JP2008249871A - 広角プロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】焦点調整が不要であり、かつ、投射画像についての必要な変倍率を得ることができる広角のプロジェクタを提供する。
【解決手段】このプロジェクタは、光源２と、光変調素子３と、投射光学系４とを備えている。光源２は、投射されるべき光学像を形成するための光束を発生するものである。光変調素子３は、光束を変調することにより、投射されるべき光学像を形成するものである。投射光学系３における画角は、広角とされている。また、投射光学系３の焦点距離は、一定とされている。このプロジェクタを、スクリーンに対して、所定の範囲内で前後させる。これにより、必要な解像度を得ることができ、かつ、画像の大きさを変更することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学像を投射するためのプロジェクタに関するものである。特に、本発明は、投射光学系における画角を広角としたプロジェクタに関するものである。

一般に、プロジェクタは、光源から送られた光束を光変調素子で変調して光学像を形成し、この光学像を、投射光学系によりスクリーンに投射する構成となっている。ここで、スクリーンに投射される光学像（投射画像）の大きさは、投射光学系の特性により決定される。

従来から、投射画像の大きさを可変とするために、投射光学系用の投射レンズとして、ズームレンズが用いられている。

しかしながら、ズームレンズは、一般に、レンズ枚数が多く、また、レンズ駆動機構を備えているため、構造が複雑で、重く、かつ高価になりがちであるという問題がある。

一方、下記特許文献１に記載されているように、プロジェクタがスクリーンに対して移動すると、焦点ずれのために、投射画像がぼけてしまう。そこで、特許文献１に記載の技術では、プロジェクタの移動を検知する検知部を設けている。さらに、この技術では、検知部での検知結果に基づいて、焦点あわせのためのパターン像を表示する構成としている。使用者は、表示されたパターン像を見ながら、手動により焦点合わせを行う。

しかしながら、この従来の技術においては、プロジェクタの移動を検知し、その検知結果に基づいてパターン像を表示する構成としているため、構成が複雑で高価となりやすいという問題がある。
特開２００６−３４０７号公報

本発明は、前記した状況に鑑みてなされたものである。本発明は、焦点調整が不要であり、かつ、投射画像についての必要な変倍率を得ることができる広角のプロジェクタを提供することを目的とする。

本発明に係る広角プロジェクタは、光源と、光変調素子と、投射光学系とを備えている。前記光源は、投射されるべき光学像を形成するための光束を発生するものである。前記光変調素子は、前記光束を変調することにより、投射されるべき光学像を形成するものである。前記投射光学系における画角は、広角とされている。前記投射光学系の焦点距離は、一定とされている。

本発明のプロジェクタによれば、投射光学系における画角が広角とされているので、スクリーンに対してプロジェクタをわずかに前後させるだけで、投射画像の大きさを大きく変動させることができる。したがって、投射画像のぼけを生じない範囲でプロジェクタを動かすことにより、必要な画像解像度を保ちつつ、投射画像についての大きな変倍率を得ることができる。

また、本実施形態のプロジェクタでは、投射光学系の焦点距離を一定とし、焦点距離の調節機構を省略しているので、投射光学系の構造を簡素化することができる。これにより、プロジェクタの軽量化及び低コスト化を図ることができる。

本発明の広角プロジェクタにおいては、下記条件式（１）を満たす構成となっている。

ただし、
d：基準投射距離（投射レンズから投影面までの距離）[mm]
f：投射光学系の焦点距離[mm]
F：投射光学系のFナンバー
ε：光変調素子の１pixelサイズ[mm]
とする。

条件式（１）を満たす構成とすることにより、画像解像度の低下を防ぎつつ、１．６倍以上の変倍率を得ることが可能となる。

本発明の広角プロジェクタにおいては、さらに、前記投射光学系におけるペッツバール和を、０．５以下とすることが好ましい。

これにより、像面湾曲を減少させることができる。像面湾曲が大きい場合には、光軸近傍で所定の解像度を得られたとしても、周縁部では解像度の低下（画像のぼけ）を生じることがある。これに対して、本発明では、前記した条件を満たすことで、投射画像全体として、解像度の低下を少なく抑えることができる。

さらに、本発明の広角プロジェクタにおいては、前記投射光学系における画角の半角を、４０°以上、より好ましくは５０°以上とすることが好ましい。画角を大きくすることにより、プロジェクタのわずかな移動により、画像サイズを大きく変更する事が可能になる。したがって、解像度低下を生じない範囲での変倍率を大きくすることができる。

