JP2016114945A - 超短焦点投影レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、表示器によって表示された第１画像を拡大された第２画像として結像させるための超短焦点投影レンズを提供する。【解決手段】超短焦点投影レンズは、光路に沿って前後して配列された、前記第１画像を第１中間像として結像させるための第１レンズユニットと、第１中間像の結像位置に設置された開口絞りと、第１中間像を第２中間像として結像させるための第２レンズユニットと、第２中間像を反射して拡大された第２画像を形成するための反射鏡とを含む。第１レンズユニット、開口絞り及び第２レンズユニットは同一の主光軸を有している。超短焦点投影レンズの透過率は０．２〜０．２５であり、焦点距離は−３．２ｍｍ〜−２．９ｍｍであり、第１画像の主光軸に対するシフト量は１２０％より大きい。本発明は短距離で大画像を投影できると共に、画質が高い。【選択図】 図１

Description

本発明は、光学系に関し、特に、超短焦点投影レンズに関する。

超短焦点投影レンズは、プロジェクターの投影距離を効果的に短縮することができ、現在市販されている、大きいサイズの画面を短距離で投射する大切な解決手段としている。

投影レンズの焦点距離を短縮する設計として屈折式、反射式及び混合式という３種の方式がある。屈折式設計の投影レンズはすべて球面レンズ又は非球面レンズを含むレンズからなるものであって、このような設計の投影レンズはレンズの数量が大きく、且つ種類が多いので、構造が一般に複雑であって、製造しにくい。反射式設計の投影レンズはすべて球面又は非球面の反射鏡を含む反射鏡からなるものであって、反射鏡が凸面、凹面又は平面反射鏡であってよいが、非球面反射鏡の加工及び検出が難しく、複数の反射鏡によって投影レンズのコストと製造の難しさが増大してしまうことはもちろんである。混合式設計の投影レンズは屈折式と反射式の技術的特徴を統合し、レンズと反射鏡を結合した設計方式を採用し、現在市販されている超短焦点投影レンズの主流手段となっている。

先に屈折してから反射するという混合式設計原理に基づく構造はさまざま提案されている。先に屈折してから反射するという混合式設計原理に基づくレンズ又はシステムにおいて、短い距離内にサイズが大きい画面を投射することが必要とされるので、低透過率が求められて、投射される画像に歪曲収差、球面収差又は色収差等が存在するようになって、被写界深度と像面の輝度が共に制御しにくく、得られた画像の品質が高くなくなってしまう。

本発明は、短距離で大画像を投影し画質を向上させることができる超短焦点投影レンズを提供するのを主として解決しようとする技術的課題としている。

上記技術的課題を解決するために、本発明は、表示器によって表示された第１画像を拡大された第２画像として結像させるための超短焦点投影レンズにおいて、光路に沿って前後して配列された、前記第１画像を第１中間像として結像させるための第１レンズユニットと、前記第１中間像の結像位置に設置された開口絞りと、前記第１中間像を第２中間像として結像させるための第２レンズユニットと、前記第２レンズユニットの後方に位置しており、前記第２中間像を反射して拡大された第２画像を形成するための反射鏡とを含み、前記第１レンズユニット、前記開口絞り及び前記第２レンズユニットが同一の主光軸を有しており、透過率が０．２〜０．２５であり、焦点距離が−３．２ｍｍ〜−２．９ｍｍであり、前記第１画像の主光軸に対するシフト量が１２０％より大きい超短焦点投影レンズを提供するという一技術的解決手段を採用する。

前記反射鏡は、平面鏡又は凹面反射鏡である。

前記反射鏡が凹面反射鏡である場合に、前記凹面反射鏡は、前記第１レンズユニットと同一の主光軸を有している。

前記凹面反射鏡の凹面は、自由曲面である。

前記反射鏡は、前記第２中間像の後に設けられている。

前記第１レンズユニットは、光路に沿って順に配列された、両凸レンズである第１レンズと、両凸レンズである第２レンズと、凸凹レンズである第３レンズと、両凹レンズである第４レンズと、凸凹レンズである第５レンズとを含む。

