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JP3513514B2 - ズーム投影レンズおよびその製造方法 - Google Patents

ズーム投影レンズおよびその製造方法

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JP3513514B2
JP3513514B2 JP21539993A JP21539993A JP3513514B2 JP 3513514 B2 JP3513514 B2 JP 3513514B2 JP 21539993 A JP21539993 A JP 21539993A JP 21539993 A JP21539993 A JP 21539993A JP 3513514 B2 JP3513514 B2 JP 3513514B2
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zoom
projection lens
zoom projection
aperture stop
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アイ ベテンスキー エリス
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スリーエム イノヴェイティヴ プロパティーズ カンパニー
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は投影レンズ、特に、ズー
ム投影レンズに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】投影レンズを用いて映写スクリーン上に
物体の画像を形成することは広く知られている。図８に
は投影レンズの基本的な構造が示されており、この図に
おいて、符号１０は光源（すなわち、タングステンーハ
ロゲン ランプ）、１２は照明光学系(illumination op
tics) （以下、照明光学系の出力と称す）、１４は投影
すべき対象（例えば、ＬＣＤパネルのオン・オフピクセ
ルのマトリックス）、１３は映写スクリーン１６に物体
１４の拡大画像を形成する投影レンズを各々示してい
る。
【０００３】投影スクリーン１６は、投影レンズの利用
分野に応じて前方または後方から見ることができる。ま
た、写真拡大装置などの分野では目で見る代わりにフィ
ルムなどの記憶媒体に画像を記録することも可能であ
る。
【０００４】光源、照明光学系、物体と画像との位置お
よびその大きさは分野によって決まっている。しかしな
がら、どの分野であっても画像の大きさと位置を可変で
きるのが望ましい。特に、投影レンズの場合は大きさの
異なる様々なスクリーンに使用したり、あるいは、大き
さの異なる部屋で用いなくてはならない場合がある。こ
の場合、画像距離対画像幅の比（以下、ＩＤ−ＩＷ比と
称す）を変化させることが問題となり、その変数の範囲
は通常７：１から１．５：１である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このＩＤ−ＩＷ比を可
変するため従来から様々な試みがなされてきた。最も基
本的な方法の一つとして、互換可能な固定焦点距離レン
ズ群を一組使用し、特定の部屋／映写スクリーン配置に
おけるＩＤ／ＩＷ値に一致するよう前記レンズ組を特定
の数選択する方法がある。この方法で満足できるＩＤ−
ＩＷ比の数は限られており、このため、画像サイズが映
写スクリーンよりも小さくなってしまい、装置の設定に
時間がかかることが多く、また、多数の部品を輸送した
り保管しなくてはならないといった問題がある。
【０００６】このような問題を防ぐため、米国特許Ｎ
ｏ．３，９２０，３１５に開示されているようなズーム
投影レンズ装置が開発された。これらのレンズは、例え
ば、カメラレンズのような「撮影」レンズ("taking" le
nses) または「対物」レンズの分野で開発されたズーム
レンズ技術に基づいて開発されたのである。このような
ズーム撮影レンズ装置の例がＥ．Ｂｅｎｔｅｎｓｋｙの
「ズームレンズの原理とその種類」(Zoom Lens Princip
les and Types) ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．ＣＲ４１，１９９
２、Ｗａｒｒｅｎ Ｊ．Ｓｍｉｔｈ 監修に開示されて
いる。
【０００７】撮影レンズの技術に基づくズーム投影レン
ズ装置にはズームユニット、補正ユニット、補正ユニッ
トとは別ユニットまたは補正ユニットの一部であるフォ
ーカスユニット、開口絞りが内蔵された固定ユニットが
使用されている。このため、ズーム投影レンズ装置は、
複数のレンズ部材を内蔵しているため大変複雑なもので
あった。また、ＩＤ／ＩＷの値が小さい場合には、上記
のような構成をした装置ではレンズ部材の直径が非常に
大きくなってしまい、製造費が増加するといった問題が
あった。
【０００８】物理的な可動開口絞り(a moving physical
aperture stop) を使用するような分野のカメラに対し
ては、ズーム対物レンズ(zoom lens objectives)が開発
