JPH0774858B2

JPH0774858B2 - 投影レンズ

Info

Publication number: JPH0774858B2
Application number: JP60246044A
Authority: JP
Inventors: 大二郎藤江
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1985-11-01
Filing date: 1985-11-01
Publication date: 1995-08-09
Anticipated expiration: 2010-08-09
Also published as: JPS62106427A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は、投影レンズ、特にCRT像を投影して大きな画
面を得るためのビデオプロジェクター用の投影レンズに
関する。

〔発明の背景〕

近年、大画面のテレビジヨン再生像を得る方法の一つと
して所謂ビデオプロジエクターが次第に普及しつつある
が、その再生像の品質を確保する上で投影レンズの性能
が重要な役割を担つている。

明るい投影像を得るために、口径比の大きな明るい投影
レンズが必要とされると同時にCRT像面からスクリーン
までの距離を短縮し、投影装置としてのキヤビネツトの
奥行きをコンパクトに収めるためには投影レンズの広画
角化が要求される。一般にビデオプロジエクターではＢ
（青）、Ｇ（緑）、Ｒ（赤）３色のCRTに対応した３本
の投影レンズが必要とされ、レンズを小型軽量化し、コ
ストの逓減をはかりつつ、上記のような高度な仕様を達
成するために非球面プラスチツクレンズを用いた投影レ
ンズが各種考案されている。

例えば、特開昭58-125007号公報に開示されたもので
は、第１図のレンズ構成図に示す如く、３個のレンズか
ら成っている。即ち、スクリーン側（図中左側）より正
の屈折力を有する第１レンズ成分G₁、正の屈折力を有す
る両凸形状の第２レンズ成分G₂、負の屈折力を有しスク
リーン側に強い曲率の面を向けた第３レンズ成分G₃によ
り構成されている。そして、第１レンズ成分G₁と第３レ
ンズ成分G₃とに非球面を用いて結像性能を良好に補正し
ているが、歪曲収差については第２図のように中間画角
で正方向に偏位し最周辺で負方向へ偏位し、所謂高次収
差の曲がりが発生している。このような歪曲収差特性に
なる主な原因として、第３レンズ成分G₃の構造に起因す
ることが考えられる。すなわち、第３レンズ成分はCRT
に最も近い位置に配置され、いわゆるフイールドフラッ
トナーとして主に像面湾曲を補正する機能を有するが大
口径で広画角な仕様のものは軸外コマ収差の劣化を防ぐ
ためにスクリーン側の面の曲率が光軸中心から離れるに
従つてゆるくなる形状となつている。この結果、歪曲収
差を正方向に偏位する負レンズの働きが周縁部で弱くな
り、歪曲収差の曲がりとなつてあらわれている。

このような歪曲収差の曲がりは、第２レンズ成分と第３
レンズ成分の間隔D₂が短くなるような配置においては、
各レンズ成分の屈折力を強くせざるを得ないため、より
顕著な傾向としてあらわれる。

具体的には第３レンズ成分とCRTのフェースプレート
面での反射によるコントラストの低下を防ぎ、液冷によ
るCRT特性の改善を目的としてシリコンゲルを封入する
場合、第１レンズ成分と第２レンズ成分との間にほぼ
45°に傾斜するミラーを設置し、コンパクトな配置を目
指す場合、拡大倍率が10倍を超える高倍率の拡大が要
求される場合等、いずれも第２レンズ成分と第３レンズ
成分との間隔D₂を短縮してバツクフオーカスを確保しな
ければならない配置がこれに相当する。

