(57)【要約】  像側から順番に、負の屈折力の第１のレンズ群であって、少なくとも１つの非球面を有する第１のレンズ群と、第２のレンズ群と、正の屈折力の第３のレンズ群と、を含む広角投影レンズ。広角投影レンズに対して、下記の条件（１）〜（４）、｜Ｆ１／Ｆ｜≦４．５（条件（１））、２．５≦｜Ｆ２／Ｆ｜≦６．０（条件（２））、３．８≦｜Ｆ３／Ｆ｜≦５．０（条件（３））、および０．８≦ＢＦＬ／Ｆ≦１．４（条件（４））が満たされる。光学エンジン（広角投影レンズを備える）を、投影ディスプレイ装置において実施することができる。
2009527002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
像側から順番に下記コンポーネント（ａ）〜（ｃ）を備える広角投影レンズであって、
（ａ）少なくとも１つの非球面を有する、負の屈折力の第１のレンズ群、
（ｂ）第２のレンズ群、
（ｃ）正の屈折力の第３のレンズ群、
下記条件（１）〜（４）を満たす広角投影レンズ。
｜Ｆ１／Ｆ｜≧４．５              条件（１）
２．５≦｜Ｆ２／Ｆ｜≦６．０      条件（２）
３．８≦｜Ｆ３／Ｆ｜≦５．０      条件（３）
０．８≦ＢＦＬ／Ｆ≦１．４      条件（４）
ここで、Ｆは、広角投影レンズの焦点距離であり、Ｆ１は、第１のレンズ群の焦点距離であり、Ｆ２は、第２のレンズ群の焦点距離であり、Ｆ３は、第３のレンズ群の焦点距離であり、ＢＦＬは、後方焦点距離である。
【請求項２】
有効焦点距離と像高との比率が約０．５〜１．０である請求項１に記載の広角投影レンズ。
【請求項３】
（ａ）照明システムと、
（ｂ）像形成システムと、
（ｃ）請求項１に記載の広角投影レンズと、を備える光学エンジンであって、
投影ディスプレイ装置において使い捨て式である、光学エンジン。
【請求項４】
第３のレンズ群は、広角投影レンズのための開口絞りと、第１のレンズ素子と、第２のレンズ素子とを備え、該第２のレンズ素子の有効焦点距離は約３０ｍｍ〜約４０ｍｍである、請求項１に記載の広角投影レンズ。
【請求項５】
第２のレンズ素子は、開口絞りに面した表面と、開口絞りとは反対方向を向く表面とを含み、開口絞りに面した表面の曲率は、開口絞りとは反対方向を向く表面の曲率より大きい、請求項４に記載の広角投影レンズ。
【請求項６】
第２のレンズ素子は、単一構造のレンズ素子である、請求項４に記載の広角投影レンズ。
【請求項７】
前記単一構造のレンズ素子は、両凸レンズおよび平凸レンズのうちの一方である、請求項６に記載の広角投影レンズ。
【請求項８】
第１のレンズ群は、楕円形であり、矩形状の開口を有する、請求項１に記載の広角投影レンズ。
【請求項９】
像側から順番に下記コンポーネント（ａ）〜（ｃ）を備える広角投影レンズであって、
（ａ）少なくとも１つの非球面を有する、負の屈折力の第１のレンズ群、
（ｂ）第２のレンズ群、
（ｃ）正の屈折力の第３のレンズ群、
下記条件（１）〜（４）を満たす広角投影レンズ。
１．３≦｜Ｆ１／Ｆ｜≦２．０      条件（１）
｜Ｆ２／Ｆ｜≧４．０              条件（２）
３．８≦｜Ｆ３／Ｆ｜≦５．０      条件（３）
０．８≦ＢＦＬ／Ｆ≦１．４      条件（４）を満たし、
ここで、Ｆは、広角投影レンズの焦点距離であり、Ｆ１は、第１のレンズ群の焦点距離であり、Ｆ２は、第２のレンズ群の焦点距離であり、Ｆ３は、第３のレンズ群の焦点距離であり、ＢＦＬは、後方焦点距離である。
【請求項１０】
有効焦点距離と像高との比率が約０．５〜１．０である、請求項９に記載の広角投影レンズ。
【請求項１１】
（ａ）照明システムと、
（ｂ）像形成システムと、
（ｃ）請求項９に記載の広角投影レンズと、を備える光学エンジンであって、
投影ディスプレイ装置において使い捨て式である、光学エンジン。
【請求項１２】
第３のレンズ群は、広角投影レンズのための開口絞りと、第１のレンズ素子と、第２のレンズ素子とを備え、該第２のレンズ素子の有効焦点距離は約３０ｍｍ〜約４０ｍｍである、請求項９に記載の広角投影レンズ。
【請求項１３】
第２のレンズ素子は、開口絞りに面した表面と、開口絞りとは反対方向を向く表面とを含み、開口絞りに面した表面の曲率は、開口絞りとは反対方向を向く表面の曲率より大きい、請求項１２に記載の広角投影レンズ。
【請求項１４】
第２のレンズ素子は、単一構造のレンズ素子である、請求項１２に記載の広角投影レンズ。
【請求項１５】
第１のレンズ群は、楕円形であり、矩形状の開口を有する、請求項９に記載の広角投影レンズ。
【請求項１６】
（ａ）照明システムと、
（ｂ）像形成システムと、
（ｃ）後方焦点距離が有効焦点距離の約１．４倍より小さく、スピードが約Ｆ／３．１もしくはそれ未満と同じかまたはそれより小さい投影レンズと、を備える光学エンジンであって、
投影レンズは、実質的に歪みがない少なくとも約５０°の半視野角において像を生成し、
投影ディスプレイ装置の一部を構成するようにした光学エンジン。
【請求項１７】
