投射用变焦透镜及投射式显示装置.pdf

本发明提供一种投射用变焦透镜，其为5组9片结构且可将第1组设为简单的结构，并且将广角端的F值设为1.7以下，将视场角设为55°以上，能够良好地校正各种像差、廉价且小型。从放大侧依次具备：负的第1组(G1)、分别为正的第2组(G2)～第5组(G5)，缩小侧为远心的，9片透镜分配成在第1组(G1)为1片、在第2组(G2)为1片、在第3组(G3)为2片、在第4组(G4)为4片、在第5组(G5)为1片，至少将第2组(G2)、第3组(G3)、第4组(G4)作为变倍时的移动组，因此比起简单的结构，能够使各种像差良好。而且，第1组(G1)由将凹面朝向缩小侧的非球面透镜构成。

1.  一种投射用变焦透镜，其特征在于：
从放大侧依次由负的第1透镜组、正的第2透镜组、正的第3透镜组、正的第4透镜组及正的第5透镜组构成，
上述第1透镜组由通过将凹面朝向缩小侧的非球面透镜而成的第1透镜构成，
上述第2透镜组由通过正透镜而成的第2透镜构成，
上述第3透镜组从放大侧依次包括通过正透镜而成的第3透镜、及通过负透镜而成的第4透镜而构成，
上述第4透镜组从放大侧依次包括通过将凹面朝向放大侧的非球面透镜而成的第5透镜、通过负透镜而成的第6透镜、通过正透镜而成的第7透镜、及通过正透镜而成的第8透镜而构成，
上述第5透镜组由通过正透镜而成的第9透镜构成，
整个系统的缩小侧设为远心的。

2.  如权利要求1所述的投射用变焦透镜，其特征在于，
满足以下条件式(1)：
tanωw＞0.50……(1)
此处，
ωw是广角端的半视场角。

3.  如权利要求1或2所述的投射用变焦透镜，其特征在于，
满足以下条件式(2)：
L/I＜10.0……(2)
此处，
L是从最靠放大侧的面到最靠缩小侧的面的距离，
I是图像显示元件上的最大光线高度。

4.  如权利要求1～3中任1项所述的投射用变焦透镜，其特征在于，
满足以下条件式(3)：
Fw＜2.0……(3)
此处，
Fw是在广角端的FNo.。

5.  如权利要求1～4中任1项所述的投射用变焦透镜，其特征在于，
满足以下条件式(4)：

0.  2＜f2/f3＜1.0……(4)
此处，
f2是上述第2透镜组的焦距，
f3是上述第3透镜组的焦距。

6.  如权利要求1～5中任1项所述的投射用变焦透镜，其特征在于，
上述第1透镜的非球面是：通过在玻璃透镜的表面附设树脂层且将该树脂层的与该玻璃透镜侧相反侧的面形成为非球面形状的复合型非球面。

7.  如权利要求1～6中任1项所述的投射用变焦透镜，其特征在于，
上述第3透镜及上述第4透镜相互接合而构成接合透镜。

8.  如权利要求1～7中任1项所述的投射用变焦透镜，其特征在于，
上述第6透镜和上述第7透镜相互接合而构成接合透镜。

9.  如权利要求1～8中任1项所述的投射用变焦透镜，其特征在于，
构成为在变倍时上述第2透镜组、上述第3透镜组及上述第4透镜组沿着光轴可动，并且上述第1透镜组及上述第5透镜组为固定。

10.  如权利要求1～9中任1项所述的投射用变焦透镜，其特征在于，
构成为通过使上述第1透镜组在光轴方向移动来进行焦点调节。

11.  一种投射式显示装置，其特征在于，
具备：光源、光阀、将来自该光源的光束引导到该光阀的照明光学部、和权利要求1～10中任1项所述的投射用变焦透镜，来自上述光源的光束由上述光阀进行光调制，且由上述投射用变焦透镜投射到屏幕。