そして、特に歪曲収差に高次の曲がりがある場合には、
樽型歪曲収差に糸巻き型歪曲収差が合成されたいわゆる
陣笠状歪曲となり好ましくない。

その上、ビデオプロジエクターの投影レンズでは、以下
の様な問題も生じる。一般のビデオプロジエクターは第
３図の様に、Ｇ（Green）Ｂ（Blue）Ｒ（Red）３色の各
CRTによる像を、それぞれの投影レンズL_B,L_G,L_Rによっ
てスクリーンＳに合成投影することにより、整色された
画像が得られる。この時、投影レンズの配置上の制約か
ら中央のＧ管に対しＢ管とＲ管は各々θだけ傾いた方向
から投影される。そして、画面の周辺まで解明な像を得
るためには周知の如くアオリの原理（シャインプルフの
原理）に従い、Ｂ管及びＲ管用の投影レンズ及びCRTを
傾けた配置にすれば良い。この場合、傾けて配置された
投影レンズL_B,L_Rによって得られる像は、第4A図の如
く、長方形のものが台形になつてしまう。そこでＢ管と
Ｒ管のCRTの走査倍率を部分的に変えて補正することに
より、はじめてスクリーン上でＢ・Ｇ・R3管による投影
像の形状が正確に重なり自然な色調の画像が得られる。

ところが、この時投影レンズの歪曲収差に第２図のよう
に顕著な高次の曲がりがある場合には第4B図の様な像に
なり、CRT上での補正が困難となる。そして、その結果
画面周辺部で色ズレが生じ、画質の低下となつてあらわ
れていた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は高次の歪曲収差が良好に補正された、大
口径で広画角なビデオプロジエクター用投影レンズを提
供することにある。

〔発明の概要〕

本発明による投影レンズは、物体面としてのCRT上の画
像をスクリーンに投影するための投影レンズであって、
スクリーン側より順に正の屈折力を有する第１レンズ成
分L₁、正屈折力を有しその両側のレンズ面がともに凸面
である第２レンズ成分L₂、スクリーン側に凸面を向けた
メニスカス形状を有する第３レンズ成分L₃、及び負の屈
折力を有しそのスクリーン側の面が凹面である第４レン
ズ成分L₄により構成されている。

このような基本構成により、第１レンズ成分は球面収差
と軸外のコマ収差の補正機能をもち、第２レンズ成分は
第１レンズ成分により補正しきれない球面収差とコマ収
差を補正する機能をもち、第３レンズ成分は歪曲収差を
良好に補正する機能を有し、第４レンズ成分はフイール
ドフラツトナーとしてペッツバール和の補正、すなわち
像面湾曲、非点収差の補正機能を有する。

このような補正機能を十分に果たすためには、第１レン
ズ成分、第３レンズ成分、第４レンズ成分の各レンズ面
のうちの少なくとも１つの面を非球面化することが望ま
しい。また非球面を有するレンズは、加工上、レンズ素
材をプラスチツクとすることにより、コストの大幅な逓
減が見込まれる。

そして、特に歪曲収差を良好に補正するためには、第３
レンズ成分の形状が第３レンズ成分の最もスクリーンに
近い面の曲率半径をr_A、最もCRTに近い面の曲率半径をr
_Bとしたときにの条件を満足することが望ましい。尚、第３レンズ成分
L₃はCRT側の面がより強い負の屈折力を持つメニスカス
形状でありその屈折力は弱い負である。

（１）式の条件は、第３レンズ成分がスクリーン側に凸
面を向けたメニスカス形状であることを意味し、下限を
外れると歪曲収差の補正は過剰となり、反対に上限を越
えると歪曲収差は補正不足になる。また、この条件の下
限を外れると外方コマ収差が大となり、広画角の仕様が
達成し得ない。また、上限を越えると球面収差が補正過
剰となりフレアが増大する。

他の諸収差の悪化を招かないで、歪曲収差を、高次の収
差による曲がりも含めて良好に補正するためには、第３
レンズ成分のCRT側の面を非球面にすることが望まし
い。そして、この第３レンズ成分の非球面形状は次式を
満足する構成とすることが望ましい。

ここで、 AS-S:有効径最周辺における非球面と、所定の頂点曲率
半径を有する基準球面との光軸方向の差 P_B：全系の焦点距離で正規化されたCRT側の面の頂点屈
折力つまり n:第３レンズ成分の屈折率 f:全系の焦点距離と定義される。

第３レンズ成分の非球面形状が上記（２）式の下限を外
れると、高次の歪曲収差の補正効果が減少し、逆に上限
を越えると歪曲収差の補正が過剰になると同時に像高が
大なる光束について外方コマ収差が大となり、第４レン
ズ成分の非球面の効果をもつてしても補正しきれない。

