JP2008058875A - 投射レンズ及びこれを用いた画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像投影装置用の投射レンズは、通常、投射画角が固定されているが、室内環境に応じて投影スクリーンと画像投影装置との間の距離が固定されると、投射するべき画像が小さ過ぎたり大き過ぎたりして不便であった。
【解決手段】投射レンズを構成するレンズ群のうちの少なくとも一つのレンズをパワーの異なる複数の領域に分割した投射レンズ、および、この投射レンズを画像投影装置に組み込み、この投射レンズを回転させることにより、投射画角を変更を可能とした画像投影装置。
【選択図】図３

Description

本発明は、電気光学素子を内蔵した画像投影装置に用いられる投射レンズ及びこれを用いた画像投影装置に関する。特に、投射レンズの開口面において複数の投影画角を有する投射レンズに関する。

近年、液晶表示素子やＤＭＤ（ｄｉｇｉｔａｌ ｍａｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）表示素子等からなる電気光学素子を内蔵した画像投影装置が普及している。この種の画像投影装置は持ち運びが手軽であり、机の上等に設置して、机の高さよりも高い斜め上方向の投影スクリーンに向けて画像光を投射して使用される。そのために、画像投影装置の投射レンズの光軸と、投影スクリーンの中央とが一致しない。

図６は、この種の従来公知の画像投影装置１００の概観図である。画像投影装置１００は筐体１０１、操作パネル１０３、投射レンズ１０２、投射レンズ１０２内に設けられたレンズ群１０４などから構成されている。図７は、画像投影装置１００内の構成と光路を説明するための図である。光源１１１から出射した光が液晶表示素子１１２等の電気光学素子に入射し、液晶表示素子１１２から出射した画像光が投射レンズ１１３から出射され、投影スクリーン１１４へ投射される。この場合に、液晶表示素子１１２の光軸１１５は投射レンズ１１３の光軸１１６から下方へシフトさせている。そして、投射レンズ１１３から投射される画像光は投射レンズ１１３の光軸１１６よりも上部から出射して拡大投射される。このように画像光を投射レンズ１１３の光軸１１６からシフトさせて入射し、投射レンズ１１３の開口部において光軸１１６からシフトした位置から出射する。これはプロジェクタを机の上に置いて投射した際に、机等に遮られることなく、スクリーンに画像を映すためである。

図８は、投射レンズ１１３のレンズ群の構成を表す模式図である。第１レンズ群１２１と第２レンズ群１２２とから構成されて、第１レンズ群１２１はフォーカシングレンズであり、第２レンズ群１２２はコンペンシエータレンズやリレーレンズ等である。液晶表示素子１１２は、第２レンズ群１２２の光軸より下方に設置して、画像光を第２レンズ群１２２に向けて出射する。投射レンズ１１３に入射した画像光は、第２レンズ群１２２においては光軸１１６の下方を通過し、第１レンズ群１２１においては上方を通過して投影スクリーン１１４へ拡大投射される。従って、第１レンズ群１２１においては上半分のみ利用されている。

特許文献１においては、投影レンズを半分に切断し、底辺を有する半円筒状の鏡筒に収納することが記載されている。そして、投影表示装置を使用するときは、投影表示装置の筐体上部から鏡筒を突き出させて画像を投射し、使用しないときはこの鏡筒の底辺が上部にくるように回転させ、筐体の上面から突き出さないようすることが記載されている。
特開２００６−２３３６１号公報

この種の画像投影装置１００は、画像投影装置と投影スクリーンを持ち運んで室内に適宜設置して画像の投影を行う。その際に、室内の大きさや投影スクリーンの設置、画像投影装置との間の距離等が制限される。画像投影装置の投射画角が固定されると、投影スクリーンと画像投影装置との間の距離が遠い室内環境の場合に、投射画像が大きくなり過ぎて投影スクリーン上には画像の一部のみが表示され、全体を見ることができないという不都合があった。また、画像投影装置と投影スクリーンとの間が狭すぎる場合に、投影された画像が小さくなり過ぎてしまう、という不都合があった。

