JP2009514016A

JP2009514016A - 投影システム及び方法

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Publication number: JP2009514016A
Application number: JP2008537696A
Authority: JP
Inventors: スコットエイ．ラーナー; アヌラググプタ
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2006-07-27
Publication date: 2009-04-02
Also published as: BRPI0619294A2; US20070091452A1; WO2007050169A1; CN101297226A; EP1949164A1; TW200717162A

Abstract

投影システムは、照明ビームを提供する照明源と、像信号（４４）に基づいて照明ビームを変調すると共に、像ビームを形成するように構成される変調器（３４）と、収差プロファイルを有すると共に反射屈折レンズを含む投影レンズとを備える。像信号は、投影レンズの収差プロファイルに基づいて調整される。反射屈折レンズは、像ビームを第１の光軸に沿って受光すると共に、第１の光軸と第２の光軸との間の折返し角が所望の範囲内に入るように、像ビームを折り返して、第２の光軸に沿って導くように構成される。

Description

デジタル光処理（ＤＬＰ）プロジェクタは典型的には、照明システム、或るタイプの空間光変調器（ＳＬＭ）及び投影レンズを備える。照明システムは一般的に、光を生成する光源と、光源からＳＬＭに光を導く反射器とを備える。ＳＬＭは、投影されるべき所望の像を表すデータ信号に基づいて、反射（たとえば、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ））又は透過（たとえば、液晶変調器）のいずれかによって、光を変調することにより像ビームを形成する。投影レンズは像ビームを受光し、それを、視認用の投影面、たとえば投影スクリーン上に投影する。

投影レンズは典型的には、高品質の投影像を提供するために、所望の倍率、又は倍率範囲（すなわち、ズームレンズ）を与えるように且つ光学収差（たとえば、色収差、コマ収差、回折及び幾何学的な歪み）を最小限に抑えるように設計される。そのような光学収差を最小限に抑えるという目的を果たすために、投影レンズは典型的には、複数のレンズ素子が特定の順序で配列され、その配列が多くの場合に直線的に又は円筒状に構成される、複雑なシステムを含む。そのような投影レンズは多くの場合にコストが高く、プロジェクタ内で相対的に大きな空間を占めることがある。

本発明の一形態は、照明ビームを提供する照明源と、像信号に基づいて照明ビームを変調すると共に、像ビームを形成するように構成される変調器と、収差プロファイルを有すると共に反射屈折レンズを含む投影レンズとを備える投影システムを提供する。像信号は、投影レンズの収差プロファイルに基づいて調整される。反射屈折レンズは、像ビームを第１の光軸に沿って受光すると共に、像ビームを折り返して、第２の光軸に沿って導くことによって、第１の光軸と第２の光軸との間の折返し角が所望の範囲内に入るように構成される。

好ましい実施形態の以下の詳細な説明では、本明細書の一部を構成し、本発明を実施することができる具体的な実施形態を例示する添付の図面が参照される。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、構造的又は論理的な変更を行うことができることは理解されたい。それゆえ、以下の詳細な説明は、限定する意味に解釈されるべきではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定められる。

本明細書において説明されるように、反射屈折レンズを用いて、所望の範囲内にある折返し角で、変調される像ビームを折り返すデジタルプロジェクタのための投影レンズが提供され、その像ビームは、投影レンズの歪み特性を含む、プロジェクタの光学歪み特性に基づいて変調される。このようにして像ビームを折り返し、プロジェクタの光学歪み特性に基づいて像ビームを変調することによって、その投影レンズは、従来の投影レンズに比べてよりコンパクトなサイズの折返し構造を有し、それにより、従来のデジタルプロジェクタに比べてよりコンパクトなデジタルプロジェクタが可能になる。

図１は、本発明による投影システム３０の一実施形態を示すブロック図である。投影システム３０は、照明源３２と、変調デバイス３４と、本発明の一実施形態による反射屈折レンズ３８を含む投影レンズ３６とを備える。

