JP2583397B2 - カラー映像の投写装置およびその装置に用いられる変換用光学システム - Google Patents

カラー映像の投写装置およびその装置に用いられる変換用光学システム

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    • H04N9/3141—Constructional details thereof

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は複数の画素から構成され
る映像をスクリーン上へ投写する投写装置に関するもの
であり、本発明の投写装置は、光線を発するとともに光
度の調整が可能な少なくとも１つの光源、およびスクリ
ーン上の画素を照射する光線の偏向を行う偏向器を有す
る。さらに、本発明は前記投写装置に用いる変換用光学
システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】映像をディスプレイ上に直接形成する各
種の方法および装置が知られている。装置の一例として
は、標準的なテレビ受像管，液晶ディスプレイ，プラズ
マ・ディスプレイおよび強磁性体ディスプレイなどがあ
る。しかし、技術的な問題により、これらの表示装置の
画像の大きさには制限がある。標準的なテレビ受像管の
場合、画面の対角線の長さは最大でも約１ｍである。現
在の技術水準では、このようなテレビ受像管の重量およ
び奥行きは、それぞれ約６０ｋｇおよび約０．８ｍに達
する。しかし、映画館における画像アングルと同じ画像
アングルを視聴者に提供するために１．５ｍ以上の画像
の対角線の長さを必要とする最近の高品位テレビ等の標
準に対し、一般的なテレビ受像管が達成し得る画像の対
角線の長さは約１ｍと短い。また、液晶ディスプレイ，
プラズマ・ディスプレイおよび強磁性体ディスプレイは
比較的小さな画像を形成することが可能なだけである。
【０００３】画像の大きさに関する問題を解決する方法
としては、プロジェクタを介してテレビの原画像を投写
面に拡大して投写する方法が存在する。原画像を形成す
る方法の１つとしては液晶表示マトリックスがある。ま
たカラーテレビの場合には、非常に明るく小さなカラー
テレビ用受像管を使用することにより投写用の原画像を
形成することが可能である。カラーテレビ用受像管を用
いた原画像形成の場合、１色につき１つの受像管が用い
られる。
【０００４】プロジェクタおよびスクリーンの間の距離
と形成可能な画像サイズには一定の関係が存在する。し
かし、光源には出力上の制限があるうえ、光学システム
の製造に要する費用の問題などから、プロジェクタをス
クリーンの近傍に配置する必要がある。このため、従来
のプロジェクタの能力では映画館におけるプロジェクタ
およびスクリーンの間の距離を橋渡しすることは難し
い。
【０００５】前記のテレビ画像のプロジェクタ以外に
も、カラー映像を形成する光源としてレーザを用いた投
写装置がある。この一例としてはフンクシャウ（Ｆｕｎ
ｋｓｃｈａｕ）の１９７０年版の第４巻の９６ぺージに
記載されている装置および欧州特許公開第００８４４３
４号に開示されている装置が挙げられる。これらの装置
では、３色のレーザ光の光度を光変調器を介して変調
し、変調された３色のレーザ光を鏡を介して１つの光束
に束ねられる。１つの光束に束ねられたレーザ光は鏡に
より機械的に偏向され、スクリーン上へ投写される。
【０００６】光源にレーザを用いた別の方法がドイツ特
許公開第３１５２０２０号に開示されている。この装置
では、それぞれ異なる色を有する複数の光束は１つに束
ねられることなく分離したままレンズシステムを介して
鏡に照射される。鏡に照射された光束は鏡によって反射
されスクリーン上へ照射される。この装置に使用される
鏡は表面に研磨を施した小さな凹面鏡であり、色の異な
る各光束を偏向し、スクリーン上の１つの画素に各光束
をフォーカスする。この投写装置には鏡の複雑な形状に
起因する問題がある。鏡の形状が複雑なために製造が難
しいうえ、投写装置の光源およびレンズシステムの入念
な調整を必要とする。 レーザを用いた前記の装置の場
合、光の偏向は機械的に行われる。従来の多面鏡を用い
て必要な線数を確保し、十分な速さの偏向を行うために
は従来の偏向器が達成し得る偏向角度は不十分なもので
ある。このため奥行きの短いテレビ装置の実現には難点
がある。さらに、幾何学的な問題により、画像の隅ほど
画像に歪みが生じるといった問題がある。この画像の歪
みはタンジェント・エラーと呼ばれ、多面鏡を介した光
線の角偏向により発生する。光線の角偏向は時間的に均
一なため、スクリーン上における不規則な走査の原因と
なる。
【０００７】画像の歪みまたは画像の誤差は、原理的に
は光線を小さな偏向範囲で偏向することにより減少させ
ることが可能である。この原理を用いた一例としては、
光ファイバーの束を介して画像を拡大する方法が挙げら
れる。しかし、光ファイバーの製造業者は映像が高密度
であることに起因する多くの問題を抱えている。また、
光ファイバーを用いた光学システムを実際の販売に見合
うほど経済的に生産できるか否かといった疑問も残る。
【０００８】“光学システムによるｆ（θ）の直線化”
と呼ばれる技術が印刷技術の分野に存在する。この技術
にはタンジェント・エラーを補正するための多くの可能
性が含まれている。この技術の一例としては、１９９０
年にフュルスブッシュ社（Ｖｅｒｌａｇ Ｈｕｅｌｓｂ
ｕｓｃｈ）から出版されたヴェルナー・フュルスブッシ
ュ（Ｗｅｒｎｅｒ Ｈｕｅｌｓｂｕｓｃｈ）著作による
“印刷業界におけるレーザー（Ｄｅｒ ｌａｓｅｒ ｉ
ｎ ｄｅｒ Ｄｒｕｃｋｉｎｄｕｓｔｒｉｅ）”と称す
