JP4441891B2 - 投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、光変調素子により形成する画像などの投射画像をスクリーンや壁などに投影する投射装置に関するものである。

今日、パーソナルコンピュータの画像やビデオ映像の画像をスクリーンに投影する投射装置として、ビデオプロジェクタが多用されている。
この投射装置としてのビデオプロジェクタは、高輝度の光源と、光源からの白色光を赤色光、緑色光、青色光に順次変換するカラーホイール及びカラーホイールを透過した赤色光、緑色光、青色光をＤＭＤなどの光変調素子に照射する光源側光学系を有し、光変調素子により形成した画像光を投影側光学系である投射レンズによりスクリーンなどに投射するものである。

このような投射装置の投影側光学系又はカメラなどに組み込まれる撮像光学系などのレンズ光学系の光軸は、レンズによる像面湾曲やその他の収差を少なくする為に、一般に光変調素子や光電変換受光素子などの画像面と垂直とされるものであり、通常は、光変調素子や受光素子の画像面中央法線と一致させるものであって、例えば受光素子にあっては、特許文献１に示されるように、受光素子の取り付け角度を調整可能としてレンズ光学系の光軸が受光面の中央に対して垂直となるように受光素子を調整して固定するパッケージが提案されている。

尚、投射装置であるビデオプロジェクタでは、テーブルなどに載置して壁面のテーブル高さよりも高い位置に画像を投射することが多いため、スクリーンなどの投射位置と投射レンズの光軸との交わり角が小さくなるように投射レンズの光軸に対して光変調素子の中央法線を下方に位置させたシフト光学系を採用しているものもある。
特開２００６−３４０２９９号公報

前述の様に、レンズ光学系の光軸は、光変調素子やスクリーン又は受光素子などの画像面と垂直とすることが画像の歪みを極力少なくする為に一般的に行われている。

しかし、スクリーンなどの画像投影面と投射レンズの光軸との交わり角を小さくしつつ投射装置よりも上方に光像を投射するため、光変調素子の中央法線を投射レンズの光軸よりも下方とし且つ光軸と平行としたシフト光学系の投射装置では、光変調素子における光軸近辺の光像と光変調素子の中央近辺の光像や光変調素子の下方縁近辺の光像で投射レンズのペッツバール面との距離が変化し、像面湾曲などの収差が生じて収差補正が困難となる欠点があった。

本発明は、この様な欠点を排除し、レンズ設計を容易とすると共に歪みの少ない綺麗な画像を投影することのできる投射装置を提供するものである。

本発明は、投射レンズの光軸が、矩形とされた投射画像の中央法線と同一平面上に位置して且つ前記投射画像の画像面中心と一致しない投射光学系であって、前記投射レンズの光軸と前記投射画像を形成する光変調素子の画像面における中央法線とが交わるように前記光変調素子を傾斜させて配置し、画像面における前記投射レンズの光軸位置とこの光軸位置の前記画像面中央に対して対称の画像面位置、又は、前記投射レンズの光軸位置と前記投射レンズの光軸から離れた前記画像面における長辺の両端となる２つの隅角の位置か、前記投射レンズの光軸位置と画面中央からこの２つの隅角に向かって画面中心からレンズ光軸までの距離と等しい距離の２つの位置を投射レンズのペッツバール面に位置させるものである。

又、矩形とされた前記画像面における長辺の両端となる２つの隅角が投射レンズの光軸に対して垂直な平面上にして且つ前記光軸から等距離の位置に配置されるものである。

そして、矩形とされた前記投射画像の画像面の中央と投射レンズの光軸との距離は、前記画像面の短辺の４分の１以上の距離とされるものであり、画像面における投射レンズの光軸位置とこの光軸位置の前記画像面中央に対して対称の画像面位置を投射レンズのペッツバール面に位置させるか、又は、画像面における投射レンズの光軸位置と投射レンズの光軸から離れた前記画像面における長辺の両端となる２つの隅角の位置か、画面中央からこの２つの隅角に向かって画面中心からレンズ光軸までの距離と等しい距離の２つの位置を投射レンズのペッツバール面に位置させるものである。
尚、投射レンズがズームレンズの場合、画像面の位置は投射レンズの広角端状態におけるペッツバール面の位置に位置させるものである。

