JP2006276730A

JP2006276730A - 投射装置

Info

Publication number: JP2006276730A
Application number: JP2005099084A
Authority: JP
Inventors: Yasuto Kuroda; 泰斗黒田
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2025-03-30
Also published as: JP4774224B2

Abstract

【課題】各種のプロジェクタに使ってもプラスチックレンズに生じる局所を投射光束が透らないようにフォーカス調整して投射画像の性能の劣化が生じないようにする。
【解決手段】投射レンズは、前群レンズ１５を光軸方向に移動させることでピント調整が行える。フォーカスリング２１は前レンズ群１５を保持する前保持枠２０の外周との間でヘリコイド係合しており、また、その他のレンズ群を保持する鏡筒本体２２に対しては回転止めした状態で一定の角度だけ回転する。前保持枠２０は、鏡筒本体２２との間で直進キー２４と直進溝２５との作用により直進的に移動自在に支持されている。フォーカスリング２１を回転すると前保持枠２０が光軸方向に直進して移動する。前レンズ群１５は性能を劣化させる局所を除く特領領域のみに投射光束が透る一定の向きで前保持枠２０に統一して組み込まれている。
【選択図】図３

Description

本発明は、投射装置に関し、さらに詳しくは、例えば液晶表示素子等の表示素子に表示された画像をスクリーンに拡大投影する投射レンズと、その投射レンズを保持する鏡筒とからなる投射装置に関するものである。

プロジェクターは、投射装置と画像光生成部とを備えている。画像光生成部は、光源から照射された照明光のエネルギー分布をロッドインテグレーター等の導光手段で均一化した照明光を受光して光変調することにより画像光を生成する。投射装置は、画像光生成部で生成した画像光をスクリーンに投映させる。鏡筒には、予め決めた有限距離に投射レンズのフォーカスを調整するフォーカス調整機構が組み込まれている。このフォーカス調整は、投射装置を造る工場で行われる。

画像光生成部には、光変調方法の違いに応じて透過型と反射型がある。透過型の場合には、透過型の液晶パネルを使用し、この液晶素子の各液晶セルを映像信号に応じて駆動することで光変調させている。

反射型の画像光生成部として反射型表示パネルを使用している。反射型表示パネルには、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）や、リキッド・クリスタル・オン・シリコン（ＬＣＯＳ）素子等がある。ＤＭＤは、受光した照明光を投射レンズに向けて反射させるオン位置と、投射レンズから外れた方向に向けて反射させるオフ位置との間で可変する光反射角可変ミラー素子をマトリックス状に多数個配列したものである。画素を明るく表示させる場合にはミラー素子をオン位置に移動し、暗く表示させる場合にはミラー素子をオフ位置に移動する。こうして照明光の反射方向を制御することで、映像信号に応じた光変調を行う。

一般的に、プロジェクタは、上方のスクリーンに向けて投射するように、スクリーンよりも下方にあるテーブルなどに載置される。このため、投射レンズを光軸が水平に対して上に傾斜するように角度を付けて取り付けている。しかし、これでは、画像表示面と画像投射面とが平行にならないため、画像が台形に歪む不都合が生じる。そこで、打ち上げ投射タイプのプロジェクタが知られている（特許文献１）。このタイプのプロジェクタは、投射レンズの光軸を画像表示面の中心から上にずらすことによって投射レンズの光軸よりも画像投射面の中心が上方になるように結像させる。このタイプに用いられる投射レンズには、投射光束が光軸中心からずれた位置を透る。

近年、投射画像の高精細化が進むと共に投射装置全体の小型化及びローコスト化の要求は強くなり、投射レンズも小型及び安価で高性能なものが望まれている。そこで、投影レンズにプラスチックレンズを用いたものが知られている（特許文献２）。
特開平１１−３２７０４７号公報特開２００１−４２２１１号公報

投射装置のフォーカスを調整する場合には、フォーカスを調節するためのレンズ群とその他のレンズ群との距離（間隔）を変えるのが一般的である。この変更構造は、レンズ群を保持する保持枠と、それを支持する固定筒とをヘリコイド（ネジ溝）で結合し、残りのレンズ群を保持した固定筒に対して保持枠を回転させることで、固定筒に対して保持枠と一緒にレンズ群が光軸方向に移動する構成が一般的である。このようにレンズ群を回転させながら光軸方向に移動してフォーカス調整し、調整後には保持枠を固定筒にネジ止めして回転止めをしている。

