JP2006098621A - レンズ保持ユニットおよび画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 レンズ公差によるレンズユニットの性能のバラツキを抑制できる、複数のサブユニットを接合する方式のレンズ保持ユニットを提供する。
【解決手段】 複数のサブユニットにより組み立てられるレンズ保持ユニットであって、ほぼ円筒状の外殻１２ａと、少なくとも１枚のレンズ２０の前後をそれぞれ支持するために外殻１２ａの内面１２ｂから光軸方向に延びた前片４１および後片４２とを有し、レンズ２０を取り付けるときに、前片４１および後片４２の一方は変形し難く、他方は変形し易いレンズ保持ユニットを提供する。レンズ公差によりレンズ２０の位置はシフトするが、一方の片を変形し易いようにしておくことにより、レンズ２０のシフトする方向を効き量の少ない方向に規制できる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、液晶あるいはＤＭＤなどのライトバルブに表示された像をスクリーンに拡大投影する画像表示装置に適したレンズユニットおよびレンズ保持ユニットに関するものである。

カメラやプロジェクタ装置などに用いられるレンズユニットは、複数枚のレンズが筒状のホルダまたはレンズ保持ユニットによって保持され装置に組み込まれている。特許文献１では、筒状のレンズ保持部材に当接面を形成し、レンズ保持部材にレンズを入れ、さらに、当接面にレンズの縁が当接した状態となるように押え環でレンズを固定している。複数枚のレンズを、それらの、光軸方向の距離が調整された状態で固定してユニット化している。
特開２００２−４０３０８号公報

複数枚のレンズにより光学システム（レンズユニット）を構成する場合、レンズの厚みの公差は結像性能および収差補正に影響を与える。レンズユニットの性能に対する効き量はレンズの前後で同じではなく、レンズの前後の面の曲率の差、隣接するレンズあるいはレンズグループとの関係などにより、一方の面の公差の効き量と、他方の面の公差の効き量とは差がある。特許文献１のレンズ装置においては、レンズ保持部材の当接面に当たり、その当接面の側のレンズ面の位置は精度良く決まる。したがって、レンズ径に差があったり、レンズ保持部材に対し前後から装着する順番が都合良く決まったりすれば、効き量の大きな面を当接面に当てて位置を制御することができる。しかしながら、同程度の径のレンズの向かい合わせの面の距離を精度良く支持する必要があったり、そのような組み合わせのレンズが２組あったりしたりすると、レンズを挿入する順番を調整しても効き量の大きな面を当接面で支持することは不可能になる。

液晶パネルあるいはＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）などの光変調装置（ライトバルブあるいは画像形成装置）により形成された画像を、レンズユニットを用いてスクリーンに裏側から拡大投影するリアプロジェクタ装置は、薄型で、大画像を映し出せるので、次世代の画像表示装置として注目を集めている。従来の高画質なテレビ並みの高解像度の画像を得るためには、収差補正性能が高く、温度などによる焦点距離のずれが少ない、高い光学性能を備えたレンズユニットが要望されている。したがって、レンズユニットを構成する全てのレンズを、それぞれの効き量の高い面を、少なくとも設計した通りの位置で保持できることが要望されており、本発明の目的は、そのような要望に答えることができるレンズ保持ユニットを提供することである。そして、高い性能が安定して得られるレンズユニットを提供することも本発明の目的とするところである。

