JP2015219309A - レンズユニット、画像投影装置及び撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を防止ないしは抑制しながらも、設計の自由度を確保するレンズユニットの提供。【解決手段】物体側から入射して透過する光束を縮小する第１光学系２１と、光束を拡大して像面側に出射して投影する第２光学系２２と、第２光学系２２を構成する少なくとも１つの光学部材２Ｇを、光束の光軸方向に移動させるカム機構２４と、を有し、カム機構２４は、光束の光軸方向において光学部材２Ｇよりも第１光学系２１側に設置されているレンズユニット２００。【選択図】図２

Description

本発明は、光学系に用いられるレンズユニット及びこれを用いた画像投影装置並びに撮像装置の技術分野に関する。

プロジェクタ等の画像投影装置や、デジタルカメラ等の撮像装置では、ズーム機構によってレンズの光軸方向の間隔を変化させることで、投影画角あるいは撮影画角を変化させる、いわゆるズーム動作を行うものがある（例えば特許文献１、２参照）。
通常、こうしたズーム動作を行うためのカム機構は、動作させるべきレンズの同軸外周に設置される。
近年、画像投影装置では、大画面への投射や、高輝度化が求められており、光学系において像面側、つまり光軸方向下流側である拡大光学系側に大型のレンズを用いることが多くなっている。
また同様に、撮像装置においても、暗所撮影でのノイズによる画質の劣化を防止しつつ、より早いシャッタスピードを実現するために、集光効率の良い、所謂明るいレンズが求められ、物体側のレンズの大型化が求められている。

しかしながら、前述の通り、従来のカム機構は、動作させるべきレンズの周囲に設置される都合上、レンズを大型化するとカム機構自体が大型化してしまう。
また、大口径のレンズと、小口径のレンズとの口径差により、レンズユニット全体として歪な形状になり、撮像装置や画像投影装置へ組み入れる際の設計の自由度が減少してしまう。

カム機構自体の大型化を解決する方法として、例えば画像投影装置において、拡大光学系側のレンズに大型の非円形レンズを用いた上で、レンズの光軸に対して回転中心を偏心させたカムを用いたカム機構が考えられる（例えば特許文献１参照）。
しかしながら、このような構成によっても、カム機構がレンズ光軸に対して偏心するという特殊な形状により、動作部分の構成が複雑となり、設計の自由度が小さいという問題がある。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、大型化を防止ないしは抑制しながらも、設計の自由度を向上可能なレンズユニットの提供を目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明におけるレンズユニットは、物体側から入射して透過する光束を縮小する第１光学系と、前記光束を拡大して像面側に出射して投影する第２光学系と、前記第２光学系を構成する少なくとも１つの光学部材を、前記光束の光軸方向に移動させるカム機構と、を有し、前記カム機構は、前記光束の前記光軸方向において前記光学部材よりも第１光学系側に設置されている。

本発明によれば、大型化を防止ないしは抑制しながらも、設計の自由度を向上可能なレンズユニットを提供することができる。

本発明の第１の実施形態における画像投影装置の構成の一例を示す図である。 図１に示した画像投影装置に備えられるレンズユニットの構成の一例を示す図である。 図２に示すレンズユニットのカム機構の動作の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態における撮像装置の構成の一例を示す図である。

本発明の第１の実施形態として、画像投影装置の構成の一例を図１に示す。
ここで、画像投影装置１００の備えるレンズユニット２００に入射する光の光軸方向たる光軸の進行方向をＺ軸、光軸方向に垂直な方向のうち、ここでは鉛直上方向をＹ軸と定め、Ｚ軸およびＹ軸にそれぞれ垂直な方向をＸ軸と定める。なお、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸それぞれの方向について、図１に示す矢印の方向をそれぞれ正方向と定める。
画像投影装置１００は、光束を射出する光源１０１と、投射すべき平面画像を画像情報として表示して、光束を変調する空間光変調素子１０２と、光源１０１からの光を折り返して空間光変調素子１０２に照射して光像を生成する照明部１０３と、を有している。
画像投影装置１００はまた、空間光変調素子１０２によって形成された画像を投影面１０４に投影する投射光学系たるレンズユニット２００と、投影面１０４に投影するべき画像を表示するために空間光変調素子１０２を制御する制御部１０９と、を有している。
画像投影装置１００はまた、レンズユニット２００を透過した光束を、Ｙ軸正方向を含む方向に反射して投影面１０４へと投射する反射鏡１０５を有している。

