JP2011170309A - ピコプロジェクター用投射レンズユニット - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ枚数を減らして全長を短くすると共に、レンズの高さまで減らすことのできるピコプロジェクター用投射レンズユニットを提供する。
【解決手段】レンズアレイ、合成プリズム、カバーグラス及びイメージパネルから成るピコプロジェクター用投射レンズユニットであって、前記レンズアレイは画像が投影されるスクリーン側から順次配置される第１ないし第６レンズを有し、前記第１レンズの第１面が開口絞りの機能を行なうよう光線のストップ面が形成され、前記第１レンズから第６レンズを通る光線は開口絞りを基準にしてレンズ面のいずれか一方向にのみ進行され、光線が通らないレンズ面の一部分が切断されてレンズアレイの全高が縮小される。
【選択図】図３

Description

本発明は、生成された画像をスクリーンなどに拡大投影するためのプロジェクター用投射レンズに関するものであって、より詳しくは携帯電話などの小型携帯機器などに取り付けられ、レンズアレイの高さを減らすことのできるピコプロジェクター（ＰＩＣＯ ＰＲＯＪＥＣＴＯＲ）用の投射レンズに関する。

近年、電子技術の発展につれて、携帯電話、ＰＤＡなどの個人携帯機器が急増しており、またＭＰ３、ＰＭＰ、カメラなどの各種機能を備えた携帯機器が発売されている。
また、このような多機能化に合わせて、近年、所謂ピコプロジェクターまたはナノプロジェクターとして知られた超小型のプロジェクター機能を搭載した携帯機器が出ている。
このような小型のプロジェクター用レンズを設計するにおいて重要なのは最小の大きさで且つ高性能の機能を具現することである。また、経済性を考慮して安価であること、軽量で且つ歪曲及び倍率色収差は小さくしなければならず、相対的に長いバックフォーカスの長さを満たさなければならない問題点がある。

一例として、図１は、全長が６０ｍｍ程度の従来のミニプロジェクター用レンズユニットを示した図である。
図１に示されたように、ミニプロジェクター用レンズユニット１は７枚のレンズで構成されたレンズアレイ１０、色合成のためのプリズム２０、カバーグラス３０、及びイメージパネル４０を有し、レンズアレイ１０の第１レンズ１１から第７レンズ１７までの長さが所謂全長と言われ、第７レンズ１７（最終配置されたレンズ）からイメージパネル４０までの長さをバックフォーカスレングス（ＢＦＬ）と呼ばれている。
図１に示された従来例のミニプロジェクター用レンズユニット１は通常全長が６０ｍｍ程度であり、バックフォーカスレングスの場合には３２ｍｍ程度であるが、ＢＦＬの長さは前記レンズアレイ１０の設計によって変更可能である。
図１に示された従来例に使用された全長が６０ｍｍ程度のミニプロジェクター用レンズユニット１を全長１０ｍｍのピコプロジェクター用レンズユニットとして使用するためには、前記ミニプロジェクターレンズユニット１を相対的に１/１０程度の割合で縮小することが考えられる。

しかしながら、全長が６０ｍｍ程度のミニプロジェクター用レンズユニット１を全長１０ｍｍ程度のピコプロジェクター用レンズユニットに縮小する場合において、レンズアレイの縮小は設計上で変更することができるが、レンズの直径、即ち、高さを減らすには多くの制約が伴われる。

本発明は、上記のような問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の目的は、レンズアレイを構成するレンズ枚数を減らして全長を短くすると共に、レンズの高さまで減らすことのできるピコプロジェクター用投射レンズユニットを提供することにある。

前述した課題を解決するために、本発明に係るピコプロジェクター用投射レンズユニットは、レンズアレイ、合成プリズム、カバーグラス及びイメージパネルで構成されるピコプロジェクター用投射レンズユニットであって、
前記レンズアレイは、画像が投影されるスクリーン側から順次配置された第１ないし第６レンズを有し、前記第１レンズの第１面が開口絞りの機能を行なうよう光線のストップ（ＳＴＯＰ）面が形成され、前記第１レンズから第６レンズを通る光線は開口絞りを基準にしてレンズ面のうちいずれか一方向にのみ進行され、光線が通らないレンズ側が切断されてレンズアレイの全高が縮小されることを特徴とする。
ここで、前記第１レンズは正（＋）の屈折力を有するレンズであり、前記第２レンズは正（＋）屈折力を有するレンズで、前記第３レンズは負（−）の屈折力を有するレンズで、前記第４レンズは正（＋）の屈折力を有するレンズであり、前記第５レンズは正（＋）の屈折力を有するレンズであり、前記第６レンズは正（＋）の屈折力を有するレンズで、前記第３レンズ及び前記第４レンズは一つの接合レンズを形成する。

