JPH06508446A - オーバーヘッドプロジェクター用集光レンズシステム - 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、オーバーヘッドプロジェクタ−に関し、特に透過型オーツく−へ・ソ ドプロジェクターに関する。

従来技術 光線を集光及び照明するシステムにおける多構成要素レンズの使用は、映写機や スライドプロジェクタ−のような小フォーマット投影装置においてよく知られて いる。これらの場合、レンズからの照明光は、収束し、フィルムもしくはスライ ドのゲートを通過して方向づけられる。投影レンズの入射ひとみでの光源像の球 面収差を最小にするとともに、フィルムゲートを通過する照明の均一性を向上さ せる多くの試みがなされた。特に高い開口数の集光システムでは、よく知られて いるように、照明のｃｏｓ’法則が均一な照明光を達成することを困難にしてい る。

均一な照明光と、球面収差と、照明のＣＯ５’法則との関係は、Ｗ、ウオーリン （Ｗａｌｌｉｎ）による論文ご特殊投影機照明システムの設計°、ジャーナル　 オブ　ＳＭＰＴＥ　Ｕｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳＭＰＴＥ）　、１９６２ 年１０月号７６９〜７７１頁及び、Ｈ，ウニイス（ＷｅｉｓＳ）による論文ご広 角スライド投影“、インフォメーション　ディスプレイ（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏ ｎ　Ｄｉｓｐｌａｙ）　、ｌ　９６４年り月／１０月号８〜１５頁に、詳しく記 載されている。

小フォーマット集光システムにおいて収束光の照明光均一性を増加するための１ ８６．１２３号では、フィルム面での光の均一性を向上させるために１対の球面 ガラス集光レンズの間に１対の多レンズアレーを配置する。ミラー（Ｍｉｌｌｅ ｒ）による米国特許３，０５１，０４３号では、フィルムゲートでの均一性を向 上するために、光源及び１対の集光レンズを光軸に対して傾斜し、偏心する。オ スターバーブ（Ｏｓｔｅｒｂｅｒｇ）などによる米国特許２，６３７，２４２号 では、フィルムゲートでの照明光の均一性を向上し、合焦の正確さを維持するた めに、１対の非球面ガラスレンズを用いる。また、フント（Ｈｕｎｄ）によるド イツ特許ＤＥ　３゜５０５．７７１号も、収束照明を生成するため、及びフィル ムゲートでの照明の均一性を改善するために、非球面ガラスレンズを用いる。

オーバーヘッドプロジェクタ−は、上記システムにおけるよりも非常に大きなス テージもしくはフィルムゲートを備える。そのため、集光レンズのどの実用的な 組合わせも、普通はステージ領域を満たす発散照明光を生成する。このため、投 影レンズへの光線の収束は、ステージ面に隣接して位置し、もしくはステージ面 を形成する広面積フレネルレンズの使用により達成される。集光レンズの目的は 、ステージ領域を照明することであり、これは、普通、単一ガラスレンズにより 達成される。これは、一般的に正メニスカスレンズ、もしくは球面または非球面 を備えた平凸レンズである。１つの例外としては、Ｅ、ハブナー（Ｈｕｂｎｅｒ ）により開示された、２構成要素ガラスシステム（米国特許３，４８６．８１７ 号）であり、ここでは、収束照明光が折りたたみミラーの位置で集光装置に近接 する光源の第２像を形成する。

本発明の目的は、オーバーヘッドプロジェクタ−用などの大フォーマットのフィ ルムゲートで高度に均一な光発散を提供することにある。この均一性は、オーバ ーヘッドプロジェクタ−のステージ上に置かれるＬＤＣ（液晶ディスプレイ）の 投影パネルの使用において特に重要である。多くの高強度オーバーヘッドプロジ ェクタ−により生成されたステージでの照明光の不均一は、ステージ面に存在す る液晶材料の加熱にむらを生じさせる。これは、投影された機内のコントラスト のばらつきを生じることになる。

本発明の他の目的は、また、広い角度に及ぶ光源からの放射光を集める集光シス テムを提供することである。これは、高強度プラズマ放電ランプのような等方的 放射光源に特に重要である。　′ 発明の概略 上記の目的は、オーバーヘッドプロジェクタ−において使用される多構成要素広 角集光システムを提供することにより達成される。このシステムは、２型構成要 素プラスチック非球面フレネルレンズを用いた２重球面ガラス集光レンズを組み 合わせることにより、オーバーヘッドプロジェクタ−のステージで高度に均一な 照明光を提供する。本システムにより達成される高い集光効率は、投影された映 像で高い光レベルを提供する。均一な照明光は、本システムをオーバーヘッドプ ロジェクタ−に結合して用いられるＬＤＣ投影パネルに特に有益にする。

