JP2005331530A - 投写用レンズ装置及びこれを用いた背面投写型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
投写管上の画像を拡大して投写する６群構成の投射型レンズ装置において、コスト低減を図りながら、パワーレンズの映像発生源側に最も近く配設される非球面レンズ群と、パワーレンズとの距離を適切に保ち、パワーレンズとの物理的干渉をなくして生産性の向上を図る。
【解決手段】
パワーレンズ（第３群レンズ３）の映像発生源側に配置された収差補正用のレンズ（第４群レンズ４）として、スクリーン側に凹を向けた負の屈折力を持つメニスカスレンズを用いるとともに、そのメニスカスレンズのスクリーン側レンズ面を、その光軸から外縁との間の所定点に向けて曲率が大きくなり、該所定点から外縁に向けて曲率が小さくなる非球面形状とした。更に、ガラスパワーレンズの映像発生源側に最も近く位置する第４群レンズの基材に、低価格で流動性の良い、アッベ数（νｄ）５７以上で、かつ屈折率（ｎｄ）１．５００以下の低屈折率材を用いた。
【選択図】図１

Description

本発明は、映像発生源である投写管上の画像を拡大投写する投写用レンズ装置、及びこれを用いた背面投写型画像表示装置に関する。

背面投写型画像表示装置に用いられる投写用レンズ装置として、最も強い正の屈折力を持つガラスレンズ（以下、このレンズをパワーレンズと呼ぶ）１枚と、非球面を有するプラスチックレンズ５枚を用いた、いわゆる６枚構成のものが知られている。このような６枚構成の投写用レンズ装置の従来技術としては、例えば下記特許文献１〜３に開示されている。

特開平９−１５９９１４号公報 特開平９−９０２１９号公報 特開平１１−３４４６６８号公報

上記特許文献１〜３に記載の投写用レンズ装置は、いずれも、パワーレンズとして、例えばSCHOTT社の商品名ＳＫ５（屈折率約１．５９、アッベ数６１．３）のような高分散、低屈折率の球面ガラスレンズを用いている。このような高分散、低屈折率のガラスレンズは、例えばSCHOTT社の商品名ＳＫ１６（屈折率約１．６２、アッベ数６０．３）のような低分散、高屈折率のガラスレンズに比べて価格が低いため、投写用レンズ装置を低コストで製造できる。しかしながら、高分散、低屈折率の球面ガラスレンズを用いた場合、所望の屈折力を得ることが困難となるばかりでなく、発生する収差量も増加する。従って、パワーレンズとして低分散、高屈折率のガラスレンズを用いる場合は、特許文献１〜３に記載のように、非球面プラスチックレンズを５枚とすることで非球面を持つレンズ面数を増やし、良好に収差補正を行い得るようにしている。

しかしながら、上記特許文献１〜３に記載のものは、短焦点距離を得るため、並びに所望の収差補正能力を得るために、パワーレンズの映像発生源側に配置される収差補正用のプラスチックレンズ（第４レンズ）は、パワーレンズに対して非常に近接して配置されている。このため、レンズを鏡筒に組み込む時に、両者が物理的に干渉してしまうことから、組み立て効率が悪くなり、生産性が低いという課題がある。特許文献１に記載のものは、第４レンズの外縁部がパワーレンズに対し突き出すような形状となっているため、レンズ外縁部においてパワーレンズとの物理的干渉がより生じやすくなる。また特許文献２および３に記載のものは、そのレンズデータの記載から明らかなように、パワーレンズと第４レンズとの光軸近傍における面間隔が１ｍｍ以下で、かつ第４レンズがパワーレンズに対し全体的に凸を向けているため、光軸近傍において両者の物理的干渉がより生じやすくなる。

このように、パワーレンズ１枚とプラスチックレンズ５枚を用いた６枚構成のレンズにおいては、特に組み立て時におけるレンズ同士の物理的干渉を防止することで、生産効率を向上させることが重要となる。

また、投写用レンズ装置には、コントラストの向上も要求される。一般的に投写用レンズ装置のレンズ性能としては、投写レンズの収差補正能力を重視する。しかし、背面投写型画像表示装置における画質としては、画像の白黒比を示すコントラストの向上がレンズ性能の良否を判断する上で重要な要素となる。コントラストの向上を図るためには、投写用レンズ装置内の各レンズ群における反射光(不要光)が原画像に戻らないように、映像発生源である投写管の画像表示面と、映像発生源に最も近い位置に配置されるスクリーン側に凹面を向けたメニスカスレンズの出射面との面間距離を可能な限り離した位置に該メニスカスレンズを配置し、該メニスカスレンズの出射面での反射光の発散角をより広く取ることが必要である。しかしながら、画像表示面との面間距離を可能な限り離すようにメニスカスレンズを配置した場合、投写管から角度の異なる複数の入射光が同じレンズ範囲に重なって入射するため、良好な収差補正が困難となり、より高度な収差補正能力が要求されることになる。しかしながら、上記特許文献１〜３の構成においては、これ以上の補正能力の向上が困難であり、コントラストの向上も困難となる。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、その第１の目的は、背面投写型画像表示装置の投写用レンズ装置において、生産性を向上させることが可能な技術をすることにある。

