JP4986010B2 - 投影レンズ及びプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、ビデオ信号等の画像情報に基づいて画像を投影するプロジェクタ装置に関し、尚詳しくは、プロジェクタの投影レンズに関するものである。

今日、パーソナルコンピュータの画面やビデオ映像などをスクリーンに投影する画像投影装置としてビデオプロジェクタが多用されている。
このプロジェクタは、高輝度の光源が用いられ、メタルハイランドランプや超高圧水銀ランプなどの小型高輝度の放電ランプにリフレクタとしての凹面反射鏡を取り付けたランプユニットをプロジェクタの光源装置としてプロジェクタに組み込むことが多い。

そして、このランプユニットでは、回転放物線状のリフレクタ又は回転楕円面状のリフレクタを用いたものが多く用いられ、リフレクタの楕円焦点に高輝度の放電ランプを設置し、前方及び後方に向けて射出された光をこの回転放物線又は回転楕円面のリフレクタで反射させ、ライトトンネルや導光ロッドに集光するものとしている。

そして、超高圧水銀ランプなどの高輝度の放電ランプを内蔵した光源装置からの光を、順次赤色フィルタ、緑色フィルタ、青色フィルタを用いて赤、緑、青の光とし、この赤、緑、青の光を導光ロッドなどを通した後、レンズにより一般的にはＤＭＤと呼ばれるマイクロミラー表示素子に集光させ、この表示素子によりプロジェクタ装置の投影口に向けて反射させるオン状態の光の量によってスクリーン上にカラー画像を表示させるものである。

また、このプロジェクタでは、プロジェクタ本体の上面パネルに設けられるキースイッチを操作することにより、又はリモートコントローラのスイッチを操作することにより、画面の大きさや明るさ、更には色合いなど、種々の設定を行って使用者の好みに合わせた美麗な画像を投影することができるようにされている。

そして、明るさや色合い、コントラストなどの調整設定は、本体に設けられたキースイッチやリモートコントローラのキースイッチを操作すると共に、メニュー画面をスクリーンに投影し、各種パラメータなどを投影表示させて調整内容の確認を行いつつ設定操作が行えるようにされている。

また、前記マイクロミラー表示素子と投影口との間には、ズーム機能を有する投影レンズ群が配置され、スクリーンに投影する映像の大きさやピントを調整可能とし、スクリーンまでの距離が一定であってもスクリーンの大きさに合わせた映像をスクリーンに投影できるようにされている。

さらに、マイクロミラー表示素子を用いたプロジェクタでは、マイクロミラーで反射したオン状態光線の光軸が表示素子面と垂直でなく、投影レンズ群の光軸をマイクロミラー表示素子の法線からずらせて配置する場合、プロジェクタの作動時には投影レンズ群を上昇させ、プロジェクタの収納時は投影レンズ群を降下させてプロジェクタを薄くすることも提案されている（例えば特許文献１）。
特開２００５−１０７０６２号公報

前述のように、ズーム機能を有するレンズ群では、入射側のレンズに対して射出側のレンズの直径が大きくなり、投影口を設けるプロジェクタの前面側の厚みを射出側のレンズの直径よりも大きくしなければならず、明るい投影画像を維持しつつプロジェクタを薄型化することが困難であった。

また、プロジェクタを薄くするため、投影レンズ群全体を上昇降下させる機構は、ズーム機能を有するレンズ群全体を移動させるため、移動機構が複雑となる問題があった。
本発明は、上述の欠点を排除し、容易にプロジェクタを薄型化できる投影レンズを提供するものである。

