JP2013097258A - Projecting lens system and projector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ドーム状のスクリーンに投射する投射用レンズシステムに関するものである。 The present invention relates to a projection lens system for projecting onto a dome-shaped screen.
特許文献1には、投映方式が単眼式であっても高解像度であり、ビデオプロジェクタで生成される画像領域を増やして画像表示面を有効活用できるデジタル式プラネタリウム装置を提供することが記載されている。そのため、特許文献1には、プラネタリウム装置は、2台のビデオプロジェクタ、リレーレンズ、魚眼レンズを有し、ビデオプロジェクタはそれぞれの内部の表示素子に半円像を生成し、リレーレンズは2つの半円像を光学的に結像させて円像を生成し、魚眼レンズは円像をドームスクリーン上に投射することが記載されている。
特許文献2には、光学系が小型でありながら諸収差が良好に補正されたレンズ系を提供することが記載されている。そのため、特許文献2には、光軸に沿って投射側から順に並んだ、正の屈折力を持つ第1レンズ成分と、負レンズと正レンズとを接合した第2レンズ成分と、最も物体側に位置し正の屈折力を持つ第3レンズ成分とを有し、前記第1レンズ成分と前記第2レンズ成分との間に開口絞りを有し、前記第3レンズ成分の最も投射側のレンズ面が非球面であることが記載されている。
近年、プラネタリウムだけではなく、ディスプレイ、インテリア、玩具などの分野において、ドーム状のスクリーンに画像を投影したいという要望があり、コンパクトなレンズシステムであって、ドーム状のスクリーンに鮮明な画像を結像できるレンズシステムが要望されている。 In recent years, not only in planetariums but also in the fields of displays, interiors, toys, etc., there has been a demand for projecting images on dome-shaped screens, and this is a compact lens system that forms clear images on dome-shaped screens. There is a need for a lens system that can be used.
本発明の態様の1つは、被投影面からの投影光をドーム状のスクリーンに内側から投射する投射用レンズシステムである。この投射用レンズシステムは、スクリーンの側から順に配置された、第1のレンズ群と、開口絞りと、正の屈折力の第2のレンズ群と、正の屈折力の第3のレンズ群とから構成され、第1のレンズ群は、最もスクリーンの側に配置された、スクリーンの側に凹面を向けたメニスカスタイプの第1レンズであって、少なくとも周辺が負の屈折力の第1レンズを含み、第2のレンズ群は、最も被投影面の側に配置された、被投影面の側に凸面を向けたメニスカスタイプの第2レンズを含み、第3のレンズ群は、最もスクリーンの側に配置された、スクリーンの側に凸面を向けた第3レンズを含み、第1レンズは、両面が非球面であり、光軸から周辺に向かって増大する負の屈折力を含み、開口絞りと第1のレンズ群の最も被投影面の側のレンズ面との間の距離は、開口絞りと第2レンズのスクリーンの側の凹面と間の距離よりも小さい。 One aspect of the present invention is a projection lens system that projects projection light from a projection surface onto a dome-shaped screen from the inside. The projection lens system includes a first lens group, an aperture stop, a second lens group having a positive refractive power, and a third lens group having a positive refractive power, which are arranged in order from the screen side. The first lens group is a meniscus type first lens that is disposed closest to the screen and has a concave surface facing the screen, and has at least a first lens having a negative refractive power at the periphery. The second lens group includes a meniscus type second lens that is disposed closest to the projection surface and has a convex surface facing the projection surface, and the third lens group is located closest to the screen side. And a third lens having a convex surface facing the screen, the first lens having both aspheric surfaces and including negative refractive power that increases from the optical axis toward the periphery, and an aperture stop Lens surface closest to the projection surface of the first lens group The distance between the is smaller than the distance between the concave aperture stop and the side of the screen of the second lens.
この投射用レンズシステムにおいては、最もスクリーンの側(拡大側)の第1レンズがスクリーンの側に凹面を有し、第2レンズが被投影面の側(縮小側)に凸面を有する。このため、第3レンズと第2レンズの凸面とにより、被投影面からの投影光を第1レンズの縮小側の開口絞りに向けて集め、第1レンズの凹面により拡大することができ、その際に、ドーム状のスクリーンに投影したときにドーム状に結像するように十分な歪曲収差を発生させながら球面収差やコマ収差を良好に補正できる。したがって、コンパクトな3枚構成でありながら、ドーム状のスクリーンに対して明るく鮮明な画像を結像させる投射用レンズシステムを提供できる。 In this projection lens system, the first lens closest to the screen (enlargement side) has a concave surface on the screen side, and the second lens has a convex surface on the projection surface side (reduction side). Therefore, the projection light from the projection surface can be collected toward the aperture stop on the reduction side of the first lens by the third lens and the convex surface of the second lens, and can be magnified by the concave surface of the first lens. At this time, spherical aberration and coma aberration can be satisfactorily corrected while generating sufficient distortion so that a dome-shaped image is formed when projected onto a dome-shaped screen. Therefore, it is possible to provide a projection lens system that forms a bright and clear image on a dome-shaped screen while having a compact three-lens configuration.
