CN1637462A - 背面投影型图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种背面投影型图像显示装置，具有包括有正折射率的第一透镜组(3)以及将第一透镜组(3)所放大的图像进一步放大的第二透镜组(2)的投影透镜，由该投影透镜将图像显示元件的显示图像放大投影到透过型屏幕(6)，此时，在从第二透镜组(2)到透过型屏幕(6)之间不设置反射镜，将上第二透镜组(2)的放大图像直接投影到透过型屏幕(6)。由此，在背面投影型图像显示装置中，能够大幅度缩短投影光学系统的投影距离，不使用反射镜，去除产生梯形失真的因素，能够实现的装置的紧凑化。

Description

背面投影型图像显示装置

技术领域

本发明涉及一种将在图像显示元件上所表示的图像，由投影透镜例如在透过型屏幕上放大投影的背面投影型图像显示装置。

背景技术

作为背面投影型显示装置(以下有时称装置)的图像发生源，取代3个CRT(显示红蓝绿的图像的CRT)而有使用透过型或反射型的液晶面板或微镜设备等像素选择型的。在使用这样的图像显示装置情况的、为了实现装置紧凑化的投影透镜的结构中，例如在特开平5-134213号公报(文献1)、特开2000-162544号公报(文献2)、特开2002-357768号公报(文献3)中有记述。这些专利文献中，公开了相对屏幕从倾斜方向放大投影图像用的投射透镜的结构。

如上述文献1～3上述，在从倾斜方向朝屏幕投射图像时，在屏幕上投影的图像会产生梯形失真。在文献1中记载的投射光学系统中，是通过使配置于屏幕一侧的远焦变换器偏心而抑制梯形失真的结构。但是，在所记述的远焦变换器中由于倍率低而存在有难以广角化(装置的紧凑化)的问题。而且，在文献2中所记述的投影光学系统中，作为背面投影型图像装置能够充分薄型化的广角化困难，由于必须分别地使所用的透镜偏心，所以还有制造困难的问题。进而，在文献3中记述的投射光学系统中，由具有正功率的第一折射透镜系统，具有负功率的第二折射透镜系统，以及光路返折镜所构成。在具有负功率的第二折射透镜系统内，至少两枚是作为旋转对称性不同的偏心系统。因此，存在有制造时难以确保各透镜位置精度的问题。

另一方面，上述现有的技术中的装置设计，是仅关注于包含投影透镜的投影光学系统的设计，不是考虑了包含框体内驱动电路的设置场所的系统整体的最佳设计，特别是存在为了装置的紧凑化而配置的反射镜的灵敏度非常高，位置精确偏差，以及在画面上发生梯形失真所谓问题点。而且，配置反射镜虽然能够在某种程度上使装置的尺寸减少，但不能实现从装置前面到后面的外形收缩，会产生在从横向看装置时纵向(深处)大的感觉。

所以，为了使透过型屏幕上的表示图像高质量化，装置的紧凑化，必须使用与其相适应的框体结构，广像角且高焦点，高倍率的背焦距的投射光学系统。而且，希望来自投射透镜的图像不经过反射，直接放大投影到直接透过型屏幕上。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而提出，其目的在于提供最适合于装置的紧凑化的技术。

为了达到上述目的，本发明的投影型图像显示装置的特征在于，使用包含具有正折射率的第一透镜组、以及进一步放大该第一透镜组的放大图像的具有正折射率的第二透镜组的投影透镜，作为将图像显示元件所表示的图像在透过型屏幕上放大投影的投影透镜。而且，由第二透镜组所得到的放大图像直接(即从第二透镜组的射出面到透过型的屏幕的途中，没有利用反射镜等使来自第二透镜组的光束的光路发生变化)投影到透过型屏幕。

就是说，由上述第一透镜组所形成的第一放大图像，由第二透镜组在图像显示元件侧临时成像，由上述第二透镜组将该第一放大图像在屏幕上直接放大投影。此时，可在第一透镜组和上述第二透镜组之间配置具有正的折射能力的物镜组，该第一放大图像的倍数M1比由上述第二透镜组在屏幕上形成的第二放大图像的倍数M2小。

而且，上述第一透镜组可以在图像显示元件一侧以远心与照明光学系统的F值相吻合而设计。由于由上述第一透镜组所形成的第一放大图像，也由上述第二透镜组在图像显示元件侧成像，所以作为第二群的F值的F2(光线的发散角度)，为作为第一群的F值的F1被第一放大图像的倍数M1除所得的值，即F2＝F1×M1。这样，由于第二透镜组的F2能够增大，所以对于像角超过90度的超广角化是有利的。

而且，还可以在第一透镜组与第二透镜组之间配置光路折返部件，第一透镜组与屏幕画面方向大体垂直而配置，第二透镜组对于屏幕面大体垂直而配置。由此能够使投射透镜所射出的投射图像直接放大投影在屏幕上，进一步实现紧凑化。

