(57)【要約】画素パネル（ＰＰ）とともに用いるための投影レンズが提供される。投影レンズは、第１および第２のレンズユニット（Ｕ１、Ｕ２）を有し、レンズユニットのそれぞれが丁度２つの光学要素、たとえば第１のレンズユニットはＬMおよびＬP1、第２のレンズユニットはＬDBおよびＬP2を備えることができる。第２のレンズユニットは、ガラスベースとそのガラスベースに付着される非球面の外面を有する成形可能な材料の層（Ｍ）を含むハイブリッド構成要素（たとえば、ＬP2）を含みうる。ハイブリッド構成要素の使用により、投影レンズは熱ドリフトを低減し、光学要素数を減少させ、鏡筒長を短くすることができる。第１のレンズユニットはＬMの成形性を改善するためにさらなる負レンズ素子ＬNを具備することができ、第２のレンズユニットはハイブリッド構成要素ではなくモールドガラスの非球面を具備することができる。
2006521584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクリーン上に画素パネルの拡大像を形成するための投影レンズであって、前記投影レンズは、長共役側、短共役側、有効焦点距離ｆ0およびｆナンバーＦ／＃を有し、前記レンズは、前記長共役側から前記短共役側へ順に、
（Ａ）前記長共役側から前記短共役側へ順に、
（ｉ）負の屈折力を有し、（ａ）前記短共役側に対して凹面である短共役面を有し、（ｂ）少なくとも１つの非球面を具備する負レンズ素子ＬMを具備する第１のレンズサブユニットおよび、
（ｉｉ）第２のレンズサブユニット
からなる第１のレンズユニットと、
（Ｂ）開口絞りと、
（Ｃ）前記長共役側から前記短共役側へ順に、
（ｉ）ダブレットおよび、
（ｉｉ）正レンズ素子
を具備する第２のレンズユニットと、を具備し、
（ａ）前記第１のレンズユニットおよび前記第２のレンズユニットのみが、前記投影レンズのレンズユニットであり、
（ｂ）前記投影レンズは、前記短共役側でテレセントリックであり、
（ｃ）前記投影レンズは、その短共役側焦点面において、μｍ単位で、関係
ＬＣ赤-緑＜４．５＊Ｆ／＃、且つ
ＬＣ青-緑＜５．０＊Ｆ／＃
を満たす倍率色収差ＬＣを有し、該関係が、視野全体にわたって満たされ、赤色波長、緑色波長および青色波長がそれぞれ、０．６２μｍ、０．５５μｍおよび０．４６μｍであり、
（ｄ）前記投影レンズは、その短共役側焦点面において、μｍ単位で、関係
Ｄrms＜４．５＊Ｆ／＃
を満たすＲＭＳスポット径Ｄrmsを有し、該関係が０．５５μｍの波長を有する緑色光に関して視野全体にわたって満たされ、
（ｅ）前記第２のレンズユニットは、前記ダブレットまたは前記正レンズ素子に付着される成形可能な材料の層を具備し、前記層が非球面である外面を有する、投影レンズ。
【請求項２】
前記ＬMが前記第１のレンズサブユニットの唯一の光学要素である、請求項１に記載の投影レンズ。
【請求項３】
前記ＬMおよび負レンズ素子のみが、前記第１のレンズサブユニットの光学要素である、請求項１に記載の投影レンズ。
【請求項４】
前記ＬMは関係
ｔe／ｔc＜３．０
を満たす中心厚さｔcおよび縁の厚さｔeを有し、該ｔeはＬMの前記短共役面の有効開口で決定される、請求項３に記載の投影レンズ。
【請求項５】
前記ＬMが全体としてメニスカス形状を有する、請求項１に記載の投影レンズ。
【請求項６】
前記第２のレンズサブユニットが唯一の光学要素を有する、請求項１に記載の投影レンズ。
【請求項７】
前記唯一の光学要素が正レンズ素子である、請求項６に記載の投影レンズ。
【請求項８】
前記ダブレットおよび前記正レンズ素子のみが、前記第２のレンズユニットの光学要素である、請求項１に記載の投影レンズ。
【請求項９】
成形可能な材料の前記層が、前記正レンズ素子に付着される、請求項１に記載の投影レンズ。
【請求項１０】
前記正レンズ素子が、関係
ｆp／ｆ0＜３．０
を満たす焦点距離ｆpを有する、請求項９に記載の投影レンズ。
【請求項１１】
前記ＬＣ赤-緑およびＬＣ青-緑が関係
ＬＣ赤-緑＜３．５＊Ｆ／＃、且つ
ＬＣ青-緑＜４．０＊Ｆ／＃
を満たす、請求項１に記載の投影レンズ。
【請求項１２】
前記Ｄrmsが関係
Ｄrms＜３．５＊Ｆ／＃
を満たす、請求項１に記載の投影レンズ。
【請求項１３】
前記レンズが、前記長共役の方向において７０°より大きい全視野角を有する、請求項１に記載の投影レンズ。
【請求項１４】
前記レンズが、関係
ＢＦＬ／ｆ0＞１．５
を満たす有効後側焦点距離ＢＦＬを有する、請求項１に記載の投影レンズ。
【請求項１５】
前記レンズが、関係
ＢＲＬ／ｆ0＜１０
を満たす鏡筒長ＢＲＬを有する、請求項１に記載の投影レンズ。
【請求項１６】
前記第１のレンズユニットおよび前記第２のレンズユニットが合計で５つの光学構成要素を有する、請求項１に記載の投影レンズ。
【請求項１７】
前記第１のレンズユニットおよび前記第２のレンズユニットが合計で４つの光学構成要素を有する、請求項１に記載の投影レンズ。
【請求項１８】
（ａ）画素パネルおよび、
（ｂ）請求項１に記載の投影レンズ
を具備する投影レンズ系。
【請求項１９】
光源および前記光源から前記画素パネルおよび前記投影レンズに向かって光の一部を伝搬する照明光学素子を具備する照明系をさらに具備する、請求項１８に記載の投影レンズ系。
【請求項２０】
スクリーン上に画素パネルの拡大像を形成するための投影レンズであって、前記投影レンズは、長共役側、短共役側、有効焦点距離ｆ0およびｆナンバーＦ／＃を有し、前記レンズは、前記長共役側から前記短共役側へ順に
（Ａ）前記長共役側から前記短共役側へ順に
（ｉ）負の屈折力を有し、
前記長共役側に対して凸面であり、少なくとも１つの非球面を具備する全体としてメニスカス形状の第１の負のレンズ素子と、