光源１０１は、放射状の光線を出射する放射光源としての発光源たるハロゲンランプ１０１ａと、出射された放射光をほぼ平行な光線束として出射する凹面鏡１０１ｂとの組み合わせにより、白色光を略並行に出射する。ここで放射光源としてはメタルハライドランプや高圧水銀ランプを用いても良いし、ＬＥＤ光源や、レーザー光源などの放射光源を用いても良い。

照明部１０３は、照射された光束をＲ、Ｇ、Ｂそれぞれの色情報に分解して反射するダイクロイックミラー１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂを有している。
照明部１０３は、かかる構成により、照射された光束を波長に応じて反射あるいは透過して光路を選択するための光路選択手段としての機能を有する。

空間光変調素子１０２は、入射した光束を透過して空間的な変調を付与して出射する投影すべき物体たる液晶パネルである。なお、空間光変調素子１０２は、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）のような反射型の空間光変調素子を用いても良い。

レンズユニット２００の構成について、図２を用いて説明する。
レンズユニット２００は、複数の光学部材１２と、各光学部材１２を支持するための筐体１１と、光学部材１２の光軸上に配置された絞り２３と、を有している。
レンズユニット２００はまた、絞り２３よりも物体側言い換えると縮小側に配置された複数の光学部材１２で構成された第１光学系２１と、絞り２３よりも像面側言い換えると拡大側に配置された複数の光学部材１２で構成された第２光学系２２と、を有している。
レンズユニット２００はまた、少なくとも１つの光学部材１２を回転運動によってＺ軸方向へ移動させるカム機構２４を有している。以下、このカム機構２４の回転運動によってＺ軸方向へ移動させられる少なくとも１つの光学部材１２を特にレンズ群２Ｇとして記載する。
レンズユニット２００はまた、レンズ群２Ｇとカム機構２４とを連結する連結部３０を有している。

光学部材１２は、筐体１１内部に配置されたレンズである。
なお、光学部材１２は、レンズ以外にもプリズムやダイクロイックフィルターなどを含んでも良い。

第１光学系２１は、絞り２３よりも光束の進行方向上流側、すなわちＺ軸負方向側に設けられ、入射した光束を縮小して凝集するための複数のレンズを含んだ縮小光学系たる光学系である。
第２光学系２２は、絞り２３よりもＺ軸正方向側に設けられ、絞り２３を通過した光束を拡大するための複数のレンズを含んだ拡大光学系たる光学系である。
第２光学系２２を構成するレンズは、非円形レンズを用いることとしても良い。
なお、第１光学系２１、第２光学系２２はいずれも複数のレンズを含む光学系であるとしたが、同様の光学特性を示すように、それぞれ単一のレンズを用いた光学系であってもよい。

レンズ群２Ｇは、ここでは第２光学系２２を構成する光学部材１２のうちの１つのレンズであり、カム機構２４の回転運動に連動してＺ軸方向へ移動する。ここでレンズ群２Ｇは、単一のレンズであっても、あるいは複数のレンズを組み合わせて所望のレンズ特性を得られるようにしたレンズ群であっても良い。また、第２光学系２２が単一のレンズで構成される場合には、当然レンズ群２Ｇは単一のレンズとなる。
かかる構成により、カム機構２４は、筐体１１内の少なくとも１つの光学部材１２を回転運動によりＺ軸方向に移動させる。

絞り２３は、筐体１１内を透過する光束の光量を制限するために、板状の部材に設けられた孔である。

連結部３０は、連結部３０とカム機構２４とを連結するための連結ピンである第１連結部材３１と、第２光学系２２に含まれるレンズ群２Ｇと連結部３０とを連結するための第２連結部材３２と、を有している。
第１連結部材３１は、カム機構２４と当接して、連結部３０とカム機構２４とを回転可能に支持している一対のピンである。
第２連結部材３２は、連結部３０とレンズ群２ＧとをＺ軸方向に固定し、回転可能に支持することで、レンズ群２Ｇの回転を規制するための回転規制部材としての機能を有する。
第２連結部材３２は、ＹＺ平面で筐体１１の断面を見たときに、反射鏡１０５によって反射される光束とは光軸を挟んで反対側に、つまりＺ軸方向に対して同一の方向になるように、配置されている。すなわち、第２連結部材３２は、レンズ光軸から見てＹ軸負方向に設置されている。