前記第４レンズと前記第５レンズは、一体に接着されている。

前記第４レンズの屈折率は前記第５レンズより高く、前記第４レンズの分散は第５レンズの分散より大きく、前記第４レンズのアッベ数は前記第５レンズのアッベ数より低い。

前記第２レンズユニットは、少なくとも一枚の非球面レンズを含む。

前記第２レンズユニットは、光路に沿って順に配列された、両凸レンズである第６レンズと、両凸レンズである第７レンズと、凸凹レンズである第８レンズと、凹凸レンズである第９レンズと、両凹レンズである第１０レンズと、非球面レンズである第１１レンズと、凹凸レンズである第１２レンズと、凹凸レンズである第１３レンズとを含む。

本発明の有益な効果は以下のとおりである。従来の技術の状況と異なって、同一の主光軸を有している第１レンズユニットと第２レンズユニットを設置することによって、投影レンズに入射した第１画像が第１レンズユニットを介して屈折して第１中間像が形成され、第１中間像が第２レンズユニットを介して屈折して第２中間像として結像し、また、反射鏡によって第２中間像が反射して拡大された第２画像が形成される。本発明において、先に第１レンズユニットを利用して歪曲収差量が小さい第１中間像を形成してから、第２レンズユニットによって第１中間像を補正し拡大して第２中間像を形成し、最後に反射鏡によって第２中間像の映像光束をスクリーンに投射するようになっているので、スクリーンにほとんど歪曲収差がない映像が形成可能となる。中間像を二回に分けて形成することによって、収差を効果的に改善できる。また、第１レンズユニットと第２レンズユニットとの間に、写像性の向上、被写界深度の制御、画質の改善を可能にすると共に、結像物空間の範囲及び像面の輝度を制御可能である開口絞りが更に設置されている。該開口絞りを第１中間像の位置に設置することで、軸外点の画質を改善でき、反射の光学的ムラ成分が除去されて、画像コンストラストを向上させる効果が実現可能になる。なお、光線伝播経路に反射鏡を設置することによって、光学経路が長くなって短焦点投影が実現される。本発明の構造によって該投影光学系に低い透過率を有しているので、本発明の超短焦点投影レンズは短距離で大画像を投影し、且つ画質が高いことを実現した。

本発明に係る超短焦点投影レンズの第１実施例の構造の模式図である。 本発明に係る超短焦点投影レンズの第２実施例の構造の模式図である。 本発明に係る超短焦点投影レンズの第２実施例の結像原理の模式図である。 本発明に係る超短焦点投影レンズの第２実施例の結像の全体的模式図である。

以下、添付図面と実施例を参照しながら、本発明に係る超短焦点投影レンズを詳細に説明する。

本発明に係る超短焦点投影レンズの第１実施例の構造の模式図である図１を参照する。

表示器によって表示された第１画像１００を拡大された第２画像として結像させるための超短焦点投影レンズである。該超短焦点投影レンズは、光路に沿って前後して配列された第１レンズユニット１０１、開口絞り１０６、第２レンズユニット１０２及び反射鏡１０５を含む。