任意に、第２の負レンズ素子と
からなる第１のレンズサブユニットおよび、
（ｉｉ）第１の正レンズ素子からなる第２のレンズサブユニット
からなる第１のレンズユニットと、
（Ｂ）開口絞りと、
（Ｃ）前記長共役側から前記短共役側へ順に
（ｉ）ダブレットおよび、
（ｉｉ）第２の正レンズ素子
からなる第２のレンズユニットと、を具備し、
（ａ）前記第１のレンズユニットおよび前記第２のレンズユニットのみが、前記投影レンズのレンズユニットであり、
（ｂ）前記投影レンズは、前記短共役側でテレセントリックであり、
（ｃ）前記投影レンズは、その短共役側焦点面において、μｍ単位で、関係
ＬＣ赤-緑＜３．５＊Ｆ／＃、且つ
ＬＣ青-緑＜４．０＊Ｆ／＃
を満たす倍率色収差ＬＣを有し、該関係が、視野全体にわたって満たされ、赤色波長、緑色波長および青色波長がそれぞれ、０．６２μｍ、０．５５μｍおよび０．４６μｍであり、
（ｄ）前記投影レンズは、その短共役焦点面において、μｍ単位で、関係
Ｄrms＜３．５＊Ｆ／＃
を満たすＲＭＳスポット径Ｄrmsを有し、該関係が０．５５μｍの波長を有する緑色光に関して視野全体にわたって満たされ、
（ｅ）前記投影レンズは、前記長共役の方向において、７０°より大きい全視野角を有し、
（ｆ）前記投影レンズは、関係
ＢＦＬ／ｆ0＞１．５
を満たす有効後側焦点距離ＢＦＬを有し、
（ｇ）前記投影レンズは、関係
ＢＲＬ／ｆ0＜１０
を満たす鏡筒長ＢＲＬを有し、
（ｈ）前記第２のレンズユニットは、前記第２の正レンズ素子に付着される成形可能な材料の層を具備し、前記層が非球面である外面を有する、投影レンズ。
【請求項２１】
前記第２の正レンズ素子が、関係
ｆp／ｆ0＜３．０
を満たす焦点距離ｆpを有する、請求項２０に記載の投影レンズ。
【請求項２２】
（ａ）画素パネルおよび、
（ｂ）請求項２０に記載の投影レンズ
を具備する投影レンズ系。
【請求項２３】
スクリーン上に画素パネルの拡大像を形成するための投影レンズであって、前記投影レンズは、長共役側、短共役側、有効焦点距離ｆ0およびｆナンバーＦ／＃を有し、前記レンズは、前記長共役側から前記短共役側へ順に
（Ａ）前記長共役側から前記短共役側へ順に
（ｉ）負の屈折力を有し、
（ａ）前記短共役側に対して凹面である短共役面を有し、（ｂ）少なくとも１つの非球面を有する第１の負のレンズ素子と、
任意に、第２の負レンズ素子と
からなる第１のレンズサブユニットおよび、
（ｉｉ）第１の正レンズ素子からなる第２のレンズサブユニット
からなる第１のレンズユニットと、
（Ｂ）開口絞りと、
（Ｃ）前記長共役側から前記短共役側へ順に
（ｉ）ダブレットおよび、
（ｉｉ）第２の正レンズ素子
からなる第２のレンズユニットと、を具備し、
（ａ）前記第１のレンズユニットおよび前記第２のレンズユニットのみが、前記投影レンズのレンズユニットであり、
（ｂ）前記投影レンズは、前記短共役側でテレセントリックであり、
（ｃ）前記投影レンズは、その短共役側焦点面において、μｍ単位で、関係
ＬＣ赤-緑＜４．５＊Ｆ／＃、且つ
ＬＣ青-緑＜５．０＊Ｆ／＃
を満たす倍率色収差ＬＣを有し、該関係が、視野全体にわたって満たされ、赤色波長、緑色波長および青色波長がそれぞれ、０．６２μｍ、０．５５μｍおよび０．４６μｍであり、
（ｄ）前記投影レンズは、その短共役側焦点面において、μｍ単位で、関係
Ｄrms＜４．５＊Ｆ／＃
を満たすＲＭＳスポット径Ｄrmsを有し、該関係が０．５５μｍの波長を有する緑色光に関して視野全体にわたって満たされ、
（ｅ）前記投影レンズは、前記長共役の方向において、７０°より大きい全視野角を有し、
（ｆ）前記投影レンズは、関係
ＢＦＬ／ｆ0＞１．５
を満たす有効後側焦点距離ＢＦＬを有し、
（ｇ）前記投影レンズは、関係
ＢＲＬ／ｆ0＜１０
を満たす鏡筒長ＢＲＬを有し、
（ｈ）前記第２の正レンズ素子は、少なくとも一部はガラスから構成され、非球面を具備する、投影レンズ。
【請求項２４】
前記第２の正レンズ素子が、関係
ｆp／ｆ0＜３．０
を満たす焦点距離ｆpを有する、請求項２３に記載の投影レンズ。
【請求項２５】
（ａ）画素パネルおよび、
（ｂ）請求項２３に記載の投影レンズ
を具備する、投影レンズ系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投影レンズに関し、さらに詳細には、ＤＭＤ、反射型ＬＣＤ、透過型ＬＣＤなどの画素からなる物体の像を形成する際に用いるための投影レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａ．定義
本願明細書および特許請求の範囲で用いられる際、以下の用語は、以下の意味を有するものとする。
【０００３】
（１）光学要素
光学要素は、光学屈折力を有し、１つ以上の単色収差および／または１つ以上の色収差を補正し、個別に取付け、投影レンズの他の構成要素と位置合せする必要がある構成要素である。
【０００４】
以下に示される実施例によって図示されているように、光学要素は、単レンズと、単レンズ素子であって、それに付着される成形可能な材料の層を有する単レンズと、接合タブレットと、接合ダブレットであって、それに付着される成形可能な材料の層を有する接合タブレットを含む。より少ない構成要素を有するほうが組立てしやすく、一般に投影レンズの重量および構成要素のコストを削減する結果となることから、より少ない光学要素を有する投影レンズの方がより多くの光学要素を有する投影レンズより好ましい。
【０００５】
（２）テレセントリック
