JP2005345563A - 投影レンズ - Google Patents

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Ritsuo Koga
律生 古賀
健志 小林
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Sekinosu Kk
セキノス株式会社
プラスビジョン株式会社
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Abstract

【課題】高い結像性能を有しながらも、高価な異常分散ガラスを用いることなく良好な倍率色収差の補正をする投影レンズを提供する。
【解決手段】かかる課題を解決するために、矩形の画像表示マイクロデバイスの映像をスクリーン面上に投影する投影レンズにおいて、拡大側から縮小側に向かって順に、負のパワーを有する第1レンズ群と、正のパワーを有し、軸上及び軸外光を平行光に変換する第2レンズ群と、正のパワーを有し、入射光を結像面に集光させる第3レンズ群とを備え、第1レンズ群は、スクリーン側に配設されるレンズのみが非球面レンズであることを特徴とする投影レンズ。
【選択図】 図1

Description

本発明は、投影レンズに関し、特に、マイクロデバイスを画像表示素子として採用した背面投射型映像表示装置に用いられる投影レンズに好適なものである。
近年、プロジェクション映像表示装置が広く普及している。このプロジェクション映像表示装置の1つとして、画像表示デバイスの画像を、透過型スクリーンに対して背面側から投射して画像を表示する背面投射型映像表示装置がある。この背面投射型映像表示装置は、例えばリアプロジェクションTV等として知られている。
この背面投射型映像表示装置は、白色光源から出た光を、3原色の色成分(赤、青、緑)に色分解し、色分解した各色成分光を反射型の画像表示デバイスに照らし、反射型画像表示デバイスに反射された各色成分の映像光を投影レンズによって透過型スクリーン上に投影することによりカラー画像を表示するものである。
このようなリアプロジェクションTVは、近年、プロジェクションTV本体の薄型化とともに表示の大画面化の要請があり、これに伴い、投影レンズは、短い投射距離で大画面を投影するために、短焦点化・広画角化が求められている。
このような要請に応えるためには、投影レンズのバックフォーカスと焦点距離の比も大きくしなければならない。一方、反射型の画像表示デバイス上の画像を高いコントラストでスクリーンに拡大投射するには、反射型の画像表示デバイスから垂直に近い角度で射出する光束を利用しなければならない。
従って、投影レンズの軸外の主光線が反射型の画像表示デバイスに垂直となるようにテレセントリック性を有することが必要となる。
また、CRT(Cathode Ray Tube)方式と異なりDMD(Digital Mirror Device)素子等ではドットマトリックス表示のために歪曲収差の電気的補正ができない。
従って、投影レンズ自体で小さな歪曲収差を実現しなければならない。しかしながら、このことは投影レンズの広角化や長いバックフォーカスを実現する上で障害となるものである。
さらに、反射型の画像表示デバイスの画素の高密度(高精細)化にともない、投影レンズの光学性能の向上、特に「倍率の色収差」を小さくすることが重要となってきている。
このような課題を考慮して提案された発明として特許文献1がある。特許文献1の実施例1においては、9枚構成のレンズ中、アクリル樹脂からなる非球面レンズを2枚使用して諸収差を補正する技術が開示されている。
特開2003−156683号公報
しかしながら、近年の画像表示マイクロデバイスの画素の高密度(高精細)化に伴い、投影レンズの光学性能の向上、特に「倍率の色収差」を使用波長域で小さく補正したい要求が市場において強い。
特許文献1に示す従来の投影レンズでは、倍率の色収差が青色光(450nm)で19μm、赤色光(620nm)で+22μmとなっている。この赤色の倍率色収差は焦点距離f=17.273mmの0.13%に相当する。
倍率色収差を補正するには異常分散ガラス(例えばアッベ数νdが81.6や90.3等)を使うと効果的に補正可能であるが、このような異常分散ガラスは非常に高価であり、またレンズ製造も難しいため投影レンズのコスト高を招いてしまうという問題がある。