さらに、第1レンズに、光軸から周辺に向かって増大する負の屈折力を含ませることにより、湾曲したスクリーンに沿ってより鮮明に結像するように投影光を投射できる。このため、この投射用レンズシステムにおいては、半球のスクリーンに対しても被投影面の像が鮮明に結像されるような投影光を投影できる。 Furthermore, by including a negative refractive power that increases from the optical axis toward the periphery in the first lens, it is possible to project the projection light so as to form a clearer image along the curved screen. For this reason, in this projection lens system, it is possible to project projection light such that an image of the projection surface is clearly formed even on a hemispherical screen.
この投射用レンズシステムにおいては、当該投射用レンズシステムの合成焦点距離fと、第1のレンズ群および第2のレンズ群の合成焦点距離f12と、第1レンズの最大有効光線高さh1と、最大有効光線高さh1における第1レンズの凹面のサグ量D1とが以下の条件(1)および(2)を満たすことが望ましい。
0.60<f/f12<1.00 ・・・(1)
0.05<|D1/h1|<0.40 ・・・(2)
In this projection lens system, the combined focal length f of the projection lens system, the combined focal length f12 of the first lens group and the second lens group, the maximum effective ray height h1 of the first lens, It is desirable that the sag amount D1 of the concave surface of the first lens at the maximum effective ray height h1 satisfies the following conditions (1) and (2).
0.60 <f / f12 <1.00 (1)
0.05 <| D1 / h1 | <0.40 (2)
この投射用レンズシステムにおいては、条件(1)を上回ると、第1のレンズ群および第2のレンズ群のパワーが強すぎてコマ収差が大きくなり過ぎ、条件(1)を下回ると、第1のレンズ群および第2のレンズ群のパワーが弱すぎて色収差の補正が難しくなり、また、歪曲収差が大きくなり過ぎる。さらに、サグ量が条件(2)を上回ると、球面収差とコマ収差とを協調制御することが難しくなり、サグ量が条件(2)を下回ると、コマ収差の制御が難しくなる。したがって、上記の値を条件(1)および(2)の範囲に収めることにより、諸収差を良好に補正しながら、スクリーンの形状に沿ってドーム状に、さらには半球に湾曲した明るく鮮明な画像を結像する投影光を投射できる。 In this projection lens system, when the condition (1) is exceeded, the power of the first lens group and the second lens group is too strong and the coma aberration becomes too large. The power of the second lens group and the second lens group are too weak to make correction of chromatic aberration difficult, and distortion becomes too large. Further, when the sag amount exceeds the condition (2), it becomes difficult to cooperatively control the spherical aberration and the coma aberration, and when the sag amount is less than the condition (2), it becomes difficult to control the coma aberration. Therefore, by keeping the above values within the ranges of the conditions (1) and (2), a bright and clear image curved in a dome shape and further in a hemisphere along the screen shape while correcting various aberrations satisfactorily. The projection light that forms an image can be projected.
この投射用レンズシステムにおいては、さらに、以下の条件を満たすことが望ましい。
0.70<f/f12<0.90 ・・・(1´)
0.10<|D1/h1|<0.30 ・・・(2´)
In the projection lens system, it is further preferable that the following conditions are satisfied.
0.70 <f / f12 <0.90 (1 ′)
0.10 <| D1 / h1 | <0.30 (2 ')
本発明の異なる態様の1つは、上記の投射用レンズシステムと、投影光により画像が形成されるドーム状のスクリーンとを有する投影装置である。典型的な投影装置は、スクリーンが半球のものである。 One of the different aspects of the present invention is a projection apparatus including the projection lens system described above and a dome-shaped screen on which an image is formed by projection light. A typical projection device has a hemispherical screen.
スクリーンは、スクリーンの半球の中心と投射用レンズシステムの光軸とが一致するように配置されていることが望ましい。 The screen is preferably arranged so that the center of the hemisphere of the screen coincides with the optical axis of the projection lens system.
この投影装置においては、スクリーンの曲率半径Rと、スクリーンと第1レンズの凹面との間の光軸上の距離d1とが以下の条件(3)を満たす範囲にスクリーンと投射用レンズシステムとを配置できる。
1.30<d1/R<1.50 ・・・(3)
In this projection apparatus, the screen and the projection lens system are arranged in such a range that the radius of curvature R of the screen and the distance d1 on the optical axis between the screen and the concave surface of the first lens satisfy the following condition (3). Can be placed.
1.30 <d1 / R <1.50 (3)
したがって、立体的な表示が可能なドーム状または半球のスクリーンと、投射レンズシステムとを含むコンパクトな投影装置を提供できる。このため、この投影装置は、プラネタリウムのような大型の投影装置にはもちろん、ディスプレイ、インテリア、さらには玩具などに適用した際に、ドーム状または半球のスクリーンの大きさに対して全体をコンパクトにまとめることができる。 Accordingly, it is possible to provide a compact projection apparatus including a dome-shaped or hemispherical screen capable of stereoscopic display and a projection lens system. For this reason, this projection device, as well as a large-scale projection device such as a planetarium, as a whole, is compact with respect to the size of a dome-shaped or hemispherical screen when applied to displays, interiors, and toys. Can be summarized.
