JP2009229738A - プロジェクタのフォーカス装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズ光学系の後段に非球面ミラーを用いたプロジェクタのフォーカス調節操作を簡略化する。
【解決手段】カム筒１５の回転により第１，第２レンズ枠１１，１２が移動してレンズ光学系３のフォーカス調節が行われる。レンズ枠１２に信号板１８が固定され、センサ２０からレンズ位置信号が得られる。レンズ光学系３の後段に非球面ミラー５が設けられ、モータ２５の回転により移動する。非球面ミラー５の台座２３に信号板３１が固定され、センサ３２からミラー位置信号が得られる。ミラー位置制御回路３３は、レンズ位置信号とミラー位置信号とを監視しながらフォーカスデータメモリ３０を参照し、レンズ位置信号に対応づけられた最適の調節位置に自動的に非球面ミラー５を移動させる。
【選択図】図２

Description

本発明はスクリーンに画像を投写するプロジェクタに関し、詳しくは、投写光学系の最終段に非球面ミラーを用いたプロジェクタのフォーカス調節装置に関するものである。

会議や様々なプレゼンテーションの場でプロジェクタが利用されることが多い。特に最近のプロジェクタでは、液晶表示パネルに表示させた画像をスクリーンに投写することが可能で、携帯型のパーソナルコンピュータや種々の端末機器との併用により静止画像はもとより動画の投写もできるようになっている。

プロジェクタの使用時には、投写画面のサイズに応じてプロジェクタをスクリーンから離す必要があり、画面サイズを大きくするには両者間の投写距離が長くなる。この点、特許文献１で知られるプロジェクタでは、最終段に非球面ミラーを含む広角型の投写光学系が用いられ、投写距離を長くせずに狭い空間でも大きな画面サイズで投写ができるように工夫されている（特許文献１参照）。この非球面ミラーは、その前段のレンズ系から出射した光束を大きく広げてスクリーンに向けるとともに、レンズ系だけでは対処しきれない球面収差や像面湾曲を補正する機能を果たしており、レンズだけで構成された投写光学系では得られない広角化が図られている。
特開２００４−２５２２８２号公報

ところで、変倍機能のない投写光学系が用いられているプロジェクタの場合、画面サイズを変更する際には、プロジェクタからスクリーンまでの投写距離を変え、またその投写距離に応じて投写光学系のフォーカス調節を行う必要がある。そして、上記のように光学系の最終段に非球面ミラーを用いた広角型のプロジェクタでは、投写光学系がレンズだけで構成されているプロジェクタと比較し、スクリーンに対してプロジェクタを大幅に移動させなくても画面サイズを変えることができ、フォーカス調節が必要となる投写距離の範囲が狭くて済むという利点がある。

一般に広角型の撮影光学系は撮影距離が変わると球面収差や湾曲収差が大きく変動しやすい。このため、フォーカス調節時にこれらの収差を補正するために、撮影距離に応じて少なくとも２枚のレンズ相互間の空気間隔を変えながらフォーカスを行うフローティングフォーカス方式を用いることが多い。したがって、光学系の最終段に非球面ミラーを用いたプロジェクタにおいても、その前段までのレンズ光学系についてはフローティングフォーカス方式を用いるのが有効であるが、特に非球面ミラーを軸外し配列で用いた場合にはフォーカス調節を行うときに非点収差も変動して球面収差や湾曲収差とともにその補正が難しくなり、レンズ光学系だけではこれらの収差を実用レベルまで抑え込むことは困難である。

こうした事情から、画面サイズを変更するために投写距離を変え、その投写距離に応じたフォーカス調節を行うときには、レンズ光学系だけでなく、その後段に設けられた非球面ミラーも移動できるようにしておくのが効果的である。ところが、単にレンズ光学系と非球面ミラーとを個別に移動調節できるようにした場合には、スクリーンに投写された画像を観察しながらレンズ光学系と非球面ミラーとを交互に調節し、フォーカス調節と収差補正との両方が最も適正になるように追い込んでいかなければならず、操作性の点で非常に面倒である。