更に、前記光変調素子の光軸に対する角度を可変とし、投射レンズのズーム調整に合わせて光変調素子の角度を変更する角度調整手段を設けることがある。又、 投射レンズの光軸に対する光変調素子の角度を可変とし、投射レンズのフォーカス調整に合わせて光変調素子の角度を変更する角度調整手段を設けることもある。

そして、この投射装置としては、光源装置と、カラーホイール及び光源側光学系と、プロジェクタ制御手段と、前記光変調素子及び前記投射レンズを有することが好ましい。

本発明に係る投射装置は、投射レンズの光軸が投射画像の画像面中心と一致しない投射光学系において画像面中央法線を光軸と交わるように傾斜させている為、投射レンズの像面に投射画像の画像面を合わせるように傾斜させ、投射レンズの像面湾曲による画像の乱れを少なくして投射レンズの収差補正を軽くすることができるものである。

本発明に係る投射装置は、投射レンズの光軸が投射画像を形成する光変調素子の画像面中心と一致しない投射光学系において、投射画像を形成する光変調素子の画像面を矩形とし、矩形とされた画像面の中央と投射レンズの光軸との距離は画像面の短辺の４分の１以上の距離とし、光変調素子の画像面における長辺の両端となる２つの隅角が投射レンズの光軸に対して垂直な平面上にして光軸から等距離の位置に配置することにより、投射レンズの光軸と光変調素子における画像面の中央法線とが交わるように光変調素子を傾斜させて配置するものである。

そして、この光変調素子の画像面における投射レンズの光軸位置とこの光軸から最も離れた画像面の位置である長辺の両端となる２つの隅角の３点を、投射レンズのペッツバール面に位置させるように傾斜角を定めるものである。

尚、投射レンズの光軸に対する光変調素子の角度を可変とし、投射レンズのズーム調整やフォーカス調整によりペッツバール曲線が変化するとき、このペッツバール曲線の曲面変化に合わせて光変調素子の角度を変更する角度調整手段を設けることもある。

本発明に係る投射装置としてのプロジェクタは、プロジェクタ制御手段としてのマイクロコンピュータを内蔵し、図１に示すように、略直方体とされるケースの前面にはレンズカバー11を備えた投影口13を有し、ケースの上面には電源キー21や自動画質調整キー23、手動画質調整キー25、電源ランプインジケータ31、光源ランプインジケータ33、過熱インジケータ35などのキー及びインジケータ類を有し、図示しない背面には電源コネクタやパーソナルコンピュータと接続するＵＳＢ端子、画像信号入力用のビデオ端子やミニＤ−サブ端子などの各種信号入力端子を有するプロジェクタ10である。

そして、上面の開閉蓋27の内部には、画質や画像の微調整及びプロジェクタ10の各種動作設定を行うサブキーを有し、ケースの側面には冷却ファンの吸排気口29を有するものである。
また、このプロジェクタ10の内部には、図２に示すように、超高圧水銀ランプなどを内蔵する光源装置41、及び、カラーホイール43や光源側光学系としての導光ロッド45、複数の照明レンズ46と１枚のミラー47を有するものである。

更に、このプロジェクタ10には、光源装置41のランプ点灯や光変調素子51を画像信号に基づいて制御するプロジェクタ制御手段としてのマイクロコンピュータ、及び、光源装置41やプロジェクタ制御手段、更に、冷却ファン39などに電力を供給する電源回路を備えた回路基板37を内蔵しているものである。

そして、カラーホイール43は、扇形の赤色フィルタ、緑色フィルタ、青色フィルタを円周状に配置した円板であり、ホイールモータ44により回転させて円周状に配置した各フィルタに光源装置41からの光を透過させることにより、光源装置41から射出される白色光を順次赤色光、緑色光、青色光の三原色光とするものである。