この投影装置は、さらに、被投影面に画像を形成する光変調器を有することが望ましい。光変調器は、スクリーンに、スクリーンが外側から見られる画像を形成することが望ましい。 It is desirable that the projection apparatus further includes a light modulator that forms an image on the projection surface. The light modulator preferably forms an image on the screen where the screen can be seen from the outside.
図1に、本発明に係る投射用レンズシステムを用いた投影装置の概略構成を示している。投影装置1は、投射用レンズシステム10を収納したハウジング8と、ハウジング8に取り付けられた半球のスクリーン9とを備えている。投影装置1は、ハウジング8に収納された、光変調器(ライトバルブ)2と、ライトバルブ2に変調用の照明光91を照射する光照射システム3と、ライトバルブ2により有効な方向に反射された投影光92をスクリーン9に投射する投射用レンズシステム10とを備えている。投影装置1の一例は、直径70mm程度の半球のスクリーン9を備えた小型の立体表示装置である。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a projection apparatus using the projection lens system according to the present invention. The
投影装置1は、ライトバルブ2としてLCD(液晶パネル)を採用した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、白色のLEDを備えている。光照射システム3は、白色光源からの光をフィルタで色分割して照射するタイプであってもよく、また、照明光を調整するレンズなどの光学素子を含んでいてもよい。
The
第1の実施形態
図2に、第1の実施形態に係る投射用レンズシステム10の概略構成を示している。この投射用レンズシステム10は、スクリーン9の側(拡大側10a)から順に、負の屈折力を備えた第1のレンズ群G1と、開口絞りStと、正の屈折力を備えた第2のレンズ群G2と、正の屈折力を備えた第3のレンズ群G3とから構成されている。
First Embodiment FIG. 2 shows a schematic configuration of a
最もスクリーン9の側の第1のレンズ群G1は、スクリーン9の側に凹面S1を向けた樹脂製の負メニスカスレンズ(第1レンズ)L1から構成されている。負メニスカスレンズL1の両面、すなわちスクリーン9の側の凹面S1およびLCD(被投影面)2の側(縮小側10b)の凸面S2は非球面である。第1のレンズ群G1の負メニスカスレンズL1は、投射用レンズシステム10の中で最も小さな有効径(口径)のレンズである。
The first lens group G1 closest to the
第2のレンズ群G2は、被投影面2の側に凸面S4を向けたガラス製の正メニスカスレンズ(第2レンズ)L2から構成されている。
The second lens group G2 includes a positive meniscus lens (second lens) L2 made of glass with the convex surface S4 facing the
最も被投影面2の側の第3のレンズ群G3は、両凸のガラス製の正レンズ(第3レンズ)L3から構成されている。第3のレンズ群G3の正レンズL3は、投射用レンズシステム10の中で最も大きな有効径(口径)のレンズである。
The third lens group G3 closest to the
この投射用レンズシステム10は、スクリーン9の側から順に、光軸100上の屈折力が負−正−正の3つのレンズ群G1〜G3にグループ化された3枚のレンズL1〜L3により構成された、変倍を行わない単焦点(固定焦点)タイプのレンズシステムである。
The
開口絞りStと負メニスカスレンズL1の被投影面2の側の凸面S2との間の距離d3(0.5mm)は、開口絞りStと正メニスカスレンズL2のスクリーン9の側の凹面S3と間の距離d4(2.59mm)よりも小さい。このため、負メニスカスレンズL1の近傍に射出瞳を設定できるので、負メニスカスレンズL1を小型化しやすく、負メニスカスレンズL1の有効径(12.20mm)を正レンズL3の有効径(28.40mm)の半分以下に収めることができる。
The distance d3 (0.5 mm) between the aperture stop St and the convex surface S2 on the
この投射用レンズシステム10においては、最も拡大側10aの負メニスカスレンズL1の有効径よりも大きな径のスクリーン9に画像を投影できる。したがって、最も拡大側10aの負メニスカスレンズL1を小さくすることにより、小さなドーム型あるいは半球のスクリーン9に対して立体画像を投影できる。
In the
この投射用レンズシステム10においては、集光レンズを用いて被投影面となる被投影面2からの投影光92をテレセントリックにして投射用レンズシステム10に入力している。投射用レンズシステム10に入力された投影光92は、縮小側10bに配置された正レンズL3と正メニスカスレンズL2の凸面S4とにより、開口絞りStに向けて集められる(絞られる)。正メニスカスレンズL2は、凹面S3を拡大側10aに向けているので、凹面S3による収差は発生しにくく、収差を補正しやすい。
In the
集められた投影光92は、負メニスカスレンズL1の凸面S2の近傍に配置された開口絞りStから負メニスカスレンズL1の凹面S1により、スクリーン9の半球面9aに向けて拡大投影(発散)される。負メニスカスレンズL1の凹面S1および/または凸面S2は、光軸100から周辺に向かって負の屈折力が増大する、すなわち曲率が増大するように設計されている。したがって、負メニスカスレンズL1により、開口絞りStに集められた投影光92の周辺光の結像位置を、中心軸光の結像位置に対して、負メニスカスレンズL1がない場合の結像位置よりも徐々に遠方、すなわち、スクリーン9の側へシフトさせることができる。このため、開口絞りStから出射された投影光92を、半球面9aの光軸近傍から周辺部9bに、いっそう均等に導くことが可能となり、周辺部9bにおける光量の低下を抑制でき、半球のスクリーン9に鮮明で明るい画像を結像できる。
The collected
さらに、負メニスカスレンズL1の凹面S1および凸面S2を非球面とすることにより、正レンズL3および正メニスカスレンズL2が光束を取り込む際に発生させた球面収差やコマ収差を、半球のスクリーン9に合わせて良好に補正できる。このため、さらに鮮明な立体的な画像を半球のスクリーン9に結像できる。