このため、本発明においては、複数のレンズを保持するためのレンズ保持ユニットを、光軸に平行な面で分割された複数のサブユニットにより組立てる方式を採用する。それぞれのサブユニットは、ほぼ円筒状の外殻と、少なくとも１枚のレンズの前および後をそれぞれ保持するために外殻の内面から光軸に向けて延びた前片および後片とを有し、少なくとも１つのレンズを取り付けるときに、前片および後片の一方は変形し難く、他方は変形し易い。サブユニットは光軸に平行な面で分割されたパーツなので、レンズを光軸に対して垂直な方向からセットすることができ、レンズのサイズや、前後などの関係に捉われずに、所定の前片および後片の間にレンズを装着することができる。したがって、前片および後片の変形しない、あるいは変形し難い方により、レンズの効き量の大きな面を支持するようにサブユニットを形成することにより、レンズユニットを構成する全てのレンズに対して効き量の大きな面の位置を所望の位置にすることができる。そして、前片および後片の変形する、あるいは変形し易い方により、がたつきなくレンズを保持することができる。このため、本発明のレンズ保持ユニットを用いてレンズを保持したレンズユニットにより、設計通りの高い光学性能を備えたレンズユニットを歩留まり良く量産できる。そして、本発明のレンズユニットと、このレンズユニットを通してスクリーンに投影する画像を形成する光変調器と、スクリーンとを有する画像表示装置では、鮮明な画像をスクリーンに映し出すことが可能となる。

前片および後片の間にレンズを差し込んだときに、レンズの前面および後面が必ず前片および後片に当たるように、前片および後片の距離はレンズの前片および後片に当たる部分の厚みよりも狭いことが望ましい。

前片および後片の一方が変形し難く、他方が変形し易いようにするための一例は、前片および後片の厚みを異ならせることである。特に、前片および後片の根元部分の厚みを変えたり、断面積を変えたり、リブなどの補強部材あるいは補強形状を設けたりすることは、同一の材料で一方を他方に対して柔軟にするために有効である。前片および後片の素材を変えることも可能である。さらに、前片および後片の一方は、レンズと接触する形状が変形し難く、他方はレンズと接触する形状が変形し易いようにすることが可能である。たとえば、効き量の小さな面が凸面でその曲率が大きければ、その面をテーパー状に先端が細くなった片で受けることにより、フレキシブルに面を支持できる。同じような形状の片であって、レンズの面の曲率が小さく、その面と当たる部分の片の強度が高ければ、変形し難い状態でレンズを支持することができる。

また、前片および後片の一方が変形し難く、他方が変形し易いような構造は、効き量の大きな面の位置は固定するが、効き量の小さな面の位置をある程度の柔軟性を持って支持する。したがって、サブユニットとレンズの熱膨張率の異なる場合には、この構造が熱膨張率の差を吸収する。このため、レンズユニットが設置される周囲の温度が変わっても、温度変化によりサブユニットからの応力によりレンズに歪みが発生したりすることは少なく、温度変化に対して安定した光学性能を備えたレンズユニットを提供できる。

特に、レンズに対して熱膨張率の大きな素材によりサブユニットを製造すると、レンズユニットの使用中は照明により温度が上昇するが、そのときに内径が広がるのでレンズに対して応力は加わり難くなる。しかしながら、サブユニットの内径が広がると、レンズを保持する安定力は低下する傾向になると考えられる。しかしながら、前片および後片の一方が変形し易く、他方が変形し難いような構造によりレンズの周囲を挟んで保持する方式は、サブユニットの内径が多少広がっても保持力が低下することはない。したがって、レンズをサブユニットに取り付けるときも、過剰な圧力でレンズを押さえつける必要はなく、取り付けの際の圧力によりレンズユニットの光学的性能が劣化するのも防止できる。

サブユニットの１つの形態は、光軸を含む面で２つに分割された同一形状のクラムシェルと称されるものであり、同一の型枠で製造することができる。このため、レンズ保持ユニットは、さらに低コストで製造することができる。また、同一形状の２つのサブユニットでレンズを光軸に対して垂直な方向から挟みこむように保持するので、サブユニットの製造公差は、光軸に対して対称な方向に現れ、その影響が分散される。したがって、サブユニットの製造公差が、それらを用いたレンズユニットの光学的性質の低下に繋がりにくいというメリットもある。

