JP2006048013A - プロジェクタ光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 映像形成部もスクリーンも一定位置に静止してあり、物像距離が一定なプロジェクタ光学装置において、光源に近い投影レンズ系におけるレンズの焦点距離等の光学特性の熱による変化による影響を排除して、スクリーン上に最初の合焦状態の鮮明な画像を維持することができるプロジェクタ光学装置を提供すること。
【解決手段】 レトロフォーカス投影レンズを有するプロジェクタ光学装置であって、前記レトロフォーカス投影レンズの光源側の凸レンズ群のうちの少なくとも一部のレンズを、温度変化によって光軸方向に伸縮する複数の補正部材によって支持し、前記凸レンズ群の温度変化による焦点距離の変化に基づく物像距離の変化を、前記複数の補正部材の温度変化による伸縮差で補正することを特徴とするプロジェクタ光学装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レンズ系が温度変化するおそれのあるプロジェクタ光学装置、例えばレンズ系と発熱光源を有するリアプロジェクションテレビ、リアプロジェクタ等のリアプロジェクション型映像装置、ホームシアターのために用いるフロントプロジェクタ等に関する。
特に、本発明は、レンズ系が温度変化によってその光学性能が変化する場合に、その変化を補償して所定の鮮明な画像等を形成し続けることができるプロジェクタ光学装置に関する。

リアプロジェクタにおいてもフロントプロジェクタにおいても、光学的にみると、一度合焦調節がなされると、物像距離すなわち液晶等の画像形成部と結像位置に配置されるスクリーンの間の光学的距離が一定である。一方、プロジェクタは、その光源として高い発熱量のキセノンランプ等を有している。この光源の熱放射は、投影光学系の該光源に近いレンズに特に高い温度の影響を与える。

一方、最近、各種収差がなく光学的に優れた映像を投影するために、投影光学系に異常分散系ガラスレンズや、プラスチックレンズが使用されている。異常分散系ガラスレンズの温度変化による変化は、基準温度２０°Ｃで設計したものを基準として、後に説明する表２に示すとおりであり、温度変化による光学的性能の劣化は明らかである。

従来、温度上昇によるレンズの焦点距離変化を補正する温度補正型光学装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。すなわち、温度変化により筒長が変化される鏡筒と、この鏡筒内に保持されたレンズとで構成される光学装置（コリメータ）において、レンズを、温度変化に応じて焦点距離が変化され、かつその焦点距離の変化と鏡筒の筒長の長さの変化が相殺してレンズの焦点位置を一定位置に保持し得る素材で形成する。このように構成することによって、鏡筒とレンズで構成される光学装置において、温度変化により鏡筒の長さが変化された場合でも、光学装置としての焦点位置の変動を防止した温度補正型光学装置を得る。

従来さらに、温度変化による撮影レンズの焦点位置の変化を、選択に自由度がある材料を用いて機械的に相殺し補正することができるカメラが提案されている（例えば、特許文献２参照）。すなわち、プラスチックレンズを有する撮影レンズを保持したレンズ鏡枠と、レンズ鏡枠固定部においてレンズ鏡枠を固定したレンズ鏡筒と、レンズ鏡筒と略平行に配置され、撮影レンズによる結像面側の部所にて非可動の固定部材に固定された伸縮部材と、伸縮部材と略平行に配置され、レンズ鏡筒のレンズ鏡枠固定部よりも結像面側の部所及び伸縮部材の固定部材との固定部よりも被写体側の部所と各々接続され、レンズ鏡筒を支持する接続部材と、を備え、レンズ鏡筒及び伸縮部材を線膨張係数の大なる材料で形成し、レンズ鏡枠及び接続部材を線膨張係数の小なる材料で形成して構成されたカメラである。