型面ｑ悦盟 本発明は、添付の図面を参照してより具体的に説明される。以下の図において、 同じ番号は、同じ部品を示す。

図１は、本発明のオーバーヘッドプロジェクタ−の斜視図である。

図２は、図１にプロジェクタ−で用いられるレンズシステムの該略図である。

吐棗旦■衷施撚府脱■ 図１は、本発明のレンズシステムを有効に用いることのできる典型的なオーバー ヘッドプロジェクタ−１０を示す。プロジェクタ−１０は、映像化される透明紙 （Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ）もしくは他の物体が載置できるステージ１２と、 ステージ１２の上部に支持される投影レンズ１４と、透明紙の映像を、離れた、 実質的に垂直な面上へ向ける平面ミラー１６とを含む。映像を生成するのに必要 な光は、ステージの下のプロジェクタ一本体に内部に位置される光源及びレンズ システムにより供給される。

従来のプロジェクタ−では、集光レンズとして光源とステージの間に単一ガラス メニスカスレンズが用いられていた。

このレンズから出た発散光線の中央から縁にかけて増加する角度分離は、オーバ ーヘッドプロジェクタ−の透明紙面に入射する照明光の重要な減少を引き起こす 。例えば、上記の入射光線の分離は、光軸からの距離の増加につれ増加する。

更に、ランベルト光源に対するｃｏｓ’法則のため、上記の照明光の減少は、光 軸からの角度の増加につれ悪くなる。これら２つの効果は、ここで考察するオー バヘッドプロジェクタ−のような大きな開口数のシステムにおいて特に有害であ る。

図２は、本発明の照明システムを示す。図２は、正確な拡大図ではなく、特に図 ２の上部に表されているフルネルレンズ及びステージは、図の下部に表されてい る集光レンズの約４倍の最大の大きさを持つ。この照明システムは、光源１８、 ミラー２０、ガラス正平凸レンズ２４に近接するガラス正メニスカスレンズ２２ 、スレネルレンズシステム２６．２８からなる。２つのフレネルレンズ２６．２ ８が、製造効率及び経済性のためダブレットであることが好ましいが、ダブレッ トである必要はない。

光源１８は、等方的プラズマ放電ランプであることが好ましいが、白熱ランベル ト光源でもよい。ガラスレンズ２２．２４の外形曲面は、球状であり、フレネル レンズ２６．２８の溝の設けられた面の外形は非球状である。これらのレンズ２ ２〜２８は、投影レンズ１４の入射ひとみで光源１８の映像を形成する。本発明 のガラス集光レンズ２２．２４は、出射光線のほぼ一定のもしくは減少する角度 分離を生じる。この分布は、オーバヘッドプロジェクタ−ステージ１２でより均 一な照明を提供し、より均一な投影像を与える。この照明の分布は、ガラス集光 レンズ２２．２４から出射する発散光線のかなりの球面収差の導入により達成さ れる。フレネルレンズ２６．２８の非球面外形は、光源１８の良好な映像が投影 レンズ１４の入射ひとみで形成されるように、ガラスレンズ２２．２４の球面収 差を補正する。

等方的光源１８からの光は、等しい立体角の増加量で第１ガラスレンズ２２に入 射する。光線が第２ガラスレンズ２４から射出するとき、光源１８の実際の位置 から光源１８の虚像までの距離が増加するように、光線の角度分離は減少する。

フレネルレンズ２６上の末端の位置で、この球面収差は、隣接する光線を実際上 交差させる。フルネルレンズシステム２６．２８は、これら２方向の光線による 生じる球面収差を補正できず、また全ての光線は、投影レンズ１４によって１つ の共通点に合焦されない。この効果は、２つの方法により最小限に抑えられる。

最初に、平凸レンズ２４の倍率及び口径が、第２ガラスレンズ２４の外縁からの 光線が、フルネルレンズ２６上の中央から十分離れた位置でのみ交差するように 選択される。第２に、この交差点は、絞りとして作用するステージ１２のかどの 丁度外側で対角線であるように制御される。ステージ領域内にくる全ての残りの 光線は、非球面なフレネルレンズ２６及び２８により共通の焦点に進む。

この集光レンズシステムの他の特徴は、高い集光効率である。周知のように全体 の倍率が２つのレンズにほぼ等しく分割されるなら、メニスカスレンズは、収束 集光レンズとして平凸レンズと組合わして用いることができる。本発明のシステ ムにおいては、そのような制限はない。むしろ、メニスカスレンズ２２の凹面の 半径は、できるだけ光源１８に接近し、光源１８を交換するために除去できるよ うに配置できる。この理由によりこのレンズ２２は、しばしばパイレックス（Ｐ ＹＲＥＸ）のような耐熱低膨張はうけい酸ガラスから製造される。平凸レンズ２ ４は、Ｂ２７０型のような光学クラウンガラスである。フレネルレンズ２６，２ ８は、より耐熱性の低いアクリルプラスチックからでも製造される。

本発明のシステムは、以下のシステムの必要条件が満たされた際、オーバーヘッ ドプロジェクタ−に利用することができる。

１．９１ｆｕ＜ｆ＋　＜２３．５ｆ＋ｚ１．０６ｆ、２＜ｆ２＜２．０９ｆ＋ｚ ０、４４Ｂｘ＜ｆ２　＜２．６４ｆｌ□０．８２ｆｌ□＜ｄ２３＜５，４９ｆｌ □ここで、ｆｌは、ガラスメニスカスレンズ２２の焦点距離であり、ｆ２は、ガ ラス平凸レンズ２４の焦点距離であり、ｆ３は、プラスチック非球面フレネルレ ンズ、システム２６．２８の焦点距離であり、ｄ２３は、ガラス平凸レンズ４と フレネルレンズシステム２６．２８との間の距離であり、ｆ１２は、メニスカス レンズ２２と平凸レンズ２４との組み合わせの焦点距離である。

