JP3389790B2 - 斜め投影光学装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、オーバーヘッドプ
ロジェクタや液晶プロジェクタ等のような拡大投影装置
に関するものであり、また、イメージスキャナのような
縮小投影装置にも適用できるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、会議や講演会等において、図
表等を示しながら説明を行う場合に、透明フィルムや液
晶パネル等による透明原稿をスクリーン上に拡大投影す
る、オーバーヘッドプロジェクタ（以下、ＯＨＰと呼
ぶ）がよく使用されている。ＯＨＰは、通常、透明原稿
の画像をスクリーンに投影する投影レンズや、光源から
の光路の方向をスクリーン方向に変える反射鏡が、ＯＨ
Ｐ装置本体の上方に支持部材により取り付けられる構成
であるので、スクリーン上の画像を見る際に、それらの
部材が視野の妨げになる事が多かった。

【０００３】また、液晶プロジェクタをも含む従来の投
影装置においては、スクリーンに対して正面から垂直に
投影する方式であったため、上記と同様の視野の妨げに
なる問題に加えて、背面投射型のプロジェクタにおい
て、反射ミラーの折り曲げ角度が制限されるために、装
置が大型になる等の問題を抱えていた。

【０００４】上記の不都合を解消するために、例えばＯ
ＨＰにおいては、図１５に示すように、ＯＨＰ１１から
スクリーン３へ斜め投影する事ができれば、観察者１３
の視野を妨げるのを防ぐ事ができる。尚、同図におい
て、１２はＯＨＰ１１を扱う使用者である。そして図１
６に示すように、例えばスクリーン３の幅が１．２ｍで
スクリーン３からＯＨＰ１１までの距離が１．５ｍの場
合は、投影角度α＝２０゜とすればＯＨＰ１１の後部か
らでもほぼ視野を妨げられる事なくスクリーン３を観察
する事ができる。

【０００５】また、同様の光学系を用いて、図１７に示
すように、斜め上方に投影角度θで投影する事もでき
る。さらに、図１８に示すように、斜め投影可能な光学
系を応用し、薄型の背面投射型プロジェクタを実現する
事もできる。尚、同図において、１は液晶パネル等の原
稿部材、７は投影レンズ群である。

【０００６】上記のように、歪のない像をスクリーン面
上に斜め投影可能とするために、従来よりいくつかの発
明がなされている。例えば、特公平４−５６２９７号公
報に記載されている如く、レンズ可動支持手段と載置台
可動支持手段とを備え、原稿載置台と光学レンズの傾斜
姿勢を所望のものに設定可能とし、歪のない投影像を得
られるようにしている。また、特開平５−２４１０９６
号公報に記載されている如く、投影レンズに対してスク
リーン面を斜めに配置する構成とし、それにより生じる
台形歪を補正するために、投影レンズの一部を傾斜させ
た光学系を用いている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
公平４−５６２９７号のような構成では、２０゜以上の
投影角度を得るためには、レンズの口径が大きな広画角
投影レンズを用いる必要があり、コスト高となる。ま
た、上記特開平５−２４１０９６号のような構成では、
投影レンズの一部を傾斜させる事で著しい性能劣化が起
こるので、大きな斜め投影角度に対応する事は困難であ
る。本発明は、大きな斜め投影角度でも良好な像が得ら
れる斜め投影光学装置を提供し、また、比較的小型で低
コストの投影レンズを用いてそれを実現する事を目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、１次像を２次像に拡大或いは縮小して
投影する投影レンズ系を有し、前記投影レンズ系の絞り
中心と拡大側像面の中心とを結ぶ直線が、拡大側像面の
法線に対して所定の角度をなして配置されている斜め投
影光学装置において、拡大側像面と縮小側像面とは互い
に略平行に配置されており、前記投影レンズ系は、拡大
側に投影レンズ系に向かって凸状に湾曲した像面湾曲特
性を有する事により、前記拡大側像面に投影される像の
台形歪を低減する構成とする。

【０００９】そして、前記投影レンズ系は、絞りを除く
全ての光学素子が共軸系で構成されている事により、低
コストの鏡胴を使用する事ができる。或いは、前記投影
レンズ系は、少なくとも２つの共軸レンズ群より構成さ
れており、前記共軸レンズ群は、互いに偏心して配置さ
れている事により、結像性能を改善する構成としても良
い。

【００１０】また、１次像を２次像に拡大或いは縮小し
て投影する投影レンズ系を有し、前記投影レンズ系の絞
り中心と拡大側像面の中心とを結ぶ直線が、拡大側像面
の法線に対して所定の角度をなして配置されている斜め
投影光学装置において、拡大側像面と縮小側像面とは互
いに略平行に配置されており、以下の条件式（１），
（２）を満足する構成とする。 ２０≦θ＜９０ （１）