された。このような絞りを使用するとレンズ部材の大き
さやズーム中の収差の変動を最小限にすることができ
る。収差変動が少なくなるほどレンズを簡素化できる。
この方法によって、米国特許Ｎｏ．４，８３８，６６９
に開示するように、レンズ部材の経済性またレンズ部材
動作の点から大幅な簡素化がなされている。米国特許Ｎ
ｏ．４，７４９，２６５に開示されているように、他の
関連方法では、ズームレンズ装置内の複数の異なる位置
に物理絞りを複数配設し、これらの絞りでズームを行う
際の装置の開口および口径食を制御している。
【０００９】従来の可動開口絞り法がズーム投影レンズ
装置に適していない理由を以下詳細に説明する。特に、
このような絞りでは入射瞳が移動してしまい、このた
め、出力位置が一定している固定照明光学系と一緒に使
用すると様々な問題が発生することになる。最も深刻な
問題は、ＩＤ／ＩＷ値を小さくすることができなくなる
ということである。理論的には複数の物理絞りを使用す
ることにより入射瞳の移動といった問題を解決できる
が、この方法ではズーム投影レンズ装置が大変複雑で高
価になってしまう。
【００１０】可動物理開口絞りを具備したズーム投影レ
ンズ装置の問題は、出力位置が可変自在な照明光学系を
使用することにより解決することができる。しかしなが
ら、この方法では、投影装置の照明部が複雑になってし
まい、単に問題を別の部分に置き換えるだけにすぎな
い。さらに、出力が移動自在な照明装置では映写スクリ
ーン上での単位面積当たりの照明消費エネルギーが不十
分である。つまり、スクリーンでの照度レベルを同じに
するのにワット数の大きなランプが必要になる。特許公
報平４−１７２４１６、４−８３２１５、３−２９３６
１２には特にＬＣＤパネル用に設計されたズーム投影レ
ンズが開示されている。前記４−１７２４１６特許公報
の発明では固定開口絞りを用いた古典的な方法が用いら
れており、このため装置は４つのユニットと１０枚のレ
ンズから構成され、大変複雑な構成になっている。ま
た、前記４−８３２１５公報には可動開口絞りが開示さ
れているが入射瞳が移動してしまい、達成できる低ＩＤ
／ＩＷ値が制限されている。同様に、前記３−２９３６
１２公報にも可動開口絞りが開示されているが、やは
り、入射瞳の問題によりＩＤ／ＩＷ値の範囲が制限され
てしまう。さらに、この公報のレンズではレンズをズー
ムする際にスクリーン上の光度が変動することが示され
ている。
【００１１】ＬＣＤパネルを用いた投影装置の場合、ズ
ーム投影レンズに特別な問題が発生する。例えば、ＬＣ
Ｄパネルにはビームスプリッター光学系を用いて一本の
投影レンズで三色の画像を投影している。この場合、物
体とズーム投影レンズ群の第一レンズ部材との間の距離
を大きくする必要がある。
【００１２】同じく、撮影または対物レンズの場合にも
バックフォーカス距離対焦点距離の比が大きくなってし
まうといった問題がある。このため、広角撮影レンズの
場合、第一の負のパワーのユニットの後ろに開口絞り内
蔵の第二の正のパワーのユニットが配設された逆望遠レ
ンズ(inverted telephoto)を使用している。しかしなが
らこのレンズでは、投影レンズ用語である出射瞳または
入射瞳が必ず移動してしまうことになる。このことか
ら、物体とズーム投影レンズ群の第一レンズ部材との間
の距離が大きくなるといった問題に従来の逆望遠ズーム
レンズをそのまま応用することはできないことが分か
る。
【００１３】他の分野に利用するだけでなく、ＬＣＤパ
ネルとも一緒にズーム投影レンズを使用するのであれ
ば、場合によっては、入射瞳を無限大あるいは少なくと
も物体から非常に離れた距離、つまり、テレセントリッ
ク状態となるよう配置しなくてはならない。これより主
光線が物体となす角度が最小になったり、あるいは、焦
点位置の外での倍率の変動が最小限になる。このような
状態にするため、通常、後方レンズユニットのバックフ
ォーカス位置に開口絞りが配置されている。物体の大き
さや物体と第一レンズ面との距離にもよるが、バックフ
ォーカスと後方レンズユニットとの距離はかなりあり、
このため、境筒のサイズも大きくなってしまう。従来の
方法に基づいて設計されたズーム投影レンズの場合、開
口絞りの画像側に可動部材を配置しなくてはならないた
め上記の問題は一層深刻である。
【００１４】本発明は上記従来技術の有する課題に鑑み
なされたものであり、その目的は装置のズーム範囲での
入射瞳の位置が常に略一定であり、また、以下の特徴を
備えた改良型ズーム投影レンズ装置を提供することにあ
る。すなわち、１）ＩＤ／ＩＷ値を広い範囲で連続的に
出力でき、２）角度範囲が広く、３）ｆナンバーが小さ
く、４）レンズ部材の数が少なくまた全体の構造が簡単
で、５）直径が小さなレンズ部材を使用し、６）非球面
の数が少ないといった特徴である。
【００１５】
【発明の構成】上記目的を達成するため、本発明では従
来使用されていなかったズームレンズの設計方法を採用
している。従来、投影ズームレンズを含むズームレンズ
の設計者らは、レンズ群に一つ、場合によっては、一以
上の絞りを画一的に配設しておりこの点は上記従来技術
の課題ですでに説明した通りである。
【００１６】つまり、従来、候補になっているレンズを
コンピューター分析する場合、技術者らは少なくとも一