テレセントリックレンズは、無限遠に少なくとも１つの瞳を有するレンズである。主光線の観点から言えば、無限遠に瞳を有するということは、（ａ）入射瞳が無限遠にある場合に主光線が物空間における光軸と平行である、又は（ｂ）射出瞳が無限遠にある場合に主光線が像空間における光軸と平行であることを意味する。
【０００６】
実際の用途では、レンズの光学面から十分に長距離に位置する入射瞳または射出瞳を有するレンズは、本質的にテレセントリック系として動作するため、テレセントリック瞳は現実に無限遠に位置する必要はない。そのようなレンズの主光線は実質的に光軸に平行であるため、このレンズは一般に、瞳の理論（ガウス）上の位置が無限遠にあるレンズと機能的に同等となる。
【０００７】
したがって、本願明細書で用いられるとき、「テレセントリック」「テレセントリックレンズ」なる語は、レンズ素子から長距離に瞳を有するレンズを包含することを意味しており、「テレセントリック瞳」なる語は、レンズ素子から長距離にあるような瞳を表すために用いられる。本発明の投影レンズの場合には、テレセントリック瞳の距離は一般に、レンズの有効焦点距離の少なくとも約１０倍である。
【０００８】
（３）有効後側焦点距離
投影レンズ／画素パネルの組み合わせの有効後側焦点距離（ＢＦＬ）は、（１）画素パネルの像が無限遠に位置し、（２）投影レンズが空中に位置しているとき、すなわち投影レンズの最後部の光学要素と画素パネルとの間の空間が、投影レンズと画素パネルとの間に通常用いられるプリズム、ビームスプリッタなどを構成するガラスとは対照的に、空気で満たされているときの画素パネルの前面と投影レンズの最後部の光学要素の後面の頂点との間の距離である。
【０００９】
（４）鏡筒長
鏡筒長（ＢＲＬ）は、投影レンズの最前部の光学要素の前面の頂点と最後部の光学要素の後面の頂点との間の距離である。
【００１０】
Ｂ．投影系
画像投影系は、ディスプレイパネルなどの目視用スクリーン上に物体の像を形成するために用いられる。このような系は、観察者および物体がスクリーンの同じ側（前面投影）にあるか、またはスクリーンの反対側（背面投影）にあるかに応じて、前面投影型または背面投影型に分けることができる。
【００１１】
図６は、マイクロディスプレイイメージングデバイス（当業界では「ディジタル光バルブ」または「画素イメージングデバイス」としても周知である）とともに用いるための画像投射系１７の基本的な構成要素を簡略した形で示している。この図において、１０は光源１１および光源からスクリーンに向かって光の一部を伝搬する照明光学系１２から構成される照明系であり、１３はイメージングデバイスであり、１４は目視用スクリーン１５上にイメージングデバイスの拡大像を形成する。
【００１２】
分かりやすくするために、図６は、直線配置における光学系の構成要素を示している。本発明で一般に用いられるタイプの反射型イメージングデバイスの場合には、照明系は、光学系からの光がイメージングデバイスで反射されるように配置される。すなわち、光は図６に示されているデバイスの後部とは逆にイメージングデバイスの前面に当たる。また、そのようなイメージングデバイスの場合には、１つ以上のプリズムアセンブリが、イメージングデバイスの前に配置され、照明系からの照明光を受光し、結像光を投影レンズに提供する。
【００１３】
前面投影系の場合には、観察者は図６のスクリーン１５の左側に位置し、背面投影系の場合には、観察者はスクリーンの右側に位置する。キャビネットに収容される背面投影系の場合には、投影レンズとスクリーンとの間に１つ以上のミラーを用いて光路を折畳み、それによって系全体のサイズを小さくすることが多い。
【００１４】
画像投影系は、（１）最終的な像の赤色成分、緑色成分および青色成分を連続的にまたは同時に生成する単一のイメージングデバイスの像または（２）１つが赤色光、２番目が緑色光、３番目が青色光である３つのイメージングデバイスの像を形成する単一の投影レンズを用いることが好ましい。一部の画像投射系では、１つのイメージングデバイスまたは３つのイメージングデバイスを用いるのではなく、２つまたは６つまでのイメージャを用いている。また、ある種の用途では、たとえば大画像背面投影系では、複数の投影レンズが用いられ、各レンズおよびその関連するイメージングデバイスが像全体の一部を形成する。用途の詳細に関係なく、投影レンズは一般に、画素パネルと組合せて通常用いられるプリズム、ビームスプリッタおよび他の構成要素に適合するように、相対的に長い有効後側焦点距離を有する必要がある。
【００１５】
画素パネルを用いる投射系の特に重要な用途は、大型画面投射テレビ（ＰＴＶ）および／またはコンピュータモニタとして用いることができる背面投射系の分野である。マイクロディスプレイを製造するために用いられる技術の改良により、そのようなディスプレイを用いる投射系の普及が進んだ。確立された陰極線管（ＣＲＴ）技術に対して優位に競合するために、マイクロディスプレイに基づく投影系は、同一の画面サイズを有するＣＲＴ系より軽量且つ小型化する必要がある。
【００１６】
Ｃ．光学性能
高い情報量を有する像（たとえばディスプレイデータ）を表示するために、マイクロディスプレイは多数の画素を有する必要がある。デバイス自体が小型であるので、個々の画素は小さく、一般的な画素サイズは、ＤＭＤディスプレイの場合の１７μから、反射型ＬＣＤおよび透過型ＬＣＤの場合の約８μまたはそれ以下の範囲にある。これは、これらの系で用いられる投影レンズが非常に高度の収差補正を必要とすることを意味する。特に、レンズは、高度の解像度、たとえばレンズの視野全体にわたって小さなＲＭＳスポット径を有することが必要であり、高度の色収差補正がなされることが必要である。
【００１７】
