JP2007279117A

JP2007279117A - ズームレンズシステムおよび表示装置

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Publication number: JP2007279117A
Application number: JP2006101793A
Authority: JP
Inventors: Akira Sawamoto; 章澤本
Original assignee: Nitto Optical Co Ltd
Current assignee: Nitto Optical Co Ltd
Priority date: 2006-04-03
Filing date: 2006-04-03
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2026-04-03
Also published as: US20070229977A1; US7400455B2; JP4917823B2

Abstract

【課題】コンパクトで高変倍率の２群のズームレンズを提供する。
【解決手段】スクリーン９の順に、負−正の２群構成のズームレンズシステム１０であって、第１のレンズ群Ｇ１および第２のレンズ群Ｇ２は少なくとも１面の非球面をそれぞれ含んでおり、広角端における第１のレンズ群および第２のレンズ群との空気間隔ｄｗと、望遠端における第１のレンズ群および第２のレンズ群との空気間隔ｄｔと、第１のレンズ群の合成焦点距離ｆ１と、第２のレンズ群の合成焦点距離ｆ２と、広角端における当該ズームレンズシステム１０の合成焦点距離ｆｗとが以下の条件を満たす。
０．０５＜ｄｔ／ｄｗ＜０．１７
ｄｔ＜２．５
１．３＜｜ｆ１／ｆｗ｜＜１．６
１．１＜｜ｆ２／ｆ１｜＜１．４
【選択図】図２

Description

本発明は、プロジェクタ用のズームレンズシステムに関するものである。

ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス、デジタルマイクロデバイス）のように、光の反射方向を変えて画像を形成する複数の素子を備えた光変調デバイスから画像をスクリーン上に投写するズームレンズとして、スクリーン側から負の屈折力の第１のレンズ群と、正の屈折力の第２のレンズ群とを有するものが知られている。

特許文献１に記載されたズームレンズは、第１のレンズ群が４枚構成、第２のレンズ群が６枚構成の計１０枚構成のズームレンズであり、変倍率は１．２である。

特許文献２に記載されたズームレンズは、第１のレンズ群が５枚構成、第２のレンズ群が７枚構成の計１２枚構成のズームレンズであり、変倍率は１．２である。
特開２００２−１４８５１５号公報特開２００４−２４０３０９号公報

負−正の２つのレンズ群からなるズームレンズシステムは簡易な構成であり、コンパクトで低コストのプロジェクタに適しており、例えば、モバイル用のプロジェクタ、家庭用のプロジェクタなどへの適用が検討されている。プロジェクタ用のズームレンズシステムには、明るく鮮明な画像を拡大投影するために、Ｆナンバーが２．４〜３程度と明るく、収差を良好に補正できることが要求される。さらに、反射型であるＤＭＤを用いたプロジェクタのズームレンズシステムとしては、ＤＭＤに照明用の光を照射するスペースを確保するために十分に長いバックフォーカスを確保することも要求される。

ズーム比を大きくすることも要望されるが、上記のようなプロジェクタ用のレンズシステムとして要望を満たすと共にズーム比を向上することは容易ではない。例えば、特許文献１および２に開示されているズームレンズでは、第１のレンズ群と第２のレンズ群のパワーをほぼ等しくすることにより収差補正の性能を確保している。また、広角端においてバックフォーカス長に対してレンズ長が長くなると周辺光量の確保が難しくなるので、変倍率を１．２程度に抑えている。