つの物理開口絞りの位置を規定していた。レンズ設計コ
ンピュータープログラムではユーザーからの入力情報の
一部として開口絞り位置を必要としているためこのよう
な方法が行われていた。レンズ設計コンピュータープロ
グラムでは開口絞りを使用して光学システムに限られた
錐状光(cone of light) だけを入射させる物理制限を考
慮するため、このような情報が必要である。
【００１７】このような物理制限があるため従来の技術
者はレンズの設計になぜ物理開口絞りが必要なのか疑問
にも思わなかった。このように、上述のズームレンズの
問題点からも分かるように、従来の設計者は設計してい
るレンズ群の中に固定物理開口絞り、可動物理開口絞
り、複数の物理開口絞りを配設していた。この場合、物
理開口絞りを配設することにより完成したレンズの性能
および／または構造的簡略さが制限されてしまう。
【００１８】本発明によれば、ズーム投影レンズの設計
では物理開口絞りの位置を規定する必要はない。むし
ろ、設計変数として重要なのは、投影レンズ群の入射瞳
の位置である。効率的に光を透過させるため、入射瞳の
位置は１）投影レンズと共に使用する照明システムの出
力位置とほぼ同じ位置で、２）ズームを行ってもその位
置はほぼ一定である。このように、本発明によれば、特
定するのはズーム投影レンズの入射瞳位置であって物理
開口絞りの位置ではない。
【００１９】この方法では、ズーム投影レンズには依然
として物理開口絞りが配設されているが、この開口絞り
は投影レンズの性能を決定する「機能開口絞り(operati
ve aperture stop) 」ではない。特に、ここで使用して
いる物理開口絞りを、投影レンズの光学軸と物体面との
交点に位置するランベルト点光源から投影レンズの透過
光量を制限する投影レンズの部材と定義する。前記物体
面とは、例えば、本発明を適用した投写型テレビ内にお
いてＬＣＤが配設された面である。
【００２０】つまり、物理開口絞りとは投影レンズの開
口数を決めるレンズ部材であり、ここで、開口数とは従
来通りレンズ内に入射できる最大光束の半角の正弦に、
前記光束を取り囲む媒質の屈折率、例えば、空気中でレ
ンズを使用する場合は１．０をかけたものである。通
常、ズームを行うと物理開口絞りは一定の位置に保たれ
る。可動群を複数を有した大変複雑なズーム投影レンズ
の場合、場合によっては、投影レンズの倍率を変化させ
ると物理開口絞りが一つのレンズ部材から別のレンズ部
材に移ってしまうことがある。
【００２１】非機能型物理開口絞りの他に本発明のズー
ム投影レンズは「機能型」開口絞りを備えている。光学
系の入射瞳、出射瞳、開口絞りを互いに共役関係に配置
すると入射瞳の中心に照準を合わせた主光線は開口絞り
の位置と次に出射瞳の位置で光軸と交差する。従って、
入射瞳の位置を特定することにより開口絞りの位置も規
定される。本発明のズーム投影レンズの「機能」開口絞
りとはこの開口絞りである。つまり、本発明では、レン
ズ系の入射瞳の位置は照明システムの出力位置に固定さ
れており、レンズ空間中の入射瞳の画像が機能開口絞り
である。
【００２２】ズーム中は機能開口絞りの位置が移動す
る。すなわち、ズーム中においてズーム投影レンズ群を
構成しているレンズユニットおよび／または部材の位置
が変化すると、入射瞳の位置は一定のままで機能開口絞
りの位置が変化する。実際、ズームを行うと、機能開口
絞りの位置はレンズ面の方向へと移動し、レンズ面を通
過する。
【００２３】機能開口絞りは、通常は、投影レンズのズ
ーム範囲全体に及ぶ物理開口絞りよりも小さい。しかし
ながら、レンズ群の設計にもよるが、場合によっては、
機能開口絞りと物理開口がズーム範囲内の同一点で一致
することがある。この場合、これら二つの絞りのサイズ
は同じである。
【００２４】機能開口絞りは物理開口絞りではないた
め、撮影レンズとして使用すると物理開口絞りは設計時
のレンズの使用方法とは異なる機能開口絞りとなるため
本発明のズーム投影レンズは撮影レンズとしての使用に
は適していないことは注意しなくてはならない。つま
り、本発明のズームレンズは一定の場所に出力を行う照
明システムなどと共に使用するよう設計されており、こ
のような照明システムと一緒に使用しない場合、例え
ば、撮影レンズと共に使用すると不満足な画像ができて
しまう。実際、本発明のレンズ群の試験の場合、一緒に
使用する予定の照明システムを用いて実施しなくてはな
らない。これに対し、撮影レンズ構成のレンズ群の試験
は従来の投影レンズ群を用いて実施していた。
【００２５】以上のように、限られた錘状光だけを光学
系に入射させる物理制限を考慮するため光学設計コンピ
ュータープログラムには開口絞りが必要である。１）レ
ンズ群の物理開口絞りが機能開口絞りでなく、２）設計
過程（下記参照）で物理開口絞りを使用していなくと
も、本発明に従って設計及び組み立てられたズーム投影
レンズであれば前記物理制限を満足することが分かる。
特に、瞳の大きさに略等しいズーム投影レンズの入射瞳
に出力するよう照明システムを設計することができる。
従って、投影レンズに入射する光自体が制限されるため
物理開口絞りを設ける必要がない。
【００２６】万一、前記プログラムではユーザーが開口
絞りの位置を規定しなくてはならない場合でも再プログ