例えば図４（Ａ）に示すように、対角４０インチ程度の画面サイズで画像を投写している状態から画面サイズを３０インチ程度に縮小するときには、投写距離が短くなるためフォーカス調節が必要となる。そして、４０インチ程度の投写画面サイズを基準にフォーカス及び収差補正が適正化されている場合には、レンズ系だけでフォーカス調節を行うと同図（Ｂ）に示すように画像の上辺が凸状に湾曲する傾向を示し、非球面ミラーだけを移動してフォーカス調節を行うと同図（Ｃ）に示すように画像の上辺が凹状に湾曲する傾向を示す。このような変形は、レンズ系と非球面ミラーとの双方を移動してフォーカス調節を行えば軽減できるが、その最適な組み合わせが投写距離ごとに異なっているため調節操作は非常に煩わしいものになっている。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、投写光学系がレンズ系とその後段に設けられた非球面ミラーとから構成された広角投写型のプロジェクタについて、簡単なフォーカス調節操作でレンズ系と非球面ミラーとの双方を最適な調節位置に移動させることができるようにしたフォーカス装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するにあたり、フォーカス調節時に、レンズ系中のフォーカスレンズ群と、レンズ系の後段に設けられた非球面ミラーとを個別に移動させるレンズ移動機構及びミラー移動機構と、スクリーンまでの投写距離に対応して前記フォーカスレンズ群と前記非球面ミラーとの最適調節位置の組み合わせを記憶したフォーカスデータメモリと、フォーカス調節時に前記フォーカスレンズまたは非球面ミラーのいずれか一方の位置を検知する位置センサと、前記位置センサからの検知信号に基づいて前記フォーカスデータメモリを参照して他方の移動先位置を読み込み、前記レンズ移動機構またはミラー移動機構の駆動を制御して他方を前記移動先位置に移動させるようにしたものである。

前記フォーカスレンズ群は好ましくは第１，第２レンズ群で構成され、フォーカス調節時に回転されるカム筒によって互いの間隔を変えながら光軸方向に移動するフローティングフォーカス方式で調節される。前記位置センサによってフォーカスレンズ群の位置を検出する場合には、前記第１または第２レンズ群のいずれか一方の位置を検出すれば十分である。さらに、フォーカスレンズ群の位置を位置センサで検知し、その検知信号及びフォーカスデータメモリから読み出された移動先位置に非球面ミラーを移動させる際には、非球面ミラーの位置を検知するミラー位置センサを設け、このミラー位置センサからの信号を監視しながらミラー移動機構の動作を制御することも効果的である。

本発明によれば、レンズ系中のフォーカスレンズ群によるフォーカス調節と、レンズ系後段の非球面ミラーによるフォーカス調節とを組み合わせた形でフォーカス調節が行われるので、簡単な操作でフォーカスレンズ群と非球面ミラーとの双方を最適なフォーカス調節位置に移動させることが可能となる。しかも、フォーカスレンズ群と非球面ミラーとの各々の最適調節位置は、最適なフォーカス状態を与えるだけでなく、球面収差や湾曲収差などの収差も最適に補正する位置としてフォーカスデータメモリに用意されているから、投写画面サイズを適宜に変更してもスクリーン上に鮮明な画像を投写することができる。

図１に示すように、本発明を用いたプロジェクタは、本体２の内部に組み込まれた液晶パネルの表示画像をレンズ光学系３とその後段に設けられた非球面ミラー５によって本体２の背後に垂直に設置されたスクリーン６に投写する。このような投写光学系を用いることにより、スクリーン６から本体２を大きく離さなくても非球面ミラー５からスクリーン６までの投写距離を長くすることができ、投写画面サイズを大きくする上で有利となる。

