JP4739810B2

JP4739810B2 - 投射用レンズおよびプロジェクタ装置

Info

Publication number: JP4739810B2
Application number: JP2005134373A
Authority: JP
Inventors: 義次河野
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 2005-05-02
Filing date: 2005-05-02
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2025-05-02
Also published as: JP2006309076A

Description

この発明は、液晶パネル等の画像表示用デバイスに表示された平面画像を拡大して投射する投射用レンズおよびこの投射用レンズを用いるプロジェクタ装置に関する。

液晶パネル上の画像を拡大投射する液晶プロジェクタは、コンピュータのデータ表示や映画の鑑賞用などに用いられ、広く普及している。なかでも、赤表示用、青表示用、緑表示用の液晶パネルを使用する３板式プロジェクタは、画像が高精細であることから多く用いられている。また、近来、マイクロミラーデバイス（ＭＭＤ）上に平面画像を表示する方式のものを提案されつつある。

３板式プロジェクタにおける投射用レンズは、最適なスクリーンサイズを容易に実現できるように、ズーム機能を有するものが一般的であるが、普及型の低価格タイプではズーム機能を省いた固定焦点型が用いられることが多い。

３板式プロジェクタやＭＭＤを用いるプロジェクタ装置に用いられる投射用レンズには、一般に以下のような属性が求められる。
３枚の液晶パネルや３つのＭＭＤにより強度変調された各光束を、ダイクロイックプリズムやダイクロイックミラーといった色合成手段で合成するために、色合成手段を配備するための空間が必要であり、この空間を確保できるように「焦点距離に比して長いバックフォーカス」を有すること。

プロジェクタとして低電力で高い光利用効率を得ることが望ましく、各色光の光路の合成時に色合成手段に入射する光の角度が画角により異なると、色シェーディングが発生しやすいことから、光源部から投射用レンズに入射する光は光軸に対して平行に近い光束を用いるのが良い。したがって、平行光束を効率良く投射用レンズに取り込めるよう、縮小側、即ち、液晶パネル側においてテレセントリック性を持っていること。

低電力の光源でも明るい画像を提供するため、光源からの光をなるべく多く取り込めるようにＦナンバの小さい、明るいレンズであること。
スクリーン上で３色を重ね合わせたときに、各色の画素が互いにずれると良好なカラー画像を実現できず、投射画像の辺縁部等に緑、青、赤などの縁が現れて、像質が損なわれてしまうので、倍率の色収差が小さく抑えられていること。
また、投射された画像の輪郭が歪んで見苦しくならないように、歪曲収差が小さく抑えられていること。画像を忠実に再現するため、高いＭＴＦ特性、解像力特性を備えていること。

このような属性に優れた投射用レンズとして、例えば、特許文献１、２に記載されたものが知られている。

しかし、特許文献１に開示されたものはレンズ８枚構成、特許文献２に開示されたものはレンズ９枚構成と構成レンズ枚数が多いため、コスト低減が難しく、投射用レンズのコンパクト化も難しい。

特開平９−６１７１１号公報特開２０００−３９５５６

この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、構成レンズ枚数が６枚と少ないレンズ構成の投射用レンズで、上述の諸属性の良好な実現を可能ならしめることを課題とする。この発明はまた、上記投射用レンズを用いることにより、性能良好なプロジェクタ装置の実現を課題とする。

この発明の投射用レンズは、平面画像を拡大して投射結像させる投射用レンズであって、図１に例示するように、拡大側から順に、負の屈折力を持つ第１レンズＬ１、拡大側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズＬ２、正の屈折力を持つ第３レンズＬ３、負の屈折力を持つ第４レンズＬ４、正の屈折力を持つ第５レンズＬ５、正の屈折力を持つ第６レンズＬ６を配し、第３レンズと第４レンズの間に絞りを配してなる。

第１レンズの焦点距離：ｆ１、第３レンズの焦点距離：ｆ３は、条件：
（１）１＜｜ｆ１｜／ｆ３＜３
を満足する（請求項１）。なお、「平面画像」は一般に、液晶パネル、デジタルミラーデバイス等に表示される画像である。図１において、符号ＰＲは色合成プリズムを示す。