投射用变焦透镜及投射式显示装置
技术领域
本发明涉及一种装载于投射式显示装置等中的为5组9片结构的紧凑的投射用变焦透镜及装载该投射用变焦透镜的投射式显示装置，详细地说，是涉及一种将承载来自透射式或反射式液晶显示装置或DMD(数字微镜装置)显示装置等光阀的影像信息的光束尤其从前侧放大投影到屏幕上时所适用的投射用变焦透镜及投射式显示装置。
背景技术
近几年，液晶显示装置或DMD显示装置等使用光阀的投射式显示装置广泛普及，尤其广泛利用如下结构，通过使用3片该光阀且分别对应于RGB3原色的照明光而调制各照明光，将各光阀所调制的光用棱镜等进行合成，而由投影透镜将图像显示在屏幕上的结构。
作为这样的用色合成光学系统合成来自3片光阀的各调制光而投射之类的投射式显示装置所装载的投射透镜，如上所述，由于配置进行色合成的棱镜等，并且为回避热的问题，因此需要大的后截距。而且，在色合成光学系统中分光特性随着入射光的角度而变化，因此投射透镜需要具有远心性，即从缩小侧看到的入射瞳位于十分远方的特性。而且，需要明亮的透镜和与光阀的分辨率相应的像差校正。
而且，根据光阀自身的小型化、移动用途的需要扩大、投射器的廉价化等，对投射透镜也有谋求小型化、轻量化、廉价化的趋势。此外，为了在狭小的室内以更短的投射距离能投影大画面，而要求用宽视场角容易进行投射画面尺寸的调节的变焦透镜。
为了使投射透镜小型化、轻量化，有必要使透镜结构简单，但作为5组结构且透镜片数为9片的简单结构的变焦透镜例如已知的有下述专利文献1～3所述的技术。
专利文献1：日本专利公开2001-311872
专利文献2：日本专利公开2003-202498
专利文献3：日本专利公开2005-266103
然而，在上述专利文献1及上述专利文献2所述的投射用变焦透镜虽然为比较小型，但是在广角端的F值为2.0以上而较暗，且在广角端的视场角为50°以下而狭窄。
而且，在上述专利文献3所述的投射用变焦透镜，虽然在广角端的F值为1.6而明亮且在广角端的视场角为55°而广角化，但是透镜外径为最大的第1透镜组使用3片透镜，就难以谋求透镜系统整体的小型化、轻量化。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于提供一种投射用变焦透镜，其为5组9片结构且可将第1组设为简单的结构，并且将广角端的F值设为1.7以下，将视场角设为55°以上，能够良好地校正各种像差、廉价且小型。
本发明的投射用变焦透镜的特征在于，从放大侧依次由负的第1透镜组、正的第2透镜组、正的第3透镜组、正的第4透镜组及正的第5透镜组构成，
上述第1透镜组由将凹面朝向缩小侧的非球面透镜构成的第1透镜构成，
上述第2透镜组由正透镜构成的第2透镜构成，
上述第3透镜组从放大侧依次包括由正透镜构成的第3透镜、及由负透镜构成的第4透镜，
上述第4透镜组从放大侧依次包括由将凹面朝向放大侧的非球面透镜构成的第5透镜、由负透镜构成的第6透镜、由正透镜构成的第7透镜、及由正透镜构成的第8透镜，
上述第5透镜组由正透镜构成的第9透镜构成，
设整个系统的缩小侧为远心的。
在此情况优选满足以下条件式(1)：
tanωw＞0.50……(1)
此处，
ωw是广角端的半视场角。
而且，优选满足以下条件式(2)：
L/I＜10.0……(2)
此处，
L是从最放大侧的面到最缩小侧的面的距离
I是图像显示元件上的最大光线高度。
而且，优选满足以下条件式(3)：
Fw＜2.0……(3)
此处，
Fw是在广角端的FNo.。
而且，优选满足以下条件式(4)：
0.2＜f2/f3＜1.0……(4)
此处，
f2是上述第2透镜组的焦距
f3是上述第3透镜组的焦距。
而且，优选上述第1透镜的非球面是：通过在玻璃透镜的表面附设树脂层且将该树脂层的与该玻璃透镜侧相反侧的面形成为非球面形状的复合式非球面。
而且，优选上述第3透镜及上述第4透镜相互接合而构成接合透镜。
而且，优选上述第6透镜和上述第7透镜相互接合而构成接合透镜。
而且，优选构成为在变倍时上述第2透镜组、上述第3透镜组及上述第4透镜组沿着光轴可动，并且上述第1透镜组及上述第5透镜组为固定。