本発明によれば、焦点調整が不要であり、かつ、投射画像についての必要な変倍率を得ることができる広角のプロジェクタを提供することが可能になる。

（本実施形態の構成）
本発明の一実施形態に係る広角プロジェクタの構成を、図１及び図２に基づいて説明する。

このプロジェクタＰは、主な要素として、筐体１（図１参照）と、光源２（図２参照）と、光変調素子３と、投射光学系４と、映像信号入力手段５と、画像処理回路６と、光変調素子ドライブ回路７と、光源制御回路８と、照明光学系９と、ＣＰＵ１０と、制御パネル１１とを備えている。

筐体１は、プロジェクタＰにおける内部機構を収納するものである。また、筐体１は、スクリーンＳ（図２参照）の高さ方向における投影角を調整するための脚部１ａを備えている。

光源２は、投射されるべき光学像を形成するための光束を発生するものである。光源２としては、例えば、白色光を生じるランプやＬＥＤが用いられるが、光源の種類は特に制約されない。

光変調素子３は、光源２からの光束を変調することにより、投射されるべき光学像を形成するものである。光変調素子３は、例えば、液晶プロジェクタにおける液晶表示素子や、ＤＭＤプロジェクタにおけるＤＭＤ（Digital Micromirror Device）素子である。ＤＭＤ素子においては、一画素に対応する微少な鏡の傾斜を制御することで、光源２からの光束を一画素単位で変調することができるようになっている。

投射光学系４は、単レンズ、あるいは、単レンズの組み合わせによって構成されている。この実施形態では、投射光学系４における画角は、広角のものとされている。ここで、広角とは、画角が半角で４０°以上であることをいうものとする。ただし、半角で５０°以上であることが、大きな変倍率を得るためには好ましい。

また、本実施形態における投射光学系４の焦点距離は、一定とされている。つまり、この投射光学系４は、それ自体では、焦点距離の調整機能を有しないものとされている。

さらに、この投射光学系４は、下記条件式（１）を満たすものとなっている。

ただし、
d：基準投射距離（投射レンズから投影面までの距離）[mm]
f：投射光学系の焦点距離[mm]
F：投射光学系のFナンバー
ε：光変調素子の１pixelサイズ[mm]
である。

（条件式（１）の説明）
ここで、以下に、条件式（１）の根拠について説明する。

まず、
第一画像（投射画像の最大サイズ）の大きさ（対角長）：H₁ [inch]
第二画像（投射画像の最小サイズ）の大きさ（対角長）：H₂ [inch]
とする。また、
光変調素子の対角長：a[inch]
とする。このとき、以下のような式を導くことができる。

したがって、条件式（１）を満たす投射光学系とすることにより、１．６倍以上の変倍率を得られることが判る。

（ペッツバール和について）
また、本実施形態の投射光学系４においては、ペッツバール和が、０．５以下とされている。ここで、ペッツバール和は、以下の式（２）のように表現できる。

ここで、
Ｐ_ｉ：スクリーン側からｉ番目のレンズにおけるパワー、
ｎ_ｉ：スクリーン側からｉ番目のレンズにおける屈折率、
Ｐ_ｚ：ペッツバール和
である。

投射光学系４の具体的な計算例は後述する。

映像信号入力手段５は、外部から入力される映像信号を受け取るためのインタフェースを行う部分である。

画像処理回路６及び光変調素子ドライブ回路７は、映像信号入力手段５で受け取った映像信号に基づいて、光変調素子３を駆動するための駆動信号を生成するための部分である。

光源制御回路８は、制御パネル１１からの入力に従って、光源のＯＮ／ＯＦＦを制御する部分である。

照明光学系９は、光源２からの光束を光変調素子３に転送するものである。

ＣＰＵ１０は、予め組み込まれたコンピュータソフトウエアに従って、画像処理回路６などの各部の動作を制御するものである。

制御パネル１１は、筐体１の表面に露出しており、操作者からの指令を入力できる部分である。

本実施形態に係るプロジェクタにおける、映像信号入力手段５〜制御パネル１１の構成は、基本的に従来と同様でよいので、これ以上詳細な説明は省略する。

（本実施形態のプロジェクタの動作）
つぎに、前記のように構成された本実施形態に係るプロジェクタの動作を説明する。

まず、制御パネル１１が操作されて、電源がＯＮになると、光源２から照明光学系９に光束が送られる。

一方、映像信号が入力されると、光変調素子３は、光源２からの光束を変調し、投射されるべき画像を生成する。この画像は、投射光学系４で拡大されて、スクリーンＳに投射される。

