JP4709626B2

JP4709626B2 - レンズ装置

Info

Publication number: JP4709626B2
Application number: JP2005287171A
Authority: JP
Inventors: 泰斗黒田; 雅之稲本
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2025-09-30
Also published as: US20070076305A1; JP2007094334A; US7403348B2

Description

本発明は、レンズを光軸方向に移動させることによって、フォーカス調整を行うレンズ装置に関するものである。

近年、大画面表示デバイスとして、リアプロジェクションテレビが注目されている。リアプロジェクションテレビは、筐体に組み込まれたスクリーンと、スクリーンの背後に設置された平面鏡と、平面鏡に向けて投影光を投射する光学エンジン（プロジェクタ本体）とから構成されている。光学エンジンには、高輝度光源の光から均一照明光をつくる照明光学系と、照明光を変調して原画像を形成する画像表示素子と、画像表示素子によって画像情報が与えられた投影光を拡大投射する投影光学系とから構成されている。

この投影光学系を構成するレンズに、非球面レンズが多用されている。この非球面レンズは、プラスチックの射出成形や、ガラスモールドによって作成されることが一般的である。例えばプラスチックの射出成形による非球面レンズの場合、射出成形時のゲートが残る他、成形時の樹脂の流れを示すウエルドラインができてしまうため、プラスチック製の非球面レンズを投影光学系の部品として組み込む場合には、ゲートや、ウエルドラインの位置を、投影される画像の有効投影範囲から外れる位置に保持した状態で組み込むことで、画質の劣化を防止するようにしている（特許文献１）。
特開２００４−３６１６２０号公報

最近では、投影される画像のサイズが異なるプロジェクションテレビのそれぞれに対して同一の光学エンジンを用いて、光学部品の共通化を行うことが考えられている。この場合、投影光学系からスクリーンまでの距離を変えることで、画像のサイズを変更することが可能となるが、光学エンジンは、ある特定のサイズに合わせて組み込まれているため、異なる画像サイズのプロジェクションテレビに組み込む場合には、フォーカス調整を行う必要がある。このフォーカス調整は、投影光学系を光軸方向に移動させることで可能となる。例えば投影光学系を光軸方向に移動させる方法として、ヘリコイドネジを用いることが一般的であるが、ヘリコイドネジを用いた場合には、上述したプラスチック製の非球面レンズに生じるゲートやウエルドラインの位置が、投影される画像の有効投影範囲内に位置してしまう他、非球面レンズの位置がずれることで、投影される画像の像面歪曲の程度が変化し、投影される画像の画質が劣化してしまう原因となる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、プラスチックレンズを用いた投影光学系によるフォーカス調整の際に生じる画質の劣化を防止することができるようにしたレンズ装置を提供することを目的とする。

本発明のレンズ装置は、複数のレンズを光軸方向に移動させることで、投影面に投影される画像に対するフォーカス調整を行うとともに、前記複数のレンズのうち、前記投影面側に配置された非球面のプラスチックレンズによって前記投影面に投影される画像の像面歪曲の調整を行うレンズ装置において、前記プラスチックレンズを保持する第１移動筒と、前記複数のレンズのうち、前記プラスチックレンズ以外のレンズを保持する第２移動筒と、第２の移動筒を保持する保持筒と、前記第１移動筒と第２移動筒とのそれぞれに設けられ、前記第１移動筒を光軸周りに回転させることで、前記プラスチックレンズを光軸方向に移動させる第１のヘリコイドネジと、前記第２移動筒と保持筒とのそれぞれに設けられ、前記第２移動筒を光軸周りに回転させることで、前記第１移動筒、第２移動筒にそれぞれ保持されたレンズを光軸方向に移動させる第２のヘリコイドネジと、を備え、前記第２のヘリコイドネジを用いて、前記複数のレンズにおけるフォーカス調整を行った後、前記第１のヘリコイドネジを用いて前記像面歪曲の調整が行われるとともに、この像面歪曲の調整時に、前記プラスチックレンズに設けられたゲート部近傍の領域が前記投影される画像の有効投影領域から外れるように、前記プラスチックレンズの回転位置の調整も行われることを特徴とする。