一実施形態では、照明源３２は、照明ビームを生成し、その照明ビームを、０度ではない入射角で且つ変調デバイス３４が一様に照明されるようにして、照明光路４２に沿って変調デバイス３４まで導く。照明源３２は、単色照明ビーム又は多色照明ビームを提供する水銀超高圧、キセノン、メタルハライド又は他の適当なプロジェクタランプを含むことができる。一実施形態では、照明源３２は、別個の光成分（たとえば、赤色、緑色及び青色）を提供するように構成される発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。照明源３２は、たとえば、プリズムを基にする構造、及び視野レンズを基にする構造のような、当業者に広く知られている任意のタイプの構造を含むことができる。

一実施形態では、変調デバイス３４が、像信号４４に基づいて照明ビームを変調して像ビームを形成し、その像ビームは、第１の光軸４６を有する第１の投影光路に沿って投影レンズ３６に導かれる。変調デバイス３４は、透過型変調器（たとえば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ））、デジタル光処理（ＤＬＰ）型変調器（たとえば、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ））、又は像信号４４に基づいて、照明ビームの選択された部分を透過又は反射する他の適当なＳＬＭのような少なくとも１つのＳＬＭを含む。一実施形態では、照明源３２は照明ビームを提供し、その照明ビームを照明光路４２に沿って別個の照明成分（たとえば、赤色、緑色及び青色）に分離し、変調デバイス３４は、対応する照明成分を受光及び変調するように配置される別個のＳＬＭ３４ａ、３４ｂ及び３４ｃを含む。

一実施形態では、以下でさらに詳細に説明されるように、反射屈折レンズ３８は、少なくとも第１の屈折面及び反射性の最終面を含む。反射屈折レンズ３８は、第１の反射表面への第１の投影光路の光軸４６に沿って、第１の屈折面において像ビームを受光し、第１の屈折面による屈折及び反射性の最終面による反射を通じて、像ビームを折り返し、第２の光軸５０を有する第２の投影光路に沿って射出ひとみ４８へと導く。

一実施形態では、反射屈折レンズ３８は像ビームを折り返し、このことによって、第１の光軸４６と第２の光軸５０との間の折返し角（θ）５２が所望の角度範囲内に入る。例示的な一実施形態では、所望の角度範囲は、約１０度から約１２０度にまで及ぶ。例示されるように、射出ひとみ４８は、変調デバイス３４及び反射屈折レンズ３８によって画定される平面内に配置されるように見えるが、折返し角５２が複合折返し角を含むように、そのような平面の外側に（たとえば、図１が描かれている紙面に出入りするように）配置することもできる。

一実施形態では、図１において破線で示されるように、投影レンズ３６はさらに視野レンズ４０を含む。視野レンズ４０は、射出ひとみ４８の近くに配置され、第２の投影光路の光軸５０に沿って像ビームを受光すると共に、その像ビームを投影光路５４に沿って、たとえば投影スクリーンのような投影面５６に投影するように構成される。一実施形態では、反射屈折レンズ３８は、射出ひとみ４８の平面５８が変調デバイス３４の変調面６０と概ね一致するように構成される。投影レンズ３６が、視野レンズ４０のような視野レンズを利用しないとき、反射屈折レンズ３８は、第２の投影光路の光軸５０に沿って、像ビームを導き、投影面５６に直に投影するように構成することができることに留意されたい。

一実施形態では、投影レンズ３６は、変調デバイス３４の像（すなわち、像ビーム）を拡大すると共に、視認用の投影面５６上に中継するように構成される。投影レンズ３６は、大きくなって（すなわち拡大されて）はいるが、投影面５６上に変調デバイス３４の像と全く同じ像を形成することが理想的である。しかしながら、投影レンズ３６によって投影面５６上に投影される実際の像は、全く同じ像からずれることがある。投影される像が理想的な像からずれることは、レンズ収差と呼ばれる。当業者には既知であるように、レンズ収差は、たとえば、像面湾曲、色収差、コマ収差、球面収差、歪み（たとえば、樽形歪み、及び針差し形歪み）、及び横色収差を含む。一実施形態では、投影レンズ３６の歪み及び横色収差の特性は、投影レンズ３６の収差プロファイルと呼ばれる。

