JP2005345563A - 投影レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】高い結像性能を有しながらも、高価な異常分散ガラスを用いることなく良好な倍率色収差の補正をする投影レンズを提供する。
【解決手段】かかる課題を解決するために、矩形の画像表示マイクロデバイスの映像をスクリーン面上に投影する投影レンズにおいて、拡大側から縮小側に向かって順に、負のパワーを有する第１レンズ群と、正のパワーを有し、軸上及び軸外光を平行光に変換する第２レンズ群と、正のパワーを有し、入射光を結像面に集光させる第３レンズ群とを備え、第１レンズ群は、スクリーン側に配設されるレンズのみが非球面レンズであることを特徴とする投影レンズ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、投影レンズに関し、特に、マイクロデバイスを画像表示素子として採用した背面投射型映像表示装置に用いられる投影レンズに好適なものである。

近年、プロジェクション映像表示装置が広く普及している。このプロジェクション映像表示装置の１つとして、画像表示デバイスの画像を、透過型スクリーンに対して背面側から投射して画像を表示する背面投射型映像表示装置がある。この背面投射型映像表示装置は、例えばリアプロジェクションＴＶ等として知られている。

この背面投射型映像表示装置は、白色光源から出た光を、３原色の色成分（赤、青、緑）に色分解し、色分解した各色成分光を反射型の画像表示デバイスに照らし、反射型画像表示デバイスに反射された各色成分の映像光を投影レンズによって透過型スクリーン上に投影することによりカラー画像を表示するものである。

このようなリアプロジェクションＴＶは、近年、プロジェクションＴＶ本体の薄型化とともに表示の大画面化の要請があり、これに伴い、投影レンズは、短い投射距離で大画面を投影するために、短焦点化・広画角化が求められている。

このような要請に応えるためには、投影レンズのバックフォーカスと焦点距離の比も大きくしなければならない。一方、反射型の画像表示デバイス上の画像を高いコントラストでスクリーンに拡大投射するには、反射型の画像表示デバイスから垂直に近い角度で射出する光束を利用しなければならない。

従って、投影レンズの軸外の主光線が反射型の画像表示デバイスに垂直となるようにテレセントリック性を有することが必要となる。

また、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ Ｒａｙ Ｔｕｂｅ）方式と異なりＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）素子等ではドットマトリックス表示のために歪曲収差の電気的補正ができない。

従って、投影レンズ自体で小さな歪曲収差を実現しなければならない。しかしながら、このことは投影レンズの広角化や長いバックフォーカスを実現する上で障害となるものである。

さらに、反射型の画像表示デバイスの画素の高密度（高精細）化にともない、投影レンズの光学性能の向上、特に「倍率の色収差」を小さくすることが重要となってきている。

このような課題を考慮して提案された発明として特許文献１がある。特許文献１の実施例１においては、９枚構成のレンズ中、アクリル樹脂からなる非球面レンズを２枚使用して諸収差を補正する技術が開示されている。
特開２００３−１５６６８３号公報

しかしながら、近年の画像表示マイクロデバイスの画素の高密度（高精細）化に伴い、投影レンズの光学性能の向上、特に「倍率の色収差」を使用波長域で小さく補正したい要求が市場において強い。

特許文献１に示す従来の投影レンズでは、倍率の色収差が青色光（４５０ｎｍ）で１９μｍ、赤色光（６２０ｎｍ）で＋２２μｍとなっている。この赤色の倍率色収差は焦点距離ｆ＝１７．２７３ｍｍの０．１３％に相当する。

倍率色収差を補正するには異常分散ガラス（例えばアッベ数νｄが８１．６や９０．３等）を使うと効果的に補正可能であるが、このような異常分散ガラスは非常に高価であり、またレンズ製造も難しいため投影レンズのコスト高を招いてしまうという問題がある。

また、例えば、開口絞りを挟んで拡大側にある負の屈折力を有する第１群（前群）と縮小側にある正の屈折力を有する第２群（後群）からなるレトロフォーカスタイプの広角投影レンズの場合、開口絞りの前後でレンズの屈折力配置が非対称となるため、歪曲収差・非点収差などの軸外収差の発生が大きいが、これらの収差は非球面を用いることで収差補正可能である。

そこで、本発明は、上述した背景に鑑み、大量生産可能な樹脂製の非球面レンズを用いて、低コストでありながら高い結像性能を有し、倍率色収差が小さいマクロディスプレイ用の投影レンズを提供するものである。

