(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクリーン側より表示素子側に向かって順に配設され、表示素子側に凹面を向けた負の屈折力のメニスカスレンズからなる第１レンズと、表示素子側に凹面を向けた負の屈折力のメニスカスレンズからなる第２レンズと、両側が凸面の正の屈折力の第３レンズと、スクリーン側に凹面を向けた負の屈折力のメニスカスレンズからなる第４レンズと、両面が凹面の負の屈折力のレンズと両面が凸面の正の屈折力のレンズとを接合してなる第５レンズと、正の屈折力の第６レンズと、からなり、
前記第２レンズの両面が非球面に形成され、
前記第４レンズの両面が非球面に形成されており、
前記第４レンズの焦点距離をｆ４とするときに、
｜ｆ４｜＞２００ｍｍである
ことを特徴とする投射レンズ。
【請求項２】
表示素子側に向かってテレセントリックに形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
【請求項３】
全体の焦点距離をｆとし、前記第１レンズの表示素子側の面の曲率半径をＲ２とするときに、
０．８＜Ｒ２／ｆ＜１．２である
ことを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
【請求項４】
全体の焦点距離をｆとし、空気中のバックフォーカスＢｆとするときに、
Ｂｆ／ｆ＞１．８である
ことを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
【請求項５】
全体の焦点距離をｆとし、全体のレンズ長をＬとするときに、
４＜Ｌ／ｆ＜６である
ことを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
【請求項６】
前記第４レンズはプラスチック材で形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
【請求項７】
前記第２レンズは前記第１レンズの近傍に配設され、前記第４レンズは前記第５レンズの近傍に配設されている
ことを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
【請求項８】
実質的に７枚のレンズで構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フィルムやスライド、あるいは液晶表示器などに表示された像をスクリーンに拡大投映するためのプロジェクターに好適な投射レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
低コストのLCDプロジェクター用レンズを考える場合に、明るいこと、コンパクトで軽量であること、高精細な画像が得られること、歪曲が小さいこと、倍率色収差が小さいこと、テレセントリックであること、バックフォーカスが長いこと、短い投射距離を有すること、低コストであること等が要求される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方、フィルムやスライド、あるいは液晶表示器などに表示された像をスクリーンに拡大投映するプロジェクターにおいては、投映用の光学系としてテレセントリックタイプのズームレンズが用いられることが多い。しかしながら、ズームレンズは高コストになりやすく、低コストであること等の要件を満たしにくい。
【０００４】
また、多数のレンズを用いることによって、高精細な画像が得られること、歪曲が小さいこと、倍率色収差が小さいこと等の要件を満たすことができる。しかしながら、レンズ枚数を多くした場合に、短波長側の透過率がレンズのガラス材の内部吸収により低減する。これに対し、短波長側の内部吸収の少ない鉛入りガラスを用い明るさを確保することも考えられるが、高コストになる。
【０００５】
また、半画角が３８度以上であるような広角な投影レンズは、所望な歪曲収差等を得ようとすると、主にフロント型のプロジェクターに用いられる半画角が３０度以下の投射レンズに要求される枚数以上のレンズ枚数が必要であるため高コストになるという問題がある。
【０００６】