例えば、対角線の長さが４０インチの画面サイズで画像を投写する場合には、スクリーン６と本体２の背面との間に１０ｃｍ〜２０ｃｍ程度の間隔をとれば十分なようにしてある。また、図中、スクリーン６に対面した本体２の背面をテーブル上に載置してテーブル面をスクリーン代わりに利用し、２０インチの画面サイズで画像を投写することも可能となっている。

以上のように、このプロジェクタは本体２とスクリーン６までの間隔を変え、あるいは本体２の背面をテーブルに載置して用いることにより、投写画面サイズを２０インチから４０インチまでの間で適宜に変えることができる。投写画面サイズを変更するには、実質的には非球面ミラー５から画像が投写されるスクリーン面までの投写距離を変える必要があり、そして投写距離が変われば投写距離に応じたフォーカス調節が必要となる。投写距離と投写される画面サイズとは一義的な対応関係があるから、以下、フォーカス調節は投写される画面サイズに応じて行われるものとして説明する。

上記プロジェクタの要部断面を示す図２において、レンズ光学系３は、レンズ３ａと、第１フォーカスレンズ群３ｂと、第２フォーカスレンズ群３ｃとからなり、画像表示部７で生成された画像光を非球面ミラー５に向かって出射する。画像表示部７は簡略化して図示してあるが、例えばＲ，Ｇ，Ｂの基本色光で照明された３枚の液晶パネル上の表示画像をクロスダイクロイックプリズムで合成したフルカラーの画像光をレンズ光学系３に入射させる。同様に、第１，第２フォーカスレンズ群３ｂ，３ｃもレンズブロックとして簡略化してあるが、これらは複数枚のレンズを組み合わせた構成となっている。

画像表示部７は、第２フォーカスレンズ群３ｃの光軸からわずかに上方にシフトして配置されているため、画像光はレンズ光学系３で決まる一定の俯角をもってレンズ３ａから出射して非球面ミラー５に向かう。このため、レンズ３ａは外形が円形の通常のレンズと異なり、上方が部分的に省略された形となっている。この部分を省略した形にしておくと、非球面ミラー５で反射してスクリーン６に向かう画像光の一部にケラレが生じることを防ぐ上でも効果的である。

第１，第２フォーカスレンズ群３ｂ，３ｃはそれぞれ第１レンズ枠１１，第２レンズ枠１２に組み込まれ、これらのレンズ枠１１，１２は本体２に固定された固定筒１０の内部で光軸方向に移動自在に支持されている。これらのレンズ枠１１，１２にはネジ１１ａ，１２ａが植設され、ローラ１１ｂ，１２ｂをそれぞれ回転自在に支持している。ローラ１１ｂ，１２ｂは固定筒１０に形成された直進溝１０ａを貫通し、固定筒１０の外側に回転自在に設けられたカム筒１５のカム溝１５ａ，１５ｂに係合している。これにより、カム筒１５を回転すると、第１，第２フォーカスレンズ群３ｂ，３ｃの各々は、それぞれカム溝１５ａ，１５ｂの傾斜にしたがって相互間の間隔を変えながら光軸方向に移動し、フローティング方式のフォーカス調節が行われる。

図３（Ａ）に示すように、４０インチの投写画面サイズで画像を投写するときのベストフォーカス位置を原点位置とすると、投写画面サイズを小さくする（投写距離が短くなる）ときに必要なフォーカス調節は、第１フォーカスレンズ群３ｂを画像表示部７から離す方向に繰り出し（＋方向の移動）、第２フォーカスレンズ群３ｃを画像表示部７に近づける方向に繰り込む（−方向の移動）ことで行われる。これに対応し、カム溝１５ａ，１５ｂの形状はそれぞれ図３（Ａ）の実線，破線に対応した形状となる。第１，第２フォーカスレンズ群３ｂ，３ｃの光軸方向の位置はカム筒１５の回転位置で決まり、これによりレンズ光学系３のフォーカス調節が行われる。