また、前記第１のヘリコイドネジを用いた像面歪曲の調整によって回転する前記プラスチックレンズの回転位置が、前記第２のヘリコイドネジを用いたフォーカス調整前の回転位置、或いは、その近傍となることを特徴とする。

本発明のレンズ装置によれば、複数のレンズを光軸方向に移動させることで、投影面に投影される画像に対するフォーカス調整を行うとともに、前記複数のレンズのうち、前記投影面側に配置された非球面のプラスチックレンズによって前記投影面に投影される画像の像面歪曲の調整を行うレンズ装置において、前記プラスチックレンズを保持する第１移動筒と、前記複数のレンズのうち、前記プラスチックレンズ以外のレンズを保持する第２移動筒と、第２の移動筒を保持する保持筒と、前記第１移動筒と第２移動筒とのそれぞれに設けられ、前記第１移動筒を光軸周りに回転させることで、前記プラスチックレンズを光軸方向に移動させる第１のヘリコイドネジと、前記第２移動筒と保持筒とのそれぞれに設けられ、前記第２移動筒を光軸周りに回転させることで、前記第１移動筒、第２移動筒にそれぞれ保持されたレンズを光軸方向に移動させる第２のヘリコイドネジと、を備え、前記第２のヘリコイドネジを用いて、前記複数のレンズにおけるフォーカス調整を行った後、前記第１のヘリコイドネジを用いて前記像面歪曲の調整が行われるとともに、この像面歪曲の調整時に、前記プラスチックレンズに設けられたゲート部近傍の領域が前記投影される画像の有効投影領域から外れるように、前記プラスチックレンズの回転位置の調整も行われるから、投影される画像の画質が劣化することを防止することができる。

また、前記第１のヘリコイドネジを用いた像面歪曲の調整によって回転する前記プラスチックレンズの回転位置が、前記第２のヘリコイドネジを用いたフォーカス調整前の回転位置、或いは、その近傍となるので、投影される画像のサイズが変化した場合であっても、投影される画像の画質が劣化することを防止することができる。

図１において、リアプロジェクション装置２は、筐体３の前面に設けられたスクリーン４と、スクリーン４の背後に設けられた平面鏡５と、光学エンジン６を備えている。平面鏡５は、スクリーン４に対して傾斜された状態で取り付けられている。光学エンジン６は、その長手方向が、スクリーン４と直交する方向となるように組み込まれている。この光学エンジン６から出射される投影光は斜め上方に投射され、平面鏡５を反射してスクリーン４上に画像を投影させる。スクリーン４の裏面には、左右の反転した投影画像が映し出され、スクリーン４の表側では投影画像が正しい向きで観察される。

光学エンジン６は、異なる画像サイズのリアプロジェクション装置に共通使用できるように構成されている。この光学エンジン６は、スクリーンに投影される投影画像の大きさが例えば５５．６３インチ（公称５５インチ）を基準とするように構成されており、例えば、共通の光学エンジンを用いて、投影画像の大きさを５５．６３インチ以外の大きさとするリアプロジェクション装置で使用する場合には、スクリーン４から平面鏡５までの距離Ｕを変化させることで、投影画像の大きさを変えることになる。

図２は、光学エンジン６の構成の概略を示す斜視図である。この光学エンジン６は光源装置１０、照明光学系１１、色分離・合成光学系１２、投影光学系１３とから構成されている。光源装置１０には、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプなどの高輝度光源が用途に応じて使用される。光源装置１０からの出射光は、照明光学系１１を透過して強度の均一な照明光となる。照明光学系１１は、フライアイレンズや偏光変換素子、コンデンサレンズなどを備えている。

色分離・合成光学系１２は、ダイクロイックミラー１５、偏光プリズム１６、ダイクロイックプリズム１７、合成プリズム１８等を備えている。ダイクロイックミラー１５は、白色照明光を青色照明光とイエロー照明光とに分離する。青色照明光はダイクロイックミラー１５を透過して直進し、イエロー照明光はダイクロイックミラー１５を反射して直角方向に進行する。