本発明は、複数のレンズ群で構成されるプロジェクタの投影レンズにおいて、拡大側の第１レンズ群（251）の少なくとも１枚のレンズは、下端を切り欠いたＤ型のレンズを用い、前記第１レンズ群は前記プロジェクタの投影口を所定の高さにする上昇ブロック（270）に固定され、この第１レンズ群（251）を光軸と直交する上下方向に移動可能とし、複数の他のレンズ群は前記プロジェクタのレンズユニット本体（260）に収納するものである。
そして、この第１レンズ群（251）のレンズは、下端と合わせて上端にも切り欠きを設けることが好ましく、更に、この投影レンズは前群固定式の投影レンズとして拡大側の第１レンズ群（251）は光軸方向に固定しつつ、中間のレンズ群を光軸（263）方向に移動させてフォーカシング及びズーミングを行うレンズとすることがより好ましい。

また、本発明としては、光源装置（210）、光源側光学系（220）、表示素子（230）、投影側光学系（250）、冷却ファン（190）、更に、ランプ電源回路（261）やプロジェクタ制御手段（267）をケース内に備えたプロジェクタ（100）であって、投影側光学系（250）は、拡大側の第１レンズ群（251）として少なくとも１枚のレンズはケースの厚み方向の下端を切り欠いたＤ型のレンズを用い、この第１レンズ群（251）をケースの厚み方向である上下方向に移動可能とするものである。

そして、この投影側光学系（250）は、その光軸（263）を表示素子（230）の中心から外し、投影側光学系（250）の第１レンズ群（251）の少なくとも１枚のレンズは、一端と合わせて反対側の周縁部にも切り欠きを設けることが好ましく、更に、この投影側光学系（250）は前群固定式のレンズ群とするものである。

本発明に係る投影レンズは、第１レンズ群として下端を切り欠いたＤ型のレンズを用い、この第１レンズ群を光軸と交わる上下方向に移動可能とするものであるから、直径の大きくなる第１レンズ群の高さを低くすることが可能となり、投影レンズ全体の直径を小さくすることができる。

また、第１レンズ群を固定したインナーフォーカス及びインナーズームの投影レンズとすることにより、第１レンズ群の上下移動機構を単純且つ正確で耐久性のある機構とすることが容易となる。
また、この投影レンズを投影側光学系に用いたプロジェクタは、プロジェクタの厚みを薄くすることが容易であり、且つ、耐久性のあるプロジェクタとすることも容易である。

本発明の最良の実施の形態は、光源装置210、光源側光学系220、表示素子230、投影側光学系250、冷却ファン190、更に、ランプ電源回路261やプロジェクタ制御手段267を備えたプロジェクタ100において、投影側光学系250の光軸263と表示素子230の中心とが一致しないシフト光学系とし、投影側光学系250を複数のレンズ群で構成し、且つ、前群固定式のインナーフォーカス及びインナーズームタイプの投影レンズとし、この投影側光学系250の拡大側とされる第１レンズ群251として下端を切り欠いたＤ字型のレンズを用い、このＤ字型レンズの上端にも下端よりも小さな切り欠きを設けた変形レンズとし、この第１レンズ群251をプロジェクタの厚み方向に移動可能とするものである。

本発明に係るプロジェクタは、プロジェクタ制御手段としてのマイクロコンピュータを内蔵し、図１に示すように、略直方体とされるケースの前面パネル120にはレンズカバー121を有し、ケースの上面パネル110には電源スイッチ111としてのキーや手動画質調整キー113、自動画質調整キー114、電源ランプインジケータ112、光源ランプインジケータ115、過熱インジケータ116などのキー及びインジケータ類、スピーカを内側に配置した拡声穴118や開閉蓋119を有し、図示しない背面パネルには電源コネクタやパーソナルコンピュータと接続するＵＳＢ端子、画像信号入力用のビデオ端子やミニＤ−サブ端子などの各種信号入力端子を有するプロジェクタ100である。

そして、上面の開閉蓋119の内部には、画質や画像の微調整及びプロジェクタ100の各種動作設定を行うサブキーを有し、ケースの左側面パネルには吸気口が、右側面パネル140には排気口145が設けられ、内部に冷却ファンを有するものである。
また、底面パネルの前方には突出量を調整可能とした前足部材170を有し、底面パネルの後方左右には固定式の後足部材175を有し、前足部材170の突出量を調整してプロジェクタ100の前方高さを変化させ、スクリーンの高さにあわせた画像の投影を可能としているものである。

