JP2007513384A - 投影ディスプレイ装置用の広角投影レンズおよび光学エンジン - Google Patents

Abstract

広角投影レンズは、種々の用途向けに短い投影距離の前方投影ディスプレイシステムで用いるための光学エンジンに組み込まれる。前方投影ディスプレイ装置は、照射システム、イメージングシステムおよび広角投影レンズを備える光学エンジンを備える。広角投影レンズは、少なくとも１つの非球面を有する負の屈折力の第１のレンズ群を備える。広角投影レンズは、少なくとも４５°の半視野角で画像を出力し、画像には実質的に歪みがない。たとえば、第１のレンズ群が目視用スクリーンから１ｍ未満の距離に配置される場合には、出力画像は約４０インチ（対角線）以上のサイズを有し、実質的にキーストーン補正を必要としない。他の態様では、光学エンジンは、壁掛け型投影システム、マルチメディアシステム、小型の一体型モニタシステムおよび携帯用投影ユニットにおいて実装されることができる。

Description

本発明は、種々の用途向けに短い投影距離の前方投影ディスプレイシステムで用いるための光学エンジンに組み込まれる広角投影レンズに関する。特に、本発明は、極端な軸外画像生成を可能にし、実質的に歪みがなく、キーストーン補正をほとんど必要としない画像を生成する広角投影レンズを提供する投影装置に関する。

電子ディスプレイシステムまたはビデオディスプレイシステムは、映像または電子生成画像を提供することができる装置である。家庭用娯楽、宣伝、テレビ会議またはグループ会議のいずれであろうと、適切なディスプレイ装置の需要がある。

画質は、消費者が適切なディスプレイ装置を決定するために用いる要因の一つである。一般に、画質は、画像解像度および画像色などの要因によって定性的に決定されることができる。中にはより大きな画面サイズを有するディスプレイ装置を要望する消費者がいるため、画質が悪くなる可能性がある。一般に、大きな画面サイズは、スクリーンの対角線に沿って測定したとき、約４０インチのスクリーンサイズを超えるサイズである。

今日、さまざまなディスプレイ装置が市場で入手可能であるが、他の装置を開発する継続的な需要がある。

本発明の実施形態は、前方投影ディスプレイ装置において用いるための広角投影レンズを含む。ディスプレイ装置は、照射システム、イメージングシステムおよび広角投影レンズを備える光学エンジンを備えることができる。広角投影レンズは、少なくとも１つの非球面を有する負の屈折力の第１のレンズ群を備える。広角投影レンズは、少なくとも４５°の半視野角で画像を出力し、画像には実質的に歪みがない。たとえば、第１のレンズ群が目視用スクリーンから特定の距離に配置される場合には、この距離対出力画像サイズ（対角線）の比は約１．８〜２．２対１である。出力画像は、約２５インチ（対角線）以上のサイズであってもよい。また、好ましい態様では、装置は、実質的なキーストーン補正を必要としない。

本発明の他の態様では、光学エンジンは、壁掛け型投影システム、マルチメディアシステム、小型の一体型モニタシステムおよび携帯用投影ユニットにおいて実装されることができる。

本発明の光学系は、短い投影距離の極端な軸外前面投影システムにおいて用いられる。「投影距離」なる語は、投影スクリーンから投影レンズまでの垂線によって定義される距離を意味する。「短い投影距離」なる句は、１ｍ未満の距離を意味する。「極端な軸外」なる語は、投影画像が４５°より大きな角度の範囲に定めることを意味する。さらに、投影装置は、実質的に歪みがない画像を投影する。「実質的に歪みがない」という語によって、歪みが２％以下であることをさす。好ましい態様では、歪みは１％以下であり、０．５％以下であれば最も好ましい。これらの歪み値であれば、少なくとも大部分のイメージング用途では、電子的な歪み補正が必要ではない。本願明細書では、「約」なる語は、すべての数値を修飾することを仮定する。

本発明の上記の概要は、本発明のそれぞれの示された実施形態またはすべての実施例を説明することを目的としていない。図および以下の詳細な説明は、これらの実施形態をさらに詳細に具体化する。

これらの図は、一定の縮尺で描かれているわけではなく、説明のためのものに過ぎない。本発明は種々の変更および代替の態様に適用可能であるが、その詳細が図に一例として示され、詳細に説明される。しかし、記載された特定の実施形態に本発明を限定するわけではないことを理解すべきである。逆に言えば、添付の特許請求の範囲に定義されているように、本発明の範囲内に収まるすべての変更物、等価物および代替物を網羅するものとする。

本発明は、マルチメディアおよび壁掛けディスプレイ用途向けの短い投影距離の前方投影ディスプレイシステムにおいて用いるための投影ディスプレイ装置に関する。特に、本願明細書に記載される光学エンジンは、たとえば、一体型マルチメディアシステム、壁掛け型投影システム、携帯用投影ユニットおよびモニタシステムにおいて用いるのに適合した前面投影システムにおいて利用されることができる。さらに、本願明細書に記載される光学エンジンは、実質的に歪みがなく、実質的にキーストーン補正を必要としない。

図１は、１つ以上の以下の構成部材、すなわち照射システム１２または１２’、イメージングシステム１４、焦点合わせ機構１５および投影光学素子１６を有する具体的な光学エンジン１０の概略図を示す。２つの異なる照射システム１２および１２’が示されているが、通常は１つのみが用いられる。照射システムが参照符号１２によって示される所定の位置にあるとき、用いられるイメージャは反射型イメージャである。対照的に、照射システムが参照符号１２’によって示される所定の位置にあるとき、用いられるイメージャは透過型イメージャである。光学エンジンは、投影スクリーン１８または表示面の上に画像を生成する。見る人および光学エンジンが投影スクリーンの同じ側にあるため、図１は光学エンジン１０を用いる前方投影ディスプレイシステムを示す。光学エンジンにおける各素子については、以下に詳細に説明する。