また本発明の第２の目的は、背面投写型画像表示装置の投写用レンズ装置において、レンズからの反射光によるコントラスト低下を抑制し得る技術を提供することにある。

上記第１の目的を達成するために、本発明では、上記パワーレンズの映像発生源側に配置された収差補正用のレンズとして、スクリーン側に凹を向けた負の屈折力を持つメニスカスレンズを用いるとともに、そのメニスカスレンズのスクリーン側レンズ面を、その光軸から外縁との間の所定点に向けて曲率が大きくなり、該所定点から外縁に向けて曲率が小さくなる非球面形状としたことを特徴とするものである。すなわち、本発明では、上記メニスカスレンズのスクリーン側レンズ面の外縁近傍における曲率を、該メニスカスレンズの光軸から前記外縁との間の所定領域における曲率よりも小さくしている。

上記本発明の構成によれば、上記メニスカスレンズはスクリーンに対して凹を向いており、かつそのスクリーン側レンズ面の外縁部における曲率が小さくなっている（すなわち、スクリーン側レンズ面はスクリーン側に突き出すのではなく、画像発生源側に戻るような形状となっている）ため、光軸を含む中央部及び外縁部の両方において、パワーレンズとメニスカスレンズとの物理的干渉が生じづらくなる。また、本発明に係るメニスカスレンズは、上記のような形状と成っているため、外縁部を通過する映像発生源からの映像光を、内側（レンズの光軸方向）に向ける光学的作用が強くなる。従って、このメニスカスレンズをパワーレンズに対して離して配置することが可能となり、またそのように離して配置しても、パワーレンズ入射面における映像光の入射角を小さくできるので、良好に収差補正を行うことができる。更に、映像光を内側に向ける光学的作用を強くすることで、パワーレンズの口径を小さくすることもできる。

また、本発明では、パワーレンズとして廉価な低屈折率の光学ガラスを使用するのと同時に、そのパワーレンズに続いて配置される収差補正用のメニスカスレンズに、他のレンズ群と同一のプラスチック材料〔例えばＰＭＭＡ（屈折率１．４９、アッベ数５８）、ＣＲ-３９（屈折率１.５０、アッベ数５８）、ＴＰＸ（屈折率１．４６６、アッベ数６１）など〕を用いた。これにより、より複雑な１４次以上の非球面形状を形成することを可能とし、周辺部の非球面量を増しパワーレンズに入射される光を効率よく補正することで良好な収差補正能力を維持しながらコスト低減を図っている。

更に本発明では、パワーレンズのスクリーン側に位置するレンズを、その周辺部が局部的に強い正のパワーを有するレンズとし、周辺部を通過する光線を収束させる作用を持たせる。これによりパワーレンズの出射面による収束作用を分担して収差を低減する。そのため、周辺部の非球面量を多くし、変曲点を２つ持たせることで、画面周辺の収差を良好に補正することができる。

また、上記第２の目的を達成するために、本発明では、映像発生源に最も近い位置に配置された、凹メニスカスレンズを含む負レンズの焦点距離をｆ_６と、該凹メニスカスレンズ出射面と映像発生源の蛍光ガラス面との距離をｄとしたとき、
―７．６２＜ｆ_６/ｄ＜−５．８６
の関係を満足するようにしたことを特徴とする。このような構成によれば、上記凹メニスカスレンズの出射面で生じ、映像発生源へ戻る反射光が映像発生源へ戻るまでの光路を調整できるので、反射光が広がり、面積あたりの強度を減らすことができる。従って、本発明によれば、凹メニスカスレンズの出射面で反射して映像発生源の蛍光面に戻る反射光によって生じるコントラストの低下を抑制できる。

本発明によれば、生産性が向上され、コストを低減できる。またコントラストの低下を抑制し、高画質を得ることができる。

以下、本発明の実施例について図を参照して説明する。なお、各図に共通な部分には、同一符号を付けて示す。

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。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及び第５群レンズ５は、内鏡筒９に組み込まれ、固定ねじ１２で外鏡筒１０に固定される。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蛍光面Ｐ₁上の画像を、上記レンズ群によって拡大し、透過型のスクリーン１４上に投写する。なお、本発明の実施例においては、第６群レンズ６の焦点距離は、投射管パネル８、冷却液７、投写管蛍光面Ｐ_１を含めて計算している。

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，図４は、第１実施例の他の例としての投写用レンズ装置の構成を示す図で、表２，３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。

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５．２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、広画角を実現している。

次に図５について説明する。図５は上記の投写用レンズ装置を使用した場合の背面投写型画像表示装置の一例である。図５において、投写用レンズ装置１６はブラケット１１と光源となる投写管１７によって、一体化されており、投写用レンズ装置１６より投射された映像光束１８は光路折り返しミラー１５によって反射され、透過型のスクリーン１４に到達し、画像を映し出している。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。上記投写用レンズ装置１６、ブラケット１１、投写管１７は、筐体１９の内部に収納される。

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２０に示す。

次に、このレンズデータの読み方について表１を基に図１，図２を参照して説明する。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。