更に、このプロジェクタ100では、図２に示すように、レンズカバー121を開いたとき、上昇ブロック270を上昇させて投影口123を所定高さとするものであり、この上昇ブロック270には、後述する投影側光学系250の第１レンズ群251を固定しているものである。

そして、このプロジェクタ100の内部には、図３に示すように、超高圧水銀ランプなどの放電ランプ211を内蔵する光源装置210、及び、光源側光学系220としてカラーホイール222や導光ロッド224、照明側光学系として複数枚の光源側レンズ群226と１枚のミラー228を有するものである。

更に、ランプ電源回路187やプロジェクタ制御手段181を取り付けた回路基板180、光源装置210からの射出光を表示素子230に照射する光源側光学系220、及び、複数の画素を行方向及び列方向にマトリクス状に配列して入射した光の反射を制御することにより画像を表示する表示素子230、更に、前記表示素子230からの射出光をスクリーン等の投影面に投影する投影側光学系250である固定レンズ群251,254や可動レンズ群252,253を組み込んだプロジェクタ100である。

この回路基板180には、マイクロコンピュータによるプロジェクタ制御手段181が設けられ、この制御手段181により、プロジェクタ内の各回路の動作制御を行い、電源スイッチ111がオン状態とされると光源装置210の放電ランプ211を点灯させると共に、冷却ファン190を放電ランプ211の出力や冷却ファン190のファン形状及び配置などに合わせた定格速度で駆動させ、左側面パネル150の吸気口155から外気を取り入れ、右側面パネル140の排気口145から内部の空気を排出しつつプロジェクタ100をスタンバイ状態とするものである。

そして、放電ランプ211の温度が所定温度に上昇して発光が安定すると、画像信号の入力による画像の投影を可能とするものである。
また、電源スイッチ111がオフ状態とされると放電ランプ211を消灯すると共に、タイマーにより数分間程度の所定時間だけ冷却ファン190の駆動を持続させてプロジェクタ100の内部を冷却した後に全ての動作を停止させる等の制御も行なうものである。

そして、表示素子230は、カラーフィルターのような入射光を着色する手段を備えない表示素子230であり、この実施例では、一般にＤＭＤと略称されるマイクロミラー表示素子230（Digital Micromirror Device）を用いている。

このマイクロミラー表示素子230は、その正面方向に対して一方向に傾いた入射方向から入射した光を、前記複数のマイクロミラーの傾き方向の切換えにより正面方向のオン状態光線と斜め方向のオフ状態光線とに分けて反射することにより画像を表示するものであり、一方の傾き方向に傾動されたマイクロミラーに入射した光をこのマイクロミラーにより正面方向に反射するオン状態光線とし、他方の傾き方向に傾動されたマイクロミラーに入射した光をこのマイクロミラーにより斜め方向に反射してオフ状態光線とすると共に、このオフ状態光線を吸光板で吸収し、正面方向への反射による明表示と、斜め方向への反射による暗表示とにより画像を表示するものである。

そして、光源装置210は、内部に放電ランプ211を備え、内面が反射面とされる楕円球面形状のリフレクタと、このリフレクタの前方にリフレクタ前方の開口を塞ぐように防爆面が設置されるものであり、放電ランプ211はランプ電源回路187から電源を供給可能に導線により接続され、放電ランプ211が発光してリフレクタの反射面により反射して、光源装置210の前方に光を照射するものである。

また、光源装置210からの射出光をマイクロミラー表示素子230に入射させる光源側光学系220は、カラーホイール222や導光ロッド224、複数枚のレンズである光源側レンズ群226、及び、ミラー228で構成している。
このカラーホイール222は、光源装置210からの射出光を赤、緑、青の３色に順次着色するためのカラーフィルターを円周上に有するものであり、導光ロッド224は、光源装置210からの射出光の強度分布を均一にするためのものである