一実施形態では、投影レンズ３６は、既知の収差プロファイルで、高品質の解像度又は変調伝達関数（ＭＴＦ）を与えるように構成される。１つの例示的な実施形態では、投影レンズ３６の収差プロファイルは、製造時に実験により求められる。その場合に、一実施形態では、投影レンズ３６の収差プロファイルに基づいて像信号４４がアルゴリズムに従って調整されるか、又は「予め歪められ」て、歪みが相殺又は予め補正され、このことによって、そのようにしなければ投影レンズ３６によって導入される歪み及び横色収差が、投影面５６上に表示されるような投影像から大幅に低減され且つ／又は概ね除去されるようにする。

像信号４４を予め処理し、像データを予め補正して、既知の歪み及び横色収差の特性を補償するか又は相殺することによって、投影レンズ３６の要求される歪み及び横色収差の許容範囲を緩和することができる。結果として、投影レンズ３６を、従来の投影レンズに比べて複雑にしなくて済むので、費用を削減し、従来の投影レンズに比べてよりコンパクトなレンズ構造を可能にすることができる。そのようなコンパクトなレンズ構造の一例は、図１を参照して先に説明され、図２〜図４を参照して以下にさらに詳細に説明されるような、反射屈折レンズ３８を利用する折返し構造を含む。

図２は、図１の投影システム３０の一部の一実施形態を示すと共に、本発明による投影レンズ１３６の一実施形態を示す概略図である。一実施形態では、投影レンズ１３６は、反射屈折レンズ１３８及び視野レンズ１４０を含む。図２の実施形態において示されるように、変調デバイス３４が、像信号４４に基づいて、照明ビームを第１の光軸１４６に沿って反射屈折レンズ１３８に提供する。先に説明されたように、像信号４４は、投影レンズ１３６の収差プロファイルに基づいて調整される。

一実施形態では、反射屈折レンズ１３８は、屈折性の前面１７０と、反射面になるように反射性材料１７４でコーティングされる後面１７２とを含む。一実施形態では、反射屈折レンズ１７２は両凸レンズを含み、前面１７０及び後面１７２の形状がいずれも非球面である。一実施形態では、反射屈折レンズ１３８は、光軸１４６を中心に配置され、像ビームを前面１７０において受光し、それにより、前面１７０が像ビームを屈折させて、後面１７２が像ビームを反射し、前面１７０が再び像ビームを屈折させて、第２の光軸１５０を有する第２の照明光路に沿って、像ビームがひとみ面１５８にある射出ひとみ１４８まで導き、このことによって、第１の光軸１４６と第２の光軸１５０との間の折返し角（θ）１５２が所望の範囲内に入る。

一実施形態では、視野レンズ１４０が、射出ひとみ１４８の近くに配置されており、屈折面１７６及び屈折面１７８を含む。一実施形態では、視野レンズ１４０は、負のメニスカス型レンズを含み、屈折面１７６の形状は非球面の凹形であり、屈折面１７８の形状は非球面の凸形である。一実施形態では、視野レンズ１４０は、像ビームを第２の投影光路の光軸１５０に沿って受光すると共に、その像ビームを投影光路１５４に沿って、視認用の投影面５６に投影するように構成される。一実施形態では、視野レンズ１４０は、反射屈折レンズ１３８に比べて低い倍率を有し、主に、投影レンズ１３６の収差を補正するように構成される。

図２の実施形態に示されるように、反射屈折レンズ１３８は、ひとみ面１５８が変調デバイス３４の変調面６０と概ね一致するように構成され、それによって、視野レンズ１４０と変調デバイス３４との間にコンパクトな間隔を与える。しかしながら、反射屈折レンズ１３８はそのように構成される必要はなく、したがって、射出ひとみ１４８を所望のようにどの場所にも配置することができる。

図２の実施形態では、形状が非球面及び両凸として示されるが、反射屈折レンズ１３８は、たとえば、対称、非対称（たとえば、楔形、図４を参照されたい）、球面、非球面（たとえば、楕円、放物線の等）のような、任意の数の形状及び構成を含むことができる。さらに、単一の屈折面１７０を有する単一のレンズ素子を含むように示されるが、反射屈折レンズ１３８は、反射面１７２と変調面６０との間に配置される、複数の屈折面を有する複数のレンズ素子（たとえば、多数の接合レンズ素子）を含むことができる。同様に、視野レンズ１４０は、任意の数の形状及び構成を含むことができ、複数のレンズ及び／又はミラーを含むことができる。

