JP2000147377A

JP2000147377A - 投写用レンズ装置及びこれを用いた背面投写型画像ディスプレイ装置

Info

Publication number: JP2000147377A
Application number: JP35545899A
Authority: JP
Inventors: Koji Hirata; 浩二平田; Naoyuki Ogura; 直之小倉; Shigeru Mori; 繁森; Takahiko Yoshida; 隆彦吉田; Kazunari Nakagawa; 一成中川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-01-01
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2000-05-26

Abstract

(57)【要約】【課題】背面投写型画像ディスプレイ装置に用いる投写
用レンズ装置において、大口径比（低Ｆ値）、ハイフォ
ーカス、広画角でかつ、十分な周辺光量比を有する投写
用レンズ装置を低コストで実現する。【解決手段】投写管パネル(８)上に表示された映像を拡
大してスクリーンに投写するための複数のレンズ素子
(１〜６)を備えた投写用レンズ装置において、前記複数
のレンズ素子のうち投写管に最も近い位置に配置された
レンズ(6)が、前期スクリーン側に凹面を向けた負の屈
折力を持つ凹メニスカスレンズであり、該凹メニスカス
レンズの光軸に平行な断面が変曲点を有する形状とし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、投写型画像表示装
置に係り、特に画面周辺までフォーカス性能が優れた明
るい画像が得られ、かつ、安価な硝材を使用し、投写距
離が短い広画角な投写用レンズ装置とこれを用いたコス
トパフォーマンスに優れた投写型画像表示装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、家庭用の画像表示装置としてのテ
レビジョンセットは、画面の横長ワイド化に伴って大画
面化が進んでいる。この家庭用の画像表示装置として
は、ブラウン管を用いた直視型と、７インチ程度の小型
投写管上の画像を投写レンズによりスクリーン上に拡大
投写するいわゆる投写型の２種類があるが、セットのコ
ンパクト性と重量の制約から、３７インチを超える画面
サイズでは、投写型の画像表示装置が主流となってい
る。

【０００３】当初、この投写型画像表示装置は、画面明
るさとフォーカス性能が、直視型に比べて劣っていた。
しかしながら、近年、投写レンズ、スクリーン、投写管
などの構成部品個々の性能向上によって、画面明るさ、
フォーカス性能共に直視型に近づきつつある。

【０００４】投写型画像表示装置の性能向上過程におい
て、キーデバイスである投写用レンズ装置については、
種々の技術開発がなされた。まず、第一ステップとして
直視型と同等以上の画面明るさを得るために、米国特許
ＵＳＰ４６８２８６２号の公報に開示されているよう
に、プラスチック非球面レンズを多用することでＦ値の
低減が試みられてきた。

【０００５】次に、第二ステップとして、画面明るさの
向上とフォーカス性能向上を同時に実現する投写用レン
ズ装置が開発された。この投写用レンズ装置としては、
特開平３−１３７６１０号公報に開示されているよう
に、プラスチック非球面レンズと、ダブレットのガラス
レンズを使用する例もある。この結果、現流の投写型テ
レビジョン受像機においてはｆ／１．１程度の投写レン
ズが使用され、画面全般において、実用上問題のないレ
ベルの明るさとフォーカス性能が確保されている。

【０００６】第三ステップとして、そして現在では、コ
ンパクトなセットが実現できる投写距離の短い広画角な
投写用レンズ装置が開発の主流と成りつつある。画面明
るさ、特に画面周辺部の明るさとフォーカス性能を低下
させることなく、広画角な投写用レンズ装置を実現する
具体的な技術と実際の投写用レンズ装置を開示する文献
として、特開平４−５６０８号公報が挙げられる。以
下、第一の従来技術と記述する。

【０００７】ここに開示された該第一の従来技術は、６
群構成の投写用レンズ装置で、プラスチック非球面レン
ズとガラスレンズを効果的に組み合わせることにより、
上述した課題を解決している。さらに、ガラスレンズに
投写用レンズ装置のほとんど全ての正屈折力を分担し、
プラスチック非球面レンズにはほとんど持たせない構成
として、プラスチック非球面レンズ特有の温度変化によ
るフォーカス性能の変動を低減している。

【０００８】この第一の従来技術においては、投写管螢
光面の形状を電子銃側に凸となるように曲率を持たせて
いる。この結果、画面周辺部における螢光面の法線が、
投写用レンズ装置の入射瞳の方向を向くような構成とな
り、平面螢光面に比べて、より多くの映像光を取り込む
ことが可能となるので、広画角化しても実用上問題のな
いレベルの周辺光量を得ることができる。

【０００９】また、第６レンズ群のレンズ（以下、第６
群レンズという）によって像面湾曲の補正を行っている
が、投写管螢光面を、電子銃側に凸となるように曲率を
持たせることで、像面湾曲の発生量そのものを低減し、
画面周辺のフォーカス性能を向上させている。

【００１０】さらに、画面周辺部の明るさを低下させる
ことなく、より優れたフォーカス性能を実現した広画角
な投写用レンズ装置と、これを実現するための具体的技
術を開示する技術文献として、米国特許ＵＳＰ５２７２
５４０号の公報が挙げられる。以下第二の従来技術と記
述する。

【００１１】この第二の従来技術においては、５群６枚
構成の投写レンズが開示されており、物点である投写管
螢光面の形状を、電子銃側に凸となるように曲率を持た
せ、光軸近傍の曲率に比べて周辺部の曲率が小さくなる
ような変曲点を有する非球面としている。これにより、
像面湾曲と非点収差の高精度な補正を両立し、スクリー
ン画面周辺において良好なフォーカス性能と実用上十分
な周辺光量を確保している。

