JP2014206613A - 投写レンズおよび投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 広角であり、低コストかつ小型で、諸収差特性が良好な投写レンズとする。【解決手段】 有効光束径が最も小さい面を含む単レンズまたは接合レンズを基準レンズＧＭとし、基準レンズＧＭよりも拡大側に配置されたレンズからなる系を前群Ｇ１、基準レンズＧＭから縮小側に配置されたレンズからなる系を後群Ｇ２としたとき、下記条件式（１）および（２）を満足するとともに、下記条件式（３）および（４）を満足するように構成する。７５＜２ω ・・・（１）βＰ＜１０ ・・・（２）│ｆＭ／ｆＦ│＜２．０ ・・・（３）│ｆＭ／ｆＲ│＜２．０ ・・・（４）【選択図】図１

Description

本発明は、投写レンズおよび投写型表示装置に関し、例えば、ライトバルブからの映像情報を担持した光束をスクリーン上に拡大投写するのに好適に使用でき、広角かつコンパクトに構成可能な投写レンズおよびこれを用いた投写型表示装置に関するものである。

従来、液晶表示素子やＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス：登録商標）等のライトバルブを用いた投写プロジェクタ装置（投写型表示装置）が広く普及している。そして近年では、ライトバルブの小型化・高精細化の急激な進歩とパソコンの普及とが相俟って、このような投写型表示装置を用いたプレゼンテーションが盛んに行われるようになってきている。このような事情から、良好な投写性能を有しながら、広角であり、かつ携帯性に優れた小型の投写型表示装置の需要が高まってきており、それに応じて投写レンズにも諸収差を良好に補正しながらも、広角であり、かつコンパクトに構成することが求められるようになってきている。また、開発競争の激化から、上記要望に加え、いっそうの低コスト化が強く望まれるようになってきている。

投写型表示装置に使用可能な広角かつコンパクトな構成の投写レンズとしては、例えば下記特許文献１〜６に記載されたようなレンズ系が知られている。

特開２０１０−２７１６６４号公報 特許第４６８３９４４号明細書 米国特許第７９５２８１７号明細書 米国特許第７９２４５０８号明細書 米国特許出願公開第２０１２／０２６２８０３号明細書 米国特許第７１８４２１９号明細書

しかしながら、上記特許文献１〜６において開示されている投写レンズは、いずれも諸収差特性が十分ではなく、さらなる高性能な投写レンズが望まれている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、広角であり、低コストかつ小型で、諸収差特性が良好な投写レンズおよび該投写レンズを備えた投写型表示装置を提供することを目的とする。

本発明の投写レンズは、縮小側共役位置に表示された画像情報を拡大側共役位置へ投写するものであり、下記条件式（１）および（２）を満足する投写レンズにおいて、有効光束径が最も小さい面を含む単レンズまたは接合レンズを基準レンズとし、基準レンズよりも拡大側に配置されたレンズからなる系を前群（基準レンズ含まず）、基準レンズから縮小側に配置されたレンズからなる系を後群（基準レンズ含む）としたとき、下記条件式（３）および（４）を満足することを特徴とする。

７５＜２ω ・・・（１）
βＰ＜１０ ・・・（２）
│ｆＭ／ｆＦ│＜２．０ ・・・（３）
│ｆＭ／ｆＲ│＜２．０ ・・・（４）
ここで、ω：投写レンズの半画角、βＰ：瞳倍率（縮小側瞳径／拡大側瞳径）、ｆＭ：基準レンズの焦点距離、ｆＦ：前群の焦点距離、ｆＲ：後群の焦点距離とする。

本発明の投写レンズにおいては、下記条件式（５）を満足することが好ましい。

│ｆ／ｆＭ│＜０．５ ・・・（５）
ただし、ｆ：投写レンズ全系の焦点距離とする。

また、下記条件式（６）を満足することが好ましい。

０．７＜ｈＭ／ｆ ・・・（６）
ただし、ｈＭ：有効光束径が最も小さい面における有効光束径、ｆ：投写レンズ全系の焦点距離とする。

また、前群は、少なくとも１面の非球面を有することが好ましい。

また、基準レンズは、負の屈折力を有することが好ましい。

また、後群は、少なくとも１面の非球面を有することが好ましい。

また、後群は、拡大側から順に、負レンズ、少なくとも１枚の正レンズ、負レンズと正レンズの接合レンズからなることが好ましい。

また、下記条件式（１−１）および（２−１）を満足することが好ましい。

１００＜２ω ・・・（１−１）
βＰ＜７．５ ・・・（２−１）
また、条件式（３−１）および（４−１）を満足することが好ましい。

│ｆＭ／ｆＦ│＜１．５ ・・・（３−１）
│ｆＭ／ｆＲ│＜１．５ ・・・（４−１）
また、条件式（６−１）を満足することが好ましい。

１．０＜ｈＭ／ｆ ・・・（６−１）
本発明の投写型表示装置は、光源と、光源からの光が入射するライトバルブと、ライトバルブにより光変調された光による光学像をスクリーン上に投写する投写レンズとしての上記本発明の投写レンズとを備えたことを特徴とする。

