JPS63165837A - 高さを減少された透過性オーバーヘッド・プロジェクタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は透過性オーバーヘッド・プロジェクタに関する
。

透過性オーバーヘッド・プロジェクタは、映写段のすぐ
下に置かれるフレネル・レンズ組立体に光を向けて光を
分布させる光源から成る。フレネル・レンズ装置は、光
を映写段の上に置かれる透明画を通して映写段の上に置
かれる映写レンズに向ける。レンズを出る光は次に鏡に
よって垂直スクリーンまたは壁に反射され、その上に透
明画の拡大された像が見られる。映写器のサイズ、特に
台の高さを減少させて、携帯性を向上させることがオー
バーヘッド・プロジェクタ１１４３Ｍ業者の長い間の目
標であった。

光源からフレネル・レンズ装置までの直接光路長、すな
わら誼によって折り畳まれない光路長を有する在来のオ
ーバーヘッド・プロジェクタの光源がフレネル・レンズ
装置から無視できない距離に置かれなければならないの
は、フレネル・レンズ装置が光源から広角で出される光
を透過したり効率良く集束する能力がないからである。

かくて、かかるプロジェクタの台の高さは比較的大きく
なければならない。

折り畳み式透過性オーバーヘッド・プロジェクタ装置は
、光源とフレネル・レンズ装置との間でプロジェクタ台
の中に置かれる鏡によって光路長を折り畳むことによっ
て、直接光路長プロジェクタに比べてプロジェクタの台
の高さを減少しようとしている。かかるプロジェクタは
台の高さを減少することはできるが、プロジェクタの台
の艮ざは増大させることになる。

透過性オーバーヘッド・プロジェクタの台の高さを減少
するいくつかの試みがこれまで行われてきた。米国特許
第３．６５３．７５４号において、映写ヘッドおよび支
持柱は台の中に折り畳まれて輸送中の高さを減少させる
が、使用する場合にプロジェクタの台の高さを有効に減
少させるものではない。米国特許第３．７７０．３４４
号は、多重共面フレネル・レンズおよび多重光源または
多重鏡を利用するオーバーヘッド・プロジェクトを開示
している。米国特許第３，９１５．５６８号は、切頭円
錐反射器および円−円柱集光レンズの使用により映写段
に光源をより近づけて霞いたオーバーヘッド・プロジェ
クタを開示している。米国特許第４．０８０，０５２号
は、２焦点フレネル集光レンズに光を集束する平面また
は曲面反射器の使用によりオーバーヘッド・プロジェク
タの台の高さを減少しようとしている。上述のオーバー
ヘッド・プロジェクタはその台の高さをある程度減少す
るが、機械およびその中に含まれる照明装置の複雑さを
大幅に増加する。

本発明は先行技術のプロジェクタに比べて台の高さを有
意義に減少するが、プロジェクタの複雑さを大幅に増加
しない透過性オーバーヘッド・プロジェクタを提供する
。台の高さの減少は、少なくとも６０″の入射角でフレ
ネル・レンズ装置に入る外縁光線の効果的な屈折につい
て約０．２５のｆ数を持つように特別に設計されている
完全光線屈折のフレネル・レンズ装置を供給することに
よって達成される。この新しいフレネル・レンズ装置に
よって、光源を先行技術のプロジェクタで得られる距離
の約１７２にフレネル・レンズ装置に関して置くことが
できる。

光源は、フレネル・レンズ装置を照らす一様性を改善す
る組数射角で光度を増加する切頭球形反射器を含むこと
が望ましい。

本発明を付図について詳しく説明するが、図中の同様な
数字は同様な部品を表わす。

第１図は台１２、支持アーム１４、映写レンズ１６およ
び平面！ｉ１８を含む全体として１０で示される、本発
明によるオーバーヘッド・プロジェクタを示す。台１２
は透明ガラス段２０を有し、その上に拡大像を映写すべ
き透明画（図示されていない）が置かれる。光は台１２
の中から段２０に向けられ、映写レンズ１６で集束され
、鏡１８によって垂直映写スクリーンまたは壁（図示さ
れていない）に反射され、その上に段２ｏの透明画の拡
大像が見られる。

