JP2014112156A - レンズユニット及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】環境温度の影響を受けずに鮮明な撮像・投影像等が可能な高精度の温度補償機能を有するレンズユニット及びこれを有する撮像・投影装置を提供することを目的とする。
【解決手段】レンズユニット本体と、該レンズユニット本体に固着され、光軸に延びた貫通孔を有する、線膨張係数がα１の外側鏡筒と、外面が該外側鏡筒の内面と摺動係合し、レンズ部材を保持する内側鏡筒と、前記外側鏡筒における前記貫通孔内に配置され、光軸方向の異なった位置に前記外側鏡筒と前記内側鏡筒とを固着され、線膨張係数がα２の温度補償棒部材とを有し、前記外側鏡筒における前記レンズユニット本体との固着点と前記温度補償棒部材との固着点の光軸方向の距離をＬ１、前記温度補償棒部材における前記内側鏡筒との固着点と前記レンズユニット本体との固着点の光軸方向の距離をＬ２とするとき、α１×Ｌ１がα２×Ｌ２に等しくないレンズユニット。
【選択図】図２

Description

本発明は、環境温度による構成部品の熱膨張・熱収縮・熱屈折率変化を補償して所定の合焦状態等を維持して、長期間にわたって環境温度の影響を受けずに鮮明な撮像・投影像等が可能な温度補償機能を有するレンズユニット及びこれを有する撮像・投影装置に関する。

レンズユニットの全ての構成部品は、温度によって膨張・収縮する。また、全てのレンズ材料すなわち光学ガラスは、温度によって屈折率が変化し、以下の概略の温度による屈折率変化係数が、例として挙げられる。屈折率変化係数は、厳密に述べれば、同一物質においても温度範囲によって変化し、製造ロット毎にも変化する等不安定で複雑に変化するものである。
可視ガラス −５．０〜−１０．０×１０^-6／℃
可視プラスチック −０．２×１０^-3／℃
ゲルマニューム ＋４．０×１０^-4／℃
カルコゲナイト ＋９．０×１０^-6／℃
硫化亜鉛 ＋４．１×１０^-5／℃
空気 −１．０×１０^-6／℃

凸レンズ部材の屈折率変化係数がプラスの場合、温度上昇に伴い該凸レンズ部材の焦点距離は短くなる。凸レンズ部材の屈折率変化係数がマイナスの場合、温度上昇に伴い該凸レンズ部材の焦点距離は長くなる。
凹レンズ部材の屈折率変化係数がプラスの場合、温度上昇に伴い該凹レンズ部材の焦点距離の絶対値が小さくなる。凹レンズ部材の屈折率変化係数がマイナスの場合、温度上昇に伴い該凹レンズ部材の焦点距離の絶対値が大きくなる。

レンズユニットは、凸レンズ部材と凹レンズ部材の組合わせの場合が多く、該レンズユニットの結像位置が温度変化によって光軸方向のどの方向に移動するかは、各レンズユニットの構成によって決まり、一定ではない。

従って、いずれにしてもある環境温度で合焦した撮像・投影装置において、環境温度が変化すると、合焦状態が変化し、結像が惚けて不鮮明になることは避けられない。

レンズユニットの構成部品の温度による膨張・収縮の問題を小さくするために、まず、鏡筒を構成する部材の成形材料にグラスファイバーを入れて線膨張係数を小さくすることが行われている。しかし、グラスファイバーを入れることによる線膨張係数の減少の値は、上述した合焦状ずれの問題を解決する程大きくない。
そのため、今なお環境温度の影響を受けずに鮮明な撮像・投影像等が可能な温度補償機能を有するレンズユニット構成が要望されている。

その一つとして、環境温度による結像の劣化を防ぐため、ライトバルブから射出された光を投射レンズに入射して投射する投射型表示装置において、投射レンズの端部に取り付けられた取り付け部とマウント部材とがバックフォーカス補正部材を介して接続されている投射型表示装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

前記バックフォーカス補正部材は、環境温度が上昇したとき、熱膨脹係数に従って膨脹し、その長さが大きくなる。環境温度が上昇したとき、バックフォーカス補正部材の膨脹によって取り付け部が押され、投射レンズがマウント部材に対してライトバルブと反対側に変位して投射レンズとライトバルブとの間の光路長が大きくなり、温度変化による投射レンズのバックフォーカスの変化が補正される。

