变焦透镜及使用它的投影机 本申请是主张2008年8月25日提出的日本专利申请第2008-215019号的优先权的申请，通过引用将其全部内容组合到这里。
【技术领域】
本发明主要涉及将来自DMD等的改变光的反射方向而形成图像的光阀的图像放大投射在屏幕及其他上的透镜口径较小而紧凑的变焦透镜。
背景技术
采用DMD来作为光阀的投影机在小型化的方面与其他方式相比更有利，目前以在进行演示时方便的数据投影机为中心、可携带的紧凑的结构正广泛地普及。在以可携带为前提的投影机中，减小厚度尺寸是重要的，在与笔记本型个人计算机等一起携带的情况较多的使用方式的投影机中，也可以说是最重要的要素。
作为解决该问题的手段，例如有在日本特开2004-271668号公报(专利文献1)中公开那样的投影透镜的紧凑化设计方法的一例。但是，在该例中，使用0.7英寸DMD的情况下的前透镜有效直径为39mm到42mm，至少不能使投影机装置的厚度为50mm以下。如果实际试着与笔记本型个人计算机等一起携带，则还是对该厚度有不满。
【发明内容】
因而，本发明的目的是实现适合于DMD等的改变光的反射方向而形成图像的光阀的特性、在将来自光阀的图像放大投射在屏幕上或其他壁面等上的用途中成像性能较高、并且透镜口径较小而紧凑的变焦透镜，提供紧凑而明亮、在小会议室等的有限的空间也能够投射较大的画面的高画质、方便携带的薄型的投影机装置。
本发明的优选的技术方案之一，提供一种变焦透镜，从放大侧开始依次配置第1透镜组、第2透镜组以及第3透镜组而成，上述第1透镜组是配设从放大侧向缩小侧依次排列的、向放大侧凸的凹凸透镜形状的具有负折射力的透镜、负透镜及具有正折射力的透镜而构成的，整体具有负折射力，上述第2透镜组由从放大侧向缩小侧依次排列的正透镜、正透镜、负透镜、两面凸的正透镜、向放大侧凸的凹凸透镜形状的负透镜的5片构成，整体具有正折射力，上述第3透镜组是配设1片正透镜而构成的，整体具有正折射力，
在变焦动作中，上述第1透镜组在从广角端到中间区域是从放大侧向缩小侧、并且从中间区域到望远端是从缩小侧向放大侧在光轴上移动，上述第2透镜组从广角端到望远端均从缩小侧向放大侧方向在光轴上移动，上述第3透镜组被固定，
关于在广角端的第1透镜组中最靠放大侧配置的透镜的放大侧面到对焦位置的光轴上的距离，满足下述条件式(1)，关于广角端的上述第2透镜组与上述第3透镜组的位置关系，满足下述条件式(2)，关于上述第2透镜组的广角端的倍率，满足下述条件式(3)，关于上述第1透镜组的放大率，满足下述条件式(4)，关于上述第2透镜组的望远端的倍率，满足下述条件式(5)，
(1)7.0＜TL/fW＜10.0
(2)1.8＜dIIW/fW＜2.5
(3)-1.0＜mII W＜-0.5
(4)-1.0＜fW/fI＜-0.55
(5)1.4＜mIIT/mIIW＜2.8
其中，
TL：在广角端地第1透镜组中最靠放大侧配置的透镜的放大侧面到对焦位置的光轴上的距离
(从第1透镜组的最放大侧面的放大侧物体距离为1700mm的对焦状态)，
fW：广角端的整个透镜系统的合成焦距
(从第1透镜组的最放大侧面的放大侧物体距离为1700mm的对焦状态)，
dIIW：广角端的第2透镜组与第3透镜组之间的空气间隔，
fI：第1透镜组的合成焦距，
mIIW：广角端的第2透镜组的倍率，
mIIT：望远端的第2透镜组的倍率。
通过结合附图的以下的详细的说明，本发明的上述目的及其他目的、特征及优点就会变得更加清楚。
【附图说明】
图1是本发明的紧凑(小型)的变焦透镜的第1实施例的透镜结构图。
图2是本发明的紧凑的变焦透镜的第1实施例的透镜的各像差图。
图3是本发明的紧凑的变焦透镜的第2实施例的透镜结构图。
图4是本发明的紧凑的变焦透镜的第2实施例的透镜的各像差图。