【００１２】また、この投写用レンズ装置は、レンズ全
系のほとんどの屈折力を分担する第３レンズ群のレンズ
（以下、第３群レンズという）を、高分散ガラスの凹レ
ンズと低分散ガラスの凸レンズを貼りあわせることで得
る構成として、色収差を補正し、大口径比（Ｆ値が０．
９６）と高いフォーカス性能を両立している。

【００１３】一方、プラスチックレンズ固有の課題であ
った温度変化と湿度変化によるフォーカス性能の低下
は、第１レンズ群のレンズ（以下、第１群レンズとい
う）と第２レンズ群のレンズ（以下、第２群レンズとい
う）を組合せることで、それぞれのレンズで発生するフ
ォーカス性能の低下を相殺する構成となっている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記した第一の従来技
術による６群構成の投写用レンズ装置には、解決すべき
幾つかの課題が存在する。

【００１５】まず、第１の課題は、レンズ構成によって
生じる課題である。前記投写用レンズ装置において、レ
ンズ全系の正屈折力のほとんどを分担する第４レンズ群
のレンズ（以下、第４群レンズという）のスクリーン側
に、弱い負の屈折力を有する第３群レンズが配置されて
いる。この第３群レンズによって球面収差とコマ収差を
補正している。

【００１６】このため、レンズ全系の入射瞳位置が、第
４群レンズの中心からスクリーン側に移動する。この結
果、前記したレンズ構成のままで、いっそうの広画角化
（投写距離の短縮）を実現しようとすると、歪曲収差、
非点収差の補正が困難となる。

【００１７】次に、第２の課題は、このレンズ構成にお
いて、投写用レンズ装置のＦ値を低減（口径比の拡大）
しかつ、十分な周辺光量比を得ようとすると第１群レン
ズ、第２群レンズと第３群レンズの口径が大きくなり、
生産コストが増加する。

【００１８】また、前記投写用レンズ装置の収差補正に
おいて個々のレンズ群の補正分担は次の通りである。第
１群レンズは、正の屈折力を有するメニスカス形状の球
面レンズで、球面収差とコマ収差を補正している。第２
群レンズは、弱い正の屈折力を有するメニスカス形状の
プラスチック非球面レンズとして、球面収差とコマ収差
を補正している。第３群レンズは、弱い発散作用を有す
る球面レンズで球面収差とコマ収差を補正する。第４群
レンズは、強い集光作用を有する両凸のガラス球面レン
ズである。さらに、第５レンズ群のレンズ（以下、第５
群レンズという）は、弱い正の屈折力を有するメニスカ
ス形状のプラスチック非球面レンズで、非点収差、歪曲
収差、コマ収差を補正する。第６群レンズは、スクリー
ン側に凹面を向け、冷却液（Ａ）と共に負の屈折力を有
し、像面湾曲の補正を行う構成となっている。

【００１９】このうち、第２群レンズと第５群レンズ
は、プラスチック非球面レンズで、共に弱い正の屈折力
を有するメニスカス形状のある。このように、プラスチ
ック製のレンズに屈折力をほとんど持たせない構成とし
て、プラスチック非球面レンズ特有の温度変化によるフ
ォーカス性能の変動を低減している。

【００２０】以上述べたように、第一の従来技術を用い
たプラスチック非球面レンズでは、取り得るレンズ形状
に制約があり、収差補正能力を十分に活用できないとい
う第３の課題がある。

【００２１】また、ガラスレンズが４枚含まれているた
めコストが高くなるという第４の課題がある。

【００２２】さらに、第５群レンズの非球面量が少ない
こと、第６群レンズがガラスレンズでスクリーン側レン
ズ面が、球面であるので非点収差の補正と像面湾曲の補
正が両立しない。このため、第５の課題として画面周辺
部の非点収差の補正がある。

【００２３】第二の従来技術による５群６枚構成の投写
用レンズ装置の解決すべき課題は、コストの低減であ
る。

【００２４】この投写用レンズ装置のコストアップの要
因は、次の２つである。

【００２５】第１のコストアップ要因は、投写管の螢光
面形状にある。現在、投写管の螢光面形状の主流は球面
螢光面であるが、この投写用レンズ装置を適用すると螢
光面形状を非球面とする必要があり、投写管が特別仕様
となるためセットのコストアップ要因となる。

【００２６】第２のコストアップ要因は、この投写レン
ズが大口径比（Ｆ値が０．９６）を実現しかつ、色収差
を良好に補正するため、第３群レンズに、大口径の高分
散凹レンズと大口径の低分散凸レンズを貼りあわせたダ
ブレットレンズ使用していることである。

【００２７】一般に、光学ガラスの価格は、屈折率が高
いほど、また分散が小さいほど高価である。第二の従来
技術において、実施例１で開示されている投写レンズの
第３群レンズに使用されている光学ガラスは、高分散ガ
ラスがＳＦ１１、低分散ガラスがＳＫ１６である。これ
らの光学ガラスの価格は、投写レンズに使用される光学
ガラスの代表であるＳＫ５を基準（１．０）にするとＳ
Ｆ１１は（２．３）ＳＫ１６は（２．１）と２倍以上と
なる。