また前記第１レンズの第１面から前記第６レンズの第２面までの全長が１３ｍｍ以下であり、前記第１レンズないし前記第６レンズのうち２つのレンズは非球面レンズであり、前記第１レンズ及び第５レンズは非球面レンズで形成されるのが好ましい。

また、前記第１レンズないし前記第６レンズの焦点距離をそれぞれｆ_１、ｆ_２、ｆ_３−４、ｆ_５及びｆ_６とする時に、前記第１レンズ及び第２レンズの合成焦点距離ｆ_１−２と前記第３レンズないし第６レンズの合成焦点距離ｆ_３−５は次の関係式１＜｜ｆ_１−２/ｆ_３−６｜＜２を満たすよう設計される。

また、前記第２レンズの焦点距離ｆ_２と前記第６レンズの焦点距離のｆ_６は次の関係式１＜｜ｆ_２/ｆ_６｜＜２を満たすよう設計される。この時、合成焦点距離ｆ_１−２は１２ｍｍないし１５ｍｍであり、前記合成焦点距離ｆ_３−６は９ｍｍないし１０ｍｍの間にあるのが好ましい。

前述した本発明に係るピコプロジェクター用投射レンズはレンズアレイを構成する構成要素のうち一つである開口絞りを第１レンズの第１面に位置させることによって像を投影するにおいてレンズアレイの全ての面を要せず、レンズ面の一部のみ使用することによってレンズアレイの高さを減らすことができる。

従来のミニプロジェクターに使用される投射レンズユニットを示した図である。 本発明に係るピコプロジェクター用投射レンズユニットを示した図である。 本発明に係るピコプロジェクター用投射レンズユニットの一部を切断した図である。

以下に、本発明の実施のための形態を図面に即して詳細に説明する。
図２は本発明に係るピコプロジェクター用投射レンズユニット１０Ａを概略的に示した図である。
図２に示した本発明に係る投射レンズユニット１０Ａは６枚から成るレンズアレイ１００、カバーグラス２００．色合成プリズム３００及びイメージパネル４００で構成される。

レンズアレイ１００は投射レンズの全長を形成し、全長は１３ｍｍ以内が好ましい。レンズアレイ１００は画像が投影されるスクリーン側から第１ないし第６レンズ１１０〜１５０が順次配置される。
第１レンズ１１０の第１面はレンズアレイの中心軸上で光線が通った光学系での光線の高さと光学系構成物の大きさの割合が１に近い開口絞りの役割を果たす面に設定され、第２面と共にスクリーンに対して正（＋）の曲率を有し、スクリーン側が凸面のメニスカス（ｍｅｎｉｓｃｕｓ）形態の１枚のレンズが使用される。即ち、第１レンズは正の屈折力を有する。

また第２レンズ１２０の第３面と第４面もスクリーンに対して正の曲率を有し、スクリーン側が凸面のメニスカス形態の１枚のレンズが使用される。即ち、第２レンズは正の屈折力を有する。

本実施形態においてスクリーン１５０側から第２レンズ１２０の後方には第３レンズ１３０ａと第４レンズ１３０ｂが一つの接合レンズ１３０として提供され、第３レンズ１２０のスクリーン側に向ける表面が第５面として機能し、第３レンズ１３０ａと第４レンズ１３０ｂの接合面が第６面として機能し、第４レンズ１３０ｂのスクリーン側の反対面が第７面として機能する。このように第３レンズ１３０ａと第４レンズ１３０ｂを接合レンズとして具現するものは、カムコーダー、デジタルカメラ、プロジェクターを含むズームレンズ光学系では高分散レンズ（第３レンズ１３０ａ）と低分散レンズ（第４レンズ１３０ｂ）を接合レンズとして利用することによって倍率色収差のうち高次色収差のような非軸上で発生される収差を最小化できるからである。

