(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示パネルによって照明光から作り出される投映光をスクリーンに向けて拡大投射するための投映用レンズにおいて、
フォーカス時に第１群が光軸上で進退し、変倍時の全長が固定された４群以上のズーム光学系からなり、
前記第１群にはパネル側に凹面を向けた凹メニスカスレンズが設けられており、
第４群以降に凹レンズと凸レンズの接合レンズがスクリーン側に凹面を向けて設けられ、
前記接合レンズよりもパネル側に少なくとも２枚の凸レンズが設けられ、
投映光軸に対して垂直方向に偏心した絞りが第２群と第３群の間に配置されており、
広角端における光学系全体の焦点距離をｆｗ、第２群、第３群の焦点距離をそれぞれｆ２、ｆ３としたときに下記１）及び２）の条件を満たし、
有効像円上で前記画像表示パネルから出射される光線のうち、上光線と下光線の投映光軸に対する傾角の平均値を平均出射傾角θとしたときに、この平均出射傾角θが広角端から望遠端に渡って下記３）の条件式を満たすことを特徴とする投映用レンズ。
１）１．０＜ｆ２／ｆｗ＜１．６
２）３．６＜ｆ３／ｆｗ＜６．２
３）２°＜θ＜９°
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投映画像の照度ムラを抑え、後玉径の小型化が可能な投映用レンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
画像表示パネルとして、ディジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）と呼ばれる反射型表示素子を用いたプロジェクタが知られている。ＤＭＤは、マトリクス状に敷き詰められた多数のマイクロミラーを備え、各マイクロミラーの反射角度を変えることで１画素の輝度を調節している。
【０００３】
１枚のＤＭＤを備えた単板式ＤＭＤプロジェクタには、大きく２つのタイプがある。その１つ目は、投映光軸と照明光軸が直交する位置にプリズムが設けられ、投映光軸上のプリズムとＤＭＤの間で、照明光路と投映光路とが一致する光路一致型である。２つ目は照明光路と投映光路がＤＭＤの画像形成面に対して対称に設けられ、投映光が投映用レンズに斜めに入射する光路不一致型である。
【０００４】
前者の光路一致型における投映用レンズは、投映光軸上のＤＭＤとの間にプリズムがあるため、長いバックフォーカスを必要とする。また、ＤＭＤから出射されるテレセントリックな投映光を高輝度かつ均一に投射するために、投映用レンズの入射瞳を大きくしてパネル側のテレセントリック特性を高めている。
【０００５】
一方、後者の光路不一致型はプリズムが不要となるため、軽量化やコンパクト化、低価格化が考慮されたプロジェクタに採用される。光路不一致型ではＤＭＤからの出射光が投映光軸に対して斜めに傾くため、光路一致型に比べて投映輝度が低くなり、また投映画像にケラレや照度ムラを生じさせる欠点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光路不一致型の欠点を改善するときに、入射瞳をさらに大きくすることでＤＭＤからの出射光と投映光軸の傾きを小さくしようとすると、入射瞳の確保に伴う後玉径の大型化が避けられず、軽量性、コンパクト性、低価格性が損なわれるという問題がある。また、入射瞳の大型化に伴い、倍率色収差や歪曲収差といった横収差の増大を招き、光学性能を向上させることができないという問題が生じる。特に、単板式プロジェクタは、三板式のものと異なり、ＲＧＢ三原色画像の色ズレをパネル調整によって補正できないため、投映用レンズに高いパフォーマンスが要求される。