而且，优选构成为通过将上述第1透镜组沿光轴方向移动来进行焦点调节。
而且，本发明的投射式显示装置的特征在于，具备：光源、光阀、将来自该光源的光束引导到该光阀的照明光学部、和上述的任一投射用变焦透镜，来自上述光源的光束光由上述光阀进行调制，并由上述投射用变焦透镜投射到屏幕。
根据本发明的投射用变焦透镜及使用这个的投射式显示装置，将整体通过5组9片的透镜简单地构成且容易实现小型、轻量化。而且，通过从放大侧依次设为“负、正、正、正、正”的5组结构，成为反远距型透镜结构，相对于焦距能够确保长后焦点且能够将缩小侧设为大致远心。
而且，将9片透镜分配成第1透镜组为1片、第2透镜组为1片、第3透镜组为2片、第4透镜组为4片、第5透镜组为1片，由于将第2透镜组、第3透镜组及第4透镜组作为变倍时的移动组，因此用较少的片数能够有效率地使各种像差良好。
而且，由于将透镜外径最大的第1透镜组由1片透镜构成，因此能够谋求透镜系统整体的小型化、轻量化、还有廉价化。
而且，将第3透镜组从放大侧依次由正透镜和负透镜构成，所以能够良好地校正色像差。而且，由于在第4透镜组的最靠近放大侧配置将凹面朝向放大侧的非球面透镜，所以各种像差，尤其球面像差及彗形像差能够良好地校正且能够形成为明亮的透镜。
附图说明
图1是表示涉及本发明的实施例1的投射用变焦透镜的广角端(WIDE)及望远端(TELE)的结构的简要图。
图2是表示涉及本发明的实施例2的投射用变焦透镜的广角端(WIDE)及望远端(TELE)的结构的简要图。
图3是表示涉及本发明的实施例3的投射用变焦透镜的广角端(WIDE)及望远端(TELE)的结构的简要图。
图4是表示涉及本发明的实施例4的投射用变焦透镜的广角端(WIDE)及望远端(TELE)的结构的简要图。
图5是表示实施例1的投射用变焦透镜的广角端(WIDE)、中间(MIDDLE)及望远端(TELE)的各种像差(球面像差、非点像差、畸变及倍率色像差)的像差图。
图6是表示实施例2的投射用变焦透镜的广角端(WIDE)、中间(MIDDLE)及望远端(TELE)的各种像差(球面像差、非点像差、畸变及倍率色像差)的像差图。
图7是表示实施例3的投射用变焦透镜的广角端(WIDE)、中间(MIDDLE)及望远端(TELE)的各种像差(球面像差、非点像差、畸变及倍率色像差)的像差图。
图8是表示实施例4的投射用变焦透镜的广角端(WIDE)、中间(MIDDLE)及望远端(TELE)的各种像差(球面像差、非点像差、畸变及倍率色像差)的像差图。
图9是涉及本发明的一实施方式的投射式显示装置的简要结构图。
图中：G₁～G₅-透镜组，L₁～L₉-透镜，R₁～R₁₉-透镜面等的曲率半径，D₁～D₁₈-透镜面间隔(透镜厚度)，Z-光轴，1-图像显示面，2-玻璃块(包含滤光器部)，10-投射用变焦透镜，11a～c-透射式液晶面板，12、13-分色镜，14-十字形分色棱镜，16a～c-聚光透镜，18a～c-全反射镜，20-光源。
具体实施方式
以下，参照图面对本发明的具体实施方式进行说明。图1所示的实施方式(代表实施例1)的投射用变焦透镜从放大侧(也称扩大侧)依次具备：具有负的折射力的第1透镜组G₁、分别具有正的折射力的第2透镜组G₂～第5透镜组G₅，并将缩小侧构成为大致远心的，在其后段配设有以色合成棱镜为主的玻璃块(包含滤光器部)2及液晶显示板等光阀的图像显示面1。而且，图中Z表示光轴。
在此，第1透镜组G₁由将凹面朝向缩小侧的负透镜构成的第1透镜L₁构成(而且，实施例1～4皆为第1透镜L₁设为由球面玻璃透镜L_G和树脂层L_R构成的复合非球面透镜)。而且，第2透镜组G₂仅由正透镜构成的第2透镜L₂构成。而且，第3透镜组G₃从放大侧依次包括由正透镜构成的第3透镜L₃、及由负透镜构成的第4透镜L₄。而且，第4透镜组G₄从放大侧依次包括由将凹面朝向放大侧的非球面透镜构成的第5透镜L₅、由负透镜构成的第6透镜L₆、由正透镜构成的第7透镜L₇、及由正透镜构成的第8透镜L₈。而且，第5透镜组G₅由正透镜构成的第9透镜L₉构成。
