JP2006523318A - 歪んだ中間画像を有する広角レンズシステム - Google Patents

Abstract

本明細書記載の広角レンズシステムにより、プロジェクション装置（たとえば、リアプロジェクション表示装置）を他の方法を用いるよりもさらに小型化することが可能となる。このレンズシステムは、広角レンズステージとリレイレンズステージとを備えている。投影装置として動作している場合、リレイレンズステージは、広角レンズステージに対して歪んだ中間画像投影し、この広角レンズステージは、その画像を投影して表示する。リレイレンズステージにより引き起こされる歪により、広角レンズステージにより引き起こされる歪みが補正される（すなわち、これらの歪みは、ほぼ、強度が等しくかつ符号が反対である）。歪みは画像形状および／または焦点面に対するものでありうる。撮影装置として動作している場合、広角レンズステージにより歪んだ画像がリレイレンズステージに与えられ、リレイレンズステージはこの歪みに対して補正を行い歪みの少ないまたは歪みのない画像を撮影のために提供する。

Description

本発明は光学装置に用いられるレンズに関するものである。さらに詳細には、本発明は広角レンズシステムを用いる光学装置に用いられるレンズに関するものである。

約４０インチより大きなスクリーンサイズを有するテレビを実現するために、通常、直視型ブラウン管（ＣＲＴ）以外の表示装置が用いられている。ＣＲＴのスクリーンサイズが増大するにつれ、奥行きも増大する。スクリーンサイズが４０インチを超える場合、直視型ＣＲＴはもはや現実的ではないことが一般的に受け入れられている。大型スクリーン（４０インチを超えるスクリーンサイズ）用の表示装置の場合には、プロジェクション表示装置とプラズマ表示装置との二つの選択肢がある。

今日のプラズマ表示装置はプロジェクション表示装置よりもかなり高価である。一般的に、プラズマ表示装置は壁に取り付けられるくらい十分に薄いが、重すぎるために取り付けが困難である場合がある。たとえば、今日の４２インチプラズマ表示装置は、８０ポンド（３６ｋｇ）以上の重さを有しており、６０インチプラズマ表示装置は、１５０ポンド（６８ｋｇ）以上の重さを有しうる。今日のプロジェクション表示装置に比べた場合のプラズマ表示装置の一つの利点は、プラズマ表示装置が通常同一のスクリーンサイズを有する今日のプロジェクション表示装置よりも非常に薄いということである。

プロジェクション表示装置、とくにリアプロジェクション装置表示は、通常、プラズマ表示装置よりも費用対効果がよりすぐれている。また、プロジェクション表示装置は、一つの部屋で多くのスペースを取りすぎるために、大型スクリーンニーズに対する現実的な解決策を提供することができない。たとえば、典型的な６０インチリアプロジェクション表示装置は、厚みが２４インチ（６１ｃｍ）で、重さが２００〜３００ポンド（９０〜１３６ｋｇ）でありうる。

図１は、従来のリアプロジェクション表示装置を示している。一般的に、表示装置100は、光学エンジン140と、投影レンズ130と、背面鏡120と、スクリーン110とを備えている。光学エンジン140は、スクリーン110上に投影される画像を生成する。プロジェクションレンズ130は、光学エンジン140からの画像を背面鏡120上に投影し、背面鏡120は、その画像をスクリーン110へ反射する。表示装置100のサイズはスクリーン110上に表示される画像のサイズに比例する。したがって、大型のスクリーンサイズ（たとえば、＞６０インチ）の場合、表示装置100全体のサイズが非常に大きくなりうる。

１２インチ（３０ｃｍ）未満の厚みを有する薄型リアプロジェクション表示装置が開発されてきた。しかしながら、これらの薄型リアプロジェクション装置は、製造が困難であるとともに位置調整が困難である非球面鏡に頼っている。この非球面鏡に付随する困難さのため、今日の薄型リアプロジェクション表示装置が高価なものとなり、その結果、望ましいパッケージのリアプロジェクション表示装置の利用が制限される。