根据上述结构，即使不使用现有的投影型图像显示装置中所使用的反射镜，也能够消除现有所发生的梯形失真等问题，进一步实现紧凑化。由此，根据本发明可以实现装置的紧凑化。

附图说明

图1是本发明实施方式中背面投影型图像显示装置的正面图。

图2是本发明实施方式中背面投影型图像显示装置的侧面图。

图3是本发明实施方式中背面投影型图像显示装置的正面图。

图4是本发明实施方式中背面投影型图像显示装置的侧面图。

图5是为了说明本发明实施方式中投影光学单元的结构的图。

图6是为了说明本发明实施方式中投影光学单元的结构的图。

图7是现有技术中背面投影型图像显示装置的正面图。

图8是现有技术中背面投影型彩色图像显示装置的侧面图。

图9是表示本发明实施方式中投影型图像显示装置的照明光学系统的配置图。

图10是本发明实施方式中背面投影型图像显示装置的上面图。

图11是表示本发明的实施方式1的投影光学系统的第一透镜组的透镜配置的图。

图12是表示对本发明的实施方式1的投影光学系统的第一透镜组的光线追踪结果的图。

图13是表示本发明的实施方式1的投影光学系统的第一透镜组的透镜数据的图。

图14是由本发明的一实施方式的投影光学系统的第一透镜组在成像面所产生的像差图。

图15是由本发明的一实施方式的投影光学系统的第一透镜组在成像面所产生的畸变像差图。

图16是由本发明的一实施方式的投影光学系统的第一透镜组在成像面所产生的斑点形状的特征图。

图17是表示本发明的实施方式1的投影光学系统的第一透镜组的透镜配置的图。

图18是表示对本发明的实施方式1的投影光学系统的第一透镜组的光线追踪结果的图。

图19是表示本发明的实施方式1的投影光学系统的第一透镜组的透镜数据的图。

图20是由本发明的一实施方式的投影光学系统的第一透镜组在成像面所产生的像差图。

图21是由本发明的一实施方式的投影光学系统的第一透镜组在成像面所产生的畸变像差图。

图22是表示由本发明的一实施方式的投影光学系统的第一透镜组在成像面所产生的斑点形状的特征图。

图23是表示本发明的实施方式1的投影光学系统的第一透镜组的透镜配置的图。

图24是表示对本发明的实施方式1的投影光学系统的第一透镜组的光线追踪结果的图。

图25是表示本发明的实施方式1的投影光学系统的第一透镜组的透镜数据的图。

图26是由本发明的一实施方式的投影光学系统的第一透镜组在成像面所产生的像差图。

图27是由本发明的一实施方式的投影光学系统的第一透镜组在成像面所产生的畸变像差图。

图28是表示由本发明的一实施方式的投影光学系统的第一透镜组在成像面所产生的斑点形状的特征图。

图29是表示本发明的实施方式1的投影光学系统的第一透镜组的透镜配置的图。

图30是表示对本发明实施方式1的投影光学系统的第一透镜组的光线追踪结果的图。

图31是表示本发明的实施方式1的投影光学系统的第一透镜组的透镜数据的图。

图32是由本发明的一实施方式的投影光学系统的第一透镜组在成像面所产生的像差图。

图33是由本发明的一实施方式的投影光学系统的第一透镜组在成像面所产生的畸变像差图。

图34是由本发明的一个实施方式的投影光学系统的第一透镜组在成像面所产生的斑点形状的特征图。

图35是表示本发明的实施方式1的投影光学系统的第一透镜组的透镜配置的图。

图36是表示对本发明的实施方式1的投影光学系统的第一透镜组的光线追踪结果的图。

图37是表示对本发明的实施方式1的投影光学系统的第一透镜组的透镜数据的图。

图38是由本发明的一实施方式的投影光学系统的第一透镜组在成像面所产生的像差图。

图39是由本发明的一实施方式的投影光学系统的第一透镜组在成像面所产生的畸变像差图。

图40是由本发明的一实施方式的投影光学系统的第一透镜组在成像面所产生的斑点形状的特征图。

具体实施方式

以下参照附图对使用本发明的投影型光学单元的投影型图像显示装置和背面投影型图像显示装置的实施例加以说明。