本実施形態において高分散レンズとして使用された第３レンズ１３０ａはアッベ数（アッベ数は分散値の逆数である）Ｖｄ＝２８．３２のレンズが使用され、第４レンズ１３０ｂはＶｄ＝６０．３４のものが使用され、これらのレンズのアッベ数は３０以上の差があるように設計されている。

また、本発明において前記第３レンズ１３０ａの第５面は負（−）の曲率を有し、接合面の第６面は正の曲率を有し、第４レンズ１３０ｂの第７面は負の曲率から成る。即ち、第３レンズと第４レンズから成る第３レンズ群は負の屈折力を有する。

また、第５レンズ１４０は第８面及び第９面を有する１枚のレンズから成り、ここで第８面は負の曲率、第９面も負の曲率を有し、前記第４レンズ１４０は上側が凸のメニスカス形態を有する。即ち、第５レンズは正の屈折力を有する。

また、第６レンズ１５０は第１０面及び第１１面を有する１枚のレンズから成り、ここで第１０面は正の曲率、第１１面は負の曲率を有し、第６レンズ１５０はスクリーン側と上側とも凸形態を有する。即ち、第６レンズは正の屈折力を有する。この時、第６レンズ１６０の焦点距離はｆ_６＜１２であり、レンズアレイ１００のうち最も高いパワー（ｐｏｗｅｒ）を有するものと設計した。

本発明に係るレンズアレイの構造では、第１レンズの第１面はレンズアレイの中心軸上で光線の通った光学系での光線の高さと光学系の構成物の大きさの割合が１に近い開口絞りの機能を行なうことによって開口絞りを通過した光線束が第２レンズから第６レンズを通過するにおいてレンズアレイを構成する全ての面の一方向にのみ光線が進行される。従って、第２において線分Ｘ−Ｘ’で示したように、第３レンズないし第６レンズにおいて光線束が通らないＸ−Ｘ’下側のレンズを切断して加工することができ、図３に示したように光線が通らないレンズ部分を切断することによってレンズアレイ１００の全体的な高さを減らすことができる。

また、前述したように、本発明に係るレンズアレイ１００は第１ないし第６レンズがテレセントリックで形成されており、第１ないし第６レンズは順次に正、正、負、正、正、正の順に配列される。レンズの屈折力に対しては下記の表を参照して別途説明する。

表１は本発明に用いられたレンズアレイ１００の第１ないし第６レンズ１１０〜１５０の焦点距離を示したものである。下記の表において第３レンズ１３０ａと第４レンズ１３０ｂは２枚のレンズが一つの接合レンズを形成するため、３群レンズと表記される。表１に示されたように、第６レンズ１５０はｆ_６＜１２であり、レンズアレイ１００のうち最も高いパワー（屈折力）を有するものと設計されている。

下記の表２は本発明に用いられたレンズアレイ１００の第１ないし第６レンズ１１０〜１５０の屈折力を表す。表２で第３レンズ１３０ａと第４レンズ１３０ｂは２枚のレンズが一つの接合レンズを形成するために３群レンズと表記する。

ここで、レンズの屈折力はレンズまたは屈折面の焦点距離の逆数を意味し、その値は下記の式で求められる。
Ｋ＝（ｎ’−ｎ）（１／Ｒ_１−１／Ｒ_２）
ここで ｎ’＝レンズの屈折率、ｎ＝空気の屈折率、Ｒ１＝レンズの第一番目の面の曲率、Ｒ２＝レンズ第二番目の面の曲率である。また、レンズアレイ１００の総屈折力はＫ＝１/ＥＦＬ（ＥＦＬ＝有効焦点距離）の関係がある。

イメージパネル１５などに形成されたイメージは、図示していないプロジェクターの分光システムを通じてＲ、Ｇ、Ｂに分光された後、照明系の色合成部を通じて色合成が完了してからイメージパネル１５にイメージが形成される。以後、光経路を短くするプリズム３００を通って第６レンズ１５０の第１１面及び第１０面を通過するようになる。

