(57)【要約】【課題】  明るく、比較的小型化を図り、充分にバックフォーカスが長く、しかも射出瞳も充分長く変動のない、望遠型のプロジェクタ用の投写レンズを提供すること。【解決手段】  表示面の画像をスクリーンに拡大投写する略テレセントリックな望遠ズームレンズにおいて、スクリーン側から順に、ズーミング中固定で距離合わせのみを行う正の屈折力の第１レンズ群Ｌ１、ズーミング中可動で負の屈折力の第２レンズ群Ｌ２、ズーミング中可動で負の屈折力の第３レンズ群Ｌ３、ズーミング中可動で正の屈折力の第４レンズ群Ｌ４、ズーミング中固定で正の屈折力の第５レンズ群Ｌ５を有し、広角端の焦点距離から望遠端の焦点距離に変位する時に、第２レンズ群Ｌ２と第３レンズ群Ｌ３の間隔が望遠端のほうが広角端よりも短くなるようにする。【選択図】  図１
2005309061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示面の画像を、スクリーンに拡大投写する略テレセントリックなズームレンズにおいて、
スクリーン側（拡大側）から順に、
ズーミング中固定で距離合わせのみを行う正の屈折力の第１レンズ群、
ズーミング中可動で負の屈折力の第２レンズ群、
ズーミング中可動で負の屈折力の第３レンズ群、
ズーミング中可動で正の屈折力の第４レンズ群、
ズーミング中固定で正の屈折力の第５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に変位する時に、前記第２レンズ群と第３レンズ群の間隔は望遠端のほうが広角端よりも短いことを特徴とするズームレンズ。
【請求項２】
第５レンズ群内に少なくとも１枚のパネル側（縮小側）に強い凹面を向けた負レンズを有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のズームレンズ。
【請求項３】
広角端の焦点距離時から望遠端の焦点距離時に変位する時、
前記第２レンズ群と第３レンズ群は、望遠側でパネル側（縮小側）にあることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のズームレンズ。
【請求項４】
広角端の焦点距離時から望遠端の焦点距離時に変位する時、
前記第４レンズ群は、望遠端において広角端よりスクリーン側（拡大側）にあることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のズームレンズ。
【請求項５】
開口絞りを第５レンズ群の近傍に配置することを特徴とする特許請求範囲第１項記載のズームレンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、特に表示体に色光ごとに複数の液晶等を用い、色合成して１本の投写レンズを介して、高精細な画像投写を行うテレセントリック望遠ズームレンズに関するものである。
【０００２】
特に本発明は遠方に適当な大きさで投写するプロジェクタ用のズームレンズに関する物である。
【背景技術】
【０００３】
従来、負の屈折力のレンズ群が先行するネガティブリード型のズームレンズは比較的バックフォーカスを長くした広画角化が容易であり、特に長いバックフォーカスが必要で、テレセントリックな広角レンズのために数多く提案されている。しかしながら負の屈折力が先行するネガティブリード型では本発明が目的とする望遠化には、大型化すると言う欠点を有している。
【０００４】
一方、正の屈折力の先行するポジティブリード型のズームレンズとして、例えば、特許文献１〜５等で提案されている。
【０００５】
これらの各公報ではズームレンズを拡大側より順に正、負、負、正、そして正の屈折力のレンズ群を有し全体として５つのレンズ群より構成し、このうち所定のレンズ群を適切に移動させて変倍を行っている。
【０００６】
特許文献１では、ビデオ等小さな撮像素子への結像用に用いられるズームレンズで、１，３，５群を固定で２、４群がズーミング中可動の構成を記載しておりであり、第４レンズ群で距離合わせを行う所謂リアフォーカスタイプのズームレンズであり、イメージサイズに対してかなり大型のレンズとなる欠点を有する。
【０００７】
特許文献２、特許文献５も、ビデオ等小さな撮像素子への結像用に用いられるズームレンズで、１、４群を固定で２、３、５群がズーミング中可動な構成をしておりイメージサイズに対してかなり大型のレンズとなる欠点を有する。また開口絞りを第４レンズ群近傍に配置し、その像面側に可動群（第５レンズ群）を配してあるためにズーミングの際の射出瞳位置変動があるばかりでなく、望遠ズームといえぬものでもなかった。
