JP2003521734A - ビデオプロジェクタ用の焦点整合システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ビデオプロジェクタ用の光ビームの焦点整合システムは、少なくとも１つの像マイクロフォーム装置ＤＭＤ（ディジタル・マイクロミラー装置）を具える。そのシステムの主な特徴は、少なくとも１つのアクロマチック二重レンズに関連して設けられた少なくとも１つの非球面レンズを具えることである。この構成によって、色収差、球面収差、像面の湾曲および歪みが充分減少し、像マイクロフォーム装置の照明がより均一になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、少なくとも像（画像）マイクロフォーム（microform）装置ＤＭＤ
（ディジタル・マイクロミラー装置、Digital Micromirror Device）を含んだビ
デオプロジェクタ用の光ビームの焦点整合（焦点合わせ、集束、focusing）シス
テムに関する。

【０００２】 像マイクロフォーム装置ＤＭＤ（ディジタル・マイクロミラー装置）に基づく
ビデオ投射システムはますます普及している。特に、そのシステムによって、特
に像（画像）の明るさ（輝度）および解像度に関して優れた画像品質が得られ、
例えば映像管（kinescope）を用いた装置と比較して小さいサイズのプロジェク
タが得られる。

【０００３】 簡単に説明すると、像マイクロフォーム装置ＤＭＤは、１組のアルミニウム製
の正方形（四角）のミラー（鏡）を具えている。そのミラーは、１辺が１６μｍ
であり、各ミラーは、投射される画像の要素（画像エレメント）即ちピクセルを
形成する。そのミラーは、対角線（diagonal）の周りに±１０度だけ回転でき、
その双方向の回転は、そのミラーの下に位置しかつその回転軸について互いに反
対の（対向）位置にある２つの電極の動作によって形成される。そのミラーが“
休止（rest）”状態にあるとき、即ち２つの電極の（いずれの）１つによって（
も）引きつけられないとき、その光は、ミラー平面（plane）における垂線に対
して約２０度の角度でそのミラーに当たる。ミラーが一方向に回転したとき、そ
の反射光線は、偏向を受けて投影レンズに入射せず、従ってスクリーンに送られ
ることはなく、即ちそのピクセルは“オフ”状態となる。反対方向の回転が生じ
た場合は、ピクセルは“オン”状態となる。その理由は、反射光が、そのスクリ
ーンに送られるからである。

【０００４】 ＳＲＡＭ（スタティック・ランダム・アクセス・メモリ）のタイプの静的メモ
リのセルが、各ピクセルに対応付けられていて、ミラー回転を確実に生じさせる
電極を制御するための全ての情報を含んでいる。各ミラーによって反射された光
がたとえ常に同じ強度を有したとしても、ピクセルが“オン”状態を維持する時
間（期間）が変化して、人間の目によって生じる積分作用によって輝度（明るさ
、brightness）が変化する。

【０００５】 ビデオプロジェクタは、１つ、２つまたは３つの像マイクロフォーム装置ＤＭ
Ｄを含んでいてもよい。ただ１つの像マイクロフォーム装置ＤＭＤを用いる解決
法は、そのコストが低く、全体の大きさ（寸法形状、ディメンション）が小さく
および重さが軽いので特に有利である。本発明は、主にこの解決法に関連するも
のである。

【０００６】 ただ１つのＤＭＤを用いるときにカラー画像を得るためには、その像マイクロ
フォーム装置ＤＭＤのそれぞれのミラーは３原色、即ち赤、緑および青によって
順次照射（投射）される。その３原色は、発光ランプの光を、少なくとも３つの
セクタ（区分）に分割された、カラー・ホイールと呼ばれる回転ホイール（輪）
に送ることによって得られる。その各々（セクタ）は、３原色の１つを生成する
のに適したダイクロイック・フィルタ（dichroic filter、干渉フィルタ）で構
成されている。カラー・ホイールの回転によって、光ビームが像マイクロフォー
ム装置ＤＭＤに送られ、異なる３つの全ての色が順次得られる。

【０００７】 ビデオプロジェクタにおいて、光ビームは焦点合わせ（集束）する必要がある
。これは、通常、“リレー（中継）レンズ”として知られている、収束（集束）
レンズ・システム（系）によって行われる。既知のコーラー（Kohler）の構成に
よって投影レンズの入射部上に焦点平面（plan、位置、プラン、図）が得られる
。代替構成として、重要な（critical）またはアッベ（Abbe）の投射（illumina
tion）図（ダイアグラム）によって像マイクロフォーム装置ＤＭＤの表面上に焦
点平面を集中することもできる。そのアッベの構成には、投影スクリーン上にお
いて画像の垂直方向のセンタリングが行えるという利点がある。その理由は、像
マイクロフォーム装置ＤＭＤ上の像サイズが、その輝度（明るさ）を失うことな
く、投影軸に垂直な方向にその投影レンズを確実に±６ｍｍ変位（移動）させる
のに充分大きいからである。前方投影（正面投影、frontal projection）の場合
、それによって、スクリーン上でその画像をその画像そのものの高さにほぼ等し
い量だけ垂直方向に変位できる。

