JP2006145671A

JP2006145671A - 投写用ズームレンズおよびプロジェクタ装置

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Publication number: JP2006145671A
Application number: JP2004333173A
Authority: JP
Inventors: Akira Sawamoto; 章澤本
Original assignee: Nitto Optical Co Ltd
Current assignee: Nitto Optical Co Ltd
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2024-11-17
Also published as: JP4700953B2; US7184220B2; US20060109564A1

Abstract

【課題】ＤＭＤなどの、光の反射方向を変えて画像を生成する複数の素子を備えた光変調器に適した、さらにコンパクトな投写用ズームレンズを提供する。
【解決手段】スクリーン９の側から、負の第１のレンズ群Ｇ１と、正の第２のレンズ群Ｇ２を配置し、第２のレンズ群Ｇ２のもっともＤＭＤ側の最終レンズの手前のレンズで、絞りＳに近接したレンズを両凹の負レンズＬ２３とし、その両面を非球面化している。第２のレンズ群Ｇ２のＤＭＤ側を最も簡易な構成にすると共に、非球面を最小径のレンズに効率良く搭載し、コンパクトで収差補正性能の高いレンズシステムを実現している。
【選択図】図２

Description

本発明は、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プロジェクタ装置の投写用ズームレンズに関するものである。

従来、プロジェクタの光変調器（ライトバルブ）として液晶パネルが多く用いられてきた。近年、液晶パネルに代わり、マイクロマシン技術を用いて機械的に光の反射方向を変えて画像を形成する複数の素子を備えた装置が実用化されている。微少な鏡面素子（マイクロミラー）を画素に対応させてアレイ状に並べ、それぞれの鏡面の角度を制御することにより画像を表示するＤＭＤ（デジタルミラーデバイス、箔変形デバイスあるいはディスプレイ）はその１つである。このマイクロミラーで画素を構成する光変調器は、液晶パネルより応答速度が速く、明るい画像が得られるので、小型で高輝度、高画質のプロジェクタを実現するのに適している。

ＤＭＤにおいて、画像を生成する際にマイクロミラーの旋回する角度は±１０〜１２度程度であり、これにより有効な反射光と無効な反射光を切替えている。したがって、ＤＭＤからの有効な投影光をプロジェクタレンズで投写するためには、光変調器であるＤＭＤに最も近い最終のレンズに出射瞳がくるように設計される。このため、特許文献１においては、最終レンズの近傍で最もレンズ径が小さくなることを用いて、第２のレンズ群の最終レンズの手前の凸レンズの最終レンズ側を非球面にすることにより、非球面を低コストで導入している。そして、レンズ枚数が１０枚程度の簡易でコンパクトな構成の投写用ズームレンズを実現している。
特開２００２−１４８５１５号公報

投写用ズームレンズをコンパクトにするためには、レンズ枚数を削減することが最も有効である。しかしながら、レンズ枚数を削減すると収差を補正する性能は低下する。そこで、本発明においては、さらに少ない枚数のレンズにより、収差補正能力を同等あるいはいっそう向上できる投写用ズームレンズ（投写用ズームレンズシステム）を提供することを目的としている。そして、さらにコンパクトで、鮮明な画像を表示できる投写用ズームレンズシステムおよびそれを用いたプロジェクタ装置を提供することを目的としている。

本発明においては、光の反射方向を変えて画像を生成する複数の素子を備えた光変調器からの投影光をスクリーンに投写する投写用ズームレンズであって、スクリーンの側から順に、負の屈折力の第１のレンズ群と、正の屈折力の第２のレンズ群とで構成され、第２のレンズ群は、光変調器の側から最終の正レンズと、両凹の最終前の負レンズと、絞りとを備えており、最終前の負レンズの両面が非球面である、投写用ズームレンズ（投写用ズームレンズシステム）を提供する。この投写用ズームレンズシステムにおいては、第２のレンズ群の光変調器の端の構成を、集光用の正レンズの最終レンズと、その手前に負レンズを配置した最も簡易な構成とし、さらに、出射瞳に相当する絞りを負レンズに隣接させ、負レンズが最も小径のレンズとなるようにしている。そして、負レンズを両凹として、その両面を非球面化し、レンズシステムの最も小径のレンズの両面を非球面化できる構成としている。このため、最もコンパクトなレンズの両面を非球面化することにより、低コストで非球面の収差補正能力を最大限に利用し、レンズシステムを構成するトータルのレンズ枚数を削減できるようにしている。