偏光プリズム１６は、青色照明光の進行方向に対して４５度に傾斜した偏光反射面１６ａを有し、ダイクロイックミラー１５を透過した青色照明光を液晶表示素子２０Ｂに向けて反射するとともに、液晶表示素子２０Ｂを反射した画像情報を有する青色投影光を透過させる。

ダイクロイックプリズム１７は、ダイクロイックミラー１５を反射したイエロー照明光を赤色照明光と緑色照明光とに分離するダイクロイック面１７ａを有する。液晶表示素子２０Ｇは、ダイクロイック面１７ａを反射した緑色照明光を画像情報を有する緑色投影光に変調する。液晶表示素子２０Ｒは、ダイクロイック面１７ａを透過した赤色照明光を画像情報を有する赤色投影光に変調する。液晶表示素子２０Ｇから出射された緑色投影光は、ダイクロイック面１７ａを透過して直進し、液晶表示素子２０Ｒから出射された赤色投影光は、ダイクロイック面１７ａを反射して直角方向に進行して二色の投影光が合成される。

合成プリズム１８は、偏光プリズム１６から入射した青色投影光と、ダイクロイックプリズム１７から入射した赤色・緑色投影光を、フルカラーの画像情報を有する投影光として合成する。

液晶表示素子２０Ｂ，２０Ｇ，２０Ｒは、多数の液晶画素がマトリクス状に配列されて構成され、各色照明光を画素ごとに変調し、照明光に画像情報を付与する。３枚の液晶表示素子により、各色の照明光は画像情報を有する投影光に変調される。各液晶表示素子は、例えば１６対９のアスペクト比を有する長方形状の表示画面を有しており、互いの表示画面の短辺が平行となる横長姿勢で配置されている。

投影光学系１３は、後群光学系２５、反射ミラー２６、前群光学系２７とから構成されている。後群光学系２５は、合成プリズム１２によって合成された投影光が入射される。なお、後群光学系２５を透過した投影光は、反射ミラー２６によって、投影光の光軸方向が光軸Ｌ１から光軸Ｌ２となるように反射された後、前群光学系２７に入射される。前群光学系２７は、スクリーン４側に配置された投写レンズＧ１と、複数枚のレンズＧ２，Ｇ３，Ｇ４から構成され、反射ミラー２６によって反射された投影光を入射した後、平面鏡５に向けて出射する。これにより、各液晶表示素子２０Ｒ、２０Ｂ、２０Ｇによって形成される画像は、投影光学系１３によってスクリーン４上で結像される。

図３に示すように、前群光学系２７は、投写レンズＧ１と、レンズＧ２，Ｇ３，Ｇ４とから構成されている。この投写レンズＧ１は、像面歪曲を補正するために用いられるレンズである。この投写レンズＧ１は、非球面レンズであって、例えばプラスチックレンズから構成されており、投写レンズＧ１の外周面に射出成形時のゲート部３１が設けられている（図５参照）。例えば、射出成形の際に、ゲート部３１の近傍の領域３２や、領域３３に、成形時の樹脂の流れを示すウエルドラインが生成されてしまうことがある。一方、各液晶表示素子は横長に配置されているので、投写レンズＧ１における有効投影範囲３４は図５中二点差線で示す領域となるので、上述した領域３２、３３は、有効投影範囲３４から外れた位置となるように、光学エンジン６に組み込まれる。

図４は、前群光学系１３を光軸Ｌ２方向に移動させる移動機構の構成を示すものである。第１移動筒４０は、径の異なる２段の筒部４１，４２から構成されており、投写レンズＧ１は径の大きい筒部４１の内部に保持される。一方、径の小さい筒部４２の内周面には、雌ヘリコイドネジ４３が設けられている。また、筒部４２の外周面４２ａには、第２移動筒４５の筒部４６に設けられたネジ孔４９に螺合するネジ５６が挿通される長孔４２ｂが設けられている。