更に、歪曲収差をはじめして諸収差をより良好に補正す
るためには、第３レンズ成分の焦点距離f₃について、下
記（３）式の条件を満足することが望ましい。

−20＜f₃/f＜−2.0 ……（３）第３レンズ成分の焦点距離f₃の値が（３）式の下限を外
れ負レンズ成分としての屈折力が弱くなる場合には、全
系のペッツバール和を良好に保って像面湾曲を良好に補
正するために、第４レンズ成分の屈折力を強くしなけれ
ばならず、像高の大きな光束について、コマ収差が悪化
するか、あるいは第４レンズ成分のスクリーン側の面の
非球面の働きにより、歪曲収差の曲がりが顕在化してく
る。逆に上限を超える場合には、第３レンズ成分の負の
屈折力が強くなり過ぎ、全系のバランスをとるために第
２レンズ成分の正屈折力が強くなり球面収差の補正が不
足する。

更に、歪曲収差を高次の曲がりも含めて良好に補正する
ためには、第３レンズ成分の配置を下記の（４）の条件
式の範囲内に構成することが望ましい。

1.0＜D₆／D₄＜6.0 ……（４）ここで、 D₄：第２レンズ成分と第３レンズ成分の光軸上の間隔 D₆：第３レンズ成分と第４レンズ成分の光軸上の間隔条件式（４）の上限を越えることは、第３レンズ成分が
第２レンズ成分に接近することを意味し、このような配
置においては軸外光束が第３レンズ成分を通る光軸から
の高さが、軸上光束のものと差程離れていないため、軸
光光束の性能を悪化させずに軸外の歪曲収差のみを補正
する効果が薄くなる。

一方、（４）の下限を外れて第３レンズ成分が第４レン
ズ成分と接近した配置となる場合には、レンズのフチ厚
が小さくなってレンズの有効径を確保できなくなるとい
うの制約があり、有効な広い画角を維持するのが困難に
なる。

前述したように、第１レンズ成分、第３レンズ成分、第
４レンズ成分の中に各々少なくとも１つの面が非球面化
されたプラスチツクを素材とするレンズを構成要素とし
て含むことは、収差補正上からも製造コストの面からも
有利である。しかし、プラスチツクレンズの欠点の一つ
である屈折率の温度変化による性能の劣化を最小限に防
ぐためには、全系の中で最も屈折率が強い第２レンズ成
分を硝子レンズにより構成することが望ましい。これに
よって、屈折率の温度変化による像点位置の変動を小さ
くすることが可能になる。このために、第３レンズ成分
の屈折力は、下記（５）式の範囲に設定することが望ま
しい。

0.8＜f₂/f＜1.1 ……（５）ここで、 f₂：第２レンズ成分の焦点距離第２レンズ成分の焦点距離が（５）式の上限を越えると
第１レンズ成分の屈折力を強くしなければならず、軸外
コマ収差の補正が困難になると同時に、第１レンズ成分
をプラスチツクレンズのみで構成した場合には温度変化
による性能劣化が大になる。反対に（５）式の下限を外
れると、球面収差が補正不足になる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第５図は本発明による第１実施例のレンズ構成図であ
る。図中には画面中心及び最大像高（ｙ＝63.5mm）に達
する光束の光路を示した。

本実施例の投影レンズは、スクリーン側より正の屈折力
を有する第１レンズL₁、正の屈折力を有し両凸形状の第
２レンズL₂、CRT側に凹面を向けたメニスカス形状の第
３レンズL₃、負の屈折力を有しスクリーン側に強い曲率
の凹面を向けた第４レンズL₄、その後方にレンズとCRT
をカツプリングする目的で光学的にはほぼ平行平面板と
して扱えるシリコンゴムＳ、更にほぼ平行平面のCRT前
面ガラスＧを介して、物体面としての螢光面Ｐが配置さ
れている。

そして、第１レンズL₁、第４レンズL₄の各スクリーン側
の面（r₁,r₇）と、第３レンズL₃のCRT側の面（r₆）が非
球面になつている。また、非球面を有する第１レンズ
L₁、第３レンズL₃、第４レンズL₄はレンズ素材がアクリ
ルで構成され、第２レンズのみガラス素材で構成されて
いる。