る書籍の２５２，２５７，２６１，４３１，４４３，４
７３および４８５ページに記載がある。しかし、この書
籍に開示されている光学システムには以下に挙げる２つ
の大きな問題点があり、カラー映像を投写する投写装置
への使用には問題がある。 １．印刷業界で確立された前記の技術は単色光源の場合
にのみ有効な技術であり、色の歪みを考慮する必要のな
い技術である。しかし、カラー映像の投写装置では、幾
何光学的誤差および偏向器により生じる像面の湾曲収差
の補正に加え、色の補正も必要とされる。 ２．前記の技術を用いた光学システムは機械的な偏向に
起因する幾何学的な画像の誤差を補正することを主目的
としてデザインされており、偏向角度を増加できないと
いった問題がある。従って、これらの光学システムを用
いて更に大きな画像を形成するためには、装置全体の奥
行きを長くする必要が生じる。しかし、奥行きの長い装
置はテレビ業界では好ましくないうえ、実用向きではな
い。従って、前記の印刷技術に基づく光学システムは単
色レーザ光を用いた場合の偏向器に起因するシステム上
の誤差を補正することしかできない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従来の光学システムは
偏向角度を変更して画像サイズを変えることができない
ため、光源からスクリーンまでの光の伝搬距離を短縮す
る一方で、大きな画像サイズを達成するには問題があ
る。本発明の目的は画像サイズが大きく、均一な輝度を
有する一方、幾何学的な歪みおよび色の歪みを抑えたカ
ラー画像の形成が可能であるとともに、装置全体の奥行
きを短くした投写装置およびその装置に使用する変換用
光学システムを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、偏向器およびスクリーンの間
に少なくとも２つの光学ステージを有する変換用光学シ
ステムを配置するとともに、変換用光学システムおよび
スクリーンの間に視野レンズを配置する。
【００１１】
【作用】変換用光学システムにより、変換用光学システ
ムから出射する光線の出射角度が変換用光学システムに
入射する光線の入射角度より大きくなる。また、変換用
光学システムにより画像の幾何学的歪みおよび色の歪み
が補正される。さらに変換用光学システムおよびスクリ
ーンの間に配置された視野レンズにより視野レンズより
出射する光線が平行光線となる。
【００１２】
【実施例】次に本発明を図面とともに詳述する。図に示
される実施例に基づく装置はカラー映像を投写するため
のものであるが、単色の映像を投写するために用いるこ
とも可能である。
【００１３】図1 に示されるカラーテレビ映像の投写装
置では、各画素の色は対応する色相および輝度を表す色
信号に基づいて形成された３原色から形成されている。
図１に示す投写装置では、平行な光束１２，２２，３２
をそれぞれ照射する３つの光源１０，２０，３０は色相
および輝度の制御を行うことが可能である。このような
投写装置の光源としては特にレーザが適している。しか
し、レーザ以外にも発光ダイオード等の光源を投写装置
の光源として用いることが可能である。発光ダイオード
を光源として用いる場合は、発光ダイオードから発せら
れた光線を光学システムを介し平行な光束へ変換する。
例えば、発光ダイオードを焦点上に配置して光学システ
ムを形成することができる。
【００１４】投写装置は光線を抑制するために絞りを備
えた構成とすることができる。また、光源における光度
を調整するために発光ダイオードに加わる電圧を変化さ
せることが可能である。そして、光源に使用する発光ダ
イオードとしては発光部分が点に近いものほど有利と言
える。
【００１５】図１に示す実施例では、希ガスレーザが光
源１０，２０，３０として使用されている。しかし、画
像を形成するために十分な速度でレーザの光度を変更で
きないため、変調器を用いて光度の調整を行う。これ
は、光源１０，２０，３０からの光線の出力を一定に保
つ一方で、変調器１４，２４，３４を投写装置に加える
ことにより光度の調整が行われる。変調器に用いる結晶
としては当業者に周知のＤＫＤＰ結晶が特に適してい
る。
【００１６】各光束１２，２２，３２はそれぞれダイク
ロイックミラー１６，２６，３６を介し一本の光束４０
へ束ねられる。光束４０はカラー映像投写装置の全ての
光束を一本に束ねたものであり、各光路を通り投写装置
の中を伝搬される。
【００１７】偏向器は画像形成に用いられる。テレビ画
像上の各画素を偏向器を介し順次形成することが可能で
ある。光束４０は偏向器を介しスクリーン５４上へ直接
偏向することができる。しかし、投写装置を配置する空
間が狭いために光源およびスクリーンの間を光学的に直
線で結ぶことができない場合は、さらに別の投写装置の
提供が可能である。この場合、光束４０を偏向または屈
折することにより投写装置の小型化を計る。この際の光
束４０の偏向方法の一例としては図１に示すように、鏡
４２を用いて光束４０を偏向器に向けて反射する方法が
挙げられる。
【００１８】図１に示す実施例の偏向器は多面鏡４４お
よびスイベル鏡４６を有する。多面鏡４４は連続的に回
動し、光束４０は連続する多面鏡の表面により各線ごと
に偏向される。以下、多面鏡４４による光線の偏向方向
をＸ方向と称する。スイベル鏡４６は画像走査を行うた
めに軸４８を中心として前後に回動可能である。以下、
スイベル鏡４６による光線の偏向方向をＹ方向と称す
る。スイベル鏡４６の回動および同調のために当業者に
とって自明な電気装置が用いられる。
【００１９】光束４０はＸおよびＹ方向へ偏向された
後、変換用光学システム５０内を案内される。変換用光
学システム５０の働きについては後述する。図１に示す
実施例を理解するうえで重要な事実は変換用光学システ