【０００８】 少なくとも３つの収束レンズを用いる焦点整合システムは、主に、色収差（ch
romatic aberration）現象、球面収差（spherical aberration）、および像面の
湾曲（曲がり）（curvature of field）と呼ばれる別の収差現象に起因して画像
品質が低いという欠点を有する。さらに、上述の収束レンズは、概して相当の像
歪みを生じる。

【０００９】 知られているように、色収差現象は、収束レンズを通過する（横切る）光ビー
ムの焦点平面（位置）が光ビーム成分の波長に依存することによるものであり、
その結果、例えば青の光ビームは収束レンズにより近い平面（位置）上で収束し
、一方、赤の光ビームはより遠い平面（位置）上で収束し、緑の光ビームは、青
の光ビームと赤の光ビームに関連するそれぞれの平面（位置）の間の中間平面（
位置）上で焦点が合う。ただ１つの像マイクロフォーム装置ＤＭＤを有するビデ
オプロジェクタの場合、アッベの投射図による像マイクロフォーム装置ＤＭＤの
表面上の焦点（合わせ）は、３原色の各焦点面の間の妥協（compromise、折衷）
の結果として得られる。同じ考慮が、光ビームが投影レンズの入射部で収束する
コーラーの構成の場合にも適用される。

【００１０】 球面収差現象は、光ビームが収束レンズを通過した（横切った）ときに生じ、
その場合、いわゆる上述の光ビームの縁（周辺）の光線（marginal ray）、即ち
そのレンズの周辺の領域を通過する光線は、そのレンズの中央領域を通過するい
わゆる近軸光線（paraxial ray）よりも、そのレンズの平面（位置）に近い点に
収束する。また、この場合、焦点（合わせ）は、中央または近軸光線と周辺光線
の間の妥協の結果として得られる。

【００１１】 像面の湾曲（曲がり）現象は、そのレンズによって焦点合わせされる像が、平
面（位置、プラン）にではなくて湾曲した表面上に正しく焦点合わせされること
に起因している。この場合、像マイクロフォーム装置ＤＭＤのミラーが平坦な表
面上に配置され、焦点（合わせ）は妥協の結果として得られる。最後に、歪みと
いう用語は、像の幾何学的変形を表す。その最も重要な歪みは、例えばそのレン
ズ・システム（レンズ系）を通して投影された長方形が平行四辺形の形状をとる
ときに生じるいわゆる“傾斜（tilt）”変形であり、クッション（cushion）変
形およびバレル（barrel）変形として知られている歪みである。

【００１２】 上述の収差および歪みを減少させるために、通常、適当なレンズ・システムが
提案され、各効果は特別な光学装置によって修正（補正）され、その結果、レン
ズの数が増え、その結果、投影の複雑さおよびコストがより高くなる。

【００１３】 本発明の目的は上述の欠点を解消し、改良された実現法を有し現在の解決法よ
り効率的なビデオプロジェクタ用の焦点合わせシステムを実現することである。

【００１４】 この枠組において、本発明の主な目的は、上述の欠点を回避（解消）するビデ
オプロジェクタ用の焦点整合システムを実現することであり、そのシステムは、
像を均一に焦点合わせし、単純で経済的な形態で歪みをより少なくし、画像品質
を評価可能なほど改良し、レンズの数を減少させることを可能にする。

【００１５】 そのような目的を実現するために、本発明の目的は、詳細な説明の重要な部分
を形成する請求の範囲の特徴を取り込んだビデオプロジェクタ用の焦点整合シス
テムを実現することである。