【０００８】
特許文献３、特許文献４は共に構成は本発明と似ているが、広角側によったレンズであり、瞳も短く、ズーミングに際し開口絞りより像面側のレンズ群も可動の構成を開示しており、射出瞳位置変動も大きくなっている。またバックフォーカスも短いものであった。
【特許文献１】特開平  ９−１５４９５号公報
【特許文献２】特開平１１−６４７３３号公報
【特許文献３】特開平１１−１６０６２１号公報
【特許文献４】特開平１１−３０５１２８号公報
【特許文献５】特開２０００−２１４３８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
これらの従来例は、広い空間で遠い距離から適当なサイズに投写するプロジェクタ用の望遠ズームとしては適当でなく、またこれらの構成では射出瞳が短くプロジェクションレンズには適当ではない物も多かった。またイメージサイズに対して大型化するものも多く、プロジェクタ用として使うには不十分であった。
【００１０】
本発明の如き、かなり遠くで表示画像をスクリーンに拡大投写する際、特に液晶表示体を複数の色に分けて用い、各色光を合成して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。
１） 液晶の配光特性、照明系の投写指向性を考慮して射出瞳が遠方にある所謂テレセントリック光学系であること。またクロスダイクロプリズム等のダイクロ膜がついた部材にて色合成する際は、色むらを少なくするためにもテレセントリックであることが好ましい。
２） 複数の表示体を合成するための色合成素子のスペースを確保する為に、長いバックフォーカス、あるいはレンズ間にスペースを必要とする。
３） 遠距離から適当な大きさに投射する場合、投写レンズの焦点距離は充分に長くなくてはならない。
【００１１】
上述したようにテレセントリックな光学系で、バックフォーカスを長くするには、ネガティブリードのズームタイプにすればよいが、広角型のレンズになりやすく３）の要求は満たすことは難しかった。
【００１２】
また前記従来例では、射出瞳位置は有限のもの、射出瞳の変動が大きいもの、またバックフォーカスも十分に長いとは言い難いもの、充分望遠型のレンズになっていないものが多かった。またイメージサイズに対しても大型な物となりやすかった。
【００１３】
本発明は、明るく、比較的小型化を図り、充分にバックフォーカスが長く、しかも射出瞳も充分長く変動のない、望遠型のプロジェクタ用の投写レンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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。
【００１５】
表示面の画像を、スクリーンに拡大投写する略テレセントリックな望遠ズームレンズにおいて、スクリーン側（拡大側）から順に、ズーミング中固定で距離合わせのみを行う正の屈折力の第１レンズ群、ズーミング中可動で負の屈折力の第２レンズ群、ズーミング中可動で負の屈折力の第３レンズ群、ズーミング中可動で正の屈折力の第４レンズ群、ズーミング中固定で正の屈折力の第５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に変位する時に、前記第２レンズ群と第３レンズ群の間隔は望遠端のほうが広角端よりも短いように構成することである。
【００１６】
その際最も増倍に寄与する群は第３レンズ群であり、第２レンズ群は減倍しつつ、第4レンズ群と共に像面位置の補正をおこなっている。
【００１７】
特にその際、前記第２レンズ群と第３レンズ群は、望遠側でパネル側（縮小側）にあることである。これにより全系を大型化することなく、有効に所望の変倍比を得ることができる。また変倍に寄与する負レンズ群を第2レンズ群、第3レンズ群に分割し別々に動かすことによりズーム中間位置での像面の倒れも補正している。
【００１８】
特に第３レンズ群は広角端から望遠端への変位に際して、スクリーン側（拡大側）に凸の軌跡で移動しても良い。
【００１９】
またバックフォーカスを長くするために、固定の第５レンズ群内に少なくとも１枚の、パネル側（縮小側）に強い凹面を向けた負レンズを有することが好ましい。このレンズにより全系のバックフォーカスを長くして、更に開口絞りを第５レンズ群の近傍に配置することで射出瞳のズーム変動をなくし長い瞳位置を維持することが可能となる。
【００２０】
特に開口絞りを第５レンズ群の最もスクリーン側に配置することが、長い射出瞳には好ましい。またズーミング中固定の第5レンズ群に絞りを配置することで、ズーミング、フォーカシングでの瞳の変動がなく液晶の投写レンズとして好適である。
