JP3229714U - 投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な歪み校正光学設計により正確な画像表示効果を有する投影装置を提供する。【解決手段】投影装置は、光源、ライトバルブ１２０及び光学レンズ１０を含む。投影光軸１６上に基準点Ｏ’を設定し、基準点から投影光軸上の投影像面までの距離をＲとし、光出射位置Ｅから基準点までの距離をＬとする。基準点が投影方向の前方にある場合、Ｌは正の値であり、後方にある場合、Ｌは負の値であり、且つ光学レンズは次の条件のいずれかを満たす。（１）０．２≦Ｌ／Ｒ＜１の場合、等積投影法を使用した光学レンズの球面結像誤差は１５％未満；（２）−０．２≦Ｌ／Ｒ＜０．２の場合、正距方位図法を使用した光学レンズの球面結像誤差は１５％未満；（３）−０．６≦Ｌ／Ｒ＜−０．２の場合、球面ステレオ投影法を使用した光学レンズの球面結像誤差は１５％未満。【選択図】図１１

Description

本考案は投影装置に関する。

近年、各種投影表示技術は日常生活において幅広く応用されている。一般的に、投影装置から球状の投影幕に投射された画像は歪みやすいので、如何に良好な歪み校正光学設計により正確な画像表示効果を提供するかが、投影表示分野の重要な課題である。

「背景技術」段落は本考案の内容の理解を補助するものであるので、「背景技術」段落に開示された内容は、本技術分野において通常知識を有しない者が理解している周知技術を含んでいる可能性がある。「先行技術」段落に開示された内容は、この内容又は本考案の一つ又は複数の実施形態が解決しようとする課題を示すものではなく、本考案が出願される前に本技術分野において通常の知識を有するものが知るところ又は認知するものである。

本考案のその他の目的及びメリットは本考案の実施形態に開示された技術特徴においてさらに理解できる。

本考案の観点によれば、光源とライトバルブと光学レンズを含む投影装置を提供する。ライトバルブは、光源の光路の下流に設けられ、光学レンズは、ライトバルブの光路下流に設けられ、且つ光学レンズは、負の屈折力を有する第1レンズ群と、正の屈折力を有する第2レンズ群と、第1レンズ群と第2レンズ群の間に設けられた絞りとを含む。投影装置の投影光軸上に基準点を設け、前記基準点から投影像面までの前記投影光軸上の距離はRである。前記投影装置の出光位置から前記基準点までの前記投影光軸上の距離はLである。前記基準点が投影装置の投影方向前方に位置するとき、Lは正の値であり、基準点が投影装置の投影方向後方に位置するとき、Lは負の値である。且つ前記光学レンズは以下の条件の一つを満たす。（1）0．2≦L／R＜1であるとき、前記光学レンズが等積投影法（equal−area projection）を使用した球面結像の誤差は15％以下である。（2）−0．2≦L／R＜0．2であるとき、前記光学レンズが正距方位図法（azimuthal equidistant projection）を使用した球面結像の誤差は、15％以下である。（3）−0．6≦L／R＜−0．2であるとき、前記光学レンズがステレオ投影法（stereographic projection）を使用した球面結像の誤差は15％以下である。

本考案の上述した観点により、光学レンズは良好な光学結像品質を有することができ、且つ前記光学レンズにより球状投影スクリーン又はドームスクリーンに投影結像することができ、投影された画像の変形量が明らかに減少できる。

本考案のその他の目的及びメリットは本考案に開示される技術特徴においてさらに理解することができる。本考案の上述の及びその他の目的、特徴とメリットを更にわかりやすくするために、以下において実施形態を挙げるとともに、図面を合わせて詳細に説明する。

本考案の実施形態の投影光学システムの概略図である。 本考案の実施形態の光学レンズの概略図である。 図2の光学レンズの可視光扇形図（ ray fan plot）である。 図2の光学レンズの結像面上の影像高度位置の照度値と結像面上の光軸位置の照度値の比率図である。 図2の光学レンズの像面湾曲と歪曲収差の図である。 本考案の別の実施形態の光学レンズの概略図である。 図6の光学レンズの可視光扇形図（ ray fan plot）である。 図6の光学レンズの結像面上の影像高度位置の照度値と結像面上の光軸位置の照度値の比率図である。 図6の光学レンズの像面湾曲と歪曲収差のグラフである。 本考案のさらに別の実施形態の光学レンズの概略図である。 本考案の実施形態の投影装置の歪み校正表現の簡略図である。 異なる投影方法の半視角と画像高さの関係図である。