プラスチックレンズは、射出装置を用いる金型成型により安定した大量生産が行えるようになってこそ、投射装置のローコスト化が達成される。しかし、近年、光学性能を向上させるために、光軸に対して回転対称の非球面レンズや回転非対称の非球面レンズなど自由度の高い複雑なものになっている。このため、従来の射出成形法では、例えば冷却の不均一性などにより金型内に圧力分布が発生し、形状精度、内部歪みともに劣化が起こったり、ゲートに起因するジエッテイング、フローマーク現象などが起こったりする。この状況に対応し、安定性を確保できる射出成型法が開発されているが、合格の成型品でも金型の違いや成型環境下の違いなどにより、例えばゲート周辺などの局所に、形状の崩れた部分が発生し、その局所に投射光束が入射すると、投射画像の性能が劣化するおそれがあることがわかっている。

また、そのようなプラスチックレンズを、フォーカス調整時に移動するレンズ群に組み込むと、レンズ群を回転させながら光軸方向に移動してフォーカス調整をするため、プロジェクタごとで性能が劣化するものと、満足するものとが生じる。というのは、プロジェクタごとでレンズ群のフォーカス位置が多少なりとも異なり、よってレンズ群の回転位置、すなわち局所の位置が異なるためである。したがって、一方の投射レンズでは、局部を投射光束が透らないので画像の性能を満足するのに対し、他方の投射レンズでは局所を投射光束が透るので性能が満足されない、といった問題が起こる。性能を満足しないプロジェクタに用いたレンズ群は不良としてカウントされるため、工場では成型品の出来・不出来が歩留り低下の要因と考えられていた。

また、投射レンズは、画面サイズ（画面のアスペクト比）の異なるプロジェクタに共通使用されている。この場合、前の画面サイズのプロジェクタでは投射画像の性能を満足しても画面サイズの異なるプロジェクタでは局所を投射光束が透ってその性能が劣化するおそれがある。そして、製造工程においてそれら画面サイズの全てにおいて投射レンズの性能をチェックするとなると、非常に手間がかかり、コストアップとなってしまう。さらに、打ち上げ投射タイプのプロジェクタにも共通使用することを考慮すると、このタイプでは投射光束が光軸中心からずれた範囲、すなわち光学面のうちの光軸と光軸から径方向に離れた周辺との間の範囲を透るため、前玉フォーカス調整式の投射レンズではさらに問題となる。

本発明は、上記問題点を解決するためのもので、フォーカス位置がバラツクプロジェクタや画面サイズの異なるもの、並びに、投射光束が光軸中心から偏る範囲を透るものなどどのタイプのプロジェクタで使っても、プラスチックレンズの光学面のうちの金型成型で生じる局所を投射光束が透らないように、プラスチックレンズを移動してフォーカス調節が行えるように工夫した投射装置を提供することを目的とする。

上記問題点を解決するために、本発明の投射装置では、光軸方向に移動することで画像を投射する投射レンズのフォーカスを調整するとともに、一部又は全部にプラスチックレンズが用いられ、前記プラスチックレンズの光学面のうちの特定領域のみに投射光束が透るフォーカス用のレンズ群と；前記レンズ群を、前記特定領域が一定の姿勢になるように保持する保持枠と；前記投射レンズのうちの前記レンズ群以外のレンズ群の一部又は全部を保持する鏡筒本体と；フォーカス調整時に前記鏡筒本体に対して回転する回転体を有し、前記回転体の回転に連動して、前記保持枠を前記鏡筒本体に対して光軸方向に直進的に移動する直進移動機構と；を備えたものである。

フォーカス調整時には、前記回転体を回転させる。この回転は、手動式であっても自動式であってもよい。自動式の場合には、測距機構を設け、測距機構で測距した結果に基づいてモータを駆動し、そのモータの駆動を回転筒に入力すればよい。手動式の場合には、回転体をフォーカスリングにする。そして、フォーカスリングとともに、前記保持枠を前記鏡筒本体に対して光軸方向に直進的に移動自在に支持する直進支持機構と；前記フォーカスリングの回転に連動して前記保持枠を、前記鏡筒本体に対して光軸方向に移動するヘリコイド機構と；を備える。

フォーカス調整時に光軸方向に移動するレンズ群としては、投射レンズを構成する複数のレンズ群のうちの１つ又は２以上のレンズ群としてもよい。直進支持機構としては、例えば光軸と平行に凸条に形成した直進キーと、凹条に形成した直進溝との係合により行うのが好適である。

以上説明したように、本発明の投射装置では、フォーカス調整時に光軸方向に移動するレンズ群を回転させないで直進的に移動させるようにしたから、性能を劣化させる局所を除く特領領域のみに投射光束が透る一定の回転位置でレンズ群を保持枠に統一して組み込むことで、フォーカス位置のバラツキのあるプロジェクタや画面サイズの異なるプロジェクタなど、どのタイプのプロジェクタに使っても特定領域のみを投射光束が透るようになり、よって、投射画像の性能の劣化を確実に防ぐことができる。