【００２１】
また第5レンズ群に最もレンズ枚数を多く構成することが好ましい。これによりレンズの明るさを充分に明るくしても球面収差の発生を抑えることができる。
【００２２】
広角端の焦点距離時から望遠端の焦点距離時に変位する時、前記第４レンズ群は、望遠端において広角端よりスクリーン側（拡大側）にあることが好ましい。これにより第１レンズ群から第4レンズ群の合成焦点距離はほぼ無限遠近傍となり第５レンズ群に入射する光束はほぼアフォーカルであり（投写系で考えると第５レンズ群から第４レンズ群側に射出する光束がアフォーカル）第５レンズ群でテレセントリックな構成にしやすく、瞳位置の変動も取りやすく収差の発生も低減化できる。
【００２３】
その際第５レンズ群は広角端から望遠端に変位するのに伴い、スクリーン側（拡大側）に凸の軌跡を有していても良い。
【００２４】
望遠系にしつつバックフォーカスを長くして、テレセントリックなレンズ系を達成するには以下の式を満足することが好ましい。 
ｆｗ＜ｆ５＜ｆｔ                            （１）
ここでｆｗ、ｆｔは全系の広角端と望遠端での焦点距離である。ｆ５は第５レンズ群の焦点距離である。
【００２５】
ここで第ｉレンズ群の広角端〜望遠端までの移動量を、Ｍｉとし、パネル側（縮小側）への移動を正（+）とすると
２＜Ｍ２／Ｍ３＜１１                        （２）
を満足しているのが好ましい。
【００２６】
ここで上限値を超えると全系が大型化し、下限値を超えるとズーム中間部での像面の倒れが大きくなり、また所望の変倍比が得にくくなる。
【００２７】
また第１レンズ群はズーミング中固定であれば、全系の小型化に有効であり、距離あわせのみに使うことによって機能の分担化ができ、性能面でも機構面でも有効である。
【００２８】
第５レンズ群は、表示体に最も近く、比較的強い正の屈折力を与えることにより、テレセントリックな系を実現している。
【００２９】
最終レンズをフィールドレンズの如く作用させて、そのスクリーン側（拡大側）に色合成プリズムを導入しても良い。そのとき最終レンズに偏光板や色フィルターなどを貼り付けても良い。その場合は、最終レンズは表示面（パネル）に最も近くなり、特にパネル側（縮小側）の面は平面もしくは平面に近く、スクリーン側（拡大側）に強い凸面を向けた正レンズを配するのが好ましい。
【００３０】
前記第２レンズ群、前記第３レンズ群、前記第４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、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、全長を短縮することを可能とした。
【００３１】
前記第５レンズ群は、正の屈折力を有し、色合成素子のスペースのために、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５レンズ群中にパネル側（縮小側）に強い凹面を有する負レンズを配置するのが良い。
【００３２】
さらに各群の屈折力を適切に配置し、前記第１レンズ群をズーミング中、固定とすることで、構成の簡易化と共に全長一定なレンズ系が達成できる。
【００３３】
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し、前記第４レンズ群と前記第５レンズ群の間隔は増大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。
【００３４】
この際第３レンズ群は変倍に際して増倍しているのが好ましい。
【００３５】
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。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
１．５＜Ｚ３／Ｚ＜２０                        （３）
この（３）式は変倍群となる第３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。
【００３６】
プリズム等色合成系のブロックのない空気換算のバックフォーカス（第５レンズ群からパネル面までの空気換算間隔）をＢＦ、レンズによるイメージサークル（有効像円）径をＤ、表示パネルから（縮小側共役位置から）射出瞳までの距離をｔｋ（ここで言う射出瞳とは縮小側の瞳のことである）とするとき以下の式を満足するのが好ましい
