JP2005157152A - 背面投写型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】背面投写型映像表示装置において投写光学系の投写距離を大幅に短縮しスクリーン下端からセット下端までの間隔を小さくしかつセットのコンパクト化を実現する。
【解決手段】映像表示素子に表示された画像を透過型スクリーン6上に拡大投影する投写レンズ2、3と、該投写レンズ2、3からの投影光束を途中で折り返す光路折り返しミラー7と、前記映像表示素子に映像を表示するための駆動回路を筐体5内部に固定収納した背面投写型映像表示装置において、前記透過型スクリーン対角寸法6をＳＳ（インチ）、前記筐体5の奥行きをＤ（インチ）、透過型スクリーン6下端から筐体5の下端までの長さをＬ（インチ）としたとき、下記の条件を満足する。４０＜ＳＳ、Ｄ＜ＳＳ／３、Ｌ＜ＳＳ／１２
【選択図】図３

Description

本発明は、映像表示素子の映像を、投写レンズを含む投写光学ユニットにより透過型スクリーン上に拡大投影する構成の背面投写型映像表示装置に関する。

従来から、映像を表示する映像表示素子として、例えば液晶パネル等の画素選択型素子を用いた背面投写型映像表示装置（以下、必要に応じて「セット」と省略する）においては、映像表示素子としてＣＲＴを用いたセットとは異なる手法で高さや奥行き寸法を低減(セットのコンパクト化)するための検討が為されている。その一つとして、例えば下記特許文献２〜４には、透過型スクリーンに対して斜め方向から映像を拡大投写する投写光学ユニットを用いた背面投射型映像表示装置が開示されている。

特開平５−１３４２１３号公報

特開２０００−１６２５４４号公報 特開２００２−３５７７６８号公報

上記従来技術のように投写光学ユニットで映像をスクリーンに対して斜め方向から投写すると、スクリーン上に投影された映像に所謂台形歪みが生じる。そこでこの解決策として上記特許文献２に提案されている投写光学系では、スクリーン側に配置したアフォーカルコンバータを偏心させて台形歪み抑える構成としている。しかしながら、開示されたアフォーカルコンバータでは倍率が低いため広角化（セットのコンパクト化）が困難という問題がある。また上記特許文献３で提案されている投写系においては、背面投写型映像表示装置として十分に薄型化できるほどの広角化は困難であり、使用するレンズを個別に偏心させる必要があるため製造が難しいという問題点もある。さらに上記特許文献４に提案されている投写光学系は、正のパワーを有する第１屈折レンズ系と、負のパワーを有する第２屈折レンズ系と、光路折り返しミラーから構成され、負のパワーを有する第２屈折レンズ系の内、少なくとも２枚は回転対称性が異なる偏心系としている。このため、製造時に各レンズの位置精度確保が難しいという問題点がある。

加えて、特許文献２乃至４に開示された上記従来技術におけるセットのレイアウト設計、すなわちセットの筐体内部における投写光学系などの各種要素の配置は、投写レンズを含めた投写光学系のみに着目した設計であり、筐体内での駆動回路の設置場所の確保を含めたシステム全体を考慮した最適なセット設計がなされていなかった。

従って、セットのコンパクト化のためには、それに適した(各種要素のレイアウトを含む)筐体構造と、コンパクト化を実現するための広画角でかつハイフォーカス、高倍率でバックフォーカスが長い投写光学系が必要である。

本発明は上記した事情に鑑みてなされたもので、その目的は、背面投写型映像表示装置において、セットのコンパクト化に適した技術を提供することにある。

上記目的を達成するための、本発明に係る背面投写型映像表示装置は、映像を表示する映像表示素子と、該映像表示素子に表示された画像を透過型スクリーン上に拡大投影する投写レンズと、前記投写レンズと前記透過型スクリーンの光路中に配置され、前記投写レンズからの投影光束を反射して前記透過型スクリーンへ導く折り返しミラーとが筐体内部に収納されたセットにおいて、前記透過型スクリーン対角寸法をＳＳ（インチ）、前記筐体の奥行きをＤ（インチ）、スクリーン下端から筐体の下端までの長さをＬ（インチ）としたとき、下記の条件を満足することを特徴とするものである。

ＳＳ＞４０
Ｄ≦ＳＳ／３．０
Ｌ≦ＳＳ／１０．９
また、上記透過型スクリーンの中心高さＨ（インチ）が、Ｈ≦ＳＳ／２．９の条件を満たす。更に、前記投写レンズは前記透過型スクリーンに最も近い位置に配置されたレンズと前記透過型スクリーンまでの距離をＬＬ（インチ）としたとき、ＬＬ＜ＳＳ／２．７の条件を満足する。

また、本発明に係る投写型映像表示装置に用いられる投写レンズは、映像表示素子からスクリーンまでの光路に少なくとも２つ以上の正屈折力を有するレンズ群を配置した構成とする。例えば、２つのレンズ群を有する投写レンズ装置の場合には、映像表示素子に最も近接して配置した第１レンズ群により形成される第１の拡大像は、一旦第２レンズ群よりも映像表示素子側において結像する。この第１の拡大像を前記第２レンズ群によりスクリーン上に拡大投写する。第１レンズ群と前記第２レンズ群の間に正の屈折力を持つフィールドレンズ群を配置し、第１の拡大像の倍率Ｍ１は、前記第２レンズ群によりスクリーン上に形成される第２の拡大像の倍率Ｍ２より小さくする。