【００２８】そこで本発明の目的は、上記した従来技術
の投写用レンズ装置が持つ課題を解決し、廉価な光学ガ
ラスを使用し、画面周辺までフォーカス性能が優れ、か
つ明るい画像が得られ、投写距離が短い広画角な投写用
レンズ装置と、これを用いたコストパフォーマンスに優
れた投写型画像表示装置を得ることである。

【００２９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の投写用レンズ装置には、以下に述べるよう
な技術手段を用いる。

【００３０】まず第一の従来技術の第１の課題及び第２
の課題を解決するために、レンズ全系の正屈折力のほと
んどをガラスレンズ（以下、ガラスパワーレンズと記述
する。）により分担する。この時、ガラスパワーレンズ
を含むレンズ群のスクリーン側には、負の屈折力を有す
るレンズを配置せず、光軸近傍で弱い正の屈折力を有す
るプラスチック非球面レンズを配置する。この結果、入
射瞳がガラスパワーレンズからスクリーン側に動かない
ので、第１の課題を解決でき、広画角な投写用レンズ装
置が実現できる。

【００３１】さらに、ガラスパワーレンズを含むレンズ
群を通過した映像光束は収束しながらスクリーン側に位
置するレンズ群に入射するので、これらのレンズ個々の
口径を出来るだけ小さくすることができ第２の課題を解
決できる。

【００３２】本発明の投写用レンズ装置は、温度、湿度
変化に対するフォーカス性能の低下を軽減するため、プ
ラスチック非球面レンズの光軸近傍の屈折力をガラスパ
ワーレンズに比べて３０％以下にする。また、開口に依
存する収差の補正は、光軸から隔たった部分（レンズの
周辺部）の非球面形状によって補正する。このレンズ周
辺部の非球面形状により得られる局部的な屈折力につい
ての温度、湿度変化による変動は、複数枚のプラスチッ
ク非球面レンズを組合せることで相殺する構成とするの
で収差補正に影響を与えずレンズ形状が決定でき、第３
の課題を解決できる。

【００３３】また、上述した技術手段によって、非球面
量の大きなプラスチック非球面レンズが多用できるた
め、ガラスレンズの枚数が低減でき、第４の課題が解決
できる。

【００３４】第５の課題を解決するために、映像光源で
ある投写管に最も近い位置に、スクリーン側に凹面を向
けた負の屈折力を持つレンズを設け、このレンズのスク
リーン側レンズ面を非球面として、画面周辺の非点収差
を低減する。さらに、このレンズのスクリーン側に配置
したレンズにおいて、投写管側レンズ面の形状を光軸近
傍においては投写管側に凸の形状とし、周辺部では、投
写管側に凹の形状とすることで、より高精度に画面周辺
の非点収差を低減することができる。

【００３５】第二の従来技術における構成の投写レンズ
の課題であるコスト低減を実現するため、次の２つの手
段を用いる。

【００３６】第１の手段は、投写用レンズ装置に適用す
る投写管の螢光面を球面螢光面とすることである。第二
の従来技術の実施例１において開示された５群６枚構成
投写レンズの螢光面を、そのまま球面に変更すると、螢
光面上の画面周辺部の物点から第５群の凹レンズ出射面
までの光路長が球欠的（サジタル）面と子午的（メリデ
ィオナル）面で異なるため、画面周辺部で非点収差が発
生しサジタル方向とメリディオナル方向のフォーカス性
能に大きな差が生じる。この傾向は、画面コーナーに対
して９０％以上の周辺部で特に顕著となる。

【００３７】そこで、本発明においては、第６群の負の
屈折力を持つレンズのスクリーン側レンズ面を、レンズ
の光軸近傍に比べて、螢光面上の画面周辺部の物点から
の映像光束が通過するレンズ領域のレンズ作用（発散作
用）が弱くなる形状とすることで、前述したサジタル面
とメリディオナル面の光路長差を小さくする。さらに、
前記負の屈折力を持つレンズのスクリーン側に配置した
レンズにおいて、投写管側レンズ面の形状を、光軸近傍
においては投写管側に凸の形状とし、周辺部において
は、投写管側に凹の形状とすることで、上記光路長差を
より小さくでき画面周辺の非点収差を大幅に低減するこ
とができる。

【００３８】第２の手段は、第３群レンズを廉価な光学
ガラスに変更することである。

【００３９】このため、色収差の補正を高分散のプラス
チック凹レンズと廉価な低分散ガラス凸レンズにより実
現する。

【００４０】また、投写用レンズ装置を構成するレンズ
の少なくとも１枚以上のレンズに、図６に示すように蛍
光体の発光スペクトルのうち主波長５４５ｎｍ成分（図
６は一般的な緑蛍光体の発光スペクトルを示す）以外の
スプリアス成分をカットするフィルターを設け、発生す
る色収差そのものを低減することも有効である。

【００４１】さらに、大口径化を実現するため、前述し
た高分散のプラスチック凹レンズを強度非球面形状とし
て、より高精度に収差補正を行う。

【００４２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について説
明する。図１は本発明の一実施例としての投写用レンズ
装置のレンズ主要部を示す断面図である。図１において
Ｐ₁は投写管（ブラウン管）螢光面、８は投写管パネ
ル、７は冷却液、６は第６群レンズ、５は第５群レン
ズ、４は第４群レンズ、３は第４群レンズ、２は第２群
レンズ、１は第１群レンズである。第１群レンズから第
５群レンズまでを内鏡筒９に組み込み固定ねじ１２で外
鏡筒１０に固定する。さらに、この外鏡筒１０を固定板
１３を介してブラケット１１へねじ（図示せず）止め固
定する。そして、物体面である投写管螢光面Ｐ₁上の画
像を、スクリーン１４上に拡大投写する構成である。