かかる課題を解決するために、請求項１に記載の本発明の投影レンズは、矩形の画像表示マイクロデバイスの映像をスクリーン面上に投影する投影レンズにおいて、拡大側から縮小側に向かって順に、負のパワーを有する第１レンズ群と、正のパワーを有し、軸上及び軸外光を平行光に変換する第２レンズ群と、正のパワーを有し、入射光を結像面に集光させる第３レンズ群とを備え、第１レンズ群は、スクリーン側に配設されるレンズのみが非球面レンズであることを特徴とする。

本発明の投影レンズによれば、非球面レンズが１種類であるため、比較的短期間に量産金型を立ち上げることができ、市場の変化に対応することができる。

また、本発明の投影レンズによれば、倍率の色収差補正を高価な異常分散ガラスを使用することなく、安価で加工し易い光学材料で構成しているため、低コストでありながら高い結像性能を有する投影レンズを安定供給することができる。

以下では、本発明の投影レンズを実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

本実施形態は、背面投射型映像表示装置に用いられる投影レンズに適用した場合について説明する。

また、本実施形態は、画像表示デバイスとして反射型画像表示マイクロデバイスを使用し、また光学系として単板式リアプロジェクションＴＶ光学系を使用した場合において、投影レンズが反射型画像表示マイクロデバイスのカラー画像をスクリーンに拡大投影する場合について説明する。

以下では、まず、投影レンズを備えた背面投射型映像表示装置の全体構成について説明し、その後投影レンズ及び実施例について説明する。

（Ａ）全体構成
図２は、背面投射型映像表示装置の構成例を概略的に説明するための断面図である。

図２において、背面投射型映像表示装置は、キャビネットａ内に、光学エンジンｂ、投影レンズｅ、折り曲げミラーｄ、ｆ、キャビネットａの前面に透過型スクリーンｃを備える。

光学エンジンｂからの光は、投影レンズｅの中に組み込まれた第１の折り曲げミラーｄにより反射され、その反射された光は、投影レンズｅを介してキャビネットａ側の第２の折り曲げミラーｆに反射され、透過型スクリーンｃに投影される。これにより、ＴＶセットの薄型化と大画面化を実現している。

次に、単板式リアプロジェクションＴＶ光学系の構成例について図３を参照して説明する。

図３において、単板式リアプロジェクションＴＶ光学系は、白色光源であるアークアンプ（超高圧水銀灯）１、リフレクター２、カラーホイール３、ライトトンネル４、リレーレンズ５、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）素子６、カバーガラス７、ＴＩＲ（Ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）プリズム８、投射レンズ９を備える。

アークランプ１は、楕円面形状をしたリフレクター２の第１焦点に配置されるものである。アークランプ１が放射した光は、リフレクター２により反射・集光され、カラーホイール３を通過して３原色に時分割されてリフレクター２の第２の焦点に集光される。

カラーホイール３は、３原色の青、緑、赤のカラーフィルターが円板状に配置され、高速回転（例えば毎秒６０回転程度の回転数）し光を通過させることで時分割に色分解するものである。

集光された光は、その集光面に配置された例えば１６：９のアスペクト比を有するライトトンネル４により導かれることで、均一な矩形形状の照明光を形成されると共に、リレーレンズ５によって、ＤＭＤ素子６に効率よく時分割された各色成分の照明光として照射される。

ＤＭＤ素子６は、画像表示素子であり、反射角度が高速制御される微小ミラー（例えば１４μｍ角）を２次元的に備え、この微小ミラーの角度を調整することで入射光を反射させるものである。つまり、ＤＭＤ素子６がＯＮ反射する場合、微小ミラーの角度を調整し、入射光を投影レンズ９に向けて反射させ、ＤＭＤ素子６がＯＦＦ反射する場合、微小ミラーの角度を調整して、入射光を投影レンズ９に向けて反射させず、例えば光吸収部材などに吸収される。このようにＯＮ反射の場合に、投影レンズ９に光を反射させるものである。

リレーレンズ５によって照明光がＤＭＤ素子６に照射されると、ＤＭＤ素子６によってＯＮ状態の光のみが、投影レンズ９によってスクリーン（図示しない）に拡大投影される。

以上のようにして、ＤＭＤ素子６が反射した光が投影レンズ９を介してスクリーンに拡大投影される。

（Ｂ）投影レンズ
次に、本実施形態の投影レンズのレンズ構成について図面を参照して説明する。図１は、ＤＭＤ素子６が反射した画像光をスクリーン（図示しない）に拡大投影する投影レンズのレンズ構成図である。

なお、図１の左側にスクリーン（図示しない）を配備するものとし、以下では、スクリーン側を「拡大側」と称し、ＤＭＤ素子６側（図１の右側）を「縮小側」と称して説明する。

