JP2020529031A - 反射式広角レンズユニット - Google Patents

Abstract

開口が大きく（例えば、ＦＮＯ１．７）、投影比の小さな（例えば、ＴＲ≦０．２）反射式広角レンズユニットであって、レンズユニットのサイズを縮小可能であるとともに、レンズの必要枚数を減らすことが可能である。且つ、幅広いスクリーンサイズについて焦点が鮮明になるとの効果が得られる。反射式広角レンズユニットは、レンズフロントユニット（１０１）と、レンズバックユニット（１０３）を含む。レンズフロントユニット（１０１）は、第１レンズ群（１１０）と第２レンズ群（１２０）を含む。レンズバックユニット（１０３）は、曲面反射鏡（１０５）を含む。第１レンズ群（１１０）は、１つの三枚接合レンズ（１１５）、１枚の非球面レンズ（１１１）及び２枚の球面レンズ（１１３，１１７）を少なくとも含む。第２レンズ群（１２０）は、２枚の非球面レンズ（１２１，１２５）と２枚の球面レンズ（１２３）を少なくとも含む。曲面反射鏡（１０５）は、凹陥式の光軸対称非球面反射鏡である。【選択図】 図１

Description

本発明は、曲面反射鏡を利用する広角レンズユニットに関し、具体的には、投影用の超短焦点反射式投影レンズユニットに関する。

プロジェクタの重要部材の進歩に伴って、表示素子の解像度はすでに４Ｋ／２Ｋに達している。また、これらに搭載される光源も、ＬＥＤかレーザかに関わらず高輝度化が進んでおり、家庭向け市場への投影用製品の参入は更に成熟化に向かっている。

短焦点投影の場合には、プロジェクタとスクリーンとの距離を大幅に縮小でき、わずか数十ｃｍの投影距離で１００インチ以上の画面に投影可能となることも多い。また、短焦点プロジェクタはテレビ台に配置することができ、一般的なテレビと同様の配置位置となるため、通常の長焦点プロジェクタに比べて省スペースとなり、且つ、取り付け面等の利点を有する。よって、短焦点投影は、一般的なプロジェクタよりも使用上の実用性を備えている。

近年、短焦点投影技術は市場で注目されつつある。現在のところ、単焦点投影の投影比は約０．２４〜０．６５の間であるが、投影比０．２以下の超短焦点レンズユニットを実現しようとすると、技術的に困難を伴う。また、大開口の投影レンズユニットを用いて輝度を向上させる場合には、より小さな投影比を実現するために、レンズユニットから出射される光はスクリーンに対しより大きな入射角度を有する必要がある。そのため、より多くの球面収差、コマ収差、非点収差及び投影画像の歪みが発生する。従来は、多くのレンズを使用することでこれらの不具合を解消する必要があった。また、一般的には、超短焦点レンズユニットの組み立て及び生産時に、レンズユニット内のいくつかのレンズの位置を微調整しなければ鮮明な画像は得られない。そのため、製造工程がやや複雑であり、大量生産ニーズには不向きであった。

上記を背景として、本創造を行った。

上記に鑑みて、本創造に基づく一実施例は、表示素子からの光線を投影するための開口が大きく且つ投影比の小さな反射式広角レンズユニットを提供する。

当該反射式広角レンズユニットはレンズフロントユニットを含み、当該レンズフロントユニットが光軸上に設けられる。当該レンズフロントユニットは、第１レンズ群及び第２レンズ群を含む。当該第１レンズ群は、表示素子からの光線を受け付けるものであって、第１焦点距離を有する。当該第２レンズ群は、当該第１レンズ群からの光線を受け付ける。当該反射式広角レンズユニットはレンズバックユニットを更に含む。当該レンズバックユニットは曲面反射鏡を含み、当該曲面反射鏡は第２焦点距離を有する。当該第１焦点距離に対する当該第２焦点距離の比の絶対値は、０．７超１．３未満である。当該第１レンズ群のうち表示素子に最も近接するレンズの頂点から、当該光軸に沿って当該第２レンズ群のうち光源と最も離間するレンズの頂点までの距離をレンズフロントユニットの全長と定義する。また、当該第１レンズ群のうち光源に最も近接するレンズの頂点から当該曲面反射鏡の中心点までの当該光軸方向における距離をレンズユニットの全長と定義する。当該レンズフロントユニットの全長に対する当該レンズユニットの全長の比は、１．８超２．２未満である。