有効焦点距離と像高との比率が約０．５〜１．０である、請求項１６に記載の広角投影レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチメディアおよび壁ディスプレイ応用例のための短い照射距離のディスプレイシステムにおいて用いる投影レンズおよびディスプレイ装置に関する。特に本発明は、広角投影レンズを実現する投影装置であって、広角投影レンズは、超軸外の像形成を可能にするとともに、実質的に歪みがなく台形歪み補正をほとんど必要としない像を形成する投影レンズである、投影装置に関する。投影レンズは、前面および後方投影応用例の両方で用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
電子またはビデオディスプレイシステムは、ビデオまたは電子的に生成される像を見せることが可能な装置である。家庭用娯楽機器、広告、ビデオ会議、またはグループ会議のどこで使用されようと、適切なディスプレイ装置が要求される。
【０００３】
画質は、適切なディスプレイ装置を決定するために消費者が用いる因子の１つである。一般に、画質は、像解像度および像色彩などの因子によって定性的に決定することができる。消費者の中には、ディスプレイ装置の画像サイズがもっと大きくなることを望む人もいるため、画質は悪化する可能性がある。通常、大きな画像サイズは、スクリーンの対角線に沿って測定したときに、約１０２ｃｍ（４０インチスクリーンサイズを超えるものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在、多くのディスプレイ装置が前面投影システムにおいて市販されているが、他の装置を開発することも引き続き求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態においては、広角投影レンズは、出力側から順番に、負の屈折力の第１のレンズ群であって、少なくとも１つの非球面を有する第１のレンズ群と、第２のレンズ群と、正の屈折力の第３のレンズ群とを備える。広角投影レンズに対して、下記の条件（１）〜（４）が満たされる。
【０００６】
｜Ｆ１／Ｆ｜≧４．５              条件（１）
２．５≦｜Ｆ２／Ｆ｜≦６．０      条件（２）
３．８≦｜Ｆ３／Ｆ｜≦５．０      条件（３）
０．８≦ＢＦＬ／Ｆ≦１．４      条件（４）
【０００７】
ここで、Ｆは、広角投影レンズの焦点距離であり、Ｆ１は、第１のレンズ群の焦点距離であり、Ｆ２は、第２のレンズ群の焦点距離であり、Ｆ３は、第３のレンズ群の焦点距離であり、ＢＦＬは後方焦点距離である。
【０００８】
１つの代表的な態様において、有効焦点距離と像高との比率は約０．５〜１．０である。別の代表的な態様においては、広角投影レンズは、照明システムおよび像形成システムも備える光学エンジンの一部である。光学エンジンは、投影ディスプレイ装置内に配置することができる。別の代表的な実施形態においては、第３のレンズ群は、広角投影レンズのための開口絞りと、第１のレンズ素子と、第２のレンズ素子とを備え、第２のレンズ素子の有効焦点距離は約３０ｍｍ〜約４０ｍｍである。さらに、第２のレンズ素子は、開口絞りに面した表面と、開口絞りとは反対方向を向く表面とを備えることができ、開口絞りに面した表面の曲率は、開口絞りとは反対方向を向く表面の曲率を上回っている。第２のレンズ素子は単一構造のレンズ素子とすることができ、たとえば両凸レンズまたは平凸レンズである。
【０００９】
本発明の別の実施形態においては、広角投影レンズは、出力側から順番に、負の屈折力の第１のレンズ群であって、少なくとも１つの非球面を有する第１のレンズ群と、第２のレンズ群と、正の屈折力の第３のレンズ群とを備える。広角投影レンズに対して、下記の条件（１）〜（４）が満たされる。
【００１０】
１．３≦｜Ｆ１／Ｆ｜≦２．０      条件（１）
｜Ｆ２／Ｆ｜≧４．０              条件（２）
３．８≦｜Ｆ３／Ｆ｜≦５．０      条件（３）
０．８≦ＢＦＬ／Ｆ≦１．４      条件（４）
【００１１】
１つの代表的な態様においては、有効焦点距離と像高との比率は約０．５〜１．０である。光学エンジンは、投影ディスプレイ装置内に配置することができる。別の代表的な実施形態においては、第３のレンズ群は、広角投影レンズのための開口絞りと、第１のレンズ素子と、第２のレンズ素子とを備え、第２のレンズ素子の有効焦点距離は約３０ｍｍ〜約４０ｍｍである。第２のレンズ素子は、開口絞りに面した表面と、開口絞りとは反対方向を向く表面とを備えることができ、開口絞りに面した表面の曲率は、開口絞りとは反対方向を向く表面の曲率より大きい。
【００１２】
本発明の別の実施形態においては、光学エンジンは、照明システムと、像形成システムと、投影レンズであって、後方焦点距離が有効焦点距離の約１．４倍より小さい、スピードが約Ｆ／３．１もしくはそれ未満と同じかまたはそれより小さい投影レンズと、を備える。投影レンズは、実質的に歪みがない少なくとも約５０°の半視野角において像を生成し、光学エンジンは投影ディスプレイ装置の一部を構成する。
【００１３】