まず、スクリーン１４は曲率半径が無限大（即ち平面）であり、スクリーン１４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ＴＨ）が１０３４．０ｍｍ、その間に存在する媒質の屈折率ｎｄ（ナトリウムｄ線：λ＝５８８ nmに対する屈折率）が１．０であることが示されている。またレンズ面Ｓ_１の曲率半径Ｒｄが、７２．２６８ｍｍ（曲率中心が映像発生源側）であり、レンズ面Ｓ_１とＳ_２の光軸上の距離（面間隔ＴＨ）が８．０ｍｍで、その間に存在する媒質の屈折率が１．４９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Ｐ_１の曲率半径が３５０ｍｍ（曲率中心がスクリーン側）、投写管パネルの光軸上の厚さ（面間隔ＴＨ）が１４．１ｍｍ、屈折率が１．５６であることが示されている。第１群レンズ１の面Ｓ_１，Ｓ_２、第２群レンズ２の面Ｓ_３，Ｓ_４、第４群レンズ４の面Ｓ_７，Ｓ_８、第５群レンズ５の面Ｓ_９，Ｓ_１０、第６群レンズの面Ｓ_１１については非球面係数が示してある。尚、第i群レンズと隣接する第ｊ群レンズとの光軸上の面間距離を以下符号Ｌ_ｉｊで表すものとする。但し、i＜jである。またスクリーン１４と第１群レンズ１との光軸上の面間距離は、スクリーンの面をＳ_０と考えてＬ_０１で表すものとする。

ここで、非球面係数とは、レンズ面形状を次式の数１で表現した時の係数である。

但し、Ｋ，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，・・・は任意の定数、ｎは任意の自然数、Ｒｄは近軸曲率半径である。

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、Ｋ，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ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。

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（数１の第１項でＫ＝０とした場合）のみのレンズ面Ｓｓ（ｒ）（図７）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）（以下、この比率を「非球面比率」と称する）の絶対値が小さいほど非球面の程度が強い。さらに、上記非球面式における２次微分値が０となる任意のｒ位置において、面の傾斜方向が変化する変曲点が存在し、この変曲点が多いほど複雑な非球面形状であることを示している。なお、以下では、レンズ面Ｓｉの非球面量Ａｓ（ｒ）をＡ_ｓｉ、球面量Ｓｓ（ｒ）をＳ_ｓｉ、非球面比率Ａｓ（ｒ）／Ｓｓ（ｒ）をＡ_ｓｉ／Ｓ_ｓｉまたはＡ_ｉで表すものとする。

以上が表１に示したデータの読み方である。表２から表２０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。

次に本発明にかかる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。

第１群レンズ1は、図２、図３、図４に示すように、中心部分はスクリーン側に凸のメニスカス形状であり、周辺部が凹形状で、投写管蛍光面Ｐ_１の軸上の物点Ａからの映像光束（上限光線ＲＡＹ１、下限光線ＲＡＹ２）に対しては球面収差を、投写管蛍光面Ｐ_１の画面周辺部の物点Ｂからの映像光束（上限光線ＲＡＹ３、下限光線ＲＡＹ４）に対してはコマ収差を補正する。下限光線ＲＡＹ４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。

第２群レンズ２は、図２、図３、図４に示すように、中心部分は映像発生源側に凸の形状をしており、周辺部は映像発生源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から凹に変わる変曲点をもつような非球面形状とし、局部的に正の屈折率を持たせている。また、第１群レンズ１、第３群レンズ３との面間距離Ｌ_１２，Ｌ_２３の関係を、表２３に示すように、以下の範囲にすることで、面間隔距離をバランスよく保ち、周辺部に入射される光線が重なることで発生する収差を抑えることができ、非点収差やコマ収差を補正している。
（数２）０．２２＜（Ｌ_２３／Ｌ_１２）＜ ０．３７