前記第１レンズ群は映像表示素子側にテレセントリックで照明光学系のＦ値に合わせて設計すると良い。第１レンズ群による第１の拡大像は、第２レンズ群よりも映像表示素子側において結像するので第２群のＦ値であるＦ２（光線の発散角度）は、第１レンズ群のＦ値であるＦ１を第１の拡大像の倍率Ｍ１で除した値、すなはちＦ２＝Ｆ１／Ｍ１となる。このため第２レンズ群のＦ２を大きくとれるので画角が９０度を超える超広角化に対して有利になる。

また、投写型映像表示装置そのものをコンパクトにする実現手段として、映像表示素子に最も近接して配置した第１レンズ群をスクリーン画面水平方向に概ね平行として配置し、第１レンズ群と第２レンズ群との間には光路折り返し手段を設け該第２レンズ群をスクリーン画面水平方向に対して概ね垂直となるように配置し、折り返しミラーを介してスクリーン上に拡大像を得ることで更なるコンパクト化が実現できる。

本発明によれば、コンパクト化された投写型映像表示装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の投写光学ユニットを用いた投写型映像表示装置及び背面投写型映像表示装置について、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通な機能を有する部分には同一符号を付して示し、煩雑さを避けるために、一度説明した部分に対しては、その繰り返した説明を省略する。

図１は本発明の投写光学ユニットを用いた背面投写型映像表示装置の実施例についての正面図、図２はその側面図である。セットの外形を定める筐体５の映像観察側前面には透過型のスクリーン６が配置されている。また筐体５の内部には、図示しない液晶パネル等の映像表示素子、照明光学系１、光路折り返しミラー７、白色光源からの光を照明光学系１で映像表示素子に照射し、映像表示素子で映像信号に応じて形成された映像を拡大投写する投写光学ユニット４、及び映像表示素子を駆動するための駆動回路である信号回路や電源回路等を含むシャーシ８を収納し、それらを所定の個所に固定している。投写光学ユニット４は、正の屈折力を有する第１レンズ群（図示せず、後述）を内蔵する第１レンズ鏡筒３、及び投写光学ユニットの正の屈折力を有する第２レンズ群（図示せず、後述）を内蔵する第２レンズ鏡筒２を含む。光学ユニット４をセットの画面中心より向かって左側に配置することで生じた右側の空間にシャーシ８を組み込み、背面投写型映像表示装置を形成している。

光学ユニット４は、図２のように筐体５の下部に配置され、これから投写された映像光は光路折り返しミラー７で折り返えされてスクリーン６の背面側から投写される。

本発明の投写光学ユニットは、光軸がスクリーン６の画面水平方向に概ね平行になるように配置された第１レンズ鏡筒３に内蔵された第１レンズ群（図示せず、後述）と、その光軸が第１レンズ群の光軸と略直交するように配置された第２レンズ鏡筒２に内蔵された第２レンズ群（図示せず、後述）とを含む。更に、第１レンズ群と第２レンズ群との接続部分には第１レンズ群からの映像光を第２レンズ群に導光するように光路を折り返す、例えばミラーなどの光路折り返し手段（図示せず、後述する）が備えられている。

このように、本発明の投写光学ユニットは、少なくとも２つのレンズ群に分割され、その光軸が略直交するように配置され、第１レンズ群の光軸は、スクリーン６の画面水平方向に概ね平行になるように配置されている。このため、背面投写型映像表示装置の奥行きを薄くすることができ、さらに投写光学ユニットの高さ方向も低くすることができるので、セット全体のコンパクト化に有効である。光源としては水平点灯用の光源ランプを用い、この光源ランプを画面水平方向に概ね並行に配置した場合には、特に、コンパクト化に有効でかつ長寿命となる。

ここで、以下の説明を容易とするため、右手系直交座標を導入する。図１でスクリーン６はＹＺ平面に平行で、スクリーン６の水平（横）方向をＺ軸方向とし、垂直（縦）方向をＹ軸方向とする。スクリーン６を表側（観察者側）から裏面へ突き抜ける方向はＸ軸である。

図２において、上記したように第１レンズ鏡筒３に内蔵される第１レンズ群（図示せず）の光軸３_１（同図中のＺ軸に平行、以下「第１レンズ鏡筒の光軸」と記す）と第２レンズ鏡筒２に内蔵される第２レンズ群（図示せず）の光軸２_１（以下、「第２レンズ鏡筒の光軸」と記す）は、内蔵した光路折り返し手段（図示せず）によって概ね直交するように配置されている。更に、第２レンズ鏡筒２の光軸２_１を前記第１レンズ鏡筒３の光軸３_１に対して図紙面右側方向の略Ｘ軸方向に偏心させることで、スクリーン６に対して投写光学ユニットの光軸が偏心するので、光路折り返しミラー７からスクリーン６の下端に向かう光線ＬＤとＸ軸とのなす角度が大きくなる。よって、その分光学ユニット４の位置を画面垂直方向上部方向のＹ軸方向に持ち上げることが可能となり、第２レンズ鏡筒２をスクリーン６の下端より画面垂直方向上部に配置できる。このような構成によれば、スクリーン下端から筐体５の底面までの距離が短いコンパクトなセットが実現できる。