また、導光ロッド45は、カラーホイール43を透過した光の強度分布を均一化して光源側光学系の照明レンズ46に入射し、この照明レンズ46は導光ロッド45を透過した光を光変調素子51に集光させるものである。
そして、ミラー47は、光変調素子51のミラーセルが一の方向に傾斜しているとき、光変調素子51からの反射光が光変調素子51の正面方向に向かうように斜め方向から光変調素子51に照明レンズ46を透過した光を照射するものである。

尚、このミラー47は、光変調素子51の正面方向に反射されるオン状態光線と、ミラーセルが他の方向に傾斜したときに光変調素子51から反射されたオフ状態光線との両光束軸の角度差が極力大きくなる方向から光変調素子51に当該ミラー47の反射光を照射するものである。

そして、この光変調素子51は、縦横十数ミリメートルとされる矩形のＤＭＤ（マイクロ・ミラー・デバイス）であって、五十万個乃至百数十万個のミラーセルが格子状に配置されて矩形の画像面52を形成し、各ミラーセルが平面位置から一方及び他方に各々十度乃至十数度の角度に傾くように設けられているものである。
なお、光変調素子51の前面には、光変調素子51を保護するカバーガラス53や照明側光学系のミラー47で反射された光を光変調素子51に平行光線束として入射するコンデンサーレンズ55が設けられるものである。

また、光変調素子51で正面方向に反射されたオン状態光線が投射画像としての光像を形成するものであり、図３に示すように、コンデンサーレンズ55を透過して光変調素子51及びコンデンサーレンズ55の前方に配置された投影側光学系としての投射レンズ60に入射されるものである。

この投射レンズ60は、固定レンズ群61と第１可動レンズ群63及び第２可動レンズ群65による可変焦点型レンズとされ、スクリーンへの投影画像のズーム倍率の調整及びピント調整が可能とされるものである。

尚、投射レンズ60の光軸69は、コンデンサーレンズ55の光軸69と一致させ、光変調素子51における画像面52の上端を投射レンズ60の光軸69の位置として光変調素子51を光軸69よりも下方にずらせて配置し、光変調素子51で反射したオン状態光線を投射レンズ60の光軸69方向及び光軸69よりも上方に射出するシフト光学系としているものである。

そして、図４に示すように、投射画像を形成する光変調素子51の画像面52の上端及び下端を投射レンズ60とコンデンサーレンズ55とによるレンズ群のペッツバール面67に一致させるように光変調素子51を傾斜させているものである。

即ち、光変調素子51を傾斜させるに際しては、光変調素子51の長辺とする画像面52の上端縁の中央を投射レンズ60の光軸69の位置に一致させ、光軸69から最も離れる下端縁の両端を光軸69と垂直な平面上に位置させるようにして光変調素子51の画像面中央法線を光軸69と交わらせ、投射レンズ60のレンズ群の像面湾曲に合わせて光変調素子51を傾斜させるものである。

このように、投射画像を形成する光変調素子51の画像面52における上端中央を光軸69の位置に一致させて画像面52における下端縁の両端を光軸69と垂直な平面上に位置させて下端縁の両端を光軸69から等距離とするように光変調素子51を傾斜させることにより、光変調素子51の画像面52で反射された光を光軸69の方向を含んで光軸69よりも上方に多くの光を投射レンズ60を介して射出することができるようにしているものである。

このように、光変調素子51を傾斜させて画像面52の中央法線を光軸69と交わらせることにより、光変調素子51の画像面52を投射レンズ60の像面湾曲による湾曲面に近接させることができるものであり、このプロジェクタ10では、光変調素子51の画像面52上の投射レンズ60の光軸位置とこの光軸69の位置の画像面52中央に対する対称位置の２点、又は画像面52における光軸69の位置と画像面52における光軸69から最も離れた２つの隅角部との３点を、コンデンサーレンズ55を介してコンデンサーレンズ55の後方に形成される投射レンズ60のペッツバール面67に合わせるように傾斜させているものである。