第２レンズ枠１２にはその移動方向に延びた信号板１８が固定され、信号板１８の表面には固定筒１０に固定したセンサ２０のブラシ２０ａが接触している。信号板１８とセンサ２０によりポテンショメータが構成され、カム筒１５の回転により第２レンズ枠１２が移動してブラシ２０ａとの接触位置が変化すると、その抵抗値に応じたレンズ位置情報がセンサ２０から出力される。センサ２０から得られるレンズ位置情報は、レンズ光学系３のフォーカス調節位置に対応する信号となっている。

なお、図３（Ａ）に示すように、第２フォーカスレンズ群３ｃの位置が決まると一義的に第１フォーカスレンズ群３ｂの位置も決まるから、同様の構成により第１レンズ枠１１の位置を検出し、あるいはカム筒１５の回転位置を検出して前記レンズ位置情報に用いてもよい。また、同様のレンズ位置情報を得るには、上記のようなポテンショメータに限らず、レンズ枠に光電的に読み取り可能な信号部を設け、透過型あるいは反射型のフォトセンサでレンズ枠の位置を読み取るなどの方式を用いてもよい。

非球面ミラー５を保持した台座２３に、本体２に固定されたガイドロッド２２が挿通され、非球面ミラー５は水平方向に移動自在に支持されている。そして、台座２３の移動とともに非球面ミラー５は画像表示部７との間隔を変化させる。非球面ミラー５は、非球面係数の設定に応じて基準球面から外れた曲面を反射面として備え、しかも基準球面の中心がレンズ光学系３からの主光線の延長線上から外れた軸外しミラーとして用いられている。非球面ミラー５の曲面形状は、レンズ光学系３から出射した光束を、スクリーン上での投写画面サイズが２０インチ〜４０インチとなる投写距離範囲内で結像させることが可能であり、しかもレンズ光学系３と協同してこの投写距離範囲で結像させたときの諸収差を良好に補正できるように設計されている。

投写画面サイズの変更時には、本体２とスクリーン６との間隔を調節した後にフォーカス調節を行う。このフォーカス調節は、レンズ光学系３ではカム筒１５の回転により図３（Ａ）に示す曲線にしたがって第１，第２フォーカスレンズ群３ｂ，３ｃを移動させ、また非球面ミラー５は図３（Ｂ）に示す曲線にしたがって移動させることによって行われる。第１，第２フォーカスレンズ群３ｂ，３ｃの原点位置と同様、投写画面サイズを４０インチで投写するときの投写距離に対応して非球面ミラー５の原点位置が決められ、投写画面サイズを小さくする方向でのフォーカス調節時には、非球面ミラー５は画像表示部７から離れる方向に移動される。このため、非球面ミラー５を保持した台座２３に送りネジ２４が螺合され、モータ２５の回転方向及びオン・オフ制御によって非球面ミラー５の位置を調節することができるようにしている。

図３に示すように、投写画面サイズ（投写距離）が決まると第１，第２フォーカスレンズ群３ｂ，３ｃのベストフォーカス位置が決まり、同時に非球面ミラー５のベストフォーカス位置が決まる。第１，第２フォーカスレンズ群３ｂ，３ｃの調節位置は、センサ２０から得られるレンズ位置情報と一対一に対応しているから、センサ２０からの位置情報に対応して非球面ミラー５の位置を決めるようにすれば、レンズ光学系３のフォーカス調節に合わせて非球面ミラー５を常にベストフォーカス位置に移動させることができる。

このような非球面ミラー５の移動制御のために、フォーカスデータメモリ３０が用意されている。フォーカスデータメモリ３０には、カム筒１５の回転によってセンサ２０から出力されてくるレンズ位置情報をデジタル化したレンズ位置データごとに、非球面ミラー５のベストフォーカス位置情報をミラー移動先データとして対応づけたフォーカスデータが書き込まれている。