次に、前記した実施形態に用いた本発明における背面投写型映像表示装置の投写光学ユニットの詳細構成について、図５を用いて説明する。説明の都合上、図１に示した構成部品と同一の作用を有するものには同一符号を付してある。同図において、２１は光源である白色ランプ、４は映像表示素子として透過型液晶パネル５１（５２，５３）を使用した場合の光学ユニットを示している。白色ランプ２１からの光は、図示しない照明光学系で偏光変換/分光されて透過型液晶パネル５１（５２，５３）に照射される。透過型液晶パネル５１（５２，５３）では入射された各色光が映像信号に合わせて光強度変調されて光学像が形成され、この各色光の光学像はクロスプリズム２７で合成されてカラー映像とされ、投写光学ユニット２１０で拡大される。

投写光学ユニット２１０は、第１レンズ鏡筒３に内蔵されている正の屈折力を有する第１レンズ群２２およびフィールドレンズ２３と、正の屈折力を有する第２レンズ鏡筒２に内蔵されている第２レンズ群２４とからなり、第１レンズ鏡筒３と第２レンズ鏡筒２との接続部分には、第１レンズ群２２，フィールドレンズ２３からの映像光を第２レンズ群２４に折り返して導光する光路折り返し手段２５が備えられている。なお、３_１と２_１は、前記した第１レンズ鏡筒３の光軸と第２レンズ鏡筒２の光軸である。また、図５ではフィールドレンズ２３はレンズ１枚で図示されているが、複数枚からなるレンズ群であってもよい。

本発明では、クロスプリズム２７により合成された映像は、第１レンズ群２２によりフィールドレンズ２３の近傍に一旦拡大像として結像（倒立像、一例を図５にＩＭＧで示す）する。そして、第２レンズ鏡筒２の光軸２_１を光路折り返し手段２５により第１レンズ鏡筒３の光軸３_１に対して概ね垂直に配置するとともに、例えば略Ｘ軸の正方向（図２では図紙面右側方向）に偏心させる。

照明光学系のＦ値は概ね２．０から３．０程度であるため第１レンズ群２２のＦ値も同程度として効率良く光束を取り込む必要がある。透過型液晶パネルの有効画面サイズを０．７インチとし、第１レンズ群による拡大率Ｍ１を３倍とすればフィールドレンズ２３近傍の拡大像は２．１インチ相当となる。この時第２レンズ群２４から物体（第１レンズ群２２の拡大像（図中のＩＭＧ））をみた場合の光束の入射角度は倍率Ｍに反比例するので、第２レンズ群２４のＦ値は理論上９．０程度となる。このため第２レンズ群２４の画角を超広角に設計することが可能となる。ここで、スクリーン対角サイズを５０インチとすると、この場合第２レンズ群２４の倍率Ｍ２は約２４倍程度となる。すなわち、第１レンズ群２２の倍率Ｍ１は第２レンズ群２４の倍率Ｍ２より小さくなる。

また、本発明の投写型光学ユニット２１０は、正の屈折力を有する第１レンズ群と第２レンズ群を含むので、クロスプリズム２７により合成された映像を第１レンズ群２２でフィールドレンズ２３の近傍に倒立像（第１の拡大像）として結像し、この倒立像を第２レンズ群でスクリーン上に正立像（第２の拡大像）として投写する。一般の投写型カラー映像表示装置では、スクリーン状に投写された投写像は映像表示素子上の映像に対して倒立しているが、本発明では正立する特徴を備えている。

図１に示した本発明の背面投写型映像表示装置において、映像を合成するクロスプリズム２７に対して映像表示素子である透過型液晶パネルは画面水平方向をＸＹ平面に配置するとよい。この理由は、クロスプリズムの寸法は、画面のアスペクト比が短い方向の寸法で決まるため投写レンズのバックフォーカスを短く出来る。従って、クロスプリズムを小型化できるのでコスト低減に有利になる。更に、光源用ランプ２１と第２レンズ群２４の光軸を略垂直に配置できる。このため、図１または図２に示したように、本発明の背面投写型映像表示装置を用いて背面投写型映像ディスプレイ装置を構成した場合には、水平点灯用の光源ランプを画面水平方向に概ね並行に配置できる。よって、ＸＹ平面上で背面投写型映像表示装置の仰角が変化しても、ランプの寿命を損なう事無くセット内部のレイアウトを決定できる。さらに背面投写型映像表示装置がセット内部の画面水平方向片側（スクリーン中央より片側）に配置できるので他方の空いた空間に電源や信号基板等のシャーシを纏めて配置できコンパクトなセットが実現できる。

図６は第１レンズ群と第２レンズ群の間に配置した光路折り返し手段２６として全反射ミラーを使用した場合の実施例を示している。同図において、図５に示した構成部品と同一の作用を有するものには同一符号を付して示し、個々の構成部品の作用は図５に示した実施例と同じであるため説明は割愛する。