このため、本発明の投写用ズームレンズでは、第１のレンズ群は、スクリーンの側から順に、スクリーンの側に凸の負のメニスカスレンズと、両凹の負レンズと、スクリーンの側に凸の正のメニスカスレンズとの３枚の構成とし、第２のレンズ群は、スクリーンの側から順に、スクリーンの側に凸の２枚の正のメニスカスレンズと、絞りと、最終前の負レンズと、最終の正レンズとの４枚の構成とを採用することにより、全体が７枚構成という少ない枚数の構成で、投写用レンズとして十分な収差補正能力が得られる。したがって、投写用ズームレンズを、さらにコンパクトにすることができる。そして、本発明の投写用ズームレンズと、光変調器と、この光変調器に光を照射する光照射系とを有するプロジェクタ装置をさらにコンパクトにすることができる。

本発明の投写用ズームレンズは、収差を良好に補正するためには、非球面を多く備えた第２のレンズのパワーがある程度必要とされる。したがって、第１のレンズ群の合成焦点距離ｆ１と、第２のレンズ群の合成焦点距離ｆ２とが次の式（Ａ）を満たことが望ましいが、さらには、次の式（Ｂ）を満たす程度まで第２のレンズ群のパワーが第１のレンズ群に比して大きいことが望ましい。
０．３＜｜ｆ２／ｆ１｜＜１．０・・・（Ａ）
０．５＜｜ｆ２／ｆ１｜＜０．７・・・（Ｂ）

これらの式（Ａ）および（Ｂ）の条件の上限は、第１のレンズ群の負のパワーが強まることにより、球面収差、コマ収差の補正が困難となり良好な光学特性を確保することが難しいことを意味する。一方、これらの式（Ａ）および（Ｂ）の条件の下限は、第１のレンズ群の負のパワーが弱まり、コマ収差の補正が困難となり、レンズ長が長くなり、拡大側のレンズの外径も大きくなることを意味する。そして、第２のレンズ群の収差補正能力をより活かすという点では、上述したように、式（Ｂ）の範囲でパワーの配分を決定することが望ましい。

一方、第１のレンズ群のパワーは、レンズシステム全体のパワーに対して次の条件（Ｃ）を満たすことが望ましい。すなわち、第１のレンズ群の合成焦点距離ｆ１と、投写用ズームレンズの広角端における第１のレンズ群および第２のレンズ群の合成焦点距離ｆｗとが次の式（Ｃ）を満たすことが望ましい。
１．０＜｜ｆ１／ｆｗ｜＜３．０・・・（Ｃ）

式（Ｃ）の条件の上限を超えると、第１のレンズ群の負のパワーが弱まり、光学系全体が大きくなってしまうため、低コストでコンパクトな投写用ズームレンズを実現できない。また、式（Ｃ）の条件の下限を超えると、第１のレンズ群の負のパワーが強まり、球面収差、コマ収差の補正が困難となり、良好な光学性能を確保することが難しい。

さらに、第１のレンズの合成焦点距離ｆ１と、投写用ズームレンズの広角端における第１のレンズ群および第２のレンズ群の空気間隔ｄｗとが次の式を満たすことが望ましい。
０．１＜｜ｄｗ／ｆ１｜＜０．２８・・・（Ｄ）

式（Ｄ）の条件の上限を超えると、第１のレンズ群と第２のレンズ群との間隔（空気間隔）ｄｗが広がり、光学系全体が大きくなってしまうため、低コストでコンパクトな投写用ズームレンズを実現できない。また、式（Ｄ）の条件の下限を超えると、諸収差のバランスを取るのが困難となり、良好な光学性能を確保することが難しい。