图5是本发明的紧凑的变焦透镜的第3实施例的透镜结构图。
图6是本发明的紧凑的变焦透镜的第3实施例的透镜的各像差图。
图7是本发明的紧凑的变焦透镜的第4实施例的透镜结构图。
图8是本发明的紧凑的变焦透镜的第4实施例的透镜的各像差图。
图9是使用本发明的紧凑的变焦透镜的投影机的外观图。
【具体实施方式】
以下，利用附图对用来实施本发明的优选的实施方式进行说明。以下，就具体的数值实施例说明本发明。在以下的第1实施例到第4实施例的紧凑的变焦透镜中，由从放大侧到缩小侧依次排列的、整体具有负折射力的第1透镜组LG1、整体具有负折射力的第2透镜组LG2及整体具有正折射力的第3透镜组LG3构成。另外，在本说明书中，将具有正折射力的透镜称作正透镜，将具有负折射力的透镜称作负透镜。
上述第1透镜组LG1配设从放大侧到缩小侧依次排列的、向放大侧凸的凹凸透镜形状的负透镜(透镜名称L11、放大侧面101、缩小侧面102)、负透镜(透镜名称L12、放大侧面103、缩小侧面104)以及正透镜(透镜名称L13、放大侧面104、缩小侧面105)而构成。
上述第2透镜组LG2配设包括3片正透镜和2片负透镜的5片透镜而构成(将透镜名称设为从放大侧向缩小侧依次排列的L21、L22……、将面的名称设为从放大侧向缩小侧依次为201、202、……)。
上述第3透镜组LG3配设1片正透镜而构成(设透镜名称为L31、放大侧面的名称为301、缩小侧面的名称为302)。此外，相对于上述第3透镜组LG3的缩小侧透镜面，隔开较小的空气间隔而配设有作为DMD等的光阀的结构部件的盖玻璃CG(设放大侧面为C01、缩小侧面为C02)。
上述第3透镜组LG3在变倍(变焦)动作中被固定，上述第1透镜组LG1在从广角端到中间区域的变倍动作中从放大侧向缩小侧方向、此外在从中间区域到望远端的变倍动作中从缩小侧向放大侧方向在光轴上移动，上述第2透镜组LG2在从广角端到望远端的变倍动作中从缩小侧向放大侧方向在光轴上移动，由此形成整个透镜系统的变倍。
在各实施例中使用的各透镜的非球面如周知那样，在光轴方向上取Z轴，在与光轴正交的方向上取Y轴，非球面式：
Z=(Y2/r)/[1+{1-(1+K)(Y/r)2}]]]>
+A·Y4+B·Y6+C·Y8+D·Y10+···]]>
(这里，对近轴曲率半径：r、圆锥常数：K、高次非球面系数：A、B、C、D……)的各个常数赋予适当的数值，形成为，使其与将该曲线绕光轴旋转而得到的曲面形状一致。
另外，在后面所示的表1-4中的圆锥常数及高次的非球面系数的表述中，这些常数与各个系数包括作为“e+n1n2”或“e-n1n2”的表述部分，而这意味着“×10+n1n2”或“×10-n1n2”(这里，n1和n2分别表示数字)。例如，在表1中，作为第1透镜组的透镜L11的面102的圆锥常数K而赋予的“-5.70111e-01”意味着“-5.70111×10-01”(＝-5.70111×10)。
进而，该各实施例1～4的变焦透镜是从放大侧开始依次配置第1透镜组、第2透镜组以及第3透镜组而成的变焦透镜，所述第1透镜组是配设从放大侧向缩小侧依次排列的向放大侧凸的凹凸透镜形状的负透镜、(另外的)负透镜及正透镜而构成的，整体具有负折射力，所述第2透镜组由从放大侧依次向缩小侧排列的正透镜、(另外的)正透镜、负透镜、两面凸的正透镜、向放大侧凸的凹凸透镜形状的负透镜的5片构成，整体具有正折射力，所述第3透镜组是配设1片正透镜而构成的，整体具有正折射力。其特征在于，
在变焦动作中，上述第1透镜组在从广角端到中间区域的变焦动作中从放大侧向缩小侧、此外在从中间区域到望远端的变焦动作中从缩小侧向放大侧在光轴上移动，上述第2透镜组在从广角端到望远端的变焦动作中从缩小侧向放大侧方向在光轴上移动，上述第3透镜组被固定。