【数２】 但し、 θ：投影レンズ系の絞り中心と拡大側像面の中心とを結
ぶ直線と、拡大側像面の法線とのなす角（単位゜）、 ｒi ：投影レンズ系に含まれるｉ番目の屈折面の曲率半
径、 ｎi ：投影レンズ系に含まれるｉ番目の屈折面より物体
側の媒質の屈折率、 ｎ′i ：投影レンズ系に含まれるｉ番目の屈折面より像
側の媒質の屈折率、 Ｌ：拡大側像面の中心と投影レンズ系の絞り中心との距
離、 である。

【００１１】そして、拡大側像面と縮小側像面とのなす
角が５゜以下である構成とする事ができる。また、前記
投影レンズ系の絞り中心と縮小側像面の中心とを結ぶ直
線が、縮小側像面の法線に対して略垂直に配置されてい
る構成とする事もできる。

【００１２】また、前記投影レンズ系は、絞りを除く全
ての光学素子を共軸系で構成する事ができる。或いは、
前記投影レンズ系は、少なくとも２つの共軸レンズ群よ
り構成されており、前記共軸レンズ群は、互いに偏心し
て配置されている構成としても良い。

【００１３】また、前記投影レンズ系の絞りを含む平面
の垂直方向は、縮小側像面の法線に対して、絞り中心と
縮小側像面の中心を結ぶ直線に近づく方向に傾けられて
いる構成とする事もできる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、
原稿部材１の画像を共軸系の光学系２を用いてその光軸
に対して斜めに傾いたスクリーン３へ投影する場合、結
像条件を満足してスクリーン３の面全面に渡ってピント
の合ったシャープな映像を得るためには、スクリーン３
の傾きと反対方向に原稿部材１を傾けて配置しなければ
ならない。このとき、原稿部材１の上端から下端にかけ
て、光学系２による投影倍率が異なるので、同図に示す
ように、原稿部材１の画像４がスクリーン３に投影され
ると、５のような台形歪をもった投影像となる。

【００１５】一方、光学系２を構成する各投影レンズ面
の前後の屈折率をそれぞれｎ，ｎ′、各投影レンズ面の
曲率半径をｒとしたときに、いわゆるペッツバール和Σ
｛（１／ｒ）（１／ｎ−１／ｎ′）｝が正の光学系を用
いると、図２に示すように、像面６は光学系２に向かっ
て凸状に湾曲する。このような光学系において、図３に
示すように、原稿部材１の中心を光学系２の光軸からず
らすと、像面６の内、原稿部材１の画像の投影像となる
部分は、光軸に垂直な面に対して傾く事になる。

【００１６】以上のままでは、原稿部材１とスクリーン
３とが互いに傾いて配置される状態となる事によって台
形歪が発生する。そこで、図４に示すように、原稿部材
１を像面６の傾きと同じ方向に傾ける事により、像面６
ひいてはスクリーン３は逆の方向に傾いてくるので、原
稿部材１とスクリーン３が互いに平行になる位置を見い
だす事ができる。これにより、上記台形歪を解消する事
ができる。

【００１７】即ち、図１９に示すように、ペッツバール
和が正の値を持つ光学系２で表す投影レンズ群におい
て、軸外光束を用いて画像を投影すると、スクリーン３
の中心１４における像面６の接平面は、光学系２の対称
軸に対して垂直な方向にφだけ傾く。この性質を利用す
れば、斜め投影角度を大きくする事が可能である。従っ
て、光学系２の像面湾曲を、接平面の傾き角φが大きく
なるように設定する必要がある。

【００１８】図１９において、光学系２とスクリーン３
までの距離をＬ、像面６の曲率半径をＬ′、光学系２の
投影角度をθとすると、以下の関係が成り立っている。 Ｌｔａｎθ＝Ｌ′ｔａｎφ θが２０゜のとき、φが５゜程度となる場合を最大とす
ると、 Ｌ′／Ｌ＝ｔａｎθ／ｔａｎφ＜ｔａｎ（２０）／ｔａ
ｎ（５）＝４．２

【００１９】従って、Ｌ′＜４Ｌを満足する範囲であれ
ば、斜め投影角度を大きくする事ができる。ペッツバー
ル和は像面の曲率半径の逆数となるから、以下の条件式
（２）が導出される。

