JP2006276656A - プロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 レンズの焦点合わせや倍率変更を容易としうるプロジェクタを提供することを主な目的としている。
【解決手段】 このプロジェクタは、筐体１と、投写用レンズ４と、リレーレンズ３と、照明光学系２とを備えている。照明光学系２は、投写されるべき光学像をリレーレンズ３の入射瞳へ転送する構成となっている。リレーレンズ３は、照明光学系２から転送された光学像を投写用レンズ４の入射瞳に転送できる位置に配置されている。さらに、リレーレンズ３の全体又はその一部のレンズは、光軸方向に沿って移動可能とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクタに関するものである。

プロジェクタとしては、従来から、液晶プロジェクタやＤＬＰプロジェクタなどの各種のものが知られている。

プロジェクタには、一般に、結像系と照明系の２つの光学系がある。これら２つの光学系の間には、フィールドレンズが配置され、これによって光学像の伝搬がなされている。

反射型光学系を用いたプロジェクタでは、照明光学系の光路を結像光学系の光路の間に通している。これにより、コンパクトな設計が可能である。このような反射型光学系を採用するためには、結像光学系におけるバックフォーカスを大きくとる必要がある。

ところが、結像光学系の設計において、そのＦナンバーを保ったまま、広い画角でかつ大きいバックフォーカスを達成することは難しい。このような光学系を達成するためには、レンズ枚数の増加もしくはレンズ径の増大を伴い、コスト増に繋がるという問題もある。

また、照明光学系における映像表示素子で結像された光学像は、結像光学系の入射瞳に転送される。この時に、結像光学系から映像表示素子を見込んだ方向余弦の値が小さいほど光束のロスが少なくなる。特に、映像表示素子が、液晶などの複屈折をもつものであると、入射角度によりリタデーションが変わってくるために、方向余弦の値が大きいと、拡大された像の品質を悪くする。よって、結像光学系は、映像表示素子側において、なるべくテレセントリック性を持たすことが望ましい。

しかしながら、結像光学系において、テレセントリック性を持たし、かつ、バックフォーカスをあげることは、さらにその設計を困難にしてしまう。

そこで、本発明者が種々検討したところ、結像光学系を、投写用レンズとリレーレンズとに分けることによって、これらの問題を解決しうるという知見を得た。さらに、本発明者は、リレーレンズを光軸方向に移動可能とすることによって、レンズの焦点合わせや倍率変更が容易になるという知見を得た。

従来は、下記特許文献１及び２に記載されているように、リレーレンズを用いたプロジェクタが提案されている。しかしながら、これらには、リレーレンズを光軸方向に移動可能とすることによってレンズの焦点合わせや倍率変更が容易にする、という構成は記載されていない。
特開２０００−１５５２８８号公報 特開２００２−１６２６８８号公報

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものである。本発明は、レンズの焦点合わせや倍率変更を容易としうるプロジェクタを提供することを主な目的としている。

請求項１に記載のプロジェクタは、投写用レンズと、リレーレンズと、照明光学系とを備えている。前記照明光学系は、投写されるべき光学像を前記リレーレンズの入射瞳へ転送する構成となっている。前記リレーレンズは、前記光学像を前記投写用レンズの入射瞳に転送できる位置に配置されている。さらに、前記リレーレンズの全体又はその一部のレンズは、光軸方向に沿って移動可能とされている。

投写用レンズに転送された光学像は、プロジェクタの外部（例えばスクリーン面）に投写される。

ここで、本明細書においては、「レンズ」という語は、原則として単レンズとレンズ群の両方の意味を含むものとする。

請求項２に記載のプロジェクタは、請求項１に記載のものにおいて、リレーレンズが、絞りに対してパワー的に対称な二つのレンズを備えたものとなっている。前記二つのレンズは、前記絞りに対して対称又は非対称に、前記光軸方向に沿って移動可能とされている。

請求項３に記載のプロジェクタは、請求項１又は２に記載のものにおいて、前記リレーレンズの全体又はその一部のレンズを前記光軸方向に沿って移動させる移動機構と、前記リレーレンズの全体又はその一部の位置の微調整を行う微調整機構とをさらに備えているものである。