本発明の他の態様においては、光学エンジンは、壁掛け型投影システム、マルチメディアシステム、後方投影ＴＶシステム、およびコンパクトな統合モニタシステムにおいて実施することができる。
【００１４】
本発明の光学システムは、短い照射距離で超軸外の投影システムにおいて用いられる。用語「照射距離」は、投影スクリーンから投影レンズに至る法線によって規定される距離を意味する。語句「短い照射距離」は、１メートル未満の距離を意味する。用語「超軸外」は、４５度よりも大きい角度に対する投影像を意味する。加えて、投影装置は、実質的に歪みがない像を投影する。実質的に歪みがないとは、歪みが２％を超えないことを意味する。好ましい態様においては、歪みは１％以下であり、最も好ましくは０．５％以下である。これらの歪み値においては、少なくともほとんどのイメージング応用例に対して、電子的な歪み補正は必要ではない。語句「実質的にゼロ屈折力」は、すべてのレンズ群の全体的なレンズの度が３％未満であることを意味する。本文書では、用語「約」は、すべての数値を修飾するものと見なされる。
【００１５】
本発明の上記の概要は、本発明の各図示の実施形態またはすべての実施を説明しようとするものではない。以下に示す図面および発明を実施するための最良の形態は、これらの実施形態をより具体的に例示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、照射距離が短い投影ディスプレイ装置で用いる広角投影レンズに関する。特に広角投影レンズは、前面および後方投影システムの両方において用いることができる光学エンジンの一部を構成することができる。これらの投影システムは、たとえば、統合型マルチメディアまたはホームシアターシステム、壁掛け型投影システム、後方投影テレビジョンシステム、およびモニタシステムで用いるように構成することができる。加えて、本明細書に記載した光学エンジンは、実質的に歪みがなく、台形歪み補正は実質的に必要ではない。
【００１７】
図１に、代表的な光学エンジン６０の略図を示す。光学エンジン６０は、次のコンポーネントのうちの１以上を有する。すなわち、照明システム６２または６２’、像形成システム６４、フォーカスメカニズム６５、および投影光学系６６である。２つの異なる照明システム６２および６２’を示しているが、通常は、一方のみを用いる。照明システムが、参照番号６２によって示される所定の位置に配置される場合、使用する像形成装置は反射性の像形成装置である。対照的に、照明システムが、参照番号６２’によって示される所定の位置に配置される場合、使用する像形成装置は透過型の像形成装置である。光学エンジンは、像を、投影スクリーンまたは観察表面６８上に形成することができる。以下、光学エンジンにおける各要素について詳細に説明する。
【００１８】
照明システム６２、６２’には、次のものを含めることができる。すなわち、ランプユニット、フィルタ（たとえば赤外光および／または紫外線阻止フィルタ）、色分解手段、および統合器である。１つの代表的な実施形態においては、ランプユニットには、リフレクタおよびランプが含まれる。好適な市販のランプには次のものが含まれる。すなわち、（ｉ）フィリップス（Philips）ＵＨＰタイプランプユニット（これは、楕円リフレクタ（フィリップスセミコンダクターズ（Philips Semiconductors）、アイントホーフェン（Eindhoven）、オランダ）を用いる）、および（ｉｉ）オスラム（OSRAM）Ｐ−ＶＩＰ２５０ランプユニット（オスラム社（OSRAM GmBH）、ミュンヘン、ドイツ）である。他の好適なランプおよびランプユニット配置も、本発明において用いることができる。たとえば、メタルハライドランプまたはタングステンハロゲンランプまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることができる。本発明の実施形態において用いることができるフィルタ、カラーホイール、および統合器のタイプは、重要ではない。１つの代表的な実施形態においては、色分解手段は、像形成装置の光源における回転する赤／緑／青（ＲＧＢ）または赤／緑／青／白（ＲＧＢＷ）の色順次ディスクである。例示的な市販のカラーホイールは、ユナクシス（UNAXIS）ＲＧＢＷカラーホイール（ユナクシスバルザーズ社（UNAXIS Balzers, LTD）、バルザーズ（Balzers）、リヒテンシュタイン（Liechtenstein））である。液晶ＲＧＢ色順次シャッタも、本発明の実施形態において用いることができる。例示的な市販の統合器は、中空のトンネルタイプ統合器（ユナクシスバルザーズ社）である。
【００１９】
像形成システム６４は、像形成装置を備えることができ、通常は、従来のエレクトロニクスも備えることができる。本発明において用いることができる有用な反射性の像形成装置は、ＸＧＡデジタルマイクロミラー装置（ＤＭＤ）（対角寸法が約２２ｍｍ）である。これは、テキサスインスツルメンツ（Texas Instruments）（ダラス（Dallas）、テキサス州（Texas））から販売される。あるいは、透過型または反射型の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を、像形成装置として用いることができる。代表的な光学エンジンの実施形態においては、像形成装置の表面は、投影スクリーンの表面に実質的に平行に位置する。
