JP5063224B2 - 投射レンズ及び画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像投射装置その他の光学機器に使用される投射レンズに関する。

プロジェクタ等の画像投射装置に用いられる投射レンズは、色合成光学系との干渉を避けるため、長いバックフォーカスを必要とする。このためプロジェクタ用投射レンズは、絞りよりもスクリーン側に強い負の屈折力を配した、いわゆるレトロフォーカスタイプのレンズ構成が採用される場合が多い。

ただし、レトロフォーカスタイプのレンズは、主にその非対称性から距離変動による像面湾曲が発生し易い、つまり、投射距離が変わると画質が変化し易いという特徴がある。しかも、最近では、投射距離をできるだけ短くしたいという要望から投射レンズの広角化が進み、上記特徴がさらに顕著に表れるとともに、液晶パネル等の画像形成素子の高解像化によって像面湾曲の距離変動の影響が許容できなくなりつつある。

像面湾曲の変動を低減する方法には、フローティングと呼ばれる方法がある。フローティングでは、フォーカシングに際して複数のレンズユニットを、像面湾曲を互いに相殺し合うように同時に光軸方向に移動させる。プロジェクタ用投射レンズにおいてフローティングを用いた例としては、特許文献１に開示されたものがある。
特開２００５−３５２４０７号公報

しかしながら、特許文献１にて開示されたフローティングを実現するためには、カム機構のみならずヘリコイド機構も使用して複雑なメカ構成を投射レンズに設ける必要がある。このため、投射レンズが大型化し易いだけでなく、製造上のばらつきも発生し易く、投射レンズの性能のばらつきを招く。

本発明は、簡易な構成によって像面湾曲の発生やその変動を低減することができるようにした投射レンズ、及びこれを備えた画像投射装置、光学機器を提供する。

本発明の一側面としての投射レンズは、物体からの光束を被投射面に投射する投射レンズであって、負レンズユニットを含み、前記被投射面における像面湾曲の方向とは反対方向に像面が倒れるように前記負レンズユニットを該投射レンズの光軸に対して傾ける機構を有し、前記負レンズユニットは前記投射レンズの光軸方向に移動可能なレンズユニットであり、前記機構は、前記負レンズユニットの光軸方向における位置に応じて前記負レンズユニットを傾ける量及び方向を変化させ、前記負レンズユニットは、前記投射レンズを構成する他のレンズユニットよりも被投射面側に配置されたレンズユニットであり、前記機構は、前記負レンズユニットが前記光軸に対して傾いていない状態において前記像面のうち最も大きな像面湾曲が生じる部分が前記光軸に直交する面に近づく方向に前記負レンズユニットを前記光軸に対して傾け、前記投射レンズは、前記光軸に直交する方向のうち一方の側に位置する前記物体からの光束を他方の側に位置する前記被投射面に投射し、前記物体のうち最も前記光軸に近い位置及び最も光軸から離れた位置の前記光軸に直交する方向での位置をそれぞれＳｕ及びＳｂとし、これらの位置に対応する像面上の位置での像面湾曲量をそれぞれΔＷ（Ｓｕ）及びΔＷ（Ｓｂ）とし、像面傾き量θを、
θ＝ｔａｎ ^−１ ［｛ΔＷ（Ｓｂ）−ΔＷ（Ｓｕ）｝／（Ｓｕ―Ｓｂ）］
とし、前記負レンズユニットを傾けたときに発生する前記像面の傾き量をαとしたとき、
前記負レンズユニットの傾け量Ｄが、
θ／２α＜Ｄ＜２θ／α
を満たし、
前記負レンズユニットを前記光軸の方向に移動させることによって、フォーカス調整を行い、一番遠い距離にフォーカス調整した場合と、一番近い距離にフォーカス調整した場合とでは、前記負レンズユニットの光軸と垂直な平面に対する傾きが、逆向きになっていることを特徴とする。