このように半画角が３８度以上というように高画角であり歪曲収差等を高精度に補正され限られたレンズ枚数で構成され短いレンズ長を有するコンパクトな投影レンズを実現できないという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の有する問題を解消し、少ない枚数のレンズから構成された簡易な構成で良好に諸収差が低減された高画角な投射レンズを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の投射レンズは、スクリーン側より表示素子側に向かって順に配設され、表示素子側に凹面を向けた負の屈折力のメニスカスレンズからなる第１レンズと、表示素子側に凹面を向けた負の屈折力のメニスカスレンズからなる第２レンズと、両側が凸面の正の屈折力の第３レンズと、スクリーン側に凹面を向けた負の屈折力のメニスカスレンズからなる第４レンズと、両面が凹面の負の屈折力のレンズと両面が凸面の正の屈折力のレンズとを接合してなる第５レンズと、正の屈折力の第６レンズと、からなり、前記第２レンズの両面が非球面に形成され、前記第４レンズの両面が非球面に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明において、第２レンズの両面が非球面に形成されているので、第１レンズを広角に通過する光束を含む場合に対しても、両面が非球面である第２レンズによって主に歪曲収差の低減を図ることができる。
また、第４レンズには表示素子上の一つの物点に対応する一つの単位光束は第４レンズを通過するときは第４レンズの広いレンズ面積範囲に渡って通過する。この場合、第４レンズの非球面に形成された両面の形状を、主に球面収差を低減させるように設計することが可能になる。第４レンズと第５レンズとは一体的なレンズグループと考えることも可能であり、そして、第４レンズと第５レンズとによって、球面収差と色収差の低減を十分に図ることができる。
【００１０】
また、表示素子側に向かってテレセントリックに形成されていることを特徴とする。
これによって、表示素子における物点を遠方にあるスクリーン上に鮮明に結像させることができる。
【００１１】
また、全体の焦点距離をｆとし、前記第１レンズの表示素子側の面の曲率半径をＲ２とするときに、０．８＜Ｒ２／ｆ＜１．２であることを特徴とする。
便宜的に第１レンズへスクリーン側から光束が入射するとする。半画角が３８度以上という広い画角で第１レンズへ入射した光束は、Ｒ２／ｆ＜１．２を満たす程に小さい曲率半径Ｒ２を有する第１レンズの表示素子側の面で拡散する方向に強く屈折され、この屈折された光束は、第１レンズの近傍に配設された両面が非球面の第２レンズを通過し第２レンズによって主に歪曲収差の低減が図られる。また、曲率半径Ｒ２がＲ２／ｆが１．２以上の場合には、第１レンズにおいて生じる歪曲収差が大きすぎ第２レンズによっても補正することができず、曲率半径Ｒ２が０．８＜Ｒ２／ｆを満たさない程に大きい場合には、第１レンズが必要な屈折力を得ることができない。第１レンズから入射した各々の光束は第２レンズの互いに異なる狭いレンズ面積範囲を通過する。
【００１２】
また、全体の焦点距離をｆとし、空気中のバックフォーカスＢｆとするときに、Ｂｆ／ｆ＞１．８であることを特徴とする。
このように、長いバックフォーカスＢｆをとることが可能になる。ここで、バックフォーカスＢｆとは、第５レンズの表示素子側の面から表示素子の物点までの距離をいう。
【００１３】
また、全体の焦点距離をｆとし、全体のレンズ長をＬとするときに、４＜Ｌ／ｆ＜６であることを特徴とする。
このように、４＜Ｌ／ｆが成り立つ程にレンズ長Ｌに対し焦点距離ｆが短く、Ｌ／ｆ＜６が成り立つ程に焦点距離ｆに対しレンズ長Ｌが短い。
【００１４】
また、前記第４レンズは、プラスチック材で形成されていることを特徴とする。
第４レンズの機能は、両面の非球面形状を用いて主に球面収差の低減を図ることであるので、第４レンズをガラス材に比べて安価なプラスチック材で形成することが可能である。
【００１５】
また、前記第４レンズの焦点距離をｆ４とするときに、｜ｆ４｜＞２００ｍｍであることを特徴とする。
第４レンズをプラスチック材で形成する場合、プラスチック材の屈折率の温度変化はガラス材に比べて大きいので、バックフォーカスＢｆが大きさが温度変化に大きく依存する。しかしながら、焦点距離が長いほどレンズは温度変化の影響を受けにくいので、第４レンズの焦点距離ｆ４が、｜ｆ４｜＞２００ｍｍが成り立つ程に大きいため、バックフォーカスＢｆの大きさは温度変化によって変動しにくくすることができる。