关于在广角端的第1透镜组中最靠放大侧配置的透镜的放大侧面到对焦位置的光轴上的距离，满足下述条件式(1)。
关于广角端的上述第2透镜组与上述第3透镜组的位置关系，满足下述条件式(2)，关于上述第2透镜组的广角端的倍率，满足下述条件式(3)。
关于上述第1透镜组的放大率(power)，满足下述条件式(4)，关于上述第2透镜组的望远端的倍率，满足下述条件式(5)。
(1)7.0＜TL/fW＜10.0
(2)1.8＜dIIW/fW＜2.5
(3)-1.0＜mIIW＜-0.5
(4)-1.0＜fW/fI＜-0.55
(5)1.4＜mII T/mII W＜2.8
其中，
TL：在广角端的第1透镜组中最靠放大侧配置的透镜的放大侧面到对焦位置的光轴上的距离
(从第1透镜组的最放大侧面的放大侧物体距离为1700mm的对焦状态)
fW：广角端的整个透镜系统的合成焦距
(第1透镜组的最放大侧面与放大侧物体之间的距离为1700mm的对焦状态下)
dIIW：广角端的第2透镜组与第3透镜组之间的空气间隔
fI：广角端的第1透镜组的合成焦距
(第1透镜组的最放大侧面与放大侧物体之间的距离为1700mm的对焦状态下)
mIIW：广角端的第2透镜组的倍率
mIIT：望远端的第2透镜组的倍率
条件式(1)是在广角端的第1透镜组中最靠放大侧配置的透镜的放大侧面到对焦位置的光轴上的距离的条件，是变焦透镜整体的小型、小径化的条件。
如果超过上限，则在广角端的第1透镜组中最靠放大侧配置的透镜的放大侧面到对焦位置的距离变大，并且该透镜成为大口径，会损害变焦透镜整体的小型、小径化，如果超过下限，则难以取得各像差的平衡。
条件式(2)是第2透镜组与第3透镜组的广角端的间隔条件。如上所述，需要确保光阀的照明系统的空间。如果超过上限，则虽然能够确保照明系统的空间但透镜会大型化，如果超过下限，则照明系统的空间不足，设计变得困难。
条件式(3)是对应于第2透镜组的倍率、在变倍区域上使整个变焦透镜系统成为小型的条件，如果超过下限，则缩小倍率下的全长变长，如果超过上限，则放大倍率下的全长变长。
条件式(4)是关于第1透镜组的放大率的条件。第1透镜组具有较强的负放大率，在第2透镜组与第3透镜组之间确保用来配设用于将DMD等的光阀照明的光学系统的空间。
如果超过上限，则第1透镜组的负的放大率变小，难以确保第2透镜组与第3透镜组的空间间隔，如果超过下限，则负放大率变大，必须增强第2透镜组的正放大率，难以取得各像差的平衡。
条件式(5)是关于第2透镜组的广角端的倍率、和第2透镜组的望远端的倍率的条件式，对应于该变焦透镜系统的变倍率。
如果超过上限，则虽然能够得到变倍率较大的透镜系统，但第2透镜组的移动量也增大而大型化，并且性能的变动也大，如果超过下限，则虽然在性能上是有利的，但变倍率本身变小，不能得到作为本发明的小型、高变倍透镜。
此外，优选的是，在上述第1透镜组中，关于第1透镜组的光轴上的尺寸，满足下述条件式(6)，关于最靠放大侧配置的透镜的放大率，满足下述条件式(7)，关于在上述第1透镜组中最靠放大侧配置的透镜的缩小侧面的形状，满足下述条件式(8)，关于在构成上述第1透镜组的各透镜中使用的玻璃材料的分散特性，满足下述条件式(9)。
(6)1.7＜LI/fW＜2.7
(7)-0.8＜fW/f1＜-0.3
(8)0.9＜fW/r2＜1.6
(9)25＜(V1+V2)/2-V3
其中，
LI：在第1透镜组中最靠放大侧配置的透镜的放大侧面与在第1透镜组中最靠缩小侧配置的透镜的缩小侧面的光轴上的距离
f1：在第1透镜组中最靠放大侧配置的透镜的焦距
r2：在第1透镜组中最靠放大侧配置的透镜的缩小侧面的曲率半径
V1：在第1透镜组中最靠放大侧配置的负透镜的阿贝数
V2：在第1透镜组中配置在缩小侧的负透镜的阿贝数
