JP4846936B2

JP4846936B2 - 投射用ズームレンズおよび画像投射装置

Info

Publication number: JP4846936B2
Application number: JP2001244100A
Authority: JP
Inventors: 邦幸飛内
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2021-08-10
Also published as: JP2003057543A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、投射用ズームレンズおよび画像投射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近来、デジタル・マイクロミラー・デバイス（以下「ＤＭＤ」と称する）を用いる画像投射装置（一般に「ＤＭＤプロジェクタ」と称されている）の普及が進んでいる。
【０００３】
ＤＭＤはミラーエレメント（１画素に相当する微小なミラー）を格子状に配列し、個々のミラーの向きを、独立に±１０度以上（最新のタイプで±１２度）変化させるようにした光学デバイスである。
【０００４】
光源側からの光束をＤＭＤに入射させた状態で、ＤＭＤの各ミラーエレメントの向きを画像信号により制御することにより、ＤＭＤによる反射光束に画像情報を付与することができる（画像情報の再生に必要な光束成分が、不要な光束成分と反射方向の差により分離される）ので、このように画像情報を付与された光束を投射用レンズにより、スクリーン等の表示媒体上に投射結像させることにより、画像を表示できる。
【０００５】
ＤＭＤプロジェクタでは、ＤＭＤの機能の向上とも相俟って極めて精細度の高い画像を表示できる。また「光の透過率の差により画像情報の付与が行われる液晶パネル」と異なり、画像情報の付与に光の反射が利用されているため、ＤＭＤプロジェクタでは光の利用効率が高く、明るい画像を表示できることも大きな利点である。
【０００６】
このようなＤＭＤプロジェクタの「明るい画像を表示できる」という利点を生かすためには、光源側からの光束を(半透鏡等を介することなく)直接的にＤＭＤに入射させ、画像情報を付与された反射光束を投影用レンズに直接に入射させるのが良い。このためには、投射用レンズは「ＤＭＤへ入射する照明光束を、ケラない形状」が要請される。
【０００７】
また、ＤＭＤにおける個々のミラーエレメントに許容される向きの変化領域を考慮すると、ＤＭＤへの照明光の入射角は可及的に小さいことが好ましい。さらに、投射用レンズの縮小（ＤＭＤ）側のレンズ有効径は、ＤＭＤで反射される有効な光(画像情報を付与された光束)と無効な光とを、その進行方向差で切り分けねばならず、有効な光を取り込むのに必要な大きさが必要である。このためには、投射用レンズはある程度長いバックフォーカスを持たねばならない。
【０００８】
投射用レンズにはまた、１．２〜１．３程度の変倍（ズーム）機能を有することや、手軽に持ち運ぶことが出来るコンパクトな大きさであることが望まれる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上述したところに鑑み、ＤＭＤプロジェクタに適した投射用ズームレンズの実現を課題とする。この発明はまた、上記投射用ズームレンズを用いることにより、コンパクトで良好な画像表示の可能な画像投射装置（ＤＭＤプロジェクタ）の実現を課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明の投射用ズームレンズは、図１に例示するように、拡大側(図の左方)から縮小側(右方)に向かって、負の屈折力の第１レンズ群Ｉ、正の屈折力の第２レンズ群ＩＩを配し、第２レンズ群ＩＩにおける最も縮小側のレンズの、縮小側または拡大側のレンズ面位置に合致させて開口絞りＳＴを配してなり、第２レンズ群ＩＩは拡大側に２枚の正レンズを有し、これら２枚の正レンズの一方が非球面レンズであり、各レンズの有効径が「拡大側から縮小側に向かって漸次小さくなる」とともに、第１レンズ群Ｉの焦点距離：ｆ_１、第２レンズ群ＩＩの焦点距離：ｆ_２が、条件：