Further, by making the concave surface S1 and the convex surface S2 of the negative meniscus lens L1 aspherical, spherical aberration and coma generated when the positive lens L3 and the positive meniscus lens L2 take in the light beam are matched with the
図3に、負メニスカスレンズL1の有効径に対するパワーの変化を示しており、(a)は負メニスカスレンズL1の凹面S1および凸面S2を球面(一点鎖線)および非球面(実線)とした場合の光軸100に平行な仮想的な投影光の発散角を示す図、(b)は球面および非球面の発散角の差を示す図である。図3では、負メニスカスレンズL1の有効径に対する発散角が負であれば発散しており、正であれば収束していることを示している。以降の実施形態においても同様である。
FIG. 3 shows a change in power with respect to the effective diameter of the negative meniscus lens L1, and FIG. 3A shows a case where the concave surface S1 and the convex surface S2 of the negative meniscus lens L1 are a spherical surface (dashed line) and an aspherical surface (solid line). The figure which shows the divergence angle of the virtual projection light parallel to the
図3(a)に示すように、負メニスカスレンズL1の有効径2.00mmを通過する仮想的な投影光の発散角は、球面の場合が約0.2°であるのに対して、非球面の場合は約0.6°となっている。また、負メニスカスレンズL1の有効径3.50mmを通過する仮想的な投影光の発散角は、球面の場合が約0.3°であるのに対して、非球面の場合は約2.6°となっている。したがって、図3(b)に示すように、凹面S1および凸面S2を非球面とした負メニスカスレンズL1は、光軸100から周辺に向かって発散角が大きくなっており、光軸100から周辺に向かって増大する負の屈折力を備えていることがわかる。
As shown in FIG. 3A, the divergence angle of the hypothetical projection light passing through the effective diameter of 2.00 mm of the negative meniscus lens L1 is about 0.2 ° in the case of a spherical surface, whereas In the case of a spherical surface, the angle is about 0.6 °. Further, the divergence angle of the virtual projection light passing through the effective diameter 3.50 mm of the negative meniscus lens L1 is about 0.3 ° in the case of a spherical surface, whereas it is about 2.6 in the case of an aspheric surface. It is °. Therefore, as shown in FIG. 3B, the negative meniscus lens L1 having the concave surface S1 and the convex surface S2 as aspherical surfaces has a divergence angle that increases from the
本例の負メニスカスレンズL1の凹面S1は、光軸100から周辺に向かって負の屈折力が強くなる形状の第1の非球面要素を含み、負メニスカスレンズL1の凸面S2は、光軸100から周辺に向かって正の屈折力が弱くなる形状の第2の非球面要素を含む。負の屈折力が変化する要素は、凹面S1または凸面S2の一方が含んでいてもよい。
The concave surface S1 of the negative meniscus lens L1 of this example includes a first aspherical element having a shape in which negative refractive power increases from the
すなわち、この投射用レンズシステム10においては、正の屈折力の第3のレンズ群G3および第2のレンズ群G2(正レンズL3および正メニスカスレンズL2)が光束を取り込む際に強い正(内向き)の像面湾曲を発生させている。これに対して、第1のレンズ群G1(負メニスカスレンズL1)は、光軸100から周辺に向かって増大する負の屈折力により、負(外向き)の像面湾曲を発生させ、半球面9aに合致するように結像位置を調整している。このため、スクリーン9の半球面9aに沿って像面を外側(拡大側10a)に広げやすく、周辺部9bにおける光量の低下も抑制でき、半球面9aの形状に沿って半球に湾曲した鮮明な画像を結像できる。
That is, in the
さらに、この投射用レンズシステム10においては、各レンズ群G1〜G3をそれぞれ一枚のレンズL1〜L3で構成している。このため、3枚のレンズL1〜L3によるコンパクトな構成でありながら、半球のスクリーン9に対して明るく鮮明な画像を結像させる投射用レンズシステム10を提供できる。さらに、開口絞りStが負メニスカスレンズL1の被投影面2の側(縮小側10b)に配置されているので、樽型の歪曲収差を発生させることができ、スクリーン9上に立体的な画像を結像させやすい。
Further, in the
この投射用レンズシステム10においては、当該投射用レンズシステム10の合成焦点距離fと、負メニスカスレンズL1および正メニスカスレンズL2の合成焦点距離f12と、負メニスカスレンズL1の最大有効光線高さh1と、最大有効光線高さh1における非球面(凹面)S1のサグ量D1とが以下の条件(1)および(2)を満たすように設計される。非球面S1は、負メニスカスレンズL1の凹面S1の近軸曲率半径で作られる面と非球面とが合成された面である。
0.60<f/f12<1.00 ・・・(1)
0.05<|D1/h1|<0.40 ・・・(2)
In this
0.60 <f / f12 <1.00 (1)
0.05 <| D1 / h1 | <0.40 (2)