請求項４に記載のプロジェクタは、請求項１に記載のものにおいて、前記リレーレンズを、前記照明光学系及び前記投写用レンズの両側において略テレセントリックとしたものである。

リレーレンズを、投写用レンズの側において略テレセントリックとすることにより、リレーレンズが光軸方向に移動しても、投写用レンズに転送される光学像の大きさはほぼ一定となる。また、リレーレンズを、照明光学系の側において略テレセントリックとすることにより、リレーレンズが光軸方向に移動しても、照明光学系からリレーレンズに転送される光学像の大きさはほぼ一定となる。

請求項１に記載の発明によれば、リレーレンズの全体又はその一部のレンズを、光軸方向に沿って移動可能とすることにより、レンズの焦点合わせや倍率変更が容易なプロジェクタを提供することが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、絞りに対してパワー的に対称な二つのレンズを、絞りに対して対称又は非対称に、光軸方向に沿って移動可能とすることによって、リレーレンズにおける光線入口と光線出口との間で、光線（光束）の状態を変化させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載のものにおいて、リレーレンズの全体又はその一部のレンズを光軸方向に沿って移動させる移動機構と、リレーレンズの全体又はその一部の位置の微調整を行う微調整機構とをさらに備えているので、レンズを大きく移動させた後に微調整を行うことができ、レンズの位置調整を素早くかつ精度良く行うことができるという効果がある。

請求項４に記載の発明によれば、リレーレンズを、照明光学系及び投写用レンズの両側において略テレセントリックとしたので、リレーレンズが光軸方向に移動しても、投写用レンズに転送される光学像の大きさはほぼ一定となる。したがって、この発明によれば、リレーレンズを光軸方向に移動させる構成としても、スクリーンに投写される像の大きさの変動が少ない。また、本発明では、リレーレンズを、照明光学系の側において略テレセントリックとしたので、リレーレンズが光軸方向に移動しても、照明光学系からリレーレンズに転送される光学像の大きさ（光線の入射角度）はほぼ一定となる。すると、リレーレンズにおけるレンズの口径を大きくしなくても、像の転送が可能となり、リレーレンズの小型化を図ることができる。しかも、光線の入射角度が一定であることから、リレーレンズにおける収差が乱れにくいという効果もある。

本発明に係るプロジェクタの一実施形態を、図１に基づいて説明する。このプロジェクタは、筐体１と、照明光学系２と、リレーレンズ３と、投写用レンズ４と、制御部５とを主要な構成として備えている。

筐体１は、内部に収納空間を有し、かつ、投写用レンズ４を着脱可能に取り付けることができるように構成されている。この実施形態では、筐体１の内部に、照明光学系２とリレーレンズ３と制御部５とが収納されている。

投写用レンズ４は、この実施形態では、筐体１に対して着脱可能なように取り付けられている。投写用レンズ４を筐体１に着脱可能に取り付けるための構造としては、例えば一眼レフカメラにおける着脱構造を用いることができる。投写用レンズ４は、必要な画角やＦナンバー等の特性を備えている。また、異なる特性を有する複数の投写用レンズ４が別途用意されていることが好ましい。

照明光学系２は、投写されるべき光学像をリレーレンズ３に向けて出射する構成となっている。照明光学系２は、投写されるべき光学像を形成するための映像表示素子（図示せず）を備えている。映像表示素子としては、例えば液晶であるが、これに限らず、ＤＬＰプロジェクタに用いられるＤＭＤ（デジタル・ミラー・デバイス）など、各種のものを用いることができる。また、照明光学系２自体としても、既存の各種の照明光学系を用いることができる。

リレーレンズ３は、照明光学系２から出射された光学像を投写用レンズ４に転送できる位置に配置されている。リレーレンズ３と照明光学系２との間には、瞳を効率的に転送するためのフィールドレンズ（図示せず）が配置されている。リレーレンズ３は、絞りを挟んで物体側と像側でレンズパワーが対称なガウスタイプのものが好ましいが、これには限られない。