【数３】

【００２０】尚、光学系２で表す投影レンズ群が上記式
を満足しない場合、斜め投影したときのスクリーン３の
中心１４における像面６の接平面と、光学系２の対称軸
の垂直面とのなす角φを大きくする事ができないため、
光学系２の構成が極めて複雑なものになってしまう。と
ころで、上記のような構成に加えて、さらに、投影レン
ズを互いに偏心した２つ以上の群から構成する事で、結
像性能を向上させる事ができる。これらを含んだ更に具
体的な構成を以下に示す。

【００２１】図５は、本発明の斜め投影光学装置の第１
の実施形態の光学系を示す模式図である。同図において
示すように、原稿部材１の画像光は、斜め方向より投影
レンズ群７によって、スクリーン３に斜め投影される。
投影レンズ群７は、図６に示すように、６枚のレンズで
構成される共軸系のレンズ群である。座標軸は、紙面内
にＸ，Ｙ軸、紙面に垂直にＺ軸をとっている。Ｘ軸はス
クリーン３の面に垂直であり、スクリーン３の面から投
影レンズ群７に向かう方向を正とする。また、座標の原
点を絞り８の中心にとっている。原点とスクリーン３の
面の中心を結ぶ直線と、スクリーン３の面の垂線とのな
す角度（以下、斜め投影角度と呼ぶ）は３４゜である。
以下に、本実施形態のコンストラクションデータを示
す。

【００２２】

【００２３】 〈投影レンズ群７〉 回転角…θ=11.0 〔曲面の記号〕 〔曲率半径〕 〔面間隔〕 〔屈折率〕 〔アッベ数〕 ｒ１ 70.048 1.62280 56.88 20.75 ｒ２ -251.997 1.54072 47.22 5.75 ｒ３ 56.220 5.00 ｒ４ 116.200 1.55753 67.17 8.75 ｒ５ 208.912 7.13 絞り８ ∞（絞り径=28，回転角=30゜） 7.13 ｒ６ -69.701 1.55753 67.17 10.00 ｒ７ -50.978 5.00 ｒ８ -44.340 1.54072 47.22 4.75 ｒ９ 6547.73 1.62280 56.88 20.00 ｒ１０ -66.5362

【００２４】ここで、絞り８が傾いて配置されている理
由を述べる。図７に示すように、絞り８が原稿部材１に
平行な場合には、原稿部材１の両端の点Ｐ，Ｑから絞り
８に入射してゆく光線の張る角度ＡとＢが異なり、スク
リーン３に投影される像は、Ｐ点からのものが明るく、
Ｑ点からのものが暗くなってしまう。そこで、図８に示
すように、上記角度ＡとＢを同じにするために、絞り８
の中心と原稿部材１の中心とを結ぶ線が絞り８の面と直
角に近い角度で交わるように、絞り８を傾けて配置し
て、スクリーン３の面上の明るさ分布の補正を行ってい
る。

【００２５】また、投影レンズ群７が傾いて配置されて
いる事により、レンズの口径の小型化が達成されてい
る。そして、絞り８を除くエレメントを全て共軸系に構
成する事で、低コストの鏡胴の使用を可能としている。
さらに、上記コンストラクションデータに示すように、
スクリーン面と原稿部材面とのなす角度が５度以下であ
れば、歪曲収差を効果的に補正する事ができる。以下
に、本実施形態の光学系のペッツバール和を求めるため
のデータを示す。

【００２６】 〈第１の実施形態におけるペッツバール和〉 〔曲面の記号〕 〔曲率半径〕 〔屈折率〕 〔(1/r)(1/n-1/n')〕 1.00000 ｒ１ 70.048 5.480e-3 1.62300 ｒ２ -251.997 1.301e-4 1.54100 ｒ３ 56.220 -6.245e-3 1.00000 ｒ４ 116.200 3.082e-3 1.55800 ｒ５ 208.912 -1.714e-3 1.00000 ｒ６ -69.701 -5.138e-3 1.55800 ｒ７ -50.978 7.026e-3 1.00000 ｒ８ -44.340 -7.918e-3 1.54100 ｒ９ 6547.730 5.007e-6 1.62300 ｒ１０ -66.536 5.769e-3 1.00000 （合計） 4.768e-4

【００２７】ここで、上述したように、スクリーン３の
面の中心と絞り８との距離をＬとすると、０．２５／Ｌ
＝１．３ｅ−４であり、ペッツバール和は上記のように
４．７６８ｅ−４であるから、ペッツバール和の値の方
が大きいので、上述した像面湾曲の条件を満たしている
事が分かる。