ム５０により偏向角度が増加し、この偏向角度の増加に
伴ってテレビ画像が拡大されるということである。変換
用光学システム５０に対する偏向器の配置位置は従来の
光学の分野では入射瞳と称される位置である。変換用光
学システム５０は像を入射瞳と共役関係にある射出瞳の
位置に形成する。
【００２０】変換用光学システム５０から出射した光束
４０はフレネル・レンズ５２へ照射される。次いで光束
４０はスクリーン５４上へ照射され、矢印の方向に沿っ
て視聴者によって映像の画素として視認される。
【００２１】原理的には、スクリーン５４が光をあらゆ
る方向へ散乱することが可能な磨りガラス製スクリーン
である場合、テレビ画像を直接スクリーン５４上に投写
することが可能である。しかし、磨りガラス製スクリー
ンを用いても磨りガラス製スクリーンから視聴者に向か
って出射する光の光度は、光線がスクリーンへ入射する
角度により大きく影響される。このためテレビ画面が大
きいほど、スクリーンの隅における画像の輝度はスクリ
ーンの中心部における画像の輝度より低くなる傾向にあ
る。光源１０，２０，３０における光度を変化させるこ
とによりスクリーン上の異なる輝度を均一にすることが
可能である。しかし、これより有利な方法がある。本発
明の実施例では視野レンズとしてフレネル・レンズ５２
を用いているが、視野レンズは変換用光学システム５０
から視聴者の位置する方向に向かって異なる角度で出射
する光線を平行にすることが可能である。レンズ光学上
の法則に基づき、変換用光学システム５０の射出瞳の位
置にフレネル・レンズ５２の焦点が位置する時、光線は
矢印の方向に向かって平行に出射する。
【００２２】変換用光学システム５０の射出瞳がフレネ
ル・レンズ５２の焦点から焦点距離の±２０％の範囲内
の距離に位置する場合でも、好ましい偏向特性が得られ
ることが図１に基ずく実施例において確認されている。
【００２３】通常、フレネル・レンズの片面は、厚みの
あるレンズの結像特性に近い結像特性を得るために輪帯
を積み重ねた構造となっており、他方の面は平面となっ
ている。フレネル・レンズ５２の質を更に高めるため
に、輪帯を積み重ねた構造をレンズの両面に形成するこ
とが可能である。しかし、フレネル・レンズ５２の片面
のみを輪帯を積み重ねた構造とし、他方の面を平面とし
た場合でも、図１に示す実施例において十分な効果が得
られることが確認されている。フレネル・レンズ５２の
輪帯を積み重ねた構造を有する面はスクリーン５４と対
向しており、フレネル・レンズ５２の平面側は変換用光
学システム５０と対向している。この構成により投写装
置全体の奥行きを縮めることが可能となる。
【００２４】図１に示す実施例では多面鏡４４およびス
イベル鏡４６を電気機械的に動かすことにより光線の偏
向が行われる。しかし、これには２つの問題がある。第
１に多面鏡４４を介したＸ方向への光束４０の偏向はス
イベル鏡４６を介したＹ方向への偏向とは異なる位置に
おいて行われる点である。すなわち、Ｘ方向への偏向の
回転中心は多面鏡４４内に存在する。スイベル鏡４６に
よる偏向では、変換用光学システム５０およびフレネル
・レンズ５２による影響を受ける画像形成の虚像点は図
１に示す点Ｐ上に位置する。そして、Ｙ方向への偏向は
軸４８を中心としたスイベル鏡４６の回動により影響さ
れる。従って、本発明に基づく投写装置におけるテレビ
画像の偏向点は１つでないことになる。変換用光学シス
テムを用いることなく投写を行う場合などにおいて、一
般的に点Ｐから軸４８までの距離が点Ｐからスクリーン
５４までの距離と比べて非常に短い時には、これは大き
な問題ではない。しかし、Ｘ，Ｙ方向への偏向にはそれ
ぞれ異なる入射瞳が存在するため、変換用光学システム
をデザインする際は異なる点における偏向を考慮する必
要がある。すなわち、入射瞳の位置を無視して画像形成
ができるよう変換用光学システム５０をデザインしなけ
ればならない。
【００２５】テレビ映像投写装置において考慮しなけれ
ばならない第２の問題は回動する鏡を介した画像形成が
非直線状となることに関する。一定の角速度を伴い回転
する鏡の場合、偏向角度θを伴う偏向Ｘおよび装置の光
軸の間には数１の式の関係が存在する。このため、スク
リーン５４上における偏向Ｘは一定とはならない。なお
数１において、Ｌは偏向点Ｐからスクリーン５４までの
距離を示す。
【００２６】
【数１】Ｘ＝Ｌ・ｔａｎθ 変換用光学システム５０の働きについては後述する。
【００２７】偏向角度θが小さい間は、ｔａｎθの値は
ほぼ直線状に延びる。ところが、偏向Ｘの変化量は数２
の式によって求められる値となる。
【００２８】
【数２】｜Δｘ｜＝Ｌ・Δθ／ｃｏｓ2 θ この式によれば、θ＝０度の際の変化量Δｘはθ＝４５
度の際の変化量の約半分の値となる。
【００２９】この数式は予測される影響の大きさを示し
ている。これについては、偏向点および一定の画像サイ
ズに保たれたスクリーン５４の間の距離Ｌを非常に長く
することにより偏向角度θが非常に小さくなり、ほぼ直
線領域内に収まることにより補正が行われる。しかし、
本発明に基づく投写装置をリビングルームなどの限られ
た空間領域内に収める場合など、実際の使用では偏向点
およびスクリーンの間の距離を長く設定することができ
ないため、補正の範囲に限界が生じる。
【００３０】本発明はこの問題を解決するために、前記
の画像に関する誤差を広範囲に渡って補正する変換用光
学システム５０を提供する。図１の投写装置では、偏向
角度θは変換用光学システムの入射瞳における光線の入
射角度と一致する。以下、この関係に基づき入射角度を
θと称して説明する。
【００３１】入射側における光束の入射角度θを出射瞳
から出射する光束の出射角度θX へと変換する光学シス
