JPH10509809A - 複数のランプ光源を有する投影機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 複数のランプからの出力を効率的に組み合わせ、画像を共通点に合焦する投影システムが記述されている。投影されたスクリーンの明るさは、同じワット数の従来の単一ランプの場合の明るさに比べて増加する。スクリーンの明るさは、個々のランプを点灯又は消灯することで、従来のオーバーヘッドスライド又は透過の低い液晶ディスプレイ投影パネルの光レベルを調整することで増加又は減少させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 複数のランプ光源を有する投影機 発明の分野 本発明は、投影システム若しくは投影機に関し、特に透過式のオーバーヘッド プロジェクタに関する。 発明の背景 フルカラーの、コンピュータで作成されたスライド及び写真スライド並びに液 晶ディスプレイ（ＬＣＤ）投影パネルの使用が増えるにつれて、明るさの増した 投影システムに対するニーズがある。これについては、最近、より高いワット数 のタングステン−ハロゲンランプ、メタルハライドランプ技術、及び光学構成部 分上への高効率の反射防止コーティングの使用により対処されている。上記ワッ ト数の高いタングステンフィラメントランプの使用は、冷却をより困難とし、メ タルハライドのようなアーク放電ランプは比較的高価である。 従来における、投影システムの照度レベルを増すための種々の試みは、低いワ ット数のランプを複数使用することに特徴があった。不透明投影機にて一般的に 実施される反射映写機の投影の場合、数個の光源からの光で不透明な印刷原稿を 照射する必要があるだけである。上記印刷原稿にて散乱し投影レンズに入射した 光は、スクリーンに配向される。この種の投影システムは、例えば米国特許、第 ４，９７９，８１３号に記述されている。 透過映写機の投影において、ランプからの光は、単一の又は複数の集光レンズ によって集められ、投影スライドを通過し、投影レンズに合焦される。この投影 方法は、３５ミリメートル投影機及びオーバーヘッドプロジェクタにて一般的に 使用され、反射映写機による投影よりもより明るい投影像を得られる。例えば米 国特許第３，５４７，５３０号及び３，９７９，１６０号を参照されたい。しか しながら、集光レンズシステムは、ある単一点（ランプ位置）から別の単一点（ 投影レンズ位置）へ光を能率的に合焦できるだけであるので、透過映写機は、通 常、単一のランプの使用に限られる。このことは、スクリーン上で達成される明 るさ を本質的に制限する。 複数のランプの出力光を能率的に組み合わせ、それらを共通の焦点とするため の幾つかの試みがなされた。米国特許第１，８８７，６５０号には、８つのラン プを組み合わせるシステムが記述され、米国特許第３，７７０，３４４号には、 ４つのランプを組み合わせるオーバーヘッドプロジェクタが記述され、日本国特 許公開公報平成４−１７９０４６号、平成５−１９９４８５号には２つのランプ を組み合わせる投影機が記述されている。それらの装置のすべてには、複数のラ ンプから組み合わされた光が適切に統合されないという共通の欠点がある。組み 合わされたランプの各出力光は隣接しているが、空間的には分離している、その 結果、一つのランプが故障したとき、スクリーンの画像の明るさは均一に減少せ ず、スクリーンの画像の個々の部分が完全に暗くなり、スクリーンの画像の一部 を判読できなくする。 複数の光源からの光を適切に統合し共通の点に合焦することは容易ではない。 