JP6742954B2 - ズームレンズおよび画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像投射装置に用いられるズーム機能を有する投射レンズに関する。

画像投射装置（プロジェクタ）用の投射レンズには、より高精細な画像の投射を可能とする高解像性能と、投射画像の大きさを任意に調整可能な変倍（ズーム）機能とを有することが求められている。特許文献１には、５つのレンズユニットを移動させて変倍を行う投射レンズが開示されている。

特開２０１４−１３４５６７号公報

しかしながら、特許文献１にて開示された投射レンズを含む従来の投射レンズでは、広角端端から望遠湍までのズーム域全体で高解像性能を維持することが難しい。すなわち、広角端と望遠端とで解像性能が大きく変化する。
本発明は、ズーム域全体でより高解像性能が得られるズームレンズおよび画像投射装置を提供する。

本発明の一側面としてのズームレンズは、変倍に際して互いに隣接するレンズユニット間の間隔が変化する複数のレンズユニットを有する。複数のレンズユニットは、拡大共役側から縮小共役側に順に、負の屈折力を有し、変倍に際して際に不動である第１レンズユニットと、変倍に際してそれぞれ移動する第２レンズユニット、第３レンズユニット、第４レンズユニット、第５レンズユニット、第６レンズユニットおよび第７レンズユニットと、正の屈折力を有し、変倍に際して不動である第８レンズユニットとを含むことを特徴とする。

なお、上記ズームレンズを用いた画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明の一側面としてのズームレンズは、変倍に際して互いに隣接するレンズユニット間の間隔が変化する複数のレンズユニットを有する。複数のレンズユニットは、拡大共役側から縮小共役側に順に、負の屈折力を有し、変倍に際して際に不動である第１レンズユニットと、変倍に際してそれぞれ移動する第２レンズユニット、第３レンズユニット、第４レンズユニット、第５レンズユニット、第６レンズユニットおよび第７レンズユニットと、正の屈折力を有し、変倍に際して不動である第８レンズユニットからなることを特徴とする。

本発明の実施例１であるズームレンズの構成を示す断面図。 実施例１のズームレンズの広角端、投射距離２０５０ｍｍにおける収差図。 実施例１のズームレンズの望遠端、投射距離２０５０ｍｍにおける収差図。 本発明の実施例２であるズームレンズの構成を示す断面図。 実施例２のズームレンズの広角端、投射距離２０５０ｍｍにおける収差図。 実施例２のズームレンズの望遠端、投射距離２０５０ｍｍにおける収差図。 実施例１〜２のズームレンズを投射レンズとして用いたプロジェクタの構成を示す断面図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。まず、具体的な実施例（数値例）１〜２を説明する前に、各実施例に共通する事項について図１および図４を用いて説明する。

図１および図４に示した各ズームレンズは、図の右側である縮小共役側（後述する光変調素子側）からの光を、図の左側である拡大共役側（後述する被投射面側）に向けて投射する投射レンズに用いられる。また、各ズームレンズは、変倍に際して互いに隣接するレンズユニット間の光軸方向での間隔が変化する複数のレンズユニットを有する。

ここでいう互いに隣接するレンズユニット間とは、例えば、後述する第１レンズユニットＢ１と第２レンズユニットＢ２との間の間隔、第３レンズユニットＢ３と第４レンズユニットＢ４との間の間隔等をいう。つまり、レンズユニット間の境界は、変倍に際して変化するレンズユニット間の間隔にある。なお、互いに隣接するレンズユニット間の間隔が変化するとは、第１レンズユニットＢ１と第２レンズユニットＢ２との間の間隔等、変倍時に不動のレンズユニットと可動のレンズユニットとの間の間隔が変化することも意味する。各実施例では、複数のレンズユニットとして８つのレンズユニットを有するズームレンズの構成例を示す。

なお、本発明の各実施例におけるレンズユニットが備えるレンズは複数のレンズであっても１つのレンズのみであってもよい。

図１および図４には、各ズームレンズの広角端（Ｗｉｄｅ）および望遠湍（Ｔｅｌｅ）での光学構成を示している。ズームレンズは、拡大共役側から縮小共役側に順に、負の屈折力を有する第１レンズユニットＢ１、正の屈折力を有する第２レンズユニットＢ２、正の屈折力を有する第３レンズユニットＢ３および負の屈折力を有する第４レンズユニットＢ４を有する。さらに、正の屈折力を有する第５レンズユニットＢ５、正または負の屈折力を有する第６レンズユニットＢ６、正の屈折力を有する第７レンズユニットＢ７および正の屈折力を有する第８レンズユニットＢ8を有する。第４レンズユニットＢ４と第５レンズユニットＢ５との間には、開口絞りＳＴが設けられている。