データを表示するための画素パネルを用いると、投影レンズの解像度に関する要件が厳しくなる。これは、データを見るときに、レンズの視野の末端部に至るまで優れた画質が必要とされることによる。明白であるが、表示される数字または文字の像は、中央と同じように視野の縁部でも明りょうで歪んでいないことが重要である。
【００１８】
色収差は、画素のぼけ、または極端な場合には、像から画素の完全脱落として、画素パネルの像に容易に見受けられるため、高度の色収差補正が重要である。倍率色収差、すなわち色による倍率の変化は、特に視野の縁部でコントラストの低下となって現れるため特にやっかいである。極端な場合には、視野全体の領域にレインボー効果が見られるおそれがある。
【００１９】
ＣＲＴを用いる投影系において、たとえば、青色ＣＲＴ上で生成される像に対して赤色ＣＲＴの面で生成される像のサイズを縮小することによって、少量の（残存する）倍率色収差を電子的に補償することができる。しかし、画素パネルの場合には、像がディジタル化され、視野全体にわたってサイズを円滑に調整することは不可能であることから、そのような調整を行うことはできない。したがって、投影レンズの場合には、より高度な倍率色収差の補正が必要である。
【００２０】
高い解像度および高度の色収差補正は、ウィンドウ型コンピュータインターフェイスの拡大像を目視用スクリーンに投射する場合に特に重要である。平行線、枠線で囲まれたコマンド、ダイアログボックス、複雑な配色を有するこのようなインターフェイスは、本質的に歪曲収差および色収差のテストパターンである。利用者は、そのようなインターフェイスの像における解像度の低下または色収差が軽微なレベルであっても、すぐ気付いて不平を述べる。
【００２１】
高度の解像度および色補正に加えて、画素パネルと組み合わせて用いるための投影レンズは、特に画素パネルがたとえばＤＭＤまたは反射型ＬＣＤなどの反射型である場合に、ゴーストの発生が軽微であることを要する。
【００２２】
当業界では周知であるように、投影レンズのレンズ面の１つから物体の方へ戻る反射画像光によって、ゴーストが生成される。レンズ面の形状および物体に対するその位置に応じて、投影レンズに再入射し、所望の像とともにスクリーン上に投射されるように、そのような反射光は物体で再反射される。そのようなゴースト光は、少なくともある程度コントラストを常に低下させる。極端な場合には、第２の像が実際にスクリーン上に見られる。
【００２３】
ＤＭＤおよび反射型ＬＣＤの動作が効率的に光を反射することができる性能に左右されるため、これらのタイプのパネルを用いる投射系は、特にゴースト問題の影響を受けやすい。ゴーストはまた、１つのレンズ面から後方に反射され、第２のレンズ面によって前方方向に再反射される光によって生成され得る。反射型画素パネルが用いられるとき、２つのレンズ面からの反射によって生成されるゴーストは一般に、レンズ面／画素パネルの組み合わせによって生成されるゴーストほど厄介ではない。
【００２４】
Ｄ．テレセントリック性
上述の画素パネルおよび特にＤＭＤは一般に、ディスプレイに垂直に近い角度で像を形成するために、照明系からの光を反射することによって動作する。同様に、透過型パネルの場合には、パネルを通過する光は一般に、垂直に近い角度でパネルから射出する。
【００２５】
投影レンズの観点から言えば、これは、レンズがテレセントリック入射瞳を有する要件、すなわち、投影レンズは、物体（画素パネル）が位置する短結像共役側の方向においてテレセントリックでなければならないという要件に言い換えられる。これにより、レンズが開口絞りに対して非対称となるため、倍率色収差の補正がより困難となる。
【００２６】
Ｅ．キャビネットサイズ
背面投影系の場合には、より小さなキャビネットサイズ（より小さな設置面積）に対する要望がさらに高まっている。投影レンズの観点から言えば、これは、レンズが像（スクリーン）の方向において広い視野（ＦＯＶ）を有するという要件に言い換えられる。
【００２７】
広いＦＯＶに関する要件は、レンズの倍率色収差の補正をさらに一層困難にする。これは、特に長い有効後側焦点距離に関する要件と重なった場合には、倍率色収差の補正をより困難にする。また、上述したように、テレセントリックに関する要件は、倍率色収差の補正を困難にする第３の要因である。
【００２８】
これらのさまざまな要件は互いに不利に作用するため、高度の収差補正および軽度のゴースト発生を依然として維持すると同時に、テレセントリック性、相対的に長い後側焦点距離およびレンズの長い共役方向における広い視野を実現することは、特に困難である。レンズにおいて用いられる光学構成要素の数を最小限に抑えると同時に、これを実現することはさらに厳しい。以下で示される実施例で説明されるように、本発明は、好ましい実施形態においてこれらの相反する基準を満たす投影レンズを提供する。
【発明の開示】
【００２９】
第１の態様によれば、本発明は、スクリーン上に画素パネルの拡大像を形成するための投影レンズを提供し、上記の投影レンズは、長共役側（像またはスクリーン側）、短共役側（物体または画素パネル側）、有効焦点距離ｆ0およびｆナンバーＦ／＃を有し、上記のレンズは、長共役側から短共役側へ順に
（Ａ）長共役側から短共役側へ順に
（ｉ）負の屈折力を有し、（ａ）短共役側に対して凹面である短共役面を有し、（ｂ）少なくとも１つの非球面を具備する（好ましくは、第１のレンズサブユニットは（１）ＬMのみ、または（２）ＬMおよびＬMをさらに高速の成形（以下参照）を行うことができる構造を備えることができる負レンズ素子（ＬN）の組合せからなる）負レンズ素子ＬMを具備する第１のレンズサブユニット（ＵS1）および、
（ｉｉ）第２のレンズサブユニット（ＵS2）（好ましくは、第２のレンズサブユニットは、好ましくは低分散を有し、異常低分散を有しうる正レンズ素子（ＬP1）であることが最も好ましい唯一の光学構成要素からなる）