図５及び図６に示した本発明の背面投写型映像表示装置においては、第２レンズ鏡筒２の光軸２_１を第１レンズ鏡筒３の光軸３_１に対して、例えばＸＺ平面において略Ｘ軸の正方向（図２では図紙面右側方向）に偏心させる。これにより、図２に示したスクリーン下端から底面までの距離が短いコンパクトなセットが実現できる。

さらに、第２レンズ鏡筒２の光軸２_１を第１レンズ鏡筒３の光軸３_１に対して、例えばＸＺ平面においてＺ軸方向に偏心させることで、第２レンズ群２４をスクリーン画面中央に配置する必要がなくなる。これにより、セット内部のレイアウトの自由度が増すのでよりコンパクトなセットが実現できる。

一方、透過型液晶パネルの有効画面サイズが変わっても、照明光学系の一部の変更と、第１レンズ群のみ変更するだけで、同一のフォルムのセットにそのまま適用可能となるので、セットの開発効率が優れた投写光学ユニットを実現できる。

第１レンズ群２２により得られる拡大像の倍率は、使用する映像表示素子の有効画面サイズにより異なるが２倍から７倍程度がよい。第１レンズ群から結像位置までの距離を最適な範囲内に抑え、かつ第１及び第２レンズ群のレンズ外形を製造可能な範囲とするためには、２倍から５倍以内にすると更に良い。

また、図５及び図６に示す本発明の実施例において、第２レンズ鏡筒２の光軸２_１を第１レンズ鏡筒３の光軸３_１に対してＸＺ平面上に偏心させ、この偏心量を適宜選択する。こうすることで、たとえば図１に示すように、透過型のスクリーン６に対する偏心量を任意に変更できる。従って、同一画面サイズでもセットのフォルムを自由に変更でき、デザインの自由度が大幅に向上する。

図３は本発明の投写光学系を用いた背面投写型映像表示装置の構造上の特徴を説明するために用いるセットの正面図である。同図において、５は筺体（図示せず）、６はスクリーン、９は前面フレームを示している。また、ＳＳはスクリーン画面寸法（インチ）、Ｌはスクリーン下端（画面有効開口部）から筐体下端までの距離を示す。さらにＨはスクリーン外形中心（画面有効開口部中心）から筐体下端までの距離を示す。

図４は本発明の投写光学系を用いた背面投写型映像表示装置の構造上の特徴を説明するために用いるセットの側面図で、図１，図２，図３に示した構成部品と同じ部品には同一符号を付してある。

図６において、ＡとＢはスクリーン６に入射する映像光のシフト（偏心）の比率を表すパラメータであり、Ｄはセットの奥行き（インチ）を示す。

図７は上述してきた本発明の投写光学系（投写光学ユニット）を使用してスクリーン画面寸法ＳＳを４２インチとし、スクリーン６に最も近い位置に配置されたレンズのスクリーン側レンズ面先端からスクリーン６までの距離（以下、「投写距離」と記す）を第１のパラメータとして５１０ｍｍから３１０ｍｍまで変更し、前述した第２レンズ鏡筒２の光軸２_１を第１レンズ鏡筒３の光軸３_１に対して、例えばＸＺ平面において略Ｘ軸の正方向（図２では図紙面右側方向）にシフト（偏心）させた場合のシフト量（偏心量）を第２のパラメータとした場合に光路折り返しミラー１枚で得られるセット奥行きを計算により求めたものである。

同図の横軸は、前述した第２レンズ鏡筒２の光軸２_１の、第１レンズ鏡筒３の光軸３_１に対するシフト量を示しており、例えば、第２のパラメータであるシフト量（光軸偏心量）の０．５とは、前述した第２レンズ鏡筒２の光軸２_１と第１レンズ鏡筒３の光軸３_１を一致させた状態である。この結果、セットにおいては、図４に示したように、投写光学ユニットの光軸と、透過型のスクリーン６を構成するフレネルレンズ（図示せず）を少なくとも片面に設けたフレネルシート（図示せず）のフレネルレンズ中心を前記フレネルシートの外形中心と一致させる（即ち、分割比Ａ：Ｂを１：１とする）ことで映像光束の中心は透過型のスクリーンに対して垂直に出射する。

同様に、シフト量０．２５とは、前述した第２レンズ鏡筒２の光軸２_１と第１レンズ鏡筒３の光軸３_１が、第１レンズ群２２の１００％像高に対して３：１の比率でシフトさせた状態であり、この結果、本実施例のセットにおいては、図４に示したように、投写レンズの光軸と、透過型のスクリーン６を構成するフレネルレンズを少なくとも片面に設けたフレネルシートのフレネルレンズ中心を前記フレネルシートの上下方向外形寸法の分割比Ａ：Ｂ（同図中Ａ，Ｂ）が３：１の関係を満足するようにシフトさせることで映像光束の中心は透過型のスクリーンに対して垂直に出射する。

図７に示した縦軸は図４に示した光路折り返しミラー７下端からセット筐体前面までの距離（図７においては光学奥行きと表示）を示しており、実際のセット奥行きは、構造設計上の公差やマージンを考慮してこの値に６０〜１００ｍｍ程度加えたものとなる。

以上が図７に示したスクリーン画面寸法を４２インチした場合に投写光学ユニットの投写距離と光軸シフト量をパラメータとした場合に実現できるセット寸法のシミュレーション結果の見方である。