照射システム１２、１２’は、ランプユニット、フィルタ（赤外光阻止フィルタおよび／または紫外光阻止フィルタなど）、色分離手段および積分器を備えることができる。一つの具体的な実施形態において、ランプユニットは、反射体およびランプを備える。適切な市販のランプとしては、（ｉ）オランダのアイントホーフェン（Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎ，Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄ）にあるフィリップス・セミコンダクターズ（Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）製で楕円反射体を用いる「フィリップス（Ｐｈｉｌｉｐｓ）ＵＨＰ型ランプユニット」および（ｉｉ）ドイツのミュンヘン（Ｍｕｎｉｃｈ，Ｇｅｒｍａｎｙ）にあるオスラム・ゲーエムベーハー（ＯＳＲＡＭ ＧｍＢＨ）製の「オスラム（ＯＳＲＡＭ） Ｐ−ＶＩＰ２５０ランプユニット」が挙げられる。本発明には他の適切なランプおよびランプユニット構成を用いることができる。たとえば、メタルハライドランプまたはタングステンハロゲンランプまたは発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることができる。本発明の実施形態において用いることができるフィルタ、カラーホイールおよび積分器のタイプは、重要ではない。一つの具体的な実施形態において、色分離手段は、イメージャの光源における回転式の赤色／緑色／青色（ＲＧＢ）カラーシーケンシャルディスクである。実例の市販のカラーホイールは、リヒテンシュタインのバルザーズ（Ｂａｌｚｅｒｓ，Ｌｉｅｃｈｔｅｎｓｔｅｉｎ）にあるユナクシス・バルザース・リミティッド（ＵＮＡＸＩＳ Ｂａｌｚｅｒｓ，ＬＴＤ）製の「ユナクシス（ＵＮＡＸＩＳ） ＲＧＢＷカラーホイール」である。液晶ＲＧＢカラーシーケンシャルシャッタもまた、本発明の実施形態において用いることができる。実例の市販の積分器は、ユナクシス・バルザース・リミティッド（ＵＮＡＸＩＳ Ｂａｌｚｅｒｓ，ＬＴＤ）製の中空トンネル型積分器である。

イメージングシステム１４は、イメージャを備えることができ、通常は従来の電子機器も備えることができる。本発明において用いることができる有用な反射型イメージャは、テキサス州ダラス（Ｄａｌｌａｓ，Ｔｅｘａｓ）にあるテキサス・インスツルメント（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）から市販されている対角線寸法が約２２ｍｍのＸＧＡディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）である。あるいは、透過型液晶ディスプレイまたは反射型液晶ディスプレイをイメージャとして用いることができる。具体的な光学エンジンの実施形態において、イメージャの面は、投影スクリーンの面に実質的に平行に位置決めされる。

焦点合わせ機構１５は、手によって手動でまたは電子作動機構を用いて調整することができる摺動可能な取付台またはねじ式取付台（図示せず）に以下に記載される１つ以上のレンズを取り付けることによって達成されることができる。たとえば、可変焦点レンズまたはズームレンズを用いて、焦点合わせを達成することができる。あるいは、光学エンジン１０と目視用スクリーン１８との間に確立された所定の固定位置を有する投影ユニットの場合には、ユーザによる焦点合わせは必要ではない。

スクリーン１８は、多層材料、たとえば、米国特許第６，１７９，４２６号明細書に記載されるように構成される複数のフレネル素子から構成されてもよい。スクリーンは、スクリーンの前に水平方向に位置決めされる見る人に合わせるように水平方向における光の分布の広がりを制御するように設計されることができる。スクリーンの別の実施形態は、多層フィルム技術、「デュアル輝度上昇フィルム（Ｄｕａｌ Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ Ｆｉｌｍ）（ＤＢＥＦ）」技術または「ビキュイティ（ＶＩＫＵＩＴＩ）^ＴＭ」技術から構成されてもよい。これらのフィルムはすべて、ミネソタ州セントポール（Ｓｔ．Ｐａｕｌ，Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ）にあるスリーエム・カンパニー（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ）から市販されている。任意に、任意の面、たとえば、壁または他の構造または標準的な目視用スクリーンの上で生成画像を見ることができる。

図２は、光学エンジン１０の広角投影レンズの具体的な実施形態を示す。図２の投影レンズは、スクリーン側から逐次順に以下の３つのレンズ群、すなわち第１のレンズ群（Ｇ１）、第２のレンズ群（Ｇ２）および第３のレンズ群（Ｇ３）を備える。「スクリーン側」なる語は、投影スクリーンに最も近い投影レンズの側を指す。３つのレンズ群については、以下に詳細に説明する。本願明細書の本説明を提供された当業者には明白であるように、より少ない数、同数またはより多い数のレンズ素子を備える別法の構造をはじめとして、投影レンズ１６の別法の構造を用いることができる。

図２の具体的な投影レンズは、スクリーン側から番号をつけた３つのレンズ群に合わせて１１個の素子を備える。第１のレンズ群（Ｇ１）は、スクリーン側から順に、負の屈折力の第１のレンズ素子（Ｌ１）およびその第２の面に非球面を有する第２のレンズ素子（Ｌ２）を含むことができる。Ｇ１は、負の屈折力であることが好ましい。Ｇ１におけるＦ_１／Ｆの比は、−３．５＜Ｆ_１／Ｆ＜−２．３であってもよい。第２のレンズ群（Ｇ２）は、固着または従来の接着剤を用いた接着を含んだ３つのレンズ素子（Ｌ３）〜（Ｌ５）を含むことができる。Ｇ２は実質的にゼロの屈折力であることが好ましい。他の実施形態において、Ｇ２は屈折力においてわずかに正であってもよい。他の実施形態において、Ｇ２は屈折力においてわずかに負であってもよい。Ｇ２におけるＦ_２／Ｆの比は、−９５＜Ｆ_２／Ｆ＜−８６であってもよい。この具体的な実施形態において、開口絞りは、第２のレンズ群Ｇ２の中またはその付近にある。第３のレンズ群（Ｇ３）は、６つのレンズ素子（Ｌ６）〜（Ｌ１１）を含むことができる。Ｇ３は、正の屈折力であることが好ましい。Ｇ３におけるＦ_３／Ｆの比は、２．５＜Ｆ_３／Ｆ＜３．２であってもよい。図２に示されているように、プリズムは、Ｌ１１の右、すなわち投影スクリーンから最も遠い位置にある。上記の説明において、Ｆは広角投影レンズの焦点距離であり、Ｆ_１は第１のレンズ群の焦点距離であり、Ｆ_２は第２のレンズ群の焦点距離であり、Ｆ_３は第３のレンズ群の焦点距離である。