第１レンズユニット１０１は、第１画像１００を第１中間像１０３として結像させるためのものである。第２レンズユニット１０２は、第１中間像１０３を第２中間像１０４として結像させるためのものである。開口絞り１０６は、第１レンズユニット１０１と第２レンズユニット１０２との間である、第１中間像１０３の結像位置に設置されている。本実施例では、開口絞り１０６が前記第１レンズユニット１０１を介して結像させた像は第１レンズユニット１０１と第２レンズユニット１０２とからなる光学系の射出瞳に合っている。反射鏡１０５は、第２中間像１０４を反射して拡大された第２画像を形成するためのものである。反射鏡１０５は、平面鏡又は凹面反射鏡であってよい。該反射鏡は第２レンズユニット１０２の後に設置されており、第２中間像１０４の結像位置又は第２中間像１０４の後であってよい。本実施例では、反射鏡１０５は平面鏡であり、第２中間像１０４の後に設置されている。第１レンズユニット１０１、開口絞り１０６及び第２レンズユニット１０２は同一の主光軸を有している。超短焦点投影レンズの透過率は０．２〜０．２５であり、焦点距離は−３．２ｍｍ〜−２．９ｍｍであり、第１画像１００の主光軸に対するシフト量は１２０％より大きい。

従来の技術と異なって、本発明は、同一の主光軸を有している第１レンズユニット１０１と第２レンズユニット１０２を設置することによって、投影レンズに入射した第１画像１００が第１レンズユニット１０１を介して屈折して第１中間像１０３が形成され、第１中間像１０３が第２レンズユニット１０２を屈折して第２中間像１０４として結像し、また、反射鏡１０５によって第２中間像１０４が反射して拡大された第２画像が形成される。本発明において、先に第１レンズユニット１０１を利用して歪曲収差量が小さい第１中間像１０３を形成してから、第２レンズユニット１０２によって第１中間像１０３を補正し拡大して第２中間像１０４を形成し、最後に反射鏡１０５によって第２中間像１０４の映像光束をスクリーンに投射するようになっており、スクリーンにほとんど歪曲収差がない映像が形成可能である。中間像を二回に分けて形成することによって、収差を効果的に改善できる。また、第１レンズユニット１０１と第２レンズユニット１０２との間に、写像性の向上、被写界深度の制御、画質の改善を可能にすると共に、結像物空間の範囲及び像面の輝度を制御可能である開口絞り１０６が更に設置されている。該開口絞り１０６を第１中間像１０３の位置に設置することで、軸外点の画質を改善でき、反射の光学的ムラ成分が除去されて、画像コンストラストを向上させる効果が実現可能になる。なお、光線伝播経路に反射鏡を設置することによって、光学経路が長くなって短焦点投影が実現される。本発明の構造によって該投影光学系に低い透過率を有しているので、本発明の超短焦点投影レンズは短距離で大画像を投影し、且つ画質が高いことを実現した。

本発明に係る超短焦点投影レンズの第２実施例の構造の模式図である図２、本発明に係る超短焦点投影レンズの第２実施例の結像原理の模式図である図３、及び本発明に係る超短焦点投影レンズの第２実施例の結像の全体的模式図である図４を参照する。

本実施例では、超短焦点投影レンズ２０７は更に第１レンズユニット２０１の前方に位置している表示デバイス２０８とプリズム２０９とを含み、表示デバイス２０８は、プリズム２０９と第１レンズユニット２０１とを介して屈折して開口絞り２０６に第１中間像２０３として結像する第１画像２００を表示するためのものである。第１中間像２０３は第２レンズユニット２０２を介して屈折して第２中間像２０４として結像する。反射鏡２０５は第２中間像２０４の後方に位置しており、第２中間像２０４を反射して最終的にスクリーン２１０に拡大された第２画像を形成するものである。

第１レンズユニット２０１は、光路に沿って前後して配列された第１レンズ２０１１、第２レンズ２０１２、第３レンズ２０１３、第４レンズ２０１４及び第５レンズ２０１５を含む。第１レンズ２０１１は両凸レンズであり、第２レンズ２０１２は両凸レンズであり、第３レンズ２０１３は凸凹レンズであり、第４レンズ２０１４は両凹レンズであり、第５レンズ２０１５は凸凹レンズである。これらの五つのレンズは光学系に入射した第１画像を歪曲収差量が小さい第１中間像として結像させる。

