(57)【要約】  投写レンズ要素の物理的オフセットを制限しながら、大きな度合いの画像オフセットを有する画像を投写するための方法およびシステムが提供される。開示される一実施形態は、光軸（７０４）を有するディスプレイパネル（７０２）、ディスプレイパネルの光軸（７０４）から第１の距離（Ｄ１）だけ偏心した光軸（７０８）を有する第１のレンズ要素（７０６）、およびディスプレイパネルの光軸（７０４）から第２の距離（Ｄ２）だけ偏心した光軸（７１２）を有する第２のレンズ要素（７１０）を含む。これらの方法およびシステムは、ディスプレイパネルの光軸に対する光学要素の変位を制限し、極めて薄く効率の良いプロジェクタを可能にする。
2013532313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投写レンズ系であって、
光軸を有するディスプレイパネル、
前記光軸に対して第１の方向に画像オフセットを導入する第１のレンズ群、および
前記画像オフセットと反対の方向に光路をシフトさせる光学シフタ、
を含む、投写レンズ系。
【請求項２】
請求項１に記載の投写レンズ系であって、前記第１のレンズ群内の２つまたはそれ以上のレンズが互いに対して偏心している、投写レンズ系。
【請求項３】
請求項１に記載の投写レンズ系であって、前記第１のレンズ群内のレンズのすべてが互いに対して偏心している、投写レンズ系。
【請求項４】
請求項１に記載の投写レンズ系であって、前記第１のレンズ群が、前記ディスプレイパネルからの光を実質的にコリメートする、投写レンズ系。
【請求項５】
請求項１に記載の投写レンズ系であって、前記投写レンズ系が、物体面を平行な像面に結像するように動作可能である、投写レンズ系。
【請求項６】
請求項１に記載の投写レンズ系であって、前記光学シフタが屈折型光学シフタである、投写レンズ系。
【請求項７】
請求項１に記載の投写レンズ系であって、前記光学シフタが反射型光学シフタである、投写レンズ系。
【請求項８】
請求項１に記載の投写レンズ系であって、前記光学シフタから光を受け取り、前記光を像面に結像させる第２のレンズ群を含む、投写レンズ系。
【請求項９】
請求項８に記載の投写レンズ系であって、前記第２のレンズ群が前記光軸に対して傾いている、投写レンズ系。
【請求項１０】
請求項８に記載の投写レンズ系であって、前記第２のレンズ群が前記光軸に対して前記投写レンズの開口に関して傾いている、投写レンズ系。
【請求項１１】
投写レンズ系であって、
光軸を有するディスプレイパネル、
前記ディスプレイパネルからの光を実質的にコリメートし、前記光軸に対して第１の方向に画像オフセットを導入する第１のレンズ群、および
像面に前記ディスプレイパネルの像を結像する第２のレンズ群、
を含み、
前記第１のレンズ群内の要素が互いに対してオフセットしている、
投写レンズ系。
【請求項１２】
請求項１１に記載の投写レンズ系であって、前記第１のレンズ群内の前記要素が、前記ディスプレイパネルの高さの２０％以下だけ前記光軸に対してオフセットしており、前記像が１００％以上の画像オフセットを有する、投写レンズ系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、投写ディスプレイシステムの分野に関する。より詳細には、本発明は、投写ディスプレイシステムによって用いられる投写光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディスプレイシステムは概して、直視ディスプレイと投写ディスプレイに分類され得る。直視ディスプレイでは、直視ディスプレイシステムのユーザが物体面を直接観ることができる。投写ディスプレイシステムでは、物体面からの光を像面に投写して、投写ディスプレイシステムのユーザが像面からの光を見る。投写ディスプレイシステムの像面はフロント投写面とすることができ、この場合、ディスプレイシステムと観察者は像面の同じ側に位置する。投写ディスプレイシステムの像面はリア投写面としてもよく、この場合、ディスプレイシステムと観察者は像面の対向する側に位置する。特に断らない限り、本明細書で教示する概念は、フロント投写ディスプレイシステムおよびリア投写ディスプレイシステムのいずれにも適用される。