第２図はオーバーヘッド・プロジェクタ１０の概略図で
あり、広い分布角にわたって光を出す「２重コイル」形
として酋通知られるタングステン・フィラメントである
ことが望ましい白熱フィラメント２２を示す。光源２２
から出る光はさらに、フィラメント２２と段２ｏとの間
に置かれる集光レンズ２４によって段２０の面積をカバ
ーするように制御される。集光レンズ２４は、フィラメ
ント２２によって発生される熱に耐えるガラスであるこ
とが望ましい。ガラス段２０と集光レンズ２４との間に
ある３素子環状フレネル・レンズ組立体２６は、フィラ
メント２２から出される光を映写レンズ１６によって屈
折集光する。

先行技術のプロジェクタに勝る台１２の高さの減少を達
成するために、光源２２はフレネル・レンズ組立体２６
に対してこれまで可能と考えられた以上にずっと近づけ
て置かれる。この結果、周知の「第４余弦法則」により
、フレネル・レンズ組立体２６の外縁よりもその中心で
明るさが増加する。フレネル・レンズ組立体２６の外縁
で光度を増加する１つの方法は、第４図に示されるよう
な切頭球形３０または第５図に示されるような環状フレ
ネル３２反射器であることができる環状反射器２８の使
用によって達成される。環状反射器２８の中心面積は、
フレネル・レンズ組立体２６の中心領域に対する反射光
の影響を防止するために除去される。

フィラメント２２、環状反射器２８の中心、集光レンズ
２４の中心、フレネル・レンズ組立体２６の中心、ガラ
ス段２０の中心、および映写レンズ１６の中心はすべて
共通の光軸３４に沿って置かれている。光ｍ２２から出
る光の放射角はこの光軸３４に関して測定され、また第
２図から見られる通りフレネル・レンズ組立体２６に入
射する光の放射角は約Ｏ″　（光軸３４に沿い）から６
０°を越えるまで変化する。

大きな放射角の使用を可能にし、かくてフィラメント２
２を段２０の極めて近くに置くことができ、その結果台
１２の高さを大幅に減少させるオーバーヘッド・プロジ
ェクタ１０の重要な構成部品はフレネル・レンズ組立体
２６である。

オーバーヘッド・プロジェクタ用の在来の透過性２素子
フレネル・レンズ組立体は、本発明の減少された光源距
離では、外部レンズ領域に光を効果的に透過しない。在
来の２レンズ組立体の速度は外部、すなわち外縁の光線
の大きな放射角を効果的に透過するだけ速くすることは
不可能である。

したがって映写像の外方部分は、映写像を快適に観測す
るには暗過ぎると思われる。しかし、３素子フレネル・
レンズ組立体を設計することによって、速度は３個の全
フレネル素子の主屈折面およびフィラメント２２に最も
近い素子の立上りステップ角の両方を制御することによ
って著しく増加される。こうして、外縁光線は有効に透
過され、スクリーンは完全に照らされる。

レンズ装置の「速度」がそのｆ数に関連があるのは、ｆ
数の少ないレンズ装置がより大きな速度を有するものと
考えられ、すなわち「より速い」レンズ装置と考えられ
るからである。レンズ装置のｆ数は下記の式によって定
められる：ただし： Ａ−レンズ装置のアパーチャ Ｄｌ−光源からレンズ装置の中点までの距離Ｄ２＝レン
ズ装置の中点からレンズ装置の焦点までの距離 本発明において、アパーチャｒＡＪはフィラメント２２
からの光を集めるフレネル・レンズ組立体２６の最大直
径であり、「Ｄｌ」はフィラメント２２からフレネル・
レンズ組立体２６までの距離であり、「Ｄ２」はフレネ
ル・レンズ組立体２６から映写レンズ１６におけるその
焦点までの距離である。

本発明の目的はＤｌの寸法したがってプロジェクタの台
の高さを減少することであるので、ｆ数は減少されなけ
ればならない。フレネル・レンズ組立体２６は、在来の
２フレネル・レンズのオーバーヘッド・プロジェクタの
ｆ数的０．５０に比べてなるべくｆ数的０．２５となる
ように設計されている。かくてフィラメント２２からフ
レネル・レンズ組立体までの距離は在来プロジェクタの
それの１／２となり、それに応じてプロジェクタの台の
高さが減少される。本発明のフレネル・レンズ組立体２
６はその集束特性に完全屈折性（光線屈折）を保ち、反
射屈折フレネル素子の透過において鋭い境界変化を受け
ない。上記の屈折能力は、好適な３素子より多い素子を
持つフレネル・レンズ組立体２６によって達成される。