変倍に際して、第１レンズユニットＢ１と第８レンズユニットＢ８は不動（固定）であり、第２、第３、第４、第５および第６レンズユニットＢ２〜Ｂ６は図中に矢印で示すように互いに異なる軌跡を描くように光軸方向に移動する。具体的には、広角側（広角端）から望遠側（望遠湍）への変倍に際して、第２、第３、第５、第６および第７レンズユニットＢ２，Ｂ３，Ｂ５，Ｂ６，Ｂ７は拡大共役側に移動する。これに対して、第４レンズユニットＢ４は縮小共役側に移動する。

このような構成において、第4レンズユニットの負レンズとしての形状が、以下の式（１）の条件を満足することが望ましい。これにより、広角端から望遠端までのズーム域全体において高解像性能を有する等、良好な光学性能を有するズームレンズ１が実現される。

−０．２≦φＢ４ｒ１／φｗ≦０．３ （１）
式（１）において、Φｗは広角端におけるズームレンズ全系の屈折力であり、φＢ４ｒ１は第４レンズユニットＢ４のうち最も拡大共役側のレンズ面Ｒ１の屈折力である。φＢ４ｒ１／φｗが式（１）の上限を上回ると歪曲収差の補正が過剰になり、下限を下回ると歪曲収差の補正が不十分になり、いずれの場合も良好な光学性能を実現できない。

なお、式（１）の範囲をより狭めた式（１）′の条件を満足すると、より好ましい。式（１）′の上限値は０未満としてもよい。

−０．１≦φＢ４ｒ１／φｗ≦0 （１）′
また、図１に示すように、プロジェクタ用の投射レンズ（ズームレンズ１）と光変調素子３との間には、色合成プリズム等の光学素子を配置するスペースを設けなければならないため、ズームレンズ１はある程度の長さのバックフォーカスを有する必要である。このため、ズームレンズ１は、以下の式（２）の条件を満足することが望ましい。

−０．７≦φ１／φｗ≦−０．１ （２）
式（２）において、φ１は第１レンズユニットＢ１の屈折力である。式（２）の条件を満足することで、ズーム域全体において十分なバックフォーカスを確保することができる。

なお、式（２）の範囲をより狭めた式（２）′の条件を満足すると、より好ましい。

−０．６≦φ１／φｗ≦−０．２ （２）′
また、第４レンズユニットの屈折力が以下の式（３）の条件を満足することで、ズーム域全体において良好な光学性能を有するズームレンズを実現できる。

−０．６≦φ４／φｗ＜０ （３）
式（３）において、φ４は第４レンズユニットＢ４の屈折力である。φ４／φｗが式（３）の上限と下限の範囲外になると、変倍の際に像面湾曲の変化を少なくすることができなくなるので、好ましくない。

なお、式（３）の範囲をより狭めた式（３）′の条件を満足すると、より好ましい。

−０．４≦φ４／φｗ≦−０．２ （３）′
さらに、第４レンズユニットＢ４と第５レンズユニットＢ５との間に配置された開口絞りＳＴを変倍に際して第２〜第７レンズユニットＢ２〜Ｂ７と異なる軌跡を描くように移動させつつ以下の式（４）を満足することが望ましい。これにより、変倍に際しての明るさ（Ｆナンバー）の変化を小さくすることができる。

０．８≦Ｆｎｏｔ／Ｆｎｏｗ≦１．２ （４）
式（４）において、Ｆｎｏｗはズームレンズの広角端でのＦｎｏであり、Ｆｎｏｔはズームレンズの望遠端でのＦｎｏである。

なお、式（４）の範囲をより狭めた式（４）′の条件を満足すると、より好ましい。

０．９≦Ｆｎｏｔ／Ｆｎｏｗ≦１．１ （４）′
また、第２レンズユニットＢ２および第４レンズユニットＢ４を１つのレンズで構成することで、移動するレンズユニットの構成を簡単とし、軽量化を図ることもできるので、好ましい。
各実施例によれば、ズーム域全体で解像性能の変化が少なく（すなわち高解像性能を維持でき）、ほぼテレセントリックで画角全体において良好な光学性能を有するズームレンズを実現することができる。特に式（１）〜（４）の条件のうち少なくとも１つを満足することで、より上記効果を得やすくすることができる。

なお、各実施例に示すズームレンズの構成は例であり、開口絞りＳＴの位置は第４および第５レンズユニットＢ４，Ｂ５の間に限定されるわけではない。また、開口絞りＳＴと同様の機能を鏡筒等で代用することも可能である。

図１には、本発明の実施例１であるズームレンズ１の構成として、投射距離が２０５０ｍｍであるときの構成を示す。本実施例のズームレンズ１は、拡大共役側から縮小共役側に順に、上述した第１〜第８レンズユニットＢ１〜Ｂ８を有する。本実施例では、第６レンズユニットＢ６は、正の屈折力を有する。開口絞りＳＴは、変倍に際して第５レンズユニットＢ５と一体で移動する。