カム機構２４は、Ｚ軸方向において、絞り２３を含む領域に設置された、すなわち絞り２３の外周に配置された、円筒状の部材である。
カム機構２４は、カム溝２８を有している。
カム溝２８は、第１連結部材３１と係合するように、Ｚ軸方向に対して傾斜を持ってカム機構２４に一対設けられた溝である。カム溝２８はまた、カム機構２４の回転による第１連結部材３１の移動方向を規制する移動方向規制手段としての機能を有する。

カム機構２４のレンズ移動動作は、既に述べた回転運動により、図３に示すように、カム溝２８に沿って第１連結部材３１が移動することで行われる。
ここで、図２に示すように、レンズ群２Ｇが最もＺ軸方向上流に位置している状態を基準状態として、図３に示す状態であるレンズ群２ＧがＺ軸方向下流側へ移動した状態を終端状態とする。
この回転運動は、図示しないモーター等の駆動源を用いるものであっても良いし、手動で行っても良い。
カム溝２８は、既に述べたようにＺ軸方向に傾斜して設けられている。
第１連結部材３１は、当該回転運動によってカム溝２８と当接しながら移動して、連結部３０をＺ軸下流方向へと移動させる。
連結部３０は、第２連結部材３２によってレンズ群２Ｇの回転方向への動作を抑えながら、Ｚ軸下流方向へ移動することで、レンズ群２ＧをＺ軸下流方向へと移動させる。
このようにしてカム機構２４が基準状態から終端状態へと至るように回転運動すると、カム溝２８が第１連結部材３１と係合しながら移動し、連結部３０に固定されたレンズ群２ＧがＺ軸正方向へと移動する。
すなわち、連結部３０に固定されたレンズ群２Ｇは、カム機構２４の回転運動の位相に対応した、カム溝２８のＺ軸方向の傾きの分だけ、Ｚ軸方向に移動する。
カム機構２４は、かかる構成により、筐体１１内の少なくとも１枚の光学部材１２を回転運動によりＺ軸方向に移動させてレンズ移動動作を行う。

制御部１０９は、空間光変調素子１０２を透過する光束に、投影するべき画像情報を付与するための空間光変調パターン生成手段としての機能を有している。
制御部１０９はまた、カム機構２４のレンズ移動動作を制御する制御手段である。

以上のような構成を有する画像投影装置１００において、画像を投影する方法について説明する。

ハロゲンランプ１０１ａから全方位に射出された白色光は、凹面鏡１０１ｂによって反射され、略並行な光束となって照明部１０３へと入射する。

照明部１０３において、光束はダイクロイックミラー１０３Ｂ、１０３Ｒ、１０３Ｇによってそれぞれの帯域の波長別に反射されることで、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの色情報に分解される。

Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの色情報に分解された光束は、制御部１０９の制御に基づいて空間的な変調を付与する空間光変調素子１０２により、カラーの画像情報となる。
空間光変調素子１０２によって空間的な変調を付与された光束は、レンズユニット２００に入射する。
空間的な変調を付与された光束は、第１光学系２１によって縮小され、絞り２３によって光量を制限された後、第２光学系２２によって拡大されて反射鏡１０５によってＹ軸正方向に反射されて投影面１０４に投影されることで、画像投影を行う。
つまり、縮小側たる第１光学系２１を透過した光束は、絞り２３の位置において最も収束し、絞り２３を通過した後、拡大側たる第２光学系２２を通過するにつれて拡散される。

ところで、画像投影装置１００においては、投影面１０４とレンズユニット２００との位置関係は、レンズユニット２００の光学的設計によって定められる。
しかしながら、投影すべき画像の倍率や、投影面１０４の設置位置にはある程度の自由度が求められている。
したがって、ここでは投影すべき画像のフォーカス時に生じる像面湾曲を補正するために、カム機構２４が設けられている。
このような画像投影装置１００において、カム機構２４を、従来のように、動作させるべきレンズ群２Ｇの周囲に設置すると、レンズの大型化によってカム機構自体が大型化してしまう。
また、一般に第２光学系２２を構成する拡大側のレンズは大口径のものが望ましく、第１光学系２１を構成する縮小側のレンズは小口径のものが望ましいため、第１光学系２１と第２光学系２２との間には口径差が生じる。かかる口径差によって、レンズユニット２００全体として歪な形状になり、画像投影装置１００へ組み入れる際の設計の自由度が減少してしまう。
さらには、装置設置場所の確保および画像投影装置１００の小型化という観点から、レンズユニット２００と反射鏡１０５との間の距離は、短い方が望ましい。しかし、レンズユニット２００と反射鏡１０５との距離が短くなると、反射鏡１０５によって反射された光束が、レンズユニット２００の上方に当たって遮られる、通称「けられ」と呼ばれる現象が生じやすくなる。