そして、カラーホイール222は、扇状の赤、緑、青の３色のカラーフィルターが周方向に並べて設けられた回転板であり、その中心が光源装置210からの射出光の光路の側方に配置されたホイールモータのモータ軸に固定され、カラーホイールの周方向の一部を光源装置210からの射出光の光路に介在させるように配置するものである。

また、導光ロッド224は、カラーホイール222の射出側に入射面を対向させる位置として配置し、入射面から入射した光をロッド内周面の反射膜により反射しながら導いて射出面から均一な強度分布の光として射出するものである。
そして、光源側光学系220のミラー228は、光源装置210から射出され、導光ロッド224とカラーホイール222と光源側レンズ群226とを透過した光を、マイクロミラー表示素子230に向けて反射することによりマイクロミラー表示素子230にその正面方向に対して一方の方向に傾いた方向から光を投射するものである。

また、投影側光学系250は、表示素子230側の固定レンズ群である第４レンズ群254として１枚のレンズを、可動鏡筒261の内部に第３レンズ群253及び第２レンズ群252として各々複数枚のレンズを、更に、投影口123の直近に第１レンズ群251として１枚のレンズを有し、ズームリング257やフォーカスリング258を回転させたとき、第２レンズ群252や第３レンズ群253を可動鏡筒261の内部で光軸方向に移動させるインナーズーム及びインナーフォーカス型のズームレンズを形成する投影側光学系250としているものである。

従って、このプロジェクタ100は、光源装置210から光を一方向に射出させ、光源側光学系220のカラーホイール222を高速で回転駆動させることにより、光源装置210から光源側光学系220に入射した光を、カラーホイール222により赤、緑、青の３色に順次着色し、さらに導光ロッド224により強度分布を均一にして、光源側光学系220としてのレンズ53及びミラーによりマイクロミラー表示素子230に向けて投射することができるものである。

そして、電源投入時から所定時間が経過して光源装置210からの光が安定すると、赤色、緑色、青色の光の投射周期に同期させてマイクロミラー表示素子230に赤、緑、青の単色画像データを順次書込むことにより、マイクロミラー表示素子230の正面方向に反射するオン状態光線によりマイクロミラー表示素子230に赤、緑、青の単色画像を順次形成させ、マイクロミラー表示素子230から順次射出する赤、緑、青の単色画像光を、投影側光学系250のレンズ群251〜254により拡大して投影面に投影するものであり、投影面に、赤、緑、青の３色の単色画像が重なったフルカラー画像を表示するものである。

又、このプロジェクタ100では、投影側光学系250のレンズユニットとして、第１レンズ群251を上昇ブロック270に組み込み、第２レンズ群252乃至第４レンズ群254をレンズユニット本体260に収納しているものである。
即ち、レンズユニット本体260の内部に設ける可動鏡筒260に第２レンズ群252と第３レンズ群253を組み込み、第２レンズ群252及び第３レンズ群253は所定の相対移動を可能として光軸方向に移動させるものとし、第４レンズ群254はレンズユニット本体260により底面パネル160に固定して表示素子230に対する一定の位置に固定するものとし、第１レンズ群251はレンズ支持体265に固定して光軸と交わる方向に移動可能とするものである。

この第１レンズ群251は、図４に示すように、平板状厚板であるレンズ支持体265に下方を切り欠いたＤ字型のレンズを固定しているものであり、レンズ支持体265は垂直方向の長穴とされたスライド溝266を貫通する取付けビス269によりレンズユニット本体260に取付けられ、平板状のレンズ支持体265はレンズユニット本体260の前端に沿って第１レンズ群251と共に上下移動可能とされているものである。

また、レンズ支持体265は、その左右の側壁にラック267を有し、このラック267に噛合するギア277を回転軸に備えたアクチュエータモータ275がレンズユニット本体260に固定されているものである。
従って、左右のアクチュエータモータ275を同一速度で回転させ、レンズ支持体265をスライド溝266に沿って上昇させることにより、図６に示したように、第１レンズ群251をレンズ支持体265と共に上昇させることができる。