【００１６】 本発明の別の目的、特徴および利点は、非限定的な例として提示した次の詳細
な説明および図面から明らかになる。

【００１７】

【発明の実施の形態】 図１において、参照番号１は、パラボラ・リフレクタ（放物線形反射器）を有
する発光ランプを示している。番号２は、直方体の光学的グラス（ガラス）で形
成された一体的（integrating、一体化）バー（棒）４の入射部に光を収束する
（その焦点を形成する）非球面集光レンズ（aspheric capacitor、非球面コンデ
ンサ）を示しており、そのレンズは発光ランプ１から均一な（一様な）光ビーム
を確実に形成する。一体的バー４の前にはカラー・ホイール３が設けられており
、上述の例のように、ほんの１つの像マイクロフォーム装置ＤＭＤを用いたビデ
オプロジェクタにおけるその複数のダイクロイック・フィルタを通してそれぞれ
の色が再生される。一体的バー４からの出射光は、リレー（中継）レンズとして
知られているレンズ・システム（レンズ系）によって集められる。リレー・レン
ズとは、像を対物または投影レンズに送るレンズ・システムおよびその他の光学
装置を意味する。上述のリレー・レンズは、参照番号５、６および７で示されて
いる。上述のレンズ５、６および７は、１０で示された像マイクロフォーム装置
ＤＭＤに向けてその光を伝搬する。上述のアッベの投射法（プラン、構成、図）
に従って、一体的バー４の出射部における像に対して（比べて）、拡大され焦点
が合わせられた像がそのＤＭＤ上に形成される。しかし、さらに説明するように
、図１における参照番号１１で示された投影レンズの入射部にその像の焦点が合
わされる場合に（コーラー（Kohler）の投射）、次の考慮が適用される。

【００１８】 本発明によれば、参照番号５で示されたレンズは非球面レンズ、即ち収束レン
ズによって形成され、そのレンズの輪郭（外形、プロフィール）は標準の収束レ
ンズの球面輪郭に対して球面収差を減少させるように修正（変形）されている。

【００１９】 数学的には、レンズの湾曲表面が、その球面成分とは別に、２次より高い次数
の多項式成分（polynomial components）を含む等式で表される。

【００２０】 各点ＡＢＣＤを通る点線の図で表されている光ビームの光路に沿って、（非）
球面レンズ５の後に、参照番号６で示されたアクロマチック（色収差補正）二重
レンズ（複レンズ、接合レンズ、ダブレット）（球面収差補正用）が配置されて
いる。アクロマチック二重レンズ６は、知られているように、異なる光学グラス
を互いに接合して得られる発散（散開、散光）レンズと収束レンズで形成される
。双方のグラスの屈折率（係数、coefficient）を適当に選択した場合に、色収
差がかなりの程度（容易に評価できるほど）減少する。

【００２１】 また、利点として、リレー・レンズとしての像の伝搬と、複数の単一レンズに
よる上述の特定の収差の補償効果とは別に、非球面レンズ５とアクロマチック二
重レンズ６の組み合わせの効果によって、前述した像面の湾曲現象と像の歪みの
双方が実質的にまたは充分に減少する。

【００２２】 非球面レンズ５の輪郭と、アクロマチック二重レンズ６において用いられる光
グラスの屈折率も、ランプ１から像マイクロフォーム装置ＤＭＤ１０まで延びる
光路ＡＢＣの特徴、例えば、その長さ、反射回数、光ビーム線分（セクション）
等に依存して選択してもよい。

【００２３】 アクロマチック二重レンズ６の後に、今度は、参照番号７で示された収束レン
ズが配置され、それによってリレー・レンズ・システムが完結する。

【００２４】 従って、非球面レンズ５、アクロマチック二重レンズ６および収束レンズ７で
構成された単純な低コストの３レンズ・システムをリレー・レンズ・システムと
して用いて、主に幾何学的収差および色収差と、さらに焦点整合システムによっ
て導入された歪みとを充分にまたは実質的に減少させることができる。好ましく
は、レンズ７はさらに球面収差を減少させるように平凸レンズ（plan-convex le
ns）であることが好ましい。

【００２５】 参照番号８で示されたプリズムはＴＩＲ（Total Internal Reflection、内部
全反射）プリズム・タイプのものであり、光ビームをマイクロフォーム装置ＤＭ
Ｄ１０に伝搬して、装置製造業者によって発行された仕様書によって通常要求さ
れるような約２０度の入射角を有する。

【００２６】 プリズム９は、像マイクロフォーム装置ＤＭＤ１０の各ミラーから到来した光
ビームを投影レンズ１１に向けて偏向する。

【００２７】 非球面レンズ５とアクロマチック二重レンズ６とを同時に用いることによって
、像マイクロフォーム装置ＤＭＤ１０の表面の投射（illumination、照明、照射
、投光、放射）が一貫性のあるものにできるという利点があり、像の中央領域が
周辺領域に対して（比して）明るくなるのが回避される。

【００２８】 最後に、球面収差を減少させることによって、その光が像マイクロフォーム装
置ＤＭＤ１０、即ち複数のミラーを含むものの実効（有効）領域上に正確に集中
するという利点が得られ、従って、グローバルな（大局的な）効率が増大し、従
ってそのシステムの輝度が増大する。

【００２９】 図２は、コーラー（Kohler）の投射法（プラン、平面、位置）が用いられると
きに、即ち像が投影レンズ１１の入射部に焦点合わせされたときにおける、本発
明による焦点整合システムを表している。