本考案の前述及びその他の技術内容、メリット及び効果は、以下の参考図を合わせた実施形態の詳細な説明において、明確になる。以下の実施形態における方向用語、例えば、「上」、「下」、「左」、「右」、「前」又は「後ろ」などは、単に、添付図面の方向の参考にするに過ぎない。従って、使用する方向用語は図面の説明に用いるのであり、本考案を制限するものではない。更に、以下の実施形態における用語である「第1の」、「第2の」は同一又は類似の部材を識別するものであり、前記部材を限定するものではない。

実施形態

図1は本考案の実施形態の光学システムの概略図である。図1を参照すると、投影光学システム100は、光学レンズ10と照明システム110とライトバルブ120と球状スクリーン150を含む。照明システム110は光源112を有し、光束114を提供する。またライトバルブ120は光束114の伝達路上に配置される。ライトバルブ120は光束114を複数のサブ画像114aに変換する。このほか、光学レンズ10はこれらサブ画像114aの伝達路上に配置され、且つライトバルブ120は照明システム110と光学レンズ10との間に位置する。光源112は例えば、赤色発光ダイオード112R、緑色発光ダイオード112G及び青色発光ダイオード112Bを含み、各発光ダイオードが発出した色光は光結合装置116により結合され光束114を形成する。光束114はフライアイレンズアレイ（fly−eye lens array）117、光学素子群118、内部全反射プリズム（TIR Prism）119の順に通過してもよい。この後、内部全反射プリズム119は光束114をライトバルブ120に反射する。この時、ライトバルブ120は光束114を複数のサブ画像114aに変換し、これらサブ画像114aは順に内部全反射プリズム119を通過し、光学レンズ10を経由してこれらサブ画像114aを球状スクリーン150に投影する。実施形態において、球状スクリーン150はドームスクリーンであってもよい。本実施形態において、スクリーン150の投影表示面は例えば部分球状表面によって構成されてもよいが、これに限定されない。

図2は、本考案の第1実施形態の光学レンズ構造の概略図である。図2を参照すると、本実施形態において、レンズ10aは鏡筒（図示せず）を有し、鏡筒内は第1側（拡大側OS）から第2側（縮小側IS）に負の屈折力を有する第1レンズ群12と絞りSと正の屈折力を有する第2レンズ群14を配列する。第1レンズ群12は例えば、第1レンズL1、第2レンズL2および第3レンズL3を含んでもよく、且つ第2レンズ群14は、例えば、第4レンズL4と第5レンズL5と第6レンズL6とを含んでもよい。鏡筒の縮小側ISにおいてライトバルブ120を設け、且つライトバルブ120と第2レンズ群14との間に内部全反射プリズム119及びガラスカバー（cover glass）121を設け、且つ絞りSは第3レンズL3と第4レンズL4の間に設けることができる。本考案の各実施形態において、レンズの拡大側OSは球状スクリーン150方向に対応し、レンズの縮小側ISはライトバルブ120方向に対応する。ゆえに、繰り返し説明しない。

本考案の絞りSとは開口絞り（Aperture Stop）を指し、絞りSは独立した素子又はその他光学素子と統合される。本実施形態において、絞りは、機械部材を使用して周辺光を遮断し、中央部分の光透過を維持することにより、類似の効果を達成する。前述の所謂機械部材は調整可能であってもよい。所謂調整可能とは、機械部材の位置、形状又は透明度の調整を指す。或いは、絞りSはまた、レンズの表面に不透明な光吸収材料でコーティングしてもよく、光路を制限するために中心部分の光透過を維持する。