【００２０】
いくつかの実施に対して、フォーカシングメカニズム６５の実現を、後述するレンズのうちの１または複数を、摺動自在なまたはネジ山の付いたマウント（図示せず）上に搭載することによって行なうことができる。これを、手を用いて手動で、または電子作動メカニズムを用いて調整することができる。たとえばフォーカシングは、可変焦点またはズームレンズを用いて行なうことができる。あるいは、投影ユニットの所定の固定位置が、光学エンジン６０と観察スクリーンもしくは表面６８との間に設定されている場合には、または後方投影応用例の場合には、ユーザーフォーカスは必要ではない。
【００２１】
いくつかの実施において、スクリーン６８には、多層材料が含まれていても良い。たとえば、米国特許番号６，１７９，４２６に記載のように構成される複数のフレネル素子である。スクリーンのデザインは、水平方向に広がる光分布を制御して、スクリーンの前方で水平方向に並んで見る人に対応するように、行なうことができる。スクリーンの代替的な実施形態には、次のものが含まれていても良い。すなわち、多層フィルム技術、デュアル輝度上昇フィルム（ＤＢＥＦ）技術、またはＶＩＫＵＩＴＩ（商標）技術である。すべて、３Ｍ社（セントポール（Saint Paul）、ミネソタ州（Minnesota））から販売される。任意的に、生成された像を、任意の表面上で見ることができる。たとえば、壁もしくは他の構造、または標準的な観察スクリーンである。
【００２２】
図２Ａおよび２Ｂに、光学エンジン６０の投影光学系（本明細書では、「投影レンズ」または「広角投影レンズとも言う」）の代表的な実施形態を示す。図２Ａおよび２Ｂの投影光学系には、３つのレンズ群が含まれる（出力側またはスクリーン側から識別する）。すなわち、第１のレンズ群（Ｇ１）、第２のレンズ群（Ｇ２）、および第３のレンズ群（Ｇ３）である。用語「出力側」は、観察表面に最も近い投影レンズの側を意味する。以下、３つのレンズ群について詳細に説明する。本明細書における説明を考えると、当業者であれば明らかなように、投影レンズ６６の代替的な構成を用いることができる。これには、含まれるレンズ素子の数が、少ないか、同じか、または多い代替的な構成が含まれる。
【００２３】
第１の実施形態において、図２Ａの代表的な投影レンズには、全体として８つ（８）の素子が、３つのレンズ群（出力側から番号付けされる）に含まれている。この説明において、Ｆは、投影レンズの全体的な焦点距離であり、Ｆ１は、第１のレンズ群の焦点距離であり、Ｆ２は、第２のレンズ群の焦点距離であり、Ｆ３は、第３のレンズ群の焦点距離である。
【００２４】
第１のレンズ群（Ｇ１）は、スクリーン側から順番に、負の屈折力の第１のレンズ素子（Ｌ１）と、第２のレンズ素子（Ｌ２）（その第２の表面上に非球面を有する）とを、備えることができる。好ましくは、Ｇ１は負の屈折力である。Ｇ１におけるＦ１／Ｆの比率は、｜Ｆ１／Ｆ｜≧４．５となるように設けることができる。１つの代表的な実施形態においては、｜Ｆ１／Ｆ｜は約５．１である。好ましい態様においては、Ｇ１を含むレンズは実質的に円形状とすることができる。あるいは、Ｇ１を含むレンズは、より楕円形または長円形のレンズ形状であって矩形状の開口を有することもできるし、矩形のレンズ形状であって矩形状の開口を有することもできるし、または円形のレンズ形状であって矩形状の開口を有することもできる。
【００２５】
第２のレンズ群（Ｇ２）は、１つのレンズ素子（Ｌ３）を備えることができる。この実施形態においては、Ｇ２は負の屈折力である。Ｇ２におけるＦ２／Ｆの比率は、２．５≦｜Ｆ２／Ｆ｜≦６となるように設けることができる。１つの代表的な実施形態においては、｜Ｆ２／Ｆ｜は約４．２である。
【００２６】
この代表的な実施形態においては、開口絞りは、第３のレンズ群（Ｇ３）内に配置されている。第３のレンズ群（Ｇ３）は、複数のレンズ素子を備えることができる。たとえば、（Ｌ４）〜（Ｌ８）（両端を含む）である。好ましくは、Ｇ３は正の屈折力である。Ｇ３におけるＦ３／Ｆの比率は、３．８≦Ｆ３／Ｆ≦５．０となるように設けることができる。１つの代表的な実施形態においては、｜Ｆ３／Ｆ｜は約４．６である。この代表的な実施形態においては、Ｌ８（照明入力に最も近いレンズ）を、「視野レンズ」とみなすことができる。
【００２７】
好ましい態様においては、Ｌ８は、単一構造のレンズ（たとえば両凸または平凸レンズ）で、有効焦点距離が約３０ｍｍ〜約４０ｍｍのものとすることができる。代替的な態様においては、たとえば後方投影応用例では、Ｌ８の焦点距離を３０ｍｍよりも短くすることが、高屈折率材料（たとえばＬａＫ３４ガラス）を用いてＬ８を形成するならば、可能である。
【００２８】