また、投射レンズにズーム機構を備え、投射画角を変更することができるものがある。しかし、この種の投射レンズは、フォーカシングレンズやコンペンシエータレンズの他にバリエータレンズを必要とし、多数のレンズを使用するので体積が大きくなり、重量も重くなって手軽に持ち運んでセットする装置としては不利となった。加えて、投射画角を変更する場合に、これらレンズ群を相互に移動させるための複雑かつ精密な可動機構を必要とする、という課題があった。

本発明においては上記課題を解決するために以下の手段を講じた。

請求項１に係る本発明においては、画像投影装置用の投射レンズであって、前記投射レンズを構成する少なくとも一つのレンズはパワーの異なる複数の領域に分割されていることを特徴とする投射レンズとした。

請求項２に係る本発明においては、前記複数の領域は、光軸近傍を中心にして少なくとも２分割された領域であることを特徴とする請求項１に記載の投射レンズとした。

請求項３に係る本発明においては、前記複数の領域は、前記光軸近傍に位置し、前記光軸と略平行な平面により少なくとも２分割されていることを特徴とする請求項２に記載の投射レンズとした。

請求項４に係る本発明においては、前記各領域を通して投射される画像の投射画角は、互いに異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の投射レンズとした。

請求項５に係る本発明においては、前記少なくとも一つのレンズは、前玉レンズであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の投射レンズとした。

請求項６に係る本発明においては、前記少なくとも一つのレンズは、前記前玉レンズに隣接するレンズ又はレンズ群であることを特徴とする請求項５に記載の投射レンズ。とした。

請求項７に係る本発明においては、光源から入射した光を画像光に変換する電気光学素子と、前記画像光を拡大投射する請求項１〜６のいずれか１項に記載の投射レンズとを備えた画像投影装置であって、前記投射レンズは、前記画像光を前記投射レンズの光軸からシフトした位置において入射し、前記光軸からシフトした方向に投射するとともに、前記投射レンズ又は前記投射レンズを構成する少なくとも一つのレンズを前記光軸を中心に回転させた位置に配置可能に構成し、パワーの異なる複数の領域を使い分けることを可能としたことを特徴とする画像投影装置とした。

請求項８に係る本発明においては、前記投射レンズ又は前記投射レンズを構成する少なくとも一つのレンズを１８０°回転可能に構成したことを特徴とする請求項７に記載の画像投影装置とした。

請求項９に係る本発明においては、前記画像光は、前記少なくとも一つのレンズをパワーの異なる複数の領域に分割する分割領域を横切らないことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の画像投影装置とした。

本発明の投射レンズによれば、投射レンズを構成する少なくとも一つのレンズをパワーの異なる複数の領域に分割している。これにより、レンズを取り替えることなく複数の異なる種類の投射画像を得ることができる、という利点を有する。

また、投射レンズの光軸を中心にして少なくとも２分割しているので、光軸を中心にしてこのレンズを回転させることにより、投射画角の切り替えを容易に行うことができる、という利点を有する。

また、上記複数の領域は、光軸近傍に位置し、光軸と略平行な平面により少なくとも２分割したので、上下半分の使い分けができるという利便性を有する。

また、各領域を通して投射される画像の投射画角が異なるようにしたので、レンズの一部を光が通過するような画像投影装置に適用すれば、投射画角を簡便な機構により容易に切り替えることができる、という利便性を有する。

また、パワーを異にする複数の領域を有するレンズを投射レンズの前玉としているので、レンズを回転させるための回転機構を簡単化することができる、という利点を有する。

また、前玉レンズに隣接するレンズも分割したので、投射画角の選択幅を広くすることができる、という利点を有する。

また、上記投射レンズを用いた画像投影装置としたので、投射レンズを例えば１８０°回転させる等の簡単な操作により投射画角を変更することができ、持ち運びの便利な軽量かつコンパクトな画像投影装置を提供できる、という利点を有する。

以下、図面を用いて本実施の形態を詳細に説明する。

図１（ａ）は、広角投射を行う広角投射レンズ１の構成を表す模式的断面図であり、図１（ｂ）は、狭角投射を行う狭角投射レンズ６の構成を表す模式的断面図であり、図１（ｃ）は、本実施の形態であり、パワーの異なる複数の領域を有するレンズを備える複数角投射レンズ７の構成を表す模式的断面図である。同一の部分又は機能を有する部分は同一の符号を付している。

