JP2021173923A

JP2021173923A - 画像投射用ズームレンズ及び画像投射装置

Info

Publication number: JP2021173923A
Application number: JP2020079179A
Authority: JP
Inventors: 明広山影; Akihiro Yamakage; 雨非梅; yu fei Mei
Original assignee: Light Show Technology Co Ltd
Current assignee: Light Show Technology Co Ltd
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2020-04-28
Publication date: 2021-11-01
Also published as: CN111999870A; CN111999870B

Abstract

【課題】高倍率で明るいが、非球面レンズの使用枚数が少なく、しかも製造性に優れた形状の非球面レンズを用いることによりコストを低減できる画像投射用ズームレンズが求められていた。【解決手段】拡大側から順に負の第１群レンズと、正の第２群レンズが配置され、前記第１群レンズは、拡大側から順に並ぶ負の非球面レンズＧ１、負のレンズＧ２、正のレンズＧ３、正のレンズＧ４から成り、前記第１群レンズの焦点距離をｆ１、前記第２群レンズの焦点距離をｆ２、前記ズームレンズの広角端における焦点距離をｆｗ、前記非球面レンズＧ１の焦点距離をｆＧ１、光軸に対する法線を基準にして前記非球面レンズＧ１の光学面がなす最大傾斜角をθとしたとき、１．３＜｜ｆ１｜／ｆ２＜１．８、２．３＜｜ｆ１｜／ｆｗ＜３．０、１．４＜｜ｆＧ１｜／｜ｆ１｜＜１．９、ｔａｎθ＜１．１９を満足する、ことを特徴とする画像投射用ズームレンズである。【選択図】図１

Description

本発明は、画像を投射するためのズームレンズと、それを備えた画像投射装置に関し、特に、変倍率が大きくて、しかも大口径で高画質な画像投射用ズームレンズに関する。

従来から、ＤＭＤ素子や液晶素子などの光変調素子を用いて、画像をスクリーン等に拡大投影する画像投射装置が知られている。近年は、画像データのデジタル化の進展に伴い、大小の会議室用や教育用など幅広い用途に応じた画像投射装置が開発されるようになっている。また、画像投射装置用の光変調素子は画素サイズが精細化されるとともに画素数が増加し、ＸＧＡ（１０２４×７６８画素）、ＷＸＧＡ（１２８０×８００画素）からＷＵＸＧＡ（１９２０×１２００画素）へと進化している。
このため、画像投射装置用のレンズとして、評価周波数が高く高倍率の投射用ズームレンズが求められている。
例えば、特許文献１〜特許文献４には、高性能化を図るために、光学要素に非球面レンズを用いたズームレンズが開示されている。

特開２００４−２４０３０９号公報特開２００２−１４８５１５号公報特開２００４−２７１６６８号公報米国特許ＵＳ２０１７／００６８０７７Ａ１号公報

最近では、画像投射装置の実用性を高めるために、小さな部屋用のスクリーンから劇場や大ホールの大画面スクリーンにいたる様々なサイズの投影面に対して、高品位な画像を投射できる投射用ズームレンズの実現が期待されている。すなわち、広範囲なスクリーンサイズに対応するため高い変倍比を有するとともに、鮮明な画像を投射できるような大口径を有する投射用ズームレンズが求められている。

特許文献１に開示されたズームレンズは、負、正の２群構成のズームレンズであるが、Ｆナンバーが２．４で、変倍比が１．２倍であり、上記の要請に対して十分であるとは言えない。

また、特許文献２に開示されたズームレンズは、負、正の２群構成で２群内に非球面レンズを採用したズームレンズであるが、Ｆナンバーが２．４で、変倍比が１．２倍であり、やはり上記の要請に対して十分であるとは言えない。

また、特許文献３の中で実施例１として開示されたズームレンズは、負、正の２群構成で、１群と２群のそれぞれに非球面レンズを採用したズームレンズである。Ｆナンバーが２．０７で、変倍比が１．６８倍の高倍率ズームレンズであるが、バックフォーカスが長く、第２群の変調素子側レンズの径が大きくなってしまっている為、収差補正が難しい。さらには、非球面を３枚のレンズの計５面に使用する構成の為、コスト高となっている。

また、特許文献４の中で実施例１として開示されたズームレンズは、負、正の２群構成で、１群の第１レンズに非球面レンズを採用したズームレンズである。Ｆナンバーが２．４で、変倍比が１．６倍の高倍率ズームレンズであるが、非球面レンズの最大傾斜角θ（光軸に対する法線と凹面とがなす角度の最大値）が５５度と大きなものとなっている。このように最大傾斜角が大きな非球面レンズでは、製造時の収縮により形状精度が低下したり、反射防止膜を被覆した際の膜の均一性が低下しがちで、現実的にズームレンズの性能を担保するのが困難になっている。

そこで、高倍率で明るいが、非球面レンズの使用枚数が少なく、しかも非球面レンズの形状が製造性に優れており、製造コストを低減可能な画像投射用のズームレンズが求められていた。さらには、かかるズームレンズを用いた画像投射装置の実現が期待されていた。

