(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクリーン側から順に、
該スクリーンと、
投影レンズと、
該投影レンズに入射する色光に所定の画像情報を担持せしめる液晶パネルと、
入射された光を、該液晶パネルに照射する色光に分離する色分離光学系と、
該色分離光学系への光を出射する光源と、
を備え、
前記投影レンズは、
小さな共役側に強い曲率の凹面を向けた凹レンズと凸レンズからなる第１レンズ群、少なくとも１枚の凹レンズと２枚の凸レンズとからなる第２レンズ群、および被投影物の近傍に配される正のパワーを有するフレネルレンズからなる第３レンズ群とからなり、前記第１レンズ群と第２レンズ群は各々少なくとも１つの非球面を有するレンズを備え、
共役長を変化させて投影倍率を変化させる場合に、前記第３レンズ群のフレネルレンズは固定とし、前記第１レンズ群と第２レンズ群はその間隔を変化させながら移動せしめてフォーカシングを行うようにし、
前記第１レンズ群の凹レンズのアッベ数をν１、前記第２レンズ群の凹レンズのアッベ数をν２としたとき、
ν１＞ν２      （１）
なる条件式（１）を満足し、
前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１、全レンズ系の焦点距離をｆ０としたとき、
｜ｆ１｜＞ｆ０      （２）
なる条件式（２）を満足するように構成されてなり、
前記スクリーンと前記第１レンズ群との間、および前記第２レンズ群と前記第３レンズ群との間に光路を折り曲げる反射ミラーを配設してなることを特徴とする液晶ビデオプロジェクタ。
【請求項２】
前記フレネルレンズは非球面を有していることを特徴とする請求項１記載の液晶ビデオプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、投影用の広角レンズに関し、詳しくはカラー液晶プロジェクションＴＶに使用される投射レンズ等の投影レンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶プロジェクションテレビは液晶パネルに映出された画像を投影レンズを用いて大型スクリーン上に投影するものであり、近年、劇場、展示場や飛行機内等においてよく使用されている。
カラー液晶プロジェクタには液晶パネルを１枚使用する単板式のものと、３枚使用する３板式のものが知られており、前者は後者に比べ小型軽量で製造コストも安価であるため注目されているが、一方で色分離にカラーフィルタを使用していたためスクリーン照度が低下するという欠点がある。
【０００３】
そこで近年、カラーフィルタを使用せずにフルカラー画像を再生できる液晶ビデオプロジェクタを開発する試みがなされている（例えば、平成６年10月18日付け日経産業新聞に記載の液晶ビデオプロジェクタ）。
液晶ビデオプロジェクタの光学系としては、例えば図６に示す如き構成としたものが知られている。すなわち、この光学系９は、光源11からの光12を、この光12が互いに異なる入射角度で入射するように配された３つのダイクロイックミラー13Ａ，13Ｂ，13Ｃによって青，赤，緑の３原色光に分離し、各原色光をマイクロレンズアレイ14を用いて液晶パネル４の各ピクセルに集光し、この液晶パネル４を透過し、画像情報を担持した各原色光を投射レンズ15を用いて図示されないスクリーン上に投影するように構成されている。
【０００４】
ところで、上記図６に示す如き構成とした場合に、３つのダイクロイックミラー13Ａ，13Ｂ，13Ｃから反射された各原色光は液晶パネル４に対し、互いに異なった角度で入射することから、これら各原色光の光量を投射レンズ15内に配された絞り内に有効に入射させるためには、この投射レンズ15がテレセントリックであること、さらにはこの投射レンズ15の周辺光束にケラレが生じないように配慮することが重要となる。
【０００５】