実際にこの投影レンズを使用する際には、光線は物体面
としての螢光面Ｐから図示なきスクリーン上に集光され
るのであるが、光線逆進の原理に基づくレンズ設計上の
手法に沿って、以下ではスクリーン側から光線を入射し
て、この光線が螢光面Ｐに集光されるものとして説明す
る。

図中に示した物体面Ｐの中心、及び最大像高位置に達す
る光線により、各レンズの機能が容易に説明できる。す
なわち、物体面の中心に達する軸上光束は、第１レンズ
にはＦナンバーで決まる有効径いつぱいに入射するが、
第１レンズL₁と第２レンズL₂による屈折作用をうけて、
第３レンズL₃及び第４レンズL₄に入射する際には、第１
レンズL₁の有効径の各々1/2乃至1/4位の細い光束に収束
される。一方、軸外光束は第１、第２レンズL₁,L₂にお
いては、軸上光束によって決定される有効径の範囲内を
斜入射して屈折作用を受け、第３、第４レンズL₃,L₄中
では次第に入射高が大きくなる。従って、レンズ系のCR
T側になるほど、軸上光束が通過する光路と軸外光束が
通過する光路との分離が顕著になつてくる。

以上のことから、軸上光束の収差、即ち球面収差の補正
は第１、第２レンズL₁,L₂においてなされるのが効果的
であり、軸外光束の収差、非点収差、像面湾曲、コマ収
差、歪曲収差については、第１、第２レンズL₁,L₂の作
用に加えて第３レンズL₃及び第４レンズL₄の補正機能が
重要であることがわかる。すなわち、第１レンズL₁にお
いては球面収差の補正と同時に、軸外のコマ収差もバラ
ンス良く補正するためにスクリーン側に凸面を向けたメ
ンスカス正レンズとして、第１面を非球面とすることに
より補正効果を上げている。

第２レンズL₂は第５図からも明らかなように最も大きな
正の屈折力を有しており、素材の屈折率の温度変化によ
る像点位置の変動を防止するために硝子レンズにより構
成されている。また、レンズ形状も軸上光束と軸外光束
の収差バランスを考慮して両凸形状になっている。

第３レンズL₃の説明の前に第４レンズL₄の機能を説明す
る。第４レンズL₄は最もCRT像に近い位置にあり、像高
の違いによる光束の分離が最も顕著であるため、軸上光
束に悪影響を与えずに軸外光束の収差、特に像面湾曲の
補正を行なうことができ、いわゆるフイールドフラツト
ナーとして機能している。更に像面湾曲をより有効に補
正するために第４レンズのスクリーン側レンズ面の中心
曲率を強くする際に発生する軸外コマ収差については、
この面を非球面化することにより補正している。

そして、第３レンズL₃は、主に第４レンズL₄のスクリー
ン側レンズ面の非球面化に伴う高次の歪曲収差を補正し
ている。即ち、前述した如く、軸外コマ収差の劣化を防
ぐために第４レンズのスクリーン側の面の曲率が光軸中
心から離れるに従ってゆるくなる形状となつているた
め、歪曲収差を正方向に偏位する発散作用が周縁部で弱
くなり、歪曲収差の曲がりとなつて現れるのを、第３レ
ンズのスクリーン側に凸な発散面によって良好に補正可
能としている。更に、この第３レンズは全系における諸
収差を良好に補正する機能をも有している。

第１実施例の諸元を下記の表１に示す。

表中、r₁,r₂,r₃……はスクリーン側から順次の各レンズ
面の曲率半径を表わし、d₁,d₂,d₃……は各レンズ中心厚
及びレンズ間隔、n₁,n₂,n₃……は各レンズのｅ線（λ＝
546.1nm）に対する屈折率、ν₁,ν₂,ν₃……はアツベ数
を表わす。またf₁,f₂,f₃……は各レンズの焦点距離、ｆ
は全系の焦点距離を表わす。また、非球面形状は光軸方
向をＸ軸とした直角座標において、頂点曲率をＣ、Ｋを
円錐定数、C₂,C₄,C₆,C₈,C₁₀を高次定数をするとき、ここでで表される回転対称非球面であり、表中にこれらの非球
面係数の値も示した。（以下の実施例についても同様）第６図に上記第１実施例についての諸収差図を示す。こ
れらの収差図は、スクリーン側から光線が入射するもの
とし、CRT面上での収差量を表している。尚、各収差
は、ｅ線（λ＝546.1nm）を基準光線とするものであ
る。