図１に、本発明のレンズユニットを備えたリアプロジェクタ装置１の概要を示してある。このリアプロジェクタ装置１は、ハウジング２の内部に、光源３と、光源３からの光を画像信号により変調して画像を形成する光変調器（ライトバルブ）４と、ライトバルブ４の画像を拡大投影するためのレンズユニット５と、投影光８を反射してスクリーン９に導くミラー７とを有している。そして、ハウジング２の表面にスクリーン９が配置されており、そのスクリーン９に後方からレンズユニット５によりライトバルブ４の画像が拡大して投影される。ライトバルブ４としては、液晶パネルやマイクロミラー素子によるＤＭＤパネル等を採用できる。

図２に、投写用のレンズユニット５の概略構成を示してある。レンズユニット５は、複数枚のレンズ２０と、レンズユニット５の内部で光路を折り曲げるためのプリズム６と、これらを収納したレンズ保持ユニット１０とを備えている。レンズ保持ユニット１０は、全体としてＬ字型になっており、内蔵されたプリズム６によりレンズユニット５の内部で光を９０度曲げて投影光を出力する。この投影光は、リアプロジェクタ装置１のミラー７を介してスクリーン９に投影され画像を形成する。複数枚のレンズ２０は、スクリーン９の側から順に第１のレンズ群２１と、第２のレンズ群２２と、第３のレンズ群２３に分かれて配置されている。

このレンズユニット５のレンズ保持ユニット１０は、第１のレンズ群２１を収納し保持するための筒状の第１のシェル１１と、第２のレンズ群２２を収納し保持するための筒状の第２のシェル１２と、第３のレンズ群２３を収納し保持するための筒状の第３のシェル１３と、プリズム６を保持し光路が９０度曲がった接続用の第４のシェル１４とを備えている。

図３にレンズユニット５の概観の詳細を斜視図により示してある。また、図４に、レンズユニット５のレンズ保持ユニット１０を各々のシェルに分離した状態で斜視図により示してある。この例では、第２のシェル１２、第３のシェル１３および第４のシェル１４は、それぞれクラムシェルタイプのホルダであり、光軸Ｌを含む面により上下または左右に２つに分割された同一形状のクラムシェルタイプのサブユニットにより構成されて、それらをネジ止めなどの方法によって接合することにより１つのほぼ円筒状のシェルが形成されている。このため、第２のシェル１２は同一形状の２つのサブユニット３２を備え、第３のシェル１３は同一形状の２つの第３のサブユニット３３を備え、第４のシェル１４は同一形状の２つの第４のサブユニット３４を備えている。第１のシェル１１は、第１のレンズ群２１の配列が一方から挿入し易い構成となっているので、クラムシェルタイプは採用されていない。しかしながら、他のシェルと同様に、第１のシェル１１もクラムシェルタイプのホルダとすることは可能である。

図５に、第２のシェル１２を構成する第２のサブユニット３２、第３のシェル１３を構成する第３のサブユニット３３、および第４のシェル１４を構成する第４のサブユニット３４を斜視図により示してある。第２のシェル１２は全体がほぼ円筒状であり、半割れ状態、すなわち、光軸Ｌを含む面により２分割された第２のサブユニット３２により組み立てられる。サブユニット３２は、ほぼ半円筒状の外殻１２ａを備えており、その内部に、第２のレンズ群２２を構成する各レンズ２０を半径方向から保持するための構造２７を備えている。第３のシェル１３も全体がほぼ円筒状であり、半割れ状態、すなわち、光軸Ｌを含む面により２分割された第３のサブユニット３３により組み立てられる。サブユニット３３は、ほぼ半円筒状の外殻１３ａを備えており、その内部に、第３のレンズ群２３を構成する各レンズ２０を半径方向から保持するための構造２７を備えている。