他の温度補償機構を有する光学系として、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が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

さらに他の温度補償機構を有する光学系として、基台に固定されるべき固定部を一端側に有する鏡筒保持筒と、中心軸が一致するように鏡筒保持筒の内側に配されており、一端側に赤外線レンズを保持するレンズ保持部を有するレンズ鏡筒とを備え、鏡筒保持筒の他端部と、レンズ鏡筒の他端部とを固定してなるレンズユニットにおいて、Ｌ１×α１＜Ｌ２×α２の関係を満たすように鏡筒保持筒及びレンズ鏡筒を形成するレンズユニットが提案されている（例えば、特許文献３参照）。但し、Ｌ１：中心軸方向における固定部と鏡筒保持筒の他端部との距離、Ｌ２：中心軸方向におけるレンズ保持部と他端部との距離、α１：鏡筒保持筒の線膨張係数、α２：レンズ鏡筒１３の線膨張係数である。

特開２００５−０５５８０１号公報 特開２００６−０４８０１３号公報 特開２００８−３０４６４１号公報

しかし、特許文献１等によって提案された投射型表示装置においては、バックフォーカス補正部材の環境温度の変化による長さ変化は僅かである。従って、特許文献１等によるバックフォーカスの調整可能量が少なく、当社レンズのバックフォーカスの温度変化に起因する投射像のぼけを十分に補正することができないという解決されていない問題がある。

特許文献２等によって提案されたプロジェクタ光学装置においては、第１伸縮鏡筒１００及び第２伸縮鏡筒１１０が、第１レンズ鏡筒５０の内部に収容されている。一方、前レンズ群２２は、第１レンズ鏡筒５０から突出している。従って、環境温度が、前レンズ群２２及び後レンズ群からなる投影光学系と、第１伸縮鏡筒１００及び第２伸縮鏡筒１１０からなる温度伸張補正系とに与えるが影響が異なり、第１伸縮鏡筒１００及び第２伸縮鏡筒１１０の材料選択や機械的設計が困難であるという解決されていない問題がある。

特許文献３等によって提案されたレンズユニットにおいては、レンズを保持するレンズ鏡筒部材を線膨張係数の大きな材料で形成するため、レンズの保持位置が温度によって光軸方向において変化するだけでなく、光軸と直交する方向の温度による膨脹・伸縮によって、レンズが所定位置からずれてしまう問題がある。
これに加え、前記レンズ鏡筒部材と前記レンズ鏡筒部材を支持する鏡筒保持筒とが、螺合によって結合されているので、前記螺合が円滑にいかなくなってしまう問題がある。仮に、レンズ鏡筒部材の光軸と直交する方向の温度による膨脹・伸縮によるレンズの位置ずれを小さくするために、レンズ鏡筒部材と鏡筒保持筒を摺動係合すると、レンズ鏡筒部材の伸縮によって、円滑な摺動ができなくなる問題がある。

（発明の目的）
本発明は、従来技術の上述した問題に鑑みてなされたものであって、環境温度の影響を受けずに鮮明な撮像・投影像等が可能な高精度の温度補償機能を有するレンズユニット及びこれを有する撮像・投影装置を提供することを目的とする。
本発明はさらに、比較的簡易で堅牢な構成で、レンズユニットで重要な合焦作動等に弊害をもたらすことのないレンズユニット及びこれを有する撮像・投影装置を提供することを目的とする。

第１発明は、
レンズユニット本体と、
該レンズユニット本体に固着され、光軸に延びた貫通孔を有する、線膨張係数がα１の外側鏡筒と、
外面が該外側鏡筒の内面と摺動係合し、レンズ部材を保持する内側鏡筒と、
前記外側鏡筒における前記貫通孔内に配置され、光軸方向の異なった位置に前記外側鏡筒と前記内側鏡筒とを固着され、線膨張係数がα２の温度補償棒部材とを有し、
前記外側鏡筒における前記レンズユニット本体との固着点と前記温度補償棒部材との固着点の光軸方向の距離をＬ１、前記温度補償棒部材における前記内側鏡筒との固着点と前記レンズユニット本体との固着点の光軸方向の距離をＬ２とするとき、
α１×Ｌ１≠α２×Ｌ２
であることを特徴とするレンズユニットである。