一実施例において、当該レンズフロントユニットと当該レンズバックユニットは同一の光軸を有する。一実施例において、当該第１レンズ群は、１つの三枚接合レンズ、１枚の非球面レンズ及び２枚の球面レンズを少なくとも含む。一実施例において、当該三枚接合レンズは、２枚の外側レンズと１枚の中心レンズを含み、当該２枚の外側レンズは光を負に屈折させ、当該中心レンズは光を正に屈折させる。一実施例において、当該第２レンズ群は、２枚の非球面レンズと２枚の球面レンズを少なくとも含む。一実施例において、当該第２レンズ群は、２枚の非球面レンズと１つの二枚接合レンズを少なくとも含む。一実施例において、当該曲面反射鏡は、凹陥式の光軸対称非球面反射鏡である。一実施例において、当該第２レンズ群は、当該反射式広角レンズユニットのピントを調整するよう前後に移動する。

本創造におけるその他の態様は、以下の図面に基づく詳細な記載からより明らかとなる。

以下の図面に基づく詳細な記載を参照することで、ここで記載する実施例及び利点をより良好に理解可能となる。これらの図面は、当業者が、記載される実施例の形式及び詳細を、実施例の精神及び範囲を超えることなく変更することを制限するものではない。

図１は、本創造の一実施例における反射式広角レンズユニットの構造を示す図である。 図２は、反射式広角レンズユニットのレンズフロントユニット及びレンズバックユニットの細部を示す図である。 図３Ａは、広角レンズユニットが異なる投影位置の場合に投影するスクリーンサイズを示している。 図３Ｂは、広角レンズユニットが異なる投影位置の場合に投影するスクリーンサイズを示している。 図３Ｃは、投影比を示す図である。 図４Ａは、投影スクリーン上の各サンプリング点を示している。 図４Ｂは、反射式広角レンズユニットをある投影サイズに適用した場合の広角レンズユニットの変調伝達関数（ＭＴＦ）を示している。 図４Ｃは、反射式広角レンズユニットをある投影サイズに適用した場合の広角レンズユニットの変調伝達関数（ＭＴＦ）を示している。 図４Ｄは、反射式広角レンズユニットをある投影サイズに適用した場合の広角レンズユニットの変調伝達関数（ＭＴＦ）を示している。 図５は、反射式広角レンズユニットを異なる投影サイズに適用した場合の歪曲収差を示す図である。

本創造がしっかりと理解されるよう、以下の記載では多数の特定の詳細内容を提示する。ここで開示する実施例は、一部又は全ての特定の詳細内容を必要とすることなく実行可能である。また、ここで開示する実施例が不要に混乱させることのないよう、周知の操作及び原理については詳述しない。また、ここで開示する実施例を特定の事例を組み合わせて記載する場合には、開示する実施例を制限する意図ではないと解釈すべきである。相対関係を記載する用語（例えば、「左」と「右」や「上」と「下」等）を用いて特定の実施例を記載する場合、これらの用語は理解を容易にするために使用するのであって、限定を意図するものではない。

本創造は、超短焦点の反射式広角レンズユニットを提供する。当該反射式広角レンズユニットは、大開口への使用に適している（ＦＮＯ１．７）、レンズ枚数が少ない、レンズユニットの長さが短い、レンズユニットの製造時にレンズの細部を調整不要である、組み立てが容易で大量生産ニーズに適している、０．２以下の投影比を達成可能である、投影サイズ範囲の拡大縮小比率が大きい、といった利点を有する。以下に、図面を参照して本創造の各種実施例につき説明する。

本創造の一実施例に基づき、図１は、一例としての反射式広角レンズユニット１００を示す図である。反射式広角レンズユニット１００は、投影表示デバイスに適用される高解像度、大開口（例えば、ＦＮＯ１．７）、且つ低投影比（例えば、投影比０．１９）のテレセントリック広角レンズユニット（ｔｅｌｅ−ｃｅｎｔｒｉｃ ｗｉｄｅ ａｎｇｌｅ ｌｅｎｓ）とすればよい。ここで、図１を参照して、反射式広角レンズユニット１００の配置方式を示す。反射式広角レンズユニット１００は、レンズフロントユニット１０１と、レンズバックユニット１０３を含めばよい。当該レンズフロントユニット１０１は、光軸１０７上に設けられるとともに、第１レンズ群１１０及び第２レンズ群１２０を含む。反射式広角レンズユニット１００は、表示素子Ｃからの光線を投影する。表示素子Ｃからの光線は、プリズムＣｌ、第１レンズ群１１０、第２レンズ群１２０を通過した後、凹面の非球面反射鏡１０５を経由して、視聴のためにスクリーン（図示しない）に投影される。当該表示素子Ｃは、投影表示デバイスの光学系に使用される表示素子であり、例えば、ブラウン管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ，Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、エルコス（ＬＣｏＳ，Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）等の光変調素子である。図１の実施例では、表示素子ＣにプリズムＣｌが搭載されている。ただし、その他の実施例において、投影表示デバイスのニーズに基づき、表示素子Ｃはプリズムを搭載してもしなくてもよいと解釈すべきである。