本実施形態において、レンズ10aは光軸16に沿って配列された6枚の球面レンズを含む。その屈折力は拡大側OSから縮小側ISまで順にそれぞれ負、負、正負、正、正である。本実施形態において、各レンズL1〜L6はプラスチック又はガラスからなってもよく、且つ各レンズL1〜L6の材料はガラス材質を採用した場合、例えば−40度から150度までの広い作業温度範囲が得られる。その他、二つのレンズが隣り合う両面は、ほぼ同一（曲率半径の差異が0．005mm以下）であるか又は完全に同一（実質的に同一）の曲率半径であり、且つ組み合わせレンズ、接合レンズ、ダブレット（doublet）レンズ又はトリプレット（triplet）レンズを形成する。例えば、本実施形態の第4レンズL4及び第5レンズL5は接合レンズから構成されてもよいが、本考案実施形態はこれに制限されない。

レンズ10aのレンズ及びその周辺素子の設計パラメータは表一に示されるとおりである。しかし、以下に挙げたデータは本考案を限定するものではなく、如何なる分野において通常知識を有するものが本考案を参照したのち、そのパラメータ又は設定を適切に変更することもでき、依然本考案の範囲内である。

表中の曲率半径とは曲率の逆数のことを指し、曲率が正の場合、レンズ面の円中心はレンズの縮小側の方向となる。曲率が負の場合、レンズ面の円中心がレンズの拡大側の方向となる。各レンズの凸面と凹面は、上の表と対応する図面に見ることができる。本考案のレンズが投影システムに使用される場合、表において結像面はライトバルブの表面である。

本実施形態において、視野角FOVは、投影システムに応用される場合、拡大端に最も近い光学面とレンズの光軸の間の夾角、つまり対角線上で測定される視野（field of view）を指す。本実施形態において、最大視野角FOVは116度であってもよく、別の実施形態では、最大視野角FOVは110度であってもよい。別の実施形態では、最大視野角FOVは100度であってもよい。

図6は、本考案の第2の実施形態のレンズ構造の概略図である。図6に示すように、レンズ10bは、拡大側OSから縮小側ISにかけて、負の屈折力を有する第1レンズ群12と、絞りSと、正の屈折力の第2レンズ群14とを備える。この実施形態では、各レンズL1〜L6は、いずれも球面レンズであってもよく、プラスチック又はガラスから製造されてもよく、レンズL1〜L6の屈折力は、それぞれ、負、負、正、正、負、正であり得る。各レンズL1〜L6の材料としてガラスを使用すると、例えば、−40度から105度の広い作業温度範囲を達成することができる。また、本実施形態の第4レンズL4と第5レンズL5は接合レンズを構成することができるが、本考案の実施形態はこれに限定されない。この実施形態では、レンズ10bのレンズおよびその周辺部材の設計パラメータを表2に示す。

図10は、本考案の第3の実施形態のレンズ構造の概略図である。図10に示すように、レンズ10cは7枚の球面レンズを含み、各レンズL1〜L7はいずれもプラスチック又はガラスで製造することができ、レンズL1〜L7の屈折力はそれぞれ負、負、正、正、負、正、正とすることができる。各レンズL1〜L7の材料としてガラスを使用すると、例えば、−40度〜105度の広い作業温度範囲を達成することができる。また、本実施形態の第4レンズL4と第5レンズL5は接合レンズを構成することができるが、本考案の実施形態はこれに限定されない。この実施形態において、レンズ10cにおけるレンズ及びその周辺部材の設計パラメータを表3に示す。

図3、図4および図5は、それぞれ、本考案の実施形態によるレンズ10aの可視光扇形図（ ray fan plot）、結像面上の画像高さ位置における照度値及び結像面上の光軸位置における照度値の比率図及び像面湾曲と歪み図である。図7、図8及び図9はそれぞれ、本考案の実施形態によるレンズ10bの可視光扇形図（ ray fan plot）、結像面上の画像高さ位置における照度値及び結像面上の光軸位置における照度値の比率図及び像面湾曲と歪み図である。図3〜図5及び図7〜図9のシミュレーションデータグラフに示されるグラフはすべて標準範囲内であり、この実施形態の光学レンズが確実に良好な光学結像品質特性を有することを検証できる。