００．１７ｍｍ、ｆ＋＝３．４９ｆｕ、ｆ２−１．３５ｆＢ、ｆｓ−１，８２ｆ ｕ、そして、ｄｚ３＝２．　８１　ｄ＋□である。

このシステムは、９０ｍｍの直径及び４６．１ｍｍの曲率半径を有する球面後方 反射器２０を含む。球面後方反射器２０は、光源１８からの後方放射を大きな集 合角で集光し、及び方向を変えるように設計され、光源１８を交換するために容 易に除去できるように設計されている。耐熱はうけい酸メニスカスレンズ２２は 、３５０ｍｍの焦点距離、９２ｍｍの直径、光源１８に近い面の１５１．６９ｍ ｍの曲率半径、及び光源から離れた面の８０．９３ｍｍの曲率半径を有する。

クラウン平凸レンズ２４は、１３５ｍｍの焦点距離、１１３ｍｍの直径、光源か ら離れた面の７０．５９ｍｍの曲率半径を有する。フレネルレンズシステム２６ ゜２８は、１８２．５ｍｍの組合わされた焦点距離を有し、オーバーヘッドプロ ジェクタ−１０は、１０．５“　（辺から辺まで）のステージ１２を有する。投 影レンズ１４は、焦点距離３１７ｍｍのタック型のトリブレットである。９５ボ ルトで動作する金属ハロゲン化物型の５７５ワツトプラズマ放電ランプ１８を用 いることで、投影光の７５％を越える（縁から中央にかけての）全体的な均一性 と共に、スクリーンでの６０００ルーメンを得ることができる。

国際調査報告

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．映し出される対象物を支持するステージと、ステージにより区画された平面 に垂直な光軸上に配置された光源と、光源に関してステージと反対側の光軸上に 配置される投影レンズとを備えるオーバーヘッドプロジェクターに用いるレンズ システムであって、 上記光源に隣接して配され、かつ上記光軸と一致する軸を有する球面メニスカス レンズと、 上記メニスカスレンズ及び上記ステージとの間に配され、かつ上記光軸と一致す る軸を有する平凸レンズと、 上記ステージに隣接し、かつ上記平凸レンズ及び上記ステージとの間に配される 非球面フレネルレンズシステムとからなり、上記メニスカスレンズ及び上記平凸 レンズが協調して、上記平凸レンズから出射する発散光線の球面収差を生成する ように機能し、上記非球面フレネルレンズシステムが、上記球面収差を補正し、 ステージで高強度及び均一収束する照明光を生成するレンズシステム。
2. ２．請求項１に記載されたレンズシステムであって、１．９１ｆ１２＜ｆ１＜２
3. ３．５ｆ１２、１．０６ｆ１２＜ｆ２＜２．０９ｆ１２、０．４４ｆ１２＜ｆ３ ＜２．６４ｆ１２、０．８２ｆ１２＜ｄ２３＜５．４９ｆ１２（ここで、ｆ１は 、上記メニスカスレンズの焦点距離であり、ｆ２は、上記平凸レンズの焦点距離 であり、ｆ３は、上記球面フレネルレンズの焦点距離であり、ｄ２３は、上記平 凸レンズ及びフレネルレンズとの間の距離であり、ｆ１２は、上記メニスカスレ ンズ及び上記平凸レンズとの組み合わせである）の条件を満たすレンズシステム 。 ３．上記メニスカスレンズが３５０ｍｍの焦点距離を有する耐熱性ガラスレンズ である請求項１に記載されたレンズシステム。
4. ４．上記メニスカスレンズが９２ｍｍの直径を有する請求項３に記載されたレン ズシステム。
5. ５．上記メニスカスレンズが上記光源に近い面の１５１．６９ｍｍの曲率半径、 及び上記光源から離れた面の８０．９３ｍｍの曲率半径を有する請求項４に記載 されたレンズシステム。
6. ６．上記平凸レンズは、１３５ｍｍの焦点距離を有するガラスレンズである請求 項１に記載されたレンズシステム。
7. ７．上記平凸レンズは、１１３ｍｍの直径を有する請求項１に記載されたレンズ システム。
8. ８．上記平凸レンズは、上記光源から離れた面の７０．５９ｍｍの曲率半径を有 する請求項６に記載されたレンズシステム。
9. ９．上記フレネルレンズシステムは、フレネルレンズダブレットである請求項１ に記載されたレンズシステム。
10. １０．上記フレネルレンズシステムは、組合わされた１８２．５ｍｍの焦点距離 を有する請求項１に記載されたレンズシステム。
11. １１．フレネルレンズは、フレネルレンズダブレットである請求項１０に記載さ れたレンズシステム。