そこで、本実施形態では、レンズユニット２００におけるカム機構２４は、Ｚ軸方向において、動作させるべきレンズ群２Ｇよりも第１光学系２１側に設置されている。
すなわち、レンズユニット２００は、カム機構２４を、第２光学系２２を構成するレンズ群２ＧよりもＺ軸正方向側に設置することで、レンズ群２Ｇを大口径化しながらも、カム機構２４の大型化を防止ないしは抑制して、設計の自由度を向上可能にしている。
かかる構成により、レンズユニット２００の大型化を防止ないしは抑制しながらも、設計の自由度を向上可能にしている。

また、このようなレンズユニット２００において、第２光学系２２を構成するレンズ群２Ｇは、円形レンズからＹ軸正方向が切り取られた非円形レンズを含んでいる。
かかる構成により、レンズ群２Ｇを大口径化しながらも、第１光学系２１を構成する光学部材１２との口径差を抑えることで、レンズユニット２００の大型化を防止ないしは抑制しながらも、設計の自由度を向上可能にしている。

このようなレンズユニット２００において、カム機構２４は、レンズ群２Ｇと非重複である位置に設置されている。かかる構成により、レンズ群２Ｇの外径のサイズによらずカム機構２４の内径のサイズを設計することができるから、さらにレンズユニット２００の大型化を防止ないしは抑制しながらも、設計の自由度を向上可能にしている。

また、このようなレンズユニット２００において、カム機構２４は、Ｚ軸方向において、絞り２３の外周に設置されている。
かかる構成により、光学系において最も光束の径が小さくなる絞り２３を含むようにカム機構２４を設置して、さらにレンズユニット２００の大型化を防止ないしは抑制しながらも、設計の自由度を向上可能にしている。

レンズユニット２００は、レンズ群２Ｇとカム機構２４とを連結する連結部３０を有し、連結部３０は、連結部３０とカム機構２４とを連結する第１連結部材３１と、連結部３０とレンズ群２Ｇとを連結する第２連結部材３２と、を有している。
また、第１連結部材３１と、第２連結部材３２とのうち少なくとも第２連結部材３２が、Ｚ軸方向から見て同一の方向に設置されている。言い換えるとＹＺ平面で筐体１１の断面を見たとき、反射鏡１０５によって反射される光束とは光軸を挟んで反対側になるように設置されている。
かかる構成により、レンズユニット２００のＹ軸正方向への高さを抑制して、レンズユニット２００の大型化を防止ないしは抑制しながらも、設計の自由度を向上可能にしている。
なお、第１連結部材３１と、第２連結部材３２とはＺ軸方向に対して同一の方向に設置されても良い。言い換えると、ＹＺ平面で筐体１１の断面を見たとき、第１連結部材３１と第２連結部材３２とがいずれも反射鏡１０５によって反射される光束とは光軸を挟んで反対側になるように、Ｙ軸負方向側に設置されても良い。
かかる構成により、レンズユニット２００のＹ軸正方向への高さを抑制して、反射鏡１０５によって反射される光束のけられを防ぎながら、レンズユニット２００の大型化を防止ないしは抑制して設計の自由度を向上可能にする。

また、第１連結部材３１と第２連結部材３２とは、Ｚ軸方向から見たときに重複するように、Ｚ軸に対して同一の位相になるよう配置されても良い。
かかる構成により、さらにＹ軸方向上方のスペースを確保して、反射鏡１０５によって反射される光束のけられを防ぎながら、レンズユニット２００の大型化を防止ないしは抑制して設計の自由度を向上可能にする。