図１において、本実施形態の投影レンズは、拡大側から縮小側に向かって順に、負の屈折力（パワー）を有する第１群Ｉ（第１レンズ群ともいう）と、正の屈折力を有する第２群ＩＩ（第２レンズ群ともいう）と、正の屈折力を有する第３群ＩＩＩ（第３レンズ群）とを配してなる。また、第３群の縮小側には、ＴＩＲプリズム８、カバーガラス７、ＤＭＤ素子６が配設してなる。

第１群Ｉと第２群ＩＩと第３群ＩＩＩとを配して構成された投影レンズの型は「レトロフォーカスタイプ」と称するもので、バックフォーカスを長くすることができ、広角化にも適している。

投影レンズは、第２群ＩＩと第３群ＩＩＩとの間に絞りＳを配し、また、第２群ＩＩと絞りＳとの間に折り曲げミラーＭを配してなる。

第１群Ｉは、負のパワーを有するレンズ群である。

第２群ＩＩは、第１群Ｉにより発散した光束を、軸上及び軸外光において、正のパワーを有することにより、ほぼ平行光に変換するものである。

第３群ＩＩＩは、第２群ＩＩからのほぼ平行光束を、正のパワーを有することにより、結像面に集光させるものである。

次に、図１を参照して、第１群Ｉ〜第３群ＩＩＩを構成するレンズについて説明する。

図１に示すように、第１群Ｉは、拡大側から縮小側に向かって順に、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２と、第３レンズＬ３とを配して構成される。

第１レンズＬ１は、拡大側に凸面を向けた両面非球面からなる負メニスカスレンズである。このように、第１レンズＬ１が両面非球面とすることで、歪曲収差を抑えることができる。また、第１レンズＬ１は、合成樹脂で成形されるものである。合成樹脂材料としては、例えば、アクリル（ＰＭＭＡ）やゼオネックス等が好適な材料である。

第２レンズＬ２は、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズである。

第３レンズＬ３は、両面が凹面である負レンズである。

また、図１において、第２群ＩＩは、拡大側から縮小側に向かって順に、第４レンズＬ４と第５レンズＬ５とを配して構成される。

第４レンズＬ４は、拡大側に凹面を向けた正メニスカスレンズである。

第５レンズＬ４は、両面が凸面である正レンズである。

更に、図１において、第３群ＩＩＩは、拡大側から縮小側に向かって順に、第６レンズＬ６と、第７レンズＬ７と、第８レンズＬ８とを配して構成される。

第６レンズＬ６は、縮小側に強い凸面を向けた正メニスカスレンズＬ６１と、その縮小側の面に凹メニスカスレンズレンズＬ６２とを接合してなる接合レンズである。

第７レンズＬ７は、縮小側に強い凸面を向けた正レンズである。

第８レンズＬ８は、縮小側に強い凹面を向けた負メニスカスレンズＬ８１と、その縮小側の面に両凸レンズＬ８２とを接合してなる接合レンズである。

上述したように、第１レンズＬ１は、合成樹脂で形成されたレンズであり、そのレンズ材料のアッベ数ν１が、ν１＞５３の条件を満足するように設定する。

また、第６レンズＬ６を構成するレンズＬ６１、第７レンズＬ７及び第８レンズＬ８を構成するレンズＬ８２は、それぞれのアッベ数をν６１、ν７及びν８２とするとき、７２＞ν６１、ν７及びν８２＞４８の条件を満足するように設定する。

なお、νは、レンズ媒質のアッベ数であり、νに付されている数字はレンズ番号である。また、周知の如く、アッベ数νはレンズ媒質のＦ、ｄ、Ｃ線の屈折率をＮ_Ｆ、Ｎ_ｄ、Ｎ_ｃとしたとき、ν＝（Ｎ_ｄ−１）／（Ｎ_Ｆ−Ｎ_ｃ）で定義される。

本実施形態で説明する投影レンズは、第１レンズＬ１（第１群のスクリーン側に最も近い側のレンズ）のみが非球面レンズであり、また合成樹脂材料で生産される。従って、この第１レンズＬ１を生産するために、比較的短期間に量産することが可能となる。また、生産する非球面レンズが１種類のみであるから、その初期金型投資を抑えることもできる。

また、第１レンズＬ１を非球面とすることにより、歪曲収差を小さく抑えることができる。

次に、図１に示す投影レンズのレンズ構成について説明する。なお、図１において、拡大側から第ｉ番目の面の曲率半径をＲｉとし、第ｉ番目の面と第ｉ＋１番目の面との光軸上の面間隔をＤｉとする。また、屈折率とアッベ数はｄ線の値である。