請求項１記載の投射用レンズにおける、第４レンズと第５レンズとは、図１に例示するように接合されている。
請求項１記載の投射用レンズにおける、第４レンズの材質のアッベ数：ν４、第５レンズの材質のアッベ数：ν５は、条件：
（２） ν５−ν４≧１３
を満足することが好ましい（請求項２）。

請求項１または２記載の投射用レンズにおける第２レンズは、樹脂材料からなることができる（請求項３）。
請求項１〜３の任意の１に記載の投射用レンズにおいて、第２レンズは非球面を有することが好ましい（請求項４）。また、請求項１〜４の任意の１に記載の投射用レンズにおいて、第６レンズは非球面を有することが好ましい（請求項５）。

この発明のプロジェクタ装置は、請求項１〜５の任意の１に記載の投射用レンズを搭載したプロジェクタ装置である。

プロジェクタ装置の投射用レンズには、上述の如く「焦点距離に比して長いバックフォーカスを持つ」ことが要求されるため、レンズタイプとしては、拡大側から順に「負・正の屈折力配置となるレトロフォーカス型レンズ」の変形が用いられることが多い。

この発明の投射用レンズは、第１レンズとして負レンズを配し、第２レンズとしてメニスカスレンズ、第２レンズの縮小側に、比較的距離をおいて第３レンズ以降を配置し、レトロフォーカス型を基本とした構成となっている。

投射用レンズの性能を確保する上で「像面湾曲の低減」は重要であるが、像面湾曲の低減の要諦の１つは「第２レンズの向き」であり、第２レンズの凹面を「拡大側に向いた形状」とし、第２レンズの凸面を「縮小側に向いた形状」とすることで、軸上光線が「第２レンズのスクリーン側の面に当たる高さ」に比して「表示デバイス側の面に当たる高さ」を高くしている。
即ち、負の屈折力を持つ面（第２レンズの拡大側の面）への「光線高さ」を低くし、正の屈折力を持つ面（第２レンズの縮小側の面）への「光線高さ」を高くすることによりペッツバール和を低減し、像面湾曲を小さく抑えることを可能としている。

また、第４レンズに負の屈折力、第５レンズに正の屈折力を配することで、色収差の他に諸収差の補正を有効に行っている。

条件（１）は、長いバックフォーカスを確保しつつ、コマ収差、像面湾曲などを抑え、かつ、レンズが冗長とならないための条件であり、上限を超えると像面が倒れ、また、バックフォーカスを長くすることが困難となる。下限を超えると、バックフォーカスは確保し易くなるが、全長が極端に長くなるか、あるいは「第１レンズの屈折力が大きくなったことによる収差」を補正するのが困難となる。

第４レンズと第５レンズの付近は光束が太く、また、軸外の主光線が比較的高い位置を通過するため、特に「第４レンズの縮小側の面と第５レンズの拡大側の面において大きな収差が発生する傾向」にあるが、請求項１記載のように、これら第４・第５レンズを接合することにより「上記発生する収差の量を大幅に低減する」ことができる。

また、条件（２）は色収差補正の条件であり、下限を超えると軸上色収差および倍率色収差が補正不足になり易く、上限を超えると補正過剰になリ易く、いずれの場合も他のレンズでの補正が困難となる。

また、請求項３に記載の如く、第２レンズの材料を樹脂とし、成型により製造することにより第２レンズを安価なものとすることができ、請求項４に記載のように「第２レンズに非球面を用いて性能の向上を図る場合」に製造を容易にすることができ、請求項５に記載のように「第６レンズに非球面を用いる」ことにより像面湾曲を小さく抑えることができる。

この発明の投射用レンズは上記の如き構成により、６枚という少ないレンズ構成でありながらも、後述の各実施例に示すように、ＦＮｏ．１．７程度と明るく、半画角２５°程度と広画角で、プロジェクタ装置用の投射用レンズに要求される性能を十分に満足できるものをコンパクト且つ低コストに実現できる。そして、かかる投射用レンズを搭載することにより性能良好なプロジェクタ装置を実現できる。