好ましい態様においては、レンズ素子Ｌ８の第１の表面は、曲率半径が約２５ｍｍとすることができる。加えて、Ｌ８は、投影レンズの開口絞りから実質的に取り除くことができる。別の態様においては、開口絞りに面したＬ８の表面（たとえば表面１３）の曲率は、開口絞りとは反対方向を向く表面（たとえば表面１４）の曲率よりも大きい。別の態様においては、Ｌ８とＬ７との間の距離は約１２ｍｍ〜約１７ｍｍである。このような間隔を設けることによって、折りたたみミラーが光学エンジン内に、照明システムの一部として配置される。
【００２９】
第２の実施形態において、図２Ｂの代表的な投影レンズには、全体として８つ（８）の素子が、３つのレンズ群（出力側から番号付けされる）に含まれている。第１のレンズ群（Ｇ１）は、負の屈折力の第１のレンズ素子（Ｌ１）と、第２のレンズ素子（Ｌ２）（その第２の表面上に非球面を有する）と、第３のレンズ素子（Ｌ３）とを備えることができる。好ましくは、Ｇ１は負の屈折力である。Ｇ１におけるＦ１／Ｆの比率は、１．３≦｜Ｆ１／Ｆ｜≦２．０となるように設けることができる。１つの代表的な実施形態においては、Ｆ１は、約−９．８ｍｍ〜約−１１．５ｍｍである。
【００３０】
第２のレンズ群（Ｇ２）は、１つのレンズ素子（Ｌ４）を備えることができる。この実施形態においては、Ｇ２は正の屈折力である。Ｇ２におけるＦ２／Ｆの比率は、｜Ｆ２／Ｆ｜≧４．０となるように設けることができる。１つの代表的な実施形態においては、Ｆ２は、約２７．５ｍｍ〜約３１ｍｍである。
【００３１】
この代表的な実施形態においては、開口絞りは、第２のレンズ群（Ｇ２）と第３のレンズ群（Ｇ３）と間に配置されている。第３のレンズ群（Ｇ３）は、複数のレンズ素子を備えることができる。たとえば（Ｌ５）〜（Ｌ８）（両端を含む）である。好ましくは、Ｇ３は正の屈折力である。Ｇ３におけるＦ３／Ｆの比率は、３．８≦｜Ｆ３／Ｆ｜≦５．０となるように設けることができる。１つの代表的な実施形態においては、Ｆ３は、約２６．８ｍｍ〜約３０．３ｍｍである。
【００３２】
この代表的な実施形態においては、レンズ全体の有効焦点距離は約６．４ｍｍ〜約６．７ｍｍである。
【００３３】
図２Ａおよび２Ｂの実施形態に対して、より詳細に述べると、第１のレンズ群Ｇ１は複数のレンズ素子を備えている。たとえば、第１のレンズ素子（Ｌ１）（観察表面またはスクリーンの最も近くに配置される）は、３つのレンズ群におけるすべてのレンズの中で最大の直径を有することができる。１つの代表的な実施形態においては、第１のレンズ群における第１のレンズ素子Ｌ１の直径は十分に大きくて、像を大きな視野において投影することができる。すなわち、半視野角として４５°よりも大きく、好ましくは５０°よりも大きく、最も好ましくは約５５°かそれ以上の値において、観察表面またはスクリーンの方向に、実質的に歪みがない状態で投影される。
【００３４】
図２Ａおよび２Ｂの実施形態に対して、有効焦点距離と像高との比率を、約０．５〜１．０とすることができる。有効焦点距離と像高との比率の決定は、レンズ全体の有効焦点距離を取って、この数をシステムの像高で割ることによって行なうことができる。たとえば、レンズのＥＦＬが６．７１ｍｍで、光学エンジン内で用いる像形成装置の対角線が１３．４ｍｍである場合、ＥＦＬと像高との比率は、６．７１／１３．４＝０．５１となる。
【００３５】
別の代表的な実施形態においては、第１のレンズ群における第１のレンズ素子Ｌ１の直径は、約６０ｍｍよりも大きくて約１００ｍｍよりも小さい。さらに別の代表的な実施形態においては、第１のレンズ群の第１のレンズ素子の直径は約９０ｍｍである。こうして、投影装置において実施したときに、第１のレンズ素子によって、視野として約１１０°〜約１２０°を実現することができる。
【００３６】
図２Ａおよび２Ｂの実施形態において、第１のレンズ群Ｇ１はさらに、少なくとも１つの非球面を有する第２のレンズ素子（Ｌ２）を備える。この代表的な実施形態の非球面によって、歪みの影響を小さくすることができると同時に、やはり大きな視野を実現することができる。１つの態様においては、第２のレンズ素子の作製は、光学ポリマーとして屈折率が約１．４９でアッベ数が約５７．２のもの（たとえばポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ））から、行なうことができる。非球面の形状は、下記の等式によって規定することができる。
【００３７】
【数１】
2009527002.tif 000003
【００３８】
式中、
Ｚは、システムの光軸から距離ｒにおける表面サグである。
ｃは、光軸におけるレンズの曲率
【００３９】
【数２】
2009527002.tif 000004
【００４０】
である。
ｒは半径座標（ｍｍ）である。
ｋは円錐定数である。
α２は、２次の項に対する係数であり、α４は、４次の項に対する係数であり、α６は、６次の項に対する係数であり、α８は、８次の項に対する係数であり、α１０は、１０次の項に対する係数であり、α１２は、１２次の項に対する係数であり、およびα１４は、１４次の項に対する係数である。
【００４１】
１つの実施形態において、第１のレンズ群の第１の素子の第２の表面の曲率半径は、第１のレンズ群における第２のレンズ素子の第１の表面の曲率半径に実質的に等しい。