テムが存在する。ここでθX は射出瞳から出射する光束
の光軸に対する出射角度を示す。
【００３２】歪みの無い像を形成するためには数３の式
を満たす必要がある。この式において、Ｋはレンズシス
テムの定数である。また、この数式はタンジェント・コ
ンディションと呼ばれる。
【００３３】
【数３】ｔａｎθX = Ｋ・ｔａｎθ タンジェント・コンディションを満たす変換用光学シス
テム５０を介する場合において、偏向器およびスクリー
ン５４の間の光束４０の偏向Ｘは数４の式によって表さ
れる。
【００３４】
【数４】Ｘ＝Ｌ・ｔａｎθX タンジェント・コンディションを数４の式に算入するこ
とにより数５の式が導き出される。
【００３５】
【数５】Ｘ＝Ｌ・Ｋ・ｔａｎθ Ｋ≫１の際に、最大偏向Ｘにおける偏向範囲（角度θ）
を減少させることが可能となる。従ってθ→０の際に、
角度θのタンジェントが角度θとほぼ同じとなるため、
タンジェント・エラーを減少させることが可能である。
【００３６】しかし、タンジェント・エラーにより発生
した歪みはＫの値が無限大に近づいた時にのみ無くな
る。このため、２以上の比較的大きな数値をタンジェン
ト・コンディションを満たす変換用光学システム５０の
Ｋの値として選択する必要がある。しかし、実際には係
数Ｋが大きいほど更に有利といえる。図１に基づく実施
例では５に近い数値が変換用光学システム５０のＫの値
として用いられている。
【００３７】画像の誤差を最小限に抑えるために、変換
用光学システム５０では前記のタンジェント・コンディ
ションに基づき歪みが補正され、歪みが無くなる。この
ため、このような光学システムのデザインは殆どが当業
者にとって自明なコンピュータ・プログラムの助けを得
て行われる。
【００３８】図２は歪みの無い画像を形成するためにタ
ンジェント・コンディションに基づく補正を実施する変
換用光学システム５０の像形成の原理を示すものであ
る。この変換用光学システムのレンズシステムは２つの
両凸レンズ８０，８２から構成されている。像形成の原
理を示すために入射瞳６８は物体側焦点上に位置してい
る。２つの両凸レンズ８０，８２は両凸レンズ８２の物
体側焦点が、両凸レンズ８０の像側焦点と重なるよう互
いに離間した位置に配置されている。両凸レンズ８０の
像側焦点が両凸レンズ８２の物体側焦点と一致するた
め、光軸に沿って進む光束６４ａは両凸レンズ８０の像
側焦点にフォーカスされた後、両凸レンズ８２から平行
光線６４ｂとして出射する。第２の両凸レンズ８２の焦
点距離が両凸レンズ８０の焦点距離より短い場合、出射
する光束６４ｂの幅Ｂ２は入射光の光束６４ａの幅Ｂ１
より短くなる。この際、光束の幅はＦ２/ Ｆ１の係数の
分だけ減少する。ここでＦ１は第１の両凸レンズ８０の
焦点距離であり、Ｆ２は第２の両凸レンズ８２の焦点距
離である。
【００３９】同様な条件が光束６６ａに対しても適用さ
れる。光束６６ａは角度θを伴い第１の両凸レンズ８０
へ入射し焦点面上にフォーカスされ、第２の両凸レンズ
８２から平行光線６６ｂとして出射する。図２はタンジ
ェント・コンディションにおける定数が数６の式に示さ
れる焦点距離の比率となることを示している。
【００４０】
【数６】Ｋ＝Ｆ１/ Ｆ２ 図２に示されるレンズシステムでは入射瞳６８に入射し
た光束は入射角度θを伴って第１の両凸レンズ８０に入
射する。光束は両凸レンズ８０により屈折され、中間の
像平面ＺＢＥ上において光軸から遠位の位置にフォーカ
スされる。次いで光束は第２の両凸レンズ８２へ入射
し、角度θX を伴って両凸レンズ８２から出射する。
【００４１】図２は２つの光学ステージを用いた変換用
光学システムにおける基本的な物理的要因を示してい
る。ただし、図２は単色光または多色光に関する画像の
誤差については何も示していない。しかし、両凸レンズ
８０，８２をそれぞれ複数のレンズから構成される２つ
の光学レンズステージと置き換えた場合、従来の方法に
基づいて画像の誤差を補正することが可能である。図１
に基づく変換用光学システムでは、この像形成の原理が
単色光および多色光による画像の誤差を補正するために
適していることが確認されている。
【００４２】図３は図２に示す変換用光学システムに類
似した特性を示す別の変換用光学システムの実施例を示
すものである。図３に示す実施例では図２に示す両凸レ
ンズ８２を両凹レンズ８３と置き換えており、両凹レン
ズ８３の像側焦点は両凸レンズ８０の像側焦点と重な
る。この結果、図２に示す変換用光学システムのコンデ
ィションと同様のコンディションが図３に示す変換用光
学システムにも提供される。しかし、中間の像平面ＺＢ
Ｅ１は光の進行方向に沿って２つのレンズ８０，８３の
後方に位置しており、中間の像平面ＺＢＥ１上に結像さ
れる像は虚像だけとなる。光路６６ａ，６６ｂから明ら
かなように、光軸に対する光束の出射角度は入射角度と
比べて大きくなる。レンズ８０，８３を複数のレンズか
ら構成される光学ステージとそれぞれ置き換えた場合、
単色または多色からなる画像の誤差は各光学ステージあ
るいはレンズシステム全体を介して補正することが可能
である。
【００４３】図４は入射瞳１０４および射出瞳１０６を
有するレンズシステムを示す。図２の実施例における像
形成の原理をこのレンズシステムにも適用することが可
能である。このレンズシステムは２つの光学ステージ９
０，９２および中間の像平面９４を有する。図４に示す
ように第１の光学ステージ９０は物体側焦点９６および
像側焦点９８を有する。また、第２の光学ステージ９２
は物体側焦点１００および像側焦点１０２を有する。図
４に示す実施例では第１の光学ステージ９０は４２．８
８ｍｍの焦点距離を有し、第２の光学ステージ９２は
８．４２ｍｍの焦点距離を有する。