しかしながら、上述した如き従来技術における投射レンズ15では、テレセントリックの条件は略満足しているものの、周辺光束のケラレに対する配慮がなされていなかったため、このままではスクリーン上の投影画像の左右部分に色ムラが生じてしまう。前述したように、各原色光が互いに広がりをもって投射レンズ15に入射し、このため周辺光量の割合が大きい、図６に示す如き構成とされた液晶ビデオプロジェクタにおいては、この周辺光束のケラレを小さくするように投射レンズ15を形成することが特に要求される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、テレセントリックで周辺光束にケラレがなく、装置全体をコンパクトにまとめることのできる投影レンズを提供することを目的とするものである。
また、上記目的に加えて投影倍率が変化しても周辺光束について像質の劣化が少ない投影レンズを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願発明の液晶ビデオプロジェクタは、スクリーン側から順に、
該スクリーンと、
投影レンズと、
該投影レンズに入射する色光に所定の画像情報を担持せしめる液晶パネルと、
入射された光を、該液晶パネルに照射する色光に分離する色分離光学系と、
該色分離光学系への光を出射する光源と、
を備え、
前記投影レンズは、
小さな共役側に強い曲率の凹面を向けた凹レンズと凸レンズからなる第１レンズ群、少なくとも１枚の凹レンズと２枚の凸レンズとからなる第２レンズ群、および被投影物の近傍に配される正のパワーを有するフレネルレンズからなる第３レンズ群とからなり、前記第１レンズ群と第２レンズ群は各々少なくとも１つの非球面を有するレンズを備え、
共役長を変化させて投影倍率を変化させる場合に、前記第３レンズ群のフレネルレンズは固定とし、前記第１レンズ群と第２レンズ群はその間隔を変化させながら移動せしめてフォーカシングを行うようにし、
前記第１レンズ群の凹レンズのアッベ数をν１、前記第２レンズ群の凹レンズのアッベ数をν２としたとき、
ν１＞ν２      （１）
なる条件式（１）を満足し、
前記第１レンズ群の焦点距離をｆ１、全レンズ系の焦点距離をｆ０としたとき、
｜ｆ１｜＞ｆ０      （２）
なる条件式（２）を満足するように構成されてなり、
前記スクリーンと前記第１レンズ群との間、および前記第２レンズ群と前記第３レンズ群との間に光路を折り曲げる反射ミラーを配設してなることを特徴とするものである。
【０００８】
また、前記フレネルレンズは非球面を有していることが好ましい。
【０００９】
【作用】
本願発明の目的は上述したごとく構成された広角レンズにより達成される。以下、各レンズ群毎にその作用について説明する。
まず、第１レンズ群において、投影物体側に強い凹面を向けた凹レンズを配しレトロフォーカスタイプの性格を持たせることにより、第２レンズ群と第３レンズ群の間にミラーを挿入するスペースを確保することができる程度の距離を持たせることができ、その結果光路を折り曲げることが可能となり、装置全体をコンパクトにまとめることができる。また投影角を広角にした場合、歪曲収差の補正が容易となり、またこの凹レンズと液晶パネルの間にあるレンズを通過する周辺光束の角度を鈍くすることができるから、諸収差の補正を容易とすることができる。また、この第１レンズ群の凸レンズは上記凹レンズとパワーのバランスを取り、かつ上記条件式（２）を満足させるために必要となる。なお、上記凸レンズのν値を上記凹レンズよりも小さくすると倍率色収差の補正が容易となり好ましい。
【００１０】
次に、第２レンズ群において、上記条件式（１）を満足する凹レンズを配することにより、倍率色収差、軸上色収差の補正が可能となる。この条件を満たさないと第１レンズ群および第２レンズ群中に色収差補正用のレンズが別に必要となりレンズ枚数が増加する。また、第２レンズ群の凸レンズは全体の焦点距離を保つ作用をし、このレンズが１枚ではパワーが強くなりすぎ諸収差の補正が困難となるため２枚以上とするのが望ましい。