米国特許第４，９５２，０５３号には、２つのランプを組み合わせるオーバーヘ ッドプロジェクタが記述され、米国特許第５，２３１，４３３号にはリニアグル ーブ反射器又はリニアグルーブ反射部材によって二つの平行光ビームを統合する 方法が記述されている。日本国特許公開公報平成５−２３２３９９号にはビーム 分離器及び多段通過反射によって２つのランプの出力光を組み合わせそして統合 するための方法が記述されている。これらのシステムの効率は、反射器のコーテ ィングの達成可能な反射率、幾何学的なシェーディングロス、及び屈折部材の高 い色彩分散によって制限される。 発明の概要 本発明は、従来技術の欠点を避け、複数の光源からの出力光を完全にかつ能率 的に統合する投影システムを提供してスクリーンの明るさを増すものである。こ のことは一連のフレネル集光レンズ及び合焦レンズ、並びに全内反射（ＴＩＲ） を利用するリニアビーム結合プリズムフィルムによって達成される。上記投影シ ステムは、電子的に生成され若しくは格納された情報を投影するように設計され た統合投影機の形態、又はフルサイズのオーバーヘッドスライド若しくは縮小さ れた形式のＬＣＤ投影パネルに適用されるオーバーヘッドプロジェクタの形態が 可能である。本発明は、さらに低い姿勢のオーバーヘッドプロジェクタに関する 。 図面の簡単な説明 図１は、屈折及び全内反射によって光ビームを偏向させる従来技術におけるリ ニアプリズムフィルムの横断面図である。 図２は、６０度の頂端角度を有する本発明のリニアプリズムフィルムの横断面 図である。 図３は、本発明のプリズムフィルムの横断面図であって、２つの平行光ビーム の組み合わせの概略を示す。 図４は、２つのランプの出力光を組み合わせ統合する透過式オーバーヘッドプ ロジェクタシステムの概略図である。 図５は、２つのランプの出力光を組み合わせ統合する投影システムの別の配置 を示す概略図である。 図６は、４つのランプの出力光を組み合わせ統合する投影システムの概略図で ある。 図７は、本発明にて使用されるレンズの望ましい形状を示す斜視図である。 図８は、方形状のフレネルレンズコリメータにてだ円形状のビームを形成する ために、本発明にて使用される集光光学を示す概略の斜視図である。 図９は、２つのランプの出力光を組み合わせ統合する統合された液晶投影シス テムの概略図である。 発明の詳細な説明 米国特許第４，９８４，１４４には、図１に示すように、屈折及び全内反射に より光ビームを偏向する分散リニアプリズムフィルム１が記述されている。二等 辺三角形のマイクロプリズム２は、６９度の頂端角度αを有する。入射光線３は 、約７５度の入射角度θにて面４に入射し、ここで屈折する。そして面５にて全 内反射され、光線７は平面８に対して直角にて出ていく。約７５度という大きな 入射角θは、高アスペクト比の照明設備にてその使用が予定された、このプリズ ム レンズに必要であった。 図２は、頂端角度αが６０度であるマイクロプリズム１０を形成した一連の二 等辺三角形からなる、本発明のリニアプリズムフィルム９を示している。平行化 された光ビーム１１の延在領域が６０度という特別の入射角度θにて面１２に直 角にフィルムに入射し、光線１３は、面１５における全内屈折により完全に生じ る偏向にて平面１４に対して直角に出て行く。面１２又は面１４において屈折が 生じないので、分散はなく、かつ光線の偏向はその物質の屈折率に関係しない。 さらに、入射ビームの光線１１は、隣接する微細溝の頂端部及び谷部の両者に接 触するので、入射ビーム１１は完全にＴＩＲ面１５を満たし、幾何学的形状損失 又は不要光線の偏向はない。 頂端角度が６０度のフィルムについて、図３は、２つの平行入射ビーム１６ａ ，１６ｂが効率的かつ空間的に組み合わせ可能であることを示している。