からなる第１のレンズユニット（Ｕ１）と、
（Ｂ）開口絞り（ＡＳ）（好ましくは、開口絞りは物理的な開口絞りであるが、所望であれば照明系の出力を仮想の開口絞りとして用いることができる）と、
（Ｃ）長共役側から短共役側に順に（ｉ）ダブレット（ＬDB）および（ｉｉ）正レンズ素子（ＬP2）（好ましくは、第２のレンズユニットの光学要素はＬDBおよびＬP2のみである）を具備する第２のレンズユニット（Ｕ２）と、
を具備し、
（ａ）第１のレンズユニットおよび第２のレンズユニット（Ｕ１、Ｕ２）のみが、投影レンズのレンズユニットであり、
（ｂ）投影レンズは、短共役側でテレセントリックであり、
（ｃ）投影レンズは、短共役側焦点面において、μｍ単位で、関係
ＬＣ赤-緑＜４．５＊Ｆ／＃（好ましくはＬＣ赤-緑＜３．５＊Ｆ／＃）
ＬＣ青-緑＜５．０＊Ｆ／＃（好ましくはＬＣ青-緑＜４．０＊Ｆ／＃）
を満たす倍率色収差ＬＣを有し、上記関係が視野全体にわたって満たされ、赤色波長、緑色波長および青色波長がそれぞれ、０．６２μｍ、０．５５μｍおよび０．４６μｍであり、
（ｄ）投影レンズは、短共役側焦点面において、μｍ単位で、関係
Ｄrms＜４．５＊Ｆ／＃（好ましくはＤrms＜３．５＊Ｆ／＃）
を満たすＲＭＳスポット径Ｄrmsを有し、上記関係が０．５５μｍの波長を有する緑色光に関して視野全体にわたって満たされ、
（ｅ）第２のレンズユニット（Ｕ２）は、ダブレット（ＬDB）または正レンズ素子（ＬP）（好ましくはＬP）に付着される成形可能な材料の層（Ｍ）を具備し、上記の層が非球面である外面を有する。
【００３０】
本発明のこの態様によれば、投影レンズは、好ましくは以下の関係のいくつかまたは最も好ましくはこれらの関係のすべてを満たす。
ＦＯＶ＞７０°
ＢＦＬ／ｆ0＞１．５および／または
ＢＲＬ／ｆ0＜１０
【００３１】
第２の態様によれば、本発明はスクリーン上に画素パネルの拡大像を形成するための投影レンズを提供し、上記の投影レンズは、長共役側（像またはスクリーン側）、短共役側（物体または画素パネル側）、有効焦点距離ｆ0およびｆナンバーＦ／＃を有し、上記のレンズは、長共役側から短共役側へ順に
（Ａ）長共役側から短共役側へ順に
（ｉ）負の屈折力を有し、
（ａ）短共役側に対して凹面である短共役面を有し、（ｂ）少なくとも１つの非球面を具備する第１の負レンズ素子（ＬM）と、
任意に、第２の負レンズ素子（ＬN）と
からなる第１のレンズサブユニット（ＵS1）および、
（ｉｉ）上述のように、好ましくは低分散を有し、異常低分散を有しうる第１の正レンズ素子（ＬP1）からなる第２のレンズサブユニット（ＵS2）
からなる第１のレンズユニット（Ｕ１）と、
（Ｂ）開口絞り（ＡＳ）（上述のように、好ましくは、開口絞りは物理的な開口絞りであるが、仮想の開口絞りであってもよい）と、
（Ｃ）長共役側から短共役側へ順に
（ｉ）ダブレット（ＬDB）および、
（ｉｉ）第２の正レンズ素子（ＬP2）
からなる第２のレンズユニット（Ｕ２）と、を具備し、
（ａ）第１のレンズユニットおよび第２のレンズユニット（Ｕ１、Ｕ２）のみが、投影レンズのレンズユニットであり、
（ｂ）投影レンズは、短共役側でテレセントリックであり、
（ｃ）投影レンズは、その短共役側焦点面において、μｍ単位で、関係
ＬＣ赤-緑＜４．５＊Ｆ／＃（好ましくはＬＣ赤-緑＜３．５＊Ｆ／＃）
ＬＣ青-緑＜５．０＊Ｆ／＃（好ましくはＬＣ青-緑＜４．０＊Ｆ／＃）
を満たす倍率色収差ＬＣを有し、上記関係が、視野全体にわたって満たされ、赤色波長、緑色波長および青色波長がそれぞれ、０．６２μｍ、０．５５μｍおよび０．４６μｍであり、
（ｄ）投影レンズは、その短共役焦点面において、μｍ単位で、関係
Ｄrms＜４．５＊Ｆ／＃（好ましくはＤrms＜３．５＊Ｆ／＃）
を満たすＲＭＳスポット径Ｄrmsを有し、上記関係が０．５５μｍの波長を有する緑色光に関して視野全体にわたって満たされ、
（ｅ）長共役の方向において、投影レンズは、７０°より大きい全視野角を有し、
（ｆ）投影レンズは、関係
ＢＦＬ／ｆ0＞１．５
を満たす有効後側焦点距離ＢＦＬを有し、
（ｇ）投影レンズは、関係
ＢＲＬ／ｆ0＜１０
を満たす鏡筒長ＢＲＬを有し、
（ｈ）第２の正レンズ素子（ＬP2）は少なくとも一部はガラスから構成され、非球面を具備する。
【００３２】
ガラスベースであり、非球面を具備する第２の正レンズ素子の使用により、投影レンズは、室温からその動作温度（たとえば〜４０℃）に加熱されるときに、熱ドリフトを低減すると同時に、たとえば、反射型画素パネルと組合せて通常用いる１つ以上のプリズムに関連する収差の補正に非球面が最も有効である位置、第２のレンズユニットがユニットの後部頂点付近に非球面を有する単一の光学要素を備えることができる投影レンズを提供する。
【００３３】
本発明の第１の態様または第２の態様のいずれかによれば、投影レンズは、ＬP2の焦点距離をｆpとして、以下の関係
ｆp／ｆ0＜３．０
を満たすことが好ましい。この関係を満たすことによって、投影レンズは短共役側でテレセントリックとなることが可能であり、依然として短い鏡筒長を有することができる。また、ＬP2が非球面を具備する場合には、ｆp／ｆ0＜３．０を有することは投影レンズの収差の補正において非球面がさらに有効となる傾向がある。
【００３４】
本発明の投影レンズは、合計で４つまたは５つの光学構成要素を有することが好ましい。これにより組立てを著しく簡素にし、光を反射することができる面の数を最小限に抑えることによって、ゴーストの形成を低減する。
【００３５】
