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JP6027453B2 - 投射用ズームレンズ - Google Patents

投射用ズームレンズ Download PDF

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JP6027453B2
JP6027453B2 JP2013019832A JP2013019832A JP6027453B2 JP 6027453 B2 JP6027453 B2 JP 6027453B2 JP 2013019832 A JP2013019832 A JP 2013019832A JP 2013019832 A JP2013019832 A JP 2013019832A JP 6027453 B2 JP6027453 B2 JP 6027453B2
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Description

この発明は、投射用ズームレンズに関する。
会議等におけるプレゼンテーション用や教育用、コンピュータのデータ表示用にプロジェクタ装置が広く用いられるようになった。
プロジェクタ装置や、プロジェクタ装置用の投射用レンズも種々のものが知られている(特許文献1、2等)。
プロジェクタ装置では、液晶表示素子(液晶パネル)やデジタルミラーデバイス(以下「DMD」と略記する。)等の「ライトバルブ」に表示された源画像が拡大投射される。
プロジェクタ装置は、カラー画像を拡大投射できるものが一般的である。
液晶パネルでカラー画像を表示する場合、3原色の画像成分を3枚の液晶パネルに分けて表示し、各画像成分を「色合成プリズム」で合成して投射用レンズに入射させる。
このため、投射用レンズは、色合成プリズムを配置できるように「長いバックフォーカス」を必要とする。
DMDによる画像表示の場合にも、DMDを照明する照明光学系と投射用レンズとの位置関係を満足させるため「長いバックフォーカス」が必要となる。
投射用レンズには、上記のほか、一般に、以下の如き属性が求められる。
明るい投射画像を実現できるように、Fナンバの小さい明るいレンズであること。
最適なスクリーンサイズを容易に実現できるように変倍(ズーム)機能を有すること。
投射画像の像質を維持するため、歪曲収差が許容できる範囲に抑えられ、特に、周辺及び中間域での急激な歪曲収差の変動が小さく抑えられていること。
また、上記の3枚の液晶パネルをライトバルブとして用いる場合、縮小側にテレセントリックな性質を持つことが好ましい。
また、近来、スクリーンにプロジェクタ装置を近接させ、短い距離で大画面を映せる広角な投射用レンズが求められている。
広角な投射用レンズは、ライトバルブと投射用レンズ光軸のオフセット量が大きくとることで「プロジェクタ装置が投射画像を見るときの妨げにならない」利点がある。
広角という点で、特許文献1、2記載の投射用レンズを見ると、特許文献1記載の投射用レンズでは半画角:55度以上が実現されている。
特許文献2記載の投射用レンズでは、半画角:45度以上が実現されているが、最大のものでも50度を超えない。
特許文献1記載の投射用レンズは半画角:55度以上の広画角であるが、この投射用レンズはズーム機能を持たない。
特許文献2記載の投射用レンズはズーム機能を有するが、画角の面でなお改善の余地なしとしない。
この発明は、投射用レンズとして求められる上記諸属性を有し、50度を超える半画角をもつ投射用ズームレンズの実現を課題とする。
この発明の投射用ズームレンズは、拡大側から縮小側へ向かって順次、負の第1レンズ群、正の第2レンズ群、正の第3レンズ群、正の第4レンズ群、正の第5レンズ群を配してなり、変倍に際しては第1レンズ群と第5レンズ群とが固定され、第1レンズ群に、非球面レンズが1枚以上配され、開口絞りが、第4レンズ群中に配されており、縮小側がテレセントリックであり、広角端における全系の焦点距離:fw、空気換算時のバックフォーカス:Bf、第1レンズ群の焦点距離:f1が、条件:
(1) 4.5 ≧ Bf/fw ≧ 2.5
(2) 2.0 ≧ │f1/fw│ ≧ 0.9