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(SCHOTT社ガラス材商品名)を用いている。

第４群レンズ４は、中心部分はスクリーン側に凹の形状をしており、軸上の物点Ａから映像光束（上限光線ＲＡＹ１、下限光線ＲＡＹ２）に対してはレンズ周辺部のスクリーン側に凹の形状で球面収差補正を行っている。本実施形態においては、第４群レンズ４を、例えば表１から明らかなように、他の非球面レンズと同様に屈折率が約１．４９でアッベ数が５７以上の低分散材（例えばＰＭＭＡ）で形成している。ＰＭＭＡは流動性が良く、成形が行いやすいため、これで第４群レンズ４を形成すると、その周辺部の非球面量を増やすことが容易となる。よって、周辺部の非球面比率Ａ_８（＝Ａ_Ｓ８／Ｓ_Ｓ８）と第３群レンズ３との面間距離Ｌ_３４の関係を、表２３に示すように、下記数３の範囲におさめることができる。
（数３）５．３１＜Ａ_８/Ｌ_３４＜１２．５７
また、本発明に係る第４群レンズ４は、スクリーン側に凹を向けたメニスカス形状を為している。そしてそのスクリーン側レンズ面Ｓ_７は、その曲率が、光軸から該光軸と外縁との間の所定点に向かうに従って徐々に大きくなり、かつその所定点から外縁に向かうに従って徐々に曲率が小さくなる非球面形状を為している。すなわち、上記所定点を含む所定領域においては、光軸を含む中心部よりも曲率を大きくして凹形状（すなわち湾曲）をきつくし、更にそこから外縁にかけては曲率を小さくして当該外縁近傍においては、湾曲の度合いを緩く（つまりなだらかに）している。このように、本発明に係る第４群レンズ４のスクリーン側レンズ面は、その外縁部が第３群レンズ３に対して突き出ているような形状ではなく、映像発生源である投写管１７側に戻るような形状となっている。よって、組み立て時（レンズを鏡筒９に組み込むとき）に、光軸を含む中央部及び外縁を含む周辺部において、第３群レンズ３と第４群レンズ４は互いに物理的干渉をせず、組み立てが容易となる。尚、本実施形態においては、上記所定点は、レンズの有効径の１／２を相対半径１．０としたとき、おおよそ０．９０〜０．９５の範囲に存在するようにしている。つまり、本実施形態では、光軸（相対半径０）から相対半径０．９０〜０．９５の領域にかけては曲率が増大し、そこから相対半径１．０（外縁）にかけては曲率が小さくなるものである。上記表１〜表２０に記載された各例における、第4群レンズ４の上記所定点の具体的な数値を表３４に示す。この表３４に示された所定点は、表１〜表２０に示されたレンズデータを上記数１に代入することによって得られた曲線（レンズ形状）の、傾きが最小となる点を示している。

また、本発明にかかる第４群レンズ４は、そのスクリーン側レンズ面の外縁を含む周辺部の非球面量（Ｓ_Ｓ８−Ａ_Ｓ８）増加するようにしているので、当該外縁を含む周辺部にパワーを持たせることができる。よって、各画角より第３群レンズ３に入射される光の方向を調節することができ、色収差を低減させることができる。また周辺部にパワーを持たせることで、第４群レンズ４を通過した映像光を内側（光軸方向）に向ける光学的作用を強くさせる。これにより、第３群レンズ３の入射面（Ｓ_６）に入射する映像光の入射角の増大を抑え、第３群レンズ３に各画角から入射される光線が重なりにくくなり、収差の発生を抑えることができる。従って、第３群レンズ３と第４群レンズ４との間隔を大きくしても、良好に収差を補正することが可能となる。換言すれば、この第４群レンズ４の構成により、収差の増大を抑えつつ第３群レンズ３と第４群レンズ４との間隔を広くすることが可能となる。尚、本実施形態においては、第３群レンズ３と第４群レンズ４との面間角は、表１〜表２０に記載されているように、おおまか４．７７〜７．１３ｍｍである。少なくとも、その面間隔が４．０ｍｍ以上であれば、組み立て時における上記物理的干渉を回避することが容易となり、生産性向上の効果がある。

また、第４群レンズ４のプラスチック材料として、上記したように、屈折率が約１．４９でアッベ数が５７以上の安価な低分散材（例えばＰＭＭＡ）を用いるので、プラスチック材料を例えばポリカーボネイトとしたものに比べ、コストダウンも図ることができる。

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。このために、上限光線ＲＡＹ３が通過する場所付近については、第４群レンズ４に不足する屈折力を補うために下限光線ＲＡＹ３が通過する場所付近の非球面比率Ａ_Ｓ１０／Ｓ_Ｓ１０（＝Ａ_１０）を、表３２に示すように、以下の範囲にしている。
（数４）０．５５≦Ａ_Ｓ１０/Ｓ_Ｓ１０≦-０．０３
また、レンズ面Ｓ_１０の周辺部の、凹の形状を緩くすることで第６群レンズ６のコバとの間隔をとれるようにした。これにより、フォーカス調整時になるべく多くの距離を動かすことができるようにして、有効画面サイズの幅を広げられるようにしている（４５インチ〜７５インチ）。本実施形態では、この様な構成により、第１群レンズ１のスクリーン側レンズ面から透過型スクリーンに至るまでの距離Ｌ_０１(mm)とスクリーンの有効対角長Ｍ（インチ）とが、表２４に示すように、下記数５の関係を満足している。
（数５）１７．０＜（Ｌ／Ｍ）＜１７．４
ただし、表２４において、添字４５が付された面間距離Ｌ_０１および有効対角長Ｍは、有効最小画面サイズが４５インチの場合のものであり、添字７５が付された面間距離Ｌ_０１および有効対角長Ｍは、有効最大画面サイズが７５インチの場合のものである。

第６群レンズ６は、投写管蛍光面Ｐ_１と共に像面湾曲の補正を行っている。投写管蛍光面Ｐ_１が球面蛍光面であるため、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Ｓ_１１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ＲＡＹ４）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。

つぎに、図６を用いてコントラストを劣化させる要因について説明する。図６は、図１に示した構成の投写管から第６群レンズまでを詳細に示した図である。図６において、第６群レンズ６は距離ｄの位置でブラケット１１に固定されている構成となっている。なお、図１に同一な部分には同一符号を付して説明を省略する。