図３は、本発明による投影レンズ２３６の一実施形態を示す概略図である。一実施形態では、投影レンズ２３６は、反射屈折レンズ２３８及び視野レンズ２４０を含む。一実施形態では、反射屈折レンズ２３８は、第１の光軸２４６を有する投影光路に沿って、対応する入射ひとみ２６０から像ビームを受光する。像ビームは、変調デバイス（図１の変調デバイス３４等）から入射ひとみ２６０に送られており、変調デバイスは、投影レンズ２３６の対応する収差プロファイルに基づいて調整される像信号に基づいて像ビームを生成する。

一実施形態では、反射屈折レンズ２３８は、屈折性の前面２７０と、反射面になるように反射性材料２７４でコーティングされる後面２７２とを含む。一実施形態では、前面２７０及び後面２７２の形状はいずれも凸形である。一実施形態では、反射屈折レンズ２３８は、第１の光軸２４６の中心から外れて、すなわち軸外に配置されるように構成される。反射屈折レンズ２３８は、前面２７０において像ビームを受光し、それにより、前面２７０が像ビームを屈折させて、後面２７２が像ビームを反射し、前面２７０が再び像ビームを屈折させて、第２の光軸２５０を有する第２の照明光路に沿って、像ビームがひとみ面２５８にある射出ひとみ２４８まで導かれ、このことによって、第１の光軸２４６と第２の光軸２５０との間の折返し角（θ）２５２が所望の範囲内に入るように、ようにする。

一実施形態では、視野レンズ２４０は、射出ひとみ２４８の近くに配置されており、屈折面２７６及び屈折面２７８を含む。視野レンズ２４０は、光軸２５０に沿って像ビームを受光すると共に、その像ビームを投影光路２５４に沿って投影面５６に投影するように構成される。一実施形態では、視野レンズ２４０は、非対称なレンズを含み、投影レンズ２３６の構造をさらにコンパクトにするために、光軸に対して非対称になるように面取り、又は「切断」されている。

図４は、投影レンズ２３６の別の実施形態を示す概略図である。投影レンズ２３６’は投影レンズ２３６に類似であり、反射屈折レンズ２３８’及び視野レンズ２４０を含む。一実施形態では、図４に示されるように、反射屈折レンズ２３８’は、視野レンズ２４０に関して先に説明されたのと同じように面取りされ、反射屈折レンズ２３８’が非対称な「楔形」レンズを含むようになり、それにより、投影レンズ２３６の構造がさらにコンパクトになる。

図５は、本発明による、デジタルプロジェクタを動作させる方法３００の一実施形態を示すフローチャートである。方法３００は３０２で開始し、先に説明され且つ図１〜図４の実施形態によってそれぞれ示される投影レンズ３６、１３６、２３６、及び２３６’のような既知の収差プロファイルを有する投影レンズが配設される。

３０４では、たとえば、図１を参照しながら先に説明されたような照明源３２によって、照明ビームが提供される。３０６では、たとえば、投影レンズの収差プロファイルに基づいて、変調デバイス３４（図１及び図２）によって照明ビームが変調され、第１の光軸を有する第１の投影光路に沿って像ビームが提供される。

３０８では、第１の投影光路に沿った照明ビームが、図１〜図４の実施形態の反射屈折レンズ３８、１３８、２３８及び２３８’のような投影レンズによって、反射・屈折によって折り返されて、第２の光軸を有する第２の投影光路に沿って像ビームが導かれる。一実施形態では、第２の光軸は、第１の光軸との間で、所望の角度範囲内にある折返し角を形成し、一実施形態では、像ビームは、第２の投影光路に沿って、変調デバイスの変調面と概ね一致する光学ひとみを形成する。例示的な一実施形態では、折返し角の所望の角度範囲は、約１０度〜約１２０度である。