図６（ａ）に、第２のサブユニット３２の内部に設けられたレンズ保持構造２７を拡大し、断面図を用いて模式的に示してある。この図には、３つのレンズ２０ａ、２０ｂおよび２０ｃをそれぞれ保持する保持構造２７ａ、２７ｂおよび２７ｃが示されている。それぞれのレンズ保持構造２７ａ〜２７ｃは、光軸方向Ｌの前後（図面においては左右）からレンズを保持する前片４１および後片４２を備えており、レンズ２０ａ〜２０ｃをそれぞれの保持構造２７ａ〜２７ｃに差し込んだときに、前片４１および後片４２いずれか一方は変形し難く、それに対し、他方の片は変形し易いようになっている。

図６（ａ）の最も左側のレンズ保持構造２７ａでは、前片４１が変形しやすく、後片４２が変形し難い構造となっている。中間のレンズ保持構造２７ｂでは、前片４１が変形し難く、後片４２が変形し易い構造となっている。最も右側のレンズ保持構造２７ｃでは、前片４１が変形し易く、後片４２が変形し難い構造となっている。

レンズ保持構造２７ａおよび２７ｂは前後の片４１および４２の機能が逆転しているが、基本的に同様の構造である。図６（ｂ）に示すように、レンズ保持構造２７ａでは、前片４１および後片４２は、外殻１２ａの内面１２ｂから中心の光軸Ｌに向かい、半径方向Ｒに突き出た凸部であり、内面１２ｂに沿って周方向に連続して形成されている。したがって、前片４１および後片４２により、レンズ２０ａの縁部分２９を前後から挟みこむ凹部が形成されている。後片４２は、断面形状が四角形の基部４２ｓと、断面形状が三角形の先部４２ｔとを備えている。先部４２ｔは、レンズ２０ａに当たる側が平面となり、反対側が斜面となっている。一方、前片４１は、断面形状が三角形の先部４１ｔにより構成されており、レンズ２０ａに当たる側が平面で、反対側が斜面となっている。前片４１および後片４２との距離Ｗ３は、レンズ２０ａが前片４１および後片４２に当たる部分２９の長さＷ４よりも狭く設定されており、レンズ２０ａを前片４１と後片４２の間に挿入すると、レンズ２０ａの前面２０ｆは前片４１と当たり、後面２０ｒは後片４２に確実に当たるようになっている。

このレンズ保持構造２７ａでは、レンズユニット５の光学性能に対し、レンズ２０ａの前面２０ｆの効き量よりも、後面２０ｒの効き量が大きいと判断されており、後面２０ｒの位置を前面２０ｆの位置よりも精度良く決定できるようになっている。したがって、レンズ２０ａが当たる部分の断面積は、前片４１の方が、後片４２よりも小さくなっており、前片４１の方が変形し易い。さらに、この例では、効き量の小さな前面２０ｆが凸面で曲率が大きく、前片４１とほぼ点（全体には線）で接触する。これに対し、レンズ２０ａの後面２０ｒが後片４２と接触する部分はほぼ平面であり、後片４２とは平面で接する。したがって、このレンズ２０ａの形状との関係でも、前片４１は、後片４２よりも変形しやすくなっており、レンズ２０ａを前片４１と後片４２との間に差し込むと、後片４２の面４２ａを基準にしてレンズ２０ａの設置位置が自動的に、あるいは自律的に決まり、レンズ２０ａの後面２０ｒの位置が精度良く保持される。一方、前片４１と後片４２の構造が逆転しているレンズ保持構造２７ｂでは、レンズ２０ｂを前片４１と後片４２との間に差し込むと、前片４１の面４１ａを基準にしてレンズ２０ｂの設置位置が自動的に、あるいは自律的に決まり、レンズ２０ｂの前面２０ｆの位置が精度良く保持される。