第２発明は、
レンズユニット本体と、
該レンズユニット本体に結像側位置で固着され、光軸に延びた貫通孔を有する、線膨張係数がα１の外側鏡筒と、
外面が該外側鏡筒の内面と摺動係合し、レンズ部材を保持する内側鏡筒と、
前記貫通孔内に配置され、光軸方向の被写体側位置で前記外側鏡筒に固着され、光軸方向の結像側位置で前記内側鏡筒に固着され、線膨張係数がα２の温度補償棒部材とを有し、
前記外側鏡筒における前記レンズユニット本体との固着点及び前記温度補償棒部材との固着点の光軸方向の距離をＬ１、前記温度補償棒部材における前記内側鏡筒との固着点及び前記レンズユニット本体との固着点の光軸方向の距離をＬ２とし、
結像位置が温度上昇によって被写体側に移動するとき、
α１×Ｌ１＞α２×Ｌ２
であることを特徴とするレンズユニットである。

第３発明は、
レンズユニット本体と、
該レンズユニット本体に結像側位置で固着され、光軸に延びた貫通孔を有する、線膨張係数がα１の外側鏡筒と、
外面が該外側鏡筒の内面と摺動係合し、レンズ部材を保持する内側鏡筒と、
前記貫通孔内に配置され、光軸方向の被写体側位置で前記外側鏡筒に固着され、光軸方向の結像側位置で前記内側鏡筒に固着され、線膨張係数がα２の温度補償棒部材とを有し、
前記外側鏡筒における前記レンズユニット本体との固着点及び前記温度補償棒部材との固着点の光軸方向の距離をＬ１、前記温度補償棒部材における前記内側鏡筒との固着点及び前記レンズユニット本体との固着点の光軸方向の距離をＬ２とし、
結像位置が温度上昇によって被写体側に移動するとき、
α１×Ｌ１＜α２×Ｌ２
であることを特徴とするレンズユニットである。

第４発明は、
第２発明又は第３発明のレンズユニットと、該レンズユニットの結像位置に配置された撮像素子と、電子冷却器とを有し、前記撮像素子と前記温度補償棒部材の少なくとも一方を前記電子冷却器で冷却してすることを特徴とする撮像装置である。

第５発明は、
前記電子冷却器が、ペルチエ素子を包含することを特徴とする。

第１発明のレンズユニットによれば、環境温度変化によって結像レンズ系のバックフォーカスが変化しても、その環境温度変化の影響を受けずに鮮明な撮像・投影像等が可能な、高精度の温度補償機能を有するレンズユニットを構成することができ、さらに、比較的簡易で堅牢な構成で、レンズユニットで重要な合焦作動等に弊害をもたらすことのないレンズユニットを構成することができる。

第２発明のレンズユニットによれば、環境温度変化によって結像レンズ系のバックフォーカスが短くなっても、そのバックフォーカスの変化を自動的に補償し、環境温度の影響を受けずに鮮明な撮像・投影像等を保持するレンズユニットを構成することができ、さらに、比較的簡易で堅牢な構成で、レンズユニットで重要な合焦作動等に弊害をもたらすことのないレンズユニットを構成することができる。

第３発明のレンズユニットによれば、環境温度変化によって結像レンズ系のバックフォーカスが長くなっても、そのバックフォーカスの変化を自動的に補償し、環境温度の影響を受けずに鮮明な撮像・投影像等を保持するレンズユニットを構成することができ、さらに、比較的簡易で堅牢な構成で、レンズユニットで重要な合焦作動等に弊害をもたらすことのないレンズユニットを構成することができる。

第４発明の撮像装置によれば、環境温度の影響によるバックフォーカスの変化を自動的に補償し、さらに、比較的簡易で堅牢な構成で、レンズユニットで重要な合焦作動等に弊害をもたらすことのないレンズユニットを有する撮像装置を構成することができる。