この投射用レンズシステム10においては、負メニスカスレンズL1および正メニスカスレンズL2のパワーを条件(1)に示すように強くして、最大有効光線高さh1における負メニスカスレンズL1の第1の非球面S1のサグ量d1を条件(2)の範囲に収めることにより、諸収差を良好に補正しながら、スクリーン9の形状に沿って半球状に湾曲した明るく鮮明な画像を結像させることができる。なお、本明細書において最大有効光線高さは、各レンズの光軸100から最も離れたところを通る光線の高さをいい、この投射用レンズシステム10においては、負メニスカスレンズL1の最大有効光線高さh1は、負メニスカスレンズL1の有効径(12.20mm)の半分の6.10mmである。
In the
条件(1)の範囲を外れると、半球面9aに沿って像面を半球状に湾曲させることが困難となる。条件(1)の上限を超えると、負メニスカスレンズL1および正メニスカスレンズL2のパワーが投射用レンズシステム10のパワーに対して強くなり、コマ収差の補正が困難となる。一方、条件(1)の下限を超えると、負メニスカスレンズL1および正メニスカスレンズL2のパワーが投射用レンズシステム10のパワーに対して弱くなり、色収差および歪曲収差の補正が困難となる。
If the range of the condition (1) is not met, it will be difficult to curve the image surface into a hemispherical shape along the
条件(2)の上限を超えると、最大有効光線高さh1における第1の非球面S1のサグ量d1が大きくなり、球面収差およびコマ収差の補正が困難となる。一方、条件(2)の下限を超えると、最大有効光線高さh1における第1の非球面S1のサグ量d1が小さくなり、コマ収差の補正が困難となる。 If the upper limit of the condition (2) is exceeded, the sag amount d1 of the first aspheric surface S1 at the maximum effective ray height h1 becomes large, and it becomes difficult to correct spherical aberration and coma aberration. On the other hand, if the lower limit of the condition (2) is exceeded, the sag amount d1 of the first aspheric surface S1 at the maximum effective ray height h1 becomes small, and it becomes difficult to correct coma.
条件(1)の上限は、0.90であることが望ましく、0.82であることがさらに望ましい。また、条件(1)の下限は、0.70であることが望ましく、0.74であることがさらに望ましい。条件(2)の上限は、0.30であることが望ましく、0.18であることがさらに望ましい。また、条件(2)の下限は、0.10であることが望ましく、0.14であることがさらに望ましい。 The upper limit of condition (1) is preferably 0.90, and more preferably 0.82. Further, the lower limit of the condition (1) is preferably 0.70, and more preferably 0.74. The upper limit of condition (2) is preferably 0.30, and more preferably 0.18. Further, the lower limit of the condition (2) is desirably 0.10, and more desirably 0.14.
さらに、この投射用レンズシステム10を用いた投影装置1においては、スクリーン9の半球の中心9cと投射用レンズシステム10の光軸100とが一致するように配置されており、スクリーン9の曲率半径Rと、スクリーン9と負メニスカスレンズL1の凹面S1との間の光軸上の距離d1とが以下の条件(3)を満たすように設計される。
1.30<d1/R<1.50 ・・・(3)
Further, in the
1.30 <d1 / R <1.50 (3)
スクリーン9の曲率半径Rに対する距離d1を条件(3)の範囲内とすることにより、明るく鮮明な湾曲画像を結像可能な投射用レンズシステム10をスクリーン9に近接させた、コンパクトな投影装置1を提供できる。条件(3)の上限を超えると、スクリーン9の曲率半径Rに対して距離d1が大きくなり、投影装置1の小型化が困難となる。一方、条件(3)の下限を超えると、スクリーン9の曲率半径Rに対して距離d1が小さくなり、スクリーン9の周辺における光量低下の抑制が困難となる。
A
図4に、投射用レンズシステム10の各レンズのレンズデータを示している。図5に、投射用レンズシステム10の諸数値を示している。レンズデータにおいて、Riはスクリーン9の側から順に並んだ各レンズ(各レンズ面)の曲率半径(mm)、diはスクリーン9の側から順に並んだ各レンズ面の間の距離(mm)、ndはスクリーン9の側から順に並んだ各レンズの屈折率(d線)、νdはスクリーン9の側から順に並んだ各レンズのアッベ数(d線)を示している。図4において、Flatは平面を示している。図5(b)において、「En」は、「10のn乗」を意味する。たとえば、「E−05」は、「10の−5乗」を意味する。以降の実施形態においても同様である。
FIG. 4 shows lens data of each lens of the
また、負メニスカスレンズL1の凹面S1および凸面S2は、非球面である。非球面は、hを各レンズの有効光線高さ、Dを有効光線高さにおける近軸曲率半径で作られる面および非球面のサグ量、光の進行方向を正、Rを近軸曲率半径、Kを円錐定数とすると、図5(b)の係数K、A、B、CおよびDを用いて次式で表わされる。
D=(1/R)h2/[1+{1−(1+K)(1/R)2h2}1/2]
+Ah4+Bh6+Ch8+Dh10
Further, the concave surface S1 and the convex surface S2 of the negative meniscus lens L1 are aspherical surfaces. For an aspherical surface, h is the effective ray height of each lens, D is the sag amount of the surface and aspherical surface formed by the paraxial curvature radius at the effective ray height, the light traveling direction is positive, R is the paraxial curvature radius When K is a conic constant, it is expressed by the following equation using the coefficients K, A, B, C, and D in FIG.