第１レンズユニットＢ１は、拡大共役側から縮小共役側に順に、負、負、負、負および正の５つのレンズＬ１１〜Ｌ１５により構成されている。第２レンズユニットＢ２は、１つの正レンズＬ１６により構成されている。第３レンズユニットＢ３は、拡大共役側からから縮小共役側に順に、正および負の２つのレンズＬ１７，Ｌ１８により構成されている。第４レンズユニットＢ４は、１つの負レンズＬ１９により構成されている。第５レンズユニットＢ５は、拡大共役側から縮小共役側に順に、負および正の２つのレンズＬ２０，Ｌ２１により構成されている。第６レンズユニットＢ６は、拡大共役側から縮小共役側に順に、負、正、正および負の４つのレンズＬ２２〜Ｌ２５により構成されている。第７レンズユニットＢ７は、拡大共役側から縮小共役側に順に、正および負の２つのレンズＬ２６，Ｌ２７により構成されている。第８レンズユニットＢ８は、１つの正レンズＬ２８により構成されている。

図１において、２は前述した色合成プリズム等を含む光学系であり、３は液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス等の光変調素子である。光学系２は、光変調素子３により変調された光を投射レンズ（ズームレンズ１）に導く。このことは、後述する他の実施例でも同じである。

本実施例の数値例を表１に示す。表１の（Ｃ）に示すように、本数値例は式（１）〜（４）の条件を満足する。

また、図２には本実施例のズームレンズ１の広角端および投射距離２０５０ｍｍにおける縦収差図を示し、図３には望遠端および投射距離２０５０ｍｍにおける縦収差図を示す。これらの図には、ｄ線に対する球面収差および歪曲収差と、メリディオナル像面（Ｔ）およびサジタル像面（Ｓ）での非点収差を示している。このことは、後述する他の実施例でも同じである。

図４には、本発明の実施例２であるズームレンズ２１の構成として、投射距離が２０５０ｍｍであるときの構成を示す。本実施例のズームレンズ２１は、拡大共役側から縮小共役側に順に、上述した第１〜第８レンズユニットＢ１〜Ｂ８を有する。本実施例では、第６レンズユニットＢ６は、負の屈折力を有する。開口絞りＳＴは、変倍に際して第５レンズユニットＢ５と一体で移動する。

第１レンズユニットＢ１は、拡大共役側から縮小共役側に順に、負、負、負、負および正の５つのレンズＬ３１〜Ｌ３５により構成されている。第２レンズユニットＢ２は、１つの正レンズＬ３６により構成されている。第３レンズユニットＢ３は、拡大共役側からから縮小共役側に順に、正および負の２つのレンズＬ３７，Ｌ３８により構成されている。第４レンズユニットＢ４は、１つの負レンズＬ３９により構成されている。第５レンズユニットＢ５は、拡大共役側から縮小共役側に順に、負および正の２つのレンズＬ４０，Ｌ４１により構成されている。第６レンズユニットＢ６は、拡大共役側から縮小共役側に順に、負、正、正および負の４つのレンズＬ４２〜Ｌ４５により構成されている。第７レンズユニットＢ７は、拡大共役側から縮小共役側に順に、正および負の２つのレンズＬ４６，Ｌ４７により構成されている。第８レンズユニットＢ８は、１つの正レンズＬ４８により構成されている。

本実施例の数値例を表２に示す。表２の（Ｃ）に示すように、本数値例は式（１）〜（４）の条件を満足する。

また、図５には本実施例のズームレンズ２１の広角端および投射距離２０５０ｍｍにおける縦収差図を示し、図６には望遠端および投射距離２０５０ｍｍにおける縦収差図を示す。

（数値例）
以下の表に実施例１〜２に対応する数値例を示す。各表において（Ａ）はレンズ構成を示し、ｆは焦点距離（ｍｍ）、Ｆは開口比である。また、ｒｉは物体側（縮小共役側）からｉ番目の面の曲率半径（ｍｍ）であり、ｄｉはｉ番目の面と（ｉ＋１）番目の面間の間隔（ｍｍ）である。ｎｉとνｉはそれぞれｉ番目の光学部材のｄ線に対する屈折率とアッベ数である。ＳＴは絞りの位置を示す。

左側に＊が付されている面は、以下の関数により表される非球面形状を有する。（Ｂ）に非球面係数を示す。関数において、ｙは径方向の座標を、ｚは光軸方向の座標を、ｋはコーニック係数を示す。また、ｅ−Ｘは「×１０^−Ｘ」を示す。