図２は、非球面鏡を有する従来の薄型リアプロジェクション表示装置を示している。光学エンジン260からの画像は、投影レンズ250により反射鏡240上に投影される。反射鏡240は、その画像を非球面鏡230へ反射し、この非球面鏡230は、投影された画像を拡大し、視野角を広げる。非球面鏡230は、画像を背面鏡220へ反射し、次いで、この背面鏡220は、画像をスクリーン210へ反射する。スクリーンが同一のサイズの場合、リアプロジェクション表示装置200は図１の表示装置100と比較してより薄いパケージを提供するが、表示装置200のコストは、非球面鏡230の利用に伴う製造問題および位置調整問題のために、著しく上昇する。

表示装置200の他の欠点は、鏡220、230、240およびスクリーン210に対する光学エンジン260の角度である。補償が行われない場合、光学エンジンのこの角度によって、画像が台形状またはキーストーン状になる。方形画像を提供するために角度に対して補償を行うと表示装置200のコストおよび複雑さがさらに増加する。

一つの実施形態では、レンズシステムは、歪んだ中間画像を生成する第一のステージと、歪みにより、歪んだ中間画像の歪みが実質的にキャンセルされ、歪んだ中間画像に対応するほぼ歪みのない画像が投影される広角レンズステージである第二のステージとを備えている。

歪んだ中間画像を有する広角レンズシステムが記載されている。以下の記載では、その説明の便宜上、本発明を十分に理解させるために複数の個別事項の詳細が記載されている。しかしながら、これらの個別事項の詳細がなくとも本発明を実施することが可能であることは当業者にとって明らかである。他の一例では、本発明を不明瞭にすることを回避するために構造体および装置はブロック線図形式で示されている。

本明細書記載の広角レンズシステムにより、プロジェクション装置（たとえば、リアプロジェクション表示装置）を他の方法を用いるよりもさらに小型化することが可能となる。このレンズシステムは、広角レンズステージとリレイレンズステージとを備えている。投影装置として動作している場合、リレイレンズステージは広角レンズステージに歪んだ中間画像を投影すべくなしてあり、この広角レンズステージはその画像を投影して表示すべくなしてある。リレイレンズステージにより引き起こされる歪により、広角レンズステージにより引き起こされる歪みが補正される（すなわち、これらの歪みは、ほぼ、強度が等しくかつ符号が反対である）。歪みは、画像形状および／または焦点面に対するものでありうる。撮影装置として動作している場合、広角レンズステージにより歪んだ画像がリレイレンズステージに与えられ、リレイレンズステージによってこの歪みに対する補正がなされ、歪みの少ないまたは歪みのない画像が撮影のために提供される。

図３には、スクリーンに対して平行な平面鏡を有するリアプロジェクション表示装置の一つの実施形態が示されている。以下でさらに詳細に記載するように、スクリーンに対して平行な平面鏡とこれらの平面鏡およびスクリーンに対して垂直な光軸を有する広角投影レンズとを用いることにより、上記のリアプロジェクション表示装置を従来のリアプロジェクション表示装置よりもさらに薄くかつ簡易なものとすることが可能となる。たとえば、本明細書記載の７インチ（１７．８ｃｍ）よりも小さな厚みを有する超薄型リアプロジェクション表示装置は６０インチの画像を提供することが可能である。

一つの実施形態では、超薄型リアプロジェクション表示装置300は、スクリーン310と、背面鏡320と、中間鏡330と、レンズシステム340と、デジタルマイクロミラー装置（ＤＭＤ）350とを備えている。説明を簡単にするために、当該技術分野において公知の他の構成部品は示されていない。画像は、当該技術分野におけるいかなる公知の方法でＤＭＤ350に対して供されてもよい。ＤＭＤ350は、レンズシステム340に対して光源（図３に図示せず）からの光を選択的に反射する。当該技術分野において公知のいかなるタイプの表示装置を表示装置300に用いてもよい。画像をレンズシステム340に供するために、他のタイプの装置（たとえば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、液晶表示装置（ＬＣＤ）、反射型液晶素子（ＬＣＯＳ））を用いてもよい。