図７の中央斜めに引かれた実線は、投写光学ユニットの投写距離を第１のパラメータとして、光学ユニットやシャーシ部材が映像光束を遮ることなくセット筐体内部に光路折り返しミラーを設けることが可能となる限界点を、第２レンズ鏡筒２の光軸２_１のシフト量を第２のパラメータとして求め、つなぎ合わせて得られたものである。

さらに、セットの意匠性を優先し、図３に示すように、スクリーン下端からセット筐体下端までの距離Lをできるだけ小さくして、セットを正対して見た場合の観た目スクリーンの占有面積を大きくするためには、第２レンズ鏡筒２の光軸２_１のシフト量を最適化することが最も効果的である。

セットのモデルを繰り返し試作して得られた知見では、第１に、画面寸法ＳＳが４２インチでアスペクト比が１６：９のセットにおいては、前述したLが１１０ｍｍ以下であれば意匠性に優れたセット外観が得られた。この時の第２レンズ鏡筒２の光軸２_１のシフト量は４：１以下であり、シフト量を６：１以下とすればＬの値を９０ｍｍ以下にでき、セット全体に対する観た目スクリーンの占有面積をさらに小さく意匠性に優れたセット外観が得られる。

この時（シフト量を６：１として、Ｌの値を９０ｍｍ以下とした時）、スクリーン外形中心からセット筐体下端までの距離Ｈは、画面寸法ＳＳが４２インチでアスペクト比が１６：９のセットにおいては３５０ｍｍであった。このとき必要な投写光学ユニットの投写距離は３８０ｍｍとなり、得られるセット奥行きは、光学奥行きのシミュレーション結果である２７８ｍｍに構造設計上の公差やマージンを考慮して、この値に１００ｍｍ程度を加え、３８０ｍｍ（４２インチ）程度となる。

第２に、画面寸法ＳＳが５０インチでアスペクト比が１６：９のセットにおけるシミュレーション結果を図８に示す。図３に示したLが１３０ｍｍ以下であれば意匠性に優れたセット外観が得られた。この時の第２レンズ鏡筒２の光軸２_１のシフト量は４：１以下であり、シフト量を６：１以下とすればＬの値を１１０ｍｍ以下にでき、セット全体に対する観た目スクリーンの占有面積をさらに小さく意匠性に優れたセット外観が得られる。

この時（シフト量を６：１として、Ｌの値を１１０ｍｍ以下とした時）、スクリーン外形中心からセット筐体下端までの距離Ｈは、画面寸法ＳＳが５０インチでアスペクト比が１６：９のセットにおいては４２０ｍｍであった。このときの投写光学ユニットの投写距離は４６０ｍｍとなり、得られるセット奥行きは、光学奥行きのシミュレーション結果である３０８ｍｍに構造設計上の公差やマージンを考慮して、この値に１００ｍｍ程度を加え、４１０ｍｍ（５０インチ）程度となる。

第３に、画面寸法ＳＳが６０インチでアスペクト比が１６：９のセットにおけるシミュレーション結果を図９に示す。図３に示したLが１６０ｍｍ以下であれば意匠性に優れたセット外観が得られた。この時の第２レンズ鏡筒２の光軸２_１のシフト量は４：１以下であり、シフト量を６：１以下とすればＬの値を１４０ｍｍ以下にでき、セット全体に対する観た目スクリーンの占有面積をさらに小さく意匠性に優れたセット外観が得られる。

この時（シフト量を６：１として、Ｌの値を１４０ｍｍ以下とした時）、スクリーン外形中心からセット筐体下端までの距離Ｈは、画面寸法ＳＳが６０インチでアスペクト比が１６：９のセットにおいては５１５ｍｍであった。このときの投写光学ユニットの投写距離は５４０ｍｍとなり、得られるセット奥行きは、光学奥行きのシミュレーション結果である３９８ｍｍに構造設計上の公差やマージンを考慮して、この値に１００ｍｍ程度を加え、５００ｍｍ（６０インチ）程度となる。

以上述べたシミュレーション結果を纏めると表１のようになる。

図１０は前記した第１の実施例に用いた本発明の背面投写型映像表示装置において、映像表示素子として透過型液晶パネルを用いた場合の照明光学系を示す配置図である。

図１０において、白色光源であるランプ管球３０から放射された白色光束は、リフレクタ３１により反射され、所望の光束となって防爆ガラス３３を通過する。この光束は、フライアイレンズ３４により分割され、偏光ビームスプリッタ３５により単一偏光される。この単一偏光となった分割光束は、対向した位置に配置されたフライアイレンズ３６とフィールドレンズ３７により液晶パネル（Ｇ）５１，液晶パネル（Ｂ）５２，液晶パネル（Ｒ）５３上に、拡大投写されるとともに重ね合わされる。このため、パネルに入射する光束のエネルギー分布が均一化される。また、白色光束は、光路に配置されたダイクロイックミラー３８により赤色光束とシアン光束に分離される。赤色映像光の色度はダイクロイックミラー３８の分光反射特性とレンズ５３´に設けたトリミングフィルターの分光反射特性により色純度を向上させる。