さらに詳細に、第１のレンズ群Ｇ１は、負の屈折力であることが好ましい。第１の実施形態において、第１のレンズ群Ｇ１は、複数のレンズ素子から構成される。たとえば、スクリーンに最も近い位置にある第１のレンズ素子（Ｌ１）は、３つのレンズ群におけるすべてのレンズの中で最大の直径を有することができる。一つの具体的な実施形態において、第１のレンズ群の中の第１のレンズ素子Ｌ１は、実質的に歪みがない状態で、スクリーンの方向において大きな視野、すなわち４５°を超える半視野角、好ましくは５０°を超える半視野角、最も好ましくは約５５°の半視野角で画像を投影するほど十分に大きな直径を有する。

別の具体的な実施形態において、第１のレンズ群の中の第１のレンズ素子Ｌ１は、６０ｍｍを超え、７５ｍｍ未満の直径を有する。さらに別の具体的な実施形態において、第１のレンズ群の中の第１のレンズ素子は、約７０ｍｍの直径を有する。したがって、投影装置に実装されるときに、第１のレンズ素子は、約１１０°〜約１２０°の視野を提供することができる。

図２の実施形態において、第１のレンズ群Ｇ１は、少なくとも１つの非球面を有する第２のレンズ素子（Ｌ２）をさらに備える。この具体的な実施形態の非球面は、歪みの影響を低減するのに役立つことができると同時に、依然として大きな視野を提供することができる。一態様において、第２のレンズ素子は、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などの屈折率が約１．４９であり、アッベ数が約５７．２の光学ポリマーから製作されることができる。非球面の形状は、以下の式によって定義されることができる。

式中、Ｚはシステムの光軸から距離ｒにある面のサグであり、
ｃは

単位の光軸におけるレンズの曲率であり、
ｒはｍｍ単位の半径方向の座標であり、
ｋは円錐定数であり、
α_２は２次の項の係数であり、α_４は４次の項の係数であり、α_６は６次の項の係数であり、α_８は８次の項の係数であり、α_１０は１０次の項の係数である。

他の実施形態において、第１のレンズ群の中の第１の素子の第２の面は、第１のレンズ群の中の第２のレンズ素子の第１の面の曲率半径と実質的に等しい曲率半径を有する。

一実施形態において、第１のレンズ群Ｇ１は、２つのメスニカス形状の入れ子になったレンズ素子を備え、第１のメスニカスの形状の素子はガラスから構成され、第２のメスニカス形状の素子はプラスチックから構成され、プラスチック素子の厚さは制御される。ＰＭＭＡなどのプラスチックを用いることができる。第１の素子の第２の面と第２の素子の第１の面との間の距離対投影レンズの全体的な有効焦点距離の比が１／１７５であるように、２つの素子は離隔される。

具体的な実施形態において、第２の形状の素子は、全体にわたって実質的に均一な厚さを有する非球面レンズ（たとえば、少なくとも１つの非球面を有するレンズ）から構成される。このドーム形状の設計は、熱問題を低減することができ、製作を簡単にすることができる。

別の実施形態において、第１のレンズ群Ｇ１は、１つの一体素子を形成するために、共に成形される２つの形状の素子から構成されることができる。たとえば、第１の形状の素子はガラス素子から構成されることができ、第２の形状の素子は第１の形状の素子の第２の面の上に成形されるプラスチック（たとえば、ＰＭＭＡ）素子から構成されることができる。

もう一つの別法において、第１のレンズ群Ｇ１は、単一の素子（たとえば、単一のガラス素子）から構成されることができ、単一の素子の第１の面、第２の面または両面に非球面が形成される。

別の具体的な実施形態において、第２のレンズ群Ｇ２は、屈折力が実質的にゼロであってもよい。第２のレンズ群は、複数のレンズ素子から形成されることができる。投影レンズ１６の開口絞りは、第２のレンズ群の中またはその付近にあってもよい。たとえば、一実施形態において、図２を参照すると、開口絞りはＬ５付近に設けられる。

具体的な実施形態において、第２のレンズ群の中のレンズ素子はすべて、球面を有することができる。一つの具体的な実施形態において、第２のレンズ群Ｇ２は、球面収差およびコマ収差を制御するのに役立つように接着された三枚レンズを含む。Ｇ１におけるレンズ素子とＧ２におけるレンズ素子との間の軸上の間隔は、必要に応じて変更することができる。

具体的な実施形態において、第２のレンズ群Ｇ２は、さらに長い有効焦点距離を提供する。さらに、具体的な実施形態において、第２のレンズ群を構成する素子は、ガラスから構成される。

別の実施形態において、第２のレンズ群Ｇ２には複レンズを用いることができる。この別法の実施形態において、複レンズ素子の一方または両方は、非球面を含みうる。

別の具体的な実施形態において、第３のレンズ群Ｇ３は正の屈折力を有してもよく、このレンズ群の中のレンズ素子はすべて球面を有することができる。具体的な実施形態において、第３のレンズ群Ｇ３は、色収差補正（すなわち、一次分散および二次分散の補償）を提供する。たとえば、レンズＬ７、Ｌ８、Ｌ１０およびＬ１１は、同一のガラス材料、たとえばＭＰ５２から構成されることができる。あるいは、他のガラスも用いることもできる。