【００４４】入射瞳１０４は第１の光学ステージ９０の
物体側焦点９６から光源に向かって５ｍｍ離れた位置に
ある。そして図２に示す実施例のコンディションと同様
のコンディションが本実施例にも適用される。中間の像
平面９４は第１の光学ステージ９０の像側焦点９８上に
位置する。中間の像平面９４の配置位置は第２の光学ス
テージ９２の物体側焦点１００から僅か０．０８ｍｍ離
れているだけである。射出瞳１０６は第２の光学ステー
ジ９２の像側焦点１０２の近傍に位置する。
【００４５】図４は２つの光学ステージを有する光学シ
ステムの中を通過する２つの光束６４ａ，６６ａの光路
を示している。図２に既に示したように、第１の光学ス
テージ９０により光束６４ａ，６６ａは中間の像平面上
にフォーカスされる。この際、中間の像平面９４上にお
いて光束６６ａの入射角度に対応した位置に画素がフォ
ーカスされる。中間の像平面９４上にフォーカスされた
光束６６ａに対応する画素は第２の光学ステージ９２に
より偏向され投写面上に投写される。この際、光束の出
射角度は光束の入射角度より大きくなる。
【００４６】この実施例において、中間の像平面９４は
光の進行方向に沿って第１の光学ステージ９０の最後方
に位置するレンズの頂点および第２の光学ステージ９２
の最先に位置するレンズの頂点の間の空間上に位置す
る。第１の光学ステージ９０の像側焦点距離が２つの光
学ステージ９０，９２のどちらか一方の光学ステージの
レンズ本体（レンズの構成物）内に存在するように構成
された場合、レンズを形成する材料の不均一性またはレ
ンズの表面上の塵により中間の像平面ＺＢＥ上での鮮明
な像の形成が許容されなくなる。しかし、本実施例では
中間の像平面ＺＢＥは互いに離間した２つの光学ステー
ジ９０、９２の間の空間上に配置されており、このよう
な問題の発生を防ぐことができる。すなわち第２の光学
ステージ９２を介して図１に示されるスクリーン５４上
へ投写される中間の像平面ＺＢＥ上の像が不鮮明な像と
なることを防ぐことが可能である。
【００４７】図２の実施例と同様に図４の実施例でも、
ほぼ平行に出射する光束１０８は入射する光束６６ａよ
り狭い幅を有する。第１の光学ステージ９０の焦点距離
および第２の光学ステージ９２の焦点距離はそれぞれ４
２．８８ｍｍおよび８．４２ｍｍである。従って、タン
ジェント・コンディションにおける定数Ｋは５以上とな
る。これらの数値から明らかなように変換用光学システ
ムを介すことによりスクリーンからの距離を変換用光学
システムを介さない場合と比べ、同一の角度θに対して
おおよそ係数５の分だけ減少させることが可能である。
そして同時に、変換用光学システムに入射する光束に対
し、スクリーン上に投写される光束の幅を係数５の分だ
け改善することが可能である。
【００４８】図５は図４に示すレンズシステムを更に詳
細に示したものである。図５はさらに第１の光学ステー
ジ９０の物体側主平面Ｈ２および像側主平面Ｈ３、なら
びに第２の光学ステージ９２の物体側主平面Ｈ４および
像側主平面Ｈ５を示している。Ｈ１は変換用光学システ
ム５０全体としての物体側主平面を示している。
【００４９】しかし、ここでは主平面Ｈ１の位置を具体
的な数字で示していない。図６に示す変換用光学システ
ムを用いた実施例では主平面Ｈ１は第１の光学ステージ
の物体側主平面Ｈ２から数ｍ離れた位置に存在する。
【００５０】図５において、入射瞳１０４は第１の光学
ステージ９０の物体側焦点９６からあまり遠くない位置
に存在する。すなわち入射瞳１０４は第１の光学ステー
ジ９０の物体側焦点９６および変換用光学システム５０
全体としての主平面Ｈ１の間に位置する。従って、この
際のコンディションは図２に示す実施例のコンディショ
ンと同様なものになる。図２に示す像形成の原理を本実
施例に適用するために第１の光学ステージ９０の像側焦
点９８および第２の光学ステージ９２の物体側焦点１０
０の間の距離は短く、１ｍｍ以下となる。
【００５１】図５の符号１１１〜１３８は各レンズの表
面をそれぞれ示す。変換用光学システム５０の物理的寸
法は表１に示した通りである。表１においてＤは２つの
表面の間の距離（光軸上において計測されたもの）を示
しており、Ｎは屈折率を示す。そしてνは屈折率の平均
値および基本分散から求められるアッベ数を示す。屈折
率Ｎが１である一方、νが表示されていない部分はレン
ズ間の空間部分である。
【００５２】
【表１】
【００５３】図６は前記の変換用光学システム５０を備
えた図１の実施例の原理に基づく投写装置１４０を示
す。前記の構成に加えて、投写装置１４０は映像を形成
するための電気部品を含む装置１４２，１４４を有す
る。投写装置１４０の画面の対角線の長さは２００ｃｍ
である。投写装置１４０のスクリーン中心までの高さｈ
および奥行きはそれぞれ１．５ｍおよび６０ｃｍであ
る。スクリーンのサイズと比べた奥行きの短さは変換用
光学システム５０および鏡１４６によるものである。鏡
１４６は光線を屈折することにより偏向器からスクリー
ンまでの長い光の伝搬距離を提供する。変換用光学シス
テム５０は偏向器およびスクリーンの間の距離を係数５
の分だけ減少させる。すなわち、図６に示す実施例で変
換用光学システム５０を用いて得られた画像の大きさと
同程度の大きさの画像を変換用光学システム５０を用い
ることなく得るためには５ｍを越える光路が必要とされ
る。
【００５４】前記の寸法上の利点以外にも、評価に値す
るだけの成果を挙げられるかどうかは別問題として、図
２の実施例で示した方法により投写装置１４０のフォー
カスを改善することができるといった利点がある。これ
は従来のシステムでは達成できなかったことである。
【００５５】複数の変換用光学システム５０を互いに接
続して投写装置を更に改善することができる。この場