プロジェクタ１０には、投射装置１１と画像光生成部１２とを備えている。投射装置１１は、複数のレンズ群からなる投射レンズ１３を備えている。投射レンズ１３は、前玉フォーカス調整式のタイプとなっており、フォーカス調整時には、投射レンズ１３のうちのスクリーン１４に最も近い前レンズ群（フォーカスレンズ群）１５を光軸１６の方向に移動する。なお、図１では、図面の煩雑化を防ぐために投射レンズ１３を保持する鏡筒１７を簡略して記載している。

鏡筒１７は、図２及び図３に示すように、前保持枠２０、フォーカスリング２１、及び鏡筒本体２２とで構成される。前保持枠２０には、前レンズ群１５が保持される。残りのレンズ群は、鏡筒本体２２に保持される。前保持枠２０の外周は光軸１６の方向に沿う前側（スクリーン側）面２０ａに対して後側面２０ｂが一段凹んでおり、前側面には雄ヘリコイド２３が、また一段凹んだ後側面２０ｂには、周方向の等分割位置に突出している複数の直進キー２４がそれぞれ形成されている。

各直進キー２４は、光軸１６に平行に延ばして形成されており、鏡筒本体２２の前側内周に、直進キー２４と同じ数だけ設けた複数の直進溝２５にそれぞれ係合する。これにより、鏡筒本体２２は、前保持枠２０を光軸１６の方向に向けて直進的に移動自在に支持する。これら直進キー２４と直進溝２５とが本発明の直進支持機構を構成する。

フォーカスリング２１は、前保持枠２０と鏡筒本体２２の前端とを覆うように配されている。このフォーカスリング２１の内面には、雄ヘリコイド２３に係合する雌ヘリコイド２６が形成されている。また、フォーカスリング２１には、周方向の一部の範囲に沿って長孔２７が開口されている。この長孔２７には、鏡筒本体２２の前端外周に取り付けられるネジピン２８の頭が係合する。これにより、フォーカスリング２１は、鏡筒本体２２に対して光軸１６の方向への移動が止められた状態で、長孔２７の周方向の長さ内、すなわち一定角度内で回転する。フォーカスリング２１が回転すると、前保持枠２０は鏡筒本体２２により回転止めされた状態で、雄・雌ヘリコイド２３，２６のリードに従って光軸１６の方向に直進的に移動する。これにより、投射レンズ１３のフォーカス調整が行える。なお、雄・雌ヘリコイド２３、２６が本発明のヘリコイド機構を構成する。

図４に示すように、前保持枠２０に保持した前レンズ群１５の一部のレンズ３０には、プラスチックレンズが用いられている。このレンズ３０は、光学性能を向上させるために、光学面形状（断面形状）が光軸１６を中心とする回転対称の非球面レンズになっており、射出成型によって作られている。

レンズ３０は、鍔部３１と光学面３２とを有している。鍔部３１は、詳しくは図５に示すように、前保持枠２０で保持される外周部であり、投射光束の収束又は発散を行わない面である。また、光学面３２は、鍔部３１を除いた内側の範囲であり、投射光束の収束又は発散を行う面である。

レンズ３０には、ゲート後を処理しないでローコスト化を図るために、鍔部３１の外周うちの一部を直線上に切り欠いた切り欠き部３３が形成されている。この切り欠き部３３には、射出成型によって生じるゲート後となる突起３４が残っている。この突起３４は、前保持枠２０の内周に当接しない高さになるように予め切り欠き部３３の切り欠き位置を決めているため、前保持枠２０にレンズ３０を固定するときにジャマになることはない。

ところで、レンズ３０では、光学面３２のうちの突起３４の近傍の局所３５が、画像を投射するときに性能を劣化させ易い範囲となる。というのは、局所３５には、成型品断面積の急激な変化などにより生じるウェルドマークや、保圧がかかるまでに樹脂が冷却してしまい充填時の模様が凍結されることで生じるしわ、成型収縮率の異方性によって生じるソリ・変形など、ゲート近傍による不良現象が生じやすいためである。