本発明の種々の態様に関する上記の概要に用いられる参照符号は、読者の便宜のために過ぎず、本発明の範囲を限定する目的ではなく、そのように解釈すべきではない。さらに一般的に、上述の一般的な説明および以下の詳細な説明はいずれも本発明の例示に過ぎず、本発明の性質および特性を理解するための概要または構成を提供することを目的としていることを理解すべきである。
【００３６】
本発明のさらなる特徴および利点は、以下の詳細な説明に記載され、その一部は、本願明細書に述べるように本発明を実行することによって、その説明から当業者には容易に明白となるか、または認識されるであろう。添付図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれ、本願明細書に援用され、その一部を構成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
上述のように、一部の態様によれば、本発明は、ハイブリッド光学要素、すなわち球面を有するガラスレンズ素子およびその外面を非球面に成形可能な材料の層の組合せである構成要素を用いるピクセレートマイクロディスプレイプロジェクタ用の投影レンズを提供する。そのような構成要素の使用により、投影レンズの素子数およびその全体的な光路を増大させることなく、投影レンズの第２のレンズユニットに対する非球面補正を行う。また、大量の場合、ガラス上に樹脂の非球面からなる１つのハイブリッド構成要素は、２つのレンズ素子の組合せ、すなわち、球面ガラス素子にプラスチックの非球面素子を加えたものより、少ないコストで済む可能性がある。
【００３８】
実質的に、ハイブリッドは、プラスチック素子の非球面補正をガラス素子に密接させることができる。このように、非球面補正の利点は、ガラスレンズの基本特性、すなわち作製しやすさ、広い動作範囲の温度にわたる屈折率変動及び熱膨張の低さといった基本特性を失うことなく、ガラス素子に提供される。
【００３９】
ハイブリッド構成要素（本願明細書では「ハイブリッドレンズ」とも呼ぶ）は、硬化成形樹脂または薄く作られたプラスチックのいずれかによって、従来の球面のガラスレンズに成形可能な材料の層を付けることによって形成される。この非球面と球面との一体化により、１つの構成要素がこれまで必要とされた２つの構成要素の機能を効率的に実現することができる。これは、以下のような複数の利点を生じる。
（１）１つのハイブリッド構成要素は、２つの個別の構成要素より薄くできる。
（２）作製において、一方の面形成のみが重要となる。すなわち、他方の接合面はガラスレンズの球面の特性を帯びるため、成形可能な材料の層の非球面側が重要となる。
（３）レンズのハイブリッドの非球面部分はそれ自体、屈折力を持たないため、熱ドリフトに対する投影レンズの影響の受けやすさが最小限に抑えられる。
【００４０】
ハイブリッドレンズの実施例は、米国特許第４，７３８，５１６号明細書および第５，２９９，０６２号明細書において見られる。その内容は参照によって本願明細書に援用されるものとする。そのようなレンズは、株式会社トヨテック（Ｔｏｙｏｔｅｃ  Ｃｏ．Ｌｔｄ．）（日本、愛知県豊川市）のほか、レンズを必要とするカメラに関連してタムロン（Ｔａｍｒｏｎ）およびキヤノン（Ｃａｎｏｎ）から市販されている。
【００４１】
一般に、これらの構成要素を、型の中に紫外線硬化可能な樹脂を配置し、研磨したガラス基板（球面レンズ）上の樹脂をガラスを通して硬化するための紫外光を用いて硬化することによって作製することができる。受け型は、最終的なハイブリッド面の非球面形状を有する。材料特性は、樹脂層の厚さおよびその中心と縁との変化量を制限する。過剰な樹脂材料は、硬化中または使用中に熱サイクルの結果として、層をガラス基板からはがす原因となる可能性がある。
【００４２】
屈折率（ｎd）および分散（ｖd（Ｆ−Ｃ））が、約１．５２０２および５１．７、１．５１８および３７．６、１．５１９および５３．７である複数の樹脂が利用可能である。実施例１の投影レンズに用いられる適切な樹脂は、以下の屈折率を有する。４６０ｎｍで１．５２９７０５、５４６ｎｍで１．５２１３０７、６２０ｎｍで１．５１５５６８である。
【００４３】
一般的に言えば、紫外線硬化可能な樹脂を成形することによって作製されるハイブリッド構成要素は、以下の基準を満たすことが好ましい。
（１）基板の直径が約２８ｍｍ未満であることが好ましい。
（２）基板ガラスは、レンズ中を紫外光を通過させることによって型中の樹脂を硬化することができるほど十分な量の紫外光を透過することが好ましい。特に３６０ｎｍの光の透過率は６０％を超えることが好ましい。
（３）樹脂層の最も薄い部分は２０ミクロン以上であり、最も厚い部分は４００ミクロン以下であることが好ましい。
（４）樹脂層の中心から縁への厚さの変化量は５：１以下であることが好ましく、厚い縁は薄い縁より形成しにくいことから避けることが好ましい。
【００４４】
本発明の投影レンズは、全体として第１のレンズユニット（Ｕ１）の第１のレンズサブユニット（ＵS1）が比較的強い負の屈折力を有し、レンズの残る部分（ＵS2＋Ｕ２）が正の屈折力を有するレトロフォーカス型レンズまたは逆望遠型レンズを形成する。本発明のレンズは、レンズの負の部分と正の部分との間に開口絞りを有する多くのレトロフォーカスレンズと異なり、本発明の投影レンズの開口絞りは、代表的にはいずれも正の屈折力を有する第１のレンズユニット（Ｕ１）と第２にレンズユニット（Ｕ２）との間に位置する。
【００４５】