【０００７】
本発明は、上記問題点を考慮してなされたもので、上記光路不一致型のように投映光学系に対する入射光が傾いたプロジェクタに好適であり、後玉径を小さく維持するとともに、光学性能の向上を実現した投映用レンズを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の投映用レンズは、画像表示パネルによって照明光から作り出される投映光をスクリーンに向けて拡大投射するための投映用レンズであり、フォーカス時に第１群が光軸上で進退し、変倍時の全長が固定された４群以上のズーム光学系からなり、前記第１群にはパネル側に凹面を向けた凹メニスカスレンズが設けられており、第４群以降に凹レンズと凸レンズの接合レンズがスクリーン側に凹面を向けて設けられ、前記接合レンズよりもパネル側に少なくとも２枚の凸レンズが設けられ、投映光軸に対して垂直方向に偏心した絞りが第２群と第３群の間に配置されており、広角端における光学系全体の焦点距離をｆｗ、第２群、第３群の焦点距離をそれぞれｆ２、ｆ３としたときに下記１）及び２）の条件を満たし、有効像円上で前記画像表示パネルから出射される光線のうち、上光線と下光線の投映光軸に対する傾角の平均値を平均出射傾角θとしたときに、この平均出射傾角θが広角端から望遠端に渡って下記３）の条件式を満たすことを特徴とする。
１）１．０＜ｆ２／ｆｗ＜１．６
２）３．６＜ｆ３／ｆｗ＜６．２
３）２°＜θ＜９°
【０００９】
絞りを偏心させると、パネル上の特定光点から出射される光の上光線と下光線は、その出射方向が投映光軸に対して非対称となり、出射光線が投映光軸に対して傾けられる。その結果、パネル上の各点から出射する光線が平行になって投映系に入射し、明るさにムラのない投映光が投射される。これにより、投映画像の照度ムラが小さくなるとともに、テレセントリック性確保のために入射瞳を大きくする必要がなくなり、後玉の小型化と光学性能の向上が実現できる。
【００１１】
上記１）の条件式の範囲外の値をとる光学系では、サジタル面の像湾曲、色収差が増大してその補正が困難となる。特に下限を下回ることは第２群のパワーが強くなることを意味しており、横収差が増大する。また、上限を上回ると変倍による収差変動が大きくなり、安定した光学性能が得られなくなる。
【００１２】
上記２）式の下限を下回ることは第３群のパワーが強くなることを意味しており、球面収差及び横収差が増大して、これらを抑えることが困難になる。上記２）式の上限を上回ると、変倍動作におけるレンズ移動量の増大による光学系の肥大化、変倍に伴う収差変動の増大、軸上色収差の増大が伴う。
【００１３】
上記３）の条件式は、有効像円上で前記画像表示パネルから出射される光線のうち、上光線と下光線の投映光軸に対する傾角の平均値を平均出射傾角θとして定義し、広角端から望遠端に渡る平均出射傾角θの許容範囲を規定したものである。θが２°よりも小さいと、テレセントリック投映系の欠点が現れてくるので、後玉径の小型化や性能向上が十分でなくなる。また、θが９°よりも大きいと絞りの偏心量が大きくなり過ぎて、上光線や下光線の入射高が高くなり、横収差が増大してしまう。
【００１４】
【実施例】
（実施例１）
図１において、投映用ズームレンズ１０は、スクリーン側から順に第１レンズ群Ｇ１１〜第４レンズ群Ｇ１４をなす計１４枚のレンズと平行平面ガラス２５とによって構成される。第２レンズ群Ｇ１２と第３レンズ群Ｇ１３の間には絞りＳ１が設けられている。投映用ズームレンズ１０のレンズデータを以下に示す。
【００１５】
【表１】