ｚ（ｙ）＝（ｙ^２／ｒｉ）／［１＋｛１−（１＋ｋ）（ｙ^２／ｒｉ^２）｝^１／２］
＋Ａｙ^４＋Ｂｙ^６＋Ｃｙ^８＋Ｄｙ^１０＋Ｅｙ^１２＋Ｆｙ^１４＋Ｇｙ^１６
各表の（Ｃ）には、各数値例の式（１）〜（４）の値を示す。

図１０には、各実施例のズームレンズを投射レンズとして用いた画像投射装置（プロジェクタ）の構成を示す。照明光学系５２は、光源５１からの光を直線偏光に変換するとともに、３つの光変調素子５７，５８，５９のそれぞれに均一な強度で導く。色分離合成光学系は、ダイクロイックミラー５３、および偏光ビームスプリッタ５４，５５を有し、光源５１からの白色光を赤光、緑光および青光に分離して、これらの色光を対応する光変調素子５７，５８，５９に導く。各光変調素子は、外部からの映像信号に応じて駆動され、入射した色光を変調および反射する。

色分離合成光学系は、光変調素子５７，５８，５９により変調されて偏光ビームスプリッタ５４，５５により色合成プリズム５６に導かれた赤光、緑光および青光を合成して、投射レンズ６０に導く。投射レンズ６０は、レンズ鏡筒６０ａによって保持されている各実施例で説明したズームレンズ（１，２１）である。投射レンズ６０は、色合成プリズム５６からの合成光をスクリーン等の被投射面６１に拡大投射する。これにより、被投射面６１上にカラー投射画像が表示される。

各実施例のズームレンズを投射レンズ６０として用いることで、高解像度で良好に収差が補正された投射画像を表示することができる。
以上説明した各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。

Ｂ１ 第１レンズユニット
Ｂ２ 第２レンズユニット
Ｂ３ 第３レンズユニット
Ｂ４ 第４レンズユニット
Ｂ５ 第５レンズユニット
Ｂ６ 第６レンズユニット
Ｂ７ 第７レンズユニット
Ｂ８ 第８レンズユニット
１，２１ ズームレンズ
ＳＴ 開口絞り

Claims (12)

1. 変倍に際して互いに隣接するレンズユニット間の間隔が変化する複数のレンズユニットを有するズームレンズであって、
   前記複数のレンズユニットは、拡大共役側から縮小共役側に順に、
   負の屈折力を有し、変倍に際して際に不動である第１レンズユニットと、
   変倍に際してそれぞれ移動する第２レンズユニット、第３レンズユニット、第４レンズユニット、第５レンズユニット、第６レンズユニットおよび第７レンズユニットと、
   正の屈折力を有し、変倍に際して不動である第８レンズユニットからなることを特徴とするズームレンズ。
2. 前記第４および第５レンズユニットの間に、絞りを有することを特徴とする請求項１に記載のズームレンズ。
3. 前記第２、第３、第４レンズユニットはそれぞれ、正、正および負の屈折力を有することを特徴とする請求項１または２に記載のズームレンズ。
4. 広角側から望遠側への変倍に際して、
   前記第２および第３レンズユニットは、前記拡大共役側に移動し、
   前記第４レンズユニットは、前記縮小共役側に移動することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のズームレンズ。
5. 前記第５および第７レンズユニットは、正の屈折力を有し、
   前記第６レンズユニットは、正または負の屈折力を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のズームレンズ。
6. φｗが前記ズームレンズ全系の広角端での屈折力であり、φＢ４ｒ１が第４レンズユニットのうち最も前記拡大共役側のレンズ面の屈折力であるとき、
   −０．２≦φＢ４ｒ１／φｗ≦０．３
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のズームレンズ。
7. φｗが前記ズームレンズ全系の広角端での屈折力であり、φ１が第１レンズユニットの屈折力であるとき、
   −０．７≦φ１／φｗ≦−０．１
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のズームレンズ。
8. φｗが前記ズームレンズ全系の広角端での屈折力であり、φ４が第４レンズユニットの屈折力であるとき、
   −０．６≦φ４／φｗ＜０
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のズームレンズ。
9. Ｆｎｏｗが前記ズームレンズの広角端でのＦナンバーであり、Ｆｎｏｔが望遠端における前記ズームレンズのＦナンバーであるとき、
   ０．８≦Ｆｎｏｔ／Ｆｎｏｗ≦１．２
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のズームレンズ。
10. 前記第４レンズユニットが、１つの負レンズにより構成されていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のズームレンズ。
11. 前記複数のレンズユニットを保持する鏡筒を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のズームレンズ。
12. 光を変調する光変調素子と、
    該光変調素子からの光を被投射面に投射する請求項１から１１のいずれか一項に記載のズームレンズとを有することを特徴とする画像投射装置。