発明を実施するための最良な形態として、投射用レンズの具体的な実施例を３例と参考例を１例挙げる。以下に、実施例１〜４として挙げる例のうち、実施例２として挙げたものは、第４レンズと第５レンズが接合されていない点において、この発明の投射用レンズの実施例ではなく、参考例であるが、便宜上、以下においては実施例２と表記するものとする。
各実施例に用いられている記号の意味は以下のとおりである。

ＩＭＧ：画像表示面
Ｒｉ：拡大側から数えて第ｉ番目の面（絞りや色合成プリズムの面を含む）の曲率半径
Ｄｉ：拡大側から数えて第ｉ番目の面と第ｉ＋１番目の面との軸上面間隔
Ｄｏ：スクリーン側から第１番目のレンズ面までの距離
Ｎｊ：拡大側から数えて第ｊ番目のレンズのｄ線に対する屈折率
νｊ：拡大側から数えて第ｊ番目のレンズのアッベ数
ｊ＝７は色合成プリズムを示す。

各実施例に用いられた非球面の形状は、光軸方向の座標：Ｚ、光軸直交方向の座標：ｈ、軸上曲率半径：Ｒｉ、円錐定数：Ｋ、高次の係数：Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇを用いて周知の非球面式：
Ｚ＝（１／Ｒｉ）・ｈ²／［１＋√｛１−（Ｋ＋１）・（１／Ｒｉ）²・ｈ²｝］
＋Ａ・ｈ⁴＋Ｂ・ｈ⁶＋Ｃ・ｈ⁸＋Ｄ・ｈ¹⁰＋E・ｈ¹²＋F・ｈ¹⁴＋ G・ｈ¹⁶
で表し、上記Ｒｉ、Ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇの値を与えて形状を特定する。
なお、各実施例とも計算基準波長は５５０ｎｍである。また、長さの次元を持つ量の単位は特に断らない限り「ｍｍ」である。

ｉＲＤ j Ｎ ν
O ∞ 2550.000
1 93.876 2.000 1 1.53172 48.8
2 24.223 12.000
3 -24.612(*) 8.000 2 1.50966 56.４
4 -22.911(*) 15.406
5 20.454 4.500 3 1.78589 43.9
6 43.434 13.615
7(絞り) ∞ 8.059
8 -12.443 4.500 4 1.84666 23.8
9 41.114 6.244 5 1.80420 46.5
10 -18.642 3.398
11 29.409 5.436 6 1.83400 37.3
12 -212.051(*) 0.400
13 ∞ 22.200 7 1.51680 64.2
14 ∞ 6.527
IMG ∞
上の表記に於いて「＊印を付した面」が非球面である。他の実施例においても同様である。

非球面
第３面
K =-0.334795
A = 0.208341E-04 , B =-0.723471E-07 , C = 0.229674E-09 , D =-0.571160E-12
E =-0.676211E-16 , F = 0.0 G = 0.0
第４面
K =-0.216766
A = 0.153874E-04 . B =-0.471182E-07 , C = 0.167929E-09 , D =-0.467465E-12
E = 0.342483E-15 , F = 0.0 G = 0.0
第１２面
K = 0.0
A = 0.795432E-05 , B = 0.379331E-07 , C =-0.620374E-09 , D = 0.386966E-11
E =-0.445992E-14 , F =-0.493914E-16 , G = 0.149933E-18
上の表記に於いて、例えば「0.149933E-18」は「0.149933×10^-18」を意味する。以下においても同様である。

各条件のパラメータの値
条件（１）１．３７
条件（２）２２．７

ｉＲＤ j Ｎ ν
O ∞ 2550.000
1 73.489 2.000 1 1.51742 52.2
2 23.825 12.000
3 -18.136(*) 8.000 2 1.50966 56.4
4 -21.494(*) 10.661
5 22.411 5.164 3 1.77250 49.6
6 72.686 14.579
7(絞り) ∞ 7.473
8 -12.009 4.102 4 1.84666 23.8
9 118.123 0.361
10 103.144 6.020 5 1.77250 49.6
11 -17.786 4.365
12 31.182 5.705 6 1.75079 45.4
13 -91.200(*) 0.400
14 ∞ 22.200 7 1.51680 64.2
15 ∞ 6.527
IMG ∞ 。

