(57)【要約】　　　（修正有）【課題】　色収差補正を行うことができるハイブリッドレンズと、前記ハイブリッドレンズを採用する投射光学系を提供する。【解決手段】　蛍光面と蛍光面から出射される光が投射されて画像が形成されるスクリーンの間の光路上に位置し、球面レンズと球面レンズの少なくとも一つの面にプラスチックで形成される非球面レンズより成るハイブリッドレンズを備える。これにより、収差補正を行うことにより画質を改善することができる利点を有する。【選択図】図５
2004110023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　球面レンズと、
　前記球面レンズの少なくとも一つの面にプラスチックで形成される非球面レンズとより成ることを特徴とするハイブリッドレンズ。
【請求項２】
　前記非球面レンズは前記球面レンズの入射面及び出射面に形成されることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドレンズ。
【請求項３】
　前記球面レンズはガラスで形成されることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドレンズ。
【請求項４】
　前記球面レンズは1.45乃至1.95の屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドレンズ。
【請求項５】
　前記非球面レンズは1.45乃至1.8の屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドレンズ。
【請求項６】
　前記球面レンズと非球面レンズとは異なる屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドレンズ。
【請求項７】
　前記非球面レンズのレンズ面zは、cが表面曲率、ρが光学表面上の半径座標、kがコニック定数、αiが球面から偏差を定義する多項式係数である場合、次の式
【数１】
2004110023.tif 000005
を満足することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドレンズ。
【請求項８】
　蛍光面と前記蛍光面から出射される光が投射されて画像が形成されるスクリーンとの間の光路上に位置し、球面レンズと前記球面レンズの少なくとも一つの面にプラスチックで形成される非球面レンズより成るハイブリッドレンズを備えることを特徴とする投射光学系。
【請求項９】
　前記非球面レンズは前記球面レンズの入射面及び出射面に形成されることを特徴とする請求項８に記載の投射光学系。
【請求項１０】
　前記球面レンズはガラスより成ることを特徴とする請求項８に記載の投射光学系。
【請求項１１】
　前記球面レンズの屈折率は1.45乃至1.95であることを特徴とする請求項９に記載の投射光学系。
【請求項１２】
　前記非球面レンズの屈折率は1.45乃至1.8であることを特徴とする請求項８に記載の投射光学系。
【請求項１３】
　前記球面レンズと非球面レンズとは異なる屈折率を有することを特徴とする請求項８に記載の投射光学系。
【請求項１４】
　前記非球面レンズのレンズ面zは、cが表面曲率、ρが光学表面上の半径座標、kがコニック定数、αiが球面から偏差を定義する多項式係数である場合、次の式
【数２】
2004110023.tif 000006
を満足することを特徴とする請求項８に記載の投射光学系。
【請求項１５】
　前記蛍光面の全面に前記蛍光面を覆い包む保護レンズを備えることを特徴とする請求項８に記載の投射光学系。
【請求項１６】
　前記保護レンズと前記ハイブリッドレンズとの光路上にメニスカスレンズを備えることを特徴とする請求項１５に記載の投射光学系。
【請求項１７】
　前記保護レンズと前記メニスカスレンズとの間に冷却水を備えることを特徴とする請求項１６に記載の投射光学系。
【請求項１８】
　前記ハイブリッドレンズは収差補正パワーレンズであることを特徴とする請求項８に記載の投射光学系。
【請求項１９】
　前記ハイブリッドレンズと前記蛍光面との光路上に入射光を屈折させる少なくとも一つの収差補正パワーレンズを備えることを特徴とする請求項８に記載の投射光学系。
【請求項２０】