左、右 の入射ビーム１６ａ，１６ｂから個々に出て行く光線束１７ａ，１７ｂは、フィ ルム９の全範囲にわたり光強度が効率的に２倍になるように、微小規模で組合わ される。 本発明のリニアプリズムビーム結合フィルム９について、最も効率的に作用す るために以下の条件を満たす必要がある： １）入射光１６ａ，１６ｂは、各ランプからの光線が同じ入射角度θにて完全 にプリズムフィルム９に入射するように、平行化されねばならない； ２）リニアプリズムビーム結合フィルム９の好ましい頂端角度αは、６０度± ２度である；及び ３）リニアビーム結合フィルムに入射する平行光の好ましい入射角度θは、６ ０度±３．５度である。 プリズムの頂端角度αが６２度を超えるときには、各反射面の９０％未満が使 用される。例えば、屈折率ｎが１．４９２で、頂端角度αが６２度で、入射角θ が６３．５度であるアクリルのプラスチックプリズムフィルムについて、各反射 面の約９０％のみが使用される。反射面の使用不足が過度の場合、隣接する各微 小プリズムにより生成される平行出射ビーム１７ａ，１７ｂは空間的に分離され 、 照明される投影スクリーン上に暗いしま模様が現れ始める。 一方、プリズムの頂端角度αが５８度未満のときには、入射光線１６ａ，１６ ｂの９０％未満がフィルムに対して直角に出て行く。例えば、屈折率ｎが１．４ ９２で、頂端角度αが５８度で、入射角θが５６．５度であるアクリルのプラス チックプリズムフィルムについて、入射光線の約１０％が各反射面をそれる。反 射面を外れた光は、平行化させずかつ制御されない方向にてフィルムから出射さ れ、投影スクリーン上の照度に寄与しない。 下記の表１は、フィルム９の種々の頂端角度αについて各面を占める光線（Ｂ ＦＦ）の屈折を示している。１未満のＢＦＦの値は、反射面の供給不足を表し、 一方、１を超えるＢＦＦの値は反射面に対してあふれていることを表す。上述し たように、入射光の１０％を超えるものは、フィルム９を出たすぐ後で、６２度 を超える若しくは５８度未満の頂端角度θにて、空間的に分離され又は消耗する 。 表１から、平行化された光１６ａ，１６ｂの入射角θは頂端角度αが変化する のと同様に一般に変化するが、その関係に直線性はないことが分かる。これは、 ６０度以外の他の入射角にて、フィルムの材質の屈折率ｎが影響するからである 。 ある頂端角度αにて最大のスクリーン照度を生じるために必要な入射角θに関す る真の関係は、以下の式によって与えられる。 θ＝９０°−（（α／２）＋ａｓｉｎ（ｎ ｃｏｓ（３α／２））） ここで、 θは、上記平行光の傾斜の上記角度 αは、上記プリズム側面の上記きょう角 ｎは、上記フィルムの材質の屈折率 図４は、２つのランプ１９ａ，１９ｂからの出力光を効率的に組み合わせ、各 ランプ１９ａ，１９ｂが個別に点灯したときスクリーンの明るさを均一にし、両 ランプ１９ａ，１９ｂが点灯したときスクリーンの明るさを２倍にする投影シス テム１８を示す。光源１９ａ，１９ｂは、光ビームを平行にする方形形状のフレ ネルレンズ２０ａ，２０ｂのそれぞれの焦点に配置される。平行化された各ビー ムは、６０度の入射角θにてステージの窓２１を占める。該ステージの窓２１は 、フルサイズのオーバーヘッドスライドを収容するために方形状とすることがで き、又は、ＬＣＤ投影パネルを収容するために縮小されたサイズの方形形式とす ることができる。ステージの窓２１の付近には、上記６０度のリニアプリズムフ ィルム９がある。上記６０度のリニアプリズムフィルム９から出射した組み合わ されかつ平行化された光は、該光を投影レンズ２３に合焦する円形のフレネルレ ンズ２２に入射する。ガラスのプラテン２４は、フレネルレンズ２２の上方に位 置して、オーバーヘッドスライド又はＬＣＤ投影パネルを支持する。