また、全系の焦点距離をｆ（ｄ線の値）、明るさをＦ／ｎｏ、画角を２ω、横倍率をＭ、投影距離をＬで表す。

非球面は、周知の如く、光軸をＺ軸とする直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）において、Ｒを近軸曲率半径、Ｋを円錐定数、Ａ４，Ａ５，…，Ａ１２をそれぞれ４次、５次、…、１２次の非球面係数とするとき、座標ｈ＝（Ｘ^２＋Ｙ^２）^１／２における面形状が次式で表されるものとする。

Ｚ（ｈ）＝（ｈ^２／Ｒ）／[１＋｛１−（１＋Ｋ）・（ｈ／Ｒ）^２｝^１／２]
＋Ａ３・ｈ^３＋Ａ４・ｈ^４＋Ａ５・ｈ^５＋Ａ６・ｈ^６
＋Ａ７・ｈ^７＋Ａ８・ｈ^８＋Ａ９・ｈ^９＋Ａ１０・ｈ^１０
＋Ａ１１・ｈ^１１＋Ａ１２＋ｈ^１２ …（１）

次に、具体的な数値を用いた本実施形態の投影レンズの実施例１について図面を参照して説明する。

図４は、実施例１のレンズ構成と光線追跡図を示す図である。また、図５は、実施例１における投影レンズを構成するための具体的な数値を示す説明図である。

なお、図４に示すレンズ構成は図１に示すレンズ構成に対応し、対応する構成要素には対応する符号を付す。

実施例１では、図５に示すように、全系の焦点距離ｆ（ｄ線の値）＝９．２２５ｍｍとし、明るさＦ／ｎｏ＝２．５とし、バックフォーカスＢ_ＦＬ＝２７．９７２ｍｍ、画角２ω＝９４°、横倍率Ｍ＝−１／６５．１１×、投影距離Ｌ＝５６１．３４７ｍｍとした場合である。

図６は、実施例１の投影レンズの球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す収差図である。

図６に示すように、実施例１の投影レンズによれば、倍率の色収差は６５６ｎｍの光で６μｍ程度であり、焦点距離ｆ＝９．２２５ｍｍの０．０６５％に相当する（従来例の半分）４８６ｎｍ、５４６ｎｍの光でいずれも−２μｍ程度であり良好な結果を得ることができる。

また、図６に示すように、実施例１の投影レンズによれば、球面収差、非点収差及び歪曲収差も良好な結果を得ることができる。

次に、本実施形態の投影レンズの実施例２について図面を参照して説明する。

図７は、実施例２のレンズ構成と光線追跡図を示す図である。また、図８は、実施例２における投影レンズを構成するための具体的な数値を示す説明図である。

なお、図７に示すレンズ構成は図１に示すレンズ構成に対応し、対応する構成要素には対応する符号を付す。

実施例２では、図８に示すように、全系の焦点距離ｆ（ｄ線の値）＝９．２２５ｍｍとし、明るさＦ／ｎｏ＝２．５とし、バックフォーカスＢ_ＦＬ＝２７．９３６３ｍｍ、画角２ω＝９７°、横倍率Ｍ＝−１／８４．９７×、投影距離Ｌ＝７４２．６９６４ｍｍとした場合である。

図９は、実施例２の投影レンズの球面収差、非点収差、歪曲収差、倍率色収差を示す収差図である。

図９に示すように、実施例２の投影レンズによれば、倍率の色収差は６５６ｎｍの光で６μｍ程度であり、４３６ｎｍ、４８６ｎｍ、５４６ｎｍの光で−３μｍ程度であり、良好な結果を得ることができる。

また、図９に示すように、実施例２の投影レンズによれば、球面収差、非点収差及び歪曲収差も良好な結果を得ることができる。

（Ｃ）他の実施形態
（Ｃ−１）上述した実施形態では、画像表示デマイクロバイスとして、ＤＭＤ素子を例に挙げた場合について説明したが、これに限らず、透過型の高温ポリシリコンＴＦＴによる液晶表示デバイスや反射型液晶のＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）素子を用いた場合でも、上述した実施形態と同様の作用、効果を奏することができる。

（Ｃ−２）上述した実施形態では、光学系として、単板式の光学系を適用した場合について説明したが、これに限らず、３板式の光学系を適用するようにしてもよい。

（Ｃ−３）上述した実施形態において、第１レンズ群の第１レンズの面変更、または第２レンズ群及び第３レンズ群の間隔変更をすることによっても倍率変更を行なうようにしてもよい。これにより、投影レンズのレンズエレメントの最小変化によって、倍率変化を可能とすることができる。