图1是针对使用本发明的投影型光学单元的背面投影型图像显示装置的实施例的正面图。在该图中，1是照明光学系统，5是框体，6是屏幕，7是背盖，4是表示将来自白色光源的光由照明光学系统1照射到图像显示元件(未图示)、将由图像显示元件根据图像信号所形成的图像由投射光学单元进行放大投影的光学单元。而且，3是内藏投射光学单元的具有正的折射率的第一透镜组(未图示，后述)的第一透镜筒，2是内藏投射光学单元的具有正的折射率的第二透镜组(未图示，后述)的第二透镜筒。来自白色光源的光由照明光学系统1而照射到图像显示元件，该光被取入投影光学单元的第一透镜组，透过物镜，由第二透镜组在图像显示元件侧成像。进而，第二透镜组将该像作为物点在屏幕上放大投影。此时，在组装于第二透镜筒的透镜内，以位于距屏幕侧最近位置的透镜的有效区域(图像光束通过的区域)以外的部分，可以设置用斜线表示的遮光光阑。通过将光学单元4面向装置的中心而在左侧配置从而生成的右侧空间内，组装信号电路及电源电路等的基座8，构成背面投影型图像显示装置。还有，第一透镜筒3与第二透镜筒2相互由单体构成。而且，包含照明光学系统1、第一透镜筒3及第二透镜筒2的光学单元，由支撑体9从装置的底面支撑，保持规定的高度。

而且，作为本发明的另一实施例，也可以是将光学单元4面向图像中心在右侧配置而生成的左侧空间内，组装信号电路及电源电路等基座8，构成背面投影型图像显示装置。

如图1所示，光学单元4配置于框体5的大体中央，这些投射的图像光直接从屏幕6的背面侧投射。现有是将来自投射透镜装置的图像光由图8所示的反射镜17投射到屏幕。存在有要求反射镜17的位置精度非常高，未配置于规定的位置时会在屏幕上产生梯形失真等问题。根据本发明的结构，由于是不使用反射镜17而直接从投影透镜装置投影到屏幕，所以能够去除梯形失真发生的一个原因。

本发明的投影光学单元4包括：光轴与屏幕6的画面水平方向大体平行地配置的内藏于第一透镜筒3内的第一透镜组(未图示，后述)、以及光轴与第一透镜组的光轴大体垂直地配置的内藏于第二透镜筒2内的第二透镜组(未图示，后述)，在第一透镜组与第二透镜组的连接部分设置有将来自第一透镜组的图像光引导至第二透镜组地使光路折返的光路折返部件(未图示)，该光路折返部件可以是在第一透镜组中，也可以是在第二透镜组中。

为了不会由第一透镜组所发生的亮闪的光使放大图像的对比度下降，可以在构成第一透镜组的透镜中，在最接近第二透镜组位置的透镜的有效区域(图像光束通过区域，未图示)以外的部分设置遮光光阑。

同样，也可以在构成第二透镜组的透镜中，在最接近第一透镜组的位置的透镜的有效区域(图像光束通过区域，未图示)以外的部分设置遮光光阑。

进而还可以在位于第一透镜组与第二透镜组之间的光路折返部件的有效区域(图像光束通过区域)以外的部分设置遮光光阑。

这样，本发明的光学单元4，至少分为两个透镜组，其光轴大体垂直地配置，第一透镜组的光轴与屏幕6的画面水平方向大体平行地配置。因此，能减少背面投影型图像显示装置的进深，进而还能够降低投影光学单元的高度。由此，本发明对装置整体的紧凑化是有效的。

作为光源可以使用水平灯用的光源灯。在将该光源灯与画面水平方向大体平行地配置的情况下，对紧凑特别有效，且寿命长。

为了便于以下的说明，这里引入右手系直角坐标系。图1中屏幕6与YZ平面平行，屏幕6的水平(横)方向为Z轴方向，垂直(纵)方向为Y轴方向，从屏幕6的正面(观察者一侧)向背面的方向为X轴方向。

图2是本发明实施方式中背面投影型图像显示装置的侧面图。与图1中所示的部件具有同一作用的部件都赋予同样的符号。在图2中，第一透镜筒3中内藏的第一透镜组(未图示)的光轴3₁(同图中的Z轴，以下省略为第一透镜筒的光轴)与第二透镜筒2中内藏的第二透镜组(未图示)的光轴2₁(以下省略为第二透镜筒的光轴)，通过内藏的光路折返部件(未图示)而配置成大体垂直。在本实施例中第二透镜筒2的光轴2₁与上述第一透镜筒3的光轴3₁相一致(对图中右侧方向的大体Y轴方向不偏心)。对于屏幕6投射光学单元的光轴不偏心，从第二透镜筒2向屏幕6的下端的光线LD及向上端的UD的与X轴所成的角度相等。由此，就可将该部分光学单元4的位置向画面垂直方向上部方向的Y轴方向抬起，与屏幕6的下端相比，第二透镜筒2配置于画面垂直方向的上部。根据这样的结构，能够实现从屏幕的下端到框体5的底面的距离短的紧凑的装置。