特開平６−１３０２６７号公報 特開２００３−１８５９０４号公報

特許文献１及び２に開示の光学装置においては、投影レンズ系全体の焦点距離の変化を補正するものである。従って、これらの技術によって焦点位置の変動を補正できるが、投影レンズ系の焦点距離が変動しているため、結像位置が変移し、スクリーン位置を変動しない限り、最初の合焦状態の鮮明な画像を維持することはできない。
一方、前記プロジェクタ光学装置においては、最初に合焦調整を行うと、その後、通常は、映像形成部もスクリーンも一定位置に静止してあり、スクリーン上に最初の合焦状態の鮮明な画像を維持することはできない。すなわち、例えば、温度上昇により投影レンズ系の焦点距離が伸びた場合、投影光学系と映像形成部の間隔を長くするように調整して焦点位置を正しく位置調整しても、投影レンズ系とスクリーンの間隔は投影レンズ系の焦点距離が伸びたことによりより長くなるべきところ、逆に投影レンズがスクリーン側に移動した量だけ短くなっており、スクリーン上に最初の合焦状態の鮮明な画像を維持することはできない。

（発明の目的）
本発明は、従来のプロジェクタ光学装置に係る上述した問題に鑑みてなされたものであって、映像形成部もスクリーンも一定位置に静止してあり、物像距離が一定なプロジェクタ光学装置において、光源に近い投影レンズ系におけるレンズの焦点距離等の光学特性の熱による変化による影響を排除して、スクリーン上に最初の合焦状態の鮮明な画像を維持することができるプロジェクタ光学装置を提供することを目的とする。

本発明は、レトロフォーカス投影レンズを有するプロジェクタ光学装置であって、
前記レトロフォーカス投影レンズの光源側の凸レンズ群のうちの少なくとも一部のレンズを、温度変化によって光軸方向に伸縮する複数の補正部材によって支持し、前記凸レンズ群の温度変化による焦点距離の変化に基づく物像距離の変化を、前記補正部材の温度変化による伸縮差で補正することを特徴とするプロジェクタ光学装置である。

本発明の実施形態は、以下のとおりである。
前記凸レンズ群が、異常分散系ガラスレンズを含んでいることを特徴とする。
前記凸レンズ群が、プラスチックレンズを含んでいることを特徴とする。
前記プロジェクタ光学装置が、フロントプロジェクタであることを特徴とする。
前記プロジェクタ光学装置が、リアプロジェクタであることを特徴とする。
前記補正部材は、
前記プロジェクタ光学装置に固定された固定レンズ鏡筒に固着され、前記光源側へ延設された第１伸縮鏡筒と、
前記第１伸縮鏡筒の前記固定レンズ鏡筒への固着位置よりも後方において前記第１伸縮鏡筒に固着され、前方側へ延設され、前方側で前記レトロフォーカス投影レンズの光源側の凸レンズ群のうちの少なくとも一部のレンズを支持した第２伸縮鏡筒と、
前記第２伸縮鏡筒は、前記第１伸縮鏡筒よりも線膨張係数の大きい材料で形成されていることを特徴とする。
前記第１伸縮鏡筒は、前記第２伸縮鏡筒と光軸方向において略同一の長さを有することを特徴とする。
前記プロジェクタ光学装置が、マイクロデイスプレイを、固定レンズ鏡筒に固着され、前記光源側へ延設された前記固定レンズ鏡筒の後方側で支持していることを特徴とする。

本発明のプロジェクタ光学装置によれば、映像形成部もスクリーンも一定位置に静止してあり、物像距離が一定なプロジェクタ光学装置において、光源に近い投影レンズ系におけるレンズの焦点距離等の光学特性の熱による変化による弊害を排除して、スクリーン上に最初の合焦状態の鮮明な画像を維持することができる効果を有する。
すなわち、本発明のプロジェクタ光学装置によれば、所定の合焦状態が達成されている状況から、レトロフォーカス投影レンズ近傍の温度が上昇すると、レトロフォーカス投影レンズのバックフォーカスＢＦが長くなり、マイクロデイスプレイの像が、投射スクリーンの後方すなわちプロジェクタ光学装置の反対側に結像することになる。一方、前記レトロフォーカス投影レンズの光源側の凸レンズ群のうちの少なくとも一部のレンズが、前記補正部材の温度変化による伸縮差で光軸上を前方へ移動する。その結果、物像距離が短縮化して、最初の合焦状態の鮮明な画像が再現される。
本発明のプロジェクタ光学装置によれば、さらに、光軸上を移動させるべき前記レトロフォーカス投影レンズの光源側の凸レンズ群のうちの少なくとも一部のレンズの位置が、レンズ鏡筒がそれらレンズを支持する位置と光軸方向において略同一であっても、前記レトロフォーカス投影レンズの光源側の凸レンズ群のうちの少なくとも一部のレンズを所定距離移動させて、熱によってレトロフォーカス投影レンズのバックフォーカスＢＦが長くなったことによる弊害を排除し、鮮明な画像を再現できる。