【００４２】
別の実施形態において、第１のレンズ群Ｇ１は、２つのメニスカス形状の入れ子レンズ素子を備えている。第１のメニスカス形状の素子はガラスから形成され、第２のメニスカス形状の素子は、プラスチックまたはアクリルから形成され、プラスチック／アクリル素子に対して厚さが制御されている。ＰＭＭＡなどの材料を用いることもできる。２つの素子は離間に配置されていて、第１の素子の第２の表面と第２の素子の第１の表面との間の距離と、投影レンズの全体的な有効焦点距離との比率が１／１７５となるように、配置されている。
【００４３】
代表的な実施形態においては、第２の成形された素子は、非球面レンズ（たとえば、少なくとも１つの非球面を有するレンズ）であって、全体にわたって実質的に厚さが均一のものを備える。このドーム形状のデザインによって、熱の問題が緩和されるとともに、製造を簡単にすることができる。
【００４４】
代替的な実施形態においては、第１のレンズ群Ｇ１は、２つの成形された素子を一緒にモールドして１つの一体素子を形成したものを備えることができる。たとえば、第１の成形された素子にはガラス素子を含めることができ、第２の成形された素子にはアクリルまたはプラスチック（たとえばＰＭＭＡ）素子を含めることができる。アクリルまたはプラスチック素子を、第１の成形された素子の第２の表面上にモールドするか接合する。
【００４５】
別の代替案においては、レンズ素子１（Ｌ１）およびレンズ素子２（Ｌ２）は、単一の素子（たとえば単一のガラス素子）を備えることができる。この場合、非球面が、単一の素子の第１の表面、第２の表面、または両方の表面上に形成される。
【００４６】
代表的な実施形態においては、レンズ素子３（Ｌ３）は、球面を有することができるとともに、ガラスから形成することができる。その結果、長い負の有効焦点距離が得られ、その値は、−２．５Ｆ〜−６Ｆで変化する。ここでＦは、投影レンズ全体に対する焦点距離である。
【００４７】
別の代表的な実施形態においては、レンズ素子４（Ｌ４）は正レンズである。好ましくは、Ｌ４は平凸またはメニスカスレンズとすることができる。別の代表的な実施形態においては、Ｌ３に面したＬ４’の表面（たとえば下表における表面６を参照）の曲率半径を小さくして、Ｌ４の有効焦点距離が４．０Ｆよりも大きくなるようにすることができる。さらにＬ４を、投影レンズにおけるフォーカシング素子として用いることができる。照射距離が異なっても、Ｌ４を光軸に沿って動かすことによって、鋭い像を得ることができる。
【００４８】
１つの代表的な実施形態においては、レンズ素子５、６、および７（Ｌ５、Ｌ６、およびＬ７）を、接合されたトリプレットとして形成して、球面収差およびコマ収差の制御を助ける。代替的な実施形態においては、ダブレットを用いて、トリプレットの代わりとすることができる。この代替的な実施形態においては、ダブレット素子の一方または両方が非球面を備えることができる。
【００４９】
別の代表的な実施形態においては、第３のレンズ群Ｇ３は正の屈折力とすることができ、このレンズ群におけるすべてのレンズ素子は球面を有することができる。
【００５０】
別の代表的な実施形態においては、投影レンズ６６の開口絞りが、Ｌ５に隣接して配置される（たとえば、Ｌ４とＬ５との間（表１に示す）またはＬ５とＬ６との間（表４に示す））。
【００５１】
レンズＬ５−Ｌ７は、同じガラス材料を含むこともできるし、異なるガラス材料を含むこともできる。これらのレンズにとって好適な材料例には、下表に列挙される材料だけでなく、次のもの（しかしこれらに限定されない）を含む他の材料も含まれる。Ｎ−ＳＦ１、Ｎ−ＳＦ４、Ｎ−ＳＫ５、Ｎ−ＳＦ６、Ｎ−ＬＡＫ８、Ｎ−ＳＦ１６、Ｎ−ＰＳＫ５３、Ｎ−ＳＦ５７、およびＮ−ＢＫ７（少しだけ例を挙げた）。
【００５２】
一例として、図２Ａおよび２Ｂに示す実施形態に対して、レンズ例をモデリングした。下表１、４、および７には、次のものが列挙されている。すなわち、３つのレンズ例に対する表面番号（出力側から順番に）（表面１は、第１のレンズ素子Ｌ１の出力側に最も近い表面である）、各表面の光軸付近の曲率（Ｃ）（１／ミリメートル）、表面間の軸上の間隔（Ｄ）（ミリメートル）である。またガラスまたは他の材料の種類も示されている。当業者であれば分かるように、ガラスの種類から、材料の屈折率およびアッベ数を決定することができる。表面ＯＢＪは、物体面または観察表面／スクリーンの表面である。識別された表面番号を、図２Ａおよび２Ｂに示す。ここで、表面１５および１６は代表的なＤＬＰイメージング装置のウィンドウガラスに対応し、「ＩＭＡ」は像平面に対応する。
【００５３】