合、２つの光学ステージは互いの焦点距離に比例した分
だけタンジェント比に貢献することができる。また、各
変換用光学システム５０に２つ以上のステージを配置す
ることも可能である。なお、この場合の光学ステージの
数は偶数に限定する必要はない。
【００５６】本発明に基づく投写装置では、少なくとも
２つの光学ステージを有する変換用光学システムを偏向
器およびスクリーンの間に配置することにより偏向角度
を実質的に増加させることができる。また、本発明によ
り投写装置の奥行きを比較的短くすることが可能であ
る。画像の歪み以外にも画像に関するその他の誤差を異
なる光学ステージを用いて補正することが可能である。
例えば、変換用光学システムの１つのステージは偏向角
度の増大が可能であり、別のステージは画像の歪みに加
え、色の歪みを適切に補正することが可能である。
【００５７】従って、映像の大きな偏向（および大きな
画像サイズ）を本発明に基づき達成することが可能とな
る。これにより、投写装置の奥行きを短くすることが可
能となる。また、変換用光学システムにおける色の歪み
を２つの光学ステージにより適切に補正することもでき
る。これにより本発明の技術をカラーテレビ映像の投写
に用いることが可能である。例えば、本発明に基づく一
実施例では投写装置の奥行きが僅か６０ｃｍであり、こ
れに対するスクリーンの対角線の長さを２ｍとすること
が可能である。
【００５８】本発明に基づく投写装置の更なる展開で
は、視野レンズが変換用光学システムおよびスクリーン
の間の共通の光路上に配置される。そして、スクリーン
の隅から発せられる光線を含め、スクリーンから発せら
れる全ての光線は視聴者に向かって平行に進み、画像の
均一な輝度をスクリーン上で達成することが可能とな
る。
【００５９】本発明の別の利点は視野レンズとしてのフ
レネル・レンズの使用に関する。フレネル・レンズは凸
レンズ等と比べレンズの厚みが薄く、薄いプラスチック
から簡単に形成することが可能である。フレネル・レン
ズの使用により本発明に基づく投写装置全体の奥行きを
短くすることが可能となる。そして、フレネル・レンズ
の使用により他の視野レンズを用いた装置と比べ、装置
全体の重量をさらに減少させることが可能である。その
一方、フレネル・レンズを用いた投写装置の価格は他の
視野レンズを用いた投写装置より僅かに高いだけであ
る。
【００６０】本発明の更に別の展開では、変換用光学シ
ステムにより形成された像が光の進行方向に沿って偏向
器の後方の離れた位置に配置されたフレネル・レンズの
焦点上、またはフレネル・レンズの焦点から焦点距離の
±２０％の範囲内の位置に結像するようフレネル・レン
ズを配置する。これにより、変換用光学システムから異
なる方向に出射する光線がフレネル・レンズを介しスク
リーン面に対し垂直に照射される。これにより、簡単に
スクリーン全体を均一に照射することが可能となる。
【００６１】フレネル・レンズを目的に合わせて異なる
構造で提供することが可能である。片面が輪帯を積み重
ねた構造であるとともに、他方の面が平面をなすフレネ
ル・レンズには都合の良い点が数多くある。本発明の更
なる展開では、フレネル・レンズをレンズの平面側が変
換用光学システムに対向するよう配置する。これにより
フレネル・レンズをスクリーンに近接して配置すること
が可能である。そして、極端な場合にはフレネル・レン
ズをスクリーンと接触した状態に配置することも可能で
ある。このフレネル・レンズの構造上の特性は投写装置
全体の奥行きを短くするのに都合が良い。
【００６２】変換用光学システム全体としての物体側主
平面に関連した、本発明の別の好ましい構成としては、
偏向器を物体側主平面および光線の進行方向に沿って変
換用光学システムの物体側に位置する最先のレンズの頂
点の間に配置する。これにより、大きな画像の誤差を伴
うことなく光線の大きな偏向角度を得ることが可能とな
る。別の利点としては、この構成を備えた変換用光学シ
ステムから出射する光束は変換用光学システムに入射す
るレーザ光等の光束と比べ高いフォーカスを得られる点
である。
【００６３】さらに、本発明は本発明に基づく投写装置
に用いる変換用光学システムを提供する。本発明に基づ
く変換用光学システムは少なくとも２つの光学ステージ
を有する。第１の光学ステージにより中間の像平面が形
成される。中間の像平面上の像は光線の進行方向に沿っ
て第１の光学ステージの後方に位置する第２の光学ステ
ージ以降の光学ステージを介してスクリーン上に結像さ
れる。第１の光学ステージの後方に位置する第２の光学
ステージ以降の光学ステージに、結像のための更に別の
中間の像平面を形成することが可能である。ただし、本
発明に基づく最も簡単な実施例では、光学ステージの数
は２つである。２つだけの光学ステージでも幾何光学的
な誤差および色の歪みを補正する効果が十分であること
が確認されている。
【００６４】本発明に基づく変換用光学システムを用い
ることにより偏向器の偏向角度を大きく増加させること
が可能である。これに加え、変換用光学システムから出
射する光束は変換用光学システムに入射する光束より高
いフォーカスを得ることができる。
【００６５】本発明に基づく変換用光学システムは少な
くとも２つの光学ステージを有する。そして、光学ステ
ージの全てを正の屈折力を有するステージとするか、ま
たは光学ステージのうちの少なくとも１つを負の屈折力
を有するステージとして構成することが可能である。し
かし、光学ステージのうちの少なくとも１つを負の屈折
力を有するステージとする場合は、中間の像平面上に形
成される像が虚像となり得るようにしなければならな
い。本発明のさらに別の展開では、平行な入射光線の使
用において中間の像平面は第１の光学ステージの像側焦