第３のレンズ群Ｇ３とイメージャ１４との間に、たとえばスクリーン側から最も遠い位置にプリズム（たとえば、ＴＩＲプリズム、図示せず）を配置することができる。あるいは、フィールドレンズを利用することができる。

一例として、図２に示される実施形態に関して、以下の表１は、スクリーン側から順番の面番号（面１は第１のレンズ素子Ｌ１のスクリーン側に最も近い面である）、各面の光軸付近の曲率（ｃ）（単位は１／ｍｍ）、面の間の軸上の間隔（Ｄ）（単位はｍｍ）を列挙しており、ガラスタイプもまた示されている。当業者は、ガラスタイプから材料の屈折率およびアッベ数を決定することが可能であることを認識されよう。面０は、物体面または投影スクリーンの面である。この実施形態において、広角投影レンズは、有効全体焦点距離が８．８ｍｍであり、スクリーン側の方向における半視野角が５５°であり、Ｆ／２．８で動作する。第１のレンズ群Ｇ１は−２５．４ｍｍの有効焦点距離を有し、第２のレンズ群Ｇ２は−８００ｍｍの有効焦点距離を有し、第３のレンズ群Ｇ３は２３．５ｍｍの有効焦点距離を有する。この具体的な実施形態において、投影レンズは、１３０ｍｍの総トラックを有する。

図２の実施形態の場合には、上記の式Ｉによって決定されるように、第１のレンズ群の中の第２のレンズ素子の第２の面（表１では面４として示される）は非球面であり、係数に関しては以下の値、すなわちｃ＝０．０９０１、ｋ＝−０．８９３８、α_２＝０、α_４＝１．９９×１０^−５、α_６＝−７．４６８×１０^−８、α_８＝３．５２３×１０^−１０、α_１０＝−５．９７０×１０^−１３を有する。図２の実施形態の広角投影レンズは、１３０ｍｍの総トラック距離を有する。当業者は前方投影ディスプレイ用途などの一定の用途において認識するように、小型の投影レンズを生じることになり、光学エンジン全体の空間の要件を最小限に抑えることになるため、短いトラック距離を有することは好都合である場合がある。

表１

以下の表２および表３は、図２の実施形態に関する一般的なレンズデータおよび面のデータの概要を列挙する。

表２

表３

上記の表で提供されたデータは、一例を示しており、本願明細書に記載される本発明の範囲を限定するためではない。

種々の前面投影用途において、上述した光学エンジンを利用することができる。たとえば、図３は、一つの具体的な実施形態、上述の具体的な光学エンジンを利用する壁掛け型投影システムを示す。上述したような光学エンジンを備えるプロジェクタの壁掛けユニット１００は、従来の取付けボルトまたは類似物を用いて壁または他の構造１０２に取り付けられることができる。図３に示されるユニット１００は、閉鎖位置にある。動作時には、可動部材（たとえば、スライディングトレイ、スライディングアーム、ねじ棒または類似物）が、画像をその上に表示することができるスクリーン１０５から一定の距離でユニット１００から現れる。スクリーン１０５は、上述したような態様で構成されることができる。スクリーン１０５は、あるいは米国特許第６，１７９，４２６号明細書に記載したようなディジタルホワイトボードとして構成されることができる。もう一つの別法では、スクリーン１０５は、フィルムプロジェクタと共に従来用いられるような引き下げ式スクリーンとして構成されることができる。引き下げ式スクリーンは、壁掛けユニット１００に取り付けることもでき、または壁に個別に装着することもできる。あるいは、壁掛けユニット１００をスクリーン１０５とは異なる壁（たとえば側壁）に取り付けることができる。

本願明細書に記載される光学エンジンの大きな視野のために、ユニット１００は、短い投影距離で大きな画像サイズを提供することができる。図１３は、上述したような具体的な光学エンジンを備える投影ユニット５０と従来のプロジェクタ７５との間の説明のための比較を示す。図１３に示されているように、目視用スクリーンまたは面から比較的短い距離（たとえば、２７〜３３インチ）で具体的な光学エンジン（ここでは卓上型プロジェクタ５０に実装される）を配置して、６０インチの画像サイズ（対角線を測定した場合）を生成することができる。したがって、一つの具体的な実施形態において、目視用スクリーンからの距離対画像サイズの比（対角線、４×３フォーマット）は、約１．８〜２．２対１であってもよい。図１３に示されているように、比較として、従来の投影システム７５は、目視用スクリーンからの距離対画像サイズの比（対角線、４×３フォーマット）は、約０．７〜０．９対１である。「４×３フォーマット」なる語および「１６×９フォーマット」なる語は、画像幅対画像高さによって測定される従来の画像フォーマットを指す。

たとえば、約４０インチ（対角線、４×３フォーマット）の画像サイズの場合には、光学エンジンは、スクリーンからの距離が約１８〜２２インチで配置される。６０インチ（対角線、４×３フォーマット）の画像サイズの場合には、光学エンジンは、スクリーンからの距離が約２７〜３３インチで配置される。当然のことながら、本願明細書に記載される具体的な光学エンジンは、必要に応じて、比較的短い投影距離を用いて極端な軸外位置に６０インチ（対角線、４×３フォーマット）を超える画像サイズを提供することができる。好ましい実施形態において、画像サイズは、少なくとも約２５インチである。

さらに、光学エンジンは、歪みが低減される限りは、キーストーン補正がほとんど必要としないか、または全く必要としないように設計される。たとえば、投影画像の場合には歪み値は２％以下、好ましくは１．０％以下、さらに好ましくは０．５％以下であってもよい（たとえば、ｈが近軸画像高さであり、Ｈが実際の画像高さであるとすると、歪み（ｄ）は、ｄ＝（Ｈ−ｈ）／ｈ＊１００によって決定されることができる）。一つの具体的な実施形態において、光学エンジンは、４×３フォーマットの画像を提供することができる。別の具体的な実施形態において、１６×９フォーマットなどの異なるスクリーンフォーマットを提供するために、適切なイメージャと共に光学エンジンを実装することができる。