図６（ｃ）に示すように、レンズ保持構造２７ｃの前片４１および後片４２は、外殻１２ａの内面１２ｂから中心の光軸Ｌに向かい、半径方向Ｒに突き出た凸部であり、内面１２ｂに沿って周方向に連続して、あるいは断続的に形成されている。したがって、前片４１および後片４２により、レンズ２０ｃの縁部分２９を前後から挟みこむ凹部が形成されている。後片４２は、断面形状が四角形の基部４２ｓと、断面形状が三角形の先部４２ｔとを備えている。先部４２ｔは、レンズ２０ａに当たる側が平面となり、反対側が斜面となっている。前片４１は、断面形状が、四角形が２段に組み合わされた形状の基部４１ｓと、断面形状が三角形の先部４１ｔとを備えている。基部４１ｓの上部の幅（厚）Ｗ１は、後片４２の基部４２ｓの幅（厚）Ｗ２より小さくなっており、前片４１の基部４１ｓの上部は、後片４２よりも変形し易い構造となっている。前片４１の先部４１ｔは、レンズ２０ｃに当たる側が斜面で、反対側が平面となっている。また、前片（上部）４１および後片４２との距離Ｗ３は、レンズ２０ｃが前片４１および後片４２に当たる部分２９の長さＷ４よりも狭く設定されており、レンズ２０ｃを前片４１と後片４２の間に挿入すると、レンズ２０ｃの前面２０ｆは前片４１の上部と当たり、後面２０ｒは後片４２に確実に当たるようになっている。

このレンズ保持構造２７ｃでは、レンズユニット５の光学性能に対し、レンズ２０ａの前面２０ｆの効き量よりも、後面２０ｒの効き量が大きいと判断されている。このため、前片４１の基部４１ｓの厚みの方が、後片４２の基部４２ｓの厚みより小さくなっており、前片４１の方が変形し易い。したがって、レンズ２０ｃを前片４１と後片４２との間に差し込むと、後片４２の面４２ａを基準にしてレンズ２０ａの設置位置が自動的に、あるいは自律的に決まり、レンズ２０ｃの後面２０ｒの位置が精度良く保持される。

このようにレンズ２０の面の位置を決めることは、図６（ａ）に示したレンズ配置において、右側あるいは左側の一方、さらには、左右両方からレンズを挿入できる方式のレンズ保持ユニットでは、レンズと当接面とが干渉してしまい、不可能である。しかしながら、クラムシェルタイプのサブユニット３２または３３においては、光軸方向Ｌと垂直な半径方向Ｒから個々のレンズ２０をそれぞれのレンズ保持構造２７に装着することが可能となるので、上述したように基準となり、動かないようにしたい面を自由に配置することが可能となる。そして、前片４１および後片４２の変形しやすさを変えることにより、所望の面の位置を精度良く保持することができる。このため、各々のがたつきがなく、確実に保持できると共に、設計通りの高い光学性能を備えたレンズユニットを歩留まり良く量産できる。したがって、レンズユニット５を用いることにより、鮮明な画像を表示可能なリアプロジェクタ１を提供できる。

さらに、レンズユニット５は、リアプロジェクタ１の内部で使用される場合、光源３の熱により温度が高くなる。このとき、前片４１および後片４２の変形し易い方が、フレキシブルに変形し、レンズ２０と、レンズ保持ユニット１０との光軸方向の熱膨張率の差を、効き量の小さな面との位置関係を動かすことにより吸収する。したがって、レンズユニット５が設置される周囲の温度が変わっても、温度変化によりサブユニットあるいはレンズ保持ユニット１０からの応力によりレンズ２０に歪みが発生したりすることはほとんどなく、さらに、効き量の大きなレンズ面の移動が少ない。このため、本例のレンズユニット５は、温度変化に対しても、非常に安定した光学性能を発揮する。

半径方向Ｒの熱膨張の影響を考えると、レンズ保持ユニット１０（各サブユニットを含む）は、レンズに対して熱膨張率の大きな素材により製造すると、使用中に温度が上昇したときに内径が広がるのでレンズ２０に対して応力は加わり難くなる。したがって、その点では光学的性能に対する影響が小さい。レンズ保持ユニット１０の内径が広がると、レンズ２０を保持する安定力は低下する傾向になるが、本例のレンズ保持ユニット１０では、前片４１および後片４２でフレキシブルにレンズ２０の周囲２９を挟んで保持している。したがって、レンズ保持ユニット１０の内径が多少広がっても保持力が低下することはなく、所望の位置に各々のレンズ２０を確実に保持できる。この点でも、本例のレンズユニット５は、温度変化に対して安定した光学性能を発揮する。