図１（ａ）において、広角投射レンズ１は、第１レンズ群３と第２レンズ群４を備えている。第１レンズ群３はフォーカスレンズ群を構成している。第２レンズ群はピントのずれを補正するコンペンシエータレンズや結像用のリレーレンズ等を含んでいる。液晶表示素子２から出射される画像光は、光軸５より下側の領域を通過し、第１レンズ群３の光軸より上側を通過して投射画角θａの角度で上方向へ拡大投射される。第１レンズ群３の最前面には前玉レンズＷａを備えている。前玉レンズＷａは凹レンズからなり負パワーを有する。

図１（ｂ）において、図１（ａ）と異なる部分は第１レンズ群３の前３枚のレンズであり、その他は同一である。前玉レンズＮａは凸レンズからなり正パワーを有する。前玉レンズＮａは図１（ａ）のレンズＷａと比較して、相対的に正パワーを有する。レンズＮｃは図１（ａ）のレンズＷｃと比較して相対的に正パワーを有する。狭角投射レンズ６の投射画角θｂは広角投射レンズ１の投射画角θａよりも小さい。

図１（ｃ）は、本発明の実施の形態を示しており、第１レンズ群３の前レンズ８、中レンズ９及び後レンズ１０は、光軸５よりも上半分が狭角投射レンズ６の前３枚のレンズと同じであり、光軸５よりも下半分が広角投射レンズ１の前３枚のレンズと同じである。より具体的には、第１レンズ群３の前３枚のレンズはそれぞれパワーの異なる複数の領域に分割されている。前玉レンズである前レンズ８は、光軸５よりも上部が正パワーを有する領域Ｎ’ａと、光軸５よりも下部が負パワーを有する領域Ｗ’ａとを備えている。次の中レンズ９は、光軸５よりも上部が領域Ｎ’ｂと、光軸よりも下部の領域Ｗ’ｂとを備えており、相対的に上部領域Ｎ’ｂのパワーのほうが下部Ｗ’ｂのパワーより小さい。次の後レンズ１０は、光軸５よりも上部の領域Ｎ’ｃと、光軸５よりも下部の領域Ｗ’ｃとを備えており、相対的に上部領域Ｎ’ｃのパワーが下部領域Ｗ’ｃのパワーよりも大きい。なお、上記上下の分割は、光軸５の近傍に位置し、光軸５と略平行な平面により分割している。

その結果、第２レンズ群４の光軸５より下部から入射した画像光は投射画角θａにより狭角投射される。一方、光軸５より上部に液晶表示素子２’を配置すれば、光軸５より下部に投射画角θａのより大きな投射角度を持って投射されることになる。同様に、液晶表示素子２を固定して、複数角投射レンズ７を光軸５を中心にして１８０°回転すれば、投射画角θｂから投射画角θａへ簡便に切り替えることができる。この場合に、液晶表示素子２を通過した画像光は上下に分割した分割領域を横切らないようにする。これにより、投射される画像光が不自然に分割されないようにすることができる。

なお、上記の説明では第１レンズ群３の前３枚のレンズをパワーの異なる複数の領域に分割したが、いずれか１枚のレンズを複数領域に分割することができる。例えば、前玉レンズである前レンズ８のみを複数領域に分割して使用することができる。また、上記説明では１枚のレンズを２分割した例について説明したが、これに限定されず、１枚のレンズを３分割或いはこれ以上に分割することができる。

また、液晶表示素子２として１枚のカラー液晶表示素子を使用する場合の他に、Ｒ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）の各色の表示を行う３枚の液晶表示素子用いたものを使用することができる。例えば、光源からの光をダイクロイックミラーにより３分割し、分割された各光束をＲＧＢのカラーフィルタを通過させ、Ｒ色、Ｇ色及びＢ色を表示する３枚の液晶表示素子に対応する色の光束を照射し、各液晶表示素子から出射された各色の画像光を合成して投射レンズに入射するようにしてもよい。この場合は加法混色によりフルカラー画像が形成される。また、透過型液晶表示素子の代わりに反射型液晶表示素子を使用することができる。