を満足し、且つ、第1レンズ群の最も拡大側のレンズ面の頂点から前記開口絞りまでの距離:STO、前記頂点から射出瞳までの距離:Enpが、条件:
(3) 2.5 ≦ STO/Enp ≦ 4.5
を満足することを特徴とする。
この発明によれば、50度を超える半画角を持つ新規な投射用ズームレンズを実現できる。
実施例1の投射用ズームレンズの断面図である。 実施例1の投射用ズームレンズの広角端における縦収差図である。 実施例1の投射用ズームレンズの広角端における横収差図である。 実施例1の投射用ズームレンズの中間位置における縦収差図である。 実施例1の投射用ズームレンズの中間位置における横収差図である。 実施例1の投射用ズームレンズの望遠端における縦収差図である。 実施例1の投射用ズームレンズの望遠端における横収差図である。 実施例2の投射用ズームレンズの断面図である。 実施例2の投射用ズームレンズの広角端における縦収差図である。 実施例2の投射用ズームレンズの広角端における横収差図である。 実施例2の投射用ズームレンズの中間位置における縦収差図である。 実施例2の投射用ズームレンズの中間位置における横収差図である。 実施例2の投射用ズームレンズの望遠端における縦収差図である。 実施例2の投射用ズームレンズの望遠端における横収差図である。 実施例3の投射用ズームレンズの断面図である。 実施例3の投射用ズームレンズの広角端における縦収差図である。 実施例3の投射用ズームレンズの広角端における横収差図である。 実施例3の投射用ズームレンズの中間位置における縦収差図である。 実施例3の投射用ズームレンズの中間位置における横収差図である。 実施例3の投射用ズームレンズの望遠端における縦収差図である。 実施例3の投射用ズームレンズの望遠端における横収差図である。 実施例4の投射用ズームレンズの断面図である。 実施例4の投射用ズームレンズの広角端における縦収差図である。 実施例4の投射用ズームレンズの広角端における横収差図である。 実施例4の投射用ズームレンズの中間位置における縦収差図である。 実施例4の投射用ズームレンズの中間位置における横収差図である。 実施例4の投射用ズームレンズの望遠端における縦収差図である。 実施例4の投射用ズームレンズの望遠端における横収差図である。
図1、図8、図15、図22に、投射用ズームレンズの実施の形態を4例示す。これ等の図は、実施の各形態の投射用ズームレンズの断面図である。
これらの実施の形態は、この順序で後述の実施例1〜4に相当する。
これらの図において、図の左方が「拡大側」、右方が「縮小側」である。
繁雑を避けるため、これ等の図において符号を共通化する。
即ち、符号G1、G2、G3、G4でそれぞれ、第1レンズ群、第2レンズ群、第3レンズ群、第4レンズ群を表す。
これらの実施形態の投射用ズームレンズは、ライトバルブとして液晶パネルを3枚用いてカラー画像を拡大投射する投射型画像表示装置に用いるものである。
上記各図において、符号MDはライトバルブである液晶パネル(3枚のうちの1枚)を示し、符号Pは色合成プリズムを示す。符号Sは開口絞りを示す。
また、上側の図は広角端(「Wide」と表示)のレンズ配置を示し、下側の図は望遠端(「Tele」と表示)のレンズ配置を示している。
上下の図の間に描かれた矢印は、広角端から望遠端への変倍に伴う各移動群の移動の様子を示している。
これ等実施の各形態の投射用ズームレンズは、縮小側にテレセントリック性が高いレンズである。
第1レンズ群G1〜第5レンズ群G5の屈折力は、第1レンズ群G1の側から順に「負・正・正・正・正」である。
即ち、拡大側から見ると「負の屈折力が先行」する所謂「ネガティブリード型」で、この型の採用により、広角化および「長いバックフォーカス」の実現を容易にしている。
また、上記各図に明らかなように、第1〜第5レンズ群のうち、第1レンズ群G1と第5レンズ群G5は変倍に際して移動しない「固定群」である。
第2〜第4レンズ群G2〜G4は変倍に際して移動する「移動群」である。
実施の各形態の投射用ズームレンズとも、これら移動群G2〜G4は独立に移動する。
第1レンズ群G1と第5レンズ群G5を固定群とすることは、変倍時の全長を不変に保つことができる利点があり、また、投射用ズームレンズの堅牢性の面からも好ましい。
また、レンズ径の大きいレンズを含む第1レンズ群G1を固定とするので、変倍時の重量バランスが大きく崩れることがない。