なお、上記「〜からなり」とは、構成要素として挙げたレンズ群以外に、実質的にパワーを有さないレンズ、絞り、マスク、カバーガラス、フィルタ等のレンズ以外の光学要素、レンズフランジ、レンズバレル、撮像素子、手ぶれ補正機構等の機構部分、等を含んでもよいことを意図するものである。

また、上記のレンズの面形状や屈折力の符号は、非球面が含まれている場合は近軸領域で考えるものとする。

本発明の投写レンズは、縮小側共役位置に表示された画像情報を拡大側共役位置へ投写するものであり、下記条件式（１）および（２）を満足する投写レンズにおいて、有効光束径が最も小さい面を含む単レンズまたは接合レンズを基準レンズとし、基準レンズよりも拡大側に配置されたレンズからなる系を前群（基準レンズ含まず）、基準レンズから縮小側に配置されたレンズからなる系を後群（基準レンズ含む）としたとき、下記条件式（３）および（４）を満足するものとしたので、広角であり、低コストかつ小型で、諸収差特性が良好な投写レンズとすることが可能となる。

７５＜２ω ・・・（１）
βＰ＜１０ ・・・（２）
│ｆＭ／ｆＦ│＜２．０ ・・・（３）
│ｆＭ／ｆＲ│＜２．０ ・・・（４）
また、本発明の投写型表示装置は、本発明の投写レンズを用いているため、良好な投写性能を有し、広角であり、かつ小型で低コストに構成することができる。

本発明の一実施形態にかかる投写レンズ（実施例１と共通）のレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例２の投写レンズのレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例３の投写レンズのレンズ構成を示す断面図 本発明の実施例１の投写レンズの各収差図（Ａ〜Ｄ） 本発明の実施例２の投写レンズの各収差図（Ａ〜Ｄ） 本発明の実施例３の投写レンズの各収差図（Ａ〜Ｄ） 本発明の一実施形態にかかる投写型表示装置の概略構成図

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態にかかる投写レンズ（実施例１と共通）のレンズ構成を示す断面図である。図１に示す構成例は、後述の実施例１の投写レンズの構成と共通である。なお、図１では、軸上光束ｗａおよび最大画角の光束ｗｂも合わせて示している。

この投写レンズは、例えば投写型表示装置に搭載されて、ライトバルブに表示された画像情報をスクリーンへ投写する投写レンズとして使用可能である。図１では、図の左側を拡大側、右側を縮小側とし、投写型表示装置に搭載される場合を想定して、各種フィルタやカバーガラス等を想定した平行平面板状の光学部材ＰＰ、ライトバルブの画像表示面Ｓｉｍ、絞りＳｔも合わせて図示している。なお、図１に示す絞りＳｔは必ずしも大きさや形状を表すものではなく、光軸Ｚ上の位置を示すものである。

投写型表示装置においては、画像表示面Ｓｉｍで画像情報を与えられた光束が、光学部材ＰＰを介して、この投写レンズに入射され、この投写レンズにより紙面左側方向に配置されるスクリーン（不図示）上に投写されるようになる。

なお、図１では、１枚の画像表示面Ｓｉｍのみを記載しているが、投写型表示装置において、光源からの光束を色分離光学系により３原色に分離し、各原色用に３つのライトバルブを配設して、フルカラー画像を表示可能とするように構成してもよい。

本実施形態にかかる投写レンズは、有効光束径が最も小さい面を含む単レンズまたは接合レンズを基準レンズＧＭ（本実施形態ではレンズＬ２１）とし、基準レンズＬ２１（ＧＭ）よりも拡大側に配置されたレンズからなる系を前群Ｇ１（基準レンズＬ２１（ＧＭ）含まず）、基準レンズＬ２１（ＧＭ）から縮小側に配置されたレンズからなる系を後群Ｇ２（基準レンズＬ２１（ＧＭ）含む）としたとき、下記条件式（１）および（２）を満足するとともに、下記条件式（３）および（４）を満足するように構成されている。