以下に、本発明の実施形態のプロジェクタ光学装置を図面に基づいて説明する。プロジェクタ光学装置１０は、図１に示すように、レトロフォーカス型の焦点距離８．８ｍｍの投影レンズ２０、プリズム系３０、及び映像形成部であるマイクロデイスプレイ４０を有する。光源（図示せず）は、マイクロデイスプレイ４０の後方に配置されている。投影倍率は、７９倍ないし１０６倍である。投影レンズ２０は、レンズＧ１ないしＧ３からなる焦点距離−２７．６ｍｍの前レンズ群２２と、レンズＧ４ないしＧ１１からなる焦点距離＋４３．２６ｍｍの後レンズ群２４からなる。レンズＧ３は、プラスチックレンズである。レンズＧ８，Ｇ１０及びＧ１１は、異常分散系ガラスレンズである。スクリーン（図示せず）は、投影レンズ２０の前方に配置される。

上述した光学部品は、第１レンズ鏡筒５０、第２レンズ鏡筒５２、第３レンズ鏡筒５４、第４レンズ鏡筒５６によって支持されている。プロジェクタ光学装置本体（図示せず）に支持された第１レンズ鏡筒５０は、第２レンズ鏡筒５２を支持するとともに、第１伸縮鏡筒１００を支持している。第１レンズ鏡筒５０は、さらに、その後端部にマイクロデイスプレイ４０を支持している。第２レンズ鏡筒５２は、第３レンズ鏡筒５４を支持するとともに、レンズＧ４，Ｇ５及び絞りＡを支持している。第３レンズ鏡筒５４は、第４レンズ鏡筒５６を支持している。第４レンズ鏡筒５６は、レンズＧ１ないしＧ３を支持している。

第１レンズ鏡筒５０のスクリーン側端部すなわち前端部によって前端部を支持された第１伸縮鏡筒１００は、その後端部において第２伸縮鏡筒１１０の後端部を支持している。
第２伸縮鏡筒１１０は、その前端部においてレンズ枠１１２を介してレンズＧ６ないしＧ１１を支持している。レンズＧ６ないしＧ１１の焦点距離は、−８０．６５ｍｍである。
第１伸縮鏡筒１００と第２伸縮鏡筒１１０は、前記凸レンズ群の温度変化による光軸上の変移及び焦点距離の変化を補正する補正部材として作用する。
第１レンズ鏡筒５０、第２レンズ鏡筒５２、第３レンズ鏡筒５４、第４レンズ鏡筒５６は、真鍮、アルミニュウム等によって形成されている。第１伸縮鏡筒１００は、線膨張係数が１８×１０^-6のＰＰＳによって形成されている。第２伸縮鏡筒１１０は、線膨張係数が７×１０^-5のＰＣによって形成されている。
変形例として、第１伸縮鏡筒１００は、線膨張係数が３０×１０^-6のＰＣ−Ｇ３０％によって形成されてもよい。第２伸縮鏡筒１１０は、線膨張係数が１２×１０^-5のＡＢＳによって形成されてもよい。

上述したプロジェクタ光学装置１０の温度変化に対する補正の演算値は、表１に示すとおりである。表１において、ピントずれ量は、スクリーン位置に対する結像位置の位置ずれ量を示す。第１レンズ鏡筒５０に使用した真鍮の線膨張係数は、１８×１０^-6であり、同じくアルミニュウムの線膨張係数は、２３．６×１０^-6である。表１において、第１レンズ鏡筒伸縮無視は、第１レンズ鏡筒の材料をセラミックス等で製作した場合である。

また、図１に示す上述したプロジェクタ光学装置１０の試作品において、製品取付面（フランジ面）からレンズ最終面までの距離の値（ＭＢ−ＢＦ）及びメタルバック値ＭＢは、２０℃を基準とし、０℃では、（ＭＢ−ＢＦ）４７．４５２ｍｍ（-０．０２２ｍｍずれ）、ＭＢ１２３．６０２ｍｍ（−０．０３０ｍｍずれ）であった。５０℃では、（ＭＢ−ＢＦ）４７．５４２ｍｍ（+０．０６８ｍｍずれ）、ＭＢ１２３．６９１ｍｍ（+０．０５９ｍｍずれ）であった。