図11は、本考案の一実施形態による投影装置の歪み校正性能を示す概略図である。図11に示すように、投影光学システム100において、投影装置100aは、球状スクリーン150にパターン又は画像を投影することができ、投影装置100aのライトバルブ120は、光源（図示せず）の光路の下流に配置され、光学レンズ10は、ライトバルブ120の光路の下流に配置されてもよい。投影装置100aの投影光軸16は、例えば、球状スクリーン150の投影結像表面（本実施形態では、部分球面150a）の球心Oであってもよい基準点O'を備えることができる。一実施形態では、基準点O'から投影光軸16上の投影結像面までの距離はRであり、投影装置100aの発光位置Eから投影光軸16上の基準点O'までの距離は、Lであり、基準点O'が投影装置100aの投影方向の前方にある（基準点O'が発光位置よりもスクリーン150に近い）場合、Lは正の値であり、基準点O'が投影装置の投影方向の後方にある（発光位置Eは、基準点O'よりもスクリーン150に近い）場合、 Lは負の値である。本考案の実施形態の光学レンズは、以下の条件のうちの一つを満たすことができる。（1）0．2≦L／R＜1であるとき、光学レンズが等積投影法（equal−area projection）を使用した球面結像の誤差は15％未満である。（2）−0．2≦L／R＜0．2であるとき、光学レンズが正距方位図法（equidistant projection）を使用した球面結像の誤差は、15％未満である。（3）−0．6≦L／R＜−0．2であるとき、光学レンズがステレオ投影法（stereographic projection）を使用した球面結像の誤差は15％未満である。誤差の定義：［（実際の値−投影法の理論値）の絶対値／投影法の理論値］である。

別の実施形態において、光学レンズは以下の条件の一つを満たすことができる。（1）0．2≦L／R＜1であるとき、光学レンズが等積投影法（equal−area projection）を使用した球面結像の誤差は12％未満である。（2）−0．2≦L／R＜0．2であるとき、光学レンズが正距方位図法 （equidistant projection）を使用した球面結像の誤差は、12％未満である。（3）−0．6≦L／R＜−0．2であるとき、光学レンズがステレオ投影法（stereographic projection）を使用した球面結像の誤差は12％未満である。また別の実施形態において、光学レンズは以下の条件の一つを満たすことができる。（1）0．2≦L／R＜1であるとき、光学レンズが等積投影法（equal−area projection）を使用した球面結像の誤差は10％未満である。（2）−0．2≦L／R＜0．2であるとき、光学レンズが正距方位図法 （equidistant projection）を使用した球面結像の誤差は、10％未満である。（3）−0．6≦L／R＜−0．2であるとき、光学レンズがステレオ投影法（stereographic projection）を使用した球面結像の誤差は10％未満である。

例えば、図2の光学レンズ10aは、L ／ R ＝ 0．08を有し、正距方位図法を使用する球面結像誤差は3．05％である。上述の光学レンズによって使用される様々な投影方法について、以下にさらに説明する。一般的に言えば、例えば、魚眼レンズに適用される投影法には、正投影法（orthogonal projection）、等面積投影法（equal−area projection）、正距方位図法（azimuthal equidistant projection）、およびステレオ投影法（stereographic projection）が含まれる。ここで、投影面の像高をY、光学システム全体の焦点距離をf、半画角をωとすると、様々な投影法は次の式で表すことができる。
（A）正投影法：Y ＝ f×sinω
（B）等面積投影法：Y ＝ 2f×sin（ω／ 2）
（C）正距方位図法：Y ＝ f×ω
（D）ステレオ投影法：Y ＝ 2f×tan（ω／ 2）
さらに、図12は、投影法における半画角90°の像高を1とした場合の半画角と像高の関係を示している。図12から、異なる投影方法では、画像の中央領域と周辺領域の圧縮レベルが異なることがわかる。例えば、（A）正投影法では、画像領域の周辺圧縮レベルが明らかに高くなり、一方（D）ステレオ投影法では、画像領域の中心圧縮が明らかに高くなる。