このような構成においては、図６に示されるように、投写管(ブラウン管)蛍光面Ｐ_１に写し出された原画像の点からの光束ＲＡＹ５、ＲＡＹ６、ＲＡＹ７が、第６群レンズ６の出射面Ｓ_１１で反射する。この反射光ＲＡＹ５'、ＲＡＹ６'、ＲＡＹ７'は、投写管(ブラウン管)蛍光面Ｐ_１に写し出された原画像の低輝度部分に戻り、コントラストを低下させている。コントラストは、投写管(ブラウン管) 蛍光面Ｐ_１に写し出された原画像の高輝度部と低輝度部の比率で表される。前述の反射光ＲＡＹ５'、ＲＡＹ６'、ＲＡＹ７'のエネルギーが強ければ強いほど低輝度部分の輝度が上がるため、コントラストが低下することとなる。前記低輝度部分に戻る反射光は、前記距離ｄと第６群レンズ６の焦点距離に依存している。焦点距離が短い程、第６群レンズ６の形状がきつくなる。すると、反射する角度θが広がる。つまり、前記距離ｄと反射する角度のバランスにより、反射光の戻り幅を調節し、最適な戻り幅に構成している。

すなわち、投写管パネル８の出射面Ｓ_１３から第６群レンズ６のスクリーン側レンズ面Ｓ_１１までの距離ｄと第６群レンズ６の焦点距離ｆ_６とをが、表２２に示すように、下記数６を満足している。これにより、コントラスト向上を図ることができる。尚、セット実装評価結果より、従来レンズのコントラストを１００(１.０)としたとき、本構成レンズでは１０９（１．１）の約１０％コントラストを向上させることができた。
（数６）−７．６２＜ｆ_６／ｄ＜−５．８６

更に、上記コントラスト向上に加えて、第６群レンズ６に投写管(ブラウン管)蛍光面Ｐ_１に写し出された原画像の点からの光束ＲＡＹ５、ＲＡＹ６、ＲＡＹ７の主波長以外を吸収するような波長選択性フィルターを施してもよい。これにより、画質に不要なスペクトル成分を吸収し、反射光ＲＡＹ５'、ＲＡＹ６'、ＲＡＹ７'の強度効果的に低減するとともに色収差の発生も抑制することが可能となる。勿論、冷却液７に波長選択性フィルターの効果を持たせてもよく、また、第６群レンズ６と冷却液７の両者に持たせてもよい。

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蛍光面上に５．２インチのラスターを映し出し、スクリーン上に拡大投写（６０インチ）した場合のＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）によるフォーカス性能の評価結果を図９から図１１に示す。

ここで、図９は、表１に対応した特性図、図１０は、表２に対応した特性図、図１１は、表３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５００ＴＶ本を取った場合について示している。高コントラスト性能を得るためには、高いＭＴＦ値のみではなく、ＳＡＧＩ、ＭＥＲＩとも各画角において、近い値でなければ成らない。図９から図１１までに示したように、本構成によれば、５００ＴＶ本においてもＳＡＧＩ、ＭＥＲＩ方向でのＭＴＦ値の差は１０％以下であり、良好なＭＴＦ特性が得られる。

表１から表２０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ｆ_０、第１群レンズ１、第２レンズ群、第３レンズ群、第４レンズ群、第５レンズ群、第６レンズ群の、それぞれの焦点距離を、ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３、ｆ_４、ｆ_５、ｆ_６としたとき、レンズのパワー配分を示す表２１から明らかなように、下記数７に示す関係が成立している。
（数７）０．２９＜ｆ_０／ｆ_１＜０．３３
０．００＜ｆ_０／ｆ_２＜０．０１
０．８１＜ｆ_０／ｆ_３＜０．８３
−０．０９＜ｆ_０／ｆ_４＜−０．０４
０．２５＜ｆ_０／ｆ_５＜０．３０
−０．７０＜ｆ_０／ｆ_６＜ −０．６４

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３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。また、第４群レンズ４の材質に低屈折材を用いているので、そのパワー不足を、第５レンズの屈折力のパワーに分担させている。

次に、収差補正の役割を担う非球面プラスチックレンズである第１群レンズ１，第２群レンズ２，第４群レンズ４，第５群レンズ５と第６群レンズ６の各レンズ面（非球面）の形状について、図７，８を参照して説明する。本発明では、表１乃至表２０から明らかなように、非球面プラスチックレンズの非球面形状を１４次以上で表される非球面で構成している。

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、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）をとったものである。球面系すなわちＲｄのみの場合をＳｓ（ｒ）、Ｋ，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｆなどの各非球面係数を数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、非球面の程度を示す非球面比率（Ａｓ／Ｓｓの絶対値でその程度が、また±記号で方向が示される）を求めることができる。