　前記収差補正パワーレンズは非球面を有することを特徴とする請求項１８に記載の投射光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明はハイブリッドレンズ及びこれを採用する投射光学系に係り、より詳しくは高解像度を実現できるハイブリッドレンズ及びこれを採用する投射光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
　ブラウン管(CRT)の蛍光面上の原画像をスクリーンに投射するTV用投射光学系でフォーカシング能力は非常に重要である。フォーカシングのため最近投射光学系は収差補正を行うことができる非球面のプラスチックレンズを採用しているが、温度の変化により屈折率や形態が変化し、焦点が変わり、これによりフォーカシング能力が悪化される短所を有する。こうした短所を補完するために特許文献１、２、３のような従来技術では単一レンズ、ガラスとガラスとの接合レンズ、非球面形状レンズを組み合わせる技術を用いた投射光学系を提案している。
【０００３】
　図１は特許文献４に開示された投射光学系を示した断面図である。参照符号11は第１レンズ群、12は第２レンズ群、13は一対のガラスレンズ13a及び13bから構成される第３レンズ群、14は第４レンズ群、15は第５レンズ群、16は冷却水、17はCRTの蛍光面P1を覆い包む保護レンズ、19はスクリーンを示す。図１を参照すれば、第１光線RAY1はブラウン管蛍光面P1のうち心点Aから出射される光のうち上部限界を示し、第２光線RAY2は前記光の下部限界を、第３光線RAY3はイメージ面の周辺にある物体点Bから出射される光線のうち上部限界を、第４光線は前記光の下部限界を示す。
【０００４】
　第１及び第２レンズ群11,12はプラスチック非球面レンズとして光軸周辺に位置してわずかな量の屈折率を提供する。フォーカスドリフトの温度に対する依存性を減少させるため、第１レンズ群11は凹レンズ状に製造してスクリーンに近接するように位置させ、第２レンズ群12は凸レンズ状に製造して第１レンズ群11の後方に配置し、第１及び第２レンズ群11,12の屈折率は実質的に同一に形成する。又、示されたように第２レンズ群12の光軸中心に第３レンズ群13を位置させ、第３レンズ群13は一対のガラスレンズを接合して形成する。
【０００５】
　しかし、特許文献４を始めとした従来技術に開示された前記投射光学系を構成するレンズ群は加工費が高く、実際具現時に画質が劣化される短所を有する。
【０００６】
　図２は一般非球面レンズを使用する場合にミリメートル当たりサイクルの空間周波数に依存するMTF(Modulation　Transfer　Function)特性を示すグラフである。ここで、MTFは光の最大強度Maxと最小強度Minとの次のような関係で表示される式（１）で定義される値である。MTFが１である場合に最も理想的であり、MTF値が減少するほど解像度が落ちる。
【０００７】
【数３】
2004110023.tif 000003
　図２を参照するに、f0は像高(光軸がイメージ面と合う点を0とすれば0からイメージまでの距離)が0である時、ミリメートル当たり空間周波数のMTF変化を示し、f1は像高20mm、f2は像高40mm、f3は像高60mm、f4は像高63.50mmである時、ミリメートル当たり空間周波数のMTF変化を各々示している。像高が0(f0)である時、空間周波数の変化に関係なくMTFが一番高く、像高40mm(f2)である時にMTFが一番低い。しかし、f0,f1,f2,f3及びf4を参照すれば空間周波数の値が大きくなる程MTFの減少量が急激に増加することが分かる。MTF値が減少する程投射光学系が具現することができる映像のコントラストが落ちる短所がある。
【０００８】
　図3A乃至図3CはCRTに出射される各々グリーン、ブルー及びレッドの発光スペクトル特性を示す。
【０００９】
　図3Aを参照するに、グリーン光は550nmで発光強度のピークが一番高く、490nmで二番目の発光強度が示され、その外他の波長で弱く発光強度のピークが示されている。図3Bを参照するに、ブルー光は450nmで発光強度のピークが示され、400nm乃至500nmの範囲にかけて緩慢に発光強度が減少している。図3Cを参照するに、レッド光は620nmで発光強度のピークが示されている。グリーン、ブルー及びレッド光は中心波長を中心に他の波長が重畳されているため、グリーンのうち心波長以外にレッド及びブルー波長が各々異なる波長帯域で発光して色収差が発生し、この色収差が画質を劣化させる。従って、こうした色収差を減少させ得る光学系が要求される。
【特許文献１】ＷＯ９８−３４１３４