また、例えば、開口絞りを挟んで拡大側にある負の屈折力を有する第1群(前群)と縮小側にある正の屈折力を有する第2群(後群)からなるレトロフォーカスタイプの広角投影レンズの場合、開口絞りの前後でレンズの屈折力配置が非対称となるため、歪曲収差・非点収差などの軸外収差の発生が大きいが、これらの収差は非球面を用いることで収差補正可能である。
そこで、本発明は、上述した背景に鑑み、大量生産可能な樹脂製の非球面レンズを用いて、低コストでありながら高い結像性能を有し、倍率色収差が小さいマクロディスプレイ用の投影レンズを提供するものである。
かかる課題を解決するために、請求項1に記載の本発明の投影レンズは、矩形の画像表示マイクロデバイスの映像をスクリーン面上に投影する投影レンズにおいて、拡大側から縮小側に向かって順に、負のパワーを有する第1レンズ群と、正のパワーを有し、軸上及び軸外光を平行光に変換する第2レンズ群と、正のパワーを有し、入射光を結像面に集光させる第3レンズ群とを備え、第1レンズ群は、スクリーン側に配設されるレンズのみが非球面レンズであることを特徴とする。
本発明の投影レンズによれば、非球面レンズが1種類であるため、比較的短期間に量産金型を立ち上げることができ、市場の変化に対応することができる。
また、本発明の投影レンズによれば、倍率の色収差補正を高価な異常分散ガラスを使用することなく、安価で加工し易い光学材料で構成しているため、低コストでありながら高い結像性能を有する投影レンズを安定供給することができる。
以下では、本発明の投影レンズを実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
本実施形態は、背面投射型映像表示装置に用いられる投影レンズに適用した場合について説明する。
また、本実施形態は、画像表示デバイスとして反射型画像表示マイクロデバイスを使用し、また光学系として単板式リアプロジェクションTV光学系を使用した場合において、投影レンズが反射型画像表示マイクロデバイスのカラー画像をスクリーンに拡大投影する場合について説明する。
以下では、まず、投影レンズを備えた背面投射型映像表示装置の全体構成について説明し、その後投影レンズ及び実施例について説明する。
(A)全体構成
図2は、背面投射型映像表示装置の構成例を概略的に説明するための断面図である。
図2において、背面投射型映像表示装置は、キャビネットa内に、光学エンジンb、投影レンズe、折り曲げミラーd、f、キャビネットaの前面に透過型スクリーンcを備える。
光学エンジンbからの光は、投影レンズeの中に組み込まれた第1の折り曲げミラーdにより反射され、その反射された光は、投影レンズeを介してキャビネットa側の第2の折り曲げミラーfに反射され、透過型スクリーンcに投影される。これにより、TVセットの薄型化と大画面化を実現している。
次に、単板式リアプロジェクションTV光学系の構成例について図3を参照して説明する。
図3において、単板式リアプロジェクションTV光学系は、白色光源であるアークアンプ(超高圧水銀灯)1、リフレクター2、カラーホイール3、ライトトンネル4、リレーレンズ5、DMD(Digital Mirror Device)素子6、カバーガラス7、TIR(Total Internal Reflection)プリズム8、投射レンズ9を備える。
アークランプ1は、楕円面形状をしたリフレクター2の第1焦点に配置されるものである。アークランプ1が放射した光は、リフレクター2により反射・集光され、カラーホイール3を通過して3原色に時分割されてリフレクター2の第2の焦点に集光される。
カラーホイール3は、3原色の青、緑、赤のカラーフィルターが円板状に配置され、高速回転(例えば毎秒60回転程度の回転数)し光を通過させることで時分割に色分解するものである。
集光された光は、その集光面に配置された例えば16:9のアスペクト比を有するライトトンネル4により導かれることで、均一な矩形形状の照明光を形成されると共に、リレーレンズ5によって、DMD素子6に効率よく時分割された各色成分の照明光として照射される。
DMD素子6は、画像表示素子であり、反射角度が高速制御される微小ミラー(例えば14μm角)を2次元的に備え、この微小ミラーの角度を調整することで入射光を反射させるものである。つまり、DMD素子6がON反射する場合、微小ミラーの角度を調整し、入射光を投影レンズ9に向けて反射させ、DMD素子6がOFF反射する場合、微小ミラーの角度を調整して、入射光を投影レンズ9に向けて反射させず、例えば光吸収部材などに吸収される。このようにON反射の場合に、投影レンズ9に光を反射させるものである。