第２移動筒４５は、径の異なる２段の筒部４６，４７から構成され、これら筒部４６，４７の内部に、レンズＧ２，Ｇ３，Ｇ４が保持される（図３参照）。これら筒部４６，４７のうち、径の大きい筒部４６の外周面には第１移動筒４０の筒部４２の内周面に設けられた雌ヘリコイドネジ４３と螺合する雄ヘリコイドネジ４８が設けられている。また、筒部４６にはネジ５６と螺合するネジ孔４９が設けられている。また、径の小さい筒部４７の外周面には、雄ヘリコイドネジ５０が設けられている。なお、符号５１は、ネジ５７が螺合するネジ孔である。

保持筒５３は、保持枠５４（図３参照）に組み付けられる部品である。この保持筒５３は、その外周面５３ａに、第２移動筒４５の筒部４７に設けられた雄ヘリコイドネジ５０と螺合する雌ヘリコイドネジ５５が設けられている。また、保持筒５３の外周面５３ａには、ネジ５７が挿通される長孔５３ｂが形成されている。なお、以下では、第１移動筒４０の筒部４２に設けられた雌ヘリコイドネジ４３と、第２移動筒４５の筒部４６に設けられた雄ヘリコイドネジ４８とを第１ヘリコイドネジ６５として、保持筒５３に設けられた雌ヘリコイドネジ５５と、第２移動筒４５の筒部４７に設けられた雄ヘリコイドネジ５０とを第２ヘリコイドネジ６６として、それぞれ説明する。この第１ヘリコイドネジ６５と、第２ヘリコイドネジ６６のネジ切り方向が逆となるようにそれぞれのネジが製造されている。

上述したように、この光学エンジン６は、投影画像のサイズが異なる複数のリアプロジェクション装置に共通して使用することができるようにして構成されており、また、投影画像の大きさが例えば５５インチを基準として設計されている。これにより、投影画像の大きさが異なるリアプロジェクション装置に光学エンジン６を組み込んだ場合、投影される投影光がスクリーン４上で結像しなくなるため、第２ヘリコイドネジ６６を利用して、前群光学系１３を光軸Ｌ２方向に移動させて投影光がスクリーン４上で結像するようにフォーカス調整を行う。

例えば、投影画像のサイズを５５インチよりも小さいリアプロジェクション装置に組み込まれる場合には、第２移動筒４５を図４中Ａ方向に回転させ、第２移動筒４５を図４中Ｂ方向に、つまりスクリーン４側に移動させる。一方、例えば、投影画像のサイズが５５インチよりも大きいリアプロジェクション装置に組み込まれる場合には、第２移動筒４５を図４中Ｃ方向に回転させ、第２移動筒４５を図４中Ｄ方向に、つまり、反射ミラー２６側に移動させる。その後、ネジ５７によって第２移動筒４５を保持筒５３に固定する。なお、符号６７は、スペーサである。なお、このフォーカス調整を行うときには、第１移動筒４０は第２移動筒４５に固定されているので、第２移動筒４５を回転させた場合には、第１移動筒４０も同時に回転する。

このフォーカス調整の後、第１ヘリコイドネジ６５を利用して投写レンズＧ１を光軸Ｌ２方向に移動させて、投影画像における像面歪曲を補正する。例えば、フォーカス調整時に第２移動筒４５を平面鏡５側に移動させた場合には、第１移動筒４０を図４中Ｅ方向に回転させ、投写レンズＧ１を図４中Ｆ方向に、つまり、スクリーン４側に移動させる。一方、フォーカス調整時に第２移動筒４５を反射ミラー２６側に移動させた場合には、第１移動筒４０を図４中Ｈ方向に回転させ、投写レンズＧ１を図４中Ｉ方向に、つまり反射ミラー２６側に移動させる。そして、これら調整を行った後、第１移動筒４０を第２移動筒４５にネジ５６等によって固定する。なお、符号６８はスペーサである。