而且，通过使第二透镜筒2的光轴2₁对于上述第一透镜筒3的光轴3₁向图纸面下侧方向的大体-Y轴方向偏心，能够使投影光学单元的光轴对于屏幕6偏心。因此，从第二透镜筒2向屏幕6的下端的光线LD与X轴所成的角度增大。由此，能够使该部分光学单元4的位置在画面垂直方向上部方向的Y轴方向上下降，与屏幕6的中央相比，使第二透镜筒2配置于画面垂直方向下部。根据这样的结构，能够使光学单元4配置于相对于框体5的低的位置。

图3是使用本发明的第二投影光学单元的实施例的正面图。在该图中，1是照明光学系统，5是框体，6是屏幕，7是背盖，4是表示将来自白色光源的光由照明光学系统1照射到图像显示元件(未图示)、将由图像显示元件根据图像信号所形成的图像由投射光学单元进行放大投影的光学单元。而且，3是内藏投射光学单元的具有正的折射率的第一透镜组(未图示，后述)的第一透镜筒，2是内藏投射光学单元的具有正的折射率的第二透镜组(未图示，后述)的第二透镜筒。在组装于第二透镜筒的透镜内，在距屏幕侧最近位置的透镜的有效区域(图像光束通过区域)以外的部分，可以设置用斜线表示的遮光光阑。通过在将光学单元4配置在装置的中心而生成的左右空间(在本实施方式中是面向右侧的空间)，组装进信号电路及电源电路等的基座8，构成背面投影型图像显示装置。

而且，作为本发明的另一实施例，也可以是通过将信号电路及电源电路等的基座8组装在光学单元4的左侧的空间内，构成背面投影型图像显示装置。

如图3所示，光学单元4配置于框体5的大体中央，由此投射的图像光直接从屏幕6的背面侧投射。

本发明的光学单元4，包含光轴与屏幕6的画面垂直方向大体平行地配置的内藏于第一透镜筒3内的第一透镜组(未图示，后述)，以及光轴与第一透镜组的光轴大体垂直地配置的内藏于第二透镜筒2内的第二透镜组(未图示，后述)。而且，在投影光学单元4是在第一透镜组与第二透镜组的连接部分设置有将来自第一透镜组的光引导至第二透镜组地使光路折返的光路折返部件(未图示)。该光路折返部件可以是在第一透镜组中，也可以是在第二透镜组中。

图4是作为使用了本发明的投影光学单元的实施例2的背面投影型图像显示装置的侧面图。与图3中所示的构成部件具有同一作用的部件都赋予同样的符号。在图4中，第一透镜筒3中内藏的第一透镜组(未图示)的光轴3₁(同图中的Y轴，以下省略为第一透镜筒的光轴)与第二透镜筒2中内藏的第二透镜组(未图示)的光轴2₁(以下省略为第二透镜筒的光轴)，通过内藏的光路折返部件(未图示)而配置成大体垂直。在本实施方式中第二透镜筒2的光轴2₁与上述第一透镜筒3的光轴3₁在图纸面上下方向的大体Y轴方向不偏心。对于屏幕6投射光学单元的光轴不偏心，从第二透镜筒2向屏幕6的下端的光线LD及向上端的UD的与X轴所成的角度相等。由此，就能够使第二透镜筒2配置于屏幕6的画面中央部。根据这样的结构，能够实现从屏幕的下端到框体5的底面的距离短的紧凑的装置。

而且，通过使第二透镜筒2的光轴2₁对于上述第一透镜筒3的光轴3₁沿着光轴向图纸面下侧方向的大体-Y轴方向偏心，能够使投影光学单元的光轴对于屏幕6偏心。因此，从第二透镜筒2向屏幕6的下端的光线LD与X轴所成的角度大。由此，能够使该部分光学单元4的位置在画面垂直方向上部方向的Y轴上下降，使第二透镜筒2相对于屏幕6的中央而配置在画面垂直方向下部。根据这样的结构，能够使光学单元4相对于框体5配置于低的位置。

使用图5对上述实施例1中所使用的本发明的投影型图像显示装置的投影光学单元的详细结构加以说明。为了说明的方便，对与图1所示的结构部件具有同作用的部件赋予同样的符号。

在该图中，21是作为光源的白色灯，4是表示作为图像显示元件使用透过型液晶面板51(52、53)的情况下的光学单元。

来自白色灯21的光，由未图示的照明光学系统进行偏光变换/分光而照射到透过型液晶面板51(52、53)。在透过型液晶面板51(52、53)入射的各色光根据图像信号进行光强度调整，形成光学像。该各色光的光学像，由正交棱镜27合成为彩色图像，由投影光学单元210放大。

投影光学单元210包含第一透镜筒3中内藏的具有正折射率的第一透镜组22及物镜23以及具有正的折射率的内藏于第二透镜筒2中的第二透镜组24。进而，在第一透镜筒3与第二透镜筒2相连接的部分，设置有将来自于第一透镜组22、物镜23的图像光折返导光到第二透镜组24而导光的光路折返部件25。还有，3₁与2₁是上述第一透镜组22的光轴与第二透镜组24的光轴。而且，在图6中物镜23虽然由一枚透镜所图示，但也可以是由多枚透镜所构成的透镜组。