あるいは、補正回路（たとえば従来のワープチップ）と共に光学エンジンを実装することができ、さらに短い投影距離で十分な画質を生じることができる。

図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃは、具体的な投影ユニット１００のさらに詳細な図を示す。図４Ａは、ユニット１００の平面図である。ユニット１００は、総重量を削減するために、金属および／または軽量材料、アルミニウム、マグネシウムおよび／またはプラスチック複合材などから構成されることができる。ユニットは、約２４〜３６インチの全体幅（Ｗ１）を有することができる。光学エンジン１１０は、約１２〜１６インチの幅（Ｗ２）を有する可動部材またはトレイ１１２に属することができる。本願明細書に記載されるすべての投影システムの物理的寸法は、説明のためであり、限定するためではない。

従来の並進機構を用いて、トレイ１１２を移動することができる。たとえば、トレイ１１２は、固定位置または調整可能な位置に並進されるねじ棒に連結される。光学エンジン１１０は、使用時（すなわち開放位置）に配置されるとき、光学画像がスクリーン１０５などのスクリーンの上に画像を投影するように、トレイ１１２と共に位置決めされる。さらに、ユニット１００は、スピーカ１１８、入力／出力ジャック（図示せず）および制御パネル（図示せず）などのさらなる音声／映像構成部材をさらに備えることができる。さらなるケーブル配線（光学エンジンに電力および画像出力を提供するためなど）は、ユニット１００の後端部を通って壁に延在することができ、見る人からそのようなケーブル配線を見えないようにすることができる。

図４Ｂに示されているように、ユニット１００は、約６〜１０インチの高さ（Ｈ）を有することができる。さらに、ユニット１００は、閉鎖位置では約１４〜２０インチの長さ（Ｌ１）を有し、光学エンジン１１０を収容する可動トレイは約６〜２０インチの長さ（Ｌ２）だけ延長することができることから、スクリーンの上に投影されることになっている画像のサイズに応じて、全長（Ｌ）が約２０〜４０インチとなる。一つの具体的な実施形態において、可動トレイ１１２は、２つ以上の固定位置または調整可能な位置まで延長することができることから、スクリーンの上に２つ以上の異なる画像サイズを提供することができる。ユーザによる焦点合わせを任意に設けることができる。

たとえば、４０インチ（対角線）の画像サイズの場合には、スクリーンから約１８〜２２インチの距離に光学エンジンを配置することができ、６０インチ（対角線）の画像サイズの場合には、スクリーンから約２７〜３３インチの距離に光学エンジンを配置することができる。

さらに、ユニット１００は、さらなる電子機器１１５、空気冷却構成部材、電源および／または焦点合わせ機構を備えることができる。動作時の負荷の影響を最小限に抑えるために、これらのさらなる構成部材は、ユニット１００の本体およびトレイ１１２の全体にわたって分散されることが好ましい。図４Ｃは、開放位置におけるユニット１００の概略側面図を提供する。

図５Ａおよび図５Ｂは、図４Ａ〜図４Ｃに関して上述したものと類似の壁掛けユニット１００の具体的な設計を閉鎖位置（図５Ａ）および開放位置（図５Ｂ）において示す。図５Ｂに示されているように、光学エンジンの極端な軸外イメージング性能のために、光学エンジンのトレイ１１２の延長は、従来のオーバヘッド型プロジェクタに見られる距離より短い距離に保つことができる。使用時には、操作者は、イメージングユニットを１つ以上の設定スクリーンサイズで作動させることができる。次に、スライディングトレイが作動され、選択された画像サイズに対応するスクリーンからの設定距離に光学エンジンを位置決めする。操作者によって手動で、または遠隔制御装置を用いて、または従来の自動焦点合わせ機構によって自動的に焦点合わせを行うことができる。

本発明のさらに別の実施形態によれば、図６は、上述した具体的な光学エンジンを利用する具体的な一体型マルチメディアシステム２００の概略図である。マルチメディアシステム２００は、複数の媒体装置（たとえば、コンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ＣＤプレーヤ、ＶＣＲプレーヤ、ケーブル放送／衛星放送／テレビ放送受像機、スピーカなど）を備えることができる。さらに、具体的な光学エンジンは、可動部材（たとえば、スライディングトレイ）２１２に属してもよい。スクリーン２０５の上に表示されることになっている画像サイズに応じて、１つ以上の位置にスライディングトレイを配置することができる。ケーブル配線は、必要に応じて、マルチメディアシステム２００の後端部を通って壁の中まで延長することができる。

図７Ａ〜図７Ｄは、具体的なマルチメディアシステム２００のさらに詳細な図を示す。具体的なマルチメディアシステム２００の平面図は、図７Ａに示される。マルチメディアシステム２００の本体は、金属および／または軽量材料、アルミニウム、マグネシウムおよび／またはプラスチック複合材などから構成されることができる。システム２００は、約２４〜３６インチの全体幅（Ｗ１）を有することができる。光学エンジン２１０は、約１２〜１６インチの幅（Ｗ２）を有する可動部材またはトレイ２１２に属することができる。光学エンジン２１０は、使用時（すなわち開放位置）に配置されるとき、光学画像がスクリーン２０５などのスクリーンの上に画像を投影するように、トレイ２１２と共に位置決めされる。トレイ２１２はまた、制御盤、安定器、駆動回路および／または他の電子構成部材を備えることができる電子ユニット２１４を収容することができる。さらに、マルチメディアシステム２００は、スピーカ２１８をさらに備えることができる。