本発明は、拡大側から順に負のパワーを有する第１群レンズと、正のパワーを有する第２群レンズが配置され、前記第１群レンズと前記第２群レンズの間隔を変化させることにより変倍を行う２群構成のズームレンズであって、前記第１群レンズは、拡大側から順に並ぶ負の非球面レンズＧ１、負のレンズＧ２、正のレンズＧ３、正のレンズＧ４から成り、前記第１群レンズの焦点距離をｆ１、前記第２群レンズの焦点距離をｆ２、前記ズームレンズの広角端における焦点距離をｆｗ、前記非球面レンズＧ１の焦点距離をｆＧ１、光軸に対する法線を基準にして前記非球面レンズＧ１の光学面がなす最大傾斜角をθとしたとき、１．３＜｜ｆ１｜／ｆ２＜１．８、２．３＜｜ｆ１｜／ｆｗ＜３．０、１．４＜｜ｆＧ１｜／｜ｆ１｜＜１．９、ｔａｎθ＜１．１９を満足する、ことを特徴とする画像投射用ズームレンズである。

本発明によれば、高倍率で明るいが、非球面レンズの使用枚数が少なく、しかも非球面レンズの形状が製造性に優れており、製造コストを低減可能な画像投射用のズームレンズを提供することができる。さらには、かかるズームレンズを用いた低コストで高画質の画像投射装置を提供することができる。

実施形態に係る画像投射用ズームレンズの光学構成を示す図。実施形態に係る画像投射用ズームレンズを備えた画像投射装置の構成を示す図。実施形態に係る画像投射用ズームレンズの広角端と望遠端におけるレンズ群の配置を示す図。（ａ）広角端と望遠端におけるレンズ群の配置と焦点距離を示す図。（ｂ）非球面レンズである第１レンズＧ１の最大傾斜角θを説明するための図。実施例１〜実施例３の画像投射用ズームレンズの主要諸元、および条件（Ａ）〜条件（Ｄ）の値をまとめて示す表。（ａ）実施例１のズームレンズを構成する各光学要素の数値をまとめて示す表。（ｂ）実施例１のズームレンズの広角端および望遠端における諸元等をまとめて示す表。（ａ）非球面レンズである第１レンズＧ１の光学面形状を表す数式。（ｂ）実施例１〜実施例３において、数式に用いられる係数をまとめて示す表。実施例１のズームレンズの広角端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示すグラフ。実施例１のズームレンズの広角端におけるコマ収差を像高別に示すグラフ。実施例１のズームレンズの望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示すグラフ。実施例１のズームレンズの望遠端におけるコマ収差を像高別に示すグラフ。（ａ）実施例２のズームレンズを構成する各光学要素の数値をまとめて示す表。（ｂ）実施例２のズームレンズの広角端および望遠端における諸元等をまとめて示す表。実施例２のズームレンズの広角端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示すグラフ。実施例２のズームレンズの広角端におけるコマ収差を像高別に示すグラフ。実施例２のズームレンズの望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示すグラフ。実施例２のズームレンズの望遠端におけるコマ収差を像高別に示すグラフ。実施例３に係る画像投射用ズームレンズの光学構成を示す図。（ａ）実施例３のズームレンズを構成する各光学要素の数値をまとめて示す表。（ｂ）実施例３のズームレンズの広角端および望遠端における諸元等をまとめて示す表。実施例３のズームレンズの広角端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示すグラフ。実施例３のズームレンズの広角端におけるコマ収差を像高別に示すグラフ。実施例３のズームレンズの望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示すグラフ。実施例３のズームレンズの望遠端におけるコマ収差を像高別に示すグラフ。実施形態に係る画像投射用ズームレンズを備え、図２とは異なる光源装置を備えた画像投射装置の構成を示す図。

［実施形態］
図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
図１は、実施形態にかかる画像投射用ズームレンズの光学的な構成を示す図である。また、図２は、当該画像投射用ズームレンズを備えた画像投射装置の構成を示す図である。以下、順に説明する。

（画像投射用ズームレンズ）
図１に示す光学構成において、１０００は画像投射用ズームレンズ、１００は第１群レンズ、２００は第２群レンズ、８００は光変調デバイスである。

第１群レンズ１００は、第１レンズＧ１〜第４レンズＧ４の４枚のレンズを備え、参照番号の１〜８は、各レンズの光学面を表している。第２群レンズ２００は、第５レンズＧ５〜第１１レンズＧ１１の７枚のレンズを備え、参照番号の９〜１８、２０、２１は、各レンズの光学面を表している。尚、第２群レンズ２００において、第９レンズＧ９と第１０レンズＧ１０は互いに接合され、第１０レンズＧ１０と第１１レンズＧ１１の間、すなわち光学面１８と光学面２０の間には、絞り面１９（ＳＴＯＰ）が配されている。ただし、後に図１７を参照して説明する実施例３のように、第９レンズＧ９と第１０レンズＧ１０を接合する代わりに第８レンズＧ８と第９レンズＧ９を接合し、第９レンズＧ９と第１０レンズＧ１０の間に絞り面を配置することも可能である。尚、画像投射用ズームレンズ１０００を構成する１１枚のレンズのうち、非球面レンズは第１レンズＧ１のみである。

光変調デバイス８００の前には、保護用のカバーガラスＣＧが配置されており、参照番号の２３、２４はカバーガラスＣＧの表裏の光学面を示し、参照番号２４は光変調デバイス８００の受光面を示している。
尚、以下の説明では図１の左側、すなわち光変調デバイス８００から遠い側を拡大側と記し、図１の右側、すなわち光変調デバイス８００に近い側を縮小側と記す場合がある。