表２５乃至表３３に、各非球面レンズのレンズ面における非球面比率と変曲点数を示す。表２５は第１群レンズ１のレンズ面Ｓ１、表２６は第１群レンズ１のレンズ面Ｓ２、表２７は第２群レンズ２のレンズ面Ｓ３、表２８は第２群レンズ２のレンズ面Ｓ４、表２９は第４群レンズ４のレンズ面Ｓ７、表３０は第４群レンズ４のレンズ面Ｓ８、表３１は第５群レンズ５のレンズ面Ｓ９、表３２は第５群レンズ５のレンズ面Ｓ１０、表３３は第６群レンズ６のレンズ面Ｓ１１に関するものである。

表２８に示すように、投写レンズ装置を構成するレンズ群において、第２レンズ群光入射面Ｓ_４に有効半径内に２個所以上に変曲点を有し、かつ、非球面の程度を示す非球面比率Ａ_Ｓｎ／Ｓ_Ｓｎにおいては、表２５乃至表３３に示すように、下記数８の関係が成り立っている。
（数８）０．２３≦Ａ_Ｓ１／Ｓ_Ｓ１≦０．３３
０．６６≦Ａ_Ｓ２／Ｓ_Ｓ２≦０．８９
−１．３０≦Ａ_Ｓ３／Ｓ_Ｓ３≦−１．１７
−０．０２≦Ａ_Ｓ４／Ｓ_Ｓ４≦−０．０１
１．３１≦Ａ_Ｓ７／Ｓ_Ｓ７≦４．０３
２８．２８≦Ａ_Ｓ８／Ｓ_Ｓ８≦６７．７７
−０．３６≦Ａ_Ｓ９／Ｓ_Ｓ９≦５．６８
−０．５５≦Ａ_Ｓ１０／Ｓ_Ｓ１０≦−０．０３
０．９３≦Ａ_Ｓ１１／Ｓ_Ｓ１１≦１．０７
上記のような構成によれば、投写用レンズ装置の収差補正の役割を担う非球面プラスチックレンズにおいて、十分な収差補正能力を得ることができる。

なお、上記では、屈折率が１．５以下でアッベ数が５７以上の非球面プラスチックレンズの材料として、ＰＭＭＡ（屈折率１．４９、アッベ数５８）を用いたが、これに限定されるものではなく、これに準じるものであればよいこというまでもない。例えば、ＰＭＭＡ以外にＣＲ-３９（屈折率１.５０、アッベ数５８）、ＴＰＸ（屈折率１．４６６、アッベ数６１）などを挙げることができる。

以上、述べたように、本発明によれば、次の作用効果が得られる。第４群レンズ４（パワーレンズの映像発生源側に、パワーレンズとに続いて配置される収差補正用レンズ）は、スクリーン側に凹を向けたメニスカス形状を為す。かつ、そのスクリーン側レンズ面Ｓ_７は、その曲率が、光軸から該光軸と外縁との間の所定点に向かうに従って徐々に大きくなり、かつその所定点から外縁に向かうに従って徐々に曲率が小さくなる非球面形状を為している。よって、組み立て時に、光軸を含む中央部及び外縁を含む周辺部において、第３群レンズ３と第４群レンズ４は互いに物理的干渉をせず、組み立てが容易となる。また第４群レンズ４の基材として、低価格な低屈折率材（例えばＰＭＭＡ材）を用い、これに伴う屈折率低下については、より映像発生源側に位置する非球面プラスチックレンズである第５群レンズに屈折力を分担配分して解決を図ることで、効果的なコスト低減を図ることができる。また、本発明に用いた低屈折率材は流動性がよいので、上記のような非球面形状を形成することが容易となり、良好な収差補正を行うための形状を得ることが用意となる。従って、上述したように、パワーレンズである第３群レンズ３との距離を保て、鏡筒組み込み時における第３群レンズ３と第４群レンズ４との物理的干渉をなくすことができるので、生産性の向上を図ることができる。

また、本発明は、映像発生源映像表示面と第６群レンズ６の出射面との間の距離と、レンズエレメントの焦点距離との関係をバランスよく保つようにしている。これにより、反射光の単位体積あたりの強度を低減でき、高コントラストを実現できる。

このように、本発明に係る投写用レンズ装置をもちいれば、画面の全領域にわたって明るく、高コントラストでハイフォーカス、広画角、低歪な画像を得られ、コンパクトな背面投写型画像表示装置が実現できる。従来と同じ６群６枚構成で、フォーカス性能を劣化させることなく、安価なガラスレンズ、プラスチックレンズを使用できることから、コスト低減も実現できる。

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。 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。 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。 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。 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。 コントラスト向上について示した図。 レンズ形状の定義を説明するために用いる説明図。 レンズ形状の定義を説明するために用いる説明図。 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。 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。 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。

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…投写用レンズ装置、１７…投写管、１８…映像光束、１９…筐体、Ｐ_１…投写管螢光面、Ａ…光軸上の物点、Ｂ…画面周辺の物点。

Claims (18)