また、液晶表示素子の代わりにＤＭＤ（ｄｉｇｉｔａｌ ｍａｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）表示素子を使用することができる。ＤＭＤ表示素子は、半導体基板上に微細なミラーを２次元配置して、画像信号に応じて各ミラーの角度を変化させ、ＤＭＤに入射した光が反射するときにその反射光が画像を形成する。画像投影装置においては、光源からの光束は、回転するカラーフィルタを通してＲＧＢの各色に時分割されてＤＭＤへ照射される。ＤＭＤでは、この時分割されたＲＧＢの光を入射して、このＲＧＢの光に同期して半導体基板上のミラーを回転させ、このミラーにより反射された反射光が画像光を形成する。この画像光を投射レンズが入射して投影スクリーン上へ投射する。この場合は、時間混色によりフルカラー画像が形成される。

図２（ａ）は、本実施の形態に使用されるレンズの模式的断面図であり、図２（ｂ）は模式的平面図である。複数角投射レンズ７の光軸５を中心にして、上半分が領域Ｎ’ｘ、下半分が領域Ｗ’ｘを有している。この場合上半分のレンズは正パワーを有し下半分は負パワーを有している。このレンズを前玉レンズとして使用する場合は、正パワーを持つ上半分は下半分に対して投射画角が小さい。また、上半分のレンズの半径は下半分のレンズの半径よりも小さい。しかし、レンズ半径を必ずしも異なるように形成する必要はなく、製造が可能であれば上下を同一半径とすることができる。このようなレンズは、上半分のレンズパワーを持つ通常のガラスレンズ及び下半分のレンズパワーを持つ通常のガラスレンズを個々に作成し、次にその光軸を横切るようにして切断し、切断したそれぞれを光軸が一致するようにして接着して形成する。あるいは、図２に示される形状の金型を作成し、透明プラスチック材、例えば透明なポリカーボネイト樹脂（ＰＣ）やポリメチル・メタクリレート・アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）等からなるレンズ素材を金型に流し込み、あるいは金型のプレス加工により一体的に形成することができる。また、材質がガラスの場合に、互いに接着しないで分離した状態でレンズを保持する鏡筒に固定して構成することができる。

図３は、上記のようにして形成したレンズを組み込んだ複数角投射レンズ７を鏡筒に組み込んだ投射レンズ３０の模式的断面図である。同一の部分又は同一の機能には同一の符号を付した。

外側鏡筒３２に固定筒３１と可動筒３３が挿入されている。固定筒３１には第２レンズ群４と第１レンズ群３の一部のレンズが保持部３５により固定される。可動筒３３には第１レンズ群３の前レンズ８、中レンズ９及び後レンズ１０が固定されている。これらのレンズは光軸を中心にしてパワーを異にする２つの領域を有している。そして、可動筒３３の外部には回転つまみ３４を設けている。可動筒３３は外側鏡筒３２に回転可能に固定されている。液晶表示素子２を光軸５の下部に配置し、光軸５の下部から投射レンズに画像光を照射する。第１レンズ群３の領域では、入射した画像光は光軸５よりも上部レンズ領域を通過し、前レンズ８の光軸５よりも上部領域から投射される。回転つまみ３４により可動筒３３を１８０°回転させると、前レンズ８、中レンズ９及び後レンズ１０の上下が逆転し、投射される投射画角が変更される。外側鏡筒３２と可動筒３３との間には、図示しないストッパーにより１８０°の回転ごとにストッパーが働く機構を有する。

また、上記の実施の形態においては可動筒３３を回転可能に外側鏡筒３２に挿入しているが、必ずしも回転可能に構成する必要はなく、可動筒３３を一旦取り外して１８０°回転させた後に挿入するようにしてもよい。

上記例においては、３枚のレンズがパワーを異にする複数領域を有しており、この３枚のレンズを回転するようにしているが、これを、いずれかのレンズを、パワーが異にする複数領域を有する可動レンズとしてもよい。また、前レンズ８の前玉のみに複数領域を持たせて回転するようにして、構造を簡単化することができる。また、第１レンズ群３及び第２レンズ群４のすべてのレンズを可動筒に固定し、固定筒に対してレンズ全体を回転させるようにしてもよい。また、可動筒３３をステッピングモータ等により電気的に回転させることができる。画像投影装置を離れたところから操作する場合に便利である。