这样，通过将9片透镜分配成在第1透镜组G₁为1片、在第2透镜组G₂为1片、在第3透镜组G₃为2片、在第4透镜组G₄为4片、在第5透镜组G₅为1片，由此能够用较少的片数有效率地使各种像差良好。
而且，构成第1透镜组G₁的透镜的外径往往较大，透镜系统的紧凑化根据第1透镜组G₁的透镜片数来决定的情况较多，但在本实施方式中第1透镜组G₁由1片透镜构成，所以能够构成紧凑的变焦透镜。
而且，孔径光阑虽未图示，但也可以在适当的位置设置(也可设置为遮罩)，也可以构成为在聚焦时孔径光阑与第4透镜组G₄一体地移动。
在本实施方式的投射用变焦透镜，如上所述，成为反远距型透镜(retrofocus lens)结构，相对于焦距能够确保适当的长度的后截距，且能够将缩小侧设为大致远心的。
而且，本实施方式的投射用变焦透镜设为通过在变倍时将第2透镜组G₂、第3透镜组G₃、及第4透镜组G₄相互独立地沿光轴方向移动而具有变焦功能的结构。而且，通过使这3个透镜组中的例如2个透镜组一体移动而设为具有变焦功能的结构也可。
而且，通过将移动组设为第2透镜组G₂、第3透镜组G₃、及第4透镜组G₄的3个透镜组，用较少的片数也可以使像差校正良好。
而且，通过按照从广角端到望远端变倍时将移动透镜组均向放大侧移动的方式构成，而可以将变焦比设定为更大。
但是，这意味着对各上述移动透镜组而言，在望远端的位置比在广角端的位置被设定得更靠近放大侧，且不排除在中间区域暂且向缩小侧移动的情况。
而且，优选焦点调节通过使第1透镜组G₁在光轴方向移动来进行。
而且，优选涉及本实施方式的投射用变焦透镜满足下述条件式(1)～(4)：
tanωw＞0.50     ……(1)
L/I＜10.0        ……(2)
Fw＜2.0          ……(3)
0.2＜f2/f3＜1.0  ……(4)
在此，
ωw是广角端的半视场角
L是从最靠放大侧的面到最靠缩小侧的面的距离
I是图像显示元件上的最大光线高度
Fw是在广角端的FNo.
f2是上述第2透镜组G₂的焦距
f3是上述第3透镜组G₃的焦距。
在此，对上述条件式(1)～(4)的技术意义进行说明。
条件式(1)为规定将广角端的半视场角的正切大于0.50的条件式，若低于其下限，则难以确保需要的视场角。
而且，通过代替条件式(1)设定为满足下述条件式(1′)，上述条件式(1)的作用效果为更良好。
tanωw＞0.53……(1′)
而且，条件式(2)为规定从最靠近放大侧的面到最靠近缩小侧的面的距离L对图像显示元件上的最大光线高度I之比小于10.0的条件式，若超出其上限，则透镜长度变得过长而难以小型化。
另外，通过代替条件式(2)设定为满足下述条件式(2′)，上述条件式(2)的作用效果为更良好。
L/I＜7.0……(2′)
而且，条件式(3)是规定在广角端的FNo.小于2.0的条件式，若超出其上限，则难以确保需要的亮度。
而且，通过代替条件式(3)设定为满足下述条件式(3′)，上述条件式(3)的作用效果为更良好。
Fw＜1.8……(3′)
而且，条件式(4)是规定第2透镜组G₂的焦距f2对第3透镜组G₃的焦距f3之比大于0.2且小于1.0的条件式。在超出其上限的情况下，在第2透镜组G₂的光焦度过小之际难以缩短透镜长度，在第3透镜组G₃的光焦度过大之际球面像差增加。另外，在低于其下限的情况下，在第2透镜组G₂的光焦度过大之际，难以进行周边像面的像差校正，在第3透镜组G₃的光焦度过小之际，轴上色像差增加。
另外，通过代替条件式(4)设定为满足下述条件式(4′)，上述条件式(4)的作用效果为更良好。
0.4＜f2/f3＜0.7……(4′)
在此，下述各实施例的投射用变焦透镜皆包含非球面透镜(在实施例1～4中第1透镜L₁(非球面为最靠近缩小侧的面)及第5透镜L₅(非球面为两侧的面))，其非球面形状通过下述非球面式表示：
[数学式1]
Z=Y2/R1+1-K×Y2/R2+Σi=310AiYi]]>
此处，
Z是从距光轴距离为Y的非球面上的点下垂到非球面顶点的切平面(垂直于光轴的平面)的垂线长度
Y是距光轴的距离