【０００３】
投写ディスプレイシステムは物体面からの光を利用する。この光は、例えばプラズマ放電パネル、発光ダイオードのアレイ、陰極線管の蛍光スクリーン、または任意の他の光源によって、物体面に置かれたディスプレイパネルから放出されるものとし得る。あるいは、この光は、例えばマイクロミラーアレイ、透過型液晶デバイス、反射型液晶デバイス、写真スライド、または入射光を反射し得る任意の物理的な物体によって、物体面に置かれたディスプレイパネルにより伝搬または反射されたものとし得る。
【０００４】
最近のディスプレイシステムは、過去１０〜２０年の間で、色の忠実性、画像輝度、画像コントラスト、画像歪み、および画像サイズの点で極めて大きく進歩している。ディスプレイシステムに対する消費者の期待は大きくなるばかりである。そのため、使いやすく典型的な視環境によく適合する極めて小さく低コストのディスプレイシステムから極めて高画質の画像を生成することが極めて望ましい。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、小さなフォームファクタ、または短い投影距離、あるいは小さなフォームファクタと短い投影距離の両方を維持しながら大きな画像オフセットを有する画像をつくる方法およびシステムを提供する。
【０００６】
一実施形態は、光軸を有するディスプレイパネル、光軸に対して第１の方向に画像オフセットを導入する第１のレンズ群、および画像オフセットと反対の方向に光路をシフトさせる光学シフタを含む投写レンズを提供する。
【０００７】
別の実施形態は、光軸を有するディスプレイパネル、ディスプレイパネルからの光を実質的にコリメートし、光軸に対して第１の方向に画像オフセットを導入する第１のレンズ群、および像面にディスプレイパネルの像を結像する第２のレンズ群を含む投写レンズであって、第１のレンズ群内の要素が互いに対してオフセットしている、投写レンズを提供する。
【０００８】
別の実施形態は、光軸を有するディスプレイパネル、ディスプレイパネルからの光を実質的にコリメートし、光軸に対して第１の方向に画像オフセットを導入する第１のレンズ群、および像面にディスプレイパネルの像を結像する第２のレンズ群を含む投写レンズであって、第１のレンズ群内の要素が、ディスプレイパネルの高さの２０％以下だけ光軸に対してオフセットしており、像が１００％又はそれ以上の画像オフセットを有する、投写レンズを提供する。
【０００９】
添付の図面を参照して例示の実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】プロジェクタの投影比（throw ratio）を示す投写ディスプレイシステムの概略図である。
【００１１】
【図２】ディスプレイパネル、投射レンズ、およびディスプレイスクリーンの関係を示す典型的な投写ディスプレイシステムの概略図である。
【００１２】
【図３Ａ】或る量の画像オフセットを示す投写ディスプレイシステムの概略図である。
【図３Ｂ】或る量の画像オフセットを示す投写ディスプレイシステムの概略図である。
【図３Ｃ】或る量の画像オフセットを示す投写ディスプレイシステムの概略図である。
【００１３】
【図４】画像オフセットを示す投写ディスプレイシステムの概略図である。
【図５】画像オフセットを示す投写ディスプレイシステムの概略図である。
【００１４】
【図６】３群の光学要素を示す投写レンズの概略ブロック図である。
【００１５】
【図７】ディスプレイパネルに対するオフセットを示す投写レンズの概略図である。
【００１６】
【図８】本発明の実施形態に従った光学シフタの概略図である。
【図９】本発明の実施形態に従った光学シフタの概略図である。
【図１０】本発明の実施形態に従った光学シフタの概略図である。
【図１１】本発明の実施形態に従った光学シフタの概略図である。
【図１２】本発明の実施形態に従った光学シフタの概略図である。
【００１７】