リレーレンズ３は、投写用レンズ４及び照明光学系２の両側において、略テレセントリックとされている。ただし、テレセントリックであることは必須ではない。

さらに、本実施形態においては、リレーレンズ３は、光軸方向に移動可能とされている。本実施形態におけるリレーレンズ３は群構成でもよい。群構成の場合は、リレーレンズ３の全体又はその一部のレンズが、光軸方向に沿って前後に移動可能とされている。

リレーレンズ３を光軸方向に移動させる機構としては、各種の移動機構を用いることができる。移動機構としては、例えばラック・ピニオンやボールねじを用いた構成がある。

制御部５は、照明光学系２における映像表示素子の動作を制御し、所望の光学像を生成する機能と、照明光学系２の動作に必要な電力供給を行う機能とを有している。そのような機能を有する制御部５は、従来のプロジェクタにおいても使用されてきているので、その詳細な説明は省略する。さらに、本実施形態では、制御部５は、リレーレンズ３の移動機構の動作（例えば移動時期や移動量）を制御する機能を有している。このような機能は適宜なマイコンやコンピュータプログラムを用いることにより容易に実装できるので、これ以上詳細な説明は省略する。

次に、本実施形態に係るプロジェクタの動作を説明する。まず、制御部５からの指令及び電力供給に基づいて、照明光学系２において、所望の光学像が生成される。生成された光学像は、リレーレンズ３に転送される。リレーレンズ３に転送された光学像は、さらに、投写用レンズ４に転送される。投写用レンズ４に転送された光学像は、このレンズ４によって必要な倍率まで拡大されて、スクリーンＳに投写される。

本実施形態のプロジェクタにおいては、リレーレンズ３の全体又はその一部のレンズを、光軸方向に沿って移動可能としている。このリレーレンズ３の移動により、レンズの焦点合わせや倍率変更が可能となる（レンズの移動パターンの具体例は後述の実施例参照）。

ここで、仮にリレーレンズ３が完全な両側テレセントリックであっても、リレーレンズ３の一部が移動することにより、その入射瞳又は射出瞳に転送される像の大きさが変わることから、像の倍率変更が可能となる。

さらに、リレーレンズ３が完全なテレセントリックでない場合や、一部のレンズの移動によりテレセントリック性が崩れる場合は、リレーレンズ３の移動により、それから転送される像の大きさを変更することができる。

また、リレーレンズの全体又はその一部のレンズを移動することにより、リレーレンズ３の瞳から投写レンズ４の瞳に転送される像のフォーカス位置が変わることから、投射レンズ４の焦点あわせが可能となる。

さらに、投写用レンズ４を移動させる機構を設計することは、投写用レンズ４が筐体１の外部に出ていることから、比較的に難しい。これに対して、リレーレンズ３は、筐体１の内部に存在するので、リレーレンズ３を移動させる機構を設計することは容易となる。また、リレーレンズ３は、一般に、投写用レンズ４に較べて、小型に設計することが容易なので、そのための移動機構も小型にすることができ、プロジェクタ全体の小型化や軽量化が容易になるという利点もある。

また、本実施形態においては、リレーレンズ３を、照明光学系２及び投写用レンズ４の両側において略テレセントリックとしたので、リレーレンズ３が光軸方向に移動しても、投写用レンズ４に転送される光学像の大きさはほぼ一定となる。したがって、この発明によれば、リレーレンズを光軸方向に移動させる構成としても、スクリーンに投写される像の大きさの変動が少ない。

また、本実施形態のプロジェクタによれば、投写用レンズ４を交換することができるので、異なる倍率や特性の投写用レンズを、用途に応じて交換して使用することができる。したがって、投写用レンズ（結像光学系）の設計を単純化することができる。

すると、投写用レンズ４の軽量化や小型化が容易となり、この投写用レンズ４を取り付けた状態でのプロジェクタの重量や体積を小さくし、その設置や搬送を容易にすることができるという利点がある。