（画像の倍率変更）
つぎに、投射画像の倍率を変更する操作について、図３を参照しながら説明する。まず、スクリーンＳに対して投射光学系４の焦点が合う位置のプロジェクタＰを、図３中符号Ｐ１で示す。この状態の投射画像の大きさを、図３中符号Ｑ１で示す。

ついで、スクリーンＳに対してプロジェクタＰを接近させる。これにより、投射光学系４の焦点は、スクリーンＳからずれる。ここで、プロジェクタＰの移動距離は、画像解像度の低下を生じない程度とする（移動可能な距離については後述する）。この状態でのプロジェクタＰを、図３中符号Ｐ２で示す。また、この状態の投射画像の大きさを、図３中符号Ｑ２で示す。

このように、プロジェクタＰをスクリーンＳに近づけることで、投射画像の倍率を低下させることができる。しかも、移動距離を、所定の範囲内に設定することで、解像度低下のない画像を呈示することができる。

一方、拡大された投射画像を得たい場合は、スクリーンＳに対してプロジェクタＰを離間させる。接近の場合と同様に、この移動によって、投射光学系４の焦点は、スクリーンＳからずれる。しかしながら、プロジェクタＰの移動距離は、画像解像度の低下を生じない程度とする。この状態でのプロジェクタＰを、図３中符号Ｐ３で示す。また、この状態の投射画像の大きさを、図３中符号Ｑ３で示す。

このように、プロジェクタＰをスクリーンＳから離間させることで、投射画像の倍率を上げることができる。しかも、移動距離を、所定の範囲内に設定することで、解像度低下のない画像を呈示することができる。

したがって、本実施形態のプロジェクタによれば、変倍機構を設けることなく、投射画像の倍率を変更することができる。

また、本実施形態のプロジェクタでは、焦点合わせが不要なので、投射光学系を固定焦点とすることができる。

よって、このプロジェクタによれば、投射光学系４の機構を簡易化することができ、プロジェクタとしての軽量化や低コスト化が容易になるという利点がある。

（広角による作用）
つぎに、投射光学系４を広角としたことの作用を、図４を参照しながら説明する。

焦点ぼけを生じない範囲は、一般に、焦点深度と呼ばれる。焦点深度が一定であると仮定したときの変倍率の状況を、図４に示す。

画角が小さい場合（図４（ａ））では、一定の焦点深度の範囲内でスクリーンＳが移動しても、あまり大きな変倍率を得ることができない。したがって、スクリーンに対してプロジェクタが移動した場合にも、大きな変倍率は得られない。

これに対して、画角が大きい場合（図４（ｂ））では、一定の焦点深度の範囲内であっても、スクリーンＳの移動により、大きな変倍率を得ることができる。したがって、一定の焦点深度の範囲内でプロジェクタを移動させた場合に、大きな変倍率を得られることが判る。よって、投射光学系４の画角として広角のものを利用することにより、選択できる画像サイズの幅が広くなるという利点を得ることができる。

（焦点深度について）
以下、プロジェクタにおける焦点深度について、図５に基づいて説明を補足する。

スクリーンＳに投影した画像の大きさが例えば４０インチとなるときのプロジェクタの位置を、図５において符号Ｐ４で示す（図中破線で示す）。このとき、プロジェクタの投射光学系４における焦点は、スクリーンＳ上の点Ｙにあるとする。

一方、スクリーンＳに投影した画像の大きさが例えば６０インチとなるときのプロジェクタの位置を、図５において符号Ｐ５で示す。このとき、プロジェクタの投射光学系４における焦点は、図５において符号Ｘで示す位置となる。したがって、スクリーンＳ上の点Ｙは、投射光学系の焦点から外れていることになる。

ここで、今までの説明とは逆に、スクリーンＳ上の点Ｙを焦点位置と仮定し、その光束が集光する点を図５においてｆ'とする。すると、この例では、ｆ'は、光変調素子３よりも手前（スクリーンＳの側）に位置する。よって、この場合、光変調素子３上においては、光束は、一点に集光しておらず、広がっていることになる。

しかしながら、光束の広がりが、光変調素子３において一画素以内であれば、投射画像においては、画素どうしの重なりが生じないことになる。このため、光束の広がりを、一画素以内という範囲に抑えておけば、画像解像力は損なわれないことになる。

