JP2007003750A - プロジェクタ用投影レンズ及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 投影レンズの入射側でオン状態光束とオフ状態光束やフラット迷光束の各光束中心の距離間が小さくなると、フラット迷光などがオン状態光に混入して投影画像のコントラストが低下する欠点があった。
【解決手段】 反射形表示素子を用いるプロジェクタ用の投影レンズであって、絞り70を備えた投影レンズとし、この絞り70の開口部75は投影レンズの光軸69を中心とした円形であって、開口部75の一部には、フラット迷光束中心方向の周辺部から開口部75内に突出する膨出部73を有するプロジェクタ用投影レンズとするものである。
【選択図】 図６

Description

本発明は、ビデオ信号等の画像情報に基づいて画像を投影するプロジェクタ装置に関し、尚詳しくは、プロジェクタの投影側光学系に関するものである。

今日、パーソナルコンピュータの画面やビデオ映像などをスクリーンに投影する画像投影装置としてのビデオプロジェクタが多用されている。
このプロジェクタは、高輝度の光源を内蔵し、光源からの光を順次赤色フィルタ、緑色フィルタ、青色フィルタを用いて赤、緑、青の光とし、この赤、緑、青の光をレンズにより、液晶表示素子やＤＭＤと呼ばれるマイクロミラー表示素子に集光させ、この表示素子によりプロジェクタ装置の投影口に向けて透過又は反射させる光の量によりスクリーン上にカラー画像を表示させるものである。

また、このプロジェクタでは、プロジェクタ本体の上面カバー内に設けられるキースイッチの操作又はリモートコントローラの操作により、画面の大きさや明るさ更には色合いなど、種々の設定を行って使用者の好みに合わせた美麗な画像を投影することができるようにされている。

そして、このプロジェクタに用いられる表示素子は、透過型の液晶表示素子と反射型のマイクロミラー表示素子が多く用いられている。
このマイクロミラー表示素子は、微小なミラーセルを制御信号により揺動させ、反射光の方向を制御し、照明側光学系により表示素子に入射された光を投影側光学系である投影レンズの方向に反射するオン状態光と光吸収板の方向に反射するオフ状態光とし、赤色光、緑色光、青色光の光をオン状態とする時間を制御してスクリーンにカラー画像を投影するものである。

尚、オフ状態の光を利用し、この投影レンズに入射させないオフ状態光を光センサーで検出してプロジェクタのホワイトバランスを調整する技術も提案されている（例えば特許文献１）。
また、液晶表示素子は、微小な液晶セルを透過する光を遮断または透過させることにより画像を形成するものであり、この液晶表示素子では、透過した光を投影レンズでスクリーンに結像させる際、画像のコントラストを高くするために投影レンズに三角形の開口を形成した絞りを設けることが提案されている（例えば特許文献２）。
特開２００１−１８８１９６号公報 特開２００４−１５７３４６号公報

このマイクロミラー表示素子を用いたプロジェクタは、液晶表示素子に比較し、セルの制御信号に対する応答が素早く、オン・オフ制御がより短時間に正確に行えるため、投影される画像を鮮明に表示することができるものである。
そして、前述のように、オン状態の光を投影側光学系である投影レンズに入射し、オフ状態の光は投影レンズに入射しないようにすると共に、ミラーセルのオフ状態反射光のみでなく、表示素子のカバーガラスやミラーセル周辺のフラット部分からの反射光であるフラット迷光も投影レンズに入射しないように、また、フラット迷光の一部が投影レンズである投影側光学系の入射側から入射しても投影レンズを透過しないように投影側光学系の位置や開口径を決定していた。

しかし、プロジェクタを高輝度化するため、照明側光学系や投影側光学系の開口を大きくすると、照明側光学系の開口拡大によって投影側光学系の入射側でオン状態光束やオフ状態光束及びフラット迷光束の各光束の径も大きくなり、投影側光学系の開口拡大と合わせてフラット迷光などが投影側光学系である投影レンズに入射する機会やその入射量が多くなり、フラット迷光などによって画像のコントラストが低下する欠点が生じることがあった。

本発明は、このような欠点を排除し、明るく鮮明な画像をスクリーンに形成することができるプロジェクタ用投影レンズ、ひいてはプロジェクタを提供するものである。

本発明は、絞り（70）を備えたプロジェクタ用投影レンズ（60）であって、絞り（70）の開口部（75）は投影レンズ（60）の光軸（69）を中心とした円形であって、開口部（75）の周縁部であるリング部（71）の一部に、開口部（75）内側への膨出部（73）を有する投影レンズ（60）とするものである。
そして、この投影レンズ（60）は、反射型表示素子（51）を用いるプロジェクタ用の投影レンズ（60）であって、膨出部（73）は、光軸（69）の位置に対してフラット迷光束Ｒの中心方向のリング部（71）から開口部（75）に突出する膨出部（73）としているものである。