【特許文献２】米国特許第５３０９２８３号
【特許文献３】米国特許第４９２４２４４号
【特許文献４】米国特許第５２７２５４０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
　本発明の目的は色収差補正を行うことができるハイブリッドレンズと、前記ハイブリッドレンズを採用する投射光学系を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
　前記目的を達成するために、本発明は球面レンズと、前記球面レンズの少なくとも一つの面にプラスチックで形成される非球面レンズとより成ることを特徴とするハイブリッドレンズを提供する。
【００１２】
　前記非球面レンズは前記球面レンズの入射面及び出射面に形成されうる。前記球面レンズはガラスで形成され、1.45乃至1.95の屈折率を有することが望ましい。
【００１３】
　前記非球面レンズは1.45乃至1.8の屈折率を有することが望ましく、前記球面レンズと異なる屈折率を有する。
【００１４】
　ここで、前記非球面レンズのレンズ面zは、cが表面曲率(半径の逆関数)、ρが光学表面上半径座標、kがコニック定数、αiが球面から偏差を定義する多項式係数である場合次の式（２）を満足する。
【００１５】
【数４】
2004110023.tif 000004
　前記目的を達成するために本発明は又、蛍光面と前記蛍光面から出射される光が投射されて画像が形成されるスクリーンとの間の光路上に位置し、球面レンズと前記球面レンズの少なくとも一つの面にプラスチックで形成される非球面レンズより成るハイブリッドレンズを備えることを特徴とする投射光学系を提供する。
【００１６】
　前記非球面レンズは前記球面レンズの入射面及び出射面に形成されうる。前記球面レンズはガラスで形成され、屈折率は1.45乃至1.95であることが望ましい。
【００１７】
　前記非球面レンズの屈折率は1.45乃至1.8であることが望ましく、前記球面レンズと異なる屈折率を有する。前記非球面レンズのレンズ面zは、cが表面曲率(半径の逆関数)、ρが光学表面上の半径座標、kがコニック定数、αiが球面から偏差を定義する多項式係数である場合上記式（２）を満足する。
【００１８】
　前記蛍光面の全面に前記蛍光面を覆い包む保護レンズを備えることができる。前記保護レンズと前記ハイブリッドレンズとの光路上にメニスカスレンズを備えることができ、前記保護レンズと前記メニスカスレンズとの間には冷却水を備えることが望ましい。
【００１９】
　前記ハイブリッドレンズは収差補正パワーレンズであることが望ましい。前記ハイブリッドレンズと前記蛍光面との光路上に少なくとも一つの収差補正パワーレンズを備えることができ、前記収差補正パワーレンズは非球面を有する。
【発明の効果】
【００２０】
　本発明はガラスより成る球面レンズとその表面にプラスチックより成る非球面レンズを合成したハイブリッドレンズを投射光学系に配置することにより波長の差異に発生する色収差を減少させて高コントラスト比と高解像度との映像を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
　以下、本発明の実施例による非球面ハイブリッドレンズ及びこれを採用する投射光学系を図面を参照して詳細に説明する。図面でレンズの厚さとサイズとは説明のため誇張されるように示されたことに留意しなければならない。特に、図面で提示された球面及び非球面の形状は一例として提示されたものであり、この形状に限定されないことは勿論である。
【００２２】
　図4Aは本発明の第１実施例による非球面ハイブリッドレンズを簡略に示した断面図である。図4Aを参照するに、本発明の第１実施例による非球面ハイブリッドレンズ21は、球面レンズ23と、球面レンズ23の出射面及び入射面のうちいずれか一面に形成される非球面レンズ25より成る。いずれか一面に形成される非球面レンズ25の全体面積に対する占有面積比は入射光が照射される面積により異なるように形成されうる。
【００２３】
　球面レンズ23はガラスで形成され、レンズ内部のいかなる位置に関係なく一定した屈折率を有する。ガラスの屈折率は1.45乃至1.95であることが望ましい。非球面レンズ25は一定した屈折率を有し、ガラスと屈折率が異なったプラスチックで形成される。非球面レンズ25に使用するプラスチックの屈折率は1.45乃至1.8であることが望ましい。
【００２４】