尚、このレンズ支持体265の前面には、プロジェクタ100の前面パネル120の形状及び上面パネル110の前端形状に合わせ、且つ、第１レンズ群251の前方に投影口123を形成する窓を設けた第１レンズ群カバー271を設け、レンズ支持体265及び第１レンズ群カバー271により上昇ブロック270を形成するようにしているものである。

このように、第１レンズ群251のレンズとしては、下方の一部を切り欠いたＤ字形状のレンズとし、レンズ支持体265と共にプロジェクタ100の厚み方向である上下方向に移動を可能としているため、図４に示したように、レンズ支持体265を降下させたとき、図５に示すように、第２レンズ群252乃至第４レンズ群254の光軸である投影側光学系250の光軸263よりも第１レンズ群251の光軸264を低い位置に位置させ、光軸からレンズ周縁までの距離が大きな第１レンズ群251であっても、第１レンズ群251の高さを第２レンズ群252と略同一の高さとすることができる。

また、図６に示したように、第１レンズ群251をレンズ支持体265と共に上昇させ、図７に示すように第１レンズ群251の光軸264を投影側光学系250の光軸263と一致させることにより、表示素子230からのオン状態光線を歪ませることなくスクリーンに投影することができる。

なお、レンズ支持体265を光軸と交わる方向に平行移動させるに際しては、レンズユニット本体260の前端に沿ってレンズ支持体265を揺動させることなく上昇降下させる場合に限ることなく、ガイドレールを底面パネル160に固定し、ガイドレールに沿ってレンズ支持体265を上昇降下させるようにすることもある。

また、レンズ支持体265の上昇限界は、第１レンズ群251の光軸264を投影側光学系250の光軸263と一致させる高さとするものであり、スライド溝266の下端に調整部材を挿入してレンズ支持体265の上昇限界位置を決定する場合や、停止位置の微調整が可能なストッパー部材を設け、レンズ支持体265の上昇停止位置を常に一定とすることができるようにするものである。

このように、下方を切り欠いた第１レンズ群251であっても、マイクロミラー表示素子230を用い、投影側光学系250の光軸263を表示素子230の上端近傍に位置させるシフト光学系としたプロジェクタ100にあっては、図８に示すように、第２レンズ群252及び第３レンズ群253を広角端の位置に位置させた場合であっても、第４レンズ群254に入射され、第３レンズ群253及び第２レンズ群252を透過した光線束の全ての光線を第１レンズ群251を透過させることができる。

また、図９に示すように、第２レンズ群252や第３レンズ群253を望遠端の位置に位置させた場合も、第３レンズ群253を透過した光線束の全ての光線を第１レンズ群251を透過させることができるものである。
従って、第１レンズ群251のレンズ下端を切り欠いた場合でも、投影画像の明るさを低減させることなくスクリーンに投影することができ、投影しないときは第１レンズ群251を降下させることによりプロジェクタ100を薄くすることができる。

なお、プロジェクタ100の表示素子230は矩形であり、投影画像も矩形に形成するものであるため、投影側光学系250を透過する画像形成に必要な光線束も矩形であるから、第１レンズ群251のレンズ上端を一部切り欠いてレンズの上端と下端とを平行な直線とした変形レンズとすることもある。

もっとも、第１レンズ群251の上端の切り欠きは下端の切り欠きよりも小さくするものあり、更に、第２レンズ群252乃至第４レンズ群254の各レンズの上端を一部切欠くこともある。
このように、第１レンズ群251の上端などの一部切欠くことにより、光軸を中心とする円形とされた各レンズの上端を一部水平方向の直線形状とし、投影側光学系250の全体的高さをより低くすることもある。

また、本発明は、以上の実施例の形態に限定されるものでなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で自由に変更、改良が可能である。