当該第１レンズ群１１０は、表示素子Ｃからの光線を受け付けるものであって、第１焦点距離を有する。第１レンズ群１１０は、非球面レンズ１１１、球面レンズ１１３、三枚接合レンズ１１５及び球面レンズ１１７を含む。また、当該三枚接合レンズ１１５は、２枚の外側レンズと１枚の中心レンズを含む。当該２枚の外側レンズは光を負に屈折させ、当該中心レンズは光を正に屈折させる。当該第１レンズ群１１０の主な機能は、レンズユニットの解像度の向上と、光学軸方向及び側面方向における色収差の低下である。三枚接合レンズの使用によって、レンズの使用枚数を減らし、レンズユニットのサイズを縮小することが可能となる。

第２レンズ群１２０は、当該第１レンズ群からの光線を受け付ける。当該第２レンズ群１２０は、非球面レンズ１２１、二枚接合レンズ１２３及び非球面レンズ１２５を含む。実施例によっては、当該二枚接合レンズ１２３を２枚の球面レンズとしてもよい。当該第２レンズ群１２０の主な機能は、光線の伝達過程で発生するコマ収差や非点収差の除去、歪みの低減、視野角の増大、及び、当該反射式広角レンズユニットの焦点距離を調整し、画像の焦点が鮮明となるよう、投影サイズの違いに応じて前後に移動することである。当該第１レンズ群１１０のうち表示素子に最も近接するレンズの頂点から、当該光軸１０７に沿って当該第２レンズ群１２０のうち表示素子と最も離間するレンズの頂点までの距離を、レンズフロントユニットの全長と定義する。

レンズバックユニット１０３は、曲面反射鏡１０５（例えば、凹陥式の光軸対称非球面反射鏡）を含み、表示素子から当該第１レンズ群及び当該第２レンズ群を通過した光線を反射して、第１レンズ群１１０及び第２レンズ群１２０に起因する歪曲収差を修正する。当該曲面反射鏡１０５は、第２焦点距離を有する。当該第１レンズ群１１０のうち表示素子に最も近接するレンズの頂点から、当該曲面反射鏡１０５の中心点までの当該光軸１０７方向における距離を、レンズユニットの全長と定義する。本創造の反射式広角レンズユニットによれば、下記の条件式を同時に満たすことができる。
（Ｉ）０．７＜｜第２焦点距離／第１焦点距離｜＜１．３
（ＩＩ）１．８＜レンズユニットの全長／レンズフロントユニットの全長＜２．２

なお、図１では、レンズバックユニット１０３をレンズフロントユニット１０１と同一の光軸上に設ける場合を示しているが、その他の実施例では、レンズバックユニット１０３を光軸１０７に対し上方又は下方に変位させ、及び／又は、某角度だけ偏向させてもよい。この場合、当該第１レンズ群１１０のうち表示素子に最も近接するレンズの頂点から、当該曲面反射鏡１０５の中心点までの当該光軸１０７方向における距離が変わらない（換言すれば、レンズユニットの全長が変わらない）よう維持できればよい。

本創造におけるレンズユニットのレンズの配列方式によれば、広角レンズユニットの外寸を縮小可能であり、且つ、レンズユニット内に使用されるレンズの枚数を減らすことができる。よって、小型の投影スクリーンサイズから大型の投影スクリーンサイズに至るまで、焦点を鮮明にできるとの効果が得られる。また、開口が大きく（例えば、ＦＮＯ１．７）、投影比が非常に小さくなる（例えば、投影比≦０．２）。