図１に、ＤＭＤを採用したプロジェクタの概略構成を示してある。このプロジェクタ１は、光変調器であるＤＭＤ２と、このＤＭＤ２に変調用の照明光１１を照射するシステム３と、ＤＭＤ２により有効な方向に反射された投影光１０をスクリーン９に投写する投写用レンズ５とを備えている。図１に示したプロジェクタ１は、単板式のビデオプロジェクタであり、光照射システム３は、ハロゲンランプなどの白色光源６と、円盤型の回転色分割フィルタ７とを備えている。このため、ＤＭＤ２には、赤、緑、青の３原色が時分割で照射される。そして、それぞれの色の光が照射されるタイミングで個々の画素に対応する素子を制御することによりカラー画像が表示される。

光照射システム３は、さらに、種々のプロジェクタの配置あるいは構成に対応して、光源６の光を集光あるいは平行光にするためのコンデンサレンズ８あるいはミラー４などの光学素子が必要に応じて配置される。ＤＭＤ２の法線と投写レンズ５の光軸とが一致しているとイメージサークルが小さくなり、投写レンズの径を小さくできる、それと共に、有効な投影光１０と無効光との分離が容易となる。したがって、光照射システム３からＤＭＤ２に対する入射角度は限られており、光照射システム３の光軸と、投写レンズ５の光軸とがほとんど同一方向になる。このため、光照射システム３の影響を受けないようにするには投写レンズ５のバックフォーカスはある程度確保しながら、非球面を用いてレンズ枚数を減らし、全体をコンパクトにしながら、良好な光学特性（収差など）を確保する必要がある。

図２に、本発明に係る投写用ズームレンズ５の一例を示してある。図２（ａ）は、拡大表示する状態である広角端における各レンズの配置を示し、図２（ｂ）は、標準状態である望遠端における各レンズの配置を示してある。本例の投写用ズームレンズ５は、スクリーン９の側から２つのレンズ群Ｇ１およびＧ２にグループ化された７枚のレンズＬ１１〜Ｌ２４により構成されている。それぞれのレンズの詳細なデータは以下に示した通りである。

スクリーン９側の第１のレンズ群Ｇ１は全体が負の屈折力を備えたレンズ群であり、最もスクリーン９側（前方）に位置し、スクリーン９の側に凸の正のメニスカスレンズＬ１１と、両凹の負のメニスカスレンズＬ１２と、スクリーン９の側に凸の正のメニスカスレンズＬ１３によって構成されている。

ＤＭＤ２の側に位置する第２のレンズ群Ｇ２は、全体が正の屈折力を備えたレンズ群であり、スクリーン９の側に凸の正のメニスカスレンズＬ２１と、同様にスクリーン９の側に凸の正のメニスカスレンズＬ２２と、両凹の負レンズＬ２３と、最もＤＭＤ２の側に位置する最終の凸の正レンズＬ２４が順番に並んで構成されている。さらに、絞りＳが、最終のレンズＬ２４の手前の負レンズＬ２３のスクリーン側に配置され、また、最終レンズの手前の負レンズの両方の面１１および面１２は、非球面になっている。

この投写ズームレンズ（レンズシステム）５は、第１のレンズ群Ｇ１および第２のレンズ群Ｇ２の双方を動かして、第２のレンズ群Ｇ２と第１のレンズ群Ｇ１との距離ｄを縮めることにより広角から望遠にわたる結像特性を得ることができる。

以下に示すレンズデータにおいて、Ｒｄｙはスクリーン側から順番に並んだ各レンズの曲率半径（ｍｍ）、Ｔｈｉはスクリーン側から順番に並んだ各レンズ面の間の距離（ｍｍ）、ｎｄはスクリーン側から順番に並んだ各レンズの屈折率（ｄ線）、ｖｄはスクリーン側から順番に並んだ各レンズのアッベ数（ｄ線）を示す。また、ＩＮＦＩＮＩＴＹは水平な面を示しており、ＴｙｐｅのＳＰＨは球面を示し、ＡＳＰは非球面を示す。さらに、本例では、ＤＭＤ２の出射側に設置されたカバーガラスＣＧも含めてレンズの詳細設計がなされている。