この様に、光変調素子51の画像面52における上端中央を光軸69位置に合わせて、この上端中央と下端中央との２点、又は上端中央と下端両端部との３点を投射レンズ60のペッツバール面67に一致させている為、光変調素子51の画像面52と投射レンズ60の画像面であるペッツバール面67との最大誤差を小さくして湾曲収差の量を実質的に小さくすることができるものである。

このため、投射レンズ60を作成設計するに際し、像面湾曲を平面に近づけるレンズの組合せ条件を厳密に求めてこの条件を満足するレンズを組み合わせてなくても、投射レンズ60の像面湾曲と投射画像を形成する画像面52とのずれ量を光変調素子51の傾斜により減少させて湾曲収差を少なくし、綺麗な投影画像を形成することができる。

又、投射レンズ60がズームレンズの場合、倍率変更により投射レンズ60のペッツバール面67は変化するも、光変調素子51の傾斜は投射レンズ60の広角端状態におけるペッツバール面67に合わせて固定するものである。

この様に、広角端状態のペッツバール面67に合わせて光変調素子51を固定しておけば、望遠端状態のときに投射レンズ60のペッツバール面67と光変調素子51の画像面52との湾曲収差による誤差が大きくなっても、望遠端では焦点深度が広角端状態よりも深くなる為に投影画像の乱れを少なくして綺麗な投影画像を維持することができる。

また、他の実施例としては、光変調素子51の画像面52における長辺と並行であって光軸69と直交する直線を回転軸として光変調素子51を揺動可能とし、図５に示すように、光変調素子51の下端近傍にピエゾアクチュエーター又はマイクロモーターにより回転しつつ進退するネジ部を有するアクチュエーターなどの角度調整手段70を設けるものである。

この様に、角度調整手段70を設けて投射レンズ60のズーム調整やフォーカス調整により可動レンズ群を移動させるとき、この可動レンズ群の移動制御と合わせてペッツバール面67の変化に合わせるように光変調素子51の角度を制御することにより、光変調素子51の下端縁などのペッツバール面67との一致をずらさないようにするものである。

従って、ズーム調整により投影された光像の倍率を変化させる場合にも倍率に応じた綺麗な画像を投影することができ、フォーカス調整を行う場合にも一層正確なフォーカスを決めることができて鮮明な画像を投影することができる。

又、図３乃至図５に示した光変調素子51は、光変調素子51における画像面52の上端位置近傍を投射レンズ60の光軸69位置に合わせて画像面52の中央を光軸69から外したシフト光学系としているも、光変調素子51の画像面52の中央と光軸69との距離は、画像面52の上下方向となる短辺の４分の１程度として光変調素子51による光像を投射レンズ60の光軸69方向を含みつつ光軸69よりも上方に大きく投射することもあり、画像面52の中央と光軸69との距離は短辺の４分の１乃至２分の１程度とするものである。

そして、画像面52における光軸69の位置を投射レンズ60のペッツバール面67に位置させるに際し、画像面52における光軸69の位置を画像面52の上辺よりも画像面52の中央に近接した位置とする場合は、画像面52の中央から画像面52の下方両隅角に向かう直線上であって、光軸69と画像面52の中央との距離に等しい距離だけ画像面52の中央から下方の２点をペッツバール面67に一致させるようにするものである。

この様に、投影レンズの光軸69の位置を光変調素子51の画像面52における上端よりも画像面52の中央に近接させたときは、スクリーンに投射される光像の光軸69よりも上方の光像高さは低くなるも、光変調素子51の画像面52と投射レンズ60のペッツバール面67との誤差の最大値や平均値を小さくして湾曲収差による光像の乱れを少なくし、綺麗な映像を投影することができる。