【００３０】 この場合、光ビームは、参照番号１２で示されたミラーによって当てられた（
投射された）正しい角度で像マイクロフォーム装置ＤＭＤに送られて、図１のプ
リズム８および９が用いられない。諸構成要素（コンポーネント）と光路の間の
あり得る（見込まれる）機械的干渉（妨害）を回避するために、像マイクロフォ
ーム装置ＤＭＤを有するビデオプロジェクタにおける一般的技術に従って、ミラ
ー１２は、そのビームを例えば上向きに逸らす（偏向する）。同じ参照番号で示
された図２における残りのブロックは、図１において既に説明したブロックと同
じ機能を実現する。

【００３１】 革新的考えの新規な精神から逸脱することなく、例によって説明した上述のビ
デオプロジェクタ用の焦点整合システムについて多くの変更が可能なことは当業
者には明らかである。また、本発明の実際の動作において、構成要素の形態およ
びサイズは上述のものとは異なってもよく、また技術的に等価な（均等な）要素
と置換可能であることは明らかである。

【００３２】 例えば、ランプ１から像マイクロフォーム装置ＤＭＤ１０まで延びる光路の部
分ＡＢＣは、図１および２の例におけるただ１つの反射の代わりに幾つかの反射
を含んでいてもよい。

【００３３】 上述の焦点整合システムは、利点はより少なくなるが、２つまたはそれ以上の
像マイクロフォーム装置ＤＭＤを用いるビデオプロジェクタにおいて用いてもよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、本発明による、ビデオプロジェクタ用の焦点整合システムの図を示し
ている。

【図２】 図２は、本発明による、ビデオプロジェクタ用の焦点整合システムの第２の実
施形態を示している。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１４年３月２５日（２００２．３．２５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｇ０３Ｂ 21/14 Ａ 21/14 Ｈ０４Ｎ 5/74 Ａ Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｇ０２Ｂ 7/04 Ｚ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ジヨルジヨ バラツツア イタリア共和国 イ−33080 プラータ・ デイ・ポルデノーネ ビア・デツラ・ドー タ 11 Ｆターム(参考） 2H044 DA01 2H052 BA02 BA03 BA06 BA14 2H087 KA06 KA29 LA24 PA03 PA18 PB04 QA13 QA22 QA25 QA33 QA41 QA46 RA03 RA13 RA41 2K103 AA07 AA14 AB05 BC30 BC44 5C058 EA12 EA27

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源（１）と、ビデオプロジェクタの投影レンズ（１１）に
   像を送る光学的手段（５、６、７）と、像マイクロフォーム装置（１０）とを具
   えるタイプのビデオプロジェクタ用の光ビームの焦点整合システムであって、 像を送る上記光学的手段（５、６、７）が少なくとも１つのアクロマチック二
   重レンズ（６）に関連して設けられた少なくとも１つの非球面レンズ（５）を具
   えることを特徴とする、 焦点整合システム。
2. 【請求項２】 上記非球面レンズ（５）と上記アクロマチック二重レンズ（
   ６）とが光ビーム路上に順に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載
   の焦点整合システム。
3. 【請求項３】 上記アクロマチック二重レンズ（６）が、異なる屈折率を有
   する少なくとも２つのタイプの光学グラスで形成されたものであることを特徴と
   する、請求項１に記載の焦点整合システム。
4. 【請求項４】 さらに平凸レンズ（７）を具えることを特徴とする、請求項
   １に記載の焦点整合システム。
5. 【請求項５】 像が、アッベの投射法に従って像マイクロフォーム装置ＤＭ
   Ｄ（１０）の表面上に焦点合わせされることを特徴とする、請求項１に記載の焦
   点整合システム。
6. 【請求項６】 上記像マイクロフォーム装置ＤＭＤ（１０）の後、像の焦点
   がコーラーの投射法に従って、投影レンズ（１１）の入射部に形成されることを
   特徴とする、請求項１に記載の焦点整合システム。
7. 【請求項７】 上記光源（１）から上記像マイクロフォーム装置（１０）ま
   で延びる光ビームの光路（ＡＢＣ）が１つ以上の反射を含むことを特徴とする、
   請求項４に記載の焦点整合システム。
8. 【請求項８】 リレー・レンズ・システム（５、６、７）を具えるタイプの
   ビデオプロジェクタ用の光ビームの焦点整合システムであって、 光ビームが光源（１）から像マイクロフォーム装置（１０）を通って投影レン
   ズ（１１）に達するものであり、 上記リレー・レンズ・システム（５、６、７）が収差補正手段によって形成さ
   れ、特に球面レンズとアクロマチック二重レンズで形成されることを特徴とする
   、焦点整合システム。