JPH08327900A

JPH08327900A - 反射光変調器用オフセット・ズーム・レンズ

Info

Publication number: JPH08327900A
Application number: JP8140421A
Authority: JP
Inventors: Doug Anderson; アンダーソンドゥグ
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1995-06-02
Filing date: 1996-06-03
Publication date: 1996-12-13
Also published as: EP0745879A3; TW303426B; KR970002390A; CA2177758A1; CN1161461A; CN1093643C; US5619381A; EP0745879A2

Abstract

(57)【要約】【目的】歪みが少なく、視域が広く、画面を均一に照
明し、可変倍率機能を有する投影光学系を提供する。【構成】投影光学系（１０）は、２つの可動レンズ
群、即ち、ズーム・レンズ群（２０）と補償レンズ群
（２０）とを含む。補償レンズ群（１８）は、可動開口
絞り（２１）を含むことにより、可変開口絞りの必要性
をなくした。両レンズ群は、収差を除去するために、少
なくとも１枚の非球面レンズ（２２，２３）を含む。補
償レンズ群は正倍率を有し、一方ズーム・レンズ群は負
倍率を有するため、逆テレフォト構成となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、投影光学系に関
し、更に特定すれば、倍率可変投影光学系に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】投影表示装置にはいくつかの制約があ
り、それがかかる光学系の設計の障害となっている。典
型的に、これら投影表示装置では、表示の明確化のため
に歪みが少なく、所与の場所でより多くの視聴者に明確
な画像を提示するために視域角が広く、高画質化のため
に解像度が高く、明るい画面および均一な画面照明のた
めに光学処理能力が高いことが要求される。

【０００３】本分野における空間光変調器とは、個々に
指定可能な素子のアレイのことであり、通常各素子は目
視画像内の１つの画像要素、即ち、画素を表わす。反射
型空間光変調器は、多くの場合、かかる素子のアレイか
ら成り、各素子は光を表示面に反射したり、あるいは表
示面から遠ざかるように反射することが可能である。逆
に、透過型変調器は、通常光路内に直接配置され、指定
にしたがって光を透過させるか、あるいは遮断するもの
である。

【０００４】オフセット投影(offset projection) を用
いることによって、反射型変調器の照明効率およびアー
チファクトに伴う問題を解消することができる。通常、
変調器は、投影レンズの中心軸上に配列される。しかし
ながら、このために、台形像効果(keystoning)と呼ばれ
る歪みを生じることになる。台形像効果が発生するの
は、投影軸が画面に対して垂直ではない場合である。例
えば、あるテーブル上に位置付けられた投影装置が上方
向に傾いていると、画像は全体的にテーブルの高さより
も高いところに投影される。画像の上端は画像の下端よ
りも投影装置から遠いので、画像の上端の両角は下端の
両角よりも遠く離れることになる。変調器を投影レンズ
の軸から外れるように動かせば、このような結果を回避
することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の要件全てに加え
て、反射型変調器は長い後部焦点距離を必要とする。光
は変調器に入射し、変調器が光を変調器アレイから反射
するときに、光は画像として形成される。入来光路と反
射光路とは、互いに分離状態を保っていなければなら
ず、さもないと画像が影響を受けることになる。この分
離は、入来光路と射出光路との間の空間量を増大させる
ことによって達成可能であるが、その結果後部焦点距離
が長くなる。

【０００６】最後に、上述の要件全てを満たす投影装置
では、ズーム・レンズのように、可変倍率を有すること
がしばしば望まれる。したがって、少ない歪み、広い視
域能力、均一な画面照明、ズーム機能、およびオフセッ
ト投影という要件を満たす光学系が必要とされている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は投影光学系を開
示するものである。この投影光学系は、２つの可動レン
ズ群、即ち、ズーム・レンズ群と補償レンズ群とを含
む。補償レンズ群は、正倍率(positive power)を有し、
少なくとも１枚の非球面レンズを含み、当該補償レンズ
群と共に作動する開口絞り(aperture stop) を有する。
また、補償レンズ群は、互いに固定された、少なくとも
２枚の別のレンズ要素も含む。

【０００８】本発明の利点は、投影画像において低歪み
および高解像度を可能とすることである。

【０００９】本発明の更に他の利点は、可変開口絞りの
必要性がなくなることである。

【００１０】本発明の更に他の利点は、限られた数のレ
ンズ要素を用いることである。

【００１１】本発明の更に他の利点は、投影光学系を、
反射型空間光変調器およびそれらの照明系と効率的に結
合することである。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明およびその利点をより正し
く理解するために、図面を参照しながら、その実施例に
ついて詳細に説明する。

【００１３】図１は、反射型空間光変調器１６を用い、
倍率可変を実現する、最少投影光学系１０を示す。光源
１２は、窓１４を通じて、変調器１６を照明する。通
常、空間光変調器は、変調器上のアレイの個々の素子を
活性化する素子指定回路(addressing circuit)で構成さ
れている。堅牢性および可搬性のために、変調器は通常
密閉環境内に収容され、上側の窓を通じて、変調器の受
光および光の反射を可能としている。