【００４３】本発明の実施例において、第６群レンズの
焦点距離は、投写管パネル８、冷却液７、螢光面Ｐ₁を
含めて計算している。

【００４４】図２は、本発明の一実施例としての投写用
レンズ装置の構成と光線追跡の結果を示す図で、表１に
具体的なレンズデータを示す。図３は、本発明の他の実
施例としての投写用レンズ装置の構成と光線追跡の結果
を示す図で、表７に具体的なレンズデータを示す。図４
は、図１と同じ実施例構成と光線追跡の結果を示す図
で、表１０に具体的なレンズデータを示す。図２から図
４に示した投写用レンズ装置の構成においては、レンズ
鏡筒他の構造部品は説明の都合上省略してある。

【００４５】本発明の実施例の投写用レンズ装置は、投
写管螢光面Ｐ₁上に５．３インチのラスターを表示し、
スクリーン上に６０インチに拡大投写した場合に最良の
性能が得られるように構成している。投写レンズの半画
角は３６度で、高画角を実現しており、図５に示すよう
に折り返しミラー１５が１枚の投写型テレビジョン装置
においても、十分コンパクトなセットが実現できる。

【００４６】本発明にかかる投写用レンズ装置の取り得
る具体的なレンズデータを表１乃至表１０に示すので参
照されたい。

【００４７】次に、このレンズデータの読み方を表１を
基に説明しておく。表１は、主に光軸近傍のレンズ領域
を扱う球面系とその外周部についての非球面系とにデー
タを分けて示してある。

【００４８】まず、スクリーンは曲率半径が無限大（即
ち平面）であり、スクリーンから第１群レンズ１の面Ｓ
₁までの光軸上の距離（面間隔）が１０４２．６ｍｍ、
その間の媒質の屈折率が１．０であることが示されてい
る。またレンズ面Ｓ₁の曲率半径が、９１．４０３ｍｍ
（曲率中心が、映像発生源側）であり、レンズ面Ｓ
₁と、Ｓ₂の光軸上の距離（面間隔）が８．８７４ｍｍ
で、その間の媒質の屈折率が１．４９３３４であること
が示されている。以下、同様にして最後は、投写管パネ
ル８の螢光面Ｐ₁の曲率半径が３５０ｍｍ、投写管パネ
ルの光軸上の厚さが１１．４９ｍｍ、屈折率が１．５６
２３２であることが示されている。第１群レンズ１の面
Ｓ₁、Ｓ₂、第２群レンズ２の面Ｓ₃、Ｓ₄、第４群レンズ
４の面Ｓ₇、Ｓ₈、第５群レンズ５の面Ｓ₉、Ｓ₁₀、第６
群レンズの面Ｓ₁₁については非球面係数が示してある。

【００４９】ここで、非球面係数とは、レンズ面形状を
次式で表現した時の係数である。

【００５０】ただし、ここで、Ｚ（ｒ）はレンズ形状の
定義説明図である図７及び図８に見られる如く、スクリ
ーンから映像発生源に向かう光軸方向をＺ軸にとり、レ
ンズの半径方向をｒ軸にとった時のレンズ面の高さを表
している。ｒは半径方向の距離を表し、ＲＤは曲率半径
を示している。従って、ＣＣ、ＡＥ、ＡＦ、ＡＧ、ＡＨ
などの各係数が与えられれば、上記式に従ってレンズ面
の高さ（以下サグ量と記述）、つまり形状が定まる。

【００５１】図８は、非球面Ａｓ（ｒ）の説明図で、上
記非球面の項にそれぞれの値を代入すれば、球面系のみ
のレンズ面Ｓｓ（ｒ）から（Ａｓ（ｒ）−Ｓｓ（ｒ））
だけずれたレンズ面が得られる。またこの比率（Ａｓ
（ｒ）／Ｓｓ（ｒ））の絶対値が大きいほど非球面の程
度が強い。

【００５２】以上が表１に示したデータの読み方であ
る。表２から表１０までは、他の実施例に対応したデー
タを示しているが、読み方は同様である。

【００５３】次に本発明の投写用レンズ装置の各レンズ
群の作用について説明する。

【００５４】第１群レンズ１は、図２、図３、図４に示
すように周辺部が凹形状で、軸上の物点Ａから映像光束
（上限光線ＲＡＹ１、下限光線ＲＡＹ２）に対しては球
面収差を、画面周辺部の物点Ｂから映像光束（上限光線
ＲＡＹ３、下限光線ＲＡＹ４）に対してはコマ収差を補
正する。上限光線ＲＡＹ３が通過する場所付近について
は、（スクリーン側レンズ面の光軸から離れたレンズ周
辺部）スクリーン側に凹となるような非球面形状となっ
ている。また、下限光線ＲＡＹ４が通過する場所付近に
ついても、主光線（図示せず）が通過する位置を基準に
すれば、局部的にスクリーン側に凹となるような非球面
形状となっている。