もし、リニ アプリズムフィルム９の投影された面の幅が、スクリーンを見る通常の距離にお ける目の解像力よりも小さいならば、各光源１９ａ，１９ｂはスクリーン全体を 十分に明るくするように見える。両方のランプ１９ａ，１９ｂが点灯した状態で 、スクリーンの明るさは、単一のランプ１９ａ又はランプ１９ｂによって生じる 明るさを超えて効率的に２倍になる。 図５は、上記２つの光源１９ａ，１９ｂの出力光を組み合わせるため、折りた たみ式ミラー２５ａ，２５ｂ，２６を使用した、別の配置を示す。さらに、６０ 度ビーム結合リニアプリズム９ａが必要である。 図６は、４つの光源１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄの出力光を組み合わせる 構造を示す。この配置においては、さらに、リニアプリズムフィルム部材９ｂ、 フレネルレンズコリメータ２０ｃ，２０ｄ、及び折り畳み式ミラー２５ｃ，２５ ｄが示されている。このような段階状の手法は、さらなる光源の出力光を組み合 わせるためにさらに拡張することができる。 この複数ランプ投影システムにおいて、方形状の光学部材をビームが占めるた めのビーム形成要件は、それらの光学部材が例えば正方形の周囲のように１に近 いアスペクト比Ｌ／Ｗを有するとき、最も容易に達成することができる。この条 件を達成するため、付加される各光学部材が、それよりも前の方形状の部材の短 い方の側面に沿って配向されるのが好ましい。図４に示され、図７にてより詳細 に再度示された、長さＬ₁が８単位で、幅Ｗ₁が６単位、（Ｌ₁／Ｗ₁＝１．３３） を有する方形状のリニアプリズム部材９を有する２つのランプシステムについて 、もしフレネルレンズコリメータ２０ａ，２０ｂ（２０ａのみが示されている） がＷ₁寸法に沿って配向されているならば、上記コリメータの長さＬ₂はＷ₁の６ 単位であり、上記コリメータの幅Ｗ₂はＬ₁／２の４単位であり、アスペクト比Ｌ₂ ／Ｗ₂は６／４の１．５となる。もし上記フレネルレンズコリメータがＬ₁寸法 に沿って配向されるならば、上記コリメータのアスペクト比Ｌ₂／Ｗ₂は８／３の ２．６７となり、ビーム形成の達成はより困難になる。 同様に、図６に示される４つのランプシステムについて、長さＬ₁が１２単位 で、幅Ｗ₁が１２単位を有する正方形のプリズム部材９では、リニアプリズム部 材９ａのアスペクト比Ｌ₂／Ｗ₂は、１２／６＝２を有しなければならない。もし フレネルレンズコリメータ２０ａ，２０ｂがＷ₂寸法に沿って配向されたならば 、上記コリメータのアスペクト比Ｌ₃／Ｗ₃は、６／６＝１であり、これは理想的 なビーム形成要件である。 又、例えば２つのランプ、４つのランプ、８つのランプ等の複数の光源のそれ ぞれの追加レベルについて、各追加のリニアプリズム部材又はフレネルコリメー タの面積は半減することに留意することも重要である。これは、達成可能な集光 を制限し、統合可能なランプの数に実質的な制限を設定する。 図９は、図４にも示されるような２つのランプの出力光を効率的に統合し、各 ランプが個別に点灯したときスクリーンの明るさを均一にして、両方のランプが 点灯したときスクリーンの明るさを２倍にする投影システムを示している。液晶 ディスプレイのような偏光調整ディスプレイ３２は、上記ランプからの光が向け られ通過する光学窓を形成するために、フレネルレンズ２２と６０度のリニアプ リズムフィルム９との間に配置される。この液晶ディスプレイパネル３２は、２ つの透明基板若しくは板の間に囲まれたねじれネマチック若しくは超ねじれネマ チックであることが可能な液晶材料層を備える。それらの各板は、多数の行、列 に分割可能であり、よって上記ディスプレイパネルに多数の画素を形成する透明 な制御電極を備えることができる。