画素パネルの像を形成させるために全体としてこのような形態となるレンズを使用することにより、種々の利点が得られる。したがって、レンズの開口絞りを第２のレンズユニットの前側焦点面に配置することによって、テレセントリック性を達成することができる。以下に提示される実施例によって示されるさらなる利点は、比較的長い有効後側焦点距離を達成することができること及びレンズの長共役方向において広い視野を提供することができることである。上述のように、これらの両方の特性は、実現可能な最小の全体的なパッケージサイズを達成するためにレンズが広い視野を有していなくてはならず、およびレンズと画素パネルとの間にビーム分割プリズムおよび／またはビーム誘導プリズムを収容する必要がある背面投射系に特に有用である。これらのプリズムは、ＴＩＲプリズム、偏光ビームスプリッタおよび／または色分割プリズムを含んでもよい。
【００４６】
本発明のレンズは、第１のレンズサブユニットに１つ以上の非球面を用いることによって、高度の解像度を実現する。具体的に言えば、レンズ素子ＬMは、１つおよび好ましくは２つの非球面を有する。ＬMは全体として投影レンズの長共役側に対して凸面を有するメニスカス形状を有することが好ましい。成形時間を短縮し、素子のコストを削減するために、レンズ素子ＬMの厚さの変化量は最小限に抑えられることが好ましい。具体的には、ＬMは中心厚さｔcおよび縁の厚さｔeとして関係
ｔe／ｔc＜３．０
を満たすことが好ましい。ｔeはＬMの短共役面（すなわち表１〜５の面２）の有効開口で決定される。
【００４７】
レンズ入射瞳の球面収差は、第２のレンズユニットにおける非球面、たとえばハイブリッド構成要素の非球面（実施例１、２および４、５参照）またはモールドガラス素子の非球面（実施例３参照）を用いて補正される。レンズの物体面の任意の点に関してテレセントリック性を実現するためには、入射瞳の球面収差を最小限に抑えなければならない。
【００４８】
上述のように、反射型画素パネルの使用は、そのようなパネルは光を反射するように設計されるため、ゴースト形成の問題を悪化させうる。本発明によれば、少ない構成要素および少ない素子数の結果として、本発明の投影レンズは、きわめて低いゴーストレベルを有することが分かっている。これらの低いゴーストレベルは、大部分が光を反射することができる面の数が低減された結果である。それらはまた、一旦、面の数が減少しても残る面の形状のために生じる。
【００４９】
具体的に言えば、２００３年１月７日に出願された「画素パネルとともに用いるための折畳み式テレセントリック投影レンズ（Ｆｏｌｄｅｄ，Ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃ  Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｌｅｎｓｅｓ  ｆｏｒ  Ｕｓｅ  ｗｉｔｈ  Ｐｉｘｅｌｉｚｅｄ  Ｐａｎｅｌｓ）」という名称の同時に係属中の米国特許出願第１０／３３７，９５９号明細書（この内容は参照によって本願明細書に援用されるものとする）に記載されているように、投影レンズの短共役側焦点面から投影レンズを通って追跡される光軸方向の周辺光線が１．５°より大きい入射角で投影レンズの各レンズ面と交差することを保証することによって、低いゴーストレベルを実現することができる。本発明の投影レンズの場合のように、レンズ面の数が少なくなる場合には、この基準は一般に、自動的に満たされ、本発明のレンズによって実現された低いゴーストレベルに関する別の基準として機能する。
【００５０】
いかなる態様にも限定されることなく、本発明は、以下の実施例によってさらに詳細に説明される。
【実施例】
【００５１】
図１〜図５および表１〜表５は、本発明によって構成される代表的な投影レンズを示している。
図１〜２及び図４〜５では成形可能な材料の層（Ｍ）は図において見やすくするために実際より厚めに示されている。
【００５２】
簡単に言えば、これらの実施例は以下の通りである。
実施例１―４つの光学構成要素を有し、反射型画素パネルと組合せて用いるように設計され、プリズムが投影レンズとパネルとの間に配置される投影レンズにおけるハイブリッド構成要素（ＬP2）の使用。
実施例２―４つの光学構成要素を有し、透過型画素パネルと組合せて用いるように設計され、偏光子（たとえば、検光子）が投影レンズとパネルとの間に配置される投影レンズにおけるハイブリッド構成要素（ＬP2）の使用。
実施例３―４つの光学構成要素を有し、反射型画素パネルと組合せて用いるように設計され、プリズムが投影レンズとパネルとの間に配置される投影レンズにおけるガラスの非球面（ＬP2）の使用（高度の収差補正を実現するほど十分に正確であるガラスの非球面に関する面外形を形成することが、作製に相当な注意を要することから、ハイブリッド構成要素を用いる投影レンズが現在、本発明の好ましい実施形態であることを留意されたい）。
実施例４―４つの光学構成要素を有し、反射型画素パネルと組合せて用いるように設計され、プリズムが投影レンズとパネルとの間に配置される投影レンズにおけるハイブリッド構成要素（ＬDB）の使用（ＬP2上に成形可能な材料の層を配置することは一般に、ＬDB上に配置するより高度の収差補正を生じるため、好ましいことを留意されたい）。
実施例５―５つの光学構成要素を有し、反射型画素パネルと組合せて用いるように設計され、（１）プリズムが投影レンズとパネルとの間に配置され、（２）第１のレンズサブユニット（ＬS1）がＬMの成形性を改善するために２つのレンズ素子を有する投影レンズにおけるハイブリッド構成要素（ＬP2）の使用。
【００５３】
オハラ社（ＯＨＡＲＡ）の表記は、レンズ系で用いられるさまざまなガラスに関して表１〜表５の仕様表で用いられる。本発明の実現において、他の製造業者（たとえば、ホヤ社（ＨＯＹＡ）またはスコット社（ＳＣＨＯＴＴ））によって製造される等価なガラスを用いることもできる。プラスチック素子については、業界で許容可能な材料が用いられる。ハイブリッド構成要素において用いられる成形可能な材料の層の屈折率および分散は、標準的な６桁の形、すなわちａｂｃｘｙｚ、ｎ＝１．ａｂｃであり、ｖ＝ｘｙ．ｚで与えられる。