【００５５】第２群レンズ２は、非点収差とコマ収差を
補正する為、図２、図３、図４に示すように、スクリー
ン側レンズ面の光軸から離れたレンズ周辺部がスクリー
ン側に凸となるような非球面形状となっている。また、
このレンズは第１群レンズ１と組み合わせた場合には、
第１群レンズ１の周辺部レンズ形状（凹）に基づく負の
屈折力と、第２レンズの周辺部レンズ形状（凸）に基づ
く正の屈折力が相殺する構成となるので、両レンズをプ
ラスチック成形品としても、温度や吸湿量の変化によっ
て生じる投写用レンズ装置のフォーカス性能低下を、極
力押さえられる。

【００５６】第３群レンズ３は、温度変化によるフォー
カス性能のドリフトを低減するためにガラスとし、かつ
正の屈折力を出来るだけ大きくしている。また、実施例
においては、投写レンズの製造コストを低減するため廉
価な光学ガラスであるＳＫ５を用いている。

【００５７】第４群レンズ４は、図２、図３、図４に示
すように、中心部がスクリーン側に凹のメニスカス形状
または、両凹のレンズ（表６、表７の実施例）形状で、
レンズ周辺部では、スクリーン側に凹のメニスカス形状
となる非球面形状である。

【００５８】軸上の物点Ａから映像光束（上限光線ＲＡ
Ｙ１、下限光線ＲＡＹ２）に対してはレンズ周辺部の凹
形状で球面収差補正を行いかつ、アッベ数が４５以下の
高分散材を使用することで、第３群レンズ３と組み合わ
せて色収差を低減している。

【００５９】一方、本発明の第４群レンズ４は、前述し
たように中心部がスクリーン側に凹のメニスカス形状ま
たは、両凹のレンズ（表６、表７の実施例）形状で、レ
ンズ周辺部ではスクリーン側に凹のメニスカス形状とな
る非球面形状であるため全体的に、均一な肉厚のレンズ
となり、たとえば、成形時に流動性が悪いＰＣ（ポリカ
ーボネイト）などのプラスチック材料を使用しても、高
い形状精度が得られる。

【００６０】第５群レンズ５は、図２、図３、図４に示
すように、画面周辺部の物点Ｂからの映像光束（上限光
線ＲＡＹ３、下限光線ＲＡＹ４）で発生する高次のコマ
収差を補正するため、下限光線ＲＡＹ４が通過する場所
付近については、（映像発生源である投写管側レンズ面
の周辺部の形状）投写管側に凹となるような非球面形状
となっている。また、上限光線ＲＡＹ３が通過する場所
付近についても、主光線（図示せず）が通過する位置を
基準にすれば、局部的にスクリーン側に凹となるような
非球面形状となっている。

【００６１】このため、このレンズの投写管側レンズ面
は、全体的には光軸近傍が投写管側に凸、周辺部は投写
管側に凹の非球面形状となっている。また、温度や吸湿
量の変化に伴って生じる投写レンズのフォーカス性能の
低下を極力抑えるため、屈折力をできるだけ小さくして
いる。

【００６２】第６群レンズ６は、螢光面Ｐ₁と共に像面
湾曲の補正を行っている。また従来例２とは異なり螢光
面Ｐ₁が球面螢光面であるため、図２、図３、図４に示
すように、第６群レンズ６のスクリーン側レンズ面の非
球面形状が、光軸近傍の屈折力に比べ、画面周辺部の物
点Ｂからの映像光束（上限光線ＲＡＹ３、下限光線ＲＡ
Ｙ４）が通過する領域においては屈折力が弱くなる形状
として、非点収差の補正も同時に行っている。

【００６３】図７は、第６群レンズ６のスクリーン側の
非球面形状を表す関数を２次微分して得られた関数に、
光軸からの距離ｒを代入して得られた値をグラフ化した
ものである。前述した第一の従来技術（従来例１）及び
第二の従来技術（従来例２）によるレンズ面では、レン
ズの光軸から周辺部にかけて単調に増加している。これ
により、レンズの屈折作用が光軸近傍から周辺部にかけ
て単調に増加していることが判る。一方、本発明の実施
例においては、同様にして得られた値が、実施例８のよ
うに変曲点を持ったり、実施例９、実施例１０のように
有効径の７０％を超える領域で減少する。この結果、レ
ンズの屈折作用が光軸近傍から周辺部にかけて、一旦は
強くなり、その後弱くなっていることが判る。

【００６４】図１０及び図１１は第６群レンズ６のスク
リーン側レンズ面の非球面形状が、球面系のみのレンズ
面Ｓｓ（ｒ）からどれだけ離れているかを計算により求
めたものである。それぞれの図の横軸は、前記距離ｒの
レンズ有効径に対する相対値であり、図１０の縦軸はＡ
ｓ（ｒ）とＳｓ（ｒ）の差、図１１の縦軸はそれぞれの
レンズデータにおけるＡｓ（ｒ）とＳｓ（ｒ）の差を最
大値で正規化したものである。第一の従来技術（図中、
従来例１）に比べて、本発明の実施例はＡｓ（ｒ）とＳ
ｓ（ｒ）の差が１／２以下と小さく、第６群レンズ６の
周辺部が厚くならず、均一な肉厚となるので、良好な成
形性が得られる。

【００６５】次に、以上説明した本発明にかかる投写用
レンズ装置を用いて投写管螢光面上に５．３３インチの
ラスターを映しだし、スクリーン上に拡大投写（６０イ
ンチ）した場合のＭＴＦ（ＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＴｒ
ａｎｓｆｅｒＦｕｎｃｔｉｏｎ）によるフォーカス性
能の評価結果を図１２から図２１に示す。