図７Ｂは、マルチメディアシステム２００の背面図を示し、スライディングトレイ２１２および音声／映像構成部材区画２２０を備える。さらに、電源および／または制御電子機器２１５は、約１４〜２０インチの幅（Ｗ３）を有する個別の区画に属することができ、光学エンジン２１０に連結されることができる。コネクタポート２２７もまた、設けることができる。

図７Ｃは、マルチメディアシステム２００の側面図を示す。ユニットの高さ（Ｈ）は約３０〜４０インチであってもよく、主要なマルチメディア構成部材区画の深さ（Ｄ）は約１６〜２４インチであってもよい。さらに、マルチメディアシステム２００は、閉鎖位置では約１４〜２４インチの長さ（Ｌ１）を有し、光学エンジン２１０を収容する可動トレイは約４〜２０インチの長さ（Ｌ２）だけ延長することができることから、スクリーンの上に投影されることになっている画像のサイズに応じて、全長（Ｌ）が約２０〜４０インチとなる。

図７Ｄは、マルチメディアシステム２００の斜視図を提供し、１つ以上のＡ／Ｖ構成部材２２５、コンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ＣＤプレーヤ、ＶＣＲプレーヤ、ケーブル放送／衛星放送／テレビ放送受像機などが区画２２０の内部にあってもよい。

図８Ａおよび図８Ｂは、別法の具体的な実施形態、マルチメディアシステム２５０を示す。この別法の実施形態において、具体的な光学エンジン２６０は、上述したような可動部材またはスライディングトレイユニット２６２に属することができる。さらに、マルチメディアシステム２５０は、従来の枢着または回転可能な締付け／固着機構（図示せず）によって、マルチメディアシステム本体に装着されるスクリーンユニット２５５を備えることができる。さらに、マルチメディアシステム２５０のさらに十分な可搬性を可能にするために、車輪またはローラ２５７を設けることができる。イメージングシステムの全体的な動作は、上述したシステムと類似であってもよい。さらに、マルチメディアシステムは、１つ以上のＡ／Ｖ構成部材、上述したようなコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ＣＤプレーヤ、ＶＣＲプレーヤ、ケーブル放送／衛星放送／テレビ放送受像機などを収容することができる。図８Ａでは、スクリーンユニット２５５は動作のために開放されているのに対し、図８Ｂでは、スクリーンユニット２５５は閉鎖し、回転した位置で配置される。

図９Ａおよび図９Ｂは、本発明の光学エンジンのさらにもう一つの別法の実装例、マルチメディア／ホームシアターシステム３００を示す。この別法の実施形態において、上述したような光学エンジン３１０は、タワー構造３０６に収容される。スクリーン（図示せず）に対して一定の角度かつスクリーンから短い距離で、この構造を配置することができる。画像は、図９Ｂに示されているようなタワー構造の後側を介して出力される。タワーは、上述したＡ／Ｖ構成部材を備えることができ、マルチメディアセンターまたはホームシアターとして動作することができる。スピーカ３１８は、タワーユニットの一部であってもよく、または図９Ａに示されているように個別に設けられてもよい。イメージングシステムの全体的な動作は、上述したシステムと類似であってもよい。

図１０Ａは、本発明の光学エンジンのさらにもう一つの別法の実装例、小型の一体型モニタシステム４００を示す。この実施形態において、上述のものと類似の光学エンジン４１０は、ベースユニット４０６に収容される。スクリーン４０５をベースユニット４０６に装着することができる。あるいは、ベースユニット４０６からスクリーン４０５を取り外すことができる。さらに別法の実施形態において、光学エンジン４１０は、壁の他の構造の上に画像を投影することができる。ベースユニット４０６は、制御盤、安定器、冷却構成部材、駆動回路および／または他の電子構成部材を備えることができる。任意に、ベースユニット４０６はまた、パーソナルコンピュータ構成部材（マザーボード、ディスクドライブ、ビデオ／サウンドカードなど）も備えることができる。あるいは、ベース４０６は、モニタシステムをスタンドアロンコンピュータまたはラップトップコンピュータ（図示せず）に接続するための接続および／またはアダプタを備えてもよい。

図１０Ｂ〜図１０Ｄは、小型の一体型モニタシステム４５０の別法の構造を示す。図１０Ｂにおいて、ベースユニット４５６は、光学エンジン４６０のほか、ベースユニット４０６に関して上述した１つ以上の電子構成部材を備えることができ、ベースユニット４５６に連結されるスクリーン４５５の上に画像を投影する。この別法の実施形態において、スクリーン４５５は、回転式取付台４５４によってベースユニット４５６に連結される。この回転式取付台は、スクリーンを使用中の位置（図１０Ｂ参照）または使用していない位置（図１０Ｄ参照）をはじめとする可変位置に配置することができる。図１０Ｃはベースユニット４５６の上部斜視図を示し、ベースユニット４５６はベースユニット４０６に関して上述したものと類似の態様で動作することができる。

図１０Ａおよび図１０Ｂに示される実施形態において、画像サイズは、少なくとも２５インチ（対角線）であり、約３０インチ以上（対角線）であれば好ましいことから、類似のサイズのＬＣＤおよびプラズマスクリーンの費用がより少ない別法を提供することができる。本発明の短い投影距離の極端な軸外光学エンジンを目視用スクリーンまたは面から約１３〜１７インチの距離で配置して、３０インチ（対角線）の画像サイズを生成することができる。したがって、必要な机上空間を減らして、遠隔キーボード４３０などのさらなる構成部材のための十分な余地が可能となる。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、本発明のさらに別の別法の実施形態、携帯用投影ユニット５００を示す。この実施形態において、上述したものと類似の光学エンジン５１０を小型の携帯可能な構造またはドッキングステーション５５１に収容することができる。携帯可能なユニット５００は、目視用スクリーン（図示せず）から短い距離で卓上面の上に配置されることができ、少なくとも４０インチ（対角線）の画像サイズを提供することができる。任意に、ユニット５００はまた、手動の焦点合わせ５１５およびスピーカ５１８を備えることができる。ポート５２５は、音声／映像構成部材および／またはドッキングステーションへのケーブル配線接続のために設けられる。さらに、ユニット５００は、さらに十分な可搬性のために、握り５１９を装備することができる。イメージングシステムの全体的な動作は、上述したシステムと類似であってもよい。