また、第１レンズ群と第２レンズ群の少なくとも１つのレンズ面を非球面とすることにより、特にコマ収差を補正することが可能である。前述したように図６に示すごとき構成の液晶ビデオプロジェクタにおいては、周辺光束がどうしても多くなるためにコマ収差を補正することは極めて重要である。
【００１１】
さらに、上記第３レンズ群においては、液晶パネルの近傍にフィールドレンズとして作用する凸のパワーのフレネルレンズを配することによりテレセントリックな投影レンズ系を実現している。フレネルレンズを用いることにより、一般の凸レンズをフィールドレンズに使用した場合における像面がアンダーとなる傾向を回避することができ、像面の補正が容易となる。さらに、このフレネルレンズを非球面とすることで歪曲、像面湾曲に対しても補正が容易となる。
さらに、投影倍率が変化した場合に第３レンズ群を固定しておき、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔を調整しながらこれら両レンズ群を移動させてフォーカシングするようにすれば周辺像面を補正することが容易となる。また、この場合に上記条件式（２）を満足するようにすれば球面収差の変動を小さくすることができ中心付近の画質の劣化を防止することが可能となる。
【００１２】
【実施例】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
図５は、本発明の実施例に係る広角レンズを用いた液晶ビデオプロジェクタの概略図である。
すなわち、この液晶ビデオプロジェクタ８では、前述した如き図６に示す光源１１、３枚のダイクロイックミラー１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃおよび多数のレンズ素子１４Ａを配列されてなるレンズアレイ１４からなる色分離光学系９により液晶パネル４の各ドットに照射され、この液晶パネル４に映出された画像情報を担持し、３つのレンズ群１、２、３からなる投影レンズによりスクリーン７の裏面に投射される。視聴者１０はスクリーン７に投影された画像をこのスクリーン７の表面側から見ることになる。また、この液晶ビデオプロジェクタ８では装置全体をコンパクトとするため、２つの反射ミラー５,６を用いて光路を折り曲げるように構成されており、また、一方の反射ミラー５は投影レンズの第２レンズ群２と第３レンズ群３の間に位置するように構成されている。
【００１３】
以下、上記投影レンズについて詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係る広角レンズを示すレンズ系断面図である。
すなわち、このレンズ系は小さな共役側（液晶パネル側）に強い曲率の凹面を向けた凹レンズＬ1と凸レンズＬ2 からなる第１レンズ群１、１枚の凹レンズＬ3と２枚の凸レンズＬ4,Ｌ5からなる第２レンズ群２および液晶パネルＬ7（４）の近傍に配されるフレネルレンズＬ6からなる第３レンズ群をスクリーン側から液晶パネル側に配列してなる。
なお、図中Ｘは光軸を示す（図２，図３および図４において同じ）。
【００１４】
また、上記レンズＬ1 、Ｌ5 はプラスチックレンズにより形成されており、温度変化に対してピント移動が少なくなるような構成とされている。
この実施例１における各レンズ面の光軸Ｘ近傍の曲率半径Ｒ(mm)、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔ｄ(mm)、各レンズのｄ線における屈折率Ｎおよび各レンズのアッベ数νを下記表１に示す。
ただし、この表１において、各記号Ｒ，ｄ，Ｎ，νに付した数字はスクリーン側からの順番を表わすものである。
【００１５】
なお、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔ｄ4および第２レンズ群と第３レンズ群の間隔ｄ9は可変であり、低倍率時（１０倍）におけるｄ4およびｄ9は各々31.37mmおよび107.85mmとされ、高倍率時（１６倍）におけるｄ4およびｄ9は各々32.47mmおよび105.06mmとされている。