【００１６】
また、前記第２レンズは前記第１レンズの近傍に配設され、前記第４レンズは前記第５レンズの近傍に配設されていることを特徴とする。
第２レンズは、第１レンズを広角に通過することが可能なように第１レンズの近傍に配設され、第４レンズは、球面収差が補正された光束が第５レンズによって色収差が十分に補正されるように第５レンズの近傍に配設されている。
【００１７】
また、実質的に７枚のレンズで構成されていることを特徴とする。第２レンズ及び第４レンズの両面を非球面にすることによって、実質的に７枚という少ない枚数で所望の性能要求を満たすことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る投射レンズのレンズ構成を示すものである。図１に示す投射レンズ２は、スクリーン側（図１における左側）より表示素子側（図１における右側）に向かって順に配設された、表示素子側に凹面を向けた負の屈折力のメニスカスレンズからなる第１レンズ１０と、表示素子側に凹面を向けた負の屈折力のメニスカスレンズからなる第２レンズ２０と、両側が凸面の正の屈折力の第３レンズ３０と、スクリーン側に凹面を向けた負の屈折力のメニスカスレンズからなる第４レンズ４０と、両面が凹面の負の屈折力のレンズ５１と両面が凸面の正の屈折力のレンズ５２とを接合してなる第５レンズ５０と、正の屈折力の第６レンズ６０とから構成されている。投射レンズ２は実質的に７枚のレンズで構成されている。
【００１９】
図１において、符号７０は平行ガラス板を示す。符合８０は表示素子の面を示す。符合９０は第３レンズ３０の表示素子側の近傍に配設された絞りを示す。投射レンズ２全体の焦点距離をｆとし、レンズ長をＬとし、空気中のバックフォーカスＢｆとする。
【００２０】
第２レンズ２０は第１レンズ１０の近傍に配設されており、第４レンズ４０は第５レンズ５０の近傍に配設されている。第２レンズ２０の両面は非球面に形成されており、第４レンズ４０の両面は非球面に形成されている。また、投射レンズ２は、表示素子側に向かってテレセントリックに形成されている。
【００２１】
便宜的に第１レンズ１０へスクリーン側から光束が入射するとして、以下に説明する。図５に示すように、第１レンズ１０によって半画角θが３８度以上という広角範囲の光束が拾い集められる。第１レンズ１０はＲ２／ｆ＜１．２を満たす程に小さい曲率半径Ｒ２を有するので、第１レンズ１０によって広角に集められた光束は第１レンズ１０の表示素子側の面Ｒ２で拡散する方向へ大きく屈折される。このため、第１レンズ１０で歪曲収差等の諸収差が生じ得る。第２レンズ２０は第１レンズ１０の近傍に配設されているので、面Ｒ２で大きく屈折された光線は第２レンズ２０へ導かれる。第２レンズ２０の両面は非球面で形成されているので、第１レンズ１０において大きく屈折させたことによって生じ得る色収差を除く歪曲収差等の諸収差、特に歪曲収差は、第２レンズ２０を通過することによって補正される。
【００２２】
第２レンズ２０を通過した光束は、投射レンズ２の中央部に位置する第３レンズ３０へ渡され、第３レンズ３０によって収束されながら第４レンズ４０へ渡される。第４レンズ４０の両面は非球面で形成されており、第４ンズ４０では主に球面収差の補正が行われる。第４レンズ４０は第５レンズ５０の近傍に配設されている。第５レンズ５０では色収差の補正が行われる。第６レンズ１０は主に投射レンズ２が表示素子側に向かってテレセントリックになるように作用する。
【００２３】
図５に示すように、表示素子８０上の２個の物点８１，８２に対応する単位光束は、第４レンズ４０についてはレンズ面積の広い範囲を通過するのに対し、第２レンズ２０についてはレンズ面積の局部的な狭い範囲を通過する。この場合、第４レンズ４０の非球面に形成された両面の形状を、主に球面収差を低減させるように設計することが可能になる。そして、第５レンズ５０によって、球面収差等の収差が低減された状態で色収差の低減を十分に図ることができる。
【００２４】