リレーレンズ5によって照明光がDMD素子6に照射されると、DMD素子6によってON状態の光のみが、投影レンズ9によってスクリーン(図示しない)に拡大投影される。
以上のようにして、DMD素子6が反射した光が投影レンズ9を介してスクリーンに拡大投影される。
(B)投影レンズ
次に、本実施形態の投影レンズのレンズ構成について図面を参照して説明する。図1は、DMD素子6が反射した画像光をスクリーン(図示しない)に拡大投影する投影レンズのレンズ構成図である。
なお、図1の左側にスクリーン(図示しない)を配備するものとし、以下では、スクリーン側を「拡大側」と称し、DMD素子6側(図1の右側)を「縮小側」と称して説明する。
図1において、本実施形態の投影レンズは、拡大側から縮小側に向かって順に、負の屈折力(パワー)を有する第1群I(第1レンズ群ともいう)と、正の屈折力を有する第2群II(第2レンズ群ともいう)と、正の屈折力を有する第3群III(第3レンズ群)とを配してなる。また、第3群の縮小側には、TIRプリズム8、カバーガラス7、DMD素子6が配設してなる。
第1群Iと第2群IIと第3群IIIとを配して構成された投影レンズの型は「レトロフォーカスタイプ」と称するもので、バックフォーカスを長くすることができ、広角化にも適している。
投影レンズは、第2群IIと第3群IIIとの間に絞りSを配し、また、第2群IIと絞りSとの間に折り曲げミラーMを配してなる。
第1群Iは、負のパワーを有するレンズ群である。
第2群IIは、第1群Iにより発散した光束を、軸上及び軸外光において、正のパワーを有することにより、ほぼ平行光に変換するものである。
第3群IIIは、第2群IIからのほぼ平行光束を、正のパワーを有することにより、結像面に集光させるものである。
次に、図1を参照して、第1群I〜第3群IIIを構成するレンズについて説明する。
図1に示すように、第1群Iは、拡大側から縮小側に向かって順に、第1レンズL1と、第2レンズL2と、第3レンズL3とを配して構成される。
第1レンズL1は、拡大側に凸面を向けた両面非球面からなる負メニスカスレンズである。このように、第1レンズL1が両面非球面とすることで、歪曲収差を抑えることができる。また、第1レンズL1は、合成樹脂で成形されるものである。合成樹脂材料としては、例えば、アクリル(PMMA)やゼオネックス等が好適な材料である。
第2レンズL2は、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。
第3レンズL3は、両面が凹面である負レンズである。
また、図1において、第2群IIは、拡大側から縮小側に向かって順に、第4レンズL4と第5レンズL5とを配して構成される。
第4レンズL4は、拡大側に凹面を向けた正メニスカスレンズである。
第5レンズL4は、両面が凸面である正レンズである。
更に、図1において、第3群IIIは、拡大側から縮小側に向かって順に、第6レンズL6と、第7レンズL7と、第8レンズL8とを配して構成される。
第6レンズL6は、縮小側に強い凸面を向けた正メニスカスレンズL61と、その縮小側の面に凹メニスカスレンズレンズL62とを接合してなる接合レンズである。
第7レンズL7は、縮小側に強い凸面を向けた正レンズである。
第8レンズL8は、縮小側に強い凹面を向けた負メニスカスレンズL81と、その縮小側の面に両凸レンズL82とを接合してなる接合レンズである。
上述したように、第1レンズL1は、合成樹脂で形成されたレンズであり、そのレンズ材料のアッベ数ν1が、ν1>53の条件を満足するように設定する。
また、第6レンズL6を構成するレンズL61、第7レンズL7及び第8レンズL8を構成するレンズL82は、それぞれのアッベ数をν61、ν7及びν82とするとき、72>ν61、ν7及びν82>48の条件を満足するように設定する。
なお、νは、レンズ媒質のアッベ数であり、νに付されている数字はレンズ番号である。また、周知の如く、アッベ数νはレンズ媒質のF、d、C線の屈折率をN、N、Nとしたとき、ν=(N−1)/(N−N)で定義される。
本実施形態で説明する投影レンズは、第1レンズL1(第1群のスクリーン側に最も近い側のレンズ)のみが非球面レンズであり、また合成樹脂材料で生産される。従って、この第1レンズL1を生産するために、比較的短期間に量産することが可能となる。また、生産する非球面レンズが1種類のみであるから、その初期金型投資を抑えることもできる。