本実施形態の投影レンズのレンズ構成を説明するための説明図である。 本実施形態の投影レンズを備えた背面投射型映像表示装置の構成例を示す断面図である。 本実施形態のＤＭＤ素子を用いた光学系の構成例を示す図である。 実施例１のレンズ構成及び光線追跡を示す図である。 実施例１の投影レンズの具体的数値を示す説明図である。 実施例１の投影レンズの各種収差を示す収差図である。 実施例２のレンズ構成及び光線追跡を示す図である。 実施例２の投影レンズの具体的数値を示す説明図である。 実施例２の投影レンズの各種収差を示す収差図である。

符号の説明

Ｉ…第１群（第１レンズ群）、
Ｌ１…第１レンズ、Ｌ２…第２レンズ、Ｌ３…第３レンズ、
ＩＩ…第２群（第２レンズ群）、
Ｌ４…第４レンズ、Ｌ５…第５レンズ、
ＩＩＩ…第３群（第３レンズ群）、
Ｌ６…第６レンズ、Ｌ６１、Ｌ６２…第６レンズの構成レンズ、
Ｌ７…第７レンズ、
Ｌ８…第８レンズ、Ｌ８１、Ｌ８２…第８レンズの構成レンズ、
Ｍ…折り曲げミラー、Ｓ…絞り、６…ＤＭＤ素子、７…カバーガラス、
８…ＴＩＲプリズム。

Claims (6)

1. 矩形の画像表示マイクロデバイスの映像をスクリーン面上に投影する投影レンズにおいて、
   拡大側から縮小側に向かって順に、
   負のパワーを有する第１レンズ群と、
   正のパワーを有し、軸上及び軸外光を平行光に変換する第２レンズ群と、
   正のパワーを有し、入射光を結像面に集光させる第３レンズ群と
   を備え、
   上記第１レンズ群は、スクリーン側に配設されるレンズのみが非球面レンズであることを特徴とする投影レンズ。
2. 当該投影レンズ全体のパワーをφとし、上記第１、第２及び第３レンズ群のパワーをそれぞれφ_Ｉ、φ_ＩＩ及びφ_ＩＩＩとするとき、上記第１レンズ群のパワー比が−１．３＜φ_Ｉ／φ＜−１．７であり、上記第２レンズ群のパワー比が４＜φ_ＩＩ／φ＜８であり、上記第３レンズ群のパワー比が３＜φ_ＩＩＩ／φ＜５であることを特徴とする請求項１に記載の投影レンズ。
3. 上記第１レンズ群は、拡大側から順に、第１レンズ、第２レンズ及び第３レンズを配して構成され、
   上記第２レンズ群は、拡大側から順に、第４レンズ及び第５レンズを配して構成され、
   上記第３レンズ群は、拡大側から順に、第６レンズ、第７レンズ及び第８レンズを配して構成され、
   上記第１レンズは、拡大側に凸面を向けた、少なくとも１面が非球面からなる負メニスカスレンズであり、
   上記第２レンズは、拡大側に凸面を向けた負メニスカスレンズであり、
   上記第３レンズは、両面が凹面である負レンズであり、
   上記第４レンズは、拡大側に凹面を向けた正メニスカスレンズであり、
   上記第５レンズは、両面が凸面である正レンズであり、
   上記第６レンズは、縮小側に強い凸面を向けた正メニスカスレンズの縮小側の面に凹メニスカスレンズレンズを接合してなる接合レンズであり、
   上記第７レンズは、縮小側に強い凸面を向けた正レンズであり、
   上記第８レンズは、縮小側に強い凹面を向けた負メニスカスレンズの縮小側の面に両凸レンズを接合してなる接合レンズであり、
   上記第２レンズ群と上記第３レンズ群との間に絞りを配設した
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の投影レンズ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の投影レンズにおいて、
   上記第１レンズは、合成樹脂で成形され、レンズ材料のアッベ数ν１が、ν１＞５３の条件を満足し、かつ、上記第６レンズを構成する正メニスカスレンズＬ６１、上記第７レンズ及び上記第８レンズを構成する両凸レンズＬ８２のアッベ数ν６１、ν７及びν８２がそれぞれ、７２＞ν６、ν７及びν８＞４８の条件を満足する
   ことを特徴とする投影レンズ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の投影レンズにおいて、上記第１レンズの面変更をすることにより、及び又は、上記第２レンズ群と上記第３レンズ群との間隔を変化させることにより、倍率変更を行なうことを特徴とする投影レンズ。
6. 請求項１〜請求項５のいずれかに記載の投影レンズにおいて、第２レンズ群と上記絞りとの間に、光路折り曲げ手段を設けたことを特徴とする投影レンズ。

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