ラムすることなく従来の光学設計コンピュータープログ
ラムで本発明を実施することができる。これは「疑似開
口絞り(pseudo-aperture stop)」という手段を用いて行
うのである。すなわち、疑似開口絞りとは、１）ズーム
投影レンズの物体または画像空間にあり、また、２）照
明システムの出力と同じ位置にあるものである。開口絞
りと入射瞳は互いに共役であり、また、疑似開口絞りは
レンズ部材が存在しない物体空間に存在しているため、
この手法によって照明システムとズーム投影レンズの間
で光を効率的に結合させる上で望ましい照明システムの
出力位置に入射瞳を位置させる。
【００２７】従来の光学設計では光学系の長共役点から
短共役点へ向けて光が進行すると仮定している。この方
向は上記説明で用いた方向から見て後方にあたるため、
実際の設計過程では、疑似開口絞りは画像空間に形成さ
れ、また、その位置は通常は所望の効率で光結合を行う
よう制御を行うレンズ群の出射瞳の地点となる。
【００２８】本発明に係る照明装置用ズーム投影レンズ
は、正確に補正された物体の実像を生成するものであ
り、光軸と、入射瞳と、レンズの開口数を決める物理開
口絞りと、所定の照明手段から前記入射瞳の中心へ出射
する光線の光軸との交差点によってその位置が決定され
る機能開口絞りとを具備したレンズであって、前記ズー
ム投影レンズは、 （ａ）それぞれ少なくとも１枚のレンズ部材を有する少
なくとも２つのレンズユニットであって、少なくとも一
間隔によって軸方向に互いに隔てられているレンズユニ
ットと、 （ｂ）前記少なくとも一間隔を変化させることにより最
大倍率および最小倍率の間のズーム範囲内で前記ズーム
投影レンズの倍率を変化させるズーム手段とを含み、前
記ズーム手段によって前記ズーム範囲内で前記ズーム投
影レンズの倍率を可変した場合に、 （ｉ）前記ズーム範囲に亘って、前記入射瞳の位置が、
前記照明手段の出力位置と略同一の略一定の位置に固定
され、 （ｉｉ）前記物理開口絞りが、前記少なくとも２つのレ
ンズユニットのいずれかと一体的に移動し、 （ｉｉｉ） 前記機能開口絞りの位置が少なくとも１枚の
レンズ部材の１つの面を通過して移動し、（ｉｖ） 前記最大および最小倍率の間の少なくともある
倍率の時に前記物理開口絞りと前記機能開口絞りの位置
は互いに異なることを特徴とする。
【００２９】さらに、本発明に係るズーム投影レンズ
は、１．０以上のＱ値を有していることが好ましく、当
該Ｑ値は次の等式から求められる、 Ｑ ＝ （ＥＦＬｍａｘ ＊ Θ） ／ （ＣＡ ＊ ｆ／ｎｏ ＊ Ｌ） ここで、ＥＦＬｍａｘは前記ズーム投影レンズの有効焦
点距離の最大値であり、Θは前記ズーム投影レンズの最
小有効焦点距離における半角範囲（単位は度数）(semi-
angular coverage in degrees)、ＣＡは前記画像に最も
近接したレンズ部材のクリア開口(clear aperture)、ｆ
／ｎｏは、前記ズーム投影レンズの入射瞳が物体から有
限距離の地点にある場合には該物体から前記ズーム投影
レンズの入射瞳までの距離を該入射瞳の直径で割ったも
のであり、また、前記ズーム投影レンズの入射瞳が物体
から無限距離の地点にある場合には照明手段によって決
まる開口数の逆数を１／２倍したものであり、Ｌは光学
的パワーを有した、あるいは、収差を補正する前記ズー
ム投影レンズ内のレンズ部材の数であることを特徴とす
る。
【００３０】ここで使用している「レンズユニット」と
は、例えば、ズーム、補正、フォーカス、視野平坦化(f
ield flattening)などの機能をそれ自体あるいは互いに
一体となって実行する一または複数の隣接レンズ部材を
示す。本発明の殆どの実施例では、レンズユニットを構
成しているレンズ部材は相対的には移動しない。しかし
ながら、一部の実施例では、ズームまたはフォーカス期
間中またはその一部の期間中に移動を行うサブユニット
が前記レンズユニットに具備されている。同様に、本発
明の殆どの実施例では、レンズユニットは相対移動する
が、一部の実施例では、ズームまたはフォーカス中また
はその一部の期間中は２以上のユニットの互いの位置は
一定である。
【００３１】
【実施例】添付図面を参照しながら、本発明の好適実施
態様を以下詳細に説明する。
【００３２】すでに説明したように、本発明の投影ズー
ムレンズの入射瞳の位置は、当該レンズ群をその最小倍
率（ｍ’min ）と最大倍率（ｍ’max ）の間でズームし
ても略一定のままである。
【００３３】本発明を実施する最も簡単な構成として
は、正のパワーを有する第１ユニット（物体側ユニッ
ト）と負のパワーを有する第２ユニット（画像側ユニッ
ト）からなる２つのレンズユニットでレンズ群を構成す
る。前記第１ユニットを移動するとレンズ群の倍率は
ｍ’min からｍ’max の間で変化する。正のパワーのズ
ームユニットを一つ使用している従来のズームレンズの
場合、ｍ’min は１／ｍ’max に略等しく、倍率範囲
（ｍ’min からｍ’max まで）の中心は−１．０の前後
である。
【００３４】前記第２（画像側）ユニットは、第１ユニ
ットの移動によって生じた焦点位置の変動を補正し、レ
ンズ群の全体の焦点長さを決定する。また、第２ユニッ
