、各液晶パネルを透過した光束を合成して投射レンズに入射させるため、ダイクロイックプリズムやダイクロイックフィルタ等、色分解・色合成の光学系が必要となり、ダイクロイックプリズム等の色合成用光学系を投影レンズと各液晶パネルとの間に配備しなければならないため、３板式液晶プロジェクタに用いられる投射レンズにはカメラの撮影レンズ等では見られないような「長いバックフォーカス」が必要とされる。
【０００４】
また、液晶プロジェクタでは低電力で高い光利用効率を確保することが望ましく、色合成の際に色合成用光学系に入射する光の角度が画角により異なると「色シェーディング」が発生しやすいので、光源側から投射レンズに入射する光は光軸に対し平行に近い光束が用いられるのが一般的となってきており、平行光束を効率良く投射レンズに取り込むため、投射レンズは「縮小側」、即ち、光源や液晶パネル等のある側において「テレセントリック性」を有することが望ましい。
【０００５】
また、スクリーン上での照度を上げるために、光源からの光をなるべく多く投射レンズに取り込めるよう、投射レンズはＦ／Ｎｏ．の小さい明るいものであることが好ましく、スクリーン上で３色を重ね合わせた時に各色の画素が良好に重なり、「色ずれ」の少ない良好なカラー画像を投影表示できるためには、投射レンズの「倍率色収差」を小さく抑える必要があり、投影された画像の輪郭が歪まないためには「歪曲収差」を小さく抑える必要がある。
カメラの撮影レンズ等は往々にして周辺部の開口効率は中心部の２０〜３０％という割り切りがなされているが、プロジェクタの投影像は本来照度があまり高くないため、中心部に対する周辺部の画像の暗さは目だちやすく、特にコンピュータのデータを投影する場合等には、画像の周辺部も中心部同様に観察されるため、周辺部に於いても十分な明るさが必要であり、周辺部の開口効率が高いことが望まれる。勿論、鮮明な画像を投影するためには、ＭＴＦを初め、解像力に関わる諸収差が良好に補正されていなければならない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上記のごとき要請に応え、良好な性能を実現可能な投射用ズームレンズの実現を課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の投射用ズームレンズは、図１に示すように、拡大側（スクリーンが配備される側）から縮小側へ向かって順に、第１群ＧＲ１、第２群ＧＲ２、第３群ＧＲ３、第４群ＧＲ４、第５群ＧＲ５を配備し、第３群ＧＲ３に絞りＳを有してなる。
第１群ＧＲ１は負の屈折力、第２群ＧＲ２および第３群ＧＲ３は正の屈折力、第４群ＧＲ４は負の屈折力、第５群ＧＲ５は正の屈折力をそれぞれ有する。
広角端から望遠端への変倍に際し、第１群ＧＲ１と第５群ＧＲ５は固定群として固定され、第２群ＧＲ２は第１群ＧＲ１との群間隔が「単調に減少」するように、第１群ＧＲ１側に向かって移動し、第３群ＧＲ３は第１群ＧＲ１から第３群ＧＲ３に至る距離が「単調に減少」するように第１群ＧＲ１側へ移動する。
第４群ＧＲ４は第５群ＧＲ５との群間隔が「単調に減少」するように第５群側へ移動する。そして、絞りＳは「第３群とともに移動」する。
【０００８】
このように、拡大側から縮小側へ向かう第１群〜第５群の屈折力配分を「負・正・正・負・正」とすることで、３板式液晶プロジェクタに使用するために十分な「長いバックフォーカス」と、広角端におけるＦ／Ｎｏ．：２．３程度の明るさ、半画角：約２５°の広画角の実現を可能にしている。