【００２８】図９は、本実施形態の光学系により得られ
るスポットダイアグラムであり、図１０は、同じく歪曲
図である。これらの図によると、点像の分布のばらつき
も少なく、また、おおむね理想に近い形状で投影される
事が示されており、実用性は充分である事が分かる。

【００２９】図１１は、本発明の斜め投影光学装置の第
２の実施形態の光学系を示す模式図である。同図におい
て示すように、原稿部材１の画像光は、斜め方向より投
影レンズ群７′に集光され、スクリーン３に斜め投影さ
れる。投影レンズ群７′は、図１２に示すように、６枚
のレンズで構成され、絞り８′を挟んで前後のレンズ群
が互いに偏心して収差補正を行う構成となっている。座
標軸は、紙面内にＸ，Ｙ軸、紙面に垂直にＺ軸をとって
いる。Ｘ軸はスクリーン３の面に垂直であり、スクリー
ン３の面から投影レンズ群７′に向かう方向を正とす
る。また、座標の原点を絞り８′の中心にとっている。
そして、斜め投影角度は３２゜である。以下に、本実施
形態のコンストラクションデータを示す。

【００３０】

【００３１】 〈投影レンズ群７′のＧｒｐ．１〉 第１面面頂点…X1=-59.32 Y1=13.8 回転角…θ1=6.5 〔曲面の記号〕 〔曲率半径〕 〔面間隔〕 〔屈折率〕 〔アッベ数〕 ｒ１ 98.984 1.69680 56.47 22.0 ｒ２ 465.224 1.58144 40.83 8.0 ｒ３ 95.452 12.0 ｒ４ 493.822 1.61800 63.39 10.0 ｒ５ ∞ 〈絞り８′〉 絞り中心…X=0.0 Y=0.0 回転角…θ=30.0 絞り径=35.0

【００３２】 〈投影レンズ群７′のＧｒｐ．２〉 第１面面頂点…X2=9.68 Y2=9.79 回転角…θ2=4.4 〔曲面の記号〕 〔曲率半径〕 〔面間隔〕 〔屈折率〕 〔アッベ数〕 ｒ６ -106.144 1.61800 63.39 12.5 ｒ７ -71.927 8.5 ｒ８ -56.675 1.58144 40.83 8.0 ｒ９ -136.513 1.69680 56.47 20.0 ｒ１０ -84.930

【００３３】絞り８′が傾いて配置されている理由は、
上記絞り８の場合と同様である。また、投影レンズ群
７′が傾いて配置されている事により、上記投影レンズ
群７の場合と同様に、レンズの口径の小型化が達成され
る。さらに、上記コンストラクションデータに示すよう
に、スクリーン面と原稿部材面とのなす角度が５度以下
であれば、歪曲収差を効果的に補正する事ができる。以
下に、本実施形態の光学系のペッツバール和を求めるた
めのデータを示す。

【００３４】 〈第２の実施形態におけるペッツバール和〉 〔曲面の記号〕 〔曲率半径〕 〔屈折率〕 〔(1/r)(1/n-1/n')〕 1.00000 ｒ１ 98.984 4.149e-3 1.69700 ｒ２ 465.224 -9.294e-5 1.58100 ｒ３ 95.452 -3.850e-3 1.00000 ｒ４ 493.822 7.735e-4 1.61800 ｒ５ ∞ 0.000e+0 1.00000 ｒ６ -106.144 -3.598e-3 1.61800 ｒ７ -71.927 5.310e-3 1.00000 ｒ８ -56.675 -6.484e-3 1.58100 ｒ９ -136.513 -3.167e-4 1.69700 ｒ１０ -84.929 4.836e-3 1.00000 （合計）
７．２７０ｅ−４

【００３５】ここで、上述したように、スクリーン３の
面の中心と絞り８′との距離をＬとすると、０．２５／
Ｌ＝１．１ｅ−４であり、ペッツバール和は上記のよう
に７．２７０ｅ−４であるから、ペッツバール和の値の
方が大きいので、上述した像面湾曲の条件を満たしてい
る事が分かる。

【００３６】図１３は、本実施形態の光学系により得ら
れるスポットダイアグラムであり、図１４は、同じく歪
曲図である。これらの図によると、点像の分布のばらつ
きは第１の実施形態におけるものよりも更に少なく、ま
た、おおむね理想に近い形状で投影される事が示されて
おり、実用性は充分である事が分かる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
大きな斜め投影角度でも良好な像が得られる斜め投影光
学装置を、比較的小型で低コストの投影レンズを用いて
提供する事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】斜め投影における基本的な問題点を示す図。