D = (1 / R) h 2 / [1+ {1- (1 + K) (1 / R) 2 h 2 } 1/2 ]
+ Ah 4 + Bh 6 + Ch 8 + Dh 10
本例の投射用レンズシステム10の上述した条件(1)〜(3)を与える各式の値は、以下のようになる。
条件(1) f/f12=0.81
条件(2) |D1/h1|=0.15
条件(3) d1/R=1.39
したがって、本例の投射用レンズシステム10は、条件(1)〜(3)を満たしている。
The values of the equations that give the above-described conditions (1) to (3) of the
Condition (1) f / f12 = 0.81
Condition (2) | D1 / h1 | = 0.15
Condition (3) d1 / R = 1.39
Therefore, the
図6に、投射用レンズシステム10の縦収差図および横収差図を示している。図6に示すように、いずれの収差も良好に補正されており、鮮明な画像をスクリーン9に投射できる。なお、球面収差およびコマ収差は、波長620nm(一点鎖線)と、波長520nm(実線)と、波長460nm(点線)とを示している。また、非点収差およびコマ収差においては、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いる。
FIG. 6 shows a longitudinal aberration diagram and a lateral aberration diagram of the
したがって、本例の投射用レンズシステム10は、縮小側10bがテレセントリックのコンパクトな3枚構成でありながら、半画角が63度と広角で、F値が2.70と明るく鮮明な湾曲画像を投影できる投射用レンズシステム10の一例である。
Therefore, the
第2の実施形態
図7に、第2の実施形態に係る投射用レンズシステム20を示している。この投射用レンズシステム20は、スクリーン9の側(拡大側20a)から順に、正の屈折力を備えた第1のレンズ群G1と、開口絞りStと、正の屈折力を備えた第2のレンズ群G2と、正の屈折力を備えた第3のレンズ群G3とから構成されている。この投射用レンズシステム20は、スクリーン9の側から順に、光軸100上の屈折力が正−正−正の3つのレンズ群G1〜G3にグループ化された3枚のレンズL1〜L3により構成されている。
Second Embodiment FIG. 7 shows a
最もスクリーン9の側の第1のレンズ群G1は、スクリーン9の側に凹面S1を向けた樹脂製の、光軸100上の屈折力が正のメニスカスレンズ(第1レンズ)L1から構成されている。メニスカスレンズL1の両面、すなわちスクリーン9の側の凹面S1および被投影面2の側(縮小側20b)の凸面S2は非球面である。なお、本例のメニスカスレンズL1は、光軸100上では正の屈折力を備えているが、光軸100から周辺に向かう途中で正の屈折力から負の屈折力に変わり、周辺では強い負の屈折力を備えており、以降、本明細書において、メニスカスレンズL1を正メニスカスレンズ1と称する。
The first lens group G1 closest to the
開口絞りStと正メニスカスレンズL1の被投影面2の側の凸面S2との間の距離d3(0.3mm)は、開口絞りStと正メニスカスレンズL2のスクリーン9の側の凹面S3と間の距離d4(3.53mm)よりも小さい。
The distance d3 (0.3 mm) between the aperture stop St and the convex surface S2 on the
図8に、正メニスカスレンズL1の有効径に対するパワーの変化を示しており、(a)は正メニスカスレンズL1の凹面S1および凸面S2を球面(一点鎖線)および非球面(実線)とした場合の光軸100に平行な仮想的な投影光の発散角を示す図、(b)は球面および非球面の発散角の差を示す図である。
FIG. 8 shows a change in power with respect to the effective diameter of the positive meniscus lens L1, and FIG. 8A shows a case where the concave surface S1 and the convex surface S2 of the positive meniscus lens L1 are a spherical surface (one-dot chain line) and an aspherical surface (solid line). The figure which shows the divergence angle of the virtual projection light parallel to the
図8(a)に示すように、正メニスカスレンズL1の有効径2.00mmを通過する仮想的な投影光の発散角は、球面の場合が約0.4°収束しているのに対して、非球面の場合は約0°でほぼ透過している。また、正メニスカスレンズL1の有効径3.50mmを通過する仮想的な投影光の発散角は、球面の場合が約0.7°収束しているのに対して、非球面の場合は約1.1°発散している。すなわち、仮想的な投影光は、光軸100から有効径2.00mmまでの範囲では収束しているが、有効径2.00mmから周辺に向かって発散していることがわかる。したがって、図8(b)に示すように、凹面S1および凸面S2を非球面とした正メニスカスレンズL1は、光軸100から周辺に向かって発散角が大きくなっており、光軸100の近傍の正の屈折力が周辺に向かって負の屈折力に変わり、周辺に向かって増大する負の屈折力を備えていることがわかる。