【００５４】
表に記載した非球面係数は、以下の数式に用いられる。
【数１】
2006521584.tif 000003
式中、ｚは系の光軸からの距離ｙにおける面のサグ量であり、ｃは光軸におけるレンズの曲率、ｋは円錐係数であり、円錐係数ｋは表１〜表５の仕様に特に記載のない限り０である。
【００５５】
図および表においてＵ２の短共役側に配置されるさまざまな平面構造は、画素パネルと組み合わせて用いられるか、または画素パネルの一部である構成要素（たとえばプリズムＰＲおよび偏光子ＰＯ）を表す。それらは、投影レンズの一部を構成するものではない。他の単位が示されていない限り、表１〜表５の寸法はすべてｍｍ単位である。
【００５６】
仕様表は、光が図面の左から右に進むことを前提として構成されている。実際には、目視用スクリーンが左側にあり、画素パネルが右側にあって、光は右から左へと進む。特に、物体／像および入射瞳／射出瞳に関する仕様表の記載は、本願明細書の以下の部分において使用されているものと逆になっている。図１〜図５において、画素パネルは表記「ＰＰ」によって示され、開口絞りは表記「ＡＳ」によって示されている。
【００５７】
実施例の光学性能、具体的に言えば、青色／緑色の倍率色収差、赤色／緑色の倍率色収差および緑色光に関するＲＭＳスポット径は、回折限界系に関するエアリーディスクの直径に関して表１〜表５に示されている。当業界では周知であるように（たとえば、ワレン・Ｊ．スミス（Ｓｍｉｔｈ，Ｗａｒｒｅｎ  Ｊ．）著「Ｍｏｄｅｒｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：Ｔｈｅ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ」（第２版）、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９９０，ｐ．１５１〜１５４およびｐ．４５２〜４５３参照）、エアリーディスクの中心から第１の暗いリングまでの距離は、
Ｚ＝１．２２・λ・Ｆ／＃
によって与えられ、式中、λは波長であり、表１〜表５では０．５５ミクロン（緑色光）であるように選択された。
【００５８】
代表的な画素サイズもまた、表１〜表５に示されている。レンズの光学性能とこの寸法の比較によれば、各実施例に関して、青色／緑色の倍率色収差、赤色／緑色の倍率色収差およびＲＭＳスポット径がすべて画素未満であることを示している。
【００５９】
表６は、実施例１〜実施例５に関するＢＦＬ／ｆ0の値およびＢＲＬ／ｆ0の値を示している。この表において分かるように、実施例１〜実施例５のそれぞれは、ＢＦＬ／ｆ0の値が約１．５であり、１０未満のＢＲＬ／ｆ0の値が１０未満である。表１〜表５から分かるように、すべての実施例はまた、レンズの長共役方向に７０°より大きい全視野角を有し、テレセントリックである入射瞳（表１〜表５では射出瞳）を有する。
【００６０】
要約すれば、上記に説明し図示したように、本発明は、以下の特性のうちのいくつか、好ましくはすべてを有する画素パネルとともに用いる投影レンズを提供する。
（１）高度の倍率色収差の補正
（２）高解像度
（３）像方向における広い視野角
（４）テレセントリック入射瞳
（５）比較的長い有効後側焦点距離
（６）短い鏡筒長
（７）少ない光学要素数、たとえば４または５つの構成要素
（８）少ない素子数、たとえば、５または６つの素子
（９）軽度のゴースト発生および／または
（１０）軽度の熱ドリフト
【００６１】
投影レンズは、画素パネルを用いるコンパクトで軽量の投射型テレビおよびモニタの製作に特に適するようになっている。
【００６２】
本発明の特定の実施形態について記述および説明したが、当業者には前述の開示内容から本発明の範囲および精神を逸脱しない種々の変形例が明らかになるであろうことを理解されたい。
【００６３】
【表１】
2006521584.tif 000004
【００６４】
【表２】
2006521584.tif 000005
【００６５】
【表３】
2006521584.tif 000006
【００６６】
【表４】
2006521584.tif 000007
【００６７】
【表５】
2006521584.tif 000008
【００６８】
【表６】
2006521584.tif 000009
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明によって構成される代表的な投影レンズの概略側面図である。
【図２】本発明によって構成される代表的な投影レンズの概略側面図である。
【図３】本発明によって構成される代表的な投影レンズの概略側面図である。
【図４】本発明によって構成される代表的な投影レンズの概略側面図である。
【図５】本発明によって構成される代表的な投影レンズの概略側面図である。
【図６】本発明の投影レンズを用いることができる投影レンズ系全体を示す概略図である。
【図１】
2006521584.tif 000010
【図２】
2006521584.tif 000011
【図３】
2006521584.tif 000012
【図４】
2006521584.tif 000013
【図５】
2006521584.tif 000014
【図６】
2006521584.tif 000015
【国際調査報告】
2006521584.tif 000016
2006521584.tif 000017
2006521584.tif 000018