上述した実施形態においては、第１レンズ鏡筒５０を真鍮、アルミニュウム等の線膨張係数の小さい材料で形成している。これによっても、表１及び表２に示すように、マイクロデイスプレイ４０を後方へある程度移動させ、熱によってレトロフォーカス投影レンズのバックフォーカスＢＦが長くなったことによる弊害を排除していることが理解できる。
さらに、第１レンズ鏡筒５０を線膨張係数７×１０^-5のＰＣや線膨張係数１２×１０^-5のＡＢＳ等によって形成すれば、マイクロデイスプレイ４０を後方へ所定距離移動させ、熱によってレトロフォーカス投影レンズのバックフォーカスＢＦが長くなったことによる弊害をより効率的に排除することができることは、当業者にとって明らかである。

（比較例）
比較例は、第１伸縮鏡筒及び第２伸縮鏡筒を使用せず、レンズＧ６ないしＧ１１を支持しているレンズ枠１１２を直接第２レンズ鏡筒５２に固定した場合である。表２において、第１レンズ鏡筒伸縮無視は、第１レンズ鏡筒の材料をセラミックス等で製作した場合である。

本発明の実施形態は、レトロフォーカス型の投影レンズとして説明したが、他のタイプのレンズ系、例えば、ガウスタイプ型、ペッツバル型においても、その技術思想は有効に実施可能である。

本発明の実施形態のプロジェクタ光学装置の光学系等の断面図である。

符号の説明

Ａ 絞り
Ｇ１ないしＧ１１ レンズ
１０ プロジェクタ光学装置
２０ 投影レンズ
２２ 前レンズ群
２４ 後レンズ群
３０ プリズム系
４０ マイクロデイスプレイ
５０ 第１レンズ鏡筒
５２ 第２レンズ鏡筒
５４ 第３レンズ鏡筒
５６ 第４レンズ鏡筒
１００ 第１伸縮鏡筒
１１０ 第２伸縮鏡筒

Claims (8)

1. レトロフォーカス投影レンズを有するプロジェクタ光学装置であって、
   前記レトロフォーカス投影レンズの光源側の凸レンズ群のうちの少なくとも一部のレンズを、温度変化によって光軸方向に伸縮する複数の補正部材によって支持し、前記凸レンズ群の温度変化による焦点距離の変化に基づく物像距離の変化を、前記複数の補正部材の温度変化による伸縮差で補正することを特徴とするプロジェクタ光学装置。
2. 前記凸レンズ群が、異常分散系ガラスレンズを含んでいることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ光学装置。
3. 前記凸レンズ群が、プラスチックレンズを含んでいることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ光学装置。
4. 前記プロジェクタ光学装置が、フロントプロジェクタであることを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ光学装置。
5. 前記プロジェクタ光学装置が、リアプロジェクタであることを特徴とする請求項１記載のプロジェクタ光学装置。
6. 前記補正部材は、
   前記プロジェクタ光学装置に固定された固定レンズ鏡筒に固着され、前記光源側へ延設された第１伸縮鏡筒と、
   前記第１伸縮鏡筒の前記固定レンズ鏡筒への固着位置よりも後方において前記第１伸縮鏡筒に固着され、前方側へ延設され、前方側で前記レトロフォーカス投影レンズの光源側の凸レンズ群のうちの少なくとも一部のレンズを支持した第２伸縮鏡筒と、を備え、
   前記第２伸縮鏡筒は、前記第１伸縮鏡筒よりも線膨張係数の大きい材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ光学装置。
7. 前記第１伸縮鏡筒は、前記第２伸縮鏡筒と光軸方向において略同一の長さを有することを特徴とする請求項６に記載のプロジェクタ光学装置。
8. 前記プロジェクタ光学装置が、マイクロデイスプレイを、固定レンズ鏡筒に固着され、前記光源側へ延設された前記固定レンズ鏡筒の後方側で支持していることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ光学装置。

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