そこで、レンズ３０を前保持枠２０に組み込むときには、スクリーン１４から見て突起３４が、例えば下方に位置する一定の姿勢で組み込む。この一定の姿勢は、フォーカス位置にバラツキがあっても、また画像の画面サイズの異なるプロジェクタや打ち上げ投射型のプロジェクタに共通使用しても、投射光束が局所３５を除く特定領域３６のみを透る姿勢、すなわち投射装置１１に対して絶対的な姿勢となっている。この特定領域は、このうちの一部又は全部を、フォーカス位置のバラツキがあるプロジェクタや画像の画面サイズの異なるプロジェクタ、あるいは打ち上げ投射タイプのプロジェクタなどに用いて画像を投射するときに投射光束が透る共通の範囲である。

投射装置１１を作る前には、前レンズ群１５を前保持枠２０に予め組み込んでおく。このとき、成型後のレンズ３０は一定の姿勢で組み込む。前レンズ群１５を組み込んだ前保持枠２０は、投射装置製造工程に運ばれる。投射装置製造工程では、予め前レンズ群１５以外のレンズ群を鏡筒本体２２に組み込む。その後に、鏡筒本体２２の前側から前保持枠２０を、直進キー２４が直進溝２５に係合する姿勢で組み込む。

このとき、前レンズ群１５のレンズ３０の姿勢が、鏡筒本体２２に対しても前記一定の姿勢を保つように組み込む。これは前保持枠２０にレンズ３０を組み込むときに、鏡筒本体２２に対して一定の姿勢となるように直進キー２４の向きを合わせた前保持枠２０に、レンズ３０を一定の姿勢で組み込むため、その向きで直進キー２４を直進溝２５に係合させることで、一義的に投射装置１１においてもレンズ３０が一定の姿勢になる。

その後は、フォーカスリング２１を前保持枠２０の前側から回転させながら挿入することで雄・雌ヘリコイド２３，２６が結合する。この回転によりフォーカスリング２１は前保持枠２０に対して繰り込まれる。この繰り込みは、長孔２７から鏡筒本体２２に向けたネジ穴が露呈するまで行う。そして、最後に長孔２７を通してネジピン２８をネジ孔４０に固定することで、投射装置１１が完成する。

出来上がった投射装置１１は、フォーカス調整工程に搬送される。フォーカス調整工程では、解像度を調べるために予め用意した画像を、予め決めた有限距離に配したスクリーン１４に投射し、その画像をみながらフォーカスリング２１を一方向又は他方向に回転して画像のピントが最適になる位置を探る。フォーカスリング２１のフォーカス調整位置が決まったら、図示していない固定手段よりフォーカスリング２１を鏡筒本体２２に固定する。フォーカス調整が終了した投射装置１１は、プロジェクタ１０に組み込まれる。この投射装置１１は、プラスチックレンズとなっているレンズ３０が鏡筒本体２２に対して一定の姿勢で組み込まれているから、投射光束が局所３５を除く特定領域３６のみを透る。このため、投射する画像の性能が劣化することはない。

なお、局所３５は、同じ射出装置や金型を用いることで成型品レンズに略同じ位置に生じる。上記実施形態では、ゲート近傍の位置、すなわち、ゲートによる不良現象が発生する範囲に限っているが、本発明ではこの範囲に限らず、特定領域３６を除く範囲で、かつ金型成型による不良現象が生じ易い範囲を局所としてもよい。この局所３５を一定の姿勢（向き）にしてレンズを保持枠に固定すればよい。また、レンズを組み込む姿勢として上記実施形態では、局所３５を下方に向けた姿勢に統一しているが、本発明ではこれに限らず、複数種類のプロジェクタに利用しても投射光束が局所３５を透らない位置であれば、回転方向のいずれか１つの位置でもよい。

上記実施形態では、直進キー２４と直進溝２５とを、周方向の等分割位置、すなわち周方向において同じ間隔位置に配している。このため、前保持枠２０を鏡筒本体２２に組み込むときに、レンズ３０が一定な姿勢となる回転位置になるように前保持枠２０の回転位置を注意して組み込む作業が必要になる。これは、直進キー２４と直進溝２５との係合位置が複数になるためである。そこで、直進キー２４及び直進溝２５を、周方向のうちの間隔が異なる位置にそれぞれ設けるのが好適である。こうすると、直進キー２４と直進溝２５とが周方向の一カ所の位置でしか係合しなくなるので、組み立てが簡便になる。また、逆に鏡筒本体２２に直進キー２４を、前保持枠２０に直進溝２５をそれぞれ設けてもよい。さらに、直進キー２４と直進溝２５との断面形状は周知の形状であればいずれの形状にしてもよい。

上記実施形態では、フォーカス調整時に移動する前レンズ群１５を２枚のレンズで構成しているが、１枚でも３枚以上で構成してもよい。複数枚で構成する場合には、上記実施形態で説明したように、少なくとも１枚のレンズ３０にプラスチックレンズを用いても良いし、全部のレンズをプラスチックレンズとしてもよい。複数のプラスチックレンズを用いる場合には、鏡筒本体２２に組み込んだときにスクリーン１４から見て特定領域の除く局所３５の全てが一定の向きになるように、前保持枠２０に組み込めばよい。