本実施形態の画像投射用ズームレンズ１０００は、２群２成分のズームレンズであり、拡大側に配された第１群レンズ１００は負のパワーを有し、縮小側に配された第２群レンズ２００は正のパワーを有している。

第１群レンズ１００を構成する４枚のレンズの中で、最も拡大側に位置する第１レンズＧ１は、負のパワーを有し、光軸中心から周辺部に向かって肉厚が大きくなるような形状の非球面レンズである。
図４（ｂ）に示すように、第１レンズＧ１の光学面２（すなわち光変調デバイス８００に近い側の面）は、光軸に対する法線を基準にした時の最大傾斜角をθとした時、θが５０度未満であるような面形状を有している。第１レンズＧ１は非球面レンズではあるが、最大傾斜角θが５０度未満と小さく設定されているため、製造時の収縮により形状精度が低下したり、反射防止膜を被覆した際の膜厚の均一性が低下したり膜剥がれが発生することを、効果的に抑制することが可能である。このように、唯一の非球面レンズである第１レンズＧ１は、製造が容易で形状精度が高く、反射防止特性にも優れるため、後述する第２レンズＧ２〜第１１レンズＧ１１を組み合わせることにより、本実施形態の画像投射用ズームレンズでは、光学性能の担保と製造コストの抑制を両立することが可能となる。

第１群レンズ１００において、第１レンズＧ１の縮小側には、凹面を縮小側に向けた負のレンズとしての第２レンズＧ２、正のレンズとしての第３レンズＧ３、凸面を拡大側に向けた正のメニスカスレンズとしての第４レンズＧ４が順に配置されている。
以上のように、第１群レンズ１００には拡大側から順に、負の非球面レンズ、負のレンズ、正のレンズ、正のレンズ、の４枚のレンズが配置されている。

次に、第２群レンズ２００には、拡大側から順に、正のレンズとしての第５レンズＧ５、正のレンズとしての第６レンズＧ６、負のレンズとしての第７レンズＧ７、負のレンズとしての第８レンズＧ８、正のレンズとしての第９レンズＧ９、負のレンズとしての第１０レンズＧ１０、正のレンズとしての第１１レンズＧ１１が配置されている。そして、第１０レンズＧ１０と第１１レンズＧ１１の間には、絞り面１９が設置されている。

実施形態の画像投射用ズームレンズ１０００は、第１群レンズ１００と第２群レンズ２００の間隔及びバックフォーカスを変化させることにより変倍を行い、第１群レンズ１００のみを移動させることによりフォーカス調整を行う２群構成のズームレンズである。
図３に、広角端（図３上）と望遠端（図３下）における群レンズの配置を示すが、広角側から望遠側にするにつれて第１群レンズ１００と第２群レンズ２００の間隔Ｄ８が小さくなり、バックフォーカス（間隔Ｄ２１）が大きくなるように、第１群レンズ１００と第２群レンズ２００を移動させる。

ここで、図４（ａ）に模式的に示すように、第１群レンズ１００の焦点距離をｆ１、第２群レンズ２００の焦点距離をｆ２、画像投射用ズームレンズ１０００の広角端の焦点距離をｆｗ、画像投射用ズームレンズ１０００の望遠端の焦点距離をｆｔとする。また、広角端における第１群レンズ１００と第２群レンズ２００の距離をｄｗ、望遠端における第１群レンズ１００と第２群レンズ２００の距離をｄｔとする。
また、第１群レンズ１００の第１レンズＧ１の焦点距離をＧ１ｆ、第２レンズＧ２の焦点距離をＧ２ｆとする。

実施形態の画像投射用ズームレンズ１０００は、負の非球面レンズである第１レンズＧ１の最大傾斜角を小さくしつつ光学性能を担保するために、以下に示す条件（Ａ）〜条件（Ｄ）を満たすように構成されている。
（Ａ）１．３＜｜ｆ１｜／ｆ２＜１．８
（Ｂ）２．３＜｜ｆ１｜／ｆｗ＜３．０
（Ｃ）１．４＜｜ｆＧ１｜／｜ｆ１｜＜１．９
（Ｄ）ｔａｎθ＜１．１９

本実施形態では、第１レンズＧ１（負の非球面レンズＧ１）の最大傾斜角θを小さくできるように、第１群レンズ１００の負のパワーは比較的小さく設定されている。

条件（Ａ）は、第１群レンズ１００の焦点距離ｆ１と第２群レンズ２００の焦点距離ｆ２のパワー比を表したものである。広角端および望遠端で画像投射用ズームレンズ１０００に必要とされる焦点距離ｆｗ、ｆｔと、第１群レンズ１００と第２群レンズ２００の群間隔ｄｗ、ｄｔにより、光学的に各々のバックフォーカスが物理的に決定される。条件（Ａ）は、本実施形態の２群ズームレンズにおいて、第１群レンズ１００と第２群レンズ２００の焦点距離の比率の範囲を表す基本的な関係式である。