第７図は本発明による第２実施例のレンズ構成図であ
る。

第２実施例による投影レンズは、第１実施例によるもの
と基本的には同様の配置であるが、最も屈折力の強い第
２レンズL₂を両凸正レンズL₂₁と負メニスカスレンズL₂₂
との接合色消レンズとすることにより全系の軸上色収差
の改善を図つたものである。

第２実施例の諸元を下記の表２に示す。

上記第２実施例の投影レンズの諸収差を第８図に示す。

第９図は本発明による第３実施例のレンズ構成図であ
る。

第３実施例による投影レンズは第１レンズL₁のと第２レ
ンズとの間に45°傾斜したミラーを挿入して、光路を折
り曲げることによって投影装置を小型に構成出来するた
めに、第１レンズL₁のと第２レンズとの間隔d₂を大きく
確保したものである。

第３実施例の諸元を下記に記す。

第３実施例の投影レンズの諸収差図を第10図に示す。

第11図は本発明による第４実施例のレンズ構成図であ
る。

第４実施例による投影レンズは第１レンズL₁をアクリル
製非球面レンズL₁₁と、L₁₂、L₁₃よりなる色消し接合レン
ズで構成し、第２レンズ成分L₂をL₂₁とL₂₂による接合レ
ンズで構成することにより、軸上色収差とともに倍率色
収差も良好に補正したものである。

従つて各CRTのスペクトル線の広がりによる画質の低下
が無視出来ないような、いわゆる高品位画像（High Vis
ion）用にも十分使用可能である。

また、ほぼ可視域で色収差が補正されているので、白色
の単音CRTを用いて投影することも可能である。

第４実施例の諸元を下記に記す。

第４実施例の投影レンズの諸収差を第12図に示す。

第12図には色収差の補正状態を示すために、ｅ線に加え
て、ｇ線（λ＝435.8nm）及びｃ線（λ＝656.3nm）につ
いての球面収差、またｅ線に対するｇ線、ｃ線の倍率色
収差をも示した。

第13図は本発明による第５実施例のレンズ構成図であ
る。第５実施例による投影レンズは、第４実施例と同様
な配置により色収差が補正されている。更に、第１レン
ズ成分L₁を、屈折力が十分強い硝子レンズL₁₁と合成屈
折力が十分弱いプラスチツク製接合レンズとで構成する
ことにより、温度変化による像点位置の変動を実用上無
視できる程度に補正したものである。このプラスチツク
接合レンズは色消しを達成するため、正レンズL₁₂には
低分散のアクリルを、負レンズL₁₃には高分散のポリカ
ーボネートまたはポリスチレンを用いれば良い。また球
面収差の補正のために貼合せレンズのスクリーン側レン
ズ面r₃面を非球面化している。

第５実施例の投影レンズの諸収差を第14図に示す。

第14図にも、第12図と同様に、色収差の補正状態を示す
ために、ｅ線に加えて、ｇ線（λ＝435.8nm）及びｃ線
（λ＝656.3nm）についての球面収差、またｅ線に対す
るｇ線、ｃ線の倍率色収差をも示した。

第15図は本発明による第６実施例のレンズ構成図であ
る。

第６実施例による投影レンズは、前記第５実施例のもの
とほぼ同様の構成であるが、色収差の補正に加えて、温
度変化に伴う像点位置の変動をより良好に補正したもの
である。

投影倍率を大きく変化させる必要がある場合等は、本実
施例のように第４レンズL₄とCRTフェースプレートＧと
の間隔d₁₂にシリコンゲルを充填しないで可変にしてお
いても良い。