一つの実施形態では、ＤＭＤ350は、使用可能なレンズフィールドの一部（たとえば、５０％、６０％、４０％）のみを用いるようにレンズシステム340の光軸からずらされている。ＤＭＤ350をレンズシステム340の光軸に対してずらすことにより、ＤＭＤ350からの画像はレンズシステム340のレンズフィールドの上側部分によって中間鏡330へ投影される。これに代えて、レンズフィールドの下側部分を用いて、画像を中間鏡330へ投影してもよい。このように構成すると、レンズシステム340は、中間鏡330よりも上方の位置に配置されうるし、中間鏡330は、背面鏡320よりも上方の位置に配置されうる。

記載されたように画像を投影するために、レンズシステム340は非常に広角なレンズシステムである。一つの実施形態では、レンズシステム340は１５２°以上の視野角を有している。しかしながら、他のレンズを用いてもよい。一般的に、レンズシステム340の視野角が広ければ広いほど、より薄い表示装置300を作製することが可能となる。適切な広角レンズシステムは以下に詳細に記載される。

中間鏡330は、画像を背面鏡320へ反射し、この背面鏡320は画像をスクリーン310へ反射する。たとえば、このスクリーン310はフレネルレンズでありうる。また、背面鏡320は、平板鏡であり、スクリーン310に対して平行であり、レンズシステム340の光軸に対して垂直である。レンズシステム340の光軸が中間鏡330に対して垂直であり、中間鏡330および背面鏡320の両方が平板形状をなしておりスクリーン310に対して平行であるので、鋸刃状の断面を有するレンズおよび非球面鏡により引き起こされる歪みは表示装置300では発生しない。このことにより、表示装置300の設計が容易になり、製造コストおよび製造行程の複雑さが低減される。本明細書記載の広角レンズシステムを用いうるリアプロジェクション表示装置の実施形態が上述の特許出願書に詳細に記載されており、その内容は、参照することにより援用される。

図４には、歪んだ中間画像を有する折り畳み式広角レンズシステムの一つの実施形態が示されている。図４の広角レンズシステムは投影レンズシステムとして記載されているが、このレンズシステムは、たとえばカメラによる画像撮影のために用いられてもよい。

ＤＭＤ410は、画像をレンズシステムに供する。上述のように、上記レンズシステムに対して画像を供するために他のタイプの装置が用いられてもよい。プリズム420は、画像をリレイレンズ群430へ導く。リレイレンズ群430は、画像をプリズム420からプリズム440へ投影し、中間プリズム440が意図的に歪められた中間画像を受け取るようにその画像に対して歪みを加える。

一つの実施形態では、リレイレンズ群430は、９つのレンズを備えている。しかしながら、たとえば中間画像の所望の歪みまたはレンズシステムの全体的な大きさに基づいていかなる数のレンズを用いてもよい。リレイレンズ群430により引き起こされる歪みは、広角レンズ群450により引き起こされる歪みと等しくかつ符号が反対である。一つの実施形態では、中間画像は、ほぼ、湾曲した像面において半円形の画像である。他の実施形態では、他のタイプの歪みが用いられうる。たとえば、レンズフィールドの全体が用いられる場合、歪んだ中間画像は、おおむね円形の画像である。この場合の像面は湾曲されていてもいなくてもよい。

中間プリズム440により、画像パスが９０度曲げられる。図５に関連して以下で記載するように、この９０度曲げることは必須ではない。これに代えて、たとえば４５度、３０度、１３５度などの他の曲げ角度を用いてもよい。広角レンズ群450は、この歪まされた中間画像をスクリーンに対して投影して表示する。広角レンズ群450が投影される画像を歪ませ、かつ中間画像がリレイレンズ群430により前もって歪まされているため、レンズシステムによって最終的に投影される画像は少ししかまたは全く歪みを受けていない。一つの実施形態では、リレイレンズ群430、広角レンズ群450、および付随のプリズムが原因となって引き起こされる全歪みは３％未満である。