また、この膨出部（73）は、円形の開口部（75）を直線的に切り欠くように開口部（75）に突出させる場合の他、円弧状や楕円形状などの曲線状にレンズ光軸（69）の方向に突出させることもある。
なお、このプロジェクタ用投影レンズ60は、ズームレンズとしているものである。

また、本発明は、マイクロミラー表示素子（51）を用いたプロジェクタ（10）であって、絞り（70）を備えた投影側光学系を有するものとし、投影側光学系の絞り（70）が投影側光学系の光軸（69）位置を中心とする円形の開口部（75）を備えると共に、光軸（69）の位置からのフラット迷光束Ｒの中心方向に向かっての円周部であるリング部（71）から開口部（75）の中心方向へ突出する膨出部（73）を有する絞り（70）としたプロジェクタ（10）とするものである。

本発明は、開口部の一部に突出する膨出部を周縁のリング部に有した絞りを備えるプロジェクタ用投影レンズ及びこの絞りを備えた投影レンズを有するプロジェクタであるから、フラット迷光などを膨出部により遮断し、鮮明な投影画像を形成することができるものである。

本発明に係るプロジェクタの最良の形態は、入力されるビデオ信号などに基づいてマイクロミラー表示素子51などを制御するマイクロコンピュータを内蔵し、光源装置41と、カラーホイール43や導光ロッド45などを含む光源側光学系と、照明レンズ46やミラー47などを含む照明側光学系、及び、照明側光学系から表示素子51に入射される光を平行光線束とするコンデンサーレンズ55やカバーガラス53を備えたマイクロミラー表示素子51、更に、表示素子51からのオン状態光束によりスクリーンなどに画像を投影するためのズームレンズとされるレンズ群であって開口絞り70を備えた投影側光学系としての投影レンズ60を有するものである。

そして、この投影側光学系である投影レンズ60の絞り70は、投影レンズ60の光軸69を中心とする円形の開口部75を形成する環状のリング部71を有すると共に、フラット迷光束Ｒの中心方向における開口部75の周縁であるリング部71から開口部75へ円弧状の膨出部73を有し、開口部75を通るオン状態光束Ｐにおけるフラット迷光束Ｒ側の光の一部を膨出部73により迷光と共に遮断するものである。

本発明に係るプロジェクタは、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、光源側光学系としてカラーホイール43や導光ロッド45、照明側光学系として複数の照明レンズ46と１枚のミラー47を有するものである。

このカラーホイール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照明側光学系の照明レンズ46に入射し、この照明レンズ46は動向ロッド45を透過した光を表示素子51に集光させるものである。
そして、ミラー47は、表示素子51のミラーセルが一の方向に傾斜しているとき、表示素子51からの反射光が表示素子51の正面方向に向かうように斜め方向から表示素子51に照明レンズ46を透過した光を照射するものであって、表示素子51の正面方向に反射されるオン状態光束Ｐと、ミラーセルが他の方向に傾斜したときに表示素子51から反射されたオフ状態光束Ｑとの両光束軸の角度差が極力大きくなる方向から表示素子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、表示素子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、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、表示素子51の前面には、表示素子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で反射された光を表示素子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、表示素子51で正面方向に反射されたオン状態光束Ｐは、表示素子51の前方に配置された投影側光学系としての投影レンズ60に入射されるものであり、この投影レンズ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。

更に、このプロジェクタ10には、光源装置41のランプ点灯や表示素子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、前記ズームレンズとされる投影側光学系は、図３に示すように、表示素子51の像位置付近となる固定レンズ群61の前方付近Ａの位置に開口絞り70を有するものである。
この絞り70は、平板にレンズ光軸69を中心とした円形の開口部75を有するものを固定レンズ群61におけるレンズの間又は固定レンズ群61におけるレンズの前方に配置する場合や、レンズの曲面に合わせた曲面形状であって、レンズの光軸69を中心とする開口部75を有するものを固定レンズ群61の内の１枚のレンズ表面に取り付ける場合がある。

そして、金属製の薄板により環状に形成した絞り70とする場合の他、レンズ表面に遮光性を有する塗料や光吸収性を有する塗料を塗布することにより形成することもある。
従って、この絞り70の位置Ａでは、投影側光学系を透過するオン状態光束Ｐにおける軸上光束Ｊ１の外縁と軸上光束以外のオン状態光束Ｊ２の外縁とが略一致し、図４に示すように、投影側光学系である投影レンズ60の光軸69を中心にオン状態光束Ｐが形成され、理論的にはこのオン状態光束Ｐに近接してカバーガラス53や表示素子51の平面で反射されたフラット迷光によるフラット迷光束Ｒが形成され、フラット迷光束Ｒに近接してオフ状態光束Ｑがオン状態光束Ｐと逆方向に形成されることになる。