さらに、ダイクロイックミラー３９は緑色領域の光を反射する特性を有している。またレンズ５１´には赤色と同様にトリミングフィルターが用いられている。最後に残された青色光束は例えばミラー４１、ミラー４２又はレンズ５２´に設けられたダイクロイックミラーの特性により分光される。短波長側はＵＶカットフィルターを設けたフライアイレンズ３４とレンズ４４によりカットされる。

以上が映像表示素子として透過型液晶パネルを使用した場合の本発明の照明光学系における色分離部の説明である。前述した技術手段により赤、緑、青に分離された色光束は、それぞれに対応する透過型液晶パネル５３，５１，５２に入射し映像信号の振幅に合わせて出射する光束量（光量）が変調される。変調されたそれぞれの色の光束は、クロスプリズム２７により合成され、投写光学ユニット２１０によりスクリーン上に拡大投影される。

以上、本発明の照明光学系について、透過型液晶パネルを用いた場合について説明したが、映像表示素子として反射形液晶パネルを用いる場合においても、映像が合成されたあとにおいては、本発明の投写光学ユニットが適用可能であることは言うまでもない。

本発明の投写光学ユニットは、前述したように、少なくとも２群以上のレンズ群から構成される。フィールドレンズ群の位置は、光路折り返し手段に対して第２レンズ群側でも第１レンズ群側でも配置できるのでレイアウトの自由度が大きい。但し、フィールドレンズを光路折り返し手段より第２レンズ群側に配置すると、フィールドレンズ群と第２レンズ群を構成する個々のレンズの口径が大きくなりコストアップにつながる。また、フィールドレンズのレンズ面が第１レンズ群の結像面に近いので、フィールドレンズのレンズ表面にゴミが付着した場合には最終的にスクリーン拡大映像の画質を損なう可能性が生じる。よって、このような場合は、設計上、注意が必要となる。

上述したように、本発明の投写光学ユニットは、少なくとも２つ以上のレンズ群からなり、図５または図６に示すように、映像表示素子である透過型液晶パネルと第１レンズ群２２の間には色合成用のクロスプリズム２７が存在するため、必然的に第１レンズ群はレトロフォーカスタイプとなる。さらに、照明光学系の光束がほぼ平行であることからテレセントリックな光学系で、この第１レンズ群２２の拡大像はフィールドレンズ群２３の近傍に結像する。

本発明の投写光学ユニットの実施例として第１レンズ群２２のレンズデータを図１１に、レンズの構成を図１２に示した。図１２において、各レンズに付した符号は図１１におけるレンズ面符号と一致している。図１１のＳａ６面からＳａ７面がクロスプリズム２７（図５及び図６）であり、第１レンズ群２２はＳａ８面からＳａ１８面でフィールドレンズ２３はＳａ２０，Ｓａ２１面であり、第１の結像位置はＳａ２１面で、図１２においてはＩＭＧと表記している。

図１３は、光軸上で結像する光束φ１及び画面中域で結像する光束φ２及び画面周辺で結像する光束φ３及びφ４についての光線追跡結果を示している。

図１４は、本発明の投写光学ユニットの実施例として示した第１レンズ群による結像性能を示すため、物面であるパネルサイズを０．７インチ，アスペクト比１６：９とした場合における結像面（ＩＭＧ）でのスポット図である。青色光として波長４５０ｎｍ光線、緑色光として波長５４５ｎｍの光線、赤色光として波長６２５ｎｍの光線を重ね合わせて評価している。スポットサイズで５０μｍ程度に収束されており良好な性能が得られている。

次に、超広角な本発明の投写光学ユニットの実施例として、第２レンズ群２４のレンズデータを図１５に、レンズの構成を図１６に示す。図１６において、各レンズに付した符号は図１５におけるレンズ面符号と一致している。図１６において、Ｓｂ０面は第１レンズ群の結像面（ＩＭＧ）であると共に第２レンズ群２４の物面となる。

第２レンズ群２４は、Ｓｂ１面からＳｂ２０面で、レンズ面を表す非球面式及び係数は同図中に併記したように、プラスチック非球面レンズはＳｂ１，Ｓｂ２面とＳｂ１５，Ｓｂ１６面とＳｂ１９，Ｓｂ２０面の６面すなわち３枚からなる。通常、照明光学系のＦ値に合わせて第１レンズ群のＦ値を決定するが、本発明の実施例における第１レンズ群のＦ値は３．０である。また投写倍率が３倍であるため、第２レンズ群のＦ値は９．０でも充分な光束を取り込むことが可能となる。また第２レンズ群のＦ値を９．０と大きくできるので、５０インチ投写時での最終面（Ｓｂ２０面）からスクリーン面までの間隔（投写距離）は４２５ｍｍであり画角は１１３度と超広角な投写光学ユニットが実現できる。

図１７は光軸上で結像する光束φ１及び画面中域で結像する光束φ２及びφ３、画面周辺で結像する光束φ４及びφ５についての光線追跡結果を示している。

図１８は、本発明に係る投写光学ユニットの第２レンズ群２４による結像性能を示すものである。この図は、物面を２．１インチ，アスペクト比１６：９としてさらに偏心量を７：１として物面を大きくした場合のスクリーン面でのスポット図である。青色光として波長４５０ｎｍ光線、緑色光として波長５４５ｎｍの光線、赤色光として波長６２５ｎｍの光線を重ね合わせて評価している。スポットサイズで３０μｍ程度に収束しており良好な性能が得られている。