３板式の液晶プロジェクタに用いられる投射レンズは、Ｆ／Ｎｏ．の面から見ると、Ｆ／Ｎｏ．は「ワイド（広角）で最小で、テレ（望遠）に向かって徐々に大きく」なり、画角は当然「ワイドで最大でテレに向かって徐々に小さく」なるから、ワイドにおいて広角で明るいズームレンズの実現には、レンズの諸元における難しさがワイド側に集約されているということができ、ワイド側の性能は特に重要である。
【０００９】
本発明のレンズでは、実施例に示すように広角端（以下、ワイド端）における近軸像点位置に対する像面湾曲量は最大でも約０．１５％と少なく抑えており、平坦な投射画像を得ることができる。
更に、実施例に示すように「歪曲収差」は、ワイド端において約−２％以内、望遠端（以下、テレ端）において約＋１．５％以内と小さく抑えることができ、輪郭の歪みの少ない投射画像を実現可能である。
また、本発明の投射用ズームレンズでは、ワイド端からテレ端への変倍に際し「液晶パネル面から遠ざかる動きをする第３群に絞りを設けて、第３群と一体に移動させる」ので、焦点距離の増加に従い絞り位置が液晶パネルから遠ざかる。換言すれば、絞りは「焦点距離の伸びに追随するよう」に位置を変えていく。このため、前側焦点位置と絞り位置が変倍によって大きくずれることがないので、あらゆる変倍域で「縮小側におけるテレセントリック性の確保」が可能となる。
加えて、本発明の投射用ズームレンズは、像の周辺部においても中心部に比べて遜色ない明るい像が得られるように高い開口効率が可能で、上記のような性能を確保しながらも液晶プロジェクタ用投射レンズとして十分な解像力、ＭＴＦ等の結像性能の維持が可能である。
【００１０】
上記請求項１記載の投射用ズームレンズは、広角端における全系の焦点距離：ｆ_W 、最も縮小側のレンズ面から縮小側の共役点までの空気中における長さ：ｂｆ（バックフォーカス）、レンズ全長：Ｌが条件
（１）１＜（Ｌ−ｂｆ）／ｆ_W＜２
を満足することが好ましい（請求項２）。
条件（１）は請求項１記載の発明のズームレンズの持つ特長を、より一層引き出し、投射用ズームレンズとして更に良好なものとするためのものである。
条件（１）の下限を越えると、各群のパワーが大きくなり、諸収差の良好な補正が困難となる。また、上限を越えるとレンズの諸元に比してレンズが大きく冗長なものとなり、液晶プロジェクタ本体の小型化、携帯性、収納性の良さが妨げられる。
【００１１】
上記請求項２記載の投射用ズームレンズは更に、第１群の焦点距離：ｆ₁、第５群の焦点距離：ｆ₅、広角端における全系の焦点距離：ｆ_Wが、条件
（２）１＜｜ｆ₁｜／ｆ_W
（３）０．８＜ｆ₅／ｆ_W
を満足することが好ましい（請求項３）。
液晶プロジェクタ用投射レンズにおいては「投射画像における色ずれ」が目立ち易いので、特に倍率色収差の低減が重要である。
条件（２）および（３）は倍率色収差を低減して、請求項１記載の発明の投射用ズームレンズの特長を一層引き出すための条件である。
前述したように、液晶プロジェクタに用いられる液晶パネルは小型化の方向にあり、総画素数は同程度か増加の傾向にあるため、結果的に液晶画素のピッチは小さくなってきており、各色間の画素ずれの許容値も、例えば１インチ程度の液晶パネル使用時においては１０ミクロン前後となっている。
周知の如く、倍率色収差量は、レンズの焦点距離：ｆ、軸上光線高さ：ｈ、軸外主光線高さ：ｈ’、レンズのアッベ数：νにより、
ｈ×ｈ’／（ν×ｆ）（Ａ）