したがって、本実施形態のように、プロジェクタを広角とし、かつ、所定の範囲内（すなわち、画素どうしの重なりを生じない範囲）で移動させる構成とすることにより、必要な画像解像力を得られると共に、投射画像の大きさを大きく変えることが可能になる。

（ペッツバール和について）
また、本実施形態の投射光学系４では、ペッツバール和を、０．５以下としたので、投影された画像における像面湾曲を減少させることができる。像面湾曲が大きい場合には、光軸近傍で所定の解像度を得られたとしても、周縁部では解像度の低下（画像のぼけ）を生じることがある。これに対して、本実施形態では、ペッツバール和を０．５以下としたので、投射画像全体として、解像度の低下を少なく抑えることができる。

（実施例１）
本実施形態の条件を満たす、投射光学系４の設計例を以下の表１に示す。ここでは、投射距離を１ｍとして計算した。また、この例のプロジェクタは、光変調素子としてＤＭＤを用いたもので、ＤＬＰ（登録商標）と言われるものである。

（Ｆナンバーについて）
前記した実施例１では、Ｆナンバーを２．８としている。本実施形態の投射光学系４では、Ｆナンバーを２．８より大きくする（つまり暗くする）ことが好ましい。その理由を、図８を参照しながら以下に説明する。

ＴＩＲ（Total Internal Reflection）タイプのＤＭＤを使った投射光学系では、図８に示すようなプリズム２０を用いている。これによれば、照明光学系９から送られた光束を屈折させて光変調素子（ＤＭＤ素子）３に送り、反射された光を再び屈折させて、投射用のレンズに送り出すことができる。ここで、Ｆナンバーが小さい（つまり明るい）と、プリズム２０によって、照明光学系から届いた光と、投写用に送り出す光とを分離することが難しくなる。例えば、投写用の光が、光源の方向に戻されてしまうことになる。

ＤＭＤ素子が、±１２°のものである場合（つまりＯＮ状態のミラー素子とＯＦＦ状態とミラー素子との間で２４°の傾きがある場合）には、Ｆ２．４程度が最適であると考えられる。しかし、臨界角ぎりぎりの場合、十分な性能を得られないことがあるので、余裕を見て、Ｆ２．８程度が妥当と考えられる。

なお、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得るものである。

本発明の第１実施形態に係る広角プロジェクタの概略的な斜視図である。 図１の広角プロジェクタにおける機能ブロック図である。 プロジェクタの移動に伴う画像サイズの変更を説明するための説明図である。 プロジェクタの移動に伴う画像サイズの変更を説明するための説明図であって、図（ａ）は画角が小さい場合の図、図（ｂ）は画角が大きい場合の図である。 プロジェクタにおける焦点ぼけが許容される範囲を説明するための説明図である。 表１に記載した記号の意味を説明するための説明図である。 表１に記載した記号の意味を説明するための説明図である。 Ｆナンバーの好適な値について説明するための説明図である。

符号の説明

Ｓ スクリーン
Ｐ 広角プロジェクタ
Ｑ１〜Ｑ３ 投射画像のサイズ
１ 筐体
１ａ 筐体の脚部
２ 光源
３ 光変調素子
４ 投射光学系
５ 映像信号入力手段
６ 画像処理回路
７ 光変調素子ドライブ回路
８ 光源制御回路
９ 照明光学系
１０ ＣＰＵ
１１ 制御パネル

Claims (3)

1. 光源と、光変調素子と、投射光学系とを備えており、
   前記光源は、投射されるべき光学像を形成するための光束を発生するものであり、
   前記光変調素子は、前記光束を変調することにより、投射されるべき光学像を形成するものであり、
   前記投射光学系における画角は、広角とされており、
   かつ、
   前記投射光学系の焦点距離は、一定とされており、
   さらに、下記条件式（１）を満たすことを特徴とする広角プロジェクタ。
   

   

   ただし、
   d：基準投射距離（投射レンズから投影面までの距離）[mm]
   f：投射光学系の焦点距離[mm]
   F：投射光学系のFナンバー
   ε：光変調素子の１pixelサイズ[mm]
   とする。
2. 前記投射光学系におけるペッツバール和は、０．５以下とされていることを特徴とする、請求項１に記載の広角プロジェクタ。
3. 前記投射光学系における画角の半角は、４０°以上とされていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の広角プロジェクタ。

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