７５＜２ω ・・・（１）
βＰ＜１０ ・・・（２）
│ｆＭ／ｆＦ│＜２．０ ・・・（３）
│ｆＭ／ｆＲ│＜２．０ ・・・（４）
ここで、ω：投写レンズの半画角、βＰ：瞳倍率（縮小側瞳径／拡大側瞳径）、ｆＭ：基準レンズの焦点距離、ｆＦ：前群の焦点距離、ｆＲ：後群の焦点距離とする。

条件式（１）を満足することで、十分な広角性能を持たせることができる。また、条件式（２）を満足することで、画像表示素子からの投影光を収束光にする（非テレセントリックとする）ことができるため、特に後群Ｇ２を小型化・軽量化することができ、さらに、それにより低コスト化することもできる。

また、条件式（３）を満足することで、前群Ｇ１のパワーが大きくなりすぎないようにすることができるため、特にディストーションや像面湾曲等の諸収差を良好に補正することが可能となる。また、条件式（４）を満足することで、後群Ｇ２のパワーが大きくなりすぎないようにすることができるため、特に球面収差や像面湾曲等の諸収差を良好に補正することが可能となる。

なお、下記条件式（１−１）および（２−１）を満足するものとすれば、より小型化・軽量化・低コスト化することができる。

１００＜２ω ・・・（１−１）
βＰ＜７．５ ・・・（２−１）
また、下記条件式（３−１）および（４−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。

│ｆＭ／ｆＦ│＜１．５ ・・・（３−１）
│ｆＭ／ｆＲ│＜１．５ ・・・（４−１）
本発明の投写レンズにおいては、下記条件式（５）を満足することが好ましい。条件式（５）を満足することで、基準レンズＬ２１（ＧＭ）のパワーが大きくなりすぎないようにすることができるため、特に球面収差等の諸収差を良好に補正することが可能となる。

│ｆ／ｆＭ│＜０．５ ・・・（５）
ただし、ｆ：投写レンズ全系の焦点距離とする。

また、下記条件式（６）を満足することが好ましい。条件式（６）を満足することで、Ｆ値を暗くすることなく、画角を広角化することができる。なお、下記条件式（６−１）を満足するものとすれば、より良好な特性とすることができる。

０．７＜ｈＭ／ｆ ・・・（６）
１．０＜ｈＭ／ｆ ・・・（６−１）
ただし、ｈＭ：有効光束径が最も小さい面における有効光束径、ｆ：投写レンズ全系の焦点距離とする。

また、前群Ｇ１は、少なくとも１面の非球面を有することが好ましい。このような態様とすることにより、ディストーションを良好に補正することが可能となる。

また、基準レンズＬ２１（ＧＭ）は、負の屈折力を有することが好ましい。このような態様とすることにより、全体のバランスを良好に保つとともに、球面収差を良好に補正することが可能となる。

また、後群は、少なくとも１面の非球面を有することが好ましい。このような態様とすることにより、球面収差および像面湾曲を良好に補正することが可能となる。

また、後群は、拡大側から順に、負レンズ、少なくとも１枚の正レンズ、負レンズと正レンズの接合レンズからなることが好ましい。このような態様とすることにより、球面収差および像面湾曲を良好に補正することが可能となる。また、最も縮小側に上記の接合レンズを配置することにより、軸上色収差のバランスを良好に維持することができる。

次に、本発明の投写レンズの数値実施例について説明する。なお、以下の表１〜１０に示す数値および図４〜６の収差図は、無限遠物体に合焦時の全系の焦点距離が１．０となるように規格化されたものである。

まず、実施例１の投写レンズについて説明する。実施例１の投写レンズのレンズ構成を示す断面図を図１に示す。なお、図１および後述の実施例２，３に対応した図２，３においては、光学部材ＰＰ、画像表示面Ｓｉｍ、絞りＳｔも合わせて示しており、図の左側を拡大側、右側を縮小側とし、図示されている絞りＳｔは必ずしも大きさや形状を表すものではなく、光軸Ｚ上の位置を示すものである。

実施例１の投写レンズの基本レンズデータを表１に、諸元に関するデータを表２に示す。以下では、表中の記号の意味について、実施例１のものを例にとり説明するが、実施例２，３についても基本的に同様である。

表１のレンズデータにおいて、Ｓｉの欄には最も拡大側の構成要素の面を１番目として縮小側に向かうに従い順次増加するｉ番目（ｉ＝１、２、３、…）の面番号を示し、Ｒｉの欄にはｉ番目の面の曲率半径を示し、Ｄｉの欄にはｉ番目の面とｉ＋１番目の面との光軸Ｚ上の面間隔を示す。また、Ｎｄｊの欄には最も拡大側の光学要素を１番目として縮小側に向かうに従い順次増加するｊ番目（ｊ＝１、２、３、…）の光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する屈折率を示し、νｄｊの欄には同じくｊ番目の光学要素のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対するアッベ数を示す。また、ＥＡｉの欄にはｉ番目の面の有効光束径を示す。