V3：在第1透镜组中最靠缩小侧配置的正透镜的阿贝数
条件式(6)是关于第1透镜组的光轴上的尺寸的条件式，是用来以较少的透镜片数修正各像差的条件。为了使对应于第2透镜组与第3透镜组之间的后焦距的距离较长，有效的是特别将在第1透镜组中最靠放大侧配置的透镜的负放大率增大。
如果负放大率变得过大，则难以修正各像差。通过将第1透镜组的光轴上的全长取大来解决该问题，或者为了将第1透镜组的负放大率分散，通过增加透镜片数来解决，必然会使第1透镜组在某种程度上变长。
如果超过条件式(6)的上限，则光轴方向的尺寸变得过大，难以满足规格，不再有小型化的意义，如果超过下限，则小口径化变得困难。
条件式(7)是关于第1透镜组的最靠放大侧配置的透镜的放大率的条件，如上所述，增大第1透镜组的最靠放大侧配置的透镜的负放大率，这对在广角端的第2透镜组与第3透镜组之间确保光阀的收容空间、并且实现小型化是有效的，但如果超过条件式(7)的上限，则透镜的负放大率变强，发生色像差和像面弯曲，像差的修正变得困难。
如果超过下限，则透镜的负放大率变弱，难以将相当于第2透镜组与第3透镜组之间的后焦距的部分取长。
条件式(8)是用于整个透镜系统的歪曲像差和彗形像差修正的条件式。是关于第1透镜组的最靠放大侧配置的透镜的缩小侧的面形状的条件，在具有较强的放大率的同时，相对于放大侧的光线束大致为同心的形状，并且是在根本上抑制了像差的产生的形状。
因而，如果超过上限，则球面像差、彗形像差变为修正不足，如果超过下限，则相反变为修正过剩。
条件式(9)是用于第1透镜组内的色像差修正的条件。为了修正色像差，需要使各透镜的放大率不会过大，为此，满足条件式(9)的正透镜、负透镜的阿贝数成为必要的条件。如果超过下限，则色像差的修正变得困难。
此外，优选的是，通过将上述第1透镜组沿光轴方向移动而实现对焦动作，关于构成上述第1透镜组的在上述第1透镜组中最靠放大侧配置的透镜，缩小侧的一面是非球面形状。
如上所述，在第1透镜组中最靠放大侧配置的透镜的缩小侧的面形状对于歪曲像差和彗形像差修正贡献较大，通过球面形状难以进行包含像面弯曲的各像差修正，但通过做成非球面形状，能够进行包含像面弯曲的各像差修正。
此外，优选的是，上述第2透镜组由从放大侧起依次为正透镜、(另外的)正透镜、负透镜、正两面凸透镜、向放大侧凸的凹凸透镜形状的负透镜的5片构成，关于放大侧的2片正透镜的合成放大率，满足下述条件式(10)，此外，关于上述第2透镜组的配置在第3个的负透镜的放大率，满足下述条件式(11)。
关于在构成上述第2透镜组的放大侧的3片透镜中使用的玻璃材料(optical glass material)的分散特性，满足下述条件式(12)，关于在构成上述第2透镜组的第4片透镜中使用的玻璃材料的分散特性，满足下述条件式(13)，关于构成上述第2透镜组的在透镜组中最靠放大侧配置的透镜的放大侧的形状和配置在第2个的透镜的缩小侧的形状，满足下述条件式(14)。
(10)0.4＜fW/f4-5＜0.8
(11)-0.7＜fW/f6＜-0.4
(12)30＜(V5+V7)/2-V6
(13)69＜V7
(14)-1.2＜rII 1/rII 4＜-0.5
其中，
f4-5：第2透镜组的配置在放大侧的2片正透镜的合成焦距
f6：第2透镜组的配置在从放大侧起第3片的负透镜的焦距
V5：在第2透镜组中最靠放大侧配置的正透镜的阿贝数
V6：在第2透镜组中配置在从放大侧起第2片的正透镜的阿贝数
V7：在第2透镜组中配置在从放大侧起第3片的负透镜的阿贝数
rII 1：第2透镜组的最靠放大侧配置的透镜的放大侧面的曲率半径
rII 4：第2透镜组的配置在从放大侧起第2片的透镜的缩小侧面的曲率半径