また、第１レンズ群の凹レンズであるレンズＬ1のアッベ数ν1は57.8であり、第２レンズ群の凹レンズであるレンズＬ3のアッベ数ν2は25.4であり、ν1＞ν2なる条件式が満足されている。
【００１６】
さらに、第１レンズ群の焦点距離ｆ1は453.1mm、レンズ群全系の焦点距離ｆ0は67.76mmであり、｜ｆ1｜＞ｆ0が満足されている。
また、レンズＬ1 およびレンズＬ5の両面、さらにはフレネルレンズＬ6の液晶パネル側の面は非球面であり、その形状は非球面式
【数１】
0003753758.tif 000002
において各係数Ｃ，Ｋ，ａ2 ，ａ4 ，ａ6 ，ａ8 ,ａ10の値を下記表２に示したもので表わされる。上記非球面式においてＸはそのレンズ面からの光軸Ｘ方向の距離であり、Ｙは光軸Ｘと垂直方向の光軸Ｘからの距離である。また、Ｃは曲率を表わす。
【００１７】
【表１】
0003753758.tif 000003
【００１８】
【表２】
0003753758.tif 000004
【００１９】
なお、上記表１のレンズデ−タで最終２面間距離ｄ12は液晶パネルのガラス基板と偏光フィルタの厚みを合計したものである。
図２は、本発明の第２の実施例に係る広角レンズを示すレンズ系断面図である。
すなわち、このレンズ系は小さな共役側（液晶パネル側）に強い曲率の凹面を向けた凹レンズＬ1と凸レンズＬ2 からなる第１レンズ群、１枚の凹レンズＬ5 と３枚の凸レンズＬ3,Ｌ4,Ｌ6からなる第２レンズ群および液晶パネルＬ8の近傍に配されるフレネルレンズＬ7からなる第３レンズ群をスクリーン側から液晶パネル側に配列してなる。
【００２０】
また、上記レンズＬ1、Ｌ2、Ｌ3はプラスチックレンズにより形成されており、温度変化に対してピント移動が少なくなるような構成とされている。
この実施例２における各レンズ面の光軸Ｘ近傍の曲率半径Ｒ(mm)、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔ｄ(mm)、各レンズのｄ線における屈折率Ｎおよび各レンズのアッベ数νを下記表３に示す。
ただし、この表３において、各記号Ｒ，ｄ，Ｎ，νに付した数字はスクリーン側からの順番を表わすものである。
【００２１】
なお、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔ｄ4および第２レンズ群と第３レンズ群の間隔ｄ12は可変であり、低倍率時（１０倍）におけるｄ4およびｄ12は各々  39.41mmおよび107.3mmとされ、高倍率時（１６倍）におけるｄ4およびｄ12は各々40.72mmおよび105.28mmとされている。
また、第１レンズ群の凹レンズであるレンズＬ1のアッベ数ν1は57.8であり、第２レンズ群の凹レンズであるレンズＬ5のアッベ数ν2は23.9であり、ν1＞ν2なる条件式が満足されている。
【００２２】
さらに、第１レンズ群の焦点距離ｆ1は-389.92mm、レンズ群全系の焦点距離  ｆ0は66.87mmであり、｜ｆ1｜＞ｆ0が満足されている。
また、レンズＬ1 ,レンズＬ2およびレンズＬ3の両面、さらにはフレネルレンズＬ7の液晶パネル側の面は非球面であり、その形状は前述した非球面式において各係数Ｃ，Ｋ，ａ2 ，ａ4 ，ａ6 ，ａ8 ,ａ10の値を下記表４に示したもので表わされる。
【００２３】
【表３】
0003753758.tif 000005
【００２４】
【表４】
0003753758.tif 000006
【００２５】
なお、上記表３のレンズデ−タで最終２面間距離ｄ15は液晶パネルのガラス基板と偏光フィルタの厚みを合計したものである。
図３は、本発明の第３の実施例に係る広角レンズを示すレンズ系断面図である。