（１）０．６＜ｆ_２／｜ｆ_１｜＜０．９
を満足する。
【００１１】
図１においては、開口絞りＳＴは、第２レンズ群ＩＩの、最も縮小側のレンズの「縮小側レンズ面位置」にあるが、この最も縮小側のレンズの「拡大側レンズ面位置」に配することもできる。なお、図１において、符号ＣＧは「ＤＭＤのカバーガラス」、符号ＳＦは「ミラーエレメントの配列面」を示している。
【００１２】
請求項１記載の投射用ズームレンズは、広角端における全系の焦点距離：ｆｗ、第１レンズ群の焦点距離：ｆ_１が、条件：
（２）１．５＜｜ｆ_１｜／ｆｗ＜２．０を満足する。
【００１３】
請求項１記載の投射用ズームレンズはさらに、広角端におけるレンズ全系の長さ：Ｌｗ、広角端における全系の焦点距離：ｆｗが、条件：
（３）３．３＜Ｌｗ／ｆｗ＜４．０
を満足する。
【００１４】
また、請求項１記載の投射用ズームレンズは、その第１レンズ群を「拡大側から順に、縮小側に大きい曲率を持つ２枚の負レンズと、拡大側に大きい曲率を持つ正レンズから構成し、前記２枚の負レンズのうち、どちらか１枚を非球面レンズとする」ものである。
【００１５】
この発明の画像投射装置は「画像信号に応じてミラーエレメントの向きを制御されるデジタル・マイクロミラー・デバイスに光源からの光束を照射し、上記デジタル・マイクロミラー・デバイスにより、画像情報を付与された光束を、投射用レンズにより表示媒体上に投射して画像表示する画像投射装置」であって、投射用レンズとして、請求項１記載のものを用いることを特徴とする(請求項２)。
【００１６】
この発明の投射用ズームレンズは、長いバックフォーカスを持たせるため、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群からなる「レトロフォーカスタイプ」の２群ズームレンズとした。そして、開口絞りを「第２レンズ群の最も縮小側のレンズの、縮小側または拡大側のレンズ面位置に合致させて」に配置することにより、レンズの有効径が「拡大側から縮小側に向かって漸次小さくなる」ようにして、ＤＭＤへの照明光束が、投射用ズームレンズにケラれることなく、しかも小さい入射角をもってＤＭＤへ入射できるようにした。このように構成することにより、第２レンズ群の最も縮小側にあるレンズの大きさを「ＤＭＤから反射してくる有効な光(画像情報を付与された光束)を、無効な光から有効に切り分け得る大きさ」とすることができる。
【００１７】
また、第２レンズ群ＩＩの屈折力の大半を担う「拡大側の正レンズ」を２枚構成とし、これらの一方を非球面レンズにすることで球面収差、コマ収差をきわめて小さいものとしている。
【００１８】
条件（１）は、良好な光学性能と所望の変倍比を確保しつつ、投射用ズームレンズに必要な長いバックフォーカスを得るための条件であり、下限値：０．６を超えると、第２レンズ群に対する「第１レンズ群の屈折力」が小さくなるので、バックフォーカスが短くなり、敢えてバックフォーカスを確保しようとすると、第１、第２レンズ群の主点間隔を大きくせざるを得ず、投射用ズームレンズの全長が長くなり、それに伴い拡大側のレンズの外径も大きくなるため、コストの高いレンズになってしまう。
【００１９】
条件（１）の上限値：０．９を越えると、第１レンズ群の屈折力が過大になって球面収差、コマ収差の補正が困難となり、さらに所望の変倍比の確保も難しくなる。
【００２０】