さらに、投写用レンズ４の設計が単純になると、投写用レンズ４を安価に提供することも可能となる。

また、本実施形態のプロジェクタにおいては、リレーレンズ３を用いているために、投写用レンズ４のバックフォーカスを大きくする必要がない。したがって、投写用レンズ４の設計をさらに単純化することができ、投写用レンズ４の軽量化や低コスト化を図ることが可能となる。

さらに、投写用レンズ４の側において、リレーレンズ３を略テレセントリックとすることにより、異なる投写用レンズの間において入射瞳の位置が異なっていても、ほぼ同じ大きさの光学像を投写用レンズ４に転送することができる。したがって、投写用レンズ４の設計において、入射瞳の位置の自由度が上がり、設計を容易とすることができる。

さらに、リレーレンズ３が、さらに照明光学系２の側においても略テレセントリックとなっている場合には、投写用レンズ４で拡大された光学像の品質を向上させることができる。

さらに、通常の結像光学系において、照明光学系２の側におけるテレセントリック性を実現するためには、結像光学系に求められる他の特性（例えば画角やＦナンバー）との両立が求められる。すると、結像光学系の設計が困難になる。これに対して、本実施形態では、リレーレンズ３を用いているので、リレーレンズ３にテレセントリック性を付与することにより、照明光学系２の側におけるテレセントリック性を容易に実現することができるという利点がある。また、結像光学系において求められる画角などの特性は、投写用レンズ４とリレーレンズ３との組み合わせによって、比較的に容易に実現することができる。

さらに、リレーレンズ３を両側テレセントリックとすることにより、物体側及び像側において、光線の方向余弦値が極めて小さいかゼロとなる。すると、投写用レンズ４の３次収差の値を余り崩すことがないという利点がある。

さらに、本実施形態では、リレーレンズ３を用いているために、投写用レンズ４の３次収差をリレーレンズ３で相殺するように設計することができる。すると、投写用レンズ４の設計がさらに容易となり、像品質の良い結増光学系の設計が容易になるという利点もある。

また、前記実施形態において、リレーレンズ３の全体又はその一部のレンズを光軸方向に沿って移動させる移動機構（図示せず）と、リレーレンズ３の全体又はその一部の位置の微調整を行う微調整機構とを備えることもできる。このようにすると、レンズを大きく移動させた後に微調整を行うことができ、リレーレンズ３の位置調整を素早くかつ精度良く行うことができるという利点がある。

（実施例）
次に、前記実施形態の構成を具体化した実施例を図２に示す。実施形態の構成要素に対応する部分には、実施形態の説明と同じ符号を付している。

この実施例では、照明光学系２は、液晶を用いた映像表示素子２１を用いて光学像を形成している。また、この照明光学系２は、光源２２を備えている。

また、この実施例では、リレーレンズ３と照明光学系２との間に、光学像を転送するためのフィールドレンズ６が配置されている。投写用レンズ４は、像面の位置を調整するためのデフォーカルレンズ４１を備えている。

図２においては、照明系光線軌跡を符号１００で、結像系光線軌跡を符号２００で表している。

リレーレンズ（群構成である場合を含む）３の移動に伴う光学的な動作を、以下においてさらに詳しく説明する。

リレーレンズ３は、光軸方向に対して正方向又は負方向（図２参照）に移動することにより、デフォーカス機能を持つ。よって、スクリーンＳの位置が動かなくても、リレーレンズ３を移動させることにより、結像系光線軌跡２００の大きさを変え、フォーカス位置を調整することが可能となる。リレーレンズ３の移動量を大きくすれば、像の倍率調整（つまりスクリーンＳに投影される像の大きさの調整）が可能となり、ズームレンズとして機能することもできる。

また、リレーレンズ３を構成するレンズの移動によっても、デフォーカスやズームが可能である。以下に、リレーレンズ３の具体的な構成例を用いて詳しく説明する。

図３（ａ）は、リレーレンズ３として、絞り８の両側においてパワー的に対称なレンズ系（ガウスタイプレンズ）を用いた例である。絞り８の両側には、パワー的に対称な二つの可動レンズ３１及び３２を備えている。これらの可動レンズ３１及び３２は、図示しない移動機構により、光軸方向前後（正方向又は負方向）に移動可能となっている。