なお、複数のサブユニットを接合する例として、同一形状の２つのサブユニットを光軸を中心に接合するクラムシェルタイプを採用した例を説明したが、３つ以上のサブユニットを接合したり、異なる形状のサブユニット同士を接合するようにしても良い。しかしながら、クラムシェルタイプであると、同一の成形型からサブユニットが形成されるので、サブユニット同士の公差も同一であり、同じ公差のレンズ保持構造２７によりレンズ２０を保持できるので、レンズ公差の影響を抑制できる効果を効率的に得ることができる。また、同一の成形型から成形されたサブユニット同士を接合するだけでよいので、レンズユニット５のコストを下げるのにも最適である。

また、リアプロジェクタ装置、それに適したレンズシステムおよびレンズ保持ユニットを説明したが、本発明のレンズ保持ユニットおよびレンズユニットは画像を投影する全てのシステムに適用することが可能である。また、画像を投影するシステムに限定されずに、カメラなどのレンズを用いる光学装置または光学システムにも適用することができる。

リアプロジェクタの概略構成を示す図である。 本発明のレンズユニットの概略構成を示す図である。 レンズユニットの概観を、各々のシェルを接続した状態で示す斜視図である。 レンズユニットの概観を、各々のシェルを分離した状態で示す斜視図である。 各々のシェルを構成するサブユニットを示す斜視図である。 図６（ａ）はサブユニットに形成されたレンズ保持構造を示す断面図、図６（ｂ）はレンズ保持構造を拡大して示す断面図、図６（ｃ）は図６（ｂ）とは異なるレンズ保持構造を拡大して示す断面図である。

符号の説明

１ リアプロジェクタ装置
４ ライトバルブ（光変調器）
５ レンズユニット
９ スクリーン
１０ レンズ保持ユニット
２０ レンズ
２７ レンズ保持構造
２１ 第１のレンズ群
２２ 第２のレンズ群
２３ 第３のレンズ群
３２ 第２のサブユニット
３３ 第３のサブユニット
３４ 第４のサブユニット
４１ 前片
４２ 後片

Claims (7)

1. 複数のレンズを保持するためのレンズ保持ユニットであって、光軸に平行な面で分割された複数のサブユニットにより組立てられ、
   前記複数のサブユニットは、ほぼ円筒状の外殻と、少なくとも１枚のレンズの前および後をそれぞれ支持するために前記外殻の内面から光軸方向に延びた前片および後片とを有し、前記少なくとも１枚のレンズを取り付けるときに、前記前片および後片の一方は変形し難く、他方は変形し易いレンズ保持ユニット。
2. 請求項１において、前記前片および後片の距離は、前記少なくとも１枚のレンズの前記前片および後片に当たる部分の厚みよりも狭い、レンズ保持ユニット。
3. 請求項１において、前記前片および後片の厚みが異なっている、レンズ保持ユニット。
4. 請求項１において、前記前片および後片の一方は、前記レンズと接触する形状が変形し難く、他方は前記レンズと接触する形状が変形し易い、レンズ保持ユニット。
5. 請求項１において、前記サブユニットは、前記光軸を含む面で２つに分割された同一形状である、レンズ保持ユニット。
6. 請求項１に記載のレンズ保持ユニットと、
   このレンズ保持ユニットに保持された少なくとも１枚のレンズとを有するレンズユニット。
7. 請求項６に記載のレンズユニットと、
   このレンズユニットを通してスクリーンに投影する画像を形成する光変調器と、
   前記スクリーンとを有する画像表示装置。

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