で表される。「軸上光線高」は群構成が変化すると様々に変化するが、「軸外光線高」は一般に、絞りからの距離が長い群において大きな値をとる。ズームレンズにおいては通常、各群内での色消しが行われるが、２次スペクトルが残るのが一般で、２次スペクトルは「（Ａ）式の値が大きい群」ほど大きくなりやすい。
従って、倍率色収差を良好に補正するには、（Ａ）式の大きくなりやすい群である「絞りからの距離が長い群」のパワー、あるいは、それらを構成するレンズのアッベ数を制御することが倍率色収差の低減に有効である。
【００１２】
条件（２）、（３）は、絞りから前後に最も離れた群である第１群と第５群のパワーを制限する条件で、各々下限を越えるとパワーの絶対値が大きくなって、倍率色収差の発生量が大きくなり、他の群での補正が困難となる。
【００１３】
第３群に設けられ、第３群と共に移動する絞りの位置は、第３群の拡大側でも縮小側でもよいが、第３群の縮小側に設けると（請求項４）、第３群が第２群に近くなり、「ワイド端からテレ端への変倍に伴う入射瞳径の増大」によって球面収差がオーバになりがちになるのを抑えることが容易になる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図２〜図４、図５〜図７、図８〜図１０にそれぞれ、この発明の投射用ズームレンズの実施の形態を３例示す。図２、図５、図８はワイド端における群配置、図３，図６，図９は中間焦点距離における群配置、図４、図７、図１０はテレ端における群配置を示す。各実施の形態とも、第１群ＧＲ１は拡大側（図の左方）から縮小側へ正・負・負の３枚のレンズを配して成り、第４群ＧＲ４は「正レンズと負レンズの貼り合わせレンズ」を拡大側、負レンズを縮小側に配して成り、第５群ＧＲ５は、拡大側に「両凹レンズと両凸レンズの貼り合わせレンズ」を配し、その縮小側に２枚の両凸レンズを配して成っている。
また、第２群ＧＲ２は、図２〜図４，図５〜図７の実施の形態では「負レンズと正レンズの貼り合わせレンズ」により構成されるのに対し、図８〜図１０の実施の形態では「両凸レンズ」１枚で構成され、第３群ＧＲ３は、図２〜図４，図５〜図７の実施の形態では「両凸レンズ」１枚で構成されるのに対し、図８〜図１０の実施の形態では「正レンズと負レンズの貼り合わせレンズ」により構成される。また、絞りＳは、上記実施の各形態とも、第３群ＧＲ３の縮小側に配備されている（請求項４）。なお、図２〜図１０において、符号１０は「色合成プリズム」、符号１２は「液晶パネルの画像表示面」を示す。
【００１５】
【実施例】
以下、上記各実施の形態に関する具体的な実施例を３例挙げる。
【００１６】
実施例１は、図２〜図４に示した実施の形態の具体的な実施例であり、実施例２は、図５〜図７に示した実施の形態の具体的な実施例であり、実施例３は、図８〜図１０に示した実施の形態の具体的な実施例である。
【００１７】
スクリーン側（拡大側）から数えて第ｉ番目の面（絞りの面および色合成プリズムの面を含む）の曲率半径をＲ_i とし、第ｉ番目の面と第ｉ＋１番目の面との光軸上の面間隔をＤ_i とする。また拡大側から数えて第ｊ番目のレンズのレンズの「ｄ線に対する屈折率」および「アッベ数」を、Ｎ_jおよびν_jとする。
また、最も拡大側にあるレンズの拡大側レンズ面（ｉ＝１）とスクリーンとの間隔を「Ｄ₀（ｉ＝０）」とし、「ｉが最大となるＤ_i」は、色合成プリズムの液晶パネル側の面から液晶パネル面までの距離である。
「フォーカシングによる無限遠からの繰り出し：は、各実施例とも第１群で行い、可変間隔の欄で示す第１群と第２群の間隔は繰り出し量を含んだ値である。
【００１８】