尚、オン状態光束Ｐの中心とオフ状態光束Ｑの中心及びフラット迷光束Ｒの中心は理論上一直線となり、フラット迷光束Ｒは、投影側光学系の固定レンズ群61に一部が入射し、レンズ鏡筒の内壁に吸収されるようにしているものであり、オフ状態光束Ｑは投影側光学系に入射しないように設定しているものである。

このように、オン状態光束Ｐとフラット迷光束Ｒとを近接させてフラット迷光をレンズ鏡筒の内壁で吸収させ、投影側光学系とコンデンサーレンズ55との距離を小さくしてプロジェクタ10を小型化としているものであり、絞り70は、図５に示すように、外形を円形とすると共に内側に半径ｒの円形の開口部75を有する環状のリング部71を有するものとし、開口部75の一部には、リング部71から内方に突出する１個の膨出部73を有するものとしている。

更に、この絞り70は、図６に示すように、開口部75の中心を投影レンズ60の光軸69と一致させるように投影側光学系に組み込んでいるものであり、膨出部73は、円弧状に開口部75の内側に突出させるものであって、オン状態光束Ｐに接するオン状態光束Ｐと同一半径ｒのフラット迷光束Ｒの中心を中心とする半径ｔの円弧状として形成しているものである。

このように、オン状態光束Ｐの外縁とフラット迷光束Ｒの外縁とを理論的に接線状態とし、この両光束の半径ｒの２倍だけ投影レンズ60の光軸69から離れた位置を円弧状の膨出部73の曲率中心として円形の開口部75の一部に膨出部73を設けているため、理論上のオン状態光束Ｐに隣接した理論上のフラット迷光束Ｒの範囲の周囲に拡散領域Ｓが発生している場合にも、この拡散領域Ｓに拡散しているフラット迷光を膨出部73により遮断し、鮮明な画像を形成することができるものである。

また、膨出部73によりオン状態光束Ｐに近接するフラット迷光を遮断することができるため、図７に示すように、開口部75の直径を大きくし、絞り70を透過するオン状態光線の全体的光量を多くし、明るい投影画像を形成することもできる。

即ち、表示素子51の法線方向とオン状態光束Ｐの表示素子51からの反射角及びオフ状態光束Ｑの表示素子51からの反射角や表示素子51から絞り70までの距離、固定レンズ群61のＦナンバーなどにより、オン状態光束Ｐの外縁とフラット迷光束Ｒの外縁とが重なる開口部75の半径とすることにより、投影レンズ60の開口径を大きくし、且つ、オフ状態光束Ｑの中心方向におけるリング部71から開口部75へ円弧状の膨出部73を形成し、論理的フラット迷光束Ｒ及びその拡散領域Ｓのフラット迷光を遮断して明るく且つ鮮明な投影画像とするものである。

そして、この膨出部73は、フラット迷光束Ｒの中心を曲率中心とする円弧状とすることにより、投影側光学系の入射側から投影側光学系に入射されるフラット迷光を効果的に遮断しつつ、必要なオン状態光を極力遮断することがないようにできるものである。

また、開口部75の直径を一定として膨出部73によりフラット迷光を遮断するようにすれば、フラット迷光束Ｒをレンズの光軸69位置に近づけることも可能であり、鮮明な画像を維持しつつプロジェクタ10を小型化することも容易に可能とすることができるものである。

更に、図４や図６に示したように投影側光学系である投影レンズ60の光軸69をオン状態光束Ｐの中心と一致させる場合のみでなく、照明側光学系のミラー47によるオン状態光への干渉を防ぐために、投影レンズ60の光軸69を平行移動させてオン状態光束Ｐの中心から光軸69をずらせたプロジェクタ10であっても、図８に示すように、投影レンズ60の開口Ｔを大きくし、オン状態光の投影側光学系への入射量を減少させないようにすることがある。

この場合においても、理論上、一直線となるオン状態光束Ｐの中心、フラット迷光束Ｒの中心、及び、オフ状態光束Ｑの中心の内、フラット迷光束Ｒの中心へ光軸69から向かった投影レンズ60の周縁部ｙの位置に膨出部73を形成した絞り70とすることにより、効果的にフラット迷光を遮断することができる。

また、膨出部73の形状は、開口部75に円弧状に突出させる場合のみでなく、図９に示すように、円形の開口部75の一部を直線的に切り欠くようにして１個の膨出部73をフラット迷光束Ｒの中心の方向に形成することもある。
この場合は、投影レンズ60に入射されたフラット迷光以外の光も多少遮断することになるも、絞り70の成形ひいては絞り70を備えた投影側光学系の製造を容易とすることができる。