なお、上記投射レンズを用いた画像投射装置も本発明の他の側面を構成する。

本発明によれば、負レンズユニットを単独で傾き移動させる簡易な構成により、像面湾曲及びその投射距離に応じた変動を低減することができる。したがって、投射距離にかかわらず良好な画像を投射可能な画像投射装置や光学機器を実現することができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１であるプロジェクタ用投射レンズを概略的に示している。本実施例では、説明を簡単にするために、フラットなスクリーン等の被投射面上の各点から射出した光束が、投射レンズによって液晶パネル等の画像形成素子上に結像するものとする、いわゆる逆投影の方法で説明する。したがって、以下の説明では、スクリーン側（拡大側又は拡大共役側）を物体側、画像形成素子側（縮小側又は縮小共役側）を像面側とそれぞれ定義し、被投射面上の各点から射出した光束が結像してできる面を像面と称する。また、本来フラットな像面が形成されるべき面を予定像面と称する。

なお、実際には、画像形成素子側は物体側であり、該画像形成素子の各点から射出した光束が予定像面である被投射面（以下、スクリーンという）上に像面を形成する。スクリーン側とは、被投射面側と同義である。

図１において、Ｉは投射レンズＰＬの一部を構成する、光軸方向に移動可能な第１レンズユニットである。第１レンズユニットＩは、負の屈折力のレンズユニット（光学ユニット）である。ＩＩは第１レンズユニットＩよりも像面側（実際にはスクリーン側）に配置され、投射レンズＰＬを構成する第２レンズユニットである。第２レンズユニットＩＩは、１つ以上のレンズユニット（複数のレンズユニットであればなお良い）により構成されている。

また、ＩＥは予定像面に配置された液晶パネル等の画像形成素子である。画像形成素子ＩＥは、不図示の画像供給装置（パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等）からの画像信号に応じた原画（画像）を形成する。また、ＡＸＬは投射レンズＰＬの光軸である。

ここで、図の左右方向をｚ方向と定義し、逆投影の方向である左から右に向かう方向を正方向とする。また、図の上下方向をｙ方向と定義し、下から上に向かう方向を正方向とする。

本実施例の投射レンズＰＬは、最もスクリーン側の第１レンズユニットＩが強い負の屈折力を有したいわゆるレトロフォーカスタイプの投射レンズであり、フォーカシングを第１レンズユニットＩの光軸方向への移動により行う。具体的には、基準投射距離（図には、基準距離と記す）よりも近い距離のスクリーンに画像を投射する場合は、第１レンズユニットはスクリーン側に移動される（繰り出される）。また、基準投射距離よりも遠方のスクリーンに画像を投射する場合には、第１レンズユニットは画像形成素子側に移動される（繰り込まれる）。

図３には、このことを模式的に示している。また、図３には、フォーカシングに際して生じる像面湾曲ＦＣの様子も模式的に示している。像面のうち光軸直交方向における周辺部分で正（＋）方向にずれることを「オーバー方向の像面湾曲が生じる」といい、負（−）方向にずれることを「アンダー方向の像面湾曲が生じる」という。本実施例のようなレトロフォーカスタイプレンズでは、その非対称性から、負の屈折力の第１レンズユニットＩの繰出し時にはオーバー方向に、繰り込み時にはアンダー方向にそれぞれ像面湾曲ＦＣが生じる。ここでは、第１レンズユニットの繰出し時は至近方向への合焦動作時のことであり、繰込み時は遠方への合焦動作時のことであり、それぞれにおいてオーバー方向、アンダー方向の像面湾曲が発生する。

また、本実施例のプロジェクタ（画像投射装置）では、図４に示すように、投射レンズＰＬの光軸ＡＸＬに対して、画像形成素子ＩＥが下方向にＳｃだけシフトしている。つまり、画像形成素子ＩＥの中心座標はｙ＝−Ｓｃである。また、画像形成素子ＩＥの上端及び下端のｙ座標（すなわち、画像形成素子ＩＥのうち最も光軸ＡＸＬに近い位置及び最も光軸から離れた位置の光軸ＡＸＬに直交する方向での位置）をそれぞれＳｕ，Ｓｂとする。