在本发明中，由正交棱镜27所合成的图像，由第一透镜组22在物镜23附近作为临时放大图像而成像(倒立像，图6中IMG表示其一例)。而且，由光路折返部件25使第二透镜组24的光轴2₁对于第一透镜组22的光轴3₁大体垂直配置。同时，例如在大体Y轴的正方向上(图2中图纸面上侧方向)偏心。

由于照明光学系统的F值大体为2.0到3.0，所以第一透镜组22的F值也需要大体相同才能高效率地取入光束。设透过型液晶面板的有效画面尺寸为0.7英寸，第一透镜组的放大倍数M1为3倍，则物镜23附近的放大图像相当于2.1英寸。此时，由于从第二透镜组24看物体(第一透镜组22的放大图像(图中的IMG))时的光束入射角度与放大倍数M呈反比，所以，第二透镜组24的F值理论上为9.0左右。为此，第二透镜组24的画角可以设计为超广角(90度以上)。这里，设屏幕的对角线尺寸为50英寸，则这种情况下第二透镜组24的放大倍数M2约为24。就是说第一透镜组22的放大倍数M1比第二透镜组24的放大倍数M2小。

而且，由于本发明的投影型光学单元210包含具有正的折射率的第一透镜组与第二透镜组，所以由正交棱镜27所合成的图像由第一透镜组22在物镜23附近作为倒立像而成像(第一放大图像)，由第二透镜组将该倒立像投影到屏幕作为正立像(第二放大图像)。在一般的投影型彩色图像显示装置中，投影到屏幕状的投影像相对于图像显示元件的图像倒立，但在本发明中具有正立像的特征。

在本发明的投影型图像显示装置中，对于合成图5所示图像的正交棱镜27，作为图像显示元件的透过型液晶面板可以将画面的水平方向配置于XY平面。其理由是由于正交棱镜的尺寸是由屏幕长宽比短的方向的尺寸所决定，所以能够缩短投影透镜的后焦点。因此，能够使正交棱镜27小型化，有利于降低成本。进而，光源用灯21与第二透镜组24的光轴可以大体垂直配置。因此，如图1或图2所示，使用本发明的投影型图像显示装置构成背面投影型图像显示器装置的情况下，可以将水平点灯用光源灯大体在画面水平方向上并行配置。这样，即使XY平面上投影型图像显示装置的仰角变化，也能够不损坏灯的寿命而决定装置内部的布置。由于进而可以将投影型图像显示装置配置于装置内部的画面水平方向一侧(屏幕中央的一侧)，所以在空着的另一侧空间内能够归纳配置电源及信号基板等的基座，实现紧凑的装置。

图6表示作为配置在第一透镜组和第二透镜组之间的光路折返部件26使用全反射镜情况的实施例。在该图中，对于与图5中所表示的结构部件具有同样作用的部件赋予同样的符号，由于各个部件的作用也与图5所示的实施例相同，所以其说明给予省略。

在图1及图2所示的本发明的投影型彩色图像显示装置中，第二透镜组24的光轴2₁相对于第一透镜组22的光轴3₁，例如在YZ平面中向大体Y轴的正方向(图2中图纸面下侧方向)偏心。由此，能够实现从图2所示的屏幕下端到底面的距离短的紧凑的装置。

进而，通过使第二透镜组24的光轴2₁相对于第一透镜组22的光轴3₁，例如向YZ平面中向Z轴方向偏心，就没有必要将第二透镜组配置于屏幕画面的中央。由此，由于能够增加装置内部的设计的自由度，所以能够进一步实现紧凑的装置。

另一方面，即使是透过型液晶面板的有效画面尺寸变化，通过照明光学系统的部分变更与仅第一透镜组的变更，就能够在同一形式的装置中原封不动地适用。因此，能够实现装置的开发效率优异的投影光学单元。

由第一透镜组22所得到的放大图像的倍数，虽然因所使用的图像显示元件的有效画面尺寸而不同，但可在2～7倍之间。为了将从第一透镜组到成像位置的距离控制在最佳范围，且使第一及第二透镜组的透镜外形在可制造的范围，如使上述倍数为2～5倍更好。

而且，在图5及图6所示的本发明的实施例中，第二透镜组24的光轴相对于第一透镜组22的光轴在YZ平面上偏心，适当地选择该偏心量。通过这样做，例如可以任意地变更投影透镜光轴对于图1所示的透过型屏幕6的偏心量。所以即使是在同一画面尺寸中，也能够自由地变更装置的形式，能够大幅度提高设计的自由度。