そして、このように直線的な膨出部73を形成する場合は、オン状態光束Ｐの中心とオフ状態光束Ｑの中心とを結ぶ直線と直角な直線を先端とする膨出部73とする場合の他、膨出部73の先端直線をオン状態光束Ｐの中心とオフ状態光束Ｑの中心とを結ぶ直線と直角な直線よりも僅かに水平に近い直線とすることもある。

また、この先端を直線状とする膨出部73を形成する場合も、フラット迷光束Ｒの中心方向に膨出部73を形成するものであって、投影レンズ60の光軸69がオン状態光束Ｐの中心と一致しているプロジェクタ10においては、フラット迷光束Ｒの中心方向とオン状態光束Ｐの中心方向とは一致しているものである。

更に、膨出部73の先端形状としては、図６に示したようにフラット迷光束Ｒの中心を中心とする円弧状や、図９に示した直線状に限ることなく、楕円形状や放物線形状などの湾曲線としての曲線状又は直線と湾曲線による曲線状の先端形状として膨出部73を開口部75に突出させることもある。

そして、この絞り70は、金属性薄板を投影側光学系のレンズとレンズとの間に挿入する場合の他、投影側光学系を形成するレンズの表面に吸光性塗料又は遮光性塗料を塗布するようにして形成することもある。

本発明に係るプロジェクタの外観を示す図。 本発明に係るプロジェクタの内部構造を示す図。 本発明に係るプロジェクタの投影側光学系を示す模式図。 プロジェクタにおけるオン状態光束とオフ状態光束及びフラット迷光束を模式的に示す図。 本発明に係るプロジェクタに用いる絞りを示す図。 本発明に係るプロジェクタにおける絞りによる迷光遮断状態を模式的に示す図。 本発明に係るプロジェクタにおける絞りの開口部を大きくした例を示す模式図。 プロジェクタにおけるオン状態光束やオフ状態光束及びフラット迷光束と投影レンズの光軸との他の位置関係を模式的に示す図。 本発明に係るプロジェクタにおける他の絞りの例を示す図。

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 表示素子 ５３ カバーガラス
５５ コンデンサーレンズ
６０ 投影レンズ 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
６９ 光軸
７０ 絞り ７１ リング部
７３ 膨出部 ７５ 開口部

Ｐ オン状態光束
Ｑ オフ状態光束
Ｒ フラット迷光束
Ｓ 拡散領域
Ｔ 投影レンズの開口
Ｊ１ 軸上光束
Ｊ２ 軸上光束以外の光線

Claims (11)

1. プロジェクタ用の投影レンズであって、絞りを有し、前記絞りの開口部は当該投影レンズの光軸を中心とした円形であって、前記開口部の周縁の一部に開口部内側への膨出部を有することを特徴とするプロジェクタ用投影レンズ。
2. 前記投影レンズは表示素子としてＤＭＤを用いたプロジェクタ用の投影レンズであって、前記膨出部は、前記レンズの光軸位置に対してフラット迷光束中心の方向における周縁部から前記開口部に突出していることを特徴とする請求項１に記載したプロジェクタ用投影レンズ。
3. 前記膨出部は、前記円形の開口部を直線的に切り欠くように前記開口部の内側に突出していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載したプロジェクタ用投影レンズ。
4. 前記膨出部は、前記円形の開口部の内側へ曲線状に突出していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載したプロジェクタ用投影レンズ。
5. 前記膨出部の曲線状の突出は円弧状であり、前記膨出部が前記円形の開口部の内側へ円弧状に突出していることを特徴とする請求項４に記載したプロジェクタ用投影レンズ。
6. 前記円弧状の曲率中心が、前記フラット迷光束中心の位置であることを特徴とする請求項５に記載したプロジェクタ用投影レンズ。
7. 前記投影レンズは、ズームレンズであることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れかに記載したプロジェクタ用投影レンズ。
8. 光源装置、光源側光学系や照明側光学系、マイクロミラー表示素子、投影側光学系、及び、電源回路やプロジェクタ制御回路を備えたプロジェクタであって、前記投影側光学系は絞りを有し、この絞りが前記投影側光学系の光軸位置を中心とする円形の開口部を備えると共に、該開口部中心に対してフラット迷光束中心方向における周縁部には前記開口部の中心方向への膨出部を有する絞りであることを特徴とするプロジェクタ。
9. 前記膨出部は、前記円形の開口部を直線的に切り欠くように前記開口部の内側に突出していることを特徴とする請求項８に記載したプロジェクタ。
10. 前記膨出部は、前記円形の開口部の内側へ曲線状に突出していることを特徴とする請求項８に記載したプロジェクタ。
11. 前記膨出部の曲線状の突出は、円弧状であり、前記膨出部が前記円形の開口部の内側へ円弧状に突出していることを特徴とする請求項１０に記載したプロジェクタ。

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