As shown in FIG. 8A, the divergence angle of the virtual projection light passing through the effective diameter of 2.00 mm of the positive meniscus lens L1 is about 0.4 ° in the case of the spherical surface. In the case of an aspherical surface, the light is almost transmitted at about 0 °. Further, the divergence angle of the virtual projection light passing through the effective diameter 3.50 mm of the positive meniscus lens L1 converges about 0.7 ° in the case of the spherical surface, but about 1 in the case of the aspherical surface. .1 ° divergence. That is, it can be seen that the virtual projection light converges in the range from the
本例の正メニスカスレンズL1の凹面S1は、光軸100から周辺に向かって負の屈折力が強くなる形状の第1の非球面要素を含み、正メニスカスレンズL1の凸面S2は、光軸100から周辺に向かって正の屈折力が弱くなる形状の第2の非球面要素を含み、全体として、光軸100上では、弱い正のパワーまたはほとんどパワーがなく、周辺に向けて増大する負の屈折力を含むレンズになっている。
The concave surface S1 of the positive meniscus lens L1 in this example includes a first aspherical element having a negative refractive power that increases from the
すなわち、この投射用レンズシステム20においても、正の屈折力の第3のレンズ群G3および第2のレンズ群G2(正レンズL3および正メニスカスレンズL2)が光束を取り込む際に強い正(内向き)の像面湾曲を発生させている。これに対して、第1のレンズ群G1(正メニスカスレンズL1)は、光軸100から周辺に向かって増大する負の屈折力により、負(外向き)の像面湾曲を発生させ、半球面9aに合致するように結像位置を調整している。このため、スクリーン9の半球面9aに沿って像面を外側(拡大側20a)に広げやすく、周辺部9bにおける光量の低下も抑制でき、半球面9aの形状に沿って半球に湾曲した鮮明な画像を結像できる。
That is, also in the
図9に、投射用レンズシステム20の各レンズのレンズデータを示している。図10に、投射用レンズシステム20の諸数値を示している。本例の投射用レンズシステム20の上述した条件(1)〜(3)を与える各式の値は、以下のようになる。
条件(1) f/f12=0.75
条件(2) |D1/h1|=0.17
条件(3) d1/R=1.35
したがって、本例の投射用レンズシステム20は、条件(1)〜(3)を満たしている。
FIG. 9 shows lens data of each lens of the
Condition (1) f / f12 = 0.75
Condition (2) | D1 / h1 | = 0.17
Condition (3) d1 / R = 1.35
Therefore, the
図11に、投射用レンズシステム20の縦収差図および横収差図を示している。図11に示すように、いずれの収差も良好に補正されており、鮮明な画像をスクリーン9に投射できる。
FIG. 11 shows a longitudinal aberration diagram and a lateral aberration diagram of the
したがって、本例の投射用レンズシステム20は、縮小側20bがテレセントリックのコンパクトな3枚構成でありながら、半画角が65度とさらに広角で、F値が2.20とさらに明るく鮮明な湾曲画像を投影できる投射用レンズシステム20の一例である。
Therefore, the
なお、本発明はこれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に規定されたものを含む。第1レンズL1は、ガラスモールド非球面レンズであってもよく、第2レンズL2は、接合レンズ(バルサムレンズ)であってもよい。また、レンズ群G1〜G3のそれぞれは、複数のレンズを含んでいてもよい。 In addition, this invention is not limited to these embodiment, What was prescribed | regulated by the claim is included. The first lens L1 may be a glass mold aspheric lens, and the second lens L2 may be a cemented lens (balsam lens). Each of the lens groups G1 to G3 may include a plurality of lenses.