图3及图4所示的本发明中透镜光学单元的结构，相对于图5所示的第一实施例，内藏具有正的折射率的第一透镜组22及物镜23的第一透镜筒3与Y轴方向相吻合而配置，且具有正的折射率的第二透镜筒2中内藏的第二透镜组24的光轴与X轴方向一致。其它的构成部件与实施例1相同，其说明给予省略。

图7是为了说明使用了本发明的投影光学系统的背面投影型图像显示装置的结构上的特征而使用的装置的主视图。图9是表示在上述实施例1中投使用的本发明的投影型图像显示装置中，作为图像显示元件使用透过型液晶面板时的照明光学系统的配置图。

从作为白色光源的灯管球30所发射的白色光束，由反射器31发射，成为所希望的光束，透过防爆玻璃33。该光束被蝇眼透镜34所分割，由偏光光束分离器35而成为单一偏光。成为该单一偏光的分割光束，由配置于对面位置的蝇眼透镜36及物镜37，在液晶面板(G)51、液晶面板(B)52及液晶面板(R)53上放大投影并且重合。因此入射到面板的光束的能量分布均匀化。而且，白色光束由配置于光路的分色镜38而分离为红色光束与蓝绿色光束。红色图像光的色度是由分色镜38的分光反射特性及设置于透镜53’的补偿滤色片的分光反射特性而提高色纯度。

进而分色镜39具有反射绿色区域的光的特性。而且在透镜51’中与红色同样使用补偿滤色片。最后残留的蓝色光束，例如由设置于镜41、镜42或透镜52’的分色镜的特性而分光。短波长一侧由设置有UV截断滤波器的蝇眼透镜34与透镜44所截断。

以上是作为图像显示元件而使用透过型液晶面板的情况下的本发明的照明光学系统中色分离部的说明。由上述技术方法所分离为红、绿、蓝的色光束，分别入射到各自对应的透过型液晶面板53、51、52，与图像信号的振幅吻合而调整射出的光束量(光量)。调整后的各色的光束，由正交棱镜27合成，由投射光学单元210在屏幕上放大投影。在上述白色光源中，可以使用超高压水银灯、氙灯、金属卤灯等的任意一种。

以上，对本发明的照明光学系统中使用透过型液晶面板的情况进行了说明，但即使是在使用反射型液晶面板作为图像显示元件的情况下，在图像合成之后，当然也可以使用本发明的透射光学单元。

如上所述，本发明的投射光学单元至少由两组以上的透镜组所构成。由于物镜群的位置，相对于光路折返部件可以配置在第二透镜组侧，也可以配置在第一透镜组侧，所以设计的自由度很大，但是，当物镜配置得比光路折返部件更接近在第二透镜组一侧时，构成物镜群及第二透镜组的各透镜的口径增大，使成本上升，而且，由于物镜的透镜面与第一透镜组的成像面接近，所以在物镜的透镜表面上粘附有灰尘时，有最终损害屏幕上放大图像的质量的可能性。所以，在这种情况下，须对设计加以注意。

如上所述，本发明的投影光学单元至少由两个以上的透镜组所构成，如图5及图6所示，由于在作为图像显示元件的透过型液晶面板与第一透镜组22之间存在有色合成用的正交棱镜27，所以第一透镜组必然负聚焦型。由于照明光学系统的光束大体平行，所以在远心的光学系统中，该第一透镜组22的放大图像在物镜23的附近成像。

在本发明的投影光学单元内，作为第一透镜组22的实施例1，透镜结构表示于图11，光线追踪图表示于图12，透镜数据表示于图13。而且，实施例1的像差图表示于图14，畸变像差表示于图15，斑点图表示于图16。从图13的2面到3面是正交棱镜27(图5及图6)，第一透镜组22是从3面到21面，物镜23是从22到25面，在第一成像面成像，在图5、图6记为IMG。从24面到25面是非球面，由下述式1的非球面式表示。而且，式1中的各系数的值也记于图中。

式1

$Z\left(r\right)=\frac{r^2/\mathrm{RD}}{1+\sqrt{1-(1+K)r^2/{\mathrm{RD}}^2}}+{\mathrm{Ar}}^4+{\mathrm{Br}}^6+{\mathrm{Cr}}^8+{\mathrm{Dr}}^{10}+{\mathrm{Er}}^{12}+{\mathrm{Fr}}^{14}+\·\·\·+{\mathrm{Zr}}^{2n}$

图14到图16是由作为本发明的投影光学单元的实施例而表示的第一透镜组所成像的性能，分别是作为物面的面板尺寸为0.7英寸，屏幕长宽比为16∶9的情况下的在成像面(IMG)的像差图，畸变像差与斑点图。将作为蓝色光的波长为450nm的光线。作为绿色光的波长为545nm的光线，作为红色光的波长为625nm的光线重合而进行的评价。斑点尺寸收敛在50微米左右，畸变像差也在0.1％以下，得到良好的性能。