しかし、追加の各レンズ素子はレンズ組立体２６を透過
される光の量を減少する。したがって、所要の屈折特性
を作る最小数のレンズ素子を使用することが望ましい。

この数は３であることが判明している。

第３図は下部環状フレネル・レンズ３６、中部環状フレ
ネル・レンズ３８、および上部環状フレネル・レンズ４
０を含むフレネル・レンズ組立体２６の一部を詳細に示
す。「上部」および「下部」はそれぞれ映写レンズ１６
ならびにフィラメント２２に対するフレネル・レンズの
近接を表わす。

第３図は入射角θで下部フレネル・レンズ３６に当たる
フィラメント２２からの外縁光線４２をも示すが、角θ
は光軸３４からの光線４２の放射角に等しい。前述の通
り、フレネル・レンズ組立体２６の縁における光［１４
２の角度は約６０’であることが望ましいが、この角度
は台の高さをさらに減少させたいならばより大きくする
ことができる。第３図はさらに、下部フレネル素子３６
の屈折角である角θ′、各フレネル素子３６．３８およ
び４０の溝角である角α、ならびにフレネル素子３６．
３８．４０の立上りステップ角である角βを示す。

各フレネル素子３６．３８および４０の溝角αは一般非
球面のたるみ式から導かれる下記の式によって説明され
る： ただし： Ｙ＝％の中心とレンズの中心との間の距離Ｃ−頂点曲率 に−円錐定数 ｄ、ｅ、ｆ、Ｑ−非球面変形係数 ３フレネル素子３６．３８および４０の溝数はミリメー
トル当たり約２〜８溝の値を有し、アクリル光学プラス
チック製であることが望ましい。

下部フレネル素子３６の溝角αを制御することに加えて
、その立上りステップ角βは立上りを内部屈折光線４２
と平行に保って立上りステップの妨害を最小にするよう
に制御される。これらの立上り角βは下記の式により定
められる：θ−アークタンジェント（Ｙ　／　Ｄ　）　
　　　　＋２）θ′−アークサイン（サイン（θ）　／
　Ｒ）　　（３１β−Ｉｆ／２−θ′（４） ただし： θ＝下部フレネル素子の鉛直線に対する入射角θ′＝下
部フレネル素子の鉛直線に対する屈折角 β−立上りステップ角 Ｙ＝レンズ中心からの溝の距離 り一光源から下部フレネル素子までの距離Ｒ−フレネル
・レンズ材料の屈折率 映写レンズ１６は、レンズの焦点距離を変えることによ
って像の倍率が変えられる可変焦点形であることが望ま
しい。この形の映写レンズを使用すると、映写レンズの
焦点距離にわたる移動を無視できるという利点がある。

かくて、固定焦点映写レンズの倍率範囲にわたる移動を
補償するフィラメント２２の移動の通常要求は除外され
る。そのとき光源はフレネル・レンズ組立体２６に最も
近い位置に固定され、台１２の高さは最小に保たれる。

本発明の原理を利用するオーバーヘッド・プロジェクタ
１０の特定な１つの例において、３素子フレネル・レン
ズ組立体２６からフィラメント２２までの距離は９７ｍ
である。ガラス集光レンズ２４の焦点距離は２７５ａｍ
である。反射器２８は球形で、曲率半径２３．９履、上
部直径４４ＴｒＬ１下部直径３２ｍである。球形反射器
２８の中心はフィラメント２２より２３．９ａ下に置か
れている。フレネル・レンズ組立体２６は７９．８２ｍ
の組合せ焦点距離を有し、ｆｌｏ、２３のｆ数で作動す
る。下部フレネル素子３６は主屈折面を説明する下記の
設計パラメータを有する：Ｃ＝０．０１４４０２ｊ＊−
１ に＝−１，０９３１５ ｄ＝−２，８８７６Ｅ−８ ｅ−−８，８５６４Ｅ−１３ ｆ−１，７１５３Ｅ−１７ ａ＝−１，９３４Ｅ−２３ 下部フレネル素子３６の立上りステップ角βは、素子３
６の中心に近い８９．９’からレンズの隅に近い５３．
９°まで変化するように制御される。