第５発明の撮像装置によれば、受光素子による発熱を効率的に確実に、さらに制御容易に冷却することができる。

本発明の実施形態のレンズユニットの正面図である。 図１における線II-IIに沿った断面図である。 本発明の実施形態のレンズユニットを有する撮像装置の断面説明図である。

以下に、本発明の実施の形態のレンズユニット及びこれを有する撮像装置を、図面に基づいて説明する。図２において、右側が結像側であり、左側が被写体側である。

レンズユニット１０は、図１及び図２に示すように、樹脂製の内側鏡筒１２が複数のレンズ部材Ａ、Ｂ、Ｃからなるレンズ光学系１３を保持してなる。レンズユニット１０は、結像側端部においてレンズユニット本体１４に固着された樹脂製の外側鏡筒１８を有する。外側鏡筒１８は、内側鏡筒１２に摺動係合している。外側鏡筒１８は、光軸Ｏと平行であり、かつ光軸Ｏを中心に等角度間隔すなわち１２０°間隔で配置された３本の外側鏡筒貫通孔２０を有する。外側鏡筒貫通孔２０のそれぞれには、例えば線膨張係数７×１０^-5のＰＰＳ，あるいは線膨張係数１２×１０^-5のＡＢＳからなる温度補償棒部材２２が、光軸Ｏを中心とする同一円周上に、該円周方向において等間隔をおいて配置されている。

外側鏡筒１８の被写体側端部は、導電性ゲルからなる固着部材１２Ｍを介して第１連結部材３０に固着されている。温度補償棒部材２２の被写体側端部は、導電性ゲルからなる固着部材２２Ｍを介して第１連結部材３０に固着されている。温度補償棒部材２２の結像側端部は、導電性ゲルからなる固着部材２２Ｌを介して第２連結部材３２に固着されている。内側鏡筒１２の結像側端部は、導電性ゲルからなる固着部材１２Ｌを介して第２連結部材３２に固着されている。

レンズ光学系１３による結像位置の温度変位係数をｘmm/℃、外側鏡筒１８の固着部材１８Ｌ及び１８Ｍの間隔をｙ₁₈mm、内側鏡筒１２の材料の線膨張係数をｚ₁₈、温度補償棒部材２２の固着部材２２Ｌ及び２２Ｍの間隔をｙ₂₂mm、温度補償棒部材２２の材料の線膨張係数をｚ₂₂とする。
ｘ ＝ ｙ₂₂×ｚ₂₂−ｙ₁₈×ｚ₁₈
となるように、外側鏡筒１８及び温度補償棒部材２２の長さが決められ、外側鏡筒１８及び温度補償棒部材２２の材料が選択される。

レンズユニット１０において、温度補償棒部材２２が外側鏡筒貫通孔２０内に配置されているため、外側鏡筒１８と温度補償棒部材２２はほぼ同一の温度に保たれ、設計通りの温度補償を高精度に行うことができる。

レンズユニット１０を有する撮像装置１００は、図３に示すように、レンズユニット１０をレンズユニット本体１４によって支持する。レンズユニット本体１４は、レンズ光学系１３の合焦位置に配置された受光素子１１０を受光素子支持部材（図示せず）によって保持している。

撮像装置１００は、受光素子１１０が発熱して周囲の部材を加熱する問題がある。この問題を解決するため、電子冷却器であるペルチエ素子１１２によって、受光素子１１０、外側鏡筒１８，内側鏡筒１２及び温度補償棒部材２２の温度上昇を抑える。

すなわち、レンズユニット本体１４の後側には、ペルチエ素子１１２が配置されている。ペルチエ素子１１２は、電子冷却器であって、熱伝達性の高い導電性ゲルからなる熱伝達部材１２０及び熱伝達エレメント１２２、及び熱伝達性の固着部材１８Ｌを介して外側鏡筒１８に熱伝達係合されている。第２連結部材３２は、熱伝導性の固着部材１２Ｌを介して内側鏡筒１２に熱伝達係合している。

一方、外側鏡筒１８と内側鏡筒１２とは、摺動係合しているため、両者が相互に光軸方向に変位しても、両者の同心関係は高精度に保たれ、外側鏡筒１２と内側鏡筒１２の同心ずれによる光学性能の劣化のおそれはない。