トは、例えば、スクリーン距離が異なるなど画像までの
距離が異なる場合に個別のフォーカスを行うために使用
する。
【００３５】もし必要であれば、テレセントリック系、
焦点距離範囲の延長の効率的補正、レンズ部材のサイズ
の最小化、バレル長の短縮を考慮して本発明を実施する
際にさらに別のレンズユニット使用することもできる。
【００３６】上述したように、本発明のズーム投影レン
ズ群を設計する際に鍵となるのは、レンズ群の入射瞳の
位置の規定であって、物理開口絞りの位置の規定ではな
い。従来のレンズ設計コンピュータープログラムの場
合、このような入射瞳の位置の規定は疑似開口絞りを使
用して行うのが好ましい。
【００３７】特に、コンピュータープログラムを使用す
る際に、プログラムが要求する開口絞りを物体側空間内
のズーム投影レンズ群の入射瞳の所望の位置に位置決め
する。あるいは、物体の前方の長距離点に出力を行う
（第７例参照）照明システムを使用するよう設計したテ
レセントリックズーム投影レンズ群の場合のように、開
口絞りは画像空間内にある。いずれの場合でも、開口絞
り自体が共役関係になるように、つまり、入射瞳と開口
絞りが一致するよう、演算で求めた光路は開口絞りを通
過する前に全てのレンズ面を透過しなくてはならず（す
なわち、開口絞りはレンズ空間に対向する物体空間また
は画像空間内になくてはならない）。物体または画像空
間内にあるこの開口絞りは疑似開口絞りである。
【００３８】一般的に、入射瞳の望ましい位置また疑似
開口絞りの望ましい位置は、物理的には第一レンズ面と
最後のレンズ面の間の空間内である。つまり、疑似開口
絞りの物理的な位置はレンズ空間内にある。この物理的
位置を物体または画像空間に変換するため、コンピュー
タープログラムで使用した演算面と演算面の間の負の距
離を使用する。
【００３９】つまり、疑似開口絞りが物体空間内にある
場合は、疑似開口絞りを通過し、第１レンズ面（負の距
離）へ向かって後方へ進行し、さらに、この第１レンズ
面を通過した後スクリーンに至るまでの間に残り全ての
レンズ面を透過するような算出光路を使用する。疑似開
口絞りが画像空間内にある場合は、光はレンズ部材を透
過し、負の距離によって最後のレンズ面から疑似開口絞
りの方向へ後方へ進行し、さらに、スクリーン上へと進
む。上記のように、実際には、光線は長共役点から短共
役点へ、すなわち、スクリーンから物体方向へと進行
し、その結果、上記の光路は標準的なレンズの処方表の
最高演算面から最低演算面、すなわち、次に表１−７の
下から上へと読み取ったものに対応する。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【００４２】
【表３】
【００４３】
【表４】
【００４４】
【表５】
【００４５】
【表６】
【００４６】
【表７】
【００４７】
【表８】
【００４８】
【表９】
【００４９】
【表１０】
【００５０】この疑似開口絞り／演算面間の負の距離に
よる方法を第１−７例のズーム投影レンズで説明する。
表１−７では設計過程で使用した面を示している。いず
れの場合でも、前の面からの距離が負となる演算面（す
なわち、表１−７の面１６、１８、１８、１６、１８、
２０と１）がある。疑似開口絞りは各例における前記演
算面に位置決めされている。
【００５１】本発明を実施する際に市販の様々なレンズ
設計コンピュータープログラムを使用することが可能で
ある。例えば、カリフォルニア州パサディナにある光学
研究アソシエートから販売されている商標コードＶのプ
ログラムなどがある。当然のことながら、市販品でない
ものも使用できる。
【００５２】本発明の方法に従って本発明にかなったズ
ーム投影レンズを製造する。このようなズーム投影レン
ズの製造は、従来のレンズ製造組立方法を用いて行う。
当然ではあるが、本発明はこれから開発される製造組立
方法を用いても実施することができる。本発明に適用で
きる製造技術についての説明は、例えば、ＨｏｒｎｅＤ
ｏｕｇｌａｓ Ｆ．の「プラスチック光学ハンドブッ
ク」第２版 ＡｄａｍＨｉｌｇｅｒ社、ブリストル、１
９８３に開示されている。
【００５３】以下の第１−７実施例を用いて本発明をさ
らに詳細に説明するが、これらの実施例によって本発明
が制限されるものではない。図１−７と表１−７は各実
施例に対応している。表１−７に記載されているガラス
およびプラスチックを表８で説明する。ここで、ガラス
の名称はＳＣＨＯＴＴであり、略語「ｐｏｌｙｓｔｙ」
はポリスチレンを示すものである。本発明の実施に際し
ては、他の業者が製造している同等のガラスを使用して
もよい。表に記載されている非球面係数は次の等式に使
用するものである。
【００５４】
【数１】
【００５５】ここで、ｚはレンズ群の光軸方向に距離ｙ
の地点の表面たるみ(surface sag) 、ｃは光軸上のレン
ズの湾曲、ｋは円錐曲線の定数(conic constant)であ
る。
【００５６】表中で使用している略語は次の通りであ
る。ＳＮ：面番号、ＣＬＲ．ＡＰ．：クリア開口、ＥＦ
Ｌ：有効焦点距離、ＺＰ：ズーム位置。表中のサイズの
単位はミリメーターである。
【００５７】表９は物理開口絞り（面番号Ｓ）の位置
（Ｄｉｓｔ．）と直径（Ｄｉａ．）、機能開口絞り（面
番号Ｓ、この面から物体までの距離（Ｄｉｓｔ．））、