条件式(10)是关于配置在第2透镜组的放大侧的2片正透镜的放大率的条件式。在第2透镜组中配置在放大侧的2片透镜需要为如下的透镜，即具有用来将在第1透镜组射出的发散光束向集束的状态导引的较强的放大率的透镜，产生较大的球面像差及色像差。
由于通过1片正透镜会产生较大的像差，难以进行修正，所以通过将放大率分配给2片正透镜，使得能够进行像差修正。如果超过条件式(10)的上限，则2片正透镜的合成放大率变大，不足的球面像差变大，如果超过下限，则2片正透镜的合成放大率变小，过剩的球面像差变大，修正变得困难。
条件式(11)是用于利用第3片较强的负放大率的透镜平衡良好地修正由配置在上述第2透镜组的放大侧的2片正透镜产生的像差的条件式。如果超过条件式(11)的上限，则过剩的球面像差变大，如果超过下限，则不足的球面像差变大，修正变得困难。
条件式(12)是用于第2透镜组内的色像差修正的条件。为了修正单色像差，需要使各透镜的放大率不会过大，为此，正透镜、负透镜的阿贝数满足条件式(12)成为必要的条件。如果超过下限，则色像差的修正变得困难。
条件式(13)是用于倍率色像差修正的条件。由于第2透镜组具有较强的正放大率，所以对倍率色像差的影响也较大。特别是，在第2透镜组中具有最强的正放大率的第3片正透镜的影响较大，如果超过条件式(13)的下限，则像差修正变得困难。
条件式(14)是关于为了修正球面像差、彗形像差而用来将放大率平衡良好地分散到第2透镜组的配置在放大侧的第1片正透镜和第2片正透镜上的、2片正透镜的形状的条件式。如果超过上限，则产生较大的过剩的球面像差，投影图像的周边的彗形像差的发生变得显著，如果超过下限，则产生较大的不足的球面像差，修正变得困难。
此外，优选的是，上述第2透镜组的最靠放大侧配置的透镜的放大侧面是非球面，关于对上述非球面设定的放大率，满足下述条件式(15)，关于对上述第2透镜组的最靠缩小侧配置的透镜的缩小侧面设定的放大率，满足下述条件式(16)。
(15)0.4＜fW/rII 1＜0.7
(16)0.3＜fW/rII 10＜0.8
其中，
rII10：第2透镜组的最靠缩小面侧配置的透镜的缩小侧面的曲率半径
条件式(15)是修正来自第1透镜组的发散光束、确保大口径比、修正球面像差、彗形像差的条件。即，在第2透镜组中最靠放大侧配置的透镜的放大侧面的形状被赋予如下形状，即具有用来将在第1透镜组射出的发散的光线束向集束的状态导引的较强的正放大率的形状，结果产生较大的不足的球面像差。
如上所述，通过第2透镜组的第2片以后的透镜进行球面像差、彗形像差的修正，但如果超过条件式(15)的上限则不足的球面像差变大，如果超过下限，则过剩的球面像差变大，周边的彗形像差的发生变得显著，像差的修正变得困难。
在最靠放大侧配置的第2透镜组的透镜L21具有较强的正放大率的球面形状中，有形状方面的制约条件，所以会有像差修正不足的情况，通过将该具有较强的正放大率的面做成非球面，确保整个透镜系统的大口径比，能够实现整个透镜系统的小径化和球面像差等的修正。
条件式(16)是用来很细致地修正整个透镜系统的球面像差、彗形像差的条件式。对用上述第2透镜组的从放大侧面开始的4片透镜没有完全修正而残留的球面像差、彗星像差进行修正。如果超过上限，则成为修正不足，反之如果超过下限则成为修正过剩。
如此，通过将本发明的紧凑的变焦透镜搭载在投影机装置中，能够使装置整体小型化，能够提供携带也方便的薄型的投影机装置。进而，能够实现适合于DMD等的光阀的特性的成像性能较高而紧凑的变焦透镜，能够提供紧凑而明亮、高画质的投影机。
此外，在图9中表示使用本发明的透镜系统的投影机的外观图。如图9所示，投影机10是大致长方体形状，在作为主体箱的前面板12的侧方具有覆盖投影口的透镜盖19，并且在该前面板12上设有多个通气孔18。