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ための、複数のレンズを備えた投写用レンズ装置において、
   前記複数のレンズは、該複数のレンズ素子の中で最も強い正の屈折力を持つパワーレンズと、該パワーレンズの映像発生源側に配置され、スクリーン側に凹を向けた負の屈折力を持つメニスカスレンズとを含み、
   前記メニスカスレンズのスクリーン側レンズ面は、その光軸から外縁との間の所定点に向けて曲率が大きくなり、該所定点から外縁に向けて曲率が小さくなる非球面形状を有することを特徴とする投写用レンズ装置。
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ための、複数のレンズを備えた投写用レンズ装置において、
   前記複数のレンズは、該複数のレンズ素子の中で最も強い正の屈折力を持つパワーレンズと、該パワーレンズの映像発生源側に、該パワーレンズと連続的に配置され、スクリーン側に凹を向けた負の屈折力を持つメニスカスレンズとを含み、
   前記メニスカスレンズのスクリーン側レンズ面の、外縁近傍における曲率が、該メニスカスレンズの光軸から前記外縁との間の所定領域における曲率よりも小さくしたことを特徴とする投写用レンズ装置。
3. 前記メニスカスレンズがアッベ数（νｄ）５７以上で、かつ屈折率（ｎｄ）１．５００以下の同じプラスチック材料で構成されることを特徴とする請求項２に記載の投写用レンズ装置。
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、
   前記複数のレンズは、スクリーン側から順に配置された、
   （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）正の屈折力を有し、中心部分の形状が映像発生源側に凸のレンズ面を有したレンズを含む第２レンズ群；
   （ｃ）最も強い正の屈折力を有するパワーレンズを含む第３レンズ群；
   （ｄ）負の屈折力を有し、スクリーン側に凹のレンズ面を有するメニスカスレンズを１枚含む第４レンズ群；
   （ｅ）正の屈折力を有し中心部分の形状が映像発生源側に凸のレンズ面を有したレンズを含む第５レンズ群；
   （ｆ）スクリーン側に凹のレンズ面を有し負の屈折力を持つレンズを含む第６レンズ群；
   を含み、前記第４群レンズに含まれるメニスカスレンズのスクリーン側レンズ面の、外縁近傍における曲率が、該メニスカスレンズの光軸から前記外縁との間の所定領域における曲率よりも小さくしたことを特徴とする投写用レンズ装置。
5. 前記第３レンズ群に含まれるパワーレンズはガラスで構成され、該パワーレンズを除く第１、第２、第４、第５及び第６レンズ群にアッベ数（νｄ）５７以上で、かつ屈折率（ｎｄ）１．５００以下の同じプラスチック材料を使用することを特徴とする請求項４に記載の投写用レンズ装置。
6. 前記第４レンズ群に含まれる負レンズは、その映像発生源側レンズ面の非球面量Ａ_８（球面量Ｓ_Ｓ８／非球面量Ａ_Ｓ８）が、前記第３レンズ群と第４レンズ群面間隔Ｌ_３４に対して次の関係を有することを特徴とする請求項４に記載の投写用レンズ装置。
   ５．３１＜Ａ_８/Ｌ_３４＜１２．５７
7. 前記映像発生源の出射面と前記第６レンズ群の出射面までの距離をｄ、該第６レンズ群の焦点距離をｆ_６としたとき、次の関係を有することを特徴とする請求項４に記載の投写用レンズ装置。
   ―７．６２＜ｆ_６/ｄ＜−５．８６
8. 前記第１レンズ群と第２レンズ群とのレンズ面間隔Ｌ_１２と、前記第２レンズ群と第３レンズ群とのレンズ面間隔Ｌ_２３が、次の関係を有することを特徴とする請求項４に記載の投写用レンズ装置。
   ０．２２＜（Ｌ_２３／Ｌ_１２）＜０．３７
9. 前記第１レンズ群の焦点距離ｆ_１、前記第２レンズ群の焦点距離ｆ_２、前記第３レンズ群焦点距離ｆ_３、前記第４レンズ群焦点距離ｆ_４、前記第５レンズ群焦点距離ｆ_５、前記第６レンズ群の焦点距離をｆ_６、投写用レンズ装置全系の焦点距離をｆ_０としたとき、次の関係を有することを特徴とする請求項４に記載の投写用レンズ装置。
   ０．２９＜ｆ_０／ｆ_１＜０．３３
   ０．００＜ｆ_０／ｆ_２＜０．０１
   ０．８１＜ｆ_０／ｆ_３＜０．８３
   −０．０９＜ｆ_０／ｆ_４＜−０．０４
   ０．２５＜ｆ_０／ｆ_５＜０．３０
   −０．７０＜ｆ_０／ｆ_６＜−０．６４