それらの画素は、上記電極を駆動することに より制御され、上記画像ディスプレイパネルは受動的に制御されるものに含まれ る。あるいは又、上記基板の一つには電極を設けることができ、一方、他方には 半導体駆動電子回路を設けることができる。このタイプの制御を使用する装置は 、能動的に制御される画像ディスプレイパネルに含まれる。 例 図７について以下に記述され、さらに図８に示されるものは、ＬＣＤオーバー ヘッドプロジェクタとして使用するために構成された特別の配置である。上記方 形状のステージの窓の寸法は、長さＬ₁が２２８．６ミリメートル（９．０イン チ）、幅Ｗ₁が１７１．５ミリメートル（６．７５インチ）で、アスペクト比が Ｌ₁／Ｗ₁が４／３であり、これは多くのＬＣＤ投影パネルに共通の比率である。 光源の（複数の）フィラメント２６（一つのみ示している）は、集光しフレネル レンズコリメータａに光を向ける一対のガラス集光レンズ２７の後方、約１１ミ リメートルに配置される。上記光源２６は、４００ワット、３６ボルトの、平ら なマンドレルカプセル型で、ＡＮＳＩコードの名称でＥＶＤである。直径６０ミ リメートル、曲率半径３２．５ミリメートルの球状の反射鏡２８は、逆行した光 線を前方方向に合焦する。焦点距離が約５５ミリメートルで直径６０ミリメート ルである非球面対称でパイレックスの集光器２９は、ランプ２６からの光を円形 断面の光円すい部へ合焦する。焦点距離が約１７５ミリメートルで８２×８２ミ リメートルの寸法を有する正方形の光学クラウンガラスシリンダレンズ３０は、 パイレックス集光器２９にほぼ近接して配置される。このシリンダレンズ３０は 、だ円形状のビーム３１を形成するため、光の円形円すい部を一方向にさらに圧 縮する。単一成分のフレネルレンズコリメータ２０ａは、１７８ミリメートルの 焦点距離を有し、ｆ／０．７５からｆ／１．０の間で作動し、垂直方向から３０ 度にて対称に配向される。フレネルコリメータ２０ａの高さＷ₂は、ステージの 窓の半分の長さＬ₁であり、上記Ｗ₂は１１４．３ミリメートル（４．５インチ） であり、フレネルコリメータ２０ａの幅Ｌ₂は上記ステージの窓の幅であり、上 記Ｌ₂は１７１．５ミリメートル（６．７５インチ）である。光を平行化する上 記フレネルレンズのアスペクト比Ｌ₂／Ｗ₂は１．５である。光を平行化する上記 フレネルレンズの方形状の窓を効率的に光が占めるために、以下の関係に近づけ るべきである：Ｌ₂／Ｗ₂＝Ａ／Ｂ ここで、Ａ及びＢは、図８に示すフレネルコ リメータの平面における光ビームのだ円形の断面３１の長軸及び短軸である。 図４に示すように、６０度リニアプリズムフィルム９は、上記ステージの窓よ りもわずかに大きい寸法にて、２ミリメートル厚のアクリルプラスチックで作製 され、それぞれ個別のプリズムの溝１０の幅は約０．５ミリメートルである。焦 点距離が約３２５ミリメートルで、溝の幅が０．５から０．１２５ミリメートル の間であり、リニアプリズムフィルム９とほぼ同一の大きさを有する方形状のア クリルフレネルレンズ２２は、リニアプリズムフィルム９と、ステージの窓を形 成するガラスプラテン２１との間に配置される。３３０ミリメートルの焦点距離 の３枚構成の投影レンズ２３は、約６．７の倍率で６０インチ幅のスクリーンを 占めるようにステージの画像を投影する。 この構成にて、１４０フート燭の平均スクリーン照度がそれぞれのランプから 測定され、両方のランプを作動させた状態にて２８０フート燭の平均スクリーン 照度が測定された。これは、６０インチの正方形画像を投影する７０００ルーメ ンの正方形窓のオーバーヘッドプロジェクタの明るさに等しい。 