表１に列挙された実施形態において、広角投影レンズは、全体としての有効な焦点距離が約６．４７ｍｍ、半視野角が約５６．５８°（出力側の方向において）であり、またＦ／２．６で動作する。後方焦点距離（ＢＦＬ）は約５．５ｍｍである（空気中）。好ましい態様においては、ＢＦＬは、ＥＦＬの約１．４倍よりも小さい。加えて、投影レンズは、スピードが約Ｆ／３．１もしくはそれ未満と同じかまたはそれより小さいことができ、また投影レンズは、少なくとも約５０°の半視野角において像の生成を行なう。たとえば、第１のレンズ群Ｇ１（たとえば図２Ａに示すもの）の有効焦点距離は−３１．３ｍｍとすることができ、第２のレンズ群Ｇ２（たとえば図２Ａに示すもの）の有効焦点距離は−３７．５ｍｍとすることができ、第３のレンズ群Ｇ３（たとえば図２Ａに示すもの）の有効焦点距離は３０．６ｍｍとすることができる。この投影レンズ例のトータルトラックは、この代表的な実施形態においては、１２３．３ｍｍ（Ｌ１からＬ８まで）である。別の実施形態（たとえば図２Ｂに示すもの）においては、第１のレンズ群Ｇ１の有効焦点距離は−１１．４ｍｍとすることができ、第２のレンズ群Ｇ２の有効焦点距離は３１．０ｍｍとすることができ、第３のレンズ群Ｇ３の有効焦点距離は３０．３ｍｍとすることができる。この投影レンズ例のトータルトラックは、この代表的な実施形態においては、１２３．３ｍｍである。
【００５４】
図２Ａ〜２Ｂにおける実施形態の場合、レンズ素子２（Ｌ２）の第２の表面（たとえば、表１において表面３と示す）は非球面であり、前述の等式Ｉによって定められる通りである。図２Ａ〜２Ｂの実施形態の広角投影レンズのトータルトラック距離は、約１２３．３ｍｍである。当業者であれば理解するように、ある特定の応用例（たとえば前面投影ディスプレイ応用例）では、トータルトラック距離は短い方が優位であり得る。なぜならば、その結果として、コンパクトな投影レンズが得られるために、光学エンジン全体のスペース要求が最小になるからである。
【００５５】
以下の実施例において、表１〜３は第１の投影レンズ例に対応し、表４〜６は第２の投影レンズ例に対応し、表７〜９は第３の投影レンズ例に対応する。
【００５６】
【表１】
2009527002.tif 000005
【００５７】
下表２および３には、第１のレンズ例に対する一般的なレンズデータと表面データ概要とを列挙する。
【００５８】
【表２】
2009527002.tif 000006
【００５９】
【表３】
2009527002.tif 000007
【００６０】
表４〜６は第２の投影レンズ例に対応する。
【００６１】
【表４】
2009527002.tif 000008
【００６２】
なお、表２における表面番号８はダミー表面であり、開口絞りは表面１０と同じ場所に配置される。
【００６３】
下表５および６に、第２のレンズ例に対する一般的なレンズデータと表面データ概要とを列挙する。
【００６４】
【表５】
2009527002.tif 000009
【００６５】
【表６】
2009527002.tif 000010
【００６６】
表７〜９は第３の投影レンズ例に対応する。
【００６７】
【表７】
2009527002.tif 000011
【００６８】
下表８および９に、第３のレンズ例に対する一般的なレンズデータと表面データ概要とを列挙する。
【００６９】
【表８】
2009527002.tif 000012
【００７０】
【表９】
2009527002.tif 000013
【００７１】
上表に示したデータは、少数の例のみを表わしており、本明細書に記載した本発明の範囲を限定することは意図されていない。
【００７２】
前述した光学エンジンを、種々の前面投影および後方投影応用例で用いることができる。たとえば図３には、前面投影応用例の１つの代表的な実施形態である、前述した代表的な光学エンジンを用いる壁掛け型投影システムを示す。プロジェクタ壁掛けユニット１００は、光学エンジン（たとえば前述したもの）を備えており、ユニット１００は壁または他の構造に、従来の取り付けボルトなどを用いて取り付けることができる。図３に示すユニット１００は開位置にある。動作時、可動部材１１２（たとえば、スライディングトレイ、スライディングアーム、伸縮アーム、ネジ付きロッドなど）がユニット１００から現れて、光学エンジンを、壁または観察スクリーン１０５からのある距離（像を見ることができる距離）に置く。スクリーン１０５は、たとえば前述したような仕方で構成することができる。あるいはスクリーン１０５を、デジタルホワイトボード（たとえば、米国特許番号６，１７９，４２６に記載されるもの）として構成することができる。あるいは、壁マウントユニット１００を、スクリーン１０５とは異なる壁（たとえば側壁）上に取り付けることができる。
【００７３】
本明細書に記載した光学エンジンは視野が広いため、ユニット１００によって、大きな像サイズを短い照射距離において実現させることができる。図４に、投影ユニット５０（代表的な光学エンジン（たとえば前述したもの）を備える）と従来のプロジェクタ７５との間の例示的な比較を示す。図４に示すように、代表的な光学エンジン（ここでは、テーブルトップ型プロジェクタ５０において実施される）を、観察スクリーンまたは表面から比較的短い距離（たとえば、６８．６〜８３．８ｃｍ（２７〜３３インチ））に配置して、１５２ｃｍ（６０インチ）の像サイズ（対角線上で測定時）を形成することができる。こうして、１つの代表的な実施形態においては、観察スクリーンからの距離と像サイズ（対角線、４×３形式）との比率を、約１．８〜２．２対１とすることができる。図４に示すように、比較として、従来の投影システム７５の場合は、観察スクリーンからの距離と像サイズ（対角線、４×３形式）との比率は約０．７〜０．９対１である。用語「４×３形式」および「１６×９形式」は、像幅対像高によって測定される従来の画像形式を指す。