【図１３】本発明の実施形態に従ったチルトレンズ群を示す投写レンズの一部の概略図である。
【００１８】
【図１４】本発明の実施形態に従った、ＸＺ面を通した投写レンズの概略図である。
【００１９】
【図１５】ＸＹ面を通した図１４の投写レンズの概略図である。
【００２０】
【図１６】本発明の実施形態に従った、ＸＺ面を通した投写レンズの概略図である。
【００２１】
【図１７】ＸＹ面を通した図１６の投写レンズの概略図である。
【００２２】
【図１８】本発明の一実施形態に従った、ＸＺ面を通した投写レンズの概略図である。
【００２３】
【図１９】ＸＹ面を通した図１８の投写レンズの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１は、像面１０２に画像を投写する投写ディスプレイシステム１００を示す。プロジェクタ１００は、像面１０２から距離１０４に位置しており、この距離で、高さ１０６および幅１０８を有する画像を投写する。像面１０２またはスクリーンからの距離１０４は、一般にプロジェクタ投影距離（throw）と呼ばれる。画像の幅１０８に対する投影距離の比は一般に投影比と呼ばれる。
【００２５】
例えば映画館などの或る応用例では、観客の邪魔にならないように観客の背後にプロジェクタを配置するために長い投影距離が必要とされる。一方、会議室などの応用例では、極めて短い投影距離が望まれることが多い。小さな部屋で大きな画像を生成することができるように短い投影距離のプロジェクタが望まれるのである。また、短い投影距離のプロジェクタは像面に一層近接して置くことができる。ある状況ではプロジェクタを像面の近くに置くことによって、人間または物体が像面への画像の投写と干渉しかねない領域を限定できる利点もある。
【００２６】
図２は、ディスプレイパネル、投射レンズ、およびディスプレイスクリーンの関係を示す、典型的な投写ディスプレイシステム２００の簡略化した概略図である。図２では、ディスプレイパネル２０２、投写レンズ２０４、およびディスプレイスクリーン２０６が置かれる面がすべて、共通の光軸２０８に垂直に配置されている。
【００２７】
図２に示すディスプレイシステム２００では、光軸２０８は、ディスプレイパネル２０２およびディスプレイスクリーン２０６の中心を通る。図２に示すこれら３つの構成要素は光軸２０８を中心としているので、すなわち、これら３つの構成要素が光軸からオフセットしていないので、図２に示すシステムはオフセットなしとみなされる。
【００２８】
投写レンズ２０４は単一の正のレンズとして示されているが、これは単に図示の都合であり、投写レンズを実際に表現することを意図したものではないことを理解されたい。明示的にまたは文脈によって示さない限り、レンズおよび投写レンズという用語は、総称的に、単レンズまたは複数の光学要素からなるレンズ系を示すために用いられる。同様に、レンズおよびレンズ系を、単レンズ、レンズ群として、またはブロックとして示すことは、限定することを意図しているのではなく、明示的にまたは文脈によって示さない限り、複数の単レンズ、複数レンズの群、および付加的な光学要素と組み合わせた複数のレンズを含む。
【００２９】
図３Ａは、ゼロオフセット構成を示す、プロジェクタ３００およびスクリーン３０２の概略側面図である。プロジェクタ３００の光学構造は、比較的シンプルで効率的であるが、このようなプロジェクタの使用は多くの応用例で難しいことがある。例えば、プロジェクタ３００を部屋の天井に設置する場合、投写画像の上半分のほぼ全てが天井に遮られる。部屋の天井に設置されるオフセットゼロのプロジェクタは、天井からプロジェクタを離して保持するように延長部に設置することが多い。プロジェクタを天井から離間させるために必要な長い延長部は、見栄えが悪いだけでなく時として不安定であり、部屋の中にいる人間の多くの視野に入る位置にプロジェクタが移動してしまい、そのため目障りになる。
【００３０】