【図２】像面が湾曲する光学系の構成を示す図。

【図３】図２の光学系において、斜め投影を行った様子
を示す図。

【図４】原稿部材とスクリーン面を平行に配置した様子
を示す図。

【図５】本発明の第１の実施形態の光学系を示す模式
図。

【図６】第１の実施形態の投影レンズ群の構成を示す
図。

【図７】絞りが原稿部材に平行な光学系を示す図。

【図８】絞りを原稿部材に対して傾けて配置した光学系
を示す図。

【図９】第１の実施形態の光学系のスポットダイアグラ
ム。

【図１０】第１の実施形態の光学系の歪曲図。

【図１１】本発明の第２の実施形態の光学系を示す模式
図。

【図１２】第２の実施形態の投影レンズ群の構成を示す
図。

【図１３】第２の実施形態の光学系のスポットダイアグ
ラム。

【図１４】第２の実施形態の光学系の歪曲図。

【図１５】ＯＨＰによる斜め投影の様子を示す模式図。

【図１６】斜め投影の角度条件を示す図。

【図１７】斜め上方に投影する様子を示す模式図。

【図１８】薄型の背面投射型プロジェクタの構成を示す
模式図。

【図１９】斜め投影の条件式導出のための説明図。

【符号の説明】

１ 原稿部材 ２ 光学系 ３ スクリーン ４ 画像 ５ 投影像 ６ 像面 ７，７′ 投影レンズ群 ８，８′ 絞り

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 27/18 G02B 9/00 - 15/28

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １次像を２次像に拡大或いは縮小して投
   影する投影レンズ系を有し、前記投影レンズ系の絞り中
   心と拡大側像面の中心とを結ぶ直線が、拡大側像面の法
   線に対して所定の角度をなして配置されている斜め投影
   光学装置において、 拡大側像面と縮小側像面とは互いに略平行に配置されて
   おり、 前記投影レンズ系は、拡大側に投影レンズ系に向かって
   凸状に湾曲した像面湾曲特性を有する事を特徴とする斜
   め投影光学装置。
2. 【請求項２】 前記投影レンズ系は、絞りを除く全ての
   光学素子が共軸系で構成されている事を特徴とする請求
   項１に記載の斜め投影光学装置。
3. 【請求項３】 前記投影レンズ系は、少なくとも２つの
   共軸レンズ群より構成されており、前記共軸レンズ群
   は、互いに偏心して配置されている事を特徴とする請求
   項１に記載の斜め投影光学装置。
4. 【請求項４】 １次像を２次像に拡大或いは縮小して投
   影する投影レンズ系を有し、前記投影レンズ系の絞り中
   心と拡大側像面の中心とを結ぶ直線が、拡大側像面の法
   線に対して所定の角度をなして配置されている斜め投影
   光学装置において、 拡大側像面と縮小側像面とは互いに略平行に配置されて
   おり、 以下の条件式範囲を満足する事を特徴とする斜め投影光
   学装置。 ２０≦θ＜９０ 【数１】 但し、 θ：投影レンズ系の絞り中心と拡大側像面の中心とを結
   ぶ直線と、拡大側像面の法線とのなす角（単位゜）、 ｒi ：投影レンズ系に含まれるｉ番目の屈折面の曲率半
   径、 ｎi ：投影レンズ系に含まれるｉ番目の屈折面より物体
   側の媒質の屈折率、 ｎ′i ：投影レンズ系に含まれるｉ番目の屈折面より像
   側の媒質の屈折率、 Ｌ：拡大側像面の中心と投影レンズ系の絞り中心との距
   離、 である。
5. 【請求項５】 拡大側像面と縮小側像面とのなす角が５
   ゜以下である事を特徴とする請求項４に記載の斜め投影
   光学装置。
6. 【請求項６】 前記投影レンズ系の絞り中心と縮小側像
   面の中心とを結ぶ直線が、縮小側像面の法線に対して略
   垂直に配置されている事を特徴とする請求項４に記載の
   斜め投影光学装置。
7. 【請求項７】 前記投影レンズ系は、絞りを除く全ての
   光学素子が共軸系で構成されている事を特徴とする請求
   項４に記載の斜め投影光学装置。
8. 【請求項８】 前記投影レンズ系は、少なくとも２つの
   共軸レンズ群より構成されており、前記共軸レンズ群
   は、互いに偏心して配置されている事を特徴とする請求
   項４に記載の斜め投影光学装置。
9. 【請求項９】 前記投影レンズ系の絞りを含む平面の垂
   直方向は、縮小側像面の法線に対して、絞り中心と縮小
   側像面の中心を結ぶ直線に近づく方向に傾けられている
   事を特徴とする請求項４に記載の斜め投影光学装置。