本発明に係るプロジェクタの外観を示す図。 本発明に係るプロジェクタのレンズカバーを開いた状態の外観を示す図。 本発明に係るプロジェクタの内部構造の概略を示す平面図。 本発明に係るプロジェクタのレンズユニットを模式的に示す図。 第１レンズ群を降下させた状態の投影側光学系を模式的に示す図。 本発明に係るプロジェクタのレンズユニットを模式的に示す図。 第１レンズ群を上昇させた状態の投影側光学系を模式的に示す図。 投影側光学系における広角状態の光線束透過状態を示す図。 投影側光学系における望遠状態の光線束透過状態を示す図。

符号の説明

１００ プロジェクタ
１１０ 上面パネル １１１ 電源スイッチ
１１２ 電源ランプインジケータ １１３ 手動画質調整キー
１１４ 自動画質調整キー １１５ 光源ランプインジケータ
１１６ 加熱インジケータ １１８ 拡声穴
１１９ 開閉蓋
１２０ 前面パネル
１２１ レンズカバー １２３ 投影口
１３０ 後面パネル
１４０ 右側面パネル １４５ 排気口
１５０ 左側面パネル １５５ 吸気口
１６０ 底面パネル
１７０ 前足部材 １７５ 後足部材
１８０ 回路基板
１８１ プロジェクタ制御手段 １８７ ランプ電源回路
１９０ 冷却ファン
２１０ 光源装置 ２１１ 放電ランプ
２２０ 光源側光学系
２２２ カラーホイール ２２４ 導光ロッド
２２６ 光源側レンズ群 ２２８ ミラー
２３０ 表示素子
２５０ 投影側光学系
２５１ 第１レンズ群 ２５２ 第２レンズ群
２５３ 第３レンズ群 ２５４ 第４レンズ群
２５７ ズームリング ２５８ フォーカスリング
２６０ レンズユニット本体 ２６１ 可動鏡筒
２６３ 投影側光学系光軸 ２６４ 第１レンズ群光軸
２６５ レンズ支持体 ２６６ スライド溝
２６７ ラック ２６９ 取付けビス
２７０ 上昇ブロック ２７１ 第１レンズ群カバー
２７５ アクチュエータモータ ２７７ ギア

Claims (8)

1. 複数のレンズ群で構成されるプロジェクタの投影レンズであって、拡大側の第１レンズ群の少なくとも１枚が、下端を切り欠いたＤ字型であって、前記第１レンズ群は前記プロジェクタの投影口を所定の高さにする上昇ブロックに固定され、この第１レンズ群が光軸と直交する上下方向に移動可能とし、複数の他のレンズ群は前記プロジェクタのレンズユニット本体に収納されていることを特徴とする投影レンズ。
2. 前記複数のレンズ群で構成される投影レンズは、ズームレンズであることを特徴とする請求項１に記載した投影レンズ。
3. 前記第１レンズ群は、下端よりも小さな切り欠きを上端に有し、上端と下端とを平行とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した投影レンズ。
4. 前記第１レンズ群がフォーカシング、ズーミングの際に光軸方向に移動しない前群固定式の投影レンズであることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載した投影レンズ。
5. ケース内に光源装置、光源側光学系、表示素子、投影側光学系、冷却ファン、更に、ランプ電源回路やプロジェクタ制御手段を備えたプロジェクタであって、前記投影側光学系が複数のレンズ群で構成され、拡大側の第１レンズ群の少なくとも１枚は、前記ケースの厚み方向の下端を切り欠いたＤ字型とされ、この第１レンズ群が前記ケースの厚み方向に移動可能とされていることを特徴とするプロジェクタ。
6. 前記投影側光学系の光軸が、前記表示素子の中心と一致しないことを特徴とする請求項５に記載したプロジェクタ。
7. 前記第１レンズ群は、前記一端の切り欠きよりも小さな切り欠きを前記一端のレンズ周反対側に有し、前記一端の切り欠きと前記小さな切り欠きとを平行とすることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載したプロジェクタ。
8. 前記第１レンズ群が、フォーカシング、ズーミングの際に光軸方向に移動しない前群固定式の光学系であることを特徴とする請求項５乃至請求項７の何れかに記載したプロジェクタ。
   

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