図４に、本発明の他の実施形態として、撮像装置４００の構成の一例を示す。
撮像装置４００は、図１〜図３を用いて説明したレンズユニット２００と、画像を取得する撮像モジュール４０２と、レンズユニット２００を通過した光束の光路を選択するためのミラー４０４とを有している。
撮像装置４００はまた、視野を確認するためのファインダー４０６と、ミラー４０４からファインダー４０６へと光を偏向させるプリズムたる偏向素子４０５と、露光時間を調整するシャッター４０８と、これらの部材を制御するための制御部１０９とを有している。
レンズユニット２００以外の上述の構成は一般的な一眼レフカメラと同等であるが、ファインダー４０６とミラー４０４とを外し、変わりに液晶モニタを備えた所謂ミラーレス一眼レフの構成であっても良い。
このような撮像装置４００において、レンズユニット２００を通過した光束が、シャッター４０８を通過して、撮像モジュール４０２において結像することで、画像を撮影することができる。
かかる撮像装置４００においては、レンズユニット２００に入射する光束は、図２におけるＺ軸負方向に向かって進行する。すなわち、入射光は、物体側であるレンズユニット２００の拡大側たる第２光学系２２のＺ軸方向下流側から入射し、絞り２３を通過して像面側たる縮小側たる第１光学系２１のＺ軸方向上流側へと出射する。
以下、光束の進行方向のみを逆向きとして、混乱をさけるため像面側、物体側の呼称は第１の実施形態に合わせて使用する。

本実施形態では、レンズユニット２００におけるカム機構２４は、Ｚ軸方向において、動作させるべきレンズ群２Ｇよりも第１光学系２１側に設置されている。
すなわち、レンズユニット２００は、カム機構２４を、第２光学系２２を構成するレンズ群２ＧよりもＺ軸負方向側に設置することで、レンズ群２Ｇを大口径化しながらも、カム機構２４の大型化を防止ないしは抑制して、設計の自由度を確保している。
かかる構成により、レンズユニット２００の大型化を防止ないしは抑制しながらも、設計の自由度を向上可能にしている。

以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、第１の実施形態において、画像投影装置１００は、白色光源を用いたカラーの画像投影装置であるが、単一の光源を用いたモノクロの画像投影装置であっても良い。
また、カム機構２４は、レンズ群２Gを光軸方向へ可動させるものであれば、像面湾曲の補正に用いられるもの以外であっても良い。例えば、投影すべき画像の倍率を変更するために、言い換えるとレンズユニット２００による入射側すなわち縮小側から、出射側すなわち拡大側へと光束が通過する際の画像投影面のサイズを拡大するために設けられたズーム機構であっても良い。

また、第２の実施形態において、撮像装置４００は、コンパクトデジタルカメラや、携帯機器搭載の小型カメラのような種々の形態の撮像装置であっても良い。

本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

２Ｇ レンズ群
１１ 筐体
１２ 光学部材
２１ 第１光学系
２２ 第２光学系
２３ 絞り
２４ カム機構
２８ カム溝
３０ 連結部
３１ 第１連結部材
３２ 第２連結部材
１００ 画像投影装置
１０２ 物体（空間光変調素子）
１０３ 照明部
１０４ 像面（投影面）
１０５ 反射鏡
１０９ 制御部
２００ レンズユニット
４００ 撮像装置
Ｙ 鉛直上向き方向
Ｚ 光軸方向

特開２０１１−０８５９２２号公報 特開２０１０−０９１６３５号公報

Claims (6)

1. 物体側から入射して透過する光束を縮小する第１光学系と、
   前記光束を拡大して像面側に出射して投影する第２光学系と、
   前記第２光学系を構成する少なくとも１つの光学部材を、前記光束の光軸方向に移動させるカム機構と、を有し、
   前記カム機構は、前記光束の前記光軸方向において前記光学部材よりも第１光学系側に設置されているレンズユニット。
2. 請求項１記載のレンズユニットにおいて、
   前記カム機構は、前記光学部材と非重複であることを特徴とするレンズユニット。
3. 請求項１又は２に記載のレンズユニットにおいて、
   前記第１光学系と前記第２光学系との間に配置された絞りを有し、
   前記カム機構は、前記光軸方向において、前記絞りを含む領域に設置されているレンズユニット。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載のレンズユニットにおいて、
   前記レンズと前記カム機構とを連結する連結部を有し
   前記連結部は、前記連結部と前記カム機構とを連結する第１連結部材と、
   前記連結部と前記レンズとを連結する第２連結部材と、を有し、
   前記第１連結部材と、前記第２連結部材とのうち少なくとも前記第２連結部材が、前記光軸方向に対して同一の方向に設置されることを特徴とするレンズユニット。
5. 請求項１乃至４の何れか１つに記載のレンズユニットを有する画像投影装置。
6. 請求項１乃至５の何れか１つに記載のレンズユニットを有し、前記像面側から入射した光束を前記物体側に結像して画像を取得する撮像装置。

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