好ましい実施形態を説明するために、本明細書において具体的な実施形態が図示及び説明されてきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、図示及び説明される具体的な実施形態の代わりに、多種多様な代替の且つ／又は等価な実施態様が用いられることができることは当業者には理解されよう。本発明が多種多様な実施形態において実施できることは、機械、電気機械、電気及びコンピュータに精通している者であれば容易に理解されよう。本願は、本明細書において説明される好ましい実施形態のあらゆる適応又は変更を包含することを意図している。それゆえ、本発明が、特許請求の範囲及びその均等物によってのみ限定されることが明白に意図されている。

本発明の一実施形態による投影システムを示すブロック図である。本発明による投影レンズの例示的な一実施形態を示す概略図である。本発明による投影レンズの例示的な一実施形態を示す概略図である。本発明による投影レンズの例示的な一実施形態を示す概略図である。本発明による、プロジェクタを動作させる方法の一実施形態を示すフローチャートである。

Claims

照明ビーム（４２）を提供する照明源（３２）と、
像信号（４４）に基づいて前記照明ビームを変調すると共に、像ビームを形成するように構成される変調器（３４）と、
収差プロファイルを有すると共に、反射屈折レンズ（３８／１３８／２３８／２３８’）を含む投影レンズ（３６／１３６／２３６／２３６’）とを備え、
前記像信号は、前記投影レンズの前記収差プロファイルに基づいて調整され、前記反射屈折レンズは、前記像ビームを第１の光軸（４６／１４６／２４６）に沿って受光すると共に、前記第１の光軸と第２の光軸（５０／１５０／２５０）との間の折返し角（５２／１５２／２５２）が所望の範囲内に入るように前記像ビームを折り返して、前記第２の光軸に沿って導くように構成されることを特徴とする投影システム（３０）。
前記折返し角の前記所望の範囲は、約１０度から約１２０度であることを特徴とする請求項１に記載の投影システム。
前記折返し角は複合折返し角を含むことを特徴とする請求項１に記載の投影システム。
前記反射屈折レンズは、概ね前記第１の光軸及び前記第２の光軸を中心にして配置されることを特徴とする請求項１に記載の投影システム。
前記反射屈折レンズは、前記第１の光軸及び前記第２の光軸に対して軸外に配置されることを特徴とする請求項１に記載の投影システム。
前記反射屈折レンズは、前記像ビームを、前記第２の光軸に沿って射出ひとみ（４８）まで導くように構成され、前記射出ひとみの平面（５８）は、前記変調器の変調面（６０）と概ね一致することを特徴とする請求項１に記載の投影システム。
前記反射屈折レンズは、第１の屈折面（１７０／２７０）と、反射性材料（１７４／２７４）でコーティングされる第２の表面（１７２／２７２）とを有する単一のレンズ素子（１３８／２３８／２３８’）を含むことを特徴とする請求項１に記載の投影システム。
前記投影レンズは、前記第２の光軸に沿って配置される視野レンズ（４０／１４０／２４０）をさらに含み、前記視野レンズは、前記像ビームを受光すると共に、前記像ビームを第３の光軸（５４／１５４／２５４）に沿って、視認用の投影面（５６）に投影するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の投影システム。
収差プロファイルを有すると共に、反射屈折レンズ（３８、１３８、２３８、２３８’）を含む投影レンズ（３６／１３６／２３６／２３６’）を配設すること（３０２）、
前記投影レンズの前記収差プロファイルに基づいて照明ビーム（４２）を変調すると共に、第１の光軸（４６／１４６／２４６）を有する第１の投影光路に沿って像ビームを形成すること（３０４／３０６）と、
前記反射屈折レンズを用いて前記像ビームを折り返すと共に、前記像ビームを第２の光軸（５０／１５０／２５０）を有する第２の投影光路に沿って導くこと（３０８）とを含み、
前記第２の光軸は、前記第１の光軸との間で、所望の角度範囲内にある折返し角（５２／１５２／２５２）を形成することを特徴とする、投影システム（３０）を動作させる方法（３００）方法。
前記像ビームを折り返すことは、前記像ビームを、前記第２の光軸に沿って、射出ひとみ（４８）まで導くことを含み、
前記射出ひとみは、変調面（６０）と概ね一致する平面（５８）内に位置することを特徴とする請求項９に記載の方法。