また、光変調器(ライトバルブ)2は、LCD(液晶パネル)、デジタルミラーデバイス(DMD)あるいは自発光型の有機ELなどの画像を形成できるものであればよく、単板式であっても、各色の画像をダイクロイックプリズムなどにより合成するタイプであってもよい。光照射システム3は、多色のLEDを備えていてもよく、その場合、DMD(ライトバルブ)2には、赤色、緑色、青色の3原色が時分割で照射され、DMD2は、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し、DMD2が被投影面2となってスクリーン9に投影されるカラー画像が表示される。
Further, the light modulator (light valve) 2 may be anything that can form an image such as an LCD (liquid crystal panel), a digital mirror device (DMD), or a self-luminous organic EL. A type in which images of respective colors are synthesized by a dichroic prism or the like may be used. The
上記では、半球のスクリーン9に、スクリーン9の外側から見た時に立体的に見える画像を投影する玩具の投影装置(立体表示装置)1を例に説明しているが、投影装置1のサイズはこれに限定されず、スクリーン9の直径は70mm以下であっても、70mm以上であってもよい。スクリーン9は、半球に限らず、ドーム型であってもよく、立体的に画像を投影するディスプレイやインテリアなどとして投影装置を提供することも可能である。また、半球のスクリーン9には、内側から見たときに立体的に見える画像を投影することも可能であり、本投影装置をプラネタリウムのように大型の投影装置として提供することも可能である。いずれの装置においても、スクリーン9の中心(半球スクリーンにおいては、球の中心)9cと最もスクリーン9の側のレンズ面(凹面S1)との距離を上記の条件(3)の範囲に収め、半球のスクリーン9の全周にわたり鮮明な画像を投影することが可能である。したがって、コンパクトで、立体的な画像を投影できる範囲(面積)の大きな投影装置を提供できる。
In the above description, a toy projection device (stereoscopic display device) 1 that projects an image that appears stereoscopically when viewed from the outside of the
1 投影装置
10、20 投射用レンズシステム
1
Claims (9)
前記スクリーンの側から順に配置された、第1のレンズ群と、開口絞りと、正の屈折力の第2のレンズ群と、正の屈折力の第3のレンズ群とから構成され、
前記第1のレンズ群は、最も前記スクリーンの側に配置された、前記スクリーンの側に凹面を向けたメニスカスタイプの第1レンズであって、少なくとも周辺が負の屈折力の第1レンズを含み、
前記第2のレンズ群は、最も前記被投影面の側に配置された、前記被投影面の側に凸面を向けたメニスカスタイプの第2レンズを含み、
前記第3のレンズ群は、最も前記スクリーンの側に配置された、前記スクリーンの側に凸面を向けた第3レンズを含み、
前記第1レンズは、両面が非球面であり、光軸から周辺に向かって増大する負の屈折力を含み、
前記開口絞りと前記第1のレンズ群の最も前記被投影面の側のレンズ面との間の距離は、前記開口絞りと前記第2レンズの前記スクリーンの側の凹面と間の距離よりも小さい、投射用レンズシステム。 A projection lens system that projects projection light from a projection surface onto a dome-shaped screen from the inside,
A first lens group, an aperture stop, a second lens group having a positive refractive power, and a third lens group having a positive refractive power, which are arranged in order from the screen side,
The first lens group is a meniscus type first lens that is disposed closest to the screen and has a concave surface facing the screen, and includes at least a first lens having a negative refractive power at the periphery. ,
The second lens group includes a meniscus type second lens that is disposed closest to the projection surface and has a convex surface facing the projection surface.
The third lens group includes a third lens disposed closest to the screen and having a convex surface facing the screen.
The first lens is aspheric on both sides and includes a negative refractive power that increases from the optical axis toward the periphery,
The distance between the aperture stop and the lens surface closest to the projection surface of the first lens group is smaller than the distance between the aperture stop and the concave surface of the second lens on the screen side. , Projection lens system.
当該投射用レンズシステムの合成焦点距離fと、前記第1のレンズ群および前記第2のレンズ群の合成焦点距離f12と、前記第1レンズの最大有効光線高さh1と、前記最大有効光線高さh1における前記第1レンズの前記凹面のサグ量D1とが以下の条件を満たす、投射用レンズシステム。
0.60<f/f12<1.00
0.05<|D1/h1|<0.40 In claim 1,
The combined focal length f of the projection lens system, the combined focal length f12 of the first lens group and the second lens group, the maximum effective ray height h1 of the first lens, and the maximum effective ray height The projection lens system, wherein the concave sag amount D1 of the first lens at the height h1 satisfies the following condition.
0.60 <f / f12 <1.00
0.05 <| D1 / h1 | <0.40
さらに、以下の条件を満たす、投射用レンズシステム。
0.70<f/f12<0.90
0.10<|D1/h1|<0.30 In claim 2,
Furthermore, a projection lens system that satisfies the following conditions.
0.70 <f / f12 <0.90
0.10 <| D1 / h1 | <0.30
前記投影光により画像が形成されるドーム状のスクリーンとを有する、投影装置。 A projection lens system according to any one of claims 1 to 3,
And a dome-shaped screen on which an image is formed by the projection light.
前記スクリーンは半球である、投影装置。 In claim 4,
The projection apparatus, wherein the screen is a hemisphere.
前記スクリーンは、前記スクリーンの前記半球の中心と前記投射用レンズシステムの前記光軸とが一致するように配置されている、投影装置。 In claim 5,
The projection apparatus, wherein the screen is arranged such that a center of the hemisphere of the screen coincides with the optical axis of the projection lens system.
前記スクリーンの曲率半径Rと、前記スクリーンと前記第1レンズの前記凹面との間の前記光軸上の距離d1とが以下の条件を満たす、投影装置。
1.30<d1/R<1.50 In claim 5 or 6,
The projection apparatus, wherein a radius of curvature R of the screen and a distance d1 on the optical axis between the screen and the concave surface of the first lens satisfy the following conditions.
1.30 <d1 / R <1.50
前記被投影面に画像を形成する光変調器を有する、投影装置。 In any of claims 4 to 7, further
A projection apparatus, comprising: a light modulator that forms an image on the projection surface.
前記光変調器は、前記スクリーンに、前記スクリーンが外側から見られる画像を形成する、投影装置。 In claim 8,
The light modulator is a projection device that forms, on the screen, an image in which the screen is viewed from the outside.
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