なお、曲率半径の符号は、面形状が拡大側に凸の場合を正、縮小側に凸の場合を負としている。基本レンズデータには、絞りＳｔ、光学部材ＰＰも含めて示している。絞りＳｔに相当する面の面番号の欄には面番号とともに（絞り）という語句を記載している。

表２の諸元に関するデータに、焦点距離ｆ´、バックフォーカスＢＦ´、Ｆ値ＦＮｏ．および全画角２ωの値を示す。

基本レンズデータおよび諸元に関するデータにおいて、角度の単位としては度を用いているが、その他については規格化をしているため単位はない。

表１のレンズデータでは、非球面の面番号に＊印を付しており、非球面の曲率半径として近軸の曲率半径の数値を示している。表３の非球面係数に関するデータには、非球面の面番号Ｓｉと、これら非球面に関する非球面係数を示す。非球面係数は、以下の式（Ａ）で表される非球面式における各係数ＫＡ、Ａｍ（ｍ＝３、４、５、…２０）の値である。

Ｚｄ＝Ｃ・ｈ^２／｛１＋（１−ＫＡ・Ｃ^２・ｈ^２）^１/２｝＋ΣＡｍ・ｈ^ｍ …（Ａ）
ただし、
Ｚｄ：非球面深さ（高さｈの非球面上の点から、非球面頂点が接する光軸に垂直な平面に
下ろした垂線の長さ）
ｈ：高さ（光軸からの距離）
Ｃ：近軸曲率半径の逆数
ＫＡ、Ａｍ：非球面係数（ｍ＝３、４、５、…２０）

実施例１の投写レンズの各収差図を図４（Ａ）〜（Ｄ）に示す。図４（Ａ）〜（Ｄ）はそれぞれ球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す。

球面収差、非点収差、歪曲収差を表す各収差図には、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ）を基準波長とした収差を示す。球面収差図にはｄ線（波長５８７．６ｎｍ）、Ｃ線(波長６５６．３ｎｍ)、Ｆ線(波長４８６．１ｎｍ)についての収差をそれぞれ実線、破線、点線で示す。非点収差図にはサジタル方向、タンジェンシャル方向の収差をそれぞれ実線と点線で示す。倍率色収差図にはＣ線(波長６５６．３ｎｍ)、Ｆ線(波長４８６．１ｎｍ)についての収差をそれぞれ破線、点線で示す。なお、球面収差図のＦｎｏ．はＦ値、その他の収差図のωは半画角を意味する。

次に、実施例２の投写レンズについて説明する。実施例２の投写レンズのレンズ構成を示す断面図を図２に示す。

また、実施例２の投写レンズの基本レンズデータを表４に、諸元に関するデータを表５に、非球面係数に関するデータを表６に、各収差図を図５（Ａ）〜（Ｄ）に示す。

次に、実施例３の投写レンズについて説明する。実施例３の投写レンズのレンズ構成を示す断面図を図３に示す。

また、実施例３の投写レンズの基本レンズデータを表７に、諸元に関するデータを表８に、非球面係数に関するデータを表９に、各収差図を図６（Ａ）〜（Ｄ）に示す。

実施例１〜３の投写レンズの条件式（１）〜（６）に対応する値を表１０に示す。なお、全実施例ともｄ線を基準波長としており、下記の表１０に示す値はこの基準波長におけるものである。

以上のデータから、実施例１〜３の投写レンズは全て、条件式（１）〜（６）を満たしており、広角であり、低コストかつ小型で、諸収差特性が良好な投写レンズであることが分かる。

次に、図７を参照しながら、本発明の一実施形態にかかる投写型表示装置について説明する。図７に、本実施形態にかかる投写型表示装置１００の概略的な構成を示す。この投写型表示装置１００は、光源１０１と、照明光学系１０２と、ライトバルブとしてのＤＭＤ１０３と、本発明の実施形態にかかる投写用ズームレンズ１０４とを備える。

光源１０１より出射された光束は、不図示のカラーホイールによって、３原色光（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の各光に時系列的に選択変換され、照明光学系１０２によって光束の光軸と垂直な断面における光量分布の均一化が図られてＤＭＤ１０３に照射される。ＤＭＤ１０３においては、入射光の色の切り替わりに応じて、その色光用への変調切替が行われる。ＤＭＤ１０３により光変調された光は、投写用ズームレンズ１０４に入射する。投写用ズームレンズ１０４はＤＭＤ１０３により光変調された光による光学像をスクリーン１０５上に投写する。