一つの実施形態では、リレイレンズ群430のレンズの光軸は一列に並べられている。同様に、広角レンズ群450のレンズの光軸も一列に並べられている。広角レンズ群は１００度を超える視野角を提供する。一つの実施形態では、視野角は１５３度である。しかしながら、いかなる角度を用いてもよい。一つの実施形態では、広角レンズ群450の光軸は、キーストーン歪み、または台形歪みが存在しないように、スクリーンに対して垂直である。

図５には、歪んだ中間画像を有する広角レンズの一つの実施形態が示されている。図５のレンズシステムは、曲げられていないこと以外は、図４のレンズシステムと同等である。すなわち、広角レンズ群450はリレイレンズシステム430と同軸になっている。図５のレンズシステムは中間プリズムを備えていない。所望ならば、中間プリズムを備えてもよい。

一つの実施形態では、図５のレンズシステムは以下の仕様を有している：

以下の（表１−２）は（表１−１）に続く。

上記の仕様において、表面（ｓｕｒｆａｃｅ）１〜１３は広角レンズ群450に対応しており、表面１６〜３２はリレイレンズ群430に対応している。他の実施形態では、他の仕様および／または他の材料を用いてもよい。

図６には、広角レンズシステム備えたリアプロジェクション表示装置の一つの実施形態が示されている。表示装置600は、スクリーン610と、広角レンズシステム620と、ＤＭＤ630とを備えている。一つの実施形態では、スクリーン610は、上述の関連出願書にさらに詳細に記載されているように、フレネルレンズから成っており、その内容は本明細書で参照することにより援用する。

画像は、当該技術分野において公知の光学エンジンコンポーネント（図６に図示せず）によって生成・提供され、ＤＭＤ630を通じて広角レンズシステム620へ送られる。他の実施形態では、ＤＭＤ630は、たとえば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、グレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）、液晶表示装置（ＬＣＤ）、反射型液晶素子（ＬＣＯＳ））などのような他のコンポーネントに交換されてもよい。ＤＭＤ630の光軸は、スクリーン610に対する画像の投影にレンズフィールド全域が用いられるように、広角レンズシステム620の光軸と一直線に並べられる。

本明細書に記載されているように、画像は広角レンズシステムを通ってスクリーン上に投影される。このスクリーンはフレネルレンズであってもよい。しかしながら、画像を表示するためのスクリーンとして動作する対象物は他にも多くある。一般的に、光を分散させるいかなる対象物でもスクリーンとして用いることができる。たとえば、壁、水、または霧をスクリーンとして用いてもよい。

本明細書において「一つの実施形態」または「ある実施形態」という参照表現は、その実施形態に関連して記載される特定の機能、構成、特徴が本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれるということ意味している。本明細書内のさまざまな場所において表現「一つの実施形態では」が表れるが、これらのすべてが必ずしも同一の実施形態のことを言及しているわけではない。

以上のように、本発明は特定の実施形態を参照して記載されてきた。しかしながら、本発明の精神および範疇から逸脱することなく、さまざまな修正および変更を実施形態に対し加えうるということは明らかである。したがって、本明細書および図面は説明を意図したものであり制限を意図したものではないと解釈されるべきである。

本発明は、添付の図面に一例として示されているが、それらの図面によって限定されるものではない。なお、これらの図では、同等の部品は同一の参照番号により示されている。
従来のリアプロジェクション表示装置を示している。 非球面鏡を有する従来の薄型リアプロジェクション表示装置を示している。 スクリーンに対して平行な平面鏡を有する超薄型リアプロジェクション表示装置の一つの実施形態を示している。 歪んだ中間画像を有する折り畳み式広角レンズシステムの一つの実施形態を示している。 歪んだ中間画像を有する広角レンズの一つの実施形態を示している。 中間画像を有する広角レンズシステムを備えたリアプロジェクション表示装置の一つの実施形態を示している。