図11を参照すると、一実施形態では、投影装置100aは、球心O及び半径rを有する部分ドームスクリーン表面150aに投影することができる。投影装置100aの出光面から前記部分ドームスクリーン表面の最短距離は、50mmから200mmの間であり、一実施形態において、球心Oの右方にある時は、投影装置100aと球心Oの距離値は、正の値に設定され、投影装置100aが球心Oの左方にある時、投影装置100aと球心Oとの距離は負の値に設定される。本実施形態において、投影されるパターンYは、第1円Y1、第2円Y2、および第3円Y3によって形成される同心円であってもよく、第1円Y1の半径r1は、Xcmに設定されてもよく、第2円Y2の半径r2は2Xcmに設定され、第3円Y3の半径r3は3Xcmに設定され、パターンYが部分ドームスクリーン表面150aに投影されるとき、部分ドームスクリーン表面150a上の第1円Y1の投影パターンY1'から第2円Y2の投影パターンY2'までの最短距離はS1'であり、部分ドームスクリーン表面150a上の第2円Y2の投影パターンY2'から第3円Y3の投影パターンY3'までの最短距離はS2'である。即ち、本考案の実施形態の光学レンズ構造によれば、（S2'−S1'）／ S1'が15％未満という条件を満たすことができる。別の実施形態では、光学レンズは、（S2'−S1'）／ S1'が12％未満であるという条件を満たすことができる。別の実施形態では、光学レンズは、（S2'−S1'）／ S1'が10％未満であるという条件を満たすことができる。

一実施形態では、投影装置100aの投影方向は、球状表面150aの半径方向に実質的に平行であってもよく、部分球状表面の半径方向における投影装置100aと球心Oとの間の最短距離は、−0．5rからrまでである。更に、一実施形態において、投影装置100aの光出位置Eは、光学レンズ10の入射瞳位置と実質的に一致してもよい。

上述した各実施形態の光学レンズは、良好な光学結像品質を有することができ、球状投影スクリーン上に画像を投影するための光学レンズにより、投影画像の歪み量を大幅に低減することができる。

本考案における所謂ライトバルブは、広く用いられている素子であり、一種の空間光変調器である。ライトバルブは、照明光を画像光に変換でき、DMD、LCD、LCOS、投影シート、ホログラフィックシート、パターン付きマスクなどである。

図示及び詳細な説明により本考案の実施形態を開示したが、これらは、本考案を制限するものではない。本技術分野において通常の知識を有するものが、本考案の本質及び特許請求の範囲を逸脱しない限り、種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。従って、本考案が保護しようとする範囲は、本考案の範囲に定義するものを基準とする。本考案の如何なる実施形態又は実用新案登録請求の範囲により本考案が開示するすべての目的又はメリット又は特徴を達成される必要はない。この他、要約及び考案名は、単に特許文献の検索に用いられるのであって、本考案の権利範囲を制限するものではない。

10 光学レンズ
10a、10b、10c 光学レンズ
12 第1レンズ群
14 第2レンズ群
16 光軸
100 投影光学系
100a プロジェクションデバイス
110 照明システム
112 光源
112B 青色発光ダイオード
112G 緑色発光ダイオード
112R 赤色発光ダイオード
114 光束
114a サブ画像
116 光結合装置
117 フライアイレンズアレイ
118 光学素子群
119 全反射プリズム
120 ライトバルブ
121 ガラスカバー
150 スクリーン
150a 表面
E 出光位置
r、r1、r2、r3 半径
L、R 距離
L1−L7 レンズ
S1−S19 表面
S1 '、S2' 最短距離
Y 同心円
Y1、Y2、Y3 円
Y1 '、Y2'、Y3 ' 投影パターン
O ' 基準点
O 球心

Claims (10)