図５、図６に示すように、フォーカス調整を行った場合、第２移動筒４５の回転とともに第１移動筒４０が図５中Ｒ方向に回転するので、投写レンズＧ１の回転位置がずれることになる。この投写レンズＧ１の回転位置がずれることで、投写レンズＧ１に設けられたゲート部３１や、ウエルドラインが生成された領域３２、３３等が有効投影領域３４に被る位置する場合がある。しかしながら、投写レンズＧ１における像面歪曲の補正を実行する際に第１移動筒４０を図６中Ｓ方向に回転させるので、投写レンズＧ１に設けられたゲート部３１や、ウエルドラインが生成された領域３２、３３等が有効投影領域３４から外れることになる。これにより、画質の劣化を防止することができる。

前群光学系２７を設計したときに、各画像サイズに対するレンズ間の距離が決定される。図７〜図９に示すように、この光学エンジン６が５５インチを基準にして製造されている場合には、スクリーン４から平面鏡５までの距離Ｕは７０５ｍｍ、投写レンズＧ１とレンズＧ２との距離Ｐは４．６６ｍｍ、レンズＧ４と反射ミラー２６との距離Ｍは２６．４９ｍｍに設定される。

この光学エンジン６を投影画像の画像サイズが４３インチのリアプロジェクション装置に組み込んだ場合には、スクリーン４から平面鏡５までの距離Ｕは５６３ｍｍ、投写レンズＧ１とレンズＧ２との距離Ｐは４．９５ｍｍ、レンズＧ４と反射ミラー２６との距離Ｍは２６．７０ｍｍとなる。このため、４３インチの画像サイズのリアプロジェクション装置に光学エンジン６が組み込まれた場合、フォーカス調整時には、前群光学系は、ΔＭ＝０．２１ｍｍ移動させることになる。また、像面歪曲の補正時には、投写レンズＧ１は、ΔＰ＝０．２９ｍｍ移動させることになる。

この光学エンジン６を投影画像の画像サイズが７３インチのリアプロジェクション装置に組み込んだ場合には、スクリーン４から平面鏡５までの距離Ｕは９２０ｍｍ、投写レンズＧ１とレンズＧ２との距離Ｐは４．３９ｍｍ、レンズＧ４と反射ミラー２６との距離Ｍは２６．３１ｍｍとなる。このため、７３インチの画像サイズのリアプロジェクション装置に光学エンジン６が組み込まれた場合には、フォーカス調整時には、前群光学系は、ΔＭ＝−０．１８ｍｍ移動させることになる。また、像面歪曲の補正時には、投写レンズＧ１は、ΔＰ＝−０．２７ｍｍ移動させることになる。

第１移動筒４０の光軸Ｌ２方向の移動は、第１ヘリコイドネジ６５を利用して、第２移動筒４５の光軸Ｌ２方向への移動は、第２ヘリコイドネジ６６を利用して行われる。また、第１移動筒４０の光軸Ｌ２方向への移動時、つまり像面歪曲の補正時には、投写レンズＧ１に設けられたゲート部３１や、ウエルドラインが生成された領域３２、３３等が有効投影領域３４から外れるようにする必要があるので、第１ヘリコイドネジ６５のリードＲ１、第２ヘリコイドネジ６６のリードＲ２は、Ｘ＝│｛（ΔＭ／ΔＰ）×（Ｒ１／Ｒ２）｝│＝１を満足するように設定される。

例えば、Ｘ＝１を満足させる場合には、投写レンズＧ１における像面歪曲の補正を行ったときに、投写レンズＧ１の回転位置は基準位置に位置することになり、ウエルドラインが生成された領域３１，３２が有効投影領域３３から外れる。これにより、投影される画像の画質の劣化を防止することができる。しかしながら、第１ヘリコイドネジ６５のリードＲ１、第２ヘリコイドネジ６６のリードＲ２はそれぞれ一定、つまり、Ｒ１／Ｒ２が一定であるのにも係わらず、例えば４３インチの場合はΔＭ／ΔＰ＝０．７２、７３インチの場合はΔＭ／ΔＰ＝０．６７となり一定とはならないので、│｛（ΔＭ／ΔＰ）×（Ｒ１／Ｒ２）｝│＝１を満足することができない。しかしながら、各画像サイズにおけるΔＭ／ΔＰの値が近似すれば、投写レンズＧ１における像面歪曲の補正を行ったときに、投写レンズＧ１の回転位置が基準位置の近傍に位置することになり、ウエルドラインが生成された領域３２，３３が有効投影領域３４から外れることになる。