各例のレンズ群の最小（位置１）および最大（位置２）
焦点距離での入射瞳を図示している。
【００５８】この表に示されているように、ズーム中は
入射瞳も物理開口絞りも略一定の位置に保たれている。
これに対して、機能開口絞りはズームを行うと移動す
る。
【００５９】また、表９では実施例１−７のレンズ群の
Ｑ値についても説明している。このＱ値は次の式から求
められる。
【００６０】 Ｑ ＝ （ＥＦＬｍａｘ ＊ Θ）／（ＣＡ ＊ ｆ／ｎｏ ＊ Ｌ） ここで、ＥＦＬｍａｘはレンズ群の有効焦点距離の最大
値であり、Θはレンズ群の最小有効焦点距離での半角範
囲（度）(semi-angular coverage in degrees)、ＣＡは
画像に最も近接したレンズ部材のクリア開口(clear ape
rture)、ｆ／ｎｏは、レンズ群の入射瞳が物体から有限
距離の地点にある場合には該物体からレンズ群の入射瞳
までの距離を該入射瞳の直径で割ったもので、また、レ
ンズ群の入射瞳が物体から無限距離の地点にある場合に
は照明手段によって決まる開口数の逆数を１／２倍した
ものであり、さらに、Ｌは光学的なパワーを有している
か、または、収差を補正するレンズ群内のレンズ部材の
枚数である。
【００６１】Ｑ値が大きくなる程レンズ群の効率も向上
する。この値はレンズ群のズーム範囲、角度範囲(angul
ar coverage)（もう一つの性能ファクター）、口径比
（さらにもう一つの性能ファクター）、レンズ部材の直
径（経費ファクター）、レンズ部材の数（もう一つの経
費ファクター）を考慮している。表９に示されているよ
うに、本発明のズーム投影レンズ群のＱ値は１．０以上
であり、多くの場合は１．５以上である。これらの値か
ら本発明のレンズ群は性能に優れ、コストが少ないとい
うことが分かる。
【００６２】第一実施例 この実施例は、本発明に従って作製された２つのレンズ
ユニットを具備するズーム投影レンズ群を説明するもの
である。これら２つのユニットを構成しているレンズ部
材間相互の位置はズームを行っても一定である。つま
り、ズームによって互いに移動するのはレンズユニット
だけである。
【００６３】第１（対物）レンズユニットは正の光学パ
ワーを有しており、−１．４（短焦点距離）から−０．
７（長焦点距離）の範囲の倍率で物体の虚像を形成する
機能を有している。機能開口絞りはこのユニット内の短
焦点距離位置にあり、焦点距離を最大値まで増加すると
入射瞳（及び疑似開口絞り）と一致する地点まで前記機
能開口絞りはユニット内を移動する。
【００６４】色補正を行うため、図１に示すように第１
レンズユニットは２つの正のレンズ部材及びこの部材に
間挿された負の部材を備えている。色補正が不要な場合
は、前記負の部材を取り除いて第１ユニットを簡略化す
ることができる。この場合、利用する分野にもよるが、
残りの２つの正のレンズ部材を組み合わせて単一レンズ
部材を有した第一レンズユニットを構成できる。
【００６５】第２（結像）レンズユニットは負の光学パ
ワーを有しており、最大および最小焦点距離の間で一定
している。このユニットは中間焦点距離の補正に使用
し、画像までの距離が変化した時のフォーカス調整にも
使用できる。
【００６６】この実施例のレンズ群は少なくとも一面が
非球面であるアクリル樹脂製部材と球面だけの稠密フリ
ントガラス部材から構成されている。表１の処方の場
合、レンズ群のｆナンバーは６で全体の角度範囲(angul
ar coverage)は５２度である。
【００６７】第２実施例 この実施例のズーム投影レンズ群は第１実施例のレンズ
群と同様のものであり、ｆナンバーは６．６、全体の角
度範囲は５２度である。物体に最も近い位置にアクリル
レンズ部材をさらに１枚追加した。上記のように、正
（第１）ユニットの画像側から物体側へとズームを行う
間、焦点距離の増加に伴い機能開口絞りも変化してしま
う。
【００６８】第３実施例 この実施例は、負の部材用のフリントガラスの他に正の
部材用の光学ガラスが前記正（第１）ユニットに使用さ
れている点を除いて前記第１および第２例と同様であ
る。収差補正を行うため、非球面を備えたパワーの弱い
プラスチックの単一部材を物体に最も近い位置に配設し
ている。機能開口絞りは、第１及び第２実施例の場合と
同様に移動する。この実施例のｆナンバーは４．７で、
全体の角度範囲は５２度である。
【００６９】第４実施例 この実施例は上記の実施例と同様のものである。この実
施例ではプラスチック部材だけを使用して本発明を実施
した。前記正（第１）ユニットは３つの部材、すなわ
ち、正、負、正の部材で構成されている。また、前記負
（第２）ユニットは上記実施例の場合と反対の順序で配
列されている。このレンズ群のｆナンバーは４．７で、
全体角度範囲は５２度である。
【００７０】第５実施例 この実施例は、第３実施例の場合の５２度とは異なりそ
の全体角度範囲は６４．５度である点を除いては上記第
３実施例と同様である。収差補正に４枚の非球面プラス
チック面を使用しており、このレンズ群のｆナンバーは
４．５である。
【００７１】第６実施例 この実施例のズーム投影レンズシステムでは３つのレン
ズユニット、すなわち、正の第１（物体側）ズームユニ
ット、負の第２ズームユニット、ズーム及びフォーカス