第２レンズ枠１２と同様、非球面ミラー５の台座２３に信号板３１が固定され、信号板３１に接触するブラシ３２ａを通してセンサ３２から非球面ミラー５の位置に応じたミラー位置情報が得られる。このミラー位置情報は、センサ２０から得られるレンズ位置情報と同様にミラー位置制御回路３３に入力される。ミラー位置制御回路３３は、アナログ信号として入力されたミラー位置情報及びレンズ位置情報を監視し、そしてフォーカスデータメモリ３０に書き込まれたフォーカスデータを参照しながら非球面ミラー５をベストフォーカス位置に移動させる。

プロジェクタの使用時には、本体２をスクリーン６から適当な距離だけ離して設置し、画像表示部７に表示された画像をスクリーン６に投写する。そして、投写された画像のピント状態を観察しながらユーザはカム筒１５を回転操作し、レンズ光学系３のフォーカス調節を行う。カム筒１５を回転操作すると、センサ２０からのレンズ位置情報がミラー位置制御回路３３に入力される。ミラー位置制御回路３３はミラー位置情報をデジタル変換し、得られたレンズ位置情報に対応づけられたミラーの移動先データを読み込む。

ミラー位置制御回路３３は、センサ３２から得られる現在のミラー位置情報を読み込んでデジタル変換し、このミラー位置情報とフォーカスデータメモリ３０から読み込んだミラー移動先データとを比較する。そして、これらが一致するようにモータ２５を正逆転及びオン／オフ制御する。この結果、非球面ミラー５はレンズ光学系３のフォーカス調節に対応したベストフォーカス位置に自動的に移動調節され、スクリーン６と本体２との間の投写距離が適切な範囲内であれば、スクリーン６上にはピントが最適になっているだけでなく、非点収差、球面収差、湾曲収差などの諸収差が最も良好に補正された所定の画面サイズの画像が投写されるようになる。

カム筒１５を回転調節してもスクリーン６上でピントの合った画像が得られない場合、あるいは投写された画像の画面サイズが不適当であった場合には、スクリーン６と本体２との間の投写距離を変更してから同様の手順でフォーカス調節を行えばよい。なお、カム筒１５に例えば１０インチ刻みで投写画面サイズを表示しておき、カム筒１５を回転操作して投写画面サイズを本体２の指標に合致させることにより、ユーザが任意に投写画面サイズを選択できるようにしておくことも効果的である。

この場合、カム筒１５を回転操作した時点で選択した投写画面サイズに対応するフォーカス調節が完了しているから、以後はスクリーン６から適切な投写距離となる位置に本体２を設置すれば、スクリーン６上には鮮明な画像が投写されることになる。また、本体２の設置位置が適切な投写距離から多少外れていてピントが甘い状態のときにはカム筒１５を回転してフォーカス調節を行えばよく、最終的に決まる投写画面サイズが当初にユーザが選択した画面サイズに対して極端に変化することはない。

カム筒１５の回転によるフォーカス調節に対応して非球面ミラー５の移動先を精度よく決めるには、センサ２０から得られるレンズ位置情報を細かく弁別し、そのそれぞれに対応してミラー移動先データも細かく用意してフォーカスデータメモリ３０に書き込んでおく必要があるが、例えば投写画面サイズで５インチ刻み相当のデータ量を書き込んでおき、図３に示す特性を考慮した補間演算を行って中間のデータを求めるようにしてもよい。また、センサ２０，３２からのレンズ位置情報やミラー位置情報をデジタル信号として読み取ることも可能であるほか、ミラー位置制御回路３３における制御処理もアナログ，デジタルのいずれでもよく、例えば図３に示す特性曲線を関数で表しておけば、センサ２０からのレンズ位置情報を入力としてアナログ演算を行い、非球面ミラー５の移動先をアナログ量として算出することも可能である。