【００６６】ここで、図１２は、表１に対応した特性
図、図１３は、表２に対応した特性図図１４は、表３に
対応した特性図であり、以下、同様に、図２１は表１０
に対応した特性図である。尚、評価周波数としては、ス
クリーン上で白、黒の縞信号として３００ＴＶ本を取っ
た場合について示している。図１２から図２１までに示
したように、本構成によれば、良好なＭＴＦ特性が得ら
れる。

【００６７】表１から表１０に示した本発明の実施例に
ついて、投写用レンズ装置全系の焦点距離をｆ₀、第１
群レンズ１、第２群レンズ２、第３群レンズ３、第４群
レンズ４、第５群レンズ５、第６群レンズ６の、それぞ
れの焦点距離を、ｆ₁、ｆ₂、ｆ₃、ｆ₄、ｆ₅、ｆ₆とした
時、表１１に示した関係が成立している。すなわち、０．２４＜ｆ₀／ｆ₁＜０．３４０．０＜ｆ₀／ｆ₂＜０．１８０．７８＜ｆ₀／ｆ₃＜０．９１ −０．２０＜ｆ₀／ｆ₄＜−０．００．０＜ｆ₀／ｆ₅＜０．２１ −０．６１＜ｆ₀／ｆ₆＜−０．５５である。本実施例では、投写用レンズ装置全系の正屈折
力の大部分を、ガラスレンズである第３群レンズによっ
て分担することで、フォーカス性能の温度ドリフトを低
減している。

【００６８】次に、レンズ面の形状について説明する。
第１群レンズ１のスクリーン側レンズ面Ｓ₁、第４群レ
ンズ４の映像発生源側レンズ面Ｓ₈、第５群レンズ５の
映像発生源側レンズ面Ｓ₁₀、第６群レンズ６のスクリー
ン側レンズ面Ｓ₁₁の非球面形状について次のことがいえ
る。以下図８を用いて説明する。

【００６９】図８は、すでに述べたように、スクリーン
から映像発生源に向かう光軸方向をＺ軸にとり、レンズ
の半径方向をｒ軸にとった時のレンズ面の高さ（サグ
量）は球面系すなわちＲＤのみの場合をＳｓ（ｒ）、Ｃ
Ｃ、ＡＥ、ＡＦ、ＡＧ、ＡＨなどの各非球面係数を前記
数１に代入した場合をＡｓ（ｒ）とすると、ｒにレンズ
有効半径の値を代入すれば、非球面の程度（Ａｓ／Ｓｓ
の絶対値）を求めることができる。

【００７０】第１群レンズ１のスクリーン側レンズ面Ｓ
₁の上記ＡｓとＳｓの比率は、表１３に示すように、 −０．１＜（Ａｓ／Ｓｓ）の関係が成り立っている。

【００７１】さらに、第４群レンズ４の映像発生源側レ
ンズ面Ｓ₈上記ＡｓとＳｓの比率は、表１３に示すよう
に、 −２１．２＜（Ａｓ／Ｓｓ）の関係が成り立っている。

【００７２】第１群レンズ１と第２群レンズ２との間の
光軸上の距離（面間隔）をＬ₁₂とすると投写用レンズ装
置全系の焦点距離ｆ₀との比率は、画面中域の光量に関
係し、表１４に示すように、Ｌ₁₂／（ｆ₀＜０．２５）の関係が成り立っている。この範囲以下では、画面中域
の周辺光量比が低下する。

【００７３】また、第１群レンズ１と第２群レンズ２と
の間の光軸上の距離（面間隔）Ｌ₁₂と第２群レンズ２と
第３群レンズ３との間の光軸上の距離（面間隔）Ｌ₂₃の
比率は収差補正のバランスにより定まり表１４に示すよ
うに、１．３＜（Ｌ₁₂／Ｌ₂₃）の関係が成り立っている。この範囲以下では、良好なフ
ォーカス性能が得られない。

【００７４】第３群レンズ３のスクリーン側レンズ面Ｓ
₅の曲率半径Ｒａ₃の絶対値と第３群レンズ３の映像発生
源側レンズ面Ｓ₆の曲率半径Ｒｂ₃の絶対値の間に │Ｒａ₃│＜│Ｒｂ₃│ の関係成り立っている。これは、第３群レンズ３で発生
する球面収差とコマ収差を低減するためである。

【００７５】第４群レンズ４のスクリーン側レンズ面Ｓ
₇の曲率半径Ｒａ₄の絶対値と第４群レンズ４の映像発生
源側レンズ面Ｓ₈の曲率半径Ｒｂ₄の絶対値の間に │Ｒａ₄│＜│Ｒｂ₄│ の関係成り立っている。これは、第３群レンズ３への正
屈折力担の軽減と色収差及び球面収差の補正をバランス
させるためである。また、第４群レンズ４をアッベ数４
５以下の材料を用いることで色収差を低減できる。

【００７６】以上、本発明の実施例としての投写用レン
ズ装置のレンズデータを基に、その特徴を述べた。

【００７７】本実施例においては、１０次の非球面系数
ＡＨまで使用した非球面について述べたが、この他、１
２次以上の高次の係数が含まれている場合の構成も、本
発明に含まれることは言うまでもない。

【００７８】

【発明の効果】本発明によれば、（１）投写用レンズ装置全系の正屈折力のほとんどを有
する第３群レンズのスクリーン側に凹レンズを配置しな
い構成のため、広画角化しても歪曲収差、非点収差の補
正が可能でハイフォーカスと広画角が両立できる。