【００１４】入来光は、個々の素子の中からあるものを
選択することによって、画像として形成される。選択さ
れた素子は、それらの素子に入射する光を、第１レンズ
群１８に向けて反射する。第１レンズ群１８は、ここで
は樽型容器として図示されており、以後補償レンズ群と
呼ぶことにする。次に、補償レンズ群は光を第２レンズ
群２０に通過させる。第２レンズ群２０のことを、以後
ズーム・レンズ群と呼ぶことにする。拡大された画像
は、次に目視面に送られる。補償レンズ群およびズーム
・レンズ群は移動し、目視面に投影される画像のサイズ
は、補償レンズ群およびズーム・レンズ群の位置によっ
て異なる。

【００１５】空間光変調器１６から目視面までの光路の
側面図、即ち、投影光路を、図２および図３に示す。こ
れらの図面では、各群内のレンズは、容器を省略して図
示されている。図２は、ズーム・レンズ全体およびその
最短焦点距離配置を示す。レンズ群１８、即ち、補償レ
ンズ群は開口絞り２１を含む。開口絞り２１は補償レン
ズ群１８と共に作動する。これによって、系のｆ−ナン
バーが、表示倍率と共に変化し、表示輝度を一定に保つ
と共に、可変開口絞りの必要性をなくすることができ
る。

【００１６】可変開口絞りとは、例えば、３５ｍｍカメ
ラのＦ絞り値のように、絞りの開度を変化させる機能の
ことを意味する。多くの場合、これらはモータ駆動され
ており、機械系にかなりの複雑性を付加することにな
る。本投影光学系の開口絞りは、補償レンズ群と共に作
動するので、系のｆ−ナンバーは、自然に画面の輝度
（明るさ）を一定に保つ方向に変化する。

【００１７】本実施例は、逆テレフォト構造(reverse t
elephoto configuration) を採用しており、補償レンズ
群は正の光学倍率(positive optical power)を有し、ズ
ーム群は負の倍率を有する。ここに図示する補償レンズ
群は、「＋＋−＋」構成である。レンズ要素２８，２６
および２２は全て正倍率であり、レンズ要素２４は負倍
率である。レンズ要素２２は非球面であり、光学収差の
制御を可能とする。収差とは、レンズ系によって形成さ
れる画像の完全性からの偏差を示す。収差は、作成は容
易である球面が、完全な画像を形成しないという事実の
結果生じるものである。これらは、色収差と区別するた
めに、単色収差と呼ばれている。色収差は、波長即ち色
に対するガラスの屈折率の相違によって生じる。

【００１８】通常、単色収差は、設計においてレンズの
枚数を増やすことによって、減少する。非球面レンズを
用いれば、より少ないレンズ要素で、同様の性能を達成
することができる。しかしながら、非球面は作成が難し
く、特に、正確な形状が作られたことを測定することが
困難である。加えて、非球面を作るのに使用可能な材料
およびプロセスは限られている。

【００１９】本発明の一実施例では、これらのレンズは
アクリル・プラスチックで作られ、ダイヤモンド・ポイ
ント加工(diamond point machining) 、または射出成型
によって、非球面を作成する。色収差を減少させるに
は、通常、異なるガラスで作った正および負倍率レンズ
を用いる。これらのレンズ要素は、機械的な不整合を全
く生じないように互いに接着される。その理由は、単色
収差はかかる不整合に非常に敏感なためである。

【００２０】収差を減ずることも可能な比較的新しい技
法は、回折光学素子を用いている。原理的には、回折素
子を非球面製造プロセスに含ませることが可能なので、
他の要素や素子を追加する必要はない。

【００２１】レンズ群２０、即ち、ズーム・レンズ群
は、全体として「−−−＋」という構成を有し、負倍率
である。レンズ要素３２，３４および３６は、全て負倍
率であり、レンズ要素３０は正倍率である。補償レンズ
群内のレンズ要素２２が非球面であるのと全く同様、レ
ンズ要素３２も非球面である。レンズ要素３２は、収差
の補正を補助するために、回折要素を含んでもよい。

【００２２】ここに示すレンズ群１８は、開口絞り２１
に加えて、４枚の要素を有し、レンズ群２０も４枚の要
素を有する。ここに示す例は、各群が有する要素の数
を、決して限定することを意図するものではない。収差
の補正には、恐らく各群に非球面レンズを有することが
望ましい。

【００２３】同様に、開口絞り２１は、補償レンズ群で
は要素２４と２２との間に示されているが、これも開口
絞りの配置の限定を意図するものでは決してない。ま
た、先に論じた理由により、恐らく開口絞りを補償レン
ズ群と共に作動可能にすることが望ましいであろう。