長い延長部に設置する代わりに、天井に対して或る角度にプロジェクタを設置して画像が天井に当たらないようにする場合もある。投写スクリーンを部屋の壁に平行に設置する場合、壁に向かって光軸が下側に向くようにプロジェクタを設置すると、投写画像に著しい台形歪み（keystone）が生じる。この場合、画像の底縁が画像の上縁より広くなり、画像の側面の２辺が、互いに平行でなく、上縁又は底縁に垂直でなくなる。
【００３１】
同様に、ゼロオフセットの携帯プロジェクタも使うのが難しい。携帯プロジェクタは、典型的には、テーブル上面に設置される。オフセットがゼロなので、投写画像のほぼ半分がテーブルに当たるか、プロジェクタがテーブルの縁越しに設置される場合、画像のほぼ半分がテーブル上面よりも下のレベルのスクリーンに投写され、テーブルの周りに座っている人々が見ることが難しくなる。あるいは、携帯プロジェクタを上向きに傾けてテーブルから離れるように画像を投写する場合もあるが、スクリーンに向かってプロジェクタを下向きに傾ける場合と同様に、上向きに傾けたプロジェクタは望ましくない台形歪みを発生させる。
【００３２】
上述の問題を克服するために、多くのプロジェクタは、投写画像をオフセットするように設計される。図３Ｂは、スクリーン３０２に投写される画像を光軸３０４の一方の側にオフセットするように設計される投写システム３０６の概略側面図である。図３Ｂに示すプロジェクタは、スクリーン３０２に投写される画像が全て光軸３０４の一方の側にあるので、１００％画像オフセットを有するとみなされる。
【００３３】
画像オフセットを計算する方法は複数存在する。本開示の目的のためおよび画像が光軸の上側に垂直にオフセットされると仮定すると、画像オフセットは、光軸から画像の中心までの距離を画像の高さの半分で除したものと考えられる。
【００３４】
画像オフセットは典型的には投写レンズの光軸を光軸と定義することによって計算されるが、以下で明らかになるように、本明細書において、光軸は、ディスプレイパネルに垂直でディスプレイパネルの中心を通る軸であると定義される。
【００３５】
図３Ｃは、スクリーン３０２に投写される画像を光軸３０４の一方の側にオフセットするように設計される投写システム３０８の概略側面図である。図３Ｃに示すプロジェクタ３０８は、スクリーン３０２に投写される画像が、全て光軸３０４の一方の側にあり、かつ、画像がオフセットされる方向に、この場合図３Ｃにおいて垂直に、画像サイズの２５％に等しい距離だけ光軸から離れているので、１５０％画像オフセットを有するとみなされる。その結果、オフセット距離、すなわち、光軸から画像の中心までの距離は、画像の高さを２で除した値の１５０％になる。
【００３６】
図４に示すように、画像オフセットは、典型的には、ディスプレイパネル４０２を投写レンズ４０４に対してシフトさせることによって実施される。投写レンズ４０４に対するディスプレイパネル４０２のシフト、より具体的には、投写レンズ４０４の光軸４０６に垂直なシフトは、像面またはディスプレイスクリーン４０８上のディスプレイシステムの画像の、それに比例する反対側のシフトとなる。
【００３７】
しかし、所望の画像オフセットを実現するためにディスプレイパネル４０２を投写レンズ４０４に対してシフトさせることはコストをかなりかけずには実現し得ない。図５は、投射レンズ５０４の、物体面５０６上の視野５０２および像面５１０上の対応する視野５０８を示す。図５に示すように、物体面視野５０２および像面視野５０８はいずれも投写レンズ５０４の光軸５１２を中心として示されている。レンズの視野は、レンズに入射し像面に焦点を結ぶ光線の角度範囲として示すことが多いが、図示の都合上、視野は、レンズの瞳に入射し得る光線が出射する物体面上の領域として示している。
【００３８】
レンズ設計を一定に保つ場合、物体の光軸を投写レンズ５０４の光軸に対してシフトさせると、物体の光軸と投写レンズの光軸が調整される場合の大きさよりも物体が小さく結像される。これを、物体面５０６上のレンズの視野５０２内に示す円５１４によって示す。
【００３９】
画像化される物体のサイズを一定に保つには、レンズのサイズを大きくするか、または、投写レンズの焦点距離を長くしなければならないが、いずれの場合も望ましくない影響が生じる。レンズのサイズを大きくすると、プロジェクタのフォームファクタが大きくなるだけでなく、プロジェクタの重量およびコストも増加する。