一般に、このように画像形成素子ＩＥが投射レンズＰＬの光軸ＡＸＬに対してシフトしたプロジェクタでは、Ｓｕがｙ＝０又はその近傍の座標になるよう配置され、投射レンズＰＬの有効像円のほぼ下半分のみを用いる。これを逆投影方法ではく、通常の表現方法で言い換えれば、投射レンズＰＬは、光軸ＡＸＬに直交する方向のうち一方の側（下側）に位置する画像形成素子（物体）ＩＥからの光束を他方の側（上側）に位置するスクリーンＳＮに投射する。

図５には、逆投影方法において、画像形成素子ＩＥ上において像面湾曲ＦＣが生じている状態を模式的に示している。

図５において、像面上での任意のｙ座標における像面湾曲量をΔＷ（ｙ）とする。像面湾曲のオーバー方向をΔＷ＞０とし、アンダー方向をΔＷ＜０とする。このとき、画像形成素子ＩＥの上端（ｙ＝Ｓｕ）と下端（ｙ＝Ｓｂ）との間の像面のずれ量は、
ΔＷ（Ｓｂ）−ΔＷ（Ｓｕ）
である。

このことから、画像形成素子ＩＥの上端と下端との間の像面傾き量θは、
θ＝ｔａｎ^−１[{ΔＷ（Ｓｂ）−ΔＷ（Ｓｕ）}/（Ｓｕ―Ｓｂ）]
で計算される。像面傾き量θの符号は、オーバー方向で正とし、図５中に矢印で示す。

一方、本実施例の投射レンズＰＬでは、フォーカスレンズとして機能する第１レンズユニットＩを光軸ＡＸＬに対して（つまりは第２レンズユニットＩＩに対して）傾けることで、その傾ける方向に応じた像面の倒れを発生させる。第１レンズユニットＩを傾ける方向は、スクリーンにおける像面湾曲の方向とは反対方向に像面が倒れる方向である。
このように、第１レンズユニットＩを傾けることによって、例えば図５に示すように像面湾曲がオーバー方向に発生した状態で、ｙ軸に対して角度θだけ傾いた直線をｙ軸と平行（平行とみなせる場合も含む）にする又は平行に近づけることができる。これにより、像面湾曲が発生していても、ほぼ平面の物体面とほぼ平面の像面とを実質的に共役な関係とすることができ、ピントが合った画像をスクリーン投射することができる。

図６には、第１レンズユニットＩを傾けることによって像面倒れが発生する様子を模式的に示している。像面湾曲が光軸ＡＸＬを中心として上下方向において対称に発生するのに対して、像面倒れは上下方向において非対称に発生する。

ここで、本実施例における像面倒れに関する説明は、実際に画像投射に使用されている有効像円の下半分の領域についてのものである。また、図６にＣＷで示す回転（傾き）方向を時計回り方向と称することとし、ＣＣＷで示す回転方向を反時計回り方向と称する。また、ここでのＣＷやＣＣＷは、右側を縮小共役側（液晶パネル等の画像形成素子側）、左側を拡大共役側（フラットなスクリーン等の被投射面側）とした場合における方向である。言い換えると、ここでのＣＷやＣＣＷは、右側の共役面においては有効像円の下半分を使用し、左側の共役面においては有効像円の上半分を使用する場合における方向である。したがって、左右が逆転すれば、ＣＷやＣＣＷも逆転する。

本実施例の投射レンズのようなレトロフォーカスタイプレンズでは、最もスクリーン側に配置された第１レンズユニットＩは、負の屈折力を有する。この第１レンズユニットＩを時計回り方向（ＣＷ）に傾けるとオーバー方向に、反時計回り方向（ＣＣＷ）に傾けるとアンダー方向にそれぞれ像面倒れＦＴが発生する。