また、第1レンズL1を非球面とすることにより、歪曲収差を小さく抑えることができる。
次に、図1に示す投影レンズのレンズ構成について説明する。なお、図1において、拡大側から第i番目の面の曲率半径をRiとし、第i番目の面と第i+1番目の面との光軸上の面間隔をDiとする。また、屈折率とアッベ数はd線の値である。
また、全系の焦点距離をf(d線の値)、明るさをF/no、画角を2ω、横倍率をM、投影距離をLで表す。
非球面は、周知の如く、光軸をZ軸とする直交座標系(X,Y,Z)において、Rを近軸曲率半径、Kを円錐定数、A4,A5,…,A12をそれぞれ4次、5次、…、12次の非球面係数とするとき、座標h=(X+Y1/2における面形状が次式で表されるものとする。
Z(h)=(h/R)/[1+{1−(1+K)・(h/R)1/2]
+A3・h+A4・h+A5・h+A6・h
+A7・h+A8・h+A9・h+A10・h10
+A11・h11+A12+h12 …(1)
次に、具体的な数値を用いた本実施形態の投影レンズの実施例1について図面を参照して説明する。
図4は、実施例1のレンズ構成と光線追跡図を示す図である。また、図5は、実施例1における投影レンズを構成するための具体的な数値を示す説明図である。
なお、図4に示すレンズ構成は図1に示すレンズ構成に対応し、対応する構成要素には対応する符号を付す。
実施例1では、図5に示すように、全系の焦点距離f(d線の値)=9.225mmとし、明るさF/no=2.5とし、バックフォーカスBFL=27.972mm、画角2ω=94°、横倍率M=−1/65.11×、投影距離L=561.347mmとした場合である。
図6は、実施例1の投影レンズの球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す収差図である。
図6に示すように、実施例1の投影レンズによれば、倍率の色収差は656nmの光で6μm程度であり、焦点距離f=9.225mmの0.065%に相当する(従来例の半分)486nm、546nmの光でいずれも−2μm程度であり良好な結果を得ることができる。
また、図6に示すように、実施例1の投影レンズによれば、球面収差、非点収差及び歪曲収差も良好な結果を得ることができる。
次に、本実施形態の投影レンズの実施例2について図面を参照して説明する。
図7は、実施例2のレンズ構成と光線追跡図を示す図である。また、図8は、実施例2における投影レンズを構成するための具体的な数値を示す説明図である。
なお、図7に示すレンズ構成は図1に示すレンズ構成に対応し、対応する構成要素には対応する符号を付す。
実施例2では、図8に示すように、全系の焦点距離f(d線の値)=9.225mmとし、明るさF/no=2.5とし、バックフォーカスBFL=27.9363mm、画角2ω=97°、横倍率M=−1/84.97×、投影距離L=742.6964mmとした場合である。
図9は、実施例2の投影レンズの球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す収差図である。
図9に示すように、実施例2の投影レンズによれば、倍率の色収差は656nmの光で6μm程度であり、436nm、486nm、546nmの光で−3μm程度であり、良好な結果を得ることができる。
また、図9に示すように、実施例2の投影レンズによれば、球面収差、非点収差及び歪曲収差も良好な結果を得ることができる。
(C)他の実施形態
(C−1)上述した実施形態では、画像表示デマイクロバイスとして、DMD素子を例に挙げた場合について説明したが、これに限らず、透過型の高温ポリシリコンTFTによる液晶表示デバイスや反射型液晶のLCOS(Liquid Crystal On Silicon)素子を用いた場合でも、上述した実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。
(C−2)上述した実施形態では、光学系として、単板式の光学系を適用した場合について説明したが、これに限らず、3板式の光学系を適用するようにしてもよい。
(C−3)上述した実施形態において、第1レンズ群の第1レンズの面変更、または第2レンズ群及び第3レンズ群の間隔変更をすることによっても倍率変更を行なうようにしてもよい。これにより、投影レンズのレンズエレメントの最小変化によって、倍率変化を可能とすることができる。