１  ＜ＢＦ／Ｄ＜  １．５                            （４）
２  ＜ｆｗ／ＢＦ＜  ５                               (５)
５  ＜｜ｔｋ／Ｄ｜  ＜20                            （６）
（４）、（５）、（６）式は望遠側にシフトしたズームレンジをもちつつ、バックフォーカスを長く、瞳を長くするための条件である。いずれの式を逸脱しても、バックフォーカスが長く、充分テレセントリックな望遠系レンズは達成できない。
【００３７】
また第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、第４レンズ群の焦点距離をｆ４、第５レンズ群の焦点距離をｆ５とする時、下記の式を満足するのが好ましい。 
０．６  ＜｜ｆ１／ｆ２｜＜  １．５                  （７）
２．０  ＜｜ｆ１／ｆ３｜＜  ５．０                  （８）
１．５  ＜  ｆ２／ｆ３  ＜  ５．０                  （９）
１．３  ＜  ｆ１／ｆｗ  ＜  ３．０                  （１０）
上の（７）（８）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。下限を超えると前玉径が大きくなり、上限を超えると広角側での歪曲が大きくなり適当でない。
【００３８】
（９）式は主に変倍に寄与するレンズ群の構成を制限するものである。上限を逸脱すると所望の変倍比を得るための移動量が増し、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。また下限値を逸脱すると所望の望遠化した画角（特に広角側）が難しくなり全系が大型化し適当でない。
【００３９】
式（１０）は第１レンズ群のパワーを適切にするもので上限を超えると全系が大きくなり前玉径も大きくなる。また下限を超えると広角側で負の歪曲が大きくなり適当ではない。
【００４０】
またレンズの射出側（縮小側）を略テレセントリックに設定するのは上述したように液晶の配光特性、または複数の色光を合成する時の色合成ダイクロイックミラーの角度依存の影響を排除する為である。具体的にはその角度依存性を排するためには以下の条件を満たしていれば好ましい。 
｜ｔｋ｜／ｆｗ＞１．５                            （１１）
ここでｔｋ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）本発明においては第5レンズ群に開口絞りを有しているので射出瞳位置はズーム、フォーカスを通して一定である。
【００４１】
特に最適にテレセントリック系にしつつ、歪曲を小さく設定するには以下の条件を満たすのが好ましい。 
4  ＜ｆ１／BF＜  ８                                （１２）
下限を超えると最適なテレセントリック性を満足できず、また歪曲も大きくなる。上限を超えると大型化して適当でない。
【００４２】
更に各群のパワー配置を適切にしつつ各群の移動量を適切にして、小型化をするには以下の式を満たすのが好ましい。 
１．０＜    ｆ１  ／  √（ｆｗ×ｆｔ）＜２．０      （１３）
１．０＜  ｜ｆ２｜／  √（ｆｗ×ｆｔ）＜３．０      （１４）
０．４＜  ｜ｆ３｜／  √（ｆｗ×ｆｔ）＜０．７      （１５）
０．７＜    ｆ４  ／  √（ｆｗ×ｆｔ）＜１．２      （１６）
０．７＜    ｆ５  ／  √（ｆｗ×ｆｔ）＜１．５      （１７）
特に以下の条件を満たすのが小型化に好ましい。レンズのイメージサークルをD、色合成プリズムのスクリーン側（拡大側）直前のレンズの有効径をＥとするとき
１．０＜Ｅ／D  ＜  １．５                           （１８）
このとき上限を逸脱すると、色合成プリズムのサイズが大きくなり適当でない。また下限値を逸脱すると充分長いバックフォーカスを確保できず適当でない。
【発明の効果】
【００４３】
以上説明したように構成することにより、本発明は、明るく、比較的小型化を図り、充分にバックフォーカスが長く、しかも射出瞳も充分長く変動のない、望遠型のプロジェクタ用の投写レンズを達成することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
図１〜図４は、本発明のズームレンズの第１〜第４実施例の断面図である。図５〜図８は、第１〜第４実施例のズームレンズの諸収差図である。