また、条件（Ｂ）では、画像投射用ズームレンズ１０００の広角端の焦点距離ｆｗに対する第１群レンズ１００の焦点距離ｆ１の比の範囲を規定している。第１群レンズ１００の焦点距離ｆ１は、画像投射用ズームレンズ１０００の焦点距離の仕様によって異なるものとなるため、焦点距離ｆ１の絶対値を一義的に規定することは現実的ではない。このため、条件（Ｂ）では、画像投射用ズームレンズ１０００の広角端の焦点距離ｆｗに対する比率の範囲として規定したものである。

また、本実施形態では、非球面レンズである第１レンズＧ１の最大傾斜角θを小さくできるように、第１群レンズ１００内において第１レンズＧ１が満足すべき要件を規定する。
すなわち、条件（Ｃ）は、第１群レンズ１００の焦点距離ｆ１に対する第１レンズＧ１の焦点距離ｆＧ１の比率が取り得る範囲を規定したものである。
また、条件（Ｄ）は、非球面レンズである第１レンズＧ１の最大傾斜角を５０度未満とすることを規定したものである。

すでに述べたように、本実施形態は、拡大側に配された第１群レンズ１００が負、縮小側に配された第２群レンズ２００は正、のパワーを有する２群２成分のズームレンズであるが、第１群レンズ１００の負のパワーを比較的小さく設定している。
そして、第１群レンズ１００には、拡大側から順に、第１レンズＧ１（負の非球面レンズ）、第２レンズＧ２（負）、第３レンズＧ３（正）、第４レンズＧ４（正）を配置するが、第１レンズＧ１に非球面レンズを用いることで像高方向で高い補正効果を得る。
そして、第２レンズＧ２の負パワーを強くし、広がる発散光を正の第３レンズＧ３で補正して第４レンズＧ４に向かわせる。第４レンズＧ４は正であり、第２群レンズ２００への入射光線の制御を行う。
このように、本実施形態では、負の非球面レンズである第１レンズＧ１と正の第４レンズＧ４の間に、合成すれば負となるような第２レンズＧ２（負）と第３レンズＧ３（正）を配置する。

尚、第１レンズＧ１の焦点距離ｆＧ１に対する第２レンズＧ２の焦点距離ｆＧ２、すなわちｆＧ１／ｆＧ２は、１．８より大きく、２．４よりも小さくするのが望ましい。第１レンズＧ１と第２レンズＧ２とで、適宜に第１群レンズ１００の負のパワーを分担するためである。

従来技術と比較すると、例えば特許文献４に開示されたズームレンズは、第１群レンズに用いる非球面レンズの最大傾斜角が５５度と大きかったが、本実施形態によれば非球面レンズである第１レンズＧ１の最大傾斜角θを５０度未満とすることにより、製造時の収縮により形状精度が低下したり、反射防止膜を被覆した際の均一性が低下したりすることを大幅に抑制できる。しかも、負の第１レンズＧ１と正の第４レンズＧ４の間に、合成すれば負となるような第２レンズＧ２（負）と第３レンズＧ３（正）を配置することにより、収差の少ない像を得ることができる。

本実施形態において、最も拡大側に配された第１レンズＧ１は大口径化することができる。第１レンズＧ１は、ガラス材料を用いて製造するとことも可能であるが、製造コストを抑制する観点からは、例えば屈折率が１．５５以下のプラスチック材料を用いて射出成形技術により形成するのが望ましい。本実施形態では、非球面レンズである第１レンズＧ１の最大傾斜角を５０度未満と小さく設定しているため、プラスチック材料を用いて射出成形した場合でも形状誤差を抑制でき、さらに成形後に反射防止膜をコーティングする際の膜厚むらや密着不良を抑制することができる。

本実施形態では、第１群レンズ１００を前述の構成にして良好な収差補正を行うとともに、それと組み合わせる第２群レンズ２００を７枚のレンズを備えた構成とし、投射倍率やズーム比はもとより、光変調デバイスから入射する投映光の瞳位置やバックフォーカスをも勘案した構成を備えている。

後に図２を参照して画像投射装置の全体構成を説明するが、例えば、光変調デバイス８００から投映用の光を取り込み、周辺光量比が低下するのを抑制しつつ拡大投射するためには、第２群レンズ２００内の光変調デバイス８００に比較的近い位置に絞りを配置する必要がある。このため、本実施形態では、第２群レンズ２００の第１０レンズＧ１０と第１１レンズＧ１１の間、すなわち光学面１８と光学面２０の間に、絞り面１９（ＳＴＯＰ）を配置している。ただし、後述する実施例３のように、第９レンズＧ９と第１０レンズＧ１０の間に絞り面を配置してもよい。

また、本実施形態の画像投射用ズームレンズを画像投射装置に装着する際に、図２に示すように光変調デバイス８００の近傍にＯＦＦ光吸収板９００や集光ミラー１６０を配置できるようにするために、本実施形態では第２群レンズ２００を７枚のレンズを備えた上述の構成とし、適切なバックフォーカスを設定している。

（画像投射装置）
次に、図２を参照しながら、上述した画像投射用ズームレンズ１０００を備えた画像投射装置について説明する。
最初に画像投射装置に含まれる光源装置の部分について説明し、その後に画像投射装置の全体構成を説明する。

（光源装置）
図２において、１０１はモータ、１０２は回転体、１０３は蛍光体、１０４は励起光源ユニット、１０５はダイクロイックミラー、１０６は集光レンズ、１０７は１／４波長板、１０８は励起光源側レンズである。