在图17到图28中，与实施例1同样，表示了第一透镜组22的实施例2、3。与实施例1同样，斑点尺寸收敛到50微米左右，而且，畸变像差为0.1％以下，得到了良好的性能。

接着，在本发明的投射光学单元中，作为第二透镜组24的实施例1，透镜结构表示于图29，光线追踪图表示于图30，透镜数据表示于图31。而且，实施例1的像差图表示于图32，畸变像差表示于图33，斑点图表示于图34。图31的1面到27面是第二透镜组，28是第二透镜组的成像面，成为屏幕。

第二透镜组24中，3面到4面，4面到5面，16面到17面，18面到19面，26面到27面中使用了塑料非球面透镜。通常是与照明光学系统的F值相吻合而决定第一透镜组的F值，但在本发明的实施例中第一透镜组的F值为3.0。而且，由于投影倍数为3倍，所以即使是第二透镜组的F值为9.0，也能够取得充分的光束。而且，由于第二透镜组的F值可以大到9.0，所以能够实现从50英寸投影时的最终面(27面)到屏幕面的间隔(投射距离)为360mm，像角131度的超广角的投射光学单元。而且，第二透镜组24的实施例2与实施例1同样，示于图35到图40。

图32到图34，图38到图40，是物面为2.1英寸，屏幕长宽比为16∶9，进而偏心量为1∶1，物面增大情况下的屏幕面的性能。将蓝色光的波长450nm的光线，绿色光的波长545nm的光线，红色光的波长625nm的光线重合进行了评价。得到了斑点为1.8mm左右，畸变像差为0.1％以内的良好的性能。

在图31、图37的使用本发明的投影透镜装置的背面投影型显示装置中，投影透镜装置是超短投影。所以，即使是考虑框体部分的边缘，装置的进深D(英寸)对于透过型屏幕的对角线尺寸SS也能够满足下述条件，实现装置的紧凑化。

                 D≤SS/3.0(英寸)

图10是图3所示实施例的背面投影型图像显示装置的俯视图。由于本发明的投影透镜装置是超广角，所以能够从屏幕侧向装置背面压缩装置的外形。压缩角度，满足下述条件：

(L_S+SS×25.4)/14＜θ

式中，L_S＝W-S_w(mm)；

W：框体横向宽度(水平方向)尺寸(mm)；

S_W：透过型屏幕横向宽度(水平方向)尺寸(mm)；

θ：框体外形压缩角度。

满足了上述条件，即使是从装置的横向看，也不能看到装置的背面部分，能够成为没有纵深感觉的形状。

还有，本发明的投影光学单元，并不仅限于背面投影型图像显示装置，当然也可以适用于从屏幕的前面投影的前面投影型图像显示装置。

如上所述，根据本发明的投射光学单元，即使是在高倍率下也能够同时实现装置的紧凑化所必要的超广角化与高聚焦。而且，即使是使用的图像显示元件的有效画面尺寸发生变化，也能够通过变更投射光学单元一部分而对应。因此，在采用了这样的光学单元的图像显示装置或背面投影型图像显示装置中，能够降低对于装置的尺寸变化、伴随着图像显示元件的有效显示区域的变更的种类而展开的开发费用。

Claims (19)

1.一种背面投影型图像显示装置，其特征在于，具有：

图像显示元件；和

将该图像显示元件所显示的图像放大投影在透过型屏幕上的投影透镜，

所述投影透镜包含具有正折射率的第一透镜组和进一步放大该第一透镜组的放大图像、具有正折射率的第二透镜组，由该第二透镜组所得到的放大图像直接投影到所述透过型屏幕。

2.一种背面投影型图像显示装置，其特征在于，具有：

图像显示元件；和

将该图像显示元件所显示的图像放大投影到透过型屏幕上的投影透镜，

所述投影透镜包含具有正折射率的第一透镜组和进一步放大该第一透镜组的放大图像、具有正折射率的第二透镜组，将由该第二透镜组所得到的图像不使用反射镜地投影到所述透过型屏幕。

3.根据权利要求2所述的背面投影型图像显示装置，其特征在于：

将由所述第二透镜组所得到的放大图像，直接投影到所述透过型屏幕，其中，从第二透镜组的射出面至透过型屏幕，不改变来自第二透镜组的光束的光路。

4.一种背面投影型图像显示装置，其特征在于，具有：

图像显示元件；和

将所述图像显示元件所显示的图像放大投影到透过型屏幕上的投影透镜；

用于在所述图像显示元件中显示图像的驱动电路；和

收存所述图像显示元件、投影透镜以及驱动电路的框体，

所述投影透镜包含配置在从图像显示元件到屏幕的光路中的、各自具有正折射率的至少第一透镜组与第二透镜组，构成为由该第一透镜组和第二透镜组得到两次或更多次放大图像的结构，将基于所述第二透镜组的放大图像直接投影到所述透过型屏幕。