さらに、カム筒１５をマニュアル操作で回転してレンズ光学系３のフォーカス調節を行う代わりにカム筒１５を電動式にしておき、リモコン装置や本体２に設けた調節ダイヤルの操作量に応じてカム筒１５を回転させる場合でも本発明は等しく適用可能であり、フォーカス調節操作により非球面ミラー５を移動させ、非球面ミラー５の位置に基づいてレンズ光学系３のフォーカス調節を行ってもよい。こうしたフォーカス調節では、カム筒１５あるいは非球面ミラー５の一方の位置情報を検知した上で他方の移動先を決めるのが通常であるが、カム筒１５及び非球面ミラー５を個別に電動式に移動させる構成にした場合には、リモコン装置や本体２に設けた調節ダイヤルの操作量に基づいてカム筒１５及び非球面ミラー５を予め組み合わされたそれぞれの所定位置に移動させることも可能である。

なお、レンズ光学系３や非球面ミラー５の具体的な構造及び移動機構に関しては図示の形態のみならず適宜の変更が可能である。例えば、レンズ光学系３のフォーカス調節は必ずしもフローティング方式に限られるものではなく、また非球面ミラー５に関しても複数のミラーを組み合わせた複合ミラー光学系に変えることも可能である。さらに、プロジェクタの投写画面サイズも一例として２０インチ〜４０インチの範囲で変更できるように説明してあるが、さらに広範囲に投写画面サイズを変更できるようにしておいてもよい。

本発明を用いたプロジェクタの外観図である。 本発明を用いたプロジェクタの要部概略断面図である。 フォーカス調節時における第１，第２フォーカスレンズ群及び非球面ミラーの移動の様子を示す概略図である。 レンズ系または非球面ミラーだけでフォーカス調節を行ったときの画面歪みを示す説明図である。

符号の説明

２ 本体
３ レンズ光学系
３ｂ 第１フォーカスレンズ群
３ｃ 第２フォーカスレンズ群
５ 非球面ミラー
６ スクリーン
７ 画像表示部
１０ 固定筒
１５ カム筒
２０，３２ センサ
３０ フォーカスデータメモリ
３３ ミラー位置制御回路

Claims (3)

1. レンズ系と、その後段に設けられた非球面ミラーとから投写光学系が構成され、非球面ミラーからの反射光をスクリーンに投写するプロジェクタのフォーカス装置において、
   フォーカス調節時に、前記レンズ系中のフォーカスレンズ群と前記非球面ミラーとをそれぞれ個別に移動させるレンズ移動機構及びミラー移動機構と、
   前記スクリーンまでの投写距離に対応して決まる前記フォーカスレンズ群と前記非球面ミラーとの最適調節位置の組み合わせを記憶したフォーカスデータメモリと、
   フォーカス調節時に前記フォーカスレンズまたは非球面ミラーのいずれか一方の位置を検知する位置センサと、
   前記位置センサからの検知信号に基づいて前記フォーカスデータメモリを参照して他方の移動先位置を読み込み、前記レンズ移動機構またはミラー移動機構の駆動を制御して他方を前記移動先位置に移動させる制御手段と、
   を備えたことを特徴とするプロジェクタのフォーカス装置。
2. 前記一方となる前記フォーカスレンズ群が第１，第２レンズ群からなり、フォーカス調節時のカム筒の回転により前記第１，第２レンズ群が互いの間隔を変えながら光軸方向に移動するように構成され、前記位置センサが前記第１，第２レンズ群のいずれかの光軸方向の位置を検知することを特徴とする請求項１記載のプロジェクタのフォーカス装置。
3. 前記他方となる非球面ミラーの位置を検知するミラー位置センサを設け、前記ミラー移動機構が前記ミラー位置センサからの信号を監視しながら非球面ミラーを移動させることを特徴とする請求項２記載のプロジェクタのフォーカス装置。

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