本発明に用いられた第６レンズ１５０は、アッベ数が．６０．３であり、焦点距離ｆ_６が１１．９８ｍｍのレンズが使用されている。

また、第６レンズ１５０から収束された光は第５レンズ１４０の第９面及び第８面を通過する。本発明に用いられた第５レンズ１４０はアッベ数が５５．８であり、焦点距離ｆ_５が５５．９９ｍｍのレンズが使用されている。

第５レンズ１４０及び第６レンズ１５０の配列から分かるように、第５レンズは曲率半径の絶対値の小さい側がプリズム方向に向けており、第６レンズは二面の曲率半径が同等に配列されており、光は第６レンズ１５０及び第５レンズ１４０を通じて第３レンズ群１３０に収束される。

第３レンズ群１３０は第１要素レンズ１３０ａと第２要素レンズ１３０ｂから成り、第５面、第６面、第７面の３つのレンズ面を有する。ここで、第３レンズ群焦点距離のｆ_３は−１３．５１ｍｍの接合レンズが使用される。第３レンズ群１３０では曲率半径の絶対値の大きい第７面がプリズム３００に向けており、曲率半径の絶対値の小さい第５面がスクリーン方向に向かうように設計されるのが好ましく、光は第７面ないし第５面を通じて第２レンズ１２０に収束される。

また、第３レンズ群１３０から収束された光は第２レンズ１２０の第４面及び第３面を通過する。本発明に用いられた第２レンズ１２０は、アッベ数が２９．５であり、焦点距離ｆ_２が１５．６６ｍｍのレンズが使用され、第４面及び第３面を通過した光は拡散されて第１レンズ１１０に投射される。

次いで、第２レンズ１２０から拡散されて入射された光は、第１レンズ１１０の第２面及び第１面を通過する。本発明に用いられた第１レンズ１１０は、アッベ数が５５．８であり、焦点距離ｆ_１が４５．００ｍｍのレンズが使用され、第２面及び第１面を通過した光はスクリーンに拡大投射される。ここで、第１レンズ１１０の第１面は開口絞りとしての機能を行なうようレンズの第１面がストップ（ＳＴＯＰ）面として作用する。

本実施形態では第１レンズの第１面がストップ面として機能するもので最も好ましい実施形態として説明したが、本発明はこれに限定されておらず、第１レンズの第２面または第１レンズと第２レンズとの間にストップ面が形成されても設計に応じてレンズアレイの全般的な高さを減らすことができる。即ち、本発明ではレンズアレイの全体的な高さを減らすためにレンズのストップ面がスクリーン側に近くなるように位置すれば良い。

また、前記実施形態において光学レンズの収差や歪曲などを有するレンズの性能を向上させるために第３レンズ群１３０を配置する構成としたが、前記第１ないし第６レンズのうちいずれか一つを非球面レンズまたは接合レンズで構成することができる。

前述したような６枚のレンズから成るレンズを設計する場合、第１レンズ１１０及び第６レンズ１５０はレンズ表面のスクラッチ発生などを考慮して表面の硬度の高いレンズを使用するのが好ましい。

本発明ではこのような点を考慮して第１レンズ１１０と第５レンズ１４０を非球面レンズにして投射レンズの性能を向上させることができる。本発明に係る非球面レンズは下記の式１で求められる。

ここで、ＸとＹは方向を意味するものであって光軸方向をＸ軸、光軸と直交する方向をＹ軸と設定する。非球面は数式１により得られる曲線を、 光軸を中心に回転させて得られる曲線である。この時、Ｒはレンズの曲率半径、ＫはＣＯＮＩＣ ＣＯＮＳＴＡＮＴ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆは非球面係数である。

前述したように、本発明に係るピコプロジェクター用レンズアレイ１００は、第１レンズないし第６レンズの焦点距離をそれぞれｆ_１、ｆ_２、ｆ_３−４、ｆ_５及びｆ_６とする時、全体の焦点距離ｆは１０ｍｍないし１１ｍｍが好ましい。