素子３８は主屈折面を説明する下記の設計パラメータを
有する： Ｃ＝０．００５８６９ＪＩＩ−’ に＝−０，９６９６８ （ｊ−２，４２９８Ｅ−９ ｅ＝−１，１０４８Ｅ−１４ ｆ＝３．２０１７Ｅ−２０ ｑ−−９，１３５７Ｅ・−２６ 素子４０は主屈折面を説明する下記の設計パラメータを
有する： Ｃ＝０．００５３５３ｍ＋−１ に−−１，０５６１９ ｄ−１，４５９３Ｅ−９ ｅ−９，１５３７Ｅ−１６ ｆ−−１，９６３２Ｅ−２０ ａ＝９．３５４３Ｅ−２６ 下部フレネル素子３６および中部フレネル索子３８の溝
付表面はいずれも上を向き、すなわち映写レンズ１６に
向かいかつフィラメント２２から離れているが、上部フ
レネル素子４ｏの溝付表面は下を向き、すなわちフィラ
メント２２に向かいかつ映写レンズ１６から離れている
。フレネル・レンズ組立体２６の全体は、溝付表面を保
護するようにその縁で密閉されることが望ましい。すべ
てのフレネル素子３６．３８．４０は黄色の光について
１．４９１の屈折率を持つ厚さ２ｍの光学アクリル・プ
ラスチックで作られる。