【００７９】（２）正屈折力を有する第３群レンズと、
最もスクリーン側に近い第１群レンズの間に、凹レンズ
を配置しない構成のため、この間で画面周辺部に結像す
る光線が発散しない。このため、光線高さを低くでき、
良好な周辺光量比を実現できる。

【００８０】（３）投写用レンズ装置全系の正屈折力の
ほとんどを第３群レンズで分担し、かつ、第１群レンズ
と第２群レンズの局部的な非球面形状の組合せによって
温度や吸湿量の変動によるフォーカス性能の低下を軽減
できる。

【００８１】（４）第６群レンズとして、映像光源であ
る投写管に最も近い位置に、スクリーン側に凹面を向け
た負の屈折力を持つレンズを設け、このレンズのスクリ
ーン側レンズ面をレンズの光軸近傍に比べて、螢光面上
の画面周辺部の物点からの映像光束が通過する領域のレ
ンズ屈折力が弱くなる形状とすることで、サジタル面と
メリディオナル面の光路長差を小さくする。

【００８２】さらに、前記負の屈折力を持つレンズのス
クリーン側に配置したレンズにおいて、投写管側レンズ
面の形状を、光軸近傍においては投写管側に凸の形状と
し、周辺部においては、投写管側に凹の形状とすること
で、上記光路長差をさらに小さくでき、画面周辺の非点
収差をより高精度に補正する。

【００８３】（５）第３群レンズを廉価な低分散ガラス
凸レンズとして、投写用レンズ装置全体のコストを低減
する。また、色収差を補正するために、第４群レンズを
高分散のプラスチック凹レンズとして、第３群レンズと
組み合わせる。

【００８４】さらに、投写用レンズ装置を構成するレン
ズの少なくとも１枚以上のレンズに蛍光体の発光スペク
トルの主波長成分以外のスプリアス成分をカットするフ
ィルターを、設けることで、発生する色収差そのものを
低減している。

【００８５】（６）また、大口径化を実現するため、前
述した第４群レンズを高分散のプラスチック凹レンズと
し、その形状を強度非球面形状とすることで高精度に収
差を補正できる。

【００８６】以上述べた投写用レンズ装置を用いれば、
画面の全領域にわたって明るく、ハイフォーカスな画像
が得られかつ、コンパクトな背面投写型ディスプレイ装
置が実現できる。

【００８７】本発明の投写用レンズ装置を適用すれば、
第１群レンズの最もスクリーンに位置するレンズのスク
リーン側レンズ面先端から、透過型スクリーンまでの距
離（投写距離）Ｌ（ｍｍ）と透過型スクリーンの対角有
効サイズＭ（インチ）の間には、１７．３＜（Ｌ／Ｍ）＜１７．６の関係が成り立ち、コンパクトなセットを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としての投写用レンズ装置を
示す断面図である。