上述したように、携帯用投影ユニットは、ドッキングステーションに取り付けられるように構成されることができる。ドッキングステーションは、ベースを備えることができる。任意に、ドッキングステーションはまた、延長可能なアーム、伸縮アームおよび自在アームなどを備えることができる。具体的な態様において、ベースは携帯可能であってもよく、壁または天井のような面に固定して装着することができてもよい。さらに、ドッキングステーションは、投影ユニットまたはモジュールに電力を供給するための電源、投影ユニットまたはモジュールとコンピュータ（図示せず）との間の通信を行うための通信用電線または通信線、有線または無線ネットワーク接続を行うための接続を収容することができる。有線／無線ネットワーク接続は、中でも装置の使用を監視する中央管理制御機能を提供することができ、本社が投影装置の使用を監視することができる。ネットワーク接続により、発表者がネットワークに常駐するファイルへのアクセスおよび表示も可能にするために、基盤ネットワークへのアクセスを提供することもできる。ネットワーク接続により、発表者がアドホックモードでローカルコンピュータから発表用グラフィックスのような情報を受信することが可能となる。投影ユニット／モジュールは、ドッキングステーションとの通信用のインターフェイスを含むポートを備えることができる。伸縮アームおよび自在アームを例示しているが、当業者は延長アームには別法の設計があることを認識されよう。

図１２Ａ〜図１２Ｃは、携帯型前面投影ユニット５５０用の別法の設計を示す。図１２Ａにおいて、携帯用投影ユニット５５０は投影ユニット５５０の斜視図に示され、図１２Ｂは正面図を示し、図１２Ｃは平面図を示す。携帯用ユニット５５０は、目視用スクリーン（図示せず）から短い距離で卓上面の上に配置されることができ、少なくとも４０インチ（対角線）の画像サイズを提供することができる。任意に、ユニット５００はまた、手動の焦点合わせ５６５を備えることができる。イメージングシステムの全体的な動作は、上述したシステムと類似であってもよい。

本発明のイメージングシステムは、種々の前面投影実装において、短い距離から、極端な軸外位置に大きな画像サイズを提供するように設計される。さらに、本願明細書に記載される光学エンジンは、実質的に歪みがなく、キーストーン補正をほとんど必要としない。

当業者は、種々の異なる光学部品と共に本発明を用いてもよいことを認識されよう。本発明は具体的な好ましい実施形態を参照して説明してきたが、本発明は、本発明の範囲を逸脱することなく、他の特定の形態に具体化されてもよい。したがって、本願明細書に記載され、図示された実施形態は例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものと考えるべきではないことを理解すべきである。本発明の範囲によれば、他の変形および変更を行ってもよい。

本発明において用いることができる具体的な光学エンジンの概略図である。 本発明において用いることができる具体的な投影光学素子の概略図である。 具体的な光学エンジンを利用する壁掛け型投影システムの概略図である。 図３の壁掛けユニットのさらに詳細な図である。 図３の壁掛けユニットのさらに詳細な図である。 図３の壁掛けユニットのさらに詳細な図である。 閉鎖位置の具体的な壁掛けユニットの設計を示す。 開放位置の具体的な壁掛けユニットの設計を示す。 具体的な光学エンジンを利用する具体的な一体型マルチメディアシステムの概略図である。 図６のマルチメディアシステムのさらに詳細な図である。 図６のマルチメディアシステムのさらに詳細な図である。 図６のマルチメディアシステムのさらに詳細な図である。 図６のマルチメディアシステムのさらに詳細な図である。 マルチメディアシステムの別の実施形態を示す。 マルチメディアシステムの別の実施形態を示す。 マルチメディアシステムのさらに別の実施形態を示す。 マルチメディアシステムのさらに別の実施形態を示す。 具体的な光学エンジンを利用する小型の一体型モニタシステムの概略図を示す。 小型の一体型モニタシステムの別の実施形態を示す。 小型の一体型モニタシステムの別の実施形態を示す。 小型の一体型モニタシステムの別の実施形態を示す。 別の実施形態による携帯用投影ユニットの前部斜視図を示す。 別の実施形態による携帯用投影ユニットの後部斜視図を示す。 携帯用投影ユニットに関する別の設計のさまざまな図を示す。 携帯用投影ユニットに関する別の設計のさまざまな図を示す。 携帯用投影ユニットに関する別の設計のさまざまな図を示す。 具体的な光学エンジンによって実現される短い投影距離対従来の前方プロジェクタの図解を示す。

Claims (25)