また、本発明に係るピコプロジェクター用レンズアレイ１００は、第１レンズ及び第２レンズの合成焦点距離ｆ_１−２と前記第３レンズないし第５レンズの合成焦点距離ｆ_３−６は次の関係式、１＜｜ｆ_１−２/ｆ_３−６｜＜２を満たすことが分かる。より好ましくは、｜ｆ_１−２/ｆ_３−６｜＝１．２７９６１ｍｍである。

また、第２レンズの焦点距離ｆ_２と前記第５レンズの焦点距離ｆ_６は次の関係式１＜｜ｆ_２/ｆ_６｜＜２を満たしており、より好ましくは｜ｆ_２/ｆ_６｜＝１．３１ｍｍである。合成焦点距離ｆ_１−２は１２ｍｍないし１５ｍｍであり、前記合成焦点距離はｆ_３−６は９ｍｍないし１０ｍｍが好ましい。

前述した内容は本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎず、本発明の属する技術分野において通常の知識を持つ者であれば本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲内で様々な修正及び変形をすることができる。従って、本発明に開示された実施形態は本発明の技術思想を限定するためのものではなく説明するためのものであり、係る実施形態により本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は添付の請求範囲により解釈しなければならず、それと同等な範囲内にある全ての技術思想は本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されなければならない。

１００ レンズアレイ
２００ カバーグラス
３００ 色合成プリズム
４００ イメージパネル
１１０ 第１レンズ
１２０ 第２レンズ
１３０ａ 第３レンズ
１３０ｂ 第３レンズ
１４０ 第５レンズ
１５０ 第６レンズ

Claims (7)

1. レンズアレイ、合成プリズム、カバーグラス及びイメージパネルから成るピコプロジェクター用投射レンズユニットであって、
   前記レンズアレイは画像が投影されるスクリーン側から順次配置される第１ないし第６レンズを有し、
   前記第１レンズの第１面が開口絞りの機能を行なうよう光線のストップ面（ＳＴＯＰ）面が形成され、前記第１レンズから第６レンズを通る光線は開口絞りを基準にしてレンズ面のうちいずれか一方向にのみ進行され、光線が通らないレンズ面の一部分が切断されてレンズアレイの全高が縮小されることを特徴とするピコプロジェクター用投射レンズユニット。
2. 前記第１レンズは正（＋）の屈折力を有するレンズであり、
   前記第２レンズは正（＋）の屈折力を有するレンズであり、
   前記第３レンズは負（−）の屈折力を有するレンズであり、
   前記第４レンズは正（＋）の屈折力を有するレンズであり、
   前記第５レンズは正（＋）の屈折力を有するレンズであり、
   前記第６レンズは正（＋）の屈折力を有するレンズであり、
   前記第３レンズ及び前記第４レンズは一つの接合レンズを形成することを特徴とする請求項１に記載のピコプロジェクター用投射レンズユニット。
3. 前記第１レンズの第１面から前記第６レンズの第２面までの全長が１３ｍｍ以下であり、前記第１レンズないし前記第６レンズのうち２つのレンズは非球面レンズであることを特徴とする請求項１に記載のピコプロジェクター用投射レンズユニット。
4. 前記第１レンズ及び第５レンズは硬度の高い非球面レンズであることを特徴とする請求項３に記載のピコプロジェクター用投射レンズユニット。
5. 前記第１レンズないし前記第６レンズの焦点距離をそれぞれｆ_１、ｆ_２、ｆ_３−４、ｆ_５及びｆ_６とする時、
   前記第１レンズ及び第２レンズの合成焦点距離ｆ_１−２と前記第３レンズないし第６レンズの合成焦点距離ｆ_３−６は次の関係式１＜｜ｆ_１−２／ｆ_３−６｜＜２を満たすことを特徴とする請求項１に記載のピコプロジェクター用投射レンズユニット。
6. 前記第２レンズの焦点距離ｆ_２と前記第６レンズの焦点距離ｆ_６は次の関係式１＜ｆ_２/ｆ_６｜＜２を満たすことを特徴とする請求項５に記載のピコプロジェクター用投射レンズユニット。
7. 前記合成焦点距離ｆ_１−２は１２ｍｍないし１５ｍｍであり、前記合成焦点距離ｆ_３−６は９ｍｍないし１０ｍｍであることを特徴とする請求項５に記載のピコプロジェクター用投射レンズユニット。

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