点を有する。換言するならば、中間の像平面が第１の光
学ステージの焦点面と重なることが好ましい。従って、
平行な入射光線を用いた場合には、光束が第１の光学ス
テージの物体側において光軸と交わる点とは無関係に鮮
明な点を中間の像平面上に形成することができる。この
結果、中間の像平面からスクリーンまでの間に位置する
光学ステージを介して形成される像も同じように鮮明な
ものとなる。これと同時に、例えば変換用光学システム
へ入射する光線の光束が光軸上の一点に集束されること
なく光軸上の複数の点に向かって偏向されたとしても、
中間の像平面上およびスクリーン上に形成される像は鮮
明なものとなる。これは、映像の線に沿った方向および
画像の走査方向に沿った偏向を行うために互いに離間し
た複数の鏡により光束の偏向が機械的に行われた際に特
に有効である。従って本発明に基づく変換用光学システ
ムはこのような偏向システムに最も適するものである。
本発明に基づく変換用光学システムはレーザ・ビデオ・
システムなど平行な光束が物体側で形成されるシステム
に特に適する。
【００６６】本発明の更なる展開では、第２の光学ステ
ージの焦点距離は第１の光学ステージの焦点距離の半分
以下に限定される。この構成によりスクリーン上の画像
のサイズと比較して、投写装置の奥行きを大きく減少さ
せることが可能となる。
【００６７】さらに、第２の光学ステージの焦点距離は
第１の光学ステージの焦点距離の５分の１以下であるこ
とが特に好ましい。光学的な計算を単純化するために、
光学システムおよび光学ステージは一般的に物体側およ
び像側の両方に主平面および焦点をそれぞれ有する。本
発明のさらに別の展開では、変換用光学システム全体と
しての物体側主平面は光線の進行方向に沿って変換用光
学システムの最先に位置するレンズの頂点の外側に位置
する。そして、第１の光学ステージの物体側焦点は変換
用光学システムの物体側主平面および光線の進行方向に
沿って変換用光学システムの最先に位置するレンズの頂
点の間に位置する。これにより第１の光学ステージの物
体側焦点上またはその近傍に投写装置の偏向器を配置す
ることが可能となる。偏向器を焦点上またはその近くへ
配置することは中間の像平面におけるフォーカスおよび
第２の光学ステージ以降のステージを介してスクリーン
上に形成される画像の質を高めることにつながる。幾何
光学的な画像の誤差および色の歪みは第１の光学ステー
ジの物体側焦点を第１の光学ステージの物体側主平面お
よび光線の進行方向に沿って変換用光学システムの最先
に位置するレンズの頂点の間に配置することにより補正
することが可能である。
【００６８】本発明のさらに別の展開では、第１の光学
ステージおよび第２の光学ステージはそれぞれ複数のレ
ンズから構成されており、異なる種類の画像の誤差を的
確に補正することが可能である。さらに、複数のレンズ
から光学ステージを構成することにより、各主平面の位
置をある程度自由に変更することが可能となる。
【００６９】本発明に基づく変換用光学システムのさら
に別の展開では、変換用光学システムは１つ以上の中間
の像平面を各光学ステージ間に有する。そして各中間の
像平面は光線の進行方向に沿って１つの光学ステージの
最後方に位置するレンズの頂点およびその後方に配置さ
れた光学ステージの最先に位置するレンズの頂点の間に
位置する。これにより全ての中間の像平面はレンズ本体
の外側の空間上に位置することになる。従って、レンズ
の構成材料の不均一性等に起因する問題はスクリーンに
投写される画像の鮮明さに対し非常に僅かな影響を及ぼ
すのみとなる。
【００７０】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
画像サイズが大きく、均一な輝度を有する一方、幾何学
的な歪みおよび色の歪みを抑えたカラー画像の形成が可
能であるとともに、投写装置全体の奥行きが短くなると
いう優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に基づく投写装置の一実施例を示
す斜視図である。
【図２】図２は２つのステージからなる変換用光学シス
テムを示す側面図である。
【図３】図３は虚像を形成する中間の像平面とともに、
２つのステージを有する変換用光学システムを示す側面
図である。
【図４】図４は本発明に基づく変換用光学システムの実
施例を２つの光束の光路とともに示す側面図である。
【図５】図５は図４に示す変換用光学システムのレンズ
システムの構成を詳しく示す側面図である。
【図６】図６は本発明に基づく投写装置の実施例の構成
を示す側面図である。
【符号の説明】 １０〜３０…光源、４４…多面鏡、４６…スイベル鏡、
５０…変換用光学システム、５２…フレネル・レンズ、
５４…スクリーン、９０…第１の光学ステージ、９２…
第２の光学ステージ、９４…中間の像平面、９６…第１
の光学ステージの物体側焦点、１１１…変換用光学シス
テムの最先に位置するレンズの表面、１１８…第１の光
学ステージの最後方に位置するレンズの表面、１１９…
第２の光学ステージの最先に位置するレンズの表面。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クリストハルト データー ドイツ連邦共和国 デー−07546 ゲラ ブレームシュトラーセ 27 (72)発明者 クラウス ヒラー ドイツ連邦共和国 デー−07551 ゲラ アムフィッシャー 21 (72)発明者 ギュンター エルスター ドイツ連邦共和国 デー−89312 ギュ ンツブルク ブレンターノシュトラーセ ６ (72)発明者 ロルフ シュリューダー ドイツ連邦共和国 デー−07747 イエ ーナ−ロベーダ フリッツ−リッター− シュトラーセ 14 (72)発明者 ヴォルフガング ホルタ ドイツ連邦共和国 デー−07745 イエ ーナ−ヴィンツェルラ ブューゲホルト −シュトラーセ ８ (56)参考文献 特開 平３−88586（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−281（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−83511（ＪＰ，Ａ)