そして、第１レンズユニットＩを単位角度（単位量）傾けたときに発生する像面倒れの角度（傾き量）をαとすると、上述した像面傾き量θを補正するための第１レンズユニットＩの傾け量Ｄは、
Ｄ＝Ａ・θ/α …（１）
で表される。ここで、Ｄは、時計回り方向を正とする。また、αは、θと同じくオーバー方向を正とする。Ａは任意の微調整係数であり、投射レンズ毎の像面湾曲の形に応じて最適な微調整を行うための正の値である。実際には、
０．５＜Ａ＜２
の範囲で調整を行うことで、最適な傾け量Ｄを得ることができる。

つまり、第１レンズユニットＩの傾け量Ｄは、
θ／２α＜Ｄ＜２θ／α …（２）
を満足することが好ましい。なお、この条件は、満足されることが好ましい条件に過ぎず、必ずしも満足すべき条件ではない。

また、像面湾曲の方向が第１レンズユニットＩの基準投射距離に対応した位置からの繰り出しと繰り込みによって変化することは前述した通りであるが、像面湾曲の量も、第１レンズユニットＩの繰り出し量及び繰り込み量に応じて変化する。

したがって、本実施例では、第１レンズユニットＩの光軸方向位置に応じて、該第１レンズユニットＩを光軸ＡＸＬに対して傾ける量及び方向を変化させる。

このような第１レンズユニットＩの傾け動作を実現するために、本実施例では、例えばカム機構を採用する。

図２には、該カム機構を構成するカム筒ＣＢを、投射レンズの周方向に展開して示している。該カム筒ＣＢには、実際の投射レンズにおける上、右下及び左下に相当する周方向における３箇所に３つのカム（カム溝部）Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が形成されている。各カムには、第１レンズユニットＩを保持する不図示のレンズ保持部材に設けられたカムピンＣＰが係合している。

そして、本実施例では、上カムＣ１の傾斜角を、他のカムＣ２，Ｃ３のそれよりも大きく設定している。これにより、上カムＣ１の両端間でカムピンＣＰが移動することにより得られる光軸方向での全リフト量Ｌ１は、他のカムＣ２，Ｃ３で得られる全リフト量Ｌ２よりも大きい。全リフト量とは、無限遠への合焦状態から至近への合焦状態まで変化させた場合（第１レンズユニットを駆動した場合）の、各カムピンの光軸方向における移動量ということもできる。更に言い換えれば、カム溝の光軸方向の長さということもできる。
なお、カムＣ２，Ｃ３の傾斜角及び全リフト量はそれぞれ、互いに同じである。
また、１つのカムの全リフト量を他の２つのカムの全リフト量よりも小さくするように構成してもよい。

この構成によれば、第１レンズユニットＩを繰り出す（至近方向に合焦させる）場合には、図１（及び図６）に示すように該第１レンズユニットＩを反時計回り方向ＣＣＷに傾けることができる。一方、第１レンズユニットＩを繰り込む（遠方に合焦させる）場合には、該第１レンズユニットＩを時計回り方向ＣＷに傾けることができる。なお、上カムＣ１の傾斜角は、上記式（１）を用いて計算することができる。

このように、本実施例では、第１レンズユニットＩの周方向の複数箇所に形成した複数のカムのうち少なくとも１つのカムの全リフト量を他のカムの全リフト量と異ならせている。これにより、第１レンズユニットＩの傾け方向と傾け量を、簡単な構成で、第１レンズユニットＩの光軸方向位置、つまりは投射距離に応じて制御することができる。なお、カムの数は、３つでなくてもよい。

図２では、各カムを直線カムとした場合を示しているが、各カムの形状を非線形として繰出し量又は繰込み量に応じて細かく像面倒れ量を調整するようにしてもよい。

図７Ａ及び図７Ｂには、以上の構成によって実際のスクリーン上で得られる像面湾曲の補正効果を示している。これらの図において、図１〜６にて示した要素と同じ要素には同じ符号を付している。