軸上物点からの光束はレンズユニットを通ってから、光軸に対する角度が異なる光線とは光軸に対して異なる位置と交わるので、像面に球面収差と呼ばれる一つの円形の拡がりが形成される。なお、異なる波長の光は、色がそれぞれ異なっており、レンズを透過した時の屈折率もそれぞれ異なっており、そのように、物体側の一つの点は、像側では一つの色むらになり、又は像にハローを持たせて像をぼんやり見えるようにしてしまう可能性がある。従って、画質を向上させるには球面収差と色収差を除去することが必要になる。本実施例では、球面収差と色収差を除去するために、第４レンズ２０１４と第５レンズ２０１５が一体に接着されている。単凸レンズは負の球面収差を有し、単凹レンズは正の球面収差を有するので、単凸レンズと単凹レンズを接着することで効果的に球面収差を除去することができる。また、該第４レンズ２０１４の屈折率は第５レンズ２０１５より高い。第４レンズ２０１４の分散は第５レンズ２０１５の分散より大きい。第４レンズ２０１４のアッベ数は第５レンズ２０１５のアッベ数より低い。光角度が一定になっている時、レンズのアッベ数が大きいほど、色収差が小さく、通常に凸レンズが負の色収差を生じ、凹レンズが正の色収差を生じることから、該接着された第４レンズ２０１４と第５レンズ２０１５は効果的に色収差を除去することができる。従って、両凹レンズである第４レンズ２０１４と凸凹レンズである第５レンズ２０１５を一体に接着して、それらの色収差を相互に補償させる。なお、第４レンズ２０１４と第５レンズ２０１５の屈折率とアッベ数の差が大きく、色収差を除去すると共に、正負の球面収差もできる限り減少可能であり、また、残留球面収差を生じて他のレンズの球面収差のバランスを取る。

第２レンズユニット２０２は、球面レンズが視準と合焦系で生じる球面収差を補正するための少なくとも一つの非球面レンズを含み、曲面定数と非球面係数を調整することによって、非球面レンズは最大限に球面収差を除去可能であり、結像をはっきりしているようにして画質を向上させる。例えば、本実施例の第２レンズユニット２０２は、光路に沿って前後して配列された第６レンズ２０２１、第７レンズ２０２２、第８レンズ２０２３、第９レンズ２０２４、第１０レンズ２０２５、第１１レンズ２０２６、第１２レンズ２０２７及び第１３レンズ２０２８を含む。その中で、第６レンズ２０２１は両凸レンズであり、第７レンズ２０２２は両凸レンズであり、第８レンズ２０２３は凸凹レンズであり、第９レンズ２０２４は凹凸レンズであり、第１０レンズ２０２５は両凹レンズであり、第１１レンズ２０２６は非球面レンズであり、第１２レンズ２０２７は凹凸レンズであり、第１３レンズ２０２８は凹凸レンズである。該非球面レンズは光学品質を向上させるための要素を簡素化すると共に、システムの安定性を向上させ、システムの総合的コストを低下させた。

本実施例の反射鏡２０５は凹面反射鏡である。また、該凹面反射鏡は第１レンズユニット２０１と同一の主光軸を有しており、凹面反射鏡の凹面は自由曲面である。凹面反射鏡は画像変形を減少し、品質を向上させることができる。凹面が自由曲面である凹面反射鏡はより多い自由度を持っており、その表面が滑らかで、光損失と画面の歪曲収差を減少可能であって、反射画像の輝度が高く変形しないようにして光学系の画質を大幅に向上させる。

本発明は、二回に分けて中間像を形成することによって収差を改善し、開口絞りの設置によって光学的ムラを減少し画像コンストラストを向上させ、また、反射鏡によって光学経路を長くして短焦点投影を実現し、且つ低い透過率を持たせて、短距離で大画像を投影し、且つ画質が高いことを実現した。