中に位置が一定である正の第３（画像側）ユニットであ
る。前記第１ユニットは、図６の右側から左側へと光が
進行するような逆望遠構造(reverse telephoto constru
ction)を有している。このレンズ群のｆナンバーは４．
５であり、全体角度範囲は３５度である。
【００７２】第７実施例 この実施例のズーム投影レンズ群は、遠入射瞳(distant
entrance pupil)（レンズから離れているが必ずしもテ
レセントリック系にあるわけではない）を備えている。
物体に最も近いユニットは正のパワーを有しており、そ
の位置は一定している。異なる配列のレンズを画像側に
配設することができる。この実施例では、正の単一部材
の後に負の二重部材と別の正の単一部材が順番に配列さ
れており、これら３つのユニットが焦点距離の変動のた
め移動する。上記機能開口絞りの位置は、ズーム中は負
のユニットの両側を範囲として変動する。移動によって
直径が大きくなったり、あるいは、レンズ群と物体との
間の必要な間隔が侵害されるため、物体に最も近接した
ユニットは固定されている。このユニットには一番大き
な部材を使用しているため実施例中で最も製造コストが
高い。互換ズームユニットを使用することにより、最も
高価なユニットを物体に最も近い位置に配設せずとも１
以上の焦点距離範囲を実現することができる。表７の実
施例のｆナンバーは６．３で、全体角度範囲は４２度で
ある。
【図面の簡単な説明】
【図１−７】本発明のズーム投影レンズの概略側面図で
あり、機能絞り、物理絞り、疑似絞りがそれぞれ図示さ
れており、上段は短有効焦点距離（ＥＦＬ）のズーム投
影レンズの略図であり、下段は長ＥＦＬ構成のズーム投
影レンズの略図
【図８】本発明のズーム投影レンズを使用した投映シス
テムの全体概略図
【符号の説明】
１０ 光源 １２ 照明光学 １４ 物体 １６ 投影スクリーン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−241718（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−212814（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−25115（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−26812（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 15/16

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 正確に補正された物体の実像を生成する
    ものであり、光軸と、入射瞳と、レンズの開口数を決め
    る物理開口絞りと、所定の照明手段から前記入射瞳の中
    心へ出射する光線の光軸との交差点によってその位置が
    決定される機能開口絞りとを具備した照明装置用ズーム
    投影レンズであって、前記ズーム投影レンズは、 （ａ）それぞれ少なくとも１枚のレンズ部材を有した少
    なくとも２つのレンズユニットであって、少なくとも一
    間隔によって軸方向に互いに隔てられているレンズユニ
    ットと、 （ｂ）前記少なくとも一間隔を変化させることにより最
    大倍率および最小倍率の間のズーム範囲内で前記ズーム
    投影レンズの倍率を変化させるズーム手段とを含み、 前記ズーム手段によって前記ズーム範囲内で前記ズーム
    投影レンズの倍率を可変した場合に、 （ｉ）前記ズーム範囲に亘って、前記入射瞳の位置が、
    前記照明手段の出力位置と略同一の略一定の位置に固定
    され、（ｉｉ）前記物理開口絞りが、前記少なくとも２つのレ
    ンズユニットのいずれかと一体的に移動し、 （ｉｉｉ） 前記機能開口絞りの位置が少なくとも１枚の
    レンズ部材の１つの面を通過して移動し、（ｉｖ） 前記最大倍率および前記最小倍率の間の少なく
    ともある倍率の時に前記物理開口絞りと前記機能開口絞
    りの位置は互いに異なることを特徴とする照明装置用ズ
    ーム投影レンズ。
  2. 【請求項２】 前記少なくとも２つのレンズユニットの
    いずれかに含まれる１枚のレンズ部材の１つのレンズ面
    が、前記物理開口絞りを構成していることを特徴とする
    請求項１記載のズーム投影レンズ。
  3. 【請求項３】 前記ズーム投影レンズは１．０以上のＱ
    値を有しており、当該Ｑ値は次の等式から求められる、 Ｑ ＝ （ＥＦＬｍａｘ ＊ Θ）／（ＣＡ ＊ ｆ／ｎｏ ＊ Ｌ） ここで、ＥＦＬｍａｘは前記ズーム投影レンズの有効焦
    点距離の最大値であり、Θは前記ズーム投影レンズの最
    小有効焦点距離における半角範囲（単位は度数）(semi-
    angular coverage in degrees)、ＣＡは前記画像に最も
    近接したレンズ部材のクリア開口(clear aperture)、ｆ
    ／ｎｏは、前記ズーム投影レンズの入射瞳が物体から有
    限距離の地点にある場合には該物体から前記ズーム投影
    レンズの入射瞳までの距離を該入射瞳の直径で割ったも