非球面
第３面
K = -1.121297
A = 0.249635E-04 , B =-0.618922E-07 , C = 0.237980E-09 , D =-0.602654E-12
E = 0.513161E-15 , F = 0.0 , G = 0.0
第４面
K = -0.782181
A = 0.184705E-04 , B =-0.422938E-07 , C = 0.197500E-09 , D =-0.543647E-12
E = 0.521784E-15 , F = 0.0 , G = 0.0
第１３面
K = 0.0
A = 0.113430E-04 , B = 0.351042E-07 , C =-0.513318E-09 , D = 0.361255E-11
E =-0.961789E-14 , F =-0.792388E-17 , G = 0.630291E-19 。

各条件のパラメータの値
条件（１）１．７２
条件（２）２５．８

ｉＲＤ j Ｎ ν
O ∞ 2550.000
1 42.269 2.000 1 1.51680 64.2
2 20.060 10.981
3 -27.410(*) 8.000 2 1.509660 56.4
4 -30.149(*) 7.255
5 17.074 5.379 3 1.77250 49.6
6 36.739 6.780
7(絞り) ∞ 9.258
8 -11.080 4.500 4 1.84666 23.8
9 103.268 6.194 5 1.77250 49.6
10 -17.872 0.250
11 31.315 5.682 6 1.83500 43.0
12 -82.313 (*) 0.400
13 ∞ 22.200 7 1.51680 64.2
14 ∞ 6.527
IMG ∞ 。

非球面
第３面
K = -2.422091
A = 0.341294E-04 , B =-0.857205E-07 , C = 0.134568E-09 , D =-0.210010E-13
E =-0.442130E-15 , F = 0.0 , G =0.0
第４面
K =-1.895649
A = 0.259388E-04 , B =-0.839587E-07 , C = 0.225764E-09 , D =-0.659845E-12
E = 0.671989E-15 , F = 0.0 , G = 0.0
第１２面
K = 0.0
A = 0.121826E-04 , B = 0.369215E-07 , C =-0.669150E-09 , D = 0.460548E-11
E =-0.800056E-14 , F =-0.495021E-16 , G =0.177350E-18 。

各条件のパラメータの値
条件（１）２．０７
条件（２）２５．８

ｉＲＤ j Ｎ ν
O ∞ 2550.000
1 85.316 2.000 1 1.53172 48.8
2 24.611 12.000
3 -23.494(*) 8.000 2 1.50966 56.4
4 -22.135(*) 16.474
5 16.899 4.447 3 1.78590 43.9
6 31.642 8.586
7(絞り) ∞ 8.731
8 -12.305 3.697 4 1.84666 23.8
9 21.097 6.313 5 1.83400 37.3
10 -25.461 2.420
11 31.801 6.148 6 1.83500 43.0
12 -52.435(*) 0.400
13 ∞ 22.200 7 1.51680 64.2
14 ∞ 6.527
IMG ∞ 。

非球面
第３面
K = -0.648434
A = 0.256877E-04 , B =-0.693789E-07 , C = 0.180951E-09 , D =-0.488421E-12
E = 0.151597E-15 , F = 0.0 , G = 0.0
第４面
K =-0.396843
A = 0.202498E-04 , B =-0.534393E-07 , C = 0.195723E-09 , D =-0.604914E-12
E = 0.585232E-15 , F = 0.0 , G = 0.0
第１２面
K = 0.0
A = 0.167396E-04 , B = 0.325546E-07 , C =-0.598547E-09 , D =0.377737E-11
E =-0.521619E-14 , F =-0.439809E-16 , G = 0.141481E-18 。

各条件のパラメータの値
条件（１）１．６２
条件（２）１３．５。

図２に実施例１の投射用レンズの断面図を示す。図３に実施例１の投射用レンズに関する縦収差図、図４に実施例１の投射用レンズに関する横収差図を示す。縦収差を示す図３で、非点収差の図の「Ｓ」は波長：５５０ｎｍでのサジタル像面、「Ｔ」は波長：５５０ｎｍでのタンジェンシャル像面を示す。また、赤・緑・青を表すＲ、Ｇ、Ｂの波長はそれぞれＲ：６２０ｎｍ、Ｇ：５５０ｎｍ、Ｂ：４６０ｎｍとしている。他の実施例においても同様である。