両図において、Ｖは各投射距離の位置において投射レンズＰＬの光軸ＡＸＬに直交する被投射面を示す。図７Ａは、本実施例にて説明した像面湾曲の補正機構（第１レンズユニットＩの傾け機構）を持たない場合における各被投射面Ｖにて発生する像面湾曲を示す。一方、図７Ｂは、本実施例にて説明した像面湾曲の補正機構を有する場合の各被投射面Ｖにて発生する像面湾曲を示す。

なお、前述したように、投射レンズＰＬは、光軸ＡＸＬに対して下側に位置する画像形成素子ＩＥからの光束を光軸ＡＸＬに対して上側に位置する被投射面Ｖに投射する。このため、光軸ＡＸＬに対して上側の像面（実投射像面）を実線で示し、下側の像面（実際には形成されない像面）を点線で示している。

これらの図の比較から分かるように、本実施例は、第１レンズユニットＩを光軸ＡＸＬ（第２レンズユニットＩＩ）に対して以下のように傾けることで、図７Ｂに示す像面湾曲の補正効果が得られる。すなわち、第１レンズユニットＩを被投射面Ｖにおける像面湾曲の方向とは反対方向（矢印Ｂ方向）に像面が倒れるように光軸ＡＸＬに対して傾ける。
さらに言えば、第１レンズユニットＩが光軸ＡＸＬに対して傾いていない状態において実投射像面のうち最も大きな像面湾曲が生じる部分Ｐが、光軸ＡＸＬに直交する面（被投射面）Ｖに近づく方向（矢印Ｂ方向）に、第１レンズユニットＩを傾ける。第１レンズユニットを傾けない図７Ａに対して、第１レンズユニットを傾けている図７Ｂにおいては、像面の光軸方向の幅が小さくなっていることが分かる。

これにより、像面湾曲によるピンぼけ等の画像劣化の影響を、第１レンズユニットＩを傾けることによって発生する像面倒れを利用して（像面湾曲を補正することなく）低減することができる。したがって、像面湾曲による画質劣化や投射距離の変化による画質の変化が少ない画像を投射することができる。

以上のように、本実施例の投射レンズは、最も被投射面側（スクリーン側又は拡大側）に配置された負レンズユニット（負の屈折力を有する１枚以上のレンズから構成されるレンズユニット）を有している。そして、フォーカス調整（焦点距離調節）の際に、その負レンズユニットを光軸方向に移動させている。その際に生じる収差の変動（主に像面湾曲の変動）による画像劣化（ピンぼけ等）の影響を低減するために、負レンズユニットを光軸方向に移動させるととともに、光軸に対する傾きを変化させている。特にその傾きの変化のさせ方は、収差変動による悪影響を低減する方向に傾けている。したがって、フォーカス調整時に、遠距離から至近距離へ調整する場合、その負レンズユニットは、光軸（光軸と垂直な平面）に対する傾き角度が徐々に一方向に変化することが望ましい。更に、一番遠い距離にフォーカス調整した場合と、一番近い距離にフォーカス調整した場合とでは、負レンズユニットの光軸と垂直な平面に対する傾きが、逆向きになっていることが望ましい。但し、同じ向きの中で傾き角度が変化するだけでも構わない。

以上説明した実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

例えば、上記実施例では投射レンズが画像形成素子に対して上側にシフトされている場合について説明したが、下側や左右にシフトされたときも同様の像面湾曲の補正手法を用いて、良好な画像を投射できる。また、上述した式（１）に従うように動的に補正を行えば、投射レンズが固定的に画像形成素子に対してシフトされている場合に限らず、投射レンズが可変シフトタイプであるプロジェクタにおいても実施例と同様の像面湾曲の補正手法を用いることができる。

また、上記実施例では、レトロフォーカスタイプの投射レンズにおいて最もスクリーン側の負レンズユニットを傾ける場合について説明した。しかし、傾けるレンズユニットは、最もスクリーン側の負レンズユニットに限定されず、他の位置に配置された負レンズユニットでもよい。