第１２面は「絞り面」である。
【００１９】
第２５、２６面は「色合成プリズムの射出面・入射面」である。
【００２０】

【００２１】

第１２面は「絞り面」である。
【００２２】
第２５、２６面は「色合成プリズムの射出面・入射面」である。
【００２３】

【００２４】

第１２面は「絞り面」である。
【００２５】
第２５、２６面は「色合成プリズムの射出面・入射面」である。
【００２６】

【００２７】
図１１〜図１３に、実施例１に関する収差図を示す。図１１はワイド端（焦点距離：４８．２８７）における収差図、図１２は中間焦点距離（焦点距離：５９．１２２）における収差図、図１３はテレ端（焦点距離：７２．３）における収差図である。
図１４〜図１６に、実施例２に関する収差図を示す。図１４はワイド端（焦点距離：４８．２４１）における収差図、図１５は中間焦点距離（焦点距離：５９．００６）における収差図、図１６はテレ端（焦点距離：７２．０８３）における収差図である。
図１７〜図１９に、実施例３に関する収差図を示す。図１７はワイド端（焦点距離：４８．２６９）における収差図、図１８は中間焦点距離（焦点距離：５９．１０３）における収差図、図１９はテレ端（焦点距離：７２．２９７）における収差図である。
各収差図において「Ｇ」は波長：５３５ｎｍの収差、「Ｂ」は波長：４５０ｎｍの収差、「Ｒ」は波長：６２０ｎｍの収差を表し、「Ｍ」は波長：５３５のメリディオナル像面、「Ｓ」は同サジタル像面を示し、「ω」は半画角を示す。
【００２８】
これら各収差図から見られるように、各実施例とも、ワイド、テレ、中間焦点距離の何れにおいても、諸収差は良好に補正されて性能良好である。
即ち、ワイド端における近軸像点位置に対する像面湾曲量は最大でも約０．１５％と少なく抑えられ、平坦な投射画像を得ることができ、歪曲収差は、ワイド端において約−２％以内、テレ端において約＋１．５％以内と小さく、輪郭の歪みの少ない投射画像を実現できる。また、倍率の色収差も小さく「色ずれのない良好なカラー画像」を表示できる。
【００２９】
【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提供できる。この発明の投射用ズームレンズは、３板式液晶プロジェクタ用の投射用ズームレンズに求められる種々の要請に答え得る、良好な性能と長いバックフォーカスを実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の投射用ズームレンズを説明するための図である。
【図２】この発明の実施の１形態のワイド端のレンズ配置を示す図である。
【図３】図２の実施の形態の中間焦点距離のレンズ配置を示す図である。
【図４】図２の実施の形態のテレ端のレンズ配置を示す図である。
【図５】この発明の実施の別の形態のワイド端のレンズ配置を示す図である。
【図６】図５の実施の形態の中間焦点距離のレンズ配置を示す図である。
【図７】図５の実施の形態のテレ端のレンズ配置を示す図である。
【図８】この発明の実施の他の形態のワイド端のレンズ配置を示す図である。
【図９】図８の実施の形態の中間焦点距離のレンズ配置を示す図である。
【図１０】図８の実施の形態のテレ端のレンズ配置を示す図である。
【図１１】実施例１のワイド端における収差図である。
【図１２】実施例１の中間焦点距離における収差図である。
【図１３】実施例１のテレ端における収差図である。
【図１４】実施例２のワイド端における収差図である。
【図１５】実施例２の中間焦点距離における収差図である。
【図１６】実施例２のテレ端における収差図である。
【図１７】実施例３のワイド端における収差図である。
【図１８】実施例３の中間焦点距離における収差図である。
【図１９】実施例３のテレ端における収差図である。
【符号の説明】
ＧＲ１第１群
ＧＲ２第２群
ＧＲ３第３群
ＧＲ４第４群
ＧＲ５第５群
Ｓ絞り

Claims

拡大側から縮小側へ向かって順に、第１〜第５郡を配備し、第３群に絞りを有してなり、
第１群は負の屈折力、第２および第３群は正の屈折力、第４群は負の屈折力、第５群は正の屈折力をそれぞれ有し、
広角端から望遠端への変倍に際し、第１および第５群は固定で、第２群は第１群との群間隔が単調に減少するように移動し、第３群は第１〜第３群の距離が単調に減少するように移動し、第４群は第５群との群間隔が単調に減少するように移動し、上記絞りが第３群とともに移動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、
広角端における全系の焦点距離：ｆ_W 、最も縮小側のレンズ面から縮小側の共役点までの空気中における長さ：ｂｆ、レンズ全長：Ｌが条件
（１）１＜（Ｌ−ｂｆ）／ｆ_W＜２
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２の投射用ズームレンズにおいて、
第１群の焦点距離：ｆ₁、第５群の焦点距離：ｆ₅、広角端における全系の焦点距離：ｆ_Wが、条件
（２）１＜｜ｆ₁｜／ｆ_W
（３）０．８＜ｆ₅／ｆ_W
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３群に設けられた絞りが、第３群の縮小側にあることを特徴とする投射用ズームレンズ。