0004139606.tif 000002
【００１６】
なお表中では、最もスクリーンに近い屈折面から順に面番号ｉを付しており、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率が示された番号の屈折面とその次の屈折面とによって１つの光学要素が構成される。面間隔ｄは対応する番号の屈折面と次の屈折面とのレンズ厚みもしくは空気間隔（単位ｍｍ）を示している。これらは後述する他の実施例についても同様である。なお最終面の面間隔は平行平面ガラスからパネル面までの距離である。
【００１７】
第１レンズ群Ｇ１１は、スクリーン側に凸面を向けた凸メニスカスレンズ１１、パネル面側に凹面を向けた凹メニスカスレンズ１２、凹レンズ１３の計３枚のレンズで構成される。第２レンズ群Ｇ１２は、パネル面側に凸面を向けた凸メニスカスレンズ１４とスクリーン側に凹面を向けた凹メニスカスレンズ１５の接合レンズと、凸レンズ１６で構成される。第３レンズ群Ｇ１３は、凹レンズ１７と凸レンズ１８の接合レンズで構成される。第４レンズ群Ｇ１４は、凹レンズ１９、パネル面側に凸面を向けた凸メニスカスレンズ２０、凹レンズ２１と凸レンズ２２の接合レンズ、パネル面側に凸面を向けた凸メニスカスレンズ２３と凸レンズ２４で構成される。凹レンズ２１と凸レンズ２２の接合レンズはその凹面をスクリーン側に向けて配置されている。
【００１８】
投映用ズームレンズ１０は、フォーカス時にｄ6 が変化して第１レンズ群Ｇ１１が投映光軸Ｌ１に沿ってスクリーン側とパネル面側とに進退する。第１レンズ群Ｇ１以外の他のレンズ群は固定される。変倍時においては、ｄ11，ｄ15が変化して第２レンズ群Ｇ１２、絞りＳ１、第３レンズ群Ｇ１３が投映光軸Ｌ１に沿って移動する。絞りＳ１と第３レンズ群Ｇ１３は一体となって移動する。絞りＳ１は投映光軸Ｌ１に対して垂直方向に偏心しており、絞りＳ１の開口中心から光軸Ｌ１までの距離ｈ1 を絞り偏心量として示している。投射距離を無限遠とした時の広角端、標準、望遠端における全系の焦点距離、Ｆナンバー、可変面間隔を表２に示す。
【００１９】
【表２】
0004139606.tif 000003
【００２０】
本実施例において、投射距離無限遠時のレンズ系全長ｌinf 、絞り偏心量ｈ1 、第１群Ｇ１１〜第４レンズ群Ｇ１４の焦点距離ｆ1 〜ｆ4 、広角端における全系の合成焦点距離ｆw はそれぞれ
ｌinf ＝１３９．５ｍｍ
ｈ1 ＝４．５ｍｍ
ｆ1 ＝−３４．９７ｍｍ
ｆ2 ＝３７．２４ｍｍ
ｆ3 ＝１２５．９１ｍｍ
ｆ4 ＝４９．０３ｍｍ
ｆw ＝２８．５８ｍｍ
である。また、各群の焦点距離とｆw の比の値は、
ｆ1 ／ｆw ＝−１．２２
ｆ2 ／ｆw ＝１．３０
ｆ3 ／ｆw ＝４．４１
ｆ4 ／ｆw ＝１．７２
であり、本発明の特徴値ｆ2 ／ｆw 、ｆ3 ／ｆw はそれぞれ条件式
１）１．０＜ｆ2 ／ｆw ＜１．６
２）３．６＜ｆ3 ／ｆw ＜６．２
をそれぞれ満たす。
【００２１】
投映用ズームレンズ１０では、絞りＳ１が投映光軸Ｌ１よりも下側に偏心することで、パネル面上の光点から出射される光線が全体として下向きに傾けられる。図２に示すように、画像表示パネルＰ１から出射される光のうち、上光線Ｒ１と下光線Ｒ２が投映光軸Ｌ１となす角をそれぞれα、βとし、
θ＝（α＋β）／２
として求められるθを平均出射傾角θと定義する。この平均出射傾角θは、本明細書においてパネル面から出射される光の傾きを表す尺度として使用している。なお、θを求めるにあたっては、投映光軸を境に子午面を２つの領域に分けたとき、偏心絞りの中心が位置する領域に向かう出射光線の傾角を正としている。すなわち、投映光軸Ｌ１よりも上向きの出射角度を負の傾角、下向きの出射角度を正の傾角としており、θがαとβの算術平均として求められるように定めてある。以下に、各像高における平均出射傾角θの値を示す。