広角化に伴い、第1レンズ群G1において「負の歪曲収差」が発生し易いが、第1レンズ群G1に非球面レンズを配して、この「負の歪曲収差の増大」を相殺する。
投射用ズームレンズの縮小側はテレセントリックであり、実施の各形態に示すように、特に「3枚の液晶パネルをライトバルブとする場合」に好適に用いることができる。
勿論、DMDを用いるような場合にも、縮小側をテレセントリックとしたこの発明の投射用ズームレンズを用いることができる。
なお、縮小側がテレセントリックといっても、厳密なテレセントリックを意味するわけではなく、実用レベルでテレセントリックであれば良い。
条件(1)は、大きな画角を確保しつつ、長いバックフォーカスを確保するための条件である。
大きな画角を保持しつつ、条件(1)の下限を超えると、ライトバルブ側のレイアウトに必要なバックフォーカス:Bfの確保が困難である。
条件(1)の上限を超えると、広角端における全系の焦点距離:fwが小さくなり、全系の正の屈折力が過剰に強くなり、広角端での諸収差の補正が困難になる。
条件(2)は、条件(1)を満足されることを前提として「大きな画角と、良好な光学性能を両立」させる条件である。
パラメータ:|f1/fw|が、条件(2)の上限を超えると、条件(1)を満足する「fw」に対して|f1|が過大になり、第1レンズ群の負の屈折力が小さくなる。
このため、50度を超える大きな画角(投射光束の画角)を得ることが困難になる。
条件(2)の下限を超えると、大きな画角は確保できるが、条件(1)を満足する「fw」に対して|f1|が過小になり、第1レンズ群の負の屈折力が過大となる。
このため、コマ収差、像面湾曲等の補正が困難となる。
即ち、上記群構成・屈折力配分と、条件(1)、(2)の充足により「大きな画角と、必要にして十分なバックフォーカス」の確保と「良好な光学性能」が実現される。
第5レンズ群G5は1枚の正レンズで構成でき、1枚の正レンズで構成することにより、投射用ズームレンズの低価格化・コンパクト化に資することができる。
移動群である第2〜第4レンズ群G2〜G4のうちで、最も縮小側の第4レンズ群を全レンズ群中で最多枚数のレンズで構成することが好ましい。
各実施例において、移動群中、拡大側の第2レンズ群G2は「変倍時のピント変動を抑える機能」を課されている。
第3レンズ群G3は「主たる変倍群(バリエータ)」としての役割を与えられており、変倍の際の移動量が大きい。
従って、第3レンズ群G3は「なるべく少ないレンズ枚数で軽量に構成」するのが構造的にも好ましい。
最も縮小側の移動群である第4レンズ群を「最多枚数のレンズで構成」すると、第4レンズ群に「種々の収差を補正する機能」を持たせることができる。
即ち、変倍時にバリエータである第3レンズ群で発生する諸収差を補正する機能や、球面収差、ペッツバール和を補正する機能を持たせることができる。
さらに「軸上光線高さが高いことにより発生する軸上色収差」、「軸外光線高さが高いことにより発生する倍率色収差」を補正する機能をもたせることができる。
このように、第4レンズ群G4を「最多レンズ枚数」で構成し、上記収差補正機能を持たせ、他の移動群である第2、第3レンズ群G2、G3の構成を簡単化できる。
即ち、投射用ズームレンズのコンパクト化・低価格化に資することができる。
この発明の投射用ズームレンズは、開口絞りSが第4レンズ群G4中に配されている。
第4レンズ群G4中に開口絞りSを用いることにより「縮小側におけるテレセントリック性」の実現が容易としている。
上記各図の実施の形態においては、開口絞りSは、第4レンズ群G4の拡大側の、第3レンズ群G3に近い位置に、第4レンズ群G4と一体に設けられている。
このように開口絞りSを設けられた投射用ズームレンズは、以下の条件(3)を満足する。
(3) 2.5 ≦ STO/Enp ≦ 4.5
条件(3)において、「Enp」は最も拡大側のレンズ面の頂点から射出瞳までの距離であり、「STO」は、上記頂点から開口絞りまでの距離である。
なお、「射出瞳」は、拡大側から第1〜第3レンズ群G1〜G3を介して開口絞りSを見たときの開口絞りSの像である。
50度を超える画角を確保しつつパラメータ:STO/Enpが下限を超えると、上記距離:Enpが大きくなって投射用ズームレンズのコンパクト性が失われ易い。