図１９は、本発明に係る投写光学ユニットの第２レンズ群２４の光軸と第１レンズ群２２とフィールドレンズ２３の光軸を偏心量Ｌ１として偏心させて（アスペクト比１６：９の短辺に対して７：１）配置した場合の光線追跡結果を示すものである。また図２０は、本発明に係る投写光学ユニットの第１レンズ群の物面であるパネルサイズを０．７インチ，アスペクト比１６：９とし、第２レンズ群の物面（第１レンズ群の像面）を２．１インチ，アスペクト比１６：９として、さらに偏心量を７：１として物面を大きくした場合のスクリーン面でのスポット図である。青色光として波長４５０ｎｍ光線、緑色光として波長５４５ｎｍの光線、赤色光として波長６２５ｎｍの光線を重ね合わせて評価している。スポットサイズで１．８ｍｍ程度に収束しており良好な性能が得られている。

以上述べたように、本発明の投写光学ユニットを採用した背面投写型映像表示装置においては、反射スクリーンまでの距離が短くても充分拡大倍率が得られ迫力ある画面を楽しむことが可能となる。さらに、背面投写型映像表示装置に本発明の投写光学ユニットを使用することで、光路折り返しミラー１枚でもスクリーン下端からセット筐体の下端までの間隔が小さくても従来に無いほどコンパクトなセットが実現できる。

なお、本発明による投写光学ユニットは、背面投写型映像表示装置に限定されるものではなく、スクリーンの前面から投写する前面投写型映像表示装置に適用できるのは、いうまでもないことである。

以上の通り、本発明の投写光学ユニットによれば、高倍率化してもセットのコンパクト化に必要な超広画角化とハイフォーカス化が両立できる。また使用する映像表示素子の有効画面サイズが変わっても投写光学ユニットの一部を変更することで対応が可能となるので、これを採用した映像表示装置や背面投写型映像表示装置では、セットのサイズ展開、映像表示素子の有効表示領域の変更に伴う機種展開に対する開発コストを低減できるという従来にない大きなメリットを得ることができる。

本発明の実施形態である背面投写型映像表示装置の正面図。 本発明の実施形態である背面投写型映像表示装置の側面図。 本発明の実施形態である背面投写型映像表示装置の構成を説明するための正面図。 本発明の実施形態である背面投写型映像表示装置の構成を説明するための側面図。 本発明の第一の実施形態である背面投写型映像表示装置の照明光学系を示す配置図。 本発明の第二の実施形態である投写型映像表示装置の照明光学系を示す配置図。 本発明の背面投写型映像表示装置のセット奥行きと投写光学系の偏心量及び投写距離の関係を示す第一の説明図。 本発明の背面投写型映像表示装置のセット奥行きと投写光学系の偏心量及び投写距離の関係を示す第二の説明図。 本発明の背面投写型映像表示装置のセット奥行きと投写光学系の偏心量及び投写距離の関係を示す第三の説明図。 本発明の実施形態である背面投写型映像表示装置の照明光学系を示す配置図。 本発明の第一の実施形態である投写光学系の第１レンズ群のレンズデータを示す図。 本発明の第一の実施形態である投写光学系の第１レンズ群のレンズ配置を示す図。 本発明の第一の実施形態である投写光学系の第１レンズ群に対する光線追跡結果を示す図。 本発明の一実施形態である投写光学系の第１レンズ群による結像面でのスポット形状を示す特性図。 本発明の第一の実施形態である投写光学系の第２レンズ群のレンズデータを示す図。 本発明の第一の実施形態である投写光学系の第２レンズ群のレンズ配置を示す図。 本発明の第一の実施形態である投写光学系の第２レンズ群に対する光線追跡結果を示す図。 本発明の一実施形態である投写光学系の第２レンズ群による結像面でのスポット形状を示す特性図。 本発明の第一の実施形態である投写光学系の光線追跡結果を示す図。 本発明の一実施形態である投写光学系による結像面でのスポット形状を示す特性図。

符号の説明

SS…画面サイズ（インチ）、Ｄ…奥行き（インチ）、Ｌ…スクリーン下端から筐体下端までの距離、Ｈ…スクリーン中心高さ、１…照明光学系、２…第２レンズ鏡筒、３…第１レンズ鏡筒、４…光学ユニット、５…筺体、６…スクリーン、７…光路折り返しミラー、８，８ａ，８ｂ…信号・電源回路等、９…セット外枠、１１…照明光学系部分、１２…投写光学ユニット、１４…光学ユニット、１５…筐体、１６…スクリーン、１７…光路折り返しミラー、２２…第１レンズ群、２４…第２レンズ群、２３…フィールドレンズ群、２５…光路折り返し手段、２６…光路折り返しミラー、２７…ダイクロイックプリズム、３０…白色光源（ランプ管球）、３１…リフレクタ、３３…防爆ガラス、３４，３６…フライアイレンズ、３５…偏光ビームスプリッタ、３７…フィールドレンズ、３８…ダイクロイックミラー、３９…ダイクロイックミラー、４１，４２，４３…ミラー、４４，４５…レンズ、５１…液晶パネル（Ｇ），５２…液晶パネル（Ｂ）、５３…液晶パネル（Ｒ）、５１´，５２´，５３´…レンズ、２１０…投写光学ユニット。