レンズデータ
Ｎo. Rdy Type Thi nd vd
1 43.018 SPH 1.60 1.72825 28.46 レンズＬ１１
2 18.452 SPH 5.89
3 -69.203 SPH 1.50 1.48749 70.24 レンズＬ１２
4 25.395 SPH 1.49
5 26.677 SPH 4.55 1.83400 37.16 レンズＬ１３
6 185.001 SPH d
7 25.331 SPH 3.92 1.69680 55.53 レンズＬ２１
8 406.287 SPH 3.00
9 30.023 SPH 2.92 1.74320 49.34 レンズＬ２２
10 119.757 SPH 5.53
11 -27.655 ASP 1.00 1.80518 25.42 レンズＬ２３
12 26.573 ASP 1.93
13 126.608 SPH 3.73 1.74320 49.34 レンズＬ２４
14 -17.870 SPH 28.52
15 INFINITY 3.00 1.48749 70.24 カバーガラスＣＧ
16 INFINITY 0.48
17 INFINITY 0.00 ＤＭＤ２

第１と第２のレンズ群の間隔ｄ（ｍｍ）は以下の通りである。
広角端（ｄｗ）：１２．２９
中間：６．３６
遠望端：３．０７

最終レンズの手前の負レンズＬ２３は両面の第１１面および第１２面の非球面係数は以下の通りである。
第１１面
Ｒ＝−２７．６５５、Ｋ＝０．００００
Ａ＝−８．６６２２×１０^−５、Ｂ＝１．９４５２×１０^−６
Ｃ＝−４．５６７６×１０^−８、Ｄ＝４．８１４０×１０^−１０
ただし、非球面は、Ｘを光軸方向の座標、Ｙを光軸と垂直方向の座標、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径とし、上記の係数Ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを用いて次式（１）で表される。以下においても同様である。
Ｘ＝（１／Ｒ）Ｙ²／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（１／Ｒ）²Ｙ²｝^1/2］
＋ＡＹ⁴＋ＢＹ⁶＋ＣＹ⁸＋ＤＹ¹⁰ ・・・（１）
第１２面
Ｒ＝２６．５７３、Ｋ＝０．００００
Ａ＝−４．９１１２×１０^−５、Ｂ＝１．７５６４×１０^−６
Ｃ＝−４．１２１２×１０^−８、Ｄ＝４．０８０５×１０^−１０

本例の投写ズームレンズの諸数値（ｍｍ）は以下の通りである。
第１のレンズ群の合成焦点距離ｆ１： −５１．９１５
第２のレンズ群の合成焦点距離ｆ２：２９．９１２
広角端における第１および第２のレンズ群の距離ｄｗ：１２．２９
広角端におけるレンズシステムの合成焦点距離ｆｗ：２８．３２８
望遠端におけるレンズシステムの合成焦点距離ｆｔ：３４．０５６
倍率：１．２
バックフォーカス長（レンズシステムの最もスクリーンの側のレンズからスクリーンまでの距離２４００ｍｍのとき）：３８．７８３

したがって、上述した各条件は以下のようになる。
｜ｆ２／ｆ１｜＝０．５７６２
｜ｆ１／ｆｗ｜＝１．８３２７
｜ｄｗ／ｆ１｜＝０．２３６７

図３および図４に、この投写用ズームレンズの広角端および望遠端における球面収差、非点収差および歪曲収差を示してある。さらに、図５および図６に、広角端および望遠端における球面収差（単位はｍｍ）を横収差図により示してある。球面収差は、６５０．０ｎｍ（破線）、５５０．０ｎｍ（実線）および４５０．０ｎｍ（一点鎖線）の各波長における値を示している。また、非点収差および横収差図においては、タンジェンシャル光線（Ｔ）およびサジタル光線（Ｓ）の収差をそれぞれ示してある。

これらの図に示してあるように、本例の投写用ズームレンズ５の縦および横収差は、広角端から望遠端にわたり、殆どの範囲でほぼ±０．２ｍｍ程度の範囲に入り、収差が非常に良好に補正されていることが分かる。したがって、縦収差だけではなく横収差性能も非常に良く補正されており、コマ収差の影響によるフレア（コマフレア）がほとんど表れない性能の良い投写用ズームレンズとなっている。