すなわち、このレンズ系はパワーの弱いメニスカスの凹レンズＬ1、小さな共役側（液晶パネル側）に強い曲率の凹面を向けた凹レンズＬ2と凸レンズＬ3 からなる第１レンズ群、１枚の凹レンズＬ5と３枚の凸レンズＬ4,Ｌ6,Ｌ7からなる第２レンズ群および液晶パネルＬ9の近傍に配されるフレネルレンズＬ8からなる第３レンズ群をスクリーン側から液晶パネル側に配列してなる。
【００２６】
また、このレンズ系では主たるパワーを有するレンズをガラスレンズとし、プラスチックレンズのパワーを弱くすることで、温度変化に対してピント移動が少なくなるような構成とされている。
この実施例３における各レンズ面の光軸Ｘ近傍の曲率半径Ｒ(mm)、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔ｄ(mm)、各レンズのｄ線における屈折率Ｎおよび各レンズのアッベ数νを下記表５に示す。
【００２７】
ただし、この表５において、各記号Ｒ，ｄ，Ｎ，νに付した数字はスクリーン側からの順番を表わすものである。
なお、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔ｄ6および第２レンズ群と第３レンズ群の間隔ｄ13は可変であり、低倍率時（１０倍）におけるｄ6およびｄ13は各々32.56mmおよび109.78mmとされ、高倍率時（１６倍）におけるｄ6およびｄ13は各々34.02mmおよび107.92mmとされている。
【００２８】
また、第１レンズ群の凹レンズであるレンズＬ2のアッベ数ν1は50.9であり、第２レンズ群の凹レンズであるレンズＬ5のアッベ数ν2は25.5であり、ν1＞ν2なる条件式が満足されている。
さらに、第１レンズ群の焦点距離ｆ1は282.37mm、レンズ群全系の焦点距離ｆ0は66.85mmであり、｜ｆ1｜＞ｆ0が満足されている。
また、レンズＬ1 およびレンズＬ4の両面、さらにはフレネルレンズＬ8の液晶パネル側の面は非球面であり、その形状は前述した非球面式において各係数Ｃ，Ｋ，ａ2 ，ａ4 ，ａ6 ，ａ8 ,ａ10の値を下記表６に示したもので表わされる。
【００２９】
【表５】
0003753758.tif 000007
【００３０】
【表６】
0003753758.tif 000008
なお、上記表５のレンズデ−タで最終２面間距離ｄ16は液晶パネルのガラス基板と偏光フィルタの厚みを合計したものである。
【００３１】
図４は、本発明の第４の実施例に係る広角レンズを示すレンズ系断面図である。
すなわち、このレンズ系はパワーの弱い凹レンズＬ1、小さな共役側（液晶パネル側）に強い曲率の凹面を向けた凹レンズＬ2 、凸レンズＬ3 からなる第１レンズ群、１枚の凹レンズＬ6と４枚の凸レンズＬ4,Ｌ5,Ｌ7,Ｌ8からなる第２レンズ群および液晶パネルＬ10の近傍に配されるフレネルレンズＬ9からなる第３レンズ群をスクリーン側から、液晶パネル側に配列してなる。
また、このレンズ系では主たるパワーを有するレンズをガラスレンズとし、プラスチックレンズのパワーを弱くすることで、温度変化に対してピント移動が少なくなるような構成とされている。
【００３２】
この実施例４における各レンズ面の光軸Ｘ近傍の曲率半径Ｒ(mm)、各レンズの中心厚および各レンズ間の空気間隔ｄ(mm)、各レンズのｄ線における屈折率Ｎおよび各レンズのアッベ数νを下記表７に示す。
ただし、この表７において、各記号Ｒ，ｄ，Ｎ，νに付した数字はスクリーン側からの順番を表わすものである。
なお、第１レンズ群と第２レンズ群の間隔ｄ6および第２レンズ群と第３レンズ群の間隔ｄ15は可変であり、低倍率時（１０倍）におけるｄ6およびｄ15は各々6.85mmおよび109.99mmとされ、高倍率時（１６倍）におけるｄ6およびｄ15は各々7.42mmおよび106.75mmとされている。
【００３３】
また、第１レンズ群の凹レンズであるレンズＬ2のアッベ数ν1は50.9であり、第２レンズ群の凹レンズであるレンズＬ6のアッベ数ν2は25.5であり、ν1＞ν2なる条件式が満足されている。