図４は、図３に示す投射レンズ３０を組み込んだ画像投影装置４０及びこの画像投影装置４０に画像データを送信するＰＣ端末４５を表す概観図である。画像投影装置４０は、光源、液晶表示素子、液晶表示素子を駆動するドライバー、画像データの受信を行う入力ポート、投射レンズ等を備えている。画像投影装置は、筐体４１内にこれら各素子を収納する。筐体４１の上面には操作パネル４２を、筐体４１の側面には投射レンズ３０を備えている。投射レンズ３０の可動筒３３には、その外周部に回転つまみ３４が設置され、手動により回転させることができる。

図５は、図４に示した画像投影装置４０により画像を投射している状態を示し、図５（ａ）は投射画角が小さい場合、図５（ｂ）は投射画角が大きい場合をそれぞれ示す。図５（ａ）においては、投射レンズ３０の可動筒３３に設けた回転つまみ３４を上方に回転させて液晶表示素子からの画像を投射している状態を示している。液晶表示素子から出射された画像光は第１レンズ群３の上半分の領域を通過して投射画角θｂをもって投射される。この場合、スクリーン５０と画像投影装置４０との間の距離が大きい場合に適切である。図５（ｂ）は回転つまみ３４を１８０°回転させて下方に固定した時の投影状態を示している。液晶表示素子から出射された画像光は投射画角θａの大きな角度で投射される。この場合は、スクリーン５０と画像投影装置４０との間の距離が小さい場合に適切である。

このように、本実施の形態に係る画像投影装置は、画像を投射する環境に応じて、きわめて簡単な操作で投射画角が変更できる、という利便性を有する。

本発明の実施の形態に係る投射レンズ模式的断面図である。 本発明の実施の形態に使用されるレンズの模式的断面図である。 本発明の実施の形態に係る投射レンズの模式的断面図である。 本発明の実施の形態に係る画像投影装置の概観図である。 本発明の実施の形態に係る画像投影装置により画像を投影している状態を表す図である。 従来公知の映像投射装置の概観図である。 従来公知の映像投射装置の構成を説明するための概念図である。 従来公知の投射レンズのレンズ群構成を表す模式図である。

符号の説明

１ 広角投射レンズ
２ 液晶表示素子
３ 第１レンズ群
４ 第２レンズ群
５ 光軸
６ 狭角投射レンズ
７ 複数角投射レンズ
８ 前レンズ
９ 中レンズ
１０ 後レンズ

Claims (9)

1. 画像投影装置用の投射レンズであって、前記投射レンズを構成する少なくとも一つのレンズはパワーの異なる複数の領域に分割されていることを特徴とする投射レンズ。
2. 前記複数の領域は、光軸近傍を中心にして少なくとも２分割された領域であることを特徴とする請求項１に記載の投射レンズ。
3. 前記複数の領域は、前記光軸近傍に位置し、前記光軸と略平行な平面により少なくとも２分割されていることを特徴とする請求項２に記載の投射レンズ。
4. 前記各領域を通して投射される画像の投射画角は、互いに異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の投射レンズ。
5. 前記少なくとも一つのレンズは、前玉レンズであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の投射レンズ。
6. 前記少なくとも一つのレンズは、前記前玉レンズに隣接するレンズ又はレンズ群であることを特徴とする請求項５に記載の投射レンズ。
7. 光源から入射した光を画像光に変換する電気光学素子と、前記画像光を拡大投射する請求項１〜６のいずれか１項に記載の投射レンズとを備えた画像投影装置であって、
   前記投射レンズは、前記画像光を前記投射レンズの光軸からシフトした位置において入射し、前記光軸からシフトした方向に投射するとともに、
   前記投射レンズ又は前記投射レンズを構成する少なくとも一つのレンズを前記光軸を中心に回転させた位置に配置可能に構成し、パワーの異なる複数の領域を使い分けることを可能としたことを特徴とする画像投影装置。
8. 前記投射レンズ又は前記投射レンズを構成する少なくとも一つのレンズを１８０°回転可能に構成したことを特徴とする請求項７に記載の画像投影装置。
9. 前記画像光は、前記少なくとも一つのレンズをパワーの異なる複数の領域に分割する分割領域を横切らないことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の画像投影装置。

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