本実施形態の投影レンズのレンズ構成を説明するための説明図である。 本実施形態の投影レンズを備えた背面投射型映像表示装置の構成例を示す断面図である。 本実施形態のDMD素子を用いた光学系の構成例を示す図である。 実施例1のレンズ構成及び光線追跡を示す図である。 実施例1の投影レンズの具体的数値を示す説明図である。 実施例1の投影レンズの各種収差を示す収差図である。 実施例2のレンズ構成及び光線追跡を示す図である。 実施例2の投影レンズの具体的数値を示す説明図である。 実施例2の投影レンズの各種収差を示す収差図である。
符号の説明
I…第1群(第1レンズ群)、
L1…第1レンズ、L2…第2レンズ、L3…第3レンズ、
II…第2群(第2レンズ群)、
L4…第4レンズ、L5…第5レンズ、
III…第3群(第3レンズ群)、
L6…第6レンズ、L61、L62…第6レンズの構成レンズ、
L7…第7レンズ、
L8…第8レンズ、L81、L82…第8レンズの構成レンズ、
M…折り曲げミラー、S…絞り、6…DMD素子、7…カバーガラス、
8…TIRプリズム。

Claims (6)

  1. 矩形の画像表示マイクロデバイスの映像をスクリーン面上に投影する投影レンズにおいて、
    拡大側から縮小側に向かって順に、
    負のパワーを有する第1レンズ群と、
    正のパワーを有し、軸上及び軸外光を平行光に変換する第2レンズ群と、
    正のパワーを有し、入射光を結像面に集光させる第3レンズ群と
    を備え、
    上記第1レンズ群は、スクリーン側に配設されるレンズのみが非球面レンズであることを特徴とする投影レンズ。
  2. 当該投影レンズ全体のパワーをφとし、上記第1、第2及び第3レンズ群のパワーをそれぞれφ、φII及びφIIIとするとき、上記第1レンズ群のパワー比が−1.3<φ/φ<−1.7であり、上記第2レンズ群のパワー比が4<φII/φ<8であり、上記第3レンズ群のパワー比が3<φIII/φ<5であることを特徴とする請求項1に記載の投影レンズ。
  3. 上記第1レンズ群は、拡大側から順に、第1レンズ、第2レンズ及び第3レンズを配して構成され、
    上記第2レンズ群は、拡大側から順に、第4レンズ及び第5レンズを配して構成され、
    上記第3レンズ群は、拡大側から順に、第6レンズ、第7レンズ及び第8レンズを配して構成され、
    上記第1レンズは、拡大側に凸面を向けた、少なくとも1面が非球面からなる負メニスカスレンズであり、
    上記第2レンズは、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズであり、
    上記第3レンズは、両面が凹面である負レンズであり、
    上記第4レンズは、拡大側に凹面を向けた正メニスカスレンズであり、
    上記第5レンズは、両面が凸面である正レンズであり、
    上記第6レンズは、縮小側に強い凸面を向けた正メニスカスレンズの縮小側の面に凹メニスカスレンズレンズを接合してなる接合レンズであり、
    上記第7レンズは、縮小側に強い凸面を向けた正レンズであり、
    上記第8レンズは、縮小側に強い凹面を向けた負メニスカスレンズの縮小側の面に両凸レンズを接合してなる接合レンズであり、
    上記第2レンズ群と上記第3レンズ群との間に絞りを配設した
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の投影レンズ。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載の投影レンズにおいて、
    上記第1レンズは、合成樹脂で成形され、レンズ材料のアッベ数ν1が、ν1>53の条件を満足し、かつ、上記第6レンズを構成する正メニスカスレンズL61、上記第7レンズ及び上記第8レンズを構成する両凸レンズL82のアッベ数ν61、ν7及びν82がそれぞれ、72>ν6、ν7及びν8>48の条件を満足する
    ことを特徴とする投影レンズ。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載の投影レンズにおいて、上記第1レンズの面変更をすることにより、及び又は、上記第2レンズ群と上記第3レンズ群との間隔を変化させることにより、倍率変更を行なうことを特徴とする投影レンズ。
  6. 請求項1〜請求項5のいずれかに記載の投影レンズにおいて、第2レンズ群と上記絞りとの間に、光路折り曲げ手段を設けたことを特徴とする投影レンズ。
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