またコストの増大も招来し易い。
条件(3)の上限を超えると、上記距離:Enpが過小となり、歪曲収差、コマ収差の補正が困難になる。
第4レンズ群G4は「1枚以上の正レンズを含む構成とし、前記正レンズの1枚以上を、d線に対するアッベ数:60以上の硝材で形成する」のが好ましい。
投射用ズームレンズは、広角になるほど倍率色収差が増大して補正が難しくなる。
第4レンズ群に含まれる1以上の正レンズを「d線に対するアッベ数:60以上」の硝材で形成することにより、倍率色収差の発生を抑制することが可能となる。
投射用ズームレンズはまた、Fナンバが小さくなるにつれ軸上光線の光線高さが高くなり、軸上色収差の補正も困難となってくる。
開口絞りSの近傍では「光線高さが特に高くなる」ので、開口絞りSに近い第4レンズ群中にアッベ数:60以上の硝材による正レンズを1枚以上用いることが好ましい。
また、第1レンズ群中に配された非球面レンズの1枚を、最も拡大側に配することが好ましい。
第1レンズ群の最も拡大側のレンズは、ライトバルブ側からの光束が被投射面(スクリーン)に向かって射出するレンズである。
従って、このレンズを非球面レンズとすることにより、諸収差を効率良く補正できる。
一般に、非球面レンズは「各像高の光線が分かれた位置」即ち「開口絞りからできるだけ離れた位置」で使用される。
投射用ズームレンズにおいて、最も拡大側に非球面レンズを用いることにより、歪曲収差、像面湾曲等の広角レンズで問題となる諸収差を効率良く補正することができる。
また、第1レンズ群には1枚以上の球面レンズを配するのが良く、その場合、球面レンズの硝材のd線に対する屈折率の平均値:ndlは以下の条件(4)を満足するのが良い。
(4) nd1 > 1.7
この条件を満足させることにより、広角レンズで問題となる歪曲収差、コマ収差を抑えることができ、レンズ枚数の少ない低価格の投射用ズームレンズとすることができる。
なお、第1レンズ群に含まれる球面レンズは1枚でもよく、その場合には上記平均値:ndlは勿論、当該1枚の球面レンズの硝材のd線に対する屈折率である。
以下、投射用ズームレンズの具体的な実施例を4例挙げる。
実施例のデータを表す表中において、「面番号」は、拡大側(スクリーン側)から縮小側(ライトバルブ側)に向かって数えたレンズ面と絞りの面の番号である。
「*印」を付した面番号のレンズ面は「非球面」である。
「屈折率:ndおよびアッベ数:νd」は、d線基準である。
「物面」は、表示されるべき画像を投射される面(スクリーン面)であり、第1レンズ群の最も拡大側のレンズ面から740mmの距離を基準として示している。
「R」により各面の曲率半径(非球面にあっては近軸曲率半径)を表し、「D」により光軸上の面間隔を表す。
「有効径」は、光軸からの「光線の通る最大高さ」である。
「FNo」はFナンバである。
なお、特に断らない限り、長さの元を持つ量の単位は「mm」である。
非球面は、光軸との交点を原点とする周知の次式により表示する。
Z=(1/R)・h/[1+√{1−(1+K)・(1/R)・h}]
+A3・h+A4・h+A5・h+A6・h+・・・+An・h
この式において、「Z」は光軸方向の変移、「h」は光軸からの高さ、「R」は近軸曲率半径、「K」は円錐定数、「An(≧3)」はn次の非球面係数である。
従って、上記R、K、Anを与えて形状を特定する。
「実施例1」
実施例1の投射用ズームレンズは、図1に示したものである。
実施例1のデータを表1に示す。
Figure 0006027453
「非球面データ」
非球面のデータを表2に示す。
Figure 0006027453
なお、上記表記において、例えば「2.340547E-21」は「2.340547×10-21」を意味する。以下においても同様である。
「可変間隔」
可変間隔のデータを表3に示す。表中の「Wide」は広角端、「Mean」は中間焦点距離、「Tele」は「望遠端」をそれぞれ表す。
Figure 0006027453
「各種データ」
各種データ(焦点距離、半画角、Fナンバ(FNo))を表4に示す。
Figure 0006027453
また、像高、バックフォーカス:Bf、レンズ全長を表5に示す。
「像高」は、光軸からのライトバルブ(液晶パネル)の最大高さである。