5.根据权利要求4所述的背面投影型图像显示装置，其特征在于：

所述透过型屏幕的对角尺寸SS(英寸)与所述框体的进深D(英寸)相对画面尺寸满足以下条件：

40＜SS

D≤SS/3.0

6.根据权利要求4所述的背面投影型图像显示装置，其特征在于：

所述框体的外形尺寸满足以下条件：

(Ls+SS×25.4)/14＜θ

式中：Ls＝W-Sw(mm)；

W：框体横向宽度(水平方向)尺寸(mm)；

Sw：透过型屏幕的横向宽度(水平方向)尺寸(mm)；

θ：框体外形光圈角度(度)。

7.根据权利要求4所述的背面投影型图像显示装置，其特征在于：

至少在构成所述第一透镜组的透镜中在最接近第二透镜组的位置所配置的透镜的图像光束所通过的区域之外、在构成所述第二透镜组的透镜中最接近第一透镜组的位置所配置的透镜的图像光束所透过的区域之外、或者是位于所述第一透镜组与所述第二透镜组之间的光路折返部件的图像光束所通过的区域之外，设置有遮光光阑。

8.根据权利要求4所述的背面投影型图像显示装置，其特征在于：

由所述第一透镜组所形成的第一放大图像，相比于所述第二透镜组在图像显示元件侧成像，该第一放大图像的倍数M1比由所述第二透镜组在屏幕上形成的第二放大图像的倍数M2要小。

9.根据权利要求4所述的背面投影型图像显示装置，其特征在于：

在所述第一透镜组与所述第二透镜组之间配置具有正的折射率的物镜群，由所述第一透镜组所形成的第一放大图像，在所述物镜群附近成像。

10.根据权利要求4所述的背面投影型图像显示装置，其特征在于：

在所述第一透镜组与所述第二透镜组之间配置具有正的折射率的物镜群，由所述第一透镜组所形成的第一放大图像，相比于所述物镜群，在所述第二透镜组侧成像。

11.根据权利要求10所述的背面投影型图像显示装置，其特征在于：

在所述第二透镜组与所述物镜群之间配置有光路折返部件。

12.根据权利要求10或11所述的背面投影型图像显示装置，其特征在于：

在所述第一透镜组中设置有光路折返部件。

13.根据权利要求10或11所述的背面投影型图像显示装置，其特征在于：

在所述第二透镜组中设置有光路折返部件。

14.根据权利要求4所述的背面投影型图像显示装置，其特征在于：

所述第一透镜组在图像显示元件侧大体是远心关系，由该第一透镜组所得到的放大图像，相比于所述第二透镜组在图像显示元件侧成像，所述第二透镜组的像角为大于等于90度。

15.根据权利要求4所述的背面投影型图像显示装置，其特征在于：

所述投影透镜及图像显示元件配置在比所述透过型屏幕的下端还靠上方的位置。

16.一种背面投影型图像显示装置，其特征在于，包括：

白色光源；

将从该白色光源射出的可见光束分解为红、绿、蓝三原色的光束分光器；

具有根据输入的图像信号的振幅将所述分光后的光束的光强度分别调制的结构的图像显示元件；

将由该图像显示元件调整过的各自的光束合成的合成器；

将由该光合成器所合成的光束投影到透过型屏幕的投影透镜；和

收存白色光源、光束分光器、图像显示元件和光合成器的框体，

所述投影透镜，是将由光合成单元所合成的光束投影于直接透过型屏幕的透镜，

在所述框体内部的、所述透过型屏幕的水平方向的任意一侧，固定收存有用于在所述图像显示元件中显示图像的驱动电路，且在另一侧固定收存有所述投影光学装置。

17.根据权利要求16所述的背面投影型图像显示装置，其特征为：

所述投影透镜，从所述图像显示元件侧，包含使由所述图像显示元件所调制的光束在第一成像位置成像为放大图像的第一透镜组、配置在所述第一成像位置附近的物镜群、和将在所述第一成像位置所成像的放大图像再一次放大投影到所述屏幕的第二透镜组。

18.根据权利要求16所述的背面投影型图像显示装置，其特征为，

作为所述白色光源，可以使用超高压水银灯、氙灯、金属卤灯等的任意一种。

19.一种显示装置，其特征在于，具有：

显示元件；和

将由该显示元件所显示的图像加以投影的投影透镜，

所述投影透镜包含具有正折射率的第一透镜组和进一步放大该第一透镜组的图像、具有正折射率的第二透镜组，将由该第二透镜组所得到的放大图像，不使用反射镜地直接投影到所述透过型屏幕。

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