本発明の一態様は、スクリーンなどの表示媒体側から順に、負の屈折力の第１のレンズ群と、正の屈折力の第２のレンズ群とを備えたズームレンズシステムであって、第１のレンズ群および第２のレンズ群は少なくとも１面の非球面をそれぞれ含んでおり、さらに、広角端における第１のレンズ群および第２のレンズ群との空気間隔ｄｗと、望遠端における第１のレンズ群および第２のレンズ群との空気間隔ｄｔと、第１のレンズ群の合成焦点距離ｆ１と、第２のレンズ群の合成焦点距離ｆ２と、広角端における当該ズームレンズシステムの合成焦点距離ｆｗとが以下の条件を満たすズームレンズシステムである。
０．０５＜ｄｔ／ｄｗ＜０．１７・・・（１）
ｄｔ＜２．５ｍｍ・・・（２）
１．３＜｜ｆ１／ｆｗ｜＜１．６・・・（３）
１．１＜｜ｆ２／ｆ１｜＜１．４・・・（４）

広角端における空気間隔ｄｗに対する望遠端における空気間隔ｄｔの比（ｄｔ／ｄｗ）は、変倍比を確保するために小さいことが望ましい。しかしながら、比（ｄｔ／ｄｗ）を小さくするためには、広角端における空気間隔ｄｗを広げる必要があり、レンズ長が長くなり、さらに、周辺光量が低下する。このため、ズームレンズシステムでは、比（ｄｔ／ｄｗ）を小さくすることが難しい。これに対し、このズームレンズシステムでは、望遠端における空気間隔ｄｔを２．５ｍｍ未満に縮めることにより、比（ｄｔ／ｄｗ）を小さくしても広角端におけるレンズ長が長くなりすぎることを抑止し、コンパクトで、周辺光量も十分な明るい画像を表示できるズームレンズシステムを提供可能にしている。すなわち、このズームレンズシステムにおいては、条件（１）の範囲を上回ると、ズーム比を大きくすることが困難となり、条件（１）の範囲を下回ると、レンズ長が長くなり低コストでコンパクトなレンズシステムを提供することが難しくなる。

さらに、比（ｄｔ／ｄｗ）を小さくすることにより、第１のレンズ群のパワー配分を条件（３）および（４）の範囲で大きくし、十分な収差補正能力を得ると共に、十分なバックフォーカス長を確保している。

すなわち、条件（３）の範囲を上回ると第１のレンズ群の負のパワーが弱まり、レンズシステムが大きくなってしまう。条件（３）の範囲を下回ると、第１のレンズ群のパワーが強すぎて、球面収差およびコマ収差を十分に補正することが難しい。

条件（４）の範囲を上回ると、第１のレンズ群の負のパワーが強すぎて、球面収差およびコマ収差を十分に補正することが難しい。条件（４）の範囲を下回ると、第１のレンズ群の負のパワーが弱すぎてコマ収差の補正が困難になると共に、レンズ長が長くなり、レンズ外径を大きくする必要が生じ、コンパクトなレンズシステムの提供が難しい。

さらに、広角端における当該ズームレンズシステムの全長Ｌｗが以下の条件を満たすことが望ましい。
３．０＜｜Ｌｗ／ｆｗ｜＜５．５・・・（５）

この条件も第１のレンズ群のパワーを規定するものであり、条件（５）の範囲を上回ると、第１のレンズ群の負のパワーが弱すぎてスクリーン側のレンズの径が大きくなり、コンパクトなレンズシステムの実現が難しい。条件（５）の範囲を下回ると、第１のレンズ群の負のパワーが強すぎて、球面収差およびコマ収差を十分に補正することが難しく、良好な光学性能を確保することが難しい。

この２群構成のズームレンズシステムにおいては、第２のレンズ群は、最も表示媒体側に配置された正の屈折力のレンズと、画像の入力側に配置された接合レンズとを含むことが望ましい。接合レンズは、色収差などを補正する能力は高いが、パワーを確保することが難しい。したがって、正の屈折力のレンズを第１のレンズ群の側に配置し、接合レンズを反対の画像の入力側に配置することにより、望遠端における第１のレンズ群と第２のレンズ群との主点間隔を近づけることが可能となり、大きな変倍率を確保するのに適した構成となる。