さらに、第１レンズ群の焦点距離ｆ1は97.42mm、レンズ群全系の焦点距離ｆ0は66.73mmであり、｜ｆ1｜＞ｆ0が満足されている。
また、レンズＬ1 およびレンズＬ5の両面、さらにはフレネルレンズＬ9の液晶パネル側の面は非球面であり、その形状は前述した非球面式において各係数Ｃ，Ｋ，ａ2 ，ａ4 ，ａ6 ，ａ8 ,ａ10の値を下記表８に示したもので表わされる。
【００３４】
【表７】
0003753758.tif 000009
【００３５】
【表８】
0003753758.tif 000010
【００３６】
なお、上記表７のレンズデ−タで最終２面間距離ｄ18は液晶パネルのガラス基板と偏光フィルタの厚みを合計したものである。
また、実施例１の収差図（球面収差（ＳＰＨ）、非点収差（ＡＳＴ）、像面湾曲（ＤＩＳ）、色収差（ＣＨＲ）およびコマ収差（ＣＯＭ）；以下同じ）を図７（低倍率時）および図８（高倍率時）に、実施例２の収差図を図９（低倍率時）および図１０（高倍率時）に、実施例３の収差図を図１１（低倍率時）および図１２（高倍率時）に、実施例４の収差図を図１３（低倍率時）および図１４（高倍率時）に示す。
【００３７】
これらの収差図からも明らかなように上記各実施例における広角レンズでは、各収差を良好なものとすることができる。
なお、本発明の広角レンズの構成としては上述した４つの実施例のものに限られるものではなく、種々の態様の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る広角レンズを示す断面図
【図２】本発明の実施例２に係る広角レンズを示す断面図
【図３】本発明の実施例３に係る広角レンズを示す断面図
【図４】本発明の実施例４に係る広角レンズを示す断面図
【図５】本発明の実施例に係る広角レンズを用いた液晶ビデオプロジェクタを示す概略図
【図６】図５に示すプロジェクタの色分離光学系を示す概略図
【図７】本発明の実施例１に係る広角レンズの収差図（低倍率時）
【図８】本発明の実施例１に係る広角レンズの収差図（高倍率時）
【図９】本発明の実施例２に係る広角レンズの収差図（低倍率時）
【図１０】本発明の実施例２に係る広角レンズの収差図（高倍率時）
【図１１】本発明の実施例３に係る広角レンズの収差図（低倍率時）
【図１２】本発明の実施例３に係る広角レンズの収差図（高倍率時）
【図１３】本発明の実施例４に係る広角レンズの収差図（低倍率時）
【図１４】本発明の実施例４に係る広角レンズの収差図（高倍率時）
【符号の説明】
１        第１レンズ群
２        第２レンズ群
３        第３レンズ群
４        液晶パネル
５，６    反射ミラー
７        スクリーン
８        液晶ビデオプロジェクタ
９        色分離光学系
１１      光源
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ    ダイクロイックミラー
１４      マイクロレンズアレイ
１５      投射レンズ
Ｌ        レンズ
【図１】
0003753758.tif 000011
【図２】
0003753758.tif 000012
【図３】
0003753758.tif 000013
【図４】
0003753758.tif 000014
【図５】
0003753758.tif 000015
【図６】
0003753758.tif 000016
【図７】
0003753758.tif 000017
【図８】
0003753758.tif 000018
【図９】
0003753758.tif 000019
【図１０】
0003753758.tif 000020
【図１１】
0003753758.tif 000021
【図１２】
0003753758.tif 000022
【図１３】
0003753758.tif 000023
【図１４】
0003753758.tif 000024