図３（ａ）における可動レンズ３１及び３２を、正負の両方向に、同じ量だけ動かした図を、図３（ｂ）に示す。この場合は、可動レンズ３１と可動レンズ３２との間隔が大きくなっている。このようにすると、光束の収束点が伸び、これによって、デフォーカスが可能となる。

ここで、リレーレンズ３が両側又は像側テレセントリックであれば、像の位置がずれても像高さは変わらないという利点がある。

なお、リレーレンズ３において、光束の入口側のレンズを小さくして、光束に角度を付けることもできる。この場合、出口側のレンズで、光束の角度をゼロにする（つまりテレセントリックとする）こともできる。このようにすると、レンズ径を小さくできるので、コストダウンを図ることができるという利点がある。

図４（ａ）は、可動レンズ３１及び３２を全体として正方向（図４中右方向）に移動させた例である。この例では、リレーレンズ３の一部を構成する可動レンズ３１及び３２が、非対称に移動されたことになる。他の構成は図３（ａ）の例と同じである。この場合は、負方向への光線は、正方向への光線の２倍の光線高さで射出される。

図４（ｂ）は、可動レンズ３１及び３２を全体として負方向（図４中左方向）に移動させた例である。この例でも、リレーレンズ３の一部を構成する可動レンズ３１及び３２が、非対称に移動されたことになる。他の構成は図３（ａ）の例と同じである。この場合は、正方向への光線は、負方向への光線の２倍の光線高さで射出される。

このようにして、図４（ａ）や（ｂ）のように非対称に移動させれば、リレーレンズ３への入口側と出口側で、光束の高さを変えることができ、したがって、像の倍率調整が可能となる。

なお、本発明は、上記した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得るものである。

本発明の一実施形態に係るプロジェクタの概略的な構成を示すブロック図である。 実施例におけるプロジェクタの概略的な構成を示す説明図である。 リレーレンズの具体的な構成例を示す図であって、図（ａ）は可動レンズの移動前の状態、図（ｂ）は可動レンズを対称に移動させた状態の図である。 リレーレンズの具体的な構成例を示す図であって、図（ａ）は可動レンズを正方向に非対称で移動させた状態の図、図（ｂ）は可動レンズを負方向に非対称で移動させた状態の図である。

符号の説明

１ 筐体
２ 照明光学系
２１ 映像表示素子
２２ 光源
３ リレーレンズ
３１ 可動レンズ
３２ 可動レンズ
４ 投写用レンズ
４１ デフォーカルレンズ
５ 制御部
６ フィールドレンズ
８ 絞り
１００ 照明系光線軌跡
２００ 結像系光線軌跡
Ｓ スクリーン

Claims (4)

1. 投写用レンズと、リレーレンズと、照明光学系とを備えており、
   前記照明光学系は、投写されるべき光学像を前記リレーレンズの入射瞳へ転送する構成となっており、
   前記リレーレンズは、前記光学像を前記投写用レンズの入射瞳に転送できる位置に配置されており、
   さらに、前記リレーレンズの全体又はその一部のレンズは、光軸方向に沿って移動可能とされている
   ことを特徴とするプロジェクタ。
2. 前記リレーレンズは、絞りに対してパワー的に対称な二つのレンズを備えており、前記二つのレンズは、前記絞りに対して対称又は非対称に、前記光軸方向に沿って移動可能とされていることを特徴とする、請求項１に記載のプロジェクタ。
3. 前記リレーレンズの全体又はその一部のレンズを前記光軸方向に沿って移動させる移動機構と、前記リレーレンズの全体又はその一部の位置の微調整を行う微調整機構とをさらに備えていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のプロジェクタ。
4. 前記リレーレンズは、前記照明光学系及び前記投写用レンズの両側において略テレセントリックとされていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプロジェクタ。
   

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