【００４０】
良好に補正された投写レンズは一般に、ゼロオフセットのプロジェクタで画像化される物体面の部分の直径の約２倍の焦点距離を有する。投写レンズの焦点距離を長くすると、それに対応して投写レンズの投影距離も長くなり、そのため、多くの環境でプロジェクタの使用がより難しくなる。
【００４１】
従来のプロジェクタでも本明細書で開示される本発明の恩恵を受ける。本明細書で教示される本発明を利用することにより、従来のプロジェクタに、投写システムの投影距離を長くすることを必要とせずに、より小型でより低コストの投写レンズを用いることができる。
【００４２】
１００％オフセットのディスプレイシステムでは投写レンズのかなりの部分が、ディスプレイパネルの画像を生成するのに用いられない。その結果、レンズをつくるために必要とされる材料を減らし、かつ、投写レンズのサイズおよび重量を減らすために、投写レンズの要素が削られ得る。
【００４３】
大きな画像オフセットを実現することは、プロジェクタ製品が消費者に受け入れられるために極めて重要である。その結果、プロジェクタの製造業者は、大型の光学素子の付加的なコストを受け入れるか、またはレンズのコストをバランスよく保つためにレンズ設計を他の方法で妥協することになる。例えば、レンズのサイズやコストを低減するために暗い（slower）レンズを用い得る。しかし暗いレンズの場合、画像が暗くなる。大型のレンズ系のコストおよび重量の影響を抑える別の方法は、いくつかのガラスレンズ要素をプラスチックレンズ要素で置き換えることであるが、これにより、レンズの像質が劣化し得る。
【００４４】
近年、新たなクラスの画像プロジェクタが登場している。これらのプロジェクタは、その極めて小さなサイズのため、しばしば、「ポケットプロジェクタ」、「モバイルプロジェクタ」、または「ピコプロジェクタ」と呼ばれる。ピコプロジェクタの設計者の主要な目標の１つは、プロジェクタを携帯電話または携帯電話サイズのパッケージに統合することである。このサイズ制約は、いくつかの理由から、１００％画像オフセットのピコプロジェクタの設計を難しくする。
【００４５】
まず、ピコプロジェクタのフォームファクタは、ディスプレイパネルに対してレンズを単純にシフトさせることができないことを意味する。というのも、ディスプレイパネルに対するレンズのいかなるシフトも必然的にプロジェクタの厚みを増加させるからである。ディスプレイパネルのサイズの減少は輝度効率の低下を伴う。同様に、暗いレンズの使用も輝度効率の低下を伴う。
【００４６】
本開示の目的のため、特に断らない限り、プロジェクタの厚みは、投写経路の光軸に垂直で光学的オフセットの方向であると考えられる。一般的にプロジェクタの厚みは、ディスプレイパネルの２つの直交寸法の短いほうの寸法に調整される。というのは、ディスプレイパネルの画像は、典型的には１６：９または４：３である、ディスプレイパネルのアスペクト比だけ高さよりも幅が広くなるように調整されるからである。
【００４７】
ピコプロジェクタのフォームファクタは、現在約７ｍｍ以下辺りである実用程度に薄く保たなければならないので、ディスプレイの厚みを増加させるオフセットレンズを用いずに所望の画像オフセットを実現することは極めて重要である。
【００４８】
同様に、携帯電話または同様のサイズのプロジェクタでは、デバイスの電池から利用可能な電力が限られている。このように電力が限られているので、適切な輝度の画像を生成するための効率要件がすでに極めて厳しくなっており、大型の光学素子を用いずに所望の画像オフセットを実現するために、ディスプレイの輝度を下げるかまたはより明るい照明源の使用およびそれに対応するディスプレイの電池駆動動作時間の減少を必要とし得る、非効率で暗い光学系を用いることは概して許容されない。
【００４９】