また、上記実施形態では、前玉フォーカス調整タイプの投射装置１１としているが、フォーカス調整時に移動させるレンズ群は前玉に限らず、前玉以外のレンズ群としてもよい。さらに、フォーカス調整時に移動するレンズ群を１つにしているが、これに限らず、複数のレンズ群を同時に移動する構成の投射装置にも本発明を採用することができる。

さらに、上記実施形態では、プラスチックレンズであるレンズ３０を、光軸１６に対して回転対称な非球面レンズとしているが、回転対称球面レンズを用いても良いし、さらに、フォーカス調整時に直進移動するから、回転非対称球面レンズや回転非対称非球面レンズを用いることもできる。

上記実施形態では、断面台形をした雄・雌ヘリコイド２３，２６を用いているが、これらの代わりに、断面Ｖ字状の雄ネジ・雌ねじにしてもよい。ネジタイプにすると、ヘリコイドに比べてガタ付きが少なくなり、また省スペースに設けることができる。さらに、回転量に対するリード角を大きく取ることができるので、少ない回転で前保持枠２０の移動量を大きく取ることができる。

また、本発明の投射装置は、リアプロジェクタにも採用することができる。リアプロジェクタは、筐体に組み込まれたリアスクリーンと、白色光源から画像光を生成するプロジェクタユニットと、プロジェクタユニットを出射した画像光をスクリーンに向けて反射する背面鏡とを備え、リアスクリーン上に画像を拡大投映する。プロジェクタユニットには、
投射レンズが組み込まれている。リアプロジェクタでは、投映レンズを略Ｖ字状に折り曲げることにより、投映レンズの長さによる厚み方向の寸法の増大を抑える、薄型化を図ったものがある。このタイプの投映レンズは、光軸方向の前後で分けた前側光学系と後側光学系との間に、例えば２つの平面鏡やプリズムなどの折り曲げ光学系を備えている。折り曲げ光学系は、例えば後側光学系に対して前側光学系が上方を向くように、互いの光軸を折り曲げる。このため、折り曲げ光学系には、互いの法線が同一平面に属さないように傾斜された２つの反射面を有し、これら反射面で投射光の光路をそれぞれ折り曲げる。このような投射装置のうちの前側光学系の一部又は全部を、フォーカス調整時に光軸方向に移動するレンズ群に構成することで、フォーカス調整時の作業が簡便に行える。

本発明を用いたプロジェクタの概略を示す説明図である。前保持枠、フォーカスリング、及び鏡筒本体との位置関係を示す断面図である。前保持枠、フォーカスリング、及び鏡筒本体の前端の一部とを示す分解斜視図である。前レンズ群を保持する前保持枠を示す断面図である。図４で説明した前保持枠を示す縦断面図であり、スクリーン側から見ている。

符号の説明

１１投射装置
１３投射レンズ
１５前レンズ群
２０前保持枠
２１フォーカスリング
２２鏡筒本体
２３雄ヘリコイド
２４直進キー
２５直進溝
２６雌ヘリコイド
２７長孔
２８ネジピン

Claims

複数の表示素子に基づく複数の色光の画像情報を色合成手段を介して合成した画像をスクリーンに拡大投射する投射装置において、
光軸方向に移動することで前記投射レンズのピントを変えるとともに、一部又は全部にプラスチックレンズが用いられ、前記プラスチックレンズの光学面のうちの特定領域のみに投射光束が透るフォーカス用のレンズ群と、
前記レンズ群を、前記特定領域が一定の姿勢となるように保持する保持枠と、
前記投射レンズのうちの前記レンズ群以外のレンズ群の一部又は全部を保持する鏡筒本体と、
フォーカス調整時に前記鏡筒本体に対して回転する回転体を有し、前記回転体の回転に連動して、前記保持枠を前記鏡筒本体に対して光軸方向に直進的に移動させる直進移動機構と、
を備えたことを特徴とする投射装置。
前記回転体は、フォーカス調整時に前記鏡筒本体に対して一定角度回転するフォーカスリングになっており、前記直進移動機構は、前記保持枠を前記鏡筒本体に対して光軸方向に直進的に移動自在に支持する直進支持機構と、前記フォーカスリングの回転に連動して前記保持枠を、前記鏡筒本体に対して光軸方向に移動するヘリコイド機構と、を備えていることを特徴とする請求項１記載の投射装置。