条件（２）は、長いバックフォーカスと良好な光学性能を両立させるためのものであり、下限値：１．５を越えると、第１レンズ群の屈折力が過大となり、上述の如く、球面収差、コマ収差の補正が困難となり良好な光学性能を確保することが難しい。条件（２）の上限値：２．０を越えると、第１レンズ群の屈折力が小さくなり、所望のバックフォーカスが得られなくなる。
【００２１】
条件（３）は、投射用ズームレンズのコンパクト性と像性能のバランスに関するもので、所望の画角を確保しつつ条件（３）の下限値：３．３を越えると、各レンズ群とも屈折力が過大となり、球面収差、コマ収差、非点収差等の補正が困難となる。一方、上限値：４．０を越えると、投射用ズームレンズの全長が長くなりコンパクト性が失われてしまう。
【００２２】
一般に「レトロフォーカスタイプ」の投射用レンズの第１レンズ群は、主光線を曲げる作用が大きいため歪曲収差も大きく発生する。この歪曲収差を補正するため、正の屈折力のレンズを拡大側の軸外主光線高が高いところに配置し、これにより発生する逆符号の高次歪曲収差で相殺を図ることが一般的に行われており、後述する実施例２、４においてもこの方法を採用している。
【００２３】
上記の如く、請求項１の投射用ズームレンズでは、第１レンズ群に上記「拡大側の軸外主光線高が高いところに配置する正レンズ」を用いず、拡大側から順に「縮小側に大きい曲率を持つ負レンズ」を２枚配置し、この内の１枚を非球面レンズとすることで、少ないレンズ枚数ながら歪曲収差を良好に補正することを可能とした。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、具体的な実施の形態として実施例を５例挙げる。
便宜上、以下の具体例を実施例１〜５と呼ぶが、これらのうち、実施例２と実施例４とは参考例であり、請求項１の投射用ズームの実施例は、実施例１、３、５である。
【００２５】
各実施例において、「Ｓ」により面の番号、「Ｒ」により各面の曲率半径（非球面にあっては近軸曲率半径）、「Ｄ」により光軸上の面間隔を表す。なお、変倍により変化する面間隔は、広角端と望遠端における値を「広角端／望遠端」のように併記した。
【００２６】
「Ｎd」及び「νd」は、各レンズの材質の、d線に対する屈折率とアッベ数を示す。「ｆｗ」、「ｆｔ」はそれぞれ、広角端、望遠端における全系の焦点距離、「ｆ_１」は第１レンズ群の焦点距離、「ｆ_２」は第２レンズ群の焦点距離、「Ｆ／Ｎｏ」は広角端での明るさを表すＦ値、「ｏｂｄ」はスクリーン(表示媒体)からレンズ第１面（第１レンズ群の最も拡大側のレンズ面）までの距離、「Ｂｆｗ」は広角端でのバックフォーカス、「Ｌｗ」は広角端での全系の長さを表す。なお、長さの次元を持つ量の単位は「ｍｍ」である。
【００２７】
非球面の形状は、光軸との交点を原点として、光軸に対する高さ：ｈ、光軸方向の変移：Ｚ、近軸曲率：ｃ（前記近軸曲率半径の逆数）、円錐定数：Ｋ、高次項の非球面係数：Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅとして、周知の式：
Ｚ＝c・h^２/[1＋√{1−(1＋K)・c^２・h^２｝］+A・h⁴+B・h⁶+C・h⁸+D・h¹⁰+E・h¹²
で表しc、K、A〜Eの値を与えて特定する。
【００２８】
【実施例】
実施例１
図１に、実施例１の投射用ズームレンズのレンズ構成を示す。
【００２９】
拡大側（図面左側）から負の屈折力の第１レンズ群Ｉ、第２レンズ群ＩＩを有し、開口絞りＳＴを第２レンズ群の「縮小側のレンズ面位置」に合致させて配置した構成となっている。前述の如く、符号ＣＧはＤＭＤのカバーガラス、符号ＳＦはミラーエレメントの配列面を示す。これらの符号の意味するところは、他の実施例のレンズ構成を示す図でも同様である。
【００３０】