本発明は、大きな画像オフセットを、それに対応してディスプレイパネルと投写レンズの間の物理的オフセットを大きくせずに生成するためのいくつかの新規な方法およびシステムを提供する。これらの方法およびシステムは、ディスプレイシステムの厚みに影響を及ぼすことなくレンズをオフセットする効果を実現するために、画像オフセットとは反対の方向に光線束をシフトさせること、レンズ要素の一部を他のレンズ要素に対して偏心させること、およびレンズ要素の一部を概ね投写レンズの開口に関して傾けることを含む。これらの方法を個々にまたは組み合わせて用いて、実質的な画像オフセットを、投写レンズの対応する実質的なオフセットおよびそれに付随する投写レンズのサイズの実質的な増加なしに実現する。
【００５０】
図６はレンズ系６００の概略側面図である。図６では、光軸６１０は、物体面から像面までｘ方向に延びる。図６に示す他方の寸法はｚ方向とみなす。ｚ方向は、典型的には、プロジェクタ内でプロジェクタの底部からプロジェクタの上部に延びる方向であり、図６の上部に向かって正の方向に延びるとみなす。このように、所望の画像オフセットの方向は、プロジェクタが天井に逆さまに設置されるかテーブルの上に設置されるかに関わらず、図６の上部に向かう正のｚ方向と仮定する。
【００５１】
図６に示す投写レンズ６００は３群の光学要素を含む。第１群６０２は、レンズの物体面の最も近くに配置され、投写レンズの説明に際してしばしば後群と呼ばれる。第２群６０４は、第１群６０２に隣接して配置される。第３群６０６は、レンズの像面の最も近くに配置され、投写レンズの説明に際してしばしば前群と呼ばれる。これらの群はそれぞれ、１つまたは複数の光学要素からなる。
【００５２】
一実施形態によれば、光学要素の第１群６０２は、協働して物体面上のレンズの視野から発する光線を集光し、集光された光線を実質的にコリメートされた光線束に集束する。第１群からの光線束は、典型的には、周辺光線が実質的にコリメートされるように集光される。
【００５３】
この場合の実質的にコリメートされるとは、周辺光線が１０度以内の平行度で第１群を離れることを意味する。より具体的には、周辺光線および主光線は、４度以内の平行度、２度以内の平行度、または１度以内の平行度である。
【００５４】
本発明の一実施形態によれば、第１のレンズ群内の光学レンズ要素の少なくとも１つが、所望のオフセット方向に画像オフセットが得られるように偏心される。偏心されるレンズは、典型的には、ディスプレイパネルに最も近い光学レンズ要素ではない。ディスプレイパネルに最も近いレンズ要素の１つまたは複数を、ディスプレイパネルの光軸の中心に保つことは、プロジェクタの厚みを最小限にする助けとなる。
【００５５】
図７は、第１の群のレンズのうちディスプレイパネルの近くに位置する２つのレンズ要素の概略図である。図７では、ディスプレイパネル７０２は、高さ「Ｈ」を有し、ディスプレイパネル７０２の光軸７０４を中心としている。第１のレンズ７０６は、第１のレンズ７０６の光軸７０８がディスプレイパネル７０２の光軸７０４から距離「Ｄ１」だけ偏心またはオフセットされるように配置される。同様に、光軸７１２を有する第２のレンズ７１０は、ディスプレイパネル７０２の光軸７０４から距離「Ｄ２」だけ偏心される。
【００５６】
図７に示すレンズは、プロジェクタの厚みまたは高さを実質的に増加させるほどレンズを偏心させることなく画像オフセットを実現するように設計される。１００％の画像オフセットが、ディスプレイパネルの高さの２０％より大きく第１の群のレンズを偏心させることなく実現され得る。好ましくは、第１群のレンズをディスプレイパネルの高さの１５％以下偏心させることによって１００％画像オフセットが実現される。より好ましくは、第１群のレンズをディスプレイパネルの高さの１０％以下偏心させることによって１００％画像オフセットが実現される。
【００５７】
第１群内のレンズ要素を偏心させて、偏心されたレンズ要素の光軸がディスプレイパネルの光軸からオフセットされるようにすると、画像を形成する光線束がシフトする。言い換えれば、投写画像を形成する光線の光路により用いられる投写レンズ内部の体積が、正のｚ方向にシフトする。大きな画像オフセットでは、画像を形成する光線束のこのシフトは大きな投写レンズを必要とし、レンズの高さ、ひいてはプロジェクタの高さが許容できないレベルまで高くなる。