R是非球面的光轴附近的曲率半径
K是离心率
A_i是非球面系数(i＝3～10)。
特别是，为了有效率地校正畸变像差等，有必要用非球面形成上述第1透镜L₁的至少一方的面。该第1透镜L₁也可以通过塑料非球面透镜或玻璃模压非球面透镜而形成，但如上所述，优选将该非球面(实施例1～4中第1透镜L₁的缩小侧的面)设为通过在玻璃透镜L_G的表面密接形成树脂层L_R，且将该树脂层L_R和空气的境界面设为非球面而形成的复合非球面。通过由复合式非球面透镜构成该第1透镜L₁，与形成为塑料非球面透镜情况相比，能够形成为伴随温度或湿度的变化的折射率或形状的变化更少的稳定性良好的透镜，且与形成为玻璃模压非球面透镜的情况相比在成本方面更为有利。
而且，若上述第3透镜L₃及上述第4透镜L₄相互接合或上述第6透镜L₆及上述第7透镜L₇相互接合，则能够分别良好地校正色像差，所以优选。
其次，通过图9说明装载上述投射用变焦透镜的投射式显示装置的一例。图9表示的投射式显示装置，具备透射式液晶面板11a～c作为光阀，使用涉及上述实施方式的投射用变焦透镜作为投射用变焦透镜10。而且，在光源20和分色镜12之间配置有蝇眼透镜等积分器(省略图示)，来自光源20的白色光通过照明光学部被入射到分别对应于3个色光光束(G光、B光、R光)的液晶面板11a～c且被光调制，由十字形分色棱镜14进行色合成且由投射用变焦透镜10投影在未图示的屏幕上。此装置具备用于色分解的分色镜12、13、用于色合成的十字形分色棱镜14、聚光透镜16a～c、全反射镜18a～c。本实施方式的投射式显示装置由于使用涉及本实施方式的投射用变焦透镜，所以能够形成为不仅广角且投射图像的图像质量良好、明亮、小型且轻量的投射式显示装置。
而且，本发明的投射用变焦透镜不限于作为使用透射式液晶显示板的投射式显示装置的投射用变焦透镜的使用方式，也可以作为使用反射式液晶显示板或DMD等其他的光调制单元的装置的投射用变焦透镜等来使用。
[实施例]
以下，使用具体实施例进一步说明本发明的投射用变焦透镜。
<实施例1>
涉及该实施例1的投射用变焦透镜设为如上述图1所示的结构。即，在投射用变焦透镜中，第1透镜组G₁仅由通过在玻璃透镜L_G的表面密接形成树脂层L_R且将该树脂层L_R和空气的境界面设为非球面来形成的复合非球面透镜构成的第1透镜L₁构成，第2透镜组G₂仅由将凸面朝向放大侧的正的弯月形透镜构成的第2透镜L₂构成，第3透镜组G₃包括由将凸面朝向放大侧的正的弯月形透镜构成的第3透镜L₃及由将凹面朝向缩小侧的负的弯月形透镜构成的第4透镜L₄。而且，第4透镜组G₄包括由将凹面朝向放大侧的两面设为非球面的第5透镜L₅、由双凹透镜构成的第6透镜L₆、由双凸透镜构成的第7透镜L₇、及由双凸透镜构成的第8透镜L₈。而且，第5透镜组G₅仅由双凸透镜构成的第9透镜L₉构成。
而且，在变倍时伴随从广角端向望远端移动，第2透镜组G₂、第3透镜组G₃及第4透镜组G₄相互独立地向放大侧移动(在实施例2～4相同)。
而且，焦点调节通过使第1透镜组G₁在光轴方向移动来进行(在实施例2～4相同)。
在表1的上段表示该实施例1的各透镜面的曲率半径R(将在透镜整个系统的广角端的焦距标准化为1.0，在以下各表中相同)、各透镜的中心厚度及各透镜间的空气间隔D(按照与上述曲率半径R同样的方式标准化，在以下各表中相同)、各透镜的d线的折射率Nd及阿贝数vd。而且，在该表1及后述的表2～4中，对应于各记号R、D、Nd、vd的数字成为从放大侧依次增加。
而且，在表1的中段表示有广角端(WIDE)、中间(MIDDLE)及望远端(TELE)的各情况的可变1(第1透镜组G₁和第2透镜组G₂的间隔)、可变2(第2透镜组G₂和第3透镜组G₃的间隔)、可变3(第3透镜组G₃和第4透镜组G₄的间隔)及可变4(第4透镜组G₄和第5透镜组G₅的间隔)(在表2～4相同)。
而且，在表1的下段表示有对应于各非球面的各定数K、A₃～A₁₀的值，而且，在表1的最下段表示有从放大侧共轭位置(共役位置)到透镜第1面(最靠近放大侧的面)的间隔(在表2～4相同)。
[表1]