上述のそれぞれの構造において追加の折り畳みのミラーを使用することで、光 学的構成部分の配置の変更が達成可能であることを当業者は理解することができ る。それらの変更は、上記構成部分を含む投影機のベースの幅及び長さの変更に より該投影機の上記ベース高さを減じることができる。又、本発明の特別の実施 例を図示したが、本発明は光学的通路において平行化された光を必要とするいず れの装置にもより一般的に適用可能であることは理解できよう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フェスラー，ロバート・マール アメリカ合衆国78726−9000テキサス州 オースティン、リバー・プレイス・ブール バード 6801番 スリーエム・オースティ ン・センター (72)発明者 バンダーワーフ，デニス・フランク アメリカ合衆国78726−9000テキサス州 オースティン、リバー・プレイス・ブール バード 6801番 スリーエム・オースティ ン・センター

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光学的窓を有する囲い部と、 平面を形成する平らな第１面、及び上記第１面に対向する構造化された第２面 を有し、上記構造化された面は約５８度から約６２度の範囲のきょう角を有する ２つの側面をそれぞれが有する複数のリニア三角形プリズムを有するリニア状の ビーム統合フィルムと、 上記フィルムの少なくとも一端に配置され、上記リニアプリズムの軸に直角で ありかつ上記フィルムの上記平面の垂線に対して約５６．５度から約６３．５度 の範囲の角度にて傾斜する方向に、平行化された光を放射し、該光が上記リニア プリズムの上記２つの側面の一つを実質的に全てを明るくするために配向され上 記フィルム内で全内反射されて上記平らな第１面を出て平行化されたビームとし て上記光学的窓へ配向される、少なくとも一つの光源と、 を備えた、画像をスクリーン上に投影するための投影システム。 ２．上記光源からの上記平行化された光の上記傾斜角は、上記プリズム の側面の上記きょう角に以下の式によって関連付けられる、請求項１記載の投影 システム： θ＝９０°−（（α／２）＋ａｓｉｎ（ｎ ｃｏｓ（３α／２））） ここで、 θは、上記平行化された光の上記傾斜角度 αは、上記プリズム側面の上記きょう角 ｎは、上記フィルムの材質の屈折率。 ３．上記リニアプリズムの軸に直角で、かつ上記フィルムの平面の垂線 に対して約５６．５度から約６３．５度の範囲の角度に傾斜した方向に平行化さ れた光を放射し、該光は上記リニアプリズムの２つの側面の他方を実質的に全て を照明するように配向され、上記フィルム内で全内反射されて平らな上記第１面 を出て平行化された光線として上記光学的窓へ配向される、少なくとも第２光源 を備えた、請求項１記載の投影システム。 ４．上記光源からの上記平行化された光の上記傾斜角は、上記プリズム の側面の上記きょう角に以下の式によって関連付けられる、請求項３記載の投影 システム： θ＝９０°−（（α／２）＋ａｓｉｎ（ｎ ｃｏｓ（３α／２））） ここで、 θは、上記平行化された光の上記傾斜角度 αは、上記プリズム側面の上記きょう角 ｎは、上記フィルムの材質の屈折率。 ５．各光源から放射された上記光は、上記スクリーンのすべての部分を 照明する、請求項３記載の投影システム。 ６．上記光学的窓は方形状である、請求項１記載の投影システム。 ７．上記光源からの上記光を平行化するための方形形状のコリメータを 備えた、請求項６記載の投影システム。 ８．上記方形形状のコリメータはフレネルレンズである、請求項７記載 の投影システム。 ９．上記方形形状のコリメータは、長さと幅のアスペクト比が２以下で ある、請求項７記載の投影システム。