励起光源ユニット１０４は、青色レーザ光源と、励起光を整形するための光学レンズ群を有している。励起光源ユニット１０４には、アレイ状に配置された複数の青色レーザ光源と、青色レーザ光源の各々に対応して配置された複数のコリメートレンズが一体化されたモジュールを用いるのが好適である。各モジュールには、例えば青色レーザ光源が２×４にマトリクス配列された発光素子アレイが含まれている。ただし、１つのモジュールに含まれるマトリクス配列の規模は、この例に限られるものではない。より大規模なマトリクス配列でもよいし、縦横が同数のマトリクス配列であってもよい。青色レーザ光源は、例えば波長４５５ｎｍの光を発する半導体レーザである。各レーザ光源から出力される光は、レンズの作用により、ほぼ平行な光線として励起光源ユニット１０４から出射する。

励起光源ユニット１０４と回転体１０２の間には、励起光源側レンズ１０８、ダイクロイックミラー１０５、１／４波長板１０７、集光レンズ１０６が配置されている。
励起光源側レンズ１０８は、励起光源ユニット１０４から出射されるコリメートされたＰ偏光の青色光を、焦点Ｆｘに向けて集束させながら、ダイクロイックミラー１０５方向に伝達する。ダイクロイックミラー１０５は、励起光源ユニット１０４が出射した励起光Ｅｘを蛍光体１０３に向けて透過させる。

本装置には、モータ１０１により回転可能な回転体１０２の主面上に蛍光体１０３が設けられている。回転体１０２の主面上には、発光波長特性が異なる赤色蛍光体と緑色蛍光体が、回転体１０２の回転軸ＲＡを中心としたリング領域の一部に被覆されている。そして、蛍光の取出し効率を高めるように、蛍光体が設けられているリング領域の下地には、回転体１０２の方向に放射された蛍光を集光レンズ側に反射するための反射面が設けられている。回転体１０２のリング領域の一部には蛍光体が塗布されずに、励起光を反射するための反射部が設けられている。反射部は、青色レーザ光を高い効率で反射するように鏡面加工しておくのが望ましい。
このような回転体１０２を回転させておくことにより、励起光Ｅｘは、赤色蛍光体か、緑色蛍光体か、反射部かのいずれかを照射する。

励起光Ｅｘが集光される位置に、緑色蛍光体が存在するような回転タイミングにおいては、緑色の蛍光が発せられる。同様に、赤色蛍光体が存在するような回転タイミングにおいては、赤色の蛍光が発せられる。また、反射部が存在するような回転タイミングにおいては、励起光Ｅｘ（青色光）は反射される。

緑色蛍光、赤色蛍光、反射された青色光は、集光レンズ１０６によって集光され、ダイクロイックミラー１０５に入射する。尚、反射部で反射された青色光は、再び１／４波長板１０７を経由することでＳ偏光に変換されてダイクロイックミラー１０５に入射する。ダイクロイックミラー１０５は、赤色蛍光体および緑色蛍光体が発する蛍光を反射する。また、Ｓ偏光に変換された青色光も反射する。
ダイクロイックミラー１０５で反射される方向（主光線の反射方向）には、投射型表示装置の照明光学系が配置されている。

尚、本実施形態の光源装置では、赤色蛍光体と緑色蛍光体を用いたが、光源装置に求められる仕様に応じて、上記以外の発光色の蛍光体を用いてもよい。蛍光体の色の組み合わせに応じて、適宜ダイクロイックミラーの透過／反射特性を変更すれば、さまざまな仕様の光源装置を実現することが可能である。

（画像投射装置の全体構成）
次に、上記光源装置と本発明の実施形態である画像投射用ズームレンズ１０００を備えた画像投射装置の全体構成を説明する。
図２に示す投射型表示装置は、上記説明の光源装置を照明光源として用いており、さらに、リレーレンズ１０９、１１０、色選択ホイール１２０、ライトトンネル１４０、照明レンズ１５０、集光ミラー１６０、光変調デバイス８００、ＯＦＦ光吸収板９００、本実施形態に係る画像投射用ズームレンズ１０００、を備えている。さらに、投影スクリーン１９０を備える場合もある。

リレーレンズ１１０は、光源装置が発する照明光を、画像投射用ズームレンズ１０００のＦナンバーに適合させるべく所定のＮＡに設定してライトトンネル１４０の入射口に集光するためのレンズである。リレーレンズは、必ずしも１枚のレンズで構成しなければならないわけではない。また、ＮＡが十分である場合には、設けなくともよい。

色選択ホイール１２０は、回転軸Ａｃを中心に回転可能な板状回転体で、Ｒ、Ｇの各色フィルターと、青色光を透過させるための扇状の切り欠き（光透過部）が設けられている。各色のカラーフィルターは、不要な波長域の光をカットして、表示光の色純度を高めるために設けられている。ただし、青色光は色純度が高いレーザ光であり、フィルターを設ける必要がないため、切り欠き部としているのである。

蛍光体が付与された回転体１０２と色選択ホイール１２０とは、同期して回転しており、前者の赤色蛍光体が発光している時にはＲフィルターが、緑色蛍光体が発光している時にはＧフィルターが、青色の励起光が反射している時には光透過部が光路上に位置するように回転タイミングが調整されている。尚、蛍光体の発光色純度が十分に高い場合には、色選択ホイールを設けなくてもよい場合があり得る。照明レンズ１５０は、ライトトンネル１４０で伝播された光を、光変調デバイス８００を照明するのに適した光束に整形するレンズである。単数もしくは複数のレンズで構成される。