上述した実施形態においては、温度変化に伴ってレンズユニットを光軸方向に移動させて合焦位置を調整したが、レンズユニットに替えてレンズユニット内の１レンズ部材を光軸方向に移動させて合焦位置を調整するように構成することもできる。
本発明はまた、レンズユニットの光軸方向の調整に替えて、撮像素子を光軸方向に調整して合焦位置を調整するように構成することもできる。
本発明はさらに、撮像装置の撮像素子の光軸方向の調整に替えて、液晶投影装置の液晶表示器を光軸方向に調整して液晶投影装置の合焦位置を調整するように構成することもできる。

Ａ、Ｂ、Ｃ レンズ部材
１２ 内側鏡筒
１３ レンズ光学系
１４ レンズユニット本体
１８ 外側鏡筒
２０ 外側鏡筒貫通孔
２２ 温度補償棒部材
１００ 撮像装置
１１０ 受光素子
１１２ ペルチエ素子
１２０ 熱伝達部材

Claims (5)

1. レンズユニット本体と、
   該レンズユニット本体に固着され、光軸に延びた貫通孔を有する、線膨張係数がα１の外側鏡筒と、
   外面が該外側鏡筒の内面と摺動係合し、レンズ部材を保持する内側鏡筒と、
   前記外側鏡筒における前記貫通孔内に配置され、光軸方向の異なった位置に前記外側鏡筒と前記内側鏡筒とを固着され、線膨張係数がα２の温度補償棒部材とを有し、
   前記外側鏡筒における前記レンズユニット本体との固着点と前記温度補償棒部材との固着点の光軸方向の距離をＬ１、前記温度補償棒部材における前記内側鏡筒との固着点と前記レンズユニット本体との固着点の光軸方向の距離をＬ２とするとき、
   α１×Ｌ１≠α２×Ｌ２
   であることを特徴とするレンズユニット。
2. レンズユニット本体と、
   該レンズユニット本体に結像側位置で固着され、光軸に延びた貫通孔を有する、線膨張係数がα１の外側鏡筒と、
   外面が該外側鏡筒の内面と摺動係合し、レンズ部材を保持する内側鏡筒と、
   前記貫通孔内に配置され、光軸方向の被写体側位置で前記外側鏡筒に固着され、光軸方向の結像側位置で前記内側鏡筒に固着され、線膨張係数がα２の温度補償棒部材とを有し、
   前記外側鏡筒における前記レンズユニット本体との固着点及び前記温度補償棒部材との固着点の光軸方向の距離をＬ１、前記温度補償棒部材における前記内側鏡筒との固着点及び前記レンズユニット本体との固着点の光軸方向の距離をＬ２とし、
   結像位置が温度上昇によって被写体側に移動するとき、
   α１×Ｌ１＞α２×Ｌ２
   であることを特徴とするレンズユニット。
3. レンズユニット本体と、
   該レンズユニット本体に結像側位置で固着され、光軸に延びた貫通孔を有する、線膨張係数がα１の外側鏡筒と、
   外面が該外側鏡筒の内面と摺動係合し、レンズ部材を保持する内側鏡筒と、
   前記貫通孔内に配置され、光軸方向の被写体側位置で前記外側鏡筒に固着され、光軸方向の結像側位置で前記内側鏡筒に固着され、線膨張係数がα２の温度補償棒部材とを有し、
   前記外側鏡筒における前記レンズユニット本体との固着点及び前記温度補償棒部材との固着点の光軸方向の距離をＬ１、前記温度補償棒部材における前記内側鏡筒との固着点及び前記レンズユニット本体との固着点の光軸方向の距離をＬ２とし、
   結像位置が温度上昇によって被写体側に移動するとき、
   α１×Ｌ１＜α２×Ｌ２
   であることを特徴とするレンズユニット。
4. 請求項２または３に記載のレンズユニットと、該レンズユニットの結像位置に配置された撮像素子と、電子冷却器とを有し、前記撮像素子と前記温度補償棒部材の少なくとも一方を前記電子冷却器で冷却してすることを特徴とする撮像装置。
5. 前記電子冷却器が、ペルチエ素子を包含することを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。

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