Bfは、拡大側の共役点が無限遠の時の「最も縮小側のレンズ面からライトバルブ面までの距離」である。
この距離は「空気換算時」即ち、色合成プリズムの無い状態の値である。
「レンズ全長」は最も拡大側のレンズ面から最も縮小側のレンズ面までの距離である。
Figure 0006027453
「条件式のパラメータの数値」
条件式(1)〜(4)のパラメータの値は以下のとおりである。
(1) Bf/fw=3.495
(2) |f1/fw|=1.237
(3) STO/ENP=3.666
(4) nd1=1.78930 。
実施例1の投射用ズームレンズの広角端における球面収差、非点収差、歪曲収差を図2に、コマ収差を図3に示す。
また、中間位置における球面収差、非点収差、歪曲収差を図4に、コマ収差を図5に、望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差を図6に、コマ収差を図7に示す。
各収差図は、550nmの波長を持つ緑色光の収差を示すが、球面収差図、コマ収差図には赤、青の光を代表して波長:620nmと470nmの収差も表示している。
非点収差図における「S」はサジタル像、「M」はメリディオナル像の収差を示す。
以下の他の収差図に於いても上記と同様である。
実施例1の投射用ズームレンズは変倍機能を有し、広角端における画角が55.2度と広角で、広角端におけるFNoは2.0と明るい。
また、レンズ全長は124.593mmでコンパクトである。
「実施例2」
実施例2の投射用ズームレンズは、図8に示したものである。
実施例2のデータを表6に示す。
Figure 0006027453
「非球面データ」
非球面のデータを表7に示す。
Figure 0006027453
「可変間隔」
可変間隔のデータを表8に示す。
Figure 0006027453
「各種データ」
各種データを表9に示す。
Figure 0006027453
像高、バックフォーカス:Bf、レンズ全長を表10に示す。
Figure 0006027453
「条件式のパラメータの数値」
条件式(1)〜(4)のパラメータの値は以下のとおりである。
(1) Bf/fw=2.992
(2) |f1/fw|=1.087
(3) STO/ENP=3.898
(4) nd1 = 1.81910 。
実施例2の投射用ズームレンズの広角端における球面収差、非点収差、歪曲収差を図9に、コマ収差を図10に示す。
また、中間位置における球面収差、非点収差、歪曲収差を図11に、コマ収差を図12にしめす。
さらに、望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差を図13に、コマ収差を図14に示す。
実施例2の投射用ズームレンズは変倍機能を有し、広角端における画角が51.1度と広角で、広角端におけるFNoは2.15と明るい。
また、レンズ全長は117.386mmでコンパクトである。
「実施例3」
実施例3の投射用ズームレンズは、図15に示したものである。
実施例2のデータを表11に示す。
Figure 0006027453
「非球面データ」
非球面のデータを表12に示す。
Figure 0006027453
「可変間隔」
可変間隔のデータを表13に示す。
Figure 0006027453
「各種データ」
各種データを表14に示す。
Figure 0006027453
像高、バックフォーカス:Bf、レンズ全長を表15に示す。
Figure 0006027453
「条件式のパラメータの数値」
条件式(1)〜(4)のパラメータの値は以下のとおりである。
(1) Bf/fw=3.957
(2) |f1/fw|=1.020
(3) STO/ENP=3.626
(4) nd1 = 1.85790 。
実施例3の投射用ズームレンズの広角端における球面収差、非点収差、歪曲収差を図16に、コマ収差を図17に示す。
また、中間位置における球面収差、非点収差、歪曲収差を図18に、コマ収差を図19にしめす。
さらに、望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差を図20に、コマ収差を図21に示す。
実施例3の投射用ズームレンズは変倍機能を有し、広角端における画角が58.4度と極めて広角で、FNoは2.00と明るい。