集光ミラー１６０は、光変調デバイス８００に向けて照明光を反射する機能を有する。光変調デバイス８００で反射された表示光が画像投射用ズームレンズ１０００の入射瞳に向けて集光するようにするため、集光ミラー１６０は照明光を適宜集光させて光変調デバイス８００に向けて反射する。尚、凹面ミラーである集光ミラー１６０の代わりに、例えば平板ミラーと凸レンズを組合わせたような別の集光手段を用いて、光変調デバイス８００に照明光を照射してもよい。

光変調デバイス８００は、映像信号に応じて画素に対応する微細ミラーの角度を変えることで照射される照明光に対して変調を行うＤＭＤ素子である。光変調デバイス８００は、照明光の内、表示光として投影スクリーン１９０に到達させる光（ＯＮ光）を画像投射用ズームレンズ１０００に向けて反射させ、投影スクリーン１９０に表示させない光（ＯＦＦ光）を近傍に配置されたＯＦＦ光吸収板９００に向けて反射させる。ＯＦＦ光吸収板９００は、照射されたＯＦＦ光（スクリーンに表示しない光）を吸収して熱に変換する。ＯＦＦ光吸収板９００を設けることにより、ＯＦＦ光が画像投射装置内で乱反射して迷光となるのが防止され、ゴーストが抑制され、コントラストが高い画像を投射することが可能となる。

尚、前述のように、光変調デバイス８００にはマイクロミラーデバイスをアレイ状に設けたＤＭＤが好適に用いられるが、反射型液晶デバイスのような、ＤＭＤ以外の反射型光変調デバイスを用いることも可能である。
投影スクリーン１９０は、映画館や会議室等では用いられるが、ユーザが任意の壁面などに投射する場合には、必ずしも備える必要はない。

本実施形態の画像投射用ズームレンズ１０００を備える画像投射装置は、製造性に優れ、変倍率の大きさと明るさを高いレベルで両立させることができ、高画質の画像を投射することが可能である。

次に、画像投射用ズームレンズ１０００の具体例として、実施例１〜実施例３を挙げて説明をする。図５は、実施例１〜実施例３に係る画像投射用ズームレンズの主要諸元をまとめて示した表であり、各実施例が前述した条件（Ａ）〜条件（Ｄ）を満足していることを合わせて示している。以下、各実施例について個別に説明してゆく。

尚、各実施例の説明文や参照図面においては、下記の記号を用いる場合がある。
ｒ：当該光学面の曲率半径
ｄまたはＤ：当該光学面と、光変調デバイス側に隣接している光学面との距離
Ｎｄ：当該光学面を含むレンズの材料のｄ線（５８７．５６ｎｍ）に対する屈折率
Ｖｄ：当該光学面を含むレンズのアッベ数
ｆ：ｅ線（５４６．０７ｎｍ）に対する焦点距離
Ｆ：Ｆナンバー
Ｈ：像高

［実施例１］
実施例１は、図１に示した構成の画像投射用ズームレンズ１０００の具体的な一例である。図６（ａ）は、ズームレンズを構成する各光学要素について、数値をまとめて示した表である。また、図６（ｂ）は、実施例１のズームレンズについて、第１群レンズ１００と第２群レンズ２００の間隔Ｄ８と、第２群レンズ２００の後端とカバーガラスＣＧの間隔Ｄ２１と、広角端および望遠端における諸元と、をまとめて示した表である。

第１群レンズ１００の第１レンズＧ１は非球面レンズであるが、図６（ａ）の曲率半径ｒ欄には、球面に近似した場合の概算値が示されている。厳密には、第１レンズＧ１の光学面１および光学面２の形状は、図７（ａ）に示す数式において、係数として図７（ｂ）の左欄に示す数値を用いることにより表される。

次に、実施例１の画像投射用ズームレンズの光学特性を示す。以下では、非点収差、歪曲収差や、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色波長に対する色収差について説明する。
まず、図８に示す３つのグラフは、広角端における球面収差、非点収差、および歪曲収差の特性を示している。また、図９は、広角端において像高Ｈを０［ｍｍ］から１２［ｍｍ］まで変化させた場合のメリディオナルコマ収差（図面左側のグラフ）とサジタルコマ収差（図面右側のグラフ）を示している。

また、図１０に示す３つのグラフは、望遠端における球面収差、非点収差、および歪曲収差の特性を示している。さらに、図１１は、望遠端において像高Ｈを０［ｍｍ］から１２［ｍｍ］まで変化させた場合のメリディオナルコマ収差（図面左側のグラフ）とサジタルコマ収差（図面右側のグラフ）を示している。

これらのグラフからわかるように、本実施例の画像投射用ズームレンズは、倍率の色収差およびコマフレアが抑制されており、諸収差は良好に補正されている。もちろん、本実施例では非球面レンズである第１レンズＧ１の光学面形状が工夫されることにより、図４（ｂ）に示した最大傾斜角θは、図５の（Ｄ）欄に示すように５０度未満に設定されており、射出成形における形状誤差や、成形後に反射防止膜をコーティングする際の膜厚むらや密着不良が抑制されている。すなわち、非球面レンズである第１レンズＧ１は製造性に優れており、画像投射用ズームレンズは変倍率の大きさと明るさを高いレベルで両立させることができるため、高い画質で画像を投射することができる。