可変焦点距離の映写レンズは、２８０ｍｍ〜３１５１ｍ
ｌの焦点距離範囲およびｆ／６．５のｆ数を有する。映
写レンズ１６は、３７８Ｍの段２ｏの上の公称高さで倍
率範囲３．１ｘ〜９．８×にわたって像を映写すること
ができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の新しいフレネル・レンズｖｉｔｌを含
む透過性オーバーヘッド・プロジェクタの斜視図、第２
図は第１図のオーバーヘッド・プロジェクタの概略断面
図、第３図は本発明のフレネル・レンズ装置の一部の断
面図、第４図は本発明の一部を構成する光源と共に利用
される環状反射器の斜視図、第５図は本発明の一部を構
成する光源と共に使用される１つの別な環状反射器の斜
視図である。 主な符号の説明： １０−オーバーヘッド・プロジェクタ：１２一台；１４
−支持アーム；１６−映写レンズ＝１８一平面ｍ：２０
一段；２２−光源（フィラメント）；２４−集光レンズ
：２６−フレネル・レンズ組立体：２８−反射器：３６
，３８．４０−フレネル素子。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）光を円錐状に出し得る光源（２２）と、映写レン
   ズ（１６）と、 前記光源（２２）の上に中心を置きかつ前記光源（２２
   ）から出される光を前記映写レンズ（１６）の焦点に集
   束し得るとともに０．５０未満のｆ数を有する少なくと
   も３個の同軸環状素子（３６、３８、４０）から成るフ
   レネル・レンズ組立体（２６）において、ｆ数は前記光
   源（２２）によって出される光を集める前記フレネル・
   レンズ組立体（２６）の最大直径の逆数を、前記フレネ
   ル・レンズ組立体（２６）の中点から前記光源（２２）
   までの距離の逆数と前記フレネル・レンズ組立体（２６
   ）の前記中点から前記映写レンズ（１６）の前記焦点ま
   での距離の逆数との和で割ったものと定義される前記フ
   レネル・レンズ組立体（２６）と、 を含むことを特徴とする高さを減少された透過性オーバ
   ーヘッド・プロジェクタ（１０）。
2. （２）前記フレネル・レンズ組立体（２６）の前記ｆ数
   は約０．２５である、ことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載による高さを減少された透過性オーバーヘッ
   ド・プロジェクタ（１０）。
3. （３）前記フレネル・レンズ組立体（２６）は光源（２
   ２）に最も近いフレネル・レンズ素子（３６）の溝付表
   面が前記光源（２２）から離れた方を向き、映写レンズ
   （１６）に最も近い前記フレネル・レンズ素子（４０）
   の溝付表面が前記映写レンズ（１６）から離れた方を向
   くように置かれた３個のフレネル・レンズ素子（３６、
   ３８、４０）を含み、また中間フレネル・レンズ素子（
   ３８）の溝付表面は前記光源（２２）から離れた方を向
   き、前記溝付表面の角度は下記によって説明され：タン
   ジェント（α）＝（２ＹＣ）／｛１＋√［１−（Ｋ＋１
   ）Ｃ＾２Ｙ＾２］｝＋［（Ｋ＋１）Ｃ＾３Ｙ＾３］／｛
   √［１−（Ｋ＋１）Ｃ＾２Ｙ＾２］｛１＋√［１−（Ｋ
   ＋１）Ｃ＾２Ｙ＾２］｝＾２｝＋４ｄＹ＾３＋６ｅＹ＾
   ５＋８ｆＹ＾７＋１０ｇＹ＾９（１）ただし： Ｙ＝溝の中心とレンズの中心との間の距離 Ｃ＝頂点曲率 Ｋ＝円錐定数 ｄ、ｅ、ｆ、ｇ＝非球面変形係数 また抗原（２２）に最も近いフレネル・レンズ素子（３
   ６）の溝付表面は下記パラメータを有し：Ｃ＝０．０１
   ４４０２ｍｍ＾−＾１ Ｋ＝−１．０９３１５ ｄ＝−２．８８７６Ｅ−８ ｅ＝−８．８５６４Ｅ−１３ ｆ＝１．７１５３Ｅ−１７ ｇ＝−１．９３４Ｅ−２３ また映写レンズ（１６）に最も近いフレネル・レンズ素
   子（４０）は下記パラメータを有し：Ｃ＝０．００５３
   ５３ｍｍ＾−＾１ Ｋ＝−１．０５６１９ ｄ＝１．４５９３Ｅ−９ ｅ＝９．１５３７Ｅ−１６ ｆ＝−１．９６３２Ｅ−２０ ｇ＝９．３５４３Ｅ−２６ また前記中間フレネル・レンズ素子（３８）の前記溝付
   表面は下記パラメータを有する： Ｃ＝０．００５８６９ｍｍ＾−＾１ Ｋ＝−０．９６９６８ ｄ＝２．４２９８Ｅ−９ ｅ＝−１．１０４８Ｅ−１４ ｆ＝３．２０１７Ｅ−２０ ｇ＝−９．１３５７Ｅ−２６ ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載による高さ
   を減少された透過性オーバーヘッド・プロジェクタ（１
   ０）。
4. （４）前記光源（２２）に最も近いフレネル・レンズ素
   子（３６）の前記溝付表面の立上りステップ角は前記光
   源（２２）に最も近い前記フレネル・レンズ素子（３６
   ）の中心付近の約８９．９°から前記光源（２２）に最
   も近い前記フレネル・レンズ素子（３６）の縁における
   約５３．９°まで変化する、ことを特徴とする特許請求
   の範囲第２項記載による高さを減少した透過性オーバー
   ヘッド・プロジェクタ（１０）。
5. （５）前記光源（２２）は白熱フィラメントと、前記フ
   ィラメントによって出された光を前記光源（２２）に最
   も近い前記フレネル・レンズ素子の前記縁に選択反射す
   るように前記フィラメントに関して前記フレネル・レン
   ズ組立体（２６）と対向して置かれる環状反射器（２８
   ）とを含む、ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記
   載による高さを減少されたオーバーヘッド・プロジェク
   タ（１０）。
6. （６）前記環状反射器（２８）は切頭球形反射器（３０
   ）である、ことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載
   による高さを減少されたオーバーヘッド・プロジェクタ
   （１０）。
7. （７）前記光源（２２）は白熱フィラメントと、前記フ
   ィラメントによって出された光を前記光源（２２）に最
   も近い前記フレネル・レンズ素子の前記録に選択反射す
   るように前記フィラメントに関して前記フレネル・レン
   ズ組立体（２６）と対向して置かれる環状反射器（２８
   ）とを含む、ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載による高さを減少されたオーバーヘッド・プロジェク
   タ（１０）。
8. （８）前記環状反射器（２８）は切頭球形反射器（３０
   ）である、ことを特徴とする特許請求の範囲第６項記載
   による高さを減少されたオーバーヘッド・プロジェクタ
   （１０）。