【００２２】
【表３】
0004139606.tif 000004
【００２３】
ここで表中の有効像円φとは、画像表示パネルＰ１の画面中心と投映光軸Ｌ１とが一致した系以外に、画像表示パネルＰ１が投映光軸Ｌ１上にない系の光学性能評価に用いる広義の有効像円の直径を意味する。図３に示すように、画像表示パネルＰ１として反射型表示素子が用いられ、照明光の入射光路と投映光の出射光路とが独立したプロジェクタでは、投映光軸Ｌ１から表示素子の端部までの距離を半径とする円を有効像円とし、表示素子からの出射光線を有効像円から出射する軸対称な光束の一部とみなして投映光学系Ａ１の性能評価を行っている。
【００２４】
上表に見られるように、平均出射傾角θは、広角時、標準時、望遠時いずれにおいても、本発明の特徴式
３）２°＜θ＜９°
を満たしている。また、平均出射傾角θの各像高におけるバラツキは０．９度〜１．５度以内に抑えられており、有効像円からの出射光線は軸上から軸外に渡ってほぼ平行になっている。
【００２５】
図４と図５に広角時と望遠時の収差図をそれぞれ示す。各図（ａ）は、各像高における収差量を表し、破線、実線、一点鎖線で示す曲線はそれぞれ波長６２０ｎｍ、５５０ｎｍ、４４０ｎｍの光線についての球面収差である。各図（ｂ）は、図中Ｓ、Ｔで示す曲線がそれぞれサジタル像面、タンジェンシャル像面における収差を各画角について示したものである。各図（ｃ）は歪曲収差を示している。これらは後述する他の実施例においても同様である。各収差図より諸収差が良好に補正されていることがわかる。
【００２６】
（実施例２）
図６において、投映用ズームレンズ３０は、スクリーン側から順に第１レンズ群Ｇ３１〜第５レンズ群Ｇ３５をなす計１５枚のレンズと平行ガラス４６とによって構成されている。第２レンズ群Ｇ３２と第３レンズ群Ｇ３３の間には絞りＳ２が設けられている。投映用ズームレンズ３０のレンズデータを以下に示す。
【００２７】
【表４】
0004139606.tif 000005
【００２８】
第１レンズ群Ｇ３１は、パネル面側に凹面を向けた凹メニスカスレンズ３１、凸レンズ３２、パネル面側に凹面を向けた凹メニスカスレンズ３３、スクリーン側に凹面を向けた凹メニスカスレンズ３４の計４枚のレンズで構成される。第２レンズ群Ｇ３２は、パネル面側に凸面を向けた凸メニスカスレンズ３５とスクリーン側に凹面を向けた凹メニスカスレンズ３６の接合レンズと、凸レンズ３７で構成される。第３レンズ群Ｇ３３は、凹レンズ３８と凸レンズ３９の接合レンズで構成される。第４レンズ群Ｇ３４は、凹レンズ４０、凸レンズ４１、凹レンズ４２と凸レンズ４３の接合レンズ、凸レンズ４４で構成される。第５レンズ群Ｇ３５は凸レンズ４５からなる。
【００２９】
投映用ズームレンズ３０は、フォーカス時にｄ8 が変化して、第１レンズ群Ｇ３１のみが投映光軸Ｌ２に沿ってスクリーン側とパネル側とに進退し、他のレンズ群は固定される。変倍時においては、ｄ14，ｄ17，ｄ26が変化し、第２レンズ群Ｇ３２、絞りＳ２、第３レンズ群Ｇ３３が光軸Ｌ２に沿って移動する。第２レンズ群Ｇ３２と絞りＳ２は一体となって移動する。以下に、投映距離無限遠時の広角端、標準、望遠端における全系の焦点距離、Ｆナンバー、可変面間隔を示す。
【００３０】
【表５】
0004139606.tif 000006
【００３１】