【００２４】各群を互いに対して移動させることによっ
て、ズーム比、即ち、ある一定距離における最大表示サ
イズ対最少表示サイズの比が決定する。これらレンズ群
の位置と移動距離は、所望のズーム比、および表示面に
焦点を維持する動作によって異なる。図３は、最長焦点
距離配置の場合の本投影光学系を示す。

【００２５】可動レンズ群の各々が少なくとも１枚の非
球面レンズを有し、これらレンズ群が逆テレフォト構成
となっている投影光学系には、いくつかの利点がある。
可変倍率投影光学系を本実施例と対比すると、本システ
ムは少ない枚数のレンズ要素で、低歪みおよび高解像度
が得られる。加えて、本システムは可変開口絞りを必要
とせず、反射型光変調器およびその照明系の投影光学系
への効率的な結合を可能とする。

【００２６】以上のように、倍率可変のオフセット投影
光学系の特定実施例について記載したが、かかる具体的
な引用は、特許請求の範囲の記載を除いては、本発明の
範囲に対する限定と看做されることを意図するものでは
ない。

【００２７】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。（１）倍率可変光学系において、少なくとも１枚の非球
面レンズを含むズーム・レンズ群であって、負の光学倍
率を有し、移動可能な前記ズーム・レンズ群と、正の光
学倍率を有し、移動可能な補償レンズ群であって、少な
くとも１枚の非球面レンズ要素と、少なくとも２枚の他
のレンズ要素であって、前記光学系における色収差を最
少に抑えるように互いに固定されている前記少なくとも
２枚の他のレンズ要素と、を含む前記補償レンズ群と、
前記補償レンズ群と共に配置され、前記補償レンズ群と
共に作動する開口絞りと、から成る光学系。（２）前記ズーム・レンズ群は４枚のレンズから成る、
第１項記載の光学系。（３）前記補償レンズ群は４枚のレンズから成る、第１
項記載の光学系。（４）前記開口絞りは前記補償レンズ群の第３および第
４要素の間に配置されている、第３項記載の光学系。（５）前記ズーム・レンズ群に含まれている前記非球面
レンズは、回折素子を含む、請求項１記載の光学系。（６）前記補償レンズ系に含まれている前記非球面レン
ズは、回折素子を含む、請求項１記載の光学系。（７）倍率可変光学系において、負倍率を有し、移動可
能なズーム・レンズ群であって、負倍率の第１および第
２レンズ要素と、非球面であり、かつ負倍率を有する第
３レンズ要素と、正倍率を有する第４レンズ要素と、を
含む前記ズーム・レンズ群と、正倍率を有し、移動可能
な補償レンズ群であって、正倍率の第１および第２レン
ズ要素と、前記第２レンズ要素に固定された、負倍率の
第３レンズ要素と、正倍率を有する第４レンズ要素と、
を含む前記補償レンズ群と、前記補償レンズ群の前記第
３レンズ要素と前記第４レンズ要素との間に配置された
開口絞りであって、前記補償レンズ群と共に作動可能な
前記開口絞りと、から成る倍率可変光学系。

【００２８】（８）投影光学系。光学系１０は、２つの
可動レンズ群、即ち、ズーム・レンズ群２０と補償レン
ズ群２０とを含む。補償レンズ群１８は、可動開口絞り
２１を含むことにより、可変開口絞りの必要性をなくし
た。両レンズ群は、収差を除去するために、少なくとも
１枚の非球面レンズ２２，２３を含む。補償レンズ群は
正倍率を有し、一方ズーム・レンズ群は負倍率を有する
ため、逆テレフォト構成となっている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における、反射型空間光変調器のための
オフセット投影光学系の実施例を示す斜視図。

【図２】本発明における、投影光学系の一実施例の最短
焦点距離配置を示すレンズ構成図。

【図３】本発明における、投影光学系の一実施例の最長
焦点距離配置を示すレンズ構成図。

【符号の説明】

１０投影光学系１２光源１４窓１６反射型空間光変調器１８第１レンズ群（補償レンズ群）２０第２レンズ群（ズーム・レンズ群）２１開口絞り２２，２４，２６，２８，３０，３２，３４，３６レ
ンズ要素

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】倍率可変光学系において、少なくとも１枚の非球面レンズを含むズーム・レンズ群
であって、負の光学倍率を有し、移動可能な前記ズーム
・レンズ群と、正の光学倍率を有し、移動可能な補償レンズ群であっ
て、少なくとも１枚の非球面レンズ要素と、少なくとも２枚の他のレンズ要素であって、前記光学系
における色収差を最少に抑えるように互いに固定されて
いる前記少なくとも２枚の他のレンズ要素と、を含む前
記補償レンズ群と、前記補償レンズ群と共に配置され、前記補償レンズ群と
共に作動する開口絞りと、から成る倍率可変光学系。