1. 光源と、
   前記光源の光路の下流に設けられるライトバルブと、
   前記ライトバルブの光路下流に設けられ、且つ負の屈折力を有する第1レンズ群と、正の屈折力を有する第2レンズ群と、前記第1レンズ群と前記第2レンズ群の間に設けられた絞りとを含み、前記第1レンズ群が第1レンズと第2レンズを含み、前記第2レンズ群が第3レンズと第4レンズを含み、その最大視野角（FOV）が116度である光学レンズと、
   を含む投影装置であって、
   前記投影装置の投影光軸上に基準点を設け、前記基準点から投影像面までの前記投影光軸上の距離はRであり、前記投影装置の出光位置から前記基準点までの前記投影光軸上の距離はLであり、前記基準点が前記投影装置の投影方向前方に位置するとき、Lは正の値であり、前記基準点が前記投影装置の投影方向後方に位置するとき、Lは負の値であり、且つ前記光学レンズは以下の条件の一つを満たし、
   （1）0．2≦L／R＜1であるとき、前記光学レンズが等積投影法（equal−area projection）を使用した球面結像の誤差は、15％未満；
   （2）−0．2≦L／R＜0．2であるとき、前記光学レンズが正距方位図法 （equidistant projection）を使用した球面結像の誤差は、15％未満；
   （3）−0．6≦L／R＜−0．2であるとき、前記光学レンズがステレオ投影法（stereographic projection）を使用した球面結像の誤差は、15％未満；
   前記誤差の定義：［（実際の値−投影法の理論値）の絶対値／投影法の理論値］である、
   ことを特徴とする投影装置。
2. 前記距離Lの範囲が−0．5RからRまでの間であることを特徴とする請求項1記載の投影装置。
3. 前記投影装置の前記出光位置が実質的に前記光学レンズの入瞳位置に重なることを特徴とする請求項1記載の投影装置。
4. 負の屈折力を有する第1のレンズ群と、正の屈折力を有する第2のレンズ群と、第1のレンズ群と第2のレンズ群との間に設けられた絞りとを含み、前記第1のレンズ群が第1レンズ及び第2レンズを含み、前記第2レンズ群が第3レンズ及び第4レンズを含む光学レンズを有する投影装置であって、
   前記投影装置は出光面を有し、且つパターンを部分ドームスクリーン表面に投影することができ、前記出光面から前記部分ドームスクリーン表面の最短距離は、50mmから200mmの間であり、前記パターンは、第1円、第2円及び第3円によって形成される同心円であってもよく、前記第1円の半径は、Xcmであり、前記第2円の半径は2Xcmであり、前記第3円の半径は3Xcmであり、前記パターンが前記部分ドームスクリーン表面に投影されるとき、前記部分ドームスクリーン表面上の前記第1円の投影パターンから前記第2円の投影パターンまでの最短距離はS1'であり、前記部分ドームスクリーン表面上の前記第2円の投影パターンから前記第3円の投影パターンまでの最短距離はS2'であり、且つ前記光学レンズは、（S2'−S1'）／ S1'が15％未満という条件を満たすことを特徴とする投影装置。
5. 前記投影装置の投影方向は、前記部分ドームスクリーン表面の半径方向に実質的に平行である請求項4記載の投影装置。
6. 前記光学レンズは、次の条件のいずれか一を満たし、
   （1）前記第1レンズ群は更に第5レンズを含み、前記第2レンズ群は更に第6レンズを含む；
   （2）前記第1レンズ群は、第5レンズを更に含み、前記第2レンズ群は、第6レンズ及び第7レンズを更に含む；
   ことを特徴とする請求項1又は4記載の投影装置。
7. 前記光学レンズは、次の条件のいずれか一を満たし、
   （1）前記第1レンズ群に含まれるレンズの屈折力は、一方向に沿って順に、負、負、正である；
   （2）前記第2レンズ群に含まれるレンズの屈折力は、一方向に沿って順に、負、正、正である；
   （3）前記第2レンズ群に含まれるレンズの屈折力は、一方向に沿って順に、正、負、正である；
   ことを特徴とする請求項6記載の投影装置。
8. 前記光学レンズは、次の条件のいずれか一を満たし、
   （1）含まれるレンズ形状は、一方向に沿って順に、凸凹、両凹、凸凹、凸凹、両凸、両凸である；
   （2）含まれるレンズ形状は、一方向に沿って順に、凸凹、平凹、平凸、両凸、凸凹、両凸である；
   （3）含まれるレンズ形状は、一方向に沿って順に、両凹、両凹、両凸、両凸、凸凹、両凸、両凸である；
   ことを特徴とする請求項6記載の投影装置。
9. 前記第1レンズ群と前記第2レンズ群中のすべてのレンズが球面ガラスレンズであることを特徴とする請求項1又は4記載の投影装置。
10. 前記第2レンズ群は、接合レンズを更に含むであることを特徴とする請求項1又は4記載の投影装置。