本実施例において、投射距離無限遠時のレンズ系全長ｌinf 、絞り偏心量ｈ2 、第１レンズ群Ｇ３１〜第４レンズ群Ｇ３５の焦点距離ｆ1 〜ｆ5 、広角端における全系の焦点距離ｆw はそれぞれ
ｌinf ＝１５１．５ｍｍ
ｈ2 ＝５．３０ｍｍ
ｆ1 ＝−３６．６１ｍｍ
ｆ2 ＝４２．００ｍｍ
ｆ3 ＝１０６．２２ｍｍ
ｆ4 ＝−３３７．８３ｍｍ
ｆ5 ＝６８．０５ｍｍ
ｆw ＝２８．６１ｍｍ
である。また、各レンズ群の焦点距離とｆw の比は、
ｆ1 ／ｆw ＝−１．２８
ｆ2 ／ｆw ＝１．４７
ｆ3 ／ｆw ＝３．７１
ｆ4 ／ｆw ＝−１１．８１
ｆ5 ／ｆw ＝２．３８
であり、本発明の特徴値ｆ2 ／ｆw 、ｆ3 ／ｆw はそれぞれ条件式
１）１．０＜ｆ2 ／ｆw ＜１．６
２）３．６＜ｆ3 ／ｆw ＜６．２
を満たしている。
【００３２】
絞りＳ２が投映光軸Ｌ２から図中下方に５．３ｍｍ偏心することにより、各像高における平均出射傾角θは以下の表のとおりとなる。
【００３３】
【表６】
0004139606.tif 000007
【００３４】
上表に見られるように、平均出射傾角θは、広角時、標準時、望遠時いずれにおいても、本発明の特徴式
３）２°＜θ＜９°
を満たしている。また、平均出射傾角θの各像高におけるバラツキは１．１度〜１．７度以内に抑えられ、パネル面からの出射光線がほぼ平行となっていることがわかる。図７及び図８に広角時と望遠時の収差図をそれぞれ示す。投映用ズームレンズ３０は、諸収差が良好に補正されて優れた光学性能を示している。
【００３５】
（実施例３）
図９において、投映用ズームレンズ５０は、スクリーン側から順に第１レンズ群Ｇ５１〜第５レンズ群Ｇ５５をなす計１５枚のレンズと平行ガラス６６とによって構成されている。第２レンズ群Ｇ５２と第３レンズ群Ｇ５３の間には絞りＳ３が設けられている。投映用ズームレンズ５０のレンズデータを以下に示す。
【００３６】
【表７】
0004139606.tif 000008
【００３７】
第１レンズ群Ｇ５１は、パネル面側に凹面を向けた凹メニスカスレンズ５１、凸レンズ５２、パネル面側に凹面を向けた凹メニスカスレンズ５３、凹レンズ５４の計４枚のレンズで構成される。第２レンズ群Ｇ５２は、パネル面側に凸面を向けた凸メニスカスレンズ５５とスクリーン側に凹面を向けた凹メニスカスレンズ５６の接合レンズと、凸レンズ５７で構成される。第３レンズ群Ｇ５３は、凹レンズ５８と凸レンズ５９の接合レンズで構成される。第４レンズ群Ｇ５４は、凹レンズ６０と凸レンズ６１の接合レンズからなる。第５レンズ群Ｇ５５は、凹レンズ６２と凸レンズ６３の接合レンズ、凸レンズ６４、凸レンズ６５で構成されている。
【００３８】
投映用ズームレンズ５０は、フォーカス時にｄ8 が変化して、第１レンズ群Ｇ５１が光軸Ｌ３上を移動し、他のレンズ群は固定される。変倍時においては、ｄ13，ｄ17，ｄ20が変化して第２レンズ群Ｇ５２、絞りＳ３、第３レンズ群Ｇ５３、第４レンズ群Ｇ５４が光軸Ｌ３に沿って移動する。第３レンズ群Ｇ５３と絞りＳ３は一体となって移動する。投映距離無限遠時の広角端、標準、望遠端における全系の焦点距離、Ｆナンバー、可変面間隔を示す。
【００３９】
【表８】
0004139606.tif 000009
【００４０】
本実施例において、投射距離無限遠時のレンズ系全長ｌinf 、絞り偏心量ｈ3 、第１レンズ群Ｇ５１〜第５レンズ群Ｇ５５の焦点距離ｆ1 〜ｆ5 、広角端における全系の焦点距離ｆw はそれぞれ
ｌinf ＝１３４．４ｍｍ
ｈ3 ＝５．５０ｍｍ
ｆ1 ＝−３８．１８ｍｍ
ｆ2 ＝３２．０２ｍｍ
ｆ3 ＝１６９．８３ｍｍ
ｆ4 ＝−５２．０８ｍｍ
ｆ5 ＝３８．３８ｍｍ