10. 前記第１レンズ群のスクリーン側レンズ面の球面量Ｓ_Ｓ１に対する非球面量をＡ_Ｓ１、該第１レンズ群の映像発生源側の球面量Ｓ_Ｓ２に対する非球面量をＡ_Ｓ２、前記第２レンズ群のスクリーン側レンズ面の球面量Ｓ_Ｓ３に対する非球面量をＡ_Ｓ３、該第２レンズ群の映像発生源側の球面量Ｓ_Ｓ４に対する非球面量をＡ_Ｓ４、前記第４レンズ群のスクリーン側レンズ面の球面量Ｓ_Ｓ７に対する非球面量をＡ_Ｓ７、該第４レンズ群の映像発生源側の球面量Ｓ_Ｓ8に対する非球面量をＡ_Ｓ8、前記第５レンズ群のスクリーン側レンズ面の球面量Ｓ_Ｓ9に対する非球面量をＡ_Ｓ9、該第５レンズ群の映像発生源側の球面量Ｓ_Ｓ10に対する非球面量をＡ_Ｓ10、前記第６レンズ群のスクリーン側レンズ面の球面量Ｓ_Ｓ11に対する非球面量をＡ_Ｓ11としたとき、次の関係を有することを特徴とする請求項４に記載の投写用レンズ装置。
    ０.２３≦Ａ_Ｓ1／Ｓ_Ｓ1≦０．３３
    ０．６６≦Ａ_Ｓ２／Ｓ_Ｓ２≦０．８９
    −１．３０≦Ａ_Ｓ３／Ｓ_Ｓ３≦-１．１７
    −０．０２≦Ａ_Ｓ４／Ｓ_Ｓ４≦-０．０１
    １．３１≦Ａ_Ｓ７／Ｓ_Ｓ７≦４．０３
    ２８．２８≦Ａ_Ｓ８／Ｓ_Ｓ８≦６７．７７
    −０．３６≦Ａ_Ｓ９／Ｓ_Ｓ９≦５．６８
    −０．５５≦Ａ_Ｓ１０／Ｓ_Ｓ１０≦-０．０３
    ０．９３≦Ａ_Ｓ１１／Ｓ_Ｓ１１≦１．０７
11. 前記第２レンズ群の映像発生源側レンズ面に変曲点が２つ以上あることを特徴とする請求項４に記載の投写用レンズ装置。
12. 前記第３レンズ群に含まれるパワーレンズの硝材のアッベ数（νｄ）が６０以上で、かつ屈折率（ｎｄ）が１．６００以下としたことを特徴とする請求項４に記載の投写用レンズ装置。
13. 前記映像発生源として投写管を用い、第６レンズ群は、スクリーンに対して凹面を向けたレンズ面を有する負の屈折力を持つレンズと、前記投写管を冷却するための冷却液と、前記投写管の蛍光面ガラスとを含み、該蛍光面ガラスの曲率中心がスクリーン側に存在することを特徴とする請求項４に記載の投写用レンズ装置。
14. 前記投写用レンズ装置において、第６群の少なくともレンズ素子あるいは冷却液のいずれか及び両者に波長選択性のフィルター作用を持たせたことを特徴とする請求項９に記載の投写用レンズ装置。
15. 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ための、複数のレンズを備えた投写用レンズ装置において、
    前記複数のレンズのうち、前記映像発生源に最も近い位置に配置された負レンズは、スクリーン側に凹を向けた凹メニスカスレンズを含み、
    前記映像発生源の出射面と前記凹メニスカスレンズの出射面までの距離をｄ、該凹メニスカスレンズを含む負レンズの焦点距離をｆ_６としたとき、次の関係を有することを特徴とする投写用レンズ装置。
    ―７．６２＜ｆ_６/ｄ＜−５．８６
16. スクリーンと、映像発生源と、該映像発生源に表示された原画像を前記スクリーンに拡大投影するための、複数のレンズを有する投写用レンズ装置とを備えた背面投写型画像表示装置において、
    前記投写用レンズ装置が有する複数のレンズは、該複数のレンズ素子の中で最も強い正の屈折力を持つパワーレンズと、該パワーレンズの映像発生源側に配置され、スクリーン側に凹を向けた負の屈折力を持つメニスカスレンズとを含み、
    前記メニスカスレンズのスクリーン側レンズ面は、その光軸から外縁との間の所定点に向けて曲率が大きくなり、該所定点から外縁に向けて曲率が小さくなる非球面形状を有することを特徴とする投写用レンズ装置。
17. スクリーンと、映像発生源と、該映像発生源に表示された原画像を前記スクリーンに拡大投影するための、複数のレンズを有する投写用レンズ装置とを備えた背面投写型画像表示装置において、
    前記投写用レンズ装置は、スクリーン側から順に配置された、
    （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）正の屈折力を有し、中心部分の形状が映像発生源側に凸のレンズ面を有したレンズを含む第２レンズ群；
    （ｃ）最も強い正の屈折力を有するパワーレンズを含む第３レンズ群；
    （ｄ）負の屈折力を有し、スクリーン側に凹のレンズ面を有するメニスカスレンズを１枚含む第４レンズ群；
    （ｅ）正の屈折力を有し中心部分の形状が映像発生源側に凸のレンズ面を有したレンズを含む第５レンズ群；
    （ｆ）スクリーン側に凹のレンズ面を有し負の屈折力を持つレンズを含む第６レンズ群；
    を含み、前記第４群レンズに含まれるメニスカスレンズのスクリーン側レンズ面の、外縁近傍における曲率が、該メニスカスレンズの光軸から前記外縁との間の所定領域における曲率よりも小さくしたことを特徴とする背面投写型画像表示装置。
18. 前記第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）とが、次の関係を有することを特徴とする請求項１７に記載の背面投写型画像表示装置。
    １７．０＜（Ｌ／Ｍ）＜１７．４

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