【図２】本発明の一実施例としての投写用レンズ装置を
示す断面図である。

【図３】本発明の一実施例としての投写用レンズ装置を
示す断面図である。

【図４】本発明の一実施例としての投写用レンズ装置を
示す断面図である。

【図５】投写型画像装置としての背面投写型画像ディス
プレイ装置の主要部を示す画面垂直方向断面図である。

【図６】緑蛍光体の発光スペクトル特性図である。

【図７】レンズ形状の定義を説明するために用いる説明
図である。

【図８】レンズ形状の定義を説明するために用いる説明
図である。

【図９】レンズ形状の特徴を示した特性図である。

【図１０】レンズ形状の特徴を示した特性図である。

【図１１】レンズ形状の特徴を示した特性図である。

【図１２】本発明の実施例として示した表１の投写用レ
ンズ装置のＭＴＦ特性図である。

【図１３】本発明の実施例として示した表２の投写用レ
ンズ装置のＭＴＦ特性図である。

【図１４】本発明の実施例として示した表３の投写用レ
ンズ装置のＭＴＦ特性図である。

【図１５】本発明の実施例として示した表４の投写用レ
ンズ装置のＭＴＦ特性図である。

【図１６】本発明の実施例として示した表５の投写用レ
ンズ装置のＭＴＦ特性図である。

【図１７】本発明の実施例として示した表６の投写用レ
ンズ装置のＭＴＦ特性図である。

【図１８】本発明の実施例として示した表７の投写用レ
ンズ装置のＭＴＦ特性図である。

【図１９】本発明の実施例として示した表８の投写用レ
ンズ装置のＭＴＦ特性図である。

【図２０】本発明の実施例として示した表９の投写用レ
ンズ装置のＭＴＦ特性図である。

【図２１】本発明の実施例として示した表１０の投写用
レンズ装置のＭＴＦ特性図である。

【符号の説明】

１…第１群レンズ、２…第２群レンズ、３…第３群レンズ、４…第４群レンズ、５…第５群レンズ、６…第６群レンズ、７…冷却液、８…投写管パネル、９…内鏡筒、１０…外鏡筒、１１…ブラケット、１２…固定ねじ、１３…固定板、１４…スクリーン、１５…光路折り返しミラー、１６…スクリーン、１７…投写用レンズ装置、１８…ブラケット、２０…映像光束、２１…筐体、Ｐ₁…螢光面、Ａ…光軸上の物点、Ｂ…画面周辺の物点。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森繁神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所情報映像事業部内 (72)発明者吉田隆彦神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所情報映像事業部内 (72)発明者中川一成神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所情報映像事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】映像発生源に表示された原画像をスクリー
ンに拡大投影する投写用レンズ装置であって、該投写用
レンズ装置は、正の屈折力を有する第１のレンズと、収
差補正用の第２のレンズと、スクリーン側に凹面を向け
たレンズ面を有する負の屈折力を持つ第３のレンズとを
有し、前記第３のレンズは、前記投写用レンズ装置の光軸から
の距離（ｒ）の関数Ｚ（ｒ）で与えられる前記光軸に軸
対称な面形状を成し、かつ前記関数は、変曲点を有する
ことを特徴とする投写用レンズ装置。
【請求項２】映像発生源に表示された原画像をスクリー
ンに拡大投影する投写用レンズ装置であって、スクリー
ン側から順に、（ａ）正の屈折力を有しその中心部分の
形状がスクリーン側に凸のメニスカスレンズを含む第１
レンズ群と、（ｂ）中心部分の形状が映像発生源側に凸
のレンズ面を有するレンズを含む第２レンズ群と、
（ｃ）正の屈折力を有するレンズを含む第３レンズ群
と、（ｄ）負の屈折力を持ちスクリーン側に凹のレンズ
面を有したレンズを含む第４レンズ群と、（ｅ）正の屈
折力を持ち中心部分の形状が投写管側に凸のレンズ面を
有するレンズを含む第５レンズ群と、（ｇ）前記投写用
レンズ装置の光軸からの距離（ｒ）の関数Ｚ（ｒ）で与
えられる前記光軸に軸対称な面形状を成し、かつ前記関
数が変曲点を持つ形状を成すスクリーン側に凹のレンズ
面を有する負の屈折力を持つレンズと、前記映像発生源
を冷却するための冷却液と、前記映像発生源の螢光面ガ
ラスとを含む第６レンズ群と、を配置したことを特徴とする投写用レンズ装置。
【請求項３】映像発生源に表示された原画像をスクリー
ンに拡大投影する投写用レンズ装置であって、正の屈折
力を有する第１のレンズと、収差補正用の第２のレンズ
と、負の屈折力を持ちスクリーン側に凹のレンズ面を有
する第３のレンズを有し、前記第３のレンズは前記投写用レンズ装置の光軸からの
距離（ｒ）の関数Ｚ（ｒ）で与えられる前記光軸に軸対
称な面形状を成し、前記関数を２次微分して得られる関
数に、前記光軸からの距離を代入して得られる値の絶対
値が、前記光軸からの距離により変化し、この変化が前
記光軸の近傍から中域にかけては増加し、中域からレン
ズ有効径に至る領域では減少することを特徴とする投写
用レンズ装置。
【請求項４】映像発生源に表示された原画像をスクリー
ンに拡大投影する投写用レンズ装置であって、スクリー
ン側から順に、（ａ）正の屈折力を有し、その中心部分
の形状がスクリーン側に凸のメニスカスレンズを含む第
１レンズ群、（ｂ）中心部分の形状が投写管側に凸のレ
ンズ面を有するレンズを含む第２レンズ群、（ｃ）正の
屈折力を有するレンズを含む第３レンズ群、（ｄ）負の
屈折力を持ちスクリーン側に凹のレンズ面を有するレン
ズを含む第４レンズ群、（ｅ）正の屈折力を持ち中心部
分の形状が映像発生源側に凸のレンズ面を有するレンズ
を含む第５レンズ群、（ｆ）前記投写用レンズ装置の光
軸からの距離（ｒ）の関数Ｚ（ｒ）で与えられる前記光
軸に軸対称な面形状を成し、前記関数を２次微分して得
られる関数に、前記光軸からの距離を代入して得られる
値の絶対値が、前記光軸からの距離により変化し、この
変化が前記光軸の近傍から中域にかけては増加し、中域
からレンズ有効径に至る領域では減少する形状を成すス
クリーン側に凹のレンズ面を有する負レンズと、前記投
写管の冷却液と、前記投写管の螢光面ガラスとを含む第
６レンズ群、とを配置したことを特徴とする投写用レン
ズ装置。
【請求項５】映像発生源に表示された映像を拡大してス
クリーンに投写するための複数のレンズ素子を備えた投
写用レンズ装置において、前記複数のレンズ素子のうち
前記映像発生源に最も近い位置に配置されたレンズが、
前期スクリーン側に凹面を向けた負の屈折力を持つ凹メ
ニスカスレンズであって、該凹メニスカスレンズの光軸
に平行な断面が変曲点を有する形状であることを特徴と
する投写用レンズ装置。
【請求項６】前記映像発生源は、螢光面ガラスの曲率中
心がスクリーン側に存在する投写管であることを特徴と
する請求項１乃至５のいずれかに記載の投写用レンズ装
置。
【請求項７】請求項１乃至６のいずれかに記載の投写用
レンズ装置を、前期映像発生源の前方に配置し、該レン
ズ装置の前方の結像面に、透過型スクリーンを配置して
構成したことを特徴とする背面投写型画像ディスプレイ
装置。
【請求項８】前記投写用レンズ装置を構成する第１レン
ズ群のレンズのうちスクリーン側に位置するレンズのス
クリーン側レンズ面から前記透過型スクリーンに至るま
での距離Ｌ（ｍｍ）と、前記透過型スクリーンの有効対
角長Ｍ（インチ）の間に、次の関係が成り立つようにし
たことを特徴とする請求項２または４に記載の背面投写
型画像ディスプレイ装置。１７．３＜（Ｌ／Ｍ）＜１７．６