ｆw ＝２８．６２ｍｍ
である。また、各群の焦点距離とｆw の比の値はそれぞれ
ｆ1 ／ｆw ＝−１．３３
ｆ2 ／ｆw ＝１．１２
ｆ3 ／ｆw ＝５．９３
ｆ4 ／ｆw ＝−１．８２
ｆ5 ／ｆw ＝１．３４
であり、条件式
１）１．０＜ｆ2 ／ｆw ＜１．６
２）３．６＜ｆ3 ／ｆw ＜６．２
をそれぞれ満たす。
【００４１】
絞りＳ３が投映光軸Ｌ３から５．５ｍｍ偏心することにより、各像高における平均出射傾角θは以下の表のとおりとなる。
【００４２】
【表９】
0004139606.tif 000010
【００４３】
上表に見られるように、平均出射傾角θは、広角時、標準時、望遠時いずれにおいても、本発明の特徴式
３）２°＜θ＜９°
を満たしている。また、平均出射傾角θの各像高におけるバラツキは１．７度〜２．５度以内に抑えられ、パネル面からの出射光線がほぼ平行となっている。図１０及び図１１に示す広角時と望遠時の収差図より、諸収差が良好に補正されていることがわかる。
【００４４】
なお、本発明はＤＭＤプロジェクタに限られず、画像表示パネルとして液晶表示素子（ＬＣＤ）などの他のデバイスを用いたプロジェクタに用いてもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明の投映用レンズによれば、投映光軸に対して垂直方向に偏心した絞りを設けたので、有効像円からの出射光線が軸上から軸外に渡って平行となって傾けられ、照度ムラの小さい投映描写が可能となる。よって、後玉径の小型化、光学性能の向上が実現でき、低コストで質の良い投映用レンズを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】望遠端、広角端における第１実施例のレンズ構成図である。
【図２】平均出射傾角θの説明図である。
【図３】有効像円の説明図である。
【図４】広角端における（ａ）球面収差図、（ｂ）非点収差図、（ｃ）歪曲収差図である。
【図５】望遠端における（ａ）球面収差図、（ｂ）非点収差図、（ｃ）歪曲収差図である。
【図６】望遠端、広角端における第２実施例のレンズ構成図である。
【図７】広角端における（ａ）球面収差図、（ｂ）非点収差図、（ｃ）歪曲収差図である。
【図８】望遠端における（ａ）球面収差図、（ｂ）非点収差図、（ｃ）歪曲収差図である。
【図９】望遠端、広角端における第３実施例のレンズ構成図である。
【図１０】広角端における（ａ）球面収差図、（ｂ）非点収差図、（ｃ）歪曲収差図である。
【図１１】望遠端における（ａ）球面収差図、（ｂ）非点収差図、（ｃ）歪曲収差図である。
【符号の説明】
１０，３０，５０  投映用ズームレンズ
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３  絞り
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３  投映光軸
【図１】
0004139606.tif 000011
【図２】
0004139606.tif 000012
【図３】
0004139606.tif 000013
【図４】
0004139606.tif 000014
【図５】
0004139606.tif 000015
【図６】
0004139606.tif 000016
【図７】
0004139606.tif 000017
【図８】
0004139606.tif 000018
【図９】
0004139606.tif 000019
【図１０】
0004139606.tif 000020
【図１１】
0004139606.tif 000021