　図4Bは本発明の第２実施例によるハイブリッドレンズを簡略に示した断面図である。図4Bを参照するに、本発明の第２実施例によるハイブリッドレンズ41は、球面レンズ43と、球面レンズ43の入射面及び出射面両面に各々形成される第１及び第２非球面レンズ45a,45bより成る。
【００２５】
　球面レンズ43は図4Aに示された球面レンズ23のようにガラスで形成され、類似した屈折率を有する。第１及び第２非球面レンズ45a,45bは球面レンズ43の表面上に一体に形成されもし、各々入射面及び出射面に分離されて形成されうる。第１及び第２非球面レンズ45a,45bの屈折率も、図4Aに示された非球面レンズ25の屈折率と類似する。
【００２６】
　球面レンズと非球面レンズとは通過する光の波長による屈折角が相異なり、これにより色収差が誘発される。例えば、球面レンズを通過するレッド、グリーン及びブルー光は波長が長い程焦点距離が短いため、レッド、グリーン及びブルー光の順序に焦点が結ばれるが、非球面レンズはこれとは違って波長が長い程焦点距離が長くてブルー、グリーン及びレッド光の順序に焦点が結ばれる。従って、球面レンズと非球面レンズとを組み合わせた本発明に係るハイブリッドレンズは互いに相補的として機能して色収差を減少することができ、レッド、グリーン及びブルー光の光学的特性により球面レンズ及び非球面レンズの屈折率と曲率とを調節して色収差を除去できる。特に、球面レンズをガラスで製造し、非球面レンズをプラスチックで製造することが色収差の除去に効果的である。
【００２７】
　図５は本発明の実施例による非球面ハイブリッドレンズを採用する投射光学系を簡略に示した断面図である。本発明の実施例による投射光学系30には、保護レンズ32、メニスカスレンズ36、第１及び第２レンズ38,39、ハイブリッドレンズ31が同一光軸上に順次に配列されている。保護レンズ32とメニスカスレンズ36との間には冷却水が設けられており、ハイブリッドレンズ31は前述したように球面レンズ33の表面に第１及び第２非球面レンズ35a,35bが形成されるハイブリッドレンズとして提供される。ここで、第１及び第２非球面レンズ35a,35bは球面レンズ33と異なった屈折率と分散とを有することにより収差を補正することができ、一定したパワーも共に有することができる。
【００２８】
　図面で提示された投射光学系30では、ハイブリッドレンズ31が物体面に隣接して位置しているが、メニスカスレンズ36又は第１及び第２レンズ38,39も本発明の実施例によるハイブリッドレンズに代替されて色収差を減少させ得る。ハイブリッドレンズ31、第１及び第２レンズ38,39は収差補正パワーレンズであることが望ましく、第１及び第２レンズ38,39は非球面を有することによりさらに効果的に色収差を補正できる。
【００２９】
　次に、ハイブリッドレンズ31を除外した各レンズの機能と前記レンズを透過する光の進路について述べる。
【００３０】
　保護レンズ32はCRTの蛍光面を覆い包み、CRTの蛍光面から放出されるレッド、グリーン又はブルー光を投射光学系の内部に進行させる。保護レンズ32を通過した光は冷却水34を進行してメニスカスレンズ36により光路が屈折されて光が発散する。
【００３１】
　メニスカスレンズは両面が同じ方向に曲げられた１枚のレンズ要素を言う。レンズのうち心部が縁よりさらに厚いことを凸メニスカス、中心がさらに薄いことを凹メニスカスという。メニスカスレンズ36を通過しながら発散された光は第１及び第２レンズ38,39を通過しながら屈折されてハイブリッドレンズ31へ集束される。光経路を調べれば、保護レンズ32の最下端部を出射した光はハイブリッドレンズ31の最上端部に進行するのが見られる。
【００３２】
　ハイブリッドレンズ31の第１及び第２非球面レンズ35a,35bを球面レンズ33と異なった屈折率を有するようにしてパワーレンズとして機能させられる。CRTを用いるプロジェクションTVは単色モノクロムCRTを用いるため各々のレッドR、グリーンG及びブルーBCRTの蛍光面上の信号を、投射光学系を通じて色組み合わせをして画像を具現する。ここで、特にグリーン光が画質に大きい影響を及ぼすが、本発明は異なった屈折率、分散等の光学的特性を有する非球面レンズと球面レンズとを組み合わせて非球面ハイブリッドレンズを提案することによりグリーン光を含んで各色光の収差補正を行うことができる。
【００３３】