ここで、図２を参照する。なお、図２の目的は例示にすぎず、これらレンズ同士の相対的な位置又は比率を表すものではないと解釈すべきである。図２では、説明の便宜上、各レンズに含まれるレンズ面に符号を付している。図２に示すように、曲面反射鏡１０５はレンズ面Ｓｌを含む。第２レンズ群１２０において、非球面レンズ１２５は、レンズ面Ｓ２及びレンズ面Ｓ３を含み、二枚接合レンズ１２３はレンズ面Ｓ４、レンズ面Ｓ５及びレンズ面Ｓ６を含み、非球面レンズ１２１はレンズ面Ｓ７及びレンズ面Ｓ８を含む。第１レンズ群１１０において、球面レンズ１１７はレンズ面Ｓ９及びレンズ面Ｓ１０を含み、三枚接合レンズ１１５はレンズ面Ｓｌｌ、レンズ面Ｓ１２、レンズ面Ｓ１３及びレンズ面Ｓ１４を含み、球面レンズ１１３はレンズ面Ｓ１５及びレンズ面Ｓ１６を含む。且つ、非球面レンズ１１１は、レンズ面Ｓ１７及びレンズ面Ｓ１８を含む。以下に、反射式広角レンズユニット１００の好ましい実施例における例示的パラメータを表にして説明する。なお、厚さとは、当該レンズ面／スクリーンと光軸との交点位置から次のレンズ面までの距離（換言すれば、ここで示す厚さとは、レンズの厚さ又は当該レンズ面と次のレンズ面とのピッチ）のことである。一例を挙げると、スクリーン欄に記載されている厚さとは、スクリーンからレンズ面Ｓ１までのピッチであり、レンズ面Ｓ１欄に記載されている厚さとは、レンズ面Ｓ１からレンズ面Ｓ２までのピッチであり、レンズ面Ｓ２欄に記載されている厚さとは、レンズ面Ｓ２からレンズ面Ｓ３までのピッチ（換言すれば、レンズ１２５の厚さ）である。なお、本文中で記載するサイズは比率に基づき拡大・縮小が可能なことから、単位は表記していない。また、＊印を付与しているものは、ピント調整の際に移動可能なことを表す。

以下の表２〜表４では、非球面のレンズ面Ｓｌ、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ７〜Ｓ８と、Ｓ１７〜Ｓ１８のパラメータを詳細に記載している。なお、Ｋは円錐係数、ＡＲは非球面係数である。また、表５は、ピント調整時における相互の空気間隔の厚さを示している。

上記表中のパラメータを下記式に代入することで、これらレンズ面の座標パラメータ（原点位置はレンズの頂点に定義）を得ることができる。なお、下記式において、ＣＵＲＶは前記曲率半径の逆数（換言すれば、１／ＲＤＹ）、ＲＡＤＩＵＳはレンズの曲率半径を示す。且つ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは非球面係数である。レンズ面Ｓ１〜Ｓ３の場合、非球面表面の数式は次の通りとなる。

また、レンズ面Ｓ７〜Ｓ８及びＳ１７〜１８の場合、非球面係数の数式は次の通りとなる。

上記の好ましい実施例における反射式広角レンズユニットは、第１焦点距離に対する第２焦点距離の比の絶対値が約０．９８であり、レンズフロントユニットの全長に対するレンズユニットの全長の比は約２．０９である。よって、いずれも上記２つの条件式を満たしている。なお、上記では好ましい実施例のパラメータについて詳述したが、上記のパラメータは例示にすぎず、限定を意図しないと解釈すべきである。且つ、当業者であれば、本創造の構成及び範囲を逸脱することなく、本開示内容で述べた２つの条件式を満たしつつ上記のパラメータを修正可能である。

図３Ａ及び図３Ｂは、本創造における広角レンズユニット１００が異なる投影位置の場合に投影するスクリーンサイズを示している。また、図３Ｃは投影比を示す図である。当該投影比とは、投影レンズユニットの先端から投影スクリーンまでの距離Ｄの、投影画像の幅Ｌに対する比（換言すれば、Ｄ／Ｌ）であり、本創造に基づく反射式広角レンズユニットであれば０．１９の投影比に達し得る。

図４Ａは、投影スクリーン上の各サンプリング点Ｆ１〜Ｆ９を示している。図４Ｂ〜図４Ｄは、それぞれ当該実施例の反射式広角レンズユニットを１１０インチ、９８インチ及び８３インチの投影サイズに適用した場合の広角レンズユニットの変調伝達関数（ＭＴＦ）を示している。これら図面の各曲線は、それぞれスクリーン上のＦ１〜Ｆ９位置における広角レンズユニットの変調伝達関数曲線に対応しており、各位置が更にｘ方向（ｓａｇｉｔｔａｌ）及びｙ方向（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）に細分化されている。