この２群構成のズームレンズシステムの好適なレンズ配置は、第１のレンズ群が、表示媒体側から正、負、負、負、正の屈折力を備えた５枚のレンズで構成され、第２のレンズ群が、表示媒体側から正、正、正、負、正の屈折力を備えた５枚のレンズで構成され、表示媒体側から３番目および４番目のレンズにより接合レンズが構成されているものである。この１０枚構成のズームレンズシステムの一例は、変倍比が１．６程度と高変倍であり、鮮明な画像を表示できるものである。

本発明の他の態様は、この２群構成のズームレンズシステムと、ズームレンズシステムにより投影される画像を生成する光変調デバイスとを有する表示装置である。特に、ズームレンズシステムは十分に長いバックフォーカス長を確保できるので、光変調デバイスが、光の反射方向を変えて画像を生成する複数の素子を含んでいる表示装置に適している。この表示装置の一例は、スクリーンを表示媒体として画像を表示するプロジェクタである。表示媒体は、スクリーンに限らず、壁面、床面、印画紙などであっても良く、このズームレンズシステムは簡易な構成で高変倍率を実現できるので、画像を投影する種々の表示装置に適用できる。

図１に、本発明の一実施形態の表示装置の概略構成を示している。この表示装置１は、スクリーン９を表示媒体として画像を表示するためのプロジェクタであり、ズームレンズシステム１０と、このズームレンズシステム１０によりスクリーン９に投影される画像を生成する光変調デバイス６と、光変調デバイス６に照明光を照射するための照明ユニット５とを備えている。光変調デバイス（ライトバルブ）６は、光の反射方向を変えて画像を生成する複数の素子（マイクロミラー）を含んだＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）である。照明ユニット５は、３原色を時分割で出力する光源２と、それをＤＭＤ６の方向に照射するためのミラー３とを備えている。光源２は、例えば、白色光源と、色分割用のフィルターとの組み合わせであり、ＬＥＤなどの単色を出力する複数の光源を組み合わせることも可能である。

ＤＭＤ６は、２次元に配置されたマイクロミラーにより画像を形成するドットに対応する照明光をズームレンズシステム１０の方向に反射する。ズームレンズシステム１０はＤＭＤ６に有効な方向に反射された光（投写光）のみをスクリーン９の方向に出力して画像を形成する。このズームレンズシステム１０は、表示媒体の１つであるスクリーン９の側から順に、負の屈折力の第１のレンズ群Ｇ１と、正の屈折力の第２のレンズ群Ｇ２とを備えたズームレンズシステムである。

このズームレンズシステム１０は、次の条件を満たすように設計されている。
０．０５＜ｄｔ／ｄｗ＜０．１７・・・（１）
ｄｔ＜２．５ｍｍ・・・（２）
１．３＜｜ｆ１／ｆｗ｜＜１．６・・・（３）
１．１＜｜ｆ２／ｆ１｜＜１．４・・・（４）
３．０＜｜Ｌｗ／ｆｗ｜＜５．５・・・（５）
ただし、ｄｗは、広角端における第１のレンズ群Ｇ１および第２のレンズ群Ｇ２との空気間隔であり、ｄｔは、望遠端における第１のレンズ群Ｇ１および第２のレンズ群Ｇ２との空気間隔であり、ｆ１は、第１のレンズ群Ｇ１の合成焦点距離であり、ｆ２は、第２のレンズ群Ｇ２の合成焦点距離であり、ｆｗは、広角端における当該ズームレンズシステム１０の合成焦点距離であり、Ｌｗは、広角端における当該ズームレンズシステム１０の全長である。

図２に、上記の条件を満たすレンズシステムの一例のレンズ配置を拡大して示している。図２（ａ）は、拡大表示を行う広角端のレンズ配置を示し、図２（ｂ）は、標準状態の望遠端のレンズ配置を示している。このズームレンズシステム１０は、スクリーン９の側から２つのレンズ群Ｇ１およびＧ２にグループ化された１０枚のレンズＬ１１〜Ｌ１５およびＬ２１〜Ｌ２５により構成されている。