1. 前方投影ディスプレイ装置において用いるための広角投影レンズであって、
   負の屈折力および少なくとも１つの非球面を有する第１のレンズ群を備え、前記広角投影レンズは少なくとも約４５°の半視野角で画像を出力し、前記画像には実質的に歪みがないことを特徴とする広角投影レンズ。
2. 前記広角投影レンズは、少なくとも約５０°、さらに好ましくは約５５°の半視野角で画像を出力することを特徴とする、請求項１に記載の広角投影レンズ。
3. 屈折力が実質的にゼロである第２のレンズ群であって、開口絞りが前記第２のレンズ群の中またはその付近にある、第２のレンズ群と、
   正の屈折力の第３のレンズ群と、をさらに備え、
   以下の条件（１）〜（３）、すなわち
   ｜Ｆ_１／Ｆ｜＜４．０ 条件（１）
   ｜Ｆ_２／Ｆ｜＞５０ 条件（２）
   ｜Ｆ_３／Ｆ｜＜３．５ 条件（３）
   が満たされ、式中、
   Ｆは前記広角投影レンズの焦点距離であり、
   Ｆ_１は前記第１のレンズ群の焦点距離であり、
   Ｆ_２は前記第２のレンズ群の焦点距離であり、
   Ｆ_３は前記第３のレンズ群の焦点距離であることを特徴とする、請求項１または２に記載の広角投影レンズ。
4. 前記第１のレンズ群は、負の屈折力の第１のレンズ素子およびその第２の面に非球面を有する第２のレンズ素子を備え、前記第１のレンズ群の焦点距離対前記投影光学素子の焦点距離の比（Ｆ_１／Ｆ）が以下の関係、すなわち−３．５＜Ｆ_１／Ｆ＜−２．３を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の広角投影レンズ。
5. 前記第２のレンズ素子は、全体にわたって実質的に均一な厚さを有することを特徴とする、請求項４に記載の広角投影レンズ。
6. 複数のレンズ素子を備え、かつ前記第１のレンズ群に隣接して配置される第２のレンズ群をさらに備え、前記第２のレンズ群は屈折力が実質的にゼロであり、前記第２のレンズ群の焦点距離対前記投影光学素子の焦点距離の比（Ｆ_２／Ｆ）が以下の関係、すなわち−９５＜Ｆ_２／Ｆ＜−８６を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の広角投影レンズ。
7. 正の屈折力を有し、かつ前記第２のレンズ群に隣接して配置される複数のレンズ素子を備える第３のレンズ群をさらに備え、前記第３のレンズ群の焦点距離対前記投影光学素子の焦点距離の比（Ｆ_３／Ｆ）が以下の関係、すなわち２．５＜Ｆ_３／Ｆ＜３．２を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の広角投影レンズ。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の広角投影レンズを備える光学エンジンを備え、前記光学エンジンは照射システムおよびイメージングシステムをさらに備えることを特徴とする前方投影ディスプレイ装置。
9. 目視用スクリーンに対する前記第１のレンズ群の距離対投影画像サイズの比は、約１．８〜２．２対１であることを特徴とする、請求項８に記載の前方投影ディスプレイ装置。
10. 前記投影画像サイズは少なくとも２５インチ（対角線測定）であり、実質的にキーストーン補正が必要でなく、前記投影画像フォーマットは４×３フォーマットおよび１６×９フォーマットであることを特徴とする、請求項８または９に記載の前方投影ディスプレイ装置。
11. 前記投影レンズは、実質的に歪みがなく、かつ実質的にキーストーン補正が必要でない画像を生成し、前記光学エンジンは前方投影ディスプレイ装置における投影ヘッドの一部であることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の前方投影ディスプレイ装置。
12. 前記広角投影レンズは、約Ｆ／３．０以下の速度および約９の有効焦点距離を有することを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一項に記載の前方投影ディスプレイ装置。
13. 前記光学エンジンを支持するための可動部材をさらに備え、前記可動部材は表示面から第１の距離で延長可能であることを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか一項に記載の前方投影ディスプレイ装置。
14. 前記ディスプレイ装置は、壁に取り付けられることを特徴とする、請求項１３に記載の前方投影ディスプレイ装置。
15. 目視用スクリーンは前記壁に取り付けられ、前記第１の距離は前記目視用スクリーンから約２７〜約３３インチであり、前記投影光学素子は約６０インチの対角線寸法を有する画像を出力することを特徴とする、請求項１４に記載の前方投影ディスプレイ装置。
16. 目視用スクリーンは前記壁に取り付けられ、前記第１の距離は前記目視用スクリーンから約１８〜約２２インチであり、前記投影光学素子は約４０インチの対角線寸法を有する画像を出力することを特徴とする、請求項１４に記載の前方投影ディスプレイ装置。
17. 前記ディスプレイ装置は、少なくとも１つの空気冷却器、スピーカおよび焦点合わせ機構を備えることを特徴とする、請求項８〜１６のいずれか一項に記載の前方投影ディスプレイ装置。
18. 前記ディスプレイ装置は、コンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ＣＤプレーヤ、ＶＣＲプレーヤ、衛星放送テレビ受像機およびケーブル放送テレビ受像機のうちの少なくとも１つをさらに備えるマルチメディアシステムに配置されることを特徴とする、請求項８に記載の前方投影ディスプレイ装置。
19. 前記マルチメディアシステムは、システム本体に装着される車輪またはローラを備え、前記光学エンジンを支持するための可動部材と、前記マルチメディアシステムに連結される目視用スクリーンと、をさらに備え、前記可動部材は前記目視用スクリーンから第１の距離で延長可能であることを特徴とする、請求項１８に記載の前方投影ディスプレイ装置。
20. 前記光学エンジンは、一体型モニタシステムに組み込まれることを特徴とする、請求項８に記載の前方投影ディスプレイ装置。
21. 前記光学エンジンを収容するためのベースユニットをさらに備え、前記目視用スクリーンは回転連結によって前記ベースユニットに連結されることを特徴とする、請求項２０に記載の一体型モニタシステム。
22. 握りをさらに備え、前記前方投影ディスプレイ装置は携帯型であり、ドッキングステーションに取り付けられるように構成されることを特徴とする、請求項８に記載の前方投影ディスプレイ装置。
23. 前記ドッキングステーションは、可動アームを備えることを特徴とする、請求項２２に記載の前方投影ディスプレイ装置。
24. 前記ドッキングステーションは、前記投影モジュールに電力を供給するための電力線、前記前方投影ディスプレイ装置とコンピュータとの間の通信用の通信線、ならびに有線および無線ネットワーク接続のうちの少なくとも１つを提供するための接続を備えることを特徴とする、請求項２３に記載の前方投影ディスプレイ装置。
25. 画像補正回路をさらに備えることを特徴とする、請求項８に記載の前方投影ディスプレイ装置。
    

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