    のであり、また、前記ズーム投影レンズの入射瞳が物体
    から無限距離の地点にある場合には照明手段によって決
    まる開口数の逆数を１／２倍したものであり、Ｌは光学
    的パワーを有した、あるいは、収差を補正する前記ズー
    ム投影レンズ内のレンズ部材の数であることを特徴とす
    る請求項１または２記載のズーム投影レンズ。
  4. 【請求項４】 前記Ｑ値が１．５以上であることを特徴
    とする請求項３記載のズーム投影レンズ。
  5. 【請求項５】 前記少なくとも２つのレンズユニット
    が、物体側から順番に、 正のズームユニットと負の補正ユニット、または、 正の第１ユニットと、負の第２ユニットと、ズーム時に
    固定されていてもよい正の第３ユニットを含むことを特
    徴とする請求項１から４いずれか１項記載のズーム投影
    レンズ。
  6. 【請求項６】 （ａ）前記負の補正ユニットが２枚の負
    のレンズ部材と１枚の正のレンズ部材とを含み、または （ｂ）前記負の補正ユニットが１枚の正の部材を含み、
    また、前記正のズームユニットが１枚の負の部材を含
    み、および／または （ｃ）前記正のズームユニットが２枚の正のレンズ部材
    と１枚の負のレンズ部材とを含むことを特徴とする請求
    項５記載のズーム投影レンズ。
  7. 【請求項７】 前記少なくとも２枚のレンズユニット
    が、物体側から順番に正の第１固定ユニットと、正の第
    ２ユニットと、負の第３ズームユニットと、正の第４ユ
    ニットを含むことを特徴とする請求項１から４いずれか
    １項記載のズーム投影レンズ。
  8. 【請求項８】 前記第２及び第４ユニットはそれぞれ正
    の単一部材で構成されており、および／または、前記第
    ３ズームユニットは正のレンズ部材と負のレンズ部材を
    含むことを特徴とする請求項７記載のズーム投影レン
    ズ。
  9. 【請求項９】 少なくとも１枚の非球面を備えているこ
    とを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のズー
    ム投影レンズ。
  10. 【請求項１０】 高分子材料からなるレンズ部材を少な
    くとも１枚備えたことを特徴とする請求項１から４いず
    れか１項記載のズーム投影レンズ。
  11. 【請求項１１】 ズーム投影レンズ設計工程を含み、当
    該工程は、 （１）軸方向の少なくとも一スペースが介在する少なく
    とも２つのレンズユニットを規定する段階であり、前記
    少なくとも２つのレンズユニットはそれぞれ少なくとも
    １枚のレンズ部材を備えており、また、最大倍率と最小
    倍率の間のズーム範囲で当該ズーム投影レンズを構成す
    るレンズ群の倍率が変化するよう軸方向の前記少なくと
    も一スペースは変動自在であるところのレンズユニット
    規定段階と、 （２）前記レンズ群の開口数を定める物理開口絞りの位
    置を規定せずに、当該レンズ群の入射瞳の位置を、当該
    レンズ群の前記ズーム範囲に亘って前記照明手段の出力
    位置と略同じとなる位置に規定する段階とを含み、 前記レンズ群の機能開口絞りの位置は、前記照明手段か
    ら入射瞳の中心に照準を合わせた際の光線の光軸との交
    点によって定まり、前記機能開口絞りの位置は、最大倍
    率と最小倍率の間で前記レンズ群の倍率が変化する際に
    少なくとも１枚のレンズ部材の１つの面を通過して移動
    するものであることを特徴とする請求項１から１０いず
    れか１項記載のズーム投影レンズの製造方法。
  12. 【請求項１２】 レンズ設計コンピュータープログラム
    を用いて前記設計工程を実施し、前記レンズ群の物体空
    間または画像空間内にあり、前記照明手段の出力と同じ
    位置にある疑似開口絞りの位置を規定して前記段階
    （２）を実施することを特徴とする請求項１１記載のズ
    ーム投影レンズ製造方法。
  13. 【請求項１３】 レンズ設計コンピュータープログラム
    が要求する開口絞りの位置が物体空間または画像空間内
    にあるよう規定して前記プログラムを用いて前記設計工
    程を実施することを特徴とする請求項１１記載のズーム
    投影レンズ製造方法。
  14. 【請求項１４】 前記レンズ設計コンピュータープログ
    ラムが演算面を使用するものであり、前記演算面のうち
    の２枚の演算面の間の負の距離により前記レンズ群の物
    体空間または画像空間内に前記疑似開口絞りの位置を規
    定することを特徴とする請求項１２記載のズーム投影レ
    ンズ製造方法。
  15. 【請求項１５】 前記レンズ設計コンピュータープログ
    ラムは演算面を使用しており、また、前記演算面のうち
    ２枚の演算面の間の負の距離を用いて物体空間または画
    像空間内に前記レンズ設計コンピュータプログラムが要
    求する開口絞りの位置を規定することを特徴とする請求
    項１３記載のズーム投影レンズ製造方法。
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