符号の説明

100、200、300、600 表示装置
110、210、310、610 スクリーン
120、220、320 背面鏡
130、250 投影レンズ
140、260 光学エンジン
230 非球面鏡
240 反射鏡
330 中間鏡
340 レンズシステム
350、410、630 デジタルマイクロミラー装置（ＤＭＤ）
420 プリズム
430 リレイレンズ群
440 中間プリズム
450 広角レンズ群
620 広角レンズシステム

Claims (46)

1. 歪んだ中間画像を生成するための第一のステージと、
   歪ませることによって前記中間画像の前記歪みを実質的にキャンセルして前記中間画像に対応する実質的に歪みのない画像を投影するための広角レンズステージである第二のステージと
   を備えてなる、レンズシステム。
2. 前記第一のステージが、表１の仕様に基づいた複数のレンズを備えてなる、請求項１記載のレンズシステム。
   

   
3. 前記第二のステージが、表２の仕様に基づいた複数のレンズを備えてなる、請求項１記載のレンズシステム。
   

   
4. 前記第一のステージと前記第二のステージとが同軸であるように構成されている、請求項１記載のレンズシステム。
5. 前記第一のステージの光軸と前記第二のステージの光軸とが角度を形成するように構成されている、請求項１記載のレンズシステム。
6. 前記第一のステージの複数のレンズが同軸であり、前記第二のステージの複数のレンズが同軸であるように構成されている、請求項５記載のレンズシステム。
7. 前記角度が約９０°になるように構成されている、請求項５記載のレンズシステム。
8. 前記角度９０°より実質的に小さくなるように構成されている、請求項５記載のレンズシステム。
9. 前記角度が９０°より実質的に大きくなるように構成されている、請求項５記載のレンズシステム。
10. 前記広角度が１００°フルフィールドよりも大きくなるように構成されている、請求項１記載のレンズシステム。
11. 前記歪みが３％よりも小さくなるように構成されている、請求項１記載のレンズシステム。
12. 前記広角度の最大角度における相対照度が３０％より大きい、請求項１記載のレンズシステム。
13. スクリーンと、
    歪んだ中間画像を作成するための第１のステージと、歪ませることによって前記中間画像の前記歪みを実質的にキャンセルして前記中間画像に対応するほぼ歪みのない画像を前記スクリーン上に投影するための広角レンズステージである第二のステージとを有する広角レンズシステムと
    を備えてなる、表示装置。
14. 前記画像を前記スクリーン上に反射するためにほぼ平面形状の背面鏡をさらに備えており、該背面鏡が前記広角レンズシステムの光軸に対して略垂直になるとともに前記スクリーンに対して略平行になるように構成されている、請求項１３記載の表示装置。
15. 前記広角レンズシステムにより投影される前記画像を前記背面鏡上に反射するために略平面状の中間鏡をさらに備えており、該中間鏡が前記背面鏡に対して略平行になるように構成されている、請求項１４記載の表示装置。
16. 前記スクリーンが、全反射（ＴＩＲ）型フレネルレンズを備えてなる、請求項１３記載の表示装置。
17. 前記スクリーンが、屈折型フレネルレンズを備えてなる、請求項１３記載の表示装置。
18. 前記広角レンズシステムが、前記レンズフィールドのうちの半分の部分を用いて前記画像を投影するように構成されている、請求項１３記載の表示装置。
19. 前記広角レンズシステムが、前記レンズフィールドのうちの２分の１より小さい部分を用いて前記画像を投影するように構成されている、請求項１３記載の表示装置。
20. 前記広角レンズシステムに前記画像を提供するために微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）をさらに備えてなる、請求項１３記載の表示装置。
21. 前記広角レンズシステムに前記画像を提供するためにデジタルマイクロミラー装置（ＤＭＤ）をさらに備えてなる、請求項２０記載の表示装置。
22. 前記広角レンズシステムに前記画像を提供するためにグレーティングライトバルブ（ＧＬＶ）をさらに備えてなる、請求項１３記載の表示装置。
23. 前記広角レンズシステムに前記画像を提供するために液晶表示装置（ＬＣＤ）をさらに備えてなる、請求項１３記載の表示装置。
24. 前記広角レンズシステムに前記画像を提供するために反射型液晶素子（ＬＣＯＳ）をさらに備えてなる、請求項２３記載の表示装置。
25. 画像撮影装置と、
    歪んだ中間画像を生成するための広角レンズシステムと、
    歪ませることによって前記中間画像の歪みを実質的にキャンセルして前記中間画像に対応するほぼ歪みのない画像を前記画像撮影装置に投影するためのリレイレンズステージと
    を備えてなる、装置。
26. 前記リレイレンズステージと前記広角レンズシステムとが同軸になるように構成されている、請求項２５記載の装置。
27. 前記第一のステージの光軸と前記第二のステージの光軸とが角度を形成するように構成されている、請求項２５記載の装置。
28. 前記角度が約９０°であるように構成されている、請求項２７記載の装置。
29. 前記角度が９０°より実質的に小さくなるように構成されている、請求項２７記載の装置。
30. 前記角度が９０°より実質的に大きくなるように構成されている、請求項２７記載の装置。
31. 前記広角度のレンズシステムが１００°フルフィールドより大きい広角度を有するように構成されている、請求項２５記載の装置。
32. 前記レンズシステムの歪みが３％より小さくなるように構成されている、請求項２５記載の装置。
33. 歪んだ中間画像を生成するためにリレイレンズ群を用いて画像を投影することと、
    ほぼ歪みのない最終画像を生成するために広角レンズ群を用いて前記歪んだ中間画像を投影することとを含んでおり、
    前記第一のレンズ群により引き起こされる歪みが、前記第二のレンズ群により引き起こされる歪みとほぼ等しく符号が反対であるように構成されている、方法。
34. 前記広角レンズ群が、表３の仕様に基づいた複数のレンズを備えてなる、請求項３３記載のレンズシステム。
    