　本発明の実施例による投射光学系の一具現例として図６の表でレンズに関する設計値、即ち半径、厚さ、屈折率、開口数を提示する。図６を参照すれば、参照符号１乃至13は各々レンズ面を示しており、参照符号1,4,9,10及び11は非球面を、参照符号2,3,6,7及び12は球面を示し、参照符号５及び８は不要な光を除去するための絞りを示す。非球面設計のための基本式は前述した式（２）のように表現する。式（２）で、cは表面曲率(半径の逆関数)、ρは光学表面上の半径座標、kはコニック定数(現在光学設計ではk=0)、αiは球面から偏差を定義する多項式係数である。
【００３４】
　図７の表は非球面1,4,9,10,11の多項式係数(αi，ここでｉ=2〜7)を示す。設定された設計寸法により製造された非球面1,4,9,10,11を有するレンズを図５に示されたように投射光学系に採用して測定したMTFが図８に示されている。
【００３５】
　図８は本発明の実施例による投射光学系のミリメートル当たりサイクルの空間周波数(lp/mm)の変化に依存するMTF特性を示したグラフである。ここで、g0は像高0、g1は像高20mm、g2は像高40mm、g3は像高60mm、g4は像高63.5mmを各々示している。
【００３６】
　図８を参照するに、図２に示された従来の投射光学系のMTF特性に比べて各フィールドで全てMTFの値が向上されて空間周波数が5Hz程度でも0.5以上を示すことが見られる。従って、本発明の実施例による投射光学系は従来技術に比べて高コントラスト比と高解像度とを実現できる。
【００３７】
　前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは発明の範囲を限定することであるより、望ましい実施例の例示として解釈しなければならない。
【００３８】
　例えば、本発明の属する技術分野で当業者なら本発明の技術的思想によりハイブリッドレンズを多様に形成できるであろう。したがって、本発明の範囲は説明された実施例により決められず、特許請求の範囲に記載された技術的思想により決められなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
　本発明は高解像度を実現できるハイブリッドレンズ及びこれを採用する投射光学系に利用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】米国特許第5,272,540号に開示された投射光学系を示した断面図である。
【図２】一般の非球面プラスチックレンズを使用する場合、ミリメートル当たりサイクルの空間周波数に依存するMTF特性を示すグラフである。
【図３Ａ】従来のCRTを出射するグリーン、ブルー及びレッドの発光スペクトル特性を示すグラフである。
【図３Ｂ】従来のCRTを出射するグリーン、ブルー及びレッドの発光スペクトル特性を示すグラフである。
【図３Ｃ】従来のCRTを出射するグリーン、ブルー及びレッドの発光スペクトル特性を示すグラフである。
【図４Ａ】本発明の第１実施例による非球面ハイブリッドレンズを簡略に示した断面図である。
【図４Ｂ】本発明の第２実施例によるハイブリッドレンズを簡略に示した断面図である。
【図５】本発明の実施例による投射光学系を簡略に示した断面図である。
【図６】本発明の実施例による投射光学系に採用されるレンズの半径、厚さ、屈折率及び開口数の一例を示した表である。
【図７】本発明の実施例による投射光学系に採用される非球面の係数を示した表である。
【図８】本発明の実施例による投射光学系のミリメートル当たりサイクルの空間周波数に依存するMTFを示したグラフである。
【符号の説明】
【００４１】
２１、３１、４１　ハイブリッドレンズ
２３、３３、４３　球面レンズ
２５　非球面レンズ
３０　投射光学系
３２　保護レンズ
３４　冷却水
３５ａ、４５ａ　第１非球面レンズ
３５ｂ、４５ｂ　第２非球面レンズ
３６　メニスカスレンズ
３８　第１レンズ
３９　第２レンズ
【図１】
2004110023.tif 000007
【図２】
2004110023.tif 000008
【図３Ａ】
2004110023.tif 000009
【図３Ｂ】
2004110023.tif 000010
【図３Ｃ】
2004110023.tif 000011
【図４Ａ】
2004110023.tif 000012
【図４Ｂ】
2004110023.tif 000013
【図５】
2004110023.tif 000014
【図６】
2004110023.tif 000015
【図７】
2004110023.tif 000016
【図８】
2004110023.tif 000017