尚、上記実施例は、光変調素子51としてマイクロミラー表示素子を用いているも、液晶表示素子を光変調素子51として用いることも有り、更に、マイクロミラーや液晶などの光変調素子51に限ることなく、適宜の光像を形成する画像を描いた写真やフィルムなどの画像面とこの画像面に光を照射する光源装置を備えたスライドプロジェクタなどの投射装置とすることも有る。

尤も、図１及び図２などに示した光源装置41などを備えたプロジェクタ10は、プロジェクタ制御手段により制御される光変調素子51により投射画像を形成することにより、コンピュータの画面画像やビデオ画像など、種々の画像をスクリーンに綺麗に投射することができるものである。
尚、本発明は、以上の実施例に限定されるものでなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で自由に変更、改良が可能である。

本発明に係る投射装置の一例を示す図。 本発明に係る投射装置の内部構造を示す図。 本発明に係る投射装置の光学系を示す図。 本発明に係る投射装置の要部を模式的に示す図。 本発明に係る投射装置の要部の他の例を模式的に示す図。

符号の説明

１０ プロジェクタ
１１ レンズカバー １３ 投影口
２１ 電源キー ２３ 自動画質調整キー
２５ 手動画質調整キー ２７ 開閉蓋
２９ 吸排気口 ３１ 電源ランプインジケータ
３３ 光源ランプインジケータ ３５ 過熱インジケータ
３７ 回路基板 ３９ 冷却ファン
４１ 光源装置 ４３ カラーホイール
４４ ホイールモータ ４５ 導光ロッド
４６ 照明レンズ ４７ ミラー
５１ 光変調素子 ５２ 画像面
５３ カバーガラス
５５ コンデンサーレンズ
６０ 投射レンズ ６１ 固定レンズ群
６３ 第１可動レンズ群 ６５ 第２可動レンズ群
６７ ペッツバール面 ６９ 光軸
７０ 角度調整手段

Claims (8)

1. 投射レンズの光軸が、矩形とされた投射画像の中央法線と同一平面上に存在し、且つ、前記投射画像の画像面中心と一致しない投射光学系であって、前記投射レンズの光軸と前記投射画像を形成する光変調素子の画像面における前記中央法線とが交わるように前記光変調素子が傾斜して配置されると共に、前記画像面における前記投射レンズの光軸位置とこの光軸位置の前記画像面中央に対して対称の画像面位置、又は、前記投射レンズの光軸位置と前記投射レンズの光軸から離れた前記画像面における長辺の両端となる２つの隅角の位置か、前記投射レンズの光軸位置と画面中央からこの２つの隅角に向かって画面中心からレンズ光軸までの距離と等しい距離の２つの位置が前記投射レンズのペッツバール面に位置していることを特徴とする投射装置。
2. 矩形とされた前記画像面における長辺の両端となる２つの隅角が、前記投射レンズの光軸に対して垂直な平面上にして、且つ、前記光軸から等距離の位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の投射装置。
3. 矩形とされた前記画像面の中央と前記投射レンズの光軸との距離が、前記画像面の短辺の４分の１以上の距離であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の投射装置。
4. 前記画像面における投射レンズの光軸位置が前記画像面上端中央に位置し、前記投射レンズの光軸位置と、前記投射レンズの光軸位置から離れた前記画像面における長辺の両端となる２つの隅角の位置が前記投射レンズのペッツバール面に位置していることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の投射装置。
5. 前記光変調素子の光軸に対する角度が可変であって、前記投射レンズのズーム調整に合わせて前記光変調素子の角度を変更する角度調整手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の投射装置。
6. 前記投射レンズの光軸に対する前記光変調素子の角度が可変であって、前記投射レンズのフォーカス調整に合わせて前記光変調素子の角度を変更する角度調整手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の投射装置。
7. 前記投射レンズがズームレンズであって、前記画像面の一部が前記投射レンズ広角端状態におけるペッツバール面に位置していることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載の投射装置。
8. 光源装置と、カラーホイール及び光源側光学系と、プロジェクタ制御手段と、前記光変調素子及び前記投射レンズを有することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れかに記載の投射装置。
   

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