図２、３に、実施例１の投射用ズームレンズの広角端、望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示し、図４、５に、広角端、望遠端におけるコマ収差を示す。各収差図は、５４６ｎｍの波長を持つ緑色光の収差を示すが、球面収差図、コマ収差図には赤、青の光を代表して波長：６１０ｎｍと４６０ｎｍの収差も表示している。非点収差図におけるＳはサジタル像面、Ｍはメリディオナル像面の収差であり、他の実施例の収差図においても同様である。
【００３１】
実施例２
図６に、実施例２の投射用ズームレンズのレンズ構成を図１に倣って示す。
【００３２】

図７、８に、実施例２の投射用ズームレンズの広角端、望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示し、図９、１０は同様にコマ収差を示す。
【００３３】
実施例３
図１１に、実施例３の投射用ズームレンズのレンズ構成を図１に倣って示す。
【００３４】

図１２、１３に、実施例３の投射用ズームレンズの広角端、望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示し、図１４、１５は同様にコマ収差を示す。
【００３５】
実施例４
図１６に、実施例４の投射用ズームレンズのレンズ構成を図１に倣って示す。
【００３６】

図１７、１８に、実施例４の投射用ズームレンズの広角端、望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示し、図１９、２０は同様にコマ収差を示す。
【００３７】
実施例５
図２１に、実施例３の投射用ズームレンズのレンズ構成を図１に倣って示す。
【００３８】

図２２、２３に、実施例５の投射用ズームレンズの広角端、望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示し、図２４、２５は同様にコマ収差を示す。
【００３９】
上に挙げた実施例１〜５の投射用ズームレンズは何れも、拡大側から縮小側に向かって、負の屈折力の第１レンズ群Ｉ、正の屈折力の第２レンズ群ＩＩを配し、第２レンズ群ＩＩにおける最も縮小側のレンズの、縮小側もしくは拡大側のレンズ面位置に合致させて開口絞りＳＴを配してなり、第２レンズ群ＩＩは拡大側に２枚の正レンズを有し、これら２枚の正レンズの一方が非球面レンズであり、第１レンズ群Ｉの焦点距離：ｆ_１、第２レンズ群ＩＩの焦点距離：ｆ_２、広角端時の全系の焦点距離：ｆw、全系の長さ：Ｌwが条件：
（１）０．６＜ｆ_２／｜ｆ_１｜＜０．９
（２）１．５＜｜ｆ_１｜／ｆw＜２．０
（３）３．３＜Ｌw／ｆw＜４．０
を満足するもの（請求項１）である。
【００４０】
そして、請求項１の投射用ズームレンズの実施例である実施例１、３、５において、第１レンズ群Ｉは拡大側から順に、縮小側に大きい曲率を持つ負の屈折力のレンズが２枚と、拡大側に大きい曲率を持つ正の屈折力のレンズの３枚で構成され、拡大側から１番目のレンズが非球面レンズとなっている。
【００４１】
図２６に、画像投射装置の実施の１形態を説明図的に略示する。
光源１から放射された光束は、コンデンサレンズ２により集光されてカラーホイール３を透過し、リレーレンズ４を介してＤＭＤ５に入射する。
【００４２】
ＤＭＤ５による反射光束は投射用ズームレンズ６により、図示されないスクリーン等の表示媒体上に投射結像される。
【００４３】
ＤＭＤ５には、赤、緑、青の画像信号が順次に印加されて、ミラーエレメントの向きを制御することにより、反射光束に画像情報を付与する。カラーホイール３は、赤、緑、青の３色のフィルタであり、回転することにより、ＤＭＤ５に印加される画像情報の色に応じて、光源側からの光束を色分解する。
【００４４】
このようにして、表示媒体上には、赤・緑・青の３色画像が順次切り換わって表示され、各色画像の残像が合成されてカラー画像として視認される。
【００４５】
投射用ズームレンズ６として、上記実施例１〜５の任意の１のものが利用できる。投射用ズームレンズ６は、図の如く、拡大側から縮小側へ向ってレンズ径が次第に小さくなっているので、図のように、照明光を「ケる」ことなく、ＤＭＤに対する照明光の入射角を有効に小さくでき、最も縮小側のレンズのレンズ径を「画像情報を付与された反射光束を不要な光束から分離するのに必要な大きさ」に設定できる。
【００４６】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明によれば、ＤＭＤを用いた画像投射装置に適した形状で、長いバックフォーカスを持ち、コンパクトかつ高性能な投射用ズームレンズを実現でき、この投射用ズームレンズを用いることにより、ＤＭＤ使用のコンパクトな画像投射装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の投射用ズームレンズのレンズ構成図である。
【図２】実施例１の広角端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
【図３】実施例１の望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
【図４】実施例１の広角端におけるコマ収差を示す図である。
【図５】実施例１の望遠端におけるコマ収差を示す図である。
【図６】実施例２の投射用ズームレンズのレンズ構成図である。
【図７】実施例２の広角端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
【図８】実施例２の望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
【図９】実施例２の広角端におけるコマ収差を示す図である。
【図１０】実施例２の望遠端におけるコマ収差を示す図である。
【図１１】実施例３の投射用ズームレンズのレンズ構成図である。
【図１２】実施例３の広角端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
【図１３】実施例３の望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
【図１４】実施例３の広角端におけるコマ収差を示す図である。
【図１５】実施例３の望遠端におけるコマ収差を示す図である。
【図１６】実施例４の投射用ズームレンズのレンズ構成図である。
【図１７】実施例４の広角端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
【図１８】実施例４の望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
【図１９】実施例４の広角端におけるコマ収差を示す図である。
【図２０】実施例４の望遠端におけるコマ収差を示す図である。
【図２１】実施例５の投射用ズームレンズのレンズ構成図である。
【図２２】実施例５の広角端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
【図２３】実施例５の望遠端における球面収差、非点収差、歪曲収差を示す図である。
【図２４】実施例５の広角端におけるコマ収差を示す図である。
【図２５】実施例５の望遠端におけるコマ収差を示す図である。
【図２６】画像投射装置の実施の１形態を説明するための図である。
【符号の説明】
Ｉ第１レンズ群
ＩＩ第２レンズ群
ＳＴ開口絞り
ＣＧカバーガラス
ＳＦＤＭＤのミラーエレメント配列面