【００７４】
たとえば、像サイズとして約１０２ｃｍ（４０インチ）（対角線、４×３形式）を得る場合には、光学エンジンは、スクリーンからの距離として約４６〜５６ｃｍ（４６〜５６ｃｍ（１８〜２２インチ））に配置される。１５２ｃｍ（６０インチ）（対角線、４×３形式）像サイズの得る場合には、光学エンジンは、スクリーンからの距離として、約６９〜８４ｃｍ（２７〜３３インチ）に配置される。もちろん、本明細書に記載した代表的な光学エンジンによって、像サイズとして、１５２ｃｍ（６０インチ）（対角線、４×３形式）より大きいものを得ることも、比較的短い照射距離を超軸外位置において用いることで、必要に応じて可能である。好ましい実施形態においては、像サイズは少なくとも、約６４ｃｍ（２５インチ）である。
【００７５】
代表的な実施形態においては、前述したような代表的な投影レンズ（有効焦点距離が約６．４１〜約６．５１で、代表的な像形成装置（たとえば１．３ｃｍ（０．５３”）４８０ｐ像形成装置）を使用する）に対する投射比を、下表１０に示す。
【００７６】
【表１０】
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【００７７】
加えて、光学エンジンは、台形歪み補正を必要とすることがほとんどないかまったくない一方で歪みは低減されるように、デザインされる。たとえば、投影像に対する歪み値は、２％以下、好ましくは１．０％以下、より好ましくは０．５％以下とすることができる（たとえば、ここで、歪み（ｄ）の決定はｄ＝（Ｈ−ｈ）／ｈ＊１００によって行なうことができ、ここでｈは近軸像高であり、Ｈは実際の像高である）。１つの代表的な実施形態においては、光学エンジンによって、４×３形式を有する像を実現することができる。別の代表的な実施形態においては、光学エンジンを好適な像形成装置とともに実施して、異なるスクリーン形式（たとえば１６×９形式）を実現することができる。
【００７８】
あるいは、光学エンジンを、補正回路構成（たとえば従来のワープチップ）とともに導入することができる。その結果、さらに短い照射距離においても十分な画質を得ることができる。
【００７９】
前述した光学エンジンは、種々の他の応用例においても用いることができる。たとえば、係属中の米国特許出願第１１／００３，２５２および米国１１／００３，２７８に記載されているものである。なおこれらの文献は、本明細書において参照により全体として取り入れられている。また前述した光学エンジンは、種々の後方投影応用例においても用いることができる。たとえば、係属中の米国特許出願第１１／０９０，３７０に記載されているものである。なおこの文献は、本明細書において参照により全体として取り入れられている。
【００８０】
本発明の光学エンジンは、種々の前面投影を実施した際に、大きな像サイズを、短い距離からとともに超軸外位置において得られるようにデザインされている。加えて、本明細書に記載した光学エンジンは、実質的に歪みがなく、台形歪み補正をほとんど必要としない。
【００８１】
当業者であれば理解するように、本発明は、種々の異なる光学部品とともに用いても良い。本発明は、典型的な好ましい実施態様に対して記載されたが、本発明は、本発明の範囲から逸脱せずに他の特定の形で具体化されても良い。したがって、本願明細書中に記載および示された実施態様は例示的であるにすぎず、本発明の範囲を限定すると考えられるべきではないことは理解されるはずである。他の変型ならびに改良が、本発明の範囲に従って実施されても良い。
【００８２】
これらの図は、一定の縮尺では描かれておらず、単に例示を目的としたものにすぎない。本発明は様々な変更および代替形状が可能であるが、その具体例を一例として図面に示すとともに詳細に説明する。しかしながら、本発明を、記載される特定の実施形態に限定することを意図しないことが理解されよう。逆に、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の範囲内にある、全ての修正例、等価物、および代替例を包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明において用いることができる代表的な光学エンジンを示す略図。
【図２】本発明において用いることができる代表的な投影光学系を示す略図。
【図３】代表的な光学エンジンを用いる壁掛け型投影システムを示す略図。
【図４】代表的な光学エンジンによって実現される短い照射距離対従来の前面プロジェクタを示す図。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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