スクリーン側の第１のレンズ群Ｇ１は、全体が負の屈折力（パワー）を備えたレンズ群であり、スクリーン側から正の凸レンズＬ１１、スクリーン側に凸の負のメニスカスレンズＬ１２、スクリーン側に凸の負のメニスカスレンズＬ１３、スクリーン側が凹の負のメニスカスレンズＬ１４、およびスクリーン側に凸の正のメニスカスレンズＬ１５により構成されている。これらのスクリーン側から正、負、負、負、正の屈折力を備えた５枚のレンズの３枚目のレンズＬ１３の画像入力側の面Ｓ６が非球面となっている。

画像入力側の第２のレンズ群Ｇ２は、全体が正の屈折力（パワー）を備えたレンズ群であり、スクリーン側からの正の凸レンズＬ２１、スクリーン側に凸の正のメニスカスレンズＬ２２、スクリーン側が凹の正のメニスカスレンズＬ２３、スクリーン側が凹の負のメニスカスレンズＬ２４、およびスクリーン側が凹の正のメニスカスレンズＬ２５により構成されている。これらスクリーン側から正、正、正、負、正の屈折力を備えた５枚のレンズの、スクリーン側から３番目のレンズＬ２３および４番目のレンズＬ２４により接合レンズが構成され、５番目のレンズＬ２５の両側の面Ｓ１８およびＳ１９が非球面となっている。

各レンズのデータは以下に示す通りである。なお、これらのレンズデータにおいて、Ｒｄｙはスクリーン側から順番に並んだ各レンズの面の曲率半径（ｍｍ）、Ｔｈｉはスクリーン側から順番に並んだ各レンズの面の間の距離（ｍｍ）、ｎｄはスクリーン側から順番に並んだ各レンズの屈折率（ｄ線）、νｄはスクリーン側から順番に並んだ各レンズのアッベ数（ｄ線）を示す。Ｆｌａｔは、平面を示す。
レンズデータ
Ｎo. Rdy Thi nd νd
1 84.20000 5.20000 1.51805 64.14 レンズＬ１１
2 664.65000 0.20000
3 35.87000 2.00000 1.74641 49.34 レンズＬ１２
4 15.28000 5.90000
5 42.27000 1.80000 1.51805 64.14 レンズＬ１３
6 16.46000 11.20000
7 -21.37000 1.40000 1.48898 70.24 レンズＬ１４
8 -35.30000 0.50000
9 40.21000 2.90000 1.85415 23.78 レンズＬ１５
10 66.00000 d10
11 36.09000 4.20000 1.67305 47.23 レンズＬ２１
12 -408.92000 8.95000
13 30.57000 3.60000 1.48898 70.24 レンズＬ２２
14 104.04000 1.80000
15 -41.55000 4.30000 1.48898 70.24 レンズＬ２３
16 -16.56000 1.40000 1.81185 25.42 レンズＬ２４
17 -44.45000 2.30000
18 -134.41000 5.00000 1.51805 64.14 レンズＬ２５
19 -18.69000 d19
20 Flat 3.00000 1.48898 70.24 フィルタＯＦ
21 Flat 0.48000

面Ｓ６、Ｓ１８およびＳ１９の非球面係数は以下の通りである。
面Ｓ６
Ｒ＝１６．４６０
Ｋ＝０．００００
Ａ＝−２．５２００×１０^−５、Ｂ＝−９．１３３７×１０^−８
Ｃ＝６．７３９２×１０^−１１、Ｄ＝−１．８８２６×１０^−１２
ただし、非球面は、Ｘを光軸方向の座標、Ｙを光軸と垂直方向の座標、光の進行方向を正とし、上記の係数Ｋ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを用いて次式で表される。以下においても同様である。
Ｘ＝［（１／Ｒ）Ｙ²］／［１＋｛１−（１＋Ｋ）（１／Ｒ）²Ｙ²｝^1/2］
＋ＡＹ⁴＋ＢＹ⁶＋ＣＹ⁸＋ＤＹ¹⁰