第６実施例の諸元を下記の表６に示す。

第６実施例の投影レンズの諸収差を第16図に示す。第16
図においても、色収差の補正状態を示すために、ｅ線に
加えて、ｇ線（λ＝435.8nm）及びｃ線（λ＝656.3nm）
についての球面収差、またｅ線に対するｇ線、ｃ線の倍
率色収差をも示した。

上記各実施例についての諸収差図によれば、本発明によ
る各実施例とも、広画角であるにもかかわらず諸収差が
良好に補正されており、特に歪曲収差の曲がりがほとん
どない状態にまで良好に補正されていることが明らかで
ある。

なお、本発明による各実施例について、本願発明による
上記各条件式の対応値を、下記の表７に掲げておく。

（発明の効果）以上のように、本発明によれば口径比1:1.03〜1:1.2の
明るさを有しつつ、半画角22°〜28°という広画角であ
りながら優れた結像性能を有し、しかも諸収差が良好に
補正されたビデオプロジェクター用投影レンズが達成さ
れる。広画角であるために、投影装置を小型に構成する
ことができると共に、広画角であるにもかかわらず歪曲
収差の高次の曲がりが良好に補正されているため、３管
式の投影装置とする場合に、アオリの効果による倍率変
化をCRTの走査倍率の変更によって容易に補正すること
が可能となるため、B,G,Rの３管による像が周辺部にお
いても正確に重ねられ、色ににじみのない鮮明なカラー
投影像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の投影レンズの一例を示すレンズ構成図、
第２図は第１図に示した公知の投影レンズについての歪
曲収差図、第３図は３管式のビデオプロジェクターの配
置説明図、第4A図及び第4B図はアオリによる投影像の変
形の様子を説明する図、第５図は本発明による第１実施
例のレンズ構成図、第６図は第１実施例についての諸収
差図、第７図は本発明による第２実施例のレンズ構成
図、第８図は第２実施例についての諸収差図、第９図は
本発明による第３実施例のレンズ構成図、第10図は第３
実施例についての諸収差図、第11図は本発明による第４
実施例のレンズ構成図、第12図は第４実施例についての
諸収差図、第13図は本発明による第５実施例のレンズ構
成図、第14図は第５実施例についての諸収差図、第15図
は本発明による第６実施例のレンズ構成図、第16図は第
６実施例についての諸収差図、である。〔主要部分の符号の説明〕 L₁……第１レンズ成分 L₂……第２レンズ成分 L₃……第３レンズ成分 L₄……第４レンズ成分

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スクリーン側より順に正の屈折力を有する
第１レンズ成分L₁、正屈折力を有しその両側のレンズ面
がともに凸面である第２レンズ成分L₂、スクリーン側に
凸面を向けたメニスカス形状を有する第３レンズ成分
L₃、及び負の屈折力を有しそのスクリーン側の面が凹面
である第４レンズ成分L₄を有し、前記第３レンズ成分の最もスクリーン側に近い面の曲率
半径をr_A、最も物体側に近い面の曲率半径をr_Bとすると
き、の条件を満足することを特徴とする投影レンズ。
【請求項２】前記第３レンズ成分の物体側の面を非球面
とし、該非球面形状は次式を満足することを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の投影レンズ。ここで、 AS-S:有効径最周辺における非球面と、所定の頂点曲率
半径を有する基準球面との光軸方向の差 P_B：全系の焦点距離で正規化された該非球面の頂点屈折
力つまり n:第３レンズ成分の屈折率 f:全系の焦点距離と定義される。
【請求項３】さらに、f₃を前記第３レンズ成分の焦点距
離、d₄を前記第２レンズ成分と前記第３レンズ成分との
光軸上の間隔、D₆を前記第３レンズ成分と前記第４レン
ズ成分との光軸上の間隔とするとき、 −20＜f₃/f＜−2.0 （３） 1.0＜D₆／D₄＜6.0 （４）の各条件を満足することを特徴とする特許請求の範囲第
２項記載の投影レンズ。
【請求項４】さらに、f₂を前記第２レンズ成分の焦点距
離とするとき、 0.8＜f₂/f＜1.1 （５）の条件を満足することを特徴とする特許請求の範囲第３
項記載の投影レンズ。