さらに、上記実施例では、プロジェクタについて説明した。しかし、画像形成素子に代えて、被写体（物体）からの光束を光電変換する撮像素子を予定像面に設ければ、他の撮像装置や交換レンズ等の光学機器においても、上記実施例で説明したのと同様な像面湾曲の補正効果が得られる。なお、撮像素子としては、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等を含む。

本発明の実施例である投射レンズの概略構成を示す図。 実施例におけるカム機構の構成を示す展開図。 フォーカシングと像面湾曲の変動についての説明図。 実施例の投射レンズが用いられるプロジェクタの構成を示す概略図。 像面湾曲の拡大図。 実施例において第１レンズユニットを傾けることで発生する像面倒れを説明する図。 像面湾曲の補正機構を持たない場合における各被投射面にて発生する像面湾曲を示す図。 実施例の像面湾曲の補正機構を有する場合における各被投射面にて発生する像面湾曲を示す図。

符号の説明

Ｉ 第１レンズユニット
ＩＩ 第２レンズユニット
ＰＬ 投射レンズ
ＡＸＬ 光軸
ＩＥ 画像形成素子
ＦＣ 像面湾曲
ＦＴ 像面倒れ

Claims (4)

1. 物体からの光束を被投射面に投射する投射レンズであって、
   負レンズユニットを含み、
   前記被投射面における像面湾曲の方向とは反対方向に像面が倒れるように前記負レンズユニットを該投射レンズの光軸に対して傾ける機構を有し、
   前記負レンズユニットは前記投射レンズの光軸方向に移動可能なレンズユニットであり、
   前記機構は、前記負レンズユニットの光軸方向における位置に応じて前記負レンズユニットを傾ける量及び方向を変化させ、
   前記負レンズユニットは、前記投射レンズを構成する他のレンズユニットよりも被投射面側に配置されたレンズユニットであり、
   前記機構は、前記負レンズユニットが前記光軸に対して傾いていない状態において前記像面のうち最も大きな像面湾曲が生じる部分が前記光軸に直交する面に近づく方向に前記負レンズユニットを前記光軸に対して傾け、
   前記投射レンズは、前記光軸に直交する方向のうち一方の側に位置する前記物体からの光束を他方の側に位置する前記被投射面に投射し、
   前記物体のうち最も前記光軸に近い位置及び最も光軸から離れた位置の前記光軸に直交する方向での位置をそれぞれＳｕ及びＳｂとし、これらの位置に対応する像面上の位置での像面湾曲量をそれぞれΔＷ（Ｓｕ）及びΔＷ（Ｓｂ）とし、像面傾き量θを、
   θ＝ｔａｎ ^−１ ［｛ΔＷ（Ｓｂ）−ΔＷ（Ｓｕ）｝／（Ｓｕ―Ｓｂ）］
   とし、前記負レンズユニットを傾けたときに発生する前記像面の傾き量をαとしたとき、
   前記負レンズユニットの傾け量Ｄが、
   θ／２α＜Ｄ＜２θ／α
   を満たし、
   前記負レンズユニットを前記光軸の方向に移動させることによって、フォーカス調整を行い、一番遠い距離にフォーカス調整した場合と、一番近い距離にフォーカス調整した場合とでは、前記負レンズユニットの光軸と垂直な平面に対する傾きが、逆向きになっていることを特徴とする投射レンズ。
2. 前記機構は、前記負レンズユニットを前記投射レンズの光軸の方向に移動させるとともに、前記負レンズユニットの前記光軸に対する傾きを変化させることを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
3. 前記機構は、前記負レンズユニットの周方向の複数箇所に形成された複数のカムを有し、
   該複数のカムのうち少なくとも１つのカムの全リフト量が他のカムの全リフト量よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の投射レンズ。
4. 画像を形成する画像形成素子と、
   前記画像形成素子からの光束を前記被投射面に投射する請求項１から３のいずれか１つに記載の投射レンズとを有することを特徴とする画像投射装置。