面Ｓ１８
Ｒ＝−１３４．４１０
Ｋ＝０．００００
Ａ＝−４．２３５６×１０^−５、Ｂ＝−１．５９９６×１０^−７
Ｃ＝１．０２５５×１０^−９、Ｄ＝−１．１１８１×１０^−１１

面Ｓ１９
Ｒ＝−１８．６９０
Ｋ＝０．００００
Ａ＝−３．７７５５×１０^−６、Ｂ＝−１．２３５３×１０^−７
Ｃ＝９．１０３４×１０^−１０、Ｄ＝−８．５３３９×１０^−１２

ズームレンズシステム１０の広角端および望遠端における諸数値は以下の通りである。
広角端望遠端
レンズ群Ｇ１とＧ２との空気間隔ｄ１０１９．７４(dw) ２．２５(dt)
空気間隔ｄ１９（バックフォーカス）３３．５３４６．７４
ＦＮｏ．２．２０２．７６
合成焦点距離ｆ１６．５０２６．４２
レンズ長Ｌ（レンズのみの長さ）８２．３９６４．９０
第１のレンズ群の合成焦点距離ｆ１： −２４．３１７
第２のレンズ群の合成焦点距離ｆ２：３１．６１３
変倍比：１．６

したがって、上記の条件（１）〜（５）は以下のようになる。
条件（１）（ｄｔ／ｄｗ）：０．１１
条件（２）（ｄｔ）：２．２５
条件（３）（｜ｆ１／ｆｗ｜）：１．４７
条件（４）（｜ｆ２／ｆ１｜）：１．３
条件（５）（｜Ｌｗ／ｆｗ｜）：５．０

このように、レンズシステム１０は、条件（１）〜（５）を満たし、広角端から望遠端に向かって第１のレンズ群Ｇ１と第２のレンズ群Ｇ２とが近づいたときの空気間隔の比（ｄｔ／ｄｗ）が０．１１と小さい。この比（ｄｔ／ｄｗ）が小さいとレンズ長が長くなり、コンパクトにすることが難しく、周辺光量が低下する傾向になる。しかしながら、レンズシステム１０では、望遠端における空気間隔ｄｔを２．５ｍｍ未満に縮めることにより、比（ｄｔ／ｄｗ）を小さくしても広角端におけるレンズ長が長くなりすぎないようにしている。したがって、全体としてコンパクトで、周辺光量も十分に確保でき、ＦＮｏが２．２０〜２．７６と明るい画像を表示できるズームレンズシステムとなっている。

さらに、第２のレンズ群Ｇ２は、最もスクリーン側に、すなわち、最も第１のレンズ群Ｇ１の側に配置された正の屈折力のレンズＬ２１と、最も光変調デバイス６の側ではないが、第２のレンズ群Ｇ２の中では光変調デバイス６の側のレンズＬ２３およびＬ２４により構成された接合レンズとを含んでいる。したがって、このレンズシステム１０は、物理的に望遠端における第１のレンズ群Ｇ１と第２のレンズ群Ｇ２との空気間隔ｄｔを小さくしていると共に、パワーの大きなレンズを第１のレンズ群Ｇ１と第２のレンズ群Ｇ２との間に配置することにより、第１のレンズ群Ｇ１と第２のレンズ群との主点間隔を近づけた構成となっている。このため、レンズ長が短く、レンズ枚数が１０枚の簡易な構成により、１．６倍程度の高変倍率を実現している。