上記のものは本発明の実施形態のみであって、それによって本発明の特許請求の範囲に制限を加えるものでなく、本発明の明細書及び添付図面の内容に基づいて行われた等効果の構造変更又は等効果のフロー変更、或いは直接又は間接的なその他の関連技術分野への活用は、すべて同じ理由から本発明の特許請求の範囲に含まれるものである。

１００、２００ 第１画像
１０１、２０１ 第１レンズユニット
１０２、２０２ 第２レンズユニット
１０３、２０３ 第１中間像
１０４、２０４ 第２中間像
１０５、２０５ 反射鏡
１０６、２０６ 開口絞り
２０１１ 第１レンズ
２０１２ 第２レンズ
２０１３ 第３レンズ
２０１４ 第４レンズ
２０１５ 第５レンズ
２０２１ 第６レンズ
２０２２ 第７レンズ
２０２３ 第８レンズ
２０２４ 第９レンズ
２０２５ 第１０レンズ
２０２６ 第１１レンズ
２０２７ 第１２レンズ
２０２８ 第１３レンズ
２０７ 超短焦点投影レンズ
２０８ 表示デバイス
２０９ プリズム
２１０ スクリーン

Claims (10)

1. 表示器によって表示された第１画像を拡大された第２画像として結像させるための超短焦点投影レンズにおいて、光路に沿って前後に配列された、
   前記第１画像を第１中間像として結像させるための第１レンズユニットと、
   前記第１中間像の結像位置に設置された開口絞りと、
   前記第１中間像を第２中間像として結像させるための第２レンズユニットと、
   前記第２レンズユニットの後方に位置しており、前記第２中間像を反射して拡大された第２画像を形成するための反射鏡と、を含み、
   前記第１レンズユニット、前記開口絞り及び前記第２レンズユニットが同一の主光軸を有しており、透過率が０．２〜０．２５であり、焦点距離が−３．２ｍｍ〜−２．９ｍｍであり、前記第１画像の主光軸に対するシフト量が１２０％より大きいことを特徴とする超短焦点投影レンズ。
2. 前記反射鏡は、平面鏡又は凹面反射鏡であることを特徴とする請求項１に記載の超短焦点投影レンズ。
3. 前記反射鏡が凹面反射鏡である場合に、前記凹面反射鏡は、前記第１レンズユニットと同一の主光軸を有していることを特徴とする請求項２に記載の超短焦点投影レンズ。
4. 前記凹面反射鏡の凹面は、自由曲面であることを特徴とする請求項３に記載の超短焦点投影レンズ。
5. 前記反射鏡は、前記第２中間像の後に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の超短焦点投影レンズ。
6. 前記第１レンズユニットは、光路に沿って順に配列された、両凸レンズである第１レンズと、両凸レンズである第２レンズと、凸凹レンズである第３レンズと、両凹レンズである第４レンズと、凸凹レンズである第５レンズとを有していることを特徴とする請求項１に記載の超短焦点投影レンズ。
7. 前記第４レンズと前記第５レンズは、一体に接着されていることを特徴とする請求項６に記載の超短焦点投影レンズ。
8. 前記第４レンズの屈折率は前記第５レンズより高く、前記第４レンズの分散は第５レンズの分散より大きく、前記第４レンズのアッベ数は前記第５レンズのアッベ数より低いことを特徴とする請求項７に記載の超短焦点投影レンズ。
9. 前記第２レンズユニットは、少なくとも一枚の非球面レンズを含むことを特徴とする請求項８に記載の超短焦点投影レンズ。
10. 前記第２レンズユニットは、光路に沿って順に配列された、両凸レンズである第６レンズと、両凸レンズである第７レンズと、凸凹レンズである第８レンズと、凹凸レンズである第９レンズと、両凹レンズである第１０レンズと、非球面レンズである第１１レンズと、凹凸レンズである第１２レンズと、凹凸レンズである第１３レンズとを含むことを特徴とする請求項９に記載の超短焦点投影レンズ。