本実施形態では、第１移動筒を突出させる際の第１移動筒の回転方向と、第２移動筒を突出させる際の第２移動筒の回転方向とを逆方向としたが、これに限定する必要はなく、フォーカス調整時の第１移動筒の移動方向、或いは像面歪曲調整時の第２移動筒の移動方向によっては、第１移動筒と、第２移動筒とを同方向に回転させて調整を行うことも可能である。また、第１ヘリコイドネジと、第２ヘリコイドネジとのねじ切り方向が同一方向の場合もあるので、この場合には、第１移動筒と、第２移動筒とを同方向に回転させて調整を行う。

本実施形態では、フォーカス調整を行った後に、投写レンズを移動させることによって像面歪曲の補正を行ったが、これに限定する必要はなく、例えば基準となる投影画像の画像サイズとは異なる画像サイズのリアプロジェクション装置に、レンズＧ３とレンズＧ４との間を調整した光学エンジンを組み込むことも可能である。この場合、本実施形態と同様であり、フォーカス調整を行った後に、投写レンズＧ１を移動させて像面歪曲の補正を行う。

リアプロジェクション装置の内部構成を示す概略図である。光学エンジンの構成を示す斜視図である。投影光学系の構成を示す断面図である。前群光学系を光軸方向に移相させる移動機構を示す断面図である。基準位置に保持された投写レンズの正面図である。フォーカス調整を行った際の投写レンズの回転位置を示す正面図である。光学エンジンを画面サイズの異なるプロジェクション装置に組み込んだときの、スクリーンから平面鏡までの距離、及び、前群光学系を構成するレンズ間の距離、及び投影サイズが５５インチとなる場合を基準とした場合の移動量を示す表である。画像サイズと投写レンズＧ１の移動量ΔＰとの関係、及び画像サイズと前群光学系の移動量ΔＭとの関係を示すグラフである。画像サイズとスクリーンから平面鏡までの距離Ｕとの関係を示すグラフである。

符号の説明

２リアプロジェクション装置
４スクリーン
５平面鏡
６光学エンジン
１３投影光学系
２５後群光学系
２６反射ミラー
２７前群光学系
３１ゲート部
３４有効投影領域
４０第１移動筒
４５第２移動筒
５３保持筒
５４保持枠
６５第１ヘリコイドネジ
６６第２ヘリコイドネジ
Ｇ１投写レンズ

Claims

プラスチックレンズが収容されるとともに、雌雄一対が螺合する第１ヘリコイドネジの一方が形成された第１移動筒と、
前記プラスチックレンズと光軸上で組み合わされる複数のレンズが収容され、前端側に前記第１ヘリコイドネジの一方と螺合する他方が形成されて前記他方の第１ヘリコイドネジによって前記第１移動筒を移動自在に保持するとともに、後端側に第２ヘリコイドネジの一方が形成され、前記第１ヘリコイドネジのリードピッチと前記第２ヘリコイドネジのリードピッチの比が、画面サイズの変更に伴うフォーカス調整のための前記第２移動筒の移動量と、前記フォーカス調整に伴う像面歪曲補正のための前記第１移動筒の移動量との比の略逆数となるように設定された第２移動筒と、
前記第２ヘリコイドネジの他方が形成され、前記他方の第２ヘリコイドネジによって前記第２移動筒が保持されるとともに本体部材に固定される保持筒とを備えたことを特徴とするリアプロジェクタ用のレンズ装置。
前記プラスチックレンズの少なくとも１面は非球面に形成されることを特徴とする請求項１記載のリアプロジェクタ用のレンズ装置。