［実施例２］
実施例２は、実施例１と同様に図１に示した構成の画像投射用ズームレンズ１０００の具体的な一例であるが、実施例１に対してレンズの材質、特に第１群レンズ１００の第２レンズＧ２の材質を変更した一例である。

図１２（ａ）は、ズームレンズを構成する各光学要素について、数値をまとめて示した表であるが、図６（ａ）に示した第１実施例と比べると、第２レンズＧ２の光学物性が大きく異なるのがわかる。すなわち、本実施例では、第２レンズＧ２に屈折率Ｎｄが比較的小さいが安価な光学材料を用いることとし、それに伴って第３レンズＧ３と第４レンズＧ４を変更している。

図１２（ｂ）は、実施例２のズームレンズについて、第１群レンズ１００と第２群レンズ２００の間隔Ｄ８と、第２群レンズ２００の後端とカバーガラスＣＧの間隔Ｄ２１と、広角端および望遠端における諸元と、をまとめて示した表である。

第１群レンズ１００の第１レンズＧ１は非球面レンズであるが、図１２（ａ）の曲率半径ｒ欄には、球面に近似した場合の概算値が示されている。厳密には、第１レンズＧ１の光学面１および光学面２の形状は、図７（ａ）に示す数式において、係数として図７（ｂ）の中央欄に示す数値を用いることにより表される。

次に、実施例２の画像投射用ズームレンズの光学特性を示す。以下では、非点収差、歪曲収差や、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色波長に対する色収差について説明する。
まず、図１３に示す３つのグラフは、広角端における球面収差、非点収差、および歪曲収差の特性を示している。また、図１４は、広角端において像高Ｈを０［ｍｍ］から１２［ｍｍ］まで変化させた場合のメリディオナルコマ収差（図面左側のグラフ）とサジタルコマ収差（図面右側のグラフ）を示している。

また、図１５に示す３つのグラフは、望遠端における球面収差、非点収差、および歪曲収差の特性を示している。さらに、図１６は、望遠端において像高Ｈを０［ｍｍ］から１２［ｍｍ］まで変化させた場合のメリディオナルコマ収差（図面左側のグラフ）とサジタルコマ収差（図面右側のグラフ）を示している。

これらのグラフからわかるように、本実施例の画像投射用ズームレンズは、倍率の色収差およびコマフレアが抑制されており、諸収差は良好に補正されている。もちろん、本実施例では非球面レンズである第１レンズＧ１の光学面形状が工夫されることにより、図４（ｂ）に示した最大傾斜角θは、図５の（Ｄ）欄に示すように５０度未満に設定されており、射出成形における形状誤差や、成形後に反射防止膜をコーティングする際の膜厚むらや密着不良が抑制されている。すなわち、非球面レンズである第１レンズＧ１は製造性に優れており、画像投射用ズームレンズは変倍率の大きさと明るさを高いレベルで両立させることができるため、高い画質で画像を投射することができる。さらに、本実施例では第２レンズＧ２に安価な光学材料を採用することにより、実施例１よりも更に低コストで画像投射用ズームレンズを実現している。

［実施例３］
図１７に、実施例３にかかる画像投射用ズームレンズの光学構成を示す。実施例１および実施例２では、第２群レンズ２００の第９レンズＧ９と第１０レンズＧ１０を接合するとともに、第１０レンズＧ１０と第１１レンズＧ１１の間（すなわち光学面１８と光学面２０の間）に、絞り面１９（ＳＴＯＰ）を配置していた。これに対して、実施例３では、図１７に示すように、第９レンズＧ９と第１０レンズＧ１０を接合する代わりに第８レンズＧ８と第９レンズＧ９を接合させ、第９レンズＧ９と第１０レンズＧ１０の間（すなわち光学面１６と光学面１８の間）に絞り面１７（ＳＴＯＰ）を配置している。

図１８（ａ）は、ズームレンズを構成する各光学要素について、数値をまとめて示した表である。また、図１８（ｂ）は、実施例３のズームレンズについて、第１群レンズ１００と第２群レンズ２００の間隔Ｄ８と、第２群レンズ２００の後端とカバーガラスＣＧの間隔Ｄ２１と、広角端および望遠端における諸元と、をまとめて示した表である。

第１群レンズ１００の第１レンズＧ１は非球面レンズであるが、図１８（ａ）の曲率半径ｒ欄には、球面に近似した場合の概算値が示されている。厳密には、第１レンズＧ１の光学面１および光学面２の形状は、図７（ａ）に示す数式において、係数として図７（ｂ）の右欄に示す数値を用いることにより表される。

次に、実施例１の画像投射用ズームレンズの光学特性を示す。以下では、非点収差、歪曲収差や、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色波長に対する色収差について説明する。
まず、図１９に示す３つのグラフは、広角端における球面収差、非点収差、および歪曲収差の特性を示している。また、図２０は、広角端において像高Ｈを０［ｍｍ］から１２［ｍｍ］まで変化させた場合のメリディオナルコマ収差（図面左側のグラフ）とサジタルコマ収差（図面右側のグラフ）を示している。