【００５８】
投写レンズの高さが許容し得ないレベルまで高くなることを防ぐ１つの新規な方法は、負のｚ方向に光路または光線束をシフトさせることである。光路のこのようなシフトは、それにより、光線束がレンズボアの中心に向かい、さらにはレンズボアの中心を過ぎて戻されるので、ボアサイト補正とみなし得る。
【００５９】
本発明の一実施形態によれば、光線束を負のｚ方向にシフトさせるために用いられる光学要素は、光線束に他の影響を及ぼさないことが理想的である。しかし、実際には、光線束をシフトさせる光学要素の屈折率が１ではないので、これらの光学要素はレンズの有効光路長を変化させてしまう。
【００６０】
この光学シフタを、投写レンズを折り曲げる従来技術の方法と混同すべきではない。レンズを折り曲げると、レンズの光軸に対する進行方向が実質的に変わる。本発明によれば、光線束の軸の変化は１５度未満であり、より具体的には、１０度未満、５度未満、１度未満である。典型的に、折り曲げレンズだと物体面と像面の関係が非平行になるが、光路をシフトさせると、典型的に、物体面と像面が平行関係に保たれる。
【００６１】
図８は、本発明の一実施形態に従った光学シフタ８０２の一実施形態の概略図である。図８では、ディスプレイパネル８０６からの光線束８０４が光学シフタ８０２に入射する。入射光線束８０４は、コリメートされた光線として示されており、上述したように画像オフセットを作り出すために用いられる図示しない偏心された第１群のレンズのため、ディスプレイパネル８０６の光軸８０８に対して傾いている。光線束８０４は光軸８０８からそれるので、図示しない光学要素の第３群の位置を、光線束８０４の光軸上にくるように正のｚ方向に移動させる必要がある。
【００６２】
光学シフタ８０２は、光線束８０４の光路を負のｚ方向にシフトさせる。図８に示す実施形態によれば、この光学シフタは、光線を集束も分散もさせず、光線を負のｚ方向に単にシフトさせる。これにより、光学要素の第３群を、光軸８０８に一層近い光線束８１０の経路に沿って位置決めすることができる。第３群の要素をディスプレイパネル８０６の光軸８０８の一層近くに位置決めすると、投写レンズに用いられるレンズ要素を非オフセットレンズの場合の位置に一層近づけて位置決めすることができ、かつ、実質的なオフセットも得られる。このように、この投写レンズにより、プロジェクタを一層薄くすることができ、かつ、ディスプレイパネル８０６の光軸８０８に対して１００％画像オフセットも得られる。
【００６３】
図９は、本発明の一実施形態に従った光学シフタの概略図である。光学シフタ９００は、それぞれ光路を折り曲げる２つの平坦ミラー９０２からなる。図９の平坦ミラー９０２はそれぞれ光路を折り曲げ、２つの平坦ミラーが協働して、光路の角度を変えることなく光路をシフトさせる。
【００６４】
これらの平坦ミラーを水平に配置すると、光路はシフトされるが、水平方向に極めて長い投写レンズになってしまう。これらのミラーを水平方向から離して傾けると、投写レンズは短くなるが、平坦ミラーで光路が遮断されないようにする必要がある投写レンズの高さが高くなってしまう。場合によっては、光学シフタ９００の高さは光束の高さの約２倍であり、そのため、光学シフタ９００を用いることによって得られる利点が制限されてしまう。
【００６５】
図１０は、本発明の別の実施形態に従った別の光学シフタ１０００の概略図である。図１０では、一対のプリズムを用いて光束を屈折させシフトさせる。これらのプリズムは、色消しして色補正することができるが、色消しであることはまれである。これらのプリズムは、典型的には、画像に台形歪みをもたらしてしまうが、以下で説明するように、この台形歪みを利用してレンズの他の部分によって生じる台形歪みをオフセットすることができる。
【００６６】
図１１は、本発明の別の実施形態に従った別の光学シフタ１１００の概略図である。図１１では、偏心されたレンズが負のｚ方向に光を屈折させる。１つまたは複数の偏心されたレンズを用いて、画像を担う光ビームの光路をシフトさせることができる。