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光度の変更が可能であり光束を発する
    少なくとも１つの光源（１０，２０，３０）およびスク
    リーン（５４）上の画素を照射するために光束を偏向す
    る偏向器（４４，４６）により、複数の画素からなる映
    像をスクリーン（５４）上に投写する投写装置であっ
    て、 少なくとも２つの光学ステージを前記偏向器（４４，４
    ６）および前記スクリーン（５４）の間に備えるととも
    に、歪みを無くすためにタンジェント・コンディション
    に基づく補正が行われる変換用光学システム（５０）を
    有することを特徴とする投写装置。
  2. 【請求項２】 前記変換用光学システム（５０）および
    前記スクリーン（５４）の間に視野レンズを有すること
    を特徴とする請求項１に記載の投写装置。
  3. 【請求項３】 前記視野レンズがフレネル・レンズ（５
    ２）であることを特徴とする請求項２に記載の投写装
    置。
  4. 【請求項４】 前記変換用光学システム（５０）を介し
    て形成される像が前記偏向器（４４，４６）から離間し
    たフレネル・レンズ（５２）の焦点上に形成されるか、
    または前記像が前記フレネル・レンズ（５２）の焦点か
    らフレネル・レンズ（５２）の焦点距離の±２０％の範
    囲内の位置に形成されることを特徴とする請求項３に記
    載の投写装置。
  5. 【請求項５】 前記フレネル・レンズ（５２）が前記変
    換用光学システム（５０）と対向する平面を有すること
    を特徴とする請求項３または４に記載の投写装置。
  6. 【請求項６】 変換用光学システム（５０）全体として
    の物体側主平面（Ｈ１）を有する請求項１乃至５のいづ
    れか１項に記載の投写装置であって、 前記偏向器（４４，４６）が前記変換用光学システム
    （５０）全体としての物体側主平面（Ｈ１）および光線
    の進行方向に沿って前記変換用光学システム（５０）の
    物体側における最先のレンズの頂点（１１１）の間に配
    置されていることを特徴とする投写装置。
  7. 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の
    投写装置に使用する変換用光学システムであって、 第１の光学ステージ（９０）が光線の進行方向に沿って
    第１の光学ステージの後方に配置された第２の光学ステ
    ージ（９２）以降の光学ステージを介しスクリーン（５
    ４）上に結像される中間の像平面（９４）を形成するよ
    うに構成された少なくとも２つの光学ステージ（９０，
    ９２）を有することを特徴とする変換用光学システム。
  8. 【請求項８】 変換用光学システムへの入射光線が平行
    光線である場合に前記中間の像平面（９４）が第１の光
    学ステージ（９０）の像側焦点を有することを特徴とす
    る請求項７に記載の変換用光学システム。
  9. 【請求項９】 前記第２の光学ステージ（９２）が第１
    の光学ステージ（９０）の焦点距離の半分以下の焦点距
    離を有することを特徴とする請求項７または８に記載の
    変換用光学システム。
  10. 【請求項１０】 前記第２の光学ステージ（９２）が前
    記第１の光学ステージ（９０）の焦点距離の５分の１以
    下の焦点距離を有することを特徴とする請求項９に記載
    の変換用光学システム。
  11. 【請求項１１】 物体側主平面（Ｈ１）および第１の光
    学ステージ（９０）の物体側焦点（９６）を有する請求
    項７乃至１０のいずれか１項に記載の変換用光学システ
    ムであって、 変換用光学システム全体としての物体側主平面（Ｈ１）
    が光の進行方向に沿って変換用光学システムの最先に位
    置するレンズの頂点（１１１）の外側に位置すること
    と、 前記第１の光学ステージ（９０）の物体側焦点（９６）
    が前記物体側主平面（Ｈ１）および前記レンズの頂点
    （１１１）の間に位置することとを特徴とする変換用光
    学システム。
  12. 【請求項１２】 前記第１の光学ステージ（９０）およ
    び前記第２の光学ステージ（９２）が、それぞれ複数の
    レンズにより構成されていることを特徴とする請求項７
    乃至１１のいずれか１項に記載の変換用光学システム。
  13. 【請求項１３】 各光学ステージの間に中間の像平面を
    形成する請求項７乃至１２のいずれか１項に記載の変換
    用光学システムであって、 各中間の像平面（９４）が光線の進行方向に沿って１つ
    の光学ステージ（９０）の最後方に位置するレンズの頂
    点（１１８）および前記光学ステージ（９０）の直後に
    配置された光学ステージ（９２）の最先に位置するレン
    ズの頂点（１１９）の間に位置することを特徴とする変
    換用光学システム。
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