また、レンズ全長は129.797mmでコンパクトである。
「実施例4」
実施例4の投射用ズームレンズは、図22に示したものである。
実施例4のデータを表16に示す。
Figure 0006027453
「非球面データ」
非球面のデータを表17に示す。
Figure 0006027453
「可変間隔」
可変間隔のデータを表18に示す。
Figure 0006027453
「各種データ」
各種データを表19に示す。
Figure 0006027453
像高、バックフォーカス:Bf、レンズ全長を表20に示す。
Figure 0006027453
「条件式のパラメータの数値」
条件式(1)〜(4)のパラメータの値は以下のとおりである。
(1) Bf/fw=2.925
(2) |f1/fw|=0.989
(3) STO/ENP=3.746
(4) nd1 =1.81910 。
実施例4の投射用ズームレンズの広角端における球面収差、非点収差、歪曲収差を図23に、コマ収差を図24に示す。
また、中間位置における球面収差、非点収差、歪曲収差を図26に、コマ収差を図26に示す。
さらに、望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差を図27に、コマ収差を図28に示す。
実施例4の投射用ズームレンズは変倍機能を有し、広角端における画角が50.4度と広角で、広角端におけるFNoは1.80と極めて明るい。
また、レンズ全長は127.901mmでコンパクトである。
また、実施例1〜4の投射用ズームレンズは何れも、各変倍位置において、各収差が良好に補正され、性能良好である。
また、縮小側は、実用レベルでテレセントリックである。
G1 第1レンズ群
G2 第2レンズ群
G3 第3レンズ群
G4 第4レンズ群
G5 第5レンズ群
S 開口絞り
P 色合成プリズム
MD 液晶パネル
特開2009−116106号公報 特開2010−237605号公報

Claims (6)

  1. 拡大側から縮小側へ向かって順次、負の第1レンズ群、正の第2レンズ群、正の第3レンズ群、正の第4レンズ群、正の第5レンズ群を配してなり、
    変倍に際しては第1レンズ群と第5レンズ群とが固定され、
    第1レンズ群に、非球面レンズが1枚以上配され、
    開口絞りが、第4レンズ群中に配されており、
    縮小側がテレセントリックであり、
    広角端における全系の焦点距離:fw、空気換算時のバックフォーカス:Bf、第1レンズ群の焦点距離:f1が、条件:
    (1) 4.5 ≧ Bf/fw ≧ 2.5
    (2) 2.0 ≧ │f1/fw│ ≧ 0.9
    を満足し、且つ、
    第1レンズ群の最も拡大側のレンズ面の頂点から前記開口絞りまでの距離:STO、前記頂点から射出瞳までの距離:Enpが、条件:
    (3) 2.5 ≦ STO/Enp ≦ 4.5
    を満足することを特徴とする投射用ズームレンズ。
  2. 請求項1記載の投射用ズームレンズにおいて、
    第5レンズ群が、1枚の正レンズで構成されることを特徴とする投射用ズームレンズ。
  3. 請求項1または2記載の投射用ズームレンズにおいて、
    第4レンズ群を構成するレンズ枚数が、全レンズ群中で最多であることを特徴とする投射用ズームレンズ。
  4. 請求項1〜3の任意の1に記載の投射用ズームレンズにおいて、
    第4レンズ群が1枚以上の正レンズを含んで構成され、前記正レンズの1枚以上が、d線に対するアッベ数が60以上の硝材で形成されていることを特徴とする投射用ズームレンズ。
  5. 請求項1〜4の任意の1に記載の投射用ズームレンズにおいて、
    第1レンズ群中に配された非球面レンズの1枚が、最も拡大側に配されていることを特徴とする投射用ズームレンズ。
  6. 請求項1〜5の任意の1に記載の投射用ズームレンズにおいて、
    第1レンズ群は、球面レンズを1枚以上含んでおり、該球面レンズの硝材のd線に対する屈折率の平均値:ndlが、条件:
    (4) nd1 > 1.7
    を満足することを特徴とする投射用ズームレンズ。
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