    
35. 前記第二のステージが、表４の仕様に基づいた複数のレンズを備えてなる、請求項３３記載のレンズシステム。
    

    
36. 前記第一のステージと前記第二のステージとが同軸であるように構成されている、請求項３３記載の方法。
37. 前記広角度が１００°フルフィールドより大きくなるように構成されている、請求項３３記載の方法。
38. 前記歪みが３％より小さくなるように構成されている、請求項３３記載の方法。
39. 歪みのある中間画像を生成するリレイレンズ群と、
    歪ませることによって前記中間画像の歪みを実質的にキャンセルして前記中間画像に対応する３％より小さい歪みを有する画像を投影する少なくとも１００°のフィールドを提供する広角レンズ群と
    を備えてなる、レンズシステム。
40. 前記リレイレンズ群のすべてのレンズが同軸にあるように構成されている、請求項３９記載のレンズシステム。
41. 前記広角レンズ群のすべてのレンズが同軸にあるように構成されている、請求項４０記載のレンズシステム。
42. 前記広角レンズ群と前記リレイレンズ群とが同軸にあるように構成されている、請求項４１記載のレンズシステム。
43. 前記広角レンズ群の光軸と前記リレイレンズ群の光軸が角度を形成するように構成されている、請求項４１記載のレンズシステム。
44. 前記角度が約９０°であるように構成されている、請求項４３記載のレンズシステム。
45. 前記角度が９０°より実質的に小さくなるように構成されている、請求項４３記載のレンズシステム。
46. 前記角度が９０°より実質的に大きくなるように構成されている、請求項４３記載のレンズシステム。

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