投射レンズ２は、全体の焦点距離ｆと第１レンズ１０の表示素子側の面の曲率半径Ｒ２との間で、０．８＜Ｒ２／ｆ＜１．２の関係を満たしている。半画角が３８度以上という広い画角で第１レンズへ入射した光束は、Ｒ２／ｆ＜１．２を満たす程に小さい曲率半径Ｒ２を有する第１レンズ１０の表示素子側の面で拡散する方向に強く屈折され、この屈折された光束は、第１レンズ１０の近傍に配設された両面が非球面の第２レンズ２０を通過する。第１レンズ１０から入射した各々の光束は第２レンズ２０の互いに異なる狭いレンズ面積範囲を通過する。従って、第２レンズ２０の表裏の非球面の形状を所望に設定することにより、第１レンズ１０で強く屈折されたことに生じる歪曲収差の低減を図ることができる。
【００２５】
また、曲率半径Ｒ２が０．８＜Ｒ２／ｆを満たさない程に大きい場合には、半画角が３８度以上という広い画角では第１レンズへ入射させることができない。
【００２６】
投射レンズ２は、全体の焦点距離ｆと空気中のバックフォーカスＢｆとの間で、Ｂｆ／ｆ＞１．８を満たしている。また、投射レンズ２は、全体の焦点距離ｆと全体のレンズ長Ｌとの間で、４＜Ｌ／ｆ＜６を満たしている。
【００２７】
また、第４レンズ４０はプラスチック材で形成されている。また、第４レンズ４０は、その焦点距離ｆ４に対し、｜ｆ４｜＞２００ｍｍを満たしている。
【００２８】
投射レンズ２は、第２レンズ２０と第４レンズ４０の両側面が非球面に形成されているので、半画角が３８度以上と非常に大きくすることができるとともに、色収差以外の諸収差すなわち歪曲収差やコマ収差や非点収差等の諸収差を著しく低減でき、例えば、従来３．０％の歪曲収差やコマ収差や非点収差等の諸収差を約１．５％に低減することができる。特に、歪曲収差については０．２％以下に低減することができる。
【００２９】
以下に  投射レンズ２の実施例について説明する。
【００３０】
本実施例の投射レンズ２の仕様は次のとおりである。
【００３１】
投射レンズ２のレンズデータを図２に示す。なお、ＯＢＪは面番号を示しスクリーン側から順に各レンズの面に付した番号であり、ＲＤＹは曲率半径（単位ｍｍ）を示し、ＴＨＩは次のＯＢＪの面番号の面との間のレンズ厚みあるいは空気空間を表している（単位ｍｍ）。ＧＬＡはレンズ材料のｄ線屈折率とアッベ数を示し、例えばＧＬＡが１．８３４００＿３７．３はレンズ材料のｄ線屈折率が１．８３４００でありアッベ数が３７．３であることを示す。
【００３２】
ＡＳＰｎ（ｎ＝１，２，３，４）は非球面を表す。ＡＳＰ１は第２レンズ２０のスクリーン側の非球面を示し、ＡＳＰ２は第２レンズ２０の表示素子側の非球面Ｒ２を示し、ＡＳＰ３は第４レンズ４０のスクリーン側の非球面を示し、ＡＳＰ４は第４レンズ４０の表示素子側の非球面を示す。第２レンズ２０及び第４レンズ４０の非球面の形状は次の非球面式
【数１】
0004161294.tif 000002
で表わされ、係数Ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは図２に示す値に設定される。
【００３３】
投射レンズ２の全体の焦点距離ｆは１４．０５ｍｍであり、空気中のバックフォーカスＢｆは３０．００ｍｍであり、レンズ長Ｌは７１．１ｍｍである。
【００３４】
Ｂｆ／ｆは２．１３６であり、Ｂｆ／ｆ＞１．８を満たしている。また、Ｌ／ｆは５．０６であり、４＜Ｌ／ｆ＜６を満たしている。また、第４レンズ４０の焦点距離ｆ４は−８３６．１ｍｍであり、｜ｆ４｜＞２００ｍｍを満たしている。
【００３５】
投射レンズ２の収差図を図３および図４に示す。なお、図３において（Ａ）は球面収差を、（Ｂ）は非点収差を、（Ｃ）は歪曲収差を表している。図３中（Ｂ）の非点収差図における符号Ｓ，Ｔは、それぞれ球欠的像面，子午的像面に対する収差を表す。また、図４は横収差図であり、図中（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）は、それぞれ像高比（１．００），（０．８３），（０．６９），（０．４７），および（０．００）における収差を表す。
【００３６】
図３及び図４に示されるように、極めて良好に諸収差が低減されていることが認められる。特に、歪曲収差は０．２％以下に低減されていることが認められる。
【００３７】
以上、上述の本発明の実施の形態によれば、実質的に７枚のレンズという少数のレンズ枚数で構成し、半画角が３８度以上と広いとともに０．２％以下という低い歪曲収差でありコンパクトで軽量であり長いバックフォーカスＢｆを有する投射レンズ２を提供することができる。投射レンズ２は、低コストのLCDプロジェクター用レンズとして使用することができる。従来では、全て球面レンズで構成しようとすると１０枚以上の球面レンズで構成する以外には所望の性能を得られなかったのであり、この場合、高コストになり、またコンパクトに構成することができなかったのである。