図５は、本実施例に基づく反射式広角レンズユニットを投影サイズ１１０インチ、９８インチ及び８３インチに適用した場合の歪曲収差図（Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）である。図示するように、本創造の反射式広角レンズユニットの歪曲変数は、全視野においていずれも１％未満である。なお、図５に示す歪曲収差図は例示を目的とするものにすぎず、詳細なデータについては次の表６に記載する。

以上の実施例から明らかなように、本創造の大開口（例えば、ＦＮＯ１．７）広角レンズユニットでは０．１９の投影比を達成可能である。また、投影サイズについては大サイズ（例えば、１１０〜８３インチ）に幅広く適用可能である。また、本創造におけるレンズユニットの変調伝達関数は、各種投影サイズの各位置においていずれも約０．５以上を達成可能である。中でも９８インチが好ましく、この場合のレンズユニットの伝達関数は約０．６に達し得る。従って、本開示内容に基づく広角レンズユニットは、レンズユニットの生産及び組み立て時に組立公差を補償するだけの十分な余裕を有する。そのため、生産時に内部のレンズを単独で調整する必要がなく、工程が容易となる。よって、広角レンズユニットの量産ニーズに対応可能となる。

上記の発明につき、明確な理解を目的として詳細に記載したが、言うまでもなく、添付の特許請求の範囲内において何らかの変更又は修正を行ってもよい。従って、本文中の実施例は説明のためのものであって、限定を意図しないとみなすべきである。且つ、本創造は本文中で提示した詳細に限らず、添付の特許請求の範囲及び等価物の範囲において修正してもよい。

１００ 反射式広角レンズユニット
１０１ レンズフロントユニット
１０３ レンズバックユニット
１０５ 反射鏡
１０７ 光軸
１１０ 第１レンズ群
１１１ 非球面レンズ
１１３ 球面レンズ
１１５ 三枚接合レンズ
１１７ 球面レンズ
１２０ 第２レンズ群
１２１ 非球面レンズ
１２３ 二枚接合レンズ
１２５ 非球面レンズ
Ｓ１〜Ｓ１８ レンズ面
Ｃ 表示素子
Ｆ１〜Ｆ８ サンプリング位置

Claims (8)

1. 開口が大きく、且つ投影比の小さな反射式広角レンズユニットであって、表示素子からの光線を投影するために用いられ、
   表示素子からの光線を受け付けるものであって、第１焦点距離を有する第１レンズ群と、当該第１レンズ群からの光線を受け付ける第２レンズ群を含む光軸上に設けられるレンズフロントユニットと、
   表示素子から当該第１レンズ群及び当該第２レンズ群を通過した光線を反射する曲面反射鏡を含み、当該曲面反射鏡が第２焦点距離を有し、当該第１焦点距離に対する当該第２焦点距離の比の絶対値が０．７超１．３未満であるレンズバックユニット、を含み、
   当該第１レンズ群のうち表示素子に最も近接するレンズの頂点から、当該光軸に沿って当該第２レンズ群のうち表示素子と最も離間するレンズの頂点までの距離をレンズフロントユニットの全長と定義し、当該第１レンズ群のうち表示素子に最も近接するレンズの頂点から、当該曲面反射鏡の中心点までの当該光軸方向における距離をレンズユニットの全長と定義し、当該レンズフロントユニットの全長に対する当該レンズユニットの全長の比が１．８超且つ２．２未満である反射式広角レンズユニット。
2. 当該レンズフロントユニットと当該レンズバックユニットは同一の光軸を有する請求項１に記載の反射式広角レンズユニット。
3. 当該第１レンズ群は、１つの三枚接合レンズ、１枚の非球面レンズ及び２枚の球面レンズを少なくとも含む請求項１に記載の反射式広角レンズユニット。
4. 当該三枚接合レンズは、２枚の外側レンズと１枚の中心レンズを含み、当該２枚の外側レンズは光を負に屈折させ、当該中心レンズは光を正に屈折させる請求項３に記載の反射式広角レンズユニット。
5. 当該第２レンズ群は、２枚の非球面レンズと２枚の球面レンズを少なくとも含む請求項１に記載の反射式広角レンズユニット。
6. 当該第２レンズ群は、２枚の非球面レンズと１つの二枚接合レンズを少なくとも含む請求項１に記載の反射式広角レンズユニット。
7. 当該曲面反射鏡は、凹陥式の光軸対称非球面反射鏡である請求項１に記載の反射式広角レンズユニット。
8. 当該第２レンズ群は、当該反射式広角レンズユニットのピントを調整するよう前後に移動する請求項１に記載の反射式広角レンズユニット。