また、図２１に示す３つのグラフは、望遠端における球面収差、非点収差、および歪曲収差の特性を示している。さらに、図２２は、望遠端において像高Ｈを０［ｍｍ］から１２［ｍｍ］まで変化させた場合のメリディオナルコマ収差（図面左側のグラフ）とサジタルコマ収差（図面右側のグラフ）を示している。

［その他の実施形態］
本発明の実施は、上述した実施形態や具体的な実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
例えば、本発明の画像投射用ズームレンズを備えた画像投射装置は、図２を参照して説明した形態に限るわけではない。例えば、図２３に示すように、光源装置の構成が異なる画像投射装置であってもよい。

図２３において、２０２は緑色発光のＬＥＤであるＧ色ＬＥＤ、２０３は青色発光のＬＥＤであるＢ色ＬＥＤ、２０４は赤色発光のＬＥＤであるＲ色ＬＥＤ、２０１は各ＬＥＤを個別に支持する支持基板、２０５は各ＬＥＤの光を個別にコリメートするコリメートレンズ、２０６と２０７はダイクロイックミラー、１１０はリレーレンズである。例えば、Ｇ色ＬＥＤ２０２の発光波長は５２５ｎｍ、Ｂ色ＬＥＤ２０３の発光波長は４６０ｎｍ、Ｒ色ＬＥＤ２０４の発光波長は６１０ｎｍとする。

ダイクロイックミラー２０６は、緑色光を透過し、青色光を反射する。また、ダイクロイックミラー２０７は、青色光および緑色光を透過し、赤色光を反射する。このような特性のダイクロイックミラーを配置することにより、各色光の光路を揃えた合成光源が構成される。このような照明系を用いる場合には、色選択ホイールを設ける必要はない。各色のＬＥＤを時分割して点灯させ、それと同期させて光変調デバイスを各色フレーム画像に基づいて駆動することにより、カラー画像を投射することができる。

このように、本発明の画像投射用ズームレンズを備えた画像投射装置には、様々な光源装置が用いられ得る。場合によっては、ＬＥＤに代えてレーザダイオードを用いてもよい。また、光源装置から光変調デバイスに照明光を導く光学系も、上記の例に限られるわけではない。

１〜２４・・・光学面／１００・・・第１群レンズ／１０１・・・モータ／１０２・・・回転体／１０３・・・蛍光体／１０４・・・励起光源ユニット／１０５・・・ダイクロイックミラー／１０６・・・集光レンズ／１０７・・・４分の１波長板／１０８・・・励起光源側レンズ／１０９、１１０・・・リレーレンズ／１２０・・・色選択ホイール／１４０・・・ライトトンネル／１５０・・・照明レンズ／１６０・・・集光ミラー／１９０・・・投影スクリーン／２００・・・第２群レンズ／２０１・・・支持基板／２０２・・・Ｇ色ＬＥＤ／２０３・・・Ｂ色ＬＥＤ／２０４・・・Ｒ色ＬＥＤ／２０５・・・コリメートレンズ／２０６、２０７・・・ダイクロイックミラー／８００・・・光変調デバイス／９００・・・ＯＦＦ光吸収板／１０００・・・画像投射用ズームレンズ／Ａｃ・・・色選択ホイールの回転軸／Ｅｘ・・・励起光／ＲＡ・・・回転体の回転軸

Claims

拡大側から順に負のパワーを有する第１群レンズと、正のパワーを有する第２群レンズが配置され、前記第１群レンズと前記第２群レンズの間隔を変化させることにより変倍を行う２群構成のズームレンズであって、
前記第１群レンズは、拡大側から順に並ぶ負の非球面レンズＧ１、負のレンズＧ２、正のレンズＧ３、正のレンズＧ４から成り、
前記第１群レンズの焦点距離をｆ１、前記第２群レンズの焦点距離をｆ２、前記ズームレンズの広角端における焦点距離をｆｗ、前記非球面レンズＧ１の焦点距離をｆＧ１、光軸に対する法線を基準にして前記非球面レンズＧ１の光学面がなす最大傾斜角をθとしたとき、
１．３＜｜ｆ１｜／ｆ２＜１．８
２．３＜｜ｆ１｜／ｆｗ＜３．０
１．４＜｜ｆＧ１｜／｜ｆ１｜＜１．９
ｔａｎθ＜１．１９
を満足する、
ことを特徴とする画像投射用ズームレンズ。
前記負の非球面レンズＧ１は、屈折率が１．５５以下のプラスチック材料で形成され、凹面が縮小側に向くように配置され、
前記正のレンズＧ４は、凸面を前記拡大側に向けたメニスカスレンズである、
ことを特徴とする請求項１に記載の画像投射用ズームレンズ。
前記第２群レンズは、拡大側から順に並ぶ正のレンズＧ５、正のレンズＧ６、負のレンズＧ７、負のレンズＧ８、正のレンズＧ９、負のレンズＧ１０、正のレンズＧ１１から成る、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の画像投射用ズームレンズ。
前記第２群レンズには、前記正のレンズＧ９と前記負のレンズＧ１０の間、もしくは前記負のレンズＧ１０と前記正のレンズＧ１１の間に、絞りが配置されている、
ことを特徴とする請求項３に記載の画像投射用ズームレンズ。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の画像投射用ズームレンズと、
光源装置と、光変調デバイスと、を備える、
ことを特徴とする画像投射装置。