此外，虽然在图9中省略了图示，但在作为主体箱的上面板11上设有键/指示器部，在该键/指示器部，设有电源开关键及报告电源的开启或关闭的电源指示器(Power indicator)、使光源装置的灯点亮的灯开关键及显示灯的点亮的灯指示器、当光源装置等过热时进行报告的过热指示器等的键及指示器。
进而，在未图示的主体箱的背面，设有在背面板设置了USB端子及图像信号输入用的D-SUB端子、S端子、RCA端子等的输入输出连接器部及电源适配器插头(adapter plug)、以及接收来自遥控器的控制信号的Ir接收部等。另外，在未图示的作为主体箱的侧板的右侧板、以及作为图9所示的侧板的左侧板15，分别设有多个通气孔18。
[实施例1]
关于本发明的紧凑的变焦透镜的第1实施例，将数值例表示在附带的表1中。此外，图1是其透镜结构图，图2是其各像差图。在表1及图中，f表示整个透镜系统的焦距，Fno表示变焦透镜的F号码，2ω表示变焦透镜的全像角。此外，r表示变焦透镜的曲率半径，d表示变焦透镜的各透镜厚度或透镜间隔，nd表示相对于d线的变焦透镜的折射率，vd表示相对于D线的变焦透镜的阿贝数(其中，表中的随着对焦动作而变化的数值是设距离101面的物体距离为1700mm的对焦状态下的数值)。
各像差图中的球面像差图的CA1、CA2、CA3分别是CA1＝550.0nm、CA2＝450.0nm、CA3＝620.0nm的波长时的像差曲线。非点像差图中的S表示弧矢，M表示子午线。此外，遍及本说明书的全篇，只要没有特别记载，在各值的计算中使用的波长是CA1＝550.0nm。
[实施例2]
关于本发明的紧凑的变焦透镜的第2实施例，将数值例表示在附带的表2中。此外，图3是其透镜结构图，图4是其各像差图。
[实施例3]
关于本发明的紧凑的变焦透镜的第3实施例，将数值例表示在附带的表3中。此外，图5是其透镜结构图，图6是其各像差图。
[实施例4]
关于本发明的紧凑的变焦透镜的第4实施例，将数值例表示在附带的表4中。此外，图7是其透镜结构图，图8是其各像差图。
接着，关于第1实施例至第4实施例，将对应于条件式(1)至条件式(16)的值归纳表示在附带的表5中。
由表5可知，关于第1实施例至第4实施例的各实施例的数值满足条件式(1)至(16)，并且由各实施例的像差图也可知，各像差都被良好地修正。
表示并说明了各种典型的实施方式，但本发明并不限于这些实施方式。因而，本发明的范围仅由权利要求书限定。
表1
表1-续
表2
表2-续
表3
表3-续
表4
表4-续
表5
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 条件式(1) 8.79 8.64 8.52 8.73 条件式(2) 2.13 2.13 2.13 2.13 条件式(3) -0.72 -0.73 -0.72 -0.71 条件式(4) -0.70 -0.72 -0.70 -0.68 条件式(5) 1.94 1.94 1.94 1.97 条件式(6) 2.30 2.03 2.19 2.31 条件式(7) -0.57 -0.58 -0.57 -0.54 条件式(8) 1.16 1.37 1.30 1.23 条件式(9) 31.62 31.65 31.65 31.62 条件式(10) 0.60 0.59 0.65 0.50 条件式(11) -0.57 -0.47 -0.54 -0.61 条件式(12) 40.61 40.61 40.88 44.27 条件式(13) 81.61 81.61 81.61 81.61 条件式(14) -0.68 -1.06 -0.96 -0.75 条件式(15) 0.51 0.50 0.52 0.57 条件式(16) 0.44 0.39 0.61 0.68