また、上記条件（１）〜（５）を満たし、第１のレンズ群Ｇ１に１つの非球面を備え、第２のレンズ群Ｇ２に２つの非球面を備えているので、諸収差も良好に補正され、鮮明な画像をスクリーン９に投影できるレンズシステムとなっている。図３および図４に、このズームレンズシステムの広角端および望遠端における球面収差、非点収差および歪曲収差を縦収差図によりそれぞれ示している。また、図５および図６に、このズームレンズシステムの広角端および望遠端における球面収差を、横収差図により示している。球面収差は、６５０ｎｍ（破線）、５５０ｎｍ（実線）および４５０ｎｍ（一点鎖線）の各波長における値を示している。また、非点収差および横収差図においては、タンジェンシャル光線（Ｔ）およびサジタル光線（Ｓ）の収差をそれぞれ示している。これらの図からわかるように、諸収差の値は、球面収差およびコマ収差も含めて良好に補正されており、このズームレンズシステム１０は、良好な光学性能を備えている。

この２群構成のズームレンズシステム１０を搭載したプロジェクタ１は、コンパクトで高変倍率である。したがって、プロジェクタ１は、モバイル用の情報端末と共に用いてスクリーン９を表示媒体として画像あるいはデータを投影するのに適している。さらに、スクリーン９に投影する用途のみならず、このズームレンズシステム１０を搭載した表示装置は、壁面に画像を投影したり、印画紙を露光するために画像を投影するなどの種々の用途に適したものである。

ズームレンズシステムを搭載したプロジェクタの概略構成を示す図。ズームレンズシステムのレンズ構成を示す図であり、図２（ａ）は広角端を示し、図２（ｂ）は望遠端を示す。図２に示すズームレンズシステムの広角端における収差を示す縦収差図。図２に示すズームレンズシステムの望遠端における収差を示す縦収差図。図２に示すズームレンズシステムの広角端における収差を示す横収差図。図２に示すズームレンズシステムの望遠端における収差を示す横収差図。

符号の説明

１プロジェクタ、５照明ユニット
６光変調デバイス（ＤＭＤ）
１０ズームレンズシステム

Claims

表示媒体側から順に、負の屈折力の第１のレンズ群と、正の屈折力の第２のレンズ群とを備えたズームレンズシステムであって、前記第１のレンズ群および前記第２のレンズ群は少なくとも１面の非球面をそれぞれ含んでおり、
広角端における前記第１のレンズ群および第２のレンズ群との空気間隔ｄｗと、望遠端における前記第１のレンズ群および第２のレンズ群との空気間隔ｄｔと、前記第１のレンズ群の合成焦点距離ｆ１と、前記第２のレンズ群の合成焦点距離ｆ２と、広角端における当該ズームレンズシステムの合成焦点距離ｆｗとが以下の条件を満たすズームレンズシステム。
０．０５＜ｄｔ／ｄｗ＜０．１７
ｄｔ＜２．５
１．３＜｜ｆ１／ｆｗ｜＜１．６
１．１＜｜ｆ２／ｆ１｜＜１．４
請求項１において、広角端における当該ズームレンズシステムの全長Ｌｗが以下の条件を満たす、ズームレンズシステム。
３．０＜｜Ｌｗ／ｆｗ｜＜５．５
請求項１において、前記第２のレンズ群は、最も表示媒体側に配置された正の屈折力のレンズと、画像の入力側に配置された接合レンズとを含む、ズームレンズシステム。
請求項３において、前記第１のレンズ群は、表示媒体側から正、負、負、負、正の屈折力を備えた５枚のレンズで構成され、
前記第２のレンズ群は、表示媒体側から正、正、正、負、正の屈折力を備えた５枚のレンズで構成され、表示媒体側から３番目および４番目のレンズにより前記接合レンズが構成されている、ズームレンズシステム。
請求項１ないし４のいずれかに記載のズームレンズシステムと、
前記ズームレンズシステムにより投影される画像を生成する光変調デバイスとを有する表示装置。
請求項５において、前記光変調デバイスは、光の反射方向を変えて画像を生成する複数の素子を含んでいる、表示装置。