Claims

拡大側から縮小側に向かって、負の屈折力の第１レンズ群、正の屈折力の第２レンズ群を配し、第２レンズ群における最も縮小側のレンズの、縮小側または拡大側のレンズ面位置に合致させて開口絞りを配してなり、第２レンズ群は拡大側に２枚の正レンズを有し、これら２枚の正レンズの一方が非球面レンズであり、各レンズの有効径が拡大側から縮小側に向かって漸次小さくなるとともに、第１レンズ群の焦点距離：ｆ_１、第２レンズ群の焦点距離：ｆ_２、広角端における全系の焦点距離：ｆｗ、広角端における、レンズ全系の長さ：Ｌｗが、条件：
（１）０．６＜ｆ_２／｜ｆ_１｜＜０．９
（２）１．５＜｜ｆ_１｜／ｆｗ＜２．０
（３）３．３＜Ｌｗ／ｆｗ＜４．０
を満足し、
第１レンズ群が、拡大側から順に、縮小側に大きい曲率を持つ２枚の負レンズと、拡大側に大きい曲率を持つ正レンズから構成され、前記２枚の負レンズのうち、どちらか１枚が非球面レンズであることを特徴とする投射用ズームレンズ。
画像信号に応じてミラーエレメントの向きを制御されるデジタル・マイクロミラー・デバイスに光源からの光束を照射し、上記デジタル・マイクロミラー・デバイスにより、画像情報を付与された光束を、投射用レンズにより表示媒体上に投射して画像表示する画像投射装置において、
投射用レンズとして、請求項１記載のものを用いることを特徴とする画像投射装置。