本例の投写用ズームレンズ５は、負のパワーの第１のレンズ群Ｇ１と、正のパワーの第２のレンズ群が組み合わされたレトロフォーカス型のズームレンズであり、全体を７枚のレンズ構成として、非常にコンパクトに纏めることができる設計となっている。そして、最終レンズの正レンズの手前のレンズを両凹の負レンズとし、さらに、その両面を非球面とすることにより、非球面を最も径が小さくなるレンズに集中配置している。このため、７枚という最小構成でありながら、収差の補正性能は高く、従来の１０枚構成のズームレンズと比較しても勝るとも劣らない結像性能が得られている。

このように、本例の投写用ズームレンズ５は、ＤＭＤ２により形成された映像をスクリーンに投写する条件を満たしたコンパクトなズームレンズであり、諸収差も良好に補正された結像性能の高い投写用ズームレンズである。したがって、本例の投写用ズームレンズ５を搭載することにより、ＤＭＤ２の特性を生かした高解像度で明るい画像を投影できるコンパクトなプロジェクタ１を実現することができる。また、本例のズームレンズは７枚構成とレンズ数が少なく全体をコンパクトに纏めることができ、さらに、最小径のレンズを非球面化しているため低コストで供給できる。そして、非球面化するレンズを最終レンズの手前のレンズにしているので、組立時などにおいて非球面レンズが芯ずれするなどの恐れが少なく、プロジェクタ１などに組み立てたときに所望の光学性能を引き出しやすく、低コストで光学性能の良いコンパクトなプロジェクタ１を提供することができる投写ズームレンズとなっている。

本発明に係るプロジェクタ装置の概略構成を示す図である。本発明の投写用ズームレンズの構成を示す図であり、広角端（ａ）および望遠端（ｂ）の各状態におけるレンズの配置を示す図である。図２に示す投写用ズームレンズの縦収差図であり、広角端における収差を示す図である。図２に示す投写用ズームレンズの縦収差図であり、望遠端における収差を示す図である。図２に示す投写用ズームレンズの横収差図であり、広角端における収差を示す図である。図２に示す投写用ズームレンズの横収差図であり、望遠端における収差を示す図である。

符号の説明

１プロジェクタ
２ＤＭＤ
３光照射システム（光源システム）
５投写用ズームレンズシステム
７色分割フィルタ
９スクリーン

Claims

光の反射方向を変えて画像を生成する複数の素子を備えた光変調器からの投影光をスクリーンに投写する投写用ズームレンズであって、
前記スクリーンの側から順に、負の屈折力の第１のレンズ群と、正の屈折力の第２のレンズ群とで構成され、
前記第２のレンズ群は、前記光変調器の側から最終の正レンズと、両凹の最終前の負レンズと、絞りとを備えており、前記最終前の負レンズの両面が非球面である、投写用ズームレンズ。
請求項１において、前記第１のレンズ群は、前記スクリーンの側から順に、前記スクリーンの側に凸の負のメニスカスレンズと、両凹の負レンズと、前記スクリーンの側に凸の正のメニスカスレンズとにより構成され、
前記第２のレンズ群は、前記スクリーンの側から順に、前記スクリーンの側に凸の２枚の正のメニスカスレンズと、前記絞りと、前記最終前の負レンズと、前記最終の正レンズとで構成されている、投写用ズームレンズ。
請求項１または２において、前記第１のレンズ群の合成焦点距離ｆ１と、前記第２のレンズ群の合成焦点距離ｆ２が次の式を満たす投写用ズームレンズ。
０．５＜｜ｆ２／ｆ１｜＜０．７
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記第１のレンズ群の合成焦点距離ｆ１と、当該投写用ズームレンズの広角端における合成焦点距離ｆｗとが次の式を満たす投写用ズームレンズ。
１．０＜｜ｆ１／ｆｗ｜＜３．０
請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記第１のレンズの合成焦点距離ｆ１と、当該投写用ズームレンズの広角端における前記第１のレンズ群および前記第２のレンズ群の空気間隔ｄｗとが次の式を満たす投写用ズームレンズ。
０．１＜｜ｄｗ／ｆ１｜＜０．２８
請求項１ないし５のいずれかに記載の投写用ズームレンズと、前記光変調器と、この光変調器に光を照射する光照射系とを有するプロジェクタ装置。