なお、本発明の投写型表示装置は図７に示すものから種々の態様の変更が可能である。例えば、単板のＤＭＤを設ける代わりに、各色光に応じた３枚のＤＭＤによりＲＧＢ各色の変調を同時に行うようにしてもよい。この場合、投写用ズームレンズ１０４とＤＭＤ１０３との間に図示しない色分離／合成プリズムが配置される。

なお、ＤＭＤ１０３に代えて他のライトバルブを用いることも可能であり、例えば、ライトバルブとして透過型液晶表示素子や反射型液晶表示素子を用いることも可能である。

以上、実施形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、各レンズの曲率半径、面間隔、屈折率、アッベ数の値は、上記各数値実施例で示した値に限定されず、他の値をとり得るものである。

また、本発明の投写型表示装置としても、上記構成のものに限られるものではなく、例えば、用いられるライトバルブや、光束分離または光束合成に用いられる光学部材は、上記構成に限定されず、種々の態様の変更が可能である。

１００ 投写型表示装置
１０１ 光源
１０２ 照明光学系
１０３ ＤＭＤ
１０４ 投写用ズームレンズ
１０５ スクリーン
Ｇ１ 前群
Ｇ２ 後群
Ｌ１１〜Ｌ２７ レンズ
ＰＰ 光学部材
Ｓｉｍ 画像表示面
Ｓｔ 絞り
Ｚ 光軸

Claims (11)

1. 縮小側共役位置に表示された画像情報を拡大側共役位置へ投写するものであり、下記条件式（１）および（２）を満足する投写レンズにおいて、
   有効光束径が最も小さい面を含む単レンズまたは接合レンズを基準レンズとし、該基準レンズよりも拡大側に配置されたレンズからなる系を前群、前記基準レンズから縮小側に配置されたレンズからなる系を後群としたとき、
   下記条件式（３）および（４）を満足する
   ことを特徴とする投写レンズ。
   ７５＜２ω ・・・（１）
   βＰ＜１０ ・・・（２）
   │ｆＭ／ｆＦ│＜２．０ ・・・（３）
   │ｆＭ／ｆＲ│＜２．０ ・・・（４）
   ここで、
   ω：投写レンズの半画角
   βＰ：瞳倍率（縮小側瞳径／拡大側瞳径）
   ｆＭ：前記基準レンズの焦点距離
   ｆＦ：前記前群の焦点距離
   ｆＲ：前記後群の焦点距離
   とする。
2. 下記条件式（５）を満足する
   ことを特徴とする請求項１記載の投写レンズ。
   │ｆ／ｆＭ│＜０．５ ・・・（５）
   ただし、
   ｆ：投写レンズ全系の焦点距離
   とする。
3. 下記条件式（６）を満足する
   ことを特徴とする請求項１または２記載の投写レンズ。
   ０．７＜ｈＭ／ｆ ・・・（６）
   ただし、
   ｈＭ：有効光束径が最も小さい面における有効光束径
   ｆ：投写レンズ全系の焦点距離
   とする。
4. 前記前群は、少なくとも１面の非球面を有する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の投写レンズ。
5. 前記基準レンズは、負の屈折力を有する
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の投写レンズ。
6. 前記後群は、少なくとも１面の非球面を有する
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の投写レンズ。
7. 前記後群は、拡大側から順に、負レンズ、少なくとも１枚の正レンズ、負レンズと正レンズの接合レンズからなる
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の投写レンズ。
8. 下記条件式（１−１）および（２−１）を満足する
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の投写レンズ。
   １００＜２ω ・・・（１−１）
   βＰ＜７．５ ・・・（２−１）
9. 下記条件式（３−１）および（４−１）を満足する
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の投写レンズ。
   │ｆＭ／ｆＦ│＜１．５ ・・・（３−１）
   │ｆＭ／ｆＲ│＜１．５ ・・・（４−１）
10. 下記条件式（６−１）を満足する
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載の投写レンズ。
    １．０＜ｈＭ／ｆ ・・・（６−１）
    ただし、
    ｈＭ：有効光束径が最も小さい面における有効光束径
    ｆ：投写レンズ全系の焦点距離
    とする。
11. 光源と、該光源からの光が入射するライトバルブと、該ライトバルブにより光変調された光による光学像をスクリーン上に投写する投写レンズとしての請求項１記載の投写レンズとを備えたことを特徴とする投写型表示装置。