図５に実施例２の投射用レンズの断面図を示す。図６に実施例２の投射用レンズに関する縦収差図、図７に実施例２の投射用レンズに関する横収差図を、それぞれ図３、図４に倣って示す。
図８に実施例３の投射用レンズの断面図を示す。図９に実施例３の投射用レンズに関する縦収差図、図１０に実施例３の投射用レンズに関する横収差図を、それぞれ図３、図４に倣って示す。
図１１に実施例４の投射用レンズの断面図を示す。図１２に実施例４の投射用レンズに関する縦収差図、図１３に実施例４の投射用レンズに関する横収差図を、それぞれ図３、図４に倣って示す。

上に挙げた実施例１〜４の投射用レンズは何れも、平面画像を拡大して投射結像させる投射用レンズであって、拡大側から順に、負の屈折力を持つ第１レンズ、拡大側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズ、正の屈折力を持つ第３レンズ、負の屈折力を持つ第４レンズ、正の屈折力を持つ第５レンズ、正の屈折力を持つ第６レンズを有し、第１レンズの焦点距離：ｆ１、上記第３レンズの焦点距離：ｆ３が、条件：
（１）１＜｜ｆ１｜／ｆ３＜３
を満足する。

第４レンズに用いられる材質のアッベ数：ν４、第５レンズに用いられる材質のアッベ数：ν５が、条件：
（２） ν５−ν４≧１３
を満足する。
実施例１、３、４の投射レンズは、第４レンズと第５レンズが接合されている。

実施例１〜４の投射レンズとも、第２レンズが樹脂材料からなり、第２レンズは非球面を有し、第６レンズも非球面を有する。

従って、光源の光を画像表示用デバイスに通過させ、平面画像の画像情報を持たされた光をスクリーン上に拡大投射する公知のプロジェクタ装置に、投射用レンズとして上記実施例１、３、４の適宜のものを搭載することによりコンパクトでありながら高精細な画像を表示することが可能である。

この発明の投射用レンズの断面図である。実施例１の投射用レンズの断面図である。実施例１の投射用レンズの縦収差図である。実施例１の投射用レンズの横収差図である。実施例２の投射用レンズの断面図である。実施例２の投射用レンズの縦収差図である。実施例２の投射用レンズの横収差図である。実施例３の投射用レンズの断面図である。実施例３の投射用レンズの縦収差図である。実施例３の投射用レンズの横収差図である。実施例４の投射用レンズの断面図である。実施例４の投射用レンズの縦収差図である。実施例４の投射用レンズの横収差図である。

符号の説明

Ｌ１第１レンズ
Ｌ２第２レンズ
Ｌ３第３レンズ
Ｌ４第４レンズ
Ｌ５第５レンズ
Ｌ６第６レンズ
ＰＲ色合成プリズム

Claims

平面画像を拡大して投射結像させる投射用レンズであって、
拡大側から順に、負の屈折力を持つ第１レンズ、拡大側に凹面を向けたメニスカス形状の第２レンズ、正の屈折力を持つ第３レンズ、負の屈折力を持つ第４レンズ、正の屈折力を持つ第５レンズ、正の屈折力を持つ第６レンズを配し、上記第３レンズと第４レンズの間に絞りを配してなり、
上記第４レンズと上記第５レンズが接合されており、
上記第１レンズの焦点距離：ｆ１、上記第３レンズの焦点距離：ｆ３が、条件：
（１）１＜｜ｆ１｜／ｆ３＜３
を満足することを特徴とする投射用レンズ。
請求項１記載の投射用レンズにおいて、
第４レンズに用いられる材質のアッベ数：ν４、第５レンズに用いられる材質のアッベ数：ν５が、条件：
（２） ν５−ν４≧１３
を満足することを特徴とする投射用レンズ。
請求項１または２記載の投射用レンズにおいて、
第２レンズが樹脂材料からなることを特徴とする投射用レンズ。
請求項１〜３の任意の１に記載の投射用レンズにおいて、
第２レンズが非球面を有することを特徴とする投射用レンズ。
請求項１〜４の任意の１に記載の投射用レンズにおいて、
第６レンズが非球面を有することを特徴とする投射用レンズ。
請求項１〜５の任意の１に記載の投射用レンズを搭載したプロジェクタ装置。