Claims (13)

1. 映像を表示する映像表示素子と、該映像表示素子に表示された画像を透過型スクリーン上に拡大投影する投写レンズと、前記投写レンズと前記透過型スクリーンの光路中に配置され、前記投写レンズからの投影光束を反射して前記透過型スクリーンへ導く折り返しミラーとが筐体内部に収納された背面投写型映像表示装置において、
   前記透過型スクリーン対角寸法をＳＳ（インチ）、前記筐体の奥行きをＤ（インチ）、スクリーン下端から筐体の下端までの長さをＬ（インチ）としたとき、下記の条件を満足することを特徴とする背面投写型映像表示装置。
   ＳＳ＞４０
   Ｄ≦ＳＳ／３．０
   Ｌ≦ＳＳ／１０．９
2. 前記透過型スクリーンのアスペクト比が略１６：９であることを特徴とする請求項１に記載の背面投写型映像表示装置。
3. 前記透過型スクリーンの中心高さＨ（インチ）が、更に下記の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の背面投写型映像表示装置。
   Ｈ≦ＳＳ／２．９
4. 前記投写レンズは複数のレンズを備え、該複数のレンズ素子のうち前記透過型スクリーンに最も近い位置に配置されたレンズと前記透過型スクリーンまでの距離をＬＬ（インチ）としたとき、更に下記の条件を満足する請求項１に記載の背面投写型映像表示装置。
   ＬＬ＜ＳＳ／２．７
5. 前記投写レンズは、前記映像表示素子からスクリーンまでの光路に順に配置された、正屈折力を持つ少なくとも第１及び第２のレンズ群を有し、該第１及び第２のレンズ群で２回以上拡大像を得る構成とするとともに、前記映像表示素子に最も近い位置に配置された第１レンズ群により形成される第１の拡大像は、第２レンズ群よりも前記映像表示素子側において結像し、前記第１の拡大像の倍率Ｍ１は、前記第２レンズ群によりスクリーン上に形成される第２の拡大像の倍率Ｍ２より小さいことを特徴とする請求項１に記載の背面投写型映像表示装置。
6. 請求項５に記載の背面投写型映像表示装置において、前記投写レンズは、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の間に配置された、正の屈折力を持つフィールドレンズ群を有し、前記第１レンズ群により形成される第１の拡大像は、前記フィールドレンズ群近傍で結像することを特徴とする背面投写型映像表示装置。
7. 請求項５に記載の背面投写型映像表示装置において、前記投写レンズは、前記第１レンズ群と前記第２レンズ群の間に配置された、正の屈折力を持つフィールドレンズ群を有し、前記第１レンズ群により形成される第１の拡大像は、前記フィールドレンズ群より、前記第１群レンズ側に結像することを特徴とする背面投写型映像表示装置。
8. 前記第２レンズ群とフィールドレンズ群の間にミラーを具備したことを特徴とする請求項６または７に記載の背面投写型映像表示装置。
9. 前記投写レンズは、前記映像表示素子から透過型スクリーンまでの光路中に順に配置された第１及び第２のレンズ群を有し、該第１及び第２のレンズ群で少なくとも２回以上拡大像を得る構成とするとともに、前記映像表示素子に最も近接して配置した第１レンズ群は、前記映像表示素子側にほぼテレセントリックな関係であり、該第１のレンズ群により得られた第１の拡大像は、第２レンズ群よりも映像表示素子側において結像し、前記第２レンズ群は正の屈折力を有し画角が９０度以上であることを特徴とする請求項１に記載の背面投写型映像表示装置。
10. 前記投写レンズ及び前記映像表示素子が、前記透過型スクリーンの下端より上方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の背面投写型映像表示装置。
11. 白色光源と、該白色光源から放射される可視光束を赤、緑、青の３原色に分光する光束分光部と、該光束分光部により分光された３原色の光束に対応して設けられ、該各々の光束の強度を入力された映像信号の振幅に基づき画素毎に変調する映像表示素子と、該映像表示素子によって変調された３原色の光束を合成する光合成部と、該光合成部により合成された光束を拡大投影する投写レンズとを含む投写光学装置と、前記映像表示素子を駆動するための駆動回路と、光路折り返しミラーとが筐体内部に収納され、
    前記投写レンズからの投影光束を、前記光路折り返しミラーを介してスクリーン上に拡大投影する背面投写型映像表示装置において、
    前記スクリーンの中央部を見たときに、前記駆動回路を、前記筐体内部の左右いずれか一方に配置し、他方に前記投写光学装置を配置したことを特徴とする背面投写型映像表示装置。
12. 前記投写レンズは、前記映像表示素子側から順に、前記映像表示素子により変調された光束を第１の結像位置に拡大像として結像させる第１レンズ群と、前記第１の結像位置近傍に配設されたフィールドレンズ群と、前記第１の結像位置に結像された拡大像を、前記スクリーンに再度拡大して投影する第２レンズ群とを有することを特徴とする請求項１１に記載の背面投写型映像表示装置。
13. 前記白色光源として、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハロイドランプのいずれかを用いたことを特徴とする請求項１１に記載の背面投写型映像表示装置。
    

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