【００４５】
図１において、Ｌ１はズーミングのためには不動で距離合わせ（フォーカス）に際して移動する正の屈折力の第１レンズ群、Ｌ２はズーミング中可動で負の屈折力の第２レンズ群、Ｌ３はズーミング中可動で負の屈折力の第３レンズ群、Ｌ４はズーミング中可動で正の屈折力の第４レンズ群、Ｌ５はズーミング中固定で正の屈折力の第５レンズ群である。Ｐは色合成プリズム、ＬＣＤは液晶パネル等の原画を表示する表示素子であり、本来ＲＧＢ各色光毎に３つの素子が用意されるが、図１では省略している。本実施例のズームレンズは、表示素子ＬＣＤに表示された原画を不図示のスクリーン上に投射するプロジェクション装置用の投射光学系である。色合成プリズムＰは各色光に対応した原画からの光を合成して投射光学系に導く役割を担っている。
【００４６】
図中Ｐは色合成プリズム等のガラスブロックを示す。
【００４７】
図５〜図８に示した収差図は、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）の状態を記している。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。
【００４８】
さて、第１、第２実施例は、第２，３，４レンズ群それぞれが広角端から望遠端にかけて縮小側、縮小側、拡大側へ単調に移動している実施例である。この例では第1レンズ群を2枚で構成し、第5レンズ群の最も縮小側に正レンズ1枚を配している例である。広角側のFnoを第1実施例ではF2.2、第2実施例ではF2.3としている。
【００４９】
第３実施例は第3レンズ群の移動が広角端から望遠端にかけて、拡大側に移動し、変極点を持って縮小側に移動している例である。望遠端では第3レンズ群は広角端よりも縮小側に移動している。第2レンズ群、第４レンズ群はそれぞれ縮小側、拡大側に単調に移動している。第1レンズ群は3枚で構成している。
【００５０】
第４実施例は、第3レンズ群、第4レンズ群の移動がそれぞれ広角端から望遠端にかけて、縮小側及び拡大側に移動するが、それぞれが変極点を持って移動している例である。第3レンズ群は広角側で、第4レンズ群は望遠側で変曲点を持つ。望遠端では第3レンズ群は広角端よりも縮小側に、第4レンズ群は拡大側に第1レンズ群は3枚で構成している。
【００５１】
ピント合わせは第１レンズ群で行うことを述べたが、第１レンズ群と第２レンズ群同時に行う、または第６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。
【００５２】
次に第１〜第４実施例にそれぞれ対応する数値実施例１〜４の数値データを示す。表中、ｆは焦点距離、ｆｎｏはＦナンバー、ωは半画角である。また、ｒｉは物体側より第ｉ番目の面の曲率半径、ｄｉは、第ｉ番目の面と第（ｉ＋１）番目の面の間隔、ｎｉとνｉは各々物体側より順に第ｉ番目の光学部材のｄ線を基準とした屈折率とアッベ数である。
【００５３】
各数値実施例の前述の各条件式に対応する値等は表１に示す。
【００５４】
（数値実施例１）
【００５５】
【数１】
2005309061.tif 000003
（数値実施例２）
【００５６】
【数２】
2005309061.tif 000004
（数値実施例３）
【００５７】
【数３】
2005309061.tif 000005
（数値実施例４）
【００５８】
【数４】
2005309061.tif 000006
【００５９】
【表１】
2005309061.tif 000007
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明のズームレンズの第１実施例の断面図である。
【図２】本発明のズームレンズの第２実施例の断面図である。
【図３】本発明のズームレンズの第３実施例の断面図である。
【図４】本発明のズームレンズの第４実施例の断面図である。
【図５】第１実施例のズームレンズの諸収差図である。
【図６】第２実施例のズームレンズの諸収差図である。
【図７】第３実施例のズームレンズの諸収差図である。
【図８】第４実施例のズームレンズの諸収差図である。
【図１】
2005309061.tif 000008
【図２】
2005309061.tif 000009
【図３】
2005309061.tif 000010
【図４】
2005309061.tif 000011
【図５】
2005309061.tif 000012
【図６】
2005309061.tif 000013
【図７】
2005309061.tif 000014
【図８】
2005309061.tif 000015