【００６７】
図１２は、本発明の別の実施形態に従った別の光学シフタ１２００の概略図である。図１２では、くさび形レンズ、すなわち、第１および第２の面が互いに対して偏心されたレンズ、を用いて負のｚ方向に光を屈折させる。１つまたは複数のくさび形レンズを用いて、画像を担う光ビームの光路をシフトさせることができる。
【００６８】
投写レンズ内に光学シフタを配置すると、画像経路が負のｚ方向にシフトし、そのため、所与の画像オフセットに対する投写レンズの高さが低くなる。この光学シフタは、負のｚ方向に光路を直線的にシフトさせる場合に、それに対応する、オフセットを減少させる方向の光路の角度変化なく、シフトさせる。これにより、光線束に対してレンズのｚ方向の位置が維持される一方で、プロジェクタの高さに対するシフトされたレンズの影響を最小限にするようレンズの物理的位置およびアライメントをシフトさせることができる。
【００６９】
光学シフタによってもたらされる画像のアーチファクトは、投写レンズの他の要素によってもたらされる画像のアーチファクトを打ち消すために用いることができる。例えば、くさびによってもたらされる台形歪みアーチファクトを利用して、レンズを傾けることによってもたらされる台形歪みアーチファクトおよび傾いた像面を打ち消すことができる。また、図１３に示すように、光学シフタによってもたらされる色収差は、光学レンズによってもたらされる色収差を打ち消し得る。
【００７０】
図１３では、チルトレンズ１３０４とともに光学シフタ１３０２が示されている。チルトレンズ１３０４は、付加的なオフセットを光路に導入するために用いられ、上述した光学要素の第３群内に配置される。第３群全体を傾けて様々な色アーチファクトを補償し得る。第３群はレンズの開口絞りに関して回転する。レンズの開口に関して第３群を回転させると、光路にくさびを追加する効果が得られる。
【００７１】
傾けられた第３の光学群により、赤色光よりも青色光が少なく屈折されることによって色収差が導入される。その結果、図１３に示すように、青色光が赤色光に対して正のｚ方向に屈折される。光学シフタは逆の効果を有する。光学シフタは、図１３に示すように、赤色光に対して青色光を負のｚ方向に屈折させることができる。投写経路内の光に対して互いに逆の効果を有する２つの要素を含むことにより、一方の効果を利用して他の効果をオフセットまたは相殺するようにレンズを設計することができる。
【００７２】
上記技術を様々に組み合わせて用いることによって、投写レンズの厚み、プロジェクタの高さを実質的に増加させることなく、また投写レンズの投影比を増加させることなく、大きな度合いの画像オフセットが得られる。
【００７３】
図１４〜図１９に、本発明に従った投写レンズの３つの実施形態を示す。図１４、図１６、および図１８は、ｘ−ｚ面におけるこれら３つの実施形態図を示し、図１５、図１７、および図１９は、ｘ−ｙ面における３つ投写レンズの図を示す。これら３つの投写レンズの仕様を、下記の表１、表２、および表３に、光学設計の当業者には容易に認識される形式で示す。
【００７４】
例示の実施形態の文脈で説明したような特徴またはステップの全てまたはその幾つかを有する例示の実施形態の文脈で説明した一つ又は複数の特徴又はステップの異なる組合せを有する実施形態も、本明細書に包含されることを意図している。
【００７５】
当業者には、本発明の特許請求の範囲内で他の実施形態および変形も可能であることが理解されよう。
【表１】
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【表２】
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【表３】
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【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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