【００３８】
第２レンズ２０の両面が非球面に形成されているので、第１レンズ１０を広角に通過する光束を含めて、第１レンズ１０の近傍に配設された両面が非球面である第２レンズ２０によって０．２％以下に歪曲収差の低減を図ることができる。また、第４レンズ４０には表示素子上の一つの物点８１，８２に対応する一つの単位光束は第４レンズ４０を通過するときは第４レンズ４０の広いレンズ面積範囲に渡って通過するので、第４レンズ４０の非球面に形成された両面の形状を主に球面収差を低減させるように設計することが可能になり、第５レンズ５０によって球面収差の収差が低減された状態で色収差の低減を十分に図ることができる。
【００３９】
また、投射レンズ２は表示素子側に向かってテレセントリックに形成されているので、表示素子８０における物点８１，８２を遠方にあるスクリーン上に鮮明に結像させることができる。
【００４０】
また、０．８＜Ｒ２／ｆ＜１．２であるので、半画角が３８度以上である高画角を可能にする光束を第１レンズ１０に通過させることができる。
【００４１】
また、Ｂｆ／ｆ＞１．８であるので、非常に長い長いバックフォーカスＢｆをとることができる。
【００４２】
また、４＜Ｌ／ｆ＜６であるので、４＜Ｌ／ｆが成り立つ程にレンズ長Ｌに対し焦点距離ｆが短く、Ｌ／ｆ＜６が成り立つ程に焦点距離ｆに対しレンズ長Ｌを短くすることができる。
【００４３】
また、第４レンズ４０は、プラスチック材で形成されているので、非球面形状の加工がガラス材に比べて容易であり、安価で軽量な構成することができる。
【００４４】
また、｜ｆ４｜＞２００ｍｍであるので、第４レンズ４０をプラスチック材で形成するにもかかわらず、バックフォーカスＢｆの大きさが温度変化によって変動しにくくすることができる。
【００４５】
また、第２レンズ２０は第１レンズ１０の近傍に配設されているので、第１レンズ１０を広角に通過する光束を第２レンズ２０を通過させることができる。第４レンズ４０は第５レンズ５０の近傍に配設されているので、第４レンズ４０と第５レンズ５０とを一つのレンズ群として扱い第４レンズ４０と第５レンズ５０とによって球面収差の補正と色収差の補正とをほぼ一体的に行うことができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構成によれば、少ない枚数のレンズから構成された簡易な構成で高画角であり良好に諸収差が低減された投射レンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の投射レンズの一実施例を示すレンズ構成を示し、左側がスクリーン側を示し右側が表示素子側を示す。
【図２】図１に示す投射レンズのレンズデータを示す図であり、ＯＢＪは面番号を示し、ＲＤＹは曲率半径（単位ｍｍ）を示し、ＴＨＩは次のＯＢＪの番号の面との間のレンズ厚みあるいは空気空間を示す。
【図３】図１に示した投射レンズの収差図であり、（Ａ）は球面収差を、（Ｂ）は非点収差を、（Ｃ）は歪曲収差をそれぞれ表す。
【図４】図１に示した投射レンズの横収差図であり、（Ａ）は像高比１．００における収差を、（Ｂ）は像高比０．８３における収差を、（Ｃ）は像高比０．６９における収差を、（Ｄ）は像高比０．４７における収差を、（Ｅ）は像高比０．００における収差をそれぞれ表す。
【図５】表示素子上の２個の物点に対応する光束が投射レンズを通過する様子を示す光線図。
【符号の説明】
２  投射レンズ
１０  第１レンズ
２０  第２レンズ
３０  第３レンズ
４０  第４レンズ
５０  第５レンズ
５１  接合レンズを構成する負レンズ
５２  接合レンズを構成する正レンズ
６０  第６レンズ
７０  平行ガラス板
８０  表示素子
９０  絞り
Ｒ２  第２レンズの表示素子側の面
【図１】
0004161294.tif 000003
【図２】
0004161294.tif 000004
【図３】
0004161294.tif 000005
【図４】
0004161294.tif 000006
【図５】
0004161294.tif 000007